JP3545367B2

JP3545367B2 - 組電池の電圧検出装置

Info

Publication number: JP3545367B2
Application number: JP2001240200A
Authority: JP
Inventors: 公彦古川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: JP2003061254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の走行用モータの電源等として用いられる組電池の電圧を検出する回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車等の電気自動車においては、走行用モータの電源として、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池が搭載されている。この様な組電池においては、通常、２００〜３００Ｖの高電圧を発生する必要があるため、例えば１セル当りの出力が約３．６Ｖのリチウム系の二次電池では６０〜８０セルが直列に接続され、１セル当りの出力が約１．２ＶのＮｉＭＨ系の二次電池では２００セル程度が直列に接続されて、組電池が構成される。
【０００３】
この様な組電池においては、全ての二次電池の充電状態が均等であることが望ましい。例えば１本の二次電池が７０％の充電率であり、他の二次電池が５０％の充電率である場合、充電可能な電気量は、充電率７０％の二次電池が満充電になるまでの３０％相当であるため、仮に３０％相当を超えて充電を行なうと、充電率が７０％であった二次電池は、充電率が１００％を超えることとなって、寿命が大幅に短くなる。その結果、組電池としての寿命も短くなる。
【０００４】
そこで、図４に示す如き電圧監視システムを構成して、組電池（１０）を構成する各電池モジュールの電圧を監視することが行なわれている。該システムにおいては、複数個の二次電池を直列に接続して電池モジュールが構成され、更に複数の電池モジュールを直列に接続して組電池（１０）が構成されている。
【０００５】
組電池（１０）の両端及び電池モジュールどうしの連結点（電位検出点）からはそれぞれ、電圧検出線が引き出され、これらの電圧検出線は電圧検出回路（７）に接続されている。電圧検出回路（７）によって検出された各電池モジュールの電圧は、全体制御回路（８）に入力される。又、温度検出回路（８１）によって電池の温度が検出されると共に、電流検出回路（８２）によって電池に流れる電流が検出され、これらの検出結果は全体制御回路（８）に入力される。
全体制御回路（８）は、上記の入力データに基づいて、電池の残量を算出すると共に、電池に異常が発生していないかどうかを監視し、監視結果は、通信線を経て外部の制御システムへ供給される。
【０００６】
ところで、上述の如き電圧監視システムにおいては、組電池（１０）全体の電圧が２００〜３００Ｖに対して、例えばＮｉＭＨ系の二次電池の電圧は、１セル当り１．２Ｖ程度であるため、全体電圧の監視だけでは、各二次電池の状態を把握することは困難である。従って、電圧監視システムにおいては、少なくともモジュール単位で電圧を監視することが必要となる。
【０００７】
図５は、モジュール単位で電圧の監視を行なう従来の電圧検出回路（７）の構成を表わしている（特開平１１−１６０３６７号、特開平１１−１６０３７１号参照）。
図５において、組電池（１０）は４つの電池ブロックに分割され、５つの電池モジュールから１つの電池ブロックが構成されており、電池ブロック毎に、差分演算回路（７１）、アナログ−デジタル変換器（７２）、及び絶縁インターフェース（７３）が直列に接続されて、モジュール毎に電池電圧を検出する電圧検出回路（７）が構成されている。尚、ＮｉＭＨ系の二次電池の場合、１モジュールの電圧は１２Ｖ前後となる。
【０００８】
差分演算回路（７１）は、各電池モジュールの両端電圧の差分を検出し、その検出値はアナログ−デジタル変換器（７２）に供給されて、デジタル値に変換された後、フォトカプラ等からなる絶縁インターフェース（７３）を経て、全体制御回路（８）へ供給される。この様に絶縁インターフェース（７３）を介在させることによって、高電圧の組電池（１０）と全体制御回路（８）の間を電気的に絶縁している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す従来の電圧検出回路（７）においては、電池モジュール毎に１つの差分演算回路と周辺抵抗を配備する必要があるばかりでなく、組電池（１０）と全体制御回路（８）の間を絶縁するための絶縁インターフェース（７３）を装備する必要があるため、回路の部品点数が多くなる問題があった。
又、電圧検出線が断線した場合の挙動が不明であるため、電圧検出線の断線を確実に検出することが困難であった。
【００１０】
更に又、従来の電圧検出回路においては、各電池モジュールの残容量を均等化するためには、別途、残容量の大きな電池モジュールを放電させるための放電回路（特開平８−１９１８８、特開平１０−３２２９２５、特開平１０−３２９３６等）を装備する必要があり、これによって、回路規模が大きくなる問題があった。
【００１１】
そこで本発明の目的は、部品点数の削減が可能であり、然も断線の発生を確実に検出することが可能であり、更には、電池残量を均等化するための回路構成の簡易化を図ることが出来る組電池の電圧検出装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る組電池の電圧検出装置は、
各電池モジュールの一方の電位検出点から引き出されて他方の電位検出点へ戻る電圧検出線と、
各電圧検出線に介在する開閉スイッチ及び抵抗器と、
複数の電池モジュールから伸びる複数の電圧検出線が貫通して、各電圧検出線に流れる電流を電気的絶縁状態で測定するための電流測定器と、
電流測定器による電流測定値に基づいて、各電池モジュールの電圧を検出する演算回路と、
各電圧検出線に介在する開閉スイッチを開閉制御する制御回路
とを具えている。
【００１３】
上記本発明の組電池の電圧検出装置において、制御回路は、各電圧検出線に介在する開閉スイッチを順次、一定時間だけ閉じる制御を繰り返す。ここで、１つの電池モジュールから伸びる電圧検出線に介在する開閉スイッチが閉じられると、該電池モジュールの正極側の電位検出点から、開閉スイッチ及び抵抗器を経て、負極側の電位検出点へ戻る閉回路が形成されて、該電圧検出線には、該電池モジュールの電圧と該抵抗器の抵抗値に応じた電流が流れることになる。該電流の大きさは、電流測定器によって測定され、その測定値は、演算回路に供給されて、電圧の大きさに換算されることになる。従って、全ての開閉スイッチを順次、閉じることによって、全ての電池モジュールの電圧が検出される。
【００１４】
上記本発明の組電池の電圧検出装置によれば、電流検出線に流れる電流を測定して、該電流測定値から電圧を導出する方式を採用しているので、従来装置に装備されていた差分演算回路は不要である。又、電流測定器は、組電池から伸びる複数本の電圧検出線と電気的に非接触であり、電流検出器に接続されている演算回路及び制御回路は、電流測定器によって、組電池と電気的に絶縁されているので、従来の絶縁インターフェースは不要である。この結果、回路の部品点数が大幅に削減される。
【００１５】
具体的構成において、制御回路は、１本の電圧検出線に介在する開閉スイッチを閉じたときの電流測定器による電流測定値が実質的に零のとき、該電圧検出線に断線が生じたものと推定する断線推定手段を具えている。
該具体的構成において、１本の電圧検出線に断線が生じたとき、該電圧検出線に介在する開閉スイッチを閉じたとしても、閉回路は形成されないので、該電圧検出線に電流が流れることはなく、電流測定器による電流測定の出力は実質的に零となる。従って、この様な場合は、該電圧検出線に断線が生じたものと推定することが出来る。
該具体的構成によれば、特別な構成を追加することなく、電圧検出線の断線を確実に検出することが出来る。
【００１６】
又、制御回路は、複数の電池モジュールについての電圧検出動作を一定周期で繰り返す過程において、各周期の電圧検出動作終了後、検出された電圧の高い、若しくは該電圧から導出される電池残量が大きな１或いは複数の電池モジュールを特定して、該電池モジュールから伸びる電圧検出線に介在する開閉スイッチを一定時間だけ閉じる残量均等化手段を具えている。
該具体的構成においては、前記特定された１或いは複数の電池モジュールについて、各電池モジュールから伸びる電圧検出線に介在する開閉スイッチを一定時間だけ閉じることによって、各電圧検出線に電流が流れ、抵抗器によって電池モジュールの電力が消費される。従って、この動作を繰り返すことによって、全ての電池モジュールの残容量が均等化されることになる。
該具体的構成によれば、電圧検出に用いる開閉スイッチ及び抵抗器を利用して、全ての電池モジュールの残容量を均等化することが出来る。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る組電池の電圧検出装置によれば、部品点数の削減が可能であり、然も断線の発生を確実に検出することが可能であり、更には、電池残量を均等化するための回路構成の簡易化を図ることが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電圧検出装置の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１は、５つの電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ５からなる組電池（１）の電圧検出装置の構成を表わしている。各電池モジュールは、１或いは複数のリチウムイオン二次電池から構成されている。
尚、電池モジュールの数が６以上であっても、同様に本発明の電圧検出装置を構成することが可能である。
【００１９】
５つの電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ５の正極側の電位検出点Ｖ１〜Ｖ５からは５本の電圧検出線（３）が引き出され、これら５本の電圧検出線（３）の先端は、５つの電池モジュールＶＢ１〜ＶＢ５の負極側の電位検出点Ｖ２〜Ｖ６に連結されている。５本の電圧検出線（３）にはそれぞれ、開閉スイッチ（２１）と抵抗器（２２）とが介在している。
開閉スイッチ（２１）としては、リレー等の機械式のスイッチや、フォトＭＯＳリレー等の半導体スイッチを採用することが出来るが、フォトＭＯＳリレーによれば、スイッチの開閉回数に制限が無く、また応答速度も速いため、機械式スイッチに比べて有利である。
又、５つの抵抗器（２２）は互いに同一の抵抗値を有している。
【００２０】
５本の電圧検出線（３）は、電流測定器（４）の中央孔（４０）を貫通して、電流測定器（４）と磁気的に結合されている。電流測定器（４）は、電圧検出線（３）を流れる電流によって発生する磁気を検出することにより、該電流に比例した電流値若しくは電圧値（以下、電流測定値という）を出力する、周知の構造を有するものである。
電流測定器（４）から得られる電流測定値は、Ａ／Ｄ変換器（４１）を経て、マイクロコンピュータ（５）に入力される。
又、マイクロコンピュータ（５）及び電流測定器（４）には、鉛蓄電池等の電源（６）から、必要な電力が供給される。
斯くして、電流測定器（４）を間に挟んで組電池（１）側の回路とマイクロコンピュータ（５）側の回路とが、電流測定器（４）によって互いに電気的に絶縁されることになる。
【００２１】
図２は、上記電圧検出装置による電圧検出手続きを表わしている。
先ずステップＳ１にて、全ての開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を開き、ステップＳ２では、スイッチ番号のカウント値ｎを１に設定する。続いて、ステップＳ３にて、開閉スイッチＳＷｎを閉じた後、ステップＳ４にて、電流測定器から得られる電流測定値にＡ／Ｄ変換を施す。これによって、電池モジュールＶＢｎの電圧に比例した電圧検出値が得られることになる。尚、電流測定器の応答速度が低い場合は、ステップＳ４の直前に待ち時間を設ければよい。
その後、ステップＳ５では、開閉スイッチＳＷｎを開き、ステップＳ６にてカウント値ｎをカウントアップする。そして、ステップＳ７にてｎ＝６であるか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ３に戻って、次の電池モジュールについての電圧検出を実行する。
これによって全ての電池モジュールについての電圧検出が終了し、ステップＳ７にてイエスと判断されたとき、手続きを終了する。
【００２２】
尚、上述の電圧検出の過程で、ある電池モジュールの電圧検出値が実質的にゼロであった場合は、その電池モジュールＶＢｎから引き出された電圧検出線に断線が生じているものと、高い確率で推定することが出来るので、迅速な対応が可能であり、これによってシステムの安全を図ることが出来る。
【００２３】
図３は、上記本発明の電圧検出装置を利用して、各電池モジュールの電圧検出と共に残容量の均等化を図るための手続きを表わしている。
先ずステップＳ１０にて、上述の電圧検出手続きを実行する。次にステップＳ１１では、全電池モジュールの電圧検出値の中から最も小さな電圧検出値を検索し、該電圧検出値を電池残量の最小値として検知する。
【００２４】
尚、リチウムイオン二次電池においては、電池残量は高い相関関係を伴って電圧値に反映されるので、電圧検出値を電池残量の指標とすることが出来る。これに対し、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池では、このような傾向が弱いため、電圧値のみでは電池残量の判定が難しく、通常は充放電電流値を軸とした残量推定を行なう必要がある。
【００２５】
次に図３のステップＳ１２では、前記最小の電圧検出値よりも所定値以上に、電池残量が大きな１或いは複数の電池モジュールを選択する。そして、ステップＳ１３では、前記選択された電池残量の大きな１或いは複数の電池モジュールの正極端子に接続された開閉スイッチ（２１）を閉じる。これによって、該１或いは複数の電池モジュールが放電され、時間の経過と共に各電池モジュールの残量が他の電池モジュールの残量と揃うこととなる。
【００２６】
尚、図３の手続きは、例えば１００ｍ秒の制御周期で繰り返し実行される。ここで、図３の手続きを１回実行するのに必要な時間を約５ｍ秒と想定した場合、１制御周期の残り約９５ｍ秒の大部分を電池モジュールの放電、即ち残量の均等化に割り当てることが可能である。
【００２７】
上述の如く、本発明に係る組電池の電圧検出装置によれば、図５に示す従来装置で必要であった差分演算回路（７１）や絶縁インターフェース（７３）が不要となるので、部品点数の削減が可能である。又、電圧検出線に断線が発生した場合、これを電流測定値の低下によって確実に検出することが出来る。更には、電圧検出のための回路構成、即ち電圧検出線（３）、開閉スイッチ（２１）及び抵抗器（２２）を用いて、電池残量を均等化することが出来るので、残量均等化のための専用回路を別途設ける必要がなく、これによって回路構成の簡易化が図られる。
【００２８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では各電池モジュールの電圧を検出しているが、各単電池の電圧（セル電圧）を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組電池の電圧検出装置の構成を示す結線図である。
【図２】該電圧検出装置による電圧検出手続きを表わすフローチャートである。
【図３】該電圧検出装置を用いた電池電圧検出及び残量均等化処理の手続きを表わすフローチャートである。
【図４】従来の電圧監視システムの構成を表わすブロック図である。
【図５】従来の電圧検出回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
（１）組電池
（２１）開閉スイッチ
（２２）抵抗器
（３）電圧検出線
（４）電流測定器
（５）マイクロコンピュータ
（６）電源

Claims

１或いは複数の単電池からなる電池モジュールを直列に接続して構成される組電池において、各電池モジュールの電圧を検出する装置であって、
各電池モジュールの一方の電位検出点から引き出されて他方の電位検出点へ戻る電圧検出線と、
各電圧検出線に介在する開閉スイッチ及び抵抗器と、
複数の電池モジュールから伸びる複数の電圧検出線が貫通して、各電圧検出線に流れる電流を電気的絶縁状態で測定するための電流測定器と、
電流測定器による電流測定値に基づいて、各電池モジュールの電圧を検出する演算回路と、
各電圧検出線に介在する開閉スイッチを開閉制御する制御回路
とを具えていることを特徴とする組電池の電圧検出装置。
制御回路は、各電圧検出線に介在する開閉スイッチを順次、一定時間だけ閉じる制御を繰り返す開閉制御手段を具えている請求項１に記載の電圧検出装置。
制御回路は、１本の電圧検出線に介在する開閉スイッチを閉じたときの電流測定器による電流測定値が零のとき、該電圧検出線に断線が生じたものと推定する断線推定手段を具えている請求項２に記載の電圧検出装置。
制御回路は、複数の電池モジュールについての電圧検出動作を一定周期で繰り返す過程において、各周期の電圧検出動作終了後、検出された電圧の中で最小の電圧検出値を検索し、該電圧検出値よりも所定値以上に電圧の高い１或いは複数の電池モジュールを特定して、該電池モジュールから伸びる電圧検出線に介在する開閉スイッチを一定時間だけ閉じる残量均等化手段を具えている請求項２又は請求項３に記載の電圧検出装置。