JP2010060323A - 自動車の電池セルユニットの地絡検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池セルＣＬを直列接続した電池セルユニット１において、専用の絶縁抵抗検知センサなどを組み込まなくても地絡を検出できるようにする。
【解決手段】電池セルＣＬに容量可変のコンデンサ部ＣＦを並列接続して充電する第１工程と、コンデンサ部ＣＦの電圧を電池セルＣＬから切り離した状態で測定する第２工程と、コンデンサ部ＣＦの容量を第１容量と第２容量とに変更する第３工程と、第１、第２のそれぞれの容量についての電圧測定結果を比較して、グラウンド電位にある電池セルＣＬを特定する第４工程と、特定した電池セルが、池セルユニット１における接続順の中央の電池セルＣＬでないときに、地絡が発生していると判定する第５工程と、を備える。
【選択図】 図８

Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルの地絡を検出するための技術に関する。

従来より、電気自動車やハイブリッド自動車等においては、電動モータの電源として、複数の電池セルを直列接続した電池セルユニットが用いられている。このユニットは所謂高電圧系であり、車体から切り離したフローティング電源として利用されるとともに、その地絡を検出するためのシステムが付設されている。

例えば特許文献１に記載の絶縁劣化判定システムは、各電池セルの絶縁状態を検知する絶縁抵抗検知センサを備えており、このセンサからの信号に基づいて、電池セルユニットの車載状態で地絡箇所を特定できるようになっている。
特開２００７−１４７３６４号公報

しかし、前記従来例のシステムように専用の絶縁抵抗検知センサを備えると、高コストにならざるを得ないし、このセンサが故障した場合には地絡が検出不能になってしまうという問題もある。

そこで本発明者は、電池セルユニットに付設する電圧測定装置に着目した。すなわち、複数の電池セルを直列接続した電池セルユニットにおいては、個体ばらつき等に起因して電池セル間で充放電の偏りが起こり得るが、電池セルは過充電或いは過放電となるとその劣化が生じ易いという問題があので、全ての電池セルについてその電圧を測定し、各電池セル間の蓄電量を調整することが提案されている。

そして、本発明者は、そうした電圧測定装置による各電池セルの電圧の測定結果を利用すれば、地絡が発生しているか否か判定できると考えた。すなわち、フローティングされる高電圧系においては物理的な原理から、電池セルユニットにおける接続順の中央部位が中性点になり、通常はグラウンド電位になるところ、仮に地絡が発生していればこの地絡部位がグラウンド電位になるからである。

斯かる点に鑑みて本発明の目的は、電圧測定装置による測定結果を利用して、新たに専用のセンサを組み込まなくても電池セルユニットの地絡を検出できるようにすることにある。

前記の目的を達成するために本発明では、フライングキャパシタ方式の電圧測定装置を利用する。まず、フライングキャパシタ方式について説明すると、これは、スイッチ回路によって、コンデンサ（キャパシタ）と測定対象とする電池セルとを並列接続して充電し、両者を切り離した後、コンデンサの電圧を測定することで測定対象とする電池セルの電圧を測定するものである。

こうしてスイッチ回路によって電池セルとコンデンサとを接続して充電する場合、そのスイッチ回路に存在する寄生容量によって、コンデンサの測定電圧と電池セルの実電圧との間に誤差が生じる。そして、この測定誤差は、図４(a)に一例を示すように、電池セルユニットにおいて接続順に中性点から離れる程、大きくなるものであるから、各電池セルの電圧測定結果から各々の測定誤差の大きさを求めれば、これによりグラウンド電位部を特定することができる。

ここで、本発明者は、前記のような測定誤差を補正するためのシステムを発明して先に特許出願をしている（特願２００８−１３００９０号）。この発明では、前記測定誤差の大きさがコンデンサの容量によっても影響を受けることに着目し、コンデンサの容量を大小、変化させて各々電池セルの電圧を測定した上で、この電圧の測定結果を比較することにより、予め測定誤差の補正条件を設定しておく。そして、通常はコンデンサの容量を小さくして短時間で測定を行い、その結果を前記の補正条件によって補正するようにしている。

そして、先願に係る発明のように電池セルユニットの各電池セルについての測定誤差の大きさが分かれば、これによりグラウンド電位部を特定することができるから、これに基づいて、すなわち、グラウンド電位部が電池セルユニットにおける接続順の中央部位にあれば、地絡は発生しておらず、一方、中央部位以外にあれば、この部位において地絡が発生している、と判定することができる。

よって、本願の請求項１の発明は、直列接続された複数の電池セルから構成されるとともに、車体とは絶縁されている自動車の電池セルユニットの地絡検出方法が対象である。この方法は、前記電池セルに容量が可変のコンデンサ部を並列接続して充電する第１工程と、この第１工程にて充電したコンデンサ部の電圧を、電池セルから切り離した状態で測定する第２工程と、前記コンデンサ部の容量を所定の第１容量とそれよりも小さな第２容量とのいずれかに変更する第３工程と、前記第１容量、第２容量のそれぞれについての前記第１、第２工程による電圧の測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定する第４工程と、この第４工程にて特定した電池セルが、前記電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルでないときに、地絡が発生していると判定する第５工程と、を備えている。

この方法によると、まず、第１〜第３工程によって、電池セルユニットの複数の電池セルにそれぞれ、第１、第２容量とされたコンデンサ部が並列接続されて充電され（第１工程）、その後、電池セルから切り離した状態でコンデンサ部の電圧が測定される（第２工程）。そして、第１容量、第２容量のそれぞれについての電圧の測定結果を比較することで、上述したように測定誤差の大きさからグラウンド電位にある電池セルが特定され（第４工程）、この電池セルが、電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルでないときに、地絡が発生していると判定される（第５工程）。

したがって、電池セルユニットに新たに専用のセンサを組み込まなくても、地絡を検出することができ、無用なコストの上昇を阻止できるとともに、そうした専用のセンサと共に設ければ、このセンサの故障時にも地絡が検出できるようになり、フェールセーフが図られる。

尚、グラウンド電位にある電池セルとは必ずしも１つではなく、特定したグラウンド電位部を挟んで隣接する２つの電池セルの場合もあるし、同様に、電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルというのも、電池セルの総数が偶数の場合は中央の２つの電池セルを指す。この場合、２つの電池セルのうちのいずれかが一致していれば、グラウンド電位にある電池セルが中央の電池セルであるとみなしてよい。

好ましくは、直列接続された複数の電池セルからなるセルグループをさらに複数、直列接続して電池セルユニットを構成し、第４工程ではグラウンド電位にあるセルグループを特定するとともに、第５工程では、電池セルユニットにおける中央の電池セルが前記セルグループに含まれていないときに、このセルグループにおいて地絡が発生していると判定する（請求項２）。

こうすれば、グラウンド電位部の検出精度はあまり高くなくても、地絡の発生しているセルグループを特定することができるから、地絡への対処が容易に行える。

また、第１、第２及び第３工程を、電池セルユニットにおける全ての電池セルについて行うのではなく、中央の電池セルから接続順に所定数の範囲内の電池セルのみについて行うようにすれば、地絡の検出に要する時間の短縮が図られる（請求項３）。

さらに、コンデンサ部の容量を第１容量よりも小さく第２容量よりも大きな第３容量に変更する第６工程と、前記第２容量、第３容量のそれぞれについての第１、第２工程による電圧の測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定する第７工程と、を備えて、前記した第３、第４工程は、前記第７工程にてグラウンド電位にある電池セルを特定できなかったときに行うようにしてもよい（請求項４）。

そうすると、第３容量が第２容量に比べて小さいことから、この第３容量での電圧の測定時間が相対的に短くなり、地絡の検出に要する時間の短縮化が図られる。また、そうした場合に測定誤差の大きさがばらついてしまい、グラウンド電位部の特定が難しいようであれば第３、第４工程を行い、時間は掛かっても正確な地絡の検出が行える。

見方を変えれば、本発明は、直列接続された複数の電池セルから構成されるとともに、車体とは絶縁されている電池セルユニットの地絡を検出する装置が対象であり、この地絡検出装置は、測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電される、容量が可変のコンデンサ部と、このコンデンサ部と前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、測定対象とする前記電池セルにより前記コンデンサ部を充電した後、その電池セルから切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、前記コンデンサ部の容量を所定の第１容量とそれよりも小さな第２容量とのいずれかに変更する変更手段と、前記第１容量、第２容量のそれぞれについての前記電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定するグラウンド電位特定手段と、このグラウンド電位特定手段によって特定された電池セルが、前記電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルでないときに、地絡が発生していると判定する地絡判定手段と、を備えるものである。

斯かる構成の地絡検出装置によると、前記した請求項１の発明に係る地絡検出方法が容易に実行できる。

前記の地絡検出装置においても、上述した請求項２の発明と同様に電池セルユニットは、直列接続された複数の電池セルからなるセルグループを複数、直列接続して構成するのが好ましく、この場合にグラウンド電位特定手段は、グラウンド電位にあるセルグループを特定するようにし、地絡判定手段は、電池セルユニットにおける中央の電池セルが前記セルグループに含まれていないときに、このセルグループにおいて地絡が発生していると判定するようにすればよい（請求項６）。

また、上述の請求項３の発明と同様に、測定対象とする電池セルは、電池セルユニットにおける中央の電池セルから接続順に所定数の範囲内の電池セルのみとするのがよい（請求項７）。

さらに、上述の請求項４の発明と同様に変更手段は、コンデンサ部の容量を、第１容量よりも小さく第２容量よりも大きな第３容量にも変更可能なものとし、グラウンド電位特定手段は、前記第２容量、第３容量のそれぞれについての電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定し、この特定ができなかったときには、第１容量、第２容量のそれぞれについての前記電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定するものとすればよい（請求項８）。

以上、説明したように、本発明に係る自動車の電池セルユニットの地絡検出方法等によると、車体から切り離したフローティング電源として利用される電池セルユニットに付設したフライングキャパシタ方式の電圧測定装置を利用して、これによる各電池セルの電圧測定結果に基づいて地絡を検出することができるので、新たに専用のセンサを組み込む必要がなく、高コスト化を防止することができる。また、そうしたセンサと共に設ければ、このセンサが故障したときのフェールセーフが図られる。

＜全体の構成＞
図１は、本発明に係る電圧測定装置Ａ（地絡検出装置）の一例を示すブロック図であり、この電圧測定装置Ａは、複数の測定ユニット１０と、制御ユニット２０と、を備え、電池セルユニット１を構成する個々の電池セルＣＬの電圧を測定する。電池セルＣＬは、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の充電可能な二次電池であり、直列接続されて電池セルユニット１を構成している。本実施形態の場合、各電池セルＣＬは同じ電池セルである場合を想定している。

電池セルＣＬは、連続する複数の電池セルから構成される電池セルグループＣＬＧにグループ分けされている。本実施形態の場合、電池セルＣＬは、＋＃１〜＋＃４及び−＃１〜−＃４まで合計８つの電池セルグループＣＬＧにグループ分けされているが、そのグループ数は任意に設定できる。本実施形態の場合、各電池セルグループＣＬＧは同数の電池セルＣＬを有しており、電池セルＣＬ１〜ＣＬｋまでのｋ個の電池セルＣＬを有している。

本実施形態の場合、電池セルユニット１は、フローティング電源として利用されることを想定しており、その中性点ＮＰの電位が、電池セルユニット１の両端子間電位差の中間電位（電池セルグループＣＬＧ（＋＃１）と電池セルグループＣＬＧ（−＃１）との接続点）である場合を想定している。以下に、中性点ＮＰについて図３（ａ）を参照して説明する。

図３（ａ）において、電池セルユニット１はインバータ２により充放電される電源として利用されており、これらがハイブリッド自動車、電気自動車に適用される場合を想定している。コンデンサＣ０は、電池セルユニット１の各端子とインバータ２とを接続する送電線に一方端子が接続され、他方端子が車体に接地されたノイズ除去等を目的としたコンデンサであり、互いに容量が等しい場合を想定している。

図３（ａ）において、電池セルユニット１の両端子間の電位差をＥ、＋側端子の電位をＶとすると、−側端子の電位はＶ−Ｅとなる。この系のエネルギーＷは、
Ｗ＝１／２・Ｃ０・（Ｖ2＋（Ｖ−Ｅ）2）
であり、エネルギー最小の原理から、
ｄＷ／ｄＶ＝２・Ｃ０・Ｖ−Ｃ０・Ｅ＝０
である。すなわち、Ｖ＝１／２・Ｅ、Ｖ−Ｅ＝−１／２・Ｅでエネルギーが最小であり、中性点電位は、電池セルユニット１の中間電位、即ちグラウンド電位となる。なお、コンデンサＣ０が互いに異なる容量を持つ場合は、中性点電位も異なるものとなるが、同様の考え方により特定することができる。尤も、通常は送電線に接続されるコンデンサの容量は等しい。

図１に戻り、測定ユニット１０は、各電池セルグループＣＬＧ毎に、本実施形態の場合８つ設けられており、それぞれフライングキャパシタとなる容量が可変のコンデンサ部ＣＦが設けられている。本実施形態では、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設ける構成としたが、１つの測定ユニット１０で全ての電池セルＣＬの電圧を測定するように構成することも可能である。尤も、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設けることで、各電池セルグループＣＬＧ毎に並列的に電池セルＣＬの電圧測定ができ、処理時間を短縮できる。

なお、特定の電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０或いはコンデンサ部ＣＦを指す場合は、添え字を付して特定することにし、例えば、電池セルグループＣＬＧ（＋＃１）に対応する測定ユニット１０、コンデンサ部ＣＦを指す場合は、測定ユニット１０（＋＃１）、コンデンサ部ＣＦ（＋＃１）と、表記する。

図２（ａ）は各測定ユニット１０のブロック図である。測定ユニット１０は、スイッチ回路１１と、上記の通りフライングキャパシタとなるコンデンサ部ＣＦと、スイッチ回路１２と、スイッチ回路１３と、電圧測定回路１４と、を備える。なお、同図において抵抗素子は図示を省略している。また、本実施形態の場合、電圧測定回路１４を各測定ユニット１０に設けたが、全ての測定ユニット１０について共通に１つのみ設けるか、或いは、複数の測定ユニット１０毎に１つずつ設け、スイッチ回路により切り替えて接続するようにしてもよい。但し、電圧測定回路１４を各測定ユニット１０に設けることで、各電池セルグループＣＬＧ毎に並列的に電池セルＣＬの電圧測定ができ、処理時間を短縮できる。

スイッチ回路１１は、サンプリングスイッチとして機能するものであり、各電池セルＣＬの接続点、及び、電池セルＣＬ１の＋側と、電池セルＣＬｋの−側と、にそれぞれ１つずつスイッチ素子が配されている。スイッチ回路１１は、各スイッチ素子のＯＮ・ＯＦＦにより、電池セルＣＬ１乃至ＣＬｋのうち、電圧の測定対象とするいずれかの電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに切り替えて並列接続する。例えば、電池セルＣＬ１を測定対象とする場合は、同図最上段のスイッチ素子と、２段目のスイッチ素子とをＯＮにし、他のスイッチ素子はＯＦＦとする。また、例えば、電池セルＣＬ２を測定対象とする場合は同図２段目のスイッチ素子と、３段目のスイッチ素子とをＯＮにし、他のスイッチ素子はＯＦＦとする。

なお、添え字が奇数の電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合と、添え字が偶数の電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合とでは、コンデンサ部ＣＦの両端子の正負が反転することになる。

コンデンサ部ＣＦは、互いに並列関係にある固定容量のコンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２と、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２とにそれぞれ直列接続された２つのスイッチ素子を有するスイッチ回路ＳＷと、を備える。コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２との容量は互いに異なっており、例えば、コンデンサＣｆ１の容量＜コンデンサＣｆ２の容量である。本実施形態ではこのような構成によりコンデンサ部ＣＦの容量を可変とする。

図５（ａ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。同図の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２とのいずれかを測定対象とする電池セルＣＬに切り替えて並列接続する。図５（ａ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ａ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ２がフライングキャパシタとして機能する。このような構成により、本実施形態では、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。

なお、複数のコンデンサＣｆ１及びＣｆ２のうち、測定対象とする電池セルＣＬに並列接続するコンデンサの数を切り替えることで、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることもできる。図５（ｂ）は、この場合のコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。

図５（ｂ）の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１のみを測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合と、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方を測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合とで、接続関係を切り替える。図５（ｂ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ｂ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子及びコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子の双方をＯＮとしている。

したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１及びＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方がフライングキャパシタとして機能する。この場合の容量は、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の容量を足した容量となる。このような構成でも、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができ、この構成の場合は、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２として、互いに容量が同じコンデンサを用いることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）のいずれの構成の場合も、比較的簡易な構成でコンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。なお、上記の各例では、コンデンサ部ＣＦのコンデンサの数を２つとしたが、３以上としてもよく、この場合、スイッチ素子をそれぞれ設けることでコンデンサ部ＣＦの容量を３以上に切り替えられるが、実用上は２種類に切り替えられれば足りる。

図２（ａ）に戻り、スイッチ回路１２は、トランスファスイッチとして機能するものであり、コンデンサ部ＣＦの両端子と、電圧測定回路の２つの入力端子の断続を行う。スイッチ回路１３は、リセットスイッチとして機能するものであり、コンデンサ部ＣＦの両端子間の断続を行い、コンデンサ部ＣＦを放電する場合にＯＮにされる。

図２（ｂ）は電圧測定回路１４のブロック図である。電圧測定回路１４はオペアンプ１５と、Ａ／Ｄ変換器１６とを備える。オペアンプ１５の２つの入力端子には、それぞれ、コンデンサ部ＣＦの一方端子、他方端子が接続され、オペアンプ１５はその電位差を増幅して出力する差動増幅回路を構成している。Ａ／Ｄ変換器１６はオペアンプ１５から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。

次に、係る構成からなる測定ユニット１０による電池セルＣＬの電圧の測定動作について説明する。まず、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサ部ＣＦの容量がセットされ、スイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされる。スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間、維持される。次に、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離し、その後、スイッチ回路１２をＯＮとして、オペアンプ１５の２つの入力端子とコンデンサ部ＣＦの両端子間を接続する。これにより、オペアンプ１５からは、コンデンサ部ＣＦの電位差に応じたアナログ信号が出力され、Ａ／Ｄ変換器１６は、これをデジタル信号に変換して保持し、制御ユニット２０へ出力することになる。

次に、スイッチ回路１２をＯＦＦとしてコンデンサ部ＣＦとオペアンプ１５とを切り離し、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３はコンデンサ部ＣＦの容量に応じた時間だけＯＮにされ、コンデンサ部ＣＦを完全に放電する。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦとする。以降、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の手順により、順次各電池セルＣＬの電圧を測定することになる。

次に、図１に戻り、制御ユニット２０について説明する。制御ユニット２０は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）２４とを備える。ＣＰＵ２１はＲＯＭ２２に記憶された制御プログラムを実行して、各測定ユニット１０を制御する。ＲＡＭ２３には一時的なデータが記憶され、例えば、各電池セルＣＬの電圧の測定結果が電池セルＣＬ毎に記憶される。なお、ＲＯＭ２２及びＲＡＭ２３としては他の記憶手段でもよい。

Ｉ／Ｆ２４には、スイッチ回路１１乃至１３及びＳＷ、Ａ／Ｄ変換器１６が接続され、ＣＰＵ２１は、これらを制御し、また、Ａ／Ｄ変換器１６から出力される測定結果を取得することができる。

＜測定誤差＞
次に、測定誤差について説明する。本実施形態の電圧測定装置Ａのように、スイッチ回路１１により電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続切り替えを行う構成の場合、スイッチ回路１１の各スイッチ素子に存する寄生容量の影響により測定誤差が生じる。本発明者は、この測定誤差が、中性点電位ＮＰからの電位差が大きい電池セルＣＬ程大きくなることを見出した。

図４（ａ）は測定誤差の測定結果を示す図である。測定誤差は、実験により、電圧測定装置Ａと同様な構成の電圧測定装置において、コンデンサ部ＣＦを１μＦの固定容量として各電池セルＣＬの電圧を測定する一方、別の測定装置によりスイッチ回路１１を介さずに各電池セルＣＬの電圧を測定し、両者の差分をとったものである。

同図において、測定誤差は、各電池セル毎に示しており、中性点からの電位差が大きい電池セル程、換言すれば、電池セルユニット１における接続順に中性点から離れる程、誤差が大きくなっていることが分かる。このように中性点電位ＮＰからの電位差が大きい電池セルＣＬ程、測定誤差が大きくなる理由は、以下の通りである。

図３（ｂ）はスイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差の説明図である。同図に示すように、測定対象の電池セルＣＬ１の実電圧をＶｃｌ、電池セルＣＬ１の中性点ＮＰからの電位をＥ１とおき、スイッチ回路１１の寄生容量をＣｓとおくと、コンデンサ部ＣＦ（容量Ｃｆ）の測定電圧Ｖは、
Ｖ＝１／Ｃｆ×（Ｃｆ・Ｖｃｌ＋・Ｃｓ・Ｅ１）
である。ここで、ΔＶ＝Ｖｃｌ−Ｖとして、式を変形すると、
ΔＶ＝Ｃｓ／Ｃｆ×Ｅ１
である。ΔＶは測定誤差を示し、したがって、電位Ｅ１が大きいほど、測定誤差が大きくなることになる。また、寄生容量Ｃｓに対して、コンデンサ部ＣＦの容量が大きい程、測定誤差が小さくなることも分かる。

図４（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。同図の例は、コンデンサ部ＣＦの容量を１０μＦの固定容量に、つまり、図４（ａ）の実験の場合よりも１０倍の容量のコンデンサを用いて同様の実験を行った結果である。中性点からの電位差に関わらず、測定誤差が著しく小さいことが分かる。

＜測定誤差の補正＞
上記の通り、測定誤差はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすれば、測定誤差を小さくすることができる。しかし、コンデンサ部ＣＦの容量を大きくすると、充電（及び放電）に要する時間も長くなる。したがって、単位時間あたりの電池セルＣＬの個数が少なくなってしまい、電池セルＣＬの急激な電圧変化に対応できない場合が生じ得る。

そこで、本実施形態では、上記の通りコンデンサ部ＣＦの容量を可変とし、コンデンサ部ＣＦの容量を相対的に大容量と小容量とで変えて電池セルＣＬの電圧を一旦測定し、測定誤差を補正するための補正条件を設定する。この補正条件は、コンデンサ部ＣＦを相対的に小容量とした場合の測定結果の補正に用いる。この小容量での電圧の測定は、測定時間の短時間化が図れ、また、補正条件によりその測定結果を補正することで、より高い精度の測定結果が得られる。補正条件の設定は、コンデンサ部ＣＦの容量を変更することにより行うので、簡易に行うことができ、しかも電池セルＣＬ毎に補正条件を設定できるので、各電池セルＣＬに適した誤差補正を行うことができる。

以下、コンデンサ部ＣＦの容量を変更して補正条件を設定し、電池セルＣＬの電圧を測定する制御手順について説明する。図６は、ＣＰＵ２１が実行する処理の例を示すフローチャートであり、Ｓ１乃至Ｓ１１は、補正条件の設定に関する処理である。Ｓ１２は、後述する地絡検出の処理であり、Ｓ１３乃至Ｓ１８は、電池セルＣＬの電圧を測定する処理である。図６の処理は、各測定ユニット１０毎に並列的に実行することができ、図６は１つの測定ユニット１０についての処理を例示している。

まず、Ｓ１では、補正条件設定条件が成立したか否かを判定し、該当する場合はＳ２へ進み、該当しない場合はＳ１３へ進む。本実施形態では、予め定めた補正条件設定条件が成立した場合にのみ、補正条件を設定し、以降の電池セルＣＬの電圧測定においてこの補正条件を用いる。

この補正条件設定条件は、電池セルＣＬの電圧測定を開始するときであって、電池セルユニット１に入出力される電流量がゼロである場合が好ましい。電池セルユニット１がハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に搭載される電池ユニットであって、電圧測定装置Ａを車載の装置として用いる場合、補正条件設定条件は、車両のイグニッションＯＮ直後であって、電池セルユニット１に入出力される電流量がゼロである場合が望ましい。車両の始動時に補正条件を設定することで、使用による劣化等に起因する電気素子の特性の変化に対応して補正条件を設定することができる。また、補正条件の設定にあたっては、コンデンサ部ＣＦの容量を変えて電池セルＣＬの電圧を２回測定するため、各回の測定で電池セルＣＬの電圧が変動しないことが望ましいところ、電池セルＣＬの電圧の変化が略無い状態で補正条件を設定でき、より精度の高い誤差補正を行うことができる。

電池セルユニット１に入出力される電流量は電流センサを設けて測定することができる。図７は電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。電流センサ３０は、電池セルユニット１とインバータ２との間の送電線に設けられ、送電線を流れる電流を測定することで、電池セルユニット１に入出力される電流量を測定する。

Ｓ２では、スイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされた後、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の左側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に小容量のコンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとする。

Ｓ３では、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ４では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、補正条件設定の対象とした電池セルＣＬと対応づけて、かつ、小容量時の測定結果としてＲＡＭ２３に保存する。Ｓ５では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ６では、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の右側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に大容量のコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦとする。

Ｓ７では、スイッチ回路１１により、Ｓ３で補正条件を設定する対象とした電池セルＣＬと同じ電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、補正条件を設定する電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ８では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、補正条件設定の対象とした電池セルＣＬと対応づけて、かつ、大容量時の測定結果としてＲＡＭ２３に保存する。Ｓ９では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ１０では、Ｓ４の小容量時の測定結果と、Ｓ８の大容量時の測定結果とに基づいて、補正条件を設定する対象とした電池セルＣＬの補正条件を設定し、該電池セルＣＬと対応づけて補正条件を保存する。補正条件は、Ｓ８の大容量時の測定結果をＶ１、Ｓ４の小容量時の測定結果をＶ２、補正条件設定後における小容量時の補正前の電圧測定値をＶ、補正後の電圧測定値をＶ’として、例えば、以下のように設定できる。

（１）Ｓ４の小容量時の測定結果とＳ８の大容量時の測定結果の差分ΔＶ（Ｖ２−Ｖ１）を補正値とする。補正式は、
Ｖ’＝Ｖ−ΔＶ
である。この方式の場合、より簡易な演算で測定結果を補正できる。

（２）Ｓ４の小容量時の測定結果とＳ８の大容量時の測定結果の差分ΔＶ（Ｖ２−Ｖ１）を、Ｓ４の小容量時の測定結果Ｖ２と電圧測定値Ｖとの比率で調整する。補正式は、
Ｖ’＝Ｖ−ΔＶ×Ｖ／Ｖ２
である。図３（ｂ）を参照して説明したとおり、スイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差は、中性点ＮＰからの電位に比例して大きくなるが、電池セルＣＬ単位で見た場合も同様に、電池セルＣＬの電圧が高い程、寄生容量による測定誤差が大きくなると考えられる。この方式の場合、Ｓ４の小容量時の測定結果Ｖ２と電圧測定値Ｖとの比率で差分ΔＶを調整することで、より精度の高い測定結果を得られる。

次に、Ｓ１１では全ての電池セルＣＬについて補正条件を設定したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ１２へ進み、該当しない場合はＳ２へ戻って、補正条件を設定する対象の電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。

なお、本実施形態では、補正条件を設定するにあたり、コンデンサ部ＣＦの容量を先に小容量として、次に大容量としたが、先に大容量とし、次に小容量としてもよい。また、補正条件を設定する電池セルＣＬを選定し、大・小容量による測定→補正条件設定、とい順番としたが、小容量（又は大容量）による全電池セルＣＬの電圧測定→大容量（又は小容量）による全電池セルＣＬの電圧測定→各電池セルＣＬの補正条件設定、という順番でもよい。

Ｓ１２では、後述するように地絡検出の処理を実行し、地絡していなければＳ１３に進んで、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットする。これはＳ２と同様の処理である。Ｓ１４では、スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの容量（小容量）に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ１５では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ１６では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、コンデンサ部ＣＦの現在の容量（小容量）に応じてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ１７では、測定対象とする電池セルＣＬについて、Ｓ１０で設定した補正条件を読み出し、Ｓ１５の測定結果を補正し、補正後の測定結果をＲＡＭ２３に保存する。Ｓ１８では、一単位の処理（測定対象の電池セルＣＬが一巡（ＣＬ１〜ＣＬｋ）すること）が終了したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ１へ戻り同様の処理を繰り返す。該当しない場合は、Ｓ１４へ戻り、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返す。

こうしてＳ１乃至Ｓ１１の処理により各電池セルＣＬ毎に補正条件を設定した後、実際の電圧測定の場合、つまり、補正条件の設定時以外は、Ｓ１３乃至Ｓ１８の処理により、常時コンデンサ部ＣＦの容量を小容量として電圧測定を順次行うことで、測定時間を短時間化でき、しかも、測定結果の補正により測定精度も向上できる。

なお、前記のフローでは、Ｓ１８で一単位の処理が終了したと判定した場合は、Ｓ１へ戻る構成としたが、例えば、本実施形態をハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に適用する場合等においては、車両のイグニションＯＮ直後のみＳ１の処理を行い、その後はイグニションＯＦＦとされるまで、Ｓ１４へ戻る構成としてもよい。

＜地絡の検出＞
次に、本願発明の特徴として、前記図６のフローのＳ１２における地絡の検出について説明する。上述したように、本実施形態ではフローティング電源として利用される電池セルユニット１において、中性点ＮＰの電位が両端子間電位差の中間の電位、即ち通常はグラウンド電位になることから、直列接続される多数の電池セルＣＬのうち、接続順の中央の電池セルＣＬがグラウンド電位になる。

また、本実施形態の電圧測定装置Ａによると、上述したようにスイッチ回路１１の各スイッチ素子に存する寄生容量の影響により測定誤差が生じるとともに、図４(a)に示すように、その測定誤差が、中性点電位ＮＰからの電位差が大きい電池セルＣＬ程、即ち、接続順に中性点ＮＰから離れる程、大きくなっている。

このことから、地絡が発生していないとすれば、測定誤差の最も小さな部位が中性点ＮＰ、即ちグラウンド電位部であり、図８(a)に破線で示すように、電池セルユニット１における電池セルＣＬの接続順（中性点電位ＮＰからの電位差）と測定誤差の大きさとの相関を表すグラフ（以下、誤差ラインともいう）を求めれば、この誤差ラインにおいて誤差の最小となる部位をグラウンド電位部として特定できる。換言すれば、グラウンド電位部にある電池セルＣＬが電池セルユニット１における接続順の中央の電池セルＣＬであれば、地絡は発生していない。

一方で、電池セルユニット１のいずれかの部位にて地絡が発生すると、この部位の電位が強制的に零になるから、同図に白抜きの矢印で示すように地絡部位に向かって誤差ラインがシフトするようになる。よって、上述のように測定した誤差から誤差ラインを求め、この誤差ラインが図に一点鎖線で示すようにシフトしていて、グラウンド電位部がずれていれば、地絡していると判定することができる。

具体的に、同図(b)に示すフローのＳ１２１では、上述した（図６のフローを参照）測定誤差に基づいて周知の数学的、ないし統計学的手法により誤差ラインを同定し、誤差の大きさが最小の電池セルＣＬを特定する。そうして特定した誤差最小の電池セルＣＬが中央の電池セルＣＬであるか否かをＳ１２２で判定し、この判定がＹＥＳであれば、地絡は発生していないから、上述の如く図６のフローのＳ１３に進む。

一方、前記Ｓ１２２の判定がＮＯで、地絡が発生しているのであれば、Ｓ１２３に進んで地絡部位を特定する。例えば、前記のように特定した誤差最小の電池セルＣＬ、或いはその誤差最小の電池セルＣＬが含まれている電池セルグループＣＬＧを特定すればよい。セルグループＣＬＧを特定するのであれば、グラウンド電位部の検出精度はあまり高くなくてもよく、また、地絡の発生しているセルグループＣＬＧを特定することができれば、地絡への対処は容易に行える。

そして、Ｓ１２４では乗員へのフェールの表示を行うとともに、フェール時ロジックを起動して、制御を終了する。例えば本実施形態をハイブリッド自動車や電気自動車に適用する場合等には、電池セルユニット１の充放電を大幅に規制して、待避走行の可能な最小限の出力に絞るようにしてもよいし、充放電を完全に停止するようにしてもよい。

上述した図６のフローのＳ３，Ｓ７の手順が、電池セルＣＬに容量が可変のコンデンサ部ＣＦを並列接続して充電する第１工程に相当し、Ｓ４，Ｓ８の手順が、充電したコンデンサ部の電圧を電池セルから切り離した状態で測定する第２工程に相当する。また、Ｓ２，Ｓ６の手順は、コンデンサ部ＣＦの容量を所定の第１容量とそれよりも小さな第２容量とのいずれかに変更する第３工程に相当する。

そして、前記図８(a)のフローのＳ１２１が、前記第１容量、第２容量のそれぞれについての前記第１、第２工程による電圧の測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルＣＬを特定する第４工程に相当し、Ｓ１２２は、そうして特定した電池セルＣＬが電池セルユニット１における接続順の中央の電池セルＣＬでないときに、地絡が発生していると判定する第５工程に相当する。

また、それらの各工程の制御手順は、いずれも制御ユニット２０によって行われるものであり、その意味で制御ユニット２０が電圧測定手段、変更手段、グラウンド電位特定手段、地絡判定手段等を構成する。

したがって、この実施形態に係る地絡検出方法等によると、電池セルユニット１に付設されているフライングキャパシタ方式の電圧測定装置Ａを用いて、直列に接続されている各電池セルＣＬの電圧を測定し、その測定誤差の特性から地絡を検出することができるので、別途専用のセンサを組み込む必要がなく、コストの徒な上昇を招くことがない。また、そうしたセンサと共に設ければ、このセンサが故障したときのフェールセーフが図られる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明に係る地絡検出方法は、前記実施形態のものに限定されず、それ以外の種々の構成も包含する。すなわち、例えば前記の実施形態では電池セルユニット１における全ての電池セルＣＬについて、それぞれ電圧を測定し、その測定誤差を求めているが、これに限らず、例えば、中央の電池セルＣＬから接続順に所定数の範囲内の電池セルＣＬのみについて行うようにしてもよい。こうすれば、地絡の検出に要する時間の短縮が図られる。

また、前記実施形態のコンデンサ部ＣＦは、２つのコンデンサによって容量を大、小の２通りに切り替えるようにしているが、例えば３つのコンデンサを用いてコンデンサ部ＣＦの容量を大、中、小の３通りに切り替えるようにしてもよい。この場合、まず、コンデンサ部ＣＦの容量を小、中の２通りに切り替えて（第６工程）測定誤差を求め、これによりグラウンド電位にある電池セルＣＬを特定するようにし（第７工程）、そうした場合に測定誤差の大きさがばらついてしまい、グラウンド電位部の特定が難しいようであれば、前記実施形態のように大、小の２通りに切り替えるようにするのが好ましい。

こうすれば、より小さなコンデンサ容量で電圧の測定時間が相対的に短くなることから、地絡の検出に要する時間の短縮化が図られる上に、そうしたときに検出精度に問題が生じる虞れがあれば、時間を掛けて正確な地絡の検出が行える。

本発明の一実施形態に係る電圧測定装置Ａ（地絡検出装置）のブロック図である。 （ａ）は各測定ユニット１０のブロック図、（ｂ）は電圧測定回路１４のブロック図である。 （ａ）は中性点の説明図、（ｂ）はスイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差の説明図である。 （ａ）は測定誤差の測定結果を示す図、（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。 ＣＰＵ２１が実行する電圧測定及びその補正処理の例を示すフローチャートである。 電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。 （ａ）は地絡によって誤差ラインがシフトする様子を示す説明図、（ｂ）はＣＰＵ２１が実行する地絡検出処理の例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ 電圧測定装置（地絡検出装置）
ＣＦ コンデンサ部
Ｃｆ１、Ｃｆ２ コンデンサ
ＣＬ 電池セル
ＣＬＧ 電池セルグループ
１ 電池セルユニット
２ 測定ユニット
１０ スイッチ回路
１４ 電圧測定回路
２０ 制御ユニット（電圧測定手段、変更手段、グラウンド電位特定手段、地絡判定手 段）

Claims (8)

1. 直列接続された複数の電池セルから構成されるとともに、車体とは絶縁されている電池セルユニットの地絡を検出する方法であって、
   前記電池セルに容量が可変のコンデンサ部を並列接続して充電する第１工程と、
   前記第１工程にて充電したコンデンサ部の電圧を、電池セルから切り離した状態で測定する第２工程と、
   前記コンデンサ部の容量を所定の第１容量とそれよりも小さな第２容量とのいずれかに変更する第３工程と、
   前記第１容量、第２容量のそれぞれについての前記第１、第２工程による電圧の測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定する第４工程と、
   前記第４工程にて特定した電池セルが、前記電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルでないときに、地絡が発生していると判定する第５工程と、
   を備えることを特徴とする自動車の電池セルユニットの地絡検出方法。
2. 電池セルユニットは、直列接続された複数の電池セルからなるセルグループが複数、直列接続されて構成され、
   第４工程では、グラウンド電位にあるセルグループを特定し、
   第５工程では、電池セルユニットにおける中央の電池セルが前記セルグループに含まれていないときに、このセルグループにおいて地絡が発生していると判定する、
   請求項１に記載の地絡検出方法。
3. 第１、第２及び第３工程を、電池セルユニットにおける中央の電池セルから接続順に所定数の範囲内の電池セルのみについて行う、請求項１又は２のいずれかに記載の地絡検出方法。
4. コンデンサ部の容量を第１容量よりも小さく第２容量よりも大きな第３容量に変更する第６工程と、
   前記第２容量、第３容量のそれぞれについての第１、第２工程による電圧の測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定する第７工程と、をさらに備え、
   第３、第４工程は、前記第７工程にてグラウンド電位にある電池セルを特定できなかったときに行う、請求項１〜３のいずれか１つに記載の地絡検出方法。
5. 直列接続された複数の電池セルから構成されるとともに、車体とは絶縁されている電池セルユニットの地絡を検出するための装置であって、
   測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電される、容量が可変のコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部と前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、
   測定対象とする前記電池セルにより前記コンデンサ部を充電した後、その電池セルから切り離した状態で前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記コンデンサ部の容量を所定の第１容量とそれよりも小さな第２容量とのいずれかに変更する変更手段と、
   前記第１容量、第２容量のそれぞれについての前記電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定するグラウンド電位特定手段と、
   前記グラウンド電位特定手段によって特定された電池セルが、前記電池セルユニットにおける接続順の中央の電池セルでないときに、地絡が発生していると判定する地絡判定手段と、を備えることを特徴とする自動車の電池セルユニットの地絡検出装置。
6. 電池セルユニットは、直列接続された複数の電池セルからなるセルグループが複数、直列接続されて構成され、
   グラウンド電位特定手段は、グラウンド電位にあるセルグループを特定するもので、
   地絡判定手段は、電池セルユニットにおける中央の電池セルが前記セルグループに含まれていないときに、このセルグループにおいて地絡が発生していると判定するものである、請求項５に記載の地絡検出装置。
7. 測定対象とする電池セルが、電池セルユニットにおける中央の電池セルから接続順に所定数の範囲内の電池セルのみである、請求項５又は６のいずれかに記載の地絡検出装置。
8. 変更手段は、コンデンサ部の容量を、第１容量よりも小さく第２容量よりも大きな第３容量にも変更可能なものであり、
   グラウンド電位特定手段は、前記第２容量、第３容量のそれぞれについての電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定し、この特定ができなかったときには、第１容量、第２容量のそれぞれについての前記電圧測定手段による測定結果を比較することで、グラウンド電位にある電池セルを特定するものである、請求項５〜７のいずれか１つに記載の地絡検出装置。

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