JP6194402B2 - 電圧監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車やハイブリッドカーなどにおいて利用可能な電圧監視装置に関する。

例えば電気自動車やハイブリッドカーなどにおいては、車両の推進用に利用可能な電源として、例えばリチウムイオン電池のような二次電池を利用している。また、１個の電池だけでは電圧が低いので、例えば８個以上の多数の電池セルを直列に接続して構成した組電池回路を用いている。

このような組電池回路を採用する場合には、充放電等の動作に伴って各電池セルが正しく動作しているかどうかを常時監視しなければならない。一般的には、各電池セルの端子間の電圧を計測し、計測した電圧により各電池セルの状況を把握している。

しかし、実際の各電池セルの電圧は、充放電に伴う複雑な電流の変化や外部からのノイズの侵入などによって影響を受ける。即ち、各電池セルの直流電圧を計測しようとしても、交流、或いは高周波のノイズの影響により大きな計測誤差が発生する可能性がある。

したがって、例えば特許文献１に開示された電池電圧測定回路においては、組電池回路の各出力端子と、電圧測定回路の入力端子との間に、ＲＣフィルタ部を接続している。即ち、抵抗器（Ｒ）とコンデンサ（Ｃ）とで構成したローパスフィルタを用いて交流や高周波のノイズ成分を除去してから電圧を計測している。

特開２００３−２８２１５８号公報

しかしながら、特許文献１のＲＣフィルタ部においては、コンデンサを各電池セルの端子間に接続しているので、十分にノイズを除去できない可能性がある。つまり、各電池セルの端子とアースとの間に発生するノイズを除去する能力が低い。

例えば、フィルタのコンデンサを各電池セルの端子とアースとの間に接続すれば、ノイズを除去する能力を向上させることができる。しかし、その場合にはコンデンサの端子間に印加される電圧が高くなるので、各コンデンサの耐圧を上げる必要がある。また、この場合には、コンデンサの直流バイアス電圧によってフィルタの能力が低下したり、電圧の計測に悪影響が現れる可能性も考えられる。

例えば、フィルタの構成要素として比較的小型で耐圧が高く、しかも安価なセラミックコンデンサを採用することが考えられる。しかし、セラミックコンデンサは印加される直流バイアス電圧に応じて静電容量が変化する傾向がある。静電容量が変化すると、フィルタのカットオフ周波数が変化するので、周波数の低いノイズを十分に除去できない場合がある。また、逆にフィルタのカットオフ周波数が低すぎる場合には、ノイズ以外の電池セル自体の電圧の早い変化に対してもフィルタの影響が現れるため、電圧を監視する能力が低下する可能性が考えられるし、コンデンサが必要以上に大型化する可能性もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力に高い直流電圧が印加される場合であっても、所望の周波数領域のノイズを十分に低減することが可能な電圧監視装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電圧監視装置は、下記（１）、（２）を特徴としている。
（１） 直列に接続された２以上の電池セルにより構成される組電池回路における前記電池セルそれぞれの接続箇所の出力端子の電圧を検知する電圧検知回路と、前記組電池回路と前記電圧検知回路との間に接続されるフィルタ回路と、を備える電圧監視装置であって、
前記フィルタ回路は、前記組電池回路の複数の出力端子のいずれか１つと、前記電圧検知回路の複数の入力端子のいずれか１つとの間に接続された抵抗器と、前記電圧検知回路の複数の入力端子のいずれか１つとアース端子との間に接続されたコンデンサと、で構成されるフィルタ部を複数組備え、
前記コンデンサが、印加される直流電圧に応じて静電容量が変動する特性を有し、
前記コンデンサに印加される直流電圧に基づいて予想される該コンデンサの静電容量と前記抵抗器の抵抗値とによって定まる、前記フィルタ部それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が１［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
こと。
（２） 上記（１）の構成の電圧監視装置であって、
前記フィルタ部それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が０．５８［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
こと。

上記（１）、（２）の構成の電圧監視装置によれば、前記コンデンサが前記複数の入力端子のいずれか１つとアース端子との間に接続されるので、所望の周波数領域のノイズを十分に低減することが可能である。また、前記コンデンサに印加される直流バイアス電圧（基準直流電圧）が高くなる可能性があり、例えば、前記コンデンサがセラミックコンデンサである場合には、その静電容量が規定値に対して低下する可能性がある。しかし、前記抵抗器の抵抗値が、前記コンデンサに生じる予想静電容量低下量を補償するために必要な補償用抵抗値を含むように決定されるので、前記直流バイアス電圧の影響を抑制することができ、所望の周波数領域のノイズに対して十分な低減能力を確保することが可能になる。

本発明の電圧監視装置によれば、入力に高い直流電圧が印加される場合であっても、所望の周波数領域のノイズを十分に低減することが可能になる。したがって、例えば電気自動車やハイブリッドカーなどの電源回路のように、比較的高電圧を扱う組電池回路の電圧を監視するために役立てることができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、フィルタ回路を含む電圧監視装置の構成例を示す電気回路図である。 図２は、図１に示したフィルタ回路の各パラメータの具体例の一覧を示す模式図である。 図３は、セラミックコンデンサの直流バイアス電圧と静電容量との対応関係に関する計測結果を表すグラフである。 図４は、直流バイアス電圧の影響を考慮しない場合の各パラメータの一覧を示す模式図である。

本発明のフィルタ回路に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜回路の構成＞
実施形態のフィルタ回路２０を含む電圧監視装置の構成例を図１に示す。
図１に示した電圧監視装置は、例えば電気自動車やハイブリッドカーなどに電源として搭載した状態で使用することが想定される。即ち、図１に示した組電池回路１０を車両の推進力を発生するために必要な電力の供給源として使用する。

したがって、十分に高い電圧を供給できるように、図１の構成例では１０個の電池セルＢｃ（０１），Ｂｃ（０２），・・・，Ｂｃ（０９），及びＢｃ（１０）を直列に接続して組電池回路１０を構成してある。電池セルＢｃ（０１）〜Ｂｃ（１０）の各々は、例えばリチウムイオン電池のように充電が可能な二次電池により構成されている。

また、図１では記載を省略してあるが、実際の使用状態においては、組電池回路１０に充電電力を供給する充電回路、及び組電池回路１０の電力を消費する車両上の様々な負荷が組電池回路１０に接続される。

図１に示した例では、各々の電池セルＢｃは定格電圧として５［Ｖ］の電圧を出力することができる。図１の組電池回路１０は１０個の電池セルＢｃ（０１）〜Ｂｃ（１０）を直列に接続してあるので、全体で５０［Ｖ］の電圧を出力することができる。

このような組電池回路１０を使用する場合には、例えば充電状態や放電状態を正確に把握するために、或いは各電池セルＢｃの故障の有無を監視するために、組電池回路１０の各出力端子Ｔ０１〜Ｔ１０の電圧を検知する必要がある。

各出力端子Ｔ０１〜Ｔ１０の電圧を検知するために、図１に示した電圧監視装置には電圧検知回路３０が備わっている。即ち、電圧検知回路３０は、入力端子Ｔｉ０１〜Ｔｉ１０にそれぞれ印加される電圧を監視することにより、組電池回路１０を構成する各電池セルＢｃの電圧を検知することができる。

組電池回路１０の各出力端子Ｔ０１〜Ｔ１０に現れる電源電圧は基本的には直流電圧である。しかし、充電により変化する電流や、様々な負荷に流れる電流の影響を受け、外部から侵入するノイズの影響を受ける場合もあるので、実際に各出力端子Ｔ０１〜Ｔ１０に現れる電圧には、交流や高周波の電圧成分も含まれる。

したがって、電圧検知回路３０が各入力端子Ｔｉ０１〜Ｔｉ１０の直流電圧を計測する際に、不要な交流や高周波のノイズ電圧成分を除去するために、フィルタ回路２０が接続してある。

フィルタ回路２０は、互いに独立した１０組のローパスフィルタ２１（０１），２１（０２），・・・，２１（０９），及び２１（１０）で構成してある。各々のローパスフィルタ２１は、組電池回路１０の出力端子と、電圧検知回路３０の入力端子との間に接続してある。

例えば１番目のローパスフィルタ２１（０１）は、抵抗器Ｒｆ（０１）と、コンデンサＣｆ（０１）とで構成してある。抵抗器Ｒｆ（０１）は、その一端が出力端子Ｔ０１と接続され、他端が入力端子Ｔｉ０１と接続されている。コンデンサＣｆ（０１）は、その一端が抵抗器Ｒｆ（０１）及び入力端子Ｔｉ０１と接続され、他端がアース電極と接続されている。

他のローパスフィルタ２１（０２）〜２１（１０）についても同様の構成になっている。但し、抵抗器Ｒｆ（０１）〜Ｒｆ（１０）の抵抗値については、後述するように、ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）のそれぞれについて互いに異なる値が割り当ててある。

一般的なローパスフィルタ（ＬＰＦ）と同様に、ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）のそれぞれは、交流の周波数の高い成分を除去し、周波数の低い交流成分及び直流成分のみを通過させることができる。フィルタのカットオフ周波数（遮断周波数）ｆｃは抵抗器Ｒｆの抵抗値及びコンデンサＣｆの静電容量によって定まる。即ち、次式で表される。

ｆｃ＝１／（２π・Ｒ・Ｃ） ・・・（１）
Ｒ：抵抗器Ｒｆの抵抗値
Ｃ：コンデンサＣｆの静電容量

各ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）を構成するコンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）については、十分な耐圧を有するセラミックコンデンサを採用している。使用した各コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）の規格上の静電容量は０．１［μＦ］であり、静電容量の誤差範囲は±１０［％］、耐圧は１００［Ｖ］である。

＜静電容量の変動の説明＞
図１に示した電圧監視装置においては、各ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）を構成するコンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）に比較的高い直流電圧が印加される。例えば、コンデンサＣｆ（０１）の端子間には組電池回路１０の出力端子Ｔ０１から標準状態で５［Ｖ］の直流電圧が印加され、コンデンサＣｆ（１０）の端子間には出力端子Ｔ１０から５０［Ｖ］の直流電圧が印加される。また、セラミックコンデンサの場合には、印加される直流電圧に応じて静電容量が変動する可能性がある。

そこで、各ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）に採用したコンデンサＣｆについて、直流バイアス電圧と静電容量との実際の対応関係を把握するために、Ｃｆと同一種類のセラミックコンデンサを用いて計測を実施した。その計測結果を図３に示す。図３において、横軸が計測対象のコンデンサに印加された直流バイアス電圧［Ｖ］を表し、縦軸が静電容量の大きさ［μＦ］を表している。

図３に示した計測結果から分かるように、セラミックコンデンサの実際の静電容量は、印加される直流電圧に応じて大きく変動する。例えば、印加される直流電圧が５０［Ｖ］程度になると、電圧が０［Ｖ］の場合と比べて半分程度まで実際の静電容量が大幅に低下する。

図１に示したフィルタ回路２０の使用環境においては、コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）にそれぞれ異なる直流電圧が印加されるので、コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）の使用状態における実際の静電容量は、図３に示す特性のように変化することが見込まれる。

しかし、コンデンサＣｆの実際の静電容量が規定値からずれた場合には、前記第（１）式に従って、フィルタのカットオフ周波数ｆｃが変動することになる。例えば、静電容量が規定値の半分になると、カットオフ周波数ｆｃが２倍になる。その結果、例えばローパスフィルタ２１（１０）が周波数の低いノイズを十分に除去できない状態になり、電圧検知回路３０が正確な電圧を検知できなくなる。

＜静電容量の変動に対する対策＞
図１に示したフィルタ回路２０においては、所望の周波数帯のノイズを十分に除去できるように対策をしてある。即ち、図３に示したような静電容量の変動に対して、各ローパスフィルタ２１（０１）〜２１（１０）のカットオフ周波数ｆｃが変動しないように、抵抗器Ｒｆ（０１）〜Ｒｆ（１０）の抵抗値に事前に決定した補償値を加算してある。具体的には以下の通りである。

すなわち、図１に示した電圧監視装置の環境においては、コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）のそれぞれに印加される直流電圧の基準値（５，１０，１５，・・・，４５，５０［Ｖ］）が予め定まっており、故障などの特別な状況にならない限り、印加される直流電圧が基準値から大きくずれることはない。したがって、コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）のそれぞれについて、直流バイアス電圧の影響による静電容量の変化分を事前に予想することができる。

前記第（１）式を変形することにより、次式が得られる。
Ｒ＝１／（２π・Ｃ・ｆｃ） ・・・（２）
Ｒｘ＝１／（２π・Ｃｘ・ｆｃ） ・・・（３）
Ｃｘ：コンデンサＣｆの直流バイアス電圧Ｖの影響を考慮した予想静電容量
Ｒｘ：ｆｃを規定値にするために必要な補償値を含む抵抗器Ｒｆの抵抗値

したがって、最初にカットオフ周波数ｆｃを所望の値（例えば３１〜３２［Ｈｚ］）に決定し、コンデンサＣｆ（０１）〜Ｃｆ（１０）の各々の予想される静電容量Ｃｘ、及び前記カットオフ周波数ｆｃを前記第（３）式に代入することにより、補償後の抵抗器Ｒｆの抵抗値Ｒｘを算出する。予想される静電容量Ｃｘについては、該当するコンデンサＣｆが接続される出力端子（Ｔ０１〜Ｔ１０のいずれか）における直流電圧の基準値Ｖｘ（５，１０，１５，・・・，４５，５０［Ｖ］）と、図３に示した計測結果から求めることができる。

但し、実際に入手可能な抵抗器Ｒｆの抵抗値には制限がある。即ち、規格で定められた系列（例えばＥ９６）の抵抗器の中に実在している抵抗値の抵抗器だけしか入手できない。そのため、前記第（３）式から算出した補償後の抵抗値Ｒｘに最も近い抵抗値を抵抗器の系列の中から選択し、これを実際の抵抗器Ｒｆの抵抗値として採用する。

したがって、選択した抵抗器Ｒｆの抵抗値が計算値の近似値になり、その結果、実際のカットオフ周波数ｆｃが事前に決定した周波数から多少ずれることになる。そのため、選択した抵抗器Ｒｆの抵抗値を前記第（１）式に代入し、実際のカットオフ周波数ｆｃを算出する。そして、実際のカットオフ周波数ｆｃが所望の範囲から逸脱している場合には、抵抗器Ｒｆの抵抗値の選択をやり直し、別の近似値を選択する。

図１に示したフィルタ回路２０の各パラメータの具体例の一覧を図２に示す。また、直流バイアス電圧の影響を考慮しない場合の各パラメータの一覧を図４に示す。

即ち、上述の処理の結果として選択した電池セル位置（ｎ：１〜１０のいずれか）毎の最適な抵抗器Ｒｆ（ｎ）の抵抗値と、これに関連する各パラメータとが図２に示されている。図２に示したように、各電池セル位置（ｎ）のコンデンサＣｆの静電容量（定格値）は全て「０．１［μＦ］」であるが、印加される直流バイアスの影響を受けるため、使用時の実際の静電容量Ｃｘ（ｎ）は「０．１［μＦ］」よりも低下する。

例えば、１０番目の位置の電池セルＢｃ（１０）に接続されるコンデンサＣｆ（１０）については、印加される直流電圧の基準値Ｖｘ（１０）が５０［Ｖ］なので、実際の静電容量Ｃｘ（１０）は、０．１［μＦ］から０．０４７［μＦ］に低下する。図３に示した計測結果からこの静電容量Ｃｘ（１０）を予想できる。

各位置の実際の静電容量Ｃｘ（ｎ）に対して、カットオフ周波数ｆｃを所望の周波数範囲に維持できるように、抵抗器Ｒｆ（ｎ）の抵抗値として、前記第（３）式から算出した補償後の抵抗値Ｒｘに近似した値を選択する。したがって、例えば１０番目の位置の抵抗器Ｒｆ（１０）については、抵抗値としてＥ９６系列の中から入手可能な１０７［ｋΩ］を選択する。

この場合、抵抗器Ｒｆ（１０）の抵抗値が１０７［ｋΩ］であり、コンデンサＣｆ（１０）の実際の静電容量Ｃｘ（１０）が０．０４７［μＦ］なので、前記第（１）式から算出されるカットオフ周波数ｆｃ（１０）は、３１．４５［Ｈｚ］になる。

一方、抵抗器Ｒｆの抵抗値に補正値を加算しない場合には、図４に示すように、実際のカットオフ周波数ｆｃがセルの位置毎にばらばらであり、特に１０番目のセル位置ではカットオフ周波数が６５．９８［Ｈｚ］であり所望の範囲（３１〜３２）から大きく逸脱している。

つまり、図２の内容と図４の内容との対比から明らかなように、各コンデンサＣｆの実際の静電容量Ｃｘの低下分（予想値）を補償するように、抵抗器Ｒｆの抵抗値を事前に補正しておくことにより、所望のフィルタ特性を得ることができる。即ち、図１に示す電圧監視装置のような使用環境でコンデンサＣｆとしてセラミックコンデンサを採用した場合であっても、実際のカットオフ周波数ｆｃにばらつきが生じるのを防ぐことができ、カットオフ周波数ｆｃを所望の範囲内に維持できる。したがって、組電池回路１０の各出力端子Ｔ０１〜Ｔ１０に現れる電圧に含まれる交流及び高周波の不要なノイズ成分を、フィルタ回路２０で十分に除去することができる。

＜変形の可能性＞
図１に示したフィルタ回路２０においては、各抵抗器Ｒｆを単一の部品で構成しているが複数の抵抗器を直列に接続して抵抗器Ｒｆと同等の部品を構成しても良い。その場合には、例えばコンデンサＣｆの静電容量の定格値とカットオフ周波数ｆｃとから求められる抵抗値に相当する第１の抵抗器と、直流バイアス電圧による静電容量の低下分を補償するために必要な抵抗値に相当する第２の抵抗器とを直列に接続することも想定できる。

また、前述の実施形態では、実際の静電容量Ｃｘ（予想値）を実際の計測結果（図３の内容）により特定している。しかし、該当する直流電圧に対する静電容量の計測結果が存在しない場合であっても、計測結果から予想される図３のような特性曲線を表す関数に基づき、或いは近似した電圧の計測結果に基づき、近似値として静電容量Ｃｘを特定することもできる。

ここで、上述した本発明に係る電圧監視装置の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］、［２］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 直列に接続された２以上の電池セルにより構成される組電池回路（１０）における前記電池セルそれぞれの接続箇所の出力端子（Ｔ０１〜Ｔ１０）の電圧を検知する電圧検知回路（３０）と、前記組電池回路（１０）と前記電圧検知回路（３０）との間に接続されるフィルタ回路（２０）と、を備える電圧監視装置であって、
前記フィルタ回路（２０）は、前記組電池回路（１０）の複数の出力端子（Ｔ０１〜Ｔ１０）のいずれか１つと、前記電圧検知回路（３０）の複数の入力端子（Ｔｉ０１〜Ｔｉ１０）のいずれか１つとの間に接続された抵抗器（Ｒｆ）と、前記電圧検知回路（３０）の複数の入力端子（Ｔｉ０１〜Ｔｉ１０）のいずれか１つとアース端子との間に接続されたコンデンサ（Ｃｆ）と、で構成されるフィルタ部（ローパスフィルタ２１）を複数組備え、
前記コンデンサ（Ｃｆ）が、印加される直流電圧に応じて静電容量が変動する特性を有し、
前記コンデンサ（Ｃｆ）に印加される直流電圧に基づいて予想される該コンデンサの静電容量と前記抵抗器の抵抗値とによって定まる、前記フィルタ部（２１）それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が１［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
こと。
［２］ ［１］に記載のの電圧監視装置であって、
前記フィルタ部（２１）それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が０．５８［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
こと。

１０ 組電池回路
２０ フィルタ回路
２１ ローパスフィルタ
３０ 電圧検知回路
Ｂｃ 電池セル
Ｃｆ コンデンサ
Ｒｆ 抵抗器
Ｔ００，Ｔ０１，Ｔ０２，Ｔ０９，Ｔ１０ 出力端子
Ｔｉ００，Ｔｉ０１，Ｔｉ０２，Ｔｉ０９，Ｔｉ１０ 入力端子
ｎ セル位置の番号
Ｃｘ 予想される使用時の静電容量
ｆｃ フィルタのカットオフ周波数
Ｖｘ 印加される直流電圧の基準値

Claims (2)

1. 直列に接続された２以上の電池セルにより構成される組電池回路における前記電池セルそれぞれの接続箇所の出力端子の電圧を検知する電圧検知回路と、前記組電池回路と前記電圧検知回路との間に接続されるフィルタ回路と、を備える電圧監視装置であって、
   前記フィルタ回路は、前記組電池回路の複数の出力端子のいずれか１つと、前記電圧検知回路の複数の入力端子のいずれか１つとの間に接続された抵抗器と、前記電圧検知回路の複数の入力端子のいずれか１つとアース端子との間に接続されたコンデンサと、で構成されるフィルタ部を複数組備え、
   前記コンデンサが、印加される直流電圧に応じて静電容量が変動する特性を有し、
   前記コンデンサに印加される直流電圧に基づいて予想される該コンデンサの静電容量と前記抵抗器の抵抗値とによって定まる、前記フィルタ部それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が１［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
   ことを特徴とする電圧監視装置。
2. 請求項１項に記載の電圧監視装置であって、
   前記フィルタ部それぞれにおけるカットオフ周波数が、その最小値と最大値の幅が０．５８［Ｈｚ］の範囲に収まっている、
   ことを特徴とする電圧監視装置。

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