CN117996228A - 电池管理装置 - Google Patents

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中山正人
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Abstract

本发明的电池管理装置在电池的放电时抑制在基板的发热量。在第1开关(51)处于导通状态时，第1电池(11)的电力通过设置于第1布线(21)的第1电阻元件(31)以及设置于基板(160)的第2电阻元件(32)而被消耗。

Description

电池管理装置
技术领域
本公开涉及电池管理装置。
背景技术
例如，在日本特开2021－068696号公报中，公开了蓄电模块。该蓄电模块具备多个电池以及监视该多个电池的电压等的控制部。另外，控制部进行电池的放电控制。
在上述技术中，例如，可以考虑通过由设置于基板上的电阻元件消耗电池的电力来执行该电池的放电控制的结构。然而，如果是这种结构，则当在该电阻元件的发热量成为极大时，可能产生在基板发生异常的情况。
发明内容
本公开是为了解决上述课题而完成的，其目的在于在电池的放电时抑制在基板的发热量。
(第1项)本公开的电池管理装置具备电池、基板、开关、将电池与基板连接起来的第1布线、设置于第1布线的第1电阻元件、以及配置于基板的第2电阻元件。在开关处于导通状态时，电池的电力通过第1电阻元件及第2电阻元件而被消耗。
(第2项)在第1项记载的电池管理装置中，在第1布线的发热量与在基板的发热量之比、与第1电阻元件的电阻值与第2电阻元件的电阻值之比相同。
(第3项)在第1项或第2项记载的电池管理装置中，电池管理装置进一步具备第1传感器、第2传感器、和受理第1传感器及第2传感器的检测值的输入的控制器。第1传感器输出在开关处于导通状态的情况下因第1电阻元件而电压降低了的电池的第1电压值。
第2传感器输出在开关处于导通状态的情况下因第1电阻元件及第2电阻元件而电压降低了的电池的第2电压值。控制器基于第1电压值与第2电压值的差值对异常进行检测。
(第4项)在第3项记载的电池管理装置中，在开关处于非导通状态时，当差值大于阈值的情况下，控制器检测出异常，第1传感器的允许误差与阈值之比、与第1电阻元件的电阻值与第2电阻元件的电阻值之比相同。
(第5项)在第1项～第4项中任一项记载的电池管理装置中，第1布线与电池的正极侧连接。电池管理装置进一步具备：将第1布线与基板连接起来的1个第1端子；与电池的负极侧连接的第2布线；以及将第2布线与基板连接起来的1个第2端子。
(第6项)在第5项记载的电池管理装置中，电池管理装置进一步具备配置于第2布线的第3电阻元件。第1电阻元件的电阻值为将电池的最高电压值以第1电阻元件的电阻值与第3电阻元件的电阻值的比率按比例进行分配而得的值的平方值除以该第1电阻元件的额定功率值而得的值以上。
根据结合所附的附图理解的与本发明有关的以下的详细说明，本发明的上述及其他目的、特征、方面及优点是显而易见的。
附图说明
图1是表示本实施方式的电池管理装置的结构例的图。
图2是用于说明第1开关处于导通状态的情况的图。
图3是表示第1比较例的电池管理装置的结构的图。
图4是表示第2比较例的电池管理装置的结构的图。
图5是表示第3比较例的电池管理装置的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本公开的实施方式。此外，对图中相同或相当的部分标注相同的附图标记而不重复其说明。
图1是表示本实施方式的电池管理装置100的结构例的图。电池管理装置100具备电池组10、基板160和控制器80。电池组10包含第1电池11和第2电池12。第1电池11及第2电池12是锂离子电池或镍氢电池等可充放电的电池。在图1的例子中，第1电池11与第2电池12串联连接。构成电池组的电池的数量也可以为3个以上。此外，对于本公开的电池电路装置的附图，存在一部分没有记载的部分。例如，未记载电池组10供给电力的负载。
电池管理装置100具备后述的第1传感器61和第3传感器63。在后述的第1开关51及第2开关52处于非导通状态的情况下，第1传感器61对第1电池11的电压值进行检测，第3传感器63对第2电池12的电压值进行检测。由第1传感器61检测出的电压值以及由第3传感器63检测出的电压值被输出至控制器80。控制器80基于来自第1传感器61的电压值以及来自第3传感器63的电压值推定第1电池11的容量值和第2电池12的容量值。而且，控制器80基于第1电池11的容量值和第2电池12的容量值控制后述的第1开关51及第2开关52。此外，作为变形例，控制器80也可以基于由第1传感器61检测出的电压值以及由第3传感器63检测出的电压值来控制后述的第1开关51及第2开关52。
电池管理装置100还具备第1布线21、第2布线22、第3布线23、第1端子41、第2端子42和第3端子43。电池组10经由第1端子41、第2端子42以及第3端子43与基板160连接。
第1布线21的一端与第1电池11的正极端子连接，第1布线21的另一端经由第1端子41与基板160连接。第2布线22的一端与第1电池11的负极端子及第2电池12的正极端子连接，第2布线22的另一端经由第2端子42与基板160连接。第3布线23的一端与第2电池12的负极端子连接，第3布线23的另一端经由第3端子43与基板160连接。另外，在第1布线21配置有第1电阻元件31，在第2布线22配置有第3电阻元件33，在第3布线23配置有第5电阻元件35。
基板160具备第1端子81、第2端子82、第3端子83、第4端子84、第5端子85、第6端子86、第1布线111、第2布线112、第3布线113、第4布线114、第5布线115和第6布线116。并且，在基板160搭载有测量电路150。
第1布线111的一端与第1端子41连接，第1布线111的另一端经由第1端子81与测量电路150连接。第2布线112的一端与第1端子41连接，第2布线112的另一端经由第2端子82与测量电路150连接。第3布线113的一端与第2端子42连接，第3布线113的另一端经由第3端子83与测量电路150连接。第4布线114的一端与第2端子42连接，第4布线114的另一端经由第4端子84与测量电路150连接。第5布线115的一端与第3端子43连接，第5布线115的另一端经由第5端子85与测量电路150连接。第6布线116的一端与第3端子43连接，第6布线116的另一端经由第6端子86与测量电路150连接。
基板160还具备第2电阻元件32、第4电阻元件34、第6电阻元件36、第7电阻元件37、第8电阻元件38、第9电阻元件39、第1电容器91、第2电容器92、第3电容器93和第4电容器94。
第2电阻元件32配置于第2布线112。第4电阻元件34配置于第4布线114。第6电阻元件36配置于第6布线116。第7电阻元件37配置于第1布线111。第8电阻元件38配置于第3布线113。第9电阻元件39配置于第5布线115。
测量电路150具有第1传感器61、第2传感器62、第3传感器63、第4传感器64、第1开关51和第2开关52。第1传感器61、第2传感器62和第1开关51与第1电池11对应。第3传感器63、第4传感器64和第2开关52与第2电池12对应。第1传感器61、第2传感器62、第3传感器63以及第4传感器64对电压值进行检测。针对该电压值，之后叙述。另外，第1传感器61及第3传感器63也被称为“主传感器”，第2传感器62及第4传感器64也被称为“副传感器”。
由第7电阻元件37、第8电阻元件38及第1电容器91构成第1传感器61的RC滤波器。由第2电阻元件32、第4电阻元件34及第2电容器92构成第2传感器62的RC滤波器。由第8电阻元件38、第9电阻元件39及第3电容器93构成第3传感器63的RC滤波器。由第4电阻元件34、第6电阻元件36及第4电容器94构成第4传感器64的RC滤波器。这样，针对各传感器，通过构成RC滤波器，使得输入各传感器的噪声减少。
另外，存在在第1电池11的容量值与第2电池12的容量值的差值大的状态下第1电池11及第2电池12被充电或放电的情况。在该情况下，对于充电的情况，容量多的一方的电池先被充满电，而容量少的电池仅充电容量的差值而未被充满电。另外，对于放电的情况，容量少的一方的电池的容量先成为零，而容量多的电池不会比容量少的一方的电池放电更多。即，发生仅以容量的差值能够使用的方式使电池容量值减少的现象，因此不优选。因此，优选第1电池11的容量值与第2电池12的容量值的差值小。
因此，在第1电池11的容量值与第2电池12的容量值的差值大于容量阈值的情况下，电池管理装置100使容量值多的一方的电池放电。具体而言，在第1电池11的容量值与第2电池12的容量值的差值大于容量阈值的情况下，控制器80将与容量值多的一方的电池对应的开关控制为导通状态(接通状态)。另外，控制器80将与容量值少的一方的电池对应的开关控制为非导通状态(断开状态)。
具体而言，在差值大于容量阈值的情况下，当第1电池11的容量值大于第2电池12的容量值时，控制器80将第1开关51控制为导通状态，并将第2开关52控制为非导通状态。通过该控制，能够利用第1电阻元件31、第2电阻元件32、第3电阻元件33及第4电阻元件34来消耗第1电池11的电力(容量)。
另外，在差值大于容量阈值的情况下，当第2电池12的容量值大于第1电池11的容量值时，控制器80将第2开关52控制为导通状态，并将第1开关51控制为非导通状态。通过该控制，能够利用第3电阻元件33、第4电阻元件34、第5电阻元件35以及第6电阻元件36来消耗第2电池12的电力(容量)。
图2是用于说明第1开关51处于导通状态的情况的图。该情况是指在差值大于容量阈值的情况下第1电池11的容量值大于第2电池12的容量值的情况。图2的箭头α表示第1电池11的电流的流动。另外，在图2的例子中，第1电阻元件31、第3电阻元件33以及第5电阻元件35的电阻值彼此相同，均为10Ω。另外，第2电阻元件32、第4电阻元件34以及第6电阻元件36的电阻值彼此相同，均为5Ω。另外，第7电阻元件37、第8电阻元件38以及第9电阻元件39的电阻值彼此相同，均为1kΩ。
在第1开关51处于导通状态的情况下，来自第1电池11的电流如箭头α所示那样主要以第1电阻元件31、第2电阻元件32、第1开关51、第4电阻元件34以及第3电阻元件33的顺序流动。这样，在电池管理装置100中，在第1开关51成为导通状态的情况下，第1电池的电力(容量)被布线(第1布线21及第2布线22)上的电阻元件(第1电阻元件31、第3电阻元件33)和基板160上的电阻元件(第2电阻元件32、第4电阻元件34)消耗。换言之，在电池管理装置100中，消耗电力(放电)的电阻元件由布线和基板来分担。
例如，在第1电池11的电压值是4.2V的情况下，第1电池11的电流值通过以下的式(1)表示。
4.2V/ (10Ω+5Ω+5Ω+10Ω)＝0.14A (1)
式(1)的左边的分母是第1电阻元件31、第2电阻元件32、第4电阻元件34以及第3电阻元件33的电阻值的合计值(＝30Ω)。
在第1开关51处于导通状态时，第1传感器61对通过第1电阻元件31及第3电阻元件33而电压降低了的第1电池11的电压值(以下，也称为“第1电压值”)进行检测。即，第1电压值通过以下的式(2)表示。
第1电压值＝4.2V－(20Ω×0.14A)＝1.4V(2)
另外，第2传感器62对通过第1电阻元件31～第4电阻元件34而电压降低了的第1电池11的电压值(以下，也称为“第2电压值”)进行检测。即，第2电压值通过以下的式(3)表示。
第2电压值＝4.2V－(30Ω×0.14A)＝0V(3)
无论第1开关51是否为导通状态，由第1传感器61及第2传感器62检测出的电压值都被输出至控制器80。在第1开关51被控制为导通状态的状态下第1电压值与第2电压值的差值大于电压阈值的情况下，控制器80判断为处于正常。另一方面，在第1开关51被控制为导通状态的状态下第1电压值与第2电压值的差值小于电压阈值的情况下(例如，在第1电压值与第2电压值相同的情况下)，控制器80判断为发生了异常。该异常包括例如第1开关51或第1电阻元件31～第4电阻元件34的异常等。此外，在该差值与电压阈值相同的情况下，控制器80可以判断为处于异常，也可以判断为处于正常。
另外，在第1开关51处于非导通状态的情况下，在电池管理装置100处于正常时，箭头α的电流不流动。因此，在第1开关51被控制为导通状态的状态下来自第1传感器61的输出值与来自第2传感器62的输出值的差值小于电压阈值的情况下，控制器80判断为处于正常。另一方面，在第1开关51处于非导通状态的情况下来自第1传感器61的输出值与来自第2传感器62的输出值的差值大于电压阈值时，控制器80判断为处于异常。例如，该异常包括尽管第1开关51处于非导通状态后述的漏电流仍沿箭头α方向流动这样的异常。此外，在该差值与电压阈值相同的情况下，控制器80可以判断为处于异常，也可以判断为处于正常。
另外，即使在第2开关52被控制为导通状态的情况下，也执行与第1开关51被控制为导通状态的情况相同的处理。
接下来，说明本实施方式的电池管理装置100与比较例的电池管理装置的对比结果。图3是表示第1比较例的电池管理装置100A的结构的图。此外，在图3的例子中，在未配置有布线上的电阻元件(第1电阻元件31、第3电阻元件33、第5电阻元件35)的这一点上，与图1不同。另外，作为与图1的第2电阻元件32、第4电阻元件34和第6电阻元件36分别对应的电阻元件，在图3中，记载有第2电阻元件32A、第4电阻元件34A和第6电阻元件36A。另外，为了在第1开关51或第2开关52成为导通状态的情况下使第1电池11或第2电池12的消耗电力与电池管理装置100相同，第2电阻元件32A、第4电阻元件34A和第6电阻元件36A的电阻值均为15Ω。
这里，在电池管理装置100A中，如在上述的式(1)中示出的那样，在第1电池11的电压值是4.2V的情况下，第1电池11的电流值为0.14A。另外，在电池管理装置100A中，若第1开关51成为导通状态，则通过第2电阻元件32A及第4电阻元件34A来消耗电力。而且，在第2电阻元件32A及第4电阻元件34A的发热量通过以下的式(4)表示。
0.14A×0.14A×30Ω＝0.588W (4)
这样，在电池管理装置100A中，消耗电力的电阻元件全部配置于基板160。另外，若该第1电池11的电流值因第1电池11的大型化而变大，则在第2电阻元件32A及第4电阻元件34A的发热量进一步变大。因此，需要高耐热性的基板160，从而导致电池管理装置100A的高成本化。
与此相对，在电池管理装置100中，消耗电力(放电)的电阻元件如图1所示那样通过布线和基板来分担。因此，在电池管理装置100中第1开关51成为导通状态的情况下，布线上的电阻元件的发热量以及基板160上的电阻元件的发热量分别通过以下的式(5)、(6)表示。
0.14A×0.14A×20Ω＝0.392W (5)
0.14A×0.14A×10Ω＝0.196W (6)
根据上述式(4)及上述式(6)可知，电池管理装置100能够使在基板160的发热量为电池管理装置100A的1/3。因此，因为无需高耐热性的基板160，所以能够抑制电池管理装置100的成本。
另外，为了消除图3的第1比较例的电池管理装置100A的问题点(在基板160的发热量多这一问题点)，可以考虑形成为使第2电阻元件32A、第4电阻元件34A和第6电阻元件36A配置于布线的结构。图4是表示采用了该结构的第2比较例的电池管理装置100B的结构的图。
在第2比较例的电池管理装置100B中，来自第1电池11的正极端子的布线构成为2根布线。这2根布线中的一方的布线是第1传感器61测量电压值的布线，另一方的布线是第2传感器62测量电压值的布线。因此，在电池管理装置100B中，需要6根布线，结果需要6个端子(第1端子41B、第2端子42B、第3端子43B、第4端子44B、第5端子45B、第6端子46B)。因此，导致基板160的高成本化。
与此相对，在电池管理装置100中，第1传感器61测量电压值的布线的一部分、第2传感器62测量电压值的布线的一部分、和配置有第1电阻元件31的布线被兼用作第1布线21。因此，电池管理装置100与该第1布线21对应地仅具有1个端子(第1端子41)即可，不必如图4的电池管理装置100B那样需要2个端子。因此，与电池管理装置100B相比较，在电池管理装置100中，能够抑制基板160的成本。
另外，为了消除图4的第2比较例的电池管理装置100B的问题点(端子的数量多的这一问题点)，可以考虑将第1传感器61对电压值进行检测的布线、和第2传感器62对电压值进行检测的布线兼用的结构。图5是表示采用了该结构的第3比较例的电池管理装置100C的结构的图。
在第3比较例的电池管理装置100C中，在第1传感器61对电压值进行检测的布线和第2传感器62对电压值进行检测的布线中，在第1开关51已接通时，电压降低的值相同。因此，在第1开关51成为导通状态时或有漏电流流过时等，第1传感器61及第2传感器62检测出的电压值相同。因此，电池管理装置100C能够检测出异常。
与此相对，在第1传感器61对电压值进行检测的布线和第2传感器62对电压值进行检测的布线中，电阻值不同(参照上述式(2)及(3))。因此，电池管理装置100能够适当地检测出异常。
另外，构成为即使在发生了第1端子41与第2端子42的短路的情况下，第1电阻元件31也不会产生故障。具体而言，优选第1电阻元件31的电阻值R1为将第1电池11的最高电压值Vm以第1电阻元件31的电阻值与第3电阻元件33的电阻值的比率r按比例进行分配而得的值的平方值除以该第1电阻元件的额定功率值Pm而得的值以上。即，通过以下的式(7)表示第1电阻元件31的电阻值R1。
【数学式1】
比率r为在发生了第1端子41与第2端子42的短路的情况下因第1电池11的电压被第1电阻元件31和第3电阻元件33分压而成为的值。另外，在图2的例子中，因为第1电阻元件31与第3电阻元件33的电阻值相同，所以比率r＝1/2。第1电池11的最高电压值Vm例如是第1电池11被充满电时的电压值，例如，Vm＝4.2V。第1电阻元件31的额定功率值是0.5W。在该情况下，示出通过在式(7)中代入这些数值而第1电阻元件31的电阻值R1优选为8.82Ω以上的情况。此外，在上述式(7)中，由于假定了在制造或维护等中不希望的短时间的短路，所以未考虑降额。
只要第1电阻元件31的电阻值满足上述式(7)，即使在发生了第1端子41与第2端子42的短路的情况下，也能够抑制第1电阻元件31产生故障的情况。因此，无需在第1端子41及第2端子42短路时工作的装置(例如熔断器)，能够降低电池管理装置100的成本。
另外，根据图1的电池管理装置100，第1比与第2比相同。此外，本公开的“相同”不仅包括“完全相同”，也包括“大致相同”。
第1比是在第1布线21及第2布线22的散热量的合计量、与在基板160的散热量之比。在第1布线21及第2布线22的散热量的合计量在式(5)的例子中是0.392W。另外，在基板160的散热量在式(6)的例子中是0.196W。即，第1比成为2：1。
另外，第2比是第1电阻元件31与第3电阻元件33的电阻值的合计量(20Ω)、与第2电阻元件32与第4电阻元件34的电阻值的合计量(10Ω)之比。即，第2比也为2：1，第1比与第2比相同。
另外，因为第1比与第2比相同，所以例如电池管理装置100的设计者能够确认布线(第1布线21及第2布线22)的发热允许量和基板160的发热允许量，并基于它们的比率(与第1比对应)来决定第1电阻元件31～第4电阻元件34的电阻值。
另外，第1比也可以为在第1布线21的发热量与在基板160的发热量之比。另外，第2比也可以为第1电阻元件31的电阻值与第2电阻元件32的电阻值之比。
另外，在发生了基板160等的异常(故障)时，存在产生漏电流的情况。在使被判断为产生了该漏电流的最小电流值为1mA的情况下，如上述式(2)及式(3)所示，第1传感器61检测出比第1电池11的实际的电压降低了20mV(＝1mA×20Ω)的值。另外，第2传感器62检测出了比第1电池11的实际的电压降低了30mV(＝1mA×30Ω)的值。因此，第1传感器61检测出的电压值与第2传感器62检测出的电压值的差值成为10mV。
在该差值是10mV的情况下，由第1传感器61检测出的降低电压值有可能是20mV。而且，在该20mV是作为基于第1传感器61的电压测定精度的允许误差(公差)的情况下，上述电压阈值被设定为10mV。
根据以上情况，在电池管理装置100中，第1传感器61的允许误差与该电压阈值之比、与第1电阻元件的电阻值(＝10Ω)与第2电阻元件的电阻值(5Ω)之比相同。因此，例如，电池管理装置100的设计者能够基于第1传感器61的允许误差与该电压阈值之比来决定第1电阻元件31以及第2电阻元件32的电阻值。
对本发明的实施方式进行了说明，但本次公开的实施方式应当认为是在全部方面进行例示，并不进行限制。本发明的范围通过权利要求书示出，意图包括在与请求的范围均等的意思及范围内的全部变更。

Claims (6)

1.一种电池管理装置，其特征在于，具备：
电池；
基板；
开关；
将所述电池与所述基板连接起来的第1布线；
设置于所述第1布线的第1电阻元件；以及
配置于所述基板的第2电阻元件，
在所述开关处于导通状态时，所述电池的电力通过所述第1电阻元件及所述第2电阻元件而被消耗。
2.根据权利要求1所述的电池管理装置，其特征在于，
在所述第1布线的发热量与在所述基板的发热量之比、与所述第1电阻元件的电阻值与所述第2电阻元件的电阻值之比相同。
3.根据权利要求1或2所述的电池管理装置，其特征在于，
所述电池管理装置进一步具备第1传感器、第2传感器、和受理所述第1传感器及所述第2传感器的检测值的输入的控制器，
所述第1传感器输出在所述开关处于导通状态的情况下因所述第1电阻元件而电压降低了的所述电池的第1电压值，
所述第2传感器输出在所述开关处于导通状态的情况下因所述第1电阻元件及所述第2电阻元件而电压降低了的所述电池的第2电压值，
所述控制器基于所述第1电压值与所述第2电压值的差值对异常进行检测。
4.根据权利要求3所述的电池管理装置，其特征在于，
在所述开关处于非导通状态时，当所述差值大于阈值的情况下，所述控制器检测出所述异常，
所述第1传感器的允许误差与所述阈值之比、与所述第1电阻元件的电阻值与所述第2电阻元件的电阻值之比相同。
5.根据权利要求1或2所述的电池管理装置，其特征在于，
所述第1布线与所述电池的正极侧连接，
所述电池管理装置进一步具备：
将所述第1布线与所述基板连接起来的1个第1端子；
与所述电池的负极侧连接的第2布线；以及
将所述第2布线与所述基板连接起来的1个第2端子。
6.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于，
所述电池管理装置进一步具备配置于所述第2布线的第3电阻元件，
所述第1电阻元件的电阻值为将所述电池的最高电压值以所述第1电阻元件的电阻值与所述第3电阻元件的电阻值的比率按比例进行分配而得的值的平方值除以该第1电阻元件的额定功率值而得的值以上。
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