JP4620571B2

JP4620571B2 - 電池電圧監視装置

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Publication number: JP4620571B2
Application number: JP2005336206A
Authority: JP
Inventors: 学宮本
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: JP2007139664A; JP5075241B2; US7459883B2; JP2011043505A; US20070114973A1

Description

本発明は、複数の二次電池が直列接続されて構成された電源装置における電池電圧を検出する電池電圧監視装置に係り、特に、電圧測定に係る配線の断線時において、信号線の断線を検出する電池電圧監視装置に関する。

従来から、環境を考慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車が知られている。電気自動車やハイブリッド車では、車両を駆動するための駆動源としてモータが用いられている。このモータには、充電が可能な２次電池が接続され、２次電池から得られる直流を、インバータで交流に変換してモータが駆動される。そして、この２次電池は、高電圧が要求されるため、通常複数の電池セルを直列接続した組電池として構成されている。

この組電池の各電池セルの電圧検出のために、複数の電圧センサが用いられている。この電圧センサは、適当数ずつまとめられモジュール化されている。電気自動車などのように、直列接続される電池セルの数が多数になる場合は、この電圧センサのモジュールも複数用意され、直列に接続される。特許文献１乃至３に、このような組電池の電圧を監視する装置が開示されている。以下、この複数の電圧センサを有するモジュールが１つの半導体装置（ＩＣ）で形成され、この半導体装置をさらに複数個接続して、組電池の電圧を監視する装置について説明する。

図５は、従来の電圧監視装置を示す模式図である。図に示すように１つのＩＣは４個の電池セルの電圧検出が可能であるとする。ＩＣの各入力端子は電圧測定用の配線Ｌ１１〜Ｌ１９を介して電池セルＣ１１〜Ｃ１８に接続されている。図に示すＩＣ１１は、電池セルＣ１１の正極側（ノードＮ１１）を電源電位、電池セルＣ１４の負極側（電池セルＣ１５の正極側、ノードＮ１２）をグランド電位として動作する。ＩＣは、それぞれの監視対象である電池セルが過電圧あるいは低電圧になったことを検出して、過電圧検出信号あるいは低電圧検出信号を出力する。このように複数のＩＣなどを直列に接続して組電池の電圧を監視する装置において、例えば配線Ｌ１１のようなＩＣに電源を供給する最上位の配線が断線した場合、以下のような問題が発生する場合があった。

図５における配線Ｌ１１が断線してしまった場合、図に示すノードＮ１３に対しての電池セルからの電圧供給がなくなるため、ノードＮ１３の電圧が下降してしまう。その結果、半導体装置内の寄生トランジスタがオン状態となりラッチアップを引き起こしてしまう場合があった。
特開２００３−２０８９２７号公報特開２００３−１１１２８４号公報特開２００５−１１７７８０号公報

上記したような配線の断線により、ラッチアップが生じた場合、発熱などにより電圧監視装置を構成する半導体装置自体が破壊してしまう場合があった。

本発明に関わる電池電圧監視装置は、複数の電池セルを直列に接続した組電池の電圧を監視する電池電圧監視装置であって、電圧センサと該電圧センサに接続される第１および第２の入力端子とを有する電圧センサモジュールと、前記第１の入力端子に接続され、直列接続した複数の電池セルの最上位に位置する最上位電池セルが出力する電圧を受ける第１の端子と、前記第２の入力端子に接続され、前記最上位電池セルの次に直列接続する電池セルが出力する電圧を受ける第２の端子と、前記第１の端子の電圧が、前記第２の端子の電圧に対して所定の値以下にならないようにクランプする電圧クランプ回路と、を備え、前記電圧センサは、前記第１の入力端子の電圧を上位側電源として、前記第２の入力端子の電圧を下位側電源として供給される参照電圧生成回路を有し、該参照電圧生成回路の生成する参照電圧と前記第１および第２の入力端子間電圧とに基づき前記第１および第２の入力端子間電圧を監視することを特徴とする。

電圧を与える配線が断線した場合に、ラッチアップなどが起こってしまうことを防ぐことが可能である。

実施の形態１
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の電圧監視装置１０を説明する概略図である。本実施形態の電圧監視装置１０は、電圧センサモジュールを複数有している。ここで、電圧センサモジュールとは、１つあるいは複数の電圧センサを１つのモジュールとした素子であり、本実施形態では１つのモジュールは１つの半導体装置（以下、ＩＣと称す）で構成されている。以下、１つのＩＣが４個の電池セルの電圧を検出する場合を例に実施の形態１を説明する。

図１に示すように、本実施の形態では、電圧監視装置１０の監視対象となる複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが直列に接続されている。ここで、本実施の形態では最上位の電位が与えられるＩＣ１およびＩＣ１に接続される電池セルを中心に説明する。ＩＣ１は、電池セルＣ１の正極側の電位（図１、ノードＮ１参照）を第１の電源電位とし電池セルＣ４の負極側の電位（図１、ノードＮ２参照）を第２の電源電位（グランド電位）として動作している。

各電池セルの正極は、それぞれ配線Ｌ１〜Ｌ４を介してＩＣ１の入力端子Ｖ１〜Ｖ４に接続されている。上記したようにＩＣ１は、電池セルＣ１の正極側の電位を第１の電源電位とするため、電池セルＣ１の正極は、配線Ｌ１を介してＩＣ１の第１の電源端子ＶＣＣ１にも接続される。また電池セル４の負極側の電位は、ＩＣ１の第２の電源電位となるため、電池セル４の負極（電池セル５の正極）は配線Ｌ５を介してＩＣ１の第２の電源端子ＶＳＳ１に接続される。

実施の形態１においては、さらにＩＣ１の入力端子Ｖ１とＶ２の間に電圧を抑制する素子であるショットキーダイオードＤ１が接続されている。ショットキーダイオードＤ１のアノードは、Ｖ２端子に接続され、カソードはＶ１端子に接続されている。

このように構成された電圧監視装置１０では、電圧センサモジュールが、各電池セルが出力する電圧を測定する。電圧センサモジュールは、電池セルの電圧が過電圧になった場合あるいは低電圧になった場合に過電圧検出信号、低電圧検出信号を出力することで電池セルの電圧を監視している。この動作の詳細については後述する。

このように構成された電圧監視装置１０において、何らかの原因によりＩＣ１に電源電位を与える配線Ｌ１（最上位電位配線）が断線してしまった場合について説明する。配線Ｌ１が断線してしまった場合、電池セルＣ１の正極側の電位（最上位電位、ノードＮ１参照）が与えられなくなるため、図１に示すノードＮ３の電位が下降する。ノードＮ３の電位が下降した場合、入力端子Ｖ２の電位の方が入力端子Ｖ１の電位よりも高くなってしまう。入力端子Ｖ１に対して入力端子Ｖ２の電位が高くなってしまうと、その差がある値より大きくなった時点で内部の寄生トランジスタがオン状態となってしまうおそれが生じる。そこで本実施の形態では入力端子Ｖ２からＶ１に向かう順方向のダイオードＤ１を接続することで、入力端子Ｖ２に対して入力端子Ｖ１がショットキーダイオードの順方向電圧分以下に低下することがなく、寄生トランジスタをオンさせないような構成としている。

以下に、上記に説明した本実施形態の動作および効果について、より詳細に説明する。まず、実施の形態１の電圧監視装置におけるＩＣ（電圧センサモジュール）の構成について詳細に説明する。図２は、ＩＣの構成を示す図である。

図２に示すように、本実施の形態のＩＣでは、端子の間にそれぞれ電圧センサが接続されている。以下、図２における電圧入力端子Ｖ１−Ｖ２間の電圧センサを例に、電圧センサの構成を説明する。図２に示すように実施の形態1における電圧センサは分圧抵抗２１、参照電圧(Ｖｒｅｆ)生成回路２２、過電圧検出用比較器２３および低電圧検出用比較器２４を有している。分圧抵抗の第１の分圧点Ｐは、過電圧検出用比較器２３の非反転入力端子に接続されている。分圧抵抗の第２の分圧点Ｑは、低電圧検出用比較器２４の反転入力端子に接続されている。参照電圧生成部２２の出力する電圧は、過電圧検出用比較器２３の反転入力端子および低電圧検出用比較器２４の非反転入力端子に接続されている。

電圧センサ内では過電圧検出用比較器２３で、電圧検出用分圧抵抗の分圧点Ｐの電圧と参照電圧Ｖｒｅｆが比較される。ここで例えば参照電圧Ｖｒｅｆよりも、電圧検出用分圧抵抗の分圧点Ｐの電圧が高ければ過電圧比較器２３は過電圧検出信号（例えばＨレベルの信号）を出力する。同様に、低電圧検出用比較器２４では、電圧検出用抵抗の分圧点Ｑの電圧と参照電圧が比較されている。ここで仮に分圧点Ｑの電圧が参照電圧よりも低ければ低電圧検出信号（例えばＨレベル）が出力される。

ここで、本実施の形態において、参照電圧生成回路２２は、１つの電池セルの出力する電圧（例えばＶ１−Ｖ２間の電圧）を電源電圧として動作する回路であり、過電圧、低電圧検出用の比較器２３、２４はＩＣの電源電圧（例えばＶＣＣ１−ＶＳＳ１間の電圧）を電源として動作する回路である。図３は、このように電源電圧として異なる電圧を用いる回路が共通基板上に形成されるＩＣを模式的に示した断面図である。

図３に示すようにＶ１―Ｖ２端子間の参照電圧生成回路２２を形成するためのＰＭＯＳトランジスタ、ＮＭＯＳトランジスタは端子Ｖ１の電位をウェル電位とするＮ⁻ウェル３１内に形成される。ここで配線Ｌ１に断線が無い場合は、図３にＡで示す拡散層を介してＮ⁻ウェル３１には安定した電位が与えられるため、参照電圧生成回路２２の上位側電源としてはＣ１の正極側電位、下位側電源としては電池セルＣ１の負極の電位が与えられているものとして正常に動作する。

図３において端子Ｖ２からＶ１へと向かうショットキーダイオードがなく、また配線Ｌ１が断線してしまった場合、参照電圧生成回路が形成されるウェル３１の部分の電位が低下する。この電位低下が大きいと、ＮＭＯＳトランジスタを形成するＰウェル、Ｎ⁻ウェル３１およびＰ型基板３０で構成される寄生のバイポーラトランジスタ（図３にＴｒ１で示す）がオン状態となってしまう。この寄生トランジスタＴｒ１がオンすると、図３にＴｒ２で示した寄生トランジスタがオン状態となり、寄生トランジスタＴｒ１のベース電位をさらに下げてしまう。その結果入力端子Ｖ２と半導体装置を構成する基板（ＩＣ１の場合ＶＳＳ１が与えられている）との間に大電流が発生し、半導体装置自体を破壊してしまう恐れがある。

しかしながら、本実施の形態では入力端子Ｖ２からＶ１に向かって順方向のショットキーダイオードＤ１が接続されている。通常動作時は、配線Ｌ１が断線しない限りはＶ２よりＶ１が高電位となっているため、ダイオードは影響を与えない。しかし、配線Ｌ１が断線し、入力端子Ｖ１の電位が入力端子Ｖ２の電位よりも低くなると、ダイオードには順方向電圧が加えられる。そのため、ダイオードＤ１の順方向電圧をＶｆとした場合、入力端子Ｖ１、つまりＮウェル３１の電位は、（Ｖ２の電位―Ｖｆ）よりも低くなることがなく、端子Ｖ１−Ｖ２間の参照電圧生成回路２２が形成されるＮ⁻ウェル３１の電位の降下を抑制することが可能となる。ここで、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを適切な値として設定してやれば、図３に示した寄生バイポーラトランジスタＴｒ１がオンする前にＮ⁻ウェル３１電位の降下を制限することが可能である。つまり、本実施の形態によれば、半導体装置などの最上位の電源を与える端子（Ｖ１）に対して、その電位を与える配線が何らかの原因により断線しても、端子Ｖ１は、最上位の電源の電位から所定値以上低くならないように構成されている。このダイオードＤ１などを設けることで、半導体装置のラッチアップなどを防止することが可能となる。

実施の形態２
図４は、本発明の第２の実施の形態の電圧監視装置を示す回路図である。実施の形態１に示したように最上位の電位が与えられる端子Ｖ１と他の端子Ｖ２の間にダイオードＤ１などを設けた場合、断線によりラッチアップなどが発生してＩＣ自体を破壊してしまうことを防止することは可能となる。しかしながら、例えば図２に示したような回路を用いて電圧センサモジュールであるＩＣを形成した場合、図１における配線Ｌ１が断線すると、図２における端子Ｖ１の電位がＶ２よりも低くなるためＶ１−Ｖ２間の参照電圧生成回路２２は、動作不能となり、Ｌ１の断線検出を行うことが不可能となってしまう。

そこで、本実施の形態では最上位電位が供給される端子に接続される電圧センサの部分で、電圧センサの構成を変更し、配線Ｌ１が断線した場合でもその断線検出を行えるような構成としたものである。

以下に実施の形態２における電圧監視装置の最上位電位が与えられる端子Ｖ１とＶ１に隣接する端子Ｖ２に接続される回路を例に実施の形態２について説明する。なお、最上位電位が与えられる端子以外（例えばＶ２−Ｖ３間、Ｖ３−Ｖ４間など）には図２を用いて説明した回路と同じ電圧センサが用いられているものとし。その説明を省略する。また、実施の形態１と同様に入力端子Ｖ１とＶ２の間にはＶ２からＶ１に向かって順方向のダイオードが接続されている。

図４に示すように入力端子Ｖ１−Ｖ２間の電圧センサは分圧抵抗４１、参照電圧生成用の参照抵抗４２、定電流源４３を有している。また過電圧検出用比較器４４、低電圧検出用比較器４５を有している。分圧抵抗４１は、例えば３つの抵抗Ｒ１〜Ｒ３が直列に入力端子Ｖ１とＶ２の間に接続されている。ここで、過電圧検出用の分圧点Ｐ'はＲ１とＲ２の間のノードであるとする。また低電圧検出用の分圧点Ｑ'は、Ｒ２とＲ３の間のノードであるとする。
参照抵抗４２と定電流源４３は入力端子Ｖ１とＩＣのグランド電位であるＶＳＳ１との間に直列に接続されている。

分圧点Ｐ'は、過電圧検出用比較器４４の反転入力端子に接続されている。分圧抵抗の分圧点Ｑ'は、低電圧検出用比較器４５の非反転入力端子に接続されている。参照抵抗４２と定電流源との間のノードの電位は、過電圧検出用比較器４４の非反転入力端子および低電圧検出用比較器４５の反転入力端子に接続されている。

通常動作時において、配線Ｌ１が断線していない場合について説明する。Ｖ１−Ｖ２間の電圧センサ内では過電圧検出用比較器４４で、分圧抵抗４１の分圧点Ｐ'の電圧と最上位セルＣ１の正極電圧が参照抵抗４２、定電流源４３に基づいて電圧降下した値が比較される。参照抵抗４２の抵抗値をＲｒｅｆ、定電流源４３が流す電流をＩｒｅｆとすれば、
Ｐ'の電圧＜（最上位電池セルＣ１の正極電圧―Ｉｒｅｆ・Ｒｒｅｆ）
の場合に過電圧検出信号を出力する。

低電圧検出回路についても、配線Ｌ１が断線していなければ、Ｑ'の電圧と最上位セルＣ１の正極電圧が参照抵抗、定電流源に基づいて電圧降下した値が比較され
Ｑ'の電圧＞（最上位電池セルＣ１の正極電位―Ｉｒｅｆ・Ｒｒｅｆ）
の場合に低電圧検出信号が出力される。

配線Ｌ１が断線してしまった場合、本実施の形態では参照抵抗４２、定電流源４３に対して最上位電池セルＣ１からの電流供給がなくなるため、図４に破線で示した経路で電流が供給される。この場合、低電圧検出用比較器４５において、非反転入力端子にはＱ'の電圧が入力される。このとき、分圧点Ｑ'の電圧は以下の通りとなる。
Ｑ'の電圧＝（電池セルＣ２の正極電圧）−Ｒ３・Ｉｒｅｆ

それに対し、低電圧検出用比較器の反転入力端子に与えられる電圧は以下の通りとなる。
低電圧検出用比較器の反転入力＝
（電池セルＣ２の正極電位）−（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒｒｅｆ）・Ｉｒｅｆ

つまり、実施の形態２において、Ｖ１―Ｖ２間の電圧センサではＬ１が断線した場合に必ず低電圧検出信号が出力される。このように構成することで、実施の形態２においては最上位電位を供給する配線Ｌ１が断線した場合でも確実に断線検出を行うことが可能となる。また、実施の形態１と同様に端子Ｖ２からＶ１に向かって順方向のダイオードが接続されているため、ＩＣにおけるラッチアップの発生も防ぐことが可能である。

以上、本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが本発明は、上述のような実施の形態に限定されるものでなく種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態１の電圧監視装置を示す回路図である。本発明の実施の形態１の電圧監視装置の電圧センサモジュールを示す回路図である。本発明の実施の形態１に関する半導体装置の模式図である。本発明の実施の形態２の電圧監視装置を示す回路図である。従来の電圧監視装置を示す回路図である。

符号の説明

２２参照電圧生成回路
２３過電圧検出用比較器
２４低電圧検出用比較器
３０Ｐ型基板
３１Ｎ⁻ウェル
４１分圧抵抗
４２参照抵抗
４３定電流源
４４過電圧検出用比較器
４５低電圧検出用比較器
Ｃ１〜Ｃｎ電池セル
Ｌ１〜Ｌｎ配線
Ｖ１〜Ｖｎ入力端子
ＶＣＣ、ＶＳＳ電源端子

Claims

複数の電池セルを直列に接続した組電池の電圧を監視する電池電圧監視装置であって、
電圧センサと該電圧センサに接続される第１および第２の入力端子とを有する電圧センサモジュールと、
前記第１の入力端子に接続され、直列接続した複数の電池セルの最上位に位置する最上位電池セルが出力する電圧を受ける第１の端子と、
前記第２の入力端子に接続され、前記最上位電池セルの次に直列接続する電池セルが出力する電圧を受ける第２の端子と、
前記第１の端子の電圧が、前記第２の端子の電圧に対して所定の値以下にならないようにクランプする電圧クランプ回路と、を備え、
前記電圧センサは、前記第１の入力端子の電圧を上位側電源として、前記第２の入力端子の電圧を下位側電源として供給される参照電圧生成回路を有し、該参照電圧生成回路の生成する参照電圧と前記第１および第２の入力端子間電圧とに基づき前記第１および第２の入力端子間電圧を監視することを特徴とする電池電圧監視装置。
前記電圧クランプ回路は、前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続される電圧クランプ素子であることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧監視装置。
前記電圧クランプ素子は、前記第２の端子から前記第１の端子方向へと順方向接続されたダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の電池電圧監視装置。
前記参照電圧生成回路は、第１および第２導電型のトランジスタを有し、前記第１の入力端子の電圧は前記第１導電型トランジスタのウェル電位として供給されることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧監視装置。
前記電圧センサモジュールは、
前記電圧センサモジュールの監視対象である複数の電池セルの最上位に位置する電池セルの正極側の電圧を第１の電源電位とし、
前記電圧センサモジュールの監視対象である複数の電池セルの最下位に位置する電池セルの負極側の電圧を第２の電源電位として動作することを特徴とする請求項１記載の電池電圧監視装置。