JP6168813B2 - 電圧検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電圧検出装置に関する。
下記特許文献１には、全ての電池セルの電圧を均等に揃えつつ、電圧検出線の断線を正確に検知する蓄電装置が開示されている。このような蓄電装置は、過充電状態である電池セルを放電するための均等化放電回路と、電池セル毎に設けられ、電池セルから入力される電圧に含まれるノイズを除去するフィルタ回路（ＲＣフィルタ回路）と、該フィルタ回路によってノイズが除去された各電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路による検出結果に基づいて蓄電装置全体の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）とを具備する。上記ＣＰＵは、外部の駆動モーター（負荷）が停止処理中である場合、あるいは全ての電池セルの内、最大の電圧が閾値を越える場合、均等化放電回路の動作を禁止し、フィルタ回路を構成するコンデンサの電圧からセル電圧を検出し、断線検知の対象となる電池セルより１つ上の電池セルの電圧が第１の所定値より高い場合、かつ対象となる電池セルの電圧が第２の所定値より低い場合には、その電圧検出線が断線していると判定する。
ところで、上記従来技術では、電池セルと電圧検出回路との間に、ノイズを除去するためのフィルタ回路が設けられている、つまり、電圧検出回路がフィルタ回路を介して電池セルの電圧を検出しているため、直接電池セルの電圧を検出した場合と比べて、フィルタ回路の影響による誤差が生じて、電池セルの電圧の検出精度を低下させる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、フィルタ回路の影響による電池セルの電圧の検出誤差を是正して、電池セルの電圧の検出精度を向上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、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、前記電池セル毎に設けられ、前記電池セルから入力される電圧に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、前記フィルタ回路によってノイズが除去された各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段とを具備する電圧検出装置であって、前記電圧検出手段は、前記放電回路の前記スイッチング素子がオフ状態になってから前記電池セルの電圧を検出するタイミングまでの時間に基づいて検出結果を補正する、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、前記フィルタ回路は、抵抗器及びコンデンサからなるローパスフィルタ回路であり、前記電圧検出手段は、前記時間と前記フィルタ回路の時定数に基づいて検出結果を補正する、という手段を採用する。
本発明によれば、電圧検出手段は、放電回路のスイッチング素子がオフ状態になってから前記電池セルの電圧を検出するタイミングまでの時間に基づいて検出結果を補正することによって、フィルタ回路の影響による電池セルの電圧の検出誤差を是正して、電池セルの電圧の検出精度を向上できる。
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。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。
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。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。
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Ｒ１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ないと、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。
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、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎの影響によって誤差が生じた電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データを補正する。
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、図２に示すタイミングチャートに示すように、所定の間隔で各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出する。すなわち、マイコンＭは、予め割り当てられたタイミングで電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データに基づいて各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を取得する。なお、図２に示す電圧検出のタイミングチャートでは、「オン」が電圧を検出しているタイミングを示し、「オフ」が電圧を検出していないタイミングを示している。
マイコンＭは、図２に示すタイミングチャートに示すように、所定の間隔で各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出する。すなわち、マイコンＭは、予め割り当てられたタイミングで電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データに基づいて各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を取得する。なお、図２に示す電圧検出のタイミングチャートでは、「オン」が電圧を検出しているタイミングを示し、「オフ」が電圧を検出していないタイミングを示している。
続いて、マイコンＭは、各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出すると、該検出結果に基づいて各電池セルＣ１〜Ｃｎが過充電状態であるか否か判定し、過充電状態である電池セルＣ１〜Ｃｎを放電回路Ｈ１〜Ｈｎを用いて放電させる。例えば、マイコンＭは、電池セルＣ１が過充電状態である場合には、スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、電池セルＣ１の電力を第１の抵抗器Ｒａ１に放電させる。
この際、マイコンＭは、電池セルＣ１の過充電分の電力だけが放電されるように、スイッチング素子Ｓ１をオン状態にする時間を算出し、算出した時間分だけスイッチング素子Ｓ１をオン状態にし、時間が経過するとスイッチング素子Ｓ１をオフ状態にする。この結果、電池セルＣ１の過充電は、解消される。なお、図２に示す放電のタイミングチャートでは、「オン」が放電しているタイミングを示し、「オフ」が未放電のタイミングを示している。例えば、図２に示す放電のタイミングチャートにおいて、「オン」である場合には、スイッチング素子Ｓ１がオン状態であり、「オフ」である場合には、スイッチング素子Ｓ１がオフ状態である。
続いて、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出するタイミングになると、放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎがオフ状態になってから電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出するタイミングまでの時間に基づいて検出結果を補正する。
例えば、マイコンＭは、スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、過充電された電池セルＣ１の電力を第１の抵抗器Ｒａ１に放電させた場合には、図２に示すように、放電完了後にスイッチング素子Ｓ１をオフ状態にしてから電池セルＣ１の電圧を検出するタイミングまでの時間（図２に示す時間Ｔ１）を計測する。
続いて、マイコンＭは、計測した時間Ｔ１に基づいて電圧誤差ΔＶを算出し、電圧検出回路Ｄから入力された電圧検出データに基づいて取得した電池セルＣ１の電圧値に電圧誤差ΔＶを加算する。マイコンＭは、加算の結果得られた電圧値を電池セルＣ１の電圧値とする。
電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データに基づいてマイコンＭによって検出される電池セルＣ１の電圧は、時間Ｔ１に応じて上昇する。この電圧は、フィルタ回路Ｆ１の時定数によって決まるものであり、図３に示すグラフのように時間Ｔ１に応じて変化する。つまり、電圧誤差ΔＶと、時間Ｔ１との間には、フィルタ回路Ｆ１の時定数によって決まる相関関係が存在する（図３参照）。例えば、マイコンＭは、時間Ｔ１と電圧誤差ΔＶとが対応付けられて登録されるデータテーブルを予め記憶し、時間Ｔ１を計測後、データテーブルを参照して電圧誤差ΔＶを求める。そして、マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力された電圧検出データに基づいて取得した電池セルＣ１の電圧値に電圧誤差ΔＶを加算することによって、フィルタ回路Ｆ１の影響によって誤差の生じた電池セルＣ１の電圧値を補正する。
このような本実施形態によれば、マイコンＭは、放電回路Ｈ１〜Ｈｎのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎがオフ状態になってから電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出するタイミングまでの時間に基づいて検出結果を補正することによって、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎの影響による電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の検出誤差を是正して、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の検出精度を向上できる。
つまり、本実施形態によれば、フィルタ回路Ｆ１の影響によって誤差の生じた電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値（図１に示す電圧値Ｖ２）を、電池セルＣ１〜Ｃｎの端子間電圧（図１に示す電圧値Ｖ１）に近似した電圧値に補正できるので、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の検出精度を向上できる。
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、フィルタ回路Ｆ１〜ＦｎとしてＲＣローパスフィルタ回路を用いたが、本発明はこれに限定されない。ＲＣローパスフィルタ回路以外にも、オペアンプを用いたローパスフィルタ回路やリアクトルとコンデンサとかなるローパスフィルタ回路をフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎとして用いる電圧検出装置Ａに本発明を適用するようにしてもよい。その際、マイコンＭは、オペアンプを用いたローパスフィルタ回路やリアクトルとコンデンサとかなるローパスフィルタ回路の時定数によって決まる時間Ｔ１と電圧誤差ΔＶとの相関関係に基づいて電圧誤差ΔＶを求める。
上記実施形態では、フィルタ回路Ｆ１〜ＦｎとしてＲＣローパスフィルタ回路を用いたが、本発明はこれに限定されない。ＲＣローパスフィルタ回路以外にも、オペアンプを用いたローパスフィルタ回路やリアクトルとコンデンサとかなるローパスフィルタ回路をフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎとして用いる電圧検出装置Ａに本発明を適用するようにしてもよい。その際、マイコンＭは、オペアンプを用いたローパスフィルタ回路やリアクトルとコンデンサとかなるローパスフィルタ回路の時定数によって決まる時間Ｔ１と電圧誤差ΔＶとの相関関係に基づいて電圧誤差ΔＶを求める。
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（電圧検出手段）、Ｍ…マイコン（電圧検出手段）、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)
- 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、前記電池セル毎に設けられ、前記電池セルから入力される電圧に含まれるノイズを除去するフィルタ回路と、前記フィルタ回路によってノイズが除去された各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段とを具備する電圧検出装置であって、
前記電圧検出手段は、前記放電回路の前記スイッチング素子がオフ状態になってから前記電池セルの電圧を検出するタイミングまでの時間と前記フィルタ回路の時定数との相関関係に基づいて電圧誤差を求め、前記電池セルの電圧値に前記誤差電圧を加算することによって検出結果を補正することを特徴とする電圧検出装置。 - 前記フィルタ回路は、抵抗器及びコンデンサからなるローパスフィルタ回路であることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
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