JP5157634B2 - 電圧測定装置及び電圧測定方法 - Google Patents

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充電に時間がかかり、測定時間が長くなってしまう。そこで、測定時間の短時間化を図るためには、コンデンサの容量が小さい方が望ましいが、測定誤差を補正する必要がある。この場合、電池セル毎にスイッチ回路の寄生容量の影響が異なって測定誤差にばらつきが生じる場合があることから、より簡易に各電池セルに適した補正を行うことが望ましい。

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、測定時間の短時間化を図りつつ、より簡易に各電池セルに適した誤差補正を行うことにある。

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、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、容量が可変のコンデンサ部と、前記コンデンサ部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前記コンデンサ部を充電した後、前記電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、前記コンデンサ部の容量を第１の容量と前記第１の容量よりも小さい第２の容量とで変更する変更手段と、前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、に基づいて、前記電圧測定手段の測定結果の補正条件を設定する設定手段と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果を、前記補正条件で補正する補正手段と、を備え、前記補正条件が、前記電圧測定手段の測定結果の補正値であり、該補正値は前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、の差分であることを特徴とする電圧測定装置が提供される。
本発明では、前記コンデンサ部の容量を可変とし、前記変更手段を設けたことにより、前記コンデンサ部の容量を変えて前記電池セルの電圧を一旦測定し、前記設定手段により補正条件を設定する。この補正条件は、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果の補正に用いる。前記第２の容量は、相対的に容量が小さいので、この容量での電圧の測定は、測定時間の短時間化が図れ、また、前記補正条件によりその測定結果を補正することで、より高い精度の測定結果が得られる。前記補正条件の設定は、前記コンデンサ部の容量を変更することにより行うので、より簡易に行うことができ、しかも前記電池セル毎に前記補正条件を設定できるので、各電池セルに適した誤差補正を行うことができる。また、より簡易な演算で測定結果を補正できる。

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、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、容量が可変のコンデンサ部と、前記コンデンサ部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前記コンデンサ部を充電した後、前記電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、前記コンデンサ部の容量を第１の容量と前記第１の容量よりも小さい第２の容量とで変更する変更手段と、前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、に基づいて、前記電圧測定手段の測定結果の補正条件を設定する設定手段と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果を、前記補正条件で補正する補正手段と、を備え、前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ１、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ２、前記補正手段により補正する前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ、前記補正手段による補正後の測定結果をＶ’とすると、前記補正条件が、Ｖ’＝Ｖ−（Ｖ２−Ｖ１）×Ｖ／Ｖ２であることを特徴とする電圧測定装置が提供される。これにより、より精度の高い測定結果が得られる。

本発明においては、少なくとも前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロである予め定めた補正条件設定条件が成立した場合に、前記変更手段は、前記コンデンサ部の容量を前記第１及び第２の容量のいずれか一方にした後、他方に変更し、前記電圧測定手段は、前記第１及び第２の容量の双方の場合について、前記コンデンサ部の電圧を測定し、前記設定手段は、前記電圧測定手段の測定結果に基づいて前記補正条件を設定するようにしてもよい。

この構成によれば、前記電池セルの電圧の変化が略無い状態で、前記補正条件を設定でき、より精度の高い誤差補正を行うことができる。

また、本発明においては、前記変更手段は、前記補正条件設定条件が成立していない場合に、前記コンデンサ部の容量を前記第２の容量としてもよい。前記補正条件の設定時以外は、常時前記コンデンサ部の容量を前記第２の容量とすることで、前記電池セルの電圧の測定時間の短時間化が図れる。

また、本発明においては、前記電池セルユニットが車両に搭載される電池セルユニットであり、前記補正条件設定条件が、前記車両のイグニッションＯＮ直後であって、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであってもよい。車両の始動時に前記補正条件を設定することで、使用による劣化等に起因する電気素子の特性の変化に対応して前記補正条件を設定することができる。

また、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方法において、前記電池セルの電圧を測定する電圧測定工程と、前記測定工程における測定結果の補正条件を設定する補正条件設定工程と、補正工程と、を備え、前記補正条件設定工程は、容量が可変のコンデンサ部を第１の容量にし、補正条件を設定する前記電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第１の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第１測定工程と、前記コンデンサ部を前記第１の容量よりも小さい第２の容量にし、前記補正条件を設定する電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第２の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第２測定工程と、前記第１及び第２測定工程の各測定結果に基づいて、補正条件を設定する設定工程と、を備え、前記補正工程は、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量に設定された場合に、測定結果を前記補正条件に基づいて補正し、前記補正条件は、前記電圧測定工程における測定結果の補正値であり、該補正値は前記第１測定工程における測定結果と、前記第２測定工程における測定結果と、の差分であることを特徴とする電圧測定方法が提供される。
また、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方法において、前記電池セルの電圧を測定する電圧測定工程と、前記測定工程における測定結果の補正条件を設定する補正条件設定工程と、補正工程と、を備え、前記補正条件設定工程は、容量が可変のコンデンサ部を第１の容量にし、補正条件を設定する前記電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第１の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第１測定工程と、前記コンデンサ部を前記第１の容量よりも小さい第２の容量にし、前記補正条件を設定する電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第２の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第２測定工程と、前記第１及び第２測定工程の各測定結果に基づいて、補正条件を設定する設定工程と、を備え、前記補正工程は、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量に設定された場合に、測定結果を前記補正条件に基づいて補正し、前記第１測定工程における測定結果をＶ１、前記第２測定工程における測定結果をＶ２、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量の場合の前記電圧測定工程における測定結果をＶ、前記補正工程による補正後の電圧をＶ’とすると、前記補正条件が、Ｖ’＝Ｖ−（Ｖ２−Ｖ１）×Ｖ／Ｖ２であることを特徴とする電圧測定方法が提供される。

本発明において、前記補正条件設定工程は、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであるときに実行されてもよい。

また、本発明において、前記電圧測定工程は、前記補正条件設定工程が実行されていない場合には、コンデンサ部の容量を前記第２の容量に設定し、前記電池セルの電圧を測定してもよい。

また、本発明において、前記電池セルユニットが車両に搭載される電池セルユニットであり、前記補正条件設定工程は、前記車両のイグニッションＯＮ直後であって、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであるときに実行されてもよい。

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、測定時間の短時間化を図りつつ、より簡易に各電池セルに適した誤差補正を行うことができる。

＜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容量が可変のコンデンサ部ＣＦが設けられている。本実施形態では、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設ける構成としたが、１つの測定ユニット１０で全ての電池セルＣＬの電圧を測定するように構成することも可能である。尤も、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設けることで、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。

なお、特定の電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０或いはコンデンサ部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、コンデンサ部ＣＦを指す場合は、測定ユニット１０（＋＃１）、コンデンサ部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部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をコンデンサ部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をコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合と、添え字が偶数の電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合とでは、コンデンサ部ＣＦの両端子の正負が反転することになる。

コンデンサ部ＣＦは、互いに並列関係にある固定容量のコンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２と、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２とにそれぞれ直列接続された２つのスイッチ素子を有するスイッチ回路ＳＷと、を備える。コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２との容量は互いに異なっており、例えば、コンデンサＣｆ１の容量＜コンデンサＣｆ２の容量である。本実施形態ではこのような構成によりコンデンサ部ＣＦの容量を可変とする。

図５（ａ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。同図の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２とのいずれかを測定対象とする電池セルＣＬに切り替えて並列接続する。図５（ａ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ａ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ２がフライングキャパシタとして機能する。このような構成により、本実施形態では、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。

なお、複数のコンデンサＣｆ１及びＣｆ２のうち、測定対象とする電池セルＣＬに並列接続するコンデンサの数を切り替えることで、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることもできる。図５（ｂ）は、この場合のコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。

図５（ｂ）の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１のみを測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合と、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方を測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合とで、接続関係を切り替える。図５（ｂ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ｂ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子及びコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子の双方をＯＮとしている。

したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１及びＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方がフライングキャパシタとして機能する。この場合の容量は、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の容量を足した容量となる。このような構成でも、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができ、この構成の場合は、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２として、互いに容量が同じコンデンサを用いることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）のいずれの構成の場合も、比較的簡易な構成でコンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。なお、上記の各例では、コンデンサ部ＣＦのコンデンサの数を２つとしたが、３以上としてもよく、この場合、スイッチ素子をそれぞれ設けることでコンデンサ部ＣＦの容量を３以上に切り替えられるが、実用上は２種類に切り替えられれば足りる。

図２（ａ）に戻り、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、コンデンサ部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、コンデンサ部ＣＦの両端子間の断続を行い、コンデンサ部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、コンデンサ部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ＳＷにより、コンデンサ部ＣＦの容量がセットされ、スイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされる。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がコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの容量に応じてコンデンサ部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からコンデンサ部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部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、コンデンサ部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としてコンデンサ部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はコンデンサ部ＣＦの容量に応じた時間だけＯＮにされ、コンデンサ部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及びＳＷ、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とコンデンサ部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。なお、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、コンデンサ部ＣＦを１μＦの固定容量として各電池セル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、コンデンサ部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、コンデンサ部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）はコンデンサ部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、コンデンサ部ＣＦの容量を１０μＦの固定容量に、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。

＜測定誤差の補正＞
上記の通り、測定誤差はコンデンサ部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、コンデンサ部ＣＦの容量を大きくすると、充電（及び放電）に要する時間も長くなる。したがって、単位時間あたりの電池セルＣＬの個数が少なくなってしまい、電池セルＣＬの急激な電圧変化に対応できない場合が生じ得る。

そこで、本実施形態では、上記の通りコンデンサ部ＣＦの容量を可変とし、コンデンサ部ＣＦの容量を相対的に大容量と小容量とで変えて電池セルＣＬの電圧を一旦測定し、測定誤差を補正するための補正条件を設定する。この補正条件は、コンデンサ部ＣＦを相対的に小容量とした場合の測定結果の補正に用いる。この小容量での電圧の測定は、測定時間の短時間化が図れ、また、補正条件によりその測定結果を補正することで、より高い精度の測定結果が得られる。補正条件の設定は、コンデンサ部ＣＦの容量を変更することにより行うので、より簡易に行うことができ、しかも電池セルＣＬ毎に補正条件を設定できるので、各電池セルＣＬに適した誤差補正を行うことができる。以下、コンデンサ部ＣＦの容量を変更して補正条件を設定し、電池セルＣＬの電圧を測定する制御例について説明する。

図６は、ＣＰＵ２１が実行する処理の例を示すフローチャートである。Ｓ１乃至Ｓ１１は、補正条件の設定に関する処理であり、Ｓ１２乃至Ｓ１７は、電池セルＣＬの電圧を測定する処理である。図６の処理は、各測定ユニット１０毎に並列的に実行することができ、図６は１つの測定ユニット１０についての処理を例示している。

Ｓ１では、補正条件設定条件が成立したか否かを判定し、該当する場合はＳ２へ進み、該当しない場合はＳ１２へ進む。本実施形態では、予め定めた補正条件設定条件が成立した場合にのみ、補正条件を設定し、以降の電池セルＣＬの電圧測定においてこの補正条件を用いる。

この補正条件設定条件は、電池セルＣＬの電圧測定を開始するときであって、電池セルユニット１に入出力される電流量がゼロである場合が好ましい。電池セルユニット１がハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に搭載される電池ユニットであって、電圧測定装置Ａを車載の装置として用いる場合、補正条件設定条件は、車両のイグニッションＯＮ直後であって、電池セルユニット１に入出力される電流量がゼロである場合が望ましい。車両の始動時に補正条件を設定することで、使用による劣化等に起因する電気素子の特性の変化に対応して補正条件を設定することができる。また、補正条件の設定にあたっては、コンデンサ部ＣＦの容量を変えて電池セルＣＬの電圧を２回測定するため、各回の測定で電池セルＣＬの電圧が変動しないことが望ましいところ、電池セルＣＬの電圧の変化が略無い状態で補正条件を設定でき、より精度の高い誤差補正を行うことができる。

電池セルユニット１に入出力される電流量は電流センサを設けて測定することができる。図７は電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。電流センサ３０は、電池セルユニット１とインバータ２との間の送電線に設けられ、送電線を流れる電流を測定することで、電池セルユニット１に入出力される電流量を測定する。

Ｓ２では、スイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされた後、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の左側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に小容量のコンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとする。

Ｓ３では、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ４では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、補正条件設定の対象とした電池セルＣＬと対応づけて、かつ、小容量時の測定結果としてＲＡＭ２３に保存する。Ｓ５では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ６では、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の右側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に大容量のコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦとする。

Ｓ７では、スイッチ回路１１により、Ｓ３で補正条件を設定する対象とした電池セルＣＬと同じ電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ８では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、補正条件設定の対象とした電池セルＣＬと対応づけて、かつ、大容量時の測定結果としてＲＡＭ２３に保存する。Ｓ９では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ１０では、Ｓ４の小容量時の測定結果と、Ｓ８の大容量時の測定結果とに基づいて、補正条件を設定する対象とした電池セルＣＬの補正条件を設定し、該電池セルＣＬと対応づけて補正条件を保存する。補正条件は、Ｓ８の大容量時の測定結果をＶ１、Ｓ４の小容量時の測定結果をＶ２、補正条件設定後における小容量時の補正前の電圧測定値をＶ、補正後の電圧測定値をＶ’として、例えば、以下のように設定できる。

（１）Ｓ４の小容量時の測定結果とＳ８の大容量時の測定結果の差分ΔＶ（Ｖ２−Ｖ１）を補正値とする。補正式は、
Ｖ’＝Ｖ−ΔＶ
である。この方式の場合、より簡易な演算で測定結果を補正できる。

（２）Ｓ４の小容量時の測定結果とＳ８の大容量時の測定結果の差分ΔＶ（Ｖ２−Ｖ１）を、Ｓ４の小容量時の測定結果Ｖ２と電圧測定値Ｖとの比率で調整する。補正式は、
Ｖ’＝Ｖ−ΔＶ×Ｖ／Ｖ２
である。図３（ｂ）を参照して説明したとおり、スイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差は、中性点ＮＰからの電位に比例して大きくなるが、電池セルＣＬ単位で見た場合も同様に、電池セルＣＬの電圧が高い程、寄生容量による測定誤差が大きくなると考えられる。この方式の場合、Ｓ４の小容量時の測定結果Ｖ２と電圧測定値Ｖとの比率で差分ΔＶを調整することで、より精度の高い測定結果を得られる。

次に、Ｓ１１では全ての電池セルＣＬについて補正条件を設定したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ１２へ進み、該当しない場合はＳ２へ戻って、補正条件を設定する対象の電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。

なお、本実施形態では、補正条件を設定するにあたり、コンデンサ部ＣＦの容量を先に小容量として、次に大容量としたが、先に大容量とし、次に小容量としてもよい。また、補正条件を設定する電池セルＣＬを選定し、大・小容量による測定→補正条件設定、とい順番としたが、小容量（又は大容量）による全電池セルＣＬの電圧測定→大容量（又は小容量）による全電池セルＣＬの電圧測定→各電池セルＣＬの補正条件設定、という順番でもよい。

次に、Ｓ１２では、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットする。Ｓ２と同様の処理である。Ｓ１３では、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がコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの容量（小容量）に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ１４では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ１５では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量（小容量）に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ１６では、測定対象とする電池セルＣＬについて、Ｓ１０で設定した補正条件を読み出し、Ｓ１４の測定結果を補正し、補正後の測定結果をＲＡＭ２３に保存する。Ｓ１７では、１単位の処理（測定対象の電池セルＣＬが一巡（ＣＬ１〜ＣＬｋ）すること）が終了したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ１へ戻り同様の処理を繰り返す。該当しない場合は、Ｓ１３へ戻り、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返す。

このように本実施形態では、Ｓ１乃至Ｓ１１の処理により各電池セルＣＬ毎に補正条件を設定した後、実際の電圧測定の場合、つまり、補正条件の設定時以外は、Ｓ１２乃至Ｓ１７の処理により、常時コンデンサ部ＣＦの容量を小容量として電圧測定を順次行う。これにより、測定時間を短時間化でき、しかも、測定結果の補正により測定精度も向上できる。

なお、本実施形態の場合、Ｓ１７で、１単位の処理が終了した場合は、Ｓ１へ戻る構成としたが、例えば、本実施形態をハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に適用する場合等においては、車両のイグニションＯＮ直後のみＳ１の処理を行い、その後はイグニションＯＦＦとされるまで、Ｓ１３へ戻る構成としてもよい。

また、例えば、Ｓ２乃至Ｓ１１の補正条件の設定は、例えば、工場出荷時のみ行い、その後は、補正条件を変更しない構成であってもよい。

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）はコンデンサ部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。 （ａ）及び（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。 ＣＰＵ２１が実行する処理の例を示すフローチャートである。 電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ 電圧測定装置
ＣＦ コンデンサ部
Ｃｆ１、Ｃｆ２ 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
２０ 制御ユニット

Claims (10)

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、
   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、容量が可変のコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部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前記コンデンサ部を充電した後、前記電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記コンデンサ部の容量を第１の容量と前記第１の容量よりも小さい第２の容量とで変更する変更手段と、
   前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、に基づいて、前記電圧測定手段の測定結果の補正条件を設定する設定手段と、
   前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果を、前記補正条件で補正する補正手段と、を備え、
   前記補正条件が、前記電圧測定手段の測定結果の補正値であり、該補正値は前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、の差分であることを特徴とする電圧測定装置。
2. 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、
   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、容量が可変のコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部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前記コンデンサ部を充電した後、前記電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記コンデンサ部の容量を第１の容量と前記第１の容量よりも小さい第２の容量とで変更する変更手段と、
   前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果と、に基づいて、前記電圧測定手段の測定結果の補正条件を設定する設定手段と、
   前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果を、前記補正条件で補正する補正手段と、を備え、
   前記第１の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ１、前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ２、前記補正手段により補正する前記第２の容量の場合の前記電圧測定手段の測定結果をＶ、前記補正手段による補正後の測定結果をＶ’とすると、前記補正条件が、
   Ｖ’＝Ｖ−（Ｖ２−Ｖ１）×Ｖ／Ｖ２
   であることを特徴とする電圧測定装置。
3. 少なくとも前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロである予め定めた補正条件設定条件が成立した場合に、
   前記変更手段は、前記コンデンサ部の容量を前記第１及び第２の容量のいずれか一方にした後、他方に変更し、
   前記電圧測定手段は、前記第１及び第２の容量の双方の場合について、前記コンデンサ部の電圧を測定し、
   前記設定手段は、前記電圧測定手段の測定結果に基づいて前記補正条件を設定す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. 前記変更手段は、前記補正条件設定条件が成立していない場合に、前記コンデンサ部の容量を前記第２の容量とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
5. 前記電池セルユニットが車両に搭載される電池セルユニットであり、
   前記補正条件設定条件が、
   前記車両のイグニッションＯＮ直後であって、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであることを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。
6. 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方法において、
   前記電池セルの電圧を測定する電圧測定工程と、
   前記測定工程における測定結果の補正条件を設定する補正条件設定工程と、
   補正工程と、を備え、
   前記補正条件設定工程は、
   容量が可変のコンデンサ部を第１の容量にし、補正条件を設定する前記電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第１の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第１測定工程と、
   前記コンデンサ部を前記第１の容量よりも小さい第２の容量にし、前記補正条件を設定する電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第２の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第２測定工程と、
   前記第１及び第２測定工程の各測定結果に基づいて、補正条件を設定する設定工程と、を備え、
   前記補正工程は、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量に設定された場合に、測定結果を前記補正条件に基づいて補正し、
   前記補正条件は、前記電圧測定工程における測定結果の補正値であり、該補正値は前記第１測定工程における測定結果と、前記第２測定工程における測定結果と、の差分であることを特徴とする電圧測定方法。
7. 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方法において、
   前記電池セルの電圧を測定する電圧測定工程と、
   前記測定工程における測定結果の補正条件を設定する補正条件設定工程と、
   補正工程と、を備え、
   前記補正条件設定工程は、
   容量が可変のコンデンサ部を第１の容量にし、補正条件を設定する前記電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第１の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第１測定工程と、
   前記コンデンサ部を前記第１の容量よりも小さい第２の容量にし、前記補正条件を設定する電池セルに並列接続して充電した後、前記補正条件を設定する電池セルと前記コンデンサ部とを切り離した状態で前記第２の容量の前記コンデンサ部の電圧を測定する第２測定工程と、
   前記第１及び第２測定工程の各測定結果に基づいて、補正条件を設定する設定工程と、を備え、
   前記補正工程は、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量に設定された場合に、測定結果を前記補正条件に基づいて補正し、
   前記第１測定工程における測定結果をＶ１、前記第２測定工程における測定結果をＶ２、前記コンデンサ部の容量が前記第２の容量の場合の前記電圧測定工程における測定結果をＶ、前記補正工程による補正後の電圧をＶ’とすると、前記補正条件が、
   Ｖ’＝Ｖ−（Ｖ２−Ｖ１）×Ｖ／Ｖ２
   であることを特徴とする電圧測定方法。
8. 前記補正条件設定工程は、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであるときに実行されることを特徴とする請求項６又は７に記載の電圧測定方法。
9. 前記電圧測定工程は、前記補正条件設定工程が実行されていない場合には、コンデンサ部の容量を前記第２の容量に設定し、前記電池セルの電圧を測定することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の電圧測定方法。
10. 前記電池セルユニットが車両に搭載される電池セルユニットであり、
    前記補正条件設定工程は、
    前記車両のイグニッションＯＮ直後であって、前記電池セルユニットに入出力される電流量がゼロであるときに実行されることを特徴とする請求項８に記載の電圧測定方法。

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