JP6139281B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、容量調整時の発熱量を適切に制御して制御基板を過熱することなく短時間で容量調整を実行できる二次電池の容量調整方法が開示されている。該容量調整方法は、複数の二次電池１４と、複数の二次電池を制御する電子部品１５１，１５５および各二次電池の容量調整用抵抗１５２とが実装された制御基板１５とを有する組電池１の各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、制御基板１５の容量調整前の実温度Ｔｒと限界温度Ｔｍとの温度差を求めるステップと、各二次電池の容量調整量の総和を求めるステップと、温度差及び容量調整量の総和に基づいて容量調整用抵抗を制御し、各二次電池の容量を調整するステップとを有する。

特開２００７−２８８８８６号公報

ところで、上記従来技術では、温度制御に必要な制御基板１５の実 温度Ｔｒを測定するために温度センサを設ける必要があるが、該温度センサを設けることによって部品点数が増えてしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、温度制御のための温度センサを設けないことによって部品点数を減らすことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直列に接続されたスイッチング素子及び抵抗器からなり、バッテリを構成する複数の電池セル各々に並列に接続される放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧検出回路とを具備する電圧検出装置であって、内部温度が所定の制限温度を超えないように前記放電回路のスイッチング素子のオン回数を変化させる制御手段を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電池セルの電圧を放電回路のインピーダンスによって除算した値に１０００を乗算した値を第１の放電電流値として算出し、該第１の放電電流値に１周期におけるオン期間の割合を乗算した値を第２の放電電流値として算出し、前記放電回路に基づいて予め決められた電流リミット値を第２の放電電流値によって乗算した値に１００を乗算した値をオン回数割合値として算出する演算手段をさらに具備し、前記オン回数割合値に基づいて前記放電回路のスイッチング素子の所定時間内におけるオン回数を変化させる、という手段を採用する。

本発明によれば、内部温度が所定の制限温度を超えないように放電回路のスイッチング素子のオン回数を変化させる。このように本発明は、温度制御に温度センサを必要としないので、温度センサを削減して部品点数を減らすことができる。

本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの動作を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電圧検出装置Ａは、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、バッテリＢを構成する各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧状態を監視するものであり、図１に示すように、放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎ、電圧検出回路Ｄ及びマイコンＭを備える。これら放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎ、電圧検出回路Ｄ及びマイコンＭは、図示しない基板上に実装されている。なお、電圧検出回路Ｄ及びマイコンＭは、本実施形態における電圧検出手段を構成する。なお、マイコンＭは、本実施形態における制御手段である。

放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに並列に接続され、過充電状態である電池セルＣ１〜ＣｎをマイコンＭから入力される制御信号に基づいて放電させるものである。このような放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、図１に示すように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎ及び第１の抵抗器Ｒａ１〜Ｒａｎから構成されている。なお、放電回路Ｈ１〜Ｈｎは同じ構成であるので、放電回路Ｈ１のスイッチング素子Ｓ１及び抵抗器Ｒａ１についてのみ説明し、放電回路Ｈ２〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ２〜Ｓｎ及び第１の抵抗器Ｒａ２〜Ｒａｎについては説明を省略する。

スイッチング素子Ｓ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣ１の正極に接続され、コレクタ端子が第１の抵抗器Ｒａ１の一端に接続されている。このようなスイッチング素子Ｓ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、過充電状態である電池セルＣ１の電力を第１の抵抗器Ｒａ１に放電する。一方、スイッチング素子Ｓ１は、電圧値がローレベルである制御信号がベース端子に入力されると、オフ状態となって、電池セルＣ１から第１の抵抗器Ｒａ１への放電を停止する。

また、スイッチング素子Ｓ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第１の抵抗器Ｒａ１は、一端がスイッチング素子Ｓ１のコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣ１の負極に接続されている。このような第１の抵抗器Ｒａ１は、スイッチング素子Ｓ１がオン状態となると、電池セルＣ１から電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。

フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎから出力される電圧に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ回路であり、各電池セルＣ１〜Ｃｎと各電圧検出回路Ｄとの間に各々設けられている。このようなフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは、図１に示すように、第２の抵抗器Ｒｂ１〜Ｒｂｎ及びコンデンサＣｄ１〜Ｃｄｎから構成されている。

なお、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは同じ構成であるので、フィルタ回路Ｆ１の第２の抵抗器Ｒｂ１及びコンデンサＣｄ１についてのみ説明し、フィルタ回路Ｆ２〜Ｆｎの第２の抵抗器Ｒｂ２〜Ｒｂｎ及びコンデンサＣｄ２〜Ｃｄｎについては説明を省略する。

第２の抵抗器Ｒｂ１は、一端がスイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子及び電池セルＣ１の正極に接続され、他端がコンデンサＣｄ１の一端及び電圧検出回路Ｄに設けられた複数の内の１つの入力端子に接続されている。
コンデンサＣｄ１は、一端が第２の抵抗器Ｒｂ１の他端及び電圧検出回路Ｄの１つの入力端子に接続され、他端がグランドに接続されている。

電圧検出回路Ｄは、各電池セルＣの電圧を検出し、その検出結果をデジタルデータ（電圧検出データ）に変換するＡ／Ｄ変換機能やマイコンＭとの通信機能を有する専用のＩＣチップである。このような電圧検出回路Ｄは、高電圧（例えば６０Ｖ）の電力によって稼働可能であり、低電圧（例えば５Ｖ）で稼動可能なマイコンＭとフォトカプラ等の絶縁素子を介して接続されることによって、マイコンＭと電気的に絶縁されると共に通信可能に接続される。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップであり、上述した絶縁素子を介して電圧検出回路Ｄと通信可能に接続されている。

このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電圧検出装置Ａの全体動作を制御する。詳細については後述するが、マイコンＭは、実装基板上の温度が制限温度（例えば１２０度）を超えないように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎのオン回数を変化させる。

次に、このように構成された本電圧検出装置Ａの動作について図２及び図３を参照して説明する。
マイコンＭは、所定の間隔でオン回数割合値を算出し、該オン回数割合値に基づいて放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎの所定時間（例えば１５００ｍｓ）内におけるオン回数を変化させる。
具体的には、まず、マイコンＭは、以下に示す式（１）に基づいて第１の放電電流値を算出する。
第１の放電電流値(mA)＝セル電圧値(V)÷放電インピーダンス(Ω)×1000…(１)

上記セル電圧値とは、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値である。また、上記放電インピーダンスとは、放電回路Ｈ１〜Ｈｎにおけるインピーダンスである。つまり、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値を放電回路Ｈ１〜Ｈｎにおけるインピーダンスで除算した値に「１０００」を乗算することによって第１の放電電流値を算出する。このように算出された第１の放電電流値は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎがオン状態である場合に、放電回路Ｈ１〜Ｈｎによって放電される電流値のピークを示している。

続いて、マイコンＭは、以下に示す式（２）に基づいて第２の放電電流値を算出する。
第２の放電電流値(mA)＝第１の放電電流値(mA)×オン比…(２)

上記オン比とは、図２（ａ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎのスイッチングの１周期（オン期間＋オフ期間）におけるオン期間の割合である。つまり、マイコンＭは、第１の放電電流値をスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎのスイッチングの１周期におけるオン期間の割合で乗算することによって第２の放電電流値を算出する。このように算出された第２の放電電流値は、１周期あたりの放電回路Ｈ１〜Ｈｎによって放電される電流の平均値を示している。

続いて、マイコンＭは、以下に示す式（３）に基づいてオン回数割合値を算出する。
オン回数割合値(%)＝電流リミット値(mA)÷第２の放電電流値(mA)×100…(３)

上記電流リミット値とは、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎを１回オン状態にして放電回路Ｈ１〜Ｈｎにより放電した場合、実装基板上の温度が制限温度（例えば１２０度）を超えない電流の限界値である。つまり、マイコンＭは、電流リミット値を第２の放電電流値によって除算した値に１００を乗算することによってオン回数割合値を算出する。

そして、マイコンＭは、このようにして算出したオン回数割合値に基づいて放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎの所定時間内におけるオン回数を変化させる。例えば、マイコンＭは、オン回数割合値が「１００」％から「７５」％に変化した場合、図２（ｂ）に示すようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎをオン状態にする回数を減らす。

具体的には、１５００ｍｓにおいてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎを７５回オン状態にすることを、オン回数割合値が「１００」％であるとすれば、オン回数割合値が「７５」％となった場合には、１５００ｍｓにおいてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎを５６回オン状態にする。なお、オン回数割合値から算出されるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎのオン回数の小数点以下については切り捨てる。

また、オン回数割合値の最大値については「１００」％に設定されている。つまり、マイコンＭは、上記式(３)を演算した結果、オン回数割合値が「１００」％を超えた場合には、オン回数割合値を「１００」％とする。

図３（ｂ）は、セル電圧値と、第１の放電電流値との関係を示すグラフである。なお、図３（ｂ）には、３つの異なる放電インピーダンスｍａｘ、ｍｉｄ、ｍｉｎに応じたセル電圧値と、第１の放電電流値との関係を示している。

この結果、図３に示すように、放電回路Ｈ１〜Ｈｎによって放電される電流が電流リミット値を超えないようにできる。したがって、実装基板上の温度が制限温度（例えば１２０度）を超えない。なお、図３は、セル電圧値と、第１の放電電流値との関係を示すグラフである。また、図３は、３つの異なる放電インピーダンスｍａｘ、ｍｉｄ、ｍｉｎに応じたセル電圧値と、第１の放電電流値との関係を示している。

このような本実施形態によれば、実装基板上の温度が所定の制限温度を超えないように放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎのオン回数を変化させる。このように本実施形態は、温度制御に温度センサを必要としないので、温度センサを削減して部品点数を減らすことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
上記実施形態では、上記式(１)、(２) 、(３)を用いてオン回数割合値を算出し、該オン回数割合値に基づいて放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎの所定時間内におけるオン回数を変化させることで、実装基板上の温度が制限温度（例えば１２０度）を超えないようにしたが、本発明これに限定されない。例えば、マイコンＭは、セル電圧値に応じたオン回数割合値が登録されたテーブルを予め記憶し、該テーブルに基づいてオン回数割合値を算出し、該オン回数割合値に基づいて放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎの所定時間内におけるオン回数を変化させるようにしてもよい。

Ａ…電圧検出装置、Ｂ…バッテリ、Ｃ１〜Ｃｎ…電池セル、Ｈ１〜Ｈｎ…放電回路、Ｆ１〜Ｆｎ…フィルタ回路、Ｄ…電圧検出回路、Ｍ…マイコン（制御手段）、Ｓ１〜Ｓｎ…スイッチング素子、Ｒａ１〜Ｒａｎ…第１の抵抗器、Ｒｂ１〜Ｒｂｎ…第２の抵抗器、Ｃｄ１〜Ｃｄｎ…コンデンサ

Claims (2)

1. 直列に接続されたスイッチング素子及び抵抗器からなり、バッテリを構成する複数の電池セル各々に並列に接続される放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧検出回路とを具備する電圧検出装置であって、
   前記電池セルの電圧と前記放電回路における放電インピーダンスとから第１の放電電流値を算出し、前記第１の放電電流値と前記スイッチング素子のスイッチングの１周期におけるオン期間の割合とから第２の放電電流値を算出し、前記放電回路により放電した場合に実装基板上の温度が所定の制限温度を超えないように予め決められた電流リミット値と前記第２の放電電流値とからオン回数割合値を算出する演算手段と、
   前記オン回数割合値に基づいて前記放電回路のスイッチング素子のオン回数を変化させる制御手段と
   を具備することを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記演算手段は、前記電池セルの電圧を放電回路のインピーダンスによって除算した値に１０００を乗算した値を前記第１の放電電流値として算出し、該第１の放電電流値に１周期におけるオン期間の割合を乗算した値を前記第２の放電電流値として算出し、前記放電回路に基づいて予め決められた電流リミット値を前記第２の放電電流値によって除算した値に１００を乗算した値を前記オン回数割合値として算出することを特徴とする請求項１記載の電圧検出装置。
   

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