DE60220855T2

DE60220855T2 - Batteriespannungs-Detektionsanordnung

Info

Publication number: DE60220855T2
Application number: DE60220855T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Hamana-gun Yudahira; Naohisa Toyahashi-shi Morimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: EP1262784B1; US6664761B2; JP4047558B2; US20030052688A1; JP2002350472A; EP1262784A1; DE60220855D1

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung, die dazu geeignet ist und dazu dient, eine nicht geerdete Niedrig-Impedanz-Spannung zu messen; beispielsweise die Spannung einer Batterie, die als Spannungsversorgung für einen Motor in einem Elektrofahrzeug, einem Hybrid-Elektrofahrzeug oder Ähnlichem angebracht ist.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK:
In einem Elektrofahrzeug, einem Hybrid-Elektrofahrzeug oder dergleichen ist als Energiequelle ein Motor angebracht. Als eine elektrische Spannungsversorgung für den Motor wird eine Batterie verwendet. Eine derartige Batterie muss eine hohe Spannung und eine hohe Leistung abgeben. Daher wird als Batterie zum Antreiben des Motors eine Batteriegruppe verwendet, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen enthält. Gewöhnlich werden als die Batteriezellen wiederaufladbare Sekundärbatterien verwendet. Da bei einer Batteriegruppe, die in einem Elektrofahrzeug verwendet wird, eine hohe Spannung erforderlich ist, ist die Batteriegruppe in einem Fahrzeug aus Sicherheitsgründen so angebracht, dass sie von der Fahrgestellmasse isoliert ist.
Im Elektrofahrzeug ist eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung zur Überwachung des Auftretens von Störungen in der Batteriegruppe vorgesehen. Die Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung detektiert die Spannung jedes Batterieblocks, der eine Mehrzahl von Batteriezellen als eine Einheit enthält. 3 zeigt eine beispielhafte Struktur einer derartigen Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung.
In 3 enthält eine Batteriegruppe 11 eine Mehrzahl von Batterieblöcken 11a. Zwischen den Batterieblöcken 11a sind eine Mehrzahl von Spannungsdetektionsanschlüssen 12 vorgesehen. Jeder Spannungsdetektionsanschluss 12 ist mit einem entsprechenden einer ersten Mehrzahl von FETs (Feldeffekttransistoren) 43 verbunden, der ein erstes Schaltelement ist. Jeder der ersten Mehrzahl von FETs 43 bildet ein SSR (Festkörperrelais). Einige der ersten Mehrzahl von FETs 43, die mit den ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden sind, sind gemeinsam mit einem Anschluss eines Kon densators 46 und mit einem zweiten FET 45a verbunden, der ein zweites Schaltelement ist. Der Rest der ersten Mehrzahl von FETs 43, die mit den geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden sind, sind gemeinsam mit dem anderen Anschluss des Kondensators 46 und mit einem dritten FET 45b verbunden, der ein drittes Schaltelement ist.
Der zweite FET 45a und der dritte FET 45b sind mit entsprechenden Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers 20 verbunden. Der Differenzverstärker 20 enthält einen ersten Operationsverstärker 21. Der zweite FET 45a ist über einen ersten Widerstand 22a mit einem positiven Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 verbunden. Der dritte FET 45b ist über einen zweiten Widerstand 22b mit einem negativen Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 verbunden. Der positive Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 nimmt über einen dritten Widerstand 22c den Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 23 auf, der eine Referenzspannung erzeugt. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 wird über einen vierten Widerstand 22d auf den negativen Anschluss des ersten Operationsverstärkers 21 zurück gekoppelt. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 wird als der Ausgang des Differenzverstärkers 20 auf einen A/D-Umsetzer 30 ausgegeben.
Eine Spannungsteilerschaltung 24 ist eine von den Widerständen 24a und 24b gebildete Reihenschaltung. Das Potential des Verbindungspunkts der Widerstände 24a und 24b wird in den positiven Eingangsanschluss des zweiten Operationsverstärkers 23 eingegeben. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 wird auf den negativen Eingangsanschluss des zweiten Operationsverstärkers 23 zurück gekoppelt.
In einer Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung mit einer derartigen Struktur werden die Spannungen der Batterieblöcke 11a in der Batteriegruppe 11 durch den Differenzverstärker 20 der Reihe nach detektiert.
Im ersten Schritt des Spannungsdetektionsprozesses sind der zweite FET 45a und der dritte FET 45b, die mit dem Differenzverstärker 20 verbunden sind, gesperrt. Dann werden ein erster FET der ersten Mehrzahl von FETs 43, der mit dem ersten Spannungsdetektionsanschluss 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden ist, und ein zweiter FET der ersten Mehrzahl von FETs 43, der mit dem zweiten Spannungsdetektionsanschluss 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden ist, durchgeschaltet. Dadurch wird der erste Batterieblock 11a mit dem Kondensator 46 verbunden und lädt den Kondensator 46 auf.
Nachdem der Kondensator 46 aufgeladen wurde, wird das Paar der FETs 43 gesperrt, und dann werden der zweite FET 45a und der dritte FET 45b durchgeschaltet. Dadurch wird die Spannung des Kondensators 46 auf den Differenzverstärker 20 geführt.
Im Differenzverstärker 20 wird eine Referenzspannung von 2,5 V vom zweiten Operationsverstärker 23 über den dritten Widerstand 22c in den positiven Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 eingegeben. Dadurch wird die Spannung des Kondensators 46, die in den Differenzverstärker 20 eingegeben wurde, innerhalb eines Bereichs von einer Referenz von 2,5 V bis hinauf zu 5 V detektiert.
Ähnlich werden, während der zweite FET 45a und der dritte FET 45b gesperrt sind, die mit dem zweiten Spannungsdetektionsanschluss 12 und dem dritten Spannungsdetektionsanschluss 12 verbundenen ersten FETs 43 durchgeschaltet, sodass der Kondensator 46 durch den zweiten Batterieblock 11a aufgeladen wird. Dann werden die ersten FETs 43 gesperrt, und der zweite FET 45a sowie der dritte FET 45b werden durchgeschaltet. Dadurch wird die Spannung des zweiten Batterieblocks 11a in der Batteriegruppe 11 detektiert.
In diesem Fall ist die Polarität der Spannung, die in den ersten Operationsverstärker 21 des Differenzverstärkers 20 eingegeben wurde, derjenigen des ersten Batterieblock 11a entgegengesetzt. Daher detektiert der erste Operationsverstärker 21 die Spannung des zweiten Batterieblocks 11a innerhalb eines Bereichs von einer Referenz von 2,5 V bis hinunter zu 0 V.
Anschließend werden die Spannungen der anderen Batterieblöcke 11a der Reihe nach auf eine ähnliche Weise detektiert.
Obwohl die Spannungen mit den entgegengesetzten Polaritäten aus den Batterieblöcken 11a, die die Batteriegruppe 11 bilden, der Reihe nach in den Differenzverstärker 20 eingegeben werden, werden die Spannungen detektiert, ohne dass die Polarität des Referenzpotentials des ersten Operationsverstärkers 21 gewechselt wird. Die detektierten Spannungen der Batterieblöcke 11a werden in den A/D-Umsetzer 30 eingegeben. Im A/D-Umsetzer 30 werden Eingangsspannungen von analog in digital umgesetzt und dann an eine Recheneinheit wie etwa eine CPU ausgegeben.
Jedoch weist in einer solchen Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung jeder der ersten Mehrzahl von FETs 43, die ein SSR bildet, eine Zwischenanschluss-Kapazität auf. Diese Zwischenanschluss-Kapazität kann bei der Detektion der Spannungen der Batterieblöcke 11a Probleme hervorrufen. Genauer gesagt, wird, um die Spannung eines der Batterieblöcke 11a zu detektieren, ein Paar der ersten Mehrzahl von FETs 43, die mit Spannungsdetektionsanschlüssen 12 dieses Batterieblocks verbunden sind, durchgeschaltet, und dann erhält der Kondensator 46 einen Spannungswert, der im Wesentlichen gleich dem des angeschlossenen Batterieblocks 11a ist. Wenn jedoch jeder der ersten Mehrzahl von FETs 43 gesperrt ist, wird jeder der ersten Mehrzahl von FETs 43 mit einer elektrischen Ladung des Kondensators 46 geladen, da jeder der ersten Mehrzahl von FETs 43 eine Zwischenanschluss-Kapazität aufweist. Daher kann der Spannungswert des Kondensators 46 variieren. Folglich können die Spannungen der Batterieblöcke 11a ggf. nicht mit hoher Genauigkeit detektiert werden.
Außerdem ist die Anzahl der ersten Mehrzahl von FETs 43, die mit entsprechenden Anschlüssen des Kondensators 46 verbunden sind, unterschiedlich, wenn die Anzahl der Batterieblöcke 11a in der Batteriegruppe 11 eine gerade Zahl ist. Im Fall des Detektierens einer Spannung eines geradzahligen Batterieblocks 11a ist die Anzahl der ersten Mehrzahl von FETs 43, die mit dem Kondensator 46 verbunden sind, um eins erhöht, verglichen mit der Anzahl der ersten Mehrzahl von FETs 43 im Fall des Detektierens einer Spannung eines ungeradzahligen Batterieblocks 11a. Daher besteht in den mit dem Kondensator 46 verbundenen Zwischenanschluss-Kapazitäten eine Differenz zwischen dem Fall des Detektierens der Spannung des ungeradzahligen Batterieblocks 11a und dem Fall des Detektierens der Spannung des geradzahligen Batterieblocks 11a. Folglich können die Spannungen der Batterieblöcke 11a ggf. nicht mit einer hohen Genauigkeit detektiert werden.
In diesem Fall kann die Änderung in der Spannung des Kondensators 46 unterdrückt werden, indem die Kapazität des Kondensators 46 ausreichend höher ausgeführt wird als jene der ersten Mehrzahl von FETs 43. Jedoch wird der Kondensator 46 mit steigender Kapazität teurer. Dadurch wird in einem solchen Fall die Wirtschaftlichkeit verringert. Außerdem steigt mit zunehmender Anzahl der Batterieblöcke 11a die Anzahl von mit dem Kondensator 46 verbundenen Leitungen an, sodass die Anzahl der ersten Mehrzahl von FETs 43 ansteigt, die mit dem Kondensator 46 parallel geschaltet sind. Dadurch nimmt die Kapazität des Kondensators 46 effektiv zu, da die mit dem Kondensator 46 verbundene Gesamtkapazität zunimmt, und die Änderung in der Spannung des Kondensators 46 kann ggf. nicht unterdrückt werden.
Weiterhin ist, wie oben beschrieben, eine in einem Elektrofahrzeug verwendete Batteriegruppe 11 so angebracht, dass sie von der Fahrgestellmasse isoliert ist. Das bedeutet, dass die Batteriegruppe 11 mit einer hohen Impedanz mit der Fahrgestellmasse verbunden ist. Der Ausgang der Batteriegruppe 11 variiert bezüglich der Fahrgestellmasse, abhängig vom Betrag der Belastung der Batteriegruppe 11, sodass ein Gleichtaktrauschen erzeugt werden kann. Dieses Gleichtaktrauschen beeinflusst die Zwischenanschluss-Kapazitäten der ersten Mehrzahl von FETs 43 und kann die Spannung beeinflussen, mit der der Kondensator 46 zu laden ist. Dadurch nimmt die Genauigkeit ab, mit der die Spannungen der Batterieblöcke 11a detektiert werden.
Um derartige vom Gleichtaktrauschen herrührende Einflüsse zu verhindern, kann der Differenzverstärker 20 zur Steuerung des Ausgangs der Batteriegruppe 11 verwendet werden. Jedoch erfordert in diesem Fall die Batteriegruppe, die so angebracht ist, dass sie von der Fahrgestellmasse isoliert ist, einen Gleichspannungs-zu-Gleichspannungs-Differenzverstärker des isolierten Typs. Dadurch steigt die Anzahl von Komponenten an, die Schaltungsanordnung wird kompliziert, und die Wirtschaftlichkeit nimmt ab.
Wenn der Verstärker in der Batteriegruppe 11 bereitgestellt wird, ist die erste Mehrzahl von FETs 43 mit unterschiedlichen Zwischenanschluss-Kapazitäten zwischen dem Differenzverstärker und dem Kondensator 46 angeschlossen. Daher kann wegen der unterschiedlichen Impedanzen jedes der ersten Mehrzahl von FETs 43 ein neues Gleichtaktrauschen erzeugt werden, und die Spannungen der Batterieblöcke 11a können ggf. nicht mit einer hohen Genauigkeit detektiert werden.
Beim Differenzverstärker 20, in den die Spannung des Kondensators 46 eingegeben wird, kann die Verstärkung durch Ändern von Widerstandswerten von dem des ersten Widerstands 22a bis zu dem des vierten Widerstands 22d verändert werden, und der Offset kann durch Verändern des Referenzpotentials des ersten Operationsverstärkers 21 verändert werden. Daher ist ein derartiger Differenzverstärker 20 zum Messen einer analogen Niedrig-Impedanz-Spannung geeignet, die kein festes Potential hat. Außerdem kann das Gleichtaktrauschen in zunehmendem Ausmaß unterdrückt werden.
Jedoch können die Charakteristiken der Operationsverstärker und der Widerstände, die den Differenzverstärker 20 bilden, aufgrund einer Änderung in der Temperatur oder aufgrund einer mit der Zeit eintretenden Verschlechterung variieren. Angesichts solcher Umstände können Operationsverstärker oder Widerstände verwendet werden, deren Charakteristiken gegenüber einer Temperaturänderung unempfindlicher sind. Jedoch sind derartige Operationsverstärker und Widerstände teuer und verringern damit die Wirtschaftlichkeit.
US 6 236 215 beschreibt eine Spannungsdetektionsschaltung für eine Batteriegruppe, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Zellen umfasst. Auswahlmittel ermöglichen es, jede Zelle für die Detektion ihrer Spannung durch einen Differenzverstärker auszuwählen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, wird eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Spannungen von Batterieblöcken in einer Batteriegruppe geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von N in Reihe geschalteten Batterieblöcken enthält.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung ferner: einen A/D-Umsetzer, um die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers in einen digitalen Wert umzusetzen; und eine Rechenvorrichtung, um den durch den A/D-Umsetzer umgesetzten digitalen Wert zu verarbeiten.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet der Differenzverstärker eine Spannung, die aus einer Spannungsteilerschaltung als die Referenzspannung erhalten wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die aus der Spannungsteilerschaltung erhaltene Spannung als ein Ausgang des Differenzverstärkers ausgegeben.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung ferner: einen A/D-Umsetzer, um die von der Spannungsteilerschaltung erhaltene Spannung zu messen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Differenzverstärker eine Spannungsteilerschaltung, die von einem Widerstand gebildet wird, dessen Widerstandswert gleich jenem eines Widerstands ist, der eine Verstärkung des Differenzverstärkers bildet; und die Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung umfasst ferner einen A/D-Umsetzer, um den Ausgang der Spannungsteilerschaltung messen.
Dadurch ermöglicht die hierin beschriebene Erfindung die Vorteile des Bereitstellens einer Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Batteriespannung mit hoher Genauigkeit zu detektieren, und die Wirtschaftlichkeit nicht vermindert.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Figuren offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine beispielhafte Struktur einer Ausführungsform einer Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Struktur eines Beispiels für einen Differenzverstärker, der in der in 1 gezeigten Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung verwendet wird.
3 zeigt ein Beispiel für eine herkömmliche Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird mit Bezug auf die Zeichnung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine beispielhafte Struktur einer Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Batteriespannungs-Detektionsvorrichtungen detektieren die Batteriespannung jedes der Batterieblöcke 11a, die in einer Hochspannungs-Batteriegruppe 11 enthalten sind, die in einem Elektrofahrzeug, Hybrid-Elektrofahrzeug oder Ähnlichem als eine elektrische Spannungsversorgung für einen Motor angebracht ist. In dieser Beschreibung bezieht sich der Batterieblock auf eine Einheit von Batteriezellen, deren Spannung im Ganzen detektiert wird und die wenigstens eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul umfasst.
Damit eine hohe Spannung erhalten wird, sind eine Mehrzahl von N Batterieblöcken 11a, die Sekundärbatterien sind, in der Batteriegruppe 11 in Reihe geschaltet. In der Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung wird eine Spannung jedes Batterieblocks 11a in der Batteriegruppe 11 detektiert. Die Hochspannungs-Batteriegruppe 11 ist von der Fahrgestellmasse des Fahrzeugs isoliert, sodass sie sich bezüglich der Fahrgestellmasse in einem potentialfreien Zustand befindet.
In der Batteriegruppe 11 ist eine Mehrzahl von (N + 1) Spannungsdetektionsanschlüssen 12 vorgesehen, sodass sich jeder der Spannungsdetektionsanschlüsse 12 zwischen benachbarten Batterieblöcken 11a befindet. Jeder Spannungsdetektionsanschluss 12 ist mit einem ersten der Mehrzahl von FETs (Feldeffekttransistoren) 13 verbunden, der ein erstes Schaltelement ist. Jeder der ersten Mehrzahl von FETs 13 bildet ein SSR (Festkörperrelais). Jene der ersten Mehrzahl von FETs 13, die mit den ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden sind, sind gemeinsam mit einem zweiten FET 14a verbunden, der ein zweites Schaltelement ist. Der Rest der ersten Mehrzahl von FETs 13, die mit den geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden sind, sind gemeinsam mit einem dritten FET 14b verbunden, der ein drittes Schaltelement ist.
Als der zweite FET 14a und der dritte FET 14b werden FETs verwendet, die geringere Zwischenanschluss-Kapazitäten haben als jene der ersten Mehrzahl von FETs 13. Jeder der ersten Mehrzahl von FETs 13, die mit entsprechenden Batterieblöcken 11a verbunden sind, kann eine hohe Kapazität haben, und die Zwischenanschluss-Kapazitäten der ersten Mehrzahl von FETs 13 können variieren. Daher werden im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit als die erste Mehrzahl von FETs 13 relativ preiswerte FETs verwendet.
Der zweite FET 14a und der dritte FET 14b sind mit vierten FETs 15a bzw. 15b verbunden, die vierte Schaltelemente sind. Zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten FET 14a und des vierten FET 15a sowie dem Verbindungspunkt des dritten FET 14b und des vierten FET 15b ist ein Kondensator 16 angeschlossen.
Die vierten FETs 15a und 15b sind mit einem Differenzverstärker 20 verbunden. Der Differenzverstärker 20 enthält einen ersten Operationsverstärker 21. Die vierten FETs 15a und 15b sind über einen ersten Widerstand 22a bzw. einen zweiten Widerstand 22b mit dem positiven Eingangsanschluss bzw. mit dem negativen Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 verbunden. Der positive Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 nimmt über einen dritten Widerstand 22c den Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 23 auf, der eine Referenzspannung erzeugt. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 wird über einen vierten Widerstand 22d auf den negativen Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 zurück gekoppelt. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 wird als der Ausgang des Differenzverstärkers 20 an einen A/D-Umsetzer 30 ausgegeben.
Eine Spannungsteilerschaltung 24 ist eine Reihenschaltung, die von den Widerständen 24a und 24b gebildet wird. Das Potential des Verbindungspunkts der Widerstände 24a und 24b wird in den positiven Eingangsanschluss des zweiten Operationsverstärkers 23 eingegeben, der eine Referenzspannung erzeugt. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 wird auf den negativen Eingangsanschluss des zweiten Operationsverstärker 23 zurück gekoppelt.
In einer Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung mit einer derartigen Struktur werden die Spannungen der Batterieblöcke 11a in der Batteriegruppe 11 der Reihe nach detektiert.
Im ersten Schritt des Spannungsdetektionsprozesses sind die vierten FETs 15a und 15b, die mit dem Differenzverstärker 20 verbunden sind, gesperrt. Dann werden ein erster FET der ersten Mehrzahl von FETs 13, der mit dem ersten Spannungsdetektionsanschluss 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden ist, und ein zweiter FET der ersten Mehrzahl von FETs 13, der mit dem zweiten Spannungsdetektionsanschluss 12 in der Batteriegruppe 11 verbunden ist, durchgeschaltet. Gleichzeitig werden der zweite FET 14a und der dritte FET 14b durchgeschaltet. Dadurch wird der erste Batterieblock 11a mit dem Kondensator 16 verbunden und lädt den Kondensator 16 auf.
Nachdem der Kondensator 16 aufgeladen wurde, wird das Paar der FETs 13 gesperrt, und dann werden der zweite FET 14a und der dritte FET 14b gesperrt. Dann werden die vierten FETs 15a und 15b durchgeschaltet. Dadurch wird die Spannung des Kondensators 16 dem Differenzverstärker 20 zugeführt.
Im Differenzverstärker 20 wird eine Referenzspannung von 2,5 V vom zweiten Operationsverstärker 23 über den dritten Widerstand 22c dem positiven Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 geführt. Daher wird die Spannung des Kondensators 16, die in den Differenzverstärker 20 eingegeben wurde, innerhalb eines Bereichs von einer Referenz von 2,5 V bis hinauf zu 5 V detektiert.
Ähnlich werden, während der vierte FET 15a und der dritte FET 15b gesperrt sind, die mit dem zweiten Spannungsdetektionsanschluss 12 und dem dritten Spannungsdetektionsanschluss 12 verbundenen ersten FETs 13 durchgeschaltet, und der zweite FET 14a sowie der dritte FET 14b werden durchgeschaltet. Dann werden der erste FET 13, der zweite FET 14a und der dritte FET 14b gesperrt, und die vierten FETs 15a und 15b werden durchgeschaltet. Dadurch wird die Spannung des zweiten Batterieblocks 11a in der Batteriegruppe 11 detektiert.
In diesem Fall ist die Polarität der Spannung, die in den ersten Operationsverstärker 21 des Differenzverstärkers 20 eingegeben wurde, derjenigen des ersten Batterieblock 11a entgegengesetzt. Daher detektiert der erste Operationsverstärker 21 die Spannung des zweiten Batterieblocks 11a innerhalb eines Bereichs von einer Referenz von 2,5 V bis hinunter zu 0 V.
Anschließend werden die Spannungen der anderen Batterieblöcke 11a in der Batteriegruppe 11 der Reihe nach auf eine ähnliche Weise detektiert.
Obwohl die Spannungen mit den entgegengesetzten Polaritäten aus den Batterieblöcken 11a, die die Batteriegruppe 11 bilden, der Reihe nach in den Differenzverstärker 20 geführt werden, werden die Spannungen detektiert, ohne dass die Polaritäten des Referenzpotentials des ersten Operationsverstärkers 71 gewechselt werden. Die detektierten Spannungen der Batterieblöcke 11a werden in den A/D-Umsetzer 30 eingegeben. Im A/D-Umsetzer 30 werden Eingangsspannungen von analog in digital umgesetzt und dann an eine Recheneinheit wie etwa einen Mikrocomputer ausgegeben.
In der Spannungsdetektionsvorrichtung, die die Spannungen der entsprechenden Batterieblöcke 11a detektiert, wie oben beschrieben, kann der durch die hohe Zwischenanschluss-Kapazität am Kondensator 16 verursachte Effekt auch dann unterdrückt werden, wenn jeder der ersten Mehrzahl von FETs 13, die das SSR bilden, eine hohe Zwischenanschluss-Kapazität hat. Dies liegt daran, dass die Spannungsdetektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung die folgende Struktur hat. Der zweite FET 14a und der dritte FET 14b, die geringere Zwischenanschluss-Kapazitäten als jene der ersten Mehrzahl von FETs 13 haben, sind mit beiden Enden des Kondensators 16 verbunden. Der zweite FET 14a und der dritte FET 14b sind mit ungeradzahligen ersten FETs 13 bzw. mit geradzahligen ersten FETs 13 verbunden.
Um es genauer auszudrücken, wird angenommen, dass die Zwischenanschluss-Kapazität jedes der ersten Mehrzahl von FETs 13 gleich C1 ist und dass die Zwischenanschluss-Kapazität des zweiten FET 14b und des dritten FET 14b gleich C2 ist. In diesem Fall ist die gesamte Kapazität C der ersten Mehrzahl von FETs 13 und des zweiten FET 14a oder des dritten FET 14b als C = C1·C2/(C1 + C2) darzustellen. Da die Zwischenanschluss-Kapazität C2 des zweiten FET 14a oder des dritten FET 14b geringer als die Zwischenanschluss-Kapazität C1 der ersten Mehrzahl von FETs 13 ist, kann die gesamte Kapazität C durch C = C2/(1 + C2/C1) dargestellt werden, was im Wesentlichen gleich der Zwischenanschluss-Kapazität C2 des zweiten FET 14a oder des dritten FET 14b ist. Daher wird der Effekt, der durch die Zwischenanschluss-Kapazität des zweiten FET 14a und des dritten FET 14b am Kondensator 16 hervorgerufen wird, schwächer als der Effekt, der durch die Zwischenanschluss-Kapazität der ersten Mehrzahl von FETs 13 am Kondensator 16 hervorgerufen wird.
Da der Kondensator 16 durch die Zwischenanschluss-Kapazitäten der ersten Mehrzahl von FETs 13 nicht direkt beeinflusst wird, verursacht eine Änderung in den Zwischenanschluss-Kapazitäten der ersten Mehrzahl von FETs 13 kein erhebliches Problem. Als die erste Mehrzahl von FETs 13 können preiswerte FETs verwendet werden, die hohe Zwischenanschluss-Kapazitäten haben. In der Batteriegruppe 11 ist jeder Batterieblock 11a mit einem einzigen ersten FET 13 ausgestattet. Die Verwendung preiswerter FETs für sämtliche der ersten Mehrzahl von FETs 13 steigert daher die Wirtschaftlichkeit deutlich.
Die Batteriegruppe 11 mit einer hohen Spannung ist von der Fahrgestellmasse des Fahrzeugs isoliert. Das bedeutet, dass die Batteriegruppe 11 mit einer hohen Impedanz mit der Fahrgestellmasse verbunden ist. Die Batteriespannung der Batteriegruppe 11 variiert bezüglich der Fahrgestellmasse, abhängig vom Betrag der Belastung der Batteriegruppe 11, sodass ein Gleichtaktrauschen erzeugt werden kann. Doch auch wenn ein derartiges Gleichtaktrauschen erzeugt wird, kann der Effekt auf den Kondensator 16 verhindert werden, da der zweite FET 14a und der dritte FET 14b, die geringere Zwischenanschluss-Kapazitäten als jene der ersten Mehrzahl der ersten FETs 13 haben und die untereinander gleiche Zwischenanschluss-Kapazitäten haben, mit beiden Enden des Kondensators 16 verbunden sind.
Im Differenzverstärker 20 wird die Spannung Vc des Kondensators als Verschiebung bezüglich der Referenzspannung Vref detektiert. Der Ausgang Vout des Differenzverstärkers 20 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben. Vout = Vref + Vc (R3 + R4)/(R1 + R2) (1)
Darin ist Vc die Spannung am Kondensator 16, und R1 bis R4 sind Widerstandswerte von dem des ersten Widerstands 22a bis zu dem des vierten Widerstands 22d im Differenzverstärker 20. Vref ist die Referenzspannung des ersten Operationsverstärkers 21.
Die Spannung am Kondensator 16 wird durch eine Verstärkung kompensiert, die durch (R3 + R4)/(R1 + R2) darzustellen ist, und wird als Verschiebung bezüglich der Referenzspannung Vref ausgegeben. Beim Differenzverstärker 20 ist gewöhnlich R1 = R2 und R3 = R4. Daher ist die Verstärkung R3/R1, und der Ausdruck (1) kann durch den nachstehenden Ausdruck (2) dargestellt werden. Vout = Vref + Vc·R3/R1 (2)
Die Charakteristiken des ersten Operationsverstärkers 21, des zweiten Operationsverstärkers 22 sowie der Widerstände 22a-22d, 24a und 24b können aufgrund der Umgebungstemperatur, einer Verschlechterung oder anderer Faktoren variieren. Insbesondere kann die Referenzspannung Vref des ersten Operationsverstärkers 21 wegen der Temperatur oder anderer Faktoren von 2,5 V aus verschoben sein, da die Referenzspannung Vref durch den zweiten Operationsverstärker 23 und die Spannungsteilerschaltung 24 erzeugt wird, die von einem Paar der Widerstände 24a und 24b gebildet wird.
2 zeigt die Struktur eines Beispiels für den Differenzverstärker 20, der in der Lage ist, eine Änderung im Ausgang des Differenzverstärkers 20 zu kompensieren, die auf die Temperatur oder auf andere Faktoren zurückzuführen ist. Der Differenzverstärker 20 von 2 wird in der Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung von 1 verwendet. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 wird über einen fünften Schalter 25 dem A/D-Umsetzer 30 zugeführt. Eine Spannungsteilerschaltung 26 ist eine von den Widerständen 26a und 26b gebildete Reihenschaltung. Das Potential des Verbindungspunkts der Widerstände 26a und 26b wird über einen sechsten Schalter 27 in den A/D-Umsetzer 30 eingegeben.
Der Widerstandswert R5 des Widerstands 26a in der Spannungsteilerschaltung 26 ist gleich jedem der Widerstandswerte R1 und R2 der ersten und der zweiten Widerstände 22a und 22b (R1 = R2 = R5). Der Widerstandswert R6 des anderen Widerstands 26b in der Spannungsteilerschaltung 26 ist gleich jedem der Widerstandswerte R3 und R4 der dritten und der vierten Widerstände 22c und 22d (R3 = R4 = R6). Die anderen Bauteile sind die gleichen wie die Bauteile im Differenzverstärker 20, der in der Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung von 1 vorgesehen ist.
Zum Kompensieren der charakteristischen Änderung aufgrund der Temperatur im Differenzverstärker 20, der eine derartige Struktur hat, werden zunächst die vierten FETs 15a und 15b gesperrt, und die Zwischenanschluss-Kapazitäten der vierten FETs 15a und 15b werden ausreichend entladen. Dann wird der fünfte Schalter 25 eingeschaltet. Dadurch wird nahezu keine Ladung in den negativen Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 eingegeben. Die Referenzspannung Vref wird vom zweiten Operationsverstärker 23 erzeugt und über den dritten Widerstand 22c in den positiven Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 21 eingegeben. Dann wird die Referenzspannung Vref über den fünften Schalter 25 an den A/D-Umsetzer 30 ausgegeben. Dadurch wird im A/D-Umsetzer 30 eine Spannung detektiert, die der Referenzspannung Vref des ersten Operationsverstärkers 21 entspricht.
Die Referenzspannung Vref, die in den ersten Operationsverstärker 21 eingegeben werden soll, wird durch den dritten Widerstand 22c, den zweiten Operationsverstärker 23 und die Spannungsteilerschaltung 24 erzeugt, die von dem Paar von Widerständen 24a und 24b gebildet wird. Die Charakteristiken dieser Widerstände und des zweiten Operationsverstärkers 23 variieren aufgrund einer Änderung in der Temperatur. Dementsprechend ändert sich aufgrund der Temperaturänderung die im A/D-Umsetzer 30 detektierte Referenzspannung Vref bezüglich der Referenzspannung von 2,5 V.
Daher kann, wenn sich die Widerstandswerte der Widerstände 24a und 24b aufgrund der Temperaturänderung ändern, der von einer derartigen Änderung. in Widerstandswerten hervorgerufene Einfluss verhindert werden, wenn der Ausgang des Differenzverstärkers 20 auf der Grundlage der detektierten Referenzspannung Vref kompensiert wird.
Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 wird über den ersten Operationsverstärker 21 ausgegeben. Daher wird die Offset-Spannung des ersten Operationsverstärkers 21 auch zusammen mit der Referenzspannung detektiert, die von der Spannungsteilerschaltung 24 erhalten wird. Dadurch kann auch die Offset-Spannung kompensiert werden.
In der oben beschriebenen Struktur wird der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 über den ersten Operationsverstärker 21 und den fünften Schalter 25 ausgegeben. Jedoch kann der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 über den fünften Schalter 25 direkt an den A/D-Umsetzer 30 ausgegeben werden. Außerdem kann der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 23 durch einen anderen A/D-Umsetzer als den A/D-Umsetzer 30 detektiert werden, ohne dass ein Schalter wie der fünfte Schalter 25 verwendet wird. In beiden Fällen kann die Offset-Spannung des ersten Operationsverstärkers 21 nicht detektiert werden. Jedoch ist die Spannungsänderung aufgrund der Offset-Spannung, der Temperatur oder anderer Faktoren gering und verursacht kein erhebliches Problem. Falls ein A/D-Umsetzer verwendet wird, ist es bevorzugt, einen A/D-Umsetzer mit Charakteristiken zu verwenden, die gegenüber der Temperaturänderung im A/D-Umsetzer selbst unempfindlicher sind.
Dann wird zum Kompensieren der charakteristischen, von der Temperaturänderung verursachten Änderung der fünfte Schalter 25 ausgeschaltet, während der sechste Schalter 27 eingeschaltet wird. Dadurch wird die von dem Paar der Widerstände 26a und 26b der Spannungsteilerschaltung 26 erhaltene Spannung in den A/D-Umsetzer 30 eingegeben. Unter der Annahme, dass die Widerstandswerte der Widerstände 26a und 26b der Spannungsteilerschaltung 26 gleich R5 bzw. R6 sind, ist der Ausgang Vo der Spannungsteilerschaltung 26 gegeben durch Va·R6/(R5 + R6), wobei Va das der Spannungsteilerschaltung 26 zugeführte Potential ist. In diesem Fall wird der Spannungsteilerschaltung 26 eine Spannung von 5 V als Referenzspannung Va für den A/D-Umsetzer 30 zugeführt.
Wie oben beschrieben, sind Referenzwerte R5 und R6 der Widerstände 26a und 26b der Spannungsteilerschaltung 26 gleich R1 bzw. R3. Daher ist R6/R5, wie vom Ausgang der Spannungsteilerschaltung 26 erhalten, gleich R3/R1 (es ist anzumerken, dass die Werte von R3/R1 gesetzt werden, während die charakteristische Änderung auf Grund der Temperaturänderung berücksichtigt wird). Daher können Informationen über Widerstandswerte der Widerstände 22a-22d erhalten werden, auch wenn die Widerstandswerte der zum Erhalten der Verstärkung des Differenzverstärkers 20 verwendeten Widerstände 22a-22d aufgrund der Temperaturänderung oder anderer Faktoren variieren. Auf der Grundlage der erhaltenen Informationen kann die Verstärkung des Differenzverstärkers 20 kompensiert werden, sodass sie ein vorgegebener Wert ist.
Die Anwendung des Operationsverstärkers 20 von 2 ist nicht auf die Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung von 1 beschränkt. Sie kann als eine Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung verwendet werden, bei der der erste Operationsverstärker 21 direkt mit einem Kondensator verbunden ist. Auch bei einer derartigen Struktur wird der Kondensator durch die Schutzschaltung ausreichend entladen, wobei eine störungssichere Vorrichtung oder eine Schutzschaltung zum Überwachen auf eine Zerstörung von Bauelementen im Kondensator bereitgestellt wird. Dadurch kann die von dem zweiten Operationsverstärker 23 auszugebende Referenzspannung genau detektiert werden.
In Übereinstimmung mit der Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Spannung von jedem der Batterieblöcke auch dann ohne Beeinflussung durch die Zwischenanschluss-Kapazität mit einer hohen Genauigkeit detektiert werden, wenn jeder der ersten Mehrzahl von Schaltern, die mit Batterieblöcken in einer Batteriegruppe verbunden sind, eine hohe Zwischenanschluss-Kapazität hat. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können Schalter mit hohen Zwischenanschluss-Kapazitäten als die erste Mehrzahl von Schaltern verwendet werden, die mit den Batterieblöcken verbunden sind. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit verbessert werden.
Ferner kann, da ein Differenzverstärker die Verstärkung und die Referenzspannung kompensieren kann, die Batteriespannung auch dann mit einer höheren Genauigkeit detektiert werden, wenn Charakteristiken wie etwa Widerstandswerte aufgrund einer Temperaturänderung oder von Ähnlichem variieren.
Für den Fachmann auf dem Gebiet sind verschiedene andere Abwandlungen offensichtlich und können von ihm leicht ausgeführt werden, ohne dass vom Umfang dieser Erfindung abgewichen wird, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass der Umfang der hier beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung, wie sie hier dargelegt ist, beschränkt ist, sondern dass die Ansprüche umfassend ausgelegt werden.

Claims

Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Spannungen von Batterieblöcken (11a-11d) in einer Batteriegruppe, die eine Mehrzahl von N Batterieblöcken, die in Reihe geschaltet sind, enthält, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Mehrzahl von (N + 1) Spannungsdetektionsanschlüssen (12), die mit der Mehrzahl von N Batterieblöcken verbunden sind; eine erste Mehrzahl von Schaltern (13), wovon jeder eine Zwischenanschluss-Kapazität besitzt, wobei die mehreren Schalter mit den mit den Batterieblöcken verbundenen jeweiligen Spannungsdetektionsanschlüssen verbunden sind; einen zweiten Schalter (14a), der eine Zwischenanschluss-Kapazität besitzt und mit jenen der ersten Mehrzahl von Schaltern verbunden ist, die mit ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen verbunden sind; einen dritten Schalter (14b), der eine Zwischenanschluss-Kapazität besitzt und mit jenen der ersten Mehrzahl von Schaltern verbunden ist, die mit geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüssen verbunden sind; wobei die jeweilige Zwischenanschluss-Kapazität des zweiten bzw. des dritten Schalters kleiner als jene der ersten Mehrzahl von Schaltern ist; ein Paar vierter Schalter (15a, 15b), die mit dem zweiten Schalter bzw. mit dem dritten Schalter in Reihe geschaltet sind; einen Kondensator (16), der zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten Schalters und einem der vierten Schalter und dem Verbindungspunkt des dritten Schalters und dem anderen der vierten Schalter vorgesehen ist; und einen Differenzverstärker (20), der Eingangsanschlüsse besitzt, mit denen die vierten Schalter verbunden sind.
Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen A/D-Umsetzer, um die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers in einen digitalen Wert umzusetzen; und eine Rechenvorrichtung, um den durch den A/D-Umsetzer umgesetzten digitalen Wert zu verarbeiten.
Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Differenzverstärker eine Spannung verwendet, die aus einer ersten Spannungsteilerschaltung (24) als die Referenzspannung erhalten wird.
Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die aus der ersten Spannungsteilerschaltung erhaltene Spannung als ein Ausgang des Differenzverstärkers ausgegeben wird.
Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner einen A/D-Umsetzer umfasst, um die von der Spannungsteilerschaltung erhaltene Spannung zu messen.
Batteriespannungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der: der Differenzverstärker eine zweite Spannungsteilerschaltung (26) besitzt, die durch einen Widerstand gebildet ist, dessen Widerstandswert gleich jenem eines Widerstandes ist, der eine Verstärkung des Differenzverstärkers bildet; und bei der der A/D-Umsetzer so konfiguriert ist, dass er den Ausgang der zweiten Spannungsteilerschaltung misst.