WO2014045567A1

WO2014045567A1 - 電源装置及びこの電源装置を備える電動車両並びに蓄電装置

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Publication number: WO2014045567A1
Application number: PCT/JP2013/005503
Authority: WO
Inventors: 公彦古川; 淳朝倉
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-03-27
Also published as: JP2015223008A

Abstract

　高い精度に維持できる安価な抵抗器を使用しながら、放電スイッチ(１２)のオン状態においても、電池の電圧を正確に検出する。　電源装置は、複数の電池を直列に接続している組電池(１０)を構成する各電池(１)に、電圧検出ライン(９)を介して並列に接続してなる放電抵抗(１１)と放電スイッチ(１２)の直列回路からなる放電回路(２)と、放電回路(２)の放電スイッチ(１２)を制御して電池の電圧を均等化する放電制御回路(３)と、放電回路(２)の放電抵抗(１１)と並列に接続してなる、分圧抵抗(４Ａ)、(４Ｂ)の直列回路からなる抵抗分圧回路(４)と、抵抗分圧回路(４)で分圧された電圧から電池(１)の電圧を検出するセル電圧検出回路(５)と、セル電圧検出回路(５)の検出電圧から故障を判定する故障判定回路(６)とを備える。故障判定回路(６)は、放電スイッチ(１２)のオン状態とオフ状態の両方で、セル電圧検出回路(５)で検出される検出電圧から、放電回路(２)と電圧検出ライン(９)の故障を判定する。

Description

電源装置及びこの電源装置を備える電動車両並びに蓄電装置

　本発明は、複数の電池を直列に接続している組電池を備える電源装置に関し、とくに組電池を構成する電池の電圧を検出すると共に、各電池の電圧を均等化する均等化回路を備える電源装置及びこの電源装置を備える電動車両並びに蓄電装置に関する。

　電源装置は、複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くし、出力を大きくできる。したがって、出力を大きくする電源装置、たとえば車両を走行させるモータに電力を供給する電源装置は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。この電源装置が充放電されるとき、各電池は同じ電流で充電され、また放電される。したがって、各電池の電気特性が同じであると、電圧や残容量がアンバランスになることはない。しかしながら、現実には電池の電気特性を完全に同じ特性にはできず、充放電して電池の電圧や残容量がアンバランスになる。電池のアンバランスは、充放電を繰り返すにしたがって大きくなる。電池がアンバランスになると、特定の電池が過充電されたり、過放電させる原因となる。電池のアンバランスを解消するために、各々の電池の電圧を検出して、電圧の高い電池を放電して電圧のアンバランスを解消する電源装置は開発されている。（特許文献１参照）

特開２００４－２６６９９２号公報

　特許文献１の電源回路の回路図を図１に示す。この電源回路は、複数の電池を直列に接続している組電池３０と、組電池３０を構成する各電池の電圧のアンバランスを解消するための均等化回路を備えている。均等化回路は、各電池と並列に接続している放電回路３１と、この放電回路３１の放電スイッチ３２をオンオフに制御する放電制御回路３３とを備えている。放電回路３１は放電抵抗３４と放電スイッチ３２の直列回路で、放電抵抗３４をふたつの抵抗器を直列に接続した抵抗分圧回路としている。

　さらに、図１の電源装置は、各電池の電圧を検出するセル電圧検出回路も備えている。セル電圧検出回路は、各電池の電圧のアンバランスを解消すると共に、電池の電圧で組電池３０の充放電をコントロールして、組電池３０の劣化を少なく、寿命を長くする。セル電圧検出回路で電池の電圧を検出して、何れかの電池の電圧が最高電圧よりも高くなると、組電池３０の充電を停止、あるいは充電電流を小さくし、また何れかの電池の電圧が最低電圧よりも低くなると、放電を停止し、あるいは放電電流を小さく制限して電池の過充電と過放電を防止できる。

　さらに、図１の電源装置は、電圧検出ラインにセル電圧検出回路と均等化回路の放電回路３１を接続して、セル電圧検出回路で検出する電圧で、均等化回路の故障を判定する。放電回路３１は、放電抵抗３４と放電スイッチ３２の直列回路で構成されて電池を放電するが、この図の放電回路３１は、放電抵抗３４を第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂとの直列回路で構成している。セル電圧検出回路３５は、第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂとの接続点の電圧を検出して、電池の電圧を検出し、また放電回路３１の故障を判定する。

　図１のセル電圧検出回路３５は、放電スイッチ３２のオフ状態においては、第１の放電抵抗３４Ａの電圧降下を無視して、電池の電圧を検出する。第１の放電抵抗３４Ａに電池の放電電流が流れないからである。したがって、セル電圧検出回路３５の検出電圧が電池の電圧となる。放電スイッチ３２のオン状態においては、セル電圧検出回路３５は、第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂとで分圧された電圧を検出するので、検出電圧を補正して電池の電圧を検出する。放電スイッチ３２のオン状態とオフ状態とで、セル電圧検出回路３５が検出する電圧が変化するので、この電圧の変化から放電回路３１の故障を判定する。たとえば、放電回路３１の放電スイッチ３２をオンに制御して、電池を放電する状態に制御しても、放電スイッチ３２がオンに切り換えられないと、電池の電圧は第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂとで分圧されずに検出される。このため、放電スイッチ３２をオンに制御する状態で、セル電圧検出回路３５の検出電圧が設定値よりも高い状態では、放電回路３１の故障と判定できる。

　ところが、図１の電源装置は、セル電圧検出回路３５や放電回路３１を電池の電極端子に接続している電圧検出ラインの抵抗値が大きくなるなどの故障状態では電池の電圧を正確に検出できなくなる欠点がある。電圧検出ラインは、ワイヤーハーネス、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、コネクタなどの接続部材で構成される。この接続部材が正常な状態、すなわち抵抗値が低い状態において、セル電圧検出回路３５は、電池の電圧を正確に検出できる。電圧検出ラインに電圧降下が発生しないからである。しかしながら、電圧検出ラインの接続部材は、故障して抵抗値が大きくなることがある。たとえば、コネクタの接触抵抗が増加し、あるいはＦＰＣのラインが振動等でクラックが入るなどして、電圧検出ラインの鎖線で示す線路抵抗Ｒが大きくなることがある。

　たとえば、電圧検出ラインの線路抵抗Ｒの増加による、セル電圧検出回路３５の電圧検出誤差を１０ｍＶとし、セル電圧検出回路３５の入力インピーダンスにより入力側に流れる電流を２μＡとすると、オームの法則により、電圧検出ラインの線路抵抗Ｒの増加による検出誤差を１０ｍＶとする電圧検出ラインの線路抵抗Ｒの増加は５ｋΩ程度となる。電池を定格電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池とし、例えば放電電流を６０ｍＡ程度とするには、放電抵抗３４を６０Ω程度とする必要がある。電圧検出ラインである接続部材の線路抵抗Ｒは、正常な状態では数十ミリΩオーダであるため６０Ωの放電抵抗３４が直列に接続されても殆ど電圧降下を生じない。しかしながら、電圧検出ラインの線路抵抗Ｒが５ｋΩにも達すると、放電回路３１の放電スイッチ３２をオンに切り換えると検出される電圧はほぼゼロとなるので、電圧検出ラインの線路抵抗Ｒが異常になったことを検出できる。

　この場合、放電回路３１の故障検出が重要である。例えば放電スイッチ３２のトランジスタがオンしない故障となった場合、放電抵抗３４が接続されなくなるため、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが増大しても前述したような電圧検出ラインの線路抵抗が異常になるような電圧は検出されなくなってしまう。

　図１の電源装置は、以上の弊害を防止するために、抵抗値の小さい第１の放電抵抗３４Ａを電池側に直列に接続している。これにより放電スイッチ３２のオン状態において、セル電圧検出回路３５の検出電圧を、第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂとの分圧回路により低下したことを検出して、放電回路３１が正しく動作しているかどうかを電圧変化により検出することができる。

　しかしながら、図１の電源装置は、放電スイッチ３２のオン状態において、セル電圧検出回路３５で電池の電圧を正しく検出できない。このため、以上の故障検出は、車両が駐車中といった、バッテリシステムを使用しないタイミングに限られる。放電回路３１がオンの場合もセル電圧を正しく読み出すためには、回路定数を考慮してオン時にソフトウエアで補正する等が考えられる。その場合、分圧比は以下の数式１で計算できる。

　ただし、この式のおいて、Ｒａは第１の放電抵抗３４Ａの抵抗値、Ｒｂは第２の放電抵抗３４Ｂの抵抗値である。

　以上の放電回路３１は、第１の放電抵抗３４Ａと第２の放電抵抗３４Ｂの分圧比を大きく設定すると、放電されない隣接セルの電圧検出が、セル電圧検出回路３５の検出範囲を逸脱することがある。第１の放電抵抗３４Ａ（Ｒａ）により発生する分圧電圧が逆に加算されるためである。たとえば、電池をリチウムイオン電池とする電源装置は、セル電圧検出回路３５の検出範囲を、リチウムイオン二次電池の電圧範囲を考慮して最大５Ｖ程度までで設計されるため、例えば上限電圧を４．５Ｖまで検出する場合は、放電回路３１のオン／オフ動作で発生する検出電圧の動きが±１０％程度までとしなければならない。つまり、放電スイッチ３２のオン状態において、ソフトウエアで補正するためには、数式１で示される分圧比は、９０％程度までとなり、第１の放電抵抗３４ＡＲａは３Ω程度と設定される。通常の高精度抵抗が入手できる範囲は、一般には１０Ω以上とされるので、この抵抗値の第１の放電抵抗３４Ａは、精度を維持するためには特別に低抵抗の高精度品が必要となる。

　本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、高い精度に維持できる安価な抵抗器を使用しながら、放電スイッチのオン状態においても、電池の電圧を正確に検出できる電源装置及びこの電源装置を備える電動車両並びに蓄電装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　本発明の電源装置は、複数の電池１を直列に接続している組電池１０と、この組電池１０を構成する各電池１に、電圧検出ライン９を介して並列に接続してなる放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路からなる放電回路２と、この放電回路２の放電スイッチ１２をオンオフに制御して電池１の電圧を均等化する放電制御回路３と、放電回路２の放電抵抗１１と並列に接続してなる、分圧抵抗４Ａ、４Ｂの直列回路からなる抵抗分圧回路４と、抵抗分圧回路４で分圧された電圧から電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５と、このセル電圧検出回路５の検出電圧から故障を判定する故障判定回路６とを備えている。電源装置は、故障判定回路６が、放電スイッチ１２のオン状態とオフ状態の両方で、セル電圧検出回路５で検出される検出電圧から、放電回路２と電圧検出ライン９の故障を判定している。

　以上の電源装置は、高い精度に維持できる安価な抵抗器を使用しながら、放電スイッチ１２のオン状態においても、電池１の電圧を正確に検出できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、電池１の電圧を、放電抵抗１１で分圧して検出することなく、放電抵抗１１とは別に設けている抵抗分圧回路４で電池１の電圧を分圧して検出するからである。抵抗分圧回路４は、電池１を放電して均等化する必要がなく、電池１の電圧を分圧するために設けているので、放電抵抗１１のように低抵抗な抵抗器とする必要がなく、低コストで高い精度の抵抗値に設定することができる。このため、以上の電源装置は、抵抗値を高い精度にできる抵抗器からなる抵抗分圧回路４でもって、放電スイッチ１２のオン状態においても、電池１の電圧を高い精度で分圧して正確に検出できる特徴がある。

　本発明の電源装置は、抵抗分圧回路４の分圧抵抗４Ａ、４Ｂの抵抗値を、放電抵抗１１の抵抗値の１０倍よりも大きくすることができる。
　以上の電源装置は、抵抗分圧回路の分圧抵抗の抵抗値を相当に大きくするので、分圧抵抗をより安価で高精度な抵抗器とすることができ、抵抗分圧回路で電池の電圧を正確に分圧して、より正確に検出できる特徴がある。

　本発明の電源装置は、抵抗分圧回路４を、第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂの直列回路として、第１の分圧抵抗４Ａは、一端を第２の分圧抵抗４Ｂに接続して、他端を電池１の電極端子に接続し、第２の分圧抵抗４Ｂは、一端を第１の分圧抵抗４Ａに接続して、他端を放電抵抗１１に接続しており、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を、セル電圧検出回路５の入力インピーダンスの１／１００以下とすることができる。
　以上の電源装置は、第１の分圧抵抗の電圧降下を無視して、セル電圧検出回路５でもって極めて正確に電池の電圧を検出できる。それは、セル電圧検出回路５の入力インピーダンスが第１の分圧抵抗４Ａに比較して相当に大きいので、セル電圧検出回路５の入力電流が極めて小さく、第１の分圧抵抗４Ａの電圧降下を小さくできるからである。

　本発明の電源装置は、放電抵抗１１を、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂの直列回路として、抵抗分圧回路４を、第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂの直列回路とし、抵抗分圧回路４を第１の放電抵抗１１Ａと並列に接続して、第１の放電抵抗１１Ａと第２の分圧抵抗４Ｂとの接続点を、第２の放電抵抗１１Ｂを介して放電スイッチ１２に接続することができる。
　以上の電源装置は、セル電圧検出回路５の検出電圧でもって、放電回路２の故障、すなわち、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂと放電スイッチ１２の故障を判定できる。それは、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂと放電スイッチ１２の故障によって、セル電圧検出回路５の検出電圧が変化するからである。

　本発明の電源装置は、放電スイッチ１２を半導体スイッチング素子とすることができる。
　以上の電源装置は、放電スイッチ１２の寿命を長く、かつ信頼性を高くできるので、電池電圧のアンバランスを、長期間にわたって安定して均等化できる。

　本発明の電源装置は、組電池１０を構成する各電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５とセル電圧監視回路７とを備え、セル電圧検出回路５とセル電圧監視回路７の両方で電池１の電圧を検出することができる。
　以上の電源装置は、セル電圧検出回路５が故障する状態にあっては、セル電圧監視回路で電池の電圧を検出できるので、セル電圧検出回路５が故障する状態においても、電池の電圧が異常な電圧となるまで充放電されるのを防止できる。

　本発明の電源装置は、セル電圧監視回路７が電池１の電圧を検出する精度を、セル電圧検出回路５が電池１の電圧を検出する精度よりも低くすることができる。
　以上の電源装置は、全体のセル電圧監視回路の回路構成を簡単にして部品コストと組み立てコストの両方を低減しながら、セル電圧検出回路５の故障状態においても、組電池３０を充放電できる。

　本発明の電源装置は、セル電圧監視回路７が、組電池１０を構成する各電池１の電極端子の電圧を検出することができる。
　以上の電源装置は、セル電圧監視回路が、抵抗分圧回路で分圧されない電池の電圧、すなわち、電池の電圧を直接に検出するので、検出電圧を抵抗分圧回路の分圧比で演算する必要がなく、セル電圧監視回路の回路構成を簡単にできる。

　本発明の電源装置は、セル電圧監視回路７が、抵抗分圧回路４の分圧点の電圧を検出すると共に、抵抗分圧回路４の分圧比を、セル電圧監視回路７の測定誤差の範囲内とすることができる。
　以上の電源装置は、セル電圧監視回路が抵抗分圧回路で分圧された電圧を検出しながら、検出電圧を補正することなく、電池の電圧を検出できる。それは、抵抗分圧回路の分圧比が、セル電圧監視回路の誤差範囲にあるからである。

　本発明の電源装置は、組電池１０が、充電を走行させるモータ８に電力を供給する車両の走行用バッテリとすることができる。
　以上の電源装置は、組電池１０から走行モータ８に電力を供給して、電動車両を走行できる。とくに、この電源装置は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチのオフ状態のみでなく、オン状態においても、各電池１の電圧を均等化しながら、各電池１の電圧を正確に検出して、組電池１０の充放電をコントロールできる。

　本発明の電源装置は、組電池１０を、自然エネルギー又は深夜電力を蓄電する蓄電用バッテリとすることができる。
　以上の電源装置は、自然エネルギーや深夜電力を組電池３０に蓄電しながら、組電池３０のアンバランスを解消し、各電池の電圧を正確に検出して充放電することで、電池の劣化を防止して、寿命を相当に長くできる特徴がある。

　本発明の電動車両は、車両を走行させるモータ８と、このモータ８にＤＣ／ＡＣインバータを介して電力を供給する電源装置１６とを備え、電源装置１６は、複数の電池１を直列に接続している組電池１０と、この組電池１０を構成する各電池１に、電圧検出ライン９を介して並列に接続してなる放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路からなる放電回路２と、この放電回路２の放電スイッチ１２をオンオフに制御して電池１の電圧を均等化する放電制御回路３と、放電回路２の放電抵抗１１と並列に接続してなる、分圧抵抗４Ａ、４Ｂの直列回路からなる抵抗分圧回路４と、抵抗分圧回路４で分圧された電圧から電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５と、このセル電圧検出回路５の検出電圧から故障を判定する故障判定回路６とを備えている。電源装置は、故障判定回路６が、放電スイッチ１２のオン状態とオフ状態の両方で、セル電圧検出回路５で検出される検出電圧から、放電回路２と電圧検出ライン９の故障を判定している。

　本発明の蓄電装置は、電力を蓄電する電源装置１６と、この電源装置１６から出力される直流を商用電源に変換して出力するＤＣ／ＡＣインバータ１８とを備え、電源装置１６は、複数の電池１を直列に接続している組電池１０と、この組電池１０を構成する各電池１に、電圧検出ライン９を介して並列に接続してなる放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路からなる放電回路２と、この放電回路２の放電スイッチ１２をオンオフに制御して電池１の電圧を均等化する放電制御回路３と、放電回路２の放電抵抗１１と並列に接続してなる、分圧抵抗４Ａ、４Ｂの直列回路からなる抵抗分圧回路４と、抵抗分圧回路４で分圧された電圧から電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５と、このセル電圧検出回路５の検出電圧から故障を判定する故障判定回路６とを備えている。電源装置は、故障判定回路６が、放電スイッチ１２のオン状態とオフ状態の両方で、セル電圧検出回路５で検出される検出電圧から、放電回路２と電圧検出ライン９の故障を判定している。

従来の電源回路の回路図である。本発明の実施例にかかる電源装置の回路図である。本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図である。さらに本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図である。さらに本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図である。本発明の実施例にかかる電動車両のブロック図である。本発明の実施例にかかる蓄電装置のブロック図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置及びこの電源装置を備える電動車両並びに蓄電装置を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。

　図２に示す電源装置は、図６に示すように、車両を走行させるモータ８に電力を供給する電源として使用される。ただし、本発明の電源装置は、用途を車両を走行させるモータ８に電力を供給する用途には特定せず、複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くする全ての用途、たとえば、図７に示す蓄電装置などのように、電池の劣化を防止しながら充放電して寿命を長くする全ての用途に最適である。

　図２の電源装置は、複数の電池１を直列に接続している組電池１０と、この組電池１０を構成する各電池１に、電圧検出ライン９を介して並列に接続してなる放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路からなる放電回路２と、放電回路２の放電スイッチ１２をオンオフに制御して電池１の電圧を均等化する放電制御回路３と、放電回路２の放電抵抗１１と並列に接続してなる、分圧抵抗４Ａ、４Ｂの直列回路からなる抵抗分圧回路４と、この抵抗分圧回路４で分圧された電圧から電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５と、このセル電圧検出回路５の検出電圧から故障を判定する故障判定回路６とを備える。

　組電池１０は、充電できる複数の電池１を直列に接続している。電池１は、リチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー二次電池等の非水系電解液二次電池である。電池１をリチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー二次電池等の非水系電解液電池とする組電池１０は、電池１をひとつの二次電池で構成する。この組電池１０は、各電池１の電圧をセル電圧検出回路５で検出する。ただし、組電池の電池は、ニッケル水素電池などの充電できる全ての二次電池とすることができる。電池をニッケル水素電池とする組電池は、複数のニッケル水素電池などの充電できる二次電池を直列に接続してなるひとつの電池として、各々の電池、すなわち複数の二次電池を直列に接続している電池の電圧を検出し、また、この電池の電圧を均等化する。

　放電回路２は、電池１を放電して電圧を低下させる放電電流を流すことができる抵抗値の放電抵抗１１と、トランジスタやＦＥＴなどの半導体スイッチング素子の放電スイッチ１２を直列に接続している。第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂの直列回路からなる放電抵抗１１の抵抗値は、電池１の放電電流から特定される。たとえば、電圧を３．６Ｖとするリチウムイオン電池１を６０ｍＡで放電する放電抵抗１１は抵抗値が６０Ωとなる。放電抵抗１１は、抵抗値を小さくして、電池１の電圧を速やかに低下できる。ただ、放電抵抗１１は、抵抗値を小さくするとジュール熱による発熱量が大きくなる。発熱量が抵抗値に反比例して大きくなるからである。放電抵抗１１の発熱量が大きくなると回路基板(図示せず)における発熱が大きくなるため、回路基板のサイズを大きくする必要がある。したがって、放電抵抗１１の抵抗値は、発熱量と電池１の放電電流とを考慮して最適値に設定される。

　放電抵抗１１は、第１の放電抵抗１１Ａの抵抗値を３０Ω、第２の放電抵抗１１Ｂの抵抗値を３０Ωとして、抵抗値を６０Ωにできる。ただし、本発明は、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂの比率を特定するものではなく、［第１の放電抵抗１１Ａの抵抗値］／［第２の放電抵抗１１Ｂの抵抗値］を、０．１～１０とすることができる。放電抵抗１１は、電池１の放電電流を決定するが、電池１の放電電流は高い精度で制御する必要がない。このため、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂには、低い精度の抵抗器を使用できる。とくに、放電抵抗１１の抵抗値は、抵抗分圧回路４の抵抗値よりも相当に小さく、たとえば、１／１０以下に設定されるので、放電抵抗１１に低い精度の抵抗器を使用しながら、電池１の電圧を高精度に検出できる。

　放電スイッチ１２は、放電制御回路３でオンオフに切り換えられる。放電回路２と放電スイッチ１２と放電制御回路３とは回路基板（図示せず）に実装されて、電圧検出ライン９を介して各電池１の電極端子に接続される。電圧検出ライン９は、ワイヤーハーネス、フレキシブルプリント基板、コネクタなど接続部材である。これ等の電圧検出ライン９は、例えばコネクタの接触抵抗が増加し、あるいはフレキシブルプリント基板のラインの一部が振動でクラックが入る等の原因によって、経時的に線路抵抗Ｒが大きくなることがある。電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが増加すると、線路抵抗Ｒの電圧降下によって、セル電圧検出回路５が正確に電池１の電圧を検出できなくなる。とくに、放電スイッチ１２のオン状態においては、電圧検出ライン９に電池１の放電電流が流れるので、線路抵抗Ｒの電圧降下が大きくなる。線路抵抗Ｒの電圧降下が放電電流で大きくなるからである。

　線路抵抗Ｒが大きくなると、セル電圧検出回路５は電池１の電圧を低く検出する。線路抵抗Ｒの電圧降下によって検出電圧が低下されるからである。セル電圧検出回路５が誤って電池１の電圧を低く検出すると、電池１の電圧を高くするように制御する。このため、電池が過充電されて、甚だしく劣化して寿命が著しく短くなったり、あるいは、最高電圧よりも高い電圧に充電されて安全に使用できなくなる。この弊害を防止するために、後述する故障判定回路６は、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒの増加による故障を検出する。

　放電制御回路３は、高電圧の電池１と並列に接続している放電回路２の放電スイッチ１２をオン状態に切り換えて、高電圧の電池１を放電して電圧を低下させる。放電制御回路３は、セル電圧検出回路５で検出される電圧から最大電圧の電池１と並列に接続している放電回路２の放電スイッチ１２をオンに切り換えて放電させる。放電して電池１の電圧が低下すると、放電スイッチ１２をオフに切り換えて放電を停止する。この動作を繰り返して、電池１の電圧を均等化する。車両に搭載される電源装置は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチのオン状態とオフ状態の両方のタイミングにおいて、放電制御回路３を動作状態として放電スイッチ１２をオンオフに制御して、各電池１の電圧を均等化して、大容量の電池１の電圧を少ない放電電流で均等化できる。

　抵抗分圧回路４は、第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂの直列回路である。第１の分圧抵抗４Ａは、一端を第２の分圧抵抗４Ｂに接続して、他端を電圧検出ライン９を介して電池１の電極端子に接続している。第２の分圧抵抗４Ｂは、一端を第１の分圧抵抗４Ａに接続して、他端を第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂとの接続点に接続している。

　第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値は、セル電圧検出回路５の入力インピーダンスの１／１００以下とする。セル電圧検出回路５は、入力インピーダンスを１ＭΩ以上と高くしている。この入力インピーダンスの電圧検出回路に接続される第１の分圧抵抗４Ａは、抵抗値を１０ｋΩ以下として、入力インピーダンスの１／１００以下にできる。この回路構成は、放電スイッチ１２のオフ状態においては、第１の分圧抵抗４Ａの電圧降下を無視して、セル電圧検出回路５で電池１の電圧を検出できる。第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂの分圧比は、たとえば約９０％程度に設定される。分圧比を９０％とする抵抗分圧回路４は、放電スイッチ１２のオン状態では、電池電圧の９０％の電圧がセル電圧検出回路５に入力される。したがって、セル電圧検出回路５の検出電圧の約１．１倍が電池１の正確な電圧となる。
　なお分圧抵抗４Ａは、コンデンサとあわせてセル電圧検出回路入力部分に構成されるローパスフィルタの抵抗と兼ねても良い。

　セル電圧検出回路５は入力インピーダンスを１ＭΩ以上と高くしているので、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を高くできる。放電スイッチ１２のオフ状態で、第１の分圧抵抗４Ａの電圧降下が小さく検出誤差に影響を与えないからである。第２の分圧抵抗４Ｂの抵抗値は、第１の分圧抵抗４Ａとの分圧比で決定されるので、第２の分圧抵抗４Ｂも抵抗値を高く設定できる。例えば、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を１０ＫΩ、第２の分圧抵抗４Ｂの抵抗値を１００ＫΩとして、分圧比を９０．９％に設定し、分圧抵抗４Ａ、４Ｂには、一般に手に入る低コストで高い精度の抵抗器を使用できる。分圧比を９０．９％とする抵抗分圧回路４は、電池１の電圧を０．９０９倍としてセル電圧検出回路５に入力するので、電池１の電圧はセル電圧検出回路５が検出する電圧の１．１倍が電池１の正確な電圧となる。セル電圧検出回路５は、検出電圧から電池１の正確な電圧を演算する回路を内蔵しており、演算された電池１の電圧を出力する。ただ、セル電圧検出回路５には、検出電圧から電池の電圧を演算する回路を内蔵させず、セル電圧検出回路５から検出電圧を出力する演算回路（図示せず）を設けて、電池の電圧を演算することもできる。

　故障判定回路６は、放電スイッチ１２のオン状態とオフ状態で電池１の検出電圧から、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒの増加と、放電スイッチ１２の故障を判定する。図２の電源装置は、放電スイッチ１２のオフ状態で、セル電圧検出回路５が電池１の電圧を分圧することなく検出する。セル電圧検出回路５の入力側には第１の分圧抵抗４Ａが直列に接続されるが、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値はセル電圧検出回路５の入力インピーダンスに比較して充分に小さいので、電圧降下を無視してセル電圧検出回路５は電池１の電圧を検出する。放電スイッチ１２のオン状態では、抵抗分圧回路４で電池１の電圧を分圧して検出する。したがって、抵抗分圧回路４の分圧比を９０．９％とする電源装置は、放電スイッチ１２のオフ状態に対するオン状態の検出電圧は９０．９％となる。

　したがって、故障判定回路６は、放電スイッチ１２のオン状態の検出電圧がオフ状態の検出電圧の９０．９％となることを検出して、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが小さく、かつ放電スイッチ１２が正常にオンオフに切り換えられたと判定する。

　電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが大きくなると、放電スイッチ１２のオン状態では、線路抵抗Ｒと放電抵抗１１とで分圧された電圧が、抵抗分圧回路４に入力される。たとえば電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒを５ｋΩ、放電抵抗１１を６０Ωとすれば、線路抵抗Ｒと放電抵抗１１で電池１の電圧は１％程度に低下する。したがって、故障判定回路６は、放電スイッチ１２のオン状態で、検出電圧がほぼ０Ｖに低下することを検出して、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが増加したことを検出する。

　さらに、故障判定回路６は、放電スイッチ１２が正常にオンオフに切り換えられないと、放電制御回路３が、放電スイッチ１２をオフ状態に制御して検出する電圧と、オン状態として検出する電圧とが９０．９％とならず、同じ電圧となる。したがって、故障判定回路６は、放電スイッチ１２をオンオフに切り換えて、セル電圧検出回路５の検出電圧が一定の比率で変化しないと、放電スイッチ１２の故障と判定する。

　図２の電源装置は、電池１の電圧を抵抗分圧回路４で分圧してセル電圧検出回路５に入力するので、放電抵抗１１が開放故障しても、放電スイッチ１２のオンオフ状態におけるセル電圧検出回路５の入力電圧は変化しない。すなわち、放電スイッチ１２をオンオフに切り換えて、セル電圧検出回路５で電池１の電圧を検出して放電抵抗１１の開放故障と放電スイッチ１２の故障とを判定できない。また、抵抗分圧回路４の分圧抵抗４Ａ、４Ｂを高い抵抗値とするので、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが増加しても、線路抵抗Ｒと分圧抵抗とで分圧される電池電圧の分圧比の変化が少なくなる。たとえば、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を１０ｋΩ、第２の分圧抵抗４Ｂの抵抗値を１００ｋΩとする電源装置は、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒが５ｋΩと相当に大きくなっても、電池１の電圧は約８７％に分圧してセル電圧検出回路５に入力される。正常な状態で９０．９％、線路抵抗Ｒが５ｋΩにも増加して８７％と、わずかに４％しか変化しない。したがって、放電抵抗１１が開放故障すると、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒの増加を正確に検出できなくなる。すなわち、図２の電源装置は、放電抵抗１１の開放故障を検出できず、また、放電抵抗１１が開放故障すると、電圧検出ライン９の線路抵抗Ｒの増加を検出できなくなる。

　図３の電源装置は、さらに以上の欠点を解消する。この電源装置は、放電抵抗１１を互いに直列に接続している第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂとで構成して、抵抗分圧回路４を第１の放電抵抗１１Ａと並列に接続している。第１の放電抵抗１１Ａは一端を電池１の電極端子に接続して他端を第２の放電抵抗１１Ｂに接続している。第２の放電抵抗１１Ｂは一端を放電スイッチ１２に接続して他端を第１の放電抵抗１１Ａに接続している。この電源装置は、第１の放電抵抗１１Ａと第２の分圧抵抗４Ｂとの接続点を第２の放電抵抗１１Ｂを介して放電スイッチ１２に接続している。電池１を放電する放電抵抗１１の抵抗値は、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂの抵抗値の加算値となる。図２の電源装置は、放電抵抗１１の抵抗値を６０Ωとするが、図３の電源装置は、たとえば第１の放電抵抗１１Ａを３０Ω、第２の放電抵抗１１Ｂを３０Ωとして、６０Ωの放電抵抗１１で電池１を放電する。

　第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂとは、図２の電源装置と同じ抵抗値とすることができる。この電源装置は、第１の放電抵抗１１Ａと、第２の放電抵抗１１Ｂの故障を以下の方法で検出できる。

（１）第１の放電抵抗１１Ａが開放故障時
　この状態では、電池１の電圧を分圧してセル電圧検出回路５に入力する電圧の分圧比が変わるため、放電スイッチ１２のオフ時の電圧と比較して、セル電圧検出回路５の検出電圧が設計値から異なる電圧となる。　

　ただし、以上の数式２において、Ｒａは第１の放電抵抗１１Ａの抵抗値を、Ｒｂは第２の放電抵抗１１Ｂの抵抗値を、Ｒ１は第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を、Ｒ２は第２の分圧抵抗４Ｂの抵抗値をそれぞれ示している。

　たとえば、電池１の電圧を３．６Ｖ、第１の放電抵抗１１Ａと第２の放電抵抗１１Ｂの抵抗値を３０Ω、第１の分圧抵抗４Ａの抵抗値を１ｋΩ、第２の分圧抵抗４Ｂの抵抗値を１０ｋΩとする電源装置は、放電スイッチ１２のオフ状態では、セル電圧検出回路５の検出電圧は３．６Ｖとなる。放電スイッチ１２のオフ状態では、電池１の電圧が分圧されることなくセル電圧検出回路５に入力されるからである。

　第１の放電抵抗１１Ａが故障しない状態では、放電スイッチ１２をオンに切り換えると、電池１の電圧は数式２で示す値に分圧してセル電圧検出回路５に入力される。したがって、セル電圧検出回路５の検出電圧は、約３．４３Ｖとなる。しかしながら、第１の放電抵抗１１Ａが開放故障していると、電池１の電圧は数式３で示す値に分圧してセル電圧検出回路５に入力される。このため、セル電圧検出回路５の検出電圧は３．２Ｖに低下する。

　故障判定回路６は、放電スイッチ１２のオン状態におけるセル電圧検出回路５の検出電圧が、放電スイッチ１２のオフ状態で検出される検出電圧に対して、数式２で示す分圧比に分圧された電圧として検出されるか、あるいは、数式３で示す分圧比に分圧された電圧として検出されるかで、第１の放電抵抗１１Ａの故障を判定する。すなわち、放電スイッチ１２のオン状態における検出電圧が、数式２で示す分圧比に分圧された電圧値にあると第１の放電抵抗１１Ａは正常であると判定し、数式３で示す分圧比に分圧された電圧値にあると第１の放電抵抗１１Ａの開放故障と判定する。

（２）第２の放電抵抗１１Ｂが開放故障時
　この状態では、放電スイッチ１２がオンに切り換えられても電池１の電圧が分圧してセル電圧検出回路５に入力されない。したがって、放電スイッチ１２のオンオフ状態において、セル電圧検出回路５の検出電圧が変化しない。したがって、故障判定回路６は、放電スイッチ１２をオンオフに切り換えて、セル電圧検出回路５の検出電圧が変化しない状態では、第２の放電抵抗１１Ｂの開放故障と判定する。

　さらに、図４と図５の電源装置は、組電池１０を構成する各電池１の電圧を検出するセル電圧検出回路５に加えて、セル電圧監視回路７を備え、セル電圧検出回路５とセル電圧監視回路７の両方で電池１の電圧を検出する。この電源装置は、セル電圧検出回路５が故障する状態においても、セル電圧監視回路７で電池１の電圧を検出できるので、セル電圧検出回路５が故障する状態においても、電池１の電圧が異常な電圧となるまで充放電されるのを防止して安全性を高くできる。

　セル電圧監視回路７は、セル電圧検出回路５よりも電池１の電圧を検出する精度の低い回路構成とすることができる。電池電圧を検出して、検出するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１５、１７を備えるセル電圧検出回路５とセル電圧監視回路７を備える電源装置は、たとえば、セル電圧検出回路５には１２ビット～１６ビットのＡ／Ｄコンバータ１５を使用して電池電圧を高精度に検出し、セル電圧監視回路７には８ビット～１０ビットと、セル電圧検出回路５のＡ／Ｄコンバータ１５よりも分解能の低いＡ／Ｄコンバータ１７を使用して、セル電圧監視回路７の電圧検出精度を低くする。

　また、セル電圧監視回路は、検出信号をデジタル信号に変換しないアナログ信号を比較するコンパレータを備えるアナログ回路とすることもできる。コンパレータは、検出する電池電圧を、基準電圧として入力している最高電圧や最低電圧に比較し、電池の電圧が最高電圧よりも高いか、あるいは最低電圧よりも低いかを検出する。このセル電圧監視回路は、電池電圧が最高電圧よりも高いときにはコンパレータから出力される信号をＯＶ信号として出力し、また、最低電圧よりも低いときにはＵＶ信号を出力する。

　さらに、セル電圧監視回路は、検出する電池電圧をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換し、デジタル処理して、電池の電圧が最高電圧よりも高くなる状態と、最低電圧よりも低くなる状態のみを検出する回路構成とすることもできる。このセル電圧監視回路も、何れかの電池の電圧が最高電圧を越えるときにＯＶ信号を出力し、最低電圧よりも低くなるとＵＶ信号を出力する。

　図４と図５の電源装置は、セル電圧検出回路５で各電池１の電圧を検出して組電池１０の充放電をコントロールするが、セル電圧検出回路５が故障する状態では、セル電圧監視回路７で各電池１の電圧を検出して、組電池１０を構成する電池１の電圧が異常な電圧とならないように制御する。セル電圧検出回路５が故障する状態では、組電池１０の充放電を停止することもできるが、この状態では、セル電圧監視回路７で組電池１０を構成する各電池１の電圧を検出しながら、組電池１０を充放電することもできる。

　図４のセル電圧監視回路７は、電池１の電極端子に接続された電池１の電圧を直接に検出する。このセル電圧監視回路７は、セル電圧検出回路５のように、検出する電圧を抵抗分圧回路４の分圧比を考慮してソフトウエアで演算する必要がない。したがって、セル電圧監視回路７は、回路構成を簡単にして故障を少なくできる。また、ソフトウエアに依存する故障も皆無として、より信頼性を高くできる。

　図５の電源装置は、抵抗分圧回路４の分圧点、すなわち、第１の分圧抵抗４Ａと第２の分圧抵抗４Ｂとの接続点をセル電圧監視回路７の入力側に接続している。この電源装置は、電池１の電圧を抵抗分圧回路４で分圧してセル電圧監視回路７に入力する。したがって、セル電圧監視回路７が検出する電池１の電圧は、電池１の電圧よりも低くなるが、抵抗分圧回路４の分圧比を、セル電圧監視回路７の測定誤差の範囲内とすることで、セル電圧監視回路７で検出する電圧を電池１の電圧とすることができる。例えば、抵抗分圧回路４の分圧比を９８％とし、電池１の電圧を３．６Ｖとした場合、セル電圧検出回路５は、放電スイッチ１２をオンオフにして変化する検出電圧の変化である７２ｍＶ（２％）の動きを検出する精度は可能であるが、セル電圧監視回路７は、通常発生しない電圧領域、例えば最高電圧から１００ｍＶ程度高く設定し、あるいは最低電圧から１００ｍＶ低く設定することで、放電スイッチ１２をオンオフに切り換えて、セル電圧監視回路７でもって、電池電圧が最低電圧よりも高く、あるいは最低電圧よりも低くなったことを検出できる。

　以上の電源装置は、セル電圧検出回路５でもって組電池１０の電池電圧を検出して組電池１０の充放電をコントロールする。すなわち、何れかの電池電圧が最高電圧よりも高くなると、組電池１０の充電を停止し、あるいは充電電流を小さく制限し、電池電圧が最低電圧よりも低くなると、放電を停止し、あるいは放電電流を小さく制限する。

　図６は、電源装置１６を電動車両を走行させるモータ８に電力を供給する装置に使用するブロック図を示す。この電動車両は、車両を走行させるモータ８と、このモータ８にＤＣ／ＡＣインバータ１９を介して電力を供給する電源装置１６とを備える。さらに、この電動車両は、ＤＣ／ＡＣインバータ１９を介して電源装置の組電池を充電する発電機２０を備える。この電動車両の電源装置１６は、電池の電圧を検出しながら、組電池の充放電をコントロールして車両を走行させる。

　図７は、太陽電池や風力発電などの自然エネルギー、あるいは深夜電力などの電力を蓄電する蓄電装置のブロック図を示す。この蓄電装置は、太陽電池や風力発電器などの自然エネルギーの発電機、あるいは深夜電力などの電力を電源装置に供給する出力回路２２と、出力回路２２の出力電圧を組電池の充電電圧に変換する電圧調整回路２１と、電源装置１６の組電池を商用電力に変換して出力するＤＣ／ＡＣインバータ１８とを備える。この蓄電装置の電源装置は、電池の電圧を検出しながら、組電池の充放電をコントロールする。

　本発明の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給し、あるいは自然エネルギーの発電電力や深夜電力を蓄電する装置に使用して、電池の劣化を防止して長い寿命で使用できる。

　　１…電池
　　２…放電回路
　　３…放電制御回路
　　４…抵抗分圧回路　　　　　　　　４Ａ…第１の分圧抵抗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　４Ｂ…第２の分圧抵抗
　　５…セル電圧検出回路
　　６…故障判定回路
　　７…セル電圧監視回路
　　８…モータ
　　９…電圧検出ライン
　１０…組電池
　１１…放電抵抗　　　　　　　　　　１１Ａ…第１の放電抵抗１１Ａ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　１１Ｂ…第２の放電抵抗１１Ｂ
　１２…放電スイッチ
　１６…電源装置
　１８…ＤＣ／ＡＣインバータ
　１９…ＤＣ／ＡＣインバータ
　２０…発電機
　２１…電圧調整回路
　２２…出力回路
　３０…組電池
　３１…放電回路
　３２…放電スイッチ
　３３…放電制御回路
　３４…放電抵抗　　　　　　　　　　３４Ａ…第１の放電抵抗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　３４Ｂ…第１の放電抵抗
　３５…セル電圧検出回路
　３６…コンデンサ（ローパスフィルタ）

Claims

　複数の電池を直列に接続している組電池と、
　前記組電池を構成する各電池に、電圧検出ラインを介して並列に接続してなる放電抵抗と放電スイッチの直列回路からなる放電回路と、
　前記放電スイッチをオンオフに制御する放電制御回路と、
　前記放電抵抗と並列に接続されており、分圧抵抗の直列回路からなる抵抗分圧回路と、
　前記抵抗分圧回路で分圧された電圧から前記電池の電圧を検出するセル電圧検出回路と、
　前記セル電圧検出回路の検出電圧から故障を判定する故障判定回路とを備え、
　前記故障判定回路が、前記放電スイッチのオン状態とオフ状態の両方における前記セル電圧検出回路で検出される検出電圧から、前記放電回路と電圧検出ラインの故障を判定するようにしてなる電源装置。
　前記抵抗分圧回路の分圧抵抗の抵抗値が、前記放電抵抗の抵抗値の１０倍よりも大きい請求項１に記載される電源装置。
　前記抵抗分圧回路が、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗の直列回路からなり、
　第１の分圧抵抗は、一端を第２の分圧抵抗に接続して、他端を電池の電極端子に接続しており、
　第２の分圧抵抗は、一端を第１の分圧抵抗に接続して、他端を放電抵抗に接続しており、
　前記第１の分圧抵抗の抵抗値が、前記セル電圧検出回路の入力インピーダンスの１／１００以下である請求項１または２に記載される電源装置。
　前記放電抵抗が第１の放電抵抗と第２の放電抵抗の直列回路からなり、
　前記抵抗分圧回路が、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗の直列回路からなり、
　前記抵抗分圧回路が前記第１の放電抵抗と並列に接続され、
　前記第１の放電抵抗と前記第２の分圧抵抗との接続点が、前記第２の放電抵抗を介して前記放電スイッチに接続されてなる請求項１から３のいずれかに記載される電源装置。
　前記放電スイッチが半導体スイッチング素子である請求項１から４のいずれかに記載される電源装置。
　前記組電池を構成する各電池の電圧を検出するセル電圧検出回路とセル電圧監視回路とを備え、
　前記セル電圧検出回路と前記セル電圧監視回路の両方で電池の電圧が検出される請求項１から５のいずれかに記載される電源装置。
　前記セル電圧監視回路が電池の電圧を検出する精度が、前記セル電圧検出回路が電池の電圧を検出する精度よりも低い請求項６に記載される電源装置。
　前記セル電圧監視回路が、前記組電池を構成する各電池の電極端子の電圧を検出する請求項６または７に記載される電源装置。
　前記セル電圧監視回路が、前記抵抗分圧回路の分圧点の電圧を検出すると共に、抵抗分圧回路の分圧比を、前記セル電圧監視回路の測定誤差の範囲内としてなる請求項７又８に記載される電源装置。
　車両を走行させるモータと、このモータにＤＣ／ＡＣインバータを介して電力を供給する電源装置とを備える電動車両であって、
　前記電源装置を、請求項１ないし９のいずれかに記載される電源装置とする電動車両。
　電力を蓄電する電源装置と、この電源装置から出力される直流を商用電源に変換して出力するＤＣ／ＡＣインバータとを備える蓄電装置であって、
　前記電源装置を、請求項１ないし９のいずれかに記載される電源装置とする蓄電装置。