JP2015211583A

JP2015211583A - 電池監視方法

Info

Publication number: JP2015211583A
Application number: JP2014092748A
Authority: JP
Inventors: 直曾; Zhi Tseng
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-11-24

Abstract

【課題】専用ＩＣの不具合等によりセルバランス制御端子が誤動作した場合のセルの誤放電を防止する【解決手段】カップリングコンデンサＣ１は、制御回路３のセルバランス制御端子５−１が出力した交流信号を通過させる。スイッチＳＷ１は交流信号により断続動作してセル１１を放電する。制御回路３の不具合等によりセルバランス制御端子５−１が直流信号を出力した場合、カップリングコンデンサＣ１が直流信号を遮断してセル１１の誤動作を防止する。【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨｙｂｒｉｄＥＶ；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（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ；ＳＯＣ）および劣化状態（ＳｔａｔｅｏｆＨｅｌｔｈ；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。

また、セルは個体差および経年変化により、各セルで充電量にばらつきが生じる。この状態で電池を使用すると、過充電あるいは過放電状態となり、電池の劣化および発火につながる可能性がある。これを回避するために、電池監視装置は、充電量の多いセルを放電して均等化を行うセルバランス回路を搭載している。

従来のセルバランス回路は、セルに接続された放電抵抗と、この放電抵抗を介してセルを短絡するＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子とから構成され、専用ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）がセルバランス制御端子に接続されたＦＥＴをオンして放電抵抗に電流を流し、セルを放電するといったセルバランス動作が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１３２３６号公報

従来のセルバランス回路では、専用ＩＣの不具合等によりセルバランス制御端子が誤動作するとＦＥＴがオンする場合があり、意図せずセルを放電させるという課題があった。よって、セルバランス回路の制御方法の再考が必要となる。

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、専用ＩＣの不具合等によりセルバランス制御端子が誤動作した場合のセルの誤放電を防止することを目的とする。

この発明に係る電池監視装置は、セルごとにスイッチおよび放電抵抗が接続され、スイッチが動作して、放電抵抗を介してセルを放電するセルバランス回路と、セルを放電する場合に交流信号を出力する制御回路と、制御回路とスイッチとの間に接続されたカップリングコンデンサとを備えるものである。

この発明によれば、制御回路とスイッチとの間に接続されたカップリングコンデンサは交流信号のみスイッチへ通過させるので、御回路の不具合等により直流信号が出力された場合には直流信号を遮断でき、セルの誤放電を防止することができる。

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においてセルバランス用のスイッチの駆動電圧と放電抵抗の放電電流の波形を示すグラフである。

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。図１の例では、直列接続された複数のセルのうち、３個のセル１１〜１３を示している。

セルバランス回路２−１〜２−３の基本構成は、セル１１〜１３ごとに設けられたセルバランス用のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３と放電抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３である。セル１１〜１３は、製造時のばらつき、自己放電のばらつき、および経年変化の影響により、充電量が一律とは限らず、セルによって個体差が生じる。そのため、セル１１〜１３のセル電圧にばらつきが生じたときに、制御回路３がスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を動作させて、セル１１〜１３を選択的に放電して、セル１１〜１３の充電量を最も少ないセルに合わせる。

以下では、セル１１を例に本実施の形態１を説明する。
セル１１のセル電圧計測のため、セル１１の両極が制御回路３の電圧計測端子４−１，４−２に接続されている。また、セル１１の正極にはセルバランス用のスイッチＳＷ１の一端側が接続され、スイッチＳＷ１の他端側は放電抵抗Ｒ１１を介してセル１１の負極に接続されている。図１の例では、複数個の抵抗を並列接続して放電抵抗Ｒ１１を構成しているが、これに限定されるものではない。

スイッチＳＷ１は、例えばＦＥＴで構成されており、制御回路３のセルバランス制御端子５−１から出力される信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作する。スイッチＳＷ１がＯＮ動作している間、放電抵抗Ｒ１１を介してセル１１の両端が短絡され、セル１１から放電抵抗Ｒ１１へ電流が流れて放電が行われる。スイッチＳＷ１がＯＦＦ動作している間は、セル１１の両端が開放されるので、放電は行われない。

制御回路３のセルバランス制御端子５−１は、セル１１を放電する場合にハイ（Ｈ）レベルとロー（Ｌ）レベルとを交互に切り替えて交流信号を出力し、放電しない場合にＨレベル一定またはＬレベル一定の直流信号を出力する。
セルバランス制御端子５−１とスイッチＳＷ１との間には、カップリングコンデンサＣ１と電圧調整抵抗Ｒ１とが接続されている。

制御回路３のセルバランス制御端子５−１が出力した交流信号は、カップリング機能を利用してカップリングコンデンサＣ１を充放電させ、交流成分のみが充放電電流として出力される。電圧調整抵抗Ｒ１は、カップリングコンデンサＣ１の充放電電流をスイッチＳＷ１の駆動電圧に変換して、スイッチＳＷ１へ出力する。スイッチＳＷ１は、電圧調整抵抗Ｒ１で変換された駆動電圧が印加されるとＯＮ動作し、セル１１から放電抵抗Ｒ１１へ電流を流して放電させる。

ただし、電圧調整抵抗Ｒ１の変換後の駆動電圧は正電圧と負電圧の２つの極性があるため、整流ダイオードＤ１を追加して正電圧のみをスイッチＳＷ１へ出力する構成が好ましい。

一方、セル１１の放電を行わない場合、制御回路３はセルバランス制御端子５−１からＨレベル一定またはＬレベル一定の直流信号を出力する。直流信号はカップリングコンデンサＣ１で遮断されるため、スイッチＳＷ１はＯＦＦ動作し続ける。

実施の形態１の電池監視装置１では、制御回路３の不具合等によりセルバランス制御端子５−１がＨレベル一定またはＬレベル一定の直流信号を出力し続けたとしても、スイッチＳＷ１がＯＮ動作しないので、放電は行われない。
これに対し、従来のセルバランス回路の場合、セルバランス用のスイッチはＨレベルまたはＬレベルの信号を受けてＯＮ動作し、セルを放電する。そのため、制御回路の不具合等によりセルバランス制御端子がＨレベル一定またはＬレベル一定の直流信号を出力し続けた場合、セルバランス用のスイッチがＯＮ動作してセルを放電し続けてしまう。

図２は、セルバランス制御端子５−１から交流信号を出力している場合の、セルバランス用のスイッチＳＷ１の駆動電圧の波形２１と放電抵抗Ｒ１１の放電電流の波形２２を示すグラフである。横軸は時間、縦軸は電圧である。セルバランス制御端子５−１が交流信号を出力すると、カップリングコンデンサＣ１と電圧調整抵抗Ｒ１と整流ダイオードＤ１を介してスイッチＳＷ１へ断続的な駆動電圧が印加され、スイッチＳＷ１がＯＮ／ＯＦＦ断続動作してセル１１を放電する。
スイッチＳＷ１の駆動電圧の周期２３（つまり、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦの周波数）はセルバランス制御端子５−１の出力によって調整できる。カップリングコンデンサＣ１のインピーダンス特性と電圧調整抵抗Ｒ１の抵抗値の大きさに応じて、スイッチＳＷ１の駆動電圧の電圧値２４を調整できる。放電抵抗Ｒ１１の抵抗値の大きさに応じて、放電電流の電流値２５を調整できる。

以上、セル１１の放電に関わるセルバランス回路２−１のスイッチＳＷ１および放電抵抗Ｒ１１と、制御回路３のセルバランス制御端子５−１と、カップリングコンデンサＣ１と、電圧調整抵抗Ｒ１と、整流ダイオードＤ１とについて説明した。
セル１２の放電に関わるセルバランス回路２−２のスイッチＳＷ２および放電抵抗Ｒ１２と、制御回路３のセルバランス制御端子５−２と、カップリングコンデンサＣ２と、電圧調整抵抗Ｒ２と、整流ダイオードＤ２も、同一の構成および同一の動作であるため説明を省略する。同じく、セル１３の放電に関わるセルバランス回路２−３のスイッチＳＷ３および放電抵抗Ｒ１３と、制御回路３のセルバランス制御端子５−３と、カップリングコンデンサＣ３と、電圧調整抵抗Ｒ３と、整流ダイオードＤ３も、同一の構成および同一の動作であるため説明を省略する。

なお、図１の例では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をセル１１〜１３の高電位側に接続したが、低電位側に接続してもよい。また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、ＦＥＴ以外のスイッチング素子（例えば、トランジスタ）であっても構わない。

以上より、実施の形態１によれば、電池監視装置１は、セル１１〜１３ごとにスイッチＳＷ１〜ＳＷ３および放電抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３が接続され、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が動作して、放電抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３を介してセル１１〜１３を放電するセルバランス回路２−１〜２−３と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を放電する場合に交流信号を出力する制御回路３と、制御回路３とスイッチＳＷ１〜ＳＷ３との間に接続されたカップリングコンデンサＣ１〜Ｃ３とを備える構成にした。このため、制御回路３の不具合等によりセルバランス制御端子５−１〜５−３が誤動作してＨレベル一定またはＬレベル一定の直流信号を出力した場合に、カップリングコンデンサＣ１〜Ｃ３がその直流信号を遮断してセル１１〜１３の誤動作を防止することができる。

また、実施の形態１によれば、電池監視装置１は、カップリングコンデンサＣ１〜Ｃ３とスイッチＳＷ１〜ＳＷ３との間に接続された整流ダイオードＤ１〜Ｄ３を備える構成にした。このため、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３に対して正電圧のみを印加できる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１電池監視装置、２−１〜２−３セルバランス回路、３制御回路、４−１〜４−４電圧計測端子、５−１〜５−３セルバランス制御端子、１０二次電池、１１〜１３セル、Ｃ１〜Ｃ３カップリングコンデンサ、Ｄ１〜Ｄ３整流ダイオード、Ｒ１〜Ｒ３電圧調整抵抗、Ｒ１１〜Ｒ１３放電抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ３スイッチ。

Claims

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、
前記セルごとにスイッチおよび放電抵抗が接続され、前記スイッチが動作して、前記放電抵抗を介して前記セルを放電するセルバランス回路と、
前記セルを放電する場合に交流信号を出力する制御回路と、
前記制御回路と前記スイッチとの間に接続されたカップリングコンデンサとを備えることを特徴とする電池監視装置。
前記カップリングコンデンサと前記スイッチとの間に接続されたダイオード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。