JP5104539B2 - 電圧測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルの電圧を測定する技術に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車等においては、電動モータの電源として、複数の電池セルを直列接続した電池セルユニットが用いられている。ここで、電池セルの個体差等に起因して、電池セル間で充放電の偏りが生じえる。電池セルが過充電或いは過放電となると、その劣化が生じ易いという問題がある。そこで、電池セルの電圧を測定し、各電池セル間の蓄電量を調整することが提案されている。
電池セルの電圧の測定方法としては、フライングキャパシタ方式が提案されている(特許文献1等)。フライングキャパシタ方式は、スイッチ回路によって、コンデンサと測定対象とする電池セルとを並列接続して充電し、両者を切り離した後、コンデンサの電圧を測定することで測定対象とする電池セルの電圧を測定するものである。
特開2007−40842号公報
ここで、各電池セル間の蓄電量を調整する前提として、電池セルの電圧の測定には一定の精度が求められる。しかし、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定する場合、スイッチ回路には寄生容量が存在することから、コンデンサの測定電圧と電池セルの実電圧との間に誤差が生じ得る。コンデンサの容量を大きくすることで、スイッチ回路の寄生容量の影響を小さくすることができるが、コンデンサの容量を大きくすると、これを充電するための電池セルの放電量が大きくなり、無駄が生じる。
本発明の目的は、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定するにあたり、測定誤差をより小さくすると共に測定時の放電量をより小さくすることにある。
本発明によれば、直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定装置において、連続する複数の前記電池セルから構成される電池セルグループ毎に設けられ、前記電池セルグループの中から測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電されるコンデンサと、前記電池セルグループ毎に設けられ、前記コンデンサと前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサの電圧を測定する電圧測定手段と、を備え、前記電池セルユニットの中性点電位からの電位差が相対的に大きい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量が、前記電位差が相対的に小さい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量よりも大きいことを特徴とする電圧測定装置が提供される。
本発明は、前記電池セルユニットの中性点電位からの電位差が大きい前記電池セルほど、前記スイッチ回路の寄生容量による測定誤差が大きくなることに着目したものである。本発明では、前記中性点電位からの電位差が相対的に大きい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量を、前記電位差が相対的に小さい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量よりも大きくする。測定誤差が生じ易い前記電池セルについては、容量の大きい前記コンデンサを用いることで、測定誤差をより小さくすることができる。一方、測定誤差が小さい前記電池セルについては、容量の小さい前記コンデンサを用いることで、一律に容量の大きいコンデンサを用いる場合よりも、測定時の放電量をより小さくすることができる。
本発明においては、容量が大きい前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数が、容量が小さい前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数よりも少なくてもよい。
前記コンデンサの容量が大きいと、それだけ充電に時間を要し、測定時間が長くなる。この構成では、容量が大きい前記コンデンサにより電圧を測定する前記電池セルについては、その数を相対的に減らすことで、測定時間が長くなることを抑制できる。
また、本発明においては、各々の前記コンデンサの容量をCfn、各々の前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数をknとした場合、Cfn×kn≒定数であってもよい。
この構成では、測定時間が長くなることを抑制できると共に、各電池セルグループ間で測定時間の均衡化を図れる。
また、本発明においては、前記中性点電位からの電位差が異なる各々の前記電池セルグループに対応する各々の前記コンデンサの容量が互いに異なってもよい。
この構成によれば、前記中性点電位からの電位差に応じて、各電池セルグループ毎に前記コンデンサの容量を設定することで、測定誤差の低減と、測定時の放電量の削減とをより効果的に実現できる。
また、本発明においては、前記中性点電位からの電位差が最大となる前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量のみが、他の前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量よりも大きくてもよい。
この構成によれば、容量が異なるコンデンサの種類の増加を抑制しながら、最も測定誤差が生じ得る前記電池セルグループについて測定誤差を軽減することができる。
以上述べた通り、本発明によれば、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定するにあたり、測定誤差をより小さくすると共に測定時の放電量をより小さくすることができる。
<第1実施形態>
<全体の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る電圧測定装置Aのブロック図である。電圧測定装置Aは、複数の測定ユニット10と、制御ユニット20と、を備え、電池セルユニット1を構成する個々の電池セルCLの電圧を測定する。電池セルCLは、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の充電可能な二次電池であり、直列接続されて電池セルユニット1を構成している。本実施形態の場合、各電池セルCLは同じ電池セルである場合を想定している。
電池セルCLは、連続する複数の電池セルから構成される電池セルグループCLGにグループ分けされている。本実施形態の場合、電池セルCLは、+#1〜+#4及び−#1〜−#4まで合計8つの電池セルグループCLGにグループ分けされているが、そのグループ数は任意に設定できる。本実施形態の場合、各電池セルグループCLGは同数の電池セルCLを有しており、電池セルCL1〜CLkまでのk個の電池セルCLを有している。
本実施形態の場合、電池セルユニット1は、フローティング電源として利用されることを想定しており、その中性点NPの電位が、電池セルユニット1の両端子間電位差の中間電位(電池セルグループCLG(+#1)と電池セルグループCLG(−#1)との接続点)である場合を想定している。中性点NPについて図3(a)を参照して説明する。
図3(a)において、電池セルユニット1はインバータ2により充放電される電源として利用されており、これらがハイブリッド自動車、電気自動車に適用される場合を想定している。コンデンサC0は、電池セルユニット1の各端子とインバータ2とを接続する送電線に一方端子が接続され、他方端子が車体に接地されたノイズ除去等を目的としたコンデンサであり、互いに容量が等しい場合を想定している。
図3(a)において、電池セルユニット1の両端子間の電位差をE、+側端子の電位をVとすると、−側端子の電位はV−Eとなる。この系のエネルギーWは、
W=1/2・C0・(V2+(V−E)2
であり、エネルギー最小の原理から、
dW/dV=2・C0・V−C0・E=0
である。すなわち、V=1/2・E、V−E=−1/2・Eでエネルギーが最小であり、中性点電位は、電池セルユニット1の中間電位となる。なお、コンデンサC0が互いに異なる容量を持つ場合は、中性点電位も異なるものとなるが、同様の考え方により特定することができる。尤も、通常は送電線に接続されるコンデンサの容量は等しい。
図1に戻り、測定ユニット10は、各電池セルグループCLG毎に、本実施形態の場合8つ設けられており、それぞれフライングキャパシタとなるコンデンサCfが設けられている。特定の電池セルグループCLGに対応する測定ユニット10或いはコンデンサCfを指す場合は、添え字を付して特定することにし、例えば、電池セルグループCLG(+#1)に対応する測定ユニット10、コンデンサCfを指す場合は、測定ユニット10(+#1)、コンデンサCf(+#1)と、表記する。
図2(a)は各測定ユニット10のブロック図である。測定ユニット10は、スイッチ回路11と、上記の通りフライングキャパシタとなるコンデンサCfと、スイッチ回路12と、スイッチ回路13と、電圧測定回路14と、を備える。なお、同図において抵抗素子は図示を省略している。また、本実施形態の場合、電圧測定回路14を各測定ユニット10に設けたが、全ての測定ユニット10について共通に1つのみ設けるか、或いは、複数の測定ユニット10毎に1つずつ設け、スイッチ回路により切り替えて接続するようにしてもよい。但し、電圧測定回路14を各測定ユニット10に設けることで、各電池セルグループCLG毎に並列的に電池セルCLの電圧測定ができ、処理時間を短縮できる。
スイッチ回路11は、サンプリングスイッチとして機能するものであり、各電池セルCLの接続点、及び、電池セルCL1の+側と、電池セルCLkの−側と、にそれぞれ1つずつスイッチ素子が配されている。スイッチ回路11は、各スイッチ素子のON・OFFにより、電池セルCL1乃至CLkのうち、電圧の測定対象とするいずれかの電池セルCLをコンデンサCfに切り替えて並列接続する。例えば、電池セルCL1を測定対象とする場合は、同図最上段のスイッチ素子と、2段目のスイッチ素子とをONにし、他のスイッチ素子はOFFとする。また、例えば、電池セルCL2を測定対象とする場合は同図2段目のスイッチ素子と、3段目のスイッチ素子とをONにし、他のスイッチ素子はOFFとする。
なお、添え字が奇数の電池セルCLをコンデンサCfに並列接続する場合と、添え字が偶数の電池セルCLをコンデンサCfに並列接続する場合とでは、コンデンサCfの両端子の正負が反転することになる。
スイッチ回路12は、トランスファスイッチとして機能するものであり、コンデンサCfの両端子と、電圧測定回路の2つの入力端子の断続を行う。スイッチ回路13は、リセットスイッチとして機能するものであり、コンデンサCfの両端子間の断続を行い、コンデンサCfを放電する場合にONにされる。
図2(b)は電圧測定回路14のブロック図である。電圧測定回路14はオペアンプ15と、A/D変換器16とを備える。オペアンプ15の2つの入力端子には、それぞれ、コンデンサCfの一方端子、他方端子が接続され、オペアンプ15はその電位差を増幅して出力する差動増幅回路を構成している。A/D変換器16はオペアンプ15から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。
次に、係る構成からなる測定ユニット10による電池セルCLの電圧の測定動作について説明する。まず、スイッチ回路11乃至13が全てOFFとされる。次に、スイッチ回路11により、測定対象とする1つの電池セルCLがコンデンサCfに並列接続される。電池セルCLとコンデンサCfとの接続は、コンデンサCfの容量に応じてコンデンサCfが満充電される時間、維持される。次に、スイッチ回路11により、測定対象とする電池セルCLからコンデンサCfを切り離し、その後、スイッチ回路12をONとして、オペアンプ15の2つの入力端子とコンデンサCfの両端子間を接続する。これにより、オペアンプ15からは、コンデンサCfの電位差に応じたアナログ信号が出力され、A/D変換器16は、これをデジタル信号に変換して保持し、制御ユニット20へ出力することになる。
次に、スイッチ回路12をOFFとしてコンデンサCfとオペアンプ15とを切り離し、スイッチ回路13をONにする。スイッチ回路13はコンデンサCfの容量に応じた時間だけONにされ、コンデンサCfを完全に放電する。その後、スイッチ回路13をOFFとする。以降、測定対象とする電池セルCLを代えて同様の手順により、順次各電池セルCLの電圧を測定することになる。
次に、図1に戻り、制御ユニット20について説明する。制御ユニット20は、CPU21と、ROM22と、RAM23と、I/F(インターフェース)24とを備える。CPU21はROM22に記憶された制御プログラムを実行して、各測定ユニット10を制御する。RAM23には一時的なデータが記憶され、例えば、各電池セルCLの電圧の測定結果が電池セルCL毎に記憶される。なお、ROM22及びRAM23としては他の記憶手段でもよい。
I/F24には、スイッチ回路11乃至13、A/D変換器16が接続され、CPU21は、これらを制御し、また、A/D変換器16から出力される測定結果を取得することができる。
<測定誤差>
次に、測定誤差について説明する。本実施形態の電圧測定装置Aのように、スイッチ回路11により電池セルCLとコンデンサCfとの接続切り替えを行う構成の場合、スイッチ回路11の各スイッチ素子に存する寄生容量の影響により測定誤差が生じる。そして、この測定誤差は、中性点電位NPからの電位差が大きい電池セルCL程大きくなることを見出した。
図4(a)は測定誤差の測定結果を示す図である。測定誤差は、実験により、電圧測定装置Aと同様な構成の電圧測定装置において、コンデンサCfを1μFとして各電池セルCLの電圧を測定する一方、別の測定装置によりスイッチ回路11を介さずに各電池セルCLの電圧を測定し、両者の差分をとったものである。
同図において、測定誤差は、各電池セル毎に示しており、中性点からの電位差が大きい電池セル程、誤差が大きくなっていることが分かる。このように中性点電位NPからの電位差が大きい電池セルCL程、測定誤差が大きくなる理由は、以下の通りである。
図3(b)はスイッチ回路11の寄生容量による測定誤差の説明図である。同図に示すように、測定対象の電池セルCL1の実電圧をVcl、電池セルCL1の中性点NPからの電位をE1とおき、スイッチ回路11の寄生容量をCsとおくと、コンデンサCf(容量Cf)の測定電圧Vは、
V=1/Cf×(Cf・Vcl+・Cs・E1)
である。ここで、ΔV=Vcl−Vとして、式を変形すると、
ΔV=Cs/Cf×E1
である。ΔVは測定誤差を示し、したがって、電位E1が大きいほど、測定誤差が大きくなることになる。また、寄生容量Csに対して、コンデンサCfの容量が大きい程、測定誤差が小さくなることになる。
図4(b)はコンデンサCfの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。同図の例は、コンデンサCfの容量を10μFに、つまり、図4(a)の実験の場合よりも10倍の容量のコンデンサを用いて同様の実験を行った結果である。中性点からの電位差に関わらず、測定誤差が著しく小さいことが分かる。
<コンデンサCfの容量>
上記の通り、測定誤差は、中性点からの電位差が大きい程、大きくなるが、コンデンサCfの容量を大きくすれば、測定誤差を小さくすることができる。しかし、コンデンサCfの容量を大きくすると、電圧測定のために消費する電池セルCLの放電量が大きくなり、無駄が生じる。
そこで、本実施形態では、電池セルユニット1の中性点NPの電位からの電位差が相対的に大きい電池セルグループCLGに対応する測定ユニット10のコンデンサCfの容量が、電位差が相対的に小さい電池セルグループCLGに対応する測定ユニット10のコンデンサCfの容量よりも大きくする。中性点NPの電位との電位差の関係で、測定誤差が生じ易い電池セルCLについては、容量の大きいコンデンサCfを用いることで、測定誤差をより小さくすることができる。一方、測定誤差が小さい電池セルCLについては、容量の小さい前記コンデンサを用いることで、一律に容量の大きいコンデンサを用いる場合よりも、測定時の放電量をより小さくすることができる。
このようなコンデンサCfの容量の設定方法としては、以下のパターンが含まれる。
(1)中性点NPの電位からの電位差が異なる各々の電池セルグループCLGに対応する各々のコンデンサCfの容量が互いに異なるようにする。例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、
Cf(+#1)<Cf(+#2)<Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)<Cf(−#2)<Cf(−#3)<Cf(−#4)
と設定する。このように、中性点NPの電位からの電位差に応じて、各電池セルグループCLG毎にコンデンサCfの容量を設定することで、測定誤差の低減と、測定時の放電量の削減とをより効果的に実現できる。
(2)中性点NPの電位からの電位差が異なる各々の電池セルグループCLGに対応する各々のコンデンサCfの容量が、部分的に異なるようにする。例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、
Cf(+#1)=Cf(+#2)<Cf(+#3)=Cf(+#4)、
Cf(−#1)=Cf(−#2)<Cf(−#3)=Cf(−#4)、或いは、
Cf(+#1)<Cf(+#2)=Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)<Cf(−#2)=Cf(−#3)<Cf(−#4)
と設定する。この例の場合、容量が異なるコンデンサCfの種類の増加を抑制しながら、測定誤差の低減と、測定時の放電量の削減とを実現できる。
(3)中性点NPの電位からの電位差が最大となる電池セルグループCLGに対応するコンデンサCfの容量のみが、他の電池セルグループCLGに対応するコンデンサCfの容量よりも大きくする。例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、
Cf(+#1)=Cf(+#2)=Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)=Cf(−#2)=Cf(−#3)<Cf(−#4)
と設定する。この例の場合、容量が異なるコンデンサCfの種類の増加を抑制しながら、最も測定誤差が生じ得る電池セルグループCLG(+#4)及び電池セルグループCLG(−#4)について測定誤差を軽減することができる。
なお、電池セルグループCLG(+#1〜+#4)と、電池セルグループCLG(−#1〜−#4)とで容量が異なるコンデンサCfを用いても良い。
<第2実施形態>
コンデンサCfの容量を大きくすると、充電に要する時間も長くなる。したがって、相対的に大容量のコンデンサCfを有する測定ユニット10では、電圧の測定時間が相対的に長くなってしまい、電池セルグループCLG間で単位時間あたりの電池セルCLの測定個数が異なる場合が生じ得る。本実施形態では、この問題を解消する。
図5は本発明の他の実施形態に係る電圧測定装置Bのブロック図である。電圧測定装置Bは、電圧測定装置Aと比べると、各電池セルグループCLG間で電池セルCLの個数が全て同じではない点においてのみ相違し、その他の構成は同様である。同図において、電池セルCLの数は、電池セルグループCLG(+#1)及び電池セルグループCLG(−#1)では、電池セルCL1〜CLk1までk1個、電池セルグループCLG(+#2)及び電池セルグループCLG(−#2)では、電池セルCL1〜CLk2までk2個、電池セルグループCLG(+#3)及び電池セルグループCLG(−#3)では、電池セルCL1〜CLk3までk3個、電池セルグループCLG(+#4)及び電池セルグループCLG(−#4)では、電池セルCL1〜CLk4までk4個、であることを示している。
そして、容量が大きいコンデンサCfを有する測定ユニット10に対応する電池セルグループCLGの電池セルCLの数が、容量が小さいコンデンサCfを有する測定ユニット10に対応する電池セルグループCLGの電池セルCLの数よりも少なくする。
例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、上記の通り、
Cf(+#1)<Cf(+#2)<Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)<Cf(−#2)<Cf(−#3)<Cf(−#4)
とした場合、各電池セルグループCLGの電池セルCLの数の大小関係は、
k1>k2>k3>k4
とする。
また、例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、上記の通り、
Cf(+#1)=Cf(+#2)=Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)=Cf(−#2)=Cf(−#3)<Cf(−#4)
とした場合、各電池セルグループCLGの電池セルCLの数の大小関係は、
k1=k2>k3=k4
とする。
また、例えば、コンデンサCfの各容量の大小関係を、上記の通り、
Cf(+#1)=Cf(+#2)=Cf(+#3)<Cf(+#4)、
Cf(−#1)=Cf(−#2)=Cf(−#3)<Cf(−#4)
とした場合、各電池セルグループCLGの電池セルCLの数の大小関係は、
k1=k2=k3>k4
とする。
なお、電池セルグループCLG(+#1〜+#4)と、電池セルグループCLG(−#1〜−#4)とで容量が異なるコンデンサCfを用いた場合は、それに応じて電池セルCLの数を設定する。
このように、容量Cfが大きいコンデンサCfにより電圧を測定する電池セルCLについては、その数を相対的に減らすことで、測定時間が長くなることを抑制できる。
ここで、各々のコンデンサCfの容量をCfn、各々のコンデンサCfに対応する電池セルグループCLGの電池セルCLの数をknとした場合、Cfn×kn≒定数であってもよい。”n”は、各電池セルグループCLGを示し、上記式は、つまり、
Cf(+#1)×k1≒Cf(+#2)×k2≒Cf(+#3)×k3≒Cf(+#4)×k4≒Cf(−#1)×k1≒Cf(−#2)×k2≒Cf(−#3)×k3≒Cf(−#4)×k4
である。
この構成では、測定時間が長くなることを抑制できると共に、各電池セルグループCLG間で測定時間の均衡化を図れる。なお、Cfn×kn=定数とすれば、理論上、測定時間の均衡化を完全に図れる。
本発明の一実施形態に係る電圧測定装置Aのブロック図である。 (a)は各測定ユニット10のブロック図、(b)は電圧測定回路14のブロック図である。 (a)は中性点の説明図、(b)はスイッチ回路11の寄生容量による測定誤差の説明図である。 (a)は測定誤差の測定結果を示す図、(b)はコンデンサCfの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電圧測定装置Bのブロック図である。
符号の説明
A、B 電圧測定装置
Cf コンデンサ
CL 電池セル
CLG 電池セルグループ
1 電池セルユニット
2 測定ユニット
10 スイッチ回路
14 電圧測定回路

Claims (5)

  1. 直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定装置において、
    連続する複数の前記電池セルから構成される電池セルグループ毎に設けられ、前記電池セルグループの中から測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電されるコンデンサと、
    前記電池セルグループ毎に設けられ、前記コンデンサと前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、
    測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサの電圧を測定する電圧測定手段と、
    を備え、
    前記電池セルユニットの中性点電位からの電位差が相対的に大きい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量が、前記電位差が相対的に小さい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量よりも大きいことを特徴とする電圧測定装置。
  2. 容量が大きい前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数が、容量が小さい前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数よりも少ないことを特徴とする請求項1に記載の電圧測定装置。
  3. 各々の前記コンデンサの容量をCfn、各々の前記コンデンサに対応する前記電池セルグループの前記電池セルの数をknとした場合、
    Cfn×kn≒定数
    であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧測定装置。
  4. 前記中性点電位からの電位差が異なる各々の前記電池セルグループに対応する各々の前記コンデンサの容量が互いに異なることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電圧測定装置。
  5. 前記中性点電位からの電位差が最大となる前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量のみが、他の前記電池セルグループに対応する前記コンデンサの容量よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電圧測定装置。
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