JP2006078323A

JP2006078323A - フライングキャパシタ式電池電圧検出装置

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Publication number: JP2006078323A
Application number: JP2004262332A
Authority: JP
Inventors: Takumi Shimizu; 工清水; Keisuke Tanigawa; 圭介谷川; Tetsuya Kobayashi; 徹也小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: JP4186896B2

Abstract

【課題】通常は同時にオンしない入力側サンプリングスイッチ、出力側サンプリングスイッチがともにオンすることで発生する短絡電流を簡素な回路構成で防止し、信頼性を向上することができるフライングキャパシタ式電圧検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、入力及び出力側サンプリングスイッチと、フライングキャパシタと、差動電圧検出回路とから構成されている。入力及び出力側サンプリングスイッチはフォトモスリレーとトランジスタとから構成されている。フォトモスリレーの一端は電流制御回路の抵抗を介して回路用電源に接続され、他端はトランジスタを介して接地されている。通常は同時にオンしない２つのトランジスタがともにオンしても、フォトモスリレーの入力電流がオン電流閾値未満になり、出力端子間はオフする。これにより短絡が防止され、信頼性を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フライングキャパシタ方式の絶縁回路を備え、電池の電圧を電気的に絶縁して検出するフライングキャパシタ式電池電圧検出装置に関する。

従来、電池の電圧を絶縁するとともに最適な大きさに変換して出力する装置として、例えば、特開平１１−２７２９８１号公報に開示されているフライングキャパシタ方式絶縁回路や、特開２００２−２８９２６３号公報に開示されているフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置がある。

フライングキャパシタ方式絶縁回路は、回路の入力側と出力側を絶縁して、直流信号を伝達する回路である。フライングキャパシタ方式絶縁回路は、入力側のスイッチ素子と、コンデンサと、増幅器と、出力側のスイッチ素子とを備えている。

入力側のスイッチ素子がオンすると、コンデンサは直流信号の入力される入力端子に接続され、コンデンサの電圧は直流信号と同電圧になる。その後、入力側のスイッチ素子がオフするとともに、出力側のスイッチ素子がオンする。出力側のスイッチ素子がオンすると、コンデンサは増幅器を介して出力端子に接続される。増幅器は、入力端子の直流信号と同電圧であるコンデンサの電圧を増幅して出力する。

フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、組電池を構成する複数の電池モジュールの電圧を、順次、絶縁するとともに増幅して出力する装置である。フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、入力側サンプリングスイッチと、フライングキャパシタと、出力側サンプリングスイッチと、差動電圧検出回路と、コントローラとを備えている。

コントローラは、入力側サンプリングスイッチをオンする。入力側サンプリングスイッチがオンすると、フライングキャパシタは電池モジュールに接続され充電される。フライングキャパシタの電圧は電池モジュールと同電圧になる。その後、コントローラは、入力側サンプリングスイッチをオフするとともに、出力側サンプリングスイッチをオンする。出力側サンプリングスイッチがオンすると、フライングキャパシタは差動電圧検出回路に接続される。差動電圧検出回路は、電池モジュールと同電圧であるフライングキャパシタの電圧を増幅して出力する。

ここで、スイッチ素子、入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチとして、例えば、光絶縁素子であるフォトモスリレーが用いられている。
特開平１１−２７２９８１号公報特開２００２−２８９２６３号公報

ところで、前述したフライングキャパシタ方式絶縁回路では、故障等により、入力側のスイッチ素子と出力側のスイッチ素子とが同時にオンすると、回路の入力側と出力側が短絡される。短絡された入力側と出力側との間の電位差が大きい場合、短絡電流により、出力端子に接続された回路が焼損する可能性がある。

また、前述したフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置では、故障等により、電池モジュール毎に設けられた入力側サンプリングスイッチと出力側サンプリングスイッチとが同時にオンすると、電池モジュールと差動電圧検出回路が短絡される。短絡された電池モジュールと差動電圧検出回路との間の電位差が大きい場合、短絡電流により、電池モジュール、差動電圧検出回路及びそれらを接続する配線が焼損する可能性がある。さらに、通常は同時にオンしない入力側サンプリングスイッチ同士が同時にオンすると、電池モジュール間が短絡される。短絡された電池モジュール間の電位差が大きい場合、短絡電流により、電池モジュール、入力側サンプリングスイッチ及びそれらを接続する配線が焼損する可能性がある。

このような短絡電流による焼損を防止するため、通常は同時にオンしないスイッチ素子、サンプリングスイッチを同時にオンさせない論理回路や、ヒューズを追加する方法が考えられるが、構成が非常に複雑になり、回路を簡素化することが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、通常は同時にオンしない入力側サンプリングスイッチ、出力側サンプリングスイッチがともにオンすることで発生する短絡電流を簡素な回路構成で防止し、信頼性を向上することができるフライングキャパシタ式電圧検出装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、フライングキャパシタに共通接続されている入力側サンプリングスイッチ、出力側サンプリングスイッチのうち、少なくとも２つがともにオンしようとするとき、対応するサンプリングスイッチを構成する光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御することで、短絡を防止できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、両端に電圧を印加され充電されることで前記電圧を保持するフライングキャパシタと、入力端子に入力される電圧を増幅して出力端子から出力する電圧増幅回路と、入力端子間に入力電流を流されることで、前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と、前記発光部の発する前記光を受光し、前記入力電流がオン電流閾値以上のとき、前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え、電池の両端を前記フライングキャパシタの両端にそれぞれ接続する入力側サンプリングスイッチと、入力端子間に入力電流を流されることで、前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と、前記発光部の発する前記光を受光し、前記入力電流がオン電流閾値以上のとき、前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え、前記入力側サンプリングスイッチがオフしたあと、前記フライングキャパシタの両端を前記電圧増幅回路の入力端子にそれぞれ接続する出力側サンプリングスイッチとを備えたフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、前記フライングキャパシタの両端のいずれかに一端が共通接続されている前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチがともにオンしようとするとき、前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御する電流制御回路を有することを特徴とする。

請求項２に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、両端に電圧を印加され充電されることで前記電圧を保持するフライングキャパシタと、入力端子に入力される電圧を増幅して出力端子から出力する電圧増幅回路と、入力端子間に入力電流を流されることで、前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と、前記発光部の発する前記光を受光し、前記入力電流がオン電流閾値以上のとき、前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え、組電池を構成する直列接続された複数の電池モジュール毎に設けられ、前記電池モジュールの両端を前記フライングキャパシタの両端に順次それぞれ接続する入力側サンプリングスイッチと、入力端子間に入力電流を流されることで、前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と、前記発光部の発する前記光を受光し、前記入力電流がオン電流閾値以上のとき、前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え、前記入力側サンプリングスイッチがオフしたあと、前記フライングキャパシタの両端を前記電圧増幅回路の入力端子にそれぞれ接続する出力側サンプリングスイッチとを備えたフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、前記フライングキャパシタの両端のいずれかに一端が共通接続されている前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチ毎に設けられ、前記入力側サンプリングスイッチの少なくとも１つと前記出力側サンプリングスイッチとがともにオンしようとするとき、オンしようとする前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御する電流制御回路を有することを特徴とする。

請求項３に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、請求項２に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、前記電流制御回路は、前記入力側サンプリングスイッチのうち少なくとも２つがともにオンしようとするとき、オンしようとする前記入力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御することを特徴とする。

請求項４に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、請求項１乃至３に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、前記電流制御回路は、一端が電源に、他端が前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力端子にそれぞれ接続されている抵抗からなることを特徴とする。

請求項５に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、請求項１乃至３に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、前記電流制御回路は、前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力端子の一端を他の前記光絶縁素子の入力端子の他端にそれぞれ接続することを特徴とする。

請求項６に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、請求項１乃至５に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、さらに、車両に搭載された電池の電圧を検出することを特徴とする。

請求項１に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、一端が共通接続されている入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチがともにオンしようとするとき、入力側サンプリングスイッチと出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満にすることで、これらの光絶縁素子をともにオフすることができる。

そのため、電池と電圧検出回路との間で発生する短絡を防止して、短絡電流による電池、入力側サンプリングスイッチ、出力側サンプリングスイッチ、電圧増幅回路及びそれらを接続する配線の焼損を防ぐことができる。これにより、フライングキャパシタ式電池電圧検出装置の信頼性を向上することができる。

請求項２に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、一端が共通接続されている、電池モジュール毎に設けられた入力側サンプリングスイッチの少なくとも１つと前記出力側サンプリングスイッチとがともにオンしようとするとき、オンしようとする入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満にすることで、これらの光絶縁素子をともにオフすることができる。

そのため、電池モジュールと電圧検出回路との間で発生する短絡を防止して、短絡電流による電池モジュール、入力側サンプリングスイッチ、出力側サンプリングスイッチ、電圧増幅回路及びそれらを接続する配線の焼損を防ぐことができる。これにより、フライングキャパシタ式電池電圧検出装置の信頼性を向上することができる。

請求項３に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、一端が共通接続されている、電池モジュール毎に設けられた入力側サンプリングスイッチの少なくとも２つがともにオンしようとするとき、オンしようとする入力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満にすることで、これらの光絶縁素子をともにオフすることができる。

そのため、電池モジュール間で発生する短絡を防止して、短絡電流による電池モジュール、入力側サンプリングスイッチ及びそれらを接続する配線の焼損を防ぐことができる。これにより、フライングキャパシタ式電池電圧検出装置の信頼性をより向上することができる。

請求項４に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、１つの抵抗を介して、入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子に入力電流を供給することで、必要に応じて、入力電流を確実にオン電流閾値未満にすることができる。

ところで、抵抗には、電源の電圧と抵抗の抵抗値とで決まる一定電流が流れる。しかし、抵抗に接続されている入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチのうち、少なくとも２つがともにオンすると、抵抗を流れる一定電流はこれらのサンプリングスイッチによって分流される。そのため、入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチのうち、少なくとも２つがオンしようとするとき、光絶縁素子の入力電流を確実にオン電流閾値未満にすることができる。

請求項５に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力端子の一端を他の光絶縁素子の入力端子の他端にそれぞれ接続することで、必要に応じて、光絶縁素子の入力端子間の電圧をほぼ０Ｖにして、入力電流を確実にオン電流閾値未満であるほぼ０Ａにすることができる。

請求項６に記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置によれば、車両に搭載された電池の電圧を検出するフライングキャパシタ式電池電圧検出装置の信頼性を向上させることができる。これにより、車両の信頼性を向上させることができる。

本実施形態は、本発明に係るフライングキャパシタ式電池電圧検出装置を、ハイブリッド電気自動車の走行用モータに電力を供給する組電池に対して適用した例を示す。

（第１実施形態）
第１実施形態におけるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の回路図を図１に、サンプリングスイッチの回路図を図２に示す。そして、図１及び図２を参照して、構成、動作、効果の順で具体的に説明する。

まず、具体的構成について説明する。図１に示すように、フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置１（フライングキャパシタ式電池電圧検出装置）は、入力側電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ９と、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９と、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２と、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２と、出力側電流制限抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２と、差動電圧検出回路１ａ（電圧増幅回路）と、コントローラ１ｂとから構成され、組電池２に接続されている。

ここで、組電池２は、充放電可能な複数の単電池からなる電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８を直列接続して構成される直流電源である。組電池２の正極端子及び負極端子は、ハイブリッド電気自動車の走行用モータを制御するインバータ（図略）にそれぞれ接続されている。

入力側電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ９は、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９を介してフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を充電するときに、電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８に流れる電流を制限するための素子である。入力側電流制限抵抗Ｒ１の一端は電池モジュールＶＢ１の正極端子に、他端は入力側サンプリングスイッチＳ１にそれぞれ接続されている。また、入力側電流制限抵抗Ｒ２〜Ｒ８の一端は直列接続された電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８間の接続点に、他端は入力側サンプリングスイッチＳ２〜Ｓ８にそれぞれ接続されている。さらに、入力側電流制限抵抗Ｒ９の一端は電池モジュールＶＢ８の負極端子に、他端は入力側サンプリングスイッチＳ９にそれぞれ接続されている。

入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９は、入力側電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ９を介して、電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８をフライングキャパシタＣ１、Ｃ２に接続するためのスイッチング回路である。入力側サンプリングスイッチＳ１、Ｓ５、Ｓ９の一端は入力側電流制限抵抗Ｒ１、Ｒ５、Ｒ９の他端に、他端はともにフライングキャパシタＣ１にそれぞれ接続されている。また、入力側サンプリングスイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８の一端は入力側電流制限抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８の他端に、他端はともにフライングキャパシタＣ１、Ｃ２にそれぞれ接続されている。さらに、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７の一端は入力側電流制限抵抗Ｒ３、Ｒ７の他端に、他端はともにフライングキャパシタＣ２にそれぞれ接続されている。

フライングキャパシタＣ１、Ｃ２は、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９を介して、電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８が接続されることで、電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８の電圧を充電して保持するためのコンデンサである。フライングキャパシタＣ１、Ｃ２は直列接続され、フライングキャパシタＣ１の一端は入力側サンプリングスイッチＳ１、Ｓ５、Ｓ９の他端に、フライングキャパシタＣ２の一端は入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７の他端にそれぞれ接続されている。また、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の接続点は入力側サンプリングスイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８の他端にそれぞれ接続されている。

出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２は、出力側電流制限抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２を介して、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２を差動電圧検出回路１ａに接続するためのスイッチング回路である。出力側サンプリングスイッチＳ１０の一端はフライングキャパシタＣ１の一端に、他端は出力側電流制限抵抗Ｒ１０にそれぞれ接続されている。また、出力側サンプリングスイッチＳ１１の一端はフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の接続点に、他端は出力側電流制限抵抗Ｒ１１にそれぞれ接続されている。さらに、出力側サンプリングスイッチＳ１２の一端はフライングキャパシタＣ２の一端に、他端は出力側電流制限抵抗Ｒ１２にそれぞれ接続されている。

出力側電流制限抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２は、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を介して、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２を差動電圧検出回路１ａに接続したときに、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２に流れる電流を制限するための素子ある。出力側電流制限抵抗Ｒ１０、Ｒ１２の一端は出力側サンプリングスイッチＳ１０、Ｓ１２の他端に、他端はともに差動電圧検出回路１ａにそれぞれ接続されている。また、出力側電流制限抵抗Ｒ１１の一端は出力側サンプリングスイッチＳ１１の他端に、他端は差動電圧検出回路１ａにそれぞれ接続されている。

差動電圧検出回路１ａは、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を介して入力されるフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の電圧を増幅する回路である。差動電圧検出回路１ａは、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２から構成されている。オペアンプＯＰ１、ＯＰ２の一方の入力端子は、出力側電流制限抵抗Ｒ１０、Ｒ１２の他端にそれぞれ接続されている。また、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２の他方の入力端子は、ともに出力側電流制限抵抗Ｒ１１の他端に接続されている。

コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２をオン／オフするための信号を出力する回路である。コントローラ１ｂの出力端子は、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２にそれぞれ接続されている。

次に、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２の具体的構成について詳細に説明する。ここでは、互いに共通接続されている入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７、出力側サンプリングスイッチＳ１２について、図２を参照して、より詳細に説明する。互いに共通接続されている入力側サンプリングスイッチＳ１、Ｓ５、Ｓ９、出力側サンプリングスイッチＳ１０と、入力側サンプリングスイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、出力側サンプリングスイッチＳ１１については、同様の構成であるため説明は省略する。

図２に示すように、入力側サンプリングスイッチＳ３は、フォトモスリレー３０（光絶縁素子）と、トランジスタ３１とから構成されている。

フォトモスリレー３０は、入力端子間に電流を流すことで発光する発光部と、発光部の発した光を受光し、光の強さに基づいて出力端子間をオン／オフする受光部とからなる光絶縁素子である。フォトモスリレー３０は、入力端子間にオン電流閾値以上の電流を流すことで出力端子間をオンする。フォトモスリレー３０の入力端子の一端は電流制御回路Ｉ１に、他端はトランジスタ３１にそれぞれ接続されている。また、出力端子の一端は入力側電流制限抵抗Ｒ３の他端に接続されている。さらに、出力端子の他端は、前述したように、フライングキャパシタＣ２の他端に接続されるとともに、出力側サンプリングスイッチＳ１２にも接続されている。

トランジスタ３１は、コントローラ１ｂの出力に基づいて、フォトモスリレー３０に流れる電流をオン／オフするためのスイッチング素子である。トランジスタ３１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー３０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。

入力側サンプリングスイッチＳ７は、フォトモスリレー７０（光絶縁素子）と、トランジスタ７１とから構成されている。

フォトモスリレー７０は、入力端子間に電流を流すことで発光する発光部と、発光部の発した光を受光し、光の強さに基づいて出力端子間をオン／オフする受光部とからなる光絶縁素子である。フォトモスリレー７０は、入力端子間にオン電流閾値以上の電流を流すことで出力端子間をオンする。フォトモスリレー７０の入力端子の一端は電流制御回路Ｉ１に、他端はトランジスタ７１にそれぞれ接続されている。また、出力端子の一端は入力側電流制限抵抗Ｒ７の他端に接続されている。さらに、出力端子の他端は、フォトモスリレー３０の出力端子の他端と同様に、フライングキャパシタＣ２の他端に接続されるとともに、出力側サンプリングスイッチＳ１２にも接続されている。

トランジスタ７１は、コントローラ１ｂの出力に基づいて、フォトモスリレー７０に流れる電流をオン／オフするためのスイッチング素子である。トランジスタ７１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー７０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。

出力側サンプリングスイッチＳ１２は、フォトモスリレー１２０（光絶縁素子）と、トランジスタ１２１とから構成されている。

フォトモスリレー１２０は、入力端子間に電流を流すことで発光する発光部と、発光部の発した光を受光し、光の強さに基づいて出力端子間をオン／オフする受光部とからなる光絶縁素子である。フォトモスリレー１２０は、入力端子間にオン電流閾値以上の電流を流すことで出力端子間をオンする。フォトモスリレー１２０の入力端子の一端は電流制御回路Ｉ１に、他端はトランジスタ１２１にそれぞれ接続されている。また、出力端子の一端はフォトモスリレー３０、７０の出力端子の他端に、他端は出力側電流制限抵抗Ｒ１２の一端にそれぞれ接続されている。

トランジスタ１２１は、コントローラ１ｂの出力に基づいて、フォトモスリレー１２０に流れる電流をオン／オフするためのスイッチング素子である。トランジスタ１２１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー１２０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。

電流制御回路Ｉ１は、トランジスタ３１、７１、１２１がオンしたときに、フォトモスリレー３０、７０、１２０の入力端子間に流れる電流を制御するための回路である。電流制御回路Ｉ１は、トランジスタ３１、７１、１２１のうち１つがオンすると、フォトモスリレー３０、７０、１２０のうち対応するフォトモスリレーの入力端子間にオン電流閾値以上の電流を供給する。また、トランジスタ３１、７１、１２１のうち少なくとも２つがオンすると、フォトモスリレー３０、７０、１２０のうち対応するフォトモスリレーの入力端子間に供給する電流をオン電流閾値未満にする。電流制御回路Ｉ１は、抵抗Ｒ１００で構成されている。抵抗Ｒ１００の一端はフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置１を駆動するための回路用電源Ｖｃｃに、他端はフォトモスリレー３０、７０、１２０の入力端子の一端にそれぞれ接続されている。

次に、図１及び図２を参照して具体的動作について説明する。まず、フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置１の具体的動作について説明する。図１に示すように、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ３をオンする。入力側サンプリングスイッチＳ１、Ｓ２がオンすると、フライングキャパシタＣ１は、入力側電流制限抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して、電池モジュールＶＢ１に接続され充電される。また、入力側サンプリングスイッチＳ２、Ｓ３がオンすると、フライングキャパシタＣ２は、入力側電流制限抵抗Ｒ２、Ｒ３を介して、電池モジュールＶＢ２に接続され充電される。これにより、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の電圧は、それぞれ電池モジュールＶＢ１、ＶＢ２と同電圧になる。

その後、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ３をオフするとともに、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を所定時間オンする。出力側サンプリングスイッチＳ１０、Ｓ１１がオンすると、フライングキャパシタＣ１は、出力側電流制限抵抗Ｒ１０、Ｒ１１を介して、差動電圧検出回路１ａのオペアンプＯＰ１に接続される。オペアンプＯＰ１は、電池モジュールＶＢ１と同電圧であるフライングキャパシタＣ１の電圧を増幅して出力する。また、出力側サンプリングスイッチＳ１１、Ｓ１２がオンすると、フライングキャパシタＣ２は、出力側電流制限抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を介して、差動電圧検出回路１ａのオペアンプＯＰ２に接続される。オペアンプＯＰ２は、電池モジュールＶＢ２と同電圧であるフライングキャパシタＣ２の電圧を増幅して出力する。

次に、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ３〜Ｓ５をオンする。入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ４がオンすると、フライングキャパシタＣ２は、入力側電流制限抵抗Ｒ３、Ｒ４を介して、電池モジュールＶＢ３に接続され充電される。また、入力側サンプリングスイッチＳ４、Ｓ５がオンすると、フライングキャパシタＣ１は、入力側電流制限抵抗Ｒ４、Ｒ５を介して、電池モジュールＶＢ４に接続され充電される。これにより、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の電圧は、それぞれ電池モジュールＶＢ４、ＶＢ３と同電圧になる。

その後、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ３〜Ｓ５をオフするとともに、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を所定時間オンする。出力側サンプリングスイッチＳ１０、Ｓ１１がオンすると、フライングキャパシタＣ１は、出力側電流制限抵抗Ｒ１０、Ｒ１１を介して、差動電圧検出回路１ａのオペアンプＯＰ１に接続される。オペアンプＯＰ１は、電池モジュールＶＢ４と同電圧であるフライングキャパシタＣ１の電圧を増幅して出力する。また、出力側サンプリングスイッチＳ１１、Ｓ１２がオンすると、フライングキャパシタＣ２は、出力側電流制限抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を介して、差動電圧検出回路１ａのオペアンプＯＰ２に接続される。オペアンプＯＰ２は、電池モジュールＶＢ３と同電圧であるフライングキャパシタＣ２の電圧を増幅して出力する。

以降、コントローラ１ｂが、入力側サンプリングスイッチＳ６〜Ｓ８及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を同様にオン／オフすることで、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２は、電池モジュールＶＢ５、ＶＢ６の電圧を増幅して出力する。さらに、入力側サンプリングスイッチＳ７〜Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を同様にオン／オフすることで、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２は、電池モジュールＶＢ８、ＶＢ７の電圧を増幅して出力する。

次に、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７及び出力側サンプリングスイッチＳ１２の具体的動作について詳細に説明する。図２に示すように、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ３をオンさせるとき、入力側サンプリングスイッチＳ３に対してハイレベルを出力する。コントローラ１ｂがハイレベルを出力すると、トランジスタ３１がオンする。トランジスタ３１がオンすると、フォトモスリレー３０の入力端子には、回路用電源Ｖｃｃの電圧と電流制御回路Ｉ１の抵抗Ｒ１００の抵抗値とで決まる入力電流が流れる。フォトモスリレー３０の入力電流は、回路用電源Ｖｃｃの電圧に対して抵抗Ｒ１００の抵抗値を適切に設定することで、オン電流閾値以上にすることができる。フォトモスリレー３０にオン電流閾値以上の入力電流が流れると、出力端子間がオンして出力電流が流れる。

このとき、故障等により、コントローラ１ｂが、入力側サンプリングスイッチＳ１２に対して、通常は出力するはずのないハイレベルを出力すると、トランジスタ１２１がオンする。トランジスタ１２１がオンすると、フォトモスリレー３０に流れていた入力電流は、フォトモスリレー１２０及びトランジスタ１２１を介して分流される。分流されることで、フォトモスリレー３０の入力電流はほぼ１／２に低下する。また、フォトモスリレー１２０の入力端子には、フォトモスリレー３０に流れていた入力電流のぼぼ１／２の電流が入力電流として流れる。フォトモスリレー３０、１２０の入力電流は、回路用電源Ｖｃｃの電圧に対して抵抗Ｒ１００の抵抗値を適切に設定することで、オン電流閾値未満にすることができる。フォトモスリレー３０、１２０にオン電流閾値未満の入力電流が流れることで、出力端子間がともにオフして出力電流が遮断される。これにより、電池モジュールＶＢ３の正極端子とオペアンプＯＰ２の入力端子との間の短絡を防止できる。

同様に、トランジスタ３１とトランジスタ７１がともにオンしても、フォトモスリレー３０とフォトモスリレー７０の出力端子間はともにオフして出力電流が遮断される。これにより、電池モジュールＶＢ３の正極端子と電池モジュールＶＢ６の負極端子との間の短絡を防止できる。つまり、トランジスタ３１、７１、１２１の少なくとも２つがオンしても、対応するフォトモスリレーの出力端子間はともにオフして出力電流を遮断する。

互いに共通接続されている、入力側サンプリングスイッチＳ１、Ｓ５、Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０と、入力側サンプリングスイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８及び出力側サンプリングスイッチＳ１１を同様の構成にすることで、電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８と差動電圧検出回路１ａの間又は電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８の間における短絡を防止できる。

最後に具体的効果について説明する。第１実施形態によれば、トランジスタ３１、１２１がともにオンしても、フォトモスリレー３０、１２０の入力電流をオン電流閾値未満にすることで、フォトモスリレー３０、１２０の出力端子間をオフすることができる。そのため、電池モジュールＶＢ３とオペアンプＯＰ２との間で発生する短絡を防止して、短絡電流による電池モジュールＶＢ３、入力側電流制限抵抗Ｒ３、入力側サンプリングスイッチＳ３、出力側サンプリングスイッチＳ１２、出力側電流制限抵抗Ｒ１２、オペアンプＯＰ２及びそれらを接続する配線の焼損を防ぐことができる。これにより、フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置１の信頼性を向上することができる。

また、トランジスタ３１、７１がともにオンしても、フォトモスリレー３０、７０の入力電流をオン電流閾値未満にすることで、フォトモスリレー３０、７０の出力端子間をオフすることができる。そのため、電池モジュールＶＢ３の正極端子とＶＢ６の負極端子との間で発生する短絡を防止して、短絡電流による電池モジュールＶＢ３〜ＶＢ６、入力側電流制限抵抗Ｒ３、Ｒ７、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７及びそれらを接続する配線の焼損を防ぐことができる。これにより、フライングキャパシタ式電池電圧検出組装置１の信頼性をより向上することができる。

また、抵抗Ｒ１００を介して、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７及び出力サンプリングスイッチＳ１２のフォトモスリレー３０、７０、１２０に入力電流を供給することで、トランジスタ３１、７１、１２１のうち、少なくとも２つがともにオンしても、対応するフォトモスリレーの入力電流を確実にオン電流閾値未満にすることができる。

さらに、ハイブリッド電気自動車に搭載された組電池２の電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８の電圧を検出するフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置１の信頼性を向上させることができる。これにより、ハイブリッド電気自動車の信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態におけるサンプリングスイッチの回路図を図３に示す。ここでは、第１実施形態におけるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置との相違部分である入力側サンプリングスイッチ及び出力側サンプリングスイッチについて説明し、共通する部分については、必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

まず、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２の具体的構成について説明する。ここでは、第１実施形態と同様に、互いに共通接続されている入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７、出力側サンプリングスイッチＳ１２について、図３を参照して説明する。

図３に示すように、入力側サンプリングスイッチＳ３は、フォトモスリレー３０と、トランジスタ３１と、抵抗３２とから構成されている。フォトモスリレー３０の入力端子の一端は抵抗３２を介して回路用電源Ｖｃｃに、他端はトランジスタ３１にそれぞれ接続されている。トランジスタ３１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー３０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。また、フォトモスリレー３０と抵抗３２の接続点及びフォトモスリレー３０とトランジスタ３１の接続点は、電流制御回路Ｉ２にそれぞれ接続されている。

入力側サンプリングスイッチＳ７は、フォトモスリレー７０と、トランジスタ７１と、抵抗７２とから構成されている。フォトモスリレー７０の入力端子の一端は抵抗７２を介して回路用電源Ｖｃｃに、他端はトランジスタ７１にそれぞれ接続されている。トランジスタ７１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー７０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。また、フォトモスリレー７０と抵抗７２の接続点及びフォトモスリレー７０とトランジスタ７１の接続点は、電流制御回路Ｉ２にそれぞれ接続されている。

出力側サンプリングスイッチＳ１２は、フォトモスリレー１２０と、トランジスタ１２１と、抵抗１２２とから構成されている。フォトモスリレー１２０の入力端子の一端は抵抗１２２を介して回路用電源Ｖｃｃに、他端はトランジスタ１２１にそれぞれ接続されている。トランジスタ１２１のベースはコントローラ１ｂに、コレクタはフォトモスリレー１２０の入力端子の他端にそれぞれ接続され、エミッタは接地されている。また、フォトモスリレー１２０と抵抗１２２の接続点及びフォトモスリレー１２０とトランジスタ１２１の接続点は、電流制御回路Ｉ２にそれぞれ接続されている。

電流制御回路Ｉ２は、トランジスタ３１、７１、１２１がオンしたときに、フォトモスリレー３０、７０、１２０の入力端子間に流れる電流を制御するための回路である。電流制御回路Ｉ２は、トランジスタ３１、７１、１２１のうち１つがオンすると、フォトモスリレー３０、７０、１２０のうち対応するフォトモスリレーの入力端子間にオン電流閾値以上の電流を供給する。また、トランジスタ３１、７１、１２１のうち少なくとも２つがオンすると、フォトモスリレー３０、７０、１２０のうち対応するフォトモスリレーの入力端子間に供給する電流をオン電流閾値未満であるほぼ０Ａにする。電流制御回路Ｉ２は、フォトモスリレー３０とトランジスタ３１の接続点を、フォトモスリレー７０と抵抗７２の接続点及びフォトモスリレー１２０と抵抗１２２の接続点に接続している。また、フォトモスリレー７０とトランジスタ７１の接続点を、フォトモスリレー３０と抵抗３２の接続点及びフォトモスリレー１２０と抵抗１２２の接続点に接続している。さらに、フォトモスリレー１２０とトランジスタ１２１の接続点を、フォトモスリレー３０と抵抗３２の接続点及びフォトモスリレー７０と抵抗７２の接続点に接続している。

次に、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７及び出力側サンプリングスイッチＳ１２の具体的動作について詳細に説明する。図３に示すように、コントローラ１ｂは、入力側サンプリングスイッチＳ３をオンさせるとき、入力側サンプリングスイッチＳ３に対してハイレベルを出力する。コントローラ１ｂがハイレベルを出力すると、トランジスタ３１がオンする。トランジスタ３１がオンすると、フォトモスリレー３０の入力端子には、回路用電源Ｖｃｃの電圧と抵抗３２の抵抗値とで決まる入力電流が流れる。また、フォトモスリレー７０と抵抗７２の接続点及びフォトモスリレー１２０と抵抗１２２の接続点が、ともに接地される。フォトモスリレー３０の入力電流は、回路用電源Ｖｃｃの電圧に対して抵抗３２の抵抗値を適切に設定することで、オン電流閾値以上にすることができる。フォトモスリレー３０にオン電流閾値以上の入力電流が流れると、出力端子間がオンして出力電流が流れる。

このとき、故障等により、コントローラ１ｂが、入力側サンプリングスイッチＳ７に対して、通常は出力するはずのないハイレベルを出力すると、トランジスタ７１がオンする。トランジスタ７１がオンすると、フォトモスリレー３０と抵抗３２の接続点及びフォトモスリレー１２０と抵抗１２２の接続点が、ともに接地される。フォトモスリレー３０と抵抗３２の接続点が接地されることで、フォトモスリレー３０の入力電流が遮断されほぼ０Ａになる。また、トランジスタ７１がオンしても、トランジスタ３１によってフォトモスリレー７０と抵抗７２の接続点が接地されることで、フォトモスリレー７０の入力電流が遮断されほぼ０Ａになる。フォトモスリレー３０、７０の入力電流が遮断され、オン電流閾値未満であるほぼ０Ａになることで、出力端子間がともにオフして出力電流が遮断される。これにより、電池モジュールＶＢ３の正極端子と電池モジュールＶＢ６の負極端子との間の短絡を防止できる。

同様に、トランジスタ３１とトランジスタ１２１がともにオンしても、フォトモスリレー３０とフォトモスリレー１２０の出力端子間はともにオフして出力電流が遮断される。これにより、電池モジュールＶＢ３の正極端子とオペアンプＯＰ２の入力端子との間の短絡を防止できる。つまり、トランジスタ３１、７１、１２１の少なくとも２つがオンしても、対応するフォトモスリレーの出力端子間はともにオフして出力電流を遮断する。

最後に具体的効果について説明する。第２実施形態によれば、入力側サンプリングスイッチＳ３、Ｓ７及び出力側サンプリングスイッチＳ１２０のフォトモスリレー３０、７０、１２０の入力端子の一端を、他のフォトモスリレーの入力端子の他端にそれぞれ接続することで、トランジスタ３１、７１、１２１のうち、少なくとも２つがともにオンしても、対応するフォトモスリレーの入力端子間の電圧をほぼ０Ｖにして、入力電流を確実にオン電流閾値未満であるほぼ０Ｖにすることができる。

なお、上述した第１及び第２実施形態では、フライングキャパシタ式電池電圧検出装置として、組電池２を構成する電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ８の電圧を検出する例を挙げているが、これに限られるものではない。フライングキャパシタ式電池電圧検出装置は、単一の電池の電圧を検出するものであってもよい。この場合、単一の電池の両端をフライングキャパシタの両端に接続する一対の入力側サンプリングスイッチと、フライングキャパシタの両端を差動電圧検出回路の入力端子に接続する一対の出力側サンプリングスイッチとで、同様にして構成することができる。

第１実施形態におけるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の回路図を示す。第１実施形態におけるサンプリングスイッチの回路図を示す。第２実施形態におけるサンプリングスイッチの回路図を示す。

符号の説明

１・・・フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置（フライングキャパシタ式電池電圧検出装置）、Ｒ１〜Ｒ９・・・入力側電流制限抵抗、Ｓ１〜Ｓ９・・・入力側サンプリングスイッチ、３０、７０、１２０・・・フォトモスリレー（光絶縁素子）、３１、７１、１２１・・・トランジスタ、３２、７２、１２２・・・抵抗、Ｉ１、Ｉ２・・・電流制御回路、Ｒ１００・・・抵抗、Ｃ１、Ｃ２・・・フライングキャパシタ、Ｓ１０〜Ｓ１２・・・出力側サンプリングスイッチ、Ｒ１０〜Ｒ１２・・・出力側電流制限抵抗、１ａ・・・差動電圧検出回路（電圧増幅回路）、ＯＰ１、ＯＰ２・・・オペアンプ、１ｂ・・・コントローラ、２・・・組電池、ＶＢ１〜ＶＢ８・・・電池モジュール

Claims

両端に電圧を印加され充電されることで前記電圧を保持するフライングキャパシタと、入力端子に入力される電圧を増幅して出力端子から出力する電圧増幅回路と、入力端子間に入力電流を流されることで前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と前記発光部の発する前記光を受光し前記入力電流がオン電流閾値以上のとき前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え電池の両端を前記フライングキャパシタの両端にそれぞれ接続する入力側サンプリングスイッチと、入力端子間に入力電流を流されることで前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と前記発光部の発する前記光を受光し前記入力電流がオン電流閾値以上のとき前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え前記入力側サンプリングスイッチがオフしたあと前記フライングキャパシタの両端を前記電圧増幅回路の入力端子にそれぞれ接続する出力側サンプリングスイッチとを備えたフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、
さらに、前記フライングキャパシタの両端のいずれかに一端が共通接続されている前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチがともにオンしようとするとき、前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御する電流制御回路を有することを特徴とするフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。
両端に電圧を印加され充電されることで前記電圧を保持するフライングキャパシタと、入力端子に入力される電圧を増幅して出力端子から出力する電圧増幅回路と、入力端子間に入力電流を流されることで前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と前記発光部の発する前記光を受光し前記入力電流がオン電流閾値以上のとき前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え組電池を構成する直列接続された複数の電池モジュール毎に設けられ前記電池モジュールの両端を前記フライングキャパシタの両端に順次それぞれ接続する入力側サンプリングスイッチと、入力端子間に入力電流を流されることで前記入力電流の大きさに応じた強さの光を発する発光部と前記発光部の発する前記光を受光し前記入力電流がオン電流閾値以上のとき前記光の強さに基づいて出力端子間をオンする受光部とからなる光絶縁素子を備え前記入力側サンプリングスイッチがオフしたあと前記フライングキャパシタの両端を前記電圧増幅回路の入力端子にそれぞれ接続する出力側サンプリングスイッチとを備えたフライングキャパシタ式電池電圧検出装置において、
さらに、前記フライングキャパシタの両端のいずれかに一端が共通接続されている前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチ毎に設けられ、前記入力側サンプリングスイッチの少なくとも１つと前記出力側サンプリングスイッチとがともにオンしようとするとき、オンしようとする前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御する電流制御回路を有することを特徴とするフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。
前記電流制御回路は、前記入力側サンプリングスイッチのうち少なくとも２つがともにオンしようとするとき、オンしようとする前記入力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力電流をオン電流閾値未満に制御することを特徴とする請求項２記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。
前記電流制御回路は、一端が電源に、他端が前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの光絶縁素子の入力端子にそれぞれ接続されている抵抗からなることを特徴とする請求項１乃至３記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。
前記電流制御回路は、前記入力側サンプリングスイッチ及び前記出力側サンプリングスイッチの前記光絶縁素子の入力端子の一端を他の前記光絶縁素子の入力端子の他端にそれぞれ接続することを特徴とする請求項１乃至３記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。
車両に搭載された電池の電圧を検出することを特徴とする請求項１乃至５記載のフライングキャパシタ式電池電圧検出装置。