JP2015072222A

JP2015072222A - 電池監視装置

Info

Publication number: JP2015072222A
Application number: JP2013208564A
Authority: JP
Inventors: 義幸高原; Yoshiyuki Takahara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2015-04-16

Abstract

【課題】各監視ＩＣのアドレス学習の時間を低減した電池監視装置を提供すること。【解決手段】電池状態を監視する複数の監視部が直列に接続された電池監視装置１２であって、信号を送信する外部装置と接続された監視部２１を起点に、各監視部が、各監視部の後段に接続された監視部に次々に信号を送信し、最も後段の監視部を起点に、各監視部が、各監視部の前段に接続された監視部に前記信号の受信応答を次々と送信し、各監視部は、前記信号を受信した時から、前記受信応答を送信するまでの時間を測定する時間測定手段２６と、前記時間に応じて自機のアドレスを学習する学習手段２５と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電池状態を監視する複数の監視部が直列に接続された電池監視装置に関する。

バッテリーを搭載した製品ではバッテリーの状態を精度よく検出したいという要望がある。また、ＥＶやＨＶなどの車両などでは車両駆動用の高圧電源として複数の電池セルが直列に接続された電池パックが搭載されている。必要とされる電源が高圧になるほど搭載される電池セルの数が増大する。

このような電池パックの各電池セルの状態を監視するため、各電池セルには複数の監視ＩＣが搭載されているが、電池セルの数の増大に対応するため複数の電池セルをグループ化してブロックを作り、各ブロック毎に監視ＩＣが搭載されることが多い。

電池パックに配置された監視ＩＣに対し、電圧などの送信を要求する制御装置（例えば、ＥＣＵ：Electronic Control Unit）が存在する。ＥＣＵと、ＥＣＵ側に最も近い監視ＩＣは通信線で接続され、また、各監視ＩＣはケーブル長の節約などの理由からデイジーチェーン接続される。

デイジーチェーン接続では、ＥＣＵが各監視ＩＣを識別するため各監視ＩＣに固有のアドレスが与えられる（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、上段の監視ＩＣから受信したＩＤ信号を自身のＩＤ信号として格納し、受信したＩＤ信号に対して"１"を加算して後段の監視ＩＣのＩＤ信号として後段の監視ＩＣに送信する電圧監視システムが開示されている。

特開２０１１−１８１３９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたＩＤの指定方法は、各監視ＩＣがＩＤを指定するまでに時間がかかるという問題がある。すなわち、特許文献１の方法では、各監視ＩＣが、
Ａ．前段の監視ＩＣからＩＤ信号を受信
Ｂ．ＩＤの保存
Ｃ．"１"を加算
Ｄ．後段の監視ＩＣに送信
という４つの手順を行うため、「Ａ〜Ｄの時間×監視ＩＣの数」だけ処理時間がかかってしまう。

本発明は、上記課題に鑑み、各監視ＩＣのアドレス学習の時間を低減した電池監視装置を提供することを目的とする。

本発明は、電池状態を監視する複数の監視部が直列に接続された電池監視装置であって、信号を送信する外部装置と接続された監視部を起点に、各監視部が、各監視部の後段に接続された監視部に次々に信号を送信し、最も後段の監視部を起点に、各監視部が、各監視部の前段に接続された監視部に前記信号の受信応答を次々と送信し、各監視部は、前記信号を受信した時から、前記受信応答を送信するまでの時間を測定する時間測定手段と、前記時間に応じて自機のアドレスを学習する学習手段と、を有することを特徴とする。

各監視ＩＣのアドレス学習の時間を低減した電池監視装置を提供することができる。

電池監視システムの概略構成図の一例である。アドレスの割り当てに関する各監視ＩＣの機能ブロック図の一例である。時間とクロック数の関係を用いて、タイマーの測定結果から変換されるアドレスを説明する図の一例である。監視ＩＣの動作手順を示すフローチャート図の一例である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

〔本実施形態の電池監視装置の概略について〕
図１は、本実施形態の電池監視システム５０の概略構成図の一例を示す。電池パック１２の各監視ＩＣ２１（以下、監視ＩＣを区別する場合、監視ＩＣ１〜ｎと称する。）は、以下のようにしてアドレスを学習する。ここでは、監視ＩＣ２を例にして説明する。
（１）監視ＩＣ１から、アドレス学習指示というコマンドを端子３１を介して受信する。
（２）監視ＩＣ３へ（図ではＩＣｎ）、アドレス学習指示を送信する。
（３）監視ＩＣ３からアドレス学習指示の受信完了を受信する。
（４）監視ＩＣ１へ受信完了を端子３７を介して送信する。
（５）監視ＩＣ１からアドレス学習指示を受信してから、監視ＩＣ１へ受信完了を送信するまでの時間をアドレスに変換して記憶する。

各監視ＩＣ１〜３は、アドレス学習指示の受信完了を後段の監視ＩＣから受信した後、アドレスを記憶する。したがって、各監視ＩＣ１〜３は通常の送受信処理と同様に、往路ではコマンドを後段の監視ＩＣに転送し、復路では受信完了を前段の監視ＩＣに転送するだけでよく、通信処理以上の時間はほとんどかからない。また、アドレスの記憶は、各監視ＩＣが復路の受信完了の転送後に行うので、各監視ＩＣがほぼ同時期にアドレスの記憶を行うことができる。

したがって、従来技術のように、前段の監視ＩＣがアドレスを演算し記憶した後に後段の監視ＩＣがアドレスを記憶する方法よりもアドレスの学習時間を短縮できる。例えば、コマンドの転送には２マイクロ秒程度しかかからないが、ソフト的な処理は１００マイクロ秒くらいかかる。従来技術では、１つの監視ＩＣが処理を開始してから最低でも１００マイクロ秒以上が経過しないと次の監視ＩＣが処理できない。したがって、全ての監視ＩＣがアドレスを学習するには最低でも「１００マイクロ秒×監視ＩＣ」の数だけ必要である。これに対し、本実施形態では先に転送処理だけ実行できるので、最も長い時間を測定する監視ＩＣ１でも、「往路と復路の転送時間＋１００マイクロ秒」くらいでアドレスを学習できる。その他の監視ＩＣ２〜ｎのアドレス学習時間はこれよりも短い。

〔構成例〕
図１を用いて電池監視システム５０の構成について説明する。なお、図１では電池パック１２の監視のための主要な構成が図示されておりその他の構成は省略されている場合がある。電池監視システム５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１及びＥＣＵ１１と通信可能に接続された電池パック１２を有している。ＥＣＵ１１又はマイコン１３は電池パック１２を監視する外部装置の一例であり、監視ＩＣ２１は監視部の一例であり、複数の監視ＩＣ２１は電池監視装置の一例である。

ＥＣＵ１１は主要な構成としてマイコン１３を有している。なお、電池パック１２の電圧が高圧なため、マイコン１３と電池パックを絶縁するアイソレータを有することが好適である。マイコン１３は不図示のＣＰＵにより全体が制御され、一般的な汎用回路（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＤＭＡＣ、タイマー、入出力回路など）を有している。

マイコン１３は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行してマイコン１３の全体を制御することで、例えば、ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦを検出してそれぞれの状況に応じて電池パック１２を監視する。すなわち、ＩＧ−ＯＮの間は周期的に、電池パック１２の各電池セルの電圧・温度を要求する。また、ＩＧ−ＯＦＦの間は、監視ＩＣをスリープ状態に遷移させることで監視ＩＣの消費電力を低減する。また、ＩＧ−ＯＦＦ中に監視ＩＣを起動させ、ＩＧ−ＯＦＦの無負荷状態を利用して各電池セルの精度よい電圧・温度を取得して、必要であれば均等化処理を行う。

マイコン１３と電池パック１２は、送信線１４、クロック信号線１５、及び、受信線１６を介して接続されている。すなわち、マイコン１３と電池パック１２はクロック信号で同期して通信する同期通信を行う。同期通信としては、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）、Ｉ２Ｃなどの通信規格が知られている。本実施形態では、ＥＣＵ１１と電池パック１２の通信方法に影響されず、各監視ＩＣのアドレスを決定可能なので通信プロトコルはどのようなものでもよい。

また、同期通信を用いるのでなく、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）などの非同期通信で通信してもよい。また、マイコン１３からの送信を同期通信で行い、受信を非同期通信で行ってもよい。

マイコン１３は、送信線１４を介して制御データを送信する。制御データには、監視ＩＣを指定するアドレス信号、制御内容としてのコマンド、及び、コマンドに付随する引数などが含まれている。また、マイコン１３は、監視ＩＣ１から電池の状態などを受信する。

続いて電池パック１２について説明する。電池パック１２は、主に、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池から構成される単セルが複数個積層された電池スタックの構造を有している。また、各電池スタックの電池セルを制御する監視ＩＣ２１を、複数の電池セルのグループ毎に有している。複数の電池セルをグループ化してブロックを作り、各ブロックに対応した監視ＩＣがブロック毎に監視を行う。なお、図では監視ＩＣ２１の数はｎ個であるが、監視ＩＣ２１の数は２以上であればよい。

監視ＩＣ２１は、主に各電池セルの電圧測定機能、電池セルの温度測定機能、及び、均等化機能を有している。マイコン１３は、監視ＩＣ２１から電池セルの電圧を取得して、電池セルの電圧に基づき電池の残量を検出し、また、過電圧や低電圧（電池の過充電や過放電など）などの異常状態を検出する。また、マイコン１３は、監視ＩＣ２１から電池セルの温度を取得して、電池セルの異常発熱を検出し、また、温度により電池セルの残量を補正する。また、マイコン１３は電池セルの残量格差を検出すると均等化を行う。均等化とは、複数の電池セルが直列に接続されリーク電流の偏りや監視ＩＣ自体の消費電力の偏りによって生じる各電池セル間の残量のアンバランスを改善することをいう。よって、均等化は、残量の多い電池セルを放電させることで少ない電池セルに電力を合わせることである。残量の多い電池セルから少ない電池セルに移動させるアクティブセルバランス手法も存在する。

電池セルは直列接続されるため、高電圧側から低電圧側のブロックが存在する。図では最下位の監視ＩＣ１が最も低電圧側の監視ＩＣで、最上位の監視ＩＣｎが最も高電圧側の監視ＩＣである。

最下位の監視ＩＣ１、中位の監視ＩＣ２、及び、最上位の監視ＩＣｎは、デイジーチェーン接続されている（すなわち、直列接続されている）。また、最下位の監視ＩＣ１はマイコン１３と通信する機能を有しており、送信線１４、クロック信号線１５、及び、受信線１６でマイコン１３と接続されている。

なお、電池パック１２側にマイコンを配置してもよい。この場合、不図示のマイコンは最下位の監視ＩＣ１よりもＥＣＵ１１側に配置され、ＥＣＵ１１と監視ＩＣ１の通信を中継する。

各監視ＩＣ２１同士は、送信線１４、クロック信号線１５、受信線１６、及び、クロック信号線１７で接続されている。このため、最上位の監視ＩＣｎを除き、各監視ＩＣは復路に４つの端子３１〜３４を有し、往路に４つの端子３５〜３８を有している。

下位の監視ＩＣ２１はクロック信号線１５を介して上位の監視ＩＣ２１にクロック信号を送信する。また、上位の監視ＩＣ２１はクロック信号線１７を介して下位の監視ＩＣ２１にクロック信号を送信する。

また、最下位の監視ＩＣ２１ａは、マイコン１３から送信線１４で送信された制御データを受信する。最下位の監視ＩＣ２１ａは制御データの送信の起点となる監視ＩＣである。制御データには監視ＩＣ２１を指定するアドレスが含まれている。最下位の監視ＩＣ１は同期通信の通信プロトコルからデイジーチェーン用のプロトコルに制御データをプロトコル変換して、中位の監視ＩＣ２に転送する。中位の監視ＩＣ２は、最上位の監視ＩＣｎにプロトコル変換された制御データを転送する。最上位の監視ＩＣｎは終端されているので（それ以上の送信先はないので）制御データを転送しない。

各監視ＩＣは、コマンドを解釈して自分宛の制御データを受信した場合、応答を送信する。上段の監視ＩＣから応答を受信した下段の監視ＩＣは、次々と下段の監視ＩＣに転送する。例えば、アドレス学習指示のコマンドの場合、最上位の監視ＩＣｎは自分宛の制御データであると判断して、監視ＩＣn-1に応答を送信する。本実施形態ではこの応答を「受信完了」と称する。最下位の監視ＩＣ１はデイジーチェーン用の通信プロトコルから同期通信の通信プロトコルにプロトコル変換して、受信完了をマイコン１３に送信する。なお、「受信完了」は時間測定の終了の契機となる通信なので、送信内容は任意（例えば、ダミーデータ）でよい。

アドレス学習指示のコマンドでなく、例えば、電圧や温度の電池状態を検出するコマンドと共に、アドレスで最上位の監視ＩＣが選択された場合、最上位の監視ＩＣｎは、ブロック内の各電池セルの電圧や温度を検出して、中位の監視ＩＣ２を経由して最下位の監視ＩＣ１に送信する。中位の監視ＩＣ２が選択された場合も同様である。

このように、監視ＩＣ２１の識別情報は、ＥＣＵ１１が監視ＩＣ２１を識別したり選択したりするために必要なため、各監視ＩＣ２１には重複しないアドレス（識別情報）が割り当てられる。予め固有のアドレスを割り当てると、各ＩＣにＥＥＰＲＯＭが必要になりＩＣのコストアップにつながる。このため、ＥＣＵ１１は所定のタイミングで（例えば電池に接続されることで電源オンされた時、ＩＧ−ＯＦＦ中の任意のタイミングなど）監視ＩＣ２１にアドレスを割り当てる処理を行う。

図２は、アドレスの割り当てに関する各監視ＩＣの機能ブロック図の一例を示す。各監視ＩＣは、送信部２３、受信部２２、アドレス記憶部２４、制御部２５、タイマー２６、受信部２７、及び、送信部２８を有している。往路側の受信部２２は、送信線１４で送信された制御データを下段の監視ＩＣ２１から受信して、制御部２５に出力する。また、受信部２２は、送信部２３に制御データを出力し、送信部２３は後段の監視ＩＣ２１に制御データを送信する。

制御部２５は制御データに含まれるコマンドを解釈して、監視ＩＣ２１を制御する。本実施形態ではアドレス学習指示のコマンドを受信する。制御部２５は、コマンドがアドレス学習指示であることからタイマー２６をＯＮに設定する。これによりタイマー２６は時間の測定を開始する。時間の測定には、クロック信号線で送信されるクロック信号を用いてもよいし、各ＩＣが有する発振器のクロック信号を用いてもよい。また、監視ＩＣ２１の外部に不図示のクロック供給装置が存在してもよい。

復路側の受信部２７は、上段の監視ＩＣ２１から受信完了を受信する。受信部２７は、送信部２８に受信完了を出力し、送信部２８は下段の監視ＩＣ２１に受信完了を送信する。送信部２８は、受信完了を送信したことを制御部２５に通知する。制御部２５は、受信完了を送信したことを検出すると、すでにアドレス学習指示を受信しているためタイマー２６をＯＦＦに設定する。これによりタイマー２６は時間の測定を終了する。

よってタイマー２６は制御データの受信から受信完了を送信するまでの時間を測定する。下位の監視ＩＣ２１ほど通信経路が長くなるため、この時間は下位の監視ＩＣ２１ほど長い。なお、タイマー２６はハード的な回路でもソフト的な手段・機能のいずれでもよい。

ところで、通信経路に応じた時間を測定するという点では、往路の送信部２３が制御データが送信してから復路の受信部２７が受信完了を受信するまでの時間を測定することができる。または、往路の受信部２２が制御データが受信してから復路の受信部２７が受信完了を受信するまでの時間を測定することもできる。または、往路の送信部２３が制御データが送信してから復路の送信部２８が受信完了を受信するまでの時間を測定することもできる。しかし、最上段の監視ＩＣｎは、送信部２３を有していても制御データを送信せず、受信部２７を有していても受信完了を受信しないので、これらの測定方法を適用できない。本実施形態では、往路の受信部２２が制御データが受信してから復路の送信部２８が受信完了を送信するまでの時間を測定することで、全ての監視ＩＣ２１が共通の方法で時間を測定できる。

そして、制御部２５は、タイマー２６の測定結果（例えば、クロック数であるが時間そのものでもよい）を読み出して、アドレスに変換して、自機のアドレス記憶部２４に記憶する。タイマー２６の測定結果とアドレスとの変換については後述する。

アドレス記憶部２４は、電池パック１２から電力が供給されている間は、記憶している内容を維持する揮発性メモリ、又は、書き換え可能な不揮発メモリである。各監視ＩＣがこのような機能を有することで各監視ＩＣが一意のアドレスをアドレス記憶部２４に保持できる。

〔タイマーの測定結果とアドレスとの変換について〕
図３は、時間とクロック数の関係を用いて、タイマー２６の測定結果から変換されるアドレスを説明する図の一例である。横軸は、各監視ＩＣ２１が制御データを受信した時から、各監視ＩＣ２１が受信完了を送信した時までの時間を示している。ＩＣ２はＩＣ１よりも上段にあるため、ＩＣ１よりも遅れて時間の測定を開始し、ＩＣ１よりも先に時間の測定を終了する。縦軸は、タイマー２６がカウントするクロック数であるため、時間に比例して増大する。したがって、図の横線は以下の時間を表している。
ＩＣ１〜ＩＣ１´：監視ＩＣ１のタイマー２６がＯＮになった時から監視ＩＣ１のタイマー２６がＯＦＦになるまでの時間
ＩＣ２〜ＩＣ２´：監視ＩＣ２のタイマー２６がＯＮになった時から監視ＩＣ２のタイマー２６がＯＦＦになるまでの時間
制御部２５は、予めクロック数とアドレスを対応させたテーブルを有しており、テーブルに基づきクロック数をアドレスに変換する。
ａ≦クロック数＜ｂ：アドレス１
ｂ≦クロック数＜ｃ：アドレス２
ｃ≦クロック数＜ｄ：アドレス３
ｄ≦クロック数＜ｅ：アドレス４
ただし、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅである。このようなテーブルは実験的に定めることができる。すなわち、クロック数がｂ未満であれば必ず最上位の監視ＩＣｎであり、クロック数がｂ以上ｃ未満であれば最上位の次の監視ＩＣn-1であることがテーブルに登録されている。したがって、各監視ＩＣ２１は一意のアドレス情報をアドレス記憶部２４に保持できる。

〔動作手順〕
図４は、監視ＩＣ２の動作手順を示すフローチャート図の一例である。
制御部２５は、端子３１を制御データが通過したか否かを判定する（Ｓ１０）。受信部２２は、制御データを送信部２３に出力するので、受信部２２が制御データを受信すれば、端子３１を通過したことになる。制御部２５は、受信部２２から制御データを受け取って、アドレス学習指示のコマンドであることを検出する。または、ＥＣＵ１１が監視ＩＣ２１をアドレスの学習モードにして、コマンドの解釈なしに制御データを受信したこと（端子３１がＨ又はＬに変化すること）のみを検知してもよい。

制御データが端子３１を通過した場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、送信部２３は制御データを上段の監視ＩＣ２１に送信する（Ｓ２０）。また、並行して制御部２５はタイマー２６をＯＮに設定する。

次に、監視ＩＣ２の制御部２５は、端子３７を受信完了が通過したか否かを判定する（Ｓ３０）。すなわち、受信部２７は受信完了を送信部２８に出力し、送信部２８は下段の監視ＩＣに受信応答を送信するので、端子３７を通過したことになる。制御部２５は、送信部２８が受信完了を送信したことを検出する。または、監視ＩＣがアドレスの学習モードの場合、受信応答が端末３７から出力されたことを検知して受信応答を送信したことを検知してもよい（端子３７がＨ又はＬに変化することを検知する）。

受信完了が端子３７を通過した場合（Ｓ３０のＹｅｓ）、制御部２５はタイマー２６をＯＦＦに制御する（Ｓ４０）。制御部２５は上記のテーブルを参照して、タイマー２６の測定結果をアドレスに設定する。また、アドレスをアドレス記憶部２４に記憶する。

これにより、各監視ＩＣ２１のアドレス記憶部２４には上段から下段に向けて、昇順の連続したアドレスが記憶されたことになる。したがって、マイコン１３は各監視ＩＣ２１を指定してコマンドを送信できる。または、この後、マイコン１３が各監視ＩＣ２１に対しアドレスの送信を要求してもよい。要求する時点ではマイコン１３にとって各監視ＩＣのアドレスは不明なので、例えば全てのアドレスを指定する特殊なアドレスで各監視ＩＣに同報的にアドレスを要求すればよい。

以上説明したように、本実施形態の監視ＩＣ２１は、アドレス学習指示を下段から上段に転送し、受信応答を上段から下段に転送する通信処理程度の時間で、各監視ＩＣがほぼ同時期にアドレスを記憶できるのでアドレスの学習時間を短縮できる。

１１ＥＣＵ
１２電池パック
１３マイコン
１４送信線
１５クロック信号線
１６受信線
２１監視ＩＣ
２４アドレス記憶部
２６タイマー
３１〜３８端子
５０電池監視システム

Claims

電池状態を監視する複数の監視部が直列に接続された電池監視装置であって、
信号を送信する外部装置と接続された監視部を起点に、各監視部が、各監視部の後段に接続された監視部に次々に信号を送信し、
最も後段の監視部を起点に、各監視部が、各監視部の前段に接続された監視部に信号の受信応答を次々と送信し、
各監視部は、
前記信号を受信した時から、前記受信応答を送信するまでの時間を測定する時間測定手段と、
前記時間に応じて自機のアドレスを学習する学習手段と、
を有することを特徴とする電池監視装置。