JP5180016B2 - 電圧検出回路 - Google Patents

Description

本発明は電圧検出回路に関し、特に直列に接続された複数の電池セルの電圧を電池セル毎に測定する電圧検出回路に関する。

近年、ハイブリッド車等の車載用途でリチウムイオン電池が用いられるようになってきた。しかし、リチウムイオン電池は、１つのセルで出力できる電圧が限られるため、高い電圧が必要な車載用途などでは、電池セルを多段接続した組電池が用いられる。ここで、リチウムイオン電池は、過充電が発生すると安全性の低下や寿命の低下を生じる場合がある。そのため、リチウムイオン電池を用いた組電池では、それぞれの電池セルが出力する電圧値をモニタして過充電等による危険を回避する必要がある。

そこで、組電池を構成する電池セルの電圧を検出する電圧検出回路が多く提案されている。この電圧検出回路では、組電池と電圧検出回路とを含む電源モジュールの部品点数を削減するために、１つの電圧検出回路により複数の電池セルの電圧を検出することが行われる。このように、１つの電圧検出回路により、複数の電池セルを計測する場合、電圧検出回路の接地電圧は、計測対象の電池セルのうち最も低電位側に配置される電池セルの負極側端子の電圧が与えられ、電源電圧は、計測対象の電池セルのうち最も高電位側に配置される電池セルの正極側端子の電圧が与えられる。そのため、電池セルの電圧を個別に測定しようとした場合、計測部を構成する回路を１つの電池セルにより出力される電圧よりも高い電圧に対応した高耐圧素子により構成する必要がある。高耐圧素子は一般的に素子サイズが大きいため、高耐圧素子を多用した電圧検出回路はチップサイズが大きくなる問題がある。

そこで、低耐圧素子により計測部を構成するために、電圧検出回路による測定方式としてフライングキャパシタ方式が提案されている。フライングキャパシタ方式では、１つの電池セルから出力される電圧をサンプリングコンデンサでサンプリングし、サンプリングした電圧値をアナログデジタル変換器（例えば、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）コンバータ）等の計測部により測定する。これにより、計測部に入力される電圧値は１つの電池セルから出力される電圧範囲に限られるため、計測部を低耐圧素子により構成することができる。

一方、リチウムイオン電池を効率よく利用するためには、高精度に電池セルが出力する電圧値を測定する必要がある。フライングキャパシタ方式では、多数のスイッチを使用するが、このスイッチには寄生容量がある。そのため、フライングキャパシタ方式による測定では、この寄生容量によりサンプリングコンデンサによりサンプリングした電圧値の変動が生じ、測定精度が悪化する問題がある。そこで、フライングキャパシタ方式の電圧検出回路において測定精度を向上させる技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されているセル電圧検出回路１００の回路図を図６に示す。セル電圧検出回路１００は、セル群１０１を構成するセル＃（１）〜＃（Ｎ）の電圧値をフライングキャパシタ方式の測定により個別に測定する。図６に示すように、セル電圧検出回路１００は、セル選択スイッチ１０２、１０３、サンプリングスイッチ１０４、サンプリングコンデンサ１０５、トランスファスイッチ１０６、Ａ／Ｄ１０７を有する。また、図６に示した各スイッチには、それぞれ寄生容量Ｃｓが付加される。

セル選択スイッチ１０２は、セル＃（１）〜＃（Ｎ）の負極側端子に接続されるスイッチＳＬ（１）〜ＳＬ（Ｎ）を有する。セル選択スイッチ１０３は、セル＃（１）〜＃（Ｎ）の正極側端子に接続されるスイッチＳＵ（１）〜ＳＵ（Ｎ）を有する。そして、セル選択スイッチは、セル群１０１内の単一セル又は複数セルを選択する。

サンプリングスイッチ１０４は、セルの正極側端子（又はサンプリングコンデンサ１０５の高電位側端子）に対応して設けられるスイッチＳｐｌ−Ｕと、セルの負極側端子（又はサンプリングコンデンサ１０５の低電位側端子）に対応して設けられるスイッチＳｐｌ−Ｌと、を有する。そして、サンプリングスイッチ１０４は、セル選択スイッチにより選択されたセルの負極側端子と正極側端子との電位差をサンプリングコンデンサ１０５の両側の端子に与える。サンプリングコンデンサ１０５は、サンプリングスイッチ１０４によりサンプリングされた電圧にて充電される。

トランスファスイッチ１０６は、セルの正極側端子（又はサンプリングコンデンサ１０５の高電位側端子）に対応して設けられるスイッチＴｒｎｓ−Ｕと、セルの負極側端子（又はサンプリングコンデンサ１０５の低電位側端子）に対応して設けられるスイッチＴｒｎｓ−Ｌと、を有する。そして、トランスファスイッチ１０６は、サンプリングスイッチ１０４がオフに遷移した後にサンプリングコンデンサ１０５の両端の電圧を出力端子に転送する。Ａ／Ｄ１０７は、トランスファスイッチ１０６の出力端子に転送された電位差をデジタル値に変換して出力する。

つまり、セル電圧検出回路１００では、サンプリングコンデンサ１０５にセルの電圧値をサンプリングした後、サンプリングスイッチ１０４をオフすることで、セル選択スイッチの寄生容量Ｃｓがその後の測定に影響を与えないようにする。これにより、セル電圧検出回路１００では、セル選択スイッチの寄生容量Ｃｓによる測定誤差を低減する。
特開２００１−２０１５２２号公報

しかしながら、セル電圧検出回路１００では、サンプリングスイッチ１０４の寄生容量Ｃｓとトランスファスイッチ１０６の寄生容量Ｃｓによる測定誤差を低減することができない問題がある。より具体的には、セル電圧検出回路１００では、サンプリングスイッチ１０４の寄生容量Ｃｓとトランスファスイッチ１０６の寄生容量Ｃｓには接地端子と選択されたセルの正極側端子との電位差に応じた電荷が蓄積される。そのため、サンプリングスイッチ１０４をオフした後、トランスファスイッチをオンするが、サンプリングスイッチ１０４とトランスファスイッチ１０６の寄生容量Ｃｓはサンプリングコンデンサ１０５に接続され続けるため、この寄生容量Ｃｓが測定結果に影響を及ぼす。

特に１つの電圧検出回路により測定する電池セルの数が増加した場合、サンプリングスイッチ１０４の寄生容量Ｃｓとトランスファスイッチ１０６の寄生容量Ｃｓにはより多くの電荷が蓄積されるため、寄生容量Ｃｓによる測定誤差の問題はより顕著になる。

本発明にかかる電圧検出回路は、直列に接続された複数の電池セルのうちいずれか１つを選択するスイッチ群と、前記スイッチ群により選択された電池セルの正極側端子と負極側端子との間の電位差を保持するサンプリングコンデンサと、前記サンプリングコンデンサの両端の電位差に応じた検出電圧値信号を出力する計測部と、前記サンプリングコンデンサの両端に生じた電位差を前記計測部に転送する伝達スイッチと、前記伝達スイッチと前記計測部との間において前記計測部の入力端子と並列に設けられる補正コンデンサと、前記補正コンデンサと並列に設けられ、開閉状態が前記伝達スイッチと排他的に制御される放電スイッチと、を有する。

本発明にかかる電圧検出回路は、伝達スイッチがオンする前に補正コンデンサの電荷を放電スイッチより放電する。そして、電荷が蓄積されていない補正コンデンサが並列に接続される入力端子を有する計測部に対して、トランスファスイッチを介してサンプリングコンデンサにおいて保持されている電池セルの電圧値が入力される。これにより、電圧検出回路のスイッチの寄生容量に蓄積された過大な電荷は、計測部による電圧測定時に補正コンデンサに吸収される。つまり、本発明にかかる電圧検出回路は、寄生容量に蓄積された過大な電荷を補正コンデンサにより吸収することで、測定結果の誤差を低減することができる。

本発明にかかる電圧検出回路は、電池セルの電圧値の測定精度を向上させることができる。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に本実施の形態にかかる電源監視装置１のブロック図を図１に示す。図１に示すように電源監視装置１は、組電池２とコネクタにより接続され、複数の電池セルのそれぞれの電圧値を別に監視する。本実施の形態では組電池２は、１セル当たり３．６Ｖの電圧を出力する電池セルを直列に１００個接続したものである。

電源監視装置１は、電圧検出回路１０を複数有する。本実施の形態では、１つの電圧検出回路１０により４つの電池セルの電圧を検出するものとする。従って、電源監視装置１は、１００個の電池セルを監視するために、２５個の電圧検出回路１０を有する。なお、１つの電圧検出回路１０により何個の電池セルの電圧を検出するかは、電源監視装置１の仕様により決定することができる。

また、電圧検出回路１０の電源端子ＶＣＣは、電圧検出回路１０が測定する電池セルのうち最も高電位側の電池セルの正極側端子に接続され、接地端子ＶＳＳは、電圧検出回路が測定する電池セルのうち最も低電位側の電池セルの負極側端子に接続される。そして、接地端子ＶＳＳに負極側端子が接続される電池セルは、１つ下の電池セルの正極側端子と接続される。つまり、隣接する電池セルの電圧を検出する２つの電圧検出回路１０においては、高電位側の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路１０の接地端子ＶＳＳと低電位側の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路１０の電源端子ＶＣＣとが共通に接続される。

また、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０は、フライングキャパシタ方式により電池セルの電圧を検出する。ここで、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０は、サンプリングコンデンサとして大きな容量値のコンデンサを用いるために、サンプリングコンデンサＣｆを外付け部品とした。サンプリングコンデンサＣｆは、第１の外部端子ＣＰと第２の外部端子ＣＭとの間に接続される。

次に、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０の詳細について説明する。なお、電源監視装置１に搭載される電圧検出回路１０はすべて同じ構成であるため、ここでは１つの電圧検出回路１０について説明する。図２に電圧検出回路１０の回路図を示す。図２に示すように、電圧検出回路１０は、スイッチ群１１、伝達スイッチ１２、補正回路１３、計測部１４、スイッチ制御回路１５、結果記憶部１６、サンプリングコンデンサＣｆを有する。また、電圧検出回路１０は、電池セルとの接続端子Ｖ１〜Ｖ４、電源端子ＶＣＣ、接地端子ＶＳＳ、第１の外部端子ＣＰ、第２の外部端子ＣＭ、通信端子Ｐｏｕｔ、Ｐｉｎを有する。

スイッチ群１１は、選択スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａ、ＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂを有する。選択スイッチＳＷ１ａは、測定対象の電池セルのうち最も高電位側の電池セルとなるセル１の正極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ２ａは、セル１の負極側端子に正極側端子が接続されるセル２の正極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ３ａは、セル２の負極側端子に正極側端子が接続されるセル３の正極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ４ａは、測定対象の電池セルのうち最も低電位側の電池セルとなるセル４の正極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａの他方の端子は、第１の外部端子ＣＰを介してサンプリングコンデンサＣｆの一方の端子に接続される。

選択スイッチＳＷ１ｂは、測定対象の電池セルのうち最も高電位側の電池セルとなるセル１の負極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ２ｂは、セル１の負極側端子に正極側端子が接続されるセル２の負極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ３ｂは、セル２の負極側端子に正極側端子が接続されるセル３の負極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ４ｂは、測定対象の電池セルのうち最も低電位側の電池セルとなるセル４の負極側端子に一方の端子が接続される。選択スイッチＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂの他方の端子は、第２の外部端子ＣＭを介してサンプリングコンデンサＣｆの他方の端子に接続される。

なお、本実施の形態では、１つの電池セルに接続される選択スイッチは共にオン又はオフされるものとする。また、本実施の形態では、スイッチ群１１が選択するスイッチは１つであるものとする。例えば、セル１を選択する場合は、選択スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂがオンし、選択スイッチＳＷ２ａ〜ＳＷ４ａ及び選択スイッチＳＷ２ｂ〜ＳＷ４ｂはオフする。

伝達スイッチ１２は高電位側伝達スイッチＳＷｔａと低電位側伝達スイッチＳＷｔｂを有する。高電位側伝達スイッチＳＷｔａの一方の端子は、サンプリングコンデンサＣｆの一方の端子と第１の外部端子ＣＰを介して接続され、他方の端子は、計測部１４の高電位側入力端子と接続される。低電位側伝達スイッチＳＷｔｂの一方の端子は、サンプリングコンデンサＣｆの他方の端子と第２の外部端子ＣＭを介して接続され、他方の端子は、計測部１４の低電位側入力端子と接続される。本実施の形態では、高電位側伝達スイッチＳＷｔａと低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとは、共にオン／オフ制御がなされる。

補正回路１３は、放電スイッチＳＷｃａ、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂ、ＳＷｃｃ、補正コンデンサＣｃを有する。なお、以下の説明では、高電位側伝達スイッチＳＷｔａと計測部１４の高電位側入力端子とを接続するノードを高電位ノードＮＨと称し、低電位側伝達スイッチＳＷｔｂと計測部１４の低電位側入力端子とを接続するノードを低電位ノードＮＬと称す。また、低電位ノードＮＬは接地端子ＶＳＳに接続される。

補正コンデンサＣｃは、伝達スイッチＳＷｔａ、ＳＷｔｂがオン状態に切り替わると同時に、電圧検出回路１０の測定電圧伝達経路に付加される寄生容量に蓄積された過大電荷を吸収する。補正コンデンサＣｃは、高電位ノードＮＨと低電位ノードＮＬとの間に設けられる。言い換えると、補正コンデンサＣｃは、計測部１４の高電位側入力端子と低電位側入力端子との間に並列に接続される。また、本実施の形態では、３つの補正コンデンサＣｃを備える。そして、３つの補正コンデンサＣｃのうち１つは、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂを介して高電位ノードＮＨと接続される。また、３つの補正コンデンサＣｃのうち２つは、容量値切り替えスイッチＳＷｃｃを介して高電位ノードＮＨと接続される。本実施の形態では、補正コンデンサＣｃの容量値はすべて同じものとする。また、補正コンデンサＣｃの容量値は、選択スイッチ、伝達スイッチ及び第１、第２の外部端子に付加される寄生容量Ｃｐの容量値に応じて決定される。この補正コンデンサＣｃの容量値の詳細な説明は後述することとする。

放電スイッチＳＷｃａは、補正コンデンサＣｃの両端を短絡するか否かを切り替えるスイッチである。本実施の形態では、高電位ノードＮＨと低電位ノードＮＬとの間に設けられる。本実施の形態における放電スイッチＳＷｃａは、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂ、ＳＷｃｃのうちオンしているスイッチに接続される補正コンデンサＣｃに蓄積された電荷を接地端子ＶＳＳに対して放電する。また、放電スイッチＳＷｃａは、伝達スイッチＳＷｔａ、ＳＷｔｂとは排他的に制御される。つまり、放電スイッチＳＷｃａは、伝達スイッチＳＷｔａ、ＳＷｔｂがオンしている期間はオフし、伝達スイッチＳＷｔａ、ＳＷｔｂがオフしている期間はオンする。

計測部１４は、高電位ノードＮＨと低電位ノードＮＬとの間の電位差、つまりサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされた測定対象となっている電池セルの電圧を測定し、その検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。本実施の形態では、測定される電圧値はアナログ値であるが、計測部１４としてアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ（Analog/Digital）コンバータ）を用いることでデジタル値により示される検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。

スイッチ制御回路１５は、選択スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａ、ＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂ、伝達スイッチＳＷｔａ、ＳＷｔｂ、放電スイッチＳＷｃａ、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂ、ＳＷｃｃの開閉状態を制御する。また、スイッチ制御回路１５は、電圧検出回路１０の電源が投入された後に自動的に動作を開始し、セル１〜セル４の測定が順次行われるように制御対象のスイッチを制御する。また、スイッチ制御回路１５は、タイミング通知信号ｔｉｍを出力する。タイミング通知信号ｔｉｍは、他の回路（本実施の形態では結果記憶部１６）に現時点において測定中のセルを特定するための情報を与えるものである。なお、スイッチ制御回路１５は、外部からの制御信号に応じて動作する仕様であっても構わない。例えば、特定のセルを測定する指示を外部から制御信号により受け、スイッチ制御回路１５が当該制御信号に応じてスイッチを切り替え、指示されたセルの測定を行っても良い。

結果記憶部１６は、複数のレジスタ（本実施の形態ではレジスタ１〜４）を含み、レジスタに電池セル毎の測定結果を格納する。このとき、結果記憶部１６は、タイミング通知信号ｔｉｍにより、結果をいずれのレジスタに格納するかを決定する。結果記憶部１６は、通信端子Ｐｏｕｔ、Ｐｉｎにより外部と接続される。通信端子Ｐｉｎからは他の回路から読み出し命令が入力される。また通信端子Ｐｏｕｔからは結果記憶部１６に格納された値を出力する。つまり、結果記憶部１６は、他の回路からの読み出し命令に応じて、レジスタに格納されている電池セルの測定結果を出力する。

ここで、補正コンデンサＣｃの詳細について説明する。まず、本実施の形態では、測定電圧測定経路上に配置される選択スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａのドレイン側端子、第１の外部端子ＣＰ及び高電位側伝達スイッチＳＷｔａのドレイン側端子に、それぞれ寄生容量Ｃｐが付加される（図２参照）。この寄生容量Ｃｐは、接地端子ＶＳＳ側と電源端子ＶＣＣ側とにそれぞれ形成される。選択スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａのドレイン側端子及び伝達スイッチのドレイン側に付加される寄生容量Ｃｐは、スイッチを構成するトランジスタのドレイン端子に付加される寄生容量である。第１の外部端子ＣＰに付加される寄生容量Ｃｐは、例えば、電圧検出回路１０を格納するパッケージの端子容量、電圧検出回路１０の端子に設けられる静電破壊保護回路（又は保護ダイオード）のジャンクション容量、パッド容量等を含めた寄生容量である。

このように、電圧検出回路１０では、測定対象の電池セルの電圧を計測部１４に伝達する測定電圧伝達経路において多くの寄生容量が付加される。そこで、本実施の形態にかかる補正コンデンサＣｃは、上記寄生容量の容量値の総和に応じた値とする。以下では、補正コンデンサＣｃの容量値の決定するための具体的な説明をする。

まず、補正コンデンサＣｃを設けない場合に高電位ノードＮＨと低電位ノードＮＬとの間に発生する測定電圧Ｖｏ（電池セルの電圧）は、（１）式により示される。なお、（１）式は、セル１を測定する場合の式である。（１）式においてＶｉ１、Ｖｉ２は、セル１の正極側端子の電圧と接地端子ＶＳＳとの電位差及びセル１の負極極側端子の電圧と接地端子ＶＳＳとの電位差を示す値である。また、ΣＣｐは、寄生容量Ｃｐの容量値の総和を示すものであり、ＣｆはサンプリングコンデンサＣｆの容量値を示すものである。
Ｖｏ＝（Ｖｉ１−Ｖｉ２）＋（１／（１＋Ｃｆ／ΣＣｐ））＊Ｖｉ２・・・（１）
（１）式において第１項は測定対象の電池セルの電圧値の理想値であり、第２項は測定誤差を示す。

次に、補正コンデンサを設けた場合における測定電圧Ｖｏを（２）式に示す。なお、（２）式においてＮは高電位ノードＮＨに接続される補正コンデンサＣｃの数を示す値である。また、Ｃｃは、補正コンデンサＣｃの容量値を示すものである。
Ｖｏ＝（Ｖｉ１−Ｖｉ２）＋（（ΣＣｐ＋Ｎ＊Ｃｃ）＊Ｖｉ２−Ｎ＊Ｃｃ＊Ｖｉ１）
／（Ｃｆ＋ΣＣｐ＊Ｎ＊Ｃｃ）・・・（２）
（２）式においても第２項が測定誤差を示す。つまり、測定誤差をゼロにするためには第２項がゼロになるように補正コンデンサＣｃの値と高電位ノードＮＨに接続される補正コンデンサＣｃの数Ｎを決定すれば良い。つまり、補正コンデンサＣｃの数Ｎと補正コンデンサＣｃの容量値は（３）式で表すことができる。
Ｎ＝（ΣＣｐ／Ｃｃ）＊（Ｖｉ２／（Ｖｉ１−Ｖｉ２））・・・（３）

そこで、本実施の形態では、補正コンデンサＣｃの値を寄生容量Ｃｐの容量値の総和とする。従って、本実施の形態における補正コンデンサＣｃの容量値は（４）式により表される。
Ｃｃ＝ΣＣｐ・・・（４）
なお、寄生容量Ｃｐ又は寄生容量の総和ΣＣｐの大きさは、設計段階におけるシミュレーション、製品の出荷テストにおける測定による算出など様々な方法により求めることができる。なお、測定により寄生容量を求める場合は、１つの補正コンデンサＣｃの容量値をトリミング等の修正手段により変更できる回路構成としておくことが好ましい。

そして、（４）式を（３）式に代入すると、補正コンデンサＣｃの数Ｎは、（５）式により表される。
Ｎ＝（Ｖｉ２／（Ｖｉ１−Ｖｉ２））・・・（５）

ここで、通常の動作状態においては、電池セルの電圧は均一に制御され、電池セル間の電圧差に大きなばらつきはないものと考えられる。従って、（５）式より、セル１を測定する場合に高電位ノードＮＨに接続する補正コンデンサＣｃの数Ｎは３となる。同様に、セル２を測定する場合のＮは２となり、セル３を測定する場合のＮは１となる。

なお、セル４を測定する場合のＮはゼロとなる。これは、セル４を測定する場合は、フライングキャパシタ方式による測定に起因する誤差は生じないためである。より具体的に説明すると、セル４を測定する場合、サンプリングコンデンサＣｆへのセル４の電圧のサンプリング時と、その後の測定時において、サンプリングコンデンサＣｆの両端の電圧に変動が生じない。従って、セル４の測定時には、寄生容量Ｃｐに過大な電荷が蓄積されず、寄生容量Ｃｐに起因する測定誤差は生じない。

続いて、電圧検出回路１０の動作について説明する。図３に電圧検出回路１０の動作のタイミングチャートを示す。図３に示すように、電圧検出回路１０は、測定対象の電池セルをセル１からセル４の順で１つずつ測定する。そして、セル４の測定が終わると再度セル１から測定を開始する。ここで、以下の説明では１つの電池セルを測定する期間をサイクルと称し、図３においては５つのサイクル（Ｃｙ１〜Ｃｙ５）を示した。なお、図３の例では、各スイッチに対する制御信号を示したが、制御信号がロウレベルである場合スイッチはオフし、制御信号がハイレベルである場合スイッチはオンするものとする。

図３に示す例では、サイクルＣｙ１のタイミングｔ１において選択スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂがオンし、他の選択スイッチはオフする。これにより、セル１の正極側端子と負極側端子との間の電位差がサンプリングコンデンサＣｆにサンプリングされる。また、タイミングｔ１では、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ及び低電位側伝達スイッチＳＷｔｂがオフし、放電スイッチＳＷｃａがオンし、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂ、ＳＷｃｃがオンする。これにより、補正回路１３では、３つの補正コンデンサＣｃが高電位ノードＮＨに接続される。また、放電スイッチがオンしていることから、高電位ノードＮＨに接続された３つの補正コンデンサＣｃにそれ以前に蓄積されていた電荷は、接地端子ＶＳＳに放電される。

続いて、タイミングｔ２において、選択スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂがオフし、すべての選択スイッチがオフ状態となる。また、放電スイッチＳＷｃａもオフする。次いで、タイミングｔ３において高電位側伝達スイッチＳＷｔａ及び低電位側伝達スイッチＳＷｔｂがオンする。これにより、第１の外部端子ＣＰに接続されるサンプリングコンデンサＣｆの一方の端子が高電位ノードＮＨに接続され、第２の外部端子ＣＭに接続されるサンプリングコンデンサＣｆの他方の端子が低電位ノードＮＬに接続される。つまり、サンプリングコンデンサＣｆの他方の端子が接地電圧となり、サンプリングコンデンサＣｆの両端の間に保持されるセル１の電圧が高電位ノードＮＨに伝達される。また、このとき、寄生容量Ｃｐには、セル４の負極側端子の電位とセル２の正極側端子の電位との電位差に相当する電荷が過大電荷として蓄積されているが、伝達スイッチ１２が導通することでこの過大電荷は補正コンデンサＣｃに吸収される。これにより、上記（２）式で示した測定電圧Ｖｏの第２項はほぼゼロとなり、測定誤差がほぼ無くなる。その後、計測部１４は測定タイミングｍｅｓにおいて測定電圧Ｖｏを測定し、検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。また、検出電圧値信号ＯＵＴに基づきレジスタ１にセル１の電圧値が記憶される。サイクルＣｙ５は、サイクルＣｙ１の動作と同じになるため説明を省略する。

サイクルＣｙ２〜サイクルＣｙ４は、セル２〜セル４の測定に対応する期間である。サイクルＣｙ２〜サイクルＣｙ４の動作は実質的な動作はサイクルＣｙ１と同様であるため、以下では、大きく異なる部分のみを説明する。

サイクルＣｙ２では、タイミングｔ１〜ｔ２において、選択スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂがオンする。また、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂはオフし、容量値切り替えスイッチＳＷｃｃはオンする。つまり、サイクルＣｙ２では、高電位ノードＮＨに２つの補正コンデンサＣｃが接続される。そして、サイクルＣｙ２では、タイミングｔ１〜ｔ２の期間に２つの補正コンデンサＣｃの電荷が放電される。そして、タイミングｔ３〜ｔ４の測定期間では、補正回路１３の動作により誤差成分が除かれたセル２の電圧が測定される。

サイクルＣｙ３では、タイミングｔ１〜ｔ２において、選択スイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂがオンする。また、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂはオンし、容量値切り替スイッチＳＷｃｃはオフする。つまり、サイクルＣｙ３では、高電位ノードＮＨに１つの補正コンデンサＣｃが接続される。そして、サイクルＣｙ３では、タイミングｔ１〜ｔ２の期間に１つの補正コンデンサＣｃの電荷が放電される。そして、タイミングｔ３〜ｔ４の測定期間では、補正回路１３の動作により誤差成分が除かれたセル３の電圧が測定される。

サイクルＣｙ４では、タイミングｔ１〜ｔ２において、選択スイッチＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂがオンする。また、容量値切り替えスイッチＳＷｃｂ、ＳＷｃｃは共にオフする。つまり、サイクルＣｙ４では、高電位ノードＮＨに補正コンデンサＣｃは接続されない。そのため、サイクルＣｙ４では、タイミングｔ１〜ｔ２の期間に放電スイッチＳＷｃａがオンしても補正コンデンサＣｃからの電荷の放電は行われない。そして、タイミングｔ３〜ｔ４の測定期間では、セル４の電圧が測定される。なお、このセル４の測定では、上記で説明したように寄生容量Ｃｐによる測定誤差は生じない。

上記説明より、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０は、電池セルの電圧値をサンプリングするサンプリング期間において補正コンデンサＣｃに蓄積される電荷を放電する。そして、保持する電荷量がゼロになった補正コンデンサＣｃが接続される高電位ノードＮＨと低電位ノードＮＬにサンプリングコンデンサＣｆを接続する。これにより、電圧検出回路１０は、電池セルの電圧値をサンプリングするサンプリング期間において測定電圧伝達経路に付加される寄生容量Ｃｐに蓄積された過大な電荷は、測定期間において補正コンデンサＣｃにより吸収される。つまり、寄生容量Ｃｐに蓄積された過大な電荷が補正コンデンサＣｃに吸収されることで、この過大な電荷が測定電圧Ｖｏに与える影響が低減される。従って、電圧検出回路１０は、電池セルの電圧を高精度に測定することができる。

特に、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０は、測定する電池セルを切り替える毎に放電スイッチＳＷｃａによる補正コンデンサＣｃの放電を行う。これにより、電圧検出回路１０は、前測定サイクルにおいて補正コンデンサＣｃに吸収された電荷が現測定サイクルの測定に影響を及ぼすことがない。つまり、電圧検出回路１０は、いずれの測定サイクルにおいても高い測定精度を維持することができる。

また、本実施の形態にかかる電圧検出回路１０は、補正コンデンサＣｃの容量値を寄生容量Ｃｐの容量値の総和とする。これにより、上記（２）式の第２項で示される測定誤差を限りなくゼロに近づけることができる。なお、測定誤差を限りなくゼロとするためには、上記実施の形態において説明したように、測定対象の電池セルが測定対象の電池セル群の何番目の電池セルに該当するかに応じて、補正コンデンサＣｃの個数を切り替えることが好ましい。測定誤差は、測定対象の電池セルの負極側端子の電位と接地電位との電位差に比例した大きさを有するためである。

実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１において説明した電圧検出回路１０の変形例となる電圧検出回路１０ａについて説明する。図４に電圧検出回路１０ａの回路図を示す。図４に示すように、電圧検出回路１０ａは、スイッチ群１１、伝達スイッチ１２ａ、補正回路１３ａ、計測部１４、スイッチ制御回路１５ａ、結果記憶部１６、サンプリングコンデンサＣｆを有する。また、電圧検出回路１０は、電池セルとの接続端子Ｖ１〜Ｖ４、電源端子ＶＣＣ、接地端子ＶＳＳ、第１の外部端子ＣＰ、第２の外部端子ＣＭ、通信端子Ｐｏｕｔ、Ｐｉｎを有する。なお、図４に示す電圧検出回路１０ａにおいて電圧検出回路１０と同じ構成要素については、図２で示した電圧検出回路１０と同じ符号を付して説明を省略する。

伝達スイッチ１２ａは低電位側伝達スイッチＳＷｔｂと高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ４を有する。低電位側伝達スイッチＳＷｔｂの一方の端子は、サンプリングコンデンサＣｆの他方の端子と第２の外部端子ＣＭを介して接続され、他方の端子は、計測部１４の低電位側入力端子と接続される。高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ４は、測定対象となっているセル１〜セル４にそれぞれ対応するスイッチである。高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ４の一方の端子は、サンプリングコンデンサＣｆの一方の端子と第１の外部端子ＣＰを介して接続され、他方の端子は、計測部１４の高電位側入力端子と接続される。また、伝達スイッチ１２ａでは、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１は、高電位ノードＮＨ１を介して計測部１４と接続され、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ２は、高電位ノードＮＨ２を介して計測部１４と接続され、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ３は、高電位ノードＮＨ３を介して計測部１４と接続され、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ４は、高電位ノードＮＨ４を介して計測部１４と接続される。本実施の形態では、高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ４のいずれか１つと低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとが共にオン／オフ制御がなされる。

補正回路１３ａは、放電スイッチＳＷｃａ１〜ＳＷｃａ３、補正コンデンサＣｃを有する。補正回路１３ａにおいては、高電位ノードＮＨ１〜ＮＨ３と低電位ノードＮＬとの間にそれぞれ補正コンデンサＣｃが接続される。このとき、高電位ノードＮＨ１と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサは単位容量をＣｃで表現した場合、その３倍の３Ｃｃの容量値を有する。高電位ノードＮＨ２と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサは単位容量の２倍の２Ｃｃの容量値を有する。高電位ノードＮＨ３と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサは単位容量の１倍のＣｃの容量値を有する。

放電スイッチＳＷｃａ１は、高電位ノードＮＨ１と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサと並列に接続される。放電スイッチＳＷｃａ２は、高電位ノードＮＨ２と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサと並列に接続される。放電スイッチＳＷｃａ３は、高電位ノードＮＨ３と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサと並列に接続される。また、放電スイッチＳＷｃａ１〜ＳＷｃａ３は、それぞれ高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ３と開閉状態が排他的に制御される。また、補正コンデンサＣｃの単位容量は、実施の形態１において説明した（１）式〜（５）式により求められる。

計測部１４ａは、高電位ノードＮＨ１〜ＮＨ４のいずれか１つのノードと低電位ノードＮＬとの間の電位差、つまりサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされた測定対象となっている電池セルの電圧を測定し、その検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。このとき、計測部１４ａは、スイッチ制御回路１５ａから出力されるタイミング通知信号ｔｉｍに基づき測定すべき高電位ノードを選択する。

スイッチ制御回路１５ａは、実施の形態１におけるスイッチ制御回路１５と実質的に同じものであるが、伝達スイッチ１２ａのスイッチの増加に応じて制御対象とするスイッチの数を増加させたものである。また、スイッチ制御回路１５ａは、計測部１４ａに対してもタイミング通知信号ｔｉｍを出力する。

次に、電圧検出回路１０ａの動作について説明する。電圧検出回路１０ａの動作のタイミングチャートを図５に示す。図５に示すタイミングチャートは、図３において示した電圧検出回路１０の動作に対応するものである。図５に示すように、電圧検出回路１０ａのスイッチ群１１及び低電位側伝達スイッチＳＷｔｂの動作は、電圧検出回路１０と同じである。そこで、以下では、電圧検出回路１０とは異なる電圧検出回路１０ａの動作について特に説明を行う。

図５に示すように、サイクルＣｙ１では、セル１が選択されるため、タイミングｔ１〜ｔ２において放電スイッチＳＷｃａ１がオンする。これにより、高電位ノードＮＨ１と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサＣｃの放電が行われる。そして、タイミングｔ３〜ｔ４において高電位側伝達スイッチＳＷｔａ１と低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとがオンする。これにより、高電位ノードＮＨ１と低電位ノードＮＬとの間の電位差がサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされたセル１の電圧となる。また、タイミングｔ３〜ｔ４において、寄生容量Ｃｐに蓄積された過大電荷は補正コンデンサＣｃにより吸収される。そして、計測部１４ａは、測定タイミングｍｅｓにおいて高電位ノードＮＨ１と低電位ノードＮＬとの電位差を測定して検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。

サイクルＣｙ２では、セル２が選択されるため、タイミングｔ１〜ｔ２において放電スイッチＳＷｃａ２がオンする。これにより、高電位ノードＮＨ２と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサＣｃの放電が行われる。そして、タイミングｔ３〜ｔ４において高電位側伝達スイッチＳＷｔａ２と低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとがオンする。これにより、高電位ノードＮＨ２と低電位ノードＮＬとの間の電位差がサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされたセル２の電圧となる。また、タイミングｔ３〜ｔ４において、寄生容量Ｃｐに蓄積された過大電荷は補正コンデンサＣｃにより吸収される。そして、計測部１４ａは、測定タイミングｍｅｓにおいて高電位ノードＮＨ２と低電位ノードＮＬとの電位差を測定して検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。

サイクルＣｙ３では、セル３が選択されるため、タイミングｔ１〜ｔ２において放電スイッチＳＷｃａ３がオンする。これにより、高電位ノードＮＨ３と低電位ノードＮＬとの間に接続される補正コンデンサＣｃの放電が行われる。そして、タイミングｔ３〜ｔ４において高電位側伝達スイッチＳＷｔａ３と低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとがオンする。これにより、高電位ノードＮＨ３と低電位ノードＮＬとの間の電位差がサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされたセル３の電圧となる。また、タイミングｔ３〜ｔ４において、寄生容量Ｃｐに蓄積された過大電荷は補正コンデンサＣｃにより吸収される。そして、計測部１４ａは、測定タイミングｍｅｓにおいて高電位ノードＮＨ３と低電位ノードＮＬとの電位差を測定して検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。

サイクルＣｙ１では、セル４が選択される。このとき高電位ノードＮＨ４には放電スイッチが設けられていないため、タイミングｔ１〜ｔ２においてオンする放電スイッチはない。そして、タイミングｔ３〜ｔ４において高電位側伝達スイッチＳＷｔａ４と低電位側伝達スイッチＳＷｔｂとがオンする。これにより、高電位ノードＮＨ４と低電位ノードＮＬとの間の電位差がサンプリングコンデンサＣｆによりサンプリングされたセル４の電圧となる。計測部１４ａは、測定タイミングｍｅｓにおいて高電位ノードＮＨ４と低電位ノードＮＬとの電位差を測定して検出電圧値信号ＯＵＴを出力する。

上記説明より、電圧検出回路１０ａは、電圧検出回路１０の変形例を示すものであり、計測部１４ａによる電池セルの電圧測定を行う時点で寄生容量Ｃｐに蓄積された過大電荷を補正コンデンサＣｃにより吸収する動作は電圧検出回路１０と同様に行われる。つまり、実施の形態２にかかる電圧検出回路１０ａにおいても、実施の形態１にかかる電圧検出回路１０と同様に測定精度の向上が実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、スイッチ制御回路による測定シーケンスは、製品の仕様に応じて適宜変更することが可能である。また、測定結果の格納及び出力方法も製品の仕様に応じて適宜変更することが可能である。

実施の形態１にかかる電源監視装置のブロック図である。 実施の形態１にかかる電圧検出回路の回路図である。 実施の形態１にかかる電圧検出回路の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１にかかる電圧検出回路の回路図である。 実施の形態１にかかる電圧検出回路の動作を示すフローチャートである。 従来の電圧検出回路の回路図である。

符号の説明

１ 電源監視装置
１０、１０ａ 電圧検出回路
１１ スイッチ群
１２、１２ａ 伝達スイッチ
１３、１３ａ 補正回路
１４、１４ａ 計測部
１５、１５ａ スイッチ制御回路
１６ 結果記憶部
Ｃｃ 補正コンデンサ
Ｃｆ サンプリングコンデンサ
Ｃｐ 寄生容量
ＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａ、ＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂ 選択スイッチ
ＳＷｃａ 放電スイッチ
ＳＷｃｂ 容量値切り替えスイッチ
ＳＷｔａ、ＳＷｔａ１〜ＳＷｔａ４ 高電位側伝達スイッチ
ＳＷｔｂ 低電位側伝達スイッチ
ＣＰ、ＣＭ 外部端子
ＶＣＣ 電源端子
ＶＳＳ 接地端子
Ｖ１〜Ｖ４ 接続端子
Ｐｏｕｔ、Ｐｉｎ 通信端子
ＮＨ、ＮＨ１〜ＮＨ４ 高電位ノード
ＮＬ 低電位ノード
ＯＵＴ 検出電圧値信号
ｔｉｍ タイミング通知信号

Claims (11)

1. 直列に接続された複数の電池セルのうちいずれか１つを選択するスイッチ群と、
   前記スイッチ群により選択された電池セルの正極側端子と負極側端子との間の電位差を保持するサンプリングコンデンサと、
   前記サンプリングコンデンサの両端の電位差に応じた検出電圧値信号を出力する計測部と、
   前記サンプリングコンデンサの両端に生じた電位差を前記計測部に転送する伝達スイッチと、
   前記伝達スイッチと前記計測部との間において前記計測部の入力端子と並列に設けられる補正コンデンサと、を有し、
   前記補正コンデンサは、前記複数の電池セルのうち高電位側に接続される電池セルを測定する場合に容量値が大きくなるように容量値が切り替えられ、
   前記補正コンデンサの容量値は、前記サンプリングコンデンサの高電位側の端子と前記計測部の高電位側入力端子とを接続する高電位側伝達スイッチに対応する電池セルの正極側端子の電位と最も低電位側に接続される電池セルの負極側端子の電位との電位差に応じて決定される電圧検出回路。
2. 前記補正コンデンサは、前記伝達スイッチに付加される寄生容量の容量値に応じた容量値を有する請求項１に記載の電圧検出回路。
3. 前記補正コンデンサと並列に設けられ、開閉状態が前記伝達スイッチと排他的に制御される放電スイッチを有する請求項１又は２に記載の電圧検出回路。
4. 前記補正コンデンサは、前記複数の電池セルのうち最も低電位側に接続される電池セルを測定する場合に前記伝達スイッチ及び前記計測部から切り離される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電圧検出回路。
5. 前記サンプリングコンデンサは、前記電圧検出回路に対して外付けされるコンデンサであって、前記サンプリングコンデンサが接続される第１、第２の外部端子を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電圧検出回路。
6. 前記補正コンデンサは、前記伝達スイッチ及び前記第１、第２の外部端子に付加される寄生容量の容量値に応じた容量値を有する請求項５に記載の電圧検出回路。
7. 前記スイッチ群に含まれるスイッチ回路と、前記伝達スイッチと、の開閉状態を制御するスイッチ制御回路を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電圧検出回路。
8. 前記伝達スイッチは、
   前記サンプリングコンデンサの低電位側の端子と前記計測部の低電位側入力端子とを接続する低電位側伝達スイッチと、
   前記サンプリングコンデンサの高電位側の端子と前記計測部の高電位側入力端子とを接続する高電位側伝達スイッチと、
   を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電圧検出回路。
9. 前記伝達スイッチは、
   前記サンプリングコンデンサの低電位側の端子と前記計測部の低電位側入力端子とを接続する低電位側伝達スイッチと、
   前記サンプリングコンデンサの高電位側の端子と前記計測部の高電位側入力端子とを接続し、前記複数の電池セルの個数に対応した数の複数の高電位側伝達スイッチと、
   前記補正コンデンサと並列に設けられ、開閉状態が前記伝達スイッチと排他的に制御される複数の放電スイッチと、を有し、
   前記複数の高電位側伝達スイッチのうち最も低電位側に接続される電池セルに対応した高電位側伝達スイッチを除く高電位側伝達スイッチにはそれぞれ前記補正コンデンサ及び前記放電スイッチが接続される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電圧検出回路。
10. 前記補正コンデンサの容量値は、前記補正コンデンサが接続される前記高電位側伝達スイッチに対応する電池セルの正極側端子の電位と最も低電位側に接続される電池セルの負極側端子の電位との電位差に応じて決定される請求項９に記載の電圧検出回路。
11. 前記計測部が測定した前記複数の電池セルの電圧値をそれぞれ格納するレジスタを有し、
    前記電圧検出回路は、所定のサイクルで前記複数の電池セルを順次測定し、該測定の結果を前記レジスタに格納し、
    他の回路からの要求に応じて前記レジスタに格納された値を出力する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電圧検出回路。

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