JP3760764B2

JP3760764B2 - 電圧検出回路

Info

Publication number: JP3760764B2
Application number: JP2000377634A
Authority: JP
Inventors: 公壽辻
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2002181853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列に複数接続される電圧源における電圧バランス異常を検出する電圧検出回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の電圧源を直列に接続しそれらの電圧源の電圧を検出する電圧検出回路として、特開平１１−２３３１５４号公報に記載されるように、電圧源が電池であり、直列に接続された各電池の両端から電圧検知線を引き出し、その電圧検知線を差動アンプに入力し差動アンプの出力電圧を検出して、各電池の電圧を個別に検出するものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の電圧検出回路では、各電圧源の電圧状態を検出できるが、その電圧状態が異常であるか否かの検出を行うことができない。この電圧検出回路を用いて、電圧状態の異常、例えば直列に接続された各電池の電圧が不均一であることを検出するには、各差動アンプの出力電圧をコンパレータを用いて比較検出することが考えられる。しかし、電圧検出すべき電圧源が多数ある場合、各電圧源に対しそれぞれコンパレータが必要となることから、電圧検出回路が高コストなものとなってしまう。
【０００４】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、低コストで複数の電圧源における電圧の異常検出が行える電圧検出回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る電圧検出回路は、直列に接続された複数の電圧源における電圧バランスの異常を検出する電圧検出回路において、電圧源ごとに設けられ、ベース端子に電圧源の電圧に対応する電圧対応信号が入力されコレクタ端子にバイアス電源が接続されるｎｐｎ型の第一トランジスタと、ベース端子に電圧対応信号が入力されエミッタ端子が第一トランジスタのエミッタ端子と接続されるｐｎｐ型の第二トランジスタとを有する検知部と、各検知部における第一トランジスタのエミッタ端子間を接続する第一接続線と、各検知部における第二トランジスタのコレクタ端子間を接続する第二接続線と、第二接続線に接続される異常検出端子とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、ｎｐｎ型の第一トランジスタとｐｎｐ型の第二トランジスタを主な構成部品とする簡易な構造でありながら、直列に複数接続したコンデンサなどの電圧源におけるいずれかの電圧差がオン状態時の第一トランジスタのベース−エミッタ間電圧ＶF1と第二トランジスタのベース−エミッタ間電圧ＶF2とを加算した電圧（ＶF1＋ＶF2）以上となったときに、電圧源の電圧バランスが異常であることを検出することができる。即ち、簡易な構造でありながら直列に接続される電圧源の電圧バランスの異常を検出することでき、低コストで電圧異常検出を実現できる。
【０００７】
また、各第一トランジスタのエミッタ端子が第一接続線が接続されているため、第一トランジスタのエミッタ−ベース間に逆電圧が加わる場合があるが、その逆電圧がＶF2を超えると、第二トランジスタがオンとなり第一トランジスタのエミッタ−ベース間の逆電圧がＶF2以上とならない。つまり、この電圧検出回路において、第二トランジスタが第一トランジスタの保護回路として機能する。従って、第一トランジスタが最大定格を超えることが回避でき、第一トランジスタの破損が防止できる。
【０００８】
また本発明に係る電圧検出回路は、前述の検知部が第一トランジスタのベース端子と第二トランジスタとのベース端子との間に所定の電位差を生じさせる電位差生成手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、第二トランジスタがオン状態となりやすいため、直列に接続される電圧源における電圧差が小さい場合でも、異常検出が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１１】
（第一実施形態）
図１に本実施形態に係る電圧検出回路を示す。
【００１２】
本図に示すように、本実施形態に係る電圧検出回路１は、直列に接続した複数のコンデンサ２における電圧バランスの異常を検出する回路である。コンデンサ２は、ある負荷に対して電圧源となるものであり、複数接続されている。このコンデンサ２としては、ウルトラキャパシタ、パワーキャパシタルセルなどが用いられる。
【００１３】
直列接続されたコンデンサ全体に対して、発電機３が直列に接続されている。発電機３は、コンデンサ２全体に一度に電圧を加えて各コンデンサ２を充電する充電手段であり、例えば車両のブレーキ負荷を受けて発電するものが用いられる。この場合、電圧検出回路１は発電機３と共に車両に搭載される。
【００１４】
各コンデンサ２に対して、それぞれ電圧電流変換回路（Ｖ／Ｉ変換回路）４が設けられている。電圧電流変換回路４は、コンデンサ２の電圧を電流に変換する電圧変換手段である。コンデンサ２の両端は電圧電流変換回路４の入力端子に接続され、コンデンサ２の電圧値に応じた電流ｉが電圧電流変換回路４から出力される。この電圧電流変換回路４により、電位の異なる各コンデンサ２の電圧を同電位の信号として取り扱うことができる。
【００１５】
なお、コンデンサ２の電圧を変換する電圧変換手段としては、フォトカプラなどを用いてもよい。
【００１６】
電圧電流変換回路４の出力側には、検知部５が設けられている。検知部５は、コンデンサ２の電圧を検知する検知手段であり、電圧電流変換回路４から出力される電流を入力し、その電流に応じてコンデンサ２の電圧状態を検知する。
【００１７】
検知部５は、コンデンサ２及び電圧電流変換回路４に対応して、複数設けられている。検知部５は、第一トランジスタ５１、第二トランジスタ５２、抵抗５３を備えている。抵抗５３は、検知部５の入力端子とアース間に配設されている。この抵抗５３は、各検知部５において同一抵抗値のものが用いられる。
【００１８】
電圧電流変換回路４から出力される電流ｉはほとんどが抵抗５３を流れ、抵抗５３の両端の間に電流ｉに対応する電圧、即ちコンデンサ２の電圧に対応する電圧（電圧対応信号）が生ずる。
【００１９】
第一トランジスタ５１は、ｎｐｎ型のトランジスタであり、ベース端子が抵抗５３の一端に接続されている。このため、ベース端子に抵抗５３に生じた電圧が入力される。第一トランジスタ５１のコレクタ端子は、一定電圧のバイアス電源に接続されている。
【００２０】
第二トランジスタ５２は、ｐｎｐ型のトランジスタであり、ベース端子が抵抗５３の一端に接続されている。このため、ベース端子に抵抗５３に生じた電圧が入力される。第二トランジスタ５２のエミッタ端子は、第一トランジスタ５１のエミッタ端子に接続されている。
【００２１】
電圧検出回路１には、第一接続線６及び第二接続線７が設けられている。第一接続線６は、各検知部５における第一トランジスタ５１のエミッタ端子間を接続する配線である。第一接続線６とアースとの間には、抵抗６１が配設されている。
【００２２】
第二接続線７は、各検知部５における第二トランジスタ５２のコレクタ端子間を接続する配線である。第二接続線７とアースとの間には、抵抗７１が配設されている。第二接続線７には、異常検出端子８が接続されている。異常検出端子８は、複数接続されるコンデンサ２における電圧バランスの異常を検出する端子である。
【００２３】
次に、本実施形態に係る電圧検出回路の動作について説明する。
【００２４】
図１において、発電機３によりコンデンサ２の全体に所定の充電電圧が印加されると、各コンデンサ２が充電され、各コンデンサ２の電圧が上昇する。このとき、各コンデンサ２の電圧は各電圧電流変換回路４に入力される。
【００２５】
このコンデンサ２の電圧入力により、電圧電流変換回路４は、コンデンサ２の電圧値に応じた電流ｉを出力する。各電圧電流変換回路４から出力される電流ｉは、それぞれ検知部５に入力される。そして、電流ｉは、検知部５の抵抗５３を流れ電流ｉに応じた電圧Ｖｉを生じさせる。この電圧Ｖｉは、第一トランジスタ５１のベース端子及び第二トランジスタ５２のベース端子にそれぞれ入力される。
【００２６】
この電圧Ｖｉの入力により、第一トランジスタ５１のエミッタ端子の電圧Ｖ51は、Ｖｉ−ＶBEとなる。なお、ＶBEは、第一トランジスタ５１のベース端子とエミッタ端子との間の電圧である。
【００２７】
しかしながら、各検知部５の第一トランジスタ５１のエミッタ端子が第一接続線６で接続されているため、各コンデンサ２のうち最大電圧となるコンデンサ２に対応する検知部５の第一トランジスタ５１のエミッタ端子電圧をＶ51MAXとすると、各検知部５の第一トランジスタ５１のエミッタ端子電圧は第一接続線６を通じてＶ51MAXとなる。
【００２８】
その際、最大電圧となるコンデンサ２に対応する検知部５の第一トランジスタ５１のみがオン状態となり、第一トランジスタ５１、第二トランジスタ５２のオン状態時におけるベース−エミッタ間電圧をそれぞれＶF1、ＶF2（約０．６Ｖ）とすると、その第一トランジスタ５１のＶBEは、ＶF1となる。他のコンデンサ２に対応する検知部５の第一トランジスタ５１はオン状態とならず、それらの第一トランジスタ５１のＶBEはＶF1以下となる。
【００２９】
一方、検知部５において、第一トランジスタ５１のエミッタ端子と第二トランジスタ５２のエミッタ端子が直接接続されているため、各第二トランジスタ５２のコレクタ端子には電圧Ｖ51MAXが入力される。また、第二トランジスタ５２のベース端子には、コンデンサ２の充電状態に応じて電圧Ｖｉが入力される。
【００３０】
このとき、第二トランジスタ５２のベース端子に入力される電圧Ｖｉが第二トランジスタ５２のエミッタ端子に入力される電圧Ｖ51MAXからＶF2を減じた電圧（Ｖ51MAX−ＶF2）以下であるときには、第二トランジスタ５２がオン状態となる。これは、コンデンサ２の充電電圧の差により、いずれかの検知部５における電圧ｉにおいて、ＶF1＋ＶF2以上の電圧差を生じたことを意味する。
【００３１】
そして、いずれかの検知部５の第二トランジスタ５２がオン状態となることにより、第二トランジスタ５２のコレクタ端子から電流が出力され抵抗７１に流れる。これにより、異常検出端子８の出力がハイ（Ｈ）となる。
【００３２】
異常検出端子８の出力がハイとなることにより、コンデンサ２の充電電圧の差が所定の電圧値より大きくなり、複数直列接続されるコンデンサ２の電圧バランスに異常を来していることが分かる。
【００３３】
これに対し、各検知部５において、第二トランジスタ５２のベース端子に入力される電圧Ｖｉが第二トランジスタ５２のエミッタ端子に入力される電圧Ｖ51MAXからＶF2を減じた電圧（Ｖ51MAX−ＶF2）より高いときには、いずれの第二トランジスタ５２もオン状態とならない。これは、コンデンサ２の充電電圧に差があっても、検知部５における電圧ｉの差がいずれもＶF1＋ＶF2より小さいことを意味する。
【００３４】
そして、各検知部５の第二トランジスタ５２がオン状態とならないことにより、第二トランジスタ５２のコレクタ端子から電流が出力されず、抵抗７１には電流が流れない。従って、異常検出端子８の出力はロー（Ｌ）となる。
【００３５】
異常検出端子８の出力がローとなることにより、コンデンサ２の充電電圧の差が所定の電圧値以下であり、複数直列接続されるコンデンサ２の電圧バランスに特に異常がないことが分かる。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係る電圧検出回路１によれば、ｎｐｎ型の第一トランジスタ５１とｐｎｐ型の第二トランジスタ５２を主な構成部品とする簡易な構造でありながら、直列に複数接続したコンデンサ２におけるいずれかの電圧差がオン状態時の第一トランジスタ５１及び第二トランジスタ５２のベース−エミッタ間電圧を加算した電圧（ＶF1＋ＶF2）以上となったときに、コンデンサ２の電圧バランスが異常であることを検出することができる。即ち、簡易な構造でありながら直列に接続される電圧源の電圧バランスの異常を検出することでき、低コストで電圧異常検出を実現できる。
【００３７】
また、本実施形態に係る電圧検出回路１では、第一トランジスタ５１のエミッタ端子が第一接続線６が接続されているため、第一トランジスタ５１のエミッタ−ベース間に逆電圧が加わる場合がある。しかしながら、その逆電圧がＶF2を超えると、第二トランジスタ５２がオンとなり、第一トランジスタ５１のエミッタ−ベース間の逆電圧はＶF2以上とならない。つまり、電圧検出回路１において、第二トランジスタ５２が第一トランジスタ５１の保護回路として機能する。従って、第一トランジスタ５１に最大定格を超える電圧が加わることが回避でき、第一トランジスタ５１の破損が未然に防止できる。
【００３８】
（第二実施形態）
次に第二実施形態に係る電圧検出回路について説明する。
【００３９】
図２に本実施形態に係る電圧検出回路を示す。本図に示すように、電圧検出回路１ａは、第一実施形態の電圧検出回路１と検知部５の構成が異なるものである。電圧検出回路１ａの検知部５は、第一トランジスタ５１のベース端子と第二トランジスタ５２とのベース端子との間に所定の電位差を生じさせる電位差生成手段として、第一トランジスタ５１と第二トランジスタ５２のベース側の入力部分に二つのダイオード５４、５５と二つの抵抗５６、５７を追加して設けられている。
【００４０】
ダイオード５４、５５は、第一トランジスタ５１のベース端子と抵抗５３との間に配設され、抵抗５３側に向けて順方向に直列接続されている。抵抗５６、５７は、第一トランジスタ５１のベース端子と抵抗５３との間に直列に接続され、第一トランジスタ５１のベース端子側から抵抗５６、５７の順に配設されている。抵抗５６と抵抗５７の間の配線部分は、第二トランジスタ５２のベース端子に接続されている。
【００４１】
このような電圧検出回路１ａによれば、第一トランジスタ５１、第二トランジスタ５２のオン状態時におけるベース−エミッタ間電圧をそれぞれＶF1、ＶF2とし、ダイオード５４、５５の順方向電圧をそれぞれＶF（約０．６Ｖ）とし、抵抗５６の抵抗値をＲａ、抵抗５７の抵抗値をＲｂとすると、直列に複数接続したコンデンサ２におけるいずれかの電圧差がＶF1＋ＶF2−２・ＶF・（Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ））以上となったときに、コンデンサ２の電圧バランスが異常であることが検出される。
【００４２】
ここで、ＶF1＋ＶF2＝２・ＶFとすると、電圧検出回路１ａにおいて、直列に複数接続したコンデンサ２におけるいずれかの電圧差が（ＶF1＋ＶF2）・（Ｒａ／（Ｒａ＋Ｒｂ））以上となったときに、コンデンサ２の電圧バランスが異常であることが検出される。従って、コンデンサ２の電圧差がＶF1＋ＶF2以上で異常を検出する第一実施形態に係る電圧検出回路１に対し、本実施形態に係る電圧検出回路１ａでは、それより小さい電圧差（（ＶF1＋ＶF2）・（Ｒａ／（Ｒａ＋Ｒｂ）））が生じた場合でも、異常検出が可能となる。
【００４３】
また、抵抗５６、５７の抵抗値Ｒａ、Ｒｂを変更することにより、任意に検出すべきコンデンサ２の電圧差を設定することが可能である。
【００４４】
（第三実施形態）
第一実施形態及び第二実施形態に係る電圧検出回路では、直列に接続した複数のコンデンサ２における電圧バランスの異常を検出する電圧検出回路について説明したが、本発明に係る電圧検出回路はそのようなものに限られるものではなく、電池などのその他の電圧源を直列に複数接続した場合の電圧源の電圧バランス異常を検出するものであってよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、簡易な構造でありながら直列に接続される電圧源の電圧バランスの異常を検出することでき、低コストで電圧異常検出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る電圧検出回路の説明図である。
【図２】第二実施形態に係る電圧検出回路の説明図である。
【符号の説明】
１…電圧検出回路
２…コンデンサ（電圧源）
５…検知部
６…第一接続線
７…第二接続線
８…異常検出端子
５１…第一トランジスタ
５２…第二トランジスタ

Claims

直列に接続された複数の電圧源における電圧バランスの異常を検出する電圧検出回路において、
前記電圧源ごとに設けられ、ベース端子に前記電圧源の前記電圧に対応する電圧対応信号が入力されコレクタ端子にバイアス電源が接続されるｎｐｎ型の第一トランジスタと、ベース端子に前記電圧対応信号が入力されエミッタ端子が前記第一トランジスタの前記エミッタ端子と接続されるｐｎｐ型の第二トランジスタとを有する検知部と、
前記各検知部における前記第一トランジスタの前記エミッタ端子間を接続する第一接続線と、
前記各検知部における前記第二トランジスタの前記コレクタ端子間を接続する第二接続線と、
前記第二接続線に接続される異常検出端子と、
を備えたことを特徴とする電圧検出回路。
前記検知部は、前記第一トランジスタのベース端子と前記第二トランジスタとのベース端子との間に所定の電位差を生じさせる電位差生成手段を備えたこと、
を特徴とする請求項１に記載の電圧検出回路。