(57)【要約】【課題】エネルギーの消費（スイッチの開閉）が少なく、過充電、過放電の有無を検出することができ、また、エネルギーのロスが少なく、電圧ばらつきを補正することのできる組電池の監視装置を提供する。【解決手段】  直列接続された複数の単電池Ｂｎを有する組電池Ｂに並列接続された少なくとも一つのキャパシタＣと、複数の単電池から１つにセルを選択するセル選択スイッチＳＵ（ＳＬ）と、セル選択スイッチＳＵ（ＳＬ）の動作順序及び単電池Ｂｎの電圧を記憶するメモリＭと、電圧検出回路ＡＭＰにより検出された電圧に基づきセル選択スイッチＳＵ（ＳＬ）の動作順序を変え、セル選択スイッチＳＵ（ＳＬ）の開閉動作の制御を行うコントローラＣＯＮＴとを具備する組電池の監視装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の単電池を有する組電池に並列接続された少なくとも一つのキャパシタと、
前記複数の単電池から１つにセルを選択するセル選択スイッチと、
選択された単電池と前記キャパシタとの間に挿入されたサンプリングスイッチと、
前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出回路と、
前記キャパシタと前記電圧検出回路との間に挿入されたトランスファスイッチと、
前記セル選択スイッチの動作順序及び前記単電池の電圧を記憶するメモリと、
前記電圧検出回路により検出された電圧に基づき前記セル選択スイッチの動作順序を変え、前記セル選択スイッチの開閉動作の制御を行うコントローラと
を具備する組電池の監視装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前期セル選択スイッチの動作順序を前記単電池の電圧の高い順序にして、前記キャパシタを用いて、前記単電池の電圧をバランスさせるように、前記セル選択スイッチの開閉動作の制御を行う請求項１記載の組電池の監視装置。
【請求項３】
前記キャパシタに放電スイッチとともに並列接続され、充電された電荷を放電する抵抗を具備し、前記コントローラが前記放電スイッチの開閉動作の制御をも行う請求項１乃至２のいずれか１項記載の組電池の監視装置。
【請求項４】
前記組電池の充放電電流を検出する電流検出回路を具備し、
前記コントローラは、前記電流検出回路により検出された電流値に基づき前記セル選択スイッチの切替え周期を変え、前記セル選択スイッチの開閉動作の制御を行う請求項１乃至３のいずれか１項記載の組電池の監視装置。
【請求項５】
前記キャパシタに直列接続された接続スイッチを具備し、
前記コントローラは、前記電流検出回路により検出された電流に基づき前記キャパシタ接続スイッチの開閉の制御を行う請求項４記載の組電池の監視装置。
【請求項６】
前記メモリは、前記単電池の選択の順序を切替えたときの電圧値を記憶し、
前記コントローラは、前記単電池の選択の順序を切替えたときの電圧の差が大きい場合に異常と判定する請求項１乃至５のいずれか１項記載の組電池の監視装置。
【請求項７】
前記メモリは、前記キャパシタを切替えたときの電圧値を記憶し、
前記コントローラは、前記キャパシタを切替えたときの電圧値との差が大きい場合に異常と判定する請求項５記載の組電池の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の二次電池からなる組電池の監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）においては、動力源としてモータが用いられ、そのモータの電力源としてリチウム電池などの二次電池、及び燃料電池などの単体（以後、単電池と言う）を多数直列に接続してなる組電池が使用される。
【０００３】
特に、リチウム二次電池においては、過充電や過放電に弱く、定められた使用範囲内の電圧で使用しなければ、材料が分解して容量が著しく低下したり、異常に発熱したりして使用不能となる恐れがある。
【０００４】
したがって、リチウム二次電池を組電池として使用する場合には、組電池を構成する単電池に過充電や過放電が発生しないように、各単電池の電圧のバラツキを十分に抑えるとともに、各単電池の電圧のバラツキを正確に検出することが求められている。
【０００５】
従来の水溶性の電解液を用いる鉛電池、ニッケル電池等の単電池で構成される組電池の場合、単電池間のバラツキがある程度解消（均等充電）される性質を有するので、単電池の両端電圧を監視して、この両端電圧が所定の電圧範囲に収まるように充放電制御することで単電池の過放電や過充電を防止できた。
【０００６】
しかしながら、有機系の電解液を用いて構成されたリチウム電池を単電池とする組電池においては、そのような制御では均等充電がされず、単電池間のバラツキは拡大し、単電池の過充電や過放電が進行してしまい、使用不可能な状態に到るほどの性能劣化を引き起こしてしまうことが知られている。
【０００７】
そのため、たとえば、特許文献１に記載されているように、従来のリチウム電池を単電池とする組電池の充電状態検出部に対し、フライングキャパシタ方式と呼ばれる、各単電池の基準電位を接地電位に固定して同相電圧相違の影響を受けないようした構成の組電池の監視装置がある。
【０００８】
このフライングキャパシタ方式は、各単電池を充電するキャパシタの接続先を変える複数のスイッチからなるサンプリングスイッチ部の寄生容量の影響を軽減し、高精度で各単電池の電圧を検出することを特徴としている。
【０００９】
この従来の電圧検出装置について図面を用いて説明する。図８は従来の電圧検出装置の構成を示す。
【００１０】
単電池Ｂ１乃至Ｂｎにより組電池Ｂが構成され、この組電地Ｂには、セル選択スイッチＳＵ及びＳＬが接続されている。セル選択スイッチＳＵ及びＳＬは、単セルＢ１乃至Ｂｎのうち特定の一つの単電池を選択するスイッチである。セル選択スイッチＳＵ及びＳＬの出力は、サンプリングスイッチＳＰＬＵ及びＳＰＬＬ、トランスファスイッチＴＲＮＳＵ及びＴＲＮＳＬを介して、電圧検出器ＡＭＰに入力する。電圧検出器ＡＭＰの出力はコントローラＣＯＮＴに入力する。さらに、サンプリングスイッチＳＰＬＵ及びＳＰＬＬとトランスファスイッチＴＲＮＳＵ及びＴＲＮＳＬとの間にキャパシタＣが並列接続している。キャパシタＣは、セル選択スイッチＳＵ及びＳＬにより選択された単電池により充電される。
【００１１】
この構成においては、例えば、組電池の単電池Ｂ１の電圧を測定する場合、セル選択スイッチＳＬ及びＳＵにより単電池Ｂ１を選択し、サンプリングスイッチＳＰＬＬとサンプリングスイッチＳＰＬＵを同時に閉じ、キャパシタＣに単電池Ｂ１の電圧を充電する。
【００１２】
次に、サンプリングスイッチＳＰＬＬとサンプリングスイッチＳＰＬＵを同時に開放する。そして、次に、トランスファスイッチＴＲＮＳＬを閉じ、キャパシタＣの低電位側が接地電位に遷移した後に、若干遅れてスイッチＴＲＮＳＵを閉じ、このときのキャパシタＣの充電電圧を電圧検出器ＡＭＰで検出し、その後、トランスファスイッチＴＲＮＳＬとスイッチＴＲＮＳＵを同時に開放する。
【００１３】
そして、この動作を単電池Ｂ２乃至単電池Ｂｎまでの全てについて順次行い、過充電、過放電の有無を検出するようにしている。
【００１４】
一方、特許文献２には、単電池間の電圧ばらつきを補正する技術が開示されている。特許文献２ではバッテリ内部に電圧検出回路を持ち、各単電池の電圧検出を行う。
【００１５】
この電圧検出の結果を受け、平均電圧よりも高い電圧になっている単電池の電荷をスイッチと抵抗を介して放電させることにより、電圧を平均値に揃える。このように各単電池の電圧を平均値に揃えることで、電圧ばらつきの補正を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−２０１５２２号公報
【特許文献２】特開平１１−５５８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１においては、過充電、過放電の有無を検出するには、全ての単電池との比較を行っているため、各種スイッチの開閉等のエネルギーの消費が大きい。
【００１８】
特許文献２においては、電圧ばらつきを補正するときに、抵抗を介して放電するため、エネルギーをロスしている。
【００１９】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、エネルギーの消費（スイッチの開閉）が少なく、過充電、過放電の有無を検出することができ、また、エネルギーのロスが少なく、電圧ばらつきを補正することのできる組電池の監視装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の態様による組電池の監視装置は、直列接続された複数の単電池を有する組電池に並列接続された少なくとも一つのキャパシタと、前記複数の単電池から１つにセルを選択するセル選択スイッチと、選択された単電池と前記キャパシタとの間に挿入されたサンプリングスイッチと、前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出回路と、前記キャパシタと前記電圧検出回路との間に挿入されたトランスファスイッチと、前記セル選択スイッチの動作順序及び前記単電池の電圧を記憶するメモリと、前記電圧検出回路により検出された電圧に基づき前記セル選択スイッチの動作順序を変え、前記セル選択スイッチの開閉動作の制御を行うコントローラとを具備する組電池の監視装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、エネルギーの消費（スイッチの開閉）が少なく、過充電、過放電の有無を検出することができ、また、エネルギーのロスが少なく、電圧ばらつきを補正することのできる組電池の監視装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る組電池の監視装置の構成図である。
【図２】図１記載の組電池の監視装置の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る組電池の監視装置の構成図である。
【図４】図３記載の組電池の監視装置の動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る組電池の監視装置の構成図である。
【図６】図５記載の組電池の監視装置の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る組電池の監視装置の構成図である。
【図８】従来の組電池の監視装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の第１実施形態に係る組電池の監視装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る組電池の監視装置の構成図である。
【００２４】
単電池Ｂ１乃至Ｂｎにより組電池Ｂが構成され、この組電地Ｂには、セル選択スイッチＳＵ及びＳＬが接続されている。セル選択スイッチＳＵ及びＳＬは、単電池Ｂ１乃至Ｂｎのうち特定の一つの単電池を選択するスイッチである。セル選択スイッチＳＵ及びＳＬの出力は、サンプリングスイッチＳＰＬＵ及びＳＰＬＬ、トランスファスイッチＴＲＮＳＵ及びＴＲＮＳＬを介して、電圧検出器ＡＭＰに入力する。電圧検出器ＡＭＰの出力はコントローラＣＯＮＴに入力する。さらに、サンプリングスイッチＳＰＬＵ及びＳＰＬＬとトランスファスイッチＴＲＮＳＵ及びＴＲＮＳＬとの間にキャパシタＣが並列接続している。キャパシタＣは、セル選択スイッチＳＵ及びＳＬにより選択された単電池により充電される。コントローラＣＯＮＴは、各セル選択スイッチＳＵ、ＳＬ、サンプリングスイッチＳＰＬＬ、ＳＰＬＵ、トランスファスイッチＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬの開放制御を行う。さらに、コントローラＣＯＮＴには、メモリＭが接続されている。
【００２５】
メモリＭは、セル選択スイッチＳＵ、ＳＬの選択順序及び各単電池の電圧を記憶している。コントローラＣＯＮＴは、検出された単電池電圧に基づきセル選択スイッチＳＵ、ＳＬの選択順序を変更し、セル選択スイッチＳＵ、ＳＬのオンオフタイミングの制御を行う。
【００２６】
上述のとおり構成された本実施形態の作用について説明する。
【００２７】
図２は、セル選択スイッチ、サンプリングスイッチ、トランスファスイッチの動作状態を示した図である。セル選択スイッチＳＵ、ＳＬは、時刻ｔ０からｔ２の間は単電池Ｂ１を選択し、時刻ｔ２からｔ３の間は単電池Ｂｎを選択し、時刻ｔ３からｔ４の間は単電池Ｂ２を選択する。サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬは、時刻ｔ０からｔ１の間は閉じ、時刻ｔ１からｔ２の間は開放する。トランスファスイッチＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬは、時刻ｔ０からｔ１の間は開放し、時刻ｔ１からｔ２の間は閉じる。図２から明らかなように、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬが閉じているときは、トランスファスイッチＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬは開放している。
【００２８】
まず、単電池の電圧測定が行われる。
【００２９】
電池の単電池Ｂ１の電圧を測定する場合について説明する。
【００３０】
セル選択スイッチＳＬとＳＵが単電池Ｂ１を選択し、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬを同時に閉じ、キャパシタＣに単電池Ｂ１の電圧を充電する（時刻ｔ０）。
【００３１】
次に、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬを同時に開放する（時刻ｔ１）。そして、次に、トランスファスイッチＴＲＮＳＬを閉じ、キャパシタＣの低電位側が接地電位に遷移した後に、若干遅れてスイッチＴＲＡＮＳＵを閉じ、このときのキャパシタＣの充電電圧を電圧検出回路ＡＭＰで検出する（時刻ｔ１から時刻ｔ２の間）。その後、スイッチＴＲＡＮＳＬ、ＴＲＡＮＳＵを同時に開放する（時刻ｔ２）。他の単電池Ｂ２、Ｂｎについても同様にそれぞれの充電電圧を検出する。
【００３２】
電圧検出回路ＡＭＰで検出された各単電池の電圧を、メモリＭに記憶する。
【００３３】
また、単電池の電圧測定の順序は、メモリＭに記憶されたセル選択スイッチの順序で行われる。図２は、一例で単電池Ｂ１、Ｂｎ、Ｂ２の順で繰り返して電圧測定を行うことを示している。
【００３４】
電圧測定の順序は、可変でありコントローラＣＯＮＴが変更し、その順序をメモリＭに記憶する。
【００３５】
本実施形態では、単電池の電圧が高い順とする。この順序は、単電池の電圧の高い順序とし、検出した単電池の電圧と、１つ前の順序のメモリＭに記憶された単電池の電圧とを比較し、検出した単電池の電圧が高い場合は、１つ前の単電池と順序を入れ替えて、メモリＭに記憶する。以上により、電圧の高い順に、電圧の検出を行うことになる。
【００３６】
従って、充電時は過充電となる可能性が高い最高電圧（順番が最初）の単電池の電圧を、放電時は過放電となる可能性が高い最低電圧（順番が最後）の単電池の電圧を優先的に監視することができる。
【００３７】
本実施形態によれば、検出された電圧に基づきセル選択スイッチＳＵ、ＳＬの動作順序を変え、電圧検出する順番を随時変更することにより、過充放電の可能性の高い単電池を監視することにより、早期に過放電を検出することができる。
【００３８】
さらに、上述したように、単電池の電圧が高い順序にすると、まず最高電圧の単電池の電圧検出時にキャパシタＣの電圧となる。次に２番目の単電池の電圧となるがこの場合、キャパシタＣの電圧の方が高いので、キャパシタＣから２番目の単電池へ電荷が移動する。これを３番目以降も繰り返す。
【００３９】
これにより、キャパシタＣを用いて単電池電圧をバランスさせるようにしたので、セルバランスでのエネルギーのロスを小さくすることができる。
【００４０】
次に、本発明の第２実施形態に係る組電池の監視装置について、図３を用いて説明する。図３中、図１に記載ものと同じ構成については、同一符合を付して、説明を省略する。
【００４１】
本実施形態では、上述の第１実施形態の構成に加えて、キャパシタＣの電荷を放電する抵抗Ｒと、キャパシタＣの電荷の放電スイッチＳＷＲとが設けられ、コントローラＣＯＮＴは、放電スイッチＳＷＲのオンオフタイミングの制御を行う。
【００４２】
上述のとおり構成された本実施形態の作用について説明する。
【００４３】
図４は、セル選択スイッチ、サンプリングスイッチ、トランスファスイッチの動作状態を示した図である。セル選択スイッチＳＵ、ＳＬは、時刻ｔ０からｔ２の間は単電池Ｂ１を選択し、時刻ｔ２からｔ３の間は単電池Ｂｎを選択し、時刻ｔ３からｔ４の間は単電池Ｂ２を選択する。本実施形態では、単電池の選択順序は、単電池の電圧の高い順序である。すなわち、単電池Ｂ１、Ｂｎ、Ｂ２の順で電圧が高いものである。
【００４４】
サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬは、時刻ｔ０からｔ１の間は閉じ、時刻ｔ１からｔ２の間は開放する。トランスファスイッチＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬは、時刻ｔ０からｔ１の間は開放し、時刻ｔ１からｔ２の間は閉じる。図４から明らかなように、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬが閉じているときは、トランスファスイッチＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬは開放している。
【００４５】
まず、単電池の電圧測定が行われる。
【００４６】
電池の単電池Ｂ１の電圧を測定する場合について説明する。
【００４７】
セル選択スイッチＳＬとＳＵが単電池Ｂ１を選択し、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬを同時に閉じ、キャパシタＣに単電池Ｂ１の電圧を充電する（時刻ｔ０）。
【００４８】
次に、サンプリングスイッチＳＰＬＵ、ＳＰＬＬを同時に開放する（時刻ｔ１）。そして、次に、トランスファスイッチＴＲＮＳＬを閉じ、キャパシタＣの低電位側が接地電位に遷移した後に、若干遅れてスイッチＴＲＡＮＳＵを閉じ、このときのキャパシタＣの充電電圧を電圧検出回路ＡＭＰで検出する（時刻ｔ１から時刻ｔ２の間）。その後、スイッチＴＲＡＮＳＬ、ＴＲＡＮＳＵを同時に開放する（時刻ｔ２）。他の単電池Ｂ２、Ｂｎについても同様にそれぞれの充電電圧を検出する。
【００４９】
電圧検出回路ＡＭＰで検出された各単電池の電圧を、メモリＭに記憶する。
【００５０】
本実施形態では、最低電圧の単電池Ｂ２を電圧検出した後（時刻ｔ４）に、放電スイッチＳＷＲをオンし、キャパシタＣの電荷を放電する。その後の最高電圧の単電池Ｂ１の電圧測定の際には、キャパシタＣを充電する必要があるので、キャパシタＣを放電しないときよりも電荷の移動が大きくなる。
【００５１】
本実施形態によれば、キャパシタＣの電荷を放電した後に、最高電圧の単電池によりキャパシタＣを充電するので、キャパシタＣの過充電を防止することができる。
【００５２】
次に、本発明の第３実施形態に係る組電池の監視装置について、図５を用いて説明する。図５中、図１に記載ものと同じ構成については、同一符合を付して、説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、上述の第１実施形態の構成に加えて、組電池Ｂの充放電電流を検出する電流検出回路ＣＳを設け、コントローラＣＯＮＴは、検出された電流に基づき、セル選択スイッチの切替え周期を変え、セル選択スイッチのオンオフタイミングの制御を行う。
【００５４】
電流検出回路ＣＳは、組電池Ｂの充放電電流を検出する。
【００５５】
コントローラＣＯＮＴは、検出した電流に基づいてセル選択スイッチの切替え周期を、例えば、電流が小さい場合には周期を長くし、電流が大きい場合には周期を短くするようにする。
【００５６】
図６に示されるように、充電時では電圧の高い電池の電圧検出の間隔を短く、また、放電時では電圧の低い電池の電圧検出の間隔を高くするようにする。
【００５７】
本実施の形態によれば、検出された電流でスイッチの切替え周期を変えたので、エネルギーのロスを小さく過充放電を監視することができる。
【００５８】
次に、本発明の第４実施形態に係る組電池の監視装置について、図７を用いて説明する。図７中、図５に記載ものと同じ構成については、同一符合を付して、説明を省略する。
【００５９】
本実施形態では、上述の第３実施形態の構成に加えて、
キャパシタＣ１並びに接続スイッチＳＷＣ１とが設けられ、コントローラＣＯＮＴは、電流検出回路ＣＳにより検出された電流に基づき接続スイッチＳＷＣ１を含む他の各スイッチのオンオフタイミングの制御を行う。
【００６０】
キャパシタＣと並列に、もうひとつのキャパシタＣ１と接続スイッチＳＷＣ１との直列回路を接続する。
【００６１】
コントローラＣＯＮＴは、電流検出回路ＣＳにより検出した電流でキャパシタＣ１の接続スイッチと切替え周期を、例えば、電流が小さい場合には接続スイッチＳＷＣ１をオンで周期を長くし、電流が大きい場合には接続スイッチＳＷＣ１をオフで周期を短くするようにする。
【００６２】
本実施形態によれば、検出された電流に基づきキャパシタの大きさを変えたので、セルバランスを効率的にすることができる。
【００６３】
次に、本発明の第５実施形態に係る組電池の監視装置について、説明する。
【００６４】
本実施形態では、構成上は上述の第１実施形態と同様であるが、メモリＭがセル選択の順序を切替えたときの電圧値を記憶するとともに、コントローラＣＯＮＴがセル選択の順序を切替えたときの電圧の差が大きい場合に異常と判定するものである。
【００６５】
スイッチの切替え周期での充放電による電圧変化が小さい場合、セル選択の順序を切替えた場合でも、電圧値の電圧変化が小さい。
【００６６】
そのため、例えば、異常判定のタイミングで、セル選択の順序を切替え、セル選択順序を切替えたときの電圧の差が大きい場合に、異常と判定する。
【００６７】
本実施の形態によれば、セル選択の順序を切替えたときの電圧の差が大きい場合に異常と判定するようにしたので、異常を判定することができる。
【００６８】
次に、本発明の第５実施形態に係る組電池の監視装置について、説明する。
【００６９】
本実施形態では、構成上は上述の第４実施形態と同様であるが、
メモリＭは、キャパシタＣ１を切替えたときの電圧値を記憶し、コントローラＣＯＮＴは、キャパシタＣ１を切替えたときの電圧値との差が大きい場合に異常と判定する。
【００７０】
同じ容量のキャパシタが２つの場合を説明する。
【００７１】
スイッチの切替え周期での充放電による電圧変化が小さい場合、同じ容量のキャパシタを切替えた場合でも、電圧値の電圧変化が小さい。
【００７２】
そのため、例えば、異常判定のタイミングで、キャパシタを切替え、キャパシタを切替えたときの電圧の差が大きい場合に、異常と判定する。
【００７３】
本実施の形態によれば、キャパシタを切替えたときの電圧値との差が大きい場合に異常と判定するようにしたので、異常を判定することができる。
【符号の説明】
【００７４】
Ｂ…組電池、Ｂ１〜Ｂｎ…単電池、ＳＵ、ＳＬ…セル選択スイッチ、ＳＰＬＵ、ＳＰＬＬ…サンプリングスイッチ、ＴＲＮＳＵ、ＴＲＮＳＬ…トランスファスイッチ、Ｃ…キャパシタ、ＡＭＰ…電圧検出器、ＣＯＮＴ…コントローラ、Ｍ…メモリ。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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