WO2011132311A1

WO2011132311A1 - 組電池および組電池の制御装置

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Publication number: WO2011132311A1
Application number: PCT/JP2010/057251
Authority: WO
Inventors: 寛岩澤; 江守　昭彦; 小林　裕; 高橋　宏; 叶田　玲彦
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-27
Also published as: KR101367860B1; CN102893170B; US20130088201A1; JP5564561B2; KR20130004336A; EP2562555A1; US9246337B2; CN102893170A; JPWO2011132311A1

Abstract

　組電池は、１または２以上の二次電池セルが直列に接続されたセル群とそのセル群に直列に接続された第一の電流制御素子とを各々が有する互いに並列に接続された複数の電池ユニットと、電池ユニットの各々が有する第一の電流制御素子の動作を制御して電池ユニットごとに充放電電流を制御する第一の制御手段と、電池ユニットの各々が有するセル群または各セルの電圧を測定する電圧測定手段と、電圧測定手段により測定されたセル群または各セルの電圧に基づいて各電池ユニットの劣化度または故障を診断する診断手段とを備える。

Description

組電池および組電池の制御装置

　本発明は、複数の二次電池セルによって構成される組電池およびその制御装置に関する。

　電気自動車用、鉄道用、電力系統蓄電システム用などの大きな容量を必要とする二次電池システムにおいて用いられる組電池として、特許文献１に開示されているようなものが従来知られている。この組電池は、二次電池セルを多数直列に接続して直列セル群を構成し、その直列セル群をさらに複数並列接続することによって構成されている。

　一方、特許文献２には、複数の二次電池セルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池において、充放電の前後における各並列ブロックの電圧変化量を検出し、その検出結果に基づいて異常セルの有無を判定するものが開示されている。

特開２００４－３１２８６３号公報特許第４０１９８１５号公報

　上記のような従来の組電池では、組電池全体で充放電を行っている間に各セル群の劣化度や故障を正確に診断することは困難であった。すなわち、セル群単位で劣化度や故障を正確に診断するためには当該セル群の充放電電流を遮断する必要があるが、特許文献１に開示される組電池では、二次電池セルを多数直列に接続して一つの直列セル群が構成されているため、このセル群に対して充放電電流を遮断すると、組電池全体での充放電能力が大幅に低下してしまう。また、特許文献２に開示される組電池では、セル群に相当する各並列ブロックが直列に接続されているため、セル群単位で充放電電流を遮断することができない。したがって、組電池全体で充放電を行っている間に各セル群の劣化度や故障を正確に診断することはできなかった。

　本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池全体で充放電を行いつつ、各電池ユニットの劣化度や故障を診断することができる組電池を提供することにある。

　本発明の第１の態様による組電池は、１または２以上の二次電池セルが直列に接続されたセル群とそのセル群に直列に接続された第一の電流制御素子とを各々が有する互いに並列に接続された複数の電池ユニットと、電池ユニットの各々が有する第一の電流制御素子の動作を制御して電池ユニットごとに充放電電流を制御する第一の制御手段と、電池ユニットの各々が有するセル群または各セルの電圧を測定する電圧測定手段と、電圧測定手段により測定されたセル群または各セルの電圧に基づいて各電池ユニットの劣化度または故障を診断する診断手段とを備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の組電池において、診断手段は、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオンして充放電電流を通電したときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの電圧と、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断したときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの電圧とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断することができる。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の組電池において、第一の制御手段は、複数の電池ユニットのうち一部の電池ユニットを選択し、選択した電池ユニット以外の各電池ユニットにおいて充放電電流を通電した状態で、選択した電池ユニットにおいて充放電電流を通電および遮断し、診断手段は、第一の制御手段により選択された電池ユニットについて劣化度を診断することが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第２または第３の態様の組電池において、診断手段は、第一の制御手段によりオンされた第一の電流制御素子の両端電圧に基づいて充放電電流を算出し、その算出結果を用いて各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出することとしてよい。
　本発明の第５の態様によると、第１の態様の組電池において、電池ユニットの各々は、セル群にそれぞれ並列に接続された強制放電用の第二の電流制御素子および放電用抵抗をさらに有し、組電池は、電池ユニットの各々が有する第二の電流制御素子の動作を制御する第二の制御手段をさらに備え、診断手段は、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断した状態で、第二の制御手段が第二の電流制御素子をオフしたときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの開放電圧と、第二の制御手段が第二の電流制御素子をオンしたときに電圧測定手段によって測定されたセル群の負荷時電圧と、放電用抵抗の抵抗値とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断することができる。
　本発明の第６の態様によると、第１～第５いずれかの態様の組電池において、第一の制御手段は、診断手段による劣化度の診断結果に基づいて、各電池ユニット間の充放電電流を調整してもよい。
　本発明の第７の態様によると、第１の態様の組電池において、診断手段は、第一の制御手段が全ての第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断したときに電圧測定手段によって複数回測定されたセル群または各セルの電圧に基づいて、各電池ユニットの開放電圧の降下量を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの故障を診断することができる。
　本発明の第８の態様によると、第１～第７いずれかの態様の組電池において、第一の制御手段は、診断手段により診断された劣化度が所定のしきい値以上である電池ユニット、または診断手段により故障と診断された電池ユニットについて、第一の電流制御素子をオフして充放電対象から切り離すことが好ましい。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の組電池は、複数の電池ユニットと並列に接続されており、セル群と第一の電流制御素子とを有する予備電池ユニットをさらに備えることができる。この組電池において、第一の制御手段は、予備電池ユニットにおける第一の電流制御素子をオンすることで、充放電対象から切り離された電池ユニットに代えて予備電池ユニットを充放電対象に組み入れることが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、第１～第９いずれかの態様の組電池において、第一の制御手段は、各電池ユニットにおける第一の電流制御素子をそれぞれ制御して各電池ユニット間の充放電電流を均一化することとしてよい。
　本発明の第１１の態様によると、第１０の態様の組電池において、第一の制御手段は、ＰＷＭ制御を用いて、各電池ユニットにおける第一の電流制御素子をオンする時間の割合をそれぞれ制御することが好ましい。
　本発明の第１２の態様によると、第１～第１１いずれかの態様の組電池において、第一の電流制御素子は、定電流特性を有するＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、定電流特性を利用して電池ユニットにおける充放電電流を制限することが好ましい。
　本発明の第１３の態様による組電池の制御装置は、１または２以上の二次電池セルが直列に接続されたセル群とそのセル群に直列に接続された第一の電流制御素子とを各々が有する互いに並列に接続された複数の電池ユニットを備えた組電池の制御装置であって、電池ユニットの各々が有する第一の電流制御素子の動作を制御して電池ユニットごとに充放電電流を制御する第一の制御手段と、電池ユニットの各々が有するセル群または各セルの電圧を測定する電圧測定手段と、電圧測定手段により測定されたセル群または各セルの電圧に基づいて各電池ユニットの劣化度または故障を診断する診断手段とを備える。
　本発明の第１４の態様によると、第１３の態様の組電池の制御装置において、診断手段は、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオンして充放電電流を通電したときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの電圧と、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断したときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの電圧とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断することができる。
　本発明の第１５の態様によると、第１３の態様の組電池の制御装置において、電池ユニットの各々は、セル群にそれぞれ並列に接続された強制放電用の第二の電流制御素子および放電用抵抗をさらに有し、制御装置は、電池ユニットの各々が有する第二の電流制御素子の動作を制御する第二の制御手段をさらに備え、診断手段は、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断した状態で、第二の制御手段が第二の電流制御素子をオフしたときに電圧測定手段によって測定されたセル群または各セルの開放電圧と、第二の制御手段が第二の電流制御素子をオンしたときに電圧測定手段によって測定されたセル群の負荷時電圧と、放電用抵抗の抵抗値とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断することができる。
　本発明の第１６の態様によると、第１３の態様の組電池の制御装置において、診断手段は、第一の制御手段が第一の電流制御素子をオフして充放電電流を遮断したときに電圧測定手段によって複数回測定されたセル群または各セルの電圧に基づいて、各電池ユニットの開放電圧の降下量を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの故障を診断することができる。

　本発明によれば、組電池全体で充放電を行いつつ、各電池ユニットの劣化度や故障を診断することができる。

本発明の第一の実施の形態に係る組電池における劣化診断時の配線関係を表した配線図である。本発明の第一の実施の形態に係る組電池における不良電池ユニットの切離しと予備電池ユニットの接続時の配線関係を表した配線図である。本発明の第二の実施の形態に係る組電池における劣化診断時の配線関係を表した配線図である。本発明の第三の実施の形態に係る組電池における故障診断時の配線関係を表した配線図である。本発明の第四の実施の形態に係る組電池における配線関係を表した配線図である。本発明の第一の実施の形態に係る組電池において、セル群の構成単位が３個のセルである場合の配線図である。二次電池セルのＳｏＨとＤＣＲの関係を表した図である。本発明の第一の実施の形態に係る組電池において劣化診断を行う際の診断対象のセル群の電池電圧と充放電電流の時間変化を説明するための図である。二次電池セルのＳｏＣとＯＣＶの関係を表した図である。正常なセルと故障セルにおける電流遮断後の電池電圧の変化例を表した図である。ＯＣＶが異なるセルを並列に接続した際に各々に流れる相互電流の変化を表した図である。ＭＯＳＦＥＴの電流電圧特性を表した図である。一般的な構造のＮ型パワーＭＯＳＦＥＴの断面構造を表した図である。Ｎ型のトランスファＭＯＳＦＥＴの断面構造を表した図である。対称構造のＮ型トランスファＭＯＳＦＥＴの断面構造を表した図である。

　本発明による組電池およびその制御装置について以下に説明する。本発明による組電池は、電気自動車用、鉄道用、電力系統蓄電システム用などの大きな容量を必要とする二次電池システムにおいて用いられるものである。このような大容量の二次電池システムにおいて使用される電池としては、その高いエネルギー密度や充放電効率などからリチウムイオン電池が好適である。リチウムイオン電池は、近年その性能の発達に伴い、様々な分野において広く用いられるようになっている。

　リチウムイオン電池は、その高いエネルギー密度や低い内部抵抗ゆえに、劣化または故障した際にそれを放置して充放電を継続すると異常発熱等を起こすおそれがある。したがって、安全性や信頼性の確保が課題となっている。

　従来の直列型の電池システムにおいても、たとえば特許文献１に開示されるように、劣化または故障していると判断された直列セル群を切り離すなどして安全性や信頼性を確保しているものがある。しかしこの電池システムの構成では、セル群内でたった１個のセルが劣化または故障しただけでも、その他多数の健常なセルを含むセル群ごと切り離して使用できなくするため、電池システム全体での容量の低下が大きくなってしまうという問題があった。

　また、直列型の電池システムでは、システム全体で充放電を行っている間にセルの診断、特にセルの開放電圧の測定を伴う診断を行うことは困難であった。すなわち、直列セル群の並列数は限られており、それらのうち１つの直列セル群でも開放電圧の測定のために充放電電流を遮断すると、システム全体の充放電能力がその分だけ大幅に減少してしまうという問題があった。

　上記のような課題を解決するには、セル群の構成個数を数個以下と小さくし、それらを多数並列に接続する方法が考えられる。この構成であれば、不良セルを切り離してもシステム全体での容量低下を最小とすることができる。また、システム全体で充放電を行っている間にセルの診断を行っても、システム全体の充放電能力の低下を最小とすることができる。しかし、セル群を並列に接続すると各々の電池電圧が見かけ上揃ってしまい、個別の電池電圧を測定することができずに診断が実施できないため、従来は採用されてこなかった。

　本発明は以上の点に鑑みてなされたものである。その目的は、セルの劣化や故障をできるだけ小さい単位で診断することにある。また、不良セルの切り離しや予備セルの編入を行うことで組電池全体の安全性や信頼性を長期にわたって確保する手段を提供することにある。

　本発明においては、セル群毎に設けたスイッチを制御することで上記のような課題を克服し、個別の電池電圧の測定による高精度な診断と、きめ細かな不良セルの切り離しや予備セルの編入を可能としている。

　具体的には、図１に示すように、１個のセルまたは少数のセルを直列に接続したセル群２１１、２２１および２３１に、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をそれぞれ直列に接続し、これを最小の構成単位に当たる電池ユニット２１、２２および２３とする。この電池ユニット２１、２２および２３を多数並列に接続し、それらを制御回路１にて制御することで大容量の電池モジュール３を構築する。この電池ユニット２１、２２および２３毎に第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２を用いて充放電電流の遮断や制御を行うことで、セルの劣化を電池ユニット２１、２２および２３毎に個別に診断する。

　また、図２に示すように、セルが劣化または故障した電池ユニット２３を主系統から切り離したり、別途設置しておいた予備の電池ユニット２４の編入を行うことで、電池モジュール３全体での長期にわたる安全性や信頼性を確保する。

　また、図３に示すように、図１の構成に加えて、セル群２１１、２２１および２３１とそれぞれ並列に、第二の電流制御素子２１５、２２５および２３５と、放電用抵抗２１６、２２６および２３６とを接続する。放電用抵抗２１６、２２６および２３６を通じてセル群２１１、２２１および２３１をそれぞれ強制的に放電させることで、セルの劣化や故障を電池ユニット２１、２２および２３毎に個別に診断することができる。

　また、図４に示すように、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をそれぞれＯＦＦとした状態で、セル群２１１、２２１および２３１の電圧をそれぞれ測定し、その経時変化を観察する。これにより、各セルの内部の微小短絡による故障を診断することができる。

　また、図５に示すように、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の制御に、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を用いる。これにより、電池ユニット２１、２２および２３に均等な電流をそれぞれ流したり、セル群２１１、２２１および２３１の劣化度に応じて電池ユニット２１、２２および２３の電流を按分したりすることができる。

　また、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２にＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜電界効果トランジスタ）をそれぞれ用いて、その定電流特性を利用する。これにより、過電流を制限することができる。特に、電流を遮断した電池ユニット２１、２２および２３を再接続する際に、電池ユニット２１、２２および２３相互の過渡的な電流を制限することができる。

　本発明によれば、上記のように組電池を構成することで、セルの劣化または故障時に、小さい単位（１個または少数のセル）でセルの切り離しおよび予備セルの編入を行うことができる。そのため、健常なまま無駄となるセルの個数を減らすことができ、安全性や信頼性を確保したままコスト効率を向上させることができる。

　また、電池ユニット２１、２２および２３毎に第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２を設けて、電池ユニット２１、２２および２３の個々について充放電電流の遮断および制御を行うことができるようにした。これにより、電池モジュール３全体で充放電を行っている時に、その充放電を継続させたまま、開放電圧の測定を伴う診断を一部の電池ユニットに対して行うことができる。

　また、開放電圧を含むセルの基本物性を検知することで、より正確な劣化診断や故障診断を行うことができる。

　また、各電池ユニットでの充放電電流を個別に制御または電流制限することで、セルの劣化を抑制し、寿命を最大化することができる。

　本発明による組電池およびその制御装置は、以上説明したように様々な作用効果を奏することができる。以下では、本発明よる組電池およびその制御装置の実施形態について説明する。

－第一の実施の形態－
　本発明による組電池およびその制御装置の第一の実施の形態について、以下に図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る組電池としての電池モジュール３における配線関係を表した配線図である。図１に示すように、電池モジュール３は、制御回路１、複数の電池ユニット２１、２２および２３、および予備電池ユニット２４から構成されている。電池ユニット２１、２２および２３と、予備電池ユニット２４とは、各々が互いに並列に接続されている。電池ユニット２１、２２および２３と予備電池ユニット２４との両端端子は、電池モジュール３の並列接続配線３１および３２にそれぞれ接続されている。

　制御回路１は、演算部１０、信号発生回路１１、信号分配回路１２、電圧測定回路１３および１４、および切替回路１５から構成される。電池ユニット２１、２２および２３は、１個の二次電池セルまたは２個以上の少数の二次電池セルを直列に接続したセル群２１１、２２１および２３１と、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２とからそれぞれ構成される。予備電池ユニット２４も同様に、１個の二次電池セルまたは２個以上の少数の二次電池セルを直列に接続したセル群２４１と、第一の電流制御素子２４２とから構成される。

　演算部１０は、電圧測定回路１３、１４の各測定結果に基づいて、電池ユニット２１、２２および２３の劣化度をそれぞれ診断する。具体的な診断方法は後で説明する。

　信号発生回路１１は、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の動作をそれぞれ制御するための信号を発生し、信号分配回路１２へ出力する。信号分配回路１２は、信号発生回路１１からの信号を、配線２１４、２２４および２３４を介して、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の制御入力端子へそれぞれ分配して出力する。こうした信号発生回路１１および信号分配回路１２の動作により、電池ユニット２１、２２および２３の各々が有する第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の動作がそれぞれ制御され、それによって電池ユニット２１、２２および２３ごとに充放電電流の制御が行われる。

　電圧測定回路１３は、電池ユニット２１、２２および２３の各々が有するセル群２１１、２２１および２３１のセル電圧をそれぞれ測定する。一方、電圧測定回路１４は、電池ユニット２１、２２および２３の各々が有する第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の両端電圧をそれぞれ測定する。電圧測定回路１３および１４による各測定結果は、演算部１０へそれぞれ出力され、電池ユニット２１、２２および２３の劣化度診断に用いられる。

　電圧測定回路１３および１４の一方の端子は切替回路１５にそれぞれ接続されており、もう一方の端子は、電池モジュール３全体で共通の並列接続配線３２、３１にそれぞれ配線されている。切替回路１５は、電圧測定回路１３および１４による電圧測定の対象を、電池ユニット２１、２２および２３の間で切り替えるための回路であり、セル群２１１、２２１および２３１と第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２との間にそれぞれ接続された配線２１３、２２３および２３３に接続されている。電圧測定回路１３は、切替回路１５による切り替え動作にしたがって、配線２１３、２２３および２３３を介して、セル群２１１、２２１および２３１のセル電圧をそれぞれ測定する。一方、電圧測定回路１４は、切替回路１５による切り替え動作にしたがって、配線２１３、２２３および２３３を介して、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の両端電圧をそれぞれ測定する。

　セル群２１１、２２１および２３１において使用される二次電池セルには、リチウムイオン電池などが用いられる。たとえば、製造時の歩留まりが高く、量産効果で単位容量あたりの価格を抑えることのできる比較的小容量（０．５～５０Ａｈ程度）のリチウムイオン電池などを用いることができる。こうした小容量のリチウムイオン電池としては、たとえば１８６５０サイズなどのものが知られている。

　第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２は、セル群２１１、２２１および２３１にそれぞれ直列に接続されている。第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２のＯＮ／ＯＦＦ動作は、前述のように信号発生回路１１および信号分配回路１２の動作によって制御される。第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２には、たとえば逆接続型ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。逆接続型ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴを２個直列に接続し、そのドレイン同士またはソース同士を接続して、双方向の電流を制御できるようにしたものである。

　なお、図１ではセル群２１１、２２１、２３１および２４１を構成する二次電池セルの個数をそれぞれ１個として示しているが、複数の二次電池セルを直列に少数個接続してセル群２１１、２２１、２３１および２４１を構成してもよい。たとえば図６の配線図に示すように、３個の二次電池セルを直列に接続してセル群２１１、２２１、２３１および２４１を構成することができる。また、このように複数の二次電池セルを用いてセル群を構成する場合、切り替え回路２１５、２２５、２３５、２４５を設けてセル群を構成する各二次電池セルの電圧を測定できるようにしてもよい。この場合回路や配線の増加を伴うが、より細かい粒度で電池の診断を行なうことができる利点がある。

　本実施形態による組電池の充放電時の動作について説明する。通常の充放電時において、信号発生回路１１は信号分配回路１２を通じて、電池ユニット２１、２２および２３に対して、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をＯＮ状態とするための信号をそれぞれ出力する。なお、予備電池ユニット２４の第一の電流制御素子２４２は常にＯＦＦとする。この状態では、予備電池ユニット２４を除く電池ユニット２１、２２および２３の全てにおいて、セル群２１１、２２１および２３１がそれぞれ充放電を行うことができる。したがって、電池モジュール３全体として最大の充放電出力を得ることができる。

　次に、本実施形態による組電池におけるセルの劣化診断の原理を説明する。セルの劣化診断は、各セルの直流内部抵抗値（以下、ＤＣＲ（Direct Current Resistance）と称する）を測定することによって行うことができる。二次電池セルの劣化（容量低下）の度合いは、ＳｏＨ（State of Health）と呼ばれる値を用いて表すことができる。ＳｏＨは、新品時のセル容量を基準として、現在のセル容量の大きさを百分率で表した値であり、セルが劣化するとＳｏＨは低下していく。

　一般に、セルのＳｏＨとＤＣＲとの間には、図７に示すような関係があることが知られている。図７から、セルのＤＣＲを測定することでセルの劣化度合いを推測することが可能であることが分かる。

　セルのＤＣＲは、セルに充放電電流が流れている状態と、充放電電流が遮断されて流れていない開放状態とでそれぞれ測定されたセル電圧の差に基づいて求められる。具体的には、セルに充放電電流Ｉ１が流れている状態でのセル電圧をＶ１とし、セルに充放電電流が流れていない状態でのセル電圧をＶ２とすると、以下の式１からＤＣＲを算出することができる。
　ＤＣＲ＝（Ｖ２－Ｖ１）／Ｉ１　　　（式１）

　次に、セルの劣化診断時における動作を説明する。以下では、電池ユニット２１、２２および２３のうち、電池ユニット２２を信号発生回路１１および信号分配回路１２により診断対象として選択し、電池ユニット２２のセル群２２１を診断する場合について説明する。このとき、電池ユニット２２以外の各電池ユニット２１、２３において充放電電流を通電した状態で、電池ユニット２２の第一の電流制御素子２２２が信号発生回路１１および信号分配回路１２によってＯＮ状態およびＯＦＦ状態とされる。その結果、電池ユニット２２において充放電電流が通電および遮断される。

　図８は、本実施形態による組電池において劣化診断を行う際のセル群２２１におけるセル電圧と充放電電流の時間変化を説明するための図である。なお、前述のように本実施形態では、セル電圧の測定に電圧測定回路１３を、電流の遮断に第一の電流制御素子２２２をそれぞれ用いる。

　診断開始前、第一の電流制御素子２２２はＯＮ状態であるため、セル群２２１には充放電電流が流れている。この時のセル群２２１の電圧と充放電電流を測定する。測定結果の例を図８のＩ１とＶ１にそれぞれ示す。なお、セル群２２１の電圧は、電圧測定回路１３を用いて測定することができる。一方、充放電電流は、第一の電流制御素子２２２がＯＮ状態であるときの電圧降下分、すなわち両端電圧を電圧測定回路１４により測定し、その測定結果に基づいて演算部１０により算出できる。あるいは、充放電電流を測定するための電流センサ（不図示）を設け、その測定値を用いてもよい。

　セル群２２１に流れる充放電電流とそのときのセル電圧を測定したら、信号発生回路１１から信号分配回路１２を通じて信号を出力し、第一の電流制御素子２２２をＯＮ状態からＯＦＦ状態へと切り替える。その後、所定時間経過してセル群２２１の電圧が安定したら、その電圧を電圧測定回路１３により測定する。測定結果の例を図８のＶ２に示す。

　以上説明したように、充放電電流を通電したときのセル電圧Ｖ１および充放電電流Ｉ１と、充放電電流を遮断したときのセル電圧Ｖ２とを測定したら、これらの測定結果に基づいて、演算部１０において式１によりセル群２２１のＤＣＲを算出することができる。算出したＤＣＲは、演算部１０においてセル群２２１の劣化度を診断するために用いられる。なお、セル電圧Ｖ２を測定した後は、第一の電流制御素子２２２をＯＮすることで充放電を再開させ、劣化診断を終了する。

　上記の説明では、電池ユニット２２を診断対象とした場合の動作を述べたが、他の電池ユニット２１、２３を診断する場合も同様である。すなわち、電池ユニット２１を診断対象とした場合は、セル群２１１に流れる充放電電流Ｉ１とそのときの電圧Ｖ１とが測定された後、第一の電流制御素子２１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態へと切り替えられ、充放電電流が遮断されたときのセル電圧Ｖ２が測定される。これらの測定結果に基づいてセル群２１１のＤＣＲが算出され、劣化診断が行われる。また、電池ユニット２３を診断対象とした場合は、セル群２３１に流れる充放電電流Ｉ１とそのときの電圧Ｖ１とが測定された後、第一の電流制御素子２３２がＯＮ状態からＯＦＦ状態へと切り替えられ、充放電電流が遮断されたときのセル電圧Ｖ２が測定される。これらの測定結果に基づいてセル群２３１のＤＣＲが算出され、劣化診断が行われる。

　なお、電池ユニット２１、２２および２３の各々に対する劣化診断処理は、予め定められた順番などにしたがって行われる。すなわち、信号発生回路１１および信号分配回路１２を用いて第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２の動作を制御することで、電流を遮断する電池ユニット、すなわち第一の電流制御素子をＯＦＦ状態とする電池ユニットを全体の一部に限定し、その電池ユニットについて劣化診断を行う。劣化診断を完了したら、電流を遮断する電池ユニットを切り替える。このようにして各電池ユニットに対して順次劣化診断を行っていくことで、電池モジュール３全体の充放電能力を大幅に低下させることなく充放電を行いながら、各電池ユニットの劣化診断を行うことが可能である。

　次に、上記のような劣化診断を行った結果、劣化が一定以上進んでいると判断された電池ユニットに対する処理について説明する。図２は、本実施形態に係る組電池における電池ユニットの切り離しと予備電池ユニットの接続時の配線関係を表した配線図である。以下の説明では、図１に示した構成において、電池ユニット２３について劣化が一定以上進んでいると判断された場合を考える。

　前述のような劣化診断により、電池ユニット２３のセル群２３１のＳｏＨが所定のしきい値以下である場合、すなわちセル群２３１について算出されたＤＣＲが所定値以上である場合には、セル群２３１は劣化度合いが大きい不良セルであると判断される。このとき、信号発生回路１１および信号分配回路１２により、第一の電流制御素子２３２への信号をＯＦＦ状態に固定する措置がとられる。その結果、電池ユニット２３は充放電の対象から切り離され、電池モジュール３の主系統から除外される。この動作により、セル群２３１の劣化がこれ以上進行して異常発熱等の危険な状態につながるのを防ぐことができる。

　上記のように劣化した電池ユニット２３の切り離しを行うと、電池モジュール３全体の充放電容量が若干低下してしまう。そこで、本実施形態ではこれを補うために、切り離した電池ユニット２３に代えて予備電池ユニット２４を充放電の対象に組み入れる。この動作は、図２に示すように、電池ユニット２３の第一の電流制御素子２３２をＯＦＦ状態に固定した後、それまではＯＦＦ状態に固定されていた予備電池ユニット２４の第一の電流制御素子２４２に対して、配線２４４を介して信号を出力し、これをＯＮ状態とすることで実現できる。

　なお、予備電池ユニット２４を組み入れた場合、予備電池ユニット２４におけるセル群２４１の電圧測定と第一の電流制御素子２４２の両端電圧の測定とは、電圧測定回路１３および１４により配線２４３を介してそれぞれ行うことができる。これらの測定結果に基づいて、予備電池ユニット２４についても他の電池モジュールと同様に劣化診断を行うことができる。

　以上説明したような予備電池ユニット２４の編入は、たとえば電池モジュール３を複数直列に接続しており、各電池モジュール３の容量を一定に保ちたい場合などには特に有効である。あるいは、システムの簡略化のために予備電池ユニット２４の編入を省略し、不良電池ユニットが検出された場合には切り離しだけ行い、電池モジュール３全体での充放電容量を順次減少させていく構成とすることもできる。この場合でも、不良電池ユニットの切り離しによる長期の安全性や信頼性の確保の効果を得ることができる。

　なお、本実施形態では説明の簡単のために、電池モジュール３に含まれる電池ユニットの数を３個とし、予備の電池ユニットを１個としたが、電池ユニットの数はこれに限定されない。たとえば、予備を含む電池ユニットの数を数十個や数百個としてもよい。電池ユニットの個数が多いほど、予備電池ユニットの編入による冗長化の効率を高くすることができる。

　また、本実施形態では第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２に逆接続型のＭＯＳＦＥＴを用いた例を説明したが、他の種類の電流制御素子を用いてもよい。逆接続型以外の方法により逆流防止策を施したＭＯＳＦＥＴや、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、各種リレー等を用いても、上記で説明したのと同様の作用効果を奏することができる。

　逆接続型以外の方法により逆流防止策を施したＭＯＳＦＥＴの例について図１３、１４、１５を用いて説明する。

　まず、図１３に一般に広く用いられているＮ型パワーＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す。この素子は半導体ウェハ９１を加工することで製作され、素子の外部にはソース端子９２２、ゲート端子９２３、ドレイン端子９２４が引き出され、ウェハ内のｐウェル領域９１２はソース端子９２２に接続されている。ｐウェル領域がソース端子と接続されていることによりｐウェル領域が浮動電位となることなく安定な動作が可能であるが、副作用としてソース端子とドレイン端子間にＰＮ接合による寄生ダイオード９３１が形成されるため、ソース端子がドレイン端子より高い電圧となる場合はこの寄生ダイオードが導通してしまい、電流の制御ができなくなってしまう。

　電池ユニットの充放電電流を制御するには双方向の電流を制御する必要があるため、この素子を電流制御素子として用いるには２個のＭＯＳＦＥＴをソース端子同士、もしくはドレイン端子同士を接続（逆接続ＭＯＳＦＥＴ）して、両者の寄生ダイオードが同時にＯＮすることがないようにする必要があり、コストも２個分、ＯＮ抵抗も２個分となってしまう課題がある。

　一方、図１４にトランスファＭＯＳＦＥＴと呼ばれるＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す。トランスファＭＯＳＦＥＴは基本的な構造は一般的なＭＯＳＦＥＴと同じだが、ｐウェル領域とソース端子との接続を行なわずにｐウェル領域用の専用の端子９２１を引き出した構造としている点が異なる。この構造では一般のＭＯＳＦＥＴと同様に寄生ダイオード９３２および９３３が形成されるが、素子の外部でｐウェル端子をソース端子・ドレイン端子のどちらよりも低い電位に接続するようにすれば寄生ダイオード９３２および９３３はＯＮしない。このため、このトランスファＭＯＳＦＥＴを用いれば１個の素子で双方向の電流を制御することができ、コストとＯＮ抵抗を低減することができる。

　また、このトランスファＭＯＳＦＥＴの別の構造として、図１５に示すようにｎ＋領域を１カ所追加してそこからドレイン端子を引き出し、ソース端子とドレイン端子を対称な構成とする例も考えられる。本構成では、図１４の例と同様に双方向の電流を制御でき、かつ、その電流電圧特性を対象にすることができるという利点を持つ。

　以上の構成はＮ型のＭＯＳＦＥＴについてであったが、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴについても同様にトランスファＭＯＳＦＥＴを構成することができる。

－第二の実施の形態－
　本発明による組電池およびその制御装置の第二の実施の形態について、以下に図３を参照して説明する。本実施形態では、第一の実施の形態で説明したのとは別の方法を用いてセルの劣化診断を行う例について説明する。図３は、本実施形態に係る組電池としての電池モジュール３における配線関係を表した配線図である。

　第一の実施の形態で説明した図１と比較して、図３の主な違いは、各電池ユニットにおいてセル群と並列に接続された強制放電用の第二の電流制御素子および放電用抵抗が設けられている点と、この第二の電流制御素子の動作を制御するための信号発生回路１６および信号分配回路１７が制御回路１内に設けられている点である。たとえば電池ユニット２１では、第二の電流制御素子２１５および放電用抵抗２１６がセル群２１１に並列に接続されている。第二の電流制御素子２１５の制御入力端子は、配線２１７と信号分配回路１７を介して信号発生回路１６に接続されており、信号発生回路１６からの信号が入力される。この第二の電流制御素子２１５は、通常の充放電時は信号発生回路１６によりＯＦＦ状態に固定され、不要な放電を行わないようになっている。他の電池ユニット２２、２３および２４についても同様である。

　次に、本実施形態による組電池におけるセルの劣化診断時の動作を説明する。なお、本実施形態においても、セルの劣化の診断を各セルのＤＣＲを測定することによって行う点は、前述した第一の実施の形態と変わらない。本実施形態では、電池ユニット２２のセル群２２１を診断する場合について説明する。他の電池ユニット２１、２３に対して行う場合も同様である。

　劣化診断を行う際に、信号発生回路１１は、信号分配回路１２を通じて第一の電流制御素子２２２をＯＦＦ状態とし、充放電電流を遮断する。この状態で、電圧測定回路１３は、切替回路１５を通じてセル群２２１の開放電圧Ｖ１を測定する。なお、このとき第二の電流制御素子２２５はＯＦＦ状態である。次に、充放電電流を遮断したままの状態で、信号発生回路１６は第二の電流制御素子２２５を短期間だけＯＮ状態とすることで、セル群２２１から放電用抵抗２２６へ強制的に放電させる。このとき電圧測定回路１３は、切替回路１５を通じてセル群２２１の負荷時電圧Ｖ２を測定する。こうして測定された各電圧値と、放電用抵抗２２６の抵抗値（ＲＬとする）とに基づいて、演算部１０において以下の式２を用いてセル群２２１のＤＣＲを算出し、算出したＤＣＲに基づいて電池ユニット２２の劣化度を診断することができる。
　ＤＣＲ　＝　ＲＬ（Ｖ１／Ｖ２－１）　　　（式２）

　本実施形態では、第一の実施の形態で説明した方法と比べて、ＤＣＲを算出するために第一の電流制御素子の両端電圧または電流値を測定する必要がないという利点がある。また、抵抗値ＲＬが既知であれば、ＤＣＲの値は開放電圧Ｖ１と負荷時電圧Ｖ２の比のみを測定することで算出できる（レシオメトリック）。したがって、高精度な基準電圧が必要なく、簡便な回路で高精度な測定が可能であるという利点がある。

　なお、本実施形態においても、診断の結果劣化が一定以上進んでいると判断された電池ユニットを不良セルとして、第一の実施の形態と同様に、その不良セルの切り離しと予備電池ユニットの接続を行うことができる。

　ところで、以上説明した第一および第二の実施の形態では、複数の電池ユニットについて同時に劣化の診断を行わずに、１つの電池ユニットのみについて診断を行い、その他の電池ユニットは通常の充放電を行う例をそれぞれ説明した。しかし、電池モジュール３の全体が不使用状態である時、たとえば起動処理時などであれば、全ての電池ユニットについて同時に上記のような劣化診断を行うことができる。電池では一般的に、電流を遮断して開放状態としても、その電圧が落ち着くには長い時間を要する。そのため、第一の電流制御素子をＯＦＦにしてからセル群または各セルの開放電圧Ｖ１を測定するまでの時間は長い方が測定値の精度が増す。したがって、電池モジュール３の不使用時に全ての電池ユニットの第一の電流制御素子をＯＦＦにしておき、一定時間後、または電池モジュールの使用再開時に続きの処理を行うことで、診断の精度を向上させることができる。

－第三の実施の形態－
　本発明による組電池およびその制御装置の第三の実施の形態について、以下に図４を参照して説明する。本発明を適用した組電池およびその制御装置は、前述のようなセルの劣化診断に代えて故障診断を行う構成とすることもできる。本実施形態では、こうしたセルの故障診断を行う例について説明する。図４は、本実施形態に係る組電池としての電池モジュール３における配線関係を表した配線図である。

　第一の実施の形態で説明した図１と比較して、図４の主な違いは、第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２の両端電圧を測定するための電圧測定回路１４が存在しない点である。

　次に、本実施形態による組電池におけるセルの故障診断時の原理を説明する。本実施形阿智では、各セルの内部の微小短絡による自己放電量を測定することで、セルの故障診断を行う。

　一般に、二次電池セル内部のセパレータが劣化したり、電解液中のリチウムイオンがセパレータにデンドライト状（樹枝状）に析出するなどして正負極間の絶縁が低下してくると、その影響は絶縁低下による自己放電量の増大という形で現われる。この絶縁低下を放置したままで充放電を継続すると、やがてデンドライトがセパレータを突き破るなどして絶縁の低下が急速に進行し、セルの異常発熱などの危険な事態に至る可能性がある。こうした事態を回避するためには、各セルの自己放電量を監視し、自己放電量が所定値よりも大きいセルは故障と判断して充放電を停止するなどすることで、当該セルについてそれ以上絶縁低下が進行しないようにする必要がある。

　セルの自己放電量は、セルの充放電を停止した状態で自己放電による残容量の低下を測定することで推測できる。図９は、二次電池セルのＳｏＣ（State of Charge）と開放時の電池電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）との関係の一例を表したものである。ＳｏＣは、満充電時を基準として、現在の放電可能な電荷量（電流と時間の積算値）を百分率で表した値である。なお、満充電時のＳｏＣは１００％であり、放電終止状態のＳｏＣは０％である。図４に示す関係から、セルのＯＣＶを測定することで電池の残容量を把握できることが分かる。

　近年のリチウムイオン電池においては、正常なセルであれば自己放電によるＳｏＣの低下は、たとえば１ヶ月で５％程度と非常に小さい。しかし、セル内部に微小短絡が発生すると、たとえば図１０中の点線に示すように自己放電によりＳｏＣが低下し、それに伴ってＯＣＶも低下していく。図１０は、正常なセルと内部に微小短絡が発生して自己放電量が増大した故障セルにおいて、充放電電流を遮断した後の電池電圧の変化例をそれぞれ表した図である。このＯＣＶの低下を検出することで自己放電量を測定し、そこからセルの故障を検出することが可能である。

　ただし、セル電流を停止してから長い時間が経過しないとＯＣＶの値は収束しないため、個々のセル群における電池電圧の変化のみから自己放電量を推測することは困難である。そこで、本実施形態においては、故障の診断を行う際には診断対象の全ての電池ユニットの第一電流制御素子を一斉にＯＦＦとする。こうすることで、診断対象の全てのセル群において電流を遮断した後の経過時間を同じにすることができるため、短い経過時間でも各セル群のＯＣＶの値同士を相対的に比較することが容易となる。

　ところで、ＳｏＣとＯＣＶの関係は、温度による影響を受けやすいことが知られている。そのため、電池モジュール内の各電池ユニット同士を近接させて配置することがさらに好ましい。このようにすれば、各電池ユニット間の温度差を小さくすることができる。あるいは、そういった配置が困難である場合は、各セルの温度を実測し、その温度差に応じて補正したＯＣＶの値を故障診断に用いることで、各電池ユニット同士を近接させて配置したのと同様の効果を得ることができる。これらの措置により、診断対象のセル群において、正常なセル群の電池電圧は概ね同じ変化をするのに対して、自己放電量が大きいセル群の電池電圧は他の正常なセル群の電池電圧から乖離して、降下していく傾向を示すことになる。そのため、各セル群における相対的な電池電圧のばらつきを見ることで、他と比べて自己放電量の大きいセル群、すなわち故障したセルを含んでいるセル群を検出することが可能となる。

　次に、本実施形態による組電池におけるセルの故障診断時の動作を説明する。以下の説明では、電池ユニット２３のセル群２３１の内部において微小短絡２３１１が発生している場合を考える。

　電池モジュール３全体が不使用であるとき、信号発生回路１１は信号分配回路１２を通じて、診断対象とする電池ユニット２１、２２および２３の全てについて、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をＯＦＦ状態とし、充放電電流を遮断する。この状態で、各セル群２１１、２２１および２３１の電圧すなわちＯＣＶを、電圧測定回路１３を用いて測定する。こうした処理を一定時間ごとに、または電池モジュールの再起動処理時にそれぞれ行うことで、各セル群２１１、２２１および２３１におけるＯＣＶの測定を複数回行う。

　上記のようにして複数回測定したセル群２１１、２２１および２３１の各ＯＣＶの値に基づいて、演算部１０において、電池ユニット２１、２２および２３におけるセル群２１１、２２１および２３１のＯＣＶの降下量をそれぞれ算出する。その結果、他の電池ユニットと比べてＯＣＶの降下量が大きい電池ユニットがあった場合、たとえば全ての電池ユニットにおけるＯＣＶ降下量の平均値からの差が所定値以上である電池ユニットがあった場合は、その電池ユニットのセル群は自己放電の過大によって故障していると判断する。このようにして、電池ユニット２１、２２および２３のセル群２１１、２２１および２３１について故障診断が行われる。

　なお、故障と判断された電池ユニットがあった場合は、第一および第二の実施形態において劣化していると判断された電池ユニットと同様に、その電池ユニットを充放電の対象から切り離すことができる。さらに、切り離した電池ユニットに代えて予備電池ユニットを編入し、充放電の対象に組み入れることもできる。

－第四の実施の形態－
　本発明による組電池およびその制御装置の第四の実施の形態について、以下に図５を参照して説明する。本実施形態では、第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２にＭＯＳＦＥＴを用いた場合に、特に有用となる例について説明する。図５は、本実施形態に係る組電池としての電池モジュール３における配線関係を表した配線図である。

　第一の実施の形態で説明した図１と比較して、図４の主な違いは、第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２にＭＯＳＦＥＴを用いたことを明示している点と、それらを制御する信号を発生する信号発生回路１１１、１１２および１１３が第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２へそれぞれ専用のパルス信号を印加できるように独立している点である。なお、電池ユニット２１、２２または２３を切り離して代わりに予備電池ユニット２４を編入した場合、それまで当該電池ユニットの第一の電流制御素子に対してパルス信号を出力していた信号発生回路１１１、１１２または１１３は、編入された予備電池ユニット２４の第一の電流制御素子２４２に対してパルス信号を出力する。

　なお、図４では第一の実施の形態による電池モジュール３に対して本実施形態を適用した例を示しているが、第二または第三の実施の形態による電池モジュール３に対しても同様に本実施形態を適用可能である。本実施形態を適用することにより、信号発生回路１１１、１１２および１１３を用いて第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２をより柔軟に制御することができる。

　前述の第一、第二および第三の実施の形態において、通常の充放電時、すなわち電池ユニット２１、２２および２３が充放電を行っている状態では、全てのセル群２１１、２２１および２３１が並列に接続されている。そのため、各セル群２１１、２２１および２３１の間でＤＣＲやＯＣＶの値にばらつきがあると、充放電電流は均一とならず、一部の特定のセル群に充放電電流が集中してしまうことになる。一般に、二次電池では最大充放電電流が規定されており、これを超えないようにする必要がある。しかし、特定のセル群に電流が集中して最大充放電電流に達すると、その他のセル群の充放電電流がまだ最大充放電電流に達していなくても、電池モジュール３全体でそれ以上電流を増やすことができなくなる。その結果、電池モジュール３全体での最大出力が低下してしまう。

　そこで、第一、第二および第三の実施の形態に対して本実施形態を適用することで、各セル群の充放電電流に応じて信号発生回路１１１、１１２および１１３からＰＷＭ信号をそれぞれ発生し、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をＯＮ状態とする時間の割合をそれぞれ制御する。これにより、各電池ユニット２１、２２および２３間でセル群２１１、２２１および２３１の充放電電流を均一化し、上記のような問題点を解決することができる。

　また、電池モジュール３の用途によっては、最大出力よりも寿命のほうが重要な場合がある。このような場合は、第一および第二の実施の形態で説明した劣化診断による各セル群の劣化度の診断結果に応じて、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をＯＮ状態とする時間の割合をそれぞれ制御することもできる。これにより、各電池ユニット２１、２２および２３間でセル群２１１、２２１および２３１の充放電電流を調整し、劣化度の均一化を図ることができる。すなわち、劣化診断の結果、他のセル群と比べて劣化の進行度合いが高いセル群がある場合は、そのセル群について信号発生回路１１１、１１２または１１３からのＰＷＭ信号による制御を用いて、他のセル群よりも充放電電流を軽減させる。これにより、当該セル群における劣化の進行を遅らせることができる。

　なお、第一の電流制御素子２１２、２２２、２３２および２４２にＭＯＳＦＥＴを用いた場合、その応答性の速さから、以上説明したようなＰＷＭ制御が特に有用である。他の種類の電流制御素子、たとえばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、各種リレー等を用いた場合は、ＰＷＭ制御または他の制御方法を用いて、その応答性に応じた制御速度で制御を行うことができる。いずれの場合でも同様の効果を得ることができる。

　また、第一、第二および第三の実施の形態における別の問題点として、劣化または故障診断のために第一の電流制御素子２１２、２２２または２３２をＯＦＦ状態として主系統から一時的に切り離したセル群を再接続すると、セル群２１１、２２１および２３１同士の間でのＯＣＶのばらつきにより、図１１に示すように電池ユニット２１、２２および２３間で大きな相互電流が流れることがある。図１１は、例として２つのセル群２１１と２２１のＯＣＶがばらついている場合に、これらのセル群を並列に接続した際に各々に流れる相互電流の変化を表した図である。

　図１１に示すような相互電流は、電池モジュール３全体での充放電電流にさらに重畳される形で流れる。この充放電電流と相互電流とを合計した電流が、セル群ごとの最大充放電電流を超えることがないようにしなければならない。相互電流を軽減するには、各セル群と直列に電流制限用の抵抗を挿入するなどの手法も考えられるが、この手法では通常の充放電時の損失も大きくなってしまうため、充放電効率の低下につながってしまう。

　そこで、第一、第二および第三の実施の形態に対して本実施形態を適用し、第一の電流制御素子にＭＯＳＦＥＴを用いて、ＭＯＳＦＥＴが有する定電流特性（電流飽和特性）を利用する。これにより、上記のような問題点を解決することができる。

　以下、ＭＯＳＦＥＴを用いた電流制限の原理と動作について述べる。図１２は、ＭＯＳＦＥＴのＶｄｓ（ドレイン－ソース間電圧）とＩｄ（ドレイン電流）との関係を、様々なＶｇｓ（ゲート－ソース間電圧）について表したものである。なお、ＭＯＳＦＥＴの制御は、Ｖｇｓの値を調節することで行うことができる。

　まず、電池ユニットの充放電電流が十分に小さい場合について考える。Ｖｇｓがある値、たとえば図１２中の太線に示す値であるとき、そのＶｇｓの値に応じた固有の飽和電流値ＩｓａｔよりＩｄが十分低い領域（Ｉｄ＜＜Ｉｓａｔ）においては、ＶｄｓはＩｄの増加とほぼ比例して増大する。すなわち、この領域（線形領域）において、ＭＯＳＦＥＴは抵抗値の低い抵抗のように振る舞う。この線形領域では、Ｉｄ、Ｖｄｓ共に低い値であるため、ＭＯＳＦＥＴにおいて発生する損失は小さい。したがって、通常の充放電は線形領域で行われる。

　次に、電池ユニットに過大電流が流れようとした場合（Ｉｄ≒Ｉｓａｔ）について考える。Ｉｄが飽和電流値Ｉｓａｔに近い領域では、急激にＭＯＳＦＥＴの導電率が低下してＶｄｓが増大し、Ｉｄがそれ以上はほとんど増えなくなる。すなわち、この領域（飽和領域）においてＭＯＳＦＥＴは定電流特性を示し、Ｖｇｓの値に応じた飽和電流値Ｉｓａｔ以下となるように電流を制限する。

　上記のようなＭＯＳＦＥＴの性質を利用すると、通常の充放電時には損失が小さく、かつ、セル群の再接続時などに過大な電流が流れようとすると自動的に電流を制限する動作を、特別な処理や制御を用いずに実現することができる。なお、これを利用する場合は、信号発生回路１１１、１１２および１１３が第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をそれぞれＯＮする時に出力する信号の電圧を予め調整しておく必要がある。この調整は、セル群２１１、２２１および２３１の最大充放電電流と、第一の電流制御素子２１２、２２２および２３２をそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴの特性とに応じて行うことができる。

　上記のようなＭＯＳＦＥＴの定電流特性を利用した最大電流の制限では、必ずしも本実施形態のように信号発生回路１１１、１１２および１１３がＰＷＭ信号を発生している必要はない。第一、第二および第三の実施の形態で説明したようにＰＷＭ信号を用いない場合であっても、信号発生回路１１のＯＮ出力時の電圧を上記のように予め調整しておくことで、本実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。

　なお、上記の各実施形態では、制御回路１、電池ユニット２１、２２および２３、および予備電池ユニット２４から構成されている電池モジュール３を本発明による組電池の例として説明したが、制御回路１を組電池とは別の構成としてもよい。その場合、電池ユニット２１、２２および２３、および予備電池ユニット２４によって組電池を構成し、その組電池の制御装置として制御装置１を用いることができる。

　また、上記の各実施形態では、制御回路１内に演算部１０を設け、この演算部１０において各電池ユニット２１、２２および２３の劣化度または故障を診断する例を説明した。しかし、制御回路１とは別に演算部１０を設けてもよい。その場合、制御回路１と演算部１０との間で、電圧測定回路１３、１４による電圧測定結果を示す信号や、信号発生回路１１、１６、信号分配回路１２、１７、切替回路１５などの動作を制御するための信号を互いに送受信することが好ましい。

　本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記のような各実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：制御回路、　１１、１６：信号発生回路、　１２、１７：信号分配回路、　１３、１４：電圧測定回路、　１５：切替回路、　２１、２２、２３：電池ユニット、　２４：予備電池ユニット、　２１１、２２１、２３１、２４１：セル群、　２１２、２２２、２３２、２４２：第一の電流制御素子、　２１５、２２５、２３５、２４５：第二の電流制御素子、　２１６、２２６、２３６、２４６：放電用抵抗、　３：電池モジュール

Claims

１または２以上の二次電池セルが直列に接続されたセル群と、前記セル群に直列に接続された第一の電流制御素子とを各々が有する互いに並列に接続された複数の電池ユニットと、
　前記電池ユニットの各々が有する前記第一の電流制御素子の動作を制御して前記電池ユニットごとに充放電電流を制御する第一の制御手段と、
　前記電池ユニットの各々が有する前記セル群または各セルの電圧を測定する電圧測定手段と、
　前記電圧測定手段により測定された前記セル群または各セルの電圧に基づいて各電池ユニットの劣化度または故障を診断する診断手段とを備える組電池。
　請求項１に記載の組電池において、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオンして前記充放電電流を通電したときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの電圧と、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断したときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの電圧とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断する。
　請求項２に記載の組電池において、
　前記第一の制御手段は、前記複数の電池ユニットのうち一部の電池ユニットを選択し、選択した電池ユニット以外の各電池ユニットにおいて前記充放電電流を通電した状態で、選択した電池ユニットにおいて前記充放電電流を通電および遮断し、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段により選択された電池ユニットについて劣化度を診断する。
　請求項２または３に記載の組電池において、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段によりオンされた前記第一の電流制御素子の両端電圧に基づいて前記充放電電流を算出し、その算出結果を用いて各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出する。
　請求項１に記載の組電池において、
　前記電池ユニットの各々は、前記セル群にそれぞれ並列に接続された強制放電用の第二の電流制御素子および放電用抵抗をさらに有し、
　前記組電池は、前記電池ユニットの各々が有する前記第二の電流制御素子の動作を制御する第二の制御手段をさらに備え、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断した状態で、前記第二の制御手段が前記第二の電流制御素子をオフしたときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの開放電圧と、前記第二の制御手段が前記第二の電流制御素子をオンしたときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群の負荷時電圧と、前記放電用抵抗の抵抗値とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断する。
　請求項１～５のいずれか一項に記載の組電池において、
　前記第一の制御手段は、前記診断手段による前記劣化度の診断結果に基づいて、各電池ユニット間の充放電電流を調整する。
　請求項１に記載の組電池において、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が全ての前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断したときに前記電圧測定手段によって複数回測定された前記セル群または各セルの電圧に基づいて、各電池ユニットの開放電圧の降下量を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの故障を診断する。
　請求項１～７のいずれか一項に記載の組電池において、
　前記第一の制御手段は、前記診断手段により診断された劣化度が所定のしきい値以上である電池ユニット、または前記診断手段により故障と診断された電池ユニットについて、前記第一の電流制御素子をオフして充放電対象から切り離す。
　請求項８に記載の組電池において、
　前記複数の電池ユニットと並列に接続されており、前記セル群と前記第一の電流制御素子とを有する予備電池ユニットをさらに備え、
　前記第一の制御手段は、前記予備電池ユニットにおける前記第一の電流制御素子をオンすることで、充放電対象から切り離された前記電池ユニットに代えて前記予備電池ユニットを充放電対象に組み入れる。
　請求項１～９のいずれか一項に記載の組電池において、
　前記第一の制御手段は、各電池ユニットにおける前記第一の電流制御素子をそれぞれ制御して各電池ユニット間の充放電電流を均一化する。
　請求項１０に記載の組電池において、
　前記第一の制御手段は、ＰＷＭ制御を用いて、各電池ユニットにおける前記第一の電流制御素子をオンする時間の割合をそれぞれ制御する。
　請求項１～１１のいずれか一項に記載の組電池において、
　前記第一の電流制御素子は、定電流特性を有するＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、前記定電流特性を利用して前記電池ユニットにおける充放電電流を制限する。
　１または２以上の二次電池セルが直列に接続されたセル群と、前記セル群に直列に接続された第一の電流制御素子とを各々が有する互いに並列に接続された複数の電池ユニットを備えた組電池の制御装置であって、
　前記電池ユニットの各々が有する前記第一の電流制御素子の動作を制御して前記電池ユニットごとに充放電電流を制御する第一の制御手段と、
　前記電池ユニットの各々が有する前記セル群または各セルの電圧を測定する電圧測定手段と、
　前記電圧測定手段により測定された前記セル群または各セルの電圧に基づいて各電池ユニットの劣化度または故障を診断する診断手段とを備える組電池の制御装置。
　請求項１３に記載の組電池の制御装置において、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオンして前記充放電電流を通電したときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの電圧と、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断したときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの電圧とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断する。
　請求項１３に記載の組電池の制御装置において、
　前記電池ユニットの各々は、前記セル群にそれぞれ並列に接続された強制放電用の第二の電流制御素子および放電用抵抗をさらに有し、
　前記制御装置は、前記電池ユニットの各々が有する前記第二の電流制御素子の動作を制御する第二の制御手段をさらに備え、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断した状態で、前記第二の制御手段が前記第二の電流制御素子をオフしたときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群または各セルの開放電圧と、前記第二の制御手段が前記第二の電流制御素子をオンしたときに前記電圧測定手段によって測定された前記セル群の負荷時電圧と、前記放電用抵抗の抵抗値とに基づいて、各電池ユニットの直流内部抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの劣化度を診断する。
　請求項１３に記載の組電池の制御装置において、
　前記診断手段は、前記第一の制御手段が前記第一の電流制御素子をオフして前記充放電電流を遮断したときに前記電圧測定手段によって複数回測定された前記セル群または各セルの電圧に基づいて、各電池ユニットの開放電圧の降下量を算出し、その算出結果に基づいて各電池ユニットの故障を診断する。