(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３以上のフライングキャパシタと、
互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電極端子を所定の前記フライングキャパシタの両端に順次接続して前記各電池モジュールの電圧を前記各フライングキャパシタに順次印加するマルチプレクサと、
一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、
前記各フライングキャパシタの蓄電電圧を前記差動電圧検出回路の前記一対の入力端子間に順番に印加する出力側サンプリングスイッチと、
を備え、
前記３以上のフライングキャパシタのうち一つの前記フライングキャパシタが前記差動増幅回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間に設定され且つ他の一つの前記フライングキャパシタが前記電池モジュールから電圧を読み込む電圧読み込み期間に設定されている所定期間の少なくとも一部において、残りの前記フライングキャパシタが電圧読み出しも電圧読み込みもしていないアイドル期間に設定されることを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１記載のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置において、
前記フライングキャパシタの数は３であり、前記電圧読み出し期間と前記電圧読み込み期間とアイドル期間との長さの比は、２：５：２であることを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置において、
前記差動電圧検出回路の前記一対の入力端間を短絡するリセットスイッチを有することを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置において、
前記各フライングキャパシタの前記電圧読み出し期間は、それぞれ等しく設定され、かつ、それぞれ等しい時間だけずれており、
前記各フライングキャパシタの前記電圧読み出し期間は、前記電圧読み込み期間の直後に設定され、かつ、次の前記フライングキャパシタの前記電圧読み出し期間の開始前に終了することを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置に関し、特に車両用組電池に用いるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車などでは、二次電池や燃料電池からなる組電池は互いに直列接続した多数の電池モジュールにより構成され、電池モジュールは所定数の単電池を直列接続して構成されている。
【０００３】
各電池モジュールの電位が高くかつそれぞれ異なるために、各電池モジュールの電圧計測は、各電池モジュールを出力側の差動電圧検出回路の基準電位から絶縁可能なフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置が好適である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各電池モジュールごとに電圧検出回路を装備することは装置の大規模化を招くとともに、各差動電圧検出回路間のオフセット誤差や電圧増幅率誤差も補償する必要があるため、マルチプレクサを用いて各電池モジュール電圧を時間順次にサンプリングして共通のフライングキャパシタに読み込むことによりフライングキャパシタや差動電圧検出回路の必要個数を低減したマルチプレクサ付きフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置が好適な回路構成となる。
【０００５】
しかしながら、このマルチプレクサ付きフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置によれば、全ての電池モジュール電圧を計測するのに必要な全計測時間は、各電池モジュールの電圧を差動電圧検出回路で検出する時間（モジュール電圧計測時間）の総和となる。このため、最初の電池モジュールの計測時点と、最後の電池モジュールの計測時点との間にかなるの時間が経過するため、この間に、充放電している組電池の状態が変化し、正確な組電池状態が計測できないという問題があった。
【０００６】
この問題は、フライングキャパシタのモジュール電圧読み込み、読み出し過程が本質的にコンデンサのＣＲ充放電過程であり、その検出精度を向上するには時間を掛ける必要があるという点により一層助長される。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化を抑止しつつ、組電池電圧の計測時間の短縮を実現可能なフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置を提供することを、その目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、３以上のフライングキャパシタと、互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電極端子を所定の前記フライングキャパシタの両端に順次接続して前記各電池モジュールの電圧を前記各フライングキャパシタに順次印加するマルチプレクサと、一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、前記各フライングキャパシタの蓄電電圧を前記差動電圧検出回路の前記一対の入力端子間に順番に印加する出力側サンプリングスイッチとを備え、前記３以上のフライングキャパシタのうち一つの前記フライングキャパシタが前記差動増幅回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間に設定され且つ他の一つの前記フライングキャパシタが前記電池モジュールから電圧を読み込む電圧読み込み期間に設定されている所定期間の少なくとも一部において、残りの前記フライングキャパシタが電圧読み出しも電圧読み込みもしていないアイドル期間に設定されることを特徴としている。
【０００９】
本構成によれば、回路構成の複雑化を抑止しつつ、組電池電圧の計測時間の短縮を実現することができる。フライングキャパシタの３つについて以下に説明する。この場合、ある一つの電池モジュールから第一のフライングキャパシタにモジュール電圧を読み込む電圧読み込み期間は、第二のフライングキャパシタから差動電圧検出回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間と少なくとも一部オーバーラップし、第三のフライングキャパシタからから差動電圧検出回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間と少なくとも一部オーバーラップしている。また、他の電池モジュールから第二のフライングキャパシタにモジュール電圧を読み込む電圧読み込み期間は、第一のフライングキャパシタから差動電圧検出回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間と少なくとも一部オーバーラップし、第三のフライングキャパシタから差動電圧検出回路に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間と少なくとも一部オーバーラップしている。
【００１０】
好適な態様において、フライングキャパシタの数は３であり、前記電圧読み出し期間と前記電圧読み込み期間とアイドル期間との長さの比は、２：５：２とすることができる。
【００１３】
好適な態様においてにおいて更に、前記差動電圧検出回路の前記一対の入力端間を短絡するリセットスイッチを有することを特徴としているので、フライングキャパシタの蓄電電圧を差動電圧検出回路に読み込んだ後、差動電圧検出回路の入力端寄生容量やフライングキャパシタの蓄電電荷の消去を高速化するので、電圧読み出し期間に含まれる上記蓄電電荷消去時間を短縮して、全体としての電圧読み出し期間を短縮することができる。
【００１４】
なお、本構成では、リセットスイッチは、出力側サンプリングスイッチをオフし、差動電圧検出回路が信号電圧を出力した後でオンされることができる他、差動電圧検出回路が信号電圧を出力した後で、出力側サンプリングスイッチをオンした状態でリセットスイッチをオンしてフライングキャパシタの蓄電電荷を消去することも可能である。
【００１５】
また、差動電圧検出回路の出力電圧はＡ／Ｄコンバータにより所定タイミングにてサンプリングされてＡ／Ｄ変換されることが好適であるが、このＡ／Ｄコンバータのサンプリングタイミングは出力側サンプリングスイッチのオン期間の後期に設定されてもよく、出力側サンプリングスイッチのオフ後に設定されてもよい。
【００１８】
好適な態様において更に、前記各フライングキャパシタの前記電圧読み込み期間は、それぞれ等しく設定され、かつ、それぞれ等しい時間だけずれており、前記各フライングキャパシタの前記電圧読み出し期間は、前記電圧読み込み期間の直後に設定され、かつ、次の前記フライングキャパシタの前記電圧読み出しの開始前に終了することを特徴としている。
【００１９】
本構成によれば、各フライングキャパシタに順次読み込まれた蓄電電圧を互いにオーバーラップすることなく、一つの差動増幅回路に順次読み込むことが可能となる。また、各サンプリングスイッチの駆動信号及び差動増幅回路の出力電圧をサンプリングするＡ／Ｄコンバーターのサンプリングスイッチを単純化なクロックパルス信号で駆動することができ。回路構成及びその駆動を簡素化し、サンプリングレートの向上が容易となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。ただし、本発明は下記の実施例の構成に限定されるものではなく、置換可能な公知回路を用いて構成できることは当然である。
【００２１】
【実施例１】
本発明を適用する組電池の電圧検出装置の一実施例を図１に示す回路図を参照して説明する。
（回路構成）
組電池１は、２つの電池ブロックを構成している電池モジュールＶ１〜Ｖ１０を直列接続してなる。各電池モジュールＶ１〜Ｖ１０はそれぞれ等しい数の単電池を直列接続してなる。Ｒ１〜Ｒ１２は保護用の電流制限抵抗素子、２、３はマルチプレクサ、４、５はフライングキャパシタ、６〜９は出力側サンプリングスイッチ、１０はリセットスイッチ、１１は差動電圧検出回路、１２はＡ／Ｄコンバータである。
【００２２】
マルチプレクサ２は、互いに異なる電流制限抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６を通じて高電位側の電池ブロックを構成する電池モジュールＶ１〜Ｖ５の各電極端子に個別に接続される合計６個のサンプリングスイッチ２１〜２６を有している。更に詳しく説明すると、フライングキャパシタ４の一端は、サンプリングスイッチ２１、２３、２５及び電流制限抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５の各対を通じて電池モジュールＶ１、Ｖ３、Ｖ５の正極端子に接続され、フライングキャパシタ４の他端は、サンプリングスイッチ２２、２４、２６及び電流制限抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６の各対を通じて電池モジュールＶ１、Ｖ３、Ｖ５の負極端子に接続されている。
【００２３】
マルチプレクサ３は、互いに異なる電流制限抵抗素子Ｒ７〜Ｒ１２を通じて低電位側の電池ブロックを構成する電池モジュールＶ６〜Ｖ１０の各電極端子に個別に接続される合計６個のサンプリングスイッチ３１〜３６を有している。更に詳しく説明すると、フライングキャパシタ５の一端は、サンプリングスイッチ３１、３３、３５及び電流制限抵抗素子Ｒ７、Ｒ９、Ｒ１１の各対を通じて電池モジュールＶ６、Ｖ８、Ｖ１０の正極端子に接続され、フライングキャパシタ５の他端は、サンプリングスイッチ３２、３４、３６及び電流制限抵抗素子Ｒ８、Ｒ１０、Ｒ１２の各対を通じて電池モジュールＶ６、Ｖ８、Ｖ１０の負極端子に接続されている。
【００２４】
出力側サンプリングスイッチ６、７は、フライングキャパシタ４の両端を差動電圧検出回路１１の一対の入力端に接続し、出力側サンプリングスイッチ８、９は、フライングキャパシタ５の両端を差動電圧検出回路１１の上記一対の入力端に接続している。
【００２５】
リセットスイッチ１０は、差動電圧検出回路１１の一対の入力端を短絡可能に接続され、差動電圧検出回路１１の出力電圧はＡ／Ｄコンバータ１２に所定のタイミングで読み込まれてデジタル信号に変換される。
【００２６】
（動作説明)
次に、この回路による電池モジュールＶ１〜Ｖ１０の電圧検出動作を以下に説明する。また、各サンプリングスイッチの動作タイミングを図２に示す。
【００２７】
最初の第一期間Ｔ１において、サンプリングスイッチ２１、２２、出力側サンプリングスイッチ８、９をオンするとともに、サンプリングスイッチ３５、３６、出力側サンプリングスイッチ６、７をオフし、電池モジュールＶ１をフライングキャパシタ４に読み込むとともに、フライングキャパシタ５の蓄電電圧を差動電圧検出回路１１に読み出す。この第一期間Ｔ１の後半において、リセットスイッチ１０をオンし、フライングキャパシタ５や寄生容量の蓄電電荷を消去する。Ａ／Ｄコンバータ１２の信号電圧取り込みはこの第一期間Ｔ１内の前半のなるべく後期、すなわち、リセットスイッチ１０のオン直前に実施される。
【００２８】
次の第二期間Ｔ２において、サンプリングスイッチ３１、３２、出力側サンプリングスイッチ６、７をオンするとともに、サンプリングスイッチ２１、２２、出力側サンプリングスイッチ８、９をオフし、電池モジュールＶ６をフライングキャパシタ５に読み込むとともに、フライングキャパシタ４の蓄電電圧を差動電圧検出回路１１に読み出す。この第一期間Ｔ２の後半において、リセットスイッチ１０をオンし、フライングキャパシタ４や寄生容量の蓄電電荷を消去する。Ａ／Ｄコンバータ１２の信号電圧取り込みはこの第二期間Ｔ２内の前半のなるべく後期、すなわち、リセットスイッチ１０のオン直前に実施される。
【００２９】
次の第三期間Ｔ３において、サンプリングスイッチ２２、２３、出力側サンプリングスイッチ８、９をオンするとともに、サンプリングスイッチ３１、３２、出力側サンプリングスイッチ６、７をオフし、電池モジュールＶ２をフライングキャパシタ４に読み込むとともに、フライングキャパシタ５の蓄電電圧を差動電圧検出回路１１に読み出す。この第三期間Ｔ３の後半において、リセットスイッチ１０をオンし、フライングキャパシタ５や寄生容量の蓄電電荷を消去する。Ａ／Ｄコンバータ１２の信号電圧取り込みはこの第三期間Ｔ３内の前半のなるべく後期、すなわち、リセットスイッチ１０のオン直前に実施される。
【００３０】
次の第四期間Ｔ４において、サンプリングスイッチ３２、３３、出力側サンプリングスイッチ６、７をオンするとともに、サンプリングスイッチ２２、２３、出力側サンプリングスイッチ８、９をオフし、電池モジュールＶ７をフライングキャパシタ５に読み込むとともに、フライングキャパシタ４の蓄電電圧を差動電圧検出回路１１に読み出す。この第四期間Ｔ４の後半において、リセットスイッチ１０をオンし、フライングキャパシタ４や寄生容量の蓄電電荷を消去する。Ａ／Ｄコンバータ１２の信号電圧取り込みはこの第四期間Ｔ４内の前半のなるべく後期、すなわち、リセットスイッチ１０のオン直前に実施される。
【００３１】
以下、同様に、各電池モジュールのモジュール電圧をＡ／Ｄ変換する。
【００３２】
本実施例によれば、一対のフライングキャパシタの一方のフライングキャパシタのモジュール電圧読み込み期間と他方のフライングキャパシタの蓄電電圧読みだし期間とがほぼ完全にオーバーラップしているので、差動電圧検出回路を複数化することなく計測時間を短縮することができる。
【００３３】
更に、図２に示すように、マルチプレクサ２，３のサンプリングスイッチ駆動用のパルス電圧と、出力側サンプリングスイッチ６〜９を駆動するパルス電圧を同時タイミングで電位遷移させているので、制御パルス発生回路を簡素化するとともに、Ａ／Ｄコンバータの電圧取り込み期間にこれらパルス電圧が変化してノイズとなることを防止することができる。
【００３４】
（変形態様）
上記実施例では、リセットスイッチ１０を用いたが、放電抵抗により差動電圧検出回路１１の一対の入力端間の電圧を消去してもよい。
【００３５】
（変形態様）
マルチプレクサの構成は、この実施例の回路に限定されるものではなく、組電池１の各電池モジュールのモジュール電圧を順番にフライングキャパシタ４、５に取り込めるものであれば、他の回路構成でもよいことはもちろんである。
【００３６】
【実施例２】
本発明を適用する組電池の電圧検出装置の一実施例を図３に示す回路図、及びその動作タイミングを示す図４のタイミングチャートを参照して説明する。
【００３７】
この実施例は、図１において更に、電池モジュールＶ１〜Ｖ５により構成される高電位側の電池ブロックＸ、及び、電池モジュールＶ６〜Ｖ１０により構成される低電位側の電池ブロックＹの他に、上記２つの電池ブロックと直列に接続された第三の電池ブロックＺを組電池１に設け、電池ブロックＺを構成する電池モジュールＶ１１〜Ｖ１５の電圧を順次サンプリングするマルチプレクサ１３を設け、マルチプレクサ１３の出力電圧を蓄電する第三のフライングキャパシタ１４を設け、第三のフライングキャパシタ１４の蓄電電圧を読み出す出力側サンプリングスイッチ１５、１６を設けたものである。Ｒ１３〜Ｒ１８は保護用の電流制限抵抗素子である。マルチプレクサ１３は、互いに異なる電流制限抵抗素子Ｒ１３〜Ｒ１８を通じて高電池モジュール電池モジュールＶ１１〜Ｖ１５の各電極端子に個別に接続される合計６個のサンプリングスイッチ４１〜４６を有している。
【００３８】
（動作説明)
次に、この回路による電池モジュールＶ１〜Ｖ１５の電圧検出動作を図４に示す。
【００３９】
図４中、「充放電」と記載された期間は、入力側サンプリングスイッチ対を動作させて電池モジュールからフライングキャパシタに電圧を読み込む電圧読み込み期間、「検出」と記載された期間は出力側サンプリングスイッチ対を動作させてフライングキャパシタから差動増幅回路１１に蓄電電圧を読み出す電圧読み出し期間、「アイドル」と記載された電圧読み出し期間でも電圧読み込み期間でもない期間である。
【００４０】
図４では、各サンプリングスイッチの動作タイミングは、クロックパルスにより決定される時点ｔ０〜ｔ１３中の特定のタイミングで行われ、当然、各時点ｔ０〜ｔ１３間は一定期間ΔＴに設定されている。
【００４１】
「充放電」期間すなわち電圧読み込み期間は５ΔＴの時間幅、「検出」期間すなわち電圧読み出し期間は２ΔＴの時間幅、「アイドル」期間も２ΔＴの時間幅に設定され、フライングキャパシタ４、５、１４の電圧読み込み期間同士は３ΔＴだけずれて配置されている。このようにすれば、各「検出」期間すなわち電圧読み出し期間が重なることがなく、かつ、各スイッチの動作間隔が均一であるので、制御が容易となり、ＡＤコンバータ１２による信号処理も簡単となり、回路構成も簡素化することができる。なお、各「検出」期間が時間的に重複しない範囲で、アイドル期間の伸縮は可能である。
【００４２】
図５〜図７に比較例を示す。これらの図の「充放電」期間や「検出」期間の配置では、「検出」期間が時間的に重複したり、各間隔が不均一となって処理が面倒となったりする不具合が生じる。
（変形態様）
なお、ＡＤコンバータ１０において各「検出」期間ごとに得られる電池モジュール電圧に対して電池モジュール総数に相当する数を掛けて組電池電圧とすることができる。もちろん、この場合、各電池モジュール電圧のばらつきに起因して組電池電圧が時間的に変動する不具合が発生する。
【００４３】
しかし、実施例２のように、一定の時間間隔で電池モジュール電圧をサンプリングする場合、上記のようにして得た組電池電圧の低域成分を抽出すれば、各電池モジュール電圧の平均電圧を抽出することができ、簡素な回路により簡単に組電池電圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置を示す回路図である。
【図２】図１のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の各スイッチの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図３】実施例２のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置を示す回路図である。
【図４】図３のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の各スイッチの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】比較例のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の各スイッチの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】比較例のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の各スイッチの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】比較例のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の各スイッチの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１      組電池
２、３  マルチプレクサ
４、５  フライングキャパシタ
６〜９  出力側サンプリングスイッチ
１０    リセットスイッチ
１１    差動電圧検出回路
１２    Ａ／Ｄコンバータ
【図１】
0004756302.tif 000002
【図２】
0004756302.tif 000003
【図３】
0004756302.tif 000004
【図４】
0004756302.tif 000005
【図５】
0004756302.tif 000006
【図６】
0004756302.tif 000007
【図７】
0004756302.tif 000008