JP2011133418A - バッテリパック監視回路及びバッテリセルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、数多くのバッテリパックを接続でき、またこの接続に用いるケーブル配線の数を削減することができるバッテリパック監視回路及びバッテリセルユニットを提供することを課題とする。
【解決手段】１乃至複数のバッテリセル２の端子に接続するプリント配線基板３を設ける。このプリント配線基板３にはプリント配線によって、バッテリセル２の端子とバッテリ監視回路のＩＣ４とを電気的に接続している。この構成によってバッテリセル２−１〜２−ｎの各端子とバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとを接続するケーブル配線を不要とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明はバッテリを監視する監視回路に関し特に、複数のバッテリセルから構成されるバッテリパックの各バッテリセルを監視するバッテリパック監視回路及びバッテリセルユニットに関する。

現在地球温暖化対策が重要な課題となっており、そのための種々の施策にはバッテリについての技術が重要な位置を占めている。
バッテリの中でも重量密度が高く小型化の見込めるリチウム電池は、ハイブリッドカーの電池として好適でるとして応用が期待されている。しかしリチウム電池は過充電や過放電に弱くこの状態を続けると電池容量の減少や異常な発熱に繋がる恐れがある。よってバッテリの上限と下限の電圧を管理して充放電を監視する必要がある。

またリチウムイオン電池などによるバッテリは、通常その用途に合わせて小容量のバッテリセルを直列や並列に接続したバッテリパックとして構成される。例えばハイブリッドカーに搭載されるバッテリは、端子電圧が小さいバッテリセルを複数個直列に接続して、必要とされる電圧のバッテリとして構成される。

図７に複数のバッテリセルから構成されたバッテリパックの各バッテリセルの端子電圧の監視の仕方を示す。
バッテリセル２００−１〜２００−ｎの端子電圧の監視は、バッテリ１００を構成するバッテリセル２００−１〜２００−ｎの数が少ない場合は、電圧が低く、耐圧が問題にならないので、バッテリ監視回路での監視が容易である。しかし車載用のバッテリパック１００など、直列に接続されるバッテリセル２００−１〜２００−ｎの数が増加してくると、バッテリ監視回路のＩＣの耐圧を考慮した設計が必要となってくる。

図７（ａ）は、端子間電圧がＸ（Ｖ）のバッテリセル２００がｎ個直列接続されて構成されたバッテリパックを１つのバッテリ監視回路のＩＣで監視する場合を示している。この場合にはバッテリ監視回路のＩＣには、最大ｎＸ（Ｖ）の電圧が加わる。そして直列に接続されたバッテリセル２００−１〜２００−ｎの数が多く、ｎの数が大きくなると、ｎＸ（Ｖ）の値も大きくなってしまい、バッテリ監視回路のＩＣには大きな耐圧を持つものを用いなければならなくなる。

したがって一般的には、図７（ｂ）に示すように、１乃至数個のバッテリセル２００単位で電圧監視を行うようにすることで、バッテリ監視回路のＩＣに加わる電圧を下げる。
図８にバッテリを構成するバッテリセルの端子電圧間の監視を、複数の監視回路によって行う構成を示す。

図８の構成では、バッテリ監視回路３００ａは、バッテリパック１００を構成するバッテリセル２００ｍ個に１つバッテリ監視回路のＩＣ３０１を設け、各バッテリ監視回路のＩＣ３０１−１〜３０１−ｎ／ｍは、バッテリ監視用のマイコン３０２に接続されル構成を持つ。そしてバッテリ監視回路３００ａのマイコン３０２は、車両全体を統括するＥＣＵ４００に各バッテリセル２００−１〜２００−ｎの異常の有無を通知する。

特許文献１には、バッテリセルを複数まとめてグループとし、グループ単位で端子電圧のばらつきを検出する装置が開示されている。そしてこの特許文献１の装置は、電圧が異常なグループに対しては、優先して充電／放電を行うように制御を行っている。

また特許文献２には、各バッテリセルの電圧を電圧検出回路で検出し、これをシリアル通信で電力線通信回路に通知し、電力線通信回路は、通知された電圧値を電力線を用いて外部に通信する構成が開示されている。この特許文献２の構成では、通信用の配線を少なくすることができる。

図９に特許文献２の構成を示す。
図９では、バッテリパック１００を構成するバッテリセル２００−１〜２００−ｎ各々から電圧検出回路７００にシールド線等のケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）によって接続されている。そして電圧検出回路７００と電力線通信回路８００は、シリアル通信で接続されており、電圧検出回路７００は各バッテリセル２００−１〜２００−ｎの端子間電圧をＡ／Ｄ変換した後、これを電力線通信回路８００にシリアル通信で送る。そして電力線通信回路８００は、電圧検出回路７００による検出結果をデータ処理した後、変調して電力線９００に重畳して、バッテリ監視回路３００ｂの外部に通信する。

特開２００２−１０１５６５号公報 特開２００９−８９４５３号公報

この図８の構成や図９の構成では、バッテリセル２００−１〜２００−ｎ各々の端子から配線ケーブルによってバッテリ監視回路のＩＣに接続を行っている。そのため図９に示すように、各バッテリセル２００−１〜２００−ｎの端子と電圧検出回路７００を接続するケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）の数が多くなる。例えば車載用のバッテリパックの場合、このケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）として数十本必要となる。またバッテリセルに接続されるケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）には通常耐圧の大きなものが用いられるので、このケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）の本数が多くなると重量増にもつながる。

そこで本発明は、数多くのバッテリパック２００−１〜２００−ｎを接続でき、またこの接続に用いるケーブル配線６００−１〜６００−（ｎ＋１）の数を削減することができるバッテリパック監視回路及びバッテリセルユニットを提供することを課題とする。

本バッテリパック監視回路は、複数のバッテリセルからなるバッテリパックの監視回路であって、１乃至複数のバッテリセルの端子に装着され、前記バッテリセルの端子間電圧を検出する検出装置と、前記バッテリパックに接続され、前記検出装置が前記バッテリセルの端子間電圧の検出結果を電力線に送信する際、送信先以降の電力線を遮断するスイッチ部と、前記バッテリセルと前記検出装置が容量結合するためのコンデンサと、を備えることを特徴とする。

また本バッテリセルユニットは、バッテリパックを構成するバッテリセルユニットであって、二次電池であるバッテリセルと、前記バッテリセルを取り付け、当該取り付けた前記バッテリセルの端子と電気的に接続されたプリント配線基板と、前記プリント配線基板に対応して設けられ、当該１乃至複数のバッテリセルの端子間電圧を検出する検出装置と、前記バッテリセルと前記検出装置が容量結合するためのコンデンサと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、バッテリ監視回路と各バッテリセルとの間のケーブル配線を不要とすることができる。

本実施形態のバッテリパックの概要を示す図である。 ２つのバッテリセルに対して１つのプリント配線基板を設ける構成としてバッテリパックの例を示す図である。 本実施形態のバッテリパックを監視するバッテリ監視用回路を中心とした電気回路構成を示す図である。 バッテリ監視回路のＩＣの構成例を示す図である。 バッテリ監視回路のＩＣの動作処理を示すフローチャートである。 バッテリ監視モジュールの動作処理を示すフローチャートである。 複数のバッテリセルからなるバッテリパックを構成する各バッテリセルの端子電圧の監視の仕方を示す図である。 バッテリパックを構成するバッテリセルの端子間電圧の監視を複数の監視回路によって行う構成を示す図である。 特許文献２の構成を示す図である。

以下に図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
図１に本実施形態のバッテリパック１ａの概要を示す。
図１のバッテリパック１ａは、ｎ個のバッテリセル２−１〜２−ｎが直列に接続される構成となっている。なお以下の説明では、バッテリパック１ａは、複数のバッテリセル２を直列に接続したものを例として挙げているが、本実施形態のバッテリパック１ａは、バッテリセル２を並列に接続した構成であっても、直列接続と並列接続が混在した構成であっても良い。

バッテリセル２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。
各バッテリセル２−１〜２−ｎにはそれぞれ端子に被せる形でプリント配線基板３ａ−１〜３ａ−ｎが接続されている。またプリント配線基板３ａ−１〜３ａ−ｎ上にはバッテリセル電圧を検出するバッテリ監視回路のＩＣ４ａ−１〜４ａ−ｎ（検出装置）が設けられている。

このプリント配線基板３ａが接続されたバッテリセル２を、バッテリセルユニットという。バッテリパック１ａは、バッテリセルユニット単位で、容易に且つ安全に交換や増減可能なように構成されている。

プリント配線基板３ａ−１〜３ａ−ｎには夫々コンデンサが設けてあり、バッテリセル２の端子とバッテリ監視回路のＩＣ４ａはこのコンデンサを介して容量結合されている。
またバッテリセルユニット間は、接続線８によって電気的に接続されており、これにより、バッテリパック１ａを構成するバッテリセル２−１〜２−ｎは、電気的に直列や並列に接続され、バッテリパック１ａ全体で１つのバッテリとして用いられる。

これにより、本実施形態のバッテリパック１ａでは、各バッテリセル２−１〜２−ｎとバッテリ監視回路のＩＣ４ａ−１〜４ａ−ｎとの接続には、従来の構成のように多量のケーブル配線を必要としない。またバッテリセル２とバッテリ監視のＩＣ４ａとは、容量結合若しくは電磁誘導で信号を電力線８に乗せるように構成されているので、バッテリセル２からバッテリ監視回路のＩＣ４ａへは、直流成分は流れない。よって、バッテリ監視回路のＩＣ４ａには耐圧性の低いものを用いることが出来、装置全体を安価で且つ小型化することができる。

なお、図１のバッテリパック１ａではプリント配線基板３ａは、バッテリセル２に対して１対１で設けられているが、本実施形態のバッテリパック１ａは、このような構成に限定されるものではなく、複数のバッテリセルに対して１つのプリント配線基板を設ける構成としても良い。

図２は、２つのバッテリセルに対して１つのプリント配線基板を設ける構成としてバッテリパック１ｂの例を示す図である。
図２では、バッテリパック１ｂを構成するバッテリセル２−１〜２−ｎに対して、バッテリセル２−１及び２−２に対してプリント配線基板３ｂ−１を、・・・、バッテリセル２−（ｎ−１）及び２−ｎに対してプリント配線基板３−（ｎ／２）を設ける構成となっている。そして各プリント配線基板３ｂ−１〜３ｂ−（ｎ／２）上にはバッテリ監視回路のＩＣ４ｂ−１〜４ｂ−（ｎ／２）が設けられている。

このように本実施形態のバッテリパック１ｂは、２つ以上のバッテリセル２毎に１つのプリント配線基板３ｂを設ける構成としても実現できる。
図３は、本実施形態のバッテリパック１を監視するバッテリ監視回路を中心とした電気回路構成を示す図である。同図はバッテリパック１を車載用として用いた場合の構成を示している。なお本実施形態のバッテリパック１は、車載用に限定されるものではなく、風力発電や太陽光発電等の電力の蓄積用等現在や将来において電力の蓄積に用いる種々の分野に利用することができる。

図３の構成では、バッテリセル２−１〜２−ｎとバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎが１対１対応で設けられている。またバッテリセル２の端子とバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎは、容量結合されている。

各ＩＣ４−１〜４−ｎは、バッテリセル２−１〜２−ｎの端子間電圧を検出するとこの値（データ）を自己のＩＤと共に電力線８に重畳してバッテリ監視モジュール６に通知する（ＰＬＣ：電力線通信）。

バッテリ監視モジュール６は、内部にマイコンを備え、このマイコンがインタフェース及び容量を介して電力線８に接続されている。そして電力線８に乗っている信号から各バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎが送信したデータを受信すると、マイコンは通知されたＩＤから送信元のバッテリ監視回路のＩＣ４を認識し、そのバッテリ監視回路のＩＣ４が監視しているバッテリセル２が正常状態にあるかどうかを判定し、その結果を車両全体の制御を司るＥＣＵ７に通知する。ＥＣＵ７は、通知されたバッテリセル２の状態から、異常と通知されたバッテリセル２に対して適宜な処理、例えば重点的に充電や放電を行う等の指示を行う。この指示はバッテリ監視モジュール６から対応するバッテリ監視回路のＩＣ４に対して、電力線８によりＰＬＣで通知される。

また電力線８には、図３に示すようにスイッチ９−１及び９−２が設けてある。このスイッチ９−１及び９−２は、上記バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとバッテリ監視モジュール６との間で、ＰＬＣによって通信を行う際に、このスイッチ９−１及び９−２を遮断して、バッテリパック１から見てバッテリ監視回路のＩＣ４の通信相手であるバッテリ監視モジュール６以降の適宜な位置から先の電力線８をオープンにする。これによって、バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとバッテリ監視モジュール６が通信を行うときは、電力線８はハイインピーダンスとなるので、バッテリ監視回路のＩＣ４の駆動電流を抑えることができる。

また複数のバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎの内、一つが通信を行っているときは残りのバッテリ監視回路のＩＣ４は全て受信モードとなる。この受信モードとなっているバッテリ監視回路のＩＣ４は、ハイインピーダンスとなるので、通信に用いられる重畳された信号の振幅が減少することを防ぐ。

なお図３の構成では、このスイッチ９−１及び９−２の制御は、ＥＣＵ７が行っているが、バッテリ監視モジュール６が直接制御を行うようにしても良い。また電力線８の＋側と−側の両方にスイッチ９−１及び９−２を設けているが、スイッチ９をオフとしたときに電力線８をハイインピーダンス状態とすることができるのならば、スイッチ９−１と９−２のどちらか１つを設ける構成としても良い。

また上記説明では、各バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとバッテリ監視モジュール６とは、電力線８を用いたＰＬＣによって通信を行っていたが本実施形態では、両者の通信はＰＬＣに限定されるものではなく、他の通信方式を例えば送信側と受信側で単純な取り決めを決めておき、単に“Ｈ”と“Ｌ”による低速な通信を用いても良い。この様な通信を行う場合は、ＰＬＣのように信号の送受信に変復調を行う必要がなくなり、変復調回路を不要とするというメリットがある。

このように本実施形態では、バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとバッテリ監視モジュール６との通信は、全て電力線８を用いて行うことが出来るので、配線数を大幅に削減することができる。

次に本実施形態のバッテリパック１で用いられるバッテリ監視回路のＩＣ４の構成を説明する。
図４はバッテリ監視回路のＩＣ４の構成例を示す図である。

同図においてバッテリ監視回路のＩＣ４は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１１、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤ）１２、タイマー（ＴＩＭＥＲ）１３、レジスタ（ＲＥＧＩＳＴＥＲ）１４、制御部（Ｃｔｒｌ）１５、及びインタフェース（ＩＦ）１６を内部に備えている。

マルチプレクサ１１は、バッテリ監視回路のＩＣ４に接続されている複数のバッテリセル２のうち、端子間電圧を測定するものを選択するものである。なおこのマルチプレクサ１１は、バッテリセル２とバッテリ監視回路のＩＣ４が１対１対応で設けられる場合には、必要ない。Ａ／Ｄ変換器１２は、バッテリ監視回路のＩＣ４に接続されているバッテリパック１の端子間電圧をデジタル値に変換するものである。タイマー１３は、特定周期で端子間電圧の測定や測定値の送信を行う際の計時を行うものである。レジスタ１４は、Ａ／Ｄ変換器１２やタイマー１３の出力値等を一時的に保持するものである。制御部１５は、バッテリ監視回路のＩＣ４全体の制御を司るもので、バッテリ監視モジュール６等外部からの指示に基づいてバッテリセル２の監視処理を行う。インタフェース１６は、バッテリ監視モジュール６等と電力線８を用いてＰＬＣ通信を行うためのインタフェースである。

またバッテリ監視回路のＩＣ４は、外部端子としてＶＤ、ＶＤＤ、ＶＳＳ、及びＶＯＵＴを備えている。このうちＶＤＤ及びＶＳＳは、バッテリ監視回路のＩＣ４を駆動するための電源端子で、バッテリセル２の端子に接続されている。またＶＤは、バッテリ監視回路のＩＣ４が監視を行うバッテリセル２の＋端子と接続されており、この端子ＶＤの電圧値を測定する。ＶＯＵＴは、バッテリ監視回路のＩＣ４が外部と通信するための信号をやりとりするための端子で、電力線８と容量結合されている。

次に本実施形態で用いられるバッテリ監視回路のＩＣ４の動作処理について詳細に説明する。
図５は、バッテリ監視回路のＩＣ４の動作処理を示すフローチャートである。

同図の処理が開始されると、まずステップＳ１としてバッテリ監視回路のＩＣ４は、受信モードとなり、バッテリ監視モジュール６からタイマー１３のリセット命令を待つ（ステップＳ１、Ｎｏ）。そして電力線８を介してバッテリ監視モジュール６からタイマー１３のリセット命令を受信すると（ステップＳ１、Ｙｅｓ）、ステップＳ２としてバッテリ監視回路のＩＣ４はタイマー１３をリセットする。

そしてバッテリ監視回路のＩＣ４は、受信モードとなり、次にバッテリ監視モジュール６からバッテリセル２の監視開始命令を待つ（ステップＳ３、Ｎｏ）。
そして監視開始命令をバッテリ監視モジュール６から受信すると（ステップＳ３、Ｙｅｓ）、バッテリ監視回路のＩＣ４は、ステップＳ４として、自己が監視対象としているバッテリセル２の端子間電圧を測定し、その値をＡ／Ｄ変換器１２でＡ／Ｄ変換してその値をレジスタ１４に保持する。そしてこのステップＳ４の処理を、タイマー１３の値が特定値ｔ１を超えるまで繰り返し、測定値を蓄積する（ステップＳ５、Ｎｏ）。そしてステップＳ５において、タイマー１３の値がｔ１を超えたならば（ステップＳ５、Ｙｅｓ）、バッテリ監視回路のＩＣ４は、ステップＳ６としてレジスタ１４への測定値の書き込みを停止する。

次にバッテリ監視回路のＩＣ４は、受信モードとなり、バッテリ監視モジュール６からのバッテリセル２の端子間電圧の送信要求を待つ（ステップＳ７、Ｎｏ）。そして、電力線８を介してバッテリセル２の端子間電圧の送信要求を受信したならば（ステップＳ７、Ｙｅｓ）、ステップＳ８としてバッテリ監視回路のＩＣ４は、レジスタ１４に保持しているバッテリセル２の端子間電圧値を、電力線８を用いてバッテリ監視モジュール６に送信する。

以降バッテリ監視回路のＩＣ４は、同様の処理を繰り返して、自己に割り当てられたバッテリセル２の監視を続ける。
次に本実施形態におけるバッテリ監視モジュール６の動作処理の詳細について説明する。

図６は、バッテリ監視モジュール６の動作処理を示すフローチャートである。
同図の処理が開始されるとバッテリ監視モジュール６は、まずステップＳ１１において初期処理として、自己のタイマーをリセットし、また変数ａに０を代入する。

次にバッテリ監視モジュール６は、タイマーの値が特定値ｔ１となるまで待つ（ステップＳ１２、Ｎｏ）。
そしてタイマーの値がｔ１を超えたならば（ステップＳ１２、Ｙｅｓ）、ステップＳ１３としてＥＣＵ７に、スイッチ９−１及び９−２をＯＦＦにするように依頼を送信し、ＥＣＵ７から応答を待つ（ステップＳ１４、Ｎｏ）。

そしてＥＣＵ７からスイッチ９−１及び９−２をＯＮにする処理の完了通知を受信すると（ステップＳ１４、Ｙｅｓ）、バッテリ監視モジュール６は、ステップＳ１５として変数ａを“＋１”インクリメントする。

次にバッテリ監視モジュール６は、ステップＳ１６として、変数ａを用いて、バッテリ監視回路のＩＣ４に対してバッテリセル２−ａの端子間電圧を要求する命令を電力線８を介して送信後、受信モードとなり応答待ちとなる（ステップＳ１７、Ｎｏ）。

そしてバッテリ監視回路のＩＣ４からバッテリセル２−ａの端子間電圧値を受信すると（ステップＳ１７、Ｙｅｓ）、バッテリ監視モジュール６は、ステップＳ１８として、ａの値がバッテリパック１内のバッテリセル２の総数ｎであるかどうか、すなわち全てのバッテリセル２−１〜２−ｎの端子間電圧値を受信したかどうかを判定する。その結果変数ａの値がｎでなく、全てのバッテリセル２−１〜２−ｎの端子間電圧を受信していなければ（ステップＳ、Ｎｏ）、バッテリ監視モジュール６は処理をステップＳ１５に戻して、変数ａの値をインクリメントしながら、Ｓ１５〜１８の処理を繰り返す。

そして変数ａの値がｎに達し、全ての全てのバッテリセル２−１〜２−ｎの端子間電圧を受信したと判定したならば（ステップＳ１８、Ｙｅｓ）、全てのバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎにタイマー１３のリセット命令を送信し（ステップＳ１９）、またバッテリセル監視開始命令を送信する（ステップＳ２０）。

そしてバッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとの通信が、終了したならば、バッテリ監視モジュール６は、ステップＳ２１として、ボディＥＣＵ７に対してスイッチ９−１及び９−２をＯＮとするよう依頼を送信し、応答待ちとなる（ステップＳ２２、Ｎｏ）。

そしてボディＥＣＵ７からスイッチ９−１及び９−２をＯＮとする処理の完了通知を受信したならば（ステップＳ２２、Ｙｅｓ）、バッテリ監視モジュール６は、本処理を終了する。

このように本実施形態では、バッテリ監視モジュール６と各バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎとの通信は、全て電力線８を用いて行われるので、バッテリ監視モジュール６と各バッテリ監視回路のＩＣ４−１〜４−ｎの間に通信用の回線を配線する必要がない。よって構成を簡略化でき、安価で且つ小型軽量に構成することができる。

１、１００ バッテリパック
２、２００ バッテリセル
３、３ａ、３ｂ プリント配線基板
４、４ａ、４ｂ、３０１ バッテリ監視回路のＩＣ
６、３００、 バッテリ監視モジュール
７、４００ ＥＣＵ
８、９００ 電力線
９ スイッチ
１１ マルチプレクサ
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ タイマー
１４ レジスタ
１５ 制御部
１６ インタフェース
６００ ケーブル配線
７００ 電圧検出回路
８００ 電力線通信回路

Claims (4)

1. 複数のバッテリセルからなるバッテリパックの監視回路であって、
   １乃至複数のバッテリセルの端子に装着され、前記バッテリセルの端子間電圧を検出する検出装置と、
   前記バッテリパックに接続され、前記検出装置が前記バッテリセルの端子間電圧の検出結果を電力線に送信する際、送信先以降の電力線を遮断するスイッチ部と、
   前記バッテリセルと前記検出装置が容量結合するためのコンデンサと、
   を備えることを特徴とするバッテリパック監視回路。
2. 前記検出装置は、前記バッテリセルと１対１対応で設けられることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック監視回路。
3. 前記検出装置による検出結果を、前記バッテリパックに接続されている電力線上に重畳して送信する送信部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック監視回路。
4. バッテリパックを構成するバッテリセルユニットであって、
   二次電池であるバッテリセルと、
   前記バッテリセルを取り付け、当該取り付けた前記バッテリセルの端子と電気的に接続されたプリント配線基板と、
   前記プリント配線基板に対応して設けられ、当該１乃至複数のバッテリセルの端子間電圧を検出する検出装置と、
   前記バッテリセルと前記検出装置が容量結合するためのコンデンサと、
   を備えることを特徴とするバッテリセルユニット。