JP2020165846A - 半導体装置及び電池電圧の測定方法 - Google Patents

半導体装置及び電池電圧の測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電池電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる、半導体装置及び電池電圧の測定方法を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、第１の接続線Ｌ１及び第２の接続線Ｌ２に接続される電圧計測回路３０と、第１の接続線Ｌ１に接続される第１のスイッチＳＷＥ１と、第２の接続線Ｌ２に接続される第２のスイッチＳＷＥ２と、出力端が第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣ１の低電位側に接続されているバッファ回路Ｂｕｆｆ１と、最上段の電池セルＣｎの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定するときに、第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２をオンするように制御するＣＮＴ１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び電池電圧の測定方法に関するものである。
従来から、複数の電池セルを直列（多段）に接続した組電池を用いることにより、高電圧を生成することが行われている。一般に、組電池に含まれる電池セルの電池電圧は、組電池に接続された電池電圧測定用の半導体装置により測定される。
このような電池電圧測定用の半導体装置として、電池セルの高電位側の電圧と、電池セルの低電位側の電圧とが入力されるアナログレベルシフタを備え、高電位側の電圧と低電位側の電圧との差に基づいて電池電圧を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１−２３２１６１号公報
近年、電池電圧測定用の半導体装置においては、端子数の削減が要求されている。端子数を削減することにより、パッケージサイズの縮小、すなわち、装置の小型化を図ることができる。
しかしながら、特許文献１に記載の技術において、電池セルの電池電圧に応じた電圧が入力される入力端子を削減しようとした場合、寄生容量が発生し、発生した寄生容量に蓄積された電荷に応じた電圧が誤差となるため、電池電圧の測定が正確にできないという問題が生じる場合がある。
本発明は、上述した問題を解決するために提案されたものであり、電池電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる、半導体装置及び電池電圧の測定方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第１の発明に係る半導体装置は、第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、第１の接続線に接続される第１のスイッチと、第２の接続線に接続される第２のスイッチと、出力端が第１のスイッチ及び第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されているバッファ回路と、第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定するときに、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンするように制御する制御部と、を備える。
また、第２の発明に係る半導体装置は、第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、第１の接続線に接続される第１のスイッチと、第２の接続線に接続される第２のスイッチと、出力端が第１のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されている第１のバッファ回路と、出力端が第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの高電位側に接続されている第２のバッファ回路と、第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定するときに、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンするように制御する制御部と、を備える。
また、第３の発明に係る電池電圧の測定方法は、第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、第１の接続線に接続される第１のスイッチと、第２の接続線に接続される第２のスイッチと、出力端が第１のスイッチ及び第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されているバッファ回路と、を備えた半導体装置による電池電圧の測定方法であって、第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定する際に、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンする処理を含む。
また、第４の発明に係る電池電圧の測定方法は、第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、第１の接続線に接続される第１のスイッチと、第２の接続線に接続される第２のスイッチと、出力端が第１のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されている第１のバッファ回路と、出力端が第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの高電位側に接続されている第２のバッファ回路と、を備えた半導体装置による電池電圧の測定方法であって、第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定する際に、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンする処理を含む。
電池電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる、という効果を奏する。
第１実施形態の半導体装置の一例の回路図である。 本実施形態の半導体装置における電池セルの電池電圧の測定動作の一例を表すフローチャートである。 第２実施形態の半導体装置の一例の回路図である。 従来の半導体装置の一例の回路図である。
以下、図面を参照して、本発明の半導体装置の一例である電池電圧測定用の半導体装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１形態の半導体装置の構成について図面を参照して説明する。図１には、第１実施形態の半導体装置１０の一例の回路図を示す。
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置１０は、制御部（以下、「ＣＮＴ」という。）１２と、スイッチ群２０と、電圧計測回路３０と、を備える。
本実施の形態の半導体装置１０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎ（以下、総称する場合は、「電池セルＣ」という。）の各々の電池電圧を測定するための機能を有する。複数の電池セルＣ１〜Ｃｎは、電池セルＣ１を最下段とし、電池セルＣｎを最上段として直列に接続されている。なお、本実施の形態では、直列に接続された電池セルＣのうち、最高電位側を最上段、最低電位側を最下段という。電池セルの具体的一例としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等が挙げられる。電池セルＣ１は、第１の電池セルの一例である。また、電池セルＣｎは、第２の電池セルの一例である。
なお、図１には、最下段の電池セルＣ１から最上段の電池セルＣｎが直列に接続されているが、最下段の電池セルＣ１よりも更に下位に電池セルが存在しており、かつ最上段の電池セルＣｎよりも更に上位に電池セルが存在している。
電池セルＣ１〜Ｃｎの各々は、ローパスフィルタＬＰＦ０〜ＬＰＦｎ（以下、総称する場合は「ローパスフィルタＬＰＦ」という。）を介して、半導体装置１０に接続されている。本実施の形態のローパスフィルタＬＰＦ０〜ＬＰＦｎ各々は、抵抗素子ＲＬｐｆ（ＲＬｐｆ１〜ＲＬｐｆ４）及び容量素子ＣＬｐｆ（ＣＬｐｆ１〜ＣＬｐｆ４）を組み合わせた、いわゆるＲＣフィルタである。
例えば、半導体装置１０には、ローパスフィルタＬＰＦ１を介して、電池セルＣ１の高電位側の電圧が入力される。また、半導体装置１０には、ローパスフィルタＬＰＦ０を介して電池セルＣ１の低電位側の電圧が入力される。
スイッチ群２０は、スイッチＳＷｎ、ＳＷｎ−１，１，ＳＷｎ−１，２，・・・，ＳＷ１，１，ＳＷ１，２，ＳＷ０，ＳＷＥ１，ＳＷＥ２を備える。以下では、スイッチ群２０が備えるこれらのスイッチを総称する場合は、「スイッチ群２０のスイッチＳＷ」という。また、スイッチ群２０は、バッファ回路Ｂｕｆｆ１を備えている。
ＣＮＴ１２は、半導体装置１０の外部に設けられたＭＣＵ（Memory Control Unit）から入力される制御信号に基づいて、半導体装置１０のスイッチＳＷの各々のオン、オフを制御する機能を有する。
第１の接続線Ｌ１は、ＣＮＴ１２によるスイッチＳＷのオンオフ制御に応じて、電圧測定の対象である電池セルＣの高電位側に接続される。また、第２の接続線Ｌ２は、ＣＮＴ１２によるスイッチＳＷのオンオフ制御に応じて、電圧測定の対象である電池セルＣの低電位側に接続される。例えば、電圧測定の対象として最上段の電池セルＣｎが選択された場合には、スイッチＳＷｎとスイッチＳＷｎ−１，２とがオンされる。
電圧計測回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの各々の電圧を計測する。電圧計測回路３０は、図１に示されるように、第１の接続線Ｌ１及び第２の接続線Ｌ２に接続される。
ここで、寄生容量について説明する。図１に示されるように、第１の接続線Ｌ１には寄生容量Ｃｐ１が発生し、第２の接続線Ｌ２には寄生容量Ｃｐ２が発生する。これらの寄生容量に蓄積された電荷は、電池電圧を測定する際に測定誤差を生じさせる。
図４に、従来の電池電圧測定用の半導体装置を示す。図４に示されるように、最下段の電池セルＣ１とは異なる上位の電池セルＣの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１を測定する場合、寄生容量Ｃｐ１及び寄生容量Ｃｐ２に蓄積された電荷によって、残電荷電流が最下段の電池セルＣ１へ流れ込む。残電荷電流はＬＰＦ０及びＬＰＦ１に流れ込み、誤差電圧を発生させる。この残電荷電流により、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定する際には測定誤差が生じる。
そこで、本実施形態においては、図１に示されるように、バッファ回路Ｂｕｆｆ１を設ける。バッファ回路Ｂｕｆｆ１は、出力端が第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣ１の低電位側に接続されている。また、第１のスイッチは、第１の接続線に接続される。また、第２のスイッチは、第２の接続線に接続される。
このため、ＣＮＴ１２は、最下段の電池セルＣ１から最上段の電池セルＣｎまで直列に接続された複数の電池セルの各々の電圧を順次測定する場合、最上段の電池セルＣｎの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定するときには、第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２をオンするように制御する。これにより、寄生容量Ｃｐ１及び寄生容量Ｃｐ２に蓄積された電荷は、残電荷電流としてバッファ回路Ｂｕｆｆ１の出力端へ流れる。このため、最下段の電池セルＣ１の電圧が計測される際には、残電荷電流が最下段の電池セルＣ１へ流れ込むことがないため、最下段の電池セルＣ１の電圧を精度良く計測することができる。
次に、本実施の形態の半導体装置１０における電池セルＣの電池電圧の測定動作について、図面を参照して説明する。図２には、本実施の形態の半導体装置１０における測定動作の一例を表すフローチャートを示す。なお、本実施の形態では、最下段の電池セルＣ１から、順次、最上段の電池セルＣｎまで、各電池セルＣの電池電圧を測定する場合について説明する。このため、最上段の電池セルＣｎの電圧が計測された後には、最下段の電池セルＣ１の電圧が計測される。
図２に示した測定動作は、ＣＮＴ１２が、ＭＣＵから電池電圧の測定を行う指示を表す制御信号を受信した場合に実行される。
ステップＳ１００において、ＣＮＴ１２は、電圧を測定する対象の電池セルは、最下段の電池セルＣ１であるか否かを判定する。電圧を測定する対象の電池セルが、最下段の電池セルＣ１である場合には、ステップＳ１０４へ移行する。一方、電圧を測定する対象の電池セルが、最下段の電池セルＣ１でない場合には、ステップＳ１０２へ移行する。
ステップＳ１０２において、ＣＮＴ１２は、測定対象の電池セルＣのスイッチをオンするように制御する。これにより、電圧計測回路３０によって測定対象の電池セルＣの電圧が計測される。例えば、測定対象の電池セルが最上段の電池セルＣｎである場合、第１のスイッチＳＷＥ１と第２のスイッチＳＷＥ２とがオンされ、電圧計測回路３０によって最上段の電池セルＣｎの電圧が計測される。
ステップＳ１０４において、ＣＮＴ１２は、第１のスイッチＳＷＥ１と第２のスイッチＳＷＥ２とをオンするように制御する。これにより、寄生容量Ｃｐ１及び寄生容量Ｃｐ２に溜まった残電荷は、残電荷電流としてバッファ回路Ｂｕｆｆ１の出力端へ流れる。
最下段の電池セルＣ１の電圧を計測する際には、最上段の電池セルＣｎを含む上位の電池セルの電圧が計測された後であるため、寄生容量Ｃｐ１及び寄生容量Ｃｐ２に残電荷が溜まる。このため、上記ステップＳ１０４において、第１のスイッチＳＷＥ１と第２のスイッチＳＷＥ２とをオンするように制御し、寄生容量Ｃｐ１及び寄生容量Ｃｐ２に溜まった残電荷を残電荷電流としてバッファ回路Ｂｕｆｆ１の出力端へ流すようにする。
ステップＳ１０６において、ＣＮＴ１２は、スイッチＳＷ１，１とスイッチＳＷ０とをオンするように制御する。これにより、電圧計測回路３０によって測定対象の最下段の電池セルＣ１の電圧が計測される。
ステップＳ１０８において、全ての電池セルＣの電圧を測定したか否か判定する。全ての電池セルＣの電圧を測定した場合には処理を終了する。一方、電圧を測定していない電池セルＣが存在する場合には、ステップＳ１１０において、次の測定対象の電池セルＣが設定される。そして、全ての電池セルＣの電圧の測定が終了するまで、ステップＳ１００〜Ｓ１０８の処理が繰り返される。
以上説明したように、本実施の形態の半導体装置１０は、最下段の電池セルＣ１から最上段の電池セルＣｎまで直列に接続された複数の電池セルＣと、電圧測定の対象である電池セルの高電位側に接続される第１の接続線Ｌ１と、電圧測定の対象である電池セルの低電位側に接続される第２の接続線Ｌ２と、第１の接続線Ｌ１及び第２の接続線Ｌ２に接続される電圧計測回路３０と、出力端が第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣｎの低電位側に接続されているバッファ回路Ｂｕｆｆ１と、ＣＮＴ１２と、を備える。ＣＮＴ１２は、最上段の電池セルＣｎ等の上位の電池セルＣの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定するときに、第１のスイッチＳＷＥ１及び第２のスイッチＳＷＥ２をオンするように制御する。これにより、電池電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる。具体的には、直列に接続された複数の電池セルＣのうち、最低の電位側に接続された電池セルの電圧を計測する際の測定誤差を抑制することができる。
また、最下段の電池セルＣ１よりも更に下位に電池セルが存在している場合に、第１の接続線Ｌ１及び第２の接続線Ｌ２を接地させなくとも、電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる。
［第２実施形態］
次に、第２形態の半導体装置の構成について図面を参照して説明する。図３には、第２実施形態の半導体装置２１０の一例の回路図を示す。
図３に示すように、第２実施形態の半導体装置２１０は、ＣＮＴ１２と、スイッチ群２２０と、電圧計測回路３０と、を備える。
スイッチ群２２０は、スイッチＳＷｎ、ＳＷｎ−１，１，ＳＷｎ−１，２，・・・，ＳＷ１，１，ＳＷ１，２，ＳＷ０，ＳＷＥ３，ＳＷＥ４を備える。また、スイッチ群２０は、第１のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−１と、第２のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−２とを備えている。
第１のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−１は、出力端が第１のスイッチＳＷＥ３に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣ１の低電位側に接続されている。また、第２のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−２は、出力端が第２のスイッチＳＷＥ４に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣ１の高電位側に接続されている。
第２実施形態のＣＮＴ１２は、最上段の電池セルＣｎ等の上位の電池セルＣの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定するときには、第１のスイッチＳＷＥ３及び第２のスイッチＳＷＥ４をオンするように制御する。これにより、寄生容量Ｃｐ２に蓄積された電荷は、残電荷電流ＩＲ１として第１のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−１の出力端へ流れる。また、寄生容量Ｃｐ１に蓄積された電荷は、残電荷電流ＩＲ２として第２のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−２の出力端へ流れる。このため、最下段の電池セルＣ１の電圧が計測される際には、残電荷電流が最下段の電池セルＣ１へ流れ込むことがないため、最下段の電池セルＣ１の電圧を精度良く計測することができる。
以上説明したように、本実施の形態の半導体装置２１０は、最下段の電池セルＣ１から最上段の電池セルＣｎまで直列に接続された複数の電池セルＣと、電圧測定の対象である電池セルの高電位側に接続される第１の接続線Ｌ１と、電圧測定の対象である電池セルの低電位側に接続される第２の接続線Ｌ２と、第１の接続線Ｌ１及び第２の接続線Ｌ２に接続される電圧計測回路３０と、出力端が第１のスイッチＳＷＥ３に接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されている第１のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−１と、出力端が第２のスイッチＳＷＥ４に接続され、かつ入力端が最下段の電池セルＣｎの高電位側に接続されている第２のバッファ回路Ｂｕｆｆ２−２と、ＣＮＴ１２とを備える。ＣＮＴ１２は、最上段の電池セルＣｎ等の上位の電池セルの電圧を測定した後に、最下段の電池セルＣ１の電圧を測定するときに、第１のスイッチＳＷＥ３及び第２のスイッチＳＷＥ４をオンするように制御する。これにより、電池電圧の測定において発生する寄生容量による測定誤差を抑制することができる。具体的には、直列に接続された複数の電池セルＣのうち、最低の電位側に接続された電池セルの電圧を計測する際の測定誤差を抑制することができる。
なお、本実施形態の半導体装置で示した、電池セルの個数等は、特に限定されるものではない。
また、本実施の形態で説明した半導体装置等の構成及び測定動作等は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能である。
１０，２１０ 半導体装置
２０，２２０ スイッチ群
３０ 電圧計測回路
ＳＷＥ１，ＳＷＥ３ 第１のスイッチ
ＳＷＥ２，ＳＷＥ４ 第２のスイッチ
Ｂｕｆｆ１ バッファ回路
Ｂｕｆｆ２−１ 第１のバッファ回路
Ｂｕｆｆ２−２ 第２のバッファ回路
Ｃ，Ｃ１，Ｃｎ 電池セル
Ｌ１ 第１の接続線
Ｌ２ 第２の接続線

Claims (4)

  1. 第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、
    前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、
    第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、
    第１の接続線に接続される第１のスイッチと、
    第２の接続線に接続される第２のスイッチと、
    出力端が第１のスイッチ及び第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されているバッファ回路と、
    第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定するときに、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンするように制御する制御部と、
    を備えた半導体装置。
  2. 第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、
    前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、
    第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、
    第１の接続線に接続される第１のスイッチと、
    第２の接続線に接続される第２のスイッチと、
    出力端が第１のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されている第１のバッファ回路と、
    出力端が第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの高電位側に接続されている第２のバッファ回路と、
    第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定するときに、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンするように制御する制御部と、
    を備えた半導体装置。
  3. 第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、
    前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、
    第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、
    第１の接続線に接続される第１のスイッチと、
    第２の接続線に接続される第２のスイッチと、
    出力端が第１のスイッチ及び第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されているバッファ回路と、
    を備えた半導体装置による電池電圧の測定方法であって、
    第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定する際に、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンする
    処理を含む電池電圧の測定方法。
  4. 第１の電池セルから第２の電池セルまで直列に接続された複数の電池セルから選択された１つの電池セルの高電位側の電圧が入力される第１の接続線と、
    前記複数の電池セルから選択された１つの電池セルの低電位側の電圧が入力される第２の接続線と、
    第１の接続線及び第２の接続線に接続される電圧計測回路と、
    第１の接続線に接続される第１のスイッチと、
    第２の接続線に接続される第２のスイッチと、
    出力端が第１のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの低電位側に接続されている第１のバッファ回路と、
    出力端が第２のスイッチに接続され、かつ入力端が第１の電池セルの高電位側に接続されている第２のバッファ回路と、
    を備えた半導体装置による電池電圧の測定方法であって、
    第２の電池セルの電圧を測定した後に、第１の電池セルの電圧を測定する際に、第１のスイッチ及び第２のスイッチをオンする
    処理を含む電池電圧の測定方法。
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