KR20000069173A

KR20000069173A - 전지전압 측정장치

Info

Publication number: KR20000069173A
Application number: KR1019997004721A
Authority: KR
Inventors: 도리이유지; 나카니시도시아키
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-11-25
Also published as: JP3863262B2; EP0943926A1; US6147499A; EP0943926A4; EP0943926B1; JPH11113182A; DE69804935D1; CN1241259A; KR100480911B1; DE69804935T2; CN1162711C; WO1999017123A1

Abstract

각 전지(1)마다 그 양단전압에 대응하는 출력전압을 얻는 차동 증폭기(2)를 설치하고, 적당수의 차동 증폭기(2)마다 그룹(5)으로 분류하여 각 그룹(5)마다 서로 절연된 접지 단자(6)를 설치하는 것과 아울러 서로 절연된 제어전원(7)을 설치하고, 각 제어전원(7)을 각각의 그룹(5)의 각 차동 증폭기(2)의 전원단자(2a)와 접지 단자 (6) 사이에 접속했다.

Description

전지전압 측정장치{INSTRUMENT FOR MEASURING VOLTAGES OF CELLS}

예를 들면 전기 자동차 등의 전원장치에 있어서는, 다수의 2차 전지를 직렬 접속하여 소정의 구동 전압을 얻도록 구성되어 있으나, 그 전원장치의 신뢰성을 안정적으로 확보하기 위해서는 각 2차 전지 각각의 상태를 항상 정확하게 파악해 둘 필요가 있다. 이런 이유로 각 2차 전지의 양단 전압을 측정하기 위한 전지전압 측정장치를 설치한 것이 알려져 있다.

그러한 종류의 종래의 전지전압 측정장치에 있어서는, 도 4에 도시된 바와 같이 각 2차 전지(11)마다 그 양단 전압에 따른 출력 전압을 얻는 차동 증폭기(12)와 그 출력 전압의 이득 보정을 실행하는 이득 보정 증폭기(13)를 접속하고 있다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 각 이득 보정 증폭기(13)로부터의 출력 전압을 각각에 대응하여 설치한 A/D 변환기(14)에서 디지털값으로 변환하고, 각 2차 전지(11)의 양단 전압에 대응하는 디지털 신호를 마이크로 컴퓨터(15)에 입력하여 각 2차 전지(11)의 전압을 검출하도록 구성되어 있다. 또 도 4에 도시된 바와 같이 모든 차동 증폭기(12)에 대하여 그 전원 단자 및 전지 단자가 각각 공통 접속되고, 그 전원 단자와 접지 단자 사이에 공통의 제어 전원이 접속되어 전원 전압 Vcc가 인가되는 것과 아울러, 접속 단자가 공통의 접지(GND)에 접속되어 있다.

그런데 각 차동 증폭기(12)에 이득 보정 증폭기(13)를 접속하여 각각의 이득 보정을 실행하고 있는 이유는 다음과 같다. 차동 증폭기(12)의 출력 전압을 디지털 변환하여 마이크로 컴퓨터(15)에 전송하기 위해서는 차동 증폭기(12)의 이득을 A/D 변환기 (14)의 입력가능 전압범위에 맞출 필요가 있다. 예를 들면 전지전압의 검출 범위가 0∼20V, A/D 변환기(14)의 입력 전압범위가 0∼5V라면, 차동 증폭기(12)에서 전지전압을 1/4배로 하여 출력할 필요가 있다.

그런데 차동 증폭기(12)에는 입력 단자에 전압을 인가하여 정상적인 동작을 실행하는 전압범위인 동상(同相) 입력범위가 있어, 디바이스의 특성과 전원전압에 따라 입력되는 전압범위에 대하여 규제를 받는다. 예를 들면 차동 증폭기(12)에 어떤 디바이스를 이용한 경우, 전원전압 VCC가 +15V이었던 경우에 동상 입력범위는 14V가 된다. 이 동상 입력범위는 차동 증폭기(12)를 구성하는 디바이스에 따라 다르지만, 일반적으로는 전원전압 Vcc의 +15V보다 조금 낮은 값이 되고, 이 값을 14V로 하고 있다. 그 한편으로, 2차 전지(11)가 다수 직렬로 접속되어 있으므로, 도 6에 도시된 바와 같이 어떤 2차 전지(11)의 한쪽 단자의 전압 Va가, 예를 들면 접지에 대하여 200V인 경우가 있고, 그 경우에 있어서도 입력 전압 Vb는 동상 입력범위인 14V를 넘지 않도록 해야 한다. 따라서 도 6의 R₁과 R₂는 R₂/R₁≤14/(200-14)로 해야 하며, 그 경우 차동 증폭기(12)의 이득은 R₂/R₁(=7/93) 이하로 된다. 따라서 상기 A/D 변환기의 입력범위에 맞추기 위해 이득이 R₁/4R₂(=93/28)의 이득 보정 증폭기(13)가 필요하게 되는 것이다.

그러나 상기 종래의 구성에서는 각 차동 증폭기(12)마다, 즉 2차 전지(11)마다 이득 보정 증폭기(13)를 설치할 필요가 있기 때문에 매우 원가가 높아진다는 문제점이 있었다.

또 각 2차 전지(11)로부터 각각에 전압을 측정하기 위해 설치한 차동 증폭기 (12) 측에 암전류(dark current)가 흐른다. 이 암전류가 크면 장기간 충전하지 않고 방치한 경우 과방전을 초래하여 전지의 용량 감소나 내부저항 상승 등의 성능 열화를 불러일으킨다는 문제점이 있고, 또 직렬 접속된 2차 전지(11) 사이에서 암전류값에 차가 있으면 개개의 2차 전지간의 용량 편차가 커지고, 용량의 중심값만을 예상한 제어를 실행하면 과충전이나 과방전이 되는 전지가 발생하고, 그와 같은 과충방전에 이르지 않도록 사용할 필요가 생겨 그 사용 허용범위가 감소된다는 문제나, 장기간 충전하지 않고 방치하면 잔존 용량의 편차에 의해 용량이 줄어 있는 2차 전지에 의해 다른 2차 전지가 추가로 방전되어 전지 성능의 열화를 초래한다는 문제점이 있다. 따라서 암전류를 작게, 또 개개의 2차 전지(11) 사이에서 그 차를 작게 하는 것이 과제로 된다.

그러나 상기 구성에서는 각 차동 증폭기(12)가 공통의 접지(GND)에 접속되어 있으므로 그 등가회로는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 된다. 도 3에서는 9개의 2차 전지(11)를 직렬 접속한 경우를 예시하고 있고, 개개의 2차 전지(11)의 전지전압을 VB1∼VB9, 차동 증폭기(12)측의 등가 임피던스를 R, 개개의 2차 전지(11)로부터의 암전류를 I₁∼I₉로 하고, 예를 들면 VB1∼VB9를 15V, R을 1㏁로 하면, I₁=I₉=67.5㎂, I₂=I₈=120.0㎂, I₃=I₇=157.5㎂, I₄=I₆=180.0㎂, I₅=187.5㎂로 되고, 각 2차 전지(11)에서의 암전류가 최대 180.0㎂나 되어 크게 되고, 또 암전류의 차가 최대 120㎂(이것은 최대 암전류값 180.0㎂의 67%에 도달함)나 되어 상기 과제를 해결할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 각 전지전압을 측정하는 차동 증폭기에 대하여 이득 보정 증폭기를 설치할 필요를 없애 원가 절감을 도모하며, 더구나 암전류값과 그 편차도 작게 할 수 있는 전지전압 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전지전압 측정장치에 관한 것으로, 특히 다수의 2차 전지가 직렬 접속된 전원장치에서의 각 2차 전지의 전압 측정에 적합하게 적용되는 전지전압 측정장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 전지전압 측정장치의 요부 구성도

도 2는 본 발명의 일실시예의 전지전압 측정장치의 하나의 전지에 대응하는 부분의 전체 개략 구성도

도 3은 본 발명의 일실시예와 종래예의 암전류의 설명도

도 4는 종래예의 전지전압 측정장치의 요부 구성도

도 5는 종래예의 전지전압 측정장치의 하나의 전지에 대응하는 부분의 전체 개략 구성도

도 6은 종래예의 차동 증폭기에서의 설정 이득의 설명도

본 발명의 전지전압 측정장치는 직렬 접속된 다수 전지의 각각의 전압을 측정하는 전지전압 측정장치에 있어서, 각 전지마다 그 양단 전압에 대응하는 출력 전압을 얻는 차동 증폭기를 설치하고, 적당수의 차동 증폭기마다 그룹 분류하여 각 그룹마다 서로 절연된 접지 단자를 설치하는 것과 아울러 서로 절연된 제어 전원을 설치하고, 각 제어 전압을 각각의 그룹의 각 차동 증폭기의 전원 입력단자와 접지 단자간에 접속한 것이며, 차동 증폭기의 각 그룹마다 서로 절연된 상태에서 전원 입력단자와 접지단자 사이에 제어 전원을 접속하고 있으므로 각 그룹 내에서 각 차동 증폭기의 입력단자에 인가되는 각각의 접지 단자에 대한 전압은 낮아지고, 이런 이유로 이득의 설정범위가 넓어져서 이득 보정 증폭기를 설치할 필요가 없어지고, 원가 절감을 도모할 수 있고, 또 각 그룹 내의 차동 증폭기수를 적게 하여 접지함으로써 최대 암전류값이 작아져서 장기간 충전하지 않고 방치해도 전지의 열화가 발생되기 어렵게 되는 동시에 암전류값의 편차도 작아지므로, 과충전이나 과방전이 되는 전지의 발생을 방지하기 위해 전지의 사용범위를 좁게 할 필요도 없앨 수 있다.

또 그 결과, 각 차동 증폭기의 출력단을 출력전압신호를 디지털 변환하는 A/D 변환수단에 직접 접속하고, A/D 변환수단을 그 출력신호로부터 전지전압을 검출하는 수단에 접속할 수 있다.

또 상기 전지는 단일 전지 셀로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 복수의 전지 셀을 접속하여 모듈화한 것이어도 되는 것은 물론이다.

이하 본 발명의 전지전압 측정장치의 일실시예에 대하여 도 1∼도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에서 1은 측정 대상의 전지인 2차 전지이며, 복수(예를 들면 6개)의 전지 셀을 직렬 접속하여 모듈화된 것이다. 이 2차 전지(1)를 다수 직렬로 접속함으로써 전기 자동차나 그 밖의 전원장치가 구성되어 있다.

2는 각 2차 전지(1)마다 그 양단 전압을 검출하도록 접속된 차동 증폭기이다. 차동 증폭기(2)는 적당수씩, 도시예에서는 3개씩 그룹 분류되어 그룹 5(5-1∼5-n)가 형성되어 있다. 그리고 각 그룹마다 서로 절연된 접지 단자 6(6-1∼6-n)이 설치되고, 각각 별개로 접지(GND1∼GNDn)되는 것과 아울러, 서로 절연된 제어 전원 7(7-1∼7-n)(VCC1∼VCCn)이 설치되어 있다. 각 제어전원 7(7-1∼7-n)은 각각 절연형 DC/DC 컨버터를 통하여 전원 트랜스에 접속되어 있다. 그리고 각 제어전원 7(7-1∼7-n)은 각 차동 증폭기(2)의 전원 입력단자(2a)와 대응하는 접지단자 6(6-1∼6-n) 사이에 접속되어 있다.

도 2에서 각 차동 증폭기(2)는 직접 A/D 변환기(3)에 접속되어 있다. A/D 변환기(3)는 차동 증폭기(2)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로 컴퓨터(4)로 출력한다. 4는 입력된 디지털 신호로부터 각 2차 전지(1)의 양단 전압을 검출하는 마이크로 컴퓨터이다.

이상의 구성에 있어서, 각 2차 전지(1)의 양단 전압이 차동 증폭기(2)에 입력되고, 각 2차 전지(1)의 양단 전압에 대응하는 출력전압신호(아날로그신호)가 A/D 변환기(3)에 입력되고, A/D 변환기(3)에서 디지털신호로 변환되어 마이크로 컴퓨터 (4)로 출력된다. 마이크로 컴퓨터(4)는 필요로 하는 판독 타이밍으로, 입력된 디지털 신호를 전압값으로 변환하고, 그 전압값으로부터 2차 전지(1)의 양단 전압을 검출한다. 이와 같이 하여 다수의 2차 전지(1)가 직렬로 접속된 전원장치의 각 2차 전지(1)의 출력 전압을 검출함으로써, 각 2차 전지(1)의 각각의 상태를 항상 정확하게 파악할 수 있기 때문에 전원장치의 신뢰성을 안정적으로 확보할 수 있다.

그리고 본 실시예에서는 상기 차동 증폭기(2)를 적당수씩 그룹 5-1∼5-n으로 그룹 분류하고, 각 그룹 5-1∼5-n 마다 서로 절연된 상태의 접지 단자 6(6-1∼6-n) (GND1∼GNDn)과 그 각 차동 증폭기(2)의 전원 입력단자(2a) 사이에 각 그룹마다 서로 절연된 제어전원 7(7-1∼7-n)을 접속하여 각 그룹마다 제어전압 VCC1∼VCCn을 인가하고 있으므로, 각 그룹 5(5-1∼5-n) 내에서 각 차동 증폭기(2)의 입력 단자에 인가되는 전압(도 6의 전압 Va)의 각각의 접지 단자 6(6-1∼6-n)(GND1∼GNDn)에 대한 전압이 낮아진다. 이런 이유로 차동 증폭기(2)의 이득의 설정범위가 넓어지고, 종래의 예에서 설치한 이득 보정 증폭기를 설치할 필요가 없고, 이런 이유로 대폭적인 원가 절감을 도모할 수 있다.

또 각 그룹(5) 내의 차동 증폭기(2)의 수를 적게(본 실시예에서는 3개로) 함으로써 암전류는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 등가회로에 의해 부여된다. 즉 개개의 2차 전지(1)의 전지전압을 VB1∼VB9, 차동 증폭기(2)측의 등가 임피던스를 R, 개개의 2차 전지(1)로부터의 암전류를 I₁∼I₉로 하여, 예를 들면 VB1∼VB9를 15V, R을 1㏁으로 하면 I₁=I₃=I₄=I₆=I₇=I₉=22.5㎂, I₂=I₅=I₈=30.0㎂이 되고, 각 2차 전지(1)에서의 암전류가 최대 30.0㎂로 종래에 비하여 대폭 낮아지고, 또 암전류의 차가 최대 7.5㎂(최대 암전류값 30.0㎂의 25%)가 된다.

이렇게 하여 암전류값이 작아지고, 장기간 충전하지 않고 방치해도 전지의 열화가 발생되기 어려워진다. 또 암전류값의 편차도 최대 암전류값의 25%로 작아지고, 과충전이나 과방전이 되는 전지의 발생을 방지하기 위해 전지의 사용범위를 좁게 할 필요도 없앨 수 있는 것과 동시에, 잔존 용량차에 의한 과방전도 없앨 수 있다.

본 발명에 의하면 이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 각 차동 증폭기에 대하여 이득 보정 증폭기를 설치할 필요가 없고, 원가 절감을 도모할 수 있고, 또 최대 암전류값과 그 편차도 작게 할 수 있는 것에 의해, 전지의 잔존 용량차에 의한 과방전·과충전을 방지하기 위해 설정하는 전지의 사용범위를 더욱 넓게 취할 수 있으므로 전원장치에서의 전지전압 측정장치로서 유용한 것이다.

Claims

직렬 접속된 다수의 전지의 각각의 전압을 측정하는 전지전압 측정장치에 있어서,

각 전지(1)마다 그 양단전압에 대응하는 출력전압을 얻는 차동 증폭기(2)를 설치하고, 적당수의 차동 증폭기(2)마다 그룹 분류하여 각 그룹(5)마다 서로 절연된 접지 단자(6)를 설치하는 것과 아울러, 서로 절연된 제어전원(7)을 설치하고, 각 제어전원(7)을 각각의 그룹(5)의 각 차동 증폭기(2)의 전원 입력단자(2a)와 접지 단자(6) 사이에 접속한 것을 특징으로 하는 전지전압 측정장치.
제 1항에 있어서,

각 차동 증폭기(2)의 출력단을, 출력전압신호를 디지털 변환하는 A/D 변환수단 (3)에 직접 접속하고, A/D 변환수단(3)을 그 출력신호로부터 전지전압을 검출하는 수단(4)에 접속한 것을 특징으로 하는 전지전압 측정장치.