JP2014082152A - 電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各電圧検出手段の消費電流を一定にすることにより、単位電池のばらつきを防止する電圧検出装置を提供する。
【解決手段】電池監視IC21〜2nは、対応するブロックCB1〜CBnからの電源供給を受けて動作し、当該対応するブロックCB1〜CBnを構成する単位電池C11〜Cmnの両端電圧を検出する。メインマイコン3は、電池監視IC21〜2nの検出結果を受け取る。複数の電池監視IC21〜2nが通信可能に直列に接続され、1つの電池監視IC2nとメインマイコン3とが絶縁I/F4を介して通信可能に接続される。メインマイコン3と絶縁I/F4を介して通信可能に接続された電池監視IC2nを除いた電池監視IC21〜2(n−1)に対応するブロックCB1〜CBn-1からの電流を流して、電池監視IC21〜2nで消費する電流を均一にするプルダウン抵抗R1〜Rn-1を設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に、互いに直列接続された複数の単位電池の両端電圧を検出する電圧検出装置に関するものである。
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される組電池は、互いに直列接続された複数の単位電池から構成され、その両端に例えば200V等の高電圧を発生させ、この電力を用いて駆動用モータを駆動させる。このような組電池においては、過放電状態や過充電状態とならないように、各単位電池の両端電圧を検出して監視する必要がある。
上述した各単位電池の両端電圧を検出する電圧検出装置として、図4に示すようなものが提案されている(特許文献1、2)。同図に示すように、電圧検出装置100は、組電池BHを構成する互いに直列接続された複数の単位電池C11〜Cmn(m、nは任意の整数)の両端電圧を検出する装置である。
上記電圧検出装置100は、単位電池C11〜Cmnの両端電圧をそれぞれ検出する複数の電池監視IC201〜20nと、各電池監視IC201〜20nに対して検出命令を出力したり、各電池監視IC201〜20nによる検出電圧を受け取るメインマイコン300と、を備えている。上記電池監視IC201〜20nは、それぞれの耐圧を下げるため、単位電池C11〜Cmnを複数に分割したブロックCB1〜CBn毎に設けられ、各ブロックCB1〜CBnから電源供給を受けて動作している。また、上記メインマイコン300は、組電池BHとは異なる低圧バッテリからの電源供給を受けて動作する。
上述したような低圧バッテリから電源供給を受けるメインマイコン300と高圧の組電池BHから電源供給を受ける電池監視IC201〜20nとの間の通信は、絶縁を図った状態で行う必要があり、絶縁インタフェース(I/F)400を用いて行う必要がある。このため、1つの絶縁インタフェース400で通信ができ、しかも、電池監視IC201〜20nの増減等に容易に対応でき拡張性が高いデイジーチェーン方式が使用される。
デイジーチェーン方式によれば、図4に示すように、電池監視IC201〜20nは、互いに直列接続され、複数の電池監視IC201〜20nの1つである最高電位の電池監視IC20nのみがメインマイコン300と絶縁I/F400を介して通信可能に接続されている。以上の構成によれば、電池監視IC20nは絶縁I/F400を介してメインマイコン300と直接通信し、電池監視IC201〜20(n−1)は、自身よりも高電位側の電池監視IC202〜20n及び絶縁I/F400を介してメインマイコン300と通信を行う。
しかしながら、上述したデイジーチェーン方式によれば、メインマイコン300と通信する電池監視IC20nと、電池監視IC間通信のみでメインマイコン300と直接通信しない電池監視IC201〜20(n−1)と、が存在する。メインマイコン300と直接通信する電池監視IC20nについては、メインマイコン300との通信のための絶縁I/F400への電源供給があり、消費電流が増加する。また、電池監視IC201は、高電位側の電池監視IC202と通信するのみで低電位側の電池監視ICとの通信がない分だけ消費電流が減少する。さらに、電池監視IC201〜20nの消費電流の個体のばらつきにより、各電池監視IC201〜20nに電源供給するブロックCB1〜CBn毎に消費電流のばらつきが発生する。
この消費電流のばらつきにより、単位電池C11〜Cmnの両端電圧のばらつきが発生すると、通常充放電に使用する電池容量の使用範囲が狭められ、電池容量を有効に使用できなくなり無駄が発生する、という問題が生じていた。また、単位電池C11〜Cmnの両端電圧のばらつきを調整するための均等化放電が必要となっていた。
特開2011−134577号公報 特開2011−50176号公報
そこで、本発明は、各電圧検出手段の消費電流を一定にすることにより、単位電池のばらつきを防止する電圧検出装置を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための請求項1記載の発明は、互いに直列接続された複数の単位電池を複数に分割したブロック毎に対応して設けられると共に前記対応するブロックからの電源供給を受けて動作し、当該対応するブロックを構成する前記単位電池の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段からの検出結果を受け取る制御手段と、を備え、前記複数の電圧検出手段が通信可能に直列に接続され、前記複数の電圧検出手段の1つと前記制御手段とが絶縁インタフェースを介して通信可能に接続される電圧検出装置において、前記制御手段と絶縁インタフェースを介して通信可能に接続された電圧検出手段を除いた電圧検出手段に前記対応するブロックからの電流を流して、前記電圧検出手段で消費する電流を均一にする電流消費体を設けたことを特徴とする電圧検出装置に存する。
請求項2に記載の発明は、前記直列に接続された複数の電圧検出手段のうち一端側の1つと前記制御手段とが絶縁インタフェースを介して通信可能に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電圧検出装置に存する。
請求項3に記載の発明は、前記直列に接続された複数の電圧検出手段のうち他端側の1つに設けた前記電流消費体が、他の前記電流消費体よりも大きな電流が流れるように設けられていることを特徴とする請求項2に記載の電圧検出装置に存する。
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、電流消費体を設けて各電圧検出手段の消費電流を一定にすることにより、単位電池のばらつきを防止できる。
請求項2記載の発明によれば、直列に接続された複数の電圧検出手段のうち一端側の1つと制御手段とが絶縁インタフェースを介して通信可能に接続されているので、全ての電圧検出手段を同じ構成にすることができる。
請求項3記載の発明によれば、直列に接続された複数の電圧検出手段のうち他端側の1つに設けた電流消費体が、他の電流消費体よりも大きな電流が流れるように設けられているので、より確実に各電圧検出手段の消費電流を一定にすることができる。
本発明の電圧検出装置の一実施形態を示すブロック図である。 図1に示す電圧検出装置を構成する電池監視ICの詳細を示す図である。 図1に示すメインマイコンの処理手順を示すフローチャートである。 従来の電圧検出装置の一例を示すブロック図である。
以下、本発明の電圧検出装置について図1を参照して説明する。同図に示すように、電圧検出装置1は、組電池BHを構成する互いに直列接続された複数の単位電池C11〜Cmnの両端電圧をそれぞれ検出する装置である。上記単位電池C11〜Cmn(m、nは任意の整数)は、本実施形態では1つの二次電池から構成されているが、複数の二次電池から構成されていてもよい。
上記組電池BHは、例えば、エンジンと電動モータ(何れも図示せず)を走行駆動源として併用するハイブリッド電気自動車において前記電動モータの電源として用いられ、その両端には、上記電動モータが必要に応じて負荷として接続されると共に、オルタネータ等(図示せず)が必要に応じて充電器として接続される。また、上記単位電池C11〜Cmnは、n個のブロックCB1〜CBnに分けられている。各ブロックCB1〜CBnは各々、m個の単位電池で構成されている。
上記電圧検出装置1は、図1に示すように、各単位電池C11〜Cmnの両端電圧をそれぞれ検出するn個の電圧検出手段としての電池監視IC21〜2nと、各電池監視IC21〜2nに対して電圧検出命令を出力したり、各電池監視IC21〜2nによる検出電圧を受け取る制御手段としてのメインマイコン3と、を備えている。上記電池監視IC21〜2nは、各ブロックCB1〜CBn毎に設けられ、各ブロックCB1〜CBnから電源供給を受けて動作している。また、上記電池監視IC21〜2nは、対応するブロックCB1〜CBnを構成する単位電池C11〜Cmnの両端電圧をそれぞれ検出する。メインマイコン3は、組電池BHとは電気的に絶縁された低圧バッテリ(図示せず)からの電源供給を受けて動作している。
上記電圧検出装置1は所謂デイジーチェーン方式の装置であり、各電池監視IC21〜2nは、通信ライン5を介して通信可能に互いに直列接続されている。通信ライン5は、各電池監視IC21〜2n間に接続され、各電池監視IC22〜2nから低電位側に隣接する電池監視IC21〜2(n−1)にデータを送信するための送信ライン51と、各電池監視IC21〜2(n−1)から高電位側に隣接する電池監視IC22〜2nにデータを送信するための受信ライン52と、から構成されている。以上の構成により、各電池監視IC21〜2nは、隣接する電池監視IC21〜2nと双方向通信可能に設けられている。
また、直列に接続された複数の電池監視IC21〜2nのうち最高電位側(一端側)の電池監視IC2nのみ通信ライン6を介してメインマイコン3に通信可能に接続されている。通信ライン6には、絶縁I/F4が設けられていて、電池監視IC2nとメインマイコン3との通信を電気的に絶縁した状態で行うことができる。絶縁I/F4としては、例えば発光素子及び受光素子からなるフォトカプラといった光を媒体にしたものや、磁気カプラといった磁気を媒体にしたものが公知である。通信ライン6は、電池監視IC2nにデータを送信するための送信ライン61と、電池監視IC2nからのデータを受信するための受信ライン62と、から構成され、メインマイコン3は、電池監視IC2nと双方向通信可能に設けられている。
次に、上記電池監視IC21〜2nの構成の詳細について図2を参照して説明する。なお、電池監視IC21〜2nは、互いに同等の構成であるため、ここでは任意の電池監視IC2pを代表して説明する(pは1以上n以下の任意の整数)。図2に示すように、電池監視IC2pは、対応するブロックCBpを構成する各単位電池C1p〜Cmpの+側が接続される端子V1〜Vmと、単位電池C1pの−側が接続される端子VSS1と、を備えている。
また、電池監視IC2pは、端子V1〜Vmの1つを後述するA/D変換器8の入力に接続する切替スイッチ7と、入力されたアナログの電圧をデジタルに変換するA/D変換器8と、切替スイッチ7を制御する制御ロジック回路9と、A/D変換器8や制御ロジック回路9を制御するコントロール部10と、これらA/D変換器8、制御ロジック回路9及びコントロール部10に供給する電源電圧を生成する電源回路11と、遮断スイッチSと、電源端子VDDと、を備えている。
上記電源回路11は、対応するブロックCBpの両端電圧から所定電圧の電源電圧を生成し、生成した電源電圧をA/D変換器8、制御ロジック回路9やコントロール部10に供給する。遮断スイッチSは、ブロックCBpの+側と電源回路11との間に設けられている。遮断スイッチSは、電源回路11に対するブロックCBpの両端電圧の供給をオンオフして、電池監視IC2pに対する電源供給をオンオフするスイッチである。また、電源端子VDDからは、電源回路11が生成した電源電圧の+側が出力される。
また、上述した電圧検出装置1は、図1に示すように、電源ライン12と、絶縁I/F13と、n個のレベルシフト回路14と、を備えていて、これらによりメインマイコン3からの電源信号の出力に応じて遮断スイッチSを一斉にオンオフできるようになっている。電源ライン12は、一端がメインマイコン3に接続され、他端が複数に分岐されて各電池監視IC21〜2nの遮断スイッチSを構成するトランジスタのベースに接続されている。絶縁I/F13は、電源ライン12の分岐前の一端に設けられていて、遮断スイッチSとメインマイコン3とを電気的に絶縁した状態で結合するものである。n個のレベルシフト回路14は、電源ライン12の分岐した各部に設けられていて、メインマイコン3から送信された電源信号を、遮断スイッチSをオンオフするために適切な信号レベルに変換する。
上記電池監視IC2nの電源端子VDDとブロックCBnの−側との間には、絶縁I/F4、13の高圧側が接続され、絶縁I/F4、13の高圧側は、ブロックCBnからの電源供給を受けて動作している。絶縁I/F4、13の低圧側は、低圧バッテリ(図示せず)からの電源供給を受けて動作している。また、上記電池監視IC2nを除いた電池監視IC21〜2(n−1)の電源端子VDDと各電池監視IC21〜2(n−1)に対応するブロックCB1〜CBn-1の−側との間には、電流消費体としてのプルダウン抵抗R1〜Rn-1がそれぞれ接続されている。このプルダウン抵抗R1〜Rn-1は各々、各電池監視IC21〜2(n−1)に対応するブロックCB1〜CBn-1からの電流を流して、各電池監視IC21〜2nで消費する電流を均一にするための抵抗である。
上述した背景技術でも説明したように、デイジーチェーン方式の電圧検出装置1では、メインマイコン3に接続される電池監視IC2nの消費電流が最も多くなる。また、直列接続された複数の電池監視IC21〜2nのうち最低電位側(他端側)の電池監視IC21での消費電流が最も少なくなる。上述したようにプルダウン抵抗R1〜Rn-1を追加することによって、このプルダウン抵抗R1〜Rn-1に流れる消費電流によって各電池監視IC21〜2nの消費電流のばらつきに対して、最大の消費電流となる電池監視IC2nの消費電流に合わせるように、その他の電池監視IC21〜2(n−1)の消費電流を増加させ、消費電流のばらつきがなく均一と成るように調整する。
なお、各電池監視IC21〜2nの消費電流のばらつきの原因としては以下の要因が考えられる。
(1)メインマイコン3と通信する電池監視IC2nについて、メインマイコン3と通信のための絶縁I/F4、13への電源供給のための消費電流増加分に起因するばらつき
(2)電池監視IC21の低電位側の電池監視ICとの通信がないことに起因するばらつき
(3)電池監視IC21〜2nごとの消費電流の個体ばらつき
そして、これらの原因を考慮して電池監視IC21〜2nの消費電流が均一になるようにプルダウン抵抗R1〜Rn-1の抵抗値を定める。詳しく説明すると、上述したように電池監視IC21の消費電流が最も少ないので、この電池監視IC21に設けられるプルダウン抵抗R1に流れる電流が、他のプルダウン抵抗R2〜Rn-1に流れる電流よりも大きな電流が流れるような抵抗値に設けられている。
次に、上述した構成の電圧検出装置1の動作について図3を参照して説明する。メインマイコン3は、イグニッションスイッチのオン又はオフなどのトリガに応じて電圧検出処理を開始する。まず、メインマイコン3は、電源ライン12に電源信号を送信する(ステップS1)。この電源信号の送信によって全ての電池監視IC21〜2nの遮断スイッチSがオンされて、各電池監視IC21〜2nの各部に電源回路11からの電源電圧が供給されて、電池監視IC21〜2nが動作を開始する。また、遮断スイッチSのオンに応じて電源端子VDDからも電源電圧が出力され、プルダウン抵抗R1〜Rn-1に電流が流れ始める。
その後、メインマイコン3は、各電池監視IC21〜2n宛に順次、電圧検出命令を出力して、電池監視IC21〜2nに単位電池C11〜Cmnの+側電圧を検出させる(ステップS2)。各電池監視IC21〜2nのコントロール部10は、電圧検出命令を受け取るとその宛先が自身宛か否かを判定する。自身宛ではない電圧検出命令を受信すると、低電位側に隣接する電池監視IC21〜2(n−1)にその電圧検出命令を転送する。一方、自身宛の電圧検出命令を受信すると、制御ロジック回路9を制御して切替スイッチ7により端子V1〜Vmを順次A/D変換器8の入力に接続する。これにより、A/D変換器8は、端子V1〜Vmに入力された電圧を順次A/D変換し、これをコントロール部10が検出電圧として順次メインマイコン3に向けて送信する。電池監視IC2nから送信された検出電圧は、直接メインマイコン3に送信される。電池監視IC21〜2(n−1)から送信された検出電圧は、自身よりも高電位側の電池監視IC22〜2nを経由してメインマイコン3に送信される。これにより、単位電池C11〜Cmnの+側電圧が順次メインマイコン3に送信される。
マインマイコン3は、全ての単位電池C11〜Cmnの両端電圧の検出が終了すると、電源信号の送信を停止する(ステップS3)。これにより、全ての電池監視IC21〜2nの遮断スイッチSがオフされて、電源回路11からの電源電圧の供給が遮断されて、電池監視IC21〜2nが動作を停止する。また、遮断スイッチSのオフに応じて電源端子VDDからの電源電圧の出力が遮断され、プルダウン抵抗R1〜Rn-1に流れる電流も遮断される。
上述した実施形態によれば、プルダウン抵抗R1〜Rn-1を設けて各電池監視IC21〜2nの消費電流を一定にすることにより、単位電池C11〜Cmnのばらつきを防止できる。よって、メインマイコン3と通信のための絶縁I/F4への電源供給のための消費電流増加分による消費電流のばらつきが解消される。また、電圧検出装置1のデイジー通信による多段接続構成における低電位側への通信接続有無による消費電流のばらつきが解消される(電池監視IC21の低電位側ICとの通信がないことによる消費電流ばらつきが解消される)。電池監視IC21〜2n毎の消費電流の個体ばらつきが解消される。結果、各ブロックCB1〜CBn毎の両端電圧のばらつきを防止することができ、通常充放電に使用する電池容量の使用範囲が狭められず、電池容量を有効に使用できるようになり、無駄がなくなり、車両燃費向上につながる。また、単位電池C11〜Cmnのばらつき調整のための均等化放電が不要又は低頻度ですむようになり、抵抗消費式放電の場合、電池容量を無駄に消費することがなくなる。
また、上述した実施形態によれば、直列に接続された複数の電池監視IC21〜2nのうち一端側の1つである電池監視IC2nとメインマイコン3とが絶縁I/F4を介して通信可能に接続されているので、全ての電池監視IC21〜2nを同じ構成にすることができる。(例えば電池監視IC22をメインマイコン3と接続するためには、電池監視IC23、21に加えてメインマイコン3と接続するための端子を設ける必要があり、電池監視IC22だけ端子数が多いものを用いる必要がある。)
また、上述した実施形態によれば、直列接続された複数の電池監視IC21〜2nのうち他端側の1つである電池監視IC21に設けたプルダウン抵抗R1が、他のプルダウン抵抗R2〜Rn-1よりも大きな電流が流れるように設けられているので、より確実に電池監視IC21〜2nの消費電流を一定にすることができる。
なお、上述した実施形態では、最高電位側の電池監視IC2nが絶縁I/F4を介して直接メインマイコン3に接続されていたが、本発明はこれに限ったものではない。複数の電池監視IC21〜2nの1つがメインマイコン3に通信可能に接続されていればよく、例えば最低電位側の電池監視IC21が絶縁I/F4を介してメインマイコン3に接続されていてもよい。
また、上述した実施形態では、各ブロックCB1〜CBnを構成する単位電池数は各々m個で同一となっているが、各ブロックCB1〜CBn毎に異なる単位電池数となっていてもよい。
また、上述した実施形態では、電池監視IC21〜2nで消費する電流を均一にするためにプルダウン抵抗R1〜Rn-1を設けているが、消費電流均一化の機能を果たすことができる定電流回路や電気素子であれば抵抗でなくともよい。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1 電圧検出装置
3 メインマイコン(制御手段)
4 絶縁I/F(絶縁インタフェース)
21〜2n 電池監視IC(電圧検出手段)
11〜Cmn 単位電池
CB1〜CBn ブロック
1〜Rn-1 プルダウン抵抗(電流消費体)

Claims (3)

  1. 互いに直列接続された複数の単位電池を複数に分割したブロック毎に対応して設けられると共に前記対応するブロックからの電源供給を受けて動作し、当該対応するブロックを構成する前記単位電池の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段からの検出結果を受け取る制御手段と、を備え、前記複数の電圧検出手段が通信可能に直列に接続され、前記複数の電圧検出手段の1つと前記制御手段とが絶縁インタフェースを介して通信可能に接続される電圧検出装置において、
    前記制御手段と絶縁インタフェースを介して通信可能に接続された電圧検出手段を除いた電圧検出手段に前記対応するブロックからの電流を流して、前記電圧検出手段で消費する電流を均一にする電流消費体を設けた
    ことを特徴とする電圧検出装置。
  2. 前記直列に接続された複数の電圧検出手段のうち一端側の1つと前記制御手段とが絶縁インタフェースを介して通信可能に接続されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の電圧検出装置。
  3. 前記直列に接続された複数の電圧検出手段のうち他端側の1つに設けた前記電流消費体が、他の前記電流消費体よりも大きな電流が流れるように設けられている
    ことを特徴とする請求項2に記載の電圧検出装置。
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