JP6111848B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックを複数直列に連結した蓄電装置において、蓄電スタック間を跨いで設けられる電圧検出回路で各蓄電素子の電圧を検出する技術に関する。

複数の電池を直列に接続した組電池は、組電池全体の総電圧及び各電池の電圧を検出する電圧センサが設けられる（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−０８８１９４号公報 特開２００１−００６７５１号公報

車両の搭載される電池システムは、近年、高出力化が進んでいる。例えば、複数の電池を直列に接続した電池スタックをさらに複数直列に連結して組電池を構成することができる。しかしながら、電池スタック間の接続は、接続ラインやバスバー等の連結部材で連結され、電池スタック間の連結部の緩み（例えば、接続ラインや接点の経年変化による接続不良、接点間の接続不備やコネクタ同士の接続不備など）が生じると、連結部の抵抗が上昇してしまう。

このため、電池スタック間の連結部を跨いで電圧センサを設けて電池の電圧を検出しようとすると、連結部の抵抗又は連結部の緩み等による抵抗上昇によって電圧を正確に検出できないことがある。例えば、連結部を跨いで電池の電圧検出値を検出すると、連結部の抵抗分が検出誤差として含まれてしまう。また、連結部を跨いた電池の電圧検出値には、電池抵抗と連結部の抵抗とが含まれるため、連結部の抵抗上昇（連結部の緩み等に伴う抵抗異常）を把握することが難しく、電池スタック間の連結部に緩み等が生じていることを把握することができない。

そこで、本発明の目的は、複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックを複数直列に連結した蓄電装置において、蓄電スタック間の連結部を跨いで設けられる電圧検出回路による電圧検出を精度良く行いつつ、蓄電スタック間の連結部の異常を把握することができる蓄電システムを提供することにある。

本願第１の発明の蓄電システムは、複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックが複数直列に連結された蓄電装置と、蓄電スタック間の連結部を跨いで接続され、複数の蓄電素子の電圧を検出する電圧検出回路と、を有する。電圧検出回路は、第１蓄電スタックの連結部側の端部に配置される第１蓄電素子の正極及び負極それぞれに接続され、第１蓄電素子の電圧を検出するための一対の電圧検出ラインと、第２蓄電スタックの連結部側の端部に配置される第２蓄電素子の正極及び負極それぞれに接続され、第２蓄電素子の電圧を検出するための一対の電圧検出ラインと、を備えており、第１蓄電素子の負極に接続される上記電圧検出ラインである第１電圧検出ラインと、第２蓄電素子の正極に接続される上記電圧検出ラインである第２電圧検出ラインとを用いて、蓄電スタック間の連結部の電圧を検出する。

そして、第１電圧検出ライン及び第２電圧検出ラインが接続される蓄電スタック間の連結部には、電圧検出回路に対する第１保護回路を設けることができる。第１保護回路は、第１電圧検出ライン及び第２電圧検出ラインを介して連結部に並列に接続される逆電流保護素子と、逆電流保護素子に対して向かい合わせに配置される過電圧保護素子と、逆電流保護素子及び過電圧保護素子に直列に接続される抵抗と、を含むように構成される。

本願第１の発明によれば、蓄電スタック間を跨いで蓄電装置の各蓄電素子の電圧を検出する電圧検出回路は、連結部を介さないで第１蓄電スタックの連結部側の端部に配置される第１蓄電素子及び第２蓄電スタックの連結部側の端部に配置される第２蓄電素子それぞれの電圧を検出でき、かつ蓄電素子と独立して連結部の電圧検出を行うことができる。このように構成することで、蓄電スタックの連結部の影響が抑制され、蓄電素子の電圧を精度良く検出できるとともに、蓄電スタック間の連結部の緩み等に基づく電圧変化（抵抗上昇や抵抗異常）を把握することができる。そして、連結部の緩み等に伴う抵抗増加によって電圧検出回路に逆電流が流れることを防止することができるとともに、連結部に過電圧が印加された場合に過電圧に伴う電流が電圧検出回路に流れることを抑制することができる。

蓄電システムは、連結部の電圧検出値に基づいて連結部の異常を検出するコントローラをさらに有することができる。コントローラは、例えば、連結部の電圧検出値が所定の閾値を超える場合に、連結部に異常が生じたものとして判定することができる。

逆電流保護素子及び過電圧保護素子として、ツェナーダイオードを用いることができる。このとき、連結部を介して接続される第１蓄電素子の負極及び第２蓄電素子の正極に対して、逆電流保護素子である第１ツェナーダイオードを順方向に接続することができ、逆電流保護素子に対して向かい合わせに配置される過電圧保護素子である第２ツェナーダイオードを逆方向に接続することができる。

また、第１蓄電素子及び第２蓄電素子以外の蓄電素子それぞれには、電圧検出回路に対する第２保護回路を設けることができる。第２保護回路は、第１電圧検出ライン及び第２電圧検出ライン以外の電圧検出ラインを介して、第１蓄電素子及び第２蓄電素子以外の蓄電素子に並列に接続される過電圧保護素子と、過電圧保護素子に直列に接続される抵抗とを含むように構成することができる。このように構成することで、各蓄電素子に過電圧が印加された場合であっても、過電圧に伴う電流が蓄電素子から電圧検出回路に流れることを抑制することができる。

また、第２保護回路にも、過電圧保護素子と向かい合わせに逆電流保護素子を配置することができる。このように構成することで、蓄電素子間の電気接続に緩み等が生じて蓄電素子間の連結部の抵抗が増加しても、電圧検出ラインを介して電圧検出回路に逆電流が流れることを防止することができる。

上記蓄電システムにおいて、複数の蓄電スタックが直列に接続された蓄電装置に対し、複数の電圧検出回路を設けるように構成することができる。このとき、蓄電スタック間の連結部を跨いで第１蓄電スタック及び第２蓄電スタック双方の一部の各蓄電素子の電圧を検出するとともに、第１電圧検出ライン及び第２電圧検出ラインを介して、蓄電スタック間の連結部の電圧を検出する第１電圧検出回路と、第１蓄電スタックにおいて、第１電圧検出回路で電圧が検出される蓄電素子以外の各蓄電素子の電圧を検出する第２電圧検出回路と、第２蓄電スタックにおいて、第１電圧検出回路で電圧が検出される蓄電素子以外の各蓄電素子の電圧を検出する第３電圧検出回路と、を含むように構成することができる。

実施例１の車両に搭載される電池システムの構成を示す図である。 実施例１の電池スタック及び２つの電池スタックを跨いで接続される監視ユニットの構成を示す図である。 実施例１の電池スタック間の連結部の異常検出処理を示すフローチャートである。 実施例１の電池スタック間の連結部の異常によって生じる逆電流を説明するための図である。 実施例１の複数の電池スタックと監視ユニットとの接続例を示す図である。 実施例１における各単電池の保護回路の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例における電池システムについて、図１を用いて説明する。図１は、電池システムの構成を示す概略図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。本実施例では、ハイブリッド自動車を一例に説明しているが、例えば、車両を走行させる動力源として電池システム（組電池）だけを備えている電気自動車であってもよい。

電池システムは、組電池１０を有する。組電池１０の正極端子およびインバータ３１は、正極ライン（ケーブル）ＰＬを介して接続され、組電池１０の負極端子およびインバータ３１は、負極ライン（ケーブル）ＮＬを介して接続されている。正極ラインＰＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられており、負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。

インバータ３１（負荷）は、組電池１０から供給された直流電力を交流電力に変換する。インバータ３１には、モータ・ジェネレータ３２（交流モータ）が接続されており、モータ・ジェネレータ３２は、インバータ３１から供給された交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ３２は、車輪３３と接続されている。また、車両がハイブリッド自動車である場合は、車輪３３に不図示のエンジンが接続され、エンジンで生成された運動エネルギが車輪３３に伝達される。これにより、組電池１０やエンジンの出力を用いて、車両を走行させることができる。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ３２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ３１は、モータ・ジェネレータ３２が生成した交流電力を直流電力に変換して、組電池１０に供給する。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。また、ハイブリッド自動車の場合では、回生電力の加え、エンジンによりモータ・ジェネレータ３２を駆動させて電気エネルギを組電池１０に蓄えることもできる。

コントローラ５０は、インバータ３１およびモータ・ジェネレータ３２のそれぞれに制御信号を出力して、インバータ３１およびモータ・ジェネレータ３２の駆動を制御する。コントローラ５０は、各種の情報を記憶する不図示のメモリを備えることができる。メモリは、コントローラ５０に対して内蔵又は外付けされるように設けることができる。

なお、コントローラ５０は、インバータ３１及びモータ・ジェネレータ３２毎に設けることも可能であり、後述する電圧検出処理や組電池１０を構成する電池スタック間の接続領域（連結部）の異常検出処理を行うための別途のコントローラを、車両制御と独立して設けることも可能である。つまり、車両全体の制御を司る中央制御装置が、各部を制御したり、各部の制御毎の個別のコントローラを設けて中央制御装置が個別の各コントローラと接続される構成であってもよい。

また、コントローラ５０には、車両のイグニッションスイッチのオン／オフ（ＩＧ−ＯＮ，ＩＧ−ＯＦＦ）に関する情報が入力される。イグニッションスイッチのオン／オフに基づいて、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇに制御信号を出力することにより、各システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンおよびオフの間で切り替えられる。

コントローラ５０は、車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わると、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからがオンに切り替え、組電池１０とインバータ３１とを接続する。これにより、図１に示す電池システムは、起動状態（Ｒｅａｄｙ−Ｏｎ）となる。

一方、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わると、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替え、組電池１０とインバータ３１との接続を遮断する。これにより、図１に示す電池システムは、停止状態（Ｒｅａｄｙ−Ｏｆｆ）となる。

監視ユニット４０は、組電池１０の電圧値を検出したり、組電池１０に含まれる単電池１１の各電圧値を検出したりして、検出結果をコントローラ５０に出力する。後述するように、組電池１０が複数の電池スタックで構成されている場合は、各電池スタック毎に電圧を検出することもできる。

なお、図１に示す電池システムにおいて、電流センサや温度センサを設けることもできる（不図示）。組電池１０の電流経路上に設けられる電流センサは、組電池１０に流れる充放電電流を検出し、検出結果をコントローラ５０に出力することができる。また、組電池１０に設けられる温度センサは、組電池１０の電池温度を検出して、検出結果をコントローラ５０に出力することができる。

コントローラ５０は、監視ユニット４０の検出値、電流値等に基づいて組電池１０の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出したり、組電池１０の出入力電力を把握することができ、車両出力要求に応じた充放電制御を行うことができる。

なお、本実施例の組電池１０は、インバータ３１に直接接続されているが、これに限るものではない。具体的には、組電池１０およびインバータ３１の間の電流経路に、昇圧回路を配置することができる。これにより、昇圧回路は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ３１に供給することができる。また、昇圧回路は、インバータ３１の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に供給することができる。

組電池１０は、外部電源を用いて充電することもできる。外部電源とは、車両の外部において、車両とは別に設けられた電源であり、外部電源としては、例えば、商用電源を用いることができる。商用電源を用いるときには、交流電力を直流電力に変換する不図示の充電器が必要となる。充電器は、車両の外部において、車両とは別に設けることもできるし、図１に示す電池システムに追加することもできる。

次に、本実施例の電池システムの組電池１０及び監視ユニット４０の構成について詳細に説明する。

組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池（蓄電素子に相当する）１１を有する。組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力等に基づいて、適宜設定することができる。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。

また、本実施例では、図１に示すように、複数の単電池１１を直列に接続した電池スタック１０Ａ，１０Ｂ（蓄電スタックに相当する）を直列に接続して組電池１０を構成している。電池スタック１０Ａと電池スタック１０Ｂは、連結ラインＭＬで直列に接続されている。

つまり、本実施例の組電池１０は、複数の単電池１１を直列に接続した単電池群として構成される複数の電池スタックを複数直列に接続して構成されている。図１の例において、電池スタック１０Ａの正極端子が組電池１０の正極端子であり、電池スタック１０Ｂの負極端子が組電池１０の負極端子となる。そして、電池スタック１０Ａの負極端子と電池スタック１０Ｂの正極端子が連結ラインＭＬで接続されている。

連結ラインＭＬは、一端が電池スタック１０Ａの負極端子、言い換えれば、電池スタック１０Ａの負極端子側の端部に配置される単電池１１の負極端子と接続され、他端が電池スタック１０Ｂの正極端子、言い換えれば、電池スタック１０Ｂの正極端子側の端部に配置される単電池１１の正極端子に接続される。本実施例の連結ラインＭＬは、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を電気的に直列に接続する接続ラインであり、正極ラインＰＬや負極ラインＮＬと同様の接続ラインとして構成されている。

図２は、組電池１０に接続される監視ユニットの構成を示す図である。監視ユニット（電圧検出回路に相当する）４０は、複数の電圧検出ラインＬ１，Ｌ２介して、各単電池１１と接続されている。なお、図２では省略しているが、監視ユニット４０および単電池１１の間に位置する電圧検出ラインＬ１，Ｌ２には、スイッチを設けることができる。このスイッチとしては、例えば、フォトＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）リレーを用いることができる。

図２に示すように、本実施例の監視ユニット４０は、組電池１０を構成する２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで組電池１０に接続されており、双方の電池スタック１０Ａ，１０Ｂの各単電池の電圧それぞれを検出する。監視ユニット４０は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの連結部を跨いで連結部前後の電池スタック１０Ａ，１０Ｂ双方の各単電池１１の電圧を検出する１つの電圧検出回路として構成されている。

２つの電圧検出ラインＬ１は、組電池１０の正極端子および負極端子のそれぞれに接続されている。組電池１０の正極端子は、図２に示す２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂが直列に接続された組電池１０の回路構成において、電池スタック１０Ａの一端に位置する単電池１１の正極端子に相当する。組電池１０の負極端子は、電池スタック１０Ｂの他端に位置する単電池１１の負極端子に相当する。

電圧検出ラインＬ２は、電気的に直列に接続された２つの単電池１１において、一方の単電池１１の負極端子と、他方の単電池１１の正極端子とに接続されている。電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２は、各単電池１１の電圧を検出する一対の電圧検出ラインを構成している。

各電圧検出ラインＬ１，Ｌ２には、抵抗Ｒが設けられている。許容電流値よりも大きな電流が抵抗Ｒに流れたとき、抵抗Ｒが溶断することにより、監視ユニット４０および組電池１０の電気的な接続を遮断することができる。これにより、組電池１０（単電池１１）から監視ユニット４０に過大な電流が流れてしまうことを抑制できる。

各単電池１１には、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２を介してツェナーダイオードＤが電気的に並列に接続されている。ツェナーダイオードＤのカソードは、単電池１１の正極端子と接続されており、カソードおよび正極端子の間の電流経路に抵抗Ｒが設けられている。ツェナーダイオードＤのアノードは、単電池１１の負極端子と接続されており、アノードおよび負極端子の間の電流経路に抵抗Ｒが設けられている。抵抗Ｒは、ツェナーダイオードＤに直列に接続されている。

ツェナーダイオードＤは、組電池１０から監視ユニット４０に過電圧が印加することを抑制するために用いられる。すなわち、組電池１０から監視ユニット４０に過電圧が印加されるときには、ツェナーダイオードＤに電流が流れることにより、監視ユニット４０に過電圧が印加されることを抑制する。ここで、複数の各ツェナーダイオードＤは、電気的に直列に接続されている。

本実施例のツェナーダイオードＤは、過電圧保護素子であり、直列に接続される単電池１１それぞれに対して電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２を介して並列に接続され、直列に接続される各抵抗Ｒと共に、電圧監視ユニット４０に過電圧が印加されることを抑制するための保護回路（第２保護回路に相当する）を構成している。なお、単電池１１及び電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部に対する各保護回路は、図２に示すように、監視ユニット４０内に含まれていてもよく、また、監視ユニット４０とは個別に、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ（組電池１０）と監視ユニット４０との間に設けられる保護回路として構成することもできる。

電圧検出ラインＬ１および電圧検出ラインＬ２には、電圧センサ４１が接続されている。また、各単電池１１の正極端子および負極端子と接続された２つの電圧検出ラインＬ２にも電圧センサ４１がそれぞれ個別に設けられている。電圧センサ４１は、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２を介して単電池１１の正負極の電位が入力され、各単電池１１の電位差（電圧）を検出する。電圧センサ４１から出力される検出信号は、ＡＤ変換された後にコントローラ５０に入力される。電圧センサ４１がＡ／Ｄ変換処理を行う場合は、電圧センサ４１からＡ／Ｄ変換後の検出信号がコントローラに入力される。これにより、コントローラ５０は、各単電池１１の電圧を検出することができる。

なお、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２を介して単電池１１と電気的に並列に接続される不図示のキャパシタを設け、電圧センサ４１がキャパシタに蓄えられた単電池１１の電荷（電圧）を、単電池１１の電圧値として検出するように構成することもできる。

また、本実施例では、電池スタック１０Ａの正極端子に接続される電圧検出ラインＬ１と電池スタック１０Ａの負極端子に接続されるＬ２（Ｌｎ）には、電圧センサ４１ａが接続されている。電圧センサ４１ａは、電池スタック１０Ａの端子間電圧を検出する。同様に、電池スタック１０Ｂの正極端子に接続される電圧検出ラインＬ２（Ｌｐ）と電池スタック１０Ｂの負極端子に接続されるＬ１には、電圧センサ４１ｂが接続され、電圧センサ４１ｂによって電池スタック１０Ｂの端子間電圧が検出される。さらに、電池スタック１０Ａの正極端子に接続される電圧検出ラインＬ１と電池スタック１０Ｂの負極端子に接続されるＬ１には、電圧センサ４１ｃが接続されており、電圧センサ４１ｃによって組電池１０の端子間電圧が検出される。電圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃの各検出結果は、コントローラ５０に出力される。

ここで、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部と監視ユニット４０との接続構成について詳細に説明する。図２に示すように、電池スタック１０Ａの連結部側の端部、すなわち、電池スタック１０Ａの負極端子側端部に配置される単電池１１Ａは、正極側が電池スタック１０Ａにおいて隣接する単電池１１との間に接続される電圧検出ラインＬ２と接続される。

一方、単電池１１Ａの負極側は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの他の単電池１１とは独立した電圧検出ラインＬｎ（第１電圧検出ラインに相当する）と接続されている。一対の電圧検出ラインＬ２と電圧検出ラインＬｎには、電圧センサ４１が接続されている。

また、電池スタック１０Ｂの連結部側の端部、すなわち、電池スタック１０Ｂの正極端子側端部に配置される単電池１１Ｂは、正極側が電池スタック１０Ａ，１０Ｂの他の単電池１１とは独立した電圧検出ラインＬｐ（第２電圧検出ラインに相当する）と接続され、負極側が電池スタック１０Ｂにおいて隣接する単電池１１との間に接続される電圧検出ラインＬ２と接続されている。単電池１１Ｂの正負極に接続される一対の電圧検出ラインＬｐと電圧検出ラインＬ２には、電圧センサ４１が接続されている。

そして、電圧検出ラインＬｎと電圧検出ラインＬｐには、各単電池１１の電圧を検出する電圧センサ４１とは独立して、電池スタック１０Ａの単電池１１Ａの負極側から電池スタック１０Ｂの単電池１１Ｂの正極側までのスタック間連結領域（スタック間連結部）の電圧を検出する電圧センサ４１が接続されている。

また、本実施例では、電池スタック１０Ａ，１０Ｂを直列に接続する連結部に対して、過電圧保護素子であるツェナーダイオードＤを電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐを介して並列に接続している。電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間においても、ツェナーダイオードＤに直列に接続される各抵抗Ｒを含み、電圧監視ユニット４０に過電圧が印加されることを抑制するための保護回路（第１保護回路に相当する）を設けている。

このように本実施例では、組電池１０を構成する複数の電池スタック１０Ａ，１０Ｂの連結領域において、連結ラインＭＬを介さずに電池スタック１０Ａの単電池１１Ａ及び電池スタック１０Ｂの単電池１１Ｂの各電圧をそれぞれ個別に検出している。このため、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を跨がずに単電池１１Ａ，１１Ｂそれぞれの電圧検出を行うことができ、連結ラインＭＬの抵抗を除外して単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を精度良く検出することができる。

例えば、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を連結する連結領域には、単電池１１Ａの負極端子と連結ラインＭＬの一端との接続点、単電池１１Ｂと連結ラインＭＬの他端との接続点、連結ラインＭＬを電池スタック１０Ａの負極端子から延びる第１連結ラインと電池スタック１０Ｂの正極端子から延びる第２連結ラインとを含むように構成し、第１連結ライン及び第２連結ラインの各端部をコネクタ等で接続する際の接続点などがある。

これらの連結領域における物理的な接点である各接続点は、組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部であり、その連結状態が緩んだり、経年変化によって連結箇所（接続点）が劣化する場合がある。特に、組電池１０（電池スタック１０Ａ，１０Ｂ）の交換作業やメンテナンス作業のとき、電池スタック１０Ａ及び電池スタックＢから連結ラインＭＬを取り外したり、電池スタックの交換作業後やメンテナンス後に電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士を電気的に接続するために、再度連結ラインＭＬを取り付ける。

このような電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結領域の物理的な取り外しや取り付けは、接続点の不十分な取り付けや、取り付け及び取り外しの繰り返しによる接続点の摩耗劣化などによって、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部に緩みを生じさせる。連結部の緩みは、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の電気抵抗となる。

図２の例において、例えば、単電池１１Ａの正極側に接続される電圧検出ラインＬ２と単電池１１Ｂの正極側に接続される電圧検出ラインＬｐを介し、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を跨いで単電池１１Ａの電圧を検出する。この場合、連結部が緩み等によって抵抗が上昇していると、連結部の抵抗上昇分が単電池１１Ａの電圧検出値に含まれてしまい、正確な電圧検出を行うことができない。単電池１１Ａの負極側に接続される電圧検出ラインＬｎと単電池１１Ｂの負極側に接続される電圧検出ラインＬ２を介し、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を跨いで単電池１１Ｂの電圧を検出する場合も同様である。

したがって、本実施例の監視ユニット４０は、組電池１０を構成する２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで組電池１０に接続され、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの連結部を跨いで連結部前後の電池スタック１０Ａ，１０Ｂ双方の各単電池１１の電圧を検出するが、電池スタック１０Ａの負極端子側端部に配置される単電池１１Ａ及び単電池１１Ａに連結ラインＭＬを介して接続される電池スタック１０Ｂの正極端子側端部に配置される単電池１１Ｂの各電圧を、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を跨がずにそれぞれ検出することができる。このため、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部が緩み等によって抵抗上昇している場合でも、連結部の抵抗上昇（抵抗異常）による影響を抑制して単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を精度良く検出することができる。

また、本実施例の監視ユニット４０は、電圧検出ラインＬｎと電圧検出ラインＬｐにも電圧センサ４１が接続されており、電池スタック１０Ａの負極端子と電池スタック１０Ｂの正極端子との間の連結領域の電圧を検出することができる。このため、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部の緩み等に基づく電圧変化（抵抗上昇や抵抗異常）を把握することができる。

例えば、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部は、緩み等が生じていない状態では、抵抗が極めて小さいため、監視ユニット４０は、電圧センサ４１を介して電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐ間の電圧値が検出されない（電圧検出値≒０）が、連結部に緩み等が生じる状態では、電池スタック１０Ａ，０Ｂ間の連結部の抵抗が上昇するため、組電池１０に流れる充放電電流に応じ、電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐ間の電圧を電圧センサ４１を介して検出することができる。

そこで、本実施例では、単電池１１の電圧センサ４１とは独立したスタック間連結部の電圧検出用の電圧センサ４１を介して電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐ間の電圧を検出することで、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部の緩み等に基づく電圧変化を把握しつつ、電圧検出値が所定値よりも大きい場合（すなわち、電圧検出値と電流検出値から算出される連結部の抵抗値が所定値よりも大きい場合）、組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部の緩み等の異常を検出する。

図３は、本実施例の電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部の異常検出処理の処理フローを示すフローチャートである。異常検出処理は、コントローラ５０によって遂行され、本実施例では、コントローラ５０が行う充放電処理に伴って（処理中に）遂行される。

なお、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単電池１１それぞれに対する電圧検出は、車両のイグニッションスイッチがオフ状態である場合及び車両のイグニッションスイッチがオン状態である場合の双方で行うことができる。本異常検出処理は、電圧検出処理と共に又は電圧検出処理と独立して行うことができる。図３の例では、車両のイグニッションスイッチがオン状態となった後の充放電処理に伴う電圧検出処理に伴って電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の異常検出処理を行う態様を示している。

図３に示すように、コントローラ５０は、車両のイグニッションスイッチがオン状態となった後の充放電処理において、組電池１０を構成する各電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単電池１１それぞれの電圧を検出する処理を、所定のタイミングで行うことができる。なお、各単電池１１の電圧以外にも上述したように、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂの端子間電圧や組電池１０の端子間電圧も検出することができる。

コントローラ５０は、所定の電圧検出タイミングになった場合（Ｓ１０１）、各単電池１１の電圧値を順次検出する（Ｓ１０２）。このとき、コントローラ５０は、上述のように、電池スタック１０Ａの負極端子側端部に配置される単電池１１Ａ及び単電池１１Ａに連結ラインＭＬを介して接続される電池スタック１０Ｂの正極端子側端部に配置される単電池１１Ｂの各電圧を、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を跨がずに検出している。

次に、コントローラ５０は、電圧検出ラインＬｎ及び電圧検出ラインＬｐ間に接続されている電圧センサ４１を介して、連結部の電圧を検出する（Ｓ１０３）。なお、図３の例では、各単電池１１の電圧を検出した後に、連結部の電圧を検出しているが、これに限るものではない。例えば、連結部の電圧を検出した後に、各単電池１１の電圧を検出したり、連結部の電圧検出を各単電池１１の電圧検出に含めて行うようにすることができる。

コントローラ５０は、連結部の電圧検出値Ｖｎと所定の閾値とを比較し（Ｓ１０４）、電圧検出値Ｖｎが所定の閾値よりも小さい場合は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部に緩み等が生じていない正常な状態であると判定する（Ｓ１０５）。一方、電圧検出値Ｖｎが所定の閾値よりも大きい場合は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部に緩み等が生じている異常な状態であると判定する（Ｓ１０６）。

なお、連結部の電圧検出値Ｖｎと比較される所定の閾値は、適宜設定することができる。上述したように、連結部に緩み等が生じていない状態では抵抗が極めて小さいため、電圧センサ４１を介して電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐ間の電圧値が検出されない（電圧検出値≒０）。つまり、例えば、組電池１０や連結部の温度上昇などを考慮して、０よりも大きな値で任意に閾値を設定し、連結部の電圧（抵抗）が閾値よりも大きい場合に、連結部に緩み等が生じている異常な状態であると把握する。

また、ステップＳ１０６において、連結部に緩み等が生じている異常な状態であると把握された場合、コントローラ５０は、所定の警告処理を行うことができる。例えば、コントローラ５０は、ユーザなどに対して異常が発生していることを通知する。この通知は、ユーザの視覚又は聴覚で認識できるものであればよい。例えば、スピーカを用いて、異常が発生していることを示す情報を出力することができる。また、異常が発生していることを示す情報を、ディスプレイに表示させることができる。

また、異常通知の処理とともに又は独立して、組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結異常が検出されたことに応じ、組電池１０の充放電制御を禁止した車両の走行制御を行うように制御したり、一定の充放電制御を許容しつつ次回の電池システムの起動を禁止したりすることができる。本実施例の電池システムが搭載される車両がハイブリッド自動車である場合は、コントローラ５０は、組電池１０の電力を用いた走行制御を行わずに、エンジンの駆動力を用いた走行制御を行うように制御したり、充放電電力の許容値を制限した充放電制御を行うように制御することができる。また、本実施例の電池システムが搭載される車両が電気自動車である場合は、コントローラ５０は、車両走行中である場合には組電池１０の電力を用いた走行制御を直ぐに停止させずに、充放電電力の許容値を制限した充放電制御を行ったり、イグニッションスイッチがオフになるまで充放電を禁止せずに車両の走行制御を行うようにすることができる。

このように本実施例では、組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれの各単電池１１の電圧を検出する監視ユニット４０が、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部を介さないで電池スタック１０Ａの連結部側の端部に配置される単電池１１（１１Ａ）及び電池スタック１０Ｂの連結部側の端部に配置される単電池１１（１１Ｂ）それぞれの電圧を検出するので、電池スタック間の連結部の影響を抑制して単電池１１（１１Ａ又は／及び１１Ｂ）の電圧を精度検出できるとともに、単電池１１の電圧検出とは独立した連結部の電圧検出を行い、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部の緩み等の異常を精度良く把握することができる。

一方で、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部が緩み等によってその抵抗が上昇してしまうと、電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐを介して監視ユニット４０に電流が流れることがある。

図４は、連結部の抵抗上昇によって監視ユニット４０に逆電流が流れる態様を説明するための図である。

図４に示すように、例えば、単電池１１Ａの負極端子と連結ラインＭＬの一端との接続点Ｐ１、単電池１１Ｂと連結ラインＭＬの他端との接続点Ｐ２、連結ラインＭＬを電池スタック１０Ａの負極端子から延びる第１連結ラインと電池スタック１０Ｂの正極端子から延びる第２連結ラインとを含むように構成した場合の第１連結ライン及び第２連結ラインの各端部をコネクタ等で接続する際の接続点Ｐなどに、接続不良等が生じると、これらの連結領域の抵抗、すなわち、連結ラインＭＬの抵抗が増加する。

連結領域の抵抗が増加すると、例えば、電流が電池スタック１０Ｂから電池スタック１０Ａ方向に流れにくくなる。このため、電圧検出ラインＬｐの抵抗Ｒに対して連結領域の抵抗が大きくなると、電圧検出ラインＬｐ側にも電流が流れてしまうことになる（図４の太線矢印）。

電圧検出ラインＬｐ側に流れる電流は、連結領域の過電圧を抑制するための逆方向に接続されているツェナーダイオードＤを介した電流経路に流れる。つまり、逆電流によって電圧検出ラインＬｐ，Ｌｎの各抵抗Ｒに電流が流れてしまうので、過電圧を抑制する際と同様に、抵抗Ｒがヒューズとして機能して抵抗Ｒが遮断されてしまう。

したがって、連結領域の抵抗が大きくなると逆電流が生じ、過電圧保護素子であるツェナーダイオードＤを介した電流経路で抵抗Ｒに電流が流れてしまい、保護回路を形成する抵抗Ｒを遮断してしまう。

そこで、本実施例では、電池スタック１０Ａ，１０Ｂを直列に接続する連結部（連結部に設けられる第１保護回路）に対し、過電圧保護素子であるツェナーダイオードＤと向かい合わせに電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐを介して並列にツェナーダイオードＤ１を接続する。ツェナーダイオードＤ１は、逆電流保護素子として機能し、ツェナーダイオードＤ１のアノードは、単電池１１Ａの負極端子と接続されており、カソードは、単電池１１Ｂの正極端子と接続されている。

つまり、逆方向に接続されているツェナーダイオードＤと向かい合わせに、ツェナーダイオードＤ１を順方向に接続し、各ツェナーダイオードＤ，Ｄ１を連結部に対して電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐを介して並列に接続している。このため、ツェナーダイオードＤ１によって、ツェナーダイオードＤを介した電流経路に流れる逆電流を抑制でき、電圧検出ラインＬｐ，Ｌｎの各抵抗Ｒに電流が流れてしまうこと、言い換えれば、逆電流によって抵抗Ｒが遮断されてしまうことを抑制することができる。

なお、逆電流保護素子としてのツェナーダイオードＤ１は、電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐに逆電流が流れることを防止するが、逆電流によって逆電圧が連結部に印加されるため、過電圧保護素子と同様に、所定値以上の逆電圧が印加された場合に、抵抗Ｒに逆電流が流れ、抵抗Ｒが遮断されることで、組電池１０に対して監視ユニット４０を保護することができる。

このように、本実施例の電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の連結部には、各ツェナーダイオードＤ，Ｄ１を向かい合わせに電圧検出ラインＬｎ，Ｌｐを介して並列に接続した保護回路（第１保護回路）を設け、逆電流による抵抗Ｒの遮断抑制と、過電圧に対する監視ユニット４０の保護を実現している。

ここで、本実施例の監視ユニット４０が組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで接続されていることについて詳細に説明する。本実施例では、複数の単電池１１を直列に接続した電池スタック１０Ａ，１０Ｂをさらに直列に連結して組電池１０を構成することで、組電池１０の高出力化を実現している。このような複数の電池スタック１０Ａ，１０Ｂを直列に接続した組電池１０に対し、各単電池１１の電圧を検出する場合、監視ユニット４０を各電池スタック１０Ａ，１０Ｂ毎に個別に複数設けることで、電池スタック間の連結部を跨がないで各単電池１１の電圧を検出することができる。

しかしながら、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂに対して個別に複数の監視ユニット４０を設けると、監視ユニット４０の数が増加してしまい、コストアップに繋がってしまう。例えば、監視ユニット４０の検出ポート数（一対の電圧検出ライン）に対して電池スタック１０Ａを構成する電池の数が多い場合、１つの電池スタック１０Ａに対して２つの監視ユニット４０を設ける必要があるが、２つのうち一方の監視ユニット４０の検出ポートに空きが生じてしまう。電池スタック１０Ｂに対しても同様であり、図２の例では、２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂに対して４つの監視ユニット４０を設ける必要がある。

このため、直列に接続される各電池スタック毎に、監視ユニット４０を接続すると、組電池１０に対して監視ユニット４０を効率良く設けることができない。また、組電池１０を構成する電池スタック全体の単電池１１の数に対して監視ユニット４０の検出ポート数が多いか又は等しい場合であっても、各電池スタック１０に対して個別に監視ユニット４０を設けると、検出ポートに空きが生じてしまう。

このため、本実施例では、複数の電池スタックを直列に連結した組電池１０に対し、検出ポートに空きを抑制して監視ユニット４０の数を少なくするように、図２の例では、１つの監視ユニット４０が、電池スタック１０Ａ，１０Ｂを跨いで双方の全ての単電池１１の電圧を検出するように、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２を介して接続されている。

このように複数の電池スタックを直列に連結した組電池１０に対し、電池スタック間の連結部を跨いで監視ユニット４０を接続することで、監視ユニット４０の数を低減させた電池システムを実現しつつ、電池スタック間の連結部の影響が抑制して精度良く単電池１１の電圧を検出でき、かつ電池スタック間の連結部の緩み等に基づく電圧変化を把握することができるようにしている。

図５は、組電池１０を構成する電池スタック１０Ａ，１０Ｂに対して複数の監視ユニット４０を接続した一例を示す図である。図５に示すように、複数の監視ユニット４０が、直列に接続された複数の電池スタックの連結部（連結ラインＭＬ）を跨いで各単電池１１の電圧を検出するように構成することができる。

図５の例では、３つの監視ユニット４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃが２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂに接続され、監視ユニット４０Ｂが、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで図２の例のように接続されている。このとき、監視ユニット４０Ｂは、連結部の電圧と共に、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ双方の少なくとも一部の単電池１１の電圧を検出することができ、電池スタック１０Ａの残りの各単電池１１の電圧を監視ユニット４０Ａが検出し、電池スタック１０Ｂの残りの各単電池１１の電圧を監視ユニット４０Ｃが検出する。

なお、図５において３つの監視ユニット４０Ａ，４０Ｃの検出ポート数を４つであり、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで接続される監視ユニット４０Ｂの検出ポート数を５つである場合を示しているが、これに限らず、検出ポート数が同じ５つであってもよい。この場合、監視ユニット４０Ａ，４０Ｃそれぞれに空きの検出ポートが１つずつ生じてしまうが、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂに対して２つずつで合計４つの監視ユニット４０を接続する場合に比べて、監視ユニット４０の数を低減することができる。

また、図５の例のように、直列に接続される複数の電池スタックに対して複数接続される監視ユニット４０の各検出ポート数は、互いに異なるものであってもよい。つまり、組電池１０全体の単電池１１の数及び電池スタック間の連結部の数に合わせて、監視ユニット４０の検出ポートの空きを抑制するように、様々な検出ポート数の各監視ユニット４０を組み合わせて組電池１０に接続することができる。

図６は、図２に示した各単電池１１に対する保護回路の変形例を示す図である。図４の例のように、連結領域の抵抗が増加すると、電流が電池スタック１０Ｂから電池スタック１０Ａ方向に流れにくくなり、電圧検出ラインＬｐ側にも電流が流れてしまう。つまり、直列に接続される単電池１１間の電気的接続に不良箇所等が生じると、連結領域の抵抗が増加するのと同様に、電気的接続の不良箇所等の抵抗が増加し、単電池１１それぞれに接続される電圧検出ラインＬ１，Ｌ２側にも逆電流が流れるおそれがある。

そこで、図６の例のように、各単電池１１の保護回路を形成するツェナーダイオードＤそれぞれに、向かい合わせにツェナーダイオードＤ１を接続する。このように構成することで、ツェナーダイオードＤ１によって、ツェナーダイオードＤを介した電流経路に流れる逆電流を抑制でき、単電池１１に接続される電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又はＬ２，Ｌ２の各抵抗Ｒに逆電流が流れて、抵抗Ｒが遮断されてしまうことを抑制することができる。

１０：組電池
１０Ａ，１０Ｂ：電池スタック
１１：単電池（蓄電素子）
３１：インバータ
３２：モータ・ジェネレータ
３３：車輪
４０：監視ユニット（電圧検出回路）
４１：電圧センサ
５０：コントローラ
Ｒ：抵抗
ＰＬ：正極ライン
ＮＬ：負極ライン
ＭＬ：連結ライン
Ｌ１，Ｌ２：電圧検出ライン

Claims (6)

1. 車両に搭載される蓄電システムであって、
   複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックが複数直列に連結された蓄電装置と、
   前記蓄電スタック間の連結部を跨いで接続され、前記複数の蓄電素子の電圧を検出する電圧検出回路と、を有し、
   前記電圧検出回路は、
   第１蓄電スタックの前記連結部側の端部に配置される第１蓄電素子の正極及び負極それぞれに接続され、前記第１蓄電素子の電圧を検出するための一対の電圧検出ラインと、
   第２蓄電スタックの前記連結部側の端部に配置される第２蓄電素子の正極及び負極それぞれに接続され、前記第２蓄電素子の電圧を検出するための一対の電圧検出ラインと、
   前記第１蓄電素子の負極に接続される前記電圧検出ラインである第１電圧検出ラインと前記第２蓄電素子の正極に接続される前記電圧検出ラインである第２電圧検出ラインとを介して前記連結部に並列に接続される逆電流保護素子を含み、前記連結部に設けられる第１保護回路と、を備えるとともに、
   前記第１電圧検出ラインと、前記第２電圧検出ラインとを用いて、前記連結部の電圧を検出し、
   前記第１保護回路は、前記逆電流保護素子に対して向かい合わせに配置される過電圧保護素子と、前記逆電流保護素子及び前記過電圧保護素子に直列に接続される抵抗と、を含むことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記連結部の電圧検出値に基づいて、前記連結部の異常を検出するコントローラをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記逆電流保護素子及び前記過電圧保護素子は、ツェナーダイオードであり、
   前記連結部を介して接続される前記第１蓄電素子の負極及び前記第２蓄電素子の正極に対して、前記逆電流保護素子である第１ツェナーダイオードは、順方向に接続されており、前記逆電流保護素子に対して向かい合わせに配置される前記過電圧保護素子である第２ツェナーダイオードは、逆方向に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電システム。
4. 前記第１電圧検出ライン及び前記第２電圧検出ライン以外の電圧検出ラインを介して、前記第１蓄電素子及び前記第２蓄電素子以外の前記蓄電素子に並列に接続される過電圧保護素子と、前記過電圧保護素子に直列に接続される抵抗とを含み、前記第１蓄電素子及び前記第２蓄電素子以外の前記蓄電素子それぞれに設けられる第２保護回路をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム。
5. 前記第２保護回路は、前記過電圧保護素子と向かい合わせに配置される逆電流保護素子をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
6. 前記電圧検出回路は、前記蓄電装置に複数設けられ、
   前記蓄電スタック間の前記連結部を跨いで前記第１蓄電スタック及び前記第２蓄電スタック双方の一部の前記各蓄電素子の電圧を検出するとともに、前記第１電圧検出ライン及び前記第２電圧検出ラインを介して、前記連結部の電圧を検出する第１電圧検出回路と、
   前記第１蓄電スタックにおいて、前記第１電圧検出回路で電圧が検出される前記蓄電素子以外の前記各蓄電素子の電圧を検出する第２電圧検出回路と、
   前記第２蓄電スタックにおいて、前記第１電圧検出回路で電圧が検出される前記蓄電素子以外の前記各蓄電素子の電圧を検出する第３電圧検出回路と、を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電システム。