JP4241787B2 - 組電池総電圧検出およびリーク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は組電池の総電圧検出およびリーク検出装置に関するものである。

従来、例えば、純正電気自動車（ＰＥＶ）あるいはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）用電池では、入力と出力が絶縁された総電圧検出回路が用いられてきた。絶縁が必要な理由は、高電圧が車両のシャーシグラウンドと短絡すると乗員が感電する危険があるからである。このため、車両のシャーシグラウンドに接続される制御回路と高電圧系の回路とは直流的に絶縁されている。その絶縁抵抗の値は一般的に１０ＭΩ以上と非常に高い値が要求されている。この回路構成としては、組電池電圧を分圧してＡＤコンバータで電圧を測定し、フォトカプラで絶縁して信号伝送する方法、組電池電圧を抵抗を介して電流に変換し、ホール素子を用いて絶縁しながら電流−電流変換して電圧として測定する方法などが用いられてきた。

図２にその一例を示す。組電池１の総電圧は抵抗２と抵抗３を用いて低電圧に分圧され、ＡＤコンバータ４の入力電圧となる。ＡＤコンバータ４は基準電圧源５を基準電圧とし絶縁電源６で作動する。ＡＤコンバータ４はフォトカプラ部７で絶縁され、高電圧系と絶縁された電源で作動するマイクロコンピュータ８との間で、作動制御とデータ通信が行われる。

リーク検出回路としては、高電圧の直流電源端子にコンデンサと抵抗の直列回路を接続し、矩形波を抵抗側に印加して、コンデンサと抵抗との接続点に発生する交流電圧成分の振幅からリークを検出する回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、図３に示すように、組電池の総電圧端子と制御回路のグランド（ＧＮＤ）間に高抵抗の分圧回路を設け、分圧電圧を測定することでリーク判定を行う回路も知られている。後者の回路では、組電池１の電圧を抵抗９、１０、１１、１２を用いて分圧し、抵抗１１、１２の接続点がグランドに接続されている。抵抗１０、１１に発生する電圧はコンパレータ１３、１５の入力となり、それぞれ基準電圧部１４と基準電圧部１６の電圧と比較される。コンパレータ１３、１５の出力はフォトカプラ部１７を通じて絶縁され、マイクロコンピュータ８の入力ポートを介して検出される。基準電圧部１４、１６はマイクロコンピュータ８からフォトカプラ部１７を通じて制御され、出力電圧は可変である。また、絶縁電源１８はコンパレータ１３、１５および基準電圧部１４、１６に電源を供給する。

この構成で、リーク抵抗１８が無限大の場合には、抵抗１０と抵抗１１の両端に発生する電圧は等しく、かつ、組電池の電圧に比例する。図３に示すように、リーク抵抗１８が組電池１の＋端子とグランド間に存在してリークした場合、抵抗９、１０の直列抵抗にリーク抵抗１８が並列に接続されるので、抵抗９と抵抗１０の両端の電圧はリーク抵抗が無限大の場合に比べて減少する。従って、抵抗１０の両端の電圧も減少する。このため、基準電圧源１４の電圧を総電圧に比例して適宜に選定すれば、コンパレータ１３が動作してリーク検知が可能である。その場合、基準電圧部１４の出力電圧はマイクロコンピュータ８が組電池１の総電圧に応じて制御すればよい。この例では組電池１の＋端子とグランド間にリーク抵抗を接続した場合の説明であるが、組電池１の−端子とグランド間にリーク抵抗が存在した場合には抵抗１１の両端の電圧が減少するので、コンパレータ１５により、同様にリーク検知が可能である。

図４に、９６個の単電池を直列接続した組電池で図３の構成を実現して抵抗１０の両端の電圧を実測した結果を示す。図４に示すように、リーク抵抗が小さくなると抵抗１０の両端に発生する電圧が小さくなり、リークを検出することが可能である。なお、組電池と制御回路の間は絶縁が必要なため、分圧抵抗に用いる抵抗は非常に大きな値を用いる必要があり、一般的には高抵抗を複数以上直列に接続して構成している。

特許２９３３４９０号

ところが、従来の組電池の総電圧検出回路およびリーク検出回路では、絶縁型の電圧センサ、ＡＤコンバータ、絶縁電源、あるいはフォトカプラなどが必要なためコスト高となる、という問題点がある。また、組電池の正確な総電圧とリーク検出のためにはＡＤコンバータの基準電圧の精度を高くしなければならず、基準電圧源のコストも高くなる。当然ながら、従来の回路では部品点数も多くなり、回路基板の面積も大きくなる、という問題点もある。

本発明は上記事案に鑑み、小型で低コストの組電池総電圧検出およびリーク検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、組電池の総電圧を測定するための制御回路と、前記組電池の正極端子と前記制御回路のグランド端子との間に挿入された第１の抵抗分圧回路と、前記組電池の負極端子と前記制御回路のグランド端子との間に挿入された第２の抵抗分圧回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧を測定して、該測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和により前記組電池の総電圧を検出し、前記測定した第１の抵抗分圧回路の出力電圧に対する前記測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和の比率が設定値範囲外であれば、前記組電池とグランドとの間にリークが存在することを検出することを特徴とする。

本発明では、制御回路が、第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧を測定して、該測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和により組電池の総電圧を検出し、第１の抵抗分圧回路の出力電圧に対する第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和の比率が設定値範囲外であれば、組電池とグランドとの間にリークが存在することを検出する。図５は、組電池の総電圧を変えた場合に、組電池の正極端子とグランドとの間にリーク抵抗が存在したときの、第１の抵抗分圧回路の出力電圧に対する第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和の比率を示したものである。リーク抵抗が無限大であれば、比率は５０％となり、リーク抵抗が小さくなるほど比率は低下し、組電池の電圧に関係なくリーク抵抗の検出が可能となる。従って、本発明によれば、コスト高となる絶縁型の電圧センサ、ＡＤコンバータ、絶縁電源、あるいはフォトカプラを用いず、小型で低コストの組電池総電圧検出およびリーク検出装置を実現することができる。

本発明において、第１および第２の抵抗分圧回路を構成する抵抗を規定の絶縁抵抗値以上とすることで、組電池（高電圧系の回路）とグランド間の規定の絶縁状態を確保することができる。また、制御回路は差動増幅器を有しており、制御回路は、総電圧の測定時に、記第１の抵抗分圧回路の出力を差動増幅器の正相入力端子に接続するとともに第２の抵抗分圧回路の出力を差動増幅器の逆相入力端子に接続して差動増幅器の出力電圧を測定することで組電池の総電圧の検出を行い、リーク検出時には、差動増幅器の逆相入力端子をグランドに接続して差動増幅器の出力電圧を測定することでリーク検出を行うようにしてもよい。このとき、差動増幅器が、内部で逆相入力端子がグランドに接続切り替えが可能な集積回路内に実装されていれば、集積回路を用いるため部品点数は大幅に削減され信頼性を高めることができるとともに、集積回路内の差動増幅用抵抗のトリミングで精度を上げることが可能となる。

本発明によれば、制御回路が、第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧を測定して、該測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和により組電池の総電圧を検出し、第１の抵抗分圧回路の出力電圧に対する第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和の比率が設定値範囲外であれば、組電池とグランドとの間にリークが存在することを検出するため、コスト高となる絶縁型の電圧センサ、ＡＤコンバータ、絶縁電源、あるいはフォトカプラを用いず、小型で低コストの組電池総電圧検出およびリーク検出装置を実現することができる、という効果を得ることができる。

以下、本発明に係る組電池総電圧検出およびリーク検出装置の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の検出装置３０は、分圧抵抗９〜１２、差動増幅器２０を内蔵した集積回路１９、内蔵されたＡＤコンバータを介して集積回路１９からの出力を取り込むことで、組電池１の総電圧を検出するとともに、組電池１とグランド間のリークを検出するマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する。）８、マイコン８に内蔵されたＡＤコンバータに基準電圧を与える基準電圧源２２を有している。

組電池１は、多数個の単電池を直列ないし直並列に接続した単電池群であり、電気自動車用電源として使用される場合に、単電池には、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を用いることができる。

組電池１の正極端子には抵抗９、１０が直列に接続されており、抵抗１０の他端はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。一方、組電池１の負極端子には抵抗１２、１１が直列に接続されており、抵抗１１の他端はグランドに接続されている。このグランドはマイコン８のグランド端子と同電位である。換言すれば、抵抗９、１０は正極側（第１の）抵抗分圧回路を構成しており、正極側抵抗分圧回路は組電池１の正極端子とマイコン８のグランド端子との間に挿入されている。また、抵抗１２、１１は負極側（第２の）抵抗分圧回路を構成しており、負極側抵抗分圧回路は組電池１の負極端子とマイコン８のグランド端子との間に挿入されている。抵抗９、１２には高抵抗が用いられ、組電池１とマイコン８のグランド端子との間の絶縁抵抗値が規定の（例えば、組電池１が車両用電源の場合には、車両に要求される規定の）絶縁抵抗値以上となるように設定されている。

集積回路１９は、その内部に逆相入力端子（−入力端子）がグランドに切り替え可能なスイッチ２１を有した差動増幅器２０を有している。すなわち、差動増幅器２０の逆相入力端子はＦＥＴ等で構成されたスイッチ２１に接続されており、スイッチ２１の一端は負極側抵抗分圧回路を構成する抵抗１２、１１の接続点に接続されており、スイッチ２１の他端はグランドに接続されている。また、差動増幅器２０の正相入力端子（＋入力端子）は正極側抵抗分圧回路を構成する抵抗９、１０の接続点に接続されている。集積回路１９のグランド端子はマイコン８と同電位のグランドに接続されている。なお、図１では、差動増幅器２０やスイッチ２１を適正に作動させるための抵抗を捨象している。

マイコン８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータを含んで構成されている。マイコン８の出力ポートは集積回路１９のスイッチ２１を制御する端子に接続されており、マイコン８のＡＤ入力ポートは集積回路１９内の差動増幅器２０の出力端子に接続されている。また、マイコン８は基準電圧入力ポートを有しており、基準電圧入力ポートは基準電圧源２２に接続されている。なお、マイコン８内では、出力ポートはＤＡコンバータに、ＡＤ入力ポートはＡＤコンバータに、基準電圧入力ポートはＡＤコンバータにそれぞれ接続されている。

マイコン８の出力ポートからスイッチ２１に信号（例えば、ハイレベル信号）を出力しスイッチ２１を組電池１の負極側抵抗分圧回路に接続させ、差動増幅器２０の出力電圧をマイコン８のＡＤコンバータで総電圧測定値としてデジタル電圧値に変換して取り込むことで、組電池１の総電圧を測定する。一方、マイコン８の出力ポートからスイッチ２１に信号（例えば、ローレベル信号）を出力し集積回路８のスイッチ２１をグランド側に切り替えることで、差動増幅器２０は組電池１の正極側抵抗分圧回路の電圧を出力する。マイコン８は、この電圧をＡＤコンバータでリーク検出測定値としてデジタル電圧値に変換して取り込み、このリーク検出測定値と総電圧測定値との比率を計算することでリーク検出の判定を行う。

なお、本実施形態の検出装置３０では、主制御回路素子であるマイコン８のＡＤコンバータを測定に使用するので、マイコン８に接続される基準電圧源２２が使用でき、従来の総電圧検出およびリーク検出回路のように特別の基準電圧源を設ける必要はない。また、本実施形態の検出回路３０は、総電圧およびリークの検出精度が抵抗９〜１２の抵抗値に依存するので、必要な精度に応じて精密な抵抗を用いればよい。

実際に図１に示した回路構成で総電圧検出とリーク検出を行なった。図１の回路において、組電池１はリチウムイオン電池を９６直列で用い、分圧抵抗は抵抗９、１２が１ＭΩの抵抗を各々１０直列とし、抵抗１０、１１は１００ｋΩとした。差動増幅器２０の増幅率は１とし、マイコン８のＡＤコンバータの入力範囲を０〜５Ｖとした。

この定数で組電池１の電圧を変え、差動増幅器２０の出力電圧をマイコン８で測定したときの差動増幅器２０の出力電圧と組電池１の総電圧との間の特性を図６に示す。図６に示すように、組電池１の総電圧に比例して測定電圧が変化しており、総電圧の測定が可能である。また、図７は組電池の正極端子および負極端子間に抵抗を接続して、リーク検出を行なった場合の特性である。図７に示すように、リーク検出測定値と総電圧測定値の比率（電圧比）が、リーク抵抗１８（図１参照）の抵抗値により変化し、リーク検出が可能である。従って、上記実施形態では、図５および図６に示したテーブル（または相関式）をマイコン８のＲＯＭに格納しておき、ＲＡＭに展開されたテーブルを参照して（または相関式で演算して）、組電池１の総電圧を求め、さらに、リーク抵抗の抵抗値を算出してリーク抵抗の抵抗値が所定値未満かを判断することによりリーク検出を行う。

本実施形態の検出回路３０は、組電池１の総電圧の測定時には、正極側抵抗分圧回路の出力を差動増幅器２０の正相入力端子に接続するとともに、負極側抵抗分圧回路の出力を差動増幅器２０の逆相入力端子に接続して差動増幅器２０の出力電圧を測定することで総電圧の検出を行い、リーク検出時には、正極側抵抗分圧回路の出力を差動増幅器２０の正相入力端子に接続するとともに、差動増幅器２０の逆相入力端子をグランドに接続して差動増幅器２０の出力電圧を測定することでリーク検出を行なう構成としたので、従来の総電圧検出およびリーク検出回路のように、ホール素子など用いた特殊な絶縁型電圧センサ、絶縁電源、フォトカプラなどを必要とせず、小型、低コストで、総電圧検出とリーク検出と行なうことができる。また、回路の一部を集積回路化することにより、主制御回路素子であるマイコン８のＡＤコンバータを用いて、分圧抵抗を接続するだけで機能が実現できる。さらに、検出回路３０は集積回路１９を用いているため部品点数が大幅に削減され信頼性を高めることができるとともに、集積回路１９内の差動増幅用抵抗のトリミングで電圧検出およびリーク検出の精度を上げることができる。

なお、本実施形態では、集積回路１９をマイコン８とは別に例示したが、集積回路１９をマイコン８内に実装すれば、よりコンパクトな装置（回路）構成とすることができる。

本発明は小型で低コストの組電池総電圧検出およびリーク検出装置を提供するものであうため、組電池総電圧検出およびリーク検出装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の検出装置の回路図である。 従来の総電圧検出装置の回路図である。 従来のリーク検出装置の回路図である。 従来のリーク検出装置で組電池電圧を変えた場合のリーク抵抗と抵抗１０の電圧の関係を示す特性線図である。 本発明の総電圧検出およびリーク検出装置で組電池電圧を変えた場合の、リーク抵抗に対する第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和に対する比率を示す特性線図である。 実施例の検出装置での総電圧検出特性を示す特性線図である。 実施例の検出装置でのリーク検出特性を示す特性線図である。

符号の説明

１ 組電池
８ マイコン（制御回路の一部）
９、１０ 抵抗（第１の抵抗分圧回路の一部）
１１、１２ 抵抗（第２の抵抗分圧回路の一部）
１９ 集積回路
２０ 差動増幅器
２１ スイッチ

Claims (4)

1. 組電池の総電圧を測定するための制御回路と、
   前記組電池の正極端子と前記制御回路のグランド端子との間に挿入された第１の抵抗分圧回路と、
   前記組電池の負極端子と前記制御回路のグランド端子との間に挿入された第２の抵抗分圧回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧を測定して、該測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和により前記組電池の総電圧を検出し、前記測定した第１の抵抗分圧回路の出力電圧に対する前記測定した第１および第２の抵抗分圧回路の出力電圧の絶対値の和の比率が設定値範囲外であれば、前記組電池とグランドとの間にリークが存在することを検出することを特徴とする組電池総電圧検出およびリーク検出装置。
2. 前記第１および第２の抵抗分圧回路を構成する抵抗が、規定の絶縁抵抗値以上であることを特徴とする請求項１に記載の組電池総電圧検出およびリーク検出装置。
3. 前記制御回路は差動増幅器を有しており、前記制御回路は、総電圧の測定時には、前記第１の抵抗分圧回路の出力を前記差動増幅器の正相入力端子に接続するとともに前記第２の抵抗分圧回路の出力を前記差動増幅器の逆相入力端子に接続して前記差動増幅器の出力電圧を測定することで前記組電池の総電圧の検出を行い、リーク検出時には、前記差動増幅器の逆相入力端子をグランドに接続して前記差動増幅器の出力電圧を測定することでリーク検出を行なうことを特徴とする請求項２に記載の組電池総電圧検出およびリーク検出装置。
4. 前記差動増幅器は、内部で前記逆相入力端子がグランドに接続切り替えが可能な集積回路内に実装されたことを特徴とする請求項３に記載の組電池総電圧検出およびリーク検出装置。

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