JP2018045939A - 電池温度監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル温度検出回路用の短絡検出回路を構成するに当たり、高電圧系のみで完結可能な回路構成とする。【解決手段】電池温度監視システムは、サテライト基板１６に温度検出回路部２８及び演算部２９を備える。温度検出回路部２８は、複数のサーミスタ３０＿１〜３０＿ｎ−１、基準電圧源４０、共通負極線４４、短絡検出線５０及び電流センサ３４を備える。複数のサーミスタは、それぞれの電池セル１８＿１〜１８＿ｍのケース２３に絶縁部材３６を介して接する。共通負極線４４は、複数のサーミスタの負極側端子のいずれにも接続されるとともに、演算部２９にも接続される。演算部は、複数のサーミスタ３０＿１〜３０＿ｎ−１の両端電圧Ｖｔを求める電圧検出部と、電流センサ３４によって検出された短絡検出線５０の電流Ｉｏｕｔに基づいて、電池セル１８＿１〜１８＿ｍとサーミスタ３０＿１〜３０＿ｎ−１との短絡有無を判定する短絡判定部を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の電池セルが接続された電池ブロックの、各電池セルの温度を監視する、電池温度監視システムに関する。

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、５０〜１００個程度の複数の電池セル（単電池）が接続されている。

電池モジュールは、電池セルが例えば数十個単位のグループ（電池ブロック）に分割（小分け）される場合がある。例えばグループ化された電池セルをケーシングに収容させた電池ブロックを複数設けて、各電池ブロックを接続させる場合がある。このようにすることで、全電池セルを一つの大型電池モジュールに収容させた場合と比較して、車内のより小さなスペースに電池セルを配置できる等、車両内の電池セルの配置（レイアウト）の自由度が向上するというメリットがある。

電池セルの各種特性（電圧、ＳＯＣ等）を測定するために、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電圧監視基板が設けられている。この基板はいわゆるサテライト基板と呼ばれるものであり、１つの電池ブロックに対して１つのサテライト基板が割り当てられている。このような構成を備えることで、電池ブロックと監視基板（サテライト基板）のペア単位での、電源系統のレイアウトが可能となる。

特許文献１では、サテライト基板に電圧センサと監視ＩＣが実装される。監視ＩＣは電池ブロック内の全電池セルの電圧を検出し、これをメイン基板の制御マイコン（例えば電池ＥＣＵ）に送る。サテライト基板の監視ＩＣとメイン基板の制御マイコンとはデジタル通信等で信号伝送を行っており、メイン基板は高電圧の電池モジュールに対して絶縁保護される（電気的に切り離される）。

仮に、電池モジュールと制御マイコンとを電気的に接続したり、または、例えば特許文献２のように、電池モジュールと制御マイコンとを包含するように漏電（短絡）検出回路を設ける場合には、制御マイコンを高電圧印加から保護する保護回路を設ける必要があるが、上記のように、サテライト基板とメイン基板との信号伝達をデジタル信号通信で行い、制御マイコンを高電圧系から絶縁することで、制御マイコン用の高電圧保護回路は不要になるというメリットがある。

特開２０１５−７９５８５号公報 特開２００４−３４７３７２号公報

ところで、電池ブロックのレイアウト変更等に柔軟に対応可能となるように、サテライト基板に電圧検出回路に加えて温度検出回路を実装させたいとの要望がある。一般的に温度検出回路には、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタと、サーミスタに基準電圧を印加する電圧源が実装される。仮に温度検出回路と電池セルとの間に短絡が発生すると、サーミスタに印加される電圧が基準電圧と大きく乖離してしまい、その結果誤った温度検出値が出力されてしまうことから、温度検出回路には短絡検出回路が実装される必要がある。

しかしながら、高電圧系のサテライト基板と低電圧系のメイン基板とが電気的に絶縁された回路構成の場合、従来のような高電圧系と低電圧系を跨ぐような短絡検出回路とは異なる回路構成とする必要がある。そこで本発明は、高電圧系と低電圧系を跨がずに、高電圧系のみで完結可能な短絡検出回路を備えた、電池温度監視システムを提供することを目的とする。

本発明は、電池温度監視システムに関する。当該システムは、直列接続された複数の電池セルのそれぞれの温度を検出する温度検出回路部と、前記温度検出回路部に接続され前記電池セルのそれぞれの温度検出値を求める演算部と、を備える。前記温度検出回路部は、複数のサーミスタ、基準電圧源、共通負極線、短絡検出線、及び電流センサを備える。複数のサーミスタは、それぞれの前記電池セルのケースに絶縁部材を介して接する。基準電圧源は、前記複数のサーミスタに対して基準電圧を印加する。共通負極線は、前記複数のサーミスタの負極側端子のいずれにも接続される。短絡検出線は、前記複数のサーミスタのうち最も負極側の前記サーミスタの負極側端子と前記共通負極線との接続点と、直列接続された前記複数の電池セルのうち最も負極側の前記電池セルの負極とを接続する。電流センサは、前記短絡検出線の電流を検出する。前記演算部は、電圧検出部及び短絡判定部を備える。電圧検出部は、前記複数のサーミスタの両端電圧を求める。短絡判定部は、前記電流センサによって検出された前記短絡検出線の電流に基づいて、前記電池セルと前記サーミスタとの短絡有無を判定する。

本発明によれば、電池セルとサーミスタとの間に短絡が発生したときに、短絡検出線に短絡電流が流れる。これを電流センサが検出することで、短絡の発生検出が可能となる。したがって、高電圧系と低電圧系を跨がずに、高電圧系のみで短絡検出が可能となる。

本実施形態に係る電池温度監視システムを例示する図である。 サテライト基板及び電池ブロックの詳細について説明する図である。 演算部のハード構成を例示する図である。 演算部の機能ブロックを例示する図である。 電池セルの温度検出プロセスを説明する図である。 電池セル−サーミスタ間の短絡有無の判定プロセスを説明する図である。 電池セル−サーミスタ間の短絡有無の判定フローを例示する図である。

図１には、本実施形態に係る電池温度監視システム１０が例示されている。電池温度監視システム１０は、例えばハイブリッド車両や電気自動車等の、回転電機を駆動源とする車両に搭載され、電源である電池モジュール１２の電圧、温度等の特性を監視する。電池温度監視システム１０は、電池モジュール１２、メイン基板１４、及びサテライト基板１６を備える。

電池モジュール１２は、複数の電池セル１８が直列接続される。これら複数の電池セル１８は複数のグループに分割（小分けに）されて電池ブロック２０を構成する。電池ブロック２０は、例えば直列接続された複数の電池セル１８と、これら複数の電池セル１８を収容するケーシング等の筐体を備える。

電池セル１８は、例えばニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池のような、充放電可能な二次電池から構成される。図２に示すように、電池セル１８は、電極２２（正極及び負極）がケース２３に収容されており、例えば角型（いわゆる角型電池）や円柱形状（いわゆる円筒電池）に形成される。

図１に戻り、メイン基板１４には、制御マイコン２４が実装される。制御マイコン２４は、例えばコンピュータであってよく、いわゆる電池ＥＣＵ（電子制御ユニット）であってよい。メイン基板１４は、電池モジュール１２やサテライト基板１６等の高電圧系回路とは電気的に絶縁されている。例えばメイン基板１４と高電圧系回路との間には絶縁部材が設けられる。

また、例えばサテライト基板１６の演算部２９（監視ＩＣ）とメイン基板１４の制御マイコン２４とはデジタル信号通信によって、フォトカプラ等の絶縁素子を介して信号伝送を行っており、それ以外の電気的な接続は遮断される。メイン基板１４を高電圧系回路から絶縁することで、メイン基板１４に実装された制御マイコン２４等の機器に対する高電圧保護回路が不要になる。

サテライト基板１６は、複数の電池ブロック２０のそれぞれに対応して設けられる。例えばサテライト基板１６は、電池ブロック２０と同数設けられる。個々のサテライト基板１６は、電圧測定回路部２６、温度検出回路部２８、及び演算部２９を備える。

図２には、サテライト基板１６の温度検出回路部２８及び演算部２９の回路構成が例示されている。なお、電圧測定回路部２６は既知のためここでは図示を省略する。温度検出回路部２８は、複数のサーミスタ３０、マルチプレクサ３２、及び電流センサ３４を備え、電池ブロック２０内のそれぞれの電池セル１８の温度を検出する。

サーミスタ３０は、それぞれの電池セル１８のケース２３に、絶縁部材３６を介して接するように設けられる。サーミスタ３０は、一つの電池セル１８に対して複数設けられてよい。図２に示す例では、一つの電池セル１８＿１のケース２３に２つのサーミスタ３０＿１及び３０＿２が取り付けられている。

個々のサーミスタ３０の正極側端子は、マルチプレクサ３２の各チャンネルに接続される。例えばサーミスタ３０＿１、３０＿２、・・・、３０＿ｎ−２、３０＿ｎ−１の正極側端子は、マルチプレクサ３２のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、・・・、ＣＨｎ−２、ＣＨｎ−１に接続される。

さらに、それぞれのサーミスタ３０の正極側端子とマルチプレクサ３２のチャンネルとの間に基準電圧印加用の正極線３８が接続される。正極線３８は演算部２９内の基準電圧源４０にも接続される。また、基準電圧源４０と各サーミスタ３０との間には基準抵抗Ｒ１が設けられる。このような構成を備えることで、基準電圧源４０から基準抵抗Ｒ１を介して、各サーミスタ３０＿１、３０＿２、・・・、３０＿ｎ−２、３０＿ｎ−１に並列に基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。

それぞれのサーミスタ３０の負極側端子は、いずれも共通負極線４４に接続される。共通負極線４４は、演算部２９にも接続されるとともに接地される。

また、複数の電池セル１８が直列接続される母線４８と共通負極線４４とは、短絡検出線５０で接続される。具体的には、電池ブロック２０の、直列接続された複数の電池セル１８＿１、１８＿２、・・・、１８＿ｍのうち、最も負極側の電池セル１８＿ｍの負極５１に短絡検出線５０の一端が接続される。また、複数のサーミスタ３０＿１、３０＿２、・・・、３０＿ｎ−１のうち、サテライト基板１６中最も負極側のサーミスタ３０＿ｎ−１の負極側端子と、共通負極線４４との接続点４９に、短絡検出線５０の他端が接続される。接続形態としては、電池セル１８＿ｍの負極５１及び接続点４９に直接短絡検出線５０を接続させてもよいし、共通負極線４４や母線４８の一部を介して（間接的に）電池セル１８＿ｍの負極５１及び接続点４９に短絡検出線５０を接続させてもよい。

短絡検出線５０には、電流センサ３４が設けられる。後述するように、電流センサ３４が短絡検出線５０を流れる電流Ｉｏｕｔを検出することで、電池セル１８とサーミスタ３０との間に短絡有りと判定される。電流センサ３４は、マルチプレクサ３２の任意のチャンネルに接続される。図２に示す例では、マルチプレクサ３２の最も負極側のチャンネルＣＨｎに電流センサ３４が接続される。また、電流センサ３４とマルチプレクサ３２との間に、電流センサ３４の検出信号を増幅させる増幅器５４（アンプ）を挿入してもよい。

電流センサ３４は、例えばホール素子を備えた非接触型の電流センサであってよい。または、短絡検出線５０上にシャント抵抗を挿入させた接触型の電流センサであってもよい。ただし、接触型の電流センサを用いる場合は、後述する数式（１）において、サーミスタ３０の抵抗Ｒｔの項が、サーミスタ抵抗Ｒｔとシャント抵抗Ｒｓｈの和に変更される。

演算部２９（監視ＩＣ）は、温度検出回路部２８に接続され、それぞれの電池セル１８の温度検出値を求める。また、電流センサ３４から、短絡検出線５０を流れる電流値Ｉｏｕｔを取得する。演算部２９は演算処理回路を備えており、例えば高耐圧型のＬＳＩから構成される。図３には演算部２９のハード構成が例示されている。演算部２９は、ＣＰＵ５６（マイクロプロセッサ）、メモリ５８（ＤＲＡＭモジュール）、及び入出力インターフェース６０を備え、これらの機器がシステムバスを介してそれぞれ接続される。

メモリ５８に記憶された電池温度検出プログラム及び短絡有無判定プログラムをＣＰＵ５６が実行することで、演算部２９には図４にて例示する各機能部が構成される。すなわち、演算部２９には、チャンネル選択部６２、電圧検出部６４、温度変換部６６、短絡判定部６８、及び温度信号合成部７０が構成される。

チャンネル選択部６２は、マルチプレクサ３２のチャンネルを選択するスイッチング信号を出力する。電圧検出部６４は、サーミスタ３０＿１〜３０＿ｎ−１の両端電圧Ｖｔを求める。具体的には、チャンネル選択部６２により選択されたチャンネル先のサーミスタ３０の両端電圧Ｖｔを順次検出、測定する。電圧検出部６４は、例えば電圧センサを備えていてよい。温度変換部６６は、電圧検出部６４が検出したサーミスタ３０の電圧値Ｖｔと、図示しない電圧−温度換算マップを参照して、電圧値Ｖｔに対応するサーミスタ温度Ｔｔを求める。

温度信号合成部７０は、チャンネル選択部６２が出力したスイッチング信号を受信して、これと、図示しないスイッチング信号と電池セルＩＤとの対応マップから、温度検出対象の電池セル１８を特定する。さらに温度変換部６６からサーミスタ温度Ｔｔを取得する。温度信号合成部７０は、電池セル１８のＩＤとサーミスタ温度Ｔｔ（温度検出値）とを組み合わせた信号を合成して、制御マイコン２４に送信する。

短絡判定部６８は、電流センサ３４が検出した電流値Ｉｏｕｔを受信する。また、チャンネル選択部６２から、マルチプレクサ３２の電流センサ３４との接続チャンネルＣＨｎを選択するスイッチング信号を受信すると、後述するように、電流値Ｉｏｕｔと閾値Ｉｔｈとの比較に基づいて、いずれかの電池セル１８とサーミスタ３０との短絡有無を判定する。短絡有りと判定された場合、短絡判定部６８は、短絡発生信号を制御マイコン２４に送信する。

図５には、サーミスタ３０の温度取得時の回路図が例示されている。マルチプレクサ３２のチャンネルはサーミスタ３０＿１と接続されたチャンネルＣＨ１が選択されている。

サーミスタ３０と電池セル１８との間に短絡が生じていない正常状態のとき、基準電圧源４０からマルチプレクサ３２のチャンネルＣＨｎまで電流Ｉ１が流れ、短絡検出線５０には電流は実質的に流れない。この状態において、マルチプレクサ３２によって選択されたチャンネルＣＨ１と共通負極線４４間の電圧、つまり、サーミスタ３０＿１の両端電圧Ｖｔは、基準抵抗Ｒ１、基準電圧Ｖｒｅｆ、及びサーミスタ抵抗Ｒｔを用いて、下記数式（１）のように表される。

数式（１）において、サーミスタ抵抗Ｒｔは温度によって変化する。サーミスタ３０は電池セル１８に取り付けられているので、電池セル１８の温度変化に応じてサーミスタ抵抗Ｒｔが変化する。この変化がサーミスタ３０の両端電圧Ｖｔの変化として表れる。演算部２９の温度変換部６６は、電圧Ｖｔに対応する温度Ｔｔを求めて、これを電池セル１８の検出温度とする。

図６には、電池セル１８＿１とサーミスタ３０＿１との間に短絡が生じた例が示されている。絶縁部材３６の絶縁破壊が生じると、電池セル１８とサーミスタ３０との間の電解液抵抗Ｒｓを経由して、電池セル１８とサーミスタ３０とが短絡する。この短絡時に、電池セル１８→サーミスタ３０→共通負極線４４→短絡検出線５０→母線４８→電池セル１８と循環するリーク電流Ｉ２が生じる。このとき、電流センサ３４の検出値はＩ２（Ｉｏｕｔ＝Ｉ２）となる。

短絡判定部６８は、電流センサ３４から取得した短絡検出線５０の電流値Iｏｕｔを取得して、これに基づいて電池セル１８とサーミスタ３０との短絡有無を判定する。図７には、演算部２９による短絡有無判定フローが例示されている。

短絡有無発生フローは、サーミスタ３０＿１〜３０＿ｎ−１の温度検出フローの一部として実行されてもよい。例えば、マルチプレクサ３２のチャンネルがＣＨ１、ＣＨ２、・・・ＣＨｎ−１と切り替わり、続いてＣＨｎが選択される。このときに短絡有無が判定される。

チャンネル選択部６２は、マルチプレクサ３２のチャンネルのうち、電流センサ３４が接続されたチャンネルＣＨｎを選択するスイッチング信号をマルチプレクサ３２及び短絡判定部６８に出力する（Ｓ１０）。短絡判定部６８は、スイッチング信号を受けて、電流センサ３４が検出した電流値Ｉｏｕｔが所定の閾値Ｉｔｈ未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。

短絡判定部６８は、電流値Ｉｏｕｔが閾値Ｉｔｈ未満である場合、いずれの電池セル１８及びサーミスタ３０間にも短絡が発生していないと判定する（Ｓ１４）。一方、電流値Ｉｏｕｔが閾値Ｉｔｈ以上である場合、例えばＩｏｕｔ＝Ｉ２の場合、いずれかの電池セル１８とサーミスタ３０間に短絡が発生したと判定し、短絡発生信号を制御マイコン２４に出力する（Ｓ１６）。

１０ 電池温度監視システム、１２ 電池モジュール、１４ メイン基板、１６ サテライト基板、１８ 電池セル、２０ 電池ブロック、２３ ケース、２４ 制御マイコン、２８ 温度検出回路部、２９ 演算部、３０ サーミスタ、３２ マルチプレクサ、３４ 電流センサ、３６ 絶縁部材、３８ 正極線、４０ 基準電圧源、４４ 共通負極線、５０ 短絡検出線、６２ チャンネル選択部、６４ 電圧検出部、６６ 温度変換部、６８ 短絡判定部、７０ 温度信号合成部。

Claims (1)

1. 直列接続された複数の電池セルのそれぞれの温度を検出する温度検出回路部と、
   前記温度検出回路部に接続され前記電池セルのそれぞれの温度検出値を求める演算部と、
   を備える、電池温度監視システムであって、
   前記温度検出回路部は、
   それぞれの前記電池セルのケースに絶縁部材を介して接する、複数のサーミスタと、
   前記複数のサーミスタに対して基準電圧を印加する基準電圧源と、
   前記複数のサーミスタの負極側端子のいずれにも接続される、共通負極線と、
   前記複数のサーミスタのうち最も負極側の前記サーミスタの負極側端子と前記共通負極線との接続点と、直列接続された前記複数の電池セルのうち最も負極側の前記電池セルの負極とを接続する短絡検出線と、
   前記短絡検出線の電流を検出する電流センサと、
   を備え、
   前記演算部は、
   前記複数のサーミスタの両端電圧を求める電圧検出部と、
   前記電流センサによって検出された前記短絡検出線の電流に基づいて、前記電池セルと前記サーミスタとの短絡有無を判定する短絡判定部と、
   を備える、
   ことを特徴とする、電池温度監視システム。