JP5732570B2 - 蓄電装置、蓄電装置の充放電方法、蓄電装置の運転方法および車両 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置、蓄電装置の充放電方法、蓄電装置の運転方法および蓄電装置を備える車両に関する。

電気自動車用などの大きな容量を必要とする蓄電装置においては、二次電池セル（単電池）を多数個、直並列に接続して大容量とした組電池が用いられている。このような大容量の組電池においては、その高いエネルギー密度や充放電効率などからリチウムイオン電池が好適であり、近年その性能の発達に伴い広く用いられるようになった。

リチウムイオン電池はその高いエネルギー密度や低い内部抵抗ゆえに、異常が発生した際にそれを放置して充放電を継続すると異常発熱等を起こす恐れがある。このため、異常を確実に検出し、安全な充放電制御を行う必要がある。

特許文献１には、二次電池セルを複数個並列に接続した並列セルブロックを複数個直列に接続した組電池において、組電池の異常を検出するための異常検出装置が開示されている。この異常検出装置では、各々の並列セルブロックの電圧の変動を、各並列セルブロックの二次電池セルを接続する並列接続体での電圧を検出することによって検出し、これから各並列セルブロックの異常を検出している。

特開２００９−２１６４４８

しかしながら、特許文献１に記載するような異常検出装置の構成では、並列接続する二次電池セルの種類や性能によって、個々の二次電池セルや並列接続体に異常が生じても他の健全な二次電池セルの特性に埋もれ、異常を検知できない可能性がある。

本発明による蓄電装置は、第１のスイッチと１個以上の単電池とが直列に接続されたセルグループを、複数個並列または直並列に接続した電池モジュールと、第１のスイッチを切り替えてセルグループを選択するスイッチ制御部と、スイッチ制御部により選択されたセルグループの電圧を検出する第１の電圧検出器と、第１の電圧検出器の両端をプルアップ電圧にプルアップするプルアップ手段、または、第１の電圧検出器の両端をプルダウン電圧にプルダウンするプルダウン手段と、プルアップまたは前記プルダウンが行われた際に第１の電圧検出器で検出された電圧に基づいて、電池モジュールの異常および電池モジュールの接続異常を診断する診断手段と、を備える。

本発明による電池制御装置によって、直並列接続された二次電池セルまたは組電池の異常を確実に検出することが可能となり、複数の組電池を含む蓄電装置の安全性や信頼性を確保することができる。
また、各二次電池セルまたは各組電池の充電状態の均等化を効率的に行うことが可能となる。
さらに異常な二次電池セルまたは、複数の二次電池セルが直列に接続されたセルグループを蓄電装置から確実に切り離し、残りの健全な二次電池セルまたは組電池による縮退運転が可能となる。

従来の組電池の接続異常を検出する回路全体の概略図である。 従来の組電池の接続異常を検出するための電圧検出回路の概略図である。 本発明の第１の実施形態による、組電池の接続異常を検出するセルモニターの回路全体の概略図である。 本発明の第１の実施形態による、組電池の接続異常を検出するための電圧検出部の回路の概略図である。 本発明の第１の実施形態による、組電池の接続異常を検出する方法のフローを示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による、組電池の接続異常を検出するセルモニターの回路全体の概略図である。（ａ）組電池のスイッチでの電圧のみを検出する場合であり、（ｂ）はスイッチの接続経路である、バスバーと電圧検出線も含む部分での電圧を検出する場合である。 本発明の第３の実施形態による、組電池の接続異常を検出するセルモニターを組み込んだ電池制御装置の概略図である。 本発明第３の実施形態で用いている、複数の単電池を含むセルグループを制御するセルコントローラの概略図である。 本発明の第４の実施形態である、本発明の第３の実施形態による電池制御装置を組み込んだ蓄電装置を含む、電気自動車およびハイブリッド自動車に適用可能なモータの駆動装置全体の概略図である。 本発明の第５の実施形態である、本発明の第４の実施形態による蓄電装置を備えた、ハイブリッド自動車の構成全体の概略図である。 本発明の第１の実施形態によるセルモニターの変形実施例であり、セルグループに含まれる各単電池の充電状態の均等化を行う方法のフローの概略図である。 本発明の第２の実施形態の変形実施例であり、リチウム電池以外の２次電池に適用するセルモニターの実施例である。 本発明の第１および第２の実施形態による電圧検出部の変形実施例である。

以下、図１〜１３を参照して本発明の実施の形態を説明する。
なお、ここでは二次電池セル（単電池）を複数個並列に接続したものを並列セルグループ、二次電池セルを複数個直列に接続したものを直列セルグループと呼称する。一般的にセルグループを複数個直並列に接続したものを電池モジュールと呼び、蓄電装置はこの電池モジュールを複数個備えることで大容量化を図っている。なお、単電池が複数個接続されている、セルグループ、電池モジュール等を総称して組電池と呼んでいる。

＜比較技術の説明＞
まず、図１を参照して比較技術について説明する。
図１は、簡単な例として３つの単電池ＢＣ１〜ＢＣ３を並列に接続した並列セルグループで、これらの電池の接続異常を検出するセルモニター５０の概略図である。単電池ＢＣ１〜ＢＣ３は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ウルトラキャパシタなどの蓄電素子からなる。３つの電池ＢＣ１〜のＢＣ３の正極側はバスバー２１、３１で接続され、更にバスバー３１は正極側の電圧検出線ＳＬＰでセルモニター５０の電圧検出部５１に接続されている。また、３つの電池ＢＣ１〜のＢＣ３の負極側はバスバー２２、３２で接続され、更にバスバー３２は負極側の電圧検出線ＳＬＮでセルモニター５０の電圧検出部５１に接続されている。

電圧検出部５１は、例えば図２に示すように、抵抗６２とスイッチ６３と電圧検出器６４とで構成されている。スイッチ６３は、例えばＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチ素子またはメカニカルリレーなどのメカニカルスイッチ素子を用いて構成される。スイッチ６３は不図示の外部のコントローラからＯＮ／ＯＦＦ制御され、ＯＦＦの場合に並列セルグループの電圧が検出される。

今、バスバー２１、３１、２２、３２のいずれかの接続が外れる異常が生じたケースを想定する。この場合、少なくとも電圧検出部５１には電池ＢＣ３が接続され、常に正常な電圧が印加されているため、スイッチ６３をＯＮ、ＯＦＦしても電圧検出器６４には正常時と同様な電圧挙動が観測され、バスバー２１、３１、２２、３２のいずれかの接続異常を検出することができない。また、単電池ＢＣ１やＢＣ２の異常を検出することは当然ながら不可能である。

＜第１の実施形態＞
図３は本発明の第１の実施の形態を説明する概略図である。３つの単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３にはそれぞれスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が直列に接続されている。各々の単電池とスイッチは更に、バスバー２１、３１、２２、３２によって並列に接続されている。

セルモニター５０は、これら並列に接続された単電池ＢＣ１〜ＢＣ３の接続が異常かどうかを監視する電池監視装置であり、電圧検出部５１と、スイッチＳＷ１〜３を制御するスイッチ制御部５２とを備える。バスバー３１は正極側電圧検出線ＳＬＰを介して電圧検出部５１に接続され、バスバー３２は負極側電圧検出線ＳＬＮを介して電圧検出部５１に接続されている。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３には、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチ素子またはメカニカルリレーなどのメカニカルスイッチ素子が用いられる。単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３として充放電可能な二次電池セルを用いる場合は、充放電によりスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３には双方向の電流が流れるため、これらのスイッチには上記のスイッチ素子を用いて、双方向電流に対応可能に構成されている。なお、Ｃｖはノイズ対策用のコンデンサである。

セルモニター５０はスイッチ制御部５２と電圧検出部５１とを有する。また、図３には示していないが、セルモニター５０は上位の制御装置から指示を受け、スイッチ制御部５２および電圧検出部５１を制御している。

図４に本発明による電圧検出部５１の回路の概略を示す。本発明による電圧検出部は図２に示す比較例の電圧検出部と比べ、２つの抵抗６１Ａ、６１Ｂが追加され、更に電圧検出器６４が、抵抗６２とスイッチ６３が直列に接続された回路に並列に接続されている。なお、図４は、図３で示すように、スイッチＳＷ３をＯＮし、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦした場合に相当しており、これらのスイッチを省略したものである。
スイッチ６３はＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチ素子やメカニカルリレーなどのメカニカルスイッチ素子からなる。

＜経路異常検出の原理＞
ここで図４に示す本発明の電圧検出部５１を用いて、二次電池セルの配線経路の異常を検出する原理を説明する。

図４においてスイッチ６３をＯＦＦにすると、電圧検出器６４によって測定される電圧Ｖは単電池ＢＣ３の端子電圧Ｖ_ＢＣ３そのものとなる。
スイッチ６３をＯＮにすると、電圧検出線ＳＬＰ、抵抗６１Ａ、６２、スイッチ６３および抵抗６１Ｂ、電圧検出線ＳＬＮを介して単電池ＢＣ３とで閉ループを形成する。このとき、電圧検出部５１では、電圧検出線ＳＬＰ、抵抗６１Ａおよび抵抗６１Ｂ、電圧検出線ＳＬＮでの電圧ドロップを電池ＢＣ３の電圧から引いた電圧が検出される。
すなわち、単電池ＢＣ３の内部抵抗値をｒ_ＢＣ３とし、接続点ＣＢＰでの接続抵抗と接続点ＣＭＰでの接続抵抗とを含む電圧検出線ＳＬＰの抵抗をｒ_ＳＬＰ、接続点ＣＢＮでの接続抵抗と接続点ＣＭＮでの接続抵抗とを含む電圧検出線ＳＬＮの抵抗値をｒ_ＳＬＮとし、抵抗６１Ａ、６１Ｂ、６２の抵抗値をそれぞれ、これらの接続点までの配線抵抗を含めてｒ_６１Ａ、ｒ_６１Ｂ、ｒ_６２とし、スイッチ６３の抵抗値をこの接続点までの配線抵抗を含めてｒ_６３とすると、上記の閉ループを構成する素子がしっかり接続されていれば、電圧検出器６４では以下の式（１）で示される電圧Ｖが検出される。
Ｖ＝Ｖ_ＢＣ３×（ｒ_６２＋ｒ_６３）／（ｒ_ＢＣ３＋ｒ_ＳＬＰ＋ｒ_ＳＬＮ＋ｒ_６１Ａ＋ｒ_６１Ｂ＋ｒ_６２＋ｒ_６３）
．．． （１）
なお、抵抗６１Ａ、６１Ｂ、６２、とスイッチ６３の経路状の接続点ＣＶＰ、ＣＳＲ、ＣＶＮでの接続抵抗は電圧検出器５１内部の配線での抵抗であり、それぞれ抵抗値ｒ_６１Ａ、ｒ_６１Ｂ、ｒ_６２およびｒ_６３に適宜繰り込んでおくことでよく、これらの抵抗値はここでの説明に本質的な影響を与えない。

ここで、バスバー３１、３２、電圧検出線ＳＬＰ、抵抗６１Ａおよび抵抗６１Ｂ、電圧検出線ＳＬＮのどれかで接続が不十分である場合は、そこでの抵抗（または接触抵抗）が大きくなるために、スイッチ６３をＯＮにすると、上記の式（１）の右側の割り算分母が大きくなるため、電圧検出器６４では上記の電圧Ｖよりも小さい値が検出される。更に上記の閉ループのどこかで、接続が外れている場合、もしくは断線が起こっている場合は単電池ＢＣ３の端子電圧Ｖ_ＢＣ３が印加されないため、電圧検出器６４で検出される電圧は０Ｖとなる。このように、スイッチ６３をＯＮ、ＯＦＦしたときの電圧検出器６４による電圧検出値により、上記の閉ループ回路の接続異常を診断することができる。

＜並列セルグループの経路異常の検出＞
ここで上記で説明した、配線経路の異常を検出する原理を用いて、並列セルグループの経路異常の診断方法について説明する。

図３ではスイッチＳＷ３がＯＮ、それ以外はＯＦＦとなっている。このため、バスバー２１、３１、２２、３２および電圧検出線ＳＬＰ、ＳＬＮのいずれかが外れると、単電池ＢＣ１からの電圧印加が途絶えるため、電圧検出部５１ではその異常を正しく検出することが可能となる。

図５は診断フローの例を示す図である。この診断フローはセルモニター５０の図示しない上位ＣＰＵに実装したプログラムに従って実行される。先ず、ステップＳ００１にてスイッチＳＷ３をＯＮ、ＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦし、単電池ＢＣ３、電圧検出線ＳＬＰ、ＳＬＮ、電圧検出部５１の経路を構成する。次に、ステップＳ００２で電圧検出部５１にて単電池ＢＣ３の電圧Ｖ_ＢＣ３のみが印加された時の電圧Ｖ_３を測定する。

ステップＳ００３ではＶ_３の値が単電池ＢＣ３の正常電圧範囲かを判定する。Ｖ_３が正常範囲ではない場合は、ステップＳ０１３に移行し、そこで電圧検出線１１４Ａまたは１１４Ｂの接続異常と判定し、フローを終了する。Ｖ_３が正常範囲内の場合はステップＳ００４へ移行し、電圧検出線ＳＬＰまたはＳＬＮは正常と判断する。

ステップＳ００５ではスイッチＳＷ２をＯＮ、ＳＷ３、ＳＷ１をＯＦＦし、単電池ＢＣ２、バスバー３１、３２、電圧検出線ＳＬＰ、ＳＬＮ、電圧検出部５１の経路を構成する。そして、ステップＳ００６で電圧検出部にて単電池ＢＣ２の電圧Ｖ_ＢＣ２のみが印加されたときの電圧Ｖ_２を測定する。

ステップＳ００７ではＶ_２の値が電池１１１Ｂの正常電圧範囲かを判定する。Ｖ_２が正常範囲ではない場合は、ステップＳ０１４に移行し、そこでバスバー３１または３２の接続異常と判定し、フローを終了する。Ｖ_２が正常範囲内の場合はステップＳ００８にてバスバー３１または３２は正常と判断する。

ステップＳ００９ではスイッチＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦし、単電池ＢＣ１、バスバー２１、２２、３１、３２、電圧検出線ＳＬＰ、ＳＬＮ、電圧検出部５１経路を構成する。そして、ステップＳ０１０で電圧検出部５１にて単電池ＢＣ１電圧Ｖ_ＢＣ１のみを印加した時の電圧Ｖ_１を測定する。

ステップＳ０１１ではＶ_１の値が単電池ＢＣ１の正常電圧範囲かを判定する。Ｖ_１が正常範囲ではない場合は、ステップＳ０１５に移行し、そこでバスバー２１または２２の接続異常と判定し、フローを終了する。Ｖ_１が正常範囲内の場合はステップＳ０１２にてバスバー２１または２２は正常と判断されフローを終了する。

このようにして、本発明の実施形態によれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を用いて、診断対象としている単電池、バスバー及び電圧検出線のどこで異常が起こっているかが特定され、これらの異常を確実に検出することが可能となる。

検出された異常は上位の制御装置に信号伝達され、適切な安全対策が行われるとともに、上記のようなセルグループを搭載した電気自動車等の運転者に対しても適宜必要な情報を提示することで、この電気自動車の安全と信頼性を確保することが可能となる。

電気自動車等で用いられる蓄電装置では、図３のような並列セルグループや、あるいは後述のように直列セルグループが複数個直並列に接続されている。これらの二次電池セル（単電池）またはセルグループの異常を検出した場合、セルモニター５０は異常な単電池に接続されたスイッチを制御して、縮退運転を行うことが可能となる。異常な単電池または、この異常な単電池を含む並列セルグループあるいは直列セルグループを切り離し、残りの健全な単電池または、並列セルグループあるいは直列セルグループにより電池機能の提供を継続する。これにより、電池システムの機能を停止することなく、縮退しながらも電気自動車の動作を続けることが可能となる。

なお、上記の本発明による診断は蓄電システムの始動（車両のキーオン）時、または終了（車両のキーオフ）後に行うと良い。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦすることは当該単電池の電力の授受を遮断することになるが、電気自動車で必要とする電力が満足できる範囲であれば稼動時も診断を行うことが出来る。

＜第２の実施形態＞
図６（ａ）は、本発明の第２の実施の形態を説明する図である。図３に比べ、単電池ＢＣ１〜３がそれぞれ、スイッチＳＷ１〜３と直列に接続され、更に直列に接続された単電池とスイッチの各々の組が並列に、スイッチ診断部６５にスイッチ選択部６０を介して接続されている。

スイッチ選択部６０は、マルチプレクサなどからなり、単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３とのそれぞれの接続点を一つ選択し、スイッチ診断部６５とを接続する。
なお、図６（ａ）では、スイッチ選択部６０から各単電池のスイッチの下側（単電池側）に接続されており、これらのスイッチの上側（バスバー側）に共通の接続線がスイッチ診断部６５から接続されているが、これらのスイッチの上下の接続線を入れ替えてもよい。

スイッチ診断部６５は、前述の電圧検出部５１と同様の回路を有し、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３からスイッチ選択部６０で選択されたスイッチの端子間電圧を測定し、それらの導通状態を診断する。
スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の導通状態を診断することにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３により、診断対象の単電池、バスバー及び電圧検出線が確実に選択されていることが確認される。このため、これらの異常を確実に検出することが可能で安全性や信頼性を確保することが可能となる。

すなわち、上記のように、選択された単電池の接続経路全体の異常を検出する電圧検出部５１と、これに加えて、選択された単電池のスイッチの導通状態を検出する、電圧検出部５１と同等の機能を持つスイッチ診断部６５を備えることによって、診断対象の単電池が確実に選択されていることを確認することができ、この単電池の接続経路の異常を確実に検出することができる。

なお、本発明の第１の実施形態で説明したように、スイッチ以外のバスバーや電圧検出線ＳＬＰの接続も同時に確認する場合は、図６（ｂ）のように接続しても良い。

＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。図６に比べ、４個の単電池ＢＣ１１〜１４とスイッチＳＷ１が直列に接続され、４個の単電池ＢＣ２１〜２４とスイッチＳＷ２が直列に接続され、４個の単電池ＢＣ３１〜３４とスイッチＳＷ３が直列に接続され、それぞれ直列セルグループ２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３を構成している。これら３つの直列セルグループは並列に接続され、電池モジュールブロック２０Ａを構成している。３つの直列セルグループ２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３は、それぞれ、これらのセルグループに含まれる単電池の状態を監視し、必要に応じて充放電等を行う、セルコントローラＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３によって制御されている。この構成は、各電池の状態を個別に監視する必要のある、リチウムイオン電池など有機溶媒系電解液を有した二次電池に好適である。
なお、図７では図４、図６に記載したノイズ対策用のコンデンサは省略してある。

実際の電気自動車用蓄電装置では、このような直並列に接続された複数の単電池からなる電池モジュールブロックを、更に複数直並列に接続して使用している。図７に示すセルモニター５０Ａは、上記の本発明の第１の実施形態で説明した、セルモニター５０と同様の構成と機能を持ち、図７に示す第３の実施形態では電池モジュールブロック２０Ａの接続異常の検出を行う。
なお、これ以降、特に誤解のない限り、直列セルグループにスイッチを直列接続したものも、直列セルグループと呼ぶ。

各セルグループを制御するセルコントローラＩＣ１〜３は、各々通信系６０２と１ビット通信系６０４とを備えている。後述するようにこれら通信系を介して、セルコントローラＩＣ１〜３は上位制御装置（マイコン３０と呼ぶ）と通信を行い、電池モジュールブロックの各二次電池セルの充電状態の制御と診断を行う。１ビット通信系６０４は、図７に示さないが、電池モジュールブロック２０Ａに直列接続された、もう１つの電池モジュールブロックに更に接続されている。

ここで図８を参照して、セルコントローラＩＣの構成ならびに、各単電池の充電状態の制御の方法について説明する。

＜セルコントローラＩＣの構成＞
図８は電池制御用ＩＣである、セルコントローラＩＣの内部ブロックの概略を示す図であり、セルグループ２０Ａ１の４つの電池セルＢＣ１１〜ＢＣ１４が接続されるセルコントローラＩＣ１を例に示した。なお、説明は省略するが、他のＩＣに関しても同様の構成となっている。また上述したように、各セルグループに含まれる電池セルは４個に限定されず、６個あるいはこれ以上であってもよい。セルコントローラＩＣはセルグループに含まれる電池セルの個数に対応できるように設計されている。例えば、セルコントローラＩＣでは６個の電池セルに対応できるように既に６個のバランシングスイッチを備えているが、セルグループに含まれる電池セルの個数が４個の場合は、６個のバランシングスイッチの内４個のみ使用する。

セルコントローラＩＣ１には、電池状態検出回路としてのマルチプレクサ１２０やアナログデジタル変換器１２２Ａ、ＩＣ制御回路１２３、診断回路１３０、伝送入力回路１３８、１４２、伝送出力回路１４０、１４３、起動回路２５４、タイマ回路１５０、制御信号検出回路１６０、差動増幅器２６２およびＯＲ回路２８８が設けられている。

電池セルＢＣ１１〜ＢＣ１４の端子電圧は、電圧検出線ＳＬ１〜ＳＬ５、電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４およびＧＮＤ端子を介してマルチプレクサ１２０に入力される。マルチプレクサ１２０は電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４およびＧＮＤ端子のいずれかを選択して、端子間電圧を差動増幅器２６２に入力する。差動増幅器２６２の出力は、アナログデジタル変換器１２２Ａによりデジタル値に変換される。デジタル値に変換された端子間電圧はＩＣ制御回路１２３に送られ、内部のデータ保持回路１２５に保持される。電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４，ＧＮＤ端子に入力される各電池セルＢＣ１〜ＢＣ４の端子電圧は、セルコントローラＩＣ１のＧＮＤ電位に対して、直列接続された電池セルの端子電圧に基づく電位でバイアスされている。上記差動増幅器２６２により上記バイアス電位の影響が除去され、各電池セルＢＣ１〜ＢＣ４の端子電圧に基づくアナログ値がアナログデジタル変換器１２２Ａに入力される。

ＩＣ制御回路１２３は、演算機能を有すると共に、データ保持回路１２５と、電圧測定や状態診断を周期的に行うタイミング制御回路１２６と、診断回路１３０からの診断フラグがセットされる診断フラグ保持回路１２８とを有している。ＩＣ制御回路１２３は、伝送入力回路１３８から入力された通信コマンドの内容を解読し、その内容に応じた処理を行う。コマンドとしては、例えば、各電池セルの端子間電圧の計測値を要求するコマンド、各電池セルの充電状態を調整するための放電動作を要求するコマンド、当該セルコンロトーラＩＣの動作を開始するコマンド（Ｗａｋｅ ＵＰ）、動作を停止するコマンド（スリープ）、アドレス設定を要求するコマンド、等を含んでいる。

診断回路１３０は、ＩＣ制御回路１２３からの計測値に基づいて、各種診断、例えば過充電診断や過放電診断を行う。データ保持回路１２５は、例えばレジスタ回路で構成されており、検出した各電池セルＢＣ１１〜ＢＣ１４の各端子間電圧を各電池セルＢＣ１１〜ＢＣ１４に対応づけて記憶し、また、その他の検出値を、予め定められたアドレスに読出し可能に保持する。

セルコントローラＩＣ１の内部回路には、少なくとも２種類の電源電圧ＶＣＣ，ＶＤＤが使用される。図８に示す例では、電圧ＶＣＣは並列接続された電池セルグループ２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３で構成される電池モジュールブロックの電圧であり、電圧ＶＤＤは定電圧電源１３４によって生成される。マルチプレクサ１２０および信号伝送のための伝送入力回路１３８，１４２は高電圧ＶＣＣで動作する。また、アナログデジタル変換器１２２Ａ、ＩＣ制御回路１２３、診断回路１３０、信号伝送のための伝送出力回路１４０，１４３は低電圧ＶＤＤで動作する。

セルコントローラＩＣ１の受信端子ＬＩＮ１で受信した信号は伝送入力回路１３８に入力され、受信端子ＦＦＩで受信した信号は伝送入力回路１４２に入力される。伝送入力回路１４２は、伝送入力回路１３８と同様の回路構成となっている。伝送入力回路１３８は、隣接する他のセルコントローラＩＣからの信号を受信する回路２３１とフォトカプラＰＨからの信号を受信する回路２３４とを備えている。

図８に示すように、最上位のセルコントローラＩＣ１の場合には、フォトカプラＰＨからの信号が受信端子ＬＩＮ１に入力され、セルコントローラＩＣ２の場合には、隣接するＩＣ１からの信号が受信端子ＬＩＮ１に入力される。そのため、回路２３１および２３４のどちらを使用するかは、図８の制御端子ＣＴに印加される制御信号に基づき、切換器２３３により選択される。制御端子ＣＴに印加された制御信号は、制御信号検出回路１６０に入力され、切換器２３３は制御信号検出回路１６０からの指令により切り替え動作を行う。

すなわち、セルコントローラＩＣの中の伝送方向最上位のセルコントローラＩＣ、すなわち、セルコントローラＩＣ１の受信端子ＬＩＮ１に上位コントローラ（マイコン３０）からの信号が入力される場合には、切換器２３３は下側接点が閉じ、回路２３４の出力信号が伝送入力回路１３８から出力される。一方、伝送方向最上位ではない、下位のセルコントローラＩＣの受信端子ＬＩＮ１に隣接セルコントローラＩＣからの信号が入力される場合には、切換器２３３は上側接点が閉じ、回路２３２の出力信号が伝送入力回路１３８から出力される。セルコントローラＩＣ２の場合、伝送入力回路１３８には隣接ＩＣ１からの信号が入力されるので、切換器２３３は上側接点が閉じる。上位コントローラ（マイコン３０）からの出力と隣接セルコントローラＩＣの送信端子ＬＩＮ２からの出力とでは出力波形の波高値が異なるため、判定する閾値が異なる。そのため、制御端子ＴＣの制御信号に基づいて、回路１３８の切換器２３３を切り換えるようにしている。なお、通信系６０４についても同様の構成となっている。

受信端子ＬＩＮ１で受信された通信コマンドは、伝送入力回路１３８を通ってＩＣ制御回路１２３に入力される。ＩＣ制御回路１２３は、受信した通信コマンドに応じたデータやコマンドを伝送出力回路１４０へ出力する。それらのデータやコマンドは、伝送出力回路１４０を介して送信端子ＬＩＮ２から送信される。なお、伝送出力回路１４３も、伝送出力回路１４０と同様の構成である。

端子ＦＦＩから受信した信号は、異常状態（過充電信号）を伝送するために使用される。端子ＦＦＩから異常を表す信号を受信すると、その信号は伝送入力回路１４２およびＯＲ回路２８８を介して伝送出力回路１４３に入力され、伝送出力回路１４３から端子ＦＦＯを介して出力される。また診断回路１３０で異常を検知すると、端子ＦＦＩの受信内容に関係なく、診断フラグ保持回路１２８からＯＲ回路２８８を介して伝送出力回路１４３に異常を表す信号が入力され、伝送出力回路１４３から端子ＦＦＯを介して出力される。

隣接セルコントローラＩＣまたはフォトカプラＰＨから伝送されてきた信号を起動回路１４７により受信すると、タイマ回路１５０が動作し、定電圧電源１３４に電圧ＶＣＣを供給する。この動作により定電圧電源１３４は動作状態となり、定電圧ＶＤＤを出力する。定電圧電源１３４から定電圧ＶＤＤが出力されるとセルコントローラＩＣ２はスリープ状態から立ち上がり動作状態となる。

セルコントローラＩＣ１の電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４は電池セルのセル電圧を計測するための端子である。電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４には、それぞれ電圧検出線ＳＬ１〜ＳＬ４が接続されており、各々の電圧検出線には端子保護及び容量調整の放電電流制限のための抵抗ＲＣＶがそれぞれ設けられている。各電圧検出線ＳＬ１〜ＳＬ４は電圧入力端子ＣＶ１〜ＣＶ４と各電池セルＢＣの正極または負極を接続している。なお、電圧検出線ＳＬ５は電池セルＢＣ４の負極からＧＮＤ端子に接続されている。例えば、電池セルＢＣ１１のセル電圧を計測する場合には、電圧入力端子ＣＶ１−ＣＶ２間の電圧を計測する。また、電池セルＢＣ１４のセル電圧を計測する場合には、電圧入力端子ＣＶ４−ＧＮＤ端子間の電圧を計測する。電圧検出線間には、コンデンサＣｖ、Ｃｉｎが、ノイズ対策として設けられている。また後述するように、これらの電圧検出線の電池セル側の部分とセルコントローラＩＣ側の部分は、電池モジュールと電池制御装置を接続するコネクタで接続されている。

図７の電池モジュール２０Ａの性能を最大限に活用するためには、全部で１２個の電池セルのセル電圧を均等化する必要がある。例えば、セル電圧のばらつきが大きい場合、回生充電時に最も高い電池セルが上限電圧に達した時点で回生動作を停止する必要がある。この場合、その他の電池セルのセル電圧は上限に達していないにもかかわらず、回生動作を停止して、ブレーキとしてエネルギーを消費することになる。このようなことを防止するために、各セルコントローラＩＣは、マイコン３０からのコマンドで電池セルの容量調整のための放電を行う。

図８に示すように、各セルコントローラＩＣは、ＣＶ１−ＢＲ１、ＢＲ２−ＣＶ３、ＣＶ３−ＢＲ３およびＢＲ４−ＧＮＤの各端子間にセル容量調整用のバランシングスイッチＢＳ１〜ＢＳ４を備えている。例えば、電池セルＢＣ１の放電を行う場合には、バランシングスイッチＢＳ１をオンする。そうすると、電池セルＣＶ１の正極→抵抗ＲＣＶ→ＣＶ１端子→バランシングスイッチＢＳ１→ＢＲ１端子→抵抗ＲＢ→電池セルＣＶ１の負極の経路でバランシング電流が流れる。なお、ＲＢまたはＲＢＢはこのバランシング用の抵抗であり、ＢＲ１〜ＢＲ４はこのバランシングを行うための端子である。

このように、セルコントローラＩＣ内には、電池セルＢＣ１１〜ＢＣ１４の充電量を調整するためのバランシングスイッチＢＳ１〜ＢＳ４が設けられている。実際のセルコントローラＩＣでは、バランシングスイッチＢＳ１，ＢＳ３にはＰＭＯＳスイッチが用いられ、バランシングスイッチＢＳ２，ＢＳ４にはＮＭＯＳスイッチが用いられている。

これらのバランシングスイッチＢＳ１〜ＢＳ４の開閉は、放電制御回路１３２によって制御される。マイコン３０からの指令に基づいて、放電させるべき電池セルに対応したバランシングスイッチを導通させるための指令信号が、ＩＣ制御回路１２３から放電制御回路１３２に送られる。ＩＣ制御回路１２３は、マイコン３０から各電池セルＢＣ１〜ＢＣ４に対応した放電時間の指令を通信により受け、上記放電の動作を実行する。

セルコントローラＩＣ１とセルコントローラＩＣ２の間には、上述したように通信系６０２，６０４が設けられている。マイコン３０からの通信コマンドは、フォトカプラＰＨを介して通信系６０２に入力され、通信系６０２を介してセルコントローラＩＣ１の受信端子ＬＩＮ１で受信される。セルコントローラＩＣ１の送信端子ＬＩＮ２からは、通信コマンドに応じたデータやコマンドが送信される。このようにセルコントローラＩＣ間で順に受信および送信を行い、伝送信号は、セルコントローラＩＣ２の送信端子ＬＩＮ２から送信され、フォトカプラＰＨを介してマイコン３０の受信端子で受信される。セルコントローラＩＣ１とＩＣ２は、受信した通信コマンドに応じて、セル電圧等の測定データのマイコン３０への送信や、バランシング動作を行う。さらに、各セルコントローラＩＣ１とＩＣ２は、測定したセル電圧に基づいてセル過充電を検知する。その検知結果（異常信号）は、信号系６０４を介してマイコン３０へ送信される。

この第３の実施形態では、上記のように各単電池はそれぞれ対応するセルコントローラＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３によって常に監視されており、各単電池の充電状態が均等化されている。また各単電池の充電状態の情報をセルコントローラが上位制御装置（マイコン３０）に送信することにより、必要に応じて、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した接続経路の診断が行われる。直列セルグループ、バスバー及び電圧検出線が確実に選択されていることが確認され、またこれらの診断を確実に行うことができるため、蓄電装置の安全性や信頼性を確保することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図９は、本発明の電池制御装置および蓄電装置の第４の実施の形態を説明するとともに、この第４の実施形態を用いた電気自動車およびハイブリッド自動車に適用可能なモータの駆動装置全体の概略図である。図７に示した電池モジュールブロックが２つ（２０Ａおよび２０Ｂ）直列に接続されている。

図９に示す駆動装置は、電池モジュール２０、電池モジュール２０を監視する電池制御装置１００、この電池制御装置１００と電池モジュール２０を含む蓄電装置１１、電池モジュール２０からの直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置９、車両駆動用の電動発電機７を備えている。モータ２３０は、インバータ装置９からの３相交流電力により駆動される。インバータ装置９と電池制御装置１００とはＣＡＮ通信で結ばれており、インバータ装置９は電池制御装置１００に対して上位コントローラとして機能する。また、インバータ装置９は、さらに上位の制御装置１０（後述）からの指令情報に基づいて動作する。

インバータ装置９は、パワーモジュール２２６と、インバータ装置を制御するＭＣＵ２２２と、パワーモジュール２２６を駆動するためのドライバ回路２２４とを有している。パワーモジュール２２６は、電池モジュール２０から供給される直流電力を、電動発電機７をモータとして駆動するための３相交流電力に変換する。なお、図示していないが、パワーモジュール２２６に接続される強電ラインＨＶ＋，ＨＶ−間には、約７００μＦ〜約２０００μＦ程度の大容量の平滑キャパシタが設けられている。この平滑キャパシタは、電池制御装置１００に設けられた集積回路に加わる電圧ノイズを低減する働きをする。

インバータ装置９の動作開始状態では平滑キャパシタの電荷は略ゼロであり、リレーＲＬを閉じると大きな初期電流が平滑キャパシタへ流れ込む。そして、この大電流のためにリレーＲＬが融着して破損するおそれがある。この問題を解決するために、ＭＣＵ２２２は、さらに上位の制御装置１０からの命令に従い、電動発電機７の駆動開始時に、プリチャージリレーＲＬＰを開状態から閉状態にして平滑キャパシタを充電し、その後にリレーＲＬを開状態から閉状態として、電池モジュール２０からインバータ装置９への電力の供給を開始する。平滑キャパシタを充電する際には、抵抗ＲＰを介して最大電流を制限しながら充電を行う。このような動作を行うことで、リレー回路を保護すると共に、電池セルやインバータ装置９を流れる最大電流を所定値以下に低減でき、高い安全性を維持できる。

なお、インバータ装置９は、電動発電機７の回転子に対するパワーモジュール２２６により発生する交流電力の位相を制御して、車両制動時には電動発電機７を発電機として動作させる。すなわち回生制動制御を行い、発電機運転により発電された電力を電池モジュール２０に回生して電池モジュール２０を充電する。電池モジュール２０の充電状態が基準状態より低下した場合には、インバータ装置９は電動発電機７を発電機として運転する。電動発電機７で発電された３相交流電力は、パワーモジュール２２６により直流電力に変換されて電池モジュール２０に供給される。その結果、電池モジュール部２０は充電される。

一方、電動発電機７をモータとして力行運転する場合、ＭＣＵ２２２は制御装置１０の命令に従い、電動発電機７の回転子の回転に対して進み方向の回転磁界を発生するようにドライバ回路２２４を制御し、パワーモジュール２２６のスイッチング動作を制御する。この場合は、電池モジュール２０から直流電力がパワーモジュール２２６に供給される。また、回生制動制御により電池モジュール２０を充電する場合には、ＭＣＵ２２２は、電動発電機７の回転子の回転に対して遅れ方向の回転磁界を発生するようにドライバ回路２２４を制御し、パワーモジュール２２６のスイッチング動作を制御する。この場合は電動発電機７から電力がパワーモジュール２２６に供給され、パワーモジュール２２６の直流電力が電池モジュール２０へ供給される。結果的に電動発電機７は発電機として作用することとなる。

インバータ装置９のパワーモジュール２２６は、導通および遮断動作を高速で行い直流電力と交流電力間の電力変換を行う。このとき、大電流を高速で遮断するので、直流回路の有するインダクタンスにより大きな電圧変動が発生する。この電圧変動を抑制するため、上述した大容量の平滑キャパシタが設けられている。

電池モジュール２０は、例えばここでは直列接続された２つの電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂで構成されている。各電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂは、各々複数の電池セルを直列接続したセルグループを複数直列に接続されたものを備えている。電池モジュールブロック２０Ａと電池モジュールブロック２０Ｂとは、スイッチとヒューズとが直列接続された保守・点検用のサービスディスコネクトＳＤ−ＳＷを介して直列接続される。このサービスディスコネクトＳＤ−ＳＷが開くことで電気回路の直接回路が遮断され、仮に電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂのどこかで車両との間に１箇所接続回路ができたとしても電流が流れることはない。このような構成により高い安全性を維持できる。又、点検時に作業者がＨＶ＋とＨＶ−の間を触っても、高電圧は人体に印加されないので安全である。

電池モジュール２０とインバータ装置９との間の強電ラインＨＶ＋には、リレーＲＬ，抵抗ＲＰおよびプリチャージリレーＲＬＰを備えた電池ディスコネクトユニットＢＤＵが設けられている。抵抗ＲＰとプリチャージリレーＲＬＰとの直列回路は、リレーＲＬと並列に接続されている。

電池制御装置１００は、主に各セル電圧の測定、総電圧の測定、電流の測定、セル温度およびセルの容量調整等を行う。そのために、セルコントローラとして、複数の電池制御用ＩＣ（集積回路）が設けられている。各電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂ内に設けられた複数の電池セルは、複数のセルグループ（組電池）に分けられ、各セルグループ毎に、各セルグループに含まれる電池セルを制御するセルコントローラが１つずつ設けられている。
簡単のため、以下の説明では各セルグループは４個の電池セルで構成されているとする。また各電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂ、は各々２つのセルグループ（２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３と２０Ｂ１、２０Ｂ２、２０Ｂ３）で構成されるとする。

図８も参照して説明すると、各セルグループを制御するセルコントローラＩＣ１〜ＩＣ６は、各々通信系６０２と１ビット通信系６０４とを備えている。セル電圧値読み取りや各種コマンド送信のための通信系６０２においては、絶縁素子（例えば、フォトカプラ）ＰＨを介してデイジーチェーン方式で電池モジュール２０を制御するマイコン３０とシリアル通信を行う。１ビット通信系６０４は、セル過充電が検知されたときの異常信号を送信する。図９に示す例では、通信系６０２は、電池モジュールブロック２０ＡのセルコントローラＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３に対する上位の通信経路と、電池モジュールブロック２０ＢのセルコントローラＩＣ４、ＩＣ５、ＩＣ６に対する下位の通信経路とに分けられている。

各セルコントローラＩＣは異常診断を行い、自分自身が異常と判断した場合、あるいは上位のセルコントローラＩＣから異常信号を受信端子ＦＦＩで受信した場合に、送信端子ＦＦＯから異常信号を送信する。一方、既に受信端子ＦＦＩで受信していた異常信号が消えたり、あるいは自分自身の異常判断が正常判断となったりした場合には、送信端子ＦＦＯから伝送される異常信号は消える。この異常信号は本実施形態では１ビット信号である。

マイコン３０は異常信号をセルコントローラＩＣに送信しないが、異常信号の伝送路である１ビット通信系６０４が正しく動作することを診断するために、擬似異常信号であるテスト信号を１ビット通信系６０４に送出する。このテスト信号を受信したセルコントローラＩＣ１は異常信号を通信系６０４へ送出し、その異常信号がセルコントローラＩＣ２によって受信される。異常信号はセルコントローラＩＣ２からセルコントローラＩＣ３、ＩＣ４、ＩＣ５、ＩＣ６の順に送信され、最終的にはセルコントローラＩＣ６からマイコン３０へと返信される。通信系６０４が正常に動作していれば、マイコン３０から送信された擬似異常信号は通信系６０４を介してマイコン３０に戻ってくる。このように擬似異常信号をマイコン３０が送受することで通信系６０４の診断ができ、システムの信頼性が向上する。

電池ディスコネクトユニットＢＤＵ内にはホール素子等の電流センサＳｉが設置されており、電流センサＳｉの出力はマイコン３０に入力される。電池モジュール２０の総電圧および温度に関する信号もマイコン３０に入力され、それぞれマイコン３０のＡＤ変換器（ＡＤＣ）によって測定される。温度センサは電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂ内の複数箇所に設けられている。

この様に、本発明によれば、複数のセルコントローラＩＣを直列または並列または直並列に接続し、これらの複数のセルコントローラＩＣと上位制御装置とを通信で接続することが可能である。これにより、さらに大規模で高い安全性を有し、かつ高信頼性を有する蓄電装置を容易に構築することが可能となる。また、電池または電池の直列セルグループの異常を検出した場合、セルモニター５０は異常電池または異常な直列セルグループと接続されたスイッチを制御し、異常電池または異常な直列セルグループを切り離し、残りの健全な各電池または各直列セルグループ電池機能を提供することが可能である。これにより、充放電といった電池システムの機能を停止することなく縮退しながらもその機能を提供し続けることが可能となる。

＜第５の実施形態＞
図１０は、本発明の第５の実施の形態を説明する図である。本発明の蓄電装置をハイブリッド自動車に適用した例である。なお、この第５の実施形態を含め、本発明の実施形態の構成は、ハイブリッド電車などの鉄道車両などにも適用できる。また本発明による電池制御装置および蓄電装置は電気自動車にも適用可能である。

＜ハイブリッド自動車用駆動システムの概略構成＞
図１０に示すハイブリッド自動車１の駆動システムは、駆動輪２に機械的に接続された車軸３がデファレンシャルギア４と接続され、デファレンシャルギア４の入力軸が変速機５と接続されている。そして、駆動源として、内燃機関であるエンジン６と電動発電機７の駆動力を切替える駆動力切替装置８を介して変速機５の入力となっている。

図１０では駆動輪２の駆動源として、エンジン６と電動発電機７とが並列に配置された、いわゆるパラレルハイブリッド方式である。また、ハイブリッド自動車用駆動システムには、駆動輪２の駆動源として電動発電機７のエネルギーを用い、エンジン６のエネルギーは電動発電機７の駆動源、すなわち蓄電器を充電するようにした、いわゆるシリアルハイブリッド方式があり、本発明はこれらの方式、又は組合せた方式共に採用することができる。

電動発電機７にはインバータ装置９を介して、電源装置である蓄電装置１１が電気的に接続されている。インバータ装置９は制御装置１０によって制御される。

電動発電機７を電動機として作動させる時には、インバータ装置９は、蓄電装置１１から出力された直流電力を三相交流電力に変換する直流−交流変換回路として機能する。また、回生制動の際に電動発電機７を発電機として作動させる時には、インバータ装置９は、電動発電機７から出力された三相交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換回路として機能する。インバータ装置９の直流側には、蓄電装置１１の電池モジュールの正負極端子が電気的に接続される。インバータ装置９の交流側には２つのスイッチング半導体素子による３直列回路があり、直列回路の２つのスイッチング半導体素子の中間には、電動発電機４の電機子巻線の３つの相の巻線が電気的に接続されるようになっている。

電動発電機７は、駆動輪５を駆動するための原動機として機能し、電機子（固定子）と、電機子に対向配置され、回転可能に保持された界磁（回転子）とを備え、永久磁石の磁束を界磁に用いた永久磁石界磁式三相交流同期回転電機である。電動発電機７は、電機子巻線に供給された三相交流電力により形成されて同期速度で回転する回転磁界と、永久磁石の磁束との磁気的な作用に基づいて、駆動輪５の駆動に必要な回転動力を発生する

電動発電機７を電動機として駆動する時には、電機子は、インバータ装置９によって制御された三相交流電力の供給を受けて回転磁界を発生させる。一方、電動発電機９を発電機として駆動する時には、電機子は、磁束の鎖交により三相交流電力を発生させる部位となり、磁性体である電機子鉄心（固定子鉄心）と、電機子鉄心に装着された三相の電機子巻線（固定子巻線）とを備えている。界磁は、電動発電機７を電動機或いは発電機として駆動する時、界磁磁束を発生させる部位であり、磁性体である界磁鉄心（回転子鉄心）と、界磁鉄心に装着された永久磁石とを備えている。

電動発電機７としては、電機子巻線に供給された三相交流電力により形成されて同期速度で回転する回転磁界と、巻線の励磁による磁束との磁気的な作用に基づいて、回転動力を発生する巻線界磁式三相交流同期回転電機、或いは三相交流誘導回転電機などを採用してもよい。巻線界磁式三相交流同期回転電機の場合、電機子の構成は永久磁石界磁式三相交流同期回転電機と基本的に同じである。一方、界磁の構成は異なっており、磁性体である界磁鉄心に界磁巻線（回転子巻線）を巻く構成になっている。尚、巻線界磁式三相交流同期回転電機では、界磁巻線が巻かれた界磁鉄心に永久磁石を装着し、巻線による磁束の漏れを抑える場合もある。界磁巻線は外部電源から界磁電流の供給を受けて励磁されることにより磁束を発生する。

電動発電機７には駆動力切替装置８、変速機５、デファレンシャルギア４を介して駆動輪２の車軸３が機械的に接続されている。変速機５は、電動発電機７から出力された回転動力を変速してデファレンシャルギア４に伝達する。デファレンシャルギア４は、変速機５から出力された回転動力を左右の車軸３に伝達する。駆動力切替装置８は、エンジン制御や走行制御などの上位制御装置（不図示）によって切替えられ、エンジン制御での加速走行、アイドルストップからの電動発電機７によるエンジン始動、ブレーキ制御における回生ブレーキ協調などで切替えて電動機又は発電機として動作させる。

蓄電装置１１は、電動発電機７が回生時に発生した電力を自身の駆動用電力として充電し、電動発電機７を発電機として駆動する際に、この駆動に必要な電力を放電する駆動用車載電源である。例えば、１００Ｖ以上の定格電圧を有するように、数十本のリチウムイオン電池により構成されたバッテリシステムである。尚、蓄電装置１１の詳細な構成については後述する。

蓄電装置１１には、電動発電機７の他に、車載補機（たとえばパワーステアリング装置，エアーブレーキ）に動力を供給する電動アクチュエータ、蓄電装置１１よりも定格電圧が低く、車内電装品（たとえばライト，オーディオ、車載電子制御装置）に駆動電力を供給する電装用電源である低圧バッテリなどがＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、蓄電装置１１の出力電圧を降圧して電動アクチュエータや低圧バッテリなどに供給したり、低圧バッテリの出力電圧を昇圧して蓄電装置１１などに供給したりする昇降圧装置である。低圧バッテリには定格電圧１２Ｖの鉛バッテリを用いている。低圧バッテリとしては、同じ定格電圧を有するリチウムイオンバッテリ或いはニッケル水素バッテリを用いてもよい。

ハイブリッド自動車１の力行時（発進、加速、通常走行など）、制御装置１０に正のトルク指令が与えられてインバータ装置９の作動が制御されると、蓄電装置１１に蓄電された直流電力はインバータ装置９により三相交流電力に変換されて電動発電機７に供給される。これにより、電動発電機７が駆動されて回転動力が発生する。発生した回転動力は、駆動力切替装置８、変速機５及びデファレンシャルギア４を介して車軸３に伝達され、駆動輪２を駆動する。

ハイブリッド自動車１の回生時（減速、制動など）、制御装置１０に負のトルク指令が与えられてインバータ装置９の作動が制御されると、駆動輪２の回転動力により駆動される電動発電機７から発生した三相交流電力は直流電力に変換されて蓄電装置１１に供給される。これにより、変換された直流電力は蓄電装置１１に充電される。

制御装置１０は、上位制御装置（不図示）から出力されたトルク指令値から電流指令値を演算すると共に、電流指令値と、インバータ装置９の間を流れる実電流との差分に基づいて電圧指令値を演算し、この演算された電圧指令値に基づいてＰＷＭ（パルス幅変調）信号を発生させ、そのＰＷＭ信号をインバータ装置９に出力する。

＜第１の実施形態の変形実施例＞
図３を用いて説明した、本発明によるセルモニター５０では、上記の診断以外にもスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ、ＯＦＦ制御して並列接続された単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３の充放電制御を個別に行い、充電状態や劣化状態などの電池状態の均等化や、逆に電池状態の不均衡化を行うことが可能である。

ここで図１１を参照してスイッチ素子の制御によって充電状態を均等化する方法を説明する。ここでは、前提条件として図３の単電池ＢＣ３の電圧Ｖ_ＢＣ３が、単電池ＢＣ１、ＢＣ２の電圧Ｖ_ＢＣ１、Ｖ_ＢＣ２に比べ低下しているとする。また第１の実施形態で説明したように、セルモニターで測定している単電池の電圧は単電池の端子電圧ではないが、配線経路に異常がなければ、単電池の端子電圧に簡単に換算できるので、以下の説明ではセルモニターで単電池の端子電圧を測定しているとして説明する。

まず、ステップＳ１０１にて動作モードを検出し、ステップＳ１０２にて充電中か判定する。充電中の場合は、ステップＳ１０３にて、図３のようにスイッチＳＷ３をＯＮ、ＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦし、単電池ＢＣ３を選択する。これにより、単電池ＢＣ３のみが充電され、単電池ＢＣ３の電圧Ｖ_ＢＣ３は上昇する。このＶ_ＢＣ３はステップＳ１０４でモニタされる。

一方、ステップＳ１０２が充電中ではない場合、ステップＳ１０６にて放電中か判定される。放電中の場合は、ステップＳ１０７にてスイッチＳＷ３をＯＦＦ、ＳＷ１、ＳＷ２をＯＮし、単電池ＢＣ１、ＢＣ２を選択する。これにより、単電池ＢＣ１、ＢＣ２のみが放電され、単電池ＢＣ１、ＢＣ２の電圧Ｖ_ＢＣ１、Ｖ_ＢＣ２は減少する。このＶ_ＢＣ１（＝Ｖ_ＢＣ２）はステップＳ１０８でモニタされる。なお、ステップＳ１０６で放電中ではない場合は、休止中であり、ステップＳ１０１に戻る。

そして、ステップＳ１０５でＶ_ＢＣ３＝Ｖ_ＢＣ１＝Ｖ_ＢＣ２が成立すればフローを終了する。また、成立しない場合はステップＳ１０１に戻り、上述のステップが繰り返される。

ここでは、前提条件として単電池ＢＣ３の電圧Ｖ_ＢＣ３が、単電池ＢＣ１、ＢＣ２の電圧Ｖ_ＢＣ１、Ｖ_ＢＣ２に比べ低下しているケースで説明したが、単電池ＢＣ１やＢＣ２の電圧が他に比べ低い場合でも同様にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ、ＯＦＦ制御して単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３の電圧を均等化することが可能である。

このように本発明によれば、診断以外にもスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ、ＯＦＦ制御して単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３の充放電制御を個別に行い、各電池の充電状態を均等化することが可能である。

また、これとは逆に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮ、ＯＦＦ制御して単電池ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３の充放電制御を個別に行い、各電池の充電状態の不均衡化をすることも可能である。各電池の充電状態を不均衡化することにより各電池に印加される充放電ストレスにも不均衡を生じさせ、劣化状態を制御することも可能である。
例えば、劣化の程度の小さい電池電圧を高めに制御し、優先して充放電することにより劣化が加速され、結果として劣化状態を均等化することも可能である。

なお、上記のようにセルグループを選択して充電する方法は、本発明の第３の実施形態（図７）で説明したような、複数の単電池を直列に接続したセルグループが複数並列に接続されている場合においても、上記のスイッチを制御して、セルグループを選択し、このセルグループの充電状態を検出し、必要に応じてこのセルグループの充電を行うことにより、セルグループの充電状態を均等化することができる。
またこの直列セルグループに含まれる、各単電池の充電状態は本発明の第３の実施形態で図８を用いて説明したように、各単電池毎に必要に応じて放電を行うことによって、各単電池の充電状態を均等化することができる。
このようにセルグループを選択して、各セルグループ毎に充放電を行うことにより各セルグループおよびこれに含まれる各単電池の充電状態を均等化することができる。

＜本発明の第２の実施形態の変形実施例＞
本発明はリチウム電池以外の二次電池にも適用できる。
図１２では図６に比べ、単電池が３個直列接続された直列セルグループに更にスイッチが直列に接続されている。または図８と比較し、３つの直列セルグループ２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３の各々を制御するセルコントローラが削除されている。本構成は、各単電池の状態を個別に監視する必要のない鉛電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など水系電解液を有した二次電池に好適である。この変形実施例は、更に直列セルグループを２つ以上直列接続した電池モジュールブロックにスイッチを直列接続したものを並列接続したものにも適用可能であり、更に多くの並列接続数とすることも可能である。

＜電圧検出部の変形実施例＞
図１３は、本発明による第１および第２の実施形態で用いられた電圧検出部５１の変形実施例を示す。ここでは、図４に示した電圧検出部５１の回路と比べ、スイッチ６３を用いる代わりに、電圧検出部５１の正極側と負極側の両端を微小電流でプルアップまたはプルダウンすることにより、同様な機能を達成することが可能である。すなわち、電圧検出線ＳＬＰ、抵抗６１Ａ及び抵抗６１Ｂ、電圧検出線ＳＬＮが正しく接続されていない場合は、電圧検出器６４でプルアップ電圧またはプルダウン電圧が検出され、電圧検出経路の異常を診断することができる。

図１３ではスイッチ６３と定電流源６６が直列に接続され、スイッチ６７と定電流源６８が直列に接続されている。スイッチ６３とスイッチ６７は電圧検出器６４の両端に接続されている。また、定電流源６６と定電流源６８の他端はグランドに接続される。この定電流源６６，６８の電流値は電池電圧が低下しないレベルの微小電流値に設定されている。

診断時はスイッチ６３とスイッチ６７をＯＮする。これにより、電圧検出器６４の両端は定電流源６６、６８によりプルダウンされるが、その電流値は電池電圧が低下しないレベルの微小電流値に設定されているため、電圧検出器６４では正常時は電池電圧とほぼ等しい電圧が検出される。一方、例えば、電圧検出線ＳＬＰまたはＳＬＮが正しく接続されていない場合は、電池電圧が印加されないため、ゼロに近い電圧が検出される。

ここでは、定電流源６６と６８をスイッチ６３と６７をそれぞれ介して電圧検出器６４の両端に接続した。これは診断時のみにスイッチ６３と６７をＯＮすることにより消費電流を削減し、また、電圧検出精度の低下を防止するためである。従って、消費電流や電圧検出精度の仕様によってはスイッチ６３、６７を削除することが可能である。また、ここでは微小電流によるプルダウンのケースを示したが、同様に微小電流により電圧検出器６４の両端を電源電圧にプルアップする方法でも同様な機能を果たすことが出来る。このように、電圧検出器６４の両端を微小電流でプルアップまたはプルダウンすることにより、電圧検出経路の異常を診断することができる。

＜その他の変形実施例＞
上記の本発明の実施形態の説明では、単電池はリチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池、ニッケルカドミウム電池などの二次電池、およびウルトラキャパシタなどの蓄電素子であるとして説明したが、本発明の経路異常検出方法は、二次電池でない一般的な電池、例えば二酸化マンガン電池等の単電池に対しても、同様に適用することができる。

なお、本発明の第１の実施形態では説明を簡単にするため、１個の単電池とスイッチが直列接続された構成としたが、複数の単電池とスイッチを直列に接続されたものが並列に接続されている場合にも、本発明は適用可能である。

また、本発明の第１の実施形態では、図３において、単電池ＢＣ１〜３のそれぞれにスイッチＳＷ１〜３が直列に接続されたものが並列接続された構成となっているとした。すなわち単電池が３個並列に接続された並列セルグループを構成しているが、本発明はこの並列セルグループを２つ以上、直列または並列または直並列に接続した電池モジュールブロック、およびこの電池モジュールブロックを並列または直列または直並列に接続した電池モジュールにおいても適用可能である。

また、本発明の第１の実施形態では、図４において、２個の抵抗６１Ａ、６２、６１Ｂを設けたが、電圧検出線ＳＬＰ、ＳＬＮの抵抗値の大きさによってこれらを削除することも、更に多数の抵抗を設けることも可能である。

本発明の第４の実施形態では、各セルグループは４個の電池セルで構成され、各電池モジュールブロック２０Ａ、２０Ｂ、は各々２つのセルグループ（２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３と２０Ｂ１、２０Ｂ２、２０Ｂ３）で構成されるとした。
しかしながら、各セルグループに含まれる電池セルは４個に限定するものでなく、５個あるいはこれ以上であってよく、また例えば４個のセルグループと６個のセルグループが組み合わされていてもよい。各セルグループに対応して設けられるセルコントローラＩＣは、これらのセルグループに含まれる電池セルの数が４個であっても、また５個以上であっても使用できるように設計したものを使用することができる。
また電気自動車やハイブリッド自動車で必要とされる電圧および電流を得るために、上記のように各電池モジュールブロックはセルグループを複数個直列または直並列に接続してもよく、更に複数の電池モジュールブロックを直列または直並列に接続してよい。

上記で、本発明の実施形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

＜図１〜４、６〜７、１１、１２＞
ＢＣ１〜ＢＣ３、ＢＣ１１〜ＢＣ１４、ＢＣ２１〜ＢＣ２４、ＢＣ３１〜ＢＣ３４：二次電池セル
Ｖ_ＢＣ１、Ｖ_ＢＣ２、Ｖ_ＢＣ３：二次電池セルＢＣ１〜ＢＣ３の端子電圧
ｒ_ＢＣ３：二次電池セルＢＣ３の内部抵抗値
２１、２２、３１、３２：バスバー
ＳＬＰ、ＳＬＮ、ＳＬ１〜ＳＬ５：電圧検出線
ＳＬ１１〜１５、ＳＬ２１〜２５、ＳＬ３１〜３５：電圧検出線
ｒ_ＳＬＰ、ｒ_ＳＬＮ：ＳＬＰ、ＳＬＮの抵抗値
ＣＢＰ、ＣＢＮ、ＣＮＰ、ＣＭＮ、ＣＶＰ、ＣＶＮ：接続点
Ｃｖ：コンデンサ
ＳＷ１〜３：スイッチ
ＩＣ１〜３：セルコントローラ
５０：セルモニター
５１：電圧検出部
５２：スイッチ制御部
６１Ａ、６１Ｂ、６２：抵抗
ｒ_６１Ａ、ｒ_６１Ｂ、ｒ_６２：抵抗６１Ａ、６１Ｂ、６２の抵抗値
６３：スイッチ
ｒ_６３：スイッチ６３の抵抗値
６４：電圧検出器
６５：スイッチ診断部
６６：定電流源
６７：スイッチ
６８：定電流源
８０１、８０３：スイッチ
＜図８＞
１２０：マルチプレクサ
１２２Ａ：アナログデジタル変換器
１２３：ＩＣ制御回路
１３０：診断回路
１３８および１４２：伝送入力回路
１４０および１４３：伝送出力回路
１４７：起動回路
１５０：タイマ回路
１６０：制御信号検出回路
２６２差動増幅器
２８８：ＯＲ回路
ＢＣ１〜ＢＣ４：電池セル
１２３：ＩＣ制御回路
１２５：データ保持回路
ＩＣ１：セルコントロールＩＣ
１２６：タイミング制御回路
１３０：診断回路
１２８：診断フラグ保持回路
ＢＲ１〜ＢＲ４：バランシング用端子
ＣＶ１〜ＣＶ４：電圧入力端子
ＧＮＤ：ＧＮＤ端子
ＳＬ１〜ＳＬ５：電圧検出線
ＶＣＣおよびＶＤＤ：電源電圧
ＣｖおよびＣｉｎ：コンデンサ
ＲＣＶおよびＲＢ：抵抗
ＰＨ：フォトカプラ
ＬＩＮ１：通信系６０２の入力端子
ＬＩＮ２：通信系６０２の入力端子
ＦＦＩ：通信系６０４の入力端子
ＦＦＯ：通信系６０４の出力端子
Ｄ１およびＤ２：ＥＳＤ対策用ダイオード
＜図９＞
２０：電池モジュール
２０Ａ、２０Ｂ：電池モジュールブロック
３０：マイコン
１００：電池制御装置
９：インバータ装置
６０２，６０４：通信系
ＩＣ１〜ＩＣ４：セルコントローラＩＣ
ＳＤ−ＳＷ:サービスディスコネクト（スイッチ）
ＲＣ−ｎｅｔ：保護回路および放電回路を含む配線回路部
＜図１３＞
１：ハイブリッド自動車
２：駆動輪
３：車軸
４：デファレンシャルギア
５：変速機
６：エンジン
７：電動発電機
８：駆動力切替装置
９：インバータ装置
１０：制御装置
１１：蓄電装置
ＨＶ＋およびＨＶ−：強電ライン
ＲＬ：リレー
ＲＰ：抵抗
ＲＬＰ：プリチャージリレー
ＢＤＵ：電池ディスコネクトユニット

Claims (9)

1. 第１のスイッチと１個以上の単電池とが直列に接続されたセルグループを、複数個並列または直並列に接続した電池モジュールと、
   前記第１のスイッチを切り替えてセルグループを選択するスイッチ制御部と、
   前記スイッチ制御部により選択されたセルグループの電圧を検出する第１の電圧検出器と、
   前記第１の電圧検出器の両端をプルアップ電圧にプルアップするプルアップ手段、または、前記第１の電圧検出器の両端をプルダウン電圧にプルダウンするプルダウン手段と、
   前記プルアップまたは前記プルダウンが行われた際に前記第１の電圧検出器で検出された電圧に基づいて、前記電池モジュールの異常および前記電池モジュールの接続異常を診断する診断手段と、を備える蓄電装置。
2. 請求項１に記載の蓄電装置において、
   前記プルアップ手段または前記プルダウン手段と前記第１の電圧検出器の両端との間に設けられ、前記プルアップ手段または前記プルダウン手段と前記両端との間の接続をオンオフする第２のスイッチを備える蓄電装置。
3. 請求項１または２に記載の蓄電装置において、
   前記スイッチ制御部により選択されたセルグループの第１のスイッチに印加されている電圧を検出する第２の電圧検出器をさらに備え、
   前記第２の電圧検出器が検出した電圧によって、前記セルグループの第１のスイッチの異常を診断することを特徴とする蓄電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
   複数のセルコントローラを更に備え、各々のセルコントローラはそれぞれの対応するセルグループに含まれる各単電池の充電状態を検出して、前記各単電池の放電を行うことによって、前記各単電池の充電状態を均等化することを特徴とする蓄電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
   前記スイッチ制御部によって前記第１のスイッチを制御してセルグループを選択し、前記セルグループの充電状態を検出し、必要に応じて前記セルグループの充電を行うことによって、前記セルグループの充電状態を均等化することを特徴とする蓄電装置。
6. 請求項４または５のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
   前記各単電池の充電状態および前記電池モジュールの接続異常を検出し、異常なセルグループが検出された場合は、この異常なセルグループの第１のスイッチを制御してこのセルグループを電池モジュールから切り離すことを特徴とする蓄電装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電装置を用いて、
   前記第１のスイッチを制御してセルグループを選択し、この選択されたセルグループの充電または放電を行い、このセルグループの充電状態の均等化を行うことを特徴とする蓄電装置の充放電方法。
8. 請求項４または５のいずれか１項に記載の蓄電装置を用いて、
   前記各単電池の充電状態および前記電池モジュールの接続異常を検出し、異常なセルグループが検出された場合は、この異常なセルグループの第１のスイッチを制御してこのセルグループを電池モジュールから切り離し、残りの単電池によって電池機能の提供を継続することを特徴とする蓄電装置の運転方法。
9. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蓄電装置と、
   前記蓄電装置で制御される電力で駆動される走行用電動機とを備えたことを特徴とする電動走行可能な車両。

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