JP5202918B2 - 電池電圧調整装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に、互いに直列接続された複数の単位セルからなる車載高圧バッテリの均等化を行う電池電圧調整装置に関するものである。
近年、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（以下ＨＥＶ）が普及してきている。このＨＥＶは、上記エンジン始動用の１２Ｖ程度の低圧バッテリと、上記電動モータ駆動用の高圧バッテリとの２種類のバッテリを備えている。上述した高圧バッテリは、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単電池または二次電池を少なくとも１つ以上含む単位セルとして、これらを複数直列接続して高電圧を得ている。
上述した高圧バッテリは、イグニッションスイッチオフ後に各単位セルのＳＯＣを均等にすることで、各単位セルのＳＯＣのバラツキを少なくし、各単位セルの性能を均等にしている。各単位セルのＳＯＣを均等にする方法は、例えば電圧の高い単位セルを放電することにより電圧を調整する方法や、特許文献１に記載の組電池の充放電制御装置のように、組電池の温度に基づいて求められる組電池を構成する各単電池のＳＯＣのばらつきを所望のばらつきより小さくする値を目標ＳＯＣに設定して制御する方法などが提案されている。
特開２０００−２０９７８２号公報
上述したＳＯＣの均等化は、各単位セルの電圧を検出し充放電により電圧のバラツキを調整することにより行うが、単位セル（電池）は、図４に示すように放電中は内部抵抗により電圧降下が発生するため、電池の端子電圧は安定した電圧であるＯＣＶ（Open Circuit Voltage）よりも下がる。放電を停止すると、内部抵抗成分のうち、電気化学的な成分が電圧として残り時間的な遅れを伴い回復する。そのため、電池の端子電圧は放電停止後もすぐにＯＣＶとならず、時間的な遅れを伴ってＯＣＶに近づいていく。このＯＣＶまでの待ち時間が電圧安定待ち時間となり、この電圧安定待ち時間は電池温度によって異なる。また、充電時も電圧の向きが反対となるだけで同様な現象が起こる。したがって、均等化時の電圧のバラツキの判断は、安定した電圧で行った方が正確な均等化が行えるために、電圧安定待ち時間を考慮する必要がある。
また、上述したように、電圧安定待ち時間は電池温度によって異なる。特に電池温度が低ければ低いほど、電圧が安定するまでに時間がかかるので、従来は使用温度範囲の最低温度を考慮して電圧安定待ち時間を一律に設定していたが、温度が高いときでも均等化するまでに時間がかかってしまい、暗電流が増加してしまうという問題があった。
上述した特許文献１に記載の組電池の充放電制御装置は、電池温度に基づいて、電池電圧のバラツキを収束させる目標ＳＯＣを変更しているに過ぎず、前記電圧安定待ち時間に関する対策が何らなされていないため、温度が高いときでも均等化するまでに時間がかかってしまったり、電圧が安定しないときに電圧を検出してしまったりして、暗電流が増加したり正確な均等化が行えない可能性がある。
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、直列に接続された単位セルからなる高圧バッテリの均等化を行う際に、電圧安定待ち時間を考慮してどのような温度条件でも最適な時間で均等化が行える電池電圧調整装置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なされた請求項１記載の発明は、単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有したブロックに対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧に基づいて前記ブロック内の単位セルを予め定めた時間充放電させる充放電手段と、を備えた電池電圧調整装置において、前記単位セルの温度を検出する温度検出手段と、前記充放電手段が前記単位セルを前記予め定めた時間充放電させて均等化を実施し、前記均等化を停止させた後に、前記電圧検出手段により前記単位セルの両端電圧の検出を行う際に、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度に基づいて、前記均等化を停止させてから前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更する変更手段と、を備えたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、前記変更手段が、前記充放電手段が前記単位セルを充放電させた後から前記電圧検出手段が前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度と前記充放電手段が行った充放電容量に基づいて変更することを特徴としている。
請求項３の発明は、車両のイグニッションスイッチがオフになった後から前記電圧検出手段が前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更する第２の変更手段をさらに備え、前記第２の変更手段は、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度に基づいて、該時間を変更することを特徴としている。
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、充放電手段が前記単位セルを予め定めた時間充放電させて均等化を実施し、均等化を停止させた後に、電圧検出手段により単位セルの両端電圧の検出を行う際に、温度検出手段が検出した単位セルの温度に基づいて、均等化を停止させてから単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更しているので、単位セルの温度によって単位セルを充放電させた均等化を実施した停止した後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間、すなわち電圧安定待ち時間を変更することができ、どのような温度条件でも最適な電圧安定待ち時間で均等化が行える。したがって低温時に合わせて一定の電圧安定待ち時間を設定するよりも暗電流を少なくすることができる。
請求項２記載の発明によれば、変更する放電手段が単位セルを充放電させた後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間が、温度検出手段が検出した単位セルの温度と充放電手段が行った充放電容量に基づいて求められるので、高精度に電圧安定待ち時間を求めることができ、より最適な電圧安定待ち時間で単位セルの均等化が行える。
請求項３記載の発明によれば、車両のイグニッションスイッチがオフになった後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更する第２の変更手段をさらに備え、第２の変更手段は、温度検出手段が検出した単位セルの温度に基づいて、該時間を変更するので、車両のイグニッションスイッチがオフになった後の均等化前の電圧検出も正確な電圧値が検出できるため、より最適な電圧安定待ち時間で単位セルの均等化が行える。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の電圧検出装置
の一実施形態を示す回路図である。図中引用符号ＢＨは高圧バッテリである。上記高圧バッテリＢＨは、エンジンと電動モータＭを走行駆動源として併用するＨＥＶにおいて前記電動モータＭの電源として用いられ、その両端には電動モータＭが必要に応じて負荷として接続されると共にオルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。
高圧バッテリＢＨは、ｍ個（ｍは１以上の任意の整数）のブロックＢ１〜Ｂｍに分けられている。各ブロックＢ１〜Ｂｍはそれぞれｎ個（ｎは１以上の任意の整数）の単位セルＣ１１〜Ｃｍｎから構成されている。単位セルＣ１１〜Ｃｍｎは少なくとも一つ以上の二次電池から構成されている。
電圧検出装置は、電圧検出手段、充放電手段、温度検出手段としての電圧検出回路１１〜１ｍと、変更手段としてのメインマイコン３０と、送信用絶縁インタフェースＩＦｔ１〜ＩＦｔｍと、受信用絶縁インタフェースＩＦｒ１〜ＩＦｒｍとを備えている。
電圧検出回路１１〜１ｍは、各ブロックＢ１〜Ｂｍにそれぞれ対応して設けられている。電圧検出回路１１〜１ｍは、複数のブロックＢ１〜Ｂｍのうち対応するブロックＢ１〜Ｂｍを構成する単位セルＣ１１〜Ｃｍｎから電源供給を受けて動作する。
電圧検出回路１１〜１ｍは、それぞれ対応するブロック全体の両端電圧値およびブロック内の各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎ各々の両端電圧を検出する差動増幅器ＯＰと、各ブロックＢ１〜Ｂｍの両端および各ブロックＢ１〜Ｂｍを構成する単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの両端を選択的に差動増幅器ＯＰに接続する選択スイッチ群２４と、差動増幅器ＯＰが検出した両端電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器２２と、上記選択スイッチ群２４を制御する制御部２５とを備えている。上記選択スイッチ群２４は単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの両端に設けられた常閉のスイッチから構成されている。
また、電圧検出回路１１〜１ｍは、対応するブロックＢ１〜Ｂｍの供給電圧から上記差動増幅器ＯＰ、Ａ／Ｄ変換器２２及び制御部２５の動作電源となる定電圧を出力する高圧系電源回路２３と、該高圧系電源回路２３から差動増幅器ＯＰ及びＡ／Ｄ変換器２２との間に設けた遮断スイッチＳｃ１とを備えている。この遮断スイッチＳｃ１は制御部２５によってオンオフが制御される。
また、上述した電圧検出回路１１〜１ｍはそれぞれがワンチップで構成されている。また、電圧検出回路１１〜１ｍには外付け抵抗Ｒ１〜Ｒｍが接続されている。外付け抵抗Ｒ１〜Ｒｍは各ブロックＢ１〜Ｂｍのアドレスに対応するものであり、各々異なる抵抗値となっている。外付け抵抗Ｒ１〜Ｒｍは、各々高圧系電源回路２３からの電源投入に応じて制御部２５が抵抗値を読み取り、各電圧検出回路のアドレスとして図示しないメモリに記憶する。
メインマイコン３０は、図示しないＣＰＵおよびメモリを内蔵する。そして、メモリに内蔵された制御プログラムなどに基づいてＣＰＵが電圧検出回路１１〜１ｍの制御等を行う。
電圧検出回路１１〜１ｍとメインマイコン３０との間には、送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒが設けられている。送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒはそれぞれ、メインマイコン３０から複数の電圧検出回路１１〜１ｍに向かって分岐して設けられている。また、分岐した後の送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒ上にそれぞれ、送信用絶縁インタフェースＩＦｔ１〜ＩＦｔｍ及び受信用絶縁インタフェースＩＦｒ１〜ＩＦｒｍが設けられている。
絶縁インタフェースＩＦｔ１〜ＩＦｔｍ及びＩＦｒ１〜ＩＦｔｍは、電圧検出回路１１〜１ｍとメインマイコン３０とを電気的に絶縁した状態で結合するものである。メインマイコン３０及び電圧検出回路１１〜１ｍは、絶縁インタフェースＩＦｔ１〜ＩＦｔｍ及びＩＦｒ１〜ＩＦｒｍによって互いに絶縁した状態で情報の送受信を行うことができる。これにより、高圧バッテリＢＨとメインマイコン３０に電源供給する図示しない低圧バッテリとの絶縁を保つことができる。絶縁インタフェースＩＦｔ１〜ＩＦｔｍ及びＩＦｒ１〜ＩＦｒｍとしては、例えば発光素子及び受光素子から成るフォトカプラといった光を媒体にしたものや、磁気カプラといった磁気を媒体にしたものが公知である。
上述した構成の電圧検出装置における高圧バッテリＢＨの均等化処理の手順を図２に示したフローチャートを参照して説明する。図２に示したフローチャートはＨＥＶのイグニッションスイッチがオフの後にメインマイコン３０において実行される。
まず、ステップＳ１において、イグニッションスイッチがオンの間の充放電の影響による電圧の変動に対する電圧安定待ち時間（車両のイグニッションスイッチがオフになった後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間）が経過するのを待ってステップＳ２に進む。詳細には電圧検出回路１１〜１ｍに対して各ブロックＢ１〜Ｂｍ内の単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度を検出するように指示する。電圧検出回路１１〜１ｍは、各ブロックＢ１〜Ｂｍに取り付けられた温度センサなどにより各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度を検出してメインマイコン３０に出力し、検出された単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度からメインマイコン３０内のメモリに予め設定された温度と電圧安定待ち時間との対応テーブルなどから読み出した電圧安定待ち時間を設定し、その電圧安定待ち時間が経過するのを待つ。すなわち、温度検出手段が検出した単位セルの温度に基づいて、車両のイグニッションスイッチがオフになった後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更している。
次に、ステップＳ２において、電圧検出回路１１〜１ｍに対して各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの両端電圧を検出させ、単位セル間における電圧のバラツキを検出してステップＳ３に進む。
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で検出した電圧のバラツキが予め設定された均等化を開始する閾値（開始閾値）よりも大きいか否かを判断して、大きい場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ４に進み、そうでない場合（ＮＯの場合）は均等化を終了する。
次に、ステップＳ４において、均等化を実施してステップＳ５に進む。均等化は、電圧検出回路１１〜１ｍが、ステップＳ２で検出された各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの両端電圧のうち電圧の高い単位セルＣ１１〜Ｃｍｎを予め定めた時間だけ放電させ、電圧のバラツキが少なくなるようにしている。
次に、ステップＳ５において、均等化を停止してステップＳ６に進む。すなわち、予め定めた放電時間が経過したので放電を停止して次のステップに進む。
次に、ステップＳ６において、均等化時の放電の影響による電圧の変動に対する電圧安定待ち時間（温度検出手段が検出した単位セルの温度に基づいて、充放電手段が単位セルを充放電させた後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間）が経過するのを待ってステップＳ７に進む。詳細にはステップＳ１と同様に電圧検出回路１１〜１ｍに対して各ブロックＢ１〜Ｂｍ内の単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度を検出するように指示をし、検出された各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度からメインマイコン３０内のメモリに予め設定された温度と電圧安定待ち時間との対応テーブルなどから読み出した電圧安定待ち時間を設定し、その電圧安定待ち時間が経過するのを待つ。すなわち、温度検出手段が検出した単位セルの温度に基づいて、充放電手段が単位セルを充放電させた後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更している。
なお、電圧安定待ち時間は、上述した温度のみに基づいて設定すること以外に、図３に示すように均等化処理時の充放電容量と温度に基づいたテーブルなどにより設定してもよい。すなわち、充放電手段が単位セルを充放電させた後から電圧検出手段が単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を、温度検出手段が検出した単位セルの温度と充放電手段が行った充放電容量に基づいて変更してもよい。
次に、ステップＳ７において、ステップＳ２と同様に電圧検出回路１１〜１ｍに対して各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの両端電圧を検出させ、単位セル間における電圧のバラツキを検出してステップＳ８に進む。
次に、ステップＳ８において、ステップＳ７で検出した電圧のバラツキが予め設定された均等化を終了する閾値（終了閾値）より小さいか否かを判断して、小さい場合（ＹＥＳの場合）は均等化を終了し、そうでない場合（ＮＯの場合）はステップＳ４に戻る。
以上の電圧検出装置によれば、高圧バッテリＢＨの均等化を行う際に、各単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度に基づいて適当な電圧安定待ち時間を設定し、その電圧安定待ち時間が経過した後に電圧のバラツキを検出し均等化を行っているので、温度によらず確実に電圧が安定した時点での電圧に基づいた均等化が最適な電圧安定待ち時間で行える。
また、単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度によって最適な電圧安定待ち時間を設定するので、低温時に合わせて一定の電圧安定待ち時間を設定するよりも暗電流を少なくすることができる。
また、電圧安定待ち時間を、電圧検出回路１１〜１ｍが検出した単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度と均等化処理時の充放電容量に基づいて求められるので、高精度に電圧安定待ち時間を求めることができ、より最適な電圧安定待ち時間で単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの均等化が行える。
また、車両のイグニッションスイッチオフから均等化を行うまでの電圧安定待ち時間も単位セルの温度によって変更するので、均等化前の電圧検出も正確な電圧値が検出でき、より最適な電圧安定待ち時間で単位セルの均等化が行える。
なお、上述した実施形態では、単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの放電の場合について説明したが、単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの充電の場合も同様に適用できる。すなわち、単位セルＣ１１〜Ｃｍｎの温度と充電容量とから電圧安定待ち時間を求めて、電圧安定待ち時間が経過した後に電圧検出を行う。
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
本発明の電圧検出装置の一実施形態を示す回路図である。 図１に示す電圧検出装置における高圧バッテリの均等化処理の手順を示したフローチャートである。 単位セルの温度と放電容量による電圧安定待ち時間設定テーブルの一例である。 単位セルの電圧安定待ち時間の説明図である。
符号の説明
ＢＨ 高圧バッテリ(車載高圧バッテリ)
Ｃ１１〜Ｃｍｎ 単位セル
Ｂ１〜Ｂｍ ブロック
１１〜１ｍ 電圧検出回路(電圧検出手段、充放電手段、温度検出手段)
３０ メインマイコン(変更手段)

Claims (3)

  1. 単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有したブロックに対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出した前記単位セルの両端電圧に基づいて前記ブロック内の単位セルを予め定めた時間充放電させる充放電手段と、を備えた電池電圧調整装置において、
    前記単位セルの温度を検出する温度検出手段と、
    前記充放電手段が前記単位セルを前記予め定めた時間充放電させて均等化を実施し、前記均等化を停止させた後に、前記電圧検出手段により前記単位セルの両端電圧の検出を行う際に、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度に基づいて、前記均等化を停止させてから前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更する変更手段と、
    を備えたことを特徴とする電池電圧調整装置。
  2. 前記変更手段が、前記充放電手段が前記単位セルを充放電させた後から前記電圧検出手段が前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度と前記充放電手段が行った充放電容量に基づいて変更することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧調整装置。
  3. 車両のイグニッションスイッチがオフになった後から前記電圧検出手段が前記単位セルの両端電圧を検出するまでの時間を変更する第２の変更手段をさらに備え、前記第２の変更手段は、前記温度検出手段が検出した前記単位セルの温度に基づいて、該時間を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の電池電圧調整装置。
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