JP2007240299A - フライングキャパシタ方式電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測時間を遅くすることなく、耐ノイズ性を向上できる電圧測定装置を提供すること。
【解決手段】コンデンサ３と、第１のマルチプレクサ１と、第２のマルチプレクサ２と、電圧計測手段７と、サンプル電圧計測スイッチ４と、制御手段７と、各電圧源Ｖ１〜Ｖ４の両端にそれぞれ接続される電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ５およびマルチプレクサ間に接続された一対の抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２と前記抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２およびマルチプレクサの接続点間に接続されたコンデンサＣｆからなる複数のフィルタとを備えたフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの１番目および（Ｎ＋１）番目の電圧検出端子に接続される一対の抵抗のうちの一方の抵抗Ｒｆ１の抵抗値を、一対の抵抗のうちの他方の抵抗Ｒｆ２の抵抗値より小さく設定すると共に、一対の抵抗の合計抵抗値を複数のフィルタの全部において等しく設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、フライングキャパシタ方式電圧測定装置に関する。

電気自動車の電源のように、多数個の電池（電圧源）を直列接続して構成される高圧電源において、各個別電池（電圧源）の電圧をそれぞれ測定する装置として、フライングキャパシタ方式電圧測定装置がある。

図３は、従来のフライングキャパシタ方式電圧測定装置の構成図である。図３において、高圧電源Ｖにおいて直列接続された電圧源（たとえば、バッテリ）Ｖ１〜Ｖ４は、電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ５から、電圧サンプルスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５からなる第１のマルチプレクサ１および電圧サンプルスイッチＳ２，Ｓ４からなる第２のマルチプレクサ２を経由してコンデンサ３に接続され、さらに、コンデンサ３は、スイッチ４ａ，４ｂからなるサンプル電圧計測スイッチ４を経由して電圧計測回路５に接続されている。

また、電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ５と第１および第２のマルチプレクサ１、２の電圧サンプルスイッチＳ１〜Ｓ５の間には、それぞれ抵抗Ｒｆが接続されていると共に、抵抗Ｒｆと電圧サンプルスイッチＳ１〜Ｓ５の各接続点間には、コンデンサＣｆが接続されている。抵抗ＲｆとコンデンサＣｆはローパスフィルタの作用を行うフィルタ回路８を構成し、コンデンサ３への充電経路に乗るノイズを軽減し、第１および第２のマルチプレクサ１，２以降の計測系への影響を防止している。

上述の構成において、電圧測定装置は、サンプル電圧計測スイッチ４が開いた状態で、第１および第２のマルチプレクサ１，２により所望の電圧源を選択した後に、第１および第２のマルチプレクサ１，２を開いてサンプル電圧計測スイッチ４を閉じる動作を繰り返すことにより、電圧源Ｖ１〜Ｖ４の各電圧を絶縁的に計測することができる。

たとえば、電圧サンプルスイッチＳ１とＳ２を閉じれば、電圧源Ｖ１の電圧がコンデンサ３に充電され、次に電圧サンプルスイッチＳ１とＳ２を開いた後、サンプル電圧計測スイッチ４を閉じると、電圧計測回路５にコンデンサ３の充電電圧、すなわち電圧源Ｖ１の電圧に対応する電圧が入力される。このようにして、マルチプレクサ１，２とサンプル電圧計測スイッチ４は同時に閉じないため、電圧計測回路５は、電圧源Ｖ１と絶縁された状態でその電圧を計測することができる。

また、この電圧測定装置では、奇数番目の電圧源に対して偶数番目の電圧源の検出電圧が、極性反転して電圧計測回路５に入力されるため、奇数番目の電圧源と偶数番目の電圧源の検出電圧極性を揃えるための極性補正手段６を備えている（たとえば、特許文献１および２参照）。
特開平１１−２４８７５５号公報 特開２００３−１１４２４３号公報

しかしながら、上述の構成の電圧測定装置では、フィルタ回路８の抵抗ＲｆおよびコンデンサＣｆが、計測電圧（コンデンサ３に充電される電圧）の検出精度に影響を与えてしまう。すなわち、コンデンサ３には、個別電圧源Ｖ１〜Ｖ４の各電圧が直接充電されるのではなく、いったんフィルタ回路８のコンデンサＣｆへ充電された後、コンデンサＣｆに充電された電荷がコンデンサ３側へ放電されてコンデンサ３が充電される。したがって、フィルタ回路８の影響をなくすためには計測時間を長くする必要があるという問題がある。

つまり、各電圧源Ｖ１〜Ｖ４からのコンデンサＣｆへの充電は、２個の抵抗Ｒｆの抵抗値とコンデンサＣｆの容量で決定される時定数τ＝２Ｒｆ＊Ｃｆにより制限されるので、図４に示すように、コンデンサＣｆのフル充電までに時間を要してしまう。たとえば、電圧源Ｖ１の計測時、時間ｔ１において電圧サンプルスイッチＳ１およびＳ２が閉じられると、電圧源Ｖ１の電圧で充電されていたコンデンサＣｆの電荷がコンデンサ３へ放電されコンデンサ３が充電されるため、コンデンサＣｆの両端電圧は電圧Ｖ１から一度若干下がり、そこから時定数τで上昇するように充電される。次に、時間ｔ２でスイッチＳ１およびＳ２を開いて、サンプル電圧計測スイッチ４を閉じることにより、コンデンサ３の両端電圧が電圧計測回路５で計測される。

このとき、ノイズ除去のために、フィルタ回路８の抵抗Ｒｆの抵抗値は、たとえば、数１０〜数百Ｈｚのノイズを除去するために１０ｋΩオーダーに設定（具体例として、コンデンサＣｆの容量値は４．７μＦ、抵抗Ｒｆの抵抗値は１０ｋΩに設定）されているので、コンデンサＣｆをフル充電するのに要する時間は、時定数τの何倍もの長い時間を要してしまう。

したがって、時間ｔ１からｔ２までの期間Ｐ１に対して、時間ｔ２からコンデンサＣｆがフル充電（飽和状態）される時間ｔ３までの期間Ｐ２は、期間Ｐ１の何倍もの時間を要してしまい、電圧計測に要する時間が長くなる。コンデンサＣｆが飽和状態に戻りきらないうちに次回の計測を開始すると、正確な電圧計測ができない。

抵抗Ｒｆの抵抗値を小さくして、コンデンサＣｆの容量値をコンデンサ３の容量値に対して充分大きな値とすれば、上述の問題は軽減されるが、フィルタ定数（カットオフ周波数）を変更したくない場合、コンデンサＣｆの容量値を大にすると、コンデンサＣｆの形状が大きくなり、部品形状が大きくなってしまう。

また、高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測時、その電圧検出端子間（すなわち、Ｔ２−Ｔ３間およびＴ３−Ｔ４間）に接続されたコンデンサＣｆは、コンデンサ３への放電後に当該電圧源（すなわち、Ｖ２またはＶ３）から充電される際に、その上下２つの電圧源（すなわち、電圧源Ｖ１およびＶ３、または電圧源Ｖ２およびＶ４）からの回り込み電流が流れるために充電電流が多くなり、短い時間で充電される。

たとえば、電圧源Ｖ２の計測時、その電圧検出端子間Ｔ２−Ｔ３間に接続されたコンデンサＣｆの両端電圧は、コンデンサ３への放電後に電圧Ｖ２より低くなるため、この低くなった分だけ電圧検出端子Ｔ１−Ｔ２間およびＴ３−Ｔ４間に接続されたコンデンサＣｆの両端電圧が、それぞれ電圧Ｖ３およびＶ４より高くなる。それにより、電圧検出端子間Ｔ２−Ｔ３間に接続されたコンデンサＣｆは、放電後再び充電される際、電圧源Ｖ２から抵抗Ｒｆを介して充電される以外に、電圧検出端子Ｔ１−Ｔ２間およびＴ３−Ｔ４間に接続されたコンデンサＣｆからも電荷の移動が行われて充電される。

一方、高圧電源Ｖの両端の電圧源（すなわち、Ｖ１およびＶ４）の計測時、その電圧検出端子間（すなわち、Ｔ１−Ｔ２間およびＴ４−Ｔ５間）に接続されたコンデンサＣｆは、コンデンサ３への放電後に当該電圧源（すなわち、Ｖ１またはＶ４）から充電される際に、片側から１つの電圧源のみ（すなわち、電圧源Ｖ２、または電圧源Ｖ３）からの回り込み電流が流れるだけなので、充電電流は、上述の高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測時の充電電流に比べて少なくなる。

たとえば、電圧源Ｖ１の計測時、その電圧検出端子間Ｔ１−Ｔ２間に接続されたコンデンサＣｆの両端電圧は、コンデンサ３への放電後に電圧Ｖ１より低くなるため、この低くなった分だけ電圧検出端子Ｔ２−Ｔ３間に接続されたコンデンサＣｆの両端電圧が、電圧Ｖ２より高くなる。それにより、電圧検出端子間Ｔ１−Ｔ２間に接続されたコンデンサＣｆは、放電後再び充電される際、電圧源Ｖ１から抵抗Ｒｆを介して充電される以外に、電圧検出端子Ｔ２−Ｔ３間に接続されたコンデンサＣｆからも電荷の移動が行われて充電される。

そのため、高圧電源Ｖの両端の電圧源（すなわち、Ｖ１およびＶ４）の計測時のコンデンサＣｆの充電時間は、高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測時のコンデンサＣｆの充電時間より遅くなる。

それにより、計測サイクルが短く（電圧計測によるコンデンサＣｆの放電後、コンデンサＣｆのフル充電前に次の電圧計測が開始される場合、かつ、計測サイクルが、電圧源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４の同一順で繰り返される場合は、上述の高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測に比べて、高圧電源Ｖの両端の電圧源（すなわち、Ｖ１およびＶ４）の計測の方が検出精度が低下してしまうという問題がある。

さらに、計測サイクルが、電圧源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４の同一順で繰り返される場合、電圧源Ｖ１の電圧計測後、電圧源Ｖ１用のコンデンサＣｆがフル充電状態に戻る前に、電圧源Ｖ２の計測を開始すると、電圧源Ｖ２用のコンデンサＣｆの両端電圧は、電圧源Ｖ１用のコンデンサＣｆのフル充電が戻りきらない分を補う値だけ高くなり、その状態のまま、コンデンサ３の充電電圧を電圧計測回路５で計測すると、電圧源Ｖ２の計測値が真の値よりも高めに計測されてしまう。次に、電圧源Ｖ２の電圧計測後、電圧源Ｖ２用のコンデンサＣｆがフル充電状態に戻る前に、電圧源Ｖ３の計測を開始すると、電圧源Ｖ３用のコンデンサＣｆの両端電圧は、電圧源Ｖ２用のコンデンサＣｆの両端電圧が高くなった分を補う値だけ低くなり、その状態のまま、コンデンサ３の充電電圧を電圧計測回路５で計測すると、電圧源Ｖ３の計測値が真の値よりも低めに計測されてしまう。次に、電圧源Ｖ３の電圧計測後、電圧源Ｖ３用のコンデンサＣｆがフル充電状態に戻る前に、電圧源Ｖ４の計測を開始すると、上述の電圧源Ｖ２の計測時と同様に、電圧源Ｖ４の計測値が真の値よりも高めに計測されてしまう。

このように、計測サイクルが、電圧源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４の同一順で繰り返される場合は、計測順により、交互に計測値が真の値よりも低め、高めとずれてしまうという問題がある。

さらに、電圧源からフィルタ回路に至る接続ラインに断線が発生した場合、コンデンサＣｆの影響で断線時もコンデンサ３に電荷が現れてしまい、故障と判別できないという問題もある。たとえば、電圧検出端子と抵抗Ｒｆの接続ラインのうちの１つが断線しても、他のラインからの回り込みにより計測対象のコンデンサＣｆが充電されてしまうため、断線が検知できないだけでなく、断線時は、計測対象の電圧源の電圧ではなく、上記のコンデンサＣｆに充電された電荷、すなわち電圧源電圧でない偽りの電圧が計測されてしまう。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、計測時間を遅くすることなく、耐ノイズ性を向上できる電圧測定装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、コンデンサと、直列接続されたＮ（ただし、Ｎは偶数）個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、電圧計測手段と、前記コンデンサの両端電圧を電圧計測手段に供給するサンプル電圧計測スイッチと、前記第１および第２のマルチプレクサおよび前記サンプル電圧計測スイッチの動作を制御する制御手段と、前記各電圧源の両端にそれぞれ接続される電圧検出端子および前記マルチプレクサ間に接続された一対の抵抗と前記抵抗および前記マルチプレクサの接続点間に接続されたコンデンサからなる複数のフィルタとを備えたフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの１番目および（Ｎ＋１）番目の電圧検出端子に接続される前記一対の抵抗のうちの一方の抵抗の抵抗値を、前記一対の抵抗のうちの他方の抵抗の抵抗値より小さく設定すると共に、前記一対の抵抗の合計抵抗値を前記複数のフィルタの全部において等しく設定したことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置に存する。

請求項１記載の発明においては、コンデンサと、直列接続されたＮ（ただし、Ｎは偶数）個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、電圧計測手段と、コンデンサの両端電圧を電圧計測手段に供給するサンプル電圧計測スイッチと、第１および第２のマルチプレクサおよびサンプル電圧計測スイッチの動作を制御する制御手段と、各電圧源の両端にそれぞれ接続される電圧検出端子およびマルチプレクサ間に接続された一対の抵抗と前記抵抗およびマルチプレクサの接続点間に接続されたコンデンサからなる複数のフィルタとを備えたフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの１番目および（Ｎ＋１）番目の電圧検出端子に接続される一対の抵抗のうちの一方の抵抗の抵抗値を、一対の抵抗のうちの他方の抵抗の抵抗値より小さく設定すると共に、一対の抵抗の合計抵抗値を複数のフィルタの全部において等しく設定している。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載のフライングキャパシタ方式電圧測定装置において、前記制御手段は、前記直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測し続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測するように、前記第１および第２のマルチプレクサおよび前記サンプル電圧計測スイッチの動作を制御し、前記電圧計測手段は、前記制御手段の制御により、前記直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測した１回目の前記各電圧源の計測値と、続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測した２回目の前記各電圧源の計測値を平均する演算を行い、その結果の平均値を各電圧源の最終計測値として決定することを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置に存する。

請求項２記載の発明においては、制御手段は、直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測し続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測するように、第１および第２のマルチプレクサおよびサンプル電圧計測スイッチの動作を制御する。電圧計測手段は、制御手段の制御により、直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測した１回目の前記各電圧源の計測値と、続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測した２回目の各電圧源の計測値を平均する演算を行い、その結果の平均値を各電圧源の最終計測値として決定する。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のフライングキャパシタ方式電圧測定装置において、前記奇数番目の電圧検出端子および前記抵抗Ｒｆ１の接続点と前記偶数番目の電圧検出端子および前記抵抗Ｒｆ２の接続点の間に接続された第１の短絡抵抗Ｒａと、該第１の短絡抵抗Ｒａが接続されていない、前記偶数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ２の接続点と前記奇数番目の電圧検出端子および前記抵抗Ｒｆ１の接続点の間に接続され、前記第１の短絡抵抗Ｒａより大きい抵抗値を有する第２の短絡抵抗Ｒｂと、隣接する前記電圧源の最終計測値の差分が予め設定された断線判定しきい値以上の場合に、断線故障と判定する判定手段とをさらに備えたことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置に存する。

請求項３記載の発明においては、フライングキャパシタ方式電圧測定装置は、奇数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ１の接続点と偶数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ２の接続点の間に接続された第１の短絡抵抗Ｒａと、第１の短絡抵抗Ｒａが接続されていない、偶数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ２の接続点と奇数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ１の接続点の間に接続され、第１の短絡抵抗Ｒａより大きい抵抗値を有する第２の短絡抵抗Ｒｂと、隣接する電圧源の最終計測値の差分が予め設定された断線判定しきい値以上の場合に、断線故障と判定する判定手段とをさらに備えている。

請求項１記載の発明によれば、コンデンサと、直列接続されたＮ（ただし、Ｎは偶数）個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子をコンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、電圧計測手段と、コンデンサの両端電圧を電圧計測手段に供給するサンプル電圧計測スイッチと、第１および第２のマルチプレクサおよびサンプル電圧計測スイッチの動作を制御する制御手段と、各電圧源の両端にそれぞれ接続される電圧検出端子およびマルチプレクサ間に接続された一対の抵抗と前記抵抗およびマルチプレクサの接続点間に接続されたコンデンサからなる複数のフィルタとを備えたフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの１番目および（Ｎ＋１）番目の電圧検出端子に接続される一対の抵抗のうちの一方の抵抗の抵抗値を、一対の抵抗のうちの他方の抵抗値より小さく設定すると共に、一対の抵抗の合計抵抗値を前記複数のフィルタの全部において等しく設定したので、コンデンサへのフル充電を待つことなく、したがって計測時間を遅くすることなく、耐ノイズ性の良い正確な電圧源の計測を可能とすることができる。また、高圧電源Ｖの両端の電圧源の計測時も、高圧電源Ｖの中ほどの電圧源の計測時もほぼ同じ検出精度での計測が可能となる。

請求項２記載の発明によれば、制御手段は、前記直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測し続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測するように、第１および第２のマルチプレクサおよびサンプル電圧計測スイッチの動作を制御し、電圧計測手段は、制御手段の制御により、直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測した１回目の前記各電圧源の計測値と、続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測した２回目の各電圧源の計測値を平均する演算を行い、その結果の平均値を各電圧源の最終計測値として決定するので、精度の良い電圧計測が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、奇数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ１の接続点と偶数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ２の接続点の間に接続された第１の短絡抵抗Ｒａと、第１の短絡抵抗Ｒａが接続されていない、偶数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ２の接続点と奇数番目の電圧検出端子および抵抗Ｒｆ１の接続点の間に接続され、第１の短絡抵抗より大きい抵抗値を有する第２の短絡抵抗Ｒｂと、隣接する電圧源の最終計測値の差分が予め設定された断線判定しきい値以上の場合に、断線故障と判定する判定手段とをさらに備えているので、耐ノイズ性の向上のためのフィルタが存在しても断線検知が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係る電圧測定装置の構成を示す回路図である。図１において、電圧測定装置は、フライングキャパシタ方式電圧測定装置として構成され、高圧電源Ｖの電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ５に接続された第１のマルチプレクサ１および第２のマルチプレクサ２、両極性のコンデンサ３、サンプル電圧計測スイッチ４、電圧計測手段としてのマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）７およびフィルタ回路８を含む。

高圧電源Ｖは、直列接続されたＮ個（ただし、Ｎは偶数であり、この形態では、たとえばＮ＝４）の電圧源（たとえば、バッテリ）Ｖ１〜Ｖ４を含む。各電圧源Ｖ１〜Ｖ４は、同一の電圧を有し、（Ｎ＋１）個（この形態では、たとえば５個）の電圧検出端子Ｔ１〜Ｔ５にそれぞれ接続されている。

フィルタ回路８は、奇数番目の電圧検出端子、すなわちＴ１，Ｔ３，Ｔ５と第１のマルチプレクサ１の電圧サンプルスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５の間にそれぞれ接続された抵抗Ｒｆ１と、偶数番目の電圧検出端子、すなわち、Ｔ２，Ｔ４と第２のマルチプレクサ２の電圧サンプルスイッチＳ２，Ｓ４の間にそれぞれ接続された抵抗Ｒｆ２と、抵抗Ｒｆ１および第１のマルチプレクサ１の接続点と抵抗Ｒｆ２および第２のマルチプレクサ２の接続点との間にそれぞれ接続されたコンデンサＣｆとからなる複数のフィルタから構成される。各フィルタの抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２とコンデンサＣｆは、ローパスフィルタの作用を行い、充電ラインに乗るノイズを除去し、第１および第２のマルチプレクサ１，２以降の計測系への影響をなくしている。

抵抗Ｒｆ１と抵抗Ｒｆ２の抵抗値は、Ｒｆ１＋Ｒｆ２＝２ＲｆおよびＲｆ１≪Ｒｆ２の関係を持つように設定されている。たとえば、Ｒｆ＝１０ｋΩ、Ｒｆ１＝１ｋΩ、Ｒｆ２＝１９ｋΩに設定されている。またこのとき、コンデンサ３は０．１μＦ、コンデンサＣｆは４．７μＦに設定されている。コンデンサ３とコンデンサＣｆは、同一特性品（同シリーズ品、同一耐圧品）のチップ形状のセラミックコンデンサが用いられる。

第１のマルチプレクサ１の電圧サンプルスイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５は、コンデンサ３の一方の端子に接続され、第２のマルチプレクサ２の電圧サンプルスイッチＳ２，Ｓ４は、コンデンサ３の他方の端子に接続されている。

サンプル電圧計測スイッチ４は、コンデンサ３の一方の端子に接続されたスイッチ４ａと、コンデンサ３の他方の端子に接続されたスイッチ４ｂを含む。

マイコン７は、電源＋Ｖｃｃからの駆動電圧が供給される電源ポートＶｃｃと、サンプル電圧計測スイッチ４のスイッチ４ａ，４ｂにそれぞれ接続された入力ポートＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２を含む。マイコン７は、請求項における電圧計測手段、制御手段および判定手段として働く。

次に、上述の構成を有するフライングキャパシタ方式電圧測定装置の動作（測定手順）について説明する。まず、マルチプレクサ１および２の電圧サンプルスイッチＳ１〜Ｓ５およびサンプル電圧計測スイッチ４のスイッチ４ａ，４ｂが全て開いている状態では、フィルタ回路８の各コンデンサＣｆに各電圧源Ｖ１〜Ｖ４の電圧がそれぞれ充電されている。

この状態から、マイコン７の開閉制御により、第１のマルチプレクサ１の電圧サンプルスイッチＳ１と第２のマルチプレクサ２の電圧サンプルスイッチＳ２を閉じると、コンデンサＣｆ、電圧サンプルスイッチＳ１、コンデンサ３および電圧サンプルスイッチＳ２により閉回路が形成される。それにより、コンデンサＣｆに並列にコンデンサ３が接続された状態となり、コンデンサＣｆに蓄積されている電荷がコンデンサ３へ放電され、電圧サンプルスイッチＳ１に接続されているコンデンサ３の端子側がプラスの極性になるように、コンデンサ３が充電される。

次に、電圧サンプルスイッチＳ１およびＳ２を開いて、サンプル電圧計測スイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを所定期間閉じ、コンデンサ３の両端電圧をスイッチ４ａおよび４ｂを介して、マイコン７の第１および第２の入力ポートＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２に供給する。

マイコン７は、第１および第２の入力ポートＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２に印加されたコンデンサ３の両端電圧をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換してデジタル値として読み込む。そして、マイコン７は、コンデンサＣｆおよびコンデンサ３の容量値をそれぞれＣｆ、Ｃ１とすれば、（読み込んだ値）×（Ｃｆ＋Ｃ１）／Ｃｆの演算を行うことにより、電圧源Ｖ１の電圧を算出する。算出された値は、１回目の計測値としてマイコン７の内部メモリに記憶される。

次に、電圧サンプルスイッチＳ２およびＳ３を閉じると、コンデンサＣｆ、電圧サンプルスイッチＳ２、コンデンサ３および電圧サンプルスイッチＳ３により閉回路が形成される。それにより、同様にコンデンサＣｆに並列にコンデンサ３が接続された状態となり、コンデンサＣｆに蓄積されている電荷がコンデンサ３へ放電され、電圧サンプルスイッチＳ２に接続されているコンデンサ３の端子側がプラスの極性になるように、電圧源Ｖ１の測定時と逆極性でコンデンサ３が充電される。

次に、電圧サンプルスイッチＳ２およびＳ３を開いて、サンプル電圧計測スイッチ４のスイッチ４ａおよび４ｂを所定期間閉じ、コンデンサ３の両端電圧、すなわち電圧源Ｖ２の電圧をサンプル電圧計測スイッチ４を介して、マイコン７の第１および第２の入力ポートＡ／Ｄ１およびＡ／Ｄ２に供給する。

マイコン７は、第１および第２の入力ポートＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２に印加されたコンデンサ３の両端電圧をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換してデジタル値として読み込む。そして、マイコン７は、コンデンサＣｆおよびコンデンサ３の容量値をそれぞれＣｆ、Ｃ１とすれば、（読み込んだ値）×（Ｃｆ＋Ｃ１）／Ｃｆの演算を行うことにより、電圧源Ｖ２の電圧を算出する。算出された値は、１回目の計測値としてマイコン７の内部メモリに記憶される。

以下同様に、電圧サンプルスイッチＳ３およびＳ４、Ｓ４およびＳ５の組み合わせにより、それぞれ、電圧源Ｖ３およびＶ４の各電圧を示す値が、マイコン７で計測される。

次に、電圧源Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の順番に計測してこれらの電圧を算出した後、続いて、順番を電圧源Ｖ４，Ｖ３，Ｖ２，Ｖ１に代えて同様の計測を行ってこれらの電圧を算出する。この時の算出値は、２回目の計測値としてマイコン７の内部メモリに記憶される。

次に、マイコン７は、２回計測した電圧源Ｖ１の１回目の算出値と２回目の算出値を平均する演算を行い、演算結果である平均値を電圧源Ｖ１の最終算出値として決定する。以下同様に、２回計測した電圧源Ｖ２〜Ｖ４の算出値をそれぞれ平均した平均値を、電圧源Ｖ２〜Ｖ４の最終算出値として決定する。決定されたこれらの最終算出値は、マイコン７の内部メモリに記憶される。

このように、図１の電圧測定装置では、コンデンサ３の充電電荷を個別電圧源の電圧ということでなく、コンデンサＣｆに充電された個別電圧源の電圧がＣｆ＋Ｃ１の容量に変換されたものとして扱うことにより、コンデンサ３へのフル充電を待つことなく、正確な電圧源の計測を可能とすることができる。

また、上述の計測動作において、高圧電源Ｖの両端の電圧源Ｖ１（またはＶ４）の計測時、コンデンサＣｆは、コンデンサ３への放電後に充電される際に、電圧源Ｖ１（またはＶ４）から充電される以外に、片側から１つの電圧源Ｖ２（またはＶ３）のみからの回り込み電流が流れるのは図２の従来例と変わらないが、フィルタ回路８の抵抗Ｒｆ１およびＲＦ２の抵抗値がＲｆ１＋Ｒｆ２＝２ＲｆおよびＲｆ１≪Ｒｆ２の関係になるように設定されているので、電圧源Ｖ１またはＶ４から抵抗Ｒｆ１を介して流れる充電電流が図２の従来例よりも多くなるため、高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測時とほぼ同じ充電電流を確保することができる。その結果、高圧電源Ｖの両端の電圧源（すなわち、Ｖ１およびＶ４）の計測時も、高圧電源Ｖの中ほどの電圧源（すなわち、Ｖ２およびＶ３）の計測時もほぼ同じ検出精度での計測が可能となる。

また、フィルタ回路８の時定数は、図２の従来例と同じ値となっているため、ローパスフィルタの作用は図２の従来例と変わることなく、コンデンサＣｆの充電時間を早めることができ、検出精度の低下を防止することができる。

さらに、電圧源の計測順をＶ１→Ｖ２→Ｖ３→Ｖ４→Ｖ４→Ｖ３→Ｖ２→Ｖ１とした計測を１サイクルとし、２回計測の平均値を最終算出値とすることにより、上述の計測順における計測値Ｖ１（計測値が真の値より低くなる）→Ｖ２（計測値が真の値より高くなる）→Ｖ３（計測値が真の値より低くなる）→Ｖ４（計測値が真の値より高くなる）→Ｖ４（計測値が真の値より低くなる）→Ｖ３（計測値が真の値より高くなる）→Ｖ２（計測値が真の値より低くなる）→Ｖ１（計測値が真の値より高くなる）の高い低いのズレが打ち消されて、精度の良い電圧計測が可能となる。

また、コンデンサ３とコンデンサＣｆは、同一特性品（同シリーズ品、同一耐圧品）のチップ形状のセラミックコンデンサが用いられているので、装置の小型化に役立っている。一般に、セラミックコンデンサは、容量値がＤＣ印加電圧によって変動するＤＣバイアス特性を持っているが、コンデンサ３とコンデンサＣｆに同一特性品（同シリーズ品、同一耐圧品）を用いることによって、上述の（読み込んだ値）×（Ｃｆ＋Ｃ１）／Ｃｆの演算時の容量変動分を打ち消すことができる。また、同一特性品を用意できない場合は、コンデンサ３に用いられるセラミックコンデンサのＤＣバイアス特性と、コンデンサＣｆに用いられるセラミックコンデンサのＤＣバイアス特性を予め把握しておき、打ち消せなかった容量変動分をソフト的に補正することができる。

（第２の実施形態）図２は、本発明の第２の実施形態に係る電圧測定装置の構成を示す回路図である。図２に示す電圧測定装置は、図１の構成に加えて、電圧源からフィルタ回路に至る接続ラインに断線が発生した場合、この断線検知を行うために、電圧検出端子Ｔ１およびＴ２間、電圧検出端子Ｔ３およびＴ４間に抵抗Ｒａを接続し、電圧検出端子Ｔ２およびＴ３間、電圧検出端子Ｔ４およびＴ５間に抵抗Ｒｂを接続している。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂは異なる抵抗値を有する抵抗であり、たとえばこの実施形態では、抵抗Ｒａは１ＭΩ、抵抗Ｒｂは２ＭΩに選定されている。

上述の構成において、実使用での正常時、隣接する電圧源の計測時、計測した最終計測値の電位差（差分）が断線判定しきい値より小さい場合、下記の判定法により、断線を検知することができる。
（１）両端の接続ライン（電圧源Ｖ１から電圧検出端子Ｔ１を介して抵抗Ｒａに接続されるまでの電圧源Ｖ１のプラス側ラインおよび電圧源Ｖ４から電圧検出端子Ｔ５を介して抵抗Ｒｂに接続されるまでの電圧源Ｖ４のマイナス側ライン）の断線時
電圧源Ｖ１またはＶ４の電圧計測時、計測値が０Ｖの時、マイコン７は断線と判定する。
（２）中央の接続ライン（上記（１）の接続ライン以外の接続ライン）の断線時（たとえば、図２の×印の部分の断線時）
断線が発生した場合、電圧検出端子Ｔ１−Ｔ２間およびＴ２−Ｔ３間に接続された２つのコンデンサＣｆの両端電圧は、電圧源Ｖ１と電圧源Ｖ２の和となる。また、この２つのコンデンサＣｆには、全ての抵抗ＲａおよびＲｂからの回り込みが発生するため、電圧検出端子Ｔ１−Ｔ２間に接続された抵抗Ｒａと電圧検出端子Ｔ２−Ｔ３間に接続された抵抗Ｒｂの分圧比とならず、断線部の電圧を全部の抵抗ＲａおよびＲｂで分圧した電圧が、断線部の２つのコンデンサＣｆの両端電圧の差となって現れる。すなわち、断線部の隣り合う電圧源の最終計測値、たとえば、電圧源Ｖ１およびＶ２の最終計測値には、
｜電圧源Ｖ１の最終計測値−電圧源Ｖ２の最終計測値｜／電圧源Ｖ１の最終計測値＋電圧源Ｖ２の最終計測値＝｜Ｒａ／各抵抗の総和−Ｒｂ／各抵抗の総和｜
となる電位差（差分）が発生するので（たとえば、抵抗Ｒａ＝１ＭΩ、Ｒｂ＝２ＭΩ、Ｖ１〜Ｖ４の場合、Ｖ１とＶ２の電圧差がＶ１＋Ｖ２の１／６の場合に断線）、断線を検知する最低電圧時にこの条件を満たす、断線判定しきい値を予め設定してマイコン７の内部メモリに記憶しておき、マイコン７で、この断線判定しきい値以上の電位差（差分）が検出された場合に断線と判定することにより、断線検知が可能となる。

一例として、電圧検出端子Ｔ２を介してフィルタ回路８に接続される電圧源Ｖ２のプラス側ラインが断線した場合、断線を検知するＶ１〜Ｖ４最低電圧を７．５Ｖと予め決めておくと、断線時にＶ１＋Ｖ２＝１５Ｖ、各抵抗の総和＝６ＭΩのため、｜Ｖ１−Ｖ２｜／Ｖ１＋Ｖ２＝１／６となるのは、Ｖ１−Ｖ２（電圧源Ｖ１の電圧計測値−電圧源Ｖ２の電圧計測値）が２．５Ｖの時であるため、（実使用時の正常時、チャンネル間の電位差は２．５Ｖより大きくならない条件であるなら）隣り合うチャンネルの電位差が、２．５Ｖ以上（断線判定電圧しきい値以上）となった場合に、断線と判定することにすれば、Ｖ１〜Ｖ４が７．５Ｖ以上の場合に断線検知が可能となる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る電圧測定装置の構成を示す回路図である。（第１の実施形態） 本発明の第２の実施形態に係る電圧測定装置の構成を示す回路図である。（第２の実施形態） 従来のフライングキャパシタ方式電圧測定装置の構成図である。 図３の測定装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

Ｓ１〜Ｓ６，４ａ，４ｂ スイッチ
Ｒｆ 抵抗
Ｒｆ１ 抵抗
Ｒｆ２ 抵抗
Ｒａ 抵抗（第１の短絡抵抗）
Ｒｂ 抵抗（第２の短絡抵抗）
Ｔ１〜Ｔ５ 電圧検出端子
Ｖ１〜Ｖ５ 電圧源
１ 第１のマルチプレクサ
２ 第２のマルチプレクサ
３ コンデンサ
４ サンプル電圧計測スイッチ
７ マイコン（電圧計測手段、制御手段、判定手段）

Claims (3)

1. コンデンサと、直列接続されたＮ（ただし、Ｎは偶数）個の電圧源に接続された（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの奇数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第１のマルチプレクサと、前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの偶数番目の電圧検出端子を前記コンデンサに選択的に接続する第２のマルチプレクサと、電圧計測手段と、前記コンデンサの両端電圧を電圧計測手段に供給するサンプル電圧計測スイッチと、前記第１および第２のマルチプレクサおよび前記サンプル電圧計測スイッチの動作を制御する制御手段と、前記各電圧源の両端にそれぞれ接続される電圧検出端子および前記マルチプレクサ間に接続された一対の抵抗と前記抵抗および前記マルチプレクサの接続点間に接続されたコンデンサからなる複数のフィルタとを備えたフライングキャパシタ方式電圧測定装置であって、
   前記（Ｎ＋１）個の電圧検出端子のうちの１番目および（Ｎ＋１）番目の電圧検出端子に接続される前記一対の抵抗のうちの一方の抵抗の抵抗値を、前記一対の抵抗のうちの他方の抵抗の抵抗値より小さく設定すると共に、前記一対の抵抗の合計抵抗値を前記複数のフィルタの全部において等しく設定した
   ことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置。
2. 請求項１記載のフライングキャパシタ方式電圧測定装置において、
   前記制御手段は、前記直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測し続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測するように、前記第１および第２のマルチプレクサおよび前記サンプル電圧計測スイッチの動作を制御し、
   前記電圧計測手段は、前記制御手段の制御により、前記直列接続されたＮ個の電圧源を１個ずつ直列接続の一番目からＮ番目まで順番に計測した１回目の前記各電圧源の計測値と、続いてＮ番目から一番目まで逆順に計測した２回目の前記各電圧源の計測値を平均する演算を行い、その結果の平均値を各電圧源の最終計測値として決定する
   ことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置。
3. 請求項１または２記載のフライングキャパシタ方式電圧測定装置において、
   前記奇数番目の電圧検出端子および前記抵抗の接続点と前記偶数番目の電圧検出端子および前記抵抗の接続点の間に接続された第１の短絡抵抗と、
   該第１の短絡抵抗が接続されていない、前記偶数番目の電圧検出端子および抵抗の接続点と前記奇数番目の電圧検出端子および前記抵抗の接続点の間に接続され、前記第１の短絡抵抗より大きい抵抗値を有する第２の短絡抵抗と、
   隣接する前記電圧源の最終計測値の差分が予め設定された断線判定しきい値以上の場合に、断線故障と判定する判定手段とをさらに備えた
   ことを特徴とするフライングキャパシタ方式電圧測定装置。

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