JP2017003522A - 組電池の電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ノイズの影響を低減して電圧検出精度を向上させることができる組電池の電圧検出装置を提供する。
【解決手段】複数の電池セルBnに対応する第1,第5及び第6スイッチSW1x,SW5x及びSW6xをオンし、第1及び第3コンデンサC1x及びCx3に一斉に電荷を充電する。続いて、第1スイッチSW1xと第5スイッチSW5xの少なくとも一方のスイッチを一斉にオフし、電荷を第1及び第3コンデンサC1x及びCx3に同時に保持する。その後、電池セルBnを順に電圧検出対象として、第4スイッチSW4を一時的にオフした状態で第2コンデンサC2の電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の電池セルBnに対応する第1,第5及び第6スイッチSW1x,SW5x及びSW6xをオフした状態で第2及び第3スイッチSW2x及びSW3xをオンすることで、電池セルBnの電圧VBnを検出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、直列接続された複数の単位電池からなる組電池について各単位電池の電圧を検出する組電池の電圧検出装置に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車には、複数の2次電池(単位電池)を直列に接続して構成される組電池が搭載されている。このような組電池においては、各単位電池の保護管理のため、各単位電池の電圧を個別に検出する必要がある。しかし、上記用途において、組電池を構成する単位電池の直列接続数は非常に多い。このため、組電池における接続位置が高電位側になるに従って単位電池の電位が高くなり、単位電池の電圧検出装置に高い電圧が印加される。
単位電池が劣化すると、内部抵抗の増大、端子開放電圧(起電力)の低下などが生じる。そこで、組電池の管理装置は、各単位電池の電圧と組電池全体に流れる電流とを同時に検出して、各単位電池の内部抵抗および端子開放電圧を高精度に測定する必要がある。特許文献1には、組電池を構成する複数の単位電池を同時にサンプリングして電圧検出する構成が開示されている。
特開2014−14213号公報
特許文献1の構成では、サンプリングによりコンデンサに保持された電荷を順次再分配して電圧を検出するが、検出が行われるまでコンデンサは電荷を保持し続けている。その間に、外来ノイズ等の影響を受けると、コンデンサに保持されている電荷が変化して電圧の検出精度が低下するおそれがある。
例えば、特許文献1の図1に示す構成において、第5スイッチSW5を一斉にオフした際に、電荷を保持している第1コンデンサC1Dの電池側電極(電極A)は、第1スイッチSW1Dがオンしているため電圧V4となっている。一方、逆側の電極(電極B)の電圧は、第5スイッチSW5Dがオフした後も電荷が充電された時の電圧VREFを示している。
この状態で、電圧V4がノイズや電池の放電等により変動すると、電極Aの電圧もその変動に従い変化しようとする。一般に、各スイッチSWはアナログスイッチで構成されることが多いが、前記電圧の変化が一定以上になると、第3,第5スイッチSW3D,SW5Dを構成するMOSFETのバックゲートから、寄生ダイオードを通じて電流が流れるため、第1コンデンサC1Dの電荷が変化してしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズの影響を低減して電圧検出精度を向上させることができる組電池の電圧検出装置を提供することにある。
請求項1記載の組電池の電圧検出装置によれば、差動出力構成のオペアンプを用いて電圧検出を行う。制御手段は、複数の単位電池について各単位電池に対応する第1,第5及び第6スイッチを閉じて第1及び第3コンデンサに電荷を充電し、複数の単位電池について第1スイッチ,第5スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を第1コンデンサに同時に保持する。その後、複数の単位電池を順に電圧検出対象として、第4スイッチを一時的に閉じた状態にして第2コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する第1,第5及び第6スイッチを開いた状態で第2及び第3スイッチを閉じて、各単位電池の電圧を検出する。
つまり、上記の構成は、特許文献1の図11に示す構成において、第1コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に、第3コンデンサ及び第6スイッチからなる直列回路を追加し、制御手段が第6スイッチについても開閉制御を行うようにしたものである。このように構成すれば、電圧検出対象の単位電池には、第1コンデンサと1つ以上の第3コンデンサとが直列に接続される。そのため、これらのコンデンサに電荷が充電されて保持された後に単位電池の電圧が変動しても、第1コンデンサと第3コンデンサとの共通接続点の電圧は、これらの容量で分圧されているので変動の影響が緩和される。したがって、電圧の検出精度を向上させることができる。
請求項2記載の組電池の電圧検出装置によれば、請求項1における差動出力構成のオペアンプに替えて、シングルエンド出力構成のオペアンプを用いる。つまり、この構成は、特許文献1の図1に示す構成に、請求項1と同様に第3コンデンサ及び第6スイッチからなる直列回路を追加し、制御手段が第6スイッチについても開閉制御を行うようにしたものである。したがって、シングルエンド出力構成のオペアンプを用いて請求項1と同様の効果が得られる。
第1の実施形態を示す電圧検出装置の構成図 スイッチのオンオフ状態、出力電圧の波形およびセル電圧の検出状態を示す図
(第1実施形態)
以下では、特許文献1において開示されている構成と同一の部分には同一の符号を付して示す。但し、以下に述べる第3コンデンサC3及び第6スイッチSW6については、特許文献1に開示されている構成とは異なり、本実施形態独自の構成である。図1に示すように、電圧検出装置201は、特許文献1の図11に示す第4の実施形態の構成に、第3コンデンサC3(A〜D)及び第6スイッチSW6(A〜D)からなる直列回路を追加したもので、この直列回路は、第1コンデンサC1と第3スイッチSW3との共通接続点と、固定電位点であるグランドとの間に接続されている。第3コンデンサC3の容量は、第1コンデンサC1の容量よりも大きく設定されている。また制御手段に相当する制御回路202は、制御回路6に替わって配置されている。
尚、特許文献1の図2には、第1及び第2スイッチSW1及びSW2が、PMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタによりアナログスイッチとして構成されていることが示されている。本実施形態では、これらに加えて、少なくとも第3及び第5スイッチSW3及びSW5についてもアナログスイッチで構成されている。規定電圧VREFは、特許文献1と同様に、差動出力構成のオペアンプ52の出力コモンモード電圧として設定される基準電圧に等しく設定されている。また、規定電圧VREFは、第3及び第5スイッチSW3及びSW5のバックゲート電圧(例えば0V,5V)の中間電圧(例えば2.5V)に設定されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。制御回路202は、電池セルB1〜B4の電圧VB1〜VB4に応じた電荷を第1コンデンサC1A〜C1Dに同時に保持する。その後、各スイッチを切り替えて電池セルB1〜B4を降順に電圧検出対象としながら、各保持電荷に対し電荷再分配を実行してセル電圧VB1〜VB4を検出する。A/D変換器3は、電圧検出装置201から順次出力される検出電圧をA/D変換する。図2に示すスイッチのオンオフ状態は、高レベルがオン状態、低レベルがオフ状態である。
[期間1]
制御回路202は、全ての電池セルB1〜B4について、第1スイッチSW1A〜SW1D,第4スイッチSW4,第5スイッチSW5A〜SW5D及び第6スイッチSW6A〜SW6Dをオンし、第2スイッチSW2A〜SW2Dと第3スイッチSW3A〜SW3Dをオフする。これにより、第1コンデンサC1A〜C1Dは、それぞれVn−VREFの電圧で一斉に充電され、第3コンデンサC3A〜C3Dは、何れも基準電圧VREFで充電される(サンプリング)。第2コンデンサC2の電荷は、ゼロに初期化される。
このとき、オフ状態にあるSW2A〜SW2Dには、それぞれ電池セルB1〜B4の電圧VB1〜VB4だけが印加されている。オペアンプ4の入力端子には、電源電圧VDDより低く設定された基準電圧VREFが印加されている。基準電圧VREFと規定電圧VREFは等しいので、スイッチSW3A〜SW3Dには電圧が印加されない。
[期間2]
制御回路202は、第5スイッチSW5A〜SW5Dを一斉に(同時に)オフして、電池セルB1〜B4による電荷を第1コンデンサC1A〜C1D及び第3コンデンサC3A〜C3Dに同時に保持する(ホールド)。電荷をホールドすればよいので、第1スイッチSW1A〜SW1Dを一斉にオフしてもよく、第1スイッチSW1A〜SW1Dと第5スイッチSW5A〜SW5Dを一斉にオフしてもよい。
この時、電池セルBに対して第1コンデンサC1及び第3コンデンサC3が直列に接続されるので、ホールド後に電池セルBの電圧が変動しても、両コンデンサの共通接続点はこれらの容量で分圧された電位となる。したがって、電圧変動の影響は緩和される。また、前述のように、規定電圧VREFを第3及び第5スイッチSW3及びSW5のバックゲート電圧の中間電圧に設定することで、電池セルBの電圧が変動する極性の双方について同程度の変動マージンを設けることができる。
図示しない電流検出装置は、これと同時に組電池1に流れる電流を検出する。期間1、2は、充電期間、ホールド期間であるのみならず、電池セルB4を電圧検出対象とするときの第2コンデンサC2の初期化期間でもある。
[期間3]
制御回路202は、電池セルB4を電圧検出対象とし、電荷再分配の期間4に備えて第1スイッチSW1D,第4スイッチSW4及び第6スイッチSW6Dをオフする。第1スイッチSW1A〜SW1Cは、オンのままでよい。
[期間4]
制御回路202は、電池セルB4について第2スイッチSW2Dと第3スイッチSW3Dをオンする。第1コンデンサC1Dの一端には、電圧V4に替えて電圧V3が印加される。このとき、期間2で第1コンデンサC1D及び第3コンデンサC3Dにホールドされた電荷が、第2コンデンサC2との間で再分配される。また、第6スイッチSW6Dをオフにしていることで、第3コンデンサC3による熱雑音の影響が及んで電圧検出精度が低下することを回避している。
期間3と期間4との間の電荷保存の一般式は、第1コンデンサの容量をC1、第2コンデンサの容量をC2とすれば(1)式となる。電池セルB4についてはVn=V4、Vn-1=V3となる。
C1(Vn−VREF)=C1(Vn-1−VREF)+C2(VOUT−VREF) …(1)
これを解くと(2)式が得られる。
VOUT=C1/C2(Vn−Vn-1)+VREF …(2)
すなわち、オペアンプの出力電圧VOUTは、電荷再分配の後、電池セルB4の端子間電圧(=電池セルB4の電圧VB4)をC1/C2倍し、基準電圧VREFだけオフセットした電圧となる。この場合でも、オフ状態にあるSW2A〜SW2C、SW1Dには、それぞれ電池セルB1〜B4の電圧VB1〜VB4だけが印加される。
[期間5]
制御回路202は、電圧検出対象の電池セルをB4からB3に切り替える。電圧検出対象でなくなった電池セルB4については、第3スイッチSW3Dをオフして第1コンデンサC1DをコモンラインCLから切り離し、第2スイッチSW2Dをオフ、第1スイッチSW1D,第5スイッチSW5D及び第6スイッチSW6Dをオンしてサンプリング動作に移行する。ノンオーバーラップ信号生成回路12の作用により、第1スイッチSW1Dと第2スイッチSW2Dが同時にオンすることはない。制御回路202は、第2コンデンサC2の電荷を初期化するため、本期間の間、一時的に第4スイッチSW4をオンする。以上に説明したように、第6スイッチSW6Dのオンオフ期間は、第1スイッチSW1Dのオンオフ期間に一致する。
[期間6]
制御回路202は、期間3と同様に、電荷再分配の期間7に備えて第1スイッチSW1C,第4スイッチSW4及び第6スイッチSW6Cをオフする。第1スイッチSW1A、SW1B、SW1Dは、オンのままでよい。
[期間7]
制御回路202は、期間4と同様に、電池セルB3について第2スイッチSW2Cと第3スイッチSW3Cをオンする。このとき、期間2で第1コンデンサC1C及び第3コンデンサC3Cにホールドされた電荷が、第2コンデンサC2との間で再分配される。オペアンプ4の出力電圧VOUTは、(2)式(Vn=V3、Vn-1=V2)のようになる。
[期間8〜期間13]
制御回路202は、期間8〜10において電池セルB2を電圧検出対象とし、期間5〜7と同様にして(2)式(Vn=V2、Vn-1=V1)で示す出力電圧VOUTを得る。続いて、期間11〜13において電池セルB1を電圧検出対象とし、期間5〜7と同様にして(2)式(Vn=V1、Vn-1=V0)で示す出力電圧VOUTを得る。
期間1〜13を経て、1回のセル電圧VB1〜VB4の検出が終了する。電圧検出装置2は、管理装置からの指令に従って期間1〜13の処理を繰り返す。
以上説明したように、本実施形態の電圧検出装置201は、電池セルBnを同時にサンプリングした後、そのサンプリングした電荷を用いて順にセル電圧VBnを検出する。電池セルBnごとに第1コンデンサC1x及び第3コンデンサC3xとスイッチとからなる容量切換回路を備えればよいので、電池セルBnごとに専用のA/D変換器を設けて同時サンプリングを実現する構成に比べ、レイアウト面積が格段に小さくて済む。
そして、電池セルBnの電圧Vnをサンプリングしてホールドする際に、第1コンデンサC1x及び第3コンデンサC3xの直列回路に充電を行うので、ホールド後に電圧Vnが変動した場合でも、その変動の影響を軽減できる。また、第3コンデンサC3xの容量を、第1コンデンサC1xの容量よりも大きく設定することで、前記変動の影響を軽減できる度合いをより高めることができる。更に、基準電圧に等しく設定されている規定電圧VREFを、第3及び第5スイッチSW3及びSW5のバックゲート電圧の中間電圧に設定することで、電圧Vnが変動する極性の双方について同程度の変動マージンを設けることができる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
第3コンデンサC3を、2個以上直列に接続しても良い。
また、第3コンデンサが接続される固定電位点を、グランドに替えて電源(の供給点)にしても良い。また、電源に限らず、一定の電圧が供給されている電位点であれば良い。
規定電圧VREFは必ずしも、第3及び第5スイッチSW3及びSW5のバックゲート電圧の中間電圧に設定する必要はない。
第3コンデンサC3の容量は、必ずしも第1コンデンサC1の容量より大きく設定する必要はない。
差動出力構成のオペアンプ(52)に替えて、シングルエンド出力のオペアンプを用いた、特許文献1の図1に示す構成に適用しても良い。すなわち、同図1に示すオペアンプ4の非反転入力端子を所定の基準電圧でバイアスしたものを用い、本実施形態の図1と同様に、第3コンデンサC3及び第6スイッチSW6の直列回路を追加すれば良い。この場合も、各スイッチSW1〜SW6を制御するタイミングチャートは本実施形態の図2と同様になる。
1 組電池、201 組電池の電圧検出装置、202は制御回路(制御手段)、52はオペアンプ、Bn(B1〜B4) 電池セル(単位電池)、C1x(C1A〜C1D) 第1コンデンサ、C2 第2コンデンサ、C3 第3コンデンサ、SW1x(SW1A〜SW1D) 第1スイッチ、SW2x(SW2A〜SW2D) 第2スイッチ、SW3x(SW3A〜SW3D) 第3スイッチ、SW4 第4スイッチ、SW4A、SW4B、SW4Cは第4A、第4B、第4Cスイッチ、SW5x(SW5A〜SW5D) 第5スイッチ、SW6x(SW6A〜SW6D) 第6スイッチ、VREFは基準電圧及び規定電圧。

Claims (4)

  1. 直列接続された複数の単位電池(B1〜B4)からなる組電池(1)について各単位電池の電圧を検出するもので、全差動構成を有する組電池の電圧検出装置であって、
    差動出力構成のオペアンプ(52)と、
    前記各単位電池に対応してそれぞれ設けられた第1コンデンサ(C1A〜C1D)と、
    前記第1コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第1コンデンサの一端との間にそれぞれ設けられた第1、第2スイッチ(SW1A〜SW1D、SW2A〜SW2D)と、
    前記オペアンプの反転入力端子と前記第1コンデンサの他端との間にそれぞれ設けられた第3スイッチ(SW3A〜SW3D)と、
    前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に並列に設けられた第2コンデンサ(C2)および第4スイッチ(SW4)と、
    前記オペアンプの出力コモンモード電圧として設定される基準電圧との電圧差が、スイッチの耐圧以下となる規定電圧が付与された電圧線と前記第1コンデンサの他端との間に設けられた第5スイッチ(SW5A〜SW5D)と、
    前記第1コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に接続される、1つ以上の第3コンデンサと第6スイッチとからなる直列回路と、
    前記オペアンプの反転入力端子と非反転出力端子の側では、前記第1、第2スイッチは、前記第1コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第1コンデンサの一端との間に設けられ、前記第3スイッチは、前記オペアンプの反転入力端子と当該第1コンデンサの他端との間に設けられ、前記第2コンデンサおよび前記第4スイッチは、前記オペアンプの反転入力端子と非反転出力端子との間に並列に設けられ、前記第5スイッチは、前記規定電圧が付与された電圧線と前記第1コンデンサの他端との間に設けられ、
    前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子の側では、前記第1、第2スイッチは、前記第1コンデンサに対応する単位電池の低電位側端子、高電位側端子と当該第1コンデンサの一端との間に設けられ、前記第3スイッチは、前記オペアンプの非反転入力端子と当該第1コンデンサの他端との間に設けられ、前記第2コンデンサおよび前記第4スイッチは、前記オペアンプの非反転入力端子と反転出力端子との間に並列に設けられ、前記第5スイッチは、前記規定電圧が付与された電圧線と前記第1コンデンサの他端との間に設けられ、
    前記複数の単位電池について各単位電池に対応する前記第1,第5及び第6スイッチを閉じて前記第1及び第3コンデンサに電荷を充電し、前記複数の単位電池について前記第1スイッチと前記第5スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を前記第1コンデンサに同時に保持し、その後、前記複数の単位電池を順に電圧検出対象として、前記第4スイッチを一時的に閉じた状態にして前記第2コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する前記第1,第5及び第6スイッチを開いた状態で前記第2スイッチと前記第3スイッチを閉じることにより、各単位電池の電圧を検出する制御手段(6)とを備えたことを特徴とする組電池の電圧検出装置。
  2. 直列接続された複数の単位電池(B1〜B4)からなる組電池(1)について各単位電池の電圧を検出する組電池の電圧検出装置であって、
    非反転入力端子が所定の基準電圧にバイアスされたシングルエンド出力構成のオペアンプと、
    前記各単位電池に対応してそれぞれ設けられた第1コンデンサ(C1A〜C1D)と、
    前記第1コンデンサに対応する単位電池の高電位側端子、低電位側端子と当該第1コンデンサの一端との間にそれぞれ設けられた第1、第2スイッチ(SW1A〜SW1D、SW2A〜SW2D)と、
    前記オペアンプの反転入力端子と前記第1コンデンサの他端との間にそれぞれ設けられた第3スイッチ(SW3A〜SW3D)と、
    前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に並列に設けられた第2コンデンサ(C2)および第4スイッチ(SW4)と、
    前記基準電圧との電圧差がスイッチの耐圧以下となる規定電圧が付与された電圧線と前記第1コンデンサの他端との間に設けられた第5スイッチ(SW5A〜SW5D)と、
    前記第1コンデンサの他端と一定の電圧を示す固定電位点との間に接続される、1つ以上の第3コンデンサと第6スイッチとからなる直列回路と、
    前記複数の単位電池について各単位電池に対応する前記第1,第5及び第6スイッチを閉じて前記第1及び第3コンデンサに電荷を充電し、前記複数の単位電池について前記第1スイッチと前記第5スイッチの少なくとも一方のスイッチを開いて電荷を前記第1コンデンサに同時に保持し、その後、前記複数の単位電池を順に電圧検出対象として、前記第4スイッチを一時的に閉じた状態にして前記第2コンデンサの電荷を初期化した後、当該電圧検出対象の単位電池に対応する前記第1,第5及び第6スイッチを開いた状態で前記第2スイッチと前記第3スイッチを閉じることにより、各単位電池の電圧を検出する制御手段(6)とを備えたことを特徴とする組電池の電圧検出装置。
  3. 前記第3及び第5スイッチは、アナログスイッチで構成され、
    前記基準電圧の電位は、前記第3及び第5スイッチを駆動するために供給される電圧の中間電位に設定されていることを特徴とする請求項1又は2記載の組電池の電圧検出装置。
  4. 前記第3コンデンサの容量は、前記第1コンデンサの容量よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の組電池の電圧検出装置。
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