JP6014764B2 - 電池システム監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池システム監視装置に関する。

従来、直列に接続された複数のセル電池で構成された組電池と、各セル電池のセル電圧を検出する回路とが複数の電圧計測ラインを介して接続されており、各電圧計測ラインに過電流保護用のヒューズが設けられた装置が知られている（特許文献１）。

日本国特開２０１１−７５５０４号公報

特許文献１に記載された装置は、各電圧計測ラインにヒューズが設けられているため、組電池を構成するセル電池の数が増えるほど、必要なヒューズの数も増大する。したがって、たとえば電気自動車に搭載される車両駆動用バッテリのように、多数の電池セルを用いて高電圧を発生する組電池の場合は、多数のヒューズが必要となり、装置の大型化やコストの増加を招いてしまうという課題がある。

本発明による電池システム監視装置は、複数の電池セルを直列に接続した組電池と接続されて各電池セルの状態を監視するものであって、電池セルとそれぞれ接続される複数の電圧計測ラインと、電圧計測ラインと接続され、電圧計測ラインを介して各電池セルの電圧を検出する集積回路と、組電池において最上位の電池セルの正極側に接続される主電源ラインと、組電池において最下位の電池セルの負極側に接続されるグランドラインと、組電池から集積回路に電源を供給するために主電源ラインとグランドラインの間に接続された電源部と、主電源ラインおよびグランドラインのいずれか少なくとも一方に設けられた電流制限素子と、を備える。

本発明によれば、多数のヒューズを設けることなく、組電池と電圧検出を行う回路との間に過電流が流れるのを防止することができる。

比較例による電池システム監視装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による電池システム監視装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による電池システム監視装置の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などに用いられる電池システムを監視する電池システム監視装置に対して、本発明を適用した場合の例を説明する。なお、本発明による電池システム監視装置の適用範囲は、ＨＥＶに搭載される電池システムを監視するものに限らない。たとえば、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）、鉄道車両などに搭載される電池システムを監視する装置に対しても、幅広く適用可能である。

以下の実施形態では、本発明に係る電池システム監視装置が接続されて制御および監視の対象とする電池システム（組電池）の最小単位として、所定の出力電圧範囲、たとえば３．０〜４．２Ｖ（平均出力電圧：３．６Ｖ）の出力電圧範囲を有するリチウムイオン電池を想定している。しかし、本発明に係る電池システム監視装置は、リチウムイオン電池以外の蓄電・放電デバイスを用いて構成された電池システムを制御および監視の対象としてもよい。すなわち、ＳＯＣ（State Of Charge）が高すぎる場合（過充電）や低すぎる場合（過放電）にその使用を制限する必要があれば、どのような蓄電・放電デバイスを用いて電池システムを構成してもよい。以下の説明では、こうした電池システムの構成要素としての蓄電・放電デバイスを、電池セルと総称する。

以下の説明では、本発明との比較例として、従来の電池システム監視装置の一例を最初に説明する。図１は、比較例による電池システム監視装置の構成を示す図である。図１に示す電池システム監視装置は、組電池であるバッテリ部１と接続されており、集積回路２、電源部３、ＲＣフィルタ４、放電抵抗５、ノイズ対策コンデンサ６およびヒューズ７を有している。

バッテリ部１は、ｎ−１個の電池セルが直列に接続された組電池であり、図１の電池監視システム監視装置が制御および監視の対象とする電池システムとして機能する。バッテリ部１の各電池セルは、ｎ個の電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎと、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎからそれぞれ分岐して設けられたｎ個のバランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎにそれぞれ接続されている。また、バッテリ部１において最上位、すなわち最も高電位側に配置されている電池セルの正極側には、主電源ラインＭＢが抵抗を介して接続されており、バッテリ部１において最下位、すなわち最も低電位側に配置されている電池セルの負極側には、グランドラインＧＮＤが接続されている。なお、図１では、バッテリ部１においてｎ−１個の電池セルが直列に接続されている例を示しているが、バッテリ部１を構成する電池セルの個数はこれに限定されない。

集積回路２は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎ、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎ、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤと接続されており、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎを介してバッテリ部１の各電池セルの電圧を検出する。この集積回路２による各電池セルの電圧検出結果に基づいて、図１の電池監視システム監視装置は、バッテリ部１を制御および監視するための所定の動作を実行する。たとえば、各電池セルの充電状態（ＳＯＣ）を推定し、電池セル間で充電状態にばらつきが生じている場合は、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎのうち、放電対象の電池セルに対応するバランシングラインを介して放電電流を流すことにより、各電池セルの充電状態を均一化するためのバランシングを行う。これ以外にも、集積回路２により検出された各電池セルの電圧に基づいて、電池監視システム監視装置は様々な処理や制御を行うことができる。

なお、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎのうち互いに隣接するバランシングライン同士の間には、放電電流を安定させるためのコンデンサがそれぞれ接続されている。また、集積回路２の内部において、各電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎおよび各バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎは、ＥＳＤ保護ダイオードを介して、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤとそれぞれ接続されている。

電源部３は、バッテリ部１から集積回路２に電源を供給するためのものであり、主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤの間に接続されている。この電源部３は、ツェナーダイオードとコンデンサを有しており、これらを用いて、主電源ラインＭＢに接続されている集積回路２の電源入力端子を過電圧や過電流から保護する。

ＲＣフィルタ４は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎから集積回路２に入力される各電池セルの電圧信号に重畳された高周波ノイズを除去するためのフィルタ回路であり、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの各々に対して設けられた抵抗とコンデンサにより構成されている。このＲＣフィルタ４は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎにおいて、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎへの分岐点と集積回路２の間にそれぞれ設けられている。

放電抵抗５は、バランシング時にバランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎに流れる放電電流を調整するための抵抗素子であり、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎにそれぞれ設けられている。

ノイズ対策コンデンサ６は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎのうち互いに隣接する電圧計測ライン同士の間に生じるノイズを低減するためのものである。このノイズ対策コンデンサ６は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎにおいて、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎへの分岐点とバッテリ部１の各電池セルの間に設けられている。なお、図１の例では、各電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの間にノイズ対策コンデンサ６を２個ずつ直列に設けることで、そのうち１つが短絡しても隣接する電圧計測ラインの間に大電流が流れないようにしているが、ノイズ対策コンデンサ６の個数はこれに限定されるものではない。

ヒューズ７は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎに過電流が流れるのを防止するための電流制限素子であり、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの各々とバッテリ部１の各電池セルの間に設けられている。

以上説明した比較例による電池システム監視装置では、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの各々に対してヒューズ７が設けられている。そのため、バッテリ部１が多数の電池セルによって構成されている場合は、それに応じて電圧計測ラインの本数も多くなるため、数多くのヒューズ７が必要であり、装置の大型化やコストの増加につながってしまう。

そこで、本発明では、以下の第１、第２の各実施形態で説明するような構成を採用することにより、上記のような問題点を解消するようにしている。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態による電池システム監視装置の構成を示す図である。図２に示す電池システム監視装置において、図１に示した比較例との違いは、ノイズ対策コンデンサ６が設けられていない点と、ヒューズ７に替えてヒューズ７Ａおよび７Ｂを有している点である。

ヒューズ７Ａ、７Ｂは、図１のヒューズ７と同様の過電流を防止するための電流制限素子であり、主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤにそれぞれ設けられている。

このように、図２の電池システム監視装置では、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの各々に対してヒューズを設けずに、主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤに対してのみ、ヒューズ７Ａ、７Ｂが設けられている。したがって、バッテリ部１を構成する電池セルの個数に関わらず、ヒューズ７Ａ、７Ｂを搭載するためのスペースが一定で済むため、比較例のように装置の大型化を招くことはない。また、ヒューズ７Ａ、７Ｂの個数は一定であるため、比較例のようにコストの増加につながることもない。

加えて、図２の電池システム監視装置では、図１のようなノイズ対策コンデンサ６が設けられていないため、比較例と比べてさらなるコスト低減が可能である。なお、本実施形態では、ＲＣフィルタ４により十分にノイズを除去できるものとして、ノイズ対策コンデンサ６を設けないこととしている。しかし、ＲＣフィルタ４だけではノイズ除去が不十分な場合などは、図１のようにノイズ対策コンデンサ６を設けてもよい。

ここで、図２の電池システム監視装置において短絡故障が生じた場合を考える。図２の電池システム監視装置において生じ得る最も危険な短絡故障は、電源部３が短絡することで、バッテリ部１の全電池セルの総電圧が主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤの間に印加されてしまい、これらを経由して大電流が流れる故障である。しかし、このような短絡故障が生じた場合、ヒューズ７Ａまたは７Ｂのいずれか少なくとも一方が溶断するため、大電流が流れ続けて発熱や発火が生じるのを防ぐことができる。

また、集積回路２の内部に設けられているＥＳＤ保護ダイオードのいずれかが短絡故障した場合、当該ＥＳＤ保護ダイオードに対応する電圧計測ラインまたはバランシングラインと、主電源ラインＭＢまたはグランドラインＧＮＤとを経由して、大電流が流れる可能性がある。しかし、このような短絡故障が生じた場合にも、ヒューズ７Ａまたは７Ｂのいずれか一方が溶断するため、大電流が流れ続けて発熱や発火が生じるのを防ぐことができる。

なお、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎのうち互いに隣接するバランシングライン同士の間に設けられたコンデンサが短絡故障した場合、当該バランシングラインを経由して電流が流れる。しかし、この電流は、前述のバランシング時に流れる放電電流と同じであるため、発熱や発火が生じるようなことはない。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態による電池システム監視装置によれば、比較例のような問題点を解消しつつ、短絡故障による発熱や発火を効果的に防止することができる。

なお、以上説明した第１の実施形態では、主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤにヒューズ７Ａ、７Ｂをそれぞれ設けることとしたが、これらのうちいずれか一方のみを設けてもよい。その場合、前述したような電源部３の短絡故障による大電流については確実に防止できるが、ＥＳＤ保護ダイオードの短絡故障による大電流については防止できない場合がある。しかし、このようにしても、比較例のような問題点を解消しつつ、短絡故障による発熱や発火の発生をある程度は防止することができる。すなわち、本発明による電池システム監視装置では、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤのいずれか少なくとも一方に、電流制限素子としてのヒューズ７Ａ、７Ｂを設けることができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電池システム監視装置は、複数の電池セルを直列に接続した組電池であるバッテリ部１と接続されて各電池セルの状態を監視する。この電池システム監視装置は、電池セルとそれぞれ接続される電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎと、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎと接続され、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎを介して各電池セルの電圧を検出する集積回路２と、バッテリ部１において最上位の電池セルの正極側に接続される主電源ラインＭＢと、バッテリ部１において最下位の電池セルの負極側に接続されるグランドラインＧＮＤと、バッテリ部１から集積回路２に電源を供給するために主電源ラインＭＢとグランドラインＧＮＤの間に接続された電源部３と、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤのいずれか少なくとも一方に設けられた電流制限素子としてのヒューズ７Ａ、７Ｂとを備える。このようにしたので、多数のヒューズを設けることなく、バッテリ部１と電圧検出を行う集積回路２との間に過電流が流れるのを防止することができる。

（２）電池システム監視装置では、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤの両方にヒューズ７Ａ、７Ｂを設けることができる。このようにすれば、電源部３の短絡故障や集積回路２の内部に設けられたＥＳＤ保護ダイオードの短絡故障により大電流が流れることで、発熱や発火が生じるのを効果的に防止することができる。

（３）電池システム監視装置は、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎからそれぞれ分岐して設けられたバランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎと、抵抗とコンデンサにより構成され、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎにおいてバランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎへの分岐点と集積回路２の間にそれぞれ設けられたＲＣフィルタ４と、バランシングラインＢＬ１〜ＢＬｎにそれぞれ設けられた放電抵抗５とをさらに備える。この電池システム監視装置には、電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎの上記分岐点と電池セルの間において、互いに隣接する電圧計測ラインＳＬ１〜ＳＬｎ同士の間に生じるノイズを低減するためのノイズ対策コンデンサ６が設けられていない。そのため、さらなるコスト低減を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による電池システム監視装置の構成を示す図である。図３に示す電池システム監視装置において、図２に示した第１の実施形態との違いは、ヒューズ７Ａが設けられていない点と、ヒューズ７Ｂの溶断を検出するための溶断検出回路８が設けられている点である。

溶断検出回路８は、一端が所定の基準電圧を出力する電圧源に接続されていると共に、中間点がヒューズ７Ｂおよび電源部３に接続されたプルアップ抵抗を有している。このプルアップ抵抗の他端は、プルアップ抵抗の電圧値を測定するための集積回路２の入力端子に接続されている。すなわち、溶断検出回路８は、プルアップ抵抗と集積回路２により構成されている。

ヒューズ７Ｂが溶断されていない場合、集積回路２には、ヒューズ７Ｂを介して接続されたグランド電位が入力される。一方、ヒューズ７Ｂが溶断されると、グランド電位とは異なる電圧が集積回路２に入力される。この電圧は、電源部３が短絡故障されている場合とされていない場合とで、以下のように変化する。

電源部３が短絡故障されずにヒューズ７Ｂが溶断された場合、プルアップ抵抗の中間点はいずれの電位からも断絶された状態となるため、電圧源からの基準電圧がプルアップ抵抗を介して集積回路２に入力される。したがって、この電圧源からの基準電圧を集積回路２で検出することにより、溶断検出回路８においてヒューズ７Ｂの溶断を検出することができる。

電源部３が短絡故障されてヒューズ７Ｂが溶断された場合、プルアップ抵抗の中間点には、電源部３および主電源ラインＭＢを介して、バッテリ部１の最上位の電池セルからの電圧が印加される。この中間点への印加電圧がプルアップ抵抗により分圧された基準電圧を上回る場合、当該印加電圧がプルアップ抵抗を介して集積回路２に入力される。したがって、この中間点への印加電圧を集積回路２で検出することにより、溶断検出回路８においてヒューズ７Ｂの溶断を検出することができる。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、電池システム監視装置は、電流制限素子であるヒューズ７Ｂの溶断を検出する溶断検出回路８をさらに備える。そのため、過電流が流れてヒューズ７Ｂが溶断した場合に、これを確実に検知することができる。

上記の溶断検出回路８は、所定の基準電圧を出力する電圧源に接続されると共に、ヒューズ７Ｂおよび電源部３に接続されたプルアップ抵抗を有している。この溶断検出回路８は、電源部３が短絡されていない場合は、プルアップ抵抗を介して基準電圧を検出することにより、ヒューズ７Ｂの溶断を検出する。また、電源部３が短絡された場合は、電源部３およびプルアップ抵抗を介して最上位の電池セルの電圧を検出することにより、ヒューズ７Ｂの溶断を検出する。このようにしたので、電源部３が短絡されていない場合と短絡された場合とで、それぞれ確実にヒューズ７Ｂの溶断を検出することができる。

なお、以上説明した第２の実施形態では、グランドラインＧＮＤのみにヒューズ７Ｂを設けて、このヒューズ７Ｂの溶断を溶断検出回路８により検出することとした。しかし、前述の第１の実施形態と同様に、主電源ラインＭＢにもヒューズ７Ａを設けて、このヒューズ７Ｂの溶断を検出するための溶断検出回路をさらに設けてもよい。その場合、当該溶断検出回路は、図３の溶断検出回路８と同様に、プルアップ抵抗と集積回路２を用いて構成することができる。具体的には、電源部３が短絡故障されずにヒューズ７Ａが溶断された場合は、プルアップ抵抗を介して電圧源からの基準電圧を集積回路２で検出することにより、ヒューズ７Ａの溶断を検出する。一方、電源部３が短絡故障されてヒューズ７Ａが溶断された場合は、バッテリ部１の最下位の電池セルから電源部３およびグランドラインＧＮＤを介してプルアップ抵抗の中間点に印加される電圧を、プルアップ抵抗を介して集積回路２で検出することにより、ヒューズ７Ａの溶断を検出する。このようにすれば、主電源ラインＭＢおよびグランドラインＧＮＤの両方にヒューズ７Ａ、７Ｂを設けた場合においても、それぞれの溶断を確実に検出することができる。

以上説明した各実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

１…バッテリ部、２…集積回路、３…電源部、４…ＲＣフィルタ、５…放電抵抗、
６…ノイズ対策コンデンサ、７，７Ａ，７Ｂ…ヒューズ、８…溶断検出回路、
ＳＬ１〜ＳＬｎ…電圧計測ライン、ＢＬ１〜ＢＬｎ…バランシングライン、
ＭＢ…主電源ライン、ＧＮＤ…グランドライン

Claims (4)

1. 複数の電池セルを直列に接続した組電池と接続されて各電池セルの状態を監視する電池システム監視装置であって、
   前記電池セルとそれぞれ接続される複数の電圧計測ラインと、
   前記電圧計測ラインと接続され、前記電圧計測ラインを介して各電池セルの電圧を検出する集積回路と、
   前記組電池において最上位の電池セルの正極側に接続される主電源ラインと、
   前記組電池において最下位の電池セルの負極側に接続されるグランドラインと、
   前記組電池から前記集積回路に電源を供給するために前記主電源ラインと前記グランドラインの間に接続された電源部と、
   前記主電源ラインおよび前記グランドラインのいずれか少なくとも一方に設けられた電流制限素子と、を備え、
   前記電流制限素子はヒューズであり、
   前記ヒューズの溶断を検出する溶断検出回路をさらに備える電池システム監視装置。
2. 請求項１に記載の電池システム監視装置において、
   前記主電源ラインおよび前記グランドラインの両方に前記電流制限素子が設けられている電池システム監視装置。
3. 請求項１または２に記載の電池システム監視装置において、
   前記電圧計測ラインからそれぞれ分岐して設けられた複数のバランシングラインと、
   抵抗とコンデンサにより構成され、前記電圧計測ラインにおいて前記バランシングラインへの分岐点と前記集積回路の間にそれぞれ設けられたＲＣフィルタと、
   前記バランシングラインにそれぞれ設けられた放電抵抗と、をさらに備え、
   前記電圧計測ラインの前記分岐点と前記電池セルの間において、互いに隣接する電圧計測ライン同士の間に生じるノイズを低減するためのコンデンサが設けられていない電池システム監視装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電池システム監視装置において、
   前記溶断検出回路は、所定の基準電圧を出力する電圧源に接続されると共に、前記ヒューズおよび前記電源部に接続されたプルアップ抵抗を有しており、
   前記電源部が短絡されていない場合は、前記プルアップ抵抗を介して前記基準電圧を検出することにより、前記ヒューズの溶断を検出し、
   前記電源部が短絡された場合は、前記電源部および前記プルアップ抵抗を介して前記最上位または前記最下位の電池セルの電圧を検出することにより、前記ヒューズの溶断を検出する電池システム監視装置。

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