JP6201395B2

JP6201395B2 - 電圧検出装置

Info

Publication number: JP6201395B2
Application number: JP2013088507A
Authority: JP
Inventors: 貴正大野; 小森　修; 修小森
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP2014211392A

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、内部の電子回路を静電気から保護する電池システムが開示されている。この電池システムは、複数の電池セルが直列に接続された複数のセルグループからなるバッテリと、セルグループ毎に設けられ、セルグループの各電池セルの両電極に接続され、各電池セルの電圧を検出する集積回路と、集積回路から入力される検出信号に基づいて集積回路を制御するバッテリコントローラと、集積回路を搭載する基板を収納するケースと、各電池セルに並列に接続されるノイズ対策用コンデンサと、各電池セルの正極と集積回路との間に設けられた抵抗器と、各電池セルと集積回路とを接続する全ての信号線をグランドに接続する静電気対策用コンデンサとを備え、上記信号線に侵入した静電気を、静電気対策用コンデンサを介してグランドに放出する。

特開２０１０−１９３５８９号公報

ところで、上記従来技術では、電池セルの電圧を検出する際に、該電圧に含まれるノイズを除去するために抵抗器及びコンデンサからなるフィルタ回路を用いているが、該フィルタ回路の時定数が小さい場合、電圧に含まれるノイズを効果的に除去できない。その対策として、例えばコンデンサを増やして、フィルタ回路の時定数を調整することも考えられるが、その場合、部品点数が増えてしまうという問題が発生する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、部品点数を増やすことなく、電圧に含まれるノイズを効果的に除去することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、バッテリを構成する複数の電池セル各々の電圧を検出し、該電圧を示す検出信号を出力する電圧検出回路と、前記検出信号を所定の間隔でサンプリングして電圧値を取得する電圧値取得手段とを具備する電圧検出装置であって、前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値にノイズが含まれるか否か判定し、電圧値にノイズが含まれると判定した場合には、ノイズが含まれる前の所定回数分の移動平均を算出し、ノイズが含まれると判定した電圧値を移動平均値で置き換える、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値が所定の閾値を上回る場合には、電圧値にノイズが含まれていると判定する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値が所定の閾値を上回り、かつ該電圧値の前後の値が前記所定の閾値を下回る場合には、電圧値にノイズが含まれていると判定する、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記バッテリと前記電圧検出回路との間に設けられ、前記バッテリの前記電池セルから入力される電圧に含まれるノイズを除去し、該電圧を前記電圧検出回路に出力するフィルタ回路をさらに具備する電圧検出装置であって、前記所定の閾値として、前記バッテリの前記電池セルの特性、前記フィルタ回路の特性及び前記電圧値取得手段のサンプリング周期に基づいて推定された１つのサンプル間で発生しうる電圧値の変動よりも大きな値が設定されている、という手段を採用する。

本発明では、第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれか１つの解決手段において、前記所定回数分は、３２あるいは６４回分である、という手段を採用する。

本発明では、第６の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記所定回数分は、０．４４３とサンプリング周期とを乗算した値をカットオフ周期で除算した値分である、という手段を採用する。

本発明によれば、電圧値取得手段が、電圧検出回路から入力される検出信号から取得した電圧値にノイズが含まれるか否か判定し、電圧値にノイズが含まれると判定した場合には、ノイズが含まれる前の所定回数分の移動平均を算出し、ノイズが含まれると判定した電圧値を移動平均値で置き換えることによって、部品点数を増やすことなく、電圧に含まれるノイズを効果的に除去することができる。

本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの動作の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電圧検出装置Ａは、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、バッテリＢを構成する各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧状態を監視するものである。このような電圧検出装置Ａは、図１に示すように、放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎ、電圧検出回路Ｄ及びマイコンＭ（電圧値取得手段）を備える。なお、電圧検出回路Ｄ及びマイコンＭは、本実施形態における電圧検出手段を構成する。

放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに並列に接続され、過充電状態である電池セルＣ１〜ＣｎをマイコンＭから入力される制御信号に基づいて放電させるものである。このような放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、図１に示すように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎ及び第１の抵抗器Ｒａ１〜Ｒａｎから構成されている。なお、放電回路Ｈ１〜Ｈｎは同じ構成であるので、放電回路Ｈ１のスイッチング素子Ｓ１及び抵抗器Ｒ１についてのみ説明し、放電回路Ｈ２〜Ｈｎについては説明を省略する。

スイッチング素子Ｓ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣ１の正極に接続され、コレクタ端子が第１の抵抗器Ｒａ１の一端に接続されている。このようなスイッチング素子Ｓ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、過充電状態である電池セルＣ１の電力を第１の抵抗器Ｒａ１に放電する。一方、スイッチング素子Ｓ１は、電圧値がローレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、電池セルＣ１から第１の抵抗器Ｒａ１への放電を停止する。

また、スイッチング素子Ｓ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第１の抵抗器Ｒａ１は、一端がスイッチング素子Ｓ１のコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣ１の負極に接続されている。このような第１の抵抗器Ｒａ１は、スイッチング素子Ｓ１がオン状態となると、電池セルＣ１から電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。

フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎから出力される電圧に含まれるノイズを除去するローパスフィルタ回路であり、各電池セルＣ１〜Ｃｎと電圧検出回路Ｄとの間に各々設けられている。このようなフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは、図１に示すように、第２の抵抗器Ｒｂ１〜Ｒｂｎ及びコンデンサＣｄ１〜Ｃｄｎから構成されている。

なお、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは同じ構成であるので、フィルタ回路Ｆ１の第２の抵抗器Ｒｂ１及びコンデンサＣｄ１についてのみ説明し、フィルタ回路Ｆ２〜Ｆｎについては説明を省略する。

第２の抵抗器Ｒｂ１は、一端がスイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子及び電池セルＣ１の正極に接続され、他端がコンデンサＣｄ１の一端及び電圧検出回路Ｄに設けられた複数の内の１つの入力端子に接続されている。
コンデンサＣｄ１は、一端が第２の抵抗器Ｒｂ１の他端及び電圧検出回路Ｄの１つの入力端子に接続され、他端がグランドに接続されている。

電圧検出回路Ｄは、各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出し、その検出結果をデジタルデータである電圧検出データ（検出信号）に変換するＡ／Ｄ変換機能やマイコンＭとの通信機能を有する専用のＩＣチップである。このような電圧検出回路Ｄは、高電圧（例えば６０Ｖ）の電力によって稼働可能であり、低電圧（例えば１２Ｖ）で稼動可能なマイコンＭとフォトカプラ等の絶縁素子を介して接続されることによって、マイコンＭと電気的に絶縁されると共に通信可能に接続される。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップであり、上述した絶縁素子を介して電圧検出回路Ｄと通信可能に接続されている。

このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電圧検出装置Ａの全体動作を制御する。詳細については後述するが、上述したフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎによって除去できなかった電圧値に含まれるノイズを除去する。

次に、このように構成された本電圧検出装置Ａの動作について図２及び図３を参照して説明する。
マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データ（検出信号）を所定の間隔でサンプリングして各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値を取得する。つまり、マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データから予め割り当てられたタイミングで各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値を取得する。そして、マイコンＭは、取得した各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値に基づいて電圧検出装置Ａの全体動作を制御する。

ここで、マイコンＭは、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎによって除去できなかった電圧値に含まれるノイズを除去するために、以下の特徴的な処理を実行する。まず、マイコンＭは、予め割り当てられたタイミングで電圧検出データから電圧値を取得し、該電圧値が所定の閾値を上回るか否か判定する（ステップＳ１）。マイコンＭは、電圧値が所定の閾値を下回る場合（ＮＯの場合）、通常の処理を実行する（ステップＳ２）。つまり、マイコンＭは、電圧値が所定の閾値を下回る場合には、電圧値にノイズが含まれていないとして、通常通りの処理を行う。

一方、マイコンＭは、上記電圧値が所定の閾値を上回る場合（ＹＥＳの場合）、該電圧値の前後の値が所定の閾値を下回るか否か判定する（ステップＳ３）。マイコンＭは、上記電圧値の前後の値が所定の閾値を下回る場合（ＹＥＳの場合）、該電圧値の前の所定回数分の移動平均を算出し、該電圧値を移動平均値で置き換える（ステップＳ４）。

つまり、マイコンＭは、電圧検出データから取得した電圧値が所定の閾値を上回り、かつ該電圧値の前後の値が所定の閾値を下回る場合には、上記電圧値にノイズが含まれているとして、該電圧値の前の所定回数分の移動平均を算出し、該電圧値を移動平均値で置き換える。

例えば、マイコンＭは、予め割り当てられたタイミングで電圧検出データから図３に示す電圧値Ｖ_１を取得し、電圧値Ｖ_１が所定の閾値（例えば、図３に示す１００ｍＶ）を上回り、かつ該電圧値Ｖ_１の前後の値である図３に示す電圧値Ｖ_０と電圧値Ｖ_２とが所定の閾値を下回ると、電圧値Ｖ_１にノイズが含まれているとして、電圧値Ｖ_１の前の所定回数分（例えば、図３に示すＶ_０〜Ｖ_−Ｍ）の移動平均Ｖ_ｘ（図３参照）を算出し、該電圧値Ｖ_１を移動平均Ｖ_ｘで置き換える。

また、上記所定の閾値として、バッテリＢの電池セルＣ１〜Ｃｎの特性、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎの特性及びマイコンＭのサンプリング周期に基づいて推定された１つのサンプル間で発生しうる電圧値の変動よりも大きな値を設定している。また、移動平均を算出する際の上記所定回数分を、３２あるいは６４回分にして、処理負荷を軽減するようにしてもよい。

このようにして、ノイズを含む電圧値Ｖ_１をノイズを含まない近似値に補正できる。そして、マイコンＭは、このように補正した各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値に基づいて電圧検出装置Ａの全体動作を制御する。

一方、マイコンＭは、上記電圧値の前後の値が所定の閾値を上回る場合（ＮＯの場合）、電圧検出回路Ｄに異常が発生していると判断する（ステップＳ５）。

このような本実施形態によれば、マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データから取得した電圧値にノイズが含まれるか否か判定し、電圧値にノイズが含まれると判定した場合には、ノイズが含まれる前の所定回数分の移動平均を算出し、ノイズが含まれると判定した電圧値を移動平均値で置き換えることによって、部品点数を増やすことなく、電圧に含まれるノイズを効果的に除去することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態において、マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データから取得した電圧値が所定の閾値を上回り、かつ該電圧値の前後の値が所定の閾値を下回る場合に、電圧値にノイズが含まれているとして、電圧値の前の所定回数分の移動平均を算出し、該電圧値を移動平均値で置き換えたが、本発明はこれに限定されない。例えば、マイコンＭは、電圧検出回路Ｄから入力される電圧検出データから取得した電圧値が所定の閾値を上回る場合には、電圧値にノイズが含まれているとして、電圧値の前の所定回数分の移動平均を算出し、該電圧値を移動平均値で置き換えるようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、処理負荷を軽減するために、移動平均を算出する際の上記所定回数分を、３２あるいは６４回分にしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記所定回数分を、０．４４３とマイコンＭのサンプリング周波数ｆｓとを乗算した値をカットオフ周波数ｆｃで除算した値（つまり「０．４４３×ｆｓ/ｆｃ」）分にしてもよい。

（３）上記実施形態は、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎによって電圧値からノイズを除去できなかった場合に、該電圧値を補正するものであるが、本発明はこれに限定されない。例えば、フィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎを具備しない電圧検出装置に、本発明を適用するようにしてもよい。つまり、マイコンＭの処理のみによって、電圧値に含まれるノイズを除去するようにしてもよい。

Ａ…電圧検出装置、Ｂ…バッテリ、Ｃ１〜Ｃｎ…電池セル、Ｈ１〜Ｈｎ…放電回路、Ｆ１〜Ｆｎ…フィルタ回路、Ｄ…電圧検出回路、Ｍ…マイコン（電圧値取得手段）、Ｓ１〜Ｓｎ…スイッチング素子、Ｒａ１〜Ｒａｎ…第１の抵抗器、Ｒｂ１〜Ｒｂｎ…第２の抵抗器、Ｃｄ１〜Ｃｄｎ…コンデンサ

Claims

バッテリを構成する複数の電池セル各々の電圧を検出し、該電圧を示す検出信号を出力する電圧検出回路と、前記検出信号を所定の間隔でサンプリングして電圧値を取得する電圧値取得手段とを具備する電圧検出装置であって、
前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値にノイズが含まれるか否か判定し、電圧値にノイズが含まれると判定した場合には、ノイズが含まれる前の所定回数分の移動平均を算出し、ノイズが含まれると判定した電圧値を移動平均値で置き換えることを特徴とする電圧検出装置。
前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値が所定の閾値を上回る場合には、電圧値にノイズが含まれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
前記電圧値取得手段は、前記検出信号から取得した電圧値が所定の閾値を上回り、かつ該電圧値の前後の値が前記所定の閾値を下回る場合には、電圧値にノイズが含まれていると判定することを特徴とする請求項２に記載の電圧検出装置。
前記所定回数分は、３２あるいは６４回分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電圧検出装置。