JP4811026B2 - 電圧センサの異常検出方法、異常検出装置および電圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、電気負荷への電力供給を行うためのバッテリ等の電源の電圧を検出する電圧センサの異常を検出する装置およびその検出方法とこれに使用する電圧センサに関する。

従来、電気負荷への電力供給を行うためのバッテリ等の電源の充放電電流や電圧を検出するセンサの動作異常すなわち故障を判定する装置としては、下記特許文献１に記載されている故障判定装置がある。この故障判定装置においては、組電池から負荷への電源供給線に電圧センサと電流センサ、さらにバッテリに温度センサを設置した構成となっている。ここで、電圧センサは測定電圧から供給電流値を算出して電流センサ出力と比較し、これにより電流センサの異常検出を行っている。すなわち、２つのセンサの出力を比較することによってセンサの故障検出を行う構成となっている。
特開平１０−２５３６８２号公報

このように、従来公知の電流センサの故障判定装置においては複数個のセンサそれぞれにデータ処理回路を設け、かつ、これら各データ処理回路出力を統括的に処理した上で故障判定を行う構成となっており、このため、監視装置の構成部品点数が増加することによる故障判定装置信頼性の低下の原因となっていた。また、処理ステップの数が多くなる分だけ処理時間も長くなる問題もあった。

このようなことから、本発明においては、電圧センサにおける故障判定装置を他のセンサ等の部品増加を伴うことなく実現し、これにより故障判定の信頼性を向上し、かつ処理ステップ数を低減して故障判定処理に要する時間も短縮することを可能とした故障判定装置の提供を目的とした。

上記目的を達成するために、本発明においては以下の構成を基本構成とした。すなわち、入力電圧に応じた互いに逆相の電圧差として第１および第２の電圧を差動出力部において生成し、無入力電圧時におけるこれ等二つの電圧の中間値、すなわち差動出力部の初期オフセット電圧に対して差動出力部からの互いに逆相の二つの出力電圧が互いに対称であるか否かを検出することにより差動出力部の異常の有無を検出する方法としている。

本発明により、電圧センサの異常検出を、他のセンサを設けることなく行うことが可能となり、装置の部品点数の低減を実現し、故障検出の信頼性を向上すると共に、故障検出に要する処理ステップ数の低減を可能とした。

以下、図により本発明の実施の形態を説明する。
図１にこの基本構成を示す。組電池１（電池）はイグニッションスイッチを含む電気系の主スイッチを構成するメインリレー２を介して負荷３に接続されている。一方、組電池１の出力電圧はスイッチ４を経由して分圧器５によりデータ処理部であるＣＰＵ１０に入力可能な低電圧に分圧された電圧（入力電圧）が差動出力部６に入力される。ここで、スイッチ４はＣＰＵ１０起動時にオフとしておき、ＣＰＵ１０が動作状態に入る直前に増幅器９の差動電圧出力Ｖ１およびＶ２の初期オフセットをチェックするためのもので、ＣＰＵ１０の立ち上げが完了し、動作状態に入るときにスイッチ４をオンにする。なお、初期オフセットはチョッパ７が開放状態のときにおいてもチェックすることが出来る。

差動出力部６に入力された信号（電圧）はチョッパ７のチョッピング（スイッチング）動作により交流信号に変換される。ここで、交流信号に変換するのは組電池１側と差動出力部６以降の信号処理回路側とは使用電圧が著しく異なっており、これら両部分を電気的に絶縁し、交流結合としておく必要があるためである。図１の回路例においては、差動トランス８によるトランス結合としている。このトランス結合とするために、チョッパ７によりパルス信号で交流信号に変換している。このチョッピング周波数（パルス信号）の発振回路は増幅器９を形成している集積回路の中に組み込まれているものとしている。

差動トランス８の２次側は接地されたセンタタップを有しており、２次巻線の両端から得られる互いに逆相の出力は差動入力／差動出力を構成している増幅器９の入力側に入力される。増幅器９は、入力した互いに逆相の出力を増幅し、互いに逆相の差動出力Ｖ１（第１の電圧）およびＶ２（第２の電圧）をＣＰＵ１０に出力する。つまり、差動出力部６は分圧器５から入力した電圧に応じた電圧差で互いに逆相の差動電圧Ｖ１およびＶ２をＣＰＵ１０のＡ／Ｄポート１１へ出力する。ＣＰＵ１０はＡ／Ｄポート１１から入力した差動出力Ｖ１およびＶ２の電圧差に基づいて組電池１の電圧を検出すると共に、増幅器９の差動出力Ｖ１およびＶ２の中間値である初期オフセットに対する非対称性、あるいは差動出力電圧Ｖ１およびＶ２の中間値のずれ等の演算を行って差動出力部６の異常診断を行う電圧検出部を形成している。すなわち、本発明による電圧センサ１２は、図１に示すように差動出力部６と、Ａ／Ｄポート１１を含むＣＰＵ１０とで構成されている。以上の構成によるバッテリの動作監視装置における差動出力部６の動作異常を自己診断で検出する方法について以下説明する。

（実施の形態１）
図２は図１に示した組電池１等電源の出力電圧を検出する電圧センサ１２における異常検出の処理過程を説明するものである。図１の装置が正常に動作している場合は増幅器９の差動出力Ｖ１およびＶ２の中間値は、増幅器９における後述の初期オフセット値Ｖｍｏと同じ値を有し、差動出力Ｖ１およびＶ２はこの値に対して上下対称の値をとる。しかし、例えば、差動トランス８の巻線部における半田付け部の腐食による半断線状態になった場合、あるいは増幅器９の回路構成部品の定数変化あるいは集積回路の内部配線が接触不良を生じた場合等は、増幅器９の差動出力の一方または両方が変化して非対称となる。以下、図３のフロー図により図１の回路例における処理手順を説明する。

差動出力部６が正常に動作している場合で、かつチョッパ７がオフ状態における差動出力部６の差動出力をそれぞれＶ１ｏ、Ｖ２ｏとすれば、その中間値は初期オフセット値Ｖｍｏとなり、
Ｖｍｏ＝（Ｖ１ｏ＋Ｖ２ｏ）／２ （数１）
で与えられる（ステップＳ１）。チョッパ７がオン状態における差動出力部６の差動出力Ｖ１とＶ２の中間値Ｖｍは
Ｖｍ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２ （数２）
で得られる（ステップＳ２）。ここで、初期オフセット値Ｖｍｏと差動出力Ｖ１とＶ２の中間値Ｖｍとの差電圧の絶対値｜ΔＶｍ｜は、
｜ΔＶｍ｜＝｜Ｖｍｏ−Ｖｍ（正常）｜ （数３）
で得られる（ステップＳ３）。差動トランス８および増幅器９が正常に動作しておれば、絶対値｜ΔＶｍ｜は０となる筈である。ここで、差動出力部６に異常が生じ、正常時の差動出力の一方Ｖ１がＶ１’になった場合、上記の中間値Ｖｍは中間値Ｖｍ’にシフトして絶対値ΔＶｍは０ではない値をとるようになる。

｜Ｖｍｏ−Ｖｍ’（異常）｜＞異常判定値α （数４）
この値が予め定められた第１の異常判定値αよりも大きくなった場合（ステップＳ４）、異常が発生したものと判断する（ステップＳ５）。

以上述べたように、本発明においては差動出力部６の出力電圧の中間値の変動から異常判定を行うことが可能なため、従来の故障判定装置で複数個のセンサそれぞれにデータ処理回路を設ける必要がなく、複数個のセンサからのデータを統合して故障判定を行う過程が不要となるため、故障判定装置の信頼性を向上することが出来、同時に処理ステップの増加も抑えることが出来、処理時間の増加も抑制することが出来た。

この方法によれば、絶対値｜ΔＶｍ｜は０から連続的に変化するものであるから、断線、ショートあるいは張り付きのように完全に故障となった場合のみならず、例えば回路部品の定数が変化した場合、あるいは差動トランスの半田付け不良のように将来の大故障に至る前兆となり得る言わば軽微な故障の検出も可能となる。

（実施の形態２）
図４に実施の形態２についての異常検出の手順を示す。上記実施の形態１における初期オフセット値を与える中間出力Ｖｍｏに対する各差動出力Ｖ１’（異常時）、Ｖ２（正常時）の差の絶対値｜ΔＶ１ｍ’｜および｜ΔＶ２ｍ｜を求める。

｜ΔＶ１ｍ’｜＝｜Ｖ１’−Ｖｍｏ｜ （数５）
｜ΔＶ２ｍ｜＝｜Ｖｍｏ−Ｖ２｜ （数６）
次に第一の電圧を与える（数５）式と第二の差電圧を与える（数６）式との差を求め、Ｖ１とＶ２の非対称性の量である絶対値ΔＶｕを下記（数７）式から求める。

｜ΔＶｕ｜＝｜ΔＶ１ｍ｜−｜ΔＶ２ｍ｜ （数７）
この絶対値ΔＶｕを予め設定されている第２の異常判定値βと比較し、下記（数８）式の条件を満たすようになった場合
｜ΔＶｕ｜＞異常判定値β （数８）
は差動出力部６に異常が発生したと判定する。

本実施の形態２による電圧センサにおける異常検出方法においても、初期オフセット値に対する差動出力電圧を検出するのみで異常判定が可能なため、異常判定装置の信頼性を高め得ると同時に少ないステップ数で判定し得るため処理時間の短縮を可能としている。

（実施の形態３）
図５は本発明における実施の形態３における異常検出の手順を示すものである。本実施の形態３においては、組電池１の電池側電圧における入力電圧を所定の電圧だけ変化させた範囲（変化量ΔＶｂ）に対する差動出力部６の差動出力電圧Ｖ１およびＶ２の変動量ΔＶ１及びΔＶ２は正常時においては等しくなる。すなわち、正常時においては
｜ΔＶ１｜＝｜ΔＶ２｜ （数９）
であるが、例えば、Ｖ１側に異常が発生し、図５に示すＶ１’のようになったとするとこの等号が成立せず、この場合の変動量ΔＶ１’は
｜ΔＶ１’｜≠｜ΔＶ２｜ （数１０）
となり、これら両変動量の差である絶対値｜ΔＶｄ｜
｜ΔＶｄ｜＝｜｜ΔＶ１’｜−｜ΔＶ２｜｜ （数１１）
が予め設定されている第３の異常判定値γを超えれば差動出力部６に異常が発生したと判断する。以上述べた処理に対する演算は全てＣＰＵ１０において実行される。

なお、以上述べた各異常検出処理において、第１〜第３の異常判定値（α、βあるいはγの何れか）を、組電池１側電圧（Ｖ）あるいは差動出力部６の電源電圧の変動とに対応して変化するような構成とすることも可能である。図６はこの状況の例を示すもので、異常判定値（縦軸）と電池側の入力電圧（横軸）とが一次関数の関係にある場合について示したものである。図６において異常判定値を与える係数ｋは差動出力部６に入力する電池側電圧範囲に応じた係数（ｋ１）および差動出力部６の電源電圧に応じた係数（ｋ２）の積で与えられ（ｋ＝ｋ１・ｋ２）、異常判定値（前記α、β、γの何れか）はこのｋ値と、電池側電圧Ｖとの積（異常判定値＝ｋ・Ｖ）で与えられることを示している。この関係を予めＣＰＵ１０における演算系に登録しておくことにより、組電池１側電圧（Ｖ）、差動出力部６の電源電圧、測定電圧範囲の変化等に対応して異常検出値を制御し得るようにしておくことが出来る。これにより、本発明の特徴である異常判定を高信頼性で且つ処理時間の短縮すると同時に、差動出力部６における監視の測定範囲を広くすることが可能となる。

さらに、組電池１に装着されている温度計出力により前記閾値を変化させ、電池温度の変化による異常動作の誤検出を防止することも可能である。

（実施の形態４）
図７に本発明における実施の形態４を説明する図である。本実施の形態４においては差動出力電圧Ｖ１、Ｖ２の出力範囲内で、差動出力電圧Ｖ１側にＶａ（第１の電圧閾値）を、Ｖ２側にＶｂ（第２の電圧閾値）の閾値電圧を予め設定しておき、差動出力電圧Ｖ１、Ｖ２の値がこれら閾値レベルを超えた時に、ＣＰＵ１０によるデータ処理系における当該データにフラグを立てる。尚、図７に示すようにＶａとＶｂは初期オフセット値に対して対称であり、すなわち、｜Ｖａ−Ｖｍｏ｜＝｜Ｖｂ−Ｖｍｏ｜に設定されている。入力電圧となる組電池１側電圧（Ｖ）がこの閾値を超えた場合、差動出力部６が正常に動作しておれば、差動出力電圧Ｖ１、Ｖ２に対応するデータに立てられるフラグは同時に変化する筈である。したがって、フラグが同時に変化するか否かを検出することにより装置動作の異常を検知することができる。表１は図７の各状態における論理処理の状態を表にまとめたものである。

以下、表１及び図７により本実施の形態４の動作を説明する。

ここで差動出力部６が正常に動作している場合の差動出力電圧Ｖ１、Ｖ２の差電圧をΔＶとし、両閾値に挟まれた領域をＶｌｏｗとし、すなわち
ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２ （数１２）
Ｖｌｏｗ＝Ｖａ−Ｖｂ （数１３）
として、（数１２）におけるΔＶが（数１３）におけるＶｌｏｗよりも大または小であっても、差動出力電圧Ｖ１、Ｖ２それぞれに対応する処理データにフラグがある場合、装置は正常に動作していることを示している。これは図７における時刻領域（１）〜（３）の領域の動作に対応している。また、例えば時刻領域（４）に示すように、差動出力電圧Ｖ１側が動作は正常で閾値Ｖａを超えておらず、電圧Ｖ２側に動作異常が生じて電圧Ｖ２が閾値Ｖｂを超えている場合、（数１２）式のΔＶがＶｌｏｗよりも小さい場合であっても、Ｖ２側は図７に示す閾値比較信号がＨｉｇｈ領域にあり、したがってフラグはＶ２領域のみに存在することになり、これにより装置の異常動作を検知することができる。
なお、上記閾値を複数設定することも可能であり、これにより動作異常の検出を段階的に進めることが可能となり、例えば複数の閾値を超えた所で異常検出とし、１つの閾値を超えたのみでは異常とは検出しないことにすれば、より確実に異常検出を行うことが出来、誤検出の可能性を低減し得るように動作異常検出論理を組むことも可能となる。

（実施の形態５）
図８は本発明による実施の形態５の処理過程を説明するものである。前記の方法により差動出力部６の異常が検知された場合でも、通常は完全故障状態となって測定不能になっているものではない。したがって、この場合は前記の閾値比較においてフラグの有無を検出し、例えば図７に示すようにフラグが発生し、かつ閾値を超えている方に異常が発生しているとし、フラグの有無に変化を生じていない方を正常と判定した場合、異常を生じている側の出力電圧（図８のＢ）を正常な側の出力電圧（図８のＡ＝Ｖｍｏ−Ｖ２）で置き換えて差動出力部６の出力と電圧することも可能である。この方法によれば、差動出力電圧の片方のデータを他方の異常を生じた出力電圧に置き換えて処理するため精度の低下は避けられないが、正常な側の出力電圧のみを用いて組電池１の総電圧を求めることができるため、検出装置の動作異常に対するフェールセーフ処理を可能とすることができる。

なお、以上説明した各実施の形態においては、差動出力部６の出力Ｖ１およびＶ２はすべて電圧出力としているが、これは電流出力であっても同様の処理を行うことが出来る。

本発明によるによる電圧センサ異常検出装置の基本構成を示す回路図。 実施の形態１による異常動作検出方法の原理を示す電圧関係図。 実施の形態１による異常動作検出方法の手順を示すフロー図。 実施の形態２による異常動作検出方法の原理を示す電圧関係図。 実施の形態３による異常動作検出方法の原理を示す電圧関係図。 異常判定値を電圧条件で変更する場合の異常判定値・組電池側電圧関係図。 実施の形態４による異常動作検出方法の原理を示す電圧変化波形図。 実施の形態５による異常動作検出方法の原理を示す電圧関係図。

符号の説明

１：組電池 ２：メインリレー
３：負荷 ４：スイッチ
５：分圧器 ６：差動出力部
７：チョッパ ８：差動トランス
９：増幅器 １０：ＣＰＵ
１１：Ａ／Dポート １２：電圧センサ

Claims (9)

1. 入力する入力電圧に応じた電圧差で互いに逆相の第一の電圧および第二の電圧を出力する差動出力部と、前記差動出力部から出力された第一の電圧と第二の電圧との差電圧に基づいて前記入力電圧を検出する電圧検出部とを備えた電圧センサの異常検出方法において、
   前記入力電圧が０である場合の前記第一の電圧と第二の電圧との中間値である初期オフセット電圧に対して、前記入力電圧が０より大きい場合の第一の電圧と第二の電圧とが非対称であることを検出することによって、前記差動出力部の異常を検出することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
2. 請求項１に記載の電圧センサの異常検出方法であって、
   前記入力電圧が０より大きい場合に前記差動出力部から出力された第一の電圧と第二の電圧との中間値と、前記初期オフセット電圧との差電圧の絶対値が、予め設定された第１の異常判定値以上となった場合に前記差動出力部の異常と判定することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
3. 請求項１に記載の電圧センサの異常検出方法であって、
   前記初期オフセット電圧と、前記差動出力部から出力された第一の電圧と第二の電圧のうちの一方の電圧との差である第一の差電圧の絶対値を求めると共に、前記初期オフセット電圧と、前記差動出力部から出力された第一の電圧と第二の電圧とのうちの他方の電圧との差である第二の差電圧の絶対値を求め、
   前記求めた第一の差電圧の絶対値と第二の差電圧の絶対値との差の絶対値である第三の差電圧が、予め設定された第２の異常判定値以上となった場合に前記差動出力部の異常と判定することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
4. 請求項１に記載の電圧センサの異常検出方法であって、
   前記入力電圧を所定の電圧だけ変化させた際の、前記差動出力部から出力される第一の電圧および第二の電圧それぞれの電圧の変化量の絶対値である第一の電圧変化量と第二の電圧変化量とを検出し、該第一の電圧変化量と第二の電圧変化量との差が予め設定された第３の異常判定値以上となった場合に前記差動出力部の異常と判定することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
5. 請求項２乃至請求項４の何れかに記載の電圧センサの異常検出方法であって、
   前記入力電圧の大きさに応じて前記異常判定値を変更することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
6. 請求項１に記載の電圧センサの異常検出方法であって、
   前記差動出力部から出力される第一の電圧および第二の電圧のそれぞれに対応する、前記初期オフセット電圧に対して対称な第一の電圧閾値および第二の電圧閾値の二つの閾値を設定し、
   前記第一の電圧が第一の電圧閾値となった時に第二の電圧が第二の電圧閾値となっていない場合に前記差動出力部の異常と判定することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
7. 請求項６に記載の電圧センサ異常検出方法であって
   前記入力電圧は電池から出力される電圧であって、該電池の温度を検出する温度検出手段を備え、該温度検出手段によって検出される温度に基づいて前記第一の電圧閾値および第二の電圧閾値を変更することを特徴とする電圧センサの異常検出方法。
8. 電源と、この電源に接続されて該電源から入力する入力電圧に応じた電圧差で互いに逆相の第一の電圧と第二の電圧を出力する差動出力部と、前記差動出力部から出力された第一の電圧と第二の電圧との電圧差に基づいて前記入力電圧を検出する電圧検出部とを備えた電圧センサにおいて、
   前記電源と差動出力部との間に設けられ、前記電源と差動出力部との接続を切断状態もしくは接続状態に切替可能なスイッチを備え、
   前記スイッチが切断状態である場合の前記第一の電圧と第二の電圧との中間値である初期オフセット電圧に対して、前記スイッチが接続状態である場合の第一電圧と第二の電圧とが非対称であることを検出することによって、前記差動出力部の異常を検出する異常検出手段を備えることを特徴とする電圧センサの異常検出装置。
9. 請求項８の電圧センサの異常検出装置を備えた電圧センサであって、
   前記異常検出手段によって異常が検出された場合に、第一の電圧および第二の電圧のうちの異常が発生した電圧を特定する特定手段をさらに備え、
   前記異常検出手段によって異常が検出された場合には、前記特定手段によって特定された電圧とは異なる他方の電圧と前記初期オフセット電圧との電圧差に基づいて、前記入力電圧を検出することを特徴とする電圧センサ。
   

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