(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された多数の電池のそれぞれの電圧を測定する電池電圧測定装置であって、各電池毎にその両端電圧に対応する出力電圧を得る差動アンプを設け、適当数の差動アンプ毎にグループ分けし、各グループ毎に互いに絶縁した接地端子を設けるとともに互いに絶縁された制御電源を設け、各制御電源をそれぞれのグループの各差動アンプの電源入力端子と接地端子間に接続したことを特徴とする電池電圧測定装置。
【請求項２】
直列接続された多数の電池のそれぞれの電圧を測定する電池電圧測定装置であって、各電池毎にその両端電圧に対応する出力電圧を得る差動アンプを設け、複数の差動アンプ毎にグループ分けし、各グループ毎に互いに絶縁した接地端子を設けるとともに互いに絶縁された制御電源を設け、各制御電源をそれぞれのグループの各差動アンプの電源入力端子と接地端子間に接続したことを特徴とする電池電圧測定装置。
【請求項３】
各差動アンプの出力端を、出力電圧信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段に直接接続し、Ａ／Ｄ変換手段をその出力信号から電池電圧を検出する手段に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の電池電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池電圧測定装置に関し、特に多数の二次電池が直列接続された電源装置における各二次電池の電圧測定に好適に適用される電池電圧測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車等における電源装置においては、多数の二次電池を直列接続して所定の駆動電圧を得るように構成されているが、その電源装置の信頼性を安定的に確保するためには、各二次電池それぞれの状態を常に的確に把握しておく必要がある。そのために、各二次電池の両端電圧を測定するための電池電圧測定装置を設けたものが知られている。
【０００３】
従来のその種の電池電圧測定装置においては、図４に示すように、各二次電池１１毎にその両端電圧に応じた出力電圧を得る差動アンプ１２とその出力電圧のゲイン補正を行うゲイン補正アンプ１３とを接続している。そして、図５に示すように、各ゲイン補正アンプ１３からの出力電圧をそれぞれに対応して設けたＡ／Ｄ変換器１４でデジタル値に変換し、各二次電池１１の両端電圧に対応するデジタル信号をマイコン１５に入力して各二次電池１１の電圧を検出するように構成されている。なお、図４に示すように、すべての差動アンプ１２についてその電源端子及び接地端子がそれぞれ共通接続され、その電源端子と接地端子の間に共通の制御電源が接続されて電源電圧Ｖｃｃが印加されるとともに接地端子が共通の接地ＧＮＤに接続されている。
【０００４】
ところで、各差動アンプ１２にゲイン補正アンプ１３を接続してそれぞれのゲイン補正を行っている理由は次の通りである。差動アンプ１２の出力電圧をデジタル変換してマイコン１５に伝送するために、差動アンプ１２のゲインをＡ／Ｄ変換器１４の入力可能電圧範囲に合わせる必要がある。例えば、電池電圧の検出範囲が０〜２０Ｖ、Ａ／Ｄ変換器１４の入力電圧範囲が０〜５Ｖであれば、差動アンプ１２にて電池電圧を１／４倍にして出力する必要がある。
【０００５】
しかるに、差動アンプ１２には、入力端子に電圧を印加して正常な動作を行う電圧範囲である同相入力範囲があり、デバイスの特性と電源電圧に応じて入力される電圧範囲について規制を受ける。例えば、差動アンプ１２に或るデバイスを用いた場合、電源電圧ＶＣＣが＋１５Ｖであった場合に同相入力範囲は１４Ｖとなる。この同相入力範囲は、差動アンプ１２を構成するデバイスにより異なるが、一般的には電源電圧Ｖｃｃの＋１５Ｖより少し低い値となり、この値を１４Ｖとしている。その一方で、二次電池１１が多数直列に接続されているので、図６に示すように、ある二次電池１１の一方の端子の電圧Ｖａが例えば接地に対して２００Ｖである場合があり、その場合においても入力電圧Ｖｂは同相入力範囲である１４Ｖを超えないようにしなければならない。したがって、図６のＲ1 とＲ2 は、Ｒ2 ／Ｒ1 ≦１４／（２００−１４）にしなければならず、その場合差動アンプ１２のゲインはＲ2 ／Ｒ1 （＝７／９３）以下となってしまう。そこで、上記Ａ／Ｄ変換器の入力範囲に合わせるために、ゲインがＲ1 ／４Ｒ2 （＝９３／２８）のゲイン補正アンプ１３が必要となるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では各差動アンプ１２毎、即ち二次電池１１毎にゲイン補正アンプ１３を設ける必要があるために非常にコスト高になるという問題があった。
【０００７】
また、各二次電池１１からそれぞれに電圧測定のために設けた差動アンプ１２側に暗電流が流れる。この暗電流が大きいと、長期間充電しないで放置した場合過放電を招いて電池の容量減少や内部抵抗上昇等の性能劣化を引き起こすという問題があり、また直列接続された二次電池１１間で暗電流値に差があると、個々の二次電池間の容量ばらつきが大きくなり、容量の中心値のみを見込んだ制御を行なうと過充電や過放電になる電池が発生し、そのような過充放電に至らないように使用する必要が生じてその使用許容範囲が減少するという問題や、長期間充電しないで放置すると残存容量のバラツキにより、容量の減っている二次電池により他の二次電池がさらに放電され電池性能の劣化を招くという問題がある。そこで、暗電流を小さく、また個々の二次電池１１間でその差を小さくすることが課題となる。
【０００８】
しかし、上記構成では各差動アンプ１２が共通の接地ＧＮＤに接続されているので、その等価回路は図３（ｂ）に示すようになる。図３では、９個の二次電池１１を直列接続した場合を例示しており、個々の二次電池１１の電池電圧をＶＢ１〜ＶＢ９、差動アンプ１２側の等価インピーダスをＲ、個々の二次電池１１からの暗電流をＩ1 〜Ｉ9 として、例えば、ＶＢ１〜ＶＢ９を１５Ｖ、Ｒを１ＭΩとすると、Ｉ1 ＝Ｉ9 ＝６７．５μＡ、Ｉ2 ＝Ｉ8 ＝１２０．０μＡ、Ｉ3 ＝Ｉ7 ＝１５７．５μＡ、Ｉ4 ＝Ｉ6 ＝１８０．０μＡ、Ｉ5 ＝１８７．５μＡとなり、各二次電池１１における暗電流が最大で１８０．０μＡもあって大きく、かつ暗電流の差が最大１２０μＡ（これは最大暗電流値１８０．０μＡの６７％にも達する。）にもなり、上記課題を解決することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、各電池電圧を測定する差動アンプに対してゲイン補正アンプを設ける必要をなくしてコスト低下を図り、しかも暗電流値を小さくかつそのばらつきも小さくできる電池電圧測定装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池電圧測定装置は、直列接続された多数の電池のそれぞれの電圧を測定する電池電圧測定装置であって、各電池毎にその両端電圧に対応する出力電圧を得る差動アンプを設け、適当数、好適には複数の差動アンプ毎にグループ分けし、各グループ毎に互いに絶縁した接地端子を設けるとともに互いに絶縁された制御電源を設け、各制御電源をそれぞれのグループの各差動アンプの電源入力端子と接地端子間に接続したものであり、差動アンプの各グループ毎に互いに絶縁された状態で電源入力端子と接地端子との間に制御電源を接続しているので、各グループ内で各差動アンプの入力端子に印加されるそれぞれの接地端子に対する電圧は低くなり、そのためゲインの設定範囲が広くなってゲイン補正アンプを設ける必要がなくなり、コスト低下を図ることができ、また各グループ内の差動アンプ数を少なくして接地することにより、最大暗電流値が小さくなって長期間充電しないで放置しても電池の劣化が起り難くなるとともに、暗電流値のばらつきも小さくなって過充電や過放電になる電池が発生しないように電池の使用範囲を狭くする必要もなくすことができる。
【００１１】
また、その結果、各差動アンプの出力端を、出力電圧信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段に直接接続し、Ａ／Ｄ変換手段をその出力信号から電池電圧を検出する手段に接続することができる。
【００１２】
なお、上記電池は、単一の電池セルからなるものに限らず、複数の電池セルを接続してモジュール化したものであってもよいことは言うまでもない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電池電圧測定装置の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１４】
図１において、１は測定対象の電池である二次電池で、複数（例えば６つ）の電池セルを直列接続してモジュール化されたものである。この二次電池１を多数直列に接続することによって電気自動車やその他の電源装置が構成されている。
【００１５】
２は、各二次電池１毎にその両端電圧を検出するように接続された差動アンプである。差動アンプ２は、適当数ずつ、図示例では３つずつグループ分けされ、グループ５（５−１〜５−ｎ）が形成されている。そして、各グループ毎に互いに絶縁された接地端子６（６−１〜６−ｎ）が設けられ、それぞれ各別に接地（ＧＮＤ１〜ＧＮＤｎ）されるとともに、互いに絶縁された制御電源７（７−１〜７−ｎ）（ＶＣＣ１〜ＶＣＣｎ）が設けられている。各制御電源７（７−１〜７−ｎ）は、それぞれ絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電源トランスに接続されている。そして、各制御電源７（７−１〜７−ｎ）は各差動アンプ２の電源入力端子２ａと対応する接地端子６（６−１〜６−ｎ）の間に接続されている。
【００１６】
図２において、各差動アンプ２は直接Ａ／Ｄ変換器３に接続されている。Ａ／Ｄ変換器３は差動アンプ２の出力信号をデジタル信号に変換してマイコン４に向けて出力する。４は、入力されたデジタル信号から各二次電池１の両端電圧を検出するマイコンである。
【００１７】
以上の構成において、各二次電池１の両端電圧が差動アンプ２に入力され、各二次電池１の両端電圧に対応する出力電圧信号（アナログ信号）がＡ／Ｄ変換器３に入力され、Ａ／Ｄ変換器３でデジタル信号に変換されてマイコン４に向けて出力される。マイコン４は、必要とする読み取りタイミングで、入力したデジタル信号を電圧値に変換し、その電圧値から二次電池１の両端電圧を検出する。こうして多数の二次電池１が直列に接続された電源装置の各二次電池１の出力電圧を検出することにより、各二次電池１のそれぞれの状態を常に的確に把握することができるため、電源装置の信頼性を安定的に確保することができる。
【００１８】
そして、本実施形態では、上記差動アンプ２を適当数ずつグループ５−１〜５−ｎにグループ分けし、各グループ５−１〜５−ｎ毎に互いに絶縁された状態の接地端子６（６−１〜６−ｎ）（ＧＮＤ１〜ＧＮＤｎ）とその各差動アンプ２の電源入力端子２ａとの間に、各グループ毎に互いに絶縁された制御電源７（７−１〜７−ｎ）を接続して各グループ毎に制御電圧ＶＣＣ１〜ＶＣＣｎを印加しているので、各グループ５（５−１〜５−ｎ）内で各差動アンプ２の入力端子に印加される電圧（図６の電圧Ｖａ）のそれぞれの接地端子６（６−１〜６−ｎ）（ＧＮＤ１〜ＧＮＤｎ）に対する電圧は低くなる。そのため、差動アンプ２のゲインの設定範囲が広くなり、従来例において設けたゲイン補正アンプは設ける必要がなく、そのため大幅にコスト低下を図ることができる。
【００１９】
また、各グループ５内の差動アンプ２の数を少なく（本実施形態では３つに）することにより、暗電流は図３（ａ）に示すような等価回路によって与えられる。すなわち、個々の二次電池１の電池電圧をＶＢ１〜ＶＢ９、差動アンプ２側の等価インピーダスをＲ、個々の二次電池１からの暗電流をＩ1 〜Ｉ9 として、例えば、ＶＢ１〜ＶＢ９を１５Ｖ、Ｒを１ＭΩとすると、Ｉ1 ＝Ｉ3 ＝Ｉ4 ＝Ｉ6 ＝Ｉ7 ＝Ｉ9 ＝２２．５μＡ、Ｉ2 ＝Ｉ5 ＝Ｉ8 ＝３０．０μＡとなり、各二次電池１における暗電流が最大で３０．０μＡと従来に比して大幅に低くなり、かつ暗電流の差が最大７．５μＡ（最大暗電流値３０．０μＡの２５％）となる。
【００２０】
かくして、暗電流値が小さくなって長期間充電しないで放置しても電池の劣化が起り難くなるとともに、暗電流値のばらつきも最大暗電流値の２５％と小さくなって過充電や過放電になる電池が発生しないように電池の使用範囲を狭くする必要もなくすことができると同時に、残存容量差による過放電もなくすことができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の電池電圧測定装置によれば、以上の説明から明らかなように、各電池毎にその両端電圧に対応する出力電圧を得る差動アンプを設け、適当数、好適には複数の差動アンプ毎にグループ分けし、各グループ毎に互いに絶縁した接地端子を設けるとともに互いに絶縁された制御電源を設け、各制御電源をそれぞれのグループの各差動アンプの電源入力端子と接地端子間に接続し、差動アンプの各グループ毎に互いに絶縁された状態で電源入力端子と接地端子との間に制御電源を接続しているので、各グループ内で各差動アンプの入力端子に印加されるそれぞれの接地端子に対する電圧は低くなり、そのためゲインの設定範囲が広くなってゲイン補正アンプを設ける必要がなくなり、コスト低下を図ることができ、また各グループ内の差動アンプ数を少なくしてグループ毎に接地することにより、最大暗電流値が小さくなって長期間充電しないで放置しても電池の劣化が起り難くなるとともに、暗電流値のばらつきも小さくなって過充電や過放電になる電池が発生しないように電池の使用範囲を狭くする必要もなくすことができると同時に残存容量差による過放電もなくすことができる。
【００２２】
また、各差動アンプの出力端を、出力電圧信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段に直接接続し、Ａ／Ｄ変換手段をその出力信号から電池電圧検出する手段に接続することにより、低コストの構成にて多数直列接続された各電池の電圧を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電池電圧測定装置の要部の構成図である。
【図２】同実施形態の電池電圧測定装置の１つの電池に対応する部分の全体概略構成図である。
【図３】同実施形態と従来例の暗電流の説明図である。
【図４】従来例の電池電圧測定装置の要部の構成図である。
【図５】同従来例の電池電圧測定装置の１つの電池に対応する部分の全体概略構成図である。
【図６】同従来例の差動アンプにおける設定ゲインの説明図である。
【符号の説明】
１  二次電池
２  差動アンプ
２ａ  電源端子
３  Ａ／Ｄ変換器
４  マイコン（電池電圧検出手段）
５（５−１〜５−ｎ）  グループ
６（６−１〜６−ｎ）  接地端子
７（７−１〜７−ｎ）  制御電源
【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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【図６】
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