JP5890964B2

JP5890964B2 - 電池電圧検出装置

Info

Publication number: JP5890964B2
Application number: JP2011074487A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　司; 司伊藤; 山内　誠; 誠山内
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: US20120253717A1; JP2012208035A; CN102735915A; CN102735915B

Description

本発明は、電池電圧検出装置に関する。

周知のように、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、動力源となるモータに電力を供給する高電圧・大容量のバッテリが搭載されている。このモータ駆動用バッテリは、直列接続された複数のリチウムイオン電池或いは水素ニッケル電池等の電池セルから構成されている。

従来では、直列接続された各電池セルの過充電状態或いは過放電状態を監視するために、フライングキャパシタ方式の電圧検出回路を利用して各電池セルのセル電圧を検出する技術が知られている（下記特許文献１参照）。電圧検出回路の出力電圧（フライングキャパシタの端子間電圧）は、差動増幅器によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器によってデジタルデータ（セル電圧検出データ）に変換される。

特開２００４−８５２０８号公報

従来では、モータ駆動用バッテリから出力される高直流電圧を電圧変換器によって低直流電圧に変換し、Ａ／Ｄ変換器（このＡ／Ｄ変換器はマイコンに内蔵されている場合もある）などのセル電圧の検出に必要な電子部品の電源電圧として利用している。この電源電圧がセル電圧のＡ／Ｄ変換中に瞬間的に変動すると、正確なセル電圧検出データが得られなくなってしまう。

そこで、従来では、Ａ／Ｄ変換器を用いて得られた電源電圧のデジタルデータを基に、マイコンによるソフトウェア処理によって電源電圧の瞬時変動を監視し、瞬時変動発生時に得られたセル電圧検出データを破棄することで、セル電圧の誤検出を防止していた。しかしながら、Ａ／Ｄ変換器は一定周期で電源電圧をサンプリングしてデジタルデータに変換するため、前後のサンプリングタイミング間で発生する電源電圧の瞬時変動を捉えることができず、セル電圧の誤検出が発生する可能性があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電源電圧の瞬時変動に起因するセル電圧の誤検出を確実に防止して、セル電圧検出の信頼性向上を図ることの可能な電池電圧検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電池電圧検出装置に係る第１の解決手段として、電池セルのセル電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路の出力電圧を一定周期でＡ／Ｄ変換してセル電圧検出データを収集する電圧処理部とを備えた電池電圧検出装置であって、外部供給電源電圧の瞬時変動が発生したか否かを判定し、その判定結果を示す瞬時変動検知信号を前記電圧処理部へ出力する電源電圧監視回路を備え、前記電圧処理部は、前記瞬時変動検知信号に基づいて前記外部供給電源電圧の瞬時変動の発生を検知した場合、最新の前記セル電圧検出データを破棄することを特徴とする。

また、本発明では、電池電圧検出装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記外部供給電源電圧を降圧して基準電源電圧を生成する基準電源回路を備え、前記電源電圧監視回路は、前記外部供給電源電圧と前記基準電源電圧とを比較することで、前記外部供給電源電圧の瞬時変動が発生したか否かを判定することを特徴とする。

また、本発明では、電池電圧検出装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記電源電圧監視回路は、前記外部供給電源電圧が前記基準電源電圧以下の場合にレベルが反転する前記瞬時変動検知信号を前記電圧処理部へ出力し、前記電圧処理部は、前記瞬時変動検知信号のレベルが反転したことをトリガとして前記最新のセル電圧検出データを破棄することを特徴とする。

本発明によれば、外部供給電源電圧の瞬時変動を確実に捉えて最新のセル電圧検出データを破棄することができるため、外部供給電源電圧の瞬時変動に起因するセル電圧の誤検出を確実に防止して、セル電圧検出の信頼性向上を図ることが可能となる。

本実施形態における電池電圧検出装置１の構成概略図である。マイコンＭが実行するセル電圧検出処理を表すフローチャートである。外部供給電源電圧ＶＰＢと、瞬時変動検知信号Ｓと、ラッチ回路の出力レベル（エッジ発生情報）と、Ａ／Ｄ変換器による外部供給電源電圧ＶＰＢのサンプリングタイミングとの時間的な対応関係を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態における電池電圧検出装置１の構成概略図である。この図１に示すように、電池電圧検出装置１は、直列接続されたＮ個の電池セルＢ１〜ＢＮの各セル電圧を検出するＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、電池セルＢ１〜ＢＮの各々に個別に設けられたセル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮと、レギュレータ（基準電源回路）ＲＧと、コンパレータ（電源電圧監視回路）ＣＭと、マイコン（電圧処理部）Ｍとを備えている。

各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮは、全て共通の回路構成となっている。つまり、ｎ番目（ｎは１からＮまでの整数）のセル電圧検出回路の符号をＤｎとすると、セル電圧検出回路Ｄｎは、フライングキャパシタＣｎ、第１入力スイッチＳｎａ、第２入力スイッチＳｎｂ、第１出力スイッチＳｎｃ及び第２出力スイッチＳｎｄから構成されている。

フライングキャパシタＣｎは、ｎ番目の電池セルＢｎの端子間電圧（セル電圧）を一時的に記憶する記憶媒体として用いられるコンデンサである。第１入力スイッチＳｎａ、第２入力スイッチＳｎｂ、第１出力スイッチＳｎｃ及び第２出力スイッチＳｎｄは、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）等の、マイコンＭによってそのオン／オフ状態が制御されるスイッチング素子である。

フライングキャパシタＣｎの一方の端子は、第１入力スイッチＳｎａを介して電池セルＢｎの正極端子に接続されていると共に、第１出力スイッチＳｎｃを介してマイコンＭのｎ番目のセル電圧入力ポートＰｎに接続されている。フライングキャパシタＣｎの他方の端子は、第２入力スイッチＳｎｂを介して電池セルＢｎの負極端子に接続されていると共に、第２出力スイッチＳｎｄを介して電池電圧検出装置１内の共通電位線（例えばグランドライン）に接続されている。
なお、他のセル電圧検出回路の回路構成については、上述したｎ番目のセル電圧検出回路Ｄｎと同様である（ｎに当てはめる数字を代えれば良い）ので説明を省略する。

レギュレータＲＧは、電池電圧検出装置１に外部から供給される外部供給電源電圧ＶＰＢ（例えば１４Ｖ）を降圧して、電池電圧検出装置１内の各電子部品を動作させるための基準電源電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）を生成する安定化電源回路である。なお、外部供給電源電圧ＶＰＢは、モータ駆動用バッテリの出力電圧（例えば１４４Ｖ）をＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器によって降圧したものである。

レギュレータＲＧによって生成された基準電源電圧Ｖｃｃは、マイコンＭの電源電圧入力ポートＰＶｃｃに供給されると共に、コンパレータＣＭの非反転入力端子（＋端子）に供給される。また、外部供給電源電圧ＶＰＢは、コンパレータＣＭの反転入力端子（−端子）に供給される。

コンパレータＣＭは、反転入力端子に入力される外部供給電源電圧ＶＰＢと、非反転入力端子に入力される基準電源電圧Ｖｃｃとを比較することにより、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生したか否かを判定し、その判定結果を示す瞬時変動検知信号ＳをマイコンＭのエッジ検出ポートＰＥへ出力する。具体的には、このコンパレータＣＭは、外部供給電源電圧ＶＰＢが基準電源電圧Ｖｃｃより大きい場合にローレベルの瞬時変動検知信号Ｓを出力し、外部供給電源電圧ＶＰＢが基準電源電圧Ｖｃｃ以下の場合に瞬時変動検知信号Ｓをローレベルからハイレベルに反転させる。

マイコンＭは、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、Ａ／Ｄ変換回路、入出力インターフェースなどが一体的に組み込まれたマイクロコントローラである。このマイコンＭは、各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮの各スイッチを制御する機能、及びセル電圧入力ポートＰ１〜ＰＮへの入力電圧（各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮの出力電圧）を一定周期でＡ／Ｄ変換してセル電圧検出データを収集する機能を有している。

また、マイコンＭは、本実施形態における特徴的な機能として、エッジ検出ポートＰＥへ入力される瞬時変動検知信号Ｓに基づいて外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動の発生を検知した場合、最新のセル電圧検出データを破棄する機能を有している。具体的には、マイコンＭは、瞬時変動検知信号Ｓの立上りエッジに同期して瞬時変動検知信号Ｓの状態（レベル）をラッチするラッチ回路を備えており、このラッチ回路の出力レベルをエッジ発生情報として取得し、このエッジ発生情報が「１」の場合、或いはエッジ検出ポートＰＥの電圧レベルがハイレベルの場合に最新のセル電圧検出データを破棄する。

次に、上記のように構成された電池電圧検出装置１の動作について説明する。
図２は、マイコンＭが実行するセル電圧検出処理を表すフローチャートである。マイコンＭは、この図２に示すセル電圧検出処理を一定周期で繰り返し実行することにより、各電池セルＢ１〜ＢＮのセル電圧検出データを収集する。

図２に示すように、マイコンＭは、まず、各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮの第１入力スイッチＳ１ａ〜ＳＮａ及び第２入力スイッチＳ１ｂ〜ＳＮｂをオン状態に制御し、他のスイッチをオフ状態に制御する（ステップＳ１）。これにより、各フライングキャパシタＣ１〜ＣＮは各電池セルＢ１〜ＢＮによって充電される。

続いて、マイコンＭは、各フライングキャパシタＣ１〜ＣＮの充電完了後に、各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮの第１出力スイッチＳ１ｃ〜ＳＮｃ及び第２出力スイッチＳ１ｄ〜ＳＮｄをオン状態に制御し、他のスイッチをオフ状態に制御する（ステップＳ２）。これにより、各フライングキャパシタＣ１〜ＣＮの端子間電圧（各電池セルＢ１〜ＢＮのセル電圧に相当）がマイコンＭのセル電圧入力ポートＰ１〜ＰＮに入力される。

マイコンＭは、セル電圧入力ポートＰ１〜ＰＮへの入力電圧（各セル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮの出力電圧）をＡ／Ｄ変換してセル電圧検出データを生成し、このセル電圧検出データをセル電圧の今回検出値として内部メモリ（例えばＲＡＭ）に格納する（ステップＳ３）。つまり、ＲＡＭには、セル電圧検出処理が一定周期で実行される度に得られたセル電圧検出データが時系列的に記憶されることになる。

そして、マイコンＭは、ラッチ回路の出力レベルをエッジ発生情報として取得し、このエッジ発生情報を内部メモリ（例えばＲＡＭ）に退避させる（ステップＳ４）。上述したように、ラッチ回路とは、コンパレータＣＭからエッジ検出ポートＰＥへ入力される瞬時変動検知信号Ｓの立上りエッジに同期して瞬時変動検知信号Ｓの状態（レベル）をラッチする回路である。従って、このステップＳ４の実行以前に、一度でも外部供給電源電圧ＶＰＢが基準電源電圧Ｖｃｃ以下となっていれば（瞬時変動が発生していれば）、ラッチ回路の出力レベル（エッジ発生情報）は「１」となっているはずである。

続いて、マイコンＭは、上記のラッチ回路をリセットしてラッチ回路の出力レベルを「０」に戻し（ステップＳ５）、ＲＡＭに退避させたエッジ発生情報が「１」か否か、つまり過去に外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生していたか否かを判定する（ステップＳ６）。なお、ここで「過去」とは、前回のセル電圧検出処理にてステップＳ５が実行されたタイミングから今回のセル電圧検出処理にてステップＳ４が実行されたタイミングまでの間の時間を指す。

このステップＳ６において「Ｎｏ」の場合、マイコンＭは、現在のエッジ検出ポートＰＥの電圧レベル（コンパレータＣＭの出力レベル）がハイレベルか否か、つまり現在、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生しているか否かを判定する（ステップＳ７）。

このステップＳ７において「Ｎｏ」の場合、つまり過去も現在も外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生していないと判断される場合、マイコンＭは、電源回路故障フラグを「０」にリセットし（ステップＳ８）、ＲＡＭに格納した最新のセル電圧検出データ（今回のセル電圧検出処理にて取得したセル電圧検出データ）を有効なデータとして取り扱う（ステップＳ９）。

一方、上記ステップＳ６において「Ｙｅｓ」の場合（過去に外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生していた場合）、或いは上記ステップＳ７において「Ｙｅｓ」の場合（現在、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動が発生している場合）、マイコンＭは、電源回路故障フラグを「１」にセットし（ステップＳ１０）、ＲＡＭに格納した最新のセル電圧検出データを破棄する（ステップＳ１１）。

図３は、外部供給電源電圧ＶＰＢと、コンパレータＣＭから出力される瞬時変動検知信号Ｓと、ラッチ回路の出力レベル（エッジ発生情報）と、Ａ／Ｄ変換器による外部供給電源電圧ＶＰＢのサンプリングタイミングとの時間的な対応関係を示すタイミングチャートである。この図に示すように、従来のＡ／Ｄ変換器を用いる瞬時変動監視手法では、前後のサンプリングタイミング間で発生する外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動を捉えることができないが、本実施形態のコンパレータＣＭを用いる瞬時変動監視手法では、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動を確実に捉えることができる。

すなわち、本実施形態によれば、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動を確実に捉えて最新のセル電圧検出データを破棄することができるため、外部供給電源電圧ＶＰＢの瞬時変動に起因するセル電圧の誤検出を確実に防止して、セル電圧検出の信頼性向上を図ることが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、この実施形態はあくまで一例であって本発明の趣旨を逸脱しない範囲において実施形態の細部を種々変更可能であることは勿論である。例えば、上記実施形態では、電池セルＢ１〜ＢＮのそれぞれに対して個別にセル電圧検出回路Ｄ１〜ＤＮを設ける場合を例示したが、セル電圧検出回路を１個だけ設け、マルチプレクサによって電池セルＢ１〜ＢＮのそれぞれとセル電圧検出回路のフライングキャパシタとを順次接続させながら、各電池セルＢ１〜ＢＮのセル電圧を順番に検出するような構成としても良い。なお、マルチプレクサを使用する場合、セル電圧検出回路の第１入力スイッチを削除しても良い。

１…電池電圧検出装置、Ｂ１〜ＢＮ…電池セル、Ｄ１〜ＤＮ…セル電圧検出回路、Ｍ…マイコン（電圧処理部）、ＣＭ…コンパレータ（電源電圧監視回路）、ＲＧ…レギュレータ（基準電源回路）

Claims

電池セルのセル電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路の出力電圧をＡ／Ｄ変換してセル電圧検出データを収集するセル電圧検出処理を一定周期で繰り返し実行する電圧処理部とを備えた電池電圧検出装置であって、
外部供給電源電圧を降圧して基準電源電圧を生成する基準電源回路と、
前記外部供給電源電圧と前記基準電源電圧とを比較し、前記外部供給電源電圧が前記基準電源電圧以下の場合にローレベルからハイレベルに反転する瞬時変動検知信号を前記電圧処理部へ出力する電源電圧監視回路を備え、
前記電圧処理部は、前記瞬時変動検知信号の立上りエッジに同期して瞬時変動検知信号の状態をラッチするラッチ回路と、前記ラッチ回路の出力が退避される内部メモリとを備えており、
前記セル電圧検出処理にて、前記Ａ／Ｄ変換後に、前記退避が実行され、前記退避の実行後に前記ラッチ回路のリセットが実行され、前記リセットの実行後に、前記内部メモリに退避された前記ラッチ回路の出力レベルに基づいて、前回のセル電圧検出処理にて前記リセットが実行されたタイミングから今回のセル電圧検出処理にて前記退避が実行されたタイミングまでの期間に前記外部供給電源電圧の瞬時変動が発生していたか否かを判定し、前記期間に前記外部供給電源電圧の瞬時変動が発生していた場合に前記期間内に収集した前記セル電圧検出データを破棄することを特徴とする電池電圧検出装置。