JP6376722B2 - 電池電圧検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム電池などの二次電池の保護回路に関し、特にマルチプレクサを用いた保護回路の電池電圧検出回路に関する。

一般的に、リチウム電池などの２次電池には、過充電や過放電などから保護するために保護回路が用いられる。保護回路は電池の電圧を検知するための電圧検知手段を備えるが、直列に接続された複数の電池を保護する場合には、それぞれの電池に対応する複数の電圧検知手段が必要となり、回路の大規模化・高耐圧化が行われている。

図２に従来のマルチプレクサを用いた電池電圧検出回路の回路図を示す。従来のマルチプレクサを用いた電池電圧検出回路は、電池電源装置１１と、電池１１ａと、スイッチ２１、２２、２３、２４と、フライングキャパシタ２８、２９と、アンプ２５と、Ａ／Ｄ変換機２６と、制御装置３０を備えている。スイッチ２１は常開接点２１ａ、２１ｂで、スイッチ２３は常開接点２３ａ、２３ｂで、スイッチ２４は常開接点２４ａ、２４ｂで構成される。

電池１１ａの電圧を検出するに際して、スイッチ２１〜２４がオフ（開）状態とされる。このような状態で、まず、スイッチ２１がオン状態とされ、常開接点２１ａ、２１ｂがそれぞれ閉状態とされる。これにより、電池１１ａにおける電圧が、直列接続されたフライングキャパシタ２８、２９に印加され電荷が蓄積される。

スイッチ２１が、所定時間にわたってオンされた後、スイッチ２１はオフ状態とされ、常開接点２１ａ、２１ｂが、それぞれ開状態になる。これにより、フライングキャパシタ２８、２９には、電池１１ａの電圧に相当する電荷が蓄積される。

その後、スイッチ２２とスイッチ２４がオンされ、スイッチ２２のオンによりフライングキャパシタ２８、２９の接続点がグラウンドに接続された状態になり０Ｖに固定される。また、スイッチ２４がオンされて、常開接点２４ａ、２４ｂがそれぞれ閉状態になることにより、アンプ２５の反転入力端子がアンプ２５の出力と同電位（０Ｖ）に固定され、非反転入力端子の電圧がグラウンド（０Ｖ）に固定される。

その後、スイッチ２３がオンされ、常開接点２３ａ、２３ｂがそれぞれ閉状態になる。これにより、フライングキャパシタ２８、２９が、それぞれ、アンプ２５の反転入力端子および非反転入力端子にそれぞれ接続された状態になるが、スイッチ２４がオンした状態になっているために、それぞれの端子の電圧が固定されており、アンプ２５の各端子には、フライングキャパシタ２８、２９の電圧が印加されない。

その後、スイッチ２４がオフされ、アンプ２５の各端子における電圧の固定が解除されることで、アンプ２５にフライングキャパシタ２８、２９にて蓄積された電圧が印加される。アンプ２５の各入力端子における電圧が０Ｖに固定された状態で、フライングキャパシタ２８、２９の電圧が印加されるために、各入力端子の電圧が許容範囲を超えるおそれや、アンプ２５の出力が飽和するおそれがなく、フライングキャパシタ２８、２９から印加される電圧を正確に検出することができる。しかも、アンプ２５に入力される電圧が許容範囲を超えるおそれがないために、アンプ２５の劣化および破壊が防止される。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２０１５４８号公報

しかしながら、従来技術では、スイッチ２２がオンした瞬間にスイッチ２２とフライングキャパシタ２８、２９の間に発生する寄生容量へ電荷が移動し、フライングキャパシタ２８、２９の保持電圧が変化して電圧検出精度が悪化するという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、マルチプレクサ方式を用いた電池電圧検出回路において、寄生容量による検知電圧ズレの影響を低減し検知電圧精度を向上させる事を実現するものである。

従来の課題を解決するために、本発明の電池電圧検出回路は以下のような構成とした。
直列に接続された複数の電池の電圧を監視するための電池電圧検出回路であって、フライングキャパシタと、フライングキャパシタを複数の電池に順次接続するマルチプレクサスイッチと、フライングキャパシタの電圧を検知する電圧検知手段と、フライングキャパシタの一方の端子に接続される第一の基準電位接続手段と、フライングキャパシタの他方の端子に接続される第二の基準電位接続手段と、マルチプレクサスイッチと第一の基準電位接続手段と第二の基準電位接続手段を制御する制御回路を備える。

本発明の電池電圧検出回路によれば、寄生容量による電池の検知電圧の影響を低減して、検知電圧の精度を向上させることが可能となる。

第一の実施形態の電池電圧検出回路の回路図である。 第二の実施形態の電池電圧検出回路の回路図である。 従来の電池電圧検出回路の回路図である。

以下、本実施形態について図面を参照して説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は第一の実施形態の電池電圧検出回路の回路図である。本実施形態の電池電圧検出回路は、電池列１００と、電池電圧検出回路２００で構成されている。電池列１００は、電池１００＿１、１００＿２、１００＿３、１００＿４で構成されている。電池電圧検出回路２００は、マルチプレクサスイッチ２１０と、フライングキャパシタ２４０と、スイッチ２８０、２８１と、定電流回路２９０、２９１と、アンプ２５０と、コンパレータ２６０と、基準電圧回路２７０と、制御回路２２０と、抵抗２７１と、ＶＤＤ端子と、ＶＳＳ端子で構成されている。マルチプレクサスイッチ２１０は、スイッチ２１０＿１と、２１０＿２と、２１０＿３と、２１０＿４と、２１０＿５と、２１０＿６と、２１０＿７と、２１０＿８で構成されている。フライングキャパシタ２４０の一端をノードＡ、他端をノードＢとする。

電池１００＿１の正極はＶＤＤ端子及びスイッチ２１０＿１の一方の端子に接続され、負極は電池１００＿２の正極及びスイッチ２１０＿２とスイッチ２１０＿３の一方の端子
に接続される。スイッチ２１０＿１とスイッチ２１０＿２のもう一方の端子はノードＡに接続され、スイッチ２１０＿３のもう一方の端子はノードＢに接続される。電池１００＿３の正極は電池１００＿２の負極及びスイッチ２１０＿４とスイッチ２１０＿５の一方の端子に接続され、負極は電池１００＿４の正極及びスイッチ２１０＿６とスイッチ２１０＿７の一方の端子に接続される。スイッチ２１０＿４とスイッチ２１０＿６のもう一方の端子はノードＡに接続され、スイッチ２１０＿５とスイッチ２１０＿７のもう一方の端子はノードＢに接続される。

スイッチ２１０＿８の一方の端子はＶＳＳ端子及び電池１００＿４の負極に接続され、もう一方の端子はノードＢに接続される。スイッチ２８０の一方の端子は定電流回路２９０に接続され、もう一方の端子はノードＡに接続される。定電流回路２９０のもう一方の端子はＶＤＤ端子に接続される。スイッチ２８１の一方の端子は定電流回路２９１に接続され、もう一方の端子はノードＢに接続される。定電流回路２９１のもう一方の端子はＶＤＤ端子に接続される。アンプ２５０は、反転入力端子は抵抗２７１に接続され、非反転入力端子はノードＢに接続され、出力は抵抗２７１のもう一方の端子とコンパレータ２６０の反転入力端子に接続される。コンパレータ２６０の非反転入力端子は基準電圧回路２７０の負極に接続され、基準電圧回路２７０の正極はＶＤＤ端子に接続される。アンプ２５０とコンパレータ２６０と基準電圧回路２７０と抵抗２７１は、電圧検知手段を構成する。スイッチ２８０、２８１、およびマルチプレクサスイッチ２１０は制御回路２２０によってオンオフを制御される。ノードＢには寄生容量２３０が存在している。

動作について説明する。フライングキャパシタ２４０は電池列１００の中のいずれかの電池と並列になるように制御回路２２０の信号で制御される。制御回路２２０の信号により、スイッチ２１０＿１とスイッチ２１０＿３がオン、他のスイッチがオフされ電池１００＿１とフライングキャパシタ２４０が接続される。フライングキャパシタ２４０は電池１００＿１と同じ電圧（Ｖ０）まで充電され、その後、制御回路２２０の信号によって、スイッチ２１０＿１とスイッチ２１０＿３がオフとなり電池１００＿１とフライングキャパシタ２４０は切り離される。

次に制御回路２２０の信号によって、スイッチ２８０がオンされるとノードＡは定電流回路２９０によってプルアップされ、ＶＤＤ端子の電圧（ＶＤＤ）となる。ノードＢの電圧はＶＤＤ−Ｖ０となり、アンプ２５０の非反転入力端子にＶＤＤ−Ｖ０の電圧が印加される。アンプ２５０の出力にはＶＤＤ−Ｖ０の電圧が出力されるため、コンパレータ２６０にて基準電圧回路２７０の電圧（比較電圧）とＶＤＤ−Ｖ０の電圧を比較することでフライングキャパシタ２４０の電圧が比較電圧より高いか低いかを検出することができる。すなわち、電池１００＿１の電圧と比較電圧とを比較し高いか低いかを検出することができる。ここまでの動作を他の電池にも行うことですべての電池の電圧を監視することができる。

ノードＢに寄生容量２３０が存在する場合について考える。電池列１００の電池はいずれもＶ０であるとし、フライングキャパシタ２４０を最下端の電池１００＿４に接続する。この時、ノードＢの電圧はＶＳＳであり寄生容量２３０の電圧は０Ｖになる。マルチプレクサスイッチ２１０のすべてのスイッチをオフしてフライングキャパシタ２４０をオープンにした後、スイッチ２８０をオンすると、ノードＡは定電流回路２９０によりプルアップされる。寄生容量２３０は定電流回路２９０により充電され、この充電電流はフライングキャパシタ２４０を経由して流れるため、フライングキャパシタ２４０の保持電圧はＶ０よりも高くなる。最終的にノードＡの電圧がＶＤＤと等しくなった時のフライングキャパシタ２４０の電圧は次の式の通りとなる。

Ｖ０＋Ｃｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０
ここで、Ｃはフライングキャパシタ２４０の容量値、Ｃｘは寄生容量２３０の容量値を示す。フライングキャパシタ２４０の電圧のズレ幅は第二項のＣｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０となる。ここでＣｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）はフライングキャパシタ２４０と寄生容量２３０の容量比であり、３Ｖ０はノードＡが最下端の電池１００に接続されている状態からＶＤＤへプルアップされるまでの電圧移動幅を表す。

従ってフライングキャパシタ２４０の容量値と比較して寄生容量２３０の容量値が大きいほどズレ量は大きく、また電圧を監視する電池が基準電位から遠いほどズレ量は大きくなることがわかる。

電池電圧監視回路がＩＣ上に集積されている場合を想定し、フライングキャパシタ２４０の容量値として１０ｐＦ、寄生容量２３０の容量値として１００ｆＦと仮定する。電池電圧はすべて４．０Ｖであり、図１の通り４直列に接続されているとする。このときの最下端の電池電圧を検知する際に生じるズレ量は、
１００ｆＦ／（１００ｐＦ＋１００ｆＦ）×３×４．０＝１２ｍＶ
となる。一般的なリチウム電池の過充電検出電圧には±２０ｍＶ程度の精度が要求されるため、上記のズレ量は電池電圧検出回路の精度性能に著しい悪影響を及ぼす。

寄生容量２３０の影響を低減させるため、マルチプレクサスイッチ２１０のすべてのスイッチをオフしてフライングキャパシタ２４０をオープンにした後、スイッチ２８０、２８１を同時にオンする。こうすることで定電流回路２９０だけでなく定電流回路２９１も寄生容量２３０の充電に寄与することができる。ノードＡの電位がＶＤＤになると、制御回路２２０により、スイッチ２８１はオフされるように制御される。すると定電流回路２９１はフライングキャパシタ２４０を充電しないため、フライングキャパシタ２４０の電圧ズレを引き起こさない。

ノードＡがＶＤＤに到達するまでに、定電流回路２９０ではなく、定電流回路２９１が寄生容量２３０を充電する割合が大きいほど、フライングキャパシタ２４０に生じるズレは小さくなる。従って、電圧検出精度を上げるためには定電流回路２９０よりも定電流回路２９１の電流量が大きい方が望ましい。定電流回路２９０、２９１の電流値が同じだった場合、フライングキャパシタ２４０の電圧のズレ幅はＣｘ／（２Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０となり、等価的にフライングキャパシタ２４０の容量値を大きくすることと同じ効果を得ることができる。

なお、フライングキャパシタ２４０の電圧を検出するためにアンプ２５０を用いて説明したが、アンプにこだわることなくフライングキャパシタ２４０の電圧を検出できる構成であればどのような構成であってもよい。

また、フライングキャパシタ２４０をプルアップし、寄生容量２３０を充電するために定電流回路２９０、２９１を用いて説明したが、定電流回路にこだわることなく抵抗や、ＶＤＤに直接接続するなど、フライングキャパシタ２４０をプルアップし、寄生容量２３０を充電できる構成であればどのようなものであってもよい。

以上により、第一の実施形態の電池電圧検出回路は定電流回路２９１を用いて寄生容量２３０を充電することで電圧検出精度を向上させることができる。また、フライングキャパシタ２４０を大きくすることなく実現できるため、レイアウト面積を小さくすることもできる。

＜第二の実施形態＞
図２は第二の実施形態の電池電圧検出回路の回路図である。図1との違いはスイッチ３００を追加した点である。接続に関しては、スイッチ３００は、一方の端子はスイッチ２８１とフライングキャパシタ２４０の接続点に接続され、もう一方はアンプ２５０の非反転入力端子に接続され、制御回路２２０によってオンオフを制御される。

動作について説明する。フライングキャパシタ２４０は電池列１００の中のいずれかの電池と並列になるように制御回路２２０の信号で制御される。制御回路２２０の信号により、スイッチ２１０＿１とスイッチ２１０＿３がオン、他のスイッチがオフされ電池１００＿１とフライングキャパシタ２４０が接続される。フライングキャパシタ２４０は電池１００＿１と同じ電圧（Ｖ０）まで充電され、その後、制御回路２２０の信号によって、スイッチ２１０＿１とスイッチ２１０＿３がオフとなり電池１００＿１とフライングキャパシタ２４０は切り離される。

次に制御回路２２０の信号によって、スイッチ２８０がオンされるとノードＡは定電流回路２９０によってプルアップされ、ＶＤＤ端子の電圧（ＶＤＤ）となる。ノードＢの電圧はＶＤＤ−Ｖ０となり、制御回路２２０の信号によってスイッチ回路３００をオンさせると、アンプ２５０の非反転入力端子にＶＤＤ−Ｖ０の電圧が印加される。アンプ２５０の出力にはＶＤＤ−Ｖ０の電圧が出力されるため、コンパレータ２６０にて基準電圧回路２７０の電圧（比較電圧）とＶＤＤ−Ｖ０の電圧を比較することでフライングキャパシタ２４０の電圧が比較電圧より高いか低いかを検出することができる。すなわち、電池１００＿１の電圧と比較電圧とを比較し高いか低いかを検出することができる。ここまでの動作を他の電池にも行うことですべての電池の電圧を監視することができる。

ノードＢに寄生容量２３０が存在する場合について考える。電池列１００の電池はいずれもＶ０であるとし、フライングキャパシタ２４０を最下端の電池１００＿４に接続する。この時、ノードＢの電圧はＶＳＳであり寄生容量２３０の電圧は０Ｖになる。マルチプレクサスイッチ２１０のすべてのスイッチをオフしてフライングキャパシタ２４０をオープンにした後、スイッチ２８０をオンすると、ノードＡは定電流回路２９０によりプルアップされる。寄生容量２３０は定電流回路２９０により充電され、この充電電流はフライングキャパシタ２４０を経由して流れるため、フライングキャパシタ２４０の保持電圧はＶ０よりも高くなる。最終的にノードＡの電圧がＶＤＤと等しくなった時のフライングキャパシタ２４０の電圧は次の式の通りとなる。

Ｖ０＋Ｃｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０
ここで、Ｃはフライングキャパシタ２４０の容量値、Ｃｘは寄生容量２３０の容量値を示す。フライングキャパシタ２４０の電圧のズレ幅は第二項のＣｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０となる。ここでＣｘ／（Ｃ＋Ｃｘ）はフライングキャパシタ２４０と寄生容量２３０の容量比であり、３Ｖ０はノードＡが最下端の電池１０１に接続されている状態からＶＤＤへプルアップされるまでの電圧移動幅を表す。

従ってフライングキャパシタ２４０の容量値と比較して寄生容量２３０の容量値が大きいほどズレ量は大きく、また電圧を監視する電池が基準電位から遠いほどズレ量は大きくなることがわかる。

電池電圧監視回路がＩＣ上に集積されている場合を想定し、フライングキャパシタ２４０の容量値として１０ｐＦ、寄生容量２３０の容量値として１００ｆＦと仮定する。電池電圧はすべて４．０Ｖであり、図１の通り４直列に接続されているとする。このときの最下端の電池電圧を検知する際に生じるズレ量は、
１００ｆＦ／（１００ｐＦ＋１００ｆＦ）×３×４．０＝１２ｍＶ
となる。一般的なリチウム電池の過充電検出電圧には±２０ｍＶ程度の精度が要求されるため、上記のズレ量は電池電圧検出回路の精度性能に著しい悪影響を及ぼす。

寄生容量２３０の影響を低減させるため、マルチプレクサスイッチ２１０のすべてのスイッチとスイッチ３００をオフしてフライングキャパシタ２４０をオープンにした後、スイッチ２８０、２８１を同時にオンする。こうすることで定電流回路２９０だけでなく定電流回路２９１も用いて寄生容量２３０を充電することができる。定電流回路２９１はフライングキャパシタ２４０を充電しないため、フライングキャパシタ２４０の電圧ズレを引き起こさない。また、制御回路２２０により、スイッチ２８１はノードＡがＶＤＤに到達したとき、または到達する前にオフされる。

ノードＡがＶＤＤに到達するまでに、定電流回路２９０ではなく、定電流回路２９１が寄生容量２３０を充電する割合が大きいほど、フライングキャパシタ２４０に生じるズレは小さくなる。従って、電圧検出精度を上げるためには定電流回路２９０よりも定電流回路２９１の電流量が大きい方が望ましい。定電流回路２９０、２９１の電流値が同じだった場合、フライングキャパシタ２４０の電圧のズレ幅はＣｘ／（２Ｃ＋Ｃｘ）×３Ｖ０となり、等価的にフライングキャパシタ２４０の容量値を大きくすることと同じ効果を得ることができる。

フライングキャパシタ２４０をプルアップ中、スイッチ３００をオフすることでスイッチ２８１からアンプ２５０の入力端子までに存在する寄生容量やアンプ２５０の入力トランジスタのゲート容量の影響を除去することができる。このため、スイッチ３００を用いることで寄生容量２３０の影響が低減され、電圧検出精度を向上させることができるようになる。

なお、フライングキャパシタ２４０の電圧を検出するためにアンプ２５０を用いて説明したが、アンプにこだわることなくフライングキャパシタ２４０の電圧を検出できる構成であればどのような構成であってもよい。

また、フライングキャパシタ２４０をプルアップし、寄生容量２３０を充電するために定電流回路２９０、２９１を用いて説明したが、定電流回路にこだわることなく、ＶＤＤに直接あるいは抵抗を介して接続する等フライングキャパシタ２４０をプルアップし、寄生容量２３０を充電できる構成であればどのようなものであってもよい。

以上により、本実施形態の電池電圧検出回路は定電流回路２９１を用いて寄生容量２３０を充電することで電圧検出精度を向上させることができる。また、フライングキャパシタ２４０を大きくすることなく実現できるため、レイアウト面積を小さくすることもできる。さらに、アンプやその他の寄生容量やゲート容量の影響を除去できさらに電圧検出精度を向上させることができる。

１１ 電池電源装置
１１ａ 電池
２１、２２、２３、２４ スイッチ
２８、２９ フライングキャパシタ
２５ アンプ
２６ Ａ／Ｄ変換機
３０ 制御装置
２１ａ、２１ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 常開接点
１００ 電池列
１００＿１〜１００＿４ 電池
２００ 電池電圧検出回路
２１０ マルチプレクサスイッチ
２１０＿１〜２１０＿８、２８０、２８１、３００ スイッチ
２２０ 制御回路
２３０ 寄生容量
２４０ フライングキャパシタ
２５０ アンプ
２６０ コンパレータ
２７０ 比較電圧発生回路
２９０、２９１ 定電流

Claims (2)

1. 直列に接続された複数の電池の電圧を監視するための電池電圧検出回路であって、
   フライングキャパシタと、
   前記フライングキャパシタを前記複数の電池に順次接続するマルチプレクサスイッチと、
   前記フライングキャパシタの電圧を比較電圧と比較する電圧検知手段と、
   前記フライングキャパシタの一方の端子と基準電位端子の間に接続される第一の基準電位接続手段と、
   前記フライングキャパシタの他方の端子と前記基準電位端子の間に接続される第二の基準電位接続手段と、
   前記マルチプレクサスイッチと前記第一の基準電位接続手段と前記第二の基準電位接続手段を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記マルチプレクサスイッチをオフにした後、前記第一の基準電位接続手段と前記第二の基準電位接続手段をオンし、
   前記第一の基準電位接続手段が接続された前記フライングキャパシタの端子電位が基準電位と同電位になると、前記第二の基準電位接続手段をオフするように制御する事を特徴とする電池電圧検出回路。
2. 前記フライングキャパシタと前記電圧検知手段の間に、前記制御回路で制御される第一のスイッチを、さらに備えた事を特徴とする請求項１に記載の電池電圧検出回路。

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