JP2014190765A - 電圧検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】低電圧側及び高電圧側の双方における検出精度を高めることができる電圧検出回路の提供。
【解決手段】電圧検出回路は、バッテリの正極側と負極側との間に接続される分圧抵抗と、前記分圧抵抗で分圧された電圧を測定する差動増幅回路と、前記分圧抵抗の中点に前記差動増幅回路の出力電圧の1/2の電圧を与える回路部とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】電圧検出回路は、バッテリの正極側と負極側との間に接続される分圧抵抗と、前記分圧抵抗で分圧された電圧を測定する差動増幅回路と、前記分圧抵抗の中点に前記差動増幅回路の出力電圧の1/2の電圧を与える回路部とを備える。
【選択図】図1
Description
本開示は、電圧検出回路に関する。
従来から、組電池の+端子と−端子との間に接続された分圧抵抗の中点に一定電位を与え、分圧抵抗で分圧された電圧を差動増幅回路を介して測定する組電池の総電圧検出回路が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記の特許文献1に記載の構成では、分圧抵抗の中点に与えられる電位が一定である構成であるため、測定精度が悪くなるという問題がある。例えば、分圧抵抗の中点に与えられる電位がグランド電位である場合(上記の特許文献1の図5参照)は、高電圧側の測定精度が悪くなる一方、分圧抵抗の中点に与えられる電位が作動電源の1/2である場合(上記の特許文献1の図1参照)は、低電圧側の測定精度が悪くなるという問題がある。
そこで、本開示は、低電圧側及び高電圧側の双方における検出精度を高めることができる電圧検出回路の提供を目的とする。
本開示の一局面によれば、バッテリの正極側と負極側との間に接続される分圧抵抗と、
前記分圧抵抗で分圧された電圧を測定する差動増幅回路と、
前記分圧抵抗の中点に前記差動増幅回路の出力電圧の1/2の電圧を与える回路部とを備える、電圧検出回路が提供される。
前記分圧抵抗で分圧された電圧を測定する差動増幅回路と、
前記分圧抵抗の中点に前記差動増幅回路の出力電圧の1/2の電圧を与える回路部とを備える、電圧検出回路が提供される。
本開示によれば、低電圧側及び高電圧側の双方における検出精度を高めることができる電圧検出回路が得られる。
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
図1は、電圧検出回路1の一実施例を示す図である。電圧検出回路1は、図1に示すように、バッテリ10に接続され、バッテリ10の両端電圧を検出する。
バッテリ10は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった任意の二次電池であってよい。また、バッテリ10は、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ(コンデンサ)であってもよい。また、バッテリ10は、複数の単電池を組み合わせた電池スタックから形成されてもよい。この場合、単電池の数は、要求出力等に基づいて、適宜決定されてよい。バッテリ10の電圧Vpnの定格値は、一般的に高電圧であれば任意であり、例えば100V以上であり、例えば650Vであってよい。
バッテリ10は、典型的には、車両に搭載される。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させるための動力源として、電気モータ及び内燃機関を備える車両である。電気自動車は、車両の動力源として電気モータのみを備える車両である。いずれの場合も、バッテリ10は、車両走行用モータの電力源として使用されてよい。この場合、バッテリ10は、インバータを介して車両走行用モータ(3相モータ)に接続される。この際、インバータは、バッテリ10の正極側と負極側との間に、DC/DCコンバータや平滑化コンデンサ等を介して接続されてよい。インバータは、バッテリ10の正極ラインと負極ラインとの間に互いに並列に配置されるU相、V相、W相の各アームから形成されてよい。
電圧検出回路1は、図1に示すように、分圧抵抗20と、差動増幅回路30と、ボルテージフォロア40とを備える。電圧検出回路1は、バッテリ10の電圧Vpnを低電圧に分圧して検出する。例えば、電圧検出回路1は、バッテリ10の電圧Vpnを分圧抵抗20で1/100に分圧し、分圧抵抗20で分圧された電圧を差動増幅回路30を介して検出する。
電圧検出回路1は、例えば、車両走行用モータを駆動するために設けられるインバータ(図示せず)に組み込まれてよい。この場合、電圧検出回路1は、インバータの正極側と負極側の間の電圧(例えば、平滑コンデンサの両端電圧)を検出する。
分圧抵抗20は、バッテリ10の正極側と負極側との間に接続される。分圧抵抗20は、バッテリ10の正極側から負極側に向かって順に第1抵抗R1、第2抵抗R2、第4抵抗R4及び第3抵抗R3を含む。第1抵抗R1、第2抵抗R2、第4抵抗R4及び第3抵抗R3は、バッテリ10の正極側と負極側との間に直列に接続される。第1抵抗及び第3抵抗R3は、比較的高い抵抗であり、バッテリ10の電圧Vpnを低電圧に分圧するために設けられる。第2抵抗R2及び第4抵抗R4は、電圧測定用の分圧を行うために設けられる。第1抵抗R1及び第3抵抗R3は、理想状態では互いに等しい抵抗値を持つ(但し、実際には、所定の許容誤差範囲内でばらつく)。同様に、第2抵抗R2及び第4抵抗R4は、理想状態では互いに等しい抵抗値を持つ(但し、実際には、所定の許容誤差範囲内でばらつく)。尚、例えば、第2抵抗R2及び第4抵抗R4は、10kΩのオーダーであってよく、第1抵抗R1及び第3抵抗R3は、例えば10megΩのオーダーであってよい。
差動増幅回路30は、分圧抵抗20で分圧された電圧を測定する。差動増幅回路30は、図1に示すように、オペアンプにより形成されてよい。差動増幅回路30は、バッテリ10の電圧Vpnに応じた出力電圧Voutを出力する。これにより、差動増幅回路30の出力電圧Voutに基づいてバッテリ10の電圧Vpnを検出することができる。尚、図1に示す例では、差動増幅回路30は、単電源(作動電源Vdd)で動作しているが、両電源で動作してもよい。
ボルテージフォロア40は、オペアンプにより形成されてよい。尚、図1に示す例では、ボルテージフォロア40は、単電源(Vdd)で動作しているが、両電源で動作してもよい。尚、ボルテージフォロア40のオペアンプと差動増幅回路30のオペアンプとは、電圧検出回路1全体としての小型化を図るために、オペアンプ2個入りのパッケージ(8ピン)により構成されてもよい。
ボルテージフォロア40の非反転入力端子には、差動増幅回路30の出力電圧Voutの1/2の電位が付与される。ボルテージフォロア40の出力端子は、分圧抵抗20の中点Mに接続される。これにより、ボルテージフォロア40は、分圧抵抗20の中点Mに差動増幅回路30の出力電圧Voutの1/2の電圧を与える。
図1に示す例では、電圧検出回路1は、第5抵抗R5と、第6抵抗R6と、第7抵抗R7と、第8抵抗R8と、第9抵抗R9と、第10抵抗R10とを含む。
第5抵抗R5は、第1抵抗R1及び第2抵抗R2の接続点P1と差動増幅回路30の非反転入力端子との間に接続される。
第6抵抗R6は、差動増幅回路30の非反転入力端子及び第5抵抗R5の接続点P2とグランドとの間に接続される。
第7抵抗R7は、第3抵抗R3及び第4抵抗R4の接続点P3と差動増幅回路30の反転入力端子との間に接続される。
第8抵抗R8は、差動増幅回路30の反転入力端子及び第7抵抗R7の接続点P4と差動増幅回路30の出力端子との間に接続される。
第9抵抗R9及び第10抵抗R10は、差動増幅回路30の出力端子及び第8抵抗R8の接続点P5とグランドとの間に直列に接続される。
第5抵抗及び第7抵抗R7は、理想状態では互いに等しい抵抗値を持つ(但し、実際には、所定の許容誤差範囲内でばらつく)。同様に、第6抵抗R6及び第8抵抗R8は、理想状態では互いに等しい抵抗値を持つ(但し、実際には、所定の許容誤差範囲内でばらつく)。同様に、第9抵抗R9及び第10抵抗R10は、理想状態では互いに等しい抵抗値を持つ(但し、実際には、所定の許容誤差範囲内でばらつく)。
第9抵抗R9及び第10抵抗R10の接続点P6は、ボルテージフォロア40の非反転入力端子に接続される。これにより、差動増幅回路30の出力電圧Voutの分圧値(第9抵抗R9及び第10抵抗R10の抵抗値が実質的に等しいので、出力電圧Voutの1/2)がボルテージフォロア40の非反転入力端子に与えられる。
図2は、第1比較例による電圧検出回路100を示す図であり、図3は、第2比較例による電圧検出回路200を示す図である。
図2に示す第1比較例による電圧検出回路100は、図1を参照して説明した本実施例の電圧検出回路1に対して、分圧抵抗の中点M(R2とR4の中点M)に作動電源Vdd1/2の電圧が与えられている点が、主に異なる。尚、抵抗R110と抵抗R120とは抵抗値が実質的に同じとされる。尚、第1比較例では、第1抵抗R1乃至第8抵抗R8の各抵抗値は、本実施例の電圧検出回路1における第1抵抗R1乃至第8抵抗R8の各抵抗値とそれぞれ同じであるとする。
図3に示す第2比較例による電圧検出回路200は、図1を参照して説明した本実施例の電圧検出回路1に対して、分圧抵抗の中点M(R2とR4の中点M)にグランドが接続されている点が、主に異なる。尚、第2比較例では、第1抵抗R1乃至第8抵抗R8の各抵抗値は、本実施例の電圧検出回路1における第1抵抗R1乃至第8抵抗R8の各抵抗値とそれぞれ同じであるとする。
本実施例と、第1比較例及び第2比較例を比較するに、本実施例の場合、オペアンプを理想オペアンプとみなしたとき、出力電圧Voutは、次の式で表される。
尚、ここでは、各抵抗の抵抗値は、「R*」で表し、*は、各抵抗のRの後に付された数字に対応する。
他方、第1比較例の場合、オペアンプを理想オペアンプとみなしたとき、出力電圧Voutは、次の式で表される。
また、第2比較例の場合、オペアンプを理想オペアンプとみなしたとき、出力電圧Voutは、次の式で表される。
第1比較例の場合、数2の式から分かるように、分子にはR8を含んだ項が存在する(また、R6,R8に対称性がある)一方、分母には、R8を含んだ項は全く表れない。第2比較例の場合も同様に、数3の式から分かるように、分子にはR8を含んだ項が存在する(また、R6,R8に対称性がある)一方、分母には、R8を含んだ項は全く表れない。これは、R8の公差の影響は、分子側のみ現れ、出力電圧Voutの誤差に結びつきやすいことを意味する。
これに対して、本実施例の場合、数1の式から分かるように、分子にはR8を含んだ項が存在する(また、R6,R8に対称性がある)し、分母にもR8を含んだ項(また、R6,R8に対称性がある)。これは、R8の公差の影響は、分子及び分母の双方に現れ、少なくとも部分的な相殺によって出力電圧Voutの誤差に結びつき難いことを意味する。従って、本実施例によれば、第8抵抗R8の公差に起因した出力電圧Voutの誤差を低減することができる。
また、第1比較例の場合、数2の式から分かるように、分母に、(Vdd/2)で括られた項が存在する。これは、Vpnが低いとき(低電圧側であるとき)でも出力電圧Voutの誤差が生じやすいことを意味する。即ち、Vpnが低いときは、(Vdd/2)で括られた項の影響を受けやすくなり、出力電圧Voutの誤差が生じやすくなる。
これに対して、本実施例の場合、数1の式から分かるように、分母には、Vpnで括られた項しか存在しない。即ち、分母には、(Vdd/2)で括られた項等が存在しない。これは、Vpnが低いとき(低電圧側であるとき)に出力電圧Voutの誤差が生じ難いことを意味する。従って、本実施例によれば、Vpnが低いときにおける出力電圧Voutの誤差を低減することができる。
図4は、本実施例と第1比較例及び第2比較例との間における回路の動作上の相違の説明図であり、(A)は本実施例の場合を示し、(B)は第1比較例の場合を示し、(C)は第2比較例の場合を示す。図4においては、差動増幅回路(オペアンプ)30の入力インピーダンスが∞であることに基づいて回路が簡略化して表現されている。
第1比較例の場合、図4(B)に示すように、差動増幅回路30の出力端子(Vout)と中点Mとの間の電位差は、(Vout−Vdd/2)である。また、第6抵抗R6のグランド側と中点Mとの間の電位差は、Vdd/2である。基本的には(Vout−Vdd/2)≠Vdd/2であるので、回路動作は上下(中点Mに対して上側と下側)で対称とならない。即ち、Vout=Vddであるとき以外は、回路動作は上下で対称とならない。尚、接続点P2と接続点P4は、オペアンプの動作(イマジナリショート)により同電位となる。
第2比較例の場合、図4(C)に示すように、差動増幅回路30の出力端子(Vout)と中点Mとの間の電位差は、Voutである。また、第6抵抗R6のグランド側と中点Mとの間の電位差は、0である。基本的にはVout≠0であるので、回路動作は上下で対称とならない。即ち、Vout=0であるとき以外は、回路動作は上下で対称とならない。
これに対して、本実施例の場合、図4(A)に示すように、差動増幅回路30の出力端子(Vout)と中点Mとの間の電位差は、常に出力電圧Voutの1/2である。また、第6抵抗R6のグランド側と中点Mとの間の電位差は、常に出力電圧Voutの1/2である。これは、上述の如く、中点Mには出力電圧Voutの1/2が常に与えられているためである。従って、本実施例の場合は、回路動作は常に(Voutの如何に拘らず)上下で対称となる。これは、抵抗R8の公差の影響は少なくとも部分的な相殺によって出力電圧Voutの誤差に結びつき難いことを意味する。従って、本実施例によれば、抵抗R8の公差に起因した出力電圧Voutの誤差を低減することができる。
図5は、本実施例と第1比較例との間における出力電圧精度の特性の比較を示す図である。ここでは、理想状態の抵抗値をそれぞれR1=10megΩ、R3=10megΩ、R2=30kΩ、R4=30kΩ、R5=3kΩ、R7=3kΩ、R6=110.03kΩ、R8=110.03kΩとする。そして、各抵抗値の抵抗許容差±5%として、モンテカルロ法にて、バッテリ10の電圧Vpnの各値に対して出力電圧Voutの取りうるばらつき(誤差)の上限ラインと下限ラインを算出すると、図5に示すグラフのような特性となる。尚、実際には、出力電圧Voutの範囲は、差動増幅回路30の作動電源の範囲に規定されるが、ここでは、かかる規制がないものとしている。
第1比較例の場合、上述の如く、図5に示すように、Vpnが低いとき(低電圧側であるとき)出力電圧Voutの誤差が大きく現れている。これに対して、本実施例の場合は、Vpnが低いときの出力電圧Voutの誤差が低減されていることが分かる。尚、本実施例の場合、第9抵抗R9及び第10抵抗R10が存在するため、第9抵抗R9及び第10抵抗R10の誤差が出力電圧Voutの誤差要因となりうる。しかしながら、第9抵抗R9及び第10抵抗R10の誤差が例えば同等の抵抗許容差±5%であるとき、上記の条件下では出力電圧Voutの最大誤差に影響しないことが計算上確認された。
図6は、本実施例と第2比較例との間における出力電圧精度の特性の比較を示す図である。同様に、ここでも、理想状態の抵抗値をそれぞれR1=10megΩ、R3=10megΩ、R2=30kΩ、R4=30kΩ、R5=3kΩ、R7=3kΩ、R6=110.03kΩ、R8=110.03kΩとする。そして、各抵抗値の抵抗許容差±5%として、モンテカルロ法にて、バッテリ10の電圧Vpnの各値に対して出力電圧Voutの取りうるばらつき(誤差)の上限ラインと下限ラインを算出すると、図6に示すグラフのような特性となる。尚、実際には、出力電圧Voutの範囲は、差動増幅回路30の作動電源の範囲に規定されるが、ここでは、かかる規制がないものとしている。
第2比較例の場合、図5に示すように、Vpnが高いとき(高電圧側であるとき)出力電圧Voutの誤差が大きく現れている。これに対して、本実施例の場合は、Vpnが高いときの出力電圧Voutの誤差が低減されていることが分かる。
このように本実施例によれば、バッテリ10の電圧Vpnが低電圧である場合でも高電圧である場合でも高い精度で出力電圧Voutを検出することができる。即ち、本実施例によれば、基準電位(中点Mの電位)が出力電圧Voutに応じて変化する結果、バッテリ10の電圧Vpnの値の取りうる範囲(検出電圧範囲)の全体に亘って回路が対称的に動作するので、高精度な電圧検出回路1を実現することができる。
また、本実施例によれば、追加部品も少なく低コストで高精度な電圧検出回路1を実現することができる。これにより、電圧検出回路1がインバータに組み込まれる場合は、インバータの小型化に寄与することができる。また、上述の如く高い精度で出力電圧Voutを検出することができるため、電圧検出回路1の後段に過電圧保護回路が接続される場合は、過電圧保護回路の過電圧検出レベルもバラツキを低減することができる。これにより、高い信頼性でインバータのパワー素子(例えば、IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)や平滑コンデンサを保護することが可能となる。或いは、低耐圧の素子を使用することも可能となる。
図7は、他の実施例による電圧検出回路2を示す図である。
本実施例の電圧検出回路2は、図1に示した電圧検出回路1に対して、ボルテージフォロア40が非反転増幅回路42に置換された点が主に異なる。これに伴い、第9抵抗R9及び第10抵抗R10は、理想状態では互いに異なる抵抗値をもつ。ここでは、一例として、R9:R10=3:1であるとする。
非反転増幅回路42は、オペアンプにより形成されてよい。尚、図7に示す例では、非反転増幅回路42は、単電源(Vdd)で動作しているが、両電源で動作してもよい。尚、非反転増幅回路42のオペアンプと差動増幅回路30のオペアンプとは、全体としての小型化を図るために、オペアンプ2個入りのパッケージ(8ピン)により構成されてもよい。
非反転増幅回路42の反転入力端子には、負帰還、即ち非反転増幅回路42の出力電圧を抵抗R11と抵抗R12によって分圧された電圧が与えられる。抵抗R11及び抵抗R12は互いに等しい。即ちR11:R12=1:1である。これにより、出力電圧Voutは、第9抵抗R9及び第10抵抗R10により1/4に分圧された後、非反転増幅回路42により2倍増幅される。この結果、図1に示した電圧検出回路1と同様、分圧抵抗20の中点Mには、差動増幅回路30の出力電圧Voutの1/2の電圧が与えられる。
図7に示す電圧検出回路2によれば、図1に示した電圧検出回路1と実質的に同様の効果を得ることができる。尚、図7に示す例では、第9抵抗R9及び第10抵抗R10は、R9:R10=3:1であったが、他の抵抗比であってもよい。例えば、R9:R10=7:1であれば、非反転増幅回路42の増幅度を4にすればよい。
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
例えば、上述した実施例では、電圧検出回路1、2は、インバータに組み込まれているが、インバータの外部に設けられてもよいし、他の装置内に組み込まれてもよい。
また、上述した実施例では、電圧検出回路1、2は、接続点P1と第5抵抗R5との間にバッファを備えておらず、また、接続点P3と第7抵抗R7との間にバッファを備えていない。しかしながら、電圧検出回路1、2は、接続点P1と第5抵抗R5との間にバッファを備えると共に、接続点P3と第7抵抗R7との間にバッファを備えてもよい。
1,2 電圧検出回路
10 バッテリ
20 分圧抵抗
30 差動増幅回路
40 ボルテージフォロア
42 非反転増幅回路
10 バッテリ
20 分圧抵抗
30 差動増幅回路
40 ボルテージフォロア
42 非反転増幅回路
Claims (4)
- バッテリの正極側と負極側との間に接続される分圧抵抗と、
前記分圧抵抗で分圧された電圧を測定する差動増幅回路と、
前記分圧抵抗の中点に前記差動増幅回路の出力電圧の1/2の電圧を与える回路部とを備える、電圧検出回路。 - 前記分圧抵抗は、前記バッテリの正極側から負極側に向かって順に第1抵抗、第2抵抗、第4抵抗及び第3抵抗を含み、
前記第1抵抗及び前記第2抵抗の接続点と前記差動増幅回路の第1入力端子との間に接続される第5抵抗と、
前記差動増幅回路の第1入力端子及び前記第5抵抗の接続点とグランドとの間に接続される第6抵抗と、
前記第3抵抗及び前記第4抵抗の接続点と前記差動増幅回路の第2入力端子との間に接続される第7抵抗と、
前記差動増幅回路の第2入力端子及び前記第7抵抗の接続点と前記差動増幅回路の出力端子との間に接続される第8抵抗とを更に備え、
前記回路部は、差動増幅回路の出力端子及び前記第8抵抗の接続点と、前記第2抵抗及び前記第4抵抗の接続点との間に接続される、請求項1に記載の電圧検出回路。 - 前記差動増幅回路の出力端子及び前記第8抵抗の接続点とグランドとの間に直列に接続される第9抵抗及び第10抵抗を更に備え、
前記回路部は、ボルテージフォロア回路を含み
前記ボルテージフォロア回路を形成するオペアンプの出力端子は、前記第2抵抗及び前記第4抵抗の接続点に接続され、
前記オペアンプの非反転入力端子は、前記第9抵抗及び前記第10抵抗の接続点に接続される、請求項2に記載の電圧検出回路。 - 前記差動増幅回路の出力端子及び前記第8抵抗の接続点とグランドとの間に直列に接続される第9抵抗及び第10抵抗を更に備え、
前記回路部は、非反転増幅回路を含み、
前記非反転増幅回路を形成するオペアンプの出力端子は、前記第2抵抗及び前記第4抵抗の接続点に接続され、
前記オペアンプの非反転入力端子は、前記第9抵抗及び前記第10抵抗の接続点に接続され、
前記非反転増幅回路の増幅度は、前記差動増幅回路の出力電圧の1/2が前記第2抵抗及び前記第4抵抗の接続点に与えられるように、前記第9抵抗及び前記第10抵抗の抵抗比に応じて決定される、請求項1に記載の電圧検出回路。
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