JP6149784B2

JP6149784B2 - 電池監視装置

Info

Publication number: JP6149784B2
Application number: JP2014075211A
Authority: JP
Inventors: 隆介長谷; 隆広都竹
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: JP2015197998A

Description

本発明は、複数の電池のそれぞれの状態を監視する電池監視装置に関する。

近年では、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッドカー、又は電気自動車等、電動モータを利用する車両へ搭載されるバッテリとして、大きな電力を安定的に供給するために、複数の電池を組み合わせた電池モジュールを並列に接続して電力を供給する電池パックが使用される。

このような電池パックには、各電池モジュールに、自モジュール内の各電池の状態を監視する監視回路（監視ＩＣ）及び監視処理部（監視ＣＰＵ）を備えた電池監視部（監視ＥＣＵ：Electronic Control Unit）が設けられ、かつ、各電池モジュールの各電池監視部とＣＡＮ通信線を介して通信を行い、各電池監視部を監視制御する制御処理部（制御ＣＰＵ）を備えた電池制御部（制御ＥＣＵ）が設けられる。

このような電池パックの中には、イグニッションキーのオフ時においても、電動モータ以外の補機等の負荷へ電力を供給するよう使用されるものがある。そのような小電力の供給時でも、電池監視部及び電池制御部による各電池の状態の監視が必要となる。

電池パックから長時間に亘って電力が供給される場合、供給期間中に電池パックの各電池の状態を監視する電池監視部及び電池制御部の動作時間も長時間になり、電池パックからの電池監視部及び電池制御部への長時間の電力供給により、電池パックの本来供給可能な電力量が減少してしまうこととなる。

そこで、電池パックから不図示の負荷（例えば、駆動モータ）への電力供給量が所定の閾値以下の時、又は負荷への電力供給がない時には、電池の監視のための消費電力を低減させるために、電池監視部及び電池制御部の監視処理部及び制御処理部を、通常動作持の消費電力より少ない消費電力のモード（以下、低消費電力モードという）で動作させることが提案されている。

低消費電力モードとしては、間欠的な監視動作、一部の監視機能の動作停止、処理動作の低速化等により、通常の監視動作時に比べて消費電力が低減されるモードとし、必要な最少の監視動作を行うようにする。なお、低消費電力モードに比べて消費電力が多い通常動作時のモードを通常動作モードという。通常動作モードは、低消費電力モードに対して高消費電力モードである。

本発明に関連する技術として、蓄電モジュールを制御する下位制御装置と、複数の下位制御装置に指令を送出する上位制御装置とを備えた蓄電装置において、スリープ状態にあった下位制御装置を上位制御装置からの信号で起動すること、及び、下位制御装置にスリープ状態に移る指令を上位制御装置が送り、上位制御装置自身もスリープ状態に移る技術等が下記の特許文献１等に記載されている。

特開２０１１−２２９３９２号公報

本発明は、電池パック内の電池の状態を監視制御する電池監視部及び電池制御部の監視処理部及び制御処理部を、低消費電力モードで動作させて消費電力の低減を図るとともに、電池の過充放電異常等の異常を適正に検知して対処することができる電池監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する一つの形態としての電池監視装置は、各電池の状態の情報をそれぞれ取得する各電池監視部の各監視処理部と、前記各電池監視部で取得された情報を元に電池の異常に対する処置を実施する電池制御部の制御処理部と、を有し、前記制御処理部は、前記各監視処理部を低消費電力モードで動作させるとともに、自身も低消費電力モードで動作するよう設定し、前記監視処理部は、自身の割り込み入力端子の入力電圧が、自身の電池監視部で監視する電池の異常発生により変化したことを検知すると、自身の監視処理部を低消費電力モードから通常動作モードに復帰させ、該通常動作モードの動作により、前記制御処理部に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信することを特徴とする。

本発明によれば、電池パック内の電池の状態を監視制御する電池監視部及び電池制御部の監視処理部及び制御処理部を低消費電力モードで動作させるとともに、低消費電力モードで動作時に、監視処理部で電池の過充放電異常等の異常を割り込みにより検知し、電池制御部の制御処理部を通常動作モードに復帰させることにより、制御処理部は、通常動作モードで各電池の監視動作を行わせ、電池の異常を適正に検知して対処することができ、消費電力の低減と安全性維持とを両立させることができる。

電池監視装置を含む電池パックの主要部の構成例を示す図である。低消費電力モードでの異常検知を含む動作の第１の実施形態のフローチャートである。低消費電力モードでの異常検知を含む動作の第２の実施形態のフローチャートである。低消費電力モードでの異常検知を含む動作の第３の実施形態のフローチャートである。低消費電力モードでの異常検知を含む動作の第４の実施形態のフローチャートである。

図１は、電池監視装置を含む電池パックの主要部の構成例を示す。図１に示すように、電池パック１００は、制御ＥＣＵとも称される電池制御部１０及び監視ＥＣＵとも称される電池監視部２０（２０Ａ〜２０Ｃ）から成る電池監視装置を備える。電池制御部１０は、制御処理部１１、電源部１２等を備える。

制御処理部１１は、例えば、ＣＰＵ(Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等）等により構成され、電池パック１００内の電池の状態の監視制御、充放電の監視制御、異常処理等を、電池監視部２０Ａ〜２０Ｃの監視処理部２１Ａ〜２１Ｃと協働して包括的に司る。

電源部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等により構成され、複数の電池を組み合わせて構成された並列接続の電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの出力電圧を、所定の電圧に変換し、電池監視部２０Ａ〜２０Ｃの監視処理部２１Ａ〜２１Ｃ及び制御処理部１１等に電力を供給する。

各電池監視部２０Ａ〜２０Ｃは、各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃ対応に設けられ、電池監視部２０Ａは電池モジュール３０Ａの電池を監視し、電池監視部２０Ｂは電池モジュール３０Ｂの電池を監視し、電池監視部２０Ｃは電池モジュール３０Ｃの電池を監視する。

また、電池監視部２０Ａ〜２０Ｃは、それぞれ、各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃから直接電力供給され、各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの電池の異常（例えば、電池の過充電又は過放電、異常温度等）を監視する監視回路２２Ａ〜２２Ｃと、監視回路２２Ａ〜２２Ｃからの監視信号を、信号線２３Ａ〜２３Ｃを介して受信し、監視情報を電池制御部１０へ通信線１３を介して送信する監視処理部２１Ａ〜２１Ｃとを備える。

なお、監視回路２２Ａ〜２２Ｃは、集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）等により構成される。また、監視処理部２１Ａ〜２１Ｃは、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡやＰＬＤ等）等により構成される。

監視回路２２Ａは、各電池モジュール３０Ａの電池の電圧、電流、温度等を監視して異常を検知し、監視回路２２Ｂは、電池モジュール３０Ｂの電池の電圧、電流、温度等を監視して異常を検知し、監視回路２２Ｃは、電池モジュール３０Ｃの電池の電圧、電流、温度等を監視して異常を検知する。

監視処理部２１Ａは、監視回路２２Ａによる監視情報を電池制御部１０へ通信線１３を介して送信し、監視処理部２１Ｂは、監視回路２２Ｂによる監視情報を電池制御部１０へ通信線１３を介して送信し、監視処理部２１Ｃは、監視回路２２Ｃによる監視情報を電池制御部１０へ通信線１３を介して送信する。

なお、各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃは、各監視回路２２Ａ〜２２Ｃにより計測される各電池の温度や電圧や電流が所定の閾値以上である場合、電池が異常であると判定し、その旨を監視情報として電池制御部１０へ送信するように構成してもよい。

図１では電池パック１００の構成例として、３つの電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃを備えた構成例を示しているが、電池モジュール３０の数は３つに限定されるものではなく、要求される供給電力に応じて適切な数の電池モジュール３０が備えられる。各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃは、互いに並列接続され、それぞれ、直列接続された複数の二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等）を内蔵する。

各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃ対応に、モジュールスイッチ３１Ａ〜３１Ｃが備えられる。各モジュールスイッチ３１Ａ〜３１Ｃは、例えば、機械式リレーやトランジスタ等により構成される。

異常が検知された電池の電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃに対して、対応するモジュールスイッチ３１Ａ〜３１Ｃを遮断するなどして、異常発生時に対するフェールセーフ処置を開始する。モジュールスイッチ３１Ａ〜３１Ｃのオン／オフ制御は、制御処理部１１によって行ってもよいし、対応する電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃを監視する電池監視部２０Ａ〜２０Ｃの監視処理部２１Ａ〜２１Ｃによって行ってもよく、また、その双方で協働して行ってもよい。

上述の電池パック１００において、制御処理部１１及び各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃを低消費電力モードで動作させたときの電池の異常検知の動作について説明する。図２に低消費電力モードでの異常検知を含む動作の第１の実施形態のフローを示す。

制御処理部１１は、通常動作モードにおいて、監視処理部２１Ａ〜２１Ｃを低消費電力モードで動作させると判断した場合、例えば、電池パック１００からの不図示の負荷への電力供給量が所定の閾値以下であるかどうかを判定し（Ｓ２１）、電力供給量が所定の閾値以下である場合（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、通信線１３を介し、低消費電力モードで動作させる信号を各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃに送信し、各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃを低消費電力モードで動作させるとともに、制御処理部１１自身も低消費電力モードで動作するよう設定する（Ｓ２２）。

各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃが低消費電力モードに設定された各電池監視部２０Ａ〜２０Ｃにおいて、各監視回路２２Ａ〜２２Ｃは、各電池監視部２０Ａ〜２０Ｃに対応する電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの電池の状態を監視し、電池の異常発生を検知すると、信号線２３Ａ〜２３Ｃを介して、各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃの割り込み入力端子の入力電圧を変化させる。

低消費電力モードに設定された各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃは、それぞれ、自身の電池監視部２０Ａ〜２０Ｃ内の監視回路２２Ａ〜２２Ｃと接続された信号線２３Ａ〜２３Ｃにより、割り込み入力端子の入力電圧が、自身の電池監視部２０Ａ〜２０Ｃで監視する電池の異常発生により変化したか否かを監視し、割り込みが発生したか否かを監視する（Ｓ２３）。

各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃは、低消費電力モードにおいて、割り込みの発生を検知すると（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、自身の監視処理部２１を低消費電力モードから通常動作モードに復帰させ（Ｓ２４）、該通常動作モードの動作により、通信線１３を介して、制御処理部１１に低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する（Ｓ２５）。

制御処理部１１は、監視処理部２１からの信号により低消費電力モードから通常動作モードに復帰した後、通常動作モードに復帰した監視処理部２１以外の各監視処理部２１に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する（Ｓ２６）。

なお、ステップＳ２３、Ｓ２４により、自身の監視回路２２で検知された電池異常の発生時の割り込みにより通常動作モードに復帰した監視処理部２１は、自身の監視処理部２１以外の各監視処理部２１に対して、直接、通信線１３を介して低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信するようにしてもよい。

このような第２の実施形態の動作フローを図３に示す。図３では、図２に示したステップＳ２５及びＳ２６に代えて、ステップＳ３１として、制御処理部１１と他の監視処理部２１とを通常動作モードに復帰させる信号を同時に送信するようにしたもので、それ以外の動作は、図２の動作と同様である。

通常動作モードに復帰した制御処理部１１及び各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃは、通常動作により、それぞれの電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの電池の状態を監視し（Ｓ２７）、各電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの電池に異常が発生しているか否かを監視する（Ｓ２８）。

異常が検知された場合（Ｓ２８：Ｙｅｓ）、異常が検知された電池の電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃに対して、対応するモジュールスイッチ３１Ａ〜３１Ｃを遮断するなどして、異常発生に対するフェールセーフ処置を開始する（Ｓ２９）。異常が検知されなかった場合（Ｓ２８：Ｎｏ）、ステップＳ２１に戻って同様の動作を繰り返す。

このように、制御処理部１１及び各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃが低消費電力モードとなったときでも、監視回路２２Ａ〜２２Ｂによる電池の異常発生の監視を継続し、監視回路２２Ａ〜２２Ｂによる電池の異常発生が検知されたとき、制御処理部１１及び各監視処理部２１Ａ〜２１Ｃを通常動作モードに復帰させて、電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの全ての電池に対する全般的な監視を行う。

そのため、低消費電力モードにおいて、監視回路２２Ａ〜２２Ｂからの信号にノイズ等が重畳し、電池の異常発生の誤検知等があった場合でも、通常動作モードに復帰して電池モジュール３０Ａ〜３０Ｃの全ての電池に対する全体的な監視を行うことにより、電池の過充放電異常等の異常を適正に検知して処置することができる。

また、電池の異常が検知された電池モジュール３０に対するフェールセーフ処置だけでなく、他の電池モジュール３０の電池の異常に対する全般的な監視が実施されるため、全ての電池に対して、過充放電異常等の異常を適正に検知して処置することができる。

なお、図４に第３の実施形態として示すように、監視処理部２１は、ステップＳ２３での割り込み入力端子の電圧変化の検知により、ステップＳ２４により低消費電力モードから通常動作モードに復帰したとき、自身の監視処理部２１で監視する電池モジュール３０のモジュールスイッチ３１をオフにして、該電池モジュール３０から不図示の負荷への電力供給を遮断（Ｓ４１）した後、制御処理部１１に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する（Ｓ２５）ようにしてもよい。図４に示した実施形態は、図２に示した実施形態に、ステップＳ４１の動作が加わったもので、他の動作は、図２に示した動作と同様である。

また、図５に第４の実施形態として示すように、監視処理部２１は、ステップＳ２３及びＳ２４により、監視回路２２からの信号により、電池の過充放電の異常の発生の割り込みを検知し、通常動作モード復帰したとき、制御処理部１１に対して送信する、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号として、電池の過充放電の異常発生を通知する信号を送信する（Ｓ５１）ようにしてもよい。図５に示した実施形態は、図２に示したステップＳ２５に代えて、ステップＳ５１の動作を加えたもので、他の動作は図２に示した動作と同様である。

このような構成とした場合、制御処理部１１は、通常動作モードに復帰した直後に電池の過充放電の異常発生を認識することができるため、通常動作モードに復帰した後の通常の監視動作で電池の過充放電の異常発生を認識する場合に比べて、該異常に対する迅速なフェールセーフ処置を開始することが可能となる。

特に、監視処理部２１が制御処理部１１を通常動作モードに復帰させる信号を、通常動作モードにおける一定周期毎の定期通信により通信線１３を介して送信し、また、通常動作モードにおける電池の監視が、制御処理部１１と監視処理部２１Ａ〜２１Ｂとの間で、通信線１３を介して一定周期毎の定期通信による監視情報の授受によって行われる場合、電池の異常発生の検知に遅れが生じる。

そのような場合に、自身の監視回路２２からの割り込みにより過充放電の異常発生を検知した監視処理部２１は、直ちに自身で監視する電池モジュール３０の電力供給を遮断することにより、該電池モジュール３０に対するより安全なフェールセーフ処置を実施することができる。

また、自身の監視回路２２からの割り込みにより過充放電の異常発生を検知した監視処理部２１が、通常動作モードに復帰させる信号と同時に、電池の過充放電の異常発生を通知する信号を制御処理部１１に送信することにより、制御処理部１１は、電池モジュール３０の電池の過充放電の異常に対して、より迅速にフェールセーフ処置を実施することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改変や変形が可能である。また、第１〜第４の実施形態を、適宜、組み合わせて変形することも可能である。

上記実施形態では、制御処理部１１は、監視処理部２１Ａ〜２１Ｃを低消費電力モードで動作させると判断する場合は、電池パック１００から不図示の負荷への電力供給量が所定の閾値以下である場合であったが、電池パック１００から負荷への電力供給がない場合（例えば、イグニッションオフの信号を受信した場合）でも良く、また、外部ＥＣＵ等から低消費電力モードへの移行指示を受信した場合でも良い。

また、第３の実施形態において、制御処理部１１が通常動作モードで動作しているとき、制御処理部１１が通信線１３を介して監視処理部２１に一定周期毎の定期通信による情報の送信し、制御処理部１１が低消費電力モードで動作しているとき、制御処理部１１が定期通信による情報を送信しない場合、監視処理部２１がステップＳ２４で低消費電力モードから通常動作モードに復帰したとき、制御処理部１１が低消費電力モードで動作しているため、定期通信による情報を制御処理部１１から受信しない場合に、監視制御部２１は異常と判断し、自身の監視処理部２１で監視する電池モジュール３０のモジュールスイッチ３１をオフにして、該電池モジュール３０から不図示の負荷への電力供給を遮断（Ｓ４１）しても良い。この場合も、直ちに自身で監視する電池モジュール３０の電力供給を遮断することにより、該電池モジュール３０に対するより安全なフェールセーフ処置を実施することができる。

１００電池パック
１０電池制御部
１１制御処理部
１２電源部
１３通信線
２０（２０Ａ〜２０Ｃ）電池監視部
２１（２１Ａ〜２１Ｃ）監視処理部
２２（２２Ａ〜２２Ｃ）監視回路
２３（２３Ａ〜２３Ｃ）信号線
３０（３０Ａ〜３０Ｃ）電池モジュール
３１（３１Ａ〜３１Ｃ）モジュールスイッチ

Claims

各電池の状態の情報をそれぞれ取得する各電池監視部の各監視処理部と、
前記各電池監視部で取得された情報を元に電池の異常に対する処置を実施する電池制御部の制御処理部と、
を有し、
前記制御処理部は、前記各監視処理部を低消費電力モードで動作させるとともに、自身も低消費電力モードで動作するよう設定し、
前記監視処理部は、自身の割り込み入力端子の入力電圧が、自身の電池監視部で監視する電池の異常発生により変化したことを検知すると、自身の監視処理部を低消費電力モードから通常動作モードに復帰させ、該通常動作モードの動作により、前記制御処理部に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する
ことを特徴とする電池監視装置。
前記制御処理部は、低消費電力モードから通常動作モードに復帰した後、前記通常動作モードに復帰した前記監視処理部以外の各監視処理部に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する
ことを特徴とする請求項１に記載の電池監視装置。
前記監視処理部は、前記通常動作モードの動作により、自身の監視処理部以外の各監視処理部に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する
ことを特徴とする請求項１に記載の電池監視装置。
前記監視処理部は、前記割り込み入力端子の電圧変化の検知により、前記低消費電力モードから通常動作モードに復帰したとき、自監視処理部で監視する電池の電力供給を遮断した後、前記制御処理部に対して、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号を送信する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電池監視装置。
前記制御処理部に対して送信する、低消費電力モードから通常動作モードに復帰させる信号として、電池の過充放電異常を通知する信号を送信する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電池監視装置。