JP2015177555A - 電池監視装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
電池セルに並列に接続される電子素子のリークによる過充電を抑制する電池監視装置を提供する。
【解決手段】
電池監視装置は、複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される制御部と、前記複数の電池セルにそれぞれ並列に接続される複数の電子素子と、前記電子素子を介して前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のメインＡ／Ｄコンバータと、前記電子素子を介さずに前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のサブＡ／Ｄコンバータとを含み、前記制御部は、前記メインＡ／Ｄコンバータで検出される第１電圧検出値と、前記サブＡ／Ｄコンバータで検出される第２電圧検出値とに基づいて、前記電子素子の故障状態を検出し、前記電子素子にリーク故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池監視装置に関する。
従来より、放電回路の均等化スイッチング素子の均等化機能の診断を行う場合は、イニシャライズ動作により、比較回路のコンデンサに信号線の電圧と、自己閾値電圧との差が充電された状態にし、かつコンデンサに信号線の電圧と、自己閾値電圧との差が充電された状態にする半導体回路がある。比較動作では、信号線と信号線とを接続し、コンデンサに電圧が入力されるようにする。均等化処理を行っていない場合は、出力＝Ｌレベルならば、正常に機能していると診断し、出力＝Ｈレベルならば、故障であると診断する。均等化処理を行っている場合は、出力＝Ｈレベルならば、正常に機能していると診断し、出力＝Ｌレベルならば、故障であると診断する（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２−１４７５８７号公報
ところで、上述の従来の回路では、コンデンサにリークが生じていると、コンデンサの電圧が実際の電圧よりも低く検出されることにより、過充電になるおそれがある。また、このような過充電は、コンデンサのような電子素子のリークに限らず、電圧の監視対象になる電池セルに並列に接続される電子素子にリークが生じている場合においても同様に生じるおそれがある。
そこで、電池セルに並列に接続される電子素子のリークによる過充電を抑制する電池監視装置を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の電池監視装置は、複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される制御部と、前記複数の電池セルにそれぞれ並列に接続される複数の電子素子と、前記電子素子を介して前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のメインＡ／Ｄコンバータと、前記電子素子を介さずに前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のサブＡ／Ｄコンバータとを含み、前記制御部は、前記メインＡ／Ｄコンバータで検出される第１電圧検出値と、前記サブＡ／Ｄコンバータで検出される第２電圧検出値とに基づいて、前記電子素子の故障状態を検出し、前記電子素子にリーク故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する。
電池セルに並列に接続される電子素子のリークによる過充電を抑制する電池監視装置を提供することができる。
実施の形態の電池監視装置を含む電池ユニット１００を示す図である。 セル１５０とＩＣチップ１６０の間の回路と、ＩＣチップ１６０の内部構成を示す図である。 ＳＯＣの制御範囲とセル電圧の関係を示す図である。 故障部位、故障内容、検出方法、フェールセーフ処理の優先度、制御範囲の関係を示す図である。 フィルタコンデンサ１５３がオープンの場合のセル電圧の立ち上がり波形を示す図である。 ＩＣチップ１６０がＥＣＵ１１０に送信するデータを示す図である。 ＥＣＵ１１０が実行するフェールセーフ処理を示すフローチャート（その１）である。 ＥＣＵ１１０が実行するフェールセーフ処理を示すフローチャート（その２）である。
以下、本発明の
を適用した実施の形態について説明する。
＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の電池監視装置を含む電池ユニット１００を示す図である。
実施の形態１の電池ユニット１００は、主な構成要素として、ＥＣＵ（Electric Control Unit：電子制御装置）１１０と、スタック１２０とを含む。スタック１２０は、複数のセル１５０と、ｎ個（ｎは２以上の整数）のＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）チップ１６０を含む。実施の形態１の電池監視装置は、ＥＣＵ１１０と、スタック１２０に含まれるＩＣチップ１６０と、ＩＣチップ１６０とセル１５０との間の回路とによって構成される。
電池ユニット１００は、例えば、ハイブリッド自動車又は電気自動車（ＥＶ（Electric Vehicle））の電池の状態を判定するセンサ制御装置として用いられる。
図１には、電池監視装置の構成要素として、１つのＥＣＵ１１０とｎ個（ｎは２以上の整数）のＩＣチップ１６０（ＩＣ１〜ＩＣｎとも称す）を示す。図１では、ＥＣＵ１１０の構成要素として、マイコン１１１を示す。ＥＣＵ１１０は、他のスタックにバス１０１を介して接続されている。
ＩＣ１〜ＩＣｎとＥＣＵ１１０は、信号線１７０によってデイジーチェーン方式で接続されている。各信号線１７０には、矢印で示す方向に信号が転送される。図１には、ＥＣＵ１１０から送信される指令等をＴｘと表し、ＥＣＵ１１０によって受信される指令又はデータ等をＲｘと表す。
ここで、ＥＣＵ１１０から最も遠いＩＣｎが最上位のＩＣチップ１６０であり、ＥＣＵ１１０に最も近いＩＣ１が最下位のＩＣチップ（１６０）であるとする。
ＩＣ１〜ＩＣｎは、それぞれ、４つのＡＤコンバータを内蔵しており、それぞれ、対応するブロック１５０Ｂに含まれる４つのセル１５０の出力電圧を検出し、ＡＤコンバータでデジタル変換して電圧データを求める。また、ＩＣ１〜ＩＣｎは、ＥＣＵ１１０から送信される電圧検出指令に応答して、それぞれ、４つの出力電圧を表す電圧データを信号線１７０を介してＥＣＵ１１０に送信する。
また、ＩＣチップ１６０は、ＥＣＵ１１０から電圧検出指令が入力されると、４つのセル１５０の出力電圧を表す電圧データを生成し、信号線１７０を介してＥＣＵ１１０に伝送する。また、ＩＣチップ１６０は、他のＩＣチップ１６０への電圧検出指令の転送と、他のＩＣチップ１６０から送信される電圧データの転送を行う。なお、ＩＣチップ１６０は、ＥＣＵ１１０からの指令にのみ対応して動作する。
各セル１５０は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池である。
このような電池ユニット１００において、各ＩＣチップ１６０は、４つのセル１５０の電圧データをＥＣＵ１１０に伝送する。
ＥＣＵ１１０は、各ＩＣチップ１６０から伝送される電圧データに基づき、スタック１２０に含まれるセル１５０のうち、出力電圧が所定電圧以上のセル１５０を放電させることにより、スタック１２０に含まれるセル１５０の出力電圧を調整する。
なお、セル１５０の出力電圧とは、セル１５０の両端間電圧又は充電電圧と同義である。
また、図１には１つのスタック１２０を示すが、さらに多くのスタックが直列又は並列に接続されいる。図１に示すスタック１２０と他のスタックとの間には、リレー１２１が設けられている。
また、ＩＣチップ１６０は、セル１５０の出力電圧（セル電圧）を監視する監視ＩＣである。ＩＣチップ１６０の総数と、ＩＣ番号（１〜ｎのいずれか）とはＥＣＵ１１０が保持しており、電圧検出指令の中にこれらの情報が含まれて送信される。
また、ＥＣＵ１１０は、スタック１２０又は信号線１７０に異常が生じていると判定すると、フェールセーフ処理を行う。フェールセーフ処理とは、電池ユニット１００の充放電処理を制限する処理である。フェールセーフ処理が行われている間は、例えば、電池ユニットが所定の低電力しか出力できないようにしたり、スタック１２０への充放電制御を禁止するようにする。なお、ＥＣＵ１１０がフェールセーフ処理を行うか行わないかを判定する処理については後述する。
図２は、セル１５０とＩＣチップ１６０の間の回路と、ＩＣチップ１６０の内部構成を示す図である。図２には、２つのセル１５０に対応する部分を示す。
各セル１５０には、一対のヒューズ１５１を介して、１つのツェナーダイオード１５２が接続されている。ツェナーダイオード１５２は、セル１５０の電圧が変動する際に電圧を安定させるために設けられている。また、ツェナーダイオード１５２を設けることにより、セル１５０が過充電になったときにヒューズ１５１とツェナーダイオード１５２に電流を流してヒューズ１５１を切断できる。
また、各ツェナーダイオード１５２には、一対の抵抗器Ｒを介して、１つのフィルタコンデンサ１５３が接続されている。抵抗器Ｒとフィルタコンデンサ１５３は、ＲＣフィルタを構成している。ＲＣフィルタは、高周波ノイズを除去するためにメインＡ／Ｄコンバータ２１２とセル１５０の間に設けられている。
フィルタコンデンサ１５３の両端は、ＩＣチップ１６０の端子１６１Ｂ、１６１Ｃ、１６１Ｄ、１６１Ｅに接続されている。図２には、ＩＣチップ１６０の端子１６１Ａ〜１６１Ｆを示す。すなわち、図２において、端子１６１Ａ〜１６１Ｆよりも右側は、ＩＣチップ１６０の内部である。
ＩＣチップ１６０は、端子１６１Ａ〜１６１Ｆ、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２、均等化スイッチ２３１、２３２、及びＩＣ制御部２４０を含む。
メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２は、それぞれ、ＩＣチップ１６０のメインのＡ／Ｄコンバータであり、図１に示すＡ／Ｄコンバータに対応する。メインＡ／Ｄコンバータ２１１は、端子１６１Ｂ、１６１Ｃ、一対の抵抗器Ｒ、一対のヒューズ１５１を介して図２に示す２つのセル１５０のうちの下側のセル１５０に接続されている。
メインＡ／Ｄコンバータ２１２は、端子１６１Ｄ、１６１Ｅ、一対の抵抗器Ｒ、一対のヒューズ１５１を介して図２に示す２つのセル１５０のうちの上側のセル１５０に接続されている。
すなわち、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２は、フィルタコンデンサ１５３を含むＲＣフィルタを介して、図２に示す２つのセル１５０にそれぞれ接続されている。メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２は、それぞれ、図２に示す２つのセル１５０のセル電圧を検出する。なお、図２に図示しないメインＡ／Ｄコンバータ（図１参照）も同様に接続されている。
サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２は、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２とは異なり、フィルタコンデンサ１５３を含むＲＣフィルタを介さずに、セル１５０に接続されている。
サブＡ／Ｄコンバータ２２１は、端子１６１Ａと端子１６１Ｄ、抵抗器Ｒ、ヒューズ１５１を介して、図２に示す下側のセル１５０に接続されている。端子１６１Ａと端子１６１Ｄとの間には、フィルタコンデンサ１５３は接続されていない。このため、サブＡ／Ｄコンバータ２２１は、フィルタコンデンサ１５３を含むＲＣフィルタを介さずに、図２に示す下側のセル１５０に接続されている。
サブＡ／Ｄコンバータ２２２は、端子１６１Ｃと端子１６１Ｆ、抵抗器Ｒ、ヒューズ１５１を介して、図２に示す上側のセル１５０に接続されている。端子１６１Ｃと端子１６１Ｆとの間には、フィルタコンデンサ１５３は接続されていない。このため、サブＡ／Ｄコンバータ２２２は、フィルタコンデンサ１５３を含むＲＣフィルタを介さずに、図２に示す上側のセル１５０に接続されている。
サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２は、それぞれ、図２に示す２つのセル１５０のセル電圧を検出する。
均等化スイッチ２３１、２３２は、ＩＣチップ１６０の内部では、それぞれ、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の一対の端子の間に接続されている。すなわち、均等化スイッチ２３１は、図２に示す下側のセル１５０、ツェナーダイオード１５２、フィルタコンデンサ１５３に並列に接続されている。また、均等化スイッチ２３２は、図２に示す上側のセル１５０、ツェナーダイオード１５２、フィルタコンデンサ１５３に並列に接続されている。
均等化スイッチ２３１、２３２は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタであり、ＩＣ制御部２４０からゲートに入力される制御信号によってオン／オフが切り替えられる。
均等化スイッチ２３１、２３２は、ブロック１５０Ｂ（図１参照）の内部の４つのセル１５０のセル電圧を均等化するために設けられている。ＩＣ制御部２４０は、ブロック１５０Ｂ（図１参照）の内部の４つのセル１５０のセル電圧を最も低いセル電圧に合わせるために、最も低いセル電圧以外のセル１５０に対応する均等化スイッチ２３１、２３２をオンにして、対応するセル１５０を放電させる。
なお、このようなＩＣ制御部２４０による均等化スイッチ２３１、２３２の制御は、ＥＣＵ１１０からＩＣ制御部２４０に送信される指令に基づいて行われる。
ＩＣ制御部２４０は、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２と、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の出力端子に接続されている。ＩＣ制御部２４０は、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２から出力されるセル電圧を信号線１７０（図１参照）を介してＥＣＵ１１０に送信する。また、ＩＣ制御部２４０は、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２から出力されるセル電圧を信号線１７０（図１参照）を介してＥＣＵ１１０に送信する。また、ＩＣ制御部２４０は、上述のように、均等化スイッチ２３１、２３２のオン／オフの制御を行う。
なお、図２には、図１における２つのセル１５０に対応する部分を示したが、図１に示すように実際にはセル１５０は１つのブロック１５０Ｂに４つ含まれており、スタック１２０にはｎ個のブロックが含まれる。図２に示す２つのセル１５０とＩＣチップ１６０の間の回路と、ＩＣチップ１６０の内部構成とは、図１に示すすべてのセル１５０について同様である。
次に、ＥＣＵ１１０が実行するフェールセーフ処理について説明する。
ＥＣＵ１１０は、上述のようなＩＣチップ１６０と、ＩＣチップ１６０とセル１５０との間の回路とを用いて、ツェナーダイオード１５２、フィルタコンデンサ１５３、及び均等化スイッチ２３１、２３２の故障を検出し、故障内容に応じたフェールセーフ処理を行う。
フェールセーフ処理は、セル１５０のＳＯＣ(State Of Charge:充電率)の範囲を通常制御時よりも狭めることにより、電池ユニット１００の充放電処理を制限する処理である。なお、通常制御時とは、ツェナーダイオード１５２、フィルタコンデンサ１５３、及び均等化スイッチ２３１、２３２の故障が生じていない状態における充放電処理を行っているときをいう。
図３は、ＳＯＣの制御範囲とセル電圧の関係を示す図である。横軸はセル１５０のＳＯＣを表し、縦軸はセル１５０のセル電圧を表す。ここでは、通常制御の場合のＳＯＣの最小値及び最大値をそれぞれ０％及び１００％と表す。ＳＯＣが０％のときのセル電圧は３Ｖであり、１００％のときのセル電圧は４Ｖである。通常制御では、ＳＯＣの目標値を例えば５０％（３．５Ｖ）として、ＳＯＣが０％以上で１００％以下の範囲内に収まるように充放電の制御が行われる。図３には、通常制御におけるＳＯＣの制御範囲（０％≦ＳＯＣ≦１００％）を通常制御範囲として示す。
実線の曲線で示すようなセル電圧の増大に伴い、ＳＯＣは増大する。ＳＯＣが０％未満の領域はセル１５０が過放電の領域であり、ＳＯＣが１００％より高い領域はセル１５０が過充電の領域である。
実施の形態の電池監視装置は、故障の内容により、図３に両矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示すように、ＳＯＣの制御範囲を通常制御範囲よりも狭める。ＳＯＣの制御範囲は、範囲Ａが最も狭く、範囲Ｄが最も広い。範囲Ａは最も重大な（重要度の高い）故障の場合にフェールセーフ処理で設定する範囲であり、範囲Ｄは最も重要度の低い故障の場合にフェールセーフ処理で設定する範囲である。範囲Ａ〜Ｄは、それぞれ、例えば２０％、４０％、６０％、８０％であり、目標値を中心とする範囲である。
図４は、故障部位、故障内容、検出方法、フェールセーフ処理の優先度、制御範囲の関係を示す図である。図５は、フィルタコンデンサ１５３がオープンの場合のセル電圧の立ち上がり波形を示す図である。
ここでは、一例として、故障部位がフィルタコンデンサ１５３と均等化スイッチ２３１、２３２の場合について説明する。
フィルタコンデンサ１５３の故障内容としてはオープン、短絡（ショート）、リークがある。フィルタコンデンサ１５３がオープンの状態とは、フィルタコンデンサ１５３の少なくとも一方の電極の配線（図２参照）が切れているような状態で、フィルタコンデンサ１５３が存在しないのと同じ状態をいう。
また、フィルタコンデンサ１５３が短絡している状態とは、電極間が短絡しており、コンデンサとして機能していない状態をいう。また、フィルタコンデンサ１５３がリークしている状態とは、電極間に電流が流れている状態をいう。
均等化スイッチ２３１、２３２の故障内容としてはオン固着、オープン（オフ固着）、リークがある。
均等化スイッチ２３１、２３２がオープンの状態とは、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態に固定されており、オンにできなくなっている状態を言う。また、均等化スイッチ２３１、２３２がリークしている状態とは、オフにしてもドレイン−ソース間に電流が流れている状態をいう。
フィルタコンデンサ１５３がオープンであるかどうかは、均等化スイッチ２３１、２３２をオンからオフに切り替えたときのセル電圧の立ち上がり度合でＩＣチップ１６０のＩＣ制御部２４０が判定する。ＩＣチップ１６０は、判定結果を信号線１７０を介してＥＣＵ１１０に送信する。ＥＣＵ１１０は、ＩＣチップ１６０から受信する判定結果に基づいて、フィルタコンデンサのオープン故障を判定する。
例えば、図５に示すように、均等化スイッチ２３１、２３２をオフの状態からオンにして、再びオフにすると、通常動作時は、オンからオフにするときに、フィルタコンデンサ１５３の静電容量による時定数によって実線で示すように波形が鈍り、セル電圧が緩やかに立ち上がる。
一方、フィルタコンデンサ１５３がオープンのときは、オンからオフにするときに、フィルタコンデンサ１５３が存在しないのと同様の状態であるため、時定数による影響は生じず、破線で示すようにセル電圧が急激に立ち上がる。
従って、フィルタコンデンサ１５３をオンからオフにするときに、セル電圧の立ち上がりに要する時間によってフィルタコンデンサ１５３がオープンであるかどうかを判定すればよい。各セル１５０には、１つのフィルタコンデンサ１５３が接続されているため、セル電圧の立ち上がりに要する時間が早いセル１５０がある場合に、そのセル１５０に対応するフィルタコンデンサ１５３にオープン故障が生じていると判定すればよい。
なお、故障の判定に際しての均等化スイッチ２３１、２３２のオン／オフの切り替えは、ＥＣＵ１１０が信号線１７０を介して指令をＩＣチップ１６０に送信することによって行えばよい。
フィルタコンデンサ１５３が短絡しているかどうかは、次のようにして判定すればよい。
フィルタコンデンサ１５３が短絡すると、そのフィルタコンデンサ１５３の両端子間の電圧を検出するメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）の出力が０Ｖになる。また、過放電は生じていなければセル電圧は３Ｖ以上であるため、出力が０ＶのメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）に対応するサブＡ／Ｄコンバータ（２２１、２２２）の出力は３Ｖ以上である。このため、フィルタコンデンサ１５３の短絡しているかどうかは、いずれかのメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）で検出する電圧が０Ｖであり、かつ、対応するサブＡ／Ｄコンバータ（２２１、２２２）の検出電圧が３Ｖ以上であるかどうかで判定すればよい。
フィルタコンデンサ１５３がリークしているかどうかは、均等化スイッチ２３１、２３２がオフ（ＳＷ＝オフ）の状態で、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧と、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧とを比較し、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧よりも、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧の方が所定電圧以上高いかどうかで判定を行う。
各フィルタコンデンサ１５３のリーク故障は、そのフィルタコンデンサ１５３に対応するメインＡ／Ｄコンバータの検出電圧２１１、２１２と、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧とを比較することによって行えばよい。
このような判定は、ＥＣＵ１１０が信号線１７０を介してＩＣチップ１６０から受信する検出電圧を表す信号に基づいて行う。
フィルタコンデンサ１５３がリークしている場合は、フィルタコンデンサ１５３の両端間電圧を検出するメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧は低下するが、フィルタコンデンサ１５３を含むＲＣフィルタを介さずにセル電圧を検出するサブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧には影響が生じないからである。
均等化スイッチ２３１、２３２がオープンであるかどうかは、均等化スイッチ２３１、２３２をオンにした場合に、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧が変化するかどうかで判定すればよい。均等化スイッチ２３１、２３２をオンにするとセル１５０が放電されるからである。
このような判定は、ＥＣＵ１１０が信号線１７０を介してＩＣチップ１６０から受信する検出電圧を表す信号に基づいて行う。また、故障の判定に際しての均等化スイッチ２３１、２３２のオン／オフの切り替えは、ＥＣＵ１１０が信号線１７０を介して指令をＩＣチップ１６０に送信することによって行えばよい。
均等化スイッチ２３１、２３２の各々のリーク故障は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態で、均等化スイッチ２３１、２３２の各々に対応するメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧と、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧とを比較することによって行えばよい。
均等化スイッチ２３１、２３２がリークしている場合は、均等化スイッチ２３１、２３２の両端間電圧を検出するメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧は低下するが、均等化スイッチ２３１、２３２を介さずにセル電圧を検出するサブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２の検出電圧には影響が生じないからである。
均等化スイッチ２３１、２３２のオン固着とは、均等化スイッチ２３１、２３２がオンの状態に保持されており、オフにできない状態をいう。均等化スイッチ２３１、２３２がオン固着の状態になっているかどうかは、均等化スイッチ２３１、２３２をオフにした状態で、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧が０．２Ｖ以下であるかどうかで判定すればよい。均等化スイッチ２３１、２３２として用いられるＭＯＳトランジスタがオンの状態でのドレイン・ソース間の電圧をメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２で検出することにより、均等化スイッチ２３１、２３２がオン固着の状態になっているかどうかを判定することができる。
ここで、フェールセーフ処理を行うべき故障の優先度は、一例として、フィルタコンデンサ１５３のリーク又は短絡と、均等化スイッチ２３１、２３２のリーク又はオン固着とが１位であり、均等化スイッチ２３１、２３２のオープンが２位であり、フィルタコンデンサ１５３のオープンが３位であることとして取り扱う。
これは、フィルタコンデンサ１５３は、均等化スイッチ２３１、２３２のようにＩＣチップ１６０の内部の信頼性の比較的高い素子ではなく、ＩＣチップ１６０の外側に取り付けられる外付け部品であることと、フィルタコンデンサ１５３のリークはメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧が実際よりも低くなることにより、セル１５０の過充電に繋がるおそれがあるからである。
また、均等化スイッチ２３１、２３２は、ブロック１５０Ｂ（図１参照）の内部に含まれる４つのセル１５０の電圧を均等化するために設けられており、リークが生じるとメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧が実際よりも低くなることにより、セル１５０の過充電に繋がるおそれがあるからである。
なお、フィルタコンデンサ１５３のリークを均等化スイッチ２３１、２３２のリークよりも優先してもよいし、その逆であってもよい。
フィルタコンデンサ１５３が短絡すると、ＲＣフィルタがうまく機能しなくなってセル電圧が不安定になる傾向が生じることと、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２でセル電圧を検出することができなくなり、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２でセル電圧を検出することになるためである。
また、均等化スイッチ２３１、２３２のオン固着すると、均等化を行えなくなることと、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２でセル電圧を検出することができなくなり、サブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２でセル電圧を検出することになるためである。
また、均等化スイッチ２３１、２３２のオープンを２位にするのは、均等化スイッチ２３１、２３２がオープンになると、均等化を十分に行えなくなり、セル電圧のバランスが悪化するおそれがあるからである。
また、フィルタコンデンサ１５３のオープンを３位にするのは、フィルタコンデンサ１５３がオープンになると、ＲＣフィルタ機能が十分に働かないため、高調波ノイズ成分の除去が十分にできず、メインＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２のセル電圧の検出精度が低下するためである。
図６は、ＩＣチップ１６０がＥＣＵ１１０に送信するデータを示す図である。ここでは、一例として、制御周期の６周期分のデータを示す。
各周期でＩＣチップ１６０がＥＣＵ１１０に送信するデータは、基本情報、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧、フェールセーフ系の情報、ＣＲＣ(Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査機能)情報を含む。
基本情報は、自己のＩＣ番号等である。また、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態で自己に対応する実際には４つあるメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）が検出した検出電圧である。
フェールセーフ系の情報は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態（ＳＷ＝オフ）で自己に対応する４つのサブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２が検出した検出電圧（サブ検出電圧）、均等化スイッチ２３１、２３２がオンの状態（ＳＷ＝オン）で自己に対応する４つのメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２が検出した検出電圧（メイン検出電圧）、及びセル電圧の立ち上がり度合から判定したフィルタコンデンサがオープンかどうかを表す情報である。
ＣＲＣ(Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査機能)情報は、デイジーチェーンを構築する信号線１７０で伝送するデータのチェック用のデータである。
ここで、図６に示すように、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態（ＳＷ＝オフ）のメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧（メイン検出電圧）は、毎周期のデータに含まれる。また、１周期目のフェールセーフ系の情報１は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態（ＳＷ＝オフ）でサブＡ／Ｄコンバータ２２１、２２２が検出した検出電圧（サブ検出電圧）である、３周期目のフェールセーフ系の情報３は、均等化スイッチ２３１、２３２をオン状態からオフ状態に切り替えた際のセル電圧の立ち上がり度合から判定したフィルタコンデンサがオープンかどうかを表す情報（立ち上がりの度合による判定結果）である。６周期目のフェールセーフ系の情報６は、均等化スイッチ２３１、２３２がオンの状態（ＳＷ＝オン）で自己に対応する４つのメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２が検出した検出電圧（メイン検出電圧）である。
なお、２周期目、４周期目、５周期目のフェールセーフ系の情報２、４、５は特にデータを含まない。
以上のように、ＩＣチップ１６０は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフの状態のメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２の検出電圧を毎周期送信する。また、ＩＣチップ１６０は、均等化スイッチ２３１、２３２をオン状態からオフ状態に切り替えた際のセル電圧の立ち上がり度合から判定したフィルタコンデンサがオープンかどうかを表す情報を６周期の中の３周期目で送信する。また、ＩＣチップ１６０は、均等化スイッチ２３１、２３２がオンの状態で自己に対応する４つのメインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２が検出した検出電圧を６周期の中の６周期目で送信する。
図７は、ＥＣＵ１１０が実行するフェールセーフ処理を示すフローチャート（その１）である。ここでは、図６に示す周期数をｋで表す。周期数ｋは１〜６の値をとり、周期数６に到達すると次の周期では周期数が１になり、これを繰り返す。
まず、ＥＣＵ１１０は、周期数ｋを０にリセットする（ステップＳ１）。
ＥＣＵ１１０は、セル１５０の過放電又は過充電であるかどうかを判定する（ステップＳ２）。この判定は、ＩＣチップ１６０から送信されるメインＡ／Ｄコンバータの検出電圧に基づいて得られるＳＯＣが通常制御範囲（ＳＯＣが０％以上で１００％以下の範囲）内にあるかどうかで判定すればよい。
ＥＣＵ１１０は、セル１５０の過放電又は過充電である（Ｓ２：ＹＥＳ）と判定すると、過放電・過充電のためＸ判定とし（ステップＳ３）、さらに次のステップＳ４でＸ判定の場合のフェールセーフ処理を実行する（ステップＳ４）。なお、ＥＣＵ１１０は、フェールセーフ処理を終えるとフローをステップＳ２にリターンする。
ＥＣＵ１１０は、セル１５０の過放電又は過充電ではない（Ｓ２：ＮＯ）と判定すると、均等化スイッチ２３１、２３２をオフにした状態（ＳＷ＝オフ）で更新されたメイン検出電圧をＩＣチップ１６０から取得する（ステップＳ５）。
次いで、ＥＣＵ１１０は、フィルタコンデンサ１５３の短絡が生じているかどうかを判定する（ステップＳ６）。フィルタコンデンサ１５３が短絡すると、そのフィルタコンデンサ１５３の両端子間の電圧を検出するメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）の出力が０Ｖになる。また、ステップＳ６に進行する場合は、過放電は生じていない場合であるため、セル電圧は３Ｖ以上であると考えられる。このため、出力が０ＶのメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）に対応するサブＡ／Ｄコンバータ（２２１、２２２）の出力は３Ｖ以上である。このため、フィルタコンデンサ１５３の短絡の有無は、いずれかのメインＡ／Ｄコンバータ（２１１、２１２）で検出する電圧が０Ｖであり、かつ、対応するサブＡ／Ｄコンバータ（２２１、２２２）の検出電圧が３Ｖ以上であるかどうかで判定すればよい。
ＥＣＵ１１０は、フィルタコンデンサ１５３の短絡が生じていると判定すると（Ｓ６：ＹＥＳ）、Ａ判定とし（ステップＳ７）、Ａ判定の場合のフェールセーフ処理を実行する（ステップＳ８）。なお、ＥＣＵ１１０は、フェール処理を終えるとフローをステップＳ２にリターンする。
ＥＣＵ１１０は、ステップＳ６でフィルタコンデンサ１５３の短絡は生じていない（Ｓ６：ＮＯ）と判定すると、メイン検出電圧が０．２Ｖ以下であるかどうかを判定する（ステップＳ９）。これは、均等化スイッチのオン固着を判定するためである。
ＥＣＵ１１０は、メイン検出電圧が０．２Ｖ以下である（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定すると、Ａ判定とし、ステップＳ７に進行する。
ＥＣＵ１１０は、メイン検出電圧が０．２Ｖ以下である（Ｓ９：ＮＯ）と判定すると、周期数ｋをインクリメントする（ｋ←ｋ＋１）（ステップＳ１０）。
次に、ＥＣＵ１１０は、ｋが６以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１１）。６周期に１回の頻度でステップＳ１２以下の処理を行うために、このような判定を行う。
ＥＣＵ１１０は、ｋが６以上ではない（Ｓ１１：ＮＯ）と判定すると、フローをステップＳ２にリターンする。
ＥＣＵ１１０は、ｋが６以上である（Ｓ１１：ＹＥＳ）と判定すると、周期数ｋを０にリセットする（ステップＳ１２）。
ＥＣＵ１１０は、均等化スイッチ２３１、２３２がオフにされた状態（ＳＷ＝オフ）でＩＣチップ１６０から更新されたサブ検出電圧を取得する（ステップＳ１３）。
ＥＣＵ１１０は、サブ検出電圧からメイン検出電圧を引いた差分が０．２Ｖ以上であるかどうか判定する（ステップＳ１４）。
ＥＣＵ１１０は、差分が０．２Ｖ以上である（Ｓ１４：ＹＥＳ）と判定すると、フィルタコンデンサ又は均等化スイッチのリークによるＡ判定であるとし（ステップＳ１５）、Ａ判定によるフェールセーフ処理を実行する（ステップＳ１６）。
ＥＣＵ１１０は、均等化スイッチ２３１、２３２がオンにされた状態（ＳＷ＝オン）でＩＣチップ１６０から更新されたメイン検出電圧を取得する（ステップＳ１７）。
ＥＣＵ１１０は、メイン検出電圧（ＳＷ＝オフ）からメイン検出電圧（ＳＷ＝オン）を引いた差分の絶対値が０．２Ｖ以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１８）。すなわち、均等化スイッチ２３１、２３２がオフにされた状態（ＳＷ＝オフ）でＩＣチップ１６０から更新されたメイン検出電圧から、均等化スイッチ２３１、２３２がオンにされた状態（ＳＷ＝オン）でＩＣチップ１６０から更新されたメイン検出電圧を引いた差分の絶対値が０．２Ｖ以下であるかどうかを判定する。
ＥＣＵ１１０は、差分の絶対値が０．２Ｖ以下である（Ｓ１８：ＹＥＳ）と判定すると、均等化スイッチはオープン（オフ固着）によるＢ判定であると判定し（ステップＳ１９）、Ｂ判定によるフェールセーフ処理を実行する（ステップＳ２０）。なお、ＥＣＵ１１０は、フェール処理を終えるとフローをステップＳ２にリターンする。
ＥＣＵ１１０は、差分の絶対値が０．２Ｖ以下ではない（Ｓ１８：ＮＯ）と判定すると、ＩＣチップ１６０から更新された判定結果を取得する（ステップＳ２１）。この判定結果は、ＩＣチップ１６０がフィルタコンデンサ１５３のオープン（断線）故障の有無を判定した結果である。
ＥＣＵ１１０は、判定結果がフィルタコンデンサ１５３のオープン（断線）故障を表しているかどうかを判定する（ステップＳ２２）。例えば、フィルタコンデンサ１５３のオープン故障を表すフラグがオープン（断線）を表すかどうかで判定すればよい。
ＥＣＵ１１０は、判定結果がフィルタコンデンサ１５３のオープン（断線）故障を表している（Ｓ２２：ＹＥＳ）と判定すると、Ｃ判定とし（ステップＳ２３）、Ｃ判定によるフェールセーフ処理を実行する（ステップＳ２４）。なお、ＥＣＵ１１０は、フェール処理を終えるとフローをステップＳ２にリターンする。
図８は、ＥＣＵ１１０が実行するフェールセーフ処理を示すフローチャート（その２）である。
ＥＣＵ１１０は、フェールセーフを実行する際には、まず、Ｘ判定であるかどうかを判定する（ステップＳ３１）。
ＥＣＵ１１０は、Ｘ判定である（Ｓ３１：ＹＥＳ）と判定すると、リレー１２１（図１参照）を遮断する（ステップＳ３２）。これにより、電池ユニット１００は、電圧を出力しない状態になる。このため、例えば、電池ユニット１００がエンジンとモータを動力源とするハイブリッド車である場合は、エンジンだけでの走行を行う状態に切り替えられる。
ＥＣＵ１１０は、Ｘ判定ではない（Ｓ３１：ＮＯ）と判定すると、Ａ判定であるかどうかを判定する（ステップＳ３３）。
ＥＣＵ１１０は、Ａ判定である（Ｓ３３：ＹＥＳ）と判定すると、Ａ判定の処理を行う（ステップＳ３４）。
ＥＣＵ１１０は、Ａ判定ではない（Ｓ３３：ＮＯ）と判定すると、Ｂ判定であるかどうかを判定する（ステップＳ３５）。
ＥＣＵ１１０は、Ｂ判定である（Ｓ３５：ＹＥＳ）と判定すると、Ｂ判定の処理を行う（ステップＳ３６）。
ＥＣＵ１１０は、Ｂ判定ではない（Ｓ３５：ＮＯ）と判定すると、Ｃ判定であるかどうかを判定する（ステップＳ３７）。
ＥＣＵ１１０は、Ｃ判定である（Ｓ３７：ＹＥＳ）と判定すると、Ｃ判定の処理を行う（ステップＳ３８）。
なお、ステップＳ３２、Ｓ３４、Ｓ３６、Ｓ３８の各処理が終了すると、フローはステップＳ２（図７参照）にリターンされる。
以上、実施の形態によれば、セル１５０に並列に接続される電子素子のリークによる過充電を抑制する電池監視装置を提供することができる。
また、故障の種類に応じてフェールセーフのレベルを可変にすることにより、電池制御の有効活用が可能になる。換言すれば、過敏な電池の制御を抑制して故障の種類に応じて制御可能な範囲を設定することで、稼働可能な状態を増やすことができる。
なお、以上では、故障が生じた場合にＳＯＣの範囲を制限する形態について説明したが、充放電の制御自体を禁止するようにしてもよい。また、セル電圧の最大値を所定電圧以下にするようにしてもよい。
また、以上では、フィルタコンデンサ１５３と均等化スイッチ２３１、２３２の故障について説明したが、フィルタコンデンサ１５３と均等化スイッチ２３１、２３２以外の電子素子の故障を判定してもよい。
例えば、ヒューズ１５１のオープン（断線）故障を判定してもよい。ヒューズ１５１のオープン故障は、次のようにして検出できる。均等化スイッチ２３１、２３２を１つ飛ばしで奇数番目のグループと偶数番目のグループとに分けて、偶数番目の均等化スイッチをオフにした状態で奇数番目の均等化スイッチをオンにしてから、奇数番目の均等化スイッチをオフにするとともに偶数番目の均等化スイッチをオンにする。この結果、セル電圧が上昇するので、上昇しないセル１５０に対応するヒューズ１５１のオープン（断線）を検出できる。
また、抵抗器Ｒのオープン（断線）故障を判定してもよい。抵抗器Ｒのオープン（断線）故障は、メイン検出電圧とサブ検出電圧を比較し、その差がある程度大きくなった場合に抵抗器Ｒのオープン（断線）故障が生じていることを検出できる。
また、ツェナーダイオード１５２の短絡（ショート）を判定してもよい。ツェナーダイオード１５２の短絡（ショート）が生じるとメイン検出電圧が低下し、メイン検出電圧とサブ検出電圧の差が大きくなるため、その差がある程度大きくなった場合にツェナーダイオード１５２の短絡（ショート）故障が生じていることを検出できる。
また、ツェナーダイオード１５２のリークを判定してもよい。ツェナーダイオード１５２のリークが生じると、リークの生じているツェナーダイオード１５２に並列に接続されるメインＡ／Ｄコンバータのメイン検出電圧が低下するため、そのツェナーダイオード１５２に対応するセル１５０の上位側と下位側のセル１５０のメイン検出電圧との差がある程度大きくなった場合にツェナーダイオード１５２のリーク故障が生じていることを検出できる。
また、端子１６１Ｂ〜１６１Ｅのオープン（断線）を判定してもよい。端子１６１Ｂ〜１６１Ｅのオープン（断線）が生じると、メイン検出電圧とサブ検出電圧の差が大きくなるため、その差がある程度大きくなった場合に端子１６１Ｂ〜１６１Ｅのオープン（断線）故障が生じていることを検出できる。
また、端子１６１Ｂ〜１６１Ｅのショート（短絡）を判定してもよい。端子１６１Ｂと１６１Ｃ、端子１６１Ｄと１６１Ｅのショート（短絡）が生じると、メインＡ／Ｄコンバータ２１１、２１２のメイン検出電圧が０Ｖになるため、端子１６１Ｂと１６１Ｃ、端子１６１Ｄと１６１Ｅのショート（短絡）故障が生じていることを検出できる。
また、端子１６１Ｂ〜１６１Ｅのリークを判定してもよい。端子１６１Ｂと１６１Ｃ、端子１６１Ｄと１６１Ｅのリークが生じると、メイン検出電圧がサブ検出電圧よりも低くなるため、ある程度電圧差が生じたときに端子１６１Ｂと１６１Ｃ、端子１６１Ｄと１６１Ｅのリーク故障が生じていることを検出できる。
以上、本発明の例示的な実施の形態の電池監視装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
１００ 電池ユニット
１１０ ＥＣＵ
１２０ スタック
１５０ セル
１５０Ｂ ブロック
１５１ ヒューズ
１５２ ツェナーダイオード
１５３ フィルタコンデンサ
Ｒ 抵抗器
１６０ ＩＣチップ
１６１Ａ〜１６１Ｆ 端子
１７０ 信号線
２１１、２１２ メインＡ／Ｄコンバータ
２２１、２２２ サブＡ／Ｄコンバータ
２３１、２３２ 均等化スイッチ
２４０ ＩＣ制御部

Claims (9)

  1. 複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される制御部と、
    前記複数の電池セルにそれぞれ並列に接続される複数の電子素子と、
    前記電子素子を介して前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のメインＡ／Ｄコンバータと、
    前記電子素子を介さずに前記複数の電池セルにそれぞれ接続され、前記電池セルの電圧を検出する複数のサブＡ／Ｄコンバータと
    を含み、
    前記制御部は、前記メインＡ／Ｄコンバータで検出される第１電圧検出値と、前記サブＡ／Ｄコンバータで検出される第２電圧検出値とに基づいて前記電子素子の故障状態を検出し、前記電子素子にリーク故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する、電池監視装置。
  2. 前記複数の電子素子の各々は、フィルタコンデンサ又は均等化スイッチである、請求項１記載の電池監視装置。
  3. 前記複数の電子素子の各々はフィルタコンデンサであるとともに、さらに、複数の前記フィルタコンデンサにそれぞれ並列に接続され、前記複数の電池セルの充電度合を均等化する複数の均等化スイッチを含み、
    前記制御部は、前記均等化スイッチをオンからオフにしたときの前記第１電圧検出値の変化度合に基づいて前記フィルタコンデンサの故障状態を検出し、前記フィルタコンデンサにオープン故障が生じている場合は、通常制御時よりも前記充電度合の制御範囲を制限する、請求項１記載の電池監視装置。
  4. 前記フィルタコンデンサにリーク故障が生じている場合に制限される前記充電度合の制御範囲は、前記フィルタコンデンサにオープン故障が生じている場合に制限される前記充電度合の制御範囲よりも狭い、請求項３記載の電池監視装置。
  5. 前記制御部は、前記第１電圧検出値に基づいて前記フィルタコンデンサの故障状態を検出し、前記フィルタコンデンサに短絡故障が生じている場合は、通常制御時よりも前記充電度合の制御範囲を制限する、請求項３又は４記載の電池監視装置。
  6. 前記複数の電子素子の各々は均等化スイッチであり、
    前記制御部は、前記均等化スイッチがオフのときの前記第１電圧検出値と前記第２電圧検出値とに基づいて前記均等化スイッチの故障状態を検出し、前記均等化スイッチにリーク故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する、請求項１記載の電池監視装置。
  7. 前記複数の電子素子の各々は均等化スイッチであり、
    前記制御部は、前記均等化スイッチをオフからオンにしたときの前記第１電圧検出値に基づいて前記均等化スイッチの故障状態を検出し、前記均等化スイッチにオープン故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する、請求項１又は６記載の電池監視装置。
  8. 前記フィルタコンデンサにリーク故障が生じている場合に制限される前記充電度合の制御範囲は、前記均等化スイッチにオープン故障が生じている場合に制限される前記充電度合の制御範囲よりも狭い、請求項７記載の電池監視装置。
  9. 前記制御部は、前記均等化スイッチをオフにしたときの前記第１電圧検出値に基づいて前記均等化スイッチの故障状態を検出し、前記均等化スイッチにオン固着故障が生じている場合は、通常制御時よりも充電度合の制御範囲を制限する、請求項６乃至８のいずれか一項記載の電池監視装置。
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