JP4171049B2 - エネルギ蓄積器のセルスタックのセルの個別セル電圧の測定のための装置及び方法 - Google Patents

エネルギ蓄積器のセルスタックのセルの個別セル電圧の測定のための装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、エネルギ蓄積器、とりわけ自動車用搭載電源におけるエネルギ蓄積器のセルスタックのセルの個別セル電圧の測定のための装置に関する。
本発明はまたこの装置の動作のための方法にも関する。
将来の自動車用搭載電源では、今日普及している鉛蓄電池の他に、他の同様に個別セルから構成されるエネルギ蓄積器も使用され、例えばニッケル・メタル・ハイドライド蓄電池、リチウムイオン蓄電池及び二重層コンデンサも使用されるようになる。
鉛蓄電池では蓄積器の個別セルの間のチャージ・バランシングは、最終的に全てのセルが充電されるまでは、蓄積器の適度な過充電によって行われる。
EP0432639A2からは、直列に接続された多数の蓄積器において小さく充電される蓄積器とその他の蓄積器のグループとの間のチャージ・バランシングをトランスを介してこの蓄積器に接続されている矩形波形発生器を用いてもたらすことが公知である。
しかし、上記の新しいエネルギ蓄積器では個別セルの過充電乃至は過電圧に対する感度が問題である。鉛蓄電池とは異なり、例えばリチウムイオン蓄電池ではセルの充電電圧は約4.2Vの値を実質的に越えてはならない。なぜなら、さもなければ、破壊又はそれ以上に発火の危険性があるからである。二重層コンデンサでは最大充電電圧は約2.5〜2.7Vまでである。
セルの自己放電の製造に起因する様々なバラツキの結果、セルスタックでは充電状態及びセル電圧が比較的長時間の動作においては異なる値となってしまう。
この場合、問題は、通常はセルスタックの、すなわちエネルギ蓄積器の全電圧だけが電極電圧として検出されうるが、各々の個別セルの電圧は検出され得ないことである。従って、単に「もしかしたら」周期的にチャージ・バランシングが実現されているかもしれないだけである。しかし、高い自己放電が、例えばエネルギ蓄積器の寿命の尽きるころに現れるか又は個別セルにおけるエラー、例えば短絡が現れる場合には、これは直接的には検出できない。この結果、次の充電過程では充電電圧がほんの少数のセルに分配され、この結果、個別セルが過大な電圧の負荷を受けることになる。これは次いで更なるセルの破壊を引き起こすので、いずれにせよ回避しなくてはならない。
それゆえ、非常に望ましいことは、相応にリアクションをとることができるように、このようなエネルギ蓄積器のセルスタックにおける個別セルの電圧を知ることである。
個別のセル電圧の測定は困難である。というのも、最も下のセルだけがアース基準を有し、すなわちアース(基準電位)を基準として検出されうるからであり、他方で他の全てのセルは、例えばマイクロコントローラのアナログ/デジタルコンバータによって検出することができるように、アース電位への変換を必要とするからである。
本発明の課題は、エネルギ蓄積器のセルスタックの個別セルの電圧を測定するための装置を提供することである。また、本発明の課題はこの装置を動作するための方法を提供することである。
上記課題は、本発明によれば、請求項1の特徴部分記載の構成による装置及び請求項3の特徴部分記載の構成による方法によって解決される。
本発明の実施例を次に概略的な図面に基づいて詳しく説明する。
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
図面には、
図1は複数のセルから成るセルスタックのセル電圧の測定のための装置の原理的な回路図を示し、
図2は個別セルの電圧の測定のための第1の装置の詳細な回路図を示し、
図3は第1の回路に使用される差動増幅器Diff1の入出力信号を示し、
図4は第1の回路に使用される同期整流器Amp1の入出力信号を示し、
図5は代替的な同期整流器Diff2を有する第2の装置の詳細な回路図を示し、
図6は第2の回路に使用される差動増幅器Diff1の入出力信号を示し、
図7は第2の回路に使用される同期整流器Diff2の入出力信号を示す。
図1は、エネルギ蓄積器のセルスタックの個別セル電圧の測定のための本発明の装置の原理的な回路図を示す。図示されているのは、例えばリチウムイオン蓄電池の直列に接続されたセルZ1、Z2〜Znを有するセルスタックZSであり、セルの端子(正及び負極)が形成されている。更なる詳細を以下において詳しく説明する。
本発明は最初に図2に図示された詳細な回路図による個別セルにおける電圧測定のための装置に基づいて詳しく説明される。
図2は例えばセル電圧Uz=4.2Vを有するリチウムイオン蓄電池の図1に図示されたセルスタックZSの個別セルZ1の電圧の測定のための装置を示し、その負極は基準電位GNDに接続されている。
このセルZ1に並列に更なるダイオードD1a及びD1bの直列回路が設けられており、これらのダイオードはセルZ1の負極から正極の方向に通電する。
2つのダイオードD1a及びD1bの結節点はコンデンサC1を介して差動増幅器Diff1の非反転入力側aに接続されている。
基準回路REFは直列に接続された2つのダイオードD3及びD4を有し、一方のダイオードD4のアノードは基準電位GND及び他方のダイオードD3のカソードに接続されている。
2つのダイオードD3及びD4の結節点はコンデンサC3を介して差動増幅器Diff1の反転入力側bに接続されており、この出力側cは整流器の入力側に接続されており、この整流器はこの実施例では同期復調器(Amp1、R1〜R3及びS1)として構成されており、この同期復調器については後で詳しく説明する。
この装置を動作するための本発明の方法は以下のように行われる。
図2には図示されていない発振器の発振器クロックT1によって2つの交流電流源I1及びI2が制御され、これらのうちの第1の交流電流源I1は、差動増幅器Diff1の非反転入力側乃至はコンデンサC1と基準電位GNDとの間に設けられており、交流電流をコンデンサC1に給電する。他方で、第2の交流電流源I2は、差動増幅器Diff1の反転入力側乃至はコンデンサC3と基準電位GNDとの間に設けられており、交流電流を基準回路REFのコンデンサC3に給電する。
交流電流源I1はコンデンサC1に例えば±100μAの矩形状交流電流を印加する。この場合、クロック周波数は、コンデンサが周期の間に基本的に充電又は放電しないように高く選択される。
図3及び4には、差動増幅器Diff1及び演算増幅器Amp1の入力及び出力信号が図示されており、これらには記述の流れの中で言及する。
図3、4、6及び7の信号はそれぞれ定常状態で図示されている。
正の電流においてコンデンサC1の2つの端子における電圧は、ダイオードD1aが導通状態になるまで長い間上昇することになる。負の電流においてコンデンサC1の2つの端子における電圧は、ダイオードD1bが導通状態になるまで長い間下降することになる。
従って、矩形状交流電圧が生じ、この矩形状交流電圧のピーク・ピーク値はセル電圧Uzの定常状態において2つのダイオードD1a及びD1bの順方向電圧Udの分だけ増大されたセル電圧Uzに相応する:V1=Uz+2Ud=4.2V+2*0.64V=5.48V=±2.74V(図3a参照)。
交流電流源I2は同一のキャパシタンス(C3=C1)及び電流値±100μAによってコンデンサC3を2つのダイオードD3及びD4の順方向電圧を介して駆動する。これら2つのダイオードは基準電位GNDに接続されているので、交流電圧はこの場合V2=0V+2*0.64V=1.28V=±0.64V(図3b参照)である。これは交流電圧基準である。
差動増幅器Diff1では差V1−V2が形成される:V1−V2=5.48V−1.28V=4.2V。差動増幅器はこの実施例では例えば増幅率「2」を有するので、その出力側cには8.4V=±4.2Vの交流電圧(図3c参照)が現れる。
差動増幅器Diff1の出力電圧は同期復調器Amp1に供給される。反転入力側におけるこの同期復調器Amp1の入力信号は差動増幅器Diff1の出力信号に相応する(図4a=図3c)。
同期復調器は演算増幅器Amp1、抵抗R1〜R4及びコンデンサC4から成る。演算増幅器Amp1の非反転入力側と基準電位GNDとの間にはスイッチS1が設けられており、スイッチS1は発振器クロックT1によってスイッチングされる(図4b)。
スイッチS1が開かれている場合(矩形信号の正の振幅)には演算増幅器Amp1は「+1」の増幅率を有し、スイッチS1が閉じられている場合(矩形信号の負の振幅)には「−1」を有する。図4bではどのようにスイッチS1が演算増幅器Amp1の非反転入力側を周期的に基準電位に接続して増幅率を切り換えるのかを示している。
回路の出力側の出力信号V=は演算増幅器Amp1の出力信号に従い、抵抗R4及びコンデンサC4から形成されたフィルタによってフィルタリングされ、これによって、生じるかもしれないスイッチング障害が除去される。出力信号V=はセルZ1の電圧Uzに相応し、同期復調器の出力側において基準電位GND(乃至はアース電位0V)を基準にして取り出されうる。
図5には、更に別の詳細な回路図が、図2において示されていたように、しかし構成素子Diff2、S2、S3、C5及びC6から成る同期復調器の代替的な実施形態によって図示されている。
セルZ1からダイオードD1a、D1b、D3、D4、コンデンサC1及びC3ならびに交流電流源I1及びI2を介して差動増幅器Diff1の出力側cまでの回路は図2に図示された回路に相応する。入力側a(図6a)及びb(図6b)における入力信号も図3a及び3bのそれに相応する。
差動増幅器Diff1の出力側cにおける出力信号は、2つの並列スイッチS2及びS3を用いて発振器クロックT1によって交互に、
コンデンサC5ならびに更に別の差動増幅器Diff2の非反転入力側aに接続され、乃至は、
コンデンサC6ならびに更に別の差動増幅器Diff2の反転入力側bに接続される。
発振器クロックT1の正の振幅においてスイッチS2は閉じられ(導通し)、スイッチS3が開かれる。発振器クロックT1の負の振幅においてスイッチS3が閉じられ、スイッチS2は開かれる。これによって、コンデンサC5は差動増幅器Diff1の出力側cに現れる交流電圧出力信号(図7a=図6c)の正の値(図7b)に充電され、コンデンサC6は差動増幅器Diff1の出力側cに現れる交流電圧出力信号(図7a=図6c)の負の値(図7b)に充電される。
更に別の差動増幅器Diff2はその入力側aとbとに印加される2つの直流電圧の差(例えば、図7b:+2.10V及び−2.10V=4.20V:図7c)を形成し、この差はその出力側cにおいてアースを基準とする直流電圧V=として取り出される。この直流電圧V=はセル電圧Uzに相応する。
本発明の方法を比較的良好に明確化するために、図2及び5においては唯一つのセル電圧の測定のための詳細な回路図がそれぞれ図示されているならば、図1はエネルギ蓄積器のセルスタックにおける多数のセル電圧を測定するための本発明の装置の原理的な回路図を示す。
図示されているのは、例えばリチウムイオン蓄電池の直列に接続されたセルZ1、Z2〜Znを有するセルスタックZSである。各セルに対して並列に2つのダイオードD1a-D1b〜Dna-Dnbの直列回路が設けられており、これらのダイオードはセルの負極から正極の方向に通電する。
それぞれのセルに割り当てられた2つのダイオードD1a-D1b〜Dna-Dnbの結節点はそれぞれコンデンサC1〜Cnを介して切換スイッチUMの端子に接続されており、この切換スイッチUMはこれらの端子を次々と、クロック制御部STの分周器信号T2により制御されて、この切換スイッチUMの出力側に接続する。
クロック制御部STは発振器OSZから成り、この発振器OSZは発振器クロック信号T1、所定の周波数の矩形の交流電圧を発生し、この周波数は分周器DIVを用いて分周器信号T2に低減され、この結果、切換スイッチUMを実施されるセル電圧の検出に応じてさらにスイッチングする。
切換スイッチUMはセルスタックのセルの個数に相応する個数のスイッチング位置を有さなくてはならず、スイッチング位置の個数は(二重層コンデンサでは)20〜30のオーダに達しうる。この切換スイッチは例えばCMOSスイッチとして構成される。
発振器OSZの発振器クロックT1によって図2から既知の2つの交流電流源I1及びI2が制御され、これら2つの交流電流源のうちの第1の交流電流源I1は交流電流を切換スイッチUMを介してそのスイッチング位置に応じてコンデンサC1又はC2〜Cnに給電する。他方で、第2の交流電流源I2は交流電流を基準回路REFのコンデンサC3に給電し、この基準回路REFはこのコンデンサC3の他にここでも2つのダイオードD3及びD4を有し、これらのダイオードの結節点はコンデンサC3に接続されている。
切換スイッチUMの出力側及びダイオードD3、D4には接続されていないコンデンサC3の端子は差動増幅器Diff1の入力側a及びbに接続されており、その出力側cは発振器クロックT1により制御される整流器GLRに接続されており、この整流器GLRの出力側には次々とそれぞれのセル電圧Uzに比例する直流電圧V=が現れる。
整流器GLRは図2又は図5に図示された同期復調器Amp1又はDiff2として形成されうる。
整流器GLRの出力信号V=は定常状態においてそれぞれ切換スイッチUMにより選択されるセルの電圧Uzに相応し、しかし今やアースGNDを基準にして電位シフトされている。
従って、切換スイッチUMの各々のスイッチングによって相応のセル電圧が整流器GLRの出力側に現れる。結果として、こうして個別セル電圧が相次いでアースを基準にしてマッピングされる。
セル電圧の監視のために最もシンプルなケースでは電圧シーケンスが制限値比較器によって下限値及び上限値に関して比較される。最大値を越えることは、この場合、セルの過電圧を指示する。最小値を下回ることは短絡を指示する。この情報は監視ユニットに供給され、この監視ユニットはこれに基づいて適切な手段を講じ、例えば充電過程の中断、チャージ・バランシング過程の開始、もしくは、工場を探して行かなければならないとの運転者への情報である。
制限値比較器による監視はもちろん全くおおまかなものである。よって、例えば当該セルは識別できない。またチャージ・バランシング過程においてチャージバランスの達成が識別できない。
マイクロコントローラによる洗練された監視では、電圧値V=が次々と切換スイッチのスイッチングクロックとの時間的関係において検出され、この結果、セル電圧の後続の評価が監視ソフトウェアにより行われうる。
チャージ・バランシングの際には個別セル電圧のゆっくりとしたバランシングが識別される。この結果、充電又は充放電過程の終了が決定され得る。
個別セルの長時間監視も可能であり、この結果、例えばセルのキャパシタンスの降下、自己放電の上昇又はセルの内部抵抗の上昇が識別可能である場合には、工場行きが必要であるとの警告指示が送出されうる。
これは極めて本質的にシステムの信頼性を高め、修理コストを低下させる。なぜなら、故障セルだけを交換しさえすればよく、もはや全セルスタックを交換する必要がないからである。
複数のセルから成るセルスタックのセル電圧の測定のための装置の原理的な回路図を示す。 個別セルの電圧の測定のための第1の装置の詳細な回路図を示す。 第1の回路に使用される差動増幅器Diff1の入出力信号を示す。 第1の回路に使用される同期整流器Amp1の入出力信号を示す。 代替的な同期整流器Diff2を有する第2の装置の詳細な回路図を示す。 第2の回路に使用される差動増幅器Diff1の入出力信号を示す。 第2の回路に使用される同期整流器Diff2の入出力信号を示す。
符号の説明
Diff1、Diff2 差動増幅器
Amp1、Amp2 演算増幅器
C1〜Cn コンデンサ
D1a、D1b ダイオード
D3、D4 ダイオード
Dna、Dnb ダイオード
GND アース、基準電位
R1〜R4 抵抗
V= 出力電圧
Uz 個別セル電圧
Z1〜Zn セル
T1 発振器クロック信号
T2 分周器信号
S1〜Sn 切換スイッチ
ZS セルスタック
UM 切換スイッチ
REF 基準回路
GLR 整流器
DIV 分周器
ST クロック制御部
I1、I2 交流電流源
Ud 順方向電圧

Claims (8)

  1. エネルギ蓄積器、とりわけ自動車用搭載電源におけるエネルギ蓄積器のセルスタック(ZS)のセル(Z1〜Zn)の個別セル電圧(Uz)の測定のための装置において、
    各セル(Z1〜Zn)に並列に2つのダイオード(D1a-D1b〜Dna−Dnb)の直列回路が設けられており、前記2つのダイオード(D1a-D1b〜Dna−Dnb)はセル(Z1〜Zn)の負極から正極の方向に通電し、
    切換スイッチが設けられており、該切換スイッチはセルスタック(ZS)のセル(Z)の個数に相応する個数の個別スイッチング位置を割り当てられた端子を有し、該端子はそれぞれコンデンサ(C1〜Cn)を介してセルに割り当てられたダイオード(D1a-D1b〜Dna−Dnb)の結節点に接続されており、
    基準回路(REF)が設けられており、該基準回路(REF)は直列に接続された2つのダイオード(D3、D4)を有し、一方のダイオード(D4)のアノードは基準電位(GND)及びもう一方のダイオード(D3)のカソードに接続されており、
    差動増幅器(Diff1)が設けられており、該差動増幅器(Diff1)の非反転入力側は切換スイッチ(UM)の出力側に接続されており、さらに前記差動増幅器(Diff1)の反転入力側はコンデンサ(C3)を介して2つのダイオード(D3、D4)の結節点に接続されており、
    制御される整流器(GLR)が設けられており、該制御される整流器(GLR)の入力側は差動増幅器(Diff1)の出力側に接続されており、前記制御される整流器(GLR)の出力側ではそれぞれ切換スイッチ(UM)を介して選択されるセルのセル電圧(Uz)に比例する、基準電位(GND)を基準にした直流電圧(V=)が取り出され、
    第1の制御される交流電流源(I1)が設けられており、該第1の制御される交流電流源(I1)は差動増幅器(Diff1)の非反転入力側と基準電位(GND)との間に設けられており、
    第2の制御される交流電流源(I2)が設けられており、該第2の制御される交流電流源(I2)は差動増幅器(Diff1)の反転入力側と基準電位(GND)との間に設けられており、
    クロック制御部(ST)が設けられており、該クロック制御部(ST)は発振器(OSZ)を有し、該発振器(OSZ)は発振器クロック信号(T1)を送出し、さらに分周器(DIV)を有し、該分周器(DIV)は分周器信号(T2)を送出し、
    2つの交流電流源(I1、I2)及び整流器(GLR)は発振器クロック(T1)によって制御され、切換スイッチ(UM)は分周器信号(T2)によって制御されることを特徴とする、エネルギ蓄積器、とりわけ自動車用搭載電源におけるエネルギ蓄積器のセルスタック(ZS)のセル(Z1〜Zn)の個別セル電圧(Uz)の測定のための装置。
  2. 整流器(GLR)は発振器クロック(T1)により制御される同期復調器(Amp1、Diff2)として構成されていることを特徴とする、請求項1記載の装置。
  3. セルスタック(ZS)の所定のセル(Z1〜Zn)のセル電圧(Uz)の測定のために、所定の周波数(T1)及び振幅の第1の矩形状交流電流がセルに割り当てられたコンデンサ(C1〜Cn)に給電され、これによって交流電圧(V1)が発生し、該交流電圧(V1)はセル(Uz)に並列に存在する2つのダイオード(D1a-D1b〜Dna−Dnb)の順方向電圧(Ud)の分だけ増大されたセル電圧(Uz)に相応し、
    第1の矩形状交流電流に周波数及び振幅において同一の交流電流が基準回路(REF)に割り当てられたコンデンサ(C3)に給電され、これによってアース(基準電位GND)を基準とした交流電圧(V2)が発生し、該交流電圧(V2)は基準回路(REF)に割り当てられた2つのダイオード(D3、D4)の順方向電圧(2*Du)に相応し、
    2つの交流電圧(V1−V2)の差が形成され、これによってセル電圧(Uz)に相応する交流電圧が発生し、
    セル電圧(Uz)に相応する交流電圧は整流され、これによってセル電圧(Uz)に相応する、アース(基準電位GND)を基準とした直流電圧(V=)が発生することを特徴とする、請求項1記載の装置を動作するための方法。
  4. この方法が相次いでセルスタック(ZS)の全てのセル(Z1〜Zn)に対して適用されることを特徴とする、請求項3記載の方法。
  5. コンデンサ(C1〜Cn及びC3)に給電される交流電流の周波数(クロック周波数T1)は、これらのコンデンサが周期の間に実質的に充電又は放電されないように高く選択されることを特徴とする、請求項3又は4記載の方法。
  6. コンデンサ(C1〜Cn及びC3)に給電される交流電流の振幅はμA領域にあることを特徴とする、請求項3又は4記載の方法。
  7. 各セル(Z1〜Zn)のセル電圧(Uz)に相応する、アース(基準電位GND)を基準とする直流電圧(V=)に対して上限値及び下限値による制限値比較が行われ、上限値を越えることはセルの過電圧を指示し、下限値を下回ることはセルの短絡を指示することを特徴とする、請求項3又は4記載の方法。
  8. 各セル(Z1〜Zn)のセル電圧(Uz)に相応する、アース(基準電位GND)を基準とする直流電圧値(V=)が蓄積され、これによってチャージ・バランシングの際には個別セル電圧(Uz)のゆっくりとしたバランシングが識別され、充電又は充放電過程の終了が検出され、ならびにキャパシタンスの降下又は自己放電の又は内部抵抗の上昇に対する各々個別のセル(Z1〜Zn)の長時間監視が行われうることを特徴とする、請求項3又は4記載の方法。
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