JP2015012649A - Abnormality detection device in battery pack with voltage equalization circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直列に接続した複数の電池セルの電圧を均等化する電圧均等化回路を備えた電池パックにおける異常検出装置に関する。 The present invention relates to an abnormality detection device in a battery pack including a voltage equalization circuit that equalizes voltages of a plurality of battery cells connected in series.
複数の充電可能な電池セルを直列に接続して高電圧の出力を得る電池モジュールが実用化されている。この種の電池モジュールは、例えば、フォークリフト等の産業用車両や電気自動車又ハイブリッド車に実装される。多数の電池セルを直列に接続した状態で充電を行うと、各電池セルの電圧(電池の残容量)が不均一になることがある。 Battery modules that obtain a high voltage output by connecting a plurality of rechargeable battery cells in series have been put into practical use. This type of battery module is mounted on, for example, an industrial vehicle such as a forklift, an electric vehicle, or a hybrid vehicle. When charging is performed in a state where a large number of battery cells are connected in series, the voltage (remaining battery capacity) of each battery cell may become uneven.
また、電池モジュールが電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と減速時の回生電流による充電とが繰り返され、この充放電の繰り返しによっても各電池セルの電圧が不均一になることがある。そして、電池セルの電圧の不均一化は、一部の電池セルの劣化を促進させるおそれがあり、また、電池モジュール全体として効率の低下を引き起こす。電池セルの電圧の不均一化は、各電池セルの製造時のばらつきや、経年劣化のばらつき等により生じる。このため、複数の電池セル間の電圧を均等化する技術が要求されている。 In addition, when the battery module is mounted on an electric vehicle or the like, the discharge at the time of driving the motor and the charging by the regenerative current at the time of deceleration are repeated, and the voltage of each battery cell becomes non-uniform by repeating this charge and discharge. May be. And the non-uniform | heterogenous voltage of a battery cell may accelerate | stimulate deterioration of a part of battery cell, and causes the efficiency fall as the whole battery module. The non-uniformity of the voltage of the battery cell is caused by a variation in manufacturing each battery cell, a variation in aging deterioration, or the like. For this reason, the technique which equalizes the voltage between several battery cells is requested | required.
複数の電池セル間の電圧を均等化する技術として、隣接する電池セル同士で、電圧の高い電池セルから電圧の低い電池セルへ電流を流して両者の電池セルの電圧を均等化するアクティブセルバランスと称される電圧均等化回路が知られている。図4は、アクティブセルバランスを行う電圧均等化回路の基本的な構成例を示す。 As a technology to equalize the voltage between multiple battery cells, the active cell balance that equalizes the voltage of both battery cells by passing current from a battery cell having a high voltage to a battery cell having a low voltage between adjacent battery cells There is known a voltage equalization circuit referred to as FIG. 4 shows a basic configuration example of a voltage equalization circuit that performs active cell balancing.
図4において、Ce1,Ce2は隣接する電池セル、Lはインダクタ、HSw,LSwはスイッチ素子、HDi,LDiはスイッチ素子HSw,LSwのボディダイオードである。図4に示すように、直列に接続された同一容量の電池セルCe1,Ce2に対して、電池セルCe1,Ce2に並列にスイッチ素子HSw,LSwを接続する。そして、インダクタLの一端を電池セルCe1,Ce2の接続点に接続し、インダクタLの他端をスイッチ素子HSw,LSwの接続点に接続する。 In FIG. 4, Ce1 and Ce2 are adjacent battery cells, L is an inductor, HSw and LSw are switch elements, and HDi and LDi are body diodes of the switch elements HSw and LSw. As shown in FIG. 4, switch elements HSw and Lsw are connected in parallel to the battery cells Ce1 and Ce2 with respect to the battery cells Ce1 and Ce2 of the same capacity connected in series. Then, one end of the inductor L is connected to the connection point of the battery cells Ce1 and Ce2, and the other end of the inductor L is connected to the connection point of the switch elements HSw and LSW.
このような電圧均等化回路において、電池セルCe1の電圧が電池セルCe2の電圧より高い場合、スイッチ素子HSwをオンにするゲート信号HGを与え、スイッチ素子LSwをオフにするゲート信号LGを与える。すると、電池セルCe1→スイッチ素子HSw→インダクタL→電池セルCe1の閉ループの電流路が形成され、電池セルCe1からインダクタLに電気エネルギーが移行する。 In such a voltage equalization circuit, when the voltage of the battery cell Ce1 is higher than the voltage of the battery cell Ce2, the gate signal HG for turning on the switch element HSw is given, and the gate signal LG for turning off the switch element LSW is given. Then, a closed loop current path of the battery cell Ce1 → switching element HSw → inductor L → battery cell Ce1 is formed, and electric energy is transferred from the battery cell Ce1 to the inductor L.
その後、スイッチ素子HSwをオフにし、スイッチ素子LSwをオンにすると、インダクタL→電池セルCe2→スイッチ素子LSw→インダクタLの閉ループの電流路が形成され、インダクタLに移行した電気エネルギーは、電池セルCe2に移行する。このような動作により、電池セルCe1から電池セルCe2に電荷を移動させ、電池セルCe1の電圧と電池セルCe2の電圧とを均等化する。 Thereafter, when the switch element HSw is turned off and the switch element LSw is turned on, a closed loop current path of inductor L → battery cell Ce2 → switch element LSW → inductor L is formed, and the electric energy transferred to the inductor L Transition to Ce2. By such an operation, the charge is transferred from the battery cell Ce1 to the battery cell Ce2, and the voltage of the battery cell Ce1 and the voltage of the battery cell Ce2 are equalized.
逆に、電池セルCe2の電圧が電池セルCe1の電圧より高い場合、スイッチ素子LSwをオンにするゲート信号LGを与え、スイッチ素子HSwをオフにするゲート信号HGを与える。すると、電池セルCe2→インダクタL→スイッチ素子LSw→電池セルCe2の閉ループの電流路が形成され、電池セルCe2からインダクタLに電気エネルギーが移行する。 On the other hand, when the voltage of the battery cell Ce2 is higher than the voltage of the battery cell Ce1, a gate signal LG for turning on the switch element LSW is given, and a gate signal HG for turning off the switch element HSw is given. Then, a closed loop current path of battery cell Ce2 → inductor L → switch element LSW → battery cell Ce2 is formed, and electric energy is transferred from battery cell Ce2 to inductor L.
その後、スイッチ素子LSwをオフにし、スイッチ素子HSwをオンにすると、インダクタL→スイッチ素子HSw→電池セルCe1→インダクタLの閉ループの電流路が形成され、インダクタLに移行した電気エネルギーは、電池セルCe1に移行する。このような動作により、電池セルCe2から電池セルCe1に電荷を移動させ、電池セルCe1の電圧と電池セルCe2の電圧とを均等化する。 Thereafter, when the switch element LSW is turned off and the switch element HSw is turned on, a closed loop current path of inductor L → switch element HSw → battery cell Ce1 → inductor L is formed, and the electric energy transferred to the inductor L Move to Ce1. By such an operation, the charge is transferred from the battery cell Ce2 to the battery cell Ce1, and the voltage of the battery cell Ce1 and the voltage of the battery cell Ce2 are equalized.
上述のアクティブセルバランスのほかに、直列に接続された各電池セル間の電圧を均等化する技術として、各電池セルに並列に抵抗による放電回路を設け、高い電圧の電池セルに対して放電回路により電荷を放電させて、各電池セルの電圧を均等化するパッシブセルバランスと称される技術が知られている。 In addition to the above-mentioned active cell balance, as a technique for equalizing the voltage between the battery cells connected in series, a discharge circuit by a resistor is provided in parallel with each battery cell, and the discharge circuit is provided for a high voltage battery cell. There is known a technique called passive cell balance that discharges electric charges to equalize the voltage of each battery cell.
パッシブセルバランスは、抵抗による放熱を伴うため、あまり大きい電流を流すことはせず、例えば100mA程度の電流での放電が行われる。それに対して、アクティブセルバランスでは、抵抗による放熱を伴わないので、パッシブセルバランスに比べて大きな電流、例えば4A程度の電流での充放電が行われる。 Since passive cell balance involves heat dissipation due to resistance, a very large current is not allowed to flow, and discharge is performed at a current of about 100 mA, for example. On the other hand, in the active cell balance, since heat is not released by resistance, charging / discharging is performed with a large current, for example, about 4 A, compared to the passive cell balance.
二次電池は過放電の状態に陥ったり、過大な放電電流が流れたりすると、電池性能が劣化し、電池寿命が著しく低下する。そこで、過放電防止回路や過大電流防止回路を設け、これらを二次電池と一体化した電池パック等の電池電源装置が、例えば、特許文献1等により提案されている。
If the secondary battery falls into an overdischarge state or an excessive discharge current flows, the battery performance deteriorates and the battery life is remarkably reduced. Thus, for example,
また、パッシブセルバランスを行う電圧均等化回路において、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールの接続ラインの断線を検出し、また、過充放電等を検出する電池モジュール管理装置等が、例えば、特許文献2等に記載されている。 In addition, in a voltage equalization circuit that performs passive cell balancing, a battery module management device that detects disconnection of a connection line of a battery module in which a plurality of battery cells are connected in series, and detects overcharge / discharge, for example, Patent Document 2 and the like.
二次電池は過放電や過充電の状態になったり、過大な充放電電流が流れたりすると、電池性能が劣化し、電池寿命が低下する。そのため、電池モジュールの各電池セルに過大な充放電電流が流れ、又は各電池セルが過放電や過充電状態になるような異常を常に監視し、そのような異常を検出したときに、該異常発生による悪影響を最少に抑え、該異常に対して直ちに適正に対処し得るよう構成することが要求されている。 When the secondary battery is overdischarged or overcharged, or an excessive charge / discharge current flows, the battery performance deteriorates and the battery life is reduced. For this reason, the battery module is constantly monitored for abnormalities that cause excessive charging / discharging current to flow through each battery cell, or each battery cell is overdischarged or overcharged. There is a demand for a configuration that can minimize the adverse effects caused by the occurrence and can appropriately deal with the abnormality immediately.
そこで、各電池セルの過大電流・過小電流及び過充電(過大電圧)・過放電(過小電圧)を常時監視し、それらの異常を検出するために、電圧均等化回路毎に異常電流及び異常電圧を検出し、該異常を検出したときに電圧均等化回路を停止させる機能をハードウェア回路で実現することが考えられる。 Therefore, in order to constantly monitor the overcurrent / undercurrent and overcharge (overvoltage) / overdischarge (undervoltage) of each battery cell and detect those abnormalities, abnormal current and abnormal voltage are detected for each voltage equalization circuit. It is conceivable that a hardware circuit realizes a function of detecting the voltage and stopping the voltage equalization circuit when the abnormality is detected.
該機能をハードウェア回路で実現した構成例を図5に示す。図5に示すように、電圧均等化ユニット10は、パワー部11、デジタル制御部12、アナログ制御部13を備える。パワー部11は、一例として14個の電池セルから成る電池モジュール40に対して、電池モジュール40の各隣接する2つの電池セル対で電圧を均等化する13個の電圧均等化回路を備える。
A configuration example in which this function is realized by a hardware circuit is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the
各電圧均等化回路は、図4を参照して説明したように、2つのスイッチ素子とインダクタLとから構成され、2つのスイッチ素子にはそれぞれゲート信号HG,LGが加えられ、該スイッチ素子のオン/オフによりインダクタLを介して、隣接する2つの電池セル対で電荷を移動し、電圧を均等化する。図5では、13個の電圧均等化回路におけるゲート信号HG,LG及びインダクタL等の各要素にそれぞれ各電圧均等化回路対応にA〜Mのサフィックスを付している。 As described with reference to FIG. 4, each voltage equalization circuit includes two switch elements and an inductor L, and gate signals HG and LG are added to the two switch elements, respectively. By turning on / off, the charge is transferred between two adjacent battery cell pairs via the inductor L to equalize the voltage. In FIG. 5, suffixes A to M are attached to the elements such as the gate signals HG and LG and the inductor L in the 13 voltage equalizing circuits, corresponding to the respective voltage equalizing circuits.
各電池セルの電圧は、電池監視電子制御ユニット(ECU)20の電池監視IC21に入力され、アナログデジタル変換器211によりデジタル信号に変換され、電池監視マイクロコントローラ22から、電圧均等化ユニット10内のデジタル制御部12の電圧均等化マイクロコントローラ121に電圧情報として送出される。
The voltage of each battery cell is input to the
電圧均等化マイクロコントローラ121は、各電池セルの電圧情報を基に、各電圧均等化回路の2つのスイッチ素子のオン/オフを制御する制御信号C1A,C2A〜C1M,C2Mをアナログ制御部13の各電圧均等化回路対応の各アナログICに送出する。各アナログICは、制御信号C1A,C2A〜C1M,C2Mに応じて、各電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオン/オフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを生成するゲート信号生成部として機能する。
The
各電圧均等化回路は、各電圧均等化回路に流れる電流を検出する電流検出部DA〜DMを備え、電流検出部DA〜DMで検出された電流のレベルを、各電圧均等化回路対応の異常検出/停止回路122A〜122Mに送出する。異常検出/停止回路122A〜122Mは、電流検出部DA〜DMの検出信号(電流のレベル)、及び電池監視電子制御ユニット(ECU)20の電池監視IC21から出力される各電池セルの電圧を入力する。
Each voltage equalization circuit includes current detection units DA to DM that detect currents flowing through the respective voltage equalization circuits, and the current levels detected by the current detection units DA to DM are determined according to an abnormality corresponding to each voltage equalization circuit. The data is sent to the detection /
異常検出/停止回路122A〜122Mは、それらの電流及び電圧の値を基に、異常な過大電流/過小電流、及び異常な過大電圧/過小電圧を監視し、異常な電流又は電圧が検出された電圧均等化回路の動作を停止させる停止信号(スリープ信号)SA〜SMを送出する。
The abnormality detection /
停止信号SA〜SMは、アナログ制御部13の各電圧均等化回路対応のアナログIC(ゲート信号生成部)に印加され、アナログIC(ゲート信号生成部)は停止信号SA〜SMが入力されると、電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを出力し、電圧均等化回路の動作を停止させる。
The stop signals SA to SM are applied to analog ICs (gate signal generation units) corresponding to the voltage equalization circuits of the
図6は電圧均等化回路の異常検出/停止回路を実装した回路基板の例を示す。図6は、14個の電池セルの間の電圧を均等化するために、13個の電圧均等化回路112A〜112Mが回路基板100に実装される構成例を示している。各電圧均等化回路112A〜112M対応に異常検出/停止回路122A〜122Mが回路基板100に実装される。
FIG. 6 shows an example of a circuit board on which an abnormality detection / stop circuit of a voltage equalization circuit is mounted. FIG. 6 shows a configuration example in which 13 voltage equalization circuits 112A to 112M are mounted on the
回路基板100には、電源回路14及び電圧均等化マイクロコントローラ121が実装され、さらに電池監視電子制御ユニット(ECU)20が実装されることが望ましい。電圧均等化マイクロコントローラ121及び電池監視電子制御ユニット(ECU)20は、他の回路要素と絶縁されて実装される。
It is desirable that the
図6に示すように、異常検出/停止回路122A〜122Mは、各電圧均等化回路112A〜112M対応に搭載する必要があるため、それらの機能をハードウェア回路の追加によって実現すると、回路基板の面積を大幅に増加させなければならなくなり、コストが増加する等の課題が生じる。
As shown in FIG. 6, the abnormality detection /
また、アクティブセルバランスを行う電圧均等化回路は、パッシブセルバランスを行う電圧均等化回路に比べて、大きい充放電電流を流して短時間で電圧を均等化させるため、電圧の均等化のための設計範囲内の大電流と、設計範囲外の異常な大電流とを精度よく区別して、異常電流を検知する必要がある。 In addition, the voltage equalization circuit that performs active cell balancing, in comparison with the voltage equalization circuit that performs passive cell balancing, flows a large charge / discharge current to equalize the voltage in a short time. It is necessary to detect an abnormal current by accurately distinguishing between a large current within the design range and an abnormal large current outside the design range.
上記課題に鑑み、本発明は、アクティブセルバランスによる大電流の充放電電流を各電池セル間で流す電圧均等化回路における異常電流又は各電池セルの異常電圧を精度よく検出し、異常が発生した電圧均等化回路の電圧均等化動作を停止させる機能を、回路基板の面積の増加を伴うことなく実装することができる、電圧均等化回路を備えた電池パックにおける異常検出装置を提供する。 In view of the above problems, the present invention accurately detects an abnormal current or an abnormal voltage of each battery cell in a voltage equalization circuit that causes a large charge / discharge current due to active cell balance to flow between the battery cells, and an abnormality has occurred. Provided is an abnormality detection device for a battery pack provided with a voltage equalization circuit, which can implement a function of stopping a voltage equalization operation of a voltage equalization circuit without increasing the area of a circuit board.
本発明に係る電圧均等化回路を備えた電池パックにおける異常検出装置は、直列に接続した複数の電池セルに対して、隣接する各電池セル間で電池電圧が高い電池セルから電池電圧が低い電池セルへ電流を放電させ、各電池セルの電圧を均等化させる電圧均等化回路を、隣接する各電池セル間に備えた電池パックにおける異常検出装置であって、前記隣接する各電池セル間で電圧均等化のために放電される電流路をオン/オフする前記各電圧均等化回路に流れる電流のレベルを検出し、該電流のレベルをマイクロコントローラに送出する電流検出手段と、前記電流検出手段から送出される電流のレベル、及び前記各電池セルの電圧を監視する電池監視電子制御ユニットから入力される電圧情報を、所定の閾値と比較して異常を検出し、異常を検出したとき、前記電圧均等化回路の電流路のオン/オフを制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部に対して、前記電圧均等化回路の電流路を遮断して電圧均等化の動作を停止させる停止信号を送出するマイクロコントローラと、を備えたことを特徴とする。 An abnormality detection device in a battery pack provided with a voltage equalization circuit according to the present invention is a battery having a low battery voltage from a battery cell having a high battery voltage between adjacent battery cells to a plurality of battery cells connected in series. An abnormality detection device in a battery pack having a voltage equalization circuit for discharging current to cells and equalizing the voltage of each battery cell between adjacent battery cells, the voltage between the adjacent battery cells A current detecting means for detecting a level of a current flowing in each voltage equalizing circuit for turning on / off a current path discharged for equalization, and sending the current level to a microcontroller; The voltage information input from the battery monitoring electronic control unit that monitors the level of the current to be sent and the voltage of each battery cell is compared with a predetermined threshold value to detect an abnormality. A gate signal generation unit that generates a gate signal for controlling on / off of the current path of the voltage equalization circuit when the voltage equalization circuit is turned off. And a microcontroller for sending a stop signal to be stopped.
また、前記マイクロコントローラは、前記電圧均等化回路の電流路のオン/オフを制御し、前記隣接する各電池セル間で電圧均等化の制御を行う電圧均等化マイクロコントローラであることを特徴とする。 The microcontroller is a voltage equalization microcontroller that controls on / off of a current path of the voltage equalization circuit and controls voltage equalization between the adjacent battery cells. .
また、前記マイクロコントローラは、前記電流のレベルを基に、前記各電圧均等化回路のショート時の過大電流の発生を検知したとき、又は前記各電圧均等化回路のオープン時の過小電流の発生を検知したとき、前記電圧均等化回路の電流路を遮断して電圧均等化の動作を停止させる停止信号を送出するとともに、上位の電池制御電子制御ユニットに異常の発生を通知することを特徴とする。 The microcontroller detects the occurrence of an undercurrent when the occurrence of an excessive current when the voltage equalization circuit is short-circuited or when the voltage equalization circuit is open based on the level of the current. When detected, the current path of the voltage equalization circuit is interrupted to send a stop signal for stopping the voltage equalization operation, and the occurrence of abnormality is notified to the host battery control electronic control unit. .
また、前記マイクロコントローラは、各電池セルの前記電圧情報を基に、前記各電池セルの過大電圧又は過小電圧の異常を検知したとき、前記電圧均等化回路の電流路を遮断して電圧均等化の動作を停止させる停止信号を送出するとともに、上位の電池制御電子制御ユニットに異常の発生を通知することを特徴とする。 In addition, when the microcontroller detects an overvoltage or undervoltage abnormality of each battery cell based on the voltage information of each battery cell, the microcontroller cuts off the current path of the voltage equalization circuit to equalize the voltage. A stop signal for stopping the operation is sent out, and the occurrence of abnormality is notified to the host battery control electronic control unit.
また、前記各電池セルの電圧異常の検出機能を、前記電池監視電子制御ユニットの電池監視マイクロコントローラ及び前記電圧均等化マイクロコントローラの両方のマイクロコントローラに実装し、該両方のマイクロコントローラの何れかが異常を検出したとき、該異常を検出したマイクロコントローラが、上位の電池制御電子制御ユニットに異常の発生を通知する構成としたことを特徴とする。 Also, the voltage abnormality detection function of each battery cell is mounted on both the battery monitoring microcontroller of the battery monitoring electronic control unit and the voltage equalization microcontroller, and either of the two microcontrollers When an abnormality is detected, the microcontroller that detects the abnormality notifies the host battery control electronic control unit of the occurrence of the abnormality.
また、前記電圧均等化の動作を停止させる停止信号を、デイジーチェーン接続した信号線により、前記各ゲート信号生成部に送出することを特徴とする。 In addition, a stop signal for stopping the voltage equalization operation is sent to each gate signal generation unit through a signal line connected in a daisy chain.
本発明によれば、アクティブセルバランスによる大電流の充放電電流を各電池セル間で流す電圧均等化回路における異常電流又は各電池セルの異常電圧を精度よく検出し、異常が発生した電圧均等化回路の電圧均等化動作を停止させる機能を、マイクロコントローラに実装したことにより、各電圧均等化回路対応に異常を検出し動作を停止させる回路が不要となり、回路基板の面積を小型化することができコストを低減することができる。 According to the present invention, an abnormal current in a voltage equalization circuit for flowing a large charge / discharge current due to active cell balance between battery cells or an abnormal voltage of each battery cell is accurately detected, and voltage equalization in which an abnormality has occurred is detected. By mounting a function to stop the voltage equalization operation of the circuit in the microcontroller, it is not necessary to detect an abnormality for each voltage equalization circuit and stop the operation, and the circuit board area can be reduced. And cost can be reduced.
また、過大電流/過小電流、過大電圧/過小電圧の閾値をソフトウェアで変更することができるため、短時間でかつ部品の変更等を行うことなく、閾値を変更することが可能となり、メンテナンスを容易に行うことが可能となる。 In addition, since the thresholds for overcurrent / undercurrent and overvoltage / undervoltage can be changed by software, it is possible to change the threshold in a short time without changing the parts, etc., and maintenance is easy. Can be performed.
また、電圧均等化の動作を停止させる停止信号を、電圧均等化マイクロコントローラから送出することにより、ゲート信号生成部から生成される通常の電圧均等化の動作のためのゲート信号を用いて、電圧均等化の動作を停止させることが可能となる。 In addition, by sending a stop signal for stopping the voltage equalization operation from the voltage equalization microcontroller, the gate signal for the normal voltage equalization operation generated from the gate signal generation unit can be used. It is possible to stop the equalization operation.
また、各電池セルの電圧異常の検出機能を、電池監視マイクロコントローラ及び電圧均等化マイクロコントローラの両方のマイクロコントローラに実装することにより、回路基板の面積及びコストを増加させることなく、二重の安全性を確保することが可能となる。 In addition, by implementing the voltage abnormality detection function of each battery cell in both the battery monitoring microcontroller and the voltage equalization microcontroller, double safety can be achieved without increasing the circuit board area and cost. It becomes possible to ensure the sex.
また、電圧均等化の動作を停止させる停止信号を、デイジーチェーン接続した信号線により、各ゲート信号生成部に送出することにより、電圧均等化回路の個数(電池セルn個に対してn−1個)分の信号線及びマイクロコントローラのピン数を備える必要が無くなり、回路基板の面積を削減することが可能となる。 In addition, a stop signal for stopping the voltage equalization operation is sent to each gate signal generation unit via a signal line connected in a daisy chain, so that the number of voltage equalization circuits (n−1 for n battery cells) is increased. The number of signal lines and the number of pins of the microcontroller are eliminated, and the area of the circuit board can be reduced.
図1に本発明による電圧均等化ユニットの構成例を示す。本発明による電圧均等化ユニットの構成例は、図5に示した構成例と同様に、電圧均等化ユニット10は、パワー部11、デジタル制御部12、アナログ制御部13を備える。パワー部11、デジタル制御部12、及びアナログ制御部13における電圧均等化のための構成及び動作は、図5を参照して説明した構成及び動作と同様であるので重複した説明は省略する。
FIG. 1 shows a configuration example of a voltage equalization unit according to the present invention. As in the configuration example shown in FIG. 5, the
各電圧均等化回路には、各電圧均等化回路に流れる電流を検出する電流検出部DA〜DMを備え、電流検出部DA〜DMの検出信号(電流のレベル)は、電圧均等化マイクロコントローラ121に送出される。電圧均等化マイクロコントローラ121は、電流検出部DA〜DMの検出信号(電流のレベル)、及び電池監視電子制御ユニット(ECU)20の電池監視IC21により検知され、電池監視マイクロコントローラ22によって通知される各電池セルの電圧情報を入力する。また、電圧均等化マイクロコントローラ121は、図示省略の温度検出部からの各電池セルの温度情報を入力する。
Each voltage equalization circuit includes current detection units DA to DM that detect currents flowing through the voltage equalization circuits. The detection signals (current levels) of the current detection units DA to DM are the
電圧均等化マイクロコントローラ121は、それらの電流、電圧及び温度の値を基に、異常な過大電流/過小電流、異常な過大電圧/過小電圧、及び温度上昇を監視し、異常な電流、電圧又は温度が検出された電圧均等化回路の動作を停止させる停止信号(スリープ信号)SA〜SMを送出する。
The
停止信号SA〜SMは、アナログ制御部13の各電圧均等化回路対応のアナログIC(ゲート信号生成部)に印加され、アナログIC(ゲート信号生成部)は停止信号SA〜SMが入力されると、電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを出力し、電圧均等化回路の動作を停止させる。
The stop signals SA to SM are applied to analog ICs (gate signal generation units) corresponding to the voltage equalization circuits of the
電圧均等化マイクロコントローラ121は、(1)電圧均等化回路のショート時の過大電流発生、(2)電圧均等化回路のオープン時の過小電流発生、(3)電池セルの電圧の過大電圧(過充電)及び過小電圧(過放電)、(4)電池セルの過度な温度上昇、の異常を検出する機能を備え、それらの異常を検出したとき、電圧均等化回路を停止させるとともに、上位の電池制御電子制御ユニット(ECU)30に通信機能により異常の発生を通知する。 The voltage equalization microcontroller 121 (1) generates an excessive current when the voltage equalization circuit is short-circuited, (2) generates an excessive current when the voltage equalization circuit is opened, (3) an excessive voltage (overvoltage of the battery cell voltage) Charging) and undervoltage (overdischarge), and (4) an abnormal temperature rise of the battery cell. When these abnormalities are detected, the voltage equalization circuit is stopped and the upper battery The control electronic control unit (ECU) 30 is notified of the occurrence of an abnormality by the communication function.
上記(1)の電圧均等化回路のショート時の過大電流発生の検出について説明する。電圧均等化回路の例えばインダクタLA〜LMの両端がショートした状態になると、電圧均等化回路のスイッチ素子をオンにしたとき、設計範囲外の過大な異常電流が流れる。該異常電流は電流検出部DA〜DMを介して電圧均等化マイクロコントローラ121によって検出される。
The detection of the occurrence of excessive current when the voltage equalizing circuit (1) is short-circuited will be described. For example, when both ends of the inductors LA to LM of the voltage equalization circuit are short-circuited, an excessive abnormal current outside the design range flows when the switch element of the voltage equalization circuit is turned on. The abnormal current is detected by the
この異常発生に対して、電圧均等化回路を停止させることにより、不適正な電圧均等化の動作による過放電を防ぎ、上位の電池制御電子制御ユニット(ECU)30に通信機能により異常の発生を通知し、電池制御電子制御ユニット(ECU)30においてアラーム信号を発報するなどにより、異常による電池セルへの悪影響を最小化することができる。 In response to this abnormality, the voltage equalization circuit is stopped to prevent overdischarge due to an inappropriate voltage equalization operation, and the abnormality is generated by the communication function in the upper battery control electronic control unit (ECU) 30. By notifying and issuing an alarm signal in the battery control electronic control unit (ECU) 30, it is possible to minimize the adverse effect on the battery cell due to the abnormality.
上記(2)の電圧均等化回路のオープン時の過小電流発生の検出について説明する。電圧均等化回路の例えばインダクタLA〜LMの少なくとも一端の接続が外れて或いは断線してオープンの状態になると、電圧均等化回路のスイッチ素子をオンにしたとき、設計範囲内の充放電電流が流れず、設計範囲外の過小電流又は無電流となる。この異常電流は電流検出部DA〜DMを介して電圧均等化マイクロコントローラ121によって検出される。
The detection of the occurrence of an undercurrent when the voltage equalizing circuit (2) is opened will be described. When at least one end of, for example, the inductors LA to LM of the voltage equalization circuit is disconnected or disconnected and becomes an open state, the charge / discharge current within the design range flows when the switch element of the voltage equalization circuit is turned on. Therefore, it becomes an undercurrent or no current outside the design range. This abnormal current is detected by the
この異常発生に対して、電圧均等化回路を停止させるよう制御することにより、不適正な電圧均等化の動作が実行されるのを防ぎ、上位の電池制御電子制御ユニット(ECU)30に通信機能により異常の発生を通知し、電池制御電子制御ユニット(ECU)30においてアラーム信号を発報するなどにより、異常による電池セルへの悪影響を最小化する。 By controlling the voltage equalization circuit to stop in response to the occurrence of this abnormality, an inappropriate voltage equalization operation is prevented from being executed, and a communication function is provided to the host battery control electronic control unit (ECU) 30. Is notified of the occurrence of an abnormality, and an alarm signal is issued in the battery control electronic control unit (ECU) 30, thereby minimizing adverse effects on the battery cells due to the abnormality.
上記(3)の電池セルの電圧の過大電圧(過充電)及び過小電圧(過放電)の検出について説明する。各電池セルの電圧は、池監視電子制御ユニット(ECU)20の電池監視IC21により検知され、電池監視マイクロコントローラ22から、電圧均等化マイクロコントローラ121に電圧情報として通知される。電圧均等化マイクロコントローラ121は、通知された電圧情報が、予め設定された過充電時の過大電圧又は過放電時の過小電圧の範囲を越えたか否かを監視して異常を検出する。
The detection of the overvoltage (overcharge) and the undervoltage (overdischarge) of the battery cell voltage (3) will be described. The voltage of each battery cell is detected by the
このように、各電池セルの過大電流/過小電流、過充電(過大電圧)/過放電(過小電圧)及び過度な温度上昇の異常を検出する機能を、電圧均等化マイクロコントローラ121に実装する。電圧均等化マイクロコントローラ121は、異常検出時に、電圧均等化回路の動作を停止させる停止信号(スリープ信号)SA〜SMを、アナログ制御部13に送出する。アナログIC(ゲート信号生成部)は、停止信号SA〜SMが入力されると、電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを出力し、電圧均等化回路の動作を停止させる。
In this manner, the
図2に、電圧均等化回路を備えた電池パック全体の構成例を示す。電池パック50は、電池モジュール40、電圧均等化ユニット10、電池監視電子制御ユニット(ECU)20、電池制御電子制御ユニット(ECU)30を備える。電圧均等化ユニット10は、図示省略の電圧均等化回路及び電圧均等化マイクロコントローラを備え、電池モジュール40の各電池セル間の電圧の均等化を行う。
FIG. 2 shows a configuration example of the entire battery pack including the voltage equalization circuit. The
電圧均等化ユニット10は、電池監視電子制御ユニット(ECU)20及び電池制御電子制御ユニット(ECU)30と通信路で接続され、電池監視電子制御ユニット(ECU)20から各電池セルの電圧情報を取得し、電池制御電子制御ユニット(ECU)30に対して異常電圧又は異常電流の検出及び電圧均等化の停止を通知する。
The
また、電池監視電子制御ユニット(ECU)20と電池制御電子制御ユニット(ECU)30との間も通信路で接続され、電池監視電子制御ユニット(ECU)20と電池制御電子制御ユニット(ECU)30との間で情報を通信することが可能である。 Further, the battery monitoring electronic control unit (ECU) 20 and the battery control electronic control unit (ECU) 30 are also connected by a communication path, and the battery monitoring electronic control unit (ECU) 20 and the battery control electronic control unit (ECU) 30 are connected. It is possible to communicate information with.
図3は、本発明による電圧均等化ユニットを含む回路基板の構成例を示す。図3に示す回路基板の構成例は、図6に示す回路基板の構成例から、各電圧均等化回路112A〜112M対応に備えた異常検出/停止回路122A〜122Mを除去したものである。
FIG. 3 shows a configuration example of a circuit board including a voltage equalizing unit according to the present invention. The configuration example of the circuit board shown in FIG. 3 is obtained by removing the abnormality detection /
各電圧均等化回路112A〜112M対応に行う電圧及び電流の異常検出並びに電圧均等化の停止の機能は、電圧均等化マイクロコントローラ121で実現されるため、各電圧均等化回路112A〜112M対応の異常検出/停止回路122A〜122Mの実装が不要となり、回路基板の面積を増加することなく、上述の機能を回路基板に実装することができる。そのため、電圧均等化ユニット10と電池監視電子制御ユニット(ECU)20とを、回路基板の面積を増加することなく、同一の回路基板上に構成(混載)することができる。
The voltage and current abnormality detection and voltage equalization stop functions for the voltage equalization circuits 112A to 112M are implemented by the
また、検出された各電池セルの電流、電圧及び温度が設計範囲内の値であるか設計範囲外の異常値であるかを判定する際に、検出された電流、電圧及び温度の値と所定の閾値との比較判定を、電圧均等化マイクロコントローラ121におけるソフトウェア処理によるデジタル数値に基づいて行うため、ハードウェアの電子回路部品を用いた異常検出/停止回路122A〜122Mで個々に行う場合比べて、電子回路部品の特性等のばらつきによる判定のばらつきがなく、精度良く異常検出を行うことができる。
In addition, when determining whether the detected current, voltage, and temperature of each battery cell are values within the design range or abnormal values outside the design range, the detected current, voltage, and temperature values and predetermined values are determined. Is compared with the threshold value of the
さらに、電圧均等化回路を停止させる停止信号を、電圧均等化マイクロコントローラ121からSPI(Serial Peripheral Interface)通信によりデイジーチェーン接続した通信路を介して送信し、SPI通信の1つのピン及び信号線により全電圧均等化回路を停止する停止信号を送信することにより、電圧均等化回路の個数(電池セルn個に対してn−1個)分の信号線及びマイクロコントローラのピン数を備える必要が無くなり、更なる回路基板の面積を削減することが可能となる。
Further, a stop signal for stopping the voltage equalization circuit is transmitted from the
また、各電池セルの電圧異常(過充電による過大電圧及び過放電による過小電圧)の検出機能を、電池監視マイクロコントローラ22及び電圧均等化マイクロコントローラ121の両方に実装して二重化し、該両方のマイクロコントローラの何れかが異常を検出したとき、該異常を検出したマイクロコントローラが、上位の電池制御電子制御ユニット(ECU)30に異常の発生を通知する構成とする。
In addition, the detection function of voltage abnormality (overvoltage due to overcharge and undervoltage due to overdischarge) of each battery cell is mounted on both the
こうすることにより、一方のマイクロコントローラが誤動作により異常を検出しなかった場合でも、もう一方のマイクロコントローラが異常を検出し、電池制御電子制御ユニット(ECU)30に異常を通知し、回路基板の面積及びコストを増加させることなく、二重の安全性を確保することができる。 In this way, even if one microcontroller detects no abnormality due to malfunction, the other microcontroller detects the abnormality, notifies the battery control electronic control unit (ECU) 30 of the abnormality, and Double safety can be ensured without increasing the area and cost.
なお、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various configurations or embodiments can be taken without departing from the gist of the present invention.
10 電圧均等化ユニット
11 パワー部
12 デジタル制御部
121 電圧均等化マイクロコントローラ
13 アナログ制御部
20 電池監視電子制御ユニット(ECU)
21 電池監視IC
211 アナログデジタル変換器
22 電池監視マイクロコントローラ
30 電池制御電子制御ユニット(ECU)
31 電池制御マイクロコントローラ
40 電池モジュール
DESCRIPTION OF
21 Battery monitoring IC
211 Analog to
31
Claims (6)
前記隣接する各電池セル間で電圧均等化のために放電される電流路をオン/オフする前記各電圧均等化回路に流れる電流のレベルを検出し、該電流のレベルをマイクロコントローラに送出する電流検出手段と、
前記電流検出手段から送出される電流のレベル、及び前記各電池セルの電圧を監視する電池監視電子制御ユニットから入力される電圧情報を、所定の閾値と比較して異常を検出し、異常を検出したとき、前記電圧均等化回路の電流路のオン/オフを制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部に対して、前記電圧均等化回路の電流路を遮断して電圧均等化の動作を停止させる停止信号を送出するマイクロコントローラと、
を備えたことを特徴とする電圧均等化回路を備えた電池パックにおける異常検出装置。 Voltage equalization that equalizes the voltage of each battery cell by discharging current from the battery cell having a high battery voltage to the battery cell having a low battery voltage between adjacent battery cells for a plurality of battery cells connected in series An abnormality detection device in a battery pack provided with a circuit between adjacent battery cells,
A current that detects a level of a current flowing through each voltage equalization circuit that turns on / off a current path that is discharged for voltage equalization between the adjacent battery cells, and sends the current level to a microcontroller Detection means;
The level of current sent from the current detection means and the voltage information input from the battery monitoring electronic control unit that monitors the voltage of each battery cell are compared with a predetermined threshold to detect an abnormality and detect the abnormality. When this occurs, the gate signal generator that generates a gate signal that controls on / off of the current path of the voltage equalization circuit is cut off and the voltage equalization operation is stopped. A microcontroller that sends out a stop signal,
An abnormality detection device for a battery pack comprising a voltage equalizing circuit.
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JP2013134836A JP2015012649A (en) | 2013-06-27 | 2013-06-27 | Abnormality detection device in battery pack with voltage equalization circuit |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018107920A (en) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | トヨタ自動車株式会社 | Controller of battery module |
CN108494049A (en) * | 2018-04-13 | 2018-09-04 | 郑州安纳信电子科技有限公司 | The battery management system of high-power high voltage battery pack |
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2013
- 2013-06-27 JP JP2013134836A patent/JP2015012649A/en active Pending
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