JP2012088106A - 電池状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパレータを用いて電池セルの状態を監視するに際し、電池セルの異常状態の検出だけではなく、どの電池セルに異常が生じているのかを判別することができる電池状態監視装置を提供する。
【解決手段】直列接続された複数の電池セル１１に対してそれぞれコンパレータ３１ｄ〜３３ｄを設け、各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄにて対応する電池セル１１のセル電圧と閾値とを比較させる。そして、電圧変換回路４０に、各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄの全ての出力を、複数の電池セル１１のそれぞれの状態を特定する固有の電圧Ｖｉｎに変換させて出力させる。これにより、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎにどの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常であるかという情報が含まれる。したがって、マイコン７０は、出力電圧Ｖｉｎに基づいて、電池セル１１の異常状態の検出および電池セル１１の判別が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のコンパレータの出力に基づいて複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置に関する。

従来より、リチウムを代表とする電池セルの状態を監視する手段として、所定電圧より高い（低い）ことを比較することで過電圧（低電圧）を検出する手段が、例えば特許文献１で提案されている。

具体的に、特許文献１では、複数直列接続された各電池セルに対し、電池セルの出力電圧および電池セルの過放電限界電圧を示す基準電圧がコンパレータに供給され、各電池セルに対応した各コンパレータの出力がＯＲ回路にそれぞれ接続された電池ユニットが提案されている。電池ユニットを使用する機器と電池ユニットとはスイッチによって接続されており、このスイッチはＯＲ回路の出力によってオン／オフ制御される。

このような構成は、コンパレータは対応する電池セルの電圧が基準電圧以下になるとハイレベルの信号を出力するコンパレータ方式を採用している。したがって、コンパレータのいずれかがハイレベルの信号を出力するとＯＲ回路はハイレベルの信号を出力するので、スイッチはＯＲ回路のハイレベルの信号に応答してオフとされ、電池ユニットが機器から切り離される。

特開平１０−２３６７４号公報

上記従来の技術のように、コンパレータ方式は高速に電池セルの異常状態を検出できるが、ＯＲ回路は各コンパレータのＯＲ論理を出力するので、どの電池セルに異常が生じているのかわからないという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、コンパレータを用いて電池セルの状態を監視するに際し、電池セルの異常状態の検出だけではなく、どの電池セルに異常が生じているのかを判別することができる電池状態監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、直列接続された複数の電池セルに対してそれぞれ設けられると共に電池セルのセル電圧と閾値とをそれぞれ比較する複数のコンパレータを備え、複数のコンパレータの出力に基づいて複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、複数のコンパレータの全ての出力を、複数の電池セルのそれぞれの状態を特定する固有の電圧に変換する電圧変換手段を備えていることを特徴とする。

これによると、電圧変換手段から出力される固有の電圧にどの電池セルが正常でどの電池セルが異常であるかという各コンパレータの出力の情報が含まれるので、電圧変換手段で取得された固有の電圧の値の違いにより、コンパレータによる電池セルの異常診断結果だけではなく、どの電池セルに異常が生じているのかという電池セル番号情報を得ることができる。したがって、電池セルの異常状態の検出だけではなく、どの電池セルに異常が生じているのかを判別することができる。

請求項２に記載の発明では、電圧変換手段で発生させられた固有の電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを備えていることを特徴とする。これによると、電池セルの異常状態の検出および異常な電池セルの特定をデジタル処理することができる。

請求項３に記載の発明では、電圧変換手段は、複数のコンパレータに対してそれぞれ設けられると共にコンパレータの出力に応じてオン／オフする複数のスイッチと、複数のスイッチに接続され、複数のスイッチのオン／オフ状態に応じた固有の電圧を発生させるための複数の抵抗と、を備えて構成されていることを特徴とする。これにより、簡素な構成で電圧変換手段を実現することができる。

請求項４に記載の発明では、電圧変換手段は、複数のコンパレータに対してそれぞれ設けられると共にコンパレータの出力に応じてオン／オフする複数のスイッチと、複数のスイッチにそれぞれ接続された複数の定電流源と、複数のスイッチのオン／オフ状態によって複数の定電流源から流れる電流に応じた固有の電圧を発生させるための抵抗と、を備えて構成されていることを特徴とする。

このように、各定電流源から一定の電流を流すことができるので、電池セルのセル電圧に依存せずに電圧変換手段にて電圧を発生させることができる。

請求項５に記載の発明では、Ａ／Ｄコンバータに接続された差動増幅回路と、複数の電池セルのうちのいずれかと差動増幅回路との接続を切り替えるセル選択スイッチと、を備えている。

さらに、セル選択スイッチは、電圧変換手段と差動増幅回路とを接続するように切り替えを行うようになっている。そして、差動増幅回路は、セル選択スイッチと電圧変換手段とで共有されるようになっていることを特徴とする。

これにより、電圧変換手段に対する専用の差動増幅回路や専用のＡ／Ｄコンバータを設ける必要がないので、電池状態監視装置の構成を簡素化することができる。

請求項６に記載の発明では、複数のスイッチを強制的にオン／オフすることにより電圧変換手段で発生させた電圧に基づいて電圧変換手段の故障診断を実施する故障判定手段を備えていることを特徴とする。これにより、電池状態監視装置において電池セルの異常診断が正常に行われているか否かを診断することができる。

請求項７に記載の発明では、故障判定手段は、複数のスイッチの全てを強制的にオンすることにより故障診断を実施することを特徴とする。これにより、複数のスイッチに対して１回のオン操作により故障診断を実施することができる。

本発明の第１実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。 電圧変換回路の各スイッチのオン／オフ状態と電圧変換回路の出力電圧との関係を示した図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る電池状態監視システムの一部を示した図であり、（ｂ）は各スイッチのオン／オフ状態と電圧変換回路の出力電圧との関係を示した図である。 （ａ）は本発明の第３実施形態に係る電池状態監視システムの一部を示した図であり、（ｂ）は各スイッチのオン／オフ状態と電圧変換回路の出力電圧との関係を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。 本発明の第５実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。 他の実施形態を説明するための図であり、電池セルのセル電圧に対する電圧変換回路の出力電圧の幅を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。この図に示されるように、電池状態監視システムは、組電池１０と電池状態監視装置２０とを備えて構成されている。

組電池１０は、最小単位である電池セル１１が直列に複数接続されて構成された電池群である。本実施形態では、組電池１０として３個の電池セル１１が直列接続されたものが示されている。電池セル１１として充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。そして、電池状態監視装置２０は、例えばハイブリッド車等の電気自動車に適用されるものであり、組電池１０はハイブリッド車等の電気自動車に搭載され、インバータやモータ等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等に用いられる。

電池状態監視装置２０は、組電池１０を構成する各電池セル１１の状態をそれぞれ監視する装置である。このような電池状態監視装置２０は、比較器３０、電圧変換回路４０、Ａ／Ｄコンバータ５０（図１のＡＤＣ）、絶縁素子６０、およびマイクロコンピュータ７０（以下、マイコン７０という）を備えている。

比較器３０は、電池セル１１のセル電圧が閾値より大きいか小さいかを判定する比較回路である。このような比較器３０は、抵抗３１ａ、３２ａ、３３ａ、抵抗３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、基準電源３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、およびコンパレータ３１ｄ、３２ｄ、３３ｄを電池セル１１毎に備えている。

抵抗３１ａ〜３３ａおよび抵抗３１ｂ〜３３ｂは、対応する電池セル１１の正極側と負極側との間に直列接続されている。例えば、抵抗３１ａと抵抗３１ｂとの間がコンパレータ３１ｄの入力端子のうちの一方に接続されている。すなわち、コンパレータ３１ｄには抵抗３１ａおよび抵抗３１ｂによる電池セル１１のセル電圧の分圧が印加される。抵抗３２ａ、抵抗３２ｂ、およびコンパレータ３２ｄの接続関係、および、抵抗３３ａ、抵抗３３ｂ、およびコンパレータ３３ｄの接続関係についても同様である。

基準電源３１ｃ〜３３ｃは閾値を発生させるものである。基準電源３１ｃ〜３３ｃは対応するコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの入力端子のうちの他方と電池セル１１の負極側との間にそれぞれ接続されている。閾値は、電池セル１１の過充電または過放電を検出するための電圧値に設定されている。

コンパレータ３１ｄ〜３３ｄは対応する電池セル１１のセル電圧と閾値とを比較することで過充電または過放電を検出するための比較手段である。実際には、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄは、抵抗３１ａ〜３３ａおよび抵抗３１ｂ〜３３ｂの分圧と閾値とを比較している。

例えば、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄの反転入力端子に基準電源３１ｃ〜３３ｃがそれぞれ接続され、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄの非反転入力端子に電池セル１１のセル電圧がそれぞれ印加されるとする。これにより、電池セル１１のセル電圧が閾値よりも大きい場合、すなわち過充電の場合にコンパレータ３１ｄ〜３３ｄは電池セル１１の異常を示すハイ信号を出力する。一方、電池セル１１のセル電圧が閾値よりも小さい場合にはコンパレータ３１ｄ〜３３ｄは電池セル１１の正常を示すロー信号を出力する。

以下、本実施形態では、比較器３０は、各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄが過充電を検出するように構成されているとする。したがって、比較器３０は、電池セル１１毎に過充電であるか否かを判定し、その判定結果を電池セル１１毎に電圧変換回路４０に出力する。

電圧変換回路４０は、複数のコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの全ての出力を、複数の電池セル１１のそれぞれの状態を特定する固有の電圧に変換する回路である。このような電圧変換回路４０は、複数のスイッチ４１、４２、４３（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）と、複数の抵抗４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ（Ｒ、３Ｒ）と、を備えて構成されている。このうち、スイッチ４１〜４３および抵抗４４ａ〜４４ｃは電池セル１１毎に設けられている。

各スイッチ４１〜４３は、各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄに対してそれぞれ設けられ、対応するコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力に応じてオン／オフするスイッチ手段である。各スイッチ４１〜４３の一方の接点は電池セル１１の正極側にそれぞれ接続され、他方の接点は抵抗４４ａ〜４４ｃにそれぞれ接続されている。そして、例えば、各スイッチ４１〜４３はコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力がハイレベルの信号（以下、ハイ信号という）の場合にオンし、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力がローレベルの信号（以下、ロー信号という）の場合にオフする。スイッチ４１〜４３として例えばトランジスタが採用される。

各抵抗４４ａ〜４４ｄは、各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態に応じた固有の電圧Ｖｉｎを発生させるものである。具体的には、抵抗４４ａはスイッチ４１（ＳＷ１）の他方の接点に接続され、抵抗４４ｂはスイッチ４２（ＳＷ２）の他方の接点に接続され、抵抗４４ｃはスイッチ４３（ＳＷ３）の他方の接点に接続されている。これらの抵抗４４ａ〜４４ｃの接続点と組電池１０のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側との間に抵抗４４ｄが接続されている。

本実施形態では、各抵抗４４ａ〜４４ｃの抵抗値がＲに設定され、抵抗４４ｄの抵抗値が３Ｒに設定されている。そして、各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態に応じて、各抵抗４４ａ〜４４ｃと抵抗４４ｄとの接続点に、各抵抗４４ａ〜４４ｃと抵抗４４ｄとの分圧に相当する固有の電圧が発生する。この固有の電圧が電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎとなる。

すなわち、電圧変換回路４０は、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄのすべての出力を、どの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常（過充電）であるという情報を含んだ１つの値の電圧Ｖｉｎに電圧変換する。言い換えると、１つの値の電圧Ｖｉｎは、いずれかの電池セル１１に異常が起こっているという異常診断結果と、どの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常であるのかという電池セル番号情報と、の複数の情報を含んだ固有の電圧である。なお、「１つの値の電圧」とは、例えば１Ｖや２．５Ｖというように、電圧値に幅がない単一の値の電圧である。

Ａ／Ｄコンバータ５０は、マイコン７０の指令に従って、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎを測定する回路である。Ａ／Ｄコンバータ５０は、測定した電圧をデジタル信号に変換してマイコン７０に出力する。これにより、マイコン７０は、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎに基づく処理、例えば電池セル１１の異常状態の検出や異常な電池セル１１の特定をデジタル処理することができる。

絶縁素子６０は、比較器３０、電圧変換回路４０、Ａ／Ｄコンバータ５０等で構成される高電圧系とマイコン７０等で構成される低電圧系とを絶縁するための素子である。マイコン７０とＡ／Ｄコンバータ５０との信号のやりとりは、この絶縁素子６０を介して行われる。絶縁素子６０として、絶縁機能を備えたフォトリレーやフォトカプラが採用される。

マイコン７０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って所定の機能を実行する制御回路である。所定の機能とは、例えば電圧制御機能や過充放電検出機能である。

電圧制御機能は、電池状態監視装置２０に設けられた図示しない測定回路により電池セル１１のセル電圧と電池セル１１に流れる電流とを測定することにより組電池１０の残存容量（State of Charge；ＳＯＣ）を取得し、この残存容量に基づいて電池セル１１の充電や放電を制御する機能である。

過充放電検出機能は、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎに基づいてどの電池セル１１が過充電または過放電であるかを監視する機能である。上述のように、本実施形態では比較器３０は過充電を検出するように構成されているので、マイコン７０は電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎに基づいて各電池セル１１の過充電を監視することとなる。

また、マイコン７０は、どの電池セル１１が異常であるかを監視するため、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎの値に対する各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄのオン／オフ状態を示したマップを備えている。マップとは、図２に示される表であり、電圧変換回路４０の各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態と電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎとの関係を示した図である。

図２に示されるように、電圧変換回路４０の各スイッチ４１〜４３（ＳＷ１〜ＳＷ３）の状態が「０」または「１」で示されている。本実施形態ではスイッチ４１〜４３は３個であるので、各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態は全部で８通りある。そして、組電池１０全体のブロック電圧が１２Ｖや９Ｖであることが把握できていれば、各スイッチ４１〜４３の１つのオン／オフ状態に対する各抵抗４４ａ〜４４ｄの合成抵抗に応じた電圧変換回路４０の単一の出力電圧Ｖｉｎが決まる。

図２において、ＳＷ１〜ＳＷ３の蘭の「０」は各スイッチ４１〜４３がオフの状態、すなわち比較器３０のコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力がロー信号であり、電池セル１１が正常であることを示している。一方、「１」は各スイッチ４１〜４３がオンの状態、すなわち比較器３０のコンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力がハイ信号であり、電池セル１１が異常であることを示している。

そして、図２に示されるマップの右側の欄に、１つの電池セル１１が４Ｖの場合と３Ｖの場合の電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎの値が記されている。例えば、各スイッチ４１〜４３の状態がすべて「０」の場合、すなわちすべての電池セル１１が正常である場合、１つの電池セル１１が４Ｖのときの電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎ＠４Ｖは０Ｖである。また、１つの電池セル１１が３Ｖのときの電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎ＠３Ｖは０Ｖである。つまり、この「０Ｖ」という固有の電圧値に、各電池セル１１に異常は生じていないという異常診断結果と、どの電池セル１１に異常が生じていないのかという電池セル番号情報と、が含まれている。

同様に、各スイッチ４１〜４３の状態がすべて「１」の場合、すなわちすべての電池セル１１が異常である場合、電池セル１１が４Ｖのときの電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎ＠４Ｖは７．２０Ｖである。また、電池セル１１が３Ｖのときの電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎ＠３Ｖは５．４０Ｖである。これら「７．２０Ｖ」や「５．４０Ｖ」という固有の電圧値に、各電池セル１１に異常が生じているという異常診断結果と、どの電池セル１１に異常が生じているのかという電池セル番号情報と、が含まれている。

このように、マイコン７０は、図２に示されるマップを用いて、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎの値からどの電池セル１１が異常であるかを判定する。

なお、マイコン７０は、電池状態監視装置２０の特性ずれを検出する自己診断機能も備えている。以上が、本実施形態に係る電池状態監視装置２０および電池状態監視システムの構成である。

次に、本実施形態に係る電池状態監視装置２０の作動について、図１および図２を参照して説明する。１つの電池セル１１のセル電圧を４Ｖとする。

上述のように、比較器３０で各電池セル１１に対応した各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄの出力によって電圧変換回路４０の各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態が決まる。これにより、電圧変換回路４０は各抵抗４４ａ〜４４ｃと抵抗４４ｄとの接続点の電圧を出力電圧Ｖｉｎとして出力する。そして、マイコン７０は電圧変換回路４０の出力電圧ＶｉｎをＡ／Ｄコンバータ５０に測定させ、その電圧値を取得する。

マイコン７０は、上述のように、図２に示されるマップを持っているので、Ａ／Ｄコンバータ５０で測定された電圧値に対する各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態を確認する。これにより、どの電池セル１１に異常が生じているのか、どの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常であるか、を判定する。

なお、マイコン７０の制御上、残存容量（ＳＯＣ）を算出するために、数セルの電池セル１１で構成されるブロックのブロック電圧かまたは総電圧（全セル分）を必ず監視するので、１つの電池セル１１が何Ｖの場合のマップを用いれば良いかがわかり、上記診断が可能である。また、セル電圧のバラツキが懸念点であるが、リチウム電池の管理としてマイコン７０の電圧制御機能によりセル電圧が均等になるよう処置（例：均等化回路）されるため、セル電圧のバラツキは問題ない。

上記では、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄにて過充電を検出するように比較器３０が構成されている場合について説明したが、コンパレータ３１ｄ〜３３ｄが過放電を検出するように構成された場合も上記と同様である。

以上説明したように、本実施形態では、比較器３０に設けられたコンパレータ３１ｄ〜３３ｄのすべての出力に基づいて、その出力を固有の出力電圧Ｖｉｎに電圧変換することが特徴となっている。これにより、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎに、電池セル１１に異常が生じていることを示す異常診断結果と、どの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常であるかを示す電池セル番号情報と、の各情報が含まれる。したがって、マイコン７０は電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎの値の違いにより、電池セル１１の異常状態の検出だけではなく、どの電池セル１１に異常が生じているのかを判別することができる。

また、本実施形態では、電圧変換回路４０を抵抗４４ａ〜４４ｄで構成しているので、高価な素子を用いることなく簡素な構成で電圧変換回路４０を実現することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、電圧変換回路４０が特許請求の範囲の「電圧変換手段」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図３（ａ）は本実施形態に係る電池状態監視システムの一部を示した図であり、図３（ｂ）は各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態と電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎとの関係を示した図である。なお、図３（ａ）では、絶縁素子６０とマイコン７０を省略している。

図３（ａ）に示されるように、本実施形態に係る電圧変換回路４０は、複数のスイッチ４１〜４３（ＳＷ１〜ＳＷ３）と、複数の抵抗４４ａ、４４ｅ、４４ｄ（８Ｒ、３Ｒ、Ｒ）を備えている。各スイッチ４１〜４３は、第１実施形態と同様に、電池セル１１毎に設けられている。

抵抗４４ａはスイッチ４１の他方の接点とスイッチ４２の他方の接点との間に接続され、抵抗４４ｅはスイッチ４２の他方の接点と抵抗４４ａとの接続点とスイッチ４３の他方の接点との間に接続されている。また、抵抗４４ｄはスイッチ４３の他方の接点と抵抗４４ｅとの接続点と組電池１０のうち最も低電圧側に位置する電池セル１１の負極側との間に接続されている。本実施形態では、抵抗４４ａの抵抗値が８Ｒとされ、抵抗４４ｅの抵抗値が３Ｒとされ、抵抗４４ｄの抵抗値がＲとされている。

このような電圧変換回路４０の構成により、図３（ｂ）に示されるように、各スイッチ４１〜４３（ＳＷ１〜ＳＷ３）のオン／オフ状態に応じて電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎが決まる。そして、３つのスイッチ４１〜４３による出力電圧Ｖｉｎはすべて正常の場合を除いた３レベルであり、「＊」で示した任意のスイッチオン状態を検出することができる。なお、各スイッチ４１〜４３のうち２つ以上がオンした場合は下位のスイッチ４２、４３が優先される。

以上のように、電圧変換回路４０の抵抗４４ａ、４４ｄ、４４ｅを用いた回路設計により、各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態の組み合わせ数を削減することもできる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４（ａ）は本実施形態に係る電池状態監視システムの一部を示した図であり、図４（ｂ）は各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態と電圧変換回路の出力電圧Ｖｉｎとの関係を示した図である。なお、図４（ａ）では、絶縁素子６０とマイコン７０を省略している。

図４（ａ）に示されるように、本実施形態に係る電圧変換回路４０は、複数のスイッチ４１〜４３（ＳＷ１〜ＳＷ３）と、複数の定電流源４５、４６、４７（４Ｉ、２Ｉ、Ｉ）と、抵抗４８と、を備えている。各スイッチ４１〜４３は、第１実施形態と同様に、電池セル１１毎に設けられている。

各定電流源４５〜４７は、一定の電流を流すように構成されたものである。定電流源４５はスイッチ４１の他方の接点に接続され、定電流源４６はスイッチ４２の他方の接点に接続され、定電流源４７はスイッチ４３の他方の接点に接続されている。これらの定電流源４５〜４７の接続点と組電池１０のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側との間に抵抗４８が接続されている。

このような電圧変換回路４０の構成によると、抵抗４８は、各スイッチ４１〜４３のオン／オフ状態によって各定電流源４５〜４７から抵抗４８に流れ込む電流に応じた電圧を発生させる。このため、図４（ｂ）に示されるように、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎは電池セル１１の電圧に依存せずにＩＲの整数倍となる。Ｉは抵抗４８に流れ込む電流値であり、Ｒは抵抗４８の抵抗値である。

以上のように、定電流源４５〜４７を用いて電圧変換回路４０を構成することができる。この場合、各定電流源４５〜４７から一定の電流を流すことができるので、電池セル１１の電圧に依存せずに電圧変換回路４０にて出力電圧Ｖｉｎを発生させることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図５は、本実施形態に係る電池状態監視装置２０を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。この図に示されるように、電池状態監視装置２０は、セル選択スイッチ８０と差動増幅回路９０とを含んだ構成となっている。なお、本実施形態では、組電池１０はｎ個の電池セル１１（Ｖ１〜Ｖｎ）で構成されているとする。

セル選択スイッチ８０は、複数の電池セル１１のうちのいずれかと差動増幅回路９０との接続、または、電圧変換回路４０と差動増幅回路９０との接続を切り替えるためのスイッチ群である。セル選択スイッチ８０を構成する各スイッチは、各電池セル１１の正極側や負極側と差動増幅回路９０とを接続するように設けられていると共に、電圧変換回路４０と差動増幅回路９０とを接続するように設けられている。

そして、セル選択スイッチ８０を構成する各スイッチのオン／オフ制御はマイコン７０によって行われる。これにより、特定の電池セル１１の電圧や所定の数の電池セル１１で構成されたブロックの電圧かまたは電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎが差動増幅回路９０に入力される。セル選択スイッチ８０を構成する各スイッチは、例えばトランジスタ等で構成されている。

差動増幅回路９０は、セル選択スイッチ８０で選択された電池セル１１の電圧やブロック電圧かまたは電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎを増幅してＡ／Ｄコンバータ５０に出力する回路である。すなわち、差動増幅回路９０は、セル選択スイッチ８０の切り替えにより、セル選択スイッチ８０と電圧変換回路４０とで共有されるようになっている。

以上のように、セル選択スイッチ８０の切り替えにより差動増幅回路９０を共有する構成とすることで、電圧変換回路４０に対する専用の差動増幅回路９０や専用のＡ／Ｄコンバータ５０を設ける必要がない。このため、電池状態監視装置２０の構成の簡素化が可能となる。

なお、本実施形態で示された差動増幅回路９０を第１〜第３実施形態に係る電池状態監視装置２０の電圧変換回路４０とＡ／Ｄコンバータ５０との間に設けても良い。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。図６は、本実施形態に係る電池状態監視装置２０を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。

図６に示されるように、本実施形態では電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎを差動増幅回路９０で増幅し、マイコン７０に出力する構成となっている。また、Ａ／Ｄコンバータ５０はマイコン７０に内蔵された構成となっている。なお、本実施形態では、第４実施形態のように電池セル１１のセル電圧を検出する構成は無い。

そして、比較器３０、電圧変換回路４０、差動増幅回路９０等で構成される高電圧系とマイコン７０等で構成される低電圧系とはフライングキャパシタ回路６１を介して接続されている。

フライングキャパシタ回路６１は、スイッチ６２〜６５とコンデンサ６６とを備えて構成されている。スイッチ６２、６３は差動増幅回路９０とマイコン７０とを接続し、スイッチ６４、６５は高電圧系のグランドと低電圧側のグランドとを接続している。コンデンサ６６の一方の電極はスイッチ６２とスイッチ６３との接続点に接続され、他方の電極はスイッチ６４とスイッチ６５との接続点に接続されている。各スイッチ６２〜６５として、絶縁機能を備えたフォトリレー等が採用される。

各スイッチ６２〜６５はマイコン７０によって制御される。具体的には、マイコン７０によりスイッチ６２、６４がオンされると共にスイッチ６３、６５がオフされることで差動増幅回路９０の出力がコンデンサ６６に充電される。一方、スイッチ６２、６４がオフされると共にスイッチ６３、６５がオンされることでＡ／Ｄコンバータ５０によりコンデンサ６６の充電電圧が検出される。この際、コンデンサ６６は放電される。

以上のように、電池状態監視装置２０において、高電圧系と低電圧系とをフライングキャパシタ回路６１で接続し、フライングキャパシタ回路６１によって高電圧系と低電圧系との絶縁を図る構成とすることもできる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、例えば図１に示される電池状態監視装置２０において、マイコン７０が電圧変換回路４０の故障診断を実施する機能を備えていることが特徴となっている。

具体的に、マイコン７０は、電圧変換回路４０の各スイッチ４１〜４３を強制的にオン／オフすることにより電圧変換回路４０で発生させた固有の電圧に基づいて故障診断を実施する。すなわち、マイコン７０は、各スイッチ４１〜４３が各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄによってオン／オフされたときの電圧変換回路４０の出力電圧と、自己が強制的に各スイッチ４１〜４３をオン／オフしたときの電圧変換回路４０の出力電圧との比較を行う。そして、各出力電圧の差が所定値以上のときにはマイコン７０は電圧変換回路４０の特性ずれ（異常）を検出する。このように、マイコン７０は電池状態監視装置２０において電池セル１１の異常診断が正常に行われているか否かを判定することができる。

また、マイコン７０が故障診断を行う場合、マイコン７０は各スイッチ４１〜４３を順番にオン／オフさせることも可能であるが、故障診断に長い時間を要すると同時にスイッチの切り替え等の処理が煩雑となる。したがって、複数のスイッチ４１〜４３の全てを強制的にオンすることにより故障診断を実施することが好ましい。これにより、各スイッチ４１〜４３に対して１回のオン操作により故障診断の実施が可能となる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、マイコン７０が特許請求の範囲の「故障判定手段」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された電池状態監視装置２０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構成とすることもできる。例えば、比較器３０の各コンパレータ３１ｄ〜３３ｄは過充電（＝電圧が異常に高い）を検出する用途として用いられているが、その他にもどの電池セル１１のセル電圧が高いかのみを把握（すなわちセル電圧の最大値を知りたいという用途）するために用いられるようにしても良い。

また、上記各実施形態では、マイコン７０はマップ（例えば、図２等参照）を持っていたが、所定の電圧範囲内で前述判定をする用途で活用するのであれば、各スイッチ４１〜４３の状態が一意に決まる（Ｖｉｎ値がオーバラップしない）ため、マップを無くすこともできる。なお、抵抗定数の選択や抵抗の配置方法等にもよるが、過充電・過放電の領域でもマップを無くすことが可能である。

上記各実施形態では、組電池１０を構成するすべての電池セル１１に対して１つの比較器３０や電圧変換回路４０が設けられていた。扱う電池セル１１の数が多くなると分解能が細かくなり電圧差が明確に出なくなり、電圧変換回路４０の出力電圧Ｖｉｎに含まれるセル番号を正しく判定できなくなる可能性もある。そこで、組電池１０を所定の電池セル１１の数のブロックに区分けしても良い。この場合、ブロック毎に比較器３０や電圧変換回路４０を設け、各電圧変換回路４０の出力をスイッチで切り替える構成とすれば良い。

また、上記のように、扱う電池セル１１の数が多くなると分解能が細かくなり電圧差が明確に出なくなり、図７に示されるようにＶｉｎの電圧領域もオーバラップする。図７では電池セル１１のセル電圧が４Ｖ、３Ｖ、３．８Ｖ、３．４Ｖの場合のＶｉｎを示している。しかし、図７において太線よりも上側に示されるように、最初にセル電圧の高い（または低い）１セルのみが閾値を超える場合は確実に独立して検出することができる。よって、電池セル１１のセル電圧が閾値を超えた１つ目（電圧上昇時で全て閾値以下の状態）または閾値を下回った１つ目（電圧下降時で全て閾値以上）の状態電圧をラッチする構成とすることが有効である。

さらに、上記各実施形態では、電池状態監視装置２０をハイブリッド車等の電気自動車に適用することについて説明したが、これは電池状態監視装置２０の適用の一例であり、車両に限らず電池セル１１のセル電圧を監視する場合に適用することができる。

１０ 組電池
１１ 電池セル
２０ 電池状態監視装置
３０ 比較器
３１ｄ〜３３ｄ コンパレータ
４０ 電圧変換回路（電圧変換手段）
４１〜４３ スイッチ
４４ａ〜４４ｅ 抵抗
４５〜４７ 定電流源
４８ 抵抗
５０ Ａ／Ｄコンバータ
７０ マイコン（故障判定手段）
８０ セル選択スイッチ
９０ 差動増幅回路

Claims (7)

1. 直列接続された複数の電池セルに対してそれぞれ設けられると共に前記電池セルのセル電圧と閾値とをそれぞれ比較する複数のコンパレータを備え、
   前記複数のコンパレータの出力に基づいて前記複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、
   前記複数のコンパレータの全ての出力を、前記複数の電池セルのそれぞれの状態を特定する固有の電圧に変換する電圧変換手段を備えていることを特徴とする電池状態監視装置。
2. 前記電圧変換手段で発生させられた前記固有の電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電池状態監視装置。
3. 前記電圧変換手段は、
   前記複数のコンパレータに対してそれぞれ設けられると共に前記コンパレータの出力に応じてオン／オフする複数のスイッチと、
   前記複数のスイッチに接続され、前記複数のスイッチのオン／オフ状態に応じた前記固有の電圧を発生させるための複数の抵抗と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池状態監視装置。
4. 前記電圧変換手段は、
   前記複数のコンパレータに対してそれぞれ設けられると共に前記コンパレータの出力に応じてオン／オフする複数のスイッチと、
   前記複数のスイッチにそれぞれ接続された複数の定電流源と、
   前記複数のスイッチのオン／オフ状態によって前記複数の定電流源から流れる電流に応じた前記固有の電圧を発生させるための抵抗と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池状態監視装置。
5. 前記Ａ／Ｄコンバータに接続された差動増幅回路と、
   前記複数の電池セルのうちのいずれかと前記差動増幅回路との接続を切り替えるセル選択スイッチと、を備え、
   さらに、前記セル選択スイッチは、前記電圧変換手段と前記差動増幅回路とを接続するように切り替えを行うようになっており、
   前記差動増幅回路は、前記セル選択スイッチと前記電圧変換手段とで共有されるようになっていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電池状態監視装置。
6. 前記複数のスイッチを強制的にオン／オフすることにより前記電圧変換手段で発生させた電圧に基づいて前記電圧変換手段の故障診断を実施する故障判定手段を備えていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の電池状態監視装置。
7. 前記故障判定手段は、前記複数のスイッチの全てを強制的にオンすることにより前記故障診断を実施することを特徴とする請求項６に記載の電池状態監視装置。

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