(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池が直列接続されてなる組電池と、前記各単位電池毎にサンプルホールド用スイッチを介して並列に設けられた複数のコンデンサと、該複数のコンデンサの両極間の電圧を測定する電圧検出手段とを備え、かつ上記複数のコンデンサが互いに直列接続されてコンデンサ群が構成され、上記電圧検出手段には、前記複数の各コンデンサの両極から引き出された複数の計測ラインが接続され、それら計測ラインに選択スイッチが備えられ、前記サンプルホールド用スイッチを一斉にオンすることにより、前記各単位電池の電圧を前記各複数のコンデンサに同時にホールドし、上記電圧検出手段が、各コンデンサ両端電圧を低電位側コンデンサから順次電圧検出手段に入力すると共に、計測済みコンデンサを零電圧に放電させるよう選択スイッチをオンオフ制御し、前記各コンデンサの両極間の電圧を検出するよう構成されていることを特徴とする組電池装置。
【請求項２】
上記サンプルホールド用スイッチをオン状態から一斉にオフさせるスイッチ制御手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の組電池装置。
【請求項３】
上記電圧検出手段には、前記各コンデンサの両極から引き出された複数の計測ラインがバッファアンプを介して接続され、前記バッファアンプの出力が電圧検出手段に対して規定電圧範囲以上の過電圧となって印加されることを防止するための過電圧リミッタ回路が、バッファアンプと電圧検出手段との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の組電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単位電池を直列接続して構成された組電池装置において、各単位電池の電圧を検出する回路構成に特徴を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気自動車の動力用バッテリーは多数の単位電池を直列接続して所要の高電圧を確保した組電池により構成されている。このような電池システムでは、各単位電池の電圧にばらつきが生ずると、電池システムの信頼性が低下するおそれがあるため、各単位電池の電圧を検出して、各単位電池が所定の状態にあるか否かを監視するようにしている。
【０００３】
各単位電池の電圧を検出するためには、一般に、図５に示すような構成が利用される。ここでは、単位電池は図面の簡略化のために４個のみ図示してあり、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の例えば正極側の出力端子と、グランドラインＧＮＤとの間に抵抗ＲA，ＲBを直列接続してなる分圧回路Ｐ１〜Ｐ４が接続されると共に、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４における抵抗ＲA，ＲB間の共通接続点は、電圧検出用のＣＰＵ１に接続されている。このＣＰＵ１では、単位電池Ｅ１の電圧Ｖ１と、単位電池Ｅ１とＥ２とを合わせた電圧Ｖ２と、単位電池Ｅ１〜Ｅ３を合わせた電圧Ｖ３と、単位電池Ｅ１〜Ｅ４を合わせた電圧Ｖ４とを、順次にサンプリングして検出すると共に、これらＶ１〜Ｖ２をＣＰＵ１に備えたＡ／Ｄ変換器にてデジタル信号化し、次式に従って各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧ＶE1〜ＶE4を求める。なお、下式においてｋは分圧比で決まる比例常数である。
【０００４】
ＶE1＝ｋ・Ｖ１
ＶE2＝ｋ・（Ｖ２−Ｖ１）
ＶE3＝ｋ・（Ｖ３−Ｖ２）
ＶE4＝ｋ・（Ｖ４−Ｖ３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の組電池装置では、最終的に検出したいものは、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の個々の電圧であるが、そのために複数の単位電池が直列した大電圧（Ｖ２〜Ｖ４）を検出し、それらの大電圧同士の差に基づいて単位電池の個々の電圧を算出している。このため、ＣＰＵ１の分解能が十分に発揮されず、検出精度が低下するという問題が生じる。即ち、ＣＰＵ１におけるＡ／Ｄ変換器の分解能を例えば１０ビットとした場合に、１つの単位電池の電圧を直にＡ／Ｄ変換器に取り込むときと、単位電池を４つ直列した大電圧をＡ／Ｄ変換器に取り込むときとを比較すると、前者では、１つの単位電池の電圧に２10の分解能を割り当てることができるが、後者では、１つの単位電池の電圧に２10／４の分解能しか割り当てることができず、前者に比べて後者は分解能が低下し、従って、単位電池の個々の電圧の検出精度が低くなる。
【０００６】
また、上述の組電池装置では、上記電圧Ｖ１〜Ｖ４を順次にサンプリングして検出しているので、例えば、最初に検出した単位電池の検出電圧に対し、最後に検出した単位電池の検出電圧には、検出タイミングのずれに伴う電圧変動分が含まれることとなり、単位電池同士の正確な電圧差を求められない。一方、上記電圧Ｖ１〜Ｖ４を、一度に検出すべく、同時に複数の電圧検出を行うことが可能なＣＰＵ（Ａ／Ｄコンバータ）を設けると、コストがかかってしまう。
【０００７】
さらに、上述したシステムでは、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４に流れる放電電流ｉ1〜ｉ4により、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の容量にばらつきが発生する。すなわち、図５に示すように、放電電流ｉ１は単位電池Ｅ１にのみ流れるが、放電電流ｉ２は単位電池Ｅ１，Ｅ２の双方に流れ、放電電流ｉ３は単位電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に流れる…、という関係になっているため、グランドラインＧＮＤにより近い単位電池Ｅ１，Ｅ２…には、より多くの電流が常時流れることになる。このため、グランドラインに近い単位電池ほど容量を低下させてしまうのである。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、組電池を構成する各単位電池の電圧を高い精度で検出することが可能な組電池装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る組電池装置は、複数の単位電池が直列接続されてなる組電池と、前記各単位電池毎にサンプルホールド用スイッチを介して並列に設けられた複数のコンデンサと、該複数のコンデンサの両極間の電圧を測定する電圧検出手段とを備え、かつ上記複数のコンデンサが互いに直列接続されてコンデンサ群が構成され、上記電圧検出手段には、前記複数の各コンデンサの両極から引き出された複数の計測ラインが接続され、それら計測ラインに選択スイッチが備えられ、前記サンプルホールド用スイッチを一斉にオンすることにより、前記各単位電池の電圧を前記各複数のコンデンサに同時にホールドし、上記電圧検出手段が、各コンデンサ両端電圧を低電位側コンデンサから順次電圧検出手段に入力すると共に、計測済みコンデンサを零電圧に放電させるよう選択スイッチをオンオフ制御し、前記各コンデンサの両極間の電圧を検出するよう構成されていることを特徴とする。請求項２の発明に係る組電池装置は、請求項１記載の組電池装置において、上記サンプルホールド用スイッチをオン状態から一斉にオフさせるスイッチ制御手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明に係る組電池装置は、請求項１または２に記載の組電池装置において、上記電圧検出手段には、前記各コンデンサの両極から引き出された複数の計測ラインがバッファアンプを介して接続され、前記バッファアンプの出力が電圧検出手段に対して規定電圧範囲以上の過電圧となって印加されることを防止するための過電圧リミッタ回路が、バッファアンプと電圧検出手段との間に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞請求項１の構成によれば、各単位電池毎に設けられたサンプルホールド用スイッチを一斉にオンすると、各単位電池の電圧が、各複数のコンデンサの両極間の電圧と同じになり、この両極間の電圧を電圧検出手段により測定することにより、各単位電池の電圧が測定される。これにより、各単位電池に分圧回路を接続しなくて済むから、従来のような、分圧回路に流れる放電電流によって各単位電池の容量にばらつきが発生するというようなことを防止できる。また、コンデンサが単位電池毎に設けられている為、サンプルホールド用スイッチの開閉のタイミングを調整することで、同じ時点での各単位電池の電圧を測定することが可能となる。さらに、各コンデンサの両極が順次に電圧検出手段に接続されて、そこにホールドされた単位電池一つ当たりの電圧が、電圧検出手段（例えばＡ／Ｄ入力を有する電圧検出手段）によって検出される。これにより、電圧検出手段が有する分解能の全てを使って、単位電池一つ当たりの電圧を検出することが可能となり、従来のように、複数の単位電池が直列した大電圧に分解能を割り当てなければならないものに比べて、検出精度が向上する。
【００１２】
＜請求項２の発明＞
請求項２の構成によれば、スイッチ制御手段によりサンプルホールド用スイッチをオン状態から一斉にオフさせることにより、各コンデンサの両極間に各単位電池の同時刻における電圧がホールドされて単位電池の同時刻の電圧を検出することが可能となり、従来問題となっていた、検出タイミングのずれに伴う電圧変動分が検出結果に含まれなくなり、高精度の電圧検出が可能となる。また、電圧測定中にはすべてのコンデンサが同時に単位電池から切断されるので、電圧測定に伴う単位電池への影響を無くした状態での電圧測定が可能となる。
【００１３】
＜請求項３の発明＞
請求項３の構成によれば、各コンデンサの両極が順次に電圧検出手段に接続されて、そこにホールドされた単位電池一つ当たりの電圧が、電圧検出手段（例えばＡ／Ｄ入力を有する電圧検出手段）によって検出される。これにより、電圧検出手段が有する分解能の全てを使って、単位電池一つ当たりの電圧を検出することが可能となり、従来のように、複数の単位電池が直列した大電圧に分解能を割り当てなければならないものに比べて、検出精度が向上する。さらに、過電圧リミッタ回路により、所定個数以上のコンデンサが直列に電圧検出手段に接続されることがなくなり、電圧検出手段が過電圧の印加から保護される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、例えば電気自動車の動力用バッテリーシステムに適用した一実施形態について図１〜４を参照しつつ、説明する。
【００１５】
図１は、本発明実施形態の組電池装置の基本回路構成図である。本発明における組電池に相当するバッテリーＢは、図１に示すように、例えば４つの単位電池Ｅ１〜Ｅ４を直列接続してなる。本実施形態の組電池装置では、上記４つの単位電池Ｅ１〜Ｅ４に対応させて、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接続したコンデンサ群１０が備えられ、このコンデンサ群１０とバッテリーＢとの間では、互いに同じ順位に配置された各コンデンサＣ１〜Ｃ４の両極と各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の両極とが、並列ラインＬ１〜Ｌ５で接続されている。
【００１６】
すなわち、バッテリーＢの正極は、並列ラインＬ４によって、コンデンサ群１０の一端に接続されており、また、バッテリーＢの負極は、並列ラインＬ５によってコンデンサ群１０の他端に接続されている。さらに、バッテリーＢのうち隣り合った単位電池同士の共通接続点とコンデンサ群１０のうち隣り合ったコンデンサ同士の共通接続点とが並列ラインＬ１〜Ｌ３で接続されている。
【００１７】
上記並列ラインＬ１〜Ｌ４には、それぞれサンプルホールド用スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が設けられている。このサンプルホールド用スイッチは、回路の開閉機能を有していれば基本的にどのようなスイッチでも良いが、下記図２や図３に示す構造のスイッチを好適に用いることができる。
【００１８】
本実施形態の組電池装置には、電圧検出手段として、Ａ／Ｄコンバータを内蔵したＣＰＵ３０が備えられている。このＣＰＵ３０には、４つのＡ／Ｄ変換用の入力端子Ａ／Ｄ１〜Ａ／Ｄ４と、１つのＧＮＤ端子とが備えられ、これら各端子に各コンデンサＣ１〜Ｃ４の両極から引き出された計測ラインがバッファアンプＵ１〜Ｕ４を介して接続されている。
【００１９】
すなわち、前記した並列ラインＬ５を延長した計測ラインＬ１５がＣＰＵ３０のＧＮＤ端子に接続され、前記した並列ラインＬ１〜Ｌ４がバッファアンプに入力され、さらにこの計測ラインＬ１１〜Ｌ１４が、ＣＰＵ３０の入力端子Ａ／Ｄ１〜Ａ／Ｄ４にそれぞれ接続されている。
【００２０】
また、コンデンサに直接接続している計測ラインＬ１６〜Ｌ１８には、選択スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３が設けられ、ＣＰＵ３０からの信号を受けてオンオフ制御されるようになっている。
【００２１】
本発明の組電池装置は、基本的には以上のような回路構成を採用することにより実施することができる。
【００２２】
本発明の組電池装置を実使用上より好ましい状態で実施するには、例えば、図２、図３に示す回路構成を用いる。
【００２３】
図２、図３に示す組電池装置では、図１で示した基本回路構成に加え、バッファアンプＵ１〜Ｕ４とＣＰＵ３０との間に、抵抗とクランプダイオードとからなる過電圧リミッタ回路Ｈ１が設けられている。このように、計測ラインＬ１１〜Ｌ１４の途中に、過電圧リミッタ回路Ｈ１を設けることにより、ＣＰＵ３０には一定以上の電圧がかからず、ＣＰＵの保護機能が果たされる。なお、コンデンサ端子とクランプダイオードとの間にバッファが介された構成となっているため、コンデンサにサンプルホールドした電圧のクランプダイオードへの流れ込みは防止されている。
【００２４】
また、図２、図３に示す組電池装置では、コンデンサに直接接続している計測ラインＬ１６〜Ｌ１８に設けられた選択スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３が、ＮチャンネルのＭＯＳ型ＦＥＴ３で構成され、これらＦＥＴ３のゲートが、図示しないバイアス回路に接続され、このバイアス回路に備えた例えばトランジスタがＣＰＵ３０から２値信号を受けてオンオフされ、もってＦＥＴ３が別々にオンオフされるように構成されている。
【００２５】
さらに、図２に示す組電池装置では、サンプルホールド用スイッチが、いずれもＮチャンネルの接合型ＦＥＴ１で構成されており、隣り合った並列ラインの間には、それぞれトランジスタＴ１のエミッタ・コレクタが接続されており、これら各トランジスタＴ１のコレクタに各ＦＥＴ１のゲートが接続されている。さらに、各トランジスタＴ１のバイアス回路は、ひとまとめにされて１つのトランジスタＴ２に接続され、このトランジスタＴ２が次述するＣＰＵ３０（スイッチ制御手段に相当する）から２値信号を受けてオンオフされることで、全部のトランジスタＴ１が一斉にオンオフする。これにより、後の動作説明で詳説するように全部のＦＥＴ１が一斉にオンオフされる。また、各ＦＥＴ１のゲート回路は、抵抗を介してひとまとめにされて負電源に接続され、これにより漏れ電流が防止されている。負電源により下げる電位は−０．５Ｖ以下とするのが良い。
【００２６】
また、図３に示す組電池装置では、サンプルホールド用スイッチが、いずれもＰチャンネルのＭＯＳ型のＦＥＴ１で構成されており、各ＦＥＴ１のバイアス回路は、ひとまとめにされて１つのトランジスタＴ２に接続され、このトランジスタＴ２が次述するＣＰＵ３０（スイッチ制御手段に相当する）から２値信号を受けてオンオフされることで、全部のＦＥＴ１が一斉にオンオフされる。
【００２７】
次に、図４のタイムチャートを参照しながら、本発明組電池装置の動作を上記図１に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２８】
ＣＰＵ３０は、タイムチャートに示すように、所定周期で上記した各サンプルホールド用スイッチ及び選択スイッチをオンオフ制御している。
【００２９】
まず、組電池装置のスイッチ制御手段となるＣＰＵ３０を起動すると、全てのスイッチがオフされた状態となる。この状態から、まず最初に、並列ラインＬ１〜Ｌ４に設けたＳＷ１〜ＳＷ４が一斉にオンして、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４及び各コンデンサＣ１〜Ｃ４の両極同士が導通接続される。
【００３０】
例えば、図２に示す装置では、ＣＰＵ３０によってトランジスタＴ２がオンされて、単位電池Ｅ１〜Ｅ４毎に配した全部のトランジスタＴ１にバイアス電流が流れ、それらトランジスタＴ１がオンする。すると、各ＦＥＴ１のゲートの電位がソースの電位まで持ち上げられて、ゲート・ソース電圧ＶGSが０Ｖとなり、全部のＦＥＴ１がオンして、並列ラインＬ１〜Ｌ４が導通状態となり、もって上記したように、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４及び各コンデンサＣ１〜Ｃ４の両極同士が導通接続される。
【００３１】
すると、コンデンサＣ１〜Ｃ４に電荷が流れ込み、対応した単位電池と同じ電圧が各コンデンサの両極間に発生する。また、このとき、コンデンサ群１０とＣＰＵ３０とを繋ぐ計測ラインＬ１２〜Ｌ１４上のバッファアンプの出力が制御電源電位にクランプされているため、単位電池を２つ以上繋げた大電圧が、ＣＰＵ３０の入力端子（Ａ／Ｄ２〜Ａ／Ｄ４）に印加されることはない。
【００３２】
次いで、ＳＷ１〜ＳＷ４が一斉にオフされる（ホールド期間）。例えば、図２に示す装置では、ＣＰＵ３０からの２値信号が例えばＬレベルになり、トランジスタＴ２がオフして、全トランジスタＴ１がオフする。すると、各ＦＥＴ１のゲートとソース間に、単位電池の電圧が印加された状態となり、ＦＥＴ１が一斉にオフする。
【００３３】
これにより、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４と各コンデンサＣ１〜Ｃ４とが一斉に非導通状態となり、コンデンサＣ１〜Ｃ４に流れ込んだ電荷は、どこにも逃げる経路がなくなり、同時刻（ＳＷ１〜ＳＷ４をオフした瞬間の時刻。図４の時刻ｔ１参照）の各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧が、各コンデンサＣ１〜Ｃ４にホールドされる。
【００３４】
次いで、コンデンサ群１０のうち低電位側のコンデンサＣ１から、順次に、その両極間の電位をＣＰＵ３０に取り込む動作に移行する。すなわち、まず最初に、ＣＰＵ３０のＧＮＤ端子と入力端子Ａ／Ｄ１との間の電圧が取り込まれる。ここで、ＧＮＤ端子と入力端子Ａ／Ｄ１とに両極を接続されたコンデンサＣ１には、単位電池Ｅ１の電圧がホールドされているから、その単位電池Ｅ１の電圧がＣＰＵ３０に取り込まれることとなり、これがデジタルデータ化されかつ所定のソフト処理を経て電圧値として検出される。
【００３５】
このデータの取り込みが終了すると（図４の時刻ｔ２参照）、スイッチＳＷ２１（図２の場合、ＦＥＴ３）がオンして、計測ラインＬ１６とＬ１５とが導通接続される。これにより、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が放電されると共に、コンデンサＣ２の負極がＣＰＵ３０のＧＮＤ端子に導通接続される。
【００３６】
次いで、バッファアンプを介して、コンデンサＣ２の正極が入力端子Ａ／Ｄ２に導通接続される。そして、この状態で、ＧＮＤ端子と入力端子Ａ／Ｄ２との間の電圧が、ＣＰＵ３０に取り込まれてデジタルデータ化される。これにより、コンデンサＣ２の両極間にホールドされた単位電池Ｅ２の電圧が検出される。
【００３７】
このデータの取り込みが終了すると（図４の時刻ｔ３参照）、ＳＷ２２（図２の場合、ＦＥＴ３）がオンする。これにより、コンデンサＣ２の正極がＧＮＤに導通接続されて、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が放電されると共に、コンデンサＣ３の負極がＧＮＤ端子に導通接続される。次いで、コンデンサＣ３の正極がバッファアンプを介して入力端子Ａ／Ｄ３に導通接続され、この状態で、ＧＮＤ端子と入力端子Ａ／Ｄ３との間に印加された電圧が、ＣＰＵ３０に取り込まれる。これにより、コンデンサＣ３の両極間にホールドされた単位電池Ｅ３の電圧が検出される。
【００３８】
以下、同様にして、コンデンサＣ４の両極間の電圧がＣＰＵ３０に取り込まれ、もって、コンデンサＣ４の両極間にホールドされた単位電池Ｅ４の電圧が検出される。
【００３９】
このようにして、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の両極間にホールドされた各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の同時刻における電圧が、順次にＣＰＵ３０に取り込まれて検出され、例えば、各単位電池の電圧の差が所定の電圧差に収まっているか否かが監視される。
【００４０】
このように本実施形態によれば、複数の単位電池Ｅ１〜Ｅ４の同時刻の電圧を検出することが可能となり、従来問題となっていた、検出タイミングのずれに伴う電圧変動分が検出結果に含まれなくなり、高精度の電圧検出が可能となる。しかも、同時に複数の電圧検出を行えるＣＰＵを備えて同じ課題を解決した電圧検出回路に比べて、低コストで製造することができる。
【００４１】
また、ＣＰＵ３０に、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の一つ当たりの電圧を取り込む構成としたから、ＣＰＵ３０の分解能（例えば、１０ビット）を、単位電池１つの電圧に割り当てることができ、従来のように、複数の単位電池が直列した大電圧に分解能の全てを割り当てたものに比べて、検出精度が向上する。
【００４２】
さらに、本発明によれば、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４に分圧回路を接続しなくて済むから、従来のように、分圧回路に流れる放電電流によって、各単位電池の容量にばらつきが発生することもない。その上、コンデンサは、分圧回路に必要な抵抗に比べて温度の影響を受けにくく、この点においても、検出精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の組電池装置の基本回路構成図。
【図２】  本発明の一実施形態の組電池装置の詳細回路構成図。
【図３】  本発明の一実施形態の組電池装置の詳細回路構成図。
【図４】  ＣＰＵによるオンオフタイミングを示したタイムチャート。
【図５】  従来の組電池装置の回路構成図。
【符号の説明】
１０…コンデンサ群
３０…ＣＰＵ（電圧検出手段、スイッチ制御手段）
Ｂ…バッテリー（組電池）
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｅ１〜Ｅ４…単位電池
Ｌ１〜Ｌ５…並列ライン
Ｌ１１〜１８…計測ライン
ＳＷ１〜ＳＷ４…サンプルホールド用スイッチ
ＳＷ２１〜ＳＷ２３…選択スイッチ
Ｕ１〜Ｕ４…バッファアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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