JP2014137272A - 電圧監視装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電圧検出回路の一対の電圧検出端子にキャパシタの端子間電圧を印加する各出力側スイッチの閉故障を検知可能な電圧監視装置を提供する。
【解決手段】キャパシタ４１を有するキャパシタ回路４０と、電圧検出対象となる電池セル１０の電圧をキャパシタ４１の両端子に印加する入力側スイッチ群３０と、一対の電圧検出端子６１、６２間の電位差を検出する電圧検出回路６０と、キャパシタ４１の端子間電圧を一対の電圧検出端子に印加する出力側スイッチ群５０と、各スイッチＳＨ１〜ＳＨ５、ＳＬ１、ＳＬ２を制御すると共に、出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の閉故障を検知する制御装置１００と、一対の電圧検出端子６１、６２それぞれに接続されるインピーダンス回路８０と、インピーダンス回路８０を介して一対の電圧検出端子６１、６２に接続され、一対の電圧検出端子６１、６２の電圧を安定化させる安定化電源回路９０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタを用いて電池の電圧を監視するフライングキャパシタ方式の電圧監視装置に関する。
従来、キャパシタに対して電池の電圧を印加した後、キャパシタに印加された電圧を電池の電圧として検出する方式（フライングキャパシタ方式）により、電池の電圧を監視する電圧監視装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１には、キャパシタの両端と電池の両端子との接続をオンオフするために設けられた複数の入力側スイッチの閉故障を検知する技術が開示されている。具体的には、特許文献１では、各入力側スイッチに閉故障が生ずると、各入力側スイッチのうち１つをオンした際にキャパシタに電池の電圧が印加されることに着眼し、各入力側スイッチのうち１つをオンした際のキャパシタの電圧に基づいて、各入力側スイッチの閉故障を検知するようにしている。
特許第３６２７９２２号
ところで、特許文献１には、各入力側スイッチ（特許文献１のサンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９に対応）の閉故障を検知することについて記載されているだけで、キャパシタの両端と電圧検出回路の各電圧検出端子との接続をオンオフする複数の出力側スイッチ（特許文献１のサンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２に対応）の閉故障について何ら言及されていない。
ここで、各入力側スイッチの閉故障の検知と同様に、各出力側スイッチのうち、１つをオンした際の電圧検出回路の検出電圧に基づいて、各出力側スイッチの閉故障を検知することが考えられる。
しかし、各出力側スイッチのうち１つをオンし、他のスイッチをオフする場合、他のスイッチに対応する電圧検出回路の電圧検出端子がハイインピーダンス状態となり、電圧検出回路へ入力される入力電圧が不安定となってしまう。故に、電圧検出回路にて正常に電圧を検出できず、電圧監視装置にて各出力側スイッチの閉故障を検知することができない。
本発明は上記点に鑑みて、各出力側スイッチの閉故障を検知可能な電圧監視装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、少なくとも１つのキャパシタ（４１、４２）を有するキャパシタ回路（４０）と、電圧検出対象となる電池セル（１０）の電極端子に接続される複数の入力側スイッチ（ＳＨ）を有し、電池セルの電圧をキャパシタの両端子に印加する入力側スイッチ群（３０）と、キャパシタの両端子に対応する一対の電圧検出端子（６１、６２）を有し、一対の電圧検出端子間の電位差を検出する電圧検出回路（６０）と、キャパシタの端子に接続される複数の出力側スイッチ（ＳＬ）を有し、キャパシタの端子間電圧を一対の電圧検出端子に印加する出力側スイッチ群（５０）と、複数の入力側スイッチ、および複数の出力側スイッチそれぞれを制御するスイッチ制御手段（１００ｂ）と、スイッチ制御手段にて、複数の出力側スイッチの１つがオンされた際の電圧検出回路の検出電圧に基づいて、オンされていない他の出力側スイッチの閉故障を検知する故障検知手段（１００ｃ）と、一対の電圧検出端子それぞれに接続されるインピーダンス回路（８０）と、インピーダンス回路を介して一対の電圧検出端子に接続され、一対の電圧検出端子の電圧を安定化させる安定化電源回路（９０）と、を備えることを特徴としている。
これによれば、各出力側スイッチのうち１つをオンし、他のスイッチをオフしたとしても、インピーダンス回路および安定化電源回路によって他のスイッチに対応する電圧検出回路の電圧検出端子の電圧が安定する。このため、各出力側スイッチのうち１つをオンした際の各電圧検出端子間の電位差を電圧検出回路にて正常に検出することができ、各出力側スイッチの閉故障を検知可能となる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
第１実施形態に係る電圧監視装置の全体構成図である。 電圧検出回路の検出電圧と電池電圧との関係を示す特性図である。 第１実施形態に係る制御装置が実行する出力側スイッチの故障検知処理の流れを示すフローチャートである。 出力側スイッチの故障検知処理における正常時の作動を説明するためのタイミングチャートである。 出力側スイッチの故障検知処理における閉故障時の作動を説明するためのタイミングチャートである。 第２実施形態に係る電圧監視装置の全体構成図である。 第３実施形態に係る電圧監視装置の全体構成図である。 第４実施形態に係る電圧監視装置の全体構成図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。本実施形態では、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される組電池１に、本発明の電圧監視装置２を適用している。
組電池１は、図示しない走行用電動モータを主として、車載された各種電気負荷に給電する電源である。本実施形態の組電池１は、図１の全体構成図に示すように、リチウムイオン電池等の二次電池からなる複数の電池セル１０を直列に接続した直列接続体として構成されている。なお、便宜上、図１では、組電池１を４つの電池セル１０で構成した例を図示しているが、組電池１を構成する電池セル１０の数は４つに限定されない。
電圧監視装置２は、組電池１の電圧を監視する装置であり、組電池１を構成する各電池セル１０の両端子に対して複数の接続ラインを介して接続されている。
本実施形態の電圧監視装置２は、電流制限抵抗群２０、入力側スイッチ群３０、キャパシタ回路４０、出力側スイッチ群５０、電圧検出回路６０、オフセット電源回路７０、インピーダンス回路８０、安定化電源回路９０、制御装置１００等で構成されている。
電流制限抵抗群２０は、組電池１側と電圧監視装置２側との間を流れる電流を制限するもので、各電池セル１０の両端子に接続された接続ラインに設けられた電流制限抵抗２１で構成されている。
入力側スイッチ群３０は、各電池セル１０の両端子に接続された複数の入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ５を有し、各電池セル１０のうち、電圧検出対象となる電池セル１０の電圧をキャパシタ回路４０のキャパシタ４１へ印加する回路である。
本実施形態では、各電池セル１０の電極端子を電位の低いものから順に数えた際に、偶数番目となる電極端子に接続された入力側スイッチＳＨ２、ＳＨ４がキャパシタ４１の一端Ａ１に接続されている。また、各電池セル１０の電極端子を電位の低いものから順に数えた際に、奇数番目となる電極端子に接続された入力側スイッチＳＨ１、ＳＨ３、ＳＨ５がキャパシタ４１の他端Ａ２に接続されている。
また、本実施形態では、隣接する電池セル１０のうち、高電位側の電池セル１０の負極端子に接続する入力側スイッチと、低電位側の電池セル１０の正極端子に接続される入力側スイッチとを共用する構成としている。このため、入力側スイッチ群３０により隣接する電池セル１０の電圧をキャパシタ４１へ順次印加すると、キャパシタ４１の電圧の極性が反転することとなる。なお、各入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ５は、半導体スイッチであり、後述する制御装置１００からの指令信号によりオンオフが切替制御される。
キャパシタ回路４０は、単一のキャパシタ４１で構成され、キャパシタ４１の一端Ａ１が入力側スイッチＳＨ２、ＳＨ４に接続され、他端Ａ２が入力側スイッチＳＨ１、ＳＨ３、ＳＨ５に接続されている。
出力側スイッチ群５０は、キャパシタ４１の端子に接続される第１、第２出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２を有し、キャパシタ４１の端子間電圧を電圧検出回路６０の一対の電圧検出端子６１、６２に印加する回路である。
本実施形態では、キャパシタ４１の一端Ａ１に接続された第１出力側スイッチＳＬ１が、電圧検出回路６０の一方の電圧検出端子６２に接続され、他端Ａ２に接続された第２出力側スイッチＳＬ２が、電圧検出回路６０の他方の電圧検出端子６１に接続されている。なお、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２は、半導体スイッチであり、後述する制御装置１００からの指令信号によりオンオフが切替制御される。
電圧検出回路６０は、キャパシタ４１の両端子Ａ１、Ａ２に対応する一対の電圧検出端子６１、６２間の電位差を検出する回路である。本実施形態の電圧検出回路６０は、一対の電圧検出端子６１、６２、差動増幅回路６３、およびＡＤ変換器（ＡＤＣ）６４で構成されている。
差動増幅回路６３は、電圧検出回路６０の一対の電圧検出端子６１、６２の電位差を増幅して出力する回路である。本実施形態の差動増幅回路６３は、オペアンプ６３０、およびゲイン調整用の一対の入力抵抗Ｒ３、Ｒ４、および帰還抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６で構成されている。なお、一対の入力抵抗Ｒ３、Ｒ４は、一対の電圧検出端子６１、６２に接続されている。
ＡＤ変換器（ＡＤＣ）６４は、差動増幅回路６３から出力された出力電圧（アナログ信号）をデジタル信号に変換して、制御装置１００に出力する回路である。本実施形態のＡＤ変換器６４は、入力されるアナログ信号がプラスの電圧となる場合にＡＤ変換することができる回路で構成されている。
続いて、オフセット電源回路７０は、ＡＤ変換器６４に対してマイナスの電圧となるアナログ信号が入力されないようにするために、差動増幅回路６３の出力信号にオフセット電圧（例えば、２．５Ｖ）を加算する回路である。
本実施形態のオフセット電源回路７０は、電源７１の電圧を抵抗７２、７３により抵抗分圧してオフセット電圧を生成し、バッファ回路７４を介して出力する構成となっている。このオフセット電源回路７０によって、差動増幅回路６３の出力信号は、オフセット電圧に相当する分だけプラス側に引き上げられることになる。なお、オフセット電源回路７０の出力端子は、オペアンプ６３０の各入力端子（非反転入力端子６３１、反転入力端子６３２）のうち、非反転入力端子６３１に接続されている。
インピーダンス回路８０は、各電圧検出端子６１、６２と安定化電源回路９０との間のインピーダンスを高くするための回路であり、各電圧検出端子６１、６２それぞれに接続されている。
本実施形態のインピーダンス回路８０は、電圧検出回路６０における一対の電圧検出端子６１、６２と安定化電源回路９０の出力端子との間に設けられた抵抗Ｒ１、Ｒ２で構成されている。各抵抗Ｒ１、Ｒ２は、一端側が差動増幅回路６３の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４と各電圧検出端子６１、６２との間に接続され、他端側が安定化電源回路９０の出力端子に接続されている。
ここで、キャパシタ４１が充電された状態で各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２がオンされると、キャパシタ４１の端子間電圧がインピーダンス回路８０の各抵抗Ｒ１、Ｒ２で放電される。つまり、インピーダンス回路８０の放電により、電圧検出回路６０の検出電圧が低下し、電圧検出回路６０の電圧検出精度に影響してしまう可能性がある。
そこで、本実施形態では、インピーダンス回路８０とキャパシタ４１とで構成される回路の時定数が電圧検出回路６０にてキャパシタ４１の端子間電圧を検出するまでに要する必要検出時間よりも長くなるように、インピーダンス回路８０を構成する各抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が設定されている。なお、必要検出時間は、電圧検出回路６０の各電圧検出端子６１、６２にキャパシタ４１の端子間電圧が印加されてから電圧検出回路６０で各電圧検出端子６１、６２間の電位差を検出するまでに要する時間である。
安定化電源回路９０は、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の少なくとも一方がオフされた際の電圧検出回路６０におけるオフされたスイッチに対応する電圧検出端子６１、６２の電圧を安定化させる回路である。
本実施形態の安定化電源回路９０は、基本構成がオフセット電源回路７０と同様であり、電源９１の電圧を抵抗９２、９３により抵抗分圧して定電圧（例えば、２．５Ｖ）を生成し、バッファ回路９４を介して出力する構成となっている。この安定化電源回路９０によって、各電圧検出端子６１、６２の電圧は、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の少なくとも一方がオフされたとしても、定電圧に相当する安定した電圧となる。
制御装置１００は、ＣＰＵ、記憶手段を構成するメモリ１００ａ等からなるマイクロコンピュータであって、メモリ１００ａに記憶されたプログラムに従って各種処理を実行する制御手段である。
本実施形態の制御装置１００は、入力側スイッチ群３０、および出力側スイッチ群５０の作動（各スイッチのオンオフ）を制御すると共に、電圧検出回路６０の検出電圧を電池電圧に変換し、各電池セル１０の電圧を測定する電圧測定処理を実行するように構成されている。なお、本実施形態では、制御装置１００における入力側スイッチ群３０および出力側スイッチ群５０の作動を制御する構成がスイッチ制御手段１００ｂを構成している。
ここで、制御装置１００の電圧測定処理について簡単に説明すると、まず、制御装置１００は、電圧検出対象となる電池セル１０に対応する入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ５をオンする。これにより、電圧検出対象となる電池セル１０のセル電圧がキャパシタ４１に印加される。
続いて、制御装置１００は、入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ５をオフし、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２をオンする。これにより、電池セル１０のセル電圧に相当するキャパシタ４１の端子間電圧が電圧検出回路６０の各電圧検出端子６１、６２に印加される。
そして、電圧検出回路６０の各電圧検出端子６１、６２に印加された電圧は、差動増幅回路６３にて増幅され、ＡＤ変換器６４にてデジタル信号に変換されて制御装置１００へ出力される。
制御装置１００では、電圧検出回路６０の検出電圧を電池電圧（セル電圧）に変換し、電圧検出対象となる電池セル１０のセル電圧を取得する。本実施形態の制御装置１００は、例えば、図２に示す電圧検出回路６０の検出電圧と電池電圧との対応関係を規定した制御マップを用いて、電圧検出回路６０の検出電圧を電池電圧に変換する。なお、本実施形態の制御装置１００では、オフセット電源回路７０にて加算されたオフセット電圧を加味して、電圧検出回路６０の検出電圧を電池電圧に変換する。
ところで、電圧監視装置２は、キャパシタ４１の電圧を電圧検出回路６０の各電圧検出端子６１、６２へ印加する出力側スイッチ群５０が閉故障（オン故障）すると、入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ５をオンした際に、組電池１と電圧監視装置の電源が導通して漏電状態となってしまう。
そこで、本実施形態の制御装置１００は、外部からの指令信号や所定の周期で各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の閉故障を検知する故障検知処理を実行するように構成されている。なお、本実施形態では、制御装置１００における故障検知処理を実行する構成が故障検知手段１００ｃを構成している。
以下、本実施形態における各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の故障検知処理について説明する。各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の双方が制御装置１００の指令信号に応じて正常に作動する場合、一方の出力側スイッチだけがオンされた際の各電圧検出端子６１、６２間の電位差は、ゼロに近い値となる。
一方、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の一方が閉故障している場合、一方の出力側スイッチだけがオンされた際の各電圧検出端子６１、６２間の電位差は、キャパシタ４１の端子間電圧に相当する値となる。つまり、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の一方が閉故障している場合、図２に示すように、制御装置１００にて測定する電圧の絶対値（＝｜電池電圧｜）が正常時に比べて高い値となる。
このため、故障検知処理では、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の１つをオンした際の電圧検出回路６０の検出電圧が、予め定めた閾値電圧（例えば、１．６Ｖ）よりも高い場合に、オンされていない他の出力側スイッチが閉故障していると判断するようにしている。
故障検知処理で用いる閾値電圧は、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の双方をオンした際に電圧測定処理にて測定され得る電圧範囲（オン範囲）の下限値と、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の一方をオフした際に電圧測定処理にて測定され得る電圧範囲（オフ範囲）の上限値との間に設定されている。
ここで、第２出力側スイッチＳＬ２の閉故障を検知する故障検知処理の一例を、図３に示すフローチャート、並びに、図４および図５に示すタイミングチャートを用いて具体的に説明する。なお、図３〜図５では、入力側スイッチＳＨ４、ＳＨ５、および出力側スイッチＳＬ１の作動を制御して出力側スイッチＳＬ２の閉故障を検知する例を図示している。
まず、入力側スイッチ群３０における入力側スイッチＳＨ４、ＳＨ５だけをオンする（Ｓ１０）。そして、キャパシタ４１への電池セル１０のセル電圧の充電が完了するまで待機し（Ｓ２０）、キャパシタ４１への充電が完了すると入力側スイッチＳＨ４、ＳＨ５をオフする（Ｓ３０）。
これにより、電圧検出対象となる電池セル１０のセル電圧がキャパシタ４１に印加され、キャパシタ４１の端子間電圧が電池セル１０のセル電圧まで上昇する（図４、図５の時間Ｔ１〜Ｔ２参照）。なお、本例では、入力側スイッチＳＨ４、ＳＨ５をオンしてキャパシタ４１に電池セル１０のセル電圧を充電しているが、他の入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ３をオンしてキャパシタ４１に電池セル１０のセル電圧を充電するようにしてもよい。
続いて、第２出力側スイッチＳＬ２に対してオフを指示する制御信号を出力しつつ、第１出力側スイッチＳＬ１だけを必要検出時間よりも長い時間オンする（Ｓ４０：図４、図５の時間Ｔ３〜Ｔ４参照）。
この際、第２出力側スイッチＳＬ２が制御装置１００の指令信号に応じて正常に作動する場合、図４に示すように、電圧検出回路６０の一対の電圧検出端子６１、６２間の電位差（入力電圧）がゼロに近い値となる。
一方、第２出力側スイッチＳＬ２が閉故障している場合、キャパシタ４１の端子間電圧が電圧検出回路６０の一対の電圧検出端子６１、６２に印加され、図５に示すように、電圧検出回路６０の入力電圧がキャパシタ４１の端子間電圧に近い値となる。
ここで、電圧検出回路６０の入力電圧は、インピーダンス回路８０における放電によって時間経過と共に低下するが、インピーダンス回路８０とキャパシタ４１とで構成される回路の時定数が必要検出時間よりも大きくなる構成としているので、電圧検出回路６０の入力電圧がキャパシタ４１の端子間電圧と同程度の値となる。
続いて、電圧検出回路６０の検出電圧を取得し、取得した検出電圧を電池電圧に変換する（Ｓ５０）。そして、当該電池電圧の絶対値が、予め設定された閾値電圧（例えば、１．６Ｖ）よりも低いか否かを判定する（Ｓ６０）。
ステップＳ６０の判定処理の結果、電池電圧の絶対値が閾値電圧よりも低いと判定された場合（Ｓ６０：ＹＥＳ）、第２出力側スイッチＳＬ２が制御装置１００の制御指令に応じて作動する正常状態であると判断して処理を終える。
一方、ステップＳ６０の判定処理の結果、電池電圧の絶対値が閾値電圧以上と判定された場合（Ｓ６０：ＮＯ）、第２出力側スイッチＳＬ２が閉故障していると判断して処理を終える。
なお、第１出力側スイッチＳＬ１の閉故障を検知する場合、図３のステップＳ４０にて第２出力側スイッチＳＬ２だけを必要検出時間よりも長い時間オンし、その際の電圧検出回路６０の検出電圧を変換した電池電圧を閾値電圧と比較して判定すればよい。
以上説明した本実施形態の電圧監視装置２は、電圧検出回路６０の一対の電圧検出端子６１、６２にインピーダンス回路８０を介して安定化電源回路９０を接続する構成としている。これによれば、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２のうち１つをオンし、他の出力側スイッチをオフしたとしても、インピーダンス回路８０および安定化電源回路９０によって他の出力側スイッチに対応する電圧検出回路６０の電圧検出端子６１、６２の電圧が安定する。このため、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２のうち１つをオンした際の各電圧検出端子６１、６２間の電位差を電圧検出回路６０にて正常に検出することができる。従って、本実施形態の電圧監視装置２によれば、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の閉故障を検知することが可能となる。
また、本実施形態の電圧監視装置２は、インピーダンス回路８０とキャパシタ４１とで構成される回路の時定数が必要検出時間よりも長くなるように、インピーダンス回路８０を構成する各抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を設定している。これによれば、インピーダンス回路８０の放電の影響により、電圧検出回路６０の検出電圧の低下を抑制することができる。この結果、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２のうち１つをオンした際の各電圧検出端子６１、６２間の電位差を電圧検出回路６０にて精度よく検出することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対してインピーダンス回路８０および安定化電源回路９０の回路構成を変更した例について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
図６の全体構成図に示すように、本実施形態では、安定化電源回路９０のバッファ回路９４の出力側を、インピーダンス回路８０の抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して、差動増幅回路６３の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４とオペアンプ６３０の各入力端子６３１、６３２との間に接続する構成としている。
本実施形態の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４は、差動増幅回路６３の一部を構成すると共に、インピーダンス回路８０の抵抗成分としても機能する。つまり、本実施形態のインピーダンス回路８０は、差動増幅回路６３の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４を含んで構成されている。
また、本実施形態では、オフセット電源回路７０を廃し、安定化電源回路９０の出力側を差動増幅回路６３の抵抗Ｒ６を介して差動増幅回路６３の非反転入力端子６３１に接続する構成としている。つまり、本実施形態では、安定化電源回路９０によって、差動増幅回路６３の出力信号が定電圧に相当する分だけプラス側に引き上げられることになる。
その他の構成および作動について第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態では、差動増幅回路６３の入力抵抗Ｒ３、Ｒ４がインピーダンス回路８０の抵抗成分として機能するので、インピーダンス回路８０とキャパシタ４１とで構成される回路の時定数を長くすることができる。
従って、各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２をオンした際に生ずるインピーダンス回路８０での放電により、電圧検出回路６０の検出電圧が変動してしまうこと（電圧検出回路６０の検出精度の悪化）を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、安定化電源回路９０がオフセット電源回路７０としても機能するので、第１実施形態に比べて、電圧監視装置２を簡素な回路構成で実現することが可能となる。
なお、本実施形態では、差動増幅回路６３の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４をインピーダンス回路８０の抵抗成分として機能させると同時に、安定化電源回路９０をオフセット電源回路７０として機能させる回路構成を説明したが、これに限定されない。電圧監視装置２は、例えば、差動増幅回路６３の各入力抵抗Ｒ３、Ｒ４がインピーダンス回路８０の抵抗成分として機能するだけの回路構成としてもよいし、安定化電源回路９０がオフセット電源回路７０として機能するだけの回路構成としてもよい。この点については以降の実施形態においても同様である。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、第２実施形態に対して入力側スイッチ群３０の回路構成を変更した例について説明する。なお、本実施形態では、前述の各実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
本実施形態については、図７の全体構成図を用いて説明する。なお、便宜上、図７では、組電池１を２つの電池セル１０で構成した例を図示しているが、組電池１を構成する電池セル１０の数は２つに限定されない。
本実施形態の入力側スイッチ群３０は、隣接する電池セル１０の電圧をキャパシタ４１へ順次印加する際に、キャパシタ４１の電圧の極性が反転しないように、各電池セル１０の両端子に個別に接続された複数の入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ４を有する。つまり、本実施形態では、隣接する電池セル１０のうち、高電位側の電池セル１０の負極端子に接続する入力側スイッチと、低電位側の電池セル１０の正極端子に接続される入力側スイッチとを個別に設ける構成としている。
なお、制御装置１００では、例えば、隣接する電池セル１０のうち、高電位側の電池セル１０が電圧検出対象となる場合に、当該電池セル１０に対応する入力側スイッチＳＨ３、ＳＨ４をオンする。これにより、高電位側の電池セル１０のセル電圧がキャパシタ４１に印加される。また、隣接する電池セル１０のうち、低電位側の電池セル１０が電圧検出対象となる場合に、当該電池セル１０に対応する入力側スイッチＳＨ１、ＳＨ２をオンする。これにより、高電位側の電池セル１０のセル電圧と同極性となる低電位側の電池セル１０のセル電圧がキャパシタ４１に印加される。
本実施形態の回路構成では、ＡＤ変換器６４にマイナスの電圧となるアナログ信号が入力されないことから、オフセット電源回路７０を省略している。具体的には、差動増幅回路６３の抵抗Ｒ６を接地させる構成としている。
その他の構成および作動について第１、第２実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１、第２実施形態で説明した作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態では、隣接する電池セル１０の電圧をキャパシタ４１へ順次印加する際に、キャパシタ４１の電圧の極性が反転しないように入力側スイッチ群３０を構成している。これにより、オフセット電源回路７０を省略することができ、電圧検出回路６０の回路構成の簡素化を図ることができる。なお、本実施形態の回路構成において、オフセット電源回路７０を省略することが望ましいが、前述の実施形態の如くオフセット電源回路７０を設ける構成としてもよい。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
本実施形態については、図８の全体構成図を用いて説明する。なお、便宜上、図８では、組電池１を８つの電池セル１０で構成した例を図示しているが、組電池１を構成する電池セル１０の数は８つに限定されない。
図８に示すように、本実施形態の電圧監視装置２は、キャパシタ回路４０を２つのキャパシタ４１、４２同士を直列に接続した直列接続体とし、隣接する電池セル１０のセル電圧を同時に測定可能なダブルフライングキャパシタ方式で構成されている。
本実施形態の入力側スイッチ群３０は、各電池セル１０の両端子に接続された複数の入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ９を有している。本実施形態では、各電池セル１０の電極端子を電位の低いものから順位数えた際に、［４ｍ−１］番目（ｍ：正の整数）となる入力側スイッチＳＨ３、ＳＨ７が各キャパシタ４１、４２の一端Ａ１に接続されている。また、［４ｍ−３］番目となる入力側スイッチＳＨ１、ＳＨ５、ＳＨ９が各キャパシタ４１、４２の他端Ａ２に接続されている。また、［２ｍ］番目となる電極端子に接続された入力側スイッチＳＨ２、ＳＨ４、ＳＨ６、ＳＨ８が各キャパシタ４１、４２の接続部Ａ３に接続されている。
これにより、制御装置１００が、隣接する電池セル１０の両端子に対応する入力側スイッチをオンすることで、各電池セル１０のセル電圧が各キャパシタ４１、４２に印加される。例えば、制御装置１００が低電位側の各電池セル１０の両端子に対応する入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ３をオンすると、低電位側の各電池セル１０のセル電圧がキャパシタ４１、４２に印加される。
続いて、本実施形態の出力側スイッチ群５０は、３つの出力側スイッチＳＬ１〜ＳＬ３を有している。具体的には、出力側スイッチ群５０は、各キャパシタ４１、４２の直列接続体の一端Ａ１に接続される第１出力側スイッチＳＬ１、他端Ａ２に接続される第２出力側スイッチＳＬ２、および各キャパシタ４１、４２同士の接続部Ａ３に接続される第３出力側スイッチＳＬ３で構成されている。
また、本実施形態では、各キャパシタ４１、４２それぞれに対して第１、第２電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂが個別に設けられている。各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂそれぞれは、第１実施形態で説明した電圧検出回路６０と同様に構成されている。
具体的には、第１電圧検出回路６０Ａは、一方のキャパシタ４１の両端子Ａ２、Ａ３に対応する一対の電圧検出端子６１Ａ、６２Ａ間の電位差を検出する回路であり、一対の電圧検出端子６１Ａ、６２Ａ、差動増幅回路６３Ａ、およびＡＤ変換器６４Ａで構成されている。また、第２電圧検出回路６０Ａは、他方のキャパシタ４２の両端子Ａ１、Ａ３に対応する一対の電圧検出端子６１Ｂ、６２Ｂ間の電位差を検出する回路であり、一対の電圧検出端子６１Ｂ、６２Ｂ、差動増幅回路６３Ｂ、およびＡＤ変換器６４Ｂで構成されている。
また、本実施形態では、各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂに対して第１、第２インピーダンス回路８０Ａ、８０Ｂが個別に設けられている。そして、各インピーダンス回路８０Ａ、８０Ｂを介して単一の安定化電源回路９０の出力端子が、各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂの各電圧検出端子６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂに接続されている。なお、本実施形態の安定化電源回路９０は、オフセット電源回路としても機能するように、各差動増幅回路６３Ａ、６３Ｂの抵抗Ｒ６に接続されている。
次に、本実施形態の制御装置１００が実行する電圧測定処理について簡単に説明する。まず、制御装置１００は、隣接する電池セル１０が電圧検出対象となる場合、電圧検出対象となる各電池セル１０に対応する入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ８をオンする。これにより、電圧検出対象となる各電池セル１０のセル電圧が各キャパシタ４１、４２に印加される。
続いて、制御装置１００は、入力側スイッチＳＨ１〜ＳＨ８をオフし、各出力側スイッチＳＬ１〜ＳＬ３をオンする。これにより、一方のキャパシタ４１の端子間電圧が第１電圧検出回路６０Ａの各電圧検出端子６１Ａ、６２Ａに印加され、他方のキャパシタ４２の端子間電圧が第２電圧検出回路６０Ｂの各電圧検出端子６１Ｂ、６２Ｂに印加される。
各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂの各電圧検出端子６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂに印加された電圧は、各差動増幅回路６３Ａ、６３Ｂにて増幅され、各ＡＤ変換器６４Ａ、６４Ｂにてデジタル信号に変換されて制御装置１００へ出力される。そして、制御装置１００では、各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂの検出電圧を電池電圧に変換し、電圧検出対象となる電池セル１０のセル電圧を取得する。
次に、本実施形態の制御装置１００が実行する故障検知処理について簡単に説明する。各出力側スイッチＳＬ１〜ＳＬ３の全てが制御装置１００の指令信号に応じて正常に作動する場合、１つの出力側スイッチだけがオンされた際の各電圧検出端子６１Ａ、６２Ａ、６１Ｂ、６２Ｂ間の電位差は、ゼロに近い値となる。
一方、各出力側スイッチＳＬ１〜ＳＬ３の１つが閉故障している場合、制御装置１００にて測定する電圧の絶対値（＝｜電池電圧｜）が正常時に比べて高い値となる。例えば、第１、第２出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の一方が閉故障している場合、第３出力側スイッチＳＬ３だけがオンされた際の各電圧検出端子６１Ａ、６２Ａ、６１Ｂ、６２Ｂ間の電位差の一方が、キャパシタ４１、４２の端子間電圧に相当する値となる。また、第３出力側スイッチＳＬ３が閉故障している場合、第１、第２出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の一方だけがオンされた際の各電圧検出端子６１Ａ、６２Ａ、６１Ｂ、６２Ｂ間の電位差の一方が、キャパシタ４１、４２の端子間電圧に相当する値となる。
このため、本実施形態の故障検知処理では、第３出力側スイッチＳＬ３がオンされた際の各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂそれぞれの検出電圧に基づいて、第１、第２出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の閉故障を検知する。
具体的には、制御装置１００は、第３出力側スイッチＳＬ３がオンされた際の第２電圧検出回路６０Ｂの検出電圧を電池電圧に換算した値が、予め定めた閾値電圧よりも高い場合に、第１出力側スイッチＳＬ１が閉故障していると判断する。
また、制御装置１００は、第３出力側スイッチＳＬ３がオンされた際の第１電圧検出回路６０Ａの検出電圧を電池電圧に換算した値が、予め定めた閾値電圧よりも高い場合に、第２出力側スイッチＳＬ２が閉故障していると判断する。
さらに、本実施形態の故障検知処理では、第１出力側スイッチＳＬ１がオンされた際の第１電圧検出回路６０Ａの検出電圧、または、第２出力側スイッチＳＬ２がオンされた際の第２電圧検出回路６０Ｂの検出電圧に基づいて、第３出力側スイッチＳＬ３の閉故障を検知する。
具体的には、第１、第２出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の１つをオンした際の各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂの一方の検出電圧を電池電圧に換算した値が、予め定めた閾値電圧よりも高い場合に、第３出力側スイッチＳＬ３が閉故障していると判断する。
その他の構成および作動について前述の各実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、前述の各実施形態で説明した作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態では、電圧監視装置２を、隣接する電池セル１０のセル電圧を同時に測定可能なダブルフライングキャパシタ方式で構成している。これによれば、各電池セル１０のセル電圧の測定時間等を短縮することが可能となる。
なお、本実施形態では、安定化電源回路９０を各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂで共用する例について説明したが、これに限定されず、例えば、各電圧検出回路６０Ａ、６０Ｂそれぞれに対して安定化電源回路９０を個別に設けるようにしてもよい。また、本実施形態では、安定化電源回路９０をオフセット電源回路として機能させる例について説明したが、別途、オフセット電源回路を設けるようにしてもよい。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
また、上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
さらに、上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。また、上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
（１）上述の各実施形態の如く、インピーダンス回路８０とキャパシタ４１で構成される回路の時定数が必要検出時間よりも長くなるように、インピーダンス回路８０の抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を設定することが望ましいが、これに限定されない。電圧監視装置２にて各出力側スイッチＳＬ１、ＳＬ２の閉故障が検知することが可能な範囲でインピーダンス回路８０の抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を設定すればよい。
（２）上述の各実施形態では、ＡＤ変換器６４を入力されるアナログ信号がプラスの電圧となる場合にＡＤ変換することができる回路で構成する例について説明したが、これに限らず、アナログ信号がマイナスの電圧となる場合にもＡＤ変換することができる回路で構成するようにしてもよい。
（３）上述の各実施形態では、本発明の電圧監視装置２を、複数の電池セル１０を直列接続した組電池１に適用する例について説明したが、これに限定されない。本発明は、例えば、単一の電池セル１０に適用したり、複数の電池セル１０を並列に接続した組電池に適用したりしてもよい。
（４）上述の各実施形態では、電圧監視装置２を車載高圧バッテリに適用する例について説明したが、車載高圧バッテリに限らず、他のバッテリに適用してもよい。
１０ 電池セル
３０ 入力側スイッチ群
４０ キャパシタ回路
４１、４２ キャパシタ
５０ 出力側スイッチ群
６０ 電圧検出回路
６１、６２ 一対の電圧検出端子
８０ インピーダンス回路
９０ 安定化電源回路
１００ｂ スイッチ制御手段
１００ｃ 故障検知手段

Claims (6)

  1. 少なくとも１つのキャパシタ（４１、４２）を有するキャパシタ回路（４０）と、
    電圧検出対象となる電池セル（１０）の電極端子に接続される複数の入力側スイッチ（ＳＨ）を有し、前記電池セルの電圧を前記キャパシタの両端子に印加する入力側スイッチ群（３０）と、
    前記キャパシタの両端子に対応する一対の電圧検出端子（６１、６２）を有し、前記一対の電圧検出端子間の電位差を検出する電圧検出回路（６０）と、
    前記キャパシタの端子に接続される複数の出力側スイッチ（ＳＬ）を有し、前記キャパシタの端子間電圧を前記一対の電圧検出端子に印加する出力側スイッチ群（５０）と、
    前記複数の入力側スイッチ、および前記複数の出力側スイッチそれぞれを制御するスイッチ制御手段（１００ｂ）と、
    前記スイッチ制御手段にて、前記複数の出力側スイッチの１つがオンされた際の前記電圧検出回路の検出電圧に基づいて、オンされていない他の前記出力側スイッチの閉故障を検知する故障検知手段（１００ｃ）と、
    前記一対の電圧検出端子それぞれに接続されるインピーダンス回路（８０）と、
    前記インピーダンス回路を介して前記一対の電圧検出端子に接続され、前記一対の電圧検出端子の電圧を安定化させる安定化電源回路（９０）と、
    を備えることを特徴とする電圧監視装置。
  2. 前記電圧検出回路は、前記一対の電圧検出端子の電位差を増幅して出力する差動増幅回路（６３）を有し、
    前記差動増幅回路は、前記一対の電圧検出端子に接続された一対の入力抵抗（Ｒ３、Ｒ４）を有しており、
    前記安定化電源回路は、前記一対の入力抵抗を介して前記一対の電圧検出端子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧監視装置。
  3. 前記安定化電源回路は、前記一対の電圧検出端子に接続されると共に、前記差動増幅回路の出力信号に所定のオフセット電圧が加算されるように、前記差動増幅回路の入力端子（６３１）に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電圧監視装置。
  4. 前記電圧検出回路は、前記一対の電圧検出端子の電位差を増幅して出力する差動増幅回路（６３）を有し、
    前記安定化電源回路は、前記一対の電圧検出端子に接続されると共に、前記差動増幅回路の出力信号に所定のオフセット電圧が加算されるように、前記差動増幅回路の入力端子（６３１）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧監視装置。
  5. 前記インピーダンス回路は、前記インピーダンス回路と前記キャパシタで構成される回路の時定数が、前記キャパシタの端子間電圧が前記一対の電圧検出端子に印加されてから前記電圧検出回路にて前記一対の電圧検出端子間の電位差を検出するまでに要する必要検出時間よりも長くなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電圧監視装置。
  6. 前記キャパシタ回路は、２つの前記キャパシタ（４１、４２）を直列に接続した直列接続体として構成され、
    前記出力側スイッチ群は、前記直列接続体の両端（Ａ１、Ａ２）に接続される第１、第２出力側スイッチ（ＳＬ１、ＳＬ２）、および前記２つのキャパシタ同士の接続部（Ａ３）に接続される第３出力側スイッチ（ＳＬ３）を有し、
    前記電圧検出回路は、前記２つのキャパシタそれぞれに対して個別に設けられ、
    前記第２、第３出力側スイッチ（ＳＬ２、ＳＬ３）に接続される前記電圧検出回路を第１電圧検出回路（６０Ａ）とし、前記第１、第３出力側スイッチ（ＳＬ１、ＳＬ３）に接続される前記電圧検出回路を第２電圧検出回路（６０Ｂ）としたとき、
    前記故障検知手段は、
    前記スイッチ制御手段にて前記第３出力側スイッチがオンされた際の前記第１、第２電圧検出回路それぞれの検出電圧に基づいて、前記第１、第２出力側スイッチの閉故障を検知し、
    前記スイッチ制御手段にて前記第１出力側スイッチがオンされた際の前記第１電圧検出回路の検出電圧、または、前記スイッチ制御手段にて前記第２出力側スイッチがオンされた際の前記第２電圧検出回路の検出電圧に基づいて、前記第３出力側スイッチの閉故障を検知することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電圧監視装置。
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