JP5126251B2 - 電池電圧監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池電圧監視装置に関する。

従来より、複数直列接続された電池セルの状態を監視する監視ＩＣ（Integrated Circuit）を備えた容量調整装置が、例えば特許文献１で提案されている。この容量調整装置では、監視ＩＣ毎に同じ数の電池セルが割り振られている。

そして、容量調整装置が監視ＩＣの動作電源を監視対象の電池セルから取得する場合、監視ＩＣの消費電流のばらつきが発生する。したがって、容量調整装置は、電池セルの容量を均等化する際、上記監視ＩＣの消費電流のバラツキを考慮して電池セルの放電制御を行うことが提案されている。

特開２００７−２４４０５８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、監視ＩＣ毎に同じ数の電池セルが割り振られているが、監視ＩＣに必要とされる電池セル数は監視ＩＣに常に均等に割り振られるとは限らない。すなわち、監視ＩＣに接続される電池セル数が監視ＩＣ毎に異なることにより、監視ＩＣ間の消費電流が異なる現象が発生する。これは、監視ＩＣの内部には抵抗負荷が存在し、印加される電圧が高いほど消費電流が大きくなるからである。結果として、そのまま監視ＩＣの使用を続けると監視ＩＣ間でのセル電圧にバラツキが発生するため、監視ＩＣ間の電圧均等化制御が必要となり、その頻度を高めることになる。

そして、電池セルのセル電圧の均等化を精度良く実施するためには車両停止時に実施する必要がある。大容量電池セルの均等化にはある程度の時間が必要であり、均等化の頻度が高いと、連続稼動するタクシー等の用途に際しては精度良く均等化する時間を確保できない可能性がある。

なお、容量調整装置が車両に搭載された場合だけでなく、工場等の設備として用いられる場合に連続稼動する際にも上記と同様の問題が起こりうる。

本発明は上記点に鑑み、複数の監視ＩＣ間で消費電流のバラツキが発生しないようにすることができる電池電圧監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の監視ＩＣそれぞれは、監視対象の電池セルにより構成されるブロックから動作電源を取得すると共に、当該動作電源に基づいて消費される消費電流を目標値に調節する消費電流可変回路を有していることを特徴とする。

これによると、各監視ＩＣは消費電流可変回路によって消費電流が目標値となるように消費電流を可変することができるので、監視ＩＣ毎に異なる数の電池セルが接続されたとしても、各監視ＩＣの消費電流が揃うようにすることができる。したがって、各監視ＩＣ間で消費電流のバラツキが発生しないようにすることができる。

また、請求項１に記載の発明では、消費電流可変回路は、ブロックを放電させることにより消費電流を目標値に調節する放電回路を備えていることを特徴とする。

このように、放電回路によってブロックを放電させることで、監視ＩＣの消費電流を調節することができる。

さらに、請求項１に記載の発明では、消費電流可変回路は、ブロックの電圧を検出するブロック電圧検出回路と、ブロックの電圧に基づいて当該ブロックを構成する電池セルの数を検知し、検知した電池セルの数に基づいて消費電流が目標値となるようにブロックの放電量を設定し、当該放電量を放電回路に放電させる放電目標設定回路と、を備えていることを特徴とする。

このように、ブロックを構成する電池セルの数に基づいてブロックの放電量を決定しているので、監視ＩＣ毎に消費電流が目標値となるように消費電流を可変することができ、各監視ＩＣ間で消費電流のバラツキが発生しないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、消費電流可変回路は、監視ＩＣの温度を検出する温度検出回路を備えており、放電目標設定回路は、検知した電池セルの数と温度検出回路で検出された監視ＩＣの温度に基づいて目標値を設定することを特徴とする。

これによると、消費電流は監視ＩＣの温度に相関があるので、放電目標設定回路により監視ＩＣの温度を加味した目標値を設定することにより、消費電流の目標値の精度を高めることができる。

請求項３に記載の発明では、複数の監視ＩＣそれぞれは、放電目標設定回路により設定した消費電流の目標値を他の監視ＩＣに出力すると共に、他の監視ＩＣから消費電流の目標値を入力することにより、複数の監視ＩＣにおいて消費電流の目標値を共有するようになっている。そして、放電目標設定回路は、複数の監視ＩＣの各消費電流の目標値のうち最も大きい値を消費電流の目標値とし、消費電流がこの目標値となるように放電回路に放電させることを特徴とする。

このように、各監視ＩＣの消費電流の目標値を、各監視ＩＣで設定された最も大きい値に統一できるので、各監視ＩＣで最も効率的に消費電流を合わせることができる。

本発明の第１実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。 本発明の第２実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。この図に示されるように、電池電圧監視システムは、組電池１０と電池電圧監視装置２０とを備えて構成されている。

組電池１０は、最小単位である電池セル１１が直列に複数接続されて構成されており、所定数の電池セル１１毎にグループ化されたブロック１２の直列接続体である。電池セル１１として充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。

本実施形態では、ブロック１２毎に電池セル１１の数が異なっている。例えば、図１に示されるように、一方のブロック１２は６個の電池セル１１により構成され、他方のブロック１２は４個の電池セル１１により構成されている。

電池電圧監視装置２０は、例えば、組電池１０の残存容量検出機能、二次電池である電池セル１１の過充電および過放電を検出する過充放電検出機能、装置の故障を検出する故障診断機能等を有する装置である。

組電池１０の残存容量検出機能は、二次電池である電池セル１１で構成される組電池１０全体の残存容量（State of Charge；ＳＯＣ）を検出する機能である。残存容量は、組電池１０の電圧や組電池１０に流れる電流から求められる。

過充放電検出機能は、電池セル１１のセル電圧と閾値とを比較することにより電池セル１１の電圧の監視を行う機能である。電池セル１１が二次電池の場合、電池電圧監視装置２０は電池セル１１のセル電圧が過充電を検出する閾値と過放電を検出する閾値との間つまり所定範囲にあるかを監視することとなる。また、故障診断機能は、電池電圧監視装置２０を構成する回路の一部が何らかの原因で故障したことを検出する機能である。

このような各機能を実現するため、電池電圧監視装置２０は、複数の監視ＩＣ３０と、マイクロコンピュータ４０（以下、マイコン４０という）と、を備えている。

監視ＩＣ３０は、監視対象の電池セル１１により構成されるブロック１２から動作電源を取得することにより動作する回路部品である。また、監視ＩＣ３０は、マイコン４０の制御信号に従って、各電池セル１１のセル電圧の検出、電池セル１１に流れる電流の検出、各電池セル１１のセル電圧の均等化等を行う回路であり、各ブロック１２にそれぞれ対応して設けられている。

そして、電池セル１１の正極と負極にそれぞれ配線が接続されている。また、上述のように、各電池セル１１はそれぞれ直列接続されているので、ブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極と最も低電圧側の電池セル１１の負極とにそれぞれ接続された配線以外の配線については、一方の電池セル１１の負極に接続される配線と他方の電池セル１１の正極に接続される配線とが共通化されて１本の配線とされている。

このような監視ＩＣ３０は、電源負荷部３１と消費電流可変回路３２とを有している。このうち、電源負荷部３１は、ブロック１２から取得した動作電源から一定電圧を生成する回路や監視ＩＣ３０を動作させるための回路が設けられた回路部である。この電源負荷部３１には各電池セル１１のセル電圧の検出を行う回路等の負荷が含まれ、この負荷の動作に応じて監視ＩＣ３０で消費される消費電流が変化する。

消費電流可変回路３２は、ブロック１２の動作電源に基づいて監視ＩＣ３０で消費される消費電流を目標値に調節する回路である。すなわち、消費電流可変回路３２は、ブロック１２を放電させることで、監視ＩＣ３０の消費電流を可変できる回路である。このような消費電流可変回路３２は、シャント抵抗３３と、消費電流測定回路３４と、放電回路３５と、を備えている。

シャント抵抗３３は、監視ＩＣ３０で消費される消費電流を検出するために用いられる抵抗である。このシャント抵抗３３は、一方がブロック１２のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極側に接続され、他方が電源負荷部３１に接続されている。したがって、監視ＩＣ３０で消費される消費電流がブロック１２からシャント抵抗３３を介して電源負荷部３１に流れる。

消費電流測定回路３４は、シャント抵抗３３の両端の電圧を検出し、この電圧差に基づいてシャント抵抗３３に流れる消費電流を所定の頻度で測定する回路である。このため、消費電流測定回路３４は、シャント抵抗３３の両端に接続されている。また、消費電流測定回路３４は、測定結果に基づいて消費電流が目標値となるようにブロック１２の放電量を決定し、この放電量を放電回路３５に放電させる。

放電回路３５は、消費電流測定回路３４の指令に従ってブロック１２を放電させることにより消費電流を目標値に調節する回路である。このような放電回路３５は、ブロック１２の両端に接続され、ブロック１２の正極側から放電回路３５を介してブロック１２の負極側に電流が流れるように構成されている。

具体的には、放電回路３５は、シャント抵抗３３と電源負荷部３１との間に接続されると共に、ブロック１２のうち最も低電圧側の電池セル１１の負極に接続されている。これにより、ブロック１２からシャント抵抗３３を介して流れる電流が、放電回路３５と電源負荷部３１との分岐点から放電回路３５側に流れることによってブロック１２が放電回路３５により放電される。

放電回路３５は、例えばトランジスタを備えた回路として構成され、消費電流測定回路３４の指令によってトランジスタがオンすることにより放電電流を流すようになっている。

マイコン４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って上記各機能を実行する制御回路である。このようなマイコン４０は、監視ＩＣ３０に対して制御信号を出力することにより、監視ＩＣ３０に各電池セル１１のセル電圧の検出等の所望の処理を実行させる。

そして、マイコン４０は、監視ＩＣ３０に対して各電池セル１１のセル電圧を検出する指令や電池セル１１に流れる電流を検出する指令を出すことで監視ＩＣ３０から電池セル１１に関するデータを取得する。これにより、マイコン４０は、残存容量の演算（組電池状態監視）、過充放電判定、故障判定や均等化制御等の処理を行う。

上記構成の電池電圧監視装置２０において、各監視ＩＣ３０は、各監視ＩＣ３０間で相互に通信できるように構成されている。具体的に、各監視ＩＣ３０それぞれは、消費電流測定回路３４で測定した消費電流のデータ（測定結果）が含まれた通信データを出力すると共に、他の監視ＩＣ３０から当該他の監視ＩＣ３０が測定した消費電流のデータ（測定結果）が含まれた通信データを入力する。このように各監視ＩＣ３０は、消費電流測定回路３４で測定した消費電流について相互にデータのやりとりを行うことで、各監視ＩＣ３０の消費電流のデータ（測定結果）を共有する。

そして、消費電流測定回路３４は、各監視ＩＣ３０間の相互通信により得られた各監視ＩＣ３０の測定結果のうち最も大きい消費電流を目標値に設定し、この目標値となるように放電量を決定する。このように、本実施形態では、「目標値」は、各監視ＩＣ３０の消費電流のうち最大の消費電流の値であり、この値が各監視ＩＣ３０の共通の目標値となる。したがって、各監視ＩＣ３０の各消費電流測定回路３４は、消費電流の目標値が各監視ＩＣ３０のうち最も消費電流が大きい値となるように、決定した放電量を放電回路３５に放電させる。

以上のように、各監視ＩＣ３０がそれぞれ自己の消費電流を消費電流測定回路３４で測定し、その測定結果を各監視ＩＣ３０間で共有することで、各監視ＩＣ３０における消費電流の目標値を最大消費電流に設定することができる。このように、各監視ＩＣ３０は消費電流可変回路３２の放電回路３５によって消費電流が目標値となるように自己の消費電流を自由に可変することができるので、監視ＩＣ３０毎に異なる数の電池セル１１が接続されたとしても、各監視ＩＣ３０の消費電流を揃えることができる。したがって、各監視ＩＣ３０間で消費電流のバラツキが発生しないようにすることができる。

また、各セル監視ＩＣ３０の消費電流の目標値を、各セル監視ＩＣ３０で測定された最も大きい消費電流に揃えるため、各セル監視ＩＣ３０の消費電流を最も効率的に合わせることができる。

そして、本実施形態のように各監視ＩＣ３０に消費電流を可変できる消費電流可変回路３２を設けることで、各監視ＩＣ３０の消費電流が揃うと共に各監視ＩＣ３０で消費電流のバラツキが発生しないので、各監視ＩＣ３０においてセル電圧の均等化制御そのものが不要なったり、均等化制御を行う機会が少なくなる。このため、連続稼動するタクシー等のように、精度良く均等化する時間を確保できない可能性がある用途で使用される組電池１０については、均等化制御そのものを無くすことができるので、車両の連続使用が可能となる。さらに、複数の電池セル１１のいずれかが過放電になったり過充電になったりする等の不都合も生じない。

また、本実施形態では、シャント抵抗３３に流れる消費電流の大きさを消費電流測定回路３４で測定し、その判定結果に基づいて放電量を決定して放電回路３５に放電させている。このため、各セル監視ＩＣ３０は、自己の消費電流の制御について高精度で信頼性の高いフィードバック制御を行うことができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上記第１実施形態では、シャント抵抗３３に流れる消費電流を検出することで放電量を決定していたが、本実施形態ではブロック１２の電圧を検出することで放電量を決定することが特徴となっている。以下、図２を参照して本実施形態に係る電池電圧監視装置２０について説明する。

図２は、本実施形態に係る電池電圧監視装置を含んだ電池電圧監視システムの全体構成図である。この図に示されるように、本実施形態では、消費電流可変回路３２は、上述の放電回路３５の他に、ブロック電圧検出回路３６と、温度検出回路３７と、放電目標設定回路３８と、を備えて構成されている。

ブロック電圧検出回路３６は、ブロック１２の両端に接続されると共に、ブロック１２の電圧を検出する回路である。このため、ブロック電圧検出回路３６は、ブロック１２を構成する電池セル１１のうち最も高電圧側の電池セル１１の正極と最も低電圧側の電池セル１１の負極との間に接続されている。ブロック電圧検出回路３６により検出されたブロック１２の電圧のデータは、放電目標設定回路３８に出力される。

温度検出回路３７は、監視ＩＣ３０の温度を検出する回路である。温度を検出する素子として例えばダイオード素子を備え、温度によって変化するダイオード素子の順方向電圧を検出することにより温度が測定される。温度検出回路３７により検出された監視ＩＣ３０の温度のデータは、放電目標設定回路３８に出力される。

放電目標設定回路３８は、ブロック電圧検出回路３６から入力したブロック１２の電圧に基づいて当該ブロック１２を構成する電池セル１１の数を検知し、検知した電池セル１１の数に基づいて消費電流が目標値となるようにブロック１２の放電量を設定し、当該放電量を放電回路３５に放電させる回路である。なお、消費電流の目標値は、マイコン４０から入力される場合や、放電目標設定回路３８が予め保有している。

ここで、「電池セル１１の数に基づいて目標値を設定する」とは、例えば、電池セル１１の数が所定の数よりも多い場合には監視ＩＣ３０に印加される電圧も大きくなるので、放電目標設定回路３８はブロック１２の放電量を大きく設定することとなる。一方、電池セル１１の数が所定の数よりも少ない場合には監視ＩＣ３０に印加される電圧も小さくなるので、放電目標設定回路３８はブロック１２の放電量を小さく設定することとなる。このように、放電目標設定回路３８はブロック１２を構成する電池セル１１の数に応じてブロック１２の放電量を決定する。

また、放電目標設定回路３８は、監視ＩＣ３０の温度に基づいて、ブロック１２の放電量を調節する。監視ＩＣ３０では、負荷電流が電池電圧および温度に相関があるため、監視ＩＣ３０の電圧・温度により放電量を決定すると共に消費電流の目標値を設定し、その目標値となるように放電回路３５に放電させる。すなわち、監視ＩＣ３０では、監視ＩＣ３０の温度が高いと消費電流も大きくなり、監視ＩＣ３０の温度が低いと消費電流も小さくなる。したがって、放電目標設定回路３８は、監視ＩＣ３０の温度が高いときには消費電流が大きくなっているので放電量を減少させ、監視ＩＣ３０の温度が低いときには消費電流が小さくなっているので放電量を増加させる。このように、放電目標設定回路３８は監視ＩＣ３０の温度に応じて放電量を微調節する。これにより、監視ＩＣ３０の温度に応じてより正確に放電量を決定することができる。

以上のように、本実施形態では、各監視ＩＣ３０はブロック１２を構成する電池セル１１の数および監視ＩＣ３０の温度からブロック１２の放電量を決定している。このように、各監視ＩＣ３０は、監視ＩＣ３０に接続される電池セル１１の数に応じて監視ＩＣ３０の消費電流が目標値となるように放電量をそれぞれ設定しているので、各監視ＩＣ３０間で消費電流のバラツキが発生しないようにすることができる。

図２では、各ブロック１２が互いに近い場所に配置されているように見えるが、組電池１０が例えば４分割されて車両に搭載されるような場合では、電池セル１１が配置される場所によっては監視ＩＣ３０の温度に差が生じる。このような場合に、各監視ＩＣ３０が自己の温度に応じてブロック１２の放電量を微調節することができるので、各監視ＩＣ３０において消費される消費電流にバラツキが生じないようにすることができる。このように、本実施形態に係る電池電圧監視装置２０は、各監視ＩＣ３０に温度検出回路３７が備えられ、各監視ＩＣ３０が温度の異なる場所にそれぞれ配置される場合に特に効果がある。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、各監視ＩＣ３０間で相互通信することにより、消費電流の目標値を各監視ＩＣ３０のうち最大消費電流に合わせていた。しかしながら、各監視ＩＣ３０は相互通信を行わずに、マイコン４０が各監視ＩＣ３０に目標値を指示しても良いし、消費電流測定回路３４が予め各監視ＩＣ３０で共通の目標値を有していても良い。

上記第２実施形態では、マイコン４０が各監視ＩＣ３０に対して消費電流の目標値を指示していたが、例えば、第１実施形態と同様に、各監視ＩＣ３０間で消費電流情報を共有するようにしても良い。この場合、各監視ＩＣ３０は、放電目標設定回路３８により設定した消費電流の目標値を他の監視ＩＣ３０に出力すると共に、他の監視ＩＣ３０から消費電流の目標値を入力することにより、複数の監視ＩＣ３０において消費電流の目標値を共有することとなる。そして、各監視ＩＣ３０の放電目標設定回路３８は、各監視ＩＣ３０の各消費電流の目標値のうち最も大きい値を消費電流の目標値とし、消費電流がこの目標値となるように放電回路３５に放電させる。これにより、各監視ＩＣ３０の消費電流は、各監視ＩＣ３０の消費電流のうちの最大値に統一できるので、各監視ＩＣ３０で最も効率的に消費電流を合わせることが可能となる。

上記各実施形態では、図１および図２に示されるように、組電池１０は２つのブロック１２で構成され、電池電圧監視装置２０は２つの監視ＩＣ３０を備えた構成となっているが、これは構成の一例である。したがって、ブロック１２の数および監視ＩＣ３０の数は図１および図２に示される数よりも多くても良い。例えば、組電池１０はハイブリッド車等の電気自動車に搭載され、インバータやモータ等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等に用いられる。つまり、電池電圧監視装置２０は、ハイブリッド車等の電気自動車に適用される。この場合、電池セル１１は例えば１２０個等の多数が直列に接続され、所定数毎にグループ化されてブロック１２とされる。このように多数の電池セル１１およびブロック１２に対して上述の監視ＩＣ３０を適用することができる。

１１ 電池セル
３０ 監視ＩＣ
３２ 消費電流可変回路
３３ シャント抵抗
３４ 消費電流測定回路
３５ 放電回路
３６ ブロック電圧検出回路
３７ 温度検出回路
３８ 放電目標設定回路

Claims (3)

1. 直列接続された複数の電池セルを所定数毎にグループ化した複数のブロックにそれぞれ対応して設けられると共に前記ブロックを構成する各電池セルをそれぞれ監視する監視ＩＣが複数備えられてなる電池電圧監視装置であって、
   前記複数の監視ＩＣそれぞれは、監視対象の電池セルにより構成されるブロックから動作電源を取得すると共に、当該動作電源に基づいて消費される消費電流を目標値に調節する消費電流可変回路を有しており、
   前記消費電流可変回路は、前記ブロックを放電させることにより前記消費電流を前記目標値に調節する放電回路と、前記ブロックの電圧を検出するブロック電圧検出回路と、前記ブロックの電圧に基づいて当該ブロックを構成する電池セルの数を検知し、検知した電池セルの数に基づいて前記消費電流が前記目標値となるように前記ブロックの放電量を設定し、当該放電量を前記放電回路に放電させる放電目標設定回路と、を備えていることを特徴とする電池電圧監視装置。
2. 前記消費電流可変回路は、前記監視ＩＣの温度を検出する温度検出回路を備えており、
   前記放電目標設定回路は、前記検知した電池セルの数と前記温度検出回路で検出された前記監視ＩＣの温度とに基づいて前記目標値を設定することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧監視装置。
3. 前記複数の監視ＩＣそれぞれは、前記放電目標設定回路により設定した消費電流の目標値を他の監視ＩＣに出力すると共に、他の監視ＩＣから消費電流の目標値を入力することにより、前記複数の監視ＩＣにおいて消費電流の目標値を共有するようになっており、
   前記放電目標設定回路は、前記複数の監視ＩＣの各消費電流の目標値のうち最も大きい値を消費電流の目標値とし、消費電流がこの目標値となるように前記放電回路に放電させることを特徴とする請求項１または２に記載の電池電圧監視装置。

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