JP2007033320A - 組電池の電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセルで構成された組電池の総電圧を精度よく検出するために、従来は外部テスタを用いて１台毎に可変抵抗等を用いて調整していた。このため調整が煩雑で手間がかかるものとなっていた。本発明においては、この問題を解決し、外部テスタを用いることなく、自装置内で閉じて自動的に調整が実行され、かつ、調整時間も短縮された電圧検出装置の提供を課題とした。
【解決手段】組電池の総電圧をセル毎に検出してこれを加算して得られた総電圧と、組電池の端子で直接総電圧を検出して得られた総電圧とから補正係数を求め、この補正係数を前記の直接総電圧を検出して得られた総電圧に乗ずる構成とした。これにより、装置立ち上げ時に装置内で閉じた状態で精度のよい総電圧値を自動的得ることを可能としている。
【選択図】図４

Description

本発明は組電池用電圧測定回路の測定値補正法に係る。

複数の単電池（以下、セルと略記）を電気的に直列接続した組電池の総電圧、すなわち組電池の出力電圧、を検出する電圧センサを備え、検出した総電圧に基づいてその組電池の異常を検出し、あるいは電池容量の調整等の電池制御を行う制御装置として下記特許文献１および特許文献２が開示されている。また、組電池の電力によって動作する電動機等の負荷を、組電池の総電圧に基づいて制御する制御装置も周知である。これらの制御装置においては組電池の総電圧に基づいて制御が行われるため、組電池の総電圧を検出する電圧センサの検出精度が悪いと、制御精度が低下する。ところが、このような組電池の電圧センサは、複数の電池を直列接続した高電圧の組電池の総電圧を検出しなければならず、したがって電圧センサの検出する電圧範囲が広くなり、これに伴い誤差も大きくならざるを得なくなる。そのため通常、工場出荷時においてテスタ等を用いて電圧センサの検出誤差を計測し、可変抵抗器等を用いて誤差の補正を１台毎に行っており、この誤差補正に手間がかかるという問題があった。この誤差補正が可能な電圧測定回路については下記特許文献３が開示されている。

この問題を解決する方法としては、組電池を構成するセル毎に電圧センサを備え、検出したセル毎の電圧値の合計から組電池の総電圧を求めることが考えられる。この場合、各電圧センサは比較的低電圧である各セルの電圧を検出すればよいので、一セル当たりの検出する電圧値の範囲が狭く、したがって検出誤差の絶対値を小さく抑えることが出来る。しかしながら、組電池の総電圧を求めるためには複数の電圧センサにて検出されたセル電圧の総和として組電池の総電圧を算出しなければならず、総電圧の検出に時間がかかり、例えば組電池に接続された負荷が電動機等の短い制御周期が要求される装置である場合には、組電池の総電圧を算出するＣＰＵには演算速度の速いものを用いなければならず、コストアップになるという問題があった。

特開２００４−５６９７８号公報 特開２００４−３２５２６３号公報 特開平５−２４９１２８号公報

上記従来公知の技術によれば複数のセルで構成された組電池の場合、総電圧測定の精度を向上するためには各セル毎に電圧検出センサを用いて可変抵抗等の手段により誤差を微調整する手段が採られていた。本発明においては、組電池の電圧測定において、このように煩雑となっている調整を自動化して、調整時間を短縮し、測定の手間も省いた組電池の電圧検出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、組電池を構成する単電池であるセルの電圧を検出するセル電圧検出センサで各セルの電圧を検出し、これにより得られた各セルの電圧を加算して組電池の総電圧を算出手段により検出する。一方、組電池の総電圧を総電圧検出センサで検出し、これら、算出手段により検出した総電圧と、総電圧検出センサによって検出した総電圧との二つの総電圧の関係として補正係数を補正係数算出手段により予め得ている。得られた補正係数に基づいて総電圧検出センサによって検出した組電池の総電圧を補正することにより誤差の小さい総電圧値を得ており、この補正処理をマイコン（コントローラ）内の演算処理で実行する構成としている。

本発明による電圧検出装置においては、組電池の総電圧を、セルの電圧を加算して検出する方法と、組電圧の総電圧を直接検出する方法との二通りでそれぞれ検出した結果から予め補正係数を求めておき、この補正係数を用いて精度のよい電池電圧を求める構成としている。これにより、外部テスタの類に頼ることなく、自装置内で装置立ち上がり時に自動的に電池電圧測定系の誤差補正を行うことを可能としている。

以下、図により本発明の構成および方法について説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明による組電池の電圧測定に関する基本的な手順を示すものである。図１において、
・電圧（Ｖc1〜Ｖcn）のｎ個のセルを測定した結果（ｉ番目の単電池電圧をＶｉとして）についてｉ＝１〜ｎまでの総和（Ｖc＝ΣＶi）を求め、次に
・組電池の総電圧を測定する総電圧センサ１により測定した組電池の総電圧（Ｖｓ）を測定し、
・これら両値（ＶcおよびＶs）から立ち上がり時、あるいは充放電電流が予め定められた所定値以下に制御されている状態等のように電圧変化の小さい時の補正係数Ｋを次式により算出し、
Ｋ＝Ｖc／Ｖs （１）
・この補正係数Ｋを用いて組電池の補正後の総電圧値Ｖsr（測定誤差補正済みの値）を算出する。
Ｖsr＝Ｋ＊Ｖs （２）
図２はこの補正状況を示すもので、横軸は個々のセルに対する電圧の和Ｖc、縦軸はセルの数に対応した組電池の総電圧値Ｖsである。なお、図２において破線は補正前の実測値である総電圧センサ１の出力、実線は補正後の総電圧Ｖsrを示している。

図３は従来の電池電圧測定回路に用いられているセル出力補正回路の例である。セル毎にこのセル出力補正回路が設けられており、可変抵抗ＶＲを調整することによりそれぞれのセル出力を所定の値になるように補正を行っている。このため、組電池としてのセル出力補正における調整作業は１セル毎にこの調整作業を行うため煩雑なものとなっていた。図１に示した本発明による装置を使用することにより、立ち上がり時、あるいは充放電電流が予め定められた所定値以下に制御されている状態等の電池電圧変化の小さい時の補正係数Ｋを予め求めておき、この補正係数Ｋをマイコン２内で組電池の総電圧Ｖsrに乗ずることによりセル出力の補正を自動的に行うため、１セル毎の可変抵抗による煩雑なゲイン調整が不要となり、誤差の少ない電圧測定を短時間に実行し得るように出来る。

図４に、図１に示した総電圧センサの補正による組電池用電圧検出装置のブロック構成を示す。図４において、出力電圧Ｖc1〜Ｖcnのｎ個のセルがそれぞれセルコントローラ（１〜ｎ’）３に接続されており、セルコントローラ３は各セル毎または全セル数ｎをｋ個づつのブロックに分割したブロック毎に（ｋ＜ｎ）接続されている。図４においてはｋ＝２の場合が示されている。この場合はｋ＝２の場合を示しており、この場合はｎ’＝ｎ／２となる。このセルコントローラ３においては各セルの充電状態を検出しており、セルコントローラ３の出力はバッテリコントローラ４に印加され、このバッテリコントローラ４でセル電圧（Ｖc1〜Ｖcn）の総和電圧Ｖc（Ｖc＝ΣＶci）を算出する。ここで、Ｖciはｉ番目のセルの電圧であり、ｉ＝１〜ｎまでの加算を意味している。

バッテリコントローラ４においては、また、総電圧センサ１の出力Ｖsを取り込み、この値Ｖsと上記で算出された総和電圧Ｖcとの比から（１）式を用いて補正係数Ｋが算出される。さらに、この補正係数Ｋを用いて補正後の電圧値、すなわち車両システムコントローラ５が読み込むべきより精度の高いセンサ電圧Ｖsrが（２）式により求められる。

（実施の形態２）
セルの総和による電圧で補正を行うために、各セルからの全電圧を取得することが可能な時間Ｔの期間において、電圧変化が小さいか、電池の充放電が小さい状態であるかを検知するか、または総電圧センサ補正モードにより電池の充放電電流を予め定められた値よりも小さい状態を作り出し、この状態において総電圧センサの補正を定期的に実施する。この電圧変化が小さい時とは、車両の電源投入後の立ち上がり処理期間、あるいは信号待ちあるいは停車中のようなアイドリング状態、総電圧センサ補正モードにより電池からの充放電が小さい状態の何れかまたは両者を作り出し、予め定められた周期で電圧センサ補正を定期的に実施することで、総電圧センサの温度ドリフトによりゲインが変動した場合でも、常に補正することが可能となり、総電圧センサ自体のゲイン補正を行うと共に、総電圧センサの温度ドリフトによるゲイン補正も同時に行うことが可能となる。

図５は総電圧センサ１の温度ドリフトにより総電圧センサ１のゲインが変化する状況を示したもので、総電圧センサ温度が高くなった時と低くなった時とのゲイン変化の状況を示したものである。いずれの場合に対しても図５における実線で示す値となるように補正する。すなわち、図２の場合と同様に、全セルの総和電圧の変化から総電圧センサ１のゲインを補正することになるため、これにより温度ドリフトの影響も自動的に補正することになる。

図６はこの手順を示すもので、セル測定系を含むセルコントローラ３を介して各セル（Ｖc1〜Ｖcn）の電圧をそれぞれ順次測定し、この一連の各セル電圧測定の前後における組電池の総電圧センサにより測定開始直前の総電圧Ｖsfおよび直後の総電圧Ｖseとを測定する。これにより得られた両測定値の差は下記（３）式で与えられる。
Ｖsf−Ｖse＝ΔＶs （３）
ここで、ΔＶsは組電池総電圧の変動分を示しており、この変動分が予め定められた既定値より小さければ、補正処理は有効に行われる。これに対し、この既定値よりも大きければ、それ以前に使用した補正係数Ｋを使用する。

このように、本発明の方法によれば、総電圧センサに温度ドリフトが発生した場合でも、温度ドリフトによる出力誤差を、温度検出を行うことなくゲイン補正を行うことで低減出来、組電池総電圧は総電圧センサに対して要求される精度で常に測定することが可能となる。

（実施の形態３）
セルコントローラ３の動作はバッテリコントローラ４で監視しており、セルコントローラ３が故障とバッテリコントローラ４が判断した場合、セルコントローラ３による総電圧センサ１の補正動作を自動的に停止し、組電池の総電圧検出用の総電圧センサ１による検出値をそのままマイコン内のバッテリコントローラにおいて認識電圧として使用することでセルコントローラが故障した場合でも動作を継続させることが可能になる。この場合は一時的処置として補正係数Ｋせず、総電圧センサ１の出力Ｖsのみを使用する。

ここで、セルコントローラの故障検出方法を図７に示す。図７において、セルコントローラ３からの信号をバッテリコントローラ４側で受信し、この受信信号からセルコントローラ３の正常／異常をバッテリコントローラ４で判定している。これにより、セルコントローラの何れかが故障と判断された場合に、電圧センサの読み取り誤差は大きくなるが、この状態のまま動作を継続させることが可能となる。

図８に以上述べた総電圧センサ補正による組電池の総電圧補正処理のフロー図を示す。図８において、電源投入（Ｓ０１）後、全セルの電圧Ｖc1〜Ｖcnを読み込み、これら電圧値の総和Ｖcを求める（Ｓ０２）。次にセルコントローラが正常か否かを判定する。ここで、正常であれば（Ｓ０３／Ｙｅｓ）組電池全体の総電圧Ｖsを読み込み（Ｓ０４）、続いて式（１）によりゲイン補正係数Ｋを算出し、メモリ内に記憶されているゲイン補正係数Ｋを書き換える（Ｓ０５）。これにより得られたゲイン補正係数Ｋを用いて、補正後における組電池の総電圧値Ｖsrを式（２）により算出する（Ｓ０６）。

以上の各演算処理が終えたところで組電池の電圧が安定し、総電圧センサ補正モード開始待ちの状態となる（Ｓ０７）。ここでは、組電池の電圧安定は、所定時間内での電圧変化が予め設定された電圧範囲以上変化する場合は安定していない（Ｓ０７／Ｎｏ）と判断し、この電圧範囲以内であれば安定した（Ｓ０７／Ｙｅｓ）と判断して総電圧センサ補正モードの動作に移る（Ｓ０８）。この総電圧センサ補正モードにおいては総電圧センサ出力に対してセンサ補正係数を乗じて補正後の総電圧Ｖsrの求め直しを行い確認する。続いて全セルの総電圧（ステップＳ０２と同じ処理でこれをＶsfとする）を再び求め、これにより得られた結果をＶseとする（Ｓ０９）。これら総電圧値ＶsfおよびＶseの差を求め上記一連の処理前後における組電池における総電圧の変化が所定の値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０）。この結果、総電圧の変化が小さい時（Ｓ１０／Ｙｅｓ）はステップＳ０３に戻り、総電圧の変化が所定の値を超えた場合（ステップＳ１０／Ｎｏ）はＳ０７に戻り、当該処理の前の処理に際して使用した総電圧センサ補正係数Ｋを用いて再計算が行われる。

また、ステップＳ０３においてセルコントローラ３に異常がある場合（Ｓ０２／Ｎｏ）は、センサ補正の演算処理を行うことなく組電池の総電圧Ｖsのみを読み取り（ステップＳ１１）、このデータに補正異常である旨を車両システムに通知するコメントを付加（ステップＳ１２）し、ステップＳ０７に入力し、以降はこの総電圧値Ｖsのみにて処理を進める。

尚、上記実施の形態１乃至３においては、全セルの電圧の総和Ｖcと総電圧センサ１により測定した総電圧Ｖsとの比に基づいて、総電圧Ｖsを補正しているが、これに限らず例えばセル電圧の総和Ｖcと総電圧Ｖsとの差に基づいて総電圧Ｖsを補正してもよい。但し、ゲイン変動による誤差の大きさは電圧値によって変動するため、セル電圧の総和Ｖcと総電圧Ｖsとの差に基づいて補正する場合は検出する電圧値の範囲が比較的小さい場合に適用可能であり、検出電圧値の範囲によらずに正確な検出値を得るためには、実施の形態１乃至３に記載のようにセル電圧の総和Ｖcと総電圧Ｖsとの比に基づいて補正することが好ましい。

本発明による組電池の電圧検出の基本手順を示すブロック図。 測定誤差補正の原理説明図。 従来の電圧測定回路におけるゲイン補正回路。 組電池電圧検出装置の基本構成図。 総電圧センサの温度ドリフト補正原理説明図。 総電圧センサの温度ドリフト補正部の原理構成図。 セルコントローラ故障検出方法の原理構成図。 組電池の総電圧補正処理のフロー図。

符号の説明

１：総電圧センサ ２：マイコン
３：セルコントローラ ４：バッテリコントローラ
５：車両システムコントローラ

Claims (4)

1. 複数の単電池を電気的に直列接続した組電池の総電圧を検出する該組電池の電圧検出装置において、
   前記組電池を構成している単電池である複数のセルの電圧を検出する複数のセル電圧検出センサと、
   前記組電池の正負極端子に接続されて前記組電池の第１の総電圧を検出する総電圧検出センサと、
   前記複数のセルの電圧検出センサによって検出された前記各セルの電圧の和として組電池の第２の総電圧を算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出した前記組電池の第２の総電圧と、前記総電圧検出センサにより検出した第１の総電圧とに基づいて予め補正係数を算出しておく補正係数算出手段と、
   前記補正係数算出手段によって予め算出された前記補正係数に基づいて、前記組電池の第１の総電圧を補正する総電圧補正手段と、を有することを特徴とする組電池の電圧検出装置。
2. 請求項１に記載の組電池の電圧検出装置において、
   前記総電圧検出センサの補正を行う前記総電圧補正手段は、電池電圧の変化の小さい時に補正処理を行うものとし、該電池電圧の変化の小さい時としては当該装置の電源投入後の立ち上がり処理を実行中の期間であることを特徴とする組電池の電圧検出装置。
3. 請求項１に記載の組電池の電圧検出装置において、
   前記総電圧検出センサの補正を行う前記総電圧補正手段は、電池電圧の変化の小さい時に補正処理を行うものとし、該電池電圧の変化の小さい時としては前記組電池の充放電電流が予め定められた電流値以下に制御されている状態であることを特徴とする組電池の電圧検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れかに記載の組電池の電圧検出装置において、
   前記セルの充電状態を調べるセルコントローラの正常または異常を検出する異常検出手段がバッテリコントローラに搭載されており、前記セルコントローラに異常が生じた場合に、セルコントローラにおける前記総電圧補正手段の動作を禁止する補正禁止手段を有することを特徴とする組電池の電圧検出装置。

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