JP4632963B2

JP4632963B2 - 電圧測定装置

Info

Publication number: JP4632963B2
Application number: JP2006029219A
Authority: JP
Inventors: 憲一朗水流; 彰彦工藤; 正樹長岡; 昭彦江守
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: JP2007212146A

Description

本発明は電圧測定装置に係り、特に、複数個の単電池を接続した組電池の総電圧を測定する電圧測定装置に関する。

例えば、純正電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の電気自動車には、モータの駆動源となる電池モジュールが搭載されている。このような電池モジュールは、複数個の単電池を接続した組電池として構成されている。組電池を構成する単電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル・水素二次電池が使用される場合が多い。

電池の制御には、電池電圧を測定することが一般的であり、組電池を構成する単電池それぞれの電圧を測定する方式と組電池の総電圧を測定する方式とが知られている。なお、総電圧を高精度に測定する技術として、総電圧の温度補正を行うもの（例えば、特許文献１参照）や、単電池電圧と電流センサで測定された電流とで最大内部抵抗を有する単電池の回帰演算により電池モジュールの入出力可能電力を推定するものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２７２０１１号公報特開２００３−２４３０４４号公報

しかしながら、単電池それぞれの電圧を測定する方式では、組電池を構成する単電池の数が多くなるにつれ測定するまでに時間がかかり、例えば、上述したように、絶えず充放電を繰り返す電気自動車等のシステムの場合には、測定の同時性がなく電池電圧の変化に追従できず、結果として制御するためのデータが得られず信頼性が低下する、という問題があった。逆に、測定の同時性を重視すると、同時性を確保するための構成を設けなければならず、制御が複雑となり高コストとなる。一方、組電池の総電圧値を測定する方式では、組電池を構成する単電池の数が多くなるにつれ測定する電圧範囲が高くなることにより、測定の誤差が大きくなる、という問題があった。逆に、精度を上げるために高精度な部品を用いると高コストになる。

本発明は上記事案に鑑み、高精度な部品を用いなくても組電池の総電圧を精度よく測定することができる電圧測定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数個の単電池を接続した組電池の総電圧を測定する電圧測定装置において、前記組電池の総電圧を測定する総電圧測定手段と、前記総電圧測定手段より電圧測定精度が高く、前記組電池を構成する各単電池の電圧を測定する単電池電圧測定手段と、予め定められた一定時間において前記単電池電圧測定手段で測定された前記単電池の電圧の平均値または移動平均値と、前記一定時間において前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧を前記組電池を構成する単電池の接続個数で除した平均電圧値または移動平均電圧値とから補正係数を算出し、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧に前記算出した補正係数を乗じること、および、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧に、前記算出した補正係数に前記組電池を構成する単電池の接続個数を乗じた値を加えることの少なくとも一方で、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧を補正する総電圧補正手段と、を備える。

本発明では、総電圧測定手段により組電池の総電圧が測定され、総電圧測定手段より電圧測定精度が高い単電池電圧測定手段により組電池を構成する各単電池の電圧が測定される。そして、総電圧補正手段により、予め定められた一定時間において単電池電圧測定手段で測定された単電池の電圧の平均値または移動平均値と、その一定時間において総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧を組電池を構成する単電池の接続個数で除した平均電圧値または移動平均電圧値とから補正係数を算出し、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧に該算出した補正係数を乗じること、および、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧に、該算出した補正係数に組電池を構成する単電池の接続個数を乗じた値を加えることの少なくとも一方で、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧が補正される。

総電圧補正手段による組電池の総電圧の補正の態様としては、（１）（一定時間において単電池電圧測定手段で測定された単電池電圧の移動平均値ＶＡｂ）／（一定時間において総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧Ｖｔを組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧の移動平均値ＶＡｃ）を補正係数Ｒａとし、組電池の総電圧Ｖｔに補正係数Ｒａを乗ずることで補正する態様、（２）一定時間において単電池電圧測定手段で測定された単電池電圧の移動平均値ＶＡｂと、一定時間において総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧Ｖｔを組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧の移動平均値ＶＡｃとの差を補正係数Ｒｂとし、組電池の総電圧Ｖｔに、補正係数Ｒｂに組電池を構成する単電池の接続個数ｎを乗じた値を加えることで補正する態様、（３）一定時間において単電池電圧測定手段で測定された単電池の平均電圧Ｖｂと、一定時間において総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧Ｖｔを組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧Ｖｃとの相関関係の傾き成分を補正係数Ｒｃ、切片成分を補正係数Ｒｄとし、組電池の総電圧Ｖｔに補正係数Ｒｃを乗じ、かつ、補正係数Ｒｄに組電池を構成する単電池の接続個数ｎを乗じた値を加えることで補正する態様を挙げることができる。

本発明によれば、総電圧補正手段により、予め定められた一定時間において単電池電圧測定手段で測定された単電池の電圧の平均値または移動平均値と、その一定時間において総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧を組電池を構成する単電池の接続個数で除した平均電圧値または移動平均電圧値とから補正係数を算出し、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧に該算出した補正係数を乗じること、および、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧に、該算出した補正係数に組電池を構成する単電池の接続個数を乗じた値を加えることの少なくとも一方で、総電圧測定手段で測定された組電池の総電圧を補正するので、高精度な部品を用いなくても組電池の総電圧の測定精度を向上させることができる、という効果を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を、ハイブリッド電気自動車に搭載された電池モジュール（組電池）の総電圧を測定する電圧測定装置に適用した第１の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の電圧測定装置１０の電圧測定の対象となる組電池は、単電池Ｃ１〜Ｃ４８の４８個（ｎ＝４８）の単電池（セル）を直列接続して構成されている。本実施形態では、各単電池Ｃとして、容量が３．６Ａｈ、定格電圧４Ｖのリチウムイオン二次電池が用いられている。

電圧測定装置１０は、後述するように電圧検出対象の単電池を選択可能なマルチプレクサ等で構成され単電池Ｃ１〜Ｃ４８の各単電池電圧を検出する単電池電圧検出回路１と、分圧回路及び複数の差動増幅器を有して構成され組電池の総電圧を検出する組電池電圧検出回路２と、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）３と、を備えている。

マイコン３は、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、電圧測定装置１０の基本制御プログラムや後述する数式等のプログラムデータが格納されたＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ等を含んで構成されている。マイコン３はＡＤコンバータを内蔵しており、電圧検出回路１、２で検出したアナログ電圧がＡＤ入力ポート（図１では、各セルの電圧値データ入力及び総電圧のデータ入力として表示）から入力され、ＡＤコンバータの出力としてデジタル値を取り込むことができる。また、マイコン３は、電圧検出回路１に検出対象の単電池を指定する測定電圧指定ポートを有している。なお、マイコン３は、測定した単電池Ｃ１〜Ｃ４８の各電圧及び組電池の総電圧を、インターフェースを介して、電気自動車全体を制御する車両制御システムに報知する。

次に、本実施形態の電圧測定装置１０の動作について、マイコン３のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵと略称する。）を主体として説明する。

ＣＰＵは、測定電圧指定ポートから電圧検出回路１に検出対象の単電池を指定し、電圧検出回路１は指定された単電池の電圧を検出する。ＣＰＵは、電圧検出回路１により検出された電圧を、ＡＤコンバータを介してデジタル値で取り込む。また、これに同期して、電圧検出回路２により検出された組電池の電圧値を、ＡＤコンバータを介してデジタル値で取り込む。電圧検出回路１、２が１つのデータ（電圧値）を取り込むのに、例えば、１０ｍｓ必要であれば、すべての単電池電圧を得るためには１０×４８＝４８０ｍｓ経過することになり、測定に最大４８０ｍｓのズレが生じる。また、電圧検出回路１は単電池の電圧（４Ｖ程度）を検出できればよいが、電圧検出回路２は４×４８＝１９２Ｖの組電池の総電圧を測定しなければならず検出精度が悪くなる。

本実施形態では、ＣＰＵが、一定時間（例えば、６０秒間）、電圧検出回路１、２からのデータを取り込み、電圧検出回路１で検出された精度の高い単電池電圧と、電圧検出回路２で検出された精度の低い（組電池の）総電圧とから算出した補正係数により測定した精度の低い総電圧を補正し、高精度の各単電池電圧及び組電池の総電圧を車両制御システムに報知するものである。

すなわち、ＣＰＵは、電圧検出回路１を介して測定した各単電池の平均電圧の移動平均値ＶＡｂ、電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを単電池個数ｎで除した単電池の平均電圧Ｖｃの移動平均値ＶＡｃ、補正後の総電圧Ｖｄを演算する。補正後の総電圧Ｖｄにおける単電池の平均電圧Ｖｄａは、Ｖｄａ＝Ｖｃ×（ＶＡｂ／ＶＡｃ）で表される。ここで、（ＶＡｂ／ＶＡｃ）は補正係数Ｒａとして表され、Ｖｄａ＝Ｖｃ×Ｒａと書き直すことができる。このため、ＣＰＵは、組電池全体の補正後の総電圧ＶｄをＶｄ＝Ｖｔ×Ｒａとして演算し（Ｖｄ＝ｎ×Ｖｄａ、Ｖｔ＝ｎ×Ｖｃ）、精度の低い電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを補正する。

（第２実施形態）
次に、本発明を、ハイブリッド電気自動車に搭載された電池モジュールの総電圧を測定する電圧測定装置に適用した第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態以降の実施形態において、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略し、以下、異なる箇所のみ説明する。

ＣＰＵは、第１実施形態と同様に、電圧検出回路１を介して測定した各単電池の平均電圧の移動平均値ＶＡｂ、電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを単電池個数ｎで除した単電池の平均電圧Ｖｃの移動平均値ＶＡｃ、補正後の総電圧Ｖｅを演算するが、補正後の総電圧Ｖｅを演算する式が第１実施形態とは異なっている。すなわち、補正後の総電圧Ｖｅにおける単電池の平均電圧Ｖｅａは、Ｖｅａ＝Ｖｃ＋（ＶＡｂ−ＶＡｃ）で表される。ここで、（ＶＡｂ−ＶＡｃ）は補正係数Ｒｂとして表され、Ｖｅａ＝Ｖｃ＋Ｒｂと書き直すことができる。ＣＰＵは、組電池全体の補正後の総電圧ＶｅをＶｅ＝Ｖｔ＋（ｎ×Ｒｂ）として演算し、精度の低い電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを補正する。

（第３実施形態）
次に、本発明を、ハイブリッド電気自動車に搭載された電池モジュールの総電圧を測定する電圧測定装置に適用した第３の実施の形態について説明する。

ＣＰＵは、電圧検出回路１を介して測定した各単電池の平均電圧Ｖｂと、電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを単電池個数ｎで除した単電池の平均電圧Ｖｃとの相関関係の傾きを第１補正係数Ｒｃ、切片を第２補正係数Ｒｄとして演算する。補正後の総電圧Ｖｆにおける単電池の平均電圧Ｖｆａは、Ｖｆａ＝Ｖｃ×Ｒｃ＋Ｒｄで表される。このため、ＣＰＵは、組電池全体の補正後の総電圧ＶｆをＶｆ＝Ｖｔ×Ｒｃ＋（ｎ×Ｒｄ）として演算し、精度の低い電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを補正する。

（効果等）
次に、下表１を参照して、上記実施形態の電圧測定装置１０の効果等について説明する。なお、表１は、第１〜第３実施形態の電圧測定装置１０での測定値及び補正結果から抜粋した３０秒間の値を単電池ベースで示したものである。

表１に示すように、実際の総電圧における単電池の平均電圧Ｖａに対する電圧検出回路２を介して測定した組電池の総電圧Ｖｔを単電池個数ｎで除した単電池の平均電圧Ｖｃの誤差はＧ１である。第１実施形態の電圧測定装置１０では、実際の総電圧における単電池の平均電圧Ｖａに対する補正後の総電圧Ｖｄにおける単電池の平均電圧Ｖｄａの誤差はＧ２で、誤差Ｇ１の最大値０．２８１９８（Ｖ）に対し、誤差Ｇ２の最大値は０．１０３０８（Ｖ）と１／２．７程度まで抑えることができている。第２実施形態の電圧測定装置１０では、実際の総電圧における単電池の平均電圧Ｖａに対する補正後の総電圧Ｖｅにおける単電池の平均電圧Ｖｅａの誤差はＧ３で、誤差Ｇ１の最大値０．２８１９８（Ｖ）に対し、誤差Ｇ３の最大値は０．１１１６６（Ｖ）と１／２．５程度まで抑えることができている。第３実施形態の電圧測定装置１０では、実際の総電圧における単電池の平均電圧Ｖａに対する補正後の総電圧Ｖｆにおける単電池の平均電圧Ｖｆａの誤差はＧ４で、誤差Ｇ１の最大値０．２８１９８（Ｖ）に対し、誤差Ｇ４の最大値は−０．１０３７９（Ｖ）と１／２．７程度まで抑えることができている。

以上のように、上記実施形態の電圧測定装置１０では、一定時間において電圧検出回路２を介して測定された組電池の総電圧Ｖｔを、一定時間において電圧検出回路１を介して測定された高精度の単電池の電圧と、電圧検出回路２を介して測定された組電池の総電圧Ｖｔとから算出した補正係数を用いて補正するので、高精度な部品を用いなくても組電池の総電圧の測定精度を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、一定時間の一例として６０秒を例示したが、本発明を適用する電池モジュール（組電池）の用途、電池モジュールにおける総電圧の精度、単電池電圧の精度、及び、測定時間等に応じて最適な時間を設定することが望ましい。また、上記実施形態では、電気自動車用の電池モジュールの総電圧を測定する電圧測定装置やリチウムイオン二次電池を単電池として例示したが、本発明がこれに制限されるものではないことは云うまでもない。

本発明は高精度な部品を用いなくても組電池の総電圧を精度よく測定することができる電圧測定装置を提供するものであるため、電圧測定装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電圧測定装置の概略ブロック回路図である。

符号の説明

１単電池電圧検出回路（単電池電圧測定手段の一部）
２組電池電圧検出回路（総電圧測定手段の一部）
３マイクロコンピュータ（単電池電圧測定手段の一部、総電圧測定手段の一部、総電圧補正手段）
１０電圧測定装置

Claims

複数個の単電池を接続した組電池の総電圧を測定する電圧測定装置において、
前記組電池の総電圧を測定する総電圧測定手段と、
前記総電圧測定手段より電圧測定精度が高く、前記組電池を構成する各単電池の電圧を測定する単電池電圧測定手段と、
予め定められた一定時間において前記単電池電圧測定手段で測定された前記単電池の電圧の平均値または移動平均値と、前記一定時間において前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧を前記組電池を構成する単電池の接続個数で除した平均電圧値または移動平均電圧値とから補正係数を算出し、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧に前記算出した補正係数を乗じること、および、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧に、前記算出した補正係数に前記組電池を構成する単電池の接続個数を乗じた値を加えることの少なくとも一方で、前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧を補正する総電圧補正手段と、
を備えた電圧測定装置。
前記総電圧補正手段は、（前記一定時間において前記単電池電圧測定手段で測定された単電池電圧の移動平均値ＶＡｂ）／（前記一定時間において前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧Ｖｔを前記組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧の移動平均値ＶＡｃ）を補正係数Ｒａとし、前記組電池の総電圧Ｖｔに前記補正係数Ｒａを乗ずることで補正することを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
前記総電圧補正手段は、前記一定時間において前記単電池電圧測定手段で測定された単電池電圧の移動平均値ＶＡｂと、前記一定時間において前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧Ｖｔを前記組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧の移動平均値ＶＡｃとの差を補正係数Ｒｂとし、前記組電池の総電圧Ｖｔに、前記補正係数Ｒｂに前記組電池を構成する単電池の接続個数ｎを乗じた値を加えることで補正することを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
前記総電圧補正手段は、前記一定時間において前記単電池電圧測定手段で測定された単電池の平均電圧Ｖｂと、前記一定時間において前記総電圧測定手段で測定された前記組電池の総電圧Ｖｔを前記組電池を構成する単電池の接続個数ｎで除した平均電圧Ｖｃとの相関関係の傾き成分を補正係数Ｒｃ、切片成分を補正係数Ｒｄとし、前記組電池の総電圧Ｖｔに前記補正係数Ｒｃを乗じ、かつ、前記補正係数Ｒｄに前記組電池を構成する単電池の接続個数ｎを乗じた値を加えることで補正することを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。