JP7328725B1

JP7328725B1 - 電圧測定装置及びこの電圧測定装置を用いて電池パックの電圧を測定する方法

Info

Publication number: JP7328725B1
Application number: JP2022155763A
Authority: JP
Inventors: 聡比嘉; 誠大野
Original assignee: GOIKU BATTERY CO., LTD.
Current assignee: GOIKU BATTERY CO., LTD.
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2042-09-29
Also published as: JP2024049509A

Abstract

【課題】高電圧の微小変動を高精度で測定することを可能とすることである。【解決手段】電圧測定装置１０は、複数の二次電池を直列に接続して形成され、所定の電圧を有する電池パック１２の電圧を測定する直流電圧計１４と、所定の電圧よりも低い電圧を出力し、直流電圧計１４の基準電位として出力電圧を供給するＤＣ－ＤＣコンバータ１６と、を備えることを特徴とする。この際、電池パック１２の開放電圧の９０％以上～１００％未満となるようにＤＣ－ＤＣコンバータ１６の出力電圧を設定することが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧測定装置及びこの電圧測定装置を用いて電池パックの電圧を測定する方法に関する。

従来、リチウムイオン電池などの二次電池を含む電池パックの劣化診断を行うために、電池パックの開放電圧と、この電池パックに電流を流した際の電池電圧との差電圧を測定することがある。

本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、高電圧印加部と接地電位部との間に配置され、前記高電圧印加部および前記接地電位部の少なくとも一方と電気的に絶縁されたポッケルス素子と、このポッケルス素子の前記高電圧印加部と対向する面および前記接地電位部と対向する面にそれぞれ電極を備えた一対の電極と、この一対の電極に挟まれた前記ポッケルス素子の内部を透過する光を出射する光源と、この光源と前記ポッケルス素子との間に配置され、前記光源から出射された光を偏光する偏光子と、前記ポッケルス素子を透過した光の光強度を検出する光検出器と、この光検出器と前記ポッケルス素子との間に配置された検光子と、前記一対の電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記光検出器および前記直流電源に接続され、前記光検出器で検出された光強度に基づいて前記直流電源の出力電圧を算出するフィードバック回路と、このフィードバック回路で算出された前記出力電圧から前記ポッケルス素子の電界強度を演算すると共に、前記高電圧印加部に印加された電圧を演算する演算部とを備えたことを特徴とする電圧測定装置が開示されている。

特開２０１８－９１７８２号公報

一般的にリチウムイオン電池の定格電圧は約３．７Ｖであり、満充電電圧が約４．２Ｖであり、終止電圧が約２．８Ｖとされている。電池パックは、例えば、リチウムイオン電池を９６個直列にして使用することがあるため、３００Ｖ～４００Ｖとなることがある。

例えば、電池パックの開放電圧が４００Ｖの場合、電池パックに１０Ａの電流を流すと電池電圧が約４００．６Ｖとなり、この時の差電圧ΔＶは０．６Ｖとなる。０．６Ｖ／４００＝０．１５％となるため、ΔＶを精度よく測定する必要がある。

本発明の目的は、高電圧の微小変動を高精度で測定することを可能とすることである。

本発明に係る電圧測定装置を用いて高電圧電池パックの電圧を測定する方法は、複数の二次電池を直列に接続して形成され、所定の電圧を有する高電圧電池パックの電圧を測定する直流電圧計と、前記所定の電圧よりも低い電圧を出力し、前記直流電圧計の基準電位として出力電圧を供給する電圧レギュレータと、を備える電圧測定装置を用いて高電圧電池パックの電圧を測定する方法であって、前記高電圧電池パックの開放電圧の９０％以上～１００％未満となるように前記電圧レギュレータの前記出力電圧を設定することを特徴とする。

本発明によれば、高電圧の微小変動を高精度で測定することが出来る。

本発明に係る実施形態の電圧測定装置を示す図である。従来技術の電圧測定装置を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、本発明に係る実施形態の電圧測定装置１０を示す図である。電圧測定装置１０は、電池パック１２の電圧を測定するための装置である。電圧測定装置１０は、直流電圧計１４と、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６と、電源装置１８とを備える。

電池パック１２は、リチウムイオン電池１２ａを９６個直列に接続して形成される。リチウムイオン電池１２ａは、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充電や放電を行う二次電池である。

リチウムイオン電池１２ａの定格電圧は約３．７Ｖであり、満充電電圧が約４．２Ｖであり、終止電圧が約２．８Ｖとされている。このため、リチウムイオン電池１２ａを９６個直列にした電池パック１２は、３００Ｖ～４００Ｖとなることがある。

直流電圧計１４は、一方端が電池パック１２の正極に接続され、他方端がＤＣ－ＤＣコンバータ１６を介して電池パック１２の負極に電気的に接続されて電池パック１２の電圧を測定する機能を有するＡ／Ｄコンバータを含んで構成される。

Ａ／Ｄコンバータは、高電圧側基準電圧が供給されるリファレンストップ端子と、高電圧側基準電圧よりも低い低電圧側基準電圧が供給されるリファレンスボトム端子と、高電圧側基準電圧と低電圧側基準電圧との間の入力電圧が供給されるアナログ入力端子と、出力端子とを備えている。

リファレンスボトム端子は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６に接続されている。即ち、低電圧側基準電圧は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６の出力電圧に一致する。

Ａ／Ｄコンバータは、入力電圧に応じて、高電圧側基準電圧の値と入力電圧の値との比較結果としてデジタル出力値を生成し、その出力端子を介して出力する。

電池パック１２は、その正極が直流電圧計１４のＡ／Ｄコンバータのリファレンストップ端子に接続され、高電圧側基準電圧としてバッテリー電圧をＡ／Ｄコンバータに供給し、負極が接地される。

図示しない電源は、その正極が直流電圧計１４のＡ／Ｄコンバータのアナログ入力端子に接続され、その負極が接地され、入力電圧として基準電圧をＡ／Ｄコンバータに供給する。

この場合、Ａ／Ｄコンバータは、基準電圧に応じて、バッテリー電圧の値と基準電圧の値との比較結果としてデジタル出力値を生成し、出力する。

これにより、電圧測定装置１０では、直流電圧計１４のＡ／Ｄコンバータから出力されたデジタル出力値によりバッテリー電圧を検出する。

ＤＣ－ＤＣコンバータ１６は、レギュレータ（安定化電源）の一つであり、スイッチングレギュレータとも呼ばれる。スイッチングレギュレータは、入力の直流（ＤＣ）電圧を所望の直流（ＤＣ）電圧に変換して出力する。

スイッチングレギュレータを用いることで、入力の電源電圧よりも高い電圧（昇圧）や低い電圧（降圧）、また、入力電圧の極性を反転した電圧（反転）などを出力電圧とすることが出来る。

ここでは、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６は、電源装置１８から供給される直流電圧を昇圧して直流電圧計１４に供給する。

ここでは、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６の出力電圧は、電池パック１２の開放電圧の９０％以上～１００％未満となるように設定することが好ましく、より好適には、開放電圧の９９％以上～１００％未満に設定することである。

例えば、電池パック１２の開放電圧が４００Ｖである場合には、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６の出力電圧を３９８Ｖに設定することが好ましい。

電源装置１８は、正極側が直流電圧計１４及び電池パック１２の正極に接続され、負極側が接地される電源であり、例えば、ＡＣ－ＤＣコンバータやバッテリパックを用いて構成することが出来る。

ＡＣ－ＤＣコンバータは、入力の直流（ＡＣ）電圧を所望の直流（ＤＣ）電圧に変換して出力する機能を有する電源回路である。バッテリパックは、リチウムイオン電池などを含んで構成されてる電源である。

続いて、上記構成の電圧測定装置１０の作用について説明する。最初に、図２を用いて、従来技術で電池パック１２の電圧を測定する場合について詳説する。

電池パック１２は、リチウムイオン電池が９６個直列接続されているため、開放電圧を測定すると４００Ｖとなることがある。ここで、電源装置１０から供給される電力を用いて電池パック１２に１０Ａの電流を流すと電池電圧は約４００．６Ｖになる。

この差電圧（０．６Ｖ）をΔＶと言う。差電圧が生じるのは、リチウムイオン電池の劣化により内部抵抗が大きくなることによる。これにより、リチウムイオン電池の劣化を診断することが可能となる。図２に示されるように、従来技術である電圧測定装置１では直流電圧計１４のみで電池パック１２の電源電圧を測定している。

ここでは、電池パック１２の全体の電圧を測定しているため、０．１５％（０．６Ｖ／４００Ｖ）のΔＶを精度良く測定する必要がある。このためには、測定素子であるＡ／Ｄコンバータの高ビット化が必要であり、高ビット化してもノイズが多ければ、それに埋もれて誤差が大きくなるという課題がある。このような課題に対し、本発明に係る実施形態の電圧測定装置１０は顕著な効果を発揮する。

従来技術の電圧測定装置１では、直流電圧計１４として例えば１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータを用いるとすると、４００Ｖの電圧を２^１２＝４０９６で分割することになる。具体的には、４００Ｖ÷４０９６＝０．０９７６Ｖ＝９７．６ｍＶステップで検知する。このようなステップでは、微小変動を検知することができない。

これに対し、本発明の実施形態に係る電圧測定装置１０によれば、ＤＣ－ＤＣコンバータ１６の出力電圧が３９８Ｖであるため、直流電圧計１４の測定範囲は３９９Ｖ～４００．６Ｖとなる。すなわち、ΔＶは２Ｖ（４００Ｖ－３９８Ｖ）に対する０．６Ｖの変化となるため、測定範囲に対する差電圧の割合が６０％（０．６Ｖ／２Ｖ）となり、０．１５％に比べて大幅に拡大される。これにより、一般的なビット数のＡ／Ｄコンバータを使用することができ、ノイズの影響も抑えることが出来る。

また、２Ｖの電圧を２^１２＝４０９６で分割する場合、２Ｖ÷４０９６＝０．０００４９Ｖ＝０．４９ｍＶステップで検知することができるため、微小変動を検知することが出来る。このように、電圧測定装置１０によれば、電池パック１２の開放電圧が４００Ｖであるような高電圧の場合であっても高精度に測定することが出来るという顕著な効果を奏する。

１０電圧測定装置、１２電池パック、１２ａリチウムイオン電池、１４直流電圧計、１６ＤＣ－ＤＣコンバータ、１８電源装置。

Claims

複数の二次電池を直列に接続して形成され、所定の電圧を有する高電圧電池パックの電圧を測定する直流電圧計と、
前記所定の電圧よりも低い電圧を出力し、前記直流電圧計の基準電位として出力電圧を供給する電圧レギュレータと、
を備える電圧測定装置を用いて高電圧電池パックの電圧を測定する方法であって、
前記高電圧電池パックの開放電圧の９０％以上～１００％未満となるように前記電圧レギュレータの前記出力電圧を設定することを特徴とする電圧測定装置を用いて高電圧電池パックの電圧を測定する方法。