JP4213624B2

JP4213624B2 - 電池制御システム

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Publication number: JP4213624B2
Application number: JP2004143024A
Authority: JP
Inventors: 彰彦工藤; 憲一朗水流; 正樹長岡; 昭彦江守; 重之吉原
Original assignee: Hitachi Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: JP2005328603A

Description

本発明は電池制御システムに係り、特に、少なくとも１以上の組電池を有した電池システムを制御する主制御回路と、電池システム使用時に組電池を構成する各単電池の電圧を一定時間毎に測定して主制御回路にデータを送信し、主制御回路からの指令によって各単電池にそれぞれ並列に接続され抵抗及びスイッチを有するバイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行う電池制御回路と、を備えた電池制御システムに関する。

従来、リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコン等の比較的低電圧での用途に使用されてきており、直列数も４直列までが殆どであった。ところが、近年、例えば、電気自動車用電源や据置用電源としても用いられるようになり、リチウムイオン電池の直列数が増加している。この場合には、リチウムイオン電池を８直列単位程度で組電池とし一つの制御回路を設けることが多い。一方、リチウムイオン電池用の監視及び制御回路として、直列に接続された各リチウムイオン電池（以下、単電池という。）の電池電圧を計測して制御する方式が用いられている。全単電池の電圧を測定するのは、安全性に影響を及ぼす過充電状態を確実に検出するためと、単電池電圧のバラツキをなくして寿命と入出力特性を最大限に引き出すためである。

単電池の直列数が多いと、各単電池の電圧を精度良く検出するのが困難となる。このため、分圧回路と差動増幅回路とを組み合わせ、Ａ／Ｄコンバータで単電池電圧を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、Ａ／Ｄコンバータとしてマイコンに内蔵可能な１０ｂｉｔ程度のものが用いられており、単電池の最大動作電圧が４．２Ｖ程度のため、Ａ／Ｄコンバータの基準電圧源を５Ｖとしている。その場合のＡ／Ｄコンバータの分解能は４．８８ｍＶ／ｂｉｔとなり、各単電池電圧の検出精度が±５０ｍＶ程度のものが実用化されている。

また、全単電池の電圧測定は、各単電池間の残存容量差をなくすセルバランス動作のためにも必要である。このため、各単電池にスイッチを介して単電池の容量を調整するバイパス抵抗を並列に接続し、電圧の高い単電池のスイッチをオン状態とすることで当該単電池を放電させ、単電池間の電圧差を小さくしてセルバランスをとる技術が開示されている（例えば、特許文献２、３参照）。特に、開回路電圧と充電レベルとの相関性が高い非晶質系炭素を負極活物質に用いたリチウムイオン電池では、電池システム起動時の無負荷状態での単電池の電圧測定値から各単電池の残存容量を推定し、各単電池の残存容量差分、バイパス抵抗を単電池に接続して放電し、残存容量差を少なくするセルバランス動作制御が行われている。図２に、非晶質系炭素を負極活物質に用いたリチウムイオン電池の開回路電圧と残存容量との関係例を示す。

特開２００１−２３１１７７号公報特開２０００−９２７３２号公報特開２００３−２８２１５９号公報

しかしながら、従来の技術では、図２に示すように、開放電圧−残存容量特性の傾きが満充電に近いほど大きく、電圧検出誤差による残存容量推定精度の誤差が大きくなり、満充電状態からセルバランス動作を行うと実際の残存容量のバラツキが大きくなる、という問題点がある。図３は開回路電圧の測定誤差が±５０ｍＶの場合の残存容量の誤差を示したものである。図３に示すように、満充電に近いほど開回路電圧の誤差が残存容量の誤差に与える影響は大きくなり、満充電状態では±１０％以上の値となる。従って、電圧検出回路の誤差が±５０ｍＶの場合に、満充電状態からセルバランス動作を行うと、電池電圧が全て揃っていたとしても残存容量で±１０％もばらついてしまい、残存容量のバラツキは大きくなってしまう。

このバラツキについて更に詳述すると、図４は電圧検出精度が最大５０ｍＶの電圧検出回路を用いて従来の方式でセルバランス動作を繰り返した場合の、残存容量比の推移を示す特性線図である。この例は、全単電池の残存容量が５０％の状態から平均の残存容量が５０％の状態を保ったまま５ｈ毎にセルバランス動作を行った場合のものである。図４に示すように、残存容量比が５０％程度の場合には、単電池電圧の検出精度が５０ｍＶ程度存在しても単電池の残存容量は±２％以内に揃っている。なお、図４に示す残存容量は単電池の開回路電圧から推定した値であり、単電池には定格容量９０Ａｈの電気自動車用のリチウムイオン電池を用いた。一方、図５は、同一の条件で、平均の残存容量を８０％としてセルバランス動作を繰り返した場合の残存容量の推移を示す特性線図である。図５に示すように、セルバランス動作を繰り返す度に残存容量のバラツキは大きくなり、２０回セルバランス動作を繰り返した後の残存容量のバラツキは、平均値からの最大の偏差が５％に達している。このようなバラツキは、満充電となる頻度の高い電気自動車用途などでは特に問題となる。また、電池電圧値の測定はＡ／Ｄコンバータを介して行われるが、分解能が大きいと量子化誤差がセルバランス動作の誤差となりセルバランス効果を低下させる。

また、車両は毎日定期的に使用されるとは限らない。特に、海外に輸出される場合には輸送に月単位の時間を要し、更に配車されて実使用されるまでに、併せて最大６ヶ月程度放置されることもあり、実使用されるまでに単電池の自己放電のバラツキがそのまま単電池の残存容量のバラツキとなってしまう。この場合に、従来の電池制御システムでは、車両動作時にしかセルバランス動作を行わないため、車両動作時間が短いと単電池（セル）の残存容量がなかなか揃わず、電池システムを構成する各単電池の実使用可能な残存容量範囲が小さくなる、という問題もあった。図６にハイブリッド自動車で用いられる定格容量３．６Ａｈのリチウムイオン電池の２５°Ｃにおける放置時の電圧推移例を、図７に自己放電による残存容量の低下量に換算した値の推移例を示す。図７に示すように、６ヶ月放置後では実測値で約±４％の残存容量差、平均±３σでは約±６％の残存容量差が存在し、６ヶ月放置後ではほぼ±５％程度の残存容量差が存在することになる。この場合に、±５％の残存容量差をなくすためには、＋５％の残存容量差の単電池を−５％の残存容量の単電池の残存容量に合わせる必要があり、その放電容量は、３．６Ａｈ×５％×２＝０．７２Ａｈである。このバイパス放電回路では、７８Ωのバイパス抵抗を用いており、単電池電圧を３．６Ｖとすると、０．７２／（３．６／７８））＝１５．６（ｈ）という長時間のセルバランス時間が必要となる。このような長時間の連続運転は通常行われないため、従来の容量調整方法ないし電池制御回路では、短時間の運転を繰り返しながら、徐々にセルバランスがとれてくることになり、セルバランスがとれるまでは充放電可能な残存容量の範囲が狭くなってしまっていた。

また、従来の方式では、単電池の電圧を測定するために接続されるセンシングライン（電圧測定ライン）が、例えば、コネクタの接触等で抵抗値が大きくなった場合に、単電池の電圧測定値が異常となるまでセンシングラインの異常を検出できない、という問題を有していた。図８は、センシングラインの抵抗値が大きくなった場合のセル電圧検出値計算例を示している。単電池の電圧Ｖｂがセンシングラインの＋側抵抗Ｒｐと−側抵抗Ｒｎを通じて入力インピーダンスＺｉｎの電圧検出回路に接続されるので、電圧検出回路の測定値Ｖｄは図８に示す数値となり、電圧検出回路の入力インピーダンスを１００ｋΩとすると、センシングラインの＋側抵抗値が５０ｍΩから１００Ωまで増大しても電圧検出値は３．７ｍＶしか低下しない。従って、単電池の電圧検出値からセンシングラインの異常を検出することは難しい。

本発明は上記事案に鑑み、単電池電圧を高分解能で測定してセルバランス効果を高めると共に、長期放置後でも短時間でセルバランスをとることができ、更に、電池のセンシングラインの異常を検出可能な電池制御システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、少なくとも１以上の組電池を有した電池システムを制御する主制御回路と、電池システム使用時に前記組電池を構成する各単電池の電圧を一定時間毎に測定して前記主制御回路にデータを送信し、前記主制御回路からの指令によって前記各単電池にそれぞれ並列に接続され抵抗及びスイッチを有するバイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行う電池制御回路と、を備えた電池制御システムにおいて、前記電池制御回路は、電池システム非使用時に、前記スイッチのオン・オフ状態を保持したまま低消費電力状態に入り、一定期間毎に短時間作動して前記電池システム使用時よりも高分解能で前記各単電池の電圧の測定し、かつ、前記スイッチのオン・オフ制御を行うとともに、前記電池システム非使用時における一定期間毎の短時間作動中に、前記各単電池の電圧を、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断することを特徴とする。

第１の態様では、電池制御回路は、電池システム非使用時に、バイパス放電回路のスイッチのオン・オフ状態を保持したまま低消費電力状態に入り、一定期間毎に短時間動作して各単電池の電圧測定を行いスイッチのオン・オフ状態の制御を行うので、電池制御回路の省電力化を図ることができ、長期間放置後に各単電池の電池電圧すなわち残存容量にバラツキが生じた場合でも、一旦電池システムが作動すれば、電池システム非使用時にもセルバランス動作が継続されるため、従来の電池制御回路より短時間でセルバランスをとることができ、更に、各単電池の電圧測定を高分解能で行うので、満充電近傍でも各単電池のセルバランス効果を高めることができるとともに、電池システム非使用時における一定期間毎の短時間作動中に、各単電池の電圧を、スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断するので、バイパス放電回路の論理状態を反転させて測定することになり、バイパス電流通電時と非通電時のセンシングラインの電圧降下の差を直接計測でき、センシングラインに異常が起こったことを精度良く検出できる。本態様において、電池システム非使用時の各単電池の電圧測定値を、電池システム使用時の各単電池の電圧測定と同一分解能で複数回測定した測定値の平均値とすれば、高コストのＡ／Ｄコンバータ等を使用せず各単電池の電圧測定値を実質上高分解能とすることができる。また、電池制御回路が、スイッチのオン状態及びオフ状態で測定された各単電池の測定電圧値が予め設定された設定値以上異なっているときに、その状態を示すデータを保存し、次回の電池システム起動時に電圧測定ラインが異常であることを主制御回路に通信するようにしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、少なくとも１以上の組電池を有した電池システムを制御する主制御回路と、電池システム使用時に前記組電池を構成する各単電池の電圧を一定時間毎に測定して前記主制御回路にデータを送信し、前記主制御回路からの指令によって前記各単電池にそれぞれ並列に接続され抵抗及びスイッチを有するバイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行う電池制御回路と、を備えた電池制御システムにおいて、前記電池制御回路は、前記各単電池の電圧を、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断することを特徴とする。第２の態様においても、各単電池の電圧を、スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断するので、バイパス放電回路の論理状態を反転させて測定することになり、バイパス電流通電時と非通電時のセンシングラインの電圧降下の差を直接計測でき、センシングラインに異常が起こったことを精度良く検出できる。本態様において、電池制御回路は、スイッチのオン状態及びオフ状態で測定された各単電池の測定電圧値が予め設定された設定値以上異なっているときに、その状態を示すデータを保存し、次回の電池システム起動時に電圧測定ラインが異常であることを主制御回路に通信するようにしてもよい。また、電圧測定ラインの異常を、電池システムの非使用時における一定期間毎の短時間作動中に判断するとともに、電池システムの非使用時のおける一定期間毎の短時間動作中が、電池システムの充電動作中であることが好ましい。

本発明によれば、電池制御回路は、電池システム非使用時に、バイパス放電回路のスイッチのオン・オフ状態を保持したまま低消費電力状態に入り、一定期間毎に短時間動作して各単電池の電圧測定を行いスイッチのオン・オフ状態の制御を行うので、電池制御回路の省電力化を図ることができ、長期間放置後に各単電池の電池電圧すなわち残存容量にバラツキが生じた場合でも、一旦電池システムが作動すれば、電池システム非使用時にもセルバランス動作が継続されるため、従来の電池制御回路より短時間でセルバランスをとることができ、更に、各単電池の電圧測定を高分解能で行うので、満充電近傍でも各単電池のセルバランス効果を高めることができるとともに、電池システム非使用時における一定期間毎の短時間作動中に、各単電池の電圧を、スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断するので、バイパス放電回路の論理状態を反転させて測定することになり、バイパス電流通電時と非通電時のセンシングラインの電圧降下の差を直接計測でき、センシングラインに異常が起こったことを精度良く検出できる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電池制御システムの実施の形態について説明する。なお、本実施形態の電池制御システムは、８個のハイブリッド電気自動車用単電池が直列に接続された組電池の各単電池の容量を調整する複数個の電池制御回路と、複数の組電池が直列に接続された電池システムを制御する主制御回路としての車両側マイコンと、で構成されている。また、単電池には、定格容量が３．６Ａｈで、負極活物質を非晶質系炭素材料としたリチウムイオン電池が用いられている。

（構成）
図１に示すように、各単電池１には、並列に、各単電池１の容量を調整するためのバイパス抵抗２と、例えば、ＦＥＴで構成されるバイパススイッチ３とが直列に接続されたバイパス放電回路が接続されている。なお、本実施形態では、バイパススイッチ３に７８Ωの抵抗値のものを用いた（図９のＲｂも参照）。また、各単電池１は、各単電池１の電圧を組電池の−端子基準の電圧に変換するセル電圧変換回路４の入力端子に接続されている。

セル電圧検出回路４の出力端子は、選択された単電池の電圧を出力するマルチプレクサ５の入力端子に接続されており、マルチプレクサ５の出力端子はマイコン６に内蔵されたＡ／ＤコンバータのＡＤ入力ポートに接続されている。Ａ／Ｄコンバータには、１０ｂｉｔ（ビット）、０〜５Ｖの入力電圧範囲のものが用いられている。

マイコン６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、高速のメインクロック７及び低速のサブクロック８の２種類のクロック、タイマ、及び、上述したＡ／Ｄコンバータを含んで構成されている。また、マイコン６は、マルチプレクサ５に単電池１を指定するための出力ポート及びバイパススイッチ３をオン・オフ制御する信号を出力するための出力ポートを有しており、これらの出力ポートを介してそれぞれマルチプレクサ５及び各バイパススイッチ３に接続されている。更に、マイコン６は、インターフェースを介して車両側マイコンに接続されている。

従って、本実施形態の電池制御回路は、バイパス抵抗２、バイパススイッチ３、セル電圧変換回路４、マルチプレクサ５、マイコン６で構成されている。

組電池は複数個直列に接続されており、電気自動車を駆動する電池システムを構成している。電池システムの最高電位の単電池の＋端子と電池システムの＋出力端子との間には、電池システムの充放電ないし休止状態を検出して車両側マイコンに出力する図示しない充放電判別部が挿入されている。このような充放電判別部は、例えば、シャント（分路）抵抗やホール素子により電池システムを流れる電流方向を検出可能に構成することができる。なお、車両側マイコンと各電池制御回路とは、相互に通信可能である。

（動作）
次に、本実施形態の電池制御システムの動作について、マイコン６を主体として、電池システムの使用時と非使用時とに分けて説明する。なお、本実施形態において、電池システム使用時とは電池システムを構成する単電池１の放電時をいい、電池システム非使用時とは単電池１の休止時ないし充電時をいう。

＜電池システム使用時＞
通信により、車両側マイコンから電池システム使用の報知を受けると、マイコン６は、メインクロック７で作動し、２０ｍｓの時間間隔で、全単電池１の電圧を、マルチプレクサ５を制御しながらＡＤ変換することで測定する。すなわち、マルチプレクサ５に接続された出力ポートから単電池１を順に指定し、セル電圧変換回路４から入力された指定単電池の電圧をマイコン６のＡＤ入力に出力させる。また、マイコン６は、入力された指定単電池のアナログ電圧をＡ／Ｄコンバータでデジタル電圧に変換させ指定単電池の電圧を順に取り込み（測定し）、車両側マイコンに電圧データを送信する。

電圧データを受信した車両側マイコンは、電池システムを構成する全単電池１の各々に電圧（残存容量）のバラツキがあるか否かを判断し、バラツキのあると判断した場合には、全単電池１の電圧差がなくなるように、セルバランスをとるべき単電池１（複数の場合もある。）を特定して、通信により、マイコン６に当該単電池１のセルバランスをとるように指令する。

マイコン６は、当該単電池１に並列に接続されたバイパススイッチ３をオン状態とする。これにより、当該単電池１にはバイパススイッチ３及びバイパス抵抗２で構成されるバイパス放電回路が並列に接続され、当該単電池１からバイパス放電回路に流れた電流はバイパス抵抗２で熱消費されることで、他の単電池１との電圧差がなくなるまでセルバランス動作が実行される。逆に、バイパススイッチ３がオン状態にある場合に、セルバランスがとれたときには、マイコン６は車両側マイコンの指令に従ってバイパススイッチ３をオフ状態とする。

＜電池システム非使用時＞
通信により、車両側マイコンから電池システム非使用の報知を受けると、マイコン６は、サブクロック８のクロック動作で作動する。これにより、電池制御回路は、１００μＡオーダの低消費電力状態で待機することとなる。しかしながら、車両側マイコンから電池システム非使用の報知を受けても、バイパススイッチ３のオン・オフ状態はそのまま保持される。

この電池システム非使用時に、マイコン６は、上述したように、主にサブクロック８により作動するが、１分間隔のタイマ割り込みで、メインクロック７のクロック動作による高速クロック動作モードに短時間（例えば、約１００ｍｓ）切り替わり（以下、この状態を高速モードという。）、単電池１の電圧測定と、バイパススイッチ３の制御とを行う。

すなわち、マイコン６は、高速モード中に、各単電池１に並列に接続されたバイパススイッチ３がオフ状態及びオン状態の両状態で、各単電池１の電圧を高分解能で測定する。例えば、バイパススイッチ３がオフ状態にあるときには、１０ｂｉｔのＡ／ＤコンバータによるＡＤ変換を４回連続して行い（測定し）、それらのデジタル電圧値の平均を電圧測定値Ｖｄ１として演算することで、実質上１２ｂｉｔの分解能とする。次いで、バイパススイッチ３をオン状態として、同様に、ＡＤ変換を４回連続して測定し、それらのデジタル電圧値の平均を電圧測定値Ｖｄ２として演算することで、実質上１２ｂｉｔの分解能とする。

図９に示すように、バイパススイッチ３がオフ状態での１回当たりの電圧測定値Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｖｂ×Ｚｉｎ／（Ｒｐ＋Ｚｉｎ＋Ｒｎ）により求められ、バイパススイッチ３がオン状態での１回当たりの電圧測定値Ｖｄは、Ｚｉｎ＞＞Ｒｂのため、Ｖｄ＝Ｖｂ×Ｒｂ／（Ｒｐ＋Ｒｂ＋Ｒｎ）により求められる。なお、図９は、従来技術で説明した図８に対応するものであり、Ｖｂ、Ｚｉｎ、Ｒｐ、Ｒｎは従来技術での説明と同じである。

次に、マイコン６は、バイパススイッチ３のオフ状態とオン状態との電圧差Ｖｄ３（＝Ｖｄ１−Ｖｄ３）を演算し、電圧差Ｖｄ３が所定値（例えば、５０ｍＶ）以上か否かを判断する。肯定判断のときには、当該単電池１のセンシングラインが異常である旨を示すデフォルト値をＲＡＭに記憶し、否定判断のときには、次の単電池１について上記と同様に測定、演算、判断を行う。

また、高速モード中に、通信により、マイコン６は車両側マイコンに全単電池１の電圧測定値Ｖｄ１を送信する。車両側マイコンは、上述した電池システム使用時と同様に、全単電池１の各々に電圧のバラツキがあるか否かを判断し、バラツキのあると判断した場合には、マイコン６に単電池１のセルバランスをとるように指令する。

マイコン６は、次回、車両側マイコンから電池システム使用の報知を受けると、直ちにＲＡＭに記憶され（特定の）単電池１のセンシングラインが異常である旨を示すデフォルト値を車両側マイコンに送信する。換言すれば、マイコン６は次回の電池システム起動時に車両側マイコンに該デフォルト値を送信する。この報知を受けた車両側マイコンは、インストールメントパネルを制御するパネル制御部を介してインストールメントパネルに特定の単電池１のセンシングラインが異常である旨を表示させる。これにより、ドライバはセンシングラインの異常を知ることができ、修理工場等でセンシングラインを正常状態に復帰させることができる。

（作用等）
次に、本実施形態の電池制御システムの作用等について説明する。

本実施形態の電池制御回路は、電池システム非使用時には低消費電力状態に入るので、電池制御回路全体の省電力化を図ることができると共に、電池システム非使用時にバイパス放電回路の状態を保持し、一定期間毎に短時間動作して各単電池１の電圧測定を行い、かつ、バイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行うので、長期放置後に各単電池１の電池電圧（残存容量）にバラツキが生じた場合でも、一旦、電池システムが起動すれば、電池システムが非使用状態となってもセルバランス動作は継続して行われ、各単電池１のセルバランスを取ることができ、従来のシステムよりも短時間で全単電池１のセルバランスをとることができる。

また、本実施形態の電池制御回路では、セルバランス動作の演算（計算）に用いられる単電池１の電圧測定を高分解能で行うので、単電池１が満充電近傍にある場合でもセルバランス効果を高めることができる。なお、一般に高分解能の電圧測定には時間を要するが、本実施形態では電池システム非使用時（特に、充放電休止時）に測定するため、多少時間がかかってもまったく問題はない。更に、高速モード中の一定時間毎に無負荷の単電池１の電圧測定を行うが、電池システム非使用時の最後に測定されたバイパススイッチ３のオフ状態での電圧がセルバランス動作を制御する無負荷電圧となるので、電池システム起動時に改めて無負荷電圧を測定する必要はなく、電池システム非使用時の測定された最終の単電池電圧を用いてセルバランスの演算を行うことができる。

更に、本実施形態の電池制御回路では、電池システム非使用時の各単電池１の電圧測定値Ｖｄ１を、電池システム使用時の各単電池の電圧測定と同一分解能で複数回測定した測定値の平均としたので、高コストのＡ／Ｄコンバータ等を使用せず各単電池の電圧測定値を実質上高分解能とすることができる。

また、本実施形態の電池制御回路では、電池システム非使用時における一定期間毎の短時間作動中に、各単電池１の電圧を、バイパス放電回路の論理状態を反転させて測定したので、バイパス電流通電時と非通電時のセンシングラインの電圧降下の差を直接計測でき、センシングラインに異常が起こったことを精度良く検出できる。例えば、センシングラインの抵抗が１Ωとなった場合に、図８に示す従来技術では電圧差は０．０４ｍＶであり（上述したように、センシングラインの抵抗が１００Ωとなっても電圧差は３．７ｍＶ）センシングラインの異常を検出することが困難であるのに対し、本実施形態の電池制御回路では、図９に示すように、センシングラインの抵抗が１Ωとなった場合には電圧差Ｖｄ３が４９ｍＶとなり、高分解能で単電池１の電圧測定を行うことも相まって、センシングラインの異常を正確に検出することができる。

なお、本実施形態では、電圧測定値Ｖｄ１、Ｖｄ２、電圧差Ｖｄ３の演算及びセンシングラインの異常判断を電池制御回路側で行う例を示したが、本発明はこれに限らず、これらの演算ないし判断の全て又は一部を車両側マイコンで行うようにしてもよい。

また、本実施形態では、バイパススイッチ３がそれぞれオン・オフ状態で４回ずつ単電池１の電圧測定を行う例を示したが、例えば、オン状態での電圧測定回数をオフ状態での電圧測定回数より少なくするようにしてもよい。このようにすれば、単電池１の電圧測定時間を少なくすることができる。

更に、本実施形態では、電気自動車用電池の電池制御システムについて例示したが、本発明はこれに限定されるものでないことは論を待たない。また、本実施形態では、タイマによる１分間隔毎にセンシングラインの異常について検出する例を示したが、センシングラインは短い時間で異常となることは極めて少ないと考えられるので、例えば、ＣＰＵに割込回数をカウントさせ、所定回数となったときに、センシングラインの異常を検出するようにしてもよい。このようにすれば、マイコン６のＣＰＵの負荷を低減することができる。

また更に、本実施形態では、説明を簡単にするために、各単電池１が組電池を構成する例を示したが、この組電池は機構的な組電池を意味するものではなく、マイコン６が制御する単電池の集まりないし複数個の単電池（本例では８個の単電池１）を意味している。従って、本発明における用語「組電池」は、電池制御回路が制御する複数個の単電池を意味している。

本実施形態の電池制御システムを用い、単電池１の電圧をばらつかせた状態で動作させ、セルバランス動作を確認した。図１０にそのときの単電池１の電圧の推移を、図１１に単電池１の電圧の最大−最小値と最大偏差値の推移を示す。単電池電圧のバラツキは、初期に最大−最小が３２０ｍＶであったが、１ｈのシステム動作中に最大−最小値が３１０ｍＶまで減少し、電池システムが非使用となった１４ｈ後には、最大−最小値が２６ｍＶまで減少した。一方、従来の方式では電池システム動作中しかセルバランス動作が行われないので、最初の１ｈの動作でのセルバランス効果である最大−最小値が１０ｍＶしか改善されないが、本電池制御システムでは、残りの１４ｈでもセルバランス動作が継続するので最大−最小値が２９４ｍＶも改善されている。このように、短時間のシステム動作中のみでは電圧バラツキの改善量は少ないが、電池システム非使用後のセルバランス動作の継続で各単電池１の電圧のバラツキは大幅に改善された。

本発明は、単電池電圧を高分解能で測定してセルバランス効果を高めると共に、長期放置後でも短時間でセルバランスをとる電池制御システムを提供ため、電池制御システムの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池制御システムのブロック回路図である。非晶質系炭素材料を負極活物質に用いたリチウムイオン電池の開回路電圧と残存容量比の関係を示す特性線図である。開回路電圧が±５０ｍＶずれた場合の単電池の残存容量のズレを示す特性線図である。従来の電池制御回路を用いて各単電池の残存容量が５０％の場合の残存容量のバラツキの変化を示す特性線図である。従来の電池制御回路を用いて各単電池の残存容量が８０％の場合の残存容量のバラツキの変化を示す特性線図である。長期放置時の各単電池電圧の推移を示す特性線図である。長期放置時の各単電池の残存容量低下の推移を示す特性線図である。従来の電池制御回路におけるセンシングラインの抵抗値が電圧測定値に与える影響を示す説明図である。実施形態の電池制御回路におけるセンシングラインの抵抗値が電圧測定値に与える影響を示す説明図である。実施形態の電池制御回路を用いた場合の各単電池電圧の推移を示す特性線図である。実施形態の電池制御回路を用いた場合の単電池の残存容量の推移を示す特性線図である。

符号の説明

１単電池
２バイパス抵抗（抵抗）
３バイパススイッチ（スイッチ）
４セル電圧変換回路
５マルチプレクサ
６マイコン

Claims

少なくとも１以上の組電池を有した電池システムを制御する主制御回路と、電池システム使用時に前記組電池を構成する各単電池の電圧を一定時間毎に測定して前記主制御回路にデータを送信し、前記主制御回路からの指令によって前記各単電池にそれぞれ並列に接続され抵抗及びスイッチを有するバイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行う電池制御回路と、を備えた電池制御システムにおいて、前記電池制御回路は、電池システム非使用時に、前記スイッチのオン・オフ状態を保持したまま低消費電力状態に入り、一定期間毎に短時間作動して前記電池システム使用時よりも高分解能で前記各単電池の電圧の測定し、かつ、前記スイッチのオン・オフ制御を行うとともに、前記電池システム非使用時における一定期間毎の短時間作動中に、前記各単電池の電圧を、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断することを特徴とする電池制御システム。
前記電池システム非使用時の各単電池の電圧測定値を、前記電池システム使用時の各単電池の電圧測定と同一分解能で複数回測定した測定値の平均値としたことを特徴とする請求項１に記載の電池制御システム。
前記電池制御回路は、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定された各単電池の測定電圧値が予め設定された設定値以上異なっているときに、その状態を示すデータを保存し、次回の電池システム起動時に電圧測定ラインが異常であることを前記主制御回路に通信することを特徴とする請求項１に記載の電池制御システム。
少なくとも１以上の組電池を有した電池システムを制御する主制御回路と、電池システム使用時に前記組電池を構成する各単電池の電圧を一定時間毎に測定して前記主制御回路にデータを送信し、前記主制御回路からの指令によって前記各単電池にそれぞれ並列に接続され抵抗及びスイッチを有するバイパス放電回路のスイッチのオン・オフ制御を行う電池制御回路と、を備えた電池制御システムにおいて、前記電池制御回路は、前記各単電池の電圧を、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定し、該オフ状態で測定された各単電池の測定電圧値とオン状態で測定された各単電池の測定電圧値との電圧差が予め設定された設定値以上異なっているときに、当該設定値以上異なっている単電池の電圧測定ラインが異常であると判断することを特徴とする電池制御システム。
前記電池制御回路は、前記スイッチのオン状態及びオフ状態で測定された各単電池の測定電圧値が予め設定された設定値以上異なっているときに、その状態を示すデータを保存し、次回の電池システム起動時に電圧測定ラインが異常であることを前記主制御回路に通信することを特徴とする請求項４に記載の電池制御システム。
前記電圧測定ラインの異常を、電池システムの非使用時における一定期間毎の短時間作動中に判断するとともに、前記電池システムの非使用時のおける一定期間毎の短時間動作中が、前記電池システムの充電動作中であることを特徴とする請求項４に記載の電池制御システム。