JP2018129896A - Battery Management Unit - Google Patents

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Hiromi Takaoka
浩実 高岡
隆道 藤原
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隆道 藤原
健吾 永吉
Kengo Nagayoshi
健吾 永吉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery management unit capable of accurately measuring the voltages of battery cells included in a battery system while suppressing a relative error.SOLUTION: A battery management unit 3 for measuring voltages of a plurality of battery cells of a secondary battery 100 that is formed of serially connected the battery cells, comprises a capacitor C which is one capacitor, photo MOS relays 10 which are provided correspondingly between terminals of the battery cells, which are independently connected in series to the capacitor C, and which turn ON/OFF the corresponding connections, and a microcomputer 3a which controls the ON/OFF of the photo MOS relays 10. The microcomputer 3a charges the capacitor C by separately turning ON the photo MOS relays 10 of the battery cells 1 to 7, carries out an operation of turning off the photo MOS relays 10 when the terminal voltage of the capacitor C reaches a saturation state, and of obtaining the terminal voltage of the charged capacitor C. This operation is sequentially carried out for each of the battery cells so that the voltage of each of the battery cells is measured.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電池セルを直列接続し電圧を高めてエネルギー源として使用する電池システムにおいて、個々の電池セルの電圧を検知し、その状態に応じて充電および放電時の印加する電圧および電流を制御し、電池システムの安全性と長寿命化を図る電池管理ユニットに関する。   In a battery system in which battery cells are connected in series to increase the voltage and used as an energy source, the present invention detects the voltage of each battery cell and controls the voltage and current applied during charging and discharging according to the state of the battery cell The present invention also relates to a battery management unit for improving the safety and long life of the battery system.

近年、太陽光発電パネル(太陽電池パネル、PVとも呼ばれる)、EV(電気駆動自動車)、蓄電装置等の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用するものや、種々の情報端末等の小型の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用する持ち運び可能な機器の普及が急速に進んでいる。   In recent years, electrical energy is temporarily stored using a battery such as a photovoltaic power generation panel (also called a solar cell panel or PV), an EV (electrically driven vehicle), or a power storage device, and the stored electrical energy is used. The spread of portable equipment that temporarily stores electrical energy using small batteries such as various information terminals and uses the stored electrical energy is rapidly progressing.

しかし、電池の出力電圧はニッケル水素で1.2V、鉛電池で2V、リチウムイオン電池で4V弱と単電池で使用するには電圧が余りにも低く、そのためこれら電池セルを直列に接続して組電池として構成し、少なくとも12V、高いもので360V程度の高電圧にして高電力化を図る機器が多い。   However, the battery output voltage is 1.2V for nickel-metal hydride, 2V for lead-acid batteries, and less than 4V for lithium-ion batteries, which is too low for use with a single battery. Therefore, these battery cells are connected in series. There are many devices that are configured as a battery and are designed to increase power by setting a high voltage of at least 12V and a high voltage of about 360V.

このような組電池の充放電時では、充電時、放電時ともに流れる電流はいずれの電池セルでも等しく、その電流に応じた個々の電池セルの電圧は通常は異なった値をとる。したがって、組電池全体の電池電圧を観察しても個々の電池セルの電圧は異なり、ある電池セルは電池セルとしての許容値を超えている場合もある。許容値を超えた電池セルは膨潤・発熱・発煙・爆発等の電池システム災害を惹起する事態となる。また、負荷に接続された状態では、ある電池セルの電圧が異常に低下しても他の電池電圧でカバーし負荷への電力の供給を強制する場合もある。このような場合は、該当電池セルは、過放電状態となり、電極破壊に繋がるおそれがあり、次の充電時には該当電池セルは、他の電池セルに先んじて過充電を惹起し、種々の電池システムのハザードとなる。   At the time of charging / discharging such an assembled battery, the current that flows during both charging and discharging is the same in any battery cell, and the voltages of the individual battery cells corresponding to the current usually take different values. Therefore, even if the battery voltage of the whole assembled battery is observed, the voltage of each battery cell is different, and a certain battery cell may exceed the allowable value as a battery cell. Battery cells that exceed the permissible value can cause battery system disasters such as swelling, heat generation, smoke generation, and explosion. Moreover, in the state connected to load, even if the voltage of a certain battery cell falls abnormally, it may be covered with another battery voltage and the supply of power to the load may be forced. In such a case, the corresponding battery cell may be in an overdischarged state and may lead to electrode destruction. At the next charging time, the corresponding battery cell causes overcharge prior to other battery cells, and various battery systems. It becomes a hazard.

前記のような種々の電池システムのハザードを防止するためには、電池システムの構成素子である個々の電池セル(単電池)の電圧を常に監視し、電圧の個々のデータと当該データに基づく適正な制御が電池システムの長寿命化および安全性の確保に不可欠となる。そのため、電池システムの個々の電池セル(単電池)の電圧を監視し、電池システムに対して所定の制御を行う装置として、従来から電池管理システム(BMS:Battery management system)が用いられる。電池管理システムは、電池システムが有する個々の電池セルの電圧や温度を測定し、電池システムを監視・制御(保護)を行うユニットとして、電池管理ユニット(BMU:Battery management unit)を有している。   In order to prevent the hazards of various battery systems as described above, the voltage of each battery cell (single cell) that is a constituent element of the battery system is constantly monitored, and the individual data of the voltage and the appropriateness based on the data are determined. Such control is indispensable for extending the life of the battery system and ensuring safety. Therefore, a battery management system (BMS: Battery management system) is conventionally used as a device that monitors the voltage of each battery cell (single cell) of the battery system and performs predetermined control on the battery system. The battery management system has a battery management unit (BMU) as a unit that measures the voltage and temperature of each battery cell included in the battery system and monitors and controls (protects) the battery system. .

電池管理システムによる電池システムの個々の電池セルの電圧を計測する方法としては過去種々の方法がなされている(例えば、特許文献1参照)。   Various methods for measuring the voltage of individual battery cells of a battery system by a battery management system have been made in the past (see, for example, Patent Document 1).

例えば、図6に抵抗分割方式による電池セル電圧を計測するための一般的な基本回路を示しているが、この基本回路による電圧計測方法には必然的に計測誤差の発生が伴う。具体的には、この基本回路では、各抵抗の誤差が同じ場合、図中の上方に位置する電池セルほど誤差が大きくなる。例えば、抵抗が1%の誤差を持つものとすると、セル1が37mV、セル7が259mVの誤差になる。また、抵抗分割方式は、分割抵抗に因る電池セルのエネルギー損失が原理的に個々の電池セルにより異なる。従って、抵抗分割方式は、経時的に大きな充電量(SOC:State of Charge)のバラつきとなる欠点が存在する。また、この基本回路に従来のBMUを接続した場合、電池セルの電圧を検出するために、常に電流を流す必要があり(図7(a)参照)、電力を浪費することになる。また、各電池セルを流れる電流が異なるため、BMUを接続することによる電池セルの充電量(SOC)のバラツキが生じる(図7(b)参照)。   For example, FIG. 6 shows a general basic circuit for measuring a battery cell voltage by the resistance division method. However, the voltage measurement method using this basic circuit inevitably involves measurement errors. Specifically, in this basic circuit, when the error of each resistor is the same, the error is larger in the battery cell located in the upper part of the figure. For example, if the resistance has an error of 1%, the cell 1 has an error of 37 mV and the cell 7 has an error of 259 mV. Further, in the resistance division method, the energy loss of the battery cell due to the division resistance varies in principle depending on the individual battery cell. Therefore, the resistance division method has a drawback that a large amount of charge (SOC) varies over time. In addition, when a conventional BMU is connected to this basic circuit, it is necessary to always pass a current in order to detect the voltage of the battery cell (see FIG. 7A), which wastes power. Moreover, since the electric current which flows through each battery cell differs, the variation in the charge amount (SOC) of a battery cell by connecting BMU arises (refer FIG.7 (b)).

また、計測のための電池セルへの負荷量を小さくするため、分割抵抗値を大きくすると、電圧計測値の精度が落ち、精度を得るために分割抵抗値を小さくすると、負荷量が大きくなり、電池セルのバラつきが増大し精度は高いが電池自身の充電量(SOC)の自己変動を起こすことになる。そのため、電池システムが有する個々の電池セルの電圧を、相対的な誤差を抑えて精度良く計測する技術が求められている。   Also, if the divided resistance value is increased in order to reduce the load amount on the battery cell for measurement, the accuracy of the voltage measurement value is reduced.If the divided resistance value is decreased in order to obtain accuracy, the load amount is increased. The variation of the battery cells increases and the accuracy is high, but the battery itself has a self-variation in the amount of charge (SOC). Therefore, there is a demand for a technique for accurately measuring the voltage of each battery cell included in the battery system while suppressing a relative error.

特開2014−116992号公報JP 2014-116992 A

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電池システムが有する個々の電池セルの電圧を、相対的な誤差を抑えて精度良く計測することができる電池管理ユニットを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a battery management unit capable of accurately measuring the voltage of each battery cell included in the battery system while suppressing relative errors. With the goal.

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。   The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.

即ち、請求項1の電池管理ユニットにおいては、
複数の電池セルが直列接続されて構成される電池システムの各電池セル毎の電圧を計測する電池管理ユニットであって、
1つのキャパシタと、
前記各電池セルの端子間に対応して設けられ、前記キャパシタに独立して直列接続し、当該接続をON/OFFする第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子のON/OFFを制御する制御回路と、備え、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に前記第1スイッチング素子をONすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第1スイッチング素子をOFFし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測するものである。
That is, in the battery management unit of claim 1,
A battery management unit for measuring a voltage for each battery cell of a battery system configured by connecting a plurality of battery cells in series,
One capacitor,
A first switching element provided correspondingly between the terminals of each battery cell, connected in series independently to the capacitor, and ON / OFF the connection;
A control circuit for controlling ON / OFF of the first switching element;
The control circuit includes:
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. An operation for acquiring a terminal voltage is executed, and the voltage for each battery cell is measured by sequentially performing this operation for each battery cell.

また、請求項2の電池管理ユニットにおいては、
前記各電池セルの電圧を比較し、必要に応じて、前記各電池セル毎に独立して放電または充電し、前記各電池セルのSOCレベルを平準化するバランス手段を備えるものである。
In the battery management unit of claim 2,
The battery cell is provided with a balancing means for comparing the voltage of each battery cell, and discharging or charging each battery cell independently as necessary to level the SOC level of each battery cell.

また、請求項3の電池管理ユニットにおいては、
前記制御回路は、
前記各電池セルのそれぞれの電圧に応じて、前記電池システムを充電するための充電電源の充電電圧を制御して、電池システム全体の充電及び放電の動作を最適化するものである。
In the battery management unit of claim 3,
The control circuit includes:
The charging voltage of the charging power source for charging the battery system is controlled in accordance with the voltage of each battery cell to optimize the charging and discharging operations of the entire battery system.

本発明の電池管理ユニットによれば、電池システムが有する個々の電池セルを、相対的な誤差を抑えて精度良く計測することができる。   According to the battery management unit of the present invention, it is possible to accurately measure individual battery cells included in the battery system while suppressing relative errors.

ひいては、電池システムの応用において最大の懸念事項である構成電池セルのバラつきによる電池システム充電能力の低下、発熱、発煙、発火等の異常現象の発生を防止することが可能となる。また構成電池セルの一つの特性不良による電池システム全体の能力低減、短寿命化などの懸念があり、これら懸念事項を防御出来るシステム構成が実現される。   As a result, it is possible to prevent the occurrence of abnormal phenomena such as a decrease in battery system charging capability, heat generation, smoke generation, and ignition due to variations in constituent battery cells, which is the greatest concern in the application of battery systems. In addition, there is a concern that the entire battery system has a reduced capacity and a short life due to one characteristic defect of the constituent battery cells, and a system configuration that can prevent these concerns is realized.

本発明の一実施形態に係る電池管理ユニットを有する電池管理システムを備えた充電装置の構成を模式的に示すブロック図。The block diagram which shows typically the structure of the charging device provided with the battery management system which has a battery management unit which concerns on one Embodiment of this invention. マイコンの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of a microcomputer. フローティング・キャパシタ方式の基本回路であるセル電圧検知回路を示す図。The figure which shows the cell voltage detection circuit which is a basic circuit of a floating capacitor system. キャパシタチャージ、電圧検出、及びマイコン演算処理の動作の一例を示すシーケンス図。The sequence diagram which shows an example of operation | movement of a capacitor charge, voltage detection, and microcomputer arithmetic processing. 電池管理ユニットの特長を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the feature of a battery management unit. 抵抗分割方式による電池セル電圧の計測回路の一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement circuit of the battery cell voltage by a resistance division system. 抵抗分割方式の問題点を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the problem of a resistance division system.

次に、本発明の一実施形態である電池管理ユニットを有する電池管理システム(BMS)を備えた充電装置1について図1及び図2を参照しながら説明する。充電装置1は、種々のエネルギー源Eにより発電された電力を充電電源2を介して電池システムの一例である二次電池100に蓄え、当該二次電池100から負荷200に電力を供給するものである。充電装置1は、二次電池100に蓄えられた電力を利用して作動する負荷200に電気的に接続されている。エネルギー源Eとしては、例えば、PV、風力、地熱等が挙げられる。負荷200としては、例えば、モータ等の動力源、各種デバイス、電灯等の照明装置、情報等の表示装置等が挙げられる。
なお、本実施形態における電池システムとは、複数の電池セルの直列接続によってパック化、モジュール化して組電池を構成したものである。
Next, a charging device 1 including a battery management system (BMS) having a battery management unit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The charging device 1 stores electric power generated by various energy sources E in a secondary battery 100 that is an example of a battery system via a charging power source 2 and supplies electric power from the secondary battery 100 to a load 200. is there. The charging device 1 is electrically connected to a load 200 that operates using electric power stored in the secondary battery 100. Examples of the energy source E include PV, wind power, geothermal heat, and the like. Examples of the load 200 include a power source such as a motor, various devices, an illumination device such as an electric light, a display device for information, and the like.
In addition, the battery system in the present embodiment is a battery pack that is formed into a pack and modularized by a series connection of a plurality of battery cells to form an assembled battery.

ここで、本実施形態における二次電池100とは、充放電を繰り返し行うことができる電池をいい、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄え、また逆に、蓄えた化学エネルギーを電気エネルギーに変換して使用することができる電池をいう。二次電池100としては、例えば、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、リチウムイオン電池、鉛電池等を挙げることができる。その中でも、二次電池100としては、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池が特に好ましい。   Here, the secondary battery 100 in the present embodiment refers to a battery that can be repeatedly charged and discharged, and converts electrical energy into chemical energy and stores it, and conversely converts the stored chemical energy into electrical energy. A battery that can be used. Examples of the secondary battery 100 include a nickel-cadmium battery, a nickel-hydrogen metal battery, a lithium ion battery, and a lead battery. Among these, as the secondary battery 100, a lithium ion battery with a high energy density is particularly preferable.

図1に示すように、充電装置1は、エネルギー源E、充電電源2と、二次電池100を監視・制御する電池管理ユニット(以下、BMUという)3と、バランス機構4と、電流検知/保護回路5と、表示手段6とを主に備える。充電装置1は、電池システムである二次電池100、及び負荷200に電気的に接続される。BMU3は、充電電源2、バランス機構4、電流検知/保護回路5、表示手段6、二次電池100、負荷200等に電気的に接続されている。
なお、本実施形態で説明する充電装置1、充電装置1が備えるBMU3、BMU3に接続される二次電池100の各構成は、本実施形態で説明する機能を実現可能な構成であれば良く、適宜変更可能であるものとする。
As shown in FIG. 1, the charging device 1 includes an energy source E, a charging power source 2, a battery management unit (hereinafter referred to as BMU) 3 that monitors and controls the secondary battery 100, a balance mechanism 4, a current detection / The protection circuit 5 and the display means 6 are mainly provided. The charging device 1 is electrically connected to a secondary battery 100 that is a battery system and a load 200. The BMU 3 is electrically connected to the charging power source 2, the balance mechanism 4, the current detection / protection circuit 5, the display means 6, the secondary battery 100, the load 200, and the like.
In addition, each structure of the secondary battery 100 connected to the charging apparatus 1 demonstrated in this embodiment, BMU3 with which the charging apparatus 1 is equipped, and BMU3 should just be a structure which can implement | achieve the function demonstrated in this embodiment, It can be changed as appropriate.

充電電源2は、二次電池100に充電電圧を供給する電源である。充電電源2は、交流電力を直流に変換する変圧、整流回路を有しており、変換された直流電力がBMU3を介して二次電池100に供給される。   The charging power source 2 is a power source that supplies a charging voltage to the secondary battery 100. The charging power source 2 has a transformer and a rectifier circuit that converts AC power into DC, and the converted DC power is supplied to the secondary battery 100 via the BMU 3.

BMU3は、主に演算・指令等を実行する制御回路(プロセッサー)の一例であるマイクロコンピュータ(以下、マイコンという)3aと、充電電圧等を制御する充電電圧制御部3bと、二次電池100が有する各電池セルの電圧を検知するセル電圧検知回路3cと、を有している。BMU3は、二次電池100の各電池セル毎の電圧を計測する。   The BMU 3 includes a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) 3a that is an example of a control circuit (processor) that mainly executes arithmetic operations / commands, a charging voltage control unit 3b that controls charging voltage and the like, and a secondary battery 100. And a cell voltage detection circuit 3c for detecting the voltage of each battery cell. The BMU 3 measures the voltage for each battery cell of the secondary battery 100.

マイコン3aは、充電電圧制御部3b及びセル電圧検知回路3cに電気的に接続されている。図2に示すように、マイコン3aは、中央演算装置であるマイクロプロセッシングユニット(以下、MPU)40と、記憶手段であるリードオンリーメモリ(以下、ROM)41と、ランダムアクセスメモリ(以下、RAM)42と、セル電圧検知回路3cが有するスイッチング素子(後述する第1スイッチング素子であるフォトMOSリレー10、第2スイッチング素子であるキャパシタリレー11)のON/OFFを制御するスイッチング制御部43と、時間計測手段であるタイマ44と、勘定手段であるカウンタ45と、二次電池100に通電されている電流値を図示しない充電電流検出手段を介して検出する電流検出部46と、二次電池100の各電池セルの端子間の電圧値(電池セル電圧)を監視する電池電圧監視部47、A/D変換機能を有するA/D変換部48等を備えている。ROM41には、充電装置1内で処理される各種処理プログラム(例えば、二次電池100が有する個々の電池セルの電圧を検知し、その状態に応じ充電および放電時の印加する電圧および電流を制御するためのプログラム等)が格納される。マイコン3aは、前記スイッチング制御部43を有し、スイッチング素子(後述する第1スイッチング素子であるフォトMOSリレー10、及び第2スイッチング素子であるキャパシタリレー11)のON/OFFを制御する制御回路である。
なお、セル電圧検知回路3cにおいて実行される動作の詳細については後述する。
The microcomputer 3a is electrically connected to the charging voltage control unit 3b and the cell voltage detection circuit 3c. As shown in FIG. 2, the microcomputer 3a includes a microprocessing unit (hereinafter referred to as MPU) 40 as a central processing unit, a read only memory (hereinafter referred to as ROM) 41 as storage means, and a random access memory (hereinafter referred to as RAM). 42, a switching control unit 43 that controls ON / OFF of switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element and a capacitor relay 11 that is a second switching element) included in the cell voltage detection circuit 3c, and a time A timer 44 that is a measuring unit, a counter 45 that is a counting unit, a current detection unit 46 that detects a current value energized in the secondary battery 100 via a charging current detection unit (not shown), and the secondary battery 100 Battery voltage monitoring unit 47 for monitoring the voltage value (battery cell voltage) between terminals of each battery cell, A / D And an A / D converter 48 or the like having a conversion function. In the ROM 41, various processing programs processed in the charging device 1 (for example, the voltage of each battery cell included in the secondary battery 100 is detected, and the voltage and current applied during charging and discharging are controlled according to the state. And the like are stored. The microcomputer 3a is a control circuit that has the switching control unit 43 and controls ON / OFF of switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element and a capacitor relay 11 that is a second switching element described later). is there.
Details of the operation executed in the cell voltage detection circuit 3c will be described later.

バランス機構4は、二次電池100の各電池セル間の電圧バランスを維持する機能を有するバランス手段であり、例えば、当該機能を組み込んだICチップで構成される。バランス機構4は、BMU3のマイコン3aにより動作する。バランス機構4は、複数の電池セルの電圧を比較し、必要に応じて、各電池セル毎に独立して放電または充電し、各電池セルのSOC(State of Charge)レベルを平準化するものである。   The balance mechanism 4 is a balance unit having a function of maintaining a voltage balance between the battery cells of the secondary battery 100, and includes, for example, an IC chip that incorporates the function. The balance mechanism 4 is operated by the microcomputer 3a of the BMU 3. The balance mechanism 4 compares the voltages of a plurality of battery cells, and discharges or charges each battery cell independently as necessary to level the SOC (State of Charge) level of each battery cell. is there.

電流検知/保護回路5は、充電電流の電流値を検知するとともに、過充電停止、過放電停止のための保護回路である。電流検知/保護回路5は、電子回路によって電圧を計測し、電圧が一定値以上となった際に充電を停止する。過放電の場合も同様、電圧が一定値以下となった場合に放電を停止する。電流検知/保護回路5は、BMU3のマイコン3aにより動作する。   The current detection / protection circuit 5 is a protection circuit for detecting the current value of the charging current and stopping overcharge and overdischarge. The current detection / protection circuit 5 measures the voltage with an electronic circuit, and stops charging when the voltage becomes a certain value or more. Similarly, in the case of overdischarge, the discharge is stopped when the voltage becomes a certain value or less. The current detection / protection circuit 5 is operated by the microcomputer 3a of the BMU 3.

表示手段6は、リアルタイムで二次電池100の充電状態(SOC等)や電池の総電圧や電池セル個々の電圧等を表示するものである。表示手段6は、例えば、所定の表示装置やPC(パーソナルコンピューター)のLCD等で構成される。   The display means 6 displays the state of charge (SOC, etc.) of the secondary battery 100, the total voltage of the battery, the voltage of each battery cell, etc. in real time. The display means 6 is composed of, for example, a predetermined display device or a PC (personal computer) LCD.

二次電池100は、複数の電池セル(電池反応の基本となる単一セル)を直列接続し電圧を高めてエネルギー源として使用する電池システムの一例である。二次電池100は、複数の電池セル(本実施形態では、7個)が直列接続された組電池であり、複数の電池セルを電気的に積み上げて電圧を高めたものである。二次電池100としては、例えば、リチウムイオンバッテリーが挙げられる。   The secondary battery 100 is an example of a battery system in which a plurality of battery cells (single cells serving as a basis for battery reaction) are connected in series to increase the voltage and use it as an energy source. The secondary battery 100 is an assembled battery in which a plurality of battery cells (seven in this embodiment) are connected in series, and a plurality of battery cells are electrically stacked to increase the voltage. Examples of the secondary battery 100 include a lithium ion battery.

[セル電圧検知回路について]
次に、BMS3による二次電池100の各電池セルの電圧検知方法及びデータ処理方法について説明する。
[Cell voltage detection circuit]
Next, the voltage detection method and data processing method of each battery cell of the secondary battery 100 by BMS3 are demonstrated.

セル電圧検知回路3cは、複数の電池セルの電圧を計測する計測回路であり、1つの高精度キャパシタであるコンデンサーCと、コンデンサーCに独立して直列接続し、当該接続をON/OFFする複数(本実施形態では、7個)の第1スイッチング素子であるフォトMOSリレー10、10・・・と、から構成される。コンデンサーCは、複数の電池セルの二次側に設けられている。コンデンサーCは、キャパシタリレー11を介してマイコン3aのA/D変換部48に接続されている。   The cell voltage detection circuit 3c is a measurement circuit that measures the voltages of a plurality of battery cells. The capacitor C, which is one high-precision capacitor, and a plurality of capacitors C that are independently connected in series to the capacitor C and turn on / off the connection. (In this embodiment, it is composed of seven photo MOS relays 10, 10,...) That are first switching elements. The capacitor C is provided on the secondary side of the plurality of battery cells. The capacitor C is connected to the A / D converter 48 of the microcomputer 3a via the capacitor relay 11.

フォトMOSリレー10は、光信号によってON/OFFの切り替えができる半導体リレーである。
なお、本実施形態では、第1スイッチング素子として半導体リレーであるフォトMOSリレー10を用いているが、特に限定するものでなく、その他の方式のスイッチング素子を用いてもよい。
The photo MOS relay 10 is a semiconductor relay that can be switched ON / OFF by an optical signal.
In the present embodiment, the photo MOS relay 10 which is a semiconductor relay is used as the first switching element, but there is no particular limitation, and other types of switching elements may be used.

図3に示すように、電池システムである二次電池100は、複数の電池セル(同じ仕様のものであるが、図3等では便宜上セル1〜7として示す)が直列接続して構成されている。複数の電池セル1〜7には、電池セル1〜7の各々に対応して複数のフォトMOSリレー10、10・・・が設けられている。フォトMOSリレー10は、原則的に計測対象である個々の電池セル1〜7の正極、負極それぞれに装着し、マイコン3aの指示に従い、フォトMOSリレー10が有する一対のスイッチをON/OFFすることで導通/非導通する機能を持ち、対で動作するものである。   As shown in FIG. 3, the secondary battery 100 that is a battery system is configured by connecting a plurality of battery cells (of the same specification, but shown as cells 1 to 7 for convenience in FIG. 3 and the like) in series. Yes. The plurality of battery cells 1 to 7 are provided with a plurality of photo MOS relays 10, 10... Corresponding to each of the battery cells 1 to 7. In principle, the photo MOS relay 10 is mounted on each of the positive and negative electrodes of the individual battery cells 1 to 7 to be measured, and a pair of switches of the photo MOS relay 10 are turned on / off according to instructions from the microcomputer 3a. It has a function of conducting / non-conducting at the same time and operates in pairs.

次に、電池セルの電圧検知方法(本実施形態では、フローティング・キャパシタ方式ともいう)について図2を用いてより具体的に説明する。   Next, a battery cell voltage detection method (also referred to as a floating capacitor method in this embodiment) will be described more specifically with reference to FIG.

[第1プロセス:コンデンサー充電工程]
先ず、マイコン3aからの指示信号により、複数のフォトMOSリレー10、10・・・のうちのひとつの電池セル(例えば、符号1の電池セルとする)に付帯するフォトMOSリレー10の一対のスイッチがONされ、符号1の電池セルと導通状態となる。これにより、電圧検知用のコンデンサーCがチャージ(充電)され、コンデンサーCの端子電圧Vは時間とともに変化し、次式(1)の関係が成り立つ。コンデンサーCは飽和するまでの時間を経て(この時間経過はコンデンサーCの容量(C)とフォトMOSリレー10の内部抵抗(r0)とバッファー抵抗(R)との和によって決まる時定数(T0)よりも十分大きな時間経過)、コンデンサーCの端子電圧VはVで表される符号1の電池セルの電圧となる。次に、電池セル電圧演算工程に進む。
[First process: Capacitor charging process]
First, in response to an instruction signal from the microcomputer 3a, a pair of switches of the photo MOS relay 10 attached to one of the plurality of photo MOS relays 10, 10. Is turned on and the battery cell 1 is in a conductive state. Thereby, the capacitor C for voltage detection is charged (charged), the terminal voltage V C of the capacitor C changes with time, and the relationship of the following expression (1) is established. Capacitor C passes through a time until saturation (this time elapses from a time constant (T0) determined by the sum of the capacitance (C) of capacitor C, the internal resistance (r0) of photo MOS relay 10 and buffer resistance (R)). The terminal voltage V C of the capacitor C becomes the voltage of the battery cell of reference 1 represented by V 1 . Next, it progresses to a battery cell voltage calculation process.

ここで、上記(1)式において、tは経過時間、T0は上述した時定数である。 Here, in the above equation (1), t is the elapsed time, and T0 is the time constant described above.

[第2プロセス:電池セル電圧演算工程]
続いて、コンデンサーCの端子電圧Vが符号1の電池セルの電圧Vになった時点でフォトMOSリレー10をOFF(非導通状態)した後、キャパシタリレー11の一対のスイッチをON状態にしてコンデンサーCをマイコン3aのA/D変換部48に接続する。マイコン3aの内部では該コンデンサーCの端子電圧V(符号1の電池セルの電圧V)をA/D変換(ディジタル演算)し、符号1の電池セルの電圧Vとして指定のメモリー(例えば、RAM42)に格納する。
[Second Process: Battery Cell Voltage Calculation Step]
Subsequently, after the photo-MOS relay 10 to OFF (non-conducting state) when the terminal voltage V C of the capacitor C becomes a voltage V 1 of the battery cell of the code 1, and a pair of switch capacitors relay 11 in the ON state Then, the capacitor C is connected to the A / D converter 48 of the microcomputer 3a. Inside the microcomputer 3a, the terminal voltage V C of the capacitor C (the voltage V 1 of the battery cell with reference numeral 1 ) is A / D converted (digital calculation), and the memory cell designated as the voltage V 1 of the battery cell with the reference numeral 1 (for example, , RAM 42).

該演算完了後、上述したコンデンサー充電工程、及び電池セル電圧演算工程を符号2の電池セルに適応し、符号2の電池セルの電圧Vを計測し、前記メモリーに格納する。 After the calculation is completed, the capacitor charging step and the battery cell voltage calculation step described above are applied to the battery cell of reference numeral 2, and the voltage V2 of the battery cell of reference numeral 2 is measured and stored in the memory.

同様の工程を電池セルの数(本実施形態では、7個)だけ続け、再度符号1の電池セルに戻り工程を続行する。すなわち、ある時間間隔でサイクリックに二次電池100を構成する各電池セルの電圧を順次検出監視する。   The same process is continued for the number of battery cells (seven in the present embodiment), and the process returns to the battery cell of reference numeral 1 again to continue the process. That is, the voltage of each battery cell constituting the secondary battery 100 is sequentially detected and monitored cyclically at a certain time interval.

このように、上記第1プロセスであるコンデンサー充電工程と第2プロセスである電池セル電圧演算工程を連鎖的に実行し、電池システムを構成しているすべての電池セルの計測を実施し、電池システムを構成する電池セルのすべての電圧値をマイコン3aに認識させることができる。   In this way, the capacitor charging step as the first process and the battery cell voltage calculation step as the second process are executed in a chain, and measurement of all the battery cells constituting the battery system is performed. It is possible to make the microcomputer 3a recognize all the voltage values of the battery cells constituting the.

上述した工程は、対応するフォトMOSリレー10のON/OFFの切り替え動作によって作動するが、その時間制御はマイコン3aからの信号で行われる。コンデンサーCのチャージングとマイコン3aへの信号伝達のタイミング図を図4に示す。図4において、横軸は時間(msec)、縦軸のチャージリレーは各フォトMOSリレー10に対応する。   The above-described process is activated by the ON / OFF switching operation of the corresponding photo MOS relay 10, but the time control is performed by a signal from the microcomputer 3a. FIG. 4 shows a timing chart of charging of the capacitor C and signal transmission to the microcomputer 3a. In FIG. 4, the horizontal axis corresponds to time (msec), and the vertical charge relay corresponds to each photoMOS relay 10.

このように、マイコン3aは、各電池セル毎にフォトMOSリレー10をONすることでコンデンサーCに充電し、コンデンサーCの端子電圧が飽和状態に達した際にフォトMOSリレー10をOFFし、この充電されたコンデンサーCの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測する。   In this way, the microcomputer 3a charges the capacitor C by turning on the photo MOS relay 10 for each battery cell, and turns off the photo MOS relay 10 when the terminal voltage of the capacitor C reaches a saturated state. The operation of acquiring the terminal voltage of the charged capacitor C is executed, and this operation is sequentially performed for each battery cell to measure the voltage for each battery cell.

また、マイコン3aは、電池セルのすべての電圧値の結果に基づいて、電流検知/保護回路5を動作させ、二次電池100を構成する電池セルの一つが、規定の制限電圧を超えれば充電は、即時停止し、又、規定の下限電圧に達すると即時、放電を停止する電池防御の機能を有している。さらに、負荷200への電力供給を遮断する遮断リレーを二次電池100の装備として付帯させ、マイコン3aからのこれらを停止する停止信号を、遮断リレーの駆動信号として適用して、電力を遮断する構成とすることも可能である。
すなわち、マイコン3aは、各電池セルのそれぞれの電圧に応じて、二次電池100を充電するための充電電源2の充電電圧を制御して、二次電池100全体の充電及び放電の動作を最適化することができる。
Further, the microcomputer 3a operates the current detection / protection circuit 5 based on the result of all the voltage values of the battery cells, and charges if one of the battery cells constituting the secondary battery 100 exceeds a specified limit voltage. Has a battery protection function that stops immediately and stops discharge immediately when a predetermined lower limit voltage is reached. Further, an interruption relay that cuts off the power supply to the load 200 is attached as an equipment of the secondary battery 100, and a stop signal from the microcomputer 3a for stopping them is applied as a driving signal for the interruption relay to cut off the electric power. A configuration is also possible.
That is, the microcomputer 3a controls the charging voltage of the charging power source 2 for charging the secondary battery 100 according to the voltage of each battery cell, and optimizes the charging and discharging operation of the entire secondary battery 100. Can be

また、マイコン3aは、各電池セルの電圧のバラつき程度を観察し、充電の電流強度を調整し、又、放電電流を低下させ、電池のパワーに応じた負荷パワーの適合性を自動調整し、二次電池100の異常動作を防止することができる。ひいては、BMU3によれば、電池の安全性と長寿命化を目的とした機能が実現可能となる。   In addition, the microcomputer 3a observes the degree of voltage variation of each battery cell, adjusts the current intensity of charging, reduces the discharge current, and automatically adjusts the adaptability of the load power according to the battery power, Abnormal operation of the secondary battery 100 can be prevented. As a result, according to BMU3, the function aiming at the safety | security of a battery and prolonging a lifetime becomes realizable.

更に、例えば、各電池セルに制御リレーを介し固定抵抗負荷を装備して構成した場合、電池セルの最小値に他の電池セルの電圧を一致させることが可能となり、いわゆるパッシブセルバランス機能を持たせることも可能となる。
なお、パッシブセルバランスとは、高い電圧の電池セルを放電し低い電圧の電池セルに合わすことである。
Furthermore, for example, when each battery cell is configured with a fixed resistance load via a control relay, the voltage of the other battery cell can be matched with the minimum value of the battery cell, and so-called passive cell balance function is provided. It is also possible to make it.
In addition, passive cell balance is discharging a high voltage battery cell and uniting with a low voltage battery cell.

また、例えば、各電池セルに制御リレーを介し独立電源を装備して構成した場合、電池セルの最大値に他の電池セルの電圧を一致させる補充電が可能となり、いわゆるアクティブセルバランス機能を持たせることも可能となる。
なお、アクティブセルバランスとは、低い電圧の電池セルを充電し高い電圧の電池セルに合わすことである。
In addition, for example, when each battery cell is provided with an independent power supply via a control relay, it is possible to perform supplementary charging to match the voltage of the other battery cell with the maximum value of the battery cell, and so-called active cell balance function is provided. It is also possible to make it.
The active cell balance means charging a low voltage battery cell and adjusting it to a high voltage battery cell.

次に、上述したフローティング・キャパシタ方式による電池セルの電圧検知方法の特長を図5を用いて説明する。   Next, the feature of the battery cell voltage detection method using the above-described floating capacitor method will be described with reference to FIG.

特長1)図5(a)に示すように、各電池セルの電圧を、ひとつひとつ正確な値で測定することができる。
フローティング・キャパシティ方式による電池セル電圧検知方法によれば、各電池セル(符号1〜7で示す電池セル)の電圧を個々にテスターで測定するのと同じとなる。これにより、上述した従来の抵抗分割方式のように電池セルの位置による測定誤差は生じない。
Feature 1) As shown in FIG. 5A, the voltage of each battery cell can be measured one by one with an accurate value.
According to the battery cell voltage detection method by the floating capacity method, the voltage of each battery cell (battery cells indicated by reference numerals 1 to 7) is measured individually with a tester. Thereby, the measurement error by the position of a battery cell does not arise like the conventional resistance division system mentioned above.

特長2)BMU3の停止時、消費電流は完全にゼロとなる。
すなわち、図5(b)に示すように、すべてのスイッチがOFFの状態なので、電流が流れない。これにより、BMU3が動作していないときは、電流が流れない。よって、上述した従来のBMUよりも電力の浪費を抑えることができる。
Feature 2) When BMU3 is stopped, the current consumption is completely zero.
That is, as shown in FIG. 5B, since all the switches are in the OFF state, no current flows. Thus, no current flows when the BMU 3 is not operating. Therefore, waste of power can be suppressed as compared with the conventional BMU described above.

特長3)各電池セルの回路的構成は同じなので、BMU3によるバラツキは生じない。
すなわち、図5(c)に示すように、各電池セルから流れる電流は同じであるからである。
Feature 3) Since the circuit configuration of each battery cell is the same, there is no variation due to BMU3.
That is, as shown in FIG.5 (c), it is because the electric current which flows from each battery cell is the same.

こうして、セル電圧検知回路3cは、まるで絶縁された電圧計で測定するように、単独に独立して計測を行うよう回路的に工夫を凝らしたものである。   In this way, the cell voltage detection circuit 3c has been devised in terms of circuit so as to perform measurement independently as if it were measured with an insulated voltmeter.

また、セル電圧検知回路3cでは、二次電池100を構成している電池セルの計測を意図した時、任意の電池セルのみを計測回路に結線し計測する方法を提供することを目的とした回路である。これにより同一の計測回路による計測となり、計測誤差は皆無となる。また、計測による負荷量も計測時間を同一とすることで相対的な相対誤差も生じることはない。よって、BMU3では、構成される電池セル1〜7を、それぞれ同じ条件で、同じ計器で、同じ精度で計測することができる。   The cell voltage detection circuit 3c is a circuit intended to provide a method for connecting and measuring only arbitrary battery cells to the measurement circuit when the measurement of the battery cells constituting the secondary battery 100 is intended. It is. As a result, measurement is performed by the same measurement circuit, and measurement errors are eliminated. In addition, relative relative errors do not occur when the load amount due to measurement is the same as the measurement time. Therefore, in the BMU 3, the configured battery cells 1 to 7 can be measured with the same accuracy and with the same instrument under the same conditions.

以上の如く、BMU3によれば、二次電池100が有する個々の電池セルを、相対的な誤差を抑えて精度良く計測することができる。   As described above, according to the BMU 3, it is possible to accurately measure individual battery cells included in the secondary battery 100 while suppressing a relative error.

ひいては、二次電池100の応用において最大の懸念事項である構成電池セルのバラつきによる二次電池100の充電能力の低下、発熱、発煙、発火等の異常現象の発生を防止することが可能となる。また構成電池セルの一つの特性不良による二次電池100全体の能力低減、短寿命化などの懸念があり、これら懸念事項を防御出来るシステム構成が実現される。   As a result, it is possible to prevent the occurrence of abnormal phenomena such as a decrease in charging capacity of the secondary battery 100 due to variations in the constituent battery cells, heat generation, smoke generation, and ignition, which is the greatest concern in the application of the secondary battery 100. . In addition, there is a concern that the overall capacity of the secondary battery 100 may be reduced due to one characteristic defect of the constituent battery cells, and the life of the secondary battery 100 may be shortened. Thus, a system configuration capable of protecting these concerns is realized.

本発明をまとめると、電池セルは同一材料で、同一環境下で、同一生産工程で生産されたとしても微視的な観点で異なり、また、その後のわずかな履歴の違いでも電池生涯では大きく異なる特性を示す。これは恰も生き物と擬えることが出来る。   To summarize the present invention, the battery cells are made of the same material, in the same environment, even if produced in the same production process, from a microscopic point of view, and even a slight difference in history thereafter greatly differs in the life of the battery. Show properties. This can be imitated as a creature.

従って、この個性の異なる電池セルの組み合わせによって構成される電池システムの充電には、個々の電池セルの状態を監視しながら適正な電力注入を図ることが必要不可欠な条項となる。今回発明の方式による状態監視は監視そのものの正確さと監視機構に伴う不均衡なセル負荷が伴うことなく機構設置そのものによる不都合は一切生じることはない。   Therefore, for charging a battery system constituted by a combination of battery cells having different personalities, it is an indispensable provision to inject proper power while monitoring the state of each battery cell. The status monitoring according to the method of the present invention does not involve any inconvenience due to the installation of the mechanism itself without the accuracy of the monitoring itself and the unbalanced cell load associated with the monitoring mechanism.

一方、一般に充電器といえば、交流の入力電力を直流に変換し、電池電圧に整合した電圧印加によって充電がなされる。充電の完了は、電池からの終止信号(即ち、これ以上エネルギーの注入はもう耐えられないといった信号)を得て、印加を停止する。   On the other hand, generally speaking, a battery charger is charged by converting AC input power to DC and applying a voltage that matches the battery voltage. Completion of charging obtains a termination signal from the battery (ie, a signal that no more energy injection can be tolerated anymore) and stops application.

この信号の作り方等に関しては、すでに既存の技術として確立されているが、本発明は、この全体制御を、さらに構成されている個々の電池セルまで拡張して応用展開したものである。   The signal generation method and the like have already been established as existing technologies, but the present invention is applied and developed by extending this overall control to individual battery cells that are further configured.

ここで、上述した本実施形態に係るBMU3の機能としては、以下のとおりである。
1)構成電池セルの総ての電圧(電位)を上述した方法で取得する。
2)その最大電圧を示す電圧が、電池種によって規定された許容最大電圧に達すると充電を停止する。
3)あるいは、該電池セルが充電を続行するがその電圧上昇傾向が充電量に比し緩慢となりこれ以上充電を続行しても充電量が増えないと演算結果が示せば充電を停止する。
また、上述していないが、BMU3に付加可能な機能としては、以下のとおりである。
4)電池温度が規定の上限となれば充電を停止する。
5)充電電流が規定値に減少すれば充電を停止する。
Here, the function of the BMU 3 according to this embodiment described above is as follows.
1) All voltages (potentials) of the constituent battery cells are acquired by the method described above.
2) When the voltage indicating the maximum voltage reaches the allowable maximum voltage defined by the battery type, charging is stopped.
3) Alternatively, the battery cell continues to be charged, but the voltage rising tendency becomes slower than the amount of charge, and charging is stopped if the calculation result shows that the amount of charge does not increase even if charging is continued further.
Although not described above, functions that can be added to the BMU 3 are as follows.
4) Stop charging when the battery temperature reaches the specified upper limit.
5) Stop charging when the charging current decreases to the specified value.

また、放電に関し最も重要なポイントは、構成電池セルの、一つでも許容下限電圧以下となることを避けねばならない点である。全体の電圧計測では、個々の電池セルの電圧の総計としか検知できない。電圧が例えば48Vを示し適切な電圧領域であっても、この48Vはある電池セルの電圧が許容下限電圧を下回っても他の電池セルでカバーしている場合がある。   Further, the most important point regarding discharge is that one of the constituent battery cells must be avoided to be below the allowable lower limit voltage. The entire voltage measurement can only be detected as the sum of the voltages of individual battery cells. Even if the voltage is 48 V, for example, in an appropriate voltage range, this 48 V may be covered by another battery cell even if the voltage of a certain battery cell falls below the allowable lower limit voltage.

電池セルの電圧が許容電圧を下回るとセル内の負極の結晶間隙がバランスを崩し膨潤する。外観ではいわゆる"電池のふくらみ"現象を呈する。このふくらみによって負極の結晶がくずれ活物質のサイト数が減少し結果的に充電容量の低下となる。(同じ現象が過充電の際も起こりこれも膨らみとして現れる。)   When the voltage of the battery cell is lower than the allowable voltage, the crystal gap of the negative electrode in the cell is out of balance and swells. Appears to exhibit a so-called “battery bulge” phenomenon. Due to this swelling, the crystal of the negative electrode breaks down and the number of active material sites decreases, resulting in a decrease in charge capacity. (The same phenomenon occurs during overcharge and this also appears as a bulge.)

この過放電現象を防御するには、構成されている電池セルの電圧を常に監視し制御する機構が不可欠で、具体的には電圧が設定の下限に達すると遮断の機構を設けるか、電流制御機構を設け放電電流を制御する機構を設けるとよい。   In order to prevent this overdischarge phenomenon, a mechanism that constantly monitors and controls the voltage of the configured battery cell is indispensable. Specifically, when the voltage reaches the lower limit of setting, a mechanism for shutting off is provided, or current control is performed. A mechanism for controlling the discharge current may be provided by providing a mechanism.

上述したように、正確で適切な時刻の電池セル個々の電圧を検知し、そのデータに基づく制御機構を構築したことが本発明の優れるところである。   As described above, the present invention is excellent in that the voltage of each battery cell at an accurate and appropriate time is detected and a control mechanism based on the data is constructed.

1 充電装置
3 電池管理ユニット(BMU)
3a マイコン(制御回路)
10 フォトMOSリレー(第1スイッチング素子)
11 キャパシタリレー(第2スイッチング素子)
C コンデンサー(キャパシタ)
1 Charging Device 3 Battery Management Unit (BMU)
3a Microcomputer (control circuit)
10 Photo MOS relay (first switching element)
11 Capacitor relay (second switching element)
C capacitor (capacitor)

Claims (3)

複数の電池セルが直列接続されて構成される電池システムの各電池セル毎の電圧を計測する電池管理ユニットであって、
1つのキャパシタと、
前記各電池セルの端子間に対応して設けられ、前記キャパシタに独立して直列接続し、当該接続をON/OFFする第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子のON/OFFを制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に前記第1スイッチング素子をONすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第1スイッチング素子をOFFし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測することを特徴とする電池管理ユニット。
A battery management unit for measuring a voltage for each battery cell of a battery system configured by connecting a plurality of battery cells in series,
One capacitor,
A first switching element provided correspondingly between the terminals of each battery cell, connected in series independently to the capacitor, and ON / OFF the connection;
A control circuit for controlling ON / OFF of the first switching element,
The control circuit includes:
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. A battery management unit that performs an operation of acquiring a terminal voltage and measures a voltage for each battery cell by sequentially performing the operation for each of the battery cells.
前記各電池セルの電圧を比較し、必要に応じて、前記各電池セル毎に独立して放電または充電し、前記各電池セルのSOCレベルを平準化するバランス手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の電池管理ユニット。   The battery device includes a balance unit that compares the voltage of each battery cell, discharges or charges each battery cell independently as needed, and equalizes the SOC level of each battery cell. Item 6. The battery management unit according to Item 1. 前記制御回路は、
前記各電池セルのそれぞれの電圧に応じて、前記電池システムを充電するための充電電源の充電電圧を制御して、電池システム全体の充電及び放電の動作を最適化することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電池管理ユニット。
The control circuit includes:
The charging and discharging operations of the entire battery system are optimized by controlling a charging voltage of a charging power source for charging the battery system according to a voltage of each of the battery cells. The battery management unit according to claim 1 or 2.
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