JP5764456B2

JP5764456B2 - バッテリ監視装置

Info

Publication number: JP5764456B2
Application number: JP2011222859A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　誠二; 誠二鎌田; 阿部　秀文; 秀文阿部
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: CN103033756A; US20130088236A1; US9103894B2; CN103033756B; JP2013085353A

Description

本発明は、バッテリ監視装置に関する。

周知のように、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、動力源となるモータと、該モータに電力を供給する高電圧・大容量のバッテリが搭載されている。この高圧バッテリは、リチウムイオン電池或いは水素ニッケル電池等からなる電池セルを直列に複数接続して構成されるものである。

従来では、上記のような高圧バッテリを構成する各電池セルの電圧を電圧検出回路（例えば専用のＩＣチップ）にて検出し、過充電状態の電池セルの有無を監視しているが、電圧検出回路が故障してしまうと、正確に電池セルの電圧を検出することができず（電圧を低めに検出してしまう）、過充電セルの存在を見逃してしまう虞がある。
そのため、電圧検出回路を二重化して、一方の電圧検出回路が故障しても他方の電圧検出回路による電圧検出結果を用いることで、過充電セルの見逃しを防止する技術が開発されている（下記特許文献１参照）。

特開２００８−１４１９５４号公報

上記従来技術によると、例えば専用のＩＣチップのような電圧検出回路を二重化する必要があるため、部品コスト、実装スペース及び消費電流の増加を招くという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、部品コスト、実装スペース及び消費電流の増加を抑制しつつ、回路故障による過充電セルの見逃しを防止することの可能なバッテリ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に、本発明では、バッテリ監視装置に係る第１の解決手段として、バッテリを構成する各電池セルの充電状態を監視するバッテリ監視装置であって、前記電池セルの電圧を個別に検出する電圧検出回路と、前記電池セルの電圧と閾値電圧との比較を個別に行い、前記電池セルの電圧が閾値電圧以上の場合には第１のレベル、閾値電圧未満の場合には第２のレベルとなる信号を出力する電圧比較回路と、前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値以上、或いは前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルであるという２つの条件の内、少なくとも一方の条件が成立した場合に、前記電池セルが過充電状態にあると判定する判定部とを備えることを特徴とする。

また、本発明では、バッテリ監視装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記判定部は、前記２つの条件の成否を確認する処理とは別の処理として、前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルか否かのみを判定することで、前記電池セルが過充電状態にあるか否かを判定することを特徴とする。

また、本発明では、バッテリ監視装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記判定部は、前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値以上で、且つ前記電圧比較回路から入力された信号が第２のレベルである場合、前記電池セルが過充電状態にあると判定すると共に、前記電圧比較回路が故障していると判定することを特徴とする。

また、本発明では、バッテリ監視装置に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記判定部は、前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値未満で、且つ前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルである場合、前記電池セルが過充電状態にあると判定すると共に、前記電圧検出回路が故障していると判定することを特徴とする。

本発明では、電圧検出回路と電圧比較回路の一方に故障が発生しても、電池セルが過充電状態にあるか判定することができる。電圧検出回路として専用のＩＣチップを用いたとしても、電圧比較回路はコンパレータ等の安価な部品によって実現できる。
つまり、本発明によれば、従来のように電圧検出回路を二重化する必要がないので、部品コスト、実装スペース及び消費電流の増加を抑制しつつ、回路故障による過充電セルの見逃しを防止することが可能となる。

本実施形態に係るバッテリ監視装置Ａの概略構成図である。電圧比較回路２Ａ、２Ｂの具体的な回路構成例である。バッテリ監視装置Ａの動作を示すタイミングチャートである。ＣＰＵ３が実行する過充電判定処理を表すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るバッテリ監視装置Ａの概略構成図である。本バッテリ監視装置Ａは、バッテリＢを構成する各電池セルＣの充電状態を監視するものであり、図１に示すように、電圧検出回路１Ａ、１Ｂ、電圧比較回路２Ａ、２Ｂ及びＣＰＵ(Central Processing Unit）３を備えている。

バッテリＢを構成する各電池セルＣは複数個単位でグループ分けされており、電圧検出回路１Ａは、グループＧ１に属する電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌを個別に検出し、その電圧検出値ＶｃａをＣＰＵ３に出力する。また、電圧検出回路１Ｂは、グループＧ２に属する電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌを個別に検出し、その電圧検出値ＶｃｂをＣＰＵ３に出力する。これら電圧検出回路１Ａ、１Ｂは、Ａ／Ｄ変換機能やＣＰＵ３との通信機能等を有する専用のＩＣチップである。

なお、図１では、説明の便宜上、本バッテリ監視装置Ａに２つの電圧検出回路１Ａ、１Ｂが設けられている状態を図示しているが、バッテリＢを構成する電池セルＣの総数（電池セルＣのグループ数）に応じて、電圧検出回路の個数を適宜変更しても良い。

電圧比較回路２Ａは、グループＧ１に属する電池セルＣの電圧と閾値電圧Ｖｔｈ２との比較を個別に行い、電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌが閾値電圧Ｖｔｈ２以上の場合には第１のレベル（例えばハイレベル）、閾値電圧Ｖｔｈ２未満の場合には第２のレベル（例えばローレベル）となる信号をＣＰＵ３に出力する。電圧比較回路２Ｂは、グループＧ２に属する電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌと閾値電圧Ｖｔｈ２との比較を個別に行い、電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌが閾値電圧Ｖｔｈ２以上の場合にはハイレベル、閾値電圧Ｖｔｈ２未満の場合にはローレベルとなる信号をＣＰＵ３に出力する。

なお、図１では、説明の便宜上、本バッテリ監視装置Ａに２つの電圧比較回路２Ａ、２Ｂが設けられている状態を図示しているが、バッテリＢを構成する電池セルＣの総数（電池セルＣのグループ数）に応じて、電圧比較回路の個数を適宜変更しても良い。

図２に、電圧比較回路２Ａ、２Ｂの具体的な回路構成例を示す。この図に示すように、電圧比較回路２Ａ、２Ｂは、１つの電池セルＣに対して、２つの分圧抵抗１１、１２と、閾値電圧源１３と、コンパレータ１４とを備えている。

分圧抵抗１１は、一端が電池セルＣの正極端子に接続され、他端が分圧抵抗１２の一端及びコンパレータ１４の反転入力端子に接続されている。分圧抵抗１２は、一端が分圧抵抗１１の他端及びコンパレータ１４の反転入力端子に接続され、他端が電池セルＣの負極端子及び閾値電圧源１３の負極端子に接続されている。閾値電圧源１３は、閾値電圧Ｖｔｈ２を発生する直流電圧源であり、正極端子がコンパレータ１４の非反転入力端子に接続され、負極端子が分圧抵抗１２の他端及び電池セルＣの負極端子に接続されている。

コンパレータ１４は、反転入力端子に印加される電圧（電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌが分圧抵抗１１、１２によって抵抗分圧されたもの：以下、抵抗分圧値Ｖｃｂと称する）と非反転入力端子に印加される電圧（閾値電圧Ｖｔｈ２）とを比較し、抵抗分圧値Ｖｃｂが閾値電圧Ｖｔｈ２以上の場合にはハイレベル、閾値電圧Ｖｔｈ２未満の場合にはローレベルとなる信号をＣＰＵ３に出力する。

なお、図２では、説明の便宜上、１つの電池セルＣに対して、分圧抵抗１１、１２、閾値電圧源１３及びコンパレータ１４が設けられている状態を図示しているが、電圧比較回路２Ａ、２Ｂにおいては、各電池セルＣのそれぞれについて、分圧抵抗１１、１２、閾値電圧源１３及びコンパレータ１４が設けられていることに留意されたい。
また、電圧比較回路２Ａ、２Ｂにおいて、分圧抵抗１１、１２、閾値電圧源１３及びコンパレータ１４を１組だけ設け、マルチプレクサを用いて各電池セルＣを選択的に分圧抵抗１１、１２に接続するような構成を採用しても良い。

図１に戻り、ＣＰＵ３は、不揮発性メモリ（図示省略）に記憶されたプログラムに従って所定の処理を実行する中央演算処理装置である。このＣＰＵ３は、電圧検出回路１Ａ、１Ｂから入力された各電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上、或いは電圧比較回路２Ａ、２Ｂから入力された信号（コンパレータ１４の出力信号）がハイレベルであるという２つの条件の内、少なくとも一方の条件が成立した場合に、その条件が成立した電池セルＣが過充電状態にあると判定する。

次に、上記のように構成されたバッテリ監視装置Ａの動作について詳細に説明する。
まず、グループＧ１に属する１つの電池セルＣに着目すると、図３（ａ）のタイミングチャートに示すように、バッテリＢの充電開始以降、その電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌと、電圧検出回路１Ａにて検出された電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａと、電圧比較回路２Ａにおける抵抗分圧値Ｖｃｂが同一の変化率で徐々に上昇していく。

ここで、電圧検出回路１Ａに故障が発生した場合、電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌの上昇に伴って、電圧比較回路２Ａにおける抵抗分圧値Ｖｃｂも引き続き上昇するが、電圧検出回路１Ａにて検出された電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａは、ある時点から徐々に低下し始める。

この場合、抵抗分圧値Ｖｃｂが閾値電圧Ｖｔｈ２以上となった時点（電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌが過充電閾値Ｖｔｈ以上となった時点）で、電圧比較回路２Ａの出力信号（コンパレータ１４の出力信号）が、ローレベルからハイレベルに反転する。つまり、電圧検出回路１Ａに故障が発生した場合、ＣＰＵ３にて電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上となったか否かを正常に判定することはできないが、電圧比較回路２Ａの出力信号がハイレベルか否かを判定することにより、その電池セルＣが過充電状態か否かを判定することができる。

一方、図３（ｂ）に示すように、電圧比較回路２Ａに故障が発生した場合、電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌの上昇に伴って、電圧検出回路１Ａにて検出された電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａも引き続き上昇するが、電圧比較回路２Ａにおける抵抗分圧値Ｖｃｂは、ある時点から徐々に低下し始める。

この場合、電圧比較回路２Ａの出力信号（コンパレータ１４の出力信号）はローレベルのままであるので、ＣＰＵ３にて電圧比較回路２Ａの出力信号がハイレベルか否かを正常に判定することはできないが、電池セルＣの電圧Ｖｃｅｌｌが過充電閾値Ｖｔｈ以上となった時点で、電圧検出回路１Ａにて検出された電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａも閾値Ｖｔｈ１以上となるので、ＣＰＵ３にて電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上となったか否かを判定することにより、その電池セルＣが過充電状態か否かを判定することができる。

具体的には、ＣＰＵ３は、一定のサンプリング周期で図４のフローチャートに示す各処理を実行することにより、電池セルＣが過充電状態か否かを判定する。図４に示すように、ＣＰＵ３は、今回のサンプリングタイミングが到来すると、まず、電圧検出回路１Ａから電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａを読み込み（ステップＳ１）、電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上か否かを判定する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ３は、上記ステップＳ２にて「Ｙｅｓ」の場合、電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上、或いは電圧比較回路２Ａから入力された信号（コンパレータ１４の出力信号）がハイレベルであるという２つの条件の内、少なくとも一方の条件が成立したので、その条件が成立した電池セルＣが過充電状態にあると判定する（ステップＳ３）。

一方、ＣＰＵ３は、上記ステップＳ２にて「Ｎｏ」の場合、つまり電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１未満の場合、電圧比較回路２Ａの出力信号を読み込み（ステップＳ４）、電圧比較回路２Ａの出力信号がハイレベルか否かを判定する（ステップＳ５）。

ＣＰＵ３は、上記ステップＳ５にて「Ｙｅｓ」の場合、電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上、或いは電圧比較回路２Ａから入力された信号（コンパレータ１４の出力信号）がハイレベルであるという２つの条件の内、少なくとも一方の条件が成立したので、その条件が成立した電池セルＣが過充電状態にあると判定する（ステップＳ３）。

一方、ＣＰＵ３は、上記ステップＳ５にて「Ｎｏ」の場合、電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上、或いは電圧比較回路２Ａから入力された信号（コンパレータ１４の出力信号）がハイレベルであるという２つの条件がどちらも不成立であったので、その電池セルＣの充電状態は正常であると判定する（ステップＳ６）。
なお、ＣＰＵ３は、上記のステップＳ１〜Ｓ６の処理を電圧検出回路１Ｂ及び電圧比較回路２Ｂについても同様に行う。

以上説明したように、本実施形態では、電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）と電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）の一方に故障が発生しても、電池セルＣが過充電状態にあるか判定することができる。電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）として専用のＩＣチップを用いたとしても、電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）はコンパレータ１４等の安価な部品によって実現できる。
つまり、本実施形態によれば、従来のように電圧検出回路１Ａ（２Ａ）を二重化する必要がないので、部品コスト、実装スペース及び消費電流の増加を抑制しつつ、回路故障による過充電セルの見逃しを防止することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、電池セルＣが過充電状態か否かのみを判定する場合を例示したが、電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）から入力された電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１以上で、且つ電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）から入力された信号がローレベルである場合、電池セルＣが過充電状態にあると判定すると共に、電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）が故障していると判定する機能をＣＰＵ３に設けても良い。

また、電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）から入力された電圧検出値Ｖｃａが閾値Ｖｔｈ１未満で、且つ電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）から入力された信号がハイレベルである場合、電池セルＣが過充電状態にあると判定すると共に、電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）が故障していると判定する機能もＣＰＵ３に設けても良い。

（２）上記実施形態では、サンプリング周期毎に電圧検出回路１Ａ（１Ｂ）から得られる電池セルＣの電圧検出値Ｖｃａと、電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）の出力信号とに基づいて、各電池セルＣの過充電状態を判定するので、サンプリング周期より早く過充電状態を判定することはできない。そこで、図４に示す処理（２つの条件の成否を確認する処理）とは別の処理として、電圧比較回路２Ａ（２Ｂ）の出力信号がハイレベルか否かを判定し、その判定結果のみで過充電状態を判定する機能をＣＰＵ３に設けても良い。これにより、サンプリング周期より早く過充電状態を判定することができる。

Ａ…バッテリ監視装置、Ｂ…バッテリ、Ｃ…電池セル、１Ａ、１Ｂ…電圧検出回路、２Ａ、２Ｂ…電圧比較回路、３…ＣＰＵ（判定部）、１１、１２…分圧抵抗、１３…閾値電圧源、１４…コンパレータ

Claims

バッテリを構成する各電池セルの充電状態を監視するバッテリ監視装置であって、
前記電池セルの電圧を個別に検出する電圧検出回路と、
前記電池セルの電圧と閾値電圧との比較を個別に行い、前記電池セルの電圧が閾値電圧以上の場合には第１のレベル、閾値電圧未満の場合には第２のレベルとなる信号を出力する電圧比較回路と、
前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値以上、或いは前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルであるという２つの条件の内、少なくとも一方の条件が成立した場合に、前記電池セルが過充電状態にあると判定する判定部とを備え、
前記判定部は、前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値以上で、且つ前記電圧比較回路から入力された信号が第２のレベルである場合、前記電池セルが過充電状態にあると判定すると共に、前記電圧比較回路が故障していると判定し、また前記電圧検出回路から入力された電圧検出値が閾値未満で、且つ前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルである場合、前記電池セルが過充電状態にあると判定すると共に、前記電圧検出回路が故障していると判定することを特徴とするバッテリ監視装置。
前記判定部は、前記２つの条件の成否を確認する処理とは別の処理として、前記電圧比較回路から入力された信号が第１のレベルか否かのみを判定することで、前記電池セルが過充電状態にあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ監視装置。