JP6518082B2 - 電圧検出装置、電圧検出方法および組電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電圧検出装置、電圧検出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。組電池の各電池スタックの電圧を検出する装置として、フライングキャパシタを用いた装置が知られている。

従来の装置では、流れる電流の向きが互いに逆向きとなるようにダイオードをそれぞれ配置した２本のラインをキャパシタと接続することで、キャパシタの充電時と放電時とで異なるラインに電流が流れるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２０９１４号公報

しかしながら、従来の装置は、２本のラインの電流の向きをそれぞれ制限する回路素子が必要であり、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電圧検出装置、電圧検出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電池スタックを複数有する組電池の前記電池スタックの電圧を、キャパシタを用いて検出するフライングキャパシタ方式の電圧検出装置であって、検出部と、分岐ラインと、切替手段と、制御手段とを備える。検出部は、前記電池スタックの電圧として前記キャパシタの両端の電圧を検出する。分岐ラインは、前記電池スタックと前記検出部とを接続する接続ラインから分岐して前記キャパシタに接続し、前記キャパシタの充電時には充電方向に電流が流れ、放電時には前記充電方向と逆向きの放電方向に電流が流れる。切替手段は、前記電池スタックと前記キャパシタとの間に設けられる。制御手段は、前記切替手段を制御する。前記制御手段は、前記キャパシタを充電する場合に、電圧を検出する前記電池スタック、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む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、複数の前記電池スタックのうち隣接する２つの電池スタックを電気的に接続する接続部材、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む放電経路を選択する放電経路選択手段とを備える。

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、第１の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、電圧検出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、充放電システムの概要を示す図である。 図６は、第２の実施形態に係る放電経路の一例を示す図である。 図７は、電圧検出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電圧検出装置、電圧検出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。

（第１の実施形態）
＜組電池システムの構成＞
図１は、第１の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、電圧検出装置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。

電圧検出装置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。

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。

さらに、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を有し、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、電圧検出装置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。

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。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とともに、本実施形態では第２切替部１２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の電荷を放電する放電抵抗として動作する。

検出部２０は、キャパシタＣの両端の電圧を電池スタックＢ１の電圧として検出する。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の両端の電圧値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。

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及び放電経路選択部３２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、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。放電経路選択部３２は、キャパシタＣを放電する場合に、キャパシタＣと分岐ラインＬ２を含む放電経路Ｐ２を選択する。充電経路Ｐ１及び放電経路Ｐ２の詳細については図２、図３を用いて説明する。

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Ｐ２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の電圧を検出する場合に、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、キャパシタＣが充電される。このように、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。

＜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。

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、キャパシタＣが放電する。このように、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、放電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、電圧検出装置２の部品点数の増加を抑制することができる。

＜電圧検出処理の説明＞
続いて、図４を用いて、制御部３０が実行する電圧検出処理について説明する。図４は、電圧検出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。

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の経過後に放電経路Ｐ２の閉回路を形成してキャパシタＣの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）。それと同時にキャパシタＣの電圧は放電経路Ｐ２を介して放電する。

次いで制御部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Ｓ１０９）。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Ｓ１０９のＹｅｓ）、制御部３０は、全ての電池スタックＢ１の電圧を検出したとして電圧検出処理を終了する。

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Ｓ１０９のＮｏ）、制御部３０は、ステップＳ１０８の後、キャパシタＣの電圧が０Ｖになるであろう予め定めた所定期間Ｔ２の経過後にステップＳ１０２に戻る。

また、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、Ｒ３、および、Ｒ４の抵抗値に応じた時定数によって決定される。

また、上述した電圧検出処理では、電圧電位の低い電池スタックＢ１−１から順に電圧を検出するようにしているがこれに限られない。電圧電位の高い電池スタックＢ１−Ｎから順に電圧を検出するようにしてもよく、ランダムに検出するようにしてもよい。

なお、電圧の検出順序は、例えば電圧検出装置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、記憶部が電池スタックＢ１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電池スタックＢ１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、電圧を検出する電池スタックＢ１あるいは充電経路Ｐ１を選択するようにしてもよい。

＜充放電システムへの適用例＞
次に、図５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５は、充放電システムＳＴ１の概要を示す図である。図５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ＩＣ３３等を備えた複数のサテライト基板３と、監視装置として動作する電圧検出装置２（以下、監視装置２とも称する）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５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ＩＣ３３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ＩＣ３３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ＩＣ３３ａと、第２モニタＩＣ３３ｂとの２つのモニタＩＣが設けられており、第１モニタＩＣ３３ａ及び第２モニタＩＣ３３ｂ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ＩＣ３３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ＩＣ３３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、スタック電圧を検出する電圧検出装置として動作すると共に、組電池１の充電状態を監視する監視装置としても動作する。

監視装置２は、モニタＩＣ３３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ＩＣ３３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ＩＣ３３が異常であると判定する。監視装置２は、モニタＩＣ３３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。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、第１の実施形態に係る電圧検出装置２は、充電経路Ｐ１、放電経路Ｐ２として分岐ラインＬ２を含む経路を選択する。これにより、充電時にキャパシタＣに電荷を蓄積する充電ラインと、放電時に電荷を放出する放電ラインとをそれぞれ設ける必要がなくなり、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省略することができる。したがって、電圧検出装置２の部品点数を削減することができ、かかる電圧検出装置２を含む組電池システム１００の部品点数の増加を抑制することができる。

また、第１の実施形態に係る電圧検出装置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。

（第２の実施形態）
第１の実施の形態では、放電経路選択部３２が放電経路Ｐ２を選択してキャパシタＣの電荷を放出することを説明した。ここで、放電経路Ｐ２のライン上に設けられた抵抗Ｒ３およびＲ４の抵抗値が大きいほど、キャパシタＣと抵抗Ｒとで構成されるＲＣ過渡応答の長さは長くなる。すなわち、放電時定数が大きくなる。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場合、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ことから、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、抵抗Ｒ３およびＲ４の抵抗値が比較的大きいとき、すなわち放電時定数が大きいときは、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。

しかしながら、抵抗Ｒ３およびＲ４の抵抗値が比較的大きい場合は、キャパシタＣの放電完了までに時間を要する。そのため検出部２０が、放電経路Ｐ２により放電を開始して、電池スタックＢ１−１の電圧検出後も放電経路Ｐ２による放電を継続すると、他の電池スタックＢ１−２の電圧検出までに時間を要することとなる。その結果、複数の電池スタックの電圧検出に比較的多くの時間を要することとなる。

したがって、第２の実施形態では、検出部２０が放電経路Ｐ２により電池スタックＢ１の電圧を検出した後は、電圧検出装置２の放電経路選択部３２が、放電経路Ｐ３として複数の電池スタックＢ１のうち隣接する２つの電池スタックＢ１を電気的に接続する接続部材Ｌ１０を含むより放電時定数の小さな経路に切替えるようにした。すなわち放電経路選択部３２は、Ａ／Ｄ変換部２１が電池スタックＢ１の電圧を検出した後は、放電経路を放電時定数の大きい放電経路Ｐ２から放電時定数の小さい放電経路Ｐ３に切替える。

これにより、電圧検出装置２の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の放電時間を短縮することができる。これについて、図６を参照しつつ以下で詳しく説明する。

図６は、第２の実施形態に係る放電経路Ｐ３の一例を示す図である。検出部２０が放電経路Ｐ２により電子スタックＢ１の電圧の検出が完了すると、放電経路選択部３２は、制御部３０から放電経路Ｐ２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とを含む放電経路Ｐ３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、抵抗Ｒ１２、Ｒ２１、第１スイッチＳ１−２、第２スイッチＳ２−１及び分岐ラインＬ２を含む放電経路Ｐ３を選択する。

すなわち、制御部３０は、組電池システム１００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、電池スタックＢ１−１に接続する第１スイッチＳ１−１、電池スタックＢ１−２に接続する第２スイッチＳ２−２がオフ状態となり、接続部材Ｌ１０に接続する第１、第２スイッチＳ１−２、Ｓ２−１がオン状態となるよう制御する。また、制御部３０は、第３、第４スイッチＳ３、Ｓ４がオフ状態となるよう制御する。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が放電経路Ｐ２から放電経路Ｐ３に切替えることで、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で放電した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。

次に、図７を用いて本実施の形態における制御部３０が実行する電圧検出処理について説明する。制御部３０が実行する電圧検出処理では、図４に示す電圧検出処理に対し、図７のステップＳ１０８を追加した点が異なっている。すなわち、ステップＳ１０６で時定数の大きい放電経路Ｐ２を選択してステップＳ１０７で電池スタックＢ１の電圧を検出すると、ステップＳ１０８で時定数の小さい放電経路Ｐ３に切り替える。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。

また、図６では、接続部材Ｌ１０が１つの場合について示したが、例えば図５に示すように、接続部材Ｌ１０がＮ−１の場合でも同様に放電経路Ｐ２から放電経路Ｐ３に切替えることができる。この場合、例えば、電池スタックＢ１−ｎ（ただし、ここでは、ｎ＝１〜Ｎ−１とする）を用いてキャパシタＣを充電した場合は、放電経路選択部３２が電池スタックＢ１−ｎと電池スタックＢ１−（ｎ＋１）との間の接続部材Ｌ１０−ｍ（ｍ＝ｎ）を含む放電経路Ｐ３を選択する。

このように、電圧を検出した電池スタックＢ１−ｎに接続する接続部材Ｌ１０−ｍ（ｎ＝ｍ）を含む放電経路Ｐ３を選択することで、第１切替部１１に含まれる第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２のオン・オフの切替回数を平均化することができる。これにより、第１切替部１１に含まれる第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２のうち、特定の第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２だけが使用回数の上限を超えることがなくなり、第１切替部１１の使用期間を延ばすことができる。

ｎ＝Ｎの場合、すなわち組電池１の端の電池スタックＢ１−Ｎを用いてキャパシタＣを充電した場合は、例えば電池スタックＢ１−Ｎに隣接する電池スタックＢ１−（Ｎ−１）との間に設けられる接続部材Ｌ１０−（Ｎ−１）を含む放電経路Ｐ３を放電経路選択部３２が選択するようにすればよい。

あるいは、制御部３０が電圧検出処理を複数回実行する場合は、電圧検出処理を実行する毎に異なる接続部材Ｌ１０を含む放電経路Ｐ３を放電経路選択部３２が選択するようにしてもよい。このように、組電池１の端の電池スタックＢ１−Ｎを用いてキャパシタＣを充電した場合に、充電経路Ｐ３に含める接続部材Ｌ１０を電圧検出処理毎に変更することで、第１、第２スイッチＳ１、Ｓ２のオン・オフの切替回数をさらに平均化することができる。

なお、放電経路Ｐ３の選択順序、すなわち放電経路Ｐ３に含まれる接続部材Ｌ１０の選択順序は、例えば電圧検出装置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、接続部材Ｌ１０あるいは放電経路Ｐ３を選択するようにしてもよい。

上述したように、第２の実施形態に係る電圧検出装置２は、放電経路選択部３２が、放電経路Ｐ３として複数の電池スタックＢ１のうち隣接する２つの電池スタックＢ１を電気的に接続する接続部材Ｌ１０を含む比較的時定数の小さな経路を選択するようにした。これにより、電圧検出装置２の回路規模の増加を抑制しつつキャパシタＣの放電時間を短縮することができる。したがって、電圧検出装置２の電圧検出にかかる時間を短くすることができる。

また、第２の実施形態に係る電圧検出装置２では、放電経路選択部３２が、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時定数の大きい放電経路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、放電経路を放電時定数の小さい放電経路Ｐ３に切替えるようにした。放電経路Ｐ３は、複数の電池スタックＢ１のうち隣接する２つの電池スタックＢ１を電気的に接続する接続部材Ｌ１０を含む経路である。これにより、電圧検出装置２の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の放電時間を短縮することができる。したがって、電圧検出装置２の電圧検出にかかる時間を短くすることができる。

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 電圧検出装置
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 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 (5)

1. 複数の電池セルが直列接続された電池スタックを複数有する組電池の前記電池スタックの電圧を、キャパシタを用いて検出するフライングキャパシタ方式の電圧検出装置であって、
   前記電池スタックの電圧として前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出手段と、
   前記電池スタックと前記検出手段とを接続する接続ラインから分岐して前記キャパシタに接続され、前記キャパシタの充電時と放電時とで逆向きに電流が流れる単一のラインである分岐ラインと、
   前記電池スタックと前記キャパシタとの間に設けられる切替手段と、
   前記切替手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記キャパシタを充電する場合に、電圧を検出する前記電池スタック、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む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、複数の前記電池スタックのうち隣接する２つの電池スタックを電気的に接続する接続部材、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む放電経路を選択する放電経路選択手段と
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。
2. 第１放電時定数を有し、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選択手段
   をさらに備え、
   前記選択手段は、
   前記キャパシタの電圧検出の完了前は、前記第１放電経路を選択し、前記キャパシタの電圧検出の完了後は、前記第２放電経路に切替え、
   前記第２放電経路は、
   複数の前記電池スタックのうち隣接する２つの電池スタックを電気的に接続する接続部材、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む放電経路であること
   を特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
3. 前記切替手段は、
   一端が複数の前記電池スタックの負極端子にそれぞれ接続され、他端が前記キャパシタの一端に接続される複数の第１スイッチと、
   一端が複数の前記電池スタックの正極端子にそれぞれ接続され、他端が前記キャパシタの他端に接続される複数の第２スイッチと
   を含み、
   前記充電経路選択手段は、
   前記充電経路として、電圧を検出する前記電池スタックと接続する前記第１、第２スイッチを含む経路を選択し、
   前記放電経路選択手段は、
   前記キャパシタの電圧検出後の放電経路として、前記充電経路に含まれる前記電池スタックに隣接する前記電池スタックとの間に設けられる前記接続部材と接続する前記第１、第２スイッチを含む経路を選択すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出装置。
4. 複数の電池セルが直列接続された電池スタックを複数有する組電池の前記電池スタックの電圧を、キャパシタを用いて検出するフライングキャパシタ方式の電圧検出方法であって、
   検出手段と前記電池スタックとを接続する接続ラインから分岐して前記キャパシタに接続する単一のラインである分岐ラインに、充電方向の電流を流して前記キャパシタを充電する充電工程と、
   前記検出手段によって前記電池スタックの電圧として前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出工程と、
   前記充電方向と逆向きの放電方向の電流を前記分岐ラインに流して前記キャパシタを放電する放電工程と、
   前記電池スタックと前記キャパシタとの間に設けられる切替手段を制御する制御工程と
   を含み、
   前記制御工程は、
   前記キャパシタを充電する場合に、電圧を検出する前記電池スタック、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む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、複数の前記電池スタックのうち隣接する２つの電池スタックを電気的に接続する接続部材、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む放電経路を選択する放電経路選択工程と
   を含むことを特徴とする電圧検出方法。
5. 複数の電池セルが直列接続された電池スタックを複数有する組電池と、
   前記電池スタックの電圧を、キャパシタを用いて検出するフライングキャパシタ方式の電圧検出装置と
   を備え、
   前記電圧検出装置は、
   前記電池スタックの電圧として前記キャパシタの両端の電圧を検出する検出手段と、
   前記電池スタックと前記検出手段とを接続する接続ラインから分岐して前記キャパシタに接続され、前記キャパシタの充電時と放電時とで逆向きに電流が流れる単一のラインである分岐ラインと、
   前記電池スタックと前記キャパシタとの間に設けられる切替手段と、
   前記切替手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記キャパシタを充電する場合に、電圧を検出する前記電池スタック、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む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、複数の前記電池スタックのうち隣接する２つの電池スタックを電気的に接続する接続部材、前記キャパシタ及び前記分岐ラインを含む放電経路を選択する放電経路選択手段と
   を備えることを特徴とする組電池システム。

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