JP6152815B2

JP6152815B2 - 電池監視装置

Info

Publication number: JP6152815B2
Application number: JP2014061890A
Authority: JP
Inventors: 隆介長谷; 隆広都竹; 渉牧志
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: JP2015184178A

Description

本発明は、電池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、又は電気自動車など、電動モータを利用する車両が注目されている。
この種の車両に搭載される電池の中には、例えば、特許文献１に開示される技術のように、高電圧出力を実現するために複数の二次電池が直列接続され、それら二次電池の長寿命化を図るために、各二次電池の電圧の均等化が行われるものがある。

また、この種の車両に搭載される電池の中には、イグニッションオン時だけでなくイグニッションオフ時においても、電動モータ以外の補機に電力が使われるものがある。このように、負荷へ電力を長時間供給する可能性がある電池では、電池の状態（例えば、電池の充電量や電圧など）を監視する時間も長くなるおそれがある。そして、電池の状態を監視する時間が長くなる場合では、電池の状態を監視する監視部や監視部の監視結果により電池から負荷への電力供給を禁止する電池制御部への電力供給も長時間になり、監視部や電池制御部への電力供給に伴う電池の充電容量の低下が懸念される。

そこで、イグニッションオフ時など、電池から負荷へ供給される電力量が小さくなるとき、監視部や電池制御部をウェイクアップ状態（すべての機能が動作している状態）からスリープ状態（一部の機能が動作している状態）に移行させた後、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行させることを繰り返すことで、監視部や電池制御部の消費電力を抑え、監視部や電池制御部への電力供給に伴う電池の充電容量の低下を抑えることが考えられる。

しかしながら、監視部がスリープ状態で電池の状態を監視していない場合では、電池に異常が発生しても、電池制御部が電池の異常を認識することができず、電池から負荷への電力供給を禁止することができない。

そこで、電池の異常を常時検出する電池異常検出部を監視部とは別に設け、電池異常検出部により電池に異常が発生していることが検出されると、その旨を示す信号が電池異常検出部から信号線を介して電池制御部へ直接送られるように構成することが考えられる。なお、電池制御部は、スリープ状態のときであっても、電池異常検出部から送られる、電池に異常が発生している旨を示す信号を受け取ることができるものとする。

しかしながら、電池異常検出部と電池制御部との間の信号線に断線などの異常が発生してしまうと、電池制御部は、電池に異常が発生している旨を示す信号を電池異常検出部から受け取ることができなくなり、電池に異常が発生しても、電池から負荷への電力供給を禁止することができない。

特開２０１１−１１５０１５号公報

本発明は、電池異常検出部と電池制御部との間の信号線に異常が発生しているか否かを判断することで、監視部がスリープ状態になっているときでも、電池の異常検出機能の信頼性を確保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。

実施形態の電池監視装置は、監視部と、電池異常検出部と、電池制御部とを備える。
監視部は、電池の状態を監視する。
電池異常検出部は、電池の異常を検出する。

電池制御部は、監視部から電池の状態を示す情報を第１の信号線を介して受信し、電池異常検出部から電池に異常が発生している旨を示す信号を第２の信号線を介して受信する。また、電池制御部は、前記第２の信号線に異常が発生しているか否かを判断する。

上記電池監視装置によれば、監視部から送られてくる信号により、信号線に異常が発生しているか否かを判断するため、監視部がスリープ状態である場合において、電池の異常検出機能の信頼性を確保することができる。

本発明によれば、電池の状態を監視する監視部がスリープ状態である場合において、電池の異常検出機能の信頼性を確保することができる。

実施形態の電池監視装置を含む電池パックの一例を示す図である。電池制御部の動作の一例を示すフローチャートである。他の実施形態の電池監視装置を含む電池パックの一例を示す図である。監視部の動作の一例を示すフローチャートである。電池制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

図１は、実施形態の電池監視装置を含む電池パックの一例を示す図である。
図１に示す電池パック１は、車両（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）などに搭載されるものであって、電池２と、スイッチ３と、電池監視ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４と、電池制御ＥＣＵ５とを備える。

電池２は、直列接続される７つの二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池など）により構成される。
スイッチ３は、例えば、機械式リレーやトランジスタなどにより構成され、電池２と負荷６（例えば、車両に搭載される走行用モータや補機など）との間に設けられる。

電池監視ＥＣＵ４は、電池異常検出部７と、監視部８とを備える。なお、電池異常検出部７は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成される。また、監視部８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）など）などにより構成される。

電池異常検出部７は、電池２から直接供給される電力により常時駆動しつつ、電池２の異常を検出する。例えば、電池異常検出部７は、電池２の電圧が閾値ｔｈ１以上のとき、電池２の異常として電池２が過充電状態であることを検出し、電池２の電圧が閾値ｔｈ２以下のとき、電池２の異常として電池２が過放電状態であることを検出する。ただし、閾値ｔｈ１＞閾値ｔｈ２とする。電池異常検出部７は、電池２の異常を検出すると、電池２に異常が発生している旨を示す信号を信号線１２（例えばジカ線）を介して電池制御ＥＣＵ５へ送る。

監視部８は、電池２の状態を示す信号を電池制御ＥＣＵ５へ送る。例えば、監視部８は、不図示の温度検出部により検出される電池２の温度や、不図示の電流検出部により電池２に流れる電流や、不図示の電圧検出部又は電池異常検出部７により検出される電圧が閾値以上である場合、電池２に異常が発生していると判断し、その旨を示す信号を電池２の状態を示す信号として電池制御ＥＣＵ５へ送る。また、例えば、監視部８は、不図示の温度検出部により検出される電池２の温度や、不図示の電流検出部により検出される電池２に流れる電流を示す信号や、不図示の電圧検出部又は電池異常検出部７により検出される電圧を電池２の状態を示す信号として電池制御ＥＣＵ５へ送る。この場合、電池制御ＥＣＵ５は、監視部８から送られてくる信号に示される電池２の状態と閾値との比較結果により、電池２に異常が発生しているか否かを判断する。

電池制御ＥＣＵ５は、電源部９と、電池制御部１０とを備える。なお、電池制御部１０は、例えば、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイスなどにより構成される。

電源部９は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどにより構成され、電池２の出力電圧を予め決められた電圧に変換する。監視部８や電池制御部１０は、電源部９から供給される電力により駆動する。

電池制御部１０は、監視部８から信号線１１（第１の信号線）を介して送られてくる電池２の状態を示す信号により電池２に異常が発生していると判断すると、又は、電池２に異常が発生している旨を示す信号が信号線１２（第２の信号線）を介して電池異常検出部７から送られてくると、スイッチ３をオフにして電池２から負荷６への電力供給を禁止する。

また、電池制御部１０は、車両側に設けられ車両の動作を制御する外部ＥＣＵ１３から送られてくる情報により、イグニッションがオフ状態であると判断すると、監視部８を間欠状態（ウェイクアップ状態からスリープ状態に移行した後、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行することが繰り返し行われる状態）にさせる。なお、電池制御部１０は、イグニッションがオフ状態であるとき、監視部８だけでなく自身も間欠状態にさせてもよい。

また、電池制御部１０は、少なくとも監視部８を間欠状態にさせているとき、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、監視部８から送られてくる信号、又は自身での監視により、信号線１２に異常が発生しているか否かを判断する。

なお、特許請求の範囲の電池監視装置は、例えば、電池異常検出部７と、監視部８と、電池制御部１０とを備えて構成される。
例えば、電池監視ＥＣＵ４において信号線１２にハイレベルの電圧をプルアップ抵抗１４を介して印加しておき、電池２の異常発生時、電池異常検出部７が信号線１２の電圧レベル又は電流レベル（以下、単に、レベルという）をハイレベルからローレベル（グランドの電位）に変化させる場合を考える。

この場合、電池制御部１０は、自身がウェイクアップ状態であってもスリープ状態であっても、信号線１２のレベルがハイレベルからローレベルになると、電池２に異常が発生していると判断する。

また、監視部８は、自身がウェイクアップ状態であるとき、信号線１２のレベルを監視し（矢印Ａで監視し）、その監視結果を示す信号を信号線１１を介して電池制御部１０に送る。なお、監視部８は、監視結果を示す信号をＣＡＮ（Controller Area Network）通信などを用いて電池制御部１０に送ってもよい。

また、電池制御部１０は、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、信号線１２とグランドとの間に設けられるスイッチ１５（例えば、ｎｐｎバイポーラトランジスタなど）をオフからオンに切り替えることで、信号線１２のレベルを強制的にハイレベルからローレベルに変化させる。

そして、電池制御部１０は、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、監視部８から送られてくる信号により、信号線１２のレベルがハイレベルのままであると判断すると、プルアップ抵抗１４と信号線１２との接続点からスイッチ１５と信号線１２との接続点までの間の信号線１２において、断線などの異常が発生していると判断する。なお、電池制御部１０は、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、自身が監視する（矢印Ｂで監視する）信号線１２のレベルがハイレベルのままであると判断すると、自身が監視する信号線１２の点からスイッチ１５と信号線１２との接続点までの間の信号線１２において、断線などの異常が発生していると判断する。即ち、電池制御部１０は、監視部８から送られてくる信号、又は自身での監視により、異常が信号線１２のどこで発生しているのか、より詳しく判断できる。

なお、電池異常検出部７は、電池２の異常を検出したとき、信号線１２のレベルをローレベルからハイレベルに変化させてもよい。この場合、電池制御部１０は、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、信号線１２のレベルを強制的にローレベルからハイレベルに変化させるとともに、信号線１２のレベルがローレベルのままであると、信号線１２に断線などの異常が発生していると判断する。

図２は、電池制御部１０の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、電池制御部１０は、イグニッションがオフ状態であると判断すると（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、信号線１２のレベルを変化させる（Ｓ２２）。

次に、電池制御部１０は、監視部８から送られてくる信号、又は自身での監視により信号線１２のレベルが変化していないと判断すると（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、信号線１２に異常が発生していると判断し（Ｓ２４）、スイッチ３をオフにして電池２から負荷６への電力供給を禁止する（Ｓ２５）。

また、電池制御部１０は、信号線１２のレベルが変化していると判断すると（Ｓ２３：Ｎｏ）、信号線１２に異常が発生していないと判断し（Ｓ２６）、監視部８をウェイクアップ状態からスリープ状態に移行させる（Ｓ２７）。

次に、電池制御部１０は、所定時間経過後（Ｓ２８：Ｙｅｓ）、監視部８をスリープ状態からウェイクアップ状態に移行させ（Ｓ２９）、さらに所定時間経過した後（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、Ｓ２２に戻り、再度信号線１２のレベルを変化させる。

なお、図２に示すフローチャートでは、イグニッションがオフ状態であると、監視部８を間欠状態にさせる構成であるが、電池２から負荷６へ供給される電力が閾値以下になると、監視部８を間欠状態にさせるように構成してもよい。

図１に示す電池監視装置では、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、監視部８から送られてくる信号により、信号線１２に異常が発生しているか否かを判断するため、電池２に異常が発生しているにもかかわらず信号線１２の異常のために電池２の異常を検出することができない事態を無くすことができる。すなわち、監視部８がスリープ状態である場合において、電池２の異常検出機能の信頼性を確保することができる。これにより、監視部８がスリープ状態で電池２の状態を監視していない場合に、電池２に異常が発生しても、信号線１２を介して電池異常検出部７から電池制御部１０に異常が発生している旨を示す信号を送ることができ、安全性を確保することができる。

また、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、信号線１２に異常が発生していると判断すると、スイッチ３をオフにして電池２から負荷６への電力供給を禁止しているため、信号線１２の異常のために電池２の異常を検出することができない状態で電池２を使用してしまうことを防止することができる。

図３は、他の実施形態の電池監視装置を含む電池パックの一例を示す図である。なお、図３において、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図３に示す電池監視装置において、図１に示す電池監視装置と異なる点は、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、監視部８により信号線１２のレベルが変化されるとともに、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号が監視部８から電池制御部１０へ送られる点と、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号が監視部８から電池制御部１０へ送られてくるとき、信号線１２のレベルが変化していないと、電池制御部１０により信号線１２に異常が発生していると判断される点である。

例えば、電池制御ＥＣＵ５において信号線１２にハイレベルの電圧をプルアップ抵抗１４を介して印加しておき、電池２の異常発生時、電池異常検出部７が信号線１２のレベルをハイレベルからローレベルに変化させる場合を考える。

また、監視部８は、自身をスリープ状態に移行させる前において、信号線１２とグランドとの間に設けられるスイッチ１５をオフからオンに切り替えることで、信号線１２のレベルを強制的にハイレベルからローレベルに変化させるとともに、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号を電池制御部１０へ送る。

また、電池制御部１０は、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号が監視部８から送られてくるとき、自身に入力される信号線１２のレベルがハイレベルのままであると判断すると、プルアップ抵抗１４と信号線１２との接続点からスイッチ１５と信号線１２との接続点までの間の信号線１２において、断線などの異常が発生していると判断する。

なお、電池異常検出部７は、電池２の異常を検出したとき、信号線１２のレベルをローレベルからハイレベルに変化させてもよい。この場合、監視部８は、自身をスリープ状態に移行させる前において、信号線１２のレベルを強制的にローレベルからハイレベルに変化させる。そして、電池制御部１０は、信号線１２のレベルがローレベルのままであると、信号線１２に異常が発生していると判断する。

図４は、監視部８の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、監視部８は、ウェイクアップ状態からスリープ状態に移行させる指示を電池制御部１０から受け取ると（Ｓ４１：Ｙｅｓ）、信号線１２のレベルを変化させる（Ｓ４２）。

次に、監視部８は、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号を電池制御部１０へ送り（Ｓ４３）、自身をウェイクアップ状態からスリープ状態に移行させる（Ｓ４４）。なお、Ｓ４２とＳ４３の順序を逆にし、監視部８は、信号線１２のレベルを変化させる旨を示す信号を電池制御部１０へ送った後に、信号線１２のレベルを変化させても良い。

そして、監視部８は、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行させる指示を電池制御部１０から受け取ると（Ｓ４５：Ｙｅｓ）、自身をスリープ状態からウェイクアップ状態に移行させる（Ｓ４６）。

図５は、電池制御部１０の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、電池制御部１０は、イグニッションがオフ状態であると判断すると（Ｓ５１：Ｙｅｓ）、ウェイクアップ状態からスリープ状態に移行させる指示を監視部８へ送る（Ｓ５２）。

次に、電池制御部１０は、信号線１２のレベルを変化させた旨を示す信号を監視部８から受け取ったとき（Ｓ５３：Ｙｅｓ）、信号線１２のレベルが変化していないと判断すると（Ｓ５４：Ｙｅｓ）、信号線１２に断線などの異常が発生していると判断し（Ｓ５５）、スイッチ３をオフにして電池２から負荷６への電力供給を禁止する（Ｓ５６）。

また、電池制御部１０は、信号線１２のレベルが変化していると判断すると（Ｓ５４：Ｎｏ）、信号線１２に異常が発生していないと判断し（Ｓ５７）、所定時間経過後（Ｓ５８：Ｙｅｓ）、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行させる指示を監視部８へ送り（Ｓ５９）、さらに所定時間経過した後（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、Ｓ５２へ戻る。

図３に示す電池監視装置においても、監視部８をスリープ状態に移行させる前において、監視部８から送られてくる信号により、信号線１２に異常が発生しているか否かを判断するため、監視部８がスリープ状態になっている場合において、電池２の異常検出機能の信頼性を確保することができる。

なお、上記実施形態では、電池パック１において１つの電池２が設けられる構成であるが、電池パック１において複数の電池２が互いに並列接続されて設けられてもよい。この場合、各電池２にそれぞれ対応する電池監視ＥＣＵ４が設けられる。電池制御部１０は、各電池監視ＥＣＵ４の監視部８を順番に間欠状態にさせて、各電池監視ＥＣＵ４の監視部８からそれぞれ送られてくる信号により、信号線１２に異常が発生しているか否かを判断する。例えば、電池制御部１０と各監視部８は、クロック信号などにより同期がとれており、予め各監視部８に識別情報を割り当てておく。電池制御部１０は、イグニッションがオフ状態になると、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行させる指示を各監視部８に送る。各監視部８は、スリープ状態からウェイクアップ状態に移行させる指示を受け取ると、自身に割り当てられた識別情報に対応するタイミングにおいて信号線１２のレベルを変化させる。そして、電池制御部１０は、各監視部８の識別情報に対応するタイミング毎に、自身に入力される信号線１２のレベルが変化しているか否かを判断する。これにより、電池制御部１０は、どの電池監視ＥＣＵ４に設けられる信号線１２に異常が発生したのかを把握することができる。

また、上記実施形態では、電池異常検出部７は、電池２の電圧の異常を検出したが、不図示の温度検出部により検出される温度の異常を検出しても良く、また、不図示の電流検出部により検出される電流の異常を検出しても良い。

また、上記実施形態では、スリープ状態に移行させる前に信号線１２に異常が発生しているか否かの判断を行ったが、スリープ状態でないときに定期的に行っても良い。この場合、図１に示される実施形態では、電池制御部１０は、例えばイグニッションがオフの状態になる前に、定期的に信号線１２のレベルを変化させて信号線１２に異常が発生しているか否かの判断を行う。また、図３に示される実施形態では、電池制御部１０は、例えばイグニッションがオフの状態になる前に、監視部８に信号線１２の異常を検出する旨の指示を送り、指示を受け取った監視部８は信号線１２のレベルを変化させて信号線１２に異常が発生しているか否かの判断を行っても良い。監視部８は、その後、電池制御部１０からスリープ状態に移行させる指示を受けたときに、自身をスリープ状態に移行させる。これらの場合でも、監視部８がスリープ状態である場合において、電池２の異常検出機能の信頼性を確保することができる。

１電池パック
２電池
３スイッチ
４電池監視ＥＣＵ
５電池制御ＥＣＵ
６負荷
７電池異常検出部
８監視部
９電源部
１０電池制御部
１１信号線
１２信号線
１３外部ＥＣＵ
１４プルアップ抵抗
１５スイッチ

Claims

電池の状態を監視する監視部と、
前記電池の異常を検出する電池異常検出部と、
前記監視部から前記電池の状態を示す情報を第１の信号線を介して受信し、前記電池異常検出部から前記電池に異常が発生している旨を示す信号を第２の信号線を介して受信する電池制御部と、
を備え、
前記監視部は、前記第２の信号線のレベルを示す信号を前記電池制御部に送り、
前記電池制御部は、前記第２の信号線のレベルを変化させたとき、前記監視部から送られてくる信号に示される前記第２の信号線のレベルが変化していないと、前記第２の信号線に異常が発生していると判断する
ことを特徴とする電池監視装置。
請求項１に記載の電池監視装置であって、
前記電池制御部は、前記第２の信号線のレベルを変化させたとき、自身が監視する前記第２の信号線のレベルが変化していないと、前記第２の信号線に異常が発生していると判断する
ことを特徴とする電池監視装置。
電池の状態を監視する監視部と、
前記電池の異常を検出する電池異常検出部と、
前記監視部から前記電池の状態を示す情報を第１の信号線を介して受信し、前記電池異常検出部から前記電池に異常が発生している旨を示す信号を第２の信号線を介して受信する電池制御部と、
を備え、
前記監視部は、前記第２の信号線のレベルを変化させるとともに、前記第２の信号線のレベルを変化させた旨を示す信号を前記電池制御部に送り、
前記電池制御部は、前記第２の信号線のレベルを変化させた旨を示す信号が前記監視部から送られてくるとき、前記第２の信号線のレベルが変化していないと判断すると、前記第２の信号線に異常が発生していると判断する
ことを特徴とする電池監視装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の電池監視装置であって、
前記電池制御部は、前記監視部をスリープ状態に移行させる前において、前記第２の信号線に異常が発生しているか否かを判断することを特徴とする電池監視装置。