CN102893170A - 电池组和电池组的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种电池组，包括：相互并联连接的多个电池组件，每个电池组件具有由一个或两个以上的二次电池单体串联连接得到的单电池群、和与该单电池群串联连接的第一电流控制元件；控制每个电池组件具有的第一电流控制元件的动作，针对每个电池组件控制充放电电流的第一控制单元；测定每个电池组件具有的单电池群或各单电池的电压的电压测定单元；以及基于由电压测定单元测定的单电池群或各单电池的电压，诊断各电池组件的劣化度或故障的诊断单元。

Description

电池组和电池组的控制装置
技术领域
本发明涉及由多个二次电池单体（cell，也称“单电池”或“单体电池”）构成的电池组及其控制装置。
背景技术
作为在电动汽车用、铁路用、电力***蓄电***用等必需大容量的二次电池***中使用的电池组，迄今已知在专利文献1中公开的那样的电池组。该电池组通过把多个二次电池单体串联连接而构成串联单电池群，并进而把多个该串联单电池群并联连接而构成。
另一方面，在专利文献2中公开了，在把由多个二次电池单体并联连接而构成的并联块以多个块串联连接而得到的电池组中，检测充放电前后的各并联块的电压变化量，基于其检测结果判断有没有异常单电池。
<专利文献1>日本特开2004-312863号公报
<专利文献2>日本专利第4019815号公报
发明内容
（发明要解决的问题）
在像上述那样的现有的电池组中，在对整个电池组进行充放电的期间，难以准确地诊断各单电池群的劣化度和故障。即，为了以单电池群为单位准确地诊断劣化度和故障，必须切断该单电池群的充放电电流，但是在专利文献1中公开的电池组中，由于把多个二次电池单体串联连接而构成一个串联单电池群，所以如果对该单电池群切断充放电电流，则整个电池组的充放电能力会大幅度降低。另外，在专利文献2中公开的电池组中，由于把与单电池群相当的各并联块串联连接，所以不能以单电池群为单位切断充放电电流。因此，在对整个电池组进行充放电的期间，不能准确地诊断各单电池群的劣化度和故障。
本发明正是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供能够对整个电池组进行充放电、且能够诊断各电池组件的劣化度和故障的电池组。
（用来解决问题的手段）
根据本发明的第1方式的电池组，包括：相互并联连接的多个电池组件，每个电池组件具有由一个或两个以上的二次电池单体串联连接得到的单电池群、和与该单电池群串联连接的第一电流控制元件；控制每个电池组件具有的第一电流控制元件的动作，针对每个电池组件控制充放电电流的第一控制单元；测定每个电池组件具有的单电池群或各单电池的电压的电压测定单元；以及基于由电压测定单元测定的单电池群或各单电池的电压，诊断各电池组件的劣化度或故障的诊断单元。
根据本发明的第2方式，在第1方式的电池组中，诊断单元，可以基于在第一控制单元使第一电流控制元件导通而通过了充放电电流时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的电压、和在第一控制单元使第一电流控制元件截止而切断了充放电电流时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
根据本发明的第3方式，在第2方式的电池组中，优选地，第一控制单元从多个电池组件中选择一部分电池组件，在使除被选择的电池组件以外的各电池组件中通过了充放电电流的状态下，使被选择的电池组件中通过和切断充放电电流；诊断单元针对由第一控制单元选择的电池组件，诊断劣化度。
根据本发明的第4方式，在第2或第3方式的电池组中，诊断单元可以基于由第一控制单元导通了的第一电流控制元件的两端电压计算出充放电电流，用其计算结果计算出各电池组件的直流内部电阻值。
根据本发明的第5方式，在第1方式的电池组中，每个电池组件还具有：分别与单电池群并联连接的强制放电用的第二电流控制元件和放电用电阻，电池组还具有：控制每个电池组件具有的第二电流控制元件的动作的第二控制单元；诊断单元可以基于在第一控制单元使第一电流控制元件截止而切断了充放电电流的状态下，在第二控制单元使第二电流控制元件截止时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的开路电压、在第二控制单元使第二电流控制元件导通了时由电压测定单元测得的单电池群的负载时电压、和放电用电阻的电阻值，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
根据本发明的第6方式，在第1~5方式中任一方式的电池组中，第一控制单元也可以基于由诊断单元得到的劣化度的诊断结果，调整各电池组件间的充放电电流。
根据本发明的第7方式，在第1方式的电池组中，诊断单元可以基于在第一控制单元使全部的第一电流控制元件截止而切断了充放电电流由电压测定单元多次测得的单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的开路电压的下降量，基于其计算结果诊断各电池组件的故障。
根据本发明的第8方式，在第1~7方式中任一方式的电池组中，优选地，第一控制单元针对由诊断单元诊断的劣化度为预定阈值以上的电池组件或由诊断单元诊断为故障的电池组件，使第一电流控制元件截止，从充放电对象切离。
根据本发明的第9方式，第8方式的电池组还包括：与多个电池组件并联连接且具有单电池群和第一电流控制元件的预备电池组件。在该电池组中，优选地，第一控制单元通过使预备电池组件中的第一电流控制元件导通，取代从充放电对象切离的电池组件而把预备电池组件并入充放电对象。
根据本发明的第10方式，在第1~9方式中任一方式的电池组中，第一控制单元可以分别控制各电池组件中的第一电流控制元件，使各电池组件间的充放电电流均匀化。
根据本发明的第11方式，在第10方式的电池组中，优选地，第一控制单元用PWM控制，分别控制使各电池组件中的第一电流控制元件接通的时间的比例。
根据本发明的第12方式，在第1~11方式中任一方式的电池组中，优选地，第一电流控制元件用具有恒流特性的MOSFET构成，利用恒流特性限制电池组件中的充放电电流。
根据本发明的第13方式的电池组的控制装置，该电池组包括相互并联连接的多个电池组件，每个电池组件具有由一个或两个以上的二次电池单体串联连接得到的单电池群、和与该单电池群串联连接的第一电流控制元件，该控制装置包括：控制每个电池组件具有的第一电流控制元件的动作，针对每个电池组件控制充放电电流的第一控制单元；测定每个电池组件具有的单电池群或各单电池的电压的电压测定单元；以及基于由电压测定单元测定的单电池群或各单电池的电压，诊断各电池组件的劣化度或故障的诊断单元。
根据本发明的第14方式，在第13方式的的电池组的控制装置中，诊断单元可以基于在第一控制单元使第一电流控制元件导通而通过了充放电电流时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的电压、和在第一控制单元使第一电流控制元件截止而切断了充放电电流时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
根据本发明的第15方式，在第13方式的电池组的控制装置中，每个电池组件还具有：分别与单电池群并联连接的强制放电用的第二电流控制元件和放电用电阻，控制装置还具有：控制每个电池组件具有的第二电流控制元件的动作的第二控制单元；诊断单元可以基于在第一控制单元使第一电流控制元件截止而切断了充放电电流的状态下，在第二控制单元使第二电流控制元件截止时由电压测定单元测得的单电池群或各单电池的开路电压、在第二控制单元使第二电流控制元件导通了时由电压测定单元测得的单电池群的负载时电压、和放电用电阻的电阻值，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
根据本发明的第16方式，在第13方式的电池组的控制装置中，诊断单元可以基于在第一控制单元使第一电流控制元件截止而切断了充放电电流时由电压测定单元多次测得的单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的开路电压的下降量，基于其计算结果诊断各电池组件的故障。
（发明的效果）
根据本发明，能够在对整个电池组进行充放电的同时诊断各电池组件的劣化度和故障。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式1的电池组中的劣化诊断时的布线关系的布线图。
图2是示出根据本发明的实施方式1的电池组中的切离不良电池组件和连接预备电池组件时的布线关系的布线图。
图3是示出根据本发明的实施方式2的电池组中的劣化诊断时的布线关系的布线图。
图4是示出根据本发明的实施方式3的电池组中的故障诊断时的布线关系的布线图。
图5是示出根据本发明的实施方式4的电池组中的布线关系的布线图。
图6是根据本发明的实施方式1的电池组中，单电池群的构成单位是3个单电池时的布线图。
图7是示出二次电池单体的SoH与DCR的关系的图。
图8是用来说明在根据本发明的实施方式1的电池组中进行劣化诊断时的诊断对象的单电池群的电池电压与充放电电流的随时间的变化的图。
图9是示出二次电池单体的SoC与OCV的关系的图。
图10是示出正常单电池和故障单电池中的电流切断后的电池电压的变化例的图。
图11是示出把OCV不同的单电池并联连接时在各单电池上流动的相互电流的变化的图。
图12是示出MOSFET的电流电压特性的图。
图13是示出一般结构的N型功率MOSFET的剖面结构的图。
图14是示出N型的转换MOSFET（transfer MOSFET）的剖面结构的图。
图15是示出对称结构的N型转换MOSFET的剖面结构的图。
具体实施方式
下面，说明根据本发明的电池组和电池组的控制装置。根据本发明的电池组，在电动汽车用、铁路用、电力***蓄电***用等必需大容量的二次电池***中使用。作为这样的在大容量的二次电池***中使用的电池，锂离子电池因其能量密度、充放电效率等高而是合适的。锂离子电池近年来随着其性能的进步而在各领域被广泛使用。
锂离子电池由于其能量密度高、内部电阻低，可能会在发生劣化或故障时，在将它放置后继续充放电时引起异常发热等。因此，确保安全性和可靠性是面临的课题。
在现有的串联型电池***中，像例如专利文献1中所公开的那样，也有把被判断为发生劣化或故障的串联单电池群切离等来确保安全性和可靠性的情况。但是在该电池***的构成中，由于在单电池群内即使只有一个单电池发生了劣化或故障，包含其它的多个正常单电池的单电池群整体就被切离而不能使用，所以存在整个二次电池***的容量降低会加剧的问题。
另外，在串联型电池***中，在对整个***进行充放电的期间，难以进行单电池的诊断，尤其是伴随着单电池的开路电压的测定进行诊断。即，串联单电池群的并联数目有限，即使为了对它们中的一个串联单电池群测定开路电压而切断充放电电流，也会存在整个***的充放电能力以与该部分相应的量大幅度减少的问题。
为了解决像上述那样的问题，考虑了把单电池群的构成数目降低到数个以下，把它们以多个并联连接的方法。如果是这样的构成，即使切离不良的单电池，也可以使整个***的容量降低为最小。另外，即使在对整个***进行充放电的期间进行单电池的诊断，也可以使整个***的充放电能力的降低为最小。但是，如果把单电池群并联连接，则各单电池群的电池电压显然成为一致，无法测定单个的电池电压，无法实施诊断，所以迄今没有采用。
本发明正是鉴于上述情况而提出的。其目的在于以尽可能小的单位诊断单电池的劣化和故障。另外，提供通过进行不良单电池的切离、预备单电池的并入来长期地确保整个电池组的安全性和可靠性的方案。
在本发明中，通过控制针对每个单电池群设置的开关，克服像上述那样的问题，可以通过测定单个的电池电压进行高精度的诊断，且可以进行精细的不良单电池的切离、预备单电池的并入。
具体地，像图1所示的那样，在由一个单电池或少数几个单电池串联连接得到的单电池群211、221和231上，分别串联连接第一电流控制元件212、222和232，成为以它为最小构成单位的电池组件21、22和23。通过把该电池组件21、22和23以多个并联连接，用控制电路1控制它们，构建大容量的电池模块3。通过用第一电流控制元件212、222和232对每个该电池组件21、22和23进行充放电电流的切断和控制，针对每个电池组件21、22和23单独地诊断单电池的劣化。
另外，像图2所示的那样，通过从主***切离单电池发生了劣化或故障的电池组件23，并进行另行设置的预备电池组件24的并入，确保整个电池模块3的长期的安全性和可靠性。
另外，像图3所示的那样，在图1的构成的基础上，分别与单电池群211、221和231并联地连接第二电流控制元件215、225和235以及放电用电阻216、226和236。通过经由放电用电阻216、226和236使单电池群211、221和231分别强制地放电，可以针对每个电池组件21、22和23单独地诊断单电池的劣化和故障。
另外，像图4所示的那样，在使第一电流控制元件212、222和232分别成为OFF（截止）的状态下，分别测定单电池群211、221和231的电压，观察其随时间的变化。由此，可以诊断因各单电池内部的微小短路造成的故障。
另外，像图5所示的那样，在第一电流控制元件212、222和232的控制中使用PWM（脉宽调制）信号。由此，可以分别在电池组件21、22和23上流过均等的电流，或者根据单电池群211、221和231的劣化度分配电池组件21、22和23的电流。
另外，第一电流控制元件212、222和232分别使用MOSFET（金属氧化物场效应晶体管），利用其恒流特性。由此可以限制过电流。尤其是，在再次连接已切断了电流的电池组件21、22和23时，可以限制电池组件21、22和23相互的过渡电流。
根据本发明，通过像上述那样构成电池组，可以在单电池发生劣化或故障时，以小的单位（一个或少数几个单电池）进行单电池的切离、预备单电池的并入。因此，可以减少正常但白白使用的单电池的个数，可以既确保安全性和可靠性又提高成本效率。
另外，对每个电池组件21、22和23设置第一电流控制元件212、222和232，可以针对电池组件21、22和23的每一个进行充放电电流的切断和控制。由此，可以在对整个电池模块3进行充放电时，在继续其充放电的同时，伴随着开路电压的测定对一部分电池组件进行诊断。
另外，通过检测包含开路电压的单电池的基本物理性质，可以更准确地进行劣化诊断和诊断故障。
另外，通过单独地控制或限制各电池组件的充放电电流，可以抑制单电池的劣化，使寿命最大化。
根据本发明的电池组及其控制装置可以实现像以上说明的那样的各种作用效果。下面，说明根据本发明的电池组及其控制装置的实施方式。
（实施方式1）
下面，参照图1和图2说明根据本发明的电池组及其控制装置的实施方式1。图1是示出作为根据本实施方式的电池组的电池模块3中的布线关系的布线图。像图1所示的那样，电池模块3由控制电路1、多个电池组件21、22和23以及预备电池组件24构成。电池组件21、22和23与预备电池组件24相互并联连接。电池组件21、22和23和预备电池组件24的两端端子分别与电池模块3的并联连接布线31和32连接。
控制电路1由运算部10、信号产生电路11、信号分配电路12、电压测定电路13和电压测定电路14以及切换电路15构成。电池组件21、22和23分别由单电池群211、221和231和第一电流控制元件212、222和232构成，单电池群211、221和231由一个二次电池单体或两个以上的少数几个二次电池单体串联连接得到。预备电池组件24也同样地，由单电池群241和第一电流控制元件242构成，单电池群241由一个二次电池单体或两个以上的少数几个二次电池单体串联连接得到。
运算部10基于电压测定电路13、14的各测定结果分别诊断电池组件21、22和23的劣化度。具体诊断方法在后面说明。
信号产生电路11产生用来分别控制第一电流控制元件212、222和232的动作的信号，向信号分配电路12输出。信号分配电路12把来自信号产生电路11的信号经由布线214、224和234分别分配并输出给第一电流控制元件212、222和232的控制输入端子。通过这样的信号产生电路11和信号分配电路12的动作，分别控制电池组件21、22和23中的每个电池组件具有的第一电流控制元件212、222和232的动作，由此针对每个电池组件21、22和23进行充放电电流的控制。
电压测定电路13分别测定电池组件21、22和23中的每个电池组件具有的单电池群211、221和231的单电池电压。而电压测定电路14分别测定电池组件21、22和23中的每个电池组件具有的第一电流控制元件212、222和232的两端电压。电压测定电路13、14的各测定结果被分别向运算部10输出，用于电池组件21、22和23的劣化度诊断。
电压测定电路13和14的一个端子分别与切换电路15连接，另一个端子分别布线到整个电池模块3共用的并联连接布线32、31。切换电路15是用来在电池组件21、22和23之间切换电压测定电路13和14的电压测定对象的电路，与布线213、223和233连接，该布线213、223和233分别连接在单电池群211、221和231和第一电流控制元件212、222和232之间。电压测定电路13根据切换电路15的切换动作，通过布线213、223和233分别测定单电池群211、221和231的单电池电压。而电压测定电路14根据切换电路15的切换动作，通过布线213、223和233分别测定第一电流控制元件212、222和232的两端电压。
单电池群211、221和231中使用的二次电池单体采用锂离子电池等。例如，可以采用制造时的生产率高、从批量生产效果上看可以抑制每单位容量的价格的容量比较小（0.5~50Ah左右）的锂离子电池等。作为这样的小容量的锂离子电池，已知有18650尺寸等的电池。
第一电流控制元件212、222和232分别与单电池群211、221和231串联连接。第一电流控制元件212、222和232的ON/OFF（通断）动作像上述那样由信号产生电路11和信号分配电路12的动作进行控制。第一电流控制元件212、222和232可以采用例如反向连接型MOSFET。反向连接型MOSFET是把两个MOSFET串联连接，把其漏极或源极相互连接而可以控制双向的电流的MOSFET。
另外，在图1中，把构成单电池群211、221、231和241的二次电池单体的个数分别作为1个来展示，但也可以把少数的几个二次电池单体串联连接来构成单电池群211、221、231和241。例如，像图6的布线图所示的那样，可以把3个二次电池单体串联连接来构成单电池群211、221、231和241。另外，在这样地用多个二次电池单体构成单电池群时，也可以设置切换电路215、225、235、245，测定构成单电池群的各二次电池单体的电压。此时，具有随着电路和布线的增加，可以以更精细的尺度进行电池诊断的优点。
下面说明根据本实施方式的电池组的充放电时的动作。在通常的充放电时，信号产生电路11通过信号分配电路12向电池组件21、22和23分别输出用来使第一电流控制元件212、222和232变成导通（ON）状态的信号。另外，预备电池组件24的第一电流控制元件242一直是截止（OFF）。在该状态下，在除了预备电池组件24之外的电池组件21、22和23中的全部电池组件中，单电池群211、221和231可以分别进行充放电。因此，作为整个电池模块3可以得到最大的充放电输出。
下面说明根据本实施方式的电池组的单电池的劣化诊断的原理。可以通过测定各单电池的直流内部电阻值（以下称为DCR）进行单电池的劣化诊断。二次电池单体的劣化（容量下降）的程度可以用称为SoH（健康状态）的值来表示。SoH是以新产品时的单电池容量为基准，用百分率表示现在的单电池容量的大小得到的值，如果单电池劣化SoH就会下降。
一般地，已知单电池的SoH与DCR之间存在像图7所示的那样的关系。从图7可见，通过测定单电池的DCR可以推测单电池的劣化程度。
基于在单电池中流动充放电电流的状态和切断而不流动充放电电流的开路状态下分别测定的单电池电压的差，求出单电池的DCR。具体地，如果在单电池中流动充放电电流I1的状态下的单电池电压为V1，在单电池中不流动充放电电流的状态下的单电池电压为V2，则可以从以下的式1计算出DCR。
DCR=（V2-V1）/I1    （式1）
下面，说明单电池的劣化诊断时的动作。以下说明在电池组件21、22和23中，用信号产生电路11和信号分配电路12选择电池组件22作为诊断对象，诊断电池组件22的单电池群221时的情形。此时，在除电池组件22以外的各电池组件21、23中通过了充放电电流的状态下，利用信号产生电路11和信号分配电路12使电池组件22的第一电流控制元件222成为导通（ON）状态和截止（OFF）状态。其结果，在电池组件22中通过和切断充放电电流。
图8是用来说明在根据本实施方式的电池组中进行劣化诊断时的单电池群221中的单电池电压与充放电电流的随时间的变化的图。另外，像上述那样，在本实施方式中，单电池电压的测定使用电压测定电路13，电流的切断使用第一电流控制元件222。
在诊断开始前，由于第一电流控制元件222是导通（ON）状态，所以在单电池群221中流动充放电电流。此时测定单电池群221的电压和充放电电流。测定结果的例子分别示于图8的I1和V1。另外，可以用电压测定电路13测定单电池群221的电压。另一方面，可以利用电压测定电路14测定第一电流控制元件222为导通（ON）状态时的电压下降量即两端电压，基于该测定结果由运算部10计算出充放电电流。或者，也可以设置用来测定充放电电流的电流传感器（未图示），使用其测定值。
测定流过单电池群221的充放电电流和此时的单电池电压，然后从信号产生电路11通过信号分配电路12输出信号，把第一电流控制元件222从导通（ON）状态切换成截止（OFF）状态。然后，经过预定时间后单电池群221的电压趋于稳定，然后用电压测定电路13测定该电压。测定结果的例子分别示于图8的V2。
像以上说明的那样，测定通过了充放电电流时的单电池电压V1和充放电电流I1、以及切断充放电电流时的单电池电压V2，则能够基于这些测定结果在运算部10中用式1计算出单电池群221的DCR。为了在运算部10中诊断单电池群221的劣化度而使用计算出的DCR。另外，在测定了单电池电压V2后，通过使第一电流控制元件222成为导通（ON）状态，再次开始充放电，结束劣化诊断。
在上述的说明中描述了以电池组件22为诊断对象时的动作，但在诊断其它电池组件21、23时也是一样的。即，在以电池组件21为诊断对象时，测定在单电池群211中流动的充放电电流I1和此时的电压V1，然后把第一电流控制元件212从导通（ON）状态切换成截止（OFF）状态，测定切断充放电电流时的单电池电压V2。基于这些测定结果计算出单电池群211的DCR，进行劣化诊断。而在以电池组件23为诊断对象时，测定在单电池群231中流动的充放电电流I1和此时的电压V1，然后把第一电流控制元件232从导通（ON）状态切换成截止（OFF）状态，测定切断充放电电流时的单电池电压V2。基于这些测定结果计算出单电池群231的DCR，进行劣化诊断。
另外，根据预先设定的顺序等进行针对电池组件21、22和23中的各个电池组件的劣化诊断处理。即，通过用信号产生电路11和信号分配电路12控制第一电流控制元件212、222和232的动作，把切断电流的电池组件即第一电流控制元件成为截止（OFF）状态的电池组件限定成全部电池组件的一部分，对该电池组件进行劣化诊断。在劣化诊断结束后，切换切断电流的电池组件。这样，通过依次对各电池组件进行劣化诊断，可以在无须大幅度降低整个电池模块3的充放电能力的情况下进行充放电，同时进行各电池组件的劣化诊断。
下面，说明针对进行像上述那样的劣化诊断的结果为判断为劣化到了一定程度以上的电池组件的处理。图2是示出根据本实施方式的电池组中的切离电池组件和连接预备电池组件时的布线关系的布线图。在以下的说明中，考虑在图1所示的构成中，把电池组件23判断为劣化到了一定程度以上时的情形。
在通过像上述那样的劣化诊断，电池组件23的单电池群231的SoH为预定的阈值以下时，即针对单电池群231计算出的DCR为预定值以上时，把单电池群231判断为劣化程度大的不良单电池。此时，采取用信号产生电路11和信号分配电路12把发给第一电流控制元件232的信号固定在截止（OFF）状态的措施。其结果，把电池组件23从充放电对象切离，从电池模块3的主***去除。通过该动作可以防止单电池群231的劣化发展到该程度以上而进入异常发热等的危险状态。
如果像上述那样进行发生了劣化的电池组件23的切离，则整个电池模块3的充放电容量会降低一些。于是在本实施方式中，为了弥补它，并入预备电池组件24作为充放电对象以取代被切离了的电池组件23。通过像图2所示的那样，在把电池组件23的第一电流控制元件232固定在截止（OFF）状态后，经由布线244向到那时为止一直被固定在截止（OFF）状态的预备电池组件24的第一电流控制元件242输出信号，使它变成导通（ON）状态，可以实现该动作，
另外，在组装了预备电池组件24时，预备电池组件24中的单电池群241的电压测定和第一电流控制元件242的两端电压的测定，可以经由布线243分别由电压测定电路13和电压测定电路14进行。基于这些测定结果，可以对预备电池组件24也进行与其它电池模块相同的劣化诊断。
在例如串联连接多个电池模块3，使各电池模块3的容量保持恒定时等情形下，像以上说明的那样的预备电池组件24的并入尤其有效。或者，也可以为了***的简化而省略预备电池组件24的并入，在检测到不良电池组件时只进行切离，成为整个电池模块3的充放电容量逐渐减少的构成。此时也可以获得通过不良电池组件的切离而确保长期的安全性和可靠性的效果。
另外，在本实施方式中，为了简化说明，使电池模块3中包含的电池组件的数目为3个，预备电池组件为1个，但电池组件的数目不限于此。例如，包含预备电池组件在内的电池组件的数目也可以为几十个、几百个。电池组件的数目越多，越能够提高预备电池组件的并入造成的延长寿命的效果。
另外，在本实施方式中，说明了第一电流控制元件212、222、232和242使用反向连接型MOSFET的例子，但也可以使用其它种类的电流控制元件，即使采用以反向连接型以外的方法实施了反流防止对策的MOSFET、双极晶体管、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、各种继电器等，也可以实现与以上说明的同样的作用效果。
用图13、14、15说明采用以反向连接型以外的方法实施了反流防止对策的MOSFET的例子。
首先，图13示出一般广泛使用的N型功率MOSFET的剖面结构。通过加工半导体晶片91而制作该元件，向元件的外部引出源极端子922、栅极端子923、漏极端子924，晶片内的p型阱区912与源极端子922连接。通过使p型阱区与源极端子连接，p型阱区不会成为浮置电位，可以稳定地工作，但副作用是在源极端子与漏极端子之间形成PN结造成的寄生二极管931，所以在源极端子比漏极端子电压高时该寄生二极管会导通，不能进行电流的控制。
由于在控制电池组件的充放电电流时必须控制双向的电流，所以在作为电流控制元件使用该元件时必须把两个MOSFET的源极端子彼此之间或漏极端子彼此之间连接（反向连接MOSFET），使得二者的寄生二极管不会同时成为导通（ON）状态，存在成本为两倍、导通电阻也为两倍的问题。
另一方面，图14示出称为转换MOSFET的MOSFET的剖面结构。转换MOSFET的基本结构与一般的MOSFET相同，但不同之处在于不进行p型阱区与源极端子的连接地引出p型阱区专用的端子的结构。在该结构中与一般的MOSFET同样地形成寄生二极管932和933，但只要在元件的外部把p型阱端子连接到比源极端子、漏极端子中的某一个端子低的电位，寄生二极管932和933就不导通。因此，如果采用该转换MOSFET，则用一个元件就可以控制双向的电流，可以降低成本和导通电阻。
另外，作为该转换MOSFET的其它结构，还考虑了像图15所示的那样，追加一处n+区，从它引出漏极端子，成为源极端子与漏极端子对称的构成的例子。在本构成中，与图14的例子同样地，可以控制双向的电流，且具有可以把其电流电压特性作为对象的优点。
以上构成是针对N型MOSFET，但即使是针对P型MOSFET也可以同样地构成转换MOSFET。
（实施方式2）
下面，参照图3说明根据本发明的电池组及其控制装置的实施方式2。在本实施方式中，说明用与在实施方式1中说明过的方法不同的方法进行单电池的劣化诊断的例子。图3是示出作为根据本实施方式的电池组的电池模块3中的布线关系的布线图。
与在实施方式1中说明过的图1相比，图3的主要不同之处在于，在各电池组件中设置与单电池群并联连接的强制放电用的第二电流控制元件和放电用电阻这一点、以及在控制电路1内设置用来控制该第二电流控制元件的动作的信号产生电路16和信号分配电路17这一点。例如，在电池组件21中，与单电池群211并联连接第二电流控制元件215和放电用电阻216。第二电流控制元件215的控制输入端子经由布线217和信号分配电路17与信号产生电路16连接，被输入来自信号产生电路16的信号。在通常的充放电时，利用信号产生电路16把该第二电流控制元件215固定在截止（OFF）状态，不进行没必要的放电。其它的电池组件22、23和24也是一样的。
下面，说明根据本实施方式的电池组的单电池的劣化诊断时的动作。另外，在本实施方式中也是，关于通过测定各单电池的DCR进行单电池的劣化诊断这一点，与上述的实施方式1相同。在本实施方式中，说明诊断电池组件22的单电池群221时的情形。对其它的电池组件21、23进行诊断时也是一样的。
进行劣化诊断时，信号产生电路11通过信号分配电路12使第一电流控制元件222成为截止（OFF）状态，切断充放电电流。在该状态下，电压测定电路13通过切换电路15测定单电池群221的开路电压V1。另外，此时第二电流控制元件225为截止（OFF）状态。然后，在保持充放电电流被切断的状态下，信号产生电路16通过使第二电流控制元件225在短时间内成为导通（ON）状态，从单电池群221向放电用电阻226强制地放电。此时，电压测定电路13通过切换电路15测定单电池群221的负载时电压V2。可以基于这样测得的各电压值和放电用电阻226的电阻值（设为RL），在运算部10中用以下的式2计算出单电池群221的DCR，基于计算出的DCR诊断电池组件22的劣化度。
DCR=RL（V1/V2-1）    （式2）
在本实施方式中，与在实施方式1中说明过的方法相比，优点是无须为了计算出DCR测定第一电流控制元件的两端电压或电流值。另外，如果RL是已知的，则通过只测定开路电压V1和负载时电压V2的比就可以计算出DCR的值（比率法测定）。因此，有无须高精度的基准电压，用简便的电路就可以进行高精度测定的优点。
另外，在本实施方式中，也可以把诊断的结果为判断为劣化发展到了一定程度以上的电池组件作为不良单电池，与实施方式1同样地，进行该不良单电池的切离和预备电池组件的连接。
另外，在以上说明的实施方式1和2中分别说明了，不同时对多个电池组件进行劣化诊断，只对一个电池组件进行诊断而对其它电池组件进行通常的充放电的例子。但是，如果是整个电池模块3都为不使用状态时，例如起动处理时等，可以针对全部电池组件同时进行像上述那样的劣化诊断。在电池中，一般地，即使切断电流变成开路状态，其电压稳定下来也需要较长的时间。因此，从使第一电流控制元件截止（OFF）到测定单电池群或各单电池的开路电压V1为止的时间越长，则测定值的精度越高。因此，通过在整个电池模块3都不使用时，使全部电池组件的第一电流控制元件截止（OFF），在一定时间后或者再次开始使用电池模块时再进行后续的处理，可以提高诊断的精度。
（实施方式3）
下面，参照图4说明根据本发明的电池组及其控制装置的实施方式3。使用本发明的电池组及其控制装置也可以是取代像上述那样的劣化诊断而进行故障诊断的构成。在本实施方式中，说明进行这样的故障诊断的例子。图4是示出作为根据本实施方式的电池组的电池模块3中的布线关系的布线图。
与在实施方式1中说明过的图1相比，图4的主要不同之处在于，不存在用来测定第一电流控制元件212、222、232和242的两端电压的电压测定电路14。
下面，说明根据本实施方式的电池组中的单电池的故障诊断时的原理。在本实施方式中，通过测定各单电池的因内部的微小短路造成的自放电量，进行单电池的故障诊断。
一般地，如果二次电池单体内部的隔片劣化，或电解液中的锂离子以枝晶（树枝状）在隔片上析出等而使正负极间的绝缘降低，则其影响表现为因绝缘降低造成自放电量的增大。如果在放任该绝缘降低的状态下继续充放电，则有可能枝晶会很快突破隔片等，绝缘降低急剧恶化，造成单电池异常发热等的危险状况。为了避免这样的情形，必须通过监视各单电池的自放电量，把自放电量大于预定值的单电池判断为故障，停止充放电等，使该单电池的绝缘降低不会发展到此种程度以上。
通过在停止单电池的充放电的状态下测定自放电造成的剩余容量的降低，可以推测单电池的自放电量。图9是示出二次电池单体的SoC（充电状态）与开路时的电池电压OCV（开路电压）的关系的一例的图。SoC是以满充电时为基准，用百分率表示现在的可放电的电荷量（电流与时间的乘积）得到的值，。另外，满充电时的SoC为100%，放电结束状态的SoC为0%。从图4所示的关系可见，可以通过测定单电池的OCV把握电池的剩余容量。
在近些年的锂离子电池中，如果是正常的单电池，则自放电造成的SoC的降低为例如每个月5%左右，非常小。但是如果单电池内部发生微小短路，则像例如图10中的虚线所示的那样，自放电造成SoC降低，OCV也随之降低。图10分别示出正常单电池和内部发生微小短路而自放电量增大的故障单电池中，将充放电电流切断后的电池电压的变化例的图。可以通过检测该OCV的降低来测定自放电量，由此检测单电池的故障。
但是，如果从单电池电流停止开始未经过较长的时间，则OCV的值没有收敛下来，所以难以仅仅从各个单电池群中的电池电压的变化推测自放电量。于是，在本实施方式中，在进行故障诊断时使作为诊断对象的全部电池组件的第一电流控制元件一齐变成截止（OFF）。通过这样做，可以使在作为诊断对象的全部单电池群中切断电流后经过的时间相同，所以即使经过短的时间也可以容易地相对地比较各单电池群的OCV的值彼此。
另外，已知SoC与OCV的关系容易受温度的影响。因此，更优选地，使电池模块内的各电池组件彼此接近配置。如果这样做，可以减小各电池组件之间的温度差。或者，在这样的配置有困难时，通过实测各单电池的温度，在故障诊断中使用根据其温度差修正了的OCV的值，可能获得与使各电池组件彼此接近配置相同的效果。通过这些措施，在作为诊断对象的单电池群中，正常的单电池群的电池电压进行大致相同的变化，而自放电量大的单电池群的电池电压从其它正常的单电池群的电池电压偏离而呈现出下降的倾向。因此，通过观察各单电池群中的相对的电池电压的偏差，可以检测出自放电量比其它大的单电池群，即包含发生故障的单电池的单电池群。
下面，说明根据本实施方式的电池组中的单电池的故障诊断时的动作。在以下的说明中，考虑电池组件23的单电池群231内部发生微小短路2311时的情形。
在整个电池模块3都不使用时，针对作为诊断对象的电池组件21、22和23中的每一个电池组件，信号产生电路11通过信号分配电路12使第一电流控制元件212、222和232成为截止（OFF）状态，切断充放电电流。在该状态下，用电压测定电路13测定各单电池群211、221和231的电压即OCV。通过每隔一定时间或电池模块再次起动处理时分别进行这样的处理，多次进行各单电池群211、221和231中的OCV的测定。
基于像上述那样多次测定得到的单电池群211、221和231的各OCV值，在运算部10中分别计算出电池组件21、22和23中的单电池群211、221、231的OCV的下降量。其结果，在有OCV的下降量比其它电池组件大的电池组件时，例如有与全部电池组件中的OCV的下降量的平均值的差为预定值以上的电池组件时，把该电池组件的单电池群判断为因自放电过大而出现故障。这样，对电池组件21、22和23的单电池群211、221和231进行故障诊断。
另外，在有被判断为故障的电池组件时，与在实施方式1和2中被判断为劣化的电池组件同样地，可以把该电池组件从充放电对象切离。而且也可以取代被切离的电池组件而并入预备电池组件，组装到充放电对象中。
（实施方式4）
下面，参照图5说明根据本发明的电池组及其控制装置的实施方式4。在本实施方式中，说明第一电流控制元件212、222、232和242使用MOSFET时特别有用的例子。图5是示出作为根据本实施方式的电池组的电池模块3中的布线关系的布线图。
与在实施方式1中说明过的图1相比，图4的主要不同之处在于，第一电流控制元件212、222、232和242使用MOSFET这一点、以及在产生控制它们的信号的信号产生电路111、112和113以可以分别向第一电流控制元件212、222和232施加专用的脉冲信号的方式相独立这一点。另外，在取代切离电池组件21、22和23而并入预备电池组件24时，到此为止对该电池组件的第一电流控制元件输出了脉冲信号的信号产生电路111、112或113，对被对并入的预备电池组件24的第一电流控制元件242输出脉冲信号。
另外，在图4中示出对根据实施方式1的电池模块3适用本实施方式的例子，但对根据实施方式2或3的电池模块3也可以同样地适用本实施方式。通过适用本实施方式可以更灵活地用信号产生电路111、112和113控制第一电流控制元件212、222、232和242。
在上述的实施方式1、2和3中，在通常的充放电时，即在电池组件21、22和23进行充放电的状态下，全部的单电池群211、221和231并联连接。因此，如果各单电池群211、221和231之间DCR、OCV的值有偏差，则充放电电流不均匀，充放电电流会集中到一部分特定的单电池群上。一般地，在二次电池中必须规定最大充放电电流，不能超过它。但是，如果电流集中到特定的单电池群上而达到最大充放电电流，则即使其它的单电池群的充放电电流还没达到最大充放电电流，整个电池模块3的电流也不能增加到比它更大的电流。其结果，整个电池模块3的最大输出会降低。
于是，通过对实施方式1、2和3适用本实施方式，根据各单电池群的充放电电流从信号产生电路111、112和113分别产生PWM信号，分别控制使第一电流控制元件212、222和232成为导通（ON）状态的时间的比例。由此，可以在各电池组件21、22、23之间使各单电池群211、221和231的充放电电流均匀化，可以解决像上述那样的问题。
另外，根据电池模块3的用途不同，有时寿命比最大输出更重要。在这样的情况下，也可以根据利用在实施方式1和2中说明过的劣化诊断得到的各单电池群的劣化度的诊断结果，分别控制使第一电流控制元件212、222和232成为导通（ON）状态的时间的比例。由此，可以在各电池组件21、22和23之间调整单电池群211、221和231的充放电电流，实现劣化度的均匀化。即，在劣化诊断的结果为，有劣化的进展程度比其它单电池群高的单电池群时，对该单电池群使用利用来自信号产生电路111、112或113的PWM信号的控制，与其它单电池群相比减小充放电电流。由此可以推迟该单电池群中的劣化的进展。
另外，第一电流控制元件212、222、232和242使用MOSFET时，因为其响应速度快，所以像以上说明的那样的PWM控制尤其有用。在使用其它种类的电流控制元件例如双极晶体管、IGBT、各种继电器等时，可以用PWM控制或其它控制方法，以与其响应速度相应的控制速度进行控制。在无论哪种情况下都可以获得同样的效果。
另外，作为实施方式1、2和3中的其它问题，为了劣化或故障的诊断而使第一电流控制元件212、222或232成为截止（OFF）状态，如果把从主***暂时切离的单电池群再次连接，则会因为单电池群211、221和231相互间的OCV的偏差，像图11所示的那样，在电池组件21、22和23间流过大的相互电流。图11是示出在作为例子的两个单电池群211与221的OCV有偏差时，把这些单电池群并联连接时在各单电池群上流动的相互电流的变化的图。
图11所示的相互电流以在整个电池模块3的充放电电流上进一步重叠的形式流动。必须使把该充放电电流与相互电流相加得到的电流不能超过每个单电池群的最大充放电电流。为了减小相互电流，还考虑了与各单电池群串联地***限流用的电阻等的方法，但由于用该方法时通常的充放电时的损失也会增大，所以会导致充放电效率的降低。
于是，对实施方式1、2和3适用本实施方式，第一电流控制元件使用MOSFET，利用MOSFET具有的恒流特性（电流饱和特性）。由此，可以解决像上述那样的问题。
下面描述使用了MOSFET的限流的原理和动作。图12针对各种不同的Vgs（栅极源极间电压）示出MOSFET的Vds（漏极源极间电压）和Id（漏极电流）的关系。另外，可以通过调节Vgs的值进行MOSFET的控制。
首先，考虑电池组件的充放电电流十分小的情形。在Vgs为某值例如图12中的粗线所示的值时，在Id比与该Vgs的值对应的固有的饱和电流值Isat充分低的区域（Id<<Isat），随着Id的增加，Vds大致呈比例地增大。即，在该区域（线性区域），MOSFET像电阻值低的电阻那样动作。由于在该线性区域中Id、Vds都是低值，所以MOSFET中产生的损失小。因此，在线性区域进行通常的充放电。
接着，考虑在电池组件中流过过大电流的情形（Id≈Isat）。在Id接近饱和电流值Isat的区域，MOSFET的导电率急剧下降，Vds增大，Id基本上不会增加到比它更大。即，在该区域（饱和区域），MOSFET表现出恒流特性，把电流限制成与Vgs的值对应的饱和电流值Isat以下。
如果利用像上述那样的MOSFET的性质，则可以减小通常的充放电时的损失，且可以在再次连接单电池群等流过过大电流时，无须使用特别的处理和控制就实现自动地限制电流的动作。另外，利用它时，信号产生电路111、112和113必须预先调整使第一电流控制元件212、222和232分别成为导通（ON）状态时输出的信号的电压。可以根据单电池群211、221和231的最大充放电电流和分别构成第一电流控制元件212、222和232的MOSFET的特性进行该调整。
在利用像上述那样的MOSFET的恒流特性限制最大电流时，无须非要像本实施方式那样，由信号产生电路111、112和113产生PWM信号。即使在像实施方式1、2和3中说明过的那样不使用PWM信号时，也可以通过像上述那样预先调整信号产生电路11的ON输出时的电压，获得与本实施方式中说明过的同样的效果。
另外，在上述的各实施方式中，作为根据本发明的电池组的例子说明了由控制电路1、电池组件21、22和23以及预备电池组件24构成的电池模块3，但也可以把控制电路1与电池组分别地构成。此时，由电池组件21、22和23以及预备电池组件24构成电池组，作为该电池组的控制装置可以使用控制装置1。
另外，在上述的各实施方式中，在控制电路1内设置运算部10，在该运算部10中诊断各电池组件21、22和23的劣化度或故障的例子。但也可以把运算部10与控制电路1分别地设置。此时，优选地，在控制电路1与运算部10之间相互收发表示利用电压测定电路13、14测定电压的结果的信号、用来控制信号产生电路11、16、信号分配电路12、17、切换电路15等的动作的信号。
在无损本发明的特征的前提下，本发明不受像上述那样的各实施方式的任何限制。
附图标记说明
1：控制电路；11、16：信号产生电路；12、17：信号分配电路；13、14：电压测定电路；15：切换电路；21、22、23：电池组件；24：预备电池组件；211、221、231、241：单电池群；212、222、232、242：第一电流控制元件；215、225、235、245：第二电流控制元件；216、226、236、246：放电用电阻；3：电池模块

Claims (16)

1.一种电池组，包括：
相互并联连接的多个电池组件，每个电池组件具有由一个或两个以上的二次电池单体串联连接得到的单电池群、和与上述单电池群串联连接的第一电流控制元件；
第一控制单元，控制每个上述电池组件具有的上述第一电流控制元件的动作，针对每个上述电池组件控制充放电电流；
电压测定单元，测定每个上述电池组件具有的上述单电池群或各单电池的电压；以及
诊断单元，基于由上述电压测定单元测定的上述单电池群或各单电池的电压，诊断各电池组件的劣化度或故障。
2.如权利要求1所述的电池组，其中：
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件导通而通过了上述充放电电流时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的电压、和在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
3.如权利要求2所述的电池组，其中：
上述第一控制单元从上述多个电池组件中选择一部分电池组件，在除被选择的电池组件以外的各电池组件中通过了上述充放电电流的状态下，在被选择的电池组件中通过和切断上述充放电电流；
上述诊断单元针对由上述第一控制单元选择的电池组件，诊断劣化度。
4.如权利要求2或3所述的电池组，其中：
上述诊断单元基于由上述第一控制单元导通了的上述第一电流控制元件的两端电压计算出上述充放电电流，用其计算结果计算出各电池组件的直流内部电阻值。
5.如权利要求1所述的电池组，其中：
每个上述电池组件还具有：分别与上述单电池群并联连接的强制放电用的第二电流控制元件和放电用电阻，
上述电池组还具有：控制每个上述电池组件具有的上述第二电流控制元件的动作的第二控制单元；
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流的状态下，在上述第二控制单元使上述第二电流控制元件截止时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的开路电压、在上述第二控制单元使上述第二电流控制元件导通了时由上述电压测定单元测得的上述单电池群的负载时电压、和上述放电用电阻的电阻值，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
6.如权利要求1~5中任一项所述的电池组，其中：
上述第一控制单元基于由上述诊断单元得到的上述劣化度的诊断结果，调整各电池组件间的充放电电流。
7.如权利要求1所述的电池组，其中：
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使全部的上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流时由上述电压测定单元多次测得的上述单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的开路电压的下降量，基于其计算结果诊断各电池组件的故障。
8.如权利要求1~7中任一项所述的电池组，其中：
上述第一控制单元针对由上述诊断单元诊断的劣化度为预定阈值以上的电池组件或由上述诊断单元诊断为故障的电池组件，使上述第一电流控制元件截止而从充放电对象切离。
9.如权利要求8所述的电池组，其中：
还包括：与上述多个电池组件并联连接且具有上述单电池群和上述第一电流控制元件的预备电池组件；
上述第一控制单元通过使上述预备电池组件中的上述第一电流控制元件导通，取代从充放电对象切离的上述电池组件而把上述预备电池组件并入充放电对象。
10.如权利要求1~9中任一项所述的电池组，其中：
上述第一控制单元分别控制各电池组件中的上述第一电流控制元件，使各电池组件间的充放电电流均匀化。
11.如权利要求10所述的电池组，其中：
上述第一控制单元用PWM控制，分别控制使各电池组件中的上述第一电流控制元件导通的时间的比例。
12.如权利要求1~11中任一项所述的电池组，其中：
上述第一电流控制元件用具有恒流特性的MOSFET构成，利用上述恒流特性限制上述电池组件中的充放电电流。
13.一种电池组的控制装置，该电池组包括相互并联连接的多个电池组件，每个电池组件具有由一个或两个以上的二次电池单体串联连接得到的单电池群、和与上述单电池群串联连接的第一电流控制元件，其中：
该电池组的控制装置包括：
第一控制单元，控制每个上述电池组件具有的上述第一电流控制元件的动作，针对每个上述电池组件控制充放电电流；
电压测定单元，测定每个上述电池组件具有的上述单电池群或各单电池的电压；以及
诊断单元，基于由上述电压测定单元测定的上述单电池群或各单电池的电压，诊断各电池组件的劣化度或故障。
14.如权利要求13所述的电池组的控制装置，其中：
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件导通而通过了上述充放电电流时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的电压、和在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
15.如权利要求13所述的电池组的控制装置，其中：
每个上述电池组件还具有：分别与上述单电池群并联连接的强制放电用的第二电流控制元件和放电用电阻，
上述控制装置还具有：控制每个上述电池组件具有的上述第二电流控制元件的动作的第二控制单元；
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流的状态下，在上述第二控制单元使上述第二电流控制元件截止时由上述电压测定单元测得的上述单电池群或各单电池的开路电压、在上述第二控制单元使上述第二电流控制元件导通了时由上述电压测定单元测得的上述单电池群的负载时电压、和上述放电用电阻的电阻值，计算出各电池组件的直流内部电阻值，基于其计算结果诊断各电池组件的劣化度。
16.如权利要求13所述的电池组的控制装置，其中：
上述诊断单元基于在上述第一控制单元使上述第一电流控制元件截止而切断了上述充放电电流时由上述电压测定单元多次测得的上述单电池群或各单电池的电压，计算出各电池组件的开路电压的下降量，基于其计算结果诊断各电池组件的故障。
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