(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の単位電池（Ｂ１〜Ｂ４）からなる組電池（１）について各単位電池の電圧を検出するもので、全差動構成を有する組電池の電圧検出装置であって、
差動出力構成のオペアンプ（５２）と、
前記各単位電池に対応してそれぞれ設けられた第１コンデンサ（Ｃ１Ａ〜Ｃ１Ｄ）と、
前記第１コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第１コンデンサの一端との間にそれぞれ設けられた第１、第２スイッチ（ＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄ、ＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｄ）と、
前記オペアンプの反転入力端子と前記第１コンデンサの他端との間にそれぞれ設けられた第３スイッチ（ＳＷ３Ａ〜ＳＷ３Ｄ）と、
前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に並列に設けられた第２コンデンサ（Ｃ２）および第４スイッチ（ＳＷ４）と、
前記オペアンプの出力コモンモード電圧として設定される基準電圧との電圧差が、スイッチの耐圧以下となる規定電圧が付与された電圧線と前記第１コンデンサの他端との間に設けられた第５スイッチ（ＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄ）と、
前記第１コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に接続される、１つ以上の第３コンデンサと第６スイッチとからなる直列回路と、
前記オペアンプの反転入力端子と非反転出力端子の側では、前記第１、第２スイッチは、前記第１コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第１コンデンサの一端との間に設けられ、前記第３スイッチは、前記オペアンプの反転入力端子と当該第１コンデンサの他端との間に設けられ、前記第２コンデンサおよび前記第４スイッチは、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に並列に設けられ、前記第５スイッチは、前記規定電圧が付与された電圧線と前記第１コンデンサの他端との間に設けられ、
前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子の側では、前記第１、第２スイッチは、前記第１コンデンサに対応する単位電池の低電位側端子、高電位側端子と当該第１コンデンサの一端との間に設けられ、前記第３スイッチは、前記オペアンプの非反転入力端子と当該第１コンデンサの他端との間に設けられ、前記第２コンデンサおよび前記第４スイッチは、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に並列に設けられ、前記第５スイッチは、前記規定電圧が付与された電圧線と前記第１コンデンサの他端との間に設けられ、
前記複数の単位電池について各単位電池に対応する前記第１，第５及び第６スイッチを閉じて前記第１及び第３コンデンサに電荷を充電し、前記複数の単位電池について前記第１スイッチと前記第５スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を前記第１コンデンサに同時に保持し、その後、前記複数の単位電池を順に電圧検出対象として、前記第４スイッチを一時的に閉じた状態にして前記第２コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する前記第１，第５及び第６スイッチを開いた状態で前記第２スイッチと前記第３スイッチを閉じることにより、各単位電池の電圧を検出する制御手段（６）とを備えたことを特徴とする組電池の電圧検出装置。
【請求項２】
直列接続された複数の単位電池（Ｂ１〜Ｂ４）からなる組電池（１）について各単位電池の電圧を検出する組電池の電圧検出装置であって、
非反転入力端子が所定の基準電圧にバイアスされたシングルエンド出力構成のオペアンプと、
前記各単位電池に対応してそれぞれ設けられた第１コンデンサ（Ｃ１Ａ〜Ｃ１Ｄ）と、
前記第１コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第１コンデンサの一端との間にそれぞれ設けられた第１、第２スイッチ（ＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄ、ＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｄ）と、
前記オペアンプの反転入力端子と前記第１コンデンサの他端との間にそれぞれ設けられた第３スイッチ（ＳＷ３Ａ〜ＳＷ３Ｄ）と、
前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に並列に設けられた第２コンデンサ（Ｃ２）および第４スイッチ（ＳＷ４）と、
前記基準電圧との電圧差がスイッチの耐圧以下となる規定電圧が付与された電圧線と前記第１コンデンサの他端との間に設けられた第５スイッチ（ＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄ）と、
前記第１コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に接続される、１つ以上の第３コンデンサと第６スイッチとからなる直列回路と、
前記複数の単位電池について各単位電池に対応する前記第１，第５及び第６スイッチを閉じて前記第１及び第３コンデンサに電荷を充電し、前記複数の単位電池について前記第１スイッチと前記第５スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を前記第１コンデンサに同時に保持し、その後、前記複数の単位電池を順に電圧検出対象として、前記第４スイッチを一時的に閉じた状態にして前記第２コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する前記第１，第５及び第６スイッチを開いた状態で前記第２スイッチと前記第３スイッチを閉じることにより、各単位電池の電圧を検出する制御手段（６）とを備えたことを特徴とする組電池の電圧検出装置。
【請求項３】
前記第３及び第５スイッチは、アナログスイッチで構成され、
前記基準電圧の電位は、前記第３及び第５スイッチを駆動するために供給される電圧の中間電位に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の組電池の電圧検出装置。
【請求項４】
前記第３コンデンサの容量は、前記第１コンデンサの容量よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の組電池の電圧検出装置。
【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単位電池からなる組電池について各単位電池の電圧を検出する組電池の電圧検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車には、複数の２次電池（単位電池）を直列に接続して構成される組電池が搭載されている。このような組電池においては、各単位電池の保護管理のため、各単位電池の電圧を個別に検出する必要がある。しかし、上記用途において、組電池を構成する単位電池の直列接続数は非常に多い。このため、組電池における接続位置が高電位側になるに従って単位電池の電位が高くなり、単位電池の電圧検出装置に高い電圧が印加される。
【０００３】
単位電池が劣化すると、内部抵抗の増大、端子開放電圧（起電力）の低下などが生じる。そこで、組電池の管理装置は、各単位電池の電圧と組電池全体に流れる電流とを同時に検出して、各単位電池の内部抵抗および端子開放電圧を高精度に測定する必要がある。特許文献１には、組電池を構成する複数の単位電池を同時にサンプリングして電圧検出する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、サンプリングによりコンデンサに保持された電荷を順次再分配して電圧を検出するが、検出が行われるまでコンデンサは電荷を保持し続けている。その間に、外来ノイズ等の影響を受けると、コンデンサに保持されている電荷が変化して電圧の検出精度が低下するおそれがある。
【０００６】
例えば、特許文献１の図１に示す構成において、第５スイッチＳＷ５を一斉にオフした際に、電荷を保持している第１コンデンサＣ１Ｄの電池側電極（電極Ａ）は、第１スイッチＳＷ１Ｄがオンしているため電圧Ｖ４となっている。一方、逆側の電極（電極Ｂ）の電圧は、第５スイッチＳＷ５Ｄがオフした後も電荷が充電された時の電圧ＶREFを示している。
【０００７】
この状態で、電圧Ｖ４がノイズや電池の放電等により変動すると、電極Ａの電圧もその変動に従い変化しようとする。一般に、各スイッチＳＷはアナログスイッチで構成されることが多いが、前記電圧の変化が一定以上になると、第３，第５スイッチＳＷ３Ｄ，ＳＷ５Ｄを構成するＭＯＳＦＥＴのバックゲートから、寄生ダイオードを通じて電流が流れるため、第１コンデンサＣ１Ｄの電荷が変化してしまう。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズの影響を低減して電圧検出精度を向上させることができる組電池の電圧検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の組電池の電圧検出装置によれば、差動出力構成のオペアンプを用いて電圧検出を行う。制御手段は、複数の単位電池について各単位電池に対応する第１，第５及び第６スイッチを閉じて第１及び第３コンデンサに電荷を充電し、複数の単位電池について第１スイッチ，第５スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を第１コンデンサに同時に保持する。その後、複数の単位電池を順に電圧検出対象として、第４スイッチを一時的に閉じた状態にして第２コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する第１，第５及び第６スイッチを開いた状態で第２及び第３スイッチを閉じて、各単位電池の電圧を検出する。
【００１０】
つまり、上記の構成は、特許文献１の図１１に示す構成において、第１コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に、第３コンデンサ及び第６スイッチからなる直列回路を追加し、制御手段が第６スイッチについても開閉制御を行うようにしたものである。このように構成すれば、電圧検出対象の単位電池には、第１コンデンサと１つ以上の第３コンデンサとが直列に接続される。そのため、これらのコンデンサに電荷が充電されて保持された後に単位電池の電圧が変動しても、第１コンデンサと第３コンデンサとの共通接続点の電圧は、これらの容量で分圧されているので変動の影響が緩和される。したがって、電圧の検出精度を向上させることができる。
【００１１】
請求項２記載の組電池の電圧検出装置によれば、請求項１における差動出力構成のオペアンプに替えて、シングルエンド出力構成のオペアンプを用いる。つまり、この構成は、特許文献１の図１に示す構成に、請求項１と同様に第３コンデンサ及び第６スイッチからなる直列回路を追加し、制御手段が第６スイッチについても開閉制御を行うようにしたものである。したがって、シングルエンド出力構成のオペアンプを用いて請求項１と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態を示す電圧検出装置の構成図
【図２】スイッチのオンオフ状態、出力電圧の波形およびセル電圧の検出状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下では、特許文献１において開示されている構成と同一の部分には同一の符号を付して示す。但し、以下に述べる第３コンデンサＣ３及び第６スイッチＳＷ６については、特許文献１に開示されている構成とは異なり、本実施形態独自の構成である。図１に示すように、電圧検出装置２０１は、特許文献１の図１１に示す第４の実施形態の構成に、第３コンデンサＣ３（Ａ〜Ｄ）及び第６スイッチＳＷ６（Ａ〜Ｄ）からなる直列回路を追加したもので、この直列回路は、第１コンデンサＣ１と第３スイッチＳＷ３との共通接続点と、固定電位点であるグランドとの間に接続されている。第３コンデンサＣ３の容量は、第１コンデンサＣ１の容量よりも大きく設定されている。また制御手段に相当する制御回路２０２は、制御回路６に替わって配置されている。
【００１４】
尚、特許文献１の図２には、第１及び第２スイッチＳＷ１及びＳＷ２が、ＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタによりアナログスイッチとして構成されていることが示されている。本実施形態では、これらに加えて、少なくとも第３及び第５スイッチＳＷ３及びＳＷ５についてもアナログスイッチで構成されている。規定電圧ＶREFは、特許文献１と同様に、差動出力構成のオペアンプ５２の出力コモンモード電圧として設定される基準電圧に等しく設定されている。また、規定電圧ＶREFは、第３及び第５スイッチＳＷ３及びＳＷ５のバックゲート電圧（例えば０Ｖ，５Ｖ）の中間電圧（例えば２．５Ｖ）に設定されている。
【００１５】
次に、本実施形態の作用について説明する。制御回路２０２は、電池セルＢ１〜Ｂ４の電圧ＶＢ１〜ＶＢ４に応じた電荷を第１コンデンサＣ１Ａ〜Ｃ１Ｄに同時に保持する。その後、各スイッチを切り替えて電池セルＢ１〜Ｂ４を降順に電圧検出対象としながら、各保持電荷に対し電荷再分配を実行してセル電圧ＶＢ１〜ＶＢ４を検出する。Ａ／Ｄ変換器３は、電圧検出装置２０１から順次出力される検出電圧をＡ／Ｄ変換する。図２に示すスイッチのオンオフ状態は、高レベルがオン状態、低レベルがオフ状態である。
【００１６】
［期間１］
制御回路２０２は、全ての電池セルＢ１〜Ｂ４について、第１スイッチＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄ，第４スイッチＳＷ４，第５スイッチＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄ及び第６スイッチＳＷ６Ａ〜ＳＷ６Ｄをオンし、第２スイッチＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｄと第３スイッチＳＷ３Ａ〜ＳＷ３Ｄをオフする。これにより、第１コンデンサＣ１Ａ〜Ｃ１Ｄは、それぞれＶｎ−ＶREFの電圧で一斉に充電され、第３コンデンサＣ３Ａ〜Ｃ３Ｄは、何れも基準電圧ＶREFで充電される（サンプリング）。第２コンデンサＣ２の電荷は、ゼロに初期化される。
【００１７】
このとき、オフ状態にあるＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｄには、それぞれ電池セルＢ１〜Ｂ４の電圧ＶＢ１〜ＶＢ４だけが印加されている。オペアンプ４の入力端子には、電源電圧ＶDDより低く設定された基準電圧ＶREFが印加されている。基準電圧ＶREFと規定電圧ＶREFは等しいので、スイッチＳＷ３Ａ〜ＳＷ３Ｄには電圧が印加されない。
【００１８】
［期間２］
制御回路２０２は、第５スイッチＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄを一斉に（同時に）オフして、電池セルＢ１〜Ｂ４による電荷を第１コンデンサＣ１Ａ〜Ｃ１Ｄ及び第３コンデンサＣ３Ａ〜Ｃ３Ｄに同時に保持する（ホールド）。電荷をホールドすればよいので、第１スイッチＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄを一斉にオフしてもよく、第１スイッチＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄと第５スイッチＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄを一斉にオフしてもよい。
【００１９】
この時、電池セルＢに対して第１コンデンサＣ１及び第３コンデンサＣ３が直列に接続されるので、ホールド後に電池セルＢの電圧が変動しても、両コンデンサの共通接続点はこれらの容量で分圧された電位となる。したがって、電圧変動の影響は緩和される。また、前述のように、規定電圧ＶREFを第３及び第５スイッチＳＷ３及びＳＷ５のバックゲート電圧の中間電圧に設定することで、電池セルＢの電圧が変動する極性の双方について同程度の変動マージンを設けることができる。
【００２０】
図示しない電流検出装置は、これと同時に組電池１に流れる電流を検出する。期間１、２は、充電期間、ホールド期間であるのみならず、電池セルＢ４を電圧検出対象とするときの第２コンデンサＣ２の初期化期間でもある。
【００２１】
［期間３］
制御回路２０２は、電池セルＢ４を電圧検出対象とし、電荷再分配の期間４に備えて第１スイッチＳＷ１Ｄ，第４スイッチＳＷ４及び第６スイッチＳＷ６Ｄをオフする。第１スイッチＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｃは、オンのままでよい。
【００２２】
［期間４］
制御回路２０２は、電池セルＢ４について第２スイッチＳＷ２Ｄと第３スイッチＳＷ３Ｄをオンする。第１コンデンサＣ１Ｄの一端には、電圧Ｖ４に替えて電圧Ｖ３が印加される。このとき、期間２で第１コンデンサＣ１Ｄ及び第３コンデンサＣ３Ｄにホールドされた電荷が、第２コンデンサＣ２との間で再分配される。また、第６スイッチＳＷ６Ｄをオフにしていることで、第３コンデンサＣ３による熱雑音の影響が及んで電圧検出精度が低下することを回避している。
【００２３】
期間３と期間４との間の電荷保存の一般式は、第１コンデンサの容量をＣ１、第２コンデンサの容量をＣ２とすれば（１）式となる。電池セルＢ４についてはＶn＝Ｖ４、Ｖn-1＝Ｖ３となる。
Ｃ１（Ｖn−ＶREF）＝Ｃ１（Ｖn-1−ＶREF）＋Ｃ２（ＶOUT−ＶREF）    …（１）
これを解くと（２）式が得られる。
ＶOUT＝Ｃ１／Ｃ２（Ｖn−Ｖn-1）＋ＶREF  …（２）
すなわち、オペアンプの出力電圧ＶOUTは、電荷再分配の後、電池セルＢ４の端子間電圧（＝電池セルＢ４の電圧ＶＢ４）をＣ１／Ｃ２倍し、基準電圧ＶREFだけオフセットした電圧となる。この場合でも、オフ状態にあるＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｃ、ＳＷ１Ｄには、それぞれ電池セルＢ１〜Ｂ４の電圧ＶＢ１〜ＶＢ４だけが印加される。
【００２４】
［期間５］
制御回路２０２は、電圧検出対象の電池セルをＢ４からＢ３に切り替える。電圧検出対象でなくなった電池セルＢ４については、第３スイッチＳＷ３Ｄをオフして第１コンデンサＣ１ＤをコモンラインＣＬから切り離し、第２スイッチＳＷ２Ｄをオフ、第１スイッチＳＷ１Ｄ，第５スイッチＳＷ５Ｄ及び第６スイッチＳＷ６Ｄをオンしてサンプリング動作に移行する。ノンオーバーラップ信号生成回路１２の作用により、第１スイッチＳＷ１Ｄと第２スイッチＳＷ２Ｄが同時にオンすることはない。制御回路２０２は、第２コンデンサＣ２の電荷を初期化するため、本期間の間、一時的に第４スイッチＳＷ４をオンする。以上に説明したように、第６スイッチＳＷ６Ｄのオンオフ期間は、第１スイッチＳＷ１Ｄのオンオフ期間に一致する。
【００２５】
［期間６］
制御回路２０２は、期間３と同様に、電荷再分配の期間７に備えて第１スイッチＳＷ１Ｃ，第４スイッチＳＷ４及び第６スイッチＳＷ６Ｃをオフする。第１スイッチＳＷ１Ａ、ＳＷ１Ｂ、ＳＷ１Ｄは、オンのままでよい。
【００２６】
［期間７］
制御回路２０２は、期間４と同様に、電池セルＢ３について第２スイッチＳＷ２Ｃと第３スイッチＳＷ３Ｃをオンする。このとき、期間２で第１コンデンサＣ１Ｃ及び第３コンデンサＣ３Ｃにホールドされた電荷が、第２コンデンサＣ２との間で再分配される。オペアンプ４の出力電圧ＶOUTは、（２）式（Ｖn＝Ｖ３、Ｖn-1＝Ｖ２）のようになる。
【００２７】
［期間８〜期間１３］
制御回路２０２は、期間８〜１０において電池セルＢ２を電圧検出対象とし、期間５〜７と同様にして（２）式（Ｖn＝Ｖ２、Ｖn-1＝Ｖ１）で示す出力電圧ＶOUTを得る。続いて、期間１１〜１３において電池セルＢ１を電圧検出対象とし、期間５〜７と同様にして（２）式（Ｖn＝Ｖ１、Ｖn-1＝Ｖ０）で示す出力電圧ＶOUTを得る。
期間１〜１３を経て、１回のセル電圧ＶＢ１〜ＶＢ４の検出が終了する。電圧検出装置２は、管理装置からの指令に従って期間１〜１３の処理を繰り返す。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の電圧検出装置２０１は、電池セルＢｎを同時にサンプリングした後、そのサンプリングした電荷を用いて順にセル電圧ＶＢｎを検出する。電池セルＢｎごとに第１コンデンサＣ１ｘ及び第３コンデンサＣ３ｘとスイッチとからなる容量切換回路を備えればよいので、電池セルＢｎごとに専用のＡ／Ｄ変換器を設けて同時サンプリングを実現する構成に比べ、レイアウト面積が格段に小さくて済む。
【００２９】
そして、電池セルＢｎの電圧Ｖｎをサンプリングしてホールドする際に、第１コンデンサＣ１ｘ及び第３コンデンサＣ３ｘの直列回路に充電を行うので、ホールド後に電圧Ｖｎが変動した場合でも、その変動の影響を軽減できる。また、第３コンデンサＣ３ｘの容量を、第１コンデンサＣ１ｘの容量よりも大きく設定することで、前記変動の影響を軽減できる度合いをより高めることができる。更に、基準電圧に等しく設定されている規定電圧ＶREFを、第３及び第５スイッチＳＷ３及びＳＷ５のバックゲート電圧の中間電圧に設定することで、電圧Ｖｎが変動する極性の双方について同程度の変動マージンを設けることができる。
【００３０】
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
第３コンデンサＣ３を、２個以上直列に接続しても良い。
また、第３コンデンサが接続される固定電位点を、グランドに替えて電源（の供給点）にしても良い。また、電源に限らず、一定の電圧が供給されている電位点であれば良い。
規定電圧ＶREFは必ずしも、第３及び第５スイッチＳＷ３及びＳＷ５のバックゲート電圧の中間電圧に設定する必要はない。
【００３１】
第３コンデンサＣ３の容量は、必ずしも第１コンデンサＣ１の容量より大きく設定する必要はない。
差動出力構成のオペアンプ（５２）に替えて、シングルエンド出力のオペアンプを用いた、特許文献１の図１に示す構成に適用しても良い。すなわち、同図１に示すオペアンプ４の非反転入力端子を所定の基準電圧でバイアスしたものを用い、本実施形態の図１と同様に、第３コンデンサＣ３及び第６スイッチＳＷ６の直列回路を追加すれば良い。この場合も、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を制御するタイミングチャートは本実施形態の図２と同様になる。
【符号の説明】
【００３２】
１  組電池、２０１  組電池の電圧検出装置、２０２は制御回路（制御手段）、５２はオペアンプ、Ｂｎ（Ｂ１〜Ｂ４）  電池セル（単位電池）、Ｃ１ｘ（Ｃ１Ａ〜Ｃ１Ｄ）  第１コンデンサ、Ｃ２  第２コンデンサ、Ｃ３  第３コンデンサ、ＳＷ１ｘ（ＳＷ１Ａ〜ＳＷ１Ｄ）  第１スイッチ、ＳＷ２ｘ（ＳＷ２Ａ〜ＳＷ２Ｄ）  第２スイッチ、ＳＷ３ｘ（ＳＷ３Ａ〜ＳＷ３Ｄ）  第３スイッチ、ＳＷ４  第４スイッチ、ＳＷ４Ａ、ＳＷ４Ｂ、ＳＷ４Ｃは第４Ａ、第４Ｂ、第４Ｃスイッチ、ＳＷ５ｘ（ＳＷ５Ａ〜ＳＷ５Ｄ）  第５スイッチ、ＳＷ６ｘ（ＳＷ６Ａ〜ＳＷ６Ｄ）  第６スイッチ、ＶREFは基準電圧及び規定電圧。
【図１】
0006380242.tif 000002
【図２】
0006380242.tif 000003