JP6685892B2

JP6685892B2 - 電池管理装置

Info

Publication number: JP6685892B2
Application number: JP2016254663A
Authority: JP
Inventors: 金井　友範; 友範金井
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: JP2018105801A

Description

本発明は、蓄電池管理装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車などでは、所望の高電圧を確保するため、二次電池の電池セルを多数直列接続して構成される組電池が用いられている。このような組電池においては、電池セルの状態を監視する電池管理装置（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ、以下ＢＭＳと略）により電池セルの管理を行っている。ＢＭＳは、監視情報の１つとして各電池セルの電圧を取得している。一般的にＢＭＳに印加される電池セルの電圧はノイズ成分が含まれるため、アンチエイリアシングフィルタが適用される場合がある。

このアンチエイリアシングフィルタを電池セル毎に配置された抵抗器及びコンデンサ(ＲＣフィルタ)で実装すると、電池セル毎に異なるフィルタ特性となる事が知られている。この課題を解決するため、各電池セルに配置されたコンデンサの値を個別の値に設定する技術が特許文献１に開示されている。

また、特に、電池セルにリチウムイオン電池を用いた組電池の場合、リチウムイオン電池は高エネルギー密度であるため、電池管理装置が正常に動作せずに過充電状態となるのは危険である。そのため、回路故障が発生した場合であっても過充電状態を回避するための回路故障診断が実装される。回路故障診断技術として、発明者らが考案した特許文献２が開示されている。

特開２００９−１５０８６７ＷＯ２０１６／１４３６７９

しかし、第一の課題として、特許文献１に開示されている技術は、対象性のあるフィルタ構成に対しての技術しか開示されておらず、図１で示されるような非対象のフィルタ構成に対する技術がなかったため、非対象のフィルタ構成に対して電池セル毎に異なるフィルタ特性となる課題を解決することができなかった。

また、第二の課題として、特許文献１の図２６記載の通り、電池セルが１個の場合に比べ、電池セルが１２個の場合に、その遮断周波数が大幅に上昇するという課題がある。コンデンサ容量を大きくすれば遮断周波数を下げる事ができるが、大きな容量のコンデンサを用いる場合、大きなコンデンサ、あるいは、複数のコンデンサを用いる事によるＢＭＳの大型化やコストが増大する課題があった。

また、特許文献２で開示されている故障診断は、ＲＣフィルタの抵抗のオープン故障時に対してＲＣフィルタのコンデンサへ電流源で充放電する事により電圧変動が発生する事を利用している。同じ電流で充放電した場合、特許文献１で開示されているように各端子で容量値が異なると、電圧変動のスピードが異なり、故障診断可能な時間が端子により異なるという課題があった。また、各端子の容量値が大きいと、所望の電圧を変化させるまで時間がかかるため、高速な故障診断ができなかった。故障時に故障と判定できない間、誤ったセル電圧測定結果により充放電制御が行われるため、過充電、過放電状態になる可能性がある。即ち、高速な故障診断が出来ない場合、機能安全規格ＩＳＯ２６２６２で定義されているＦＴＴＩ（Ｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌ）の要件を満たす事ができなくなる。なお、ＦＴＴＩの要件を満たす事ができれば、特許文献１の技術を適用する事ができる。

前記課題１を解決するため、本発明の一態様による電池管理装置は、ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線を介して電気的に接続され、前記ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路（ＣＣ-ＩＣ）と、前記電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、前記抵抗と前記電圧検出部との間の前記電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、前記ＣＣ-ＩＣに接続された最低電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、前記ＣＣ-ＩＣのＧＮＤと、に接続された１個のコンデンサＣ０と、を有し、前記コンデンサＣｎのうち最低電位側のコンデンサの位置を基準として前記各コンデンサＣｎの位置をｋとした場合、前記各コンデンサＣｎの容量値の比が（数１）を満たすようにした。

前記課題２を解決するため、本発明の一態様による電池管理装置は、ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線を介して電気的に接続され、前記ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、前記電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、前記抵抗と前記電圧検出部との間の前記電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、前記集積回路に接続された最低電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、前記集積回路に接続された最高電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、に接続された１個のコンデンサＣ０と、を有するようにした。

また、Ｃｎの値を固定値、Ｃ０の値をＣｎの値のｎ分の１とした。

上記課題１に対しては、非対象のフィルタ構成に対して、電池セル毎にほぼ同一フィルタ特性を得る事ができ、アンチエイリアシングフィルタ性能の優れた電池管理装置を提供する事ができる。

また、上記課題２に対しては、高速な診断が可能なため、ＦＴＴＩ内での故障検知が可能となる。また、小さなコンデンサを用いる事ができるため、電池管理装置の小型化、低コスト化が可能となる。

実施例１、実施例２に係わる電池管理装置比較例、実施例１、実施例２に係わる電池管理装置のコンデンサ容量 τ＝１０ｍｓｅｃ時の減衰比比較例に係わる減衰比実施例１に係わる減衰比実施例２に係わる減衰比特許文献２の図２実施例３、実施例４に係わる電池管理装置実施例３、実施例４に係わる電池管理装置のコンデンサ容量実施例３に係わる減衰比実施例４に係わる減衰比

図１に実施例１に係わる電池管理装置１を示す。電池管理装置１は、充放電状態を制御するマイコン６、電池セル状態を監視する半導体装置２（ＣＣ-ＩＣ）、セルＣｅ１からＣｅ１２からのノイズを除去するＲＣフィルタＲ０からＲ１２、Ｃ０からＣ１２から構成される。ＣＣ-ＩＣはセルを選択するマルチプレクサ３（ＭＵＸ）とセル電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換器５（ＡＤＣ）、ＭＵＸで選択されたセル電圧をＡＤＣの入力電圧範囲に変換するＬＳＡｍｐ４から少なくとも構成される。本構成により、マイコン６はセル電圧を取得し、電池セルの管理を行っている。

ＭＵＸ３とＡＤＣ５の間にＣＣ-ＩＣ２の最高電位であるＨＶ（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅ）から印加できる電流源７を具備しており、マイコンからの指示により電流源をＯＮさせ、電流源ＯＮ時のＲＣフィルタ部へ電流印加することによりＭＵＸの入力部に擬似電圧を発生させ、各種回路の異常を診断している。

Ｃ０からＣ１２には、図２に示す値を用いた。Ｃ１からＣ１２には、（数１）の値の比を適用している。

また、図２には比較例、実施例１及び後述する実施例２で用いたコンデンサＣ１からＣ１２の容量を記載している。なお、抵抗Ｒ０からＲ１２は、実施例、比較例共に１００ｋΩを用いた。また、参考のため、図３に時定数τ＝１０ｍｓｅｃの場合の減衰比を示す。なお、前記時定数値は、比較例に用いている抵抗１００ｋΩ×コンデンサ容量１ｕＦ=１０ｍｓｅｃとしている。図４に比較例の場合の減衰比を示す。ここで、Ｃｅ１〜Ｃｅ１２は、図１に示す１２個の電池セルである。特許文献１では対象性のあるＲＣフィルタ構成のため、対象性のあるセルでは同じ減衰特性であるが、本比較例は非対象性のＲＣフィルタ構成のため、各端子のインピーダンスが全て異なるため、全てのＣｅｌｌの減衰特性が異なっている事がわかる。また、同じ抵抗とコンデンサを用いている図３の減衰特性に比べ、比較例ではカットオフ周波数が高くなっており、アンチエイリアシングフィルタ性能が悪化している事が分かる。図５に本実施例を適用した場合の減衰比を示す。本実施例では（数１）を適用したため、各端子のインピーダンスを調整する事ができ、各端子でほぼ同等のフィルタ性能を得る事ができ、アンチエイリアシングフィルタ性能の優れた電池管理装置を提供する事ができる。
以上、本発明について簡単にまとめる。本発明の電池管理装置１では、ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線路を介して電気的に接続され、複数の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する集積回路(ＣＣ-ＩＣ)と、ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、抵抗と電圧検出部との間の電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、集積回路に接続された最低電位の検出線の抵抗と電圧検出部の間と集積回路のＧＮＤ間に接続された１個のコンデンサＣ０、とを有し、コンデンサＣｎの最低電位側のコンデンサの位置をｋとした場合、前記各コンデンサＣｎの値の比が（数１）を満たす。

このような構成にすることによって、各端子のインピーダンスを調整する事ができ、各端子でほぼ同等のフィルタ性能を得る事ができ、アンチエイリアシングフィルタ性能の優れた電池管理装置を提供する事ができる。

続いて実施例２について説明する。本実施例では、実施例１に対し、図２に記載のコンデンサの容量にＥ１２系列を用いた部分のみが異なる。その他は実施例１と同じため、説明を省略する。図６に減衰比を示す。Ｅ１２系列を用いた場合であっても、各端子でほぼ同等のフィルタ性能を得る事ができ、アンチエイリアシングフィルタ性能の優れた電池管理装置を提供する事ができる。さらに、コンデンサ容量にＥ１２系列を用いたため、生産量の多い部品を用いる事ができ、生産の効率化、コスト低減が可能となる。

このように、（数１）から算出されたコンデンサ値に近い生産量の多い部品を用いても本発明の効果を教授する事ができる。また、コンデンサにより調整を行ったが、フィルタ抵抗での調整や、フィルタ抵抗とフィルタコンデンサの両方で調整を行っても良い。

続いて第３の実施例について説明する。本実施例では、実施例１、２記載の発明では、特許文献２で開示されている診断機能を実装している。即ち、電流源により各端子に電流を印加している。この電流源のＯＮを継続すると、フィルタ抵抗でのドロップ電圧が発生するため、電圧測定ができない。そのため、電流源のＯＮを短期間とし、その後端子電圧がセル電圧に戻ったときにセル電圧を計測する事を繰り返している。この制御技術は、図７に示すように、特許文献２の図２で開示されている。フィルタ抵抗がオープンした場合、この制御により当該端子のみに電圧変動が発生し、故障を検知する事ができる。

一方、フィルタ抵抗がオープン故障した場合は、当該端子の電圧が正確に取得できないため、誤った電圧により充放電制御される。このため、電池セルが過放電、過充電に至る可能性がある。このため、回路故障で正確にセル電圧取得が出来ない状態となった場合、前記のような診断技術を用い、充放電を禁止するなど、安全状態へ移行する措置が取られる。ここで、故障発生から危険事象に至るまでの時間が規定されており、機能安全規格ＩＳＯ２６２６２ではＦＴＴＩ（Ｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌ）と呼んでいる。よって、故障発生時には、ＦＴＴＩ内に安全状態へ移行する必要がある。

特許文献１や実施例１、２では、コンデンサ容量が各端子で異なっているため、フィルタ抵抗がオープン故障した場合、特許文献２のように同じ電流値を各端子に印加すると電圧変化のスピードが異なってしまう。フィルタオープン故障を検知する閾値は、故障して無い場合に故障と判定する誤診断を防止するため、ノイズ量を加味して設定される。そのため、故障発生から故障検知するまでの時間が各端子で異なる事になる。よって、最大の故障検知時間となる箇所でＦＴＴＩ内に安全状態へ移行するよう電流値が設計される。この電流値で前記正常時の電圧変動がセル電圧に戻れば問題ないが、戻らない場合は実施例１、２の技術を用いる事が出来ない。今後の制御の高精度に伴う高速な電圧測定周期に対応するためには、特に問題となる可能性がある。

このような課題を解決するため本実施例３では、図８に示すように、Ｃ０のコンデンサをＣＣ-ＩＣの最下位と最上位端子の間に配置するようにした。図９にＣ０〜Ｃ１２のコンデンサ容量を示す。なお、後述する実施例４のコンデンサ容量も併記している。なお、フィルタ抵抗は実施例３、４共に、１００ｋΩを用いた。その他については、実施例１、２と同じため、説明を省略する。

このような構成にしたので、どの端子からもコンデンサが同じように見えるため、フィルタ抵抗のオープン故障時の端子の電圧変動量差を抑制する事が可能となる。図１０に減衰比を示す。本構成により、同一コンデンサを用いている図４では１ＫＨｚの減衰比-８ｄｂであるが、本実施例の場合-１９ｄＢとアンチエイリアシングフィルタ性能を向上させた電池管理装置を提供する事ができる。
以上、本発明について簡単にまとめる。本発明では、ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線路を介して電気的に接続され、複数の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する集積回路(ＣＣ-ＩＣ)と、ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、抵抗と前記電圧検出部との間の電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、集積回路に接続された最低電位の検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と前記集積回路に接続された最高電位の検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間に接続された１個のコンデンサＣ０、とを有することを特徴とする。このような構成にすることによって、どの端子からもコンデンサが同じように見えるため、フィルタ抵抗のオープン故障時の端子の電圧変動量差を抑制する事が可能となる。

続いて第４の実施例について説明する。本実施例では、実施例３の減衰比（図１０）が、１０Ｈｚ程度で減衰比がプラスとなる現象が現れており、問題となる事がある。この特性は、Ｃ０のみに１２倍の電圧が印加される事が要因であり、図９に示すように実施例４ではＣ０のみ他の端子の容量の１２分の１の容量値とした。図１１に実施例４の場合の減衰比を示す。１０Ｈｚに見られた減衰比がプラスとなる現象を抑制されたことが分かる。また、１ｋＨｚの減衰比が-１３ｄＢであり、図４の-８ｄＢよりも小さい。よって、全体にバランスの取れたアンチエイリアシングフィルタ性能を持った電池管理装置を提供する事ができる。

なお、本実施例ではコンデンサが１２個であるため、このような構成としたが、コンデンサの個数がｎ個の場合にはＣ０にｎ倍の電圧が印加される。そのため、そのような場合にはＣ０のみ他の端子に接続されるコンデンサの容量の１／ｎとすれば良い。

以上、本発明についてまとめる。本発明では、１個のコンデンサＣ０の容量値がＣｎの容量値のｎ分の１である。このような構成にすれば全体にバランスの取れたアンチエイリアシングフィルタ性能を持った電池管理装置を提供する事ができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

Claims

ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線を介して電気的に接続され、前記ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、
前記電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、
前記抵抗と前記電圧検出部との間の前記電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、
前記集積回路に接続された最低電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、前記集積回路のＧＮＤと、に接続された１個のコンデンサ、とを有し、
前記コンデンサＣｎのうち最低電位側のコンデンサの位置を基準として前記各コンデンサＣｎの位置をｋとした場合、前記各コンデンサＣｎの容量値の比が（数１）を満たす
ことを特徴とする電池管理装置。
ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線を介して電気的に接続され、前記ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、
前記電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、
前記抵抗と前記電圧検出部との間の前記電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、
前記集積回路に接続された最低電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、前記集積回路のＧＮＤと、に接続された１個のコンデンサ、とを有し、
前記コンデンサＣｎのうち最低電位側のコンデンサの位置を基準として前記各コンデンサＣｎの位置をｋとした場合、前記各コンデンサＣｎの容量値は、その比が（数２）を満たす値に最も近いＥ１２系列の容量値である
ことを特徴とする電池管理装置。
ｎ個の電池セルのそれぞれの両極に電圧検出線を介して電気的に接続され、前記ｎ個の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電圧検出部を有する集積回路と、
前記電圧検出線に電気的に接続されたｎ+１個の抵抗と、
前記抵抗と前記電圧検出部との間の前記電圧検出線間に接続されたｎ個のコンデンサＣｎと、
前記集積回路に接続された最低電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、前記集積回路に接続された最高電位の前記電圧検出線の前記抵抗と前記電圧検出部の間と、に接続された１個のコンデンサ、とを有し、
前記ｎ個のコンデンサＣｎが全て同じ容量値であり、
前記１個のコンデンサの容量値が前記ｎ個のコンデンサＣｎの容量値のｎ分の１であることを特徴とする電池管理装置。