JP6199294B2 - 電源装置および管理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電池セルが直列に接続された組電池を搭載した電源装置、およびその複数の電池セルを管理するための管理装置に関する。
近年、ハイブリッド車(HV)、プラグインハイブリッド車(PHV)、電気自動車(EV)が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。
リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。複数のリチウムイオン電池セルが直列に接続された組電池を使用する場合、各電池セルの電圧を検出するための電圧検出回路が設けられる。検出される各電池セルの電圧は、充放電制御およびセル電圧の均等化制御などに使用される。
車載用の二次電池では高出力電圧が要求されるため、複数の組電池を直列に接続して使用されることが多い。この場合において複数の組電池と並列に、それぞれ電圧検出回路を実装した複数のICチップをカスケード接続して設ける構成が用いられる場合がある。
特開2012−10563号公報
複数の組電池と、カスケード接続された複数のICチップを接続して電源装置を組み立てる際、組電池とICチップの接続順番によっては特定のICチップに耐圧オーバーの電圧が印加される可能性がある。この耐圧オーバーは電源装置のメンテナンス時にも発生し得る。この耐圧オーバーはICチップを高耐圧に設計すれば抑制できるが、コスト増を招く。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電源装置の組み立て時およびメンテナンス時の耐圧オーバーを低コストで抑制する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと、前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備える。前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は絶縁通信される。
本発明の別の態様もまた、電源装置である。この装置は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと、前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備える。前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所が混在される。
本発明のさらに別の態様は、管理装置である。この装置は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群を管理する管理装置であって、前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと接続されるべきコネクタであって、前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備える。前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は絶縁通信される。
本発明のさらに別の態様もまた、管理装置である。この装置は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群を管理する管理装置であって、前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと接続されるべきコネクタであって、前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備える。前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所が混在される。
本発明によれば、電源装置の組み立て時およびメンテナンス時の耐圧オーバーを低コストで抑制できる。
比較例に係る電源装置の構成を示す図である。 比較例に係る電源装置の組み立て時の様子を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電源装置の構成を示す図である。
図1は、比較例に係る電源装置500の構成を示す図である。電源装置500は電池部200および管理部100を備える。電池部200は複数のリチウムイオン電池セル(以下、単に電池セルという)が直列に接続された直列電池群20を備える。直列電池群20は、直列に接続された複数の組電池により形成される。各組電池は、直列に接続された複数の電池セルにより形成される。
組電池ごとにハーネスコネクタが設けられる。組電池を形成する複数の電池セルのそれぞれの電極とハーネスコネクタに含まれる複数の端子は配線で接続される。当該ハーネスコネクタに含まれる複数の端子は、組電池を形成する複数の電池セルのそれぞれの出力端子となる。
管理部100は、カスケード接続された複数のASIC(Application Specific Integrated Circuit)を備える。ASICは組電池ごとに少なくとも一つ設けられる。ASICは組電池に含まれる複数の電池セルを管理するための専用のカスタムICである。ASICは、組電池に含まれる複数の電池セルのそれぞれの両端電圧を検出する機能を少なくとも備える。ASICは、複数の電池セルのそれぞれの両端電圧を検出するための複数の入力端子を備える。
一つの組電池を管理する少なくとも一つのASICごとに、基板コネクタが設けられる。当該少なくとも一つのASICに設けられる複数の入力端子と、基板コネクタの複数の端子は配線で接続される。当該基板コネクタに含まれる複数の端子は、当該少なくとも一つのASICのそれぞれの入力端子となる。
組電池がx(xは2以上の整数)個の電池セルにより形成される場合、一つのハーネスコネクタは、少なくとも(x+1)本の電圧出力端子を備えることになる。一つの組電池をn(nは自然数)個のASICで管理する場合、一つのASICの管理セル数m(mは2以上の整数)は、x/n個となる。一つのハーネスコネクタは、少なくとも(m+1)本の電圧入力端子を備えることになる。
ASICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受ける。即ちASICは、管理しているm個の電池セルにより形成される直列電池群の最上位電圧を電源電圧とし、最下位電圧をグラウンド電圧として動作する。あるASICのグラウンド端子は、隣接するASICの電源端子と接続される。
隣接するASIC間は通信線により接続され、相互に通信可能な構成である。また複数のASICの少なくとも一つは制御回路に接続される。当該制御回路は複数のASICから各電池セルの電圧値を取得し、その電圧値を参照してセル電圧の均等化制御などの電池制御を行う。
以下、本明細書では各電池セルの電圧が4V、1つの単位組電池を形成する電池セルの数xが12個、全体の直列電池群20を形成する組電池の数が6個、一つの単位組電池を管理するASICの数nが2個、1つのASICが管理するセル数mが6個の例を想定する。即ち、x=12、m=6、n=2の例を想定する。この例では各組電池の電圧が約50V、全体の直列電池群20の電圧が約300Vである。
図1において第1ASIC(1)および第2ASIC(2)は一つの基板に実装される。この基板は第1基板コネクタ41を備える。第1組電池21および当該基板は一つのセルスタックに搭載される。その際、第1ハーネスコネクタ31と第1基板コネクタ41が接続される。なお第1組電池21は、2個の組電池が直列に接続されて形成されてもよい。上述の例では6個の電池セルにより形成される組電池を2個接続して、12個の電池セルにより形成される新たな単位組電池を形成してもよい。
図1では組電池からASICへ、ASICの電源電圧およびグラウンド電圧となる電圧を供給する配線のみを描いている。図1では一つの組電池を二つのASICで管理するため、中間電源線は1本である。なお、一つのASICで管理する場合は中間電源線はなくなり、三つのASICで管理する場合は中間電源線が2本となる。
第1組電池21は複数(上述の例では12個)の電池セル211〜21xを含む。この複数の電池セル211〜21xの最上位電圧が第1ASIC(1)の電源端子に供給され、その中間電圧が第1ASIC(1)のグラウンド端子および第2ASIC(2)の電源端子に供給され、その最下位電圧が第2ASIC(2)のグラウンド端子に供給される。
第1ASIC(1)は原理的には、複数の電池セル211〜21xの両端電圧V1の半分の電圧V1aに対応する耐圧設計であれば足りる。上述の例では約25Vにマージンを加えた耐圧を有すれば足りる。第2ASIC(2)も同様に原理的には、複数の電池セル211〜21xの両端電圧V1の半分の電圧V1bに対応する耐圧設計であれば足りる。
しかしながら、第1ハーネスコネクタ31と第1基板コネクタ41を接続する際、第1ハーネスコネクタ31の各端子と、第1基板コネクタ41の各端子が理想的に同時に接触するとは限らない。中間電源線の端子接触が、第1ASIC(1)の電源線の端子接触および第2ASIC(2)のグラウンド線の端子接触より遅延した場合、第1ASIC(1)および第2ASIC(2)により形成される直列回路に、複数の電池セル211〜21xの両端電圧V1が印加される状態が瞬間的に発生する。
ASICのインピーダンスは半導体ウェハごとに異なり、同一ウェハから生成されたASICであってもプロセスによるばらつきがある。したがって抵抗分圧のように、直列数によりきれいに分圧されるとは限らない。即ち、第1ASIC(1)および第2ASIC(2)のそれぞれに1/2・V1が印加されるとは限らない。例えば、第1ASIC(1)に1/4・V1が印加され、第2ASIC(2)に3/4・V1が印加されることも発生し得る。この場合、第2ASIC(2)は耐圧オーバーとなってしまう。
この対策として各ASICを、単位組電池に含まれるx(=m×n)個の電池セルの両端電圧に対応する耐圧を有するように設計する。上述の例では約50Vにマージンを加えた耐圧に設計する。第1ASIC(1)および第2ASIC(2)のそれぞれの耐圧を、複数の電池セル211〜21xの両端電圧V1に対応して設計すれば、第1ASIC(1)および第2ASIC(2)の分圧比がどのような値になっても、耐圧オーバーを回避できる。
一方、通常、組電池の組立ては充電率が低い状態で行う。そのため、上述の構成において、組立て時における充電率の値を考慮することもできる。即ち、充電率が低いときは単位組電池の電圧が低いため、組立て時においてASICの耐圧が単位組電池の電圧総和を下回るように構成しても良い。例えば、充電率30%の状態で組電池の組立を行う場合は、充電率30%の状態の単位組電池の電圧総和に対して耐えられるようにASICの耐圧を設定する。このような構成によると、ハーネスの接続が充電率が低い状態で行われることを考慮することで、ASICの耐圧をさらに下げることができ、電源装置の組み立て時およびメンテナンス時の耐圧オーバーを低コストで抑制することができる。
なお、この構成において、組電池が充電されて電池電圧が上昇しても、すべてのハーネスが接続されている状態では、m個のセル電圧合計がASICの耐圧以下で使用されればASICが耐圧オーバーとなることはない。また、例示した充電率30%は、あくまで例示であり、必ずしもこの値とする必要はなく、適宜選択可能である。
このように各ASICを、上述の直列電池群に含まれる複数の電池セルが100%未満、より具体的には50%未満の充電率に充電されている状態において、単位組電池に含まれるx個の電池セルの両端電圧に対応する耐圧を有するように設計することができる。当該充電率は組電池の組立時の設定充電率であってもよい。
ASICの耐圧を所与のものとする場合、各ASICが管理する電池セル数mを、ASICの耐圧未満になるよう設計する。即ち、一つのASICにより管理される、直列接続される複数の電池セルの両端電圧が当該ASICの耐圧未満になるよう、電池セル数を決定する。
図2は、比較例に係る電源装置500の組み立て時の様子を示す図である。図2に示すように第1ハーネスコネクタ31と第1基板コネクタ41が接続された後、第2ハーネスコネクタ32と第2基板コネクタ42が接続されるのではなく、第3ハーネスコネクタ33と第3基板コネクタ43が接続される場合が発生し得る。
第1ハーネスコネクタ31と第1基板コネクタ41が完全に接続された状態において、第2ASIC(2)のグラウンド端子電圧は、第1組電池21の最下位電圧により確定する。したがって第3ASIC(3)の電源端子電圧も確定する。
その後、第3ハーネスコネクタ33と第3基板コネクタ43が接続される。その際、第3ハーネスコネクタ33と第3基板コネクタ43の各端子が理想的に同時に接触するとは限らない。
第6ASIC(6)のグラウンド線が一番先に端子接触した場合(第1ケース)、その瞬間、第3ASIC(3)、第4ASIC(4)、第5ASIC(5)および第6ASIC(6)により形成される直列回路の両端に、第2組電池22および第3組電池23により形成される直列電池群の両端電圧(V2+V3)が印加される。
また中間電源線が一番先に端子接触した場合(第2ケース)、その瞬間、第3ASIC(3)、第4ASIC(4)および第5ASIC(5)により形成される直列回路の両端に、第2組電池22および第3組電池23の上半分により形成される直列電池群の両端電圧(V2+(1/2・V3))が印加される。
また第5ASIC(5)の電源線が一番先に端子接触した場合(第3ケース)、その瞬間、第3ASIC(3)および第4ASIC(4)により形成される直列回路の両端に、第2組電池22の両端電圧V2が印加される。
上述したようにASICのインピーダンスには、ばらつきがある。したがって第1ケースでは、第3ASIC(3)、第4ASIC(4)、第5ASIC(5)および第6ASIC(6)のそれぞれに(V2+V3)/4の電圧が印加されるとは限らない。第2ケースでは第3ASIC(3)、第4ASIC(4)および第5ASIC(5)のそれぞれに(V2+(1/2・V3))/3の電圧が印加されるとは限らない。第3ケースでは第3ASIC(3)および第4ASIC(4)のそれぞれにV2/2の電圧が印加されるとは限らない。
上述の対策により第3ASIC(3)、第4ASIC(4)、第5ASIC(5)および第4ASIC(6)のそれぞれのASICの耐圧が、第2組電池22の両端電圧V2(=第3組電池23の両端電圧V3)より高く設計されていても、第1ケースおよび第2ケースでは、いずれかのASICに耐圧オーバーの電圧が印加される可能性がある。
この耐圧オーバーは、二つ以上のASICにより形成される直列回路の中間電位が不定な状態で、当該直列回路の両端電位が確定したとき発生する。したがって、この耐圧オーバーは、高電位側または低電位側から順番にコネクタを接続していけば発生しない。
組み立て工場の作業員のみであれば、このルールを徹底させることも可能であると考えられるが、自動車ディーラーなどを含むメンテナンス作業員やユーザにまで徹底させるのは極めて困難である。したがって複数のハーネスコネクタ31〜36がどのような順番で、基板コネクタ41〜46に接続されても、どのASIC(1)〜(12)にも耐圧オーバーが発生しない仕組みが要求される。
図3は、本発明の実施の形態1に係る電源装置500の構成を示す図である。図1に示すように比較例に係る電源装置500では、隣接するASIC間の通信路は非絶縁インタフェース51〜61で形成される。非絶縁インタフェース51〜61はそれぞれレベルシフト回路を介した電気配線である。したがって、隣接するASIC間には通信路を介して直接、電流が流れる。
図3に示すように実施の形態1に係る電源装置500では、基板コネクタを共有する隣接するASIC間の通信路は、比較例に係る電源装置500と同様に非絶縁インタフェース51、53、55、57、59、61で形成される。基板コネクタを共有しない隣接するASIC間の通信路は、非絶縁インタフェース52、56、60と絶縁インタフェース54a、58aが混在して形成される。絶縁インタフェース54a、58aで接続されるASIC間は、両ASICに共通な電源線により接続されない。具体的には基板コネクタを共有しない第4ASIC(4)と第5ASIC(5)間は絶縁インタフェース54aで接続され、第4ASIC(4)のグラウンド端子と第5ASIC(5)の電源端子は管理部100では接続されない。第8ASIC(8)と第9ASIC(9)間も同様である。
絶縁インタフェース54a、58bは、小型のトランスを含む構成であってもよい。通信信号をパルス変調方式とすることにより、当該トランスの一次側コイルと二次側コイルの間で電気的に絶縁し、レベルシフトできる。また絶縁インタフェース54a、58はフォトカプラを含む構成であってもよい。ASIC間の通信信号を光信号で送受信することにより、ASIC間を複雑な変調方式を採用すること無く容易に電気的に絶縁できる。
基板コネクタを共有しないASIC間のうち、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所を交互に配置する。上述したようにコネクタの接続順番誤りによるASICの耐圧オーバーは、二つ以上のASICにより形成される直列回路の中間電位が不定な状態で、当該直列回路の両端電位が確定したとき発生する。この状態は、ハーネスコネクタと基板コネクタを、少なくとも一つ飛ばして接続する場合に発生する。
したがって基板をまたぐASIC間の接続において、少なくとも一つ飛ばして絶縁すれば上記状態の発生を抑制できる。よってコネクタの接続順番誤りによるASICの耐圧オーバーを抑制できる。
図4は、本発明の実施の形態2に係る電源装置500の構成を示す図である。実施の形態2に係る電源装置500でも、基板コネクタを共有する隣接するASIC間の通信路は、実施の形態1に係る電源装置500と同様に非絶縁インタフェース51、53、55、57、59、61で形成される。基板コネクタを共有しない隣接するASIC間の通信路は、実施の形態1に係る電源装置500と異なり全て絶縁インタフェース52a、54a、56a、58a、60aで形成される。
以上説明したように本発明の実施の形態1、2に係る電源装置500では、一つのASICの耐圧が、一つのハーネスコネクタに接続される組電池の両端電圧を超えるように設計する。これにより、一つのハーネスコネクタを一つの基板コネクタに接続する際に発生し得るASICの耐圧オーバーを抑制できる。一つのASICに、一つのハーネスコネクタに接続される組電池の両端電圧以上の電圧は原理的に印加されないためである。
また基板コネクタを共有しないASIC間の接続箇所を、少なくとも一つ飛ばしで絶縁することにより、ハーネスコネクタと基板コネクタをどのような順番で接続してもASICの耐圧オーバーが発生しないようにできる。
絶縁インタフェースは非絶縁インタフェースより高価な素子を使用するためコストが高くなる。したがって絶縁インタフェースの使用を少なくするほどコスト増大を抑制できる。実施の形態1はASICの耐圧オーバーを、最低限の絶縁インタフェースで抑制する例である。実施の形態2はASICの耐圧オーバーを、同じ構成の基板で抑制する例である。後者の場合でも同一基板内のASIC間は非絶縁インタフェースで形成される。後者の場合、基板の種類を減らすことができるため、量産化に有利である。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
500 電源装置、 200 電池部、 21〜26 組電池、 31〜36 ハーネスコネクタ、 100 管理部、 41〜46 基板コネクタ、 1〜12、 ASIC、 51〜61 非絶縁インタフェース、52a、54a、56a、58a、60a 絶縁インタフェース。

Claims (4)

  1. 複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、
    前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、
    前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと、
    前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備え、
    前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、
    前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所が混在されることを特徴とする電源装置。
  2. 各セル管理ICは、前記複数の電池セルが所定の充電率に充電されている状態において、前記m×n個の電池セルの両端電圧に対応する耐圧を有することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 各セル管理ICは、前記複数の電池セルが所定の充電率に充電されている状態において、前記m×n個の電池セルの両端電圧に対応する耐圧を有し、
    前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間のうち、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所が交互に配置されることを特徴とする請求項に記載の電源装置。
  4. 複数の電池セルが直列に接続された直列電池群を管理する管理装置であって、
    前記直列電池群に含まれる複数の電池セルを、m(mは2以上の整数)個ごとに管理する複数のセル管理IC(Integrated Circuit)と、
    前記複数の電池セルのm×n(nは自然数)個ごとに設けられ、m×n個の電池セルのそれぞれの端子を含む電池側コネクタと接続されるべきコネクタであって、前記複数のセル管理ICのn個ごとに設けられ、n個のセル管理ICのそれぞれの端子を含むIC側コネクタと、を備え、
    前記セル管理ICの電源電圧およびグラウンド電圧は、管理しているm個の電池セルの両端から供給を受け、
    前記複数のセル管理ICはカスケード接続され、前記IC側コネクタを共有するセル管理IC間は非絶縁通信され、前記IC側コネクタを共有しないセル管理IC間は、絶縁通信される箇所と非絶縁通信される箇所が混在されることを特徴とする管理装置。
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