JP2010288358A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子からの放電による電圧バランスのずれを低減し、かつ断線検出が可能な蓄電装置の提供。
【解決手段】直列に接続された複数の蓄電素子２１と、蓄電素子２１の１つおきの両端に電気的に接続されたコンデンサ２３と、蓄電素子２１の両端に電圧検出線２５で電気的に接続され、蓄電素子２１の電圧（Ｖｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは蓄電素子２１の直列数）を検出する電圧検出回路２７と、電圧検出回路２７に電気的に接続された制御回路４１と、を備え、制御回路４１は、蓄電素子２１の充放電時に、既定期間（Δｔ）における各蓄電素子２１の電圧（Ｖｉ）の変化幅（ΔＶｉ）を求め、変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｓ）以下である蓄電素子２１と、電圧検出回路２７との間の電圧検出線２５が断線していると判断するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電素子に電力を蓄え、必要な時に放電する蓄電装置に関するものである。

近年、制動時に発生する回生エネルギを回生電力として回収することにより、効率を向上したハイブリッド車等の車両が開発されている。このような車両には、前記回生電力を蓄え、制動時以外に放電するための蓄電装置が必要となる。

この蓄電装置は、例えば車両の補機を駆動するために、複数の蓄電素子を直列、または直並列接続して高電圧化している。このような構成とした場合、充放電を繰り返す過程において、各蓄電素子の電圧にバラツキが発生する。その結果、過充電や過放電の蓄電素子が存在することになり、前記蓄電装置の寿命が短くなる可能性がある。そのため、前記蓄電装置においては、前記各蓄電素子の電圧を検出し、監視することが重要である。

このような蓄電素子の電圧検出回路として、例えば特許文献１の構成が提案されている。なお、特許文献１の構成では、前記蓄電素子として組電池を用いている。この組電池の電圧検出回路における回路図を図５に示す。

組電池１０１は前記蓄電素子としての電池モジュール１０３が複数個直列に接続された構成を有する。これらの電池モジュール１０３の両端には電圧検出線１０５を介してアナログ−デジタル変換器１０７が電気的に接続されている。なお、アナログ−デジタル変換器１０７の出力は図示しない演算回路に接続されており、これらから各電池モジュール１０３の電圧を検出することができる。

なお、各電圧検出線１０５には、電圧検出点Ｖ３に接続されるものを除き、それぞれ分圧抵抗１０９が電気的に接続されている。さらに、分圧抵抗１０９とアナログ−デジタル変換器１０７の間には、電圧分岐線１１１が接続されている。この電圧分岐線１１１は分圧抵抗１１３を介してグランドに接続されている。なお、電圧検出点Ｖ３は電圧検出線１０５により直接グランドに接続されているため、電圧分岐線１１１や分圧抵抗１０９、１１３は接続されない。また、図５に示すように、アナログ−デジタル変換器１０７もグランドに接続されているため、電圧検出点Ｖ３とアナログ−デジタル変換器１０７はグランドを介して電気的に接続されている。

ここで、図５に示すように、分圧抵抗１０９は１１０ｋΩ、分圧抵抗１１３は１０ｋΩであるので、両者による分圧比は約０．０８３となる。従って、例えば電圧検出点Ｖ１の電圧は、０．０８３倍されてアナログ−デジタル変換器１０７に入力されることになる。

図５に示すように分圧抵抗１０９、１１３を接続したことで、前記演算回路は電圧検出線１０５の断線を検出することができる。例えば、電圧検出線１０５において、図５の×印で断線が発生したとすると、この電圧検出線１０５は分圧抵抗１０９、１１３を介してグランドに電気的に接続されているので、アナログ−デジタル変換器１０７による電圧検出値（以下、電圧データＶ（ＣＨ１）という）はほぼ０Ｖとなる。従って、断線した電圧検出線１０５が接続されていた電池モジュール１０３の両端電圧は、電圧検出点Ｖ１の電圧データＶ（ＣＨ１）と電圧検出点Ｖ２の電圧データＶ（ＣＨ２）の差、すなわちＶ（ＣＨ１）−Ｖ（ＣＨ２）から求められるので、前者がほぼ０Ｖであれば、前記両端電圧は負になる。通常は電池モジュール１０３の両端電圧が負になることはないので、前記演算回路は電圧検出線１０５が断線したことを判断できる。

特許第３６９６１２４号公報

上記の組電池の電圧検出回路によると、電圧検出線１０５の断線を判断できるので、確かに高信頼性が得られるのであるが、電池モジュール１０３の両端が分圧抵抗１０９、１１３を介して常にグランドに接続されているので、僅かではあるが常に放電されている状態となる。この際、図５の構成のように、蓄電容量の大きい電池モジュール１０３であれば問題とならない放電量であったとしても、蓄電素子として例えば電気二重層キャパシタのように、急速充放電特性に優れ回生電力を効率よく回収できる一方で蓄電容量が小さいものを用いた場合、常時放電により前記蓄電素子の電圧バランスが崩れてしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蓄電素子からの放電による電圧バランスのずれを低減し、かつ断線検出が可能な蓄電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子と、前記蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続されたコンデンサと、前記蓄電素子の両端に電圧検出線で電気的に接続され、前記蓄電素子の電圧（Ｖｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記蓄電素子の直列数）を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路に電気的に接続された制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記蓄電素子の充放電時に、既定期間（Δｔ）における前記各蓄電素子の電圧（Ｖｉ）の変化幅（ΔＶｉ）を求め、前記変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｓ）以下である前記蓄電素子と、前記電圧検出回路との間の前記電圧検出線が断線していると判断するようにしたものである。

また、本発明の蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子と、前記蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサが非接続の前記蓄電素子の両端に電気的に接続された、前記第１コンデンサよりも容量値が大きい第２コンデンサと、前記蓄電素子の両端に電圧検出線で電気的に接続され、前記蓄電素子の電圧（Ｖｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記蓄電素子の直列数）を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路に電気的に接続された制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記蓄電素子の充放電時に、既定期間（Δｔ）における前記各蓄電素子の電圧（Ｖｉ）の変化幅（ΔＶｉ）を求め、前記変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｓ）以下である前記蓄電素子と、前記電圧検出回路との間の前記電圧検出線が断線していると判断するようにしたものである。

本発明の蓄電装置によれば、電圧検出回路と、蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続されたコンデンサのみを用いた回路構成、もしくは電圧検出回路と、蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサが非接続の前記蓄電素子の両端に電気的に接続された第２コンデンサのみを用いた回路構成により断線を判断しているので、蓄電素子からの電荷の持ち出しによる電圧バランスのずれがほとんど発生しない。ゆえに、蓄電素子の電圧バランスを取りつつ断線検出ができるという効果が得られる。

本発明の実施の形態１における蓄電装置のブロック回路図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の断線時の一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図、（ｂ）は等価回路図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の他の部分の断線時における一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図、（ｂ）は等価回路図 本発明の実施の形態２における蓄電装置の断線時の一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図、（ｂ）は等価回路図 従来の電圧検出回路の回路図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは回生機能付きアイドリングストップ車に蓄電装置を適用した場合について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の断線時の一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図を、（ｂ）は等価回路図を、それぞれ示す。図３は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の他の部分の断線時における一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図を、（ｂ）は等価回路図を、それぞれ示す。なお、図１〜図３において、太線は電力系配線を、細線は信号系配線を、それぞれ示す。

図１において、車両に搭載された発電機１１、および主電源１３は、充放電回路１５を介して蓄電装置１７に電気的に接続されている。従って、充放電回路１５は、蓄電装置１７に対し回生電力の充放電を制御する。なお、充放電回路１５には車両の補機である負荷１９にも電気的に接続されている。また、主電源１３は鉛バッテリである。

次に、蓄電装置１７の構成を説明する。前記回生電力を蓄える蓄電素子２１には電気二重層キャパシタが用いられている。この蓄電素子２１は容量値や定格電圧等の電気的特性が規格範囲内で同一のものを複数個用い、電力系配線により直列に接続されている。ここでは、１５個の蓄電素子２１を金属板状のバスバ（図示せず）により直列接続する構成としている。この蓄電素子２１の直列接続体の両端において、正極側は充放電回路１５に、負極側はグランドに、それぞれ接続されている。なお、蓄電素子２１の個数は必要とされる電力仕様に応じて適宜増減すればよい。また、必要な容量値に応じて、直並列接続としてもよい。この場合は、以後の説明において、並列に接続された蓄電素子２１を１つの蓄電素子２１として扱えばよい。

蓄電素子２１の１つおきの両端には、コンデンサ２３が電気的に接続されている。具体的には、図１の構成において、充放電回路１５に直接接続された一番上の蓄電素子２１を１番目、グランドに直接接続された一番下の蓄電素子２１を１５番目と番号を付与した時、偶数番目（２番目、４番目・・・）の蓄電素子２１の両端にコンデンサ２３が接続されていることになる。コンデンサ２３の容量値は蓄電素子２１の容量値よりも小さいもの、例えば６桁以上小さいものを用いている。これにより、コンデンサ２３への充電が瞬時に行われ、後述する断線検出の応答性が向上するとともに、蓄電素子２１からの常時放電がほとんどなくなるため、蓄電素子２１から持ち出される電荷量を最低限にできる。

蓄電素子２１の両端には、それぞれ電圧検出線２５により電圧検出回路２７と電気的に接続されている。具体的には、次のような構成を有する。

上記したように蓄電素子２１は相互に前記バスバで直列接続されているが、前記バスバの一部には蓄電素子２１の電圧を検出するための突起（図示せず）が設けられている。この突起はコンデンサ２３や電圧検出回路２７、後述する制御回路等を実装した回路基板２９に設けた端子穴３０に挿入され、半田付けにより電気的、機械的に接続される構成としている。端子穴３０には銅箔パターン（図示せず）が設けられており、その他端が電圧検出回路２７の入力端子３１に至るように回路基板２９上に配線されている。なお、入力端子３１と前記銅箔パターンの他端も半田付けにより電気的、機械的に接続される。従って、電圧検出線２５は前記突起と前記銅箔パターン、および両者を接続する半田からなる。

このような構成により、コンデンサ２３は前記銅箔パターンと半田付けすることができる。その結果、両者は回路基板２９上に電気的、機械的に接続される。従って、コンデンサ２３が電圧検出回路２７の入力端子３１に接続可能な最も近い位置に設けられるように前記銅箔パターンを形成することが可能となる。このようにコンデンサ２３を配置することで、コンデンサ２３から入力端子３１までの距離をできるだけ短くすることができるので、両者の間の前記銅箔パターン（電圧検出線２５の一部）における断線の可能性を極めて低減することができる。

次に、電圧検出回路２７について説明する。電圧検出回路２７は、図１の隣り合う入力端子３１間の電圧差を求めて出力する構成を有する。すなわち、例えば図１において一番上の入力端子３１と、その下側の入力端子３１は電圧検出回路２７の内部でオペアンプ（図示せず）に接続され、このオペアンプにより前記電圧差を求めている。従って、前記電圧差が蓄電素子２１の両端の電圧Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは蓄電素子２１の直列数で、本実施の形態１ではｎ＝１５）に相当するため、電圧検出回路２７により各蓄電素子２１の電圧Ｖｉを検出することができる。なお、電圧検出回路２７は、後述する制御回路からの制御信号ｃｏｎｔにより、順次電圧Ｖｉを出力する機能を内蔵している。

上記したように、電圧Ｖｉは電圧検出回路２７に内蔵された前記オペアンプにより検出される構成としているので、隣り合う入力端子３１間には前記オペアンプの入力抵抗３３が接続されている構成と等価になる。そこで、図１では隣り合う入力端子３１間に、それぞれ入力抵抗３３が接続されているものとして、以下説明する。なお、蓄電素子２１からの電荷の持ち出しが均等化されるようにするために、電圧検出回路２７は入力抵抗３３の抵抗値が実質的に等しくなるように構成されている。その結果、各蓄電素子２１から電圧検出回路２７への入力電流が実質的に等しくなり、電圧バランスのずれを低減することができる。ここで、実質的に等しいとは、入力抵抗３３の抵抗値の誤差範囲内で等しいという意味であると定義する。

各蓄電素子２１の両端には、バランス回路３５が電気的に接続されている。バランス回路３５は蓄電素子２１の電圧Ｖｉを調整するための回路で、本実施の形態１では図１に示すように、スイッチ３７と抵抗器３９の直列回路で構成される。従って、バランス回路３５のスイッチ３７がオンになると、そのバランス回路３５が接続された蓄電素子２１の両端に抵抗器３９が接続されることになるので、その蓄電素子２１の電圧Ｖｉを下げる方向に調整することができる。このようにして、各蓄電素子２１の電圧Ｖｉのバラツキを低減し、均等化を図ることが可能となる。なお、本実施の形態１ではバランス回路３５を回路基板２９とは別体で設ける構成としているが、これは、回路基板２９上にスイッチ３７や抵抗器３９を実装して一体化してもよい。

電圧検出回路２７とバランス回路３５には制御回路４１が信号系配線で電気的に接続されている。制御回路４１はマイクロコンピュータと周辺回路で構成され、これらの構成部品は全て回路基板２９上の前記銅箔パターンと半田実装されている。制御回路４１は電圧検出回路２７から電圧Ｖｉを読み込むとともに、電圧検出回路２７に対して電圧検出要求等の制御信号ｃｏｎｔを出力する。さらに、各バランス回路３５のスイッチ３７に対して、オンオフ信号ＳＷｉ（ｉ＝１〜ｎ）を出力することにより、バランス回路３５の制御を行う。また、制御回路４１は車両側制御回路（図示せず）とも信号系配線で接続されており、蓄電装置１７の制御や状態等を示す様々なデータ信号ｄａｔａを授受している。

次に、蓄電装置１７の動作について説明する。

まず、通常の車両使用時における蓄電装置１７の動作を述べる。車両が走行状態から制動されると、発電機１１は回生電力を発生する。この回生電力を蓄電装置１７に充電するために、前記車両側制御回路は充放電回路１５を制御する。その結果、蓄電装置１７の各蓄電素子２１に前記回生電力が充電される。この時、制御回路４１は電圧検出回路２７に対して、各蓄電素子２１の電圧Ｖｉを検出するよう制御信号ｃｏｎｔを送信する。これを受け、電圧検出回路２７は制御回路に電圧Ｖｉを出力する。こうして得られた電圧Ｖｉから、制御回路４１は蓄電素子２１の総電圧Ｖｃを求めて前記車両側制御回路にデータ信号ｄａｔａとして出力する。前記車両側制御回路は、総電圧Ｖｃと既設定の満充電電圧（例えば各蓄電素子２１の上限電圧を２Ｖとすると、ｎ＝１５より前記満充電電圧は２Ｖ×１５＝３０Ｖ）とを比較し、総電圧Ｖｃが前記満充電電圧に至れば充電を停止するよう充放電回路１５を制御する。これにより、蓄電素子２１の総電圧Ｖｃが前記満充電電圧に至るまで前記回生電力が蓄電装置１７に充電される。なお、総電圧Ｖｃが前記満充電電圧に至る前に前記回生電力の発生が終了すれば、その時点で蓄電装置１７への充電も終了する。

その後、車両が停止すると、エンジンが停止してアイドリングストップ状態となる。その間、負荷１９が消費する電力は主電源１３から供給されるが、蓄電装置１７が蓄えた回生電力を供給するように充放電回路１５を制御してもよい。

次に、運転者がアクセルを踏み込み、車両を再走行させる操作を行うと、前記車両側制御回路は前記蓄電装置１７に蓄えた回生電力をエンジンに接続されたスタータに供給するよう充放電回路１５を制御する。ここで、前記スタータは図１に明示されていないが、これは負荷１９の一部であってもよいし、発電機１１をスタータとして動作させる構成であってもよい。

以上の動作を繰り返すことにより、蓄電装置１７に蓄えた回生電力を前記エンジンの再始動に利用できるので、高効率で省燃費の車両が実現できる。

次に、蓄電装置１７の電圧検出動作、および各蓄電素子２１の電圧均等化動作について説明する。

まず、制御回路４１は蓄電素子２１の充放電が行われていない時に電圧Ｖｉを検出するように電圧検出回路２７に対して制御信号ｃｏｎｔを送信する。これを受け、電圧検出回路２７は各蓄電素子２１の電圧Ｖｉを順次検出し、制御回路４１に出力する。各蓄電素子２１の電圧Ｖｉの受信を完了すると、制御回路４１は電圧Ｖｉの最小値Ｖｍｉｎを求め、全ての蓄電素子２１の電圧Ｖｉが最小値Ｖｍｉｎになるまでスイッチ３７をオンにするようオンオフ信号ＳＷｉを出力する。なお、最小値Ｖｍｉｎを有する蓄電素子２１に接続されたスイッチ３７は、既に電圧Ｖｉが最小値Ｖｍｉｎと等しいので、オフのままとする。

このような動作により、電圧Ｖｉが最小値Ｖｍｉｎより高い蓄電素子２１の両端には、スイッチ３７がオンであるので、抵抗器３９が接続された状態となる。その結果、蓄電素子２１から抵抗器３９に電流が流れ、電圧Ｖｉが低下していく。

制御回路４１は、スイッチ３７をオンにした後も電圧検出回路２７により各蓄電素子２１の電圧Ｖｉを検出し続け、電圧Ｖｉが最小値Ｖｍｉｎに至れば、その蓄電素子２１に接続されたスイッチ３７をオフにする。このような動作を繰り返すことにより、全蓄電素子２１の電圧Ｖｉを最小値Ｖｍｉｎに均等化することができる。

なお、ここでは電圧Ｖｉを検出し続けて、目標とする電圧（最小値Ｖｍｉｎ）に至るまでスイッチ３７をオンにする制御を行うことで均等化を行っているが、これは次のようにして均等化してもよい。まず、電圧Ｖｉと最小値Ｖｍｉｎとの電圧差に対するスイッチ３７のオン期間の相関関係をあらかじめ求めておく。ここで、前記相関関係は、前記電圧差が大きいほど前記オン期間が長い関係となる。次に、均等化を行う際は、前記電圧差と前記相関関係から前記オン期間を決定し、その間スイッチ３７をオンにし続けるよう制御する。これにより、制御回路４１が電圧Ｖｉを検出し続けなくても均等化が可能となる。

次に、蓄電装置１７における電圧検出線２５の断線検出動作について説明する。なお、前記断線検出動作は制御回路４１により蓄電素子２１の充放電時に適宜実行される。

まず、制御回路４１は、蓄電素子２１が充放電されている時に、電圧検出回路２７に対し、電圧Ｖｉを検出するように制御信号ｃｏｎｔを送信する。これを受け、電圧検出回路２７は制御回路４１に各蓄電素子２１の両端の電圧Ｖｉを順次制御回路４１に出力するので、制御回路４１はそれらの電圧Ｖｉを読み込む。

その後、制御回路４１は既定期間Δｔが経過した後、再び上記の動作により各電圧Ｖｉを電圧検出回路２７から読み込む。ここで、既定期間Δｔは次のようにして決定している。既定期間Δｔをあまり長く設定すると、蓄電素子２１の充放電が既定期間Δｔ内に停止したり充電と放電が逆転した場合に、既定期間Δｔの経過前後における電圧Ｖｉの変化幅ΔＶｉ（既定期間Δｔの経過前における電圧Ｖｉと、経過後における電圧Ｖｉの差の絶対値）が小さくなる。また、既定期間Δｔをあまりに短く設定しても、変化幅ΔＶｉが全般に小さくなる。その結果、後述するように変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｓ以下の蓄電素子２１に接続されている電圧検出線２５が断線していると判断するので、既定期間Δｔが短すぎても長すぎても変化幅ΔＶｉが小さく計算されて、正確な断線判断ができなくなる可能性がある。従って、既定期間Δｔは、充放電が継続し、かつ十分に変化幅ΔＶｉが得られる期間として、あらかじめ蓄電装置１７の充放電特性から決定している。本実施の形態１では既定期間Δｔを０．１秒とした。

制御回路４１は既定期間Δｔの経過前後における電圧Ｖｉの変化幅ΔＶｉを計算した後、各変化幅ΔＶｉと既定値ΔＶｓを比較する。ここで、既定値ΔＶｓは蓄電装置１７の充放電特性に基いて想定される正常な変化幅ΔＶｉの最小値よりも小さい値としてあらかじめ決定されている。従って、変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｓよりも小さければ、蓄電素子２１の充放電に伴う電圧変化が電圧検出回路２７に伝達されておらず、電圧検出線２５が断線していると判断できる。ここで、本実施の形態１では、既定値ΔＶｓとして電圧検出回路２７の検出誤差の最大値を用いている。これは、前記検出誤差の最大値が前記変化幅ΔＶｉの最小値よりも小さい値であったためである。なお、前記検出誤差の最大値はあらかじめ実験的に求めて、制御回路４１に内蔵したメモリに記憶してある。また、既定値ΔＶｓは電圧検出回路２７の検出誤差の最大値に限定されるものではなく、前記検出誤差の最大値にマージンを加味した値として決定してもよいし、想定される変化幅ΔＶｉの最小値に検出誤差やマージンを考慮した値として決定する等、断線が判断できる範囲で適宜決定すればよい。

これらのことから、変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｓより大きい、すなわち、ここでは電圧検出回路２７の検出誤差の最大値より大きい場合は、充放電による蓄電素子２１の電圧Ｖｉにおける変化幅ΔＶｉが正しく得られていることになる。従って、制御回路４１は、その蓄電素子２１の電圧検出線２５が断線していないと判断する。

一方、断線している場合について図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は蓄電素子２１、コンデンサ２３、電圧検出線２５、電圧検出回路２７、およびバランス回路３５の一部拡大図である。図２（ａ）において、蓄電素子２１は１５個の内、充放電回路１５に接続された蓄電素子２１から数えて１１番目と１２番目のものを一例として示している。従って、コンデンサ２３は上記したように偶数番目の蓄電素子２１の両端に接続されているので、図２（ａ）では１２番目の蓄電素子２１の両端に接続されている。

このような蓄電素子２１において、電圧検出線２５の断線が発生する前の両端電圧が、１１番目の蓄電素子２１に対しては電圧Ｖ１１ｂ、１２番目の蓄電素子２１に対しては電圧Ｖ１２ｂであったとする。

この状態で蓄電素子２１が充電されているとすると、電圧Ｖ１１ｂ、Ｖ１２ｂは経時的に上昇する。この時、コンデンサ２３の容量値は上記したように蓄電素子２１の容量値よりも極めて小さいので、コンデンサ２３の両端電圧は電圧Ｖ１２ｂと等しくなる。

この充電中に図２（ａ）の×印で電圧検出線２５が断線したとする。なお、上記したように、電圧検出線２５は前記バスバにおける突起、回路基板２９における前記銅箔パターン、および両者を接続する半田から構成されているので、断線が発生する箇所としては、前記突起と、端子穴３０に形成された前記銅箔パターンとの半田付け部分が確率的に高い。すなわち、蓄電装置１７は車両に搭載されるため、その振動が前記突起の半田付け部分に集中して半田剥離が発生したり、前記突起に半田付けされた銅箔パターン部分の剥離断線が発生しやすい。一方、電圧検出回路２７の入力端子３１やコンデンサ２３は回路基板２９に形成した前記銅箔パターンに半田実装されるので、その部分に振動が集中して断線が発生する確率は小さい。

図２（ａ）の×印で断線が発生した時の等価回路図を図２（ｂ）に示す。コンデンサ２３の両端は、電圧検出回路２７の入力抵抗３３の両端にのみ接続されることになる。ここで、入力抵抗３３の抵抗値とコンデンサ２３の容量値により決まる時定数は、既定期間Δｔに対して十分に大きい値となるように構成しているので、既定期間Δｔの間におけるコンデンサ２３の両端電圧の変動は小さい。従って、断線直後のコンデンサ２３の両端電圧は、断線直前の蓄電素子２１の電圧Ｖ１２ｂを維持することになり、断線後にも引き続き充電されることにより上昇した１２番目の蓄電素子２１の電圧Ｖ１２ａより小さくなる。なお、断線後の１１番目の蓄電素子２１の電圧をＶ１１ａとする。

この状態において、制御回路４１が断線検出動作を行うと、図２（ｂ）に示すように、１１番目の蓄電素子２１の電圧として電圧検出回路２７は電圧Ｖ１１ａ＋Ｖ１２ａを出力し、１２番目の蓄電素子２１の電圧としては、上記したようにコンデンサ２３が断線直前の電圧Ｖ１２ｂを維持しているので、その電圧を出力する。

その後、既定期間Δｔが経過して、再度電圧検出回路２７が電圧Ｖｉを検出すると、１１番目の蓄電素子２１の電圧としては、既定期間Δｔの間に充電されて増加した後の１１番目と１２番目の蓄電素子２１の合計電圧Ｖ１１ａ＋Ｖ１２ａを出力し、１２番目の蓄電素子２１の電圧としては、コンデンサ２３の両端電圧が既定期間Δｔ程度の短期間ではほとんど変化しないので、再び電圧Ｖ１２ｂを出力する。

その後、制御回路４１は変化幅ΔＶｉを計算するのであるが、１１番目の蓄電素子２１の変化幅ΔＶ１１は既定期間Δｔ経過前後の１１番目と１２番目の蓄電素子２１の合計電圧Ｖ１１ａ＋Ｖ１２ａの変化幅となる。この変化幅ΔＶ１１は２つの蓄電素子２１の変化幅の和であるため、断線のない他の蓄電素子２１の変化幅ΔＶｉに比べて大きくなる。特に、本実施の形態１のように、蓄電素子２１として同特性のものを１５個用いた場合、変化幅ΔＶ１１は断線のない他の蓄電素子２１の変化幅ΔＶｉに比べ、およそ２倍となる。

一方、１２番目の蓄電素子２１の電圧としては、電圧検出回路２７にコンデンサ２３の両端電圧が入力され、既定期間Δｔの経過前後で電圧Ｖ１２ｂのまま、ほとんど変化しないため、その変化幅ΔＶ１２はほぼ０Ｖである。

これらのことから、制御回路４１は次のようにして断線を判断する。まず、変化幅ΔＶ１２が既定値ΔＶｓ以下であるので、１２番目の蓄電素子２１と、電圧検出回路２７との間の電圧検出線２５が断線していると判断する。

この結果は制御回路４１から前記車両側制御回路にデータ信号ｄａｔａで送信されるので、前記車両側制御回路は蓄電装置１７の断線故障を運転者に知らせることができ、高信頼性の確保が可能となる。また、このようにして電圧検出線２５の断線を判断することで、従来に比べ断線判断のための蓄電素子２１からの放電を低減することができる。

しかし、この段階では１２番目の蓄電素子２１の両端に接続された２本の電圧検出線２５の内、どちらで断線が発生しているかを区別することができない。

そこで、制御回路４１は変化幅ΔＶ１２が既定値ΔＶｓ以下である１２番目の蓄電素子２１（以下、断線蓄電素子という）の両隣に接続された２つの蓄電素子２１（以下、隣接蓄電素子といい、ここでは１１番目と１３番目の蓄電素子２１に相当する）における各々の変化幅ΔＶ１１、ΔＶ１３を比較する。ここで、１３番目の蓄電素子２１については図２には示していないが、断線が発生していないので正常な変化幅ΔＶ１３が得られている。一方、上記したように変化幅ΔＶ１１は断線のない他の蓄電素子２１の変化幅ΔＶ１３に比べ、およそ２倍の値となっている。これらのことから、１１番目の蓄電素子２１における変化幅ΔＶ１１は既定値ΔＶｓより大きいものの、正常な変化幅ΔＶ１３よりもさらに大きいことになる。従って、前記隣接蓄電素子の変化幅ΔＶ１１、ΔＶ１３の内、大きい値を有する隣接蓄電素子（１１番目の蓄電素子２１）と前記断線蓄電素子（１２番目の蓄電素子２１）の接続点から電圧検出回路２７までに接続された電圧検出線２５が断線していると判断する。これにより、どの電圧検出線２５が断線しているかを区別することができる。この情報を制御回路４１が前記車両側制御回路にデータ信号ｄａｔａで送信することで、単に断線故障を運転者に知らせるだけでなく、どこが断線しているかもわかるので、修理に要する時間やコストを削減することができる。

図２における断線した電圧検出線２５は、コンデンサ２３の高電圧側（１２番目の蓄電素子２１の正極側）であるが、コンデンサ２３の低電圧側（１２番目の蓄電素子２１の負極側）の電圧検出線２５が断線した場合について図３を用いて説明する。電圧検出線２５の断線は、図３（ａ）の×印に示すように、１２番目の蓄電素子２１と１３番目の蓄電素子２１の接続点から電圧検出回路２７に至る経路で発生したとする。この場合は、等価回路が図３（ｂ）に示すように、コンデンサ２３と入力抵抗３３の並列回路に別の入力抵抗３３が直列に接続された回路が、１２番目と１３番目の蓄電素子２１の直列回路の両端に接続された状態となる。従って、図３（ａ）のような断線が発生すると、図２と同様に、コンデンサ２３の両端電圧は断線直前の１２番目の蓄電素子２１の電圧Ｖ１２ｂを維持する。一方、１３番目の蓄電素子２１の両端に接続されていた入力抵抗３３の両端電圧は、断線後における１２番目と１３番目の蓄電素子２１の合計電圧Ｖ１２ａ＋Ｖ１３ａとなる。その結果、１２番目の蓄電素子２１に対しては、既定期間Δｔの経過前後で電圧Ｖ１２ｂのまま、ほとんど変化しないため、その変化幅ΔＶ１２はほぼ０Ｖである。一方、１３番目の蓄電素子２１に対しては、既定期間Δｔの経過前後での変化幅ΔＶ１３が、断線のない他の蓄電素子２１の変化幅ΔＶｉに比べ、およそ２倍となる。ゆえに、変化幅ΔＶ１２が既定値ΔＶｓ以下であるので、１２番目の蓄電素子２１と、電圧検出回路２７との間の電圧検出線２５が断線していると判断でき、さらに断線蓄電素子（ここでは１２番目の蓄電素子２１）の隣接蓄電素子（ここでは１１番目と１３番目の蓄電素子２１）における変化幅ΔＶ１１、ΔＶ１３の内、ΔＶ１３が大きいので、１３番目の蓄電素子２１と１２番目の蓄電素子２１の接続点から電圧検出回路２７までの電圧検出線２５が断線していると特定できる。

これらのことから、図３のようにコンデンサ２３の低電圧側の電圧検出線２５が断線した場合についても、図２と同様にして断線を判断することができる。

なお、１番目の蓄電素子２１における正極側の電圧検出線２５が断線した場合は、入力抵抗３３の一端が電気的に浮いた状態になる。従って、変化幅ΔＶ１がほぼ０となるので、断線を判断できる。同様に、グランド側（１５番目）の蓄電素子２１の負極側の電圧検出線２５が断線した場合も、入力抵抗３３の一端が電気的に浮いた状態となり、変化幅ΔＶ１５がほぼ０となる。従って、グランドに接続される電圧検出線２５の断線も判断できる。

次に、制御回路４１は上記のようにして、いずれかの電圧検出線２５の断線を判断すると、直ちに各スイッチ３７をオフにしてバランス回路３５の動作を停止する。その結果、断線による誤った電圧Ｖｉのままで蓄電素子２１の均等化を行うことにより、かえって電圧Ｖｉがばらついてしまうという可能性を低減することができる。

以上の構成、動作により、断線判断回路として蓄電素子２１の１つおきの両端に電気的に接続されたコンデンサ２３と、各蓄電素子２１に接続される入力抵抗３３の抵抗値を実質的に等しくした電圧検出回路２７を用いることで、蓄電素子２１からの放電による前記電圧バランスのずれを低減しつつ断線検出が可能な蓄電装置１７を実現できる。

なお、本実施の形態１では、回路基板２９上で、入力端子３１に接続可能な最も近い位置にコンデンサ２３を設ける構成としているが、これは次の理由による。

もし、コンデンサ２３から入力端子３１までの間で電圧検出線２５が断線したとすると、断線した電圧検出線２５に接続される２個の蓄電素子２１における両端電圧の合計が、断線前にそれぞれの蓄電素子２１に接続されていた２つの入力抵抗３３における直列回路の両端に印加されることになる。入力抵抗３３の抵抗値はほぼ等しいので、前記２つの入力抵抗３３の接続点（断線した電圧検出線２５が接続されていた部分）の電圧は前記両端電圧の合計の約半分となる。この電圧は、上記したように各蓄電素子２１の特性を揃えているため、電圧検出線２５が断線していない場合と同等の電圧となる。その結果、実際は電圧検出線２５が断線しているのに、電圧Ｖｉが正しい範囲で検出されてしまうため、断線判断を行うことができない。すなわち、本実施の形態１によれば、コンデンサ２３から入力端子３１までの間における断線を検出することができない。ゆえに、前記断線の可能性を低減するために、コンデンサ２３を入力端子３１のできるだけ近くに実装配置している。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の断線時の一部回路図であり、（ａ）はブロック回路図を、（ｂ）は等価回路図を、それぞれ示す。なお、図４において、太線は電力系配線を、細線は信号系配線を、それぞれ示す。

本実施の形態２における構成において、実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態２における特徴となる構成は、図４（ａ）に示すように、蓄電素子２１の１つおきの両端に第１コンデンサ５１を電気的に接続するとともに、第１コンデンサ５１が非接続の蓄電素子２１の両端に第２コンデンサ５３を電気的に接続したことである。ここで、第２コンデンサ５３の容量値は第１コンデンサ５１の容量値よりも大きいものを用いている。具体的には、第２コンデンサ５３は、第１コンデンサ５１の容量値より１桁大きい容量値を有するようにした。なお、第１コンデンサ５１は実施の形態１で述べたコンデンサ２３と同一のものを用いた。従って、第１コンデンサ５１の両端電圧は、第１コンデンサ５１の両端に接続された蓄電素子２１の電圧Ｖｉの変化に応じて極めて高速に追従するが、第２コンデンサ５３の両端電圧は、第２コンデンサ５３の両端に接続された蓄電素子２１の電圧Ｖｉの変化に対し、ゆっくりと追従することになる。

また、実施の形態１と同様に、第１コンデンサ５１と第２コンデンサ５３の容量値は、いずれも蓄電素子２１の１個あたりの容量値よりも極めて小さい値としている。すなわち、実施の形態１で述べたように、コンデンサ２３の容量値は蓄電素子２１の容量値に比べ６桁以上小さくしているので、コンデンサ２３と同一の第１コンデンサ５１の容量値も蓄電素子２１の容量値より６桁以上小さい。一方、第２コンデンサ５３は、第１コンデンサ５１の容量値より１桁大きい容量値を有しているので、蓄電素子２１の容量値と比べると、第２コンデンサ５３は５桁以上小さい容量値を有することになる。

次に、このような蓄電装置１７における特徴となる動作について説明する。

今、図４（ａ）の×印で示す部分が断線したとする。この時、第１コンデンサ５１は容量値が小さいので、その両端電圧は実施の形態１で説明したように、断線直前の蓄電素子２１の両端電圧Ｖ１２ｂとなる。一方、第２コンデンサ５３の容量値は第１コンデンサ５１の容量値よりも１桁大きいので、蓄電素子２１の電圧変化に対する追従が遅い。ゆえに、断線発生時には第２コンデンサ５３が満充電に至っておらず、その両端電圧は図４（ｂ）に示すように、Ｖ１１ａ＋Ｖ１２ａとなる。これは、実施の形態１と同等の挙動となる。従って、実施の形態１に対して第２コンデンサ５３を付加した回路構成としても、実施の形態１と同様にして断線を検出することができる。

また、図４では第１コンデンサ５１が第２コンデンサ５３の下側に配置された場合における断線について説明したが、第１コンデンサ５１と第２コンデンサ５３の位置が逆の状態で断線が発生した場合も、実施の形態１の図３と同様にして検出できる。

なお、このようにして断線を検出するために、本実施の形態２では第２コンデンサ５３の容量値が第１コンデンサ５１の容量値よりも１桁大きくなるように設定しているが、この第２コンデンサ５３の必要な容量値は既定期間Δｔ（本実施の形態２においても実施の形態１と同様に０．１秒とした）によって変わる。すなわち、第２コンデンサ５３の容量値が小さくなると、断線時における第１コンデンサ５１の電圧挙動に近づくため、断線検出の精度が低下する。一方、第２コンデンサ５３の容量値を大きくしすぎると、既定期間Δｔにおける第２コンデンサ５３の両端電圧変化が小さくなり、やはり断線検出の精度が低下する。さらに、蓄電素子２１からの電荷の持ち出しが増え、電圧バランスが崩れる可能性がある。従って、既定期間Δｔに応じて最適な第１コンデンサ５１と第２コンデンサ５３の容量値をそれぞれ決定すればよい。

上記以外の動作は実施の形態１と同じである。

以上の構成、動作により、断線判断回路として蓄電素子２１の１つおきの両端に電気的に接続された第１コンデンサ５１と、第１コンデンサ５１が非接続の蓄電素子２１の両端に電気的に接続された第２コンデンサ５３と、各蓄電素子２１に接続される入力抵抗３３の抵抗値を実質的に等しくした電圧検出回路２７を用いることで、蓄電素子２１からの放電による前記電圧バランスのずれを低減しつつ断線検出が可能な蓄電装置１７を実現できる。

なお、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に第１コンデンサ５１と第２コンデンサ５３を電圧検出回路２７の入力端子３１に接続可能な最も近い位置に設けている。これにより、第１コンデンサ５１や第２コンデンサ５３から入力端子３１までの間における断線可能性を低減することができる。

また、実施の形態１、２では、蓄電素子２１の充電中における断線検出動作について説明したが、これは放電中であってもよい。但し、既定期間Δｔの経過前後で充電と放電が切り替わった場合は、正しい断線判断ができない可能性があるので、制御回路４１は前記断線判断動作を中止する。これらのことから、前記断線検出動作は連続した充電中、もしくは連続した放電中に行う必要がある。なお、充電と放電の切り替わりは、前記車両側制御回路からのデータ信号ｄａｔａで知ることができる。

また、本実施の形態１、２では、入力抵抗３３の抵抗値が実質的に等しくなるように構成しているが、前記抵抗値が十分に大きく各蓄電素子２１から入力抵抗３３への電荷の持ち出し（放電）が無視できる場合は電圧バランスのずれがほとんど発生しないので、前記抵抗値が等しくない構成であってもよい。

また、実施の形態１、２では、同時に複数の電圧検出線２５が断線する可能性が低いため、断線は１ヶ所のみで発生するという前提で断線判断を行っている。

また、実施の形態１、２では、蓄電素子２１に電気二重層キャパシタを用いたが、これは、電気化学キャパシタ等の大容量キャパシタや二次電池であってもよい。

また、実施の形態１、２において、蓄電装置１７をアイドリングストップ車に適用した場合について説明したが、これに限らず、ハイブリッド車や建設機械等のように、複数の蓄電素子を直列に接続する蓄電装置に適用してもよい。

本発明にかかる蓄電装置は、蓄電素子からの放電を低減して断線検出ができるので、複数の蓄電素子を直列に接続する構成を有する蓄電装置等として有用である。

１７ 蓄電装置
２１ 蓄電素子
２３ コンデンサ
２５ 電圧検出線
２７ 電圧検出回路
３１ 入力端子
３５ バランス回路
４１ 制御回路
５１ 第１コンデンサ
５３ 第２コンデンサ

Claims (9)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子と、
   前記蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続されたコンデンサと、
   前記蓄電素子の両端に電圧検出線で電気的に接続され、前記蓄電素子の電圧（Ｖｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記蓄電素子の直列数）を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路に電気的に接続された制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電素子の充放電時に、既定期間（Δｔ）における前記各蓄電素子の電圧（Ｖｉ）の変化幅（ΔＶｉ）を求め、
   前記変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｓ）以下である前記蓄電素子と、前記電圧検出回路との間の前記電圧検出線が断線していると判断するようにした蓄電装置。
2. 前記コンデンサの容量値は、前記蓄電素子の１個あたりの容量値よりも小さい請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記コンデンサは、前記電圧検出回路の入力端子に接続可能な最も近い位置に設けられた請求項１に記載の蓄電装置。
4. 直列に接続された複数の蓄電素子と、
   前記蓄電素子の１つおきの両端に電気的に接続された第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサが非接続の前記蓄電素子の両端に電気的に接続された、前記第１コンデンサよりも容量値が大きい第２コンデンサと、
   前記蓄電素子の両端に電圧検出線で電気的に接続され、前記蓄電素子の電圧（Ｖｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記蓄電素子の直列数）を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路に電気的に接続された制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電素子の充放電時に、既定期間（Δｔ）における前記各蓄電素子の電圧（Ｖｉ）の変化幅（ΔＶｉ）を求め、
   前記変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｓ）以下である前記蓄電素子と、前記電圧検出回路との間の前記電圧検出線が断線していると判断するようにした蓄電装置。
5. 前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量値は、いずれも前記蓄電素子の１個あたりの容量値よりも小さい請求項４に記載の蓄電装置。
6. 前記第１コンデンサと前記第２コンデンサは、前記電圧検出回路の入力端子に接続可能な最も近い位置に設けられた請求項４に記載の蓄電装置。
7. 前記制御回路は、前記変化幅（ΔＶｉ）が前記既定値（ΔＶｓ）以下である断線蓄電素子の両隣に接続された２つの隣接蓄電素子における各々の前記変化幅（ΔＶｉ）の内、大きい値を有する前記隣接蓄電素子と、前記断線蓄電素子との接続点から、前記電圧検出回路までの前記電圧検出線が断線していると判断するようにした請求項１、または４に記載の蓄電装置。
8. 前記蓄電素子の両端と前記制御回路に電気的に接続され、前記電圧（Ｖｉ）の均等化を行うバランス回路をさらに備え、
   前記制御回路は、前記電圧検出線の断線を判断すると、前記バランス回路の動作を停止するようにした請求項１、または４に記載の蓄電装置。
9. 前記各蓄電素子から前記電圧検出回路への入力電流が実質的に等しくなるようにした請求項１、または４に記載の蓄電装置。

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