WO2015037266A1

WO2015037266A1 - 過充電保護装置

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Publication number: WO2015037266A1
Application number: PCT/JP2014/060749
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Inventors: 黒田　和人; 小杉　伸一郎; 関野　正宏; 滋野澤; 行田　稔; 洋介佐伯; 冬樹神戸
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Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-03-19
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Abstract

　実施形態の過充電保護装置は、スイッチ部と、制御部と、を備える。スイッチ部は、直列接続された複数のスイッチ素子を、蓄電池と当該蓄電池を充電する充電部との間に接続されたヒューズおよび蓄電池に対して並列接続している。制御部は、蓄電池の出力電圧を検出するとともに、当該検出した出力電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合、複数のスイッチ素子をオンして蓄電池の正極端子と負極端子間を短絡させる。

Description

過充電保護装置

　本発明の実施形態は、過充電保護装置に関する。

　蓄電池と主回路との接続を遮断する遮断素子に半導体素子を用いている蓄電池装置においては、遮断素子の何らかの故障により蓄電池と主回路との接続を遮断することができなくなった場合に備えて、ヒュージングレジスタと呼ばれるヒータ付のヒューズを用い、ヒータへ通電してヒューズを溶断することにより、蓄電池と主回路との接続を遮断できるようにしている。

特開２０１２－１８２８８５号公報

　しかしながら、大型の蓄電池を備えた蓄電池装置においては、ヒータにより溶断可能なヒューズがないため、ヒューズを溶断させるためには、蓄電池を強制的に短絡させてヒューズを溶断する仕組みが必要である。

図１は、第１の実施形態にかかる蓄電池装置の構成を示す図である。図２は、第１の実施形態にかかる蓄電池装置が備える過充電保護装置の具体的な構成を示す図である。図３は、第１の実施形態にかかる過充電保護装置による過充電保護用ＦＥＴの故障検出処理の流れを示すフローチャートである。図４は、第２の実施形態にかかる蓄電池装置が備える過充電保護装置の具体的な構成を示す図である。図５は、第３の実施形態にかかる過充電保護装置が備える配線基板の一例を示す図である。図６は、変形例にかかる蓄電池装置の構成を示す図である。

　以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる過充電保護装置を適用した蓄電池装置について説明する。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態にかかる蓄電池装置の構成を示す図である。本実施形態にかかる蓄電池装置１は、図１に示すように、電池モジュール１０１と、シャント抵抗１０３と、充電制御ＦＥＴ（Field　Effect　Transistor）１０４と、放電制御ＦＥＴ１０５と、ヒューズＦと、正極主回路端子ＴＰと、負極主回路端子ＴＭと、過充電保護装置１００と、電源回路１２０と、を備えている。蓄電池装置１は、電池モジュール１０１に対して充放電を行う蓄電池利用装置１１７（充電部の一例）に接続されている。具体的には、正極主回路端子ＴＰが蓄電池利用装置１１７の正側端子（正側主回路）に接続されている。また、負極主回路端子ＴＭが蓄電池利用装置１１７の負側端子（負側主回路）に接続されている。また、蓄電池利用装置１１７は、通信線１１５を介して後述する電池管理装置１０７と接続されている。

　電源回路１２０は、電池モジュール１０１または蓄電池利用装置１１７からの電力を蓄電池装置１全体に供給する。

　電池モジュール１０１（蓄電池の一例）は、複数の電池セル１０１ａ（例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池）が直列接続されている。そして、電池モジュール１０１は、後述する正極主回路端子ＴＰおよび負極主回路端子ＴＭを介して接続された蓄電池利用装置１１７へ電力を供給する。

　正極主回路端子ＴＰは、電池モジュール１０１の高電位側に接続されて、電池モジュール１０１から蓄電池利用装置１１７に電力を供給するための端子である。負極主回路端子ＴＭは、電池モジュール１０１の低電位側に接続されて、電池モジュール１０１から蓄電池利用装置１１７に電力を供給するための端子である。

　ヒューズＦは、電池モジュール１０１と蓄電池利用装置１１７との間に接続されている。本実施形態では、ヒューズＦは、電池モジュール１０１の高電位側に接続されている。そして、ヒューズＦは、電池モジュール１０１から蓄電池利用装置１１７に過電流が流れた場合、電池モジュール１０１に過充電状態が発生した場合に、電池モジュール１０１と蓄電池利用装置１１７との接続を遮断する。

　シャント抵抗１０３は、電池モジュール１０１に流れる電流の電流量の検出に用いられる。本実施形態では、シャント抵抗１０３は、電池モジュール１０１の低電位側に接続されている。

　充電制御ＦＥＴ１０４は、ＮＭＯＳ（Negative　channel　Metal　Oxide　Semiconductor）－ＦＥＴで構成され、電池モジュール１０１と蓄電池利用装置１１７との間に接続されている。また、本実施形態では、充電制御ＦＥＴ１０４には、電池モジュール１０１から蓄電池利用装置１１７に電力を供給する際に電流を流す図示しない整流用ダイオードが並列接続されている。

　放電制御ＦＥＴ１０５は、ＮＭＯＳ－ＦＥＴで構成され、電池モジュール１０１と蓄電池利用装置１１７との間に接続されている。また、本実施形態では、放電制御ＦＥＴ１０５には、蓄電池利用装置１１７から供給される電力により電池モジュール１０１を充電する際に電流を流す図示しない整流用ダイオードが並列接続されている。

　本実施形態では、充電制御ＦＥＴ１０４および放電制御ＦＥＴ１０５は、ＮＭＯＳ－ＦＥＴで構成されているが、ＰＭＯＳ（Positive　channel　Metal　Oxide　Semiconductor）－ＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistors）により構成することも可能である。また、充電制御ＦＥＴ１０４および放電制御ＦＥＴ１０５として、バイポーラトランジスタを用いることも可能である。充電制御ＦＥＴ１０４および放電制御ＦＥＴ１０５としてバイポーラトランジスタを用いた場合、バイポーラトランジスタのベースに電流を流すことにより、当該バイポーラトランジスタのオンおよびオフを制御する電流制御回路を設ける必要がある。

　過充電保護装置１００は、電池モジュール１０１の充電時において、蓄電池利用装置１１７から電池モジュール１０１に流れる電流を遮断する装置である。本実施形態では、過充電保護装置１００は、配線基板ＨＲと、スイッチ部１０２と、電池管理回路１０７と、ハイサイド（高電位側）駆動回路１０９と、を備えている。

　スイッチ部１０２は、直列接続された２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８（複数のスイッチ素子の一例）を、電池モジュール１０１およびヒューズＦに対して並列接続している。本実施形態では、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８は、ＮＭＯＳ－ＦＥＴで構成されているが、これに限定するものではなく、例えば、ＰＭＯＳ－ＦＥＴやＩＧＢＴを用いても良い。また、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８として、バイポーラトランジスタを用いることも可能である。過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８としてバイポーラトランジスタを用いた場合、バイポーラトランジスタのベースに電流を流すことにより、当該バイポーラトランジスタのオンおよびオフを制御する電流制御回路を設ける必要がある。また、本実施形態では、スイッチ部１０２は、２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８を有しているが、直列接続された複数のスイッチ素子を有していれば良く、例えば、直列接続された３つ以上のスイッチ素子を有していても良い。

　配線基板ＨＲは、スイッチ部１０２が有する過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８に直列接続される配線パターンにより形成される電流制限抵抗を有している。本実施形態では、配線基板ＨＲが有する配線パターンにより電流制限抵抗を構成しているが、これに限定するものではなく、抵抗素子を電流制限抵抗として用いても良い。

　ハイサイド駆動回路１０９は、端子Ｔ１（図２参照）を介して制御電源Ｇにより印加される電源電圧Ｖ１および後述する電池管理回路１０７から入力されるハイサイドＦＥＴ駆動信号に従って、２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８のうち電池モジュール１０１の高電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴ１０６を制御する。

　電池管理回路１０７は、蓄電池装置１全体を制御する蓄電池利用装置１１７と通信線１１５を介して接続され、電池モジュール１０１の充放電、電池モジュール１０１の充電時に電池モジュール１０１に流れる電流の遮断等を制御する。具体的には、電池管理回路１０７は、電池モジュール１０１が有する複数の電池セル１０１ａそれぞれの低電位側および高電位側に接続された電圧検出線１１４を介して、当該複数の電池セル１０１ａそれぞれの出力電圧（以下、セル電圧と言う）を検出する。そして、電池管理回路１０７は、検出したセル電圧に基づいて、電池モジュール１０１の充電および放電を制御する。

　また、電池管理回路１０７は、電池モジュール１０１から蓄電池利用装置１１７への電力供給を指示する電力供給指示を当該蓄電池利用装置１１７から受信した場合、当該電力供給指示に応じて、電池モジュール１０１の放電を指示する放電制御ＦＥＴ駆動信号を放電制御ＦＥＴ１０５に出力する。また、電池管理回路１０７は、複数の電池セル１０１ａそれぞれのセル電圧を検出結果等に基づいて、電池モジュール１０１の充電を指示する充電制御ＦＥＴ駆動信号を充電制御ＦＥＴ１０４に出力する。

　また、電池管理回路１０７は、電池モジュール１０１の充電時に検出したセル電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合に、ハイサイド駆動回路１０９に対してハイサイド（高電位側）ＦＥＴ駆動信号を出力して電池モジュール１０１の高電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴ１０６をオンするとともに、電池モジュール１０１の低電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートにローサイド（低電位側）ＦＥＴ駆動信号を出力して当該過充電保護用ＦＥＴ１０８をオンする。

　これにより、電池管理回路１０７（制御部の一例）は、電池モジュール１０１の充電時に充電制御ＦＥＴ１０４の短絡故障などにより電池管理回路１０７からの充電制御ＦＥＴ駆動信号によって充電電流を止めることができず、電池モジュール１０１のセル電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合に、電池モジュール１０１の高電位側の端子である正極端子ＢＰと電池モジュール１０１の低電位側の端子である負極端子ＢＭ間を短絡させて、電池モジュール１０１の短絡電流によってヒューズＦを溶断する。したがって、本実施形態によれば、電池モジュール１０１の充電時に電池モジュール１０１の過充電状態が発生した場合に、ヒューズＦを溶断するためのヒータ等を設けることなく、ヒューズＦを溶断して電池モジュール１０１を保護することができる。

　また、本実施形態では、直列接続した複数の過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８を用いて、電池モジュール１０１の正極端子ＢＰと負極端子ＢＭ間を短絡させているので、当該複数の過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８のいずれかに短絡故障が発生した場合でも、電池モジュール１０１の正極端子ＢＰと負極端子ＢＭ間が短絡されることはないので、当該複数の過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８のいずれかの短絡故障によりヒューズＦが誤って溶断されることを防止できる。

　また、電池管理回路１０７は、電池モジュール１０１の充電時に検出したセル電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８をオンしてから所定時間経過後、当該過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８をオフしても良い。これにより、本実施形態によれば、ヒューズＦを溶断させるために流される短絡電流が、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８を長時間流されることにより当該過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８や配線基板ＨＲが壊れることを防止できる。

　次に、図２を用いて、本実施形態にかかる蓄電池装置１が備える過充電保護装置１００の具体的な構成について説明する。図２は、第１の実施形態にかかる蓄電池装置が備える過充電保護装置の具体的な構成を示す図である。

　過充電保護装置１００は、図２に示すように、スイッチ部１０２を２系統有している。各スイッチ部１０２は、ヒューズＦに接続された端子ＴＦと、電池モジュール１０１の負極端子ＢＭに接続された接地端子ＧＮＤと、の間に直列接続した２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８を有する。また、スイッチ部１０２は、２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８のそれぞれに並列接続され、電池モジュール１０１を充電する際に電流を流す整流用ダイオードＤ１を有している。また、スイッチ部１０２は、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８それぞれのゲートとソース間に接続され、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８それぞれのゲートとソース間の電位差を安定化させるための動作安定化用のプルダウン抵抗Ｒ１を有している。本実施形態では、過充電保護装置１００は、スイッチ部１０２を２系統有しているが、少なくとも１つのスイッチ部１０２を有していれば良い。

　また、過充電保護装置１００は、図２に示すように、端子ＴＦと接地端子ＧＮＤとの間に、２つの過充電保護用ＦＥＴ１０６,１０８に直列接続された配線基板ＨＲを有している。

　また、過充電保護装置１００は、図２に示すように、後述する基準電源ｇと同電位の制御電源Ｇにより電源電圧Ｖ１が入力される端子Ｔ１と、過充電保護用ＦＥＴ１０６のゲートとの間に接続されたハイサイド駆動回路１０９を有している。そして、ハイサイド駆動回路１０９は、電池管理回路１０７から入力されるハイサイドＦＥＴ駆動信号に応じて、過充電保護用ＦＥＴ１０６のゲートに、制御電源Ｇの電源電圧Ｖ１を印加することにより過充電保護用ＦＥＴ１０６をオンする。

　具体的には、ハイサイド駆動回路１０９は、逆流防止用ダイオードＴＤ１、ツェナーダイオードＴＤ２、制御用トランジスタ１０９ａ（制御用スイッチ素子の一例）、電流制限抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、およびコンデンサＣ１を有している。ここで、制御用トランジスタ１０９ａおよびコンデンサＣ１は、電池モジュール１０１の高電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴ１０６と端子Ｔ１（制御電源Ｇ）との間に並列接続されている。

　逆流防止用ダイオードＴＤ１は、ツェナーダイオードにより構成され、後述する基準電源ｇからの電流の逆流を防止する。制御用トランジスタ１０９ａは、ＰＮＰトランジスタにより構成され、電池管理回路１０７からハイサイドＦＥＴ駆動信号が入力された場合にオンして、過充電保護用ＦＥＴ１０６のゲートに電源電圧Ｖ１を印加する。コンデンサＣ１は、過充電保護用ＦＥＴ１０６の開放故障を検出する際に、端子Ｔ１に入力された電源電圧Ｖ１を過充電保護用ＦＥＴ１０６に印加するために用いられる。電流制限抵抗Ｒ２は、過充電保護用ＦＥＴ１０６のゲートに流れる電流を制限する。電流制限抵抗Ｒ３は、コンデンサＣ１から制御用トランジスタ１０９ａのエミッタに流れる電流を制限する。電流制限抵抗Ｒ４は、電池管理回路１０７から入力されるハイサイドＦＥＴ駆動信号に応じて過充電保護用ＦＥＴ１０６をオンする際に、制御用トランジスタ１０９ａのベースに流れる電流を制限する。

　また、過充電保護装置１００は、図２に示すように、ハイサイド駆動回路１０９が有する制御用トランジスタ１０９ａのベースと、接地端子ＧＮＤとの間に接続された第１制御回路１１０を有している。そして、第１制御回路１１０は、蓄電池利用装置１１７からハイサイドＦＥＴ（過充電保護用ＦＥＴ１０６）のオンを指示するハイサイドＦＥＴオン信号が端子Ｔ２に入力された場合に、ハイサイド駆動回路１０９に対してハイサイドＦＥＴ駆動信号を出力する。

　具体的には、第１制御回路１１０は、接地トランジスタ１１０ａおよび電流制限抵抗Ｒ５を有している。接地トランジスタ１１０ａは、ＮＰＮトランジスタにより構成され、ハイサイド駆動回路１０９が有する制御用トランジスタ１０９ａのベースと接地端子ＧＮＤとの間に接続されている。電流制限抵抗Ｒ５は、接地トランジスタ１１０ａのベースと端子Ｔ２との間に接続され当該接地トランジスタ１１０ａのベースに流れる電流を制限する。第１制御回路１１０は、端子Ｔ２にハイサイドＦＥＴオン信号が入力されて接地トランジスタ１１０ａがオンした場合に、ハイサイド駆動回路１０９の制御用トランジスタ１０９ａのベースから接地端子ＧＮＤに電流を流すことにより、ハイサイド駆動回路１０９に対してハイサイドＦＥＴ駆動信号を出力する。

　また、過充電保護装置１００は、図２に示すように、端子Ｔ１と過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートとの間に接続され、当該過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートにローサイドＦＥＴ駆動信号を出力する第２制御回路１１１を有している。そして、第２制御回路１１１は、蓄電池利用装置１１７からローサイドＦＥＴ（過充電保護用ＦＥＴ１０８）のオンを指示するローサイドＦＥＴオン信号が端子Ｔ３に入力された場合に、過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートに対してローサイドＦＥＴ駆動信号を出力する。

　具体的には、第２制御回路１１１は、接地トランジスタ１１１ａと、駆動用トランジスタ１１１ｂと、電流制限抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８と、ツェナーダイオードＴＤ３と、を有している。接地トランジスタ１１１ａは、ＮＰＮトランジスタにより構成され、後述する駆動用トランジスタ１１１ｂのベースと、接地端子ＧＮＤとの間に接続されている。駆動用トランジスタ１１１ｂは、ＰＮＰトランジスタにより構成され、端子Ｔ１と、過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートとの間に接続されている。電流制限抵抗Ｒ６は、接地トランジスタ１１１ａのベースに流れる電流を制限する。電流制限抵抗Ｒ７は、駆動用トランジスタ１１１ｂのベースに流れる電流を制限する。電流制限抵抗Ｒ８は、過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートに流れる電流を制限する。ツェナーダイオードＴＤ３は、過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートに印加されるローサイドＦＥＴ駆動信号（電圧）を一定電圧にする。

　第２制御回路１１１は、端子Ｔ３にローサイドＦＥＴオン信号が入力されて接地トランジスタ１１１ａがオンした場合に、駆動用トランジスタ１１１ｂのベースに電流を流して過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートに電源電圧Ｖ１を印加することにより、過充電保護用ＦＥＴ１０８のゲートに対してローサイドＦＥＴ駆動信号を出力する。

　さらに、過充電保護装置１００は、図２に示すように、故障検出回路１１２をスイッチ部１０２毎に２系統有している。故障検出回路１１２は、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８（隣り合うスイッチ素子の一例）間と、後述する基準電源ｇと、の間に接続されている。

　具体的には、故障検出回路１１２は、基準電源ｇと、逆流防止ダイオードＤ２と、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０と、ツェナーダイオードＴＤ４と、コンデンサＣ２と、端子Ｔ４とを有している。基準電源ｇは、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障の検出に用いる基準電圧Ｖ２を分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０に印加可能である。逆流防止ダイオードＤ２は、過充電保護用ＦＥＴ１０６がオンしている場合に、端子ＴＦを介して電池モジュール１０１から流れる電流が基準電源ｇに流れ込むのを防止する。分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０は、隣り合う過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の間と、基準電源ｇとの間に直列接続され、基準電圧Ｖ２を分圧可能である。端子Ｔ４は、２つの分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０の間の電圧であるモニタ電圧を出力する。ツェナーダイオードＴＤ４は、端子Ｔ４から出力されるモニタ電圧を安定化させる。コンデンサＣ２は、端子Ｔ４から出力されるモニタ電圧のノイズを除去する。

　そして、電池管理回路１０７は、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０の間のモニタ電圧を検出するとともに、検出したモニタ電圧に基づいて、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出する。

　次に、図２および図３を用いて、過充電保護装置１００による過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出する動作について説明する。図３は、第１の実施形態にかかる過充電保護装置による過充電保護用ＦＥＴの故障検出処理の流れを示すフローチャートである。

　電池管理回路１０７は、蓄電池利用装置１１７から過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障の検出開始が指示されると、まず、ハイサイド駆動回路１０９へのハイサイドＦＥＴ駆動信号の出力および過充電保護用ＦＥＴ１０８へのローサイドＦＥＴ駆動信号の出力を禁止して、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）および過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）のオフを指示する（ステップＳ３０１）。そして、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８にオフが指示された場合に端子Ｔ４から出力されるモニタ電圧が、基準電源ｇの基準電圧Ｖ２に基づく第１の短絡故障検出用電圧（本実施形態では、基準電圧Ｖ２が逆流防止ダイオードＤ２により降圧された電圧である第１閾値）以下であるか否かを判断する（ステップＳ３０２）。

　ここで、過充電保護用ＦＥＴ１０６が正常にオフしている場合には、電池モジュール１０１からの電流が分圧抵抗Ｒ１０を介して端子Ｔ４に流れ込まないため、端子Ｔ４からは、基準電源ｇの基準電圧Ｖ２を逆流防止ダイオードＤ２により降圧したモニタ電圧若しくは基準電圧Ｖ２を分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧したモニタ電圧が出力される。一方、過充電保護用ＦＥＴ１０６に短絡故障が発生している場合には、電池モジュール１０１からの電流が分圧抵抗Ｒ１０を介して端子Ｔ４に流れ込むため、端子Ｔ４からは、電池モジュール１０１の電池電圧がモニタ電圧として出力される。

　よって、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第１閾値以下となっている場合には（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）、過充電保護用ＦＥＴ１０６には短絡故障が発生していないと判断する。一方、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が、第１閾値より高い場合には（ステップＳ３０２：Ｎｏ）、過充電保護用ＦＥＴ１０６の短絡故障を検出する（ステップＳ３０３）。その際、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６に短絡故障が検出されたことを示す警告を図示しない表示部に表示するとともに、電池モジュール１０１の充放電を許可して過充電保護用ＦＥＴ１０６を強制的に溶断させることが可能である。

　次いで、過充電保護用ＦＥＴ１０６の短絡故障が検出されなかった場合、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８にオフが指示された場合に端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧された基準電圧Ｖ２に基づく第２の短絡故障検出用電圧（本実施形態では、基準電圧Ｖ２を、逆流防止ダイオードＤ２および分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧した電圧である第２閾値）以上であるか否かを判断する（ステップＳ３０４）。

　ここで、過充電保護用ＦＥＴ１０８が正常にオフしている場合には、基準電源ｇからの電流が過充電保護用ＦＥＴ１０８に流れ込まないため、端子Ｔ４からは、基準電源ｇの基準電圧Ｖ２が逆流防止ダイオードＤ２により降圧されてモニタ電圧として出力される。一方、過充電保護用ＦＥＴ１０８に短絡故障が発生している場合には、基準電源ｇからの電流が分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０および過充電保護用ＦＥＴ１０８を介して接地端子ＧＮＤに流れ込むため、端子Ｔ４からは、基準電圧Ｖ２が分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧されてモニタ電圧として出力される。

　よって、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第２閾値以上である場合には（ステップＳ３０４：Ｙｅｓ）、過充電保護用ＦＥＴ１０８には短絡故障が発生していないと判断する。一方、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第２閾値より低い場合（ステップＳ３０４：Ｎｏ）、過充電保護用ＦＥＴ１０８の短絡故障を検出する（ステップＳ３０５）。その際、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０８に短絡故障が発生したことを示す警告を図示しない表示部に表示するとともに、電池モジュール１０１の充放電を許可して過充電保護用ＦＥＴ１０８を強制的に溶断させることが可能である。

　次いで、過充電保護用ＦＥＴ１０８の短絡故障が検出されなかった場合、電池管理回路１０７は、ハイサイド駆動回路１０９へのハイサイドＦＥＴ駆動信号の出力を禁止しかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８へのローサイドＦＥＴ駆動信号を出力して、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）のオフを指示しかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）のオンを指示する（ステップＳ３０６）。そして、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６にオフが指示されかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８にオンが指示された場合に端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧された基準電圧Ｖ２に基づく第１の開放故障検出用電圧（本実施形態では、基準電圧Ｖ２を、逆流防止ダイオードＤ２および分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０で分圧した電圧である第３閾値）以下であるか否かを判断する（ステップＳ３０７）。

　ここで、過充電保護用ＦＥＴ１０８が正常にオンしている場合には、基準電源ｇからの電流が分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０および過充電保護用ＦＥＴ１０８を介して接地端子ＧＮＤに流れ込むため、端子Ｔ４からは、基準電圧Ｖ２が分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０により分圧されてモニタ電圧として出力される。一方、過充電保護用ＦＥＴ１０８に開放故障が発生している場合には、基準電源ｇからの電流が過充電保護用ＦＥＴ１０８に流れ込まないため、端子Ｔ４からは、基準電圧Ｖ２が逆流防止ダイオードＤ２により降圧されてモニタ電圧として出力される。

　よって、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第３閾値以下となっている場合には（ステップＳ３０７：Ｙｅｓ）、過充電保護用ＦＥＴ１０８には開放故障が発生していないと判断する。一方、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第３閾値より高い場合（ステップＳ３０７：Ｎｏ）、過充電保護用ＦＥＴ１０８の開放故障を検出する（ステップＳ３０８）。その際、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０８に開放故障が発生したことを示す警告を図示しない表示部に表示しかつ電池モジュール１０１の充電を禁止する。この場合、過充電保護用ＦＥＴ１０８が開放故障しているため、過充電保護用ＦＥＴ１０８を強制的に溶断させることはできない。

　次いで、過充電保護用ＦＥＴ１０８の開放故障が検出されなかった場合、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０８へのローサイドＦＥＴ駆動信号の出力を禁止した後、ハイサイド駆動回路１０９へハイサイドＦＥＴ駆動信号を出力することにより、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）のオンを指示しかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）のオフを指示する（ステップＳ３０９）。そして、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６にオンが指示されかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８にオフが指示された場合に端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が、基準電圧Ｖ２に基づく第２の開放故障検出用電圧（本実施形態では、基準電圧Ｖ２を、逆流防止ダイオードＤ２により降圧した電圧である第４閾値）以上であるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。

　本実施形態では、制御電源Ｇと基準電源ｇとが同電位となっているため、基準電源ｇによって端子Ｔ４から基準電圧Ｖ２が出力されていると、制御用トランジスタ１０９ａに電流を流すことができず、過充電保護用ＦＥＴ１０６をオンすることができない。そこで、制御用トランジスタ１０９ａにコンデンサＣ１を直列接続することにより、過充電保護用ＦＥＴ１０８にオフが指示された後、過充電保護用ＦＥＴ１０６にオンが指示されてからコンデンサＣ１が飽和状態になるまでは、制御用トランジスタ１０９ａに電流を流すことを可能として、過充電保護用ＦＥＴ１０６をオンする。

　これにより、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０８にオフが指示された後、過充電保護用ＦＥＴ１０６にオンが指示されてからコンデンサＣ１が飽和状態になるまでに検出されたモニタ電圧を用いて、過充電保護用ＦＥＴ１０６の開放故障を検出することができる。

　ここで、過充電保護用ＦＥＴ１０６が正常にオンしている場合には、電池モジュール１０１からの電流が分圧抵抗Ｒ１０を介して端子Ｔ４に流れ込むため、端子Ｔ４からは、電池モジュール１０１の電池電圧がモニタ電圧として出力される。一方、過充電保護用ＦＥＴ１０６に開放故障が発生している場合には、電池モジュール１０１からの電流が分圧抵抗Ｒ１０を介して端子Ｔ４に流れ込まないため、端子Ｔ４からは、基準電源ｇの基準電圧Ｖ２が逆流防止ダイオードＤ２により降圧された電圧がモニタ電圧として出力される。

　よって、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第４閾値以上となっている場合には（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）、過充電保護用ＦＥＴ１０６には開放故障が発生していないと判断する。一方、電池管理回路１０７は、端子Ｔ４から出力されたモニタ電圧が第４閾値より低い場合（ステップＳ３１０：Ｎｏ）、過充電保護用ＦＥＴ１０６の開放故障を検出する（ステップＳ３１１）。その際、電池管理回路１０７は、過充電保護用ＦＥＴ１０６に開放故障が発生したことを示す警告を図示しない表示部に表示しかつ電池モジュール１０１の充電を禁止する。この場合、過充電保護用ＦＥＴ１０６が開放故障しているため、過充電保護用ＦＥＴ１０６を強制的に溶断させることはできない。

　そして、過充電保護用ＦＥＴ１０６の開放故障が検出されなかった場合、電池管理回路１０７は、ハイサイド駆動回路１０９へのハイサイドＦＥＴ駆動信号の出力および過充電保護用ＦＥＴ１０８へのローサイドＦＥＴ駆動信号の出力を禁止することにより、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）および過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）のオフを指示する（ステップＳ３１２）。

　このように第１の実施形態にかかる過充電保護装置１００によれば、電池モジュール１０１の充電時に充電制御ＦＥＴ１０４の短絡故障などにより電池管理回路１０７からの充電制御ＦＥＴ駆動信号によって充電電流を止めることができず、電池モジュール１０１のセル電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合に、電池モジュール１０１の高電位側の端子である正極端子ＢＰと電池モジュール１０１の低電位側の端子である負極端子ＢＭ間を短絡させて、電池モジュール１０１の短絡電流によってヒューズＦを溶断することにより、電池モジュール１０１の充電時に電池モジュール１０１に過充電状態が発生した場合に、ヒューズＦを溶断するためのヒータを設けることなく、ヒューズＦを溶断して電池モジュール１０１を保護することができる。

（第２の実施形態）
　本実施形態は、高電位側ＦＥＴをオンしかつ低電位側ＦＥＴをオフして、過充電保護用ＦＥＴ（高電位側ＦＥＴおよび低電位側ＦＥＴ）の故障を検出する場合に、電池モジュールの電池電圧（モニタ電圧）を分圧して、モニタ電圧として出力される電池モジュールの電池電圧を制限する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

　図４は、第２の実施形態にかかる蓄電池装置が備える過充電保護装置の具体的な構成を示す図である。本実施形態にかかる過充電保護装置２００の故障検出回路２０１は、図４に示すように、基準電源ｇ、逆流防止ダイオードＤ２、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０、ツェナーダイオードＴＤ４、コンデンサＣ２および端子Ｔ４に加えて、電流制限抵抗Ｒ１および逆流防止ダイオードＤ３を有している。

　逆流防止ダイオードＤ３は、接地端子ＧＮＤから基準電源ｇへの電流の逆流を防止する。電流制限抵抗Ｒ１１は、第１制御回路１１０の接地トランジスタ１１０ａがオンして基準電圧ｇ（または端子ＴＦ）から当該接地トランジスタ１１０ａに流れる電流を制限する。

　また、電流制限抵抗Ｒ１１および分圧抵抗Ｒ１０は、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）にオンが指示されかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）にオフが指示されて、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出する場合に（図３に示すステップＳ３０９）、電池モジュール１０１の電池電圧を分圧した電圧をモニタ電圧として端子Ｔ４から出力させる。これにより、端子Ｔ４からモニタ電圧として出力される電電池モジュール１１０の電池電圧を制限することができるので、より安全に過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出することができる。

　このように第２の実施形態にかかる過充電保護装置２００によれば、過充電保護用ＦＥＴ１０６（高電位側ＦＥＴ）にオンが指示されかつ過充電保護用ＦＥＴ１０８（低電位側ＦＥＴ）にオフが指示されて過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出する場合に、端子Ｔ４からモニタ電圧として出力される電池モジュール１１０の電池電圧を制限することができるので、より安全に過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８の故障を検出することができる。

（第３の実施形態）
　本実施形態は、配線基板が、過充電保護用ＦＥＴに直列接続される配線パターンにより形成される電流制限抵抗を覆うように設けられたグラウンド層を有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

　図５は、第３の実施形態にかかる過充電保護装置が備える配線基板の一例を示す図である。本実施形態では、配線基板ＨＲ２は、図５に示すように、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８に直列接続される電流制限抵抗（配線パターンＬ１，Ｌ２）が設けられた電流制限抵抗層Ｌと、当該電流制限抵抗層Ｌを上下から挟み込み当該電流制限抵抗層Ｌを静電シールドするグラウンド層ＧＬと、蓄電池装置１の各種部品や配線が設けられた配線層ＢＬと、を有している。

　グラウンド層ＧＬは、図５に示すように、ベタパターンにより構成され、電流制限抵抗層Ｌを上下から挟み込むことにより、電流制限抵抗層Ｌの電流制限抵抗（配線パターンＬ１，Ｌ２）を流れる電流の通電または停止に伴う誘導雑音を静電シールドして配線層ＢＬに設けられた各種部品や配線の動作に影響を与えることを防止する。本実施形態では、グラウンド層ＧＬは、電流制限抵抗層Ｌを上下から挟み込んでいるが、電流制限抵抗層Ｌが有する電流制限抵抗を覆うように設けられていれば、これに限定するものではなく、例えば電流制限抵抗層Ｌ全体を覆っても良い。

　電流制限抵抗層Ｌは、図５に示すように、隣り合って積層された同一の配線パターンＬ１，Ｌ２により形成される配線パターン対により構成される。そして、当該配線パターン対を構成する２つの配線パターンＬ１，Ｌ２は、図５に示すように、逆方向に電流が流されることにより、２つの配線パターンＬ１，Ｌ２それぞれが発生させる磁界を打ち消しあうことが可能である。これにより、本実施形態によれば、電流制限抵抗層Ｌの電流制限抵抗（配線パターンＬ１，Ｌ２）を流れる電流の通電または停止に伴う誘導雑音が、配線層ＢＬに設けられた各種部品や配線の動作に影響を与えることを防止する。

　本実施形態では、電流制限抵抗層Ｌは、１つの配線パターン対により構成されているが、電流が流れることにより発生する磁界を打ち消しあうように複数の配線パターンを積層したものであれば、これに限定するものではなく、例えば、２以上の配線パターン対により構成しても良い。

　このように、第３の実施形態の配線基板ＨＲ２によれば、過充電保護用ＦＥＴ１０６，１０８に直列接続される配線パターンＬ１，Ｌ２により形成される電流制限抵抗層Ｌを覆うように設けられたグラウンド層ＧＬを有することにより、電流制限抵抗層Ｌの配線パターンＬ１，Ｌ２を流れる電流の通電または停止に伴う誘導雑音を静電シールドして配線層ＢＬに設けられた各種部品や配線の動作に影響を与えることを防止する。

（変形例）
　本変形例は、電池モジュールの高電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴをＰＭＯＳ－ＦＥＴで構成した例である。以下、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

　図６は、変形例にかかる蓄電池装置の構成を示す図である。本実施形態にかかる蓄電池装置５００が備える過充電保護装置５０１は、図６に示すように、電池モジュール１０１の高電位側に接続されかつＰＭＯＳ－ＦＥＴで構成された過充電保護用ＦＥＴ５０２と、当該過充電保護用ＦＥＴ５０２のゲートとソース間に接続され、過充電保護用ＦＥＴ５０２のゲートとソース間の電位差を安定化させるためのツェナーダイオードＴＤ５と、電池管理回路１０７から入力されるハイサイドＦＥＴ駆動信号（電流）によりオンして過充電保護用ＦＥＴ５０２のゲートに電圧を印加する制御用トランジスタ５０３（ＮＰＮトランジスタ）と、過充電保護用ＦＥＴ５０２のゲートに流れる電流を制限する電流制限抵抗Ｒ１２と、制御用トランジスタ５０３のベースに流れ込む電流を制限する電流制限抵抗Ｒ１３と、を有している。

　そして、電池管理回路１０７は、電池モジュール１０１のセル電圧が所定の過充電検出用電圧を超えてヒューズＦを溶断する場合または過充電保護用ＦＥＴ５０２，１０８の故障を検出する場合に、制御用トランジスタ５０３のベースにハイサイドＦＥＴ駆動信号を入力して当該制御用トランジスタ５０３をオンすることにより、過充電保護用ＦＥＴ５０２のゲートに電圧を印加して当該過充電保護用ＦＥＴ５０２をオンする。

　このように本変形例によれば、電池モジュール１０１の高電位側に接続された過充電保護用ＦＥＴ５０２をＰＭＯＳ－ＦＥＴで構成することにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

　以上説明したとおり、第１～３の実施形態によれば、電池モジュール１０１の充電時に電池モジュール１０１に過充電状態が発生した場合に、ヒューズＦを溶断するためのヒータを設けることなく、ヒューズＦを溶断することができる。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

　直列接続された複数のスイッチ素子を、蓄電池と当該蓄電池を充電する充電部との間に接続されたヒューズおよび前記蓄電池に対して並列接続したスイッチ部と、
　前記蓄電池の出力電圧を検出するとともに、当該検出した出力電圧が所定の過充電検出用電圧を超えた場合、前記複数のスイッチ素子をオンして前記蓄電池の正極端子と負極端子間を短絡させる制御部と、
　を備えた過充電保護装置。
　隣り合う前記スイッチ素子間と基準電源との間に直列接続された複数の分圧抵抗を備え、
　前記制御部は、前記基準電源により基準電圧が印加された前記複数の分圧抵抗間のモニタ電圧を検出するとともに、検出した前記モニタ電圧に基づいて、前記スイッチ素子の故障を検出する請求項１に記載の過充電保護装置。
　前記制御部は、前記複数のスイッチ素子にオフが指示された場合に検出された前記モニタ電圧が、前記基準電圧に基づく第１の短絡故障検出用電圧より高い場合、前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子の短絡故障を検出する請求項２に記載の過充電保護装置。
　前記制御部は、前記複数のスイッチ素子のオフが指示された場合に検出された前記モニタ電圧が、前記複数の分圧抵抗により分圧された前記基準電圧に基づく第２の短絡故障検出用電圧より低い場合、前記蓄電池の低電位側に接続された前記スイッチ素子の短絡故障を検出する請求項２に記載の過充電保護装置。
　前記制御部は、前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子にオフが指示されかつ前記蓄電池の低電位側に接続された前記スイッチ素子のオンが指示された場合に検出された前記モニタ電圧が、前記複数の分圧抵抗により分圧された前記基準電圧に基づく第１の開放故障検出用電圧より高い場合、前記蓄電池の低電位側に接続された前記スイッチ素子の開放故障を検出する請求項２に記載の過充電保護装置。
　前記制御部は、前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子にオンが指示されかつ前記蓄電池の低電位側に接続された前記スイッチ素子にオフが指示された場合に検出された前記モニタ電圧が、前記基準電圧に基づく第２の開放故障検出用電圧より低い場合、前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子の開放故障を検出する請求項２に記載の過充電保護装置。
　前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子と、当該スイッチ素子のオン可能かつ前記基準電源と同電位の制御電源と、の間に並列接続された制御用スイッチ素子およびコンデンサを備え、
　前記制御部は、前記蓄電池の低電位側に接続された前記スイッチ素子にオフが指示された後、前記蓄電池の高電位側に接続された前記スイッチ素子にオンが指示されてから、前記コンデンサが飽和状態になるまでに前記モニタ電圧を検出する請求項６に記載の過充電保護装置。
　前記制御部は、検出した前記出力電圧が前記所定の過充電検出用電圧を超えた場合、前記複数のスイッチ素子をオンしてから所定時間経過後、前記複数のスイッチ素子をオフする請求項１に記載の過充電保護装置。
　前記複数のスイッチ素子に直列接続される配線パターンにより形成される電流制限抵抗を有する配線基板を備えた請求項１に記載の過充電保護装置。
　前記配線基板は、前記電流制限抵抗を覆うように設けられたグラウンド層を有する請求項９に記載の過充電保護装置。
　前記電流制限抵抗は、電流が流れることにより発生する磁界を打ち消し合うように積層された複数の配線パターンにより構成される請求項９に記載の過充電保護装置。
　前記電流制限抵抗は、隣り合って積層された同一の前記配線パターンにより形成される配線パターン対により構成され、
　前記配線パターン対を構成する２つの前記配線パターンは、逆方向に電流が流されることにより、２つの前記配線パターンそれぞれが発生させる磁界を打ち消しあう請求項１１に記載の過充電保護装置。