JP2022001845A - バッテリ電圧測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の測定回路では、逆接続耐性と低消費電力とを両立させることが出来ない問題があった。【解決手段】本発明のバッテリ電圧測定装置は、バッテリ接続端子Tbにドレインが接続される第1トランジスタTr1と、第1トランジスタTr1と直列接続される第2トランジスタTr2と、第1トランジスタTr1及び第2トランジスのそれぞれのドレインからソースに向かって順方向接続される第1ダイオード及び第2ダイオードと、第2トランジスタを介して与えられるバッテリ電圧Vbを分圧して計測電圧を生成する第1抵抗R1及び第2抵抗R2と、制御信号が与えられる第3トランジスタTr3と、第3トランジスタTr3と第1トランジスタTr1及び第2トランジスタTr2のソースとの間に直列接続され、第1トランジスタTr1及び第2トランジスタTr2に制御信号の論理レベルの切り替わりを伝達する第3抵抗R3及び第4抵抗R4と、を有する。【選択図】図2

Description

本発明は、例えば、車両の制御に用いられるバッテリの電圧を計測するバッテリ電圧測定装置に関する。
駆動用バッテリを搭載するハイブリット自動車、或いは、電気自動車では、駆動用バッテリとは別に車両全体の制御に用いる電力を供給する補機バッテリを搭載する。この補機バッテリの電圧が低下すると車両システムの制御に不具合が生じる。特に、近年は、バッテリからの電力供給を受けて動作する電子機器が多く、バッテリ電圧を測定する回路においても電圧を測定していない期間にバッテリの消費電力を削減することが求められている。そこで、電圧非測定の消費電力を抑制する技術が特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載の電圧検出回路は、所定導電路から第1の分岐導電路及び第2の分岐導電路が分岐し、PチャネルMOSFETとNチャネルFETとがそれぞれに設けられている。そして、電圧検出回路の制御部は、PチャネルMOSFET及びNチャネルFETを共にオフ動作させるオフ制御と、導電路の電位が閾値電位を超える場合にPチャネルMOSFETがオン動作するように第1の入力路の電位を設定する第1オン制御と、導電路の電位が少なくとも閾値電位以下である場合にNチャネルFETがオン動作するように第2の入力路の電位を設定する第2オン制御とを行う。
特開2017−36938号公報
電圧の検出対象が電池であった場合には、正極端子と負極端子が予め決められた接続方法とは逆に接続される逆接続が発生することがある。しかしながら、特許文献1に記載の電圧検出回路では、バッテリの逆接続が発生した際にはPチャネルMOSFET或いはNチャネルMOSFETに耐圧不良が生じる可能性が有る問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バッテリの逆接続耐性を高めながらバッテリ電圧の非測定時の低消費電力を低減させることを目的とするものである。
本発明のバッテリ電圧測定装置の一態様は、バッテリの電極端子が接続されるバッテリ接続端子と、前記バッテリ接続端子にドレインが接続される第1トランジスタと、前記第1トランジスタのソースにソースが接続され、前記第1のトランジスタのゲートにゲートが接続される第2トランジスタと、前記第1トランジスタのドレインにアノードが接続され、前記第1トランジスタのソースにカソードが接続される第1ダイオードと、前記第2トランジスタのドレインにアノードが接続され、前記第2トランジスタのソースにカソードが接続される第2ダイオードと、前記第2トランジスタのドレインと計測対象の計測電圧が与えられる計測電圧入力端子にとの間に接続される第1抵抗と、前記計測電圧入力端子と接地端子との間に接続される第2抵抗と、二値の制御信号が出力される制御端子に電気的にゲートが接続され、ソースが接地端子に接続される第3トランジスタと、前記第3トランジスタのドレインに一端が接続され、他端が前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのゲートに接続される第3抵抗と、前記第3抵抗の他端と、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースと、の間に接続される第4抵抗と、を有する。
本発明のバッテリ電圧測定装置は、バッテリの逆接続時には第1トランジスタにより後段の回路への電流の流入を阻止し、バッテリの正常接続状態においてはバッテリ電圧の測定時以外の期間のバッテリの消費電流を抑制する。
本発明のバッテリ電圧測定装置によれば、バッテリの逆接続耐性を高めながらバッテリ電圧の非測定時の低消費電力を低減させることができる。
比較例にかかるバッテリ電圧測定装置の回路図である。 実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置のブロック図である。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
車両に搭載される補機バッテリは、取り外しが可能で有り、正極端子と負極端子とが逆に接続される逆接続が発生する可能性があり、バッテリ電圧Vbを測定する測定回路においても逆接続発生時に回路の破損を防止する逆接続対応構成が必要になる。そこで、もっとも簡単な逆接続対応構成の例を、図1を参照して説明する。
図1は、比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100の回路図である。比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100は、簡単な逆接続対応構成を有するバッテリ電圧測定補助回路110を有するものである。また、バッテリ電圧測定装置100は、バッテリ電圧測定補助回路110によりバッテリ電圧Vbを降圧して生成される計測電圧Vmを測定するバッテリ電圧測定部120を有する。
バッテリ電圧測定装置100では、バッテリ電圧測定補助回路110のバッテリ接続端子Tbと接地端子との間にバッテリBATが接続される。このとき、バッテリBATは、正極端子がバッテリ接続端子Tbに接続される。バッテリ電圧測定補助回路110は、ダイオードD0、第1抵抗R1、第2抵抗R2を有する。ダイオードD0は、アノードがバッテリ接続端子Tbに接続される。第1抵抗R1の一端は、ダイオードD0のカソードに接続される。第1抵抗R1の他端は、バッテリ電圧測定部20の測定電圧入力端子Tiに接続される。第2抵抗R2は、測定電圧入力端子Tiと接地端子との間に接続される。
バッテリ電圧測定補助回路110では、通常接続時にはバッテリBATの出力電圧であるバッテリ電圧VbからダイオードD0のダイオード電圧Vdを引いた電圧が、第1抵抗R1と第2抵抗R2との分圧比に基づき分圧されることで計測電圧Vmが生成される。そして、計測電圧Vmの電圧値を測定電圧入力端子Tiに与える。バッテリ電圧測定部20は、測定電圧入力端子Tiに入力される計測電圧Vmに基づきバッテリ電圧Vbを算出する。ここで、測定電圧入力端子Tiに入力される計測電圧Vmは、(1)式により算出される。
Vm=(Vb−Vd)×R2/(R1+R2) ・・・ (1)
また、比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100では、バッテリBATの負極端子をバッテリ接続端子Tbに接続し、正極端子を接地端子に接続する逆接続状態となった場合、ダイオードD0の両端に逆バイアス電圧が印加されるため、第1抵抗R1、第2抵抗R2及び測定電圧入力端子Tiに負電圧が印加されることを防止する。
しかしながら、比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100では、計測電圧Vmにダイオード電圧Vdが含まれる。このダイオード電圧Vdは、温度によって電圧値が変化する温度特性を有する。そのため、比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100では、計測電圧Vmに温度に依存する誤差が反映されるため、バッテリBATの電圧の測定結果の精度が低下する。また、比較例にかかるバッテリ電圧測定装置100では、計測電圧Vmを計測するか否かにかかわらずダイオードD0、第1抵抗R1及び第2抵抗R2を介してバッテリBATから電流流出するため、バッテリBATの消費電力が多くなる問題がある。
そこで、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1では、バッテリBATの逆接続耐性を高めながら、測定電圧Vmの測定精度の向上及びバッテリBATの消費電力の削減を実現するバッテリ電圧補助回路10を設ける。以下では、バッテリ電圧補助回路10を含むバッテリ電圧測定装置1について詳細に説明する。
図2に実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1の回路図を示す。図1に示すように、バッテリ電圧測定装置1は、バッテリ電圧補助回路10及びバッテリ電圧測定部20を有する。バッテリ電圧補助回路10は、バッテリBATの出力電圧であるバッテリ電圧Vbをバッテリ電圧測定部20内のアナログデジタル変換回路の入力レンジの範囲内となる電圧まで降圧して、降圧後の電圧を計測電圧Vmとして出力する。また、バッテリ電圧補助回路10では、計測電圧Vmの計測を行わない期間にバッテリBATから電流がバッテリ電圧補助回路10を介して接地端子側に流れることを防止する。なお、以下の説明では、計測電圧Vmの計測を行わない期間にバッテリBATからバッテリ電圧補助回路10を介して接地端子側に流れる電流を暗電流と称す。
バッテリ電圧測定部20は、例えば、アナログデジタル変換回路や、通信回路と、プログラムを実行可能な演算部が統合されたMCU(Micro Controller Unit)等の演算装置である。バッテリ電圧測定部20は、測定電圧入力端子Tiと制御端子Tcを有する。そして、バッテリ電圧測定部20は、測定電圧入力端子Tiから入力される計測電圧Vmに基づきバッテリ電圧Vbを算出する。ここで、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1では、(2)式に基づき測定電圧が生成される。
Vm=Vb×R2/(R1+R2) ・・・ (2)
また、バッテリ電圧測定部20は、(2)式により計測電圧Vmが生成されることに応じて(3)式を用いてバッテリ電圧Vbを算出する。
Vb=Vm×(R1+R2)/R2 ・・・ (3)
また、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1は、バッテリ電圧測定部20内の演算部で実行されるプログラムによって制御端子Tcから出力する制御信号の論理レベルを切り替える。バッテリ電圧測定装置1では、バッテリ電圧Vbを測定する期間は制御信号をハイレベル(例えば、バッテリ電圧測定部20の電源電圧)とし、バッテリ電圧Vbを測定しない機関は制御信号をロウレベル(例えば、接地電圧)とする。
バッテリ電圧補助回路10は、バッテリ接続端子Tb、入力電圧分圧部11、制御信号分圧部12、第1ダイオード(例えば、ダイオードD1)、第2ダイオード(例えば、D2)、PchスイッチトランジスタTr1、Tr2、NchスイッチトランジスタTr3、第3抵抗R3、第4抵抗R4を有する。また、入力電圧分圧部11は第1抵抗R1及び第2抵抗R2を有し、制御信号分圧部12は第3抵抗R3及び第4抵抗R4を有する。なお、PchスイッチトランジスタTr1、Tr2は、例えば、PチャネルMOSFETであり、NchスイッチトランジスタTr3は、NチャネルMOSFETである。また、PchスイッチトランジスタTr1は第1トランジスタ、PchスイッチトランジスタTr2は第2トランジスタ、NchスイッチトランジスタTr3は第3トランジスタとも称す。
バッテリ接続端子Tbは、バッテリの電極端子が接続される。入力電圧分圧部11は、第1抵抗R1及び第2抵抗R2を有する。入力電圧分圧部11はバッテリ電圧Vbをバッテリ電圧測定部20のアナログデジタル変換回路の入力レンジの範囲内の電圧となるまで降圧する。制御信号分圧部12は、制御端子Tcから出力される制御信号を分圧してNchスイッチトランジスタTr3のゲートに与える。制御信号分圧部12は、第5抵抗R5及び第6抵抗R6を有する。制御信号分圧部12は、NchスイッチトランジスタTr3の閾値電圧或いは許容する電圧範囲によっては設ける必要はない。
PchスイッチトランジスタTr1は、バッテリ接続端Tbにドレインが接続される。PchスイッチトランジスタTr2は、PchスイッチトランジスタTr1のソースにソースが接続され、ゲートがPchスイッチトランジスタTr1のゲートと共通接続される。ダイオードD1は、PchスイッチトランジスタTr1のドレインにアノードが接続され、PchスイッチトランジスタTr1のソースにカソードが接続される。ダイオードD2は、PchスイッチトランジスタTr2のドレインにアノードが接続され、PchスイッチトランジスタTr2のソースにカソードが接続される。なお、ダイオードD1、D2は、それぞれPchスイッチトランジスタTr1、Tr2に内蔵されているものであっても良い。
第1抵抗R1は、PchスイッチトランジスタTr2のドレインと計測対象の計測電圧Vmが与えられる計測電圧入力端子Tiとの間に接続される。第2抵抗R2は、計測電圧入力端子Tiと接地端子との間に接続される。つまり、入力電圧分圧部11は、第1抵抗R1と第2抵抗R2との分圧比に基づきバッテリ電圧Vbを分圧して計測電圧Vmを生成する。
NchスイッチトランジスタTr3は、二値の制御信号が出力される制御端子Tcに電気的にゲートが接続され、ソースが接地端子に接続される。第6抵抗R6は、制御端子TcとNchスイッチトランジスタTr3のゲートとの間に接続される。第5抵抗R5は、NchスイッチトランジスタTr3のゲートと接地端子との間に接続される。第3抵抗R3は、NchスイッチトランジスタTr3のドレインに一端が接続され、他端がPchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2のゲートに接続される。第4抵抗R4は、第3抵抗R3の他端と、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2のソースと、の間に接続される。
続いて、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1の動作について説明する。まず、バッテリが正常な状態でバッテリ接続端子Tbに接続されている通常状態におけるバッテリ電圧Vbの測定について説明する。
通常状態において、バッテリ電圧Vbを測定しない期間は、バッテリ電圧測定部20が制御信号をロウレベルとする。これにより、NchスイッチトランジスタTr3がオフ状態となる。このとき、第3抵抗R3と第4抵抗R4には電流が流れないため、第3抵抗R3と第4抵抗R4とを接続するノードND2の電圧は、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2のソースを接続するノードND1の電圧と同程度の電圧となる。そして、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2のソース・ゲート電圧差はほぼゼロとなり、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2はオフ状態となる。これにより、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1では、バッテリ電圧Vbを測定しない期間は、バッテリBATからバッテリ電圧補助回路10に流れる電流がPchスイッチトランジスタTr1により遮断されることになるため、バッテリBATの消費電力を抑制できる。なお、NchスイッチトランジスタTr3がオフ状態であっても、ノードND1には、バッテリ電圧VbからダイオードD1のダイオード電圧を引いた電圧が印加されており、このときダイオードD2があることで、PchスイッチトランジスタTr2の後段の回路への電圧印加が防止される効果を奏する。
通常状態において、バッテリ電圧Vbを測定する機関は、バッテリ電圧測定部20が制御信号をハイレベルとする。これにより、NchスイッチトランジスタTr3がオン状態となる。そして、第3抵抗R3及び第4抵抗R4に、ダイオードD1及びノードND1を介して電流が流れ、ノードND1とノードND2の電圧差がPchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2の閾値電圧以上になるまでノードND2の電圧が低下する。これにより、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2がオン状態になり、第1抵抗R1のPchスイッチトランジスタTr2側の端部にバッテリ電圧Vbが印加される。そして、入力電圧分圧部11は、バッテリ電圧Vbを第1抵抗R1と第2抵抗R2の分圧比で分圧して計測電圧Vmを生成する。また、バッテリ電圧測定部20は、入力電圧分圧部11により生成された計測電圧Vmを用いて上記(3)式の計算を行うことでバッテリ電圧Vbの電圧を算出する。なお、計測電圧Vmの生成において、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2のオン抵抗の影響を低減するためには、PchスイッチトランジスタTr1のオン抵抗とPchスイッチトランジスタTr2のオン抵抗との第1合成抵抗を、第1抵抗R1と第2抵抗R2の第2合成抵抗の1000分の1程度にすることが好ましい。また、第1抵抗R1と第2抵抗R2の抵抗比は、バッテリ電圧Vbを、測定電圧入力端子Tiを有する回路(例えばバッテリ電圧測定部20のアナログデジタル変換回路)の入力電圧範囲以下に設定できる値に設定することで、計測電圧Vmの測定精度を向上させることができる。
続いて、バッテリ接続端子TbにバッテリBATの負極端子が接続され、接地端子にバッテリBATの正極端子が接続される逆接続状態でのバッテリ電圧測定装置1の動作について説明する。
逆接続状態では、バッテリ接続端子Tbに負電圧が印加されるため、ダイオードD1に逆バイアスがかかった状態となる。そのため、ノードND1には、バッテリBATから出力される電圧は印加されず、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2は、制御信号がハイレベルかロウレベルかに関わらず、オフ状態が維持される。これは、ノードND1にバッテリBATからの電圧が印加されなければ、ノードND1とノードND2との電圧差が生じないためである。つまり、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1では、バッテリBATが逆接続された状態では、バッテリ電圧補助回路10内にバッテリBATからの電流が流れ込むことはなく、バッテリ電圧補助回路10に逆接続に起因する故障は発生しない。
上記説明より、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1は、逆接続に対して故障を防止する逆接続対応構成を有することで、バッテリBATが逆接続されたときの不具合を回避することができる。
また、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1は、バッテリ電圧Vbを測定する際には、周囲温度の変化に起因して変動する電圧成分を含まない計測電圧Vmに基づきバッテリ電圧Vbを算出することができるため、バッテリ電圧Vbの測定精度を高めることができる。
さらに、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1は、バッテリ電圧Vbを測定しない期間においては、PchスイッチトランジスタTr1及びPchスイッチトランジスタTr2をオフ状態に維持して、バッテリBATから流出電流を遮断する。これにより、実施の形態1にかかるバッテリ電圧測定装置1は、バッテリBATの消費電力を削減することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
1 バッテリ電圧測定装置
10 バッテリ電圧補助回路
11 入力電圧分圧部
12 制御信号分圧部
20 バッテリ電圧測定部
100 バッテリ電圧測定装置
110 バッテリ電圧測定補助回路
120 バッテリ電圧測定部
BAT バッテリ
D0 ダイオード
D1 ダイオード
D2 ダイオード
Tr1 Pchスイッチトランジスタ
Tr2 Pchスイッチトランジスタ
Tr3 Nchスイッチトランジスタ
R1 第1抵抗
R2 第2抵抗
R3 第3抵抗
R4 第4抵抗
R5 第5抵抗
R6 第6抵抗
Tb バッテリ接続端子
Ti 測定電圧入力端子
Tc 制御端子
Vm 計測電圧
Vb バッテリ電圧
Vd ダイオード電圧

Claims (6)

  1. バッテリの電極端子が接続されるバッテリ接続端子と、
    前記バッテリ接続端子にドレインが接続される第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタのソースにソースが接続され、前記第1トランジスタのゲートにゲートが接続される第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタのドレインにアノードが接続され、前記第1トランジスタのソースにカソードが接続される第1ダイオードと、
    前記第2トランジスタのドレインにアノードが接続され、前記第2トランジスタのソースにカソードが接続される第2ダイオードと、
    前記第2トランジスタのドレインと計測対象の計測電圧が与えられる計測電圧入力端子との間に接続される第1抵抗と、
    前記計測電圧入力端子と接地端子との間に接続される第2抵抗と、
    二値の制御信号が出力される制御端子に電気的にゲートが接続され、ソースが接地端子に接続される第3トランジスタと、
    前記第3トランジスタのドレインに一端が接続され、他端が前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのゲートに接続される第3抵抗と、
    前記第3抵抗の他端と、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのソースと、の間に接続される第4抵抗と、
    を有するバッテリ電圧測定装置。
  2. 前記第1トランジスタのオン抵抗と第2トランジスタのオン抵抗との第1合成抵抗は、前記第1抵抗と前記第2抵抗の第2合成抵抗の1000分の1以下の抵抗値である請求項1に記載のバッテリ電圧測定装置。
  3. 前記第1抵抗と前記第2抵抗の抵抗比は、前記バッテリの電圧を、前記計測電圧入力端子を有する回路の入力電圧範囲以下に設定できる値に設定される請求項1又は2に記載のバッテリ電圧測定装置。
  4. 前記第3トランジスタに前記制御信号の電圧を分圧して与える制御信号分圧部をさらに有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のバッテリ電圧測定装置。
  5. 前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタは、PチャネルMOSFETであり、前記第3トランジスタは、NチャネルMOSFETである請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバッテリ電圧測定装置。
  6. 前記計測電圧入力端子及び前記制御端子を有するバッテリ電圧測定部をさらに有し、
    前記バッテリ電圧測定部は、
    前記バッテリの電圧を測定する際に前記制御信号をロウレベルからハイレベルに切り替え、
    前記計測電圧入力端子に入力される前記計測電圧に基づき前記バッテリの電圧を算出する請求項1乃至5のいずれか1項に記載のバッテリ電圧測定装置。
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