WO2011136110A1 - 複数組電池の電圧測定装置 - Google Patents

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石川 聡
西郷 勉
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矢崎総業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a voltage measuring device for detecting a voltage of a plurality of assembled batteries that connect a plurality of cells in series and output a desired voltage.
  • an electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like are provided with a high voltage battery as a drive power source for the motor.
  • a high voltage battery obtains a high voltage by connecting a plurality of cells of a secondary battery (storage battery) such as a nickel-hydrogen battery or a lithium battery in series.
  • a plurality of (for example, 55) unit cells are divided into, for example, five blocks (that is, one block of 11 cells), and the voltage detection of each block is provided for each block. The voltage is measured in real time by the IC.
  • the voltage detection IC measures the voltage of a unit cell (for example, 11 cells) of one block, and further, the analog voltage signal detected by the A / D converter included in the voltage detection IC is converted into a digital signal. And send it to the main microcomputer. Thereafter, the main microcomputer determines whether or not the secondary battery is abnormal depending on whether or not the measured voltage value is within a predetermined range (see, for example, Patent Document 1).
  • the A / D converter can detect only a positive voltage. Is detected as 0 V, and a signal is transmitted to the main microcomputer, so the output voltage cannot be measured accurately.
  • the output voltage of the fuel cell depends on the state of the fuel in the cell provided in the fuel cell. There may be a negative voltage. At this time, since the A / D converter cannot A / D convert the negative voltage, the cell output voltage is detected as 0V. As a result, there is a problem that the output voltage cannot be measured accurately.
  • an object of the present invention is to provide a plurality of output voltages in which a positive voltage and a negative voltage can be measured with high accuracy.
  • An object of the present invention is to provide an assembled battery voltage measuring device.
  • the first invention is a voltage measuring device for measuring an output voltage of a plurality of assembled batteries that output a desired voltage by connecting a plurality of cells in series, and for each of the plurality of cells. And a voltage adding means for adding a predetermined voltage value to the output voltage of the cell, and dividing each cell into a plurality of blocks composed of at least one cell, provided for each block.
  • a voltage detecting means for detecting an added voltage that is an output voltage of the voltage adding means corresponding to a cell of each block; and an analog voltage signal of the added voltage that is provided in each voltage detecting means and detected by the voltage detecting means
  • the A / D conversion means for digitizing the signal and each voltage detection means are connected via a communication line, and output a voltage measurement request signal to each voltage detection means, and each voltage detection means.
  • Control means for obtaining an added voltage detected by the means, subtracting the predetermined voltage value from the obtained added voltage, and presenting the voltage value after the subtraction as an output voltage of the cell.
  • a second invention is a voltage measuring apparatus for a plurality of assembled batteries according to the first invention, wherein the voltage detecting means obtains a total voltage of the added voltage output from the voltage adding means provided in each block, The control means subtracts a value obtained by multiplying the predetermined voltage value by the number of cells provided in each block from the total voltage.
  • a third invention is a voltage measuring device for a plurality of assembled batteries according to the first or second invention, wherein the voltage measuring device is connected to a power supply that supplies power for operating the control means, and converts power from the power supply.
  • a voltage conversion unit when the control unit outputs a voltage measurement request signal to each voltage detection unit, the control unit outputs a power supply signal for supplying power to the voltage conversion unit.
  • a voltage measurement request signal is acquired from the control means, power is supplied to the voltage adding means.
  • the cell in the voltage measuring apparatus for a plurality of battery packs according to any one of the first to third aspects, includes N cells from the first cell to the Nth cell,
  • the negative electrode of the first cell is the ground
  • the positive electrode of the Nth cell is the highest voltage
  • the voltage of the nth cell (where 2 ⁇ n ⁇ N) is based on the voltage of the (n ⁇ 1) th cell. It is measured as a voltage.
  • the negative voltage output voltage is converted to a positive voltage output voltage and output to the A / D converter.
  • the voltage is not measured as 0V.
  • the output voltage can be measured accurately.
  • the output voltage of each block is subtracted from the total voltage of the added voltages output from the voltage adding means, by subtracting a value obtained by multiplying a predetermined voltage value by the number of cells provided in each block. It can be measured accurately.
  • the voltage adding means since power is supplied to the voltage adding means by the voltage converting means connected to the power supply that supplies the power for operating the control means, it is not necessary to provide a separate power supply, thereby reducing the manufacturing cost. be able to.
  • the voltage of the nth cell is measured using the voltage of the (n ⁇ 1) th cell as the reference voltage, the voltage of the nth cell is always measured by measuring the added voltage that is a positive voltage as the reference voltage. The error of the value can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell voltage measuring device 10 and a fuel cell 13 comprising a plurality of cells P1 to P55 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 13 according to the present embodiment is used for, for example, an application for supplying electric power for mounting on a vehicle and driving a motor for driving the vehicle.
  • a voltage measuring apparatus 10 measures the output voltage of a fuel cell that outputs a voltage by connecting a plurality of cells P1 to P55 in series.
  • the plurality of cells P1 to P55 are 55 cells from the first cell to the 55th cell, the negative electrode of the cell P1 (first cell) is grounded, and the positive electrode of the cell P55 (55th cell) is the highest voltage. It becomes.
  • Each of the plurality of cells P1 to P55 is provided with a voltage level shift circuit (voltage adding means) 40.
  • the voltage level shift circuit 40 adds a predetermined voltage value to the output voltages of the plurality of cells P1 to P55. For example, when the negative voltage that can be output from the plurality of cells P1 to P55 is ⁇ 2.5V, the predetermined voltage value is set to 2.5V and added.
  • the voltage measurement device 10 is separated into a high-voltage side device 11 and a low-voltage side device 12 via an insulation interface 32.
  • the high-voltage side device 11 includes five voltage detection ICs (voltage detection means), that is, a first voltage detection IC (21-1) to a fifth voltage detection IC (21-5). Then, the first voltage detection IC (21-1) measures the added voltage which is the output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the eleven cells P1 to P11 classified as the first block (61-1). To do.
  • the second voltage detection IC (21-2) outputs an added voltage which is an output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the eleven cells P12 to P22 divided as the second block (61-2).
  • the third voltage detection IC (21-3) uses the output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the eleven cells P23 to P33 divided as the third block (61-3). A certain added voltage is measured, and the fourth voltage detection IC (21-4) outputs the output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the eleven cells P34 to P44 divided as the fourth block (61-4).
  • the fifth voltage detection IC (21-5) measures the output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the eleven cells P45 to P55 partitioned as the fifth block (61-5). Voltage That addition voltage is measured.
  • each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) is provided with an A / D converter 26 (refer to FIG. 4 to be described later, described as “ADC”) for A / D conversion.
  • ADC A / D converter 26
  • a voltage signal obtained by connecting a plurality of cells in series) is converted into a digital voltage signal.
  • the analog voltage signal input to the A / D converter 26 must be a positive analog voltage. A signal is input.
  • the second to fifth voltage detection ICs (21-2) to (21-5) are connected to the first voltage detection IC (21-1) via the communication line 31, and this first voltage is detected.
  • the detection IC (21-1) is connected to a main microcomputer (control means) 33 provided on the low voltage side device 12 side via an insulation interface (communication line) 32. That is, the main microcomputer 33 and each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are connected via the insulation interface 32 by daisy chain communication.
  • the low-voltage side device 12 is provided with a regulator 43 that outputs a DC voltage of 5 V.
  • This regulator 43 is derived from a voltage (for example, 12 V) output from a battery (power source) 41 mounted on the vehicle.
  • a stable DC voltage of 5V is generated and supplied to the main microcomputer 33.
  • the battery 41 is connected to a DC / DC converter (voltage converting means) 42.
  • the DC / DC converter 42 boosts a voltage (for example, 12V) output from the battery 41 and a voltage level shift circuit. Power is supplied to 40.
  • the main microcomputer 33 sends the voltage measurement request signal to each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) to the DC / DC converter 42. Outputs a signal to supply power.
  • the DC / DC converter 42 supplies power to the voltage level shift circuit 40.
  • the main microcomputer 33 outputs a voltage measurement request signal to each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5), and the voltage detection ICs (21-1) to (21-5). A predetermined voltage value is subtracted from the detected added voltage, and the voltage value after the subtraction is presented as the output voltage of the cells P1 to P55. Details will be described later.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the voltage level shift circuit 40 provided in the cells P1 to P4. Since the cells P5 to P55 have the same circuit configuration as the cells P1 to P4, detailed description thereof is omitted.
  • voltage level shift circuits 40a to 40d are provided in the cells P1 to P4, respectively.
  • the voltage level shift circuits 40a to 40d are provided on the output side of the first inverting amplifier circuits 45a to 45d and the first inverting amplifier circuits 45a to 45d that amplify and output the voltages of the positive and negative terminals of the cells P1 to P4.
  • Buffers 46a to 46d and second inversion amplification circuits 47a to 47d for inverting the polarity by adding ⁇ 2.5V (amplifying 2.5V) to the output signals of the buffers 46a to 46d.
  • Power is supplied from the DC / DC converter 42 (see FIG. 1) to the power supplies + V1 and ⁇ V1 of the operational amplifiers included in the first inverting amplifier circuits 45a to 45d, the buffers 46a to 46d, and the second inverting amplifier circuits 47a to 47d. .
  • the voltage level shift circuits 40a to 40d add 2.5V to the output voltages of the cells P1 to P4, and the first voltage detection IC (21-1) shown in FIG. ).
  • the voltage level shift circuit 40 for example, when the output voltage of the cell P1 is 2V which is a positive voltage, a voltage of 2.5V is added to the output voltage, so that the added voltage output from the voltage level shift circuit 40a is 4 .5V.
  • the output voltage of the cell P2 is ⁇ 1.0V which is a negative voltage
  • a voltage of 2.5V is added to the output voltage, so the added voltage output from the voltage level shift circuit 40b is a positive voltage. 1.5V.
  • FIG. 3 is a diagram showing a reference voltage of the voltage level shift circuit 40 according to the embodiment of the present invention. Since the cells P2 to P55 have the same configuration as the cells P13 to P15, detailed description thereof is omitted.
  • the voltage output from the voltage level shift circuit 40 of the nth cell (2 ⁇ n ⁇ N) is measured by using the voltage of the (n ⁇ 1) th cell as a reference voltage. . That is, the cell P14 (14th cell) measures the output voltage of the cell P14 using the voltage output from the voltage level shift circuit 40m of the cell P13 (13th cell) as a reference voltage.
  • the cell P15 (15th cell) measures the output voltage of the cell P15 using the voltage output from the voltage level shift circuit 40n of the cell P14 (14th cell) as a reference voltage.
  • the cell P1 (first cell) (see FIG. 1) measures the output voltage of P1 using the ground as a reference voltage.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an internal configuration of the first voltage detection IC (21-1). Since the second to fifth voltage detection ICs (21-2) to (21-5) have the same configuration as the first voltage detection IC (IC21-1), detailed description thereof is omitted.
  • the first voltage detection I (C21-1) receives the power output from the cells P1 to P11 and generates a predetermined voltage
  • the first block (61 -1) is connected to a voltage level shift circuit 40 provided for each of the cells P1 to P11, and a cell voltage input unit 22 for detecting an added voltage as an output voltage thereof, and is output from the cell voltage input unit 22
  • a multiplexer 25 that converts the voltage signal of each cell into a time series signal of one system
  • an A / D converter 26 that converts the voltage signal of each unit cell output from the multiplexer 25 into a digital signal.
  • the A / D converter 26 converts the addition voltage signal of each cell output from the multiplexer 25 into a digital signal using the reference voltage output from the reference power supply 71-1 (see FIG. 1).
  • the first voltage detection IC (21-1) includes a control unit 27 and two communication I / Fs 35a and 35b.
  • the control unit 27 comprehensively controls the first voltage detection IC (21-1).
  • the output voltage of the voltage level shift circuit 40 provided for each of the cells P1 to P11 is converted into an A / D converter.
  • the total voltage of the digital voltage digitized at 26 is obtained and transmitted to the main microcomputer 33 via the communication I / Fs 35a and 35b.
  • FIG. 5 is a flowchart of the voltage measurement process according to the embodiment of the present invention.
  • the main microcomputer 33 outputs a power supply signal that instructs the DC / DC converter 42 to start power supply.
  • the output voltage (for example, 12V) of the battery 41 is boosted to a high voltage of about 40V and supplied to the voltage level shift circuit 40.
  • step S12 the main microcomputer 33 measures the output voltages of the cells P1 to P55 of each block to the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) and outputs them from the voltage level shift circuit 40.
  • a voltage measurement request signal instructing detection of the total voltage obtained by summing the added voltages is output.
  • step S13 the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) instructed by the main microcomputer 33 are output voltages of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the cells P1 to P55 of each block. A certain added voltage is detected.
  • an added voltage obtained by adding a predetermined voltage value (for example, 2.5 V) to the output voltage of each of the cells P1 to P55 by the voltage level shift circuit 40 is supplied to the cell voltage input unit 22, and the multiplexer 25 is further connected. Therefore, the digitized summed voltage data is input to the control unit 27.
  • a predetermined voltage value for example, 2.5 V
  • each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) instructed by the main microcomputer 33 calculates the total voltage of the addition voltage data input to the control unit 27. For example, in the case of the first voltage detection IC (21-1), 11 added voltage values which are output voltages of the cells P1 to P11 are summed.
  • step S15 the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) instructed by the main microcomputer 33 receive the total voltage signal of each cell P1 to P11 calculated by the control unit 27 as the communication I / F 35a. , 35b to the main microcomputer 33.
  • step S16 the main microcomputer 33 sets the predetermined voltage value added by the voltage level shift circuit 40 from the total voltage transmitted from the instructed voltage detection ICs (21-1) to (21-5). The addition value multiplied by the number of cells (for example, 11) is subtracted.
  • step S17 the total voltage is received from all the voltage detection ICs (21-1) to (21-5), and it is determined whether or not a predetermined added value is subtracted from the total voltage.
  • the main microcomputer 33 does not receive the total voltage from all the voltage detection ICs (21-1) to (21-5), and does not receive all the voltage detection ICs (21-1) to (21-5).
  • step S17: NO the process returns to step S11, and the voltage detection ICs (21-1) to (21-1) to (9-1) to (no) transmitting the total voltage are returned.
  • 21-5) transmits a voltage measurement request signal instructing detection of the total voltage.
  • step S18 is performed.
  • the main microcomputer 33 outputs a power supply stop signal instructing the DC / DC converter 42 to stop power supply.
  • the DC / DC converter 42 that has acquired the power supply stop signal stops the supply of power to the voltage level shift circuit 40.
  • the main microcomputer 33 determines that some abnormality has occurred in the fuel cell and outputs an alarm signal.
  • This alarm signal is transmitted to a host system (not shown) of the voltage measuring device 10 to notify the vehicle occupant that an abnormality has occurred.
  • the voltage measurement process ends.
  • the voltage measuring apparatus 10 is provided for each of the plurality of cells P1 to P55, and the voltage level shift circuit 40 adds a predetermined voltage value to the output voltages of the cells P1 to P55.
  • the cells P1 to P55 are divided into a plurality of blocks (61-1) to (61-5) each including at least one cell (for example, 11 cells), and each block (61-1) For voltage detection, which is provided for each of (61-5) and detects an added voltage that is an output voltage of the voltage level shift circuit 40 corresponding to the cells P1 to P55 of the blocks (61-1) to (61-5).
  • the ICs (21-1) to (21-5) and voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are provided in the voltage detection ICs (21-1) to (21-5).
  • the analog voltage signal of the detected addition voltage is digitized.
  • the A / D converter 26 to be connected to each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) via an insulation interface 32, and each of the voltage detection ICs (21-1) ⁇ (21-5) outputs a voltage measurement request signal, acquires the added voltage detected by each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5), and obtains a predetermined value from the acquired added voltage.
  • a main microcomputer 33 that subtracts the voltage value and presents the voltage value after the subtraction as output voltages of the cells P1 to P55.
  • the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are provided at the voltage levels provided in the blocks (61-1) to (61-5).
  • the total voltage of the added voltage output from the shift circuit 40 is obtained, and the main microcomputer 33 sets the number of cells (for example, 11) provided in each block (61-1) to (61-5) to a predetermined voltage value.
  • the multiplied value is subtracted from the total voltage.
  • the voltage measurement apparatus 10 further includes a DC / DC converter 42 that is connected to the battery 41 that supplies power for operating the main microcomputer and converts power from the battery 41, and the main microcomputer 33 outputs a power supply signal for supplying power to the DC / DC converter 42 when outputting a voltage measurement request signal to each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5).
  • the voltage measurement request signal is acquired from the main microcomputer 33, the power is supplied to the voltage level shift circuit 40.
  • the cells P1 to P55 are provided with N (55) cells from the first cell (P1) to the Nth cell (P55), and the first cell ( The negative electrode of P1) is the ground, the positive electrode of the Nth cell (P55) is the highest voltage, and the voltage of the nth cell (2 ⁇ n ⁇ N) is the voltage of the (n ⁇ 1) th cell. Measure as a reference voltage.
  • a predetermined voltage value for example, 2.5 V
  • a negative output voltage for example, for example ⁇ 1.0V
  • a positive output voltage for example, 1.5V
  • a predetermined voltage value for example, 2.5 V
  • the voltage value after the subtraction for example, 0.5 V
  • the output voltage can be accurately measured.
  • the voltage of the nth cell (eg, the 14th cell) is measured using the voltage of the (n ⁇ 1) cell (eg, the 13th cell) as a reference voltage
  • the added voltage which is a positive voltage
  • the added voltage is always used as a reference.
  • the fuel cell voltage measuring device has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is of an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced.
  • the voltage level shift circuit 40 has been described with respect to the case where power is supplied from the DC / DC converter 42.
  • the present invention is not limited to this, and outputs from the cells P1 to P55. By configuring so that the power to be supplied is supplied, the circuit configuration can be simplified.
  • the present invention is extremely useful when measuring the output voltage of a fuel cell in which a positive voltage and a negative voltage are mixed.

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Abstract

 正電圧と負電圧が混在する出力電圧を高精度に測定することが可能な複数組電池の電圧測定装置を提供する。 複数のセル(P1~P55)毎にそれぞれ設けられ、セルの出力電圧に所定の電圧値を加算する電圧レベルシフト回路(40)と、各セルを、少なくとも1つのセルで構成される複数のブロックに区分けし、各ブロックのセルに対応する電圧レベルシフト回路(40)の出力電圧である加算電圧を検出する各電圧検出用ICと、各電圧検出用ICに設けられ、電圧レベルシフト回路(40)で検出した加算電圧のアナログ電圧信号をディジタル化するA/D変換器(26)と、各電圧検出用ICに電圧測定要求信号を出力すると共に、各電圧検出用ICで検出される加算電圧を取得し、且つ取得した加算電圧から所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値をセルの出力電圧として提示するメインマイコン(33)と、を備えたことを特徴とする複数組電池の電圧測定装置。

Description

複数組電池の電圧測定装置
 本発明は、複数のセルを直列接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、電圧を検出する電圧測定装置に関する。
 例えば、電気自動車やハイブリッド車両等では、モータの駆動電源として、高電圧バッテリを備えている。このような高電圧バッテリは、例えば、ニッケル・水素電池やリチウム電池などの二次電池(蓄電式電池)のセルを複数個、直列に接続することにより、高電圧を得ている。
 また、全ての二次電池を同じ電力で充電、或いは放電するため、各々の二次電池の劣化する状態が異なる場合、二次電池は過充電状態、或いは過放電状態になりやすくなる。そこで、二次電池が過充電状態、或いは過放電状態とならないように、各単位セル毎の充電状態を確認する必要がある。そのため、複数個(例えば、55個)の単位セルを、例えば、5個のブロックに分割し(即ち、11個のセルで1ブロック)、各ブロックの電圧を各ブロック毎に設けられた電圧検出用ICにより、リアルタイムで電圧を測定している。
 この際、電圧検出用ICでは、1ブロックの単位セル(例えば、11個)の電圧を測定し、さらに、電圧検出用ICが有するA/D変換器にて、検出したアナログ電圧信号をディジタル信号に変換し、メインマイコンに送信する。その後、メインマイコンにより、測定した電圧値が所定の範囲内であるか否かにより二次電池の異常を判定している(例えば、特許文献1を参照)。
日本国特開2005-62028号公報
 しかしながら、上述した従来の電圧測定装置では、電池の出力電圧に正電圧と負電圧が混在する場合、A/D変換器は正電圧しか検出できないため、電圧検出用ICは、負電圧の出力電圧を0Vとして検出し、メインマイコンに信号を送信するため、出力電圧を正確に測定することができない。
 特に、水素及び酸素を燃料として電力を発生して車両を走行させる燃料電池車に従来の電圧測定装置を適用した場合、燃料電池に設けられるセル内の燃料の状態によっては燃料電池の出力電圧が負電圧になる場合がある。この際、A/D変換器は負電圧をA/D変換することができないので、セルの出力電圧を0Vとして検出してしまう。その結果、出力電圧を正確に測定することができないという問題があった。
 そこで、本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、正電圧と負電圧が混在する出力電圧を高精度に測定することが可能な複数組電池の電圧測定装置を提供することにある。
 上記目的を達成するため、第1の発明は、複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、出力電圧を測定する電圧測定装置であって、前記複数のセル毎にそれぞれ設けられ、前記セルの出力電圧に所定の電圧値を加算する電圧加算手段と、前記各セルを、少なくとも1つのセルで構成される複数のブロックに区分けし、前記各ブロック毎に設けられ、各ブロックのセルに対応する前記電圧加算手段の出力電圧である加算電圧を検出する電圧検出手段と、前記各電圧検出手段に設けられ、前記電圧検出手段で検出した前記加算電圧のアナログ電圧信号をディジタル化するA/D変換手段と、前記各電圧検出手段との間で通信回線を介して接続され、前記各電圧検出手段に電圧測定要求信号を出力すると共に、前記各電圧検出手段で検出される加算電圧を取得し、且つ取得した加算電圧から前記所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値を前記セルの出力電圧として提示する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
 第2の発明は、第1の発明の複数組電池の電圧測定装置であって、前記電圧検出手段は、前記各ブロックに設けられる前記電圧加算手段より出力される加算電圧の合計電圧を求め、前記制御手段は、前記所定の電圧値に前記各ブロックに設けられるセルの個数を乗じた値を前記合計電圧から減算することを特徴とする。
 第3の発明は、第1の発明又は第2の発明の複数組電池の電圧測定装置であって、前記制御手段を作動させる電力を供給する電源に接続され、前記電源からの電力を変換する電圧変換手段を更に有し、前記制御手段は、前記各電圧検出手段に電圧測定要求信号を出力する場合、前記電圧変換手段に電力を供給する電力供給信号を出力し、前記電圧変換手段は、前記制御手段から電圧測定要求信号を取得すると、前記電圧加算手段に電力を供給することを特徴とする。
 第4の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかに記載の複数組電池の電圧測定装置において、前記セルは、第1セルから第NセルまでのN個が設けられ、前記第1セルの負極がグランドとされ、前記第Nセルの正極が最も高い電圧とされ、第nセル(但し、2≦n≦N)の電圧は、第(n-1)セルの電圧を基準電圧として測定することを特徴とする。
 第1の発明によれば、セルの出力電圧に所定の電圧値を加算することにより、負電圧の出力電圧を正電圧の出力電圧にしてA/D変換器へ出力するため、負電圧の出力電圧を0Vとして測定することがない。
 また、取得した加算電圧から加算した所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値をセルの出力電圧として提示するため、出力電圧を正確に測定することができる。
 従って、正電圧と負電圧が混在する出力電圧を高精度に測定することが可能な複数組電池の電圧測定装置を提供することが可能となる。
 第2の発明によれば、電圧加算手段により出力される加算電圧の合計電圧から、所定の電圧値に各ブロックに設けられるセルの個数を乗じた値を減算するため、各ブロックの出力電圧を正確に測定することができる。
 また、各ブロックのセルに対応する電圧加算手段により所定の電圧値を加算するため、電圧検出手段の構成を変更する必要がなく、製造コストを低減し、正電圧と負電圧が混在する出力電圧を測定することができる。
 第3の発明によれば、制御手段を作動させる電力を供給する電源に接続された電圧変換手段により電圧加算手段に電力を供給するため、別途、電源を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
 第4の発明によれば、第nセルの電圧は、第(n-1)セルの電圧を基準電圧として測定するため、必ず、正電圧である加算電圧を基準電圧として測定することにより、測定値の誤差を少なくすることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池の電圧測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る電圧測定装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る電圧測定装置の電圧レベルシフト回路を示す図である。 本発明の実施形態に係る電圧測定装置の電圧レベルシフト回路の基準電圧を示す図である。 本発明の実施形態に係る電圧測定装置の電圧測定処理を示すフローチャートである。
 以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。はじめに、図1を参照して、本発明の実施形態に係る電圧測定装置について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の電圧測定装置10、及び複数のセルP1~P55からなる燃料電池13を示すブロック図である。本実施形態に係る燃料電池13は、例えば、車両に搭載して車両駆動用のモータを駆動するための電力を供給する用途に用いられる。
 図1に示すように、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、複数のセルP1~P55を直列に接続して電圧を出力する燃料電池の出力電圧を測定する。
 複数のセルP1~P55は、第1セルから第55セルまでの55個が設けられ、セルP1(第1セル)の負極がグランドとされ、セルP55(第55セル)の正極が最も高い電圧となる。また、複数のセルP1~P55は、それぞれ電圧レベルシフト回路(電圧加算手段)40が設けられている。
 電圧レベルシフト回路40は、複数のセルP1~P55の出力電圧に所定の電圧値を加算する。所定の電圧値は、例えば、複数のセルP1~P55から出力することが可能な負電圧が-2.5Vの場合、所定の電圧値を2.5Vと設定して加算する。
 また、図1に示すように、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、絶縁インターフェース32を介して、高電圧側装置11と低電圧側装置12に分離されている。
 高電圧側装置11は、5個の電圧検出用IC(電圧検出手段)、即ち、第1電圧検出用IC(21-1)~第5電圧検出用IC(21-5)を備えている。そして、第1電圧検出用IC(21-1)は、第1ブロック(61-1)として区分けした11個のセルP1~P11に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を測定する。
 また、第2電圧検出用IC(21-2)は、第2ブロック(61-2)として区切られた11個のセルP12~P22に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を測定し、同様に、第3電圧検出用IC(21-3)は、第3ブロック(61-3)として区切られた11個のセルP23~P33に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を測定し、第4電圧検出用IC(21-4)は、第4ブロック(61-4)として区切られた11個のセルP34~P44に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を測定し、第5電圧検出用IC(21-5)は、第5ブロック(61-5)として区切られた11個のセルP45~P55に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を測定する。
 さらに、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、それぞれ、A/D変換器26(後述の図4参照、「ADC」と記載)を備えており、A/D変換用の基準電源71-1~71-5(図1参照)より出力される基準電圧を用いて、各ブロック(第1ブロック~第5ブロック)毎に測定された加算電圧のアナログ電圧信号(11個のセルを直列接続した電圧信号)をディジタル電圧信号に変換する。
 つまり、電圧レベルシフト回路40により、複数のセルP1~P55の出力電圧に所定の電圧値が加算されるため、A/D変換器26に入力されるアナログ電圧信号は、必ず正電圧のアナログ電圧信号が入力される。
 また、第2~第5電圧検出用IC(21-2)~(21-5)は、通信線31を介して、第1電圧検出用IC(21-1)と接続され、この第1電圧検出用IC(21-1)は、絶縁インターフェース(通信回線)32を介して、低電圧側装置12側に設けられているメインマイコン(制御手段)33に接続されている。即ち、メインマイコン33と、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、絶縁インターフェース32を介し、デイジーチェーン通信で接続されている。
 また、低電圧側装置12には、5Vの直流電圧を出力するレギュレータ43が設けられ、このレギュレータ43は、車両に搭載されるバッテリ(電源)41より出力される電圧(例えば、12V)から、安定した5Vの直流電圧を生成してメインマイコン33に供給する。
 更に、バッテリ41は、DC/DCコンバータ(電圧変換手段)42に接続されており、このDC/DCコンバータ42は、バッテリ41より出力される電圧(例えば、12V)を昇圧して電圧レベルシフト回路40に電力を供給する。
 本発明の実施形態に係る電圧測定装置10では、メインマイコン33は、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に電圧測定要求信号を出力する場合、DC/DCコンバータ42に電力を供給する信号を出力する。DC/DCコンバータ42は、メインマイコン33から電圧測定要求信号を取得すると、電圧レベルシフト回路40に電力を供給する。
 そして、メインマイコン33は、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に電圧測定要求信号を出力すると共に、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)で検出される加算電圧から所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値をセルP1~P55の出力電圧として提示する。詳細については後述する。
 次に、図2を参照して、本発明の実施形態に係る電圧レベルシフト回路40について詳細に説明する。図2は、セルP1~P4に設けられた電圧レベルシフト回路40の回路図である。なお、セルP5~P55は、セルP1~P4と同一の回路構成であるので、詳細な説明を省略する。
 図2に示すように、セルP1~P4にはそれぞれ電圧レベルシフト回路40a~40dが設けられている。電圧レベルシフト回路40a~40dは、セルP1~P4の正極端子と負極端子の電圧を増幅して出力する第1反転増幅回路45a~45dと、第1反転増幅回路45a~45dの出力側に設けられたバッファ46a~46dと、バッファ46a~46dの出力信号に-2.5Vを加算して(2.5Vを増幅して)極性を反転する第2反転増幅回路47a~47dを備えている。
 第1反転増幅回路45a~45d、バッファ46a~46d、第2反転増幅回路47a~47dが有するオペアンプの電源+V1、-V1には、DC/DCコンバータ42(図1参照)から電力が供給される。DC/DCコンバータ42から電力が供給されると、電圧レベルシフト回路40a~40dはセルP1~P4の出力電圧に2.5Vを加算して図1に示す第1電圧検出用IC(21-1)へ出力する。
 この電圧レベルシフト回路40は、例えば、セルP1の出力電圧が正電圧である2Vの場合、出力電圧に2.5Vの電圧が加算されるため、電圧レベルシフト回路40aが出力する加算電圧は4.5Vとなる。
 また、例えば、セルP2の出力電圧が負電圧である-1.0Vの場合、出力電圧に2.5Vの電圧が加算されるため、電圧レベルシフト回路40bが出力する加算電圧は正電圧である1.5Vとなる。
 次に、図3を参照して、本発明の実施形態に係る電圧レベルシフト回路40の基準電圧について説明する。図3は、本発明の実施形態に係る電圧レベルシフト回路40の基準電圧を示す図である。なお、セルP2~P55は、セルP13~P15と同一の構成であるので、詳細な説明を省略する。
 図3に示すように、第nセル(ただし、2≦n≦N)の電圧レベルシフト回路40から出力される電圧は、第(n-1)セルの電圧を基準電圧として出力電圧を測定する。つまり、セルP14(第14セル)は、セルP13(第13セル)の電圧レベルシフト回路40mから出力された電圧を基準電圧としてセルP14の出力電圧を測定する。
 また、セルP15(第15セル)は、セルP14(第14セル)の電圧レベルシフト回路40nから出力された電圧を基準電圧としてセルP15の出力電圧を測定する。なお、セルP1(第1セル)は(図1参照)、グランドを基準電圧としてP1の出力電圧を測定する。
 次に、図4を参照して、本発明の実施形態に係る電圧検出用ICの詳細な構成について説明する。図4は、第1電圧検出用IC(21-1)の内部構成を示すブロック図である。なお、第2~第5電圧検出用IC(21-2)~(21-5)は、第1電圧検出用(IC21-1)と同一の構成であるので、詳細な説明を省略する。
 図4に示すように、第1電圧検出用I(C21-1)は、セルP1~P11より出力される電力を入力して、所定の電圧を生成する電源回路23と、第1ブロック(61-1)に設けられる各セルP1~P11毎に設けられる電圧レベルシフト回路40と接続されてこれらの出力電圧である加算電圧を検出するセル電圧入力部22と、セル電圧入力部22より出力される各セルの電圧信号を、1系統の時系列的な信号に変換するマルチプレクサ25と、マルチプレクサ25より出力される各単位セルの電圧信号をディジタル信号に変換するA/D変換器26とを備えている。
 A/D変換器26は、基準電源71-1(図1参照)より出力される基準電圧を用いて、マルチプレクサ25より出力される各セルの加算電圧信号をディジタル信号に変換する。また、第1電圧検出用IC(21-1)は、コントロール部27と、2つの通信I/F35a、35bを備えている。
 コントロール部27は、第1電圧検出用IC(21-1)を総括的に制御する。特に、図1に示したメインマイコン33より、セル電圧の電圧測定要求信号が送信された場合には、セルP1~P11毎に設けられた電圧レベルシフト回路40の出力電圧をA/D変換器26でディジタル化したディジタル電圧の合計電圧を求め、通信I/F35a、35bを経由して、メインマイコン33に送信する。
 次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る電圧測定装置10の動作について説明する。図5は、本発明の実施形態に係る電圧測定処理のフローチャートである。
 はじめに、ステップS11の処理において、メインマイコン33は、DC/DCコンバータ42に電力供給の開始を指示する電力供給信号を出力する。その結果、バッテリ41の出力電圧(例えば、12V)が40V程度の高電圧に昇圧されて電圧レベルシフト回路40に供給される。
 ステップS12の処理において、メインマイコン33は、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に、各ブロックのセルP1~P55の出力電圧を測定し、電圧レベルシフト回路40より出力される加算電圧を合計した合計電圧の検出を指示する電圧測定要求信号を出力する。
 ステップS13の処理において、メインマイコン33より指示された各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、各ブロックのセルP1~P55に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を検出する。この処理では、各セルP1~P55の出力電圧が電圧レベルシフト回路40により所定の電圧値(例えば、2.5V)を加算した加算電圧がセル電圧入力部22に供給され、更に、マルチプレクサ25を介してA/D変換器26に供給されるので、ディジタル化された加算電圧データがコントロール部27に入力される。
 ステップS14の処理において、メインマイコン33より指示された各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、コントロール部27に入力された加算電圧データの合計電圧を算出する。例えば、第1電圧検出用IC(21-1)の場合、セルP1~P11の出力電圧である11個の加算電圧値を合計する。
 ステップS15の処理において、メインマイコン33より指示された電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、コントロール部27で算出した各セルP1~P11の合計電圧信号を通信I/F35a、35bを経由して、メインマイコン33に送信する。
 ステップS16の処理において、メインマイコン33は、指示された電圧検出用IC(21-1)~(21-5)より送信された合計電圧から、電圧レベルシフト回路40により加算した所定の電圧値にセルの個数(例えば、11)を乗じた加算値を減算する。
 ステップS17の処理において、全ての各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)から合計電圧を受信し、合計電圧から所定の加算値を減算したか否かを判定する。メインマイコン33は、全ての各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)から合計電圧を受信しておらず、全ての各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)の合計電圧から所定の加算値を減算していないと判定したときには(ステップS17:NO)、ステップS11の処理に戻り、合計電圧を送信していない電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に合計電圧の検出を指示する電圧測定要求信号を送信する。
 一方、全ての各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)から合計電圧を受信し、合計電圧から所定の加算値を減算したと判定したときには(ステップS17:YES)、ステップS18の処理において、メインマイコン33は、DC/DCコンバータ42に電力供給の停止を指示する電力供給停止信号を出力する。電力供給停止信号を取得したDC/DCコンバータ42は、電圧レベルシフト回路40への電力の供給を停止する。
 そして、メインマイコン33は、加算値を減算した電圧値が所定の範囲内ではない場合には、燃料電池に何らかの異常が発生しているものと判断して、警報信号を出力する。この警報信号は電圧測定装置10の上位システム(図示省略)に送信され、車両の乗員に異常が発生していることを報知する。この処理を終了したときには、電圧測定処理を終了する。
 このようにして、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、複数のセルP1~P55毎にそれぞれ設けられ、セルP1~P55の出力電圧に所定の電圧値を加算する電圧レベルシフト回路40と、各セルP1~P55を、少なくとも1つのセル(例えば、11個のセル)で構成される複数のブロック(61-1)~(61-5)に区分けし、各ブロック(61-1)~(61-5)毎に設けられ、各ブロック(61-1)~(61-5)のセルP1~P55に対応する電圧レベルシフト回路40の出力電圧である加算電圧を検出する電圧検出用IC(21-1)~(21-5)と、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に設けられ、電圧検出用IC(21-1)~(21-5)で検出した加算電圧のアナログ電圧信号をディジタル化するA/D変換器26と、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)との間で絶縁インターフェース32を介して接続され、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に電圧測定要求信号を出力すると共に、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)で検出される加算電圧を取得し、且つ取得した加算電圧から所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値をセルP1~P55の出力電圧として提示するメインマイコン33と、を備えた。
 また、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、電圧検出用IC(21-1)~(21-5)は、各ブロック(61-1)~(61-5)に設けられる電圧レベルシフト回路40より出力される加算電圧の合計電圧を求め、メインマイコン33は、所定の電圧値に各ブロック(61-1)~(61-5)に設けられるセルの個数(例えば、11)を乗じた値を合計電圧から減算する。
 さらに、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、メインマイコンを作動させる電力を供給するバッテリ41に接続され、バッテリ41からの電力を変換するDC/DCコンバータ42を更に有し、メインマイコン33は、各電圧検出用IC(21-1)~(21-5)に電圧測定要求信号を出力する場合、DC/DCコンバータ42に電力を供給する電力供給信号を出力し、DC/DCコンバータ42は、メインマイコン33から電圧測定要求信号を取得すると、電圧レベルシフト回路40に電力を供給する。
 また、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10は、セルP1~P55は、第1セル(P1)から第Nセル(P55)までのN個(55個)が設けられ、第1セル(P1)の負極がグランドとされ、第Nセル(P55)の正極が最も高い電圧とされ、第nセル(但し、2≦n≦N)の電圧は、第(n-1)セルの電圧を基準電圧として測定する。
 そして、本発明の実施形態に係る電圧測定装置10によれば、セルP1~P55の出力電圧に所定の電圧値(例えば、2.5V)を加算することにより、負電圧の出力電圧(例えば、-1.0V)を正電圧の出力電圧(例えば、1.5V)にしてA/D変換器へ出力するため、負電圧の出力電圧を0Vとして測定することがない。
 また、取得した加算電圧(例えば、1.5V)から加算した所定の電圧値(例えば、2.5V)を減算し、減算後の電圧値(例えば、0.5V)をセルP1~P55の出力電圧として提示するため、出力電圧を正確に測定することができる。
 従って、正電圧と負電圧が混在する出力電圧を高精度に測定することが可能な複数組電池の電圧測定装置を提供することが可能となる。
 また、電圧レベルシフト回路40により出力される加算電圧の合計電圧から、所定の電圧値に各ブロックに設けられるセルの個数(例えば、11)を乗じた値を減算するため、各ブロックの出力電圧を正確に測定することができる。
 さらに、各ブロックのセルP1~P55に対応する電圧レベルシフト回路40により所定の電圧値を加算するため、電圧検出用IC(21-1)~(21-5)の構成を変更する必要がなく、製造コストを低減し、正電圧と負電圧が混在する出力電圧を測定することができる。
 また、メインマイコン33を作動させる電力を供給するバッテリ41に接続されたDC/DCコンバータ42により、電圧レベルシフト回路40に電力を供給するため、別途、電源を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
 さらに、第nセル(例えば、第14セル)の電圧は、第(n-1)セル(例えば、第13セル)の電圧を基準電圧として測定するため、必ず、正電圧である加算電圧を基準電圧として測定することにより、測定値の誤差を少なくすることができる。
 以上、本発明の燃料電池の電圧測定装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
 例えば、上記した実施形態では、電圧レベルシフト回路40に電力を供給するDC/DCコンバータ42を1個設ける場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各ブロック毎にDC/DCコンバータを設けてもよい。
 また、上述した実施形態では、電圧レベルシフト回路40は、DC/DCコンバータ42により電力が供給される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルP1~P55より出力される電力が供給されるように構成することにより、回路構成を簡素化することができる。
 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
 本出願は、2010年4月28日出願の日本特許出願(特願2010-103867)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 本発明は、正電圧と負電圧が混在する燃料電池の出力電圧を測定する場合に極めて有用である。
 10 電圧測定装置
 11 高電圧側装置
 12 低電圧側装置
 13 燃料電池
 21-1~21-5 第1~第5電圧検出用IC
 22 セル電圧入力部
 23 電源回路
 25 マルチプレクサ
 26 A/D変換器
 27 コントロール部
 28 通信部
 31 通信線
 32 絶縁インターフェース
 33 メインマイコン
 35 通信I/F
 40 電圧レベルシフト回路
 41 バッテリ
 42 DC/DCコンバータ
 43 レギュレータ
 45 第1反転増幅回路
 46 バッファ
 47 第2反転増幅回路
 61-1~61-5 第1~第5ブロック
 71-1~71-5 基準電源

Claims (4)

  1.  複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、出力電圧を測定する電圧測定装置であって、
     前記複数のセル毎にそれぞれ設けられ、前記セルの出力電圧に所定の電圧値を加算する電圧加算手段と、
     前記各セルを、少なくとも1つのセルで構成される複数のブロックに区分けし、前記各ブロック毎に設けられ、各ブロックのセルに対応する前記電圧加算手段の出力電圧である加算電圧を検出する電圧検出手段と、
     前記各電圧検出手段に設けられ、前記電圧検出手段で検出した前記加算電圧のアナログ電圧信号をディジタル化するA/D変換手段と、
     前記各電圧検出手段との間で通信回線を介して接続され、前記各電圧検出手段に電圧測定要求信号を出力すると共に、前記各電圧検出手段で検出される加算電圧を取得し、且つ取得した加算電圧から前記所定の電圧値を減算し、減算後の電圧値を前記セルの出力電圧として提示する制御手段と、
     を備えた複数組電池の電圧測定装置。
  2.  請求項1に記載の複数組電池の電圧測定装置であって、
     前記電圧検出手段は、前記各ブロックに設けられる前記電圧加算手段より出力される加算電圧の合計電圧を求め、
     前記制御手段は、前記所定の電圧値に前記各ブロックに設けられるセルの個数を乗じた値を前記合計電圧から減算する複数組電池の電圧測定装置。
  3.  請求項1又は請求項2に記載の複数組電池の電圧測定装置であって、
     前記制御手段を作動させる電力を供給する電源に接続され、前記電源からの電力を変換する電圧変換手段を更に有し、
     前記制御手段は、前記各電圧検出手段に電圧測定要求信号を出力する場合、前記電圧変換手段に電力を供給する電力供給信号を出力し、
     前記電圧変換手段は、前記制御手段から電圧測定要求信号を取得すると、前記電圧加算手段に電力を供給する複数組電池の電圧測定装置。
  4.  請求項1から請求項3のいずれかに記載の複数組電池の電圧測定装置であって、
     前記セルは、第1セルから第NセルまでのN個が設けられ、
     前記第1セルの負極がグランドとされ、
     前記第Nセルの正極が最も高い電圧とされ、
     第nセル(但し、2≦n≦N)の電圧は、第(n-1)セルの電圧を基準電圧として測定する複数組電池の電圧測定装置。
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