JP2009103546A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールの電圧の検出時間の増加幅を低減する。
【解決手段】非反転入力端（＋）及び反転入力端（−）からなる入力端子を備えた差動増幅器ＤＡと、各電池モジュールの両端と入力端子の両端との間に接続されたスイッチＳ１，Ｓ２，…及び抵抗器Ｒ１，Ｒ２，…の直列回路の対である直列回路対と、を備える電圧検出装置２０であって、所定番目の直列回路対を構成するスイッチの対であるスイッチ対Ｓ１，Ｓ２のオン時間に対して、次にオンされるスイッチ対Ｓ３，Ｓ４のオン時間をオーバラップさせる。このとき、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の何れかがオープン故障していると、差動増幅器の入力端子間の電位差が大幅に変動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池の電圧を検出する電圧検出装置に関する。

環境への配慮、低騒音化、ガソリン消費の低減のため電気自動車、燃料電池自動車及びハイブリッド自動車といった電動車両が実用化されており、これらの電動車両には、走行用モータを駆動する高圧バッテリが搭載されている。この高圧バッテリは、通常の低圧の蓄電セルを複数直列接続した組電池を用いたものであり、高圧バッテリにより、走行用モータに流れる電流が低減され、低電圧・同出力の走行用モータに比較して、電線の質量を低減することができる。

ところで、高圧バッテリの劣化や故障を検出するため、蓄電セル（電池モジュール）の充電電圧を検出する電圧検出装置が開示されている。例えば、特許文献１，２には、直列接続された複数の蓄電セルの各接続点にスイッチを設け、スイッチを切り替えることにより、連続して各蓄電セルの充電電圧を差動増幅器で検出する回路が開示されている。これらの技術は、蓄電セルの充電電圧をコンデンサに蓄え、このコンデンサと差動増幅器の入力端子とを他のスイッチを用いて接続して、コンデンサの充電電圧を検出するフライングキャパシタ方式を採用している。
特開２００３−８４０１５号公報 特開２００７−１０３１６号公報

ところで、特許文献１，２の技術は、スイッチのオープン故障を検出するように構成されている。すなわち、特許文献１の技術ではコンデンサの電荷リセットを行い、特許文献２の技術ではコンデンサに電荷を逆方向に充電するように構成されている。この電荷リセットあるいは逆方向電圧の充電のため、特許文献１，２の技術は、蓄電セル（電池モジュール）の電圧の検出時間が増加してしまう問題点がある。

そこで、本発明は、電池モジュールの電圧の検出時間の増加幅を低減することができる電圧検出装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の電圧検出装置は、少なくとも１つ以上の蓄電セルからなる電池モジュールが複数段直列に接続されて組電池が構成され、前記各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出装置において、非反転入力端及び反転入力端からなる入力端子を備えた差動増幅器と、前記各電池モジュールの両端と前記入力端子の両端との間に接続されたスイッチ及び抵抗器の直列回路の対である直列回路対とを備え、所定番目の前記直列回路対を構成する前記スイッチの対であるスイッチ対のオン時間に対して、次にオンされるスイッチ対のオン時間がオーバラップしていることを特徴とする。

これによれば、時間的に連続してオン状態にされるスイッチ対を２つオーバラップさせることにより、差動増幅回路の入力端子の両端と電池モジュールとが抵抗器を介して接続された入力端子の電位は、抵抗器により分圧されるが、入力端子間の電圧は、オーバラップさせたとしても電池モジュールの電位差に近似する。一方で、スイッチがオープン故障していると、入力端子の何れかの電位が大きく変動する。例えば、抵抗器の抵抗値がそれぞれ等しいとき、電池モジュールの１／２の電圧だけ上昇又は低下する。すなわち、差動増幅器の出力電圧が電池モジュールの１／２の電圧だけ上昇又は低下するので、スイッチのオープン故障を検出することができる。

言い換えれば、任意に選択した電池モジュールに対応するスイッチ対をＯＮ状態にしたときに、選択した電池モジュールの電圧を検出することができるが、隣接段の電池モジュールに対応するスイッチ対をオーバラップさせてＯＮ状態にすることにより、スイッチのオープン故障を検出することができるのであるから、電池モジュールの電圧の検出時間の増加幅を低減することができる。

また、前記電圧検出装置において、前記差動増幅器は、前記入力端子の両端にコンデンサが接続され、複数の前記スイッチ対を順次ＯＮ状態にすることで各電池モジュールの電圧で前記コンデンサを同方向にチャージすることができる。これによれば、オーバラップさせたときの入力端子の電位差がコンデンサに蓄積され、この蓄積された電位差を差動増幅器が検出する。

また、前記電圧検出装置において、前記電池モジュール相互の接続点は、前記差動増幅器の非反転入力端及び反転入力端の両方に前記直列回路を介して接続され、前記接続点と、前記差動増幅器の入力端子の一方、及び前記接続点と前記差動増幅器の入力端子の他方との間にはそれぞれの前記直列回路を備えることができる。

また、前記入力端子の両端にコンデンサが接続された電圧検出装置において、前記オーバラップ後の検出電圧に基づいて、前記スイッチ対の故障を判定する故障判定手段を備えることができる。これによれば、オーバラップさせないで電池モジュールの電圧を検出するタイミングで、オープン故障を検出することができる。ここで、オーバラップ後とは、オーバラップを解除した後のことであり、オーバラップ時間を含まない。

前記故障判定手段を備えた電圧検出装置において、他の電池モジュールの電圧に対して所定電圧以上の変化があったときに前記故障と判定される。すなわち、差動増幅器の入力端子間電圧が電池モジュールの電圧の１／２程度変化するか否かによって、スイッチのオープン故障が検出される。また、この１／２程度の電圧だけ上昇するか低下するかによって、スイッチ対の何れのスイッチがオープン故障しているか判定することができる。

前記電圧検出装置において、昇順と降順との双方の順番で、前記各電池モジュールの電圧を前記入力端子に印加することが好ましい。これによれば、組電池の最端部の電池モジュールに対応するスイッチがオープン故障したときでも、隣接段のみの電池モジュールに対応するスイッチ対のオン時間をオーバラップ動作させて電圧検出を行うことができる。すなわち、組電池の両端部の電池モジュールに対応するスイッチ対のオン時間をオーバラップ動作させて、差動増幅器の入力端子に過大電圧を印加させる必要がなくて済む。

前記電圧検出装置において、前記スイッチ対の入力側に他のコンデンサを備えることができる。これによれば、抵抗器と他のコンデンサがローパスフィルタとして機能し、ノイズが減衰される。また、サンプリング周波数の１／２以上の周波数を除去すれば、Ａ／Ｄ変換するときのエイリアシングが抑制される。

前記電圧検出装置において、前記各電池モジュールの電圧差が所定値以下であることを確認してから前記オーバラップを行うことができる。これによれば、電池モジュールの電位差が大きくて、オープン故障の判定が困難になることが回避される。

本発明によれば、電池モジュールの電圧の検出時間の増加幅を低減することができる。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態である電圧検出システムについて説明する。図１の回路図において、電圧検出システム１００は、組電池１０及び電圧検出装置２０を備え、組電池１０は充電電圧ＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ３，ＶＭ４，…の複数の電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，…が直列接続されて構成され、電圧検出装置２０は複数の抵抗器Ｒ１，Ｒ２，…と、スイッチＳ１，Ｓ２，…と、コンデンサＣ１と、差動増幅器ＤＡ（Differential Amplifier）と、スイッチ制御手段３０とを備えている。このとき、電池モジュール１０ａの陽極の電位をＶ０とし、電池モジュール１０ａの陰極及び電池モジュール１０ｂの陽極の電位をＶ１とし、以下同様に、電池モジュール１０ｄ陰極の電位をＶ４としている。すなわち、Ｖ０−Ｖ１＝ＶＭ１であり、Ｖ１−Ｖ２＝ＶＭ２である。また、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，…は、少なくとも１つ以上の蓄電セルが直列接続されて構成されている。なお、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…は、各々同一の抵抗値を有している。

電池モジュール１０ａの陽極には抵抗器Ｒ１とスイッチＳ１との直列回路が接続され、陰極には抵抗器Ｒ２とスイッチＳ２との直列回路が接続されている。また、電池モジュール１０ｂの陽極には抵抗器Ｒ３とスイッチＳ３との直列回路が接続され、陰極には抵抗器Ｒ４とスイッチＳ４との直列回路が接続されている。以下同様に、電池モジュール１０ｃ，１０ｄ，…の両極には、抵抗器Ｒ５，Ｒ６，…とスイッチＳ５，Ｓ６，…の直列回路が接続されている。言い換えれば、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…の両極には、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…とスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，…との直列回路が各々接続されている。

また、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，…の抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…に接続されている側を一端としたとき、奇数番目のスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５，…の他端が互いに接続され、この接続点が差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）に接続されている。また、偶数番目のスイッチＳ２，Ｓ４，…の他端が互いに接続され、この接続点が差動増幅器ＤＡの反転入力端（−）に接続されている。さらに、コンデンサＣ１が、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間に接続されている。スイッチ制御手段３０は、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，…を後記するタイミングチャートでＯＮ／ＯＦＦ制御するものである。

スイッチ制御手段３０は、フォトＭＯＳリレーで構成されるスイッチＳ１，Ｓ２，…の開閉（ＯＮ状態／ＯＦＦ状態）を制御するものであり、図２のタイミングチャートのタイミングで制御する。
スイッチＳ１，Ｓ２は、時刻ｔ０から時刻ｔ３までの時間でＯＮ状態に制御され、スイッチＳ３，Ｓ４は、時刻ｔ２から時刻ｔ６までの時間でＯＮ状態に制御され、スイッチＳ５，Ｓ６は、時刻ｔ５から時刻ｔ９までの時間でＯＮ状態に制御され、スイッチＳ７，Ｓ８は時刻ｔ８から時刻ｔ１１までの時間でＯＮ状態に制御される。つまり、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間でＯＮ状態に制御され、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６が時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間でＯＮ状態に制御され、Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８が時刻ｔ８から時刻ｔ９までの時間でＯＮ状態に制御される。すなわち、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間、及び時刻ｔ８から時刻ｔ９までの時間でスイッチングのＯＮ状態がオーバラップする。

例えば、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御される時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間においては、電池モジュール１０ａの陽極の電位Ｖ０と陰極の電位Ｖ１とが、抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ３で分圧されて、分圧された電位（Ｖ０＋Ｖ１）／２が差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）に印加される。一方、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１と陰極の電位Ｖ２とが抵抗器Ｒ２及び抵抗器Ｒ４で分圧されて、分圧された電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２が差動増幅器ＤＡの反転入力端（−）に印加される。これにより、差動増幅器ＤＡの入力端子間には、（Ｖ０＋Ｖ１）／２−（Ｖ１＋Ｖ２）／２＝（Ｖ０−Ｖ２）／２の電位差が印加され、電池モジュール１０ａ及び電池モジュール１０ｂの平均電圧（ＶＭ１＋ＶＭ２）／２に等しい電圧が検出される。すなわち、ＶＭ１＝ＶＭ２＝ＶＭであれば、電池モジュール１０ａ及び電池モジュール１０ｂの電圧ＶＭが検出される。また、コンデンサＣ１の両端にも電圧差（Ｖ０−Ｖ２）／２が印加され、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がオーバラップしない期間（時刻ｔ３〜時刻ｔ５）も差動増幅器ＤＡの入力端子間には、電位差（Ｖ０−Ｖ２）／２が印加される。

（スイッチ３がオープン故障のとき 降順）
図３は、図１の回路図に電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の読み順（降順）でセル電圧を検出するための電流経路（実線矢印、破線矢印）を加えたものである。
まず、スイッチ３がオープン故障しているときについて図２，図３を参照して説明する。図２において、時刻ｔ０から時刻ｔ２までにおいては、スイッチＳ１，Ｓ２のみがＯＮ状態に設定される。これにより、図３に示される電池モジュール１０ａの充電電圧ＶＭ１が差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間に入力され、例えば、時刻ｔ１のタイミングで、この充電電圧ＶＭ１が検出される。

次に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間においては、スイッチＳ３がオープン故障しているため、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ４がＯＮ状態に設定される。図３の実線矢印で示されるように、電池モジュール１０ａの陽極の電位Ｖ０が差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）に印加される。ところが、図３の破線矢印で示されるように、電池モジュール１０ｂの陽極と陰極との間で、抵抗器Ｒ２，Ｒ４の直列回路が接続され、反転入力端（−）の電位は、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１と陰極の電位Ｖ２との中間の電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２に分圧される。すなわち、差動増幅器ＤＡの入力端子間電圧Ｖ０１は、ＶＭ１＝ＶＭ２＝…＝ＶＭとして、Ｖ０−（Ｖ１＋Ｖ２）／２＝１．５ＶＭとなる。すなわち、オーバラップしたときの入力端子間電圧Ｖ０１は、ＶＭ１＝ＶＭ２＝…＝ＶＭの条件の下に、１．５ＶＭと近似することができる。

そして、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間においては、スイッチＳ３，Ｓ４のみがＯＮ状態に制御されるが、スイッチＳ３がオープン故障であるので、スイッチＳ４のみがＯＮ状態に設定される。これにより、差動増幅器ＤＡの反転入力端（−）が電位Ｖ２に維持され、非反転入力端（＋）はオープン状態となる。すなわち、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間の電位差は、直前にコンデンサＣ１に充電されていた充電電圧１．５ＶＭが維持される。そして、時刻ｔ４でこの充電電圧１．５ＶＭが異常電圧として検出され、オープン故障であることが判定できる。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間においては、スイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６がＯＮ状態に設定され、反転入力端（−）が（Ｖ２＋Ｖ３）／２の電圧に設定され、非反転入力端（＋）が電位Ｖ２に設定される。このため、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間の電圧Ｖ０１は、Ｖ２−（Ｖ２＋Ｖ３）／２＝（２Ｖ２−Ｖ２−Ｖ３）／２＝０．５ＶＭとなる。

時刻ｔ６から時刻ｔ８までの時間においては、スイッチＳ５，Ｓ６がＯＮ状態に設定され、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間の電位差は、電池モジュール１０ｃの充電電圧ＶＭ３に設定される。そして、時刻ｔ７のタイミングで、この充電電圧ＶＭ３が検出される。

時刻ｔ８から時刻ｔ９までの時間においては、スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８がＯＮ状態に設定され、非反転入力端（＋）が（Ｖ２＋Ｖ３）／２に設定され、反転入力端（−）が（Ｖ３＋Ｖ４）／２に設定される。このため、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間の電位差は、（Ｖ４−Ｖ２）／２＝ＶＭとなる。

時刻ｔ９から時刻ｔ１１までの時間においては、スイッチＳ７，Ｓ８及び図示しないＳ９，Ｓ１０がＯＮ状態に設定され、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との間の電位差は、電池モジュール１０ｄの充電電圧ＶＭ４に設定される。そして、時刻ｔ１０のタイミングで、この充電電圧ＶＭ４が検出される。

したがって、時刻ｔ１で充電電圧ＶＭ１が検出され、時刻ｔ４でスイッチＳ３のオープン故障が検出され、時刻ｔ７で充電電圧ＶＭ３が検出され、時刻ｔ１０で充電電圧ＶＭ４が検出される。なお、時刻ｔ２から時刻ｔ３までのオーバラップ時間においても、オープン故障の検出が可能である。すなわち、電池モジュール１０ａから電池モジュール１０ｂの方向である降順にスキャンすることにより、電池モジュール１０ａ，１０ｃ，…の充電電圧を検出すると共に、スイッチＳ３のオープン故障が判定できる。

（スイッチＳ４がオープン故障の場合 降順）
図４は、スイッチＳ４がオープン故障した場合であって、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御された状態を示す。
すなわち、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、実線矢印で示されるように、電池モジュール１０ａの両極の電位Ｖ０，Ｖ１を抵抗器Ｒ１，Ｒ３で分圧した電圧（Ｖ０＋Ｖ１）／２が印加される。一方、非反転入力端子（−）には、破線矢印で示されるように、電池モジュール１０ａの陰極の電位であり、電池モジュール１０ｂの陽極の電位である電圧Ｖ１が印加される。したがって、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、（Ｖ０＋Ｖ１）／２−Ｖ１＝｛（Ｖ１＋ＶＭ）＋Ｖ１−２Ｖ１｝・２＝０．５ＶＭとなる。したがって、スイッチＳ３がオープン故障になったときは、電位差Ｖ０１が１．５ＶＭに上昇するが、Ｓ４がオープン故障すると電位差Ｖ０１が０．５ＶＭに低下する。

図５のタイミングチャートを用いて動作を説明する。時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間と時刻ｔ８から時刻ｔ１１までの時間は図２と同様である。
時刻ｔ２からｔ３までの時間においては、スイッチＳ４がオープン故障であるので、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３がＯＮ状態に設定される。これによれば、前記したように、コンデンサＣ１の両端の電圧であり、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、０．５ＶＭに低下する。

時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間においては、スイッチＳ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御され、スイッチＳ４がオープン故障であるので、スイッチＳ３のみがＯＮ状態に設定される。一方、スイッチＳ２がオープン状態に遷移するので、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との電位差Ｖ０１は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間にコンデンサＣ１に充電された電圧０．５ＶＭに維持される。そして時刻ｔ４において、この電圧０．５ＶＭが検出される。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間においては、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６がオン状態に制御され、スイッチＳ３，Ｓ５，Ｓ６がＯＮ状態に設定される。これにより、非反転入力端子（＋）は、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１と陰極の電位Ｖ２との中間の電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２に設定される。一方、反転入力端（−）の電位は電池モジュール１０ｂの陰極の電位Ｖ３に設定される。このため、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との電位差Ｖ０１は、（Ｖ１＋Ｖ２）／２−Ｖ３＝１．５ＶＭとなり、上昇する。

時刻ｔ６から時刻ｔ８までの時間においては、スイッチＳ５，Ｓ６のみがＯＮ状態に設定される。これにより、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）と反転入力端（−）との電位差Ｖ０１は、電池モジュール１０ｃの両端の電位差ＶＭ３が印加され、時刻ｔ７において、この充電電圧ＶＭ３が検出される。

（スイッチＳ１がオープン故障のとき 昇順）
図６を用いて、複数段の電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の端部の電極に接続されるスイッチＳ１がオープン故障した場合であって、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御され、スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に設定されたときの動作について説明する。この場合は、電池モジュール１０ｄ，１０ｃ，１０ｂ，１０ａの読み順（昇順）で充電電圧を逆方向に検出する必要がある。

差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、実線矢印のように電池モジュール１０ａの陰極の電位Ｖ１が入力され、反転入力端（−）には、破線矢印のように電池モジュール１０ａの陰極の電位Ｖ１と電池モジュール１０ｂの陰極の電位Ｖ２との中間の電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２が印加される。したがって、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、Ｖ１−（Ｖ１＋Ｖ２）／２＝０．５ＶＭとなり、電位差Ｖ０１が減少する。

図７のタイミングチャートを用いてスキャンの順番が逆方向である昇順のときの動作を説明する。時刻ｔ０から時刻ｔ３までの時間がスイッチＳ７，Ｓ８がＯＮ状態に制御され、時刻ｔ２から時刻ｔ６までの時間がスイッチＳ５，Ｓ６がＯＮ状態に制御され、時刻ｔ５から時刻ｔ９までがスイッチＳ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御され、時刻ｔ８から時刻ｔ１１までがスイッチＳ１，Ｓ２がＯＮ状態に制御される。

時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間においては、スイッチＳ７，Ｓ８がＯＮ状態に設定されるので、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、電池モジュール１０ｄの陽極の電位Ｖ３が入力され、反転入力端（−）には、電池モジュール１０ｄの陰極の電位Ｖ４が入力される。したがって、入力端子間の電位差Ｖ０１は、Ｖ３−Ｖ４＝ＶＭ４であり、時刻ｔ１において、この充電電圧ＶＭ４が検出される。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間においては、スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８がＯＮ状態に制御される。差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、電池モジュール１０ｃの陽極の電位Ｖ２と電池モジュール１０ｃの陰極の電位Ｖ３との中間の電位（Ｖ２＋Ｖ３）／２が印加される。反転入力端（−）には、電池モジュール１０ｄの陽極の電位Ｖ３と陰極の電位Ｖ４との中間の電位（Ｖ３＋Ｖ４）／２が印加される。したがって、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、ＶＭ１＝ＶＭ２＝…＝ＶＭのとき、（Ｖ２−Ｖ４）／２＝ＶＭが印加される。

時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間においては、スイッチＳ５，Ｓ６がＯＮ状態に設定され、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）が電池モジュール１０ｃの陽極の電位Ｖ２に設定され、反転入力端（−）が電池モジュール１０ｃの陰極の電位Ｖ３に設定される。したがって、入力端子間の電位差Ｖ０１は、Ｖ３−Ｖ２＝ＶＭ３が入力され、時刻ｔ４において、電位差ＶＭ３が検出される。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間においては、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６がＯＮ状態に設定される。差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１と陰極の電位Ｖ２との中間の電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２に設定される。また、反転入力端（−）は、電池モジュール１０ｃの陽極の電位Ｖ２と電池モジュール１０ｃの陰極の電位Ｖ３との中間の電位（Ｖ２＋Ｖ３）／２に設定される。したがって、入力端子間の電位差Ｖ０１は、（Ｖ３−Ｖ１）／２＝ＶＭとなる。

時刻ｔ６から時刻ｔ８までの時間においては、スイッチＳ３，Ｓ４がＯＮ状態に設定されている。差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）は、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１に設定され、反転入力端（−）は、電池モジュール１０ｂの陰極の電位Ｖ２に設定される。したがって、入力端子間の電位差Ｖ０１は、Ｖ１−Ｖ２＝ＶＭ２に設定され、時刻ｔ７において、電池モジュール１０ｂの電位差ＶＭ２が検出される。

時刻ｔ８から時刻ｔ９までの時間においては、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に制御されるが、スイッチＳ１がオープン故障しているので、スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ４のみがＯＮ状態に設定される。このとき、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）は、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１に設定され、反転入力端（−）は、電池モジュール１０ｂの陽極の電位Ｖ１と陰極の電位Ｖ２との中間の電位（Ｖ１＋Ｖ２）／２に設定される。したがって、入力端子間の電位差Ｖ０１は、Ｖ１−（Ｖ１＋Ｖ２）／２＝（Ｖ１−Ｖ２）／２＝０．５ＶＭに遷移する。

時刻ｔ９から時刻ｔ１１までの時間においては、スイッチＳ１，Ｓ２がＯＮ状態に制御され、スイッチＳ２のみがＯＮ状態に設定される。これにより、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、直前にコンデンサＣ１に充電された電圧０．５ＶＭに維持される。したがって、時刻ｔ１０にこの電圧を検出することにより、スイッチＳ１の異常状態が判定される。

すなわち、昇順のスキャンにおいては、電池モジュール１０ｄ，１０ｃ，１０ｂの充電電圧ＶＭ４，ＶＭ３，ＶＭ２は正常に検出され、電池モジュール１０ａの充電電圧ＶＭ１が検出されるべきタイミングで電池モジュール１０ａの充電電圧ＶＭ１と異なる異常電圧が検出され、スイッチＳ１のオープン故障が判定される。

（比較例１）
降順のみ、あるいは昇順のみでスキャンを行う場合の問題点について、図８の比較例を用いて説明する。
図８の組電池は１１段の電池モジュール１０ａ、１０ｂ，…１０ｋを備え、電圧検出装置は、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，…Ｒ２２と、スイッチＳ１、Ｓ２，…Ｓ２２とを備えている。例えば、電池モジュール１０ａから電池モジュール１０ｋまでの充電電圧をスキャンする場合、電池モジュール１０ａに対応するスイッチＳ１，Ｓ２と電池モジュール１０ｋに対応するスイッチＳ２１，Ｓ２２とをオーバラップしてＯＮ制御する必要がある。

このとき、スイッチＳ１がオープン故障していると、スイッチＳ２，Ｓ２１，Ｓ２２がＯＮ状態に設定される。差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には、実線矢印のように、電池モジュール１０ｋの陽極の電位Ｖ１０が印加され、反転入力端（−）には、破線矢印のように、電池モジュール１０ａの陰極の電位Ｖ１と電池モジュール１０ｋの陰極の電位Ｖ１１の中間の電位（Ｖ１＋Ｖ１１）／２が印加される。したがって、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、
Ｖ０１＝｛Ｖ１０−（Ｖ１＋Ｖ１１）／２｝＝｛（Ｖ１１＋ＶＭ）−（（Ｖ１１＋１０ＶＭ）＋Ｖ１１）／２｝＝−４ＶＭ
と絶対値が高い電圧が差動増幅器ＤＡの入力端子間に印加され、特に、より多段の場合は、差動増幅器ＤＡが破壊するおそれがある。一方、電池モジュール１０ｋから電池モジュール１０ａまでの方向に、昇順でスキャンする場合には、前記したように、隣接するスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が同時にＯＮ状態に制御され、１．５ＶＭが最大電圧となり、多段になっても差動増幅器ＤＡが破壊するおそれは無い。したがって、すべての電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…，１０ｋをスキャンするためには、昇順及び降順の双方でスキャンする必要がある。

（比較例２）
次に、オーバラップさせないで電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の充電電圧を検出する方法を説明する。
図９はその回路図であり、非反転入力端（＋）、及び反転入力端（−）に印加される電圧を説明するための矢印が示されていない点が図８と異なる。図１０はそのタイミングチャートである。

時刻ｔ０からｔ２までの時間においては、スイッチＳ１，Ｓ２がＯＮ状態に設定される。これにより、差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）には電池モジュール１０ａの陽極の電位Ｖ０が印加され、反転入力端（−）には電池モジュール１０ａの陰極の電位Ｖ１が印加される。したがって、入力端子間には、電位差Ｖ０１＝Ｖ０−Ｖ１＝ＶＭ１が印加され、時刻ｔ１でこの電圧が検出される。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間においては、電池モジュール１０ｂの充電電圧ＶＭ２が差動増幅器ＤＡの入力端子間に印加され、時刻ｔ４において、この電圧が検出される。以下同様に、電池モジュール１０ｊの充電電圧ＶＭ１１が検出される。

（第２実施形態）
第１実施形態で説明したように、オープン故障していないスイッチをオーバラップさせたときであっても電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…の充電電圧ＶＭが差動増幅器ＤＡの入力端子間に印加される。このため、オーバラップさせたときの充電電圧ＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ３，…を検出しても、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の充電電圧ＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ３，…を検出することができる。

例えば、図１１のように、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がＯＮ状態に設定されたときの差動増幅器ＤＡの非反転入力端（＋）の電位は、（Ｖ０＋Ｖ１）／２に設定され、反転入力端（−）の電位は、（Ｖ１＋Ｖ２）／２に設定される。したがって、差動増幅器ＤＡの入力端子間の電位差Ｖ０１は、（Ｖ０−Ｖ２）／２＝（ＶＭ１＋ＶＭ２）／２となる。このときＶＭ１＝ＶＭ２＝ＶＭであれば、前記したようにＶ０１＝ＶＭとなるが、電池モジュール１０ａ，１０ｂの充電電圧がアンバランスなときは、オープン故障していない通常の電圧検出精度が低下する問題点がある。例えば、ＶＭ１≫ＶＭ２のときは、電池モジュール１０ａの充電電圧ＶＭ１の約１／２の電圧を測定電圧としてしまう問題点がある。

このため、予め電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の充電電圧ＶＭ１，ＶＭ２，…の測定を行い、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…相互間の電位差が一定であることを検出してから、オーバラップスイッチングを行い、スイッチＳ１，Ｓ２，…のオープン故障を検出する。
図１２のフローチャートにおいて、オーバラップスイッチングを行わないで、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の電圧測定を行う（ＳＰ１）。そして、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…相互間の電位差が所定範囲内であるか否かを判定する（ＳＰ２）。所定範囲内であれば（ＳＰ２でＹｅｓ）、オーバラップスイッチングを行って、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…の電圧測定を行い（ＳＰ３）、処理を終了する。一方、所定範囲内でなければ（ＳＰ２でＮｏ）、処理を終了する。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、各電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…と差動増幅器ＤＡとの間を抵抗器Ｒ１，Ｒ２，…とスイッチＳ１，Ｓ２，…との直列回路のみで接続したが、抵抗器Ｒ１とスイッチＳ１との接続点と、抵抗器Ｒ２とスイッチＳ２との接続点との間に高周波ノイズ防止用のコンデンサＣ０を接続することができる。コンデンサＣ０を各電池モジュール１０ａ，１０ｂ，…に対応するように接続した場合の回路図を図１３に示す。これにより、差動増幅器ＤＡの出力電圧をＡ／Ｄ変換するときのエイリアシングによる誤差を防止することができる。
（２）前記各実施形態は、コンデンサＣ１の両端と差動増幅器の入力端子間との間を直結していたが、図１４のように、２つのスイッチＳＡ，ＳＢを介して接続することもできる。電圧検知システム１００ｂは、組電池１０と電圧検出装置２０ｂとを備え、スイッチＳ１，Ｓ２，…、及びスイッチＳＡ，ＳＢを用いて、組電池１０と差動増幅器ＤＡとを絶縁している。すなわち、スイッチＳ１，Ｓ２，…の何れかをＯＮ状態にしてコンデンサＣ１に充電されたときに、スイッチＳＡ，ＳＢをＯＦＦ状態にし、差動増幅器ＤＡでコンデンサＣ１の充電電圧を検出するときにスイッチＳＡ，ＳＢをＯＮ状態にすることにより、組電池１０と差動増幅器ＤＡとを絶縁している。

本発明の第１実施形態の電圧検知システムの回路図である。 スイッチＳ３がオープン故障した場合の電圧検知システムのタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態の電圧検知システムであって、スイッチＳ３がオープン故障した場合の回路図である。 本発明の第１実施形態の電圧検知システムであって、スイッチＳ４がオープン故障した場合の回路図である。 スイッチＳ４がオープン故障した場合の電圧検知システムのタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態の電圧検知システムであって、スイッチＳ１がオープン故障した場合の回路図である。 スイッチＳ１がオープン故障した場合の電圧検知システムのタイミングチャートである。 比較例１の電圧検知システムであって、スイッチＳ１がオープン故障した場合の回路図である。 比較例２の電圧検知システムであって、スイッチＳ１がオープン故障した場合の回路図である。 比較例２の電圧検知システムであって、オーバラップさせない場合のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態の電圧検知システムであって、オーバラップさせて電圧を検出する場合の回路図である。 フローチャートである。 コンデンサを抵抗器とスイッチとの間に設けた変形例の回路図である。 スイッチをコンデンサと差動増幅器との間に設けた変形例の回路図である。

符号の説明

１０ 組電池
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，… 電池モジュール
２０，２０ａ，２０ｂ 電圧検出装置
３０ スイッチ制御手段
１００，１００ａ，１００ｂ 電圧検出システム
Ｒ１，Ｒ２，… 抵抗器
Ｓ１，Ｓ２，… スイッチ
Ｃ１．Ｃ０ コンデンサ
ＤＡ 差動増幅器

Claims (8)

1. 少なくとも１つ以上の蓄電セルからなる電池モジュールが複数段直列に接続されて組電池が構成され、前記各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出装置において、
   非反転入力端及び反転入力端からなる入力端子を備えた差動増幅器と、
   前記各電池モジュールの両端と前記入力端子の両端との間に接続されたスイッチ及び抵抗器の直列回路の対である直列回路対とを備え、
   所定番目の前記直列回路対を構成する前記スイッチの対であるスイッチ対のオン時間に対して、次にオンされるスイッチ対のオン時間がオーバラップしていることを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記差動増幅器は、前記入力端子の両端にコンデンサが接続され、
   複数の前記スイッチ対を順次ＯＮ状態にすることで、前記各電池モジュールの電圧で前記コンデンサを同方向にチャージすることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
3. 前記電池モジュール相互の接続点は、前記差動増幅器の非反転入力端及び反転入力端の両方に前記直列回路を介して接続され、
   前記接続点と、前記差動増幅器の入力端子の一方、及び前記接続点と前記差動増幅器の入力端子の他方との間にはそれぞれの前記直列回路を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電圧検出装置。
4. 前記オーバラップ後の検出電圧に基づいて、前記スイッチ対の故障を判定する故障判定手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の電圧検出装置。
5. 他の電池モジュールの電圧に対して所定電圧以上の変化があったときに前記故障と判定することを特徴とする請求項４に記載の電圧検出装置。
6. 昇順と降順との双方の順番で、前記各電池モジュールの電圧を前記入力端子に印加することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電圧検出装置。
7. 前記スイッチ対の入力側に他のコンデンサを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電圧検出装置。
8. 前記各電池モジュールの電圧差が所定値以下であることを確認してから前記オーバラップを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電圧検出装置。

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