JP7443997B2 - 電池監視システム - Google Patents

Description

本発明は、組電池を構成する複数の電池セルを監視するシステムに関する。

近年、二次電池を利用した電気自動車等の普及が進んでおり、二次電池を安全に利用するための電池監視システム（Battery Management System: ＢＭＳ）の需要が高まっている。二次電池については、その交流インピーダンス等を測定することで、電池の残量（State of Charge: ＳＯＣ）を始めとする内部の状態を推定することが可能になる。例えば、特許文献１では、各電池セルに対応して、測定対象に電流を流す信号励起部，電流測定部及び電池からの応答電圧を測定する電圧測定部を備え、それらから得られた電圧値、電流値を用いてインピーダンスを測定している。この交流インピーダンス法を用いた測定では、測定周波数と等しい周波数成分の信号のみを検出するため、雑音除去能力が高く、信号対雑音比（ＳＮＲ）が良好な測定が可能である。

国際公開第２０２０／００３８４１号パンフレット

しかしながら、従来の構成では、電池セルの数が増えるとそれに伴い電圧測定部の数も増加する。電圧測定部は、Ａ／Ｄ変換器やフィルタ，ミキサ等を備えるため、電圧測定部の数が増加すると回路面積が増大し、コストアップも招来する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路面積の増加を抑制して、二次電池のインピーダンスを測定できる電池監視システムを提供することにある。

請求項１記載の電池監視システムによれば、参照信号生成部は、同相信号と、この同相信号に対して位相が９０度異なる直交信号とからなる交流の直交参照信号を生成し、励起信号生成部は、直交参照信号の同相信号を処理して励起信号を生成する。電流生成部が励起信号に基づく励起電流を生成して電池セルに通電すると、電流測定部は直交参照信号を用いて励起電流を測定し、電圧測定部は直交参照信号を用いて電池セルの電圧を測定する。インピーダンス測定部は、測定された励起電流及び電圧に基づいて、電池セルの交流インピーダンスを測定する。その際に制御部は、複数の電池セルと電圧測定部との接続を切り替えるマルチプレクサにより１つの電池セルを選択して、インピーダンス測定部に交流インピーダンスを測定させる。このように構成すれば、各電池セルの電圧を測定する電圧測定部の数を削減して回路面積を縮小できる。したがって、測定対象となる電池セルの数が増えても電池監視システムを小型に構成でき、コストを削減できる。

請求項２記載の電池監視システムによれば、制御部は、１つの電池セルについて交流インピーダンスが測定されると、マルチプレクサを異なる電池セルに切り替える。これにより、電圧及び電流を測定するレートを一致させた状態で、各電池セルのインピーダンスを順次測定できる。

請求項３記載の電池監視システムによれば、制御部は、マルチプレクサの切り替えをサンプリング周期毎に行う。この場合、電流を測定するレートに対して電圧を測定するレートが低くなるため、測定された電圧のデータについて調整を行う必要がある。しかしながら、複数の電池セルのインピーダンス測定を並行的に行うことができるので、各測定値の即時性が向上する。

第１実施形態であり、電池監視装置の構成を示す機能ブロック図 励起信号処理部の構成を示す図 電流励起部の構成を示す図 電流測定部の構成を示す図 電圧測定部の構成を示す図 直交参照信号の波形を示す図 励起電流の波形と周波数スペクトラムとを示す図 理想状態における励起交流電圧の周波数スペクトラムと、電圧測定部より出力される電圧の周波数スペクトラムとを示す図 電池監視装置による測定処理を示すフローチャート 励起電流及び電圧のサンプリングデータを示す図 第２実施形態であり、電流測定部の構成を示す図 電池監視装置による測定処理を示すフローチャート 図１２のフローチャートに対応したデータ処理を示す図 第３実施形態であり、電圧測定部の構成を示す図 電圧測定部のデータ処理を示す図 第４実施形態であり、電池監視装置の構成を示す機能ブロック図 第５実施形態であり、電池監視装置の構成を示す機能ブロック図

（第１実施形態）
図１に示すように、組電池１は、複数例えば４つの電池セル２（１）～２（４）を直列に接続して構成されている。電池セル２は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池である。組電池１に接続される組電池監視装置３は、制御部４，信号生成部５，励起信号処理部６，電流励起部７，電流測定部８，電圧測定部９，インピーダンス測定部１０，マルチプレクサ１１及び通信Ｉ／Ｆ１２等を備えている。電流励起部７，電流測定部８及び電圧測定部９は、各電池セル２に対応して設けられている。通信Ｉ／Ｆ１２は、組電池監視装置３が後述する上位システムとの間で通信を行うために使用される。

各電池セル２（１）～２（４）の上位電極と下位電極には、それぞれ電圧測定部８（１）～８（４）が接続されている。信号生成部５は、図６及び図７に示すように測定周波数ｆ_ＬＯと周波数が同一の正弦波と余弦波である直交参照信号ＲＥＦ＿Ｉ, ＲＥＦ＿Ｑを生成する。これらの直交参照信号ＲＥＦ＿Ｉ, ＲＥＦ＿Ｑは、電流測定部８及び電圧測定部９に出力される。励起信号処理部６には、参照信号ＲＥＦ＿Ｉのみが入力されている。

図２に示すように、励起信号処理部６は、入力される参照信号ＲＥＦ＿Ｉを、レベル変換器２１によって制御部４で設定された目標励起電流に従いレベル変換し、つまりＤＣオフセットを付与し、更にＤＡＣ２２によりアナログ電圧信号に変換する。アナログ電圧信号は、フィルタ２３を介すことで復調処理にて付与されたイメージ成分が除去された後、誤差アンプ２４に入力される。

誤差アンプ２４の反転入力端子には、電流励起部７からの電圧信号ＩｘＳＰが入力されており、電圧信号ＩｘＳＮとの電位差が制御目標値として非反転入力端子に与えられている電圧信号に一致するように出力信号ＶＣＳｘを制御する。尚、ｘ＝１～４である。電流励起部７より出力される励起電流は、図７に示すように、ＤＣオフセットが付与された交流電流であり、その周波数成分は、直流分と測定周波数ｆ_ＬＯとを含んでいる。

図３に示すように、電流励起部７は、抵抗素子ＲＬｘ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ＿Ｍｘ，抵抗素子ＲＳｘの直列回路で構成されている。励起信号処理部６の出力信号ＶＣＳｘは、ＦＥＴ＿Ｍｘのゲートに与えられており、抵抗素子ＲＳｘの両端が、それぞれ電圧信号ＩｘＳＰ，ＩｘＳＮとして励起信号処理部６及び電流測定部８に入力されている。そして、前記直列回路の両端が、励起電流信号ＩｘＦＰ，ＩｘＦＮとして出力される。すなわち、電流励起部７は、センス抵抗である素子ＲＳｘの端子電圧が制御目標値に一致するように励起電流信号ＩｘＦＰ，ＩｘＦＮを生成する。

図４に示すように、電流測定部８は、減算器２５Ｐ及び２５Ｎ，ＡＤＣ２６，ＤＣオフセット補正部２７，減算器２８，フィルタ２９，周波数変換部３０及び直交復調器３１を備えている。電圧信号ＩｘＳＰ，ＩｘＳＮは、それぞれ減算器２５Ｐ，２５Ｎを介してＡＤＣ２６に入力される。ＡＤＣ２６により変換された電圧データは、ＤＣオフセット補正部２７及び減算器２８に入力される。ＤＣオフセット補正部２７は、ＡＤＣ２６の出力データに応じたＤＣオフセット補正値を生成し、減算器２５及び２８に入力する。

減算器２８の出力データは、フィルタ２９を介して直交復調器３０に入力される。直交復調器３０は、乗算器３１Ｉ及び３１Ｑ並びにフィルタ３２Ｉ及び３２Ｑで構成されている。フィルタ２９の出力データは、乗算器３１Ｉ及び３１Ｑに入力される。乗算器３１Ｉ，３１Ｑには、それぞれ参照信号ＲＥＦ＿Ｉ, ＲＥＦ＿Ｑも入力されており、各入力信号が乗算されて直交復調が行われる。乗算器３１Ｉ，３１Ｑの出力データは、それぞれフィルタ３２Ｉ，３２Ｑを介してイメージ成分が除去されてデータＩｘＢＩ，ＩｘＢＱが生成され、これらがインピーダンス測定部１０に入力される。

尚、電圧測定部９の構成は、図５に示すように電流測定部８と対称であり、対応する構成要素には同じ符号を付している。電圧測定部９には、マルチプレクサ１１を介して各電池セル２の各端子電圧ＶｘＳＰ，ＶｘＳＮが入力され、電流測定部８と同様に直交復調が行われ、データＶｘＢＩ，ＶｘＢＱが生成されてインピーダンス測定部１０に入力される。マルチプレクサ１１の切り替え制御は、制御部４により行われる。また、電池監視装置３において、電流励起部７を除いた部分は集積回路３３として構成されている。

励起電流は、電池セル２に印加されると交流インピーダンスにより電圧に変換される。電池セル２の両端に発生する励起電圧ＶｘＳＰ，ＶｘＳＮの理想的な周波数スペクトラムは、図８に示すように、ＤＣ成分と測定周波数ｆ_ＬＯに信号を生じる。ＤＣ成分は、電池セル２の電圧とインピーダンスと励起電流のＤＣオフセットの積の和であり、周波数ｆ_ＬＯには、交流インピーダンスと励起交流電流の積である交流電圧が発生する。この時、電圧測定部９の測定結果として出力される電圧は、電池セル２の直流電圧のみとなる。

次に、本実施形態の作用について説明する。図９に示すように、制御部４は、マルチプレクサ１１により電池セル２（１）を選択すると（Ｓ１）、励起信号処理部６に参照信号ＲＥＦ＿Ｉにより励起電流の値を設定して、励起電流を電池セル２に印加する（Ｓ２）。すると、インピーダンス測定部１０は、電流測定部８を介して励起電流データＩ１ＢＩ，Ｉ１ＢＱを取得すると共に、電圧測定部９を介して電圧データＶ１ＢＩ，Ｖ１ＢＱを取得し（Ｓ３）、電池セル２（１）のインピーダンスを測定する（Ｓ４）。

以下同様にして、制御部４は、マルチプレクサ１１により電池セル２（２）～２（４）を順次選択し、インピーダンス測定部１０は、電池セル２（２）～２（４）のインピーダンスをそれぞれ測定する（Ｓ５）。電池セル２（４）のインピーダンスを測定すると、ステップＳ１に移行する。

本実施形態では、図１０に示すように、電流測定部８における励起電流のサンプリング周波数と、電圧測定部９における励起電流のサンプリング周波数とは何れも同一のｆ_ｓである。

以上のように本実施形態の組電池監視装置３によれば、励起信号生成部６は、信号生成部５が生成した直交参照信号の同相信号ＲＥＦ＿Ｉを処理して励起信号ＶＣＳｘを生成し、電流励起部７は、その励起信号ＶＣＳｘに基づく励起電流を電圧信号ＩｘＳＰ，ＩｘＳＮにより生成して電池セル２に通電する。インピーダンス測定部１０は、電流測定部８により測定された励起電流と、電圧測定部９により測定された電池セル２の電圧とに基づいて電池セル２の交流インピーダンスを測定する。

その際に制御部４は、電池セル２（１）～２（４）と電圧測定部９との接続を切り替えるマルチプレクサ１１により１つの電池セル２を選択して、インピーダンス測定部１０に交流インピーダンスを測定させる。このように構成すれば、各電池セル２（１）～２（４）の電圧を測定する電圧測定部９の数を削減して回路面積を縮小できる。したがって、測定対象となる電池セル２の数が増えても電池監視システムを小型に構成でき、コストを削減できる。

また、制御部４は、１つの電池セル２について交流インピーダンスが測定されると、マルチプレクサ１１を異なる電池セル２に切り替えるので、電圧及び電流を測定するレート；上述のサンプリング周波数を一致させた状態で、各電池セル２のインピーダンスを順次測定できる。そして、それぞれの電池セル２の残量を求める際に、安定した状態で測定したインピーダンスを用いることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を設定して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１１に示すように、第２実施形態の電池監視装置４１では、電圧測定部９Ａが、フィルタ２９と直交復調器３０との間に周波数変換部３４を備えている。電圧測定部９Ａにおけるサンプリング周波数は周波数変換部３４により、図１３に示すように０．５ｆ_ｓに変換される。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図１２に示すように、制御部４は、ステップＳ２，Ｓ１，Ｓ３の順で処理を行うと、マルチプレクサ１１により電池セル２（２）を選択し（Ｓ１１）、インピーダンス測定部１０は、電流測定部８を介して励起電流データＩ２ＢＩ，Ｉ２ＢＱを取得すると共に、電圧測定部９Ａを介して電圧データＶ２ＢＩ，Ｖ２ＢＱを取得する（Ｓ１２）。

それから、電池セル２（１），２（２）について、それぞれ電流及び電圧の交流１周期分のデータ取得が完了したか否かを判断し（Ｓ１３）、データの取得が完了していなければ（ＮＯ）ステップＳ１に戻る。この場合、電池セル２（１），２（２）の電圧データは、図１５に示すように、周波数０．５ｆ_ｓ毎に交互に取得される。

データの取得が完了すると（ＹＥＳ）、インピーダンス測定部１０は、周波数ｆ_ｓで取得したデータを電池セル２（１），２（２）用に２分割する（Ｓ１４）。そして、電池セル２（１），２（２）のインピーダンスを測定する（Ｓ１５）。以下同様にして、制御部４は、マルチプレクサ１１により電池セル２（３），２（４）を交互に選択し、インピーダンス測定部１０は、電池セル２（３），２（４）のインピーダンスをそれぞれ測定する（Ｓ１６）。

以上のように第２実施形態によれば、制御部４は、マルチプレクサ１１の切り替えをサンプリング周期毎に行う。これにより、電池セル２（１）及び２（２）のインピーダンス測定並びに電池セル２（３）及び２（４）のインピーダンス測定を、それぞれ並行的に行うことができるので、各測定値の即時性が向上する。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第２実施形態の変形である。図１４に示すように、第３実施形態の電圧測定部９Ｂは、周波数変換部３４に替わる周波数変換部５２と乗算器３１との間にＬＰＦ５３を備えている。レート調整部の一例である周波数変換部５２は、図１５に示すように、周波数０．５ｆ_ｓ毎に取得した電圧データの間にゼロデータを挿入することで、見かけ上のサンプリング周波数を電流データに等しいｆ_ｓにする。そして、ゼロデータを挿入したデータ群にＬＰＦ５３を作用させて、データを補間する。

以上のように第３実施形態によれば、周波数変換部５２は、電流測定部８における電流のサンプリングレートと、電圧測定部９Ｂにおける電圧のサンプリングレートとが等しくなるように調整する。具体的には、周波数０．５ｆ_ｓ毎に取得した電圧データの間にゼロデータを挿入し、ＬＰＦ５３を作用させてデータを補間する。これにより、電圧測定部９Ｂの出力部に配置されるフィルタ３２における遮断周波数の設定が容易になる。

（第４実施形態）
図１６に示すように、第４実施形態の電池監視装置６１は、マルチプレクサ１１及び電圧測定部６をそれぞれ２個備え、インピーダンス測定部６２において２つの電池セル２の電圧測定，及びインピーダンス測定を並行して行うことを可能にしている。また、電池監視装置６１において、電流励起部７を除いた部分は集積回路６３として構成されている。

（第５実施形態）
図１７に示すように、第５実施形態の電池監視装置７１は、マルチプレクサ７２（１）により電池セル２（１），２（２）の切り替えを行い、マルチプレクサ７２（２）により電池セル２（３），２（４）の切り替えを行う。そして、励起信号処理部６，電流励起部７及び電流測定部８もそれぞれ２重化されている。また、電池監視装置７１において、電流励起部７を除いた部分は集積回路７４として構成されている。

励起信号処理部６（１）及び電流励起部７（１）により電池セル２（１）及び２（２）に対して励起電流（１）を供給し、励起信号処理部６（２）及び電流励起部７（２）により電池セル２（３）及び２（４）に対して励起電流（２）を供給する。これにより、それぞれの電池セル２の組に異なる励起電流を同時に供給でき、電流測定部８（１）により励起電流（１）を測定し、電流測定部８（２）により励起電流（２）を測定する。したがって、異なる励起電流を供給した状態で、インピーダンス測定部７３により２つの電池セル２のインピーダンス測定を並行して行うことができる。

（その他の実施形態）
電池セル２の数は、「４」に限らず複数であれば良い。
第３実施形態において、ＬＰＦ５３は必要に応じて設ければ良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は組電池、２は電池セル、３は組電池監視装置、４は制御部、５は信号生成部、６は励起信号処理部、７は電流励起部、８は電流測定部、９は電圧測定部、１０はインピーダンス測定部、１１はマルチプレクサ、１２は通信Ｉ／Ｆを示す。

Claims (7)

1. 複数の電池セル（２）の電池状態を監視するシステムにおいて、
   同相信号と、この同相信号に対して位相が９０度異なる直交信号とからなる交流の直交参照信号を生成する参照信号生成部（５）と、
   前記直交参照信号の同相信号を処理して励起信号を生成する励起信号生成部（６）と、
   前記励起信号に基づく励起電流を生成して電池セルに通電する電流生成部（７）と、
   この電流生成部により生成された励起電流を、前記直交参照信号を用いて測定する電流測定部（８）と、
   電池セルの電圧を、前記直交参照信号を用いて測定する電圧測定部（９）と、
   前記複数の電池セルと前記電圧測定部との接続を切り替えるマルチプレクサ（１１）と、
   前記電流測定部により測定された励起電流と、前記電圧測定部により測定された電圧とに基づいて、前記電池セルの交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定部（１０）と、
   前記交流インピーダンスの測定を制御する制御部（４）とを備え、
   前記制御部は、前記マルチプレクサにより１つの電池セルを選択して、前記インピーダンス測定部に交流インピーダンスを測定させる電池監視システム。
2. 前記制御部は、１つの電池セルについて交流インピーダンスが測定されると、前記マルチプレクサを異なる電池セルに切り替える請求項１記載の電池監視システム。
3. 前記制御部は、前記マルチプレクサの切り替えをサンプリング周期毎に行う請求項１記載の電池監視システム。
4. 前記電圧測定部における電圧のサンプリングレートと、前記電流測定部における電流のサンプリングレートとが等しくなるように調整するレート調整部を備える請求項３記載の電池監視システム。
5. 前記レート調整部は、サンプリングした電圧データにゼロ挿入を行いサンプリングレートをアップさせる請求項４記載の電池監視システム。
6. 前記電圧測定部は、ゼロ挿入を行ったデータ群をフィルタリングするローパスフィルタを備える請求項５記載の電池監視システム。
7. 前記電圧測定部，前記電流測定部及び前記マルチプレクサの組を複数備える請求項１から６の何れか一項に記載の電池監視システム。

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