JP6669689B2

JP6669689B2 - バッテリの電圧異常検出システム

Info

Publication number: JP6669689B2
Application number: JP2017086630A
Authority: JP
Inventors: 宏昌田中; 博之藤; 亨森本; 貴裕岡田
Original assignee: Denso Ten Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Ten Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: JP2018186637A

Description

本発明は、バッテリの電圧異常検出システムに関する。

従来、バッテリの電圧値を検出することで、バッテリの電圧異常を検出するバッテリの電圧異常検出システムが知られている。バッテリの電圧異常は、例えばバッテリが過充電状態あるいは過放電状態である場合に生じ得る。バッテリの電圧異常検出システムは、バッテリの電圧異常を検出する検出モジュールと、検出モジュールの検出結果を判定する判定ユニットを含んで構成される場合がある。検出モジュールがバッテリの電圧異常を検出したと判定ユニットが判定すると、判定ユニットあるいはその他の制御部は、バッテリの充電量あるいは放電量を制御するなどの適切な処理を行うことができる。

例えば、特許文献１には、複数の組電池からなるバッテリの電圧を検出する電圧異常検出システムであって、各組電池に対応して設けられた、複数の検出モジュールとしてのサテライト基板と、判定ユニットとしての上位ＥＣＵを含んで構成される電圧異常検出システムが開示されている。

特開２０１５−０７９５８５号公報

従来、検出モジュールと判定ユニットを含んで構成されるバッテリの電圧異常検出システムにおいては、検出モジュールが検出したバッテリの電圧異常を判定ユニットに通知するための専用の通信線が必要であった。この通信線を設けることにより、当該バッテリの電圧異常検出システムが組み込まれた製品がコストアップあるいは大型化するという問題があった。特に、例えば特許文献１のように、複数の組電池に対応して複数の検出モジュールが設けられた場合、専用の通信線も複数必要となるため、製品のコストアップあるいは大型化の問題がさらに顕著となる。

本発明の目的は、検出モジュールと判定ユニットとの間に専用の通信線を設ける必要がなく、検出モジュールがバッテリの電圧異常を検出したことを判定ユニットが判定できるようにすることにある。

本発明は、バッテリの電圧異常を検出する検出モジュールと、前記検出モジュールの検出結果を判定する判定ユニットとを含むバッテリの電圧異常検出システムであって、前記検出モジュールは、前記判定ユニットから供給された電源を前記検出モジュール内の回路へ供給するための検出モジュール内電源ラインと、前記検出モジュール内電源ラインとグラウンドラインとの間に設けられるオンオフ可能な接続スイッチと、前記バッテリの電圧値を検出して、前記バッテリの前記電圧異常を検出した場合に、前記接続スイッチをオンさせて前記検出モジュール内電源ラインとグラウンドラインとを接続するスイッチ制御回路と、を備え、前記判定ユニットは、前記検出モジュール内電源ラインに電気的に接続された、前記検出モジュールへ電源を供給するための判定ユニット内電源ラインであって、前記検出モジュールに供給される電流が流れる判定ユニット内電源ラインと、前記判定ユニット内電源ラインを流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、前記電流検出部が計測した電流値が閾値以上である場合に、前記検出モジュールが前記バッテリの前記電圧異常を検出したと判定する電圧異常判定部と、を備える、ことを特徴とするバッテリの電圧異常検出システムである。

上記構成によれば、検出モジュールがバッテリの電圧異常を検出した場合に、検出モジュール内電源ラインとグラウンドラインとが接続されるから、検出モジュール内電源ラインを流れる電流値が増加する。検出モジュール内電源ラインと判定ユニット内電源ラインは電気的に接続されているから、検出モジュール内電源ラインを流れる電流値の増加に伴って、判定ユニット内電源ラインを流れる電流値も増加する。したがって、電圧異常判定部は、電流検出部が検出した判定ユニット内電源ラインを流れる電流値が閾値以上となったことをもって、検出モジュールがバッテリの電圧異常を検出したと判定することができる。

本発明によれば、検出モジュールと判定ユニットとの間に専用の通信線を設ける必要がなく、検出モジュールがバッテリの電圧異常を検出したことを判定ユニットが判定できる。

本実施形態に係るバッテリの電圧異常検出システムの構成概略図である。通常時と電圧異常検出時における判定ユニット内電源ラインを流れる電流の電流値の違いを示す図である。監視ＩＣの消費電流値が低減されるタイミングを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係るバッテリの電圧異常検出システム１０の構成概略図が示されている。本実施形態における電圧異常検出システム１０は、ハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載されるバッテリパックに組み込まれるものである。

電圧異常検出システム１０は、バッテリ１２、検出モジュール１４、及び、判定ユニット１６を含んで構成される。本実施形態では、検出モジュール１４及び判定ユニット１６はそれぞれ電子基板であり、検出モジュール１４に設けられたコネクタ１４ａと、判定ユニット１６に設けられたコネクタ１６ａとが線材２０で接続されることによって、両者が接続されている。線材２０には、電源線２０ａとグラウンド線２０ｂのみが含まれている。

バッテリ１２は二次電池であり、例えばリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池から構成される。バッテリ１２は、複数の単電池（セル）からなるバッテリモジュール１２ａが複数個直列接続されて構成される。これにより、バッテリ１２は数百ボルトの電圧を出力することが可能となっている。なお、１つのバッテリモジュール１２ａは数〜十数ボルトの電圧を出力することが可能となっている。また、バッテリ１２には、電動車両に搭載されたモータジェネレータからの電力、あるいは商用電源からの電力が供給され、これによりバッテリ１２が充電される。

検出モジュール１４は、バッテリモジュール１２ａの電圧異常（以下単に「電圧異常」と記載する）を検出するものである。電圧異常とは、バッテリモジュール１２ａの電圧値が予め定められた上限閾値以上か、あるいは、予め定められた下限閾値未満であることを意味する。本実施形態では、検出モジュール１４は、複数のバッテリモジュール１２ａに対応して複数設けられる。各検出モジュール１４は同様の構成を有している。なお、電圧異常検出システム１０としては、検出モジュール１４を１つのみ有する態様も採用することができる。

判定ユニット１６は、検出モジュール１４の検出結果を判定するものである。判定ユニット１６は、例えばバッテリ１２の制御を行うバッテリＥＣＵである。詳しくは、判定ユニット１６は、複数の検出モジュール１４のいずれかが電圧異常を検出したか否かを判定する。判定ユニット１６は、電圧異常が検出されたと判定した場合に、バッテリ１２の充放電を制御することができる。例えばバッテリ１２の放電量あるいはバッテリ１２への充電量を制限したり、バッテリ１２の充電を開始させたりすることができる。

各検出モジュール１４内の回路を動作させるための電源は、判定ユニット１６から供給される。具体的には、判定ユニット１６内で生成されるか、あるいは判定ユニット１６に供給された低圧電源＋Ｂ（例えば＋５Ｖ、あるいは＋３．３Ｖなど）が、まず判定ユニット１６内に設けられた判定ユニット内電源ライン２２ａに供給される。判定ユニット内電源ライン２２ａは、低圧電源＋Ｂを検出モジュール１４へ供給するための供給路である。判定ユニット内電源ライン２２ａは、線材２０内の電源線２０ａによって、検出モジュール１４内の低圧電源ライン２２ｂに接続される。これにより、低圧電源＋Ｂが低圧電源ライン２２ｂに供給される。また、判定ユニット内電源ライン２２ａには、検出モジュール１４へ供給される電流が流れる。

なお、低圧電源＋Ｂは、複数の検出モジュール１４に対して供給される。本実施形態では、２つ目以降の検出モジュール１４は、図１に示すように、デイジーチェーン方式、すなわち判定ユニット１６と直接接続されず、他の検出モジュール１４を介して判定ユニット１６と接続される。これにより、２つ目以降の検出モジュール１４には、他の検出モジュール１４を介して低圧電源＋Ｂが供給される。

低圧電源ライン２２ｂに供給された低圧電源＋Ｂは、検出モジュール１４に設けられた後述の絶縁電源回路２４により昇圧され、それにより得られた高圧電源＋Ｖが、検出モジュール１４に設けられた検出モジュール内電源ラインとしての高圧電源ライン２６に供給される。高圧電源ライン２６は、検出モジュール１４内の各回路（本実施形態では監視ＩＣ４０及びスイッチ制御回路４６）に接続されており、これにより高圧電源＋Ｖが検出モジュール１４内の各回路に供給される。

上述のように、本実施形態においては、検出モジュール１４の各回路に対して、互いに電気的に接続された、判定ユニット内電源ライン２２ａ、電源線２０ａ、低圧電源ライン２２ｂ、及び高圧電源ライン２６を介して、判定ユニット１６から電源が供給される。なお、線材２０内のグラウンド線２０ｂにより、検出モジュール１４のグラウンドラインと判定ユニット１６のグラウンドラインが接続されている。

以下、検出モジュール１４について説明する。

絶縁電源回路２４は、低圧電源ライン２２ｂ、１次コイル２８ａと２次コイル２８ｂとを有するトランス２８、Ｎ型ＦＥＴ３０、抵抗器３２、制御ＩＣ３４、ダイオード３６、コンデンサ３８、及び高圧電源ライン２６を含んで構成される。

低圧電源ライン２２ｂは、制御ＩＣ３４の電源端子に接続される。これにより、制御ＩＣ３４に低圧電源＋Ｂが供給される。なお、本実施形態における制御ＩＣ３４の消費電流は、トランス２８の１次コイル２８ａを流れる電流Ｉ_１（後述）に比して無視し得る程度に小さいものとする。さらに、低圧電源ライン２２ｂは、トランス２８の１次コイル２８ａの一端に接続される。

Ｎ型ＦＥＴ３０のドレインは１次コイル２８ａの他端に接続され、Ｎ型ＦＥＴ３０のソースは抵抗器３２の一端に接続され、Ｎ型ＦＥＴ３０のゲートは制御ＩＣ３４の制御端子に接続される。抵抗器３２の他端はグラウンドラインに接続される。

トランス２８の２次コイル２８ｂの一端はダイオード３６のアノードに接続され、他端はグラウンドラインに接続される。ダイオード３６のカソード及びコンデンサ３８の一端は高圧電源ライン２６に接続される。コンデンサ３８の他端はグラウンドラインに接続される。

以上のような回路構成において、制御ＩＣ３４の制御端子から「Ｈ（ハイ）」信号が出力されると、Ｎ型ＦＥＴ３０がオン状態となる。つまり、Ｎ型ＦＥＴ３０のドレインとソース間に電流が流れる。これにより、トランス２８の１次コイル２８ａに電流Ｉ_１が流れる。ここで、抵抗器３２は１次コイル２８ａに流れる電流Ｉ_１を制限する機能を発揮する。

１次コイル２８ａに電流Ｉ_１が流れると、電磁誘導により２次コイル２８ｂに電流Ｉ_２が流れる。これにより、２次コイル２８ｂ側において高圧電源＋Ｖが生じる。ダイオード３６は、電流の逆流を防止する機能を発揮する。コンデンサ３８はデカップリングコンデンサであり、高圧電源＋Ｖのノイズを低減する機能を発揮する。

１次コイル２８ａの巻数Ｎ_１及び２次コイル２８ｂの巻数Ｎ_２、低圧電源＋Ｂ及び高圧電源＋Ｖ、並びに、１次コイル２８ａを流れる電流Ｉ_１及び２次コイル２８ｂを流れる電流Ｉ_２には以下の関係が成り立つ。なお、本明細書ではダイオード３６の電圧降下は考慮しないものとする。

以下、トランス２８の１次コイル２８ａ側を「低圧側」と、２次コイル２８ｂ側を「高圧側」と記載する。１次コイル２８ａと２次コイル２８ｂは絶縁されているため、低圧側と高圧側とは絶縁されている。なお、低圧電源ライン２２ｂと高圧電源ライン２６は、絶縁されているものの、トランス２８によって電気的には接続されている。

高圧電源ライン２６は、監視ＩＣ４０及びスイッチ制御回路４６の電源端子に接続される。これにより、監視ＩＣ４０及びスイッチ制御回路４６に高圧電源＋Ｖが供給される。このように、高圧電源ライン２６は、判定ユニット１６から供給され、絶縁電源回路２４により昇圧された電源を検出モジュール１４の各回路に供給するものである。

なお、本実施形態では、絶縁電源回路２４は検出モジュール１４に設けられているが、絶縁電源回路２４は判定ユニット１６に設けられてもよい。

監視ＩＣ４０は、バッテリモジュール１２ａの電圧値を検出する。また、監視ＩＣ４０は、バッテリモジュール１２ａの内部抵抗値、容量、温度なども検出するようにしてもよい。監視ＩＣ４０が検出したこれらのデータは、監視ＩＣ４０が有するメモリ内に記憶される。

接続スイッチ４２はオンオフ可能な電子スイッチである。本実施形態では、接続スイッチ４２はＰ型ＦＥＴである。接続スイッチ４２のソースは高圧電源ライン２６に接続され、接続スイッチ４２のドレインは抵抗器４４の一端に接続され、接続スイッチ４２のゲートはスイッチ制御回路４６が備える制御端子に接続される。抵抗器４４の他端はグラウンドラインに接続される。このように、接続スイッチ４２は、高圧電源ライン２６とグラウンドラインとの間に設けられる。

スイッチ制御回路４６は、監視ＩＣ４０と同様に、バッテリモジュール１２ａの電圧値を検出する。さらに、スイッチ制御回路４６は、バッテリモジュール１２ａの電圧値が異常値であること、すなわち電圧異常を検出した場合（以下「電圧異常検出時」と記載する）、スイッチ制御回路４６の制御端子から「Ｌ（ロー）」信号を出力する。異常値とは、予め定められた上限閾値以上か、あるいは、予め定められた下限閾値未満である値である。上限閾値及び下限閾値を示す情報は、スイッチ制御回路４６が有するメモリに予め記憶されていてよい。なお、スイッチ制御回路４６が電圧異常を検出していない場合（以下「通常時」と記載する）は、スイッチ制御回路４６の制御端子からは「Ｈ」信号が出力される。

通常時は、スイッチ制御回路４６の制御端子からは「Ｈ」信号が出力されるため、接続スイッチ４２はオフ状態となっているが、電圧異常検出時には、スイッチ制御回路４６の制御端子から「Ｌ」信号が出力されるため、接続スイッチ４２がオン状態となる。つまり、高圧電源ライン２６とグラウンドラインが抵抗器４４を介して接続される。これにより、接続スイッチ４２のソースとドレイン間に電流が流れる。ここで、抵抗器４４は、接続スイッチ４２のソースとドレイン間に流れる電流を調整する機能を発揮する。

なお、本実施形態においては、スイッチ制御回路４６が接続スイッチ４２のオンオフ制御を行っていたが、監視ＩＣ４０が、接続スイッチ４２のオンオフ制御をするための信号を出力できる端子（すなわちスイッチ制御回路４６の制御端子に相当する端子）を有しているならば、監視ＩＣ４０が接続スイッチ４２をオンオフ制御するようにしてもよい。この場合スイッチ制御回路４６は不要となる。

以下、判定ユニット１６の構成について説明する。

電流検出部４８は、判定ユニット内電源ライン２２ａを流れる電流の電流値を検出する。電流検出部４８は電流センサなどであってよい。上述のように、判定ユニット内電源ライン２２ａには、各検出モジュール１４に供給される電流が流れるから、電流検出部４８は、各検出モジュール１４に供給される電流の電流値を検出するものである。電流検出部４８が検出した電流値は電圧異常判定部５０に送られる。

電圧異常判定部５０は、例えばマイクロコントローラなどから構成される。電圧異常判定部５０は、電流検出部４８が検出した電流値に基づいて、いずれかの検出モジュール１４が電圧異常を検出したか否かを判定する。また、電圧異常判定部５０は、検出モジュール１４の検出結果に応じてバッテリ１２の充放電を制御することもできる。以下、電圧異常判定部５０の機能の詳細について説明する。

上述のように、スイッチ制御回路４６が電圧異常を検出すると、接続スイッチ４２がオンされる。これにより、高圧電源ライン２６とグラウンドラインが接続されることから、高圧電源ライン２６を流れる電流が通常時に比して増加することになる。特に、トランス２８の２次コイル２８ｂを流れる電流Ｉ_２の値が増加する。

トランス２８の１次コイル２８ａの巻数Ｎ_１と２次コイル２８ｂの巻数Ｎ_２の比は一定であることから、式１が示すように、電流Ｉ_２の値が増加すると、それに伴って１次コイル２８ａを流れる電流Ｉ_１も増加する。上述の通り、電流検出部４８は、各検出モジュール１４における電流Ｉ_１を含む各検出モジュール１４への供給電流の電流値を検出するから、いずれかの検出モジュール１４において電圧異常が検出されて電流Ｉ_２の値が増加すると、電流検出部４８の検出電流値もそれに応じて増加することになる。したがって、電圧異常判定部５０は、電流検出部４８の検出電流値が増加したことに基づいて、いずれかの検出モジュール１４が電圧異常を検出したことを判定することができる。

図２には、通常時（接続スイッチ４２がオフ）と電圧異常検出時（接続スイッチ４２がオン）における電流検出部４８の検出電流値の違いが示されている。図２の縦軸は、判定ユニット内電源ライン２２ａを流れる電流値、すなわち、電流検出部４８が検出する電流値を示している。図２には、通常時及び電圧異常検出時それぞれにおいて判定ユニット内電源ライン２２ａを流れ得る電流値が示されている。本実施形態においては、各検出モジュール１４の動作状態によって、判定ユニット内電源ライン２２ａを流れる電流値が変動するため、図２に示されるように、通常時及び電圧異常検出時において取り得る電流値はある程度の幅を有している。

上述の通り、電圧異常検出時に接続スイッチ４２を流れる電流は抵抗器４４の抵抗値によって調整可能である。つまり、電圧異常検出時における電流Ｉ_２の値を調整することができる。これは、抵抗器４４の抵抗値によって、電圧異常検出時における電流Ｉ_１の値、ひいては、判定ユニット内電源ライン２２ａを流れ得る電流値を調整することが可能であることを意味している。電圧異常検出システムの設計者は、図２に示すように、通常時において判定ユニット内電源ライン２２ａを流れ得る電流値の領域である電流値領域と、電圧異常検出時において判定ユニット内電源ライン２２ａを流れ得る電流値の領域である電流値領域とが重複しないように、抵抗器４４の抵抗値を調整しておく。

このように調整した上で、通常時の電流値領域の上限値と、電圧異常検出時の電流値領域の下限値との間に電流閾値を設定し、電流閾値を示す情報を判定ユニット１６のメモリ内に記憶させておく。これにより、電圧異常判定部５０は、電流検出部４８が検出した検出電流値と、メモリに記憶された電流閾値とを比較し、検出電流値が電流閾値以上であることをもって、いずれかの検出モジュール１４が電圧異常を検出したと判定することができる。

以上説明した通り、本実施形態に係る電圧異常検出システム１０によれば、判定ユニット１６は、判定ユニット内電源ライン２２ａを流れる電流値が電流閾値以上となったことをもって、いずれかの検出モジュール１４がバッテリモジュール１２ａの電圧異常を検出したと判定する。したがって、電圧異常検出システム１０においては、各検出モジュール１４と判定ユニット１６との間に、電圧異常を検出したことを通知するための専用の通信線を設ける必要がなくなる。これにより、電圧異常検出システム１０が組み込まれたバッテリパックのコストアップあるいは大型化を防止することができる。

また、本実施形態では、監視ＩＣ４０及びスイッチ制御回路４６は、高圧側に配置されており、マイクロコンピュータは低圧側に配置されている。したがって、仮に、専用の通信線を設けた場合、通信線の途中に、高圧側と低圧側の絶縁を維持するための絶縁回路が必要となる。本実施形態に係る電圧異常検出システム１０によれば、通信線が不要となることから、このような通信線用の絶縁回路も設ける必要がなくなる。

本実施形態では、検出モジュール１４が電圧異常を検出したことを電圧異常判定部５０が判定するためには、電圧異常検出時において、通常時に取り得る電流Ｉ_２の電流値よりも大きい電流値の電流Ｉ_２を流す必要がある。したがって、絶縁電源回路２４としては、通常時に必要な電流Ｉ_２よりも大きい電流値の電流Ｉ_２を流せるようになっている必要がある。つまり、絶縁電源回路２４の供給可能電流値を大きくする必要がある。これにより、絶縁電源回路２４がコストアップするという課題が生じ得る。

したがって、本実施形態では、例えば監視ＩＣ４０の動作を一時的に停止させる、あるいは一時的に低消費電力モードとすることなどによって、監視ＩＣ４０の消費電流を一時的に低減させる。すなわち、電流Ｉ_２の電流値を一時的に低減させる。なお、この場合でもスイッチ制御回路４６としては常に動作させておく。そして、電圧異常判定部５０は、監視ＩＣ４０の消費電流が低減されているときに、電流検出部４８が検出した電流値に基づいて、検出モジュール１４が電圧異常を検出したか否かを判定するようにする。

図３に、監視ＩＣ４０の消費電流値が低減されるタイミングが示されている。図３に示されたグラフは、縦軸が監視ＩＣ４０の消費電流値を示し、横軸が時間を示す。図３の例では、時刻ｔ１〜ｔ２までの間に監視ＩＣ４０の消費電流値が低減されている。つまり、電圧異常判定部５０は、時刻ｔ１〜ｔ２までの間に電流検出部４８が検出した電流値に基づいて、検出モジュール１４が電圧異常を検出したか否かを判定する。なお、本実施形態においては、監視ＩＣ４０の消費電流値を定期的に一定時間低減するようにしておき、判定ユニット１６内のメモリに監視ＩＣ４０の消費電流値が低減されるタイミングを示す情報を予め記憶させておく。これにより、監視ＩＣ４０の消費電流値が低減されたことを検出モジュール１４が判定ユニット１６に通知する必要がなく、電圧異常判定部５０が監視ＩＣ４０の消費電流値が低減されたタイミングで検出モジュール１４が電圧異常を検出したか否かを判定することができる。

このようにすることで、時刻ｔ１〜ｔ２の間においては、通常時に流れる電流Ｉ_２の電流値が低減されるから、電圧異常検出時に必要となる電流Ｉ_２の電流値も低減される。したがって、絶縁電源回路２４の供給可能電流値を抑えることができ、絶縁電源回路２４のコストアップを抑制することができる。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１０電圧異常検出システム、１２バッテリ、１２ａバッテリモジュール、１４検出モジュール、１６判定ユニット、２０線材、２０ａ電源線、２０ｂグラウンド線、２２ａ判定ユニット内電源ライン、２２ｂ低圧電源ライン、２４絶縁電源回路、２６高圧電源ライン、２８トランス、２８ａ１次コイル、２８ｂ２次コイル、３０Ｎ型ＦＥＴ、３２，４４抵抗器、３６ダイオード、３８コンデンサ、４０監視ＩＣ、４２接続スイッチ、４６スイッチ制御回路、４８電流検出部、５０電圧異常判定部。

Claims

バッテリの電圧異常を検出する検出モジュールと、前記検出モジュールの検出結果を判定する判定ユニットとを含むバッテリの電圧異常検出システムであって、
前記検出モジュールは、
前記判定ユニットから供給された電源を前記検出モジュール内の回路へ供給するための検出モジュール内電源ラインと、
前記検出モジュール内電源ラインとグラウンドラインとの間に設けられるオンオフ可能な接続スイッチと、
前記バッテリの電圧値を検出して、前記バッテリの前記電圧異常を検出した場合に、前記接続スイッチをオンさせて前記検出モジュール内電源ラインとグラウンドラインとを接続するスイッチ制御回路と、
を備え、
前記判定ユニットは、
前記検出モジュール内電源ラインに電気的に接続された、前記検出モジュールへ電源を供給するための判定ユニット内電源ラインであって、前記検出モジュールに供給される電流が流れる判定ユニット内電源ラインと、
前記判定ユニット内電源ラインを流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が計測した電流値が閾値以上である場合に、前記検出モジュールが前記バッテリの前記電圧異常を検出したと判定する電圧異常判定部と、
を備える、
ことを特徴とするバッテリの電圧異常検出システム。