JP5816853B2 - 電圧計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は所定数のバッテリセルが直列に接続されたバッテリセル群を複数有するバッテリセルアレイの各バッテリセルの電圧を計測するための電圧計測装置に関する。
ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に搭載されるバッテリには、出力電圧およびエネルギー密度が２次電池より高く高効率なリチウムイオンバッテリが多く用いられている。リチウムイオンバッテリは、充放電の制御が難しく、破裂や発火の危険性があるため、車載バッテリとしてリチウムイオンバッテリを用いる場合には、特にバッテリの電圧管理が重要となる。
図５は従来のバッテリシステムの概略構成を示す回路図である。図５に示すように、従来のバッテリシステムは、車載用のリチウムイオンバッテリと当該リチウムイオンバッテリの電圧を計測する電圧計測装置とを備えている。車載用のリチウムイオンバッテリは、所定数のバッテリセルＣｊｉ（ｊ＝１，…，ｍ、ｉ＝１，…，ｎ、図５の例においてはｍ＝４）が直列に接続されたバッテリセル群Ｇｊがさらに複数直列に接続されたようなバッテリセルアレイ１０１として構成されている。これにより、バッテリセルアレイ１０１は、すべてのバッテリセルＣｊｉが直列に接続されることにより車両駆動用の高い電圧を得ることができる。このようなバッテリセルアレイ１０１の各バッテリセルＣｊｉの電圧を計測するために、電圧計測装置１０３には、複数のバッテリセル群Ｇｊごとに、複数の計測器ｊが設けられている。各計測器Ｍｊには、接続されるバッテリセルＣｊｉの下側の電圧と上側の電圧とが入力される。すなわち、計測器Ｍｊは接続されるバッテリセルＣｊｉの上側の電圧から下側の電圧を差し引くことよりバッテリセルＣｊｉの電圧（計測電圧）を検出している。なお、計測器Ｍｊに入力される最も高い電圧（バッテリセル群Ｇｊの最も高い電圧）を電源電圧ＶＤＤｊとし、計測器Ｍｊに入力される最も低い電圧（バッテリセル群Ｇｊの最も低い電圧）を基準電圧ＶＳＳｊとする。また、各計測器Ｍｊには、当該計測器Ｍｊを駆動する駆動電圧ＶＩＯｊが入力される。
複数の計測器Ｍｊの計測制御および計測値の管理のための制御器（例えばマイクロコントローラ等）は、各計測器Ｍｊごとに設けられることも考えられるが、高コストとなる。これに対し、複数の計測器Ｍｊ間を接続し、互いに信号の送受信を可能とすることにより、１つの制御器１０２ですべての計測器Ｍｊを制御する構成が知られている。隣接する計測器Ｍｊは、通信線対による通信経路を介して互いに通信可能に接続された、いわゆるデイジーチェーン（daisy chain）接続により構成されている。通信線対は、下段（低電圧側）の計測器Ｍｊから上段（高電圧側）の計測器Ｍｋ（ｋ＝ｊ＋１）への電流通信を行う上向き通信路ＳＵｋｊと、上段の計測器Ｍｋから下段の計測器Ｍｊへの電流通信を行う下向き通信路ＳＬｊｋと、複数の計測器Ｍｊのうちの１つ（最下段の計測器Ｍｍ）から制御器１０２へ入力される入力通信線ＳＩと、計測器Ｍｍから制御器１０２へ出力される出力通信線ＳＯとを備えている。
このような構成により、各計測器Ｍｊは、対応するバッテリセルＣｊｉの電圧を計測し、その計測結果を下向き通信路ＳＬｊｋを介して制御器１０２に送信する。制御器１０２は、計測したいバッテリセルＣｊｉに対応する計測器Ｍｊに上向き通信路ＳＵｋｊを介して駆動指令を送信する。
上記のような従来の電圧計測装置において、バッテリセルアレイ１０１に何らかの部材が接触した際にバッテリセルアレイ１０１を含むループ回路の絶縁性を好適に維持するための構成として、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋ間に、低電位側の計測器Ｍｊから高電位側の計測器Ｍｋへと電流が流れるのを阻止するための素子（ダイオード）が接続されている構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−１４４９８号公報
ところで、ある計測器Ｍｊに入力される電源電圧ＶＤＤｊとその上段にある計測器Ｍｋ（ｋ＝ｊ＋１）に入力される基準電圧ＶＳＳｋとの電位差は理想的には０である。しかしながら、外乱や電流リプルによって予期しない電流がバッテリセル群Ｇｊに流れて、電源電圧ＶＤＤｊと基準電圧ＶＳＳｋとの間に電位差が生じる可能性がある。特に、ＨＥＶやＥＶなどに搭載されるバッテリにおいては、振動や外部環境等により外乱や振動リプルが大きくなり易いため、両者間に電位差が生じ易い。このように電源電圧ＶＤＤｊと基準電圧ＶＳＳｋとの間に電位差が生じると、電流通信信号の送信の有無に拘わらず、当該電位差によって電源電圧ＶＤＤｊと基準電圧ＶＳＳｋとの間に上向き通信路ＳＵｋｊまたは下向き通信路ＳＬｊｋを介して電流が流れてしまう。すなわち、電流通信信号を送信していないにもかかわらず、電流通信状態となってしまう場合が生じる可能性がある。このような電流が流れると、計測器Ｍｊが誤動作し、電流通信が正しく行えない結果となる（ロバスト性および信頼性を高くすることができない）。このような電源電圧ＶＤＤｊと基準電圧ＶＳＳｋとの間に生じ得る電位差による上記問題は上記特許文献１の構成では解決できない。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、隣接するバッテリセルにおける電源電圧と基準電圧との間に電位差が生じても電流通信を適正に行うことができる電圧計測装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電圧計測装置は、所定数のバッテリセルが直列に接続されたバッテリセル群を複数有するバッテリセルアレイの各バッテリセルの電圧を計測するための電圧計測装置であって、バッテリセル群ごとに設けられた複数の計測器を備え、隣接する前記計測器は、通信経路を介して互いに電流通信可能に接続されており、前記隣接する計測器間の前記通信経路には、双方向ダイオード回路要素が接続されているものである。
上記構成によれば、隣接する計測器間を接続する通信経路に、双方向ダイオード回路要素が接続されている。このため、ある計測器に入力される最も高い電圧である電源電圧と当該計測器の上段（高電位側）にある計測器に入力される最も低い電圧である基準電圧との間で外乱や電流リプルによる電位差が生じた場合であっても、通信経路には電流が流れない。一方、電流通信時には双方向ダイオード回路要素の順方向電圧を超える電圧が印加されるため通信経路には電流が流れて通信を行うことができる。したがって、隣接するバッテリセル群における電源電圧と基準電圧との間に電位差が生じても電流通信を適正に行うことができる。
前記通信経路には、電流信号を生成する電流源が接続可能に構成されており、前記双方向ダイオード回路要素は、前記電流源による前記通信経路の電流方向が順方向となるダイオードが１Ｖ以上の順方向電圧を有していてもよい。これにより、電流通信時には電流源により生じる電流が通信経路を流れることにより、電流通信が行われる。双方向ダイオード回路要素は、電流源による電流方向が順方向となるダイオードの順方向電圧が１Ｖ以上となっているため、外乱や電流リプル等によって電位差が生じても、通信経路に電流が流れることを有効に防止することができる。
前記計測器は、それぞれ１つの集積回路チップとして構成され、前記双方向ダイオード回路要素は、前記隣接する計測器のうちの何れか一方の計測器の集積回路チップ内に構成されていてもよい。これにより、電圧計測装置の部品点数が増加するのを有効に防止することができる。また、集積回路チップ内に電位差による誤動作を防止するための電流通信方向が順方向となるダイオードを設けた場合にも、双方向ダイオード回路要素のうちの電流通信方向とは逆の方向が順方向となるダイオードにより、電流通信方向とは逆方向に電流が流れるパスができる。これにより、静電気などにより電流通信方向とは逆方向に電流が流れることが許容されるため、静電気破壊により集積回路チップが破壊されることを防止することができる。
前記通信経路は、隣接する前記計測器のうちの低電圧側のバッテリセル群の電圧を計測する下段の計測器から隣接する前記計測器のうちの高電圧側のバッテリセル群の電圧を計測する上段の計測器へ電流信号を送信する上向き通信路と、前記上段の計測器から前記下段の計測器へ電流信号を送信する下向き通信路とを含み、前記双方向ダイオード回路要素は、前記上向き通信路および前記下向き通信路の少なくともいずれか一方に接続されていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明は以上に説明したように構成され、隣接するバッテリセルにおける電源電圧と基準電圧との間に電位差が生じても電流通信を適正に行うことができるという効果を奏する。
図１は本発明の第１実施形態に係る電圧計測装置が適用されたバッテリシステムの概略構成例を示す回路図である。 図２は図１に示す電圧計測装置の計測器のうち隣接する２つの計測器間の通信構成例を示す回路図である。 図３は本発明の第２実施形態に係る電圧計測装置が適用されたバッテリシステムの概略構成例を示す回路図である。 図４は図３に示す電圧計測装置の計測器のうち隣接する２つの計測器間の通信構成例を示す回路図である。 図５は従来のバッテリシステムの概略構成を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る電圧計測装置について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電圧計測装置が適用されたバッテリシステムの概略構成例を示す回路図である。
図１に示すように、本実施形態のバッテリシステムは、バッテリセルアレイ１と当該バッテリセルアレイ１の電圧を計測する電圧計測装置３とを備えている。バッテリセルアレイ１は、所定数のバッテリセルＣｊｉ（ｊ＝１，…，ｍ、ｉ＝１，…，ｎ、本実施形態においてはｍ＝４）が直列に接続されている。バッテリセルアレイ１を構成する複数のバッテリセルＣｊｉは、所定の数ごとにグループ化され、複数のバッテリセル群Ｇｊを構成している。バッテリセルアレイ１は、すべてのバッテリセルＣｊｉが直列に接続されることにより車両駆動用の高い電圧を得ることができる。バッテリセルＣｊｉは、例えばリチウムイオンバッテリ等により構成される。
このようなバッテリセルアレイ１の各バッテリセルＣｊｉの電圧を計測するために、電圧計測装置３は、複数のバッテリセル群Ｇｊごとに、複数の計測器Ｍｊを備えている。各計測器Ｍｊには、接続されるバッテリセルＣｊｉの下側の電圧と上側の電圧とが入力される。すなわち、計測器Ｍｊは接続されるバッテリセルＣｊｉの上側の電圧から下側の電圧を差し引くことよりバッテリセルＣｊｉの電圧（計測電圧）を検出している。なお、計測器Ｍｊに入力される最も高い電圧（バッテリセル群Ｇｊの最も高い電圧）を電源電圧ＶＤＤｊとし、計測器Ｍｊに入力される最も低い電圧（バッテリセル群Ｇｊの最も低い電圧）を基準電圧ＶＳＳｊとする。また、各計測器Ｍｊには、当該計測器Ｍｊを駆動する駆動電圧ＶＩＯｊが入力されている。
また、電圧計測装置３は、複数の計測器Ｍｊの計測制御および計測値の管理のための制御器２を備えている。制御器２は、例えばマイコン（micro controller）、内蔵または外付けのコンピュータ等により構成される。制御器２は、複数の計測器Ｍｊのうちのいずれか１つ（本実施形態においては最下段（最も低電位側）の計測器Ｍ４）に接続されている。さらに、隣接する計測器Ｍｊは、通信経路を介して互いに電流通信可能に接続されている。これにより、複数の計測器Ｍｊは、いわゆるデイジーチェーン接続されており、１つの制御器２からの駆動指令を各計測器Ｍｊに伝達するとともに、各計測器Ｍｊからの計測電圧を制御器２へ伝達することができる。
通信経路は、隣接する計測器のうちの低電圧側のバッテリセル群Ｇｊの電圧を計測する下段の計測器Ｍｊから隣接する計測器のうちの高電圧側のバッテリセル群Ｇｋ（ｋ＝ｊ＋１）の電圧を計測する上段の計測器Ｍｋへ電流信号を送信する上向き通信路ＳＵｋｊと、上段の計測器Ｍｋから下段の計測器Ｍｊへの電流通信を行う下向き通信路ＳＬｊｋとを備えている。また、複数の計測器Ｍｊのうちの１つ（最下段の計測器Ｍ４）と制御器２との間の通信経路は、最下段の計測器Ｍ４から制御器２へ入力される入力通信線ＳＩと、計測器Ｍ４から制御器２へ出力される出力通信線ＳＯとを備えている。
このような構成により、各計測器Ｍｊは、対応するバッテリセルＣｊｉの電圧を計測し、その計測結果を下向き通信路ＳＬｊｋを介して制御器２に送信する。制御器２は、計測したいバッテリセルＣｊｉに対応する計測器Ｍｊに上向き通信路ＳＵｋｊを介して駆動指令を送信する。
本実施形態において、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋ間の通信経路（本実施形態においては上向き通信路ＳＵｋｊ）には、双方向ダイオード回路要素４Ｕが接続されている。
上記構成によれば、隣接する計測器間（例えば計測器Ｍ１，Ｍ２間）を接続する上向き通信路ＳＵ２１に、双方向ダイオード回路要素４Ｕが接続されている。このため、ある計測器Ｍ２に入力される最も高い電圧である電源電圧ＶＤＤ２と当該計測器Ｍ１の上段（高電位側）にある計測器Ｍ１に入力される最も低い電圧である基準電圧ＶＳＳ１との間で外乱や電流リプルによる電位差が生じた場合であっても、外乱や電流リプル等によって生じる当該電位差は双方向ダイオード回路要素４Ｕのうち通信経路における電流通信の方向を順方向とするダイオード（後述）の順方向電圧を超えないため、上向き通信路ＳＵ２１には電流が流れない。一方、電流通信時には双方向ダイオード回路要素４Ｕの順方向電圧を超える電圧が印加されるため上向き通信路ＳＵ２１には電流が流れて通信を行うことができる。したがって、隣接するバッテリセル群Ｇ１，Ｇ２における電源電圧ＶＤＤ２と基準電圧ＶＳＳ１との間に電位差が生じても電流通信を適正に行うことができる。
より詳しく説明する。図２は図１に示す電圧計測装置の計測器のうち隣接する２つの計測器間の通信構成例を示す回路図である。図２においては、計測器Ｍ１と計測器Ｍ２との間の上向き通信路ＳＵ２１を介した電流通信経路を示している。図２に示すように、通信経路である上向き通信路ＳＵ２１は、駆動電圧ＶＩＯ１が印加される上段の計測器Ｍ１の駆動電圧線ＬＩＯ１と、基準電圧ＶＳＳ２が印加される下段の計測器Ｍ２の基準電圧線ＬＳＳ２との間を接続するように設けられている。
上向き通信路ＳＵ２１には、電流信号を生成する電流源５Ｕが接続可能に構成されている。具体的には、電流源５Ｕは下段の計測器Ｍ２に設けられ、下段の計測器Ｍ２は、上向き通信路ＳＵ２１と電流源５Ｕとの接続または遮断を切り替えるスイッチ６Ｕを備えている。さらに、下段の計測器Ｍ２は、さらに下段の計測器Ｍ３または制御器２からの電流信号を上段の計測器Ｍ２へ送信するための送信部７Ｕを備えており、送信部７Ｕが下段の計測器Ｍ３または制御器２からの電流信号に基づいてスイッチ６Ｕによる接続または遮断を切り替える。電流源５Ｕは駆動電圧線ＬＩＯ１から基準電圧線ＬＳＳ２へ向かう方向（すなわち、上段の計測器Ｍ１から下段の計測器Ｍ２へ向かう方向）に電流を流すように構成されている。
また、上段の計測器Ｍ１は、上向き通信路ＳＵ２１によって伝達される電流信号を受信する受信部８Ｕを備えている。さらに、上段の計測器Ｍ１は、上向き通信路ＳＬ１２に印加される電圧が入力され、所定の基準電圧と比較する比較器９Ｕを備えている。この比較器９Ｕの出力が受信部８Ｕに入力される。駆動電圧線ＬＩＯ１と比較器９Ｕとの間には、プルアップ抵抗１０Ｕが接続されており、上向き通信路ＳＵ２１に電流が流れていない状態（すなわち、電流通信を行っていない状態）においてはこのプルアップ抵抗１０Ｕによって、基準電圧より高い電圧が比較器９Ｕに印加され、比較器９Ｕから出力される電圧レベルは、所定のＨレベルとなっている。一方、送信部７Ｕからの電流信号によりスイッチ６Ｕにより上向き通信路ＳＵ２１に電流源５Ｕが接続されると、駆動電圧線ＬＩＯ１から上向き通信路ＳＵ２１を介して基準電圧線ＬＳＳ２に向けて電流が流れる（電流信号が送信される）。これにより、比較器９Ｕに入力される電圧は基準電圧より低くなり、比較器９Ｕから出力される電圧レベルは、Ｈレベルより低いＬレベルとなる。このようにして、下段の計測器Ｍ２から上段の計測器Ｍ１へ上向き通信路ＳＵ２１を介して電流通信が行われる。
なお、本実施形態においては、理解容易のため、図２において、プルアップ抵抗１０Ｕと比較器９Ｕとの間の電圧を直接基準電圧と比較するような回路図を示しているが、本発明はこれに限られず、プルアップ抵抗１０Ｕと比較器９Ｕとの間の電圧の差動入力に基づいて出力される信号の電圧レベルを切り替える構成（すなわち、差動増幅器を用いる構成）としてもよい。また、比較器９Ｕは、ヒステリシスを有するものが好ましい。これにより、電流信号のノイズに応じて比較器９Ｕから出力される電圧レベルが頻繁に変化するのを防止することができる。
さらに、上段の計測器Ｍ１は、上向き通信路ＳＵ２１に過電流が流れるのを防止するクランプ回路１１および上向き通信路ＳＵ２１と基準電圧線ＬＳＳ１との間でダイオード接続されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタ（ＧＧＮＭＯＳ）１２Ｕを備えている。ＧＧＮＭＯＳ１２Ｕは、上段の計測器Ｍ１の静電気破壊を防止する。同様に、下段の計測器Ｍ２は、電源電圧線ＬＤＤ２と上向き通信路ＳＵ２１との間に接続されたダイオードＤ１Ｕと、上向き通信路ＳＵ２１と基準電圧線ＬＳＳ２との間に接続されたダイオードＤ２Ｕとを備えている。ダイオードＤ１Ｕ，Ｄ２Ｕは、下段の計測器Ｍ２の静電気破壊や上向き通信路ＳＵ２１が電源電圧線ＬＤＤ２または基準電圧線ＬＳＳ２と短絡することを防止する。
前述したように、電源電圧線ＬＤＤ２と基準電圧線ＬＳＳ１との間は、電位差が生じないことが理想的である。しかしながら、特に、ＨＥＶやＥＶなどに搭載されるバッテリにおいては、振動や外部環境等により外乱や振動リプルが大きくなり易いため、電源電圧線ＬＤＤ２−基準電圧線ＬＳＳ１間に電位差が生じ易い。従来の構成では、電源電圧線ＬＤＤ２−基準電圧線ＬＳＳ１間に電位差が生じると、基準電圧線ＬＳＳ１からＧＧＮＭＯＳ１２Ｕ、上向き通信路ＳＵ２１およびダイオードＤ１Ｕを介して電源電圧線ＬＤＤ２に電流が流れるおそれがある。このように、電源電圧線ＬＤＤ２−基準電圧線ＬＳＳ１間に電位差が生じると、上向き通信路ＳＵ２１に電流源５Ｕと同じ方向の電流が流れることにより比較器９Ｕの入力端に印加される電圧が低くなる。したがって、電流信号の有無にかかわらず比較器９Ｕから出力される電圧レベルがＬレベルとなり、誤動作してしまうおそれがある。
これに対し、本実施形態においては、図２に示すように、計測器Ｍ１，Ｍ２間の上向き通信路ＳＵ２１には、双方向ダイオード回路要素４Ｕが接続されている。具体的には、上向き通信路ＳＵ２１は、電流源５Ｕによる上向き通信路ＳＵ２１の電流方向が順方向となる第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４と、当該第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４に並列かつ上向き通信路ＳＵ２１の電流方向が逆方向となるように接続された第２方向ダイオードＤ５とを備えている。双方向ダイオード回路要素４Ｕは、電流源５Ｕによる上向き通信路ＳＵ２１の電流方向（上段の計測器Ｍ２から下段の計測器Ｍ３へ向かう方向）が順方向となるダイオードの順方向電圧（本実施形態においては２つの第１方向ダイオードＤ４，Ｄ５の順方向電圧の合計値）が１Ｖ以上となっている。一般的なダイオードの順方向電圧は、約０．７Ｖであるので、２つのダイオードＤ３，Ｄ４を電流源５Ｕによる上向き通信路ＳＵ２１の電流方向が順方向となるように直列接続することにより順方向電圧が１Ｖ以上となることを実現している。なお、順方向電圧が１Ｖ以上となる構成はこれに限られず、例えば、３つ以上のダイオードを直列接続することとしてもよいし、順方向電圧が１Ｖ以上となる１つのダイオードで構成してもよい。
このように、電流通信時にはスイッチ６Ｕにより上向き通信路ＳＵ２１に電流源５Ｕが接続され、当該電流源５Ｕにより生じる電流が通信経路である上向き通信路ＳＵ２１を流れることにより、電流通信が行われる。ここで、外乱や電流リプル等によって、電源電圧線ＬＤＤ２−基準電圧線ＬＳＳ１間で生じる電位差は、一般的に１Ｖ未満である。これに対し、双方向ダイオード回路要素４Ｕは、電流源５Ｕによる電流方向が順方向となる第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４の順方向電圧が１Ｖ以上となっているため、外乱や電流リプル等によって１Ｖ未満の電位差が生じても、上向き通信路ＳＵ２１に電流が流れることを有効に防止することができる。
特に、本実施形態の電圧計測装置３は、例えば車載用リチウムイオンバッテリのセル電圧計測装置として用いることができる。これにより、車載用途として高い信頼性を確保することができ、システムのロバスト性を高めることができる。また、本実施形態の電圧計測装置３は、既存の電圧計測装置に複数のダイオードで構成される双方向ダイオード回路要素を挿入するだけで実現可能であり、低コストで高信頼性および高ロバスト性を有する電圧計測装置を製造することができる。このような電圧計測装置は、車載用途だけでなく広く汎用の電圧計測装置に適用することができる。
本実施形態において、計測器Ｍｊは、図２に示すように、それぞれ１つの集積回路チップＥｊ（Ｅ１，Ｅ２）として構成されている。その上で、双方向ダイオード回路要素４Ｕは、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋのうちの何れか一方の計測器（本実施形態においては隣接する計測器のうちの下段側の計測器Ｍｊ）の集積回路チップＥｊ内に構成されている。すなわち、図２の例では、隣接する集積回路チップＥ１，Ｅ２のうち下段側の計測器Ｍ２の集積回路チップＥ２内に、双方向ダイオード回路要素４Ｕが形成される。
これにより、電圧計測装置３の部品点数が増加するのを有効に防止することができる。また、集積回路チップＥｊ内に電位差による誤動作を防止するための電流通信方向が順方向となるダイオードＤ３，Ｄ４を設けた場合にも、双方向ダイオード回路要素４Ｕのうちの電流通信方向とは逆の方向が順方向となる第２方向ダイオードＤ５により、電流通信方向とは逆方向に電流が流れるパスができる。これにより、静電気などにより電流通信方向とは逆方向に電流が流れることが許容されるため、静電気破壊により集積回路チップＥｊが破壊されることを防止することができる。
なお、特許文献１の構成は、バッテリセルアレイに何らかの部材が接触した際にバッテリセルアレイを含むループ回路の絶縁性を好適に維持することを課題とし、通信経路に逆方向の電流が流れるのを防止するためのダイオードを設けるものである。したがって、逆方向に流れる電流を許容する本発明とは技術思想が全く異なるものである。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る電圧計測装置について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る電圧計測装置が適用されたバッテリシステムの概略構成例を示す回路図である。本実施形態において第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の電圧計測装置３Ｂが第１実施形態の電圧計測装置３と異なる点は、図３に示すように、双方向ダイオード回路要素４Ｕの代わりに、下向き通信路ＳＬｊｋに双方向ダイオード回路要素４Ｌが接続されていることである。
図４は図３に示す電圧計測装置の計測器のうち隣接する２つの計測器間の通信構成例を示す回路図である。図４においては、計測器Ｍ２と計測器Ｍ３との間の下向き通信路ＳＬ２３を介した電流通信経路を示している。図４に示すように、通信経路である下向き通信路ＳＬ２３は、電源電圧ＶＤＤ２が印加される上段の計測器Ｍ２の電源電圧線ＬＤＤ２と、駆動電圧ＶＩＯ３が印加される下段の計測器Ｍ３の駆動電圧線ＬＩＯ３との間を接続するように設けられている。
下向き通信路ＳＬ２３には、電流信号を生成する電流源５Ｌが接続可能に構成されている。具体的には、電流源５Ｌは、上段の計測器Ｍ２に設けられ、上段の計測器Ｍ２は、下向き通信路ＳＬ２３と電流源５Ｌとの接続または遮断を切り替えるスイッチ６Ｌを備えている。さらに、上段の計測器Ｍ２は、当該計測器Ｍ２で計測されたバッテリセルＣ２ｉの電圧値またはさらに上段の計測器Ｍ１からの電流信号を下段の計測器Ｍ３へ送信するための送信部７Ｌを備えており、送信部７Ｌが当該計測器Ｍ２で生成された電流信号（計測電圧値に基づく電流信号）または上段の計測器Ｍ１からの電流信号に基づいてスイッチ６Ｌによる接続または遮断を切り替える。電流源５Ｌは電源電圧線ＬＤＤ２から駆動電圧線ＬＩＯ３へ向かう方向（すなわち、上段の計測器Ｍ２から下段の計測器Ｍ３へ向かう方向）に電流を流すように構成されている。
また、下段の計測器Ｍ３は、下向き通信路ＳＬ２３によって伝達される電流信号を受信する受信部８Ｌを備えている。さらに、下段の計測器Ｍ３は、下向き通信路ＳＬ２３に印加される電圧が入力され、所定の基準電圧と比較する比較器９Ｌを備えている。この比較器９Ｌの出力が受信部８Ｌに入力される。駆動電圧線ＬＩＯ３と比較器９Ｌとの間には、プルダウン抵抗１０Ｌが接続されており、下向き通信路ＳＬ２３に電流が流れていない状態（すなわち、電流通信を行っていない状態）においてはこのプルダウン抵抗１０Ｌによって、基準電圧より低い電圧が比較器９Ｌに印加され、比較器９Ｌから出力される電圧レベルは、所定のＬレベルとなっている。一方、送信部７Ｌからの電流信号によりスイッチ６Ｌを介して下向き通信路ＳＬ２３に電流源５Ｌが接続されると、電源電圧線ＬＤＤ２から下向き通信路ＳＬ２３を介して駆動電圧線ＬＩＯ３に向けて電流が流れる（電流信号が送信される）。これにより、比較器９Ｌに入力される電圧は基準電圧より高くなり、比較器９Ｌから出力される電圧レベルは、Ｌレベルより高いＨレベルとなる。このようにして、上段の計測器Ｍ２から下段の計測器Ｍ３へ下向き通信路ＳＬ２３を介して電流通信が行われる。
さらに、上段の計測器Ｍ２は、下向き通信路ＳＬ２３に過電流が流れるのを防止するクランプ回路１１Ｌおよび下向き通信路ＳＬ２３と電源電圧線ＬＤＤ３との間でダイオード接続されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタ（ＧＧＮＭＯＳ）１２Ｌを備えている。ＧＧＮＭＯＳ１２Ｌは、下段の計測器Ｍ３の静電気破壊を防止する。同様に、上段の計測器Ｍ２は、下向き通信路ＳＬ２３と基準電圧線ＬＳＳ２との間に接続されたダイオードＤ１Ｌと、電源電圧線ＬＤＤ２と下向き通信路ＳＬ２３との間に接続されたダイオードＤ２Ｌとを備えている。ダイオードＤ１Ｌ，Ｄ２Ｌは、上段の計測器Ｍ２の静電気破壊や下向き通信路ＳＬ２３が電源電圧線ＬＤＤ２または基準電圧線ＬＳＳ２と短絡することを防止する。
このような下向き通信路ＳＬ２３においても、電源電圧線ＬＤＤ３と基準電圧線ＬＳＳ２との間に電位差が生じる可能性がある。従来の構成では、電源電圧線ＬＤＤ３−基準電圧線ＬＳＳ２間に電位差が生じると、基準電圧線ＬＳＳ２から下向き通信路ＳＬ２３およびダイオードＤ１Ｕを介して電源電圧線ＬＤＤ２に電流が流れるおそれがある。このように、電源電圧線ＬＤＤ２−基準電圧線ＬＳＳ１間に電位差が生じると、上向き通信路ＳＵ２に電流源５Ｌと同じ方向の電流が流れることにより比較器９Ｌの入力端に印加される電圧が低くなる。したがって、電流信号の有無にかかわらず比較器９Ｌから出力される電圧レベルがＬレベルとなり、誤動作してしまうおそれがある。
これに対し、本実施形態においては、図４に示すように、計測器Ｍ２，Ｍ３間の下向き通信路ＳＬ２３には、双方向ダイオード回路要素４Ｌが接続されている。具体的には、下向き通信路ＳＬ２３は、電流源５Ｌによる下向き通信路ＳＬ２３の電流方向（上段の計測器Ｍ２から下段の計測器Ｍ３へ向かう方向）が順方向となる第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４と、当該第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４に並列かつ下向き通信路ＳＬ２３の電流方向が逆方向となるように接続された第２方向ダイオードＤ５とを備えている。双方向ダイオード回路要素４Ｌは、電流源５Ｌによる下向き通信路ＳＬ２３の電流方向が順方向となるダイオードの順方向電圧（本実施形態においては２つの第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４の順方向電圧の合計値）が１Ｖ以上となっている。一般的なダイオードの順方向電圧は、約０．７Ｖであるので、２つのダイオードＤ３，Ｄ４を電流源５Ｌによる下向き通信路ＳＬ２３の電流方向が順方向となるように直列接続することにより順方向電圧が１Ｖ以上となることを実現している。なお、本実施形態においても、順方向電圧が１Ｖ以上となる構成はこれに限られず、例えば、３つ以上のダイオードを直列接続することとしてもよいし、順方向電圧が１Ｖ以上となる１つのダイオードで構成してもよい。
このように、本実施形態においても、双方向ダイオード回路要素４Ｌは、電流源５Ｌによる電流方向が順方向となる第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４の順方向電圧が１Ｖ以上となっているため、外乱や電流リプル等によって１Ｖ未満の電位差が生じても、下向き通信路ＳＬ２３に電流が流れることを有効に防止することができる。
また、本実施形態においても、計測器Ｍｊは、図４に示すように、それぞれ１つの集積回路チップＥｊ（Ｅ２，Ｅ３）として構成されている。その上で、双方向ダイオード回路要素４Ｌは、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋのうちの何れか一方の計測器（本実施形態においては隣接する計測器のうちの下段側の計測器Ｍｊ）の集積回路チップＥｊ内に構成されている。すなわち、図４の例では、隣接する集積回路チップＥ２，Ｅ３のうち下段側の計測器Ｍ３の集積回路チップＥ３内に、双方向ダイオード回路要素４Ｌが形成される。
これにより、電圧計測装置３の部品点数が増加するのを有効に防止することができる。また、集積回路チップＥｊ内に電位差による誤動作を防止するための電流通信方向が順方向となる第１方向ダイオードＤ３，Ｄ４を設けた場合にも、双方向ダイオード回路要素４Ｌのうちの電流通信方向とは逆の方向が順方向となる第２方向ダイオードＤ５により、電流通信方向とは逆方向に電流が流れるパスができる。これにより、集積回路チップＥｊ内において、静電気などにより電流通信方向とは逆方向に電流が流れることが許容されるため、静電気破壊により集積回路チップＥｊが破壊されることを防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、複数の上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせることとしてもよい。すなわち、上向き通信路ＳＵｋｊに双方向ダイオード回路要素４Ｕが接続され、かつ、下向き通信路ＳＬｊｋに双方向ダイオード回路要素４Ｌが接続されていてもよい。双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌが接続される通信経路は、電圧計測装置３の使用環境、計測対象であるバッテリセルアレイ１の特性等に応じて好適に選択される。
また、上記実施形態においては、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋ間の通信経路ＳＵ，ＳＬ（４つの計測器Ｍ１〜Ｍ４を備える上記実施形態においては３つの通信経路）すべてに双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌが設けられている構成について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、特定の計測器間（例えば計測器Ｍ１，Ｍ２間）の通信経路ＳＵ，ＳＬにのみ双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌが設けられていてもよいし、隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋ間の通信経路ＳＵ，ＳＬのうちのいくつかに双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌが設けられていてもよい。
また、上記実施形態においては隣接する計測器Ｍｊ，Ｍｋのうち下段側の計測器Ｍｊと同じ集積回路チップ上に双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌが設けられている構成について説明したが、上段側の計測器Ｍｋと同じ集積回路チップ上に双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌを設けてもよい。集積回路チップの製造プロセスなどから製造容易性や高信頼性などを勘案して双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌを実装する集積回路チップを上段側の計測器Ｍｋおよび下段側の計測器Ｍｊの何れに設けるかを好適に選択し得る。また、双方向ダイオード回路要素４Ｕ，４Ｌを計測器Ｍｊ，Ｍｋを構成する集積回路チップとは別に構成してもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の電圧計測装置は、隣接するバッテリセルにおける電源電圧と基準電圧との間に電位差が生じても電流通信を適正に行うために有用である。
１ バッテリセルアレイ
２ 制御器
３，３Ｂ 電圧計測装置
４Ｕ，４Ｌ 双方向ダイオード回路要素
５Ｕ，５Ｌ 電流源
６Ｕ，６Ｌ スイッチ
７Ｕ，７Ｌ 送信部
８Ｕ，８Ｌ 受信部
９Ｕ，９Ｌ 比較器
１０Ｕ プルアップ抵抗
１０Ｌ プルダウン抵抗
１１Ｕ，１１Ｌ クランプ回路
１２Ｕ，１２Ｌ ＧＧＮＭＯＳ
Ｃｊｉ バッテリセル
Ｄ１Ｕ，Ｄ２Ｕ，Ｄ１Ｌ，Ｄ２Ｌ ダイオード
Ｄ３，Ｄ４ 第１方向ダイオード
Ｄ５ 第２方向ダイオード
Ｅｊ 集積回路チップ
Ｇｊ バッテリセル群
ＬＤＤｊ 電源電圧線
ＬＩＯｊ 駆動電圧線
ＬＳＳｊ 基準電圧線
Ｍｊ 計測器
ＳＩ 入力通信線
ＳＯ 出力通信線
ＳＵｋｊ 上向き通信路（通信経路）
ＳＬｊｋ 下向き通信路（通信経路）

Claims (4)

  1. 所定数のバッテリセルが直列に接続されたバッテリセル群を複数有するバッテリセルアレイの各バッテリセルの電圧を計測するための電圧計測装置であって、
    前記バッテリセル群ごとに設けられた複数の計測器を備え、
    隣接する前記計測器は、通信経路を介して互いに電流通信可能に接続されており、
    前記隣接する計測器間の前記通信経路には、双方向ダイオード回路要素が接続されている、電圧計測装置。
  2. 前記通信経路には、電流信号を生成する電流源が接続可能に構成されており、
    前記双方向ダイオード回路要素は、前記電流源による前記通信経路の電流方向が順方向となるダイオードが１Ｖ以上の順方向電圧を有している、請求項１に記載の電圧計測装置。
  3. 前記計測器は、それぞれ１つの集積回路チップとして構成され、
    前記双方向ダイオード回路要素は、前記隣接する計測器のうちの何れか一方の計測器の集積回路チップ内に構成される、請求項１に記載の電圧計測装置。
  4. 前記通信経路は、隣接する前記計測器のうちの低電圧側のバッテリセル群の電圧を計測する下段の計測器から隣接する前記計測器のうちの高電圧側のバッテリセル群の電圧を計測する上段の計測器へ電流信号を送信する上向き通信路と、前記上段の計測器から前記下段の計測器へ電流信号を送信する下向き通信路とを含み、
    前記双方向ダイオード回路要素は、前記上向き通信路および前記下向き通信路の少なくともいずれか一方に接続されている、請求項１に記載の電圧計測装置。
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