JP2009089484A - 電池用集積回路および該電池用集積回路を使用した車両用電源システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直列に接続される複数の単電池からなる電池モジュールと、該電池モジュールの各単電池に接続される集積回路と、回転電機に接続されるインバータ装置と、該インバータ装置と前記電池モジュールとの間に接続されるリレーとを備え、
キースイッチのONによって、前記集積回路の駆動による前記各単電池の少なくとも電圧の測定およびその測定結果の記憶を行い、前記リレーのONの後に、記憶された前記測定結果に基づいて前記各単電池における充放電のバランシングを行う制御回路を備える。
【選択図】図14
Description
動作開始信号を受信することにより各集積回路は関係する電池グループの各電池セルの端子電圧の測定および異常診断を開始し、前記制御回路による異常無しの状態検知に基づきリレーを閉じて前記電池モジュールから電流を供給するようにし、その後前記制御回路は前記伝送路を介して各集積回路の測定結果を受ける構成としている。この結果異常の診断を優先して行うことができ、短時間で電力の供給が可能となる。
図1は、車両用回転電機の駆動システムに使用される直流電源システムの電池モジュール9およびセルコントローラ(以下、C/Cと略称する場合がある)80を説明する図である。
図2は、前記集積回路3Aの一実施例を示す電子回路のブロック図である。上述したように、前記各集積回路3A、……、3M、……3Nはそれぞれ同一の構造となっている。したがって、集積回路3A以外の他の集積回路においても図2に示す構成と同じである。図2に示す集積回路3Aは、その集積回路に対応する電池モジュール9のグループGB1に含まれる各電池セルBC1〜BC4と接続されている。集積回路3Aを代表例として説明しているが、集積回路3A以外の集積回路はそれぞれ対応する電池モジュール9のグループと接続され、同様の動作を行う。
図3は、前記各集積回路3A、……、3M、……3Nの通信コマンド292の送受信方法を示した説明図である。図3(a)は、集積回路3Aの端子RXが受信する信号3A−RXおよび集積回路3Aの端子TXから送信される信号3A−TX、さらに次の集積回路3Bの端子RXが受信する信号3B−RXおよび次の集積回路3Bの端子TXから送信される信号3B−TX、さらにまた次の集積回路3Cの端子RXが受信する信号3C−RXおよびその集積回路3Cの端子TXから送信される信号3C−TXを示している。
図2に示す集積回路3Aによる電池セル電圧の計測回路および動作について図4乃至図6を用いて説明する。図4は計測動作のタイミングを説明する図である。図2に示す集積回路3Aは計測動作と共に診断動作を行う機能を有しており、図4に記載の動作タイミングで繰り返し計測を行い、この計測に同期して診断が実行される。図6は図2の選択回路120や電圧検出回路122および検出された電圧を保持する記憶回路125、さらに診断を行う詳細回路を示す。以下図4乃至図6を用いて具体的な回路および動作を説明する。なお、図1および図2は電池モジュール9を構成する各グループが、4個の電池セルを有している実施例である。しかし、図4乃至図6に示す集積回路は6個の電池セルに対応できる回路となっている。従って図1および図2の実施の形態では電池モジュール9を構成する各グループはそれぞれ4個の電池セルを備えているが、前記各グループを構成する電池セルの数を最大6個まで増やすことが可能となる。上記各グループを何個の電池セルで構成するかは、全体の電池セルの数や計測および診断の処理速度などで決められる。図4乃至図6に記載の実施例の如く、最大6個まで増やすことが可能であり、色々なニーズに対応した設計が可能となる。
上述のとおり、集積回路が対応する各グループを構成する電池セル数が4個であるか6個であるかに応じ、診断動作および計測動作の実行内容が選択される。具体的な回路を図5に示す。起動回路254からのクロック信号に基づき第1ステージカウンタ256は計数動作を繰り返し、第1ステージカウンタ256が規定の計数値に達すると第2ステージカウンタ258の計数値が1つ進む。
図4で動作表260の行260Y1に記載の各ステージでの計測および診断の内容を次に説明する。計測および診断は大きく2種類分けられ、2種類の内の一つはセンサとしての計測と計測対象が異常状態になっていないかどうかの診断であり、行260Y2にその計測スケジュールを記載する。前記2種類の内の他の一つは集積回路を含む制御装置、すなわち図2に記載の計測系あるいは電池セルの放電制御系の自己診断であり、その詳細を行260Y3〜行260Y9に示す。上記行260Y2に記載のごとく、計測動作は時間経過に従い2つの部分に分けられる。前半の部分はRESと記載した部分で、後半部分は計測と記載した部分である。各ステージの前半部分RESでは「○」印で示す項目の診断を行うだけでなく、計測のために使用するアナログデジタル変換器122Aの初期化を行う。本実施例ではノイズの影響を少なくするためにコンデンサを使用した充放電方のアナログデジタル変換器122Aを使用する、前の動作時に前記コンデンサに蓄えられた電荷の放電などもこの前半部分RESのタイミングで実施する。行260Y2の各ステージの後半部分計測では、前記アナログデジタル変換器122Aを使用した計測の実行や計測された値に基づく被測定対象の診断を行う。
図6は計測回路および診断回路である。選択回路120はマルチプレクサの働きをする。まず集積回路3Aによる電池モジュール9のグループGB1の各電池セルの端子電圧の計測動作を説明する。図4に記載のステージ信号STGCV1で選択回路120は端子V1と端子V2を選択し、この選択により図1と図2に記載の電池セルBC1の端子電圧が選択回路120から電圧検出回路122に出力される。
図1に示す直流電源システムでは、車両が運転停止しており、運転者が運転を開始する前は、電池モジュール9からインバータ装置への電流供給が行われていない。各電池セルの充放電電流が流れていない状態で計測された各電池セルの端子電圧を使用すると、各電池セルの充電状態(SOC)が正確に求められるので、前記実施例では、車両のキースイッチの操作やバッテリコントローラ20からのWake Upなどの通信コマンド292に基づき、各集積回路は独自に計測動作を開始する。図6で説明の計測動作が各集積回路において計測と電池セルの診断動作が開始され、平均化制御回路263に保持された回数の測定が行われると、平均化回路264で測定値の平均化を求める演算が行われる。その演算結果は先ず現在値記憶回路274に保持される。各集積回路はそれぞれ独立してその集積回路が関係しているグループの電池セル全てに対して測定計測および計測結果の平均値の演算を行い、それぞれの集積回路の現在値記憶回路274のレジスタBC1〜レジスタBC6に保持する。
図7は、図2に示した集積回路3Aの内部に設けられた通信コマンドの送受信を行う通信回路127の回路およびその動作を説明する回路図であり、各集積回路を代表して集積回路3Aの回路構成でその動作を説明する、上述のとおり他の集積回路も構成や動作が同じである。前記通信回路127が有する受信端子RXに、前記バッテリコントローラ20から送られてくる通信コマンドは、8bitを1単位として全部で5つの部分を有し、5バイトを1つの基本構成としている。ただし以下に説明のとおり、5倍とより長くなる場合があり、特に5バイトに限定されるものではない。前記通信コマンドは端子RXから受信レジスタ322に入力され、保持される。なおこの受信レジスタ322はシフトレジスタであり、端子RXからシリアルに入力される信号が受信レジスタ322に入力され順にシフトされて通信コマンドの先頭部分がレジスタの先頭部であるブレークフィールド部324に保持され、以下順次保持される。
上述した各集積回路3A、……、3M、……3Nのアドレスレジスタ348は信頼性の高い揮発性メモリで構成しており、前記揮発性メモリの内容が消えたり、保持内容の信頼性が維持できないと思われる場合に、新たなアドレスの設定を行うことができるように集積回路は作られている。例えば前記セルコントローラ80が実行を開始する際に、例えばバッテリコントローラ20から各集積回路のアドレスレジスタ348を初期化するコマンドを送信する。このコマンドで各集積回路のアドレスレジスタ348を初期化、例えばアドレス「ゼロ」とし、その後それぞれの集積回路に新たにアドレスが設定する。各集積回路3A、……、3M、……3Nにおける該アドレスの新たな設定は前記バッテリコントローラ20からのアドレス設定コマンドが各集積回路3A、……、3M、……3Nに送信されることによって行われる。
図10を用いて、図9に記載の前記IC1、IC2、IC3、IC4、……、ICn−1、ICnに、前記バッテリコントローラ20から通信コマンド292を送信して、順次アドレスを設定する他の実施の形態を説明する。
図11は、電池モジュール9の電池セルの充電状態SOCを計測し、充電量の多い電池セルの選択し、これらの選択された電池セルについてそれぞれ放電時間を演算し、放電を実行する処理フローを示している。図中、左側は各集積回路の動作を示し、右側はメインコントローラ20側の動作を示す。
図12は、各集積回路3A、…、3M、…、3Nまたは各電池セルが異常となっているか否かをテストをするための処理フローを示している。図中、左側は各集積回路3A、…、3M、…、3Nの動作を示し、右側はメインコントローラ20の動作を示している。
図13は、図1に基づき上述した直流電源システムを車両用回転電機の駆動システムに適用した回路図である。電池モジュール9を構成する電池セルは高電位側ブロック10と低電位側ブロック11の2つのブロックに分けられ、分けられた各ブロックのうち一方の高電位側ブロック10と低電位側ブロック11はスイッチとヒューズとが直列接続された保守・点検用のSD(サービスディスコネクト)スイッチ6を介して直列接続されている。
図14は、図13に示した車両用電源システムにおける動作フローを示した図である。以下、ステップ順に説明する。
図15は、たとえば図1や図13に示した車両用電源システムにおいて、バッテリコントローラ20のセルコントローラ80との通信を終了させるシーケンスを示す説明図である。
上述した実施例では、各グループを構成する電池セルの数が同じであり、各グループに対応した集積回路3A、…、3M、…、3Nにおいて、それぞれ4個の電池セルが接続されていた。各集積回路3A、…、3M、…、3Nは、それぞれ4個の各電池セルから電圧等の情報を得、また該電池セルの充放電の制御を行うように構成されていた。また集積回路3A、…、3M、…、3Nのそれぞれが担当する電池セルはそれぞれ等しい数であった。
図18と図19に前記電池モジュール9とセルコントローラ80の具体的な構成の一実施例を示している。電池モジュール9は、上蓋46と下蓋45とからなり金属製で略直方体状のモジュールケース9aを有している。モジュールケース9a内には、複数個の組電池19が収容固定されている。電池モジュール9は金属ケースであるモジュールケース9aで覆われており、モジュールケース9a内には、電圧や温度を検出するための配線が多数存在しているが、これらが電気的な外部からのノイズから保護されている。また上述のとおり、電池セルはモジュールケース9aとその外側の容器で保護されており、仮に交通事故が発生したとしても電源システムの安全性が維持される。
図1に記載の各集積回路3A・・・集積回路3M・・・集積回路3Nの内部処理動作で行われている各電池セルの計測と過充電や過放電の診断動作を説明する。図4の動作表260の行260Y1に記載のステージSTGCV1〜ステージSTGCV6で各電池セルの端子電圧の取り込みと診断が行われる。ステージSTGCV1の計測の期間で、先の説明のごとく、図6の選択回路120はVCC(V1)とVC2(V2)を選択する。この動作により図2のバッテリセルBC1の端子電圧が選択され、電位シフト機能を有する差動増幅器262を介して電圧検出回路122Aに入力される。電圧検出回路122Aでデジタル値に変換され、平均化回路264で今回の測定を含め最も新しい所定回数の測定値を基に平均値が演算され、現在値記憶回路274のBC1に保持される。
前記ステージSTGCV1の計測の期間でさらに引き続き、測定された前記BC1の保持値がデジタル比較回路270により過充電の判断値OCと比較され。現在値記憶回路274に保持されている複数個の測定値BC1乃至測定値BC6さらにVDD乃至基準電源の中から、図4の第1ステージカウンタ256や第2ステージカウンタ258の出力に基づきデコーダ257やデコーダ259により作られた選択信号により、測定値BC1が選択されてデジタル比較回路270に入力される。また同様に上記デコーダ257やデコーダ259により作られた選択信号により、基準値記憶回路278に保持された複数の基準値の中から過充電診断基準値OCが選択され、デジタル比較回路270は測定値BC1と過充電診断基準値OCとを比較する。デジタル比較回路270は大小の比較を行い、測定値BC1が過充電診断基準値OCより大きい時に異常との比較結果を出力する。デジタルマルチプレクサ282は前記上記デコーダ257やデコーダ259により作られた選択信号によりデジタル比較回路270の出力の記憶先を選択し、電池セルBC1の診断結果がもし異常であればフラグ記憶回路284の診断flagおよびOCflagにその異常診断結果が保持される。すなわち診断flagおよびOCflagがセットされた状態となる。上記異常フラグは集積回路の端子FFOから出力され、バッテリコントローラ20に伝えられる。
次に前記ステージSTGCV1の計測の期間でさらに引き続き電池セルBC1の過放電の診断が行われる。現在値記憶回路274の電池セルBC1の測定値BC1と基準値記憶回路278の基準値ODとがデジタル比較回路270で比較され、測定値BC1の値が基準値記憶回路278の基準値ODより小さい場合に異常と判断して異常信号を出力する。デコーダ257とデコーダ259の出力に基づく選択信号によりデジタルマルチプレクサ282はフラグ記憶回路284の診断flagとODflagを選択し、デジタル比較回路270から出力された異常信号は診断flagとODflagにセットされる。
バッテリモジュール9を構成する各電池セルの充電状態SOCを調整のためにバランシングスイッチ129A〜129Fを制御し、充電量が多い電池セルの電力を放電用の抵抗を介して放電する制御に関しては上述した。バランシングスイッチ129A〜129Fの制御は各電池セルの端子電圧の検出に悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、図2の回路でバランシングスイッチ129が閉じると抵抗R1からR4を介して放電電流が流れ、電池セルの端子電圧の計測精度を低下させる。
動作表260の行260Y1に記載のステージSTG基準電源で内部基準電圧やアナログおよび電圧検出回路122Aの診断を行う。図6に記載のアナログ回路やデジタル回路を動作させるための電源電圧を集積回路内部の電源回路121(図2)で発生する。前記電源電圧を絶対的な基準電源に基づいて発生すると高精度の前記電源電圧を比較的容易に得ることができる。しかし一方前記絶対的な基準電圧が変化すると前記電源電圧が変化してしまう心配がある。
図4に記載の動作表260のステージSTGCalでデジタル比較回路の診断が行われる。以下その動作を説明する。デジタルマルチプレクサ272はデコーダ257とデコーダ259の出力に基づき増加の方向の演算で求められた増加演算値280を選択する。この増加演算値280は、基準値記憶回路278に保持されている基準値、例えば基準値OC、に所定値を加算して得られた値である。デジタルマルチプレクサ276が基準値記憶回路278に保持されている基準値の一つ、本実施例では基準値OCを選択し、デジタル比較回路270に比較対象として入力する。さらにまた、選択された前記基準値OCに所定値例えば"1"を加算して得られた増加演算値280をデジタルマルチプレクサ272を介してデジタル比較回路270に入力する。デジタル比較回路270が基準値OCより増加演算値280を大きいと判断すれば、デジタル比較回路270は正しく動作していることになる。
Claims (5)
- 直列に接続された複数の電池セルを有する電池グループが更に複数個直列接続されている電池モジュールと、各電池グループに対応付けて設けられた複数個の集積回路と、制御回路と、前記各集積回路と前記制御回路とを接続する伝送路と、前記電池モジュールから電流を供給するためのリレー回路とを備え、
動作開始のための開始信号を前記伝送路を介して受信することにより前記各集積回路は関係する電池グループの各電池セルの端子電圧の測定および異常診断を行い、前記制御回路は前記各集積回路の異常診断結果に基づく異常無しの状態で前記リレーを閉じて前記電池モジュールから電流を供給する状態とし、その後前記制御回路は前記伝送路を介して各集積回路の測定結果を受けることを特徴とする車両用電源システム。 - 請求項1項に記載の車両用電源システムにおいて、
前記集積回路は、選択回路とアナログデジタル変換器とデジタル比較回路とを有し、前記集積回路はさらに、関係するグループの電池セルを一定順に計測するための選択信号を周期的に発生し、前記選択信号に基づき前記選択回路で計測すべき端子電圧を選択し、選択された端子電圧を前記アナログデジタル変換器でデジタル値に変換し、変換されたデジタル値に基づき前記計測すべき端子電圧の測定結果を保持し、前記保持された測定結果に基づき前記デジタル比較回路により異常状態の診断を行い、異常状態との診断に基づき異常を表す信号を前記制御回路に送信することを特徴とする車両用電源システム。 - 請求項1項に記載の車両用電源システムにおいて、
前記制御回路は、車両のキースイッチの操作に基づく信号を受けて、各集積回路に開始信号を送信することを特徴とする車両用電源システム。 - 請求項1乃至3に記載の車両用電源システムにおいて、
前記集積回路は1ビット信号の送受信回路とシリアル信号の送受信回路とを備え、前記異常を検知した場合に異常を表す信号を前記1ビット信号の送信回路から送信することを特徴とする車両用電源システム。 - 直列に接続された複数のリチウム電池セルを有するリチウム電池グループが更に複数個直列接続されているリチウム電池モジュールと、前記電池モジュールの各リチウム電池グループに対応付けて設けられた複数個の集積回路と、各集積回路を接続する伝送路と、前記リチウム電池モジュールから電力を供給するためのリレーとを備え、
前記集積回路は、関係するリチウム電池グループの複数のリチウム電池セルの端子電圧を選択する選択回路と、選択されたリチウム電池セルの端子電圧をデジタル値に変換するアナログデジタル変換器と、デジタル値に変換されたリチウム電池セルの端子電圧と過充電の診断用閾値とを比較するデジタル比較回路と、前記デジタル比較回路の比較結果に基づき異常を表す異常信号を送出する送信回路とを備え、
前記集積回路は動作開始信号を受けて、計測すべき電池セルを特定するステージ信号を周期的に発生し、
前記ステージ信号に基づき、前記選択回路で測定すべき電池セルの端子電圧を選択し、前記選択された端子電圧をアナログデジタル変換器でデジタル値に変換し、前記デジタル値と前記過充電の閾値とを前記デジタル比較回路で比較して所定の関係が生じた場合に異常を表す異常信号を発生し、
前記送信回路はさらにシリアル伝送のための送信端子と受信端子および1ビット信号を伝送するための送信端子と受信端子とを備え、
前記異常信号を前記1ビット信号の送信端子から送信することを特徴とする車両用の電源システム。
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