(57)【要約】【課題】スイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差を抑制可能な組電池の電圧測定装置を提供する。【解決手段】（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が複数の電池セルのうち測定対象の電池セルの両端の電圧に一致し、第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が零に一致するように、測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルするサンプルモードと、（ｂ）第１のキャパシタと第２のキャパシタとの間の接続が開放され、第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、第２のキャパシタがオペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続するホールドモードとの間を交互に遷移するサンプルホールド回路１０２と、オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器１０４とを具備する。【選択図】      図１
2010019810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、
（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち測定対象の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が零に一致するように、前記測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルするサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続するホールドモードとの間を交互に遷移するサンプルホールド回路と、
前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と
を具備することを特徴とする組電池の電圧測定装置。
【請求項２】
前記サンプルモードにおいて、前記第１のキャパシタの他端は前記測定対象の電池セルの高電圧側の端子に接続され、前記第２のキャパシタの他端は前記測定対象の電池セルの低電圧側の端子に接続され、前記第１のキャパシタの一端及び前記第２のキャパシタの一端は前記測定対象の電池セルの高電圧側の端子及び低電圧側の端子のいずれか一方に接続されることを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。
【請求項３】
前記測定対象の電池セルは、スイッチによって切り替えられ、
前記スイッチのオン／オフを制御するコントローラを更に具備することを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。
【請求項４】
前記スイッチは、ＭＯＳスイッチであることを特徴とする請求項３記載の電圧測定装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記複数の電池セルから前記測定対象の電池セルが網羅的に選択されるよう、オンするスイッチを順次切り替えることを特徴とする請求項３記載の電圧測定装置。
【請求項６】
直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、
（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち隣接する第１のキャパシタ及び第２のキャパシタで構成される測定対象の電池セル対における前記第１の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が前記第２の電池セルの両端の電圧に一致するように、前記測定対象の電池セル対から入力される信号をサンプルするサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続するホールドモードとの間を交互に遷移するサンプルホールド回路と、
前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と
を具備することを特徴とする組電池の電圧測定装置。
【請求項７】
前記サンプルモードにおいて、前記第１のキャパシタの他端は前記第１の電池セルの高電圧側の端子に接続され、前記第２のキャパシタの他端は前記第２の電池セルの低電圧側の端子に接続され、前記第１のキャパシタの一端及び前記第２のキャパシタの一端は前記第１の電池セル及び前記第２の電池セルの共通端子に接続されることを特徴とする請求項６記載の電圧測定装置。
【請求項８】
前記測定対象の電池セル対は、スイッチによって切り替えられ、
前記スイッチのオン／オフを制御するコントローラを更に具備することを特徴とする請求項６記載の電圧測定装置。
【請求項９】
前記スイッチは、ＭＯＳスイッチであることを特徴とする請求項８記載の電圧測定装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記複数の電池セルから前記測定対象の電池セル対が網羅的に選択されるよう、オンするスイッチを順次切り替えることを特徴とする請求項８記載の電圧測定装置。
【請求項１１】
直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、
（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち隣接する第１のキャパシタ及び第２のキャパシタで構成される測定対象の電池セル対における前記第１の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が前記第２の電池セルの両端の電圧に一致するように、前記測定対象の電池セル対から入力される信号をサンプルする第１のサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続する第１のホールドモードとの間を交互に遷移する第１の動作モードと、（ｃ）前記第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち測定対象の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第２のキャパシタの両端の電圧が零に一致するように、前記測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルする第２のサンプルモードと、（ｄ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタが前記オペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続する第２のホールドモードとの間を交互に遷移する第２の動作モードとを切り替え可能なサンプルホールド回路と、
前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と
を具備することを特徴とする組電池の電圧測定装置。
【請求項１２】
前記第１のサンプルモードにおいて、前記第１のキャパシタの他端は前記第１の電池セルの高電圧側の端子に接続され、前記第２のキャパシタの他端は前記第２の電池セルの低電圧側の端子に接続され、前記第１のキャパシタの一端及び前記第２のキャパシタの一端は前記第１の電池セル及び前記第２の電池セルの共通端子に接続され、
前記第２のサンプルモードにおいて、前記第１のキャパシタの他端は前記測定対象の電池セルの高電圧側の端子に接続され、前記第２のキャパシタの他端は前記測定対象の電池セルの低電圧側の端子に接続され、前記第１のキャパシタの一端及び前記第２のキャパシタの一端は前記測定対象の電池セルの高電圧側の端子及び低電圧側の端子のいずれか一方に接続されることを特徴とする請求項１１記載の電圧測定装置。
【請求項１３】
前記測定対象の電池セル対及び前記測定対象の電池セルは、スイッチによって切り替えられ、
前記スイッチのオン／オフを制御するコントローラを更に具備することを特徴とする請求項１２記載の電圧測定装置。
【請求項１４】
前記スイッチは、ＭＯＳスイッチであることを特徴とする請求項１３記載の電圧測定装置。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記複数の電池セルから前記測定対象の電池セル対が網羅的に選択されるようオンするスイッチを順次切り替え、前記複数の電池セルのうちいずれか１つが前記測定対象の電池セルとして選択されるようにオンするスイッチを切り替えることを特徴とする請求項１３記載の電圧測定装置。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記測定対象の電池セルの電圧測定結果に基づき、前記測定対象の電池セル対の電圧測定結果の各々から前記複数の電池セルの個々の電圧測定結果を順次算出することを特徴とする請求項１５記載の電圧測定装置。
【請求項１７】
前記複数の電池セルの個々の電圧測定結果を記憶する記憶部を更に具備し、
前記コントローラは、前記記憶部に記憶された電圧測定結果が最も高い電池セル対を、次回の電圧測定における測定対象の電池セル対として最初に選択することを特徴とする請求項１６記載の電圧測定装置。
【請求項１８】
直列接続された複数の電池セルを有する組電池と、
請求項１記載の電圧測定装置と
を具備することを特徴とする組電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置及びこれを用いた組電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷を低減する観点から、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集めている。電気自動車やハイブリッド自動車の走行性能を左右する車載用バッテリには、モータを駆動するために数十ボルト以上の高い電圧が要求される。車載用バッテリとして、１〜２Ｖ程度の電池セルを複数（数十個程度）直列に接続して高い電圧を得る、いわゆる組電池が使用されることがある。
【０００３】
組電池では、電池セル間の電圧のばらつきが問題となる。電池セルは直列に接続されているため各電池セルに流れる電流は共通であるが、電池セル間に容量（キャパシティ）のばらつきがあると電圧のばらつきが生じる。即ち、充電時に電圧が上限電圧に達したり（過充電状態）、或いは、放電時に電圧が下限電圧に達したり（過放電状態）するおそれがある。電池セルの過充電状態及び過放電状態は、いずれも組電池の性能劣化の要因となる。従って、組電池システムにおいて、組電池を構成する個々の電池セルの電圧を監視するための電圧測定装置が設けられ、当該電圧測定装置による測定結果が上記電池セル間の電圧のばらつきの補正に利用される。
【０００４】
電圧測定装置は、電池セルの電圧をアナログ−デジタル変換器（以下、単にＡＤＣと称する）によってデジタル値に変換して（量子化して）取り込むものが多い。各電池セルは直列に接続されているため対地電圧が互いに異なるが、電池セルの電圧をＡＤＣに入力するためには、測定時に各電池セルの対地電圧を共通の値にシフトさせる必要がある。
【０００５】
従来、フライングキャパシタ回路と呼ばれる電圧検出回路が知られている。フライングキャパシタ回路の動作を簡単に説明すると、次の通りである。  
測定対象の電池セルは、対応するスイッチ（以下、単に電池セル選択用スイッチと称する）がオンとなることにより選択される。各電池セルの両端は、電池セル選択用スイッチを介してキャパシタ（以下、単にサンプリングキャパシタと称する）の両端に接続可能である。サンプリングキャパシタは、測定対象の電池セルによって充電される。サンプリングキャパシタの両端は、ＡＤＣの基準電圧端子及び入力端子にスイッチ（以下、単に測定用スイッチと称する）を介して接続可能である。上記測定用スイッチは、充電時にはオフである。サンプリングキャパシタの両端の電圧は、充電によって測定対象の電池セルの両端の電圧と等しくなる。
【０００６】
サンプリングキャパシタの充電終了後、測定対象の電池セルに対応する電池セル選択用スイッチがオフとなり、測定用スイッチがオンとなる。サンプリングキャパシタの高電圧側の端子がＡＤＣの入力端子に接続され、低電圧側の端子が接地（或いは、その他の基準電圧にリセット）されたうえでＡＤＣの基準電圧端子に接続される。サンプリングキャパシタの両端の電圧は、後述する寄生キャパシタの影響を考えなければ略保持されるため、測定対象の電池セルの電圧を保存しつつサンプリングキャパシタの低電圧側の対地電圧を基準電圧へと一律にシフトさせることが可能となる。
【０００７】
しかしながら、フライングキャパシタ回路による電圧測定において、スイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差が生じる。上記フライングキャパシタ回路では、各電池セルの各々に対応する電池セル選択用スイッチが設けられ、サンプリングキャパシタに対応する測定用スイッチが設けられる。これらスイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差を、以下の条件を仮定して、定量的に評価する。
【０００８】
・各スイッチの寄生キャパシタのキャパシタンスは全て等しい値Ｃpである。
【０００９】
・各電池セルの電圧は全て等しい値ＶBである。
【００１０】
・電池セルはｎ個直列に接続されており、第ｎ段目の電池セル（即ち、対地電圧の最も高い電池セル）を測定対象とする。
【００１１】
サンプリングキャパシタに対して充電が行われている間、当然ながら寄生キャパシタにも対しても充電が行われている。ここで、サンプリングキャパシタの高電圧側及び低電圧側のノード（節点）を夫々Ｘ及びＹとする。測定用スイッチがオンとなると、ノードＸがＡＤＣの入力端子に接続され、ノードＹが接地されたうえでＡＤＣの基準電圧端子に接続される。従って、ノードＹの電圧は強制的にグラウンド電圧に一致する。一方、ノードＸでは、サンプリングキャパシタと寄生キャパシタとの間で電荷の再分配が起こる。具体的には、ノードＸに接続される電池セル選択用スイッチの寄生キャパシタの両端の電圧と、ノードＸに接続される測定用スイッチの寄生キャパシタの両端の電圧と、サンプリングキャパシタの両端の電圧とが一致するように電荷が再分配される。即ち、サンプリングキャパシタの両端の電圧ＶX-Yは、以下の数式（１）の通りである。
【数１】
2010019810.tif 000003
【００１２】
数式（１）において、ΣＣpは、ノードＸに接続される全てのスイッチの寄生キャパシタのキャパシタンスＣpの総和である。数式（１）によれば、Ｃp及びｎが大きくなると測定誤差は増大する。また、各電池セルに対する測定誤差が一定でなく、測定対象の電池セルが第何段目であるかによって測定誤差が異なる。
【００１３】
特許文献１記載のセル電圧検出回路は、上記フライングキャパシタ回路におけるスイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差を抑制している。具体的には、サンプリングキャパシタと、電池セル選択用スイッチとの間に更にスイッチ（以下、単に切り離し用スイッチと称する）が設けられている。切り離し用スイッチは、サンプリングキャパシタの充電時にはオンとされ、電圧測定時にはオフとされる。従って、前述した電荷の再分配の対象から、電池セル選択用スイッチの寄生キャパシタを除外することができる。当然ながら、切り離し用スイッチにも寄生キャパシタ（キャパシタンスＣpとする）は生じ、電荷の再分配の対象となるものの、電池セル選択用スイッチの寄生キャパシタに比べ測定誤差に与える影響が小さい。具体的には、以下の数式（２）に示す通りである。
【数２】
2010019810.tif 000004
【特許文献１】特開２００１−２０１５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のフライングキャパシタ回路及び特許文献１記載のセル電圧検出回路は、スイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差が問題となる。
【００１５】
従って、本発明はスイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差を抑制可能な組電池の電圧測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様に係る組電池の電圧測定装置は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち測定対象の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が零に一致するように、前記測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルするサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続するホールドモードとの間を交互に遷移するサンプルホールド回路と、前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器とを具備する。
【００１７】
本発明の他の態様に係る組電池の電圧測定装置は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち隣接する第１のキャパシタ及び第２のキャパシタで構成される測定対象の電池セル対における前記第１の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が前記第２の電池セルの両端の電圧に一致するように、前記測定対象の電池セル対から入力される信号をサンプルするサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続するホールドモードとの間を交互に遷移するサンプルホールド回路と、前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器とを具備する。
【００１８】
本発明の他の態様に係る組電池の電圧測定装置は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池の電圧測定装置において、（ａ）第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち隣接する第１のキャパシタ及び第２のキャパシタで構成される測定対象の電池セル対における前記第１の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第１のキャパシタと一端同士が共通に接続された第２のキャパシタの両端の電圧が前記第２の電池セルの両端の電圧に一致するように、前記測定対象の電池セル対から入力される信号をサンプルする第１のサンプルモードと、（ｂ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタがオペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続する第１のホールドモードとの間を交互に遷移する第１の動作モードと、（ｃ）前記第１のキャパシタの両端の電圧が前記複数の電池セルのうち測定対象の電池セルの両端の電圧に一致し、前記第２のキャパシタの両端の電圧が零に一致するように、前記測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルする第２のサンプルモードと、（ｄ）前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接続が開放され、前記第１のキャパシタが前記オペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間を接続し、前記第２のキャパシタが前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間を接続する第２のホールドモードとの間を交互に遷移する第２の動作モードとを切り替え可能なサンプルホールド回路と、前記オペアンプから出力される信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器とを具備する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、スイッチの寄生キャパシタに起因する測定誤差を抑制可能な組電池の電圧測定装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。  
（第１の実施形態）  
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、組電池１００に接続され、第１のスイッチ群１０１、サンプルホールド回路１０２、アナログ−デジタル変換器（以下、単にＡＤＣと称する）１０４、コントローラ１０５、メモリ１０６及び通信部１０７を有する。
【００２１】
まず、図２を用いて図１の電圧測定装置の組電池システムへの適用例を説明する。  
図２に示すように、組電池１は、直列接続された複数の電池セル３−ｎｍ（図２の例では、ｎ＝１〜４、ｍ＝１〜５）を夫々有する、直列接続された複数の電池モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄにより構成される。図１における組電池１００は、図２における個々の電池モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄに相当する。電池セル３−ｎｍは、例えばリチウムイオン電池（ＬＩＢ）のような二次電池である。組電池１の両端は、モータ等の外部機器に接続するための外部端子７及び８に接続される。尚、組電池１の一端は、管理ユニット６を介して外部端子８に接続される。
【００２２】
保護装置４は、組電池１とは別の筐体に収容されてもよいし、図２に示すように組電池１と共通の筐体９に収容され、組電池１と共に組電池システム（電池パック）１０を構成してもよい。保護装置４は、組電池１を構成する個々の電池セル３−ｎｍに対する電圧測定機能、過充電保護機能及び過放電保護機能等を有する。保護装置４は、前述した電池モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄに一対一に対応する保護ユニット５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄと、上記電池モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄの共通の管理ユニット６とを有する。図１の電圧測定装置は、上記個々の保護ユニット５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄに含まれる。
【００２３】
保護ユニット５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄは、対応する電池モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄを構成する個々の電池セル３−ｎｍの電圧が充電禁止電圧に達すると充電禁止動作を行ったり、放電禁止電圧に達すると放電禁止動作を行ったりする。
【００２４】
組電池１００は、直列接続されたｎ個（ｎは任意の自然数）の電池セルＢ1乃至Ｂnを有し、電池セルＢ1乃至Ｂnの各々の電圧はＶBとする。従って、第１段目の電池セルＢ1の低電圧側の電圧を０とすると、第ｎ段目の電池セルＢnの高電圧側及び低電圧側の電圧は、夫々ｎＶB及び（ｎ−１）ＶBとなる。
【００２５】
電池セルＢ1乃至Ｂnの各々は、高電圧側の端子に１つのスイッチＳ1-1乃至Ｓn-1が夫々接続され、低電圧側の端子に２つのスイッチＳ1-2乃至Ｓn-2及びＳ1-3乃至Ｓn-3が夫々接続される。図１において、スイッチＳ1-1乃至Ｓn-1、Ｓ1-2乃至Ｓn-2及びＳ1-3乃至Ｓn-3の各々に生じる寄生キャパシタを概念的に示している。これらスイッチＳ1-1乃至Ｓn-1、Ｓ1-2乃至Ｓn-2及びＳ1-3乃至Ｓn-3は、例えばＭＯＳスイッチであり、第１のスイッチ群１０１として後述するコントローラ１０５によってオン／オフ制御される。
【００２６】
具体的には、コントローラ１０５によって測定対象として選択された電池セルＢi（ｉはｎ以下の任意の自然数とする）に対応するスイッチＳi-1、Ｓi-2及びＳi-3がオン、その他のスイッチがオフとされ、当該電池セルＢiのみがサンプルホールド回路１０２に接続され、差動電圧がサンプルされる（図１の電圧測定装置の第１のフェーズ）。その後、スイッチＳi-1、Ｓi-2及びＳi-3を含む全てのスイッチＳ1-1乃至Ｓn-1、Ｓ1-2乃至Ｓn-2及びＳ1-3乃至Ｓn-3はオフとされ、ＡＤＣ１０４がサンプルホールド回路１０２から出力される電池セルＢiの差動電圧を測定する（図１の電圧測定装置の第２のフェーズ）。以降、コントローラ１０５が測定対象の電池セルを順次切り替え、同様の動作が繰り返される。
【００２７】
サンプルホールド回路１０２は、オペアンプＡｍｐと、キャパシタ（以下、単にサンプリングキャパシタと称する）ＣS1及びＣS2と、スイッチ（以下、単にサンプリングスイッチと称する）ＳSP及びＳSNと、スイッチ（以下、単にホールドスイッチと称する）ＳHP及びＳHNとを有する。サンプリングスイッチＳSP及びＳSNと、ホールドスイッチＳHP及びＳHNとは例えばＭＯＳスイッチであり、第２のスイッチ群１０３としてコントローラ１０５によってオン／オフ制御される。図１において、サンプリングスイッチＳSP及びＳSNと、ホールドスイッチＳHP及びＳHNとに生じる寄生キャパシタを概念的に示している。
【００２８】
サンプルホールド回路１０２は、いわゆるサンプルモード及びホールドモードの２つの動作モードを交互に繰り返す。これらサンプルモード及びホールドモードは、前述した図１の電圧測定装置の第１のフェーズ及び第２のフェーズに夫々対応する。尚、サンプルホールド回路１０２は、トラックアンドホールド回路に置き換えられてもよい。
【００２９】
サンプルモードにおいて、サンプルホールド回路１０２は、入力される信号をサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2にサンプルする。ホールドモードにおいて、サンプルホールド回路１０２は、直前のサンプルモードにおいてサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2にサンプルした信号をホールドし、オペアンプＡｍｐより出力する。
【００３０】
オペアンプＡｍｐは、反転入力端子、非反転入力端子、反転出力端子及び非反転出力端子を有するいわゆる全差動型オペアンプである。オペアンプＡｍｐの反転入力端子及び非反転出力端子間は、サンプリングキャパシタＣS1及びホールドスイッチＳHPを介して接続されたり（ホールドモード）、開放されたり（サンプルモード）する。また、オペアンプＡｍｐの非反転入力端子及び反転入力端子間は、サンプリングキャパシタＣS2及びホールドスイッチＳHNを介して接続されたり（ホールドモード）、開放されたり（サンプルモード）する。また、オペアンプＡｍｐの同相電圧は、内部の同相帰還回路（コモンモードフィードバック回路）によって定められる。
【００３１】
サンプリングキャパシタＣS1及びＣS2は、測定対象の電池セルから入力される信号をサンプルしたり（サンプルモード）、サンプルした信号を保持しつつオペアンプＡｍｐの反転入力端子−非反転出力端子間及び非反転入力端子−反転出力端子間を夫々接続したり（ホールドモード）する。より具体的には、サンプリングキャパシタＣS1及びＣS2は、サンプルモードにおいて、一端同士がサンプリングスイッチＳSP及びＳSNを介して接続される。サンプリングキャパシタＣS1の他端はスイッチＳi-1を介して測定対象の電池セルＢiの高電圧側の端子に接続され、サンプリングキャパシタＣS2の他端はスイッチＳi-3を介して当該電池セルＢiの低電圧側の端子に接続される。また、サンプリングスイッチＳSP及びＳSNの間に設けられた端子は、スイッチＳi-2を介して測定対象の電池セルＢiの低電圧側の端子に接続される。即ち、サンプルモードにおいて、ＣS1の両端の電圧はＶBに、ＣS2の両端の電圧は零に夫々一致するように、電池セルＢiによって充電される。
【００３２】
サンプリングスイッチＳSP及びＳSNは、サンプルモードにおいてオン、ホールドモードにおいてオフとなるようにコントローラ１０５によって制御される。ホールドスイッチＳHP及びＳHNは、ホールドモードにおいてオン、サンプルモードにおいてオフとなるようにコントローラ１０５によって制御される。
【００３３】
ＡＤＣ１０４は、サンプルホールド回路１０２中のオペアンプＡｍｐから出力される信号をアナログ−デジタル変換して得られたデジタル値を電池セルの電圧測定結果としてコントローラ１０５に入力する。尚、ＡＤＣ１０４の方式は特に限られず、フラッシュ型、パイプライン型、デルタシグマ型及びその他の方式のいずれでもよい。
【００３４】
コントローラ１０５は、主に第１のスイッチ群１０１及び第２のスイッチ群１０３のオン／オフを制御する。具体的には、コントローラ１０５は、図４に示すように第１のスイッチ群１０１に対するオン／オフ制御によって測定対象の電池セルを切り替える。尚、コントローラ１０５の第１のスイッチ群１０１に対するオン／オフ制御は、測定対象の電池セルを任意に切り替えるように実現されてもよいし、特定のルールに従うように実現されてもよい。個々の電池セルの電圧を把握する観点からすると、測定対象の電池セルの切り替えは、特定の電池セルに偏るよりも網羅的に実現されることが望ましい。また、コントローラ１０５は、図４に示すように第２のスイッチ群１０３においてサンプリングスイッチＳSP及びＳSNと、ホールドスイッチＳHP及びＳHNとを交互にオンすることにより図１の電圧測定装置の第１のフェーズ及び第２のフェーズを切り替える。
【００３５】
また、コントローラ１０５は、ＡＤＣ１０４から入力される電池セルの電圧測定結果をメモリ１０６に記憶させたり、メモリ１０６から読み出した電池セルの電圧測定結果を通信部１０７に入力したりする。
【００３６】
メモリ１０６には、電池セルＢ1乃至Ｂnの電圧測定結果がコントローラ１０５より入力され、保存される。メモリ１０６において、上記電圧測定結果に測定時刻等の付加的な情報が対応付けて記憶されてもよい。また、メモリ１０６に記憶される電圧測定結果は、必要に応じてコントローラ１０５によって読み出される。通信部１０７は、他の機器との間で通信を行う。具体的には、通信部１０７は、図２における他の保護ユニットまたは管理ユニット６との間でデータのやり取りを行う。
【００３７】
以下、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、第１のフェーズ及び第２のフェーズにおける図１の電圧測定装置の動作を説明する。尚、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、測定対象の電池セルは、第ｎ段目の電池セルＢnであるものとする。  
図３Ａに示すように、第１のフェーズにおいて、コントローラ１０５は測定対象の電池セルＢnに対応するスイッチＳn-1、Ｓn-2及びＳn-3をオン、その他の電池セルに対応するスイッチをオフとする。また、コントローラ１０５はサンプリングスイッチＳSP及びＳSNをオン、ホールドスイッチＳHP及びＳHNをオフとする。
【００３８】
サンプリングキャパシタＣS1の一端は、サンプリングスイッチＳSP及びスイッチＳn-2を介して測定対象の電池セルＢnの低電圧側の端子に接続されるため、（ｎ−１）ＶBの電圧が印加される。サンプリングキャパシタＣS1の他端（ノードＸ）は、スイッチＳn-1を介して測定対象の電池セルＢnの高電圧側の端子に接続されるため、ｎＶBの電圧が印加される。即ち、測定対象の電池セルＢnによって、サンプリングキャパシタＣS1の両端の電圧がＶBに一致するように充電が行われる。
【００３９】
サンプリングキャパシタＣS2の一端は、サンプリングスイッチＳSN及びスイッチＳn-2を介して測定対象の電池セルＢnの低電圧側の端子に接続されるため、（ｎ−１）ＶBの電圧が印加される。サンプリングキャパシタＣS2の他端（ノードＹ）は、スイッチＳn-3を介して測定対象の電池セルＢnの低電圧側の端子に接続されるため、（ｎ−１）ＶBの電圧が印加される。即ち、サンプリングキャパシタＣS2の両端の電圧は零となる。
【００４０】
以上のように、第１のフェーズの終了時点において、ノードＸ−Ｙ間の差動電圧は図５Ａに示すようにＶBと略一致する。また、図３Ａにおいて示される各スイッチの寄生キャパシタに対しても、測定対象の電池セルＢnによる充電が行われている。
【００４１】
図３Ｂに示すように、第２のフェーズの開始時点において、コントローラ１０５はホールドスイッチＳHP及びＳHNをオン、その他の全てのスイッチをオフとする。サンプリングキャパシタＣS1の他端（ノードＸ）は、ホールドスイッチＳHPを介してオペアンプＡｍｐの非反転出力端子（ノードＸ'）に接続され、サンプリングキャパシタＣS2の他端（ノードＹ）は、ホールドスイッチＳHNを介してオペアンプＡｍｐの反転出力端子（ノードＹ'）に接続される。サンプリングスイッチＳSP及びＳSNがオフとなるため、サンプリングキャパシタＣS1及びＣS2は切り離され、電荷の移動は生じない。従って、ノードＸ−Ｙ間の差動電圧ＶBは、ノードＸ'−Ｙ'間の差動電圧として略保持される。また、オペアンプＡｍｐの内部の同相帰還回路により同相電圧ＶRが設定されるため、オペアンプＡｍｐは、図５Ｂに示すように、ＶRを中心とするＶR±ＶB／２の電圧をＡＤＣ１０４に出力する。尚、図３Ｂにおいて、スイッチの寄生キャパシタはオペアンプＡｍｐによって駆動されるため、フライングキャパシタ方式のようなサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2への電荷の再分配の問題が起こらない。また、サンプリングスイッチＳSP及びＳSNの寄生キャパシタは、オペアンプＡｍｐによる駆動の対象とはならないが、オペアンプＡｍｐの利得が十分大きければ、反転入力端子−非反転入力端子間の差動電圧は略零となるので、こちらも問題とならない。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、サンプルホールド回路を使用し、電池セルの電圧測定時にはサンプルホールド回路内部のオペアンプによって寄生キャパシタを駆動するようにしている。従って、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置によれば、寄生キャパシタに起因する測定誤差を抑制することが可能となる。
【００４３】
（第２の実施形態）  
図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、上記図１に示す組電池の電圧測定装置において、コントローラ１０５をコントローラ２０５に置き換えている。以下の説明では、図７において図１と同一部分には同一符号を付して示し、異なる部分を中心に述べる。
【００４４】
コントローラ２０５は、測定対象として個々の電池セルでなく、隣接する２つの電池セルによって構成される電池セル対を選択する。例えば、コントローラ２０５が、電池セルＢn及びＢn-1によって構成される電池セル対を選択する場合であれば、第１のフェーズにおいて、電池セルＢnの高電圧側の端子に接続されるスイッチＳn-1と、電池セルＢn及びＢn-1の共通端子に接続されるスイッチＳ(n-1)-2と、電池セルＢn-1の低電圧側の端子に接続されるスイッチＳ(n-2)-3とをオンする。
【００４５】
即ち、第１のフェーズにおいて、コントローラ２０５は、測定対象の電池セル対のうち高電圧側の電池セル（便宜的に第１の電池セルと称する）の高電圧側の端子を、サンプルホールド回路１０２内部のサンプリングキャパシタＣS1の一端（ノードＸ）に接続する。また、コントローラ２０５は、測定対象の電池セル対のうち低電圧側の電池セル（便宜的に第２の電池セルと称する）の低電圧側の端子を、サンプルホールド回路１０２内部のサンプリングキャパシタＣS2の一端（ノードＹ）に接続する。また、コントローラ２０５は、第１の電池セル及び第２の電池セルの共通端子を、サンプルホールド回路１０２内部のサンプリングスイッチＳSP及びＳSNの間に設けられた端子（ノードＣｏｍ）に接続する。従って、第１のフェーズにおいて、サンプリングキャパシタＣS1及びＣS2の両端の電圧が共にＶBに一致するように、測定対象の電池セル対によって充電が行われる。
【００４６】
以下、個々の電池セルでなく電池セル対を電圧測定の対象とすることの技術的意義を説明する。  
前述した図１の電圧測定装置は、第２のフェーズ開始直後において、図３Ｂに示したようにサンプリングキャパシタＣS1に電圧ＶBに応じた電荷が蓄積されている。しかしながら、第２のフェーズにおいて、オペアンプＡｍｐの同相帰還によってサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2には同相電流が流れるため、次第に図６に示す状態に近づく。即ち、第２のフェーズ終了時にはサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2の両端の電圧がＶB／２となる。
【００４７】
図６に示す状態から、継続して第１のフェーズに移行すると、サンプリングキャパシタＣS1の両端の電圧が再びＶBとなるまで、測定対象の電池セルが充電を行うこととなる。この充電によって、測定対象の電池セルは電荷を引き抜かれてしまうため、当該電池セルの残量が低下するおそれがある。
【００４８】
一方、図７の電圧測定装置は、第２のフェーズ開始時及び終了時において、サンプリングキャパシタＣS1及びＣS2の両端の電圧は略ＶBのままであり、継続して第１のフェーズに移行する場合に電池セル対から電荷を引き抜く必要が無い（充電の必要が無い）。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、隣接する２つの電池セルによって構成される電池セル対を測定対象としている。従って、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置によれば、継続して電圧測定を行う場合に測定対象の電池セル対から電荷を引き抜く必要が無いため、当該電池セル対の残量の低下を回避できる。
【００５０】
（第３の実施形態）  
前述した第２の実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、測定対象を隣接する２つの電池セルとするため、個々の電池セルの電圧を測定することができない。本発明の第３の実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る組電池の電圧測定装置を組み合わせて利用する。本実施形態に係る電圧測定装置は、図１におけるコントローラ１０５または図７におけるコントローラ２０５をコントローラ３０５に置き換えたものであり、その他の構成は同様である。
【００５１】
即ち、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、第２の実施形態と同様の手法で電池セル対を測定対象として網羅的に電圧測定を行うと共に、第１の実施形態と同様の手法で任意の１つの電池セルを測定対象として電圧測定を行う。電池セル対の電圧測定が網羅的に行われていれば、１つの電池セルの電圧測定結果から芋づる式にその他の全ての電池セルの電圧測定結果を算出することができる。
【００５２】
例えば、図８に示すように、１回目に第５段目の電池セル及び第４段目の電池セル、２回目に第４段目の電池セル及び第３段目の電池セル、３回目に第３段目の電池セル及び第２段目の電池セル、４回目に第２段目の電池セル及び第１段目の電池セルの電圧が測定され、５回目に第１段目の電池セルの電圧が測定されたとする。第１段目の電池セルの電圧測定結果を、第２段目の電池セル及び第１段目の電池セルの電圧測定結果から減算すれば、第２段目の電池セルの電圧測定結果が得られる。以下、同様に芋づる式に全ての電池セルの電圧測定結果を算出することができる。
【００５３】
以下、図９を用いて本実施形態に係る組電池の電圧測定装置の動作例を説明する。  
まず、コントローラ３０５は、第ｉ段目の電池セルＢi及び第（ｉ−１）段目の電池セルＢi-1を測定対象の電池セル対として選択し、サンプルホールド回路１０２は差動電圧をサンプリングキャパシタＣS1及びＣS2に夫々サンプルする（ステップＳ３０１）。ｉの初期値は、例えば直列接続される電池セルの総数ｎである。
【００５４】
次に、ＡＤＣ１０４は、サンプルホールド回路１０２内部のオペアンプＡｍｐから出力される信号をデジタル信号に変換して、測定対象の電池セル対の電圧測定結果を得る（ステップＳ３０２）。コントローラ３０５は、ステップＳ３０２において得られた電圧測定結果をメモリ１０６に保存する（ステップＳ３０３）。
【００５５】
（ｉ−１）が１に等しければ処理はステップＳ３０６に進み、そうでなければ処理はステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５においてｉが１デクリメントされ、処理はステップＳ３０１に戻る。
【００５６】
ステップＳ３０６において、コントローラ３０５は、第ｊ（ｊはｎ以下の任意の自然数）段目の電池セルＢjを測定対象の電池セルとして選択し、サンプルホールド回路１０２は差動電圧をサンプリングキャパシタＣS1にサンプルする。
【００５７】
次に、ＡＤＣ１０４は、サンプルホールド回路１０２内部のオペアンプＡｍｐから出力される信号をデジタル信号に変換して、測定対象の電池セルＢjの電圧測定結果を得る（ステップＳ３０７）。コントローラ３０５は、ステップＳ３０７において得られた電圧測定結果に基づき、個々の電池セルの電圧測定結果を順次算出し、メモリ１０６に保存する（ステップＳ３０８）。電圧測定を継続する場合にはｉ及びｊを適宜設定のうえ処理はステップＳ３０１に戻り、そうでない場合には処理は終了する。
【００５８】
尚、上記例では、ｉの初期値をｎとして１ずつデクリメントすることにより、電池セル対の電圧測定を網羅的に行っているが、測定順序はこれに限らず網羅的でさえあればよい。例えば、ｉの初期値を２として１ずつインクリメントしてもよいし、ｉの初期値を２以上ｎ以下の任意の自然数として１ずつインクリメントまたはデクリメントしてもよい。
【００５９】
特に、電圧測定処理が継続的に行われる場合であれば、前回の測定において最も高い電圧測定結果が得られた電池セル対に応じた値をｉの初期値とすることが望ましい。前述したように、１つの電池セルに対する電圧測定を行うと次の電圧測定において電池セル対から電荷が引き抜かれるため、最も高い電圧測定結果が得られた電池セル対を割り当てることにより、電池セル間の電圧ばらつきの緩和を期待できる。また、対地電圧の高い電圧セルほど寄生キャパシタによる影響が大きく、電圧値が下がりやすい傾向にある。従って、最初の測定時には、ｊを１に近い値とすることが望ましい。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置は、前述した第１の実施形態及び第２の実施形態を組み合わせて利用している。従って、本実施形態に係る組電池の電圧測定装置によれば、電荷の引き抜きを最小限に抑えつつ、個々の電池セルの電圧の測定結果を得ることが可能となる。
【００６１】
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００６２】
その一例として例えば、上記第１乃至第３の実施形態では、スイッチとしてＭＯＳスイッチを例示したが、バイポーラスイッチ等の他のトランジスタスイッチを使用しても同様の効果を得られる。
【００６３】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る組電池の電圧測定装置を示すブロック図。
【図２】図１の電圧測定装置の組電池システムへの適用例を示すブロック図。
【図３Ａ】図１の電圧測定装置の第１のフェーズにおける接続状態を示すブロック図。
【図３Ｂ】図１の電圧測定装置の第２のフェーズにおける接続状態を示すブロック図。
【図４】図１の電圧測定装置によるスイッチのオン／オフ制御を示すタイミングチャート。
【図５Ａ】図３ＡにおけるノードＸ及びＹの電圧を概念的に示す図。
【図５Ｂ】図３ＢにおけるノードＸ'及びＹ'の電圧を概念的に示す図。
【図６】図１の電圧測定装置を継続して動作させる場合の問題点の説明図。
【図７】第２の実施形態に係る組電池の電圧測定装置を示すブロック図。
【図８】第３の実施形態に係る組電池の電圧測定装置の動作を概念的に示す図。
【図９】第３の実施形態に係る組電池の電圧測定装置の動作例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６５】
１・・・組電池
２Ａ〜２Ｄ・・・電池セル群
３−１１〜３−４５・・・電池セル
４・・・保護装置
５Ａ〜５Ｄ・・・保護ユニット
６・・・管理ユニット
７，８・・・外部端子
９・・・筐体
１０・・・組電池システム
１００・・・電池セル群
１０１・・・第１のスイッチ群
１０２・・・サンプルホールド回路
１０３・・・第２のスイッチ群
１０４・・・ＡＤＣ
１０５・・・コントローラ
１０６・・・メモリ
１０７・・・通信部
２０５・・・コントローラ
３０５・・・コントローラ
【図１】
2010019810.tif 000005
【図２】
2010019810.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2010019810.tif 000008
【図４】
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【図５Ａ】
2010019810.tif 000010
【図５Ｂ】
2010019810.tif 000011
【図６】
2010019810.tif 000012
【図７】
2010019810.tif 000013
【図８】
2010019810.tif 000014
【図９】
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