JP5717282B2 - 電圧検出装置及び暗電流バラツキ低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続された複数のセルが含まれるように複数のブロックに分けられ、ブロック毎にセル電圧を検出する電圧検出装置及び暗電流バラツキ低減方法に関する。

従来、２次電池からなる単位セルを複数個直列に接続した組電池（電池モジュール）は数セル毎にブロックに分けられており、電圧検出装置にはブロック毎にセル電圧を検出する複数の電圧検出ユニットが備わっている（図１参照）。

図８は従来の電圧検出ユニットの構成を示す図である。電圧検出ユニット１００は、２次電池からなるブロック１５０に接続され、このブロック１５０から電源ライン１５５を介して電源が供給される高圧側回路１１０、およびイグニッションスイッチ１４１に接続され、このイグニッションスイッチ１４１を介して電源が供給される低圧側回路１２０から構成される。

高圧側回路１１０には、電圧検出回路１１１、５Ｖ電源回路１１２、ロジック回路１１３および絶縁通信ＩＣ１１４が設けられている。低圧側回路１２０には、５Ｖ電源回路１２１、ＣＰＵ１２２、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１２３が設けられている。
イグニッションスイッチ１４１のオン時、低圧側回路１２０では、５Ｖ電源回路１２１によって駆動されるＣＰＵ１２２が絶縁通信ＩＣ１１４を介してブロック１５０内の各セル電圧の検出を指示する。高圧側回路１１０では、この指示に従って、電圧検出回路１１１がブロック１５０内の各セルの電圧を検出する。

また、イグニッションスイッチ１４１がオフとなって電源が遮断された場合、低圧側回路１２０では、イグニッションスイッチ１４１を通じて流れる電流（暗電流）は値０となる。同時に、高圧側回路１１０もスリープ状態に移行する。

この種の従来技術として、特許文献１には、電圧低下率が大きい二次電池は暗電流が小さいセルコントロール回路に接続され、電圧低下率が小さい二次電池は暗電流が大きいセルコントロール回路に接続され、各二次電池の電圧低下率をセルコントローラ回路の暗電流による電圧低下率で吸収してバラツキを小さくすることが示されている。

また、特許文献２には、差動アンプのグループ毎に互いに絶縁された状態で電源入力端子と接地端子との間に制御電源を接続することで、暗電流のばらつきを小さくすることが示されている。

また、特許文献３には、セル監視ＩＣチップと制御ＩＣチップとを対として１つの単位電池セルを制御することが示されている。

特開２００２−１９９６０１号公報 特開平１１−１１３１８２号公報 特開２００８−１４８５５３号公報

しかしながら、上記従来の電圧検出装置には、つぎのような問題があった。前述したように、イグニッションスイッチがオフになった場合、高圧側回路もスリープ状態に移行する。このとき、高圧側回路内の各素子のリーク電流や一部の回路の動作電流のため、僅かではあるが、２次電池から電流（暗電流）が流れる。この暗電流は、電圧検出ユニット毎に異なるので、長時間スリープ状態が継続した場合、２次電池のブロック毎の電圧にバラツキが生じてしまう。

本発明は、上記従来の事情に鑑みなされたものであって、電圧検出ユニット毎の暗電流のバラツキが低減され、長時間スリープ状態が継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができる電圧検出装置及び暗電流バラツキ低減方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の電圧検出装置は、直列に接続された複数のセルが含まれるように複数のブロックに分けられ、前記ブロック毎にセル電圧を検出する電圧検出装置であって、前記複数のブロックにそれぞれ接続された電源ラインを介して電力が供給され、当該複数のブロック内のセル電圧をそれぞれ検出する複数の電圧検出手段を備え、前記複数の電圧検出手段には、それぞれ前記電源ラインを通じて流れる暗電流が同じ目標値になるように、前記暗電流を増加させる複数の電流増加手段が設けられたことを特徴とする。
これにより、電圧検出手段毎の暗電流のバラツキが低減され、長時間スリープ状態が継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができる。
さらに、前記電圧検出手段は定電圧電源回路を有し、前記電流増加手段は、前記定電圧電源回路の出力に一端が接続され、他端が所定の電位に保持された抵抗器であることを特徴とする。
これにより、ブロックの電圧が変動しても、暗電流調整用抵抗器に流れる暗電流の値が一定となって安定する。

請求項２に記載の電圧検出装置では、請求項１の構成に加え、前記抵抗器は抵抗値が可変自在な可変抵抗器であることを特徴とする。
これにより、暗電流の調整作業が簡単になる。

請求項３に記載の電圧検出装置は、請求項１または２の構成に加え、前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流を調整する暗電流調整手段を備え、前記暗電流調整手段は、前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流をそれぞれ検出する複数の電流検出手段と、前記複数の電流検出手段によって検出された複数の暗電流をもとに、前記目標値を設定する目標値設定手段と、前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流がそれぞれ前記設定された目標値になるように、前記電流増加手段を制御する電流制御手段とを備えたことを特徴とする。
これにより、人手を煩わすことなく、自動で任意のときに暗電流を調整することができ、ブロック毎の電圧のバラツキが容易に抑えられる。

請求項４に記載の電圧検出装置では、請求項１〜３のいずれかの構成に加え、前記目標値は、前記電流増加手段を設けない場合における前記暗電流の最大値もしくは当該最大値を越える値に設定されたことを特徴とする。
これにより、確実に各電圧検出手段の暗電流を同じ目標値に揃えることができる。

本発明によれば、複数の電圧検出手段には、それぞれ電源ラインを通じて流れる暗電流が同じ目標値になるように、暗電流を増加させる複数の電流増加手段が設けられているので、電圧検出手段毎の暗電流のバラツキが低減され、長時間スリープ状態が継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができる。

図１は第１の実施形態における電圧検出装置の構成を示す図である。 図２は電圧検出ユニットの構成を示す図である。 図３は高圧側回路がスリープ状態に移行した場合にブロックから暗電流が流れる電圧検出ユニットの等価回路を示す図である。 図４は各電圧検出ユニットに対応する暗電流の大きさを示すグラフである。 図５は第２の実施形態における電圧検出ユニットの構成を示す図である。 図６は第３の実施形態における電圧検出装置の構成を示す図である。 図７は暗電流調整装置における暗電流の調整動作を示すフローチャートである。 図８は従来の電圧検出ユニットの構成を示す図である。

本発明の実施形態の電圧検出装置及び暗電流バラツキ低減方法について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態における電圧検出装置の構成を示す図である。
電池モジュール５は、２次電池からなる単位セルが複数個（図１ではセル１〜セルｍのｍ個）直列に接続されたセルブロック５０の複数個（図１ではブロック１〜ブロックｎのｎ個）から成る集合体である。
電圧検出装置１は、複数のセルブロック５０にそれぞれ対応する複数の電圧検出ユニット１０を有する。電圧検出ユニット１０は、ブロック５０内の各セル５１の電圧（セル電圧）を個々に検出する。なお、図１の第１の実施形態では、各ブロック５０のセルが同数のｍ個含まれるようにしているが、各ブロック５０のセル数が異なっても、もちろん本発明は成立する。

図２は電圧検出ユニットの構成を示す図である。電圧検出ユニット１０は、ブロック５０に接続され、このブロック５０から電源ライン５５を介して電力が供給される高圧側回路２０、およびイグニッションスイッチ４１に接続され、このイグニッション４１を介して電源から電力が供給される低圧側回路３０から構成される。
高圧側回路２０には、電圧検出回路２１、５Ｖ電源回路２２、ロジック回路２３および絶縁通信ＩＣ２４が設けられている。低圧側回路３０には、５Ｖ電源回路３１、ＣＰＵ３２、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３３が設けられている。高圧側回路２０および低圧側回路３０間の通信は絶縁通信ＩＣ２４を通じて行われる。

また、高圧側回路２０には、ブロック５０から高圧側回路２０に接続される電源ライン５５に一端が接続され、他端が接地された暗電流調整用抵抗器２５が設けられている。暗電流調整用抵抗器２５（電流増加手段）は、後述するように、電圧検出ユニット１０の暗電流、つまりブロック５０から高圧側回路２０に流れる暗電流を調整する（増加させる）ものであり、本実施形態では抵抗値が一定の固定抵抗器からなる。
なお、この暗電流調整用抵抗器は、高圧側回路２０に交換自在に取り付けられてもよいし、固着されてもよい。
また、固定抵抗器の代わりに、作業者によって抵抗値が可変自在な半固定抵抗器を設けてもよい。

イグニッションスイッチ４１のオン時、低圧側回路３０では、５Ｖ電源回路３１によって駆動されるＣＰＵ３２が絶縁通信ＩＣ２４を介して高圧側回路２０側にブロック５０内の各セルの電圧を検出するように指示する。高圧側回路２０では、この指示に従って、電圧検出回路２１がブロック内の各セルの電圧を検出する。

電圧検出回路２１は、複数のセルにそれぞれ接続された複数のＡ／Ｄ変換器（図示せず）を有し、各Ａ／Ｄ変換器によって変換されたセル電圧をデジタル値に変換して出力する。電圧検出回路２１から出力されるセル電圧は、ロジック回路２３および絶縁通信ＩＣ２４を介してＣＰＵ３２によって読み出され、インタフェース３３を通じて外部に出力される。

一方、イグニッションスイッチ４１がオフとなり、低圧側回路３０への電源が遮断された場合、低圧側回路３０では、イグニッションスイッチ４１を通じて電流が流れなくなり、暗電流は値０となる。低圧側回路３０がスリープ状態になると、高圧側回路２０もスリープ状態に移行する。

図３は高圧側回路がスリープ状態に移行した場合にブロックから暗電流が流れる電圧検出ユニットの等価回路を示す図である。ここで、Ｒは暗電流調整用抵抗器２５を除く電圧検出ユニット１０の直流抵抗を表し、ｒは暗電流調整用抵抗器２５の抵抗を表す。電圧検出ユニット１０では、スリープ状態にある時、ブロック５０から並列に接続された直流抵抗Ｒおよび抵抗ｒを通じて暗電流ｉｂが流れる。直流抵抗Ｒを流れる電流は電流検出ユニット毎にばらつくが、抵抗ｒの値を変えることで、直流抵抗Ｒを流れる電流および抵抗ｒを流れる電流を合算した暗電流ｉｂを一定にすることは可能である。

つぎに、電圧検出ユニット１０内に取り付けられる暗電流調整用抵抗器２５の設定を示す。図４は各電圧検出ユニットに対応する暗電流の大きさを示すグラフである。暗電流調整用抵抗器２５を設けない場合、図４（Ａ）に示すように、各電圧検出ユニット１０（ユニット１、２…ｎ）に流れる暗電流には、バラツキが見られる。

本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、暗電流の目標値を、図４（Ａ）に示す暗電流の最大値より少し高め値に設定する。すなわち、電圧検出ユニット１０（１、２…ｎ）毎に、暗電流の増加（図中、斜線ａ）に見合った分、余計に暗電流が流れるように、暗電流調整用抵抗器２５の抵抗値は異なる値に設定される。これにより、全ての電圧検出ユニット１０（１、２…ｎ）において、暗電流値は等しくなる。なお、ここでは、暗電流の目標値を、暗電流の最大値が多少変動しても変わらないように最大値より少し高めの値に設定したが、最大値に揃えてもよい。

このように、第１の実施形態の電圧検出装置によれば、高圧側回路２０で暗電流の絶対値が少し大きくなるが、全ての電圧検出ユニット１０で暗電流の値が等しく揃うようになる。これにより、電圧検出ユニット毎の暗電流のバラツキが低減され、長時間スリープ状態が継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができる。
また、電圧検出ユニット１〜ｎを構成する電圧検出ユニット群の温度変動またはセルの変動に対して、各ユニット間の相対的な暗電流のバラツキを小さく抑えることができる。

また、暗電流調整用抵抗器として、ブロックの一方に接続された電源ラインに一端が接続され、他端が当該ブロックの他方と同一の電位に保持される抵抗器が用いられるので、簡単に暗電流を増加させることができる。また、暗電流調整用抵抗器は、抵抗値が可変自在な可変抵抗器である場合、暗電流の調整作業が簡単になる。また、目標値は、暗電流調整用抵抗器を設けない場合における暗電流の最大値もしくは当該最大値を越える値に設定されるので、確実に各電圧検出ユニットの暗電流を同じ目標値に揃えることができる。

（第２の実施形態）
前記第１の実施形態では、暗電流調整用抵抗器はブロックの電源ラインに接続されたが、第２の実施形態では、５Ｖ電源回路（定電圧電源回路）の出力ラインに接続される場合を示す。

図５は第２の実施形態における電圧検出ユニット１０の構成を示す図である。前記第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号を付すことによりその説明を省略する。第２の実施形態では、前述したように、暗電流調整用抵抗器４５は、５Ｖ電源回路２２の出力ライン２６に一端が接続され、他端が接地されて所定の電位（ＧＮＤ）に保持されたものである。なお、暗電流調整用抵抗器４５が交換自在に設けられてもよいこと、固定抵抗器あるいは半固定抵抗器でもよいことは、前記第１の実施形態と同様である。
この場合、暗電流調整用抵抗器４５には、５Ｖの定電圧が印加されるので、定電流つまり一定の暗電流が流れることになる。
第２の実施形態の電圧検出装置によれば、各ブロックの電圧の変動によらず、暗電流調整用抵抗器に流れる暗電流の値が一定となって安定する。

（第３の実施形態）
前記第１および第２の実施形態では、工場出荷時やメンテナンス時、例えば作業者が暗電流調整用抵抗器による暗電流の調整を行う場合を示したが、第３の実施形態では、任意のときに自動で暗電流の調整を行う場合を示す。第３の実施形態では、前記第１、第２の実施形態と比べ、電流測定部および暗電流調整装置が付加される。また、暗電流調整用抵抗器の種類が異なる。

図６は第３の実施形態における電圧検出装置の構成を示す図である。ここで、電圧検出ユニットをブロックごとに区別する場合には、添え字Ａ、Ｂ、Ｃを付して電圧検出ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとし、特に区別する必要がない場合、電圧検出ユニット１０と総称する。このことは他の構成要素においても同様である。また、前記第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付すことによりその説明を省略する。また、図中、説明を分かり易くするために、低圧側回路など一部の構成は省略されている。
各ブロック５０から各電圧検出ユニット１０に接続される電源ライン５５（５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ）には、暗電流を測定可能な電流測定部９０（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）が設けられている。
電流測定部９０は、電源ライン５５の間にそれぞれ並列に介在された電流計９１およびスイッチ９２から構成される。この電流測定部９０において、スイッチ９２がオン状態にある場合、ブロック５０からの電源ライン５５は直接に電圧検出ユニット１０に接続される。一方、スイッチ９２がオフ状態にある場合、ブロック５０からの電源ライン５５は電流計９１を介して電圧検出ユニット１０に接続され、暗電流の測定が可能となる。この電流測定部９０は暗電流調整装置８０に接続されている。

暗電流調整装置８０は、電流測定部９０から暗電流の値を入力する入力部８４、各電圧検出ユニット１０における暗電流の値から目標値を設定する制御部８５、および後述する暗電流調整用抵抗器９６に対し抵抗値を可変させる信号を出力する出力部８６から構成される。制御部８５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵する。

電圧検出ユニット１０の高圧側回路２０には、電源ライン５５に一端が接続され、他端が接地された暗電流調整用抵抗器９６が設けられている。この暗電流調整用抵抗器９６には、暗電流調整装置８０からの信号に従って抵抗値が可変自在な電圧制御型可変抵抗器やデジタルポテンショメータが用いられる。

図７は暗電流調整装置８０における暗電流の調整動作を示すフローチャートである。この動作プログラムは暗電流調整装置８０の制御部８５内のＲＯＭに格納されており、ＣＰＵによって実行される。なお、この動作はイグニッションスイッチ４１がオフで暗電流の測定が可能な状態で行われるものとする。
まず、暗電流調整装置８０は、電圧検出ユニット１０Ａの暗電流の値を計測する（ステップＳ１）。この計測に際し、暗電流調整装置８０は、スイッチ９２Ａをオンからオフに切り替え、電流計９１Ａで計測される電流値を入力部８４を介して取得する。
暗電流調整装置８０は、全ての電圧検出ユニット１０の暗電流値の計測が済んだか否かを判別する（ステップＳ２）。全ての電圧検出ユニット１０の暗電流値の計測が済んでいない場合、暗電流調整装置８０は、ステップＳ１の処理に戻り、次の電圧検出ユニット１０Ｂの暗電流値の計測を行う。
一方、全ての電圧検出ユニット１０の暗電流の値の計測が済んだ場合、暗電流調整装置８０は、暗電流の目標値を設定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理は目標値設定手段に相当する。この目標値の設定に際し、暗電流調整装置８０は、全ての電圧検出ユニット１０の暗電流値の中から、最大値を選び、これに値αを加えた値を暗電流の目標値に設定する。この値αは、暗電流の最大値が変動しても全ての暗電流を目標値に揃えられるような、暗電流の最大値に比べて小さな値であることが望ましい。なお、値αは値０であってもよい。

暗電流調整装置８０は、電圧検出ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ毎に、この目標値になるような信号を出力部８６を介して出力する（ステップＳ４）。この信号を受けて暗電流調整用抵抗器９６Ａ、９６Ｂ、９６Ｃの抵抗値は変化し、各電圧検出ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの暗電流の値は目標値に揃えられる。ステップＳ４の処理は電流制御手段に相当する。この後、暗電流調整装置８０は本動作を終了する。したがって、定期的あるいは任意のときに計測される個々の電圧検出ユニットの暗電流の値が時間の経過とともに変動したとしても、その都度、設定される目標値に暗電流の値は変化する。

第３の実施形態の電圧検出装置によれば、暗電流調整装置を用いて、各ブロックから電力が供給される電圧検出ユニットの暗電流の値を一定に揃えることができる。これにより、人手を煩わすことなく、自動で任意のときに暗電流を調整することで、電圧検出ユニット毎の暗電流のバラツキが低減される。従って、長時間スリープ状態が継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。
例えば、第３の実施形態では、前記第１の実施形態と同様、暗電流調整用抵抗器はブロックからの電源ラインに接続されていたが、第２の実施形態と同様、５Ｖ電源回路の出力ラインに接続されてもよい。これにより、暗電流調整用抵抗器には、定電流が流れて暗電流の値が一定となって安定する。
また、第３の実施形態の暗電流調整装置は、工場出荷時あるいはメンテナンス時に、電圧検出装置に取り付けられ、暗電流の調整が行われた後、取り外されるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、電流増加手段として、電源ラインに抵抗器が接続された場合を示したが、抵抗器の代わりに、定電流ダイオード等の定電流源が接続されてもよく、暗電流を安定させることができる。
また、上記実施形態では、直列に接続された複数のセルが含まれるように分けられたブロック毎に電圧検出を行う場合を示したが、１個つまり単位セルごとに電圧検出を行う場合にも、同様に本発明は適用可能である。
また、上記実施形態では、複数の電圧検出ユニットにおいて、抵抗器は全て同じように接続されていたが、一部の電圧検出ユニットの抵抗器は電源ラインに接続され、その他の電圧検出ユニットの抵抗器は５Ｖ電源回路に接続されるように、抵抗器の接続形態を混在させてもよい。

本発明は、直列に接続された複数のセルが含まれるように複数のブロックに分けられ、ブロック毎にセル電圧を検出する際、電圧検出ユニットのスリープ状態が長時間継続した場合でも、ブロック毎の電圧のバラツキを小さく抑えることができ、有用である。

１ 電圧検出装置、
５ 電池モジュール
１０ 電圧検出ユニット
２０ 高圧側回路
２１ 電圧検出回路
２２ ５Ｖ電源回路
２３ ロジック回路
２４ 絶縁通信ＩＣ
２５ 暗電流調整用抵抗器
３０ 低圧側回路
３１ ５Ｖ電源回路
３２ ＣＰＵ
３３ インタフェース（Ｉ／Ｆ）
４５ 暗電流調整用抵抗器
５０ ブロック
５１ セル
５５ 電源ライン
８０ 暗電流調整装置
８４ 入力部
８５ 制御部
８６ 出力部
９０ 電流測定部
９１ 電流計
９２ スイッチ
９６ 暗電流調整用抵抗器

Claims (4)

1. 直列に接続された複数のセルが含まれるように複数のブロックに分けられ、前記ブロック毎にセル電圧を検出する電圧検出装置であって、前記複数のブロックにそれぞれ接続された電源ラインを介して電力が供給され、当該複数のブロック内のセル電圧をそれぞれ検出する複数の電圧検出手段を備え、前記複数の電圧検出手段には、それぞれ前記電源ラインを通じて流れる暗電流が同じ目標値になるように、前記暗電流を増加させる複数の電流増加手段が設けられた電圧検出装置において、
   前記電圧検出手段は定電圧電源回路を有し、
   前記電流増加手段は、前記定電圧電源回路の出力に一端が接続され、他端が所定の電位に保持された抵抗器であることを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記抵抗器は抵抗値が可変自在な可変抵抗器であることを特徴とする請求項１記載の電圧検出装置。
3. 前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流を調整する暗電流調整手段を備え、
   前記暗電流調整手段は、前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流をそれぞれ検出する複数の電流検出手段と、前記複数の電流検出手段によって検出された複数の暗電流をもとに、前記目標値を設定する目標値設定手段と、前記複数の電圧検出手段に流れる暗電流がそれぞれ前記設定された目標値になるように、前記電流増加手段を制御する電流制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電圧検出装置。
4. 前記目標値は、前記電流増加手段を設けない場合における前記暗電流の最大値もしくは当該最大値を越える値に設定されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電圧検出装置。

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