JP2008151682A - 電圧監視回路 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池を構成する複数の蓄電池の直列回路を遮断しても監視回路に高電圧が印加されないようにした電圧監視回路を提供する。
【解決手段】電流遮断スイッチ３がＯＦＦされると、その電流遮断スイッチ３の両端には、蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの直列電圧が逆極性で発生する。したがって、電流遮断スイッチ３を挟んだ両側の配線Ｐ３，Ｐ４間には、配線Ｐ３を負極性として組電池１の直列電圧から蓄電池１ｃの電圧を差し引いた値の高電圧が発生する。このとき、配線Ｐ３は配線Ｐ４に比べて負電圧となるので半導体スイッチ５ｃはＯＦＦとなる。さらに、配線Ｐ４の組電池監視回路４側も負電圧となり、配線Ｐ４の電圧でバイアスされる半導体スイッチ５ｄもＯＦＦとなる。したがって、電流遮断スイッチ３がＯＦＦされても組電池監視回路４側の配線Ｐ３と配線Ｐ４との間には高電圧が発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電器を直列接続した蓄電装置の電圧監視を行う電圧監視回路に関する。

ハイブリッド自動車などは、多数の蓄電池が組電池として直列に接続されて電池ボックスに収納され、その組電池が発生する直流高電圧によってモータ駆動用のインバータを動作させている。また、それぞれの蓄電池の電圧は監視回路によって常時監視されている。さらに、直列に接続された蓄電池をほぼ半分に分割した位置の直列回路に電流遮断スイッチ及びヒューズが挿入され、電流遮断スイッチをＯＦＦにしないと電池ボックスが開けられないようにロック機構が設けられていて、メンテナンス上の対策が採られている。なお、ハイブリッド自動車などにおいては、このようにして直列の蓄電池の中間部を電流遮断スイッチなどで回路的に分割し、点検時などにおいては外部端子に組電池の電圧よりも低い電圧（例えば、組電池電圧の半分程度の電圧）が印加されるようにしている。

また、組電池に用いられる蓄電池としては、例えば、蓄電池の内部にガスが発生して内圧が上昇した場合には、その蓄電池の内部端子と外部端子とを乖離させて電流を遮断するように構成された蓄電池が用いられたり（例えば、特許文献１参照）、蓄電池ごとに直列にヒューズが挿入されたヒューズ付き蓄電池が用いられたりして、それぞれ異常防止や過電流防止等の対策が施されている。さらに、監視回路としては、直列接続された各蓄電池の端子と監視回路とを多数の配線で接続して、それぞれの蓄電池の電圧を差動増幅器（オペアンプ）で検出して各蓄電池の電圧を常時監視しているものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この場合、複数の蓄電池を分割する位置に電流遮断スイッチが直列に接続されているときは、その電流遮断スイッチがＯＮになっているときに各蓄電池の端子電圧が監視回路へ入力されて、それぞれの蓄電池の電圧が検出されるようになっている。
特開２００５−４４５２３号公報（段落番号００３４、及び図２参照） 特開２００５−２９２１３７号公報（段落番号００２１、及び図１参照）

しかしながら、組電池の中間に位置する蓄電池に直列に接続された電流遮断スイッチをＯＦＦにすると、その電流遮断スイッチを挟んだ両側の検出用配線が接続された監視回路の隣り合う入力端子間には、組電池の電圧から電流遮断スイッチが接続された１個の蓄電池の電圧を差し引いた電圧が逆極性で印加される。
このような過電圧の発生現象が生じると、ハイブリッド自動車などの組電池の直列数が多くなるような場合には、一般的には耐圧が５０Ｖ程度とそれほど高くないオペアンプなどの電圧検出素子を過電圧で破損させたり、監視回路のプリント配線の焼損などを引き起こしたりするおそれがある。さらには、監視回路を構成する電圧監視回路の入力段には、特許文献２に示すように、蓄電池の過度変動電圧やノイズの検出を防止して検出電圧を安定にするためのフライングキャパシタが設けられているが、電流遮断スイッチのＯＦＦ時に上記のような逆極性の高電圧が発生すると、このフライングキャパシタがショートモードで破損して、監視回路に短絡電流が流れて２次的な障害に波及したり、電流遮断スイッチに直列のヒューズを溶断させたりするおそれがある。

また、電流遮断スイッチの両端から個別に蓄電池の検出電圧を取り出せるように蓄電池の電圧検出端子の配線を１本追加し、監視回路を２つに分離して２つの監視回路間の耐圧を高くする場合は、電流遮断スイッチをＯＦＦしたときにオペアンプの入力端子間には逆極性の高電圧は印加されないが、２つの監視回路間の高耐圧を確保するためにプリント基板上の配置間隔を広く取る必要があり、結果的に監視回路が大きくなってしまう。

また、特許文献１に記載されたような内部端子と外部端子を乖離させるタイプの蓄電池や個別にヒューズを備えた蓄電池で組電池（蓄電装置）を構成する場合は、どの蓄電池（蓄電器セル）の位置で直列回路が遮断されるか分からない。そのために、電流遮断スイッチのＯＦＦ時にその電流遮断スイッチの両端に高い逆電圧が発生するから、監視回路のすべての入力端子間を高耐圧にする必要がある。その結果、入力端子間の間隔を広くしたり、オペアンプの入力端子に高電圧保護回路を設けたりするなど、監視回路を大型化かつコストアップさせてしまう要因が発生する。

本発明は、蓄電器セルの直列回路を電流遮断スイッチで遮断しても監視回路に高電圧が印加されないようにした電圧監視回路を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明の電圧監視回路は、任意個数の蓄電器を備える蓄電器セルがＮ個直列に接続され、少なくとも１組の隣接する蓄電器セルの間に電流遮断スイッチが挿入された蓄電装置に適用される電圧監視回路であって、前記Ｎ個の蓄電器セルの各端子から（Ｎ＋１）本の配線で接続され、前記Ｎ個の蓄電器セルの電圧を個別に検出する監視回路と、前記（Ｎ＋１）本の配線のうち、最大電位の配線又は最小電位の配線を除く配線に直列に挿入されるスイッチ素子とを備え、前記スイッチ素子は、隣接する前記配線からの信号によって作動することを特徴とする。

このような構成にすることにより、Ｎ個の蓄電器セルが直列に接続された蓄電装置において、任意の蓄電器セル間に直列に接続された電流遮断スイッチがＯＦＦされたときは、電流遮断スイッチの両端には蓄電器セルの電圧の和の電圧が発生する。このとき、電流遮断スイッチに接続される何れかの配線の極性が反転するので、その電流遮断スイッチより低電位側の配線に挿入されたスイッチ素子、又は電流遮断スイッチより高電位側の配線に挿入されたスイッチ素子がＯＦＦに遷移する。したがって、その電流遮断スイッチの両端に発生する高電圧は、関連してＯＦＦされたすべてのスイッチ素子によって担われるので、監視回路の入力端子間には高電圧が発生しない。なお、蓄電器には、蓄電池及びキャパシタが含まれ、特に、蓄電池の場合には蓄電装置は組電池と云われる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電圧監視回路であって、前記監視回路は、前記各配線間に接続された抵抗素子を備え、前記蓄電装置の両端には、電気負荷が接続されたことを特徴とする。これによれば、電流遮断スイッチがＯＦＦされたときに、最大電位の配線と最小電位の配線とが電気負荷を介して接続される。これにより、電流遮断スイッチには極性が反転した電圧が発生する。また、監視回路の配線間には抵抗素子が接続されているので、電流遮断スイッチがＯＦＦされたときであっても、スイッチ素子の監視回路側の配線と隣接する配線との電位差が低くなる。さらには、配線間の寄生容量と抵抗素子とが並列に接続されているので、ノイズなどによって監視回路が電圧を誤検出するおそれも少なくなる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電圧監視回路であって、前記抵抗素子には、低電位側をアノードとし高電位側をカソードとするダイオードが並列に接続されていることを特徴とする。これによれば、配線間に寄生容量が存在していても、瞬時にスイッチ素子がＯＦＦに遷移する。なお、ダイオードが接続されていないときは、寄生容量と抵抗素子の抵抗値とで決まる時定数でスイッチ素子がＯＦＦに遷移する。

請求項４に係る発明は、請求項1乃至請求項３の何れか１項に記載の電圧監視回路であって、前記スイッチ素子は、正電圧でＯＮする半導体スイッチであり、前記半導体スイッチは、最大電位の配線を除く前記配線に挿入され、電位の高い側に隣接する配線の電位によってＯＮすることを特徴とする。

このような構成によれば、正電圧でＯＮする半導体スイッチは、電位の高い側に隣接する配線の電位によってＯＮされる。例えば、半導体スイッチとして、Ｎチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いれば、電位の高い側に隣接する配線の電位でＮチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴをＯＮさせることができる。これにより、任意のセル間に直列に接続された電流遮断スイッチがＯＦＦされたときは、その電流遮断スイッチより低電位側の配線に挿入されたＮチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦされる。これによって、電流遮断スイッチがＯＦＦされたときにその電流遮断スイッチの両端に発生する高電圧は、関連してＯＦＦされたすべてのＮチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴによって担われるので、監視回路の入力端子間には高電圧が発生しない。

また、請求項５に係る発明は、請求項1乃至請求項３の何れか１項に記載の電圧監視回路であって、前記スイッチ素子は、負電圧でＯＮする半導体スイッチであり、前記半導体スイッチは、最小電位の配線を除く前記配線に直列に挿入され、電位の低い側に隣接する配線の電位によってＯＮすることを特徴とする。

このような構成によれば、負電圧でＯＮする半導体スイッチは、電位の低い側に隣接する配線の電位によってＯＮされる。例えば、半導体スイッチとして、Ｐチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いれば、電位の低い側に隣接する配線からの信号でＯＮさせることができる。したがって、任意のセル間に直列に接続された電流遮断スイッチがＯＦＦされたときは、その電流遮断スイッチより高電位側の配線に挿入されたＰチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦされる。これにより、電流遮断スイッチがＯＦＦされたときにその電流遮断スイッチの両端に発生する高電圧は、関連してＯＦＦされたすべてのＰチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴによって担われるので、監視回路の入力端子間には高電圧が発生するおそれはない。

本発明によれば、蓄電器セルの直列回路を電流遮断スイッチで遮断しても監視回路に高電圧が印加されないようにすることができる。

《ハイブリッド自動車の電源回路》
説明の便宜上、電圧監視回路を含めたハイブリッド自動車の電源回路について以下説明する。
図１の構成図に示すように、この電源回路は、蓄電器である蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが直列に接続された蓄電装置である組電池１と、高電圧の組電池１を電源として駆動するインバータ回路などの負荷２と、メンテナンス上の対策から組電池１の電圧を略１／２の電圧にするために中間位置の蓄電池１ｂと蓄電池１ｃとの間に直列に接続された電流遮断スイッチ３と、各蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの電圧を監視するためにそれぞれの蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの端子と配線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５で接続された組電池監視回路４と、最も電位の高い配線Ｐ１を除くすべての配線Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５に直列に接続されたスイッチ素子である半導体スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとを備えている。さらに、それぞれの半導体スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄをＯＮ／ＯＦＦ制御するトリガ端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は隣接する高い電位側の配線に接続され、各配線からの信号でＯＮするようになっている。なお、蓄電器である蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのそれぞれが複数の蓄電池から構成されているときは、各蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、蓄電器セルと言い換えられる。

なお、この電源回路では、４個の蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで直列構成されているが、例えば、１００Ｖや２８０Ｖ等の高電圧の組電池を構成する場合はＮ個の蓄電池を直列に接続すればよい。また、各蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄはそれぞれ任意の直列個数でそれぞれのセルを構成してもよい。その場合は、当然のことながら、組電池監視回路４は直列接続されたセルごとに電圧を監視することになる。

次に、図１に示す電源回路の動作について説明する。通常の動作時には電流遮断スイッチ３がＯＮになっていて４個の蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが直列接続されて組電池１を構成している。そして、インバータなどの負荷２に例えば２８０Ｖの高電圧を供給してインバータを駆動している。また、半導体スイッチ５ａは隣接する高い電位側の配線Ｐ１からの電圧が制御信号として印加されてＯＮとなり、半導体スイッチ５ｂは隣接する高い電位側の配線Ｐ２からの電圧が印加されてＯＮとなるというように、すべての半導体スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは隣接する高い電位側の配線の電位でＯＮになる。そして、組電池１は各蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの直列電圧を負荷２へ供給すると共に、組電池監視回路４は各蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの個別の電圧を検出して監視している。

ここで、メンテナンスなどのために電流遮断スイッチ３がＯＦＦされると、蓄電池１ａの正極と蓄電池１ｄの負極とは負荷２の存在によって同一電位となる。これにより、電流遮断スイッチ３の両端には、蓄電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの直列電圧が逆極性で発生する。したがって、電流遮断スイッチ３を挟んだ両側の配線Ｐ３，Ｐ４間には、配線Ｐ３を負極性として組電池１の直列電圧から蓄電池１ｃの電圧を差し引いた値の高電圧が発生する。

このとき、半導体スイッチ５ａ，５ｂは、正電圧が印加されたままであるのでＯＮのままであるが、配線Ｐ３は配線Ｐ４に比べて負電圧となるので半導体スイッチ５ｃはＯＦＦとなる。さらに、配線Ｐ３，Ｐ４の組電池監視回路４側である配線Ｐ３’と配線Ｐ４’とは低い抵抗値の抵抗素子ｒで接続されているので、配線Ｐ４’も負電圧となる。そのため、配線Ｐ４’の電圧が入力される半導体スイッチ５ｄもＯＦＦとなる。

したがって、電流遮断スイッチ３がＯＦＦされても組電池監視回路４側の配線Ｐ３’と配線Ｐ４’との間には高電圧が発生するおそれはない。つまり、電流遮断スイッチ３がＯＦＦしたときに組電池１側の配線Ｐ３と配線Ｐ４の間で発生した逆極性の高電圧は、半導体スイッチ５ｃと半導体スイッチ５ｄで担われることになるので、組電池監視回路４側の配線Ｐ３’と配線Ｐ４’との間には組電池監視回路４の抵抗素子ｒのインピーダンスで決まる低い電圧しか印加されないので、組電池監視回路４の構成部品が電圧破壊するおそれはなくなる。

なお、電流遮断スイッチ３をＯＦＦしたときの発生電圧を低くするために蓄電池の直列回路に設ける電流遮断スイッチ３の数を２個以上に増やすことも可能である。

《第１実施形態》
第１実施形態は、組電池を構成する各蓄電池の電圧を検出する配線に挿入された双方向通電の半導体スイッチとしてＮチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合の具体的な実施形態である。

図２は、本発明における第１実施形態の電圧監視回路を備えたハイブリッド自動車の電源回路の構成図である。図２に示すように、第１実施形態の電源回路においては、組電池１１の各蓄電池Ｅｖと監視回路（第２ダミー負荷１３）とを接続する配線にＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴが挿入されている。なお、図２では、ＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ（以下、ＦＥＴという。）のドレイン端Ｄ、ソース端Ｓ及びゲート端Ｇ１，Ｇ２が記号で表示されている。また、対抗直列されたＮチャネルのＦＥＴのうち、１組のＦＥＴには、説明の便宜上、Ｑ１，Ｑ２の符号が付してある。さらに、各ＦＥＴにはそれぞれ寄生ダイオードが存在するが、理解を容易にするために、Ａ−Ａ’の配線系統にある１組のＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）のみに等価回路的にダイオードＤｉ１，Ｄｉ２が表示してある。つまり、対抗直列された２つのＮチャネルのＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）は、それぞれの寄生ダイオードＤｉ１，Ｄｉ２の動作を含めて双方向通電の半導体スイッチとして機能する。

図２において、複数の蓄電池Ｅｖ，Ｅｖ，…，Ｅｖは、直列に接続されて組電池１１を構成している。また、組電池１１を構成する複数の蓄電池Ｅｖの中間位置には直列に電流遮断スイッチ１４が接続されている。さらに、組電池１１には、インバータ回路の等価回路が第１ダミー負荷１２として接続されている。また、組電池１１を構成する各蓄電池Ｅｖの端子からの配線は、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３において、それぞれ、抵抗素子ｒとコンデンサｃの並列回路からなるインピーダンス回路に接続されて個別に電圧が検出できるようになっている。

このような配線構成において、図の最上端の配線が最大電位の配線となり、以下、順次に配線の電位が低くなって行き、最下端の配線が最小電位の配線となる。また、このような配線構成において、最大電位の配線（つまり、最上端の配線）を除く各配線には、正電圧でＯＮするＮチャネルのＦＥＴが双方向通電可能なように２個対抗直列に接続されている。さらに、各配線に直列接続されたＮチャネルのＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２は、電圧の高い側に隣接する配線から制御電圧が印加されるように接続されている。

次に、一例として、各蓄電池Ｅｖの電圧が１０Ｖであるときに図２のように構成された電源回路の動作を説明する。電流遮断スイッチ１４が閉じている状態では、配線Ａ−Ａ’をつなぐＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）のゲート端Ｇ１，Ｇ２には最上端の配線から１０Ｖのゲート電圧が制御電圧として印加される。これにより、配線Ａ−Ａ’をつなぐＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）は、寄生ダイオードＤｉ１→Ｑ２のドレイン端Ｄ→Ｑ２のソース端Ｓというルートで配線Ａ→Ａ’の方向に電流が流れ、かつ、寄生ダイオードＤｉ２→Ｑ１のドレイン端Ｄ→Ｑ１のソース端Ｓというルートで配線Ａ’→Ａの方向に電流が流れて双方向通電される。

同様にして、配線Ｂ−Ｂ’をつなぐＦＥＴのゲート端Ｇ１．Ｇ２にはＡ−Ａ’の配線から１０Ｖのゲート電圧が印加される。これによって、配線Ｂ−Ｂ’をつなぐＦＥＴは双方向通電される。以下、最上端の配線を除くすべての配線に直列接続されたＦＥＴは、電圧の高い側に隣接する配線から印加されるゲート電圧によって双方向通電される。これによって、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３の各インピーダンス回路（つまり、ｃｒの並列回路）には各蓄電池Ｅｖの電圧が印加され、それぞれ個別の電圧が検出される。

図３は、図２に示す電源回路における電圧検出用配線のＣ’，Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’点の各電圧を示す波形図であり、横軸に時間を表し、縦軸に電圧を表わしている。図２における各蓄電池Ｅｖの電圧は１０Ｖであるので、電流遮断スイッチ１４のＯＮ時においてすべての配線に接続されたＦＥＴがＯＮすると、図３に示すように、配線のＣ’点の電圧は３０Ｖであり、配線のＥ’点の電圧は２０Ｖであり、配線のＦ’点の電圧は１０Ｖであり、配線のＧ’点の電圧は０Ｖであるように、隣接する配線との電位差は１０Ｖとなっている。したがって、それぞれの配線（Ｃ’，Ｅ’，Ｆ’点）の電圧が低電位側に隣接するそれぞれのＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２に印加されて、各ＦＥＴがＯＮされる。

次に、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦになると、配線Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、及びＣ−Ｃ’のそれぞれに直列に接続された各ＦＥＴのＯＮ状態はそのまま変わらないが、配線Ｅ−Ｅ’に直列接続されたＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２に対しては、Ｃ’の電位が低くなるために、Ｅ−Ｅ’間のＦＥＴはＯＦＦとなる。したがって、配線Ｅ−Ｅ’間のインピーダンスは高くなる。

一方、Ｃ’とＥ’との間には監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３のインピーダンス（ｃｒの並列回路）が接続されている。このとき、抵抗素子ｒの抵抗値は配線Ｅ−Ｅ’に直列接続されたＦＥＴがＯＦＦしたときのＥ−Ｅ’間のインピーダンスよりも充分に小さい。したがって、Ｃ’とＥ’の電位はほぼ等しくなり、Ｅ’の電位もＣ’の電位と同じ程度に低くなる。したがって、Ｅ’の電位が下がるので配線Ｆ−Ｆ’間に直列接続されたＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２に負電圧が印加されるので、Ｆ−Ｆ’間に直列接続されたＦＥＴもＯＦＦとなる。同様にして、配線Ｇ−Ｇ’に直列接続されたＦＥＴもＯＦＦとなる。

このような動作によって、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦの場合は、その電流遮断スイッチ１４より低い電位側の配線Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’、Ｇ−Ｇ’に直列接続された各ＦＥＴはすべてＯＦＦするので、電流遮断スイッチ１４のＯＦＦによって発生した−５０Ｖの逆電圧は、配線Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’、Ｇ−Ｇ’に直列接続された各ＦＥＴで担われる。これによって、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３の各インピーダンス回路（ｃｒの並列回路）の端子間には抵抗素子ｒの抵抗値に依存した低い電圧しか印加されない。

《第２実施形態》
第１実施形態では、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３は、それぞれの電圧検出回路がｃｒ並列回路になっているため、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦしてＣ’が負電圧になってから、Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’の各点の電位がＣ’とほぼ同じ負電位になる時間はｃｒ並列回路の時定数に依存されて遅くなる。そこで、第２実施形態ではこのような時間遅れの不具合をなくした電圧監視回路を提案する。

図４の構成図において、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３ａの各ｃｒ並列回路に対して、さらに、ダイオードＤｉを並列に接続している。
このように、ｃｒ並列回路に対してダイオードＤｉを並列に接続することにより、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦしてＣ’が負電圧になると、Ｅ−Ｅ’の配線のＦＥＴがＯＦＦしてハイインピーダンスになったときに、コンデンサｃ（ｃ１）の電荷はダイオードＤｉ（Ｄｉ１）を介して直ちに放電されるので、Ｅ’の電位は直ちにＣ’の電位にクランプされる。

このようにして、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦすると、ｃｒ並列回路のコンデンサｃの電荷はダイオードＤｉを介して直ちに放電されるので、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦしてＣ’が負電圧になってから、Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’の各点の電圧がＣ’とほぼ同電位の負電圧になるまでの時間は、第２ダミー負荷１３のそれぞれのｃｒの時定数に依存することなく瞬時の時間となる。したがって、各ＦＥＴがＯＦＦしてハイインピーダンスになったときのＥ’，Ｆ’，Ｇ’点の電位の状態を速く確実に低くするためには、ｃｒ並列回路にさらに並列にダイオードＤｉを挿入することが望ましい。

《第３実施形態》
第３実施形態では、組電池を構成する各蓄電池の電圧を検出する配線に挿入される双方向通電の半導体スイッチとして、Ｐチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴ（以下、ＦＥＴという。）を用いた場合の実施形態について説明する。図５は、本発明における第３実施形態の電圧監視回路を備えたハイブリッド自動車の電源回路の構成図である。図５に示すように、第３実施形態の電源回路においては、組電池の電圧検出回路の配線に挿入する半導体スイッチとして、ゲート電圧が負電圧のときにＯＮするＰチャネルのＦＥＴを用いている。

図５のように、ＰチャネルのＦＥＴを用いる場合は、最小電位の配線（つまり、図の最下端の配線）を除く各配線に対してＰチャネルのＦＥＴが双方向通電可能なように２個対抗直列に接続されている。さらに、各配線に直列接続されたＰチャネルのＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２は、電圧の低い側に隣接する配線からゲート電圧が印加されるように接続されている。

次に、一例として、各蓄電池Ｅｖの電圧が１０Ｖであるときに図５のように構成された電源回路の動作を説明する。電流遮断スイッチ１４が閉じている状態では、配線Ａ−Ａ’をつなぐＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）のゲート端Ｇ１，Ｇ２には最下端の配線から−１０Ｖのゲート電圧が印加される。これによって、配線Ａ−Ａ’をつなぐＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）は、Ｑ１のソース端Ｓ→Ｑ１のドレイン端Ｄ→寄生ダイオードＤｉ２というルートで配線Ａ→Ａ’の方向に電流が流れ、かつ、Ｑ２のソース端Ｓ→Ｑ２のドレイン端Ｄ→寄生ダイオードＤｉ１というルートで配線Ａ’→Ａの方向に電流が流れて双方向通電される。

同様にして、配線Ｂ−Ｂ’をつなぐＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２にはＡ−Ａ’の配線から−１０Ｖのゲート電圧が印加される。これによって、配線Ｂ−Ｂ’をつなぐＦＥＴは双方向通電される。以下、最下端の配線を除くすべての配線に直列接続されたＦＥＴは、電圧の低い側に隣接する配線からの負のゲート電圧によって双方向通電される。これによって、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３の各インピーダンス回路（つまり、ｃｒの並列回路）には各蓄電池Ｅｖの電圧が印加され、それぞれ個別の電圧が検出される。

次に、電流遮断スイッチ１４がＯＦＦになると、Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれの配線に直列接続された各ＦＥＴのＯＮ状態はそのまま変わらないが、配線Ｄ−Ｄ’に直列接続されたＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２に対しては、Ｃの電位が＋５０Ｖと高くなるためにＢ’の電位も高くなり、その結果、配線Ｄ−Ｄ’間のＦＥＴはＯＦＦとなる。したがって、配線Ｄ−Ｄ’間のインピーダンスは高くなる。

一方、Ｂ’とＤ’との間には監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３の抵抗素子ｒが接続されている。この抵抗素子ｒの抵抗値は、配線Ｄ−Ｄ’に直列接続されたＦＥＴがＯＦＦしたときのＤ−Ｄ’間のインピーダンスよりも充分に小さい。したがって、Ｂ’とＤ’との電位はほぼ等しくなり、Ｄ’の電位もＢ’の電位と同じように高くなる。このようにしてＤ’の電位が上がって配線Ｅ−Ｅ’間に直列接続されたＦＥＴのゲート端Ｇ１，Ｇ２に対して正電圧が印加されるので、Ｅ−Ｅ’間に直列接続されたＦＥＴもＯＦＦする。同様にして、配線Ｆ−Ｆ’及び配線Ｇ−Ｇ’に直列接続されたそれぞれのＦＥＴもＯＦＦする。

このような動作によって、電流遮断スイッチ１４より高い電位側の配線Ｄ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’、Ｇ−Ｇ’に直列接続された各ＦＥＴはすべてＯＦＦするので、電流遮断スイッチ１４のＯＦＦによって発生した＋５０Ｖの高電圧は、配線Ｄ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’、Ｇ−Ｇ’に直列接続された各ＦＥＴで担われる。これによって、監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３の各インピーダンス回路（ｃｒ並列回路）の端子間には抵抗素子ｒの抵抗値に依存される低い電圧しか印加されない。

つまり、負電圧でオンするタイプの半導体スイッチ、例えばＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴを用いて、最下端の配線を除いた各配線にこれらの半導体スイッチを挿入した場合は、第１及び第２実施形態の場合とは正負の電圧が反対の状態で動作する。そして、電流遮断スイッチ１４をＯＦＦすると、その電流遮断スイッチ１４より高い電位側の配線に挿入されたＦＥＴがＯＦＦして、以下は第１及び第２実施形態と同様の動作によって監視回路の等価回路を形成する第２ダミー負荷１３には高い電圧が印加されないようになる。なお、第３実施形態においてＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合も、図４の第２実施形態の場合と同様に、第２ダミー負荷１３のｃｒ並列回路に並列にさらにダイオードを接続してもよい。

本実施形態によれば、複数の蓄電池の直列回路からなる組電池において、安全対策上の理由から任意の蓄電池間に直列に挿入された電流遮断スイッチをＯＦＦしたとき、電位点が移動してその電流遮断スイッチの両端に発生する高電圧は、蓄電池電圧検出用の配線に挿入された半導体スイッチのうち、電流遮断スイッチのＯＦＦによってＯＦＦされた半導体スイッチに担われる。したがって、電流遮断スイッチをＯＦＦしたときに監視回路の入力端子間には高電圧は発生しない。

これによって、監視回路の各部品が高電圧で破壊されるおそれはなくなり、その結果、故障が２次的に波及するのを防ぐためのヒューズが溶断するおそれもなくなるので、ヒューズ交換などの故障メンテナンスを最小限にすることが可能となる。また、監視回路を高耐圧にする必要がなくなるので、プリント基板のパターン配線の間隔を狭めることができ、その結果、監視回路を小型化、低コスト化することが可能となる。さらには、高耐圧にするなどの理由で監視回路を複数に分割する必要もなくなるので、プリント基板が簡素化されて低コスト化を図ることができる。

《比較例と対比した本実施形態の効果》
以上説明した第１実施形態乃至第３実施形態に係る電圧監視回路を比較例と対比して説明する。図６は従来の監視回路を含む電源回路の構成図である。６個の蓄電池Ｅ１〜Ｅ６が直列に接続されて組電池２１を構成し、蓄電池Ｅ３とＥ４との間に直列に電流遮断スイッチＳ１が挿入されている。組電池２１の電圧はインバータなどの負荷２２に供給され、さらに、各蓄電池Ｅ１〜Ｅ６の端子電圧は組電池監視回路２４で監視されている。

ここで、メンテナンスなどのために電流遮断スイッチＳ１をＯＦＦにすると、電位点が移動して、電流遮断スイッチＳ１を挟んだ組電池監視回路２４の入力端子間には−５０Ｖの電位差が発生する。しかしながら、前記各実施形態のように、最上端を除いた各配線に対して正電圧で動作する半導体スイッチを挿入し、かつ高い電位側に隣接する配線からの信号によって各半導体スイッチをＯＮさせるようにすれば、電流遮断スイッチＳ１のＯＦＦ時において、その電流遮断スイッチＳ１を挟んだ組電池監視回路２４の入力端子間に高い逆電圧が発生するおそれはない。

また、図７は、監視回路を２つに分離した形態の電源回路の構成を示すブロック図である。すなわち、組電池２１を構成する各蓄電池Ｅ１〜Ｅ６の電圧を検出するとき、図６の組電池２１の配線に比べて配線Ｐ’を１本追加し、図７に示すように電流遮断スイッチＳ１の両端から配線を取り出せば、２つの組電池監視回路２４ａ，２４ｂとすることができるので、それぞれの組電池監視回路２４ａ，２４ｂの入力端子間には−５０Ｖなどの高電圧が印加されることはなくなる。しかし、組電池監視回路２４ａと組電池監視回路２４ｂとの間には高電圧が印加されるので、組電池監視回路２４ａと組電池監視回路２４ｂとの間の耐圧を確保するためにプリント基板上のパターン間隔を広く取らなければならない。しかし、前記各実施形態のような構成にすれば、電流遮断スイッチＳ１を挟んだ組電池監視回路２４の入力端子間に高い逆電圧が発生するおそれはないので、配線を追加する必要もないし監視回路を２つに分ける必要もない。

また、各蓄電池Ｅ１〜Ｅ６が内部に電流遮断機構を有する電池の場合には、電流が遮断された電池に接続された配線上に高い逆電圧が発生するため、組電池監視回路２４ａ，２４ｂのそれぞれの入力端子間には−５０Ｖなどの高電圧が印加される。この場合、電池内部にスイッチ部分と電池本体との接続点から引き出す配線を追加して、電池毎に分離した監視回路にそれぞれ接続すれば入力端子間への高電圧印加を防止できるが、通常そのような配線を追加することは電池の構造上困難であると共に、監視回路を分離することで回路部品の増加やプリント配線基板面積の増大に至ってしまう。しかし、前記各実施形態のような構成にすれば、各電池の電流遮断機構が作動しても組電池監視回路２４の入力端子間に高い逆電圧が発生するおそれがないので、配線を追加する必要もないし監視回路を電池毎に分離する必要もない。

図８は、組電池を構成する各蓄電池と監視回路との間の各配線にヒューズ又は絶縁駆動スイッチを挿入した電源回路の構成を示すブロック図である。すなわち、図８に示すように、各蓄電池Ｅ１〜Ｅ６における電圧検出用の配線にヒューズＦｕを挿入すれば、電池監視回路の入力端子間に高電圧が印加されることで発生する大電流によりヒューズＦｕで遮断できるので、他の回路へ故障が波及するような２次故障を防ぐことができる。このようなヒューズＦｕは、前述の第１、第２、第３実施形態の図２，図４，図５の各電圧検出用の配線に対して挿入することもできる。なお、このようなヒューズＦｕは、直流高圧を遮断できるようなアーク吹き消し型のヒューズを用いる必要がある。なお、ヒューズＦｕの代わりにフォトＭＯＳリレーなどの絶縁駆動スイッチを用いてもよい。ただし、高電圧が印加されてからヒューズＦｕの溶断あるいはフォトＭＯＳリレーのオフ動作に至るまでの間については、電池監視回路は高電圧により故障しないように設計されている必要がある。また、ヒューズを用いた場合は、溶断したヒューズを交換する作業が必要になる。

本発明における電圧監視回路を備えたハイブリッド自動車の電源回路の基本的な構成図である。 本発明における第１実施形態の電圧監視回路を実現するための、ハイブリッド自動車の電源回路の構成図である。 図２に示す電源回路における電圧検出用配線のＣ’，Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’点の各電圧を示す波形図である。 本発明における第２実施形態の電圧監視回路を備えたハイブリッド自動車の電源回路の構成図である。 本発明における第３実施形態の電圧監視回路を備えたハイブリッド自動車の電源回路の構成図である。 従来の監視回路を含む電源回路の構成図である。 監視回路を２つに分離した従来の電源回路の構成図である。 組電池を構成する各蓄電池と監視回路との間の各配線にヒューズ又は絶縁駆動スイッチを挿入した電源回路の構成図である。

符号の説明

１，１１，２１ 組電池（蓄電装置）
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 蓄電池（蓄電器、蓄電器セル）
２，２２ 負荷
３，１４ 電流遮断スイッチ
４，２４，２４ａ，２４ｂ 組電池監視回路
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 半導体スイッチ（スイッチ素子）
１２ 第１ダミー負荷
１３，１３ａ 第２ダミー負荷
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ’ 配線
Ｄｉ１，Ｄｉ２ 寄生ダイオード
Ｆｕ ヒューズ

Claims (5)

1. 任意個数の蓄電器を備える蓄電器セルがＮ個直列に接続され、少なくとも１組の隣接する蓄電器セルの間に電流遮断スイッチが挿入された蓄電装置に適用される電圧監視回路において、
   前記Ｎ個の蓄電器セルの各端子から（Ｎ＋１）本の配線で接続され、前記Ｎ個の蓄電器セルの電圧を個別に検出する監視回路と、
   前記（Ｎ＋１）本の配線のうち、最大電位の配線又は最小電位の配線を除く配線に直列に挿入されるスイッチ素子とを備え、
   前記スイッチ素子は、隣接する前記配線からの信号によって作動することを特徴とする電圧監視回路。
2. 前記各配線間に接続された抵抗素子を備え、
   前記蓄電装置の両端には、電気負荷が接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電圧監視回路。
3. 前記抵抗素子には、低電位側をアノードとし高電位側をカソードとするダイオードが並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電圧監視回路。
4. 前記スイッチ素子は、正電圧でＯＮする半導体スイッチであり、
   前記半導体スイッチは、最大電位の配線を除く前記配線に挿入され、電位の高い側に隣接する配線の電位によってＯＮすることを特徴とする請求項1乃至請求項３の何れか１項に記載の電圧監視回路。
5. 前記スイッチ素子は、負電圧でＯＮする半導体スイッチであり、
   前記半導体スイッチは、最小電位の配線を除く前記配線に直列に挿入され、電位の低い側に隣接する配線の電位によってＯＮすることを特徴とする請求項1乃至請求項３の何れか１項に記載の電圧監視回路。

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