JP6554748B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、ローパスフィルタのコンデンサのリーク故障が検出可能な電圧検出装置が開示されている。この電圧検出装置は、組電池を構成する各電池セルの電圧（セル電圧）を検出する装置であり、セル電圧の入力経路に各々設けられるＣＲフィルタ（ローパスフィルタ）におけるコンデンサのリーク故障をＣＲフィルタを介して検出されるセル電圧とＣＲフィルタを迂回して検出されるセル電圧とを比較することにより検出するものである。

特開２０１４−０６４４０４号公報

ところで、上記従来の電圧検出装置では、ＣＲフィルタを介してセル電圧を検出回路に入力する第１の電圧入力経路とＣＲフィルタを迂回してセル電圧を検出回路に入力する第２の電圧入力経路とを設ける必要がある。すなわち、従来の電圧検出装置では、組電池に多数設けられる個々の電池セルについて２つの電圧入力経路を設ける必要があるので、電圧入力経路を構成するための部品点数が多くなるので、また検出回路における入力端子数が多くなるので、電圧検出装置のコストを押し上げる一因になっていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、セル電圧の入力経路を従来よりも削減した状態でＣＲフィルタの異常を検出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、電圧検出装置に係る第１の解決手段として、電池から入力された被検出電圧をＣＲフィルタを介して取り込んで検出する電圧検出装置であって、前記電池の端子間にバイパス抵抗を接続するスイッチ回路と、前記ＣＲフィルタを介して取り込んだ前記被検出電圧を所定のサンプリング周期でサンプリングして電圧検出データに変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記スイッチ回路が前記電池の端子間に前記バイパス抵抗を接続する前後の前記電圧検出データに基づいて前記ＣＲフィルタの時定数を複数算出する時定数算出手段と、前記複数の時定数の平均に基づいて前記ＣＲフィルタの異常を判定する異常判定手段とを備える、という手段を採用する。

本発明では、電圧検出装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記時定数算出手段は、前記バイパス抵抗が前記電池の端子間に接続されることによる前記被検出電圧の低下量と前記ＣＲフィルタの時定数との関係式に基づいて前記複数の時定数を演算する、という手段を採用する。

本発明では、電圧検出装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記時定数算出手段は、前記電池の端子間に前記バイパス抵抗を接続する前後の前記電圧検出データを前記関係式に代入することによって前記複数の時定数を演算する、という手段を採用する。

本発明では、電圧検出装置に係る第４の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記電池は複数のセル電池を備えた組電池である、という手段を採用する。

本発明によれば、電池の端子間にバイパス抵抗を接続する前後の電圧検出データに基づいてＣＲフィルタの時定数を複数算出し、当該複数の時定数の平均に基づいてＣＲフィルタの異常を判定するので、被検出電圧の入力経路を従来よりも削減した状態でＣＲフィルタの異常を検出することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電圧検出装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一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、図１に示すように、組電池Ｂを構成するｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎの電圧（セル電圧）を被検出電圧として検出する装置であり、所定サイズのプリント基板上に実装されたｎ個の放電回路Ｄ１〜Ｄｎ（スイッチ回路）、ｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１、ｎ＋１個のＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１、セル電圧検出部Ｋ及びマイコンＭ（Ａ／Ｄ変換回路、時定数算出手段、異常判定手段）を備えている。

組電池Ｂは、複数（ｎ個）の電池セルｂ１〜ｂｎを備えるものである。合計ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎは、一列に直列接続されており、電池セルｂ１のプラス端子は組電池Ｂのプラス端子であり、また電池セルｂｎのマイナス端子は組電池Ｂのマイナス端子である。すなわち、ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎは、電池セルｂ１→電池セルｂ２→（中略）→電池セルｂｎの順に直列接続されており、各電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧の合計値が組電池Ｂの出力電圧となる。

ｎ個の放電回路Ｄ１〜Ｄｎは、上記ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎに各々並列接続されており、各々にバイパス抵抗とスイッチング素子との直列回路である。これら放電回路Ｂ１〜Ｂｎは、スイッチング素子がＯＮ状態になることによりバイパス抵抗を電池セルｂ１〜ｂｎに並列接続させるスイッチ回路である。

すなわち、これら放電回路Ｂ１〜Ｂｎは、バイパス抵抗を電池セルｂ１〜ｂｎに並列接続させることにより電池セルｂ１〜ｂｎを放電状態とする一方、スイッチング素子がＯＦＦ状態になってバイパス抵抗の電池セルｂ１〜ｂｎへの並列接続を解除することにより電池セルｂ１〜ｂｎを非放電状態とする。このようなｎ個の放電回路Ｄ１〜Ｄｎのうち、放電回路Ｄ１は電池セルｂ１に並列接続され、放電回路Ｄ２は電池セルｂ２に並列接続され、（中略）、放電回路Ｄｎは電池セルｂｎに並列接続されている。

ｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎは、上記組電池Ｂとプリント基板とを接続する配線（セル電圧検出用配線）である。これらｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎは、ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎの各端子の端子電圧をｎ＋１個のＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の各入力端に伝送する。

すなわち、伝送線路Ｓ１は電池セルｂ１のプラス端子とＣＲフィルタＦ１の入力端とを接続し、伝送線路Ｓ２は電池セルｂ１のマイナス端子と電池セルｂ２のプラス端子との接続点とＣＲフィルタＦ２の入力端とを接続する。伝送線路Ｓ３は、電池セルｂ２のマイナス端子と電池セルｂ３のプラス端子との接続点とＣＲフィルタＦ３の入力端とを接続する。（中略）また、伝送線路Ｓｎは、電池セルｂｎ−１（図示略）のマイナス端子と電池セルｂｎのプラス端子との接続点とＣＲフィルタＦｎの第ｎ入力端とを接続し、伝送線路Ｓｎ＋１は、電池セルｂｎのマイナス端子とＣＲフィルタＦｎ＋１の入力端とを接続する。

ｎ＋１個のＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１は、１３本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１に各々設けられたノイズ除去用のローパスフィルタであり、フィルタ抵抗Ｒ１〜Ｒｎ＋１及びフィルタコンデンサＣ１〜Ｃｎ＋１から構成されている。すなわち、ＣＲフィルタＦ１は伝送線路Ｓ１に設けられており、ＣＲフィルタＦ２は伝送線路Ｓ２に設けられており、ＣＲフィルタＦ３は伝送線路Ｓ３に設けられており、（中略）、ＣＲフィルタＦｎは伝送線路Ｓｎに設けられており、ＣＲフィルタＦｎ＋１は伝送線路Ｓｎ＋１に設けられている。

上記フィルタ抵抗Ｒ１〜Ｒｎ＋１は、ｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１の各々に直列に接続されており、また上記フィルタコンデンサＣ１〜Ｃｎ＋１は、一端がｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１の各々に、また他端がＧＮＤ（接地電位）に接続されている。フィルタ抵抗Ｒ１〜Ｒｎ＋１は同一の抵抗値Ｒを有し、またフィルタコンデンサＣ１〜Ｃｎ＋１は同一の静電容量Ｃを有している。このような抵抗値Ｒ及び静電容量Ｃは、ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の時定数τ、つまりＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１のフィルタ特性を規定する量である。

セル電圧検出部Ｋは、ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎに対応して設けられており、ｎ＋１個のＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎを介してｎ＋１本の伝送線路Ｓ１〜Ｓｎから入力されたｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎの各端子電圧を所定周期でサンプリングすることにより各電池セルｂ１〜ｂｎの端子間電圧（セル電圧）を検出する。すなわち、各セル電圧検出部Ｋは、各電池セルｂ１〜ｂｎの各端子電圧の差分（差電圧）をセル電圧Ｖ１〜Ｖｎとして検出する。また、このセル電圧検出部Ｋは、自らが検出したセル電圧Ｖ１〜ＶｎをマイコンＭに出力する。

すなわち、セル電圧検出部Ｋは、伝送線路Ｓ１と伝送線路Ｓ２とを介して入力される一対の端子電圧に基づいて電池セルｂ１のセル電圧Ｖ１を検出し、伝送線路Ｓ２と伝送線路Ｓ３とを介して入力される一対の端子電圧に基づいて電池セルｂ２のセル電圧Ｖ２を検出し、（中略）、伝送線路Ｓｎと伝送線路Ｓｎ＋１とを介して入力される一対の端子電圧に基づいて電池セルｂｎのセル電圧Ｖｎを検出する。

マイコンＭは、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれた所謂ワンチップマイコンであり、内部メモリに記憶された電圧検知プログラムを実行することにより所定の機能を発揮する。

このようなマイコンＭは、セル電圧検出部Ｋから入力されるｎ個のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを所定のサンプリング周期でサンプリングしてｎ個の電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎに変換する。また、このマイコンＭは、上記電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎを内部メモリに記憶すると共に上記電圧検知プログラムに従った所定の演算処理を施すことにより、各電池セルｂ１〜ｂｎの充電状態のバランス制御処理、各伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１の断線診断処理、またｎ＋１個のＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常診断処理を行う。

すなわち、マイコンＭは、電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎに基づいて各放電回路Ｄ１〜Ｄｎを制御することにより、電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを均等化する。また、マイコンＭは、互いに隣り合う電池セルｂ１〜ｂｎの電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎの差分に基づいて各伝送線路Ｓ１〜Ｓｎ＋１の何れが断線したかを診断する。

さらに、マイコンＭは、各放電回路Ｄ１〜Ｄｎを「ＯＮ」状態にした前後の各電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎに基づいて各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の時定数τを複数算出し、当該複数の時定数の平均に基づいて各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常を判定する。このようなマイコンＭは、本発明におけるＡ／Ｄ変換回路、時定数算出手段及び異常判定手段に相当する。

またこのようなマイコンＭは、所定の絶縁素子を介して外部のバッテリＥＣＵと通信可能に接続されており、上記各診断結果を外部のバッテリＥＣＵに通知する。上記絶縁素子は、マイコンＭとバッテリＥＣＵとのアイソレーションをとるための素子であり、例えばフォトカプラである。

次に、本実施形態に係る電圧検出装置Ａの動作、特にＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常診断動作について詳しく説明する。

ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常診断を行う場合、マイコンＭは、所定の時間間隔で放電回路Ｄ１〜ＤｎをＯＦＦ状態からＯＮ状態になるように順次制御し、当該状態遷移の前後における電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎに基づいてＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の時定数τを演算する。ここで、この異常診断に関するマイコンＭは、各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１について全く同様なので、以下では代表としてＣＲフィルタＦ１，Ｆ２に関する異常診断動作について、図２を参照して詳しく説明する。

マイコンＭは、セル電圧検出部Ｋから入力されるセル電圧Ｖ１を順次取り込んで電圧検出データＶｄ１に変換（Ａ／Ｄ変換）するが、ＣＲフィルタＦ１の異常診断では、放電駆動信号を放電回路Ｄ１ｎに出力することにより、放電回路Ｄ１ｎをＯＦＦ状態からＯＮ状態、つまり電池セルｂ１にバイパス抵抗を並列接続しない状態からバイパス抵抗を並列接続する状態に切り替える。ここで、放電回路Ｄ１ｎをＯＮ状態をする時間幅Ｔは、ＣＲフィルタＦ１の正常時の時定数τの１０倍以上の時間である。

放電回路Ｄ１ｎがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わると、電池セルｂ１にバイパス抵抗が並列接続されるので、バイパス抵抗を介して電池セルｂ１のプラス端子からマイナス端子に向かってバランス電流Ｉｂが流れる。この結果、ＣＲフィルタＦ１の入力端の電圧Ｖ_ｉ１はバランス電流ＩｂによってΔＶ_１だけ低下し、また電池セルｂ１のマイナス端子に接続されたＣＲフィルタＦ２の入力端の電圧Ｖ_ｉ２はΔＶ_２だけ上昇する。この電圧低下ΔＶ_１は、伝送線路Ｓ１の内部抵抗に起因するものであり、また電圧上昇ΔＶ_２は、伝送線路Ｓ２の内部抵抗に起因するものである。

そして、セル電圧Ｖ１は、ＣＲフィルタＦ１の出力端の電圧とＣＲフィルタＦ２の出力端の電圧との差電圧であり、上記電圧低下ΔＶ_１及び電圧上昇ΔＶ_２に起因して、図２に示すように低下する。すなわち、セル電圧Ｖ１の低下は、ＣＲフィルタＦ１を構成しているフィルタ抵抗Ｒ１及びフィルタコンデンサＣ１及びＣＲフィルタＦ２を構成しているフィルタ抵抗Ｒ２及びフィルタコンデンサＣ２のうち、フィルタコンデンサＣ１に貯えられた電荷がフィルタ抵抗Ｒ１及びバイパス抵抗を介して放電電流として電池セルｂ１のマイナス端子に流れることによって、またフィルタコンデンサＣ２に貯えられた電荷がフィルタ抵抗Ｒ２及びバイパス抵抗を介して放電電流として電池セルｂ１のプラス端子に流れることによって発生するものである。

ここで、バイパス抵抗は、電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを均等化するために設けられたものであり、抵抗値がフィルタ抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒよりも大幅に小さく設定されている。したがって、セル電圧Ｖ１の低下量ΔＶは、２つのフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量Ｃと２つのフィルタ抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値Ｒによって、つまり２つのＣＲフィルタＦ１，Ｆ２の時定数τによって主に支配される。

すなわち、バイパス抵抗が電池セルｂ１に並列接続されることによるセル電圧Ｖ１の低下量ΔＶは、上記電圧低下ΔＶ_１及び電圧上昇ΔＶ_２並びに時定数τを定数とし、時間ｔを変数とする下式（１）、つまり上記低下量ΔＶと時定数τとの関係式によって表すことができる。

また、上記電圧検出データＶｄ１は、セル電圧Ｖ１を所定のサンプリング周期でサンプリングすることによって得られたものなので、上式（１）に電圧検出データＶｄ１を適用することにとり、時定数τについて下式（２）が式（１）の近似式として得られる。この式（２）によって表される時定数τ（１）〜τ（３）は時定数τの近似値である。

すなわち、放電回路Ｄ１ｎがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる直前にサンプリングされたサンプル値ＡＤ（０）に基づく電圧検出データＶ（０）、放電回路Ｄ１ｎがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わった直後にサンプリングされたサンプル値ＡＤ（１）に基づく電圧検出データＶ（１）、サンプル値ＡＤ（１）の次にサンプリングされたサンプル値ＡＤ（２）に基づく電圧検出データＶ（２）、サンプル値ＡＤ（２）の次にサンプリングされたサンプル値ＡＤ（３）に基づく電圧検出データＶ（３）、また放電回路Ｄ１ｎがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わった後に十分な時間が経過した時点つまり上記時間幅Ｔが経過する直前にサンプリングされたサンプル値ＡＤ（Ｌ）に基づく電圧検出データＶ（Ｌ）によって、時定数τの近似値である時定数τ（１）〜τ（３）を求めることができる。

マイコンＭは、このような電圧検出データＶ（０）〜Ｖ（Ｌ）を上式（２）に代入することによって３つの時定数τ（１）〜τ（３）を演算する。そして、マイコンＭは、３つの時定数τ（１）〜τ（３）の算術平均を演算することによって最終的に時定数τを取得する。なお、電圧検出データＶ（０），Ｖ（Ｌ）については、図２に示すように、３つのサンプル値ＡＤ（０）をそれぞれ取得し、当該３つサンプル値ＡＤ（０）の算術平均を演算することによって各々取得される。このような演算処理によって、より正確な時定数τ（１）〜τ（３）を取得することができる。

このような本実施形態によれば、各放電回路Ｄ１〜Ｄｎがバイパス抵抗を接続する前後の電圧検出データＶｄ１〜Ｖｄｎに基づいて各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の時定数τ（近似値）を順次演算し、当該時定数τ（近似値）に基づいて各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常、例えば各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１を構成する各フィルタコンデンサＣ１〜Ｃｎ＋１のリーク故障を検出することができる。

すなわち、本実施形態によれば、組電池Ｂを構成する各電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎ（被検出電圧）の入力経路を従来よりも削減した状態で、各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の異常の異常を検出することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、組電池Ｂを構成するｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧を被検出電圧としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、組電池以外の様々な電池の電圧検出に適用することが可能である。

（２）上記実施形態では、一例として３つの時定数τ（１）〜τ（３）を求めたが、本発明はこれに限定されない。演算によって求める時定数（近似値）は、２つ以上であれば良い。ただし、各ＣＲフィルタＦ１〜Ｆｎ＋１の時定数τは、図２に示すように各電池セルｂ１〜ｂｎにバイパス抵抗を接続した直後における各セル電圧Ｖ１〜Ｖｎが漸次低下する領域に相関を有するものであり、各セル電圧Ｖ１〜Ｖｎが十分い低下して一定値に漸近する領域では相関が低い。したがって、複数の時定数（近似値）としては、上述した漸次低下する領域でサンプリングしたサンプル値に基づくものが好ましい。

Ａ 電圧検出装置
Ｂ 組電池
ｂ１〜ｂｎ 電池セル
Ｄ１〜Ｄｎ 放電回路（スイッチ回路）
Ｆ１〜Ｆｎ ＣＲフィルタ
Ｋ セル電圧検出部
Ｍ マイコン（Ａ／Ｄ変換回路、断線判定部、充電バランス調整部）
Ｓ１〜Ｓ１３ 伝送線路

Claims (4)

1. 電池から入力された被検出電圧をＣＲフィルタを介して取り込んで検出する電圧検出装置であって、
   前記電池の端子間に所定のバイパス抵抗を接続するスイッチ回路と、
   前記ＣＲフィルタを介して取り込んだ前記被検出電圧を所定のサンプリング周期でサンプリングして電圧検出データに変換するＡ／Ｄ変換回路と、
   前記スイッチ回路が前記電池の端子間に前記バイパス抵抗を接続する前後の前記電圧検出データに基づいて前記ＣＲフィルタの時定数を複数算出する時定数算出手段と、
   前記複数の時定数の平均に基づいて前記ＣＲフィルタの異常を判定する異常判定手段と
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記時定数算出手段は、前記バイパス抵抗が前記電池の端子間に接続されることによる前記被検出電圧の低下量と前記ＣＲフィルタの時定数との関係式に基づいて前記複数の時定数を演算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. 前記時定数算出手段は、前記電池の端子間に前記バイパス抵抗を接続する前後の前記電圧検出データを前記関係式に代入することによって前記複数の時定数を演算することを特徴とする請求項２に記載の電圧検出装置。
4. 前記電池は、複数のセル電池を備えた組電池であ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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