JP2015149834A

JP2015149834A - 電池監視装置

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Publication number: JP2015149834A
Application number: JP2014021587A
Authority: JP
Inventors: 和士黒田; Kazushi Kuroda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20

Abstract

【課題】異常の発生を高精度に判別した上でフェールセーフ処理を行う電池監視装置を提供する。【解決手段】電池監視装置は、複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される第１制御部と、前記電池スタックに配設され、前記電池セルの出力電圧を検出し、当該検出電圧を表す電圧データを出力する複数の第２制御部と、前記複数の第２制御部と前記第１制御部とを接続するデイジーチェーンとを含み、前記第１制御部は、前記デイジーチェーンを介して前記第２制御部に送信した電圧検出指令の前記第１制御部における受信状態と、前記電圧検出指令に対する前記第２制御部の応答信号の前記デイジーチェーンを介しての前記第１制御部における受信状態とに基づき、フェールセーフ処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電池監視装置に関する。

従来より、低圧側のメインマイコンが各電圧監視用に出力した共通の電圧検出起動指令に呼応して、高圧側の第１〜第５電圧監視用ＩＣ(Integrated Circuit)が、対応する単位セルの測定電圧のデータをメインマイコンに送信する、複数組電池の状態監視ユニットがある（例えば、特許文献１参照）。

メインマイコンは、受信した単位セルのディジタルの電圧信号（測定電圧のデータ）の数が、通信線上に存在する第１〜第５の電圧監視用ＩＣの数と一致するか否かによって、正常な受信データであるか否かを判定する。

特開２０１１−０５０１７６号公報

ところで、メインマイコンと電圧監視用ＩＣ（セル側のＩＣ）との間では、電圧検出起動指令及び測定電圧のデータ以外の指令やデータについての送受信も行われるため、メインマイコンと電圧監視用ＩＣとを結ぶデイジーチェーンでは、例えば、指令やデータ等の衝突が生じる場合が有り得る。指令やデータ等の衝突が生じると、すべての指令やデータ等がメインマイコンに送信されない場合が有り得る。このように、メインマイコンと電圧監視用ＩＣ（セル側のＩＣ）との間では、例えば上述のような理由等で、すべての指令やデータ等がメインマイコンに送信されない場合が有り得る。

しかしながら、従来の複数組電池の状態監視ユニットは、測定電圧のデータの数と電圧監視用ＩＣの数との一致／不一致によって異常の有無を判定するため、メインマイコンがすべての測定電圧のデータを電圧監視用ＩＣから受信しない場合であっても、電圧監視用ＩＣやデイジーチェーン等が正常な場合が有り得る。すなわち、従来の複数組電池の状態監視ユニットでは、電圧監視用ＩＣやデイジーチェーン等が正常な場合（異常が生じていない場合）であっても、異常が生じていると判定する場合がある。

ここで、異常が生じた場合にはフェールセーフ処理が行われるため、従来の複数組電池の状態監視ユニットでは、異常が生じていない場合であっても、フェールセーフ処理が行われる場合が有り得ることになる。

そこで、本発明は、異常の発生を高精度に判別した上でフェールセーフ処理を行う電池監視装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面の電池監視装置は、複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される第１制御部と、前記電池スタックに配設され、前記電池セルの出力電圧を検出し、当該検出電圧を表す電圧データを出力する複数の第２制御部と、前記複数の第２制御部と前記第１制御部とを接続するデイジーチェーンとを含み、前記第１制御部は、前記デイジーチェーンを介して前記第２制御部に送信した電圧検出指令の前記第１制御部における受信状態と、前記電圧検出指令に対する前記第２制御部の応答信号の前記デイジーチェーンを介しての前記第１制御部における受信状態とに基づき、フェールセーフ処理を行う。

本発明によれば、異常の発生を高精度に判別した上でフェールセーフ処理を行う電池監視装置を提供できるという効果が得られる。

実施の形態の電池監視装置を含む電池ユニット１００を示す図である。実施の形態の電池監視装置におけるＥＣＵ１１０とＩＣ１〜ＩＣｎとの間におけるデータの流れを示す図である。実施の形態の電池監視装置によるフェールセーフ処理を行うか行わないかを判定する処理を示す図である。

以下、本発明の電池監視装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の電池監視装置を含む電池ユニット１００を示す図である。

実施の形態１の電池ユニット１００は、主な構成要素として、ＥＣＵ（Electric Control Unit：電子制御装置）１１０と、スタック１２０とを含む。スタック１２０は、複数のセル１５０と、ｎ個（ｎは２以上の整数）のＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）チップ１６０を含む。実施の形態１の電池監視装置は、ＥＣＵ１１０と、スタック１２０に含まれるＩＣチップ１６０とによって構成される。

電池ユニット１００は、例えば、ハイブリッド自動車又は電気自動車（ＥＶ（Electric Vehicle））の電池の状態を判定するセンサ制御装置として用いられる。

図１には、電池監視装置の構成要素として、１つのＥＣＵ１１０とｎ個（ｎは２以上の整数）のＩＣチップ１６０（ＩＣ１〜ＩＣｎとも称す）を示す。図１では、ＥＣＵ１１０の構成要素として、マイコン１１１を示す。ＥＣＵ１１０は、他のスタックにバス１０１を介して接続されている。

ＩＣ１〜ＩＣｎとＥＣＵ１１０は、信号線１７０によってデイジーチェーン方式で接続されている。各信号線１７０には、矢印で示す方向に信号が転送される。図１には、ＥＣＵ１１０から送信される指令等をＴｘと表し、ＥＣＵ１１０によって受信される指令又はデータ等をＲｘと表す。

ここで、ＥＣＵ１１０から最も遠いＩＣｎが最上位のＩＣチップ１６０であり、ＥＣＵ１１０に最も近いＩＣ１が最下位のＩＣチップ（１６０）であるとする。

ＩＣ１〜ＩＣｎは、それぞれ、４つのＡＤコンバータを内蔵しており、それぞれ、対応するブロック１５０Ｂに含まれる４つのセル１５０の出力電圧を検出し、ＡＤコンバータでデジタル変換して電圧データを求める。また、ＩＣ１〜ＩＣｎは、ＥＣＵ１１０から送信される電圧検出指令に応答して、それぞれ、４つの出力電圧を表す電圧データを信号線１７０を介してＥＣＵ１１０に送信する。

また、ＩＣチップ１６０は、ＥＣＵ１１０から電圧検出指令が入力されると、４つのセル１５０の出力電圧を表す電圧データを生成し、信号線１７０を介してＥＣＵ１１０に伝送する。また、ＩＣチップ１６０は、他のＩＣチップ１６０への電圧検出指令の転送と、他のＩＣチップ１６０から送信される電圧データの転送を行う。なお、ＩＣチップ１６０は、ＥＣＵ１１０からの指令にのみ対応して動作する。

各セル１５０は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池である。

このような電池ユニット１００において、各ＩＣチップ１６０は、４つのセル１５０の電圧データをＥＣＵ１１０に伝送する。

ＥＣＵ１１０は、各ＩＣチップ１６０から伝送される電圧データに基づき、スタック１２０に含まれるセル１５０のうち、出力電圧が所定電圧以上のセル１５０を放電させることにより、スタック１２０に含まれるセル１５０の出力電圧を調整する。

なお、セル１５０の出力電圧とは、セル１５０の両端間電圧又は充電電圧と同義である。

また、図１には１つのスタック１２０を示すが、さらに多くのスタックが直列又は並列に接続されていてもよい。

また、ＩＣチップ１６０は、セル１５０の出力電圧（セル電圧）を監視する監視ＩＣであり、信号線１７０を介して接続されるＩＣチップ１６０の総数と、自己のＩＣ番号ｋ（ｋ＝１〜ｎのいずれか）とを予め学習して内部メモリに保持している。なお、このような学習は、例えば、工場出荷時に行えばよい。また、このような学習は、イグニッションをオンにした度に毎回行ってもよい。

また、ＥＣＵ１１０は、スタック１２０又は信号線１７０に異常が生じていると判定すると、フェールセーフ処理を行う。フェールセーフ処理とは、電池ユニット１００の充放電処理を制限する処理である。フェールセーフ処理が行われている間は、例えば、電池ユニットが所定の低電力しか出力できないようにしたり、スタック１２０への充放電制御を禁止するようにする。なお、ＥＣＵ１１０がフェールセーフ処理を行うか行わないかを判定する処理については後述する。

図２は、実施の形態の電池監視装置におけるＥＣＵ１１０とＩＣ１〜ＩＣｎとの間におけるデータの流れを示す図である。なお、図２（Ａ）〜（Ｅ）において横軸は時間軸を表す。

ここで、以下に示すＥＣＵ指令とは、電圧検出指令の他に、例えば、ＩＣ１〜ＩＣｎのアドレスを学習させるための学習指令、ＩＣ１〜ＩＣｎが内部メモリに格納する情報を読み出すための読み出し指令、セル１５０の履歴の書き込みと読み出しをＩＣ１〜ＩＣｎに行わせるための指令、処理を再スタートさせるためのリスタート指令等がある。このように、電圧検出指令の他にも多くの種類の指令がデイジーチェーンで伝送されるため、例えば、通信時に指令同士の衝突（通信の衝突）が生じる場合が有り得る。電圧検出指令は、定期的にＩＣ１〜ＩＣｎに送信され、これに対してＩＣ１〜ＩＣｎからのＩＣ応答がＥＣＵ１１０に送信されるが、その他の指令等は不定期的に信号線１７０によって送信されるため、通信の衝突が生じうる。このように、ＥＣＵ１１０とＩＣ１〜ＩＣｎとの間では、例えば上述のような理由等で、すべての指令やデータ等がＥＣＵ１１０に送信されない場合が有り得る。

また、以下に示すＩＣ応答とは、ＥＣＵ指令に対してＩＣ１〜ＩＣｎが応答して送信するデータ等である。

図２（Ａ）に示すように、通常時には、ＥＣＵ１１０からＩＣ１〜ＩＣｎのそれぞれに順番にＥＣＵ指令が送信され（Ｔｘ）、ＥＣＵ指令はＥＣＵ１１０によって受信される（ＥＣＵ１１０に戻る）。なお、このようにＥＣＵ指令がＥＣＵ１１０から送信されて、ＥＣＵ１１０に戻るまでの所要時間は、例えば、マイクロ秒オーダである。

また、図２（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ指令がＩＣに届かない場合は、ＥＣＵ指令及びＩＣ応答によるデータの流れが存在しない。図２（Ｂ）のようにＥＣＵ指令及びＩＣ応答によるデータの流れが存在しない場合は、ＥＣＵ１１０とＩＣ１との間における送信側の信号線１７０の断線、又は、これに加えて信号線１７０のその他の箇所における断線、又は、ＥＣＵ１１０あるいはスタック１２０の故障が発生している場合である。このような場合には、フェールセーフ処理を実行する。また、電池監視装置を搭載する車両等のユーザに警報灯等によって告知する。修理等の対応としては、信号線１７０の断線の有無を判定した後に、信号線１７０に異常が無ければ、ＥＣＵ１１０又はスタック１２０を交換することになる
また、図２（Ｃ）に示すように、ＥＣＵ指令はＩＣ１〜ＩＣｎを経由してＥＣＵ１１０に戻るが、ＩＣ１〜ＩＣｎからの応答がない場合である。このような場合は、信号線１７０に異常は発生していないが、例えば、スタック１２０に異常が発生している状態、又は、例えば最上位のＩＣがアドレスを消失して上位のＩＣの応答を転送できない場合である。

また、図２（Ｄ）に示すように、ＥＣＵ指令はＩＣ１〜ＩＣｎを経由してＥＣＵ１１０に戻るが、ＩＣ１〜ＩＣｎの一部の応答がない場合である。このような場合には、信号線１７０に異常は発生していないが、いずれかのＩＣに異常が発生している状態、又は、例えば中間のＩＣがアドレスを消失して上位のＩＣの応答を転送できない場合である。

また、図２（Ｅ）に示すように、ＩＣ１〜ＩＣｎからの応答のみがある場合は、ＩＣ応答がＥＣＵ１１０によって受信される。

図３は、実施の形態の電池監視装置によるフェールセーフ処理を行うか行わないかを判定する処理を示す図である。なお、図３に示す処理は、ＥＣＵ１１０が、ＥＣＵ指令をＩＣ１〜ＩＣｎに送信しても、ＩＣ応答が全くない場合（図２（Ｃ）の場合）、又は、ＩＣ１〜ＩＣｎのうちの一部のみからＩＣ応答がある場合（図２（Ｄ）の場合）に、ＥＣＵ１１０が実行する処理である。

ＥＣＵ１１０は、前回のＩＣ応答に含まれる値（Ｒｘ前回値）が、セル１５０の低電圧フラグ又は高温フラグがオンになっていることを表すか否かを判定する（ステップＳ１）。ＥＣＵ１１０は、過去の通信によって得られた低電圧フラグ及び高温フラグをすべて内部メモリに保持しているため、これを参照することによってステップＳ１の判定を実行する。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１でＹＥＳと判定した場合は、充放電処理を一時的に停止させる（ステップＳ２）。低電圧又は高温等の外部環境的な要因により、充放電処理を一時的に停止させることとしたものである。

次いで、ＥＣＵ１１０は、フェールセーフ処理を実行する（ステップＳ３）。これにより、充放電処理が停止される。ただし、次回、イグニッションがオンにされたときには、正常復帰させて通常状態での動作を可能にするように処理する（ＥＮＤ）。

ステップＳ３に辿り着く場合は、例えば、前回値でセルの低電圧又は高温フラグが出力されて、今回のＩＣ応答の一部が停止されたため、外部環境により一時的に通信を停止したと判断される。このような場合には、次回のイグニッション・オン時には、セル１５０の低電圧状態や高温状態が解消している可能性があるため、フェールセーフ処理を行った後に、次回は正常復帰させることとした。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１でＮＯと判定した場合は、カウント数ｍをゼロにリセットし（ステップＳ１Ａ）、再度電圧検出指令を送信する（再Ｔｘ指令）（ステップＳ４）。ステップＳ１でＮＯと判定した場合は、今回の制御周期ではＩＣ１〜ＩＣｎのうちの少なくとも１つのＩＣから応答がないが、前回の応答では低電圧フラグ又は高温フラグがオフ（低電圧又は高温の異常なし）であった場合である。

次いで、ＥＣＵ１１０は、ＩＣ１〜ＩＣｎからのＩＣ応答があるか否かを判定する（ステップＳ５）。すなわち、すべてのＩＣからのＩＣ応答の有無を判定する。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ５でＹＥＳ（ＩＣ応答あり）と判定した場合は、カウント数ｍをゼロにリセットするとともに、通常動作に復帰させる（正常復帰）（ステップＳ６）。ここで、カウント数ｍとは、ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ７、及びＳ８によるサブルーチン処理の繰り返し回数であり、ＥＣＵ１１０がカウントし、内部メモリに保持する。

ステップＳ６に辿り着く場合は、例えば、ＩＣ内の演算負荷が一時的に高くなり、１回送信できなくなった状態となり、ステップＳ４で再送信された電圧検出指令に対して応答した場合が考えられる。このような場合には、通常動作に復帰（正常復帰）しても問題がないため、フェールセーフ処理を行わずに、正常復帰させることとした。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ６の処理を終えると、正常復帰する（ＥＮＤ）。

また、ＥＣＵ１１０は、ステップＳ５においてＮＯ（ＩＣ応答なし）と判定すると、カウント数ｍをインクリメントする（ステップＳ７）。これにより、カウント数が１増える。

次いで、ＥＣＵ１１０は、カウント数ｍが３以上であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ここで、カウント数ｍが３以上であるか否かを判定基準にするのは一例であり、２以上の任意のカウント数を判定基準として用いることができる。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ８でＮＯ（カウント数ｍは２以下）と判定すると、フローをステップＳ４にリターンする。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ８でＹＥＳ（カウント数ｍは３以上）と判定すると、アドレス学習を行わせるための学習指令をＩＣ１〜ＩＣｎに送信する（ステップＳ９）。学習指令はＥＣＵ１１０からデイジーチェーンを介してＩＣ１〜ＩＣｎに伝送され、ＩＣ１〜ＩＣｎは、アドレスの値を１ずつインクリメントしながら次のＩＣに自己のアドレス値と学習指令を転送する。このようにして、ＩＣ１〜ＩＣｎはアドレスを再学習する。アドレスの再学習が完了すると、ＥＣＵ１１０とＩＣ１〜ＩＣｎは、元通りの動作を行える状態に復帰する。

次いで、ＥＣＵ１１０は、再Ｔｘ指令を行い（ステップＳ９Ａ）、ＩＣ１〜ＩＣｎからのＩＣ応答があるか否かを判定する（ステップＳ１０）。すなわち、すべてのＩＣからのＩＣ応答の有無を判定する。学習指令を受信したＩＣ１〜ＩＣｎが正常に動作している場合は、アドレスデータをＥＣＵ１１０に送信してくる。従って、ＩＣ応答の有無を判定することにより、ＩＣ１〜ＩＣｎの故障の有無を判定することができる。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１０でＹＥＳ（ＩＣ応答あり）と判定すると、カウント数ｍをゼロにリセットするとともに、通常動作に復帰させる（正常復帰）（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１に辿り着く場合は、例えば、ＩＣ１〜ＩＣｎの少なくともいずれか１つがアドレスを消失し、又は、ＩＣの入れ替え等によってアドレスが変化し、応答不可能な状態になった場合が考えられる。このような場合には、ステップＳ９によるアドレスの再学習後に通常動作に復帰（正常復帰）しても問題がないため、フェールセーフ処理を行わずに、正常復帰させることとした。

ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１０でＮＯ（ＩＣ応答なし）と判定すると、スタック１２０の内部で故障が発生していると判定し、フェールセーフ処理を行う（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２に辿り着く場合は、例えば、スタック１２０の内部で、ＩＣ１６０の故障が発生した場合が考えられる。このような場合には、故障箇所等の修理等が必要になるため、フェールセーフ処理を行うこととした。修理等が必要になるため、ステップＳ３に辿り着いた場合とは異なり、次回のイグニッションオン時に正常復帰は行わないこととした。

以上のように、実施の形態の電池監視装置では、ＥＣＵ１１０は、電圧応答指令に対するＩＣ１〜ＩＣｎからのすべてのＩＣ応答が揃わない（ゼロの場合を含む）場合に、図３に示す処理を実行する。

そして、ＩＣ１〜ＩＣｎに送信した電圧検出指令がデイジーチェーンを介してＥＣＵ１１０にリターンするかどうか（ＥＣＵ１１０における電圧検出指令の受信状態）と、電圧検出指令に対するＩＣ応答の有無（ＥＣＵ１１０におけるＩＣ応答の受信状態）とに基づき、ステップＳ３、Ｓ６、Ｓ１１、Ｓ１２のように、その後の処理内容を決める。

特に、ステップＳ１でＮＯと判定した場合は、場合分けによってステップＳ６、Ｓ１１、又はＳ１２のいずれかの処理を行う。

ステップＳ６に進行する場合は、（図３に示す処理の開始条件として）電圧応答指令に対するＩＣ１〜ＩＣｎからのすべてのＩＣ応答が揃わない（ゼロの場合を含む）場合に、ステップＳ４で再度電圧検出指令を送信し、すべてのＩＣ応答があった場合である。このような場合には、（図３に示す処理の開始条件として）電圧応答指令に対するＩＣ１〜ＩＣｎからのすべてのＩＣ応答が揃わない（ゼロの場合を含む）時点で即座にフェールセーフ処理を行わずに、ＥＣＵ１１０における電圧検出指令の受信状態と、ＥＣＵ１１０におけるＩＣ応答の受信状態とに基づいて、フェールセーフ処理の要否を判定している。

また、ステップＳ１１に進行する場合は、（図３に示す処理の開始条件として）電圧応答指令に対するＩＣ１〜ＩＣｎからのすべてのＩＣ応答が揃わず（ゼロの場合を含む）に、さらに、カウント数ｍが３以上になった場合に、ステップＳ９でアドレスの再学習を指令し、その結果としてすべてのＩＣ応答があった場合である。

このような場合には、（図３に示す処理の開始条件として）電圧応答指令に対するＩＣ１〜ＩＣｎからのすべてのＩＣ応答が揃わない（ゼロの場合を含む）時点で即座にフェールセーフ処理を行わずに、ＥＣＵ１１０における電圧検出指令の受信状態と、ＥＣＵ１１０におけるＩＣ応答の受信状態とに基づいて、フェールセーフ処理の要否を判定している。

従って、実施の形態によれば、ステップＳ６及びＳ１１に辿り着く場合のように通常動作に復帰可能（正常復帰可能）な場合には、フェールセーフ処理を行わないため、過敏な異常処理対応を行わずに済み、異常の発生を高精度に判別した上でフェールセーフ処理を行う電池監視装置を提供することができる。

また、このように、状況に応じてフェールセーフ処理の有無を吟味するため、状況に応じて高い確率で異常発生箇所を特定することができ、サービス性が向上する。

また、ステップＳ３とＳ１２に辿り着く場合を比較すれば分かるように、フェールセーフ処理を行った場合でも、その要因に応じて、次回のイグニッションオンを許可することにより、状況に応じたフェールセーフ処理を設定している。

このように、状況に応じてフェールセーフ処理を設定するため、状況に応じて高い確率で異常発生箇所を特定することができ、サービス性が向上する。

なお、以上では、制御周期毎にＥＣＵ１１０が電圧検出指令をＩＣ１〜ＩＣｎに送信し、ＩＣ１〜ＩＣｎがＩＣ応答を行う形態について説明したが、最初に一度ＥＣＵ１１０が電圧検出指令を送信した後、各制御周期にＩＣ１〜ＩＣｎがＩＣ応答を行うようにしてもよい。

また、ＥＣＵ１１０とＩＣ１〜ＩＣｎの各々は、１対１で電圧検出指令の送信とＩＣ応答を行うようにしてもよい。

また、ＩＣ１〜ＩＣｎをいくつかのグループに分け、ＥＣＵ１１０とＩＣのグループ毎に、電圧検出指令の送信とＩＣ応答を行うようにしてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の電池監視装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００電池ユニット
１１０ＥＣＵ
１２０スタック
１５０セル
１５０Ｂブロック
１６０ＩＣチップ
１７０信号線

Claims

複数の電池セルを有する電池スタックの外部に配設される第１制御部と、
前記電池スタックに配設され、前記電池セルの出力電圧を検出し、当該検出電圧を表す電圧データを出力する複数の第２制御部と、
前記複数の第２制御部と前記第１制御部とを接続するデイジーチェーンと
を含み、
前記第１制御部は、前記デイジーチェーンを介して前記第２制御部に送信した電圧検出指令の前記第１制御部における受信状態と、前記電圧検出指令に対する前記第２制御部の応答信号の前記デイジーチェーンを介しての前記第１制御部における受信状態とに基づき、フェールセーフ処理を行う、電池監視装置。