JP2008118841A - バッテリー管理システムおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリー管理システムおよびその駆動方法を提供する。
【解決手段】バッテリーの管理システムはセンシング部およびＭＣＵを含む。センシング部は走行時および駐停車時それぞれで異なる期間中セル電圧をサンプリングする。ＭＣＵは走行時と駐停車時を判別して、走行時には第１周期毎にサンプリングし、駐停車時には第２周期毎にサンプリングするようにセンシング部を制御する。これにより、走行時には安定性を確保して、駐停車時にはキャパシタの安定化時間および差動増幅段で補正できる十分な時間を確保して、従来より正確にバッテリー電圧を検出できる。
【選択図】図２

Description

本発明はバッテリー管理システムに係り、特に、電気エネルギーを用いる自動車に使用できるバッテリー管理システムおよびその駆動方法に関するものである。

ガソリンや重油を主燃料として使う内燃エンジンを用いる自動車は大気汚染など公害発生に深刻な影響を与えている。したがって最近は、公害発生を減らすために、電気自動車またはハイブリッド自動車の開発に多くの努力をしている。

電気自動車は、バッテリーから出力される電気エネルギーによって動作するバッテリーエンジンを用いる自動車である。このような電気自動車は、充放電が可能な多数の２次電池セルが一つのパックに形成されたバッテリーを主動力源として用いるので排気ガスが全くなくて、騒音が非常に少ない長所がある。

一方、ハイブリッド自動車とは内燃エンジン型自動車と電気自動車の中間段階にある自動車として、２種以上の動力源、例えば内燃エンジンとバッテリーモータを使う自動車である。現在は、内燃エンジンを使うとともに、バッテリーエンジンを燃料電池とバッテリーで動かすなど混合エネルギー形態のハイブリッド自動車が開発されている。

このようにバッテリーエンジンを用いる自動車では、動力源強化のために２次電池の数が次第に増加しており、連結された多数のセルを効率的に管理できるセルバランシング制御方法がバッテリー管理システムに必要である。

特にバッテリーの電圧を測定するためにバッテリー内蔵セルの電圧がサンプリング用のキャパシタに印加される際の時間的制約によってセルの電圧が十分にキャパシタに充電されないために発生する誤差によって、バッテリー電圧検出の正確性が落ちる。したがって、このような従来の技術を用いて、正確なバッテリー電圧を検出することに問題があった。

本発明の課題は、走行時および駐停車時に発生するかも知れないバッテリー電圧の検出誤差を軽減し、より効率的にバッテリー電圧を検出できるバッテリー管理システムおよびその駆動方法を提供することにある。

本発明の一特徴によるバッテリー管理システムは、使用するバッテリー電圧を検出するシステムであって、走行時と駐停車時それぞれで異なる期間中にセル電圧をサンプリングするセンシング部；前記走行時または駐停車時を判別して、走行時には第１周期毎にサンプリングし、駐停車時には第２周期毎にサンプリングするように前記センシング部を制御するＭＣＵ；を含む。前記第１周期は高速サンプリングに対応する周期であり、前記第２周期は低速サンプリングに対応する周期であることを特徴とする。そしてセンシング部はバッテリーセルに連結し、前記バッテリーセルの電圧を伝達するセルリレー、前記セルリレーに連結され、前記バッテリーセルの電圧を伝達する第１リレー、前記第１リレーに連結され、前記バッテリーセルの電圧に対応する入力電圧を貯蔵するキャパシタ、前記キャパシタに連結され、前記入力電圧を伝達する第２リレー、および前記第２リレーに連結され、前記入力電圧を増幅して出力電圧を生成する差動増幅段を含む。前記ＭＣＵは走行時および駐停車時を判別して、第１制御信号乃至第３制御信号を生成し、前記第１制御信号に応答する前記複数のセルリレーそれぞれは電圧検出部に複数のセルを順次に連結して、前記第２制御信号に応答して前記第１リレーはバッテリーセルの電圧を前記キャパシタに伝達し、前記キャパシタは伝えられた入力電圧に対応する第１電圧を貯蔵し、前記第３制御信号に応答する前記第２リレーには前記第１電圧を差動増幅段に伝達することを特徴とする。

本発明の他の特徴によるバッテリー管理システムの駆動方法は、使用するバッテリー電圧を検出する駆動方法であって、ａ）走行時または駐停車時を判別する段階、ｂ）前記段階ａ）の判別結果、走行時には第１周期毎に複数のセル電圧それぞれをサンプリングする段階、ｃ）前記段階ａ）の判別結果、駐停車時には第２周期毎に複数のセル電圧それぞれをサンプリングする段階、およびｄ）前記段階ｂ）および段階ｃ）で、サンプリングされたセル電圧に対応する電圧を貯蔵する段階を含む。前記第１電圧を増幅する段階をさらに含む。そして前記段階ｂ）で、前記第１周期は高速サンプリングに対応する周期であり、前記段階ｃ）で、前記第２周期は低速サンプリングに対応する周期であることを特徴とする。

本発明の一特徴によるバッテリー管理システムおよびその駆動方法は、走行時と駐停車時にサンプリング時間を異ならせて制御して、バッテリー電圧を測定する。それで走行時には安定性を確保して、駐停車時にはキャパシタの安定化時間および差動増幅段で補正できる十分な時間を確保してより正確にバッテリー電圧を検出できる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例について当業者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかしながら、本発明は多様に異なる形態で実現できるので、ここで説明する実施例に限定されるものではない。図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略した。明細書全体を通じて類似した部分については同一図面符号で示すものとする。

明細書全体で、どのような部分が他の部分と“連結”されているという時、これは“直接的に連結”されている場合だけでなく、その中間に他の素子を間において“電気的に連結”されている場合も含む。また、どんな部分がどんな構成要素を“含む”とする時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図１は、本発明の実施例によるバッテリー、バッテリー管理システムおよびバッテリー管理システムの周辺装置を概略的に示す図面である。
図１に示すように、自動車システムは、バッテリー管理システム（ＢＭＳ）１、バッテリー２、電流センサー３、冷却ファン４、ヒュ−ズ５、メインスイッチ６、ＭＴＣＵ（Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７、インバータ８およびモータジェネレーター９を含む。

まず、バッテリー２は複数の電池セルが互いに直列に連結された複数のサブパック（２ａ〜２ｈ）、出力端子（２＿ＯＵＴ１）、出力端子（２＿ＯＵＴ２）およびサブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）の間に備えられる安全スイッチ（２＿ＳＷ）を含む。

ここで、サブパック（２ａ〜２ｈ）は例示的に８個で表示されてサブパックは複数の電池セルを一つのグループで表示したことに過ぎなく、これに限定されるものではない。また安全スイッチ（２＿ＳＷ）は、サブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）との間に備えられるスイッチとしてバッテリーを交替したり、バッテリーに対する作業を遂行する時作業者の安全のために受動的にオン／オフできるスイッチである。本発明による実施例ではサブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）との間に安全スイッチ（２＿ＳＷ）を含んでいるが、本発明はこれに限定されるものではない。出力端子（２＿ＯＵＴ１）および出力端子（２＿ＯＵＴ２）はインバータ８に連結される。

電流センサー３は、バッテリー２の出力電流量を測定してバッテリー管理システム１のセンシング部１０に出力する。具体的には、電流センサー３は、ホール素子を用いて電流を測定し、測定された電流に対応するアナログ電流信号を出力するホールＣＴ（電流トランス）でもよい。

冷却ファン４は、バッテリー管理システム１の制御信号に基づいて、バッテリー２の充放電によって発生する熱を排出して冷却し、温度上昇によるバッテリー２の劣化および充放電効率の低下を防止する。

ヒュ−ズ５はバッテリー２の断線または短絡によって、過電流がバッテリー２に伝えられることを防止する。つまり、過電流が発生すれば、ヒュ−ズ５は断線して過電流がバッテリー２に伝えられることを防止する。

メインスイッチ６は過電圧、過電流、高温など異常現象が発生すればバッテリー管理システム１または自動車のＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２をオン／オフする。

バッテリー管理システム１はセンシング部１０、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０、内部電源供給部３０、セルバランシング部４０、貯蔵部５０、通信部６０、保護回路部７０、パワーオンリセット部８０および外部インターフェース９０を含む。

センシング部１０は、走行時および駐停車時に対応するサンプリング時間を調節してバッテリー電圧を測定する。以下、バッテリーの出力端子の電圧はバッテリー電圧という。そして、センシング部１０は測定したバッテリー電圧をＭＣＵ２０に伝達する。

ＭＣＵ２０は、自動車の動作状態を判断し、動作状態によりバッテリーの各セルまたはバッテリーモジュール電圧測定時サンプリング時間を異なってする。本発明の実施例による自動車の動作状態とは、走行時および駐停車時を言う。ＭＣＵ２０は、自動車が走行時、バッテリーの安定性のために高速サンプリングし、駐停車時各セル電圧またはモジュール電圧を正確に測定するために低速サンプリングする。

また、ＭＣＵ２０はセンシング部１０から伝達されたバッテリー電圧に基づいて、バッテリーの充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｉｎｇ；以下、ＳＯＣという。）、健康状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ；以下、ＳＯＨという。）を推定して、バッテリー２の充電と放電を行う。

内部電源供給部３０は一般に補助バッテリーを用いてバッテリー管理システム１に電源を供給する装置である。セルバランシング部４０は各セルの充電状態の均衡を合わせる。つまり、充電状態が比較的に高いセルは放電させて充電状態が比較的低いセルは充電させることができる。貯蔵部５０は、バッテリー管理システム１の電源がオフされる時、現在のＳＯＣ、ＳＯＨなどのデータを貯蔵する。

通信部６０は、自動車のＭＴＣＵ７と通信を行う。保護回路部７０はファームウエアを用いて、外部の衝撃、過電流、低電圧などからバッテリー２を保護するための回路である。パワーオンリセット部８０はバッテリー管理システム１の電源が点灯されれば全体システムをリセットする。外部インターフェース９０は冷却ファン４、メインスイッチ６などバッテリー管理システムの補助装置をＭＣＵ２０に連結するための装置である。本実施例では冷却ファン４およびメインスイッチ６だけが示されたが、これに限定されるものではない。

ＭＴＣＵ７は車両のアクセレレーター、ブレーキ、車両速度などの情報に基づいて、トルク程度を決めて、モータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。つまり、ＭＴＣＵ７はインバータ８のスイッチングを制御して、モータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。またＭＴＣＵ７はバッテリー管理システム１の通信部６０によってＭＣＵ２０から伝えられるバッテリー２のＳＯＣを伝達されて、バッテリー２のＳＯＣが目標値（例えば５５％）になるように制御する。例えば、ＭＣＵ２０から伝えられたＳＯＣが５５％以下であればインバータ８のスイッチを制御して、電力がバッテリー２方向に入力されるようにしてバッテリー２を充電させ、この時バッテリー電流は‘＋’値に設定する。一方、ＳＯＣが５５％以上であればインバータ８のスイッチを制御して、電力がモータジェネレーター９方向に出力されるようにしてバッテリー２を放電させ、この時バッテリー電流は‘−’値に設定する。

インバータ８はＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２が充電および放電されるようにする。モータジェネレーター９は、バッテリー２の電気エネルギーを用いてＭＴＣＵ７から伝えられるトルク情報に基づいて自動車を駆動する。

以下、図２および図３を参照して本発明の実施例によるバッテリーの電圧検出過程を具体的に説明する。
図２は、本発明の実施例によりＭＣＵ２０とセンシング部１０の電圧センシング部１１０の構成およびその連結関係を示す図面である。

図２に示すように、電圧センシング部１１０はセルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）、第１リレー１１２１、第２リレー１１２２、キャパシタ（Ｃ１）および差動増幅段１１２３を含み、ＭＣＵ２０から制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０、Ｓ２およびＳ３）が伝達される。以下、ＭＣＵ２０で電圧センシング部１１０に伝えられる制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０、Ｓ２およびＳ３）について具体的に説明する。

セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）はバッテリーの各セル（ＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４０）の正極端子および負極端子にそれぞれ連結される。そして、セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）はＭＣＵ２０の第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）に応答してバッテリーのセルの電圧を電圧検出部１１２に伝達する。

まず、ＭＣＵ２０は複数のセルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）、第１リレー１１２１および第２リレー１１２２を制御して、走行時または駐停車時で異なるサンプリング時間中各セルの電圧をサンプリングする。ＭＣＵ２０は、セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）を制御するために第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）を生成して伝達する。そうすれば、セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）は第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）に応答してバッテリーの複数のセルと電圧検出部１１２を順次に連結する。具体的には、ＭＣＵ２０は走行時または駐停車時を判別して、走行時または駐停車時に応じて異なる第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）を生成する。第１制御信号は、第１レベルと第２レベルを交互に有し、セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）は第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）の第１レベルまたは第２レベルにより導通または遮断の状態にされる。つまり、走行時および駐停車時、ＭＣＵ２０は第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）の波形で第１レベルを有する期間を異ならせて設定する。

図２では、ＭＣＵ２０でセルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）を制御するための複数の第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）を伝達する信号線を簡略に図示した。

電圧検出部１１２はキャパシタ（Ｃ１）、第１リレー１１２１、第２リレー１１２２および差動増幅段１１２３を含み、ＭＣＵ２０から第２制御信号（Ｓ２）および第３制御信号（Ｓ３）が伝達される。以下、第２制御信号（Ｓ２）および第３制御信号（Ｓ３）に応答して動作する電圧検出部１１２について具体的に説明する。第１リレー１１２１は、第２制御信号（Ｓ２）に応答して電圧検出部１１２に印加されたバッテリー電圧をキャパシタ（Ｃ１）に伝達する。そうすれば、キャパシタ（Ｃ１）は伝えられた入力電圧に対応する電圧を貯蔵する。この時、第２リレー１１２２は第３制御信号（Ｓ３）に応答してキャパシタ（Ｃ１）に貯蔵された電圧を差動増幅段１１２３に伝達する。そうすれば、差動増幅段１１２３は伝えられた電圧を増幅して出力電圧を生成する。

Ａ／Ｄコンバータ１２０は、差動増幅段１１２３から伝えられた出力電圧をＭＣＵ２０が認識することができるように変換してＭＣＵ２０に伝達する。

図３は、本発明の実施例によるセンシング部１０の電圧センシング部１１０を制御する第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）、第２制御信号（Ｓ２）および第３制御信号（Ｓ３）の波形を示す図面である。

セルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）はＭＣＵ２０から走行時および駐停車時により他の第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）が伝達され、第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）の第１レベルおよび第２レベルにより導通および遮断される。

ここで、本発明の実施例による第１レベルはハイレベルに、第２レベルはローレベルに設定する。

期間Ｔ１で、セルリレー１（１１１＿１）は第１制御信号（Ｓ１＿１）に応じて導通し、第１リレー１１２１は第２制御信号に応じて導通する。そうすれば、バッテリーのセル（ＣＥＬＬ１）の電圧に対応する電圧がキャパシタ（Ｃ１）に充電される。この時、第２リレー１１２２は第３制御信号（Ｓ３）によって遮断状態を維持する。

期間Ｔ２で、セルリレー１（１１１＿１）および第１リレー１１２１は第１制御信号（Ｓ１＿１）および第２制御信号（Ｓ２）によって遮断状態を維持して、期間Ｔ３の間第２リレー１１２２は第３制御信号（Ｓ３）によって導通されて、キャパシタ（Ｃ１）に充電されている電圧を差動増幅段１１２３に伝達する。

本発明の実施例による期間Ｔ２と期間Ｔ３の時間間隔は任意に設定できる。具体的には、キャパシタ（Ｃ１）の容量、第１リレー１１２１および第２リレー１１２２の応答速度などを考慮して設定できる。

期間Ｔ１ないし期間Ｔ３の動作をセルリレー１ないしセルリレー４０（１１１＿１〜１１１＿４０）が全て応答する時まで繰り返す。

ＭＣＵ２０は、第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）によってＴ１期間の間隔を調節して、セルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）と電圧検出部１１２を順次に連結するサンプリング時間を第１周期または第２周期毎に調節する。ここで第１周期は高速サンプリングに相当する周期であり、第２周期は低速サンプリングに相当する周期である。そうすれば、ＭＣＵ２０が第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）波形で走行時に期間Ｔ１を第１周期の単位で制御すれば、セルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）が全て応答することにかかるサンプリング時間が短くなる。一方、ＭＣＵ２０が第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）波形で駐停車時に期間Ｔ１を第２周期の単位で制御すれば、セルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）が全て応答することにかかるサンプリング時間が長くなる。
また、第２制御信号（Ｓ２）は第１リレー１１２１を制御するためにＭＣＵ２から受信する。そうすれば、第２制御信号（Ｓ２）波形の第１レベル期間の間には電圧検出部１１２に印加された入力電圧をキャパシタ（Ｃ１）に伝達する。

一方、第１制御信号（Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０）波形および第２制御信号（Ｓ２）波形の第２レベル期間の間には第３制御信号（Ｓ３）波形の導通期間に対応して、キャパシタ（Ｃ１）に保存された電圧を差動増幅段１１２３に伝達する。

本発明の実施例によるバッテリーのセルの数が４０個に制限されていてセルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）の数が４０個に制限されたが、本発明はこれに限定されず、バッテリーを構成する総セルの個数に対応して、セルリレーの数を調節できる。

このように、本発明の実施例によるバッテリー電圧検出方法に関するバッテリー管理システムおよびその駆動方法によれば、自動車の動作状態により、走行時にはバッテリーの安定性のために高速にサンプリングし、駐停車時には各セル電圧またはモジュール電圧を正確に測定するために低速にサンプリングする。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施例によるバッテリー、バッテリー管理システムおよびバッテリー管理システムの周辺装置を概略的に示す図面である。 本発明の実施例によるセンシング部の電圧センシング部を概略的に示す図面である。 本発明の実施例によるセンシング部の電圧センシング部を制御する第１制御信号、第２制御信号および第３制御信号の波形を示す図面である。

符号の説明

１０ センシング部
２０ ＭＣＵ
１１０ 電圧センシング部
１１１＿１〜１１１＿４０ セルリレー１ないしセルリレー４０
１１２ 電圧検出部
１２０ Ａ／Ｄコンバータ
１１２１ 第１リレー
１１２２ 第２リレー
１１２３ 差動増幅段
Ｃ１ キャパシタ
ＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４０ バッテリーの各セル
Ｓ１＿１〜Ｓ１＿４０、Ｓ２、Ｓ３ 制御信号

Claims (7)

1. 走行時および駐停車時それぞれで異なる期間中セル電圧をサンプリングするセンシング部;および
   前記走行時または駐停車時を判別して、走行時には第１周期毎にサンプリングし、駐停車時には第２周期毎にサンプリングするように前記センシング部を制御するＭＣＵ
   を含むことを特徴とする、バッテリー管理システム。
2. 前記第１周期は、高速サンプリングに対応する周期であり、前記第２周期は低速サンプリングに対応する周期であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
3. 前記センシング部は、
   前記バッテリーセルに連結され、前記バッテリーセルの電圧を伝達するセルリレー；
   前記セルリレーに連結され、前記バッテリーセルの電圧を伝達する第１リレー；
   前記第１リレーに連結され、前記バッテリーセルの電圧に対応する入力電圧を貯蔵するキャパシタ；
   前記キャパシタに連結され、前記入力電圧を伝達する第２リレー；および
   前記第２リレーに連結され、前記入力電圧を増幅して、出力電圧を生成する差動増幅段
   を含むことを特徴とする、請求項２に記載のバッテリー管理システム。
4. 前記ＭＣＵは、
   走行時または駐停車時を判別して、第１制御信号乃至第３制御信号を生成し、
   前記第１制御信号に応答して前記複数のセルリレーそれぞれは電圧検出部に複数のセルを順次に連結して、
   前記第２制御信号に応答して前記第１リレーはバッテリーセルの電圧を前記キャパシタに伝達し、
   前記キャパシタは伝えられた入力電圧に対応する第１電圧を貯蔵して、
   前記第３制御信号に応答する前記第２リレーは前記第１電圧を差動増幅段に伝達することを特徴とする、請求項３に記載のバッテリー管理システム。
5. バッテリー管理システムで使用されるバッテリー電圧を検出する駆動方法であって、
   ａ）走行時または駐停車時を判別する段階；
   ｂ）前記段階ａ）の判別結果、走行時には第１周期毎に複数のセル電圧それぞれをサンプリングする段階；
   ｃ）前記段階ａ）の判別結果、駐停車時には第２周期毎に複数のセル電圧それぞれをサンプリングする段階；および
   ｄ）前記段階ｂ）および段階ｃ）で、サンプリングされたセル電圧に対応する電圧を貯蔵する段階
   を含むことを特徴とする、バッテリー管理システムの駆動方法
6. 前記第１電圧を増幅する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載のバッテリー管理システムの駆動方法。
7. 前記段階ｂ）で、前記第１周期は高速サンプリングに対応する周期であり、
   前記段階ｃ）で、前記第２周期は低速サンプリングに対応する周期であることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載のバッテリー管理システムの駆動方法。

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