JP2009168720A - 蓄電器及び電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】直列に接続された蓄電セルの数が多くても高精度の状態検出を行うことが可能な蓄電器及び電池システムを提供すること。
【解決手段】蓄電器は、複数のグループに分けられた、直列接続された複数の蓄電セルと、複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループの各蓄電セルのセル電圧を検出するセル電圧検出部を有する複数の制御ユニットとを備える。複数の制御ユニットが、それぞれが制御ユニットを複数含む複数の上位グループのいずれかに属する。メイン制御ユニットの制御部は、当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部及び当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部と通信線を介して接続されたサブ制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示し、かつ、同期線を介して接続されたメイン制御ユニットの制御部に、同期線を介して前記指示を示す同期信号を送信する。
【選択図】図２

Description

本発明は、大きさや重量、各性能を含むスペックを向上可能な蓄電器及び電池システムに関する。

ＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）等の車両には、モータ等に電力を供給する蓄電器が搭載される。蓄電器には、直列に接続された複数の蓄電セルが設けられている。蓄電セルには、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池が用いられる。但し、２次電池を安全に利用するためには、各蓄電セルのセル電圧を常に監視し、過充電や過放電の防止制御を行う必要がある。

特許文献１に開示されている蓄電装置では、図１３に示すように、直列に接続された単電池ＶＢ１〜ＶＢ１２が３つの蓄電モジュールに分けられ、各蓄電モジュールに１つの下位制御装置（ＩＣ−１〜ＩＣ−３）が割り当てられている。また、下位制御装置ＩＣ−１〜ＩＣ−３はデイジーチェーン接続されており、その出力信号は上位制御装置ＭＰＵに入力される。上位制御装置ＭＰＵは、下位制御装置ＩＣ−１〜ＩＣ−３から得られた情報に基づいて、蓄電モジュールに流れる充電及び放電の電流を検出し、かつ、蓄電モジュールの電圧合計値を検出する。さらに、上位制御装置ＭＰＵは、検出した電流値と電圧合計値とから３つの蓄電モジュールの平均的な残存容量を演算する。

特開２００３−７０１７９号公報 特開２００５−３１８７５１号公報 特許第３４０５５２６号明細書

特許文献１に開示されている蓄電装置では、単電池の数が増すにつれ上位制御装置ＭＰＵの演算量も増す。また、単電池の数が増すにつれ下位制御装置の数も増えるが、下位制御装置はデイジーチェーン接続されているため、下位制御装置の数が増えると各蓄電モジュールにおける電圧検出のタイミングのずれが大きくなる恐れがある。このため、単電池の数が増えると電圧検出タイミングの精度が悪化する可能性がある。

本発明の目的は、直列に接続された蓄電セルの数が多くても高精度の状態検出を行うことが可能な蓄電器及び電池システムを提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の蓄電器は、複数のグループに分けられた、直列接続された複数の蓄電セル（例えば、実施の形態でのリチウムイオン電池セルＣ１〜Ｃ４０）と、前記複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループの各蓄電セルのセル電圧を検出するセル電圧検出部（例えば、実施の形態での状態検出部２５ａ〜２５ｄ）を有する複数の制御ユニット（例えば、実施の形態でのマスタメインユニット２０ａ、マスタサブユニット２０ｂ、スレーブメインユニット２０ｃ及びスレーブサブユニット２０ｄ）と、を備える蓄電器であって、前記複数の制御ユニットが、それぞれが前記制御ユニットを複数含む複数の上位グループ（例えば、実施の形態でのマスタ、スレーブ）のいずれかに属し、１つの上位グループに属する複数の制御ユニットは、１つのメイン制御ユニット及び少なくとも１つのサブ制御ユニットから構成され、前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部は通信線（例えば、実施の形態でのシリアル通信線２７ａ，２７ｂ）によって接続され、前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部は、前記通信線を介してセル電圧の検出結果を前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部に送信し、前記メイン制御ユニットは、さらに、前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部又は前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部によって検出されたセル電圧に基づく制御を行う制御部（例えば、実施の形態でのコントローラ２９ａ，２９ｂ）を有し、前記複数の上位グループに属する各メイン制御ユニットの制御部はそれぞれ同期線（例えば、実施の形態での同期線２１）によって接続され、前記メイン制御ユニットの制御部は、当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部及び当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記通信線を介して接続されたサブ制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示し、かつ、前記同期線を介して接続されたメイン制御ユニットの制御部に、前記同期線を介して前記指示を示す同期信号（例えば、実施の形態でのパルス信号３１）を送信することを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の蓄電器では、前記同期信号を受信したメイン制御ユニットの制御部は、当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部及び当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記通信線を介して接続されたサブ制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示することを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の蓄電器では、１つの上位グループに１つのメイン制御ユニットと複数のサブ制御ユニットとが属する場合、各制御ユニットのセル電圧検出部はデイジーチェーン接続されていることを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の蓄電器では、前記複数の上位グループは、前記制御ユニットを複数含む１つのマスタと、前記制御ユニットを複数含む少なくとも１つのスレーブとから構成され、前記マスタに属するメイン制御ユニットの制御部が、前記同期線を介して、前記同期信号を前記スレーブに属するメイン制御ユニットの制御部に送信することを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明の蓄電器では、当該蓄電器の出力電流を検出する出力電流検出部（例えば、実施の形態での電流検出部１７）を備え、前記メイン制御ユニットの制御部が行うセル電圧の検出指示と同時又は当該指示から一定時間後に、当該制御部は、出力電流を検出するよう前記出力電流検出部に指示することを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の発明の蓄電器では、前記制御ユニットは、対応するグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出する電圧検出部を有することを特徴としている。

さらに、請求項７に記載の発明の蓄電器では、前記セル電圧検出部は、同一上位グループに属し、メインとサブの関係にある他のグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出することを特徴としている。

さらに、請求項８に記載の発明の蓄電器では、複数のグループに分けられた、直列接続された複数の蓄電セル（例えば、実施の形態でのリチウムイオン電池セルＣ１〜Ｃ４０）と、前記複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループの各蓄電セルのセル電圧を検出するセル電圧検出部（例えば、実施の形態での状態検出部２５）を有する複数の制御ユニット（例えば、実施の形態での制御ユニット２０）と、を備える蓄電器であって、前記制御ユニットは、前記セル電圧検出部によって検出されたセル電圧に基づく制御を行う制御部（例えば、実施の形態でのコントローラ２９）を有し、各制御ユニットの制御部はそれぞれ同期線（例えば、実施の形態での同期線２１）によって接続され、前記制御ユニットの制御部は、当該制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示し、かつ、前記同期線を介して接続された他の制御ユニットの制御部に、前記同期線を介して前記指示を示す同期信号（例えば、実施の形態でのパルス信号３１）を送信することを特徴としている。

さらに、請求項９に記載の発明の蓄電器では、前記同期信号を受信した制御ユニットの制御部は、当該制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示することを特徴としている。

さらに、請求項１０に記載の発明の蓄電器では、当該蓄電器の出力電流を検出する出力電流検出部例えば、実施の形態での電流検出部１７）を備え、前記制御ユニットの制御部が行うセル電圧の検出指示と同時又は当該指示から一定時間後に、当該制御部は、出力電流を検出するよう前記出力電流検出部に指示することを特徴としている。

さらに、請求項１１に記載の発明の蓄電器では、前記制御ユニットは、対応するグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出する電圧検出部を有することを特徴としている。

さらに、請求項１２に記載の発明の電池システムでは、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の蓄電器（例えば、実施の形態での蓄電器１，２）と、当該蓄電器から負荷への電気経路を開閉するスイッチ部（例えば、実施の形態でのコンタクタ１１）と、前記蓄電器が備える制御ユニットの制御部と通信可能であり、前記蓄電器が備えるいずれかの制御ユニットの制御部からの指示に応じて前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部（例えば、実施の形態でのマネジメントユニット１３）と、を備えた電池システムであって、前記制御部は、前記蓄電器が備える蓄電セルのセル電圧が第１所定値以上のとき、前記スイッチ部をオフ制御して前記電気経路を開くよう前記スイッチ制御部に指示することを特徴としている。

さらに、請求項１３に記載の発明の電池システムでは、前記スイッチ部は、前記蓄電器が備えるメイン制御ユニットの制御部からの制御によって前記電気経路を開閉し、前記制御部は、前記蓄電器が備える蓄電セルのセル電圧が前記第１所定値よりも値の大きな第２所定値以上のとき、前記電気経路を開くよう前記スイッチ部を制御することを特徴としている。

さらに、請求項１４に記載の発明の電池システムでは、前記蓄電器は、各グループの蓄電セル周辺の温度を測定する温度測定部（例えば、実施の形態での温度センサＴＳ）を有し、前記蓄電器が備えるメイン制御ユニットの制御部は、前記温度測定部によって測定された温度がしきい値以上となったとき、前記スイッチ部をオフ制御して前記電気経路を開くよう前記スイッチ制御部に指示することを特徴としている。

請求項１〜１１に記載の発明の蓄電器によれば、直列に接続された蓄電セルの数が多くても高精度の状態検出を行うことができる。

請求項５及び１０に記載の発明の蓄電器によれば、セル電圧の検出と同期して出力電流を検出することができる。

請求項６、７及び１１に記載の発明の蓄電器によれば、セル電圧検出部の故障を検出することができる。

請求項１２〜１４に記載の発明の電池システムによれば、高精度の状態検出結果に応じた電気経路の開閉制御を行うことができる。このため、信頼性の高い電池システムを提供することができる。

請求項１３に記載の発明の電池システムによれば、スイッチ制御部に電気経路を開くよう指示してもスイッチ部が動作しない場合であっても、制御ユニットの制御部が直接スイッチ部をオフ制御することができるため、信頼性の高い電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下説明する実施形態の蓄電器は、ＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）等の車両に搭載されており、モータ等に電力を供給する。また、当該蓄電器には、直列に接続された複数の蓄電セルが設けられている。以下説明する実施形態では、蓄電セルとしてリチウムイオン電池が使用される。但し、他の実施形態としてニッケル水素電池や電気二重層キャパシタ、コンデンサ等が用いられても良い。

（第１の実施形態）
図１は、車両に搭載された第１の実施形態の蓄電器、電気駆動系の一部及び補機の関係を示すブロック図である。図１に示す車両は、第１の実施形態の蓄電器１と、インバータ（ＩＮＶ）３と、モータ（ＭＯＴ）５と、ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣ）７と、バッテリ（１２Ｖ ＢＡＴＴ）９と、コンタクタ１１と、マネジメントユニット（ＭＧＵ）１３とを備える。

本実施形態の蓄電器１の出力電圧は高電圧（例えば１００〜２００Ｖ）であり、バッテリ９の出力電圧は補機用電圧（例えば１２Ｖの低電圧）である。モータ５には、蓄電器１の出力電圧がインバータ３によって直流から交流に変換され供給される。バッテリ９には、蓄電器１の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ７によって降圧されチャージされる。

コンタクタ１１は、蓄電器１とモータ５の間のメインスイッチであり、ＭＧＵ１３又は蓄電器１からの信号に応じてオンオフ制御される。ＭＧＵ１３は、インバータ３及びＤＣＤＣコンバータ７を制御する。また、ＭＧＵ１３は、後述するＣＡＮ通信線１５を介して蓄電器１から送信された信号に応じて各蓄電セルの状態を判別し、判別結果に応じてコンタクタ１１をオンオフ制御する。なお、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信とは、ＩＳＯで国際的に標準化されたシリアル通信プロトコルの一つに基づく通信である。

図２は、図１に示した蓄電器１の内部構成を示すブロック図である。図２に示すように、蓄電器１は、直列に接続された複数のリチウムイオン電池セル（以下、単に「セル」という。）Ｃ１〜Ｃ４０と、セルＣ２０とセルＣ２１の間に直列に接続された、手動によって操作される中点スイッチＭＳＷと、蓄電器１の出力電流値を検出する電流検出部１７と、セルＣ１〜Ｃ４０の一部にそれぞれ対応する４つの制御ユニットとを有する。セルＣ１〜Ｃ４０の単一の出力電圧範囲は、３〜４Ｖである。

セルＣ１〜Ｃ４０は、各制御ユニットに対応する４つのグループに分けられている。すなわち、本実施形態では、セルＣ１〜Ｃ１０が属するグループと、セルＣ１１〜Ｃ２０が属するグループと、セルＣ２１〜Ｃ３０が属するグループと、セルＣ３１〜Ｃ４０が属するグループの４つのグループがある。

図１及び図２に示すように、４つの制御ユニットとは、セルＣ１〜Ｃ１０に対応するマスタメインユニット２０ａ、セルＣ１１〜Ｃ２０に対応するマスタサブユニット２０ｂ、セルＣ２１〜Ｃ３０に対応するスレーブメインユニット２０ｃ、及びセルＣ３１〜Ｃ４０に対応するスレーブサブユニット２０ｄである。マスタメインユニット２０ａとスレーブメインユニット２０ｃは同期線２１によって接続されている。また、マスタメインユニット２０ａ、スレーブメインユニット２０ｃ及びＭＧＵ１３は、ＣＡＮ通信線１５によって互いに接続されている。なお、ＣＡＮ通信線１５は、ＭＧＵ１３とメインユニット２０ａ，２０ｃとの間で、各セルの状態に関する情報が伝送されるだけでなく他の情報も伝送される。一方、同期線２１は、各セルの状態検出を同期させるためだけに用いられる。

各制御ユニット、対応するグループに属する各セルのセル電圧を検出する状態検出部を有する。状態検出部には、セル電圧を検知するために各セルの端子から引き出されたワイヤーが接続されている。状態検出部は、各セルのセル電圧を検出すると、セル電圧値をＡＤ変換する。本実施形態では、図２に示すように、マスタメインユニット２０ａが状態検出部２５ａを有し、マスタサブユニット２０ｂが状態検出部２５ｂを有し、スレーブメインユニット２０ｃが状態検出部２５ｃを有し、スレーブサブユニット２０ｄが状態検出部２５ｄを有する。なお、マスタメインユニット２０ａの状態検出部２５ａは、電流検出部１７によって検知された電流値をＡＤ変換する。

また、本実施形態では、マスタメインユニット２０ａの状態検出部２５ａとマスタサブユニット２０ｂの状態検出部２５ｂが、シリアル通信線２７ａによって接続されており、スレーブメインユニット２０ｃの状態検出部２５ｃとスレーブサブユニット２０ｄの状態検出部２５ｄが、シリアル通信線２７ｂによって接続されている。

さらに、マスタメインユニット２０ａ及びスレーブメインユニット２０ｃは、それぞれ、メインユニット及びサブユニットの各状態検出部に対して、それぞれ対応する各セルのセル電圧を検出するよう指示するコントローラを有する。本実施形態では、マスタメインユニット２０ａがコントローラ２９ａを有し、スレーブメインユニット２０ｃがコントローラ２９ｂを有する。

マスタメインユニット２０ａのコントローラ２９ａは、当該指示を状態検出部２５ａに送ると同時に、状態検出部２５ａ及びシリアル通信線２７ａを介してマスタサブユニット２０ｂの状態検出部２５ｂにも送り、さらに、同期線２１を介してスレーブメインユニット２０ｃのコントローラ２９ｂにも送る。当該指示を受け取ったコントローラ２９ｂは、状態検出部２５ｃに同様の指示を送ると同時に、状態検出部２５ｃ及びシリアル通信線２７ｂを介してスレーブサブユニット２０ｄの状態検出部２５ｄにも送る。なお、上述したように、同期線２１はこのためだけに用いられるため、コントローラ２９ａから出力された当該指示を状態検出部２５ａが受け取るタイミングと、スレーブメインユニット２０ｃの状態検出部２５ｃが受け取るタイミングは略同時である。

当該指示を受けた状態検出部は、対応するセルの電圧を順番に検出し、検出値をＡＤ変換した後、検出データをコントローラに送る。なお、サブユニットの状態検出部によって得られた検出データは、シリアル通信線及びメインユニットの状態検出部を介してコントローラに送られる。なお、マスタメインユニット２０ａの状態検出部２５ａは、各セルのセル電圧検出と同時に、電流検出部１７によって電流値も検出し、検出値をＡＤ変換した後、検出データをコントローラ２９ａに送る。

以下、蓄電器１、コンタクタ１１及びＭＧＵ１３から構成される電池システムの動作について説明する。マスタメインユニット２０ａのコントローラ２９ａは、セル電圧を検出するよう状態検出部２５ａ，２５ｂ及びスレーブメインユニット２０ｃのコントローラ２９ｂに指示する。なお、コントローラ２９ａは、図示しないタイマ回路からの情報に基づいて、当該指示を定期的に行う。

図３は、第１の実施形態の蓄電器１が有する４つの制御ユニットによるセル電圧検知の開始タイミングを示す図である。図３に示すように、各状態検出部は、一度の指示に応じて、対応するセルのセル電圧を順番に判断する。コントローラ２９ａは、上記説明した指示を状態検出部２５ａに対して行い、かつ、同指示を状態検出部２５ａ及びシリアル通信線２７ａを介して状態検出部２５ｂに対して行う。その結果、図３に示すように、状態検出部２５ｂによる開始タイミングは、コントローラ２９ａからの指示が状態検出部２５ａを介してシリアル通信線２７ａを伝送する時間だけ、状態検出部２５ａによる開始タイミングよりも遅れる。

コントローラ２９ａは、上述したように、同期線２１を介してコントローラ２９ｂにも同指示を行う。本実施形態で、同期線２１を介してコントローラ２９ａからコントローラ２９ｂに対して行われる指示は、図３中の符号３１に示すパルス信号によって表される。なお、同期線２１はパルス信号３１を伝送するためだけに用いられており、他の信号の伝送のために共有されてはいない。このため、コントローラ２９ａから出力されたパルス信号３１は速やかにコントローラ２９ｂに伝送される。

コントローラ２９ｂがパルス信号３１の立ち上がりエッジを検出すると、コントローラ２９ｂは、上記指示を状態検出部２５ｃに対して行い、かつ、同指示を状態検出部２５ｃ及びシリアル通信線２７ｂを介して状態検出部２５ｄに対して行う。その結果、図３に示すように、状態検出部２５ｃによる開始タイミングは、状態検出部２５ａによる開始タイミングと略同時であり、状態検出部２５ｄによる開始タイミングは、コントローラ２９ｂからの指示が状態検出部２５ｃを介してシリアル通信線２７ｂを伝送する時間だけ、状態検出部２５ｃによる開始タイミングよりも遅れる。

上述したように、状態検出部２５ｂ，２５ｄによる開始タイミングは、状態検出部２５ａ，２５ｃによる開始タイミングよりも遅れる。しかし、セル電圧は秒単位では大幅に変化しないため、状態検出部２５ｂ，２５ｄの各開始タイミングの遅延がセル電圧検出値の同期性に影響を与えることはない。

コントローラ２９ａは、状態検出部２５ａに上記指示を行うと同時に、セル電圧検出と同じタイミングで蓄電器１の出力電流を検出するよう状態検出部２５ａに指示する。このため、状態検出部２５ａは、セル電圧の検出と同期して出力電流の検出も行う。

状態検出部２５ａ，２５ｂによって検出されたセル電圧値がＡＤ変換された検出データはコントローラ２９ａに送られる。一方、状態検出部２５ｃ，２５ｄによって検出されたセル電圧値がＡＤ変換された検出データはコントローラ２９ｂに送られる。また、状態検出部２５ａによって検出された出力電流値がＡＤ変換された検出データはコントローラ２９ａに送られる。

図４に示すように、コントローラ２９ａ，２９ｂは、検出データが示すセル電圧値が１つでも第１のしきい値以上であるとき、コンタクタ１１をオフ制御するよう指示する信号をＣＡＮ通信線１５を介してＭＧＵ１３に送信する（通常遮断）。また、コントローラ２９ａ，２９ｂは、検出データが示すセル電圧値が１つでも第２のしきい値以上であるときは、直接、コンタクタ１１をオフ制御する（緊急遮断）。なお、第２のしきい値は、第１のしきい値よりも高い値である。

また、コントローラ２９ａ，２９ｂは、セル電圧値及び出力電流値の各検出データをＣＡＮ通信線１５を介してＭＧＵ１３に送信する。ＭＧＵ１３は、ＣＡＮ通信線１５を介して得られたセル電圧及び出力電流に関する情報に基づいて、各セルの残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を求める。セルのＳＯＣを求めるためには、当該セルの内部抵抗Ｒｉｎを算出した後、当該セルの開放電圧ＯＣＶを算出する必要がある。

図５に示すように、セル電圧をＶ、出力電流をＩとしたとき、Ｖ＝ＯＣＶ−Ｒｉｎ×Ｉの関係がある。また、Ｒｉｎ＝ΔＶ／ΔＩの関係がある。したがって、ＭＧＵ１３は、セル毎のセル電圧の変化値ΔＶ及び出力電流の変化値ΔＩから内部抵抗Ｒｉｎを算出し、内部抵抗Ｒｉｎ、セル電圧Ｖ及び出力電流Ｉからセル毎の開放電圧ＯＣＶを算出する。図６は、蓄電セルの開放電圧ＯＣＶとＳＯＣの関係を示すグラフである。ＭＧＵ１３は、図６に示すグラフを参照して、算出した開放電圧ＯＣＶからＳＯＣを求める。ＭＧＵ１３は、このようにして求めたＳＯＣを参照して、蓄電器１やモータ５に供給する電流量を制御することができる。

以上説明したように、本実施形態では、蓄電器１に含まれるセルＣ１〜Ｃ４０が４つのグループに分けられ、各グループに対応する４つの制御ユニットがマスタとスレーブの２種類に分けられ、マスタ又はスレーブに属する２つの制御ユニットがメインとサブの２種類に分けられている。メインユニットとサブユニット（マスタメインユニット２０ａとマスタサブユニット２０ｂ、及びスレーブメインユニット２０ｃとスレーブサブユニット２０ｄ）はシリアル通信線２７ａ，２７ｂによって接続されている。また、２つのメインユニットのそれぞれとＭＧＵ１３はＣＡＮ通信線１５によって互いに接続されている。

さらに、２つのメインユニット（マスタメインユニット２０ａとスレーブメインユニット２０ｃ）は、セル電圧を検出するよう指示する信号のみが伝送される同期線２１によって接続されている。したがって、マスタメインユニット２０ａのコントローラ２９ａからスレーブメインユニット２０ｃのコントローラ２９ｂに送られる当該指示は遅延なく送られるため、各制御ユニットの状態検出部は略同時にセル電圧を検出することができる。

なお、本実施形態では、蓄電器１が４０個のセルＣ１〜Ｃ４０を有するが、セルの数は４０個に限定されず、グループの数と同数以上のセルがあれば良い。また、本実施形態では、蓄電器１が有するセルを４つのグループに分けているが、５つ以上のグループに分けても良い。但し、グループ毎に１つの制御ユニットが割り当てられる。

また、マスタメインユニット２０ａと同期線２１及びＣＡＮ通信線１５を介して接続されるスレーブメインユニット２０ｃの数も２つに限らず、３つ以上であっても良い。さらに、１つのメインユニットに対するサブユニットの数も１つに限らず、２つ以上であっても良い。１つのメインユニットに複数のサブユニットが対応する場合、複数のサブユニットは例えばデイジーチェーン接続される。

また、本実施形態では、コントローラ２９ａ，２９ｂがコンタクタ１１をオフ制御可能だが、一方のコントローラ（例えばコントローラ２９ａ）のみがオフ制御可能であっても良い。この場合、もう一方のコントローラ（コントローラ２９ｂ）からＣＡＮ通信線１５を介してコントローラ２９ａにコンタクタ１１をオフ制御するよう指示する信号が送られると、コントローラ２９ａが、直接、コンタクタ１１をオフ制御する。

さらに、図７に示すように、蓄電器が、各制御ユニットに対応する温度センサＴＳを有し、温度センサＴＳによって測定された値の少なくとも１つがしきい値以上となったときコンタクタ１１をオフ制御しても良い。この場合、コンタクタ１１のオフ制御は、上記説明と同様に、ＣＡＮ通信線１５を介したコントローラ２９ａ，２９ｂからの指示に基づいてＭＧＵ１３が行っても、コントローラ２９ａが直接ＭＧＵ１３に行っても良い。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、４つの制御ユニットがマスタ及びスレーブの２つのグループに分けられ、各グループには、シリアル通信線によって接続されたシリアルメインユニットとサブユニットの２つのユニットが設けられている。第２の実施形態では、４つの制御ユニットの全てが、第１の実施形態で説明したメインユニットと同様の構成を有し、各ユニットはＣＡＮ通信線１５及び同期線２１によって互いに接続されている。

図８は、車両に搭載された第２の実施形態の蓄電器、電気駆動系の一部及び補機の関係を示すブロック図である。図８に示す車両は、第２の実施形態の蓄電器２と、インバータ（ＩＮＶ）３と、モータ（ＭＯＴ）５と、ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣ）７と、バッテリ（１２Ｖ ＢＡＴＴ）９と、コンタクタ１１と、マネジメントユニット（ＭＧＵ）１３とを備える。図８において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。

図９は、図８に示した蓄電器２の内部構成を示すブロック図である。図９に示すように、蓄電器２は、直列に接続された複数のセルＣ１〜Ｃ４０と、セルＣ２０とセルＣ２１の間に直列に接続された、手動によって操作される中点スイッチＭＳＷと、蓄電器２の出力電流値を検知する電流検出部１７と、セルＣ１〜Ｃ４０の一部にそれぞれ対応する４つの制御ユニット（第１〜第４ユニット）２０とを有する。４つの制御ユニットは互いに同期線２１によって接続されており、４つの制御ユニット及びＭＧＵ１３はＣＡＮ通信線１５によって互いに接続されている。

セルＣ１〜Ｃ４０は４つのグループに分けられ、各グループに１つの制御ユニットが対応している。本実施形態では、セルＣ１〜Ｃ１０に第１ユニットが対応し、セルＣ１１〜Ｃ２０に第２ユニットが対応し、セルＣ２１〜Ｃ３０に第３ユニットが対応し、セルＣ３１〜Ｃ４０に第４ユニットが対応する。各制御ユニットは、対応する各セルのセル電圧を検出する状態検出部２５と、セル電圧を検出するよう状態検出部２５に指示するコントローラ２９とを有する。

本実施形態では、４つの制御ユニットの内のいずれか１つの制御ユニット（例えば、第１ユニット）のコントローラ２９が、上記指示を同ユニット内の状態検出部２５に送ると同時に、同期線２１を介して、他の制御ユニットのコントローラにも送る。当該指示を受け取ったコントローラは、同ユニット内の状態検出部に同様の指示を送る。

図１０は、第２の実施形態の蓄電器２が有する４つの制御ユニットによるセル電圧検知の開始タイミングを示す図である。図１０に示すように、各状態検出部は、一度の指示に応じて、対応するセルのセル電圧を順番に判断する。第１ユニットのコントローラ２９は、上記説明した指示を同ユニットの状態検出部２５に対して行い、かつ、同期線２１を介して他の制御ユニットのコントローラにも同指示を行う。本実施形態でも、同期線２１を介して行われる指示は、図１０中の符号３１に示すパルス信号によって表される。なお、同期線２１はパルス信号３１を伝送するためだけに用いられており、他の信号の伝送のために共有されてはいない。このため、第１ユニットのコントローラから出力されたパルス信号３１は速やかに第２〜第４セルの各コントローラに伝送される。第２〜第４セルの各コントローラがパルス信号３１の立ち上がりエッジを検出すると、各コントローラは、同ユニット内の状態検出部に上記指示を行う。

各状態検出部によって検出されたセル電圧値がＡＤ変換された検出データは同ユニット内のコントローラに送られる。また、第１ユニットの状態検出部によって検出された出力電流値がＡＤ変換された検出データは同ユニット内のコントローラに送られる。第１の実施形態と同様に、各コントローラは、検出データが示すセル電圧値が１つでも第１のしきい値以上であるとき、コンタクタ１１をオフ制御するよう指示する信号をＣＡＮ通信線１５を介してＭＧＵ１３に送信する（通常遮断）。また、各コントローラは、検出データが示すセル電圧値が１つでも第２のしきい値以上であるときは、直接、コンタクタ１１をオフ制御する（緊急遮断）。

なお、図８及び図９に示した蓄電器９では、コンタクタ１１を直接オフ制御するためのラインが第１ユニットのみから延びているが、第２〜４ユニットから延びていても良い。但し、図のように、当該ラインが第２〜第４ユニットからは延びていない場合は、第２〜第４ユニットのコントローラが、コンタクタ１１をオフ制御するよう指示する信号をＣＡＮ通信線１５を介して第１ユニットのコントローラに送り、第１ユニットのコントローラがコンタクタ１１を直接オフ制御する。

本実施形態によれば、制御ユニット間がシリアル通信線によって接続されていないため、第１の実施形態で図３を参照して説明したメインユニットとサブユニット間の遅延が生じない。したがって、より精度の高い状態検出を行うことができる。

上記説明した第１及び第２の実施形態では、蓄電器のセルが４つのグループに分けられ、一グループに対応する各制御ユニットには１つの状態検出部が設けられている。しかし、制御ユニットに設けられる状態検出部の数は１つに限らず、図１１に示すように、２つであっても良い。図１１は、１つの制御ユニットに、セル群に対して並列接続された２つの状態検出部が設けられた形態を示す図である。図１１のように、セル群に対して２つの状態検出部を並列に接続した構成であれば、コントローラは、一グループに属するセル毎のセル電圧値と、当該グループに属するセル群の合計電圧値とを得る。したがって、コントローラは、２つの状態検出部の内、いずれか一方の状態検出部が故障していたとしてもその故障を検知することができる。

但し、図１２に示す構成であれば、制御ユニット内に設けられる状態検出部が１つであっても、コントローラは、対応するグループに属するセル毎のセル電圧値と、メインとサブの関係にある他のグループに属するセル群の合計電圧値とを得ることができる。図１２に示した構成であっても、コントローラは、状態検出部の故障を検知することができる。

また、蓄電器１，２が有する電流検出部１７は、蓄電器の外部に設けられていても良い。但し、この場合は、同期線２１が電流検出部１７にも接続され、電流検出部１７は、図３及び図１０に示したパルス信号３１の立ち上がりエッジを検出すると、状態検出部によるセル電圧の検出と同じタイミングで出力電流を検出する。

車両に搭載された第１の実施形態の蓄電器、電気駆動系の一部及び補機の関係を示すブロック図 第１の実施形態の蓄電器の内部構成を示すブロック図 第１の実施形態の蓄電器が有する４つの制御ユニットによるセル電圧検知の開始タイミングを示す図 セル電圧の第１のしきい値及び第２のしきい値とセル電圧の経時変化の一例を示すグラフ セルの概略内部構成とセル電圧及び出力電流とを示す図 セルの開放電圧とＳＯＣの関係を示す図 図１に示した蓄電器の他の実施形態の内部構成を示すブロック図 車両に搭載された第２の実施形態の蓄電器、電気駆動系の一部及び補機の関係を示すブロック図 第２の実施形態の蓄電器の内部構成を示すブロック図 第２の実施形態の蓄電器が有する４つの制御ユニットによるセル電圧検知の開始タイミングを示す図 １つの制御ユニットに、セル群に対して並列接続された２つの状態検出部が設けられた形態を示す図 状態検出部が、対応するグループに属するセル毎のセル電圧値と、メインとサブの関係にある他のグループに属するセル群の合計電圧値とを検出する形態を示す図 特開２００３−７０１７９号公報に開示された蓄電装置を示す図

符号の説明

１ 蓄電器
３ インバータ（ＩＮＶ）
５ モータ（ＭＯＴ）
７ ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣ）
９ バッテリ（１２Ｖ ＢＡＴＴ）
１１ コンタクタ
１３ マネジメントユニット（ＭＧＵ）
１５ ＣＡＮ通信線
Ｃ１〜Ｃ４０ リチウムイオン電池セル
ＭＳＷ 中点スイッチ
１７ 電流検出部
２０ａ マスタメインユニット
２０ｂ マスタサブユニット
２０ｃ スレーブメインユニット
２０ｄ スレーブサブユニット
２１ 同期線
２５ａ〜２５ｄ 状態検出部
２７ａ，２７ｂ シリアル通信線
２９ａ，２９ｂ コントローラ

Claims (14)

1. 複数のグループに分けられた、直列接続された複数の蓄電セルと、
   前記複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループの各蓄電セルのセル電圧を検出するセル電圧検出部を有する複数の制御ユニットと、を備える蓄電器であって、
   前記複数の制御ユニットが、それぞれが前記制御ユニットを複数含む複数の上位グループのいずれかに属し、
   １つの上位グループに属する複数の制御ユニットは、１つのメイン制御ユニット及び少なくとも１つのサブ制御ユニットから構成され、前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部は通信線によって接続され、前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部は、前記通信線を介してセル電圧の検出結果を前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部に送信し、
   前記メイン制御ユニットは、さらに、前記サブ制御ユニットのセル電圧検出部又は前記メイン制御ユニットのセル電圧検出部によって検出されたセル電圧に基づく制御を行う制御部を有し、前記複数の上位グループに属する各メイン制御ユニットの制御部はそれぞれ同期線によって接続され、
   前記メイン制御ユニットの制御部は、当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部及び当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記通信線を介して接続されたサブ制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示し、かつ、前記同期線を介して接続されたメイン制御ユニットの制御部に、前記同期線を介して前記指示を示す同期信号を送信することを特徴とする蓄電器。
2. 請求項１に記載の蓄電器であって、
   前記同期信号を受信したメイン制御ユニットの制御部は、当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部及び当該メイン制御ユニットのセル電圧検出部と前記通信線を介して接続されたサブ制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示することを特徴とする蓄電器。
3. 請求項１又は２に記載の蓄電器であって、
   １つの上位グループに１つのメイン制御ユニットと複数のサブ制御ユニットとが属する場合、各制御ユニットのセル電圧検出部はデイジーチェーン接続されていることを特徴とする蓄電器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電器であって、
   前記複数の上位グループは、前記制御ユニットを複数含む１つのマスタと、前記制御ユニットを複数含む少なくとも１つのスレーブとから構成され、
   前記マスタに属するメイン制御ユニットの制御部が、前記同期線を介して、前記同期信号を前記スレーブに属するメイン制御ユニットの制御部に送信することを特徴とする蓄電器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電器であって、
   当該蓄電器の出力電流を検出する出力電流検出部を備え、
   前記メイン制御ユニットの制御部が行うセル電圧の検出指示と同時又は当該指示から一定時間後に、当該制御部は、出力電流を検出するよう前記出力電流検出部に指示することを特徴とする蓄電器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電器であって、
   前記制御ユニットは、対応するグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出する電圧検出部を有することを特徴とする蓄電器。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電器であって、
   前記セル電圧検出部は、同一上位グループに属し、メインとサブの関係にある他のグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出することを特徴とする蓄電器。
8. 複数のグループに分けられた、直列接続された複数の蓄電セルと、
   前記複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループの各蓄電セルのセル電圧を検出するセル電圧検出部を有する複数の制御ユニットと、を備える蓄電器であって、
   前記制御ユニットは、前記セル電圧検出部によって検出されたセル電圧に基づく制御を行う制御部を有し、各制御ユニットの制御部はそれぞれ同期線によって接続され、
   前記制御ユニットの制御部は、当該制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示し、かつ、前記同期線を介して接続された他の制御ユニットの制御部に、前記同期線を介して前記指示を示す同期信号を送信することを特徴とする蓄電器。
9. 請求項８に記載の蓄電器であって、
   前記同期信号を受信した制御ユニットの制御部は、当該制御ユニットのセル電圧検出部に、対応するグループの蓄電セルのセル電圧を検出するよう指示することを特徴とする蓄電器。
10. 請求項８又は９に記載の蓄電器であって、
    当該蓄電器の出力電流を検出する出力電流検出部を備え、
    前記制御ユニットの制御部が行うセル電圧の検出指示と同時又は当該指示から一定時間後に、当該制御部は、出力電流を検出するよう前記出力電流検出部に指示することを特徴とする蓄電器。
11. 請求項８〜１０のいずれか一項に記載の蓄電器であって、
    前記制御ユニットは、対応するグループに属する直列接続された蓄電セル群の合計電圧を検出する電圧検出部を有することを特徴とする蓄電器。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の蓄電器と、
    当該蓄電器から負荷への電気経路を開閉するスイッチ部と、
    前記蓄電器が備える制御ユニットの制御部と通信可能であり、前記蓄電器が備えるいずれかの制御ユニットの制御部からの指示に応じて前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部と、を備えた電池システムであって、
    前記制御部は、前記蓄電器が備える蓄電セルのセル電圧が第１所定値以上のとき、前記スイッチ部をオフ制御して前記電気経路を開くよう前記スイッチ制御部に指示することを特徴とする電池システム。
13. 請求項１２に記載の電池システムであって、
    前記スイッチ部は、前記蓄電器が備えるメイン制御ユニットの制御部からの制御によって前記電気経路を開閉し、
    前記制御部は、前記蓄電器が備える蓄電セルのセル電圧が前記第１所定値よりも値の大きな第２所定値以上のとき、前記電気経路を開くよう前記スイッチ部を制御することを特徴とする電池システム。
14. 請求項１２又は１３に記載の電池システムであって、
    前記蓄電器は、各グループの蓄電セル周辺の温度を測定する温度測定部を有し、
    前記蓄電器が備えるメイン制御ユニットの制御部は、前記温度測定部によって測定された温度がしきい値以上となったとき、前記スイッチ部をオフ制御して前記電気経路を開くよう前記スイッチ制御部に指示することを特徴とする電池システム。

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