JP6474643B2 - 異常判定装置、異常判定方法および組電池システム - Google Patents

Description

本発明は、異常判定装置、異常判定方法および組電池システムに関する。

従来、直列接続された複数の電池セルを有する電池スタックを直列に接続した組電池が、例えば電気自動車やハイブリッド型自動車などの電源として用いられている。組電池には、かかる組電池に異常が発生しているか否かを判定する異常判定装置が接続される。

組電池に発生する異常として、例えば隣接する２つの電池スタック間を接続する接続部材が切断される等によって、２つの電池スタックの端子間が開放状態になる、いわゆるオープン異常がある。従来の装置では、接続部材の両端を接続するバイパス経路にツェナーダイオードを設けることで、電池スタック間のオープン異常を判定するようにしている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−１８３６７１号公報

しかしながら、従来の異常検出装置は、異常を検出するためにツェナーダイオードが必要であり、回路の部品点数が増加するという問題がある。回路の部品点数が増加すると、回路規模の増加や製造コストの増加といった問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路の部品点数の増加を抑制することができる異常判定装置、異常判定方法及び組電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の電池セルが直列接続された複数の電池スタックと複数の前記電池スタックを電気的に接続する接続部材とを有する組電池の異常を判定する異常判定装置であって、キャパシタと、検出部と、充電経路選択部と、放電経路選択部と、判定部とを備える。キャパシタは、前記電池スタックと並列に接続される。検出部は、前記キャパシタの両端の電圧を検出する。充電経路選択部は、前記キャパシタを充電する場合に、前記キャパシタの充電経路を選択する。放電経路選択部は、前記キャパシタを放電する場合に、前記接続部材と、前記キャパシタとを含む放電経路を選択する。判定部は、前記キャパシタを放電した後の前記キャパシタの電圧に基づいて前記組電池の異常を判定する。

本発明によれば、回路の部品点数の増加を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る組電池システムの構成を示す図である。 図２は、充電経路選択部が選択する充電経路の一例を示す図である。 図３は、放電経路選択部が選択する放電経路の一例を示す図である。 図４は、放電経路選択部が選択する放電経路の一例を示す図である。 図５は、制御部による組電池の異常判定について説明する図である。 図６は、異常判定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、異常判定処理の処理手順の他の例を示すフローチャートである。 図８は、充放電システムの概要を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する異常判定装置、異常判定方法および組電池システムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜組電池システムの構成＞
図１は、実施形態に係る組電池システム１００の構成例を示す図である。図１に示す組電池システム１００は、組電池１と、組電池１の異常を判定する異常判定装置として動作する監視装置２とを備える。

組電池１は、接続部材Ｌ１０−ｍ（ｍ＝１〜Ｎ−１、Ｎ：自然数、以下、接続部材Ｌ１０とも称する）を介して直列に接続される複数の電池スタックＢ１−ｎ（ｎ＝１〜Ｎ、Ｎ：自然数、以下、電池スタックＢ１とも称する）を有する。複数の電池スタックＢ１−ｎは、直列に接続される複数の電池セルを有する。図１の例では、直列接続される７個の電池セルを有する２個の電池スタックＢ１−１、Ｂ１−２が接続部材Ｌ１０を介して直列接続される。

監視装置２は、キャパシタＣを用いて電池スタックＢ１の電圧をいわゆるフライングキャパシタ方式で検出する装置であって、フライングキャパシタ部１０、検出部２０及び制御部３０を備える。このように監視装置２は、電池スタックＢ１の電圧を検出する電圧検出装置としても動作する。

フライングキャパシタ部１０は、キャパシタＣと、電池スタックＢ１との間に設けられる第１切替部１１と、キャパシタＣと検出部２０との間に設けられる第２切替部１２とを備える。また、フライングキャパシタ部１０は、第１切替部１１と第２切替部１２とを接続する接続ラインＬ１を備える。また、フライングキャパシタ部１０は、接続ラインＬ１から分岐してキャパシタＣに接続し、キャパシタＣの充電時には充電方向に電流が流れ、放電時には充電方向と逆向きの放電方向に電流が流れる分岐ラインＬ２を備える。かかる分岐ラインＬ２は単一のラインである。

また、フライングキャパシタ部１０は、電池スタックＢ１とキャパシタＣとの間で、第１切替部１１と直列に接続される抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２を備える。第２切替部１２と検出部２０との間に設けられる抵抗Ｒ３、Ｒ４を備える。なお、図１に示す抵抗Ｒ３およびＲ４のライン上の位置は一例であり、第２切替部１２の後段のライン上であれば、他の位置に設けてもよい。また設ける抵抗の数を変更してもよい。

第１切替部１１は、一端が電池スタックＢ１の負極端子に接続され、他端がキャパシタＣの一端に接続される複数の第１スイッチＳ１−１、Ｓ１−２（以下、第１スイッチＳ１とも称する）と、一端が電池スタックＢ１の正極端子に接続され、他端がキャパシタＣの他端に接続される複数の第２スイッチＳ２−１、Ｓ２−２（以下、第２スイッチＳ２とも称する）とを有する。第１切替部１１は、制御部３０からの指示に応じて第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のオン状態及びオフ状態を切り替える。このように、第１切替部１１は、電池スタックＢ１とキャパシタＣとの間の接続状態を切り替える第１切替手段として動作する。

第２切替部１２は、一端がキャパシタＣの一端に接続され、他端が検出部２０に接続される第３スイッチＳ３と、一端がキャパシタＣの一端に接続され、他端が検出部２０に接続される第４スイッチＳ４とを有する。第２切替部１２は、制御部３０からの指示に応じて第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４のオン状態及びオフ状態を切り替える。このように、第２切替部１２は、キャパシタＣと検出部２０との間の接続状態を切り替える第２切替手段として動作する。なお、上述した第１〜第４スイッチＳ１〜Ｓ４として、例えばリレーを用いてもよい。

キャパシタＣは、第２切替部１２によって検出部２０から切り離された状態で、第１切替部１１を介して電池スタックＢ１−１、Ｂ１−２のいずれか１つと並列に接続される。これにより、キャパシタＣは並列に接続された電池スタックＢ１によって充電される。また、キャパシタＣは、第１切替部１１によって電池スタックＢ１から切り離された状態で、第２切替部１２を介して検出部２０に接続される。これにより、検出部２０は、キャパシタＣの両端の電圧を電池スタックＢ１の電圧として検出する。このように、監視装置２は、キャパシタＣを用いたフライングキャパシタ方式によって電池スタックＢ１の電圧を検出する。なお、差動増幅回路を第２切替部１２と検出部２０との間に設け、検出部２０がその差動増幅回路の出力に基づき、キャパシタＣの電圧を検出するようにしてもよい。

また、キャパシタＣは、第２切替部１２によって検出部２０から切り離された状態で、第１切替部１１を介して接続部材Ｌ１０に接続される。これにより、接続部材Ｌ１０を含む放電経路（図３の放電経路Ｐ２参照）に電流が流れ、キャパシタＣは放電される。

抵抗Ｒ１１、Ｒ１２は、第１スイッチＳ１と電池スタックＢ１−１、Ｂ１−２との間で、第１スイッチＳ１と直列に接続される。また、抵抗Ｒ２１、Ｒ２２は、第２スイッチＳ２と電池スタックＢ１−１、Ｂ１−２との間で第２スイッチＳ２と直列に接続される。抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２は、電池スタックＢ１からフライングキャパシタ部１０へ流れる電流を制限する電流制限抵抗として動作する。

また、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２は、第１切替部１１を介してキャパシタＣと接続されることで、キャパシタＣに電荷を充電する充電抵抗として、および、キャパシタＣの電荷を放電する放電抵抗として動作する。なお、電池スタックの電圧検出時間を短くするためには、充電時間を短くする、すなわち充電時定数を小さくすることが望ましいため、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２は比較的小さな抵抗値としている。従って、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２を含む放電経路（図４の放電経路Ｐ３）で放電する場合も、放電時定数が小さくなり、放電時間も短くなる。

なお、図１では、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２が電池スタックＢ１と第１切替部１１との間に設けられているが、例えば第１切替部１１とキャパシタＣとの間に設けてもよい。

抵抗Ｒ３は、一端が第３スイッチＳ３に接続し、他端が検出部２０に接続するとともにグランドに接地する。抵抗Ｒ４は、一端が第４スイッチＳ４に接続し、他端が検出部２０に接続するとともにグランドに接地する。抵抗Ｒ３、Ｒ４は、キャパシタＣから検出部２０へ流れる電流を制限する電流制限抵抗として動作する。

検出部２０は、キャパシタＣの両端の電圧を検出する。具体的には、検出部２０は、Ａ／Ｄ変換部２１を有し、かかるＡ／Ｄ変換部２１を用いてキャパシタＣの両端の電圧をアナログ値からデジタル値に変換し、制御部３０に出力する。検出部２０は、制御部３０の指示に応じて、キャパシタＣの充電後の電圧（以下、キャパシタＣの充電電圧と称する）を電池スタックＢ１の電圧として検出する。また、検出部２０は、制御部３０の指示に応じてキャパシタＣの放電後の電圧（以下、キャパシタＣの放電電圧と称する）を検出する。

制御部３０は、第１切替部１１及び第２切替部１２を制御する。制御部３０は、充電経路選択部３１、放電経路選択部３２及び判定部３３を備える。充電経路選択部３１は、キャパシタＣを充電する場合に、電圧を検出する電池スタックＢ１及びキャパシタＣを含む充電経路Ｐ１（図２の充電経路Ｐ１参照）を選択する。放電経路選択部３２は、検出部２０によってキャパシタＣの電圧を検出するまでは放電経路Ｐ２を選択する。また、放電経路選択部３２は、キャパシタＣの電圧の検出後にキャパシタＣを放電する場合、キャパシタＣと接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ３を選択する。充電経路Ｐ１及び放電経路Ｐ２、Ｐ３の詳細については図２、図３及び図４を用いて後述する。

判定部３３は、キャパシタＣを放電経路Ｐ３で放電した後のキャパシタＣの電圧に基づいて組電池１の異常を判定する。具体的には、判定部３３は、キャパシタＣの放電電圧が閾値より大きい場合に、放電経路Ｐ３に含まれる接続部材Ｌ１０にオープン異常が発生したと判定する。判定部３３による異常判定の詳細は図５を用いて後述する。

制御部３０は、キャパシタＣの充電時に充電経路Ｐ１が選択され、放電時に放電経路Ｐ３が選択されるように、第１切替部１１及び第２切替部１２を制御する。また制御部３０は、キャパシタＣの充電電圧又は放電電圧を検出するように検出部２０を制御するとともに、電圧検出時に放電経路Ｐ２が選択され、キャパシタＣと電池スタックＢ１とが切り離された状態でキャパシタＣと検出部２０が接続されるように第１切替部１１及び第２切替部１２を制御する。また、制御部３０は、検出部２０が検出した電池スタックＢ１の電圧に基づいて電池スタックＢ１の充電状態を監視する。

＜充電経路Ｐ１の選択＞
続いて、図２を用いて、制御部３０の充電経路選択部３１が選択する充電経路Ｐ１の詳細について説明する。図２は、充電経路選択部３１が選択する充電経路Ｐ１の一例を示す図である。なお、図２では、電池スタックＢ１−１の電圧を検出する場合について図示している。

まず、充電経路選択部３１は、制御部３０から電池スタックＢ１−１の充電経路Ｐ１を選択するよう指示を受けると、電池スタックＢ１−１とキャパシタＣとが並列に接続される充電経路Ｐ１を選択する。

具体的には、図２に示すように、充電経路選択部３１は、電池スタックＢ１−１、抵抗Ｒ１１、Ｒ２１、第１スイッチＳ１−１、第２スイッチＳ２−１、キャパシタＣ及び分岐ラインＬ２を含む充電経路Ｐ１を選択する。

すなわち、制御部３０は、フライングキャパシタ部１０に充電経路Ｐ１の閉回路が形成されるよう、第１、第２切替部１１、１２を制御する。具体的には、制御部３０は、電池スタックＢ１−１と接続する第１、第２スイッチＳ１−１、Ｓ２−１がオン状態となり、それ以外のスイッチＳ１−２、Ｓ２−２、Ｓ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。

これにより、フライングキャパシタ部１０には、図２の矢印で示す方向に電流が流れ、上述したように充電時定数が小さいことから比較的短時間でキャパシタＣが充電される。ここで、キャパシタＣを充電する場合に分岐ラインＬ２に流れる電流の向きを、以下では「充電方向」とする。

なお、ここでは、電圧の検出対象となる電池スタックＢ１−１を制御部３０が決定する場合について説明したが、充電経路選択部３１が検出対象となる電池スタックＢ１を決定するようにしてもよい。この場合、充電経路選択部３１が決定した電池スタックＢ１−１とキャパシタＣとが接続されるように、制御部３０は、第１、第２スイッチＳ１−１、Ｓ２−１がオン状態、それ以外のスイッチＳ１−２、Ｓ２−２、Ｓ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。

また、制御部３０が電圧の検出対象として電池スタックＢ１−２を選択した場合、制御部３０は、電池スタックＢ１−２とキャパシタＣとが接続されるように、第１、第２スイッチＳ１−２、Ｓ２−２がオン状態、それ以外のスイッチＳ１−１、Ｓ２−１、Ｓ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。

＜放電経路Ｐ２の選択＞
次に、図３を用いて、制御部３０の放電経路選択部３２が選択する放電経路Ｐ２の詳細について説明する。図３は、放電経路選択部３２が選択する放電経路Ｐ２の一例を示す図である。

検出部２０が電池スタックＢ１の電圧の検出する場合、制御部３０は放電経路Ｐ２を選択するよう放電経路選択部３２に指示する。放電経路選択部３２は、制御部３０から放電経路Ｐ２を選択するよう指示を受けると、抵抗Ｒ３、Ｒ４とキャパシタＣとが接続される放電経路Ｐ２を選択する。具体的には、放電経路選択部３２は、キャパシタＣ、第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４、抵抗Ｒ３、Ｒ４及び分岐ラインＬ２を含む放電経路Ｐ２を選択する。

すなわち、制御部３０は、フライングキャパシタ部１０に放電経路Ｐ２の閉回路が形成されるように、第１、第２切替部１１、１２を制御する。具体的には、制御部３０は、第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２がオフ状態となり、第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオン状態となるよう制御する。

これにより、フライングキャパシタ部１０には、図３の矢印で示す方向に電流が流れ、上述したように放電時定数が大きいことから比較的長時間でキャパシタＣが放電する。ここで、キャパシタＣを放電する場合に分岐ラインＬ２に流れる電流の向きを、以下では「放電方向」とする。かかる放電方向は、上述した充電方向とは逆向きとなる。このように充電方向に流れる電流と放電方向に流れる電流とが単一のラインである分岐ラインＬ２に流れる。このように１本のラインにより充電経路の一部と放電経路の一部とが形成される。

本実施形態では、充電経路選択部３１及び放電経路選択部３２が、分岐ラインＬ２を含む充電経路Ｐ１、放電経路Ｐ２をそれぞれ選択する。これにより、キャパシタＣに接続するラインとして、充電時にキャパシタＣに電荷を蓄積する充電ラインと、電圧検出時に電荷を放出する放電ラインとを別に設ける必要がなくなる。したがって、例えばダイオードなど充電ライン、放電ラインそれぞれに流れる電流の向きを制限する回路素子を設ける必要がなくなり、監視装置２の部品点数の増加を抑制することができる。

また、充電経路Ｐ１によりキャパシタＣを充電した後に検出部２０がキャパシタＣの両端の電圧を電池スタックＢ１の電圧として検出する場合、放電経路選択部３２が放電経路Ｐ２を選択することで、電池スタックＢ１の電圧を正確に計測することができるようになる。以下、電池スタックＢ１の電圧、すなわちキャパシタＣの電圧を正確に計測できる理由について説明する。

電池スタックＢ１の電圧を正確に計測するためには、スイッチＳ３、Ｓ４をオンして放電経路を形成した瞬間のキャパシタＣの電圧をＡＤ変換して計測する必要がある。放電経路の時定数が小さいとＡＤ変換する時点でのキャパシタＣの電圧低下量が大きくなり正確なスタック電圧を計測できなくなってしまう。それに対し、本実施形態の放電経路Ｐ２のように抵抗Ｒ３およびＲ４の抵抗値が比較的大きい、すなわち放電時定数が大きいと、Ａ／Ｄ変換部２１でＡＤ変換する時点でのキャパシタＣの電圧低下量が小さくなり、放電開始直後にキャパシタＣの正確な電圧を検出できる。

＜放電経路Ｐ３の選択＞
次に、図４を用いて、制御部３０の放電経路選択部３２が選択する放電経路Ｐ３の詳細について説明する。図４は、放電経路選択部３２が選択する放電経路Ｐ３の一例を示す図である。

検出部２０が放電経路Ｐ２により電池スタックＢ１の電圧を検出すると、放電経路選択部３２は、制御部３０から放電経路Ｐ３に切替えるよう指示を受けて、接続部材Ｌ１０とキャパシタＣとが接続される放電経路Ｐ３を選択する。具体的には、放電経路選択部３２は、接続部材Ｌ１０、抵抗Ｒ１２、Ｒ２１、第１スイッチＳ１−２、第２スイッチＳ２−１及びキャパシタＣを含む放電経路Ｐ３を選択する。

すなわち、制御部３０は、フライングキャパシタ部１０に放電経路Ｐ３の閉回路が形成されるように、第１、第２切替部１１、１２を制御する。具体的には、制御部３０は、第１スイッチＳ１−２、第２スイッチＳ２−１がオン状態となり、第１スイッチＳ１−１、第２スイッチＳ２−２、第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。これにより、フライングキャパシタ部１０には、図４の矢印で示す方向に電流が流れ、キャパシタＣが放電する。

なお、放電経路Ｐ３に含まれる抵抗Ｒ１２、Ｒ２１の抵抗値は、放電経路Ｐ２に含まれる抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値より小さく設定されている。すなわち、放電経路Ｐ３の第２放電時定数は放電経路Ｐ２の第１放電時定数より小さい。

このように、放電経路選択部３２は、第１放電時定数を有し、キャパシタＣからの放電電流を流す放電経路Ｐ２と、第１放電時定数よりも時定数の小さい第２放電時定数を有し、キャパシタＣからの放電電流を流す放電経路Ｐ３とのいずれかの放電経路を選択する選択手段としても動作する。なお、例えば制御部３０が、放電経路選択部３２とは別に選択手段をさらに有する構成としてもよい。

以下、放電経路選択部３２が電圧検出時には放電経路Ｐ２を選択し、キャパシタＣの放電時には放電経路Ｐ３を選択することで、回路規模の増加を抑制しつつ、キャパシタＣに充電された電池スタックＢ１の正確な電圧を検出でき、キャパシタＣの放電時間を短くすることができる理由について説明する。

一般的に、抵抗Ｒ１２、および、Ｒ２１は、検出部２０側の抵抗Ｒ３、Ｒ４に比べて抵抗値が小さい。その理由の１つとして、充電時間を短くするには充電時定数を小さくする、すなわち抵抗Ｒ１１〜Ｒ２２の抵抗値を小さくすることが望ましく、また上述したようにスタック電圧を正確に測定するには放電時定数を大きくする、すなわち抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値を大きくすることが望ましいということがあげられる。例えば、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値が数ｋΩであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値は数百Ωである。

そこで、本実施形態では、放電経路選択部３２が、検出部２０が放電経路Ｐ２により電池スタックＢ１の電圧検出を完了した後は、放電経路を放電経路Ｐ２から接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ３に切替えて、第１スイッチＳ１−２に直列接続する抵抗Ｒ１２と、第２スイッチＳ２−１に直列接続する抵抗Ｒ２１とを放電抵抗とする。これにより、放電経路Ｐ３に含まれる抵抗値を、抵抗Ｒ３、Ｒ４を放電抵抗とした放電経路Ｐ２で放電し場合に比べ小さくすることができ、すなわち、放電時定数を小さくでき、放電経路Ｐ３の回路の過渡応答の長さ、すなわちキャパシタＣの放電時間を短くすることができる。

また、抵抗Ｒ１２、および、Ｒ２１を放電抵抗とすることで、充電時の充電抵抗を放電抵抗に兼用することができ、新たな抵抗を追加することなく、放電経路Ｐ３の抵抗値を放電経路Ｐ２の抵抗値と比べて小さくすることができる。したがって、回路規模の増加を抑制しつつキャパシタＣの放電時間を短くすることができる。なお、第２放電時定数を有する放電経路としては、第１放電時定数よりも小さい放電時定数を有するものであれば、接続部材Ｌ１０を有する経路とは別に設けた放電経路としてもよい。これにより少なくともキャパシタＣの放電時間を短縮できる。

このように、監視装置２は、接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ３に電流を流すことでキャパシタＣを放電する。そのため、キャパシタＣを放電するための回路素子を別途設ける必要がなく、監視装置２の部品点数の増加を抑制することができる。すなわち、監視装置２の回路規模の増加を抑制することができ、製造コストの増加を抑制することができる。

なお、ここでは、放電経路Ｐ３を制御部３０が決定する場合について説明したが、放電経路選択部３２が放電経路Ｐ３を決定するようにしてもよい。この場合、充電経路選択部３２が決定した放電経路Ｐ３の閉回路が形成されるように、制御部３０は、第１スイッチＳ１−２、第２スイッチＳ２−１がオン状態、第１スイッチＳ１−１、第２スイッチＳ２−２、第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。

＜判定部３３による異常判定＞
図５を用いて、制御部３０の判定部３３による組電池１の異常判定の詳細について説明する。図５は、本実施形態に係る制御部３０による組電池１の異常判定について説明する図である。

接続部材Ｌ１０が切断される、あるいは組電池１の組み立て時に接続部材Ｌ１０を配置し忘れるといった理由により、電池スタックＢ１−１、Ｂ１−２間にオープン異常が発生する場合がある。例えば、組電池１を保護するために接続部材Ｌ１０としてヒューズを用いる場合、組電池１に大電流が流れるとヒューズ（接続部材Ｌ１０）が切断される。制御部３０の判定部３３は、このように電池スタックＢ１間にオープン異常が発生したか否かを判定する。

具体的には、判定部３３は、キャパシタＣの放電電圧に基づいて組電池１にオープン異常が発生したか否か判定する。以下、キャパシタＣの放電電圧に基づいてオープン異常の発生を判定できる理由について説明する。

図４で説明したように、制御部３０は放電経路Ｐ３として接続部材Ｌ１０を含む経路を選択する。これにより、フライングキャパシタ部１０に接続部材Ｌ１０を含む閉回路が形成され、キャパシタＣが放電される。

しかしながら、図５に示すように接続部材Ｌ１０の切断等によって、組電池１にオープン異常が発生した場合、放電経路Ｐ３の一部が切断され、フライングキャパシタ部１０に閉回路が形成されなくなる。そのため、キャパシタＣは放電されず、充電電圧を維持した状態となる。

そこで、判定部３３は、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈより大きい場合、キャパシタＣが放電されていない、すなわち組電池１にオープン異常が発生したと判定する。

なお、閾値Ｖｔｈは、予め決められた値としてもよく、あるいはキャパシタＣの充電電圧に応じて判定部３３が設定するようにしてもよい。判定部３３がキャパシタＣの充電電圧に応じて閾値Ｖｔｈを設定する場合、検出部２０が検出したキャパシタの両端の電圧よりも低い値となるように閾値Ｖｔｈを設定する。判定部３３は、放電電圧が閾値Ｖｔｈ以上の電圧を維持した状態の場合に、オープン異常が発生したと判定する。このようにキャパシタＣの充電電圧に応じて閾値の値を変更できるようにすることで、キャパシタＣの充電電圧が変動した場合であっても、判定部３３が組電池１にオープン異常が発生したと判定することができる。

また、閾値Ｖｔｈは、キャパシタＣの過渡応答に応じて決定するようにしてもよい。このとき、制御部３０が、放電途中のキャパシタＣの電圧と閾値Ｖｔｈとを比較することで、放電電圧が充電電圧に比べて低下しているか否かによってキャパシタＣが放電しているか否か判定するようにしてもよい。このように、キャパシタＣの放電途中に、組電池１に異常が発生したか否か判定することで、組電池１の異常の判定時間を短縮することができる。

＜異常判定処理＞
続いて、図６を用いて、制御部３０が実行する異常判定処理について説明する。図６は、異常判定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、制御部３０が電池スタックＢ１の各電圧を検出する電圧検出処理と同時に異常判定処理を行う場合について説明する。

まず、制御部３０は、スタック指定変数ｎを初期化（ｎ＝０）し（ステップＳ１０１）、次にスタック指定変数ｎ＝ｎ＋１とする（ステップＳ１０２）。制御部３０は、電圧を検出する電池スタックＢ１としてｎ番目の電池スタックＢ１−ｎを選択する（ステップＳ１０３）。ここでは、ｎ＝１であるため、制御部３０は、電池スタックＢ１−１を選択する。

次に、制御部３０は、電池スタックＢ１−１を含む充電経路Ｐ１を選択する（ステップＳ１０４）。すなわち、制御部３０は、フライングキャパシタ部１０に充電経路Ｐ１の閉回路が形成されるように第１、第２切替部１１、１２を制御する。具体的には、制御部３０は、第１切替部１１の第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２がオン状態となり、第２切替部１２の第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオフ状態となるように制御する。これにより、電池スタックＢ１−１の電圧がキャパシタＣに充電される。

制御部３０は、ステップＳ１０５で第１、第２切替部１１、１２を制御した後、キャパシタＣの充電が完了するのに要するであろう予め定めた所定期間Ｔ１が経過するのを待つ（ステップＳ１０５）。この所定期間Ｔ１の経過後に時定数の大きい放電経路Ｐ２の閉回路を形成してキャパシタＣの充電電圧を電池スタックＢ１−１の電圧として検出するよう第１、第２切替部１１、１２を制御する（ステップＳ１０６）。具体的には、制御部３０は、第１切替部１１の第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２がオフ状態となり、第２切替部１２の第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオン状態となるように制御する。これにより、検出部２０がキャパシタＣと接続され、接続された瞬間のキャパシタＣの両端の電圧を検出する（ステップＳ１０７）。

検出部２０が電圧を検出すると、制御部３０はオープン異常が発生したか判定する接続部材Ｌ１０−ｍを選択する（ステップＳ１０８）。図６の処理では、制御部３０は電圧を検出した電池スタックＢ１に接続する接続部材Ｌ１０を選択する。具体的には、ｎ＜Ｎの場合、ｍ＝ｎの接続部材Ｌ１０−ｎを選択し、ｎ＝Ｎの場合、ｍ＝Ｎ−１の接続部材Ｌ１０−（Ｎ−１）を選択する。

制御部３０は、ステップＳ１０８で選択した接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ３を選択する（ステップＳ１０９）。このように、制御部３０は放電経路を、放電経路Ｐ２より時定数の小さい放電経路Ｐ３に切り替えてキャパシタＣを放電させる。換言すると、ステップＳ１０７で制御部３０は、検出部２０が電池スタックＢ１の電圧検出を完了するまでは、放電経路Ｐ２を選択し、検出部２０が電池スタックＢ１の電圧検出を完了した後は、放電経路をＰ３に切替える。具体的には、制御部３０は、フライングキャパシタ部１０に放電経路Ｐ２の閉回路が形成されるように第１スイッチＳ１−２及び第２スイッチＳ２−１がオン状態となり、第１スイッチＳ１−１、第２スイッチＳ２−１及び第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオフ状態となるよう第１、第２切替部１１、１２を制御する。

制御部３０は、ステップＳ１０９で第１、第２切替部１１、１２を制御した後、所定期間Ｔ２の経過後に時定数の大きい放電経路Ｐ２の閉回路を形成してキャパシタＣの放電電圧を検出するよう第１、第２切替部１１、１２を制御する（ステップＳ１１０）。具体的には、制御部３０は、第１切替部１１の第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２がオフ状態となり、第２切替部１２の第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオン状態となるように制御する。これにより、検出部２０がキャパシタＣと接続され、接続された瞬間のキャパシタＣの両端の電圧を検出する。

制御部３０は、ステップＳ１１０で検出したキャパシタＣの放電電圧と閾値Ｖｔｈとを比較する（ステップＳ１１１）。比較の結果、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈより大きい場合（ステップＳ１１１のＹｅｓ）、制御部３０は、組電池１にオープン異常が発生したと判定し（ステップＳ１１２）、処理を終了する。すなわち、制御部３０は、放電経路Ｐ３による放電後のキャパシタＣの電圧が閾値Ｖｈよりも大きい場合に、オープン異常が発生したと判定する。

一方、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈ以下の場合（ステップＳ１１１のＮｏ）、制御部３０は、全ての電池スタックＢ１の電圧を検出したか否か判定する（ステップＳ１１３）。具体的には、スタック指定変数ｎが電池スタックＢ１の個数Ｎ以上である場合（ステップＳ１１３のＹｅｓ）、制御部３０は、全ての電池スタックＢ１の電圧を検出するとともに組電池１は正常であると判定して処理を終了する。

スタック指定変数ｎが電池スタックＢ１の個数Ｎより小さい場合（ステップＳ１１３のＮｏ）、制御部３０はステップＳ１０２に戻る。

なお、所定期間Ｔ１、Ｔ２は、キャパシタＣが定常状態になるまでの過渡応答の時間を考慮して決定される時間であり、充電経路Ｐ１、放電経路Ｐ２の閉回路に含まれるキャパシタＣの容量値及び抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２の抵抗値に応じた時定数によって決定される。

また、上述した異常判定処理では、電圧電位の低い接続部材Ｌ１０−１から順に異常を判定するようにしているがこれに限られない。電圧電位の高い接続部材Ｌ１０−（Ｎ−１）から順に異常を判定するようにしてもよく、ランダムに判定するようにしてもよい。

なお、接続部材Ｌ１０の異常を判定する順序は、例えば監視装置２が有する記憶部（図示せず）に記憶するようにしてもよい。この場合、記憶部が接続部材Ｌ１０を選択する順番に記憶するようにしてもよく、あるいはオン状態とする第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２の順番を記憶するようにしてもよい。制御部３０は、記憶部に記憶されている接続部材Ｌ１０あるいは第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２の順番を読み出すことで、異常を判定する接続部材Ｌ１０あるいは放電経路Ｐ２を選択するようにしてもよい。

また、電池スタックＢ１の電圧の検出順序も同様に記憶部（図示せず）に記憶するようにしてもよい。

＜異常判定処理の他の例＞
図７を用いて、制御部３０が実行する異常判定処理の他の例について説明する。図７は、異常判定処理の処理手順の他の例を示すフローチャートである。図７の異常判定処理では、制御部３０は、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈを超える回数が複数回となった場合にオープン異常が発生したと判定する。なお、ステップＳ１０１〜ステップＳ１１１までの処理は図６に示す異常判定処理と同じであるため説明を省略する。

制御部３０は、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈを超えた回数をカウントする異常カウンタＳ１及び放電電圧が閾値Ｖｔｈ以下であった回数をカウントする正常カウンタＳ２を有している。制御部３０は、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈより大きい場合（ステップＳ１１１のＹｅｓ）、異常カウンタＳ１の値に「１」を加え、正常カウンタＳ２の値を初期化して０とする（ステップＳ１１４）。

次に、制御部３０は、異常カウンタＳ１と閾値ＴＨ１とを比較する（ステップＳ１１５）。比較の結果、異常カウンタＳ１が閾値ＴＨ１以上である場合（ステップＳ１１５のＹｅｓ）、組電池１にオープン異常が発生したと判定し（ステップＳ１１６）、異常カウンタＳ１及び正常カウンタＳ２の値をリセットして、処理を終了する。一方、異常カウンタＳ１が閾値ＴＨ１未満である場合（ステップＳ１１５のＮｏ）、制御部３０はステップＳ１１３に進む。

次に、制御部３０は、キャパシタＣの放電電圧が閾値Ｖｔｈ以下の場合（ステップＳ１１１のＮｏ）、異常カウンタＳ１の値を初期化して０とし、正常カウンタＳ２の値に「１」を加える（ステップＳ１１７）。制御部３０は、正常カウンタＳ２と閾値ＴＨ２とを比較する（ステップＳ１１８）。

比較の結果、正常カウンタＳ２が閾値ＴＨ２以上である場合（ステップＳ１１８のＹｅｓ）、組電池１にオープン異常は発生しておらず正常であると判定し（ステップＳ１１９）、異常カウンタＳ１及び正常カウンタＳ２の値をリセットして、ステップＳ１１３に進む。一方、正常カウンタＳ２が閾値ＴＨ２未満である場合（ステップＳ１１８のＮｏ）、制御部３０はステップＳ１１３に進む。

このように、制御部３０がキャパシタＣの放電電圧が複数回閾値Ｖｔｈを超える場合にオープン異常が発生したと判定することで、制御部３０によるオープン異常の誤判定を抑制することができる。

図７の異常判定処理では、異常カウンタＳ１または正常カウンタＳ２の値を「１」増やすと、ステップＳ１１６で異常判定されない限りステップＳ１１３に進むが、本実施形態に係る異常判定処理はこれに限られない。例えば、ステップＳ１１９で正常判定された場合にステップＳ１１３に進み、それ以外の場合（ステップＳ１１５のＮｏ、ステップＳ１１８のＮｏ）、ステップＳ１０５に戻るようにしてもよい。このように、ステップＳ１０７で選択された接続部材Ｌ１０−ｍがオープン異常であるか否か判定してから、制御部３０が次の接続部材Ｌ１０−（ｍ＋１）を選択するようにしてもよい。

なお、図６、図７に示す異常判定処理は、電池スタックＢ１の電圧を検出する電圧検出処理を同時に実行しているが、電池スタックＢ１の電圧は必ずしも検出する必要はない。制御部３０がキャパシタＣに充電される電荷が放電経路Ｐ３を介して放電されているか否か判定できればよく、例えば組電池１とは異なる電池（図示せず）を用いてキャパシタＣを充電するようにしてもよい。

また、上述した異常判定処理では、電池スタックＢ１の電圧を検出するタイミングで異常判定を行うようにしているが、異常判定処理を行うタイミングはこれに限られない。例えば組電池システム１００や充放電システムＳＴ１（図８参照）の出荷時や電源投入時に処理を行うようにしてもよく、所定間隔で行うようにしてもよい。

＜充放電システムへの適用例＞
次に、図８を用いて、図１に示す組電池システム１００を充放電システムＳＴ１に適用した場合について説明する。図８は、充放電システムＳＴ１の概要を示す図である。図８に示す、充放電システムＳＴ１は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、及び、燃料電池自動車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）等の車両駆動用電源として用いられる。

充放電システムＳＴ１は、組電池１と、電池監視システムＷＳ１と、車両制御装置２００と、モータ３００と、電圧変換器４００と、リレー５００とを含むシステムである。また、電池監視システムＷＳ１は、モニタＩＣ３４等を備えた複数のサテライト基板３と、監視装置２とを含むシステムである。また、充放電システムＳＴ１に含まれる組電池１と監視装置２とが図１に示す組電池システム１００に相当する。

図８の組電池１は、車体と絶縁された電池であり、複数のブロックにより構成されている。１つのブロックでは１６の電池セルが互いに直列に接続され、これら１６の電池セルが１つのサテライト基板３に設けられたモニタＩＣ３４と電気的に接続されている。そのため、１つのブロックの各電池セルの電圧は、１つのサテライト基板３に設けられたモニタＩＣ３４により計測される。

なお、１つのサテライト基板３には第１モニタＩＣ３４ａと、第２モニタＩＣ３４ｂとの２つのモニタＩＣが設けられており、第１モニタＩＣ３４ａ及び第２モニタＩＣ３４ｂが、１つのブロックの電池セルを二分して、８セルずつを１つのグループとして受け持つようになっている。なお、この８セルにより構成されるグループが図１の電池スタックＢ１に相当する。また、接続部材Ｌ１０−ｍは、複数の電池スタックＢ１−ｎのうち隣接する電池スタックＢ１を電気的に接続する。

監視装置２は、複数の電池セルのそれぞれの個別電圧を監視すると共に、各電池スタックＢ１の電圧を監視する。つまり、組電池１の充電状態を監視する。具体的には、モニタＩＣ３４は、監視装置２から通信ラインＬ３を介して受信する電圧計測要求に基づいて複数の電池セルのそれぞれの個別電圧（以下、「セル電圧」とも称する）を計測し、通信ラインＬ３を介して計測結果を監視装置２に送信する。

監視装置２は、モニタＩＣ３４からセル電圧を受信すると共に、通信ラインＬ４を介してキャパシタＣ（図１参照）に電池スタックＢ１の電圧（以下、「スタック電圧」と称する）を充電することによりスタック電圧を直接測定して充電状態を監視する。このように、監視装置２は、組電池１の充電状態を監視する監視装置として動作すると共に、スタック電圧を検出する電圧検出装置としても動作する。

監視装置２は、モニタＩＣ３４が正常に動作しているか否かを判定する判定装置としても動作する。例えば、監視装置２は、モニタＩＣ３４から受信した各電池セルの個別電圧を加算することで算出したスタック電圧と直接検出したスタック電圧とを比較し、両者の差が許容値より大きい場合にモニタＩＣ３４が異常であると判定する。監視装置２は、モニタＩＣ３４が異常であると判断した場合には、フェールセーフ機能を実行する。

また、上述したように監視装置２は、組電池１のオープン異常を判定する異常判定装置としても動作する。監視装置２は、組電池１にオープン異常が発生したと判定した場合にも、フェールセーフ機能を実行する。例えば、監視装置２は、リレー５００を切り離して、電池セルに対する充放電が行われないようにするフェールセーフ機能を実行する。

車両制御装置２００は、組電池１の充電状態に応じて、組電池１に対する充放電を行う。具体的には、組電池１が過充電の場合、車両制御装置２００は、電圧変換器４００を用いて組電池１に充電された電圧を直流から交流の電圧に変換し、モータ３００を駆動させる。その結果、組電池１の電圧は放電される。

また、組電池１が過放電の場合、車両制御装置２００は、電圧変換器４００を用いて回生制動によりモータ３００が発電した電圧を交流から直流の電圧に変換する。その結果、組電池１には電圧が充電される。このように、車両制御装置２００は、監視装置２から取得した組電池１の充電状態に基づいて組電池１の電圧を監視し、監視結果に応じた制御を実行する。

上述したように、本実施形態に係る監視装置２は、接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ２を選択し、放電後のキャパシタＣの電圧に基づいて接続部材Ｌ１０のオープン異常を判定する。これにより、オープン異常を判定するための回路素子を別途設ける必要がなく、監視装置２の部品点数の増加を抑制することができる。すなわち、監視装置２の回路規模の増加を抑制することができ、製造コストの増加を抑制することができる。

また、本実施形態に係る監視装置２を、例えばハイブリッド自動車等の車両駆動用電源として用いられる充放電システムＳＴ１に適用することで、充放電システムＳＴ１の部品点数の増加を抑制することができる。

また、本実施形態に係る監視装置２とサテライト基板３とを別々の設ける以外に、一体として設けてもよい。

また、本実施形態において、複数の電池セルを備えたものを電池スタックとして説明したが、このように複数の電池セルを備える構成であれば電池ブロックなどと称してもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 組電池
２ 監視装置
３ サテライト基板
１０ フライングキャパシタ部
１１ 第１切替部
１２ 第２切替部
２０ 検出部
３０ 制御部
３１ 充電経路選択部
３２ 放電経路選択部
３３ 判定部
３４ モニタＩＣ
１００ 組電池システム
２００ 車両制御装置
３００ モータ
４００ 電圧変換器
５００ リレー

Claims (6)

1. 複数の電池セルが直列接続された複数の電池スタックと複数の前記電池スタックを電気的に接続する接続部材とを有する組電池の異常を判定する異常判定装置であって、
   前記電池スタックと並列に接続されるキャパシタと、
   前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出手段と、
   前記キャパシタを充電する場合に、前記キャパシタの充電経路を選択する充電経路選択手段と、
   前記キャパシタを放電する場合に、第１放電時定数を有し、前記接続部材を介さずに前記キャパシタからの放電電流を流す第１放電経路と、前記第１放電時定数よりも時定数の小さい第２放電時定数を有し、前記接続部材を介して前記キャパシタからの放電電流を流す第２放電経路とのいずれかの放電経路を選択する放電経路選択手段と、
   前記キャパシタを放電した後の前記キャパシタの電圧に基づいて前記組電池の異常を判定する判定手段と
   を備え、
   前記検出手段は、前記放電経路選択手段によって前記放電経路として前記第１放電経路が選択された場合および前記第２放電経路が選択された場合のそれぞれで、前記キャパシタの電圧を検出し、
   前記放電経路選択手段は、前記第１放電経路を選択して前記検出手段によって前記キャパシタの電圧が検出された後に、前記放電経路を前記第２放電経路に切替え、
   前記判定手段は、前記放電経路が前記第２放電経路に切替えられた後に前記検出手段で検出された前記キャパシタの電圧に基づき、前記組電池の異常を判定すること
   を特徴とする異常判定装置。
2. 前記判定手段は、
   前記キャパシタの電圧が閾値より大きい場合に、前記放電経路に含まれる前記接続部材に異常が発生したと判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の異常判定装置。
3. 前記判定手段は、
   前記キャパシタを複数回放電した場合の、各放電後の電圧に基づいて前記組電池の異常を判定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の異常判定装置。
4. 前記判定手段は、
   複数の前記電池セルの各電圧の合計値と、前記検出手段によって検出した電圧との比較結果に基づいて前記組電池の異常を判定する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の異常判定装置。
5. 複数の電池セルが直列接続された複数の電池スタックと複数の前記電池スタックを電気的に接続する接続部材とを有する組電池の異常を判定する異常判定方法であって、
   前記電池スタックと並列に接続されるキャパシタを充電する場合に、前記キャパシタの充電経路を選択する充電経路選択工程と、
   前記キャパシタを放電する場合に、第１放電時定数を有し、前記接続部材を介さずに前記キャパシタからの放電電流を流す第１放電経路と、前記第１放電時定数よりも時定数の小さい第２放電時定数を有し、前記接続部材を介して前記キャパシタからの放電電流を流す第２放電経路とのいずれかの放電経路を選択する放電経路選択工程と、
   前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出工程と、
   前記キャパシタを放電した後の前記キャパシタの電圧に基づいて前記組電池の異常を判定する判定工程と
   を含み、
   前記検出工程は、前記放電経路選択工程によって前記放電経路として前記第１放電経路が選択された場合および前記第２放電経路が選択された場合のそれぞれで、前記キャパシタの電圧を検出し、
   前記放電経路選択工程は、前記第１放電経路を選択して前記検出工程によって前記キャパシタの電圧が検出された後に、前記放電経路を前記第２放電経路に切替え、
   前記判定工程は、前記放電経路が前記第２放電経路に切替えられた後に前記検出工程で検出された前記キャパシタの電圧に基づき、前記組電池の異常を判定すること
   を特徴とする異常判定方法。
6. 複数の電池セルが直列接続された複数の電池スタックと、
   複数の前記電池スタックを電気的に接続する接続部材と
   を有する組電池と、
   前記組電池の異常を判定する異常判定装置と
   を備え、
   前記異常判定装置は、
   前記電池スタックと並列に接続されるキャパシタと、
   前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出手段と、
   前記キャパシタを充電する場合に、前記キャパシタの充電経路を選択する充電経路選択手段と、
   前記キャパシタを放電する場合に、第１放電時定数を有し、前記接続部材を介さずに前記キャパシタからの放電電流を流す第１放電経路と、前記第１放電時定数よりも時定数の小さい第２放電時定数を有し、前記接続部材を介して前記キャパシタからの放電電流を流す第２放電経路とのいずれかの放電経路を選択する放電経路選択手段と、
   前記キャパシタを放電した後の前記キャパシタの電圧に基づいて前記組電池の異常を判定する判定手段と
   を備え、
   前記検出手段は、前記放電経路選択手段によって前記放電経路として前記第１放電経路が選択された場合および前記第２放電経路が選択された場合のそれぞれで、前記キャパシタの電圧を検出し、
   前記放電経路選択手段は、前記第１放電経路を選択して前記検出手段によって前記キャパシタの電圧が検出された後に、前記放電経路を前記第２放電経路に切替え、
   前記判定手段は、前記放電経路が前記第２放電経路に切替えられた後に前記検出手段で検出された前記キャパシタの電圧に基づき、前記組電池の異常を判定すること
   を特徴とする組電池システム。

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