JP2017017945A

JP2017017945A - 組電池監視装置及び組電池監視システム

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Publication number: JP2017017945A
Application number: JP2015135225A
Authority: JP
Inventors: 俊滋亀井; Toshishige Kamei
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: US10340706B2; US20170012444A1; JP6439611B2

Abstract

【課題】組電池に蓄積されているエネルギーを極力消費することなく動作できる組電池監視装置を提供する。【解決手段】第１動作機能部６は、マイコン３により供給が制御される外部電源４より動作電源が供給されている通常動作時にのみ動作し、組電池２の監視処理とマイコン３との通信を行う。また、第２動作機能部７は、通常動作時及び外部電源４による動作電源の供給が停止される非通常動作時に組電池２の監視処理を行う。そして、電源供給切替部５及び切替制御部７は、非通常動作時には、組電池２より動作電源が供給されるように切り替えを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルで構成される組電池の監視処理を行う組電池監視装置及び組電池監視システムに関する。

組電池の監視を行う監視ＩＣは、自身が監視する対象である電池セルから電源の供給を受けて動作している。そのため、電池セルに異常が発生すると、ＩＣが動作ができずに監視不能となるおそれがある。この問題に対処するため、例えば特許文献１では、監視ＩＣ用の電源として電池セルとは異なる電源を別途用意することで信頼性を向上させている。

特開２０１１−１６３８４７号公報

しかしながら、特許文献１のような構成を採用した場合でも、監視ＩＣが電池セルからの電源供給を受けている期間は、電池セルのエネルギーを消費することに変わりはない。特に、監視動作を行っている場合、監視ＩＣは上位の制御装置であるマイクロコンピュータと通信を行って制御指令を受けたり検出したデータを送信している。そのため、消費電流が多く電池セルの電圧変動も大きくなり、組電池の能力を有効に活用できないという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池に蓄積されているエネルギーを極力消費することなく動作できる組電池監視装置，及び当該装置と上位の制御装置とからなる組電池監視システムを提供することにある。

請求項１記載の組電池監視装置によれば、第１動作機能部は、上位の制御装置により供給が制御される外部電源により動作電源が供給されている通常動作時にのみ動作し、組電池の監視処理と制御装置との通信を行う。また、第２動作機能部は、通常動作時及び外部電源による動作電源の供給が停止される非通常動作時に組電池の監視処理を行う。そして、電源供給切替え部は、非通常動作時には、組電池より動作電源が供給されるように切り替えを行う。

このように構成すれば、第１及び第２動作機能部が何れも動作する通常動作時には、外部電源により動作電源が供給され、外部電源による動作電源の供給が停止される非通常動作時において、第２動作機能部が組電池の監視処理を行う際には、組電池より動作電源が供給されるように切り替えられる。したがって、第１及び第２動作機能部が何れも動作するため消費電力が大きい期間に、組電池に蓄積されているエネルギーが消費されることを極力抑制できる。

第１実施形態であり、組電池監視システムの構成を示す機能ブロック図電池監視ＩＣの動作モード遷移図正常時の動作例を示すタイムチャート異常時の動作例を示すタイムチャート第２実施形態であり、組電池監視システムの構成を示す機能ブロック図第３実施形態であり、組電池監視システムの構成を示す機能ブロック図

（第１実施形態）
図１に示すように、電池監視ＩＣ１は、監視対象である組電池２より電源の供給を受けると共に、上位の制御装置であるマイクロコンピュータ（以下、マイコン）３により電源の供給／停止が制御される外部電源４からも電源の供給を受けるように構成されている。これらの電源供給点は、カソードが共通に接続されている（ＯＲ接続）２つのダイオード５ａ，５ｂのアノードに接続されている。これらのダイオード５ａ，５ｂは、電源供給切替部５を構成している。組電池２は、複数の単位電池セル２ａを直列に接続して構成されている。また、外部電源４は例えばスイッチング電源として構成され、そのスイッチング制御がマイコン３により行われる。電池監視ＩＣ１は組電池監視装置に相当する。また、電池監視ＩＣ１とマイコン３とで組電池監視システムが構成されている。

電池監視ＩＣ１は、第１動作機能部６と、第２動作機能部７とを備えている。第１動作機能部６は、外部電源４より電池監視ＩＣ１への電源供給が行われている通常動作時のみ動作する機能部である。また、第２動作機能部７は、前記通常動作時に加えて、外部電源４より電池監視ＩＣ１への電源供給が停止する非通常動作時においても動作する機能部である。

電池監視ＩＣ１の内部に、電源供給切替部５を介して供給される電源は、第１内部電源回路８を経て第１動作機能部６に供給され、また、第２内部電源回路９を経て第２動作機能部７に供給される。各電源電圧の一例としては、外部電源４の電圧が９．５Ｖ〜１１Ｖであり、組電池２の電圧が１２０Ｖ，第１及び第２内部電源回路８及び９の電圧が５Ｖである。また、図示しないが、組電池２及び外部電源４は、電源供給切替え部５に供給される前段に配置されている電源回路により降圧されており、電源供給切替え部５に供給される電圧は、例えば前者が７Ｖ，後者が７．２Ｖとなっている。切替制御部１０は、外部電源４の電源電圧を監視しており、前記電圧が低下したことを検出すると第１内部電源回路８による内部電源の供給を停止させる。

第１動作機能部６は、基準電圧回路１１，Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１２，ＥＰＲＯＭ１３，マルチプレクサ（電池ＭＵＸ）１４及び通信入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１５等を備えている。基準電圧回路１１は、生成した基準電圧をＡ／Ｄコンバータ１２やその他の回路に供給する。Ａ／Ｄコンバータ１２には、マルチプレクサ１４を介して、各電池セル２ａの端子電圧が切替えられて入力される。ＥＰＲＯＭ１３には、Ａ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換されたデータを補正するためのデータが記憶されている。通信入出力Ｉ／Ｆ１５は、第１動作機能部６がマイコン３との通信を行うためのインターフェイスである。

第２動作機能部７は、発振回路１６，均等化制御部１７，通信制御部１８，モード制御部１９，各種レジスタ２０，ＡＤ補正計算部２１，ＥＰＲＯＭ制御部２２，ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）２３及び発振監視部２４等を備えている。均等化制御部１７は、各電池セル２ａの端子電圧が均等化されるように、一部の電池セル２ａの放電を行うなどする。発振回路１６は、所定周波数のクロック信号を発振出力し、ＷＤＴ２３及び発振回路２４に直接供給する。

また、前記クロック信号は、通信制御部１８〜ＥＰＲＯＭ制御部２２に対してはＡＮＤゲート２５を介すことでゲーテッドクロックとして供給されている。ＡＮＤゲート２５によるゲート制御は、切替制御部７により、前述した第１内部電源回路８による内部電源の供給停止制御に同期して行われる。切替制御部７及びＡＮＤゲート２５は、機能制限部に相当する。

通信制御部１８は、通信入出力Ｉ／Ｆ１５を介して行うマイコン３との通信を制御する。モード制御部１９は、詳細は後述するが、第２動作機能部７の各種動作モードの遷移を制御する。ＥＰＲＯＭ制御部２２は、第１動作機能部６のＥＥＰＲＯＭ１３より補正データを読み出して、各種レジスタ２２に格納するように制御する。ＡＤ補正計算部２１は、第１動作機能部６のＡ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換されたデータを、各種レジスタ２２に格納された補正データを用いて補正する。

ＷＤＴ２３は、マイコン３が電源監視ＩＣ１に対して一定時間内に送信するリセット信号によりリセットされる。そのリセットが行われずにＷＤＴ２３がオーバーフローすると、異常処理信号が切替制御部７に入力される。発振監視部２４は、発振回路１６が発振出力するクロック信号の発振状態を監視しており、例えばクロック信号の周波数が許容範囲を超えて変動したことを検出すると、ＷＤＴ２３と同様に異常処理信号を切替制御部７に入力する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、電源監視ＩＣ１の動作モードには、以下の５種類がある。尚、図中のＶＣＣ電源は、外部電源４に対応する。
モード［１］：暗電流モード・ＶＣＣ電源ＯＦＦ（状態Ａ）
モード［２］：暗電流モード・ＶＣＣ電源ＯＮ（状態Ｂ）
モード［３］：通常モード・ＶＣＣ電源ＯＮ
モード［４］：均等化モード・ＶＣＣ電源ＯＮ
モード［５］：均等化モード・ＶＣＣ電源ＯＦＦ

＜暗電流モード＞
第２動作機能部７のみに給電される。モード［１］では、切替制御部７がＡＮＤゲート２５にローレベル信号を出力し、クロック信号の供給を停止させる。尚、ＡＮＤゲート２５を削除して、切替制御部７が発振回路１６の発振周波数を低下させる（例えばＭＨｚオーダーからｋＨｚオーダーに）ように構成しても良い。ＶＣＣ電源はＯＮ／ＯＦＦの場合がある。

＜通常モード＞
第１及び第２動作機能部６及び７が何れも動作する。主として第１動作機能部６が機能し、電池セル２ａの電圧取得処理や自己診断処理、マイコン３との通信処理を行う。第１動作機能部６は、マイコン３に対して組電池２の端子電圧を送信する。ＶＣＣ電源はＯＮである。
＜均等化モード＞
第２動作機能部７が各電池セル２ａの端子電圧の均等化処理を行う。ＶＣＣ電源はＯＮ／ＯＦＦの場合がある。

尚、図中に示す「状態Ａ」はＶＣＣ電源がＯＦＦになることで、電源監視ＩＣ１が組電池２より電源供給を受けて動作する状態であり、非通常動作時に相当する。また、「状態Ｂ」はＶＣＣ電源がＯＮになることで、電源監視ＩＣ１が外部電源４より電源供給を受けて動作する状態であり、通常動作時に相当する。

外部電源４がＯＦＦしている初期状態では、電源監視ＩＣ１はモード［１］となっている。マイコン３によりＶＣＣ電源がＯＮされるとモード［２］に移行する。モード［２］において、マイコン３より「通常モード移行」を指示するコマンドが送信されるとモード［３］に移行する。また、モード［３］において、ＶＣＣ電源が低下した（例えば、７Ｖ未満となった）ことが検出されるとモード［２］に戻る。

モード［３］，［４］においては、マイコン３より「均等化モード移行」，「通常モード移行」を指示するコマンドが送信されることで一方より他方のモードに移行する。また、モード［４］，［５］においては、マイコン３によりＶＣＣ電源がＯＦＦ，ＯＮされることで一方より他方のモードに移行する。

また、モード［３］，［４］においては、以下の３つのイベント何れかが発生するとモード［２］に移行する。
１）マイコン３よる「暗電流モード移行」を指示するコマンドの送信
２）ＷＤＴ２３のオーバーフロー
３）発振監視部２４による発振異常の検出
また、モード［５］においては、上記２）又は３）のイベントが発生するとモード［１］に移行する。１）の場合は、コマンドを受信した第１動機能部６が切替制御部１０に制御信号を出力する。

図３に示す「正常時」の動作例は、モード［１］〜［５］に順次移行した後、モード［５］〜［１］に順次移行したケースである。ＣＬＫは、マイコン３より送出されたデータ同期信号である。ＤＡＴＡ［Ａ］は、マイコン３より送信された「通常モード移行」のコマンドであり、ＤＡＴＡ［Ｂ］，［Ｃ］は、同じく「均等化モード移行」，「通常モード移行」又は「暗電流モード移行」のコマンドである。

発振回路１６によるクロック信号の発振出力は、マイコン３より送信されたコマンドを受信する場合の内部同期信号として使用される。マイコン３から送出されるＣＬＫ信号は、通信を行わない期間にＶＣＣ電源がＯＮであればハイレベルに固定され、ＶＣＣ電源がＯＦＦであればローレベルに固定される。そして、ＤＡＴＡ［Ｄ］は、電圧検出処理や故障診断処理等に関する通信コマンドや送信データを示す。また、基準電圧回路１１による基準電圧は、コマンドの受信に応じて第１動作機能部６がＡ／Ｄ変換を行う場合や自己診断を行う場合などに使用するため、通常モードの期間のみ出力される。

図４に示す「異常時」の動作例は、モード［１］〜［５］に順次移行した後、電池監視ＩＣ１の外部で異常が発生し、外部電源４がＯＦＦの状態から復帰しない。そして、ＷＤＴ２３がオーバーフローしたことでモード［５］→［１］に移行している。

以上のように本実施形態によれば、第１動作機能部６は、マイコン３により供給が制御される外部電源４より動作電源が供給されている通常動作時にのみ動作し、組電池２の監視処理とマイコン３との通信を行う。また、第２動作機能部７は、通常動作時及び外部電源４による動作電源の供給が停止される非通常動作時に、組電池２の監視処理を行う。そして、電源供給切替部５及び切替制御部７は、非通常動作時には、組電池２より動作電源が供給されるように切り替えを行う。

このように構成すれば、第１及び第２動作機能部６及び７が何れも動作する通常動作時には、外部電源４により動作電源が供給され、外部電源４による動作電源の供給が停止される非通常動作時に第２動作機能部７が組電池２の監視処理を行う際には、組電池２より動作電源が供給されるように切り替えられる。したがって、第１及び第２動作機能部６及び７が何れも動作するため消費電力が大きい期間に、組電池２に蓄積されているエネルギーが消費されることを極力抑制できる。

そして、非通常動作時には、第２動作機能部７が備える複数の機能のうち、少なくとも一部を制限及び／又は停止する。具体的には、第２動作機能部７に対するクロック信号の供給を停止したり、又はクロック信号の周波数を低下させるようにした。これにより、非通常動作時における消費電力を低減できる。

また、第２動作機能部７は、監視処理として複数の電池セル２ａの電圧均等化制御を行い、第１動作機能部６は、組電池２の電圧を検出してマイコン３に送信する。すなわち、通常動作時及び非通常動作時の何れでも動作する第２動作機能部７が、継続的に実行する必要がある電圧均等化制御を行い、通常動作時のみ動作する第１動作機能部６がマイコン３と通信して組電池２の電圧情報を送信するので、各機能を効率的に分配して電力の消費状態を最適化できる。

また、第１内部電源回路８，第２内部電源回路９は、何れも外部電源４又は組電池２からの電源供給を受けて、前者は第１動作機能部６に動作電源を供給し、後者は第２動作機能部７に動作電源を供給する。そして、切替制御部１０は、外部電源４の電圧低下を検出すると、第１内部電源回路８による第１動作機能部６への動作電源の供給を停止させるようにした。これにより、切替制御部１０を介して第１内部電源回路８による動作電源の供給を制御できる。

また、切替制御部１０は、第１動作機能部６がマイコン３からの「暗電流モード移行」を指示するコマンドを受信するか、又はＷＤＴ２３がオーバーフローするか、又は発振監視部２４がクロック信号の発振状態の異常を検出すると、組電池２より動作電源が供給されるように切り替えを行う。これにより、マイコン３からの指令や、電池監視ＩＣ１又はマイコン３に異常が発生した場合に、電池監視ＩＣ１を暗電流モード移行させることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示すように、第２実施形態では、電池監視ＩＣ１，組電池２及び外部電源４を２組（（１），（２））備え、マイコン３が、外部電源４（１），４（２）による電源の供給を何れも制御する。そして、マイコン３が、電池監視ＩＣ１（１），１（２）の何れとも通信を行う。

（第３実施形態）
図６に示すように、第３実施形態では、第１内部電源回路８に対しては、電源供給切替部５を介すことなく、外部電源４からの電源供給を直接受けるように構成されている。このように構成した場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
第２動作機能部７に備える機能については、個別の設計に応じて適宜選択すれば良い。
マイコンが、３つ以上の外部電源４及び電池監視ＩＣ１を制御しても良い。

１電池監視ＩＣ、２組電池、２ａ電池セル、３マイクロコンピュータ、４外部電源、５電源供給切替部、６第１動作機能部、７第２動作機能部、８第１内部電源回路、９第２内部電源回路、１０切替制御部、１６発振回路、２３ウォッチドッグタイマ、２４発振監視部。

Claims

上位の制御装置（３）により供給が制御される外部電源（４）より動作電源が供給されている通常動作時において、直列接続された複数の電池セル（２ａ）で構成される組電池（２）の監視処理を行い、且つ前記制御装置と通信を行い、前記通常動作時のみ動作する第１動作機能部（６）と、
前記通常動作時及び前記外部電源による動作電源の供給が停止される非通常動作時において、前記組電池の監視処理を行う第２動作機能部（７）と、
前記非通常動作時には、前記組電池より動作電源が供給されるように切り替えを行う電源供給切替え部（５，１０）とを備えることを特徴とする組電池監視装置。
前記非通常動作時に、第２動作機能部が備える複数の機能のうち、少なくとも一部を制限及び／又は停止する機能制限部（７，２５）を備えることを特徴とする請求項１記載の組電池監視装置。
前記機能制限部は、前記第２動作機能部に対するクロック信号の供給を停止することを特徴とする請求項２記載の組電池監視装置。
前記機能制限部は、前記第２動作機能部に対するクロック信号の周波数を低下させることを特徴とする請求項２又は３記載の組電池監視装置。
前記第２動作機能部は、前記監視処理として前記複数の電池セルの電圧均等化制御を行なうことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の組電池監視装置。
前記第１動作機能部は、前記監視処理として、前記組電池の電圧を検出して前記制御装置に送信することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の組電池監視装置。
前記外部電源又は前記組電池からの電源供給を受けて、前記第１動作機能部に動作電源を供給する第１内部電源（８）と、
前記外部電源又は前記組電池からの電源供給を受けて、前記第２動作機能部に動作電源を供給する第２内部電源（９）とを備え、
前記電源供給切替え部は、前記外部電源の電圧低下を検出すると、前記第１内部電源による前記第１動作機能部への動作電源の供給を停止させることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の組電池監視装置。
前記電源供給切替え部は、前記第１動作機能部が前記制御装置からの指令を受信すると、前記組電池より動作電源が供給されるように切り替えを行うことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の組電池監視装置。
前記第２動作機能部は、前記制御装置より一定時間内に送信されるリセット信号を受信すると、リセットされるウォッチドッグタイマ機能（２３）を備え、
前記電源供給切替え部は、前記ウォッチドッグタイマがオーバーフローすると、前記組電池より動作電源が供給されるように切り替えを行うことを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の組電池監視装置。
前記第２動作機能部は、クロック信号の発振状態を監視する発振監視機能（２４）を備え、
前記電源供給切替え部は、前記発振状態の異常が検出されると、前記組電池より動作電源が供給されるように切り替えを行うことを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の組電池監視装置。
請求項１から１０の何れか一項に記載の組電池監視装置と、前記制御装置とで構成されることを特徴とする組電池の監視システム。