JP2015210166A - 電池監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セル電圧の計測精度を向上させる。
【解決手段】セル１１，１２の端子間と第１の電圧計測回路２との間にヒューズ５が接続され、セル１１，１２の端子間と負荷４との間にヒューズ６が接続されているので、ヒューズ５の電圧ドロップが小さくなり、第１の電圧計測回路２のセル電圧計測精度が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ ＥＶ；ＨＥＶ）といった電動車両を動作させる電池を監視する電池監視装置に関するものである。

ＥＶおよびＨＥＶには、駆動用電源としてリチウムイオン電池が採用されている。リチウムイオン電池は、セルと呼ばれる４Ｖ前後の電圧を持つ電池で構成されており、セルを８〜１０個集めたものをモジュールと呼ぶ。このモジュールを１０〜２０個直列に接続して合計３００〜４００Ｖの電池を構成し、それをＥＶおよびＨＥＶの駆動用電源として使用している。

このような構成の電池の状態を監視するために、電池監視装置が車両に搭載されている。電池監視装置は電池の電圧と温度の計測（監視）を行っている。これらの計測値は、電池の寿命に影響を及ぼす充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；ＳＯＣ）および劣化状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅｌｔｈ；ＳＯＨ）を算出するための重要なパラメータであるため、高い精度での計測が必要である。

従来の電池監視装置は、高精度の電圧計測用の専用ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を搭載しているため、専用ＩＣのセル電圧計測精度は電池が要求する仕様を十分に満足している。しかし、実際の回路においては、セル電圧計測精度は専用ＩＣの計測精度のみではなく周辺回路も影響していることが分かっている。特に、専用ＩＣの端子を過電流から保護するためのヒューズ（例えば、特許文献１参照）、および電池に接続された負荷で発生している電圧ドロップは一番大きく影響している。

特開２０１３−１２１２４６号公報

しかし、従来はヒューズおよび負荷で発生する電圧ドロップの影響が考慮されていなかったため、セル電圧計測精度が低いという課題があった。

ここで、図６に、従来の電池監視装置１００の一例を示す。リチウムイオン電池などの二次電池１０は、直列接続された複数のセルから構成されており、複数のセルのうちの２個のセル１１，１２が代表で図示されている。セル１１，１２の端子間には、過電流保護用のヒューズ１０１を介して第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３が接続されている。第１の電圧計測回路２は、上述の専用ＩＣである。第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３の電流が小さいため、ヒューズ１０１の抵抗により発生する電圧ドロップも小さい。そのため、ヒューズ１０１の電圧ドロップによる第１の電圧計測回路２の電圧計測精度への影響はほぼない。

しかし、図６の場合、セル１１，１２の端子間には、ヒューズ１０１を介して負荷４も接続されている。負荷４は、例えば、電池監視装置１００の動作を制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコン）、高電圧側の第１の電圧計測回路２等と低電圧側のマイコン等とを絶縁するアイソレータなどである。ヒューズ１０１に流れる電流は、第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３の電流だけではなく、負荷４の消費電流もあるため、ヒューズ１０１の抵抗値により発生する電圧ドロップが大きくなる。そのため、第１の電圧計測回路２の電圧計測精度に及ぼす影響が大きい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、セル電圧計測精度の向上を目的とする。

この発明に係る電池監視装置は、複数のセルそれぞれの電圧を計測する第１の電圧計測回路と、複数のセルのうちの負荷が接続されたセルと第１の電圧計測回路との間に接続された第１のヒューズと、負荷が接続されたセルと負荷との間に接続された第２のヒューズとを備えるものである。

この発明によれば、第１の電圧計測回路に接続される第１のヒューズと、負荷に接続される第２のヒューズを分けたので、第１のヒューズの電圧ドロップを小さくでき、第１の電圧計測回路のセル電圧計測精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る電池監視装置の構成例を示す回路図である。 実施の形態１に係る電池監視装置のセル電圧計測精度を説明するための表である。 この発明の実施の形態２に係る電池監視装置の構成例を示す回路図である。 実施の形態２に係る電池監視装置の、負荷側のヒューズが溶断した場合の電流の流れおよび断線検知方法を説明する図である。 実施の形態２に係る電池監視装置の、第１の電圧計測回路側のヒューズが溶断した場合の電流の流れおよび断線検知方法を説明する図である。 従来の電池監視装置の一例を示す回路図である。

実施の形態１．
図１に示すように、実施の形態１に係る電池監視装置１は、直列接続された複数のセルから構成された二次電池１０を監視するものである。この二次電池１０は、ＥＶおよびＨＥＶなどの電動車両に搭載され、この電動車両を動作させる。先立って説明した図６と同様、図１の例でも直列接続された複数のセルのうち、２個のセル１１，１２を示している。また、電池監視装置１には、複数のセルそれぞれのセル電圧（より正確には複数のセルそれぞれの端子間電圧）を計測する第１の電圧計測回路２と、マイコンまたはアイソレータ等で構成される負荷４とが含まれる。第１の電圧計測回路２には、例えば、高精度の電圧計測用の専用ＩＣを使用する。

実施の形態１では、過電流保護用のヒューズを２個に分けることによって、第１の電圧計測回路２のセル電圧計測精度を向上させる。ヒューズ５（第１のヒューズ）は、セル１１，１２の端子間と第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３との間に接続されている。ヒューズ６（第２のヒューズ）は、セル１１，１２の端子間と負荷４との間に接続されている。第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３の消費電流をヒューズ５に流し、負荷４の消費電流をヒューズ６に流すことにより、電圧計測端子３と接続するヒューズ５にはわずかな電圧ドロップしか発生しない。

図２に、セル電圧計測精度を説明するための表を示す。この表では、「従来案」として図６の構成によるセル電圧計測例を挙げ、「本発明案」として図１の構成によるセル電圧計測例を挙げる。
「従来案」の図６の構成において、ヒューズ１０１の抵抗が０．１Ωの場合、セル１１，１２の端子間からヒューズ１０１に２０．５ｍＡの電流が流れると、ヒューズ１０１の抵抗による第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３の電圧ドロップは２．０５ｍＶとなる。

特に高電位の最上位セルではヒューズ１０１に流れる電流（消費電流）が大きいため、ヒューズ１０１の電圧ドロップは、第１の電圧計測回路２による最上位セルのセル電圧計測精度に大きく影響する。

一方、「本発明案」の図１の構成において、ヒューズ５の抵抗が０．１Ωの場合、セル１１，１２の端子間からヒューズ５に０．５ｍＡの電流が流れると、ヒューズ５の抵抗による第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３の電圧ドロップは０．０５ｍＶとなる。
ヒューズ６の抵抗が０．１Ωの場合、セル１１，１２の端子間からヒューズ６に２０ｍＡの電流が流れるとヒューズ６の抵抗による電圧ドロップは２ｍＶとなるが、ヒューズ５が断線（溶断）していない限り、ヒューズ６の電圧ドロップは第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３に影響しない。
つまり、「本発明案」では、「従来案」より約２ｍＶ（負荷４の電流×ヒューズ６の抵抗値）、セル電圧計測精度を向上できる。

また、実施の形態１では、ヒューズ５またはヒューズ６のどちらかが溶断した場合でも二次電池１０から電池監視装置１へ電流を供給できるように、２個のダイオードを設置している。ダイオード７（第１のダイオード）は、アノード端子がヒューズ５と第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３との間に接続され、カソード端子がヒューズ６と負荷４との間に接続されている。ダイオード８（第２のダイオード）は、カソード端子がヒューズ５と第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３との間に接続され、アノード端子がヒューズ６と負荷４との間に接続されている。つまり、ダイオード８は、ダイオード７とは逆極性方向に並列に接続されている。

セル１１，１２の端子間から第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３へ、ヒューズ５の許容電流を超える過電流が流れると、ヒューズ５が溶断して過電流を遮断し第１の電圧計測回路２を保護する。ヒューズ５が溶断した後も、セル１１，１２の端子間からヒューズ６およびダイオード８を通って、第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３へ電流が供給される。
セル１１，１２の端子間から負荷４へ、ヒューズ６の許容電流を超える過電流が流れると、ヒューズ６が溶断して過電流を遮断し負荷４を保護する。ヒューズ６が溶断した後も、セル１１，１２の端子間からヒューズ５およびダイオード７を通って、負荷４へ電流が供給される。
従って、ヒューズ５またはヒューズ６が溶断した場合でも、二次電池１０から電池監視装置１へ電源を供給し続けることができる。

以上より、実施の形態１によれば、電池監視装置１は、複数のセルそれぞれの電圧を計測する第１の電圧計測回路２と、複数のセルのうちの負荷４が接続されたセルと第１の電圧計測回路２との間に接続されたヒューズ５と、負荷４が接続されたセルと負荷４との間に接続されたヒューズ６とを備える構成にした。このため、第１の電圧計測回路２に接続されたヒューズ５の電圧ドロップを小さくでき、第１の電圧計測回路２のセル電圧計測精度を向上させることができる。

また、実施の形態１によれば、電池監視装置１は、アノード端子がヒューズ５と第１の電圧計測回路２との間に接続され、カソード端子がヒューズ６と負荷４との間に接続されたダイオード７と、ダイオード７とは逆極性方向に並列接続されたダイオード８とを備える構成にした。このため、ヒューズ５またはヒューズ６が溶断した場合でも、二次電池１０から電池監視装置１へ電源供給を継続できる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る電池監視装置１の構成例を示す回路図である。実施の形態２の電池監視装置１には、二次電池１０から負荷４に印加する電圧Ｖ２を計測する第２の電圧計測回路２０が追加されている。なお、図３において、図１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

第２の電圧計測回路２０は、例えばマイコンで構成されている。この第２の電圧計測回路２０は断線検知部２１を有しており、この断線検知部２１は、第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３が計測したセル１１，１２の端子間電圧（以下、電圧Ｖ１）の情報を取得し、電圧Ｖ１，Ｖ２を比較してヒューズ５，６の断線（溶断）を検知する。

図４は、ヒューズ６が溶断した場合の電流の流れおよび断線検知方法を説明する図である。ヒューズ６が溶断した場合、電流は矢印の方向へ流れる。また、この場合、第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３で計測した電圧Ｖ１と、第２の電圧計測回路２０で計測した電圧Ｖ２との差は、０．６Ｖ（Ｖ１−Ｖ２≒０．６Ｖ）、つまりダイオード７の順電圧である。

図５は、ヒューズ５が溶断した場合の電流の流れおよび断線検知方法を説明する図である。ヒューズ５が断線した場合、電流は矢印の方向へ流れる。また、この場合、第１の電圧計測回路２の電圧計測端子３で計測した電圧Ｖ１と、第２の電圧計測回路２０で計測した電圧Ｖ２との差は、−０．６Ｖ（Ｖ１−Ｖ２≒−０．６Ｖ）、つまりダイオード８の順電圧である。

ヒューズ５，６がどちらも溶断していない正常時には、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差は数ｍＶである。断線検知部２１は、電圧Ｖ１，Ｖ２の差が数ｍＶから約０．６Ｖに変化した場合ヒューズ６が溶断したことを検知し、電圧Ｖ１，Ｖ２の差が数ｍＶから約−０．６Ｖに変化した場合ヒューズ５が溶断したことを検知する。

なお、図３の例では、第２の電圧計測回路２０の内部に断線検知部２１を設ける構成にしたが、第２の電圧計測回路２０と断線検知部２１とを別々に構成してもよい。例えば、第２の電圧計測回路２０をＡ／Ｄコンバータで構成し、断線検知部２１を比較回路で構成する。

以上より、実施の形態２によれば、電池監視装置１は、セルから負荷４に印加される電圧を計測する第２の電圧計測回路２０と、第１の電圧計測回路２により計測された負荷４が接続されたセルの電圧Ｖ１と第２の電圧計測回路２０により計測された負荷４の電圧Ｖ２とを比較してヒューズ５，６の断線を検知する断線検知部２１とを備える構成にした。このため、ヒューズ５，６の断線の有無を検知できる。

なお、上記実施の形態１，２において第１の電圧計測回路２が冗長化されている場合に、冗長用の第１の電圧計測回路２とセルとの間にもヒューズとダイオードを追加してもよい。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１，１００ 電池監視装置、２ 第１の電圧計測回路、３ 電圧計測端子、４ 負荷、５，６，１０１ ヒューズ、７，８ ダイオード、１０ 電池、１１，１２ セル、２０ 第２の電圧計測回路、２１ 断線検知部。

Claims (3)

1. 複数のセルが直列に接続された電池を監視する電池監視装置であって、
   前記複数のセルそれぞれの電圧を計測する第１の電圧計測回路と、
   前記複数のセルのうちの負荷が接続されたセルと前記第１の電圧計測回路との間に接続された第１のヒューズと、
   前記負荷が接続されたセルと前記負荷との間に接続された第２のヒューズとを備えることを特徴とする電池監視装置。
2. 一方の端子が前記第１のヒューズと前記第１の電圧計測回路との間に接続され、他方の端子が前記第２のヒューズと前記負荷との間に接続された第１のダイオードと、
   前記第１のダイオードとは逆極性方向に並列接続された第２のダイオードとを備えることを特徴とする請求項１記載の電池監視装置。
3. 前記セルから前記負荷に印加される電圧を計測する第２の電圧計測回路と、
   前記第１の電圧計測回路により計測された前記負荷が接続されたセルの電圧と前記第２の電圧計測回路により計測された前記負荷の電圧とを比較して前記第１のヒューズおよび前記第２のヒューズの断線を検知する断線検知部とを備える請求項２記載の電池監視装置。

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