JP4186916B2

JP4186916B2 - 組電池管理装置

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Publication number: JP4186916B2
Application number: JP2004335002A
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Inventors: 圭介谷川; 徹也小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
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Filing date: 2004-11-18
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Description

本発明は組電池管理装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車では配線断面積の削減やスイッチング素子の損失低減などの理由から２次電池からなる単位セルを数十から数百個直列接続してなる組電池が採用されている。２次電池としては、電池特性に優れたリチウム２次電池の採用が検討されている。しかし、上記したリチウム２次電池は過充電、過放電に対する耐性に劣るため、リチウム２次電池などを単位セルとして用いた組電池では、単位セル間の電圧ばらつきを低減することにより単位セルの過充電や過放電を防止するセル間電圧均等化回路（以下、単に均等化回路と言う）を設けるのが必須となっている。この種の均等化回路としてはたとえば下記の特許文献１に記載されている。なお、ハイブリッド車用の組電池の直列接続単位セル数が非常に多数であるため、組電池の単位セル群を所定数の電池モジュールに分割し、電池モジュールそれぞれにセル間均等化回路を設けるのが通常である。もちろん、電池モジュール間の電圧ばらつきを低減するモジュール間均等化回路を設けることも可能である。

また、各単位セルの過充電や過放電の防止のために、各単位セルの過充電や過充放電を判定し、この判定結果を用いて過充電判定時に組電池の充電電流を遮断したり、過放電判定時に組電池の放電電流を遮断したり過充放電防止制御を行うことも組電池の管理においては必須となっている。ただ、ハイブリッド車に用いる組電池のような高電圧の組電池では、単位セル間の電位差が大きく、かつ、単位セル数が非常に大きいために、均等化回路と同様、組電池の単位セル群を所定数の電池モジュールに分割し、電池モジュールそれぞれに過充放電検出回路を設け、各電池モジュールの過充放電検出回路から組電池全体を管理する組電池コントローラに各電池モジュールの過充放電判定結果を送信して配線の簡素化と入出力絶縁の確保とを行うのが通常である。

更に、組電池の各電池モジュールの最高電位端子や最低電位端子（いか、これら端子をモジュール端子とも言う）や、各単位セルの正極端子や負極端子（以下、セル端子とも言う）と、モジュールコントローラの所定端子とを結ぶライン（接続ラインとも言う）が断線したかどうかを検出することが、下記の特許文献２に記載されている。
特開２００２−３２５３７０特開２００３−８４０１５

しかしながら、上記した均等化回路及び過充放電検出回路を装備するモジュールコントローラが単位セル間の電圧ばらつき低減のための均等化動作を行い、かつ、単位セルの過充放電検出を行うと、均等化動作により電池モジュール内の各単位セルの電圧が変動し、その結果、単位セルの過充放電検出の精度が低下するという不具合が生じた。特に、均等化回路が所定の単位セルの放電を実行している場合に、この単位セルとそれを放電する均等化回路の放電抵抗とを結ぶラインが断線すると、この放電モードの単位セルに隣接する単位セルの過充電検出回路に誤った単位セル電圧が印加されることになり、その過充放電判定に大きな誤差を生じることがわかった。

また、均等化動作中に上記電池端子ラインの断線検出を行うと、均等化回路の放電抵抗を通じて流れる電流により断線検出の判定誤差が大きくなるという不具合生じることがわかった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化や回路消費電力の増加を回避しつつ過充放電検出動作と断線検出動作と均等化動作との間の相互悪影響を回避可能な組電池管理装置を提供することをその目的としている。

本発明の構成及び作用を以下に説明する。ただし、下記に用いる用語「単位セル」は、直列接続された複数の二次電池により構成されてもよいことに留意されたい。

上記課題を解決するための第１発明は、それぞれ二次電池からなる多数の単位セルを直列接続してなる組電池に装備されて前記各単位セル間の電圧ばらつきを低減する均等化回路と、前記組み電池に装備されて前記各単位セルの電圧と所定の基準電圧との比較結果に基づいて前記各単位セルの過充放電を検出する過充放電検出回路とを備える組電池管理装置において、前記過充放電検出回路による前記過充放電検出を行う場合に前記均等化回路による前記単位セルの放電を禁止する均等化禁止回路を有することを特徴としている。

この第１発明によれば、過充放電検出中における均等化回路の放電動作による単位セル電圧の変動を防止することできるため、過充放電検出の精度を向上することができる。

上記課題を解決する第２発明は、それぞれ二次電池からなる多数の単位セルを直列接続してなる組電池に装備されて前記各単位セル間の電圧ばらつきを低減する均等化回路と、前記組み電池に装備されて前記各単位セルの電圧と所定の基準電圧との比較結果に基づいて前記各単位セルの過充放電を検出する過充放電検出回路とを備える組電池管理装置において、互いに隣接して直列接続された複数の前記単位セルからなる電池モジュールの端子と前記均等化回路とを接続するモジュール接続ラインの断線を検出する断線検出回路と、前記断線検出回路による前記断線検出を行う場合に前記均等化回路による前記単位セルの放電を禁止する均等化禁止回路とを有することを特徴としている。

この第２発明によれば、断線検出中における均等化回路の放電動作による断線検出回路への入力電圧の変動を防止することできるため、断線誤検出を防止することができる。

好適な態様において、前記均等化回路は、前記組電池の充放電電流を断続するメインスイッチの開放時に前記均等化動作を行う。このようにすれば、均等化回路において各単位セルのほぼ開放電圧を基準として各単位セル間の電圧ばらつき解消を行うことができるため、過充放電検出における誤検出や断線検出における誤検出を簡単な回路で防止することができる。

好適な態様において、前記メインスイッチの開放時に前記過充放電検出回路による過充放電検出動作又は前記断線検出回路による断線検出動作を行わない。このようにすれば、過充放電検出動作又は断線検出動作時の均等化動作を簡単に禁止することができる。

本発明の組電池管理装置の好適な実施形態を以下、図面を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、公知の技術要素又は本発明の技術要素を実施可能な技術要素を組み合わせて構成しても実施可能である。

（全体構成）
図１は、組電池管理装置の全体構成を表すブロック図である。１は組電池、２は組電池管理装置である。

（組電池１）
組電池１は、高電位電源ラインＬＨ、低電位電源ラインＬＬを通じて図示しない発電装置又は電気負荷に接続されている。電気負荷として回生発電可能な走行モータなどが採用可能なことは当然である。この実施例では組電池１は、図示及び説明を簡単とするために８個の単位セルＣ1〜Ｃ８からなるものとする。単位セルＣ1〜Ｃ８は、たとえばリチウム二次電池のごとき二次電池を一個用いて構成されているが、直列接続された複数の二次電池により構成してもよい。組電池１は、高電位側の４個の単位セルＣ1〜Ｃ4からなる電池モジュールＭ１と、低電位側の４個の単位セルＣ５〜Ｃ８からなる電池モジュールＭ２とに分別されている。ただし、実際の使用においては、更に多数の電池モジュールを直列接続して組電池１を構成してもよく、更に多数の単位セルを用いて電池モジュールを構成してもよいことは当然である。

（組電池管理装置２）
組電池管理装置２は、組電池１の全体管理を行う組電池コントローラ４と、電流センサ５と、電池モジュールＭ１、Ｍ２を個別に管理するモジュールコントローラ６、７とからなる。電流センサ５は、組電池１の充放電時に低電位電源ラインＬＬを流れる主電流を検出して組電池コントローラ４に送信し、組電池コントローラ４はこの電流の積算により組電池１が授受するアンペアアワーを算出してＳＯＣを算出する。

（組電池コントローラ４）
組電池コントローラ４は、種々の入力信号に基づいて組電池１の状態を把握し、それに基づいて組電池１の状態を適正範囲に維持するために、図示しない外部制御装置に電池充電又は電池放電に関する要求を出力する容量管理を行う。この容量管理は本質的に外部電源や外部電気負荷を制御する外部制御装置との交信により外部制御装置と共同で行う。たとえば容量が減少した場合には外部制御装置にそれを報知して充電を要請し、容量が十分である場合には外部制御装置にそれを報知して充電停止又は放電を要請する。

組電池コントローラ４は、組電池１やモジュールコントローラ６、７や電流センサ５などからの入力信号に基づいて組電池１の状態たとえば電圧や温度が異常かどうかを判定し、異常と判定した場合あらかじめ定められた異常出力動作を行う異常検出を行う。

組電池コントローラ４は、各単位セルＣ1〜Ｃ８の異常検出をこのモジュールコントローラ６、７を通じて行う。これは、リチウム二次電池などでは単位セルごとの電圧管理が要求されるが、多数の単位セルを直列接続してなる組電池１では単位セル間の電圧差が大きいために単一の組電池コントローラ４により組電池１のすべての単位セを管理することは困難であるためである。

Ｌ１〜Ｌ９は、組電池１と組電池管理装置２との間の接続ラインである。接続ラインＬ１、Ｌ５、Ｌ９は電池モジュールＭ１、Ｍ２の電圧を組電池コントローラ４で検出するために、電池モジュールＭ１、Ｍ２の端子と組電池コントローラ４のモジュール電位検出端子とを接続している。当然、電池モジュールが多数存在する場合には、電池モジュールの端子と組電池コントローラ４のモジュール電位検出端子とを接続する接続ラインの本数も増加する。組電池コントローラ４は、この接続ラインの断線を検出する断線検出回路機能を内蔵している。

（モジュールコントローラ６）
モジュールコントローラ６は、図２に示すように、均等化回路８と過充放電検出回路９とを有している。モジュールコントローラ７の構成、動作はモジュールコントローラ６と本質的に等しいため、モジュールコントローラ６についてのみ説明する。モジュールコントローラ６の均等化回路８と過充放電検出回路９とは、接続ラインＬ１〜Ｌ５により電池モジュールＭ１の単位セルＣ1〜Ｃ4の各端子に個別に接続されている。

（均等化回路８）
以下、均等化回路８について図２を参照して説明する。

均等化回路８は、単位セルＣ1〜Ｃ4の電圧のばらつきの大きさを知るための基準電圧Ｖ２’〜Ｖ４’を出力する抵抗分圧回路２０と、単位セルＣ1〜Ｃ4の接続点電位Ｖ２〜Ｖ４と上記基準電圧Ｖ２’〜Ｖ４’を比較することにより各単位セルＣ1〜Ｃ4間の電圧ばらつきの大小を比較判定する比較回路２１〜２３と、上記比較判定結果に基づいて放電すべき単位セルを決定する論理回路２４、２５と、比較回路２１〜２３又は論理回路２４、２５からの指令により各単位セルを個別に放電する放電回路２６〜２９と、外部指令により上記放電を禁止する所定条件にて放電禁止回路３０とからなる。

抵抗分圧回路２０は、互いに等しい抵抗値を有する抵抗素子ｒを直列接続してなり、各接続点から比較回路２１〜２３に比較用の基準電圧Ｖ２’〜Ｖ４’を出力する。従って、各単位セルＣ1〜Ｃ4の電圧が等しい場合には各単位セルＣ1〜Ｃ4の接続点電位Ｖ２〜Ｖ４は、基準電圧Ｖ２’〜Ｖ４’に等しくなる。

比較回路２１は、接続ラインＬ２の電位Ｖ２と基準電圧Ｖ２’とを比較し、電位Ｖ２の方が低い場合に放電回路２６をオンさせて単位セルＣ1を放電させる。また、比較結果及びその論理的逆レベルの信号を論理回路２４に入力する。

比較回路２２は、接続ラインＬ３の電位Ｖ３と基準電圧Ｖ３’とを比較し、比較結果及びその論理的逆レベルの信号を論理回路２４、２５に入力する。比較回路２３は、接続ラインＬ４の電位Ｖ４と基準電圧Ｖ４’とを比較し、電位Ｖ４の方が高い場合に放電回路２９をオンさせて単位セルＣ４を放電させる。また、比較結果及びその論理的逆レベルの信号を論理回路２５に入力する。

論理回路２４は、入力された各比較結果に基づいて単位セルＣ２を放電すべきかどうかを判定し、判定結果に基づいて放電回路２７を制御する。論理回路２５は、入力された各比較結果に基づいて単位セルＣ３を放電すべきかどうかを判定し、判定結果に基づいて放電回路２８を制御する。

放電回路２６〜２９は、放電抵抗Ｒと放電スイッチＳＷとを直列してなり、各放電回路２６〜２９は各単位セルＣ1〜Ｃ4のうち自己が放電すべき単位セルＣ1〜Ｃ4の一つの両端に接続されている。放電スイッチＳＷは自己が放電すべき単位セルの負極端子と放電抵抗Ｒを通じて自己が放電すべき単位セルの正極端子に接続されている。

放電回路２６の放電スイッチＳＷは比較回路２１の出力電圧により制御され、放電回路２７の放電スイッチＳＷは論理回路２４の出力電圧により制御され、放電回路２８の放電スイッチＳＷは論理回路２５の出力電圧により制御され、放電回路２９の放電スイッチＳＷは比較回路２３の出力電圧により制御される。

これにより、放電回路２６〜２９の各放電スイッチＳＷのうち任意の放電スイッチをオンすることによりを必要な単位セルの放電が行われる。この放電回路２６〜２９により所望の単位セルを放電させるセル間均等化動作により、各電位Ｖ２〜Ｖ４は次第に基準電圧Ｖ２’〜Ｖ４’に近づく。この種の均等化放電のための回路構成及び動作自体は既に種々よく知られており、かつ、均等化回路８の均等化動作自体はこの実施例の要部でないため、均等化回路８についてはこれ以上の説明は省略する。もちろん、電池モジュールＭ１の単位セルＣ1〜Ｃ4の電圧均等化のために公知の他の均等化回路を採用してもよい。

放電禁止回路３０は、エミッタ電極が最低電位の接続ラインＬ５に接続されたフォトカプラ３１と、それぞれ逆流防止ダイオードＤとコレクタ抵抗素子ｒｘとを直列接続してなり、フォトカプラ３１の負荷をなす４つの負荷回路３２とからなる。更に説明すると、各負荷回路３２において、逆流防止ダイオードＤのアノード電極は放電スイッチＳＷのベース電極（制御電極）に接続され、逆流防止ダイオードＤのカソード電極はコレクタ抵抗素子ｒｘを通じてフォトカプラ３１のトランジスタのコレクタ電極に接続されている。これにより、組電池コントローラ４がフォトカプラ３１に放電禁止信号を出力すると、フォトカプラ３１が各放電スイッチＳＷを強制オフするため、均等化回路８による単位セルＣ1〜Ｃ4の放電は禁止される。

（変形態様）
なお、上述の放電禁止回路３０を内蔵する均等化回路８については、たとえば特開２０００−８３３２７や特開２００２−３２５３７０に記載された回路と同等であるので、電池均等化技術の一般的な理解や比較回路２１〜２３や論理回路２４、２５の動作の更なる詳細については上記公報を参照されたい。

（電池モジュール間の均等化）
図２において、１００は電池モジュールＭ１の電圧が過充電状態である場合や電池モジュール間の電池ばらつきを均等化する場合に、電池モジュールＭ１を放電させるためのモジュール放電回路であり、組電池コントローラ４に内蔵されている。モジュール放電回路１００は、放電抵抗Ｒｍと放電スイッチＳＷｍとにより構成されている。このモジュール放電回路１００は、後述するモジュール電圧検出回路４９の検出結果に基づいて、後述の過充放電検出回路９が電池モジュールＭ１の過充電を検出した際に動作する。また、モジュール放電回路１００は、組電池コントローラ４が行う電池モジュール間の電圧ばらつき解消のための均等化動作における電池モジュール放電回路としても機能する。モジュール放電回路１００による電池モジュール間の電圧均等化は、上記した単位セル間の電圧均等化と本質的に同じであるため説明を省略する。組電池コントローラ４には、電池モジュールＭ２を放電するためにモジュール放電回路１００と同一回路構成のモジュール放電回路が内蔵されている。

（過充放電検出回路９）
過充放電検出回路９について図２を参照して以下に説明する。

過充放電検出回路９は、各単位セルＣ1〜Ｃ4の過充放電を個別に検出するセル過充放電検出回路３３〜３６の判定出力の論理演算により電池モジュールＭ１が過充電状態の単位セルを含むことを判定して過充電信号Ｓｃを組電池コントローラ４に出力する過充電判定回路３７と、セル過充放電検出回路３３〜３６の判定出力の論理演算により電池モジュールＭが過放電状態の単位セルを含むことを判定して過放電信号Ｓｄを組電池コントローラ４に出力する過放電判定回路３８とを有している。

（セル過充放電検出回路３３）
セル過充放電検出回路３３の回路構成例を図３に示す。なお、セル過充放電検出回路３３〜３６は同一回路構成をもつため、セル過充放電検出回路３３だけを説明する。セル過充放電検出回路３３は、過充電検出回路３９と過放電検出回路４０とからなる。

過充電検出回路３９は、一対の抵抗素子ｒ１、ｒ２を直列接続してなる抵抗分圧回路４１と、基準電圧回路４２と、コンパレータ４４とからなる。抵抗分圧回路４１は、単位セルＣ1の電圧Ｖ１を分圧してコンパレータ４４の非反転入力端に出力する。基準電圧回路４２は、抵抗素子ｒ５と基準電源ＺＤ１とを直列接続してなるいわゆる定電圧出力回路であり、所定の基準電圧ＶｔｈＨをコンパレータ４４の反転入力端に出力する。基準電源としてはたとえば所定降伏電圧の定電圧ダイオード又はそれを用いた定電圧回路を利用することができる。過充電検出回路３９は単位セルＣ1の電圧Ｖ１が所定しきい値を超えて過充電状態が生じているかどうかを判定する回路であり、過充電と判定した場合にセルの過充電を示す過充電信号Ｓ１ｃを過充電判定回路３７に出力する。

過放電検出回路４０は、抵抗分圧回路４５と、基準電圧回路４６と、コンパレータ４８とからなる。この過放電検出回路４０は、基準電圧がＶｔｈＬとなる点とだけが過充電検出回路３９と異なっている。コンパレータ４８は、単位セルＣ1の電圧Ｖ１が過放電と判定すると、それを示す過放電信号Ｓ１ｄを過放電判定回路３８に出力する。

（過充電判定回路３７及び過放電判定回路３８）
過充電判定回路３７及び過放電判定回路３８は、互いに電圧基準が異なるセル過充放電検出回路３３〜３６と、組電池コントローラ４との間の電気絶縁型信号線の本数を低減するためのものであり、過充電判定回路３７は単位セルＣ1〜Ｃ4のどれか一つが過充電の場合に所定レベルのモジュール過充電信号Ｓｃを組電池コントローラ４にフォトカプラを通じて出力する。同様に、過放電判定回路３８は、単位セルＣ1〜Ｃ4のどれか一つが過放電の場合に所定レベルのモジュール過放電信号Ｓｄを組電池コントローラ４にフォトカプラを通じて出力する。

（過充放電検出回路９による過充放電検出における均等化回路の放電禁止）
この実施例では、過充放電検出回路９により過充放電を検出し、モジュール過充電信号Ｓｃ、モジュール過放電信号Ｓｄを組電池コントローラ４に送信する際に、このモジュールコントローラ６の放電回路２６〜２９の放電スイッチＳＷをフォトカプラ３１を通じて組電池コントローラ４からオフさせる。これにより、過充放電検出回路９が単位セルＣ1〜Ｃ4の過充放電を検出する際に、この放電スイッチＳＷのオンにより単位セルに放電電流が余分に流れて単位セルの電圧が変動し、単位セルの過充放電が不正確となることを防止することができる。なお、具体的には、組電池コントローラ４は、定期的に行われるモジュール過充電信号Ｓｃ、モジュール過放電信号Ｓｄの読み込みの所定時間前から読み込み終了時点まで少なくとも均等化回路８の放電スイッチＳＷをオフすればよい。もしくは、均等化回路８を運転する場合には、組電池コントローラ４は、モジュールコントローラ６から読み込むモジュール過充電信号Ｓｃ、モジュール過放電信号Ｓｄを無視して、それを用いた過充放電対応処理を行わないようにすればよい。

つまり、過充放電検出回路９による単位セルの過充放電検出時に、均等化回路８の放電スイッチＳＷがオンしていると、放電スイッチＳＷを通じて放電しているう単位セルと、放電スイッチＳＷを通じて放電していない単位セルとでは、その電流による電池内部の電圧降下量が異なるため、過充放電検出精度が低下する。この態様では、断線検出時を除いて、過充放電検出回路９に過充放電信号を組電池コントローラ４に読み出す前に組電池コントローラ４から放電禁止回路３０に放電禁止信号を送ることにより、過充放電検出回路９を作動させるモジュールコントローラの均等化回路８の放電を禁止し、これにより高精度の過充放電判定を得る。この組電池コントローラ４の動作を示すフローチャートを図７に示す。

（変形態様）
ただし、本発明の過充放電検出回路やその動作はこの実施例や上記公報の回路に限定されるものではない。たとえば過充電検出回路３９や過放電検出回路４０の抵抗分圧回路の抵抗分圧比やしきい値電圧を切り替えスイッチにより変更して、単位セルの電圧を実質的に複数のしきい値で判定し、この判定結果を時間順次に出力してもよい。

（組電池コントローラ４によるモジュール電圧検出）
組電池コントローラ４は、各電池モジュールＭ１、Ｍ２の電圧を検出するモジュール電圧検出回路４９を内蔵している。このモジュール電圧検出回路の例を図４に示す。ただし、通常のモジュール電圧検出回路４９は多数の電池モジュールの電圧を検出するため、図４では８個の電池モジュールの電圧を検出する場合を説明する。

モジュール電圧検出回路４９は、マルチプレクサ回路５０、フライングキャパシタ５１、トランスファスイッチ５２、５３、差動電圧増幅回路５４を有している。マルチプレクサ回路５０は、電池モジュールＭ１〜Ｍ８の各電圧を時間順次に選択してフライングキャパシタ５１に出力し、フライングキャパシタ５１に読み込まれたモジュール電圧はマルチプレクサ回路５０の内部スイッチがオフする期間にトランスファスイッチ５２、５３をオンすることにより差動電圧増幅回路５４に出力されて差動電圧増幅され、その後、図示しないＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換されて組電池コントローラ４内のマイコンに読み込まれる。この種のフライングキャパシタ回路による組電池１の電池モジュールの電圧を時間順次に検出すること自体はもはや周知であるため、これ以上の説明は省略する。もちろん、モジュール電圧検出回路４９として、フライングキャパシタ回路方式以外の公知の電圧検出方式を採用してもよいことは当然である。

なお、５５はコンデンサ放電抵抗、５６はコンデンサ放電スイッチであり、これらは直列接続されてフライングキャパシタ５１の蓄電電圧をリセットするリセット回路として用いられている。コンデンサ放電スイッチ５６は、フライングキャパシタ５１から差動電圧増幅回路５４に電圧を読み込ませた後、マルチプレクサ回路５０からの次のモジュール電圧が読み込みまれる前にオンされて、フライングキャパシタ５１の蓄電電圧を消去し、次のモジュール電圧は、コンデンサ放電スイッチ５６のオフ後、フライングキャパシタ５１に読み込まれる。なお、このリセット回路はこの実施例において必須ではない。

（モジュール電圧検出時の均等化回路の放電禁止）
この実施例では、モジュール電圧検出回路４９が各モジュール電圧を検出する際に均等化回路８の放電スイッチＳＷの放電と、モジュール放電回路１００の放電スイッチＳＷｍの放電を禁止する。これにより、これらの放電によるモジュール電圧変動の影響が無い状態にて、モジュール電圧を検出することができる。

ただし、場合によっては、組電池１の実態を示すものとして、モジュール電圧検出回路４９が各モジュール電圧を検出する際に均等化回路８の放電スイッチＳＷの放電と、モジュール放電回路１００の放電スイッチＳＷｍの放電を禁止しないようにしてもよい。

また、モジュール電圧検出回路４９により各モジュール電圧を検出する際に、モジュール放電回路１００の放電スイッチＳＷｍの放電による各電池モジュール間の電圧均等化動作を停止する。これにより、電池モジュール間の電圧ばらつき均等化のための放電スイッチＳＷｍの作動がモジュール電圧検出に悪影響を与えるのを防止することができる。

（モジュール接続ラインの断線検出方式１）
モジュール接続ラインの断線検出について以下に説明する。この実施例のモジュール接続ラインの断線検出は、図４に示すモジュール電圧検出結果に基づいて組電池コントローラ４のマイコンにより定期的に行われる。ほとんどの断線不良において、コネクタ抜けを除き複数のモジュール接続ラインが同時に断線することはなく、モジュール接続ラインの一本だけが断線するとみなしてよい。

いま、図２に示すモジュール接続ラインＬ５が断線した場合を説明する。この場合、モジュール接続ラインＬ５の高電位側に接続されるモジュールコントローラ６の放電回路２９の放電スイッチＳＷも、モジュール接続ラインＬ５の低電位側に接続されるモジュールコントローラ７の放電回路２６の放電スイッチＳＷも、放電禁止回路３０を作動させることにより、オフしておく。その結果、モジュール接続ラインＬ５は、このモジュール接続ラインＬ５に接続される各種回路を通じて電位的に隣接する他のセル接続ラインＬ４やＬ２に大きなインピーダンスを通じて接続されることになる。

したがって、この断線したモジュール接続ラインの正負両側の電池モジュールＭ１、Ｍ２のどちらの検出においても、電池モジュールＭ１、Ｍ２からマルチプレクサ回路５０を通じてフライングキャパシタ５１への充電はほとんど不能となる。フライングキャパシタ５１の初期電圧はリセット回路により消去されているため、結局、電位的に隣接するこの二つの電池モジュールＭ１、Ｍ２から読みとったモジュール電圧は略０となる。通常の組電池１の運転時に互いに隣接する二つの電池モジュールＭ１、Ｍ２の電圧だけが０となることはほとんどあり得ないからである。

また、図４において、モジュール接続ラインＬ１が断線した場合にはモジュール電圧検出回路４９は最高電位の電池モジュールＭ１の電圧として０を読みとり、同様に、モジュール接続ラインＬＭが断線した場合にはモジュール電圧検出回路４９は最低電位の電池モジュールＭ８の電圧として０を読みとるはずである。なお、電池モジュールの開放電圧が０となったとしても、この電池モジュールに充電又は放電電流が流れていれば、その抵抗電圧降下を発生するため、このモジュール電圧は０とはならない。したがって、図４において、組電池１に電流が流れているにもかかわらず最高電位の電池モジュールＭ１もしくは最低電位の電池モジュールＭ８の電圧が０となれば、これは最高電位のモジュール接続ラインＬ１もしくは最低電位のモジュール接続ラインＬＭの断線とみなすことができる。このようにすれば、各モジュール接続ラインの断線を検出することができる。上記した組電池コントローラ４による断線検出動作を図５のフローチャートに図示するが、その内容は平易であるため、説明追加は省略する。なお、図５のフローチャートは放電禁止回路３０により均等化回路８をオフしてから実施される。つまり、この断線検出方式によれば、均等化回路８をオフした状態にて断線検出を行うため、断線検出に対する均等化回路８の放電スイッチＳＷの放電の悪影響を回避することができる。

（変形態様）
フライングキャパシタ５１の蓄電電荷を消去するリセット回路を用いないことも可能である。この場合には、時間順次に行われるある特定の電池モジュールの電圧値（フライングキャパシタ回路が前回検出した電圧値）と、次の電池モジュールの電圧値（フライングキャパシタ回路が今回検出した電圧値）とが一致する状態が特定の電池モジュールにおいて所定時間以上持続する場合にはこれを断線とみなすことができる。なお、偶然の一致も考えられるため、フライングキャパシタ回路の電池モジュール電圧読み出し順序を適宜変更して、結果を比べれば、更に好適である。

（断線検出後の均等化回路８と過充放電検出回路９との動作停止）
この実施例では、上記した断線を検出した場合に、断線が検出された電池モジュールの均等化回路８と過充放電検出回路９とモジュール放電回路１００の動作を実質的に禁止する。なお、すべての電池モジュールの均等化回路８、過充放電検出回路９及びモジュール放電回路１００との動作を実質的に禁止してもかまわない。

具体的には、モジュール接続ラインの断線を検出したら、この断線が検出されたモジュール接続ラインに接続されるモジュールコントローラ６の均等化回路８のフォトカプラ３１に放電禁止信号を送り、この均等化回路８のすべての放電スイッチＳＷをオフする。また、断線が検出されたモジュール接続ラインに接続されるモジュールコントローラ６に所属する過充放電検出回路９の過充電判定回路３７、過放電判定回路３８が出力するモジュール過充電信号Ｓｃ、モジュール過放電信号Ｓｄを、組電池コントローラ４のマイコン側で無視する。この信号無視は、マイコンにて対応するモジュールコントローラ６に対する過充放電検出ルーチンを行わないことにより実行することができる。更に、断線が検出されたモジュール接続ラインに接続されるモジュール放電回路１００の放電スイッチＳＷｍのオンを禁止する。この態様の動作は組電池１により制御されるが、きわめて簡単であるためフローチャート図示は省略する。

（メインスイッチの断続状態による各動作の時間的分離方法）
過充放電検出や断線検出と均等化動作との分離を他の方法で行うこともできる。以下、この態様を説明する。

車両用組電池装置では、組電池１の充放電電流を断続するメインスイッチ（図示せず）としてイグニッションスイッチを有している。メインスイッチが開放状態にある場合は、均等化動作において単位セルの開放電圧を用いることができるため好都合である。また、メインスイッチが開放状態にある場合には過充電が進行することはなく、メインスイッチが開放状態にある状態が一定期間未満であれば、過放電が大きく進行することはない。

そこで、この態様では、均等化回路８による均等化動作を組電池１の充放電電流を断続するメインスイッチ（図示せず）の開放時にのみ行い、かつ、この期間には、過充放電検出又は断線検出を行わない。このようにすれば、簡単に均等化動作と過充放電検出又は断線検出とを簡単に時間的に分離することができる。なお、メインスイッチが長期にわたってオフしている場合、自然放電により単位セルの電圧がばらつく場合がある。しかし、このメインスイッチをオフしている期間に常時もしくは定期的に均等化回路８により均等化を行えば、この問題も自動的に解消される。この態様も組電池コントローラ４により制御されるが、簡単であるためフローチャート図示は省略する。

（モジュール接続ライン断線検出方式２）
組電池コントローラ４と組電池１とを接続する接続ライン（モジュール接続ラインとも呼ぶ）Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５、Ｌ９の他の断線検出方式について以下に説明する。

この実施例のモジュール接続ラインの断線検出は、図４に示すモジュール電圧検出回路４９のモジュール電圧検出結果に基づいて組電池コントローラ４のマイコンにより定期的に行われる。

図２において、モジュール接続ラインＬ５が断線した場合を説明する。この場合、モジュール接続ラインＬ５の高電位側に接続されるモジュールコントローラ６の放電回路２９の放電スイッチＳＷがオンしている状態とする。

この場合、モジュール接続ラインＬ５は、放電回路２９の放電スイッチＳＷがオンされているため、セル接続ラインＬ４に低インピーダンスの放電回路２９を通じて接続され、その結果、モジュール接続ラインＬ５の電位は略接続ラインＬ４の電位となる。その結果、均等化回路８は放電回路２９の放電スイッチＳＷをオフする。逆にモジュール接続ラインＬ５に接続される電池モジュールＭ２の均等化回路８は放電回路２６の放電スイッチＳＷをオンする。

すると、モジュール接続ラインＬ５の電位が電池モジュールＭ２のセル接続ラインＬ１の電位に接近するため、今度が逆に動作が生じる。つまり、モジュール接続ラインが断線し、このモジュール接続ラインに接続されるいずれかの放電回路の放電スイッチＳＷがオンすると、モジュール接続ラインの電位が略２セル電位の振幅で振動する。

たとえばモジュール接続ラインＬ５にこの電位振動が生じると、このモジュール接続ラインＬ５に接続されたモジュールコントローラ６のセル過充放電検出回路３６と、モジュールコントローラ７のセル過充放電検出回路３３とが交互に、過充電信号と過放電信号とを出力する。

従って、電位的に隣接する二つのモジュールコントローラが交互に過充電信号Ｓｃと過放電信号Ｓｄとを出力すれば、組電池コントローラ４はこれら二つのモジュールコントローラが接続されるモジュール接続ラインＬ５の断線を検出することができる。

（セル接続ライン断線検出方式）
上記説明ではモジュール接続ラインの断線検出方式を説明したが、電池モジュールＭ１とそれを管理するモジュールコントローラ６とを接続する接続ライン（以下、セル接続ラインとも呼ぶ）Ｌ２〜Ｌ４の断線を検出して同様の処置をとることも可能である。

一例として、図２に示すセル接続ラインＬ２が断線した場合について説明する。セル接続ラインＬ２が断線し、放電回路２６の放電スイッチＳＷがオンした場合、セル接続ラインＬ２がこの放電回路２６を通じて接続ラインＬ１に低インピーダンスで接続されることになり、セル接続ラインＬ２の電位は略接続ラインＬ１の電位に近似する。

その結果、単位セルＣ1の過充放電を検出するセル過充放電検出回路３３は単位セルＣ1の過放電を検出し、同時に単位セルＣ２の過充放電を検出するセル過充放電検出回路３４は単位セルＣ２の過充電を検出する。

単位セルＣ1の過放電が検出され、単位セルＣ２の過充電が検出されるということは、放電回路２６の放電スイッチＳＷがオフし、放電回路２７の放電スイッチＳＷがオンするということを意味する。

このことは、セル接続ラインＬ２がこの放電回路２７を通じて接続ラインＬ３に低インピーダンスで接続されることを意味し、セル接続ラインＬ２の電位は略接続ラインＬ３の電位に近似する。

その結果、単位セルＣ1の過充放電を検出するセル過充放電検出回路３３は単位セルＣ1の過充電を検出し、同時に単位セルＣ２の過充放電を検出するセル過充放電検出回路３４は単位セルＣ２の過放電を検出する。

単位セルＣ1の過充電が検出され、単位セルＣ２の過放電が検出されるということは、放電回路２６の放電スイッチＳＷがオンし、放電回路２７の放電スイッチＳＷがオフするということを意味し、最初の状態に戻り、以下、放電回路２６の放電スイッチＳＷと放電回路２７の放電スイッチＳＷとが逆位相で高速で断続することを意味する。

したがって、図２に示す各セル過充放電検出回路３３〜３６の一つ又は隣接する二つが過放電信号Ｓｄと過充電信号Ｓｃとを短周期で交互に出力するかどうかを判定する論理回路を設けておけば、簡単にセル接続ラインＬ２〜Ｌ４の断線を検出することができる。その他、過充電判定回路３７及び過放電判定回路３８とをそれぞれ二つのブロックに分割しても同様にセル接続ラインＬ２〜Ｌ４の断線を検出することができる。

たとえば、過充電判定回路３７を、奇数番目のセル過充放電検出回路からの過充電信号のどれかが過充電状態かどうかを判定を行う回路ブロックと、偶数番目のセル過充放電検出回路からの過充電信号のどれかが過充電状態かどうかを判定を行う回路ブロックとに分割する。このようにすれば、セル接続ラインの断線により、これら二つの回路ブロックは交互に過充電信号を出力する。

同じく、過放電判定回路３８を、奇数番目のセル過充放電検出回路からの過放電信号のどれかが過放電状態かどうかを判定を行う回路ブロックと、偶数番目のセル過充放電検出回路からの過放電信号のどれかが過放電状態かどうかを判定を行う回路ブロックとに分割する。このようにすれば、セル接続ラインの断線により、これら二つの回路ブロックは交互に過放電信号を出力する。

したがって、これら４つの回路ブロックからの信号の短周期遷移を検出する論理回路を新設し、その信号を組電池コントローラ４に送信すれば、セル接続ラインの断線を検出することができる。その結果、上記と同様の方法により、セル接続ラインの断線が生じた電池モジュールに関する均等化と過充放電検出とを停止することができる。なお、断線が生じていない場合には、過充電信号Ｓｃは上記二つの回路ブロック信号の論理積又は論理和を演算すれば求めることができる。過放電信号Ｓｄも同様である。また、この場合、モジュールコントローラ６と組電池コントローラ４との電気絶縁信号線の増設を回避するために、種々公知の信号多重化技術を用いて信号を多重化することにより単一の電気絶縁信号線により上記過充電信号Ｓｃ、過放電信号Ｓｄ及びセル接続ライン断線信号を組電池コントローラ４に送信することも当然可能である。

（実施例効果）
上記した実施例によれば、過充放電検出や断線検出と均等化動作とを分離するため、断線検出時や過充放電検出時を正確に行うこともできる。

また、モジュール接続ラインの断線を検出した場合やセル接続ラインの断線を検出した後は、均等化放電を停止できるため、無駄な均等化放電による電池消耗を防止することができる。また、モジュール接続ラインの断線を検出した場合やセル接続ラインの断線を検出した後は、無効な又は不正確な過充電や過放電に関する信号による望ましくない組電池コントローラ４の動作を防止することができる。これにより、信頼性に優れる組電池管理装置２を実現することができる。

実施例の組電池管理装置を示すブロック回路図である。実施例のモジュールコントローラを示す回路図である。実施例の過充放電検出回路を示す回路図である。実施例のモジュール電圧検出回路を示すブロック回路図である。断線検出方式の一例を示すフローチャートである。断線検出時に均等化回路の動作を禁止し、過充放電検出の停止を示すフローチャートである。過充放電検出時に均等化回路の放電禁止を行うフローチャートである。

符号の説明

Ｃ1〜Ｃ８単位セル
Ｌ１、Ｌ５モジュール接続ライン
Ｌ２〜Ｌ４セル接続ライン
Ｍ１〜Ｍ８電池モジュール
ＳＷ放電スイッチ
ＳＷｍ放電スイッチ
１組電池
２組電池管理装置
４組電池コントローラ
５電流センサ
６モジュールコントローラ
７モジュールコントローラ
８均等化回路
９過充放電検出回路
３０放電禁止回路
３３〜３６セル過充放電検出回路
３７過充電判定回路
３８過放電判定回路
３９過充電検出回路
４０過放電検出回路

Claims

それぞれ二次電池からなる多数の単位セルを直列接続してなる組電池に装備されて前記各単位セル間の電圧ばらつきを低減する均等化回路と、前記組み電池に装備されて前記各単位セルの電圧と所定の基準電圧との比較結果に基づいて前記各単位セルの過充放電を検出する過充放電検出回路とを備える組電池管理装置において、
前記過充放電検出回路による前記過充放電検出を行う場合に前記均等化回路による前記単位セルの放電を禁止する均等化禁止回路を有することを特徴とする組電池管理装置。
それぞれ二次電池からなる多数の単位セルを直列接続してなる組電池に装備されて前記各単位セル間の電圧ばらつきを低減する均等化回路と、前記組み電池に装備されて前記各単位セルの電圧と所定の基準電圧との比較結果に基づいて前記各単位セルの過充放電を検出する過充放電検出回路とを備える組電池管理装置において、
互いに隣接して直列接続された複数の前記単位セルからなる電池モジュールの端子と前記均等化回路とを接続するモジュール接続ラインの断線を検出する断線検出回路と、
前記断線検出回路による前記断線検出を行う場合に前記均等化回路による前記単位セルの放電を禁止する均等化禁止回路とを有することを特徴とする組電池管理装置。
請求項１又は２記載の組電池管理装置において、前記均等化回路は、前記組電池の充放電電流を断続するメインスイッチの開放時に前記均等化動作を行うことを特徴とする組電池管理装置。
請求項３記載の組電池管理装置において、前記メインスイッチの開放時に前記過充放電検出回路による過充放電検出動作又は前記断線検出回路による断線検出動作を行わないことを特徴とする組電池管理装置。