JP2003114243A - 組電池電圧検出回路 - Google Patents
組電池電圧検出回路Info
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Abstract
となく、侵入ノイズの悪影響を低減可能な直接計測式組
電池電圧検出回路を提供すること。 【解決手段】各電池モジュールVB1〜VB14の電圧
を抵抗素子回路2、マルチプレクサ3を通じて差動型電
圧検出回路5に読み出すに際し、差動型電圧検出回路5
の一対の入力端X、Y間にコンデンサC1が接続され
る。これにより、マルチプレクサ3の短絡保護機能を奏
する抵抗素子回路2の抵抗素子を更にRCローパスフィ
ルタ回路の抵抗素子として作用させることができるの
で、マルチプレクサ3の短絡保護と侵入ノイズの低減と
を実現でき、差動増幅回路5の入力抵抗の増大によりそ
の電力消費の低減や回路保護を実現することができる。
Description
路に関する。
エネルギーとして用いる電力を蓄電する高圧大容量の二
次電池が用いられ、燃料電池車でも燃料電池出力変動の
バッファとして高圧大容量の二次電池の使用が好適と考
えられる。
(以下単にセルともいう)を多数縦続してなる組電池構
成で用いられ、組電池の管理計測のために、1乃至連続
して縦続された所定個数のセルごとにモジュール(電池
モジュールともいう)として区分し、各モジュールの電
圧(以下、モジュール電圧ともいう)が差動増幅回路に
より計測される。
レクサを用いることが通常であるが、この場合、マルチ
プレクサのスイッチング素子が短絡故障状態となると、
ある電池モジュールの電圧を差動増幅回路に読み込むた
めにオンした場合、このオンされたスイッチング素子と
上記短絡故障状態でオンしているスイッチング素子とに
より電池モジュールが短絡されてしまうというを問題が
あるため、マルチプレクサの各入力端をそれぞれ短絡保
護用の抵抗素子を通じて電池モジュールの各電極に個別
接続するのが通常である。以下、この形式の組電池電圧
検出回路を直接計測式マルチプレクサ型組電池電圧検出
回路ともいうものとする。
は、フライングキャパシタを用いた電圧検出技術を提案
している。このフライングキャパシタ式電圧検出回路で
は、まず、一対の入力側サンプリングスイッチをオンし
てモジュールの両端をフライングキャパシタの両端に接
続してモジュール電圧をコンデンサにサンプルホールド
する。次に、入力側サンプリングスイッチをオフした後
で一対の出力側サンプリングスイッチをオンしてフライ
ングキャパシタの蓄電電圧が差動増幅回路の一対の入力
端子間に印加される。以下、この形式の組電池電圧検出
回路をフライングキャパシタ式マルチプレクサ型組電池
電圧検出回路ともいうものとする。
ングキャパシタ式マルチプレクサ型組電池電圧検出回路
は、説明しない種々の利点をもつものの、マルチプレク
サに加えて、フライングキャパシタと差動増幅回路との
間にもスイッチング素子を直列接続する必要があるが、
車両用高圧組電池への利用では、これらスイッチング素
子として、一対の主電極電位に対して制御電極電位を独
立に設定することができる高価なフォトMOSトランジス
タを用いる必要があり、更に、フローティング状態のフ
ライングキャパシタの蓄電電圧を差動増幅回路に読み込
む動作を行う際に種々の浮遊容量や寄生容量を通じて混
入するノイズ電圧を低減するためにフライングキャパシ
タの容量を大きく設定する必要があった。
電圧検出回路では、可能なフライングキャパシタ充電期
間中にマルチプレクサに電池モジュールを十分に読み出
すために電池モジュールとマルチプレクサとの間に配置
される抵抗素子の抵抗値を、上記直接計測式組電池電圧
検出回路のそれに比較して1%以下、通常は0.2%程
度と大幅に小さくする必要があり、短絡保護用の抵抗素
子によるマルチプレクサのスイッチング素子短絡保護効
果を十分に発揮することができないという問題があっ
た。たとえば、自動車用組電池に設けるフライングキャ
パシタ式組電池電圧検出回路では、上記短絡保護用の抵
抗素子の抵抗値は1kΩ程度とされる。
レクサ型組電池電圧検出回路は、フライングキャパシタ
式に比較してフォトMOSトランジスタの必要個数が少な
い上に、浮遊状態のフライングキャパシタを用いないた
め、種々の寄生容量や浮遊容量(たとえばラインなど
の)を通じてのノイズ電圧侵入抑止をあまり考慮する必
要がなく、たとえば、自動車用組電池に設けるフライン
グキャパシタ式組電池電圧検出回路において、上記短絡
保護用の抵抗素子の抵抗値を100kΩ程度に設定する
ことができ、十分に短絡保護効果を奏することができ
る。
路では、それぞれ異なる電位を有する各電池モジュール
の電圧が順番に入力される差動増幅回路の入力絶対電位
が電池モジュールの選択につれて大きな電圧幅で変化す
るために、回路保護のためにこの差動増幅回路の入力抵
抗値をたとえば数MΩ以上といった高入力インピーダン
スに設定する必要があり、その結果、差動増幅回路の入
力端とマルチプレクサとを接続する信号ラインは、電池
モジュール側からも差動増幅回路側からも高抵抗値の抵
抗素子により略浮き上がる状態となって、この信号ライ
ンは、寄生容量や浮遊容量を通じて侵入する種々のノイ
ズ電圧により電位変動するという問題が生じた。
であり、マルチプレクサの短絡保護機能を低下させるこ
となく、侵入ノイズの悪影響を低減可能な直接計測式組
電池電圧検出回路を提供することをその目的としてい
る。
圧検出回路は、直列接続されて組電池を構成する複数の
電池モジュールの各電極端子に各一端が個別接続される
所定数の抵抗素子からなる抵抗素子回路と、所定の高入
力抵抗値を有する一対の入力端を有する差動増幅回路
と、前記各抵抗素子の他端と前記差動増幅回路の前記入
力端とを個別接続する複数のスイッチング素子を有する
とともに、前記スイッチング素子の一対を順番にオンさ
せて前記各電池モジュールの電圧を前記差動増幅回路に
順次出力するマルチプレクサとを備える組電池電圧検出
回路において、前記マルチプレクサを通じて前記電池モ
ジュールの電圧が順次に印加される少なくとも一個のコ
ンデンサを有して両端が前記差動増幅回路の前記一対の
入力端に個別接続されるコンデンサ回路を有するので、
マルチプレクサの短絡保護機能を低下させることなく、
侵入ノイズの悪影響を低減可能な直接計測式組電池電圧
検出回路を実現することができる。
路のコンデンサは、まず、電池モジュールとマルチプレ
クサとの間の抵抗素子の抵抗値及び差動増幅回路の入力
抵抗値として大きな値を採用しても、マルチプレクサと
差動増幅回路の入力端とを接続する信号ライン対に接続
されるキャパシタンスが、上記コンデンサ回路によって
大幅に増大する。上記キャパシタンスは、マルチプレク
サと差動増幅回路とを接続する信号ラインに結合する寄
生容量や浮遊容量に対して直列接続あるいは並列接続と
なるので、これら寄生容量や浮遊容量を通じて信号ライ
ンに導入されるノイズ電圧は、これら寄生容量や浮遊容
量に対して格段に大容量(50倍以上)である上記キャ
パシタンスに分配され、その結果、信号ラインのノイズ
電圧を大幅に低減することができる。
した信号ラインのノイズ電圧を増大することなく差動増
幅回路の入力抵抗を増大することができるので、差動増
幅回路を、その入力端の大きな電位変化から保護するこ
とができる。更に説明すると、たとえばオペアンプ型差
動増幅回路では、電圧増幅器の真の正負入力端の電位は
ほとんど同電位であり、かつ、所定電位に固定される。
したがって、この真の正負入力端と差動増幅回路の一対
の入力端間を接続する入力抵抗の抵抗値が小さいと、差
動増幅回路の一対の入力端の電位が変動するたびにこれ
ら入力抵抗に大きな電流が流れ、種々の悪影響が生じ
る。また、帰還抵抗の抵抗値も小さくせざるをえないた
めに、差動増幅回路の電力消費も増大する。その上、上
記真の正負入力端の電位を固定するための定電圧電源回
路の出力インピーダンスも小さくする必要があり、電力
消費合計は一層増大する。本構成によれば、これらの問
題を一掃することができる。
電位変動抑止のために電池モジュールとマルチプレクサ
との間の短絡保護用の抵抗素子の抵抗値を減少させる必
要がないので、これら短絡保護用の抵抗素子の抵抗値を
大きく設定してマルチプレクサのスイッチング素子の短
絡故障時の電池モジュール保護機能を強化することがで
きる。
上記信号ライン対間の合計キャパシタンスをそれぞれ大
きくすることができるので、これら抵抗素子とコンデン
サとにより構成されるRCローパスフィルタ回路の遮断
周波数を低下させて、電池モジュールの電圧に重畳する
外部ノイズ電圧(たとえば組電池が電流供給する電気負
荷のスイッチングノイズなど)が信号ラインに侵入する
のを大幅に抑止することができる。
列接続されて組電池を構成する複数の電池モジュールの
各電極端子に各一端が個別接続される所定数の抵抗素子
からなる抵抗素子回路と、所定の高入力抵抗値を有する
一対の入力端を有する差動増幅回路と、前記各抵抗素子
の他端と前記差動増幅回路の前記入力端とを個別接続す
る複数のスイッチング素子を有するとともに、前記スイ
ッチング素子の一対を順番にオンさせて前記各電池モジ
ュールの電圧を前記差動増幅回路に順次出力するマルチ
プレクサとを備える組電池電圧検出回路において、各コ
ンデンサの両端が前記抵抗素子を通じて前記各電池モジ
ュールの両端に個別接続される複数のコンデンサを含む
コンデンサ回路を有するので、マルチプレクサの短絡保
護機能を低下させることなく、侵入ノイズの悪影響を低
減可能な直接計測式組電池電圧検出回路を実現すること
ができる。
抵抗値の増大により上記短絡保護効果を向上するととも
に、上記コンデンサ回路の追加により、短絡保護用の抵
抗素子とコンデンサ回路のコンデンサで構成されるRC
ローパスフィルタ回路の遮断周波数を低下させて、電池
モジュールの電圧に重畳する外部ノイズ電圧(たとえば
組電池が電流供給する電気負荷のスイッチングノイズな
ど)がマルチプレクサを通じて信号ラインに侵入するの
を大幅に抑止することができる。
クサを通じて差動増幅回路に出力しない期間中に、この
電池モジュールは、短絡保護用の抵抗素子を通じて自己
と並列接続されたコンデンサを充電することができるの
で、短絡保護用の抵抗素子の抵抗値を一層増大すること
ができる。
幅回路に読み出すことができるので、短絡保護用の抵抗
素子の抵抗値を増大しても。オン時過渡期間を短縮する
ことができる。
の組電池電圧検出回路において更に、50kΩ〜5MΩ
の抵抗値をそれぞれ有して前記電池モジュールの両端に
接続される一対の前記抵抗素子と、前記一対の抵抗素子
並びに前記マルチプレクサを通じて前記電池モジュール
の電圧が印加される前記コンデンサ回路とからなる回路
のCR時定数は、1〜100msecに設定され、所定
番目の前記スイッチング素子対のオフ時過渡期間は、次
にオンされる前記スイッチング素子対のオン時過渡期間
に対してオーバーラップして配置されていることを特徴
としている。
問題点は、コンデンサ回路のコンデンサのキャパシタン
ス及び短絡保護用の抵抗素子の抵抗値を増大することに
より、上記CRローパスフィルタ回路の時定数が増大し
て、一つの電池モジュールのモジュール電圧を読み出す
のに要する必要時間が大幅に長くなることである。すな
わち、上記コンデンサの追加により、マルチプレクサの
スイッチング素子のオン開始からコンデンサ回路の蓄電
電圧が電池モジュールのモジュール電圧に略達するまで
の必要時間が増大し、その結果、数百の電池モジュール
で構成される組電池において、各電池モジュール電圧を
すべて読み出すのに時間がかかり、各モジュール電圧の
合計からなる組電池電圧を一回検出し終える間に組電池
電圧が変動してしまうなどの弊害が憂慮されることであ
る。
チプレクサのスイッチング素子対の一つのターンオフ期
間(オフ時過渡期間)と次にオンされるスイッチング素
子対のターンオン期間(オン時過渡期間)とをオーバー
ラップさせる。これにより、電池モジュールの読み出し
に必要な必要時間を大幅に低減でき、上記問題を解決す
ることができる。
の組電池電圧検出回路において更に、前記コンデンサ回
路のコンデンサ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。
間を短縮することができる。
検出回路の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明
する。
圧検出装置を図1に示す回路図を参照して説明する。
蓄電用のバッテリ(組電池)、2は短絡保護用の抵抗素
子群、3はマルチプレクサ、4は1個のコンデンサC1
からなるコンデンサ回路、5は差動増幅回路である。
B1〜VB14を直列接続してなる。
電位端、最低電位端、各電池モジュール接続端に個別接
続される合計15個の短絡保護用の抵抗素子R10〜R
17、R21〜R27からなる。 マルチプレクサ3
は、各一端が抵抗素子R10〜R17、R21〜R27
の各他端に個別接続される合計15個のスイッチング素
子SSR10〜SSR17、SSR21〜SSR27か
らなる。奇数番目のスイッチング素子はマルチプレクサ
3の第一の出力端M1に、偶数番目のスイッチング素子
はマルチプレクサ3の第二の出力端M2に個別接続され
ている。
圧回路51、入力抵抗R30、R31、帰還抵抗R3
2、電位設定抵抗R33、出力抵抗R34をもつ通常の
オペアンプ電圧増幅回路であって、定電圧回路51は、
2.5Vの基準電圧を抵抗R33を通じてオペアンプ5
0の+入力端に印加している。差動増幅回路5の一対の
入力端X、Yは、信号ラインL1、L2を個別に通じて
マルチプレクサ2の一対の出力端M1、M2に接続され
ている。
は、信号ラインL1、L2に個別接続されている。 (基本動作説明)図1の回路の基本動作を以下に説明す
る。
の一つの電池モジュールの電圧を、マルチプレクサ3の
該当するスイッチング素子対をオンすることにより信号
ラインL1、L2間に読み出す。
01μF、各抵抗素子R10〜R17、R21〜R27
の抵抗値は100kΩに設定されており、それらのCR
時定数の2倍程度に設定された所定のオン時過渡期間T
onを経過した後、コンデンサC1の蓄電電圧は今回読
み出されたモジュール電圧に略達する。
に、差動増幅回路5の出力電圧を受け取る図示しないA
Dコンバータが差動増幅回路5の出力電圧のサンプリン
グを行いデジタル信号に変換する。
プレクサ3の該当するスイッチング素子対をオフするこ
とにより、コンデンサC1の蓄電電圧を差動増幅回路5
の入力端子X、Y間の抵抗を通じて放電する。上記オフ
動作の開始時点から上記CR時定数の2倍程度に設定さ
れた所定のオフ時過渡期間Toffを経過すると、コン
デンサC1の蓄電電圧はほぼ完全に放電される。
各電池モジュールごとに順番に実施することにより、各
電池モジュールの電圧が順次マルチプレクサに読み出さ
れる。この読み出し動作を図2に示す。
す。
出される2つのモジュール電圧読み出しサイクルの1周
期Tのオン時過渡期間Tonとオフ時過渡期間Toff
とが完全にオーバーラップされる。これにより、モジュ
ール電圧読み出しサイクル時間Tを短縮することができ
る。
載の作用効果を奏することができる。
す。
fにおいて、リセットスイッチRがオンされるので、コ
ンデンサC1の残留蓄電電圧は速やかにほうでんされ、
その結果、オフ時過渡期間Toffを短縮することがで
きる。
を図5を参照して以下に説明する。
池電圧検出回路のコンデンサ回路4をコンデンサ回路
4’に変更したものである。
ル数に等しい個数のコンデンサCからなり、各コンデン
サCは、マルチプレクサ3の各入力端間に接続され、結
果として各コンデンサCは抵抗素子群2を通じて各電池
モジュールVB1〜VB14と個別に並列接続されてい
る。
ついて説明すれば、この電池モジュールの電圧をマルチ
プレクサ3を通じて差動増幅回路5に出力しない期間中
に、この電池モジュールは、短絡保護用の抵抗素子を通
じて自己と並列接続されたコンデンサCを充電すること
ができるので、短絡保護用の抵抗素子の抵抗値を一層増
大することができる。更に、コンデンサCの蓄電電圧を
差動増幅回路5に読み出すことができるので、短絡保護
用の抵抗素子の抵抗値を増大しても。オン時過渡期間を
短縮することができる。なお、図1のコンデンサC1
は、マルチプレクサ3のスイッチング素子の短絡故障に
備えて高耐圧とする必要があるが、図5のコンデンサC
の耐圧設定にこのような考慮は必要がないので、コンデ
ンサCは大幅に製造コストを低減でき多数設ける不利を
軽減することができる。
動増幅回路5にすべての電池モジュールの電圧を順次読
み出したが、その代わりに複数の差動増幅回路を設け、
組電池の各電池モジュールを複数のグループに分割して
各グループごとに異なる差動増幅回路で電圧検出するこ
とももちろん可能である。
組電池の電位順に奇数番目の電池モジュールと偶数番目
の電池モジュールとを別々に電圧検出してもよく、4つ
の差動増幅回路で、N番目の電池モジュールと、N+1
番目の電池モジュールと、N+2番目の電池モジュール
と、N+3番目の電池モジュールとを別々に電圧検出し
てもよい。
ある。
タイミングチャートである。
態様を示すタイミングチャートである。
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】直列接続されて組電池を構成する複数の電
池モジュールの各電極端子に各一端が個別接続される所
定数の抵抗素子からなる抵抗素子回路と、 所定の高入力抵抗値を有する一対の入力端を有する差動
増幅回路と、 前記各抵抗素子の他端と前記差動増幅回路の前記入力端
とを個別接続する複数のスイッチング素子を有するとと
もに、前記スイッチング素子の一対を順番にオンさせて
前記各電池モジュールの電圧を前記差動増幅回路に順次
出力するマルチプレクサと、 を備える組電池電圧検出回路において、 前記マルチプレクサを通じて前記電池モジュールの電圧
が順次に印加される少なくとも一個のコンデンサを有し
て両端が前記差動増幅回路の前記一対の入力端に個別接
続されるコンデンサ回路を有することを特徴とする組電
池電圧検出回路。 - 【請求項2】直列接続されて組電池を構成する複数の電
池モジュールの各電極端子に各一端が個別接続される所
定数の抵抗素子からなる抵抗素子回路と、 所定の高入力抵抗値を有する一対の入力端を有する差動
増幅回路と、 前記各抵抗素子の他端と前記差動増幅回路の前記入力端
とを個別接続する複数のスイッチング素子を有するとと
もに、前記スイッチング素子の一対を順番にオンさせて
前記各電池モジュールの電圧を前記差動増幅回路に順次
出力するマルチプレクサと、 を備える組電池電圧検出回路において、 各コンデンサの両端が前記抵抗素子を通じて前記各電池
モジュールの両端に個別接続される複数のコンデンサを
含むコンデンサ回路を有することを特徴とする組電池電
圧検出回路。 - 【請求項3】請求項1又は2記載の組電池電圧検出回路
において、 50kΩ〜5MΩの抵抗値をそれぞれ有して前記電池モ
ジュールの両端に接続される一対の前記抵抗素子と、前
記一対の抵抗素子並びに前記マルチプレクサを通じて前
記電池モジュールの電圧が印加される前記コンデンサ回
路とからなる回路のCR時定数は、1〜100msec
に設定され、 所定番目の前記スイッチング素子対のオフ時過渡期間
は、次にオンされる前記スイッチング素子対のオン時過
渡期間に対してオーバーラップして配置されていること
を特徴とする組電池電圧検出回路。 - 【請求項4】請求項1又は2記載の組電池電圧検出回路
において、 前記コンデンサ回路のコンデンサ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組電池電圧検出回路。
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