JP5791584B2 - 電圧監視システム、電圧監視装置、及び電圧監視方法 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照しながら本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る電池システム1の全体構成を示す概略ブロック図である。
電池システム(電圧監視システム)1は、M個(Mは、1以上の整数、図1に示す例では2)の電池ユニット11−1〜11−M、電流センサ13、受電端スイッチ14、電力変換器15、電池制御回路16、及び表示部17を含んで構成される。
以下の説明では、M個の電池ユニット11−1〜11−Mを、電池ユニット11−1等、と呼ぶことがある。また、特定のM個の電池ユニット11−1〜11−Mを指す場合には、単に電池ユニット11と呼ぶことがある。電池ユニット11以外の複数個存在する構成、例えば、後述する組電池列111についても、同様に呼称する。電池ユニット11−2〜11−Mは、特に断らない限り電池ユニット11−1と同様な構成を備える。以下、主に電池ユニット11−1について説明する。
電池監視回路(電圧監視装置)112−1は、組電池列111−1の状態、例えば、電圧や温度を検出(監視)し、検出した状態を示す電池状態信号を電池制御回路16に出力する。電池監視回路112−1は、電池制御回路16から入力された電池制御信号に基づいて動作する。電池監視回路112−1の構成については後述する。
受電端スイッチ14の一端は、電流センサ13の他端に接続され、受電端スイッチ14の他端は電力変換器15の一端に接続されている。受電端スイッチ14は、その一端と他端との間が開いている状態(開状態、OFF)又は閉じている状態(閉状態、ON)のうちいずれかの状態をとる。開状態は、その一端及び他端との間で電流が流れずに遮断されている状態である。閉状態は、その一端及び他端との間で電流が流れ、導通している状態である。受電端スイッチ14は、電池制御回路16から入力された受電端スイッチ制御信号に基づいて自部の状態を開状態又は閉状態に切り替える。
電力変換器15は、受電端スイッチ14の他端から供給された電力を、負荷部で要求されている仕様(例えば、定格電圧、定格電流、交流又は直流の区別)に適合するように変換する。電力変換器15は、例えば、受電端スイッチ14の他端から供給された直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器(DC−ACコンバータ)である。
電力変換器15の他端には、電力を供給する電源(図示せず)が接続されていてもよい。電源は、例えば、発電機、燃料電池等である。電源が接続されている場合には、電力変換器15は、電源から供給された電力を所定の電圧値及び電流値を有する直流電力に変換し、変換した直流電力を受電端スイッチ14の他端に出力してもよい。出力された直流電力によって、組電池列111−1等が充電される。
電池制御回路16は、電池監視回路112−1等から異常検出信号が入力された場合には、入力された異常検出信号を表示部17に出力する。異常検出信号は、組電池列111−1等のいずれかに異常が検出されたことを示す信号である。
電池制御回路16は、負荷部への電力の供給を停止することを示す操作入力を受け付けた場合には、受電端スイッチ14を開状態に切り替えることを示す受電端スイッチ制御信号を生成し、生成した信号を受電端スイッチ14に出力する。これにより、受電端スイッチ14の状態を開状態に切り替えて、負荷部への電力の供給を停止する。
電池状態要求信号を出力する契機は、例えば、他の構成部(電池システム1には限らない)からその動作を停止したことを示す停止信号が電池制御回路16に入力されたときである。他の構成部は、例えば、内燃機関に供給された燃料を点火させる点火装置(イグニッションシステム)、車両の動力源であるモータ、等である。
その他、電池状態要求信号を出力する契機は、組電池列111−1等の温度が所定の温度閾値(例えば、50°C)を超えたときでもよい。組電池列111−1等の温度として、電池制御回路16は、該組電池列111−1等に対応する電池監視回路112−1等から入力された電池状態信号が示す情報を用いることができる。
電池システム1は、電池ユニット11−1等のそれぞれについてN個の電池ユニット対応スイッチ12−1−1〜12−1−N等及び校正用基準電圧発生回路(第2基準電圧生成部)18を、さらに備える。Nは、1以上の整数、例えば、4であり、後述する組電池列111−1等に含まれる電池セルの数に相当する。図2では、電流センサ13、受電端スイッチ14及び電力変換器15の図示が省略されているが、これらが電池システム1において省略して構成されていることを意味するものではない。
組電池列111−1は、N個の電池セルを含んで構成される。電池セルの数が複数である場合には、複数の電池セルが互いに直列に接続されて形成される。ここでは、組電池列111−1を構成するN個の電池セルを、電池セル111−1−1〜111−1−N、又は111−1−1等と示すことによって区別する。電池セル111−1−1等以外の、それぞれN個存在する構成についても、同様に呼称する。
電池セル111−1−1等のそれぞれは、各1個の正極端子と負極端子の対を備え、その対が電解質を挟む電池の構成単位である。電池セルは、セル電池、又は単にセルと呼ばれることがある。本実施形態では、電池セルは、充電と放電を繰り返し行うことができる二次電池である。組電池列111−1もしくは電池セルに蓄積されている電荷が大きくなるほど、一般に両極端子間の電圧が大きくなるため、その電圧は蓄積されている電荷の容量の目安となる。その電圧は起電力と呼ばれることもある。
ここで、A/D変換器113−1は、各基準電圧信号が示す電圧値(基準電圧)を最大値として所定のビット数(量子化精度)で対応する電池セルのアナログの電圧値を量子化する。例えば、基準電圧が4.0V、電池セルの電圧値が3.8Vである場合、電池セルの基準電圧に対する比は0.95となる。所定のビット数が8ビットである場合、4Vについて、その最大値を二進表示した値11111111(十進表示で28−1)が対応付けられる。従って、電池セルの電圧値は、0.95×(28−1)の小数点以下を四捨五入した整数値242を二進表示して、11110010と量子化される。つまり、A/D変換器113−1は、所定のビット数に係る精度で電池セルの電圧値を、基準電圧信号が示す基準電圧で正規化した値を計測する。
なお、電池セルの電圧値が基準電圧を超える場合には、A/D変換器113−1は、量子化したディジタル値として、例えばその最大値を与える。所定のビット数が8ビットである場合には、最大値11111111が与えられる。
基準電圧発生回路114−1は、所定の基準電圧を有する基準電圧信号を生成し、生成した基準電圧信号をN個の基準電源スイッチ115−1−1〜115−1−Nのそれぞれの一端に出力する。所定の基準電圧は、例えば、対応する各電池セルの定格電圧又は該定格電圧よりも予め定めた電圧マージンだけ高い電圧値である。
基準電圧発生回路114−1は、例えば、ツェナーダイオードを含んで構成される。ツェナーダイオードは、その両端に印加された電圧が、ある一定の電圧である基準電圧に等しくなるように電流が流れる特性(ツェナー効果)を有する回路素子である。基準電圧発生回路114−1による基準電圧は、一般に時間経過に伴って徐々に低下する。また、基準電圧の低下は、温度変化や振動等の環境変化によって助長されることがある。
基準電源スイッチ115−1−1〜115−1−Nは、CPU116−1から入力された基準電源選択信号に基づいて、出力端と接続する入力端を、各2個の入力端の一方にするか他方にするかを切り替える。これにより、出力端からA/D変換器113−1に出力する基準電圧信号として、基準電圧発生回路114−1から入力された基準電圧信号を出力するか、電池ユニット対応スイッチ12−1−1〜12−1−Nからそれぞれ入力された基準電圧信号を出力するかが選択される。つまり、基準電源スイッチ115−1−1〜115−1−Nは、基準電源の切り替え用のスイッチである。
以下の説明では、基準電圧発生回路114−1から入力された基準電圧信号を基準電圧信号1と呼び、電池ユニット対応スイッチ12−1−1〜12−1−Nからそれぞれ入力された基準電圧信号を基準電圧信号2と呼んで両者を区別する。
CPU116−1は、電圧の計測精度に異常が発生したと判定した場合には、異常が検出されたことを示す異常検出信号を生成し、生成した異常検出信号を、トランシーバ117−1を介して電池制御回路16に出力する。
校正用基準電圧発生回路18は、所定の基準電圧を有する基準電圧信号2を生成し、生成した基準電圧信号2をN個の基準電源スイッチ115−1−1〜115−1−Nが備える各2個の入力端の他方に出力する。
次に、本実施形態に係る電圧監視処理について説明する。
図3は、本実施形態に係る電圧監視処理を示すフローチャートである。
(ステップS101)電池制御回路16は、組電池列111−1等の電圧を示す電池状態要求信号を生成し、生成した電池状態要求信号をCPU116−1等に出力する(電圧情報要求)。その後、ステップS102に進む。
(ステップS103)CPU116−1等は、基準電圧信号1を選択することを示す基準電源選択信号を生成し、生成した基準電源選択信号を基準電源スイッチ115−1−1等にそれぞれ出力する。基準電源スイッチ115−1−1等は、CPU116−1等から基準電圧信号1を選択する基準電源選択信号が入力されたとき、基準電圧信号1を選択し、選択した基準電圧信号1をA/D変換器113−1等に出力する。A/D変換器113−1等は、電池セル111−1−1等のそれぞれのアナログの電圧値から、N個の基準電源スイッチ115−1−1等からそれぞれ入力された基準電圧信号1に基づいてディジタル値に量子化する。これにより、電池セル111−1−1等のそれぞれの電圧(セル電圧1)を計測する。A/D変換器113−1等は、セル電圧1を示すセル電圧信号をCPU116−1等に出力する。その後、ステップS104に進む。
CPU116−1等は、算出した指標値に基づいてセル電圧の計測精度に異常が発生したか否かを判定する。CPU116−1等は、例えば、その算出した電池セル数が、予め定めた電池セル数の閾値(例えば、1個)よりも大きい場合、その電池ユニット11−1等においてセル電圧の計測精度に異常が検出されたと判定する。CPU116−1等は、その算出した電池セル数が、その電池セル数の閾値以下の場合、その電池ユニット11−1等においてセル電圧の計測精度が正常であると判定する。
その後、ステップS107に進む。
(ステップS108)CPU116−1等は、異常検出信号を生成し、生成した異常検出信号を、電池制御回路16に出力する。表示部17は、電池制御回路16から異常検出信号が入力されたとき、異常検出情報を表示する(異常通知)。その後、処理を終了する。
次に、ステップS106(図3)において得られた判定情報の例について説明する。
図4は、判定情報の例を示す表である。
図4(a)、(b)には、電池セル111−1−1〜111−1−4のセル電圧について得られた判定情報1及び判定情報2の例をそれぞれ示す。セル電圧1、2は、それぞれ判定情報1、2に必ずしも含まれなくてもよいが、説明の都合上、図4(a)、(b)に示されている。この例では、セル電圧1、2を、8ビットの二進数で示す。基準電圧の値が二進表示の最大値11111111であって、許容範囲が二進表示で00000000から00000100までの間であることを前提とする。
例えば、図4(a)の上から2行目は、電池セル111−1−1についてのセル電圧1の二進表示が11111110であることを示す。基準電圧との差分値は、二進表示で00000001である。この差分値は、許容範囲内であるため、セル別判定値として1が得られている。
例えば、図4(a)の上から4行目は、電池セル111−1−3についてのセル電圧1の二進表示が11111001であることを示す。基準電圧との差分値は、二進表示で00000110である。この差分値は、許容範囲外であるため、セル別判定値として0が得られている。
例えば、図4(b)の上から3行目は、電池セル111−1−2についてのセル電圧2の二進表示が11110010であることを示す。基準電圧との差分値は、二進表示で00001101である。この差分値は、許容範囲外であるため、セル別判定値として0が得られている。
例えば、図4(b)の上から4行目は、電池セル111−1−4についてのセル電圧2の二進表示が11110101であることを示す。基準電圧との差分値は、二進表示で00001010である。この差分値は、許容範囲外であるため、セル別判定値として0が得られている。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成について同一の符号を付して第1の実施形態における説明を援用する。
図5は、本実施形態に係る電池システム2の全体構成を示す概略ブロック図である。
電池システム2は、電池システム1(図2)に記憶部20が加えられた構成に相当する。
記憶部20には、校正用基準電圧値(校正用電圧出力値)を示す校正用基準電圧データを各電池ユニット11−1等と対応付けて予め記憶させておく。校正用基準電圧値とは、校正用基準電圧発生回路18から電池ユニット11−1等、例えばA/D変換器113−1等のそれぞれまでの間で生じる基準電圧の電圧降下を補償して、その電池ユニット11−1等において所定の基準電圧2を得るために、所定の基準電圧2を昇圧した電圧である。
校正用基準電圧値は、電池ユニット11−1等毎に異なりうるため、校正用基準電圧発生回路18から電池ユニット11−1等までの配線をそれぞれ別個にする。また、校正用基準電圧発生回路18は、電池ユニット11−1等毎に、校正用基準電圧値を有する基準電圧信号2を生成する基準電圧発生回路を備える。
これにより、各電池ユニット11−1等では、所定の基準電圧2の値を有する基準電圧信号2がそれぞれ得られるため、電圧降下によるセル電圧の精度の劣化を補正することができる。
この場合には、校正用基準電圧発生回路18は、各電池ユニット11−1等について基準電圧補正データを記憶部20から読み出し、読み出した基準電圧補正データが示す電圧値を所定の基準電圧2に加算して校正用基準電圧値を算出する。そして、算出した校正用基準電圧値を有する基準電圧信号2を、その電池ユニット11−1等が備える基準電源スイッチ115−1−1〜115−1−N等に出力する。
図6は、校正用基準電圧データの例を示す表である。
図6において、左列は電池ユニットを示し、右列は校正用基準電圧値を示す。また、所定の基準電圧2は3.6Vである。
図6の上から2行目は、電池ユニット11−1についての校正用基準電圧値は、3.85Vであることを示す。図6の上から3行目は、電池ユニット11−2についての校正用基準電圧値は、3.725Vであることを示す。いずれも、基準電圧2の3.6Vよりも高い。
図7は、基準電圧補正データの例を示す表である。
図7において、左列は電池ユニットを示し、右列は電圧補正値を示す。また、所定の基準電圧2は3.6Vである。
図7の上から2行目は、電池ユニット11−1についての電圧補正値は、0.25Vであることを示す。図7の上から3行目は、電池ユニット11−2についての電圧補正値は、0.125Vであることを示す。いずれも、校正用基準電圧から基準電圧2の差分値である。
Lb=L0・2{−(ΔT−ΔT0)/10} … (1)
定格製品寿命L0は、定格温度範囲における製品寿命である。例えば、5年である。T0は、定格温度範囲、例えば、最適動作温度25°Cを中心とした上下5°Cの範囲である。
例えば、基準電圧発生回路114−1等について所望の電池寿命として少なくとも1年以上の期間を確保するには、使用される温度範囲が最適動作温度25°Cであればよい。
また、上述した実施形態では、電流センサ13、受電端スイッチ14及び電力変換器15のうちの全部又は一部が、省略されていてもよい。
また、上述した実施形態では、校正用基準電圧発生回路18は、通信ネットワークに接続されていなくてもよい。
また、上述した実施形態における電池ユニット11−1等及び電池制御回路16の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現しても良い。電池ユニット11−1等及び電池制御回路16の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化しても良い。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現しても良い。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いても良い。
11(11−1〜11−M)…電池ユニット、
111(111−1〜111−M)…組電池列、
111−1−1〜111−M−N…電池セル、
112(112−1〜112−M)…電池監視回路、
113(113−1〜113−M)…A/D変換器、
114(114−1〜114−M)…基準電圧発生回路、
115(115−1−1〜115−M−N)…基準電源スイッチ、
116(116−1〜116−M)…CPU、
117(117−1〜117−M)…トランシーバ、
12(12−1−1〜12−M−N)…電池ユニット対応スイッチ、
13…電流センサ、14…受電端スイッチ、15…電力変換器、
16…電池制御回路、17…表示部、18…校正用基準電圧発生回路、
20…記憶部
Claims (6)
- 第1の基準電圧を生成する第1基準電圧生成部と、
前記第1基準電圧生成部と異なる環境に設置され、第2の基準電圧を生成する第2基準電圧生成部と、
複数の電池セルの各電圧を前記第1の基準電圧及び前記第2の基準電圧に基づいて、それぞれ第1の電圧及び第2の電圧として計測する計測部と、
前記計測部が電池セル毎に計測した、第1の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データと、第2の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データとが合致する度合いを示す指標値に基づいて、前記複数の電池セルの計測精度の状態を判定する状態判定部と
を備えることを特徴とする電圧監視システム。 - 前記第2基準電圧生成部は、前記第2の基準電圧について自部から前記計測部までの電圧降下を補正することを特徴とする請求項1に記載の電圧監視システム。
- 前記第2基準電圧生成部は、前記第1基準電圧生成部よりも環境の変化が少ない場所に設置されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電圧監視システム。
- 温度範囲と前記第2基準電圧生成部の耐用期間との関係を示す判定式に基づいて、少なくとも所望の耐用期間が与えられる温度範囲の環境に前記第2基準電圧生成部が設置されていることを特徴とする請求項3に記載の電圧監視システム。
- 第1の基準電圧を生成する第1基準電圧生成部と、
複数の電池セルの各電圧を前記第1の基準電圧及び前記第1基準電圧生成部と異なる環境に設置された第2基準電圧生成部が生成した第2の基準電圧に基づいて、それぞれ第1の電圧及び第2の電圧として計測する計測部と、
前記計測部が電池セル毎に計測した、第1の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データと、第2の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データとが合致する度合いを示す指標値に基づいて、前記複数の電池セルの計測精度の状態を判定する状態判定部と
を備えることを特徴とする電圧監視装置。 - 第1の基準電圧を生成する第1基準電圧生成部と、前記第1基準電圧生成部と異なる環境に設置され、第2の基準電圧を生成する第2基準電圧生成部と、計測部及び状態判定部とを備えた電圧監視装置における電圧監視方法において、
前記計測部が、複数の電池セルの各電圧を前記第1の基準電圧又は前記第2の基準電圧に基づいて、それぞれ第1の電圧及び第2の電圧として計測する計測過程、
前記状態判定部が、前記計測過程で電池セル毎に計測した、第1の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データと、第2の電圧が許容範囲にあるか否かの判定結果を示す2値データとが合致する度合いを示す指標値に基づいて、前記複数の電池セルの計測精度の状態を判定する状態判定過程、
を有することを特徴とする電圧監視方法。
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