以下、本実施形態にかかる組電池モジュールを有する二次電池装置、および当該二次電池装置を備えた車両について図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態にかかる組電池モジュールを有する二次電池装置を備えた車両の模式図である。なお、図1においては、車両100、車両100への二次電池装置の搭載箇所、および車両100の駆動モータなどは概略的に示している。
二次電池装置は、複数の組電池モジュール101(1)〜101(4)が互いに直列接続されて構成される。ここで、組電池モジュール101(1)〜101(4)は、それぞれ独立して着脱することが可能であり、メンテナンス等において、別の組電池モジュールと交換することができる。組電池モジュール101(1)は、組電池11を有する。組電池モジュール101(2)は、組電池12を有する。また、組電池モジュール101(3)は、組電池13を有する。また、組電池モジュール101(4)は、組電池14を有する。ここで、組電池11は、直列接続された複数の二次電池セル11(1)〜11(x)[x:2以上の整数]を有する(図2参照)。なお、組電池12〜14は、組電池11と同様の構成を有している。本実施形態では、二次電池装置は、4つの組電池モジュール101(1)〜101(4)を直列接続しているが、複数の組電池モジュールを直列接続するものであれば、これに限定するものではない。
二次電池装置が備える複数の組電池モジュール101(1)〜101(4)のうち低電位側に接続された組電池モジュール101(1)の負極端子には、接続ライン31の一方の端子が接続されている。接続ライン31は、インバータ40の負極入力端子に接続されている。
また、二次電池装置が備える複数の組電池モジュール101(1)〜101(4)のうち高電位側に接続された組電池モジュール101(4)の正極端子には、接続ライン32の一方の端子が、スイッチ装置33を介して接続されている。接続ライン32の他方の端子は、インバータ40の正極入力端子に接続されている。
スイッチ装置33は、複数の組電池モジュール101(1)〜101(4)に直列接続され、複数の組電池モジュール101(1)〜101(4)の電気的な接続をオンまたはオフする。つまり、スイッチ装置33は、オンすることにより、組電池11〜14間に電流を流す。本実施形態では、スイッチ装置33は、組電池モジュール101(1)〜101(4)の組電池11〜14が有する二次電池セル11(1)〜11(x)への充電が行われる際にオンするプリチャージスイッチSWP(図3参照)、組電池モジュール101(1)〜101(4)の電力を負荷に供給する際にオンするメインスイッチSWM(図3参照)を含む。より具体的には、メインスイッチSWMは、二次電池セルへの充電が行われる際に二次電池セルへ供給される電力の電流(突入電流)が車両2側の負荷(例えば、モータ45など)に流れ込むのを防止するために、二次電池セルへの充電が行なわれた後にオンする。これにより、突入電流によるメインスイッチSWMの溶着を防止する。プリチャージスイッチSWPおよびメインスイッチSWMは、リレー回路として構成されている。
インバータ40は、印加された直流電圧をモータ駆動用の3相の交流(AC)の電圧に変換する。インバータ40は、後述する電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)60または車両100の全体動作を制御するための電気制御装置71からの制御信号に基づいて、交流の電圧への変換が制御される。インバータ40の3相の出力端子は、モータ45の各3相の入力端子に接続されている。モータ45の駆動力(回転)は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪WR,WLに伝達される。
電池管理装置60には、独立した外部電源70が接続されている。外部電源70は、例えば、車載アクセサリに電力を供給する定格12Vの鉛蓄電池である。また、電池管理装置60には、運転者などの操作入力に応答して車両全体の管理を行う電気制御装置71も接続されている。
図2は、本実施形態にかかる組電池監視回路(VTM:Voltage Temperature Monitoring)の機能ブロックを示す図である。図1および図2に示すように、組電池モジュール101(1)は、組電池11と、組電池監視回路(VTM)21と、を有している。組電池モジュール101(2)は、組電池12と、組電池監視回路22と、を有する。組電池モジュール101(3)は、組電池13と、組電池監視回路23と、を有する。組電池モジュール101(4)は、組電池14と、組電池監視回路24と、を有する。なお、以下の説明では、主として、組電池モジュール101(1)の機能ブロックについて説明するが、組電池モジュール101(2)〜101(4)の機能ブロックも同様の構成となっている。
組電池監視回路21は、コネクタ51を介して電池管理装置60と接続された第1通信部211と、組電池監視回路22の第1通信部211と接続された第2通信部212と、を有している。また、組電池監視回路22の被駆動部218は、コネクタ51を介して電池管理装置60と接続されかつ組電池監視回路21の第2通信部212と接続された第1通信部211と、組電池監視回路23の第1通信部211と接続された第2通信部212と、を有している。また、組電池監視回路23の被駆動部218は、コネクタ51を介して電池管理装置60と接続されかつ組電池監視回路22の第2通信部212と接続された第1通信部211と、組電池監視回路24の第1通信部211と接続された第2通信部212と、を有している。また、組電池監視回路24の被駆動部218は、コネクタ51を介して電池管理装置60と接続されかつ組電池監視回路23の第2通信部212と接続された第1通信部211と、組電池監視回路24よりも高電位側に接続された組電池監視回路がある場合に当該組電池監視回路に接続された第2通信部212と、を有している。
なお、組電池監視回路21,22間の第1通信部211と第2通信部212とを接続し、かつ組電池監視回路23,24間の第1通信部211と第2通信部212とを接続することにより、組電池監視回路21,23の第1通信部211が、コネクタ51を介して電池管理装置60に接続されるようにしても良い。この場合、組電池監視回路21,22は互いの第1通信部211および第2通信部212を介して接続され双方向通信が可能であり、また組電池監視回路23,24も互いの第1通信部211および第2通信部212を介して接続され双方向通信が可能である。
より具体的には、組電池監視回路21,22を接続する場合、組電池監視回路21の第1通信部211の情報入力出力端子は、コネクタ51を介して電池管理装置60に接続される。組電池監視回路21の第2通信部212の情報入力出力端子は、組電池監視回路22の第1通信部211の情報入力出力端子に接続される。
また、組電池監視回路23,24を接続する場合、組電池監視回路23の第1通信部211の情報入力出力端子は、コネクタ51を介して電池管理装置60に接続される。組電池監視回路23の第2通信部212の情報入力出力端子は、組電池監視回路24の第1通信部211の情報入力出力端子に接続される。
また、組電池監視回路21は、制御部217、温度検出部214、および診断用回路216を備える。
制御部217は、組電池監視回路21の全体の動作を制御するものである。本実施形態では、制御部217は、組電池11が有する二次電池セル11(1)〜11(x)の二次電池セル毎の電圧(以下、セル電圧とする)を検出する。言い換えると、制御部217は、組電池11が有する二次電池セル11(1)〜11(x)それぞれの端子間の電圧をセル電圧として検出する。そして、制御部217は、検出した全てのセル電圧を表すセル電圧信号を、第1通信部211およびインタフェース回路604(図3参照)を介して電池管理装置60に入力する。
さらに、制御部217は、インタフェース回路604(図3参照)を介して制御回路CTR(図3参照)から入力される放電信号に応じて、組電池11が有する二次電池セル11に蓄えられた電力を放電して、二次電池セル11に蓄えられた電力の電圧を均等化する均等化処理を行う。二次電池装置では、二次電池セルの充放電や温度のばらつきなどにより、組み合わされた二次電池セル間の電圧が不均等となってくることが知られている。二次電池セル間の電圧が不均等になることにより、二次電池装置としての機能を最大に発揮できるような効率の良い充放電を行うことができなくなってくる。
均等化処理せずに蓄えられた電力の電圧が高い二次電池セルが存在する状態で充電を行うと、蓄えられた電力の電圧が低い二次電池セルが満充電状態にならないまま、蓄えられた電力の電圧が高い二次電池セルが早く満充電状態となり、全体充電が完了することがある。そこで、充電を行うに際して、制御部217により、二次電池セル間の電圧を均等化処理する必要がある。
診断用回路216は、組電池モジュール101(1)の異常を通知する信号であって、予め設定された基本周波数でハイレベルまたはロウレベルに切り換わる脈動信号(矩形波信号)を出力する。
温度検出部214は、組電池11が有する二次電池セル11(1)〜11(x)の二次電池セル毎または複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する。そして、温度検出部214は、検出した温度を表す温度信号を、第1通信部211およびインタフェース回路604(図3参照)を介して電池管理装置60に入力する。
図3は、本実施形態にかかる電池管理装置の全体ブロックを示す図である。図3に示すように、電池管理装置60は、電流検出回路602と、コネクタ51を介して組電池監視回路21〜24の第1通信部211と接続されたインタフェース回路604と、組電池監視回路21〜24の診断用回路216から入力された脈動信号および制御回路CTRから送信されたアラート信号を受信しかつ組電池モジュール101(1)〜101(4)および電池管理装置60における異常を表すアラート信号を出力するアラートシグナルプロセッサ605と、外部電源70から電源電圧の電力が供給される電源供給管理部606と、スイッチ駆動回路608と、メモリ607と、二次電池装置の動作を制御する制御回路(MPU:Micro Processing Unit)CTRと、を備えている。
メモリ607は、例えばEEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)である。メモリ607は、制御回路CTRの動作を規定するプログラムが記録されている。
組電池監視回路21〜24からインタフェース回路604には、制御部217から入力されたセル電圧信号、温度検出部214から入力された温度信号、診断用回路216から入力された脈動信号が、コネクタ51を介して供給される。インタフェース回路604から組電池監視回路21〜24には、制御回路CTRから送信された各種信号(例えば、ロジック信号など)がコネクタ51を介して入力される。
インタフェース回路604は、制御部217から入力された電圧信号、温度検出部213から入力された温度信号等を双方向シリアル通信により制御回路CTRに供給し、診断用回路216から入力された脈動信号をアラートシグナルプロセッサ605に供給する。
アラートシグナルプロセッサ605は、インタフェース回路604から供給された脈動信号および制御回路CTRから供給されたアラート信号が正常か異常かを判断する。脈動信号または制御回路CTRから供給されたアラート信号が正常である場合には、アラートシグナルプロセッサ605は、予め設定された周波数でハイレベルまたはロウレベルに切り換わるアラート信号を出力する。脈動信号または制御回路CTRから供給されたアラート信号がハイレベルに切り換わったままである場合には、アラートシグナルプロセッサ605は、例えば、正常時のロウレベルのアラート信号をハイレベルのアラート信号として出力する。
アラートシグナルプロセッサ605から出力されたアラート信号は、制御回路CTR、スイッチ駆動回路608、およびコネクタCN2を介して接続された電気制御装置71に供給される。
スイッチ駆動回路608は、制御回路CTRの制御により、スイッチ装置33のプリチャージスイッチSWPの動作を制御する信号S1と、メインスイッチSWMの動作を制御する信号S2とを出力する。
信号S1,S2は、コネクタCN1を介してスイッチ装置33(図1参照)に供給される。プリチャージスイッチSWPおよびメインスイッチSWMは、信号S1,S2によってオンまたはオフするリレー回路である。
例えば、脈動信号が異常である場合には、制御回路CTRは、供給されたアラート信号により対応する組電池監視回路に異常があると判断し、スイッチ駆動回路608を制御して、プリチャージスイッチSWPおよびメインスイッチSWMをオフさせる。
電源供給管理部606は、電流検出回路602、アラートシグナルプロセッサ605、メモリ607、および制御回路CTRに電力を供給する。電源供給管理部606は、制御回路CTRへの電力の供給をオンまたはオフする切替回路606Sと、当該切替回路606Sに対して起動を指示するウェイクアップ信号を切替回路606Sに出力するタイマTMと、を備えている。
タイマTMには、外部電源70により印加された12Vの電源電圧がタイマTMの前段に配置されたDC/DC変換回路CAにより5Vの直流電圧に変換されて印加される。そして、タイマTMは、印加された5Vの直流電圧の電力により駆動して、切替回路606Sにウェイクアップ信号を出力する。切替回路606Sには、スタート信号STA、外部充電器信号CHG、および制御回路CTRからの切替制御信号、タイマTMからのウェイクアップ信号、および外部電源70からの電力が供給されている。
なお、タイマTMからのウェイクアップ信号は、設定された時間毎にハイレベルとなる信号である。ウェイクアップ信号がハイレベルとなるタイミングは制御回路CTRによって設定される。
ところで、電池管理装置60には、コネクタCN1を介して、電源電圧、スタート信号STA、および外部充電器信号CHGが、外部電源70、モータ45の駆動を指示するスタートボタン(図示しない)が押下されたことを検知するスタート検知部(図示しない)、および外部充電器(図示しない)から供給されている。また、電池管理装置60は、コネクタCN2を介して、電気制御装置71との間で信号の送信および受信を行っている。
スタート信号STAは、スタート検知部(図示しない)によりスタートボタン(図示しない)が押下されたことが検知されるとハイレベルとなり、再度スタートボタン(図示しない)が押下されたことが検知されるとロウレベルとなる信号である。外部充電器信号CHGは、外部充電器が二次電池装置に接続されたらハイレベルとなり、接続が解除されたらロウレベルとなる信号である。ウェイクアップ信号、スタート信号STA、および外部充電器信号CHGは、制御回路CTRにも供給されている。
なお、二次電池装置が車両以外の機器に搭載される場合には、スタート信号STAは、二次電池装置が搭載された機器の電源オン操作が成された場合にハイレベルとなり、電源オフ操作が成された場合にはロウレベルとなる信号となる。
スタート信号STA、外部充電器信号CHG、およびウェイクアップ信号のうち少なくとも1つがハイレベルとなることにより、切替回路606Sは、外部電源70から印加された電源電圧を内部のDC/DC変換回路によって5Vの直流電圧に変換して、アラートシグナルプロセッサ605および制御回路CTRに印加する。
また、スタート信号STA、外部充電器信号CHG、およびウェイクアップ信号のうち少なくとも1つがハイレベルとなることにより、切替回路606Sは、外部電源70から供給された電源電圧を内部のDC/DC変換回路によって所定の大きさの直流電圧に変換して、電流検出回路602に印加する。
制御回路CTRには、タイマTMからウェイクアップ信号が供給され、コネクタCN1を介してスタート信号STA、および外部充電器信号CHGが供給される。そのため、制御回路CTRは、切替回路606Sにより5Vの直流電圧が印加された場合に、供給された信号のうちいずれの信号がハイレベルになったかを検出することにより、いずれの信号がハイレベルになったことにより切替回路606Sがオンされたかを確認することができる。いずれの信号により電力が供給されたかを確認できたら、制御回路CTRは、切替制御信号をオンとし、切替回路606Sから電力が供給されている状態を維持させる。
また、制御回路CTRは、ウェイクアップ信号、スタート信号STA、および外部充電器信号CHGを監視し、全ての信号がロウレベルになると、切替制御信号をロウレベルとし、切替回路606Sをオフさせる。したがって、制御回路CTR、アラートシグナルプロセッサ605、および電流検出回路602への電力の供給が停止される。
制御回路CTRは、エネルギー偏差算出部601および放電時間換算部603を備える。エネルギー偏差算出部601は、制御部217から入力された電圧信号を、第1通信部211およびインタフェース回路604を介して取り込むとともに、電流検出回路602から入力された電流信号を取り込む。
放電時間換算部603は、取り込まれた電圧信号が表すセル電圧が予め定めた特定電圧に到達するまでの到達時間と、取り込まれた電流信号が表す電流値とから二次電池セル間の容量差を算出し、算出した容量差および到達時間から、二次電池セルの残り容量を同じにするため(すなわち、制御部217により均等化処理を行うため)の各二次電池セルの放電時間を算出する。
さらに、制御回路CTRは、組電池監視回路21〜24に動作を制御するための信号をインタフェース回路604に供給する。具体的には、制御回路CTRは、スイッチ部SW1〜SW3(図4参照)のオンを指示する信号をインタフェース回路604に供給する。本実施形態では、制御回路CTRは、組電池モジュール101(1)〜101(4)が備える組電池11〜14の放電を指示する放電信号を、後述するスイッチ部SW1〜SW3のオンを指示する信号としてインタフェース回路604に供給する。
図4は、本実施形態にかかる組電池監視回路が備える制御部の構成例を示す図である。図5は、放電信号の入力が停止した際のキャパシタへの充電を説明するための図である。なお、図4には、組電池モジュール101(1)が有する組電池監視回路21が備える制御部217を示しているが、組電池モジュール101(2)〜101(4)が有する組電池監視回路21が備える制御部217も同様の構成を有している。なお、以下の説明では、説明を簡略化するために、組電池モジュール101(1)が、直列接続された3つの二次電池セル11(1)〜11(3)を有する組電池11を備える例について説明する。
制御部217は、抵抗R1(1)〜R1(7)、抵抗R2(1)〜R2(4)、キャパシタC1〜C3、スイッチ部SW1〜SW3、主制御部401、差分出力部402、検知部403、およびAD変換部404を備えている。
抵抗R1(1),R1(2)は、二次電池セル11(1)の両端(つまり、二次電池セル11(1)の正極端子および負極端子)に直列接続された分圧抵抗である。本実施形態では、抵抗R1(1),R1(2)は、互いに同じ抵抗値を有する抵抗により構成され、スイッチ部SW1がオンした場合、二次電池セル11(1)の電圧V1を抵抗R1(1),R1(2)により分圧した電圧を、主制御部401の入力端子T0に印加する。なお、本実施形態では、二次電池セル11(1)の両端には、2つの分圧抵抗(抵抗R1(1),R1(2))が直列接続されているが、二次電池セル11(1)の両端に複数の分圧抵抗を直列接続されていれば、これに限定するものではない。
抵抗R1(3),R1(4)は、二次電池セル11(2)の両端(つまり、二次電池セル11(2)の正極端子および負極端子)に直列接続された分圧抵抗である。本実施形態では、抵抗R1(3),R1(4)は、互いに同じ抵抗値を有する抵抗により構成され、スイッチ部SW2がオンした場合、二次電池セル11(2)の電圧V2を抵抗R1(3),R1(4)により分圧した電圧を、主制御部401の入力端子T1に印加する。なお、本実施形態では、二次電池セル11(2)の両端には、2つの分圧抵抗(抵抗R1(3),R1(4))が直列接続されているが、二次電池セル11(2)の両端に複数の分圧抵抗を直列接続されていれば、これに限定するものではない。
抵抗R1(5),R1(6)は、二次電池セル11(3)の両端(つまり、二次電池セル11(3)の正極端子および負極端子)に直列接続された分圧抵抗である。本実施形態では、抵抗R1(5),R1(6)は、互いに同じ抵抗値を有する抵抗により構成され、スイッチ部SW3がオンした場合、二次電池セル11(3)の電圧V3を抵抗R1(5),R1(6)により分圧した電圧を、主制御部401の入力端子T2に印加する。なお、本実施形態では、二次電池セル11(3)の両端には、2つの分圧抵抗(抵抗R1(5),R1(6))が直列接続されているが、二次電池セル11(3)の両端に複数の分圧抵抗を直列接続されていれば、これに限定するものではない。
抵抗R2(1)は、主制御部401の入力端子T0に入力される信号(二次電池セル11(1)の負極端子の電圧を表す信号)の周波数から高い周波数を取り除く一次ローパスフィルタの一部である。また、抵抗R2(1)は、スイッチ部SW1がオフしている場合には、アナログ入力端子AINをハイインピーダンスにする。
抵抗R2(2)は、主制御部401の入力端子T1に入力される信号(二次電池セル11(2)の負極端子の電圧を表す信号)の周波数から高い周波数を取り除く一次ローパスフィルタの一部である。抵抗R2(3)は、主制御部401の入力端子T2に入力される信号(二次電池セル(3)の負極端子の電圧を表す信号)の周波数から高い周波数を取り除く一次ローパスフィルタの一部である。抵抗R1(7),R2(4)は、主制御部401の入力端子T3に入力される信号(二次電池セル11(3)の正極端子の電圧を表す信号)の周波数から高い周波数を取り除く一次ローパスフィルタの一部である。
スイッチ部SW1は、複数の抵抗R1(1),R1(2)に直列接続され、オンを指示する信号が入力された場合にオンして二次電池セル11(1)と複数の抵抗R1(1),R1(2)とを電気的に接続する。これにより、二次電池セル11(1)の電圧V1を複数の抵抗R1(1),R1(2)により分圧した電圧が、主制御部401の入力端子T0に印加される。本実施形態では、スイッチ部SW1は、MOSトランジスタ、PNP型トランジスタ、NPN型トランジスタ等によって構成され、複数の抵抗R1(1),R1(2)の間に接続されている。そして、スイッチ部SW1は、放電信号が入力された場合にオンして、二次電池セル11(1)と複数の抵抗R1(1),R1(2)とを電気的に接続して当該複数の抵抗R1(1),R1(2)を放電抵抗として機能させる。
スイッチ部SW2は、複数の抵抗R1(3),R1(4)に直列接続され、オンを指示する信号が入力された場合にオンして二次電池セル11(2)と複数の抵抗R1(3),R1(4)とを電気的に接続する。これにより、二次電池セル11(2)の電圧V2を複数の抵抗R1(3),R1(4)により分圧した電圧が、主制御部401の入力端子T1に印加される。本実施形態では、スイッチ部SW2は、MOSトランジスタ、PNP型トランジスタ、NPN型トランジスタ等によって構成され、複数の抵抗R1(3),R1(4)の間に接続されている。そして、スイッチ部SW2は、放電信号が入力された場合にオンして、二次電池セル11(2)と複数の抵抗R1(3),R1(4)とを電気的に接続して当該複数の抵抗R1(3),R1(4)を放電抵抗として機能させる。
スイッチ部SW3は、複数の抵抗R1(5),R1(6)に直列接続され、オンを指示する信号が入力された場合にオンして二次電池セル11(3)と複数の抵抗R1(5),R1(6)とを電気的に接続する。これにより、二次電池セル11(3)の電圧V3を複数の抵抗R1(5),R1(6)により分圧した電圧が、主制御部401の入力端子T2に印加される。本実施形態では、スイッチ部SW3は、MOSトランジスタ、PNP型トランジスタ、NPN型トランジスタ等によって構成され、複数の抵抗R1(5),R1(6)の間に接続されている。そして、スイッチ部SW3は、放電信号が入力された場合にオンして、二次電池セル11(3)と複数の抵抗R1(5),R1(6)とを電気的に接続して当該複数の抵抗R1(5),R1(6)を放電抵抗として機能させる。
キャパシタC1は、少なくとも一端が複数の抵抗R1(1),R1(2)の間に接続されている。そして、キャパシタC1は、スイッチ部SW1がオフしている場合には、二次電池セル11(1)と並列接続され、スイッチ部SW1がオンしている場合には、複数の抵抗R1(1),R1(2)のうち一部の分圧抵抗およびスイッチ部SW1と並列接続される。本実施形態では、キャパシタC1は、一端が抵抗R1(1),R1(2)の間に接続され、他端が二次電池セル11(1)の正極端子に接続されている。そして、キャパシタC1は、スイッチ部SW1がオフしている場合には、二次電池セル11(1)と並列に接続される。一方、キャパシタC1は、スイッチ部SW1がオンしている場合には、抵抗R1(2)およびスイッチ部SW1と並列接続される。
キャパシタC2は、少なくとも一端が複数の抵抗R1(3),R1(4)の間に接続されている。そして、キャパシタC2は、スイッチ部SW2がオフしている場合には、二次電池セル11(2)と並列接続され、スイッチ部SW2がオンしている場合には、複数の抵抗R1(3),R1(4)のうち一部の分圧抵抗およびスイッチ部SW1と並列接続される。本実施形態では、キャパシタC2は、一端が抵抗R1(3),R1(4)の間に接続され、他端が二次電池セル11(2)の正極端子に接続されている。そして、キャパシタC2は、スイッチ部SW2がオフしている場合には、二次電池セル11(2)と並列に接続される。一方、キャパシタC2は、スイッチ部SW2がオンしている場合には、抵抗R1(4)およびスイッチ部SW2と並列接続される。
キャパシタC3は、少なくとも一端が複数の抵抗R1(5),R1(6)の間に接続されている。そして、キャパシタC3は、スイッチ部SW3がオフしている場合には、二次電池セル11(3)と並列接続され、スイッチ部SW3がオンしている場合には、複数の抵抗R1(5),R1(6)のうち一部の抵抗およびスイッチ部SW3と並列接続される。本実施形態では、キャパシタC3は、一端が抵抗R1(5),R1(6)の間に接続され、他端が二次電池セル11(3)の正極端子に接続されている。そして、キャパシタC3は、スイッチ部SW3がオフしている場合には、二次電池セル11(3)と並列に接続される。一方、キャパシタC3は、スイッチ部SW3がオンしている場合には、抵抗R1(6)およびスイッチ部SW3と並列接続される。
主制御部401は、入力端子T0〜T3,T7、出力端子T4〜T6、アナログ入力端子AIN、およびグランド端子GNDを有している。
入力端子T0は、スイッチ部SW1がオフしている場合には、二次電池セル11(1)の負極端子の電圧が印加される。一方、入力端子T0は、スイッチ部SW1がオンしている場合には、二次電池セル11(1)の正極端子の電圧V1を、複数の抵抗R1(1),R1(2)により分圧された電圧が印加される。
入力端子T1は、スイッチ部SW2がオフしている場合には、二次電池セル11(2)の負極端子(二次電池セル11(1)の正極端子)の電圧が印加される。一方、入力端子T1は、スイッチ部SW2がオンしている場合には、二次電池セル11(2)の正極端子の電圧V2を、複数の抵抗R1(3),R1(4)により分圧された電圧が印加される。
入力端子T2は、スイッチ部SW3がオフしている場合には、二次電池セル11(3)の負極端子(二次電池セル11(2)の正極端子)の電圧が印加される。一方、入力端子T2は、スイッチ部SW3がオンしている場合には、二次電池セル11(3)の正極端子の電圧V3を、複数の抵抗R1(5),R1(6)のにより分圧された電圧が印加される。
入力端子T3は、二次電池セル11(3)の正極端子の電圧V3が印加される。入力端子T7は、二次電池セル11(1)〜11(3)の電圧V1〜V3を合計した電圧が印加される。
出力端子T4〜T6は、インタフェース回路604を介して制御回路CTRから入力された放電信号(オンを指示する信号)をスイッチ部SW1〜SW3に出力する。
アナログ入力端子AINは、スイッチ部SW1がオフしている場合には、ハイインピーダンスになる。グランド端子GNDは、グランドに接続された端子である。
また、主制御部401は、検出部401a、故障検知部401b、充電スイッチ部401c、電圧選択出力部401d、および供給源401eを備えている。検出部401aは、入力端子T0に印加された電圧および入力端子T1に印加された電圧から、キャパシタC1の両端の電圧を検出する。本実施形態では、検出部401aは、入力端子T0に印加された電圧と入力端子T1に印加された電圧の差分を、キャパシタC1の電圧として検出する。検出部401aは、キャパシタC2の電圧についても、同様にして、入力端子T1に印加された電圧および入力端子T2に印加された電圧から検出する。また、検出部401aは、キャパシタC3の電圧についても、同様にして、入力端子T2に印加された電圧および入力端子T3に印加された電圧から検出する。
故障検知部401bは、オンを指示する信号が入力された際に検出された電圧が複数の抵抗R1(1),R1(2)の分圧比に基づく一部の抵抗の電圧より高い場合、および当該信号が入力されていない間に検出された電圧が二次電池セル11(1)の電圧未満である場合に、スイッチ部SW1の故障を検知する。本実施形態では、故障検知部401bは、放電信号が入力された際に検出された電圧が、二次電池セル11(1)の電圧を抵抗R1(1),R1(2)の分圧比に基づいて分圧した抵抗R1(2)の電圧より高い場合に、スイッチ部SW1の故障を検知する。一方、故障検知部401bは、放電信号が入力されていない間に検出された電圧が、二次電池セル11(1)の電圧未満である場合に、スイッチ部SW1の故障を検知する。なお、故障検知部401bは、スイッチ部SW2およびスイッチ部SW3の故障についても同様に検知する。
また、故障検知部401bは、アナログ入力端子AINの抵抗値から、スイッチ部SW1の故障の故障を検知する。具体的には、故障検知部401bは、放電信号が入力された場合にアナログ入力端子AINがハイインピーダンスになっている場合には、スイッチ部SW1がオンしない故障を検知する。また、故障検知部401bは、放電信号が入力されない場合にアナログ入力端子AINがハイインピーダンスになっていない場合には、スイッチ部SW1がオフしない故障を検知する。
供給源401eは、複数の二次電池セル11(1)〜11(3)からの電流を供給する。本実施形態では、供給源401eは、チャージポン昇圧回路等により構成され、二次電池セル11(1)のセル電圧、二次電池セル11(2)のセル電圧、および二次電池セル11(3)のセル電圧を合計した総電圧(つまり、組電池11が有する二次電池セルの電圧を合計した電圧)を用いて生成した電流を供給する。充電スイッチ部401cは、図5に示すように、放電信号が入力されていない場合に、供給源401eとキャパシタC1とを電気的に接続して、供給源401eから供給された電流をキャパシタC1〜C3に供給する。これにより、スイッチ部SW1〜3がオフして、キャパシタC1〜C3に電力を供給する際に、二次電池セル11(1)の電力に加えて、二次電池セル11(2),11(3)の電力をキャパシタC1〜C3に供給することができるので、キャパシタC1〜C3を高速に充電することができる。
例えば、放電信号が入力されてスイッチ部SW1が正常にオンした場合、キャパシタC1の両端の電圧は、二次電池セル11(1)のセル電圧を、抵抗R1(1),R1(2)により分圧された電圧となる。そのため、放電信号が入力されてスイッチ部SW1が正常にオンした場合のキャパシタC1に蓄えられる電荷量と、放電信号が入力されずスイッチ部SW1が正常にオフした場合のキャパシタC1に蓄えられる電荷量とには、Q=CV/2の差が生じる。ここで、Vは、二次電池セル11(1)のセル電圧を表している。そのため、1つの二次電池セルからキャパシタC1に供給される電流をIとし、充電スイッチ部401cをオンして、二次電池セル11(1)に加えて二次電池セル11(2)からキャパシタC1に電流2Iを供給した場合、キャパシタC1への充電が完了するために必要な時間は、T=CV/2Iとなり、1つの二次電池セルからキャパシタC1に電流を供給する時間の半分となるため、キャパシタC1の充電を高速に行なうことができる。
電圧選択出力部401dは、マルチプレクサ等により構成され、二次電池セル11(1)〜11(3)の両端(正極端子、および負極端子)に接続された複数のスイッチ部(図示しない)を有し、スイッチ部(図示しない)をオンまたはオフすることにより、複数の二次電池セル11(1)〜11(3)のうちいずれか一つの二次電池セルの両端の電圧を表す電圧信号を選択的に出力する。
差分出力部402は、電圧選択出力部401dから出力された電圧信号が表す二次電池セルの両端の電圧の差分を表す差分信号を出力する。検知部403は、差分出力部402から出力された差分信号が表す差分から、電圧選択出力部401aが備えるスイッチ部(図示しない)の故障を検知する。AD変換器404は、検知部403による検知結果を表すアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。
ここで、放電信号が入力された場合および放電信号が入力されていない場合におけるキャパシタC1の電圧の変化について説明する。図6は、放電信号が入力された場合および放電信号が入力されていない場合におけるキャパシタの電圧の変化を説明する図である。なお、以下の説明では、スイッチ部SW1に放電信号が入力された場合およびスイッチ部SW1に放電信号が入力されなかった場合のキャパシタC1の電圧の変化について説明するが、スイッチ部SW2,SW3に放電信号が入力された場合およびスイッチ部SW2,SW3に放電信号が入力されなかった場合のキャパシタC2,C3の電圧も同様に変化する。また、以下の説明では、二次電池セル11(1)〜11(3)のセル電圧が全て3Vであり、かつ抵抗R1(1),R1(2)の分圧比が1/2である場合における、キャパシタC1の両端の電圧の変化について説明する。
まず、スイッチ部SW1に放電信号が入力された場合のコンデンサC1の電圧の変化について説明する。放電信号が入力されてスイッチ部SW1が正常にオンした場合、二次電池セル11(1)のセル電圧は、抵抗R1(1),R1(2)によって1/2に分圧される。この場合、検出部401aは、キャパシタC1と並列接続される抵抗R1(2)と同じ電圧(1.5V)を、キャパシタC1の両端の電圧として検出する。そのため、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオンしたと判断する。また、放電信号の入力が停止してスイッチ部SW1が正常にオフした場合、検出部401aは、キャパシタC1と二次電池セル11(1)とが直列接続されるため、二次電池セル11(1)の電圧(3V)を、キャパシタC1の両端の電圧として検出する。そのため、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオフしたと判断する。
これに対し、スイッチ部SW1に放電信号が入力されたにも関わらずスイッチ部SW1が正常にオンせずスイッチ部SW1への電流の流れ込みが制限された場合、スイッチ部SW1が抵抗として機能するため、二次電池セル11(1)の電圧は、スイッチ部SW1、および抵抗R1(1),R1(2)によって分圧される。この場合、検出部401aは、キャパシタC1と並列接続される抵抗R1(2)の電圧とスイッチ部SW1の電圧とを合計した電圧(つまり、1.5Vより高い電圧)を、キャパシタC1の両端の電圧として検出する。そのため、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオンしない開放故障と判断する。
なお、検出部401aにより検出されるキャパシタC1の両端の電圧が、スイッチ部SW1に放電信号が入力されているか否かに関わらず、抵抗R1(1),R1(2)により分圧された電圧(1.5V)である場合には、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオフしない短絡故障(言い換えると、スイッチ部SW1がオンしたままの故障)と判断する。
また、スイッチ部SW1への放電信号の入力が停止したにも関わらずスイッチ部SW1が正常にオフせずにスイッチ部SW1への電流の流れ込みが発生している場合、二次電池セル11(1)の電圧は、スイッチ部SW1、および抵抗R1(1),R1(2)によって分圧される。この場合、検出部401aは、キャパシタC1と並列接続される抵抗R1(2)の電圧とスイッチ部SW1の電圧とを合計した電圧(つまり、1.5Vより高く、3V未満)を、キャパシタC1の両端の電圧として検出する。そのため、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオフしない短絡故障と判断する。
なお、検出部401aにより検出されるキャパシタC1の両端の電圧が、スイッチ部SW1に放電信号が入力されているか否かに係らず、二次電池セル11(1)の電圧(3V)である場合には、故障検知部401bは、スイッチ部SW1が正常にオンしない開放故障と判断する。
このように本実施形態にかかる組電池モジュールによれば、放電信号が入力された際に検出されたキャパシタの両端の電圧が複数の分圧抵抗の分圧比に基づく一部の分圧抵抗の電圧より高い場合、および放電信号が入力されていない間に検出されたキャパシタの両端の電圧が二次電池セルのセル電圧未満である場合に、スイッチ部の故障を検知することにより、スイッチ部をオンして二次電池セルの放電を行なっている場合とスイッチ部がオフして二次電池セルの放電を行なっていない場合とでキャパシタの両端の電圧を変化させることができるので、スイッチ部が正常にオンまたはオフしているかを検知することができる。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。