JP2011141204A - 電池電圧検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の電圧が変動した場合においても、その時点における正確な電圧を検出することができる電池電圧検出回路を提供する。
【解決手段】第１のキャパシタ１０と、非反転入力端子（＋）に基準電圧ＶＲＥＦが印加されたオペアンプ１２と、オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）の間に接続された第２のキャパシタ１１と、スイッチ回路を備える。スイッチ回路は、電池ＢＶ１〜ＢＶ４の両端子の電圧をそれぞれ第１のキャパシタ１０の一方の端子及び他方の端子に同時に印加した後に、第１のキャパシタ１０の一方の端子をオペアンプ１２の反転入力端子（−）に接続し、その後、第１のキャパシタ１０の他方の端子に基準電圧ＶＲＥＦを印加する。そして、オペアンプ１２の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、電池ＢＶ１〜ＢＶ４の両端子の電圧を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池電圧検出回路に関する。

リチウムイオン電池等の充電式電池を用いる各種の機器や充電器においては、直列に接続された複数の電池の充電及び放電を管理するために、各電池の電圧を精度良く検出する必要がある。

図５は、従来の電池電圧検出回路２０の回路図である。電池電圧検出回路２０は、直列接続された電池ＢＶ１〜ＢＶ４の各電圧を検出する回路であり、第１のキャパシタ１０、第２のキャパシタ１１、オペアンプ１２、基準電圧ＶＲＥＦを発生する基準電圧源１３、スイッチＳＷ０〜ＳＷ５、スイッチＳＷ０〜ＳＷ５のオンオフを制御するための制御信号を出力するスイッチ制御回路１４を含んで構成される。この電池電圧検出回路２０では、オペアンプ１２の反転入力端子（−）に第１のキャパシタ１０が接続されており直流電圧が印加されないため、オペアンプ１２を高耐圧とする必要がないという利点がある。

電池電圧検出回路２０の動作を図６のタイミング図に基づいて説明する。図６において、スイッチＳＷ０〜ＳＷ５に印加される制御信号のＨレベルはオン状態、Ｌレベルはオフ状態に対応している。先ず、初期状態（時刻ｔ０）において、スイッチＳＷ０〜ＳＷ４をオフ、スイッチＳＷ５をオンとする。この時、オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）はスイッチＳＷ５により短絡されるため、オペアンプ１２はゲインが１のアンプとなり、非反転入力端子（＋）に印加されている基準電圧ＶＲＥＦが出力電圧ＶＯＵＴとして出力される。

その後、時刻ｔ１において、スイッチＳＷ４がオンすると、第１のキャパシタ１０の一方の端子に電池ＢＶ４のプラス端子の電圧Ｖ４が印加される。つまり、第１のキャパシタ１０の両方の端子間に印加される電圧ＶＣ１は、ＶＣ１＝Ｖ４−ＶＲＥＦとなる。この時、第１のキャパシタ１０の容量値をＣ１とすると、第１のキャパシタ１０には電荷ＱＣ１、ＱＣ１＝（Ｖ４−ＶＲＥＦ）・Ｃ１が蓄積される。また、この時、第２のキャパシタ１１の両端子は同じ電圧ＶＲＥＦなので、第２のキャパシタ１１の電荷ＱＣ２は０である。

その後、時刻ｔ２において、スイッチＳＷ４、ＳＷ５をオフする。そして、時刻ｔ３において、スイッチＳＷ３をオンすると、第１のキャパシタ１０の一方の端子の電圧は、Ｖ４から電池ＢＶ４のマイナス端子の電圧Ｖ３に低下する。これにより、オペアンプ１２の出力端子から、第２のキャパシタ１１、第１のキャパシタ１０、スイッチＳＷ３を通って電流が流れる。この場合、第１のキャパシタ１０に蓄積される電荷ＱＣ１は、ＱＣ１＝（Ｖ３−ＶＲＥＦ）・Ｃ１となる。また、前記電流により、第２のキャパシタ１１に蓄積される電荷ＱＣ２は、ＱＣ２＝（ＶＯＵＴ−ＶＲＥＦ）・Ｃ２となる。

スイッチＳＷ３をオンする前後の状態で、第１のキャパシタ１０の電荷ＱＣ１と第２のキャパシタ１１の電荷ＱＣ２の和であるＱＣ１＋ＱＣ２は、電荷保存則により保存される。したがって、次の方程式が成り立つ。
（Ｖ４−ＶＲＥＦ）・Ｃ１＝（Ｖ３−ＶＲＥＦ）・Ｃ１＋（ＶＯＵＴ−ＶＲＥＦ）・Ｃ２
この方程式をＶＯＵＴについて解くと、ＶＯＵＴ＝（Ｖ４−Ｖ３）・Ｃ１／Ｃ２＋ＶＲＥＦである。（Ｖ４−Ｖ３）は電池ＢＶ４の両端子間の電圧である。また、第２のキャパシタ１１の両端子に印加される電圧ＶＣ２は、ＶＣ２＝（Ｖ４−Ｖ３）・Ｃ１／Ｃ２となる。

次に、時刻ｔ４において、スイッチＳＷ５をオンする。オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）はスイッチＳＷ５を介して再び短絡されるので、オペアンプ１２の出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ＝ＶＲＥＦとなる。以下は、同様の手順を繰り返すことにより、順次電池ＢＶ３、ＢＶ２、ＢＶ１の電圧を検出することができる。

特開２００８−１４５１８０号公報

ところで、上述の電池ＢＶ１〜ＢＶ４に接続された機器に大電流が流れた時などに、各電池の電圧が変動することがある。この場合、従来の電池電圧検出回路２０は、異なる２つの時点で第１のキャパシタ１０にチャージした電圧ＶＣ１の差を検出しているため、電池の電圧が変動した場合には正確な電圧を検出できないという問題点があった。

この問題点を電池ＢＶ４の両端子間の電圧（Ｖ４−Ｖ３）を検出する場合を例として、図７のタイミング図に基づいて説明する。図７において、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５に印加される制御信号のＨレベルはオン状態、Ｌレベルはオフ状態に対応している。先ず、図７（ａ）はＶ４、Ｖ３に変動がない場合を示している。（Ｖ４＝Ｖ４ａ、Ｖ３＝Ｖ３ａ）この場合は、オペアンプ１２の出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ＝（Ｖ４ａ−Ｖ３ａ）・Ｃ１／Ｃ２＋ＶＲＥＦとなる。

図７（ｂ）は、時刻ｔ３とｔ４の間に、Ｖ４がＶ４ａからＶ４ｂに、Ｖ３がＶ３ａからＶ３ｂに降下した場合を示している。この場合、スイッチＳＷ４がオンしている期間に電圧Ｖ４ａが第１のキャパシタ１０がチャージされ、その後、スイッチＳＷ４がオフし、スイッチＳＷ３がオンになった時点では、Ｖ４＝Ｖ４ａ、Ｖ３＝Ｖ３ａであり、出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ＝（Ｖ４ａ−Ｖ３ａ）・Ｃ１／Ｃ２＋ＶＲＥＦという正常な電圧である。しかし、その後のスイッチＳＷ３がオンしている期間に、Ｖ４がＶ４ｂに、Ｖ３がＶ３ｂに降下した場合には、オペアンプ１２は、Ｖ４ａとＶ３ｂの差、（Ｖ４ａ−Ｖ３ｂ）に応じた出力電圧ＶＯＵＴ、ＶＯＵＴ＝（Ｖ４ａ−Ｖ３ｂ）・Ｃ１／Ｃ２＋ＶＲＥＦを出力することになる。これは、（Ｖ４ａ−Ｖ３ａ）や、本来出力されるべき（Ｖ４ｂ−Ｖ３ｂ）に応じた電圧より大きい電圧である。

図７（ｃ）は、時刻ｔ３とｔ４の間に、Ｖ４がＶ４ａからＶ４ｂに、Ｖ３がＶ３ａからＶ３ｂに上昇した場合を示している。この場合は、図７（ｃ）の場合とは逆に、出力電圧ＶＯＵＴは、（Ｖ４ａ−Ｖ３ａ）や（Ｖ４ｂ−Ｖ３ｂ）に応じた電圧より小さい電圧となってしまう。

また、前述のように、電池電圧検出回路２０では、スイッチＳＷ４がオンすると、第１のキャパシタ１０の両端に印加される電圧ＶＣ１は、ＶＣ１＝Ｖ４−ＶＲＥＦとなる。リチウムイオン電池の場合、１つの電池ＢＶ１〜ＢＶ４の電圧は４．５Ｖ近く、例えば約４．２Ｖであるが、これらが直列接続されると、Ｖ４＝約１６．８Ｖとなる。ＶＲＥＦは通常１Ｖ程度に設定されるので、ＶＣ１＝約１５．８Ｖという高電圧となる。このため、第１のキャパシタ１０は高耐圧である必要があるという問題があった。

そこで、本発明は、電池の電圧が変動した場合においても、その時点における正確な電圧を検出すること、及び、第１のキャパシタの高耐圧化を不要にすることを目的とする。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、第１のキャパシタと、第１の入力端子に基準電圧が印加されたオペアンプと、前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの第２の入力端子の間に接続された第２のキャパシタと、電池の両端子の電圧をそれぞれ前記第１のキャパシタの一方の端子及び他方の端子に同時に印加した後に、前記第１のキャパシタの一方の端子を前記オペアンプの第２の入力端子に接続し、その後、前記第１のキャパシタの他方の端子に前記基準電圧を印加するスイッチ回路と、を備え、前記オペアンプの出力電圧に基づいて前記電池の両端子の電圧を検出することを特徴とする。

本発明の電池電圧検出回路によれば、電池の両端子の電圧を第１のキャパシタに同時に印加するようにしたので、電池の電圧が変動した場合においても、その時点における正確な電圧を検出することができる。また、複数の電池を直列に接続した場合においても、第１のキャパシタの両端子に印加される電圧は各電池の電圧なので、第１のキャパシタを高耐圧にする必要がなくなる。

本発明の実施形態による電池電圧検出回路の回路図である。 本発明の実施形態による電池電圧検出回路の動作を説明するタイミング図である。 本発明の実施形態による電池電圧検出回路の動作を説明する図である。 本発明の実施形態による電池電圧検出回路の動作を説明する図である。 従来の電池電圧検出回路の回路図である。 従来の電池電圧検出回路の動作を説明するタイミング図である。 従来の電池電圧検出回路の問題点を説明するタイミング図である。

次に、本発明の実施形態の電池電圧検出回路１００を図面に基づいて説明する。図１は、電池電圧検出回路１００の回路図である。電池電圧検出回路１００は、直列接続された電池ＢＶ１〜ＢＶ４の各電圧を検出する回路であり、第１のキャパシタ１０、第２のキャパシタ１１、オペアンプ１２、基準電圧ＶＲＥＦを発生する基準電圧源１３、スイッチＳＷ０〜ＳＷ７、スイッチＳＷ０〜ＳＷ７のオンオフを制御するための制御信号を出力するスイッチ制御回路１５を含んで構成される集積回路である。

オペアンプ１２は、非反転入力端子（＋）に基準電圧源１３から出力される基準電圧ＶＲＥＦが印加される。基準電圧源１３は、例えば、バンドギャップ型の基準電圧源であり、その場合、基準電圧ＶＲＥＦは約１Ｖである。オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）との間には、第２のキャパシタ１１の一方と他方の端子がそれぞれ接続されている。オペアンプ１２の出力電圧ＶＯＵＴは、ＡＤコンバータ１６に入力され、デジタルデータに変換される。ＡＤコンバータ１６は、電池電圧検出回路１００の集積回路に内蔵されてもよい。

スイッチＳＷ４は、一端が第１のキャパシタ１０の一方の端子と接続され、他端が端子Ｐ４を介して電池ＢＶ４のプラス端子（電圧Ｖ４）と接続されている。スイッチＳＷ３ｎは、一端が第１のキャパシタ１０の他方の端子と接続され、他端が端子Ｐ３を介して電池ＢＶ４のマイナス端子及び電池ＢＶ３のプラス端子（電圧Ｖ３）と接続されている。つまり、スイッチＳＷ４／ＳＷ３ｎが同時にオンすると、電池ＢＶ４の両端子の電圧Ｖ４、Ｖ３がそれぞれ第１のキャパシタ１０の両端子に同時に印加されるようになっている。

同様に、スイッチＳＷ３ｐは、一端が第１のキャパシタ１０の一方の端子と接続され、他端が端子Ｐ３を介して電池ＢＶ４のマイナス端子及び電池ＢＶ３のプラス端子（電圧Ｖ３）と接続されている。スイッチＳＷ２ｎは、一端が第１のキャパシタ１０の他方の端子と接続され、他端が端子Ｐ２を介して電池ＢＶ３のマイナス端子及び電池ＢＶ２のプラス端子（電圧Ｖ２）と接続されている。つまり、スイッチＳＷ３ｐ／ＳＷ２ｎが同時にオンすると、電池ＢＶ３の両端子の電圧Ｖ３、Ｖ２がそれぞれ第１のキャパシタ１０の両端子に同時に印加されるようになっている。

同様に、スイッチＳＷ２ｐは、一端が第１のキャパシタ１０の一方の端子と接続され、他端が端子Ｐ２を介して電池ＢＶ３のマイナス端子及び電池ＢＶ２のプラス端子（電圧Ｖ２）と接続されている。スイッチＳＷ１ｎは、一端が第１のキャパシタ１０の他方の端子と接続され、他端が端子Ｐ１を介して電池ＢＶ２のマイナス端子及び電池ＢＶ１のプラス端子（電圧Ｖ１）と接続されている。つまり、スイッチＳＷ２ｐ／ＳＷ１ｎが同時にオンすると、電池ＢＶ２の両端子の電圧Ｖ２、Ｖ１がそれぞれ第１のキャパシタ１０の両端子に同時に印加されるようになっている。

同様に、スイッチＳＷ１ｐは、一端が第１のキャパシタ１０の一方の端子と接続され、他端が端子Ｐ１を介して電池ＢＶ２のマイナス端子及び電池ＢＶ１のプラス端子（電圧Ｖ１）と接続されている。スイッチＳＷ０は、一端が第１のキャパシタ１０の他方の端子と接続され、他端が端子Ｐ０を介して電池ＢＶ１のマイナス端子（電圧Ｖ０）と接続されている。つまり、スイッチＳＷ１ｐ／ＳＷ０が同時にオンすると、電池ＢＶ１の両端子の電圧Ｖ１、Ｖ０がそれぞれ第１のキャパシタ１０の両端子に同時に印加されるようになっている。

スイッチＳＷ６は一端が第１のキャパシタ１０の他方の端子と接続され、他端がオペアンプ１２の反転入力端子（−）と接続されている。スイッチＳＷ７は一端が第１のキャパシタ１０の一方の端子と接続され、他端がオペアンプ１２の非反転入力端子（＋）と接続されている。スイッチＳＷ５は、オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）の間に帰還キャパシタとして接続されている。

スイッチ制御回路１５は、マイコンから入力される信号に基づいて、スイッチＳＷ０〜ＳＷ７のオンオフを制御することができる。また、スイッチ制御回路１５と同等の機能をソフトウェアにより実現することも可能である。

次に、電池電圧検出回路１００の動作を図２、図３、図４に基づいて説明する。図２は、電池電圧検出回路１００のタイミング図である。スイッチＳＷ０〜ＳＷ７に印加される制御信号のＨレベルはオン状態、Ｌレベルはオフ状態に対応している。また、図３及び図４は、電池ＢＶ４の両端子間の電圧（Ｖ４−Ｖ３）を検出する動作を説明する回路図である。

先ず、電池ＢＶ４の両端子間の電圧（Ｖ４−Ｖ３）を検出する場合の動作を説明する。先ず、初期状態（時刻ｔ０）において、スイッチＳＷ５をオンし、それ以外のスイッチＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ４／ＳＷ３ｎ、ＳＷ３ｐ／ＳＷ２ｎ、ＳＷ２ｐ／ＳＷ１ｎ、ＳＷ１ｐ／ＳＷ０はオフとする。この時、オペアンプ１２の出力端子と反転入力端子（−）はスイッチＳＷ５により短絡されるため、オペアンプ１２はゲインが１のアンプとなり、非反転入力端子（＋）に印加されている基準電圧ＶＲＥＦが出力電圧ＶＯＵＴとして出力される。（図３（ａ）参照）

その後、時刻ｔ１において、スイッチＳＷ４／ＳＷ３ｎが同時にオンすると、第１のキャパシタ１０の一方の端子に電圧Ｖ４が印加され、他方の端子に電圧Ｖ３が同時に印加される。この時、両方の端子間に印加される電圧ＶＣ１は、（Ｖ４−Ｖ３）である。また、第１のキャパシタ１０の容量値をＣ１とすると、第１のキャパシタ１０には電荷ＱＣ１、ＱＣ１＝（Ｖ４−Ｖ３）・Ｃ１が蓄積される。一方、第２のキャパシタ１１の両方の端子間に印加される電圧ＶＣ２は０Ｖであり、第２のキャパシタ１１に蓄積される電荷ＱＣ２は０である。（図３（ｂ）参照）

その後、時刻ｔ２において、スイッチＳＷ４／ＳＷ３ｎ、ＳＷ５をオフする。これにより、第１のキャパシタ１０は、電気的に切り離されて浮遊状態となるが、その両端子の電圧はそれぞれＶ４、Ｖ３のままであり、電荷ＱＣ１、ＱＣ２も不変である。（図３（ｃ）参照）

そして、時刻ｔ３において、スイッチＳＷ６をオンする。これにより、第１のキャパシタ１０の他方の端子は、オペアンプ１２の反転入力端子（−）に接続される。この時、反転入力端子（−）の電圧は、イマジナリーショートによりＶＲＥＦになっているので、第１のキャパシタ１０の他方の端子の電圧もＶ３からＶＲＥＦに変化する。これに伴い、第１のキャパシタ１０の他方の端子の電圧は、（Ｖ３−ＶＲＥＦ）だけ変化するので、（Ｖ４−Ｖ３）＋ＶＲＥＦとなる。電荷ＱＣ１、ＱＣ２は不変である。（図４（ａ）参照）

その後、時刻ｔ４において、スイッチＳＷ７をオンする。すると、オペアンプ１２の出力端子から、第２のキャパシタ１１、スイッチＳＷ６、第１のキャパシタ１０、スイッチＳＷ７を通って基準電圧源１３に電流が流れる。この場合、第１のキャパシタ１０の両端子の電圧はＶＲＥＦになるので、電荷ＱＣ１は０となる。また、前記電流により、第２のキャパシタ１１に蓄積される電荷ＱＣ２は、ＱＣ２＝（ＶＯＵＴ−ＶＲＥＦ）・Ｃ２となる。Ｃ２は、第２のキャパシタ１１の容量値である。（図４（ｂ）参照）

スイッチＳＷ７をオンする前後の状態で、第１のキャパシタ１０の電荷ＱＣ１と第２のキャパシタ１１の電荷ＱＣ２の和であるＱＣ１＋ＱＣ２は、電荷保存則により保存される。したがって、次の方程式が成り立つ。

（Ｖ４−Ｖ３）・Ｃ１＝（ＶＯＵＴ−ＶＲＥＦ）・Ｃ２
この方程式をＶＯＵＴについて解くと、ＶＯＵＴ＝（Ｖ４−Ｖ３）・Ｃ１／Ｃ２＋ＶＲＥＦである。即ち、出力電圧ＶＯＵＴとしては、従来の回路と同じ結果が得られる。

その後、時刻ｔ５において、スイッチＳＷ６、ＳＷ７をオフし、スイッチＳＷ５をオンすることにより、再び、初期状態に戻す。これにより、オペアンプ１２の出力電圧ＶＯＵＴは再びＶＲＥＦに戻る。その後は、同様の手順を繰り返すことにより、順次電池ＢＶ３からＢＶ１の電圧を検出することができる。

上述した電池電圧検出回路１００によれば、電池ＢＶ１〜ＢＶ４の両端子の電圧を順次第１のキャパシタ１０に同時に印加するようにしたので、電池ＢＶ１〜ＢＶ４の電圧が変動した場合においても、その時点における正確な電圧を検出することができる。また、第１のキャパシタ１０の両端子に印加される電圧は各電池の電圧なので、第１のキャパシタ１０を高耐圧にする必要がなくなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能なことは言うまでもない。例えば、直列接続される電池ＢＶ１〜ＢＶ４の数は変更することができる。その場合、電池の数に応じて、スイッチの数を変更する。

また、電池の数は１個のみ、例えば電池ＢＶ４のみあっても本発明を適用することが可能である。その場合は、スイッチとしては、スイッチＳＷ４／ＳＷ３ｎ、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７があれば良い。

また、各電池に対応して、オペアンプ１２、スイッチＳＷ５〜ＳＷ７を設けることにより、各電池の電圧を同時に検出することも可能である。

さらに、スイッチ制御回路１５により、所望の電池を選択して、選択した電池の電圧を
により、各電池の電圧を同時に検出することも可能である。

さらに、スイッチ制御回路１５により、電池ＢＶ１〜ＢＶ４の中から、１つの電池を選択して、その選択された電池の電圧を検出することも可能である。

１０ 第１のキャパシタ
１１ 第２のキャパシタ
１２ オペアンプ
１３ 基準電圧源
１５ スイッチ制御回路
１６ ＡＤコンバータ

Claims (5)

1. 第１のキャパシタと、
   第１の入力端子に基準電圧が印加されたオペアンプと、
   前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの第２の入力端子の間に接続された第２のキャパシタと、
   電池の両端の電圧をそれぞれ前記第１のキャパシタの一方の端子及び他方の端子に同時に印加した後に、前記第１のキャパシタの一方の端子を前記オペアンプの第２の入力端子に接続し、その後、前記第１のキャパシタの他方の端子に前記基準電圧を印加するスイッチ回路と、を備え、前記オペアンプの出力電圧に基づいて前記電池の両端の電圧を検出することを特徴とする電池電圧検出回路。
2. 前記スイッチ回路は、直列接続された複数の電池を１つずつ選択し、選択された電池の両端の電圧をそれぞれ前記第１のキャパシタの一方の端子及び他方の端子に同時に印加することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧検出回路。
3. 前記スイッチ回路は、直列接続された複数の電池の中から１つの電池を選択し、選択された電池の両端の電圧をそれぞれ前記第１のキャパシタの一方の端子及び他方の端子に同時に印加することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧検出回路。
4. 前記第２のキャパシタの容量値は、前記第１のキャパシタの容量値より大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池電圧検出回路。
5. 前記オペアンプの出力電圧をデジタルデータに変換するＡＤコンバータを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電池電圧検出回路。

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