JP4894725B2 - 組電池の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数個の電池セルが直列接続されて構成される組電池の状態を監視する組電池の状態監視装置に関する。

この種の状態監視装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、組電池を構成する同一個数の電池セルからなる複数の電池モジュールのうちの１つをマルチプレクサによってフライングキャパシタと選択的に接続することで、当該電池モジュールの電圧を検出するものも提案されている。これによれば、フライングキャパシタの電圧として、電池モジュールの電圧を検出することができるため、組電池を備える高圧システムと、低圧システムとの絶縁を図りつつも、低圧システムによって電池モジュールの電圧を把握することが可能となる。

更に、上記特許文献１では、フライングキャパシタの電圧を初期化した後、マルチプレクサによって特定の電池モジュールをフライングキャパシタに接続する際のフライングキャパシタの電圧に基づき、電池モジュールとフライングキャパシタとの接続経路の断線の有無を診断することも提案されている。
特開２００３−８４０１５号公報

ところで、近年、車載高圧バッテリに用いられる組電池を構成する電池セルとして、リチウム電池を用いることが提案されている。リチウム電池は、ニッケル水素電池等と比較して、過度に充電される状態（過充電状態）等によって信頼性が低下しやすい。このため、リチウム電池を用いて組電池を構成する場合には、その充電状態等を監視することが望まれる。

ここで、単一の電池セル又は隣接するいくつかからなる電池セルのいずれかをブロックとし、これら各ブロック毎に、その状態を監視する監視ユニットを設けることが考えられる。ただし、この場合、上記電池モジュールとフライングキャパシタとの接続経路が断線していたとしても、監視ユニットが迂回経路となって電池モジュール内のいくつかの電池セルとフライングキャパシタとで閉ループ回路が形成されるおそれがある。そしてこの場合には、上記手法によっては、電池モジュールとフライングキャパシタとの接続経路の異常の有無を診断することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組電池の単一の電池セル及び隣接するいくつかからなる電池セルのいずれかである第１の直列接続体毎にその状態を監視する監視ユニットを備える場合であれ、隣接する電池セルいくつかからなる第２の直列接続体とその両端の電圧を検出する検出手段との接続経路の異常の有無を適切に診断することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、複数個の電池セルが直列接続されて構成される組電池を、単一の電池セル及び隣接するいくつかからなる電池セルのいずれかである第１の直列接続体にグループ化して且つ、これら各第１の直列接続体毎にその状態を監視する監視ユニットと、隣接する前記電池セルのいくつかからなる第２の直列接続体の両端の電圧を検出する検出手段とを備える組電池の状態監視装置において、前記第２の直列接続体は、前記第１の直列接続体と同一またはこれを包含するものであり、前記監視ユニットは、前記状態の監視として、前記第２の直列接続体を構成する電池セル数よりも少ない数の電池セル毎のそれぞれの一対の端子に接続された配線間の電圧と閾値電圧とを比較する比較手段の比較結果に基づき、過充電状態または過放電状態であるか否かを判断する処理を行なうものであり、前記検出手段は、フライングキャパシタと、該フライングキャパシタの両端の電圧を検出する電圧検出回路とを備えて構成され、前記第２の直列接続体と前記フライングキャパシタとを選択的に電気接続可能なものであり、前記組電池の電池セル同士を接続する接続箇所と前記監視ユニット及び前記検出手段のそれぞれとの接続経路は共有部分を有し、前記第２の直列接続体の両端の電圧を検出すべくこれと前記検出手段とが接続状態とされる期間における前記第２の直列接続体を構成する電池セルについての前記監視ユニットによる監視結果に基づき、前記共有部分の異常の有無を診断する診断手段を備え、前記監視ユニットにおいては、当該監視ユニット内部を静電気による過電圧から保護する静電気保護手段としてのダイオードが、前記過充電状態または過放電状態の判断対象となる前記少ない数の電池セルであって且つ前記共有部分に接続されるものに逆並列接続されており、
前記フライングキャパシタと前記第２の直列接続体とが接続状態とされる場合、該フライングキャパシタ、第２の直列接続体を構成する電池セルのうちの前記逆並列接続されるダイオードに並列接続される電池セルを除いた部分、および該逆並列接続されるダイオードを備えるループ回路が、該ダイオードがオン状態となることで閉ループ回路となり、前記診断手段は、前記フライングキャパシタと前記第２の直列接続体とが接続状態とされることで前記監視ユニットにおいて一時的に過充電状態または過放電状態のいずれかが検出される場合に前記共有部分の異常と診断することを特徴とする。

上記共有部分に異常がある場合、第２の直列接続体（の一部）と監視ユニットと検出手段とによって閉ループ回路が形成されるおそれがある。そしてこの場合、検出手段の検出結果によっては、上記接続経路の異常の有無を診断することができない。ただし、この場合、監視ユニットを経由して第２の直列接続体と検出ユニット間に電流が流れる際に監視ユニットにおいて電圧降下が生じることなどに起因して、監視ユニット内で監視される監視結果が、上記異常に対応したものとなる。上記発明では、この点に着目し、監視結果に基づき異常の有無を診断することができる。
特に、上記共有部分に異常がある場合において、監視ユニットを経由して電流が流れる際の監視ユニットの監視結果は、例えば電池セルの充電状態に異常がある場合等の監視ユニットの監視結果と一致するおそれがある。ただし、上記共有部分に異常がある場合において監視ユニットを介して電流が流れるのは検出手段と第２の直列接続体とが電気的に接続状態とされたときである。このため、他の要因による監視結果との一致は、接続状態とされてから生じるものである。上記発明では、検出手段と第２の直列接続体とが電気的に接続状態とされた後の所定のタイミングと、その前及び後の少なくとも一方との間の監視結果の変化に着目することで、監視結果が上記他の要因に起因するものであるのか上記共有部分の異常に起因するものであるのかを好適に区別することができる。

なお、上記処理は、上記第２の直列接続体と前記検出手段とを導通及び遮断する導通制御手段を備えることで実現することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記検出手段は、検出対象とする前記第２の直列接続体を複数有して且つ、これら複数のうちの２つの第２の直列接続体の両端の電圧を検出するに際しての前記フライングキャパシタの充電極性が互いに逆となるものであり、前記診断手段は、前記フライングキャパシタの充電極性が逆となるような電圧検出処理がなされる際に前記診断を行うことを特徴とする。

フライングキャパシタの充電極性が逆となる際には、フライングキャパシタを介して流れる電流量も多く、またこの電流の流動時間も比較的長くなる。このため、検出手段と第２の直列接続体とが接続状態とされる際の監視結果の変化が顕著に生じやすく、また、この変化がある程度継続する。このため、上記共有部分の異常の有無をいっそう高精度に診断することができる。

なお、上記充電極性が互いに逆となるような処理を可能とする具体的な構成としては、前記複数の第２の直列接続体を前記検出手段に選択的に接続するマルチプレクサを備えることで行うことができる。

以下、本発明にかかる組電池の状態監視装置をハイブリッド車に搭載される組電池の状態監視装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、上記組電池及び状態監視装置の構成を示す。

以下では、まず図１に示す状態監視装置による状態監視機能について説明し、その後、状態監視装置の静電破壊保護機能、状態監視装置の備える断線検出機能について順に説明する。

＜状態監視機能について＞
組電池１０は、複数（ここではｍ×ｎ個）のリチウム２次電池（電池セルＢ１１〜Ｂｎｍ）の直列接続体として構成されている。組電池１０は、ブレーキ時の制動エネルギ等を車載発電機により電力回収する際の受け皿として機能するとともに、蓄えた電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して低圧（例えば「１２Ｖ」）の車載バッテリに供給するものである。また、組電池１０は、車両加速時にはモータでエンジンをアシストする際の電力供給源として機能する。

一方、状態監視装置１２は、「ｍ（≧２）」個ずつの電池セルＢ１１〜Ｂ１ｍ，…，Ｂｎ１〜Ｂｎｍを、１つのブロックとして、これら各ブロックの両端の電圧を選択的に検出するためのフライングキャパシタ１４を備えている。すなわち、フライングキャパシタ１４と、各ブロックの電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍ（ｉ＝１〜ｎ）の両端とは、検出ラインＣＬ１〜ＣＬ（ｎ＋１）とスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ（ｎ＋１）とによって、選択的に電気接続可能（導通可能）となっている。この際、互いに隣接するブロックの電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍと電池セルＢｊ１〜Ｂｊｍ（ｊ＝ｉ＋１、ｉ＝１〜ｎ−１）とでは、その正極と接続されるフライングキャパシタの端子が互いに異なるように設定されている。フライングキャパシタ１４の電圧は、スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂを介して、電圧検出回路１６に取り込まれる。そして、電圧検出回路１６によって検出されるフライングキャパシタの両端の電圧が、マイクロコンピュータ（マイコン２４）に取り込まれる。

なお、上記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ（ｎ＋１）と、スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂとは、電池セルの両端電圧の高々数倍の電圧にて低圧駆動されるマイコン２４側と高圧の組電池１０側とを絶縁する高耐圧の絶縁素子によって構成されている。この高耐圧の絶縁素子は、例えばフォトＭＯＳリレーとすればよい。

更に、状態監視装置１２は、ブロックの状態を監視する監視ユニットＵ１〜Ｕｎを備えている。これら各監視ユニットＵｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、クロック信号ＣＬＫを取り込むクロック入力端子Ｔ１と、クロック信号ＣＬＫを電流に変換して出力するクロック出力端子Ｔ２と、隣接する監視ユニットＵｊ（ｊ＝ｉ−１）の出力信号を取り込む入力端子Ｔ３と、出力信号を出力する出力端子Ｔ４とを備えている。

上記マイコン２４は、組電池１０の各電池セルＢｉｊの所定の状態を監視させる旨の指示信号としてのクロック信号ＣＬＫを、監視ユニットＵ１〜Ｕｎに出力する。詳しくは、シリアルラインＬ１及びフォトカプラ２６を介して、最上流の監視ユニットＵ１のクロック入力端子Ｔ１にクロック信号ＣＬＫを出力する。ここで、フォトカプラ２６は、低圧駆動されるマイコン２４と、組電池１０側との絶縁を取るための素子である。なお、マイコン２４の出力信号の論理値と、フォトカプラ２６の出力信号の論理値とは互いに逆であるが、以下では、説明の便宜上、クロック信号ＣＬＫの論理値を、フォトカプラ２６の出力信号の論理値と定義する。

クロック信号ＣＬＫが取り込まれると、各監視ユニットＵｉは、各電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの状態のうちクロック信号ＣＬＫの論理値に応じた状態を監視する。ここで、本実施形態では、論理「Ｌ」のときには、各電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧が、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの信頼性の低下を招く過度な高圧である異常状態（過充電状態）にあるか否かを監視する。また、論理「Ｈ」のときには、各電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧が、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの信頼性の低下を招く過度な低圧である異常状態（過放電状態）にあるか否かを監視する。そして、監視結果に応じた信号と、隣接する上流の監視ユニットＵｊ（ｊ＝ｉ＋１）の出力信号との合成信号を出力端子Ｔ４から出力する。

上記フォトカプラ２６の受光素子のコレクタは、組電池１０の正極側と接続されており、受光素子のエミッタからクロック信号ＣＬＫが出力される。更に、組電池１０の正極側と、電池セルＢ１１〜Ｂ１ｍの負極側との間に、コレクタ及びエミッタが接続されるトランジスタ２８が備えられており、そのベースには、クロック信号ＣＬＫに応じた信号が取り込まれる。これにより、最上流の監視ユニットＵ１の入力端子Ｔ３には、電池セルＢ１１〜Ｂｎｍの状態が正常である旨と対応する信号として、トランジスタ２８のコレクタ電圧が印加される。そして、最上流の監視ユニットＵ１では、入力端子Ｔ３に印加される信号と、監視結果とを論理合成した信号を生成し、出力端子Ｔ４を介して出力する。

そして、最上流以外の各監視ユニットＵｉ（ｉ＝２〜ｎ）は、隣接する上流の監視ユニットＵ（ｉ−１）のクロック出力端子Ｔ２から出力される信号を、クロック入力端子Ｔ１を介して取り込む。また、隣接する上流の監視ユニットＵ（ｉ−１）の出力端子Ｔ４から出力される出力信号を、入力端子Ｔ３を介して取り込む。そして、クロック入力端子Ｔ１から取り込まれる信号に応じて、上記２つの状態のいずれか一方を監視し、監視結果に応じた信号と、入力端子Ｔ３から取り込まれた信号とを論理合成した信号を生成し、出力端子Ｔ４を介して出力する。

そして、最下流の監視ユニットＵｎの出力信号は、トランジスタ３０のベースに出力される。トランジスタ３０のエミッタは、組電池１０の負極側と接続されており、トランジスタ３０のコレクタは、フォトカプラ３２の発光ダイオードを介して、電池セルＢｎ１〜Ｂｎｍの正極側と接続されている。これにより、最下流の監視ユニットＵｎの出力信号が、フォトカプラ３２及びシリアルラインＬ２を介してマイコン２４に取り込まれる。このフォトカプラ３２も、マイコン２４側と組電池１０側との絶縁をとるための部材である。

なお、最下流の監視ユニットＵｎのみは、クロック出力端子Ｔ２を有しない構成となっている。

図２に、監視ユニットＵｉ（ｉ＝１〜ｎ）の構成を示す。

図示されるように、クロック入力端子Ｔ１から取り込まれるクロック信号ＣＬＫは、トランジスタ７０のベースに入力される。トランジスタ７０のコレクタは、ブロック内の電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの正極側と接続されており、エミッタがクロック出力端子Ｔ２と接続されている。これにより、クロック入力端子Ｔ１から取り込まれるクロック信号ＣＬＫが、クロック出力端子Ｔ２を介して下流の監視ユニットＵｊ（ｊ＝ｉ＋１）へと出力される（ただし、上述したように、最下流の監視ユニットＵｎは、クロック出力端子Ｔ２を備えない）。

また、ブロック内のｍ個の電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍ（ｉ＝１〜ｎ）のそれぞれの状態は、検出部４０によって検出され、検出結果が２つの信号に集約されて検出合成部５０に出力される。検出合成部５０では、集約された２つの信号と、クロック信号ＣＬＫとを論理合成することで、単一の監視結果信号を生成し、これを合成部６０に出力する。合成部６０には、監視結果信号に加えて、クロック入力端子Ｔ１から取り込まれるクロック信号ＣＬＫと、入力端子Ｔ３から取り込まれる上流の監視ユニットＵｊ（ｊ＝ｉ−１）の出力信号とが取り込まれる（ただし、監視ユニットＵ１については、入力端子Ｔ３から、トランジスタ２８のコレクタ電圧が取り込まれる）。詳しくは、入力端子Ｔ３には、トランジスタ７１のベースが接続されており、ベースに入力される信号に応じて、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端と接続されるコレクタ及びエミッタ間に電流が流れるようになっている。そして、コレクタの電位が、合成部６０に取り込まれる。

合成部６０では上記３つの信号が論理合成され、これが、トランジスタ７２のベースに出力される。そして、トランジスタ７２は、エミッタが電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの正極側と接続され、コレクタが出力端子Ｔ４と接続されている。このため、合成部６０の出力信号（電圧信号）は、トランジスタ７２によって電流信号に変換されて、外部へと出力されることとなる。

図３に、検出部４０の構成を示す。

検出部４０は、各電池セルＢｉｊ（ｊ＝１〜ｍ）毎に、その両端の電圧を閾値電圧と比較するコンパレータ４１を備えている。コンパレータ４１の反転入力端子には、各電池セルＢｉｊの負極電位を基準とする基準電圧源４２の基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。一方、コンパレータ４１の非反転入力端子には、各電池セルＢｉｊの両端の電圧の所定の分圧が印加される。そして、この分圧と基準電圧Ｖｒｅｆとによって、閾値電圧が設定されるようになっている。

具体的には、各電池セルＢｉｊの両端には、抵抗４３，４４の直列接続体が接続されており、これら抵抗４３及び抵抗４４の接続点であるノードＮａがコンパレータ４１の非反転入力端子と接続されている。また、各電池セルＢｉｊ（ｊ＝１〜ｍ）の正極側には、トランジスタ４６のコレクタが接続されており、トランジスタ４６のエミッタが抵抗４５を介してノードＮａと接続されている。そして、トランジスタ４６のベースは、ダイオード４７、スイッチング素子ＳＷのコレクタ及びエミッタを介して、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの負極側と接続されている。

スイッチング素子ＳＷは、クロック信号ＣＬＫに応じて駆動される。すなわち、上記クロック入力端子Ｔ１は、抵抗７４，７６を介して電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの負極側と接続されており、抵抗７４，７６の接続点がスイッチング素子ＳＷのベースと接続されることで、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｈ」であるときに、スイッチング素子ＳＷが導通状態となる。これにより、トランジスタ４６がオンとなるため、ノードＮａの電圧が変化する。これは以下の理由による。

今、抵抗４３，４４，４５の抵抗値をそれぞれ抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とし、各電池セルＢｉｊ（ｊ＝１〜ｍ）の両端の電圧値を電圧Ｖとする。このとき、トランジスタ４６がオフ状態であるときには、ノードＮａの電圧は、「Ｖ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）」となる。一方、トランジスタ４６がオン状態となると、ノードＮａの電圧は、「Ｖ×Ｒ２／｛Ｒ１×Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）＋Ｒ２｝」となる。このように、トランジスタ４６がオンとなることで、非反転入力端子に入力される値が上昇する。このため、トランジスタ４６をオンさせることで、各電池セルＢｉｊ（ｊ＝１〜ｍ）の両端の電圧と比較する閾値電圧を低下させるのと同一の効果を得ることができる。そして、本実施形態では、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｈ」であるときの閾値電圧ＶｔｈＬを、上記過放電状態と対応する電圧とする。また、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｌ」であるときの閾値電圧ＶｔｈＨを、上記過充電状態と対応する電圧とする。

上記「ｍ」個の各コンパレータ４１の出力から、ＯＲ回路４８によって、それらの論理和信号が生成されるとともに、ＡＮＤ回路４９によって、それらの論理積信号が生成される。そして、これら論理和信号及び論理積信号が、上記検出合成部５０に出力される。

図４（ａ）に、検出合成部５０の構成を示す。検出合成部５０は、上記ＯＲ回路４８の論理反転信号と上記ＡＮＤ回路４９の論理反転信号との論理積信号ａ１を生成するＡＮＤ回路５２と、クロック信号ＣＬＫと上記ＡＮＤ回路４９の出力の論理反転信号との論理積信号ａ２を生成するＡＮＤ回路５４と、クロック信号ＣＬＫと上記ＯＲ回路４８の出力の論理反転信号との論理積信号ａ３を生成するＡＮＤ回路５６とを備えている。そして、ＯＲ回路５８では、これら論理積信号ａ１〜ａ３の論理和信号ＯＵＴ１を生成する。

図４（ｂ）に、上記クロック信号ＣＬＫ、ＡＮＤ回路４９の論理積信号ＡＮＤ、ＯＲ回路４８の論理和信号ＯＲ、論理積信号ａ１〜ａ３、論理和信号ＯＵＴ１の関係を示す。図示されるように、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｌ」である過充電状態検出時において、論理和信号ＯＵＴ１が論理「Ｈ」であるときには、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの全てが過充電ではなく正常であることを意味する。また、同過充電検出時において、論理和信号ＯＵＴ１が論理「Ｌ」であるときには、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍのうち少なくとも１つが過充電状態であるか、監視ユニットＵｉに異常があるかのいずれかであることを意味する。

一方、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｈ」である過放電検出時において論理和信号ＯＵＴ１が論理「Ｌ」であるときには、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの全てが過放電ではなく正常であることを意味する。また、同過放電検出時において、論理和信号ＯＵＴ１が論理「Ｈ」であるときには、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍのうち少なくとも１つが過放電状態であるか、監視ユニットＵｉに異常があるかのいずれかであることを意味する。

論理和信号ＯＵＴ１は、１つのブロック内の電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの状態の監視結果を示す監視結果信号であり、これと、上記入力端子Ｔ３から取り込まれる信号とが、上記合成部６０にて論理合成される。

図５（ａ）に、合成部６０の構成を示す。

合成部６０は、上記論理和信号ＯＵＴ１と上記入力端子Ｔ３から取り込まれる入力信号ＩＮとの論理積信号ｂ１を生成するＡＮＤ回路６２と、クロック信号ＣＬＫと上記入力端子Ｔ３から取り込まれる入力信号ＩＮとの論理積信号ｂ２を生成するＡＮＤ回路６４と、クロック信号ＣＬＫと上記論理和信号ＯＵＴ１の論理積信号ｂ３を生成するＡＮＤ回路６６とを備えている。そして、ＯＲ回路６８では、これら論理積信号ｂ１〜ｂ３の論理和信号である出力信号ＯＵＴ２を生成する。

図５（ｂ）に、上記クロック信号ＣＬＫ、入力端子Ｔ３から取り込まれる入力信号ＩＮ、論理和信号ＯＵＴ１、論理積信号ｂ１〜ｂ３、出力信号ＯＵＴ２の関係を示す。図示されるように、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｌ」である過充電状態検出時において、出力信号ＯＵＴ２が論理「Ｈ」であるときには、当該監視ユニットＵｉ及びその上流の監視ユニットＵｊ（ｊ＝１〜ｉ−１）の監視対象とする電池セルＢｊ１〜Ｂｊｍ（ｊ＝１〜ｉ）の全てが過充電ではなく正常であることを意味する。また、同過充電検出時において、出力信号ＯＵＴ２が論理「Ｌ」であるときには、上記監視対象とする電池セルＢｊ１〜Ｂｊｍ（ｊ＝１〜ｉ）のうち少なくとも１つが過充電状態であるか、監視ユニットＵｊ（ｊ＝１〜ｉ）に異常があるかのいずれかであることを意味する。

一方、クロック信号ＣＬＫが論理「Ｈ」である過放電検出時において出力信号ＯＵＴ２が論理「Ｌ」であるときには、当該監視ユニットＵｉ及びその上流の監視ユニットＵｊ（ｊ＝１〜ｉ−１）の監視対象とする電池セルＢｊ１〜Ｂｊｍ（ｊ＝１〜ｉ）の全てが過放電ではなく正常であることを意味する。また、同過放電検出時において、出力信号ＯＵＴ２が論理「Ｈ」であるときには、上記監視対象とする電池セルＢｊ１〜Ｂｊｍ（ｊ＝１〜ｉ）のうち少なくとも１つが過放電状態であるか、監視ユニットＵｊ（ｊ＝１〜ｉ）に異常があるかのいずれかであることを意味する。

監視ユニットＵｉを上記構成とし、先の図１に示したマイコン２４によって、シリアルラインＬ１を介してクロック信号ＣＬＫを出力することで、過充電状態及び過放電状態の２つの状態のいずれかを監視するように指示することができる。そして、マイコン２４では、監視結果を、シリアルラインＬ２を介して取り込むことができる。

＜状態監視装置の静電気保護機能について＞
上記各監視ユニットＵｉは、集積回路（ＩＣ）としてチップ化されて構成されている。詳しくは、先の図１の破線で囲った部分が、チップ化されて構成されている。そしてこの場合、各監視ユニットＵｉを極力小型化するなどの目的から、各監視ユニットＵｉの耐圧は、各ブロック内の電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの電圧に応じて設定されている。しかし、この場合、例えば状態監視装置の製造時等において、監視ユニットＵｉの端子が何らかの部材と接触する際に静電気が生じることで、監視ユニットＵｉの端子に耐圧を超える電圧が印加されるおそれがある。

そこで本実施形態では、監視ユニットＵｉの各端子に、監視ユニットＵｉの内部の回路(素子)を静電気に起因する過電圧の印加から保護する保護機能を設けている。具体的には、例えば、先の図３に示すように、監視ユニットＵｉと、ブロック内の各電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両電極間とを接続するための端子間に、ダイオードＤ９が設けられている。これにより、ブロック内の各電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両電極間を接続するための端子と接触する部材の電位が過度に高かったり低かったりした場合であっても、監視ユニットＵｉ内の回路（素子）を保護することができる。

＜状態監視装置の断線検出機能について＞
上述したように、上記状態監視装置１２は、実際には先の図１に示す破線で囲った部材が同一基板上に形成されている。ここで、組電池１０を構成する電池セルＢｉｊの両端と、監視ユニットＵｉやフライングキャパシタ１４とを接続する接続箇所にはコネクタＣ等が必要となる関係上、この接続箇所が多くなるほど部品点数の増加や、組電池１０及び状態監視装置１２の大型化を招くこととなる。そこで、本実施形態では、図１に示されるように、電池セルＢｉｊの電極と状態監視装置１２とを接続する接続箇所は、同一の電極については唯一つとするようにする。換言すれば、ブロックの両端の電池セルＢｉ１、Ｂｉｍと監視ユニットＵｉとを接続する箇所と、同電池セルＢｉ１，Ｂｉｍとフライングキャパシタ１４とを接続する接続箇所とを、共有化する。具体的には、各電池セルＢｉ１の正極及び電池セルＢｉｍの負極について、これと、状態監視装置１２の基板側とを単一のコネクタＣにて接続する。これにより、状態監視装置１２や組電池１０の大型化を回避することができ、また部品点数の増加を抑制することができる。

ただし、こうした構成の場合、電池セルＢｉ１又はＢｉｍと監視ユニットＵｉとの接続経路と電池セルＢｉ１又はＢｉｍとフライングキャパシタ１４との接続経路との共有部分に断線が生じる場合、これをフライングキャパシタ１４の電圧によっては検出することができなくなる。換言すれば、上記電池セルＢｉ１の正極側と検出ラインＣＬｉが接続されるコネクタＣとの間の接続経路の断線や、上記電池セルＢｉｍの負極側と検出ラインＣＬ（ｉ＋１）が接続されるコネクタＣとの間の接続経路の断線が生じる場合などには、これをフライングキャパシタ１４の電圧によっては検出することができなくなる。

図６（ａ）に、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧をフライングキャパシタ１４によって検出する際において、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極側の接続経路が断線した場合を示す。この場合、監視ユニットＵｉが迂回経路となって、電池セルＢｉ２〜Ｂｉｍと検出ラインＣＬｉとが接続される。詳しくは、上記電池セルＢｉ１に並列接続されるダイオードＤ９が迂回経路となって、電池セルＢｉ２〜Ｂｉｍと検出ラインＣＬｉとが接続される。このため、フライングキャパシタ１４の両端には、電池セルＢｉ２〜Ｂｉｍの両端の電圧が印加される。このため、フライングキャパシタ１４は、電池セルＢｉ２〜Ｂｉｍの両端の電圧程度まで充電される。したがって、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧を検出する処理時において、電池セルＢｉ２〜Ｂｉｍの両端の電圧に応じた電圧が検出されることとなるため、これは電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧としてはやや低いと認識される可能性はあるにせよ、上記断線であると判断することはできない。

同様に、図６（ｂ）には、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧をフライングキャパシタ１４によって検出する際において、検出ラインＣＬ（ｉ＋１）に接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉｍの負極側の接続経路が断線した場合を示す。この場合、監視ユニットＵｉが迂回経路となって、電池セルＢｉ１〜Ｂｉ（ｍ−１）と検出ラインＣＬ（ｉ＋１）とが接続される。詳しくは、上記電池セルＢｉｍに並列接続されるダイオードＤ９が迂回経路となって、電池セルＢｉ１〜Ｂｉ（ｍ−１）と検出ラインＣＬ（ｉ＋１）とが接続される。このため、フライングキャパシタ１４の両端には、電池セルＢｉ１〜Ｂｉ（ｍ−１）の両端の電圧が印加される。このため、フライングキャパシタ１４は、電池セルＢｉ１〜Ｂｉ（ｍ−１）の両端の電圧程度まで充電される。したがって、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧を検出する処理時において、電池セルＢｉ１〜Ｂｉ（ｍ−１）の両端の電圧に応じた電圧が検出されることとなるため、これは電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧としてはやや低いと認識される可能性はあるにせよ、上記断線であると判断することはできない。

そこで本実施形態では、上記ダイオードＤ９に電流が流れるというまさにそのことを利用して断線の有無を診断する。図７に、本実施形態にかかる断線の有無の診断原理を示す。詳しくは、図７（ａ）に、先の図６（ａ）に示した断線時におけるフライングキャパシタ１４の電圧の推移を示し、図７（ｂ）に、先の図６（ａ）に示すノードＮ１−Ｎ２間の電圧の推移を示す。

図中、実線及び一点鎖線にて示されるように、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ（ｎ＋１）を備えて構成されるマルチプレクサＭＰＸが切り替えられることで、フライングキャパシタ１４の電圧が上昇する。ここで、フライングキャパシタ１４の充電は、先の図６（ａ）に示した電池セルＢｉ１に並列接続されるダイオードＤ９を介して電流が流れることでなされるため、フライングキャパシタ１４の充電時において、ノードＮ２に対するノードＮ１の電圧は、ダイオードＤ９のオン時の電圧Ｖｆ程度低下する。したがって、ノードＮ２に対するノードＮ１の電圧が上記過放電状態を検出するための閾値電圧ＶｔｈＬを下回ることとなる。ただし、この状態は、フライングキャパシタ１４の電圧が安定することでダイオードＤ９に電流が流れなくなると解消される。このため、マルチプレクサを切り替えることで電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの電圧を検出すべくフライングキャパシタ１４の充電を開始する際に一時的に過放電状態が検出される場合に、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極端子間の接続経路の異常と判断することができる。

図８に、本実施形態にかかる断線の有無の診断処理の手順を示す。この処理は、マイコン２４によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図８においては、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極端子間の接続経路の異常の有無を診断する処理を想定している。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、スイッチング素子ＳＷ（ｉ−１）及びスイッチング素子ＳＷｉのオン操作による電圧検出処理が完了しているか、スイッチング素子ＳＷ（ｉ＋１）及びスイッチング素子ＳＷ（ｉ＋２）のオン操作による電圧検出処理が完了しているかを判断する。この処理は、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧を検出する際とは逆の充電極性にて、フライングキャパシタ１４の充電がなされているか否かを判断するものである。ここで、先の図１に示すように、本実施形態では、隣接するブロック同士で、これらの電圧を検出する際のフライングキャパシタ１４の充電極性が逆となるように検出ラインＣＬ１〜ＣＬ（ｉ＋１）とフライングキャパシタ１４とを接続する構成を採用している。このため、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極端子間の接続経路の異常の有無を診断するに先立ち、隣接するブロックの電圧検出処理が完了していることを条件とすることで、フライングキャパシタ１４の充電極性を予め逆としておくことができる。

ステップＳ１０において肯定判断される場合には、ステップＳ１２において、監視ユニットＵｉに対して過放電検出指令を出す。続くステップＳ１４においては、過放電状態が検出されたか否かを判断する。この処理は、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極端子間の接続経路の異常の有無の診断が可能か否かを判断するものである。すなわち、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの電圧の検出処理に先立ち、既にいずれかの電池セルＢ１１〜Ｂｎｍにおいて過放電状態が検出されているなら、スイッチング素子ＳＷｉ，ＳＷ（ｉ＋１）のオン操作に伴う過放電状態の有無に基づき断線の有無を診断することができない。

上記ステップＳ１４において過放電状態でないと判断される場合には、上記断線の有無の診断が可能と判断して、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６においては、スイッチング素子ＳＷｉ，ＳＷ（ｉ＋１）をオン操作する。続くステップＳ１８では、監視ユニットＵｉに対して過放電検出指令を出す。そして、ステップＳ２０においては、過放電状態であるか否かを判断する。なお、この処理は、実際には、検出ラインＣＬｉの抵抗値やフライングキャパシタ１４の静電容量によって定まるフライングキャパシタ１４の充電の時定数に基づき、過放電状態が検出されると想定される期間(先の図７に示す検出可能期間)に限ってなされる。

そして、ステップＳ２０において過放電状態があると判断される場合には、ステップＳ２２において、検出ラインＣＬｉに接続されるコネクタＣ及び電池セルＢｉ１の正極端子間の接続経路の断線と判断する。

なお、上記ステップＳ２２の処理が完了する場合や、ステップＳ１０，Ｓ２０において否定判断される場合、ステップＳ１４において肯定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）フライングキャパシタ１４及び電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍが電気的に接続状態とされた後の所定のタイミングとその前との間の監視ユニットＵｉによる監視結果の変化に基づき、断線の有無を診断した。これにより、他の要因による過放電状態であるのか否かを好適に区別しつつ、監視結果を利用して断線の有無を診断することができる。

（２）電圧を検出する手段を、フライングキャパシタ１４を備えて構成した。これにより、フライングキャパシタ１４及び電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍが接続状態とされる際の監視結果の変化が顕著に生じやすいため、上記接続経路の異常の有無を高精度に診断することができる。

（３）フライングキャパシタ１４の充電極性が逆となるような電圧検出処理がなされる際に断線の有無を診断した。これにより、フライングキャパシタ１４及び電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍ間を接続状態とした際にフライングキャパシタ１４を介して流れる電流量が多く、またこの電流の流動時間(図７に示した検出可能期間)も比較的長くなる。このため、上記接続経路の異常の有無をいっそう高精度に診断することができる。

（４）比較対象とする電池セルＢｉｊの電圧を閾値電圧と比較するコンパレータ４１を備えて監視ユニットＵｉを構成した。これにより、比較的簡素な構成にて監視ユニットＵｉを構成することができる。

（５）監視ユニットＵｉに、当該監視ユニット内部を静電気による過電圧から保護する静電気保護手段としてのダイオードＤ９を備えた。これにより、静電気による監視ユニットＵｉの信頼性の低下を好適に回避できるものの、これが、フライングキャパシタ１４と電池セルとを接続する迂回経路を構成する傾向にある。このため、本実施形態では、先の図８に示す処理の利用価値が特に高いものとなっている。

（６）組電池１０の電池セルＢｉｊ同士を接続する接続経路における監視ユニットＵｉとの接続箇所とフライングキャパシタ１４との接続箇所とを共有した。これにより、部品点数の増加や、組電池１０及び状態監視装置１２の大型化、コストアップ等を抑制することができるものの、この場合、監視ユニットＵｉがフライングキャパシタ１４と電池セルとを接続する迂回経路を構成する傾向にある。このため、本実施形態では、先の図８に示す処理の利用価値が特に高いものとなっている。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、マルチプレクサ（スイッチング素子ＳＷｉ，ＳＷ（ｉ＋１））による電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍとフライングキャパシタ１４との接続に先立ち過放電状態が生じていない場合に、断線の有無の診断を行ったがこれに限らない。例えば、マルチプレクサ（スイッチング素子ＳＷｉ，ＳＷ（ｉ＋１））による電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍとフライングキャパシタ１４との接続後、一旦過放電状態が検出された後、過放電状態が解消することを条件に断線である旨判断してもよい。これによっても、監視ユニットＵｉの異常や電池セルの異常と断線とを適切に区別することができる。

・上記実施形態では、断線の有無を診断すべく、マルチプレクサ（スイッチング素子ＳＷｉ，ＳＷ（ｉ＋１））による電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍとフライングキャパシタ１４とを接続するに先立ち、フライングキャパシタ１４を予め逆極性に充電しておいたがこれに限らない。例えば、フライングキャパシタ１４に並列にリセットスイッチを設けておき、上記接続に先立ちリセットスイッチによって予めフライングキャパシタ１４の電荷を放電させておいてもよい。先の図７の１点鎖線は、この場合の電圧の挙動を示している。この場合であっても、断線している場合には上記接続によって監視ユニットＵｉに比較的大きな電流が流れるため、断線の有無の診断を適切に行うことができる。

・上記実施形態では、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端とフライングキャパシタ１４とを接続する際に監視ユニットＵｉによって一時的に過放電状態が検出される場合に、検出ラインＣＬｉと電池セルＢｉ１とを接続する接続経路に異常があると判断したがこれに限らない。例えば監視ユニットＵｉによる過充電状態を利用して、検出ラインＣＬ（ｉ＋１）と電池セルＢｉｍとを接続する接続経路に異常があると判断してもよい。図９に、検出ラインＣＬ（ｉ＋１）及び電池セルＢｉｍ間を接続する接続経路に異常がある場合についての電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端とフライングキャパシタ１４とを接続する際のフライングキャパシタ１４の電圧及び監視ユニットＵｉ内の検出電圧の推移を示す。なお、図９（ａ）はフライングキャパシタ１４の電圧の推移を示し、図９（ｂ）は、先の図６（ｂ）に示すノードＮ３及びノードＮ４間の電圧の推移を示す。この場合、先の図６（ｂ）に示した経路にて電池セルＢｉｍに並列接続されたダイオードＤ９を介して電流が流れることから、ノードＮ３、Ｎ４間の電圧が電池セルＢｉｍの正極電圧と、ダイオードＤ９の閾値電圧の「１／２」との和となる。このため、過充電状態を検出するための閾値電圧ＶｔｈＨ以上となり過充電状態と判断される。ただし、図９に示すように、フライングキャパシタ１４の充電が進行するにつれて、ノードＮ３，Ｎ４間の電圧が低下し、過充電状態を検出する閾値電圧ＶｔｈＨを下回るようになる。

・上記実施形態では、監視ユニットＵｉのクロック出力端子Ｔ２を介して出力されるクロック信号ＣＬＫや出力端子Ｔ４を介して出力される出力信号等を、隣接する監視ユニットＵｊ（ｊ＝ｉ＋１）に出力したがこれに限らない。例えば監視ユニットＵ（ｉ＋２）に出力してもよい。この場合、最下流の監視ユニットＵ（ｎ−１）とＵｎとのそれぞれの出力信号をマイコン２４に出力すればよい。

・監視ユニットＵｉによる状態の監視結果の伝達手法としては、上記実施形態で例示したものに限らない。例えば電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍを指定し、これについての過充電状態及び過放電状態を監視する機能を備えてもよい。これは、クロック信号として、いずれの電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍとするかの情報及び過充電状態及び過放電状態のいずれかを指定する情報が周波数変調により重畳された信号を用いるとともに、各監視ユニットＵｉにおいて、クロック信号を復調する機能を備えることで行うことができる。また、監視ユニットＵｉを各電池セルＢｉｊ毎に設けてもよい。

・各監視ユニットＵｉが過充電や過放電についての監視結果を隣接する監視ユニットＵｉに出力する構成に限らず、例えばフォトカプラ等の絶縁手段を介して直接低圧系（マイコン２４）に出力するようにしてもよい。

・監視ユニットＵｉとしては、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍのそれぞれの電圧と閾値電圧とを比較する比較手段を備えるものに限らない。例えばアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）を備え、各電池セルの両端の電圧をディジタルデータとして低圧系に出力するものであってもよい。この場合、例えば図７（ｂ）に示す電圧の推移に着目し、ノードＮ２に対するノードＮ１の電圧が負になることに基づき、断線であると診断してもよい。

・上記実施形態では、監視ユニットＵｉの監視対象となる電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍについて、その両端の電圧をフライングキャパシタによって検出するようにしたが、これに限らない。例えば隣接する２つの監視ユニットＵｉ，Ｕ（ｉ＋１）の監視対象とする電池セルの両端の電圧を検出するようにしてもよい。

・電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧を検出する検出手段としては、単一のフライングキャパシタを備えるものに限らず、例えばフライングキャパシタ及び差動増幅回路を２つずつ備えるものであってもよい。更に、電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端の電圧を検出する検出手段としては、フライングキャパシタを備えるものに限らない。例えばマルチプレクサによって電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍの両端と選択的に接続される差動増幅回路と、差動増幅回路の出力を低圧系に出力するフォトカプラ等の絶縁手段とを備えて構成してもよい。

・電池セルとしては、リチウム２次電池に限らない。要は、監視ユニットを備えるものにあっては、フライングキャパシタ１４及び電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍ間の接続経路の断線時に監視ユニットが迂回経路となることでフライングキャパシタ１４及び電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍを備える閉ループ回路が構成されるおそれがあるため、本発明の適用が有効である。

・上記実施形態では、状態監視装置をハイブリッド車に搭載したが、これに限らず、例えば電気自動車に搭載してもよい。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態の監視ユニットの構成を示す図。 同実施形態の検出部の構成を示す図。 同実施形態の検出合成部の構成及び動作を示す図。 同実施形態の合成部の構成及び動作を示す図。 同実施形態におけるフライングキャパシタ及びブロック間の接続経路の断線の有無の診断に関する問題点を説明する図。 同実施形態における上記接続経路の断線の有無の診断原理を示すタイムチャート。 同実施形態における上記接続経路の断線の有無の診断処理の手順を示す流れ図。 同実施形態の変形例における上記接続経路の断線の有無の診断原理を示すタイムチャート。

符号の説明

１０…組電池、１２…状態監視装置、１４…フライングキャパシタ、１６…電圧検出回路、２４…マイコン（診断手段の一実施形態）、Ｂｉ１〜Ｂｉｍ…ブロック(第１及び第２の直列接続体の一実施形態)。

Claims (2)

1. 複数個の電池セルが直列接続されて構成される組電池を、単一の電池セル及び隣接するいくつかからなる電池セルのいずれかである第１の直列接続体にグループ化して且つ、これら各第１の直列接続体毎にその状態を監視する監視ユニットと、隣接する前記電池セルのいくつかからなる第２の直列接続体の両端の電圧を検出する検出手段とを備える組電池の状態監視装置において、
   前記第２の直列接続体は、前記第１の直列接続体と同一またはこれを包含するものであり、
   前記監視ユニットは、前記状態の監視として、前記第２の直列接続体を構成する電池セル数よりも少ない数の電池セル毎のそれぞれの一対の端子に接続された配線間の電圧と閾値電圧とを比較する比較手段の比較結果に基づき、過充電状態または過放電状態であるか否かを判断する処理を行なうものであり、
   前記検出手段は、フライングキャパシタと、該フライングキャパシタの両端の電圧を検出する電圧検出回路とを備えて構成され、前記第２の直列接続体と前記フライングキャパシタとを選択的に電気接続可能なものであり、
   前記組電池の電池セル同士を接続する接続箇所と前記監視ユニット及び前記検出手段のそれぞれとの接続経路は共有部分を有し、
   前記第２の直列接続体の両端の電圧を検出すべくこれと前記検出手段とが接続状態とされる期間における前記第２の直列接続体を構成する電池セルについての前記監視ユニットによる監視結果に基づき、前記共有部分の異常の有無を診断する診断手段を備え、
   前記監視ユニットにおいては、当該監視ユニット内部を静電気による過電圧から保護する静電気保護手段としてのダイオードが、前記過充電状態または過放電状態の判断対象となる前記少ない数の電池セルであって且つ前記共有部分に接続されるものに逆並列接続されており、
   前記フライングキャパシタと前記第２の直列接続体とが接続状態とされる場合、該フライングキャパシタ、第２の直列接続体を構成する電池セルのうちの前記逆並列接続されるダイオードに並列接続される電池セルを除いた部分、および該逆並列接続されるダイオードを備えるループ回路が、該ダイオードがオン状態となることで閉ループ回路となり、
   前記診断手段は、前記フライングキャパシタと前記第２の直列接続体とが接続状態とされることで前記監視ユニットにおいて一時的に過充電状態または過放電状態のいずれかが検出される場合に前記共有部分の異常と診断することを特徴とする組電池の状態監視装置。
2. 前記検出手段は、検出対象とする前記第２の直列接続体を複数有して且つ、これら複数のうちの２つの第２の直列接続体の両端の電圧を検出するに際しての前記フライングキャパシタの充電極性が互いに逆となるものであり、
   前記診断手段は、前記フライングキャパシタの充電極性が逆となるような電圧検出処理がなされる際に前記診断を行うことを特徴とする請求項１記載の組電池の状態監視装置。

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