JP6544681B2

JP6544681B2 - 電池電圧検出装置

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Publication number: JP6544681B2
Application number: JP2015073627A
Authority: JP
Inventors: 真吾槌矢; 鎌田　誠二; 誠二鎌田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: US10006966B2; US20160291091A1; JP2016194428A; CN106018914A; CN106018914B

Description

本発明は、電池電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、複数の単電池セルが直列接続されたセルグループを備えた電池システムの監視装置（電池システム監視装置）において、各単電池セルと各単電池セルの端子間電圧を測定するコントローラＩＣとの間にＲＣフィルタを設けることが記載されている（例えば図２〜４参照）。このＲＣフィルタは、抵抗器とコンデンサとから構成される回路であり、ノイズを除去するためのものである。

特開２０１３−０９４０３２号公報

このような従来技術には、コンデンサが劣化して内部抵抗が低下した場合に、単電池セルの端子間電圧を本来の値よりも低い値として検出する虞がある。すなわち、特許文献１の技術では、コンデンサの他端がＧＮＤに接続されているので、コンデンサが劣化して内部抵抗が低下した場合に、入力抵抗とコンデンサとの分圧比が低下するので、単電池セルの端子間電圧は、コンデンサが健全な状態における端子間電圧（本来の値）よりも低い値として検出される。このように部品（コンデンサ）の劣化によって端子間電圧が本来の値よりも低い値として検出されることは、電池の過充電を見逃す虞があるので、電池の状態を監視する上で好ましくない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電池の端子間電圧が部品の劣化によって劣化前よりも低い値として検出されることを軽減する、あるいは部品が劣化しても電池の端子間電圧を劣化前よりも高い値として検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、電池と電圧検出回路との間にローパスフィルタを備える電池電圧検出装置であって、ローパスフィルタを構成するコンデンサは、一端が電池の端子に接続され、他端が電池の端子電圧よりも高い電圧の電圧源に接続されている、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、電池は複数の単電池が直列接続された組電池であり、ローパスフィルタは単電池の各々について設けられ、各々のコンデンサの他端は、全てあるいは一部が単電池の端子電圧よりも高い電圧の電圧源に接続されている、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、電池は複数の単電池が直列接続された組電池であり、ローパスフィルタは単電池の各々について設けられ、各々のコンデンサの他端は、自らに対応する単電池の端子電圧に所定電圧を加えた電圧の電圧源にそれぞれ接続されている、という手段を採用する。

本発明によれば、電池と電圧検出回路との間に備えられるローパスフィルタのコンデンサは、一端が電池の端子に接続され、他端が電池の端子電圧よりも高い電圧の電圧源に接続されているので、電池の端子間電圧が部品の劣化によって劣化前よりも低い値として検出されることを軽減することができる。

本発明の第１実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ１の要部構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ２の要部構成を示す回路図である。本発明の第３実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ３の要部構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。この図１に示すように、第１実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ１は、複数（１２個）の単電池Ｅ１〜Ｅ１２からなる組電池Ｄを検出対象とするものであり、１３個の抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２、１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２、昇圧回路１及び電圧検出ＩＣ２を備えている。

１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２は、一列に直列接続されている。すなわち、第１の単電池Ｅ１のプラス端子に第２の単電池Ｅ２のマイナス端子が接続され、第２の単電池Ｅ１のプラス端子に第３の単電池Ｅ３のマイナス端子が接続され、以下同様にして第３の単電池Ｅ３から第１１の単電池Ｅ１１が順次直列に接続され、さらに第１１の単電池Ｅ１１のプラス端子に第１２の単電池Ｅ１２のマイナス端子が接続されている。このように１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２が一列に直列接続された組電池Ｄでは、第１の単電池Ｅ１のマイナス端子が最も低い電位で、第１２の単電池Ｅ１２のプラス端子が最も高い電位（電池最高電位Ｖｍ）となる。

単電池Ｅ１〜Ｅ１２の各端子は、抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２の何れか１つを介して電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ０〜Ｔ１２にそれぞれ接続されている。すなわち、第１の単電池Ｅ１のマイナス端子は、抵抗器Ｒ０を介して電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ０に接続され、第１の単電池Ｅ１のプラス端子及び第２の単電池Ｅ１のマイナス端子は、抵抗器Ｒ１を介して電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１に接続されている。なお、第１の単電池Ｅ１のマイナス端子は、図示するように接地されている。

第２の単電池Ｅ２のプラス端子から第１１の単電池Ｅ１１のマイナス端子については説明を割愛するが、第１２の単電池Ｅ１２のマイナス端子及び第１１の単電池Ｅ１１のプラス端子は、抵抗器Ｒ１１を介して電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１１に接続され、第１２の単電池Ｅ１２のプラス端子は、抵抗器Ｒ１２を介して電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１２に接続されている。また、第１２の単電池Ｅ１２のプラス端子は、昇圧回路１の入力端子にも接続されている。

すなわち、１３個の抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２は、単電池Ｅ１〜Ｅ１２の各端子に対応して設けられている。これら抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２のうち、抵抗器Ｒ０は、一端が第１の単電池Ｅ１のマイナス端子に接続され、他端が電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ０に接続されている。また、抵抗器Ｒ１は、一端が第１の単電池Ｅ１のプラス端子及び第２の単電池Ｅ２のマイナス端子に接続され、他端が電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１に接続されている。

また、抵抗器Ｒ２〜Ｒ１０については説明を割愛するが、抵抗器Ｒ１１は、一端が第１１の単電池Ｅ１１のプラス端子及び第１２の単電池Ｅ１２のマイナス端子に接続され、他端が電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１１に接続されている。抵抗器Ｒ１２は、一端が第１２の単電池Ｅ１２のプラス端子に接続され、他端が電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１２に接続されている。

１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２は、上記抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２と同様に単電池Ｅ１〜Ｅ１２の各端子に対応して設けられており、一端が自らに対応する抵抗器Ｒ０〜Ｒ１２の他端つまり電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ０〜Ｔ１２にそれぞれ接続され、他端の全部が電圧Ｖａのアナログ電源にそれぞれ接続されている。すなわち、１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２のうち、コンデンサＣ０は、一端が抵抗器Ｒ０の他端つまり電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ０に接続され、他端がアナログ電源に接続されている。

コンデンサＣ１は、一端が抵抗器Ｒ１の他端つまり電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１に接続され、他端がアナログ電源に接続されている。また、コンデンサＣ２〜Ｃ１０については説明を割愛するが、コンデンサＣ１１は、一端が抵抗器Ｒ１１の他端つまり電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１１に接続され、他端がアナログ電源に接続されている。コンデンサＣ１２は、一端が抵抗器Ｒ１２の他端つまり電圧検出ＩＣ２の入力端子Ｔ１２に接続され、他端がアナログ電源に接続されている。

ここで、一端あるいは他端が接続関係にある一対の抵抗器及びコンデンサは、各々にＲＣフィルタを構成している。すなわち、抵抗器Ｒ０とコンデンサＣ０とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ１とコンデンサＣ１とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ２とコンデンサＣ２とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ３とコンデンサＣ３とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ４とコンデンサＣ４とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ５とコンデンサＣ５とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ６とコンデンサＣ６とは１つのＲＣフィルタを構成している。

また、抵抗器Ｒ７とコンデンサＣ７とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ８とコンデンサＣ８とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ９とコンデンサＣ９とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ１０とコンデンサＣ１０とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ１１とコンデンサＣ１１とは１つのＲＣフィルタを構成し、抵抗器Ｒ１２とコンデンサＣ１２とは１つのＲＣフィルタを構成している。このような１３個のＲＣフィルタは、各々に対応する単電池Ｅ１〜Ｅ１２と電圧検出ＩＣ２との間に備えられている。

このような１３個のＲＣフィルタは、各々にローパスフィルタとして機能を有する。すなわち、単電池Ｅ１〜Ｅ１２の各端子電圧は、ＲＣフィルタを通過することにより個々にノイズが除去されて電圧検出ＩＣ２の各入力端子Ｔ０〜T１２にそれぞれ入力される。

昇圧回路１は、第１２の単電池Ｅ１２のプラス端子の電圧（最高電位Ｖｍ）を昇圧することにより、上記アナログ回路部に電源電圧Ｖａの電源を供給する電圧源である。この電源電圧Ｖａは、最高電位Ｖｍに所定の追加電圧（例えば５Ｖ）を加えた電位である。組電池Ｄにおいて、１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２は上述したように一列に直列接続されているので、１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２のうち、第１の単電池Ｅ１のマイナス端子が最も低い電位で、第１２の単電池のプラス端子が最も高い電位となる。すなわち、昇圧回路１は、電池Ｄの最高電位Ｖｍに追加電圧を加えた電源電圧Ｖａ、つまり電圧検出ＩＣ２が正常動作するために必要な電圧を電源として電圧検出ＩＣ２に供給する。

電圧検出ＩＣ２は、各入力端子Ｔ０〜Ｔ１２にアナログ信号として入力される各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧の差分（差電圧）を取ることにより各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子間電圧（単電池電圧）を生成すると共に、当該端子間電圧（単電池電圧）をデジタル信号（単電池電圧データ）に変換して外部の演算装置に出力する電圧検出回路である。より詳細には、電圧検出ＩＣ２内には、アナログ回路部とデジタル回路部とが設けられており、アナログ回路部において上記単電池電圧の検出と単電池電圧データへの変換とを行う。また、デジタル回路部では、単電池電圧データを所定の通信仕様に基づく通信信号（通信フレーム）に載せて外部に送信する。

この電圧検出ＩＣ２において、アナログ電源端子Ｖcc及びアナロググランド端子ＡＧＮＤは、アナログ回路部に電源を供給するための端子である。また、この電圧検出ＩＣ２は、入力端子Ｔ１２に入力された電池最高電位Ｖｍをアナログ回路部で処理するので、当該電池最高電位Ｖｍよりも高いアナログ電源電圧を必要とする。このような電圧検出ＩＣ２のアナログ回路部は、昇圧回路１から供給される電源電圧Ｖａを電源とすることにより機能する。

次に、このように構成された電池電圧検出装置Ａ１の動作について説明する。
この電池電圧検出装置Ａ１では、合計で１３個となる各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧がＲＣフィルタを介して電圧検出ＩＣ２の各入力端子Ｔ０〜Ｔ１２に入力される。電圧検出ＩＣ２は、各入力端子Ｔ0〜Ｔ12に入力された各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧に基づいて、各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子間電圧つまり単電池電圧を検出し、当該各単電池電圧を単電池電圧データにそれぞれ変換して外部に出力する。

以上が電池電圧検出装置Ａ１の主な動作であるが、この電池電圧検出装置Ａ１では、各ＲＣフィルタを構成する１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端が電源電圧Ｖａに接続されている。この電源電圧Ｖａは、上述したように電池最高電位Ｖｍよりも追加電圧分だけ高い電位に設定されている。すなわち、仮に各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化して内部抵抗が低下しても電圧検出ＩＣ２の各入力端子Ｔ０〜Ｔ１２に入力される各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧が各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の正常時よりも低く読み取られることが無い。

ここで、コンデンサは、周知のように直流電圧に対する抵抗値（インピーダンス）が理論的に無限大な回路素子であり、実際においても上記抵抗値（インピーダンス）が極めて大きい。したがって、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が健全な状態において、各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧は、ＲＣフィルタにおいて殆ど電圧降下することなく、電圧検出ＩＣ２の各入力端子Ｔ０〜Ｔ１２に入力される。

しかしながら、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化すると、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２における上記抵抗値（インピーダンス）が低下するので、ＲＣフィルタにおける各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧の電圧降下の度合いが増大する。そして、このような各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端を各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧よりも低い電位に接続した場合（従来技術の場合）には、各ＲＣフィルタの出力電圧は、各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧よりも低い電圧となる。この結果、電圧検出ＩＣ２の各入力端子Ｔ０〜Ｔ１２には、本来の入力されるべき電圧よりも低い電圧が入力されることになる。

これに対して、本第１実施形態によれば、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端が各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧よりも高い電位、つまり電源電圧Ｖａに接続されているので、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化しても各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧が電圧検出ＩＣ２によって各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の正常時よりも低く検出されることが無い。したがって、本第１実施形態によれば、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の劣化に起因する各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の過充電の虞を回避することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照して説明する。
第２実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ２は、図２に示すように、１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端のうち、コンデンサＣ０〜Ｃ６の他端を接地し、残りのコンデンサＣ７〜Ｃ１２の他端、つまり１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端の一部を電源電圧Ｖａに接続したものである。すなわち、電池電圧検出装置Ａ２は、コンデンサＣ０〜Ｃ６の他端が接地されている点においてのみ、第１実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ１と相違する。

ここで、１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧のうち、単電池Ｅ１〜Ｅ６の端子電圧は、単電池Ｅ７〜Ｅ１２の端子電圧よりも低電位である。すなわち、１３個のコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端を接地した場合において、ＲＣフィルタによる各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧の電圧降下の度合いは、単電池Ｅ７〜Ｅ１２の端子電圧よりも単電池Ｅ１〜Ｅ６の端子電圧の方が小さい。したがって、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化した場合におけるＲＣフィルタによる電圧降下の影響は、単電池Ｅ７〜Ｅ１２の端子電圧よりも単電池Ｅ１〜Ｅ６の端子電圧の方が小さい。

第２実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ２は、このようなＲＣフィルタによる電圧降下の影響が単電池Ｅ１〜Ｅ１２によって異なる点を考慮したものであり、影響が比較的大きい単電池Ｅ７〜Ｅ１２については、コンデンサＣ７〜Ｃ１２の他端を電源電圧Ｖａに接続することにより、コンデンサＣ７〜Ｃ１２が劣化した場合に単電池Ｅ７〜Ｅ１２の端子電圧が電圧検出ＩＣ２によってコンデンサＣ７〜Ｃ１２の正常時よりも低く読み取られることを回避するものである。

なお、この第２実施形態では、コンデンサＣ７〜Ｃ１２の他端を電源電圧Ｖａに接続したが、電源電圧Ｖａへの接続対象はコンデンサＣ７〜Ｃ１２に限定されない。例えば、コンデンサＣ６〜Ｃ１２あるいはコンデンサＣ８〜Ｃ１２でもよく、さらにはこれら以外であってもよい。

〔第３実施形態〕
最後に、本発明の第３実施形態について、図３を参照して説明する。
第３実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ３は、図３に示すように、１３個の基準電圧源Ｋ0〜Ｋ12を備え、コンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端を対応する基準電圧源Ｋ０〜Ｋ１２の出力端にそれぞれ接続したものである。

各基準電圧源Ｋ０〜Ｋ１２は、電源電圧Ｖａを入力とし、自らに対応する単電池Ｅ１〜Ｅ６の端子電圧よりも所定電圧Ｖｈだけ高い電圧を出力する。例えば、基準電圧源Ｋ０は、単電池Ｅ１のマイナス端子に対応して設けられたものであり、単電池Ｅ１のマイナス端子の端子電圧Ｖ１ｍに所定電圧Ｖｈを加算した電圧（Ｖ１ｍ＋Ｖｈ）を出力する。

また、基準電圧源Ｋ１は、単電池Ｅ１のプラス端子に対応して設けられたものであり、単電池Ｅ１のプラス端子の端子電圧Ｖ１ｐ（例えば、単電池Ｅ１の満充電状態における端子電圧）に所定電圧Ｖｈを加算した電圧（Ｖ１ｐ＋Ｖｈ）を出力する。以下同様にして、残りの基準電圧源Ｋ２〜Ｋ１２は、単電池Ｅ２〜Ｅ１２のプラス端子に各々対応して設けられたものであり、単電池Ｅ２〜Ｅ１２のプラス端子の端子電圧Ｖ２ｐ〜Ｖ１２ｐ（単電池Ｅ２〜Ｅ１２の満充電状態における端子電圧）に所定電圧Ｖｈを加算した電圧をそれぞれ出力する。

ここで、例えば第１実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ１では、全てのコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端が同一電圧、つまり電源電圧Ｖａに接続されているので、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２における両端の電圧差は異なる。したがって、第１実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ１では、コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化した場合にＲＣフィルタによる電圧降下がＲＣフィルタ毎に異なる。このような性質は、第２実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ２でも同様である。

これに対して、第３実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ３では、各単電池Ｅ１〜Ｅ１２が満充電状態にあるとき、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２における両端の電圧差は、全てのコンデンサＣ０〜Ｃ１２において均一である。したがって、第３実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ３によれば、コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化した場合にＲＣフィルタによる電圧降下が全てのＲＣフィルタについて同一となるので、コンデンサＣ０〜Ｃ１２の劣化による影響を全ての単電池Ｅ１〜Ｅ１２について均等にすることが可能である。

また、第３実施形態に係る電池電圧検出装置Ａ３によれば、全てのコンデンサＣ０〜Ｃ１２の他端が各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧よりも高い電位に接続されているので、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２が劣化しても各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の端子電圧が電圧検出ＩＣ２によって各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の正常時よりも低く読み取られることが無い。したがって、本第１実施形態によれば、各コンデンサＣ０〜Ｃ１２の劣化に起因する各単電池Ｅ１〜Ｅ１２の過充電の虞を回避することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、合計１２個の単電池Ｅ１〜Ｅ１２からなる組電池Ｄを電圧検知対象としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、１個の単電池にも適用可能であり、また１２個以外の個数の単電池を備えた組電池にも適用可能である。

（２）上記実施形態では、単電池Ｅ１〜Ｅ１２と電圧検出ＩＣ２との間にＲＣフィルタを備えるが、本発明はこれに限定されない。ＲＣフィルタはノイズ除去を目的としたローパスフィルタなので、本発明は他の回路構成のローパスフィルタを備える電池電圧検出装置にも適用可能である。ＲＣフィルタに代えて、例えばＬＣフィルタを備える電池電圧検出装置にも適用可能である。

Ａ１〜Ａ３電池電圧検出装置
Ｅ１〜Ｅ１２単電池
Ｄ組電池
Ｒ0〜Ｒ12 抵抗器
Ｃ0〜Ｃ12 コンデンサ
１昇圧回路（電圧源）
２電圧検出ＩＣ（電圧検出回路）

Claims

電池と電圧検出回路との間にローパスフィルタを備える電池電圧検出装置であって、
前記ローパスフィルタを構成するコンデンサは、一端が前記電池のプラス端子に接続され、他端が前記電池の端子電圧よりも高い電圧の電圧源に接続されていることを特徴とする電池電圧検出装置。
前記電池は複数の単電池が直列接続された組電池であり、
前記ローパスフィルタは前記単電池の各々について設けられ、
各々の前記コンデンサの他端は、全てあるいは一部が前記単電池の端子電圧よりも高い電圧の電圧源に接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の電池電圧検出装置。
前記電池は複数の単電池が直列接続された組電池であり、
前記ローパスフィルタは前記単電池の各々について設けられ、
各々の前記コンデンサの他端は、自らに対応する前記単電池の端子電圧に所定電圧を加えた電圧の電圧源にそれぞれ接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の電池電圧検出装置。