JP4111167B2 - 異常セル検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池を構成する複数のセルの異常を検出する装置に関する。

所定数のセルにより構成されるモジュールごとにセルコントローラを設けて、モジュール内のセルの故障を検知し、セルの故障情報をシリアル通信にて、バッテリコントローラに送信する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−１３４６８３号公報

しかしながら、従来の技術では、セルの故障を検出するためにセルコントローラが必要であり、また、複数のセルコントローラとバッテリコントローラとの間で通信を行う必要があるため、装置の構成が複雑化するという問題があった。

本発明による異常セル検出装置は、基準パルス幅を有する矩形波パルス信号を出力するパルス信号出力手段と、複数のセルごとに設けられて、対応するセルに異常が発生しているか否かを判定する異常判定手段と、対応するセルに異常が発生していると判定されると、パルス信号出力手段から出力されたパルス信号のパルス幅を、異常が発生したセルごとに異なるように変更させるパルス幅変更手段と、基準パルス幅、および、パルス幅変更手段で変更されたパルス幅に基づいて、異常が発生したセルを検出する異常セル検出手段とを備えることを特徴とする。

本発明による異常セル検出装置によれば、セルコントローラを設けずに、異常が発生したセルを検出することができるとともに、異常が発生したセルを特定することができる。

図１は、本発明による異常セル検出装置の一実施の形態の構成を示す図である。一実施の形態における異常セル検出装置は、異常判定部Ａ１〜Ａｎ（ｎは２以上の自然数）と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎ（以下、単に、ＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎと呼ぶ）と、コンデンサＣ１〜Ｃｎと、ダイオード５と、アンド回路６と、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ７（以下、単に、ＭＯＳトランジスタ７と呼ぶ）と、電源回路８と、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、コンデンサＣaと、ＰＮＰトランジスタ９と、バッテリコントローラ１０とを備える。

組電池１は、複数のセルＳ１〜Ｓnを直列に接続して構成される。異常判定部Ａ１〜Ａｎ、ＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎ、および、コンデンサＣ１〜Ｃｎは、それぞれ各セルＳ１〜Ｓnに対応して設けられている。ｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎの容量は、全て異なるものとする。

異常判定部Ａ１〜Ａｎはそれぞれ、対応するセルＳ１〜Ｓnの電圧と、所定の上限電圧とを比較することにより、セルの過充電異常を検出するとともに、セル電圧と所定の下限電圧とを比較することにより、セルの過放電異常を検出する。ＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎのゲートは、異常判定部Ａ１〜Ａｎとそれぞれ接続されており、対応する異常判定部Ａ１〜Ａｎからセルの過充電異常または過放電異常を示す信号（正電圧）がゲートに入力されると、ＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎはオンする。

アンド回路６の一方の入力端子は、各コンデンサＣ１〜Ｃｎと接続されており、他方の入力端子は、ダイオード５のカソードと接続されている。また、アンド回路６の出力端子は、バッテリコントローラ１０と接続されている。ダイオード５のアノードは、各コンデンサＣ１〜Ｃｎと接続されており、抵抗Ｒ１は、ダイオード５と並列に接続されている。また、ダイオード５のカソードと抵抗Ｒ１とが接続されている接続点Ｋ２は、バッテリコントローラ１０とも接続されている。

抵抗Ｒ２およびコンデンサＣaからなる直列回路は、組電池１と並列に接続されている。ＭＯＳトランジスタ７のゲートは、抵抗Ｒ２とコンデンサＣaとの接続点Ｋ３と接続されており、ソースは組電池１の正極と接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ７のドレインは、電源回路８を介して、組電池１の負極と接続されている。電源回路８は、ＭＯＳトランジスタ７がオンされている間に、異常判定部Ａ１〜Ａｎに電力を供給する。

抵抗Ｒ３の一端は接続点Ｋ３と接続されており、他端は、ＰＮＰトランジスタ９のエミッタと接続されている。ＰＮＰトランジスタ９のベースは、バッテリコントローラ１０と接続されており、コレクタは組電池１の負極と接続されている。

バッテリコントローラ１０による異常セルの検出方法について説明する。以下では、セルＳ２〜Ｓnが全て正常であり、異常判定部Ａ１によって、セルＳ１の過充電異常または過放電異常が検出された場合について説明する。バッテリコントローラ１０は、発信回路１０ａを有し、セルの異常検出を行う際に、発信回路１０ａから、基準パルス幅を有する異常診断用のクロック信号CLKを出力する。

図２（ａ）は、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKの波形を示す図である。図２（ａ）に示すように、クロック信号CLKは、所定周期の矩形波パルスである。異常判定部Ａ１がセルＳ１の異常を検出していない場合には、ＭＯＳトランジスタＢ１はオフとなっているので、コンデンサＣ１とアンド回路６の入力端子との接続点Ｋ１における電圧波形は、図２（ｂ）に示すように、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKの波形と同じものとなっている。

図２（ｃ）は、セルＳ１の異常が検出されていない場合に、アンド回路６からバッテリコントローラ１０に入力される信号波形を示す図である。上述したように、セルＳ１に異常が発生していない場合（全てのセルが正常な場合）には、接続点Ｋ２を介してアンド回路６に入力される信号（図２（ａ））と、接続点Ｋ１を介してアンド回路６に入力される信号（図２（ｂ））とは、信号の波形および位相が同一である。従って、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKの波形と、バッテリコントローラ１０に入力される信号の波形とは同一のものとなる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、異常判定部Ａ１によって、セルＳ１の過充電異常または過放電異常が検出された場合の信号波形であり、それぞれ図２（ａ）〜図２（ｃ）に対応するものである。すなわち、図３（ａ）は、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKの波形を、図３（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図３（ｃ）は、バッテリコントローラ１０に入力される信号の波形をそれぞれ示している。

異常判定部Ａ１によって、セルＳ１の過充電異常または過放電異常が検出されると、異常判定部Ａ１から出力される信号に基づいて、ＭＯＳトランジスタＢ１がオンする。この場合、コンデンサＣ１は、ＭＯＳトランジスタＢ１を介して接地される。従って、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａからクロック信号CLKが出力されると、接続点Ｋ１の信号波形は、図３（ｂ）に示すように、パルスの立ち上がりが遅くなる。すなわち、ＭＯＳトランジスタＢ１がオンされると、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１によりＣＲ回路が構成されるので、接続点Ｋ１における信号レベル（電圧値）がＨレベルに到達するまでの時間が、ＣＲ回路の時定数τ1（＝Ｃ１×Ｒ１）だけ遅くなる。

これにより、アンド回路６から出力される信号の波形は、図３（ｃ）に示すように、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKの波形より、時定数τだけ削られた矩形波となる。バッテリコントローラ１０は、出力したクロック信号CLKのオン／オフデューティに対して、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティが異なることを検知することにより、異常セルが発生していることを検知する。

なお、抵抗Ｒ１と並列にダイオード５を設けることにより、クロック信号CLKのパルスの立ち下がりとともに、接続点Ｋ１の電圧値も素早く低下する。これにより、クロック信号CLKの次のパルスが立ち上がるまでの間に、接続点Ｋ１の電圧値を０にすることができる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、異常判定部Ａｎによって、セルＳnの過充電異常または過放電異常が検出された場合の信号波形であり、それぞれ、図２（ａ）〜図２（ｃ）に対応している。なお、セルＳ１〜Ｓn-1は、全て正常な状態にあるとする。ここでは、コンデンサＣ１の容量に比べてコンデンサＣｎの容量が大きいものとして説明する。この場合、ＭＯＳトランジスタＢｎがオンして、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣｎによりＣＲ回路が構成される。従って、接続点Ｋ１における信号レベルがＨレベルになるまでの時間は、ＣＲ回路の時定数τn（＝Ｃｎ×Ｒ１）だけ遅くなる（図４（ｂ）参照）。これにより、アンド回路６からバッテリコントローラ１０に入力される信号は、図４（ｃ）に示すように、幅の狭い矩形波となる。

上述したように、コンデンサＣ１〜Ｃｎの容量は全て異なるので、いずれかのセルＳ１〜Ｓnに異常が発生した場合に、アンド回路６からバッテリコントローラ１０に入力される矩形波の幅、すなわち、入力される信号のオン／オフデューティは、セルごとに異なる。従って、バッテリコントローラ１０は、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティを検出することによって、異常セルを検出するとともに、異常が発生したセルを特定することができる。

組電池１を構成するセル数が少ない場合には、セルＳ１〜Ｓnに異常が発生した場合に、アンド回路６からバッテリコントローラ１０に入力される信号のパターンが少ないので、上述した方法により、異常が発生したセルを特定することができる。しかし、組電池１を構成するセル数が多くなると、時定数τ1〜τn（図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）の変化量を小さくしなければならず、従って、異常セルを特定するために、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティの検出精度を高める必要がある。

一実施の形態における異常セル検出装置では、バッテリコントローラ１０において、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティの検出精度を高めずに異常セルを特定するために、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKの周波数（パルス幅）を変化させる。

図５は、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKの周波数を大きくして、いずれかのＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎがオンした時に構成されるＣＲ回路の時定数τが小さい場合の異常セル検出方法を説明するための図である。また、図６は、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKの周波数を小さくして、いずれかのＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎがオンした時に構成されるＣＲ回路の時定数τが大きい場合の異常セル検出方法を説明するための図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）および図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）〜図２（ｃ）に対応している。

ＣＲ回路の時定数τが小さい場合には、クロック信号CLKの周波数を大きく（周期を小さく）することにより（図５（ａ）参照）、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKのオン／オフデューティと、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティとの差を検出しやすくなる。例えば、クロック信号CLKの周波数が図６（ａ）に示すように小さい（周期が大きい）場合には、アンド回路６からバッテリコントローラ１０に入力される信号のＨレベル部分と、発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKのＨレベル部分との差が小さくなるため、両信号の差異を検出するのが難しくなる。

一方、ＣＲ回路の時定数τが大きい場合には、クロック信号CLKの周波数を小さくすることにより（図６（ａ）参照）、発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKのオン／オフデューティと、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティとの差を検出しやすくなる。例えば、クロック信号CLKの周波数が図５（ａ）に示すように大きい場合には、クロック信号CLKのＨレベル部分の時間より時定数τの方が大きくなると、バッテリコントローラ１０には矩形波の信号が入力されなくなる。従って、クロック信号CLKのＨレベル部分の時間より時定数τの方が大きいＣＲ回路が複数存在する場合には、どのセルに異常が発生したのか特定することができなくなる。

このように、バッテリコントローラ１０は、クロック信号CLKの周波数（基準パルス幅）を変化させつつ、クロック信号CLKを出力することにより、アンド回路６から入力される信号のオン／オフデューティの検出精度を高めることなく、異常セルを特定することができる。すなわち、ＣＲ回路の時定数τが小さい場合および大きい場合のいずれの場合でも、確実に異常セルを特定することができる。これにより、クロック信号CLKの周波数を変化させない場合に比べて、各コンデンサＣ１〜Ｃｎの容量差を小さくする必要もなくなる。

ここで、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａからクロック信号CLKが出力されていない場合、および、クロック信号CLKが出力された場合の電源回路８の動作について説明する。図７（ａ）は、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力されるクロック信号CLKを示し、図７（ｂ）は、クロック信号CLKが出力されている間、および、クロック信号CLKの出力が停止された後のＭＯＳトランジスタ７のゲート（制御端子）に印加される電圧を示す図である。

発信回路１０ａからクロック信号CLKが出力されている場合、すなわち、ＰＮＰトランジスタ９のベースに正電圧が印加されると、ＰＮＰトランジスタ９はオンする。逆に、クロック信号CLKが出力されていない場合、すなわち、ＰＮＰトランジスタ９のベースに正電圧が印加されていない場合には、ＰＮＰトランジスタ９はオフする。ＰＮＰトランジスタ９がオフすると、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣaにより構成されるＣＲ回路の時定数τa1にて、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧が上昇する。しかし、ＭＯＳトランジスタ９がオフする基準電圧にゲート電圧が到達する前に、クロック信号CLKに基づいてＰＮＰトランジスタ９がオンするので、ゲート電圧が低下する。すなわち、ＰＮＰトランジスタ９がオンすることにより、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣaにより構成されるＣＲ回路の時定数τa2にて、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧は低下する。

このように、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａからクロック信号CLKが出力されている間は、ＭＯＳトランジスタ７がオンしている。これにより、電源回路８から、異常判定部Ａ１〜Ａｎに電力が供給される。

一方、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａからクロック信号CLKが出力されないようになる（出力停止）と、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧は上昇し続けて、ＭＯＳトランジスタ７がオフする基準電圧を越えるようになる。これにより、ＭＯＳトランジスタ７がオフするので、電源回路８から異常判定部Ａ１〜Ａｎへの電力供給も停止する。

すなわち、一実施の形態における異常セル検出装置によれば、異常セルの検出を行う場合には、電源回路８から異常判定部Ａ１〜Ａｎに電力を供給するようにし、異常セルの検出を行わない期間は、電源回路８から異常判定部Ａ１〜Ａｎへの電力供給を停止するようにしたので、異常セルの検出を行わない期間の電力消費を抑制することができる。

一実施の形態における異常セル検出装置によれば、組電池１を構成するセルＳ１〜Ｓnに異常が発生すると、発信回路１０ａから出力される矩形波パルス信号のパルス幅を、異常が発生したセルごとに異なるように変更するようにし、出力パルスのパルス幅（基準パルス幅）と入力パルスのパルス幅とに基づいて、異常セルを検出する。これにより、セルコントローラを設けずに、異常が発生したセルを検出することができるとともに、異常が発生したセルを特定することができる。

また、異常セルが発生すると、各セルに対応して設けられているコンデンサと抵抗とによってＣＲ回路を構成し、構成されたＣＲ回路の時定数に応じてパルス幅を変更するようにしたので、簡易な構成によって、異常が発生したセルごとにパルス幅が異なる回路を構成することができる。

また、一実施の形態における異常セル検出装置によれば、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力する矩形波パルス信号の基準パルス幅を変更するようにしたので、異常セルが発生した時に構成されるＣＲ回路の時定数τが小さい場合および大きい場合のいずれの場合でも、確実に異常セルを特定することができる。

さらに、一実施の形態における異常セル検出装置によれば、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力される矩形波パルス信号に基づいて、異常セルを検出する異常判定部Ａ１〜Ａｎへの電力の供給および停止を行うようにしたので、異常セルの検出を行わない際の電力消費を自動的に抑制することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、バッテリコントローラ１０の発信回路１０ａから出力するクロック信号CLKの周波数を変更する例として、図５および図６を用いて、２種類の周波数を切り換える方法について説明したが、３種類以上の周波数を切り換えるようにしてもよい。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、バッテリコントローラ１０がパルス信号出力手段および異常セル検出手段を、異常判定部Ａ１〜Ａｎが異常判定手段を、ＭＯＳトランジスタＢ１〜Ｂｎ、コンデンサＣ１〜Ｃｎ、抵抗Ｒ１およびアンド回路６がパルス幅変更手段を、電源回路８が電力供給手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明による異常セル検出装置の一実施の形態の構成を示す図 異常セルが存在しない場合の信号波形であり、図２（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKの波形を、図２（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図２（ｃ）は、バッテリコントローラに入力される信号の波形をそれぞれ示している。 セルＳ１に異常が存在する場合の信号波形であり、図３（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKの波形を、図３（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図３（ｃ）は、バッテリコントローラに入力される信号の波形をそれぞれ示している。 セルＳnに異常が存在する場合の信号波形であり、図４（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKの波形を、図４（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図４（ｃ）は、バッテリコントローラに入力される信号の波形をそれぞれ示している。 図５は、ＣＲ回路の時定数τが小さい場合に、クロック信号CLKの周波数を大きくした場合の信号波形を示しており、図５（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKの波形を、図５（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図５（ｃ）は、バッテリコントローラに入力される信号の波形をそれぞれ示している。 図６は、ＣＲ回路の時定数τが大きい場合に、クロック信号CLKの周波数を小さくした場合の信号波形を示しており、図６（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKの波形を、図６（ｂ）は、接続点Ｋ１の信号波形を、図６（ｃ）は、バッテリコントローラに入力される信号の波形をそれぞれ示している。 図７（ａ）は、バッテリコントローラから出力されるクロック信号CLKを示し、図７（ｂ）は、クロック信号CLKが出力されている時、および、クロック信号CLKの出力が停止された時のＭＯＳトランジスタ７のゲートに印加される電圧を示す図

符号の説明

１…組電池
５…ダイオード
６…アンド回路
７…ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
８…電源回路
９…ＰＮＰトランジスタ
１０…バッテリコントローラ
Ｓ１〜Ｓｎ…セル
Ａ１〜Ａｎ…異常判定部
Ｂ１〜Ｂｎ…ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｃ１〜Ｃｎ，Ｃa…コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ３…抵抗

Claims (5)

1. 組電池を構成する複数のセルの異常を検出する異常セル検出装置において、
   基準パルス幅を有する矩形波パルス信号を出力するパルス信号出力手段と、
   前記複数のセルごとに設けられて、対応するセルに異常が発生しているか否かを判定する異常判定手段と、
   前記異常判定手段によって、対応するセルに異常が発生していると判定されると、前記パルス信号出力手段から出力されたパルス信号のパルス幅を、異常が発生したセルごとに異なるように変更させるパルス幅変更手段と、
   前記基準パルス幅と、前記パルス幅変更手段で変更されたパルス幅とに基づいて、異常が発生したセルを検出する異常セル検出手段とを備えることを特徴とする異常セル検出装置。
2. 請求項１に記載の異常セル検出装置において、
   前記パルス幅変更手段は、抵抗と、各セルに対応して設けられており、容量が全て異なる複数のコンデンサとを少なくとも備え、前記異常判定手段によってセルに異常が発生していると判定されると、前記異常が発生していると判定されたセルに対応して設けられているコンデンサと前記抵抗とによってＣＲ回路を構成し、前記構成されたＣＲ回路の時定数に応じて、前記基準パルス幅を変更させることを特徴とする異常セル検出装置。
3. 請求項１または２に記載の異常セル検出装置において、
   前記異常判定手段は、対応するセルの電圧と所定の上限電圧とを比較することにより、セルが過充電異常であるか否かを判定するとともに、対応するセルの電圧と所定の下限電圧とを比較することにより、セルが過放電異常であるか否かを判定することを特徴とする異常セル検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の異常セル検出装置において、
   前記パルス信号出力手段は、基準パルス幅の異なる複数のパルス信号を出力することを特徴とする異常セル検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の異常セル検出装置において、
   前記異常判定手段に電力を供給する電力供給手段をさらに備え、
   前記電力供給手段は、前記パルス信号出力手段から出力されるパルス信号に基づいて、前記異常判定手段への電力の供給および停止を行うことを特徴とする異常セル検出装置。

Images