JP4026337B2

JP4026337B2 - 制御回路

Info

Publication number: JP4026337B2
Application number: JP2001250996A
Authority: JP
Inventors: 正樹長岡; 彰彦工藤
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: JP2003070171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は制御回路に係り、特に、複数個のリチウム二次電池を直列に接続した組電池の制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直列にリチウム二次電池等の単電池が複数個直列に接続された組電池では、例えば、特開平１１−１１３１８２号公報に開示されているように、各単電池の電池電圧を差動増幅器により最下位−端子を基準に検出していた。このように、各単電池の電池電圧の検出が必要な理由は、組電池を構成するリチウム二次電池が充放電に伴って過充電、過放電に陥った場合に、組電池としての放電特性の低下、過充電での安全性の低下、過放電での寿命特性の低下等を招くためである。
【０００３】
図３に、このような電圧監視を行う従来の制御回路の構成例を示す。図３に示すように、組電池１は、８個のリチウム二次電池Ｂ_１〜Ｂ_８が直列に接続されている。各リチウム二次電池の電池電圧は、差動増幅器２を通じてマルチプレクサ３に入力され、マルチプレクサ３の出力はマイクロコンピュータ４のＡ／Ｄ変換に入力される。マイクロコンピュータ４はマルチプレクサ３の入力指定を出力ポートから指定し、マルチプレクサ３から入力された電圧をＡ／Ｄ変換し、各リチウム二次電池の電池電圧をデジタル値として測定する。また、マイクロコンピュータ４は、電池電圧の測定データについてフォトカプラ５を介して上位システムと通信を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の制御回路では、最下位−端子を基準に差動増幅器で各リチウム二次電池の電池電圧を検出していたので、入力電圧が高いほど差動増幅器の抵抗誤差の影響を受け、リチウム二次電池の直列数が多くなるほど、上位側のリチウム二次電池の電池電圧の検出誤差が大きくなる、という問題点があった。リチウム二次電池では、電圧検出の誤差は±数１０ｍＶ程度という高い精度が必要であり、精度を確保するため差動増幅器の抵抗に高精度の抵抗を用いるとコスト高となってしまう。
【０００５】
また、上位システムとの測定データの通信にフォトカプラを用いる場合には、フォトカプラはある程度の電流を通電しないと確実な信号伝送は行えない。特に、スパークノイズが発生する自動車に搭載される組電池又は複数個の組電池で構成される電池モジュールでは、フォトカプラに一定量の電流を流す必要があり、制御回路全体として消費電流が増加する傾向にある。消費電流を低減するために、マイクロコンピュータ等の半導体素子を低消費電力素子に変更することも可能であるが、コスト高となる、という問題点がある。
【０００６】
上記事案に鑑み本発明は、電圧検出精度が向上し、低コスト、かつ、低消費電流の制御回路を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、複数個のリチウム二次電池を直列に接続した組電池の制御回路であって、正相入力端子が抵抗を介して前記組電池の任意の接続点と同電位となる仮想グランドに接続され、前記組電池を構成する各リチウム二次電池の＋端子の電圧を出力する差動増幅器を有するセル電圧変換回路と、前記仮想グランドを基準に前記各リチウム二次電池の電池電圧を測定する測定回路と、前記測定回路で測定した各リチウム二次電池の電池電圧を信号転送するためのフォトカプラと、を備え、前記仮想グランドは前記組電池の中点（前記組電池を構成するリチウム二次電池数ｎが偶数の場合：ｎ／２とｎ／２＋１番目のリチウム二次電池間、奇数の場合：（ｎ−１）／２と（ｎ＋１）／２番目のリチウム二次電池間）であり、前記セル電圧変換回路は前記組電池を構成するリチウム二次電池の最上位＋端子と最下位−端子とを作動電源とし、前記測定回路の作動電源は前記最上位＋端子と前記仮想グランドとの間から供給され、前記フォトカプラの主駆動電源が前記仮想グランドと前記最下位−端子との間から供給されることを特徴とする。
【０００８】
本発明は、セル電圧変換回路が差動増幅器を有して構成されており、セル電圧変換回路は、正相入力端子が抵抗を介して組電池の任意の接続点と同電位となる仮想グランドに接続されており、出力端子からは組電池を構成する各リチウム二次電池の＋端子の電圧が出力される。そして、測定回路により、仮想グランドを基準に各リチウム二次電池の電池電圧が測定され、フォトカプラにより測定回路で測定した各リチウム二次電池の電池電圧が信号転送される。本発明では、組電池の任意の接続点と同電位の仮想グランドを基準に各リチウム二次電池の電池電圧が測定されるので、セル電圧変換回路の差動増幅器の入力電圧が組電池の最下位−端子を基準とする場合より低く、電圧検出誤差が小さくなり、測定回路での各リチウム二次電池の電圧検出精度を向上させることができる。また、仮想グランドを組電池の中点としたので、各差動増幅器の同相入力電圧除去比を同一と仮定したときに、電圧検出誤差は組電池の最下位−端子を基準にする場合の半分となり、電圧検出精度を更に向上させることができ、電圧検出精度が向上することから差動増幅器に使用される抵抗の精度を一定以下に抑えることができるため、制御回路のコストを低減させることができる。さらに、セル電圧変換回路の作動電源を組電池を構成するリチウム二次電池の最上位＋端子と最下位−端子とし、測定回路の作動電源を最上位＋端子と仮想グランドとの間から供給し、フォトカプラの主駆動電源を仮想グランドと最下位−端子との間から供給するので、フォトカプラを仮想グランドと最下位−端子の間で駆動することでフォトカプラと測定回路とは直列接続され、消費電流を（フォトカプラ駆動電流＋測定回路電流）からフォトカプラ駆動電流と測定回路電流のいずれか大きい方の電流値まで低減させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な制御回路の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の制御回路は、８個のリチウム二次電池Ｂ_１〜Ｂ_８が直列に接続された組電池１の各リチウム電池Ｂの電圧検出回路である。本制御回路は、各リチウム電池Ｂの数に対応した差動増幅器２を備えている。差動増幅器２は、ＯＰアンプと４本の抵抗とで構成されている。ＯＰアンプの正相入力端子には抵抗７１及び７２の一端が接続されており、抵抗７１の他端はリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子に接続されている。ＯＰアンプの逆相入力端子は抵抗７２及び７４の一端に接続されており、抵抗７２の他端はリチウム二次電池Ｂ_８の−端子及び１つ下位の差動増幅器の正相入力端子に当該差動増幅器の抵抗７１を介して接続されている。
【００１２】
抵抗７３の他端は仮想グランドに接続されている。抵抗７４の他端はＯＰアンプの出力端子に接続されており、ＯＰアンプの出力端子はマルチプレクサ３に接続されている。また、差動増幅器２の正電源端子（Ｖ_ＣＣ）は最上位のリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子に接続されており、負電源端子（Ｖ_ＥＥ）は最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続されている。
【００１３】
下位の差動増幅器２は、最上位のリチウム二次電池Ｂ_８に接続された差動増幅器２と同一の構成と接続とがなされているが、最下位のリチウム二次電池Ｂ_１に接続された差動増幅器２は抵抗７２の他端が最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続されている点で異なっている。
【００１４】
組電池１の中点は、リチウム二次電池Ｂ_４の＋端子とリチウム二次電池Ｂ_５の−端子との間の接続点とされている。このような接続点は、組電池１を構成するいずれか２個のリチウム二次電池の間とすることができるが、特に上位側のリチウム二次電池の電圧検出精度を高めるためには、組電池１を構成するリチウム二次電池Ｂの個数ｎに応じて、個数ｎが偶数の場合には、ｎ／２番目のリチウム二次電池とｎ／２＋１番目のリチウム二次電池との間、個数ｎが奇数の場合には、（ｎ−１）／２番目のリチウム二次電池と（ｎ＋１）／２番目のリチウム二次電池の間とすることが好ましい。本実施形態では、リチウム二次電池の個数ｎが８で偶数であるので、８／２番面（＝４番目）のリチウム二次電池Ｂ_４と８／２＋１番目（＝５番目）のリチウム二次電池Ｂ_５との間が中点として求められる。
【００１５】
また、制御回路６は、正電源端子（Ｖ_ＣＣ）を最上位のリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子に接続し、負電源端子（Ｖ_ＥＥ）を最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続したＯＰアンプ６を備えている。ＯＰアンプ６の正相入力端子は上述した中点に接続されており、逆相入力端子は仮想グランドに接続されている。ＯＰアンプ６の出力は、ＮＰＮ形トランジスタ及びＰＮＰ形トランジスタのベースに接続されている。ＮＰＮ形トランジスタのコレクタは最上位のリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子に接続に接続されており、ＰＮＰ形トランジスタのコレクタは最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続されている。また、ＮＰＮ形トランジスタ及びＰＮＰ形トランジスタのエミッタは仮想グランドに接続されている。更に、この仮想グランドと最上位のリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子との間の電圧が電源部の電圧とされており、マイクロコンピュータ４を含む各部の作動電源が電源部から供給される構成とされている。
【００１６】
マルチプレクサ３はマイクロコンピュータ４のＡ／Ｄ入力ポートに接続されており、マイクロコンピュータ４の出力ポートはマルチプレクサ３に接続されている。従って、マイクロコンピュータ４はマルチプレクサ３の入力指定を出力ポートから指定し、マルチプレクサ３から入力された電圧を、仮想グランドの電圧を基準電圧としてＡ／Ｄ変換し、各リチウム二次電池の電池電圧をデジタル値として測定する。また、マイクロコンピュータ４は、電池電圧の測定データについてフォトカプラ５を介して上位システムと通信を行うために、シリアル出力ポートを有している。フォトカプラ５の発光ダイオードのアノードには抵抗の一端が接続されており、この抵抗の他端は仮想グランドに接続されている。発光ダイオードのカソードはＮＰＮ形トランジスタのコレクタに接続されており、ＮＰＮ形トランジスタのエミッタは最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続されている。また、マイクロコンピュータ４のシリアル出力ポートにはＰＮＰ形トランジスタのベースが接続されており、ＰＮＰ形トランジスタのエミッタは電源部に、コレクタは抵抗を介してＮＰＮ形トランジスタのベースに接続されている。
【００１７】
従って、本実施形態の制御回路が図３に示した従来の制御回路と大きく異なっているのは、（１）最上位のリチウム二次電池Ｂ_８の＋端子と最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子との間の電圧を作動電源とするＯＰアンプ６の正相入力端子がリチウム二次電池Ｂ_４、Ｂ_５間に接続されている点、（２）ＯＰアンプ６の逆相入力端子が仮想グランドとして差動増幅器２やマイクロコンピュータ４に接続されている点、及び（３）電池電圧の測定データを信号伝送するためのフォトカプラ５をこの仮想グランドと最下位のリチウム二次電池Ｂ_１の−端子に接続されている点である。
【００１８】
上記実施形態の制御回路の各差動増幅器２の抵抗７１、７２、７３、７４に０．１％精度の抵抗を使用して多数個の実施例の制御回路を作製した。また、実施例の制御回路の効果を確認するために、図３に示した従来の制御回路の各差動増幅器２の抵抗７１、７２、７３、７４に、実施例と同様に、０．１％精度の抵抗を使用して多数個の比較例の制御回路を作製した。
【００１９】
実施例及び比較例の各制御回路について、２５°Ｃの常温下で電圧検出誤差を測定した。図２に両者の電圧誤差特性を示す。この電圧誤差特性は、誤差の３σの範囲を示したものである。図２に示すように、比較例の制御回路では電圧検出誤差が４０ｍＶであったのに対し、実施例の制御回路では３０ｍＶであった。従って、リチウム二次電池の電圧検出精度が向上したことが確認できた。
【００２０】
また、実施例及び比較例の各制御回路について、消費電流の平均値を求めた。なお、上述した３σの範囲外のものは、実施例及び比較例の制御回路共に作製不良として平均の母数及び対象から除外した。消費電流測定の結果、比較例の制御回路の平均値は５４ｍＡであったのに対し、実施例の制御回路の平均値は４３ｍＡであり、従来の制御回路に比較して消費電流が２０％低減したことが確認できた。
【００２１】
このように、リチウム二次電池の電圧検出精度が向上したのは、組電池１の中点と同電位の仮想グランドを基準に各リチウム二次電池の電池電圧を測定したためであり、中点を基準に電池電圧を測定することで、上位側に行くに従って誤差が累積される従来の制御回路と比べ、理論的にも各リチウム二次電池の電圧検出精度の向上が図られることが分かる。また、消費電流が低減したのは、上述したように従来例と異なる構成を採ることで、消費電流をフォトカプラ５の駆動電流と測定回路電流（ＯＰアンプ、トランジスタを流れる電流の総和）との大きい方の電流値とすることで両者の累積消費電流を避けるように構成したためである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、セル電圧変換回路の作動電源を組電池を構成するリチウム二次電池の最上位＋端子と最下位−端子とし、測定回路の作動電源を最上位＋端子と仮想グランドとの間から供給し、フォトカプラの主駆動電源を仮想グランドと最下位−端子との間から供給するので、フォトカプラを仮想グランドと最下位−端子の間で駆動することでフォトカプラと測定回路とは直列接続され、消費電流を（フォトカプラ駆動電流＋測定回路電流）からフォトカプラ駆動電流と測定回路電流のいずれか大きい方の電流値まで低減させることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施の形態の制御回路のブロック図である。
【図２】実施例の制御回路のリチウム二次電池の電圧検出誤差を示す特性線図である。
【図３】従来の制御回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１組電池
２差動増幅器（セル電圧変換回路の一部）
３マルチプレクサ（セル電圧変換回路の一部）
４マイクロコンピュータ（測定回路）
５フォトカプラ
６ＯＰアンプ（セル電圧変換回路の一部）
Ｂ１〜Ｂ８リチウム二次電池

Claims

複数個のリチウム二次電池を直列に接続した組電池の制御回路であって、
正相入力端子が抵抗を介して前記組電池の任意の接続点と同電位となる仮想グランドに接続され、前記組電池を構成する各リチウム二次電池の＋端子の電圧を出力する差動増幅器を有するセル電圧変換回路と、
前記仮想グランドを基準に前記各リチウム二次電池の電池電圧を測定する測定回路と、
前記測定回路で測定した各リチウム二次電池の電池電圧を信号転送するためのフォトカプラと、
を備え、前記仮想グランドは前記組電池の中点（前記組電池を構成するリチウム二次電池数ｎが偶数の場合：ｎ／２とｎ／２＋１番目のリチウム二次電池間、奇数の場合：（ｎ−１）／２と（ｎ＋１）／２番目のリチウム二次電池間）であり、前記セル電圧変換回路は前記組電池を構成するリチウム二次電池の最上位＋端子と最下位−端子とを作動電源とし、前記測定回路の作動電源は前記最上位＋端子と前記仮想グランドとの間から供給され、前記フォトカプラの主駆動電源が前記仮想グランドと前記最下位−端子との間から供給されることを特徴とする制御回路。