JP2005156353A - 組電池の電圧検出回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】電圧を検出する差動増幅回路に入力される電圧の反転を防ぐ。
【解決手段】マルチプレクサ3のスイッチSWm1〜SWm14を切り換えて、組電池1を構成するセルs1〜s12の電圧を差動増幅回路4に入力して、セル電圧を検出する回路において、スイッチSW1,SW2、および、スイッチSW3,SW4を設ける。奇数番目のセルの電圧を検出する場合には、スイッチSW1,SW2をオフにするとともに、スイッチSW3,SW4をオンにする。偶数番目のセルの電圧を検出する場合には、スイッチSW1,SW2をオンにするとともに、スイッチSW3,SW4をオフにする。
【選択図】図1

Description

本発明は、組電池を構成する複数のセルの電圧を検出する装置に関する。
組電池を構成する複数のセルの電圧を検出するために、各セルの電極端子ごとに接続されるスイッチを有するマルチプレクサを設け、マルチプレクサ内のスイッチの切り換えにより、差動増幅回路に各セルの電圧を順次入力して、セル電圧を検出する装置が知られている(特許文献1参照)。
特開2003−114243号公報
しかしながら、従来の装置では、マルチプレクサ内のスイッチの切り換えにより、奇数番目のセルの電圧を差動増幅回路に入力する場合と、偶数番目のセルの電圧を差動増幅回路に入力する場合とにおいて、差動増幅回路に入力される電圧が反転するため、差動増幅回路として、プラス・マイナス電源タイプのものが必要であった。
本発明による組電池の電圧検出回路は、マルチプレクサのスイッチング素子を切り換えて、組電池を構成する複数のセルの電圧を検出するものであって、オンさせるスイッチング素子に応じて、マルチプレクサのスイッチング素子と接続される出力端子と、電圧を検出する差動増幅回路の入力端子との接続状態を変更することを特徴とする。
本発明による組電池の電圧検出回路によれば、オンさせるスイッチング素子に応じて、マルチプレクサのスイッチング素子と接続される出力端子と、電圧を検出する差動増幅回路の入力端子との接続状態を変更するので、差動増幅回路に入力される電圧が反転することを防ぐことができる。
図1は、本発明による組電池の電圧検出回路の一実施の形態の構成を示す図である。組電池1は、直列に接続された12個のセルs1〜s12から構成されており、例えば、電気自動車の走行動力蓄電用バッテリとして用いられる。短絡保護用の抵抗素子群2は、抵抗R1〜R14から構成されている。抵抗R1〜R12は、対応するセルs1〜s12の正極とそれぞれ接続されており、抵抗R13およびR14は、セルs12の負極、すなわち、組電池1の負極と接続されている。なお、以下では、最上位のセルs1を基準として、セルs1,s3,…,s11を奇数番目のセル、セルs2,s4,…,s12を偶数番目のセルと呼ぶ。
マルチプレクサ3は、抵抗R1〜R14とそれぞれ直列に接続される14個のスイッチSWm1〜SWm14から構成される。奇数番目のスイッチSWm1,SWm3,…,SWm13は、マルチプレクサ3の第1の出力端子T1と接続され、偶数番目のスイッチSWm2,SWm4,…,SWm14は、マルチプレクサ3の第2の出力端子T2と接続されている。各スイッチSWm1〜SWm14のオン/オフは、図示しないCPUやメモリを備えた制御装置5により制御される。
差動増幅回路4は、オペアンプ40、入力抵抗R1,R3、帰還抵抗R2、および、抵抗R4を備える。差動増幅回路4の一方の入力端子M1は、入力抵抗R1を介して、オペアンプ40の反転入力端子(−端子)と接続されており、他方の入力端子M2は、抵抗R3を介してオペアンプ40の非反転入力端子(+端子)と接続されている。差動増幅回路の出力値、すなわち、オペアンプ40の反転入力端子と非反転入力端子とにそれぞれ入力される電圧の電圧差は、制御装置5に出力される。
図2は、セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12、差動増幅回路4のオフセット電圧および組電池1の総電圧を検出する時に、マルチプレクサ3により、切り換えるスイッチSWm1〜SWm14の状態を示す図である。例えば、セルs1の電圧Vc1を検出する時には、スイッチSWm1およびSWm2をオン、かつ、他のスイッチSWm3〜SWm14をオフにする。
差動増幅回路4のオフセット電圧検出時には、オペアンプ40の二つの入力端子に入力する電圧をそれぞれ0とするために、スイッチSWm13およびSWm14をオンにし、他のスイッチSWm1〜SWm12はオフにする。このオフセット電圧は、後述するように、差動増幅回路4から出力される各セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12、および、組電池1の総電圧を補正する際に用いられる。また、組電池1の総電圧を検出する場合には、スイッチSWm1およびSWm14をオンにし、他のスイッチSWm2〜SWm13はオフにする。
抵抗RaおよびRbは、差動増幅回路4のゲインを変更するための抵抗である。抵抗Raは、抵抗R1と直列に接続されており、抵抗Rbは、抵抗R3と直列に接続されている。スイッチSW5およびスイッチSW6は、ゲイン切り換えスイッチである。スイッチSW5は抵抗Rbと並列に、スイッチSW6は、抵抗Raと並列に接続されており、制御装置5により、オン/オフ制御が行われる。
スイッチSW1〜SW4は、電圧検出ライン切り換えスイッチである。差動増幅回路4の入力端子M1と接続されているラインをL1、入力端子M2と接続されているラインをL2とすると、スイッチSW1〜SW4のオン/オフにより、マルチプレクサ3の第1の出力端子T1,T2と、ラインL1,L2との接続状態を切り換えることができる。
上述したように、奇数番目のスイッチSWm1,SWm3,…,SWm13は、第1の出力端子T1と接続され、偶数番目のスイッチSWm2,SWm4,…,SWm14は、第2の出力端子T2と接続されている。従って、スイッチSW1〜SW4を設けない場合には、例えば、スイッチSWm1およびSWm2をオンにした場合と、スイッチSWm2およびSWm3をオンにした場合とでは、オペアンプ40に入力される電圧は反転されることになる。
このため、一実施の形態における組電池の電圧検出装置では、奇数番目のセルの電圧Vc1,…,Vc11を検出する場合には、図3に示すように、スイッチSW1およびSW2をオフ、かつ、スイッチSW3およびSW4をオンにする。また、組電池1の総電圧を検出する場合にも、スイッチSW1およびSW2をオフ、かつ、スイッチSW3およびSW4をオンにする。これにより、マルチプレクサ3の第1の出力端子T1からの出力電圧は、ラインL2を介して、オペアンプ40の非反転入力端子に入力され、第2の出力端子T2からの出力電圧は、ラインL1を介して、オペアンプ40の反転入力端子に入力される。
また、偶数番目のセルの電圧を検出する場合には、図4に示すように、スイッチSW1およびSW2をオン、かつ、スイッチSW3およびSW4をオフにする。これにより、マルチプレクサ3の第1の出力端子T1からの出力電圧は、ラインL1を介して、オペアンプ40の非反転入力端子に入力され、第2の出力端子T2からの出力電圧は、ラインL2を介して、オペアンプ40の反転入力端子に入力される。
すなわち、一実施の形態における組電池の電圧検出装置では、偶数番目のセルの電圧を検出するか、奇数番目のセルの電圧を検出するかに基づいて、スイッチSW1,SW2およびスイッチSW3,SW4のオン/オフを制御する。これにより、電圧を検出するセルの正極電圧が常にオペアンプ40の非反転入力端子に入力されるとともに、負極電圧が常にオペアンプ40の反転入力端子に入力される。従って、オペアンプ40に入力される電圧の正負が反転することを防いで、オペアンプ40からは、常に正の電圧を出力することができる。
図5は、各セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12を検出する時のスイッチSW5およびSW6の状態を示し、図6は、組電池1の総電圧を検出する時のスイッチSW5およびSW6の状態を示している。すなわち、セル電圧Vc1〜Vc12の検出時には、スイッチSW5およびSW6をオンにし、組電池1の総電圧を検出する時には、スイッチSW5およびSW6をオフにする。これにより、組電池1の総電圧を検出する時には、差動増幅回路4のゲインを変更することができる。スイッチSW5,SW6をオンする前と、オンした後におけるゲインの値については、後述する。
図7および図8は、各セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12および組電池1の総電圧Vaを検出する手順を示す一実施の形態のフローチャートである。ステップS10から始まる処理は、制御装置5により行われる。ステップS10では、誤接点を無くすために、マルチプレクサ3の全てのスイッチSWm1〜SWm14、および、スイッチSW1〜SW6を全てオフにする。全てのスイッチをオフにすると、ステップS20に進む。
ステップS20では、マルチプレクサ3から差動増幅回路4におけるオフセット電圧を検出するために、スイッチSW1,SW2、および、マルチプレクサ3のスイッチSWm13,SWm14をオンにする。ステップS20に続くステップS30では、差動増幅回路4から入力される電圧値Voffsetを検出して、ステップS40に進む。
ステップS40では、次式(1)に基づいて、オフセット電圧値Voffを算出する。
Voff=Voffset×GAIN1 …(1)
ただし、GAIN1=R2/R1である。一実施の形態における組電池の電圧検出装置では、R1=10(kΩ)、R2=10(kΩ)とする。従って、GAIN1=1.0となる。オフセット電圧値Voffを算出すると、ステップS50に進む。
ステップS50では、ステップS20でオンにしたスイッチSW1,SW2およびSWm13,SWm14をオフにして、ステップS60に進む。ステップS60では、制御用のカウンタ値nを1にセットして、ステップS70に進む。ステップS70では、カウンタ値nが奇数であるか否かを判定する。カウンタ値nが奇数であると判定するとステップS80に進み、偶数であると判定するとステップS90に進む。
ステップS80では、奇数番目のセルの電圧を検出するために各スイッチを制御する。すなわち、スイッチSW1およびSW2をオフにするとともに、スイッチSW3〜SW6を全てオンにする(図3および図5参照)。一方、ステップS90では、偶数番目のセルの電圧を検出するために各スイッチを制御する。すなわち、スイッチSW3およびSW4をオフにするとともに、スイッチSW1,SW2,SW5,SW6をオンにする(図4および図5参照)。ステップS80またはステップS90の処理を行うと、ステップS100に進む。
ステップS100では、各セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12を検出するために、マルチプレクサ3のスイッチを制御する。すなわち、カウンタ値nに基づいて、スイッチSWmnおよびSWm(n+1)をオンにする。例えば、n=1の場合には、スイッチSWm1およびSWm2をオンにする。スイッチSWmnおよびSWm(n+1)をオンにすると、ステップS110に進む。
ステップS110では、差動増幅回路4から入力される電圧値Vcvnを検出して、ステップS120に進む。ステップS120では、ステップS110で検出した電圧値Vcvnと、ステップS30で検出したオフセット電圧Voffとに基づいて、次式(2)により、セルsnの電圧Vcnを算出する。セルsnの電圧Vcnを算出すると、ステップS130に進む。
Vcn=Vcvn−Voff …(2)
ステップS130では、ステップS120で算出した電圧Vcnに基づいて、電圧検出に異常がないか否かを判定する。ここでは、差動増幅回路4に断線が生じた場合や、マルチプレクサ3の接点異常など、算出した電圧値Vcnに基づいて、明らかな異常の発生の有無を判定する。異常はないと判定するとステップS140に進み、異常が発生していると判定すると、ステップS170に進む。
ステップS140では、ステップS100でオンしたスイッチSWmnおよびSWm(n+1)をオフして、ステップS150に進む。ステップS150では、カウンタ値nに1を加えて、ステップS160に進む。ステップS160では、全てのセルの電圧Vc1〜Vc12を検出したか否か、すなわち、カウンタ値nがセルの数である12と等しいか否かを判定する。n=12ではないと判定するとステップS70に戻り、ステップS70からステップS160までの処理を繰り返し行う。一方、n=12であると判定すると、図8に示すフローチャートのステップS170に進む。
ステップS170では、スイッチSW1〜SW6を全てオフにして、ステップS180に進む。ステップS180では、スイッチSW3およびSW4をオンにして、ステップS190に進む。ステップS190では、組電池1の総電圧を検出するために、スイッチSWm1およびSWm14をオンにして、ステップS200に進む。
ステップS200では、差動増幅回路4から入力される電圧値Vallを検出して、ステップS210に進む。ステップS210では、次式(3)に基づいて、オフセット電圧およびゲインを考慮した組電池1の総電圧Vaを算出する。
Va=(Vall−Voff)/GAIN2 …(3)
ただし、GAIN2=R2/(R1+Ra)である。一実施の形態における組電池の電圧検出装置では、Ra=110(kΩ)とする。従って、GAIN2=1/12=0.083となる。
ステップS210において、組電池1の総電圧Vaを算出すると、電圧検出処理を終了する。
上述した一実施の形態における組電池の電圧検出回路の構成についてまとめておく。一実施の形態における組電池の電圧検出回路は、直列接続されて組電池1を構成する複数のセルs1〜s12の正極とそれぞれ接続されるスイッチSWm1〜SWm12および組電池1の負極と接続されるスイッチSWm13を有するマルチプレクサ3と、第1の入力端子M1および第2の入力端子M2を有する差動増幅回路4とを少なくとも備える。奇数番目のセルの正極と接続されるスイッチは第1の出力端子T1と接続され、偶数番目のセルの正極と接続されるスイッチは第2の出力端子T2と接続されている。また、組電池1の負極と接続されるスイッチは、最下位のセルの正極と接続されるスイッチが接続される出力端子と異なる出力端子と接続されている。第1の出力端子T1は、スイッチSW1またはスイッチSW3により、差動増幅回路4の第1の入力端子M1および第2の入力端子M2のうちのいずれか一方と接続され、第2の出力端子T2は、スイッチSW2またはスイッチSW4により、差動増幅回路の第1の入力端子M1および第2の入力端子M2のうちのいずれか一方と接続される。このような構成において、制御装置5は、マルチプレクサ3の隣接する一対のスイッチを順にオンさせるとともに、オンさせるスイッチに応じて、第1の出力端子T1および第2の出力端子T2と、差動増幅回路4の第1の入力端子M1および第2の入力端子M2との接続状態を制御する。
これにより、マルチプレクサ3のスイッチの切り換えにより、差動増幅回路4に入力される電圧が反転することを防ぐことができる。従って、差動増幅回路4を正電圧の単電源により作動させることができ、回路を小型化することができる。また、差動増幅回路4に入力される電圧の反転を防ぐために、差動増幅回路4に入力するセル電圧を抵抗分圧して、後に電圧変換処理を施す等の処理を行う必要もなくなる。
また、一実施の形態における組電池の電圧検出回路では、差動増幅回路4のゲインを変更することにより、各セルs1〜s12の電圧とともに、組電池1の総電圧を検出することができる。各セルごとに電圧を検出し、検出した各セル電圧を加算することにより、組電池の総電圧を検出する従来の装置では、何らかの原因により、1つのセルの電圧が検出できなかった場合には、組電池の総電圧が検出できないという問題が生じる。しかし、一実施の形態における組電池の電圧検出回路によれば、そのような問題も生じない。
特に、一実施の形態における組電池の電圧検出回路では、差動増幅回路4の第1の入力端子および第2の入力端子にそれぞれ接続される抵抗Ra,Rb、および、抵抗Ra,Rbとそれぞれ並列に接続されるスイッチSW5,SW6を設けることにより、ゲインを変更する構成としている。すなわち、組電池1の総電圧Vaを検出する時には、スイッチSW5,SW6をオフにすることにより、差動増幅回路4のゲインを小さくすることができる。従って、簡易な構成により、差動増幅回路4のゲインを変更することができる。
さらに、一実施の形態における組電池の電圧検出回路では、マルチプレクサ3から差動増幅回路4における回路のオフセット電圧Voffを検出し、差動増幅回路4で検出された各セル電圧Vc1〜Vc12および組電池1の総電圧Vaをオフセット電圧Voffに基づいて補正するので、検出電圧値の精度を向上させることができる。
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、上述した一実施の形態では、12個のセルs1〜s12により構成される組電池1の総電圧および各セル電圧を検出する例について説明したが、本発明が組電池の種類やセル数により限定されることはない。
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、差動増幅回路4が差動増幅回路を、マルチプレクサ3がマルチプレクサを、スイッチSW1〜SW4が接続切り換え手段を、制御装置5が制御手段を、抵抗Ra、RbおよびスイッチSW5,SW6がゲイン変更手段を、スイッチSWm13,SWm14、差動増幅回路4、および、制御装置5が電圧補正手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
本発明による組電池の電圧検出回路の一実施の形態の構成を示す図 各セルの電圧Vc1〜Vc12、オフセット電圧および組電池1の総電圧を検出する時に、マルチプレクサ3により、切り換えるスイッチSWm1〜SWm14の状態を示す図 奇数番目のセルの電圧を検出する際のスイッチSW1〜SW4の状態を示す図 偶数番目のセルの電圧を検出する際のスイッチSW1〜SW4の状態を示す図 各セルs1〜s12の電圧Vc1〜Vc12を検出する時のスイッチSW5およびSW6の状態を示す図 組電池1の総電圧を検出する時のスイッチSW5およびSW6の状態を示す図 各セルの電圧および組電池の総電圧を検出する手順を示す一実施の形態のフローチャート 図7に示すフローチャートに続くフローチャート
符号の説明
1…組電池
2…抵抗素子群
3…マルチプレクサ
4…差動増幅回路
5…制御装置
40…オペアンプ
s1〜s12…セル
SW1〜SW6,SWm1〜SWm14…スイッチ
R1〜R4,Ra,Rb…抵抗

Claims (6)

  1. 複数のセルを直列接続した組電池の電圧検出回路において、
    前記複数のセルの中から電圧を検出するセルを選択するマルチプレクサと、
    反転入力端子および非反転入力端子を備えたオペアンプを有し、前記反転入力端子と前記非反転入力端子とにそれぞれ入力される、前記マルチプレクサにより選択されたセルの正極出力電圧と負極出力電圧との差分に相当する電圧を出力する差動増幅回路と、
    前記マルチプレクサと前記差動増幅回路との間に設けられ、前記マルチプレクサにより選択されたセルの正極を前記オペアンプの非反転入力端子に、負極を前記オペアンプの反転入力端子に接続する接続切り換え手段とを備えることを特徴とする組電池の電圧検出回路。
  2. 第1の入力端子および第2の入力端子を有し、前記第1の入力端子および前記第2の入力端子に入力される電圧の電圧差を検出する差動増幅回路と、
    直列接続されて組電池を構成する複数のセルの正極とそれぞれ接続されるスイッチング素子および前記組電池の負極と接続されるスイッチング素子を有し、奇数番目のセルの正極と接続されるスイッチング素子は第1の出力端子と接続され、偶数番目のセルの正極と接続されるスイッチング素子は第2の出力端子と接続されており、前記組電池の負極と接続されるスイッチング素子は、最下位のセルの正極と接続されるスイッチング素子が接続されている出力端子と異なる出力端子と接続されているマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサの第1の出力端子と、前記差動増幅回路の前記第1の入力端子および前記第2の入力端子のうちのいずれか一方とを接続するとともに、前記マルチプレクサの第2の出力端子と、前記差動増幅回路の前記第1の入力端子および前記第2の入力端子のうちのいずれか一方とを接続する接続切り換え手段と、
    前記マルチプレクサの隣接する一対の前記スイッチング素子を順にオンさせるとともに、オンさせるスイッチング素子に応じて、前記接続切り換え手段による接続状態を変更する制御手段とを備えることを特徴とする組電池の電圧検出回路。
  3. 請求項2に記載の組電池の電圧検出回路において、
    前記制御手段は、奇数番目のセルの電圧を検出する際には、前記マルチプレクサの第1の出力端子と前記差動増幅回路の前記第2の入力端子とを接続するとともに、前記マルチプレクサの第2の出力端子と前記差動増幅回路の前記第1の入力端子とを接続し、偶数番目のセルの電圧を検出する際には、前記マルチプレクサの第1の出力端子と前記差動増幅回路の前記第1の入力端子とを接続するとともに、前記マルチプレクサの第2の出力端子と前記差動増幅回路の前記第2の入力端子とを接続することを特徴とする組電池の電圧検出回路。
  4. 請求項2または3に記載の組電池の電圧検出回路において、
    前記差動増幅回路のゲインを変更するゲイン変更手段をさらに備え、
    前記ゲイン変更手段は、前記制御手段が前記組電池の正極と接続されるスイッチング素子および前記組電池の負極と接続されるスイッチング素子をオンして、前記組電池の電圧を検出する時には、前記差動増幅回路のゲインを小さくすることを特徴とする組電池の電圧検出回路。
  5. 請求項4に記載の組電池の電圧検出回路において、
    前記ゲイン変更手段は、前記差動増幅回路の前記第1の入力端子および前記第2の入力端子とそれぞれ接続される二つの抵抗、および、前記二つの抵抗とそれぞれ並列に接続されるスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のオン/オフにより、前記差動増幅回路のゲインを変更することを特徴とする組電池の電圧検出回路。
  6. 請求項2〜5のいずれかに記載の組電池の電圧検出回路において、
    前記差動増幅回路の前記第1の入力端子および前記第2の入力端子に0Vの電圧を印加することにより、オフセット電圧を検出し、前記検出したオフセット電圧に基づいて、前記差動増幅回路により検出される前記複数のセルの電圧および前記組電池の電圧を補正する電圧補正手段をさらに備えることを特徴とする組電池の電圧検出回路。
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