JP2017192173A

JP2017192173A - 電池監視装置

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Publication number: JP2017192173A
Application number: JP2016078935A
Authority: JP
Inventors: 宏昌田中; Hiromasa Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-04-11
Also published as: JP6589729B2

Abstract

【課題】従来よりもＲＣローパスフィルタのゲイン低下を抑制可能な電池監視装置を提供する。【解決手段】電池監視装置１０は、電池セルＢＴｋの正極から引き出される電圧測定用の配線である正極線ＬＡｋ及び当該電池セルＢＴｋの負極から引き出される電圧測定用の配線である負極線ＬＡｋ＋１を備える第１の回路Ｒ１と、正極線ＬＡｋから分岐された正極分岐線ＬＢｋと負極線ＬＡｋ＋１から分岐された負極分岐線ＬＢｋ＋１とを備える第２の回路Ｒ２と、が電池セルに設けられる。電池セルＢＴのうち奇数番目及び偶数番目の一方の電池セルＢＴに対応する第１の回路Ｒ１にＲＣローパスフィルタ回路ＬＰＦが形成され、電池セルＢＴｋのうち奇数番目及び偶数番目の他方の電池セルに対応する第２の回路Ｒ２にＲＣローパスフィルタ回路ＬＰＦが形成され、電圧センサ１６は、各電池セルＢＴの電圧をＲＣローパスフィルタ回路ＬＰＦを介して測定する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルが直列に接続された電池ブロックの、各電池セルの電圧を監視する、電池監視装置に関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、電源である電池モジュール（バッテリモジュール）が搭載されている。電池モジュールでは、複数の電池セル（単電池）が直列接続されており、高電圧の出力が可能となっている。例えば電池モジュールには５０〜１００個程度の電池セルが直列接続されている。

各電池セルのＳＯＣ管理等のため、例えば特許文献１には各電池セルの電圧を監視する電池監視回路が設けられている。この電池監視回路では、例えば図９に示すように、複数の電池セルＢＴｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）の正極及び負極から、電圧検出用の配線Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・・ｎ＋１）が引き出される。

電圧検出用の配線Ｌｉは、隣接する電池セルの一方の正極配線と他方の負極配線とを兼ねる共有線となっている。例えば配線Ｌ２は、所定の電池セルＢＴ２の正極から引き出される正極線と当該電池セルＢＴ２の正極側に隣接する電池セルＢＴ１の負極から引き出される負極線とを兼ねる。同様にして、配線Ｌ３は、所定の電池セルＢＴ２の負極から引き出される負極線と当該電池セルＢＴ２の負極側に隣接する電池セルＢＴ３の正極から引き出される正極線とを兼ねる。

各電池セルＢＴｋから引き出された配線Ｌｉは制御部１００の入力端子Ｔｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）にそれぞれ接続される。入力端子Ｔｉはマルチプレクサ１０２に接続される。マルチプレクサ１０２によって任意の入力端子対が選択される。例えば電池セルＢＴ１の電圧を測定するために入力端子Ｔ１，Ｔ２が選択される。電圧センサ１０４は選択された２つの入力端子間の電圧を測定する。

電池セルＢＴｋと電圧センサ１０４との間には、高周波のノイズ成分を除去するＲＣローパスフィルタが形成される。具体的には各配線Ｌｉに抵抗Ｒｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）が設けられ、さらに隣接する配線Ｌｉ，Ｌｉを繋ぐようにして、つまり電圧センサ１０４から見て電池セルＢＴｋと並列にコンデンサＣｋ（例えばｋ＝１，２，・・・ｎ）が設けられる。

特開２０１５−０５９７６２号公報

ところで、従来の電池監視装置では、配線Ｌｉが隣接する電池セルの一方の正極線と他方の負極線とを兼ねた共有線となっていることから、各電池セルの電圧測定回路に設けられたＲＣローパスフィルタが互いに接続される。これにより、図１０に示すように、ＲＣローパスフィルタのフィルタ特性が相対的に低下する。

図１０上段には一般的なＲＣローパスフィルタが例示されている。このＲＣローパスフィルタによる高周波成分の減衰率、つまりフィルタの強さ（ノイズ落としの強さ）を表すゲインＧ_０は、下記数式（１）のように表される。

図１０下段には、従来の電池監視装置におけるＲＣローパスフィルタが例示されている。このフィルタのゲインＧ_１は、下記数式（２）のように表される。

数式（２）を整理して、下記数式（３）を得る。

数式（３）では、数式（１）と比較して分母の第３項が追加されている。本願発明者らの解析の結果、この第３項の作用により、従来の電池監視装置におけるＲＣローパスフィルタのゲインＧ_１は、一般的なＲＣローパスフィルタのゲインＧ_０よりも小さい、つまり高周波成分の減衰率が小さい（ノイズ除去性能が相対的に低い）ことが見出された。そこで本発明では、従来よりもＲＣローパスフィルタのゲインの低下を抑制可能な、電池監視装置を提供することを目的とする。

本発明は、直列接続された複数の電池セルに対して、それぞれの前記電池セルの電圧測定用の配線が、任意の前記電池セルの一方の正極から引き出される配線と当該電池セルよりも正極側に隣接する前記電池セルの負極から引き出される配線を兼ねるように構成された、電池監視装置に関するものである。当該電池監視装置は、前記電池セルの正極から引き出される前記電圧測定用の配線である正極線及び当該電池セルの負極から引き出される前記電圧測定用の配線である負極線を備える第１の回路と、前記正極線から分岐された正極分岐線と前記負極線から分岐された負極分岐線とを備える第２の回路とが、前記複数の電池セルに設けられる。また、前記直列接続された前記電池セルのうち、奇数番目及び偶数番目の一方の前記電池セルに対応する前記第１の回路にＲＣローパスフィルタ回路が形成される。さらに、前記直列接続された前記電池セルのうち、奇数番目及び偶数番目の他方の前記電池セルに対応する前記第２の回路にＲＣローパスフィルタ回路が形成される。加えて、本発明に係る電池監視装置は、各前記電池セルの電圧を前記ＲＣローパスフィルタ回路を介して測定する電圧センサを備える。

本発明によれば、電池セルの奇数番目と偶数番目とでＲＣローパスフィルタ回路を形成する回路（第１及び第２の回路）を変えている。このようにすることで、隣接する電池セル間のＲＣローパスフィルタの接続が防止され、ゲインの低下を抑制可能となる。

本実施形態に係る電池監視装置を例示する回路図である。本実施形態に係る電池監視装置に設けられた第１の回路Ｒ１及び第２の回路Ｒ２を例示する図である。本実施形態に係る電池監視装置の第１の回路Ｒ１に設けられたＲＣローパスフィルタ回路を説明する図である。本実施形態に係る電池監視装置の第２の回路Ｒ２に設けられたＲＣローパスフィルタ回路を説明する図である。本実施形態に係る電池監視装置に設けられたＲＣローパスフィルタ回路のフィルタ特性を説明する図である。本実施形態に係る電池監視装置の電圧測定プロセスを説明する図である。本実施形態に係る電池監視装置におけるフィルタ特性を説明する図である。本実施形態に係る電池監視装置の別例を示す回路図である。従来技術に係る電池監視装置を例示する回路図である。従来技術に係る電池監視装置のフィルタ特性を説明する図である。

図１に、本実施形態に係る電池監視装置１０を例示する。電池監視装置１０は、ハイブリッド車両や電気自動車等に搭載された電池モジュールに組み込まれる。電池モジュールでは、複数の電池セルＢＴが直列接続される。例えば一台の電池モジュール当たり、５０〜１００個程度の電池セルＢＴが直列接続される。電池セルＢＴは、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池から構成される。

電池セルＢＴの監視に当たり、例えばこれら多数の電池セルＢＴが複数のブロック（電池ブロック１２）に分けられ、電池ブロック１２ごとに電池監視装置１０が設けられる。電池ブロック１２は例えば８〜１６個程度の直列接続された電池セルＢＴｋ（例えばｋ＝１，２，・・・ｎ、ｎ＝８〜１６）を含んで構成される。

電池監視装置１０は、各電池セルＢＴｋの電圧を監視する。電池監視装置１０は、図２に示すような第１の回路Ｒ１及び第２の回路Ｒ２、図３及び図４に示すようなＲＣローパスフィルタＬＰＦ、及び制御部１４を備える。

電池監視装置１０は、各電池セルＢＴｋの正極及び負極から引き出される電圧測定用の配線ＬＡｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）を備える。最も正極側の電池セルＢＴ１の正極から引き出される配線（正極線）ＬＡ１及び最も負極側の電池セルＢＴｎ＋１の負極から引き出される配線（負極線ＬＡｎ＋１）を除く配線ＬＡｉ（ｉ＝２，３，・・・ｎ）は、隣接する電池セルＢＴｋ，ＢＴｋの一方の正極線と他方の負極線とを兼ねる共有線となっている。

例えば、電池セルＢＴ３の正極から引き出される配線ＬＡ３は、電池セルＢＴ３の正極線と、電池セルＢＴ３の正極側に隣接する電池セルＢＴ２の負極線を兼ねている。つまり電池セルＢＴ３から見て、配線ＬＡ３は正極側共有線となる。

また、電池セルＢＴ３の負極から引き出される配線ＬＡ４は、電池セルＢＴ３の負極線と、電池セルＢＴ３の負極側に隣接する電池セルＢＴ４の正極線を兼ねている。つまり電池セルＢＴ３から見て、配線ＬＡ４は負極側共有線となる。以下同様にして、電池セルＢＴ１及びＢＴｎ＋１を除いて、任意の電池セルＢＴｋについて、配線ＬＡｋが正極側共有線となり、配線ＬＡｋ＋１が負極側共有線となる。電池セルＢＴ１については、負極側の配線ＬＡ２が負極側共有線となる。電池セルＢＴｎについては、正極側の配線ＬＡｎが正極側共有線となる。

また、配線ＬＡｉから分岐して分岐線ＬＢｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）がそれぞれ設けられる。分岐点となるノードＮｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）は電池セルＢＴｋとＲＣローパスフィルタＬＰＦの抵抗ＲＡｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）との間に設けられる。任意の電池セルＢＴｋについて、正極側共有線である配線ＬＡｋから分岐される分岐線ＬＢｋは正極分岐線となり、負極側共有線である配線ＬＡｋ＋１から分岐される分岐線ＬＢｋ＋１は負極分岐線となる。

これら配線ＬＡｉ及び分岐線ＬＢｉは、制御部１４の各入力端子ＴＡｉ，ＴＢｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ＋１）に接続される。制御部１４における、入力端子ＴＡｉ，ＴＢｉから入力された各信号の演算処理については後述する。

図２に示されるように、配線ＬＡｉ及び分岐線ＬＢｉにより、電池セルＢＴｋ一個当たり２つの回路Ｒ１（破線で示す），Ｒ２（実線で示す）が形成される。

第１の回路Ｒ１は、電池セルＢＴｋ（図２ではｋ＝３）→配線ＬＡｋ（正極側共有線）→入力端子ＴＡｋ→入力端子ＴＡｋ＋１→配線ＬＡｋ＋１（負極側共有線）→電池セルＢＴｋとのループを備える。

第２の回路Ｒ２は、電池セルＢＴｋ（図２ではｋ＝３）→ノードＮｋ→分岐線ＬＢｋ（正極分岐線）→入力端子ＴＢｋ→入力端子ＴＢｋ＋１→分岐線ＬＢｋ＋１（負極分岐線）→ノードＮｋ＋１→電池セルＢＴｋとのループを備える。

第１の回路Ｒ１及び第２の回路Ｒ２の少なくとも一方には、高周波成分を除去するためのＲＣローパスフィルタＬＰＦが設けられる。高周波成分とは、例えば電池モジュールに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータから発生するリプル電流によるノイズ成分が含まれる。

本実施形態では、隣接する電池セルＢＴｋ，ＢＴｋ間でＲＣローパスフィルタＬＰＦが接続されない（独立させる）ように設けている。具体的には、直列接続された電池セルＢＴｋのうち、奇数番目の電池セルＢＴｋ（ｋ＝２ｍ＋１，ｍは自然数）及び偶数番目の電池セルＢＴｋ（ｋ＝２ｍ）の一方に対応する、第１の回路Ｒ１にＲＣローパスフィルタＬＰＦを形成させ、当該回路Ｒ１を電圧検出回路とする。このとき、第２の回路Ｒ２にはＲＣローパスフィルタＬＰＦを設けないことが好適である。また、奇数番目の電池セルＢＴｋ及び偶数番目の電池セルＢＴｋの他方に対応する、第２の回路Ｒ２にＲＣローパスフィルタＬＰＦを形成させ、当該回路Ｒ２を電圧検出回路とする。このとき、第１の回路Ｒ１にはＲＣローパスフィルタＬＰＦを設けないことが好適である。

図３では、奇数番目の電池セルＢＴ１，ＢＴ３，ＢＴ５，・・・に対して、第１の回路Ｒ１にＲＣローパスフィルタＬＰＦ（一点鎖線で表す）が形成され、図４では、偶数番目の電池セルＢＴ２，ＢＴ４，・・・に対して、第２の回路Ｒ２にＲＣローパスフィルタＬＰＦ（同じく一点鎖線で表す）が形成されている例が示されている。

ローパスフィルタＬＰＦは、抵抗ＲＡｉまたはＲＢｉ及びコンデンサＣｋ（ｋ＝１，２，・・・ｎ）を含んで構成される。また、ローパスフィルタＬＰＦは、ノードＮｉよりも制御部１４側に形成される。

例えば第１の回路Ｒ１に形成されるローパスフィルタＬＰＦ（図３参照）は、隣り合う配線ＬＡｉ，ＬＡｉ（例えば配線ＬＡ１，ＬＡ２）に設けられた抵抗ＲＡｉ，ＲＡｉ（例えば抵抗ＲＡ１，ＲＡ２）を備える。また、配線ＬＡｉ，ＬＡｉ（ＬＡ１，ＬＡ２）を繋ぐようにして、つまり制御部１４から見て電池セルＢＴｋと並列に設けられるコンデンサＣｋ（Ｃ１）を備える。

また第２の回路Ｒ２に形成されるローパスフィルタＬＰＦ（図４参照）は、隣り合う分岐線ＬＢｉ，ＬＢｉ（例えば分岐線ＬＢ２，ＬＢ３）に設けられた抵抗ＲＢｉ，ＲＢｉ（例えば抵抗ＲＢ２，ＲＢ３）を備える。また、分岐線ＬＢｉ，ＬＢｉ（ＬＢ２，ＬＢ３）を繋ぐコンデンサＣｋ（Ｃ２）を備える。

図３、図４で示すように、奇数番目と偶数番目の電池セルＢＴｋで、ローパスフィルタＬＰＦを設ける回路Ｒ１，Ｒ２とを変えることで、隣接するローパスフィルタＬＰＦ間の接続が防止される。例えば図５上段の一点鎖線に示すように、第１の回路Ｒ１においてローパスフィルタＬＰＦは図１０上段に示す一般的なローパスフィルタと同様の構成を採るようになり、したがってゲインの低下が抑制される。また同様にして、図５下段の一点鎖線に示すように、第２の回路Ｒ２においてローパスフィルタＬＰＦは図１０上段に示す一般的なローパスフィルタと同様の構成を採るようになり、したがってゲインの低下が抑制される。

図１に戻り、電池セルＢＴｋの電圧は、ローパスフィルタＬＰＦを介して制御部１４内の電圧センサ１６にて検出される。制御部１４は、例えばコンピュータから構成され、例えば複数の半導体集積回路を備える。また制御部１４は、インターフェース２４を介して、外部の電池ＥＣＵ（電子コントロールユニット）と通信可能となっている。

制御部１４は、マルチプレクサ１８、電圧センサ１６、シーケンサ２２、及びインターフェース２４を備える。マルチプレクサ１８は入力端子ＴＡｉ，ＴＢｉから入力された信号を受けて、これらのいずれかを選択的に出力可能な素子である。シーケンサ２２は電池ＥＣＵからの電圧値要求を受けて、マルチプレクサ１８に選択させるＴＡｉ，ＴＢｉを指示する。シーケンサ２２は例えばプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）から構成される。インターフェース２４はシーケンサ２２及び電圧センサ１６と電池ＥＣＵとの通信を仲介する。

上述したように、電圧センサ１６は、各電池セルＢＴｋの電圧を、ＲＣローパスフィルタＬＰＦを介して検出する。一個の電池セルＢＴｋに対して、その電圧（端子間電圧）の検出が可能な回路は第１及び第２の回路Ｒ１，Ｒ２の２つあることから、制御部１４では、これら２つの回路のうち、ローパスフィルタＬＰＦが設けられた回路を選択して電圧検出を行う。

例えば図６に示すように、電池ＥＣＵからインターフェース２４を介してシーケンサ２２に電池セルＢＴ１の電圧値要求が送られる。シーケンサ２２はこれを受けて入力端子ＴＡ１，ＴＡ２を選択する指令をマルチプレクサ１８に出力する。これにより、入力端子ＴＡ１，ＴＡ２から入力された電圧信号がＲＣローパスフィルタＬＰＦ及びマルチプレクサ１８を介して電圧センサ１６に出力される。電圧センサ１６により検出された電圧値（電池セルＢＴ１の端子間電圧）はインターフェース２４を介して電池ＥＣＵに送信される。

以下同様にして、電池ＥＣＵから受信した電圧値要求の対象となる電池セルＢＴｋが奇数番目である場合には、シーケンサ２２は第１の回路Ｒ１に対応する入力端子ＴＡｉ（ＴＡｋ，ＴＡｋ＋１）を選択する。また電池ＥＣＵから受信した電圧値要求の対象となる電池セルＢＴｋが偶数番目である場合には、シーケンサ２２は第２の回路Ｒ２に対応する入力端子ＴＢｉ（ＴＢｋ，ＴＢｋ＋１）を選択する。

図７には、本実施形態に係る電池監視装置を用いた高周波成分のフィルタ特性が示されている。図７において「従来技術」と記載されたグラフには、図９で示す電池監視装置を用いたときのフィルタ特性が示されている。また図７において「本実施形態」と記載されたグラフには、図１で示す電池監視装置を用いたときのフィルタ特性が示されている。両グラフとも、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸は強度［ｄＢ］を表す。

両グラフを比較すると明らかなように、所定の高周波成分ａ［ＭＨｚ］の強度が、従来技術と比較して本実施形態では大幅に減衰されている。このように、本実施形態に係る電池監視装置１０を用いることで、ノイズである高周波成分のゲインの低下が抑制される。

＜他の実施形態＞
上述の実施形態では、奇数番目の電池セルＢＴｋに対応する第１の回路Ｒ１にローパスフィルタＬＰＦを形成させ、また偶数番目の電池セルＢＴｋに対応する第２の回路Ｒ２にローパスフィルタＬＰＦを形成させていたが、この形態に限らない。例えば図８のように、偶数番目の電池セルＢＴｋに対応する第１の回路Ｒ１にローパスフィルタＬＰＦを形成させ、また奇数番目の電池セルＢＴｋに対応する第２の回路Ｒ２にローパスフィルタＬＰＦを形成させてもよい。このような形態であっても、ローパスフィルタＬＰＦ同士の接続が防止され、その結果ゲインの低下が抑制される。

１０電池監視装置、１２電池ブロック、１４制御部、１６電圧センサ、ＢＴｋ電池セル、Ｃｋコンデンサ、ＬＡｉ正極側または負極柄共有線、ＬＢｉ正極側または負極分岐線、Ｒ１第１の回路、Ｒ２第２の回路、ＲＡｉ，ＲＢｉ抵抗、ＴＡｉ，ＴＢｉ入力端子。

Claims

直列接続された複数の電池セルに対して、それぞれの前記電池セルの電圧測定用の配線が、任意の前記電池セルの一方の正極から引き出される配線と当該電池セルよりも正極側に隣接する前記電池セルの負極から引き出される配線を兼ねるように構成された、電池監視装置であって、
前記電池セルの正極から引き出される前記電圧測定用の配線である正極線及び当該電池セルの負極から引き出される前記電圧測定用の配線である負極線を備える第１の回路と、
前記正極線から分岐された正極分岐線と前記負極線から分岐された負極分岐線とを備える第２の回路と、
が前記複数の電池セルに設けられ、
前記直列接続された前記電池セルのうち、奇数番目及び偶数番目の一方の前記電池セルに対応する前記第１の回路にＲＣローパスフィルタ回路が形成され、
前記直列接続された前記電池セルのうち、奇数番目及び偶数番目の他方の前記電池セルに対応する前記第２の回路にＲＣローパスフィルタ回路が形成され、
各前記電池セルの電圧を前記ＲＣローパスフィルタ回路を介して測定する電圧センサを備える、
ことを特徴とする、電池監視装置。