JP2017017945A - 組電池監視装置及び組電池監視システム - Google Patents

組電池監視装置及び組電池監視システム Download PDF

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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 (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
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