JP5051264B2 - 電池電圧監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数直列接続された電池セルのセル電圧を均等化する機能を備えた電池電圧監視装置に関する。

従来より、複数直列接続されてバッテリを構成する各蓄電素子の端子電圧を均等化する電圧均等化装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、電圧均等化装置として、一方がスイッチを介してバッテリの負極に接続されて他方がバッテリの正極に接続された一次巻線と、各蓄電素子に対応した複数の二次巻線と、鉄心を利用したエネルギー蓄積部と、を有するトランスを備えた構成が提案されている。

この電圧均等化装置では、スイッチがオンされることでトランスの一次巻線に一次電流が流れ、バッテリの電荷がエネルギー蓄積部に引き抜かれる。また、スイッチがオフされることで、エネルギー蓄積部に蓄えられた電荷が二次巻線を介して各蓄電素子に振り分けられる。すなわち、トランスの一次巻線が共通とされている蓄電素子の範囲内で電荷移動が可能となり、隣の蓄電素子もしくは端の蓄電素子から端の蓄電素子に電荷を移動させることで各蓄電素子の均等化が可能になっている。そして、スイッチのオン／オフが繰り返されることにより、各蓄電素子の端子電圧が均等化されるようになっている。

特開２００７−１２４０７号公報

しかしながら、電気自動車（ＥＶ）のように多数個直列接続されたセル間では前記回路規模が大きくなる問題があった。また、回路規模を小さくするため、多数個直列接続されたセルを幾つかのグループに分けて低電圧化することで小型化が可能であるが、その場合、グループ間での電荷移動においては、スイッチの切り替えによるエネルギーロスや熱変換のロス（損失）等が複数回発生し、スイッチを切り替えて電荷移動を行うため、スイッチの切り替えによるエネルギーロスや熱変換のロス（損失）等が発生し、電荷移動の効率が下がってしまうという問題がある。このため、所定数の蓄電素子の範囲を越えて電荷を移動させる場合、すなわち遠く離れた蓄電素子に電荷を移動させる場合、スイッチの切り替えを何度も行う必要があるので、スイッチを切り替える度にロスが発生し、電荷を効率的に移動させることができない。

なお、上記ではトランス方式の電圧均等化装置について説明したが、チャージポンプ方式やフライバック方式で各蓄電素子の端子電圧の均等化を行う場合にも同様の問題が生じる。チャージポンプ方式の場合、所定数の蓄電素子の範囲内での電荷移動により各蓄電素子の端子電圧が均等化されるが、所定数の蓄電素子の範囲を越えて電荷移動させる場合にはスイッチの切り替えが何度も必要となるので、トランス方式と同様に電荷移動の効率が下がってしまう。また、フライバック方式の場合では、隣の蓄電素子に電荷を移動させて均等化を図る方式であるため、端の蓄電素子から端の蓄電素子に電荷を移動させようとすると、スイッチの切り替えの度に生じるロスによって電荷が端の蓄電素子に到達する前に消えてしまう。

本発明は上記点に鑑み、複数直列接続された電池セルにおいて、１個の電池セルから離れた電池セルに対して回路規模の増大を抑えかつ電荷を効率良く移動させることができる電池電圧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、複数の電池セルのうちの１個の特定の電池セルから少なくとも２個以上隣の特定の電池セルにのみ、１個の特定の電池セルと２個以上隣の特定の電池セルとの間の電池セルを介さずに、電荷を直接移動させる電荷移動手段を備えていることを特徴とする。

これによると、隣の電池セルを介さずに電荷移動手段を介して少なくとも２個離れた電池セルに電荷を直接移動させるので、隣の電池セルを次々と介するときの電荷移動のロスは生じない。すなわち、２個以上隣の電池セルに対して隣の電池セルを介して電荷を移動させると２回以上の電荷移動が必要となるが、電荷移動手段を用いると１回の電荷移動で済む。また、電荷移動手段を追加するだけであるので、回路規模の増大を抑えることができる。したがって、１個の電池セルから２個以上隣の電池セルに対して電荷を効率良く移動させることができ、かつ、回路規模の増大を抑えることができる。

また、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が所定数毎にグループ化された複数のブロックが構成されている。また、１個の電池セルは複数のブロックの一方を構成し、２個以上隣の電池セルは複数のブロックの他方を構成している。

そして、電荷移動手段は、一方のブロックを構成する１個の特定の電池セルの電荷を他方のブロックを構成する２個以上隣の特定の電池セルに直接移動させ、一方のブロックと他方のブロックの間に他のブロックが介在する場合には、その介在する他のブロックを介さずに、一方のブロックを構成する１個の特定の電池セルの電荷を他方のブロックを構成する２個以上隣の特定の電池セルに直接移動させることを特徴とする。

これによると、隣同士の電池セルを介さずに、一方のブロックから他方のブロックに電荷を直接移動させることができる。このため、ブロックという所定数の電池セルの範囲を越えて電荷を効率良く移動させることができる。

請求項２に記載の発明では、ブロック毎に設けられ、同じブロック内において隣同士の電池セル間で電荷を移動させることができる均等化手段を備えている。また、均等化手段および電荷移動手段をそれぞれ動作させて電荷を移動させることにより複数の電池セルのセル電圧を均等化する制御手段を備えている。

そして、制御手段は、複数の電池セルのセル電圧に基づいて、電荷移動の回数が最も少なくなるように均等化手段および電荷移動手段を動作させることを特徴とする。

これによると、電荷移動の回数に伴う均等化手段および電荷移動手段の放熱ロスが最小限に抑えられるので、最も効率良く電荷を移動させることができる。

請求項３に記載の発明では、電荷移動手段は、電荷を移動させる状態と電荷を移動させない状態とを切り替える切替手段を備えていることを特徴とする。

これによると、電荷移動手段は常に電荷を移動させるのではなく、切替手段を切り替えることで電荷を効率良く移動させることができる。

請求項４に記載の発明では、電荷移動手段は、複数の電池セルのうちの１個の特定の電池セルから５個以上隣の特定の電池セルに、１個の特定の電池セルと５個以上隣の特定の電池セルとの間の電池セルを介さずに、電荷を直接移動させることを特徴とする。

これにより、５個以上隣の電池セルに対して１回の電荷移動の効率で電荷を移動させることができる。すなわち、１個隣の電池セルに対しては１回の電荷移動を行うことになり、例えば９０％の効率で電荷が移動して１０％のロスが発生するが、５個隣の電池セルに対しては９０％の効率の電荷移動を５回行わなければならず、５９％の効率でしか電荷を移動できない。しかしながら、電荷移動手段により５個以上離れた電池セルに対して１回の９０％の効率で電荷移動できるので、効率良く電荷移動を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。 電池電圧監視装置の動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。 本発明の第３実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。 本発明の第４実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。

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電圧監視装置を含んだ電池電圧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、電池電圧監視システムは、組電池１０と電池電圧監視装置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ており、所定数の電池セル１１毎（例えば４個）にグループ化されたブロック１２の直列接続体である。電池セル１１は例えば１００個を超える数が直列に接続され、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、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。つまり、電池電圧監視装置２０は、ハイブリッド車等の電気自動車に適用される。なお、図１では複数のブロック１２のうちの２つのブロック１２のみを示している。

電池電圧監視装置２０は、例えば、組電池１０の残存容量検出機能、二次電池である電池セル１１の過充電および過放電を検出する過充放電検出機能等を有する装置である。

組電池１０の残存容量検出機能は、組電池１０全体の残存容量（State of Charge；ＳＯＣ）を検出する機能である。残存容量は、組電池１０の電圧や組電池１０に流れる電流から求められる。一方、過充放電検出機能は、電池セル１１のセル電圧と所定の閾値とを比較することにより電池セル１１のセル電圧の監視を行う機能である。電池セル１１が二次電池の場合、電池電圧監視装置２０は電池セル１１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つまり所定範囲にあるかを監視することとなる。

このような各機能を実現するため、電池電圧監視装置２０は、複数の監視ＩＣ３０と、電荷移動回路４０と、マイクロコンピュータ５０（以下、マイコン５０という）と、を備えている。

監視ＩＣ３０は、マイコン５０の指令に従って、各電池セル１１のセル電圧の検出、電池セル１１に流れる電流の検出、各電池セル１１のセル電圧の均等化等を行う回路であり、複数のブロック１２にそれぞれ対応して設けられている。

そして、監視ＩＣ３０は各電池セル１１を監視するため、電池セル１１の両極に接続された配線を介して各電池セル１１に接続されている。この場合、各電池セル１１はそれぞれ直列接続されているので、ブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側と最も低電圧側の電池セル１１の負極側とにそれぞれ接続された配線以外の配線については、一方の電池セル１１の負極側に接続される配線と他方の電池セル１１の正極側に接続される配線とが共通化されて１本の配線とされている。

監視ＩＣ３０に内蔵されたセル電圧を検出するセル電圧検出回路は、各電池セル１１毎に設けられている。すなわち、セル電圧検出回路は、各電池セル１１に接続された各配線の間にそれぞれ設けられている。このセル電圧検出回路は、例えばコンパレータや差動増幅、Ａ／Ｄコンバータを用いた回路により構成される。なお、従来のフライングキャパシタ式の電圧検出回路を採用しても良い。そして、セル電圧検出回路が検出したセル電圧のデータは、マイコン５０に順次出力される。

また、監視ＩＣ３０は、各電池セル１１のセル電圧の均等化を行うための均等化回路３１を電池セル１１毎に備えている。この均等化回路３１は、隣同士の電池セル１１の間もしくはブロック１２内で電荷を移動させる回路であり、スイッチ３２と、スイッチ３３と、コンデンサ３４と、を備えて構成されている。このうち、スイッチ３２およびスイッチ３３は電池セル１１毎に設けられている。

スイッチ３２の一端は各電池セル１１の正極側にそれぞれ接続され、スイッチ３３の一端は各電池セル１１の負極側にそれぞれ接続されている。各電池セル１１の正極側に接続された各スイッチ３２の他端は、コンデンサ３４の一方の電極にそれぞれ接続され、各電池セル１１の負極側に接続された各スイッチ３３の他端はコンデンサ３４の他方の電極にそれぞれ接続されている。つまり、コンデンサ３４は各スイッチ３２、３３を介して各電池セル１１に並列に接続されている。すなわち、本実施形態に係る均等化回路３１は、スイッチ３２、３３の切り替えにより電圧を上昇させるいわゆるチャージポンプ方式の回路構成になっている。

これら各スイッチ３２、３３はマイコン５０によってオン／オフ制御される。また、スイッチ３２、３３として例えばトランジスタ等の半導体スイッチが採用される。なお、コンデンサ３４は監視ＩＣ３０に外付けされている。

電荷移動回路４０は、複数の電池セル１１のうちの１個の電池セル１１から５個以上隣の電池セル１１に、１個の電池セル１１と５個以上隣の電池セル１１との間の電池セル１１を介さずに、電荷を直接移動させる回路である。具体的に、電荷移動回路４０は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１の電荷を他方のブロック１２を構成する電池セル１１に直接移動させる。つまり、電荷移動回路４０は、１個の電池セル１１の電荷をブロック１２という範囲を越えて移動させる。言い換えると、電荷移動回路４０は、高容量の電池セル１１から低容量の電池セル１１へ、最も効率良く電荷を移動させるバイパス手段である。

このような電荷移動回路４０は、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ａおよびスイッチ４１ｂと、他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｃおよびスイッチ４１ｄと、コンデンサ４１ｅと、を備えて構成されている。

一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ａの一端は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。より具体的には、スイッチ４１ａの一端は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側と当該電池セル１１の正極側に接続されたスイッチ３２との間に接続されている。また、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｂの一端は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。

他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｃの一端は、他方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。より具体的には、スイッチ４１ｃの一端は、他方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側と当該電池セル１１の正極側に接続されたスイッチ３２との間に接続されている。また、他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｄの一端は、他方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。

そして、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ａの他端および他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｄの他端は、コンデンサ４１ｅの一方の電極にそれぞれ接続されている。また、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｂの他端および他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｃの他端は、コンデンサ４１ｅの他方の電極にそれぞれ接続されている。すなわち、電荷移動回路４０についてもチャージポンプ方式の回路構成になっている。

各スイッチ４１ａ〜４１ｄは電荷を移動させる状態と電荷を移動させない状態とを切り替える手段であり、マイコン５０によってオン／オフ制御される。また、各スイッチ４１ａ〜４１ｄとしては、例えばフォトＭＯＳリレー等の光絶縁素子が採用される。なお、マイコン５０が各スイッチ４１ａ〜４１ｄを直接制御する方式ではなく、マイコン５０が監視ＩＣ３０を介して各スイッチ４１ａ〜４１ｄを制御する方式でも良い。

なお、図１では、電荷移動回路４０は２つのブロック１２に接続されたものしか示されていないが、実際には各ブロック１２のうちの１つの電池セル１１に対して２つのスイッチを介してコンデンサ４１ｅがそれぞれ接続されている。

マイコン５０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上記各機能を実行する制御回路である。このようなマイコン５０は、各監視ＩＣ３０に対して指示信号を出力することにより、各監視ＩＣ３０に各電池セル１１のセル電圧の検出等の所望の処理を実行させる。そして、マイコン５０は、各監視ＩＣ３０からデータを取得し、残存容量ＳＯＣの演算（組電池状態監視）や過充放電判定等を行う。

具体的には、マイコン５０は、各監視ＩＣ３０の均等化回路３１および電荷移動回路４０をそれぞれ動作させて電荷を移動させることにより複数の電池セル１１のセル電圧を均等化する処理を行う。このようにセル電圧の均等化を行う場合、マイコン５０は、検出した各電池セル１１のセル電圧に基づいて、電荷移動の回数が最も少なくなるように各監視ＩＣ３０の均等化回路３１および電荷移動回路４０を動作させるようになっている。すなわち、マイコン５０は、電荷移動の際のロスを演算し、最も効率が良い方法つまり電荷移動の回数がもっとも少ない経路を算出する機能を有している。

以上が、本実施形態に係る電池電圧監視装置２０および電池電圧監視システムの全体構成である。

次に、電池電圧監視装置２０における各電池セル１１の均等化動作について、図２を参照して説明する。均等化処理は、例えば、マイコン５０から均等化動作の開始を指示する指示信号が監視ＩＣ３０に出力されることで開始される。

そして、監視ＩＣ３０は、マイコン５０から均等化動作の開始を指示する指示信号が入力されると、セル電圧検出回路にてブロック１２を構成する各電池セル１１のセル電圧を検出して各電池セル１１間のセル電圧を検出する。

マイコン５０は、監視ＩＣ３０から取得したセル電圧のばらつきに基づいて、各電池セル１１のうち放電が必要な高電圧となる電池セル１１を決定する。そして、マイコン５０は、監視ＩＣ３０に対して均等化動作を行う旨を指示する指示信号を出力する。

そして、ブロック１２内での電荷の移動は次のように行う。まず、当該ブロック１２に対応した監視ＩＣ３０は、マイコン５０の指示信号により均等化回路３１を動作させる。すなわち、監視ＩＣ３０は当該ブロック１２内でセル電圧が高い１つの電池セル１１の両端に接続されたスイッチ３２、３３をオンし、その他のスイッチ３２、３３をオフする。これにより、当該１つの電池セル１１の電荷が均等化回路３１のコンデンサ３４に引き抜かれて蓄積される。

続いて、監視ＩＣ３０はセル電圧が低い電池セル１１のスイッチ３２、３３をオンし、その他のスイッチ３２、３３がオフする。これにより、当該セル電圧が低い電池セル１１にコンデンサ３４の電荷が移動する。このように、１つのブロック１２内では、均等化回路３１のコンデンサ３４を介してブロック１２を構成する電池セル１１のいずれかに電荷が割り振られる。このため、４個の電池セル１１でブロック１２が構成されている場合、隣の電池セル１１、２つ隣の電池セル１１、もしくは３つ隣の電池セル１１に電荷を移動させてブロック１２内で電池セル１１の均等化を図ることができる。

また、ブロック１２を越えた電荷の移動は次のように行う。まず、各電池セル１１のセル電圧を検出したことにより、複数のブロック１２のうち一方のブロック１２内の１つの電池セル１１のセル電圧が大きく、他方のブロック１２内の１つの電池セル１１のセル電圧が小さいとする。

具体的には、図２（ａ）に示されるように、低電圧側の一方のブロック１２内のうち最も高電圧側の電池セル１１から１つ低電圧側の電池セル１１のセル電圧が大きいとする。図２（ａ）では、当該電池セル１１の隣に「大」と記してある。また、高電圧側の他方のブロック１２内のうち最も高電圧側の電池セル１１から２つ低電圧側の電池セル１１のセル電圧が小さいとする。図２（ａ）では、当該電池セル１１の隣に「小」と記してある。このような２つの電池セル１１間で電荷を移動させてセル電圧を均等化させる。

また、マイコン５０は、電荷移動の回数が最も少なく済む経路を求める。すなわち、マイコン５０は、どのような経路で電荷を移動させれば電荷移動の際の放熱ロスが最も小さくなるかを演算する。例えば、均等化回路３１で各電池セル１１間を順次電荷移動させたときの電荷の移動回数と電荷移動回路４０を用いたときの電荷の移動回数とをそれぞれ算出すると共に比較し、移動回数が少ない経路を選択し、決定する。図２（ａ）に示される状況では３回の電荷移動が最も少ない回数である。

そして、上述のように、一方のブロック１２に対応した監視ＩＣ３０の均等化回路３１を動作させることで、一方のブロック１２内でセル電圧が大きい電池セル１１の電荷をコンデンサ３４に移動させる。次に、一方のブロック１２において電荷移動回路４０のスイッチ４１ａ、４１ｂが接続された均等化回路３１のスイッチ３２、３３をオンすると共に電荷移動回路４０のスイッチ４１ａ、４１ｂをオンする。これにより、均等化回路３１のコンデンサ３４に蓄積した電荷を電荷移動回路４０のコンデンサ４１ｅに移動させる。この動作により、図２（ａ）の（１）で示されるように、セル電圧が大きい電池セル１１の電荷は１つ高電圧側の電池セル１１（つまり最も高電圧側の電池セル１１）に移動したことになる。この図２（ａ）の（１）の経路が１回の電荷移動を示している。

続いて、他方のブロック１２において電荷移動回路４０のスイッチ４１ｃ、４１ｄが接続された均等化回路３１のスイッチ３２、３３をオンすると共に電荷移動回路４０のスイッチ４１ｃ、４１ｄをオンする。これにより、電荷移動回路４０のコンデンサ４１ｅに蓄積した電荷を他方のブロック１２に対応する監視ＩＣ３０の均等化回路３１のコンデンサ３４に移動させる。この動作により、図２（ａ）の（２）で示されるように、一方のブロック１２内において最も高電圧側の電池セル１１の電荷が、他方のブロック１２において最も高電圧側の電池セル１１に移動したことになる。

この後、上述のように、他方のブロック１２に対応した監視ＩＣ３０の均等化回路３１を動作させることで他方のブロック１２内で最も高電圧側の電池セル１１から３つ低電圧側の電池セル１１に対応するスイッチ３２、３３をオンする。これにより、他方のブロック１２に対応した均等化回路３１のコンデンサ３４に蓄積した電荷をセル電圧が小さい電池セル１１に移動させる。この動作により、図２（ａ）の（３）で示されるように、他方のブロック１２内において最も高電圧側の電池セル１１の電荷が、当該電池セル１１から２つ低電圧側の電池セル１１（つまりセル電圧が小さい電池セル１１）に移動したことになる。

このように、一方のブロック１２のうちセル電圧が大きい電池セル１１から他方のブロック１２のうちセル電圧が小さい電池セル１１まで、図２（ａ）に示される（１）→（２）→（３）という３段階によって効率良く電荷を移動できる。すなわち、図２（ａ）に示される場合では、電荷移動の回数は３回となり、最も少ない電荷移動の回数で均等化が行われている。

以上のように、均等化回路３１によるブロック１２内の電荷移動と、電荷移動回路４０よるブロック１２という範囲を越えた電荷移動と、の両方が可能である。したがって、図２（ｂ）に示されるように、各電荷移動の経路はブロック１２内だけでなく、ブロック１２間にも形成される。そして、マイコン５０によってブロック１２間での電荷移動を含めた最も効率の良い電荷移動の経路に基づいてセル電圧の均等化が実施される。

なお、ここまで、一方のブロック１２の電池セル１１から他方のブロック１２の電池セル１１に電荷を移動させることについて説明したが、他方のブロック１２の電池セル１１から一方のブロック１２の電池セル１１に電荷を移動させることも当然可能である。

以上説明したように、本実施形態では、電荷移動回路４０により、一方のブロック１２を構成する電池セル１１の電荷を他方のブロック１２を構成する電池セル１１に直接移動させることが特徴となっている。

このように、隣の電池セル１１を次々と介さずに電荷移動回路４０を介して離れた電池セル１１に電荷を直接移動させるので、隣の電池セル１１を次々と介するときの電荷移動のロスを生じさせないようにすることができる。つまり、少ない電荷移動の回数でセル電圧の均等化を図ることができる。したがって、１つの電池セル１１から離れた電池セル１１に対して電荷を効率良く移動させることができる。

すなわち、１個隣の電池セル１１に次々と電荷を移動させるのではなく、本実施形態では１個の電池セル１１とこの電池セル１１から５個以上隣の電池セル１１とを電荷移動回路４０でバイパスして電荷を直接移動させている。これによる電荷移動の効率の差は以下のように説明できる。

例えば、１回の電荷移動の効率が９０％であるとする。つまり、１回の電荷移動で１０％の電荷を熱等でロスするとする。したがって、１個の電池セル１１から１つ隣の電池セル１１には９０％の効率で電荷が移動する。また、この電池セル１１からさらに１つ隣の電池セル１１にはさらに９０％の効率で電荷が移動するので、１個の電池セル１１から２個隣の電池セル１１には８１％の効率で電荷が移動する。

そして、電荷移動の回数が増えると、３個隣の電池セル１１には７２．９％の効率で移動し、４個隣の電池セル１１には６５．６％の効率で移動する。また、５個隣の電池セル１１には５９％の効率で移動し、６個隣の電池セル１１には５３％の効率で移動する。このように、５個隣の電池セル１１に電荷が到達したときには５９％の電荷しか到達できず、４割以上の電荷を失ってしまう。つまり、ロスの連鎖が生じる。

しかしながら、本実施形態に係る構成では、隣の電池セル１１を介さずに電荷移動回路４０を介して離れた電池セル１１に９０％の効率で１回で移動させるので、５個隣の電池セル１１や６個隣の電池セル１１に１回の電荷移動の効率で電荷を移動させることができる。すなわち、電池セル１１が離れているほど効率良く電荷を移動させることができる。

特に、ハイブリッド車等の電気自動車では、組電池１０は例えば１００個単位の電池セル１１で構成されるので、一端の電池セル１１から他端の電池セル１１に電荷を移動させる場合には電荷移動回路４０による電荷移動が有効である。

そして、組電池１０を構成する各電池セル１１は全て同じ温度ではなく、電池セル１１の位置に応じて温度が異なる。例えば組電池１０の中央に位置する電池セル１１の温度は組電池１０の両端に位置する電池セル１１よりも高くなる。このため、組電池１０の中央に位置する電池セル１１のセル電圧が低下して残存容量ＳＯＣが低下する。一方、組電池１０の位置によらず、隣同士の電池セル１１の温度差はほとんど変わらない。

このような状況において、本実施形態に係る電荷移動回路４０を用いることにより、組電池１０の両端に位置する電池セル１１から組電池１０の中央に位置する電池セル１１に電荷を効率良く移動させることができる。すなわち、隣の電池セル１１に次々と電荷を移動させる不効率な方法ではなく、電荷移動回路４０により組電池１０の両端に位置する電池セル１１から遠く離れた中央に位置する電池セル１１に効率良く電荷を移動させることができる。

さらに、マイコン５０によって最も少ない回数の電荷移動を行うため、電荷移動の回数に伴う均等化回路３１および電荷移動回路４０の放熱ロスが最小限に抑えられる。したがって、最も効率良く電荷を移動させることができる。

また、監視ＩＣ３０に電荷移動回路４０を追加するだけで良いので、回路規模の増大を抑えることができる。以上により、回路規模の増大を抑え、かつ、１個の電池セル１１から５個以上隣の電池セル１１に対して電荷を効率良く移動させることができる。

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、均等化回路３１が特許請求の範囲の「均等化放電手段」に対応し、電荷移動回路４０が特許請求の範囲の「電荷移動手段」に対応する。また、マイコン５０が特許請求の範囲の「制御手段」に対応し、スイッチ４１ａ〜４１ｄが特許請求の範囲の「切替手段」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、移動電荷単位はセル電圧単位であったが、本実施形態ではブロック１２単位であることが特徴となっている。

図３は、本実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。なお、図３ではマイコン５０を省略している。

図３に示されるように、電荷移動回路４０は、一方のブロック１２のブロック電圧に対応する電荷を他方のブロック１２に直接移動させる構成となっている。

具体的には、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ａの一端は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。また、一方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｂの一端は、一方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。これにより、スイッチ４１ａおよびスイッチ４１ｂがオンすると、一方のブロック１２がコンデンサ４１ｅに接続される。

一方、他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｃの一端は、他方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。また、他方のブロック１２に対応したスイッチ４１ｄの一端は、他方のブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。これにより、スイッチ４１ｃおよびスイッチ４１ｄがオンすると、他方のブロック１２がコンデンサ４１ｅに接続される。

このような構成の電荷移動回路４０において、マイコン５０により一方のブロック１２に接続されたスイッチ４１ａ、４１ｂをオンすると、一方のブロック１２のブロック電圧に応じた電荷をコンデンサ４１ｅに移動させることができる。また、電荷移動回路４０のスイッチ４１ｃ、４１ｄをオンすると、コンデンサ４１ｅに蓄積した電荷を他方のブロック１２に移動させることができる。すなわち、本実施形態では、１回の電荷移動で一方のブロック１２から他方のブロック１２に一度にブロック１２分の電荷を移動させることができる。

そして、他方のブロック１２に電荷を移動させた後、当該他方のブロック１２内で電荷を移動させることにより、一方のブロック１２から供給された電荷を他方のブロック１２内で各電池セル１１に振り分けることができる。

以上のように、移動電荷単位をブロック１２のブロック電圧単位とすることができる。この場合、一方のブロック１２から他方のブロック１２に電荷を直接移動させるので、セル電圧単位で電荷を移動させる場合よりも１回で移動させることができる電荷量を多くすることができる。したがって、一方のブロック１２から他方のブロック１２に多くの電荷を効率良く移動させることができる。

なお、本実施形態ではブロック電圧を取り扱うので、監視ＩＣ３０は対応するブロック１２のブロック電圧を直接検出しても良い。そして、マイコン５０が各ブロック電圧を比較し、ブロック電圧が高いブロック１２からブロック電圧が低いブロック１２に電荷を移動させるようにしても良い。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、チャージポンプ方式でセル電圧を均等化させる構成について説明したが、本実施形態ではフライバック方式でセル電圧を均等化させることが特徴となっている。

図４は、本実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。なお、図４ではマイコン５０を省略している。

図４に示されるように、本実施形態においても監視ＩＣ３０は各電池セル１１毎に均等化回路３１を備えているが、この均等化回路３１はフライバック方式の構成となっている。

具体的には、均等化回路３１は、複数のスイッチ３５および複数のコイル３６を備えて構成されている。そして、各電池セル１１において、電池セル１１、スイッチ３５、およびコイル３６によってループ回路が構成されるように、各電池セル１１にスイッチ３５およびコイル３６がそれぞれ接続されている。このようなループ回路により、スイッチ３５がオンされると１個の電池セル１１からコイル３６に放電電流が流れ、コイル３６に磁気的エネルギーが蓄積される。したがって、このコイル３６に蓄積された磁気的エネルギーに相当する電流を当該１個の電池セル１１の隣の電池セル１１に流すことにより、当該１個の電池セル１１から隣の電池セル１１に電荷を移動できるようになっている。

電荷移動回路４０もフライバック方式の構成となっており、スイッチ４２ａ、スイッチ４２ｂ、およびコイル４２ｃを備えて構成されている。また、電荷移動回路４０は、移動電荷単位がブロック１２のブロック電圧単位となるように構成されている。

このため、スイッチ４２ａの一端は、一方のブロック１２のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。また、スイッチ４２ｂの一端は他方のブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。さらに、コイル４２ｃの一端が一方のブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。そして、スイッチ４２ａの他端、スイッチ４２ｂの他端、およびコイル４２ｃの他端がそれぞれ接続されている。

これにより、例えば、一方のブロック１２、コイル４２ｃ、およびスイッチ４２ａによるループ回路が形成される。また、他方のブロック１２、スイッチ４２ｂ、およびコイル４２ｃによるループ回路が形成される。

このような構成の電荷移動回路４０において、マイコン５０により例えば一方のブロック１２に接続されたスイッチ４２ａをオンすると、一方のブロック１２、コイル４２ｃ、およびスイッチ４２ａによるループ回路に電流が流れてコイル４２ｃに磁気的エネルギーが蓄積される。これにより、一方のブロック１２のブロック電圧に相当する電荷をコンデンサ４１ｅに移動させることができる。

また、マイコン５０により電荷移動回路４０のスイッチ４２ｂをオンすると、他方のブロック１２、スイッチ４２ｂ、およびコイル４２ｃによるループ回路にコイル４２ｃに蓄積された磁気的エネルギーに相当する電流が流れる。これにより、一方のブロック１２のブロック電圧に相当する電荷を他方のブロック１２に移動させることができる。この後、他方のブロック１２内で電荷を移動させれば良い。

このように、スイッチ４２ａおよびスイッチ４２ｂは、電荷を移動させる状態と電荷を移動させない状態とを切り替える手段であると言える。

以上のように、均等化回路３１および電荷移動回路４０をフライバック方式で構成することもできる。なお、均等化回路３１のコイル３６や電荷移動回路４０のコイル４２ｃとして、例えばチップインダクタを採用することができる。この場合、チップインダクタは監視ＩＣ３０に対して外付けとなる。一方、コイル３６およびコイル４２ｃを監視ＩＣ３０に内蔵しても良い。この場合、スイッチ３５、４２ａ、４２ｂを高周波で制御して均等化の回数を増やすことが好ましい。

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、スイッチ４２ａおよびスイッチ４２ｂが特許請求の範囲の「切替手段」に対応する。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜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、ブロック１２内をチャージポンプ方式で均等化させ、ブロック１２間をフライバック方式で均等化させることが特徴となっている。

図５は、本実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。なお、図５ではマイコン５０を省略している。また、監視ＩＣ３０における均等化回路３１は第１実施形態で示された構成と同じである。

本実施形態に係る電荷移動回路４０は、トランス４３と、ダイオード４４ａおよびダイオード４４ｂと、スイッチ４５と、を備えて構成されている。また、電荷移動回路４０は、移動電荷単位がブロック１２のブロック電圧単位となるように構成されている。

トランス４３は鉄心４３ａを有している。また、トランス４３の１次巻線４３ｂの一端は組電池１０のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続され、１次巻線４３ｂの他端はスイッチ４５を介して組電池１０のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。

トランス４３の２次巻線４３ｃはブロック１２毎に設けられている。２次巻線４３ｃの一端はダイオード４４ａのアノードに接続され、ダイオード４４ａのカソードはブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続されている。一方、２次巻線４３ｃの他端はダイオード４４ｂのアノードに接続され、ダイオード４４ｂのカソードはダイオード４４ａのカソードに接続されている。さらに、２次巻線４３ｃのセンタタップ４３ｄがブロック１２のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極側に接続されている。

このような構成によると、マイコン５０により電荷移動回路４０のスイッチ４５をオンすると、組電池１０と１次巻線４３ｂとのループ回路が形成され、１次巻線４３ｂに１次電流が流れて組電池１０の電荷が１次巻線４３ｂにより引き抜かれる。また、ダイオード４４ａ、ブロック１２、センタタップ４３ｄという経路で１次電流に対応した２次電流が流れると共に、トランス４３のフライバック動作により磁気的エネルギーが鉄心４３ａに蓄積される。これにより、ブロック電圧が相対的に低いブロック１２に大きな２次電流が流れ、均等化が図られる。

この後、スイッチ４５をオフすると、トランス４３のフライバック動作により、トランス４３の鉄心４３ａに蓄積された磁気的エネルギーが放出される。この磁気的エネルギーに基づく充電電流が、ダイオード４４ｂ、ブロック１２、センタタップ４３ｄという経路で流れる。これにより、上記と同様に、ブロック電圧が相対的に低いブロック１２に大きな２次電流が流れ、均等化が図られる。このように、スイッチ４５は、電荷を移動させる状態と電荷を移動させない状態とを切り替える手段であると言える。

そして、第１実施形態と同様に、ブロック１２内で電池セル１１のセル電圧の均等化を行うこととなる。

以上説明したように、電荷移動回路４０をトランス方式で構成し、ブロック１２間で電荷を移動させることもできる。この場合、トランス４３の１次巻線４３ｂで組電池１０全体から電荷を引き抜いて各ブロック１２に直接割り振るため、最も効率良く電荷を移動させることができる。

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、スイッチ４５が特許請求の範囲の「切替手段」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、電池電圧監視装置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、これは電池電圧監視装置２０の適用の一例である。したがって、電池電圧監視装置２０の用途は車両用に限定されず、例えば家庭用や工場用等の設置型の蓄電装置に係る電池セル１１の監視を行うものとして用いることができる。

上記各実施形態に示された電池電圧監視装置２０の構成は一例であり、その構成を適宜変更することができる。例えば、電池セル１１間はフライバック方式で均等化を行い、ブロック１２間はチャージポンプ方式で均等化を行うことができる。このように、均等化の方式を自由に組み合わせることができる。また、第１実施形態では電荷移動回路４０はチャージポンプ方式で構成されていたが、もちろん、フライバック方式やトランス方式で構成されていても良い。

上記各実施形態では、ブロック１２は４個の電池セル１１で構成されていたので、電荷移動回路４０は、複数の電池セル１１のうちの１個の電池セル１１から４個以上隣の電池セル１１に、１個の電池セル１１と４個以上隣の電池セル１１との間の電池セル１１を介さずに、電荷を直接移動させる回路であれば良い。しかしながら、第１実施形態で示されたように、６割以上の効率で電荷を移動させるためには、電荷移動回路４０は１個の電池セル１１から５個以上隣の電池セル１１に電荷を直接移動させることが好ましい。

また、単純に複数の電池セル１１が直列接続されたものにおいては、電荷移動回路４０は、複数の電池セル１１のうちの１個の電池セル１１から少なくとも２個以上隣の電池セル１１に、１個の電池セル１１と２個以上隣の電池セル１１との間の電池セル１１を介さずに、電荷を直接移動させるように構成されていれば良い。これにより、１個の電池セル１１から少なくとも隣の電池セル１１を介さずに２個隣の電池セル１１に電荷を直接移動できるため、効率良く電荷を移動させることができる。

１０ 組電池
１１ 電池セル
１２ ブロック
２０ 電池電圧監視装置
３０ 監視ＩＣ
３１ 均等化回路
４０ 電荷移動回路
５０ マイコン

Claims (4)

1. 直列接続された複数の電池セルにおいて隣同士の電池セル間で電荷を移動させることにより前記複数の電池セルのセル電圧を均等化する電池電圧監視装置であって、
   前記複数の電池セルのうちの１個の特定の電池セルから少なくとも２個以上隣の特定の電池セルにのみ、前記１個の特定の電池セルと前記２個以上隣の特定の電池セルとの間の電池セルを介さずに、電荷を直接移動させる電荷移動手段を備え、
   前記直列接続された複数の電池セルが所定数毎にグループ化された複数のブロックが構成されており、
   前記１個の特定の電池セルは前記複数のブロックの一方を構成し、前記２個以上隣の特定の電池セルは前記複数のブロックの他方を構成しており、
   前記電荷移動手段は、前記一方のブロックを構成する前記１個の特定の電池セルの電荷を前記他方のブロックを構成する前記２個以上隣の特定の電池セルに直接移動させるもので、前記一方のブロックと前記他方のブロックの間に他のブロックが介在する場合には、その介在する他のブロックを介さずに、前記一方のブロックを構成する前記１個の特定の電池セルの電荷を前記他方のブロックを構成する前記２個以上隣の特定の電池セルに直接移動させることを特徴とする電池電圧監視装置。
2. 前記ブロック毎に設けられ、同じブロック内において隣同士の電池セル間で電荷を移動させることができる均等化手段と、
   前記均等化手段および前記電荷移動手段をそれぞれ動作させて電荷を移動させることにより前記複数の電池セルのセル電圧を均等化する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記複数の電池セルのセル電圧に基づいて、電荷移動の回数が最も少なくなるように前記均等化手段および前記電荷移動手段を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧監視装置。
3. 前記電荷移動手段は、電荷を移動させる状態と電荷を移動させない状態とを切り替える切替手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池電圧監視装置。
4. 前記電荷移動手段は、前記複数の電池セルのうちの１個の特定の電池セルから５個以上隣の特定の電池セルにのみ、前記１個の特定の電池セルと前記５個以上隣の特定の電池セルとの間の電池セルを介さずに、電荷を直接移動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つに記載の電池電圧監視装置。

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