JP5326973B2 - 電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池監視装置に関する。

従来より、複数の電池が直列接続された組電池の各電池の過充電検出や過放電検出の閾値が自発変化したことを検出する故障診断機能を備えた組電池制御装置が、例えば特許文献１で提案されている。この特許文献１では、組電池の電圧を検出し、当該電圧と閾値とをそれぞれ比較する構成が提案されている。

具体的には、閾値を当該閾値の本来の値から１段階だけ切り替えるスイッチが備えられている。そして、組電池制御装置は、故障診断の際にスイッチを切り替えて閾値を１段階だけ相対変化させ、閾値を強制変更したにもかかわらず閾値と電池の電圧との大小関係が逆転しないときには、閾値の自発変化が大きいと判定する。このようにして、組電池制御装置の故障を検出できるようになっている。

また、組電池制御装置には、組電池を構成する各電池の電圧ばらつきを低減するための放電回路が電池ごとに設けられている。各放電回路は各電池に対してそれぞれ並列に接続され、各電池の正極側から負極側に電流を流す電流経路としての役割を果たす。

特開２００３−９２８４０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、放電回路が故障している場合、電池から電流が放電回路に適切に流されないので、当該電池の電圧ばらつきは改善されない。また、故障診断は閾値の自発変化は検出することは出来ても、前記放電回路の故障は診断することができなかった。

本発明は上記点に鑑み、閾値と電池セルのセル電圧と比較することにより故障診断を行うに際し、放電回路の異常を検出することができる電池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状態を監視する電池監視装置であって、
電池セルの両端のセル電圧を複数の電池セル毎にそれぞれ入力し、セル電圧と閾値とをそれぞれ比較してその比較結果をそれぞれ出力する監視手段と、
複数の電池セルそれぞれの正極側と監視手段との間にそれぞれ接続された複数の診断用抵抗と、
監視手段の比較結果に基づいて複数の電池セルそれぞれの状態を判定する一方、複数の電池セル毎に監視手段の閾値を複数段階に相対変化させてセル電圧と比較させると共に当該比較結果に基づいて監視手段の異常を検出する故障診断を行う判定手段と、
判定手段の指令に従ってオンした場合に電池セルから診断用抵抗を介して流れる電流を電池セルの負極側に流す電池セル放電手段と、を備え、
監視手段は、各電池セルに対して、第１監視回路と、この第１監視回路と同じ回路構成の第２監視回路とを備え、これら第１監視回路および第２監視回路のそれぞれにて、セル電圧と閾値との比較が行われるようになっており、
判定手段は、第１監視回路および第２監視回路に対して閾値を複数段階に相対変化させてセル電圧と比較させ、第１監視回路の比較結果と第２監視回路の比較結果とが異なるとき監視手段の異常を検出するようになっており、
さらに、判定手段は、第１監視回路および第２監視回路の両方あるいはいずれか一方において、故障診断の際に電池セル放電手段をオンしたときのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とが比較された比較結果と、診断用抵抗に電流が流れたときに診断用抵抗の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定してこのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とを比較した推定結果と、が異なるとき、電池セル放電手段の異常を検出することを特徴とする。

これによると、判定手段が故障診断の際に電池セル放電手段をオンさせて診断用抵抗に電流を流すことにより診断用抵抗の両端に生じたであろうドロップ電圧が降下したセル電圧が監視手段に入力されるので、電池セル放電手段が故障していたときには診断用抵抗に電流が流れずにセル電圧からドロップ電圧分が降下しないこととなる。このため、セル電圧と閾値とを比較したときに、セル電圧と閾値との大小関係が反転するタイミングがずれるので、監視手段の比較結果と判定手段の推定結果とが異なる。したがって、電池セル放電手段の異常を検出することができる。

請求項２に記載の発明では、直列接続された複数の電池セルの両端のブロック電圧を検出して判定手段に出力するブロック電圧検出手段を備え、
判定手段は、ブロック電圧から電池セルのセル電圧を推定し、このセル電圧を用いて診断用抵抗に電流が流れたときに診断用抵抗の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定することを特徴とする。

これによると、各電池セルのセル電圧は一定範囲内に揃っているため、電池セルごとにセル電圧を測定しなくても良いようにすることができる。
ブロック電圧からセル電圧を高精度に推定することができる。

請求項３に記載の発明では、電池セル放電手段は、電池セルのセル電圧が一定範囲を超えたときに電池セルから診断用抵抗を介して流れる電流を電池セルの負極側に流すことにより、セル電圧を一定範囲内に調節する均等化放電回路であることを特徴とする。

これによると、診断用抵抗に電流を流す電池セル放電手段と均等化放電回路との回路を共用することができる。

請求項４に記載の発明のように、監視手段は、電池セルのセル電圧を分圧するための複数の抵抗と複数のスイッチとを有し、
判定手段は、複数のスイッチのオン状態またはオフ状態を切り替えて電池セルの電圧を複数の抵抗により分圧することにより、閾値を複数段階に相対変化させる構成とすることができる。

本実施形態に係る電池監視装置を含んだ電池監視システムの全体構成図である。 １個の電池セルに対する監視回路の回路構成を示した図である。 （ａ）は監視回路の異常として閾値の特性ずれが無いとき、（ｂ）は監視回路の異常として閾値の特性ずれがあるときの第１比較器および第２比較器の入出力のタイミングチャートである。 （ａ）は均等化放電回路が故障していないとき、（ｂ）は均等化放電回路が故障しているときの第１比較器および第２比較器の入出力のタイミングチャートである。

以下、本発明の一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監視装置を含んだ電池監視システムの全体構成図である。図１に示されるように、電池監視システムは、電池セル１０と電池監視装置２０とを備えて構成されている。

電池セル１０は、一定の電圧を発生させることができる電圧源であり、いわゆる単セルである。この電池セル１０は、例えば、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。電池セル１０としては、例えば、充電可能な二次電池が採用される。本実施形態では、電池セル１０としてリチウムイオン二次電池を用いる。

また、電池セル１０は複数が直列接続されたことによりブロック１１が構成されている。このブロック１１は、複数の電池セル１０を所定数毎に分割する単位である。本実施形態では６個の電池セル１０が直列接続されてブロック１１が構成されている。つまり、ブロック１１は複数の電池セル１０がモジュール化されたものである。図１ではブロック１１は１つだけが示されているが、実際にはブロック１１が複数設定されると共にブロック１１が直列に複数組み合わされることにより１つの組電池が構成されている。

電池監視装置２０は、電池セル１０の状態として過充電および過放電を監視する過充放電検出機能と、これら過充放電検出の閾値の特性ずれ等の故障を診断するための故障診断機能と、を有する装置である。これら過充電や過放電の状態は、電池セル１０においては異常の状態である。

過充放電検出機能は、電池セル１０の電圧と閾値とを比較することにより電池セル１０の電圧の監視を行う機能である。電池セル１０が二次電池の場合、電池監視装置２０は電池セル１０の電圧が過充電を検出する閾値と過放電を検出する閾値との間にあるかを監視することとなる。

また、故障診断機能は、過充放電を検出するための閾値が何らかの原因（例えば回路の故障等）で変化したことを検出する機能である。すなわち、故障診断機能は、過充放電検出用の閾値の異常の有無を診断するための故障検出用の閾値を用いて、過充放電検出機能を実現する各部の異常（故障、外乱等）を検出する機能である。

このような電池監視装置２０は、複数の診断用抵抗３０と、均等化放電回路４０と、監視回路５０と、ブロック電圧検出部６０と、マイクロコンピュータ７０（以下、マイコン７０という）と、を備えている。

複数の診断用抵抗３０は、各電池セル１０それぞれの正極側と監視回路５０との間にそれぞれ接続された抵抗器である。各診断用抵抗３０は例えば１Ω〜１００Ωの既知の値を有し、この抵抗値はマイコン７０に記憶されている。

均等化放電回路４０は、電池セル１０のセル電圧が一定範囲を超えたときに電池セル１０から診断用抵抗３０を介して流れる電流を電池セルの負極側に流すことにより、セル電圧を一定範囲内に調節する回路である。この均等化放電回路４０は、電池セル１０の正極側から負極側に電流を流す電流経路としての役割を果たす放電回路を電池セル１０ごとに備えている。

放電回路は、抵抗４１とスイッチ４２とを備えている。抵抗４１は、診断用抵抗３０と監視回路５０との分岐点に接続され、この抵抗４１にスイッチ４２が直列接続されている。また、スイッチ４２は電池セル１０の負極側に接続されている。したがって、スイッチ４２がオンすると、電池セル１０の正極側から電流が診断用抵抗３０、抵抗４１、およびスイッチ４２を介して電池セル１０の負極側に流れる。これにより、電池セル１０のセル電圧が下げられ、セル電圧が一定範囲内に含まれるように調節される。

スイッチ４２は、セル電圧を一定範囲内に調節するべく自発的にオンするように構成されている。また、スイッチ４２は、故障診断の際に、マイコン７０からの指令によりオン／オフ制御される。

なお、「マイコン７０からの指令により」というのは、マイコン７０がスイッチ４２を直接制御する場合や、マイコン７０が監視回路５０に指令を出し、監視回路５０がスイッチ４２を制御する場合のいずれをも含む意味である。

監視回路５０は、電池セル１０の両端のセル電圧を電池セル１０毎にそれぞれ入力してセル電圧と閾値とそれぞれ比較し、その比較結果をそれぞれ出力するように構成された回路である。この監視回路５０はブロック１１毎に設けられている。また、監視回路５０として、例えばＩＣが用いられる。

図２は、１個の電池セル１０に対する監視回路５０の回路構成を示した図である。この監視回路５０は、第１監視回路８０と第２監視回路９０とを備え、これら第１監視回路８０および第２監視回路９０により二重系の回路が構成されたものである。すなわち、第１監視回路８０および第２監視回路９０は、同じ回路構成になっている。

第１監視回路８０は、閾値と電池セル１０のセル電圧とを比較してその比較結果を出力するものであり、第１切替部８１、第１バンドギャップ部８２、第１比較器８３、およびトランジスタ８４を備えている。

第１切替部８１は、電池セル１０のセル電圧から閾値に相当する閾値電圧を生成するものである。このため、第１切替部８１は、電池セル１０の正電圧に電気的に接続された第１配線５１と、電池セル１０の負電圧に電気的に接続された第２配線５２との間に接続されている。

このような第１切替部８１は、閾値である閾値電圧を生成するべく、複数の抵抗８５と複数のスイッチ８６とを備えて構成されている。複数の抵抗８５は第１配線５１と第２配線５２との間に直列に接続され、電池セル１０のセル電圧を分圧するために用いられる。

また、スイッチ８６は、例えば抵抗素子やトランジスタ等により構成された経路切替回路である。そして、各スイッチ８６は各抵抗８５の接続点にそれぞれ接続されると共に、各スイッチ８６が並列接続されている。各スイッチ８６が並列接続された接続点は第１比較器８３の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。

本実施形態では、１１個の抵抗８５が直列に接続され、１０個のスイッチ８６が各抵抗８５の接続点にそれぞれ接続されている。各抵抗８５のうちもっとも第２配線５２側に位置する抵抗８５は、過充電検出を行うための可変抵抗である。一方、各抵抗８５のうちもっとも第１配線５１側に位置する抵抗８５は過放電検出を行うための抵抗である。

そして、各スイッチ８６のうちのいずれか１つがオンされることにより、各抵抗８５によって電池セル１０のセル電圧が分圧され、この分圧が閾値電圧として第１比較器８３の非反転入力端子に入力される。したがって、各スイッチ８６のうちもっとも第１配線５１側のスイッチ８６がオンされると、第１配線５１に接続された１つの抵抗８５と第２配線５２に接続された１０個の抵抗８５との分圧が過放電検出閾値つまり閾値電圧として第１比較器８３に入力される。各スイッチ８６はマイコン７０によりオン／オフ制御される。

このように、各スイッチ８６が切り替えられることにより、過充電検出閾値、第１閾値〜第８閾値、過放電検出閾値の各閾値のいずれかに相当する電池セル１０の分圧が閾値電圧として第１切替部８１から第１比較器８３に出力される。

これら過充電検出閾値、第１閾値〜第８閾値、過放電検出閾値の各閾値は、電池セル１０の電圧の範囲内に設定されている。電池セル１０としてリチウムイオン電池が用いられる場合には、過充電検出閾値は例えば４．３Ｖであり、過放電検出閾値は例えば２．０Ｖに設定される。したがって、過充電検出閾値と過放電検出閾値との間の第１閾値〜第８閾値は電池セル１０の使用電圧範囲に設定され、例えば２．０Ｖと４．３Ｖとの間にそれぞれ設定される。

また、第１閾値〜第８閾値の各閾値は、マイコン７０が閾値の特性ずれ等の監視回路５０の異常を検出する故障診断を行うために用いられる。これら第１閾値〜第８閾値の各閾値は、一定値で複数段階に相対変化するように設定されている。例えば、一定値を０．１Ｖとすると、第１閾値と第２閾値との差が０．１Ｖ、第２閾値と第３閾値との差が０．１Ｖ、となるように各閾値が設定されている。言い換えると、各閾値が一定の値で段階的に変化するように、各抵抗８５の抵抗値が決められている。本実施形態では、故障診断の際に、もっとも大きい第１閾値からもっとも小さい第８閾値まで段階的に切り替えられる。

このように、第１閾値〜第８閾値は、電池セル１０で使用される電圧の範囲内で段階的に切り替えられる。このように各閾値を設定することにより、電池セル１０の電圧の最小値から最大値（例えば０Ｖ〜５Ｖ）までの全範囲に対して閾値を段階的に切り替えなくて済む。また、閾値を１段階だけ切り替える場合よりも閾値を細かく分割しているので、第１監視回路８０の故障の検出精度が向上する。

第１バンドギャップ部８２は、一定の第１基準電圧を発生させる電圧源である。この第１バンドギャップ部８２は、第１比較器８３の反転入力端子（−端子）と第２配線５２との間に接続されている。

第１比較器８３は、第１切替部８１から閾値電圧を入力すると共に第１バンドギャップ部８２から第１基準電圧を入力し、これらの比較結果を出力端子から第１出力としてマイコン７０に出力する比較回路である。このような第１比較器８３としてはコンパレータを用いることができる。

上述のように、第１比較器８３の反転入力端子に第１基準電圧が入力され、非反転入力端子に閾値電圧が入力される。したがって、閾値電圧が第１基準電圧よりも大きいときには第１出力はハイレベルの信号となり、閾値電圧が第１基準電圧よりも小さいときには第１出力はローレベルの信号となる。

トランジスタ８４は、電池セル１０が使用されていない状態で第１配線５１と第２配線５２とを繋ぐ各抵抗８５に暗電流が流れること防止するための暗電流遮断手段である。これにより、電池セル１０が使用されていないときには暗電流により電池セル１０が消費されることを防止できるようになっている。このトランジスタ８４は、マイコン７０により制御される。

第２監視回路９０は、第１監視回路８０と共に二重系の回路を構成するものである。第２監視回路９０の回路構成は、第１監視回路８０の回路構成と同じである。すなわち、第２監視回路９０は、閾値と電池セル１０のセル電圧とを比較してその比較結果を出力するものであり、第２切替部９１、第２バンドギャップ部９２、第２比較器９３、およびトランジスタ９４を備えている。

第２切替部９１は、第１切替部８１と同様に、電池セル１０のセル電圧から閾値に相当する閾値電圧を生成するものであり、第１配線５１と第２配線５２との間に接続されている。第２切替部９１は、第１切替部８１と同じ構成であり、複数の抵抗９５と複数のスイッチ９６とを備えて構成されている。

これら複数の抵抗９５および複数のスイッチ９６の接続形態は、上記の各抵抗８５および各スイッチ８６の接続形態と同じである。そして、各スイッチ９６が並列接続された接続点は第２比較器９３の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。スイッチ９６の構成は、第１切替部８１のスイッチ８６と同じ構成になっている。

また、第２切替部９１における過充電検出閾値、第１閾値〜第８閾値、過放電検出閾値の各閾値は、第１切替部８１の各閾値と同じ値に設定されている。そして、各スイッチ９６が切り替えられることにより、過充電検出閾値、第１閾値〜第８閾値、過放電検出閾値の各閾値のいずれかに相当する分圧が閾値電圧として第２切替部９１から第２比較器９３に出力される。

第２バンドギャップ部９２は、第１バンドギャップ部８２と同様に、一定の第２基準電圧を発生させる電圧源である。第２バンドギャップ部９２で生成される第２基準電圧は、第１バンドギャップ部８２で生成される第１基準電圧と同じ値の電圧である。このような第２バンドギャップ部９２は、第２比較器９３の反転入力端子（−端子）と第２配線５２との間に接続されている。

第２比較器９３は、第２切替部９１から閾値電圧を入力すると共に第２バンドギャップ部９２から第２基準電圧を入力し、これらの比較結果を出力端子から第２出力として出力するものである。このような第２比較器９３として、第１比較器８３と同様にコンパレータが用いられる。

また、第２比較器９３の反転入力端子に第２バンドギャップ部９２から第２基準電圧が入力され、非反転入力端子に第２切替部９１から閾値電圧が入力される。そして、閾値電圧が第２基準電圧よりも大きいときには第２出力はハイレベルの信号となり、閾値電圧が第２基準電圧よりも小さいときには第２出力はローレベルの信号となる。

トランジスタ９４は、第１監視回路８０のトランジスタ８４と同様に、電池セル１０が使用されていない状態で各抵抗８５に流れる暗電流を遮断するための暗電流遮断手段である。トランジスタ９４は、マイコン７０により制御される。

以上のように、第１監視回路８０および第２監視回路９０は同じ構成になっている。なお、図２に示される第１監視回路８０および第２監視回路９０の構成は１つの電池セル１０に対する構成である。したがって、実際には各電池セル１０に対して図２に示される各監視回路８０、９０が監視回路５０にそれぞれ設けられている。

図１に示されるブロック電圧検出部６０は、ブロック１１の両端の電圧、すなわち６個の電池セル１０が直列接続されたブロック電圧を検出するものである。このため、ブロック電圧検出部６０はブロック１１のうち最も高電圧側に位置する電池セル１０の正極側と、最も低電圧側に位置する電池の負極側とに接続されている。ブロック電圧検出部６０で検出されたブロック電圧はマイコン７０に出力される。

マイコン７０は、監視回路５０の比較結果に基づいて複数の電池セル１０それぞれの状態を判定する監視機能や、複数の電池セル１０毎に監視回路５０の閾値を複数段階に相対変化させてセル電圧と比較させると共に当該比較結果に基づいて監視回路５０や均等化放電回路４０の異常を検出する故障診断機能を備えたものである。このようなマイコン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電池セル１０の状態の監視や監視回路５０の故障診断を行う。なお、ＲＯＭには監視回路５０の閾値情報も記憶されている。

マイコン７０は、電池セル１０の状態の監視や監視回路５０・均等化放電回路４０の故障診断を行う際、第１監視回路８０における第１切替部８１の各スイッチ８６のオン／オフおよび第２監視回路９０における第２切替部９１の各スイッチ９６のオン／オフを切り替える。これにより、第１切替部８１および第２切替部９１から出力される閾値電圧を切り替える。すなわち、マイコン７０は、各スイッチ８６、９６のオン状態またはオフ状態を切り替えて電池セル１０の電圧を各抵抗８５、９５によりそれぞれ分圧することにより、閾値を複数段階にそれぞれ相対変化させる。

そして、電池セル１０の監視の際には、マイコン７０は、第１切替部８１および第２切替部９１それぞれが過充電検出閾値または過放電検出閾値に相当する閾値電圧を出力するように、第１切替部８１および第２切替部９１それぞれに対してスイッチ８６およびスイッチ９６を切り替える。そして、第１監視回路８０および第２監視回路９０から入力した第１出力および第２出力により、電池セル１０の過放電または過充電の監視を行う。

一方、故障診断の際には、マイコン７０は各スイッチ８６、９６のオン／オフを切り替えることにより、第１監視回路８０および第２監視回路９０に対して閾値を第１閾値から第８閾値まで複数段階に切り替えてセル電圧と比較させる。そして、第１監視回路８０の比較結果（第１出力）と第２監視回路９０の比較結果（第２出力）とが異なるとき、監視回路５０に異常が生じていることを検出する。「監視回路５０に異常が生じている」とは、第１監視回路８０や第２監視回路９０の構成要素に故障が生じたことを意味している。

さらに、マイコン７０は、故障診断の際に、均等化放電回路４０のスイッチ４２をオンして電池セル１０の放電を行い、均等化放電回路４０をオンさせたときのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とが比較された比較結果を監視回路５０から取得する。なお、「均等化放電回路４０をオンさせる」とは、上述のように均等化放電回路４０のスイッチ４２をオンすることである。

また、マイコン７０は、均等化放電回路４０をオンしたことにより診断用抵抗３０に電流が流れたときに診断用抵抗３０の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定し、この推定したセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とを比較した推定結果を取得する。そして、この推定結果と監視回路５０の比較結果とが異なるとき、均等化放電回路４０の異常を検出する。

以上が本実施形態に係る電池監視装置２０および電池監視システムの全体構成である。なお、上述のように、実際には複数のブロック１１が直列接続され、複数の監視回路５０がブロック１１毎に接続されている。そして、各監視回路５０が共通のマイコン７０に電気的に接続されている。図１ではそのうちの１つのブロック１１および１つの監視回路５０が示されている。

次に、電池監視装置２０の監視の作動すなわち過充放電検出の作動について説明する。電池監視装置２０における監視の作動や過充放電検出の作動は、例えば、電池監視装置２０の電源がオンされたときやオフされたとき、電池監視装置２０が外部からの指令を受けたとき等に開始される。

電池監視装置２０の過充放電検出機能には、過充電検出モードと過放電検出モードとがある。まず、過充電検出について説明する。電池監視装置２０において、過充電検出モードが開始されると、マイコン７０により第１監視回路８０の第１切替部８１および第２監視回路９０の第２切替部９１から過充電検出閾値に相当する閾値電圧が出力されるように各スイッチ８６、９６が切り替えられる。

そして、各比較器８３、９３で過充電検出閾値に相当する閾値電圧と第１、第２基準電圧との大小関係が比較され、その結果が各比較器８３、９３からマイコン７０にそれぞれ入力される。マイコン７０では、各比較器８３、９３の各出力がハイレベルかまたはローレベルかにより、電池セル１０の電圧が過充電になっているか否かが検出される。

一方、電池監視装置２０において、過放電検出モードが開始されると、マイコン７０により各切替部８１、９１から過放電検出閾値に相当する閾値電圧が出力されるように各スイッチ８６、９６が切り替えられる。そして、各比較器８３、９３で過放電検出閾値に相当する閾値電圧と第１、第２基準電圧とが比較され、その結果が各比較器８３、９３からマイコン７０にそれぞれ入力される。マイコン７０では、各比較器８３、９３の出力がハイレベルかまたはローレベルかにより、電池セル１０の電圧が過放電になっているか否かが判定される。

なお、上記では、各監視回路８０、９０の出力に基づいて過充放電検出が行われているが、各監視回路８０、９０のうちのいずれか一方の出力のみに基づいて過放電検出が行われても良い。

次に、電池監視装置２０の故障診断の作動について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は監視回路５０の異常として閾値の特性ずれが無いとき、図３（ｂ）は監視回路５０の異常として閾値の特性ずれがあるときの第１比較器８３および第２比較器９３の入出力のタイミングチャートである。

なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示される上下のタイミングチャートのうち、上段のタイミングチャートの縦軸は第１比較器８３または第２比較器９３の反転入力端子の電圧（−端子電圧）と非反転入力端子の電圧（＋端子電圧）をそれぞれ示している。また、下段のタイミングチャートの縦軸は第１比較器８３の第１出力または第２比較器９３の第２出力の各出力電圧をそれぞれ示している。上下の各タイミングチャートの横軸は、第１閾値から第８閾値までの各閾値の切り替え段階をそれぞれ示している。

電池監視装置２０において、故障診断モードが開始されると、マイコン７０により、第１切替部８１の各スイッチ８６が切り替えられて電池セル１０のセル電圧が分圧され、第１切替部８１から第１閾値に相当する閾値電圧が出力される。同様に、第２切替部９１の各スイッチ９６が切り替えられて電池セル１０のセル電圧が分圧され、第２切替部９１から第１閾値に相当する閾値電圧が出力される。言い換えると、第１切替部８１および第２切替部９１は、第１基準電圧および第２基準電圧を複数段階にそれぞれ相対変化させていると言える。

そして、第１比較器８３では、第１バンドギャップ部８２から入力された第１基準電圧と第１切替部８１から入力された第１閾値に相当する閾値電圧とが比較され、その比較結果が第１出力としてマイコン７０に出力される。同様に、第２比較器９３では、第２バンドギャップ部９２から入力された第２基準電圧と第２切替部９１から入力された第１閾値に相当する閾値電圧とが比較され、その比較結果が第２出力としてマイコン７０に出力される。

この場合、閾値電圧が第１、第２基準電圧よりも大きいときには第１出力および第２出力はそれぞれハイレベルの信号となり、閾値電圧が第１、第２基準電圧よりも小さいときには第１出力および第２出力はそれぞれローレベルの信号となる。

マイコン７０では、第１監視回路８０から入力された第１出力と第２監視回路９０から入力された第２出力とが比較される。この後、上記と同様に、マイコン７０により各監視回路８０、９０の閾値が第２閾値から第８閾値まで切り替えられる。そして、閾値毎に第１監視回路８０の第１出力および第２監視回路９０の第２出力がそれぞれマイコン７０に入力され、比較される。

そして、第１監視回路８０および第２監視回路９０において閾値の特性ずれ等の故障が無いときには、各切替部８１、９１の入出力は図３（ａ）のように示される。

上述のように、第１切替部８１と第２切替部９１との各構成はまったく同じであり、第１バンドギャップ部８２と第２バンドギャップ部９２とで生成される第１、第２基準電圧はまったく同じ電圧である。したがって、第１監視回路８０および第２監視回路９０において閾値の特性ずれ等の故障が無いときには、第１比較器８３に入力される閾値電圧および第１基準電圧は図３（ａ）に示される波形となり、この波形は第２比較器９３に入力される閾値電圧および第２基準電圧と同じである。

マイコン７０が第１切替部８１および第２切替部９１の出力を第１閾値から順に閾値の値が大きくなるように閾値を段階的に切り替えていったとき、例えば、第１閾値から第５閾値まではこれら各閾値に相当する閾値電圧が第１、第２基準電圧よりも大きいという大小関係であれば第１比較器８３の第１出力および第２比較器９３の第２出力は同じハイレベルの出力電圧となる。つまり、第１比較器８３および第２比較器９３の各比較結果は同じハイレベルの出力電圧となる。

そして、第６閾値の切り替え段階で当該第６閾値に相当する閾値電圧と第１、第２基準電圧との大小関係が反転して閾値電圧が第１、第２基準電圧よりも小さいという大小関係となると、第１比較器８３の第１出力および第２比較器９３の第２出力は同じローレベルの出力電圧となる。つまり、第５閾値から第６閾値への切り替えタイミングが各比較器８３、９３の各出力の反転タイミングとなり、各比較器８３、９３の各比較結果は同じローレベルの出力電圧となる。

このように、第１監視回路８０および第２監視回路９０において閾値の特性ずれ等の故障が無いときには、第１比較器８３および第２比較器９３の入出力は図３（ａ）に示されるようにまったく同じ結果となる。したがって、マイコン７０では、第１閾値から第８閾値までの第１監視回路８０および第２監視回路９０の比較結果は同じであると判定され、この判定により第１監視回路８０および第２監視回路９０に異常がないことが検出される。

一方、第１監視回路８０および第２監視回路９０において閾値の特性ずれ等の故障があるときには、各切替部８１、９１の入出力は同じにはならない。閾値の特性ずれ等の故障は、例えば、第１バンドギャップ部８２や第２バンドギャップ部９２の特性変化、各抵抗８５、９５の抵抗値の変動等が原因で起こる。

ここで、例えば、第１監視回路８０では閾値の特性ずれが発生し、第２監視回路９０では閾値の特性ずれは発生しない場合を例に説明する。また、第１監視回路８０における閾値の特性ずれは、第１切替部８１の出力が一定値だけ大きくシフトする特性ずれであるとする。すなわち、図３（ｂ）に示されるように、第１監視回路８０における第１比較器８３の非反転入力端子の電圧（＋端子電圧）は第２比較器９３の非反転入力端子の電圧よりも一定値だけ大きくなっている。

そして、マイコン７０が第１切替部８１および第２切替部９１の出力を第１閾値から順に切り替えていったとき、閾値の特性ずれがない第２監視回路９０では、例えば、第１閾値から第５閾値まではこれら各閾値に相当する閾値電圧が第２基準電圧よりも大きいという大小関係であれば上記と同様に第１比較器８３の第１出力および第２比較器９３の第２出力は同じハイレベルの出力電圧となる。つまり、第１閾値から第５閾値までは第１比較器８３および第２比較器９３の各比較結果は同じハイレベルの出力電圧となる。

しかしながら、マイコン７０が第１切替部８１および第２切替部９１の出力を第６閾値に切り替えたとき、閾値の特性ずれがない第２監視回路９０では、閾値電圧と第２基準電圧との大小関係が反転する一方、閾値の特性ずれがある第１監視回路８０では、閾値電圧と第１基準電圧との大小関係は反転しない。このため、第２比較器９３の第２出力はローレベルの出力電圧となり、第１比較器８３の第１出力はハイレベルの出力電圧が維持される。つまり、第５閾値から第６閾値への切り替えタイミングが第２監視回路９０における出力の反転タイミングとなる。

続いて、マイコン７０が各切替部８１、９１の出力を第７閾値に切り替えたときも同様に、第２比較器９３の第２出力はローレベルの出力電圧が維持され、第１比較器８３の第１出力はハイレベルの出力電圧が維持される。つまり、第６閾値および第７閾値では第１比較器８３および第２比較器９３の各比較結果は異なる結果となる。

この後、マイコン７０が各切替部８１、９１の出力を第８閾値に切り替えたとき、閾値の特性ずれがある第１監視回路８０では、閾値電圧と第１基準電圧との大小関係が反転する。このため、第１比較器８３の第１出力はローレベルの出力電圧が維持される。第２比較器９３の第２出力は、第６閾値に切り替えられたときからローレベルの出力電圧が維持されている。つまり、第７閾値から第８閾値への切り替えタイミングが第１監視回路８０における出力の反転タイミングとなる。

このように、第１監視回路８０において閾値の特性ずれ等の故障があるときには、第１比較器８３および第２比較器９３の入出力は図３（ｂ）に示されるように第６閾値および第７閾値で各比較器８３、９３の比較結果が異なる。したがって、マイコン７０は、第１閾値から第８閾値までの第１監視回路８０および第２監視回路９０の比較結果は異なると判定し、この判定により第１監視回路８０および第２監視回路９０に異常があることを検出する。すなわち、マイコン７０は、第１出力と第２出力との反転タイミングの違いで閾値の特性ずれを検出している。このようにして、閾値の特性ずれ等の故障が検出される。

マイコン７０は、上記のような故障診断を複数の電池セル１０毎に順番に行う。

次に、故障診断中に均等化放電回路４０の異常を検出する作動について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は均等化放電回路４０が故障していないとき、図４（ｂ）は均等化放電回路４０が故障しているときの第１比較器８３および第２比較器９３の入出力のタイミングチャートである。

この場合、まず、マイコン７０はブロック電圧検出部６０からブロック電圧を入力する。そして、マイコン７０は、ブロック電圧から電池セル１０のセル電圧を推定し、このセル電圧を用いて診断用抵抗３０に電流が流れたときに診断用抵抗３０の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定する。

この「推定されたセル電圧」は、均等化放電回路４０をオンさせて診断用抵抗３０に電流を流すことにより診断用抵抗３０の両端に生じたであろうドロップ電圧が降下したセル電圧に相当する。

そして、マイコン７０は、推定したセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とを比較する。これにより、例えば、均等化放電回路４０が正常に作動していれば、閾値が第５閾値から第６閾値に切り替わるタイミングで各比較器８３、９３の出力が反転する、という推定結果が得られる。

続いて、マイコン７０は、故障診断の対象となっている電池セル１０に係るスイッチ４２をオンし、電池セル１０の放電を行い、診断用抵抗３０に放電電流を流す。これにより、電池セル１０のセル電圧は、均等化放電回路４０が故障していなければ診断用抵抗３０のドロップ電圧分だけ電圧が下がり、均等化放電回路４０が故障していれば診断用抵抗３０のドロップ電圧分の電圧は下がらない。したがって、均等化放電回路４０の異常の有無によりセル電圧の大きさに差が生じる。

そして、監視回路８０、９０により、均等化放電回路４０がオンしたときのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とが比較され、その比較結果がマイコン７０に入力される。

この後、マイコン７０は、ブロック電圧から推定した推定結果と監視回路８０、９０の比較結果とを比較する。そして、図４（ａ）に示されるように、監視回路８０、９０の比較結果が、第５閾値から第６閾値に切り替わるタイミングで各比較器８３、９３の出力が反転する結果である場合、監視回路８０、９０の比較結果とマイコン７０の推定結果とが一致する。つまり、均等化放電回路４０に異常は生じていない。したがって、マイコン７０は、「均等化放電回路４０は正常である」と判定する。

一方、図４（ｂ）に示されるように、監視回路８０、９０の比較結果が、第３閾値から第４閾値に切り替わるタイミングで各比較器８３、９３の出力が反転する結果である場合、監視回路８０、９０の比較結果とマイコンの推定結果とが異なる。つまり、均等化放電回路４０に放電量が大きいという異常が生じている。したがって、マイコン７０は均等化放電回路４０は異常であると判定する。

なお、監視回路８０、９０の各比較結果のうちいずれか一方の比較結果のみを採用しても良いし、両方の比較結果を採用しても良い。

また、均等化放電回路４０の異常としては、放電回路を構成する抵抗４１やスイッチ４２の故障や、放電回路における電流経路の配線抵抗が増大する故障等が考えられる。これらの故障により、均等化放電回路４０をオンすれば電池セル１０から本来流れるはずの放電電流が流れないために診断用抵抗３０のドロップ電圧がセル電圧から降下しない。このため、マイコン７０にてブロック電圧から推定された出力の反転タイミングと監視回路８０、９０の各比較器８３、９３の反転タイミングとがずれるので、マイコン７０の推定結果と監視回路５０の比較結果とが異なる。したがって、均等化放電回路４０の異常を検出することができる。

マイコン７０は、故障診断中に上記のような均等化放電回路４０の故障診断を複数の電池セル１０毎に順番に行う。

以上説明したように、本実施形態では、監視回路５０の故障診断中に均等化放電回路４０をオンさせたときのセル電圧と閾値とを比較し、その比較結果とマイコン７０の推定結果とを比較することが特徴となっている。

このように、故障診断の際に、均等化放電回路４０をオンさせているので、均等化放電回路４０が故障していなければ診断用抵抗３０に放電電流が流れてセル電圧がドロップ電圧分だけ降下し、均等化放電回路４０が故障していれば診断用抵抗３０に放電電流は流れずに（または流れにくくなり）セル電圧がドロップ電圧分だけ降下しない。これにより、均等化放電回路４０の異常に応じて監視回路５０に入力されるセル電圧に差を生じさせることができる。このため、セル電圧と閾値とを比較したときに、セル電圧と閾値との大小関係が反転するタイミングがずれるので、このタイミングのずれを検出することにより、均等化放電回路４０の異常を検出することができる。

均等化放電回路４０の異常として、抵抗４１やスイッチ４２の故障や放電回路の配線抵抗の増大を検出することができる。また、均等化放電回路４０に放電電流が流れないので、電池セル１０と均等化放電回路４０との間の配線抵抗の増大や診断用抵抗３０にも異常が生じていると判定することもできる。

また、本実施形態では、ブロック電圧検出部６０にてブロック電圧を検出していることが特徴となっている。これにより、監視回路５０により電池セル１０ごとにセル電圧をそれぞれ測定しなくても良いようにすることができる。また、上述のように、均等化放電回路４０は自発的に各電池セル１０のセル電圧が一定範囲内となるように作動するため、各電池セル１０のセル電圧は一定範囲内に揃っている。このため、ブロック電圧検出部６０にて検出したブロック電圧からセル電圧を高精度に推定することができる。

さらに、本実施形態では、故障診断中に診断用抵抗３０に放電電流を流す手段として、均等化放電回路４０を用いることが特徴となっている。これにより、診断用抵抗３０に電流を流す回路と均等化放電回路４０とを共用することができる。このため、診断用抵抗３０に電流を流すための回路を別途用意する必要はない。

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、均等化放電回路４０が特許請求の範囲の「電池セル放電手段」に対応し、監視回路５０が特許請求の範囲の「監視手段」に対応する。また、ブロック電圧検出部６０が特許請求の範囲の「ブロック電圧検出手段」に対応し、マイコン７０が特許請求の範囲の「判定手段」に対応する。

（他の実施形態）
上記実施形態では、電池監視装置２０は電池セル１０として二次電池の過充放電を検出していたが、過充放電の両方の監視を行わなくても良く、過充電もしくは過放電のいずれか一方を監視するだけでも良い。

さらに、上記実施形態では、電池セル１０としてリチウムイオン二次電池を例に説明したが、他の二次電池を採用しても良い。また、この二次電池はハイブリッド車等の電気自動車に搭載される車載バッテリに適用することができる。

上記実施形態では、各切替部８１、９１は、閾値の特性ずれ等の故障診断を行うための閾値を第１閾値〜第８閾値の８段階に切り替えるように構成されていたが、この切り替え段数は一例である。

上記実施形態では、過放電検出閾値は第１閾値よりも大きく、過充電検出閾値は第８閾値よりも小さい値であったが、これらの各検出閾値の値は一例である。例えば、過放電検出閾値は第２閾値と第３閾値との間の値であっても良いし、過充電検出閾値は第６閾値と第７閾値との間の値であっても良い。

上記実施形態で示された監視回路５０の回路構成は一例を示すものであり、他の回路構成でも構わない。例えば、上記実施形態では、監視回路５０に２つの監視回路８０、９０を設けて二重系回路を構成していたが、１つの監視回路で電池セル１０のセル電圧の監視や監視回路の故障診断を行うようにしても良い。

上記実施形態で示された均等化放電回路４０における放電回路の構成は一例であり、他の回路構成を採用しても良い。

上記実施形態では、故障診断の際に電池セル１０から電流を流させる手段として均等化放電回路４０を用いていたが、電流を流させるための回路を別途設けても良い。

１０ 電池セル
３０ 診断用抵抗
４０ 均等化放電回路（電池セル放電手段）
５０ 監視回路（監視手段）
６０ ブロック電圧検出部（ブロック電圧検出手段）
７０ マイコン（判定手段）
８５、９５ 抵抗
８６、９６ スイッチ

Claims (4)

1. 直列接続された複数の電池セルの状態を監視する電池監視装置であって、
   前記電池セルの両端のセル電圧を前記複数の電池セル毎にそれぞれ入力し、前記セル電圧と閾値とをそれぞれ比較してその比較結果をそれぞれ出力する監視手段と、
   前記複数の電池セルそれぞれの正極側と前記監視手段との間にそれぞれ接続された複数の診断用抵抗と、
   前記監視手段の比較結果に基づいて前記複数の電池セルそれぞれの状態を判定する一方、前記複数の電池セル毎に前記監視手段の前記閾値を複数段階に相対変化させて前記セル電圧と比較させると共に当該比較結果に基づいて前記監視手段の異常を検出する故障診断を行う判定手段と、
   前記判定手段の指令に従ってオンした場合に前記電池セルから前記診断用抵抗を介して流れる電流を前記電池セルの負極側に流す電池セル放電手段と、を備え、
   前記監視手段は、各電池セルに対して、第１監視回路と、この第１監視回路と同じ回路構成の第２監視回路とを備え、これら第１監視回路および第２監視回路のそれぞれにて、前記セル電圧と前記閾値との比較が行われるようになっており、
   前記判定手段は、前記第１監視回路および前記第２監視回路に対して前記閾値を複数段階に相対変化させて前記セル電圧と比較させ、前記第１監視回路の比較結果と前記第２監視回路の比較結果とが異なるとき前記監視手段の異常を検出するようになっており、
   さらに、前記判定手段は、前記第１監視回路および第２監視回路の両方あるいはいずれか一方において、前記故障診断の際に前記電池セル放電手段をオンしたときのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とが比較された比較結果と、前記診断用抵抗に電流が流れたときに前記診断用抵抗の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定してこのセル電圧と複数段階に相対変化させた閾値とを比較した推定結果と、が異なるとき、前記電池セル放電手段の異常を検出することを特徴とする電池監視装置。
2. 前記直列接続された複数の電池セルの両端のブロック電圧を検出して前記判定手段に出力するブロック電圧検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記ブロック電圧から前記電池セルのセル電圧を推定し、このセル電圧を用いて前記診断用抵抗に電流が流れたときに前記診断用抵抗の両端に生じるドロップ電圧が降下したセル電圧を推定することを特徴とする請求項１に記載の電池監視装置。
3. 前記電池セル放電手段は、前記電池セルのセル電圧が一定範囲を超えたときに前記電池セルから前記診断用抵抗を介して流れる電流を前記電池セルの負極側に流すことにより、前記セル電圧を一定範囲内に調節する均等化放電回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池監視装置。
4. 前記監視手段は、前記電池セルのセル電圧を分圧するための複数の抵抗と複数のスイッチとを有し、
   前記判定手段は、前記複数のスイッチのオン状態またはオフ状態を切り替えて前記電池セルの電圧を前記複数の抵抗により分圧することにより、前記閾値を複数段階に相対変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電池監視装置。
   

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