セル電圧測定装置
【課題】複数のセルを積層した場合、低電位側の電圧が高くなり、個々のセルの電圧を正確に測定することができないという問題があった。
【解決手段】本発明のセル電圧測定装置（２）は、複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子（ｑ1〜ｑN+1）と、端子のうちセルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部（４０1〜４０N）と、端子対のうちセルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチ（ＳＷ1〜ＳＷN）と、を有し、スイッチは、電圧測定部がセルの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとを接続する、ことを特徴とする。
【解決手段】本発明のセル電圧測定装置（２）は、複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子（ｑ1〜ｑN+1）と、端子のうちセルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部（４０1〜４０N）と、端子対のうちセルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチ（ＳＷ1〜ＳＷN）と、を有し、スイッチは、電圧測定部がセルの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとを接続する、ことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル電圧測定装置に関し、特に複数のセルを直列に接続した電池を構成する個々のセルの電圧を測定するセル電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や、ハイブリッド自動車においては、モータの電源として、リチウムイオン電池等の２次電池からなる複数のセルを直列に接続して所望の電圧を得るように積層（スタック）したスタック型の電池が用いられている。このようなスタック型の電池においては、自動車の外部に設置した給電設備から自動車に供給された電力や、モータで回生された電力を個々のセルに貯蔵できるようになっている。また、個々のセルの電圧は、充電又は放電により変動する。
【０００３】
ここで、セルが過放電されたり過充電されたりすると、セルの特性に悪影響を及ぼし、ひいては電池のモータを駆動する能力が低下することとなる。そのため、スタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を監視することが重要であり、個々のセルの電圧を測定することができるセル電圧測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
図１に従来のセル電圧測定装置の構成を示す。従来のセル電圧測定装置は、複数のセルを直列接続した電池１１０の中から任意の電池セルＢＴi（i=1〜N）を選択してその電圧を第１および第２のモニタ端子Ａ，Ｂ間に取り出すための一群の選択スイッチ１１８と、セル電圧−モニタ電流変換回路１２０と、モニタ電流−モニタ電圧変換回路１２２と、比較判定回路１２４と、判定信号出力回路１２６と、異常検出制御回路１２８とを有している。このような構成により、任意の電池セルＢＴiに対するモニタサイクルの開始直後で、セル電圧異常検出回路１１４が働いて、セル電圧Ｖiが正常範囲から外れているか否かを検査するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６９０５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、スタック型のセルの上層部のセルは、下層部のセルに比べて、低電位側の電圧が高くなる。例えば１つのセルの電圧が約2[V]である場合に、１層目セルの低電位側の電圧は0[V]であるのに対し、３１層目のセルの低電位側の電圧は、その下層に３０個のセルが積層されているので、約60[V]となる。このように低電位側の電圧が高くなる状況は、上層部において顕著となり、このような場合には、以下に述べるように、個々のセルの電圧を正確に測定することができなくなるという問題があった。
【０００７】
図２を用いて従来の電圧測定回路を用いてスタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を測定する方法について説明する。ここでは、電圧測定回路として差動増幅回路を用いてセルの電圧を測定する場合を例にとって説明する。スタック型の電池１は、セルＣ1〜ＣNが直列接続されており、個々のセル同士はセルの両端に設けられた接続部ｊ1〜ｊN+1のうちｊ2〜ｊNにより接続されている。各接続部ｊ1〜ｊN+1にはセルの電圧Ｖ1〜ＶNを測定するためのセル側端子ｐ1〜ｐN+1が設けられている。
【０００８】
さらに、セル側端子ｐ1〜ｐN+1は、電圧測定回路４０の端子ｑ1〜ｑN+1に接続されている。ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnを測定する場合には、セル側端子ｐn及びｐn+1と、電圧測定回路４０の端子ｑn及びｑn+1とを介して、セルＣnの両側の端子ｊn及びｊn+1をそれぞれ電圧測定回路４０内のオペアンプＡの反転入力端子（＋）及び非反転入力端子（−）に接続し、出力電圧Ｖoutnの値を測定する。ここで、出力電圧Ｖoutnはセル電圧Ｖnを用いて以下の式で求められる。
【０００９】
【数１】
ここで、ここで、Ｒa、Ｒb、Ｒc、Ｒdは、電圧測定回路４０に設けられた抵抗、ΣＶmはオフセット電圧と呼ばれ、電圧測定対象のセルＣnの下層に積層されているセルＣ1〜Ｃn-1の電圧Ｖ1〜Ｖn-1の総和である。
【００１０】
式（１）より、出力電圧Ｖoutnとセル電圧Ｖnとの差である測定誤差ΔＶnは以下の式で求められる。
【００１１】
【数２】
【００１２】
式（２）から分かるように、オフセット電圧ΣＶmが0[V]であればΔＶnも0[V]となる。例えば、Ｒa、Ｒdを500.25kΩ、Ｒb、Ｒcを499.75kΩとした場合、最下位層（ｎ＝１）のセルの電圧測定時の誤差ΔＶ1はΣＶmが0[V]であるため、式（２）からΔＶ1は0[V]となる。一方、３０個のセルを積層した場合、その上の３１層目（ｎ＝３１）のセル電圧の電圧測定時の誤差ΔＶ31は、１つのセル電圧を2[V]とするとΣＶmが60[V]となるため、式（２）からΔＶ31は60[mV]となる。個々のセルの電圧の許容測定誤差を50[mV]とすると、オフセット電圧ΣＶmが存在することにより許容測定誤差を超える誤差がセル電圧の測定の際に生じる場合があることとなる。
【００１３】
そこで、本発明では、複数のセルを積層した場合であっても、セルの電圧を正確に測定することができるセル電圧測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のセル電圧測定装置は、複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子と、端子のうちセルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部と、端子対のうちセルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、を有し、スイッチは、電圧測定部がセルの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとを接続する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数のセルを積層した場合であっても、セルの電圧を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のセル電圧測定装置の構成図である。
【図２】スタック型の電池と、スタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を測定するセル電圧測定回路の構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置によるセル電圧測定方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、電圧測定部に差動増幅回路を用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、グランド接続切替スイッチに半導体リレーを用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、オフセット電圧が低電位である場合のグランド接続切替スイッチの動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、オフセット電圧が高電位である場合のグランド接続切替スイッチの動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置によるセル電圧測定方法を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置において、電圧測定部に差動増幅回路を用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係るセル電圧測定装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【実施例１】
【００１８】
図３に本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置を示す。セル電圧測定装置２は、グランド接続切替スイッチ３と、電圧測定ユニット４と、制御部５と、記憶部６と、セル電圧演算部７と、データ送信部８と、切替スイッチ制御部９と、を有する。電池１は複数のセルＣ1〜ＣNが直列に接続されて積層（スタック）されており、各セル同士は、セルの両端に設けられた接続部ｊ1〜ｊN+1のうちのｊ2〜ｊNを介して接続されている。セルの接続部ｊ1〜ｊN+1には、個々のセルの電圧を測定するためのセル側端子ｐ1〜ｐN+1が設けられており、セル側端子ｐ1〜ｐN+1は、セルの接続部ｊ1〜ｊN+1に対応して設けられた、セル電圧測定装置２内のグランド接続切替スイッチ３の端子ｑ1〜ｑN+1にそれぞれ接続されている。このように、セル電圧測定装置２の端子ｑ1〜ｑN+1は、複数のセルＣ1〜ＣNを直列接続する複数の接続部ｊ1〜ｊN+1に各々設けられている。
【００１９】
電圧測定ユニット４には、Ｎ個のセルの電圧をそれぞれ測定する合計Ｎ個の電圧測定部４０1〜４０Nが設けられ、それぞれ測定電圧Ｖout1〜ＶoutNを出力する。このように、個々のセルＣ1〜ＣNの電圧Ｖ1〜ＶNを測定するように、複数の端子ｑ1〜ｑN+1のうち、個々のセルＣ1〜ＣNの両端の接続部（ｊ1及びｊ2，ｊ2及びｊ3，・・・，ｊN及びｊN+1）に対応して設けられた複数の端子対（ｑ1及びｑ2，ｑ2及びｑ3，・・・，ｑN及びｑN+1）にそれぞれ複数の電圧測定部４０1〜４０Nが接続されている。例えば、電圧測定部４０nは、端子ｑ1〜ｑN+1のうちセルＣnの両端の接続部（ｊn及びｊn+1）に設けられた端子対（ｑn及びｑn+1）に接続されている。
【００２０】
グランド接続切替スイッチ３は、複数の端子対（ｑ1及びｑ2、ｑ2及びｑ3、・・・、ｑN及びｑN+1）を構成する端子のうちセルの低電位側の接続部ｊ1〜ｊN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ｊn）に対応して設けられた端子ｑ1〜ｑN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ｑn）とグランドとの間に設けられた複数のスイッチＳＷ1〜ＳＷN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ＳＷn）を備えている。グランド接続切替スイッチ３は、電池１を構成する複数のセルＣ1〜ＣNのうちの特定の１つのセルの電圧を測定する場合に、電圧を測定する対象のセルのみについて低電位側の接続部をグランドに接続し、他のセルの低電位側の接続部はグランドには接続しないようにスイッチＳＷ1〜ＳＷNのスイッチングを行う。例えば、ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnを測定する場合には、セルＣnの低電位側の接続部ｊnに接続されたスイッチＳＷnのみを切替スイッチ制御部９からの制御信号に従ってオンさせる。これにより、電圧を測定する対象のセルであるセルＣnのみについて低電位側の接続部ｊnがグランドに接続される。このように、測定対象のセルＣnの低電位側をグランドに接続した状態で電圧測定部４０nを用いて電圧Ｖoutnを測定し、測定電圧Ｖoutnを記憶部６に出力する。
【００２１】
制御部５は、切替スイッチ制御部９を制御して、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷ1〜ＳＷNのスイッチングを制御するとともに、電圧測定ユニット４にセル電圧の測定を実行させる。電圧測定ユニット４は、上記のように、セルＣ1〜ＣNの個々のセルの両端の接続部に対応して設けられた２つの端子間の電圧Ｖout1〜ＶoutNを測定する。
【００２２】
記憶部６は、電圧測定ユニット４が測定したセルＣ1〜ＣNについての測定電圧Ｖout1〜ＶoutNの値を記憶するとともに、制御部５を制御するためのプログラムを格納している。
【００２３】
セル電圧演算部７は、記憶部６に記憶されている電圧測定ユニット４が測定したＣ1〜ＣNについての測定電圧Ｖout1〜ＶoutNに基づいて、セル電圧Ｖ1〜ＶNを算出し、算出結果をデータ送信部８に送信する。
【００２４】
データ送信部８は、セル電圧演算部７が算出したセル電圧の値Ｖ1〜ＶNをセル電圧測定装置２の外部の電池ＥＣＵ１０に送信し、電池ＥＣＵ１０はセル電圧の値Ｖ1〜ＶNに基づいて、電池１の個々のセルＣ1〜ＣNの充電及び放電の制御を行う。
【００２５】
次に、本発明のセル電圧測定装置を用いたセル電圧の測定方法の概略について説明する。図４にセル電圧の測定方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ここでは、図３に示すようにＮ個のセルを有する電池１のセルの電圧を最下層の１番目のセルＣ1から、最上位のＮ番目のセルＣNまでについて測定する手順を示す。
【００２６】
まず、ステップＳ１０１において、ｉ番目のセルＣiを指定するための番号ｉの初期値を０に設定する。次に、ステップＳ１０２において、ｉを１つ増加させる。次に、ステップＳ１０３において、切替スイッチ制御部８からの制御信号に基づいて、ＳＷiをオンして端子ｑiをグランドに接続する。例えば、ｉ＝ｎの場合、ＳＷnをオンして端子ｑnをグランドに接続する。その結果、端子ｑnに接続されている電池１側のセル側端子ｐnを介して、セル電圧の測定対象となっているセルＣnの低電位側の接続部ｊnがグランドに接続され、電圧測定ユニット４内の電圧測定部４０nの低電位側の端子がグランドに接続される。ここで、スイッチＳＷnは切替スイッチ制御部８からオンさせる信号を受信していない通常の状態ではオフ状態を維持しており、切替スイッチ制御部８からオンするように制御された場合のみオン状態となる。即ち、セルの低電位側の端子がグランドに接続されるのは、電圧の測定を行う対象のセルの低電位側の端子のみである。
【００２７】
次に、ステップＳ１０４において、セルＣiの端子間電圧Ｖoutiを測定する。例えば、セルＣnの端子間電圧Ｖoutnを測定する場合には、電圧測定ユニット４が、セルＣnに対応して設けられた２つの端子（例えば、ｑn、ｑn+1）間の電圧を測定する。このとき、ＳＷnがオンしているので、端子ｑnはグランドに接続されている。端子間の電圧の測定方法の詳細については後述する。
【００２８】
次に、ステップＳ１０５において、セル電圧演算部７が、端子間電圧Ｖoutiからセル電圧Ｖiを算出する。具体的な算出方法は後述する。次に、ステップＳ１０６において、セル電圧演算部７が、セルＣiのセル電圧Ｖiのデータを記憶部６に送信する。
【００２９】
次に、ステップＳ１０７において、ｉがＮに等しいか否かを判断することにより、Ｎ個のセル全ての測定が終了したか否かを判断する。ｉ＝Ｎである場合には、Ｎ個のセル全ての電圧測定が完了したと判断し、測定を終了する。一方、ｉ≠Ｎである場合には、ｉ＜Ｎであるので、Ｎ個のセル全ての電圧測定は完了していないと判断し、ステップＳ１０２に戻って、次のセルの測定を行い、以下、Ｎ個のセル全ての電圧測定が完了するまでステップＳ１０２〜Ｓ１０７を繰り返す。
【００３０】
このようにして、Ｎ個のセルＣ1〜ＣNを構成する個々のセルＣnの両端の接続部ｊn、ｊn+1に対応して設けられたセル側端子ｐn、ｐn+1間の電圧Ｖoutnを測定する際に、セルＣnの低電位側の接続部ｊnをグランドに接続してセル電圧Ｖnを測定する。
【００３１】
次に、セル電圧の測定方法について詳細に説明する。図５に本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置の構成を示す。図５においては、電池１内のＮ個のセルＣ1〜ＣNの個々のセルについてのセル電圧Ｖ1〜ＶNを電圧測定ユニット４に設けられた差動増幅回路を用いて測定する例を示す。差動増幅回路は、複数のセルを構成する個々のセルに対応して設けられており、Ｎ個のセルＣ1〜ＣNに対してはＮ個の差動増幅回路Ａ1〜ＡNが設けられているが図５においてはｎ番目及び（ｎ＋１）番目のセルＣn及びＣn+1を測定するための差動増幅回路Ａn及びＡn+1のみを代表して示している。個々の差動増幅回路は反転入力端子（＋）と非反転入力端子（−）とを備えており、反転入力端子にセルの低電位側の接続部が接続され、非反転入力端子にセルの高電位側の接続部が接続される。また、差動増幅回路Ａ1〜ＡNは、それぞれ４つの抵抗Ｒa、Ｒb、Ｒc、Ｒdを備えており、抵抗値は差動増幅回路Ａ1〜ＡN間で同じ抵抗値を有するようにしてもよい。
【００３２】
図５に示すように、電池１のＮ個のセルＣ1〜ＣNの接続部ｊ1〜ｊN+1に対応して設けられたセル側端子ｐ1〜ｐN+1と、電圧測定ユニットの端子ｑ1〜ｑN+1とが接続されている。ここでは、代表的にｎ番目セルＣnの電圧Ｖnを測定する方法について説明する。
【００３３】
まず、切替スイッチ制御部８からの制御信号に基づいて、グランド接続切替スイッチ３内のｎ番目のスイッチＳＷnをオンし、電圧測定ユニット４の端子ｑnがグランドに接続されるようにする。このとき、電池１内の電圧を測定する対象のセルＣnの低電位側の接続部ｊnに接続されたセル側端子ｐnが電圧測定ユニット４の端子ｑnと接続されているので、電圧測定ユニット４の端子ｑnがグランドに接続されることにより、電圧測定対象のセルＣnの低電位側の接続部ｊnがグランドに接続される。なお、電圧測定対象のセルＣn以外のセルＣ1〜Ｃn-1及びＣn+1〜ＣNの低電位側の接続部ｊ1〜ｊn-1及びｊn+1〜ｊNに接続されているスイッチＳＷ1〜ＳＷn-1及びＳＷn+1〜ＳＷNはオフした状態であり、接続部ｊ1〜ｊn-1及びｊn+1〜ｊNはグランドには接続されていない。
【００３４】
また、図５に示すように、ｎ番目のセルＣnの低電位側の接続部ｊnは抵抗Ｒcを介して反転入力端子（＋）と接続されており、セルＣnの高電位側の接続部ｊn+1は抵抗Ｒaを介して非反転入力端子（−）と接続されている。このとき、電圧測定ユニット４のｎ番目の差動増幅回路Ａnの出力端子の電圧Ｖoutnは以下の式で表される。
【００３５】
【数３】
式（３）から、ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnは以下の式で与えられる。
【００３６】
【数４】
電圧測定ユニット４が測定した端子間の電圧Ｖout1〜ＶoutNを用いて、式（４）に従って、セルの電圧Ｖ1〜ＶNを算出することができる。
【００３７】
式（３）から分かるように本実施例のセル電圧測定装置により測定される端子間電圧Ｖoutnには、従来技術によるＶoutnの算出式（１）に含まれていたオフセット電圧ΣＶmの項が含まれていない。このことは、従来技術においては、端子間の電圧Ｖoutnが、セルの位置が上層になるに従ってオフセット電圧の影響を受けていたのに対して、本実施例のセル電圧測定装置によればオフセット電圧の影響を受けずに端子間電圧Ｖoutnを測定することができることを示している。その結果、式（４）から、セルの電圧Ｖnの値もオフセット電圧の影響を受けることがなく、セルの位置が上層の場合でも正確にセル電圧を測定することができることがわかる。
【００３８】
以上のように、本発明のセル電圧測定装置によれば、セル電圧の測定において低電位側の接続部をグランドに接続した状態でセル電圧を測定しているので、セルの位置が上層の場合であってもオフセット電圧の影響を受けることなく、セル電圧を正確に算出することができる。
【００３９】
以上の説明においては、Ｎ個のセルのうちの１個のセルを選択してセルの電圧を測定する例を示したが、複数のセルを同時に選択して電圧を測定するようにしても良い。例えば、図３において、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷnとＳＷn+2とを同時にオン状態として、セルＣnとＣn+2の低電位側の接続部ｊnとｊn+2とを同時にグランドに接続した状態で、セルＣnとＣn+2の電圧を測定するようにしてもよい。このようにすることで、セル電圧の測定を１つのセルごとに順番に行う場合に比べて、Ｎ個のセルの半数の電圧の測定を高速で行うことができ、さらに残りの半数を測定することで、Ｎ個のセルの電圧測定を２回の測定で行うことが出来る。なお、この際、ｊn+1からｊn+2の間をオープンとすることで、複数のグランドが同時に接続されることによるショート回路の形成を回避する。ｊn+1からｊn+2の間に図示しないスイッチを設けることで、上記オープンとさせることができる。他の接続部間においても同様のスイッチを設ける。
【００４０】
次に、グランド接続切替スイッチ３の具体的な構成について説明する。グランド接続切替スイッチ３は複数のセルＣ1〜ＣNに対応して複数のスイッチＳＷ1〜ＳＷNを備えているが、ここでは個々のスイッチの構成について説明する。スイッチとして機械的なスイッチを用いた場合には、大きさ、コスト、動作速度、耐久性の点で問題があるため、スイッチとして半導体リレーを用いることが好ましい。ここで、グランド接続切替スイッチ３はセル電圧測定装置２内のグランドとセルの低電位側とを接続するが、グランドを基準とした場合、セル電圧は高い場合もあれば低い場合もあり、両方の場合についてスイッチング動作を行うようにする必要がある。
【００４１】
図６にグランド接続切替スイッチ３を構成するＮ個のスイッチのうちの１つのスイッチの構成を示す。図６では、電池１内のｎ番目のセルＣnの低電位側の端子ｊnをグランド接続切替スイッチ３内のグランドに接続するためのスイッチＳＷnのみを示している。グランド接続切替スイッチ３内のグランドとの接続点をＡ点、セルＣnの低電位側の端子ｊnとの接続点をＢ点とすると、Ａ点とＢ点との間にｎチャネルＭＯＳトランジスタ（nMOS FET）を配置して、このnMOS FETのオン／オフを制御することにより、Ａ点とＢ点との接続を制御している。ここで、nMOS FETには寄生ダイオードを介してリーク電流が流れるため、２個のnMOS FET、即ち第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２を配置しており、２つのnMOS FETの接続点をＣ点とする。また、第２nMOS FET３２のゲートには、pMOS FET３３が接続されている。第１nMOS FET３１のゲート及びpMOS FET３３のソースが切替スイッチ制御部８と接続されており、接続点をそれぞれａ点及びｂ点とする。ａ点及びｂ点には、切替スイッチ制御部８からの制御信号が入力される。
【００４２】
ここで、Ｂ点の電位は、グランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合と低い場合とがあり、両者いずれの場合でもＳＷnがスイッチング動作を行うようにする必要がある。Ｂ点の電位がグランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合は、第１nMOS FET３１のリーク電流が第２nMOS FET３２の寄生ダイオードへ流れ、Ｃ点の電圧がグランド電位にダイオードの電圧Ｖｆを加えた電位となる。このとき、第１nMOS FET３１のゲートをグランドレベルにすればソースであるＣ点の電圧より低くなりオフ状態を維持することができる。
【００４３】
一方、Ｂ点の電位がグランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも低い場合は、第２nMOS FET３２のリーク電流が第１nMOS FET３１の寄生ダイオードへ流れ、Ｃ点の電圧がＢ点の電圧にダイオードの電圧Ｖｆを加えた電圧となる。第２nMOS FET３２をオフするにはゲート電圧をＢ点の電圧と同一にする必要がある。そのため、Ｂ点と第２nMOS FET３２のゲートとの間にプルダウン抵抗Ｒｐを設置し、さらに第２nMOS FET３２のゲートにpMOS FET３３を配置している。pMOS FET３３を配置しているのは、第２nMOS FET３２がオフ状態のときに第２nMOS FET３２のゲートをグランドから切り離し、Ｂ点のプルダウン抵抗を有効にさせるためである。
【００４４】
切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へＳＷnをオン状態とする制御信号が入力されない場合は、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となり、Ｂ点はグランドには接続されない。一方、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へＳＷnをオン状態とする制御信号が入力された場合は、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となり、Ｂ点の電位はグランドと同電位となる。
【００４５】
次に、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷnの動作について具体的に説明する。上述のように、Ｂ点の電圧ＶBは、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より高い場合と低い場合とがある。次に、Ｂ点の電位が、グランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合と低い場合のそれぞれの場合に分けてスイッチの動作方法について説明する。
【００４６】
まず、Ｂ点の電圧ＶBが、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より低い場合のスイッチＳＷnの動作について説明する。図７はＢ点の電圧ＶBがグランドより低い場合における、スイッチＳＷnの動作を表すタイミングチャートである。時刻ｔ1〜ｔ4において、ｔ2〜ｔ3の期間にＳＷnをオン状態とし、ｔ1〜ｔ2及びｔ3〜ｔ4の期間にＳＷnをオフ状態とする様子を示している。
【００４７】
まず、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持する仕組みについて説明する。ＳＷnがオフ状態となるのは、図７のタイミングチャートにおいて、ｔ1〜ｔ2及びｔ3〜ｔ4の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として0[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに0[V]となる。このとき、図６に示すように、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBが例えば-60[V]に維持される。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００４８】
Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合には、第１nMOS FET３１の寄生ダイオードには順方向電圧が印加され、スイッチの役目を果たさないため、第２nMOS FET３２がスイッチの役目を担う。ここで、第２nMOS FET３２をオフ状態とするために、第２nMOS FET３２のゲートとＢ点との間にプルダウン抵抗Ｒpを配置している。これにより、第２nMOS FET３２のゲート電位がソース電圧と同等となり第２nMOS FET３２がオン状態となることを防止している。ここで、プルダウン抵抗Ｒpが無いとすると、第２nMOS FET３２のゲートにグランド電位が印加された状態となり、ソース電圧が下がるためオン状態となってしまうこととなる。pMOS FET３３の役割は、第２nMOS FET３２がオフ状態の場合において、第２nMOS FET３２のゲートをグランドから切り離し、Ｂ点と第２nMOS FET３２との間に接続したプルダウン抵抗を有効にさせるためである。このようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持することができる。
【００４９】
次に、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnがオン状態となる仕組みについて説明する。ＳＷnがオン状態となるのは、図７のタイミングチャートにおいて、ｔ2〜ｔ3の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からの制御信号として5[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに5[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBは、グランド電圧であるＡ点電圧ＶAと同電位、例えば0[V]とすることができる。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５０】
切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として5[V]が入力されると、ｂ点電圧Ｖbが5[V]となり、pMOS FET３３のソース電圧が5[V]となって、pMOS FET３３がオン状態となる。これにより、pMOS FET３３のソース電圧の5[V]が第２nMOS FET３２のゲートに印加され、第２nMOS FET３２のゲートの電圧がソースの電圧より高くなり、第２nMOS FET３２がオン状態となる。第１nMOS FET３１のソース電圧は第２nMOS FET３２のソース電圧と同電位であるため、第１nMOS FET３１のゲート、即ちa点に5[V]を印加すると第１nMOS FET３１がオン状態となる。このようにして、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点電圧ＶBがグランド電圧であるＡ点電圧ＶAと同電位の0[V]となり、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にすることができる。
【００５１】
以上のようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、切替スイッチ制御部８からの制御信号により、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【００５２】
次に、Ｂ点の電圧ＶBが、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より高い場合のスイッチＳＷnの動作について説明する。図８はＢ点の電圧ＶBがグランドより高い場合における、スイッチＳＷnの動作を表すタイミングチャートである。時刻ｔ5〜ｔ8のうち、ｔ6〜ｔ7の期間のみＳＷnをオン状態とする様子を示している。
【００５３】
まず、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持する仕組みについて説明する。ＳＷnのオフ状態となるのは、図８のタイミングチャートにおいて、ｔ5〜ｔ6及びｔ7〜ｔ8の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として0[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに0[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBが例えば60[V]に維持される。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５４】
第２nMOS FET３２は寄生ダイオードに順方向電圧が印加され、スイッチの役目を果たさないため、第１nMOS FET３１がスイッチの役目を担う。Ｂ点電圧は高電位のため、第１nMOS FET３１にリーク電流が流れた場合でも第２nMOS FET３２の寄生ダイオードにより第１nMOS FET３１のソース電圧は、0.7[V]以下に抑えられ第１nMOS FET３１はオン状態とはならない。このようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持することができる。
【００５５】
次に、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnをオン状態とする仕組みについて説明する。ＳＷnがオン状態となるのは、図８のタイミングチャートにおいて、ｔ6〜ｔ7の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として5[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに5[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBは、Ａ点電圧ＶAと同電位、例えば0[V]とすることができる。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５６】
第１nMOS FET３１のソース電圧は、第２nMOS FET３２の寄生ダイオードによりグランドより0.7[V]高い電圧となっている。第１nMOS FET３１のゲートに5[V]を印加することにより、第１nMOS FET３１がオン状態となる。第２nMOS FET３２のソース電圧は第１nMOS FET３１と同じであるため、b点電圧Ｖbを5[V]にして、pMOS FET３３をオン状態とすれば第２nMOS FET３２のゲートに5[V]が印加されオン状態となる。このようにして、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAと同電位の0[V]となり、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にすることができる。
【００５７】
以上のようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３への制御信号により、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【００５８】
以上説明したとおり、本発明のセル電圧測定装置によれば、測定対象であるセルの低電位側の接続点であるＢ点電圧ＶBが、セル電圧測定装置内のグランドであるＡ点電圧ＶAより高い及び低い場合のいずれの場合においても、Ｂ点であるセルの低電位側の電位を維持するか、またはグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置について説明する。図９に実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す。実施例１に係るセル電圧測定装置と異なる点は、電圧を測定する対象のセルが１つのセルではなく、直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックとなっている点である。
【００６０】
電池１１は直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックＢ1〜ＢNが直列に接続されて積層（スタック）されており、各バッテリパック同士は、バッテリパックの両端に設けられた接続部ｊb1〜ｊbN+1のうちのｊb2〜ｊbNを介して接続されている。バッテリパックの接続部ｊb1〜ｊbN+1には、個々のバッテリパックの電圧を測定するためのバッテリパック側端子ｐb1〜ｐbN+1が設けられており、ｐb1〜ｐbN+1は、接続部ｊb1〜ｊbN+1に対応して設けられたセル電圧測定装置２１内のグランド接続切替スイッチ３０の端子ｑb1〜ｑbN+1にそれぞれ接続されている。即ち、端子ｑb1〜ｑbN+1は、直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックＢ1〜ＢNを直列接続する接続部ｊb1〜ｊbN+1に各々設けられている。
【００６１】
実施例２のセル電圧測定装置２１は、複数の端子対を構成する端子のうちバッテリパックの低電位側の接続部に対応して設けられた端子とグランドとの間に設けられたグランド接続切替スイッチ３０と、個々のバッテリパックの電圧を測定するように、複数の端子のうち、個々のバッテリパックの両端の接続部に対応して設けられた複数の端子対に接続された複数の電圧測定部４１と、を備えており、グランド接続切替スイッチ３０は、複数の電圧測定部が個々のバッテリパックの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に対応して設けられた端子と前記グランドとを接続する点を特徴としている。セル電圧測定装置２１は、さらに、制御部５１、記憶部６１、セル電圧演算部７１、データ送信部８１、切替スイッチ制御部９１を備えており、これらの構成は実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。さらに、セル電圧測定装置２１の外部には、電池ＥＣＵ１０１が設けられている。
【００６２】
次に、本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置を用いたバッテリパックの電圧の測定方法の概略について説明する。図１０にバッテリパックの電圧の測定方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ここでは、図９に示すようにＮ個のバッテリパックを有する電池１１のバッテリパックの電圧を最下層の１番目のバッテリパックＢ1から、最上位のＮ番目のバッテリパックＢNまでについて測定する手順を示す。
【００６３】
まず、ステップＳ２０１において、ｉ番目のバッテリパックＢiを指定するための番号ｉの初期値を０に設定する。次に、ステップＳ２０２において、ｉを１つ増加させる。次に、ステップＳ２０３において、切替スイッチ制御部８１からの制御信号に基づいて、ＳＷbiをオンして端子ｑbiをグランドに接続する。例えば、ｉ＝ｎの場合、ＳＷbnをオンして端子ｑbnをグランドに接続する。その結果、端子ｑbnに接続されている電池１１側の端子ｐbnを介して、バッテリパック電圧の測定対象となっているバッテリパックＢnの低電位側の接続部ｊbnがグランドに接続され、電圧測定ユニット４１内の電圧測定部４２nの低電位側の端子がグランドに接続される。ここで、スイッチＳＷbnは通常はオフしており、切替スイッチ制御部８１からオンするように制御された場合のみオン状態となる。即ち、バッテリパックの低電位側の端子がグランドに接続されるのは、電圧の測定を行う対象のバッテリパックの低電位側の端子のみである。
【００６４】
次に、ステップＳ２０４において、バッテリパックＢiの端子間電圧Ｖoutiを測定する。例えば、バッテリパックＢnの端子間電圧Ｖoutnを測定する場合には、電圧測定ユニット４１が、バッテリパックＢnに対応して設けられた２つの端子（例えば、ｑbn、ｑbn+1）間の電圧を測定する。このとき、ＳＷbnがオンしているので、端子ｑbnはグランドに接続されている。
【００６５】
次に、ステップＳ２０５において、セル電圧演算部７１が、端子間電圧Ｖoutiからバッテリパック電圧Ｖbiを算出する。次に、ステップＳ２０６において、セル電圧演算部７１が、バッテリパックＢiのバッテリパック電圧Ｖbiのデータを記憶部６１に送信する。
【００６６】
次に、ステップＳ２０７において、ｉがＮに等しいか否かを判断することにより、Ｎ個のバッテリパック全ての測定が終了したか否かを判断する。ｉ＝Ｎである場合には、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定が完了したと判断し、測定を終了する。一方、ｉ≠Ｎである場合には、ｉ＜Ｎであるので、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定は完了していないと判断し、ステップＳ２０２に戻って、次のバッテリパックの測定を行い、以下、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定が完了するまでステップＳ２０２〜Ｓ２０７を繰り返す。
【００６７】
このようにして、Ｎ個のバッテリパックＢ1〜ＢNを構成する個々のバッテリパックＢnの両端の接続部ｊbn、ｊbn+1に対応して設けられた端子ｐbn、ｐbn+1間の電圧Ｖoutnを測定する際に、バッテリパックＢnの低電位側の接続部ｊbnをグランドに接続してバッテリパック電圧Ｖnを測定する。
【００６８】
バッテリパックの電圧を測定するための電圧測定部４２1〜４２Nとして、実施例１と同様に差動増幅回路を用いることができる。図１１に本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す。図１１においては、電池１１内のＮ個のバッテリパックＢ1〜ＢNの個々のバッテリパックについての電圧Ｖb1〜ＶbNを電圧測定部４１に設けられた差動増幅回路を用いて測定する例を示している。差動増幅回路の動作は実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６９】
以上のように、実施例２のセル電圧測定装置によれば、バッテリパックの電圧の測定において低電位側の接続部をグランドに接続した状態でバッテリパックの電圧を測定しているので、バッテリパックの位置が上層の場合であってもオフセット電圧の影響を受けることなく、バッテリパックの電圧を正確に算出することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 電池
２ セル電圧測定装置
３ グランド接続切替スイッチ
４ 電圧測定ユニット
５ 制御部
６ 記憶部
７ セル電圧演算部
８ データ送信部
９ 切替スイッチ制御部
１０ 電池ＥＣＵ
４０1〜４０N 電圧測定部
Ｃ1〜ＣN セル
ＳＷ1〜ＳＷN スイッチ
Ｖ1〜ＶN セル電圧
ｊ1〜ｊN+1 接続部
ｐ1〜ｐN+1 セル側端子
ｑ1〜ｑN+1 端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル電圧測定装置に関し、特に複数のセルを直列に接続した電池を構成する個々のセルの電圧を測定するセル電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や、ハイブリッド自動車においては、モータの電源として、リチウムイオン電池等の２次電池からなる複数のセルを直列に接続して所望の電圧を得るように積層（スタック）したスタック型の電池が用いられている。このようなスタック型の電池においては、自動車の外部に設置した給電設備から自動車に供給された電力や、モータで回生された電力を個々のセルに貯蔵できるようになっている。また、個々のセルの電圧は、充電又は放電により変動する。
【０００３】
ここで、セルが過放電されたり過充電されたりすると、セルの特性に悪影響を及ぼし、ひいては電池のモータを駆動する能力が低下することとなる。そのため、スタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を監視することが重要であり、個々のセルの電圧を測定することができるセル電圧測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
図１に従来のセル電圧測定装置の構成を示す。従来のセル電圧測定装置は、複数のセルを直列接続した電池１１０の中から任意の電池セルＢＴi（i=1〜N）を選択してその電圧を第１および第２のモニタ端子Ａ，Ｂ間に取り出すための一群の選択スイッチ１１８と、セル電圧−モニタ電流変換回路１２０と、モニタ電流−モニタ電圧変換回路１２２と、比較判定回路１２４と、判定信号出力回路１２６と、異常検出制御回路１２８とを有している。このような構成により、任意の電池セルＢＴiに対するモニタサイクルの開始直後で、セル電圧異常検出回路１１４が働いて、セル電圧Ｖiが正常範囲から外れているか否かを検査するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６９０５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、スタック型のセルの上層部のセルは、下層部のセルに比べて、低電位側の電圧が高くなる。例えば１つのセルの電圧が約2[V]である場合に、１層目セルの低電位側の電圧は0[V]であるのに対し、３１層目のセルの低電位側の電圧は、その下層に３０個のセルが積層されているので、約60[V]となる。このように低電位側の電圧が高くなる状況は、上層部において顕著となり、このような場合には、以下に述べるように、個々のセルの電圧を正確に測定することができなくなるという問題があった。
【０００７】
図２を用いて従来の電圧測定回路を用いてスタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を測定する方法について説明する。ここでは、電圧測定回路として差動増幅回路を用いてセルの電圧を測定する場合を例にとって説明する。スタック型の電池１は、セルＣ1〜ＣNが直列接続されており、個々のセル同士はセルの両端に設けられた接続部ｊ1〜ｊN+1のうちｊ2〜ｊNにより接続されている。各接続部ｊ1〜ｊN+1にはセルの電圧Ｖ1〜ＶNを測定するためのセル側端子ｐ1〜ｐN+1が設けられている。
【０００８】
さらに、セル側端子ｐ1〜ｐN+1は、電圧測定回路４０の端子ｑ1〜ｑN+1に接続されている。ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnを測定する場合には、セル側端子ｐn及びｐn+1と、電圧測定回路４０の端子ｑn及びｑn+1とを介して、セルＣnの両側の端子ｊn及びｊn+1をそれぞれ電圧測定回路４０内のオペアンプＡの反転入力端子（＋）及び非反転入力端子（−）に接続し、出力電圧Ｖoutnの値を測定する。ここで、出力電圧Ｖoutnはセル電圧Ｖnを用いて以下の式で求められる。
【０００９】
【数１】
ここで、ここで、Ｒa、Ｒb、Ｒc、Ｒdは、電圧測定回路４０に設けられた抵抗、ΣＶmはオフセット電圧と呼ばれ、電圧測定対象のセルＣnの下層に積層されているセルＣ1〜Ｃn-1の電圧Ｖ1〜Ｖn-1の総和である。
【００１０】
式（１）より、出力電圧Ｖoutnとセル電圧Ｖnとの差である測定誤差ΔＶnは以下の式で求められる。
【００１１】
【数２】
【００１２】
式（２）から分かるように、オフセット電圧ΣＶmが0[V]であればΔＶnも0[V]となる。例えば、Ｒa、Ｒdを500.25kΩ、Ｒb、Ｒcを499.75kΩとした場合、最下位層（ｎ＝１）のセルの電圧測定時の誤差ΔＶ1はΣＶmが0[V]であるため、式（２）からΔＶ1は0[V]となる。一方、３０個のセルを積層した場合、その上の３１層目（ｎ＝３１）のセル電圧の電圧測定時の誤差ΔＶ31は、１つのセル電圧を2[V]とするとΣＶmが60[V]となるため、式（２）からΔＶ31は60[mV]となる。個々のセルの電圧の許容測定誤差を50[mV]とすると、オフセット電圧ΣＶmが存在することにより許容測定誤差を超える誤差がセル電圧の測定の際に生じる場合があることとなる。
【００１３】
そこで、本発明では、複数のセルを積層した場合であっても、セルの電圧を正確に測定することができるセル電圧測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のセル電圧測定装置は、複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子と、端子のうちセルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部と、端子対のうちセルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、を有し、スイッチは、電圧測定部がセルの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとを接続する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数のセルを積層した場合であっても、セルの電圧を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のセル電圧測定装置の構成図である。
【図２】スタック型の電池と、スタック型の電池を構成する個々のセルの電圧を測定するセル電圧測定回路の構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置によるセル電圧測定方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、電圧測定部に差動増幅回路を用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、グランド接続切替スイッチに半導体リレーを用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、オフセット電圧が低電位である場合のグランド接続切替スイッチの動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置において、オフセット電圧が高電位である場合のグランド接続切替スイッチの動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置によるセル電圧測定方法を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置において、電圧測定部に差動増幅回路を用いた場合のセル電圧測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係るセル電圧測定装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【実施例１】
【００１８】
図３に本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置を示す。セル電圧測定装置２は、グランド接続切替スイッチ３と、電圧測定ユニット４と、制御部５と、記憶部６と、セル電圧演算部７と、データ送信部８と、切替スイッチ制御部９と、を有する。電池１は複数のセルＣ1〜ＣNが直列に接続されて積層（スタック）されており、各セル同士は、セルの両端に設けられた接続部ｊ1〜ｊN+1のうちのｊ2〜ｊNを介して接続されている。セルの接続部ｊ1〜ｊN+1には、個々のセルの電圧を測定するためのセル側端子ｐ1〜ｐN+1が設けられており、セル側端子ｐ1〜ｐN+1は、セルの接続部ｊ1〜ｊN+1に対応して設けられた、セル電圧測定装置２内のグランド接続切替スイッチ３の端子ｑ1〜ｑN+1にそれぞれ接続されている。このように、セル電圧測定装置２の端子ｑ1〜ｑN+1は、複数のセルＣ1〜ＣNを直列接続する複数の接続部ｊ1〜ｊN+1に各々設けられている。
【００１９】
電圧測定ユニット４には、Ｎ個のセルの電圧をそれぞれ測定する合計Ｎ個の電圧測定部４０1〜４０Nが設けられ、それぞれ測定電圧Ｖout1〜ＶoutNを出力する。このように、個々のセルＣ1〜ＣNの電圧Ｖ1〜ＶNを測定するように、複数の端子ｑ1〜ｑN+1のうち、個々のセルＣ1〜ＣNの両端の接続部（ｊ1及びｊ2，ｊ2及びｊ3，・・・，ｊN及びｊN+1）に対応して設けられた複数の端子対（ｑ1及びｑ2，ｑ2及びｑ3，・・・，ｑN及びｑN+1）にそれぞれ複数の電圧測定部４０1〜４０Nが接続されている。例えば、電圧測定部４０nは、端子ｑ1〜ｑN+1のうちセルＣnの両端の接続部（ｊn及びｊn+1）に設けられた端子対（ｑn及びｑn+1）に接続されている。
【００２０】
グランド接続切替スイッチ３は、複数の端子対（ｑ1及びｑ2、ｑ2及びｑ3、・・・、ｑN及びｑN+1）を構成する端子のうちセルの低電位側の接続部ｊ1〜ｊN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ｊn）に対応して設けられた端子ｑ1〜ｑN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ｑn）とグランドとの間に設けられた複数のスイッチＳＷ1〜ＳＷN（例えば、ｎ番目のセルＣnに対して、ＳＷn）を備えている。グランド接続切替スイッチ３は、電池１を構成する複数のセルＣ1〜ＣNのうちの特定の１つのセルの電圧を測定する場合に、電圧を測定する対象のセルのみについて低電位側の接続部をグランドに接続し、他のセルの低電位側の接続部はグランドには接続しないようにスイッチＳＷ1〜ＳＷNのスイッチングを行う。例えば、ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnを測定する場合には、セルＣnの低電位側の接続部ｊnに接続されたスイッチＳＷnのみを切替スイッチ制御部９からの制御信号に従ってオンさせる。これにより、電圧を測定する対象のセルであるセルＣnのみについて低電位側の接続部ｊnがグランドに接続される。このように、測定対象のセルＣnの低電位側をグランドに接続した状態で電圧測定部４０nを用いて電圧Ｖoutnを測定し、測定電圧Ｖoutnを記憶部６に出力する。
【００２１】
制御部５は、切替スイッチ制御部９を制御して、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷ1〜ＳＷNのスイッチングを制御するとともに、電圧測定ユニット４にセル電圧の測定を実行させる。電圧測定ユニット４は、上記のように、セルＣ1〜ＣNの個々のセルの両端の接続部に対応して設けられた２つの端子間の電圧Ｖout1〜ＶoutNを測定する。
【００２２】
記憶部６は、電圧測定ユニット４が測定したセルＣ1〜ＣNについての測定電圧Ｖout1〜ＶoutNの値を記憶するとともに、制御部５を制御するためのプログラムを格納している。
【００２３】
セル電圧演算部７は、記憶部６に記憶されている電圧測定ユニット４が測定したＣ1〜ＣNについての測定電圧Ｖout1〜ＶoutNに基づいて、セル電圧Ｖ1〜ＶNを算出し、算出結果をデータ送信部８に送信する。
【００２４】
データ送信部８は、セル電圧演算部７が算出したセル電圧の値Ｖ1〜ＶNをセル電圧測定装置２の外部の電池ＥＣＵ１０に送信し、電池ＥＣＵ１０はセル電圧の値Ｖ1〜ＶNに基づいて、電池１の個々のセルＣ1〜ＣNの充電及び放電の制御を行う。
【００２５】
次に、本発明のセル電圧測定装置を用いたセル電圧の測定方法の概略について説明する。図４にセル電圧の測定方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ここでは、図３に示すようにＮ個のセルを有する電池１のセルの電圧を最下層の１番目のセルＣ1から、最上位のＮ番目のセルＣNまでについて測定する手順を示す。
【００２６】
まず、ステップＳ１０１において、ｉ番目のセルＣiを指定するための番号ｉの初期値を０に設定する。次に、ステップＳ１０２において、ｉを１つ増加させる。次に、ステップＳ１０３において、切替スイッチ制御部８からの制御信号に基づいて、ＳＷiをオンして端子ｑiをグランドに接続する。例えば、ｉ＝ｎの場合、ＳＷnをオンして端子ｑnをグランドに接続する。その結果、端子ｑnに接続されている電池１側のセル側端子ｐnを介して、セル電圧の測定対象となっているセルＣnの低電位側の接続部ｊnがグランドに接続され、電圧測定ユニット４内の電圧測定部４０nの低電位側の端子がグランドに接続される。ここで、スイッチＳＷnは切替スイッチ制御部８からオンさせる信号を受信していない通常の状態ではオフ状態を維持しており、切替スイッチ制御部８からオンするように制御された場合のみオン状態となる。即ち、セルの低電位側の端子がグランドに接続されるのは、電圧の測定を行う対象のセルの低電位側の端子のみである。
【００２７】
次に、ステップＳ１０４において、セルＣiの端子間電圧Ｖoutiを測定する。例えば、セルＣnの端子間電圧Ｖoutnを測定する場合には、電圧測定ユニット４が、セルＣnに対応して設けられた２つの端子（例えば、ｑn、ｑn+1）間の電圧を測定する。このとき、ＳＷnがオンしているので、端子ｑnはグランドに接続されている。端子間の電圧の測定方法の詳細については後述する。
【００２８】
次に、ステップＳ１０５において、セル電圧演算部７が、端子間電圧Ｖoutiからセル電圧Ｖiを算出する。具体的な算出方法は後述する。次に、ステップＳ１０６において、セル電圧演算部７が、セルＣiのセル電圧Ｖiのデータを記憶部６に送信する。
【００２９】
次に、ステップＳ１０７において、ｉがＮに等しいか否かを判断することにより、Ｎ個のセル全ての測定が終了したか否かを判断する。ｉ＝Ｎである場合には、Ｎ個のセル全ての電圧測定が完了したと判断し、測定を終了する。一方、ｉ≠Ｎである場合には、ｉ＜Ｎであるので、Ｎ個のセル全ての電圧測定は完了していないと判断し、ステップＳ１０２に戻って、次のセルの測定を行い、以下、Ｎ個のセル全ての電圧測定が完了するまでステップＳ１０２〜Ｓ１０７を繰り返す。
【００３０】
このようにして、Ｎ個のセルＣ1〜ＣNを構成する個々のセルＣnの両端の接続部ｊn、ｊn+1に対応して設けられたセル側端子ｐn、ｐn+1間の電圧Ｖoutnを測定する際に、セルＣnの低電位側の接続部ｊnをグランドに接続してセル電圧Ｖnを測定する。
【００３１】
次に、セル電圧の測定方法について詳細に説明する。図５に本発明の実施例１に係るセル電圧測定装置の構成を示す。図５においては、電池１内のＮ個のセルＣ1〜ＣNの個々のセルについてのセル電圧Ｖ1〜ＶNを電圧測定ユニット４に設けられた差動増幅回路を用いて測定する例を示す。差動増幅回路は、複数のセルを構成する個々のセルに対応して設けられており、Ｎ個のセルＣ1〜ＣNに対してはＮ個の差動増幅回路Ａ1〜ＡNが設けられているが図５においてはｎ番目及び（ｎ＋１）番目のセルＣn及びＣn+1を測定するための差動増幅回路Ａn及びＡn+1のみを代表して示している。個々の差動増幅回路は反転入力端子（＋）と非反転入力端子（−）とを備えており、反転入力端子にセルの低電位側の接続部が接続され、非反転入力端子にセルの高電位側の接続部が接続される。また、差動増幅回路Ａ1〜ＡNは、それぞれ４つの抵抗Ｒa、Ｒb、Ｒc、Ｒdを備えており、抵抗値は差動増幅回路Ａ1〜ＡN間で同じ抵抗値を有するようにしてもよい。
【００３２】
図５に示すように、電池１のＮ個のセルＣ1〜ＣNの接続部ｊ1〜ｊN+1に対応して設けられたセル側端子ｐ1〜ｐN+1と、電圧測定ユニットの端子ｑ1〜ｑN+1とが接続されている。ここでは、代表的にｎ番目セルＣnの電圧Ｖnを測定する方法について説明する。
【００３３】
まず、切替スイッチ制御部８からの制御信号に基づいて、グランド接続切替スイッチ３内のｎ番目のスイッチＳＷnをオンし、電圧測定ユニット４の端子ｑnがグランドに接続されるようにする。このとき、電池１内の電圧を測定する対象のセルＣnの低電位側の接続部ｊnに接続されたセル側端子ｐnが電圧測定ユニット４の端子ｑnと接続されているので、電圧測定ユニット４の端子ｑnがグランドに接続されることにより、電圧測定対象のセルＣnの低電位側の接続部ｊnがグランドに接続される。なお、電圧測定対象のセルＣn以外のセルＣ1〜Ｃn-1及びＣn+1〜ＣNの低電位側の接続部ｊ1〜ｊn-1及びｊn+1〜ｊNに接続されているスイッチＳＷ1〜ＳＷn-1及びＳＷn+1〜ＳＷNはオフした状態であり、接続部ｊ1〜ｊn-1及びｊn+1〜ｊNはグランドには接続されていない。
【００３４】
また、図５に示すように、ｎ番目のセルＣnの低電位側の接続部ｊnは抵抗Ｒcを介して反転入力端子（＋）と接続されており、セルＣnの高電位側の接続部ｊn+1は抵抗Ｒaを介して非反転入力端子（−）と接続されている。このとき、電圧測定ユニット４のｎ番目の差動増幅回路Ａnの出力端子の電圧Ｖoutnは以下の式で表される。
【００３５】
【数３】
式（３）から、ｎ番目のセルＣnの電圧Ｖnは以下の式で与えられる。
【００３６】
【数４】
電圧測定ユニット４が測定した端子間の電圧Ｖout1〜ＶoutNを用いて、式（４）に従って、セルの電圧Ｖ1〜ＶNを算出することができる。
【００３７】
式（３）から分かるように本実施例のセル電圧測定装置により測定される端子間電圧Ｖoutnには、従来技術によるＶoutnの算出式（１）に含まれていたオフセット電圧ΣＶmの項が含まれていない。このことは、従来技術においては、端子間の電圧Ｖoutnが、セルの位置が上層になるに従ってオフセット電圧の影響を受けていたのに対して、本実施例のセル電圧測定装置によればオフセット電圧の影響を受けずに端子間電圧Ｖoutnを測定することができることを示している。その結果、式（４）から、セルの電圧Ｖnの値もオフセット電圧の影響を受けることがなく、セルの位置が上層の場合でも正確にセル電圧を測定することができることがわかる。
【００３８】
以上のように、本発明のセル電圧測定装置によれば、セル電圧の測定において低電位側の接続部をグランドに接続した状態でセル電圧を測定しているので、セルの位置が上層の場合であってもオフセット電圧の影響を受けることなく、セル電圧を正確に算出することができる。
【００３９】
以上の説明においては、Ｎ個のセルのうちの１個のセルを選択してセルの電圧を測定する例を示したが、複数のセルを同時に選択して電圧を測定するようにしても良い。例えば、図３において、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷnとＳＷn+2とを同時にオン状態として、セルＣnとＣn+2の低電位側の接続部ｊnとｊn+2とを同時にグランドに接続した状態で、セルＣnとＣn+2の電圧を測定するようにしてもよい。このようにすることで、セル電圧の測定を１つのセルごとに順番に行う場合に比べて、Ｎ個のセルの半数の電圧の測定を高速で行うことができ、さらに残りの半数を測定することで、Ｎ個のセルの電圧測定を２回の測定で行うことが出来る。なお、この際、ｊn+1からｊn+2の間をオープンとすることで、複数のグランドが同時に接続されることによるショート回路の形成を回避する。ｊn+1からｊn+2の間に図示しないスイッチを設けることで、上記オープンとさせることができる。他の接続部間においても同様のスイッチを設ける。
【００４０】
次に、グランド接続切替スイッチ３の具体的な構成について説明する。グランド接続切替スイッチ３は複数のセルＣ1〜ＣNに対応して複数のスイッチＳＷ1〜ＳＷNを備えているが、ここでは個々のスイッチの構成について説明する。スイッチとして機械的なスイッチを用いた場合には、大きさ、コスト、動作速度、耐久性の点で問題があるため、スイッチとして半導体リレーを用いることが好ましい。ここで、グランド接続切替スイッチ３はセル電圧測定装置２内のグランドとセルの低電位側とを接続するが、グランドを基準とした場合、セル電圧は高い場合もあれば低い場合もあり、両方の場合についてスイッチング動作を行うようにする必要がある。
【００４１】
図６にグランド接続切替スイッチ３を構成するＮ個のスイッチのうちの１つのスイッチの構成を示す。図６では、電池１内のｎ番目のセルＣnの低電位側の端子ｊnをグランド接続切替スイッチ３内のグランドに接続するためのスイッチＳＷnのみを示している。グランド接続切替スイッチ３内のグランドとの接続点をＡ点、セルＣnの低電位側の端子ｊnとの接続点をＢ点とすると、Ａ点とＢ点との間にｎチャネルＭＯＳトランジスタ（nMOS FET）を配置して、このnMOS FETのオン／オフを制御することにより、Ａ点とＢ点との接続を制御している。ここで、nMOS FETには寄生ダイオードを介してリーク電流が流れるため、２個のnMOS FET、即ち第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２を配置しており、２つのnMOS FETの接続点をＣ点とする。また、第２nMOS FET３２のゲートには、pMOS FET３３が接続されている。第１nMOS FET３１のゲート及びpMOS FET３３のソースが切替スイッチ制御部８と接続されており、接続点をそれぞれａ点及びｂ点とする。ａ点及びｂ点には、切替スイッチ制御部８からの制御信号が入力される。
【００４２】
ここで、Ｂ点の電位は、グランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合と低い場合とがあり、両者いずれの場合でもＳＷnがスイッチング動作を行うようにする必要がある。Ｂ点の電位がグランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合は、第１nMOS FET３１のリーク電流が第２nMOS FET３２の寄生ダイオードへ流れ、Ｃ点の電圧がグランド電位にダイオードの電圧Ｖｆを加えた電位となる。このとき、第１nMOS FET３１のゲートをグランドレベルにすればソースであるＣ点の電圧より低くなりオフ状態を維持することができる。
【００４３】
一方、Ｂ点の電位がグランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも低い場合は、第２nMOS FET３２のリーク電流が第１nMOS FET３１の寄生ダイオードへ流れ、Ｃ点の電圧がＢ点の電圧にダイオードの電圧Ｖｆを加えた電圧となる。第２nMOS FET３２をオフするにはゲート電圧をＢ点の電圧と同一にする必要がある。そのため、Ｂ点と第２nMOS FET３２のゲートとの間にプルダウン抵抗Ｒｐを設置し、さらに第２nMOS FET３２のゲートにpMOS FET３３を配置している。pMOS FET３３を配置しているのは、第２nMOS FET３２がオフ状態のときに第２nMOS FET３２のゲートをグランドから切り離し、Ｂ点のプルダウン抵抗を有効にさせるためである。
【００４４】
切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へＳＷnをオン状態とする制御信号が入力されない場合は、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となり、Ｂ点はグランドには接続されない。一方、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へＳＷnをオン状態とする制御信号が入力された場合は、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となり、Ｂ点の電位はグランドと同電位となる。
【００４５】
次に、グランド接続切替スイッチ３内のスイッチＳＷnの動作について具体的に説明する。上述のように、Ｂ点の電圧ＶBは、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より高い場合と低い場合とがある。次に、Ｂ点の電位が、グランド接続切替スイッチ３内のグランドよりも高い場合と低い場合のそれぞれの場合に分けてスイッチの動作方法について説明する。
【００４６】
まず、Ｂ点の電圧ＶBが、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より低い場合のスイッチＳＷnの動作について説明する。図７はＢ点の電圧ＶBがグランドより低い場合における、スイッチＳＷnの動作を表すタイミングチャートである。時刻ｔ1〜ｔ4において、ｔ2〜ｔ3の期間にＳＷnをオン状態とし、ｔ1〜ｔ2及びｔ3〜ｔ4の期間にＳＷnをオフ状態とする様子を示している。
【００４７】
まず、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持する仕組みについて説明する。ＳＷnがオフ状態となるのは、図７のタイミングチャートにおいて、ｔ1〜ｔ2及びｔ3〜ｔ4の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として0[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに0[V]となる。このとき、図６に示すように、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBが例えば-60[V]に維持される。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００４８】
Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合には、第１nMOS FET３１の寄生ダイオードには順方向電圧が印加され、スイッチの役目を果たさないため、第２nMOS FET３２がスイッチの役目を担う。ここで、第２nMOS FET３２をオフ状態とするために、第２nMOS FET３２のゲートとＢ点との間にプルダウン抵抗Ｒpを配置している。これにより、第２nMOS FET３２のゲート電位がソース電圧と同等となり第２nMOS FET３２がオン状態となることを防止している。ここで、プルダウン抵抗Ｒpが無いとすると、第２nMOS FET３２のゲートにグランド電位が印加された状態となり、ソース電圧が下がるためオン状態となってしまうこととなる。pMOS FET３３の役割は、第２nMOS FET３２がオフ状態の場合において、第２nMOS FET３２のゲートをグランドから切り離し、Ｂ点と第２nMOS FET３２との間に接続したプルダウン抵抗を有効にさせるためである。このようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持することができる。
【００４９】
次に、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、ＳＷnがオン状態となる仕組みについて説明する。ＳＷnがオン状態となるのは、図７のタイミングチャートにおいて、ｔ2〜ｔ3の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からの制御信号として5[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに5[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBは、グランド電圧であるＡ点電圧ＶAと同電位、例えば0[V]とすることができる。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５０】
切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として5[V]が入力されると、ｂ点電圧Ｖbが5[V]となり、pMOS FET３３のソース電圧が5[V]となって、pMOS FET３３がオン状態となる。これにより、pMOS FET３３のソース電圧の5[V]が第２nMOS FET３２のゲートに印加され、第２nMOS FET３２のゲートの電圧がソースの電圧より高くなり、第２nMOS FET３２がオン状態となる。第１nMOS FET３１のソース電圧は第２nMOS FET３２のソース電圧と同電位であるため、第１nMOS FET３１のゲート、即ちa点に5[V]を印加すると第１nMOS FET３１がオン状態となる。このようにして、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点電圧ＶBがグランド電圧であるＡ点電圧ＶAと同電位の0[V]となり、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にすることができる。
【００５１】
以上のようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより低い場合において、切替スイッチ制御部８からの制御信号により、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【００５２】
次に、Ｂ点の電圧ＶBが、グランド接続切替スイッチ３内のグランドの電位より高い場合のスイッチＳＷnの動作について説明する。図８はＢ点の電圧ＶBがグランドより高い場合における、スイッチＳＷnの動作を表すタイミングチャートである。時刻ｔ5〜ｔ8のうち、ｔ6〜ｔ7の期間のみＳＷnをオン状態とする様子を示している。
【００５３】
まず、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持する仕組みについて説明する。ＳＷnのオフ状態となるのは、図８のタイミングチャートにおいて、ｔ5〜ｔ6及びｔ7〜ｔ8の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として0[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに0[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオフ状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBが例えば60[V]に維持される。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５４】
第２nMOS FET３２は寄生ダイオードに順方向電圧が印加され、スイッチの役目を果たさないため、第１nMOS FET３１がスイッチの役目を担う。Ｂ点電圧は高電位のため、第１nMOS FET３１にリーク電流が流れた場合でも第２nMOS FET３２の寄生ダイオードにより第１nMOS FET３１のソース電圧は、0.7[V]以下に抑えられ第１nMOS FET３１はオン状態とはならない。このようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnのオフ状態を維持することができる。
【００５５】
次に、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、ＳＷnをオン状態とする仕組みについて説明する。ＳＷnがオン状態となるのは、図８のタイミングチャートにおいて、ｔ6〜ｔ7の期間である。この期間においては、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３へ制御信号として5[V]が入力され、ａ点の電位Ｖa及びｂ点の電位Ｖbはともに5[V]となる。このとき、Ａ点とＢ点との間に設けられた第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点の電圧ＶBは、Ａ点電圧ＶAと同電位、例えば0[V]とすることができる。ＳＷnの具体的な動作内容を以下に説明する。
【００５６】
第１nMOS FET３１のソース電圧は、第２nMOS FET３２の寄生ダイオードによりグランドより0.7[V]高い電圧となっている。第１nMOS FET３１のゲートに5[V]を印加することにより、第１nMOS FET３１がオン状態となる。第２nMOS FET３２のソース電圧は第１nMOS FET３１と同じであるため、b点電圧Ｖbを5[V]にして、pMOS FET３３をオン状態とすれば第２nMOS FET３２のゲートに5[V]が印加されオン状態となる。このようにして、第１nMOS FET３１及び第２nMOS FET３２がオン状態となることにより、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAと同電位の0[V]となり、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にすることができる。
【００５７】
以上のようにして、Ｂ点電圧ＶBがＡ点電圧ＶAより高い場合において、切替スイッチ制御部８からグランド接続切替スイッチ３への制御信号により、Ｂ点であるセルの低電位側の電位をグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【００５８】
以上説明したとおり、本発明のセル電圧測定装置によれば、測定対象であるセルの低電位側の接続点であるＢ点電圧ＶBが、セル電圧測定装置内のグランドであるＡ点電圧ＶAより高い及び低い場合のいずれの場合においても、Ｂ点であるセルの低電位側の電位を維持するか、またはグランドと同電位にするスイッチング制御を行うことができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置について説明する。図９に実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す。実施例１に係るセル電圧測定装置と異なる点は、電圧を測定する対象のセルが１つのセルではなく、直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックとなっている点である。
【００６０】
電池１１は直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックＢ1〜ＢNが直列に接続されて積層（スタック）されており、各バッテリパック同士は、バッテリパックの両端に設けられた接続部ｊb1〜ｊbN+1のうちのｊb2〜ｊbNを介して接続されている。バッテリパックの接続部ｊb1〜ｊbN+1には、個々のバッテリパックの電圧を測定するためのバッテリパック側端子ｐb1〜ｐbN+1が設けられており、ｐb1〜ｐbN+1は、接続部ｊb1〜ｊbN+1に対応して設けられたセル電圧測定装置２１内のグランド接続切替スイッチ３０の端子ｑb1〜ｑbN+1にそれぞれ接続されている。即ち、端子ｑb1〜ｑbN+1は、直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックＢ1〜ＢNを直列接続する接続部ｊb1〜ｊbN+1に各々設けられている。
【００６１】
実施例２のセル電圧測定装置２１は、複数の端子対を構成する端子のうちバッテリパックの低電位側の接続部に対応して設けられた端子とグランドとの間に設けられたグランド接続切替スイッチ３０と、個々のバッテリパックの電圧を測定するように、複数の端子のうち、個々のバッテリパックの両端の接続部に対応して設けられた複数の端子対に接続された複数の電圧測定部４１と、を備えており、グランド接続切替スイッチ３０は、複数の電圧測定部が個々のバッテリパックの電圧を測定する際に、低電位側の接続部に対応して設けられた端子と前記グランドとを接続する点を特徴としている。セル電圧測定装置２１は、さらに、制御部５１、記憶部６１、セル電圧演算部７１、データ送信部８１、切替スイッチ制御部９１を備えており、これらの構成は実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。さらに、セル電圧測定装置２１の外部には、電池ＥＣＵ１０１が設けられている。
【００６２】
次に、本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置を用いたバッテリパックの電圧の測定方法の概略について説明する。図１０にバッテリパックの電圧の測定方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ここでは、図９に示すようにＮ個のバッテリパックを有する電池１１のバッテリパックの電圧を最下層の１番目のバッテリパックＢ1から、最上位のＮ番目のバッテリパックＢNまでについて測定する手順を示す。
【００６３】
まず、ステップＳ２０１において、ｉ番目のバッテリパックＢiを指定するための番号ｉの初期値を０に設定する。次に、ステップＳ２０２において、ｉを１つ増加させる。次に、ステップＳ２０３において、切替スイッチ制御部８１からの制御信号に基づいて、ＳＷbiをオンして端子ｑbiをグランドに接続する。例えば、ｉ＝ｎの場合、ＳＷbnをオンして端子ｑbnをグランドに接続する。その結果、端子ｑbnに接続されている電池１１側の端子ｐbnを介して、バッテリパック電圧の測定対象となっているバッテリパックＢnの低電位側の接続部ｊbnがグランドに接続され、電圧測定ユニット４１内の電圧測定部４２nの低電位側の端子がグランドに接続される。ここで、スイッチＳＷbnは通常はオフしており、切替スイッチ制御部８１からオンするように制御された場合のみオン状態となる。即ち、バッテリパックの低電位側の端子がグランドに接続されるのは、電圧の測定を行う対象のバッテリパックの低電位側の端子のみである。
【００６４】
次に、ステップＳ２０４において、バッテリパックＢiの端子間電圧Ｖoutiを測定する。例えば、バッテリパックＢnの端子間電圧Ｖoutnを測定する場合には、電圧測定ユニット４１が、バッテリパックＢnに対応して設けられた２つの端子（例えば、ｑbn、ｑbn+1）間の電圧を測定する。このとき、ＳＷbnがオンしているので、端子ｑbnはグランドに接続されている。
【００６５】
次に、ステップＳ２０５において、セル電圧演算部７１が、端子間電圧Ｖoutiからバッテリパック電圧Ｖbiを算出する。次に、ステップＳ２０６において、セル電圧演算部７１が、バッテリパックＢiのバッテリパック電圧Ｖbiのデータを記憶部６１に送信する。
【００６６】
次に、ステップＳ２０７において、ｉがＮに等しいか否かを判断することにより、Ｎ個のバッテリパック全ての測定が終了したか否かを判断する。ｉ＝Ｎである場合には、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定が完了したと判断し、測定を終了する。一方、ｉ≠Ｎである場合には、ｉ＜Ｎであるので、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定は完了していないと判断し、ステップＳ２０２に戻って、次のバッテリパックの測定を行い、以下、Ｎ個のバッテリパック全ての電圧測定が完了するまでステップＳ２０２〜Ｓ２０７を繰り返す。
【００６７】
このようにして、Ｎ個のバッテリパックＢ1〜ＢNを構成する個々のバッテリパックＢnの両端の接続部ｊbn、ｊbn+1に対応して設けられた端子ｐbn、ｐbn+1間の電圧Ｖoutnを測定する際に、バッテリパックＢnの低電位側の接続部ｊbnをグランドに接続してバッテリパック電圧Ｖnを測定する。
【００６８】
バッテリパックの電圧を測定するための電圧測定部４２1〜４２Nとして、実施例１と同様に差動増幅回路を用いることができる。図１１に本発明の実施例２に係るセル電圧測定装置の構成を示す。図１１においては、電池１１内のＮ個のバッテリパックＢ1〜ＢNの個々のバッテリパックについての電圧Ｖb1〜ＶbNを電圧測定部４１に設けられた差動増幅回路を用いて測定する例を示している。差動増幅回路の動作は実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６９】
以上のように、実施例２のセル電圧測定装置によれば、バッテリパックの電圧の測定において低電位側の接続部をグランドに接続した状態でバッテリパックの電圧を測定しているので、バッテリパックの位置が上層の場合であってもオフセット電圧の影響を受けることなく、バッテリパックの電圧を正確に算出することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 電池
２ セル電圧測定装置
３ グランド接続切替スイッチ
４ 電圧測定ユニット
５ 制御部
６ 記憶部
７ セル電圧演算部
８ データ送信部
９ 切替スイッチ制御部
１０ 電池ＥＣＵ
４０1〜４０N 電圧測定部
Ｃ1〜ＣN セル
ＳＷ1〜ＳＷN スイッチ
Ｖ1〜ＶN セル電圧
ｊ1〜ｊN+1 接続部
ｐ1〜ｐN+1 セル側端子
ｑ1〜ｑN+1 端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子と、
前記端子のうち前記セルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部と、
前記端子対のうち前記セルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、
を有し、
前記スイッチは、前記電圧測定部が前記セルの電圧を測定する際に、前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとを接続する、
ことを特徴とするセル電圧測定装置。
【請求項２】
直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックを直列接続する接続部に各々設けられた端子と、
前記端子のうち前記バッテリパックの両端の接続部に対応して設けられた端子対に接続された電圧測定部と、
前記端子対のうち前記バッテリパックの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、
を有し、
前記スイッチは、前記電圧測定部が前記バッテリパックの電圧を測定する際に、前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとを接続する、
ことを特徴とするセル電圧測定装置。
【請求項３】
前記スイッチは、半導体リレーを有し、
前記半導体リレーは、
前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとの間に設けられ、前記端子側に設けられた第１のｎチャネルＭＯＳトランジスタ及び前記グランド側に設けられた第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、
前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートとの間に設けられたプルダウン抵抗と、
前記第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに接続されたｐチャネルＭＯＳトランジスタと、
を有する、請求項１または２に記載のセル電圧測定装置。
【請求項１】
複数のセルを直列接続する複数の接続部に各々設けられた端子と、
前記端子のうち前記セルの両端の接続部に設けられた端子対に接続された電圧測定部と、
前記端子対のうち前記セルの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、
を有し、
前記スイッチは、前記電圧測定部が前記セルの電圧を測定する際に、前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとを接続する、
ことを特徴とするセル電圧測定装置。
【請求項２】
直列接続された複数のセルを有する複数のバッテリパックを直列接続する接続部に各々設けられた端子と、
前記端子のうち前記バッテリパックの両端の接続部に対応して設けられた端子対に接続された電圧測定部と、
前記端子対のうち前記バッテリパックの低電位側の接続部に設けられた端子とグランドとの間に設けられたスイッチと、
を有し、
前記スイッチは、前記電圧測定部が前記バッテリパックの電圧を測定する際に、前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとを接続する、
ことを特徴とするセル電圧測定装置。
【請求項３】
前記スイッチは、半導体リレーを有し、
前記半導体リレーは、
前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記グランドとの間に設けられ、前記端子側に設けられた第１のｎチャネルＭＯＳトランジスタ及び前記グランド側に設けられた第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、
前記低電位側の接続部に設けられた端子と前記第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートとの間に設けられたプルダウン抵抗と、
前記第２のｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに接続されたｐチャネルＭＯＳトランジスタと、
を有する、請求項１または２に記載のセル電圧測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４２３５７（Ｐ２０１２−２４２３５７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６００７（Ｐ２０１１−１１６００７）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２３７５９２）富士通テン株式会社 (3,383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２３７５９２）富士通テン株式会社 (3,383)
【Ｆターム（参考）】
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