JP3721839B2 - セル電圧検出回路及び電池電圧検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セル電圧検出回路及び電池電圧検出装置に係り、特に直列に接続されたセルを備えた組電池のセル電圧を検出するセル電圧検出回路及び該セル電圧検出回路を備えた電池電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、組電池の状態監視方法としてセル（単電池）の電圧を測定する方法が行われている。特に、近年用いられるようになったリチウムイオン電池では、過充電及び過放電の保護のために、精度良くセルの電圧を検出することが求められている。リチウムイオン電池のセル電圧検出方法としては、一般的に差動増幅器を用いて各セルのセル電圧を組電池のマイナス端子を基準に変換する方法が用いられている。
【０００３】
例えば、ノートパソコン等の電源として使用されるセル３直列又は４直列の組電池のセル電圧検出回路には、精度の高い差動増幅器とコンパレータとを内蔵した低消費電力の専用ＩＣが用いられている。また、組電池の他の用途、例えば電気自動車用の電源等ではセル８〜１０直列程度の組電池が提案され実用化されようとしている。この場合のセル電圧検出回路も上述したノートパソコン用の組電池の場合と同様に、差動増幅器を用いたセル電圧検出回路が使用されている。
【０００４】
図６に、セル８直列のリチウムイオン電池で組電池を構成した場合の従来のセル電圧検出回路例を示す。このセル電圧検出回路では、セル１からセル８までのリチウムイオン電池の各端子が各々分圧抵抗（図６の分圧１〜分圧８）で分圧され、その電圧が差動増幅器の入力に接続され、差動増幅器で分圧比分が増幅されて各測定セルの出力電圧とされている。
【０００５】
従来、このようにセル電圧検出回路で分圧を行なうのは、セル８直列ともなるとリチウムイオン電池では最大３５Ｖ程度まで電圧が上がるので、一般に使用されている廉価な差動増幅器では耐電圧を超えてしまうためである。
【０００６】
図６に示したセル電圧検出回路で使用される差動増幅器（図６の差動増幅１〜差動増幅８）の従来例を図７に示す。図７に示すように、従来の差動増幅器は、２個の演算増幅器と複数の高精度の抵抗とで構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６及び図７に示した従来のセル電圧検出回路では、電圧検出精度を確保するために高精度の抵抗が複数必要であるので、セル電圧検出回路のコストが高くなると共に、電圧検出の要求精度を満足できない場合が生ずる、という問題がある。
【０００８】
すなわち、図７に示したように、差動増幅器に使用する演算増幅器のオフセット電圧をＶoff、測定セルのプラス端子の電圧をＶp、測定セルのマイナス端子の電圧をＶmとすると、出力電圧Ｖoutは次式１で表すことができる。
【０００９】
【数１】
【００１０】
このセル電圧検出回路の抵抗として下表１に示す抵抗値を有する抵抗を使用するものとする。
【００１１】
【表１】
【００１２】
表１に示した抵抗値の誤差を０．１％とし、演算増幅器のオフセット電圧Ｖoffを＋−１．８ｍＶとすると、各抵抗及びオフセット電圧Ｖoffの最悪値は次表２に示す値となる。
【００１３】
【表２】
【００１４】
セル電圧が４．３５Ｖの場合に、表２で示した最悪値をとるときの出力電圧Ｖoutの誤差の最悪値を計算すると、次表３に示す値となる。
【００１５】
【表３】
【００１６】
表３に示すように、非常に高精度でコストの高い０．１％精度の抵抗を用いても、最上位セル（セル８）側では誤差が大きく最大１３０ｍＶ以上に達する。リチウムイオン電池では、実用上及び安全基準上過充電時の電圧検出精度は±５０ｍＶ未満で検出する必要があるので、最悪値を考慮すると要求精度を満足することができなくなる、という問題点がある。
【００１７】
このように高精度の抵抗を用いても要求精度が満足できない原因は、誤差に影響する抵抗の本数が８本と多いので、上述した最悪値を考えると誤差が大きくなってしまう点にある。抵抗の本数を減らすために、入力の分圧を行わずに直接差動増幅器に入力すれば精度は改善されるが、既に述べたように差動増幅器に使用される演算増幅器の耐電圧の問題から、直接演算増幅器に入力することはできない。
【００１８】
要求精度を満足させるために、可変型の抵抗を用いて１個ずつ抵抗値を調整することも考えられるが、調整に必要な工数やコスト、及び振動、温度変化等の環境の変化による安定性等を考慮すると、特に電気自動車用組電池のセル電圧検出回路としては量産には不向きである。
【００１９】
また、要求精度を満足させるための別の解決方法として、絶縁アンプを用いてグランド（ＧＮＤ）に絶縁したり、高耐電圧性の特殊なマルチプレクサや演算増幅器を使用することも考えられるが、絶縁アンプや高耐電圧性のマルチプレクサ等は高価であり、絶縁アンプを使用する場合は電源も別途必要で消費電力も増えることから消費電力及びコストの観点で問題がある。
【００２０】
本発明は上記事実に鑑み、高精度の抵抗を使用せずに必要な電圧検出精度を確保でき、消費電力が小さくコストの低いセル電圧検出回路を提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、直列に接続されたセルを備えた組電池のセル電圧を検出するセル電圧検出回路において、フィードバックループを形成した増幅器と抵抗とを有し、前記セル電圧を電流に変換する電流変換回路と、一端が前記組電池のマイナス端子に接続され、他端が前記変換回路の出力に接続され、両端電圧が前記セル電圧として検出される出力抵抗と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電流変換回路が、正相入力端子が測定セルのマイナス端子に接続された演算増幅器と、ゲートが前記演算増幅器の出力端子に接続され、ドレインが前記出力抵抗の他端に接続されたＰチャンネルＦＥＴ（Ｐチャンネル型電界効果トランジスタ）と、一端が前記測定セルのプラス端子に接続され、他端が前記演算増幅器の逆相入力端子及び前記ＰチャンネルＦＥＴのソースに接続された電流検出抵抗と、を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項２に記載のＰチャンネルＦＥＴに代えて、ＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタが使用されることを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１に記載の発明において、前記組電池のマイナス端子に接続されるセルのセル電圧が増幅率１の非反転増幅器で出力され、該セルの一つ上位側のセルの電圧は増幅率１の差動増幅器で出力される。
【００２５】
請求項５の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記演算増幅器は該耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように、該演算増幅器の正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されたことを特徴とする。
【００２６】
そして、請求項６の発明は、電池電圧検出装置であって、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備える。
【００２７】
請求項１の発明では、フィードバックループを形成した増幅器と抵抗とを有する電流変換回路によりセル電圧が電流に変換され、組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗に出力されるので、電流変換回路のセル電圧を電流に変換するための抵抗と組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗との２本しか精度に影響する抵抗がない。従って、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる。
【００２８】
請求項２の発明では、図１に示すように、フィードバックループが形成されてセル電圧Ｖｃは電流検出抵抗の両端の電圧と等しくなる。この電流検出抵抗に流れる電流（ソース電流Ｉｓ）はＰチャンネルＦＥＴのゲート電流Ｉｇがほぼ０のため、そのままドレイン電流Ｉｄとなる。従って、組電池のマイナス端子に接続される出力抵抗にはドレイン電流Ｉｄが流れ、セル電圧に比例した電圧が発生し組電池のマイナス端子基準で電圧が出力される。ここで、電流検出抵抗の抵抗値＝出力抵抗の抵抗値とすれば、次式２に示すように、セル電圧が組電池のマイナス端子を基準とする電圧で出力される。
【００２９】
【数２】
【００３０】
請求項３の発明では、請求項２に記載のＰチャンネルＦＥＴに代えて、直流電流増幅率ｈｆｅの大きなＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続のＰＮＰトランジスタを使用することにより、ベースに流れる電流は極めて小さくエミッタ電流＝コレクタ電流とみなせるので、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを用いずに廉価なトランジスタによりセル電圧検出回路を構成することができる。
【００３１】
請求項４の発明では、請求項１乃至請求項３に記載したセル電圧検出回路のみでは、組電池のマイナス端子に接続されるセル（組電池の最下位セル）及びその一つ上位側のセルのセル電圧が適正に出力できないので、最下位セルに対し通常の非反転増幅器が、その一つ上位側のセルに対し通常の差動増幅器が用いられる。すなわち、例えば、図１に示したセル電圧検出回路では、測定セルのプラス端子が演算増幅器の正電源端子（プラス電源）と電流検出抵抗とに接続されており、電流検出抵抗と出力抵抗とには測定セルと同電圧が発生するので、測定セルのプラス端子の電圧は検出するセル電圧の最低でも２倍以上でなければならない。ところが、最下位セルではプラス端子の電圧と検出されるセル電圧とが同電圧であるので、正常に測定セルのセル電圧を出力することができない。また、最下位より一つ上位側のセルでもプラス端子の電圧は（最下位セルの電圧＋測定セルの電圧）であるので、測定セルの電圧が最下位セルの電圧より低い場合にしか正常に出力できない。そこで、最下位セルの電圧に対し非反転増幅器を用い、その一つ上位側のセルに対し差動増幅器を用いることにより、最下位セル及び最下位セルより一つ上位側のセルのセル電圧を適正に検出することを可能とした。
【００３２】
請求項５の発明では、演算増幅器の耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されるようにしたので、使用される演算増幅器の耐電圧が低くても、非反転増幅器からの電圧を適切に選択して演算増幅器を耐電圧範囲内で作動させることができる。
【００３３】
そして、請求項６の発明では、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備えたので、要求精度を満足する電池電圧検出装置を実現することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るセル電圧検出回路（以下、電圧検出回路という。）をリチウムイオン電池８直列の電気自動車用組電池のセル電圧を検出するための電圧検出回路に適用した実施の形態について説明する。なお、本実施形態では請求項３に記載した発明を除く本発明の電圧検出回路が適用されている。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態の電圧検出回路では、請求項４に記載したように、最下位のセル１のセル電圧は増幅率１の非反転増幅器ＩＣ１で出力され、セル２のセル電圧は増幅率１の差動増幅器ＩＣ２Ｂで出力される。一方、セル３〜セル８のセル電圧検出には請求項１及び請求項２に記載した電圧検出回路が適用されている。また、これらセル１〜セル８の各セルのセル電圧は、組電池のマイナス端子（ＧＮＤ）を基準として出力される（図２のセル出力１〜セル出力８）。
【００３６】
本電圧回路に使用される演算増幅器は計１５個であり、本実施形態では１パッケージに２個の演算増幅器が入っているＩＣを計８個使用した。従って、パッケージに内蔵されている２個の演算増幅器は、それぞれプラス電源（正電源端子＋ＶＣＣ）、マイナス電源（負電源端子−ＶＥＥ）が共通である。
【００３７】
図２の左半分側の回路は増幅率１の非反転増幅器としたもので、セル３に対する電圧検出回路についてこの部分を詳述すれば、セル３のマイナス端子は抵抗ＲＩの一端に接続され、抵抗ＲＩの他端は演算増幅器ＩＣ３Ａの正相入力端子に接続され、そこから分岐してコンデンサＣＩの一端に接続され、コンデンサＣＩの他端はセル３のプラス端子に接続されている。演算増幅器ＩＣ３Ａの逆相入力端子には抵抗ＲＦの一端が接続されており、抵抗ＲＦの他端は演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ３Ａの正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されている。なお、演算増幅器ＩＣ３Ａの正電源端子は演算増幅器ＩＣ４Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ３Ａの負電源端子は演算増幅器ＩＣ１の出力端子に抵抗ＲＣを介して接続されている。
【００３８】
従って、セル３〜セル８までの各セルのマイナス端子は演算増幅器のプラス入力端子に接続されており、各演算増幅器の出力は各セルのマイナス端子と同電位となる。また、セル１及びセル２では各セルのプラス端子が演算増幅器のプラス入力端子に接続されており、各演算増幅器の出力は各セルのプラス端子と同電位となる。この部分で抵抗ＲＩとコンデンサＣＩはノイズを除去するＲＣフィルタである。
【００３９】
セル１に対する電圧検出回路について詳述すれば、セル１のマイナス端子はＧＮＤに接続され、そこから分岐してコンデンサＣＩの一端に接続され、コンデンサＣＩの他端は増幅率１の非反転増幅器としての演算増幅器ＩＣ１の正相入力端子及び一端がセル１のプラス端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ１の正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されている。従って、セル１の電圧は、演算増幅器ＩＣ１の出力からそのままセル１のセル電圧として出力される（図２のセル１出力）。なお、後述する表４にも示したように、演算増幅器ＩＣ１の正電源端子は抵抗ＲＣを介して演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ１の負電源端子はＧＮＤに接続されている。
【００４０】
次に、セル２に対する電圧検出回路について詳述すれば、セル２のマイナス端子にはコンデンサＣＩの一端が接続され、コンデンサＣＩの他端は演算増幅器ＩＣ２Ａの正相入力端子及び一端がセル２のプラス端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ２Ａの正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されており、逆相入力端子及び出力端子間には抵抗ＲＦが挿入されている。なお、演算増幅器ＩＣ２Ａの正電源端子は抵抗ＲＣを介して演算増幅器ＩＣ４Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ２Ａの負電源端子は演算増幅器ＩＣ１の出力端子に接続されている。
【００４１】
また、演算増幅器ＩＣ２Ａの出力端子には抵抗Ｒ３の一端が接続され、抵抗Ｒ３の他端は増幅率１の差動増幅器としての演算増幅器ＩＣ２Ｂの正相入力端子及びＧＮＤに一端が接続された抵抗Ｒ４の他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ２Ｂの逆相入力端子には一端が演算増幅器ＩＣ２Ｂの出力端子に接続された抵抗Ｒ２の他端及び抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は演算増幅器ＩＣ１の逆相入力端子に一端が接続された抵抗ＲＦの他端に接続されている。
【００４２】
従って、セル２の電圧は、演算増幅器ＩＣ２Ａからの出力を正相入力端子への入力とし、演算増幅器ＩＣ１からの出力を逆相入力端子への入力とする、演算増幅器ＩＣ２Ｂと抵抗Ｒ１〜Ｒ４とで形成される差動増幅器に接続され、セル２のセル電圧はセル２出力端子に出力される（図２のセル２出力）。
【００４３】
次に、セル３に対する電圧検出回路の右半分について詳述すれば、フィードバックループを形成した増幅器としての演算増幅器ＩＣ３Ｂ及びＰチャンネルＦＥＴＱ１の出力端子及びゲートは接続され、演算増幅器ＩＣ３Ｂの逆相入力端子には一端がＰチャネルＦＥＴＱ１のソースに接続されたフィードバック抵抗ＲＦの他端が接続されている。
【００４４】
演算増幅器ＩＣ３Ｂの正相入力端子には一端が演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。ＰチャンネルＦＥＴＱ１のドレインには一端がＧＮＤに接続された出力抵抗ＲＯの他端が接続されており、そこから分岐してセル３の出力端子まで延出している（図２のセル３出力）。更に、ＰチャンネルＦＥＴＱ１のソースには電流検出抵抗ＲＤの一端が接続されており、電流検出抵抗ＲＤの他端は演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ４Ａの出力端子に接続されている。
【００４５】
ところで、セル３の電流変換回路を含む電圧検出回路は、図１に示した電圧検出回路と基本的には同一である。異なっているのは、演算増幅器ＩＣ３Ｂの逆相入力端子が一つ上のセルの演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ４Ａからの出力に接続されている点と、演算増幅器ＩＣ３Ｂの正相入力端子が演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ３Ａの出力に接続される点だけであり、何れも演算増幅器ＩＣ３Ｂには図１と同一の電位が入力されており、セル３の電圧が組電池のマイナス端子基準で出力されることには変わりがない。
【００４６】
セル４〜セル８の出力回路はセル３の出力回路と同一構成の回路であり、各セル電圧が組電池のマイナス端子（ＧＮＤ）基準で出力される。ただし、セル８だけが最上位のため、演算増幅器ＩＣ８Ａ、ＩＣ８Ｂの正電源端子が組電池のプラス端子に接続されている。
【００４７】
請求項５の発明で示したように、演算増幅器の電源端子に印加される電圧を低くするため、各演算増幅器の正電源端子と負電源端子とは次表４に示すように接続されている。
【００４８】
【表４】
【００４９】
なお、本電圧検出回路に使用した演算増幅器は、単電源で電源電圧が＋３Ｖまで動作し、正相入力端子と逆相入力端子との電圧がＧＮＤからプラス電源電圧−１．５Ｖまで動作可能で、オフセット電圧Ｖoffは標準２ｍＶ、最大７ｍＶ、消費電流が１．６ｍＡの汎用品を使用した。また、電流検出抵抗ＲＤと出力抵抗ＲＯとは、それぞれ抵抗値が４７ｋΩで精度０．２５％のものを用いた。更に、ＲＣフィルタの定数として抵抗ＲＩを４７ｋΩ、コンデンサＣＩを０．４７μＦとした。また、抵抗ＲＣ及びコンデンサＣＣは演算増幅器を安定に動作させるためのデカップリング用抵抗及びコンデンサである。
【００５０】
（特性試験）
次に、本実施形態の電圧検出回路の特性を確認するために行った誤差特性試験、消費電流特性試験及び周波数応答特性試験について順に説明する。
【００５１】
誤差特性試験では、本電圧検出回路の環境温度を−４０°Ｃ、２５°Ｃ、＋８０°Ｃとし、組電池の電圧を１５Ｖ（１．８７５Ｖ／セル）から３７Ｖ（４．６２５Ｖ／セル）まで変化させた場合の、セル電圧と出力電圧との誤差特性を測定した。測定結果を図３に示す。図３に示したように、環境温度及び組電池の電圧を変化させても、セル電圧と出力電圧との最大誤差は６ｍＶであり、電気自動車用組電池の電圧検出回路として十分な精度があることが認められた。
【００５２】
消費電流特性試験では、本電圧検出回路の環境温度を−４０°Ｃ、２５°Ｃ、＋８０°Ｃとし、組電池の電圧を１５Ｖ（１．８７５Ｖ／セル）から３７Ｖ（４．６２５Ｖ／セル）まで変化させた場合の、本電圧検出回路の消費電流を測定した。図４は、この測定結果を横軸に組電池の電圧（Ｖ）、縦軸に消費電流（ｍＡ）をとって示したものである。図４に示したように、本電圧検出回路の消費電流は、最大でも５ｍＡ以下と十分に小さい値であった。
【００５３】
周波数応答特性試験では、各セルに周波数０．１Ｈｚから１００００Ｈｚ（１０ＫＨｚ）までの交流電流を通電し、出力に現れる交流電圧成分を測定した。図６に周波数応答特性を示す。図６に示したように、周波数１ｋＨｚにおいて−４０ｄｂ以上の減衰率が得られ、ノイズに対しても本電圧検出回路は十分な特性を有していることが確認できた。
【００５４】
以上のように、本実施形態の電圧検出回路では、電流検出抵抗ＲＤと出力抵抗ＲＯとに精度０．２５％のものを用いたが、誤差特性試験の試験結果でも示したように、環境温度及び組電池の電圧を変化させても、セル電圧と出力電圧との最大誤差は６ｍＶであり、電気自動車用組電池の電圧検出回路として十分な精度を確保することができる。しかも従来技術のように可変抵抗を使用する必要もなく、環境温度が変化しても安定性が高く誤差が少ないので、電気自動車用組電池の電圧検出回路として量産に適合している。
【００５５】
また、本電圧検出回路では、０．１％の高精度抵抗ではなく精度０．２５％の抵抗を用いたので、セル電圧検出回路のコストを下げることができる。しかも従来技術のように高耐電圧等の特殊で高価なマルチプレクサや演算増幅器を必要としない回路構成である。
【００５６】
更に、本電圧検出回路では、消費電流特性試験の試験結果に示したように、最大消費電流でも５ｍＡ以下のセル電圧検出回路を実現することができる。従って、従来技術のように絶縁ランプを使用する場合に比べて消費電力が極めて少ない電圧検出回路とすることができる。
【００５７】
更に、本電圧回路ではセル１のセル電圧を検出するために非反転増幅器ＩＣ１を用い、セル２のセル電圧を検出するために差動増幅器ＩＣ２Ｂを用いたので、最下位セル１及びその一つ上位側のセル２のセル電圧を適正に検出することができる。なお、本電圧検出回路では、理論上はセル３のセル電圧検出の場合でも最下位セル１の電圧とセル２目の電圧の和が測定セルの電圧よりも大きくなければ正常に出力できないことも想定されるが、極端にセルバランスが悪くない限りセル３のセル電圧の検出が可能である。
【００５８】
また、本電圧検出回路では、表４に示したように、各演算増幅器のプラス電源とマイナス電源の端子間には２つのセルの総和の電圧しか印加されないので、低耐電圧の演算増幅器を用いることが可能である。
【００５９】
更に、本電圧検出回路では、周波数応答特性試験の試験結果に示したように、ノイズに対しても優れた特性を有している。
【００６０】
なお、本実施形態では、ＰチャンネルＦＥＴを使用した場合について説明したが、ＰチャンネルＦＥＴに代えて直流電流増幅率ｈｆｅの大きなＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタを使用することができる。この場合には、ＰチャンネルＦＥＴのゲート、ソース、ドレインの各端子に代えて、ＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタのベース、コレクタ、エミッタの各端子を接続すればよいことは当業者にとって自明である。このようにすれば、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを使用する場合より廉価に電圧検出回路を作製することができるので、更に電圧検出回路のコストを低減させることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、電流変換回路のセル電圧を電流に変換するための抵抗と組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗との２本しか精度に影響する抵抗がないので、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる、という効果を得ることができる。
【００６２】
請求項２に記載の発明によれば、ＰチャンネルＦＥＴのゲート電流Ｉｇがほぼ０のためそのままドレイン電流Ｉｄとなり、電流検出抵抗の抵抗値＝出力抵抗の抵抗値とすることで、セル電圧が組電池のマイナス端子を基準とする電圧で出力されるので、請求項１と同様、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる、という効果を得ることができる。
【００６３】
請求項３に記載の発明によれば、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを用いずに廉価なトランジスタによりセル電圧検出回路を構成することができるので、コストの低いセル電圧検出回路を実現することができる、という効果を得ることができる。
【００６４】
請求項４に記載の発明によれば、最下位セルに対し非反転増幅器を用い、その一つ上位側のセルに対し差動増幅器を用いたので、組電池の最下位セル及びその一つ上位側のセルのセル電圧を適正に検出することができる、という効果を得ることができる。
【００６５】
請求項５に記載の発明によれば、演算増幅器の耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されるようにしたので、使用される演算増幅器の耐電圧が低くても、非反転増幅器からの電圧を適切に選択して演算増幅器を耐電圧範囲内で作動させることができる、という効果を得ることができる。
【００６６】
そして、請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備えたので、要求精度を満足する電池電圧検出装置を実現することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項２に記載の発明の作用を説明するための電流変換回路の回路図である。
【図２】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路を示す回路図である。
【図３】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の誤差特性を示す特性線図である。
【図４】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の消費電流特性を示す特性線図である。
【図５】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の周波数応答特性を示す特性線図である。
【図６】従来のセル電圧検出回路の回路構成を示す構成図である。
【図７】図６に示したセル電圧検出回路の差動増幅器の詳細を示す回路図である。
【符号の説明】
ＲＩ、ＲＦ、ＲＣ、ＲＤ、ＲＯ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８ 抵抗
ＣＩ、ＣＣ コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ ＰチャンネルＦＥＴ
ＩＣ１、ＩＣ２Ａ、ＩＣ２Ｂ、ＩＣ３Ａ、ＩＣ３Ｂ、ＩＣ４Ａ、ＩＣ４Ｂ、ＩＣ５Ａ、ＩＣ５Ｂ、ＩＣ６Ａ、ＩＣ６Ｂ、ＩＣ７Ａ、ＩＣ７Ｂ、ＩＣ８Ａ、ＩＣ８Ｂ 演算増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は、セル電圧検出回路及び電池電圧検出装置に係り、特に直列に接続されたセルを備えた組電池のセル電圧を検出するセル電圧検出回路及び該セル電圧検出回路を備えた電池電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、組電池の状態監視方法としてセル（単電池）の電圧を測定する方法が行われている。特に、近年用いられるようになったリチウムイオン電池では、過充電及び過放電の保護のために、精度良くセルの電圧を検出することが求められている。リチウムイオン電池のセル電圧検出方法としては、一般的に差動増幅器を用いて各セルのセル電圧を組電池のマイナス端子を基準に変換する方法が用いられている。
【０００３】
例えば、ノートパソコン等の電源として使用されるセル３直列又は４直列の組電池のセル電圧検出回路には、精度の高い差動増幅器とコンパレータとを内蔵した低消費電力の専用ＩＣが用いられている。また、組電池の他の用途、例えば電気自動車用の電源等ではセル８〜１０直列程度の組電池が提案され実用化されようとしている。この場合のセル電圧検出回路も上述したノートパソコン用の組電池の場合と同様に、差動増幅器を用いたセル電圧検出回路が使用されている。
【０００４】
図６に、セル８直列のリチウムイオン電池で組電池を構成した場合の従来のセル電圧検出回路例を示す。このセル電圧検出回路では、セル１からセル８までのリチウムイオン電池の各端子が各々分圧抵抗（図６の分圧１〜分圧８）で分圧され、その電圧が差動増幅器の入力に接続され、差動増幅器で分圧比分が増幅されて各測定セルの出力電圧とされている。
【０００５】
従来、このようにセル電圧検出回路で分圧を行なうのは、セル８直列ともなるとリチウムイオン電池では最大３５Ｖ程度まで電圧が上がるので、一般に使用されている廉価な差動増幅器では耐電圧を超えてしまうためである。
【０００６】
図６に示したセル電圧検出回路で使用される差動増幅器（図６の差動増幅１〜差動増幅８）の従来例を図７に示す。図７に示すように、従来の差動増幅器は、２個の演算増幅器と複数の高精度の抵抗とで構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６及び図７に示した従来のセル電圧検出回路では、電圧検出精度を確保するために高精度の抵抗が複数必要であるので、セル電圧検出回路のコストが高くなると共に、電圧検出の要求精度を満足できない場合が生ずる、という問題がある。
【０００８】
すなわち、図７に示したように、差動増幅器に使用する演算増幅器のオフセット電圧をＶoff、測定セルのプラス端子の電圧をＶp、測定セルのマイナス端子の電圧をＶmとすると、出力電圧Ｖoutは次式１で表すことができる。
【０００９】
【数１】
このセル電圧検出回路の抵抗として下表１に示す抵抗値を有する抵抗を使用するものとする。
【００１１】
【表１】
表１に示した抵抗値の誤差を０．１％とし、演算増幅器のオフセット電圧Ｖoffを＋−１．８ｍＶとすると、各抵抗及びオフセット電圧Ｖoffの最悪値は次表２に示す値となる。
【００１３】
【表２】
セル電圧が４．３５Ｖの場合に、表２で示した最悪値をとるときの出力電圧Ｖoutの誤差の最悪値を計算すると、次表３に示す値となる。
【００１５】
【表３】
表３に示すように、非常に高精度でコストの高い０．１％精度の抵抗を用いても、最上位セル（セル８）側では誤差が大きく最大１３０ｍＶ以上に達する。リチウムイオン電池では、実用上及び安全基準上過充電時の電圧検出精度は±５０ｍＶ未満で検出する必要があるので、最悪値を考慮すると要求精度を満足することができなくなる、という問題点がある。
【００１７】
このように高精度の抵抗を用いても要求精度が満足できない原因は、誤差に影響する抵抗の本数が８本と多いので、上述した最悪値を考えると誤差が大きくなってしまう点にある。抵抗の本数を減らすために、入力の分圧を行わずに直接差動増幅器に入力すれば精度は改善されるが、既に述べたように差動増幅器に使用される演算増幅器の耐電圧の問題から、直接演算増幅器に入力することはできない。
【００１８】
要求精度を満足させるために、可変型の抵抗を用いて１個ずつ抵抗値を調整することも考えられるが、調整に必要な工数やコスト、及び振動、温度変化等の環境の変化による安定性等を考慮すると、特に電気自動車用組電池のセル電圧検出回路としては量産には不向きである。
【００１９】
また、要求精度を満足させるための別の解決方法として、絶縁アンプを用いてグランド（ＧＮＤ）に絶縁したり、高耐電圧性の特殊なマルチプレクサや演算増幅器を使用することも考えられるが、絶縁アンプや高耐電圧性のマルチプレクサ等は高価であり、絶縁アンプを使用する場合は電源も別途必要で消費電力も増えることから消費電力及びコストの観点で問題がある。
【００２０】
本発明は上記事実に鑑み、高精度の抵抗を使用せずに必要な電圧検出精度を確保でき、消費電力が小さくコストの低いセル電圧検出回路を提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、直列に接続されたセルを備えた組電池のセル電圧を検出するセル電圧検出回路において、フィードバックループを形成した増幅器と抵抗とを有し、前記セル電圧を電流に変換する電流変換回路と、一端が前記組電池のマイナス端子に接続され、他端が前記変換回路の出力に接続され、両端電圧が前記セル電圧として検出される出力抵抗と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電流変換回路が、正相入力端子が測定セルのマイナス端子に接続された演算増幅器と、ゲートが前記演算増幅器の出力端子に接続され、ドレインが前記出力抵抗の他端に接続されたＰチャンネルＦＥＴ（Ｐチャンネル型電界効果トランジスタ）と、一端が前記測定セルのプラス端子に接続され、他端が前記演算増幅器の逆相入力端子及び前記ＰチャンネルＦＥＴのソースに接続された電流検出抵抗と、を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項２に記載のＰチャンネルＦＥＴに代えて、ＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタが使用されることを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１に記載の発明において、前記組電池のマイナス端子に接続されるセルのセル電圧が増幅率１の非反転増幅器で出力され、該セルの一つ上位側のセルの電圧は増幅率１の差動増幅器で出力される。
【００２５】
請求項５の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記演算増幅器は該耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように、該演算増幅器の正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されたことを特徴とする。
【００２６】
そして、請求項６の発明は、電池電圧検出装置であって、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備える。
【００２７】
請求項１の発明では、フィードバックループを形成した増幅器と抵抗とを有する電流変換回路によりセル電圧が電流に変換され、組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗に出力されるので、電流変換回路のセル電圧を電流に変換するための抵抗と組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗との２本しか精度に影響する抵抗がない。従って、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる。
【００２８】
請求項２の発明では、図１に示すように、フィードバックループが形成されてセル電圧Ｖｃは電流検出抵抗の両端の電圧と等しくなる。この電流検出抵抗に流れる電流（ソース電流Ｉｓ）はＰチャンネルＦＥＴのゲート電流Ｉｇがほぼ０のため、そのままドレイン電流Ｉｄとなる。従って、組電池のマイナス端子に接続される出力抵抗にはドレイン電流Ｉｄが流れ、セル電圧に比例した電圧が発生し組電池のマイナス端子基準で電圧が出力される。ここで、電流検出抵抗の抵抗値＝出力抵抗の抵抗値とすれば、次式２に示すように、セル電圧が組電池のマイナス端子を基準とする電圧で出力される。
【００２９】
【数２】
請求項３の発明では、請求項２に記載のＰチャンネルＦＥＴに代えて、直流電流増幅率ｈｆｅの大きなＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続のＰＮＰトランジスタを使用することにより、ベースに流れる電流は極めて小さくエミッタ電流＝コレクタ電流とみなせるので、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを用いずに廉価なトランジスタによりセル電圧検出回路を構成することができる。
【００３１】
請求項４の発明では、請求項１乃至請求項３に記載したセル電圧検出回路のみでは、組電池のマイナス端子に接続されるセル（組電池の最下位セル）及びその一つ上位側のセルのセル電圧が適正に出力できないので、最下位セルに対し通常の非反転増幅器が、その一つ上位側のセルに対し通常の差動増幅器が用いられる。すなわち、例えば、図１に示したセル電圧検出回路では、測定セルのプラス端子が演算増幅器の正電源端子（プラス電源）と電流検出抵抗とに接続されており、電流検出抵抗と出力抵抗とには測定セルと同電圧が発生するので、測定セルのプラス端子の電圧は検出するセル電圧の最低でも２倍以上でなければならない。ところが、最下位セルではプラス端子の電圧と検出されるセル電圧とが同電圧であるので、正常に測定セルのセル電圧を出力することができない。また、最下位より一つ上位側のセルでもプラス端子の電圧は（最下位セルの電圧＋測定セルの電圧）であるので、測定セルの電圧が最下位セルの電圧より低い場合にしか正常に出力できない。そこで、最下位セルの電圧に対し非反転増幅器を用い、その一つ上位側のセルに対し差動増幅器を用いることにより、最下位セル及び最下位セルより一つ上位側のセルのセル電圧を適正に検出することを可能とした。
【００３２】
請求項５の発明では、演算増幅器の耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されるようにしたので、使用される演算増幅器の耐電圧が低くても、非反転増幅器からの電圧を適切に選択して演算増幅器を耐電圧範囲内で作動させることができる。
【００３３】
そして、請求項６の発明では、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備えたので、要求精度を満足する電池電圧検出装置を実現することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るセル電圧検出回路（以下、電圧検出回路という。）をリチウムイオン電池８直列の電気自動車用組電池のセル電圧を検出するための電圧検出回路に適用した実施の形態について説明する。なお、本実施形態では請求項３に記載した発明を除く本発明の電圧検出回路が適用されている。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態の電圧検出回路では、請求項４に記載したように、最下位のセル１のセル電圧は増幅率１の非反転増幅器ＩＣ１で出力され、セル２のセル電圧は増幅率１の差動増幅器ＩＣ２Ｂで出力される。一方、セル３〜セル８のセル電圧検出には請求項１及び請求項２に記載した電圧検出回路が適用されている。また、これらセル１〜セル８の各セルのセル電圧は、組電池のマイナス端子（ＧＮＤ）を基準として出力される（図２のセル出力１〜セル出力８）。
【００３６】
本電圧回路に使用される演算増幅器は計１５個であり、本実施形態では１パッケージに２個の演算増幅器が入っているＩＣを計８個使用した。従って、パッケージに内蔵されている２個の演算増幅器は、それぞれプラス電源（正電源端子＋ＶＣＣ）、マイナス電源（負電源端子−ＶＥＥ）が共通である。
【００３７】
図２の左半分側の回路は増幅率１の非反転増幅器としたもので、セル３に対する電圧検出回路についてこの部分を詳述すれば、セル３のマイナス端子は抵抗ＲＩの一端に接続され、抵抗ＲＩの他端は演算増幅器ＩＣ３Ａの正相入力端子に接続され、そこから分岐してコンデンサＣＩの一端に接続され、コンデンサＣＩの他端はセル３のプラス端子に接続されている。演算増幅器ＩＣ３Ａの逆相入力端子には抵抗ＲＦの一端が接続されており、抵抗ＲＦの他端は演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ３Ａの正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されている。なお、演算増幅器ＩＣ３Ａの正電源端子は演算増幅器ＩＣ４Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ３Ａの負電源端子は演算増幅器ＩＣ１の出力端子に抵抗ＲＣを介して接続されている。
【００３８】
従って、セル３〜セル８までの各セルのマイナス端子は演算増幅器のプラス入力端子に接続されており、各演算増幅器の出力は各セルのマイナス端子と同電位となる。また、セル１及びセル２では各セルのプラス端子が演算増幅器のプラス入力端子に接続されており、各演算増幅器の出力は各セルのプラス端子と同電位となる。この部分で抵抗ＲＩとコンデンサＣＩはノイズを除去するＲＣフィルタである。
【００３９】
セル１に対する電圧検出回路について詳述すれば、セル１のマイナス端子はＧＮＤに接続され、そこから分岐してコンデンサＣＩの一端に接続され、コンデンサＣＩの他端は増幅率１の非反転増幅器としての演算増幅器ＩＣ１の正相入力端子及び一端がセル１のプラス端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ１の正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されている。従って、セル１の電圧は、演算増幅器ＩＣ１の出力からそのままセル１のセル電圧として出力される（図２のセル１出力）。なお、後述する表４にも示したように、演算増幅器ＩＣ１の正電源端子は抵抗ＲＣを介して演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ１の負電源端子はＧＮＤに接続されている。
【００４０】
次に、セル２に対する電圧検出回路について詳述すれば、セル２のマイナス端子にはコンデンサＣＩの一端が接続され、コンデンサＣＩの他端は演算増幅器ＩＣ２Ａの正相入力端子及び一端がセル２のプラス端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ２Ａの正電源端子及び負電源端子間にはコンデンサＣＣが挿入されており、逆相入力端子及び出力端子間には抵抗ＲＦが挿入されている。なお、演算増幅器ＩＣ２Ａの正電源端子は抵抗ＲＣを介して演算増幅器ＩＣ４Ａの出力端子に接続されており、演算増幅器ＩＣ２Ａの負電源端子は演算増幅器ＩＣ１の出力端子に接続されている。
【００４１】
また、演算増幅器ＩＣ２Ａの出力端子には抵抗Ｒ３の一端が接続され、抵抗Ｒ３の他端は増幅率１の差動増幅器としての演算増幅器ＩＣ２Ｂの正相入力端子及びＧＮＤに一端が接続された抵抗Ｒ４の他端に接続されている。また、演算増幅器ＩＣ２Ｂの逆相入力端子には一端が演算増幅器ＩＣ２Ｂの出力端子に接続された抵抗Ｒ２の他端及び抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は演算増幅器ＩＣ１の逆相入力端子に一端が接続された抵抗ＲＦの他端に接続されている。
【００４２】
従って、セル２の電圧は、演算増幅器ＩＣ２Ａからの出力を正相入力端子への入力とし、演算増幅器ＩＣ１からの出力を逆相入力端子への入力とする、演算増幅器ＩＣ２Ｂと抵抗Ｒ１〜Ｒ４とで形成される差動増幅器に接続され、セル２のセル電圧はセル２出力端子に出力される（図２のセル２出力）。
【００４３】
次に、セル３に対する電圧検出回路の右半分について詳述すれば、フィードバックループを形成した増幅器としての演算増幅器ＩＣ３Ｂ及びＰチャンネルＦＥＴＱ１の出力端子及びゲートは接続され、演算増幅器ＩＣ３Ｂの逆相入力端子には一端がＰチャネルＦＥＴＱ１のソースに接続されたフィードバック抵抗ＲＦの他端が接続されている。
【００４４】
演算増幅器ＩＣ３Ｂの正相入力端子には一端が演算増幅器ＩＣ３Ａの出力端子に接続された抵抗ＲＩの他端に接続されている。ＰチャンネルＦＥＴＱ１のドレインには一端がＧＮＤに接続された出力抵抗ＲＯの他端が接続されており、そこから分岐してセル３の出力端子まで延出している（図２のセル３出力）。更に、ＰチャンネルＦＥＴＱ１のソースには電流検出抵抗ＲＤの一端が接続されており、電流検出抵抗ＲＤの他端は演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ４Ａの出力端子に接続されている。
【００４５】
ところで、セル３の電流変換回路を含む電圧検出回路は、図１に示した電圧検出回路と基本的には同一である。異なっているのは、演算増幅器ＩＣ３Ｂの逆相入力端子が一つ上のセルの演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ４Ａからの出力に接続されている点と、演算増幅器ＩＣ３Ｂの正相入力端子が演算増幅器（非反転増幅器）ＩＣ３Ａの出力に接続される点だけであり、何れも演算増幅器ＩＣ３Ｂには図１と同一の電位が入力されており、セル３の電圧が組電池のマイナス端子基準で出力されることには変わりがない。
【００４６】
セル４〜セル８の出力回路はセル３の出力回路と同一構成の回路であり、各セル電圧が組電池のマイナス端子（ＧＮＤ）基準で出力される。ただし、セル８だけが最上位のため、演算増幅器ＩＣ８Ａ、ＩＣ８Ｂの正電源端子が組電池のプラス端子に接続されている。
【００４７】
請求項５の発明で示したように、演算増幅器の電源端子に印加される電圧を低くするため、各演算増幅器の正電源端子と負電源端子とは次表４に示すように接続されている。
【００４８】
【表４】
なお、本電圧検出回路に使用した演算増幅器は、単電源で電源電圧が＋３Ｖまで動作し、正相入力端子と逆相入力端子との電圧がＧＮＤからプラス電源電圧−１．５Ｖまで動作可能で、オフセット電圧Ｖoffは標準２ｍＶ、最大７ｍＶ、消費電流が１．６ｍＡの汎用品を使用した。また、電流検出抵抗ＲＤと出力抵抗ＲＯとは、それぞれ抵抗値が４７ｋΩで精度０．２５％のものを用いた。更に、ＲＣフィルタの定数として抵抗ＲＩを４７ｋΩ、コンデンサＣＩを０．４７μＦとした。また、抵抗ＲＣ及びコンデンサＣＣは演算増幅器を安定に動作させるためのデカップリング用抵抗及びコンデンサである。
【００５０】
（特性試験）
次に、本実施形態の電圧検出回路の特性を確認するために行った誤差特性試験、消費電流特性試験及び周波数応答特性試験について順に説明する。
【００５１】
誤差特性試験では、本電圧検出回路の環境温度を−４０°Ｃ、２５°Ｃ、＋８０°Ｃとし、組電池の電圧を１５Ｖ（１．８７５Ｖ／セル）から３７Ｖ（４．６２５Ｖ／セル）まで変化させた場合の、セル電圧と出力電圧との誤差特性を測定した。測定結果を図３に示す。図３に示したように、環境温度及び組電池の電圧を変化させても、セル電圧と出力電圧との最大誤差は６ｍＶであり、電気自動車用組電池の電圧検出回路として十分な精度があることが認められた。
【００５２】
消費電流特性試験では、本電圧検出回路の環境温度を−４０°Ｃ、２５°Ｃ、＋８０°Ｃとし、組電池の電圧を１５Ｖ（１．８７５Ｖ／セル）から３７Ｖ（４．６２５Ｖ／セル）まで変化させた場合の、本電圧検出回路の消費電流を測定した。図４は、この測定結果を横軸に組電池の電圧（Ｖ）、縦軸に消費電流（ｍＡ）をとって示したものである。図４に示したように、本電圧検出回路の消費電流は、最大でも５ｍＡ以下と十分に小さい値であった。
【００５３】
周波数応答特性試験では、各セルに周波数０．１Ｈｚから１００００Ｈｚ（１０ＫＨｚ）までの交流電流を通電し、出力に現れる交流電圧成分を測定した。図６に周波数応答特性を示す。図６に示したように、周波数１ｋＨｚにおいて−４０ｄｂ以上の減衰率が得られ、ノイズに対しても本電圧検出回路は十分な特性を有していることが確認できた。
【００５４】
以上のように、本実施形態の電圧検出回路では、電流検出抵抗ＲＤと出力抵抗ＲＯとに精度０．２５％のものを用いたが、誤差特性試験の試験結果でも示したように、環境温度及び組電池の電圧を変化させても、セル電圧と出力電圧との最大誤差は６ｍＶであり、電気自動車用組電池の電圧検出回路として十分な精度を確保することができる。しかも従来技術のように可変抵抗を使用する必要もなく、環境温度が変化しても安定性が高く誤差が少ないので、電気自動車用組電池の電圧検出回路として量産に適合している。
【００５５】
また、本電圧検出回路では、０．１％の高精度抵抗ではなく精度０．２５％の抵抗を用いたので、セル電圧検出回路のコストを下げることができる。しかも従来技術のように高耐電圧等の特殊で高価なマルチプレクサや演算増幅器を必要としない回路構成である。
【００５６】
更に、本電圧検出回路では、消費電流特性試験の試験結果に示したように、最大消費電流でも５ｍＡ以下のセル電圧検出回路を実現することができる。従って、従来技術のように絶縁ランプを使用する場合に比べて消費電力が極めて少ない電圧検出回路とすることができる。
【００５７】
更に、本電圧回路ではセル１のセル電圧を検出するために非反転増幅器ＩＣ１を用い、セル２のセル電圧を検出するために差動増幅器ＩＣ２Ｂを用いたので、最下位セル１及びその一つ上位側のセル２のセル電圧を適正に検出することができる。なお、本電圧検出回路では、理論上はセル３のセル電圧検出の場合でも最下位セル１の電圧とセル２目の電圧の和が測定セルの電圧よりも大きくなければ正常に出力できないことも想定されるが、極端にセルバランスが悪くない限りセル３のセル電圧の検出が可能である。
【００５８】
また、本電圧検出回路では、表４に示したように、各演算増幅器のプラス電源とマイナス電源の端子間には２つのセルの総和の電圧しか印加されないので、低耐電圧の演算増幅器を用いることが可能である。
【００５９】
更に、本電圧検出回路では、周波数応答特性試験の試験結果に示したように、ノイズに対しても優れた特性を有している。
【００６０】
なお、本実施形態では、ＰチャンネルＦＥＴを使用した場合について説明したが、ＰチャンネルＦＥＴに代えて直流電流増幅率ｈｆｅの大きなＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタを使用することができる。この場合には、ＰチャンネルＦＥＴのゲート、ソース、ドレインの各端子に代えて、ＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタのベース、コレクタ、エミッタの各端子を接続すればよいことは当業者にとって自明である。このようにすれば、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを使用する場合より廉価に電圧検出回路を作製することができるので、更に電圧検出回路のコストを低減させることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、電流変換回路のセル電圧を電流に変換するための抵抗と組電池のマイナス端子に接続された出力抵抗との２本しか精度に影響する抵抗がないので、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる、という効果を得ることができる。
【００６２】
請求項２に記載の発明によれば、ＰチャンネルＦＥＴのゲート電流Ｉｇがほぼ０のためそのままドレイン電流Ｉｄとなり、電流検出抵抗の抵抗値＝出力抵抗の抵抗値とすることで、セル電圧が組電池のマイナス端子を基準とする電圧で出力されるので、請求項１と同様、高精度の抵抗を用いずにセル電圧検出回路の精度を確保することができる、という効果を得ることができる。
【００６３】
請求項３に記載の発明によれば、比較的高価なＰチャンネルＦＥＴを用いずに廉価なトランジスタによりセル電圧検出回路を構成することができるので、コストの低いセル電圧検出回路を実現することができる、という効果を得ることができる。
【００６４】
請求項４に記載の発明によれば、最下位セルに対し非反転増幅器を用い、その一つ上位側のセルに対し差動増幅器を用いたので、組電池の最下位セル及びその一つ上位側のセルのセル電圧を適正に検出することができる、という効果を得ることができる。
【００６５】
請求項５に記載の発明によれば、演算増幅器の耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されるようにしたので、使用される演算増幅器の耐電圧が低くても、非反転増幅器からの電圧を適切に選択して演算増幅器を耐電圧範囲内で作動させることができる、という効果を得ることができる。
【００６６】
そして、請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備えたので、要求精度を満足する電池電圧検出装置を実現することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項２に記載の発明の作用を説明するための電流変換回路の回路図である。
【図２】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路を示す回路図である。
【図３】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の誤差特性を示す特性線図である。
【図４】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の消費電流特性を示す特性線図である。
【図５】本発明が適用された実施形態のセル電圧検出回路の周波数応答特性を示す特性線図である。
【図６】従来のセル電圧検出回路の回路構成を示す構成図である。
【図７】図６に示したセル電圧検出回路の差動増幅器の詳細を示す回路図である。
【符号の説明】
ＲＩ、ＲＦ、ＲＣ、ＲＤ、ＲＯ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８ 抵抗
ＣＩ、ＣＣ コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ ＰチャンネルＦＥＴ
ＩＣ１、ＩＣ２Ａ、ＩＣ２Ｂ、ＩＣ３Ａ、ＩＣ３Ｂ、ＩＣ４Ａ、ＩＣ４Ｂ、ＩＣ５Ａ、ＩＣ５Ｂ、ＩＣ６Ａ、ＩＣ６Ｂ、ＩＣ７Ａ、ＩＣ７Ｂ、ＩＣ８Ａ、ＩＣ８Ｂ 演算増幅器
Claims (6)
- 直列に接続されたセルを備えた組電池のセル電圧を検出するセル電圧検出回路において、
フィードバックループを形成した増幅器と抵抗とを有し、前記セル電圧を電流に変換する電流変換回路と、
一端が前記組電池のマイナス端子に接続され、他端が前記変換回路の出力に接続され、両端電圧が前記セル電圧として検出される出力抵抗と、
を備えたことを特徴とするセル電圧検出回路。 - 前記電流変換回路は、
正相入力端子が測定セルのマイナス端子に接続された演算増幅器と、
ゲートが前記演算増幅器の出力端子に接続され、ドレインが前記出力抵抗の他端に接続されたＰチャンネルＦＥＴと、
一端が前記測定セルのプラス端子に接続され、他端が前記演算増幅器の逆相入力端子及び前記ＰチャンネルＦＥＴのソースに接続された電流検出抵抗と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のセル電圧検出回路。 - 前記ＰチャンネルＦＥＴに代えて、ＰＮＰ型トランジスタ又はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタが使用されることを特徴とする請求項２に記載のセル電圧検出回路。
- 前記組電池のマイナス端子に接続されるセルのセル電圧は増幅率１の非反転増幅器で出力され、該セルの一つ上位側のセルのセル電圧は増幅率１の差動増幅器で出力されることを特徴とする請求項１に記載のセル電圧検出回路。
- 前記演算増幅器は該耐電圧範囲内で作動電源が供給されるように、該演算増幅器の正電源端子及び負電源端子が各セルのセル電圧を入力とした増幅率１の非反転増幅器の出力に接続されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のセル電圧検出回路。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセル電圧検出回路を備えた電池電圧検出装置。
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