JP2012202738A - 電圧測定装置、電圧測定システム、電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定時間の短縮化と、測定精度の向上とを両立することを目的とする。
【解決手段】 直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を測定する電圧測定装置であって、各前記電池電圧を検出する第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部との検出誤差に関する誤差情報を記憶した記憶部と、前記記憶部に記憶された誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各電池電圧を補正する補正部と、を有することを特徴とする電圧測定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単電池が直列に接続された組電池の電池電圧を測定する電圧測定装置などに関する。

車両用の電池として、複数の電池セルを直列に接続した組電池が知られている。電池セルの過放電、過充電は、電気モータのトルク特性ひいては車両の走行性を低下させるだけでなく、電池セルの寿命を低下させるおそれがある。したがって、電池セルのセル電圧を監視して、過充電、過放電の場合には、速やかにその異常状態を検出して充放電を制御する必要がある。

特許文献１は、多セル直列電池における電池セルの異常を監視するセル電圧監視装置において、任意の電池セルに対するモニタサイクルの開始直後で、セル電圧異常検出回路を働かせ、セル電圧が正常範囲から外れているか否かを判定するセル電圧監視装置を開示する。

特開２００９−０６９０５６号公報 特開２００１−２２４１３８号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、セル電圧の測定に時間がかかる。その一方、セル電圧の測定精度が低下すると、過充電、過放電などの異常状態を看過するおそれがある。そこで、本願発明は、電池電圧の測定時間の短縮化と、測定精度の向上とを両立することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係る電圧測定装置は、（１）直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を測定する電圧測定装置であって、各前記電池電圧を検出する第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部との検出誤差に関する誤差情報を記憶した記憶部と、前記記憶部に記憶された誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各電池電圧を補正する補正部と、を有することを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記検出誤差は、基準電源の電圧を前記第１及び第２の電圧検出部がそれぞれ検出した際の電圧差としてもよい。（２）の構成によれば、正確な誤差情報を取得することができる。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記第１の電圧検出部は、複数の差動アンプを備え、各前記差動アンプは互いに同じタイミングで各前記電池電圧を取得する。（３）の構成によれば、各電池電圧が並行して取得されるため、検出速度を確実に増速することができる。

（４）上記（３）の構成において、各前記差動アンプから連続的に出力される各電池電圧をそれぞれ平均化する平均化処理部を備え、前記補正部は、前記平均化処理部により平均化された各電池電圧を前記誤差情報に基づき補正する。（４）の構成によれば、各電池電圧の測定精度をさらに向上させることができる。

（５）上記（１）〜（４）のうちいずれか一つにおいて、前記第１の電圧検出部は、温度により検出精度が変動する。温度変化によって第１の電圧検出部による検出精度が低下しても、誤差情報により補正されるため、測定精度の低下を抑制できる。

（６）上記課題を解決するために、本発明に係る電圧測定システムは、直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を測定する電圧測定システムであって、基準電源と、
各前記電池電圧を検出する第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部と、前記基準電源の電圧を前記第１及び第２の電圧検出部がそれぞれ検出した際の電圧差を誤差情報として記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各前記電池電圧を補正する補正部と、を有することを特徴とする。

（７）上記課題を解決するために、本発明に係る電圧測定方法は、第１の電圧検出部により基準電源の電圧を測定する第１のステップと、前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部により前記基準電源の電圧を測定する第２のステップと、前記第１及び第２のステップで測定された電圧の電圧差を誤差情報として記憶部に記憶する第３のステップと、直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を前記第１の電圧検出部により並行して測定する第４のステップと、前記記憶部に記憶された誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各前記電池電圧を補正する第５のステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、電池電圧の測定時間の短縮化と、測定精度の向上とを両立することができる。

電圧測定システムの機能ブロック図である。 電圧測定システムのハードウエア構成を示す回路図である。 誤差情報を取得する際のハードウエア構成を示す回路図である。 誤差情報を模式的に示した模式図である。 比較例の電圧測定装置の回路図である。 セル電圧の測定方法を示したフローチャートである。 二つの異なる組電池の各セル電圧を測定する場合の電圧測定システムの機能ブロック図である。

図１、図２を参照しながら、本実施形態に係る電圧測定装置を含む電圧測定システムについて説明する。図１は電圧測定システムの機能ブロック図であり、点線は第１及び第２の電圧検出部の誤差情報を求める時の信号の流れを示しており、実線は各電池セル（単電池）のセル電圧（電池電圧）を測定する時の信号の流れを示している。図２は、電圧測定装置のハードウエアの一例を示す回路図である。

図１を参照して、電圧測定システム１は、電圧測定装置２、基準電源６０及び第２の電圧検出部７０を含む。電圧測定装置２は、組電池３、第１の電圧検出部２０、補正部３０及び記憶部４０を含む。図２に図示するように、組電池３は複数の電池セル３１を直列に接続することにより構成されている。電池セル３１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池であってもよい。

第１の電圧検出部２０は、各電池セル３１のセル電圧を測定する。第１の電圧検出部２０は、さらに基準電源６０の電圧を測定する。第２の電圧検出部７０は、基準電源６０の電圧を測定する。第２の電圧検出部７０は、第１の電圧検出部２０よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い。記憶部４０は、基準電源６０の電圧を第１の電圧検出部２０及び第２の電圧検出部７０がそれぞれ検出した際の電圧差を誤差情報として記憶する。補正部３０は、記憶部４０に記憶された誤差情報に基づき、第１の電圧検出部２０が検出した各セル電圧を補正する。

上述の構成によれば、各電池セル３１のセル電圧を第１の電圧検出部２０により検出するため、電圧測定の測定速度を速めることができる。また、第１の電圧検出部２０により検出されたセル電圧を、記憶部４０に記憶された誤差情報に基づき補正するため、電圧測定の測定精度を向上させることができる。

次に、図２を参照しながら、電圧測定装置２を実現するハードウエア構成の一例を説明する。第１の電圧検出部２０は、複数の絶縁アンプ２１、複数の差動アンプ２２を備える。各絶縁アンプ２１及び各差動アンプ２２は、各電池セル３１に対応して設けられている。絶縁アンプ２１は、ｃｈ間の絶縁を行う。差動アンプ２２は、ＡＤＣ（Analog to digital converter）入力定格まで入力信号を増幅して、後段のセル電圧測定用ＰＣ５０に実装されたＡＤＣ５１に出力する。絶縁アンプ２１及び差動アンプ２２はアナログ回路であるため、温度変化によって測定精度にバラツキが生じ、さらに経年変化によって推定精度が低下する。したがって、第１の電圧検出部２０は、検出速度は速いが、検出精度が低いという特性を有する。

リレー回路２３は、組電池３及び第１の電圧検出部２０の間に位置する。リレー回路２３は、複数のリレー２３１を備える。各リレー２３１は、各絶縁アンプ２１に対応して設けられている。各リレー２３１は、各電池セル３１に接続する状態と基準電源６０に接続する状態との間で切り替えられる。本実施形態では、全ての電池セル３１のセル電圧を並行して測定するため、全てのリレー２３１が対応する電池セル３１に接続されている。

ＡＤＣ５１は、平均化処理部５２にＰＣＩバス接続されており、３〜４ｍｓ周期で各電池セル３１のセル電圧を並行して平均化処理部５２に取り込んでいる。平均化処理部５２は、ＣＰＵ、ＭＰＵによって実現してもよい。平均化処理部５２は、メモリ５２Ａを備える。平均化処理部５２のＣＰＵ、或いはＭＰＵは、各差動アンプ２２から出力される各セル電圧に関する情報をメモリ５２Ａに記憶し、次のセル電圧を受信すると、この受信したセル電圧とメモリ５２Ａに記憶されたセル電圧とを平均化して、メモリ５２Ａに記憶されたセル電圧を更新する。このセル電圧の更新は、セル電圧に関する情報を受信するたびに実行する。ただし、これらのＣＰＵ、ＭＰＵにおいて行われる処理の少なくとも一部を回路的に実行するＡＳＩＣ回路を用いることもできる。このように、各セル電圧の平均化処理を並行して行うことにより、処理の高速化を実現している。

平均化処理の回数は、測定精度を向上させる観点から当業者が適宜定めることができる。例えば、平均化処理の回数が１０回である場合には、全てのセル電圧の測定時間を僅か３０〜４０ｍｓに短縮することができる。電池セル３１の個数が増加しても、各セル電圧の平均化処理は並行して行われるため、測定速度の低下を抑制できる。

制御用ＰＣ８０はコントローラ８１及びメモリ８２を備える。コントローラ８１は、制御用ＰＣ８０全体の制御を司る。コントローラ８１は、ＣＰＵ、或いはＭＰＵであってもよいし、これらのＣＰＵ、或いはＭＰＵにおいて実行される処理の少なくとも一部を回路的に実行するＡＳＩＣ回路であってもよい。メモリ８２には、基準電源６０の電圧を第１の電圧検出部２０及び第２の電圧検出部７０がそれぞれ検出した際の電圧差である誤差情報が記憶されている。メモリ８２は、読み書き可能な記録媒体であればよく、例えばＲＡＭであってもよい。

ここで、図１の機能ブロックと図２のハードウエア構成との対応を説明する。図１の補正部３０において行われる処理は、制御用ＰＣ８０のコントローラ８１とメモリ８２とが協同することにより実現してもよい。すなわち、コントローラ８１は、メモリ８２に記憶された誤差情報に基づき、第１の電圧検出部２０が検出した各セル電圧を補正する。

図１の記憶部４０において行われる処理は、制御用ＰＣ８０のコントローラ８１とメモリ８２とが協同することにより実現してもよい。すなわち、コントローラ８１は、第１の電圧検出部２０が検出した基準電源６０の電圧と、第２の電圧検出部７０が検出した基準電源６０の電圧との差分を算出し、これを誤差情報としてメモリ８２に記憶する。ただし、記憶部４０は、制御用ＰＣ８０の外部に位置してもよい。この場合、制御用ＰＣ８０は、記憶部４０に記憶された誤差情報を通信により取得して、セル電圧を補正する。

次に、図３を参照しながら、記憶部４０に記憶される誤差情報の取得方法について説明する。図３は、図２に対応する図であり、全てのリレー２３１が第１の電圧検出部２０及び基準電源６０を接続する接続位置に位置する点で、図２の構成と異なる。

第２の電圧検出部７０は、基準電源６０の電圧を測定する。第２の電圧検出部７０は、デジタルマルチメータ７１であってもよい。制御用ＰＣ８０は、デジタルマルチメータ７１から出力される電圧を取得する。

制御用ＰＣ８０は、基準電源６０の電圧を所定の範囲内で変更する。当該所定の範囲は、電池セル３１の使用電圧であってもよく、例えば、０Ｖから５Ｖまで１Ｖ間隔で順次電圧を変更することができる。

制御用ＰＣ８０は、基準電源６０の電圧を０Ｖから５Ｖまで１Ｖ間隔で変更しながら、第１の電圧検出部２０及びデジタルマルチメータ７１による検出結果を取得し、その結果をリレー２３１のチャンネルＮｏに対応付けた誤差情報として記憶部４０に記憶する。図４は、当該誤差情報をデータテーブルの形式で模式的に示した模式図である。取得された電圧値以外の値は、直線近似により求めることができる。これらの動作を全てのチャンネルについて実行することにより、全てのチャンネルの誤差情報を取得することができる。なお、誤差情報の形式は、データテーブル以外の形式（例えば、関数式）であってもよい。

図５は、比較例の電圧測定装置の回路図である。実施形態と同一の構成要素には、同一符合を付している。比較例では、デジタルマルチメータ７１によって、各電池セル３１のセル電圧を取得する。デジタルマルチメータ７１は、初段部分がアナログ回路であるため差動アンプ２２などと同様に温度変化により測定誤差が生じるが、専用計測器であるため補償回路が充実しており、測定精度が高いことが知られている。しかしながら、各セル電圧を測定する際には、各リレー２３１を予め定められた順序で連続的にオンすることにより、各セル電圧を異なるタイミングで測定する必要があるため、測定時間が非常に長くなる。

例えば、リレー２３１の切り替え周期が２０ｍｓ／ｃｈ、デジタルマルチメータ７１の測定時間が１７ｍｓ／ｃｈである場合には、５６個の電池セル３１のセル電圧を測定するのに２０７２ｍｓの計測時間を要する。つまり、第２の電圧検出部７０は、第１の電圧検出部２０よりも測定精度が高く、測定時間が長いという特性を備える。

次に、図６のフローチャートを参照しながら、セル電圧を測定する測定方法について説明する。ステップＳ１０１において、第１の電圧検出部２０及び第２の電圧検出部７０は、基準電源６０の電圧を測定する。ステップＳ１０２において、制御用ＰＣ８０は、ステップＳ１０１の測定結果を誤差情報として記憶部４０に記憶する。

ステップＳ１０３において、第１の電圧検出部２０は、各電池セル３１のセル電圧を並行して測定し、測定した各セル電圧をＡＤＣ入力規格まで増幅して、ＡＤＣ５１に出力する。ステップＳ１０４において、平均化処理部５２は、ＡＤＣ５１から受信した
各セル電圧とメモリ５２Ａに記憶されたセル電圧とを平均化し、ステップＳ１０５において、求めた平均値を新しいセル電圧としてメモリ５２Ａに記憶する。なお、メモリ５２Ａにセル電圧が記憶されていない場合には、ＡＤＣ５１から受信した各セル電圧をそのままメモリ５２Ａに記憶する。

ステップＳ１０６において、平均化処理部５２は、平均化処理の回数が９回に達したか（つまり、セル電圧の測定回数が１０回に達したか）を判別し、測定回数が１０回に達した場合にはステップＳ１０７に進み、１０回に達していない場合にはステップＳ１０３に戻る。ステップＳ１０７において、平均化処理部５２は、メモリ５２Ａに記憶された各電池セル３１のセル電圧を各電池セル３１のセル番号に対応付けて制御用ＰＣ８１に出力する。

制御用ＰＣ８０のコントローラ８１は、記憶部４０から誤差情報を読み出して、各セル電圧を補正する。例えば、ｃｈ１の電池セル３１のセル電圧が３．６Ｖと測定された場合には、図４を参照して、３．６Ｖに対応する第２の電圧検出部７０の電圧値を補正後の正しい電圧値として記録する。上述の方法によれば、第１の電圧検出部２０のみでセル電圧を測定する場合よりも測定精度を向上させることができる。また、第２の電圧検出部７０のみでセル電圧を測定する場合よりも測定速度を増速させることができる。

（変形例１）
上述の実施形態では、一つの組電池の各セル電圧を測定する場合について説明したが、本願発明は、複数の組電池の各セル電圧を測定する場合にも適用することができる。図７は、二つの異なる組電池の各セル電圧を測定する場合の電圧測定システムの機能ブロック図であり、図１に対応する。上記実施形態と同一の機能を有する構成要素には、同一符合を付する。

同図を参照して、電圧測定装置Ａは組電池Ａを構成する各電池セルのセル電圧を測定し、電圧測定装置Ｂは組電池Ｂを構成する各電池セルのセル電圧を測定する。本変形例では、基準電源６０を電圧測定装置Ａ及び電圧測定装置Ｂが共有している。したがって、基準電源６０の数を増加する必要がないため、コストが削減できる。また、組電池Ａのセル電圧測定と、組電池Ｂのセル電圧測定とを並行して処理できるため、測定速度を増速することができる。

（変形例２）
上述の実施形態では、各電池セル３１のセル電圧を複数回測定して、これらの平均値を補正部３０における補正前のセル電圧としたが、本発明はこれに限られるものではなく、平均化処理を省略することもできる。この場合、第１の電圧検出部２０から出力されるセル電圧が補正部３０において補正される。

（変形例３）
上述の実施形態では、電池セルのセル電圧を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、他の単電池にも適用することができる。当該他の単電池は、複数の電池セルを接続した電池モジュールであってもよい。つまり、本発明は、各電池モジュールの各モジュール電圧（電池電圧）を測定する場合にも適用することができる。

１ 電圧測定システム ２ 電圧測定装置 ３ 組電池
２０ 第１の電圧検出部 ２１ 絶縁アンプ ２２ 差動アンプ
３０ 補正部 ４０ 記憶部 ５０ セル電圧測定専用ＰＣ ５１ ＡＤＣ
５２ 平均化処理部 ６０ 基準電源 ７０ 第２の電圧検出部
７１ ＤＭＭ ８０ 制御用ＰＣ ８１ コントローラ ８２ メモリ

Claims (7)

1. 直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を測定する電圧測定装置であって、
   各前記電池電圧を検出する第１の電圧検出部と、
   前記第１の電圧検出部と、前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部との検出誤差に関する誤差情報を記憶した記憶部と、
   前記記憶部に記憶された誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各電池電圧を補正する補正部と、を有することを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記検出誤差は、基準電源の電圧を前記第１及び第２の電圧検出部がそれぞれ検出した際の電圧差であることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記第１の電圧検出部は、複数の差動アンプを備え、各前記差動アンプは互いに同じタイミングで各前記電池電圧を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧測定装置。
4. 各前記差動アンプから連続的に出力される各電池電圧をそれぞれ平均化する平均化処理部を備え、
   前記補正部は、前記平均化処理部により平均化された各電池電圧を前記誤差情報に基づき補正することを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。
5. 前記第１の電圧検出部は、温度により検出精度が変動することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電圧測定装置。
6. 直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を測定する電圧測定システムであって、
   基準電源と、
   各前記電池電圧を検出する第１の電圧検出部と、
   前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部と、
   前記基準電源の電圧を前記第１及び第２の電圧検出部がそれぞれ検出した際の電圧差を誤差情報として記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各前記電池電圧を補正する補正部と、を有することを特徴とする電圧測定システム。
7. 第１の電圧検出部により基準電源の電圧を測定する第１のステップと、
   前記第１の電圧検出部よりも検出精度が高く、かつ、検出速度が遅い第２の電圧検出部により前記基準電源の電圧を測定する第２のステップと、
   前記第１及び第２のステップで測定された電圧の電圧差を誤差情報として記憶部に記憶する第３のステップと、
   直列に接続された複数の単電池の各電池電圧を前記第１の電圧検出部により並行して測定する第４のステップと、
   前記記憶部に記憶された誤差情報に基づき、前記第１の電圧検出部が検出した各前記電池電圧を補正する第５のステップと、を有することを特徴とする電圧測定方法。
   
   
   

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