JP2010203993A - 組電池の状態監視装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで1の監視ユニットによる電池セルの状態の監視結果を別の監視ユニットを介してマイコン12に取り込むものにあって、上記監視結果の取得に要する時間が長期化すること。
【解決手段】監視ユニットU1〜U(n−1)は、状態の監視結果を監視ユニットUnを介して論理合成部20に出力する一方、監視ユニットU2n〜(n+2)は、状態の監視結果を監視ユニットU(n+1)を介して論理合成部20に出力する。論理合成部20では、これら一対の出力信号を論理合成し、これをフォトカプラ30を介してマイコン12に出力する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数個の電池セルの直列接続体としての組電池を構成する1又は隣接する複数個の電池セルである単位電池について、該単位電池の状態を監視する監視ユニットを複数備えて且つ、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで、1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットを介して取得手段に出力する組電池の状態監視装置に関する。
この種の状態監視装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、最高電位の監視ユニットに、電池セルの過充電状態の検出及び過放電状態の検出のいずれかの処理を行う旨の指示信号が出力されることで、高電位側の監視ユニットから隣接する低電位側の監視ユニットへと順に指示信号を出力し、監視ユニットの全てに指示信号を伝達させるものも提案されている。各監視ユニットでは、指示信号に応じた処理を行い、その処理結果と、隣接する高電位側の監視ユニットから入力される信号との合成信号を生成して隣接する低電位側の監視ユニットに出力する。これにより、最低電位の監視ユニットから出力される信号は、上記指示信号に応じた処理についての全電池セルの結果を合成した信号となる。このため、この信号によって、少なくとも1つの電池セルに過充電異常や過放電異常があるか否かを判断することができる。
特開2007−278913号公報
ところで、上記状態監視装置の場合、高電位側の監視ユニットから低電位側の監視ユニットへと順に監視結果を出力することで全電池セルについての監視結果を合成する処理を行うため、監視結果の取得に要する時間が長期化するおそれがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで1の監視ユニットによる単位電池の状態の監視結果を別の監視ユニットを介して取得するものにあって、上記監視結果の取得に要する時間を短縮することのできる組電池の状態監視装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項1記載の発明は、複数個の電池セルの直列接続体としての組電池を構成する1又は隣接する複数個の電池セルである単位電池について、該単位電池の状態を監視する監視ユニットを複数備えて且つ、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで、1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットを介して取得手段に出力する組電池の状態監視装置において、前記取得手段に前記監視結果を出力する監視ユニットである前記別の監視ユニットを複数備え、前記別の監視ユニット毎に、該別の監視ユニットを介して前記状態の監視結果を出力する前記1の監視ユニットは、隣接するもの同士が信号線を介して接続されており、前記1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットへと取り込むための信号の伝達は、前記信号線を介して行われることを特徴とする。
上記発明では、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝播させることで、1の監視ユニットによる状態の監視結果を別の監視ユニットを介して取得手段に出力するために、監視ユニット及び取得手段間の通信線の数を低減することなどができる。特に、1の監視ユニットと別の監視ユニットとが隣接するものでない場合であっても、信号線を用いて隣接する監視ユニットに信号を伝播させる処理を通じて最終的に別の監視ユニットに信号を伝達させるため、各監視ユニットの耐圧を極力低減することができる。ただしこの場合、監視ユニットの数が多くなるほど、取得手段が監視結果を取得するまでに要する時間が長期化する。この点、上記発明では、取得手段に監視結果を出力する監視ユニットを複数とするため、信号伝達の上流に位置する各監視ユニットは、いずれの監視ユニットを介して監視結果を取得手段に出力するかによってグループ化される。すなわち、信号の伝達経路が複数に分割される。これにより、監視結果を取得手段が取得するまでに要する時間を極力低減することができる。
なお、上記「隣接する監視ユニット」とは、組電池との接続箇所によって定まる電位が互いに隣接する監視ユニットのこととする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記別の監視ユニットの出力信号同士を合成する出力信号合成手段を備え、前記取得手段は、前記合成された出力信号を取得することを特徴とする。
上記発明では、出力信号合成手段を備えるために、監視結果に関する信号を取り込むための取得手段の入力端子数を低減することができる。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記取得手段は、絶縁手段を介して前記合成された出力信号を取得することを特徴とする。
上記発明では、出力信号合成手段を備えるために、別の監視ユニットの出力信号のそれぞれを絶縁手段を介してそれぞれ取得する場合と比較して、絶縁手段の数を低減することができる。
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の発明において、前記別の監視ユニットが互いに隣接する一対の監視ユニットからなることを特徴とする。
上記発明では、別の監視ユニットが隣接する一対の監視ユニットであるために、これら一対の監視ユニットの出力信号の電位を極力近似させることができる。このため、出力信号合成手段の耐圧を極力低下させることができる。
請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記各監視ユニットは、前記状態の監視に関する複数の処理のいずれかを指示する指示信号を取り込む手段を備えて且つ、該指示信号によって指示された処理の結果を前記監視結果として出力するものであり、前記指示信号は、前記互いに相違する別の監視ユニットを介して前記取得手段に監視結果を出力する監視ユニット同士で前記複数の処理を行う頻度が異なるように設定されることを特徴とする。
組電池は大きなスペースを占める傾向にあることから、温度分布を有するなど、部分部分で環境条件の相違が生じえる。そしてこの場合には、状態の監視処理のそれぞれを行うのに適した頻度が部分部分で相違することがある。上記発明では、この点に鑑み、複数の処理を行う頻度を相違させることで、各監視処理をより適切に行うことができる。
請求項6記載の発明は、請求項1又は5記載の発明において、前記取得手段は、各別の絶縁手段を介して前記別の監視ユニットのそれぞれの出力信号を取り込むものであり、前記別の監視ユニットが互いに隣接する一対の監視ユニットを含んで且つ、該一対の監視ユニットのそれぞれの監視対象となる単位電池間に、これらの間を導通及び遮断する開閉器が設けられてなることを特徴とする。
上記発明では、開閉器を備えることで、組電池を分割することができる。このため、メンテナンス時等において、開閉器を開状態としつつ作業を行うことで、組電池の両端に何らかの導体又は絶縁性の低い部材が接触したとしても、組電池と上記導体等によって閉ループ回路が構成されることを回避することが可能となる。ただし、上記発明のように隣接する監視ユニット間が信号線を介して接続される構成の場合、監視ユニット及び信号線が開閉器の迂回経路となるおそれがある。この点、上記発明では、開閉器が、互いに信号の授受を行わない一対の監視ユニットの監視対象とする単位電池間に設けられるために、こうした問題を回避することができる。
請求項7記載の発明は、複数個の電池セルの直列接続体としての組電池を構成する1又は隣接する複数個の電池セルである単位電池について、該単位電池の状態を監視する監視ユニットを複数備えて且つ、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで、1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットを介して取得手段に出力する組電池の状態監視装置において、前記取得手段に監視結果を出力する監視ユニットである前記別の監視ユニットを複数備え、前記別の監視ユニットの出力信号同士を合成する出力信号合成手段を更に備え、前記取得手段は、前記合成された出力信号を取得することを特徴とする。
上記発明では、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達させることで、1の監視ユニットによる状態の監視結果を別の監視ユニットを介して取得手段に出力するために、監視ユニット及び取得手段間の通信線の数を低減することなどができる。ただしこの場合、監視ユニットの数が多くなるほど、監視結果を取得手段が取得するまでに要する時間が長期化する。この点、上記発明では、取得手段に監視結果を出力する監視ユニットを複数とするため、信号伝達の上流に位置する各監視ユニットは、いずれの取得手段を介して監視結果を取得手段に出力するかによってグループ化される。すなわち、信号の伝達経路が複数に分割される。これにより、監視結果を取得手段が取得するまでに要する時間を極力低減することができる。更に、上記発明では、出力信号合成手段を備えるために、監視結果に関する信号を取り込むための取得手段の入力端子数を低減することができる。
請求項8記載の発明は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の発明において、前記隣接する監視ユニット同士は、前記信号線とは別に、前記状態の監視を指示する指示信号を伝達させるための電気経路にて接続されており、前記別の監視ユニットのそれぞれにとっての前記信号の伝達に関する最上流の監視ユニットに前記指示信号が出力されることで、前記電気経路を介して前記別の監視ユニットまで指示信号を伝達するようにしたことを特徴とする。
上記発明では、別の監視ユニットによってグループ化された監視ユニットは、最上流の監視ユニットを除いて、上流の監視ユニットから指示信号を受け取る構成のため、指示信号を出力する手段から監視ユニットの全てに直接指示信号を出力する場合と比較して、上記出力する手段及び監視ユニット間の電気経路の数を低減することができる。
請求項9記載の発明は、請求項1〜8のいずれか1項に記載の発明において、前記監視ユニットは、前記単位電池の状態を監視し、その結果に応じた監視結果信号を生成する監視手段を備え、前記監視ユニットのうち前記信号の伝達に関する最上流以外の監視ユニットは、上流の監視ユニットから入力される信号と前記監視結果信号との合成信号を生成して出力することを特徴とする。
上記発明では、取得手段が、少ない数の信号によって監視結果に関する情報を取得することができる。
請求項10記載の発明は、請求項9記載の発明において、前記単位電池が複数の電池セルからなり、前記監視手段は、監視対象の単位電池を構成する複数の電池セルのそれぞれの状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果を合成する検出結果合成手段とを備え、該検出結果合成手段の出力を前記監視結果信号とすることを特徴とする。
上記発明では、各電池セルの状態を監視しつつも、これら監視結果を伝達するための信号数を低減することができる。
第1の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる高電位側の監視ユニットの回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる検出部の回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる検出合成部の回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる合成部の回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる低電位側の監視ユニットの回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる異常判断手法を示す図。 第2の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる状態監視処理の手法を示すタイムチャート。 第3の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる高電位側の監視ユニットの回路構成を示す回路図。 同実施形態の効果を示す図。 上記各実施形態の変形例にかかるシステム構成図。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる組電池の状態監視装置をハイブリッド車に搭載される組電池の状態監視装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。
組電池10は、複数(ここではm×2n個)のリチウム2次電池(電池セルB11〜B(2n)m)の直列接続体である。組電池10は、車載高圧バッテリを構成するものであり、ブレーキ時の制動エネルギ等を車載発電機により電力回収する際の受け皿として機能するとともに、蓄えた電力を、DC−DCコンバータを介して低圧(例えば「12V」)の車載バッテリに供給するものである。また、組電池10は、車両加速時にはモータでエンジンをアシストする際の電力供給源として機能する。
一方、状態監視装置は、「m(≧2)」個ずつの電池セルB11〜B1m,…,B(2n)1〜B(2n)mを1つのブロックとして、ブロックの状態を監視する監視ユニットU1〜U2nを備えている。これら各監視ユニットUi(i=1〜2n)は、クロック信号CLKを取り込むクロック入力端子T1と、クロック信号CLKを電流に変換して出力するクロック出力端子T2と、隣接する監視ユニットの出力信号を取り込む入力端子T3と、出力信号を出力する出力端子T4とを備えている。
これら監視ユニットUiは、隣接する監視ユニットとの間で信号の授受を行う2つのグループである監視ユニットU1〜Unと監視ユニットU(n+1)〜U2nとにグループ化されている。
そしてマイクロコンピュータ(マイコン12)は、組電池10の各電池セルB11〜B(2n)mの所定の状態を監視させる旨の指示信号としてのクロック信号CLKを、監視ユニットU1及び監視ユニットU2nに出力することで、監視ユニットU1〜U2nの全てに対しクロック信号CLKを伝達させる。詳しくは、シリアルラインL1及びフォトカプラ14を介して、最上流の監視ユニットU1のクロック入力端子T1にクロック信号CLKを出力するとともに、シリアルラインL2及びフォトカプラ17を介して、最上流の監視ユニットU2nにクロック信号CLKを出力する。ここで、フォトカプラ14,17は、マイコン12を備えて構成される車載低圧システムと、組電池10を備えて構成される車載高圧システムとを絶縁するための手段である。なお、マイコン12の出力信号の論理値と、フォトカプラ14,17の出力信号の論理値とは互いに逆であるが、以下では、説明の便宜上、クロック信号CLKの論理値を、フォトカプラ14の出力信号の論理値と定義する。
クロック信号CLKが取り込まれると、各監視ユニットUiは、各電池セルBi1〜Bimの状態のうちクロック信号CLKの論理値に応じた状態を監視する。ここで、本実施形態では、論理「H」のときには、各電池セルBi1〜Bimの両端の電圧が、電池セルBi1〜Bimの信頼性の低下を招く過度な高圧である異常状態(過充電状態)にあるか否かを監視する。また、論理「L」のときには、各電池セルBi1〜Bimの両端の電圧が、電池セルBi1〜Bimの信頼性の低下を招く過度な低圧である異常状態(過放電状態)にあるか否かを監視する。そして、監視結果に応じた信号と、隣接する上流の監視ユニットの出力信号との合成信号を出力端子T4から出力する。
詳しくは、上記フォトカプラ14の受光素子のコレクタは、組電池10の正極側と接続されており、受光素子のエミッタからクロック信号CLKが監視ユニットU1のクロック入力端子T1に出力される。更に、組電池10の正極側と、電池セルB11〜B1mの負極側との間に、コレクタ及びエミッタが接続されるトランジスタ16が備えられており、そのベースには、クロック信号CLKに応じた信号が取り込まれる。これにより、最上流の監視ユニットU1の入力端子T3には、電池セルB11〜Bnmの状態が正常である旨と対応する信号として、トランジスタ16のコレクタ電圧が印加される。そして、最上流の監視ユニットU1では、入力端子T3に印加される信号と、監視結果とを論理合成した信号を生成し、出力端子T4を介して出力する。
そして、最上流以外の各監視ユニットU2、U3…、Unは、隣接する上流の監視ユニットのクロック出力端子T2から出力される信号を、クロック線CL及びクロック入力端子T1を介して取り込む。また、隣接する上流の監視ユニットの出力端子T4から出力される出力信号を、信号線SL及び入力端子T3を介して取り込む。そして、クロック入力端子T1から取り込まれる信号に応じて、上記2つの状態のいずれか一方を監視し、監視結果に応じた信号と、入力端子T3から取り込まれた信号とを論理合成した信号を生成し、出力端子T4を介して出力する。
一方、上記フォトカプラ17の受光素子のコレクタは、ブロック(電池セルB(2n)1〜B(2n)m)の正極側と接続されており、受光素子のエミッタからクロック信号CLKが監視ユニットU(2n)のクロック入力端子T1に出力される。更に、上記ブロックの正極側と負極側との間に、コレクタ及びエミッタが接続されるトランジスタ18が備えられており、そのベースには、クロック信号CLKに応じた信号が取り込まれる。これにより、最上流の監視ユニットU2nの入力端子T3には、電池セルB(2n)1〜B(2n)mの状態が正常である旨と対応する信号として、トランジスタ18のコレクタ電圧が印加される。そして、最上流の監視ユニットU2nでは、入力端子T3に印加される信号と、監視結果とを論理合成した信号を生成し、出力端子T4を介して出力する。
そして、最上流以外の各監視ユニットU(2n−1)、U(2n−2)…、U(n+1)は、隣接する上流の監視ユニットのクロック出力端子T2から出力される信号を、クロック線CL及びクロック入力端子T1を介して取り込む。また、隣接する上流の監視ユニットの出力端子T4から出力される出力信号を、信号線SL及び入力端子T3を介して取り込む。そして、クロック入力端子T1から取り込まれる信号に応じて、上記2つの状態のいずれか一方を監視し、監視結果に応じた信号と、入力端子T3から取り込まれた信号とを論理合成した信号を生成し、出力端子T4を介して出力する。
そして、上記一対の最下流の監視ユニットUn、U(n+1)の出力信号は、論理合成部20によって論理合成された後、フォトカプラ30及びシリアルラインL3を介してマイコン12に取り込まれる。
図2に、高電位側の監視ユニットUj(j=1〜n)の構成を示す。
図示されるように、クロック入力端子T1から取り込まれるクロック信号CLKは、トランジスタ71のベースに入力される。トランジスタ71のベース及びエミッタ間には、抵抗体72が接続されている。トランジスタ71のコレクタは、抵抗体73を介して、ブロック(電池セルBj1〜Bjm)の正極側と接続されており、エミッタは、ブロックの負極側に接続されている。また、トランジスタ71のコレクタは、抵抗体74,75を介してブロックの負極側に接続されている。更に、トランジスタ71のコレクタには、トランジスタ77のベースが接続されている。このトランジスタ71のエミッタは、抵抗体76を介してブロックの正極に接続されており、またコレクタは、クロック出力端子T2と接続されている。これにより、クロック入力端子T1から取り込まれるクロック信号CLKが、クロック出力端子T2を介して下流の監視ユニットU(j+1)へと出力される。
また、ブロック内のm個の電池セルBj1〜Bjmのそれぞれの状態は、検出部40によって検出され、検出結果が2つの信号に集約されて検出合成部50に出力される。検出合成部50では、集約された2つの信号と、クロック信号CLKとを論理合成することで、単一の監視結果信号を生成し、これを合成部60に出力する。合成部60には、監視結果信号に加えて、クロック入力端子T1から取り込まれるクロック信号CLK(トランジスタ71のコレクタ電圧)と、入力端子T3から取り込まれる上流の監視ユニットU(j+1)の出力信号とが取り込まれる(ただし、監視ユニットU1については、入力端子T3から、先の図1に示したトランジスタ16のコレクタ電圧が取り込まれる)。詳しくは、入力端子T3は、トランジスタ78のベースに接続されている。このトランジスタ78のエミッタ及びベース間には、抵抗体79が接続されており、コレクタには、抵抗体80を介してブロックの正極が接続され、エミッタにはブロックの負極が接続されている。これにより、ベースに入力される信号に応じて、抵抗体80、コレクタ及びエミッタを介してブロックの正極側から負極側に電流が流れるようになっている。そして、コレクタの電位が、合成部60に取り込まれる。
合成部60では上記3つの信号が論理合成され、論理合成された信号は、トランジスタ81のベースに出力される。このトランジスタ81のエミッタは、抵抗体82を介してブロックの正極側に接続されており、コレクタは、出力端子T4と接続されている。このため、合成部60の出力信号(電圧信号)は、トランジスタ81によって電流信号に変換されて、外部へと出力されることとなる。
図3に、検出部40の構成を示す。
検出部40は、各電池セルBj1〜Bjm毎に、その両端の電圧を閾値電圧と比較するコンパレータ41を備えている。コンパレータ41の反転入力端子には、各電池セルBj1〜Bjmの負極電位を基準とする基準電圧源42の基準電圧Vrefが印加されている。一方、コンパレータ41の非反転入力端子には、各電池セルBj1〜Bjmの両端の電圧の所定の分圧が印加される。そして、この分圧と基準電圧Vrefとによって、閾値電圧が設定されるようになっている。
具体的には、各電池セルBijの両端には、抵抗43,44の直列接続体が接続されており、これら抵抗43及び抵抗44の接続点であるノードN1がコンパレータ44の非反転入力端子と接続されている。また、各電池セルBj1〜Bjmの正極側には、トランジスタ46のエミッタが接続されており、トランジスタ46のコレクタが抵抗45を介してノードN1と接続されている。そして、トランジスタ46のベースは、ダイオード47、スイッチング素子SWのコレクタ及びエミッタを介して、電池セルBj1〜Bjmの負極側と接続されている。
スイッチング素子SWは、クロック信号CLKに応じて駆動される。すなわち、上記クロック入力端子T1は、抵抗74,75を介して電池セルBj1〜Bjmの負極側と接続されており、抵抗74,75の接続点がスイッチング素子SWのベースと接続されることで、クロック信号CLKが論理「L」であるときに、スイッチング素子SWが導通状態となる。これにより、トランジスタ46がオンとなるため、ノードN1の電圧が変化する。これは以下の理由による。
今、抵抗43,44,45の抵抗値をそれぞれ抵抗値R1,R2,R3とし、各電池セルBj1〜Bjmの両端の電圧値を電圧Vとする。このとき、トランジスタ46がオフ状態であるときには、ノードN1の電圧は、「V×R2/(R1+R2)」となる。一方、トランジスタ46がオン状態となると、ノードN1の電圧は、「V×R2/{R1×R3/(R1+R3)+R2}」となる。このように、トランジスタ46がオンとなることで、非反転入力端子に入力される値が上昇する。このため、トランジスタ46をオンさせることで、各電池セルBj1〜Bjmの両端の電圧と比較する閾値電圧を低下させるのと同一の効果を得ることができる。そして、本実施形態では、クロック信号CLKが論理「L」であるときの閾値電圧を、上記過放電状態と対応する電圧とする。また、クロック信号CLKが論理「H」であるときの閾値電圧を、上記過充電状態と対応する電圧とする。
上記「m」個の各コンパレータ41の出力から、OR回路48によって、それらの論理和信号が生成されるとともに、AND回路49によって、それらの論理積信号が生成される。そして、これら論理和信号及び論理積信号が、上記検出合成部50に出力される。
図4(a)に、検出合成部50の構成を示す。ここでは、検出合成部50に、クロック信号CLKの論理反転信号である抵抗体73及び抵抗体74の分圧値が入力されることに鑑み、クロック信号CLKの論理反転信号CLK/を記載している。検出合成部50は、上記OR回路48の論理反転信号と上記AND回路49の論理反転信号との論理積信号a1を生成するAND回路52と、クロック信号CLKの論理反転信号と上記AND回路49の出力の論理反転信号との論理積信号a2を生成するAND回路54と、クロック信号CLKの論理反転信号と上記OR回路48の出力の論理反転信号との論理積信号a3を生成するAND回路56とを備えている。そして、OR回路58では、これら論理積信号a1〜a3の論理和信号OUT1を生成する。
図4(b)に、上記クロック信号CLK、AND回路49の論理積信号AND、OR回路48の論理和信号OR、論理積信号a1〜a3、論理和信号OUT1の関係を示す。図示されるように、クロック信号CLKが論理「L」である過放電状態検出時において、論理和信号OUT1が論理「H」であるときには、電池セルBj1〜Bjmの全てが過放電ではなく正常であることを意味する。また、同過放電検出時において、論理和信号OUT1が論理「L」であるときには、電池セルBj1〜Bjmのうち少なくとも1つが過放電状態であるか、監視ユニットUjに異常があるかのいずれかであることを意味する。
一方、クロック信号CLKが論理「H」である過充電検出時において論理和信号OUT1が論理「L」であるときには、電池セルBj1〜Bjmの全てが過充電ではなく正常であることを意味する。また、同過充電検出時において、論理和信号OUT1が論理「H」であるときには、電池セルBj1〜Bjmのうち少なくとも1つが過充電状態であるか、監視ユニットUjに異常があるかのいずれかであることを意味する。
論理和信号OUT1は、1つのブロック内の電池セルBj1〜Bjmの状態の監視結果を示す監視結果信号であり、これに上記入力端子T3から取り込まれる信号が、上記合成部60にて論理合成される。
図5(a)に、合成部60の構成を示す。ここでは、合成部60に、クロック信号CLKの論理反転信号である抵抗体73及び抵抗体74の分圧値が入力されることに鑑み、クロック信号CLKの論理反転信号CLK/を記載している。
合成部60は、上記論理和信号OUT1と上記入力端子T3から取り込まれる入力信号INとの論理積信号b1を生成するAND回路62と、クロック信号CLKの論理反転信号と上記入力端子T3から取り込まれる入力信号INとの論理積信号b2を生成するAND回路64と、クロック信号CLKの論理反転信号と上記論理和信号OUT1の論理積信号b3を生成するAND回路56とを備えている。そして、OR回路68では、これら論理積信号b1〜b3の論理和信号である出力信号OUT2を生成する。
図5(b)に、上記クロック信号CLK、入力端子T3から取り込まれる入力信号IN、論理和信号OUT1、論理積信号b1〜b3、出力信号OUT2の関係を示す。図示されるように、クロック信号CLKが論理「L」である過放電状態検出時において、出力信号OUT2が論理「H」であるときには、当該監視ユニットUi及びその上流の監視ユニットU(j−1)の監視対象とする電池セルの全てが過放電ではなく正常であることを意味する。また、同過放電検出時において、出力信号OUT2が論理「L」であるときには、上記監視対象とする電池セルのうち少なくとも1つが過放電状態であるか、監視ユニットに異常があるかのいずれかであることを意味する。
一方、クロック信号CLKが論理「H」である過充電検出時において出力信号OUT2が論理「L」であるときには、当該監視ユニットUj及びその上流の監視ユニットU(j−1)の監視対象とする電池セルの全てが過充電ではなく正常であることを意味する。また、同過充電検出時において、出力信号OUT2が論理「H」であるときには、上記監視対象とする電池セルのうち少なくとも1つが過充電状態であるか、監視ユニットに異常があるかのいずれかであることを意味する。
図6に、低電位側の監視ユニットUk(k=n+1〜2n)の構成を示す。なお、図6において、先の図2に示した部材に対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
図示されるように、本実施形態でも、検出部40、検出合成部50及び合成部60を備えている点に関しては、高電位側の監視ユニットUjと同一である。ただし、低電位側の監視ユニットUkは、隣接する高電位側の監視ユニットU(k−1)に信号を伝達する機能を有するために、信号の入出力手段の構成が監視ユニットUjと相違している。
監視ユニットUkのクロック入力端子T1には、トランジスタ90のベースが接続されている。トランジスタ90のエミッタ側は、ブロックの正極側に接続されて且つエミッタ及びベース間には、抵抗体91が接続されている。そして、トランジスタ90のコレクタは、抵抗体92,93,94を介してブロックの負極側に接続されているとともに、抵抗体92、95を介してもブロックの負極側に接続されている。ここで、抵抗体93,94の接続点の電位は、先の図2に示した抵抗体74,75の接続点の電位に対応するものであり、検出部40に取り込まれる。一方、抵抗体92,95の接続点は、トランジスタ96のベースに接続されている。トランジスタ96のエミッタは、抵抗体97を介してブロックの負極側に接続され、トランジスタ96のコレクタは、クロック出力端子T2に接続されている。
また、入力端子T3は、トランジスタ100のベースに接続されている。トランジスタ100のエミッタ及びベース間には、抵抗体101が接続され、エミッタがブロックの正極側に接続されている。また、トランジスタ100のコレクタは、抵抗体102を介してブロックの負極側に接続されており、トランジスタ100のコレクタ電圧は、合成部60に入力されている。合成部60の出力信号は、トランジスタ98のベースに出力される。トランジスタ98のエミッタは、抵抗体99を介してブロックの負極側に接続されており、トランジスタ98のコレクタは、出力端子T4に接続されている。
こうした構成とすることで、先の図1に示したマイコン12によって、シリアルラインL1、L2を介してクロック信号CLKを出力することで、過充電状態及び過放電状態の2つの状態のいずれかを監視するように指示することができる。そして、マイコン12では、監視結果を、シリアルラインL3を介して取り込むことができる。
ここで本実施形態では、先の図1に示したように、監視ユニットUnの出力信号及び監視ユニットU(n+1)の出力信号を論理合成部20にて合成する。論理合成部20は、監視ユニットUnのクロック出力端子T2及び出力端子T4から出力される一対の信号の排他的論理和信号を生成するXOR回路22を備えている。また、監視ユニットU(n+1)のクロック出力端子T2及び出力端子T4から出力される一対の信号の排他的論理和信号を生成するXOR回路24を備えている。更に、これらXOR回路22,24の出力信号の否定論理積信号を生成するNAND回路26を備え、NAND回路26の出力信号が論理合成部20の出力信号となる。
ちなみに、XOR回路22,24及びNAND回路26は、監視ユニットUn,U(n+1)の監視対象とする一対のブロックを電源とするものである。また、XOR回路22は、その入力端子が抵抗体を介して監視ユニットU(n+1)の監視対象ブロックの負極にプルダウンされており、また、XOR回路24は、その入力端子が抵抗体を介して監視ユニットUnの監視対象ブロックの正極にプルアップされている。
上記監視ユニットUn,U(n+1)の監視対象とする一対のブロックの正極及び負極間には、フォトカプラ30のフォトダイオード及びトランジスタ28の直列接続体が並列接続されている。そして、トランジスタ28のベースに、論理合成部20の出力信号が印加される。このため、論理合成部20の出力信号が論理「H」である場合に、フォトカプラ30がオン状態となり、シリアルラインL3を介して論理「L」信号がマイコン12に取り込まれ、論理合成部20の出力信号が論理「L」である場合に、フォトカプラ30がオフ状態となり、シリアルラインL3を介して論理「H」の信号がマイコン12に取り込まれる。
こうした構成によれば、マイコン12からシリアルラインL1,L2に出力されるクロック信号CLKの論理値を同一とすることで、電池セルB11〜B(2n)mの状態監視結果に関する情報を取得することができる。これは、マイコン12の出力信号(クロック信号CLK)とマイコン12の入力信号との関係(図7)に基づき行われる。この際、マイコン12では、クロック信号CLKの出力論理値を反転させた後、最下流の監視ユニットUn、U(n+1)の双方に反転信号が伝達されるのに要すると想定される規定時間だけ待機した後に監視結果を取り込むようにする。この規定時間は、予め実験等に基づき適合されるものである。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)監視ユニットUiを高電位側の監視ユニットUjと低電位側の監視ユニットUkとの2つのグループにグループ分けし、監視ユニットUnと監視ユニットU(n+1)とのそれぞれを介してマイコン12に監視結果を出力した。ここで各グループが隣接する監視ユニットを介して信号を伝達するために、各監視ユニットUiの耐圧を極力低減することができる。また、2つのグループとすることで、監視結果を取得するまでに要する時間を極力低減することもできる。
(2)監視ユニットUnの出力信号と監視ユニットU(n+1)の出力信号とを論理合成する論理合成部20を備えた。これにより、シリアルラインL3を介してマイコン12に監視結果を出力することができる。また、電位的に隣接する監視ユニットUn,U(n+1)の出力信号を合成することで、論理合成部20に要求される耐圧を極力低減することもできる。
(3)論理合成部20の出力信号をフォトカプラ30を介してマイコン12に出力した。このように、フォトカプラ30の上流に論理合成部20を備えることで、高圧システム及び低圧システム間を絶縁する手段の数を低減することができる。
(4)監視ユニットUn,U(n+1)のそれぞれにとっての監視結果信号の伝達に関する最上流の監視ユニットU1,U2nにクロック信号CLKが出力されることで、クロック線CLを介して監視ユニットUn,U(n+1)までクロック信号CLKを伝達するようにした。これにより、最上流の監視ユニットU1,U2nを除いて、上流の監視ユニットからクロック信号CLKを受け取る構成のため、マイコン12から監視ユニットUiの全てにクロック信号CLKを直接出力する場合と比較して、上記マイコン12及び監視ユニットUi間の電気経路の数を低減することができる。
(5)監視ユニットUiに、監視対象ブロックの各電池セルの状態監視結果に応じた信号を生成する手段を備え、監視結果信号の伝達に関する最上流以外の監視ユニットは、上流の監視ユニットから入力される信号と上記状態監視結果に応じた信号との合成信号を生成して出力するようにした。これにより、少ない数の信号によって監視結果に関する情報を取得することができる。
(6)監視ユニットUiに、監視対象ブロックの各電池セルの状態監視結果を合成する手段(OR回路48、AND回路49、検出合成部50)を備えた。これにより、各電池セルの状態を監視しつつも、これら監視結果を伝達するための信号数を低減することができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図8に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。
図示されるように、本実施形態では、監視ユニットUn、U(n+1)がそれぞれ各別に出力信号をマイコン12に出力する。詳しくは、監視ユニットUnの監視対象ブロックの正極及び負極間には、フォトカプラ110のフォトダイオードとトランジスタ112との直列接続体が並列接続されており、監視ユニットUnの出力信号は、トランジスタ112に出力される。これにより、フォトカプラ110のフォトトランジスタを介してマイコン12に監視ユニットUnの出力信号が入力される。一方、監視ユニットU(n+1)の監視対象ブロックの正極及び負極間には、フォトカプラ114のフォトダイオード及びトランジスタ116の直列接続体が並列接続されており、監視ユニットU(n+1)の出力信号は、トランジスタ116に出力される。これにより、フォトカプラ114のフォトトランジスタを介してマイコン12に監視ユニットU(n+1)の出力信号が入力される。
こうした構成によれば、マイコン12では、シリアルラインL1、L2に各別のクロック信号を出力することも可能となる。このため、過充電検出及び過放電検出の検出頻度を相違させることが可能となる。
ここで、本実施形態では、図示されるように、高電位側が高温側であり、低電位側が低温側である例を示している。これは、組電池10が車両において大きな配置スペースを占有することに起因したものである。すなわち、車両内は温度分布を有する傾向にあるため、組電池10にも温度分布が生じる。そして、電池セルB11〜B(2n)mは、温度に応じてその状態が相違し易い傾向がある。すなわち例えば、高温であるほど電池セルB11〜B(2n)mの内部抵抗が小さいために充電効率が上昇することなどから、過充電が生じ易い傾向にある。このため、高温であるほど過充電検出の頻度を高くする要求が生じる。
そこで本実施形態では、図9に示すように、高温側(図8の例の場合、高電位側)の監視ユニットUjのクロック信号CLKについては、過充電異常検出を指示する頻度を増加させるべく論理「H」の期間を長くする。これに対し、低温側(低電位側)の監視ユニットUkのクロック信号CLKが論理「H」となる期間の割合を、高温側よりも小さくする。これにより、高温側の監視ユニットUjでは、低温側の監視ユニットUkよりも、過充電検出の期間の割合を大きくすることができる。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)、(4)〜(6)の各効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(7)高電位側の監視ユニットUj及び低電位側の監視ユニットUk同士で、複数の処理を行う頻度(期間の割合)が異なるように設定した。これにより、各監視処理をより適切に行うことができる。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図10に、本実施形態のシステム構成を示す。
本実施形態では、監視ユニットUnの監視対象ブロックと監視ユニットU(n+1)の監視対象ブロックとの間に、サービスプラグ130を接続した。ここで、サービスプラグ130は、メンテナンス時において作業を安全に行う等の目的で組電池10を分割するための安全開閉器である。サービスプラグ130は、手動で開閉操作することが可能な開閉器となっている。
ここで本実施形態では、監視ユニットUnと監視ユニットU(n+1)とが各別にマイコン12に信号を出力するものであるため、これら監視ユニットUn,U(n+1)同士は、組電池10以外に電気的な接続手段を持たない。このため、サービスプラグ130を的確に機能させることが可能となる。以下、これについて説明する。
上記各監視ユニットUiは、それぞれが集積回路(IC)としてチップ化されて構成されている。そしてこの場合、各監視ユニットUiを極力小型化するなどの目的から、各監視ユニットUiの耐圧は、各ブロック内の電池セルBi1〜Bimの電圧に応じて設定されている。しかし、この場合、例えば状態監視装置の製造時等において、各監視ユニットUiを互いに接続する際等に、監視ユニットUiの端子が何らかの部材と接触する際に静電気が生じることで、監視ユニットUiの端子に耐圧を超える電圧が印加されるおそれがある。このため、本実施形態では、監視ユニットUiの各端子に、監視ユニットUiの内部の回路(素子)を静電気に起因する過電圧の印加から保護する保護機能を設けている。図11に、こうした保護機能の一部を模式的に示す。図11(a)には、監視ユニットUj側において、出力端子T4側から対象ブロックの正極側へと進む方向を順方向とするダイオードD1を例示している。これは、出力端子T4に高電位の部材が接触した場合であっても、出力端子T4及びブロックの正極間の電位差を、ダイオードD1の電圧降下程度に制限するためのものである。また、図11(b)には、監視ユニットUk側において、ブロックの負極側から出力端子T4側へと進む方向を順方向とするダイオードD2を例示している。このダイオードD2は、出力端子T4が低電位のものに接触した場合であっても、出力端子及びブロックの負極間の電位差を、ダイオードD2の電圧降下量程度に制限するためのものである。
上記のような保護機能を備える場合、これがサービスプラグ130の迂回経路を構成するおそれがある。ただし、本実施形態のように、監視ユニットUn,U(n+1)間での信号の授受がない構成の場合、図12に示すように、これら監視ユニットUn,U(n+1)間が開状態となるため、迂回経路が形成されることを好適に回避することができる。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)、(4)〜(6)や先の第2の実施形態の上記(7)の各効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(8)監視ユニットUnの監視対象とするブロックと監視ユニットU(n+1)の監視対象とするブロックとの間に、サービスプラグ130を備えた。これにより、監視ユニットUi同士の通信機能を備える場合であっても、この通信のための電気経路がサービスプラグ130の迂回経路となる事態を好適に回避することができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記第1の実施形態において、論理合成部20の構成としては、先の図1に例示したものに限らない。例えば、NAND回路26に代えて、AND回路を用いてもよい。
・上記各実施形態では、監視ユニットUiの数を偶数としたがこれに限らない。ここでも、上記第1の実施形態において監視ユニットUiの数を奇数とする場合、監視ユニットUn、U(n+1)の双方の出力信号がクロック信号CLKによって指示されたものに応じたものとなったと想定される時間だけ待機した後、フォトカプラ30を介して取り込まれる信号を監視結果とする。
・上記第1の実施形態では、監視ユニットUn、U(n+1)の双方の出力信号がクロック信号CLKによって指示されたものに応じたものとなったと想定される時間だけ待機したがこれに限らない。例えば、監視ユニットUnと監視ユニットU(n+1)とのそれぞれが出力するクロック信号の論理値が同一となったか否かを判断する判断手段を備え、同一となったと判断されることで監視結果を取得するようにしてもよい。これは、監視ユニットUnと監視ユニットU(n+1)とのそれぞれが出力するクロック信号の排他的論理和信号をマイコン12が別途取り込むことで実現することができる。またこれに代えて、監視ユニットUnと監視ユニットU(n+1)とのそれぞれが出力するクロック信号の排他的論理和信号と上記XOR回路22,24の出力信号との否定論理積信号をトランジスタ28に出力するようにしてもよい。
・複数の監視ユニットの出力信号同士を合成する合成手段としては、2つの監視ユニットの出力信号同士を合成するものに限らない。例えば、3つ以上の監視ユニットの出力信号同士を合成するものであってもよい。図13に、4つの隣接する監視ユニットの出力信号を合成する例を示す。なお、図13において、先の図1に示した部材に対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。ここでは、各監視ユニットは、隣接する監視ユニットを飛び越えて、電位が2レベル相違する監視ユニットと信号線で接続される例を示している。もっとも、こうした構成に限らず、先の第1の実施形態と同様、隣接する監視ユニット同士が信号線にて接続され、この信号線を用いて信号を伝播させる構成としてもよい。ただし、この場合、3つ以上の監視ユニットの出力信号を合成する場合、これら監視ユニットの電位を互いに隣接したものとすることができないため、論理合成部20の耐圧を増大させる要求が生じ得る。これを回避する一つの手法は、論理合成部20をフォトカプラ等の絶縁手段の出力側に設けることである。換言すれば、低圧システム側に設けることである。この場合、絶縁手段の数は増大するものの、マイコン12の入力端子数を低減する効果を得ることはできる。
・上記第3の実施形態において、高電位側の監視ユニットUjと低電位側の監視ユニットUkとで過充電異常及び過放電異常の検出頻度を同一としてもよい。この場合であっても、上記第3の実施形態の上記(8)の効果を得ることはできる。
・上記各実施形態では、シリアルラインを介して取り込まれるクロック信号の論理値に応じて監視ユニットUiで過充電異常検出及び過放電異常検出を選択的に行ったがこれに限らない。例えば、過充電異常を指令する信号線と過放電異常を指令する信号線とを別途備えてもよい。
・上記各実施形態では、監視ユニットUiが過充電異常検出及び過放電異常検出の双方を実行可能としたが、これに限らず、例えば過充電異常検出のみを実行可能な構成としてもよい。
・上記各実施形態では、信号の伝達経路における最上流以外の監視ユニットにおいて、上流の監視ユニットによる電池セルの状態の監視結果と対象とするブロック内の電池セルの状態の監視結果とを合成したがこれに限らない。例えば、上記特許文献1に記載されているように、クロック信号CLKによって特定のブロックや特定の電池セルの監視結果を監視対象とするように指定し、これをマイコン12に取り込むようにしてもよい。
・上記各実施形態では、信号の伝達経路における最上流以外の監視ユニットには指示信号をマイコン12から直接出力する代わりに、他の監視ユニットを介して伝達させたがこれに限らず、各監視ユニットにマイコン12から直接指示信号を出力してもよい。
・上記各実施形態では、電池セルの状態を監視対象としたがこれに限らず、例えばブロックの状態であってもよい。また、ブロック内の隣接する複数個の電池セル毎の状態であってもよい。
・組電池10を備える高圧システムと、取得手段(マイコン12)を備える低圧システムとを絶縁する絶縁手段としては、フォトカプラに限らず、例えばフォトMOSリレーや磁気絶縁素子等であってもよい。
・電池セルとしては、リチウム2次電池に限らず、例えばニッケル水素2次電池等であってもよい。また2次電池に限らず、例えば燃料電池等であってもよい。
・上記各実施形態では、状態監視装置をハイブリッド車に搭載したが、これに限らず、例えば電気自動車に搭載してもよい。
10…組電池、12…マイコン(取得手段の一実施形態)、20…論理合成部(出力信号合成手段の一実施形態)、U1〜U2n…監視ユニット、B11〜B(2n)m…電池セル。

Claims (10)

  1. 複数個の電池セルの直列接続体としての組電池を構成する1又は隣接する複数個の電池セルである単位電池について、該単位電池の状態を監視する監視ユニットを複数備えて且つ、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで、1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットを介して取得手段に出力する組電池の状態監視装置において、
    前記取得手段に前記監視結果を出力する監視ユニットである前記別の監視ユニットを複数備え、
    前記別の監視ユニット毎に、該別の監視ユニットを介して前記状態の監視結果を出力する前記1の監視ユニットは、隣接するもの同士が信号線を介して接続されており、
    前記1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットへと取り込むための信号の伝達は、前記信号線を介して行われることを特徴とする組電池の状態監視装置。
  2. 前記別の監視ユニットの出力信号同士を合成する出力信号合成手段を備え、
    前記取得手段は、前記合成された出力信号を取得することを特徴とする請求項1記載の組電池の状態監視装置。
  3. 前記取得手段は、絶縁手段を介して前記合成された出力信号を取得することを特徴とする請求項2記載の組電池の状態監視装置。
  4. 前記別の監視ユニットが互いに隣接する一対の監視ユニットからなることを特徴とする請求項2又は3記載の組電池の状態監視装置。
  5. 前記各監視ユニットは、前記状態の監視に関する複数の処理のいずれかを指示する指示信号を取り込む手段を備えて且つ、該指示信号によって指示された処理の結果を前記監視結果として出力するものであり、
    前記指示信号は、前記互いに相違する別の監視ユニットを介して前記取得手段に監視結果を出力する監視ユニット同士で前記複数の処理を行う頻度が異なるように設定されることを特徴とする請求項1記載の組電池の状態監視装置。
  6. 前記取得手段は、各別の絶縁手段を介して前記別の監視ユニットのそれぞれの出力信号を取り込むものであり、
    前記別の監視ユニットが互いに隣接する一対の監視ユニットを含んで且つ、該一対の監視ユニットのそれぞれの監視対象となる単位電池間に、これらの間を導通及び遮断する開閉器が設けられてなることを特徴とする請求項1又は5記載の組電池の状態監視装置。
  7. 複数個の電池セルの直列接続体としての組電池を構成する1又は隣接する複数個の電池セルである単位電池について、該単位電池の状態を監視する監視ユニットを複数備えて且つ、1の監視ユニットから別の監視ユニットへと信号を伝達することで、1の監視ユニットによる前記状態の監視結果を前記別の監視ユニットを介して取得手段に出力する組電池の状態監視装置において、
    前記取得手段に監視結果を出力する監視ユニットである前記別の監視ユニットを複数備え、
    前記別の監視ユニットの出力信号同士を合成する出力信号合成手段を更に備え、
    前記取得手段は、前記合成された出力信号を取得することを特徴とする組電池の状態監視装置。
  8. 前記隣接する監視ユニット同士は、前記信号線とは別に、前記状態の監視を指示する指示信号を伝達させるための電気経路にて接続されており、
    前記別の監視ユニットのそれぞれにとっての前記信号の伝達に関する最上流の監視ユニットに前記指示信号が出力されることで、前記電気経路を介して前記別の監視ユニットまで指示信号を伝達するようにしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
  9. 前記監視ユニットは、前記単位電池の状態を監視し、その結果に応じた監視結果信号を生成する監視手段を備え、
    前記監視ユニットのうち前記信号の伝達に関する最上流以外の監視ユニットは、上流の監視ユニットから入力される信号と前記監視結果信号との合成信号を生成して出力することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
  10. 前記単位電池が複数の電池セルからなり、
    前記監視手段は、監視対象の単位電池を構成する複数の電池セルのそれぞれの状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果を合成する検出結果合成手段とを備え、該検出結果合成手段の出力を前記監視結果信号とすることを特徴とする請求項9記載の組電池の状態監視装置。
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