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JP5691950B2 - 電圧監視装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電池セルを直列接続して構成される組電池の各電池セルの電圧を複数のキャパシタを用いて監視するフライングキャパシタ方式の電圧監視装置に関する。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される車載高圧バッテリのように、多数個の電池セルを直列に接続して構成した組電池において、組電池を構成する各電池セルの電圧を監視する電圧監視装置として、キャパシタを利用する装置(フライングキャパシタ方式の電圧監視装置)が提案されている。
例えば、特許文献1には、直列接続された一対のキャパシタを用いて、組電池における隣接する2つの電池セルの電圧を並列に検出する電圧監視装置(ダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置)が提案されている。
ここで、フライングキャパシタ方式の電圧監視装置では、組電池の各電池セルとキャパシタとの間にフィルタとして機能する抵抗が設けられており、キャパシタの容量と抵抗の抵抗値によって、キャパシタに電池セルの電圧を充電する際に要する時間(時定数)が変化することとなる。
この点、特許文献1に記載のダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置では、一対のキャパシタを直列に接続しており、一対のキャパシタそれぞれに電池セルの電圧を充電する際には、キャパシタの容量が小さくなる。従って、一対のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出する際には、1つのキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出する際よりも、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間を短縮することが可能である。
また、ダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置において、各キャパシタそれぞれに同じ電池セルの電圧を充電し、各キャパシタに充電された蓄電電圧を比較することで、各キャパシタと各電池セルとを結ぶ検出ラインの断線等を検出することも可能である。
特開2002−289263号公報
ところで、特許文献1に記載のダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置では、一対のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出するだけでなく、一対のキャパシタのうち、一方のキャパシタだけを用いて電池セルの電圧を検出することがある。
例えば、一対のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出する際には、各キャパシタと各電池セルとを結ぶ複数のラインのうち、各キャパシタ間の接続端に接続された検出ラインに電流が流れず、当該検出ラインが断線したとしても断線を検出できないため、一対のキャパシタのうち、一方のキャパシタを用いて個別に電池セルの電圧を検出することがある。
しかし、ダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置において、一対のキャパシタのうち、一方のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出する場合、フィルタとして機能する複数の抵抗の抵抗値が同じであると、一対のキャパシタを用いる際よりもキャパシタの容量が増加することとなり、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間が長くなるといった問題がある。
そこで、一方のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出する際のキャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間を短縮させるために、フィルタとして機能する全ての抵抗の抵抗値を低下させることが考えられるが、この場合には、各抵抗のフィルタとしての機能が損なわれてしまうといった背反がある。
なお、このような問題は、3つ以上のキャパシタを用いて電池セルの電圧を検出するように構成されたフライングキャパシタ方式の電池監視装置においても同様に生ずる。
本発明は上記点に鑑みて、組電池の各電池セルの電圧を複数のキャパシタを用いて監視するフライングキャパシタ方式の電圧監視装置において、フィルタ機能の低下を抑制しつつ、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間の短縮化を図ることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、複数の電池セル(V1〜V14)が直列に接続されて構成される組電池(1)の電池セル(V1〜V14)の電圧を監視する電圧監視装置であって、直列に接続された一対のキャパシタ(C1、C2)を有するキャパシタ回路(23)と、複数の電池セル(V1〜V14)それぞれの電極端子に接続された複数の抵抗(R1〜R15)を有するフィルタ回路(21)と、フィルタ回路(21)を介して、複数の電池セル(V1〜V14)の電極端子を、一対のキャパシタ(C1、C2)同士を接続する接点である接続端(A3)、および一対のキャパシタ回路(C1、C2)における接続端(A3)と反対側の独立端(A1、A2)に順次接続して電池セル(V1〜V14)の電圧をキャパシタ(C1、C2)に印加する入力側接続切替手段(22)と、複数の入力端子(B1〜B3)を有し、複数の入力端子(B1〜B3)間の電位差を検出する電位差検出手段(25)と、一対のキャパシタ(C1、C2)における独立端(A1、A2)、および一対のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)を、複数の入力端子に接続して一対のキャパシタ(C1、C2)のうち、少なくとも1つのキャパシタに蓄えられた蓄電電圧を電位差検出手段(25)の入力端子(B1〜B3)に印加する出力側接続切替手段(24)と、を備え、複数の抵抗(R1〜R15)のうち、入力側接続切替手段(22)を介して、一対のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)に接続される第1の抵抗群を構成する複数の抵抗全ては、一対のキャパシタ(C1、C2)における独立端(A1、A2)に接続される第2の抵抗群を構成する各抵抗よりも抵抗値が小さいことを特徴とする。
このように、フィルタ回路(21)を構成する複数の抵抗(R1〜R15)のうち、複数のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)に接続される第1の抵抗群の抵抗値を小さくすることで、フィルタ回路(21)を構成する全ての抵抗(R1〜R15)の抵抗値を小さくする際よりもフィルタ回路(21)のフィルタ機能の低下を抑制することが可能となる。
これに加えて、複数のキャパシタ(C1、C2)のうち、一部のキャパシタへ電池セルの電圧を印加(充電)する際には、複数の抵抗(R1〜R15)のうち、複数のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)に接続される第1の抵抗群の抵抗値が小さくなる分、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間を短縮させることが可能となる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第1実施形態に係る電圧監視装置を含む電池電圧監視システムの全体構成図である。 第1実施形態に係る電圧監視装置において一対のキャパシタへ電池セルの電圧を印加する際の作動を説明するための説明図である。 第1実施形態に係る電圧監視装置において一対のキャパシタへ電池セルの電圧を充電する際に要する時間を説明するための説明図である。 第1実施形態に係る電圧監視装置において一対のキャパシタの一方へ電池セルの電圧を印加する際の作動を説明するための説明図である。 第1実施形態に係る電圧監視装置において一対のキャパシタの一方へ電池セルの電圧を充電する際に要する時間を説明するための説明図である。 比較例に係る電圧監視装置において一対のキャパシタの一方へ電池セルの電圧を充電する際に要する時間を説明するための説明図である。 入力側サンプリングスイッチのショート故障時の課題を説明するための説明図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る電圧監視装置2を含む電池電圧監視システムの全体構成図である。
本実施形態では、組電池1を構成する車載高圧バッテリに本発明の電圧監視装置2を適用している。この組電池1は、例えば、インバータを介して車両走行用の電動機(走行用モータ)に電力を供給するものである。
図1に示すように、本実施形態の電池電圧監視システムは、主たる要素として、組電池1と電圧監視装置2とを備えている。
組電池1は、充放電の最小単位であるn個(本実施形態では14個)の電池セルV1〜V14を直列に接続して構成された直列接続体である。なお、電池セルV1〜V14としては、充放電可能なリチウムイオン電池や鉛蓄電池等が用いられる。
このように構成される組電池1は、各電池セルV1〜V14の電極端子(正極端子および負極端子)に接続された複数の検出ラインL1〜L15を介して電圧監視装置2が接続されている。
次に、本実施形態に係る電圧監視装置2について説明する。本実施形態の電圧監視装置2は、直列に接続された一対のキャパシタC1、C2を用いて、組電池1における各電池セルV1〜V14の電圧を検出する装置(ダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置)である。
本実施形態の電圧監視装置2は、フィルタ回路21、入力側接続切替手段を構成する入力側接続切替部22、キャパシタ回路23、出力側接続切替手段を構成する出力側接続切替回路24、電位差検出手段を構成する電位差検出回路25、AD変換器26、図示しないマイクロコンピュータ(以下、マイコンと略称する。)を備えている。
フィルタ回路21は、フィルタとして機能する抵抗R1〜R15で構成されている。各抵抗R1〜R15は、各検出ラインL1〜L15を介して電池セルV1〜V14の電極端子に接続されている。フィルタ回路21における各抵抗R1〜R15の抵抗値については後述する。
入力側接続切替部22は、フィルタ回路21の抵抗R1〜R15を介して、各電池セルV1〜V14の電極端子を、キャパシタ回路C1、C2に設けられた一対のキャパシタC1、C2における独立端A1、A2、および一対のキャパシタC1、C2間の接続端A3に順次接続するスイッチング回路である。この入力側接続切替部22を作動させることで、各電池セルV1〜V14の電圧をキャパシタC1、C2に印加(充電)することが可能となっている。
本実施形態の入力側接続切替部22は、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15に接続された複数の入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15を有して構成されている。
具体的には、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15のうち、各電池セルV1〜V14の電極端子を電位の低いものから順に数えたときに、第[4m+1]番目(m=0、又は正の整数)の電極端子に接続される入力側サンプリングスイッチSW1、SW5、SW9、SW13が、第1キャパシタC1の独立端A1に接続されている。
また、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15のうち、各電池セルV1〜V14の電極端子を電位の低いものから順に数えたときに、第[4m+3]番目(m=0、又は正の整数)の電極端子に接続される入力側サンプリングスイッチSW3、SW7、SW11、SW15が、第2キャパシタC2の独立端A2に接続されている。
そして、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15のうち、各電池セルV1〜V14の電極端子を電位の低いものから順に数えたときに、第[2m]番目(m=正の整数)、つまり偶数番目の電極端子に接続される入力側サンプリングスイッチSW2、SW4、SW6、SW8、SW10、SW12、SW14が、各キャパシタC2間の接続端A3に接続されている。
これら入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15は、半導体スイッチであり、マイコンからの指令信号に応じてオンオフが切替制御される。
例えば、電池セルV1、V2の電圧を第1、第2キャパシタC1、C2に充電する際には、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチSW1、SW2、SW3を同時にオンして、電池セルV1の電極端子を第1キャパシタC1の両端(独立端A1、接続端A3)に接続すると共に、電池セルV2の電極端子を第2キャパシタC2の両端(独立端A2、接続端A3)に接続する。これにより、電池セルV1の電圧が第1キャパシタC1に充電され、電池セルV2の電圧が第2キャパシタC2に充電される。
キャパシタ回路23は、直列に接続された一対のキャパシタC1、C2で構成されている。この一対のキャパシタC1、C2は、静電容量Cが等しいものを採用している。なお、キャパシタ回路23において、一対のキャパシタC1、C2が接続される接点が接続端A3を構成し、各キャパシタC1、C2間の接続端A3と反対側が独立端A1、A2を構成している。
出力側接続切替回路24は、一対のキャパシタC1、C2における独立端A1、A2、および接続端A3を、電位差検出回路25に設けられた第1〜第3入力端子B1〜B3に接続するスイッチング回路である。この出力側接続切替回路24を作動させることで、各キャパシタC1、C2のうち、少なくとも一方に充電された蓄電電圧(充電量)を電位差検出回路25に印加することが可能となっている。
具体的には、出力側接続切替回路24は、第1キャパシタC1の独立端A1および電位差検出回路25の第1入力端子B1に接続された第1出力側サンプリングスイッチSW16と、第2キャパシタC2の独立端A2および電位差検出回路25の第2入力端子B2に接続された第2出力側サンプリングスイッチSW17と、各キャパシタC1、C2間の接続端A3および電位差検出回路25の第3入力端子B3に接続された第3出力側サンプリングスイッチSW18と、を有して構成されている。
これら出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18は、半導体スイッチであり、マイコンからの指令信号に応じてオンオフが切替制御される。
例えば、第1、第2キャパシタC1、C2に蓄電された蓄電電圧それぞれを電位差検出回路25に印加する際には、出力側接続切替回路24の出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18をオンして、第1キャパシタC1の独立端A1および電位差検出回路25の第1入力端子B1を接続すると共に、第2キャパシタC2の独立端A2および電位差検出回路25の第2入力端子B2を接続し、さらに、第1、第2キャパシタC1、C2間の接続端A3および電位差検出回路25の第3入力端子B3を接続する。これにより、各キャパシタC1、C2の蓄電電圧が電位差検出回路25に印加される。
また、第1キャパシタC1に蓄電された蓄電電圧だけを電位差検出回路25に印加する際には、出力側接続切替回路24の出力側サンプリングスイッチSW16、SW18をオンして、独立端A1および第1入力端子B1を接続すると共に、接続端A3および第3入力端子B3を接続する。これにより、第1キャパシタC1の蓄電電圧だけが電位差検出回路25に印加される。
同様に、第2キャパシタC2に蓄電された蓄電電圧だけを電位差検出回路25に印加する際には、出力側サンプリングスイッチSW17、SW18をオンして、独立端A2および第2入力端子B2を接続すると共に、接続端A3および第3入力端子B3を接続する。これにより、第2キャパシタC2の蓄電電圧だけが電位差検出回路25に印加される。
電位差検出回路25には、出力側接続切替回路24を介して、第1キャパシタC1の独立端A1に接続される第1入力端子B1、第2キャパシタC2の独立端A2に接続される第2入力端子B2、および各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第3入力端子B3が設けられている。
そして、電位差検出回路25は、第1入力端子B1および第3入力端子B3間の電位差を検出する第1差動電圧検出部25aと、第2入力端子B2および第3入力端子B3間の電位差を検出する第2差動電圧検出部25bとを有して構成されている。本実施形態の第1差動電圧検出部25aは、第1キャパシタC1に蓄えられた蓄電電圧を増幅して出力する差動増幅回路で構成され、第2差動電圧検出部25bは、第2キャパシタC2に蓄えられた蓄電電圧を増幅して出力する差動増幅回路で構成されている。
AD変換器(A/D)25は、所定のタイミングで電位差検出回路25から出力された電圧信号(アナログ信号)を読み込み、読み込んだ電圧信号をデジタル信号に変換してマイコン側に出力するものである。
マイコンは、CPU、ROM、EEPROM、RAM等からなるマイクロコンピュータであって、ROM等の記憶手段に記憶されたプログラムに従って各種処理を実行する制御手段である。
本実施形態のマイコンは、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15、および出力側接続切替回路24を構成する各出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18の作動を制御する。
また、マイコンは、AD変換器26から出力されるデジタル信号に基づいて、組電池1を構成する各電池セルV1〜V14の電圧状態を診断する電圧診断処理や各検出ラインL1〜L15の断線等の故障を診断する故障診断処理を実行する。
ここで、本実施形態のフィルタ回路21を構成する各抵抗R1〜R15の抵抗値について説明する。本実施形態では、フィルタ回路21を構成する各抵抗R1〜R15のうち、入力側接続切替部22を介して各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群(抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14)は、入力側接続切替部22を介して第1、第2キャパシタC1、C2の独立端A1、A2に接続される第2の抵抗群(抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15)よりも小さい抵抗値となるように構成されている。
第1の抵抗群は、各電池セルV1〜V14の電極端子を電位の低いものから順に数えたときに、各抵抗R1〜R15のうち、偶数番目(第[2m]番目:m=正の整数)の電極端子に接続される抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14で構成される。
また、第2の抵抗群は、各電池セルV1〜V14の電極端子を電位の低いものから順に数えたときに、奇数番目(第[2m+1]番目:m=0、または正の整数)の電極端子に接続される抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15で構成されている。
ここで、フィルタ回路21におけるフィルタ性能を確保する観点等から、第1の抵抗群を構成する各抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14の抵抗値Rxは、第2の抵抗群を構成する各抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15の抵抗値Ryの半分程度(Rx≒Ry/2)とすることが望ましい。
本実施形態では、第1の抵抗群を構成する各抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14の抵抗値Rxを、第2の抵抗群を構成する各抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15の抵抗値Ryの半分(Rx=Ry/2)としている。なお、本実施形態の第2の抵抗群を構成する各抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15は、それぞれ抵抗値が等しいものを採用し、第1の抵抗群を構成する各抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14についても、それぞれ抵抗値が等しいものを採用している。
次に、本実施形態の電圧監視装置2の作動を説明する。本実施形態の電圧監視装置2は、各電池セルV1〜V14の電圧監視を行う際には一対のキャパシタC1、C2それぞれを用い、電池セルV1〜V14の故障診断を行う際には一対のキャパシタC1、C2のうち一方を用いるようにしている。
まず、本実施形態に係る電圧監視装置2において、キャパシタ回路23の一対のキャパシタC1、C2それぞれを用いて各電池セルV1〜V14の電圧監視を行う場合について説明する。本実施形態では、一対のキャパシタC1、C2それぞれを用いて4つの電池セルV1〜V4の電圧監視を行う場合の具体的な作動例について図2を用いて説明する。なお、本作動例では、電池セルV1、V2→V3、V4といったように、低電圧側の電池セルから順に監視する例について説明する。
図2に示すように、マイコンは、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチSW1〜SW3をオンする。入力側サンプリングスイッチSW1、SW2がオンすると、第1キャパシタC1が、抵抗R1、R2を介して電池セルV1の電極端子に接続され充電される。これにより、第1キャパシタC1の電圧は、電池セルV1と同電圧となる。また、入力側サンプリングスイッチSW2、SW3がオンすると、第2キャパシタC2が、抵抗R2、R3を介して電池セルV2の電極端子に接続され充電される。これにより、第2キャパシタC2の電圧は、電池セルV2と同電圧となる。
その後、マイコンは、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチSW1〜SW3をオフすると共に、出力側接続切替回路24の各出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18を所定時間オンする。第1、第3出力側サンプリングスイッチSW16、SW18がオンすると、第1キャパシタC1は、電位差検出回路25の第1入力端子B1、および第3入力端子B3を介して第1差動電圧検出部25aに接続される。第1差動電圧検出部25aは、電池セルV1と同電圧となる第1キャパシタC1の電圧を増幅してAD変換器26に出力する。また、第2、第3出力側サンプリングスイッチSW17、SW18がオンすると、第2キャパシタC2は、電位差検出回路25の第2入力端子B2、および第3入力端子B3を介して第2差動電圧検出部25bに接続される。第2差動電圧検出部25bは、電池セルV2と同電圧となる第2キャパシタC2の電圧を増幅してAD変換器26に出力する。そして、AD変換器26は、第1、第2差動電圧検出部25a、25bからの出力信号をデジタル信号に変換してマイコンに出力する。
マイコンでは、AD変換器26から出力されたデジタル信号に基づいて、電池セルV1、V2の電圧を検出することで、例えば、電池セルV1、V2の過充放電や劣化等の異常の有無を診断する。
次に、マイコンは、入力側サンプリングスイッチSW4〜SW6をオンする。これにより、第1キャパシタC1は、抵抗R4、R5を介して電池セルV3の電極端子に接続され充電され、第1キャパシタC1の電圧が電池セルV3と同電圧となる。また、第2キャパシタC2は、抵抗R5、R6を介して電池セルV4の電極端子に接続され充電され、第2キャパシタC2の電圧が電池セルV4と同電圧となる。
その後、マイコンは、入力側サンプリングスイッチSW4〜SW6をオフすると共に、出力側接続切替回路24の各出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18を所定時間オンする。これにより、第1キャパシタC1は、電位差検出回路25の第1差動電圧検出部25aに接続され、第2キャパシタC2は、電位差検出回路25の第2差動電圧検出部25bに接続される。そして、各差動電圧検出部25a、25bにて増幅された第1、第2キャパシタC1、C2の電圧がAD変換器26に出力され、AD変換器26にて変換されたデジタル信号がマイコンに出力される。
マイコンでは、AD変換器26から出力されたデジタル信号に基づいて、電池セルV3、V4の電圧を検出することで、例えば、電池セルV3、V4の過充放電や劣化等の異常の有無を診断する。
なお、電池セルV1〜V4以外の電池セルV5〜V14の電圧監視を行う際には、マイコンによって、電池セルV5〜V14のうち、電圧検出対象とする電池セルの電極端子に接続される入力側サンプリングスイッチ、および出力側接続切替回路24の各出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18をオンオフすることで、電圧検出対象とする電池セルの電圧を示すデジタル信号をマイコン側に出力することができる。
ここで、例えば、隣接する電池セルV1、V2の電圧を各キャパシタC1、C2に充電する際には、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチをオンすると、フィルタ回路21の抵抗R1、R3、およびキャパシタ回路23の第1、第2キャパシタC1、C2が直列に接続される閉回路が形成され、図2の太点線矢印で示すように電流が流れる。
このように、隣接する電池セルの電圧を各キャパシタC1、C2に充電する際には、一対のキャパシタC1、C2が直列に接続されることから、閉回路内のキャパシタの容量が調和平均となり容量(総容量)が小さくなる。このため、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間が短くなる。つまり、一対のキャパシタC1、C2それぞれを用いて電池セルV1、V2の電圧監視を行う場合において、入力側サンプリングスイッチSW1、SW2がオンすると、図3に示すように、τ1(=RC)の時定数で各キャパシタC1、C2の充電が行われる。この時定数τ1は、図3に示す数式で示すように、第2の抵抗群を構成する抵抗R1の抵抗値Ry(=R)と第2の抵抗群を構成する抵抗R3(=R)の抵抗値Ryを加算した値(=R+R=2R)に対して、一対のキャパシタC1、C2の容量の調和平均値(=C/2)を乗じた値(=RC)である。なお、図2の太点線矢印で示したように、第1の抵抗群を構成する抵抗R2に電流が流れないため、抵抗R2の抵抗値Rx(=R/2)は時定数τ1に影響しない。
なお、本実施形態では、隣接する電池セルV1、V2の電圧を各キャパシタC1、C2に充電する例を取り上げたが、隣接する電池セルV1、V2以外の隣接する電池セルの電圧を各キャパシタC1、C2に充電する場合も同様に、τ1(=RC)の時定数で各キャパシタC1、C2の充電が行われる。
次に、本実施形態に係る電圧監視装置2において、キャパシタ回路23の一対のキャパシタC1、C2のうち、一方のキャパシタを用いて、各電池セルV1〜V14の電極端子に接続された検出ラインL1〜L15の断線検出を行う場合について説明する。本実施形態では、第1キャパシタC1を用いて電池セルV1の電極端子に接続された検出ラインL2の断線検出を行う場合の具体的な作動例について図4を用いて説明する。
図4に示すように、マイコンは、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチSW1、SW2をオンする。入力側サンプリングスイッチSW1、SW2がオンすると、第1キャパシタC1が、抵抗R1、R2を介して電池セルV1の電極端子に接続され充電される。これにより、第1キャパシタC1の電圧は、電池セルV1と同電圧となる。
その後、マイコンは、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチSW1、SW2をオフすると共に、出力側接続切替回路24の第1、第3出力側サンプリングスイッチSW16、SW18を所定時間オンする。第1、第3出力側サンプリングスイッチSW16、SW18がオンすると、第1キャパシタC1は、電位差検出回路25の第1入力端子B1、および第3入力端子B3を介して第1差動電圧検出部25aに接続される。第1差動電圧検出部25aは、電池セルV1と同電圧となる第1キャパシタC1の電圧を増幅してAD変換器26に出力する。そして、AD変換器26は、第1差動電圧検出部25aからの出力信号をデジタル信号に変換してマイコンに出力する。
マイコンでは、AD変換器26から出力されたデジタル信号に基づいて、電池セルV1の電圧を検出し、検出した電池セルV1の電圧を予め定めた判定閾値と比較して、電池セルV1の電極端子に接続された検出ラインL2の断線の有無を診断する。例えば、マイコンでは、電池セルV1の電圧が判定閾値より高い場合に正常と診断し、電池セルV1の電圧が判定閾値以下となる場合に断線と診断する。
なお、電池セルV1以外の電池セルV2〜V14に接続された検出ラインの断線検出を行う際には、マイコンによって、電池セルV2〜V14のうち、断線検出対象とする電池セルの電極端子に接続される一対の入力側サンプリングスイッチ、および出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18のうち、断線検出対象とする電池セルの電圧が充電されたキャパシタに接続される出力側サンプリングスイッチをオンオフすることで、断線検出対象とする電池セルの電圧を示すデジタル信号をマイコン側に出力することができる。
ここで、電池セルV1の電圧を一対のキャパシタC1、C2の一方にだけ充電する際に、入力側接続切替部22の入力側サンプリングスイッチをオンすると、フィルタ回路21の抵抗R1、R2、およびキャパシタ回路23の第1キャパシタC1が直列に接続される閉回路が形成され、図4の太点線矢印で示すように電流が流れる。
このように、電池セルV1の電圧を一対のキャパシタC1、C2の一方にだけ充電する際には、閉回路内のキャパシタの容量が調和平均とならないため容量(総容量)は小さくならない。
ところが、本実施形態では、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15のうち、各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群を構成する各抵抗の抵抗値Rxを第1、第2キャパシタC1、C2の各独立端A1、A2に接続される第2の抵抗群を構成する各抵抗の抵抗値Ryの半分としている。つまり、第1の抵抗群を構成する抵抗R2の抵抗値Rxは、第2の抵抗群を構成する抵抗R1の抵抗値Ryよりも低くなっている。
このため、電池セルV1の電圧を一対のキャパシタC1、C2の一方にだけ充電する際に、閉回路内の抵抗値が小さくなり、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間が短くなる。
より具体的には、一対のキャパシタC1、C2のうち一方だけを用いて電池セルV1の電圧監視を行う場合において、入力側サンプリングスイッチSW1、SW2がオンすると、図5に示すように、τ2(=1.5RC)の時定数でキャパシタC1の充電が行われる。この時定数τ2は、図5の数式で示すように、第2の抵抗群を構成する抵抗R1の抵抗値Ry(=R)と第1の抵抗群を構成する抵抗R2の抵抗値Rx(=R/2)を加算した値(=R+R/2=1.5R)に対して、第1キャパシタC1の容量(=C)を乗じた値(=1.5RC)である。
なお、本実施形態では、電池セルV1の電圧を第1キャパシタC1に充電する例を取り上げたが、一対のキャパシタC1、C2のうち一方だけを用いて、電池セルV1以外の電池セルの電圧を対応するキャパシタに充電する場合も同様に、τ2(=1.5×RC)の時定数でキャパシタの充電が行われる。
ここで、比較例として、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15の全てを同じ抵抗値(=R)とした場合、図6に示すように、τ3(=2RC)の時定数でキャパシタC1の充電が行われる。この時定数τ3は、図6の数式で示すように、抵抗R1の抵抗値(=R)と抵抗R2の抵抗値(=R)を加算した値(=R+R=2R)に対して、第1キャパシタC1の容量(=C)を乗じた値(=2RC)である。
以上説明した本実施形態に係る電圧監視装置2では、フィルタ回路21を構成する複数の抵抗R1〜R15のうち、各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群を構成する各抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14の抵抗値Rxを、各キャパシタC1、C2の独立端A1、A2に接続される第2の抵抗群を構成する各抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15の抵抗値Ryよりも小さくしている。具体的には、第1の抵抗群を構成する各抵抗R2、R4、R6、R8、R10、R12、R14の抵抗値Rxを、第2の抵抗群を構成する各抵抗R1、R3、R5、R7、R9、R11、R13、R15の抵抗値Ryの半分としている(Rx=Ry/2)。
このように、フィルタ回路21を構成する複数の抵抗R1〜R15のうち、各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群の抵抗値を小さくすることで、全ての抵抗R1〜R15の抵抗値を小さくする際よりも、フィルタ回路21のフィルタ機能の低下を抑制することができる。
これに加えて、各キャパシタC1、C2のうち一方のキャパシタへ電池セルの電圧を印加(充電)する際には、第1の抵抗群の抵抗値が小さくなる分、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間を短縮させることが可能となる。
従って、ダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置において、フィルタ機能の低下を抑制しつつ、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間の短縮化を図ることができる。
(第2実施形態)
上述の第1実施形態で説明した電圧監視装置2は、フィルタ機能の低下を抑制しつつ、キャパシタへの電池セルの電圧の充電に要する時間の短縮化を図ることができる点で顕著な効果を奏する。
一方、フライングキャパシタ方式の電圧監視装置2には他の課題もある。すなわち、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15の一部にショート故障(短絡故障)が生ずると、各電池セルV1〜V14の電圧を順番にキャパシタC1、C2に充電する際に、検出ライン同士が短絡して閉回路が構成され、当該閉回路に短絡電流が流れて、組電池1や電圧監視装置2の発煙、発火を招く虞がある。
ここで、図7は、入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15のショート故障時の課題を説明するための説明図である。なお、図7(a)が、入力側サンプリングスイッチSW3がショート故障した際の例を示しており、図7(b)が、入力側サンプリングスイッチSW2がショート故障した際の例を示している。
図7(a)に示すように、キャパシタC2の独立端A2に接続された入力側サンプリングスイッチSW3、SW7、SW11、SW15のうち、入力側サンプリングスイッチSW3にショート故障が生ずると、入力側サンプリングスイッチSW7をオンした際に、図7(a)の太実線矢印で示すように短絡電流I1が流れる。なお、短絡電流I1は、各電池セルV1〜V14の電圧を「V」とし、抵抗R3、R7の抵抗値を「R」としたとき、I1=4×V/(R+R)=2V/Rとなり、この際の消費電力W1は、W1=(4×V)/(R+R)=8V/Rとなる。
ここで、入力側サンプリングスイッチSW3にショート故障が生じた場合に、入力側サンプリングスイッチSW11をオンした場合、閉回路を構成する電池セルの数が多くなるため短絡電流が大きくなる。つまり、上述の短絡電流I1は、入力側サンプリングスイッチSW3、SW7、SW11、SW15のいずれかにショート故障が生じた場合の最小電流となる。
同様に、キャパシタC1の独立端A1に接続された入力側サンプリングスイッチSW1、SW5、SW9、SW13のうち、いずれかにショート故障が生じた場合には、ショート故障が生じていない入力側サンプリングスイッチをオンすると、短絡電流I1以上の電流が流れることとなる。
一方、図7(b)に示すように、各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続された入力側サンプリングスイッチSW2、SW4、SW6、SW8、SW10、SW12、SW14のうち、入力側サンプリングスイッチSW2にショート故障が生ずると、入力側サンプリングスイッチSW4をオンした際に、図7(b)の太実線矢印で示すように短絡電流I2が流れる。なお、短絡電流I2は、各電池セルV1〜V14の電圧を「V」とし、抵抗R2、R4の抵抗値を「R/2」としたとき、I1=2×V/(R/2+R/2)=2V/Rとなり、この際の消費電力W2は、W2=(2×V)/(R/2+R/2)=4V/Rとなる。つまり、短絡電流I2は、短絡電流I1と同じ電流値となる。なお、短絡電流I1は、入力側サンプリングスイッチSW2、SW4、SW6、SW8、SW10、SW12、SW14のいずれかにショート故障が生じた場合の最小電流となる。
第2実施形態では、上述の課題を解決するために、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と各電池セルV1〜V14との間、又は、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と入力側接続切替部22の各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15との間に、短絡電流が生じた際に断線する保護素子を接続している。
この保護素子は、上述した短絡電流I1(=短絡電流I2)以上の電流が流れた際に断線する素子で構成されている。具体的には、保護素子として、ヒューズ等のショート故障時にオープンとなる素子が好適である。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様に、フィルタ回路21における第2の抵抗群それぞれの抵抗値を同一とし、第1の抵抗群それぞれの抵抗値を第2の抵抗群の抵抗値の半分としている。
以上説明した本実施形態によれば、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と各電池セルV1〜V14との間、又は、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と入力側接続切替部22の各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15との間に、短絡電流が生じた際に断線する保護素子を接続しているので、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15の一部にショート故障(短絡故障)が生じた場合、当該保護素子が断線するので、組電池1や電圧監視装置2の発煙、発火を防止することができる。
また、本実施形態では、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15のうち、第2の抵抗群の抵抗値それぞれを同一とし、第1の抵抗群それぞれの抵抗値を第2の抵抗群の抵抗値の半分としている。
これによれば、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15の一部にショート故障(短絡故障)が生じた際に流れる短絡電流の最小の電流値が同じとなるので、各保護素子を、同じ短絡電流が流れた際に断線する素子で構成することが可能となる。
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の各実施形態の如く、フィルタ回路21のフィルタ機能を確保する観点では、各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群の抵抗値Rxを、各キャパシタC1、C2の独立端A1、A2に接続される第2の抵抗群の抵抗値Ryの半分程度(Rx≒Ry/2)とすることが望ましいが、これに限定されない。
各キャパシタC1、C2間の接続端A3に接続される第1の抵抗群が各キャパシタC1、C2の独立端A1、A2に接続される第2の抵抗群よりも抵抗値が小さければ、第1の抵抗群の抵抗値を任意に設定してもよい。この際、第1の抵抗群の抵抗値を全て同じ抵抗値とせず、異なる抵抗値としてもよい。
(2)上述の各実施形態では、電池セルV1〜V14の断線故障を診断する際に、一対のキャパシタC1、C2のうち一方を用いて電池セルの電圧を監視する構成としているが、これに限らず、例えば、組電池1を構成する電池セルの数が奇数個である場合に、端数となる電池セルの電圧を一対のキャパシタC1、C2のうち一方を用いて監視するようにしてもよい。
(3)上述の各実施形態では、電池セルV1〜V14の断線故障を診断する際に、断線検出対象とする電池セルの電圧を一対のキャパシタC1、C2の一方に充電された後、出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18のうち、断線検出対象とする電池セルの電圧が充電されたキャパシタに接続される出力側サンプリングスイッチをオンする例を説明したが、これに限らず、出力側サンプリングスイッチSW16〜SW18の全てをオンするようにしてもよい。
(4)上述の各実施形態では、具体例として14個の電池セルを直列に接続して構成される組電池1に電圧監視装置2を適用する例について説明したが、電圧監視装置2の適用対象は、組電池1を構成する電池セルの個数に制限されない。
(5)上述の第2実施形態では、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と各電池セルV1〜V14との間、又は、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15と入力側接続切替部22の各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15との間に、短絡電流が生じた際に断線する保護素子を接続する例を説明したが、これに限定されない。
例えば、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15を、短絡電流が生じた際に断線する抵抗素子(例えば、チップ抵抗、ダイオード)で構成し、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15を、ショート故障時の保護素子と機能させてもよい。これによれば、入力側接続切替部22を構成する各入力側サンプリングスイッチSW1〜SW15の一部にショート故障(短絡故障)が生じた場合、抵抗素子が断線するので、組電池1や電圧監視装置2の発煙、発火を防止することができる。また、フィルタ回路21の各抵抗R1〜R15を、ショート故障時の保護素子と機能させるので、部品点数を増加させることなく組電池1や電圧監視装置2の発煙、発火を防止することが可能となる。
(6)上述の各実施形態のように、電圧監視装置2として一対のキャパシタC1、C2を用いて各電池セルV1〜V14の電圧を監視する構成が好ましいが、これに限定されず、電圧監視装置2を3つ以上のキャパシタを用いて、各電池セルV1〜V14の電圧を監視する構成としてもよい。このような構成としても、各キャパシタ間の接続端に接続される抵抗(第1の抵抗群)が各キャパシタにおける独立端に接続される抵抗(第2の抵抗群)よりも抵抗値が小さければ、上述の実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
(7)上述の各実施形態では、電圧監視装置2を車載高圧バッテリに適用する例について説明したが、車載高圧バッテリに限らず、他のバッテリに適用してもよい。
1 組電池
2 電圧監視装置
21 フィルタ回路
22 入力側接続切替部(入力側接続切替手段)
23 キャパシタ回路
24 出力側接続切替回路(出力側接続切替手段)
25 電位差検出回路(電位差検出手段)
V1〜V14 電池セル
C1 第1キャパシタ
C2 第2キャパシタ
R1〜R15 抵抗

Claims (1)

  1. 複数の電池セル(V1〜V14)が直列に接続されて構成される組電池(1)の前記電池セル(V1〜V14)の電圧を監視する電圧監視装置であって、
    直列に接続された一対のキャパシタ(C1、C2)を有するキャパシタ回路(23)と、
    前記複数の電池セル(V1〜V14)それぞれの電極端子に接続された複数の抵抗(R1〜R15)を有するフィルタ回路(21)と、
    前記フィルタ回路(21)を介して、前記複数の電池セル(V1〜V14)の電極端子を、前記一対のキャパシタ(C1、C2)同士を接続する接点である接続端(A3)、および前記一対のキャパシタ回路(C1、C2)における前記接続端(A3)と反対側の独立端(A1、A2)に順次接続して前記電池セル(V1〜V14)の電圧を前記キャパシタ(C1、C2)に印加する入力側接続切替手段(22)と、
    複数の入力端子(B1〜B3)を有し、前記複数の入力端子(B1〜B3)間の電位差を検出する電位差検出手段(25)と、
    前記一対のキャパシタ(C1、C2)における独立端(A1、A2)、および前記一対のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)を、前記複数の入力端子に接続して前記一対のキャパシタ(C1、C2)のうち、少なくとも1つのキャパシタに蓄えられた蓄電電圧を前記電位差検出手段(25)の前記入力端子(B1〜B3)に印加する出力側接続切替手段(24)と、を備え、
    前記複数の抵抗(R1〜R15)のうち、前記入力側接続切替手段(22)を介して、前記一対のキャパシタ(C1、C2)間の接続端(A3)に接続される第1の抵抗群を構成する複数の抵抗全ては、前記一対のキャパシタ(C1、C2)における独立端(A1、A2)に接続される第2の抵抗群を構成する各抵抗よりも抵抗値が小さいことを特徴とする電圧監視装置。
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