JP5297730B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に、互いに直列接続された複数の単位セルからなる車載高圧バッテリの電圧を検出する電圧検出装置に関するものである。

近年、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（以下ＨＥＶ）が普及してきている。このＨＥＶは、上記エンジン始動用の１２Ｖ程度の低圧バッテリと、上記電動モータ駆動用の高圧バッテリとの２種類のバッテリを備えている。上述した高圧バッテリは、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単電池または二次電池を少なくとも１つ以上含む単位セルとして、これらを複数直列接続して高電圧を得ている。

上述した高圧バッテリは充放電を繰り返すうちに各二次電池の両端電圧、即ち充電状態（ＳＯＣ）にバラツキが生じる。バッテリの充放電にあたっては、各二次電池の耐久性や安全確保の観点より、ＳＯＣ（又は両端電圧）の最も高い二次電池が設定上限ＳＯＣ（又は上限両端電圧値）に到達した時点で充電を禁止し、ＳＯＣ（又は両端電圧）の最も低い二次電池が設定下限ＳＯＣ（又は下限両端電圧値）に到達した時点で放電を禁止する必要がある。従って、各二次電池にＳＯＣのバラツキが生じると、実質上、バッテリの使用可能容量が減少することになる。このため、ＨＥＶにおいては、登坂時にガソリンに対してバッテリエネルギーを補充したり、降坂時にバッテリにエネルギーを回生したりする、いわゆるアシスト・回生が不十分となり、実車動力性能や燃費を低下させることになる。そこで、各二次電池のＳＯＣを均等化するために、各二次電池の両端電圧を検出する必要がある。

従来、上述した高圧バッテリを構成する各二次電池の両端電圧を検出する電圧検出装置として特許文献１に示すような装置が提案されている。特許文献１の電圧検出装置は高圧バッテリを複数のモジュールに分割しモジュール毎に配置したＣＰＵ等により各モジュール内の各二次電池の両端電圧を検出する。このような構成にすることにより同時に複数の二次電池の両端電圧の検出が行えると共に、両端電圧を検出するのに使用するデバイスの耐圧を下げることができる。

上述した従来の電圧検出装置は、各モジュールの両端電圧の検出に使用する基準電圧やＡ／Ｄ変換器などの精度のバラツキにより、モジュール間で検出誤差が発生してしまう。モジュール間の検出誤差が大きいと各二次電池のＳＯＣを均等化する際に均等化誤差を生じてしまうため、各二次電池を効率的に使用できないことがあった。高精度の基準電圧やＡ／Ｄ変換器を使用すればこの誤差を解消することができるが、高精度の基準電圧やＡ／Ｄ変換器が分割したモジュール分必要となりコストアップになってしまうという問題があった。

このような誤差を補正する方法として特許文献２に記載の電圧補正方法が提案されている。特許文献２に記載の電圧補正方法は、各ブロック毎に測定値の平均値を算出してブロックの代表値とし、その代表値を比較して、代表値に差がある場合はその差を補正している。
特開２００３−２４３０４４号公報 特開２００５−６２０２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の電圧補正方法は、ブロックの電圧自体が変動した場合、電圧検出自体は正常に行われているにもかかわらず、電圧の差を誤差として補正してしまう、つまり、ブロックの電圧自体が変動したのか測定系の誤差なのか不明なまま測定系の誤差として補正してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、直列に接続された単位セルからなるブロックの電圧を検出する際に、電圧検出手段の測定結果の誤差を精度良く確実に補正することができる電圧検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有した複数のブロックと、前記ブロックにそれぞれ対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にそれぞれ対応して設けられる基準電源と、を備えた電圧検出装置において、前記基準電源のうち少なくとも１つ以上が、他の基準電源よりも高精度であって、隣接する前記電圧検出手段間に抵抗素子が直列に接続され、その直列に接続された抵抗素子のうち、一方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの一方の電圧検出手段が検出し、他方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの他方の電圧検出手段が検出し、前記高精度な基準電源が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記抵抗素子の両端電圧値と前記他の基準電圧が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記抵抗素子の両端電圧値に基づいて、前記他の基準電圧が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電圧検出装置である。

請求項２に記載の発明は、前記補正手段が、隣接する前記電圧検出手段のうち一方の電圧検出手段が検出した前記電流検出回路の前記抵抗素子の両端電圧値を基準として、他方の電圧検出手段が検出した前記電流検出回路の前記抵抗素子の両端電圧値に基づいて該他方の電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧を補正することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記高精度な基準電源が、前記複数のブロックのうち中央に位置するブロックに対応する電圧検出手段に対応して設けられていることを特徴とする。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、基準電源のうち少なくとも１つ以上が他の基準電源よりも高精度であり、隣接する電圧検出手段間に抵抗素子が直列に接続され、その直列に接続された抵抗素子のうち、一方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの一方の電圧検出手段が検出し、他方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの他方の電圧検出手段が検出し、高精度な基準電源が設けられた電圧検出手段が検出した電流検出回路の抵抗素子の両端電圧値と他の基準電圧が設けられた電圧検出手段が検出した電流検出回路の抵抗素子の両端電圧値に基づいて、他の基準電圧が設けられた電圧検出手段が検出した単位セルの両端電圧を補正しているので、高精度な基準電源が設けられた電圧検出手段による誤差の少ない電流検出回路の検出結果を基準として他の基準電源が設けられた電圧検出手段の検出結果を補正することができ、電圧検出手段の検出結果の誤差を精度良く確実に補正することができる。

請求項２に記載の発明によれば、隣接する電圧検出手段のうち一方の電圧検出手段が検出した電流検出回路の抵抗素子の両端電圧値を基準として、他方の電圧検出手段が検出した電流検出回路の抵抗素子の両端電圧値に基づいて該他方の電圧検出手段が検出した単位セルの両端電圧を補正手段が補正しているので、一方の電圧検出手段に高精度な基準電源が設けられていれば、それを基準に補正することができ、また、一方の電圧検出手段が高精度な基準電源を設けた電圧検出手段を基準として補正されていれば、間接的に高精度な基準電源を基準とした補正をすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、高精度な基準電源が、複数のブロックのうち中央に位置するブロックに対応する電圧検出手段に対応して設けられているので、一端のブロックに対応する電圧検出手段の基準電源を高精度にするよりも、両端のブロックに対応する電圧検出手段への補正回数が少なくなる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の電圧検出装置の一実施形態を示す回路図である。図中引用符号ＢＨは高圧バッテリである。上記高圧バッテリＢＨは、エンジンと電動モータＭを走行駆動源として併用するＨＥＶにおいて前記電動モータＭの電源として用いられ、その両端には電動モータＭが必要に応じて負荷として接続されると共にオルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。

高圧バッテリＢＨは、複数個（本実施形態では５個）のブロックＢ１〜Ｂ５に分けられている。ブロックＢ１はｎ個（ｎは１以上の任意の整数）の単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎから構成されている。単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎは少なくとも一つ以上の二次電池から構成されている。他のブロックＢ２〜Ｂ５も同様にｎ個の単位セルから構成されている。

電圧検出装置は、電圧検出手段としての電圧検出回路１１〜１５と、電流検出回路２１〜２４と、補正手段としてのメインマイコン３０と、絶縁インタフェース４０と、を備えている。

電圧検出回路１１〜１５は、各ブロックＢ１〜Ｂ５にそれぞれ対応して設けられている。電圧検出回路１１〜１５は、複数のブロックＢ１〜Ｂ５のうち対応するブロックＢ１〜Ｂ５を構成する単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎから電源供給を受けて動作する。

電圧検出回路１１〜１５は、それぞれ対応するブロック全体の両端電圧値およびブロック内の各単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎ各々の両端電圧を検出する差動増幅器と、各ブロックＢ１〜Ｂ５の両端および各ブロックＢ１〜Ｂ５を構成する単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎの両端を選択的に差動増幅器に接続する選択スイッチ群と、差動増幅器が検出した両端電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、上記選択スイッチ群を制御する制御部などを備えている。

また、上述した電圧検出回路１１〜１５はそれぞれがワンチップで構成されている。また、電圧検出回路１１〜１５には図示しない外付け抵抗が接続されている。この外付け抵抗は各ブロックＢ１〜Ｂ５のアドレスに対応するものであり、各々異なる抵抗値となっている。外付け抵抗Ｒ１〜Ｒ５は、各々高圧系電源回路からの電源投入に応じて制御部が抵抗値を読み取り、各電圧検出回路のアドレスとして図示しないメモリなどに記憶する。

さらに、電圧検出回路１１〜１５は、基準電源５１または５２が設けられている。基準電源５１または５２は、ブロックの両端電圧や単位セルの両端電圧を検出した際のＡ／Ｄ変換器及び制御部の動作電源となる定電圧を出力する高圧系電源回路である。電圧検出回路１１、１２、１４、１５は基準電源５１が設けられ、複数のブロックＢ１〜Ｂ５のうち中央のブロックＢ３に対応する電圧検出回路１３には高精度な基準電源５２が設けられている。

高精度な基準電源５２は、他の基準電源５１よりも出力される電源電圧の精度が高い、つまり、出力される電源電圧の変動が少ない基準電源であり、この高精度な基準電源５２が設けられた電圧検出回路１３はＡ／Ｄ変換などにおける誤差が他の電圧検出回路と比較して少なくなる。

メインマイコン３０は、図示しないＣＰＵおよびメモリを内蔵する。そして、メモリに内蔵された制御プログラムなどに基づいてＣＰＵが電圧検出回路１１〜１ｍの制御等を行う。

電圧検出回路１１とメインマイコン３０との間には、送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒが設けられている。また、送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒ上には、絶縁インタフェース４０が設けられている。

絶縁インタフェース４０は、電圧検出回路１１とメインマイコン３０とを電気的に絶縁した状態で結合するものである。メインマイコン３０及び電圧検出回路１１は、絶縁インタフェース４０によって互いに絶縁した状態で情報の送受信を行うことができる。これにより、高圧バッテリＢＨとメインマイコン３０に電源供給する図示しない低圧バッテリとの絶縁を保つことができる。絶縁インタフェース４０としては、例えば発光素子及び受光素子から成るフォトカプラといった光を媒体にしたものや、磁気カプラといった磁気を媒体にしたものが公知である。

また、電圧検出回路１１〜１５は、電圧検出回路１１、１２、１３、１４、１５の順にディジーチェーン接続されている。電圧検出回路は１１〜１５は、隣接する電圧検出回路同士で通信を行うことによって自身の検出結果やメインマイコン３０からの命令などを伝達する。

電流検出回路２１〜２４は、隣接する電圧検出回路間を接続するように設けられている。例えば電流検出回路２１は電圧検出回路１１と１２間を接続されるように設けられている。同様に電流検出回路２２は電圧検出回路１２と１３間、電流検出回路２３は電圧検出回路１３と１４間、電流検出回路２４は電圧検出回路１４と１５間を接続するように設けられている。これらは、図１に示したように上記ディジーチェーン接続とは別の接続である。

電流検出回路２１は、図２に示したように電流検出素子としての抵抗Ｒｔｅｓｔ１と、電流検出素子としての抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、電圧調整素子としての抵抗Ｒｓｕｂ１と、を備えている。抵抗Ｒｓｕｂ１は抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２との間に接続されている。これらの抵抗Ｒｔｅｓｔ１と、抵抗Ｒｓｕｂ１と、抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、は全て抵抗値が等しい。なお、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２は同じ抵抗値である必要があるが、抵抗Ｒｓｕｂ１は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２と異なる抵抗値としてもよい。以降電流検出回路２１と電圧検出回路１１、１２で説明するが、電流検出回路２２〜２４および電圧検出回路１３〜１５も同様の構成であり同様の動作をする。

電流検出回路２１は、図２に示したように電流検出回路１１内に電流源２５と検出回路２６が、電流検出回路１２内に電流源２７と検出回路２８が、それぞれ設けられている。

電流源２５は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１に所定の電流を流すための電流源であり、電流検出回路２１の抵抗Ｒｔｅｓｔ１に接続され、ブロックＢ１の両端電圧を電源として、ブロックＢ１の上端の電位（Ｖｅｐ）を基準として−Ｖ１ボルト（Ｖｅｐ−Ｖ１）の電圧を生成する。電流源２７は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１に所定の電流を流すための電流源であり、電流検出回路２１の抵抗Ｒｔｅｓｔ２に接続され、ブロックＢ２の両端電圧を電源として、ブロックＢ２の下端の電位（Ｖｅｐ）を基準として＋Ｖ２ボルト（Ｖｅｐ＋Ｖ２）の電圧を生成する。

検出回路２６、２８は、それぞれ抵抗Ｒｔｅｓｔ１、抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出する。

また、電流源２５と電流検出回路２１との間にはスイッチＳＷ１が、検出回路２６と、電流検出回路２１のＲｔｅｓｔ１の両端の間にはスイッチＳＷ２、ＳＷ３が、電流源２７と電流検出回路２１との間にはスイッチＳＷ６が、検出回路２８と、電流検出回路２１のＲｔｅｓｔ２の両端の間にはスイッチＳＷ４、ＳＷ５が、それぞれ設けられている。これらスイッチは電流検出回路２１を用いた電圧検出回路１１、１２の補正動作時に閉制御される。

本実施形態では、検出回路２６、２８はフライングキャパシタ方式により抵抗Ｒｔｅｓｔ１および抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出している。フライングキャパシタ方式は、例えば検出回路２６の場合、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を閉制御して、検出回路２６に内蔵した接地から浮かせた状態のコンデンサ（すなわち、フライングキャパシタ）に抵抗Ｒｔｅｓｔ１の電圧を充電して、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を開制御した後にコンデンサの両端電圧を計測する周知の方式である。フライングキャパシタ方式で検出することによって、接地電位を基準とした電圧に変換することができる。また、フライングキャパシタ方式以外にオペアンプを用いた差動方式としてもよい。

検出回路２６および検出回路２８で検出された電圧値はディジーチェーンと送信用バスラインＢＬｔを介してメインマイコン３０へ出力される。次に、電圧検出回路１２、１３と電流検出回路２２、電圧検出回路１３、１４と電流検出回路２３、電圧検出回路１４、１５と電流検出回路２４、のそれぞれについても同様に抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出して検出された電圧値をメインマイコン３０に出力する。

ここで、図２に示した回路において、電流検出回路２１に流れる電流をＩ１とすると、Ｉ１は次の式で求められる。
Ｉ１＝（（Ｖｅｐ＋Ｖ２）−（Ｖｅｐ−Ｖ１））／（Ｒｔｅｓｔ１＋Ｒｓｕｂ１＋Ｒｔｅｓｔ２）・・・（１）

したがって、検出回路２６、２８で検出されるべき電圧はそれぞれ次の式で求められる。
検出回路２６で検出されるべき電圧＝Ｒｔｅｓｔ１×Ｉ１・・・（２）
検出回路２８で検出されるべき電圧＝Ｒｔｅｓｔ２×Ｉ１・・・（３）

電流源２７から流れ出す電流Ｉ１と電流源２５へ流れ込む電流Ｉ１とは等しく、またＲｔｅｓｔ１とＲｔｅｓｔ２が同じ抵抗値であることから検出回路２６、２８とで検出される電圧は同じ電圧となるはずであるが基準電圧の精度によって異なる場合がある。そこで、メインマイコン３０において、電流検出回路２１〜２４の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出した電圧値に基づいて補正をする。

補正方法は、まず、高精度な基準電源５２が設けられている電圧検出回路１３で検出した電流検出回路２２内の抵抗の両端電圧値を基準として電圧検出回路１２で検出した電流検出回路２２内の抵抗の両端電圧値との差分を電圧検出回路１２の測定系の誤差として電圧検出回路１２で検出したブロックＢ２の電圧値の補正を行う。同様に電圧検出回路１３で検出した電流検出回路２３内の抵抗の両端電圧値を基準として電圧検出回路１４で検出した電流検出回路２３内の抵抗の両端電圧値との差分を電圧検出回路１４の測定系の誤差として電圧検出回路１４で検出したブロックＢ４の電圧値の補正を行う。すなわち、高精度な基準電源５２が設けられた電圧検出回路１３の検出結果を基準として、他の基準電圧５１が設けられた電圧検出回路の検出結果を補正している。

次に、補正した電圧検出回路１２が検出した電流検出回路２２の抵抗の両端電圧値に基づいて電流検出回路２１で検出した抵抗の両端電圧値を補正し、その補正した電圧検出回路１２で検出した電流検出回路２１の抵抗の両端電圧値を基準として電圧検出回路１１で検出した電流検出回路２１の抵抗の両端電圧値との差分を電圧検出回路１１の測定系の誤差として電圧検出回路１１で検出したブロックＢ１の電圧値の補正を行う。同様に補正した電圧検出回路１４が検出した電流検出回路２３の抵抗の両端電圧値に基づいて電流検出回路２４で検出した抵抗の両端電圧値を補正し、その補正した電圧検出回路１４で検出した電流検出回路２４の抵抗の両端電圧値を基準として電圧検出回路１５で検出した電流検出回路２４の抵抗の両端電圧値との差分を電圧検出回路１５の測定系の誤差として電圧検出回路１５で検出したブロックＢ５の電圧値の補正を行う。すなわち、隣接する電圧検出回路のうち一方の電圧検出回路の検出結果を基準として他方の電圧検出回路の検出結果を補正している。

以上の電圧検出装置によれば、電圧検出回路１１〜１５に設けた基準電源のうち、電圧検出回路１３に他の基準電源５１よりも高精度な基準電源５２を設け、電圧検出回路１３を基準として、他の電圧検出回路１１、１２、１４、１５の検出電圧の補正を行っているので、高精度な基準電源５２が設けられた電圧検出回路１３による誤差の少ない検出結果を基準として他の基準電源５１が設けられた電圧検出回路１１、１２、１４、１５の検出結果を補正することができ、電圧検出回路の検出結果の誤差を精度良く確実に補正することができる。

また、隣接する電圧検出回路１１、１２のうち高精度な基準電源５２が設けられた電圧検出回路１３を基準として補正した電圧検出回路１２を基準として他方の電圧検出回路１１を補正しているので、間接的に高精度な基準電源を基準とした補正をすることができる。

また、高精度な基準電源５２が、複数のブロックＢ１〜Ｂ５のうち中央に位置するブロックＢ３に対応する電圧検出回路１３に対応して設けられているので、一端のブロックＢ１またはＢ５に対応する電圧検出回路１１または１５の基準電源を高精度にするよりも、両端のブロックに対応する電圧検出回路１１または１５への補正回数が少なくなる。

また、電圧検出回路１１〜１５に電流源２５または２７と検出回路２６または２８とを設け、電流源２５と電流源２７との間に、同じ抵抗値の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、抵抗Ｒｓｕｂ１と、を接続して、検出回路２６で抵抗Ｒｔｅｓｔ１の両端電圧を検出し、検出回路２８で抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出して、双方の検出結果に基づいて補正をしているので、安価に補正用の回路を構成することができる。

また、高精度な基準電源５２は１つでなく２つ以上の複数の電圧検出回路に設けてもよい。高精度な基準電源５２を複数の電圧検出回路に設けた場合、複数の高精度な基準電源５２間の補正は最も精度が高い基準電源を基準として補正する。複数の高精度な基準電源５２が同一の特性の場合は任意に基準となる基準電源を選択すればよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の電圧検出装置の一実施形態を示す回路図である。 図１に示す電圧検出装置における電流検出回路の回路図である。

符号の説明

ＢＨ 高圧バッテリ(車載高圧バッテリ)
Ｃ１１〜Ｃｍｎ 単位セル
Ｂ１〜Ｂ５ ブロック
１１〜１５ 電圧検出回路(電圧検出手段)
２１〜２４ 電流検出回路
３０ メインマイコン(補正手段)
５１ 基準電源
５２ 高精度な基準電源

Claims (3)

1. 単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有した複数のブロックと、前記ブロックにそれぞれ対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にそれぞれ対応して設けられる基準電源と、を備えた電圧検出装置において、
   前記基準電源のうち少なくとも１つ以上が、他の基準電源よりも高精度であって、
   隣接する前記電圧検出手段間に抵抗素子が直列に接続され、その直列に接続された抵抗素子のうち、一方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの一方の電圧検出手段が検出し、他方の抵抗素子の両端電圧値を前記隣接する前記電圧検出手段のうちの他方の電圧検出手段が検出し、
   前記高精度な基準電源が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記抵抗素子の両端電圧値と前記他の基準電圧が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記抵抗素子の両端電圧値に基づいて、前記他の基準電圧が設けられた前記電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記補正手段が、隣接する前記電圧検出手段のうち一方の電圧検出手段が検出した前記電流検出回路の前記抵抗素子の両端電圧値を基準として、他方の電圧検出手段が検出した前記電流検出回路の前記抵抗素子の両端電圧値に基づいて該他方の電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧を補正することを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
3. 前記高精度な基準電源が、前記複数のブロックのうち中央に位置するブロックに対応する電圧検出手段に対応して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出装置。

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