JP4857302B2 - 電圧測定装置および電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、組電池を構成する各電池ブロックの端子間電圧を測定する電圧測定装置に関する。

複数の電池ブロックを含み構成される二次電池を動力源として備える車両において、各電池ブロックの電気的な状態を測定して、当該状態に基づいて二次電池の充電／放電を制御することが知られている。

例えば、特許文献１−３には、電池ブロックごとに電圧検知手段を設け、各電圧検知手段を直列に接続することで１つの伝送路を構成し、各電圧検知手段によって検知された各端子間電圧を示す情報（以下、「電圧情報」と称す）をその伝送路を介してシリアル方式で伝送し、伝送された電圧情報の入力を受けて電池ブロックの端子間電圧を測定する電圧測定装置が開示されている。

特許文献４では、電池セルの電圧を監視するセル監視ＩＣチップと、電池セルを制御する制御ＩＣチップと、制御ＩＣと絶縁を介して信号の送受信を行うメインコントローラとを備えるシステムが開示されている。セル監視ＩＣチップは、メインコントローラから第１の絶縁を介して出力される第１の信号によって制御ＩＣチップの異常又は制御ＩＣに接続されている電池セルの異常を監視する。異常を検出すると、セル監視ＩＣチップは、メインコントローラから第２の絶縁を介して出力される第２の信号によって制御ＩＣチップを特定する。またはセルＩＣチップは、第２の信号によって制御ＩＣチップまたは制御ＩＣに接続されている電池セルの異常内容を検索する。

特開平９−１３９２３７号公報 特開２００３−７０１７９号公報 特開２００６−２９８９５号公報 特開２００５−３１８７５０号公報

ところで、上記のように、直列に接続された各電圧検知手段が検知した電圧情報を、１つの伝送路を介してシリアル伝送する場合、いずれかの電圧検知手段や信号線に何らかの異常が生じると、伝送路が途切れて、すべての電圧情報が伝送されなくなることがある。

そこで、いずれかの電圧検知手段に異常が生じても電圧情報が伝送されなくなるのを防止するために、各電圧検知手段を二重化することも考えられる。しかし、各電圧検知手段の二重化は一般にコストの増加を招くことが多い。

一方、例えば各電池ブロックの電圧情報をパラメータとして二次電池の充電／放電を制御する場合、たとえすべての電池ブロックの電圧情報を取得できなくても、いくつかの電池ブロックの電圧情報を利用して暫定的に二次電池の充電／放電を制御できるように設計することが好ましい場合もある。

本発明は、電池ブロックごとに設けられた電圧検知部を直列に接続して中継路を構築し、各電圧検知部が検知した電圧情報を当該中継路を介して取得する電圧測定装置において、たとえいずれかの電圧検知部に不具合が生じたとしても、少なくともいずれか１つの電池ブロックの電圧情報を取得可能な電圧測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電圧測定装置は、組電池を構成する電池ブロックごとに配置に接続され、電池ブロックの端子間電圧を検知する電圧検出部群であって、各電池ブロックの温度特性に基づいて予め振り分けられた少なくとも２つのグループごとに、互いに異なる中継信号線を介して直列に接続され、電池ブロックの端子間電圧を示す電圧情報を順次シリアル方式で各グループの中継信号線を介して中継する電圧検出部群と、グループごとに前記電圧検出部群が各中継信号線を介してシリアル方式で中継した電圧情報をグループごとに収集する電圧情報収集部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る電圧測定装置の１つの態様では、前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、少なくとも積層方向の両端部に配置される各電池ブロックの端子間電圧を測定する各電圧検出部が互いに異なるグループに属する、ことを特徴とする。

本発明に係る電圧測定装置の１つの態様では、前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、各電圧検出部は、自身に積層方向で隣接する電池ブロックの端子間電圧を検知する電圧検出部とは異なるグループに属する、ことを特徴とする。

本発明に係る電圧測定装置の１つの態様では、前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、前記少なくとも２つのグループは、積層方向において奇数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部が属するグループおよび、積層方向において偶数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部が属するグループである、ことを特徴とする。

本発明に係る電動車両は、前記電圧測定装置と、前記組電池の充電／放電を前記電圧測定装置が測定した少なくとも１つの電池ブロックの電圧情報に基づいて制御する制御手段と、を備え、前記組電池を駆動源とすることを特徴とする。このことにより、組電池内の偏った電圧情報を取得する危険性を避けることができる。

本発明によれば、電圧情報収集部が、各電池ブロックの温度特性に基づいて予め振り分けられた少なくとも２つのグループごとに、電池ブロックの端子間電圧を示す電圧情報を順次収集するため、例えば、いずれかのグループに属する各電圧検出部のいずれかに不具合が発生し、電圧情報収集部が電圧情報の収集ができなかったとしても、当該いずれかのグループの温度特性と類似する温度特性を有する電池ブロックが属している他のグループの各電圧検出部から電圧情報を収集することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と称す）について、以下図面を用いて説明する。

図１は、駆動源に電力を供給する二次電池が搭載された電気自動車（ＰＥＶ）の概略構成を示す図である。本実施形態では、電気自動車（ＰＥＶ）を例に説明するが、二次電池の電池電圧を計測するシステムであれば、エンジンと二次電池とを有するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド車両等の電動車両にも適用することができる。

電気自動車は、二次電池１０、電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと称す）２０、リレー３０、インバータ４０、モータジェネレータ５０、車両電子制御ユニット（以下、車両ＥＣＵと称す）６０を備える。

電池ＥＣＵ２０は、その内部に電圧測定部２２（電圧測定装置）を備え、二次電池１０の電池電圧Ｖを計測する。また、電池ＥＣＵ２０は、電池電圧Ｖ、充放電電流Ｉ、電池温度Ｔなどの情報に基づいて二次電池１０の充電状態（（以下、ＳＯＣ（State Of Charge）と称す）を演算する。電池ＥＣＵ２０は、二次電池１０のＳＯＣや電池温度などの電池情報を車両ＥＣＵ６０に送信する。さらに、電池ＥＣＵ２０は、電池電圧Ｖに基づいてリレー３０のスイッチ素子の開閉を制御する。車両ＥＣＵ６０は、各種電池情報に基づいてインバータ４０を制御することで、二次電池１０の充電／放電を制御する。

このように構成された電気自動車は、電池ＥＣＵ２０及び車両ＥＣＵ６０の制御の下、二次電池１０からの直流電力をインバータ４０を介して交流電力に変換し、モータジェネレータ５０を駆動させて走行する。

図２は、電池ＥＣＵ２０の内部に備えられる機能ブロックのうち、二次電池１０の電池電圧を測定するのに用いられる電圧測定部２２を中心に示した図である。

図２において、二次電池１０は、６個の電池ブロックＢ１〜Ｂ６（以下、各電池ブロックを総称する場合には、単に「電池ブロックＢ」と称す）を電気的に直列に接続して構成される組電池である。電池ブロックＢはそれぞれ、２個の電池モジュールを電気的に直列接続して構成されており、更に、各電池モジュールは、６個の単電池を電気的に直列に接続して構成されている。各単電池としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いることができる。なお、電池ブロック、電池モジュール、単電池の数は特に限定されるものではない。二次電池の構成も上記した例に限定されるものではない。また、単電池は、角型、円筒型など特定の形状に限定されるものではない。

電圧測定部２２は、電池ブロックごとに設けられた電圧検出部２４−１〜２４−６（以下、各電圧検出部を総称する場合には「電圧検出部２４」と称す）と、各電圧検出部２４が測定した端子間電圧を示す電圧情報を集約する電圧情報収集部２６とを備える。

電圧情報収集部２６は、信号線を介して電圧検出部２４と閉回路（ループ回路）を構成し、電圧検出部２４が検知した電池ブロックＢの端子間電圧を示す電圧情報を順次シリアル方式で取得する。

本実施形態では、電池ブロックＢを２つのグループに分け、電圧情報収集部２６は、グループごとに各電圧検出部２４と閉回路を構成し、グループごとに電圧情報を順次シリアル方式で取得する。

本実施形態では、温度特性が類似する電池ブロックＢが少なくとも１つずつ、別々のグループに分かれて属するようにグループ分けを行う。

より具体的には、電池ブロックＢの表面温度の特性が類似する電池ブロック同士を異なるグループに属するようにグループ分けを行う。電気自動車などの電動車両に搭載される二次電池は、電池ブロック同士が隣接して積層配置されることが多い。本実施形態においては、電池モジュールの長さ方向に対して垂直方向に二次元あるいは三次元に配置することを積層配置と称す。このように配置される場合、積層方向の両端側の電池ブロックは放熱面が広いため、熱を放射しやすい。一方、積層方向の中心付近の電池ブロックは、放熱面が狭く、熱を放射しにくい。このような状態で、充電／放電が継続されると、積層方向の中心付近の電池ブロックの温度が両端側の電池ブロックよりも上昇する。一般に二次電池は高温の方が劣化し易く、中心付近の電池ブロックと両端側の電池ブロックに電池特性の差が生じやすい。そこで、例えば、積層方向の両端側の電池ブロックをそれぞれ異なるグループに属するようにグループ分けを行う。また、積層方向に交互に各電池ブロックを振り分けてグループ分けを行う。このようにグループ分けすることで、温度特性が類似する電池ブロック同士が異なるグループに振り分けられ、組電池内の偏った電圧情報を取得する危険性を避けることができる。

本実施形態によれば、温度特性が類似する電池ブロックが少なくとも１つずつ、別々のグループに分けられているため、電圧情報収集部２６は、グループごとに電圧検出部２４が検出した電池ブロックの電圧情報を収集することができる。よって、例えば、一方のグループに属する各電圧検出部２４のいずれかに不具合が発生し、電圧情報収集部２６が電圧情報の収集ができなかったとしても、当該一方のグループの温度特性と類似する温度特性を有する電池ブロックが属している他方のグループの各電圧検出部２４から電圧情報を収集することができる。したがって、例えば、電圧情報収集部２６が、いずれか一方のグループから電圧情報を収集できなくても、電池ＥＣＵ２０は、少なくとも類似する温度特性を有する電池ブロックが属している他方のグループの電圧情報を用いて暫定的に二次電池の充電／放電などが制御できる。

なお、本実施形態では、各電池ブロックを２つのグループに振り分ける例について説明する。しかし、振り分けるグループは温度特性が類似する電池ブロックが異なるグループに振り分けられるのであれば、３以上のグループに振り分けても構わない。

ここで、図２を用いて、電圧検出部２４と電圧情報収集部２６の回路構成についてさらに説明する。なお、温度特性に基づいて電池ブロックが振り分けられた２つのグループを、それぞれ「グループ１」と「グループ２」と称する。

電圧情報収集部２６は、グループ１に属する電圧検出部２４−１，２４−３，２４−５（以下、総称して「第１電圧検出部群」と称す）に対する命令信号を出力するための第１出力信号線Ｓｏ１と、グループ２に属する電圧検出部２４−２，２４−４，２４−６（以下、総称して「第２電圧検出部群」と称す）に対する命令信号を出力するための第２出力信号線Ｓｏ２とが接続されている。また、電圧情報収集部２６は、第１電圧検出部群から命令信号に対する応答信号の入力を受けるための第１入力信号線Ｓｉ１と、第２電圧検出部群から命令信号に対する応答信号の入力を受けるための第２入力信号線Ｓｉ２とが接続されている。

各電圧検出部２４は、各電池ブロックＢの正極側端子と負極側端子とに接続され、端子間電圧を測定する。

第１電圧検出部群は、互いに第１中継信号線Ｓｂ１を介して直列に接続されており、グループ１において最高電位側（最前段側）の電圧検出部２４−１は、第１出力信号線Ｓｏ１を介して電圧情報収集部２６と接続されている。さらに、グループ１において最低電位側（最後段側）の電圧検出部２４−５は、第１入力信号線Ｓｉ１を介して電圧情報収集部２６と接続されている。

一方、第２電圧検出部群は、互いに第２中継信号線Ｓｂ２を介して直列に接続されており、グループ２において最高電位側の電圧検出部２４−２は、第２出力信号線Ｓｏ２を介して電圧情報収集部２６と接続されている。さらに、グループ２において最低電位側の電圧検出部２４−６は、第２入力信号線Ｓｉ２を介して電圧情報収集部２６と接続されている。

つまり、電圧情報収集部２６と第１検出部群とは、信号線Ｓｏ１，Ｓｂ１，Ｓｉ１を介して直列に（リング状に）接続され、１つの閉回路（ループ回路）を構成している。加えて、電圧情報収集部２６と第２検出部群とは、信号線Ｓｏ２，Ｓｂ２，Ｓｉ２を介して直列に接続され、１つの閉回路を構成している。

電圧情報収集部２６は、グループごとに、各電圧検出部から信号線Ｓｏ１，Ｓｂ１，Ｓｉ１あるいは信号線Ｓｏ２，Ｓｂ２，Ｓｉ２を介して、各電池ブロックＢの電圧情報を取得する。以下、電圧情報収集部２６が、グループ１に属する電圧検出部２４−１，２４−３，２４−５から電圧情報を収集する手順について説明する。なお、グループ２に属する電圧検出部２４−２，２４−４，２４−６についても同様な手順で行えばよい。

すなわち、電圧情報収集部２６は、第１出力信号線Ｓｏ１を介してグループ１において最高電位側の電圧検出部２４−１に起動信号を出力する。電圧検出部２４−１は、起動信号の入力を受けて、電池ブロックＢの端子間電圧の測定を開始するとともに、その起動信号を自身より低電位側（後段側）に接続された電圧検出部２４−３に第１中継信号線Ｓｂ１−１を介して出力する。電圧検出部２４−１は、測定された電池ブロックＢの端子間電圧を自身のメモリに一時保持しておく。

電圧検出部２４−３は、第１中継信号線Ｓｂ１−１を介して起動信号の入力を受けると、電圧検出部２４−１と同様な動作を行う。このように各電圧検出部２４は、自身より高電位側から起動信号を受けて、電池ブロックＢの端子電圧の測定を行うとともに、自身より低電位側へ起動信号を転送する。

グループ１において最低電位側の電圧検出部２４−５は、起動信号を受けると、第１入力信号線Ｓｉ１を介して電圧情報収集部２６へ起動信号を転送する。

電圧情報収集部２６は、グループ１の最高電位側の電圧検出部２４−１へ第１出力信号線Ｓｏ１を介して起動信号を出力した後、グループ１の最低電位側の電圧検出部２４−５から起動信号が転送されてくるのを待って、電圧要求信号をシリアル方式で第１信号線Ｓｏ１を介して最高電位側の電圧検出部２４−１に出力する。

電圧検出部２４−１は、電圧要求信号の入力を受けて、その電圧要求信号に自身が測定した端子間電圧情報を加えてシリアル方式で低電位側の電圧検出部２４−３に第１中継信号線Ｓｂ１を介して出力する。

電圧検出部２４−３は、電圧要求信号の入力を受けると、電圧検出部２４−１と同様な動作を行う。このように各電圧検出部２４は、自身より高電位側から電圧要求信号を受けて、その電圧要求信号に自身が測定して得られた電圧情報を加えてシリアル方式で低電位側へ電圧要求信号を転送する。

電圧情報収集部２６は、最低電位側の電圧検出部２４−５からシリアル方式で電圧要求信号の入力を受けると、その電圧要求信号が正常かどうかをパリティチェックなどで確認する。

このように構成することで、各グループの高電位側の電圧検出部２４から各グループの低電位側の電圧検出部２４へと電圧情報が伝達され、伝達された電圧情報は電圧情報収集部２６で集約される。

このように、本実施形態では、電圧情報収集部２６が、温度特性が類似する電池ブロックをそれぞれ異なるグループに振り分けて、グループごとに電池ブロックの電圧情報を収集する。よって、たとえいずれかのグループの電圧情報を収集できなくても、電池ＥＣＵ２０は、そのグループに温度特性が類似するグループの電圧情報に基づいて暫定的に二次電池１０の充電／放電などを制御することができる。

なお、上記の実施形態では、電圧検出部を電池ブロックの積層方向に交互に振り分ける例について説明した。つまり、上記の実施形態では、積層方向において奇数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部と、積層方向において偶数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部とにグループ分けする例について説明した。しかし、グループ分けは上記の例には限られない。例えば、図３に示すように、電池ブロックを積層方向の略中心から一端側のグループと、他端側のグループとの２つに分けて、グループごとに電圧情報の収集を行っても構わない。

また、上記の実施形態では、電池ブロックの配置を考慮してグループ分けを行ったが、例えば、電池ブロックの配置以外に、電池ブロックの周囲に配置され、電池ブロックの温度特性に影響を及ぼす部材を考慮してグループ分けを行ってもよい。例えば、エンジン（内燃機関）を搭載する車両に搭載される二次電池の場合、二次電池の底部などにエキゾーストパイプが配置されることがある。エキゾーストパイプはエンジンから排出される高熱の排ガスが通過するため、熱を放射する。よって、二次電池を構成する電池ブロックの一部がエキゾーストパイプの近傍に配置される場合、近傍に配置される電池ブロックは、他の電池ブロックよりも放熱されにくい。そこで、エキゾーストパイプの近傍に配置される電池ブロックをそれぞれ異なるグループに振り分けてもよい。

また、上記の実施形態では、各グループの高電圧側の電圧検出部２４から各グループの低電位側の電圧検出部２４へと電圧情報が伝達されたが、低電位側から高電位側へ伝達されても良い。

駆動源に電力を供給する二次電池が搭載された電気自動車の概略構成を示す図である。 電池ＥＣＵの内部に備えられる機能ブロックのうち、二次電池の電池電圧を測定するのに用いられる電圧測定部を中心に示した図である。 本実施形態に係る電圧測定部の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 二次電池、２０ 電池ＥＣＵ、２２ 電圧測定部、２４ 電圧検出部、２６ 電圧情報収集部、３０ リレー、４０ インバータ、５０ モータジェネレータ、６０ 車両ＥＣＵ。

Claims (5)

1. 組電池を構成する電池ブロックごとに並列に配置され、電池ブロックの端子間電圧を検知する電圧検出部群であって、各電池ブロックの温度特性に基づいて予め振り分けられた少なくとも２つのグループごとに、互いに異なる中継信号線を介して直列に接続され、電池ブロックの端子間電圧を示す電圧情報を順次シリアル方式で各グループの中継信号線を介して中継する電圧検出部群と、
   グループごとに前記電圧検出部群が各中継信号線を介してシリアル方式で中継した電圧情報をグループごとに収集する電圧情報収集部と、
   を備えることを特徴とする電圧測定装置。
2. 請求項１に記載の電圧測定装置において、
   前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、
   少なくとも積層方向の両端部に配置される各電池ブロックの端子間電圧を測定する各電圧検出部が互いに異なるグループに属する、
   ことを特徴とする電圧測定装置。
3. 請求項１に記載の電圧測定装置において、
   前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、
   各電圧検出部は、自身に積層方向で隣接する電池ブロックの端子間電圧を検知する電圧検出部とは異なるグループに属する、
   ことを特徴とする電圧測定装置。
4. 請求項１に記載の電圧測定装置において、
   前記組電池は、前記電池ブロックを積層配置することで構成され、
   前記少なくとも２つのグループは、積層方向において奇数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部が属するグループおよび、積層方向において偶数番目の電池ブロックに対応する各電圧検出部が属するグループである、
   ことを特徴とする電圧測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の電圧測定装置と、
   前記組電池の充電／放電を前記電圧測定装置が測定した少なくとも１つの電池ブロックの電圧情報に基づいて制御する制御手段と、
   を備え、前記組電池を駆動源とする電動車両。

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