JP2012090392A - 電池状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各電池セルのセル電圧を全て検出する全セル電圧検出方式を採用したとしても、複数の電池セルを高速かつ精度良く監視することができる電池状態監視装置を提供する。
【解決手段】マイコン７０により、複数の電池セル１１のうち、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の少なくとも２つの電池セル１１を特定し、これらの電池セル１１を重点的に監視する。このように、監視すべき電池セル１１を限定することで、監視対象の電池セル１１を高速に監視することができる。また、監視すべき電池セル１１のセル電圧を検出しているので、セル電圧を精度良く監視することができる。したがって、各電池セル１１を高速かつ精度良く監視することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルの状態を監視する電池状態監視装置に関する。

従来より、リチウムを代表とする電池セルの状態を監視する手段として、コンパレータ方式や全セル電圧検出方式が一般的に知られている。

コンパレータ方式は例えば特許文献１で提案されており、複数直列接続された各電池セルに対してそれぞれコンパレータを設け、各コンパレータにてセル電圧が所定電圧より高い（低い）か否かを判定することで過電圧（低電圧）を検出する方式である。特許文献１では、コンパレータの出力のＯＲ論理を取ることで、いずれかの電池セルに異常が生じた場合には各電池セルと他の機器との接続を切断する方法が提案されている。

また、全セル電圧検出方式は、各電池セルのセル電圧をそれぞれ検出し、検出した各セル電圧そのものに基づいて各電池セルの状態を監視する方式である。全セル電圧検出方式では、各電池セルのセル電圧を１つずつ検出するため、セル電圧の高精度な検出とセル電圧の緻密な管理が可能になっている。

特開平１０−２３６７４号公報

しかしながら、特許文献１のコンパレータ方式では高速で電池セルの異常を常時検出できるが、各コンパレータのＯＲ論理を取っているので、どの電池セルに異常が生じているのかわからないという問題がある。

また、全セル電圧検出方式では、各電池セルのセル電圧を高精度に検出できるのでどの電池セルに異常が生じているのかわかるものの、電池セルの監視のために、毎回、各電池セルのセル電圧を検出することになる。このため、全てのセル電圧を検出するまでに時間が掛かり、セル電圧が所定値を上回るオーバーシュートやセル電圧が所定値を下回るアンダーシュートが発生して電池セルの寿命に影響する等の問題があった。

本発明は上記点に鑑み、全セル電圧検出方式を採用したとしても、複数の電池セルを高速かつ精度良く監視することができる電池状態監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、直列接続された複数の電池セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、複数の電池セルのうち、セル電圧が最も高い電池セルおよびセル電圧が最も低い電池セルを監視する監視手段を備えていることを特徴とする。

このように、監視対象とする電池セルを、セル電圧が最も高い電池セルとセル電圧が最も低い電池セルとの２つに限定しているので、全ての電池セルを常に監視する必要がない。このため、監視すべき電池セルの数が減るので、監視すべき電池セルを高速に監視することができる。また、監視対象となった電池セルのセル電圧を検出する方式であるので、当該電池セルを精度良く監視することができる。したがって、各電池セルを高速かつ精度良く監視することができる。

そして、請求項２に記載の発明のように、複数の電池セルに対してそれぞれ設けられると共に電池セルのセル電圧と所定の閾値とをそれぞれ比較する複数のコンパレータを備えた構成とすることができる。

請求項３に記載の発明では、複数のコンパレータは、複数の電池セルのうち対応する電池セルのセル電圧と所定の閾値とをそれぞれ比較することで、複数の電池セルの中からセル電圧が最も高い電池セルおよびセル電圧が最も低い電池セルを検出することを特徴とする。

このように、複数のコンパレータを用いることで、各電池セルに対して同時にセル電圧の診断を行うことができる。また、各電池セルに対する同時診断が可能であるので、高速に診断を行うことができる。

そして、請求項４に記載の発明のように、所定の閾値は、複数の電池セルの常用使用電圧範囲内に設定されていることが好ましい。このように、所定の閾値を電池セルの常用使用電圧範囲内に設定することで、電池セルのセル電圧が確実に所定の閾値をまたぐ構成とすることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、所定の閾値を２値以上に設定することができる。これによると、所定の閾値をセル電圧の上限値や下限値、または注意喚起が必要な値に設定することができる。

一方、請求項６に記載の発明のように、所定の閾値を１つの値に設定しても良い。これにより、セル電圧が所定の閾値を上回るまたは下回る電池セルを検出するだけの構成とすることができる。このため、電池状態監視装置の構成を簡略化することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の発明の発明において、複数のコンパレータの出力に基づき、複数の電池セルの中からセル電圧が最も高い電池セルもしくはセル電圧が最も低い電池セルを確定した後に、当該確定した電池セルを特定する情報を含むデータを監視手段に出力するセル番号生成回路を備えていることを特徴とする。これにより、セル番号生成回路から監視手段への検出結果の割り込み頻度が低減されるので、監視手段の処理を軽減することができる。

さらに、請求項８に記載の発明のように、監視手段は、複数の電池セルに対して所定量の充電または放電を行った後に、複数の電池セルの監視を開始することもできる。これにより、各電池セルが所定の閾値以上または所定の閾値以下となるので、各電池セルについて確実な診断を行うことができる。

請求項９に記載の発明では、監視手段は、複数の電池セルのうち内部抵抗が最も高い電池セルを監視することを特徴とする。これによると、電池セルのセル電圧が高いかまたは低いかだけではなく、劣化の疑いがある電池セルを特定して監視することができる。

請求項１０に記載の発明では、直列接続された複数の電池セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、複数の電池セルのうち内部抵抗が最も高い電池セルの監視を行う監視手段を備えていることを特徴とする。

このように、セル電圧に基づいて劣化の疑いがある電池セルに限定することで、各電池セルを高速かつ精度良く監視することができる。

本発明の第１実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。 マイコンのセル電池の最大値（Ｖ［ｍａｘ］）および最小値（Ｖ［ｍｉｎ］）の検出内容を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。 図３に示される比較器と電圧変換回路の具体的な構成を示した図である。 第２実施形態において、セル電圧の検出内容を示したフローチャートである。 第２実施形態において、電圧変換回路からマイコンへのＳＩＮ信号の割り込み処理を示したフローチャートである。 （ａ）は本発明の第３実施形態に係るセル番号生成回路の構成図であり、（ｂ）はセル番号生成回路から出力されるＳＩＮ信号の一例を示した図である。 セル番号生成処理の内容を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電池状態監視装置を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。この図に示されるように、電池状態監視システムは、組電池１０と電池状態監視装置２０とを備えて構成されている。

組電池１０は、最小単位である電池セル１１が直列に複数接続されて構成された電池群である。電池セル１１は例えば１２個（Ｖ１〜Ｖ１２）が直列に接続されている。電池セル１１として充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。そして、電池状態監視装置２０は、例えばハイブリッド車等の電気自動車に適用されるものであり、組電池１０はハイブリッド車等の電気自動車に搭載され、インバータやモータ等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等に用いられる。

電池状態監視装置２０は、組電池１０を構成する各電池セル１１の状態をそれぞれ監視する装置である。このような電池状態監視装置２０は、セル選択スイッチ３０、差動増幅回路４０、Ａ／Ｄコンバータ５０（図１のＡＤＣ）、絶縁素子６０、およびマイクロコンピュータ７０（以下、マイコン７０という）を備えている。

セル選択スイッチ３０は、組電池１０の各電池セル１１のうちのいずれかと差動増幅回路４０とを接続するスイッチ群である。このため、セル選択スイッチ３０は、電池セル１１の負極側に接続される複数の負極側スイッチ３１（ＳＷ１＿０〜ＳＷ１２＿０）と、各電池セル１１の正極側に接続される複数の正極側スイッチ３２（ＳＷ１＿１〜ＳＷ１２＿１）と、を備えている。

正極側スイッチ３２の一方の端子と負極側スイッチ３１の一方の端子とが一方の電池セル１１と他方の電池セル１１との接続点に接続されている。最も高電圧側の電池セル１１の正極側には正極側スイッチ３２（ＳＷ１２＿１）が接続され、最も低電圧側の電池セル１１の負極側には負極側スイッチ３１（ＳＷ１＿０）が接続されている。そして、各正極側スイッチ３２の他方の端子および各負極側スイッチ３１の他方の端子が差動増幅回路４０に接続されている。

これら各正極側スイッチ３２および各負極側スイッチ３１のオン／オフ制御はマイコン７０によって行われる。これにより、特定の電池セル１１の電池電圧や、所定の数の電池セル１１で構成されたブロックの電圧が差動増幅回路４０に入力されるようになっている。各正極側スイッチ３２および各負極側スイッチ３１は、例えばトランジスタ等で構成されている。

差動増幅回路４０は、セル選択スイッチ３０で選択された電池セル１１のセル電圧を増幅する回路である。差動増幅回路４０は抵抗４１〜４４とオペアンプ４５とを備えて構成されている。

抵抗４１がセル選択スイッチ３０の各正極側スイッチ３２に接続され、抵抗４２が抵抗４１とグランドとの間に接続されている。これら抵抗４１と抵抗４２との間の接続点がオペアンプ４５の非反転入力端子に接続されている。また、抵抗４３がセル選択スイッチ３０の各負極側スイッチ３１に接続され、抵抗４４が抵抗４３とオペアンプ４５の出力端子との間に接続されている。これら抵抗４３と抵抗４４との間の接続点がオペアンプ４５の反転入力端子に接続されている。そして、オペアンプ４５の出力端子はＡ／Ｄコンバータ５０に接続されている。

Ａ／Ｄコンバータ５０は、マイコン７０の指令に従って、差動増幅回路４０で増幅された電池セル１１のセル電圧を測定する回路である。Ａ／Ｄコンバータ５０は、測定したセル電圧をデジタル信号に変換してマイコン７０に出力する。これにより、マイコン７０は、電池セル１１のセル電圧に基づく処理、例えば電池セル１１の異常状態の検出や異常な電池セル１１の特定をデジタル処理する。

絶縁素子６０は、セル選択スイッチ３０、差動増幅回路４０、Ａ／Ｄコンバータ５０等で構成される高電圧系とマイコン７０等で構成される低電圧系とを絶縁するための素子である。マイコン７０とＡ／Ｄコンバータ５０との信号のやりとりは、この絶縁素子６０を介して行われる。絶縁素子６０として、絶縁機能を備えたフォトリレーやフォトカプラが採用される。

マイコン７０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って各電池セル１１の状態を監視する制御回路である。このようなマイコン７０は、Ａ／Ｄコンバータ５０によって測定された各電池セル１１のセル電圧と図示しない測定回路により測定された組電池１０に流れる電流とを用いて組電池１０の残存容量（State of Charge；ＳＯＣ）を取得する。そして、この残存容量に基づいて図示しない均等化放電回路等により電池セル１１の充電や放電を制御する。

また、マイコン７０は、Ａ／Ｄコンバータ５０で測定した各電池セル１１のセル電圧に基づいて電池セル１１の異常（例えば過充電や過放電）の有無を監視する。本実施形態では、マイコン７０は、複数の電池セル１１のうち、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１を重点的に監視する。すなわち、マイコン７０は、全ての電池セル１１のセル電圧を測定するが、その後はセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１のみを重点的に監視する。言い換えると、マイコン７０は、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１を他の電池セル１１に優先して監視する。

以上が、本実施形態に係る電池状態監視装置２０および電池状態監視システムの構成である。この電池状態監視装置２０は、全ての電池セル１１のセル電圧を測定可能な構成であり、セル電圧の検出方式は全セル電圧検出方式である。

次に、本実施形態に係る電池状態監視装置２０の作動について、図２を参照して説明する。図２は、セル電圧の検出内容を示したフローチャートである。

セル電圧が最も高い電池セル１１（Ｖ［ｍａｘ］）およびセル電圧が最も低い電池セル１１（Ｖ［ｍｉｎ］）の検出は、例えば、（１）車両のＩＧオン起動時、（２）ＩＧオフでの終了時、（３）ＩＧオフ期間中（間欠動作）、（４）ＩＧオン中での所定時間間隔（例えば信号待ち中）、（５）電池電流＜所定値（例えば組電池１０に電流が流れていない）の場合、等のセル電圧が安定しているタイミングで実施される。全ての電池セル１１を常時監視すると処理時間が長くなるため、このような条件に合致した時のみ、全てのセル電圧の測定を実施する。

まず、図２に示されるフローチャート（セル電圧検出フロー）がスタートすると、ステップ１００では、セル電圧が最も高い電池セル１１（Ｖ［ｍａｘ］）およびセル電圧が最も低い電池セル１１（Ｖ［ｍｉｎ］）の検出が完了したか否かが判定される。すなわち、上記のようなセル電圧検出のタイミングで既に全ての電池セル１１のセル電圧が測定されてセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が確定しているかが判定される。

本ステップで既にセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が確定していないと判定されると、ステップ１１０に進む。

ステップ１１０では、電池セル１１のうちＫ番目の電池セル１１のセル電圧が測定される。後述するが、図２に示されるフローチャートがスタートした時点ではＫ＝１に設定されているので、１番目の電池セル１１のセル電圧が測定される。

そして、ステップ１２０では、ステップ１１０で測定された電池セル１１のセル電圧がマイコン７０のデータストアに格納される。

続いて、ステップ１３０では、Ｋ＝Ｋ＋１が演算され、セル電圧の測定対象が次の電池セル１１に設定される。ステップ１１０での測定対象が１番目の電池セル１１であるとすると、本ステップで２番目の電池セル１１が測定対象とされる。

ステップ１４０では、Ｋ＞１４を満たすか否かが判定される。上述のように、組電池１０を構成する電池セル１１の数が１４個であるので、ステップ１３０で演算されたＫが１５となると測定対象となる１５番目の電池セル１１が存在しない。したがって、本ステップでは、全ての電池セル１１のセル電圧を測定したか否かが判定されることとなる。

ステップ１４０においてＫ＞１４を満たさないと判定された場合、すなわち全ての電池セル１１のセル電圧を測定していない場合、ステップ１１０に戻り、ステップ１１０〜１４０が繰り返されることで全ての電池セル１１のセル電圧が測定される。一方、ステップ１４０でＫ＞１４を満たすと判定された場合、ステップ１５０に進む。

ステップ１５０では、ステップ１２０でデータストアに格納された各セル電圧の中からセル電圧が最も高い電池セル１１（Ｖ［ｍａｘ］）およびセル電圧が最も低い電池セル１１（Ｖ［ｍｉｎ］）が確定される。

そして、ステップ１６０では、Ｋ＝１に設定される。これにより、次回、図２に示されるフローチャートがスタートした時点で測定対象が１番目の電池セル１１に設定される。そして、図２に示されるフローチャートは完了する。

また、ステップ１００において、既にセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の検出が完了していると判定された場合、ステップ１７０では、セル電圧が最も高い電池セル１１について、現在のセル電圧が測定される。続いて、ステップ１８０では、セル電圧が最も低い電池セル１１について、現在のセル電圧が測定される。こうして、図２に示されるフローチャートは完了する。

以上のようにして、各電池セル１１の中からセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が把握される。そして、再び図２に示されるフローチャートがスタートした場合はステップ１００で電池セル１１の検出が完了していると判定され、ステップ１７０、１８０で監視対象の電池セル１１のセル電圧が測定される。

そして、マイコン７０は、上記のようにして特定された、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１について、ステップ１７０、１８０で測定されたセル電圧に基づいて異常の有無の監視を行う。

また、車両で電池セル１１が使用されることにより、セル電圧はそれぞれ変動するが、上述の各タイミングでセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の検出が定期的に行われるので、監視対象となる電池セル１１が定期的に変更される。

以上説明したように、本実施形態では、各電池セル１１においてセル電圧が最も高い電池セル１１とセル電圧が最も低い電池セル１１の２つを監視対象とし、これら２つの電池セル１１をマイコン７０にて重点的に監視することが特徴となっている。

このように、複数の電池セル１１の中から、異常が生じると考えられるセル電圧が最も高い電池セル１１とセル電圧が最も低い電池セル１１との２つに限定して監視を行うので、全ての電池セル１１を常に監視しなくても良い。つまり、異常が生じると考えられる電池セル１１を高速に監視することができる。また、監視対象となった電池セル１１のセル電圧をＡ／Ｄコンバータ５０で検出しているので、監視対象となった電池セル１１を精度良く監視することができる。したがって、各電池セル１１の監視を極め細やかでかつ高速に処理することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、マイコン７０が特許請求の範囲の「監視手段」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上記第１実施形態では、全セル電圧検出方式によりセル電圧を検出していたが、本実施形態では全セル電圧検出方式とコンパレータ方式とを併用して電池セル１１を監視する構成となっている。

図３は、本実施形態に係る電池状態監視装置２０を含んだ電池状態監視システムの全体構成図である。図３に示されるように、電池状態監視装置２０は、比較器８０と、セル選択スイッチ３０と、差動増幅回路４０と、Ａ／Ｄコンバータ５０と、電圧変換回路９０と、絶縁素子６０と、マイコン７０と、を備えた構成となっている。

なお、本実施形態では、組電池１０はｎ個の電池セル１１（Ｖ１〜Ｖｎ）で構成されているとする。また、図３に示される構成のうち、セル選択スイッチ３０、差動増幅回路４０、およびＡ／Ｄコンバータ５０は第１実施形態で示されたものと同じである。

比較器８０は、電池セル１１のセル電圧が所定の閾値より大きいか小さいかを判定する比較回路である。図４は、比較器８０と電圧変換回路９０の具体的な回路構成を示した図である。この図に示されるように、比較器８０は、抵抗８１ａ〜８３ａ、抵抗８１ｂ〜８３ｂ、基準電源８１ｃ〜８３ｃ、およびコンパレータ８１ｄ〜８３ｄを電池セル１１毎に備えている。なお、図４では電池セル１１の数を３つとした場合の比較器８０の構成を示している。また、図４では絶縁素子６０を省略している。

抵抗８１ａ〜８３ａおよび抵抗８１ｂ〜８３ｂは、対応する電池セル１１の正極側と負極側との間に直列接続されている。例えば、抵抗８１ａと抵抗８１ｂとの間がコンパレータ８１ｃの入力端子のうちの一方に接続されている。すなわち、コンパレータ８１ｃには抵抗８１ａおよび抵抗８１ｂによる電池セル１１のセル電圧の分圧が印加される。抵抗８２ａ、抵抗８２ｂ、およびコンパレータ８２ｃの接続関係、および、抵抗８３ａ、抵抗８３ｂ、およびコンパレータ８３ｃの接続関係についても同様である。

基準電源８１ｃ〜８３ｃは所定の閾値を発生させるものである。基準電源８１ｃ〜８３ｃは対応するコンパレータ８１ｄ〜８３ｄの入力端子のうちの他方と電池セル１１の負極側との間にそれぞれ接続されている。

本実施形態では、所定の閾値は複数の電池セル１１の常用使用電圧範囲内に設定されている。通常、電池セル１１のセル電圧は常用使用電圧範囲内で変動するので、電池セル１１のセル電圧が確実に所定の閾値をまたぐ構成とすることができる。また、所定の閾値は１つの値に設定されている。これにより、セル電圧が所定の閾値を上回る電池セル１１、またはセル電圧が所定の閾値を下回る電池セル１１を検出する構成となり、電池状態監視装置の構成が簡略化される。

コンパレータ８１ｄ〜８３ｄは対応する電池セル１１のセル電圧と所定の閾値とを比較する比較手段である。実際には、コンパレータ８１ｄ〜８３ｄは、抵抗８１ａ〜８３ａおよび抵抗８１ｂ〜８３ｂの分圧と所定の閾値とを比較している。

例えば、電池セル１１のセル電圧を４Ｖとすると、所定の閾値は３．６Ｖ（＝ＳＯＣ６０％、制御中心）に設定される。そして、各電池セル１１のセル電圧は全て同じではなく、多少の差があるので、セル電圧の上昇時は、所定の閾値を最初に上回った電池セル１１が最もセル電圧が高い電池セル１１と診断され、所定の閾値を最後に上回った電池セル１１が最もセル電圧が低い電池セル１１と診断される。また、セル電圧の下降時は、所定の閾値を最初に下回った電池セル１１が最もセル電圧が低い電池セル１１と診断され、所定の閾値を最後に下回った電池セル１１が最もセル電圧が高い電池セル１１と診断される。

各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄは、対応する電池セル１１のセル電圧が所定の閾値を上回った場合にハイレベルの信号（以下、ハイ信号という）を出力し、電池セル１１のセル電圧が所定の閾値を下回った場合にローレベルの信号（以下、ロー信号という）を出力するように設定されている。各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力は、電圧変換回路９０に入力される。

電圧変換回路９０は、図４に示されるように、複数のスイッチ９１ａ〜９１ｃ（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）と、複数の定電流源９２ａ〜９２ｃ（４Ｉ、２Ｉ、Ｉ）と、複数の抵抗９３ａ〜９３ｃ（Ｒ）と、セル番号生成回路９４と、を備えて構成されている。このうち、スイッチ９１ａ〜９１ｃ、定電流源９２ａ〜９２ｃ、および抵抗９３ａ〜９３ｃは電池セル１１毎に設けられている。

各スイッチ９１ａ〜９１ｃは、各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄに対してそれぞれ設けられ、対応するコンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力に応じてオン／オフするスイッチ手段である。各スイッチ９１ａ〜９１ｃの一方の接点は電池セル１１の正極側にそれぞれ接続され、他方の接点は定電流源９２ａ〜９２ｃにそれぞれ接続されている。そして、例えば、各スイッチ９１ａ〜９１ｃはコンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力がハイ信号の場合にオンし、コンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力がロー信号の場合にオフする。スイッチ９１ａ〜９１ｃとして例えばトランジスタが採用される。

各定電流源９２ａ〜９２ｃは、一定の電流を流すように構成されたものである。定電流源９２ａはスイッチ９１ａの他方の接点に接続され、定電流源９２ｂはスイッチ９１ｂの他方の接点に接続され、定電流源９２ｃはスイッチ９１ｃの他方の接点に接続されている。本実施形態では、定電流源９２ａには４Ｉの電流が流れ、定電流源９２ｂには２Ｉの電流が流れ、定電流源９２ｃにはＩの電流が流れるように設定されている。

各抵抗９３ａ〜９３ｃは、各定電流源９２ａ〜９２ｃと最も低電圧側の電池セル１１の負極側との間にそれぞれ接続されている。各抵抗９３ａ〜９３ｃの抵抗値はそれぞれＲに設定されている。そして、各定電流源９２ａ〜９２ｃと各抵抗９３ａ〜９３ｃとの各接続点（Ｓ１〜Ｓ３）がセル番号生成回路９４にそれぞれ接続されている。これにより、例えばスイッチ９１ａ（ＳＷ１）がオンのとき、定電流源９２ａと抵抗９３ａとの接続点（Ｓ１）が「１」を示す電圧となり、スイッチ９１ａ（ＳＷ１）がオフのとき、定電流源９２ａと抵抗９３ａとの接続点（Ｓ１）が「０」を示す電圧となる。スイッチ９１ｂに係る定電流源９２ｂと抵抗９３ｂとの接続点（Ｓ２）の出力、および、スイッチ９１ｃに係る定電流源９２ｃと抵抗９３ｃとの接続点（Ｓ３）についても同様である。

セル番号生成回路９４は、各スイッチ９１ａ〜９１ｃの状態によって各接続点（Ｓ１〜Ｓ３）から入力された電圧に基づいて、どの電池セル１１が正常でどの電池セル１１が異常であるという情報（セル番号）を含んだデジタルデータを生成する回路である。セル番号生成回路９４で生成されたデジタルデータはＳＩＮ信号としてマイコン７０に出力される。

絶縁素子６０は、比較器８０、セル選択スイッチ３０、差動増幅回路４０、Ａ／Ｄコンバータ５０、電圧変換回路９０等で構成される高電圧系とマイコン７０等で構成される低電圧系とを絶縁するための素子である。本実施形態では、Ａ／Ｄコンバータ５０とマイコン７０とが１つの絶縁素子６０を介して接続され、電圧変換回路９０とマイコン７０とが１つの絶縁素子６０を介して接続されている。絶縁素子６０として、絶縁機能を備えたフォトリレーやフォトカプラが採用される。

マイコン７０は、比較器８０で検出された、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１についての監視を行う。

以上が、本実施形態に係る電池状態監視装置２０および電池状態監視システムの構成である。この電池状態監視装置２０は、全ての電池セル１１のセル電圧を測定可能な全セル電圧検出方式と、各電池セル１１のセル電圧と所定の閾値とをそれぞれ比較するコンパレータ方式とを併用した構成となっている。

次に、本実施形態に係る電池状態監視装置２０の作動について、図５および図６を参照して説明する。図５は、セル電圧の検出内容を示したフローチャートである。また、図６は、電圧変換回路９０からマイコン７０へのＳＩＮ信号の割り込み処理を示したフローチャートである。なお、図５のフローチャートのスタートのタイミングは第１実施形態と同様である。

まず、図５に示されるフローチャート（セル電圧検出フロー）がスタートすると、ステップ２００では、セル電圧が最も高い電池セル１１（Ｖ［ｍａｘ］）およびセル電圧が最も低い電池セル１１（Ｖ［ｍｉｎ］）の検出が完了したか否かが判定される。

本ステップでセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が既に確定していると判定されると、ステップ２１０に進む。

ステップ２１０では、セル電圧が最も高い電池セル１１について、現在のセル電圧が測定される。続いて、ステップ２２０では、セル電圧が最も低い電池セル１１について、現在のセル電圧が測定される。こうして図５に示されるフローチャートは完了する。

また、ステップ２００において、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の検出が完了していないと判定された場合、ステップ２３０、２４０では比較器８０により各電池セル１１のセル電圧（例えばＶ［１］、Ｖ［２］）が診断され、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が検出される。なお、ステップ２３０、２４０は各電池セル１１のうちの２つのステップを示しているが、実際には全ての電池セル１１について診断が行われる。

そして、再び図５に示されるフローチャートがスタートした場合はステップ２００でセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の検出が完了していると判定され、ステップ２１０、２２０で監視対象の電池セル１１のセル電圧がそれぞれ測定される。

マイコン７０は、上記のようにして特定された、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１について、ステップ２１０、２２０で測定されたセル電圧に基づいて異常の有無の監視を行う。セル電圧の測定は常時実施され、マイコン７０は監視対象の電池セル１１の監視を常時行う。

一方、比較器８０では、常時、電池セル１１のセル電圧と所定の閾値とが比較され、その結果が電圧変換回路９０を経てマイコン７０に入力される。すなわち、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１が更新される。このような割り込み処理について図６を参照して説明する。

まず、ステップ３００では、電圧変換回路９０からマイコン７０にＳＩＮ信号が入力されると、このＳＩＮ信号に基づいてセル電圧が最も高い新たな電池セル１１（Ｖ［ｍａｘ］）が検出されたか否かが判定される。

本ステップでＳＩＮ信号にセル電圧が最も高い新たな電池セル１１の情報が含まれていない場合、ステップ３１０に進む。

ステップ３１０では、ステップ３００と同様に、ＳＩＮ信号に基づいてセル電圧が最も低い新たな電池セル１１（Ｖ［ｍｉｎ］）が検出されたか否かが判定される。本ステップでＳＩＮ信号にセル電圧が最も高い新たな電池セル１１の情報が含まれていない場合、図６に示されるフローチャートは再びステップ３００に戻り、比較器８０でセル電圧が最も高い新たな電池セル１１およびセル電圧が最も低い新たな電池セル１１が検出されない限り、ステップ３００、３１０が繰り返される。

一方、ステップ３００でセル電圧が最も高い新たな電池セル１１の情報が含まれていたと判定されるとステップ３２０に進み、その電池セル１１のセル番号がデータストアに格納される。また、ステップ３１０でセル電圧が最も低い新たな電池セル１１の情報が含まれていたと判定されるとステップ３３０に進み、その電池セル１１のセル番号がデータストアに格納される。

このように、割り込み処理にてセル電圧が最も高い電池セル１１と最も低い電池セル１１のセル番号が常時更新される。そして、マイコン７０ではデータストアに格納されたセル番号の電池セル１１についてセル電圧が測定され、異常の有無の監視が行われる。

以上説明したように、本実施形態では全セル電圧検出方式だけでなく、セル電圧の診断にコンパレータ方式を採用しているので、電池セル１１毎に独立してセル電圧の診断が可能であり、各電池セル１１に対して同時にセル電圧の診断を行うことができる。また、各電池セル１１に対する同時診断が可能であるので、高速に診断を行うことができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について説明する。図７（ａ）は、本実施形態に係るセル番号生成回路９４の構成図であり、図７（ｂ）はセル番号生成回路９４から出力されるＳＩＮ信号の一例を示した図である。

本実施形態では、セル番号生成回路９４は、各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力に基づき、各電池セル１１の中からセル電圧が最も高い電池セル１１もしくはセル電圧が最も低い電池セル１１を確定した後に当該確定したセル電圧１１を特定する情報（セル番号情報）を含んだデータをマイコン７０に出力するように構成されている。このため、図７（ａ）に示されるように、セル番号生成回路９４は、今回値バッファ９５、前回値バッファ９６、論理回路９７、および通信処理回路９８を備えている。

今回値バッファ９５はおよび前回値バッファ９６は電圧変換回路９０の各接続点（Ｓ１〜Ｓ３）の情報を一時的に格納する記憶手段である。電圧変換回路９０の各接続点（Ｓ１〜Ｓ３）の最新情報は今回値バッファ９５に格納される。

論理回路９７は、今回値バッファ９５および前回値バッファ９６に格納されたデータに基づいて通信処理を行うか否かを判定するための回路である。通信処理回路９８はいわゆるインターフェースであり、図７（ｂ）に示されるようにスタートビットを含んだ８ビットのセル番号情報のＳＩＮ信号を出力する。

次に、セル番号生成回路９４におけるセル番号生成処理について、図８を参照して説明する。図８は、セル番号生成回路９４におけるセル番号生成処理の内容を示したフローチャートである。

なお、電池セル１１が３つの場合であってセル電圧の電圧上昇時のセル番号生成処理について説明する。また、各接続点（Ｓ１〜Ｓ３）の状態を「（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）」で示す。

まず、ステップ４００では、今回値バッファ９５に格納されているデータが（０００）であるか否かが判定される。すなわち、各電池セル１１のセル電圧のいずれかが所定の閾値を上回ったか否かが判定される。本ステップで、今回値バッファ９５のデータが（０００）の場合、ステップ４１０に進む。

そして、ステップ４１０では、前回値バッファ９６に格納されているデータが（０００）であるか否かが判定される。本ステップで、前回値バッファ９６のデータが（０００）であると判定されると、図８に示されるフローチャートは終了する。この場合、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１に変更はないため、通信処理回路９８からは何も出力されない。

また、ステップ４１０で前回値バッファ９６のデータが（０００）ではないと判定されるとステップ４２０に進む。すなわち、前回値バッファ９６のデータが（０００）ではなく、今回値バッファ９５のデータが（０００）であり、セル電圧が所定の閾値を上回った電池セル１１が無くなったことを意味している。この場合は監視対象の電池セル１１を変更せず、ステップ４２０にて前回値バッファ９６に格納されたデータの送信が確定する。そして、図８に示されるフローチャートは終了し、前回と同じセル番号情報を含んだＳＩＮ信号が通信処理回路９８から出力される。

一方、ステップ４００で今回値バッファ９５のデータが（０００）ではない場合、ステップ４３０では前回値バッファ９６に格納されているデータが（０００）であるか否かが判定される。本ステップで前回値バッファ９６のデータが（０００）ではないと判定されると、いずれかの電池セル１１でセル電圧が所定の閾値を上回った状態が維持されている。この場合、図８に示されるフローチャートは終了し、割り込み頻度を下げるため、通信処理回路９８からは何も出力されない。

また、ステップ４３０で前回値バッファ９６のデータが（０００）の場合、今回値バッファ９５のデータが（０００）ではないことから、いずれかの電池セル１１においてセル電圧が所定の閾値を最初に上回った状態となっている。この場合、ステップ４４０にて今回値バッファ９５に格納されたデータの送信が確定する。そして、図８に示されるフローチャートは終了し、新たな今回異常が検出されたセル番号情報を含んだＳＩＮ信号が通信処理回路９８から出力される。

以上のように、セル電圧の電圧上昇時に１つの電池セル１１の状態が変化したときのみ、つまりステップ４４０を経由した場合のみ、マイコン７０に対してＳＩＮ信号の割り込みを発生させている。その後、２つ目の電池セル１１の状態が変化したとしても、マイコン７０に対してＳＩＮ信号の割り込み頻度が高くならないように、割り込みを発生させていない。これにより、マイコン７０の処理を軽減することができる。

なお、上記ではセル電圧の電圧上昇時について説明したが、セル電圧の電圧下降時についても同様に最初に電池セル１１の状態が変化したときのみ、マイコン７０に対してＳＩＮ信号の割り込みを発生させれば良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第２、第３実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、例えば図３および図４に示される構成において、比較器８０における所定の閾値は２値に設定されている。本実施形態においても所定の閾値は電池セル１１の常用使用電圧範囲内に設定されている。

例えば、電池セル１１のセル電圧を４Ｖとすると、所定の閾値のうちの一方（下限）は３．４Ｖ（＝ＳＯＣ４０％、制御下限）に設定され、他方（上限）は３．８Ｖ（＝ＳＯＣ８０％、制御上限）に設定される。そして、他方の閾値（上限）を最初に上回った電池セル１１が最もセル電圧が高い電池セル１１と診断され、一方の閾値（下限）を最初に下回った電池セル１１が最もセル電圧が低い電池セル１１と診断される。

したがって、各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄは、対応する電池セル１１のセル電圧が他方の閾値（上限）を最初に上回った場合にハイ信号を出力し、電池セル１１のセル電圧が一方の閾値（下限）を最初に下回った場合にロー信号を出力する。各コンパレータ８１ｄ〜８３ｄの出力は電圧変換回路９０に入力される。

以上のように、比較器８０に設定された所定の閾値を電池セル１１の常用使用電圧範囲内に設定し、所定の閾値を２値に設定することで、マイコン７０に対するＳＩＮ信号の割り込み発生頻度が少ないというメリットがある。また、所定の閾値のうちの他方の閾値を制御上限の判定にも使える。すなわち、割り込み発生後フェール処理またはパワーセーブ等のシステム制御の実施が可能である。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。上述のように、図１や図３に示される電池状態監視装置２０の構成において、マイコン７０は組電池１０の残存容量ＳＯＣを取得するために組電池１０を構成する各電池セル１１のセル電圧と組電池１０に流れる電流とを測定している。

そして、本実施形態では、マイコン７０は、各電池セル１１のセル電圧と組電池１０に流れる電流とから各電池セル１１の内部抵抗をそれぞれ取得し、取得した内部抵抗が所定値以上の電池セル１１について異常の有無を監視する。

これにより、セル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１の監視だけではなく、内部抵抗が高くて劣化の疑いがある電池セル１１についても監視することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された電池状態監視装置２０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、組電池１０を構成するすべての電池セル１１に対して１つの比較器８０や電圧変換回路９０が設けられていたが、組電池１０を構成する複数の電池セル１１を所定の数で区分けしたブロック毎に設けても良い。

また、上記各実施形態では、電池状態監視装置２０をハイブリッド車等の電気自動車に適用することについて説明したが、これは電池状態監視装置２０の適用の一例であり、車両に限らず電池セル１１のセル電圧を監視する場合に適用することができる。

上記各実施形態では、所定の閾値は電池セル１１の常用使用電圧範囲内に設定されていたが、これは一例であり、所定の閾値は電池セル１１の常用使用電圧範囲外に設定されていても良い。

上記第４実施形態では、所定の閾値を２値に設定していたが、所定の閾値を２値以上に設定していても良い。これにより、電池セル１１の過充電および過放電の他、注意喚起が必要な電池セル１１を監視することができる。また、マイコン７０は、各電池セル１１に対して所定量の充電または放電を意図的に行った後に、各電池セル１１の監視を開始しても良い。これにより、各電池セル１１が所定の閾値以上または所定の閾値以下となるので、各電池セル１１について確実な診断が可能となる。

上記第５実施形態では、各電池セル１１のセル電圧と所定の閾値との比較によってセル電圧が最も高い電池セル１１およびセル電圧が最も低い電池セル１１の２つの電池セル１１の監視と、内部抵抗が所定値以上の電池セル１１の監視と、の両方の監視を行っていた。しかし、マイコン７０は、内部抵抗が所定値以上の電池セル１１の監視のみを行っても良い。

１０ 組電池
１１ 電池セル
２０ 電池状態監視装置
３０ セル選択スイッチ
４０ 差動増幅回路
５０ Ａ／Ｄコンバータ
７０ マイコン（監視手段）
８０ 比較器
８１ｄ〜８３ｄ コンパレータ
９０ 電圧変換回路
９４ セル番号生成回路

Claims (10)

1. 直列接続された複数の電池セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて前記複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、
   前記複数の電池セルのうち、セル電圧が最も高い電池セルおよびセル電圧が最も低い電池セルを監視する監視手段を備えていることを特徴とする電池状態監視装置。
2. 前記複数の電池セルに対してそれぞれ設けられると共に前記電池セルのセル電圧と所定の閾値とをそれぞれ比較する複数のコンパレータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電池状態監視装置。
3. 前記複数のコンパレータは、前記複数の電池セルのうち対応する電池セルのセル電圧と所定の閾値とをそれぞれ比較することで、前記複数の電池セルの中からセル電圧が最も高い電池セルおよびセル電圧が最も低い電池セルを検出することを特徴とする請求項２に記載の電池状態監視装置。
4. 前記所定の閾値は、前記複数の電池セルの常用使用電圧範囲内に設定されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電池状態監視装置。
5. 前記所定の閾値は、２値以上に設定されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電池状態監視装置。
6. 前記所定の閾値は、１つの値に設定されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電池状態監視装置。
7. 前記複数のコンパレータの出力に基づき、前記複数の電池セルの中からセル電圧が最も高い電池セルもしくはセル電圧が最も低い電池セルを確定した後に、当該確定した電池セルを特定する情報を含むデータを前記監視手段に出力するセル番号生成回路を備えていることを特徴とする請求項６に記載の電池状態監視装置。
8. 前記監視手段は、前記複数の電池セルに対して所定量の充電または放電を行った後に、前記複数の電池セルの監視を開始することを特徴とする請求項６または７に記載の電池状態監視装置。
9. 前記監視手段は、前記複数の電池セルのうち内部抵抗が最も高い電池セルを監視することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の電池状態監視装置。
10. 直列接続された複数の電池セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて前記複数の電池セルの状態をそれぞれ監視する電池状態監視装置であって、
    前記複数の電池セルのうち内部抵抗が最も高い電池セルの監視を行う監視手段を備えていることを特徴とする電池状態監視装置。

Images