JP2014153129A - 電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成でマイグレーションによる短絡現象を防止することが可能な電圧検出装置を提供する。
【解決手段】電圧検出装置1は、バッテリBによって充電されるコンデンサ10と、コンデンサ10の電圧を検出する電圧検出回路20と、バッテリBとコンデンサ10とを接続状態又は非接続状態にするスイッチ30a,30bと、コンデンサ10と電圧検出回路20とを接続状態又は非接続状態にするスイッチ40a,40bと、スイッチ30a,30bに並列接続された抵抗R1,R2及びコンデンサ10に並列接続された抵抗R3を備えておりスイッチ30a,30bがバッテリBとコンデンサ10とを非接続状態にしているときにスイッチ30a,30bに印加される電圧を制限する電圧制限回路とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。
近年、自動車、二輪車、船舶等の移動体は、環境問題に対する意識の高まり等によって燃費向上が要求されており、従来の動力発生源として用いられていたエンジンに代えて又はエンジンとともにモータを備えるものが多くなっている。エンジンに代えてモータを備えるものの代表的なものとしては電気自動車(EV:Electric Vehicle)が挙げられ、エンジンとともにモータを備えるものの代表的なものとしてはハイブリッド自動車(HV:Hybrid Vehicle)が挙げられる。
このようなモータを備える移動体は、リチウムイオン電池等の再充電が可能な蓄電池(二次電池)を備えており、例えば加速時においてはモータを駆動するための電力を蓄電池から放電させ、減速時においてはモータで発生する回生電力によって蓄電池を充電するようにしている。上記の移動体に設けられる蓄電池は、高電圧が要求されるため、複数の電池セル(単位電池)を直列接続してなる電池モジュールを、必要とされる電圧が得られる分だけ直列接続した構成であり、電圧の検出が電池モジュール単位で行われる。
以下の特許文献1には、このような蓄電池に設けられた電池モジュールの電圧を検出する電圧検出装置の従来例が開示されている。具体的に、以下の特許文献1には、電池モジュールによって充電されるコンデンサと、電池モジュールとコンデンサとを接続状態又は非接続状態にする第1スイッチと、コンデンサと出力回路(ボルテージフォロワ)とを接続状態又は非接続状態にする第2スイッチとを備えるフライングキャパシタ方式の電圧検出装置が開示されている。
特開2001−116777号公報
ところで、近年においては、例えばモータの高出力化を図るために、移動体に設けられる蓄電池の高電圧化が進んでいる。上述した特許文献1に開示された電圧検出装置は、基本的には蓄電池に設けられた電池モジュールの電圧を検出するものであるため、数〜数十[V]程度の電圧であれば何ら問題を生ずることなく電圧の検出を行うことができると考えられる。
しかしながら、上述した特許文献1に開示された電圧検出装置によって、例えば数百[V]程度の蓄電池全体の出力電圧を検出しようとすると、第1スイッチの電極間に高電圧が印加されて、マイグレーション(イオン化した金属が電極間を移動する現象)が生ずる可能性がある。このようなマイグレーションが生ずると、電極間を移動するイオン化した金属によって第1スイッチが短絡してしまい、正常な電圧検出を行うことができない虞があるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でマイグレーションによる短絡現象を防止することが可能な電圧検出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電圧検出装置は、バッテリによって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を検出する検出回路と、前記バッテリと前記コンデンサとを接続状態又は非接続状態にする第1スイッチ素子と、前記コンデンサと前記検出回路とを接続状態又は非接続状態にする第2スイッチ素子とを備える電圧検出装置において、前記第1スイッチ素子に並列接続された第1抵抗部と前記コンデンサに並列接続された第2抵抗部とを備えており、前記第1スイッチ素子が前記バッテリと前記コンデンサとを非接続状態にしているときに前記第1スイッチ素子に印加される電圧を制限する電圧制限回路を備えることを特徴としている。
また、本発明の電圧検出装置は、前記第1抵抗部が、1つの抵抗又は直列接続された複数の抵抗を備えることを特徴としている。
また、本発明の電圧検出装置は、前記第2抵抗部が、1つの抵抗又は直列接続された複数の抵抗を備えることを特徴としている。
また、本発明の電圧検出装置は、前記第1スイッチ素子が、前記バッテリの正極と前記コンデンサの一方の電極との間、及び前記バッテリの負極と前記コンデンサの他方の電極との間に設けられており、前記第1抵抗部は、前記第1スイッチ素子の各々に対して設けられていることを特徴としている。
また、本発明の電圧検出装置は、前記第2スイッチ素子が、前記コンデンサの一方の電極と前記検出回路の一方の入力端との間、及び前記コンデンサの他方の電極と前記検出回路の他方の入力端との間に設けられていることを特徴としている。
本発明によれば、第1スイッチ素子に並列接続された第1抵抗部とコンデンサに並列接続された第2抵抗部とを設け、第1スイッチ素子がバッテリとコンデンサとを非接続状態にしているときに第1スイッチ素子に印加される電圧を制限するようにしているため、簡易な構成でマイグレーションによる短絡現象を防止することができるという効果がある。
本発明の一実施形態による電圧検出装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電圧検出装置に設けられるスイッチに印加される電圧を説明するための図である。 本発明の一実施形態による電圧検出装置の基板への実装例を示す平面図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電圧検出装置について詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)等の自動車に搭載されるバッテリ(蓄電池)の出力電圧を検出する電圧検出装置を例に挙げて説明する。
図1は、本発明の一実施形態による電圧検出装置の要部構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態の電圧検出装置1は、コンデンサ10、電圧検出回路20(検出回路)、スイッチ30a,30b(第1スイッチ素子)、スイッチ40a,40b(第2スイッチ素子)、抵抗R1,R2(第1抵抗部)、抵抗R3(第2抵抗部)、及び抵抗R4,R5を備えるフライングキャパシタ方式の電圧検出装置であり、自動車に搭載されるバッテリBの出力電圧を検出する。ここで、電圧の検出対象であるバッテリBは、リチウムイオン電池等の再充電が可能な電池セル(単位電池)を予め規定された数だけ直列接続したものである。
コンデンサ10は、バッテリBによって充電されるフライングキャパシタ(フライングコンデンサ)であり、バッテリBの電圧を検出されるために用いられる。このコンデンサ10は、充電時には一方の電極がスイッチ30aを介してバッテリBの正極に接続され、他方の電極がスイッチ30bを介してバッテリBの負極に接続される。これに対し、放電時には、一方の電極がスイッチ40aを介して電圧検出回路20の入力端P1に接続され、他方の電極がスイッチ40bを介して電圧検出回路20の入力端P2に接続される。
電圧検出回路20は、バッテリBの出力電圧を検出する回路である。具体的に、電圧検出回路20は、入力端P1,P2がスイッチ40a,40bを介してコンデンサ10に接続された場合に、入力端P1,P2間の電圧(バッテリBによって充電されたコンデンサ10の電極間の電圧)を検出することによってバッテリBの出力電圧を検出する。尚、電圧検出回路20の入力端P2は、自動車の車両グランドBGに接続されている。
スイッチ30a,30bは、バッテリBとコンデンサ10とを接続状態又は非接続状態にするスイッチであり、例えば光MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)によって実現される。尚、光MOSFETは、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)と、発光ダイオードからの光で発電する光発電素子(PVD:Photo-Voltaic Diode)と、光発電素子で発電された電力によって動作する接点としてのMOSFETとを備える素子である。
スイッチ30aは、バッテリBの正極とコンデンサ10の一方の電極との間に設けられており、端子T11から入力される制御信号に応じてこれらの間を接続状態又は非接続状態にする。スイッチ30bは、バッテリBの負極とコンデンサ10の他方の電極との間に設けられており、端子T12から入力される制御信号に応じてこれらの間を接続状態又は非接続状態にする。
スイッチ40a,40bは、コンデンサ10と電圧検出回路20とを接続状態又は非接続状態にするスイッチであり、スイッチ30a,30bと同様に、例えば光MOSFETによって実現される。スイッチ40aは、コンデンサ10の一方の電極と電圧検出回路20の入力端P1との間に設けられており、端子T21から入力される制御信号に応じてこれらの間を接続状態又は非接続状態にする。スイッチ40bは、コンデンサ10の他方の電極と電圧検出回路20の入力端P2との間に設けられており、端子T22から入力される制御信号に応じてこれらの間を接続状態又は非接続状態にする。
抵抗R1は、スイッチ30aに並列接続された抵抗であり、スイッチ30aがバッテリBの正極とコンデンサ10の一方の電極との間を非接続状態にしているときに、スイッチ30aに印加される電圧を制限することによって、スイッチ30aでマイグレーションが生ずるのを防止するために設けられる。この抵抗R1は、図1に示す通り、2つの抵抗R11,R12を直列接続したものである。
抵抗R2は、スイッチ30bに並列接続された抵抗であり、スイッチ30bがバッテリBの負極とコンデンサ10の他方の電極との間を非接続状態にしているときに、スイッチ30bに印加される電圧を制限することによって、スイッチ30bでマイグレーションが生ずるのを防止するために設けられる。この抵抗R2は、図1に示す通り、2つの抵抗R21,R22を直列接続したものである。
抵抗R3は、コンデンサ10に並列接続された抵抗であり、上記の抵抗R1,R2とともに、スイッチ30a,30bに印加される電圧を制限するために設けられる。つまり、抵抗R1,R2,R3によって、スイッチ30a,30bがバッテリBとコンデンサ10とを非接続状態にしているときにスイッチ30a,30bに印加される電圧を制限する電圧制限回路が形成されている。この抵抗R3は、図1に示す通り、3つの抵抗R31〜R33を直列接続したものである。
抵抗R3は、スイッチ30a,30bがバッテリBとコンデンサ10とを非接続状態にしているときには、抵抗R1,R2に直列接続された状態になって、抵抗R1,R2とともにバッテリBの出力電圧を分圧する。このため、抵抗R1,R2,R3の抵抗値を適切に設定すれば、抵抗R1,R2で分圧される電圧(スイッチ30a,30bに印加される電圧)が制限されることになる。
但し、スイッチ30a,30bにそれぞれ並列接続される抵抗R1,R2の抵抗値は、スイッチ30a,30bのオン・オフ動作(バッテリBとコンデンサ10とを接続状態又は非接続状態とする動作)を妨げない値に設定する必要がある。また、コンデンサ10に並列接続される抵抗R3の抵抗値は、バッテリBの出力電圧を精度良く検出するために、充電されたコンデンサ10の電圧を大きく変化させることのない値に設定する必要がある。
抵抗R4は、一端が電圧検出回路20の入力端P1に接続され、他端が電圧検出回路20の入力端P2に接続されている。抵抗R5は、一端がスイッチ40bに接続され、他端が電圧検出回路20の入力端P2及び抵抗R4の他端に接続されている。尚、前述した通り、電圧検出回路20の入力端P2は車両グランドBGに接続されているため、抵抗R4,R5の他端も車両グランドBGに接続されている。
次に、スイッチ30a,30bに印加される電圧について説明する。図2は、本発明の一実施形態による電圧検出装置に設けられるスイッチに印加される電圧を説明するための図である。尚、以下では、まず図2(a)に示す通り、スイッチ30a,30bに1つの抵抗R1,R2がそれぞれ並列接続されるとともにコンデンサ10に1つの抵抗R3が並列接続されている回路について考え、次いで図2(b)に示す通り、スイッチ30a,30b及びコンデンサ10に複数の抵抗がそれぞれ接続されている回路について考える。
図2(a)に示す回路において、スイッチ30a,30bによってバッテリBとコンデンサ10とが非接続状態にされているときに、スイッチ30aに印加される電圧Vs1は以下の(1)式で表される。尚、下記(1)式中の「B」はバッテリBの出力電圧を表しており、「R1」,「R2」,「R3」は、抵抗R1,R2,R3の抵抗値をそれぞれ表している。
Figure 2014153129
つまり、スイッチ30aに印加される電圧Vs1は、スイッチ30aに並列接続された抵抗R1の抵抗値と抵抗R1,R2,R3の抵抗値を加算した値との比に応じた電圧になる。従って、例えば抵抗R1,R2の抵抗値を抵抗R3の抵抗値よりも小さく設定すれば、抵抗R1,R2によって分圧される電圧を小さくすることができ、これによりスイッチ30aに印加される電圧Vs1を小さくする(制限する)ことが可能になる。
次いで、図2(b)に示す回路は、図2(a)に示す回路における抵抗R1を2つの抵抗(直列接続された抵抗R11,R12)に置き換え、抵抗R2を2つの抵抗(直列接続された抵抗R21,R22)に置き換え、抵抗R3を3つの抵抗(直列接続された抵抗R31,R32,R33)に置き換えた回路である。かかる回路において、スイッチ30a,30bによってバッテリBとコンデンサ10とが非接続状態にされているときに、スイッチ30aに並列接続された抵抗R11に印加される電圧Vr11は以下の(2)式で表される。
Figure 2014153129
尚、上記(2)式中の「R11」,「R12」,「R21」,「R22」,「R31」,「R32」,「R33」は、抵抗R11,R12,R21,R22,R31,R32,R33の抵抗値をそれぞれ表している。上記(2)式を参照すると、スイッチ30aに並列接続された抵抗の1つ(抵抗R11)に印加される電圧Vr11は、抵抗R11の抵抗値と抵抗R11,R12,R21,R22,R31,R32,R33の抵抗値を加算した値との比に応じた電圧になる。
ここで、スイッチ30aに並列接続されている抵抗にも電極及び基板銅箔が存在するため、印加される電圧が大きくなるとマイグレーションによる短絡現象が生ずる可能性が考えられる。上記(2)式を参照すると、スイッチ30aに並列接続される抵抗の数を増加させることで個々の抵抗に印加される電圧が低減される。このため、マイグレーションによる抵抗の短絡現象を防止するには、図2(a)の回路のようにスイッチ30a,30bに1つの抵抗をそれぞれ接続するのではなく、図2(b)の回路のようにスイッチ30a,30bに対して複数の抵抗(直列接続された複数の抵抗)をそれぞれ設けるのが望ましい。これは、コンデンサ10に並列接続される抵抗についても同様である。
次に、上述した電圧検出装置1の基板への実装例について説明する。図3は、本発明の一実施形態による電圧検出装置の基板への実装例を示す平面図である。図3に示す通り、基板SBの一面側(例えば、表面側)には、バッテリBの正極に接続される配線L11とバッテリの負極に接続される配線L12とが平行(或いは、ほぼ平行)に形成されている。また、これら配線L11,L12の延長線の間には、電圧検出回路20の入力端P1,P2にそれぞれ接続される配線L21,L22が平行(或いは、ほぼ平行)に形成されている。
スイッチ30a,30b及びスイッチ40a,40bは、配線L11,L12及び配線L21,L22が延びる方向と交差する方向(交差方向)に一直線状に配置される。具体的に、スイッチ40a,40bは配線L21,L22の近くに配置され、スイッチ30a,30bは配線L11,L12の近くに配置されることにより、スイッチ40a,40bは、交差方向においてスイッチ30a,30bによって挟まれるように配置されている。かかる配置により、配線L11、スイッチ30a、スイッチ40a、及び配線L21が順に接続され、配線L12、スイッチ30b、スイッチ40b、及び配線L22が順に接続されている。
また、配線L11と接続点Q1(スイッチ30aとスイッチ40aとの接続点)との間には、抵抗R11,R12が直列接続されており、配線L12と接続点Q2(スイッチ30bとスイッチ40bとの接続点)との間には、抵抗R21,R22が直列接続されている。加えて、接続点Q1と接続点Q2との間には、抵抗R31,R32,R33が直列接続されている。尚、基板SBの他面側(例えば、裏面側)には、例えばスルーホールを介して接続点Q1,Q2に接続されたコンデンサ10が設けられている。
このように、スイッチ30aに並列接続される抵抗R1(抵抗R11,R12)、スイッチ30bに並列接続される抵抗R2(抵抗R21,R22)、及びコンデンサ10に並列接続される抵抗R3(抵抗R31,R32,R33)は、基板SBの一面側において配線L11,L12間に収まるように配置されている。このため、基板SB上における電圧検出装置1の実装面積を小さくすることができるとともに、複雑な配線をする必要がなくなる。
次に、上記構成における電圧検出装置1の動作について簡単に説明する。説明を簡単にするために、初期状態では、スイッチ30a,30b及びスイッチ40a,40bは何れもオフ状態にされており、バッテリBとコンデンサ10とが非接続状態であるとともに、コンデンサ10と電圧検出回路20とが非接続状態であるとする。
バッテリBの電圧を検出する場合には、まず端子T11,T12に制御信号が入力されてスイッチ30a,30bがオン状態になる。すると、バッテリBとコンデンサ10とが接続状態にされて、コンデンサ10がバッテリBによって充電される。充電が完了すると、コンデンサ10の電圧は、バッテリBの出力電圧と同じ電圧(正確には、抵抗R1〜R3やスイッチ30a,30bの内部抵抗を考慮すると、バッテリBの出力電圧とほぼ同じ電圧)になる。
次いで、端子T11,T12に制御信号が入力されてスイッチ30a,30bがオフ状態にされた後に、端子T21,T22に制御信号が入力されてスイッチ40a,40bがオン状態にされる。これにより、バッテリBとコンデンサ10とが非接続状態にされた後に、コンデンサ10と電圧検出回路20が接続状態にされる。すると、入力端P1,P2間の電圧(バッテリBによって充電されたコンデンサ10の電極間の電圧)が電圧検出回路20によって検出される。このようにして、バッテリBの電圧検出が行われる。
ここで、スイッチ30a,30bがオフ状態になってバッテリBとコンデンサ10とが非接続状態にされると、バッテリBには、直列接続された抵抗R1,R2,R3からなる回路(電圧制限回路)が接続された状態になる。すると、抵抗R1,R2,R3には、微少な電流(バッテリBの出力電圧の検出精度に影響を与えることがない程度の微少な電流)が流れ、スイッチ30a,30bに印加される電圧が制限される。これにより、スイッチ30aでマイグレーションが生ずるのが防止される。
以上の通り、本実施形態では、スイッチ30a,30bに抵抗R1(直列接続された抵抗R11,R12)及び抵抗R2(直列接続された抵抗R21,R22)をそれぞれ並列接続するとともに、コンデンサ10に抵抗R3(直列接続された抵抗R31,R32,R33)を並列接続し、スイッチ30a,30bがバッテリBとコンデンサ10とを非接続状態にしているときにスイッチ30a,30bに印加される電圧を制限するようにしている。このため、簡易な構成でマイグレーションによる短絡現象を防止することができる。
以上、本発明の一実施形態による蓄電池システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、理解を容易にするために、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)等の自動車に搭載されるバッテリの出力電圧を検出する電圧検出装置を例に挙げて説明したが、本発明は自動車以外の二輪車や船舶等の移動体に搭載されるバッテリの出力電圧を検出する電圧検出装置にも適用可能である。
1…電圧検出装置、10…コンデンサ、20…電圧検出回路、30a,30b…スイッチ、40a,40b…スイッチ、B…バッテリ、P1,P2…入力端、R1〜R3…抵抗

Claims (5)

  1. バッテリによって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を検出する検出回路と、前記バッテリと前記コンデンサとを接続状態又は非接続状態にする第1スイッチ素子と、前記コンデンサと前記検出回路とを接続状態又は非接続状態にする第2スイッチ素子とを備える電圧検出装置において、
    前記第1スイッチ素子に並列接続された第1抵抗部と前記コンデンサに並列接続された第2抵抗部とを備えており、前記第1スイッチ素子が前記バッテリと前記コンデンサとを非接続状態にしているときに前記第1スイッチ素子に印加される電圧を制限する電圧制限回路を備えることを特徴とする電圧検出装置。
  2. 前記第1抵抗部は、1つの抵抗又は直列接続された複数の抵抗を備えることを特徴とする請求項1記載の電圧検出装置。
  3. 前記第2抵抗部は、1つの抵抗又は直列接続された複数の抵抗を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電圧検出装置。
  4. 前記第1スイッチ素子は、前記バッテリの正極と前記コンデンサの一方の電極との間、及び前記バッテリの負極と前記コンデンサの他方の電極との間に設けられており、
    前記第1抵抗部は、前記第1スイッチ素子の各々に対して設けられている
    ことを特徴とする請求項1記載の電圧検出装置。
  5. 前記第2スイッチ素子は、前記コンデンサの一方の電極と前記検出回路の一方の入力端との間、及び前記コンデンサの他方の電極と前記検出回路の他方の入力端との間に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電圧検出装置。
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