JP4588596B2 - フライングキャパシタ方式電圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧測定装置に関し、特に、コンデンサの充電を利用して電圧源の電圧を測定するフライングキャパシタ方式電圧測定装置に関する。

電気自動車の電源のように、多数個の電池（電圧源）を直列接続して構成される高圧電源において、高圧電源を構成する各個別電池（電圧源）の電圧を、それぞれ測定する装置として、フライングキャパシタ方式電圧測定装置がある。

図１は、従来のフライングキャパシタ方式電圧測定装置の構成図である。図１において、直列接続された電圧源Ｖ１〜Ｖ５は、電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ６から、スイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５から成る第１のマルチプレクサ１およびスイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ６から成る第２のマルチプレクサ２を経由してコンデンサ３に接続され、さらに、コンデンサ３は、スイッチ４ａ，４ｂから成るサンプルスイッチ４と、極性補正手段６とを経由して、電圧計測手段としてのマイコン７に接続されている。マイコン７は、その電源ポートＶｃｃに、電源＋Ｖｃｃから駆動電圧が供給され、測定すべき電圧が入力される入力ポートＡ／Ｄ１を備えている。

上述の構成において、サンプルスイッチ４が開いた状態で、第１および第２のマルチプレクサ１，２により所望の電圧源を選択した後に、第１および第２のマルチプレクサ１，２を開いてサンプルスイッチ４を閉じる動作を繰り返すことにより、電圧源Ｖ１〜Ｖ５の各電圧を計測することができる。

たとえば、スイッチＳ１とＳ２を閉じれば、電圧源Ｖ１の電圧がコンデンサ３に充電され、次にスイッチＳ１とＳ２を開いた後、サンプルスイッチ４を閉じると、電圧計測手段としてのマイコン７にコンデンサ３の充電電圧すなわち電圧源Ｖ１の電圧が入力される。このようにして、マルチプレクサ１，２とサンプルスイッチ４は、同時に閉じないため、電圧源Ｖ１の電圧は絶縁的に計測される。

また、この装置では、奇数番目の電圧源と偶数番目の電圧源の検出電圧極性を揃えるための極性補正手段６を備えている。極性補正手段６は、たとえば差動アンプで構成された絶対値回路等が用いられる。

このようなフライングキャパシタ方式電圧測定装置は、たとえば、特開平１１−２４８７５５号公報（特許文献１）に開示されている。
特開平１１−２４８７５５号公報

しかしながら、上述の従来装置では、浮遊容量、その他の影響により、マイコン７の入力ポートＡ／Ｄ１にオフセット電圧が発生した場合、そのオフセット分がそのまま電圧検出精度を低下させる原因となってしまう。すなわち、机上による設計段階とは違い実機では、部品精度に起因する検出誤差要因に加えて、プリント基板パターン引き回し、周囲ノイズ環境等による部品精度誤差要因以外の把握できない誤差要因（Ａ／Ｄ入力レベルの変動）が存在し、これらの原因に起因するオフセット分が発生する。

特に小信号を扱う場合は、オフセット誤差の実電圧に占める割合が大きくなってしまうため、電圧検出精度の低下が著しい。

そこで本発明は、上述した課題に鑑み、電圧計測の精度の向上を図ることができる電圧測定方法および装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、コンデンサと、直列接続されたＮ個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、前記コンデンサの両端電圧が供給される電圧計測手段とを備え、測定すべき前記電圧源の電圧を前記コンデンサに充電し、充電された前記コンデンサの電荷を所定の電圧計測期間中に前記電圧計測手段で計測し、得られた計測値から前記電圧源の電圧を算出するフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値をオフセット値として記憶する記憶手段と、前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であるか否かを判定する判定手段をさらに備え、前記記憶手段は、前記判定手段により前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定された場合は、前記計測値をオフセット値として記憶し、前記判定手段により前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定されなかった場合は、前記設定値をオフセット値として記憶し、前記電圧計測手段は、前記電圧計測期間中に求めた前記計測値から前記記憶手段に記憶されている前記オフセット値を差し引く演算を行うことにより、前記電圧源の電圧を算出することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、コンデンサと、直列接続されたＮ個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、コンデンサの両端電圧が供給される電圧計測手段とを備え、測定すべき電圧源の電圧をコンデンサに充電し、充電されたコンデンサの電荷を所定の電圧計測期間中に電圧計測手段で計測し、得られた計測値から電圧源の電圧を算出するフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値をオフセット値として記憶する記憶手段と、コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であるか否かを判定する判定手段をさらに備え、記憶手段は、判定手段によりコンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定された場合は、計測値をオフセット値として記憶し、判定手段によりコンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定されなかった場合は、設定値をオフセット値として記憶し、電圧計測手段は、電圧計測期間中に求めた計測値から記憶手段に記憶されているオフセット値を差し引く演算を行うことにより、電圧源の電圧を算出するので、部品の追加を要せずに、電圧検出精度を向上させることができる。特に、小信号の検出精度を向上させることができる。また、ノイズによる計測不良を軽減した電圧測定装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電圧測定装置の構成を示す回路図である。電圧測定装置は、フライングキャパシタ方式電圧測定装置であり、高圧電源Ｖの電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ６に接続された第１のマルチプレクサ１および第２のマルチプレクサ２、両極性のコンデンサ３、サンプルスイッチ４、極性補正手段６およびマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）７を含む。

高圧電源Ｖは、直列接続されたＮ個（この形態では、たとえばＮ＝５）の電圧源（たとえば、単電池）Ｖ１〜Ｖ５を含む。各電圧源Ｖ１〜Ｖ５は、（Ｎ＋１）個（この形態では、たとえば６個）の電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ６にそれぞれ接続されている。

第１のマルチプレクサ１は、各電圧検出端子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５にそれぞれ接続されたスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５を含む。また、第２のマルチプレクサ２は、各電圧検出端子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６にそれぞれ接続されたスイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ６を含む。

第１のマルチプレクサ１のスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５は、コンデンサ３の一方の端子に接続され、第２のマルチプレクサ２のスイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ６は、コンデンサ３の他方の端子に接続されている。

サンプルスイッチ４は、コンデンサ３の一方の端子に接続されたスイッチ４ａと、コンデンサ３の他方の端子に接続されたスイッチ４ｂを含む。

極性補正手段６は、奇数番目の電圧源と偶数番目の電圧源の検出電圧極性を揃えるためのものであり、たとえば差動アンプで構成された絶対値回路が用いられる。

マイコン７は、電圧計測手段、記憶手段および判定手段として働き、電源＋Ｖｃｃからの駆動電圧が供給される電源ポートＶｃｃと、入力ポートＡ／Ｄ１を有する。マイコン７は、入力ポートＡ／Ｄ１に入力される電圧をＡ／Ｄ変換して読み込む。

次に、上述の構成を有するフライングキャパシタ方式電圧測定装置の電圧計測処理について説明する。まず、コンデンサ３の電荷がない完全放電状態時（電荷を放電しきった状態時）に、サンプルスイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを閉じてコンデンサ３の両端電圧をマイコン７で計測し、この計測値を電圧測定装置のオフセット誤差を表すオフセット値として内蔵の記憶部に記憶しておく。このオフセット誤差は理論的にはゼロであるが、通常計測と全く同じ計測状態で計測されるものであるから、実機における回路、周囲環境等の固有の誤差要因を表す数値として考えることができる。

次に、通常の電圧計測期間において、第１および第２のマルチプレクサ１および２のスイッチのうち測定すべき電圧源に対応するスイッチを閉じて、通常の計測サイクルを開始する。たとえば、電圧源Ｖ１の電圧計測時には、第１のマルチプレクサ１のスイッチＳ１と第２のマルチプレクサ２のスイッチＳ２を閉じると、電圧源Ｖ１、電圧検出端子Ｔ１、スイッチＳ１、コンデンサ３、スイッチＳ２および電圧検出端子Ｔ２により閉回路が形成される。それにより、電圧源Ｖ１の電圧が、スイッチＳ１に接続されているコンデンサ３の端子側がプラスの極性になるように、コンデンサ３に充電される。

次に、スイッチＳ１およびＳ２を開いて、サンプルスイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを所定期間閉じ、充電されたコンデンサ３の電荷、すなわち電圧源Ｖ１の電圧をサンプルスイッチ４および極性補正手段６を介して、マイコン７の入力ポートＡ／Ｄ１に供給する。

マイコン７は、入力ポートＡ／Ｄ１に供給された電圧の計測値から記憶部に記憶していたオフセット値を差し引く演算を行い、演算結果を電圧源Ｖ１の電圧を示す値として読み込む。以上で電圧源Ｖ１の電圧計測は終了し、各スイッチは全て開かれ、計測前の待機状態に戻される。

次に、電圧源Ｖ２の電圧計測に先立ち、コンデンサ３の電荷がない完全放電状態時にあることを確認した後、再び、サンプルスイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを閉じてコンデンサ３の両端電圧をマイコン７で計測し、この計測値を電圧測定装置のオフセット誤差を表すオフセット値として内蔵の記憶部に記憶しておく。

次に、電圧源Ｖ２の電圧計測期間において、スイッチＳ２およびＳ３を閉じると、電圧源Ｖ２、電圧検出端子Ｔ２、スイッチＳ２、コンデンサ３、スイッチＳ３および電圧検出端子Ｔ３により閉回路が形成される。それにより、電圧源Ｖ２の電圧が、電圧源Ｖ１の測定時と逆極性で、すなわち、スイッチＳ２に接続されているコンデンサ３の端子側がプラスの極性になるように、コンデンサ３に充電される。

次に、スイッチＳ２およびＳ３を開いて、サンプルスイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを所定期間閉じ、充電されたコンデンサ３の電荷、すなわち電圧源Ｖ２の電圧をサンプルスイッチ４および極性補正手段６を介して、マイコン７の入力ポートＡ／Ｄ１に供給する。

マイコン７は、入力ポートＡ／Ｄ１に供給された電圧の計測値から記憶部に記憶していたオフセット値を差し引く演算を行い、演算結果を電圧源Ｖ２の電圧を示す値として読み込む。以上で電圧源Ｖ２の電圧計測は終了し、各スイッチは全て開かれ、計測前の待機状態に戻される。

以下同様に、スイッチＳ３およびＳ４、Ｓ４およびＳ５、Ｓ５およびＳ６の組み合わせにより、それぞれ、電圧源Ｖ３、Ｖ４およびＶ５の電圧計測が行われる。

次に、上述の電圧計測処理を図２に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、コンデンサ３の電荷がない完全放電状態時（電荷を放電しきった状態時）にコンデンサ３の両端電圧をマイコン７で計測する（ステップＳ１；電圧計測手段）。次に、この計測値が予め設定された設定値Ｖｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２；判定手段）。この設定値Ｖｔは、オフセット誤差の上限を設定するものであり、マイコン７の入力ポートＡ／Ｄ１におけるＡ／Ｄ変換の数ビット分に相当する電圧、たとえば、５ビット分に相当する２５ｍＶに設定される。

計測値が設定値Ｖｔ以下であれば（ステップＳ２のＹ）、次いで、マイコン７は、オフセット値として計測値をその記憶部に記憶し（ステップＳ３；記憶手段）、次いでステップＳ５に進む。

一方、計測値が設定値Ｖｔ以下でなければ（ステップＳ２のＮ）、次いで、マイコン７は、オフセット値として設定値Ｖｔをその記憶部に記憶し（ステップＳ４；記憶手段）、次いでステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、電圧源の電圧を計測する通常の電圧計測サイクルが開始される。すなわち、第１および第２のマルチプレクサ１および２のスイッチのうち測定すべき電圧源に対応するスイッチを閉じて、コンデンサ３を充電し、次いで第１および第２のマルチプレクサ１および２のスイッチを開いて、サンプルスイッチ４を所定期間閉じて、充電されたコンデンサの電荷をマイコン７で計測し、計測値を得る。

次に、マイコン７は、得られた計測値から記憶部に記憶していたオフセット値を差し引く演算を行い、演算結果を測定すべき電圧源の電圧を示す計測データとして記憶部に記憶する（ステップＳ６）。ステップＳ６に続いて、ステップＳ１に戻り、次に計測すべき電圧源の電圧計測を実行する。

このように、本発明によれば、計測直前の電圧測定装置のオフセット誤差を、ノイズによる計測不良の可能性も考慮し、電圧源の電圧計測毎にモニタしておき、かつ予めその上限を設定値として設定しておき、実際の電圧源電圧計測時にはその都度把握しているオフセット誤差を電圧検出値から差し引くことにより、周囲の影響によるオフセット誤差を取り除き、検出精度を向上させることができる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施形態では、マルチプレクサ１，２の各スイッチＳ１〜Ｓ６と、サンプルスイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂの開閉は、マイコン７の制御により自動的に適宜なタイミングで行われるが、これに代えて手動で開閉しても良い。

また、上述の各実施形態では、本発明がフライングキャパシタ方式電圧測定装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、コンデンサの充電を利用する電圧測定装置であれば、フライングキャパシタを使用しない直接計測方式電圧測定装置やマルチプレクサなしの電圧測定装置等の他の形式の電圧測定装置でも適用可能である。また、コンデンサの充電を利用する地絡検出装置（たとえば、特開２００４−１７０１０３号公報参照）にも適用可能である。

従来および本発明に係るフライングキャパシタ方式電圧測定装置の構成を示す回路図である。 図１のフライングキャパシタ方式電圧測定装置における動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

Ｖ１〜Ｖ５ 電圧源
１ 第１のマルチプレクサ
２ 第２のマルチプレクサ
３ コンデンサ
４ サンプルスイッチ
７ マイコン（電圧計測手段、記憶手段、判定手段）

Claims (1)

1. コンデンサと、直列接続されたＮ個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、前記コンデンサの両端電圧が供給される電圧計測手段とを備え、測定すべき前記電圧源の電圧を前記コンデンサに充電し、充電された前記コンデンサの電荷を所定の電圧計測期間中に前記電圧計測手段で計測し、得られた計測値から前記電圧源の電圧を算出するフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、
   前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値をオフセット値として記憶する記憶手段と、
   前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であるか否かを判定する判定手段をさらに備え、
   前記記憶手段は、前記判定手段により前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定された場合は、前記計測値をオフセット値として記憶し、前記判定手段により前記コンデンサの電荷を放電しきった状態時に計測された計測値が予め設定された設定値以下であると判定されなかった場合は、前記設定値をオフセット値として記憶し、
   前記電圧計測手段は、前記電圧計測期間中に求めた前記計測値から前記記憶手段に記憶されている前記オフセット値を差し引く演算を行うことにより、前記電圧源の電圧を算出する
   ことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置。

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