JP5515997B2 - 電源監視制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のバッテリセルを備えるバッテリモジュールの監視制御を行う電源監視制御装置に関する。

近年、携帯電話機を始めとした携帯性を有する電子機器は、再充電が可能なリチウムイオン二次電池等の二次電池を電源として用いるものが殆どである。また、動力発生源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や、動力発生源としてモータのみを用いる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）においても、二次電池が用いられている。このように、近年においては様々な用途に二次電池が用いられている。

二次電池に設けられるバッテリセルの定格電圧は数ボルト程度である。このため、バッテリセルの定格電圧以上の出力電圧が必要となる二次電池は、複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリモジュールを備えている。また、このようなバッテリモジュールを備える二次電池には、個々のバッテリセルが過充電状態或いは過放電状態になるのを防止するため、個々のバッテリセルの電圧を監視するとともに、その監視結果に応じてバッテリセルの放電又は充電を制御する電源監視制御装置が設けられる。

以下の特許文献１には、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電器を制御する複数の下位制御装置と、これら下位制御装置を統括制御する上位制御装置とを備える蓄電装置が開示されている。また、以下の特許文献２には、車載用電子機器の制御処理を行う複数の制御ユニットをネットワーク接続し、これら制御ユニットの少なくとも１つを、車載バッテリ電圧を反映したアナログ信号をデジタル変換してバッテリ監視電圧情報として取得するように構成した車載バッテリ監視システムが開示されている。

特開２００３−７０１７９号公報 特開２００７−３０２０５８号公報

ところで、上述した特許文献１，２のように、複数の制御装置（制御ユニット）を備える装置やシステムにおいては、各々の制御装置を動作させるための電源が必要になる。この電源としては、例えば監視制御対象のバッテリモジュールとは別に用意した外部電源や、監視制御対象のバッテリモジュールから必要となる電源電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電源生成装置が用いられるのが一般的である。

しかしながら、従来は、このような外部電源や電源生成装置が必要になることから、電源監視制御装置が必然的に大型化してしまい、装置構成の簡素化が阻害されているという問題があった。監視対象であるバッテリモジュール及び電源監視制御装置を設置する十分なスペースがあれば、電源監視制御装置が多少大型化しても問題は生じないと考えられる。しかしながら、様々な用途に用いられる二次電池のバッテリモジュールは小型化が求められることが多いため、その電源監視制御装置も極力小型であることが求められる。

また、近年においては、地球環境の保護の観点から、様々な分野でエネルギーを有効利用することが求められている。このため、電源監視制御装置においても、監視対象のバッテリセルから放電される電力を有効利用する必要性もあると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構成が簡素であるとともに監視制御対象であるバッテリモジュールから放電される電力を有効利用することができる電源監視制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電源監視制御装置は、複数のバッテリセル（Ｃ）が直列接続されてなるバッテリモジュール（１０）の監視制御を行う電源監視制御装置（１）であって、前記複数のバッテリセルのうちの所定数のバッテリセル毎に設けられ、当該バッテリセルの充放電を制御して第１，第２電源を生成し、該第１電源によって動作を継続する複数の制御装置（１１）と、前記制御装置の各々で生成される前記第２電源によって動作し、前記バッテリモジュールの監視を行う監視装置（１２）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電源監視制御装置は、前記制御装置が、当該バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線（３１）及びスイッチング回路（３２）を有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線（３３）を有しており前記第２電源を生成する二次側回路と、前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線（３６）を有しており前記第１電源を生成する三次側回路とを含んでなるコンバータ（２１）と、前記コンバータの三次側回路で生成される前記第１電源によって動作を継続し、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング回路を制御する制御部（２３）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電源監視制御装置は、前記制御装置が、当該バッテリセルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出部（２２）を備えており、前記制御部が、前記セル電圧検出部によって検出される電圧に応じて電圧が相対的に高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング回路を制御することを特徴としている。
また、本発明の電源監視制御装置は、前記制御装置が、前記第１電源によって動作し、前記セル電圧検出部によって検出された電圧を示す検出信号を前記監視装置に向けて送信する送信装置（２４）を備えることを特徴としている。
また、本発明の電源監視制御装置は、前記制御装置が、前記送信装置と前記監視装置との間を電気的に絶縁するフォトカプラ（２５）と、前記第２電源から前記フォトカプラを動作させる電源を生成して供給する電源供給部（２６）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電源監視制御装置は、前記監視装置が、前記制御装置が備える前記送信装置から送信されてくる前記検出信号に基づいて、前記バッテリモジュールの監視を行うことを特徴としている。

本発明によれば、所定数のバッテリセル毎に設けられた制御装置がバッテリセルの充放電を制御して第１，第２電源を生成して第１電源によって動作を継続し、制御装置の各々で生成される第２電源によってバッテリモジュールの監視を行う監視装置を動作させているため、構成が簡素であるとともに監視制御対象であるバッテリモジュールから放電される電力を有効利用することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による電源監視制御装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電源監視制御装置が備えるバッテリ制御装置の内部構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電源監視制御装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による電源監視制御装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の電源監視制御装置１は、複数のバッテリ制御装置１１（制御装置）とバッテリマネジメントシステム１２（監視装置）とを備えており、バッテリモジュール１０の監視制御を行う。

ここで、監視制御対象であるバッテリモジュール１０は、直列接続された複数のバッテリセルＣを備えており、一端に位置するバッテリセルＣの正極が電源端子Ｔ１１に接続され、他端に位置するバッテリセルＣの負極が電源端子Ｔ１２に接続されている。バッテリセルＣは、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、リチウムイオン電池等の再充電が可能な電池セルであり、電源監視制御装置１に要求される出力電圧に応じた数だけ（例えば、数十個程度）直列接続される。バッテリモジュール１０は、電源端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して外部に電力を供給するとともに、外部から電源端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して供給される電力により充電が可能である。

バッテリ制御装置１１は、バッテリモジュール１０に設けられたバッテリセルＣのうちの所定数（例えば、数個〜十数個程度）のバッテリセルＣ毎に設けられ、それらバッテリセルＣの充放電を制御して内部電源（第１電源）とバッテリマネジメントシステム１２に供給する外部電源（第２電源）とを生成する。このバッテリ制御装置１１で生成された内部電源は、バッテリ制御装置１１の動作を継続させるために用いられる。

ここで、バッテリ制御装置１１がバッテリセルＣの充放電を制御するのは、バッテリモジュール１０に設けられたバッテリセルＣの電圧を均一化し、個々のバッテリセルＣが過充電状態或いは過放電状態になるのを防止するためである。つまり、本実施形態では、バッテリモジュール１０に設けられたバッテリセルＣの電圧を均一化するためにバッテリセルＣから放電された電力を用いて内部電源及び外部電源を生成することにより、電力を有効利用している。

尚、図１においては説明を簡単にするために、２つのバッテリ制御装置１１のみを図示しているが、３つ以上のバッテリ制御装置１１が設けられていても良い。バッテリ制御装置１１の数はバッテリモジュール１０に設けられたバッテリセルＣの数等を考慮して決定される。このバッテリ制御装置１１の内部構成の詳細、及び動作の詳細については後述する。

バッテリマネジメントシステム１２は、電源線Ｌ１１，Ｌ１２及び信号線Ｌ２０を介してバッテリ制御装置１１の各々に接続されており、バッテリ制御装置１１で生成された外部電源により動作してバッテリモジュール１０の監視を行う。具体的には、バッテリモジュール１０に設けられた個々のバッテリセルＣの電圧や温度を監視するとともに、その監視結果からバッテリセルの状態を推定し、監視結果及び推定結果を上位のシステム（図示省略）に通知する。

ここで、上記の電源線Ｌ１１，Ｌ１２は、バッテリ制御装置１１の各々で生成された外部電源をバッテリマネジメントシステム１２に供給する接続線である。また、信号線Ｌ２０は、バッテリ制御装置１１の各々で検出されたバッテリセルＣの電圧や温度を示す検出信号をバッテリマネジメントシステム１２に送信する接続線である。

図１に示す通り、バッテリマネジメントシステム１２は、受信部１２ａとマイクロプロセッサ１２ｂとを備える。受信部１２ａは、バッテリ制御装置１１の各々から信号線Ｌ２０を介して送信されてくる検出信号を受信する。尚、詳細は後述するが、検出信号は、シリアル通信によってバッテリ制御装置１１の各々からバッテリマネジメントシステム１２に送信される。マイクロプロセッサ１２ｂは、受信部１２ａで受信した検出信号に基づいてバッテリモジュール１０を監視するとともに、その監視結果を不図示の表示部に表示する。例えば、バッテリセル１０に設けられたバッテリセルＣの各々の電圧を数値で表示したり、或いは過充電状態或いは過放電状態にあるバッテリセルＣを色分け表示する。

次に、バッテリ制御装置１１の内部構成について詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態による電源監視制御装置が備えるバッテリ制御装置の内部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、バッテリ制御装置１１は、コンバータ２１、セル電圧検出部２２、マイクロプロセッサ２３（制御部）、送信部２４（送信装置）、フォトカプラ２５、及び電源供給部２６を備える。

コンバータ２１は、トランスＴｒと、トランスＴｒの一次側に設けられる一次側回路と、トランスＴｒの二次側に設けられる二次側回路と、三次側回路とを備えており、マイクロプロセッサ２３の制御の下でバッテリモジュール１０をなす個々のバッテリセルＣの充電又は放電を行う。このコンバータ２１は、所謂フライバック・コンバータであって、バッテリモジュール１０に設けられるバッテリセルＣの電圧を均一化しつつ、バッテリ制御装置１１で用いられる内部電源及びバッテリマネジメントシステム１２に供給する外部電源を生成するために設けられる。

コンバータ２１の一次側回路は、一次側巻線３１及びスイッチング回路（ＳＷ回路）３２からなり、バッテリセルＣに対応してそれぞれ設けられる。一次側巻線３１は、トランスＴｒの一次側に設けられる巻線であり、その両端が対応するスイッチング回路３２に接続される。スイッチング回路３２は、トランジスタ等のスイッチング素子を備えており、マイクロプロセッサ２３の制御の下でスイッチング動作を行う。スイッチング回路３２がスイッチング動作を行うことにより、一次側巻線３１に流れる電流が変化して二次側回路及び三次側回路に電圧が誘起される。

コンバータ２１の二次側回路は、二次側巻線３３、ダイオード３４、及びコンデンサ３５からなる。前述した一次側回路はバッテリセルＣの各々に対応して設けられるのに対し、二次側回路は１つのみ設けられる。二次側巻線３３は、トランスＴｒの二次側に設けられる巻線であり、一次側回路に設けられた一次側巻線３１の各々と磁気的に結合する。従って、一次側回路に設けられた一次側巻線３１の何れかに流れる電流が変化すると、二次側巻線３３にはその変化に応じた電圧が誘起される。この二次側巻線３３の一端はダイオード３４のアノード電極に接続され、他端は電源線Ｌ１２に接続される。

ダイオード３４及びコンデンサ３５は整流回路をなし、二次側巻線３３に誘起された電圧を整流する。ダイオード３４のカソード電極及びコンデンサ３５の一方の電極は電源線Ｌ１１に接続されており、コンデンサ３５の他方の電極は電源線Ｌ１２に接続されている。この整流回路によって整流された直流電圧が電源線Ｌ１１，Ｌ１２間に現れ、バッテリマネジメントシステム１２に外部電源として供給される。このようにして外部電源が生成される。

コンバータ２１の三次側回路は、三次側巻線３６、ダイオード３７、及びコンデンサ３８からなる。三次側巻線３６は、二次側回路に設けられる二次側巻線３３と同様に１つのみ設けられており、一次側回路に設けられた一次側巻線３１の各々及び二次側回路に設けられた二次側巻線３３と磁気的に結合する。また、三次側巻線３６は、二次側巻線３３に対する巻線比が所定の巻線比に設定されている。例えば、二次側回路から出力される電圧が１２ボルトである場合には、三次側回路から出力される電圧が５ボルトとなるように、二次側巻線３３に対する巻線比が設定されている。

三次側巻線３６の一端はダイオード３７のアノード電極に接続され、他端は接地される。ダイオード３７及びコンデンサ３８は、二次側回路に設けられるダイオード３４及びコンデンサ３５と同様に整流回路をなし、三次側巻線３６に誘起された電圧を整流する。ダイオード３７のカソード電極及びコンデンサ３８の一方の電極は互いに接続されており、コンデンサ３８の他方の電極は接地される。この整流回路によって整流された直流電圧がマイクロプロセッサ２３に内部電源として供給される。このようにして内部電源が生成される。

セル電圧検出部２２は、バッテリ制御装置１１に対応して設けられたバッテリセルＣの数だけ（一次側回路の数だけ）差動増幅器を備えており、バッテリモジュール１０に設けられた複数のバッテリセルＣの電圧をそれぞれ検出する。尚、図２では図示を省略しているが、個々のバッテリセルＣの温度を検出するセル温度検出部も設けられている。マイクロプロセッサ２３は、コンバータ２１の三次側回路で生成される内部電源により動作の継続が可能であり、バッテリセルＣの充放電を制御する。

具体的には、電源線Ｌ１１，Ｌ１２の間に現れる電圧が一定となるように、コンバータ２１の一次側回路に設けられたスイッチング回路３２を制御する。例えば、バッテリマネジメントシステム１２で必要となる電源電圧が１２ボルトである場合には、電源線Ｌ１１，Ｌ１２の間に現れる電圧が１２ボルトとなるようにスイッチング回路３２を制御する。ここで、二次側巻線３３と三次側巻線３６との巻線比は、所定の巻線比に設定されているため、電源線Ｌ１１，Ｌ１２の間に現れる電圧を一定にすれば、その巻線比に応じた電圧がコンデンサ３８の両端に現れる。

尚、図２では図示を省略しているが、バッテリ制御装置１１には、電源線Ｌ１１，Ｌ１２間の電圧を検出する電圧検出器、或いはコンデンサ２８の電極間の電圧を検出する電圧検出器が設けられている。マイクロプロセッサ２３は、これら電圧検出器の何れか一方を参照しつつスイッチング回路３２の制御を行う。上述の通り、二次側巻線３３と三次側巻線３６との巻線比が所定の巻線比に設定されているため、上記検出器の何れか一方の検出結果を参照して制御を行えば、例えば電源線Ｌ１１，Ｌ１２間の電圧を所望の電圧である５ボルトにし、且つ、コンデンサ２８の電極間の電圧を所望の電圧である１２ボルトにすることができる。

ここで、マイクロプロセッサ２３は、スイッチング回路３２のスイッチング制御をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御により行う。具体的に、マイクロプロセッサ２３は、セル電圧検出部２２によって検出される電圧が相対的に高いバッテリセルＣの放電量が多くなるようにスイッチング回路３２をＰＷＭ制御する。つまり、マイクロプロセッサ２３は、セル電圧検出部２２によって検出された電圧が相対的に高いバッテリセルＣに対応して設けられたスイッチング回路３２についてはオンデューティ比を高くし、逆に検出された電圧が相対的に低いバッテリセルＣに対応して設けられたスイッチング回路３２についてはオンデューティ比を低くする制御を行う。ここで、オンデューティ比とは、ＰＷＭ制御の制御周期と、ＰＷＭ制御の制御周期内においてスイッチング回路３２がオン状態である時間との比である。

送信部２４は、セル電圧検出部２２で検出されてマイクロプロセッサ２３から出力される検出結果（バッテリセルＣの電圧を示す検出結果）を、信号線Ｌ２０を介したシリアル通信によりバッテリマネジメントシステム１２に向けて送信する。この送信部２４は、上述のマイクロプロセッサ２３と同様に、コンバータ２１の三次側回路で生成される内部電源により動作する。

フォトカプラ２５は、送信部２４とバッテリマネジメントシステム１２との間を電気的に絶縁しつつ、セル電圧検出部２２の検出結果をバッテリマネジメントシステム１２に送信するために設けられる。電源供給部２６は、コンバータ２１の二次側回路に設けられたダイオード３４のカソード電極に接続されており、コンバータ２１の二次側回路で生成される外部電源からフォトカプラ２５を動作させる電源を生成して供給する。

上記構成において、マイクロプロセッサ２３からＰＷＭ制御のための制御信号が出力されると、スイッチング回路の各々に入力されて制御信号に応じたスイッチング動作が行われる。すると、コンバータ２１の一次側に設けられた一次側巻線３１に流れる電流が変化し、電流の変化並びに一次側巻線３１と二次側巻線３３及び三次側巻線３６との巻線比に応じた電圧が二次側巻線３３及び三次側巻線３６にそれぞれ誘起される。

二次側巻線３３に誘起された電圧はダイオード３４及びコンデンサ３５により整流され、これにより外部電源が生成される。この外部電源は電源線Ｌ１１，Ｌ１２を介してバッテリマネジメントシステム１２に供給され、これによってバッテリマネジメントシステム１２が動作する。尚、生成された外部電源は、電源供給部２６にも供給されてフォトカプラ２５を動作させるための電源も生成される。

他方、三次側巻線３６に誘起された電圧はダイオード３７及びコンデンサ３８により整流され、これにより内部電源が生成される。この内部電源はマイクロプロセッサ２３に供給され、これによってマイクロプロセッサ２３の動作が継続される。また、マイクロプロセッサ２３には、不図示の電圧検出器（電源線Ｌ１１，Ｌ１２間の電圧を検出する電圧検出器、或いはコンデンサ２８の電極間の電圧を検出する電圧検出器）の検出結果が入力される。

マイクロプロセッサ２３は、電圧検出器の検出結果が一定になるように、コンバータ２１の一次側に設けられたスイッチング回路３２の各々を制御するための制御信号を出力する。このとき、マイクロプロセッサ２３には、セル電圧検出部２２の検出結果も入力される。マイクロプロセッサ２３は、セル電圧検出部２２の検出結果を参照し、検出された電圧が相対的に高いバッテリセルＣの放電量が多くなるようにスイッチング回路３２をＰＷＭ制御する制御信号を出力する。

具体的には、セル電圧検出部２２によって検出された電圧が相対的に高いバッテリセルＣに対応して設けられたスイッチング回路３２についてはオンデューティ比を高くした制御信号を出力する。これに対し、セル電圧検出部２２によって検出された電圧が相対的に低いバッテリセルＣに対応して設けられたスイッチング回路３２についてはオンデューティ比を低くした制御信号を出力する。このような制御を行うと、電圧が高いバッテリセルＣからの放電量が多くなり、逆に電圧が低いバッテリセルＣからの放電量が少なくなり、バッテリセルＣの電圧を均一化することができる。

また、バッテリセルＣから放電された電力によって外部電源及び内部電源が生成され、バッテリマネジメントシステム１２及びマイクロプロセッサ２３等を動作させるためにそれぞれ用いられる。このように、本実施形態では、バッテリセルＣから放電された電力を無駄に消費せずに再利用しており、放電された電力を有効利用することができる。しかも従来のように、外部電源（電源監視制御装置１の外部から供給される電源）等が不要があり、バッテリセルＣの電圧を均一化する構成（コンバータ２１等）を、内部電源及び外部電源を生成する構成として兼用できるため、構成を簡素化できる。

以上、本発明の一実施形態による電源監視制御装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、コンバータ２１が所謂フライバック・コンバータである場合を例に挙げて説明したが、これらはフォーワード・コンバータ、プッシュプル・コンバータであってもよい。つまり、コンバータは、スイッチング・コンバータであれば良い。

また、上記実施形態では、コンバータ２１の三次側回路で生成される内部電源によってマイクロプロセッサ２３が常時動作する例について説明した。しかしながら、バッテリモジュール１０の待機消費電力を削減するために、マイクロプロセッサ２３に対して内部電源を供給するか遮断するかを切り替え可能に構成しても良い。

１ 電源監視制御装置
１０ バッテリモジュール
１１ バッテリ制御装置
１２ バッテリマネジメントシステム
２１ コンバータ
２２ セル電圧検出部
２３ マイクロプロセッサ
２４ 送信部
２５ フォトカプラ
２６ 電源供給部
３１ 一次側巻線
３２ スイッチング回路
３３ 二次側巻線
３６ 三次側巻線
Ｃ バッテリセル

Claims (5)

1. 複数のバッテリセルが直列接続されてなるバッテリモジュールの監視制御を行う電源監視制御装置であって、
   前記複数のバッテリセルのうちの所定数のバッテリセル毎に設けられ、当該バッテリセルの充放電を制御して第１，第２電源を生成し、該第１電源によって動作を継続する複数の制御装置と、
   前記制御装置の各々で生成される前記第２電源によって動作し、前記バッテリモジュールの監視を行う監視装置と
   を備えており、
   前記制御装置は、当該バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線及びスイッチング回路を有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線を有しており前記第２電源を生成する二次側回路と、前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線を有しており前記第１電源を生成する三次側回路とを含んでなるコンバータと、
   前記コンバータの三次側回路で生成される前記第１電源によって動作を継続し、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング回路を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする電源監視制御装置。
2. 前記制御装置は、当該バッテリセルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出部を備えており、
   前記制御部は、前記セル電圧検出部によって検出される電圧に応じて電圧が相対的に高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング回路を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の電源監視制御装置。
3. 前記制御装置は、前記第１電源によって動作し、前記セル電圧検出部によって検出された電圧を示す検出信号を前記監視装置に向けて送信する送信装置を備えることを特徴とする請求項２記載の電源監視制御装置。
4. 前記制御装置は、前記送信装置と前記監視装置との間を電気的に絶縁するフォトカプラと、
   前記第２電源から前記フォトカプラを動作させる電源を生成して供給する電源供給部と
   を備えることを特徴とする請求項３記載の電源監視制御装置。
5. 前記監視装置は、前記制御装置が備える前記送信装置から送信されてくる前記検出信号に基づいて、前記バッテリモジュールの監視を行うことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の電源監視制御装置。

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