JP6797656B2 - 差電圧測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、順次取得される第１電圧と第２電圧との電圧差の測定精度を高めるための技術に関する。
例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。
このような二次電池は、充電及び放電を繰り返すことにより劣化が進み、蓄電可能容量（電流容量や電力容量など）が徐々に減少することが知られている。そして、二次電池を用いた電気自動車などにおいては、二次電池の劣化の度合を検出することにより蓄電可能容量を求めて、二次電池によって走行可能な距離や二次電池の寿命などを算出している。
二次電池の劣化の度合を示す指標の一つとして、初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（State of Health）がある。このＳＯＨは二次電池の内部抵抗と相関があることが知られている。このため、二次電池の内部抵抗を検出することにより、この内部抵抗に基づいてＳＯＨを求めることができる。
一般に、内部抵抗は非常に小さいため、十分な検出精度を得ることが困難であったが、特許文献１には、内部抵抗の検出精度を高めた電池状態検出装置が開示されている。
図６は、特許文献１に記載された電池状態検出装置５００の概略構成を示す図である。検出対象である二次電池Ｂは、電圧を生じる起電力部ｅと内部抵抗ｒとを有している。この内部抵抗ｒを検出することにより、二次電池ＢのＳＯＨを求めることができる。
二次電池Ｂは、両電極（正極Ｂｐおよび負極Ｂｎ）間に電圧Ｖを生じ、この電圧Ｖは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧Ｖｅと内部抵抗ｒに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｒとによって決定される（Ｖ＝Ｖｅ＋Ｖｒ）。二次電池Ｂの負極Ｂｎは、基準電位Ｇに接続されている。
電池状態検出装置５００は、差動増幅部５１１と、切換スイッチ５１２と、第１コンデンサ５１３と、第２コンデンサ５１４と、充電部５１５と、第１アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５２１と、第２アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５２２と、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）５４０と、を有している。
本図に示す構成において、μＣＯＭ５４０が出力ポートＰＯ２を通じ、充電部５１５に充電開始の制御信号を送信すると、充電部５１５は、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを流し始める。これにより、二次電池Ｂの充電が開始される。
充電が開始されると、μＣＯＭ５４０は、出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ５１２を制御し、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第１コンデンサ５１３とが接続されるようにする。これにより、第１コンデンサ５１３には充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖ１＝Ｖｅ＋ｒ・Ｉｃが保持される。
次に、μＣＯＭ５４０は、入力ポートＰＩ１を通じて取得する二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になると、出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ５１２を制御し、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第２コンデンサ５１４とが接続されるようにするとともに、出力ポートＰＯ２を通じて充電部５１５に充電停止の制御信号を送信する。
これにより、二次電池Ｂへの充電電流Ｉｃが停止し、第２コンデンサ５１４の蓄電状態が安定すると、第２コンデンサ５１４には充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖ２＝Ｖｅが保持される。
この状態で、μＣＯＭ５４０は、入力ポートＰＩ２を通じて差動増幅部５１１が出力する増幅電圧Ｖｍを検出する。そして、検出した増幅電圧Ｖｍを、差動増幅部５１１の増幅率Ａｖで除し、さらに充電電流Ｉｃで除することにより、二次電池Ｂの内部抵抗ｒ（＝（Ｖｍ／Ａｖ）／Ｉｃ）を検出する。
最後に、μＣＯＭ５４０は、出力ポートＰＯ２を通じて充電部５１５に対し充電開始の制御信号を送信する。充電部５１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを再度流し始める。これにより充電が再開されて、電池状態検出処理を終了する。
特開２０１４−２１９３１１号公報
引用文献１に記載された電池状態検出装置５００により、二次電池の内部抵抗の検出精度を高めることができ、電池状態の検出精度の低下を抑制することができる。
また、電池状態検出装置５００の技術を応用して、二次電池の内部抵抗のみならず、電池等の電圧源における第１状態と第２状態との微小な電圧変化や回路中の２点の電位差等を高精度に測定することができる差電圧測定装置を構成することができる。
すなわち、第１状態の電圧源の電圧あるいは回路中の１点の電圧をスイッチ５１２と第１コンデンサ５１３で第１電圧としてサンプルホールドし、次に第２状態の電圧源の電圧あるいは回路中の他点の電圧をスイッチ５１２と第２コンデンサ５１４で第２電圧としてサンプルホールドした後、第１電圧と第２電圧との差を差動増幅部５１１で増幅し、差動増幅部５１１が出力する増幅電圧Ｖｍを差動増幅部５１１の増幅率Ａｖで除すことにより、電圧源における第１状態と第２状態との微小な電圧変化あるいは回路中の１点と他点との電位差を高精度に測定することができる。
特許文献１に記載された例では、二次電池Ｂに定電流Ｉｃが流れている状態が第１状態に相当し、電流が流れていない状態が第２状態に相当する。なお、電圧変化の検出対象である電圧源は、二次電池に限られず、一次電池、組電池を構成するセル、電源回路等であってもよい。
ところで、実際のコンデンサでは、微小なリーク電流により、蓄積した電荷が抜け出す現象が発生する。このため、第１コンデンサ５１３で第１状態の電池の電圧をサンプルホールドした後、第２コンデンサ５１４で第２状態の電池の電圧をサンプルホールドが終了するまでの時間で、第１コンデンサ５１３が蓄積した電荷がリーク電流により僅かに抜け出すことになる。第１コンデンサ５１３から電荷が抜け出すと第１電圧が実際よりも低く測定され、測定精度の低下を招くことになる。
また、この種の装置の低コスト化や小型化を図るためには、第１コンデンサ５１３や第２コンデンサ５１４にセラミックコンデンサを使用するのが好適である。しかし、セラミックコンデンサは、電圧が高くなると静電容量が減少するというＤＣバイアス特性を有している。この特有のＤＣバイアス特性により、サンプルホールドした電荷がリーク電流により抜けると第１電圧が低下して静電容量が増大するため、第１電圧の低下がより一層進んでしまい測定精度がさらに低下するという問題があった。そのため、従来の方法では、セラミックコンデンサを使用することが困難であった。
そこで、本発明は、順次取得される第１電圧と第２電圧との電圧差の測定精度の低下を抑制するとともに装置の低コスト化や小型化を図ることができる差電圧測定装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の差電圧測定装置は、セラミックコンデンサで構成された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、前記第１コンデンサが保持する電圧と前記第２コンデンサが保持する電圧との差電圧に応じた電圧を出力する差動増幅部と、第１電圧を前記第１コンデンサに導き、前記第１コンデンサが前記第１電圧を保持した状態で、第２電圧を前記第２コンデンサに導く制御部と、を備え、前記制御部は、少なくとも前記第１コンデンサに第３電圧を導き、前記第３電圧の印加の停止後に前記第３電圧を導いた前記第１コンデンサに前記第１電圧を導く、ことを特徴とする。
また、前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサよりも容量を小さくしてもよい。
また、前記制御部は、電圧が印加される入力端の接続先を前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとで排他的に切り換えるスイッチを制御することで、前記第１電圧又は前記第３電圧を前記第１コンデンサに導き、前記第１コンデンサが前記第１電圧又は前記第３電圧を保持した状態で、前記第２電圧又は前記第３電圧を前記第２コンデンサに導くことができる。
また、前記第１電圧を生成するために供給する第１電流と、前記第２電圧を生成するために供給する第２電流と、前記第３電圧を生成するために供給する第３電流と、を切り換えて出力する電流出力部をさらに備えてもよい。
本発明によれば、第１コンデンサ又は第２コンデンサの少なくともいずれかに第３電圧を導き、第３電圧の印加を停止して所定時間経過後に第３電圧を導いた第１コンデンサ又は第２コンデンサに第１電圧又は第２電圧を導く。このようにすることにより、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性を変化させてから第１電圧や第２電圧を導くことができる。したがって、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性の影響により、リーク電流による電圧低下に伴う静電容量の増大が抑えられ、さらにコンデンサの両端電圧の低下を低減して、第１電圧と第２電圧との電圧差の測定精度の低下を抑制することができる。また、セラミックコンデンサを使用しているので、装置の低コスト化や小型化を図ることができる。
第１の実施形態である電池状態検出装置の概略構成を示す図である。 電池状態検出装置における電池状態検出処理の一例を示すフローチャートである。 セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性の例を示すグラフである。 第２の実施形態である差電圧測定装置の概略構成を示す図である。 差動増幅部の一例を示す回路図である。 従来の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。
本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。第１実施形態は、本発明の差電圧測定装置を電池状態検出装置に適用した例である。図１は、本発明の第１の実施形態である電池状態検出装置の概略構成を示す図である。
本実施形態の電池状態検出装置１００は、例えば、電気自動車に搭載され、電気自動車が備える二次電池の電極間に接続されて、この二次電池の状態として二次電池の内部抵抗を検出するものである。もちろん、電気自動車以外の二次電池を備えた装置、システムなどに適用してもよい。
検出対象である二次電池Ｂは、電圧を生じる起電力部ｅと内部抵抗ｒとを有している。この内部抵抗ｒを検出することにより、二次電池ＢのＳＯＨを求めることができる。
二次電池Ｂは、両電極（正極Ｂｐおよび負極Ｂｎ）間に電圧Ｖを生じ、この電圧Ｖは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧Ｖｅと内部抵抗ｒに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｒとによって決定される（Ｖ＝Ｖｅ＋Ｖｒ）。二次電池Ｂの負極Ｂｎは、基準電位Ｇに接続されている。
本図に示すように、電池状態検出装置１００は、差動増幅部１１１と、切換スイッチ１１２と、第１コンデンサ１１３と、第２コンデンサ１１４と、充電部１１５と、第１アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２１と、第２アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２２と、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）１４０と、を有している。
差動増幅部１１１は、例えば、オペアンプなどで構成されており、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１および第２入力端子Ｉｎ２）と１つの出力端子（出力端子Ｏｕｔ）を備え、これら２つの入力端子に入力された電圧の差分値を所定の増幅率Ａｖで増幅した増幅電圧Ｖｍを出力端子から出力する。
切換スイッチ１１２は、例えば、アナログスイッチなどで構成された１回路２接点（ＳＰＤＴ（単極双投））のスイッチである。切換スイッチ１１２は、２つの切換端子ａ、ｂのうちの切換端子ａが、差動増幅部１１１の第１入力端子Ｉｎ１に接続され、切換端子ｂが、差動増幅部１１１の第２入力端子Ｉｎ２に接続されている。また、切換スイッチ１１２は、共通端子ｃが、二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続されている。
切換スイッチ１１２は、後述するμＣＯＭ１４０の出力ポートＰＯ１に接続されており、μＣＯＭ１４０からの制御信号に応じて、２つの切換端子ａ、ｂと共通端子ｃとの接続を切り替えて、二次電池Ｂの正極Ｂｐを第１入力端子Ｉｎ１および第２入力端子Ｉｎ２に排他的に接続する。
第１コンデンサ１１３は、差動増幅部１１１の第１入力端子Ｉｎ１と基準電位Ｇとの間に接続されている。すなわち、第１コンデンサ１１３は、第１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第１コンデンサ１１３には、第１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。
第２コンデンサ１１４は、差動増幅部１１１の第２入力端子Ｉｎ２と基準電位Ｇとの間に接続されている。すなわち、第２コンデンサ１１４は、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第２コンデンサ１１４には、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。
ここで、本実施形態の電池状態検出装置１００では、第１コンデンサ１１３と第２コンデンサ１１４とは、セラミックコンデンサで構成されている。また、第１コンデンサ１１３の容量と第２コンデンサ１１４の容量とに差を付けており、先に電荷を蓄積する第１コンデンサ１１３の容量が第２コンデンサ１１４の容量よりも大きくなるように設計されている。一般に、コンデンサでは、容量が大きいほどリーク電流による電圧低下の影響を小さくすることができ、容量が小さいほどサンプルホールドに必要な時間を短くすることができる。
なお、本実施形態では、第１コンデンサ１１３の容量と第２コンデンサ１１４の容量とに差を付けているが、同じ容量であってもよい。
充電部１１５は、二次電池Ｂの正極Ｂｐと基準電位Ｇとの間に接続されており、二次電池Ｂの充電に際して、二次電池Ｂに予め定められた充電電流Ｉｃを流すことができるように設けられている。このため、電流出力部として機能することができる。充電部１１５は、後述するμＣＯＭ１４０の出力ポートＰＯ２に接続されており、μＣＯＭ１４０からの制御信号に応じて、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを流して充電し、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを流すことを停止して充電を停止する。
第１アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２１は、二次電池Ｂの両電極間の電圧を量子化して、この電圧に対応するデジタル値を示す信号を出力する。第２アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２２は、差動増幅部１１１から出力された増幅電圧Ｖｍを量子化して、この増幅電圧Ｖｍに対応するデジタル値を示す信号を出力する。
μＣＯＭ１４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、制御部として機能して電池状態検出装置１００全体の制御を司る。μＣＯＭ１４０は、切換スイッチ１１２に接続された第１出力ポートＰＯ１、充電部１１５に接続された第２出力ポートＰＯ２を備えており、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１１２に制御信号を送信して、二次電池Ｂの充電中は二次電池Ｂの正極Ｂｐと第１入力端子Ｉｎ１とを接続し、二次電池Ｂの充電停止中は二次電池Ｂの正極Ｂｐと第２入力端子Ｉｎ２とを接続するように、切換スイッチ１１２を制御する。
また、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１１５に制御信号を送信して、充電部１１５による二次電池Ｂの充電中に二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖが所定の状態検出電圧Ｖｔｈになったとき、二次電池Ｂの充電を停止するように充電部１１５を制御する。
μＣＯＭ１４０は、第１ＡＤＣ１２１から出力された信号が入力される第１入力ポートＰＩ１、および、第２ＡＤＣ１２２から出力された信号が入力される第２入力ポートＰＩ２を有している。μＣＯＭ１４０は、これらの信号に基づいて、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖおよび差動増幅部１１１が出力する増幅電圧Ｖｍを検出する。そして、増幅電圧Ｖｍおよび充電電流Ｉｃに基づいて二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出する。
次に、第１実施形態である電池状態検出装置１００が備えるμＣＯＭ１４０における電池状態検出処理の一例について、図２のフローチャートを参照して説明する。
μＣＯＭ１４０は、例えば、車両に搭載された電子制御装置から通信ポートを通じて二次電池Ｂの充電開始命令を受信すると、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１１５に対し充電開始の制御信号を送信する。充電部１１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを流し始める。これにより、二次電池Ｂの充電が開始される。
μＣＯＭ１４０は、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃが流れて充電中になると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１１２に対して切換端子ａと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ１１０）。
切換スイッチ１１２は、この制御信号に応じて切換端子ａと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと差動増幅部１１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する。
これにより、第１コンデンサ１１３が二次電池Ｂの正極Ｂｐおよび負極Ｂｎの間に接続されて、第１コンデンサ１１３に、二次電池Ｂおよび充電部１１５から電荷が流れ込む。そして、ある程度時間が経過すると、第１コンデンサ１１３がその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサ１１３には充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧（第３電圧）が保持される。
次に、μＣＯＭ１４０は、二次電池Ｂの両電極間の電圧が状態検出電圧Ｖｔｈになるまで待つ（Ｓ１２０）。そして、二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の状態検出電圧Ｖｔｈになると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１１２に対して切換端子ｂと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ１３０）。
切換スイッチ１１２は、この制御信号に応じて切換端子ｂと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと差動増幅部１１１の第２入力端子Ｉｎ２とを接続する。
これにより、第２コンデンサ１１４が二次電池Ｂの正極Ｂｐおよび負極Ｂｎの間に接続されて、第２コンデンサ１１４に、二次電池Ｂおよび充電部１１５から電荷が流れ込む。そして、ある程度時間が経過すると、第２コンデンサ１１４がその容量上限まで電荷を蓄えて、第２コンデンサ１１４には充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧（第３電圧）が保持される。
次に、μＣＯＭ１４０は、二次電池Ｂの両電極間の電圧が状態検出電圧Ｖｔｈになるまで待つ（Ｓ１４０）。ここまでが、第１コンデンサ１１３及び第２コンデンサ１１４の事前サンプルホールド動作となる。この事前サンプルホールド動作の作用効果については後述する。
そして、二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の状態検出電圧Ｖｔｈになると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１１２に対して切換端子ａと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ１５０）。
切換スイッチ１１２は、この制御信号に応じて切換端子ａと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと差動増幅部１１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する。
これにより、第１コンデンサ１１３が二次電池Ｂの正極Ｂｐおよび負極Ｂｎの間に接続されて、第１コンデンサ１１３に、二次電池Ｂおよび充電部１１５から電荷が流れ込む。そして、ある程度時間が経過すると、第１コンデンサ１１３がその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサ１１３には充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧が第１電圧として保持される。
次に、μＣＯＭ１４０は、二次電池Ｂの両電極間の電圧が状態検出電圧Ｖｔｈになるまで待つ（Ｓ１６０）。そして、二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の状態検出電圧Ｖｔｈになると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１１２に対して切換端子ｂと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信し（Ｓ１７０）、ほぼ同時に第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１１５に対し充電停止の制御信号を送信する（Ｓ１８０）。
切換スイッチ１１２は、この制御信号に応じて、切換端子ｂと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと差動増幅部１１１の第２入力端子Ｉｎ２とを接続する。
これにより、第２コンデンサ１１４が二次電池Ｂの正極Ｂｐおよび負極Ｂｎの間に接続されて、第２コンデンサ１１４に、二次電池Ｂから電荷が流れ込む。また、充電部１１５は、μＣＯＭ１４０からの制御信号に応じて、二次電池Ｂへの充電電流Ｉｃを停止する。
第２コンデンサ１１４と二次電池Ｂとが切換スイッチ１１２により接続されている間、第１コンデンサ１１３は二次電池Ｂから切り離されているが、第１コンデンサ１１３は容量が大きく設計されているため、リーク電流による電荷の抜け出し量を少なくすることができる。
そして、第２コンデンサ１１４がその容量上限まで電荷を蓄えるための予め設定された蓄電期間が経過するのを待つ（Ｓ１９０）。第２コンデンサ１１４は、容量が小さく設計されているため、短い時間で容量上限まで電荷を蓄えることができる。このため、第１コンデンサ１１３から抜ける電荷量をより一層少なくすることができる。
この蓄電期間を経過したとき第２コンデンサ１１４がその容量上限まで電荷を蓄えてその保持する電圧が安定し、第２コンデンサ１１４には充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧が第２電圧として保持される。
次に、μＣＯＭ１４０は、第２コンデンサの保持する電圧が安定したとき（即ち、上記蓄電期間を経過した時点）、第２入力ポートＰＩ２に入力された信号から得られた情報に基づいて差動増幅部１１１から出力された増幅電圧Ｖｍを検出する（Ｓ２００）。
μＣＯＭ１４０は、検出した増幅電圧Ｖｍを差動増幅部１１１の増幅率Ａｖで除し、さらに充電電流Ｉｃで除することにより、二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出する（ｒ＝（Ｖｍ／Ａｖ）／Ｉｃ）（Ｓ２１０）。
最後に、μＣＯＭ１４０は、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１１５に対し充電開始の制御信号を送信する（Ｓ２２０）。充電部１１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを再度流し始める。これにより充電が再開されて、電池状態検出処理を終了する。
上述したように、本実施形態の電池状態検出装置１００では、ステップＳ１２０やＳ１４０のように、一度第１コンデンサ１１３及び第２コンデンサ１１４に電圧を印加して（事前サンプルホールドして）から内部抵抗ｒを検出するための第１電圧及び第２電圧を保持（サンプルホールド）する。このようにすることにより、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性の影響により、内部抵抗ｒの検出精度が低下してしまうことを少なくすることができる。
図３にセラミックコンデンサのＤＣバイアス特性の例を示す。図３は、縦軸が静電容量変化率、横軸が直流電圧となっている。図３の実線は、事前サンプルホールドを行わない場合の特性、点線は、事前サンプルホールドを行った場合の特性をそれぞれ示している。
図３に示したように、セラミックコンデンサは、直流電圧を印加すると実効的な静電容量が減少してしまうことが知られている。また、セラミックコンデンサは、一度電圧印加をして充電後に放電すると、点線のように減少した容量を基準とした特性に変化する現象があることも知られている。
したがって、一度セラミックコンデンサに直流電圧を印加して充電し、一旦停止後に放電させることで、特性を図３の実線から点線に変化させることができる。図３からも明らかなように、点線の特性の方が、実線の特性よりも、電圧変化による静電容量変化率の変化が緩やかである。つまり、事前サンプルホールド動作により特性を変化させて、実測定用のサンプルホールドを行うことで、リーク電流によるコンデンサの電圧低下の影響を少なくすることができる。
図１に示した構成の場合、第１コンデンサ１１３の事前サンプルホールドを行い（ステップＳ１１０、Ｓ１２０）、第１コンデンサ１１３の実測定用のサンプルホールドを行う（ステップＳ１５０、Ｓ１６０）までの間に第２コンデンサ１１４の事前サンプルホールドを行っている（ステップＳ１３０、Ｓ１４０）。第２コンデンサ１１４の事前サンプルホールド中は第１コンデンサ１１３の充電は停止される。この第２コンデンサ１１４の事前サンプルホールドにより、第１コンデンサ１１３は、事前サンプルホールドと実測定用のサンプルホールドとの間の間隔を空けている。即ち、第３電圧の印加を停止して所定時間経過させ、その間にリーク電流により放電させている。したがって、第１コンデンサ１１３は、実測定用サンプルホールド時にはＤＣバイアス特性が図３の実線から点線に変化する。
第２コンデンサ１１４も同様である。第２コンデンサ１１４の事前サンプルホールド（ステップＳ１３０、Ｓ１４０）と、実測定用のサンプルホールド（Ｓ１７０〜Ｓ１９０）との間に、第１コンデンサ１１３の実測定用のサンプルホールド（Ｓ１５０、Ｓ１６０）が行われる。これにより、第１コンデンサ１１３の実測定用のサンプルホールド中は第２コンデンサ１１４の充電は停止される。第２コンデンサ１１４は、事前サンプルホールドと実測定用のサンプルホールドとの間の間隔を空けている。即ち、リーク電流により放電させるために第３電圧の印加を停止して所定時間経過させている。したがって、第２コンデンサ１１４は、実測定用サンプルホールド時にはＤＣバイアス特性が図３の実線から点線に変化する。
この事前サンプルホールドと実測定用のサンプルホールドとの間隔（所定時間）は、変化させたＤＣバイアス特性が元の特性に戻らない程度の時間、例えばコンデンサが放電しきらない程度の時間が好ましい。また、事前サンプルホールドは、コンデンサの容量上限まで蓄えなくてもよい。要するに、事前サンプルホールドにより図３に示したようにＤＣバイアス特性が変化すればよく、上記所定時間や充電する容量等は、例えばデバイス毎に実験等で求めてもよい。
本実施形態によれば、μＣＯＭ１４０が、第１コンデンサ１１３に第１電圧と同じ電圧となる第３電圧を導くように切換スイッチ１１２を制御し、次に、第２コンデンサ１１４に第１電圧と同じ電圧となる第３電圧を導くように切換スイッチ１１２を制御して第１コンデンサ１１３への第１電圧の印加を停止する。そして、第１コンデンサ１１３に第１電圧を導くように切換スイッチ１１２を制御する。このようにすることにより、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性を変化させてから第１電圧や第２電圧を導くことができる。したがって、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性の影響により、リーク電流による電圧低下に伴う静電容量の増大が抑えられ、さらにコンデンサの両端電圧の低下を低減して、第１電圧と第２電圧との電圧差の測定精度の低下を抑制することができる。また、セラミックコンデンサを使用しているので、装置の低コスト化や小型化を図ることができる。
また、第１コンデンサ１１３の容量を大きくすることにより、第２コンデンサ１１４が電荷を蓄積している間の電荷抜けによる電圧低下を少なくすることができ、第２コンデンサ１１４の容量を小さくすることにより、第２コンデンサ１１４の蓄電期間を短くすることができる。これにより、第１コンデンサ１１３の第１電圧が低下しない状態で差電圧を検出することができるため、測定精度を高めることができる。
なお、上述した実施形態では、事前サンプルホールド時に第１コンデンサ及び第２コンデンサが保持する電圧（第３電圧）は第１電圧と同じ電圧となっていたが、第２電圧と同じ電圧としてもよいし、これらの電圧と異なる電圧であってもよい。つまり、図３に示したように、事前サンプルホールドを行って、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性を変化させることができればよい。
また、上述した実施形態では、第１コンデンサ１１３及び第２コンデンサ１１４の双方に事前サンプルホールドを行っていたが、いずれか一方のみであってもよい。例えば充電後の待機時間の長い第１コンデンサ１１４のみであってもよい。双方に事前サンプルホールドを行った方が、２つのコンデンサのＤＣバイアス特性を変化させることができるので好ましいが、いずれか一方のみであっても双方に事前サンプルホールドを行う程ではないもののＤＣバイアス特性の影響によりコンデンサの両端電圧の低下を低減することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態である差電圧測定装置の概要を示す図である。第２の実施形態の差電圧測定装置２００は、電池状態検出装置１００の技術を応用したものであり、複数個のセル電池（Ｃｅ１〜Ｃｅ４）が組み合わされた組電池ＢＳを測定対象の電圧源としている。
本図に示すように、差電圧測定装置２００は、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、μＣＯＭ２１０、電流出力部２２０、切換スイッチ２３０、差動増幅部２４０、ＡＤＣ２５０、検出対象選択スイッチ２６１、基準電位設定スイッチ２６２、保護用スイッチ２７０を備えている。
電流出力部２２０は、μＣＯＭ２１０の指示に基づいて組電池ＢＳに定電流を流す。組電池ＢＳに流す定電流を切り換えることで、組電池ＢＳの第１状態と第２状態とを作り出す。第１状態、第２状態のいずれかが電流を流さない状態であってもよい。
第１コンデンサＣ１は、第１状態の組電池ＢＳにおける測定対象箇所の電圧を第１電圧として保持する。第２コンデンサＣ２は、第２状態の組電池ＢＳにおける測定対象箇所の電圧を第２電圧として保持する。ここで、第１コンデンサＣ１の容量が第２コンデンサＣ２の容量よりも大きくなるように設計されている。但し、第１コンデンサＣ１の容量と第２コンデンサＣ２の容量は同じであってもよい。
切換スイッチ２３０は、第１状態の組電池ＢＳにおける測定対象箇所の電圧（第１電圧）を第１コンデンサＣ１に導くＳＷ３１と、第２状態の組電池ＢＳにおける測定対象箇所の電圧（第２電圧）を第２コンデンサＣ２に導くＳＷ３２とを備えている。
検出対象選択スイッチ２６１は、組電池ＢＳを構成する各セル電池（Ｃｅ１〜Ｃｅ４）の端部と切換スイッチ２３０との間に設けられている。具体的には、組電池ＢＳの正極側に相当するセル電池Ｃｅ１の端部と切換スイッチ２３０との間にＳＷ１１が設けられ、セル電池Ｃｅ１とセル電池Ｃｅ２との接続点と切換スイッチ２３０との間にＳＷ１２が設けられ、セル電池Ｃｅ２とセル電池Ｃｅ３との接続点と切換スイッチ２３０との間にＳＷ１３が設けられ、セル電池Ｃｅ３とセル電池Ｃｅ４との接続点と切換スイッチ２３０との間にＳＷ１４が設けられている。
基準電位設定スイッチ２６２は、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２の基準電位を設定するためのスイッチである。具体的には、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２の基準電位を基準電位Ｇに設定するためのＳＷ２４、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２の基準電位をセル電池Ｃｅ４の電圧に設定するＳＷ２３、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２の基準電位をセル電池Ｃｅ４＋セル電池Ｃｅ３の電圧に設定するＳＷ２２、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２の基準電位をセル電池Ｃｅ４＋セル電池Ｃｅ３＋セル電池Ｃｅ２の電圧に設定するＳＷ２１が設けられている。
保護用スイッチ２７０は、差動増幅部２４０を保護し、かつ、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２に接続される差動増幅部２４０へのリーク電流を低減するためのスイッチである。保護用スイッチ２７０は、第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２でのサンプルホールドが完了した後で、差動増幅部２４０に第１電圧・第２電圧を導くためのスイッチであり、第１コンデンサＣ１と第１入力端子Ｉｎ１との間に設けられたＳＷ４１と、第２コンデンサＣ２と第２入力端子Ｉｎ２との間に設けられたＳＷ４２とを備えている。ＳＷ４１、ＳＷ４２ともサンプルホールド中はオフとし、サンプルホールドが終了するとオンにして第１電圧、第２電圧を差動増幅部２４０に導くようにする。
差動増幅部２４０は、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１および第２入力端子Ｉｎ２）と１つの出力端子（出力端子Ｏｕｔ）を備え、これら２つの入力端子に入力された電圧の差分値を所定の増幅率Ａｖで増幅した増幅電圧Ｖｍを出力端子から出力する。差動増幅部２４０は、例えば、オペアンプあるいは図５に示す回路等で構成することができる。
ＡＤＣ２５０は、差動増幅部２４０から出力された増幅電圧Ｖｍを量子化して、この増幅電圧Ｖｍに対応するデジタル値を示す信号を出力する。
μＣＯＭ２１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、制御部として機能して差電圧測定装置２００全体の制御を司る。μＣＯＭ２１０は、電流出力部２２０に接続された第１出力ポートＰＯ１、ＡＤＣ２５０から出力された信号が入力される第１入力ポートＰＩ１、各スイッチを制御するスイッチ制御部２１１を備えている。
差電圧測定装置２００は、例えば、各セル電池の内部抵抗を測定することで、セル電池毎のＳＯＨを求めることができる。セル電池Ｃｅ１の内部抵抗を測定する場合を説明する。まず、事前サンプルホールドを行うために、検出対象選択スイッチ２６１をＳＷ１１のみオンとし、基準電位設定スイッチ２６２をＳＷ２１のみをオンにする。これにより、Ｃｅ１の両端子間の電圧がコンデンサＣ１・コンデンサＣ２に導かれることになる。
そして、第１状態として電流出力部２２０から所定の第１定電流Ｉ１を流し、切換スイッチ２３０のＳＷ３１のみをオンにする。これにより、コンデンサＣ１の事前サンプルホールドが行われ、第１コンデンサＣ１には、セル電池Ｃｅ１の電圧が保持される。
次に、切換スイッチ２３０のＳＷ３１をオフにしＳＷ３２をオンにする。これにより、コンデンサＣ２の事前サンプルホールドが行われ、第２コンデンサＣ２には、セル電池Ｃｅ１の電圧が保持される。
次に、実測定用のサンプルホールドを行う。切換スイッチ２３０のＳＷ３２をオフにしＳＷ３１をオンにする。これにより、第１コンデンサＣ１には、第１状態におけるセル電池Ｃｅ１の電圧が第１電圧として保持される。
次に、第２状態として電流出力部２２０から所定の第２定電流Ｉ２を流し、切換スイッチ２３０のＳＷ３１をオフにしＳＷ３２をオンにする。これにより、第２コンデンサＣ２には、第２状態におけるセル電池Ｃｅ１の電圧が第２電圧として保持される。
保護用スイッチ２７０をオンにして、差動増幅部２４０に第１電圧と第２電圧とを導くと、μＣＯＭ２１０に電圧差が入力される。μＣＯＭ２１０は、第１実施形態と同様の原理により、セル電池Ｃｅ１の内部抵抗ｒ１をｒ１＝（Ｖｍ／Ａｖ）／（Ｉ１−Ｉ２）で求めることができる。他のセル電池の内部抵抗についても同様に求めることができる。
なお、本実施形態のような組電池ＢＳを対象として差電圧を検出する場合、各セルを接続するために設けたバスバー等の接続部材の接触抵抗や配線抵抗により発生する電圧降下分も含んで検出される場合がある。そこで、事前に接続部材の接触抵抗や配線抵抗を測定しておき、検出された差電圧から接続部材の影響による電圧降下分を差し引くようにしてもよい。例えば、真の差電圧をΔＶ、検出された差電圧をＶｍ／Ａｖ、接続部材の接触抵抗や配線抵抗をＲとすると、ΔＶ＝（Ｖｍ／Ａｖ）−Ｒ×（Ｉ１−Ｉ２）として求めることができる。そして、この真の差電圧ΔＶに基づいて内部抵抗ｒ１を求めることで、検出精度をより良くすることができる。
第２実施形態においても、事前サンプルホールドを行っているので、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性について電圧変化による静電容量変化率の変化を緩やかに変化させて、ＤＣバイアス特性の影響によるコンデンサの両端電圧の低下を低減し、リーク電流によるコンデンサの電圧低下の影響を少なくすることができる。
また、第１コンデンサＣ１の容量を大きくし、第２コンデンサＣ２の容量を小さくしているため、第２コンデンサＣ２が電荷を蓄積している間の第１コンデンサＣ１の電圧低下を少なくすることができ、第１電圧と第２電圧との差電圧の測定精度を高めることができる。
なお、第２実施形態では、スイッチ制御部２１１が、検出対象選択スイッチ２６１と、基準電位設定スイッチ２６２を操作することにより、種々の電位差を測定することができる。
例えば、電流出力部２２０が電流を流さず、基準電位設定スイッチ２６２をＳＷ２１のみをオンにした状態で、検出対象選択スイッチ２６１をＳＷ１１のみオンとして第１電圧を取得し、その後、検出対象選択スイッチ２６１をＳＷ１２のみオンとして第２電圧を取得して第１電圧と第２電圧との差電圧を測定すると、測定結果は、セル電池Ｃｅ１の両端の電位差、すなわちセル電池Ｃｅ１の電圧を示すことになる。他のセル電池の電圧についても同様に求めることができる。
この場合も、上記第１電圧取得の前に事前サンプルホールドを行うことで、セラミックコンデンサのＤＣバイアス特性について電圧変化による静電容量変化率の変化を緩やかに変化させて、ＤＣバイアス特性の影響によるコンデンサの両端電圧の低下を低減し、リーク電流によるコンデンサの電圧低下の影響を少なくすることができる。
また、第１コンデンサＣ１の容量を大きくし、第２コンデンサＣ２の容量を小さくしているため、第２コンデンサＣ２が電荷を蓄積している間の第１コンデンサＣ１の電圧低下を少なくすることができ、第１電圧と第２電圧との差電圧の測定精度を高めることができる。
以上、本発明について、第１、第２の実施形態を挙げて説明したが、本発明の差電圧測定装置はこれらの実施形態の構成に限定されるものではない。
例えば、上述した各実施形態では、第１定電流Ｉ１と第２定電流Ｉ２について、充電部１１５または電流出力部２２０から電流を流すことにより、二次電池Ｂを充電する際の実施例であったが、二次電池Ｂに接続される負荷により発生する負荷電流等により、二次電池Ｂを放電する場合であってもよい。
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の差電圧測定装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
１００ 電池状態検出装置（差電圧測定装置）
１１１ 差動増幅部
１１２ 切換スイッチ
１１３ 第１コンデンサ
１１４ 第２コンデンサ
１１５ 充電部（電流出力部）
１２１ 第１ＡＤＣ
１２２ 第２ＡＤＣ
１４０ μＣＯＭ（制御部）
２００ 差電圧測定装置
２１０ μＣＯＭ（制御部）
２１１ スイッチ制御部
２２０ 電流出力部
２３０ 切換スイッチ
２４０ 差動増幅部
２５０ ＡＤＣ
２６１ 検出対象選択スイッチ
２６２ 基準電位設定スイッチ
２７０ 保護用スイッチ
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ

Claims (4)

  1. セラミックコンデンサで構成された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、
    前記第１コンデンサが保持する電圧と前記第２コンデンサが保持する電圧との差電圧に応じた電圧を出力する差動増幅部と、
    第１電圧を前記第１コンデンサに導き、前記第１コンデンサが前記第１電圧を保持した状態で、第２電圧を前記第２コンデンサに導く制御部と、を備え、
    前記制御部は、少なくとも前記第１コンデンサに第３電圧を導き、前記第３電圧の印加の停止後に前記第３電圧を導いた前記第１コンデンサに前記第１電圧を導く、
    ことを特徴とする差電圧測定装置。
  2. 前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサよりも容量が小さいことを特徴とする請求項１に記載の差電圧測定装置。
  3. 前記制御部は、電圧が印加される入力端の接続先を前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとで排他的に切り換えるスイッチを制御することで、前記第１電圧又は前記第３電圧を前記第１コンデンサに導き、前記第１コンデンサが前記第１電圧又は前記第３電圧を保持した状態で、前記第２電圧又は前記第３電圧を前記第２コンデンサに導くことを特徴とする請求項１または２に記載の差電圧測定装置。
  4. 前記第１電圧を生成するために供給する第１電流と、前記第２電圧を生成するために供給する第２電流と、前記第３電圧を生成するために供給する第３電流と、を切り換えて出力する電流出力部をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の差電圧測定装置。
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