DE60111298T2 - Multiplex Spannungssignalmessgerät - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung und genauer auf eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer Spannung einer jeden von N in Reihe geschalteten Spannungsquellen.
  • 2. BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN GEBIETS
  • Eine elektrische Hochleistungsquelle aus mehreren hundert Spannungen für ein Elektrofahrzeug wird durch eine Anzahl von sekundären Batteriezellen wie etwa Nickel-Wasserstoff-Speicherzellen gebildet, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Jede der in Reihe geschalteten Batteriezellen sollte bezüglich ihrer Kapazität zwecks Ladungs-/Entladungssteuerung überwacht werden.
  • Insbesondere erzeugt eine Batterie, die durch 240 in Reihe geschaltete Zellen gebildet wird, eine Gesamtspannung von 288 V. In einer derartigen Batterie ist es physikalisch schwierig, jede Zelle zu überwachen. In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-140204 wird beispielsweise die Spannung für jedes von 24 Modulen gemessen, von denen jedes 10 Zellen enthält.
  • In einem Elektrofahrzeug sind Hochspannungssysteme von einem Fahrgestell elektrisch isoliert, um gefährliche Bedingungen zu vermeiden. Andererseits sollte, da ein Prozessor zur Ladungs-/Entladungssteuerung ein Potential des Fahrgestells als ein Referenzpotential verwendet, die Spannung einer Batterie isoliert gemessen werden.
  • In der Batterie, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-140204 offenbart ist, ist eine Isolationsschaltungseinheit, die einen Operationsverstärker, einen AD-Umsetzer, einen Optokoppler, eine Leistungsversorgung usw. enthält, für jedes Modul vorgesehen. Der Aufbau einer derartigen Batterie ist ungeheuer kompliziert.
  • Als Mittel zum isolierten Messen der Ausgangsspannung eines Sensors oder ähnlichem ist ein fliegender Kondensator bekannt. 3 zeigt einen Aufbau einer Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 300. In diesem Beispiel beträgt die Anzahl der Spannungsquellen (N) 5.
  • In Reihe geschaltete Spannungsquellen V1–V5 sind mit einem Kondensator 3 über Spannungserfassungsanschlüsse T1–T6 und über einen ersten Abtastschalter 1, der durch die Schalter S1, S3 und S5 gebildet ist, und über einen zweiten Abtastschalter 2, der durch die Schalter S2, S4 und S6 gebildet ist, verbunden. Der Kondensator 3 ist mit einer Spannungsmessschaltung 5 über einen dritten Abtastschalter 4 verbunden, der aus den Schaltern 4a und 4b gebildet ist.
  • 4 ist ein Zeitablaufplan zum Öffnen/Schließen der jeweiligen Schalter S1–S6 sowie 4a und 4b. Eine Operation der Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 300 wird nun anhand der 4 in Verbindung mit 3 beschrieben.
  • Vor der Messung der Spannungen der Spannungsquellen V1–V5 werden die Schalter S1–S6 sowie 4a und 4b alle geöffnet (OFF). Währen einer Zeitdauer P1 werden zuerst die Schalter S1 und S2 geschlossen (ON), wodurch die Spannung der Spannungsquelle V1 an den Kondensator 3 angelegt und eine Ladung in dem Kondensator 3 gespeichert wird. Nachdem sie für eine vorgegebene Zeitdauer geschlossen gehalten wurden (ON), werden die Schalter S1 und S2 ausgeschaltet. Nachdem dann eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, seit die Schalter S1 und S2 ausgeschaltet wurden, wird der dritte Abtastschalter 4 (Schalter 4a und 4b) angeschaltet, wodurch die geladene Spannung in dem Kondensator 3, d. h. die Spannung der Spannungsquelle V1, an die Spannungsmessschaltung 5 übertragen wird.
  • Selbstverständlich werden eine Ansteuerschaltung jedes Schalters und eine Kontaktstelle des Schalters getrennt gehalten. Der erste Abtastschalter 1 ist nicht geschlossen, während der dritte Abtastschalter 4 geschlossen ist, und der zweite Abtastschalter 2 ist nicht geschlossen, während der dritte Abtastschalter 4 geschlossen ist. Daher wird die Spannung der Spannungsquelle V1 isoliert gemessen, d. h., wenn die Spannung der Spannungsquelle V1 gemessen wird, sind die Spannungsquelle V1 und der Kondensator 3 isoliert.
  • Während einer Zeitdauer P2 werden die Schalter S2 und S3 sowie die Schalter 4a und 4b in ähnlicher Weise ein- und ausgeschaltet, und während einer Zeitdauer P3 werden die Schalter S3 und S4 sowie die Schalter 4a und 4b in ähnlicher Weise ein- und ausgeschaltet. Auf diese Art und Weise arbeitet die Multiplex- Spannungsmessvorrichtung 300 wie in 4 gezeigt in einer Multiplex-Weise, um die Spannungswerte der Spannungsquellen V1–V5 zu messen.
  • In dem vorhergehenden Aufbau der herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung sind die Schalter S1 und S2 geschlossen (ON), wenn die Spannungsquelle V1 gemessen wird, nachdem die Spannungsquelle V5 gemessen worden ist. Wenn jedoch einer der Schalter S1 und S2 fehlerhaft ist, z. B. einer der Schalter S1 und S2, der geschlossen sein sollte, geöffnet gelassen wurde, kann die Spannung der Spannungsquelle V1 nicht in dem Kondensator 3 gespeichert werden, wobei die Ladung in dem Kondensator 3, die gespeichert worden ist, als die Spannungsquelle V5 gemessen wurde, in dem Kondensator 3 verbleibt. Da die Polarität des Kondensators 3 bei der Messung der Spannung der Spannungsquelle V1 die gleiche ist wie die, wenn die Spannung der Spannungsquelle V5 gemessen wird, liest die Spannungsmessvorrichtung 300 irrtümlich die Spannung der Spannungsquelle V5 aus.
  • Dadurch verbleibt die zuvor gespeicherte Ladung in dem Kondensator 3, wenn einer der Schalter S1 und S2 fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann. Daher liest die Spannungsmessvorrichtung 300 irrtümlich die in dem Kondensator 3 verbliebene Spannung, wobei sie den Ausfall nicht erfassen kann, der eine derartige irrtümliche Messung verursacht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung: (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse, die mit N in Reihe geschalteten Spannungsquellen verbunden sind; einen Kondensator, der mit einem Spannungswert irgendeiner der N Spannungsquellen geladen wird; einen ersten Abtastschalter, um wahlweise ungeradzahlige Spannungserfassungsanschlüsse der (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse mit einem ersten Anschluss des Kondensators zu verbinden; einen zweiten Abtastschalter, um wahlweise geradzahlige Spannungserfassungsanschlüsse der (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse mit einem zweiten Anschluss des Kondensators zu verbinden; eine Spannungsmessschaltung, um den in dem Kondensator gespeicherten Spannungswert zu messen; einen dritten Abtastschalter, um den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Kondensators mit der Spannungsmessschaltung zu verbinden; und eine Polaritätssteuereinheit, um den ersten Abtastschalter und den zweiten Abtastschalter in der Weise zu steuern, dass eine der N Spannungsquellen ausgewählt wird, während der dritte Abtastschalter geöffnet ist.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erlaubt die Polaritätssteuereinheit dem ersten und dem zweiten Abtastschalter, die N Spannungsquellen eine nach der anderen auszuwählen, so dass der Kondensator abwechselnd mit Spannungswerten, die entgegengesetzte Polaritäten besitzen, geladen wird.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden, wenn die Spannungen von Spannungsquellen nacheinander gemessen werden, Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten, d. h. positive Spannungen und negative Spannungen, abwechselnd an einen Kondensator angelegt. Mit einer derartigen Anordnung kann die Spannungsmessvorrichtung, auch wenn ein erster Abtastschalter oder ein zweiter Abtastschalter fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann, und die bei einer vorhergehenden Messung gemessene Spannung in dem Kondensator verbleibt, bestimmen, dass es dort einen defekten Schalter gibt, weil eine Spannungsmessvorrichtung Spannungswerte der gleichen Polarität nacheinander erhält.
  • Somit ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsmessvorrichtung eine Polaritätssteuereinheit enthält, die erlaubt, dass die Abtastschalter nacheinander die Spannungsquellen so auswählen, dass Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten abwechselnd in dem Kondensator gespeichert werden.
  • Somit ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die Vorteile (1) der Schaffung einer Multiplex-Spannungsmessvorrichtung, die keine irrtümliche Spannung misst, auch wenn einer der Abtastschalter fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann; und (2) der Schaffung einer Multiplex-Spannungsmessvorrichtung, die einen Ausfall in einer Operation eines der Abtastschalter erfassen kann.
  • Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann auf dem Gebiet klar hervor, wenn er die folgende ausführliche Beschreibung anhand der beigefügten Figuren liest und versteht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt einen Aufbau einer Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Zeitablaufplan zur Veranschaulichung einer Operation der in 1 gezeigten Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100.
  • 3 zeigt einen Aufbau einer herkömmlichen Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 300.
  • 4 ist ein Zeitablaufplan zur Veranschaulichung einer Funktionsweise der herkömmlichen Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 300.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird anhand von 1 eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • In 1 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie für die Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 300 von 3 verwendet wurden, und ausführliche Beschreibungen hiervon sind weggelassen.
  • Die Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 misst jede von fünf in Reihe geschalteten Spannungsquellen V1–V5.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, enthält die Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100: Spannungserfassungsanschlüsse T1–T6, die mit den fünf Spannungsquellen V1–V5 verbunden sind; einen Kondensator 3 mit einem ersten Anschluss 3A und einem zweiten Anschluss 3B; einen ersten Abtastschalter 1, der durch Schalter S1, S3 und S5 gebildet ist, um wahlweise irgendeinen der ungeradzahligen Spannungserfassungsanschlüsse T1, T3 und T5 mit dem ersten Anschluss 3A des Kondensators 3 zu verbinden; einen zweiten Abtastschalter 2, der durch Schalter S2, S4 und S6 gebildet ist, um wahlweise irgendeinen der geradzahligen Spannungserfassungsanschlüsse T2, T4 und T6 mit dem zweiten Anschluss 3B des Kondensators 3 zu verbinden; eine Spannungsmessschaltung 5, um die Spannung zwischen dem ersten Anschluss 3A und dem zweiten Anschluss 3B zu messen; einen dritten Abtastschalter 4, der durch Schalter 4a und 4b gebildet ist, um den ersten Anschluss 3A und den zweiten Anschluss 3B des Kondensators 3 mit der Spannungsmessschaltung 5 zu verbinden; und eine Polaritätssteuerschaltung 6, um das Öffnen/Schließen des ersten Abtastschalters 1 und des zweiten Abtastschalters 2 und des dritten Abtastschalters 4 zu steuern.
  • In der Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 wählen der erste Abtastschalter 1 und der zweite Abtastschalter 2 eine der Spannungsquellen V1–V5, während der dritte Abtastschalter 4 offen ist. Dann werden der erste Abtastschalter 1 und der zweite Abtastschalter 2 geöffnet, und der dritte Abtastschalter 4 wird dann geschlossen. Dieses Verfahren wird wiederholt, wodurch die Spannungen der jeweiligen Spannungsquellen V1–V5 gemessen werden.
  • In diesem Beispiel sind fünf Spannungsquellen V1–V5 und sechs Spannungserfassungsanschlüsse T1–T6 vorgesehen, wobei aber die Anzahl von Spannungsquellen und die Anzahl von Spannungserfassungsanschlüssen nicht darauf beschränkt sind. Die vorliegende Erfindung kann so lange verwirklicht werden, wie N Spannungsquellen und (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse bereitgestellt werden.
  • Anhand von 1 wird nun eine Operation der Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 beschrieben. Falls die Spannung der Spannungsquelle V1 gemessen wird, sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, während der dritte Abtastschalter 4 offen ist, wodurch der Kondensator 3 mit der Spannung der Spannungsquelle V1 geladen wird.
  • Dann werden die Schalter S1 und S2 geöffnet, und der dritte Abtastschalter 4 wird geschlossen, wodurch die Spannung der Spannungsquelle V1 durch die Spannungsmessschaltung 5 gemessen wird. Zu dieser Zeit ist die Polarität des ersten Anschlusses 3A des Kondensators 3 positiv, während die Polarität des zweiten Anschlusses 3B des Kondensators 3 negativ ist.
  • Falls die Spannung der Spannungsquelle V2 gemessen wird, sind die Schalter S2 und S3 geschlossen, während der dritte Abtastschalter 4 offen ist, wodurch der Kondensator 3 mit der Spannung der Spannungsquelle V2 geladen wird.
  • Dann werden die Schalter S2 und S3 geöffnet, und der dritte Abtastschalter 4 wird geschlossen, wodurch die Spannung der Spannungsquelle V2 durch die Spannungsmessschaltung 5 gemessen wird. Zu dieser Zeit ist die Polarität des ersten Anschlusses 3A des Kondensators 3 negativ, während die Polarität des zweiten Anschlusses 3B des Kondensators 3 positiv ist.
  • Somit ist die Polarität des Kondensators 3 im Fall der Messung der Spannungsquelle V1 entgegengesetzt zu der im Fall der Messung der Spannungsquelle V2.
  • Falls die Spannung der Spannungsquelle V3 gemessen wird, sind die Schalter S3 und S4 geschlossen, während der dritte Abtastschalter 4 offen ist, wodurch der Kondensator 3 mit der Spannung der Spannungsquelle V3 geladen wird. Zu dieser Zeit ist die Polarität des ersten Anschlusses 3A des Kondensators 3 positiv, während die Polarität des zweiten Anschlusses 3B des Kondensators 3 negativ ist, d. h. diese Polaritäten sind die gleichen wie jene, wenn die Spannung der Spannungsquelle V1 gemessen wurde.
  • In ähnlicher Weise ist, wenn die Spannung der Spannungsquelle V4 gemessen wird, die Polarität des ersten Anschlusses 3A des Kondensators 3 negativ, während die Polarität des zweiten Anschlusses 3B des Kondensators 3 positiv ist. Falls die Spannung der Spannungsquelle V5 gemessen wird, ist die Polarität des ersten Anschlusses 3A des Kondensators 3 positiv, während die Polarität des zweiten Anschlusses 3B des Kondensators 3 negativ ist.
  • Somit ist die Polarität der Spannung, die von der Spannungsquelle V1, V3 oder V5 an den Kondensator 3 angelegt wird, der Polarität der Spannung, die von der Spannungsquelle V2 oder V4 an den Kondensator 3 angelegt wird, entgegengesetzt.
  • Nun wird ein Fall betrachtet, bei dem die Spannungsquellen V1–V5 wiederholt in der Reihenfolge V1, V2, V3, V4 und V5 gemessen werden.
  • Wenn die Spannungsquelle V1 gemessen wird, nachdem die Spannungsquelle V5 gemessen wurde, kann, wenn einer der Schalter S1 und S2 fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann, der Kondensator 3 nicht mit der Spannung der Spannungsquelle V1 geladen werden. Das heißt, die Spannung der Spannungsquelle V5 verbleibt in dem Kondensator 3. Darüber hinaus ist die Polarität des Kondensators 3 bei der Messung der Spannungsquelle V1 die gleiche wie die, wenn die Spannungsquelle V5 gemessen wird. Somit misst, auch wenn sich die elektrische Ladung des Kondensators 3 im Verlauf der Zeit entlädt und sich entsprechend der Spannungswert des Kondensators 3 verändert, die Spannungsmessschaltung 5 irrtümlich die Spannung der Spannungsquelle V5. Daher liest die Spannungsmessschaltung 5 einen Spannungswert falsch, wenn einer der Schalter S1 und S2 fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann. Ferner kann die Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 einen derartigen Ausfall nicht erfassen.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie es in 2 gezeigt ist, die Operation der Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100 durch die Polaritätssteuerschaltung 6 so gesteuert, dass die Spannung der Spannungsquelle V4 erneut gemessen wird, nachdem die Spannung der Spannungsquelle V5 gemessen worden ist und bevor die Spannung der Spannungsquelle V1 gemessen wird (V1 → V2 → V3 → V4 → V5 → V4 → V1 → V2).
  • Die Polarität des Kondensators 3 ist, falls die Spannungsquelle V4 gemessen wird, entgegengesetzt zu der, falls die Spannungsquelle V1 oder V5 gemessen wird. Somit wird die Polarität des Kondensators 3 bei jeder Messung umgekehrt.
  • Wenn die Spannung der Spannungsquelle V4 gemessen wird, nachdem die Spannung der Spannungsquelle V5 gemessen worden ist, ändert sich die Polarität des Kondensators 3 in die entgegengesetzte Polarität. Obgleich die Polarität des gemessenen Spannungswerts für die Spannungsquelle V4 entgegengesetzt zu der für die Spannungsquelle V5 ist, kann durch Umkehrung der Polarität des gemessenen Spannungswertes in der Spannungsmessschaltung 5 ein richtiger Spannungswert erhalten werden.
  • Es wird angenommen, dass die Spannungsmessschaltung 5 die Spannung der Spannungsquelle V5 als einen positiven Wert und die Spannung der Spannungsquelle V4 als einen negativen Wert erhält. Wenn der Schalter S4 oder S5 fehlerhaft ist, so dass er nicht geschlossen werden kann, kann der Kondensator 3 nicht mit der Spannung der Spannungsquelle V4 geladen werden, d. h. die Spannung der Spannungsquelle V5 verbleibt in dem Kondensator 3. Daher erhält die Spannungsmessschaltung 5 einen positiven Spannungswert. Somit kann ein Defekt des Schalters S4 oder S5 erfasst werden und entsprechend eine irrtümliche Messung verhindert werden.
  • Genauso verhält es sich, wenn die Spannung der Spannungsquelle V1 nach der Messung der Spannungsquelle V4 gemessen wird.
  • Wie es hier zuvor beschrieben wurde, steuert in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Polaritätssteuerschaltung 6 den ersten Abtastschalter 1, den zweiten Abtastschalter 2 und den dritten Abtastschalter 4 so, dass in dem Kondensator 3 abwechselnd Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten gespeichert werden. Mit einer derartigen Steueranordnung kann die Multiplex-Spannungsmessvorrichtung 100, wenn sie Spannungswerte der gleichen Polarität nacheinander erhält, bestimmen, dass es einen defekten Schalter gibt.
  • Somit wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung geschaffen, die keine irrtümliche Spannung misst, auch wenn einer der Abtastschalter defekt ist, so dass er nicht geschlossen werden kann.
  • Ferner wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Multiplex-Spannungsmessvorrichtung geschaffen, die einen Ausfall in einer Operation eines der Abtastschalter ermitteln kann.
  • Verschiedene weitere Abänderungen sind für den Fachmann auf dem Gebiet klar ersichtlich und können leicht von ihm durchgeführt werden, ohne von dem Umfang dieser Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (2)

  1. Multiplex-Spannungsmessvorrichtung (100), die umfasst: (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse (T1–T6), die mit N in Reihe geschalteten Spannungsquellen (V1–V5) verbunden sind; einen Kondensator (3), der mit einem Spannungswert irgendeiner der N Spannungsquellen geladen wird; einen ersten Abtastschalter (1), um wahlweise ungeradzahlige Spannungserfassungsanschlüsse (T1, T3, T5) der (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse mit einem ersten Anschluss (3A) des Kondensators zu verbinden; einen zweiten Abtastschalter (2), um wahlweise geradzahlige Spannungserfassungsanschlüsse (T2, T4, T6) der (N + 1) Spannungserfassungsanschlüsse (T1–T6) mit einem zweiten Anschluss (3B) des Kondensators zu verbinden; eine Spannungsmessschaltung (5), um den in dem Kondensator (3) gespeicherten Spannungswert zu messen; einen dritten Abtastschalter (4), um den ersten Anschluss (3A) und den zweiten Anschluss (3B) des Kondensators (3) mit der Spannungsmessschaltung (5) zu verbinden; und eine Polaritätssteuereinheit (6), um den ersten Abtastschalter (1) und den zweiten Abtastschalter (2) in der Weise zu steuern, dass eine der N Spannungsquellen ausgewählt wird, während der dritte Abtastschalter (4) geöffnet ist.
  2. Multiplex-Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Polaritätssteuereinheit (6) dem ersten und dem zweiten Abtastschalter (1, 2) erlaubt, die N Spannungsquellen (V1–V5) eine nach der anderen auszuwählen, so dass der Kondensator (3) abwechselnd mit Spannungswerten, die entgegengesetzte Polaritäten besitzen, geladen wird.
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