JP7040112B2 - 電圧監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルが直列に接続されて構成される組電池の、当該複数の電池セルの電圧を複数のキャパシタを用いて監視するフライングキャパシタ方式の電圧監視装置に関する。

フライングキャパシタ方式の電圧監視装置では、キャパシタに接続した電圧検出回路によって、キャパシタの充電電圧から個々の電池セルの電池電圧を検出したり、電池セルとキャパシタとを接続する各系統の断線の有無などを検出したりする。また、２個のキャパシタを用いて、２個の電池セルの電圧を一度に検出可能なダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置も知られている。このようなダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置によれば、２個の電池セルの電圧を同時に検出できるので、検出時間を短縮化することができるというメリットがある。

ここで、ダブルフライングキャパシタ方式のように複数のキャパシタを用いる場合、特許文献１に記載されているように、複数のキャパシタを用いて複数の電池セルの電圧を検出するだけでなく、その複数のキャパシタの中の単一のキャパシタを用いて、単一の電池セルの電圧を検出することがある。その理由は、例えば、ダブルフライングキャパシタ方式において、２個のキャパシタを用いて２個の電池セルの電圧を検出するだけでは、各キャパシタと各電池セルとを結ぶ複数の検出ラインのうちの、各キャパシタ間の接続端に接続された検出ラインの断線を判別することができないためである。

しかし、複数のキャパシタと複数の電池セルとの両端同士を接続して、複数の電池セルの電圧検出を一度に行う方式を採用した場合、各検出ラインに設けられる、フィルタとして機能する各抵抗の抵抗値が同じであったとすると、単一の電池セルを充電するときと、複数の電池セルを充電するときとで、充電に要する時間が異なることになる。つまり、複数のキャパシタを充電するときには、複数のキャパシタが直列接続されているため、その合成容量は、単一のキャパシタの容量よりも低下する。従って、各抵抗の抵抗値とキャパシタの容量とによって定まる時定数が、単一の電池セルを充電するときの方が大きくなり、充電に要する時間も長くなってしまうのである。

このような問題に対処するため、特許文献１の電圧監視装置では、キャパシタ間の接続端に接続される検出ラインに設ける抵抗の抵抗値を、複数のキャパシタの両端に接続される検出ラインに設ける抵抗の抵抗値よりも小さくしている。

特開２０１３－５３９３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように、複数のキャパシタを用いて複数の電池セルの電圧を検出する構成において、キャパシタ間に接続される検出ラインの抵抗の抵抗値を小さくするだけでは、キャパシタにおける充電時間の相違に十分に対処できない可能性がある。

以下、その理由について説明する。複数のキャパシタを用いるフライングキャパシタ方式では、複数のキャパシタは、接続される複数の電池セルが順次切り替えられ、その接続された複数の電池セルによって充電される。このように、複数のキャパシタへ接続する複数の電池セルの切り替えが行われるときに、複数のキャパシタが、切替予定の複数の電池セルによる充電の極性とは逆極性に充電されている状態で、まず、切替予定の複数の電池セルの中の単一の電池セルだけが接続された場合、接続された単一の電池セルによって複数のキャパシタの中の単一のキャパシタだけが充電される。この単一のキャパシタの充電により、単一のキャパシタの充電極性は、残りのキャパシタの充電極性とは逆極性となる。

その後、例えば、複数の電池セルと複数のキャパシタとの両端及び接続端同士を結ぶ検出ラインが全て接続されると、上記残りのキャパシタの充電極性が、上記単一のキャパシタの充電極性とは逆極性となっている状態から反転して同極性となる。この際、単一のキャパシタと、その単一のキャパシタに隣接する残りのキャパシタとの充電電圧が収束するまでに要する時間が、通常の電池セルの切り替えなどの場合に複数のキャパシタの充電電圧が収束するまでに要する時間と比較して伸びてしまうのである。

このような現象が生じる理由について、図８を参照して説明する。図８に示すような、２個のキャパシタが直列接続され、その２個のキャパシタが、複数の電池セルで充電される回路について考える。図８に示す回路では、２個のキャパシタの両端と２個の電池セルの両端とは、抵抗値Ｒの抵抗を介して接続されている。一方、２個のキャパシタの接続点と２個の電池セルの接続点とを結ぶラインには、抵抗値Ｒよりも小さい抵抗値ｋＲ（例えば、ｋ＝０．５）の抵抗が設けられている。

図８に示す回路において、実線矢印で示す同相電流によってキャパシタに充電される電圧を同相成分電圧Ｖ_ｃｏｍとし、点線矢印で示す逆相電流によってキャパシタに充電される電圧を差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆとすると、同相成分電圧Ｖ_ｃｏｍ及び差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆは、
以下の数式１によって示される。

なお、Ｖ_{ｃｏｍ_ｉｎｉｔ}は同相成分電圧Ｖ_ｃｏｍの初期値を表し、Ｅ_ｃｏｍは、電池セルにおいて同相電流を発生させる同相電圧を表す。また、Ｖ_{ｄｉｆｆ_ｉｎｉｔ}は差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆの初期値を表し、Ｅ_ｄｉｆｆは、電池セルにおいて逆相電流を発生させる差動電圧を表す。

そして、図８の回路における下段のキャパシタの充電電圧ＶＡ、上段のキャパシタの充電電圧ＶＢ、及び上下段のキャパシタの充電電圧の和ＶＣは、以下の数式２によって示される。

数式２に示すように、下段のキャパシタの充電電圧ＶＡと上段のキャパシタの充電電圧ＶＢとは、差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆの影響を受ける。そして、数式１に示すように、同相成分電圧Ｖ_ｃｏｍの時定数はＲＣであるのに対し、差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆの時定数は（２ｋ＋１）ＲＣである。従って、特許文献１に記載されているように、ｋ＝０．５に設定した場合であっても、差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆの時定数は、同相成分電圧Ｖ_ｃｏｍの時定数のおよそ２倍となる。

ここで、上述したように、単一のキャパシタと残りのキャパシタとが逆極性に充電されている状態で、複数の電池セルと複数のキャパシタとの両端及び接続端同士を結ぶ検出ラインが全て接続されると、そのときに形成される回路には、同相電流及び逆相電流が流れる。このため、複数のキャパシタの充電電圧が収束するまでの時間が通常よりも伸びてしまうことになる。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、複数の電池セルと複数のキャパシタとが接続されたときに差動成分電圧の影響を受けた場合であっても、精度の高い電圧を検出することが可能な電圧監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電圧監視装置（２）は、複数の電池セル（Ｂ０～Ｂ１１）が直列に接続されて構成される組電池（１）の、当該複数の電池セルの電圧を監視するものであって、
直列に接続された複数のキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）を有するキャパシタ回路（２２）と、
組電池の複数の電池セルとキャパシタ回路とを接続する複数の接続経路（Ｌ０～Ｌ１２）中にそれぞれ設けられる複数の切替スイッチ（ＳＷ０～ＳＷ１２）と、
複数の切替スイッチの各々に直列に接続される複数の抵抗（Ｒ０～Ｒ１２）と、
複数の切替スイッチを操作して、複数の電池セルの中で、キャパシタ回路に接続する電池セルを切り替える接続セル切替制御部（２５）と、
接続された電池セルによって充電された、キャパシタ回路の複数のキャパシタの充電電圧（ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ）を、電池セルとキャパシタ回路とが電気的に切り離された状態で検出する検出部（２４）と、を備え、
組電池を構成する複数の電池セルは、切替スイッチを介してキャパシタ回路に接続されるときに、キャパシタ回路の複数のキャパシタと同数の電池セルが直列に接続された直列電池セルの両端電位だけがキャパシタ回路の両端に印加されるように、両端同士が接続される第１直列電池セル（Ｂ２～Ｂ９）と、直列電池セルの両端電位がキャパシタ回路の両端に印加されるとともに、直列電池セルにおける電池セル同士の接続点の電位が、キャパシタ回路のキャパシタ同士の対応する接続点に印可されるように、両端及び接続点同士が接続される第２直列電池セル（Ｂ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１）と、を含み、
キャパシタ回路の複数のキャパシタが、第２直列電池セルによる充電の極性とは逆極性に充電されている状態で、第２直列電池セルに接続される場合、接続セル切替制御部は、第２直列電池セルに含まれる単一の電池セル（Ｂ１、Ｂ１０）だけを、キャパシタ回路の対応する単一のキャパシタ（Ｃ２）に接続して、当該単一のキャパシタを他のキャパシタ（Ｃ１）とは逆の極性に充電し、その後、第２直列電池セルとキャパシタ回路の複数のキャパシタとの両端及び接続点同士をすべて接続し、第２直列電池セルによってキャパシタ回路の複数のキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）を充電するものであり、
接続セル切替制御部は、第２直列電池セルの中の単一の電池セルだけを単一のキャパシタに接続して充電した後、第２直列電池セルと複数のキャパシタとの両端及び接続点同士をすべて接続して充電するとき、その接続充電時間（Ｔ）を、第１直列電池セルの両端をキャパシタ回路の両端に接続して充電する接続充電時間（ｔ）よりも長くすることを特徴とする。

本発明の発明者らは、複数のキャパシタを用いて複数の電池セルの電圧を監視する電圧監視装置において、特に、第２直列電池セルの中の単一の電池セルを単一のキャパシタに接続して充電し、それにより、単一のキャパシタと残りのキャパシタとの充電極性が逆となった状態で、第２直列電池セルと複数のキャパシタとの両端及び接続点同士がすべて接続されて、第２直列電池セルによって複数のキャパシタが充電されるとき、キャパシタの充電電圧は、上述した差動成分電圧の影響を受けることを見出した。

そのため、本発明では、接続セル切替制御部が、そのときの接続充電時間Ｔを、第１直列電池セルの両端をキャパシタ回路の両端に接続して充電する接続充電時間ｔよりも長くするように構成した。これにより、キャパシタの充電電圧を、差動成分電圧の影響を受けながらも、検出対象となっている電池セルの電圧に対応する電圧により近似させることができるようになる。その結果、電圧監視装置による電池セルの電圧検出の精度を高めることが可能となる。

上記括弧内の参照番号は、本開示の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら発明の範囲を制限することを意図したものではない。

また、上述した特徴以外の、特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。

実施形態に係る、電圧監視装置を含む監視システムの構成を示す構成図である。 マイコンが出力する切替スイッチ制御信号について説明するための図である。 図１の電圧監視装置において発生しえる課題について説明するための波形図である。 マイコンが電池電圧検出処理を実施する際の、電圧監視装置の状態を示した図である。 単一の電池セルを単一のキャパシタに接続するために、マイコンが出力する切替スイッチ制御信号について説明するための図である。 本実施形態の電圧監視装置の特徴的な作動を説明するための波形図である。 本実施形態の電圧監視装置の特徴的な作動を説明するための波形図である。 課題の発生する理由を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、組電池１により構成される車載高圧バッテリの各電池セルの電池電圧を監視（検出）する監視システムに本発明の電圧監視装置２を適用している。図１に示すように、本実施形態の監視システムは、組電池１と、フライングキャパシタ方式の電圧監視装置２とを備えている。

組電池１は、インバータ等を介して車両走行用の電動機（走行用モータ）に電力を供給したり、発電機によって発電された電力によって充電されたりするものであり、ｎ個の単位電池セルの直列接続体として構成されている。図１では、組電池１が２０個の単位電池セルの直列接続体として構成された例を示している。なお、図１に示すように、組電池１を構成する電池セルＢ０～Ｂ１１のうち、電池セルＢ０、Ｂ１、Ｂ１０、Ｂ１１は、１個の単位電池セルであるのに対し、電池セルＢ２～Ｂ９は、単位電池セルを２個直列に接続した直列電池セルである。各電池セルＢ０～Ｂ１１として、例えば充放電可能なリチウムイオン電池や鉛蓄電池などが用いられる。

組電池１を構成する各単位電池セルの電池電圧が不均一になると、組電池１の充放電可能な電力が低下するなど組電池１の充放電効率が低下する。そのため、各単位電池セルの電池電圧を監視し、もし電池電圧が不均一であることが検出された場合には、例えば、各単位電池セルの電池電圧を均一化するための処置を施したりすることが望まれる。そのため、電圧監視装置２は、組電池１の各単位電池セルの電池電圧を監視するように構成される。

電圧監視装置２は、組電池１の各電池セルＢ０～Ｂ１１と複数の検出ラインＬ０～Ｌ１２を介して接続されている。具体的には、検出ラインＬ０の一端は、電池セルＢ０の負極側に接続されている。検出ラインＬ１の一端は、電池セルＢ０の正極側かつ電池セルＢ１の負極側に接続されている。検出ラインＬ２の一端は、電池セルＢ１の正極側かつ電池セルＢ２の負極側に接続されている。以下同様に、検出ラインＬ３～Ｌ１１については、各検出ラインｍ（ｍは３～１１の整数）の一端が、電池セルＢｍ－１の正極側かつ電池セルＢｍの負極側に接続されている。そして、検出ラインＬ１２の一端は、電池セルＢ１１の正極側に接続されている。

電圧監視装置２は、抵抗回路２０、経路切替スイッチ部２１、キャパシタ回路２２、サンプリングスイッチ部２３、電圧検出部２４、マイクロコンピュータ（以下、マイコン２５と記す）を備えている。

抵抗回路２０は、組電池１と経路切替スイッチ部２１との間において、各検出ラインＬ０～Ｌ１２上に個別に設けた複数の抵抗Ｒ０～Ｒ１２を備えている。これら複数の抵抗Ｒ０～Ｒ１２は電流制限を行うフィルタとして機能し、これにより、経路切替スイッチ部２１の各スイッチＳＷ０～ＳＷ１２が保護される。複数の抵抗Ｒ０～Ｒ１２の抵抗値は、以下のように設定される。検出ラインの他端が、キャパシタ回路２２におけるキャパシタＣ１、Ｃ２の直列接続体の両端（独立端）に接続される検出ラインＬ０、Ｌ２、Ｌ３～Ｌ１０、Ｌ１２に設けられる抵抗Ｒ０、Ｒ２、Ｒ３～Ｒ１０、Ｒ１２は、抵抗値Ｒを有する。それに対し、検出ラインの他端が、キャパシタ回路２２におけるキャパシタＣ１、Ｃ２の直列接続体の中点（接続端）に接続される検出ラインＬ１、Ｌ１１に設けられる抵抗Ｒ１、Ｒ１１は、抵抗値Ｒよりも小さい抵抗値ｋＲ（ｋは０．５以下）を有する。なお、ｋの下限値は、経路切替スイッチ部２１の対応する切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２がオンされたときに流れる突入電流により、例えば切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２がダメージを受けない範囲で設定される。

経路切替スイッチ部２１は、各検出ラインＬ０～Ｌ１２に個別に設けられた複数個の切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２を備えている。各切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２は、例えばフォトＭＯＳリレーによって構成される。これら切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２が、接続セル切替制御部としてのマイコン２５によって導通、遮断の状態が制御されることにより、キャパシタ回路２２に接続する電池セルＢ０～Ｂ１２を切り替えることができる。

キャパシタ回路２２は、直列接続された複数のキャパシタＣ１，Ｃ２を有している。なお、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列接続体の端部には接続端子として独立端Ｎ１，Ｎ３が設けられている。また、キャパシタＣ１，Ｃ２同士の接続中点には接続端子として接続端Ｎ２が設けられている。そして、電池セルＢ２～Ｂ９に関しては、それらの正極側及び負極側が、検出ラインＬ２～Ｌ１０によって複数のキャパシタＣ１、Ｃ２の独立端Ｎ１、Ｎ３だけに接続され、接続端Ｎ２に接続するための検出ラインは設けられていない。これにより、電圧監視装置２の構成の簡略化が図られている。

サンプリングスイッチ部２３は、キャパシタ回路２２の独立端Ｎ１，Ｎ３及び接続端Ｎ２の各々に接続された複数個のスイッチＳＷＡ～ＳＷＣを備えている。詳しくは、スイッチＳＷＡは独立端Ｎ１、スイッチＳＷＢは接続端Ｎ２、スイッチＳＷＣは独立端Ｎ３にそれぞれ接続されている。これらのスイッチＳＷＡ～ＳＷＣの導通及び遮断の切り替えによって、キャパシタ回路２２と電圧検出部２４との接続及び非接続が切り替えられる。

電圧検出部２４は、各キャパシタＣ１，Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣを検出する複数の電圧検出回路２４Ａ～２４Ｃを有している。電圧検出回路２４Ａは、スイッチＳＷＡ及びスイッチＳＷＢに接続されておりキャパシタＣ１の充電電圧ＶＡを検出する。電圧検出回路２４Ｂは、スイッチＳＷＢ及びスイッチＳＷＣに接続されておりキャパシタＣ２の充電電圧ＶＢを検出する。電圧検出回路２４ＣはスイッチＳＷＡ及びスイッチＳＷＣに接続されておりキャパシタＣ１及びＣ２の総充電電圧ＶＣを検出する。

各電圧検出回路２４Ａ～２４Ｃは、例えば、差動増幅器とＡＤ変換器を備え、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢ及びキャパシタＣ１、Ｃ２の総充電電圧ＶＣを増幅した後にＡＤ変換してマイコン２５に出力する。電圧検出回路２４Ａ，２４Ｂは、各キャパシタＣ１，Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢを所定の増幅率（第１増幅率）で増幅して出力する。一方、電圧検出回路２４Ｃは、各キャパシタＣ１、Ｃ２の総充電電圧ＶＣを、第１増幅率とは異なる第２増幅率で増幅して出力する。

マイコン２５は、ＣＰＵ、メモリ等からなるマイクロコンピュータである。このマイコン２５は、経路切替スイッチ部２１に対して、複数個の切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２の導通、遮断の状態を切り替えるための切替スイッチ制御信号を出力する。また、マイコン２５は、サンプリングスイッチ部２３に対して、複数個のスイッチＳＷＡ～ＳＷＣの導通、遮断の状態を切り替えるためのサンプリングスイッチ制御信号を出力する。

マイコン２５は、切替スイッチ制御信号及びサンプリングスイッチ制御信号により、サンプリングスイッチ部２３の各スイッチＳＷＡ～ＳＷＣを遮断した状態で、経路切替スイッチ部２１の少なくとも２つの切替スイッチを導通状態に切り替える。つまり、マイコン２５は、組電池１と電圧検出部２４とを電気的に絶縁した状態で、キャパシタ回路２２を充電する充電処理を実施する。

マイコン２５が実行するキャパシタ回路２２の充電処理について詳しく説明する。キャパシタ回路２２の充電処理において、マイコン２５は、原則として、経路切替スイッチ部２１の複数の切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２のうち少なくとも２つの切替スイッチを導通状態にし、キャパシタ回路２２に対して、キャパシタＣ１、Ｃ２と同数の単位電池セルを接続して、各キャパシタＣ１、Ｃ２を接続した電池セルの電池電圧まで充電する。

例えば、電池セルＢ０とＢ１をキャパシタ回路２２に接続する場合には、マイコン２５は、３本の検出ラインＬ０～Ｌ２上の３つの切替スイッチＳＷ０～ＳＷ２を導通状態にする。３つの切替スイッチＳＷ０～ＳＷ２を導通させるためにマイコン２５が出力する切替スイッチ制御信号を、図２に示すように、第１切替スイッチ制御信号ＳＣ１と呼ぶこととする。また、電池セルＢ２～Ｂ９のいずれかをキャパシタ回路２２に接続する場合には、マイコン２５は、検出ラインＬ２～Ｌ１０の内、隣接する２本の検出ラインＬｎ，Ｌｎ+１（ｎは２～９の整数）上の切替スイッチＳＷｎ、ＳＷｎ＋１を導通状態にする。これらの切替スイッチＳＷｎ、ＳＷｎ＋１を導通させるためにマイコン２５が出力する切替スイッチ制御信号を、図２に示すように、それぞれ、第２切替スイッチ制御信号ＳＣ２～第９切替スイッチ制御信号ＳＣ９と呼ぶこととする。さらに、電池セルＢ１０とＢ１１をキャパシタ回路２２に接続する場合には、マイコン２５は、３本の検出ラインＬ１０～Ｌ１２上の３つの切替スイッチＳＷ１０～ＳＷ１２を導通状態にする。３つの切替スイッチＳＷ１０～ＳＷ１２を導通させるためにマイコン２５が出力する切替スイッチ制御信号を、図２に示すように、第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０と呼ぶこととする。このように、マイコン２５が各切替スイッチ制御信号ＳＣ１～ＳＣ１０を出力して、キャパシタ回路２２に、キャパシタＣ１、Ｃ２と同数の単位電池セルを接続することで、各キャパシタＣ１、Ｃ２は、接続された複数の単位電池セルの電池電圧に応じた電圧まで充電される。

なお、本実施形態では、マイコン２５は、キャパシタ回路２２にいずれの電池セルＢ０～Ｂ１１を接続するかに係らず、すべての切替スイッチ制御信号ＳＣ１～ＳＣ１０を所定時間（例えば、４ｍｓ）だけ出力するように構成されている。

ここで、本実施形態においては、組電池１を構成する複数の電池セルＢ０～Ｂ１１は、切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２を介してキャパシタ回路２２に接続されるとき、キャパシタ回路２２の複数のキャパシタＣ１、Ｃ２と同数の単位電池セルが直列に接続された直列電池セルの両端電位だけがキャパシタ回路２２の両端に印加されるように、両端同士が接続される電池セルＢ２～Ｂ９と、直列電池セルの両端電位がキャパシタ回路２２の両端に印加されるとともに、直列電池セルにおける電池セル同士の接続点の電位が、キャパシタ回路２２のキャパシタＣ１、Ｃ２同士の接続点である接続端Ｎ２に印可されるように、両端及び接続点同士が接続される電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１とを含んでいる。電池セルＢ２～Ｂ９が第１直列電池セルに相当し、電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１が第２直列電池セルに相当する。

さらに、これら第１直列電池セルに相当する電池セルＢ２～Ｂ９と、第２直列電池セルに相当する電池セルＢ０、Ｂ１及びＢ１０、Ｂ１１は、それぞれ、キャパシタ回路２２を充電する際の極性が逆となる電池セルを含んでいる。具体的には、電池セルＢ２～Ｂ９のうち、電池セルＢ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９は、キャパシタ回路２２に接続されたとき、図１において各キャパシタＣ１、Ｃ２の上側が正極、下側が負極となるように、各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する。一方、電池セルＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８は、図１において各キャパシタＣ１、Ｃ２の下側が正極、上側が負極となるように、各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する。また、電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１のうち、電池セルＢ０とＢ１は、図１において各キャパシタＣ１、Ｃ２の上側が正極、下側が負極となるように、各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する。一方、電池セルＢ１０とＢ１１は、図１において各キャパシタＣ１、Ｃ２の下側が正極、上側が負極となるように、各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する。

本実施形態では、第１直列電池セルに相当する電池セルＢ２～Ｂ９と、第２直列電池セルに相当する電池セルＢ０、Ｂ１及びＢ１０、Ｂ１１の内、各キャパシタＣ１、Ｃ２の上側が正極、下側が負極となるようにキャパシタＣ１、Ｃ２を充電する電池セルＢ０とＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９を第１グループとしてまとめる。同様に、電池セルＢ２～Ｂ９と、電池セルＢ０、Ｂ１及びＢ１０、Ｂ１１の内、各キャパシタＣ１、Ｃ２の下側が正極、上側が負極となるようにキャパシタＣ１、Ｃ２を充電する電池セルＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０とＢ１１を第２グループとしてまとめる。マイコン２５は、各電池セルＢ０～Ｂ１１をキャパシタ回路２２に接続して各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する際、第１グループと第２グループとが交互に入れ替わるように、キャパシタ回路２２に接続する電池セルＢ０～Ｂ１１を切り替える。

例えば、図３に示すように、マイコン２５は、第２グループから第１グループへの切り替わり時に、第１グループに属する電池セルＢ０、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９の内、まず、電池セルＢ５に対応する第５切替スイッチ制御信号ＳＣ５を出力して、電池セルＢ５をキャパシタ回路２２に接続する。その後、マイコン２５は、第７切替スイッチ制御信号ＳＣ７、第９切替スイッチ制御信号ＳＣ９、第１切替スイッチ制御信号ＳＣ１、第３切替スイッチ制御信号ＳＣ３を順番に出力して、電池セルＢ７、電池セルＢ９、電池セルＢ０とＢ１、電池セルＢ３の順番でキャパシタ回路２２に接続する。このように、マイコン２５は、第１グループに属する電池セルＢ０とＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９が連続してキャパシタ回路２２に接続されるように切替スイッチ制御信号ＳＣ１、ＳＣ３、ＳＣ５、ＳＣ７、ＳＣ９を出力する。そして、第１グループに属する電池セルＢ０とＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９のキャパシタ回路２２への接続がすべて終了すると、マイコン２５は、第２グループに属する電池セルＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０とＢ１１を順番にキャパシタ回路２２に接続するように、切替スイッチ制御信号ＳＣ２、ＳＣ４、ＳＣ６、ＳＣ８、ＳＣ１０を出力する。図３には、最初に第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０が出力され、その後、順番に第２切替スイッチ制御信号ＳＣ２、第４切替スイッチ制御信号Ｃ４、第６切替スイッチ制御信号Ｃ６、第８切替スイッチ制御信号ＳＣ８が出力される例が示されている。

このように、本実施形態では、キャパシタ回路２２を充電する充電処理として、電池セルＢ０～Ｂ１２を、各キャパシタＣ１、Ｃ２を充電する際の極性に応じて第１グループと第２グループとに分け、第１グループに属する電池セルＢ０とＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９によるキャパシタ回路２２の充電を連続的に行い、その後、第２グループに属する電池セルＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０とＢ１１によるキャパシタ回路２２の充電を連続的に行うようにしている。この結果、図３に示すように、第１グループ及び第２グループとも、最初にキャパシタ回路２２に接続される電池セルは、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧の極性を反転させるために相対的に大きな電力を消費するが、２番目以降に接続される電池セルに関しては、キャパシタＣ１、Ｃ２の充電に僅かな電力しか消費されないようにすることができる。また、第１グループ及び第２グループの各１番目にキャパシタ回路２２に接続される電池セルによる充電によって、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電極性が反転すれば、その電池セルに接続された検出ラインは断線していないと判定することができる。

そして、本実施形態では、マイコン２５は、第１グループに属する電池セルＢ０、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９をキャパシタ回路２２に接続する順序、及び第２グループに属する電池セルＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０とＢ１１をキャパシタ回路２２に接続する順序を、第１グループと第２グループとが入れ替わるごとに変更するように構成されている。たとえば、図３に示すように、第１グループの今回の接続順序がＢ５→Ｂ７→Ｂ９→Ｂ０とＢ１→Ｂ３であった場合、次回の接続順序はＢ７→Ｂ９→Ｂ０とＢ１→Ｂ３→Ｂ５とする。また、図３に示すように、第２グループの今回の接続順序がＢ１０とＢ１１→Ｂ２→Ｂ４→Ｂ６→Ｂ８であった場合、次回の接続順序はＢ２→Ｂ４→６→Ｂ８→Ｂ１０とＢ１１とする。

このように、第１グループと第２グループとが入れ替わるごとに、最初にキャパシタ回路２２に接続される電池セルが順番に入れ替わるようにすることで、各キャパシタＣ１、Ｃ２の極性反転のための充電に要する電力消費が、特定の電池セルに集中することを防止することができる。さらに、第１グループと第２グループとで最初にキャパシタ回路２２に接続される電池セルが順番に入れ替わるので、すべての電池セルの正極側及び負極側に接続された検出ラインの断線の有無を判定することができるようになる。

そして、キャパシタ回路２２の充電完了後（切替スイッチ制御信号の所定時間の出力後）は、図３及び図４に示すように、経路切替スイッチ部２１の各切替スイッチＳＷ０～ＳＷ１２がすべて遮断され、組電池１とキャパシタ回路２２とが電気的に遮断される。この状態で、マイコン２５は、図４に示すように、サンプリングスイッチ制御信号を出力して、サンプリングスイッチ部２３の各スイッチＳＷＡ～ＳＷＣを導通状態に切り替える。つまり、マイコン２５は、組電池１とキャパシタ回路２２とを電気的に絶縁した状態で、キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢ及び総充電電圧ＶＣから各電池セルＢ０～Ｂ１１の電圧（電池電圧）Ｅ０～Ｅ１１に相当する電圧Ｖ０～Ｖ１１を検出する電池電圧検出処理を実施する。

なお、マイコン２５が、サンプリングスイッチ制御信号により検出すべきキャパシタの充電電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣに対応したスイッチＳＷＡ～ＳＷＣだけを導通させるようにしてもよい。検出すべきキャパシタの充電電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣの一例は、図３の各キャパシタの充電電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣの各波形図に沿って、電池セルの各電池電圧Ｅ０～Ｅ１１に相当する電圧Ｖ０～Ｖ１１として示されている。

マイコン２５は、図３に示すように、切替スイッチ制御信号と同じく、サンプリングスイッチ制御信号を所定時間（例えば、４ｍｓ）だけ出力するように構成されている。マイコン２５は、サンプリングスイッチ制御信号の出力開始から所定時間（例えば、２ｍｓ）後に、電圧検出部２４の各電圧検出回路２４Ａ～２４ＣによってＡＤ変換された、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢ及びキャパシタＣ１、Ｃ２の総充電電圧ＶＣを取り込む。マイコン２５は、取り込んだ各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢ、及び／又は、キャパシタＣ１、Ｃ２の総充電電圧ＶＣに基づき、各電池セルＢ０～Ｂ１１の電池電圧Ｅ０～Ｅ１１に相当する電圧Ｖ０～Ｖ１１を検出する。

ここで、図３に示すように、電池セルＢ１０とＢ１１が、第２グループにおける接続順序が１番目の電池セルとなったとき、換言すると、接続しようとしている電池セルＢ１０とＢ１１による充電の極性とは逆極性にキャパシタＣ１、Ｃ２が充電されているとき、マイコン２５は、まず、切替スイッチＳＷ１０とＳＷ１１を導通状態として、単一の単位電池セルＢ１０だけをキャパシタＣ２に接続する。これにより、キャパシタＣ２の充電電圧の極性が反転すると、マイコン２５は、接続端Ｎ２に連なる検出ラインＬ１１が断線していないことを確認することができる。なお、図５に示すように、切替スイッチＳＷ１０とＳＷ１１を導通状態とするためにマイコン２５が出力する切替スイッチ制御信号を、第１０単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１０Ｓと呼ぶこととする。

また、図３には示していないが、マイコン２５は、電池セルＢ０とＢ１が、第１グループにおける接続順序が１番目の電池セルとなったとき、まず、切替スイッチＳＷ１とＳＷ２を導通状態として、単一の単位電池セルＢ１だけをキャパシタＣ２に接続する。これにより、キャパシタＣ２の充電電圧の極性が反転すると、マイコン２５は、接続端Ｎ２に連なる検出ラインＬ１が断線していないことを確認することができる。図５に示す如く、切替スイッチＳＷ１とＳＷ２を導通状態とするためにマイコン２５が出力する切替スイッチ制御信号を、第１単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１Ｓと呼ぶこととする。

例えば、第１０単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１０Ｓにより、単一の単位電池セルＢ１０だけがキャパシタＣ２に接続されると、図３に示すように、キャパシタＣ２の充電電圧ＶＢの極性が反転する。その結果、キャパシタＣ１の充電電圧ＶＡの極性とキャパシタＣ２の充電電圧ＶＢの極性が逆となる。この状態で、マイコン２５が第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を出力して、切替スイッチＳＷ１０～ＳＷ１２を導通状態に切り替えると、発明が解決しようとする課題の欄に記載したように、電池セルＢ０、Ｂ１と各キャパシタＣ１、Ｃ２との間で、同相電流及び逆相電流が流れる。その結果、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢが収束するまでの時間が通常よりも伸びてしまう。このため、図３に示すように、第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を所定時間出力しただけでは、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢが、図３に一点鎖線で示す、収束すべき電圧まで変化することができない虞がある。

そのため、本実施形態では、図６に示すように、キャパシタ回路２２の複数のキャパシタＣ１、Ｃ２が、相互に逆極性に充電されている状態で、第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を出力して、検出ラインＬ１０～Ｌ１２を介して電池セルＢ１０とＢ１１とキャパシタ回路２２の複数のキャパシタＣ１、Ｃ２との両端及び接続点同士をすべて接続するときには、２検出周期続けて第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を出力することとした。なお、検出周期は、切替スイッチ制御信号の出力期間と、サンプリングスイッチ制御信号の出力期間とによって規定される。

１検出周期における切替スイッチ制御信号の出力期間をｔとすると、２検出周期続けて第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を出力することで、その出力期間Ｔは、通常の切替スイッチ制御信号の出力期間ｔの２倍となる。従って、上述したように、検出ラインＬ１１に設けた抵抗Ｒ１１の抵抗値がｋＲ（ｋは０．５以下）である場合、出力期間Ｔは出力期間ｔの（２ｋ＋１）倍以上となる。そして、各電池セルＢ１０、Ｂ１１の電池電圧Ｅ１０、Ｅ１１に相当する電圧Ｖ１０、Ｖ１１として、１検出周期目の検出結果ではなく、２検出周期目に検出された結果を採用する。このため、電池セルＢ１０、Ｂ１１と各キャパシタＣ１、Ｃ２との間に逆相電流が流れて、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧ＶＡ、ＶＢが差動成分電圧Ｖ_ｄｉｆｆの影響により収束時間が伸びたとしても、電池セルＢ１０、Ｂ１１の電池電圧Ｅ１０、Ｅ１１に相当する電圧Ｖ１０、Ｖ１１を高精度に検出できるようになる。

なお、電池セルＢ１０とＢ１１が、第２グループにおける接続順序が２番目以降となった場合には、図７に示すように、第１０単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１０Ｓは出力されず、単一の電池セルＢ１０がキャパシタＣ２に接続されることはない。そして、マイコン２５は、図７に示すように、第１０切替スイッチ制御信号ＳＣ１０を、２検出周期ではなく、１検出周期のみ出力する。

また、同様に、電池セルＢ０とＢ１が第１グループにおける接続順序が１番目の電池セルとなったとき、図７に示すように、マイコン２５は、まず、第１単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１Ｓを出力して切替スイッチＳＷ１とＳＷ２を導通状態とし、単一の単位電池セルＢ１だけをキャパシタＣ２に接続する。これにより、キャパシタＣ２の充電電圧の極性が反転すると、マイコン２５は、接続端Ｎ２に連なる検出ラインＬ１が断線していないと判定することができる。

しかし、第１単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１Ｓの出力により、単一の単位電池セルＢ１だけがキャパシタＣ２に接続されると、図７に示すように、キャパシタＣ２の充電電圧ＶＢの極性とキャパシタＣ１の充電電圧ＶＡの極性とが逆になる。従って、この場合も、マイコン２５は、図７に示すように、２検出周期続けて第１切替スイッチ制御信号ＳＣ１を出力する。そして、各電池セルＢ０、Ｂ１の電池電圧Ｅ０、Ｅ１に相当する電圧Ｖ０、Ｖ１として、１検出周期目の検出結果ではなく、２検出周期目に検出された結果を採用する。これにより、電池セルＢ０、Ｂ１の電池電圧Ｅ０、Ｅ１に相当する電圧Ｖ０、Ｖ１も高精度に検出できるようになる。

なお、電池セルＢ０とＢ１が、第１グループにおける接続順序が２番目以降となった場合には、図６に示すように、第１単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１Ｓは出力されず、単一の電池セルＢ１がキャパシタＣ２に接続されることはない。そして、マイコン２５は、図６に示すように、第１切替スイッチ制御信号ＳＣ１を、２検出周期ではなく、１検出周期のみ出力する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、マイコン２５は、単一の電池セルを接続するための単一切替スイッチ制御信号ＳＣ１Ｓ、ＳＣ１０Ｓ、直列電池セルの両端のみをキャパシタ回路２２に接続するための切替スイッチ制御信号ＳＣ２～ＳＣ９、及び直列電池セルとキャパシタ回路２２のキャパシタの直列接続体の両端及び接続端同士を接続するための切替スイッチ制御信号ＳＣ１、ＳＣ２など各切替スイッチ制御信号の種類を問わず、各切替スイッチ制御信号を同じ出力期間ｔだけ出力する例について説明した。そして、この場合、上述したように、単一の電池セルＢ１、Ｂ１０を単一のキャパシタＣ２に接続した後に、直列電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１をキャパシタ回路２２に接続するとき、２検出周期に渡って、切替スイッチ制御信号ＳＣ１、ＳＣ１０を出力することで、直列電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１によるキャパシタ回路２２の充電時間Ｔを通常の充電時間ｔよりも長くした。

しかしながら、切替スイッチ制御信号の出力期間（キャパシタの充電時間）ｔとサンプリングスイッチ制御信号の出力期間（電圧検出部による検出期間）とによって規定される一定の検出周期を繰り返す構成に代えて、マイコン２５が一検出周期内の切替スイッチ制御信号の出力期間を変化させる構成を採用しても良い。すなわち、マイコン２５は、各キャパシタＣ１、Ｃ２の充電電圧の極性が逆極性となっている状態で、直列電池セルＢ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１をキャパシタ回路２２に接続するときには、一検出周期内において、切替スイッチ制御信号ＳＣ１、ＳＣ１０の出力期間を、他の切替スイッチ制御信号ＳＣ２～ＳＣ９の出力期間の（２ｋ＋１）倍以上に長くしても良い。

また、上述した実施形態では、２つのキャパシタＣ１，Ｃ２の直列接続体を用いるダブルフライングキャパシタ方式の電圧監視装置２を例として説明した。しかしながら、電圧監視装置２において、３つ以上のキャパシタの直列接続体を用いてもよい。この場合には、キャパシタの直列接続体に対して、同数の電池セルの直列接続体を接続して、３つ以上の各キャパシタを充電するように構成すればよい。そして、単一の電池セルによるいずれかのキャパシタの充電によって隣接する２つのキャパシタ間における充電電圧が互いに逆極性となっている状態で、電池セルの直列接続体の両端及び対応する接続点同士を接続する場合に、切替スイッチ制御信号の出力期間を、通常の出力期間よりも長くすればよい。

１…組電池、２…電圧監視装置、２２…キャパシタ回路、２４…電圧検出部、２４Ａ～２４Ｃ…電圧検出回路、２５…マイコン、Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ、Ｎ１，Ｎ３…独立端、Ｎ２…接続端、ＳＷ０～ＳＷ１２…切替スイッチ、Ｂ０～Ｂ１１…電池セル

Claims (6)

1. 複数の電池セル（Ｂ０～Ｂ１１）が直列に接続されて構成される組電池（１）の、当該複数の電池セルの電圧を監視する電圧監視装置（２）であって、
   直列に接続された複数のキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）を有するキャパシタ回路（２２）と、
   前記組電池の複数の電池セルと前記キャパシタ回路とを接続する複数の接続経路（Ｌ０～Ｌ１２）中にそれぞれ設けられる複数の切替スイッチ（ＳＷ０～ＳＷ１２）と、
   複数の前記切替スイッチの各々に直列に接続される複数の抵抗（Ｒ０～Ｒ１２）と、
   複数の前記切替スイッチを操作して、複数の電池セルの中で、前記キャパシタ回路に接続する電池セルを切り替える接続セル切替制御部（２５）と、
   接続された電池セルによって充電された、前記キャパシタ回路の複数のキャパシタの充電電圧（ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ）を、電池セルと前記キャパシタ回路とが電気的に切り離された状態で検出する検出部（２４）と、を備え、
   前記組電池を構成する複数の電池セルは、対応する前記切替スイッチを介して前記キャパシタ回路に接続されるときに、前記キャパシタ回路の複数のキャパシタと同数の電池セルが直列に接続された直列電池セルの両端電位だけが前記キャパシタ回路の両端に印加されるように、両端同士が接続される第１直列電池セル（Ｂ２～Ｂ９）と、直列電池セルの両端電位が前記キャパシタ回路の両端に印加されるとともに、直列電池セルにおける電池セル同士の接続点の電位が、前記キャパシタ回路のキャパシタ同士の対応する接続点に印可されるように、両端及び接続点同士が接続される第２直列電池セル（Ｂ０とＢ１、Ｂ１０とＢ１１）と、を含み、
   前記キャパシタ回路の複数のキャパシタが、第２直列電池セルによる充電の極性とは逆極性に充電されている状態で、第２直列電池セルに接続される場合、前記接続セル切替制御部は、第２直列電池セルに含まれる単一の電池セル（Ｂ１、Ｂ１０）だけを、前記キャパシタ回路の対応する単一のキャパシタ（Ｃ１）に接続して、当該単一のキャパシタを他のキャパシタ（Ｃ２）とは逆の極性に充電し、その後、第２直列電池セルと前記キャパシタ回路の複数のキャパシタとの両端及び接続点同士をすべて接続し、第２直列電池セルによって前記キャパシタ回路の複数のキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）を充電するものであり、
   前記接続セル切替制御部は、第２直列電池セルの中の単一の電池セルだけを単一のキャパシタに接続して充電した後、第２直列電池セルと複数のキャパシタとの両端及び接続点同士をすべて接続して充電するとき、その第１接続充電時間（Ｔ）を、第１直列電池セルの両端を前記キャパシタ回路の両端に接続して充電する第２接続充電時間（ｔ）よりも長くすることを特徴とする電圧監視装置。
2. 第１直列電池セル及び第２直列電池セルは、それぞれ、前記キャパシタ回路を充電する際の極性が逆となる直列電池セルを含み、
   前記接続セル切替制御部は、一方の極性にて前記キャパシタ回路を充電する第１直列電池セル及び第２直列電池セルを第１グループ（Ｂ０、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９）としてまとめ、一方の極性とは逆の他方の極性にて前記キャパシタ回路を充電する第１直列電池セル及び第２直列電池セルを第２グループ（Ｂ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０、Ｂ１１）としてまとめ、前記第１グループと前記第２グループとが交互に入れ替わるように、前記キャパシタ回路に接続する直列電池セルを切り替えるものであり、
   さらに、前記接続セル切替制御部は、前記第１グループ及び前記第２グループに属する第１直列電池セル及び第２直列電池セルの前記キャパシタ回路に接続する順序を、前記第１グループと前記第２グループとが入れ替わるごとに変更することを特徴とする請求項１に記載の電圧監視装置。
3. 第２直列電池セルの前記キャパシタ回路に接続される順序が、前記第１グループ又は前記第２グループの第１番目以外の順序であって、前記キャパシタ回路の複数のキャパシタが第２直列電池セルによる充電の極性と同極性に充電されている状態で、第２直列電池セルを前記キャパシタ回路に接続する場合、前記接続セル切替制御部は、第２直列電池セルに含まれる単一の電池セルを接続することなく、第２直列電池セルと前記キャパシタ回路の複数のキャパシタとの両端及び接続点同士をすべて接続し、第２直列電池セルによって前記キャパシタ回路の複数のキャパシタをそれぞれ充電することを特徴とする請求項２に記載の電圧監視装置。
4. 第２直列電池セルの接続点を前記キャパシタ回路の複数のキャパシタ同士の接続点に接続する前記切替スイッチに直列に接続された抵抗の抵抗値をｋＲ（ｋは０．５以下）とし、第２直列電池セルの両端を前記キャパシタ回路の両端に接続する前記切替スイッチに直列に接続された抵抗の抵抗値をＲとしたとき、前記第１接続充電時間（Ｔ）を前記第２接続充電時間（ｔ）の（２ｋ+１）倍以上とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電圧監視装置。
5. 前記接続セル切替制御部は、直列電池セルが第１直列電池セルか第２直列電池セルかに係らず、所定の接続充電時間（ｔ）だけ直列電池セルを前記キャパシタ回路に接続するものであり、その後、検出部は、所定の検出時間で、前記キャパシタ回路の複数のキャパシタの充電電圧を検出するものであって、各直列電池セルによる充電電圧の検出周期が、所定の接続充電時間と所定の検出時間とによって規定されている場合、前記接続セル切替制御部は、第２直列電池セルによる充電電圧の検出周期を複数回繰り返すことにより、前記第１接続充電時間（Ｔ）を、前記第２接続充電時間（ｔ）よりも長くすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電圧監視装置。
6. 第２直列電池セルによる充電電圧の検出周期が複数回繰り返されたとき、最後の検出周期で検出された充電電圧が、第２直列電池セルの電圧監視に用いられることを特徴とする請求項５に記載の電圧監視装置。

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