具体实施方式
以下作为实施方式说明的具备电池系统的驱动系统,或者电池系统、车载用电池系统,电池组件(battery module)、上述电池组件中使用的单元控制器,上述单元控制器具有的电路基板和集成电路等电路部件,分别具备较高的可靠性。此外,以下说明的系统以及电路基板和集成电路等电路部件,进行了用于作为产品使用的研究,不仅提高了可靠性,还解决了各种问题。以下记载了其中代表性的部分。
[提高可靠性]
后文中使用图13叙述的车辆驱动系统,以电池组件、逆变器装置和旋转电机(以下记为电动机)230为主要结构,使上述逆变器装置220和电池组件900能够经由通信线路交换信息。特别是,将电池组件900的诊断结果发送到逆变器装置220的控制电路(以下记为MCU)222,在逆变器装置220和电池组件900中共享异常状态等重要信息。电池组件900具有将锂电池与逆变器装置220间的电路连接或者断路的继电器RLP和RLN,上述继电器RLP和RLN由逆变器装置220的MCU222控制。逆变器装置220的MCU222,能够基于电动机230、逆变器装置220和模块900的状态控制继电器RLP和RLN,因此提高了系统整体的可靠性。此外,逆变器装置220的MCU222,通过与继电器RLP和RLN的控制对应地对逆变器进行控制,能够控制电动机230的消耗电力和发电电力,获得较高的安全性和较高的可靠性。
电池组件900包括具有锂电池单元的电池部9、单元控制器80和电池控制器20作为主要结构。单元控制器80进行电池部9具有的锂电池单元的端子电压的测量和诊断,和用于调整充电状态SOC的放电动作。电池控制器20,接收单元控制器80的测量结果和诊断结果,进行电池组件900的管理。通过这样分担功能,提高电池组件900的可靠性和安全性。
单元控制器80具有多个集成电路,该集成电路具有检测电池部9所具有的多个锂电池单元的各端子电压的功能。使用锂电池的电池组件与单电池不同,出于安全性的观点来看,高可靠性地测量锂电池单元的端子电压是非常重要的。另一方面,车载设备在长期高温或者低温的环境下使用,与一般产业设备的使用环境相比,需要考虑能够置于苛刻的环境下。在以下说明的实施方式中,集成电路分别具备诊断是否正确地测量锂电池单元的端子电压的诊断电路,集成电路分别以确定的周期反复执行诊断。集成电路或者使用集成电路的单元控制器80具有上述结构,上述各集成电路或者上述单元控制器80具有较高的可靠性。
如上所述,虽然能够发现与锂电池单元的劣化和锂电池单元的放电电路的诊断相关的公知例,但却没有考虑到与锂电池单元的端子电压的测量动作相关的诊断的必要性。但是,可知在进一步提高可靠性和安全性上,需要各集成电路的测量动作的诊断。在以下说明的实施方式中,各集成电路,对于各端子电压的测量动作是否正常地进行——例如由复用器(multiplexer)进行的锂电池单元的端子电压的选择是否正常地进行——分别利用诊断电路反复加以诊断。从而,能够获得可靠性非常高的集成电路。
[集成电路的简化]
以下说明的实施方式中,如图4所示,是以与锂电池单元的端子电压的测量同步的周期反复实施诊断的结构,集成电路能够综合地实施测量的控制和诊断的控制,除了提高可靠性和安全性之外,能够使集成电路的电路结构较为简化。
在以下说明的实施方式中,如图4所示,能够与测量动作同步地实施集成电路的多个诊断,综合地实施集成电路整体的诊断,对于集成电路能够维持较高的可靠性。其中,多个诊断指的是集成电路的平衡开关的诊断、模拟数字变换器的诊断、复用器的诊断、数字比较电路的诊断等。即除了集成电路的原本的功能之外,还追加了诊断功能,虽然功能得到增加,但集成电路的动作整体和电路结构整体综合地动作,所以集成电路为比较简化的结构。
[异常诊断时间的缩短]
期望在使用锂电池的车载用电池组件中短时间检测出异常,并尽量快速地应对异常。另一方面,随着使用电力增大,电池部具有的锂电池单元的数量增多,使用的集成电路的数量增多。在除了锂电池单元的异常诊断之外,还要进行各集成电路自身的诊断的情况下,在短时间内完成多个诊断项目成为重要的问题。
在以下说明的实施方式中,各集成电路在一旦开始测量动作和诊断动作后,分别独立地以规定的周期反复实施测量动作和诊断动作。从而,尽管锂电池单元的数量和集成电路的数量较多,仍然能够在较短的时间内完成作为电池系统、电池组件的测量动作和诊断动作。例如,在要使车辆短时间内起动并行驶的情况下,能够在较短时间内实施上述测量和诊断。能够实现基于诊断结果的行驶,维持较高的安全性。
此外,对于集成电路和锂电池单元的异常,电池组件、电池系统以及图13中记载的驱动系统,能够进行电池组件所接收和发出的电力量的快速降低、快速的继电器的断开等应对。各集成电路具备独立进行异常诊断,并且在检测到异常时将表示异常的信号迅速输出的发送接收电路。该发送接收电路具有OR(或)电路288所例示的OR功能。即,该功能为,在接收到异常信号时无论自身的集成电路的诊断结果如何均输出异常信号,以及即使在没有接收到异常信号的情况下,当自身的集成电路检测出异常时输出异常信号。从而,电池控制器20等上位的控制电路,通过调查从集成电路发送来的上述异常信号的结果,能够迅速得知相关的多个集成电路整体的异常诊断结果。此外,即使没有特别命令异常信号的发送,也能够获得综合的诊断结果,因此具有抑制上位(上级)控制电路的处理负载的增大的效果。
[生产性的提高]
在以下说明的实施方式中,在单元控制器80的基板上保持集成电路,用于各锂电池单元的SOC调整的放电状态调整用电阻R1~R4以及图26和图27所示的噪声除去用的电容器C1~C6也保持在单元控制器80的基板上。由于将集成电路和放电状态调整用电阻R1~R4以及电容器C1~C6集中保持在单元控制器80的基板上,提高了生产性。此外,通过将上述电路部件靠近配置,也提高了可靠性和安全性。
以下,参照附图说明用于实施本发明的方式。
<单元控制器的说明>
图1是说明车辆用旋转电机的驱动中使用的车辆用电池系统的电池部9和单元控制器(以下有时简称为C/C)80的图。
电池部9具有串联连接的多个电池单元的组(以下称为单元组)GB1、……GBM、……GBN。各单元组具有多个串联连接的电池单元BC1~BC4。从而,电池部9具有串联连接的多个电池单元。在该实施方式中,例如为数十个,根据情况具有由数百个组成的大量电池单元。在本实施方式中,各电池单元为锂离子电池。
各锂电池单元的端子电压随该电池单元的充电状态变化。例如,在充电状态30%左右的放电状态下为大约3.3伏特左右,充电状态70%左右的充电状态下为大约3.8伏特左右。在超过正常的动作状态放电的过放电状态下,存在例如为2.5伏特以下的情况。此外,在超过正常的动作范围充电的过充电状态下,存在为4.2伏特以上的情况。串联连接的多个电池单元BC1~BC4,能够通过分别测量端子电压来掌握各自的充电状态SOC。
在本实施方式中,出于使各电池单元BC1~BC12的端子电压的测量容易进行等理由,由4个至6个各电池单元构成1个单元组。在该图1所示的实施方式中,各单元组(单元组BG1和单元组GBM、单元组GBN)由4个电池单元BC1~BC4构成。在图1中,在单元组BG1和单元组GBM之间,以及单元组GBM和单元组GBN之间,还存在具有电池单元的单元组,但由于为相同结构,为了避免说明繁琐因此省略。
单元控制器80,与构成电池部9的各单元组GB1、……GBM、……GBN对应地,具有集成电路3A、……、3M、……、3N。各集成电路具备电压检测用的端子,用于检测各电池单元的端子电压。各集成电路的电压检测用的各端子V1至GND,与构成各单元组的各电池单元的正极和负极分别连接。此外,各集成电路具有用于信号传输的发送接收端子,上述各集成电路的发送接收端子如下所述地串联连接,通过信号传输线路与电池控制器20连接。以下进一步详细叙述。
单元控制器80,与各单元组对应地具有多个——例如几个到几十个——集成电路。在图1中,将集成电路(以下有时简称为IC)记载为3A、……、3M、……、3N。其中,在集成电路3A和集成电路3M之间,以及集成电路3M和集成电路3N之间,还存在相同结构的集成电路,为了避免繁琐将其省略。
各集成电路3A、……、3M、……、3N,分别对构成对应的各单元组GB1、……GBM、……GBN的各电池单元(以下有时称为电池单元)BC1~BC4的电压进行检测。此外,各集成电路3A、……、3M、……、3N,为了使所有单元组的所有电池单元的充电状态SOC(State OfCharge)均匀化,将用于个别地调整各电池单元BC1~BC4的SOC的充电状态调整用电阻R1~R4通过开关元件与各电池单元并联连接。开关元件使用图2在后文叙述。
此外,集成电路3A、3M、3N,各自具有对构成对应的各单元组GB1、……GBM、……GBN的各电池单元BC1~BC4的异常状态进行检测的功能。上述集成电路均具有相同的结构,各集成电路分别具有电池单元的(1)端子电压测量电路、(2)充电状态调整电路、(3)异常状态检测电路。本实施方式中异常状态指的是电池单元的过充电与过放电、电池单元温度的异常上升等。
集成电路3A、3M、3N与上位(上级)的电池控制器20之间的信号的发送接收,通过通信线束(communication harness)50进行。电池控制器20使车的底盘电位为接地(GND),在12V以下的低电位下动作。另一方面,各集成电路3A、3M、3N,由于构成对应的组的电池单元的电位不同,因此保持为各自不同的电位,在不同的电位下动作。如上所述,电池单元的端子电压基于充电状态SOC变化。因此,相对于电池部9的最低电位的各组的电位,基于充电状态SOC变化。各集成电路3A、3M、3N,由于检测电池部9中对应的单元组的电池单元的端子电压,或者进行用于调整对应的单元组的电池单元的充电状态SOC的放电控制等,所以当基于对应的单元组的电位使集成电路的基准电位变化时,对集成电路施加的电压差会更小。当对集成电路施加的电压差较小时,具有能够使集成电路的耐压更小,或者提高安全性和可靠性等效果,因此,本实施方式中,使集成电路的基准电位基于相关的单元组的电位而变化。通过将作为各集成电路的基准电位的GND端子与相关的单元组的电池单元的某处连接,能够使集成电路的基准电位基于相关的组的电位而变化。本实施方式中,将作为各单元组的最低电位的电池单元的端子,与集成电路的GND端子连接。
此外,为了在各集成电路的内部产生使集成电路的内部电路动作的基准电压和电源电压,将各集成电路的V1端子,与作为对应的各单元组的最高电位的电池单元的正极端子连接,将各集成电路的GND端子与作为各单元组的最低电位的电池单元的负极端子连接。根据这样的结构,各集成电路承受各单元组的最高电位与最低电位之间的电位差即电压而动作。各集成电路的消耗电力由电池部9的电池单元平均地分担,具有抑制SOC的不均衡的效果。
电池控制器20的电源系统与单元控制器80的电源系统的电位关系不同,并且电压的值也有较大不同。因此,与电池控制器20连接的通信线束50,需要与串联连接了各集成电路3A、3M、3N的发送接收端子的传输线路52、54电绝缘。因此,在由集成电路构成的传输线路52、54的入口侧和出口侧分别设置用于实现电绝缘的绝缘电路。
将设置在传输线路52、54的入口侧的绝缘电路用入口侧接口INT(E)表示,将设置在出口侧的绝缘电路用出口侧接口INT(O)表示。上述各接口INT(E)、INT(O),具有将电信号暂时变换为光信号,之后再次变换为电信号的电路,通过该电路来传输信息。其结果,维持了电池控制器20的电路与单元控制器80的电路之间的电绝缘。入口侧的接口INT(E)具有光电耦合器PH1、PH2。光电耦合器PH1设置在电池控制器20的发送端子TX与高电位侧的集成电路3A的接收端子RX之间。光电耦合器PH2设置在电池控制器20的发送端子FF-TEST与集成电路3A的接收端子FFI之间。入口侧接口INT(E)内的光电耦合器PH1、PH2,维持上述电池控制器20的各发送端子TX、FF-TEST与集成电路3A的接收端子RX和FFI之间的电绝缘。
同样地,在电池控制器20的接收端子与低电位侧的集成电路3N之间,设置出口侧接口INT(O)的各光电耦合器PH3、PH4,维持电池控制器20的接收端子与集成电路3N的各发送端子之间的电绝缘。详细而言,在集成电路3N的发送端子TX与电池控制器20的接收端子RX之间设置光电耦合器PH3,在集成电路3N的发送端子FFO与电池控制器20的接收端子FF之间设置光电耦合器PH4。
从电池控制器20的发送端子TX发送的信号,通过环状的通信路,经由集成电路3A、……、3M、……、3N,被接收端子RX接收。即,从电池控制器20的发送端子TX发送的信号,通过入口侧接口INT(E)内的光电耦合器PH1由集成电路3A的接收端子RX接收,从集成电路3A的发送端子TX发送,由集成电路3M的接收端子RX接收,从集成电路3M的发送端子TX发送,由集成电路3N的接收端子RX接收,从集成电路3N的发送端子TX发送,通过出口侧接口INT(O)的光电耦合器PH3,被电池控制器20的接收端子RX接收。通过这样环状的通信路进行串行通信。其中,通过该串行通信,各电池单元的端子电压和温度等测量值被电池控制器20接收。进而,集成电路3A至3N采用当通过该传输线路接收到命令时自动成为唤醒(Wake Up)状态的结构。从而,当从电池控制器20传输了后述的通信命令292时,各集成电路3A~3N分别从睡眠状态转移到动作状态。
各集成电路3A~3N进而进行异常诊断,在存在异常的情况下,通过下一传输线路传输1比特信号。各集成电路3A~3N在判断为自身异常的情况下,或者由接收端子FFI从之前的集成电路接收到表示异常的信号的情况下,从发送端子FFO发送异常信号。另一方面,在接收端子FFI已接收到的表示异常的信号消失,或者自身的异常判断变为正常判断的情况下,从发送端子FFO传输的异常信号消失。该异常信号,在本实施方式中为1比特信号。电池控制器20不对集成电路发送异常信号,但是为了诊断异常信号的传输线路正常动作,从电池控制器20的端子FFTEST发送作为模拟异常信号的测试信号。接着说明传输线路。
作为模拟异常信号的测试信号,从电池控制器20的发送端子FFTEST,通过入口侧接口INT(E)的光电耦合器PH2发送到集成电路3A的接收端子FFI。接收到该信号后,从集成电路3A的发送端子FFO发送表示异常的信号(以下记为异常信号),并顺序向下一个集成电路发送,从而发送到集成电路3M的接收端子FFI。异常信号像这样被顺序发送,从集成电路3N的发送端子FFO通过输出侧接口INT(O)的光电耦合器PH4发送到电池控制器20的接收端子FF。如果发送路正常动作,则从电池控制器20发送的模拟异常信号,通过发送路返回电池控制器20的接收端子FF。像这样,由电池控制器20发送接收模拟异常信号,能够进行通信路的诊断,提高系统的可靠性。此外如上所述,即使没有来自电池控制器20的发送请求,检测到异常状态的集成电路仍对下一个集成电路发送异常信号,由此,能够将异常状态迅速地传达到电池控制器20。从而能够迅速地推进针对异常的对策。
在上述说明中,信号的传输均从与电池部9的电位高的组对应的集成电路3A向与电位低的单元组对应的集成电路3N进行,但这只是一例。相反地,也可以从电池控制器20向与电池部9的电位低的单元组对应的集成电路3N发送信号,之后,顺序发送到与电位高的单元组对应的各集成电路(包括集成电路3M),从与最高电位的单元组对应的集成电路3A通过接口INT发送到电池控制器20。通过从高电位侧向低电位侧,或者从低电位侧向高电位侧,根据电位变化构成传输线路,不需要在集成电路之间设置光电耦合器等绝缘单元,能够以简单的结构和廉价的结构制作传输线路。
图1所示的直流电源系统,通过正极侧的继电器RLP和负极侧的继电器RLN对逆变器装置等负载供给直流电力。该继电器RLP、RLN的开闭,在集成电路检测到异常时,由电池控制器20或者逆变器装置控制。
电池控制器20接收电流传感器Si的输出,检测从电池部9整体对逆变器装置供给的电流。此外,电池控制器20,根据电压计Vd的输出,检测从电池部9对逆变器装置供给的直流电压。
<集成电路>
图2是表示集成电路3A的一例的电子电路的框图。如上所述,各集成电路3A、……、3M、……、3N分别为相同的结构。因此集成电路3A以外的其他集成电路的结构,与图2所示的结构相同。图2所示的集成电路3A,和与该集成电路对应的电池部9的单元组GB1中包含的各电池单元BC1~BC4连接。将集成电路3A作为代表例说明,而集成电路3A以外的集成电路各自与对应的电池部9的单元组连接,进行同样的动作。其中,如图1所示,集成电路3A以及电阻R1~R4设置在单元控制器80,图2中省略符号80的记载。
集成电路3A的输入侧端子,与构成单元组GB1的电池单元BC1至BC4连接。电池单元BC1的正极端子,通过输入端子V1与输入电路116连接。该输入电路116,如后所述包括复用器(multiplexer)。电池单元BC1的负极端子即电池单元BC2的正极端子通过输入端子V2与输入电路116连接,电池单元BC2的负极端子即电池单元BC3的正极端子通过输入端子V3与输入电路116连接,而电池单元BC3的负极端子即电池单元BC4的正极端子通过输入端子V4与输入电路116连接。电池单元BC4的负极端子与集成电路3A的GND端子连接。
电源电路121例如由DC/DC变换器等构成,将来自各电池单元BC1~BC4的电力变换为规定的恒定电压。这些电压作为驱动电源供给到集成电路3A内的各电路,或者为了对状态进行判断而作为比较基准电压供给到比较电路。
电压检测电路122具有将各电池单元BC1~BC4的各端子间电压变换为数字值的电路。变换为数字值后的各端子间电压被发送到IC控制电路123,保持在内部的存储电路125中。这些电压被用于诊断等,或者从通信电路127发送到图1所示的电池控制器20。
IC控制电路123具有运算功能,并且具有存储电路125、电源管理电路124、周期性地进行各种电压的检测和状态诊断的时刻(时序)控制电路(timing control circuit)252。存储电路125例如由寄存器电路构成,将由电压检测电路122检测到的各电池单元BC1~BC4的各端子间电压与各电池单元BC1~BC4对应地存储,此外,将其他检测值可读出地保持在预先确定的地址。电源管理电路124管理电源电路121的状态。
在IC控制电路123,连接有通信电路127。IC控制电路123通过该通信电路127从该集成电路3A的外部接收信号。例如,从电池控制器20,通过入口侧接口INT(E)的光电耦合器PH1,用RX端子接收通信命令。通信命令从通信电路127发送到IC控制电路123,在此处解释通信命令的内容,进行与通信命令内容相应的处理。通信命令例如包括请求各电池单元BC1~BC4的端子间电压的测量值的通信命令、请求用于调整各电池单元BC1~BC4的充电状态的放电动作的通信命令、开始该集成电路3A的动作的通信命令(Wake Up)、停止动作的通信命令(睡眠)、请求地址设定的通信命令等。
图2中,电池单元BC1的正极端子,通过电阻R1与集成电路3A的端子B1连接。在该端子B1与端子V2之间设置平衡开关129A。平衡开关129A与用于检测该开关的动作状态的动作状态检测电路128A并联连接。该平衡开关129A由放电控制电路132控制开闭。同样地,电池单元BC2的正极端子通过电阻R2与端子B2连接,在该端子B2与端子V3之间设置平衡开关129B。平衡开关129B与用于检测该开关的动作状态的动作状态检测电路128B并联连接。该平衡开关129B由放电控制电路132控制开闭。
电池单元BC3的正极端子通过电阻R3与端子B3连接,在该端子B3与端子V4之间设置平衡开关129C。平衡开关129C与用于检测该开关的动作状态的动作状态检测电路128C并联连接。该平衡开关129C由放电控制电路132控制开闭。电池单元BC4的正极端子通过电阻R4与端子B4连接,在该端子B4与端子GND之间设置平衡开关129D。平衡开关129D与用于检测该开关的动作状态的动作状态检测电路128D并联连接。该平衡开关129D由放电控制电路132控制开闭。
动作状态检测电路128A~128D,分别以规定周期反复检测各平衡开关129A~129D的两端电压,检测各平衡开关129A~129D是否正常。平衡开关129A~129D是调整电池单元BC1~电池单元BC4的充电状态的开关。在这些平衡开关发生异常的情况下,无法控制电池单元的充电状态,一部分电池单元可能会过充电或者过放电。各平衡开关129A~129D的异常检测,例如是尽管某一个平衡开关为导通的状态,但对应的平衡开关的端子间电压仍表示为电池单元的端子电压的情况。该情况下,平衡开关并没有成为基于控制信号的导通状态。另一方面,是尽管某一个平衡开关为断开状态,但对应的平衡开关的端子间电压与电池单元的端子电压相比为较低的值的情况,该情况下,平衡开关与控制信号无关地为导通。作为上述平衡开关的动作状态检测电路128A~128D,使用差分放大器等构成的电压检测电路,在后述的异常判断电路131中与用于进行上述判断的规定电压进行比较。
平衡开关129A~129D例如由MOS型FET构成,各自起到使对应的电池单元BC1~BC4中蓄积的电力放电的作用。对于串联连接了大量电池单元的电池部9,连接逆变器等电负载,对电负载的电流的供给,由串联连接的大量电池单元整体进行。此外在电池部9充电的状态下,来自电负载的电流的供给,对串联连接的大量电池单元的整体进行。在串联连接的大量电池单元处于不同的充电状态(SOC)的情况下,对电负载的电流的供给,根据大量电池单元内最大放电状态的电池单元的状态限制。另一方面,在从电负载供给电流的情况下,根据大量电池单元内最大充电的电池单元限制电流的供给。
因此,在串联连接的大量电池单元内,例如对处于超过平均状态的充电状态的电池单元,使与电池单元连接的平衡开关129为导通状态,通过串联连接的电阻使放电电流流动。由此,将串联连接的电池单元的充电状态向相互接近的方向控制。此外作为其他方法,有将最大放电状态的电池单元作为基准单元,基于与基准单元的充电状态的差来决定放电时间的方法。其他还有调整充电状态SOC的各种方法。充电状态能够基于电池单元的端子电压通过运算而求得。由于电池单元的充电状态与该电池单元的端子电压具有相关关系,所以通过以使各电池单元的端子电压接近的方式控制平衡开关129,能够使各电池单元的充电状态接近。
构成平衡开关的各FET的源极与漏极之间的电压,由动作状态检测电路128A~128D检测,并输出到电位变换电路130。各FET的源极与漏极之间的电位分别与集成电路3A的基准电位不同,这样难以进行比较判断,因此在电位变换电路130中使电位一致,而后在异常判定电路131中进行异常判定。此外,电位变换电路130,还具有基于来自IC控制电路123的控制信号来选择要诊断的平衡开关129的功能。所选择的平衡开关129的电压,被发送到异常判定电路131。异常判定电路131,基于来自IC控制电路123的控制信号,对来自上述电位变换电路130的信号即要诊断的平衡开关129的端子间电压与判定电压进行比较,判定各平衡开关129A1~129D是否异常。
对放电控制电路132,从IC控制电路123发送用于使与要放电的电池单元对应的平衡开关129导通的指令信号。放电控制电路132,基于该指令信号,如上所述输出相当于进行由MOS型FET构成的平衡开关129A~129D的导通的栅极电压的信号。IC控制电路123,从图1的电池控制器20,通过通信来接收与电池单元对应的放电时间的指令,执行上述放电动作。
异常判定电路131检测平衡开关129A~129D有无异常。
IC控制电路123,将平衡开关129A~129D的异常从通信电路127的1比特发送端子FFO输出,通过其他集成电路的通信电路127发送到上述电池控制器20。此外,IC控制电路123,将平衡开关129A~129D的异常和确定该异常的平衡开关的信息,通过通信电路127的发送端子TX发送到电池控制器20。
<通信单元>
图3是表示各集成电路3A、……、3M、……、3N中通信命令的发送接收方法的说明图。图3(a)表示通信单元的结构,图3(b)表示输入输出信号的电位电平。信号3A-RX表示集成电路3A的端子RX接收的信号,信号3A-TX表示从集成电路3A的端子TX发送的信号,信号3B-RX表示集成电路3B的端子RX接收的信号,信号3B-TX表示从集成电路3B的端子TX发送的信号,信号3C-RX表示集成电路3C的端子RX接收的信号,信号3C-TX表示从集成电路3C的端子TX发送的信号。
信号3A-TX被集成电路3A内的电阻RA和集成电路3B内的电阻RB分压,形成信号3B-RX。信号3B-TX被集成电路3B内的电阻RB’和集成电路3C内的电阻RC’分压,形成信号3C-RX。以下同样,在串联连接的通信路中被集成电路内部的各电阻分压,确定接收信号的电位。
在图3(b)中,表示了信号3A-RX、信号3A-TX、信号3B-RX、信号3B-TX、信号3C-RX以及信号3C-TX的各电位电平。
这样,从电压电平的最上位的单元组GB1向着下游侧的单元组,阈值的电压设定为4个电池单元份的合计电压与2个电池单元份的合计电压的和的一半电压。即,从集成电路3A输出图3(b)所示的信号3A-TX时,集成电路3B的输入信号为将信号3A-TX用电阻RA、RB分压后的结果。集成电路3B的输入信号成为图3(b)的信号3B-RX,从集成电路3B的接地电平GNDB来看,高电平=VCCB为4个电池单元份的电压,低电平为2个电池单元份的电压。当将阈值设定为低和高的中间时,阈值的电位为2个份的电位(低电平)与4个份的电位(高电平)的中间,设定为将4个份的合计与2个份的合计相加而得的值的一半。
这样做的理由是,在将集成电路3B管理的电池单元的各电压作为基准,以与集成电路3A同样的阈值判定来自集成电路3A的TX端子的信号的情况下,避免上述信号的Low电平(低电平)成为对集成电路3B施加的总电压的1/2这样的错误。即,各集成电路的阈值,将其相关的单元电池(4个份)的电压设定为基准。将集成电路3A的阈值设定为信号3A-RX的高和低的中间=(VCCA-GNDA)/2时,其成为4个单元电池份的一半的电压。将集成电路3B的阈值同样设定为4个单元电池份的一半=(VCCB-GNDB)/2时,会与信号3B-RX的低电平相同,产生错误。为了避免这样的错误,如果在集成电路3B以后的集成电路中如上所述地设定阈值,则阈值电平会处于信号RX的高和低的中间。其中,上述信号电平以从高电位侧向低电位侧的发送作为前提进行说明,而从低电位侧向高电位侧的发送,也能够通过同样进行电阻分割使电平偏移(level shift)来实现。
<诊断和测量——(1)动作预定表(schedule)概要>
图4是说明测量动作的时刻(timing,时序)的图。图2所示的集成电路3A,具有与测量动作一起进行诊断动作的功能,在图4记载的动作时刻进行反复测量,并与该测量同步地执行诊断。其中,上述图1和图2为构成电池部9的各单元组GB1~GBN具有4个电池单元的实施方式,而集成电路3A~3N为能够支持6个电池单元的电路。因而构成各单元组GB1~GBN的电池单元的数量,最大能够增至6个。因此,在图4的表示动作时刻的图中,也以电池单元是6个为前提。
在图1的与各单元组GB1~GBN对应设置的集成电路3A~3N中,分别设定构成各单元组GB1~GBN的电池单元数。由此,各集成电路3A~3N,产生与相关联的单元组的电池单元数量对应的阶段(stage)信号。通过采用这样的结构,能够改变构成单元组GB1~GBN的电池单元数量,设计的自由度增大,并且能够进行高速的处理。
图4是说明诊断动作和测量动作的时刻的图。测量动作的时刻以及测定周期,或者诊断动作,由起动电路254和由第一阶段计数器256与第二阶段计数器258组成的阶段计数器管理。阶段计数器256、258,产生管理集成电路3A整体的动作的控制信号(时刻信号)。阶段计数器256、258实际上不分离,此处为了便于理解特地将其分离表示。阶段计数器256、258可以为通常的计数器,也可以为移位寄存器。
起动电路254在(1)通过端子RX接收到从传输线路发送来的请求Wake Up的通信命令时,或者(2)被供给集成电路的IC的电源电压而达到规定的电压时,或者(3)接收到表示车的起动开关(钥匙开关)打开的信号时,对上述第一和第二阶段计数器256、258输出复位信号,使各阶段计数器256、258成为初始状态,按规定的频率输出时钟信号。即,集成电路3A在上述(1)至(3)的条件下执行测量动作和诊断动作。另一方面,在从传输线路接收到请求Sleep的通信命令的情况下,或者在规定时间以上无法接收到该通信命令的情况下,起动电路254,在阶段计数器256、258恢复复位状态即初始状态的时刻,停止时钟的输出。通过该时钟的输出停止来停止阶段的前进,上述测量动作和诊断动作的执行成为停止状态。
接收到来自起动电路254的时钟信号后,第一阶段计数器256输出控制阶段STG2的各期间(后述[STGCal的RES]期间~[STGPSBG的测量]期间)内的处理时刻的计数值。解码器257产生控制阶段STG2的各期间内的处理时刻的时刻信号STG1。随着第二阶段计数器258的计数值增加,对应的期间在动作表260中从左向右切换。根据第二阶段计数器258的计数值,从解码器259输出确定各期间的阶段信号STG2。
第一阶段计数器256为下位计数器,第二阶段计数器258为上位计数器。在第二阶段计数器258的计数值为“0000”,第一阶段计数器256的计数值为“0000”~“1111”的期间,从解码器259输出表示阶段STGCal的RES期间(以下称为[STGCal RES]期间)的信号。[STGCalRES]期间中进行的各种处理,基于根据第一阶段计数器256的计数值“0000”~“1111”输出的解码器257的信号而执行。
其中,在图4中,第一阶段计数器256简略记为4比特计数器,不过,例如在第一阶段计数器256为8比特计数器的情况下,若每次计数进行不同的处理动作,则能够进行256种处理。对于第二阶段计数器258,与第一阶段计数器256的情况相同,通过使其能够进行大量计数而能够进行大量处理。
第一阶段计数器256的计数值为“1111”时[STGCal的RES]期间结束,第二阶段计数器258的计数值成为“0001”,成为[STGCal的测量]期间。然后,在第一阶段计数器258为计数值“0001”的[STGCal测量]期间中,基于根据第一阶段计数器256的计数值“0000”~“1111”从解码器257输出的信号,执行各种处理。然后,当第一阶段计数器256的计数值成为“1111”时[STGCal的测量]期间结束,第二阶段计数器258的计数值成为“0010”,成为[STGCV1 RES]期间。在该[STGCV1RES]期间中,当第一阶段计数器256的计数值成为“1111”时结束[STGCV1 RES]期间,第二阶段计数器258的计数值成为“0011”,开始[STGCV1测量]期间。
这样,从图4的[STGCal RES]期间开始,动作期间随着第二阶段计数器258的计数按照依次向右侧移动,在[STGPSBG测量]期间结束时结束基本动作。之后在第二阶段计数器258计数增加时,再次开始[STGCal RES]期间。
此外,在图2所示的实施方式中,因为电池部9的各单元组GB1~GBN由4个电池单元构成,所以不使用表260的阶段STGCV5和阶段STGCV6,或者直接跳过,不存在阶段STGCV5和阶段STGCV6。此外,当强制性地使第二阶段计数器258的内容为特定的计数值时,执行与该计数值对应的期间内的处理。
<诊断和测量——(2)各阶段中的诊断和测量>
接着,对于图4的动作表260的行260Y1记载的各阶段中的测量和诊断的内容进行说明。如上所述各阶段具有RES期间和测量期间,在RES期间中进行诊断动作,在测量期间中进行测量动作、诊断动作以及基于测量值的被测定对象的诊断。表260的行260Y3~行260Y9所示的“圆形符号”,表示各行记载的诊断项目在标有“圆形符号”的期间中执行。上述诊断项目为包括集成电路的控制装置、即图2中记载的测量系统或者电池单元的放电控制系统的自我诊断。
此外,在各阶段的RES期间中不仅进行“圆形符号”表示的项目的诊断,还进行用于测量的模拟数字变换器122A的初始化。在本实施方式中,为了减少噪声的影响,使用带有电容器的充放电型的模拟数字变换器122A。进行之前的动作时蓄积在电容器中的电荷的放电也在该RES期间实施。在行260Y2的各阶段的测量期间中,进行使用了模拟数字变换器122A的测量的执行和基于测量值的被测定对象的诊断。
在阶段STGCal的RES期间,主要进行行260Y3~行260Y9所示的自我诊断。即,进行行260Y6记载的作为复用器发挥功能的输入电路116的诊断(HVMUX),行260Y7记载的进行输入电路116的切换动作的切换电路的诊断(HVMUX信号选择),以及行260Y9记载的项目即进行集成电路内部的数字比较动作的部分的选择信号的诊断(图5的当前值存储电路274和基准值存储电路278的选择信号)等诊断。
在阶段STGCal的测量期间中,进行行260Y3记载的项目,即用于调整电池单元的充电状态的平衡开关129的漏极电压的测量和平衡开关129的诊断。进而,还进行行260Y5记载的项目,即集成电路内部的数字比较电路的诊断。在行260Y8记载的诊断中,对产生用于检测各电池单元为过充电(过放电)的状态的阈值的电路是否正常进行诊断。如果产生阈值的电路为异常,则会无法进行正确的过放电诊断。此外,在阶段STGCal的测量期间中,还进行行260Y7和行260Y9的诊断。其中,行260Y7记载的诊断项目和行260Y9记载的诊断项目,在所有阶段的RES期间和测量期间中都执行。上述诊断实施周期为一例,也可以按更长的间隔进行诊断,来代替每次诊断。
在阶段STGCV1~阶段STGCV6的测量期间中,依次测量电池单元的端子电压,进而根据测量值诊断各电池单元是否成为过充电或者过放电的状态。为了实际上不会成为过充电或过放电的状态,过充电和过放电的诊断以留出安全性的余地的方式设定。其中,在如图1和图2所示组GB1~GBN的电池单元为4个的情况下,跳过阶段STGCV5和阶段STGCV6。在阶段STGVDD的测量期间中,测量图2所示的电源电路121的输出电压。在阶段STGTEM的测量期间中,测定温度计的输出电压。在阶段STGPSBG的测量期间中,测定基准电压。
关于诊断动作,在阶段STGCV1~阶段STGPSBG的RES期间,进行与阶段STGCal的RES期间同样的诊断动作。此外,在阶段STGCV1~阶段STGTEM的测量期间中,在任意一个期间中,均执行行260Y7和行260Y9所示的诊断项目。在阶段STGTEM中,对行260Y4记载的诊断项目,即集成电路内部的模拟电路和模拟数字变换器、基准电压产生电路是否正常,综合地进行诊断。此外,还执行行260Y7和行260Y9所示的诊断项目。从基准电压产生电路输出的电压为已知的电压值,当该电压值的测量结果不在规定的范围内的情况下,能够判断上述电路中的某一个(至少一个)为异常,诊断为其处于应禁止控制的状态。
<诊断和测量——(3)电池单元的端子电压测量>
图5是表示测量电路和诊断电路的图。输入电路116是起到复用器的作用的电路,如后所述具备复用器118、120。对输入电路116,从图4所示的解码器257、259输入信号STG1、STG2,基于这些信号由复用器进行选择动作。在复用器诊断(HVMUX)中,电压检测电路122的差分放大器262的输出信号被导入诊断电路160,进行后述的诊断。此外,例如在测量电池单元BC1的电压的情况下,通过选择端子V1和端子V2,电池单元BC1的电压从输入电路116输出到电压检测电路122。此处,对于电池单元的端子电压测量进行说明。
电压检测电路122具有差分放大器262和模拟数字变换器122A。其中,因为电池单元BC1~BC4(或者BC1~BC6)串联连接,各端子电压的负极电位不同。因此,为了使基准电位(各集成电路3A~3N内的GND电位)一致,使用差分放大器262。差分放大器262的输出,通过模拟数字变换器122A变换为数字值,输出到平均化电路264。平均化电路264求取规定次数的测定结果的平均值。该平均值,在电池单元BC1的情况下保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。平均化电路264,计算平均化控制电路263中保持的测定次数的平均值,将其输出保持在上述当前值存储电路274中。平均化控制电路263发出1的指令时,模拟数字变换器122A的输出不进行平均化,而是直接保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。平均化控制电路263发出4的指令时,将电池单元BC1的端子电压的4次测量结果平均化,将该平均值保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。为了计算4次的平均,最初需要进行4次图4的阶段执行的测量,第4次之后通过从最新的测定结果中将4个测定值用于运算,则每次测定都能够进行平均化电路264的平均化运算。如上所述,通过设置进行规定次数的平均化的平均化电路264,能够除去噪声的不良影响。图1所示的电池部9的直流电力被供给到逆变器装置,变换为交流电力。由逆变器装置从直流电力变换为交流电力时,电流的导通和断路动作高速地进行,此时会产生较大的噪声,而通过设置平均化电路264,具有能够减少这种噪声的不良影响的效果。
数字变换后的电池单元BC1的端子电压的数字值,被保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。上述测量动作在图4的[STGCV1的测量]期间进行。之后,在表示为阶段STGCV1的测量的时间内,进行基于测量值的诊断动作。作为诊断动作,是过充电诊断和过放电诊断。首先,将电池单元BC1的端子电压的数字值保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。而后,数字复用器272从当前值存储电路274的寄存器CELL1读出电池单元BC1的端子电压,发送到数字比较器270。此外,数字复用器276从基准值存储电路278读出过充电的判断基准值OC,发送到数字比较器270。数字比较器270,对来自寄存器CELL1的电池单元BC1的端子电压和过充电的判断基准值OC进行比较,在电池单元BC1的端子电压大于过充电的判断基准值OC的情况下,在标识存储电路284中设置表示异常的标识[MFflag]。此外,还设置表示过充电的标识[OCflag]。由于实际上以不产生过充电状态的方式进行控制,所以几乎不会产生这样的状态。但是,为了保证可靠性,反复执行诊断。
在过充电诊断之后,还进行过放电的诊断。数字复用器272从当前值存储电路274的寄存器CELL1中读出电池单元BC1的端子电压,将其发送到数字比较器270。此外,数字复用器276从基准值存储电路278读出过放电的判断基准值OD,将其发送到数字比较器270。数字比较器270,对来自寄存器CELL1的电池单元BC1的端子电压和过放电的判断基准值OD进行比较,在电池单元BC1的端子电压小于过放电的判断基准值OD的情况下,在标识存储电路284设置表示异常的标识[MFflag]。此外,还设置表示过放电的标识[OCflag]。与上述过充电的情况相同,由于实际上以不产生过放电状态的方式进行控制,所以几乎不会产生这样的过放电状态。但是,为了保证可靠性,反复执行诊断。
上述说明是图4的阶段STGVC1的测量期间中的与电池单元BC1相关的测量和诊断。同样,在下一个阶段STGVC2中,图5的输入电路116选择电池单元BC2的端子电压,将其输出到电压检测电路122。端子电压在电压检测电路122中进行数字变换,在平均化电路264中计算平均值,保持在当前值存储电路274的寄存器CELL2中。数字比较器270将由数字复用器272从寄存器CELL2读出的电池单元BC2的端子电压,与上述过充电的判断基准值OC进行比较,并接着对电池单元BC2的端子电压与过放电的判断基准值OD进行比较。数字比较器270通过与过充电的判断基准值OC的比较和与过放电的判断基准值OD的比较来进行异常状态的判断,如果为异常状态,则在标识存储电路284中设置表示异常的标识[MFflag],并设置表示异常的原因的标识[OCflag]或者标识[ODflag]。
以下同样地,在图4的阶段STGCV3的测量期间,进行电池单元BC3的端子电压的测量和过充电、过放电的诊断,在阶段STGCV4的测量期间,进行电池单元BC4的端子电压的测量和过充电、过放电的诊断。
<诊断和测量——(4)诊断>
以下,对于图4所示的各阶段的RES期间进行的诊断项目中,行260Y6所示的复用器诊断进行说明。
参照图6、图30、34,说明复用器诊断动作。图30表示图5所示的电路中与复用器诊断相关的电路。输入电路116为图1所示的集成电路3A~3N的内部电路,具有复用器118、120。Z1~Z4为产生已知的恒定电压的恒定电压产生元件和电路,此处使用齐纳元件。各齐纳元件Z1~Z4,因恒定电流电路117的电流而在两端产生恒定的电压Vz。此处,各齐纳元件Z1~Z4的齐纳电压Vz设定为相同。
在诊断电路160,设置电压比较电路162、判断电路164、OR电路166以及电压源VH、VL。STG1、STG2信号输入到输入电路116和诊断电路160,输入电路116以及诊断电路160中设置的开关(后述)的动作,按照STG1、STG2的信号的指示而进行。其中,图30所示的复用器120的状态,表示阶段STGCV1中的状态。
复用器120的诊断,如图4的行260Y6所示,在阶段STGCal~阶段STGPSBG的所有期间(RES期间、测量期间)进行。此处,作为代表,针对阶段STGCV1~STGCV4的各期间进行说明。在各阶段STGCV1~STGCV4的测量期间中,进行复用器120的诊断,在确认复用器120正常动作的基础上,进行电池单元的端子电压的测定。对于阶段STGCal、阶段STGVDD~阶段STGPSBG的测量期间也为同样的想法,在确认复用器120的正常动作之后进行测量。
图6是说明阶段STGCV1~阶段STGCV4的动作的图,随着时间的经过,动作从表的左侧向右侧前进。即,这样的开关连接动作,通过STG1、STG2信号对输入电路116和诊断电路160指示。首先,对于阶段STGCV1进行说明。关于复用器120,在阶段STGCV1的RES期间和测量期间中,开关SB1均与接点MB1连接,开关SB2均与接点MB2连接。另一方面,关于复用器118,在RES期间中开关SA1与接点MA1连接,在测量期间中开关SA1与接点MA2连接。复用器118的其他开关SA2~SA4,在任何期间均为断开状态。
参照图30、34进行说明。在阶段STGCV1的RES期间使开关SA1与接点MA1连接时,齐纳元件Z1的齐纳电压Vz被输入复用器120。这样,此时的复用器120的输出电压,通过差分放大器262输入电压比较电路162。其中,因为电池单元BC1~BC4(或者BC1~BC6)是串联连接的,所以各端子电压的负极电位不同。因此,如上所述,为了使基准电位(各集成电路3A~3N内的GND电位)一致而使用差分放大器262。
在进行复用器诊断的[STGCV1 RES]期间,连接电压比较电路162的开关SC1。然后,为了确认复用器120的输出电压Vm与输入的齐纳电压Vz是否一致,即复用器120是否正常地动作,将开关SD1与上限比较用的电压源VH连接。电压源VH产生的电压VH,设定为比上述齐纳电压Vz(已知的电压)高。判断电路164,根据电压比较电路162的输出,在Vm>VH的情况,即输出电压Vm与输入的齐纳电压Vz不一致的情况下,认为复用器120的开关连接状态不正常,输出异常信号。
接着,将开关SD1与下限比较用的电压源VL连接。电压源VL产生的电压VL设定为比齐纳电压Vz(已知的电压)低。判断电路164,根据电压比较电路162的输出,在Vm<VL的情况,即输出电压Vm与输入的齐纳电压Vz不一致的情况下输出异常信号。因为此处是将差分放大器262的输出输入到电压比较电路162来进行异常判断的,所以不仅在复用器120发生异常的情况下,在复用器118和差分放大器262发生异常的情况下,也能够通过判断电路164检测到异常。
诊断电路160的OR电路166,在从判断电路164输入了异常信号时将异常信号输出到异常标识存储电路168。其结果,在异常标识存储电路168设置了异常标识。该异常标识存储电路168,与图5所示的标识存储电路284的MFflag寄存器相同。异常标识存储电路168,在设置了异常标识后,将异常信号输出到OR电路166以及通信电路127的OR电路288。因此,在异常标识存储电路168中保持有异常标识时,即使从判断电路164输出正常信号,从OR电路166仍然输出异常信号。
此外,虽然没有图示详细的电路,但异常标识存储电路168中设置的异常标识,能够通过经由通信电路127发送的命令而复位。
在异常标识存储电路168中保持有异常标识时,异常信号总是被输出到OR电路288。来自其他集成电路的信号通过输入端子FFI输入到OR电路288。OR电路288在通过输入端子FFI从其他集成电路输入异常信号时,或者,从异常标识存储电路168输入了异常信号时,从输出端子FFO输出异常信号。即,仅在对输入端子FFI输入表示正常的信号,并且在异常标识存储电路168中没有保持异常标识的条件下,将表示正常的信号输出到输出端子FFO。
基于STG1和STG2信号,从[STGCV1 RES]期间转移至[STGCV1测量]期间时,如图6的动作图所示,使复用器118的开关SA1与接点MA2连接,并且使诊断电路160的开关SC1和SD1为断开状态,进行电池单元BC1的端子电压测量。此时,使判断电路164为非动作状态,不从判断电路164对OR电路166输出正常/异常信号。这样,在将复用器诊断中被诊断为正常的复用器120的开关状态维持的情况下,通过切换复用器118的开关SA1进行端子电压的测定,因此能够可靠地进行电池单元BC1的端子电压测量。其中,对于端子电压测量的详细内容在后文叙述。
[STGCV1测量]期间结束后,转移至阶段STGCV2的RES期间。在阶段STGCV2中,如图31所示,开关SB1与接点MB2连接,开关SB2与接点MB3连接。如图6所示,在RES期间和测量期间中均保持该开关状态。另一方面,关于复用器118,在RES期间中,开关SA1与接点MA2连接,开关SA2与接点MA3连接。此外,在测量期间中,开关SA1与接点MA2连接,开关SA2与接点MA4连接。复用器118的其他开关SA3和SA4,在任何期间均为断开状态。
在进行复用器诊断的[STGCV2 RES]期间中,连接电压比较电路162的开关SC1。然后,为了确认复用器120的输出电压Vm与输入的齐纳电压Vz是否相同,即复用器120是否正常地动作,将开关SD1与上限比较用的电压源VH(电压VH)连接。如上所述,该电压VH设定为比上述齐纳电压Vz(已知的电压)高。判断电路164,根据电压比较电路162的输出,在Vm>VH的情况下输出异常信号。
接着,将开关SD1与下限比较用的电压源VL(电压VL)连接,将设定得比齐纳电压Vz(已知的电压)低的电压VL输入到电压比较电路162。判断电路164,根据电压比较电路162的输出,在Vm<VL的情况下输出异常信号。从电压比较电路162输出异常信号之后的处理,与上述阶段STGCV1的RES期间的情况相同,此处省略其说明。
[STGCV2 RES]期间结束,转移至[STGCV2测量]时,如图6的动作图所示,使复用器118的开关SA2与接点MA4连接,并且使诊断电路160的开关SC1和SD1为断开状态,进行电池单元BC2的端子电压测量。在[STGCV2测量]期间的端子电压测量中,也在将复用器诊断中被诊断为正常的复用器120的开关状态维持的情况下,通过切换复用器118的开关SA2来进行端子电压的测定,因此能够可靠地进行电池单元BC2的端子电压测量。
在阶段STGCV3中,如图6所示,在RES期间和测量期间中,均使开关SB1与接点MB4连接,开关SB2与接点MB5连接。另一方面,关于复用器118,在RES期间中使开关SA3与接点MA5连接,开关SA4与接点MA6连接。此外,在测量期间中,使开关SA3与接点MA4连接,开关SA4与接点MA6连接。使复用器118的其他开关SA1和SA2,在任何期间均为断开状态。然后,与上述[STGCV2 RES]期间的情况同样地,进行[STGCV3 RES]期间的复用器120的诊断。[STGCV3RES]期间结束时,在[STGCV3测量]期间中测量电池单元BC3的端子电压。
在阶段STGCV4中,如图6所示,在RES期间和测量期间中,均使开关SB1与接点MB5连接,开关SB2与接点MB6连接。另一方面,关于复用器118,在RES期间中,使开关SA4与接点MA7连接,在测量期间中,使开关SA4与接点MA6连接。复用器118的其他开关SA1~SA3,在任何期间均为断开状态。而关于开关SC1、SD1,进行与上述阶段STGCV1~阶段STGCV3同样的动作,进行复用器120的诊断与电池单元BC4的端子电压测量。
在阶段STGCV3和阶段STGCV4中,均在将复用器诊断中被诊断为正常的复用器120的开关状态维持的情况下,通过切换复用器118的开关来进行端子电压的测定。因此,能够可靠地进行电池单元BC3、BC4的端子电压测量。
<诊断和测量——(5)初始数据的保持>
在图1所示的直流电源系统中,车辆停止运转且驾驶者开始驾驶之前,不进行从电池部9对逆变器装置的电流供给。使用各电池单元在没有流过充放电电流的状态下测量的各电池单元的端子电压时,能够正确求得各电池单元的充电状态(SOC),因此基于车辆的钥匙开关的操作和来自电池控制器20的Wake Up等通信命令292,各集成电路独自地开始测量动作。在各集成电路中,在开始图5说明的测量动作和电池单元的诊断动作,进行平均化控制电路263中保持的次数的测定时,在平均化电路264中进行求取测定值的平均值的运算。该运算结果首先保持在当前值存储电路274中。各集成电路,分别独立地对与该集成电路相关的组的所有电池单元进行测定测量和测量结果的平均值的运算,并将运算结果保持在各集成电路的当前值存储电路274的寄存器CELL1~寄存器CELL6中。
为了正确地掌握各电池单元的充电状态(SOC),优选在各电池单元没有流过充放电电流的状态下,测量各电池单元的端子电压。如上所述,通过由各集成电路独自地开始测量动作,在从电池部9对逆变器装置供给电流前,各集成电路测量各自相关的所有电池单元的端子电压,将其结果保持到当前值存储电路274的寄存器CELL1~寄存器CELL6中。由于当前值存储电路274中保持的测量值,会被之后的新的测量结果改写,因此电流供给开始前的测定结果,从当前值存储电路274的寄存器CELL1~寄存器CELL6转移至初始值存储电路275的寄存器BCELL1~寄存器BCELL6,保持在初始值存储电路275中。这样,由于将开始从电池部9对逆变器装置供给电流之前的测量值保持在初始值存储电路275中,因此能够使充电状态(SOC)的运算等处理延后,优先执行优先度较高的用于诊断的处理。在执行优先度较高的处理,开始从电池部9对逆变器装置供给电流之后,基于初始值存储电路275中保持的测量值来计算各电池单元的充电状态(SOC),能够基于正确的状态检测,进行用于调整充电状态(SOC)的控制。在车辆的驾驶者想要尽快开始驾驶的情况下,期望如上所述使对逆变器装置的电流供给能够尽早进行。
在图5记载的实施方式中,在如上所述将开始对作为电负载的逆变器装置供给电流之前的测量值保持在当前值存储电路274中的时刻,能够由数字比较电路270实施过充电和过放电的诊断,以及泄漏电流等诊断。因此能够在对逆变器装置供给直流电力之前掌握异常状态。在发生异常状态的情况下,能够在电流供给前通过上述诊断检测出异常,采取不进行对逆变器装置的直流电力的供给等对策。进而,因为电流供给前的测定值,能够通过将当前值存储电路274中的保持值转移到初始值存储电路275中而在专用的初始值存储电路275中继续保持,所以在提高安全性和掌握正确的充电状态(SOC)方面具有优良的效果。
<通信命令>
图7是说明在图2所示的集成电路3A的内部设置的进行通信命令的发送接收的通信电路127的电路及其动作的电路图,作为各集成电路的代表,以集成电路3A的电路结构说明其动作。如上所述,其他集成电路的结构和动作是相同的。从电池控制器20发送到通信电路127所具有的接收端子RX的通信命令,以8bit为1个单位共具有5个部分(字节),以5字节为1个基本结构。不过,以下说明中存在比5字节长的情况,不特别限于5字节。通信命令从端子RX输入并保持在接收寄存器322中。其中,该接收寄存器322为移位寄存器,从端子RX串行输入的信号按照输入到接收寄存器322的顺序移位,通信命令的开头部分被保持在作为寄存器的开头部分的中断字段(break field)部324中,以下顺序保持。
如上所述,接收寄存器322中保持的通信命令292,其开头的8bit为由表示信号到来的信号构成的中断字段324。第二个8bit为由起到取得同步的作用的信号构成的同步字段326。第三个8bit为表示对象地址和指令的内容的标识符(Identifier)328,该对象地址表示作为命令的对象的电路是各集成电路3A、……、3M、……、3N中的哪一个集成电路。第4个8bit是表示通信内容(控制内容)的数据330,保持为了执行上述命令所需要的数据。该部分不限于1字节。第5个8bit是用于检查有无发送接收动作错误的校验和(checksum)332,能够检测出有无因噪声等而无法正确传达的情况。这样,来自电池控制器20的通信命令,由中断字段324、同步字段326、标识符328、数据330以及校验和312这五个部分构成。在它们各自由1字节构成的情况下,通信命令为5字节,虽以5字节结构作为基本,但上述数据330不限于1字节,因此存在根据需要进一步增大的情况。
同步字段326用于使发送侧的发送时钟与接收侧的接收时钟同步。由同步电路342检测出同步字段326的各脉冲发送的时刻,使同步电路342的同步与同步字段326的各脉冲的时刻一致。上述接收寄存器322,在该一致的时刻接收其后续的信号。这样,能够正确地选择发送的信号与判断信号真值的阈值的比较时刻,具有能够减少发送接收动作的错误的效果。
如图1所示,通信命令292,从电池控制器20发送到集成电路3A的端子RX,从集成电路3A的端子TX发送到下一个集成电路的端子RX,……进而被发送到下一个集成电路3M的端子RX,从集成电路3M的端子TX发送到下一个集成电路的端子RX,……进而被发送到下一个集成电路3N的端子RX,从集成电路3N的端子TX发送到电池控制器20的端子RX。像这样,通信命令292使用将各集成电路的发送接收端子串联地环状连接而成的传输线路52进行通信。
作为各集成电路的代表,使用集成电路3A的电路进行说明,如上所述,其他集成电路的结构和动作是相同的。当对集成电路3A的端子RX发送了通信命令292时,各集成电路从端子TX将接收到的通信命令292向下一个集成电路发送。在上述动作中,利用图7的命令处理电路344判断接收到的通信命令292的指示对象是否为自身,在自身的集成电路为对象的情况下进行基于通信命令的处理。上述处理,在各集成电路中基于通信命令292的发送接收依次进行。
从而,即使在接收寄存器322中保持的通信命令292与集成电路3A无关的情况下,也需要基于接收到的通信命令292,进行对下一个集成电路的发送。命令处理电路344获得接收到的通信命令292的标识符部328的内容,判断集成电路3A自身是否为通信命令292的指令对象。在集成电路3A自身不是通信命令292的指令对象的情况下,将标识符部328以及数据330的内容直接移至发送寄存器302的标识符部308和数据310的部分。此外,输入用于检查发送接收错误动作的校验和312,完成发送寄存器302内的发送信号,从端子TX发送。发送寄存器302也能够与接收寄存器322同样地由移位寄存器制作。
在接收到的通信命令292的对象为自身的情况下,执行基于通信命令292的指令。以下对于执行进行说明。
存在接收到的通信命令292的对象与包括自身在内的所有集成电路相关的情况。例如,RES命令、Wake Up命令、Sleep命令是这样的命令。接收到RES命令时,在命令处理电路344中解释命令内容,输出RES信号。在RES信号产生时,图5的当前值存储电路274和初始值存储电路275、标识存储电路284的保持数据全部为初始值“0”。图5的基准值存储电路278的内容不是“0”,但也可以为“0”。将基准值存储电路278的内容变更为“0”的情况下,由于在RES信号产生后由各集成电路独自执行图4所示的测定和诊断,因此需要迅速地设置作为诊断的基准值的基准值存储电路278的值。为了避免该麻烦,以基准值存储电路278的内容不会因RES信号而改变的方式构成电路。由于基准值存储电路278的值不是频繁改变的属性的数据,因此也可以使用以前的值。如果需要变更,能够通过其他通信命令292来个别地改变。通过RES信号,平均化控制电路263的保持值为规定值例如16。即,设定为如果不通过通信命令292进行变更,则运算16次测定值的平均。
当从命令处理电路344输出Wake Up命令时,图4的起动电路254开始动作,开始测量和诊断动作。由此,集成电路自身的消耗电力增加。另一方面,当从命令处理电路344输出Sleep信号时,图4的起动电路254的动作停止,停止测量和诊断动作。由此,集成电路自身的消耗电力显著减少。
接着,参照图5说明基于通信命令292的数据的写入和变更。通信命令292的标识符328(图9),表示应选择的集成电路。在数据300为对地址寄存器348或基准值存储电路278写入数据的命令,或者对平均化控制电路263或选择电路286写入数据的命令的情况下,命令处理电路344基于命令内容指定写入对象,将数据330写入写入对象的寄存器。
地址寄存器348为保持集成电路自身的地址的寄存器,根据其内容确定自身的地址。通过RES信号,地址寄存器348的内容变为0,集成电路自身的地址变为“0”地址。当根据新命令变更地址寄存器348的内容时,集成电路自身的地址变为变更后的内容。
根据通信命令292,除了地址寄存器348的存储内容的变更之外,如上所述还能够变更图5记载的基准值存储电路278和标识存储电路284、平均化控制电路263、选择电路286的保持内容。当对其指定了变更对象时,作为变更值的数据330的内容通过数据总线294发送到变更对象的电路,变更保持内容。图5的电路基于该变更的内容执行动作。
在通信命令292中,包括集成电路内部保持的数据的发送命令。利用标识符328的命令,进行发送对象数据的指定。例如,当指定了当前值存储电路274和基准值存储电路278的内部寄存器时,指定的寄存器的保持内容通过数据总线294保持到发送寄存器302的数据310的电路中,作为请求的数据内容发送。像这样,图1的电池控制器20,能够通过通信命令292取得表示需要的集成电路的测定值和状态的标识。
<集成电路的地址设定方法>
上述各集成电路3A、……、3M、……、3N的地址寄存器348由可靠性较高的易失性存储器构成,集成电路构成为在易失性存储器的内容消失、或者认为无法维持保持内容的可靠性的情况下,能够进行新的地址的设定。例如在单元控制器80开始执行时,例如从电池控制器20发送将各集成电路的地址寄存器348初始化的命令。通过该命令使各集成电路的地址寄存器348初始化,例如为地址“0”,之后在各集成电路中新设定地址。各集成电路3A、……、3M、……、3N中地址的新的设定,通过将来自电池控制器20的地址设定命令发送到各集成电路3A、……、3M、……、3N而进行。
这样,由于采用能够通过命令来设定各集成电路3A、……、3M、……、3N的地址的电路结构,因此各集成电路不需要用于地址设定的端子和与这些端子连接的外部配线。此外因为能够通过通信命令的处理来进行地址设定,所以增大了控制的自由度。
图8是说明通过来自电池控制器20的通信命令292,来进行各集成电路3A、……、3M、……、3N的地址寄存器348的设定流程的一例的说明图。图9是说明基于图8的通信命令292的发送的、图7的电路的动作的说明图。各集成电路3A、……、3M、……、3N,按照通信命令292的发送接收的顺序,表示为集成电路IC1、IC2、IC3、……ICn-1、ICn。对集成电路IC1、IC2、IC3、……ICn-1、ICn通过以下的方法设定,以使各地址为1、2、3……n-1、n。之所以使IC的符号与其地址编号一致,是为了在以下说明中便于理解,使其一致并不是必须的。
图8表示电池控制器20以及各集成电路IC的通信命令292中的消息(message)的流动,各集成电路IC的内部的地址寄存器348中保持的数据,以及发送寄存器302的数据310的内容。最初,例如发送使单元控制器80的所有集成电路的地址寄存器348成为初始状态的通信命令292,使各集成电路的地址寄存器348为初始值“0”。图8中省略该步骤。通过这样的操作,在各集成电路IC1、IC2、IC3、……ICn-1的地址寄存器348中保持初始值例如“0”。图9中,当集成电路IC1接收到使所有集成电路的地址寄存器348成为初始状态的通信命令292时,在集成电路IC1的接收寄存器322中保持通信命令292。然后,由命令处理电路344的命令解释电路345取得标识符328的内容,基于使地址寄存器348成为初始状态的消息将地址寄存器348初始化。标识符328的内容直接被设置到发送寄存器302的标识符308中,向下一个集成电路IC2发送。接收到使地址寄存器348成为初始状态的通信命令292的集成电路IC,依次进行这样的动作,使所有集成电路IC的地址寄存器348初始化。最后,该命令从集成电路ICN返回电池控制器20,电池控制器20能够确认所有集成电路IC的地址寄存器348已被初始化。
基于上述确认,接着进行各集成电路IC的地址设定。具体而言,首先,电池控制器20,发送表示“使命令执行对象地址为‘0’,进而使数据330的值为‘0’,将数据330的值加上‘1’后设置在地址寄存器348和发送用数据310中”的消息的通信命令292。该通信命令292,被输入到位于传输线路52开头的集成电路IC1的接收寄存器322,由命令解释电路345取得通信命令292的标识符328的部分。集成电路IC1的地址寄存器348在接收时为“0”,因此执行(1)将对数据330的内容“0”加上1后的值设置在地址寄存器348中,(2)进而将上述相加结果设置在发送寄存器302的数据310中的动作。
基于图9所示的命令解释电路345的解释,运算电路346取得数据330的值“0”,进行对该值加上“1”的动作。运算结果“1”被设置在地址寄存器348中,并且被设置在数据310中。使用图8说明该动作。集成电路IC1接收到来自电池控制器20的通信命令292时,集成电路IC1的地址寄存器348成为“1”,数据310同样成为“1”。在集成电路IC1中通信命令292的数据310变为“1”,向集成电路IC2发送。从集成电路IC1发送的通信命令292的标识符308,与电池控制器20发送时相同,但数据310的内容发生了改变。
因为在集成电路IC2的地址寄存器348中保持有“0”,如图9所示,集成电路IC2的情况也同样地,运算电路346对数据330的值“1”加上“1”,将其设置到地址寄存器348和数据310中。集成电路IC2的地址寄存器348从“0”变更为“2”。如图8所示,集成电路IC2的地址寄存器348从“0”变更为“2”,并且发送寄存器302的数据310变更为“2”,向下一个集成电路IC3发送。这样,集成电路IC3的地址寄存器348从“0”变更为“3”,发送寄存器302的数据310变更为“3”。
以下,依次序反复这样的动作,使集成电路ICn-1的地址寄存器348从“0”变更为“n-1”,进而使发送寄存器302的数据310变更为“n-1”,发送到下一个集成电路ICn。集成电路ICn的地址寄存器348从“0”变更为“n”,发送寄存器302的数据310变更为“n”。通信命令292从集成电路ICn返回电池控制器20。通过使该返回的通信命令292的数据330变更为“n”,电池控制器20能够确认地址设定动作正确地进行。
这样,在各集成电路IC1、IC2、IC3、IC4、……ICn-1、ICn的地址寄存器348中,依次设定1、2、3、4、……、n-1、n。
本实施方式中,使各集成电路具备将所有集成电路的地址寄存器348设置为初始值(0)的功能,因此能够可靠地进行上述地址设定动作。
<地址设定的其他实施方式>
使用图10,说明从电池控制器20对图9记载的集成电路IC1、IC2、IC3、IC4、……ICn-1、ICn发送通信命令292,来依次设定地址的其他实施方式。
首先作为前提,与图8和图9的动作相同地,从电池控制器20发送内容为“使所有集成电路的地址寄存器348的内容为初始值,例如为‘0’”的消息的通信命令292,使所有集成电路的地址寄存器348的内容成为“0”。接着在图10的步骤1中,从电池控制器20发送内容为“以地址‘0[初始值]’的集成电路为对象,将地址寄存器348的内容变为‘1’,作为发送的通信命令292的对象集成电路的地址‘1’”的消息的通信命令292。此处对于“作为发送的通信命令292的对象集成电路的地址‘1’”这一点,为地址“1”以外的值也没有问题。即,只要是“0[初始值]”以外的值就能够执行。
如图1所示,最初接收到通信命令292的集成电路,是位于传输线路52的开头的集成电路IC1(3A)。集成电路IC1的通信电路127如图7所示,在接收寄存器322中保持通信命令292。集成电路IC1的地址寄存器348已经为“0[初始值]”的状态,命令处理电路344基于标识符328判断为其为通信命令292的消息的执行对象。根据通信命令292的消息,将地址寄存器348的内容变更为“1”。进而变更发送寄存器302的标识符308的内容,将通信命令292的执行对象的地址变更为“1”。将变更后的通信命令292发送。
由于下一个接收通信命令292的集成电路IC2,其地址寄存器348的内容为“0[初始值]”,因此集成电路IC2的命令处理电路344判断为其不是执行对象。然后,将接收到的通信命令292直接设置在发送寄存器302中,将通信命令292直接向下一个发送。集成电路IC3之后,所有集成电路IC中地址寄存器348的内容同样为“0[初始值]”,被判断为执行对象外,不进行执行,通信命令292返回电池控制器20。
确认通信命令292的返回,接着如图10步骤2所示,从电池控制器20发送内容为“将地址‘0[初始值]’的集成电路作为对象,将地址寄存器348的内容变为‘2’,作为发送的通信命令292的对象集成电路的地址‘2’”的消息的通信命令292。此处对于“作为发送的通信命令292的对象集成电路的地址‘2’”这一点,为地址“2”以外的值也没有问题。即,只要地址设定不重复地进行即可。因为最初接收的集成电路IC1的地址寄存器348为“1”,所以命令处理电路344判断为其为执行对象外,通信命令292直接被发送至下一个集成电路IC2。
接着接收的集成电路IC2中,地址寄存器348为“0”,命令处理电路344执行通信命令292。然后,在地址寄存器348中设置“2”,进而将通信命令292的执行对象变更为“2”,向下一个发送。由于集成电路IC3以后的地址寄存器348均为“0”,为执行对象外,因此不进行执行,通信命令292直接返回电池控制器20。
以下同样地,每次电池控制器20发送通信命令292时,使集成电路IC3的地址寄存器348的内容从“0”变更为“3”,进而使集成电路IC4的地址寄存器348的内容从“0”变更为“4”。这样,使集成电路ICn的地址寄存器348的内容从“0”变更为“n”。
(充电状态SOC的调整)
图11表示测量电池部9的电池单元的充电状态SOC,选择充电量较多的电池单元,对于这些选择的电池单元分别计算放电时间,执行放电的处理流程。图中,左侧表示各集成电路的动作,右侧表示主控制器20侧的动作。
图11中,首先在步骤400,从电池控制器20发送以集成电路3A作为指令的对象的请求读取电池单元的初始状态的电压的通信命令292。在集成电路3A接收到该通信命令292后,图7所示的命令处理电路344将初始值存储电路275的保持内容设置在发送寄存器302的数据310中,发送到下一个集成电路(步骤410)。
电池控制器20,按照顺序指定集成电路3A以后的集成电路,依次进行电池单元的初始状态的电压的读取,直至集成电路3N为止。其结果,从各集成电路的初始值存储电路275取得电池部9的所有电池单元的初始状态下的电压值。
在步骤420,电池控制器20取得整个电池部9的各电池单元的测定电压,并例如根据上述取得的信息计算各电池单元的充电状态SOC。求得运算值的平均值后,对于大于平均值的电池单元,在步骤430,计算平衡开关129A~129D的导通时间。平衡开关129A~129D的导通时间的求取方法不限于上述方法,存在各种方法。但无论为何种方法,均对与充电状态SOC较大的电池单元相关的平衡开关129A~129D,确定导通时间。
在步骤440,电池控制器20将求出的平衡开关的导通时间,通过通信命令292发送到相应的集成电路。
在步骤450,接收到上述通电时间的集成电路,基于该指令使平衡开关导通。
在步骤460,分别测量平衡开关的导通时间。在步骤470中,比较各平衡开关导通时间与导通经过时间(即已导通时间),判断导通时间的测量值是否达到了计算的导通时间。对于导通时间的测量值已经达到计算的导通时间的平衡开关,转移至下一个步骤480执行步骤480。
在步骤480,电池控制器20,对于相应的集成电路发送指示将导通时间达到计算的通电时间的平衡开关断开的通信命令292。接收到该通信命令292的相应的集成电路,在步骤490,停止被通信命令292指定的来自平衡开关的开关驱动电路133的驱动信号,使平衡开关为开状态。由此停止相应的电池单元的放电。
<各集成电路等是否异常的测试>
图12表示用于测试各集成电路3A、……、3M、……、3N或者各电池单元是否异常的处理流程。图中,左侧表示各集成电路3A、……、3M、……、3N的动作,右侧表示主控制器20的动作。
在步骤500,从电池控制器20对集成电路3A发送用于状态(异常)检测的通信命令。接着,在步骤510,将上述状态(异常)检测的通信命令,从集成电路3A按照顺序发送至集成电路3N,然后返回电池控制器20。
在步骤520,电池控制器20接收从各集成电路发送来的各自的状态(异常),进行发送来的状态(异常)的确认。接着在步骤530中,电池控制器20,判定集成电路3A、……、3M、……、3N中哪一个集成电路存在异常,或者各组的电池单元BC1~BC4中哪一个电池单元存在异常。然后,在判定为所有集成电路或者对应的电池单元不存在异常的情况下,结束该流程。另一方面,在判定为集成电路3A、……、3M、……、3N中至少某一个存在异常的情况下,转移至步骤540。
在步骤540中,电池控制器20指定存在异常的集成电路的地址,发送用于确定异常内容的状态(异常内容)检测的通信命令。
在步骤550中,接受了地址的指定的集成电路,发送作为异常状态(异常内容)的原因的测量值或者诊断结果。在步骤560,电池控制器20,进行存在异常的集成电路和异常原因的确认。图12的处理,在确认异常原因后结束。之后,根据异常原因,判断是否从锂电池进行直流电力的供给或者通过发电的电力进行充电。在存在异常的情况下,使直流电源系统和逆变器装置等电负载之间的继电器为断开状态,停止电力供给。
<车辆用电源系统>
图13是基于图1将上述直流电源系统用于车辆用旋转电机的驱动系统的电路图。电池组件900,具有电池部9、单元控制器80和电池控制器20。其中,在图13中,构成电池部9的电池单元,分为高电位侧模块10和低电位侧模块11这2个模块。高电位侧模块10与低电位侧模块11,通过由开关和熔断器串联连接的维护、检修用的SD(servicedisconnect)开关6串联连接。
高电位侧模块10的正极,通过正极强电电缆81和继电器RLP与逆变器装置220的正极连接。低电位侧模块11的负极,通过负极强电电缆82和继电器RLN与逆变器装置220的负极连接。高电位侧模块10和低电位侧模块11通过SD开关6串联连接,构成例如标定电压340V、容量5.5Ah的强电电池(2个电池部9串联连接的电源系统的电池)。其中,SD开关6的熔断器,能够使用例如额定电流为125A左右的。通过这样的结构能够维持较高的安全性。
如上所述,在低电位侧模块11的负极和逆变器装置220之间设置有继电器RLN,在高电位侧模块10的正极和逆变器装置220之间设置有继电器RLP。与继电器RLP并联地连接有电阻RPRE与预充电继电器RLPRE的并联电路。在正极侧主继电器RLP与逆变器装置220之间,插入霍尔元件等电流传感器Si。电流传感器Si内置在接线箱内。此外,电流传感器Si的输出线被引至电池控制器20,逆变器装置220始终能够监视从锂电池直流电源供给的电流量。
继电器RLP和继电器RLN,例如能够使用额定电流为80A左右的,预充电继电器RLPRE例如能够使用额定电流为10A左右的。此外,电阻RPRE例如能够使用额定容量为60W、电阻值为50Ω左右的,电流传感器Si例如能够使用额定电流为±200A左右的。
上述负极强电电缆82和正极强电电缆81,通过继电器RLP、继电器RLN以及输出端子810、820,与驱动混合动力汽车的电动机230的逆变器装置220连接。通过这样的结构能够维持较高的安全性。
逆变器装置220,具有功率模块(power module)226、MCU222、用于驱动功率模块226的驱动器电路224、约700μF~约2000μF左右的大容量的平滑电容器228。功率模块226,构成将从340V的强电电池的电源供给的直流电力,变换为用于驱动电动机230的3相交流电力的逆变器。关于平滑电容器228,与电解电容器相比,薄膜电容器更能够获得期望的特性。车辆上搭载的平滑电容器228,受到车辆所处的环境的影响,在摄氏零下数十度至摄氏100度左右的较广的温度范围内使用。当温度降低至零度以下时,电解电容器的特性会迅速降低,去除电压噪声的能力降低。因此,可能会对图1和图2所示的集成电路施加较大的噪声。薄膜电容器相对于温度降低的特性降低较少,能够减少对集成电路施加的电压噪声。
MCU222,根据上位控制器110的命令,在电动机230驱动时,使负极侧的继电器RLN从断开状态成为闭合状态之后,使预充电继电器RLPRE从断开状态成为闭合状态,对平滑电容器228充电。在其充电后,使正极侧的继电器RLP从断开状态成为闭合状态,开始从电源系统1的强电电池对逆变器装置220供给电力。其中,逆变器装置220,控制对于电动机230的转子的由功率模块226产生的交流电力的相位,在混合动力汽车制动时,使电动机230作为发电机动作,即进行再生制动控制,将通过发电机运转发电的电力再生到强电电池中,对强电电池充电。在电池部9的充电状态低于基准状态的情况下,逆变器装置220使电动机230作为发电机运转。由电动机230发电的3相交流电,通过功率模块226变换为直流电力,对作为强电电池的电池部9供给,对电池部9充电。
如上所述,逆变器装置220具有功率模块226,逆变器装置220进行直流电力与交流电力之间的电力变换。在根据上位控制器110的命令,使电动机230作为电动机运转的情况下,控制驱动器电路224以相对于电动机230的转子的旋转产生前进方向的旋转磁场,并控制功率模块226的开关动作。该情况下,从电池部9对功率模块226供给直流电力。另一方面,控制驱动器电路224以相对于电动机230的转子的旋转产生延迟方向的旋转磁场,并控制功率模块226的开关动作。该情况下从电动机230对功率模块226供给电力,功率模块226的直流电力被供给到电池部9。其结果,电动机230作为发电机作用。
逆变器装置220的功率模块226,高速地进行导通和断路动作,进行直流电力与交流电力之间的电力变换。此时,因为以高速断路大电流,会因直流电路具有的电感而产生较大的电压变动。为了抑制该电压变动,在直流电路设置大容量的平滑电容器228。在车载用的逆变器装置220中,功率模块226的发热为较大的问题,为了抑制该发热需要提高功率模块226的导通和断路的动作速度。当提高该动作速度时,上述电感造成的电压的跳跃增大,会产生更大的噪声。因此平滑电容器228的容量存在进一步增大的趋势。
在逆变器装置220的动作开始状态下,平滑电容器228的电荷大致为0,在闭合继电器RLP时流入较大的初始电流。当从强电电池向平滑电容器228流入的初始流入电流较大时,负极侧主继电器RLN和正极侧主继电器RLP可能会熔融破损。为了解决该问题,MCU222在使负极侧的继电器RLN从断开状态成为闭合状态之后,将正极侧的继电器RLP维持为断开状态,使预充电继电器RLPRE从断开状态成为闭合状态,在通过电阻RPRE限制最大电流的同时对平滑电容器228进行充电。在平滑电容器228被充电至规定的电压之后,解除初始状态,停止使用预充电继电器RLPRE和电阻RPRE,如上所述,使负极侧的继电器RLN和正极侧的继电器RLP为闭合状态,从电源系统1对功率模块226供给直流电力。通过进行这样的控制,能够保护继电器电路,并且将锂电池单元和逆变器装置220中流过的最大电流降低至规定值以下,维持较高的安全性。
由于降低逆变器装置220的直流侧电路的电感关系到噪声电压的抑制,因此平滑电容器228靠近功率模块226的直流侧端子配置。此外,平滑电容器228自身也采用能够降低电感的结构。采用这样的结构供给平滑电容器228的初始充电电流时,瞬间流入较大的电流,可能会产生高热而导致损伤。但是,通过上述预充电继电器RLPRE和电阻RPRE能够降低上述损伤。逆变器装置220的控制由MCU222进行,如上所述,对平滑电容器228进行初始充电的控制也由MCU222进行。
对于电源系统1的强电电池的负极与负极侧的继电器RLN的连接线,以及强电电池的正极与正极侧的继电器RLP的连接线,在与外壳接地(与车辆的底盘相同电位)之间分别插入电容器CN、CP。上述电容器CN、CP用于除去逆变器装置220产生的噪声,防止弱电类电路的误动作和构成单元控制器80的IC的由浪涌电压产生的破坏。逆变器装置220虽具有噪声除去滤波器,但上述电容器CN、CP是为了进一步提高防止电池控制器20和单元控制器80的误动作的效果,进一步提高电池系统1的耐噪声的可靠性而插入的。其中,在图13中,电源系统1的强电类电路用粗线表示。这些线使用截面积较大的平角(扁平)铜线。
其中,在图13中,鼓风机17是用于将电池部9冷却的风扇,通过继电器16动作。继电器16根据来自电池控制器20的指令而ON/OFF。
<车辆用电源系统中的动作流程>
图14是表示图13所示的车辆用电源系统中的动作流程的图。以下,按照步骤顺序说明。
在步骤801,当车辆的钥匙开关打开,进行用于发动机起动的操作时,或者进行用于使车辆从停车状态起行驶的操作时,或者各集成电路从Sleep状态成为Wake up状态时,前进至步骤802。在步骤802中,电池控制器20起动,进行电池控制器20的初始化。
在步骤803,进行CAN通信。由此对各控制器发出所谓的空消息,进行各控制装置间的通信的状态确认。在步骤804,从电池控制器20对单元控制器80发送用于起动和初始化的通信命令292。
各集成电路3A、……、3M、……、3N,通过接收通信命令292成为所谓的唤醒(Wake Up)状态。然后,基于来自图7记载的命令处理电路344的输出,图4的起动电路254开始动作,并且各集成电路的地址寄存器348被初始化。之后,如图8和图10说明,对各集成电路IC设定新的地址。
在步骤805,利用图1所示的电压计Vd和电流传感器Si检测各电池单元全部串联连接的总电池的电压、电流,各输出被输入到电池控制器20中。此外,例如由未图示的温度传感器进行温度的测定。
另一方面,在步骤804,单元控制器80接收到起动和初始化的通信命令292,各集成电路3A、……、3M、……、3N接收该通信命令292,使图4记载的第一阶段计数器256和第二阶段计数器258开始动作(步骤806),反复执行动作表260中记载的测量(步骤807)。在步骤807中,如图4和图6说明,各集成电路独自测定各电池单元的端子电压,将该测定值存储到当前值存储电路274和初始值存储电路275中(步骤808)。根据步骤807中各电池单元的电压测定结果,在步骤809中,各集成电路独自进行各电池单元的充放电、过放电的判定。因为存在异常时在图5的标识存储电路284中设置了诊断标识,所以电池控制器20能够检测诊断标识,检测到异常。由于各集成电路分别独自地进行电池单元电压的测量和电池单元的异常诊断,即使电池部9由较多电池单元构成,也能够在短时间内诊断所有电池单元的状态。结果,能够在接通继电器RLP和继电器RLN之前,诊断所有电池单元的状态,能够维持较高的安全性。
在步骤810,确认已进行了各电池单元的状态检测,在步骤811,结束初始化,并且通过确认标识存储电路284中未设置诊断标识,能够检测到不存在异常状态。确认到无异常时,闭合图13所示的继电器RLN,接着闭合继电器RLPRE,最后闭合继电器RLP。由此,开始从电池组件9对逆变器装置220供给直流电力。
步骤801中从钥匙开关ON(打开)的时间点到能够开始供给电力的经过时间,能够为大约100msec以下。这样能够在短时间内进行直流电力的供给,能够充分应对驾驶者的要求。
进而在该短期间之内,能够进行各集成电路的地址的设定、各集成电路相关的各组的所有电池单元的电压测定、将上述各测定结果存储到图5中记载的初始值存储电路275,并进而完成异常诊断。
然后,各电池单元的电压的测定,在继电器RLP、RLN、RPLPRE成为ON之前,即,在逆变器装置220和电池部9电连接之前进行。因此,各电池单元的电压的测定,在对逆变器装置220供给电力之前进行,能够根据电流供给前测定的各电池单元的端子电压正确地求得充电状态SOC。
之后,在步骤812中成为通常模式,在步骤813,进行各电池单元的电压、电流、温度的测定。该情况下的测定,在步骤812中通过与单元控制器80间的通信进行。其中,温度的测定,基于来自未图示的温度传感器的输出。
然后,基于上述电流供给前测定的各电池单元的电压、电流的测定值,根据需要还基于温度的测定值,在步骤815中,进行放电时间(平衡,balancing)的运算。基于该运算结果,将用于控制图2所示的平衡开关129A、129B、129C、129D的导通时间,发送到各集成电路。在步骤816中,各集成电路基于导通时间进行闭合平衡开关的控制。该动作根据上述图11所示的流程进行。
在步骤817中,进行集成电路3A~3N或者各电池单元是否异常的测试。接着,在步骤818,进行包括各电池单元的余量或者劣化等状态在内的运算。
在步骤819中,判定计数是否达到了与平衡开关129A、129B、129C、129D分别对应地计算的导通时间。在未达到的情况下,返回步骤813,反复进行步骤816中的平衡、步骤817中的测试和步骤818中各电池单元的状态运算。
然后,在步骤819中计数达到了平衡开关129A、129B、129C、129D的导通时间的情况下,对于计数值达到了导通时间的平衡开关129A、129B、129C、129D,从电池控制器20将使开关成为用于停止放电动作的断开状态的命令,发送到相应的集成电路。由于闭合平衡开关使其放电的控制,仅对电池部9中充电状态SOC较大的电池单元进行,因此充电状态SOC较小的电池单元的平衡开关从最初开始就维持为断开。如上所述,计算电池部9的各电池单元的充电状态SOC,对各电池单元计算平衡开关的导通时间,保持在电池控制器20的存储装置中。由于导通时间与各电池单元的充电状态SOC对应地确定,因此通常为各自不同的导通时间。当然,存在从最初开始导通时间为0的电池单元。因此在步骤819中对各电池单元的通电时间和计数值进行比较,对于对已经过了通电时间的电池单元的放电进行控制的集成电路,发送相应的电池单元的放电停止的指令。
<通信结束顺序(sequence)>
图15是表示例如在图1和图13所示的车辆用电源系统中,使电池控制器20与单元控制器80的通信结束的顺序的说明图。
图15(a)是表示电池控制器20的电源(VC)端子中的停止电源供给的时刻的图。图15(b)是表示作为绝缘电路的入口侧接口INT(E)的光电耦合器PH1、光电耦合器PH2和作为绝缘电路的出口侧接口INT(O)的光电耦合器PH3、光电耦合器PH4的停止电源供给的时刻的图。图15(c)是表示使来自电池控制器20的通过TX端子和RX端子的发送接收停止的时刻的图。图15(d)是表示使来自电池控制器20的通过Wake-up端子的信号停止的时刻的图。
从该图可知,首先,使来自电池控制器20的通过TX端子和RX端子的发送接收停止。进而,在作为系统使用来自电池控制器20的Wake-up端子的信号的情况下,停止该信号的发送。接着,进行电池控制器20的电源(VC)端子中的电源供给的供给停止,然后进行作为绝缘电路的入口侧接口INT(E)的光电耦合器PH1、PH2以及作为绝缘电路的出口侧接口INT(O)的光电耦合器PH3、PH4的电源供给的停止。
通过以这样的顺序进行上述各部分的动作停止,能够使各集成电路可靠地成为睡眠状态。
其中,图16是不使用上述图15说明的来自Wake-up端子的信号的系统的说明。因为不使用来自Wake-up端子的信号,不需要图15(d)中的信号停止。其他顺序与图15的情况相同。
<与各集成电路对应的单元组的电池单元的结构>
在上述实施方式中,构成各单元组的电池单元的数量是相同的,在与各单元组对应的集成电路3A、……、3M、……、3N中,分别连接有4个电池单元。各集成电路3A、……、3M、……、3N分别从4个各电池单元获得电压等信息,并进行该电池单元的充放电的控制。此外,集成电路3A、……、3M、……、3N分别负责的电池单元,为相等的数量。
但是,如图17所示,能够使电池部9的各单元组具有的电池单元的数量为不同的数量。构成电池部9的电池单元数量能够自由地选择,不需要为单元组数量的倍数。图17(a)表示各单元组中的电池单元的数量,图17(b)表示与各单元组对应的集成电路。各集成电路的内部的当前值存储电路274、初始值存储电路275中保持的与电池单元的端子电压相关的数据的种类为不同的数量。在该数据基于来自电池控制器20的请求而对电池控制器20发送的情况下,可以分别发送不同数量的数据,也能够如图17(c)所示,再分配为确定的数量后进行发送。通过像这样来发送接收确定数量的数据,能够提高发送的可靠性。
如图17(b)所示,与各集成电路3A、……、3M、……、3N相关的单元组的电池单元的数量分别不同。如图17(a)所示,与最上位的集成电路3A相关的单元组和与最下位的集成电路3N相关的单元组,分别具有例如4个电池单元,与其他单元组相比,电池单元的数量较少。电池部9的不是端部的单元组而是内侧的单元组的电池单元的数量,为比端部的单元组的电池单元的数量(例如4个)更多的数量(例如6个)。
关于电位,作为最上位的集成电路3A或者最下位的集成电路3N,如上所述通过由光电耦合器PH1、PH4组成的绝缘电路与电池控制器20连接。从安全性和价格的方面来看,优选降低光电耦合器PH1、PH4的耐压。通过减少与光电耦合器PH1、PH4连接的集成电路的相关单元组的电池单元的数量,能够降低要求的光电耦合器的耐压。例如,在最上位的集成电路3A和最下位的集成电路3N中各连接6个电池单元的情况下,其与电池控制器20之间连接的光电耦合器的必要耐压,需要比6个电池单元份的端子电压的最大值更大。单元数增加时,要求的耐压随之增加。
在图17所示的例子中,最上位的集成电路3A和最下位的集成电路3N中保持的电池单元的端子电压的种类为4个。与电池控制器20的通信中的数据,为4个电池单元份的数据。此外,在集成电路3A、3N以外的集成电路中,与该电池控制器20的通信中的数据,为6个电池单元份的数据。
在该实施方式中,如图17(c)所示,以——与集成电路3A连接的4个电池单元的数据、与下一个的集成电路连接的6个电池单元份的数据中配置在上位侧的4个电池单元的数据、与上述下一个集成电路连接的6个电池单元份的数据中配置在下位侧的2个电池单元份的数据和与再下一个的集成电路连接的6个电池单元的数据中配置在上位侧的2个电池单元的数据、……最后为与最下位的集成电路3N连接的4个电池单元的数据——这样的方式,依次以4个电池单元的数据为单位,发送接收所有电池单元的数据,。
在图13所示的车辆用电源系统中,关于电池控制器20和上位控制器110之间的通信,一次发送的数据量受到限制(例如上限的数据量为4个电池单元份的量等)。从而,通过使用图17(c)所示的电池部9的结构,能够发送接收不超过上述限制量的信号,能够进行具有可靠性的信号的发送接收。
在上述实施方式中,使与最上位和最下位的各集成电路3A、3N连接的电池单元的数量为4个,使与其以外的集成电路连接的电池单元的数量为6个。但是不限于此。例如,只要使与最上位和最下位的集成电路3A、3N连接的电池单元的数量,比与其以外的集成电路连接的电池单元的数量少就能够达到同样的效果,在某一方较少的情况下,能够降低较少的一方的光电耦合器的耐压。
此外,在上述实施方式中,即使与各集成电路连接的电池单元的数量不同,也依次以4个电池单元份的数据为单位进行发送接收。但是,作为单位的电池单元的数据不限于4个份。例如,在与各集成电路分别连接的电池单元的数量中,以比最多的电池单元数量少的数量份的电池单元的数据为单位发送接收,也能够获得同样的效果。
<各电池单元的诊断>
说明图1记载的各集成电路3A……集成电路3M……集成电路3N的内部处理动作中进行的各电池单元的测量和过充电、过放电的诊断动作。在图4的动作表260的行260Y1记载的阶段STGCV1~阶段STGCV6中,进行各电池单元的端子电压的获取和诊断。在阶段STGCV1的测量期间中,如之前所说明的那样,图5的选择电路120选择VCC(V1)和VC2(V2)。通过该动作,选择图2的电池单元BC1的端子电压,通过具有电位偏移(potential shift)功能的差分放大器262输入到模拟数字变换器122A中。端子电压在模拟数字变换器122A中变换为数字值,之后,在平均化电路264中,基于包括本次测定在内的最新的规定次数的测定值来计算平均值。该平均值被保持在当前值存储电路274的寄存器CELL1中。
基于当前值存储电路274的寄存器CELL1中保持的测定值,在图4的阶段STGCV1的测量期间内进行电池单元BC1的过充电和过放电的诊断。在开始该诊断前,从电池控制器20将用于诊断的基准值发送到各集成电路,将过充电的诊断基准OC保持在基准值存储电路278的寄存器中,此外,将过放电的诊断基准OD保持在基准值存储电路278的寄存器中。进而,为了即使在从电池控制器20无法通过通信命令292进行基准值的发送的情况下,或者因噪声等其他原因将错误的值保持在基准值存储电路278中的情况下,也能够掌握过充电的异常状态,预先保持无法通过通信命令292改写的过充电基准值OCFFO。
<过充电的诊断>
在阶段STGCV1的测量中的端子电压的测量之后,用数字比较电路270,对测定的端子电压值与过充电的判断值OC进行比较。即,利用基于图4的第一阶段计数器256和第二阶段计数器258的输出由解码器257和解码器259生成的选择信号,从当前值存储电路274的寄存器CELL1~CELL6、寄存器VDD中保持的多个测定值以及VDD值和基准电源(PSBG)中,选择寄存器CELL1的测定值,输入到数字比较电路270中。此外,同样利用由上述解码器257和解码器259生成的选择信号,从基准值存储电路278中保持的多个基准值中选择过充电诊断基准值OC,通过数字比较电路270对寄存器CELL1内的电池单元BC1的测定值和过充电诊断基准值OC进行比较。数字比较电路270,在电池单元BC1的测定值大于过充电诊断基准值OC时,输出表示异常的比较结果。数字复用器282,根据由上述解码器257和解码器259生成的选择信号,选择数字比较电路270的输出的存储目标。如果电池单元BC1的诊断结果为异常,则在标识存储电路284的寄存器MFflag和寄存器OCflag中保持该异常诊断结果。即,成为设置了MFflag和OCflag的状态。异常标识从集成电路的端子FFO输出,传输到电池控制器20。
接着,为了提高可靠性,数字比较电路270,对电池单元BC1的测定值和过充电诊断基准值OCFFO进行比较。电池单元BC1的测定值大于过充电诊断基准值OCFFO的情况下,作为与过充电相关的异常,在标识存储电路284的寄存器MFflag和寄存器OCflag中保持该异常诊断结果。当在标识存储电路284中设置了异常标识时,与上述同样地将其传输到电池控制器20。由于过充电诊断基准值OCFFO为无法从电池控制器20进行改写的基准值,所以即使电池控制器20的程序和动作产生异常也不会变更过充电诊断基准值OCFFO,能够进行可靠性较高的判断。由于过充电诊断基准值OC能够从电池控制器20进行变更,因此能够进行细致的判断。此外如上所述,过充电诊断基准值OCFFO是与电池控制器20和传输线路的状态无关地维持的可靠性较高的数据,因此通过使用2种数据进行诊断能够实现可靠性较高的诊断。
<过放电的诊断>
在阶段STGCV1的测量期间中,进而接着进行电池单元BC1的过放电的诊断。利用数字比较电路270对当前值存储电路274的寄存器CELL1中存储的电池单元BC1的测定值,和基准值存储电路278的基准值OD进行比较。在电池单元BC1的测定值小于基准值存储电路278的基准值OD的情况下,判断为异常,输出异常信号。根据基于解码器257和解码器259的输出的选择信号,数字复用器282选择标识存储电路284的MFflag和ODflag,从数字比较电路270输出的异常信号被设置在寄存器MFflag和寄存器ODflag中。
在上述各项目的诊断中,在设置了MFflag的情况下,将该标识通过OR电路288从1比特输出端FFO输出,发送到电池控制器20。
选择电路286的功能能够通过来自电池控制器20的通信命令292来改变,由此能够有选择地对从端子FFO输出的标识包含到哪一个标识进行变更。例如,可以使标识存储电路284的设置MFflag的条件仅为过充电异常。该情况下,数字比较电路270的过放电异常诊断输出不在寄存器MFflag中设置,仅在ODflag中设置。是否将ODflag从端子FFO输出,能够根据选择电路286的设定条件决定。该情况下,由于设定条件能够从电池控制器20进行变更,所以能够对应多种控制。
在图4的动作表260的行260Y1记载的阶段STGCV1之后,接下来为阶段STGCV2的期间。图6中选择电路120通过选择VC2(V2)和VC3(V3),选择图2的电池单元BC2的端子电压。通过与上述阶段STGCV1同样的动作,电池单元BC2的端子电压被模拟数字变换器122A进行数字变换,在平均化电路264中计算包括本次测定结果在内的最新的规定次数的测定值的平均,并将其保持在当前值存储电路274的寄存器CELL2中。测定结果的保持位置的选择,与对于其他测定值的情况相同,基于图4的解码器257和解码器259的输出进行。
接着,与上述阶段STGCV1相同地,基于图4的解码器257和解码器259的输出,从当前值存储电路274选择电池单元BC2的测定值,并选择基准值存储电路278的过充电诊断基准值OC,通过由数字比较电路270进行比较来进行诊断。诊断内容和动作,与上述阶段STGCV1相同。
以下,对于阶段STGCV3至STGCV6,为与上述STGCV1和上述阶段STGCV2同样的动作内容,由图5的电路在测量之后进行诊断。
<充电状态SOC的调整和端子电压的测量>
如上所述,为了调整构成电池部9的各电池单元的充电状态SOC,对平衡开关129A~129F进行控制,使充电量较多的电池单元的电力通过放电用的电阻进行放电。平衡开关129A~129F的开闭控制,可能会对各电池单元的端子电压的检测造成不良影响。即,当在图2的电路中闭合平衡开关129时,通过电阻R1至R4流过放电电流,降低了电池单元BC1~BC4的端子电压的测量精度。
平衡开关129A~129F的开闭控制,需要基于电池部9整体的电池单元的状态进行。从而,优选由图1所示的电池控制器20进行处理,优选基于电池控制器20的指令,由各集成电路3A~3N来控制平衡开关129A至129F。另一方面,对于各电池单元的端子电压的测量,优选由各集成电路3A~3N独自地进行各自负责的组的电池单元电压的测量,在从电池控制器20接收到测量值的发送命令时,将独自测量并保持的端子电压的测量值迅速发送。从而,需要实现进行控制的电路不相同的上述平衡开关129A~129F的控制与各电池单元的端子电压的测量的协调,综合地执行双方控制。
使用图18至图22说明实现上述双方的控制的具体结构。其中,优选除了图1和图2所示的放电用的电阻R1至R4之外,在实际的产品中为了除去噪声的影响设置电容器C1~C6。因此,在以下的说明中,将在图1和图2的电路中追加了噪声除去用的电容器的电路,表示在图18、图19、图23、图24中。此外,图1和图2中电池单元的数量为4个,而图18、图19、图23、图24中记载为6个。此外,上述电阻和电容器,与虚线表示的集成电路一起被保持在虚线80表示的单元控制器中,通过通信线束与电池模块(battery block)的各电池单元BC1~BC6连接。
图19表示使用图18记载的放电用的电阻R1~R6,进一步减少噪声的影响的电路。图20和图21是表示用于测量控制和充电状态SOC的调整的放电控制的动作的图。其中,图20表示图18所示的电路的动作,图21表示图19所示的电路的动作。此外,图22表示用于进行图20和图21所示的控制的电路。
在图18的电路中,在阶段STGCV1中测量电池单元BC1的端子电压,在下一个阶段STGCV2中测量电池单元BC2的端子电压。以下依次执行电池单元BC3~BC6的端子电压的测量。通过这样反复测量,能够始终监视电池单元的端子电压的状态。
例如,当为了充电状态SOC的调整而使平衡开关129B成为闭合状态时,通过平衡开关129B和电阻R2流过放电电流。因此,该放电电流带来的电池单元BC2的内部电阻和配线电阻产生影响,输入到选择电路120的电压VC2成为比平衡开关129B为断开状态时的端子电压低的值。即,因平衡开关129B闭合导致输入到输入电路116中的端子电压成为较低的值,测定精度降低。
为了防止上述测定精度的降低,如图20的记载,在测量电池单元BC1的端子电压的阶段STGCV1中,暂时停止充电状态SOC的控制,使平衡开关129A为断开状态,测量电池单元BC1的端子电压。在测量下一个电池单元BC2的端子电压的阶段STGCV2中,暂时停止充电状态SOC控制,使平衡开关129B为断开状态,测量电池单元BC2的端子电压。以下依次分别使平衡开关129C~129F(图20的BSW3至BSW6)为断开状态来测量电池单元的端子电压。
在各阶段STGCV1~STGCV6的各测量期间,也可以停止用于充电状态SOC的调整的控制。或者,在各阶段STGCV1~STGCV6的期间内,仅在实际测量端子电压的较短时间内,停止用于充电状态SOC的调整的控制。
接着,对图19所示的电路进行说明。从串联连接的电池单元BC1至BC6对逆变器装置供给的电力线中混杂有较大的噪声。为了减少该噪声的影响,在图19所示的电路中,在各电池单元端子与输入电路116的输入端之间插入电阻RA1至电阻RA7。上述电阻RA1至电阻RA7,与电容器C1至电容器C7一起进行噪声除去,保护集成电路不受噪声影响。
在图19记载的电路中,当为了调整充电状态SOC而闭合平衡开关129A时,电池单元BC1的放电电流通过电阻R1、平衡开关129A和电阻RA2流动。由于平衡开关129A闭合的状态下的放电电流流过电阻RA2,因此除了对电池单元BC1的端子电压的测量造成影响外,还会对电池单元BC2的端子电压的测量造成影响。从而,在测量电池单元BC2的端子电压时,需要断开平衡开关129A和平衡开关129B双方。同样,在电池单元BC3的端子电压的测量时,需要断开平衡开关129B和平衡开关129C双方。以下同样,其他电池单元的测量时也是相同的。
图21表示在图19记载的电路中,进行电池单元的测量时平衡开关129的强制断开的状况。由于在阶段STGCV2中,进行图19的电池单元BC2的端子电压的测量,因此停止平衡开关129A和129B的用于充电状态SOC的调整的控制,将平衡开关129A和129B维持为断开状态。该情况下,可以在阶段STGCV2的整个期间,停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129A和129B的控制,也可以仅在上述阶段STGCV2的期间中实际测量电压的较短期间内,停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129A和129B的控制,此处与上述图20的情况相同。
此外,由于在图21的阶段STGCV3中,进行图19的电池单元BC3的端子电压的测量,因此电池单元BC3的端子电压的测量期间中,停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129B和129C的控制,将平衡开关129B和129C维持为断开状态。该情况下,可以在阶段STGCV3的整个期间,停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129B和129C的控制。或者,还可以仅在阶段STGCV3的期间中实际测量电压的较短期间内,停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129B和129C的控制,这一点与上述相同。
由于在阶段STGCV4或者阶段STGCV5中,进行电池单元BC4或者BC5的端子电压的测量,因此将平衡开关129C和129D或者平衡开关129D和129E维持为断开状态。在阶段STGCV6中,进行电池单元BC6的端子电压的测量。因此,电池单元BC6的端子电压的测量期间中,将平衡开关129F维持为断开状态。
其中,图20和图21中箭头←→表示的期间,是进行用于充电状态SOC的调整的平衡开关129A~129F的控制的期间。此外,记载为“关断”的期间,表示停止用于充电状态SOC的调整的平衡开关129A~129F的控制,强制使其成为断开状态的期间。如上所述,在电池单元端子电压的测定期间中,优先于电池控制器20进行的充电状态SOC的调整控制,将相关的平衡开关129强制断开,由此能够提高电池单元端子电压的测定精度。
接着,使用图22记载的电路,说明上述平衡开关129的断开动作。首先,在图14的步骤815中计算用于进行充电状态SOC的调整的控制值。基于该运算结果的控制值,通过通信命令292发送到各集成电路3A……3M……3N。在各集成电路3A……3M……3N中,被图2和图7所示的通信电路127接收,基于接收结果控制各平衡开关129A~129F。
图22所示的数据330是将图7的接收寄存器332的数据330的部分放大表示的,数据330的内容被输入到放电控制电路1321~1326中。输入的控制信号为例如表示“1”或者“0”的信号,“1”表示闭合平衡开关129进行放电的控制,“0”表示断开平衡开关129不进行放电的控制。上述控制信号被保持在放电控制电路1321~1326中,基于该保持数据分别控制平衡开关129A~129F。
放电控制电路1321~1326的保持数据被施加到AND门12~62,进而通过OR门11~OR门61来驱动平衡开关129A~129F。另一方面,在优先于用于充电状态SOC的调整的控制,优先控制平衡开关129A~129F的情况下,用各AND门12~AND门62屏蔽基于上述放电控制电路1321~1326的信号。该屏蔽期间为图26和图27说明的期间,由于电池单元的端子电压的测量是基于解码器257和解码器259的输出进行的,因此基于该解码器257和解码器259的输出,从电路2802向各AND门12~AND门62发送控制停止信号。
在断开各AND门12~AND门62(即来自2802的输入经过非门后成为0,门12~62始终输出0),停止用于充电状态SOC的调整的控制的期间中,AND门11~AND门61闭合(即来自2802的输入为1),通过OR门12~OR门62的输出,驱动平衡开关129A~129F。从而,在各AND门12~AND门62断开、AND门11~AND门61闭合的期间,为了最佳地进行测量,能够从测量控制电路2811~测量控制电路2861输出控制平衡开关129A至129F的控制信号。此外,进行后述的检测用线束的异常诊断的情况下,从诊断控制电路2812至诊断控制电路2862,输出控制平衡开关129A至F的控制信号。
这样,由于各集成电路3A……3M……3N,具有相对于用于充电状态SOC的调整的控制,能够优先停止充电状态SOC调整控制,并且在停止期间中由各集成电路独自地控制平衡开关129A~129F的电路,因此具有能够进行正确的测定和诊断的效果。
<ADC、差分放大器262、基准电压的诊断>
在图4所示的动作表260的行260Y1记载的阶段STGPSBG中,进行内部基准电压、模拟以及电压检测电路122A的诊断。由集成电路内部的电源电路121(图2)产生用于使图5记载的模拟电路和数字电路动作的电源电压。当基于绝对的基准电源产生电源电压时,能够比较容易地获得高精度的上述电源电压。但是,当绝对的基准电压变化时,电源电压可能会发生变化。
在阶段STGPSBG中,能够效率良好地进行基准电源的诊断和模拟电路、电压检测电路122A的诊断。以下具体地说明。
在图5的电路中,输入电路116选择基准电源和GND。通过该选择,GND的电位与基准电源的电压差被输入到差分放大器262中,进行电位偏移和尺度匹配(scale matching),然后输入到模拟数字变换器122A。模拟数字变换器122A将输入信号变换为数字值。该数字信号,基于解码器257和解码器259,在当前值存储电路274作为数据PSBG被保持在PSBG寄存器中。
关于基准电源,如果其相关的电路的动作正常则其电压是已知的,将作为比基准电源的已知电压略小的值的基准电源的下位允许值(PSBGmin),和作为比基准电源的已知电压略大的值的基准电源的上位允许值(PSBGmax),分别保持在基准值存储电路278的寄存器中预先分配的下位允许值和上位允许值的保存区域。如果基准电源为正常的电压,则其值为基准电源的下位允许值和上位允许值之间的值。此外,在模拟电路未正常动作的情况下,例如差分放大器262不正常的情况下,即使基准电源为正常的电压,模拟数字变换器122A的输出也会偏离正常的范围。此外,模拟数字变换器122A不正常的情况下,模拟数字变换器122A的输出也会偏离正常的范围。
从而,对于当前值存储电路274的保持值“基准电源”,是否为在基准值存储电路278中保持的基准电源的下位允许值和上位允许值之间,由数字比较电路270比较并诊断。
数字复用器272,基于解码器257和解码器259的输出选择测量值“基准电源”,并将其发送到数字比较电路270。此外,数字复用器272,基于解码器257和解码器259的输出选择基准电源的下位允许值,并将其发送到数字比较电路270。数字比较电路270,在测量值“基准电源”小于基准电源的下位允许值的情况下,作为异常,在由数字复用器282基于解码器257和解码器259的输出选择的异常标识的保持寄存器中——本实施方式中为在标识存储电路284的寄存器MFflag中——保持异常标识。在测量值“基准电源”大于基准电源的下位允许值的情况下判断为正常,不进行标识存储电路284的异常标识的设置。
在阶段STGPSBG的期间中,数字复用器272基于解码器257和解码器259的输出选择测量值“基准电源”,并将其发送到数字比较电路270。此外,数字复用器272,基于解码器257和解码器259的输出选择基准电源的上位允许值,将其发送到数字比较电路270。数字比较电路270,在测量值“基准电源”大于基准电源的上位允许值的情况下,作为异常,在由数字复用器282基于解码器257和解码器259的输出选择的异常标识的保持寄存器中——本实施方式中为在标识存储电路284的寄存器MFflag中——保持异常标识。在测量值“基准电源”小于基准电源的上位允许值的情况下判断为正常,不进行标识存储电路284的异常标识的设置。这样,能够在阶段STGPSBG的期间执行作为模拟放大器的差分放大器262和模拟数字变换器122A是否正常动作的诊断,能够维持较高的可靠性。
<数字比较电路的诊断>
在图4记载的动作表260的阶段STGCal中,进行数字比较电路的诊断。以下,说明其动作。数字复用器272,基于解码器257和解码器259的输出选择增加运算值280。该增加运算值280是保持在基准值存储电路278中的基准值(例如对基准值OC加上规定值而获得的值)。数字复用器276,选择基准值存储电路278中保持的基准值中的一个(本实施方式中为基准值OC),作为比较对象输入到数字比较电路270。进而,将对选择的基准值OC加上规定值(例如“1”而获得的增加运算值280),通过数字复用器272输入到数字比较电路270。如果数字比较电路270判断为增加运算值280大于基准值OC,则数字比较电路270在正确地动作。
接着,数字复用器272,基于解码器257和解码器259的输出选择减少运算值281。该减少运算值281是保持在基准值存储电路278中的基准值(例如从基准值OC减去规定值例如“1”而获得的值)。数字复用器276,选择基准值存储电路278中保持的基准值中的一个(本实施方式中为基准值OC),作为比较对象输入到数字比较电路270。进而,将对选择的基准值OC减去规定值(例如“1”而获得的减少运算值281),通过数字复用器272输入到数字比较电路270。如果数字比较电路270判断为减少运算值281小于基准值OC,则数字比较电路270在正确地动作。
如上所述,通过将基准值存储电路278中保持的基准值OC,与对该基准值OC加上规定值的值进行比较,或者与减去规定值的值进行比较,能够诊断比较器的动作是否正常。
使用增加运算值280和减少运算值281的目的在于,生成对于比较对象来说大小关系已知的条件,来诊断比较结果,也可以使用将数据向上位侧偏移(移位)或者向下位侧偏移后的值来代替规定值的加和减。该情况下,成为用规定值4相乘和相减,如上所述能够生成已知的大小关系。
基于图23和图24,对将电池单元BC的正极、负极与单元控制器80相连接的检测用线束发生异常的情况下的诊断进行说明。图23是图1至图2的检测用线束内的线束L2发生断线的情况。此外,图24是图19的电路的检测用线束中与上述同样为线束L2发生断线的情况。作为断线的原因,能够考虑到各电池单元与检测用线束的连接部的接触不良、单元控制器80与各线束的连接部的连接器的接触不良。此外,偶尔有检测用线束本身断线的可能性。
检测各电池单元的异常的可能性,并使其不产生异常是很重要的。如果电池单元与各集成电路之间的电连接产生异常,则无法检测到电池单元发生异常的可能。使用图25说明对图23和图24中电池单元与各集成电路之间的电连接产生异常进行检测的检测方法。其中,图23和图24的基本动作如之前所述。此外,此处假设检测用线束内的线束L2发生断线进行说明,但无论线束L1至L7中哪一根线都能够同样进行异常的诊断。
在图25中,在平衡开关129A~129C为断开状态下,即使检测用线束的线束L2断线,由于存在包括电容器C2在内的各种静电电容,输入到选择电路120的电压VC2在表面上可能会表现为接近电池单元的端子电压V2的正常值。从而,这样无法检测出异常。
从而,接着将放电电流通过要诊断的检测用线束L2流过的平衡开关129B闭合。通过闭合平衡开关129B,包括存在于线束L2和线束L3的电路之间的电容器C2在内的静电电容中蓄积的电荷被放出,选择电路120的输入电压VC2急剧降低。如果没有断线则从电池单元BC2供给电流,因此输入电路116的输入电压VC2几乎不降低。
在之前的图20和图21说明的电池单元BC2的端子电压的测量阶段中,测量电池单元BC2的端子电压(测量1)。如之前所说明的,该测定期间中使平衡开关129B为断开状态。由于电荷流入并蓄积在包括存在于线束L2和线束L3的电路之间的电容器C2在内的静电电容中,输入电路116的输入电压VC2略微上升,但上述测量1中测量到的电压VC2与正常电压相比还是非常低的电压。测定的电压VC2,被保持在图5所示的当前值存储电路274的BC2中。
在上述状况下,在测定后进行的电池单元BC2的诊断中,由于从当前值存储电路274读出的测定值为基准值存储电路278的过放电阈值OD以下的异常值,因此能够用数字比较器270进行异常的诊断。异常的诊断结果被设置在标识存储电路284的寄存器MFflag中。断线时的电压VC2比过放电阈值OD低,因此通过设置比过放电阈值OD更低的断线阈值,并使用数字比较器270对断线阈值与当前值存储电路274的寄存器CELL2中保持的测量值进行比较,能够简单地进行断线判断。图5中,通过使基准值存储电路278的寄存器OCFFO的值为上述断线阈值的值,能够常时进行断线检测。
在图25中,使平衡开关129B为断开状态之后,将平衡开关129A和平衡开关129C闭合时,对电容器C2施加电池单元BC1和BC2的串联连接的电压,电容器C2的端子电压变得非常高。因此,在测量1之后立刻闭合平衡开关129A和129C,对电池单元BC2再次进行测定(测量2)时,电压VC2会成为远超过过充电阈值的非常高的值。因此,能够简单地进行断线检测。
如上所述,在图5记载的当前值存储电路274的寄存器CELL2中,保持上述测量2的测定结果。可以由数字比较器270对当前值存储电路274的寄存器CELL2中保持的测量值与用于断线检测的阈值进行比较,以进行断线的检测,也可以基于电池控制器20的软件的处理来进行断线诊断。
图26是利用来自电池控制器20的通信命令292进行诊断的方法。如之前所说明的,设检测用线束中的线束L2发生断线。在预先确定的时刻,发送用于断线诊断的通信命令292。该通信命令292是用于确定诊断对象的集成电路,并“使平衡开关129全部断开”的命令。即,通信命令292的数据330为表示断开的“0”。接收到该命令时,该命令的对象集成电路使平衡开关129断开。
接着,为了在预先确定的时刻使连接有诊断对象的检测用线束的电池单元放电,对平衡开关129B发送闭合命令,闭合平衡开关129B。在线束L2断线的情况下,对复用器120的输入信号VC2几乎为0。之后,在基于集成电路的阶段信号的电池单元BC2的测定阶段中,在输出来自电池控制器20的命令之前,平衡开关129B成为断开状态,进行用于测量电池单元BC2的端子电压的测量。在线束L2断线的情况下,对复用器120的输入信号VC2为非常低的电压,该低电压被保持在图5的当前值存储电路274的寄存器CELL2中。
由于集成电路独自地按较短周期进行电池单元端子的测量,因此平衡开关129B再次成为断开状态,进行用于测量电池单元BC2的端子电压的测量。在线束L2断线的情况下,测量结果为非常低的值,该值被保持在当前值存储电路274的寄存器CELL2中。
当从电池控制器20接收到获取诊断结果的命令时,集成电路发送当前值存储电路274的寄存器CELL2中保持的测量结果。接收到该测量结果,基于比过放电状态更低的测量结果,电池控制器20能够进行断线的检测。即,对从集成电路发来的测量结果与图26记载的阈值ThL1进行比较,如果测定结果为该阈值ThL1以下则判断为断线。然后,开始准备切断使用锂电池的直流电源与逆变器的连接,准备好之后立刻使继电器RLP和RLN断开。
进而为了保证正确,电池控制器20发送使平衡开关129A和平衡开关129C闭合、平衡开关129B断开的命令。如果在断线的情况下,当闭合诊断的电池单元两侧的平衡开关129时,对选择电路120的输入电压VC2非常大,因此会测定到比过充电阈值大的电压。该测量结果被保持在当前值存储电路274的寄存器CELL2中。
当从电池控制器20接收到测量结果的获取命令时,集成电路将测量值发送到电池控制器20。电池控制器20将接收到的测量结果与比过充电的阈值高的断线检测用阈值ThL2进行比较,当测量结果大于上述阈值ThL2的情况下判断为断线。通过测量1或者测量2的结果与阈值ThL1的比较,或者测量1和测量2的平均值与阈值ThL1的比较也能够进行正确的断线检测,而通过进一步与阈值ThL1进行比较,能够以非常高的精度进行断线的检测。并且,能够使用通常的电池单元的端子电压的测量动作来进行,较为容易。此外,不会特别增加电路,能够使用已有的用于控制充电状态SOC的平衡开关129来诊断,较为简单。
接着,使用图27至图29说明在各集成电路内自动地诊断断线的方法。通过基于图4中记载的阶段信号进行电池单元的单位电压的测量和断线诊断,能够自动地实施断线的诊断。图27表示具体的测量和诊断的时间表,图29表示具体的电路。
图27的上部表示阶段信号的第m个和m+1个周期的集成电路3A的测量和断线诊断,中部表示集成电路3A的下一个集成电路3B的测量和断线诊断,下部表示集成电路3B的再下一个集成电路3C的测量和断线诊断。集成电路3B从集成电路3A接受同步信号,集成电路3C从集成电路3B接受同步信号,分别开始图4所示的阶段的处理。其中,在图27中,显示“ON”表示进行闭合平衡开关129的控制的期间,“OFF”表示进行断开平衡开关129的控制的期间。“测量”表示进行电池单元的端子电压的测量和断线诊断的控制的期间。未记载“ON”、“OFF”和“测量”的部分为进行充电状态SOC的控制的期间。
在集成电路3A的阶段STGCal,闭合平衡开关129A。如果检测用线束存在断线,通过闭合平衡开关129A,如图25所说明的那样,选择电路120的输入电压变得非常小。因此,阶段STGCV1中测量的电池单元BC1的端子电压,作为异常小的值被图28的模拟数字变换器122A检测到。从而,当前值存储电路274的寄存器CELL1中保持的测量值为非常小的值。其中,为了提高阶段STGCV1中的测量精度,将平衡开关129B也控制为断开状态。
在测量之后进行的断线诊断中,利用数字比较器270,对当前值存储电路274的寄存器CELL1中保持的测量值和基准值存储电路278中保持的断线诊断的阈值ThL1进行比较。如果寄存器CELL1中保持的测量值小于断线诊断的阈值ThL1,则视为发生以断线为原因的异常,标识存储电路284的诊断标识成为“1”。该诊断标识的设置,立刻对电池控制器20传输,这一点已在图6说明。其中,图28的基本动作,如图5等所述。
如果没有断线等异常,则阶段STGCV1中测量的电池单元BC1的端子电压表现为正常值,在数字比较器270的诊断中也不进行异常检测。在图27的m周期中,仅进行第奇数个电池单元的端子电压的测量和诊断。在电池单元BC1之后,进行电池单元BC3的端子电压的测量和断线诊断。在阶段STGCV2中,将电池单元BC3的平衡开关129C闭合一次,接着在阶段STGCV3中使平衡开关129C断开,进行电池单元BC3的端子电压的测量。进而,在图28的数字比较器270中与上述说明同样地进行断线诊断。为了提高阶段STGCV3中电池单元BC3的端子电压的检测精度和诊断精度,平衡开关129C两侧的平衡开关129B、129D如图27所示,维持为断开状态。
同样在阶段STGCV5中,为了进行电池单元BC3的端子电压的测量和诊断,将平衡开关129D和129F维持为断开状态。上述测量和诊断,对第奇数个电池单元BC1、BC3、BC5进行。同样地,电池单元BC2、BC4、BC6的测量和诊断在接下来的m+1周期进行。这样,图27中,对于第奇数个电池单元和第偶数个电池单元,测量和诊断分别在阶段周期的不同周期进行。
在集成电路3B的阶段STGCV1中的与电池单元BC1相关的测量和诊断中,需要将前一个集成电路3A的平衡开关129F保持为断开状态。为此,从集成电路3A向集成电路3B发送同步信号,集成电路3B与集成电路3A的同步信号同步地产生阶段。在本实施方式中,接收来自集成电路3A的同步信号,开始最初的阶段信号STGCal的产生。
这样,在邻接的集成电路中,按一个集成电路的规定周期对另一个集成电路发送同步信号,另一个集成电路在接收到该同步信号后开始(start)确定的阶段信号。因此,在一个集成电路的另一集成电路一侧的电池单元——即集成电路3A的电池单元BC6——的测量期间中,另一个集成电路3B的电池单元BC1的平衡开关129A保持断开。此外,在另一个集成电路3B的电池单元BC1的测量期间中,将一个集成电路3A的另一个集成电路一侧的电池单元BC6的平衡开关129F保持为断开。
在图27中,对于集成电路3B和集成电路3C也与上述相同地,在集成电路3B的特定的阶段中,将同步信号从集成电路3B发送到集成电路3C。这样,将与测量的电池单元串联连接的两侧的电池单元的平衡开关129维持为断开,实现正确的测量和正确的诊断。
在图27和图29中,将同步信号从电位较高的集成电路向邻接的电位较低的集成电路发送,但这只是一个例子,将同步信号从电位较低的集成电路向电位较高的集成电路发送也没有问题。重要之处在于使邻接的集成电路内的阶段信号相互同步地产生。
(监视周期的缩短)
通过进行上述诊断,包括收集单元电压的集成电路在内,能够更加正确地掌握电池状态。电池控制器20以规定的测定、诊断周期(以下称为监视周期)进行来自单元控制器80的单元电压收集和诊断,但为了使电池一侧也能够迅速地应对车辆行驶状态的变化,需要进一步缩短该监视周期。在以下说明的实施方式中,在进行用于测量单元电压的传感线(上述线束)的断线诊断等时,削减电池控制器20与单元控制器80的通信量,实现监视周期的缩短。
首先,在说明电池控制器20进行的诊断之前,参照图32的时序图说明包括电池控制器20和单元控制器80的监视装置的整体动作。
图32表示从通过车辆起动(钥匙打开)使装置动作,到车辆停止(钥匙关闭)使监视装置关闭为止的流程。其为使用上述图14的流程图说明的动作中的与以下说明的诊断相关的概略动作的图示。动作整体可以分为从监视装置起动到接通继电器RLP、RLN(参照图13)为止的初始化动作、从继电器RLP、RLN接通到电池控制器20接收到钥匙关闭信号为止的通常动作和从接收到钥匙关闭信号到监视装置停止为止的关闭动作。
在初始化动作中,电池控制器20进行ROM/RAM的检查和电流传感器偏移量测定,将命令发送到单元控制器20,进行单元控制器20的起动、寻址、OCV(开路电压)测定等。
在通常动作中,电池控制器20按规定的监视周期T2进行电池状态的监视,将其监视结果发送到上位的控制器(图13所示的上位控制器110和逆变器装置220)。周期T2的监视动作(单元电压测定和诊断)在通常动作期间中反复执行。在该监视周期T2的期间,电池控制器20将请求单元电压和后述的平衡开关状态的命令发送到单元控制器80。单元控制器80,针对该命令,将与单元电压和平衡开关状态相关的数据回复给电池控制器20。电池控制器20,基于收集到的单元电压和平衡开关状态进行后述的诊断,在下一个监视周期T2中,将诊断结果和所有单元电压发送到上位的控制器。
在关闭动作中,在接收到钥匙关闭信号后根据来自逆变器装置220的指令使继电器RLP、RLN关断时,电池控制器20将需要的数据写入电池控制器20中设置的EEPROM中,之后,停止监视装置。
图33是说明监视周期T2中的动作的图,是表示从电池控制器20对单元控制器80的命令发送,与从单元控制器80对电池控制器20的数据回复的关系的时序图。此处,主要表示与诊断相关的数据收集。以下,使用于进行该电池单元的均匀化的平衡开关导通,测定该电池单元的单元电压,并基于测定的单元电压和平衡开关的状态,进行后述的故障诊断。其中,在以下的说明中,参照图19所示的电路图说明。此外,为了使说明简单,设集成电路的数量N为3进行说明。
首先,电池控制器20,将请求使第奇数个平衡开关129A、129C、129E导通的广播命令,发送到单元控制器80。广播命令指的是对所有集成电路3A~3C指示进行相同处理的命令。在单元控制器80中,集成电路3A、3B、3C通过菊链(daisy chain)连接,广播命令在集成电路3A~3C中顺序传递,从集成电路3C循环返回电池控制器20。接收到广播命令的各集成电路3A~3C,各自使第奇数个平衡开关129A、129C、129E导通。
图34(a)是说明广播命令的数据格式的一例的图。命令以8比特表示,第1到第6比特为平衡开关129A~129F的导通关断设定,第7和第8比特设定下一个读出的单元电压的组合。例如,在设导通设定为1、关断设定为0,第奇数个单元电压回复设定为“01”,第偶数个单元电压回复设定为“10”的情况下,使第奇数个平衡开关导通的命令用“10101001”表示,使第偶数个平衡开关导通的广播命令用“01010110”表示。
接着,电池控制器20,在广播命令发送后等待规定时间T3之后,将用于收集单元电压的命令,发送到单元控制器80的最上位的集成电路3A。其中,规定时间T3,是从各集成电路接收到广播命令后开始单元电压测定,之后,直到所有单元电压测定结束,能够进行单元电压数据的收集的状态为止的时间。
本实施方式中,因为多个集成电路3A~3C通过菊链串行连接,所以在对各集成电路输出命令的情况下,只能与一个集成电路进行通信。因此,在3个集成电路3A~3C连接的情况下,如图33所示,需要对各集成电路3A~3C个别地发送单元电压读出的命令。
首先,电池控制器20,对单元控制器80的集成电路3A发送请求返回(回复)单元电压的命令。图35示意地表示对于请求命令的单元控制器80一侧的回复的状态。当针对(面向)集成电路3A的命令输入到集成电路3A的接收端子RX时,集成电路3A根据地址来识别该命令为针对其自身的命令。集成电路3A根据上述广播命令事先已知应发送第奇数个单元电压,因此在该请求单元电压的命令串之后,附加第奇数个电池单元BC1、BC3、BC5的单元电压数据、平衡开关状态和校验和,从发送端子TX发送到下一个集成电路3B。其中,对于平衡状态在后文叙述。
如上所述,各集成电路3A~3C,在起动后按规定的周期反复进行单元电压的测定。测定的单元电压,被存储在图5所示的当前值存储电路274的对应的寄存器CELL1~CELL6中。各寄存器CELL1~CELL6的单元电压,在单元电压的测定按规定的周期T1进行时每次都被改写。因此,各寄存器CELL1~CELL6中总是存储最新的单元电压。当集成电路3A接收到上述单元电压读出(收集)的命令时,集成电路3A将寄存器CELL1、CELL3、CELL5中存储的各单元电压附加在命令串之后(参照图33)。
此外,在通常的单元电压测定中,为了避免放电电流限制电阻的压降导致的误差、提高测定精度,在单元电压测定期间中将平衡开关强制断开(关断)。但是,如上所述,由于单元电压测定高速地实施,如图26所示,断线的情况下维持大致为0的电压,不会超过判定阈值ThL1。此外,也可以在集成电路设置诊断模式,解除强制关断功能,可靠地保持为诊断阈值ThL1以下。即,对单元电压的测定端子处设置的滤波器时间常数和测定电路的采样时间进行最佳设计即可。
如图35所示,接收到从集成电路3A输出的回复的集成电路3B,因为地址不是其自身,所以将直接复制的结果从发送端子TX发送。集成电路3C的情况也与集成电路3B的情况相同,将复制的结果从发送端子TX发送。从最下位的集成电路3C发送的集成电路3A的回复,被输入到电池控制器20的接收端子RX。
接收到来自集成电路3A的回复的电池控制器20,如图36所示,将请求下一个集成电路3B回复单元电压的命令向最上位的集成电路3A发送。接收到针对集成电路3B的命令的集成电路3A,识别出命令不是针对其自身的,将其复制后发送到接下来的集成电路3B。接收到针对集成电路3B的命令的集成电路3B,在命令串之后,附加第奇数个电池单元BC1、BC3、BC5的单元电压数据、平衡开关状态和校验和,从发送端子TX对下一个集成电路3C发送。接收到该集成电路3B的回复的集成电路3C,由于地址不是其自身,故将直接复制的结果从发送端子TX发送到电池控制器20。
其中,图33中省略了图示,如果电池控制器20在接通了第奇数个平衡开关129A、129C、129E的情况下收集第奇数个单元电压,则之后同样地接通第偶数个平衡开关129B、129D、129F,进行收集第偶数个单元电压的处理。
然后,在已读出了接通第奇数个平衡开关时的单元电压,和接通第偶数个平衡开关时的单元电压时,电池控制器20,将用于单元电压均匀化的平衡开关接通关断的命令发送到单元控制器80。该命令在集成电路3A、集成电路3B、集成电路3C中顺序传递,返回电池控制器20。接收到该命令的各集成电路3A~3C根据针对自身的命令使平衡开关导通关断,开始单元电压均匀化。
接着,电池控制器20,将请求后述的异常标识回复的广播命令发送到单元控制器80。接收到该广播命令的单元控制器80,将异常标识发送到电池控制器20。电池控制器20,在接收到了平衡开关接通时的单元电压、平衡开关状态和异常标识的各数据时,基于上述数据进行后述的集成电路的诊断。根据该诊断的结果,在判定为单元电压测定无异常的情况下,收集所有的单元电压,将诊断结果和所有单元电压通过CAN发送到逆变器装置220。该所有单元电压的收集也在图33所示的监视周期T2内进行。
如上所述,本实施方式中,在使第奇数个平衡开关导通的情况下收集测定的单元电压时,仅收集第奇数个单元电压,在使第偶数个平衡开关导通的情况下收集测定的单元电压时,仅收集第偶数个单元电压。之所以在诊断中不需要平衡开关为断开状态的单元电压,是因为如上所述,断线时测定端子是浮接(floating)的,并不会可靠地成为判定阈值ThL1以下,无法正确进行诊断。此外,相反地,为了诊断第N个单元的断线,也可以使第N-1个和N+1个平衡开关为导通状态,使第N个平衡开关为断开状态,来测定第N个单元电压,判定其是否为判定阈值ThL2以上。该情况下,能够通过使第奇数个平衡开关全部为导通状态,仅读出第偶数个单元电压来实现。不用变更集成电路的设计,只要使来自电池控制器20的发送命令为第偶数个单元电压回复设定为“10”、并且使第奇数个平衡开关导通的“10101010”,进行广播发送即可。
一般而言,在收集单元电压的情况下,一般会读出(读取)集成电路的寄存器中存储的所有单元电压数据。但是,如上所述,在使第奇数个或者第偶数个平衡开关导通,读出平衡开关为导通状态的单元电压,将判定阈值ThL1以下的判断为断线的情况下,连诊断中不需要的平衡开关为断开状态的单元电压(即,第偶数个或者第奇数个单元电压)都返回电池控制器20,在采用这样的结构的情况下,如图34(b)所示,回复的通信量增大。其结果,产生了通信路的占用时间变长,监视周期T2变长的缺陷。
于是,本实施方式中,如上所述,通过在收集第奇数个或者第偶数个单元电压数据时省去不需要的单元电压数据——即平衡开关断开的第偶数个或者第奇数个单元电压数据,来减少通信量,实现监视周期T2的缩短。作为进行监视周期T2的缩短的方法,也存在单纯地提高通信速度的方法,但对于车辆驱动用电池的不必要的消耗电流将增大,因而不优选,此外,集成电路的芯片尺寸也会增大。另外,在提高通信速度的情况下,存在噪声耐性降低的缺点,并且图35所示的绝缘元件PH1、PH3变得高价,导致成本上升。
另外,在上述例子中,通过广播命令指定要读取的单元是第奇数个还是第偶数个,也可以通过针对各集成电路的命令来指定是第奇数个还是第偶数个。
(平衡开关状态)
接着,说明上述平衡开关状态。如图2中所说明,平衡开关129A~129F由MOSFET构成,通过由放电控制电路132控制栅极电压,进行平衡开关129A~129F的导通关断。各平衡开关129A~129F的源极-漏极间电压(以下称为漏极电压)Vds,通过动作状态检测电路128A~128D检测,输出到电位变换电路130。
动作状态监测电路128A~128D,具备对平衡开关129A~129F的漏极电压Vds与基准电压VdsH和VdsL进行比较的比较器。通过利用该比较器对漏极电压Vds与基准电压VdsH和VdsL进行比较,来检测出平衡开关状态。各平衡开关129A~129F的漏极电压Vds与基准电压VdsH和VdsL的比较,在图4所示的前处理阶段的RES期间中进行。
在图33所示的单元电压测定的时序图中,只记载了单元电压测量的时刻,但在符号1表示的电池单元BC1的单元电压测量之前还存在前处理阶段,在该期间进行平衡开关的漏极电压检测——即与基准电压VdsH和VdsL的比较。因此,每当经过单元电压测定的一个周期T1,就取得关于第奇数个平衡开关129A、129C、129E的比较结果。此外,在该前处理阶段中,还设置基于漏极电压的比较结果的异常标识。
图37表示对漏极电压Vds与基准电压VdsH和VdsL进行比较时的判定表。基准电压VdsH和VdsL是包括MOSFET的动作点的正常动作范围中漏极电压范围的下限值和上限值。例如,在漏极电压Vds的比较结果为“Vds≤VdsH”的情况下,判定为平衡开关状态(BSW状态)为1(导通),比较结果为“Vds>VdsH”的情况下,判定为平衡开关状态(BSW状态)为0(关断)。即,平衡开关状态由漏极电压Vds与基准电压VdsH的比较而确定。
此外,对于平衡开关异常判定(BSW判定),在判定表的第一行的情况下,命令为H(高)、平衡开关状态为导通(1),而因为漏极电压Vds的比较结果过低,为“Vds<VdsL”,能够认为例如发生了平衡开关的短路故障或电阻的断路故障等,判定为NG(异常),设置异常标识。在表的第二行的情况下,命令为高(high),平衡开关状态为导通,漏极电压Vds的比较结果为“VdsL≤Vds≤VdsH”的正常范围,因此判定为正常(OK)。在表的第三行的情况下,命令为高,而平衡开关状态为关断,并且比较结果为“Vds>VdsH”,因此认为平衡开关发生了断路故障,判定为异常(NG),设置异常标识。
在表的第4行的情况下,命令为低(L),而平衡开关状态为导通,并且比较结果为“Vds<VdsL”,因此认为发生了平衡开关的短路故障或电阻的断路故障等,判定为NG(异常),设置异常标识。在表的第5行的情况下,命令为低而平衡开关状态为导通,因此判定为异常,设置异常标识。在表的第6行的情况下,命令为低,平衡开关状态为关断,因此判定为正常。
基于判定表的上述判定,对于平衡开关129A~129F的各漏极电压Vds进行,判定结果存储在寄存器中。然后,每当图33所示的单元电压测定(也包括上述诊断)的一个周期T1反复时,更新寄存器的值。各集成电路3A~3C接收到来自电池控制器20的单元电压读出命令时,如图33、35、36所示,在单元电压数据之后附加平衡开关状态进行回复。例如,在使第奇数个平衡开关导通的命令之后的单元电压读出的时刻,将数据“101010”作为平衡开关状态存储在寄存器中。平衡状态“101010”,表示所有平衡开关按照命令动作。
其中,对于异常标识,对各判定结果进行OR判定,在对图33的异常标识请求进行回复时,针对1个集成电路将1个异常标识发送到电池控制器20。
(电池控制器20的诊断动作)
接着,对于由电池控制器20执行的诊断处理,参照图38、39的流程图说明。其中,图38表示与一个集成电路相关的诊断处理的流程,通过按每一个各集成电路反复执行图38所示的一系列处理,能够诊断所有单元电压是否被正确地读出。
在步骤S110中,收集诊断所需要的数据,即与单元电压、平衡开关的状态和异常标识相关的数据。其中,数据的收集如图33所示,通过将单元电压读出命令和异常标识请求命令发送到单元控制器80,从各集成电路3A~3C分别收集。
在步骤S120中,判定收集到的平衡开关的状态是否为期待值。即,从电池控制器20发送的命令的导通关断与平衡开关状态的导通关断全部一致的情况下,判定为与期待值相同,前进至步骤S130。另一方面,只要存在一个导通关断不一致的情况下,前进至步骤S170。
首先,对于前进至步骤S130的情况进行说明。在步骤S130中,进行每个电池单元BCn的诊断处理。图39是表示步骤S130的处理的流程图。其中,符号n表示集成电路监视的单元组内的第n个单元。
在图39的步骤S200中,判定邻接的第n个和第n+1个电池单元的单元电压是否均为规定电压V1以下。此处,规定电压值V1是诊断图19的线束(此处称为传感线)L1~L6是否断线的阈值。其中,设单元电压的过放电阈值为V2,过充电阈值为V3时,单元电压的正常范围满足“V3>(正常电压)>V2>V1”的关系。
当在步骤S200中判定为第n个和第n+1个电池单元的单元电压均为规定电压V1以下时,前进至步骤S250,诊断为传感线Ln+1的断线或者电阻RAn+1的断路故障。诊断结果被存储在电池控制器20内的非易失性存储器中。
例如,针对n=2的情况考虑步骤S200,该情况下邻接的第n个电池单元为BC2,第n+1个电池单元为BC3。在电池单元BC2的单元电压Vc2为传感线诊断阈值V1以下的情况下,能够认为传感线L2或L3发生断线,或者电阻RA2或RA3发生断路故障。同样,在电池单元BC3的单元电压Vc3为传感线诊断阈值V1以下的情况下,能够认为传感线L3或L4发生断线,或者电阻RA3或RA4发生断路故障。因此,在单元电压Vc2和Vc3双方均为V1以下的情况下,能够认为传感线L3发生断线,或者电阻RA3发生断路故障。即,得到步骤S250这样的诊断结果。
在步骤S200判定为NO(否),前进至步骤S210的情况下,即,单元电压Vcn或者Vcn+1不是V1以下的情况下,在步骤S210中,判定邻接的2个单元内,是否只有电池单元BCn的单元电压Vcn为V1以下。在判定为只有电池单元BCn的单元电压Vcn为V1以下的情况下,前进至步骤S260,诊断为电池单元BCn发生过放电,将诊断结果存储在非易失性存储器中。
在步骤S210中判定为NO的情况下,前进至步骤S220,判定电池单元BCn的单元电压Vcn是否为过充电阈值V3以上。在步骤S220判定为单元电压Vcn为过充电阈值V3以上时,前进至步骤S270,诊断为电池单元BCn发生过充电,将诊断结果存储在非易失性存储器中。
在步骤S220中判定为NO的情况下,前进至步骤S230,判定电池单元BCn的单元电压Vcn是否为过放电阈值V2以上,并且是否设置了图33、37中说明的异常标识。在该阶段中,可以认为,对于平衡状态,在图38的步骤S120中判定为与期待值相同,所以图37的判定表的第3行和第4行的NG(异常)被排除,由于漏极电压Vds小于VdsL,因此设置了异常标识。
在步骤S230中判定为YES(是)的情况下,即,判定为电压Vcn为正常电压范围,并且设置了异常标识(漏极电压Vds小于VdsL)的情况下,前进至步骤S280,诊断为在平衡电路中产生断路故障,将诊断结果存储在非易失性存储器中。作为平衡电路的断路故障,例如能够想到平衡开关自身的断路故障、电阻Rn的断路故障和漏极配线的基板图案的断线等。
在步骤S230中判定为NO的情况下,前进至步骤S240,判定对该集成电路的所有电池单元的诊断是否完成。在步骤S240中判定为未完成所有单元时,返回步骤S200,执行关于下一个电池单元的从步骤S200到步骤S280的处理。另一方面,在判定为对该集成电路的所有电池单元的诊断均完成时,前进至图38的步骤S140。
在步骤S140中,判定在集成电路的诊断(例如,上述复用器诊断等)中是否存在异常。在步骤S140中判定为存在异常时,前进至步骤S150,诊断为集成电路自身产生了异常,将诊断结果存储在非易失性存储器中。另一方面,在步骤S140中判定为NO时,前进至步骤S160,诊断为正常,即,诊断为正确读取了单元电压,将诊断结果存储在非易失性存储器中。
另一方面,在步骤S120中判定为平衡状态与期待值不同的情况下,前进至步骤S170,判定与该集成电路对应的电池单元的所有单元电压是否为传感线诊断阈值V1以上。此处,由于传感线诊断阈值V1为比过放电阈值V2低的值,即使在只存在一个V1以下的单元电压的情况下,也可以认为该电池单元为相当严重的过放电状态。因此,在步骤S170中判定为NO的情况下,前进至步骤S180,诊断为过放电,将诊断结果存储在非易失性存储器中。
另一方面,在步骤S170中判定为YES的情况下,诊断为平衡电路的故障,将诊断结果存储在非易失性存储器中。作为该情况下的平衡电路故障,例如能够考虑平衡开关总是接通的故障或电阻的断路故障等。
如上所述,电池控制器20,在下一个监视周期T2中,将诊断结果和所有单元电压发送到上位控制器。因此,用户通过参照由上位控制器取得的诊断数据,易于进行故障部位的修理。
这样,在上述诊断处理中,接通第奇数个电池单元的平衡开关,不返回所有单元电压(端子电压)而是仅返回第奇数个单元电压,同样地,接通第偶数个电池单元的平衡开关,仅返回第偶数个单元电压,因此,能够实现通信量的减少,缩短监视周期T2。其结果,能够更加迅速地进行单元电压测量结果和诊断结果的更新,实现车辆用电池系统的可靠性提高。此外,对于车辆侧的请求能够更加迅速地追踪。
此外,电池控制器20,如上所述基于用更短的时间收集的第奇数个电池单元的端子电压、第偶数个电池单元的端子电压、平衡开关的开关状态等较少的信息进行故障诊断,能够区分是传感线断线,还是电池单元的充电状态异常(过充电、过放电),或是在平衡电路侧存在异常。
此外,在上述说明中,虽然采用了为了实现通信量的减少而不对电池控制器20返回不需要的单元电压数据的结构,但即使采用将使第奇数个或者第偶数个平衡开关导通而测量的所有单元电压都返回的结构,也能够区分是传感线断线,还是电池单元的充电状态异常(过充电、过放电),或是在平衡电路侧存在异常。
上述各实施方式可以分别单独或者组合使用。能够使各实施方式的效果单独或者协同实现。此外,只要不影响本发明的特征,本发明不限于上述实施方式。
以下优选权文件的公开内容作为引文导入本发明中。
日本专利申请2009年第76785号(2009年3月26日提交申请)