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JP7765211B2 - Input protection circuit and secondary battery deterioration determination device using the same - Google Patents
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JP7765211B2 - Input protection circuit and secondary battery deterioration determination device using the same - Google Patents

Input protection circuit and secondary battery deterioration determination device using the same

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JP7765211B2 JP2021115262A JP2021115262A JP7765211B2 JP 7765211 B2 JP7765211 B2 JP 7765211B2 JP 2021115262 A JP2021115262 A JP 2021115262A JP 2021115262 A JP2021115262 A JP 2021115262A JP 7765211 B2 JP7765211 B2 JP 7765211B2
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Description

本発明は、各種センサ等の電圧を計測する機器の入力部において、接続される外部機器の電圧範囲が広いもしくは不定の装置に関し、入力部の入力保護回路およびこれを用いた二次電池の劣化判定装置に関する。 The present invention relates to devices that have a wide or indefinite voltage range for external devices connected to the input section of devices that measure voltages, such as various sensors, and relates to an input protection circuit for the input section and a secondary battery deterioration determination device using the same.

従来から、保護用のダイオードと抵抗素子で構成される入力保護回路が知られており、過電圧が入力された際の入力電流を制限するために抵抗素子が用いられる。PN接合ダイオードによって、過電圧が入力された場合でも電源電圧にダイオードの順方向電圧を加算した電圧に制限している(例えば、非特許文献1)。 Conventionally, input protection circuits consisting of a protective diode and a resistive element have been known, and the resistive element is used to limit the input current when an overvoltage is input. Even when an overvoltage is input, the PN junction diode limits the voltage to the power supply voltage plus the forward voltage of the diode (for example, Non-Patent Document 1).

また、従来の入力保護回路として、抵抗素子とダイオード素子の容量の組合せに基づき積分回路が等価的に構成され、動作の高速化が入力保護回路に発生する過渡現象によって実現できないことを解決するために、内部回路との間に容量素子を配置することが知られている(例えば、特許文献1)。 In addition, conventional input protection circuits are equivalent to an integrator circuit configured based on a combination of the capacitance of a resistor element and a diode element, and in order to solve the problem of not being able to achieve high-speed operation due to transient phenomena occurring in the input protection circuit, it is known to place a capacitive element between the integrator circuit and the internal circuit (for example, Patent Document 1).

さらに、高周波半導体装置の性能を維持しつつ、外部からの静電気を効果的に除去する構成として、PN接合ダイオードの組合せだけでなく、ショットキーバリアダイオードで構成することで、高周波半導体製造プロセスに不要な工程を付加させることなく、簡便に入力保護回路を形成できることが知られている(例えば、特許文献2)。 Furthermore, it is known that an input protection circuit can be easily formed by using not only a combination of PN junction diodes but also Schottky barrier diodes to effectively remove external static electricity while maintaining the performance of a high-frequency semiconductor device, without adding unnecessary steps to the high-frequency semiconductor manufacturing process (see, for example, Patent Document 2).

入力保護回路にPN接合ダイオードもしくはショットキーバリアダイオードを用いた場合、回路への入力信号を、正の過電圧に対して、電源電圧にダイオードの順方向電圧を加算した電圧に、負の場合も同様に、低電圧側の電源電圧にダイオードの順方向電圧を減算した電圧にクランプする。 When a PN junction diode or Schottky barrier diode is used in an input protection circuit, the input signal to the circuit is clamped to a voltage obtained by adding the forward voltage of the diode to the power supply voltage for positive overvoltages, and similarly to a voltage obtained by subtracting the forward voltage of the diode from the power supply voltage on the lower voltage side for negative overvoltages.

特開平8-32025号公報Japanese Patent Application Publication No. 8-32025 特開2001-110993号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-110993

アナログ・ダイアログOCT2015VOL49「ESDダイオードによる電圧クランプ」(http://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/esd-diodes-as-voltage-clamps.html)Analog Dialogue OCT2015VOL49 "Voltage Clamps Using ESD Diodes" (http://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/esd-diodes-as-voltage-clamps.html)

しかし、高精度な検出が求められるセンサ回路等では、アナログ入力をトランジスタの作動増幅回路で構成される演算増幅器(オペアンプ)に入力し、増幅や差動演算を行う。ここで、PN接合ダイオードを用いた保護回路では、PN接合ダイオードの順方向電圧VFが0.6~0.7Vと大きく、入力信号のDC成分や低周波成分が演算増幅器の同相入力電圧範囲を超える場合、演算増幅器が誤動作する可能性がある。 However, in sensor circuits and other devices that require high-precision detection, analog inputs are input to operational amplifiers (op-amps) consisting of transistor differential amplifier circuits, where they are amplified and subjected to differential calculations. In protection circuits that use PN junction diodes, the forward voltage VF of the PN junction diodes is large, at 0.6 to 0.7 V, and if the DC or low-frequency components of the input signal exceed the common-mode input voltage range of the operational amplifier, the operational amplifier may malfunction.

従来の保護回路を図9に示す。入力信号の上限電圧をVlimit+、下限電圧をVlimit-とし、正の電源電圧をVcc、負の電源電圧または接地電圧をVee、第1および第2のダイオードの順方向電圧をVFとしたとき、上下の電圧制限は電源電圧に対し第1および第2のPN接合ダイオード4、4の順方向電圧VF分を増加または減少(オフセット)したものとなる(式1、2)。
Vlimit+=Vcc+VF・・・式1
Vlimit-=Vee-VF・・・式2
A conventional protection circuit is shown in Fig. 9. When the upper limit voltage of the input signal is Vlimit+, the lower limit voltage is Vlimit-, the positive power supply voltage is Vcc, the negative power supply voltage or ground voltage is Vee, and the forward voltage of the first and second diodes is VF, the upper and lower voltage limits are obtained by increasing or decreasing (offsetting) the power supply voltage by the amount of the forward voltage VF of the first and second PN junction diodes 4, 4 (Equations 1 and 2).
Vlimit+=Vcc+VF...Formula 1
Vlimit-=Vee-VF...Formula 2

PN接合ダイオードの代わりにショットキーバリアダイオードを用いることで順方向電圧VFを約0.2Vに抑制することができるが、入力電圧が演算増幅器の同相入力電圧範囲を超える電圧になることに変わりなくPN接合ダイオードを用いた保護回路同様に演算増幅器の誤動作の可能性がある。またショットキーバリアダイオードはPN接合ダイオードに比べてリーク電流が大きいため、入力信号が正常範囲であっても、リーク電流の影響で演算精度が低下してしまうという課題がある。 Using a Schottky barrier diode instead of a PN junction diode can suppress the forward voltage VF to approximately 0.2V, but the input voltage will still exceed the common-mode input voltage range of the operational amplifier, and there is the possibility of the operational amplifier malfunctioning, just as with protection circuits using PN junction diodes. Furthermore, because Schottky barrier diodes have a larger leakage current than PN junction diodes, there is the issue that even if the input signal is within the normal range, the leakage current can reduce the accuracy of the calculation.

ショットキーバリアダイオードを用いた従来の入力保護回路を図10に示す。図10は、従来の入力保護回路(図9)において、式1、2に示したPN接合ダイオード4、4の順方向電圧の影響を小さくするためにショットキーバリアダイオード5、5に置き換えた構成である。ショットキーバリアダイオードは順方向電圧VFが約0.2Vと小さい特長を持つ。 Figure 10 shows a conventional input protection circuit using Schottky barrier diodes. Figure 10 shows a configuration in which the PN junction diodes 4, 4 shown in equations 1 and 2 in the conventional input protection circuit (Figure 9) have been replaced with Schottky barrier diodes 5, 5 to reduce the effect of the forward voltage. Schottky barrier diodes have the advantage of having a small forward voltage VF of approximately 0.2 V.

一方、ショットキーバリアダイオードは、図11に示すダイオード特性を持ち、PN接合ダイオードに比べリーク電流(IR)が大きい。このリーク電流の影響により演算増幅器入力の前段で電圧降下が発生し、計測誤差が発生する。精密な計測が必要な場合にはショットキーバリアダイオードを用いた入力保護回路は適さない。 On the other hand, Schottky barrier diodes have the diode characteristics shown in Figure 11, and have a larger leakage current (IR) than PN junction diodes. This leakage current causes a voltage drop in the stage before the operational amplifier input, resulting in measurement errors. When precise measurements are required, input protection circuits using Schottky barrier diodes are not suitable.

本発明は、上記のような従来技術の課題を踏まえ、入力信号の電圧状態にかかわらず演算増幅器の計測誤差を防止する入力保護回路およびこれを用いた二次電池の劣化判定装置を提供することを目的とする。 In light of the problems with the prior art described above, the present invention aims to provide an input protection circuit that prevents measurement errors in operational amplifiers regardless of the voltage state of the input signal, and a secondary battery degradation determination device using the same.

本発明にかかる入力保護回路は、入力端子と正の電源の間に、第1のダイオード、およびこれと異なる極性の方向で接続されるとともに、1または複数個がともに同方向に直列に接続されてなる第3のダイオードを備え、
入力端子と負の電源または接地の間に、第2のダイオード、およびこれと異なる極性の方向で接続されるとともに、1または複数個がともに同方向に直列に接続されてなる第4のダイオードを備えて、
入力電圧による演算増幅器の誤動作を防止する入力保護回路であって、
前記正の電源または負の電源もしくは接地の電源電圧に対し、前記第1または第2のダイオードの順方向電圧の増加分または減少分に、前記第3または第4のダイオードの個数に応じた順方向電圧の減少分または増加分を与えて、入力電圧が電源電圧を超えないように調整する。
The input protection circuit according to the present invention comprises a first diode and one or more third diodes connected in series in the same direction and having a polarity opposite to that of the first diode, between an input terminal and a positive power supply;
a second diode and a fourth diode connected in a direction opposite to the second diode and one or more fourth diodes connected in series in the same direction between the input terminal and a negative power supply or ground,
An input protection circuit that prevents malfunction of an operational amplifier due to an input voltage,
The input voltage is adjusted so that it does not exceed the power supply voltage by adding an increase or decrease in the forward voltage of the first or second diode to the power supply voltage of the positive power supply, negative power supply, or ground, in accordance with the number of the third or fourth diodes.

この構成によれば、第1または第2のダイオードと、1または複数個直列に接続された第3または第4のダイオードとが異なる極性の方向に接続されるので、電源電圧に対し、第1または第2のダイオードの順方向電圧の増加分または減少分に、第3または第4のダイオードの個数に応じた順方向電圧の減少分または増加分を与えて、入力電圧が電源電圧を超えないように調整する。これにより、ノイズ等の高周波成分や入力信号の交流成分が演算増幅器の同相入力電圧範囲を超える場合でも、電源電圧を超えないように制限して当該同相入力電圧範囲内に抑制するので、入力信号の電圧状態にかかわらず確実に演算増幅器の誤動作を防止することができる。 With this configuration, the first or second diode and one or more third or fourth diodes connected in series are connected in opposite polarity directions. Therefore, the increase or decrease in the forward voltage of the first or second diode is multiplied by the increase or decrease in the forward voltage depending on the number of third or fourth diodes, adjusting the input voltage so that it does not exceed the power supply voltage. As a result, even if high-frequency components such as noise or AC components of the input signal exceed the common-mode input voltage range of the operational amplifier, they are limited to stay within the common-mode input voltage range and do not exceed the power supply voltage, thereby reliably preventing operational amplifier malfunction regardless of the voltage state of the input signal.

例えば、第3または第4のダイオード(PN接合ダイオード)の直列接続個数を1個とした場合は、入力信号の交流成分を電源電圧とほぼ同等の電圧に制限し、直列接続個数を2個とした場合は、入力信号を電源電圧より約0.7V低い電圧にクランプする。第3または第4のダイオードの直列接続個数によって、入力信号の制限電圧を制御することができる。 For example, if one third or fourth diode (PN junction diode) is connected in series, the AC component of the input signal is limited to a voltage roughly equivalent to the power supply voltage, and if two diodes are connected in series, the input signal is clamped to a voltage approximately 0.7 V lower than the power supply voltage. The limiting voltage of the input signal can be controlled by the number of third or fourth diodes connected in series.

つまり、同相入力電圧範囲が電源電圧+0.2~0.3Vと広い入力範囲を持つレールトゥレール動作の演算増幅器の場合は、第3または第4のダイオードのPN接合ダイオードを1個もしくは2個用い、一般の演算増幅器のように同相入力電圧範囲が電源電圧の上限および下限より1~2V狭い場合は、ダイオード群のPN接合ダイオードを2個以上用いて、入力信号の電圧を演算増幅器の同相入力電圧範囲内に抑制することができる。 In other words, in the case of a rail-to-rail operational amplifier with a wide common-mode input voltage range of the power supply voltage + 0.2 to 0.3 V, one or two PN junction diodes of the third or fourth diode can be used. In the case of a general operational amplifier, where the common-mode input voltage range is 1 to 2 V narrower than the upper and lower limits of the power supply voltage, two or more PN junction diodes of the diode group can be used to suppress the input signal voltage within the common-mode input voltage range of the operational amplifier.

好ましくは、一方を前記入力端子に、他方を前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードと前記演算増幅器の入力段に接続された第1の抵抗素子と、
アノードを前記正の電源に、カソードを前記第1のダイオードのカソードと前記第1の容量素子の一方と第2の抵抗素子の一方に接続された1つ以上を直列接続した第3のダイオードと、
他方を前記正の電源に接続された前記第1の容量素子と、アノードを前記第2のダイオードのアノードと前記第2の容量素子の一方と前記第2の抵抗素子の他方に接続された1つ以上を直列接続した第4のダイオードと、
他方を前記負の電源または接地に接続された前記第2の容量素子と、
一方を前記第1のダイオードのカソードと前記第3のダイオードのカソードと前記第1の容量素子の一方と接続され、他方を前記第2のダイオードのアノードと前記第4のダイオードのアノードと前記第2の容量素子の一方と接続された第2の抵抗素子とでなる。
この場合、各素子の構成によって入力電圧が電源電圧を超えないように調整されるので、より確実に演算増幅器の誤動作を防止することができる。
Preferably, a first resistor element connected at one end to the input terminal and at the other end to the anode of the first diode, the cathode of the second diode, and the input stage of the operational amplifier;
one or more third diodes connected in series, each having an anode connected to the positive power supply and a cathode connected to the cathode of the first diode, one of the first capacitance elements, and one of the second resistance elements;
the first capacitance element having the other end connected to the positive power supply; and a fourth diode having an anode connected to the anode of the second diode, one end of the second capacitance element, and the other end of the second resistance element, the fourth diode being one or more diodes connected in series;
the second capacitance element having the other end connected to the negative power supply or ground;
One end of the second resistor is connected to the cathode of the first diode, the cathode of the third diode, and one end of the first capacitance element, and the other end of the second resistor is connected to the anode of the second diode, the anode of the fourth diode, and one end of the second capacitance element.
In this case, the input voltage is adjusted so as not to exceed the power supply voltage depending on the configuration of each element, so that malfunction of the operational amplifier can be prevented more reliably.

また好ましくは、前記入力信号の上限電圧をVlimit+、下限電圧をVlimit-とし、前記正の電源電圧をVcc、前記負の電源電圧または接地電圧をVee、前記第1および第2のダイオードの順方向電圧をVF、前記第3または第4のダイオードの順方向電圧をn×VF(nは1以上の個数)としたとき、以下の式に示されるように調整する(式3、4)。
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF・・・式3
Vlimit-=Vee-VF+n×VF・・・式4
この場合、上下限電圧が式3および式4に示されるように制限されるので、より確実に演算増幅器の誤動作を防止することができる。
Preferably, when the upper limit voltage of the input signal is Vlimit+, the lower limit voltage is Vlimit-, the positive power supply voltage is Vcc, the negative power supply voltage or ground voltage is Vee, the forward voltage of the first and second diodes is VF, and the forward voltage of the third or fourth diode is n×VF (n is a number equal to or greater than 1), the adjustment is performed as shown in the following equations (Equations 3 and 4):
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF...Formula 3
Vlimit-=Vee-VF+n×VF...Formula 4
In this case, the upper and lower limit voltages are limited as shown in Equations 3 and 4, so that malfunction of the operational amplifier can be prevented more reliably.

本発明にかかる二次電池劣化判定装置は、上述した入力保護回路を有するので、入力部の演算増幅器の誤動作を確実に防止できるから、入力信号の電圧状態にかかわらず安定して確実に二次電池の劣化判定を行うことができる。 The secondary battery degradation determination device of the present invention has the input protection circuit described above, which reliably prevents malfunction of the operational amplifier in the input section, allowing for stable and reliable determination of secondary battery degradation regardless of the voltage state of the input signal.

本発明の入力保護回路は、第1または第2のダイオードと、1または複数個直列に接続された第3または第4のダイオードとが異なる極性の方向に接続されるので、電源電圧に対し、第1または第2のダイオードの順方向電圧の増加分または減少分に、第3または第4のダイオードの個数に応じた順方向電圧の減少分または増加分を与えて、入力電圧が電源電圧を超えないように調整する。これにより、ノイズ等の高周波成分や入力信号の交流成分が演算増幅器の同相入力電圧範囲を超える場合でも、電源電圧を超えないように制限して当該同相入力電圧範囲内に抑制するので、入力信号の電圧状態にかかわらず確実に演算増幅器の誤動作を防止することができる。 In the input protection circuit of the present invention, the first or second diode and one or more third or fourth diodes connected in series are connected in opposite polarity directions. Therefore, the input voltage is adjusted so that it does not exceed the power supply voltage by adding an increase or decrease in the forward voltage of the first or second diode to an increase or decrease in the forward voltage depending on the number of third or fourth diodes. This limits high-frequency components such as noise or AC components of the input signal to within the common-mode input voltage range of the operational amplifier, preventing them from exceeding the power supply voltage and constraining them within that common-mode input voltage range. Therefore, operational amplifier malfunction can be reliably prevented regardless of the voltage state of the input signal.

本発明の一実施形態に係る入力保護回路を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing an input protection circuit according to an embodiment of the present invention; 図1の入力保護回路を備えたセンサユニットを含む非常用電源および二次電池劣化判定装置を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing an emergency power supply and a secondary battery deterioration determination device including a sensor unit equipped with the input protection circuit of FIG. 1. センサユニットの構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a sensor unit. センサユニットの構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a sensor unit. センサユニットの別の構成例を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing another example of the configuration of the sensor unit. センサユニットの構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a sensor unit. センサユニットの構成の変形例を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing a modified example of the configuration of the sensor unit. センサユニットの構成の変形例を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing a modified example of the configuration of the sensor unit. 従来の入力保護回路を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional input protection circuit. 従来の入力保護回路を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional input protection circuit. ダイオード特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing diode characteristics.

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる入力保護回路の基本構成を示す。入力信号に対し、直列に第1の抵抗素子1aを配置し、第1の抵抗素子1aによって入力電流が制限される。第1の抵抗素子1aの他端は演算増幅器2の入力端子に接続される。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. Figure 1 shows the basic configuration of an input protection circuit according to one embodiment of the present invention. A first resistor element 1a is arranged in series with the input signal, and the input current is limited by the first resistor element 1a. The other end of the first resistor element 1a is connected to the input terminal of the operational amplifier 2.

<入力電圧が高い場合>
第1の抵抗素子1aと演算増幅器2の入力段間に第1のダイオード(PN接合ダイオード)4cのアノードが接続される。第1のPN接合ダイオード4cのカソードは、第1の容量素子3aの一方と第3のダイオード(PN接合ダイオード)4aのカソードと第2の抵抗素子1bの一方に接続され、第1の容量素子3aの他方と第3のPN接合ダイオード4aのアノードはVcc(正の電源)に接続される。
<When the input voltage is high>
The anode of a first diode (PN junction diode) 4c is connected between the first resistance element 1a and the input stage of the operational amplifier 2. The cathode of the first PN junction diode 4c is connected to one side of the first capacitance element 3a, the cathode of the third diode (PN junction diode) 4a, and one side of the second resistance element 1b, and the other side of the first capacitance element 3a and the anode of the third PN junction diode 4a are connected to Vcc (positive power supply).

第1の容量素子3aの充放電によって交流成分が吸収されるため、演算増幅器2の入力電圧はVccに第1のPN接合ダイオード4cの順方向電圧VF分約0.7Vを足し、第3のPN接合ダイオード4aの直列接続数nの順方向電圧VF分(n×VF)を引いた上限電圧Vlimit+に制限される(式3)
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF・・・式3
Since the AC component is absorbed by charging and discharging the first capacitance element 3a, the input voltage of the operational amplifier 2 is limited to an upper limit voltage Vlimit+ obtained by adding approximately 0.7 V, which is the forward voltage VF of the first PN junction diode 4c, to Vcc and subtracting the forward voltage VF (n × VF) of the number n of third PN junction diodes 4a connected in series (Equation 3).
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF...Formula 3

<入力電圧が低い場合>
第1の抵抗素子1aと演算増幅器2の入力段間に第2のダイオード(PN接合ダイオード)4dのカソードが接続される。第2のPN接合ダイオード4dのアノードは、第2の容量素子3bの一方と第4のダイオード(PN接合ダイオード)4bのアノードと第2の抵抗素子1bの他方に接続され、第2の容量素子3bの他方と第4のPN接合ダイオード4bのアノードはVee(負の電源もしくはGND)に接続される。
<When the input voltage is low>
The cathode of a second diode (PN junction diode) 4d is connected between the first resistance element 1a and the input stage of the operational amplifier 2. The anode of the second PN junction diode 4d is connected to one side of the second capacitance element 3b, the anode of the fourth diode (PN junction diode) 4b, and the other side of the second resistance element 1b, and the other side of the second capacitance element 3b and the anode of the fourth PN junction diode 4b are connected to Vee (negative power supply or GND).

第2の容量素子3bの充放電によって交流成分が吸収されるため、演算増幅器2の入力電圧はVeeに第2のPN接合ダイオード4dの順方向電圧VF分約0.7Vを引き、第2のPN接合ダイオード4bの直列接続数nの順方向電圧VF分(n×VF)を足した下限電圧Vlimit-に制限される(式4)。
Vlimit-=Vee-VF+n×VF・・・式4
Since the AC component is absorbed by charging and discharging the second capacitance element 3b, the input voltage of the operational amplifier 2 is limited to a lower limit voltage Vlimit- obtained by subtracting approximately 0.7 V, which is the forward voltage VF of the second PN junction diode 4d, from Vee and adding the forward voltage VF (n×VF) of the number n of second PN junction diodes 4b connected in series (Equation 4).
Vlimit-=Vee-VF+n×VF...Formula 4

図2は、本発明の他の実施形態にかかる非常用電源および二次電池劣化判定装置を示す。図3は上記入力保護回路を有するセンサユニットの構成例を示す。以下、上記入力保護回路を用いた二次電池劣化判定装置について説明する。 Figure 2 shows an emergency power supply and secondary battery degradation determination device according to another embodiment of the present invention. Figure 3 shows an example configuration of a sensor unit having the above-mentioned input protection circuit. Below, we will explain a secondary battery degradation determination device using the above-mentioned input protection circuit.

図2において、劣化判定対象の二次電池は、データセンタ、携帯電話基地局、またはその他各種の電力安定供給が求められる電源装置における非常用電源である。それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群を複数有し、これらバッテリ群が並列に接続され負荷に接続される。各バッテリは、一つのセルであっても、また複数のセルが直列接続されたものであっても良い。 In Figure 2, the secondary battery being assessed for deterioration is an emergency power source in a data center, a mobile phone base station, or any other power supply device that requires a stable power supply. It has multiple battery groups, each of which is a secondary battery, connected in series, and these battery groups are connected in parallel to a load. Each battery may be a single cell or multiple cells connected in series.

この非常用のバッテリは、負荷の正負の端子に接続された主電源の正負の端子のうち、正の端子には充電回路とダイオード8とを介して接続され、負の端子には直接に接続されている。ダイオード8は非常用のバッテリから負荷10に電流を流す向きで、充電回路7と並列に接続されている。主電源6は、例えば交流商用電源に接続され、整流回路および平滑回路(いずれも図示せず)を介して直流電力を供給する直流電源等からなる。 This emergency battery is connected to the positive and negative terminals of the main power supply, which is connected to the positive and negative terminals of the load, via a charging circuit and diode 8, and directly to the negative terminal. Diode 8 is connected in parallel with charging circuit 7 in the direction that current flows from the emergency battery to load 10. Main power supply 6 is, for example, connected to a commercial AC power source and consists of a DC power supply that supplies DC power via a rectifier circuit and a smoothing circuit (neither of which are shown).

非常用のバッテリの正電位は、主電源の正電位よりも低く、通常はバッテリから負荷には電流は流れないが、主電源が停止または機能低下すると、主電源側の電位が低下することから、非常用のバッテリに蓄電した電荷により、ダイオード8を介して負荷に給電される。 The positive potential of the emergency battery is lower than the positive potential of the main power supply, and normally no current flows from the battery to the load. However, if the main power supply stops or its functionality deteriorates, the potential on the main power supply side drops, and the charge stored in the emergency battery is used to supply power to the load via diode 8.

本発明の二次電池劣化判定装置は、このような電源における各バッテリの劣化を判定する装置である。この二次電池劣化判定装置は、前記各バッテリに個別に接続された複数のセンサユニット15(図3)と、各バッテリ群毎に接続された複数の電流センサ9と、交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群から放電させる電流制御手段11dと、各センサユニット15毎に設けられ計測した交流成分の電圧の計測値を無線で送信するセンサユニット毎の無線部16と、前記各センサユニット毎の無線部16の送信した前記計測値を受信し、受信した計測値を用いて各バッテリの内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリの劣化を判定するコントローラ11(図3)とを備える。 The secondary battery degradation determination device of the present invention is a device that determines the degradation of each battery in such a power supply. This secondary battery degradation determination device includes multiple sensor units 15 (Figure 3) individually connected to each battery, multiple current sensors 9 connected to each battery group, current control means 11d that discharges a measurement current containing an AC component from the battery group, a wireless unit 16 provided for each sensor unit 15 that wirelessly transmits the measured voltage value of the AC component, and a controller 11 (Figure 3) that receives the measurement value transmitted by the wireless unit 16 for each sensor unit, calculates the internal resistance of each battery using the received measurement value, and determines the degradation of the battery from the internal resistance.

前記電流制御手段11dは、スイッチング素子11daと電流制限用抵抗11dbの直列回路からなり、前記バッテリ群と並列に接続されている。スイッチング素子11daは、サイリスタやトランジスタ等の半導体素子である。スイッチング素子11daにはバイパス用のダイオードが並列に接続されている。スイッチング素子11daは、コントローラの電流制御手段11dによって、放電電流をパルス状ないし正弦波状の電流となるように開閉駆動される。電流制御手段11dは、ハードウェアのみで構成されていても、CPUやマイクロコンピュータを含んだ構成でも良い。 The current control means 11d consists of a series circuit of a switching element 11da and a current limiting resistor 11db, and is connected in parallel to the battery group. The switching element 11da is a semiconductor element such as a thyristor or transistor. A bypass diode is connected in parallel to the switching element 11da. The switching element 11da is driven to open and close by the current control means 11d of the controller so that the discharge current becomes a pulsed or sinusoidal current. The current control means 11d may be composed of hardware only, or may include a CPU or microcomputer.

前記センサユニット15は、電圧の交流成分と直流成分の検出を行う電圧センサを含み、図4に示すように、無線部16、電圧センサ17、温度センサ18とを有する。電圧センサ17は、センサ機能部17aと演算制御部17bからなり(図3)、それぞれ保護回路17aa、検出部17ab、演算部17bd等からなる。保護回路17aaが上述した本発明にかかる入力保護回路である。この保護回路17aaによって入力部の演算増幅器の誤動作を防止するので、入力信号の電圧にかかわらず、安定して確実に二次電池の劣化を判定できる。 The sensor unit 15 includes a voltage sensor that detects the AC and DC components of the voltage, and as shown in Figure 4, has a radio section 16, a voltage sensor 17, and a temperature sensor 18. The voltage sensor 17 consists of a sensor function section 17a and an arithmetic control section 17b (Figure 3), each of which consists of a protection circuit 17aa, a detection section 17ab, and an arithmetic section 17bd. The protection circuit 17aa is the input protection circuit according to the present invention described above. This protection circuit 17aa prevents malfunction of the operational amplifier in the input section, so deterioration of the secondary battery can be determined stably and reliably regardless of the voltage of the input signal.

電圧センサ17は、与えられたコマンドを実行する制御部17baと、コマンドに対して検出部17abの計測の開始を、定められた時間だけ遅延させる遅延部17bbと、前記電圧センサ17で検出した交流電圧値のアナログ信号を、デジタル信号に変換する変換部17bcと、デジタル信号から実効値、平均値またはピーク値を算出する演算部17bdとが設けられている。電圧センサ17は、この他に直流電圧を検出する直流検出部を有し、直流検出部で検出した直流成分の検出値も、前記センサユニット毎の無線部16から送信される。また、各センサユニット15は、前記遅延部17bbにより、または他の手段により、予め送信順が送信遅延時間で設定されており、計測値を、設定された順に送信遅延時間後に順次送信する。また、この実施形態では、バッテリの周囲の温度やバッテリの温度を計測する温度センサ18が設けられ、無線部16と、電圧センサ17と、温度センサ18とでセンサユニット15を構成している。温度センサ18の検出温度は、電圧センサ17の前記実効値または平均値による電圧計測値と共に、センサユニット毎の無線部16でコントローラ11へ送信される。 The voltage sensor 17 includes a control unit 17ba that executes a given command; a delay unit 17bb that delays the start of measurement by the detection unit 17ab by a predetermined time in response to the command; a conversion unit 17bc that converts the analog signal of the AC voltage value detected by the voltage sensor 17 into a digital signal; and a calculation unit 17bd that calculates the effective value, average value, or peak value from the digital signal. The voltage sensor 17 also includes a DC detection unit that detects DC voltage, and the detected value of the DC component detected by the DC detection unit is also transmitted from the wireless unit 16 of each sensor unit. Furthermore, the transmission order of each sensor unit 15 is preset by the delay unit 17bb or other means using a transmission delay time, and the measurement values are transmitted sequentially in the set order after the transmission delay time. In this embodiment, a temperature sensor 18 is also provided to measure the ambient temperature of the battery and the temperature of the battery. The wireless unit 16, voltage sensor 17, and temperature sensor 18 constitute the sensor unit 15. The temperature detected by the temperature sensor 18, along with the voltage measurement value (effective value or average value) from the voltage sensor 17, is transmitted to the controller 11 via the wireless unit 16 of each sensor unit.

前記コントローラ11は、この実施形態では主コントローラ11Aに、通信網12を介してデータサーバ14およびモニタ13を接続してなる。通信網12は、この実施形態ではLANからなり、ハブ12aを有している。通信網12は広域通信網であっても良い。データサーバ14は、前記通信網12や他の通信網により、遠隔地のパーソナルコンピュータ(図示せず) 等と通信可能であり、どこからでもデータ監視ができる。 In this embodiment, the controller 11 comprises a main controller 11A connected to a data server 14 and a monitor 13 via a communication network 12. In this embodiment, the communication network 12 comprises a LAN and includes a hub 12a. The communication network 12 may also be a wide-area communication network. The data server 14 can communicate with a remote personal computer (not shown) or the like via the communication network 12 or other communication networks, allowing data monitoring from anywhere.

図5はセンサユニットの別の構成を示す。
図5は図3のセンサユニットに対し、電圧センサ17を複数配置した構成を示している。この場合、無線部16を共通にでき、コストの抑制や無線の接続数を抑制でき通信時間の短縮が図れる。また無線接続数に制約がある場合でも多くのバッテリの監視が可能になる。
FIG. 5 shows another configuration of the sensor unit.
Figure 5 shows a configuration in which multiple voltage sensors 17 are installed in the sensor unit of Figure 3. In this case, the wireless unit 16 can be shared, which reduces costs and the number of wireless connections, thereby shortening communication time. Furthermore, even if the number of wireless connections is limited, it becomes possible to monitor many batteries.

図示しないが変換部17bcで検出値のアナログ信号を、デジタル信号に変換し、前記演算部17bdで実効値、平均値またはピーク値を算出する。変換部17bcは電圧センサの個数分用意してもよいし、1つで切替えて使用してもよい。演算部17bdはCPUやマイクロコンピュータで構成され、センサユニットに対し共通としてもよい。 Although not shown, the conversion unit 17bc converts the analog signal of the detected value into a digital signal, and the calculation unit 17bd calculates the effective value, average value, or peak value. There may be as many conversion units 17bc as there are voltage sensors, or one may be used by switching between them. The calculation unit 17bd is made up of a CPU or microcomputer, and may be shared by all sensor units.

図5に示すように、演算部17bdへの入力電圧を制限する保護回路17aaと前記バッテリの端子間電圧の個別の検出を行う複数の検出部17abと、これら各検出部17abで検出された信号から前記交流成分の個別の演算を行う複数の演算部17bdとを有する。センサユニット15の保護回路17aaは前記電圧が規定値を超えないように入力電圧を制限する。センサユニット15の前記検出部17abは、前記電圧の検出値として交流電圧の検出値をアナログ信号として出力する。図示しないが変換部17bcで検出値のアナログ信号を、デジタル信号に変換し、前記演算部17bdで実効値、平均値またはピーク値を算出する。検出部17abは、この他に直流電圧を検出する機能を有し、直流成分の検出値は、前記演算部17bdを介してまたは直接に前記無線部16が送信する。前記複数の検出部17abと前記複数の演算部17bdとで、検出・演算部が構成される。前記保護回路17aa、検出部17ab、の適切な個数は、バッテリが2V,6V,12V等のいずれの電圧かによっても異なるが、例えば2個以上で10個未満が好ましく、2~8個、または4~6個であっても良い。本構成の特徴は複数の電圧センサ17をセンサユニット15に配置することで無線部16を共通にできることであり、コストの抑制や無線の接続数を抑制でき通信時間の短縮が図れる。 As shown in FIG. 5, the sensor unit 15 includes a protection circuit 17aa that limits the input voltage to the calculation unit 17bd, multiple detection units 17ab that individually detect the voltage between the battery's terminals, and multiple calculation units 17bd that individually calculate the AC component from the signals detected by each of these detection units 17ab. The protection circuit 17aa of the sensor unit 15 limits the input voltage so that the voltage does not exceed a specified value. The detection unit 17ab of the sensor unit 15 outputs the detected AC voltage as an analog signal. Although not shown, a conversion unit 17bc converts the analog signal of the detected value into a digital signal, and the calculation unit 17bd calculates the effective value, average value, or peak value. The detection unit 17ab also has the function of detecting DC voltage, and the detected value of the DC component is transmitted by the wireless unit 16 via the calculation unit 17bd or directly. The multiple detection units 17ab and the multiple calculation units 17bd constitute a detection/calculation unit. The appropriate number of protection circuits 17aa and detection units 17ab varies depending on whether the battery voltage is 2V, 6V, 12V, etc., but is preferably 2 or more and less than 10, or may be 2 to 8, or 4 to 6. A feature of this configuration is that by placing multiple voltage sensors 17 in the sensor unit 15, the wireless unit 16 can be shared, which reduces costs and the number of wireless connections, thereby shortening communication time.

図6はセンサユニットの構成の変形例を示す。図7はセンサユニットの構成の変形例を示す。
図5の実施例ではセンサユニット15は、劣化検出対象のバッテリ毎に保護回路17aa、検出部17abおよび演算部17bdを有する構成としたが、センサユニット15は、図6または図7に示す変形例のように、前記端子間電圧の演算部17bdへの入力電圧を制限する保護回路17aaと、個別に検出を行う一つの検出部17abと、この検出部17abに接続する前記複数のバッテリを切替える切替部17bfと、前記検出部17abで検出された信号から前記交流成分の個別の演算を行う一つの演算部17bdとを有する構成であっても良い。演算部17bdの演算結果である前記交流成分や、検出部17abで得られた前記直流成分は、記憶部17beに一時的に記憶しておき、その記憶した演算結果を無線部16から送信するように構成されている。なお、記憶部17beは必ずしも設けなくても良く、その場合、演算部17bdで演算する都度、演算結果を無線部16で送信する。これら図6,図7の構成の場合、検出部17abは入力側には切替部17bfを接続するだけで良く、配線が簡素化される。図6の例では、前記切替部17bfは、一つの前記センサユニット15の検出対象となる直列接続された複数のバッテリの内で最低電位の端子を共通とする構成とされている。この構成の場合、切替部17bfの構成が簡素となる。図7の例では、前記切替部17bfは、前記保護回路17aaに接続する低電位側および高電位側の両端子をバッテリ毎に順次切り替える構成とされている。この構成の場合、切替部 17bfが必要となるが、保護回路17aa、検出部17abおよび演算部17bdがいずれも一つで済むため、前記保護回路17aa、検出部17ab、演算部17bd、または切替部17bfである回路要素の個数が少なく済む。
6 and 7 show modified examples of the configuration of the sensor unit.
In the embodiment shown in FIG. 5, sensor unit 15 includes protection circuit 17aa, detection unit 17ab, and calculation unit 17bd for each battery whose deterioration is to be detected. However, as shown in the modified examples shown in FIGS. 6 and 7, sensor unit 15 may include protection circuit 17aa that limits the input voltage of the inter-terminal voltage to calculation unit 17bd, one detection unit 17ab that performs individual detection, a switching unit 17bf that switches between the multiple batteries connected to detection unit 17ab, and one calculation unit 17bd that individually calculates the AC component from the signal detected by detection unit 17ab. The AC component calculated by calculation unit 17bd and the DC component obtained by detection unit 17ab are temporarily stored in memory unit 17be, and the stored calculation results are transmitted from wireless unit 16. Note that memory unit 17be is not necessarily provided. In such a case, the calculation results are transmitted via wireless unit 16 each time calculation unit 17bd performs a calculation. In the configurations shown in Figures 6 and 7, the detection unit 17ab only needs to be connected to the switching unit 17bf on its input side, simplifying the wiring. In the example shown in Figure 6, the switching unit 17bf is configured to share the lowest potential terminal among the series-connected batteries that are the detection targets of one sensor unit 15. This configuration simplifies the configuration of the switching unit 17bf. In the example shown in Figure 7, the switching unit 17bf is configured to sequentially switch the low-potential and high-potential terminals connected to the protection circuit 17aa for each battery. While this configuration requires the switching unit 17bf, only one protection circuit 17aa, detection unit 17ab, and calculation unit 17bd are required, thereby reducing the number of circuit elements such as the protection circuit 17aa, detection unit 17ab, calculation unit 17bd, and switching unit 17bf.

図8はセンサユニットの構成の変形例を示す。
前記センサユニット15の変形例を示す。この例では、前記センサユニット15は、バッテリの端子間電圧を個別に検出する複数の検出部17abと、これら検出部17abで検出された信号の電圧を制限する保護回路17aaと、これら検出部17abで検出された信号を切り替え可能に選択にして出力するデータ選択部17bgと、このデータ選択部により選択された信号から前記交流成分の個別の演算を行う一つの演算部17bdとを有する構成とされている。この他に演算部17bdにより演算された結果を記憶する記憶部17beを有し、各検出部17abで検出されデータ選択部17bgで選択されて演算部により実行値等に変換された各バッテリの電圧計測値は、一旦、記憶部17beに記憶され、無線部16から順次出力される。前記検出部17abは差動演算回路からなり、これら差動演算回路からなる複数の検出部17abにより、センサアレイあるいはセンサモジュール等からなる差動演算部17acを構成している。
この例のようにデータ選択部17bgを設けた場合、演算部1bdが一つで済む。
FIG. 8 shows a modified example of the configuration of the sensor unit.
A modified example of the sensor unit 15 is shown. In this example, the sensor unit 15 includes multiple detectors 17ab that individually detect the voltage between the battery terminals, a protection circuit 17aa that limits the voltage of the signals detected by the detectors 17ab, a data selector 17bg that switchably selects and outputs the signals detected by the detectors 17ab, and a single calculator 17bd that individually calculates the AC components from the signals selected by the data selector. The sensor unit 15 also includes a memory 17be that stores the results of calculations performed by the calculator 17bd. The measured voltage values of each battery, detected by each detector 17ab, selected by the data selector 17bg, and converted to effective values or the like by the calculator, are temporarily stored in the memory 17be and sequentially output from the wireless unit 16. The detectors 17ab are each composed of a differential calculation circuit, and the multiple detectors 17ab, each composed of a differential calculation circuit, constitute a differential calculation unit 17ac, which may be a sensor array or a sensor module.
When the data selection unit 17bg is provided as in this example, only one calculation unit 1bd is required.

このように、本発明の入力保護回路は、PN接合ダイオードの直列接続個数によって入力保護回路の出力電圧の上限電圧と下限電圧を制御でき、入力信号が演算増幅器の同相入力電圧範囲を超える場合であっても、これによって演算増幅器の入力段では確実に演算増幅器の同相入力電圧範囲内に制限することができる。したがって、入力信号の電圧状態にかかわらず確実に演算増幅器の誤動作を防止することができる。また、この入力保護回路により入力信号の電圧状態にかかわらず確実に安定して二次電池の劣化判定を行うことができる。 In this way, the input protection circuit of the present invention can control the upper and lower limit voltages of the output voltage of the input protection circuit by adjusting the number of PN junction diodes connected in series. This ensures that even if the input signal exceeds the common-mode input voltage range of the operational amplifier, it is limited to within the common-mode input voltage range of the operational amplifier at the input stage of the operational amplifier. Therefore, operational amplifier malfunction can be reliably prevented regardless of the voltage state of the input signal. Furthermore, this input protection circuit enables reliable and stable determination of secondary battery deterioration regardless of the voltage state of the input signal.

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The above describes the mode for carrying out the present invention based on examples, but the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and are not limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

1a:第1の抵抗素子
1b:第2の抵抗素子
2:演算増幅器
3a:第1の容量素子
3b:第2の容量素子
4a:第3のダイオード
4b:第4のダイオード
4c:第1のダイオード
4d:第2のダイオード
15:センサユニット
17aa:入力保護回路
1a: first resistive element 1b: second resistive element 2: operational amplifier 3a: first capacitive element 3b: second capacitive element 4a: third diode 4b: fourth diode 4c: first diode 4d: second diode 15: sensor unit 17aa: input protection circuit

Claims (3)

入力端子と正の電源の間に、第1のダイオード、およびこれと異なる極性の方向で接続されるとともに、1または複数個がともに同方向に直列に接続されてなる第3のダイオードを備え、
前記入力端子と負の電源または接地の間に、第2のダイオード、およびこれと異なる極性の方向で接続されるとともに、1または複数個がともに同方向に直列に接続されてなる第4のダイオードを備えて、
前記入力端子から入力される入力電圧による演算増幅器の誤動作を防止する入力保護回路であって、
前記正の電源または前記負の電源もしくは接地の電源電圧に対し、前記第1または前記第2のダイオードの順方向電圧の増加分または減少分に、前記第3または前記第4のダイオードの個数に応じた順方向電圧の減少分または増加分を与えて、前記入力電圧が電源電圧を超えないように調整する、入力保護回路であり、
この入力保護回路は、
一方を前記入力端子に、他方を前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードと前記演算増幅器の入力段に接続された第1の抵抗素子を有し、
前記第3のダイオードにおける1または複数個のダイオード素子のアノードを前記正の電源に、カソードを前記第1のダイオードのカソードと第1の容量素子の一方と第2の抵抗素子の一方に接続されて、前記第1の容量素子の他方は前記正の電源に接続され、
前記第4のダイオードにおける1または複数個のダイオード素子のカソードを前記負の電源または接地に、アノードを前記第2のダイオードのアノードと第2の容量素子の一方と前記第2の抵抗素子の他方に接続され、前記第2の容量素子の他方は前記負の電源または接地に接続されて、
前記第2の抵抗素子はその一方を前記第1のダイオードのカソード、前記第3のダイオードのカソード、および前記第1の容量素子の一方と接続され、前記第2の抵抗素子の他方を前記第2のダイオードのアノード、前記第4のダイオードのアノード、および前記第2の容量素子の一方と接続されてなる、入力保護回路
a first diode and a third diode connected in a direction opposite to the first diode and one or more third diodes connected in series in the same direction between the input terminal and a positive power supply;
a second diode and a fourth diode connected in a direction opposite to the second diode and one or more fourth diodes connected in series in the same direction between the input terminal and a negative power supply or ground,
An input protection circuit for preventing malfunction of an operational amplifier due to an input voltage input from the input terminal ,
an input protection circuit that adjusts the input voltage so that it does not exceed a power supply voltage by adding an increase or decrease in a forward voltage of the first or second diode corresponding to the number of the third or fourth diodes to an increase or decrease in a forward voltage of the first or second diode relative to a power supply voltage of the positive power supply, the negative power supply, or ground;
This input protection circuit is
a first resistor element connected at one end to the input terminal and at the other end to the anode of the first diode, the cathode of the second diode, and the input stage of the operational amplifier;
an anode of one or more diode elements in the third diode is connected to the positive power supply, a cathode of the one or more diode elements is connected to the cathode of the first diode, one of the first capacitance elements, and one of the second resistance elements, and the other of the first capacitance elements is connected to the positive power supply;
a cathode of one or more diode elements in the fourth diode is connected to the negative power supply or ground, an anode is connected to the anode of the second diode, one of the second capacitance elements, and the other of the second resistance element, and the other of the second capacitance element is connected to the negative power supply or ground,
an input protection circuit, wherein one end of the second resistance element is connected to the cathode of the first diode, the cathode of the third diode, and one end of the first capacitance element, and the other end of the second resistance element is connected to the anode of the second diode, the anode of the fourth diode, and one end of the second capacitance element .
請求項1において、
前記入力電圧の上限電圧をVlimit+、下限電圧をVlimit-とし、前記正の電源電圧をVcc、前記負の電源電圧または接地電圧をVee、前記第1および前記第2のダイオードの順方向電圧をVF、前記第3または前記第4のダイオードの順方向電圧をn×VF(nは1以上の個数)としたとき、以下の式に示されるように調整する、入力保護回路。
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF
Vlimit-=Vee-VF+n×VF
In claim 1 ,
An input protection circuit that adjusts the input voltage as shown in the following formula, where an upper limit voltage of the input voltage is Vlimit+, a lower limit voltage is Vlimit-, the positive power supply voltage is Vcc, the negative power supply voltage or ground voltage is Vee, the forward voltage of the first and second diodes is VF, and the forward voltage of the third or fourth diode is n×VF (n is a number equal to or greater than 1).
Vlimit+=Vcc+VF-n×VF
Vlimit-=Vee-VF+n×VF
請求項1または2に記載の入力保護回路を用いた二次電池劣化判定装置。 3. A secondary battery deterioration determination device using the input protection circuit according to claim 1 .
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