JP5560557B2 - 組電池の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、組電池の制御装置に関するものである。
直列に接続されたｎ個の単電池からなる組電池において、各々の単電池に接続され、単電池の電圧監視や容量調整を行うセルコントローラと、複数のセルコントローラを制御するバッテリーコントローラとを備えた充電率調整装置が知られている（特許文献１参照）。
この電池容量調整装置では、バッテリーコントローラとセルコントローラの間で通信を行う場合に、直列電池の高電圧電位がバッテリーコントローラへ伝わらないように、フォトカプラを介して各セルコントローラがバッテリーコントローラと通信するように構成されている。
特開平１０−３２２９２５号公報
しかしながら、各セルコントローラとバッテリーコントローラとをフォトカプラで通信するように構成すると、セルコントローラの数だけ高価なフォトカプラが必要となり、制御装置がコスト高になる。
本発明が解決しようとする課題は、フォトカプラの数を減じることができる組電池の制御装置を提供することである。
本発明は、単電池の状態を監視する監視手段を、他の監視手段との間でデータ通信を行う第１監視手段と、電気絶縁性通信手段を介して組電池制御手段との間で通信を行う第２監視手段とで構成し、さらにデータの通信に応じた電力を消費する抵抗又は平準化用ダミー信号の電力消費手段を設けることによって上記課題を解決する。
本発明では、データの通信に応じた消費電力の不均衡を電力消費手段で平準化しつつ、組電池制御手段との通信は第２監視手段のみが行うので、電気絶縁性通信手段を減数させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
発明の実施形態に係る組電池の制御装置の一例として、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両用電池として用いられる組電池の制御装置について説明する。
図１は、本実施形態に係る組電池の制御装置を示すブロック図、図２は、図１のセルコントローラＣＣ２を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る組電池の制御装置は、直列接続されたｎ個（ｎは任意の正の整数，図１に示す例ではｎ＝４)の電池セル１を１単位とする電池モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、それぞれの電池モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３の電池容量（具体的には各単電池の電圧ＶＣ１〜ＶＣ４）を監視する３個のセルコントローラＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３とを備える。
３つの電池モジュールＭ１〜Ｍ３は直列に接続され、その両端に電気自動車等のモータである電池付加２が、図示しないインバータなどの電力変換装置を介して接続されている。
３つの電池モジュールＭ１〜Ｍ３から電池付加２へ電力を供給すると、各単電池１の製造上の個体差などによって電池容量にバラツキが生じる。このため、セルコントローラＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３により各単電池１の電圧を検出し、電池容量が大きい単電池の電力を図示しない容量調整用抵抗に供給することで、所定のタイミングで電池容量を調整することが行われる。
図２にセルコントローラＣＣ２の内部構造を示す。他のセルコントローラＣＣ１，ＣＣ３も同様の構造である。
セルコントローラＣＣ２は、４つの単電池１からなる電池モジュールＭ２の各単電池１の電圧を入力する入力端子ＶＣ１〜ＶＣ４およびその接地端子ＧＮＤと、これら入力端子ＶＣ１〜ＶＣ４に入力された電圧値を保持するサンプルホールド回路２１と、サンプルホールド回路２１で保持された検出電圧のアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ２２と、当該セルコントローラＣＣ２に固有値として割り当てられた番地（アドレス）を記憶する番地指定回路２３とを備える。
また、セルコントローラＣＣ２は、通信信号線を介して入力端子ＲＸに送信された信号を受信する受信回路２６と、受信回路２６で受信した信号を、番地指定回路２３を参照しつつ解析し、それに応じた信号をＡ／Ｄコンバータ２２からの信号とともに生成するデジタル演算回路２４と、生成された信号を出力端子ＴＸを介して送信する送信回路２５とを備える。なお、ＶＯは通信用電源端子、ＧＮＤはその接地端子である。
図１に戻り、バッテリーコントローラ１０は、所定のタイミングで各単電池１の電圧を検出する指令をセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３へ送信し、これを受信したセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３は各単電池１の電圧を検出してバッテリーコントローラ１０へ送信する。バッテリーコントローラ１０は、検出された電池電圧に基づいて電池容量の調整量（具体的には容量調整用抵抗への通電時間）を演算し、再びセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３へ容量調整用指令を送信することで容量調整が行われる。
こうした電池電圧の検出指令と測定データの送受信は、バッテリーコントローラ１０とセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３との間で行われるが、高電圧電位の電池モジュールＭ１〜Ｍ３が接続されたセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３とバッテリーコントローラ１０とは電気的に絶縁する必要がある。このため、バッテリーコントローラ１０とセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３との間の通信には、電気絶縁性を有するフォトカプラＰＣ１，ＰＣ２が用いられている。
図１に示すように、フォトカプラＰＣ１は、入力された電気信号に応じた光信号を出力する発光素子であるフォトダイオードＰＤ１と、入力された光信号を電気信号に変換して出力する受光素子であるフォトトランジスタＰＴ１とからなり、フォトダイオードＰＤ１は、送信側であるバッテリーコントローラ１０に接続されて、当該バッテリーコントローラ１０からの指令信号を光信号として出力する。
これに対して、フォトトランジスタＰＴ１は、受信側であるセルコントローラＣＣ３に接続されて、フォトダイオードＰＤ１から出力された光信号を受信して電気信号に変換して出力する。フォトダイオードＰＤ１の駆動電力はバッテリーコントローラ１０から供給されるが、フォトトランジスタＰＴ１の駆動電力はセルコントローラＣＣ３から供給される。
一方、図１に示すフォトカプラＰＣ２は、入力された電気信号に応じた光信号を出力する発光素子であるフォトダイオードＰＤ２と、入力された光信号を電気信号に変換して出力する受光素子であるフォトトランジスタＰＴ２とからなり、フォトダイオードＰＤ２は、送信側であるセルコントローラＣＣ１に接続されて、当該セルコントローラＣＣ１からの電気信号を光信号として出力する。
これに対して、フォトトランジスタＰＴ２は、受信側であるバッテリーコントローラ１０に接続されて、フォトダイオードＰＤ２から出力された光信号を受信して電気信号に変換して出力する。フォトトランジスタＰＴ２の駆動電力はバッテリーコントローラ１０から供給されるが、フォトダイオードＰＤ２の駆動電力はセルコントローラＣＣ１から供給される。
特に本例の制御装置では、セルコントローラＣＣ２とバッテリーコントローラ１０との間の通信にフォトカプラを使用せず、バッテリーコントローラ１０からセルコントローラＣＣ３へ送信したデータを当該セルコントローラＣＣ３からセルコントローラＣＣ２へ送り、さらに当該セルコントローラＣＣ２からセルコントローラＣＣ１へ送り、最後にこのデータをセルコントローラＣＣ１からフォトカプラＰＣ２を介してバッテリーコントローラ１０へ送信するといった、いわゆるカスケード通信方式を採用する。これにより、高価なフォトカプラを２つに減数することができる。
ところで、本例の組電池の制御装置では、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ２が接続されたセルコントローラＣＣ１，ＣＣ３のみがフォトカプラＰＣ１，ＰＣ２を介してバッテリーコントローラ１０と通信を行うため、当該２つのセルコントローラＣＣ１，ＣＣ３の消費電力が、フォトカプラの接続されていないセルコントローラＣＣ２の消費電力に比べて大きくなる。
すなわち、各セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３で消費する電力は、監視する電池モジュールＭ１〜Ｍ３のそれぞれから供給されるので、電池モジュールＭ１，Ｍ３はより電力を消費する。
また、一つのフォトカプラＰＣであってもフォトダイオードＰＤの消費電力はフォトトランジスタＰＴに比べて大きいので、フォトダイオードＰＤ２が接続された電池モジュールＭ１の方が、フォトトランジスタＰＴ１が接続された電池モジュールＭ３に比べて消費電力が大きくなる。
そこで、こうした単電池間に生じる消費電力のばらつきを平準化すべく、セルコントローラＣＣ２の通信信号線に抵抗Ｒ２１，Ｒ２２を設けるとともに、セルコントローラＣＣ３の通信信号線に抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を設けている。
すなわち、セルコントローラＣＣ３とＣＣ２との間でデータの送受信を行う通信信号線には、送受信するデータに応じて電池モジュールＭ２の電力を消費する抵抗Ｒ２１，Ｒ２２が設けられている。この２つの抵抗Ｒ２１，Ｒ２２の和Ｒ２１＋Ｒ２２は、フォトダイオードＰＤ２が接続されたセルコントローラＣＣ１の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の和Ｒ１１＋Ｒ１２に、当該フォトダイオードＰＤ２の内部抵抗を加えた値に相当する抵抗値とされている。
また、セルコントローラＣＣ３とバッテリーコントローラ１０との間でデータの送受信を行う通信信号線には、当該セルコントローラＣＣ３が監視する電池モジュールＭ３の電力を消費する抵抗Ｒ３１，Ｒ３２が設けられている。この２つの抵抗Ｒ３１，Ｒ３２の和Ｒ３１＋Ｒ３２は、フォトダイオードＰＤ２の内部抵抗と抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の和Ｒ１１＋Ｒ１２とを加えた値から、フォトトランジスタＰＴ１の内部抵抗を減じた値に相当する抵抗値とされている。
これら３つのセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３のそれぞれに設けられた抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２と、フォトダイオードＰＤ２の内部抵抗と、フォトトランジスタＰＴ１の内部抵抗との関係を図３に示す。
バッテリーコントローラ１０からセルコントローラＣＣ３に単電池の電圧検出指令信号が送信されると、セルコントローラＣＣ３ではフォトトランジスタＰＴ１および抵抗Ｒ３１，Ｒ３２により電力が消費されたのち、この電圧検出指令信号はセルコントローラＣＣ２へ送信される。このとき、セルコントローラＣＣ２では抵抗Ｒ２１，Ｒ２２により電力が消費される。
この電圧検出指令信号はセルコントローラＣＣ１へ送信され、さらにこのとき、セルコントローラＣＣ１では抵抗Ｒ１１，Ｒ１２にて電力が消費される。そして、この電圧検出信号がバッテリーコントローラ１０へ送信される際にフォトダイオードＰＤ２により電力が消費される。
これら電力を消費する電気素子の消費電力の関係は、図３に示すように等しくされているので、セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３とバッテリーコントローラ１０との送受信により発生する電池モジュールＭｌ，Ｍ２，Ｍ３間の消費電力のばらつきが低減できる。
ちなみに、抵抗Ｒ１１とＲ１２、抵抗Ｒ２１とＲ２２、抵抗Ｒ３１とＲ３２はそれぞれ、各セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３の通信用電源端子ＶＯを、入力端子ＲＸに送信された信号として分圧する分圧抵抗としての機能を司る。
なお、セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３が本発明に係る監視手段に相当し、バッテリーコントローラ１０が本発明に係る組電池制御手段に相当し、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ２が本発明に係る通信手段に相当し、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２の一部が本発明の電力消費手段に相当する。また、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２が本発明に係る第２抵抗に相当する。
また、セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３のうち、セルコントローラＣＣ２が本発明に係る第１監視手段に相当し、セルコントローラＣＣ１，ＣＣ３が本発明に係る第２監視手段に相当し、さらにセルコントローラＣＣ１が送信側第２監視手段に相当し、セルコントローラＣＣ３が受信側第２監視手段に相当する。
また、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ２のうち、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が本発明に係る送信側通信手段に相当し、フォトトランジスタＰＴ１，ＰＴ２が本発明に係る受信側通信手段に相当する。
《第２実施形態》
上述した第１実施形態では、いわゆるカスケード通信方式を利用してフォトカプラＰＣ１，ＰＣ２を減数するにあたり、フォトカプラが設けられたセルコントローラＣＣ１，ＣＣ３とフォトカプラが設けられていないセルコントローラＣＣ２との間の消費電力の不均衡を抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２により解消することとしたが、この回路構成および通信方式の場合では、バッテリーコントローラ１０とセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３との間で送受信されるデータによっても、セルコントローラ間で消費電力の不均衡が生じることがある。
図４（Ａ）は、バッテリーコントローラ１０とセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３との間で送受信されるデータ構造を示す図である。
同図に示すように、本例のデータはＨｉレベル信号とＬｏレベル信号とデジタル信号であり、先頭に所定ビット数の同期用データフィールドが設けられている。この同期用データは、データの送受信を行う際に両者間でデータ授受の同期をとるためのデータである。
次のフィールドは、バッテリーコントローラ１０で生成されるコマンドデータのフィールドであり、セル電圧を取得する指令と、当該セル電圧を取得すべき対象セルコントローラのアドレス（図２の番地指定回路２３に記憶されたアドレス）がそれぞれ所定ビット数だけ設けられている。
セル電圧の取得指令は、全てのセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３が対象となるほか、一部のセルコントローラのみに対して電圧の取得指令が送出されることもある。こうした場合に、各セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３は、この対象アドレスの信号と自身の番地指定回路２３に記憶されたアドレスとを比較することで、自身が監視する電池モジュールのセル電圧を検出しなければならないか否かを判断する。
次のフィールドは、各セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３で取得した電圧データのフィールドであり、図２に示すサンプルホールド回路２１およびＡ／Ｄコンバータ２２を介して取得された電圧データをデジタル演算回路２４でこのフィールドに書き込む。本例では一つの電池モジュールに４つの単電池が設けられているので、各単電池の電圧データをそれぞれ書き込むためのフィールドＣＥＬＬ１〜ＣＥＬＬ４が所定ビット数だけ設けられている。
なお、バッテリーコントローラ１０で生成されたコマンドデータの対象アドレスに当たらないセルコントローラでは、この電圧データフィールドに何も書き込まない（全てＬｏレベル信号）。
最後のフィールドは、消費電力を平準化するための平準化用ダミーデータを書き込むフィールドであり、たとえば取得した電圧データのビット数と同じビット数のフィールドが設けられている。たとえば、取得した電圧データの各単電池のフィールドが１０bit（合計４０bit）ずつ確保されている場合は、平準化用ダミーデータも４０bitのフィールドが確保されている。
次に平準化用ダミーデータの書き込み手順を説明する。
図４（Ｂ）および（Ｃ）は平準化用ダミーデータの書き込み手順を説明するための図、図５は、セルコントローラにおける制御手順を示すフローチャートである。
図５のステップＳ１においてセル電圧の取得指令を受信すると、セルコントローラのデジタル演算回路２４は、そのデータのうちコマンドデータの対象アドレスのデータと、番地指定回路２３に記憶された自身のアドレスとを比較し（ステップＳ２）、自身のアドレスが含まれている場合はステップＳ３へ進み、含まれていない場合はステップＳ８へ進む。
ステップＳ８において、自身が監視する電池モジュールの電圧データを取得する必要がない場合は、図４（Ｂ）に示すように取得した電圧データのフィールドにＬｏレベル信号を書き込む一方で、平準化用ダミーデータのフィールドに同じビット数（又は所定ビット数Ｎ0）のＨｉレベル信号を書き込む。ここで所定ビット数Ｎ0とは、取得した電圧データを書き込むフィールドのビット数のほか、これの２倍、３倍または１／２といった、これに相関するビット数も含まれる。
ステップＳ８にて平準化用ダミーデータのフィールドに所定ビット数のダミーデータを書き込んだらステップＳ７へ進み、そのデータを次のセルコントローラへ送信する。
これに対し、ステップ２にて自身のセルコントローラに対して電圧の取得指令がある場合は、ステップＳ３へ進み、図２に示すサンプルホールド回路２１、Ａ／Ｄコンバータ２２を介してデジタル演算回路２４に電圧データを取り込み、図４（Ｃ）に示すように、取得した電圧データのフィールドに電圧値に応じたデジタル信号を書き込む。
次のステップＳ５では、取得した電圧データのフィールドに書き込んだデジタルデータのうちのＨｉレベル信号のビット数をカウントする。カウントされたＨｉレベル信号がＮビットであったとする。
ステップＳ６では、平準化用ダミーデータのフィールドの所定ビット数Ｎ0からステップ５でカウントされたＨｉレベル信号のビット数Ｎを減じ、そのＮ0−Ｎのビット数のＨｉレベル信号を平準化用ダミーデータのフィールドに書き込む。このダミーデータを書き込んだらステップＳ７へ進み、そのデータを次のセルコントローラへ送信する。
ここで、図４（Ｂ）と（Ｃ）とを比較すると明らかなように、電圧データの取得指令を受けたセルコントローラにおいては、取得した電圧データフィールドに電圧値に応じたデジタル信号が書き込まれるが、このデジタル信号はそのセルコントローラが監視する電池モジュールの電力を消費することにより行われる。これに対して、取得指令を受けないセルコントローラにあっては、取得した電圧データフィールドにはＬｏレベル信号が書き込まれるので、電力を消費しない。
したがって、取得指令を受けた電池モジュールと取得指令を受けない電池モジュールとの間で消費電力の不均衡が生じる。しかしながら、本例の組電池の制御装置では、平準化用ダミーデータフィールドを設けて、取得した電圧データフィールドと平準化用ダミーデータフィールドとを併せたフィールドにおけるＨｉレベル信号の合計ビット数が、全てのセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３において等しくするので、取得した電圧データの有無や数値に拘らず各電池モジュールの消費電力が等しくなる。
なお、図４（Ｂ）および（Ｃ）に示す取得した電圧データフィールドと平準化用ダミーデータフィールドに書き込むＨｉレベル信号とＬｏレベル信号を、互いに逆にすることもできる。
以上の実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。
例えば、本実施形態に係る組電池の制御装置では、ｎ個（図１の例ではｎ＝４）の電池セル１を１単位とする電池モジュールＭ１〜Ｍ３毎に、１個のセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３を設けているが、特にこれに限定されるものでなく、１個の電池セル１に対して１個のセルコントローラを設けることもできる。
また、本実施形態に係る組電池の制御装置では、セルコントローラを３個備えているが、特にこれに限定されるものでなく、フォトカプラと接続されたセルコントローラと、フォトカプラと接続されていないセルコントローラがあれば、何個備えてもよい。
また、本実施形態に係る組電池の制御装置では、電気絶縁性を有する通信手段としてフォトカプラを用いたが、特にこれに限定されるものでなく、セルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３と、バッテリーコントローラ１０が電気的に絶縁しつつ、送受信可能であれば、例えば無線などの他の装置でも適用することができる。
発明の実施形態に係る組電池の制御装置を示すブロック図である。 図１のセルコントローラを示すブロック図である。 図１の３つのセルコントローラの消費電力の不均衡を説明するための図である。 図１のバッテリーコントローラとセルコントローラとの間で行われる通信のデータ構造を示す図である。 図１のセルコントローラにおける制御手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１０…バッテリーコントローラ（組電池制御手段）
ＣＣ１…セルコントローラ（送信側第２監視手段）
ＣＣ２…セルコントローラ（第１監視手段）
ＣＣ３…セルコントローラ（受信側第２監視手段）
Ｒｌｌ，Ｒ１２…抵抗
Ｒ２１，Ｒ２２…抵抗（電力消費手段）
Ｒ３１，Ｒ３２…抵抗（電力消費手段，第２抵抗）
Ｍｌ，Ｍ２，Ｍ３…電池モジュール
ＰＣ１，ＰＣ２…フォトカプラ（通信手段）
ＰＤ１，ＰＤ２…フォトダイオード（送信側通信手段）
ＰＴ１，ＰＴ２…フォトトランジスタ（受信側通信手段）

Claims (5)

  1. 組電池を構成する単電池に接続され、前記単電池の状態を監視する複数の監視手段と、
    前記複数の監視手段との間で、電気絶縁性を有する通信手段を介して前記単電池の状態に関するデータの通信を行う組電池制御手段と、を備え、
    前記複数の監視手段は、
    他の監視手段との間で前記データの通信を行う第１監視手段と、
    他の監視手段との間での通信に加えて、前記通信手段を介して前記組電池制御手段との間で通信を行う第２監視手段とを含む組電池の制御装置であって、
    前記データの通信に応じた電力を消費する電力消費手段をさらに備え、
    前記電力消費手段は、前記第１監視手段が前記他の監視手段との間で前記データの通信を行う信号線上に設けられた抵抗であることを特徴とする組電池の制御装置。
  2. 請求項１に記載の組電池の制御装置において、
    前記抵抗による消費電力は、前記通信手段が消費する電力に相当することを特徴とする組電池の制御装置。
  3. 請求項２に記載の組電池の制御装置において、
    前記通信手段は、互いに電気絶縁された送信側通信手段と受信側通信手段とを含み、
    前記第２監視手段は、
    前記組電池制御手段へ前記データを送信するとともに前記送信側通信手段による電力が消費される送信側第２監視手段と、
    前記組電池制御手段から前記データを受信するとともに前記受信側通信手段による電力が消費される受信側第２監視手段と、を含み、
    前記抵抗による消費電力は、前記送信側通信手段が消費する電力に相当することを特徴とする組電池の制御装置。
  4. 請求項３に記載の組電池の制御装置において、
    前記電力消費手段は、前記受信側第２監視手段が前記組電池制御手段との間で前記データの通信を行う信号線上に設けられた第２抵抗を含み、
    前記第２抵抗による消費電力は、前記送信側第２監視手段の送信側通信手段が消費する電力から前記受信側第２監視手段の受信側通信手段が消費する電力を減じた電力に相当することを特徴とする組電池の制御装置。
  5. 組電池を構成する単電池に接続され、前記単電池の状態を監視する複数の監視手段と、
    前記複数の監視手段との間で、電気絶縁性を有する通信手段を介して前記単電池の状態に関するデータの通信を行う組電池制御手段と、を備え、
    前記複数の監視手段は、
    他の監視手段との間で前記データの通信を行う第１監視手段と、
    他の監視手段との間での通信に加えて、前記通信手段を介して前記組電池制御手段との間で通信を行う第２監視手段とを含む組電池の制御装置であって、
    前記データの通信に応じた電力を消費する電力消費手段をさらに備え、
    前記電力消費手段は、前記監視手段から前記組電池制御手段へ送信されるデータに付加される平準化用ダミー信号であり、
    前記平準化用ダミー信号は、それぞれの監視手段で生成される、前記単電池の状態に関するＨｉレベル信号またはＬｏレベル信号のビット数に応じた信号であって、前記単電池の状態に関するＬｏレベル信号のビット数と同じビット数のＨｉレベル信号で生成される１パルスの信号であることを特徴とする組電池の制御装置。
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