WO2012050109A1 - 複数組電池の電圧監視装置 - Google Patents

Abstract

　各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）で検出される各単位セルの過充電、過放電を示すフェイル信号を、ディジタル信号、及びアナログ信号の双方でＣＰＵ３２に送信する。そして、ＣＰＵ３２では、アナログのフェイル信号と、ディジタルのフェイル信号が一致する場合に、単位セルに過充電、過放電が発生していると判断する。また、双方のフェイル信号が一致しない場合には、通信線Ｌ１～Ｌ３を経由するデータ通信にエラーが発生しているものと判断して、警報信号等により操作者に通知する。その結果、過充電、過放電を高精度に検出することができる。

Description

複数組電池の電圧監視装置

　本発明は、複数の単位セルを直列接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、各セル電圧が正常であるか否かを判断する電圧監視装置に関する。

　例えば、電気自動車やハイブリッド車両等では、モータの駆動電源として、高電圧バッテリを備えている。このような高電圧バッテリは、例えば、ニッケル・水素電池やリチウム電池などの二次電池（蓄電式電池）の単位セルを複数個、直列に接続することにより高電圧を得ている。

　また、二次電池は、充電時には各単位セルが同一の電力で充電され、放電時には各単位セルが同一の電力で放電されるので、各単位セルの劣化状態が異なる場合には、二次電池は過充電状態、或いは過放電状態になり易くなる。このため、二次電池が過充電状態、或いは過放電状態とならないように、各単位セル毎の充電状態を確認する必要がある。
そこで従来より、複数個（例えば、５５個）の単位セルを、例えば５個のブロックに分割し（即ち、１１個の単位セルで１ブロック）、各ブロックの電圧を各ブロック毎に設けられた電圧検出用ＩＣにより、リアルタイムで電圧を測定し、電圧に異常が発生しているか否かを監視している。

　この際、電圧検出用ＩＣでは、１つのブロックに含まれる各単位セル（例えば、１１個）の電圧を測定し、電圧検出用ＩＣが有するＡ／Ｄ変換器にて、測定したアナログの電圧信号をディジタル信号に変換する。そして、ディジタル化された測定電圧とセル電圧の上限閾値、及び下限閾値とを比較し、測定電圧が上限閾値以上である場合には過充電であると判断し、下限閾値以下である場合には過放電であると判断する。関連する技術はたとえば日本国特許公開公報特開２０１０－３５３３７号に開示されている。その後、この判断の結果をディジタルのフェイル信号として、低電圧側のマイコンに送信することにより、マイコン側でセル電圧の異常を認識することができる。

　しかしながら、関連する電圧監視装置では、電圧検出用ＩＣからマイコンにディジタルのフェイル信号を送信することにより、過充電の発生、及び過放電の発生を通知しているので、ディジタル信号の通信線にて通信エラーが発生した場合には、過充電或いは過放電の発生をマイコン側に正確に伝送することができなくなるという問題が発生していた。

　本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本発明によれば、電圧異常検出手段で検出された過充電、或いは過放電のデータを確実に監視装置側に伝送することが可能な複数組電池の電圧監視装置を提供することができる。

　本発明の技術的側面によれば、複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、各セルの出力電圧の異常を監視する複数組電池の電圧監視装置において、前記複数のセルは複数のブロックに分割され、各ブロック毎に該ブロックに含まれる各セルの電圧異常を検出する電圧異常検出手段が設けられ、前記各電圧異常検出手段は、ブロックに含まれる各セルのセル電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出されたセル電圧と、予め設定した上限閾値、及び下限閾値とを比較して、各セル電圧が過充電、或いは過放電であるか否かを判定する比較手段と、前記比較手段による判定結果を、ディジタル化したディジタル判定信号、及びアナログ化したアナログ判定信号として送信する送信手段と、を備え、更に、前記送信手段より送信されたディジタル判定信号、及びアナログ判定信号に基づいて、前記各電圧異常検出手段が正常に作動しているか否かを判断する監視手段を備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧監視装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧監視装置に設けられる電圧検出用ＩＣの詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧監視装置の、電圧検出用ＩＣより送信されるディジタル信号、及びアナログ信号を示す波形図である。 本発明の一実施形態に係る複数組電池の電圧監視装置の、電圧検出用ＩＣより送信されるアナログ信号の詳細を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電圧監視装置１０、及び複数の単位セルＢＴ１～ＢＴ５５からなる二次電池１３（複数組電池）を示すブロック図、図２は、第１電圧検出用ＩＣ（２１－１）の詳細な構成を示すブロック図である。本実施形態で採用する二次電池１３は、例えば、電気自動車やハイブリッド車両等に用いられるモータを駆動するための高電圧バッテリとして用いられる。

　図１に示すように、本実施形態に係る電圧監視装置１０は、絶縁デバイス４１，４２を介して、高電圧側装置１１と低電圧側装置１２に分離されている。

　高電圧側装置１１は、ｎ個の電圧検出用ＩＣ、即ち、第１電圧検出用ＩＣ（２１－１）～第ｎ電圧検出用ＩＣ（２１－ｎ）を備えている。そして、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）は、複数の単位セルに接続される電圧異常検出部であり、各単位セルの電圧を測定する。

　低電圧側装置１２は、ＣＰＵ３２（監視手段）を備えたマイクロコントローラ等のマイコン３１を有している。ＣＰＵ３２は、高電圧側装置１１の各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～第ｎ電圧検出用ＩＣ（２１－ｎ）で検出される各単位セルの電圧を受信して、各単位セルの電圧を図示省略のディスプレイ等に表示すると共に、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～第ｎ電圧検出用ＩＣ（２１－ｎ）より送信される過充電、過放電データ（フェイル信号）に基づいて、単位セルの電圧が過充電状態、或いは過放電状態となった場合にこれを報知する。

　また、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）は、それぞれ、ＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ変換手段）２６を備えており（図２参照）、基準電源２２より出力されるＡ／Ｄ変換用の電圧Ｖrefを用いて、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）のセル電圧（アナログの電圧信号）をディジタルの電圧信号に変換する。

　また、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）は、それぞれ隣合うものどうしがディジタル通信線Ｌ１，Ｌ２を介して接続され、更に、絶縁デバイス４２を介してマイコン３１に接続されている。従って、マイコン３１より出力されるＴＸ信号（例えば、電圧検出指令信号）は、ディジーチェーン通信により各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）に送信され、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）より出力されるＲＸ信号（例えば、過充電、過放電を示すフェイル信号）は、ディジーチェーン通信によりマイコン３１に送信される。

　更に、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）は、それぞれ隣合うものどうしがアナログ通信線Ｌ３を介して接続され、更に、絶縁デバイス４１を介してマイコン３１のＣＰＵ３２に接続されている。

　図２を参照して各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）の詳細な構成について説明する。なお、ここでは第１電圧検出用ＩＣ（２１－１）を例に挙げて説明する。

　図２に示すように、第１電圧検出用ＩＣ（２１－１）は、複数の単位セルＢＴ１～ＢＴ１１（ここでは、一例として１１個としている）と接続され、これらの出力電力を検出し、且つ検出した各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の電圧信号を１系統の時系列的な信号に変換するマルチプレクサ５１と、マルチプレクサ５１より出力される電圧信号（アナログ信号）をディジタル化するＡＤコンバータ５２と、該ＡＤコンバータ５２でディジタル化された電圧信号を記憶するセル電圧記憶部５３を有している。

　また、セル電圧の過充電を判定するための上限閾値、及び過放電を判定するための下限閾値を記憶する閾値記憶部５５と、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１のセル電圧と、閾値記憶部５５に記憶されている上限閾値、及び下限閾値を比較する比較器５４（比較手段）と、比較器５４による判定結果を記憶する判定結果レジスタ５６と、ＤＡコンバータ５７、及びディジタル通信回路５８を備えている。

　判定結果レジスタ５６は、ある単位セルのセル電圧が上限閾値以上となった場合には、この単位セルを過充電状態であると判定し、セル電圧が下限閾値以下となった場合には、この単位セルを過放電状態であると判定して、この判定結果を記憶する。

　ＤＡコンバータ５７は、判定結果レジスタ５６に記憶されている判定結果のデータ（ディジタル信号）をアナログ信号に変換し、図１に示すアナログ通信線Ｌ３、及び絶縁デバイス４１を経由してマイコン３１のＣＰＵ３２に送信する。この際、ＤＡコンバータ５７は、通信の周期をｘ［ｍｓ］とした場合に、図３（ｂ）に示すように、この周期ｘを時間Ｔ１、Ｔ２に分割し、各時間Ｔ１，Ｔ２における出力レベルの「Ｈｉ」、「Ｌｏ」の組み合わせにより、過充電、及び過放電を示す信号（フェイル信号）を生成する。

　本実施形態では、図４に示すように、時間Ｔ１，Ｔ２が共にＨｉである場合には、異常無しとし、時間Ｔ１がＬｏ、時間Ｔ２がＨｉである場合には、過充電が発生していることを示し、時間Ｔ１がＨｉ、時間Ｔ２がＬｏである場合には、過放電が発生していることを示し、時間Ｔ１，Ｔ２が共にＬｏである場合には、過充電及び過放電の双方が発生していることを示す。なお、フェイル信号を決める手法は、図４に示す例に限定されるものではない。

　ディジタル通信回路５８は、所定のディジタル通信方式を用い、通信周期ｘ［ｍｓ］でセル電圧記憶部５３に記憶されている電圧データ、及び判定結果レジスタ５６に記憶されている判定結果のデータを送信する。その結果、例えば、図３（ａ）に示すように、「１」、「０」で変化するディジタル信号が図１に示すディジタル通信線Ｌ２、及び絶縁デバイス４２を経由してマイコン３１のＣＰＵ３２に送信される。また、図３（ａ）に示すデータ列のうち、例えば、「ｄ１」に示すデータが、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の過充電、過放電を示す信号（フェイル信号）とされている。

　上述のように構成された本実施形態に係る電圧監視装置の動作について説明する。初めに、ＣＰＵ３２は、予め設定したｘ［ｍｓ］の周期で、絶縁デバイス４２及びディジタル通信線Ｌ１を介して、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）に電圧検出指令信号を送信する。

　各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）は、電圧検出指令信号を受信すると、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の電圧をＡＤコンバータ５２でディジタル化し、ディジタル化した電圧信号をセル電圧記憶部５３に記憶する。その後、比較器５４において、セル電圧記憶部５３に記憶されてる各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の電圧信号と、閾値記憶部５５に記憶されている上限閾値、及び下限閾値と比較し、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の電圧が過充電であるか（上限閾値以上であるか）、或いは過放電であるか（下限閾値以下であるか）を判定する。

　そして、この判定結果は、判定結果レジスタ５６に一旦記憶され、その後、ＤＡコンバータ５７、及びディジタル通信回路５８に出力される。

　ＤＡコンバータは、判定結果レジスタ５６にて判定された各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の過充電状態、或いは過放電状態のデータに基づいて、図３（ｂ）に示す如くの「Ｈｉ」、「Ｌｏ」の２つのレベルを有するフェイル信号を生成する。例えば、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１の全てが正常な電圧である場合には、時間Ｔ１，Ｔ２共に「Ｈｉ」とし、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１のうち、少なくとも１つが過充電であり、過放電の単位セルが存在しない場合には時間Ｔ１を「Ｌｏ」、時間Ｔ２を「Ｈｉ」とし、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１のうち、少なくとも１つが過放電であり、過充電の単位セルが存在しない場合には時間Ｔ１を「Ｈｉ」、時間Ｔ２を「Ｌｏ」とし、各単位セルＢＴ１～ＢＴ１１のうち、少なくとも１つが過充電であり、少なくとも１つが過放電である場合には、時間Ｔ１，Ｔ２共に「Ｌｏ」とする。

　そして、このフェイル信号をアナログ通信線Ｌ３、及び絶縁デバイス４１を経由してＣＰＵ３２に送信する。

　他方、ディジタル通信回路５８は、所定のディジタル通信方式により、セル電圧記憶部５３に記憶されている電圧信号、及び判定結果レジスタ５６に記憶されているフェイル信号を、ディジタル通信線Ｌ２、及び絶縁デバイス４１を経由してＣＰＵ３２に送信する。

　そして、ＣＰＵ３２は、アナログ通信線Ｌ３を介して送信されるアナログのフェイル信号と、ディジタル通信線Ｌ２を介して送信されるディジタルのフェイル信号を受信し、これらの双方のフェイル信号に基づいて、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）に接続された単位セルに過充電、或いは過放電が発生しているか否かを判定する。この判定処理では、アナログのフェイル信号とディジタルのフェイル信号の双方が一致している場合に過充電、過放電を判定する。また、双方のフェイル信号が一致しない場合には、通信エラーが発生しているものと見なして、警報信号等により操作者に通知する。従って、通信線Ｌ１～Ｌ３に異常が発生した場合であっても、確実に各単位セルの過充電、過放電を検出することができる。

　このようにして、本実施形態に係る電圧監視装置１０では、各電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ）で検出される各単位セルの過充電、過放電を示すフェイル信号を、ディジタル信号、及びアナログ信号の双方でＣＰＵ３２に送信する。そして、ＣＰＵ３２では、アナログのフェイル信号と、ディジタルのフェイル信号が一致する場合に、単位セルに過充電、過放電が発生していると判断する。また、双方のフェイル信号が一致しない場合には、通信線Ｌ１～Ｌ３を経由するデータ通信にエラーが発生しているものと判断して、警報信号等により操作者に通知する。

　従って、単位セルに過充電、或いは過放電が発生していることを確実に認識することができ、過充電、過放電の検出精度を著しく向上させることができる。更に、通信線Ｌ１～Ｌ３での通信にエラーが発生していることを即時に操作者に報知することができる。

　また、本実施形態では、通常用いられるディジタル信号による通信に加えて、アナログ信号によるフェイル信号を用いており、ディジタル信号自体を冗長化する構成ではないので、回路規模を小型化することができ、且つコストアップを抑えることができる。

　以上、本発明の複数組電池の電圧監視装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

　本発明に係る複数組電池の電圧監視装置では、各電圧異常検出手段（例えば、電圧検出用ＩＣ（２１－１）～（２１－ｎ））で検出される各単位セルの過充電、過放電を示すフェイル信号を、ディジタル信号、及びアナログ信号の双方に変換し、アナログのフェイル信号、及びディジタルのフェイル信号の双方を監視手段（例えば、ＣＰＵ３２）に送信する。そして、監視手段では、アナログのフェイル信号と、ディジタルのフェイル信号が一致する場合に、単位セルに過充電、過放電が発生していると判断する。また、双方のフェイル信号が一致しない場合には、電圧異常検出手段と監視手段を接続する通信線（例えば、通信線Ｌ１～Ｌ３）に通信エラーが発生しているものと判断する。

　従って、単位セルに過充電、或いは過放電が発生していることを確実に認識することができ、過充電、過放電の検出精度を著しく向上させることができる。更に、通信線に通史エラーが発生している場合には、これを即時に認識することができる。

　本発明は、複数組電池に設けられる単位セルの過充電、過放電を高精度に検出する上で極めて有用である。

　（米国指定）
　本国際特許出願は米国指定に関し、２０１０年１０月１４日に出願された日本国特許出願第２０１０－２３１２０５号（２０１０年１０月１４日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (4)

1. 　複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する複数組電池の、各セルの出力電圧の異常を監視する複数組電池の電圧監視装置が、
   　前記複数のセルは複数のブロックに分割され、各ブロック毎に該ブロックに含まれる各セルの電圧異常を検出する電圧異常検出部であって、
   　　ブロックに含まれる各セルのセル電圧を検出する電圧検出器と、
   　　前記電圧検出器で検出されたセル電圧と、予め設定した上限閾値、及び下限閾値とを比較して、各セル電圧が過充電、或いは過放電であるか否かを判定する比較器と、
   　　前記比較手段による判定結果を、ディジタル化したディジタル判定信号、及びアナログ化したアナログ判定信号として送信する送信器とを備えるものと、
   　前記送信器より送信されたディジタル判定信号、及びアナログ判定信号に基づいて、前記各電圧異常検出部が正常に作動しているか否かを判断する監視手段と
   を具備することを特徴とする複数組電池の電圧監視装置。
2. 　前記監視手段は、前記ディジタル判定信号に基づく各セルの過充電、過放電の情報と、前記アナログ判定信号に基づく各セルの過充電、過放電の情報との一致、不一致を確認することにより、前記各電圧異常検出手段との間の通信線にて通信エラーが発生しているか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の複数組電池の電圧監視装置。
3. 　前記監視手段は、前記ディジタル判定信号に基づく各セルの過充電、過放電の情報と、前記アナログ判定信号に基づく各セルの過充電、過放電の情報とが不一致である場合に、警報信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の複数組電池の電圧監視装置。
4. 　前記電圧異常検出手段は、高電圧側回路内に設けられ、前記監視手段は、前記高電圧側回路と絶縁インタフェースを介して接続される低電圧側回路内に設けられることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の複数組電池の電圧監視装置。

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