JP4180560B2 - 電池電圧測定回路 - Google Patents

Description

本発明は、組電池の電圧を測定する電池電圧測定回路に関し、特に、燃料電池などのように多数のセルが直列に接続された組電池をスキャンしながらセル電圧を測定する電池電圧測定回路に関する。

燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸素とを電気化学的に反応させて起電力を発生させる電池である。このような燃料電池のセル電圧は１Ｖ程度であるので、一般的には、数百セルを直列に接続して一つの燃料電池スタックが構成されて高電圧（例えば、２６０Ｖ）で使用される。このとき、１枚のセルが極端に低い電圧の状態（例えば、０.５Ｖの状態）で燃料電池の発電が継続されると、その不調なセルが腐食して燃料電池全体の出力電圧を低下させたり、燃料電池の破損を至らしめることがある。したがって、燃料電池の運転中には、燃料電池スタックを構成する各セルを１枚ずつ又は複数枚ずつまとめて順次スキャンしながらセル電圧の測定・監視が行われている。つまり、燃料電池の運転中に１枚又は複数枚のセルが破損した場合は、該当セルの電圧が顕著に低下するため、セル電圧を常時測定し、監視していれば異常セルの発生が即座にわかるので、直ちに燃料電池の運転を停止して異常発生の検知遅れによる破損の拡大を未然に防止することができる。

そのため、燃料電池のセル電圧を測定する技術は従来より種々報告されている。図５は従来の電池電圧測定回路としての入力回路を示す図である。図５に示すように、燃料電池を構成するセルを複数のセル群に分割し、各セル群のうち、例えば第１ステージのスイッチＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４を同時にＯＮにすると、第１ステージのセルＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３の電圧が、それぞれ、入力回路３０の差動増幅器Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３によって検出されて、図示しないＣＰＵ（central processing unit）のＡ／Ｄ変換器へ送信され、ＣＰＵによって各セルの電圧が測定・監視される。次に、第１ステージのスイッチＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４を同時にＯＦＦすると共に、第２ステージのスイッチＳ３５，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３８を同時にＯＮすると、第２ステージのセルＣ３４，Ｃ３５，Ｃ３６の電圧が、それぞれ、差動増幅器Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３によって検出されて、図示しないＣＰＵのＡ／Ｄ変換器へ送信され、ＣＰＵによって各セルの電圧が測定・監視される。このようにして、各ステージのスイッチ群を順次にＯＮ／ＯＦＦしながら群ごとにスキャンして行くと、燃料電池を構成する全てのセルの電圧を測定することができる。

図６は、図５に示す入力回路におけるセルごとの測定電圧の極性を示す説明図である。すなわち、前記したように各ステージのセル群を順次スキャンして行くと、図６に示すように、いずれのステージにおいても各セルの電圧極性は同じ極性で各差動増幅器Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３へ入力される。このため各差動増幅器Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３は単電源（つまり、一方がグランドＧＮＤで他方がプラス電源となるような一方向電源）を使用することができるので、差動増幅器Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３の構成が簡素化される。なお、入力回路３０の各ラインに構成されているフィルタＦ３１，Ｆ３２，Ｆ３３はノイズを除去するための素子であり、バッファＢ３１，Ｂ３２，Ｂ３３は各セルの検出電圧の波形を整形するための素子である。

また、セルが多数直列に接続された組電池において、例えば、１組５個の複数セルに対応してそれらのセルごとにコンデンサを並列接続し、各セルに対応するスイッチを順次切り替えてゆくことによって各セルの電圧を対応するコンデンサに印加させ、各コンデンサの電圧を測定することによって組電池の全てのセル電圧の測定を行う、いわゆるフライングキャパシタ方式による組電池の電圧検出回路の技術が開示されている。この技術によれば回路構成を簡素化することができる（例えば、特許文献１参照）。さらに、複数の単電池が直列に接続されている組電池において、複数の切替手段を用いて単電池の電圧を順次測定して行く技術も開示されている。この技術によれば比較的簡単な構成で高精度に単電池の電圧を測定することができる（例えば、特許文献２参照）。
特開平２００２−１５６３９２号公報（段落番号００５１〜００５８、及び図１参照） 特開平１１−２３７４５５号公報（段落番号００１８〜００２４及び図１、図２参照）

しかしながら、前記の図５に示すような入力回路では、多数のセルが直列に接続されているので、各セルの電圧を個別に測定するためにはセル数以上の個数のスイッチが必要となる。具体的には、各ステージの境界位置に存在するセルは前ステージのセルのラインをＯＦＦにして次ステージのラインをＯＮにするために２個のスイッチが必要となる。例えば、第２ステージの一方の境界位置に存在するセルＣ３４はスイッチＳ３４，Ｓ３５の２個のスイッチが必要となり、第２ステージの他方の境界位置に存在するセルＣ３６はスイッチＳ３８，Ｓ３９の２個のスイッチが必要となる。このことから、例えば、１８０個のセルが直列に接続されていて、３個のセルが１ステージで組み合わされている場合は、スイッチの個数は、１８１個にとどまらず、１８１＋１８０÷３−１＝２４０個も必要となる。このようなスイッチは通常は高耐圧用のフォトＭＯＳスイッチを使用しているため、使用するスイッチ数が多くなれば、それだけ材料コストが嵩む結果となる。なお、１ステージのセル数を多くすれば、各ステージの境界位置に存在するセルに対応するスイッチ数を減らすことができるので、全体のスイッチ数を若干減少させることができる。しかし、１ステージのセル数を多くすれば、入力回路３０のフィルタ、バッファ、差動増幅器などが増加してしまうので、結果として、入力回路すなわち電池電圧測定回路の材料費を高くしてしまう要因となる。

また、前記の特許文献１に開示された組電池の電圧検出回路は、スイッチによる回路構成は簡素化されるものの、各セルの電圧を印加するためのコンデンサをわざわざ設けなければならないので、結果としてコストアップの要因となる。さらに、前記の特許文献２に開示された組電池の電圧検出回路においても、切替手段の回路構成が複雑になるなどの問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のセル電圧を同時に測定するときに、スイッチの個数を可能な限り削減して簡単な回路構成で効率的な測定を廉価に実現することができるような電池電圧測定回路を提供することを目的とする。

本発明の電池電圧測定回路は、前記の目的を達成するために創案されたものであり、複数のセルが直列に接続された組電池のセル群をスキャンしながらセル群ごとに各セルの電圧を測定する電池電圧測定回路であって、各セルの電圧を出力する各信号ラインのそれぞれに直列に接続された複数の開閉手段と、セル群の両側の境界位置に存在する２系統の信号ラインを選択的に切り替えて接地させる切替手段と、セル群ごとの各セルに対応する各信号ラインに個別に接続されて各セルの電圧を検出する複数の電圧検出手段とを備える構成を採っている。このとき、切替手段の切替操作によって２系統の信号ラインのうち,いずれかの信号ラインが接地されるごとに、電圧検出手段は常に同一極性のセル電圧を検出することができる。

このような回路構成によって、セル群の両側の境界位置に存在する２系統の信号ラインに接続されるそれぞれの開閉手段は、隣接するセル群のとなり合う２個のセルで１個に共有化されるので、電池電圧測定回路におけるトータルの開閉手段の個数を必要最小限に低減させることができる。さらに、開閉手段を共有化したことによって、隣接するセル群の各セルの電圧を検出するとき、電圧検出手段に入力されるセル電圧は転極して（つまり、正極と負極が反転して）入力される。しかし、測定されるセル群が切り替わるごとにグランドに接続される信号ラインも切り替えられるので、見かけ上は、電圧検出手段には常に同一極性のセル電圧が入力されることになる。この結果、電圧検出手段を一方向電源の単電源で動作させることができる。

本発明の電池電圧測定回路によれば、セル電圧を測定するセル群ごとに隣接するセルの電圧極性を反転させることによって、各セル間のスイッチを共通化して部品点数を削減することができ、しかも、セル電圧の極性が反転しても、接地される信号ラインを切り替えることによって同一極性のセル電圧を検出することができるので、一方向電圧の単電源を用いて電圧測定を行うことが可能となる。その結果、単電源で動作するデバイス（例えば、差動増幅器など）を使用することができるので、電池電圧測定回路の材料費を大幅に低減させることができる。また、測定するセル群の極性が反転するごとに、そのセル群の両側の信号ラインが交互にグランドへ切り替え接続されるので、信号ラインのグランド切り替えを行わない場合に比べて、一度にスキャンできるセル数を２倍に増やすことができる。この結果、多チャンネルをより高速にスキャンすることができるので、燃料電池のように多数のセルが直列に接続されたセル群のセル電圧測定をより高速に行うことができる。

《発明の概要》
本発明の電池電圧測定回路は、多数のセルが直列に接続された燃料電池において、複数のセルを一括測定する各ステージの境界位置にあるセルの信号ラインに設けたスイッチを共有化して１個にまとめることによって、全体のスイッチ数を削減する。さらに、スイッチを共有化して前ステージのセル群と次ステージのセル群のスキャンによってセルの逆電圧が入力回路の差動増幅器に入力されても、基準電位（グランド電位）が常に負電位の信号ラインとなるように、各ステージの境界位置にあるセルの負電位の信号ラインにスイッチを設けてグランドＧＮＤに接続する。そして、測定ステージが切り替わるごとに、これらのスイッチを切り替えて負電位の信号ラインをグランドに落とすようにする。つまり、１検出ステップである１ステージのセル群の両端の信号ラインに切替スイッチを設け、セル群をスキャンするステージ（つまり、セル群）が切り替わるたびに、これらのスイッチをＯＮ／ＯＦＦ切り替えすることにより、両端の信号ラインを交互にグランドＧＮＤに接続させるようにする。

これによって、いずれのステージのセル群をスキャンしても、入力回路の差動増幅器においては、測定基準となる作動増幅器の−入力端子が基準電位（グランド電位）として決定される。したがって、差動増幅器は、正負の両電源を必要とすることなく、単電源で正常動作を実現することができる。その結果、電池電圧測定回路全体のスイッチ数を削減することができると共に、差動増幅器の構成を簡素化することができる。さらに、１ステージのセル群の両端の信号ラインに切替スイッチを設けることによって、セル電圧を検出する信号ラインが断線しても、電圧検出が不能となるセル数を最小限に食い止めることができる。

《発明の実施の形態》
以下、図面を参照しながら、本発明の電池電圧測定回路について詳細に説明する。燃料電池の個別セルの電圧測定など、多数のセルが直列に接続された燃料電池のセル電圧を測定する場合は、複数のセルからなるセル群に分けて各セル群を１ステージとし、それぞれのステージごとのセル群における個別セルの電圧を一括測定し次のステージのセル群にスキャンして行くという測定方法が効率的である。このとき、セル群における各セルの電圧測定入力端子（つまり、信号ライン）にスイッチを設け、１ステージごとに対応するスイッチ群を一括してＯＮ／ＯＦＦすることによって測定ステージを順次スキャンして行くことができる。また、このとき、各ステージの境界位置にあるセルの信号ラインに設けるスイッチは、前ステージ用のスイッチと次ステージ用のスイッチというように個別に設けるのではなく、共通のスイッチとする。つまり、前ステージのセル群のスキャンから次ステージのセル群のスキャンに切り替わっても、境界位置にあるセルの信号ラインに設けられたスイッチはＯＮのままとしておく。このような構成にすればスイッチ数を削減することができるので、以下、このような構成を背景にして本発明における電池電圧測定回路の実施形態の説明を行う。

本発明に係る電池電圧測定回路を説明する前に、本発明の背景になる回路について説明を行う。図１は、本発明の前提条件となる、各ステージの境界位置におけるセルの信号ラインに設けたスイッチを共有化した入力回路の主要部を示す回路図である。この入力回路１０は、電池電圧測定回路として電圧検出値を読み取るＣＰＵのＡ／Ｄ変換器に接続されている。
図１では、説明の便宜上３セルを１ステージのセル群として、各ステージのセル群をスキャンしながら各セルの電圧を測定する形態について説明する。しかし、各ステージにおけるセル群のセル数は３個に限定されるものではなく、１ステージのセル群をもっと多くのセル数で構成してもよい。当然のことながら、１ステージのセル群におけるセル数を多くすれば全セルの測定時間は短縮化される。

図１において、入力回路１０は、多数のセルが直列に接続された燃料電池における一部のセルＣ１〜Ｃ９が直列に接続され、各セルＣ１〜Ｃ９は、セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が第１ステージ、セルＣ４，Ｃ５，Ｃ６が第２ステージ、セルＣ７，Ｃ８，Ｃ９が第３ステージというように、同時に測定されるセル群がステージごとに構成されている。また、各セルＣ１〜Ｃ９の電圧測定端子であるそれぞれの信号ラインには、それぞれ、スイッチ（開閉手段）Ｓ１〜Ｓ１０が接続されている。このとき、第１ステージの最後のセルＣ３と第２ステージの最初のセルＣ４の信号ラインには共通のスイッチＳ４が設けられている。同様にして、第２ステージの最後のセルＣ６と第３ステージの最初のセルＣ７の信号ラインには共通のスイッチＳ７が設けられている。また、第１ステージの最初のセルＣ１の負極の信号ラインはグランドＧＮＤに接続されている。なお、スイッチＳ１〜Ｓ１０は、燃料電池の直列セル数によって発生する最大電圧（例えば、２００セルの直列接続で２６０Ｖ）に耐えられるような耐圧のフォトＭＯＳスイッチを用いることができる。

さらに、各ステージのセル群の電圧を取り込むための入力回路１０には、ステージごとのセル群の信号ラインが接続され、各スイッチＳ１〜Ｓ１０をＯＮ／ＯＦＦしたときのノイズや各信号ラインで誘導されたノイズを除去するためのフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３と、それらのフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３に直列接続され、各セルの検出電圧信号の立ち上がり波形や立ち下り波形の不揃いを整形するバッファＢ１，Ｂ２，Ｂ３と、各セルＣ１〜Ｃ９の負電圧と正電圧を入力して各セルＣ１〜Ｃ９の電圧を検出し、その検出電圧を図示しないＣＰＵのＡ／Ｄ変換器へ出力する各差動増幅器（電圧検出手段）Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のオフセット電圧を調整するための抵抗Ｒとを備えた構成となっている。なお、各バッファＢ１，Ｂ２，Ｂ３の出力と各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の＋入力端子との間に設けた抵抗ｒは、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の＋入力端子の信号レベルを調整するための抵抗である。

次に、図１に示す入力回路１０によって各セルＣ１〜Ｃ９の電圧を測定する動作について説明する。図１に示す入力回路の例では、スイッチＳ１〜Ｓ４を同時にＯＮにすると、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が同時に測定される。すなわち、セルＣ１の負極の電位がグランドＧＮＤとなって差動増幅器Ｄ１の−入力端子に入力され、セルＣ１の正極の電位がフィルタＦ１とバッファＢ１を経由して差動増幅器Ｄ１の＋入力端子に入力される。これによって、差動増幅器Ｄ１の出力端子にはセルＣ１の負極の電位とセルＣ１の正極の電位との差であるセルＣ１の電圧が出力される。

同様にして、セルＣ２の負極の電位がフィルタＦ１とバッファＢ１を経由して差動増幅器Ｄ２の−入力端子に入力され、セルＣ２の正極の電位がフィルタＦ２とバッファＢ２を経由して差動増幅器Ｄ２の＋入力端子に入力される。これによって、差動増幅器Ｄ２の出力端子にはセルＣ２の負極の電位とセルＣ２の正極の電位との差であるセルＣ２の電圧が出力される。さらに同様にして、セルＣ３の負極の電位がフィルタＦ２とバッファＢ２を経由して差動増幅器Ｄ３の−入力端子に入力され、セルＣ３の正極の電位がフィルタＦ３とバッファＢ３を経由して差動増幅器Ｄ３の＋入力端子に入力される。

これによって、差動増幅器Ｄ３の出力端子にはセルＣ３の負極の電位とセルＣ３の正極の電位との差であるセルＣ３の電圧が出力される。このようにして、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３で同時に測定されて図示しないＣＰＵに取り込まれる。以下、このようにして、セルＣ１の電圧が差動増幅器Ｄ１によって測定され、セルＣ２の電圧が差動増幅器Ｄ２によって測定され、セルＣ３の電圧が差動増幅器Ｄ３によって測定される（以下、セルＣ１→差動増幅器Ｄ１、セルＣ２→差動増幅器Ｄ２、セルＣ３→差動増幅器Ｄ３と表現する）という測定順序を順方向測定と呼ぶことにする。

次に、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧測定を終了して、第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の電圧測定を開始するときに、スイッチＳ４をオンのままにして、スイッチＳ１〜Ｓ３を同時にＯＦＦしてスイッチＳ５〜Ｓ７を同時にＯＮする。すなわち、第１ステージのセル群から第２ステージにセル群に測定が切り替わるときには、第１ステージの最後のセルＣ３と第２ステージの最初のセルＣ４との共通信号ラインにある共通のスイッチＳ４はＯＮのままの状態となる。このようなスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作によって、第２ステージのセル群は、セルＣ４の電圧が差動増幅器Ｄ３によって測定され、セルＣ５の電圧が差動増幅器Ｄ２によって測定され、セルＣ６の電圧が差動増幅器Ｄ１によって測定されるというように、第１ステージの場合とは差動増幅器の対応順序が逆となる。以下、このような測定順序（つまり、セルＣ４→差動増幅器Ｄ３、セルＣ５→差動増幅器Ｄ２、セルＣ６→差動増幅器Ｄ１）を逆方向測定と呼ぶことにする。

第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の測定についてさらに詳しく説明する。第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧測定が終了すると、スイッチＳ１〜Ｓ３を同時にＯＦＦにし、スイッチ４をＯＮのままにして、スイッチＳ５〜Ｓ７を同時にＯＮにして第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の測定が開始される。これによって、セルＣ４の負極の電位がフィルタＦ３とバッファＢ３を経由して差動増幅器Ｄ３の＋入力端子に入力され、セルＣ４の正極の電位がフィルタＦ２とバッファＢ２を経由して差動増幅器Ｄ３の−入力端子に入力される。これによって、差動増幅器Ｄ３の出力端子にはセルＣ４の負極の電位とセルＣ４の正極の電位との差であるセルＣ４の電圧が出力される。

同様にして、セルＣ５の負極の電位がフィルタＦ２とバッファＢ２を経由して差動増幅器Ｄ２の＋入力端子に入力され、セルＣ５の正極の電位がフィルタＦ１とバッファＢ１を経由して差動増幅器Ｄ２の−入力端子に入力される。これによって、差動増幅器Ｄ２の出力端子にはセルＣ５の負極の電位とセルＣ５の正極の電位との差であるセルＣ５の電圧が出力される。さらに同様にして、セルＣ６の負極の電位がフィルタＦ１とバッファＢ１を経由して差動増幅器Ｄ１の＋入力端子に入力され、セルＣ６の正極の電位がグランドＧＮＤとなって差動増幅器Ｄ１の−入力端子に入力される。これによって、差動増幅器Ｄ１の出力端子にはセルＣ６の負極の電位とセルＣ６の正極の電位との差であるセルＣ６の電圧が出力される。このようにして、第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の電圧が差動増幅器Ｄ３，Ｄ２，Ｄ１で同時に測定されて図示しないＣＰＵに取り込まれる。つまり、第２ステージでは、セルＣ４→差動増幅器Ｄ３、セルＣ５→差動増幅器Ｄ２、セルＣ６→差動増幅器Ｄ１というような逆方向測定が行われる。

さらに、第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の電圧測定が終了すると、スイッチＳ４〜Ｓ６を同時にＯＦＦにし、スイッチ７をＯＮのままにして、スイッチＳ８〜Ｓ１０を同時にＯＮにして第３ステージのセルＣ７，Ｃ８，Ｃ９の測定が開始される。第３ステージでは、セルＣ７→差動増幅器Ｄ１、セルＣ８→差動増幅器Ｄ２、セルＣ９→差動増幅器Ｄ３というように、第１ステージと同じ順方向測定が行われる。このようにして、第３ステージのセルＣ７，Ｃ８，Ｃ９の電圧が差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３で同時に測定されて図示しないＣＰＵに取り込まれる。

以上述べたように、図１に示す入力回路１０によって各セルＣ１〜Ｃ９の電圧を測定する場合は、各ステージの境界位置にあるスイッチが共有化されるので、図５に示したような従来の入力回路３０に比べて合計スイッチ数を削減することができる。例えば、１８０個のセルが直列に接続されていて、３個のセルが１ステージのセル群として組み合わされている場合は、図５に示す従来の入力回路３０では、スイッチの個数は２４０個必要となったが、図１に示す入力回路１０の場合のスイッチの個数は１８１個にすることができる。つまり、従来よりスイッチを５９個減らすことができる。言い換えれば、おおよそ測定ステージの数だけスイッチ数を削減することができる。

なお、本発明とは直接関係ないが、図１に示す入力回路１０による測定で、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の出力信号（つまり、各セルの検出電圧）が入力されるＣＰＵのＡ／Ｄ変換器に入力される電圧が負側になるとＡ／Ｄ変換器に対する仕様がより厳しくなる。そのため、オフセット電圧を切り替えることによってこのような状態を避けることができる。例えば、セルＣの起電力が燃料電池の場合のように０Ｖ〜１．３Ｖ程度の値であるとすると、図１の例で順方向測定時のオフセット電圧を＋１Ｖ、逆方向測定時のオフセット電圧を＋５Ｖにすると、Ａ／Ｄ変換器に入力される電圧が＋１Ｖ〜＋５Ｖの範囲に収まることになり、Ａ／Ｄ変換器の仕様をより緩やかなものにすることができる。

次に、ステージごとに各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に取り込まれる各セルの電圧極性について図に示して説明する。図２は、図１に示す入力回路１０におけるセルごとの測定電圧の極性を示す説明図である。すなわち、図１に示すような入力回路１０で各ステージのスイッチ群をＯＮ／ＯＦＦして各セル群の電圧を測定して行くと、図２に示すような極性でステージごとの各セルの検出電圧がそれぞれの差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３へ入力される。すなわち、図２に示すように、第１ステージ、第３ステージというように奇数番目の測定ステージは、最も電位の低い側のセル（Ｃ１，Ｃ７など）の負極がグランドＧＮＤに接続された状態で順方向の各セル（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の電圧が各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に入力される。しかし、第２ステージなどのように偶数番目の測定ステージでは、最も電位の高い側のセル（Ｃ６など）の正極がグランドに接続された状態で逆方向の各セル（Ｃ６，Ｃ５，Ｃ４）が各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に入力される。

図２からわかるように、奇数番目のステージと偶数番目のステージでは各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に入力される電圧の極性は逆極性となる。このため、偶数番目のステージのセル群を測定する場合と奇数番目のステージのセル群を測定する場合では、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に印加する電源電圧は逆極性にしなければならない。例えば、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、奇数番目のステージのセル群を測定する場合は０〜＋５Ｖの電源が必要となるが、偶数番目のステージのセル群を測定する場合は０〜−５Ｖの電源が必要となる。つまり、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、燃料電池の全セルを測定するためには正負両方の電源（つまり、両電源）が必要となる。そのため、図１に示す入力回路１０における電源回路（図示せず）が複雑になり、単電源のものより価格の高い両電源用の差動増幅器を用いなければならない。

さらに、図１に示す入力回路では、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の電源電圧はデバイスの定格で規定されているため、その電源電圧の範囲内で収まるように一度でスキャンできるチャネル数（つまり、セル数）は決定されてしまう。例えば、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の定格電圧が２０Ｖｍａｘであって、セル電圧が２セル１組で３Ｖとすると、一度でスキャンできるセル数は、２０Ｖ÷２÷３Ｖ≒３セルとなる。つまり、一度でスキャンできるセル数は３セルに決められてしまうので、測定時間を速めるために１ステージのセル数を増やすことが出来ない。また、図１に示す入力回路１０では、各ステージの共通の信号ラインのうちグランドに接続された信号ラインが断線などによって故障すると、例えば、第１ステージと第２ステージの共通のスイッチＳ４の信号ラインが断線などによって故障すると、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３と第２のステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の６個のセルの電圧測定が不可能になってしまう。

本発明に係る入力回路では、図１のようにスイッチ数を低減させると共に、いずれのステージをスキャンしても、入力回路１０の測定基準となる差動増幅器に入力されるセルの負電圧が基準電位（グランド電位）となるように、スイッチによってグランドＧＮＤに接続する信号ラインを切り替えるようにする。このようにすることによって、差動増幅器は、いずれのステージにおいても同一極性のセル電圧を検出するので、単電源で動作する差動増幅器が使用することが可能となる。その結果、入力回路すなわち電池電圧測定回路の一層のコストダウンを図ることができる。また、各ステージ間の共通の信号ラインが断線などによって故障しても、２ステージ分の全セルの測定が不可能とならないようにして、最小限のセルだけの測定不能に留めることができる。

図３は、本発明に係る入力回路を示す回路図である。つまり、図３に示す入力回路（電池電圧測定回路）１０ａは、図１に示す入力回路１０に対して、入力回路１０ａへ入力される信号ラインのグランドＧＮＤを切り替えるためのスイッチ（切替手段）Ｓ１１，Ｓ１２を追加したものである。他の構成要素は図１に示す入力回路１０の構成と変わらないので、説明を省略する。なお、新たに追加されたスイッチＳ１１及びスイッチＳ１２は、スイッチＳ１〜Ｓ１０と同様に、燃料電池の直列セル数によって発生する最大電圧（例えば、２００セルの直列接続で２６０Ｖ）に耐えられるような耐圧のフォトＭＯＳスイッチを用いることができる。

つまり、図３に示すように、差動増幅器Ｄ１の−入力端子へ入力される信号ライン（つまり、第１ステージのセルＣ１の負極の信号ライン）よりスイッチＳ１１を介してグランドＧＮＤに接続すると共に、差動増幅器Ｄ３の＋入力端子へ入力される信号ライン（つまり、第１ステージのセルＣ３の正極と第２ステージのセルＣ４の負極の共通の信号ライン）よりスイッチＳ１２を介してグランドＧＮＤに接続する構成が新たに追加されている。

このような回路構成にして、測定するステージが変わるごとにスイッチＳ１１とスイッチＳ１２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて交互に信号ラインをグランドＧＮＤに接続するようにする。つまり、測定するステージが変わるごとにグランドＧＮＤに接続されるスイッチＳ１１，Ｓ１２を交互に切り替えることによって、測定するステージごとに入力されるセル電圧の基準電位（つまり、グランド電位）が上下の差動増幅器に移動する。言い換えれば、測定するステージごとに入力されるセル電圧の基準電位（つまり、グランド電位）が差動増幅器Ｄ１の−入力端子と差動増幅器Ｄ３の＋入力端子との間を移動する。

さらに詳しく説明すると、測定するステージが変わるごとに、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に入力されるセル電圧が、セルＣ１→差動増幅器Ｄ１、セルＣ２→差動増幅器Ｄ２、セルＣ３→差動増幅器Ｄ３という順方向と、セルＣ４→差動増幅器Ｄ３、セルＣ５→差動増幅器Ｄ２、セルＣ６→差動増幅器Ｄ１という逆方向とに変わっても、常に測定基準となる側の差動増幅器の負電位がグランドＧＮＤに接続させることになる。このようにして、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のグランドＧＮＤはセルの測定順序に合わせて規制されるので、結果的に、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の電源は、基準電位（つまり、グランド電位）から一方の電位に印加される単一方向の電源（つまり、単電源）を利用することができる。

図３に示す入力回路１０ａの動作についてさらに詳しく説明する。第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を測定するときは、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４及びスイッチＳ１１をＯＮにする。これによって、セルＣ１→差動増幅器Ｄ１、セルＣ２→差動増幅器Ｄ２、セルＣ３→差動増幅器Ｄ３という順方向測定が行われ、グランド電位（基準電位）はスイッチＳ１１によって差動増幅器Ｄ１の−入力端子に規制されるので、全ての差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は同一方向電位の単電源で動作を行うことができる。

次に、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧測定を終了して、第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６の電圧測定が開始されると、まず、スイッチＳ１１がＯＦＦされてスイッチＳ１２がＯＮされる。これによって、グランドＧＮＤに接続されるグランド電位（基準電位）の信号ラインは、差動増幅器Ｄ３の＋入力端子に接続される信号ラインに切り替わる。さらに、スイッチＳ４をＯＮのままにして、スイッチＳ１〜Ｓ３を同時にＯＦＦにし、スイッチＳ５〜Ｓ７を同時にＯＮにして第２ステージのセル群の測定を開始する。

このときは、セルＣ４→差動増幅器Ｄ３、セルＣ５→差動増幅器Ｄ２、セルＣ６→差動増幅器Ｄ１という逆方向測定が行われるが、グランド電位（基準電位）はスイッチＳ１２によって差動増幅器Ｄ３の＋入力端子に規制されるので、全ての差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は同一方向電位の単電源で動作を行うことができる。このようにして、測定ステージによって各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に入力されるセル電圧の極性が変わっても、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は決められた基準電位のレベルから一方の電位の方向へ動作するので、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は単電源で十分に動作機能を実現することができる。

図４は、各ステージのセル数を４セルとした場合の、本発明に係る入力回路の具体的な一実施例を示す回路図である。図４に示す入力回路１０ｂ（電池電圧測定回路）の例では、セル電圧測定用のスイッチＳ１〜Ｓ９及びグランド切り替え用のスイッチＳ１１，Ｓ１２を、燃料電池の全セル電圧に耐え得る耐圧のフォトＭＯＳスイッチにした場合の例を示している。

図４に示すように、ステージごとに４セルずつセル電圧を取得して行く。その際、共通に信号ラインを引き込む第１ステージと第２ステージの信号ラインには共通のスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ５が接続されているので、従来の入力回路に比べて、燃料電池を構成するステージ数とほぼ同数のフォトＭＯＳスイッチを削減することができる。但し、その場合、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入力されるセル電圧は、測定ステージが切り替わるごとに転極される。つまり、奇数番号のステージと偶数番号のステージが切り替わるごとに、差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入力されるセル電圧は正電位／負電位が逆に転極される。

したがって、通常であれば、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の電源は転極に対応するために正負両方向の両電源が必要となるが、図４の回路構成では、測定ステージが切り替わるごとに、スイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１，Ｓ１２の切替操作によってステージの境界位置の信号ラインが交互にグランド電位（基準電位）に接続される。すなわち、測定ステージが切り替わるごとに、各ステージの最初の信号ラインをスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１，Ｓ１２によって交互にグランドＧＮＤに落としている。

さらに詳しく説明すると、図４において、第１ステージのセルＣ１の負極の信号ラインにスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１を設けてグランドＧＮＤに落とすと共に、第２ステージのセルＣ５の負極の信号ラインにスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１２を設けてグランドＧＮＤに落としている。これらのスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１，Ｓ１２のＯＮ／ＯＦＦを測定ステージの奇数／偶数によって交互に切り替えることによって、つまり、第１ステージのセル群を測定しているときはスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１をＯＮにし、第２ステージのセル群を測定しているときはスイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１２をＯＮにすることによって、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４にはステージの切り替えごとに異極性のセル電圧が入力されても、グランド電位（基準電位）は基準となる差動増幅器の基準入力端子に規制される。

このようにして、スイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１，Ｓ１２によってグランドＧＮＤを交互に切り替えることによって、ステージを切り替えるごとに交互に入力されるセル電圧の基準電位（グランド電位）が−／＋に移動するため、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入力される電源は単一方向の単電源で間に合うことになる。そのため、各差動増幅器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４のデバイス電源は両電源ではなく単電源でよいことになる。

この結果、一度にスキャンできるセル数は、グランドの切り替えを行わない場合に比べて２倍に増やすことができる。例えば、前記したように、図１に示すようなグランドの切り替えを行わない場合は、差動増幅器の定格電圧が２０Ｖｍａｘであって、セル電圧が２セル１組で３Ｖとすると、一度でスキャンできるセル数は２０Ｖ÷２÷３Ｖ≒３セルとなる。つまり、差動増幅器に両電源が必要なために一度でスキャンできるセル数は３個になってしまう。

一方、図３に示すようにグランドの切り替えを行う場合は、前記と同一条件の差動増幅器の定格電圧が２０Ｖｍａｘで、セル電圧が２セル１組で３Ｖとすると、一度でスキャンできるセル数は２０Ｖ÷３Ｖ≒６セルとなる。つまり、グランドの切り替えを行う場合は、グランドの切り替えを行わない場合に比べて一度にスキャンできるセル数を２倍に増やすことができるので、結果として、多チャンネルをより高速にスキャンして燃料電池のセル電圧を行うことができる。

さらに、図４で説明すると、グランドの切り替えを行わない場合は、スイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ５の信号ラインが断線したときは、第１ステージのセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４と第２ステージのセルＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の８個のセルの測定が不可能となる。しかし、スイッチ（フォトＭＯＳスイッチ）Ｓ１１，Ｓ１２によってグランドＧＮＤを交互に切り替えることによって、第２ステージのセルＣ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の５個のセルのみが測定が不可能となる。このように、グランドの切り替えを行うことによって信号ラインの断線時における測定不可能なセル数を半分に削減することができる。

以上説明したように、本発明に係る入力回路（電池電圧測定回路）によれば、セル電圧を測定するセル群ごとに隣接するセルの電圧極性を反転させるので、各セル間のスイッチを共通化して部品点数を削減することができ、しかも、セル電圧の極性が反転しても、接地される信号ラインを切り替えることによって同一極性のセル電圧を検出することができるので、一方向電圧の単電源を用いて電圧測定を行うことが可能となる。その結果、単電源で動作する差動増幅器を使用することができるので、入力回路の材料費を大幅に低減させることができる。また、測定するセル群の極性が反転するごとに、そのセル群の両側の信号ラインが交互にグランドへ切り替え接続されるので、信号ラインのグランド切り替えを行わない場合に比べて、一度にスキャンできるセル数を２倍に増やすことができる。この結果、多チャンネルをより高速にスキャンすることができるので、燃料電池のように多数のセルが直列に接続されたセル群のセル電圧測定をより高速に行うことができる。
以上に述べた実施の形態は、燃料電池の各セルをスキャンしながらセル電圧を測定する場合について説明したが、本発明に係る入力回路は燃料電池のセル電圧測定に限定されるものではなく、直列に接続されたあらゆる２次電池のセル電圧測定や、直列に接続された乾電池の単電池電圧測定などに適用することもできる。

本発明の入力回路は、燃料電池のセルなど複数のセルが直列に接続された起電力素子の起電力を従来よりも少ない部品点数で検出・測定することができるので、燃料電池システムが用いられる広範囲な産業分野を中心に、各種の電池の電圧監視が必要な分野で広く利用することができる。

本発明の前提条件となる、各ステージの境界位置におけるセルの信号ラインに設けたスイッチを共有化した入力回路の主要部を示す回路図である。 図１に示す入力回路におけるセルごとの測定電圧の極性を示す説明図である。 本発明に係る入力回路の主要部を示す回路図である。 各ステージのセル数を４セルとした場合の、本発明に係る入力回路の具体的な一実施例を示す回路図である。 従来の入力回路の主要部を示す回路図である。 図５に示す入力回路におけるセルごとの測定電圧の極性を示す説明図である。

符号の説明

１０，１０ａ、１０ｂ 入力回路
Ｂ１〜Ｂ５ バッファ
Ｃ１〜Ｃ９ セル
Ｄ１〜Ｄ４ 差動増幅器（電圧検出手段）
Ｆ１〜Ｆ３ フィルタ
Ｒ、ｒ 抵抗
Ｓ１〜Ｓ１０ スイッチ（開閉手段）
Ｓ１１〜Ｓ１２ スイッチ（切替手段）

Claims (4)

1. 複数のセルが直列に接続された組電池のセル群をスキャンしながら前記セル群ごとに各セルの電圧を測定する電池電圧測定回路であって、
   前記各セルの電圧を出力する各信号ラインのそれぞれに直列に接続され、前記セル群毎に開閉する複数の開閉手段と、
   前記セル群の両側の境界位置に存在する２系統の両側信号ラインの何れかを接地させる切替手段と、
   前記開閉手段が閉じたセル群の各セル電圧を検出する複数の電圧検出手段と、
   を備え、
   前記切替手段は、前記電圧検出手段が検出する前記検出セル群が奇数番目であるか偶数番目であるかによって、前記両側信号ラインを交互に接地させ、
   前記電圧検出手段は、前記両側信号ラインの何れかが接地されたときに前記各セル電圧を検出することを特徴とする電池電圧測定回路。
2. 前記電圧検出手段は同一極性のセル電圧を検出することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定回路。
3. 前記開閉手段及び前記切替手段は、前記組電池の電圧より高い耐圧を有するフォトＭＯＳスイッチであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池電圧測定回路。
4. 前記組電池は燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池電圧測定回路。

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