JP4866993B2 - バッテリー管理システム及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明はバッテリー管理システムにかかり、さらに詳しくは、電気エネルギーを用いる自動車に搭載されたバッテリーのバッテリー管理システム及びその作動方法に関するものである。

ガソリンや重油を主燃料として使用する内燃エンジンを用いた自動車は、大気汚染などの公害の発生に深刻な影響を与えている。したがって、最近では公害の発生を減らすために多くの努力が払われており、電気自動車またはハイブリッド自動車などの開発が行われている。

電気自動車は、バッテリーから出力される電気エネルギーによって動作するバッテリーエンジンを備えた自動車である。このような電気自動車は、充放電が可能な複数の２次電池が一つのパックとして構成されたバッテリーを主動力源として用いるので、排気ガスを全く発生させず、騒音が非常に小さいといった長所がある。

一方、ハイブリッド自動車は、内燃エンジンを用いた自動車と電気自動車の中間段階の自動車として、２種以上の動力源、例えば内燃エンジンとバッテリーエンジンなどを組み合わせて用いる自動車である。例えば、内燃エンジンと水素及び酸素を連続的に供給しながら化学反応を起こして直接電気エネルギーを得る燃料電池とを用いたハイブリッド自動車や、バッテリーと燃料電池とを用いたハイブリッド自動車などの、混合された形態のハイブリッド自動車が開発されている。

最近では、上記のようなバッテリーエンジンを用いた自動車は、動力源を向上させるためにその内部に含まれる２次電池の数が次第に増加してきている。したがって、上記バッテリーを管理するバッテリー管理システムでは、その制御方法として、連結された複数のセル及びパックを効率的に管理することのできるセルバランシング法を用いることが知られている。例えば、各バッテリーセル間で電圧などの差が生じないように、各バッテリーセル間のバランスをとりながら充電や放電を行なってバッテリの効率を向上させることが知られている。

このとき、各バッテリーの電圧を測定するためには、差動増幅器を含む差動増幅段を用いることができる。このような差動増幅段は一つ以上の抵抗体を含み、差動増幅段の入力端子に入力される電圧差を一つ以上の抵抗体の抵抗値に対応する利得によって変調することによりバッテリーの電圧を検出することができる。

しかし、従来の差動増幅段を用いたバッテリー管理システムによるバッテリー電圧の検出には、差動増幅段の劣化及びその温度によって発生する誤差により、電圧検出の正確性が低下する恐れがある、という問題があった。具体的には、差動増幅段に含まれている抵抗体の抵抗値が周辺温度により変化されて誤差が発生する恐れがある。また、差動増幅段及び差動増幅段の周辺構成要素が反復遂行により劣化し、その結果誤差が発生する恐れがある。このように、温度の影響や繰返し使用による劣化により、差動増幅段により検出されるバッテリーの電圧の精度が低下する場合がある。また、バッテリーのセルの電圧がキャパシタに印加される際の時間的な限界によって、セルの電圧が十分にキャパシタに充電されずに発生した誤差によって、バッテリーの電圧検出の正確性が低下する場合もある。このように、従来の差動増幅段を用いたバッテリー管理システムによるバッテリー電圧の検出においては、バッテリーの電圧を正確に検出することができない場合があり、問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電圧検出部の温度及び劣化による誤差を防止し、正確なセル電圧を検出することのできるバッテリー管理システム及びその作動方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数のセル及び上記複数のセルのそれぞれに連結される複数のセルリレーを含むバッテリー管理システムであって、上記複数のセルリレーのオフ時基準電圧を伝達されて上記基準電圧に対応する第１電圧を利得により増幅して第２電圧を生成する電圧検出部を含んで、上記電圧検出部の温度を測定するセンシング部（検知部）と、上記電圧検出部の温度が臨界温度範囲に含まれるとき、上記基準電圧に対する第２電圧の比に対応した有効利得を算出する演算処理部と、を含むことを特徴とするバッテリー管理システムが提供される。

このような本発明にかかるバッテリー管理システムによれば、電圧検出部の温度が臨界温度範囲に含まれるとき、有効利得を算出し直して、上記算出し直した有効利得を用いてバッテリーのセル電圧を検出する。これにより、例えば電圧検出部が温度の影響を受けてその内部に含まれる抵抗体の抵抗値が変更されたとしても、有効利得を補正してバッテリーのセル電圧を検出するので、セル電圧を正確に検出することができる。

ここで、上記電圧検出部の“利得”とは、上記電圧検出部に含まれる抵抗体の抵抗比である。また、上記“有効利得”とは、上記電圧検出部に入力される入力電圧に対する上記電圧検出部から出力される出力電圧の比である。

このとき、上記センシング部は、上記複数のセルのうち第１セルの電圧に対応する入力電圧を利得により増幅して出力電圧を生成することができる。また、上記演算処理部（ＭＣＵ；Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、上記第１セルの出力電圧と上記有効利得を用いて、上記第１セルの電圧を検出することができる。

また、上記センシング部は、上記第１セルと連結されて上記第１セルの電圧を伝達する第１リレーと、上記第１セルの電圧に対応する入力電圧を貯蔵するキャパシタと、上記入力電圧を利得により増幅して出力電圧を生成する差動増幅段と、上記キャパシタと上記差動増幅段を連結する第２リレーとを含むことができる。そして、上記セルリレーがオフであるときの上記基準電圧が上記第１リレーの入力端に伝達されるようにすれば、その時点での電圧検出部の抵抗値などの状態に対応した有効利得を算出することができる。

また、上記演算処理部は、イグニッションキーのキーオン時の第１有効利得を算出し、キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得と上記第１有効利得とを比較し、上記第１有効利得と上記時第２有効利得が同一でない場合、上記電圧検出部の回路に異常があるものと判断するように構成されるのがよい。これにより、バッテリーのセル電圧を検出する前に上記電圧検出部の異常を診断して、異常がある場合はセル電圧の検出を行わないようにすることができるので、セル電圧の検出における誤差を防止することができ、また、他の構成要素などに上記電圧検出部の異常が影響を及ぼすのを防止することができる。

このとき、上記臨界温度範囲は、上記電圧検出部の温度変化に応じて上記電圧検出部の利得が変わる温度範囲である。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数のセルに順次に連結され、上記複数のセルのうち第１セルの電圧に対応する入力電圧を伝達されて、利得により増幅して出力電圧を生成する電圧検出部を含むバッテリー管理システムの作動方法であって、イグニッションキーのキーオン時の第１有効利得を算出して、上記キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得を比較して、上記電圧検出部の回路の異常有無を診断する電圧検出部診断段階と、上記電圧検出部の温度を測定し、上記測定された温度が臨界温度範囲に属するとき、基準電圧を上記電圧検出部に伝達する基準電圧伝達段階と、上記伝達された基準電圧に対応する第１電圧を貯蔵する基準電圧貯蔵段階と、上記第１電圧を抵抗比により増幅して第２電圧を生成する電圧増幅段階と、上記基準電圧に対する上記第２電圧の比に対応した有効利得を算出する有効利得算出段階と、を含むことを特徴とするバッテリー管理システムの作動方法が提供される。

このような本発明にかかるバッテリー管理システムの作動方法によれば、電圧検出部の温度が臨界温度範囲に含まれるとき、有効利得を算出し直して、上記算出し直した有効利得を用いてバッテリーのセル電圧を検出する。これにより、例えば電圧検出部が温度の影響を受けてその内部に含まれる抵抗体の抵抗値が変更されたとしても、有効利得を補正してバッテリーのセル電圧を検出するので、セル電圧を正確に検出することができる。また、最初に上記電圧検出部の回路の異常有無を診断しているため、異常がある場合に後続の段階を行わないようにすれば、セル電圧の検出における誤差を防止することができ、また、他の構成要素などに上記電圧検出部の異常が影響を及ぼすのを防止することができる。

ここで、上記バッテリー管理システムの作動方法は、上記有効利得算出段階の後に、上記第１セルの出力電圧と上記有効利得を用いて、上記第１セルの電圧を検出するセル電圧検出段階を更に含むことができる。

また、上記電圧検出部診断段階の比較の結果、上記キーオン時の第１有効利得と上記キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一であれば、上記電圧検出部の回路に異常がないと判断して、上記基準電圧伝達段階を実行するようにするのがよい。

このとき、上記基準電圧伝達段階の臨界温度範囲は、上記電圧検出部の温度変化に応じて上記電圧検出部の利得が変わる温度範囲である。

以上説明したように本発明によれば、電圧検出部の温度変化に応じて有効利得を算出して、算出された有効利得を用いてバッテリーのセルの電圧を検出することにより、正確にバッテリーのセル電圧を検出することができるバッテリー管理システム及びその作動方法を提供できるものである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について当業者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかしながら、本発明は多様に異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。なお、図面では、本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略した。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

明細書全般にわたり、ある部分が他の部分と“連結”されると表現される時、これは“直接的に連結”されている場合だけでなく、その中間に他の素子を間において“電気的に連結”されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を“含む”とする時、これは特に反対となる記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素を更に含むことができることを意味する。

図１は本発明の実施の形態によるバッテリー管理システムと、バッテリー及びバッテリー管理システムの周辺装置を概略的に示す図面である。

図１に示すように、自動車システムは、バッテリー管理システム１、バッテリー２、電流センサー３、冷却ファン４、ヒューズ５、メインスイッチ６、ＭＴＣＵ（ＭｏＴｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７、インバータ８及びモータジェネレーター９を含む。

バッテリー２は、複数の電池セルが互いに直列に連結された複数のサブパック２ａ〜２ｈと、出力端子２＿ＯＵＴ１と、別の出力端子２＿ＯＵＴ２と、サブパック２ｄとサブパック２ｅとの間に設けられる安全スイッチ２＿ＳＷとを含む。ここで、サブパックは複数の電池セルを一つのグループとして表示したものに過ぎず、図１においては、複数のサブパックをサブパック２ａ〜２ｈと例示的に８個のサブパックとして表示しているが、かかる構成に限定されるものではない。また、安全スイッチ２＿ＳＷは、サブパック２ｄとサブパック２ｅとの間に設けられるスイッチであり、バッテリーを交替したり、バッテリーに対する作業を遂行する際の作業者の安全を確保するために、受動的にオン／オフされるスイッチである。本発明による実施形態では、サブパック２ｄとサブパック２ｅとの間に安全スイッチ２＿ＳＷを含んでいるが、本発明はこれに限定されるものではない。出力端子２＿ＯＵＴ１及び出力端子２＿ＯＵＴ２は、インバータ８に連結される。

電流センサー３は、バッテリー２の出力電流量を測定してバッテリー管理システム１のセンシング部（検知部）１０に出力する。具体的には、電流センサー３は、ホール素子を用いて電流を測定し、測定された電流に対応するアナログ電流信号として出力を行うホールＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であることができる。あるいは、電流センサー３は、ロードライン上に挿入された抵抗によって、流れる電流値に対して電圧信号を出すシャント抵抗であってもよい。

冷却ファン４は、バッテリー管理システム１の制御信号に基づいてバッテリー２の充放電により発生する熱を冷却し、温度上昇によるバッテリー２の劣化及び充放電効率の低下を防止する。

ヒューズ５は、バッテリー２の断線または短絡によって、過電流がバッテリー２に伝達されるのを防止する。つまり、過電流が発生するとヒューズ５が断線されて、過電流がバッテリー２に伝達されるのを遮断する。

メインスイッチ６は、過電圧、過電流、高温などの異常現象が発生した場合に、バッテリー管理システム１または自動車のＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２をオンまたはオフにすることができる。

バッテリー管理システム１は、センシング部（検知部）１０と、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０と、内部電源供給部３０と、セルバランシング部４０と、記憶部５０と、通信部６０と、保護回路部７０と、パワーオンリセット部８０と、外部インターフェース９０とを含む。

センシング部１０は、バッテリー電圧Ｖ、バッテリー電流ｉ及び、バッテリー温度Ｔを測定してＭＣＵ２０に伝達する。センシング部１０は、バッテリー２に含まれるバッテリーセル（例えば第１セル）の電圧に対応する入力電圧を利得により増幅して生成した出力電圧をＭＣＵ２０に伝達することができる。

ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０は、センシング部１０から伝達された上記出力電圧と有効利得を用いて、バッテリーのセルの電圧（例えば上記第１セルの電圧）を検出することができる。

ここで、ＭＣＵ２０は、バッテリーのセルの電圧を検出する前に、センシング部１０の電圧検出部１１６（詳細後述）の回路に異常があるか否かを診断する。本発明の実施形態による電圧検出部１１６の回路の異常とは、電圧検出部１１６の構成要素の間で発生し得る短絡または断線による回路上のエラーなどを含み、包括的な意味で様々な異常を含むことができる。

具体的には、ＭＣＵ２０は、自動車のイグニッションキーのキーオン時の第１有効利得を算出して、キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得と比較する。そして、上記比較の結果、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一でない場合、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常があるものと判断して、バッテリーのセル電圧の検出を終了する。一方、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一である場合、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常がないものと判断し、バッテリーのセル電圧の検出を行う。

次に、ＭＣＵ２０は、電圧検出部１１６の温度Ａを測定し、その温度を臨界温度範囲と比較して、有効利得の補正が必要であるか否かを判断する。本発明の実施形態による臨界温度範囲は、後述する差動増幅段１１５の抵抗体の抵抗値が温度により変化されて発生する誤差を考慮して設定されることができる。また、臨界温度範囲は、電圧検出部１１６の構成要素（キャパシタＣ１、第１リレー１１３及び第２リレー１１４）の反復遂行により発生する劣化による誤差を考慮して設定されることもできる。すなわち、臨界温度範囲は、電圧検出部１１６の利得が変わる温度範囲である。

ＭＣＵ２０は、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれなければ、直前まで用いた有効利得を信頼して、その有効利得を用いてバッテリーのセル電圧を検出する。

一方、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれれば、ＭＣＵ２０は有効利得の補正を行い、直前まで用いた有効利得を使用せずに、補正された有効利得を用いてバッテリーのセルの電圧を検出する。すなわち、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれるとき、差動増幅段１１５の抵抗体の抵抗値が温度により変化されたり、あるいは電圧検出部１１６の周辺構成要素（キャパシタＣ１、第１リレー１１３及び第２リレー１１４）が反復的な使用により劣化されている可能性があるため、有効利得の補正を行う。このように、ＭＣＵ２０は、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれるとき、変化された抵抗値に対応する補正された有効利得を算出して、その補正された有効利得を用いてバッテリーのセルの電圧を検出することができる。

また、ＭＣＵ２０は、センシング部１０から伝えられたバッテリーの電圧Ｖ、バッテリー電流ｉ及び、バッテリー温度Ｔより、バッテリーの充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｉｎｇ、以下ＳＯＣという。）及び、健康状態（または劣化状態、Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ、以下ＳＯＨという。）を推定して、バッテリーの充電及び放電を制御する。

内部電源供給部３０は、一般に、補助バッテリーを用いてバッテリー管理システム１に電源を供給する装置である。

セルバランシング部４０は、各セルの充電状態の均衡を合わせる役割を果たす。つまり、充電状態が比較的高いセルを放電させ、充電状態が比較的低いセルを充電させることにより、各バッテリーセル間に電圧差などが生じないようにして、バランスをとるようにすることができる。

記憶部（貯蔵部）５０には、バッテリー管理システム１の電源がオフにされる時、現在の（その時点での）ＳＯＣ、ＳＯＨなどのデータが保存（貯蔵）される。ここで、記憶部５０は、電気的に書き込み及び消去が可能な不揮発性記憶装置としてのＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）であることができる。

通信部６０は、自動車のＭＴＣＵ７と通信を行う。具体的には、通信部６０は、バッテリー管理システム１からＭＴＣＵ７にＳＯＣ及びＳＯＨに関する情報を伝送したり、ＭＴＣＵ７から自動車の状態に関する情報を受信してＭＣＵ２０に伝送することができる。

保護回路部７０は、ファームウエアを用いて、外部の衝撃、過電流、低電圧などからバッテリー２を保護するための回路である。

パワーオンリセット部８０は、バッテリー管理システム１の電源が点灯（オンに）された際に、バッテリー管理システム１全体をリセットする。

外部インターフェース９０は、冷却ファン４、メインスイッチ６などのバッテリー管理システムの補助装置をＭＣＵ２０に連結するための装置である。本実施形態では、補助装置として、冷却ファン４及びメインスイッチ６が示されているが、補助装置はこれらに限定されるものではない。

ＭＴＣＵ７は、自動車のアクセラレーター、ブレーキ、自動車速度などの情報に基づいて、現在の自動車の運行状態を把握して、必要なトルクレベル（トルク量）などの情報を決定する。具体的には、現在の自動車の運行状態とは、自動車の運転を始動する際のイグニッションキーのキーオン、自動車の運転を停止する際のイグニッションキーのキーオフ、従属運行（惰性走行）及び加速度運行（加速走行）などをいう。ＭＴＣＵ７は、自動車状態に関する情報をバッテリー管理システム１の通信部６０に伝送する。ＭＴＣＵ７は、モータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。つまり、ＭＴＣＵ７はインバータ８のスイッチングを制御して、モータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。

また、ＭＴＣＵ７は、バッテリー管理システム１の通信部６０によってＭＣＵ２０から伝えられるバッテリー２のＳＯＣを伝達されて、バッテリー２のＳＯＣが目標値（例えば５５％など）になるように制御する。例えば、ＭＣＵ２０から伝えられたＳＯＣが５５％以下であれば、インバータ８のスイッチを制御して電力がバッテリー２方向に出力されるようにしてバッテリー２を充電させることができる。このとき、バッテリーの電流は‘−’値で設定することができる。一方、ＳＯＣが５５％以上であれば、インバータ８のスイッチを制御して電力がモータジェネレーター９方向に出力されるようにしてバッテリー２を放電させることができる。このとき、バッテリーの電流は‘＋’値で設定することができる。

インバータ８は、ＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２が充電または放電されるようにする。

モータジェネレーター９は、バッテリー２の電気エネルギーを用いて、ＭＴＣＵ７から伝達されるトルク情報に基づいて、自動車を駆動させる。すなわち、自動車のイグニッションキーがキーオンになれば、メインスイッチ６がターンオンされ、バッテリーの電気的エネルギーがインバータ８を通してモータジェネレーター９に供給され、このように伝達された電気的エネルギーは、自動車が初期に起動するのに使用される。また、イグニッションキーがキーオフになれば、スイッチ６がターンオフされ、バッテリー２はフローティング状態になる。

結局、ＭＴＣＵ７はＳＯＣに基づいて、充放電できるパワーほど充放電することによってバッテリー２が過充電や過放電されることを防止して、バッテリー２を効率的に長い間使うことができるようにする。すなわち、ＳＯＣに基づいてそれぞれのバッテリーセルが過充電または過放電されないように充電量または放電量を制御することにより、バッテリーの寿命を短くしないようにすることができる。しかしながら、バッテリー２が自動車に装着された後にバッテリー２の実際のＳＯＣを測定するのは難しいため、バッテリー管理システム１は、センシング部１０にてセンシング（検知）したバッテリーのパック電圧、パック電流及び、セル温度などに基づいて、ＳＯＣを正確に推定してＭＴＣＵ７に伝達しなければならない。

次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態によるバッテリーの電圧検出過程を具体的に説明する。

ここで、図２及び図３の説明のために、本発明の実施形態で使用される用語について定義をする。臨界温度範囲は、電圧検出部の利得が変わる温度範囲である。かかる臨界温度範囲は、差動増幅段１１５の抵抗体の抵抗値が温度により変化されて発生する誤差及び、電圧検出部１１６の構成要素（キャパシタＣ１、第１リレー１１３及び、第２リレー１１４）の反復遂行により生じる劣化による誤差を考慮して設定される。かかる臨界温度範囲は、一定の時間間隔で測定された電圧検出部１１６の温度Ａと比較される。そして、電圧検出部１１６の有効利得は、上記臨界温度範囲と電圧検出部１１６の温度Ａとの比較結果に応じて決定される。

図２は、本発明の実施形態によるバッテリー管理システムのセンシング部１０の電圧センシング部（電圧検知部）１１０を概略的に示した図面である。

図２に示されたように、電圧センシング部１１０は、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０と、補助電源部１１２１と、基準電圧伝達部１１２２と、第１リレー１１３と、第２リレー１１４と、キャパシタＣ１と、差動増幅段１１５とを含む。また、電圧センシング部１１０は、ＭＣＵ２０から制御信号を伝達される。

セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０は、バッテリー２の複数のセルＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４０にそれぞれ連結される。第１リレー１１３は、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０を介してセルＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４０と連結され、セルＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４０の電圧を伝達することができる。キャパシタＣ１は、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０と連結され、入力された電圧を貯蔵することができる。差動増幅段１１５は、入力された電圧を利得により増幅して出力電圧を生成することができる。第２リレー１１４は、キャパシタＣ１及び差動増幅段１５と連結される。従って、バッテリー２のセル（例えば第１セル）の電圧は、第１リレー１１３により伝達されてキャパシタＣ１に貯蔵される。そして、キャパシタＣ１に貯蔵された第１セルの電圧に対応する電圧は、第２リレー１１４により差動増幅段１１５に伝達され、差動増幅段１１５にて利得によって増幅されて出力電圧が出力される。

以下、ＭＣＵ２０で生成されて、電圧センシング部１１０に伝達される制御信号について具体的に説明する。

ＭＣＵ２０は、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０を制御するための第１制御信号を生成して伝達する。その結果、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０は、第１制御信号に応答してバッテリーの複数のセルと電圧検出部１１６とを順次連結する。

また、ＭＣＵ２０は、基準電圧伝達部１１２２を制御するための第２制御信号を生成して伝達する。その結果、基準電圧伝達部１１２２は第２制御信号に応答して補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆを電圧検出部１１６に伝達する。

更に、ＭＣＵ２０は、第１リレー１１３を制御するための第３制御信号を生成して伝達する。その結果、第１リレー１１３は第３制御信号に応答して電圧検出部１１６に印加された入力電圧をキャパシタＣ１に伝達する。

そして、ＭＣＵ２０は、第２リレー１１４を制御するための第４制御信号を生成して伝達する。その結果、第２リレー１１４は第４制御信号に応答してキャパシタＣ１に貯蔵された電圧を差動増幅段１１５に伝達する。

本発明の実施形態による差動増幅段１１５における“増幅”の意味は、電圧の“増加及び減少”を含む包括的な意味である。そして、差動増幅段１１５の出力電圧は、利得の値により“増加及び減少”することができ、理解の便宜のために通常使う“差動増幅”という用語を使った。そして、一つ以上の抵抗体を含む差動増幅段１１５は、抵抗体の抵抗値の比によって入力電圧を増幅して、出力電圧を生成するが、以下、本発明の実施形態による差動増幅段１１５の抵抗体の抵抗比は、“利得”として定義して用いる。一方、電圧検出部１１６の出力電圧を入力電圧で除算して算出された値、つまり、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎで算出された値は、“有効利得”として定義して用いる。

セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０は、バッテリーの各セルの正極端子及び負極端子にそれぞれ連結される。そして、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０は、ＭＣＵ２０からの第１制御信号に応答して、バッテリーのセル電圧を電圧検出部１１６に伝達する。

基準電圧伝達部１１２２は、ＭＣＵ２０からの第２制御信号によって制御され、補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆを第２制御信号に応じて電圧検出部１１６に伝達する。本発明の実施形態による基準電圧伝達部１１２２は、第２制御信号に応答して導通されるリレーを含むことができる。この場合、第２制御信号の電圧レベルによりリレーの導通が決定されるようにすることができる。電圧検出部１１６に伝達される補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆは、電圧検出部１１６の回路に異常があるか否かを判断するために電圧検出部１１６に伝えられる。また、基準電圧Ｖｒｅｆは、電圧検出部１１６に伝えられて、電圧検出部１１６の温度Ａの変化に応じた有効利得を算出する際にも用いられる。

電圧検出部１１６は、キャパシタＣ１、第１リレー１１３、第２リレー１１４及び、差動増幅段１１５を含み、ＭＣＵ２０から制御信号を伝達される。以下、制御信号に応答して動作する電圧検出部１１６について具体的に説明する。

第１リレー１１３は、第３制御信号に応答して、電圧検出部１１６に伝えられた入力電圧ＶｉｎをキャパシタＣ１に伝達する。ここで、上記入力電圧は、バッテリー２に含まれるセル（例えば第１セル）の電圧に対応する入力電圧であることができる。そして、キャパシタＣ１は、伝達された入力電圧に対応する電圧を貯蔵する。このとき、第２リレー１１４は、第４制御信号に応答して、キャパシタＣ１に貯蔵された電圧を差動増幅段１１５に伝達する。その結果、差動増幅段１１５は、伝達された電圧を利得により増幅して、出力電圧Ｖｏｕｔを生成することができる。

Ａ／Ｄコンバータ１２０は、差動増幅段１１５から伝えられた出力電圧をＭＣＵ２０が認識できるように変換してＭＣＵ２０に伝達する。

次に、キーオン時のバッテリーのセルの電圧を検出する過程について具体的に説明する。以下では、バッテリーのセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧を検出する場合を例にとって説明する。

ＭＣＵ２０は、キーオン時のバッテリーのセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧を検出する前に、電圧検出部１１６の回路に異常があるか否かを判断するために、キーオン時の第１有効利得を算出して、キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得と比較する。

上記キーオン時の第１有効利得を算出するために、先ず、基準電圧伝達部１１２２が第２制御信号に応答して補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆを電圧検出部１１６に伝達する。そして、電圧検出部１１６は、伝達された基準電圧Ｖｒｅｆを利得により増幅して、出力電圧を生成してＭＣＵ２０に伝達する。そして、ＭＣＵ２０は、電圧検出部１１６から伝達された上記出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆで除算して、キーオン時の第１有効利得を算出する。

次に、ＭＣＵ２０はキーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得を比較する。比較の結果、キーオン時の第１有効利得がキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得と同一でなければ、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常があるものと判断して、バッテリーと連結されたセルリレー１１１＿１〜１１１＿４０をオフにして、バッテリーのセルの電圧検出を終了する。

一方、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一であれば、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常がないものと判断する。そして次に、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の温度Ａを測定し、測定された温度Ａを臨界温度範囲と比較して、有効利得の補正が必要であるか否かを判断する。

具体的には、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれなければ、ＭＣＵ２０は直前まで用いた有効利得を信頼し、有効利得の補正を行わずに、直前に用いた有効利得を用いてバッテリーのセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧を検出する。一方、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれる場合、ＭＣＵ２０は有効利得の補正が必要であると判断し、新たな有効利得を算出する。すなわち、ＭＣＵ２０は、電圧検出部１１６の差動増幅段１１５に含まれる抵抗体及び周辺構成要素（キャパシタＣ１、第１リレー１１３及び第２リレー１１４）の反復遂行により発生する劣化によって、抵抗値が変化されたと判断して、変化された抵抗値に対応する有効利得を算出する。

この時、ＭＣＵ２０は、バッテリーのセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧を検出するために、第１制御信号をセルリレー２０（１１１＿２０）に伝達する。その結果、セルリレー２０（１１１＿２０）は導通されて、セル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧が電圧検出部１１６に伝達される。この時、ＭＣＵ２０は第３制御信号を電圧検出部１１６に伝達して、第１リレー１１３を導通させる。これにより、導通された第１リレー１１３は電圧検出部１１６に伝えられたセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧をキャパシタＣ１に伝達する。そして、キャパシタＣ１は、上記伝達されたセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧に対応する電圧を所定の時間だけ貯蔵する。その後、ＭＣＵ２０は第４制御信号を電圧検出部１１６に伝達して、第２リレー１１４を導通させる。その結果、導通された第２リレー１１４はキャパシタＣ１に貯蔵された電圧を差動増幅段１１５に伝達する。この時、差動増幅段１１５は伝えられた電圧を利得により増幅して、出力電圧を生成し、生成された出力電圧をＡ／Ｄコンバータ１２０に伝達する。そして、Ａ／Ｄコンバータ１２０は、伝えられた出力電圧をＭＣＵ２０が認識できるように変換する。この時、ＭＣＵ２０は、伝達されたセル２０（ＣＥＬＬ２０）の出力電圧に有効利得を乗算してバッテリーのセル２０（ＣＥＬＬ２０）の電圧を検出する。

以上のように、本発明の実施の形態によれば、基準電圧Ｖｒｅｆは電圧検出部１１６の入力端に伝達され、上記伝達された基準電圧Ｖｒｅｆを用いて電圧検出部１１６における短絡または断線などによる回路の異常の有無を検知している。これにより、バッテリーのセルの電圧測定時に発生し得る異常電圧による誤差を減らして、より正確にバッテリーのセルの電圧を検出することができる。

図３は、本発明の実施形態によるバッテリー管理システムの作動方法におけるバッテリーの電圧検出過程を示すフローチャートである。

先ず、ＭＣＵ２０は、キーオンされたか否かを判断する（Ｓ１００）。上記キーオン判定段階（Ｓ１００）の結果、キーオンされていない場合は、キーオン判定段階（Ｓ１００）に戻り、キーオン判定段階（Ｓ１００）から再び開始する。

キーオン判定段階（Ｓ１００）の結果、キーオンされていれば、ＭＣＵ２０は、キーオン時第１有効利得を算出するために、第１制御信号を伝達して、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０をオフにする（Ｓ１１０）。

次に、キーオン時の第１有効利得の算出を行う（Ｓ１２０）。上記第１有効利得算出段階（Ｓ１２０）では、先ず、基準電圧伝達部１１２２が第２制御信号に応答して補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆを電圧検出部１１６に伝達する。そして、電圧検出部１１６は伝えられた基準電圧Ｖｒｅｆに対応する電圧を利得により増幅して、出力電圧を生成してＭＣＵ２０に伝達する。その後、ＭＣＵ２０は上記出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆで除算して、キーオン時の第１有効利得を算出する（Ｓ１２０）。

次に、ＭＣＵ２０は、算出されたキーオン時Ｂの第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得とを比較する（Ｓ１３０）。上記有効利得比較段階（Ｓ１３０）において、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一である場合、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常がないものと判断し、同一でない場合、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常があるものと判断する。上記のような電圧検出部診断段階（Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０）にて、ＭＣＵ２０は電圧検出部１６０の異常の有無を診断する。

有効利得比較段階（Ｓ１３０）の結果、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一でない場合、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の回路に異常があるものと判断する（Ｓ２４０）。そして、ＭＣＵ２０は、第１制御信号を伝達して、セルリレー（１１１＿１〜１１１＿４０）をオフにして、バッテリーのセルの電圧検出を終了する（Ｓ２５０）。

一方、有効利得比較段階（Ｓ１３０）の結果、キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一であれば、ＭＣＵ２０は電圧検出部１１６の温度Ａを測定する（Ｓ１４０）。上記温度測定段階（Ｓ１４０）の次に、ＭＣＵ２０は測定された電圧検出部１１６の温度Ａと臨界温度範囲とを比較する（Ｓ１５０）。

上記温度比較段階（Ｓ１５０）の結果、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれない場合、ＭＣＵ２０は現在有効利得を信頼し、電圧を検出しようとするセルに対応するセルリレー１１１＿１〜１１１＿４０を導通させて、セルの電圧を電圧検出部１１６に伝達する。次に、ＭＣＵ２０は第１リレー１１３を導通させる一方で、第２リレー１１４を遮断させ、伝えられたセル電圧に対応する電圧がキャパシタＣ１に貯蔵されるように電圧の貯蔵を開始する（Ｓ１７０）。この時、ＭＣＵ２０は、伝えられたセル電圧に対応する電圧がキャパシタＣ１に貯蔵されるように、所定の時間だけ経過されるようにして、電圧がキャパシタＣ１に貯蔵されるようにする（Ｓ１８０）。上記電圧貯蔵段階（Ｓ１０）が終了すると、ＭＣＵ２０は第１リレー１１３を遮断させる一方で、第２リレー１１４を導通させ、キャパシタＣ１に貯蔵された電圧が差動増幅段１１５の入力端に伝達されるようにする（Ｓ１９０）。

これにより、差動増幅段１１５は、伝えられた電圧を利得により増幅して出力電圧を生成する（Ｓ２００）。上記電圧増幅段階（Ｓ２００）にて生成された出力電圧が差動増幅段１１５から出力されると、ＭＣＵ２０は、第３制御信号及び第４制御信号を伝達して、第１リレー１１３及び第２リレー１１４を遮断させる（Ｓ２１０）。次に、ＭＣＵ２０は、伝えられた出力電圧に有効利得を乗算してバッテリーのセルの電圧を検出するセル電圧検出段階（Ｓ２２０）を実行する。

次に、ＭＣＵ２０はキーオフの状態であるか否かを判断する（Ｓ２３０）。上記キーオフ判断段階（Ｓ２３０）の結果、キーオフの状態であれば、ＭＣＵ２０はバッテリーの電圧検出過程を終了する。

一方、キーオフ判断段階（Ｓ２３０）の結果、キーオフの状態でなければ、ＭＣＵ２０は、温度測定段階（Ｓ１４０）に戻り、次のバッテリーのセル電圧を検出する。

一方、温度比較段階（Ｓ１５０）の結果、電圧検出部１１６の温度Ａが臨界温度範囲に含まれる場合、ＭＣＵ２０は、差動増幅段１１５の抵抗体及び周辺構成要素（Ｃ１、１１３及び１１４）の反復遂行により発生する劣化によって抵抗値が変化されたと判断して、変化された抵抗値に対応する有効利得を算出する（Ｓ１６０）。

以下に、温度変化に応じた有効利得を算出する上記有効利得算出段階（Ｓ１６０）について詳細に説明する。

先ず、ＭＣＵ２０は、第１制御信号を伝達して、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０をオフにさせる。次に、基準電圧伝達部１１２２は、第２制御信号に応答して補助電源部１１２１の基準電圧Ｖｒｅｆを電圧検出部１１６に伝達する（基準電圧伝達段階）。そして、電圧検出部１１６は、上記伝達された基準電圧Ｖｒｅｆに対応する第１電圧をキャパシタＣ１に貯蔵する（基準電圧貯蔵段階）。その後、上記貯蔵された第１電圧を、差動増幅段１１５の抵抗体及び電圧検出部１１６の構成要素（Ｃ１、１１３及び１１４）の反復遂行によって発生する劣化による抵抗体の抵抗比により増幅して、出力電圧（第２電圧）を生成する（基準電圧増幅段階）。そして、上記生成された出力電圧をＭＣＵ２０に伝達する。その後、ＭＣＵ２０は、伝えられた出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆで除算して、有効利得を算出する（Ｓ１６０）。

上記のようにして新しい有効利得が算出されると、バッテリーのセル電圧の検出は、上記新しい有効利得を用いて行われる。先ず、ＭＣＵ２０は電圧を検出しようとするセルに対応するセルリレー１１１＿１〜１１１＿４０を導通させて、セルの電圧を電圧検出部１１６に伝達する。そして、ＭＣＵ２０は第１リレー１１３を導通させる一方で第２リレー１１４を遮断させ、伝達されたセルの電圧に対応する電圧をキャパシタＣ１に貯蔵する（Ｓ１７０）。この時、ＭＣＵ２０は、伝えられたセルの電圧に対応する電圧がキャパシタＣ１に貯蔵されるように、所定の時間が経過してから、第１リレー１１３を遮断させて第２リレー１１４を導通させることにより、キャパシタＣ１に貯蔵された電圧を差動増幅段１１５の入力端に伝達する（Ｓ１８０及びＳ１９０）。その後、差動増幅段１１５は、伝えられた電圧を利得により増幅して、出力電圧を生成する（Ｓ２００）。そして、差動増幅段１１５から出力電圧が検出されると、ＭＣＵ２０は第３制御信号及び第４制御信号を伝達して、第１リレー１１３及び第２リレー１１４を遮断させる（Ｓ２１０）。その後、ＭＣＵ２０は、伝達された出力電圧に温度変化に応じて算出された有効利得を乗算してバッテリーのセルの電圧を検出する（Ｓ２２０）。

次に、ＭＣＵ２０は、キーオフの状態であるか否かを判断する（Ｓ２３０）。キーオフ判断段階（Ｓ２３０）の結果、キーオフの状態であれば、ＭＣＵ２０はバッテリーの電圧検出過程を終了する。一方、キーオフ判断段階（Ｓ２３０）の結果、キーオフの状態でなければ、ＭＣＵ２０は、温度測定段階（Ｓ１４０）に戻り、次のバッテリーのセル電圧を検出する。

本発明の実施形態においては、バッテリーのセルの数は４０個であり、セルリレー１１１＿１〜１１１＿４０の数も４０個であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッテリーを構成する総セルの個数に対応して、セルリレーの数を調節することができる。このとき、バッテリーのセルの個数に対応するセルリレー１１１＿１〜１１１＿４０の出力端は互いに連結され、補助電源部１１２１及び電圧検出部１１６と順次に連結されて、バッテリーのセルの電圧を検出することができる。また、電圧検出部１１６の温度変化に応じて有効利得を算出して、算出された有効利得を用いてバッテリーのセルの電圧を検出するので、より正確にバッテリーのセルの電圧を検出することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明はバッテリー管理システムに適用可能であり、特に動力として電気エネルギーを使用する自動車、例えばハイブリッドカーなどに搭載されたバッテリーのバッテリー管理システム及びその作動方法に適用可能である。

本発明の実施の形態によるバッテリー管理システムと、バッテリー及びバッテリー管理システムの周辺装置を概略的に示す図面である。 本発明の実施の形態によるバッテリー管理システムのセンシング部の電圧センシング部を概略的に示す図面である。 本発明の実施形態によるバッテリー管理システムの作動方法におけるバッテリーの電圧検出過程を示すフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリー管理システム
２ バッテリー
２ａ〜２ｈ サブパック
２＿ＯＵＴ１ 出力端子
２＿ＯＵＴ２ 出力端子
２＿ＳＷ 安全スイッチ
３ 電流センサー
４ 冷却ファン
５ ヒューズ
６ メインスイッチ
７ ＭＴＣＵ（ＭｏＴｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
８ インバータ
９ モータジェネレーター
１０ センシング部（検知部）
２０ ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
３０ 内部電源供給部
４０ セルバランシング部
５０ 記憶部
６０ 通信部
７０ 保護回路部
８０ パワーオンリセット部
９０ 外部インターフェース
１１０ 電圧センシング部（電圧検知部）
１１１＿１〜１１１＿４０ セルリレー
１１２ 基準電圧部
１１３ 第１リレー
１１４ 第２リレー
１１５ 差動増幅段
１１６ 電圧検出部
１２０ Ａ／Ｄコンバータ
１１２１ 補助電源部
１１２２ 基準電圧伝達部
Ａ 電圧検出部の温度
Ｃ１ キャパシタ
ＣＥＬＬ１〜２０ バッテリーのセル
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｖｒｅｆ 基準電圧
Ｔ バッテリーの温度
Ｖ バッテリーの電圧
ｉ バッテリーの電流

Claims (10)

1. 複数のセル及び前記複数のセルのそれぞれに連結される複数のセルリレーを含むバッテリー管理システムであって、
   前記複数のセルリレーのオフ時基準電圧を伝達されて前記基準電圧に対応する第１電圧を利得により増幅して第２電圧を生成する電圧検出部を含んで、前記電圧検出部の温度を測定するセンシング部と、
   前記電圧検出部の温度が臨界温度範囲に含まれるとき、前記基準電圧に対する第２電圧の比に対応した有効利得を算出する演算処理部と、
   を含むことを特徴とするバッテリー管理システム。
2. 前記センシング部は、
   前記複数のセルのうち第１セルの電圧に対応する入力電圧を利得により増幅して、出力電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリー管理システム。
3. 前記演算処理部は、
   前記第１セルの出力電圧と前記有効利得を用いて、前記第１セルの電圧を検出することを特徴とする請求項２に記載のバッテリー管理システム。
4. 前記センシング部は、
   前記第１セルと連結され、前記第１セルの電圧を伝達する第１リレーと、
   前記第１セルの電圧に対応する入力電圧を貯蔵するキャパシタと、
   前記入力電圧を利得により増幅して出力電圧を生成する差動増幅段と、
   前記キャパシタと前記差動増幅段を連結する第２リレーとを含み、
   前記基準電圧は前記第１リレーの入力端に伝達されることを特徴とする請求項３に記載のバッテリー管理システム。
5. 前記演算処理部は、
   イグニッションキーのキーオン時の第１有効利得を算出し、キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得と前記第１有効利得とを比較し、
   前記第１有効利得と前記時第２有効利得が同一でない場合、前記電圧検出部の回路に異常があるものと判断することを特徴とする請求項４に記載のバッテリー管理システム。
6. 前記臨界温度範囲は、
   前記電圧検出部の温度変化に応じて前記電圧検出部の利得が変わる温度範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリー管理システム。
7. 複数のセルに順次に連結され、前記複数のセルのうち第１セルの電圧に対応する入力電圧を伝達されて、利得により増幅して出力電圧を生成する電圧検出部を含むバッテリー管理システムの作動方法であって、
   イグニッションキーのキーオン時の第１有効利得を算出して、前記キーオン時の第１有効利得とキーオン直前のキーオフ時の第２有効利得を比較して、前記電圧検出部の回路の異常有無を診断する電圧検出部診断段階と、
   前記電圧検出部の温度を測定し、前記測定された温度が臨界温度範囲に属するとき、基準電圧を前記電圧検出部に伝達する基準電圧伝達段階と、
   前記伝達された基準電圧に対応する第１電圧を貯蔵する基準電圧貯蔵段階と、
   前記第１電圧を抵抗比により増幅して第２電圧を生成する電圧増幅段階と、
   前記基準電圧に対する前記第２電圧の比に対応した有効利得を算出する有効利得算出段階と、
   を含むことを特徴とするバッテリー管理システムの作動方法。
8. 前記有効利得算出段階の後に、
   前記第１セルの出力電圧と前記有効利得を用いて、前記第１セルの電圧を検出するセル電圧検出段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載のバッテリー管理システムの作動方法。
9. 前記電圧検出部診断段階の比較の結果、
   前記キーオン時の第１有効利得と前記キーオン直前のキーオフ時の第２有効利得が同一であれば、前記電圧検出部の回路に異常がないと判断して、前記基準電圧伝達段階を実行することを特徴とする請求項７に記載のバッテリー管理システムの作動方法。
10. 前記基準電圧伝達段階の臨界温度範囲は、
    前記電圧検出部の温度変化に応じて前記電圧検出部の利得が変わる温度範囲であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のバッテリー管理システムの作動方法。

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