JP4825890B2 - 電流積算回路装置およびこれを用いた二次電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電流積算回路装置およびこれを用いた二次電池パックに関し、特に高い周波数成分が含まれる電流の積算を高精度に行う技術に関する。

二次電池や二次電池パックなどにおいては、電池容量の残量を正確に計量することが求められる。この残量を求める有効な方法として、二次電池に流れる電流を積算し、その積算量によって残量を求める技術が知られている。

このような技術として、例えば、特許文献１は、電池容量の残量を正確に計量できる二次電池パツクの残容量計量装置を開示している。図７は、この残容量計量装置の構成を示すブロック図である。

二次電池パック１００には二次電池１１０が収納されており、充電器から二次電池１１０に供給される充電電流ｉ１と二次電池１１０から放電されてホスト装置に供給される放電電流ｉ２によって決定される二次電池１１０に流れる電流ｉを抵抗Ｒの端子間電圧Ｖに変換し、端子間電圧Ｖから差動増幅器１４０およびＡ／Ｄ変換器１５０によって二次電池１１０の残容量の積算に用いる１６進コードＡを所定のサンプリング周期で生成し、積算回路１６０により上記１６進コードＡを用いて積算を行い、二次電池１１０の残容量に相当する残容量データＢを外部のホスト装置へ出力する。

また、特許文献２は、充放電電流がパルス電流であっても残容量を正確に測定できる二次電池の充放電検出方法を実施する装置を開示している。この装置では、図８に示すように、電池２１０と直列に挿入された電流検出用抵抗２２０の両端電圧を差動増幅器２３０を用いて増幅し、差動増幅器２３０の出力を一定時間毎にアナログ積分器２４０で積分する。マイクロコンピュータ２５０は、アナログ積分器２４０の積分電圧を用いて充放電電流を演算する。この演算した電流を積算して残存容量を計算し、以て正確な残存容量を表示する。

特開平５−２６９８７号公報 特開平１１−１３５１５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、サンプリング周波数よりも高い周波数成分が含まれる電流を積算する場合は、電流積算精度が低下するという問題がある。特に、サンプリングの狭間で、ステップ状に変化する電流の場合は、電流積算の誤差が大きくなる。この誤差を小さくするためにはサンプリング周波数を高くする必要があるが、そのためには処理能力の高い高性能のＡ／Ｄ変換器と演算回路が必要となり、装置が高価になるという問題がある。

また、特許文献２に開示された技術では、ハードウェアを用いて電流の積分処理を実行し、その後にＡ／Ｄ変換しているために、特許文献１に開示された技術の問題は改善されるが、回路構成が複雑になり、しかも正確な積分を行うための高精度な部品が必要になるので、装置が高価になるという問題がある。

本発明の課題は、電流積算を簡単な構成で高精度に行うことができる安価な電流積算回路装置およびこれを用いた二次電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、通電路を流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの出力をフィルタリングする１次遅れフィルタと、１次遅れフィルタでフィルタリングされたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号を比例積分する比例積分器を備え、前記比例積分器は、前記１次遅れフィルタのカットオフ周波数と略等しい折点周波数を有することを特徴とする。

第２の発明では、１次遅れフィルタが、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数よりも低いカットオフ周波数を有することを特徴とする。

第３の発明は、電流センサをホールＣＴで構成したことを特徴とする。第４の発明は、ホールＣＴは、単電源のみで動作することを特徴とする。第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれか１つの電流積算回路装置と、電流センサに直列に接続された二次電池と、電流積算回路装置の比例積分器により得られた電流積算結果を用いて二次電池の残容量を推定する残量推定部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高い周波数成分が含まれる電流であっても、その電流積算を簡単な構成で高精度に行うことができる安価な電流積算回路装置およびこれを用いた二次電池パックを提供できる。

第１の発明によれば、１次遅れフィルタによる高周波減衰効果と比例積分器による積分効果により、電流積算が可能となる。また、高い周波数成分が含まれる電流であっても、１次遅れフィルタと比例積分器の周波数特性を対応付けることにより、サンプリング周波数よりも低い周波数帯域において一様な積分特性が得られ、電流積分の均質な応答性を実現できる。

第２の発明によれば、高い周波数成分が含まれる電流であっても、１次遅れフィルタによる高周波減衰効果と比例積分器による積分効果により、高い周波数成分に起因する積分誤差を軽減できる。

第３の発明によれば、高い周波数成分が含まれる電流であっても、１次遅れフィルタと比例積分器の周波数特性を対応付けることにより、サンプリング周波数よりも低い周波数帯域において一様な積分特性が得られ、電流積分の均質な応答性を実現できる。

第３の発明によれば、電流経路に非接触で電流を計測でき、かつ、その検出結果が比較的大きな電圧で得られるために、絶縁やノイズの問題が軽減される。

第４の発明によれば、１次遅れフィルタを受動素子だけで実現できるために、簡単な回路で１次遅れフィルタを実現できる。

第５の発明によれば、簡単な回路で電流積算精度が高い二次電池パックを実現できる。

本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックで使用される１次遅れフィルタの構成例を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックで使用される１次遅れフィルタの他の構成例を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックで使用されるオペアンプを使った１次遅れフィルタの構成例を示す回路図である。 従来の電流積算結果の一例を示す図である。 本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックの電流積算結果の例を示す図である。 従来の電流積算回路装置の一例としての二次電池パックの残容量計量装置の構成を示すブロック図である。 従来の電流積算回路装置の他の例としての二次電池の充放電検出方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電流積算回路装置を用いた二次電池パックの構成を示すブロック図である。二次電池パックは、筐体１に収容された二次電池２、筐体１に設けられたプラス端子３およびマイナス端子４、二次電池２とマイナス端子４との間（本発明の「通電路」に対応する）に配置された電流センサ５ならびに制御基板９を備える。

制御基板９には、１次遅れフィルタ６、マイクロコンピュータ１０および電圧検出回路１４が搭載されている。マイクロコンピュータ１０は、Ａ／Ｄ変換器１１、比例積分器１２および残量推定部１３を備える。本発明の電流積算回路装置は、電流センサ５、１次遅れフィルタ６、Ａ／Ｄ変換器１１および比例積分器１２から構成されている。

二次電池２は、例えば、複数のリチウムイオン電池セルが直列に接続されて構成されている。二次電池２の正極はプラス端子３に接続され、負極は電流センサ５を介してマイナス端子４に接続されている。実施例１に係る二次電池パックが、例えばハイブリッド自動車に搭載されてエンジンアシスト用に使用される場合は、これらプラス端子３とマイナス端子４は、コンタクタなどを介してモータドライブ用のインバータの直流端子に接続される。

二次電池２の近傍には温度センサ８が配置されており、二次電池２の温度を検出する。温度センサ８で検出された温度は、温度信号としてマイクロコンピュータ１０の残量推定部１３に送られる。

電流センサ５は、例えば単電源のみで動作するタイプのホールＣＴ（Current Transformer）から構成されており、二次電池２を流れる電流ｉ（ｔ）によって発生する磁束を検出することにより該電流ｉ（ｔ）に比例した電圧を出力する。電流センサ５から出力された電圧は、信号ｕ（ｔ）として１次遅れフィルタ６に送られる。

なお、電流センサ５としては、ホールＣＴに限らず、電流経路に電流が流れることによって発生する電圧降下によって電流の大きさを検出するシャント抵抗などを利用することもできる。しかしながら、ホールＣＴは、電流経路に非接触で電流の大きさを計測でき、かつ、その出力として比較的大きな電圧が得られるという優れた特徴を有するので、電流センサ５としては、ホールＣＴを用いるのが好ましい。

また、ホールＣＴの種類によっては、計測する電流に比例した電流を出力するタイプも存在するが、この種のホールＣＴの場合は、抵抗を使用して出力された電流を電圧に変換することにより、電圧を出力するタイプのホールＣＴと同様の動作を行わせることができる。

１次遅れフィルタ６は、電流センサ５から送られてくる信号ｕ（ｔ）をフィルタリングすることにより高い周波数成分を除去し、信号ｕｆ（ｔ）としてマイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄ変換器１１に送る。１次遅れフィルタ６はＡ／Ｄ変換器１１のサンプリング周波数よりも低いカットオフ周波数を有するように構成されている。１次遅れフィルタ６の詳細は後述する。

マイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄ変換器１１は、１次遅れフィルタ６から送られてくる信号ｕｆ（ｔ）を一定周期でサンプリングし、信号ｕｆ（ｋ）として比例積分器１２に送る。

比例積分器１２は、Ａ／Ｄ変換器１１から送られてくる信号ｕｆ（ｋ）に対して比例積分処理を実行する。比例積分器１２で比例積分処理することにより得られた値は、電流積算結果ｗ（ｋ）として、二次電池２のＳＯＣ（State Of Charge：充電状態）を推定するために、残量推定部１３に送られる。

残量推定部１３は、比例積分器１２から送られてきた電流積算結果ｗ（ｋ）に基づきＳＯＣの変化分を求め、温度センサ８から送られてくる温度信号によって示される二次電池２の温度、電圧検出回路１４から送られてくる電圧信号（詳細は後述する）によって示される二次電池２の電圧、および、Ａ／Ｄ変換器１１から送られてくる信号ｕf（ｋ）を用いてＳＯＣの絶対量などを求める。残量推定部１３で求められたＳＯＣは、図示しない上位のシステムに通信により伝達される。

電圧検出回路１４は、二次電池２の電圧を検出する。この電圧検出回路１４で検出された電圧は、電圧信号としてマイクロコンピュータ１０の残量推定部１３に送られる。

図２は、１次遅れフィルタ６の構成例を示す回路図である。１次遅れフィルタ６は、抵抗値Ｒの抵抗器２２と容量値Ｃのコンデンサ２１とから構成されている。抵抗器２２の一端は１次遅れフィルタ６の入力端子であり、電流センサ５から送られてくる信号ｕ（ｔ）が入力される。抵抗器２２の他端は、コンデンサ２１を介して接地されている。抵抗器２２の他端は、１次遅れフィルタ６の出力端子であり、フィルタリングされた信号ｕｆ（ｔ）を出力する。この１次遅れフィルタ６の時定数τは、下記（１）式で表される。

図３は、１次遅れフィルタ６の他の構成例を示す回路図である。１次遅れフィルタ６は、抵抗値Ｒ１の抵抗器２３、抵抗値Ｒ２の抵抗器２４および容量値Ｃのコンデンサ２１から構成されている。抵抗器２３の一端は１次遅れフィルタ６の入力端子であり、電流センサ５から送られてくる信号ｕ（ｔ）が入力される。抵抗器２３の他端は、抵抗器２４を介して接地されるとともに、コンデンサ２１を介して接地されている。抵抗器２３の他端は、１次遅れフィルタ６の出力端子であり、フィルタリングされた信号ｕｆ（ｔ）を出力する。１次遅れフィルタ６は、直流ゲインをＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）にする効果があり、電流センサ５の出力に対してＡ／Ｄ変換器１１の入力の振幅を小さくすることができる。

電流センサ５としてシャント抵抗を使用する場合は、電流センサ５から出力される信号ｕ（ｔ）は微小であるために、１次遅れフィルタ６により信号を増幅する必要がある。この場合は、オペアンプを使用した１次遅れフィルタ６を用いることができる。図４は、オペアンプを使用した１次遅れフィルタ６の構成例を示す回路図である。１次遅れフィルタ６は、抵抗値Ｒ３の抵抗器２５、抵抗値Ｒの抵抗器２２、容量値Ｃのコンデンサ２１、バイアス電圧源２６およびオペアンプ２７から構成されている。

抵抗器２５の一端は１次遅れフィルタ６の入力端子であり、電流センサ５から送られてくる信号ｕ（ｔ）が入力される。抵抗器２３の他端は、オペアンプ２７の反転入力端子（−）に接続されている。オペアンプ２７の出力端子と反転入力端子との間には、容量値Ｃのコンデンサ２１および抵抗値Ｒの抵抗器２２が並列に接続されている。オペアンプ２７の出力端子は、１次遅れフィルタ６の出力端子であり、フィルタリングされるとともに増幅された信号ｕｆ（ｔ）を出力する。オペアンプ２７の非反転入力端子（＋）にはバイアス電圧源２６から電圧Ｖｂが供給される。上記のように構成されるオペアンプを使用した１次遅れフィルタ６の回路は一般的であるので動作の説明は省略するが、その時定数τは、図２に示した１次遅れフィルタの回路と同一にされる。

また、電流センサ５としてシャント抵抗を使用する場合は、電流センサ５から送られてくる信号ｕ（ｔ）は、電流の極性に応じて正側および負側に振れるため、Ａ／Ｄ変換器１１には、負極性入力を許容する機能が必要となる。

しかしながら、マイクロコンピュータ１０に搭載されているＡ／Ｄ変換器１１は、一般に正極性しか入力できないため、電流センサ５の出力にオフセットを乗せて、Ａ／Ｄ変換器１１へ入力する信号ｕf（ｔ）を正極性とする必要がある。図４に示す１次遅れフィルタ６は、信号ｕf（ｔ）を正極性とする機能も有する。このように、シャント抵抗を使用すると、図２や図３に示した回路のように簡単な構成ではなく、やや複雑な構成の回路が必要となる。

電流センサ５の出力にオフセットを乗せずに使用するために、正極性および負極性の両方の入力に対応したＡ／Ｄ変換器をマイクロコンピュータ１０とは別に設けることもできるが、個別部品として提供されるＡ／Ｄ変換器は比較的高価であり、回路も複雑化するというデメリットがある。

また、ホールＣＴとしては、必ずしも単電源で動作するものを使用する必要はないが、ホールＣＴに±電源（単電源ではない）を使用するタイプでは、電流の極性に応じて信号ｕ（ｔ）が正負に振れるために、シャント抵抗を利用した場合と同様に、オペアンプによる１次遅れフィルタまたは個別部品として提供されるＡ／Ｄ変換器が必要となる。

１次遅れフィルタ６の伝達関数Ｆ（ｓ）は、下記（２）式で表される。

ここで、Ｋは１次遅れフィルタ６のゲインであり、図２に示す回路では「１」となる。時定数τを用いて１次遅れフィルタ６のカットオフ周波数を表現すると１／τとなる。

比例積分器１２はデジタル演算を行うために、一般的には、その伝達関数は離散系で表現されるが、ここでは理解しやすいように、連続系の伝達関数で表現すると、比例積分器１２の伝達関数Ｇ（ｓ）は、下記（３）式で表される。

ここで、Ｍはゲインを示し、ωは比例積分器１２の折点周波数を表す。

この折点周波数ωを１次遅れフィルタ６のカットオフ周波数１／τに等しく設定すると、電流センサ５の出力から電流積算結果までの伝達関数Ｈ（ｓ）は、下記（４）式で表され、積分の伝達関数形式となる。なお、比例積分器１２の折点周波数ωは、１次遅れフィルタ６のカットオフ周波数１／τに厳密に等しい必要はない。

図５は、従来の電流積算結果の一例を示す図である。図５は、二次電池２に流れる電流ｉ（ｔ）、電流センサ５から出力される信号ｕ（ｔ）を積分した信号∫ｕ（ｔ）dｔ（高い周波数成分を含まない信号ｕ（ｔ）を積分した場合の理想的な積分結果）、および、電流センサ５から出力される信号ｕ（ｔ）を直接にＡ／Ｄ変換器１１に入力して、そのＡ／Ｄ変換されたデータを積分演算した信号ΔｔΣｕ（ｋ）を示している。ここで、Δｔは、Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔を示す。

電流ｉ（ｔ）は、実際には、高い周波数成分を含んだ方形波状の電流である。図５においては、方形波の周波数が高すぎるために、一部直線的な波形や黒く塗りつぶしたような波形として示されている。このように、高い周波数成分を含む信号ｕ（ｔ）を直接にサンプリングして積分演算しても、理想的な積分結果∫ｕ（ｔ）dｔに対する誤差が大きくなることがあり、十分な積算精度が得られない。これは、Ａ／Ｄ変換のサンプリングに対して高い周波数成分が含まれていることにより、Ａ／Ｄ変換したデータに本来は存在しないような直流成分が観測されることに起因する。

図６は、図１に示した回路に、上記と同様な電流を流したときの波形である。ここで、ΔｔΣｕf（ｋ）は、信号ｕf（ｋ）を単純に積分演算した波形を示す。ΔｔΣｕf（ｋ）でも平均的な値のみを見れば、真の積分結果∫ｕ（ｔ）dｔの平均的な値と同じ値が観測されるが、真の積分結果∫ｕ（ｔ）dｔに対して追従性が悪い。

これに対して、比例積分器１２を通した信号ｗ（ｋ）は、図５に示す理想的な積分結果∫ｕ（ｔ）dｔと略同一の波形が再現されており、追従性の高さと誤差の少なさを確認できる。

上述した（３）式に示す伝達関数は、実際にはマイクロコンピュータ１０によるデジタル演算によって実現されるために、サンプリング周波数による制約を受けるが、電流に含まれるサンプリング周波数以上の周波数成分を１次遅れフィルタ６で十分減衰させることにより、低い周波数からサンプリング周波数付近まで一様な積分特性を得ることができ、高い積分精度と応答性を確保できる。

また、上述した構成によって求められた電流積算結果ｗ（ｋ）は、高い精度と応答性を有するため、電流積算結果ｗ（ｋ）を使用して二次電池パックのＳＯＣを推定することにより、高精度の残量推定を行うことができる安価な二次電池パックを実現できる。

本発明は、電池容量の残量を正確に計量することが求められる二次電池パックなどに利用可能である。

１ 二次電池パック
２ 二次電池
３ プラス端子
４ マイナス端子
５ 電流センサ
６ １次遅れフィルタ
８ 温度センサ
９ 制御基板
１０ マイクロコンピュータ
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ 比例積分器
１３ 残量推定部
１４ 電圧検出回路
２１ コンデンサ
２２〜２５ 抵抗器
２６ バイアス電圧源
２７ オペアンプ

Claims (5)

1. 通電路を流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサの出力をフィルタリングする１次遅れフィルタと、
   前記１次遅れフィルタでフィルタリングされたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号を比例積分する比例積分器と、
   を備え、
   前記比例積分器は、前記１次遅れフィルタのカットオフ周波数と略等しい折点周波数を有することを特徴とする電流積算回路装置。
2. 前記１次遅れフィルタは、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数よりも低いカットオフ周波数を有することを特徴とする請求項１記載の電流積算回路装置。
3. 前記電流センサは、ホールＣＴから成ることを特徴とする請求項１又は請求項２項記載の電流積算回路装置。
4. 前記ホールＣＴは、単電源のみで動作することを特徴とする請求項３記載の電流積算回路装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電流積算回路装置と、
   前記電流センサに直列に接続された二次電池と、
   前記電流積算回路装置の比例積分器により得られた電流積算結果を用いて前記二次電池の残容量を推定する残量推定部と、
   を備えることを特徴とする二次電池パック。

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