JPWO2012164761A1 - 電池システム監視装置 - Google Patents
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Abstract
Description
監視ICは、単電池セルの電圧を個別に検出し、例えば過充電状態の単電池セルがあった場合には、過充電情報を通信を介して制御ICに送信するようにしている。そして、過充電情報が確実に制御ICに伝送されるように、制御ICからテスト信号を送信して通信ラインに断線等の異常がないかを診断している。
単電池セルの端子間電圧の測定は、もともと各単電池セルの過充電や過放電の状態を判断するために行われているので、この端子間電圧の測定は正確に行われる必要がある。このため、端子間電圧の測定はノイズに強い電圧測定回路が用いられている。例えば特許文献1のように二重積分型のADコンバータを用いたものや、特許文献4のように電圧検出線の間に入力コンデンサを設けてRCフィルターを構成し、ノイズを除去してから電圧測定回路に電圧入力するものがある。
例えば、特許文献4に記載の発明に開示されているように、各単電池セルの端子間電圧を測定して断線検出を行う方法では、単電池セルの端子間電圧(セル電圧)を測定するために、セル電圧検出入力側にノイズ除去用のフィルタが挿入されている。このフィルタの時定数の影響のため、バランシング回路のバランシングスイッチをオン・オフして、通常の端子間電圧の測定状態から断線検出のための電圧検出状態に切り替えると、この単電池セルのセル電圧が断線と判定できる電圧に落ち着くまでに時間がかかるという課題を有している。
さらに、例えば特許文献4に記載の集積回路(セルコントローラ)で自動的に断線検出を行う方法では、断線検出結果の信頼性は充分でない。例えば、断線検出を行って集積回路がレジスタにフラグをセットした場合、断線を本当に検出したのか、レジスタが故障したのか判断できない。あるいは、レジスタが正常側に故障した場合には、断線していていることが検出できないことになる。
(2)本発明の第2の態様によると、第1の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、一の単電池セルの端子間電圧を測定するために、一の単電池セルの正極および負極のそれぞれに接続された電圧検出線を選択し、一の単電池セルの正極電位および負極電位を出力する選択部と、選択部から出力された一の単電池セルの正極電位および負極電位から、一の単電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定部と、電圧測定部で測定された一の単電池セルの端子間電圧を所定の電圧と比較して、測定された電圧を所定の閾値と比較する電圧比較部と、電圧比較部の比較結果を格納する検出結果記憶部と、検出結果記憶部に格納された比較結果に基づいて電圧検出線の断線を判定する断線判定部と、断線判定部の判定結果を格納する診断記憶部とを備えることが好ましい。
(3)本発明の第3の態様によると、第2の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、断線判定部を用いて、一の単電池セルに対応する第1のバランシングスイッチと、一の単電池セルに隣接して直列に接続されている単電池セルに対応した第2のバランシングスイッチをそれぞれオンまたはオフした場合に検出される、第1のバランシングスイッチに対応する一の単電池セルの端子間電圧に基づいて、一の単電池セルに接続された電圧検出線が断線しているかどうかを判定し、この判定結果を診断結果記憶部に記憶することが好ましい。
(4)本発明の第4の態様によると、第2の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、バランシングスイッチがオンとされた際の、バランシング電流の有無を検出するバランシング電流検出部を単電池セル毎に更に備え、バランシング電流検出部で検出されたバランシング電流の検出結果は検出結果記憶部に格納され、一の単電池セルに対応する第1のバランシングスイッチをオンとし、この単電池セルに隣接して直列に接続されている単電池セルに対応した第2のバランシングスイッチをオフとした際の、第1のバランシングスイッチでのバランシング電流の有無に基づいて、断線判定部が一の単電池セルに接続された電圧検出線が断線しているかどうかを判定し、この判定結果を診断結果記憶部に記憶することが好ましい。
(5)本発明の第5の態様によると、第3の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、単電池セルの端子間電圧の測定をセルグループの全ての単電池セルに対して連続して行い、断線判定部はこの全ての単電池セルでの端子間電圧の測定結果に基づいて、セルグループと第1の制御装置とを接続する全ての電圧検出線の断線の有無を判定し、この判定結果を診断結果記憶部に記憶することが好ましい。
(6)本発明の第6の態様によると、第4の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、バランシング電流の有無の検出をセルグループの全ての単電池セルに対して連続して行い、断線判定部はこの全ての単電池セルでのバランシング電流の有無の検出結果に基づいて、セルグループと第1の制御装置とを接続する全ての電圧検出線の断線の有無を判定し、この判定結果を診断結果記憶部に記憶することが好ましい。
(7)本発明の第7の態様によると、第2の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、選択部に接続された電圧検出線の隣り合う2本の電圧検出線の間に、単電池セル毎に、2本の電圧検出線を短絡する入力短絡スイッチを更に備え、第1の制御装置は、入力短絡スイッチをオンまたはオフすることによって、選択部に接続された2本の電圧検出線の間の電位差として、それぞれ0Vまたは単電池セルの端子間電圧かを選択部に入力し、断線判定部は、電圧比較部の検出結果に基づいて、選択部が正常に動作しているか判定することが好ましい。
(8)本発明の第8の態様によると、第4または第6の態様の電池システム監視装置において、バランシング電流検出部は、基準電圧源と、バランシングスイッチの端子間電圧を基準電圧源と比較し、バランシング電流の有無を検出するコンパレータと、コンパレータによる基準電源の電圧とバランシングスイッチの端子電圧との比較関係を逆にするための、入力切り替え部とを備え、第1の制御装置は、入力切り替え部を動作させ、基準電圧源の電圧とバランシングスイッチの端子間電圧のコンパレータへの入力を切り替えることにより、コンパレータの出力値を切り替えてバランシングスイッチが接続されている電圧検出線が断線している場合と同じ出力値を出力し、断線判定部は、コンパレータの出力に基づいて、電圧検出線が断線しているかどうかの判定を行い、この判定結果を診断結果記憶部に記憶することが好ましい。
(9)本発明の第9の態様によると、複数の単電池セルを直列接続したセルグループを備えた電池システムを監視する、電池システム監視装置であって、セルグループを制御する第1の制御装置と、単電池セルの端子間電圧を測定するための、単電池セルの正極および負極のそれぞれと第1の制御装置とを接続する複数の電圧検出線と、セルグループの端子間電圧を第1の制御装置に供給する電源供給線とを備え、第1の制御装置は、電源部と、セルグループの端子間電圧を分圧するセルグループ電圧入力部と、電圧を測定する電圧測定部と、セルグループ電圧入力部からの出力を選択して電圧測定部に入力する選択部とを備え、電圧検出線には、第1の抵抗が直列に設けられ、電源供給線は、セルグループの最上位の単電池セルの正極に接続され、電源部には、電源供給線を介してセルグループの端子間電圧が入力され、電源部は、セルグループの端子間電圧をセルグループ電圧入力部に供給する通電スイッチを備える。
(10)本発明の第10の態様によると、第9の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを単電池セル毎に備え、バランシングスイッチと当該バランシングスイッチに直列に接続された第2の抵抗とで構成されるバランシング放電回路が単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続され、バランシング放電回路と単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点およびバランシング放電回路と単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点は、それぞれ第1の抵抗よりセルグループ側に設けられることが好ましい。
(11)本発明の第11の態様によると、第9または第10の態様の電池システム監視装置において、電源部は、当該電源部が第1の制御装置が受信した外部からの起動信号によって起動された時に、通電スイッチをオンとして、セルグループの端子間電圧をセルグループ電圧入力部に供給することが好ましい。
(12)本発明の第12の態様によると、第9乃至第11の態様のいずれか1つの態様の電池システム監視装置において、セルグループ電圧入力部は、電源部から入力されるセルグループの端子間電圧を分圧する分圧回路と、分圧回路で分圧された端子間電圧を保持するサンプルホールド回路とを備えることが好ましい。
(13)本発明の第9の態様によると、第1乃至第8の態様および第12の態様のいずれか1つの態様の電池システム監視装置において、直列に接続されたN個(N≧1)のセルグループと、N個のセルグループを制御するM個(M≧1)の第1の制御装置と、M個の第1の制御装置の上位制御装置である第2の制御装置とを備え、M個の第1の制御装置のうち最上位の第1の制御装置と、第2の制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第1の制御装置のうち最下位の第1の制御装置と、第2の制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第1の制御装置は互いに通信ラインで接続され、M個の第1の制御装置は、第2の制御装置からの制御信号および制御データによって制御されることが好ましい。
(14)本発明の第14の態様によると、
第13の態様の電池システム監視装置において、第2の制御装置は、M個の第1の制御装置が略同時にN個のセルグループの端子間電圧を測定する電圧測定命令信号をM個の第1の制御装置に送信し、M個の第1の制御装置から第2の制御装置に送信される、各々の第1の制御装置が測定したセルグループの端子間電圧を分圧した電圧から、電池システムの総電圧を算出することが好ましい。
(15)本発明の第15の態様によると、第13または第14の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、セルグループ電圧入力部は、電源部から入力されるセルグループの端子間電圧のノイズを除去するRCフィルタ回路を更に備え、セルグループ電圧入力部のRCフィルタ回路のコンデンサを第1の制御装置の外部で接続するためのフィルタ接続端子を更に備え、RCフィルタ回路のコンデンサは、フィルタ接続端子を介して第1の制御装置の外部に設置されることが好ましい。
(16)本発明の第16の態様によると、第15の態様の電池システム監視装置において、第1の制御装置は、セルグループ電圧入力部の分圧回路の分圧抵抗を第1の制御装置の外部で接続するための分圧抵抗接続端子を更に備え、分圧回路の分圧抵抗は、分圧抵抗接続端子を介して第1の制御装置の外部に設置されることが好ましい。
(17)本発明の第17の態様によると、第1の態様の電池システム監視装置において、バランシング放電回路のバランシングスイッチに並列に接続された第2のコンデンサを備えることが好ましい。
(18)本発明の第18の態様によると、第17の態様の電池システム監視装置において、第1の抵抗と第1のコンデンサからなるRCフィルターの時定数は、第2の抵抗と第2のコンデンサからなるRCフィルターの時定数より大きいことが好ましい。
(19)本発明の第19の態様によると、複数の単電池セルを直列接続したセルグループを制御する電池システム監視装置であって、単電池セルの端子間電圧を測定する第1の制御部と単電池セルのバランシング放電を行う第2の制御部と、単電池セルの端子間電圧を測定するための、単電池セルの正極および負極のそれぞれと第1の制御部とを接続する複数の電圧検出線とを備え、電圧検出線には第1の抵抗が設けられるとともに、第1のコンデンサが、電圧検出線に設けられた第1の抵抗と第1の制御部の当該電圧検出線の接続端子との間で、2つの隣り合う電圧検出線の間に接続され、第2の制御部には、第1の抵抗より単電池セル側で、各々の電圧検出線から分岐したバランシング線が接続され、バランシング線には第2の抵抗が設けられるとともに、第2のコンデンサが、バランシング線に設けられた第2の抵抗と第2の制御部の当該バランシング線の接続端子との間で、2つの隣り合うバランシング線の間に接続され、第2の制御装置は、単電池セルの正極に接続されたバランシング線と負極に接続されたバランシング線の間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを単電池セル毎に備える。
(20)本発明の第20の態様によると、第19の態様の電池システム監視装置において、直列に接続されたN個(N≧1)のセルグループと、N個のセルグループを制御する、M個(M≧1)の第1の制御部と、M個(M≧1)の第2の制御部と、M個の第1の制御部およびM個の第2の制御部の上位制御装置とを備え、M個の第1の制御部のうち最上位の第1の制御部と、上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第1の制御部のうち最下位の第1の制御部と、上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第2の制御部のうち最上位の第2の制御部と、上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第2の制御部のうち最下位の第2の制御部と、上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、M個の第1の制御部は互いに第1の通信ラインで接続され、M個の第2の制御部は互いに第2の通信ラインで接続され、M個の第1の制御部およびM個の第2制御部は、上位制御装置からの制御信号および制御データによって制御されることが好ましい。
(21)本発明の第21の態様によると、 第18または第19の態様の電池システム監視装置において、第1の抵抗と第1のコンデンサからなるRCフィルターの時定数は、第2の抵抗と第2のコンデンサからなるRCフィルターの時定数より大きいことが好ましい。
まず、図1を用いて、本発明による蓄電装置をハイブリッド自動車用駆動システムに適用した例について説明する。
なお、ここでは図3で一番下のセルコントローラIC300aを、マイクロコンピュータ504からの信号を最初に受信する最上位セルコントローラICとしている。図3の一番上側のセルコントローラIC300dを最上位セルコントローラICとする構成でもよい。
これらの高速絶縁素子401、低速絶縁素子402、および、コンデンサ403で、マイクロコンピュータ504と最上位のセルコントローラIC300aとの間の通信経路で用いられている絶縁素子をまとめて絶縁素子群400(図1)としている。
ここでは、セルグループ102は12個の単電池セル101(セル1〜12とする)から構成されている。セルグループ102とこれを制御するセルコントローラIC300とは、各々の単電池セルの電圧検出を行う電圧検出線SL1〜SL13とを介して、それぞれの電圧検出用のCV端子(CV1〜13端子)とバランシング動作を行うBS端子(BS01H〜BS12H端子およびBS01L〜BS12L端子)とに接続されている。各単電池セルの両端すなわち正極端子と負極端子はそれぞれ、セル入力抵抗Rcv202を経由してCV端子に接続され、それぞれのCV端子には最下位のGND端子との間にセル入力コンデンサCin203が接続されている。
また、セル入力コンデンサCin203は、従来は各単電池セルの正負極に接続された電圧検出線の間に接続されていたが、本発明による構成では、このセル入力コンデンサCin203の負極側が、GNDに接続されている。この回路構成を採用することにより、断線の無い正常な状態においては、バランシングスイッチのオン・オフによって、コンデンサCin203が放電されることがなく、従って、バランシング放電中に各単電池セルの端子間電圧測定を正確に行うことができる。
高速なADコンバータは信号にノイズ成分があると、これをそのまま検出してAD変換してしまう。このため、端子間電圧測定用のCV端子に接続されている電圧検出線の各々にセル入力抵抗Rcv202とセル入力コンデンサCin203を設けてRCフィルタを構成し、ノイズを除去してからマルチプレクサ210、差動増幅器211を経由してADコンバータ212に入力されるようになっている。
バランシング端子(BS端子)に接続されたコンデンサCb204はバランシングスイッチのノイズ対策用に設けられているバイパスコンデンサである。バランシング抵抗Rb201とバランシング端子コンデンサCb204で構成されるRCフィルタのバランシング放電回路の時定数は小さいので、後述するように、バランシング電流検出での断線判定を高速に行うことができる。また、この方法での断線判定はバランシング電流が流れたかどうかを判定して行われるので、判定の閾値はインバータからのノイズが問題とならないように設定することができる。なお、まとめて後述するようにこのバランシング放電回路のRCフィルターのカットオフ周波数は、上記の端子間電圧測定用のCV端子のRCフィルターのカットオフ周波数の10倍程度に設定されている。
なお、マルチプレクサ210の入力端子Min14〜Min17は後述するブロック電圧入力部225からの出力電圧の入力のために設けられており、これらの入力ラインの間にもマルチプレクサ入力短絡スイッチSWX14〜SWX16が設けられている。
ロジック部213にはADコンバータ212からの検出電圧信号が入力され、これが電圧比較部240で所定の閾値と比較される。例えば、検出電圧信号が所定の閾値より大きければ、正常な電圧が検出されたとして検出結果「1」を検出結果レジスタ241に、マルチプレクサ210で選択された入力の測定順に格納する。
なお、後述するが、断線検出に関与する回路およびロジックの診断のための測定を行った場合にも、検出結果レジスタ243にこれらの測定結果が格納される。これらの診断における測定結果に基づく断線検出に関与する回路およびロジックの診断では、1回の連続した測定で、この測定に対応した部分の診断が断線判定部242で行われ、同様に診断結果レジスタに格納される。
マルチプレクサ入力選択レジスタ245には、マルチプレクサ245を切り替えて入力を選択するためのデータが格納されている。マルチプレクサ診断レジスタ246には、後述するマルチプレクサの診断を行うための、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224を制御するデータが格納されている。バランシングスイッチ制御レジスタ247には、各セル毎に設けられたバランシングスイッチ222のオン・オフを制御するためのデータが格納されている。バランシングスイッチ状態診断レジスタ248には、バランシングスイッチ222の診断を行うための、バランシングスイッチ状態検出回路223のスイッチ回路を制御するデータが格納されている。S/H制御レジスタ249には図10に示すブロック電圧入力部225のサンプルホールド回路236内のスイッチ(不図示)を制御するためのデータが格納されている。
セルコントローラIC300は、上位コントローラから断線検出の命令や断線検出機能診断の命令を受信すると、これらのレジスタに格納されたデータを用いて各種のスイッチを動作させて、断線検出や断線検出機能の診断を行う。
また図3、図4の各セルグループの参照番号102a〜102dも、ここで示すセルコントローラICの上位・下位の関係に合わせて設定しており、図で一番下側のセルグループが102aとなっている。
ただし、各セルグループの中での単電池セルに関しては、図の上側の単電池セルの電位が高いので、図で上側に示す単電池セルを上位の単電池セルとしている。
コンパレータ229の入力にはスイッチ回路(SW)228が挿入され、図9(a)と(b)に示すように、ロジック部213の信号でコンパレータの+側入力電圧と−側入力電圧とを切り替えるようになっている。これは、このバランシングスイッチ状態検出回路223の診断を行うためのものである。このSW228を切り替えると、コンパレータ229の出力が反転するのでコンパレータ229が正常に動作しているかどうか、上位コントローラ(バッテリコントローラ500)からの制御で、ロジック部213を通じて確認することができ、信頼性をあげることができる(図9(b)参照)。また、後述する断線診断コマンドでの断線診断時に、擬似断線状態を作成して断線診断動作の診断を行うことも可能となる。なお、このスイッチ回路228は、ロジック部213のバランシングスイッチ状態診断レジスタ248の出力で制御される。
図10は、ブロック電圧の測定を行う回路の説明図である。図2で示されるように、バッテリーコントローラ500は総電圧測定回路を有していない。その代わりとして、バッテリーコントローラ500は、上位コントローラ(インバータまたは車両コントローラ)から電池システム104の総電圧を測定する指令をCAN(Controller Area Network)通信で受信すると、電池システム104の複数のセルグループのそれぞれのセルグループ全体の電圧(ブロック電圧と呼ぶ)をほぼ同時に測定する指令を、図3と図4で説明したように、複数のセルコントローラIC300に送信する。セルコントローラIC300の各々は、制御対象である12個の単電池セルからなるセルグループ全体の電圧(ブロック電圧)を測定し、バッテリーコントローラ500はそのデータを通信で受信して各ブロック電圧を積算し、電池システム104の総電圧とする。
この際、バッテリーコントローラ500は一回のコマンドで全部のセルコントローラIC300に対してそれぞれが制御するセルグループのブロック電圧の測定を行う指令を出す。このコマンドは特定のアドレスのセルコントローラIC300を指定するものではなく、全部のセルコントローラIC300に対して一度のコマンド送信で行われる。各セルコントローラIC300がこのブロック電圧測定の指令を受信するタイミングは、信号の伝送経路長による遅延のため、μsecオーダーの差が生じ、従って、各セルコントローラICがブロック電圧測定を行うタイミングもμsecオーダーでずれることになる。しかしながら、ブロック電圧入力部225には、以下で説明するようにカットオフ周波数の低いフィルタが入っており、μsecオーダーのタイミング差では、ブロック電圧の測定値には殆ど差が生じないため、各ブロック電圧の測定はほぼ同時に行われると見なすことができ、電池システム104の総電圧の測定には影響しない。
サンプルホールド回路236は、後述する断線診断において各単電池セルの端子間電圧測定等を実施する場合は、その測定が終了してから、セルグループの端子間電圧とこのセルグループの各単電池セルの端子間電圧とを一緒に上位コントローラ(バッテリーコントローラ500)に送信するので、この断線診断での単電池セルの端子間電圧測定が終了するまで、ブロック電圧の測定結果を保持する必要があるためである。従って、断線診断を行わない場合にはサンプルホールド回路236を設ける必要はない。
なお、上記の各セルグループの端子間電圧(ブロック電圧)を分圧した電圧から、上位コントローラ(バッテリーコントローラ500)で、分圧抵抗231と232の抵抗値を用いて、各セルグループの端子間電圧値が算出される。全てのセルグループの端子間電圧の総和が組電池の総電圧として求められる。
また、ブロック電圧通電スイッチ230を設けている理由は、セルコントローラIC300の動作停止時に分圧抵抗231と232に流れる電流を遮断して、暗電流を小さくするためである。
なお、上記のRCフィルタを構成するフィルタ抵抗233は、その機能を分圧抵抗231に代替させることにより省略することができる。更に、フィルタコンデンサ234をセルコントローラIC300の外部に設置し、このフィルタコンデンサ234の容量を適宜選択することにより、RCフィルタを所望の周波数特性を持つようにすることができる。
図11(a)はこの場合の回路の例を示すものであり、特に図10のブロック電圧入力部225の部分を抜き出して示したものである。ここでは、フィルタコンデンサ234をセルコントローラIC300の外部に設置するため、外部接続端子VblkFが設けられている。
図5に示したように、マルチプレクサ210の各入力端子にマルチプレクサ入力短絡スイッチ224が接続され、ロジック部213の出力で各入力端子間を短絡することができるようになっている(図6参照)。これは、マルチプレクサ210が正常に動作しているかどうか診断するためのものである。マルチプレクサ210はその入力指定をロジック部213内にあるマルチプレクサ診断レジスタ246で行うようになっている。このレジスタ246が故障した場合、正常な入力端子の指定ができなくなり、セル電圧を含めた全ての電圧検出が正常に行えないことになる。そこで、ロジック部213内にマルチプレクサ入力短絡スイッチ224を制御するマルチプレクサ診断レジスタ246を設け、その出力で診断を行う。
なお、単電池セルの端子間電圧の測定を行う場合は、この単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線を選択するようにマルチプレクサを切り替える。すなわち、例えば、セル1を選択する場合は、図5で入力端子Min1とMin2を選択するようにマルチプレクサ210を制御する。このマルチプレクサ210の制御は、ロジック部213のマルチプレクサ入力選択レジスタ245の出力で行われる。
電圧比較部240では、セル1の端子間電圧に対応したADコンバータ212の出力が所定の閾値より小さければ、検出結果レジスタ241に例えば「0」を書き込み、所定の閾値より大きければ「1」を書き込む。「1」は正常な電圧(単電池セル1個分)が検出されたことを意味する。「0」はマルチプレクサ入力短絡スイッチSWX1がオンとされ、マルチプレクサ入力端子Min1とMin2が短絡されたために、0Vが検出されたことを意味する。なお、「所定の閾値電圧」は、単電池セル1個分の電圧に対応するデジタル値と0Vに対応するデジタル値の間に設定される。
もしM1X1〜M12X12のいずれかの測定で、図12(b)に示す値と異なる値が検出された場合は、これに対応したマルチプレクサ210内の切り替えスイッチに異常があることを示す。
また、異常な値が検出された測定番号が複数検出された場合、これによってマルチプレクサ210内のどの切り替えスイッチに異常があるか判定できるので、この判定結果も診断結果レジスタ243に格納してもよい。この際には、マルチプレクサ210内の回路に対応した断線判定方法を断線判定部242に組み込むことにより、マルチプレクサ内のどのスイッチに異常があるか判定できるようにすることも可能である。しかしこの場合の断線判定方法は、マルチプレクサ210内の回路構成により異なるので、ここでの説明は行わない。
これは上記で説明したマルチプレクサ210の診断は、図12に示す各測定番号M1X1〜M12X12の各々の測定での結果毎に断線判定部242が異常かどうかの判定を行ってもよく、図12(b)に示す1行毎の12個の測定結果が検出結果レジスタ241に格納された状態で、まとめておこなってもよく、また12個の測定結果が検出結果レジスタ241に格納された状態で断線判定部242が判定を行わず、検出結果レジスタ241のデータをまとめて上位コントローラに読み出し、上位コントローラに設けた診断部で診断を行うようにしてもよいからである。また更にM1X1〜M12X12のすべての測定結果を一旦診断結果レジスタ243にまとめて格納し、これを同様に上位コントローラに読み出して上位コントローラが診断を行うようにしてもよいからである。
しかし、図5に示すマルチプレクサ210の入力抵抗Rmpxは、セル入力抵抗Rcvと同程度に設定されており、マルチプレクサ短絡スイッチ224のオン抵抗より充分大きく設定されている。従って、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224をオンにした場合でも、セル入力コンデンサ(Cin)203の正極側電位の低下は単電池セル1個分の端子間電圧より充分小さくでき、また、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224やマルチプレクサ210を動作させて行う上記の各々の電圧測定は、このCinの電位の低下時間に比べ充分短い時間で行うことができる。これを利用して、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224をオン・オフすることにより、マルチプレクサ210を介して単電池セル1個分の電圧もしくは0Vを切り替えてマルチプレクサ210の入力に供給することができる。
次に断線の診断方法について説明する。断線の診断方法はセル電圧測定値を用いる方法と、バランシング電流を検出する方法がある。セル電圧測定値を用いる断線診断では、バランシングスイッチ(BS)222を用いる方法とマルチプレクサ入力短絡スイッチ(MS)224を用いる方法がある。バランシング電流を検出する方法では、バランシングスイッチ(BS)222を用いる。まずBS222を用いたセル電圧の検出によって断線診断を行う方法について説明する。
従って、図1〜図4で示すように、複数のセルグループおよびこれらのセルグループを制御する複数のセルコントローラIC300が直列に接続されているような場合には、直接接続されている2つのセルグループにおいて、直接接続されているが別々のセルグループに属する2つの単電池セルにおけるそれぞれの単電池セルの端子間電圧の測定で、これら2つの単電池セルのそれぞれのバランシングスイッチのオン・オフの状態が互いの端子間電圧の測定に影響を与える。
例えば、図3あるいは図4に示すように、サービスディスコネクトスイッチ(SD−SW)105の上下のそれぞれ2つのセルグループが直列に接続されている場合、各々の直列に接続された2つのセルグループ間で直接接続されている2つの単電池セルに設けられたバランシングスイッチのオン・オフ状態がこれら2つの単電池セルの電圧測定に互いに影響する。例えばセルグループ102dの最下位の単電池セルとセルグループ102cの最上位の単電池セルが直接接続されているが、これらの単電池セルにそれぞれに設けられたバランシングスイッチのオン・オフ状態がそれぞれの電圧測定に互いに影響し合う。
図13〜図16は、電圧検出線が断線した時に、バランシングスイッチをオン・オフすると、どのようなセル電圧が検出されるかを示したものである。ここでは更に分かり易く説明するため、3つの単電池セル、セル1〜セル3が直列に接続されたセルグループを例に示している。
なお、電圧検出線SL1〜SL4は、それぞれ、各単電池セルの正負極からセルコントローラICの検出電圧入力端子CVを経由してマルチプレクサの入力端子Minまでの配線を意味する。この電圧検出線の配線区間で最も長いのは各単電池セルの正負極からセルコントローラ200までの間の配線であり、この区間の配線はセルグループあるいは電池モジュール毎に束ねられた状態となっており、ハーネスとも呼ばれている。電池モジュールからの電圧検出線は、セルコントローラ200にコネクタ(不図示)で接続されている。電圧検出線の断線の殆どは、各単電池セルの正負極での接続部からセルコントローラ200のコネクタ部分までの間で発生する。以下の説明でも断線はセルコントローラへの入力までで発生するとし、この部分の電圧検出線の断線を検出する方法について説明する。また、マルチプレクサ210以降の電圧検出系は正常に動作しているとする。
図13は、最上位(最高電位)の電圧検出線、すなわちセル1の正極側に接続された電圧検出線SL1が断線した場合に、セル1〜セル3のバランシングスイッチBS1〜BS3をオン・オフした時のセル1〜セル3の検出電圧を示したものである。
セル1の端子間電圧V1、すなわち電圧検出線SL1とSL2の間の電圧は、バランシングスイッチBS1がオンの場合は0Vとなる(図13(a))。この際、セル1のセル入力コンデンサCinの電荷は、セル2のセル入力コンデンサと同程度となるまで放電される。セル入力コンデンサCinの印加電圧に対応した電荷の充放電については明白であるので、以下の説明では省略する。
また、バランシングスイッチBS1がオフの場合は電圧検出線SL1がフローティングとなるため、電圧は不定となる。バランシングスイッチBS2とBS3のオン・オフはセル1の電圧測定には影響しない(図13(a)、(b))。
図14は、セル1の負極側、すなわちセル2の正極側に接続された電圧検出線SL2が断線した場合に、セル1〜セル3のバランシングスイッチBS1〜BS3をオン・オフした時のセル1〜セル3の検出電圧を示したものである。
バランシングスイッチBS1とBS2のいずれか片方がオンでもう片方がオフの場合、バランシングスイッチBSがオンとなっている単電池セルの検出電圧(セル電圧)が0Vとなり、バランシングスイッチBSがオフとなっている単電池セルの検出電圧はセル1の電圧V1とセル2の電圧V2の和となる(図14の(a)と(b))。なお、BS3のオン・オフはセル1、セル2の電圧測定には影響しない。また、セル3の検出電圧はBS1、BS2の状態に関係無く、セル3の端子間電圧V3となる。
V1〜V3は通常ほぼ同程度の電圧であるので、セル1およびセル2の検出電圧は通常の単電池セル1個分の電圧が検出されることになる。
図15は、セル2の負極側、すなわちセル3の正極側に接続された電圧検出線SL3が断線した場合に、セル1〜セル3のバランシングスイッチBS1〜BS3をオン・オフした時のセル1〜セル3検出電圧を示したものである。
バランシングスイッチBS2とBS3のいずれか片方がオンでもう片方がオフの場合、バランシングスイッチBSがオンとなっている単電池セルの検出電圧が0Vとなり、バランシングスイッチBSがオフとなっている単電池セルの検出電圧はセル2の電圧V2とセル3の電圧V3の和となる(図15の(a)と(b))。なお、バランシングスイッチBS1のオン・オフはセル2、セル3の電圧測定には影響しない。また、セル1の検出電圧はバランシングスイッチBS2、BS3の状態に関係無く、セル1の端子間電圧V1となる。
V1〜V3は通常ほぼ同程度の電圧であるので、セル2およびセル3の検出電圧は通常の単電池セル1個分の電圧が検出されることになる。
図16は、最下位(最低電位)の電圧検出線、すなわちセル3の負極側に接続された電圧検出線SL4が断線した場合に、セル1〜セル3のバランシングスイッチBS1〜BS3をオン・オフした時のセル1〜セル3の検出電圧を示したものである。
セル3の端子間電圧V3、すなわち電圧検出線SL3とSL4の間の電圧は、バランシングスイッチBS3がオンの場合は0Vとなり(図16(a))、BS3がオフの場合は電圧検出線SL4がフローティングとなるため、電圧は不定となる(図16(b))。なお、バランシングスイッチBS1とBS2のオン・オフはセル3の電圧測定には影響しない。
図13〜図16で示した電圧検出線の断線状態およびバランシングスイッチのオン・オフ状態と各セル電圧の検出値から、2つの隣り合うバランシングスイッチのオン・オフ状態と検出電圧の関係で以下の規則があることが分かる。なお、ここでは図13〜図16で、あるバランシングスイッチの上側に記載してあるものは上側のバランシングスイッチと呼び、下側に記載してあるものは下側のバランシングスイッチと呼ぶ。従って、例えば2つの隣り合うバランシングスイッチBSn−1とBSnは、それぞれ電圧検出線SLn−1とSLnの間および電圧検出線SLnとSLn+1の間に接続されている。
(条件)バランシングスイッチBSn−1とBSnの間の電圧検出線SLnが断線している。
(規則1)バランシングスイッチBSn−1がオン、BSnがオフの時、
セルn−1の検出電圧は0V、セルnの検出電圧は単電池セル2個分の電圧である。
(規則2)バランシングスイッチBSn−1がオフ、BSnがオンの時、
セルn−1の検出電圧は単電池セル2個分の電圧、セルnの検出電圧は0Vである。
(規則3)バランシングスイッチBSn−1とBSnが共にオンの時、
セルn−1の検出電圧とセルnの電圧は共に単電池セル1個分の電圧である。
(規則4)バランシングスイッチBSn−1とBSnが共にオフの時、
セルn−1の検出電圧とセルnの電圧は共に不定である。
なお、断線が全くない場合は正常状態であり、バランシングスイッチのオン・オフに関わらず各単電池セルの検出電圧は各々の端子間電圧、すなわち単電池セル1個分の電圧となる。
(補助規則1)電圧検出線SLn−2が断線しており、バランシングスイッチBSn−1がオン、バランシングスイッチBSnがオフの時、
バランシングスイッチBSn−2がオフの場合、セルn−1の検出電圧は0Vとなり、
バランシングスイッチBSn−2がオンの場合、セルn−1の検出電圧は単電池セル1個分の電圧となる。
(補助規則2)電圧検出線SLnが断線しており、バランシングスイッチBSn−1がオフ、バランシングスイッチBSnがオンの時、
バランシングスイッチBSn+1がオフの場合、セルnの検出電圧は0Vとなり、
バランシングスイッチBSn+1がオンの場合、セルnの検出電圧は単電池セル1個分の電圧となる。
なお、これらの補助規則1、2で単電池セル1個分の電圧が検出されるのは、抵抗によって電圧が分割されるためである(図14(c)、図15(c)参照)。
このような場合でも、2つのバランシングスイッチが共に故障する確率は低いので、片方だけ故障した場合を考えると、例えば規則1あるいは規則2に従って、2回測定を行うとどちらかで必ず異常な電圧測定結果が得られるので、電圧検出線の断線とバランシングスイッチの故障の可能性を判断することができる。しかしながら、異常な電圧測定結果が得られた場合は、例えば後述するマルチプレクサ入力短絡スイッチを用いた断線検出や、バランシング回路の断線診断を行って総合的に判断することにより、電圧検出線の断線かあるいはバランシングスイッチの故障か判断することが望ましい。
このような場合には、上記規則3に従った電圧検出で、正常(と思われる)電圧が検出されなければ、バランシングスイッチの故障の可能性が高いと判断できる。
しかしながら、異常な電圧が検出された場合は、例えば後述するマルチプレクサ入力短絡スイッチを用いた断線検出や、バランシング回路の断線診断を行うことにより、電圧検出線の断線かあるいはバランシングスイッチの故障か判断することができるので、複数の異なる断線診断を実行することにより確実に電圧検出線の断線検出を行うことができる。
最上位の電圧検出線SL1は、2つの隣り合うバランシングスイッチの間に挟まれることがないので、上記の規則は適用できない。
しかしながら、この場合図13(a)に示すようにバランシングスイッチBS1のみをオンとすることで、もし異常な電圧0Vが検出された場合は電圧検出線SL1が断線していると判断できる。
また、この場合は、例えば図17(a)に示すような仮想的状態を考えると、上記規則(2)を準用することができる。
また、バランシングスイッチBS1が故障して、オフ状態となり、電圧検出線SL1がフローティング状態となり、偶然、正常な電圧値が検出される可能性もある。この場合は、検出電圧が正常であるので、電圧検出線が断線しているかどうかは検出できない。しかし、上記と同様に、後述するマルチプレクサ入力短絡スイッチを用いた断線検出や、バランシング回路の断線診断を行って総合的に判断することにより、電圧検出線の断線およびバランシングスイッチの故障を判断することができる。
最下位の電圧検出線SLm+1も、2つの隣り合うバランシングスイッチの間に挟まれることがないので、上記の規則は適用できない。
しかしながら、この場合図16(a)に示すようにバランシングスイッチBS3のみをオンとすることで、もし異常な電圧0Vが検出された場合は電圧検出線SL1が断線していると判断できる。
また、この場合は、例えば図17(b)に示すような仮想的状態を考えると、上記規則(1)を準用することができる。
検出された電圧値が異常かどうかは、ロジック部213において適宜閾値を設定することにより判断される。単電池セルの端子間電圧は、各単電池セルの充電状態によって変化するので、検出された電圧値によっては断線あるいは故障が正確に判断されない場合も考えられる。このような場合、上記のように、複数の診断方法による結果を総合して断線あるいは故障の判断を行うことが望ましい。
記号「B」が記載されている欄は、バランシングスイッチがバランシング放電を行っている状態を示している。これは、断線検出に影響が無い場合は、できるかぎり各単電池セルのバランシング放電を行うことを目的としているためである。
または、図14(c)や図15(c)のように断線があるにも関わらず正常の電圧(単電池セル1個分)の電圧が検出され、見掛け上正常である場合も電圧測定に関係しないので、バランシング放電を行うこととしている。なお、この場合のバランシング放電は2個の単電池セルで行っていることになる。このような状態が長時間続くと、単電池セル毎の残存容量の調整が正常に行われないため、実際の残存容量の不均衡が生ずる可能性がある。しかし、以下に説明するような断線検出を適宜実行することで電圧検出線の断線が検出され、長時間断線状態のまま、蓄電装置100が動作状態に置かれることはない。
図18(b)は、電圧検出線SL1〜SL13のいずれかが断線した時の、図18(a)に示すバランシングスイッチのオン・オフ状態での検出電圧値である。0は電圧比較部240で0Vが検出され、2は単電池セル2個分の電圧が検出されることを示す。
また、記号「1」が記載されている欄は、正常な電圧(単電池セル1個分の電圧)が検出されることを意味する。Nは電圧検出線がフローティング状態になり、検出電圧も不定となる場合を示す(図13(b)および図16(d)参照)。従って、Nとなる可能性のある電圧測定は行わない。
以上で説明した、電圧検出線が断線した場合の単電池セルの端子間電圧の検出値とバランシングスイッチのオン・オフの関係を利用し、隣り合うバランシングスイッチを同期してオン・オフしながら、全ての電圧検出線を走査し、隣り合う電圧検出線間の電圧を検出することにより、どの電圧検出線が断線しているか判定できる。
図19は、上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。すなわち、ある電圧検出線が断線している場合に、この電圧検出を挟んで隣り合う2つのバランシングスイッチの一方をオンとし、もう一方をオフとしたときに、オンとしたバランシングスイッチが接続された2つの電圧検出線間の電圧、すなわちオンとしたバランシングスイッチを挟んで隣り合う2つの電圧検出線間で0Vが検出されることを利用している。
図19(a)は、測定番号M1AからM13Aで、端子間電圧が測定される単電池セルと、この測定の際のバランシングスイッチの状態を示したものである。また図19(b)は測定番号M1AからM14Aまでの、各単電池セルの端子間電圧(セル電圧)の検出結果と、この検出結果によりどの電圧検出線が断線判定部242によって断線と判断されるかを示している。「0」は0Vが検出されることを示し、「1」は正常の電圧(単電池セル1個分の電圧)が測定されることを示している。なお、上記で説明したように、0Vの検出には、ロジック部213の電圧比較部240での判定に閾値を設けることで行う。
また電圧検出線SL1の断線は、測定番号M2A〜M14Aでの電圧測定には影響が無い(図13(a)、(b)参照)ので、図19(b)の測定番号M2A〜M14Aでは正常の電圧値(単電池セル1個分)が検出される。
なお、電圧検出線SL2が断線している場合には、上記補助規則2で説明したように、バランシングスイッチBS2がバランシング放電動作の中でオフとなる(図14(a)参照)場合は検出電圧は「0」となり、オンとなる(図14(c)参照)場合は検出電圧は「1」となる。従って、電圧検出線SL1が断線しているか判断できない可能性がある。この場合は次の測定番号M2Aの結果を参照して断線状態を判断する。
また、電圧検出線SL2が断線している場合は「0」が検出されるが、上述の電圧検出線SL1の断線の場合と同様に、上記補助規則2で説明したように、バランシングスイッチBS3のオン・オフ状態によっては、電圧検出線SL2が断線しているかSL3が断線しているか判定できないので、次の測定番号M3Aの検出結果と合わせて判断する。
なお、測定番号M2Aで、BS1をオフにし、BS2をオンとする理由は、上記の説明から明らかなように、このバランシングスイッチの状態では電圧検出線SL1またはSL2のいずれの断線においても検出電圧が「0」となるため、SL1の断線かSL2の断線か判断ができなくなるからである(図13(a)、図14(a)参照)。
また電圧検出線SL13の断線は、測定番号M1A〜M13Aでの電圧測定には影響が無い(図16(a)、(b)参照)ので、図19(b)に示すように、測定番号M1A〜M13Aでは正常の電圧値(単電池セル1個分)が検出される。
なお、電圧検出線SL12が断線している場合には、上記補助規則1で説明したように、バランシングスイッチBS11がバランシング放電動作の中でオフとなる(図15(b)参照)場合は検出電圧は「0」となり、オンとなる(図15(c)参照)場合は検出電圧は「1」となる。従って、電圧検出線SL1が断線しているか判断できない可能性がある。この場合は1つ前の測定番号M13Aの結果を参照して断線状態を判断する。
従って、測定番号M2AからM13Aのどこかで、測定番号M2Aでの電圧検出のバランシングスイッチ状態と測定番号M13Aでの電圧検出のバランシングスイッチ状態での検出結果がうまく繋がるように、2つ連続したバランシングスイッチのオン・オフの組み合わせを逆転する必要がある。
電圧検出線SL1〜SL11までの断線判定を、2つの連続した電圧測定での検出結果が0−1となるようにすることも可能である。しかし、電圧検出線SL12とSL13での断線判定では、2つの連続した電圧測定での検出結果が1−0の組み合わせで判定しなければならないので、このようにするにはもう1回測定回数が増やす必要がある。
図20も同様に、上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。すなわち、ある電圧検出線が断線している場合に、この電圧検出を挟んで隣り合う2つのバランシングスイッチの一方をオンとし、もう一方をオフとしたときに、オフとしたバランシングスイッチが接続された2つの電圧検出線間の電圧、すなわちオフとしたバランシングスイッチを挟んで隣り合う2つの電圧検出線間(=オフとしたバランシングスイッチに対応した単電池セルの端子間電圧)で単電池セル2個分の電圧が検出されることを利用している。
なお断線検出方法Aと同様に、電圧検出線SL2が断線している場合にも、バランシングスイッチBS2がバランシング放電動作の中で偶然オフとなると、この測定番号M1Bでは同様に「0」が検出される。従って、電圧検出線SL1が断線しているか判断できない可能性がある。この場合は次の測定番号(M2B)の結果を参照して断線状態を判断する。
ここで、測定番号M2Bのバランシングスイッチの状態では、電圧検出線SL1が断線している場合は単電池セル2個分の電圧でなく、正常な電圧(単電池セル1個分)が検出される(図13(a)参照)ので、測定番号M1BとM2Bの測定結果から、電圧検出線SL1の断線と判断される。
測定番号M3B〜M11Bではバランシングスイッチのオンとオフは、図20(b)に示したものと逆になっていてもよい。ただし、測定番号M3B〜M11Bの中の連続したいずれか2つでは、1つのセル(セルnとする)の電圧測定で、バランシングスイッチBSn−1がオフでバランシングスイッチBSnがオンの測定と、バランシングスイッチBSnがオフでバランシングスイッチBSn+1がオンの測定をおこなう(図20の例では測定番号M7BとM8B)。
この断線検出方法も上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。
3個の隣り合うバランシングスイッチを同期してそれぞれオフ、オン、オフとすることにより、この3つのバランシングスイッチに挟まれる2つの電圧検出線のいずれかが断線した場合に、中央のバランシングスイッチに対応した単電池セルの端子間電圧、すなわち中央のバランシングスイッチを挟む2つの電圧検出線間の検出電圧が0Vになることを利用している。
図21(a)は、測定番号M1CからM12Cで、端子間電圧が測定される単電池セルと、この測定の際のバランシングスイッチの状態を示したものである。また図21(b)は測定番号M1CからM12Cまででの、各単電池セルの端子間電圧の測定結果であり、「0」は0Vが検出されることを示している。なお、上記で説明したように、「0」の検出には、ロジック部213の電圧比較部240での判定に閾値を設けることで行う。
この断線検出方法では、上記の断線検出方法Bでの測定回数13より更に1回少ないが、これは3つの隣り合うバランシングスイッチによる図21(a)のような電圧検出で、3つのバランシングスイッチに挟まれる2本の電圧検出線のいずれかの断線が各測定で検出されるためである。
なお、電圧検出線SL1の断線は、測定番号M2C〜M12Cでの電圧測定には影響が無い(図13(a)、(b)参照)ので、図21(b)の測定番号M2C〜M12Cでは、正常の電圧値(単電池セル1個分)が検出される。
ただし、この場合はセル2の電圧測定が行われないことになる。ここでは全ての単電池セルの端子間電圧(セル電圧)も測定することを想定して、図21(a)の全ての測定番号M1C〜M12Cを実行することを前提に説明する。
従って、上記で説明したように、電圧検出線SL2が断線している場合は、測定番号M1CとM2Cの双方で検出電圧が「0」となる。すなわち、測定番号M1CとM2Cでの測定結果が共に「0」の場合は、電圧検出線SL2が断線していると判断される(図14(a)および図14(b)参照)。
もし、測定番号M2Cで正常な電圧(単電池セル1個分)が検出された場合、すなわち「1」が検出された場合は、電圧検出線SL2およびSL3は断線していないと判断されるので、断線診断のみを行う場合は、次の測定番号M3Cを飛ばしてすく定番号M4Cの測定を行ってもよい。
測定番号M12Cでは、測定番号M1Cの場合と同様に、検出電圧が0Vの場合は、電圧検出線SL12の断線かSL13の断線か判断できないので、測定番号M11Cの測定も合わせて判断する。
この断線検出方法も断線検出方法Aと同様に上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。
3個の隣り合うバランシングスイッチを同期してそれぞれオン、オフ、オンとすることにより、この3つのバランシングスイッチに挟まれる2つの電圧検出線のいずれかが断線した場合に、中央のバランシングスイッチに対応した単電池セルの端子間電圧、すなわち中央のバランシングスイッチを挟む2つの電圧検出線間の検出電圧が単電池セル2個分の電圧になることを利用している。ただし、測定番号M1DとM12Dでは、断線検出方法Aと同じバランシングスイッチの設定で電圧測定を行う。これは、断線検出方法Bで説明したように、SL1あるいはSL13が断線している場合に、それぞれバランシングスイッチBS1またはBS12をオフにすると、電圧検出線SL1あるいはSL13がフローティングとなってしまい、電圧が確定しなくなるためである(図13(b)および図16(b)参照)。
図22(a)は、測定番号M1DからM12Dで、端子間電圧が測定される単電池セルと、この測定の際のバランシングスイッチの状態を示したものである。また図22(b)は測定番号M1DからM12Dまででの、各単電池セルの端子間電圧の測定結果であり、2は単電池セル2個分の電圧が検出されることを示している。なお、上記で説明したと同様に、この電圧の検出には、ロジック部213の電圧比較部240での判定に閾値を設けることで行う。
なお、電圧検出線SL1の断線は、測定番号M2D〜M12Dでの電圧測定には影響が無い(図13(a)、(b)参照)ので、図22(b)の測定番号M2D〜M12Dでは、正常の電圧値(単電池セル1個分)、すなわち「1」が検出される。
ただし、この場合はセル2の電圧測定が行われないことになる。ここでも、断線検出方法Cと同様に、全ての単電池セルの端子間電圧(セル電圧)も測定することを想定して、図22(a)の全ての測定番号M1D〜M12Dを実行することを前提に説明する。
従って、上記で説明したように、電圧検出線SL2が断線している場合は、測定番号M1Dでの検出電圧は0Vとなり、測定番号M2Dでは単電池セル2個分となる。すなわち、測定番号M1DとM2Dでの測定結果が異なり、電圧検出線SL2が断線していると判断される。
もし、測定番号M2Dで正常な電圧(単電池セル1個分)が検出された場合は、電圧検出線SL2およびSL3は断線していないと判断されるので、断線診断のみを行う場合は、次の測定番号M3Dを飛ばして測定番号M4Dの測定を行ってもよい。
測定番号M12Dでは、測定番号M1Dの場合と同様に、検出電圧が0Vの場合は、電圧検出線SL12の断線かSL13の断線か判断できないので、測定番号M11Dの測定も合わせて判断する。
説明が複雑になるので詳しい説明は省略するが、断線している電圧検出線が複数あった場合でも、上記の4つの断線検出方法は適用できる。断線した電圧検出線に対応して異常な電圧が検出できるのでどの電圧検出線が断線しているか判断できる。
ただし、2つの隣り合う電圧検出線が共に断線している場合は、上記で説明したような、断線状態の電圧検出線が1本だけの場合の検出電圧と異なる電圧が検出される場合がある。しかしながら、このような場合でも、予想される検出電圧と、他のセル電圧での測定結果を参照して断線を判断することが可能であるが、更に複雑になるので説明は省略する。
上記で説明した断線検出方法Cを利用して、以下のように、断線検出のみを約半分の回数の電圧測定で行うことができる。
図21に示すように、測定番号M1Cで測定したセル1の電圧が正常であれば、電圧検出線SL1とSL2は断線していないと判断できる。つぎの測定番号M2Cは実行せず、測定番号M3Cを実行する。
測定番号M3Cでの測定電圧が正常であれば電圧検出線SL3とSL4は断線していないと判断される。
このように図21の測定番号M1C〜M12Cを1つ置きに実行する。ただし電圧検出線SL1とSL13はそれぞれ測定番号M1CとM12Cでのみ断線が検出されるので、測定番号M1CとM12Cは必ず実行するようにする。
このようにして電圧測定を実行すると、全ての電圧検出線を2本毎の単位で断線があるかないかの判断を行うことができる。更に断線している電圧検出線を特定する場合は、断線が検出された測定番号での電圧測定に関与する電圧検出線の断線を検出するように、上記で説明した断線検出方法A〜Dを適宜用いて判断するが、詳細な説明は省略する。
上記で説明した断線検出方法A〜Dのような断線診断を、上位コントローラ(バッテリコントローラ500)からの1つの断線診断コマンドの指令を受けて、セルコントローラIC300はこのセルコントローラICが制御しているセルグループの全単電池セルに対して連続的に行うことが可能である。
各断線検出方法で説明した、全てのバランシングスイッチのオン・オフ状態での電圧検出を連続的に行い、電圧検出結果を検出結果レジスタ241に格納する。断線判定部242は、検出結果レジスタ241に格納された全測定での検出結果に基づいて、全電圧検出線の断線判定を連続して行い、その判定結果をロジック部213の診断結果レジスタ243に格納する。
従って、全ての電圧検出線の断線診断を行うには、ある程度の時間がかかるので、車両の停止時で、例えばキーオフ後に行うことが好ましい。
しかしながら、診断をセルコントローラ300が行う場合、判定結果を格納するロジック部のレジスタ(診断結果レジスタ)が故障すると、診断結果レジスタ243の断線フラグの値が、電圧検出線が断線していないにも拘わらず断線したと認識されるか、あるいは断線しているのに断線していないと判断されたことを示す断線フラグの値になっている可能性が生じることになる。また、更に電圧検出線の断線状態と診断結果レジスタの故障が、偶然、一致している可能性もある。
単にレジスタ機能のみが正常かどうかは、診断結果レジスタに保存されている断線フラグの値と異なる値をレジスタに入力し、これによって断線フラグの値が切り替わることを確認すればよいので、レジスタに直接0か1を書き込むことによってレジスタ単体の動作の確認が可能である。しかし、ここでは、診断結果レジスタにフラグを書き込むまでの回路動作とロジック部213の電圧比較部240、検出結果レジスタ241、断線判定部242(図6参照)の動作の確認も合わせて行う。このため、マルチプレクサ入力短絡スイッチを用いて疑似断線状態を作り出して、マルチプレクサ210からロジック部213の診断結果レジスタ243までの動作(断線診断機能)の動作確認を行う。この診断方法を断線診断機能の診断方法Eとする。
測定番号M2Eでは全てのマルチプレクサ入力短絡スイッチ224SWX1〜SWX12をオフにし、マルチプレクサ210は電圧検出線SL1およびSL2の入力のみを選択することにより、セル1の端子間電圧(正常の電圧)を差動増幅器211に出力する。
測定番号M2Eの測定で、正常の電圧を差動増幅器211に出力するのは、断線検出方法A〜Dで説明したように、測定番号M1Eでの測定電圧が0Vの場合には、電圧検出線SL1とSL2のどちらが断線しているか判断できないので、これを判断するために測定番号M2Eで正常の電圧(単電池セル1個分の電圧)を差動増幅器211に出力するためである。
診断結果レジスタ243にフラグを書き込むまでの回路動作とロジック(図5には不図示)の動作が正常であれば、図23(c)に示すように、各電圧検出線の断線が判定され、それぞれの断線フラグの値が診断結果レジスタ243に書き込まれる。
(ステップ1)診断結果レジスタ243単体の動作確認
(ステップ2)断線フラグFL1〜FL13を全て0にセットする。
(ステップ3)図23(a)に示すように、マルチプレクサ入力短絡スイッチSWX1〜12を1個ずつオンし、測定番号M1E〜M16Eの測定を行う。
(ステップ4)図23(b)の右側の欄に示す診断結果レジスタ243の断線フラグの値が1になっているかどうか確認する。
ステップ1〜3は上位コントローラ(バッテリーコントローラ500)の指令により、セルコントローラIC300が実行する。
ステップ4では、セルコントローラIC300から送信された診断結果レジスタ243の断線フラグの値に基づいて、バッテリーコントローラ500が断線診断機能が正常かどうか判断し、判断結果を上位のコントローラに送信する。
また、詳細な説明は省略するが、別の電源から正常の電圧をマルチプレクサ210に入力するような回路を設けることも可能であり、このようにすれば、単電池セルからの電圧供給無しで、電圧検出線断線に対応した疑似電圧の発生を行い、マルチプレクサ210以降の断線診断機能の診断を行うことができる。
ただし、上記のように、マルチプレクサ入力に別の電源から正常の電圧を入力するような回路を更に設ける構成にすると、保護用に設けた入力抵抗や入力コンデンサ(図5のRmpx、Rcv、とCin)を介して単電池セルの電圧をマルチプレクサ210に入力する必要がないので、短時間に行うことも可能である。
また、電圧検出線の断線診断をセル電圧測定値ではなく、バランシング回路の断線診断を行うことによって電圧検出線の断線診断を行うことも可能である。前述したようにバランシングスイッチ状態検出回路223は、正常なバランシング電流が流れたかどうかを検出することができるので、上述の単電池セルの電圧測定による断線診断の場合と同様なバランシングスイッチの制御を行い、セル電圧測定の代わりにバランシング電流が流れていないことをバランシングスイッチ状態検出回路223の出力で判断して電圧検出線の断線診断を行うことができる。
なお、バランシングスイッチ状態検出回路223の出力はコンパレータ229の出力であるので、HighかLowである。ここではバランシング電流が検出された場合はHigh(=1)、されなかった場合はLow(=0)として、検出結果を検出結果レジスタ241に格納する(図6参照)。
なお、これらの場合も電圧検出線は1本のみ断線しているとしている。しかしながら、これらの例示は容易に複数の電圧検出線が断線している場合に拡張できる。
(規則5)バランシングスイッチBSn−1がオフ、バランシングスイッチBSnがオンの時、電圧検出線SLnが断線していれば、バランシングスイッチBSnにバランシング電流は流れない。
(規則6)バランシングスイッチBSnがオン、バランシングスイッチBSn+1がオフの時、電圧検出線SLn+1が断線していれば、バランシングスイッチBSnにバランシング電流は流れない。
これは、例えばバランシングスイッチBSnがオンで電圧検出線SLn+1が断線している場合、バランシングスイッチBSn+1がバランシング動作を行ってオンとなると、共にオンとなったバランシングスイッチBSnとBSn+1を経由して、セルnとセルn+1の電流が流れるからである(図25(c)、図26(c)参照)。
図24(a)および図25(a)から明らかなように、バランシングスイッチBS1をオンにしてバランシング電流が流れないことだけでは、電圧検出線SL1が断線しているか電圧検出線SL2が断線しているか判断できない。
そこで、次のタイミングでバランシングスイッチBS2をオンにした時に、バランシング電流が検出された場合は、電圧検出線SL2が断線していないと判断されることと合わせて、電圧検出線SL1が断線していると判断する。
図26(b)および図27(a)から明らかなように、バランシングスイッチBSmをオンにしてバランシング電流が流れないことだけでは、電圧検出線SLmが断線しているか電圧検出線SLm+1が断線しているか判断できない。
そこで、この前のタイミングでバランシングスイッチBSm−1をオンにした時に、バランシング電流が検出された場合は、電圧検出線SLmが断線していないと判断されることと合わせて、電圧検出線SLm+1が断線していると判断する。
前述の断線検出方法A〜Eのように、上記の断線検出方法Fを、図5に示すような、12個の単電池セルを備えたセルグループに適用した場合について説明する。
図21に示す断線検出方法Cのようなセル電圧検出による断線診断の場合と同様なバランシングスイッチの制御と、バランシング電流が流れたかどうかの検出を、上位コントローラからの1つの指令により、セルコントローラ300が接続されているセルグループ102の全単電池セル101に対して連続的に行う。セル電圧検出の代わりにバランシング電流の検出によって連続的に診断が可能である。図29(a)に、バランシングスイッチBS1〜12をそれぞれオンにしてバランシング電流を検出する場合の、バランシングスイッチのオン・オフ状態を示す。これは図20に示す、断線検出方法Cと全く同じものとなる。
なお、図29(a)に示すように、測定番号M1Fと測定番号M12Fでは2つのバランシングスイッチをオン・オフとしてバランシング電流の測定を行うが、これらの状態も、図28に示すように仮想的なバランシングスイッチを考えることで、測定番号M2F〜M11Fと同様に考えることができる。
なお、電圧検出線SL1〜SL12のいずれかが断線した場合、図29(b)に示す各電圧検出線の断線(SL1断線〜SL13断線)のデータの内で、断線している電圧線の行のデータ(測定番号M1F〜M12Fでの検出結果)が検出結果レジスタ241に格納されている。
上記のように、測定番号M1Fで、バランシング電流が流れなかったことが検出されただけでは、最上位の電圧検出線SL1が断線しているか、または電圧検出線SL2が断線しているかは判断できない。この場合は、次の測定番号M2Fでバランシング電流が検出されるかどうかで判断される。
最下位の電圧検出線SL13も、測定番号M12Fで、バランシング電流が流れなかったことが検出されただけでは、最上位の電圧検出線SL13が断線しているか、または電圧検出線SL12が断線しているかは判断できない。この場合は、一つ前のタイミングでの測定番号M11Fでバランシング電流が検出されるかどうかで判断される。
更に、上記で説明したように、バランシング放電回路のオン・オフは、通常のバランシング放電動作の中で行うことが可能であり、またこの動作は各単電池セルの端子間電圧の測定に影響を与えない。従って、上記の断線診断方法Fは車両が動作中にも実施することができる。
セル電圧検出を用いた断線検出の場合と同様に、断線検出結果を保存するロジック部213内のレジスタが機能しているかどうか診断が必要である。なお、この断線判定機能の診断方法Gは、前述の断線診断機能の診断方法Eとよく似ているので、共通な部分は簡単に説明する。
このレジスタの機能診断では、電圧検出線の断線に対応して、バランシングスイッチをオン・オフしてバランシング電流が流れる状態と流れない状態のコンパレータ229の出力を擬似的に生成する。この擬似的なコンパレータ出力の発生には3つの方法がある。
第2の方法は、バランシングスイッチをオンにした状態で、バランシング状態検出回路223のスイッチ回路228を切り替えて、コンパレータ229の出力を切り替える方法である。
第3の方法は、検出結果レジスタ241の内容を直接書き換えて、断線判定部242の動作と診断結果レジスタ243の動作のみを診断する方法である。
なお、第1と第2の発生方法では、上述の各診断の場合と同様に、各電圧検出線は断線しておらず、従って、各バランシングスイッチをオンとすると正常のバランシング電流が流れることを想定している。あるいは既に説明したように、確実に電圧検出線の断線の無い電池モジュール103を接続するか、別の電源から単電池セルの端子間電圧に相当する電圧を入力して、コンパレータ229の出力を擬似的に生成することも可能である。
なお、ここで説明する断線判定機能の診断方法Gを実行する場合は、断線判定結果、すなわち診断結果レジスタ243に格納される断線フラグFL1〜FL13の値を予めすべて0にしておく。この段階で既に0が設定されない断線フラグが存在すれば、診断結果レジスタ243には故障していることになる。
バランシングスイッチがオフの時には、バランシング電流が流れないので、コンパレータ出力は「0」となる。また、バランシングスイッチがオンの時には、バランシング電流が流れるので、コンパレータ出力は「1」となる。従って、検出結果レジスタ241には、図30(b)に示すような疑似的検出結果が書き込まれることになる。なお、図30(b)ではこのバランシング診断を行うために必要な16個の疑似検出データ(測定番号M1G〜M16Gに対応)を示す。また、このデータが格納される検出結果レジスタ241をそれぞれRG1〜RG16としている。
バランシングスイッチをオンにすると、通常はコンパレータ229の出力は「1」となる。そこで、バランシング状態検出回路223のスイッチ回路228を切り替えて、コンパレータ229の出力を反転させて「0」を出力させる。すなわち、図30(a)の「OFF」で示す時には、このスイッチ回路228を切り替えて、通常とは逆の出力をコンパレータ229から出力させる。
この第2の方法の場合も生成される疑似的なデータは図30(b)に示すものと同じである。
図29を参照して説明した断線検出方法Fでの断線検出を、検出結果レジスタ241に書き込まれた図30(b)に示す疑似的なコンパレータ出力データと、図30(c)に示す各電圧検出線SL1〜SL13の断線判定パターンとを連続的に比較して行う。
電圧検出線SL1の断線の判定には、セル1とセル2のコンパレータ出力結果がそれぞれ0と1になる(測定番号M1GとM2G)ことで判定する。これは図29で説明した場合と同じである。
電圧検出線SL13の断線の判定には、セル11とセル12のコンパレータ出力結果がそれぞれ1と0になる(測定番号M15GとM16G)ことで判定する。
電圧検出線SL2〜SL12の断線の判定は、それぞれ連続した2つのセルでのコンパレータ出力がそれぞれ共に0に0となることで判定される。
以上での断線検出方法は、簡単のため、1つのセルグループとこれを制御する1つのセルコントローラICの場合を例にして説明した。
前述のように、セルグループが複数直列に接続される場合には、2つの隣り合うセルグループで、直接接続されている別々のセルグループに属する単電池セルのバランシングスイッチのオン・オフ状態が、それぞれの単電池セルの端子間電圧の測定またはバランシング電流の測定に互いに影響する。従って、このような場合、あるセルグループの単電池セルの端子間電圧あるいはバランシング電流を検出している場合であっても、隣のセルグループのバランシングスイッチも同時に制御する必要がある。
図21を参照して上記で説明した断線検出方法Cを、2つのセルグループを直列に接続した場合に拡張した例を説明する。他の断線検出方法も同様に拡張して実行できる。
ここでは例えば、セルグループ102bの12個の単電池セルをセル1〜セル12、セルグループ102aの12個の単電池セルをセル13〜セル24とし、それぞれのセル毎に設けられたバランシングスイッチをBS1〜BS24とする。また、セルグループ102bの12個の単電池セルとセルコントローラIC300bとを接続する13本の電圧検出線をSL1〜SL13とし、セルグループ102aの12個の単電池セルとセルコントローラIC300aとを接続する13本の電圧検出線をSL13〜SL25とする。この場合電圧検出線SL13は、これら2つのセルグループで共用されている。
セル1〜セル24までの端子間電圧の測定番号をそれぞれM1CC〜M24CCとし、電圧検出線SL1〜SL25の断線検出フラグをFL1〜FL25としている。
また図21(b)と図33(b)から分かるように、図21(b)のSL13の断線判定が図33(b)のSL25の断線判定に移動しているだけである。
2つのセルグループのバランシングスイッチは、全て上位のバッテリコントローラ500からの指令によって制御され、同時に制御されるバランシングスイッチが2つのセルグループに別々に属する場合であっても問題無く制御できる。
なお、2つのセルグループを直列に接続した場合、ここで説明したような、全部で24個の単電池セルでの端子間電圧を連続して行わず、例えば1つのセルグループに属するセル1〜セル12のみともう1つのセルグループに属するセル13〜セル24の端子間電圧測定を別々に行うことも可能である。ただし、セル12での測定(M12CC)では、セル13のバランシングスイッチBS13をオフにしておく必要がある。セル12での測定でBS13がバランシング動作を行っていると、BS13はオンとオフの状態があるため、前述のように、セル12での端子間電圧の測定値が確定しなくなる。
断線検出方法Cを例にして以上のように説明したが、他の断線検出方法も同様に2つ以上のセルグループを直列に接続した場合に拡張できることが容易に理解されるであろう。
図34は、本発明による電池システム監視装置の第2の実施形態を組み込んだ、ハイブリッド自動車用の蓄電装置の構成例を示す。これは、第1の実施形態を説明する図2に対応するものであり、総電圧検出回路501がバッテリコントローラ500にも組み込まれている例である。第1の実施形態で説明したように、他の方法で電池システム104の総電圧を測定できれば、総電圧検出回路501は、図1のようにバッテリーコントローラ500の内部に設けられていなくともよい。
図1および図2を図34と比較して明らかなように、第1の実施形態の1つのセルコントローラIC300が、第2の実施形態における1組のメインセルコントローラIC301とサブセルコントローラIC302に対応している。
ただし、第2の実施形態の構成の電池システム監視装置では、図5で説明した第1の実施形態のバランシングスイッチ状態検出回路223が不要となる。このバランシングスイッチ状態検出回路223の機能すなわちバランシングスイッチ222の診断機能は、第2の実施形態では、サブセルコントローラ302を用いて、バランシングスイッチ222の端子間電圧を測定し、これを所定の閾値電圧と比較することで実現できる。
以下の説明では、単にメインセルコントローラICあるいはサブセルコントローラICと呼ぶ場合は、それぞれメインセルコントローラIC301a〜301dおよびサブセルコントローラIC302a〜302dを特に限定しない場合とする。更に単にセルコントローラICと呼ぶ場合は、メインセルコントローラICとサブセルコントローラICを総称するものとする。
全てのメインセルコントローラIC301と全てのサブセルコントローラIC302を同じ通信経路で接続することも可能であるが、その分通信経路が長くなるので、最後のメインセルコントローラIC301あるいは最後のサブセルコントローラIC302までバッテリーコントローラ500からの指令やデータが届くまでに時間がかかることになる。
また、ここでは説明を省略するが、メインセルコントローラICとサブセルコントローラICを同期して動作させる場合があり、メインセルコントローラIC301間の通信経路と、サブセルコントローラIC間の通信経路を別経路とする方が同期をとりやすいからである。
図36のメインセルコントローラIC301およびサブセルコントローラICと、図5に示すセルコントローラIC300との構成および機能の違いは以下の点であり、それ以外は同等の構成および機能を有している。したがって、以下の点以外で図5に記載されていて、図36に記載されていないものは、単にこれらが図5と図36で共通であるので省略されているだけである。これらの記載を省略されているものは機能および動作も第1の実施形態で説明しているので、その説明も以下では省略する。
・図5のセルコントローラIC300のバランシング端子(BS01H〜12H、BS01L〜12L)の機能はサブセルコントローラIC302のバランシング端子CBS1〜13に置き換えられている。
・図36では、バランシングスイッチ222は、2つの隣り合う電圧検出線(SL1〜13)あるいは2つの隣り合うバランシング接続線(BL1〜13)の間に直接接続されている。
・図5のセルコントローラIC300のセル入力抵抗202は、図36のメインセルコントローラIC301のセル入力抵抗202aに対応し、図5のセルコントローラIC300のバランシング抵抗201は、図36のバランシング抵抗201aに対応する。
・ただし、図36のバランシング抵抗201aは、バランシング接続線BL1〜BL13にそれぞれ1個ずつ設けられている。すなわち、バランシング接続線BL2〜12のバランシング抵抗201aはバランシング放電の際に、2つの隣り合うバランシングスイッチで共通に使用される。
・図5のセルコントローラIC300のセル入力コンデンサ203は、図36のメインセルコントローラIC301のセル入力コンデンサ203aに対応し、図5のセルコントローラIC300のバランシング端子コンデンサ204は、図36のサブセルコントローラIC302のバランシング端子コンデンサCbに対応する。ただし、メインセルコントローラIC301のセル入力コンデンサ203aは、2つの隣り合う電圧検出線の間に接続されている。
・図5のセルコントローラIC300(第1の実施形態)は、1つのセルコントローラIC300が、各単電池セルの端子間電圧測定とバランシング放電を行っているが、図36(第2の実施形態)では各単電池セルの端子間電圧測定はメインセルコントローラIC301が行い、バランシング放電は通常サブセルコントローラIC302が行う。
・ただし、バランシング放電の際、第2の実施形態では、サブセルコントローラIC302で隣り合う2つのバランシングスイッチ222を同時にオンとした場合、1個のバランシングスイッチをオンとした場合の2倍の電流が流れるので、これを考慮してバランシングを行う。発熱の問題がある場合は、2つの隣り合うバランシングスイッチが同時にオンとならないように制御する。
・断線診断は通常メインセルコントローラIC301が行うが、第2の実施形態ではセル入力コンデンサ203aが2つの隣り合う電圧検出線の間に接続されているので、断線している電圧検出線に接続されているバランシングスイッチ222をオン・オフすると、このセル入力コンデンサ203aの電荷が変化し、電圧が落ち着くまで時間がかかる場合がある。
これによって、第1の実施形態の場合と同様に、バランシング電流がセル入力抵抗(Rcv)202aを流れないため、メインセルコントローラIC301での正確な端子間電圧測定が可能となっている。電圧検出線に断線の無い正常な状態では、バランシング放電回路のバランシング抵抗(Rb)201aとバランシング端子コンデンサ(Cb)204a、およびサブセルコントローラIC302のバランシングスイッチ222のオン・オフは、メインセルコントローラIC301での、各単電池セルの端子間電圧測定に影響を与えない。従来は、たとえば特開2010−228523号公報に記載されているように、各単電池セルの端子間電圧測定とバランシング放電を1つのセルコントローラICで行っており、またバランシング放電用の回路の一部が端子間電圧測定用の回路(電圧検出線とセル入力抵抗)と共通となっていたので、バランシング放電を行うと端子間電圧が低下するようになっていた。従って、正確な端子間電圧測定は、バランシング放電を停止して実施していた。
第1の実施形態でも説明したように、第2の実施形態においてもセル入力抵抗(Rcv)202aとセル入力コンデンサ(Cin)203aとからなる単電池セル端子間電圧測定回路のRCフィルタの時定数は、バランシング抵抗(Rb)201aとバランシング端子コンデンサ(Cb)204aで構成されるバランシング放電回路のRCフィルタの時定数より大きく設定されている。
・バランシング抵抗201あるいは201aの抵抗値を小さくして、速やかにバランシング放電を行う。
・バランシング放電回路のバランシングスイッチのオン・オフを利用して断線診断する場合に、高速に診断できる。
・第1の実施形態のセルコントローラIC300のバランシングスイッチ状態検出回路223(図5参照)の機能は、第2の実施形態においては、サブセルコントローラIC302でバランシングスイッチ222の端子間電圧の測定機能で置き換えられているが、サブセルコントローラIC302でバランシングスイッチ222の診断を高速に行うことができる。
バランシングスイッチ222のオン・オフを用いた断線診断や、バランシングスイッチ222の診断では、バランシングスイッチ222の端子間電圧はバランシングスイッチ222のオン・オフで大きく異なるので、判定の閾値バランシングスイッチ222の端子間電圧をそれほど精度よく求める必要はない。
また、既に述べたように、時間はかかるが、メインセルコントローラIC301を用いてバランシング放電を行うことも可能である。
特に、上記で説明した本発明による電池制御装置ではメインセルコントローラIC301のバランシングスイッチは、診断動作に用いる以外はオフ状態で使用している。また、この診断動作もサブセルコントローラIC302のバランシングスイッチで実施可能である。したがって、上記で説明した電池制御装置の動作を行うことにおいては、メインセルコントローラIC301のバランシングスイッチはなくともよい。
ただし、診断動作等を確実に行うことは車両の安全確認で重要な意義を持つので、メインセルコントローラIC301とサブセルコントローラIC302の双方で同様の機能を維持することで車両の安全性を向上することができる。
また、上記では、セルコントローラIC300はセルグループ102と1対1で設けるように説明したが、1つのセルコントローラで複数のセルグループを制御することも可能であり、また1つのセルグループを複数のセルコントローラで制御することも可能である。セルグループを構成する単電池セルの数は、セルグループを複数含む電池モジュール、あるいは電池システムの仕様により様々に変形実施が可能である。したがって、たとえばm個のセルコントローラでn個のセルグループを制御することも可能である。またこのような様々の電池システムの仕様は、この電池システムを搭載するHEVやEVなどの電動車両に必要な電力仕様に合わせて設定される。
したがって、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
日本国特許出願2011年第122730号(2011年5月31日出願)。
日本国特許出願2011年第122731号(2011年5月31日出願)。
請求項10の発明は、複数の単電池セルが直列接続されたセルグループを有する電池システムの監視装置に適用され、セルグループに対応して設けられた第1の制御装置と、各単電池セルの正極及び負極のそれぞれと第1の制御装置とを接続し、各単電池セルの端子間電圧を第1の制御装置に入力するために設けられた複数の電圧検出線と、セルグループの端子間電圧を第1の制御装置に供給する電源供給線とを有し、第1の制御装置は、電源部と、セルグループの端子間電圧を入力する電圧入力部と、電圧を測定する電圧測定部と、電圧入力部からの出力を選択して電圧測定部に入力する選択部と、を有しており、電源供給線は、セルグループの最上位の単電池セルの正極に接続されており、電源部には、電源供給線を介してセルグループの端子間電圧が入力されており、電源部は、セルグループの端子間電圧を電圧入力部に供給する通電スイッチを有している、ものである。
請求項19の発明は、複数の単電池セルが直列接続されたセルグループを有する電池システムの監視装置に適用され、セルグループに対応して設けられ、各単電池セルの端子間電圧を測定する第1の制御装置とセルグループに対応して設けられ、複数の単電池セル間の充電状態をバランシングさせる時に、複数の単電池セルの放電を制御する第2の制御装置と、各単電池セルの正極及び負極のそれぞれと第1の制御装置とを接続し、各単電池セルの端子間電圧を第1の制御装置に入力するために設けられた複数の電圧検出線と、各電圧検出線に直列に設けられた第1の抵抗と、各単電池セルの正極及び負極のそれぞれに接続された電圧検出線間に接続された第1のコンデンサと、各電圧検出線から分岐し、第2の制御装置に接続された複数のバランシング線と、各バランシング線に直列に設けられた第2の抵抗と、各単電池セルの正極及び負極のそれぞれに接続された電圧検出線から分岐したバランシング線間に接続された第2のコンデンサと、各単電池セルに対応して設けられると共に、当該単電池セルの正極及び負極のそれぞれに接続された電圧検出線から分岐したバランシング線間に接続され、当該単電池セルの放電時にオンオフされるバランシングスイッチと、を有し、第1のコンデンサは、第1の抵抗と第1の制御装置との間の位置において当該電圧検出線に接続されており、第2のコンデンサは、第2の抵抗と第2の制御装置との間において当該バランシング線間に接続されている、ものである。
これらの高速絶縁素子401、低速絶縁素子402、および、コンデンサ403で、マイクロコンピュータ504と最上位のセルコントローラIC300aとの間の通信経路で用いられている絶縁素子をまとめて絶縁素子群400(図1)としている。
マルチプレクサ入力選択レジスタ245には、マルチプレクサ210を切り替えて入力を選択するためのデータが格納されている。マルチプレクサ診断レジスタ246には、後述するマルチプレクサの診断を行うための、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224を制御するデータが格納されている。バランシングスイッチ制御レジスタ247には、各セル毎に設けられたバランシングスイッチ222のオン・オフを制御するためのデータが格納されている。バランシングスイッチ状態診断レジスタ248には、バランシングスイッチ222の診断を行うための、バランシングスイッチ状態検出回路223のスイッチ回路を制御するデータが格納されている。S/H制御レジスタ249には図10に示すブロック電圧入力部225のサンプルホールド回路236内のスイッチ(不図示)を制御するためのデータが格納されている。
また図3、図4の各セルグループの参照番号102a〜102dも、ここで示すセルコントローラICの上位・下位の関係に合わせて設定しており、図で一番下側のセルグループが102aとなっている。
ただし、各セルグループの中での単電池セルに関しては、図の上側の単電池セルの電位が高いので、図で上側に示す単電池セルを上位の単電池セルとしている。
サンプルホールド回路236は、後述する断線診断において各単電池セルの端子間電圧測定等を実施する場合は、その測定が終了してから、セルグループの端子間電圧とこのセルグループの各単電池セルの端子間電圧とを一緒に上位コントローラ(バッテリーコントローラ500)に送信するので、この断線診断での単電池セルの端子間電圧測定が終了するまで、ブロック電圧の測定結果を保持する必要がある。従って、断線診断を行わない場合にはサンプルホールド回路236を設ける必要はない。
なお、上記の各セルグループの端子間電圧(ブロック電圧)を分圧した電圧から、上位コントローラ(バッテリーコントローラ500)で、分圧抵抗231と232の抵抗値を用いて、各セルグループの端子間電圧値が算出される。全てのセルグループの端子間電圧の総和が組電池の総電圧として求められる。
しかし、図5に示すマルチプレクサ210の入力抵抗Rmpxは、セル入力抵抗Rcvと同程度に設定されており、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224のオン抵抗より充分大きく設定されている。従って、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224をオンにした場合でも、セル入力コンデンサ(Cin)203の正極側電位の低下は単電池セル1個分の端子間電圧より充分小さくでき、また、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224やマルチプレクサ210を動作させて行う上記の各々の電圧測定は、このCinの電位の低下時間に比べ充分短い時間で行うことができる。これを利用して、マルチプレクサ入力短絡スイッチ224をオン・オフすることにより、マルチプレクサ210を介して単電池セル1個分の電圧もしくは0Vを切り替えてマルチプレクサ210の入力に供給することができる。
図19は、上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。すなわち、ある電圧検出線が断線している場合に、この電圧検出線を挟んで隣り合う2つのバランシングスイッチの一方をオンとし、もう一方をオフとしたときに、オンとしたバランシングスイッチが接続された2つの電圧検出線間の電圧、すなわちオンとしたバランシングスイッチを挟んで隣り合う2つの電圧検出線間で0Vが検出されることを利用している。
図19(a)は、測定番号M1AからM13Aで、端子間電圧が測定される単電池セルと、この測定の際のバランシングスイッチの状態を示したものである。また図19(b)は測定番号M1AからM14Aまでの、各単電池セルの端子間電圧(セル電圧)の検出結果と、この検出結果によりどの電圧検出線が断線判定部242によって断線と判断されるかを示している。「0」は0Vが検出されることを示し、「1」は正常の電圧(単電池セル1個分の電圧)が測定されることを示している。なお、上記で説明したように、0Vの検出には、ロジック部213の電圧比較部240での判定に閾値を設けることで行う。
図20も同様に、上記の(規則1)と(規則2)を利用したものである。すなわち、ある電圧検出線が断線している場合に、この電圧検出線を挟んで隣り合う2つのバランシングスイッチの一方をオンとし、もう一方をオフとしたときに、オフとしたバランシングスイッチが接続された2つの電圧検出線間の電圧、すなわちオフとしたバランシングスイッチを挟んで隣り合う2つの電圧検出線間(=オフとしたバランシングスイッチに対応した単電池セルの端子間電圧)で単電池セル2個分の電圧が検出されることを利用している。
従って、上記で説明したように、電圧検出線SL2が断線している場合は、測定番号M1CとM2Cの双方で検出電圧が「0」となる。すなわち、測定番号M1CとM2Cでの測定結果が共に「0」の場合は、電圧検出線SL2が断線していると判断される(図14(a)および図14(b)参照)。
もし、測定番号M2Cで正常な電圧(単電池セル1個分)が検出された場合、すなわち「1」が検出された場合は、電圧検出線SL2およびSL3は断線していないと判断されるので、断線診断のみを行う場合は、次の測定番号M3Cを飛ばして測定番号M4Cの測定を行ってもよい。
更に、上記で説明したように、バランシング放電回路のオン・オフは、通常のバランシング放電動作の中で行うことが可能であり、またこの動作は各単電池セルの端子間電圧の測定に影響を与えない。従って、上記の断線検出方法Fは車両が動作中にも実施することができる。
バランシングスイッチがオフの時には、バランシング電流が流れないので、コンパレータ出力は「0」となる。また、バランシングスイッチがオンの時には、バランシング電流が流れるので、コンパレータ出力は「1」となる。従って、検出結果レジスタ241には、図30(b)に示すような疑似的検出結果が書き込まれることになる。なお、図30(b)ではこのバランシング診断を行うために必要な16個の疑似検出データ(測定番号M1G〜M16Gに対応)を示す。また、このデータが格納される検出結果レジスタ241をそれぞれRG1〜RG16としている。
電圧検出線SL1の断線の判定には、セル1とセル2のコンパレータ出力結果がそれぞれ0と1になる(測定番号M1GとM2G)ことで判定する。これは図29で説明した場合と同じである。
電圧検出線SL13の断線の判定には、セル11とセル12のコンパレータ出力結果がそれぞれ1と0になる(測定番号M15GとM16G)ことで判定する。
電圧検出線SL2〜SL12の断線の判定は、それぞれ連続した2つのセルでのコンパレータ出力がそれぞれ0と0になることで判定される。
また図21(b)と図33(b)から分かるように、図21(b)のSL13の断線判定が図33(b)のSL25の断線判定に移動しているだけである。
2つのセルグループのバランシングスイッチは、全て上位のバッテリコントローラ500からの指令によって制御され、同時に制御されるバランシングスイッチが2つのセルグループに別々に属する場合であっても問題無く制御できる。
ただし、第2の実施形態の構成の電池システム監視装置では、図5で説明した第1の実施形態のバランシングスイッチ状態検出回路223が不要となる。このバランシングスイッチ状態検出回路223の機能すなわちバランシングスイッチ222の診断機能は、第2の実施形態では、サブセルコントローラIC302を用いて、バランシングスイッチ222の端子間電圧を測定し、これを所定の閾値電圧と比較することで実現できる。
バランシングスイッチ222のオン・オフを用いた断線診断や、バランシングスイッチ222の診断では、バランシングスイッチ222の端子間電圧はバランシングスイッチ222のオン・オフで大きく異なるので、判定の閾値バランシングスイッチ222の端子間電圧をそれほど精度よく求める必要はない。
Claims (21)
- 複数の単電池セルを直列接続したセルグループを備えた電池システムを監視する電池システム監視装置であって、
前記セルグループを制御する第1の制御装置と、
前記単電池セルの端子間電圧を測定するための、前記単電池セルの正極および負極のそれぞれと前記第1の制御装置とを接続する複数の電圧検出線とを備え、
前記第1の制御装置は、前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを前記単電池セル毎に備え、
前記電圧検出線には、第1の抵抗が直列に設けられるとともに、第1のコンデンサが、前記電圧検出線に設けられた前記第1の抵抗と前記第1の制御装置の当該電圧検出線の接続端子の間で、前記電圧検出線と前記セルグループの最下位の電位であるGNDとの間に接続され、
前記バランシングスイッチと当該バランシングスイッチに直列に接続された第2の抵抗とで構成されるバランシング放電回路が前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続され、
前記バランシング放電回路と前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点および前記バランシング放電回路と前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点は、それぞれ前記第1の抵抗より前記セルグループ側に設けられる電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、
一の単電池セルの端子間電圧を測定するために、前記一の単電池セルの正極および負極のそれぞれに接続された電圧検出線を選択し、前記一の単電池セルの正極電位および負極電位を出力する選択部と、
前記選択部から出力された前記一の単電池セルの正極電位および負極電位から、前記一の単電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部で測定された前記一の単電池セルの端子間電圧を所定の電圧と比較して、測定された電圧を所定の閾値と比較する電圧比較部と、
前記電圧比較部の比較結果を格納する検出結果記憶部と、
前記検出結果記憶部に格納された前記比較結果に基づいて前記電圧検出線の断線を判定する断線判定部と、
前記断線判定部の判定結果を格納する診断記憶部とを備える電池システム監視装置。 - 請求項2に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、前記断線判定部を用いて、一の単電池セルに対応する第1のバランシングスイッチと、前記一の単電池セルに隣接して直列に接続されている単電池セルに対応した第2のバランシングスイッチをそれぞれオンまたはオフした場合に検出される、前記第1のバランシングスイッチに対応する前記一の単電池セルの端子間電圧に基づいて、前記一の単電池セルに接続された電圧検出線が断線しているかどうかを判定し、この判定結果を前記診断結果記憶部に記憶する電池システム監視装置。 - 請求項2に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、
前記バランシングスイッチがオンとされた際の、バランシング電流の有無を検出するバランシング電流検出部を前記単電池セル毎に更に備え、
前記バランシング電流検出部で検出されたバランシング電流の検出結果は前記検出結果記憶部に格納され、
前記一の単電池セルに対応する第1のバランシングスイッチをオンとし、当該単電池セルに隣接して直列に接続されている単電池セルに対応した第2のバランシングスイッチをオフとした際の、前記第1のバランシングスイッチでのバランシング電流の有無に基づいて、前記断線判定部が前記一の単電池セルに接続された電圧検出線が断線しているかどうかを判定し、この判定結果を前記診断結果記憶部に記憶する電池システム監視装置。 - 請求項3に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、前記単電池セルの端子間電圧の測定をセルグループの全ての単電池セルに対して連続して行い、前記断線判定部はこの全ての単電池セルでの端子間電圧の測定結果に基づいて、前記セルグループと前記第1の制御装置とを接続する全ての電圧検出線の断線の有無を判定し、この判定結果を前記診断結果記憶部に記憶することを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項4に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、前記バランシング電流の有無の検出を前記セルグループの全ての単電池セルに対して連続して行い、前記断線判定部はこの全ての単電池セルでのバランシング電流の有無の検出結果に基づいて、前記セルグループと前記第1の制御装置とを接続する全ての電圧検出線の断線の有無を判定し、この判定結果を前記診断結果記憶部に記憶する電池システム監視装置。 - 請求項2に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、
前記選択部に接続された電圧検出線の隣り合う2本の電圧検出線の間に、前記単電池セル毎に、前記2本の電圧検出線を短絡する入力短絡スイッチを更に備え、
前記第1の制御装置は、前記入力短絡スイッチをオンまたはオフすることによって、前記選択部に接続された前記2本の電圧検出線の間の電位差として、それぞれ0Vまたは前記単電池セルの端子間電圧かを前記選択部に入力し、
前記断線判定部は、前記電圧比較部の検出結果に基づいて、前記選択部が正常に動作しているか判定する電池システム監視装置。 - 請求項4または6に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング電流検出部は、基準電圧源と、バランシングスイッチの端子間電圧を前記基準電圧源と比較し、バランシング電流の有無を検出するコンパレータと、前記コンパレータによる前記基準電源の電圧と前記バランシングスイッチの端子電圧との比較関係を逆にするための、入力切り替え部とを備え、
前記第1の制御装置は、前記入力切り替え部を動作させ、前記基準電圧源の電圧と前記バランシングスイッチの端子間電圧の前記コンパレータへの入力を切り替えることにより、前記コンパレータの出力値を切り替えて前記バランシングスイッチが接続されている電圧検出線が断線している場合と同じ出力値を出力し、
前記断線判定部は、前記コンパレータの出力に基づいて、電圧検出線が断線しているかどうかの判定を行い、この判定結果を前記診断結果記憶部に記憶する電池システム監視装置。 - 複数の単電池セルを直列接続したセルグループを備えた電池システムを監視する、電池システム監視装置であって、
前記セルグループを制御する第1の制御装置と、
前記単電池セルの端子間電圧を測定するための、前記単電池セルの正極および負極のそれぞれと前記第1の制御装置とを接続する複数の電圧検出線と、
前記セルグループの端子間電圧を前記第1の制御装置に供給する電源供給線とを備え、
前記第1の制御装置は、電源部と、前記セルグループの端子間電圧を分圧するセルグループ電圧入力部と、電圧を測定する電圧測定部と、前記セルグループ電圧入力部からの出力を選択して前記電圧測定部に入力する選択部とを備え、
前記電圧検出線には、第1の抵抗が直列に設けられ、
前記電源供給線は、前記セルグループの最上位の単電池セルの正極に接続され、
前記電源部には、前記電源供給線を介して前記セルグループの端子間電圧が入力され、
前記電源部は、前記セルグループの端子間電圧を前記セルグループ電圧入力部に供給する通電スイッチを備える。 - 請求項9に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを前記単電池セル毎に備え、
前記バランシングスイッチと当該バランシングスイッチに直列に接続された第2の抵抗とで構成されるバランシング放電回路が前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続され、
前記バランシング放電回路と前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点および前記バランシング放電回路と前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点は、それぞれ前記第1の抵抗より前記セルグループ側に設けられる電池システム監視装置。 - 請求項9または10に記載の電池システム監視装置において、
前記電源部は、当該電源部が前記第1の制御装置が受信した外部からの起動信号によって起動された時に、前記通電スイッチをオンとして、前記セルグループの端子間電圧を前記セルグループ電圧入力部に供給する電池システム監視装置。 - 請求項9乃至11のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、
前記セルグループ電圧入力部は、前記電源部から入力される前記セルグループの端子間電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路で分圧された前記端子間電圧を保持するサンプルホールド回路とを備える電池システム監視装置。 - 請求項1乃至8のいずれか1項または請求項12に記載の電池システム監視装置において、
直列に接続されたN個(N≧1)の前記セルグループと、
前記N個のセルグループを制御するM個(M≧1)の前記第1の制御装置と、
前記M個の前記第1の制御装置の上位制御装置である第2の制御装置とを備え、
前記M個の前記第1の制御装置のうち最上位の第1の制御装置と、前記第2の制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御装置のうち最下位の第1の制御装置と、前記第2の制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御装置は互いに通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御装置は、前記第2の制御装置からの制御信号および制御データによって制御される電池システム監視装置。 - 請求項13に記載の電池システム監視装置において、
前記第2の制御装置は、前記M個の前記第1の制御装置が略同時に前記N個のセルグループの端子間電圧を測定する電圧測定命令信号を前記M個の前記第1の制御装置に送信し、前記M個の前記第1の制御装置から前記第2の制御装置に送信される、各々の前記第1の制御装置が測定したセルグループの端子間電圧を分圧した電圧から、前記電池システムの総電圧を算出する電池システム監視装置。 - 請求項13または14に記載の電池システム監視装置において、
第1の制御装置は、セルグループ電圧入力部は、電源部から入力されるセルグループの端子間電圧のノイズを除去するRCフィルタ回路を更に備え、セルグループ電圧入力部のRCフィルタ回路のコンデンサを前記第1の制御装置の外部で接続するためのフィルタ接続端子を更に備え、RCフィルタ回路のコンデンサは、フィルタ接続端子を介して前記第1の制御装置の外部に設置されることが好ましい。 - 請求項15に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の制御装置は、前記セルグループ電圧入力部の前記分圧回路の分圧抵抗を前記第1の制御装置の外部で接続するための分圧抵抗接続端子を更に備え、
前記分圧回路の分圧抵抗は、前記分圧抵抗接続端子を介して前記第1の制御装置の外部に設置される電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング放電回路のバランシングスイッチに並列に接続された第2のコンデンサを備える電池システム監視装置。 - 請求項17に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の抵抗と前記第1のコンデンサからなるRCフィルターの時定数は、前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサからなるRCフィルターの時定数より大きい電池システム監視装置。 - 複数の単電池セルを直列接続したセルグループを制御する電池システム監視装置であって、
前記単電池セルの端子間電圧を測定する第1の制御部と
前記単電池セルのバランシング放電を行う第2の制御部と、
前記単電池セルの端子間電圧を測定するための、前記単電池セルの正極および負極のそれぞれと前記第1の制御部とを接続する複数の電圧検出線とを備え、
前記電圧検出線には第1の抵抗が設けられるとともに、第1のコンデンサが、前記電圧検出線に設けられた前記第1の抵抗と前記第1の制御部の当該電圧検出線の接続端子との間で、2つの隣り合う電圧検出線の間に接続され、
前記第2の制御部には、前記第1の抵抗より前記単電池セル側で、各々の前記電圧検出線から分岐したバランシング線が接続され、
前記バランシング線には第2の抵抗が設けられるとともに、第2のコンデンサが、前記バランシング線に設けられた前記第2の抵抗と前記第2の制御部の当該バランシング線の接続端子との間で、2つの隣り合うバランシング線の間に接続され、
前記第2の制御装置は、前記単電池セルの正極に接続されたバランシング線と負極に接続されたバランシング線の間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを前記単電池セル毎に備える電池システム監視装置。 - 請求項19に記載の電池システム監視装置において、
直列に接続されたN個(N≧1)の前記セルグループと、
前記N個のセルグループを制御する、M個(M≧1)の前記第1の制御部と、M個(M≧1)の前記第2の制御部と、
前記M個の前記第1の制御部および前記M個の前記第2の制御部の上位制御装置とを備え、
前記M個の前記第1の制御部のうち最上位の第1の制御部と、前記上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御部のうち最下位の第1の制御部と、前記上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第2の制御部のうち最上位の第2の制御部と、前記上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第2の制御部のうち最下位の第2の制御部と、前記上位制御装置とは絶縁素子を介した通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御部は互いに第1の通信ラインで接続され、
前記M個の前記第2の制御部は互いに第2の通信ラインで接続され、
前記M個の前記第1の制御部および前記M個の前記第2制御部は、前記上位制御装置からの制御信号および制御データによって制御される電池システム監視装置。 - 請求項18または19に記載の電池システム監視装置において、
前記第1の抵抗と前記第1のコンデンサからなるRCフィルターの時定数は、前記第2の抵抗と前記第2のコンデンサからなるRCフィルターの時定数より大きい電池システム監視装置。
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