JP5190397B2

JP5190397B2 - 複数組電池の電圧測定装置

Info

Publication number: JP5190397B2
Application number: JP2009056346A
Authority: JP
Inventors: 聡石川; 将士関崎
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010210391A

Description

本発明は、複数の単位セルを直列接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、出力電圧を検出する電圧測定装置に関する。

例えば、ハイブリッド車両では、モータの駆動電源として、高電圧バッテリを備えている。高電圧バッテリは、例えば、ニッケル−水素電池やリチウム電池などの二次電池（蓄電式電池）の単位セルを複数個直列接続して高電圧を得ている。

また、二次電池が過放電状態、或いは過充電状態とならないように、各単位セル毎の充電状態を確認する必要があり、従来より、複数個（例えば、５５個）の単位セルを例えば５個のブロックに分割し（即ち、１１個の単位セルで１ブロック）、各ブロックの電圧を各ブロック毎に設けられた電圧検出用ＩＣによりリアルタイムで電圧を測定している。

この際、電圧検出用ＩＣでは、１ブロックの単位セル（例えば、１１個）の電圧を測定し、更に、該電圧検出用ＩＣが有するＡ／Ｄ変換器にて、検出したアナログの電圧信号をディジタル信号に変換し、メインマイコンに送信する。その後、メインマイコンにより、電圧の異常が発生しているブロックが存在する場合には、警報を発して電圧以上を車両の乗員に通知したり、或いは電圧の補正処理を行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−６２０２８号公報

しかしながら、従来における電圧測定装置では、Ａ／Ｄ変換器に用いるＡ／Ｄ変換用電圧を各単位セルより得られる電圧から生成するので、Ａ／Ｄ変換用電圧が変動する場合があり、このような場合には各ブロックで検出された電圧をディジタル化する際に誤差が生じることがある。このため、高精度な電圧検出ができなくなるという問題が発生していた。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、Ａ／Ｄ変換用電圧に変動が発生してディジタル化した電圧信号に誤差が生じた場合に、これを検出することが可能な複数組電池の電圧測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、出力電圧を測定する電圧測定装置において、前記複数のセルを複数のブロックに分割し、各ブロック毎の電圧を検出するブロック電圧検出手段と、前記各ブロック電圧検出手段に設けられ、所定のＡ／Ｄ変換用電圧を用いてこのブロック電圧検出手段で検出されるアナログ電圧信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、前記各ブロック電圧検出手段に設けられ、温度特性を有するサンプル電圧を生成するサンプル電圧生成手段と、前記各ブロック電圧検出手段毎に設けられ、対応するブロック電圧検出手段の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された温度に基づいて、サンプル電圧の基準値を求めると共に、前記各ブロック電圧検出手段のＡ／Ｄ変換手段により前記サンプル電圧をデジタル化して得られたディジタルサンプル電圧と、前記基準値の差分に基づいて、前記各ブロック電圧検出手段で検出される電圧の誤差比率を求める電圧変動検出手段と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記サンプル電圧生成手段は、シリコン半導体のＰＮ接合部に生じる電圧を用いて前記サンプル電圧を生成することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記サンプル電圧生成手段は、ダイオードと抵抗の直列接続回路を備え、この直列接続回路に電流を流したときに、前記ダイオードの両端に生じる電圧を前記サンプル電圧とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記直列接続回路は、直列接続された複数のダイオードと抵抗を備え、前記直列接続された複数のダイオードの両端に生じる電圧を前記サンプル電圧とすることを特徴とする。

請求項１の発明では、各ブロック電圧検出手段に設けられたサンプル電圧生成手段にてサンプル電圧を生成し、このサンプル電圧をＡ／Ｄ変換してディジタルサンプル電圧を生成する。更に、温度検出手段により各ブロック電圧検出手段の周囲温度を検出する。そして、周囲温度に基づいてサンプル電圧の基準値を演算により求め、この電圧と前記ディジタルサンプル電圧を対比することにより、各ブロック電圧検出手段で検出される電圧の誤差比率を求める。従って、各ブロック電圧検出手段で検出される電圧に含まれる誤差を認識することができ、ひいては、各ブロックの単位セル電圧を高精度に測定することができる。

また、各ブロック電圧検出手段で求められたディジタルサンプル電圧と、基準値との差分に基づいて、誤差比率を求め、この誤差比率に基づいて、測定電圧に生じる誤差を認識するので、より高精度に各ブロックの単位セル電圧を測定することができる。

請求項２の発明では、シリコン半導体のＰＮ接合部に生じる電圧をサンプル電圧として用いており、ＰＮ接合部は周囲温度が取得できれば、発生する電圧を演算により求めることができるので、各ブロック電圧検出手段で用いるサンプル電圧の基準値を算出精度を向上させることができ、誤差比率をより高精度に求めることができる。その結果、各ブロックの単位セル電圧を高精度に測定することができる。

請求項３の発明では、ダイオードのアノード、カソード間に生じる電圧をサンプル電圧として用いており、ダイオードは周囲温度が取得できれば、発生する電圧を演算により求めることができるので、各ブロック電圧検出手段で用いるサンプル電圧の基準値を算出精度を向上させることができ、誤差比率をより高精度に求めることができる。その結果、各ブロックの単位セル電圧を高精度に測定することができる。

請求項４の発明では、複数のダイオードを直列に接続し、この直列接続の両端に生じる電圧をサンプル電圧とするので、より高い電圧をサンプル電圧とすることができ、Ａ／Ｄ変換して得られるディジタルサンプル信号をより高い値にすることができるので、誤差比率をより高精度に求めることができる。

本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧測定装置の、各電圧検出用ＩＣに設けられるサンプル電圧生成回路を示す回路図である。本発明の変形例に係る複数組電池の電圧測定装置の、各電圧検出用ＩＣに設けられるサンプル電圧生成回路を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧測定装置の、誤差比率の算出処理の手順を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧測定装置の、電圧補正制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電圧測定装置１０、及び複数の単位セルＢＴ１〜ＢＴ５５からなる二次電池１３（複数組電池）を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電圧測定装置１０は、絶縁インターフェース３２を介して、高電圧側装置１１と低電圧側装置１２に分離されている。

高電圧側装置１１は、５個の電圧検出用ＩＣ、即ち、第１電圧検出用ＩＣ（２１）〜第５電圧検出用ＩＣ（２５）を備えている。そして、第１電圧検出用ＩＣ（２１）は、第１ブロック６１として区切られた１１個の単位セルＢＴ１〜ＢＴ１１の電圧を測定する。また、第２電圧検出用ＩＣ（２２）は、第２ブロック６２として区切られた１１個の単位セルＢＴ１２〜ＢＴ２２の電圧を測定し、同様に、第３電圧検出用ＩＣ（２３）は、第３ブロック６３として区切られた１１個の単位セルＢＴ２３〜ＢＴ３３の電圧を測定し、第４電圧検出用ＩＣ（２４）は、第４ブロック６４として区切られた１１個の単位セルＢＴ３４〜ＢＴ４４の電圧を測定し、第５電圧検出用ＩＣ（２５）は、第５ブロック６５として区切られた１１個の単位セルＢＴ４５〜ＢＴ５５の電圧を測定する。

また、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ変換手段）を備えており、Ａ／Ｄ変換用電源７１〜７５より出力されるＡ／Ｄ変換用電圧を用いて、各ブロック（第１ブロック〜第５ブロック）毎に測定された電圧信号（１１個の単位セルを直列接続した電圧信号）をディジタルの電圧信号に変換する。

更に、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）にはそれぞれ温度センサ（温度検出手段）８１〜８５が設けられており、該温度センサ８１〜８５は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）の温度を検出する。

また、第２〜第５電圧検出用ＩＣ（２２）〜（２５）は、通信線３１を介して、第１電圧検出用ＩＣ（２１）と接続され、該電圧検出用ＩＣ（２１）は、絶縁インターフェース３２を介して、低電圧側装置１２側に設けられているメインマイコン（電圧変動検出手段）３３に接続されている。従って、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）で測定された電圧信号、及び各温度センサ８１〜８５で検出された温度信号は、ディジタル信号に変換され、その後、通信線３１を経由してメインマイコン３３に送信されることになる。

更に、本実施形態に係る電圧測定装置１０では、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）にてサンプル電圧を生成し、このサンプル電圧をＡ／Ｄ変換器によりディジタル化し、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）でディジタル化されたサンプル信号と、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）の温度センサ８１〜８５で検出された周囲温度に基づいて、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）で検出される電圧の誤差比率を求める。更には、この誤差比率に基づいて、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）より送信されたディジタルの電圧信号を補正する。詳細については後述する。

図２は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）の内部に設けられるサンプル電圧生成回路４１を示す説明図である。図２に示すように、サンプル電圧生成回路４１は、抵抗Ｒref1とダイオードＤ１の直列接続回路を備え、抵抗Ｒref1の一端は電圧Ｖccの供給点に接続され、ダイオードＤ１の一端はグランドに接地されている。また、抵抗Ｒref１とダイオードＤ１の接続点は、バッファアンプ４２に接続されている。従って、バッファアンプ４２の出力端子に発生する電圧は、ダイオードＤ１の両端に生じる電圧を安定化した電圧となり、この電圧をサンプル電圧Ｖf1とする。

いま、ダイオードＤ１がシリコン半導体で構成され、抵抗Ｒref1に一定値以上の電流が流れた場合を想定すると、周囲温度が２０℃のときサンプル電圧Ｖf1は約６５０ｍＶとなることが知られている。また、シリコン半導体は、−２ｍＶ／℃の温度特性を有するので、周囲温度が１℃上昇すると、サンプル電圧Ｖf1は２ｍＶ減少する。

即ち、周囲温度が検出されれば、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）に設けられるサンプル電圧生成回路４１にて生成されるサンプル電圧Ｖf1を上記の演算により求めることができることになる。

次に、本実施形態に係る電圧測定装置１０の動作を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１１において、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）にサンプル電圧Ｖf1の検出を指示する信号、及び温度の検出を指示する信号を送信する。ここで、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）のサンプル電圧生成回路４１で生成される温度補正用電圧Ｖf1を区別するために、サフィックス「-n」を付する。例えば、第１電圧検出用ＩＣ（２１）のサンプル電圧生成回路４１で生成されるサンプル電圧は「Ｖf1-1」と示し、第２電圧検出用ＩＣ（２２）のサンプル電圧生成回路４１で生成されるサンプル電圧は「Ｖf1-2」と示し、以下、同様に「Ｖf1-3」、「Ｖf1-4」、「Ｖf1-5」と示す。また、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）に設けられた温度センサ８１〜８５で検出される温度をそれぞれＴ１〜Ｔ５とする。

ステップＳ１２において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）は、サンプル電圧生成回路４１で生成されたサンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-5をＡ／Ｄ変換し、ディジタル化したサンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-5（ディジタルサンプル電圧）を生成する。

ステップＳ１３において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）に設けられた温度センサ８１〜８５は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）の温度Ｔ１〜Ｔ５を検出する。

ステップＳ１４において、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）に、ディジタル化されたサンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-n、及び温度Ｔ１〜Ｔ５の送信を要求する。

ステップＳ１５において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）は、ディジタル化したサンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-n、及び温度Ｔ１〜Ｔ５を絶縁インターフェース３２を介してメインマイコン３３に送信する。

ステップＳ１６において、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）より送信された温度Ｔ１〜Ｔ５に基づいて所定の演算式により、サンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-nの真値を求め、これを基準値Ｖft(n)（但し、ｎ＝１〜５）として設定する。例えば、上述したようにダイオードＤ１のアノード、カソード間の電圧は、２０℃のとき６５０ｍＶであり、−２ｍＶ／℃の特性を有することが知られている。即ち、温度が１℃上昇すると２ｍＶだけ電圧が減少する。メインマイコン３３は、ステップＳ１５の処理で送信された温度Ｔ１〜Ｔ５、及び上記特性に基づいて、サンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-nの真値を求め、これを基準値Ｖft(n)とする。

ステップＳ１７において、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）より送信されたサンプル電圧Ｖf1-1〜Ｖf1-5と、ステップＳ１６の処理で求められた基準値Ｖft(n)に基づき、下記（１）式により誤差比率Ｖerr(n)を求める。

Ｖerr(n)＝（Ｖf1-n−Ｖft(n)）／Ｖft(n) …（１）
但し、ｎ＝１〜５
こうして、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）毎の誤差比率Ｖerr(n)が求められるのである。

次に、図５に示すフローチャートを参照して、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）で検出される各ブロック６１〜６５の電圧を補正する電圧補正処理の手順について説明する。

ステップＳ２１において、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）に、電圧検出を指示する信号を送信する。この処理は、例えば、１６０ｍsec毎に行われる。

ステップＳ２２において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）は、各ブロック６１〜６５に設けられる単位セルの電圧を測定する。その結果、第１ブロック６１の単位セルＢＴ１〜ＢＴ１１の直列接続電圧が求められ、同様に、第２ブロック６２、第３ブロック６３、第４ブロック６４、第５ブロック６５の１１個の単位セルの直列接続の電圧が求められる。

ステップＳ２３において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）は、ステップＳ２２の処理で測定された各ブロック６１〜６５の電圧をＡ／Ｄ変換処理して、ディジタル信号に変換する。

ステップＳ２４において、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）は、ディジタル化した電圧信号を通信線３１、及び絶縁インターフェース３２を介してメインマイコン３３に送信する。

ステップＳ２５において、メインマイコン３３は、図４に示した誤差比率の算出処理で取得した各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）毎の誤差比率Ｖerr(1)〜Ｖerr(5)に基づき、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）より送信された電圧信号を、次の（２）式を用いて補正する。

Ｖｎ*＝Ｖｎ＋Ｖｎ×Ｖerr(n) …（２）
但し、Ｖｎは第ｎ電圧検出用ＩＣより出力された電圧信号、Ｖｎ*は第ｎ電圧検出用ＩＣより出力された電圧信号を補正した電圧、Ｖerr(n)は第ｎ電圧検出用ＩＣで求められた誤差比率である。

こうして、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）で用いるＡ／Ｄ変換用電源７１〜７５の出力電圧にばらつきが発生する場合でも、各ブロック６１〜６５の電圧を高精度に求めることができるのである。

このようにして、本実施形態に係る電圧測定装置１０では、各温度センサ８１〜８５で検出される温度に基づいて、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）のサンプル電圧生成回路４１で取得される電圧の基準値Ｖft(n)を求める。更に、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）のサンプル電圧生成回路４１で生成されるサンプル電圧Ｖf1（Ｖf1-1〜Ｖf1-n）をＡ／Ｄ変換して得られるディジタルのサンプル信号を取得する。そして、ディジタルのサンプル信号と基準値Ｖft(n)を対比して誤差比率Ｖerr(n)を算出し、この誤差比率Ｖerr(n)を用いて実際に検出した各ブロック６１〜６５の電圧を補正している。

従って、Ａ／Ｄ変換用電源７１〜７５より出力されるＡ／Ｄ変換用電圧にばらつきが存在し、Ａ／Ｄ変換後の電圧信号に誤差が存在する場合でも、これを補正して高精度に各ブロック６１〜６５の電圧を測定することができる。

また、図２に示したように、シリコン半導体で構成されるダイオードＤ１に電流を流し、このダイオードＤ１の両端に生じる電圧をサンプル電圧Ｖf1としている。更に、半導体の温度特性、及び温度センサ８１〜８５で検出される温度に基づいて、このサンプル電圧Ｖf1を演算により求め、この演算で求めたサンプル電圧を基準値Ｖft(n)としている。従って、ディジタル化されたサンプル電圧Ｖf1の、基準値Ｖft(n)に対する誤差を各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）毎に求めることができ、誤差比率を高精度に求めることができる。

更に、高電圧側装置１１でディジタル化されたサンプル電圧Ｖf1、及び各ブロック６１〜６５の電圧は、絶縁インターフェース３２を介して低電圧側装置１２に設けられるメインマイコン３３に送信されて、誤差比率が算出され、更に測定電圧が補正されるので、これらの演算処理を低電圧側装置１２で実行することができ、演算処理を効率良く行うことができる。

次に、上記した実施形態の変形例について説明する。図３は、変形例に係るサンプル電圧生成回路４１ａの構成を示す回路図である。同図に示すように、このサンプル電圧生成回路４１ａは、前述した図２に示したサンプル電圧生成回路４１と対比して、ダイオードが複数個直列接続されている点で相違する。即ち、抵抗Ｒref１とグランドとの間にｎ個のダイオードＤ１〜Ｄｎが設けられ、ダイオードＤｎと抵抗Ｒref１との接続点がバッファアンプ４２に接続され、ダイオードＤ１の一端がグランドに接地されている。

そして、このような構成によれば、サンプル電圧が前述した電圧Ｖfnのｎ倍（例えば、ｎ＝５の場合には、２０℃で３．２５Ｖ）となり、より大きい電圧値を用いて誤差比率Ｖerrを求めることができるので、誤差比率Ｖerrをより高精度に求めることができ、ひいては、各ブロック６１〜６５の電圧の測定精度を向上させることができる。

以上、本発明の複数組電池の電圧測定装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、サンプル電圧生成回路４１、４１ａにシリコン半導体で構成されたダイオードを用いる例について説明したが、本発明は、両端に生じる電圧が安定化していれば、シリコン半導体以外のダイオードを用いることも可能である。

また、ダイオードの代わりに、バイポーラトランジスタのベース、エミッタ間を接続しても同様の効果を達成することができる。更に、ツェナーダイオードの逆方向特性を利用して定電圧を発生させ、これをサンプル電圧として使用することも可能である。

更に、上述した実施形態では、求めた誤差比率Ｖerrを用いて、各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）で検出された電圧を補正する例を説明したが、求めた誤差比率Ｖerrを車両の運転者に通知したり、或いは、誤差比率Ｖerrが予め設定した閾値よりも大きい場合に警報を出力する構成とすることも可能である。

また、上述した実施形態では、温度センサ８１〜８５で検出された温度に基づいて、演算により各電圧検出用ＩＣ（２１）〜（２５）毎に基準値Ｖft(n)を求めるようにしたが、メインマイコン３３内のメモリ等に、予め温度と基準値Ｖft(n)の関係を示すテーブルを設定しておき、温度センサ８１〜８５で検出された温度Ｔ１〜Ｔ５に基づき、テーブルを参照して基準値Ｖft(n)を求めるようにしても良い。

本発明は、ハイブリッド車両等に搭載される二次電池の電圧測定に利用することができる。

１０電圧測定装置
１１高電圧側装置
１２低電圧側装置
１３二次電池
２１〜２５電圧検出用ＩＣ（ブロック電圧検出手段）
３１通信線
３２絶縁インターフェース
３３メインマイコン（電圧変動検出手段）
４１、４１ａサンプル電圧生成回路（サンプル電圧生成手段）
４２バッファアンプ
６１〜６５第１ブロック〜第５ブロック
７１〜７５Ａ／Ｄ変換用電源
８１〜８５温度センサ（温度検出手段）
ＢＴ１〜ＢＴ５５単位セル

Claims

複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、出力電圧を測定する電圧測定装置において、
前記複数のセルを複数のブロックに分割し、各ブロック毎の電圧を検出するブロック電圧検出手段と、
前記各ブロック電圧検出手段に設けられ、所定のＡ／Ｄ変換用電圧を用いてこのブロック電圧検出手段で検出されるアナログ電圧信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、
前記各ブロック電圧検出手段に設けられ、温度特性を有するサンプル電圧を生成するサンプル電圧生成手段と、
前記各ブロック電圧検出手段毎に設けられ、対応するブロック電圧検出手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段で検出された温度に基づいて、サンプル電圧の基準値を求めると共に、前記各ブロック電圧検出手段のＡ／Ｄ変換手段により前記サンプル電圧をデジタル化して得られたディジタルサンプル電圧と、前記基準値の差分に基づいて、前記各ブロック電圧検出手段で検出される電圧の誤差比率を求める電圧変動検出手段と、
を有することを特徴とする複数組電池の電圧測定装置。
前記サンプル電圧生成手段は、シリコン半導体のＰＮ接合部に生じる電圧を用いて前記サンプル電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載の複数組電池の電圧測定装置。
前記サンプル電圧生成手段は、ダイオードと抵抗の直列接続回路を備え、この直列接続回路に電流を流したときに、前記ダイオードの両端に生じる電圧を前記サンプル電圧とすることを特徴とする請求項１に記載の複数組電池の電圧測定装置。
前記直列接続回路は、直列接続された複数のダイオードと抵抗を備え、前記直列接続された複数のダイオードの両端に生じる電圧を前記サンプル電圧とすることを特徴とする請求項３に記載の複数組電池の電圧測定装置。