WO2013140605A1 - 蓄電池制御装置および蓄電装置 - Google Patents
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Definitions
- the motor generator 7 is mechanically connected to the axle 3 of the drive wheel 2 via a driving force switching device 8, a transmission 5, and a differential gear 4.
- the transmission 5 changes the rotational power output from the motor generator 7 and transmits it to the differential gear 4.
- the differential gear 4 transmits the rotational power output from the transmission 5 to the left and right axles 3.
- the driving force switching device 8 is switched by a host control device (not shown) such as engine control or traveling control, and is accelerated by engine control, engine starting by the motor generator 7 from idle stop, and regenerative brake coordination in brake control. It is made to operate as an electric motor or a generator by switching.
- the storage battery control device 100 mainly performs measurement of each cell voltage, measurement of total voltage, measurement of current, cell temperature, and cell capacity adjustment. Therefore, a plurality of storage battery control ICs (integrated circuits) are provided as cell controller ICs.
- the plurality of battery cells provided in each of the battery module blocks 20A and 20B are divided into a plurality of cell groups, and one cell controller IC that controls the battery cells included in each cell group is provided for each cell group. Is provided.
- the cell group, the battery module block, and the battery module are composed of a plurality of secondary battery cells, and these are collectively referred to as an assembled battery. For simplicity, it is assumed in the following description that each cell group is composed of four battery cells. As shown in FIG.
- the terminal voltages of the battery cells BC1 to BC4 inputted to the voltage input terminals CV1 to CV4 and the GND terminal are biased with a potential based on the terminal voltage of the battery cell connected in series with the GND potential of the cell controller IC1. .
- the effect of the bias potential is removed by the differential amplifier 262, and an analog value based on the terminal voltage of each of the battery cells BC1 to BC4 is input to the analog-digital converter 122A.
- the switch 233 of the circuit 138 is switched based on the control signal of the control terminal CT.
- the communication system 604 has the same configuration.
- the communication systems 602 and 604 are provided between the cell controller IC1 and the cell controller IC2.
- a communication command from the microcomputer 30 is input to the communication system 602 through the photocoupler PH, and is received by the reception terminal LIN1 of the cell controller IC1 through the communication system 602.
- Data and commands corresponding to the communication commands are transmitted from the transmission terminal LIN2 of the cell controller IC1.
- reception and transmission are performed in sequence between the cell controller ICs, and the transmission signal is transmitted from the transmission terminal LIN2 of the cell controller IC2 and received at the reception terminal of the microcomputer 30 via the photocoupler PH.
- the cell controllers IC1 to IC4 are integrated circuits having a function of measuring battery voltage. Each of these cell controller ICs incorporates a power supply terminal indicated by VCC and GND, a GND terminal, ESD (electrostatic discharge) protection diodes such as D1 and D2, and the like.
- the 1-bit communication system 604 is a communication path that transmits an abnormal signal when cell overcharge is detected.
- C1 to C4 are for noise suppression described above, and are bypass capacitors for voltage stabilization of each cell controller IC.
- EP1 to EP3 are electronic components (current limiting elements) provided on the communication path 604 between the cell controller ICs, such as resistors and capacitors for limiting the current. If this current limiting element has a configuration in which not only a resistor but also a capacitor is connected in parallel, a current limiting element having a desired time constant can be obtained as necessary.
- one cell group is composed of 12 lithium ion secondary battery cells, and the terminal voltage thereof is a cell group 2 composed of 4 secondary battery cells as shown in FIGS. It's bigger than that.
- the ESD diode associated with the charging current I1 due to the live connection when the connector of the cell group 20A1 and the cell controller IC1 is connected is used. Protection measures need to be taken.
Abstract
Description
また、1つのセルグループに含まれる二次電池の個数が増加しているため、1つのセルグループだけで端子電圧が高電圧となり、活線接続時にセルコントローラICに過剰な充電電流が流れるという問題が発生する。したがって、コネクタのみによる対策ではコストアップが避けられず、コネクタ以外での対策が必要となっている。
(2)本発明の第2の態様によると、第1の態様の蓄電池制御装置において、集積回路は組電池を所定数の二次電池ごとに制御する複数の集積回路を備え、第1の電流制限素子は、前記複数の集積回路の前記経路のすべて、または、前記複数の集積回路の前記経路のうち、組電池と蓄電制御装置の接続の際に許容電流以上の突入電流が流れる経路に設けられた複数の第1の電流制限素子を備え、第1のスイッチは、前記複数の集積回路ごとに設けられた複数の第1のスイッチ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1または第2の態様の蓄電池制御装置において、第1のスイッチは、集積回路が起動した後、遅延して閉成され、第1の電流制限素子を短絡することが好ましい。
(4)本発明の第4の態様によると、第1乃至第3のいずれか1つの態様の蓄電池制御装置において、第1のスイッチは、集積回路が起動した後、集積回路の内部電源により閉成され、第1の電流制限素子を短絡することが好ましい。
(5)本発明の第5の態様によると、第2の態様の蓄電池制御装置において、連続して設けられた2つの集積回路間で各種信号を通信する通信経路と、当該通信経路を流れる電流を制限する第2の電流制限素子と、第2の電流制限素子と並列に設けられ、第2の電流制限素子を短絡する第2のスイッチとをさらに備えることが好ましい。
(6)本発明の第6の態様によると、第5の態様の蓄電池制御装置において、第2のスイッチの制御用絶縁素子をさらに備え、第2のスイッチは、集積回路の上位コントローラからの信号により第2のスイッチの制御用絶縁素子を介して閉成され、第2の電流制限素子を短絡することが好ましい。
(7)本発明の第7の態様によると、第1または第2または第5の態様の蓄電池制御装置において、集積回路とは別に設けられた、短絡スイッチ駆動用電源をさらに備え、第1のスイッチは、集積回路の起動した後に、この短絡スイッチ駆動用電源の出力により閉成され、第1の電流制限素子を短絡することが好ましい。
(8)本発明の第8の態様によると、第5の態様の蓄電池制御装置において、集積回路とは別に設けられた、短絡スイッチ駆動用電源をさらに備え、第2のスイッチは、集積回路の起動した後に、この短絡スイッチ駆動用電源の出力により閉成され、第2の電流制限素子を短絡することが好ましい。
(9)本発明の第9の態様によると、第2の態様の蓄電池制御装置において、複数の集積回路のうち、少なくとも最高電位の所定数の二次電池を制御する集積回路の正極側外部端子と負極側外部端子とを接続する経路に関して、第1の電流制限素子と第1のスイッチとを備えることが好ましい。
(10)本発明の第10の態様によると、蓄電装置であって、第1乃至第9のいずれか1つの態様の蓄電池制御装置と、前記組電池とを備える。
まず、図1を用いて、ハイブリッド自動車用駆動システムについて説明する。図1に示すハイブリッド自動車1の駆動システムは、駆動輪2に機械的に接続された車軸3がデファレンシャルギア4と接続され、デファレンシャルギア4の入力軸が変速機5と接続されている。駆動力切替装置8を介して、内燃機関であるエンジン6と電動発電機7の駆動力が変速機5の入力となっている。
次に図2を参照して、本発明による蓄電池制御装置を含む蓄電装置11を備えた、電気自動車およびハイブリッド型自動車に適用可能な、モータの駆動装置について説明する。
図2は車両用回転電機の駆動システムを示すブロック図である。図2に示す駆動システムは、電池モジュール20、電池モジュール20を監視する蓄電池制御装置100、電池モジュール20からの直流電力を3相交流電力に変換するインバータ装置220、車両駆動用の電動発電機7を備えている。電動発電機7は、インバータ装置220からの3相交流電力により駆動される。インバータ装置220と蓄電池制御装置100とはCAN通信で結ばれており、インバータ装置220は蓄電池制御装置100に対して上位コントローラとして機能する。また、インバータ装置220は、さらに上位の制御装置10(図1参照)からの指令情報に基づいて動作する。
簡単のため、以下の説明では各セルグループは4個の電池セルで構成されているとする。図4に示すように、各電池モジュールブロック20A、20B、は各々2つのセルグループ20A1、20A2と20B1、20B2で構成されるとする。したがって、4つのセルコントローラIC1~IC4を備えている。
しかしながら、各セルグループに含まれる電池セルは4個に限定するものでなく、5個あるいはこれ以上であってよく、また例えば4個のセルグループと6個のセルグループが組み合わされていてもよい。各セルグループに対応して設けられるセルコントローラICは、これらのセルグループに含まれる電池セルの数が4個であっても、また5個以上であっても使用できるように設計したものを使用することができる。
また電気自動車やハイブリッド自動車で必要とされる電圧および電流を得るために、上記のように各電池モジュールブロックはセルグループを複数個直列または直並列に接続してもよく、更に複数の電池モジュールブロックを直列または直並列に接続してよい。
次に図3および図2を参照して、本発明による蓄電池制御装置に用いられるセルコントローラICの回路の概略について説明する。
次に図4を参照して、組電池(セルグループ)と蓄電池制御装置の接続構造における問題について説明する。この図では図2の電池モジュール20とセルコントローラIC1~IC4の部分のみを示している。なお、上記のESD対策において、従来の接続構造での活線接続時の問題および本発明の接続構造を説明するために、セルコントローラICの回路はこの説明に関係する部分のみ示してある。
なお、これ以降の説明で、電池モジュールと蓄電池制御装置とを接続するコネクタは電池モジュール側コネクタと、これに嵌合する蓄電池制御装置側コネクタから構成されている。また、簡単のため、図4以降では通信経路に設けられたフォトカプラ(PH)を省略している。
なお、電池モジュール20をコネクタCN1あるいはCN2を介して蓄電池制御装置100に接続する場合や、蓄電装置11のメンテナンスを行う場合などでは、安全のためこのスイッチSD-SWが引き抜かれて電池モジュールブロック20Aと20Bの接続が遮断される。
なお、電池モジュールブロック20Aと20BをそれぞれのセルコントローラICと接続する作業は、電池モジュールブロック20Aと20Bと同等であるので、以下では代表して電池モジュールブロック20Aを例に説明する。スイッチSD-SWは、電池モジュールブロック20Aと20BがそれぞれセルコントローラICと接続された後で接続されるので、一方の電池モジュールブロックでの活線接続時の突入電流による問題について説明する。
なお、図5~7では、電池モジュールブロック20B側は一部の符号を省略して記載している。
なお、先に説明した図3ではこのバイパスコンデンサC1は省略している。
図4では、電圧検出線SL5、SL6とSL15、SL16をそれぞれ蓄電池制御装置100へ接続している構成としているが、電圧検出線SL5とSL6は蓄電池制御装置100内で接続されているためどちらか一方を未接続とする場合がある。同様に、電圧検出線SL15又はSL16の一方を未接続とする場合がある。
本発明では上記の問題を解決するために、制御装置内の第1のセルコントローラIC1内のESDダイオードに過電流が流れる可能性のある電流経路に、電流制限素子を挿入すると共に、動作時に電流制限素子を短絡する回路を付加し、活線接続時の部品保護と起動後の正常動作を行う。電流経路はシミュレーションや計算、ESDダイオードの向きによって特定する。図4に示すように、活線接続時の充電電流は各セルコントローラICのVCC側にほぼ全て流れるようにESDダイオードが(D1、D2)が設けられており、さらにセルコントローラIC1、IC2の外側でバイパスコンデンサC1、C2を経由してセルコントローラIC2のGND側に流れるように構成されている。したがって、この充電電流の経路に電流制限素子及び電流制限素子を短絡する回路を付加するようにした。
また本発明では、最初に説明した、活線接続の順序を規定するような特殊なコネクタを使用せず、一般的なコネクタを用いて実現することができる。以下に、実施形態の詳細について説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態を示す例である。以下、図4と同一部品には同一番号を付し説明を省略する。
本実施形態では、図4に示す比較例と比較して、上記で説明したセルコントローラIC1内のESDダイオードに過電流が流れる可能性のある電流経路、すなわちセルコントローラIC1のVCC側とIC2のGND側とを接続する回路(充電電流I1が流れる回路)において、セルコントローラIC1とIC2の間に電流制限素子EP4およびこの電流制限素子を短絡するスイッチSW1が接続されている。
前述のように、セルコントローラIC1~4は、隣接セルコントローラまたはフォトカプラPHを介して上位コントローラから送信される信号を起動回路147が受信して起動される。電源VDDはセルコントローラICが起動してから供給されるので、スイッチSW1がオンとなるのは、コネクタCN1やCN4で電池モジュール20と蓄電池制御装置100が接続された後になる。
また、セルグループの二次電池の数が増え、これに対応してコンデンサC1の容量が増えた場合でも、電流制限素子E4の抵抗値を充分に大きい値とし、ESDダイオードに許容値以上の電流が流れないように制限することができる。
また、図5では説明を簡単にするため、各電池モジュールがそれぞれ2つのセルグループで構成されているように示しているが、前述のように、各電池モジュールは2つ以上のセルグループから構成することもできる。このような場合にも、電流制限素子とこの短絡スイッチを1組だけ設ける場合は、最も高電位のセルコントローラICにこれらを設ける。
図6は、本発明の第2の実施形態を示す例である。以下、図4、5と同一部品には同一番号を付し説明を省略する。
本実施形態では、全てのセルコントローラICの各々のバイパスコンデンサに直列に、電流制限素子(EP4、EP6、EP5、EP7)とこの電流制限素子を短絡するスイッチ(SW1、SW3、SW2、SW4)とからなる回路を接続している。それぞれの短絡スイッチは、上記で説明したように、蓄電池制御装置100の通常動作時においては、各セルコントローラICから供給される電源(VDD)によってオンとされ、各電流制限素子はバイパス(短絡)される。
したがって、各セルグループのVCC電圧も増大する傾向にあり、各セルコントローラIC毎にバイパスコンデンサだけでなく、上記の電流制限素子および短絡スイッチを設けることによって、各セルコントローラICのESDダイオードを含む内部回路を保護することができる。
図7は、本発明の第3の実施形態を示す例である。以下、図4~6と同一部品には同一番号を付し説明を省略する。
本実施形態では、通信系604を介して直列に接続された、2つの隣り合うセルコントローラ間に通信系604に設けられた電流制限素子(EP1、EP2、EP3)にも、これを短絡(バイパス)するスイッチ(SW5、SW6、SW7)を並列に設けた構成としたものである。
この通信系604の電流制限素子(EP1、EP2、EP3)もセルコントローラIC間でのESD対策用に設けられているが、上記で説明した突入電流が通信系604を介して流れる可能性もあるので、これによるセルコントローラIC内の回路の保護を図ることができる。
このため、たとえば図2に示すようなフォトカプラ(PH)である絶縁素子を、スイッチSW5~7を制御するためにさらに設け(不図示)、これらのフォトカプラを介して、それぞれのスイッチが上位コントローラから制御されることが好ましい。これらのスイッチSW5~7は、たとえばそれぞれのフォトカプラの出力電圧で制御すればよい。
前述のように、1つのセルグループを構成する二次電池セルの数は近年増加傾向にある。図8は、1つのセルグループがたとえば12個のリチウムイオン二次電池セルを直列接続した構成となっている場合の例である。
図8の構成は、図6あるいは図7で1つのセルグループおよびこれを制御するセルコントローラICを1組だけ抜き出して示したものである。ここでは、たとえば図6あるいは図7での最高電位のセルグループ20A1と、これを制御するセルコントローラIC1に対応するとして共通の参照番号を用いている。ただし、二次電池セル数が12であることに対応して電圧検出線はSL1~SL13となっており、RC-NetやセルコントローラIC1内部のESDダイオード(D1、D2)を含む回路は二次電池セル数に対応して設けられている。なお、セルコントローラIC間の通信系を含む配線は省略してある。
このような場合には、図8のようなセルグループ1つだけでも、上記の説明と同様に、セルグループ20A1とセルコントローラIC1のコネクタ接続時の活線接続による充電電流I1に伴うESDダイオードの保護対策を講じる必要がある。
上記の本発明の構成例では、短絡スイッチSW1~4の駆動用の電源としてセルコントローラIC1のVDDを使用したが、VDDを使用せず、第3および第4実施形態(図7、8)で説明したように、たとえばフォトカプラ(PH)の出力電圧(セルコントローラ側電源)を使用して、電流制限素子を短絡するスイッチを上位コントローラ(マイコン30)から制御しても良い。
また、図9に示すように、電流制限素子EP1~EP7それぞれを短絡するスイッチSW1~7を駆動する電源回路PS1~4を設けてもよい。これらの電源回路PS1~4はそれぞれセルコントローラIC1~4のVCC電源供給を受けてスイッチSW1~7の駆動電源VDD1~4を供給する。したがって、活線接続後、セルコントローラICが起動するまで充分に時間が取れる場合には、バイパスコンデンサの充電電流が0となる時点で、先に短絡スイッチSW1~7をオンとすることもできる。このようにすることで、セルコントローラICが起動したら、これらのセルコントローラIC間での通信が速やかに高品質で行えるようになる。
以上で説明した実施形態はさらに、以下のように変形して実施することもできる。
(1)図5の接続構成では、1つのセルコントローラIC(例えばIC1)が電池セル4個の電圧検出を受け持っている例を示したが、1つのセルコントローラICが電池セル6個や12個を受け持つ例などの場合にも、本発明を適用することが出来る。
(2)電池セルの直列数によっては、1つめのセルコントローラICが電池セル5個、2つめのセルコントローラICが電池セル6個などと各々のセルコントローラICの受け持つ電池セル数が異なる場合があるが、このような構成でも本発明を適用することができる。
(3)セルコントローラIC内のESDダイオードD1等については、一例を示したものであり、セルコントローラICの構成によってはESDダイオードの構成は異なってくる。ここでの重要なポイントは、活線接続時にセルコントローラIC内の素子を経由して流れる過渡電流を、本発明により小さく抑えることが出来ることである。
(4)上記の変形例1で、電流制限素子の短絡スイッチSW1~7は、それぞれフォトカプラの出力電圧で制御されると説明したが、フォトカプラ以外の絶縁素子たとえばトランスを用いたデジタルアイソレータ等を使用し、この出力電圧を用いて短絡スイッチSW1~7を制御してもよい。これらのスイッチの制御は高速である必要はなく、フォトカプラあるいはデジタルアイソレータ以外のものであってもよい。たとえば、高電圧側のセルコントローラと低電圧側のバッテリコントローラの絶縁をコンデンサで行い、セルコントローラ側にこのコンデンサを介して上位コントローラ(バッテリコントローラ)から送信された信号を基に、セルコントローラ側に設けたフリップフロップのような回路を動作させて、このフリップフロップ回路の出力で短絡スイッチSW1~7をそれぞれ制御してもよい。
(6)図5の接続構成では、2つの隣り合うセルコントローラICのうち、高電位側のセルコントローラICに電流制限素子とこの短絡スイッチを設け、また図6の接続構成では、全てのセルコントローラICに電流制限素子を設けたが、この電流制限素子と短絡スイッチは、セルコントローラICの電位に基づいて設けられてよい。すなわち、複数個のセルコントローラICが複数個のセルグループから構成される電池モジュールブロックと接続されている場合、高電位側の複数個のセルコントローラICに電流制限素子と短絡スイッチを設けるようにしてもよい。
(1)電池セルの電圧検出線と電池セルの電圧検出機能を備えた蓄電池制御装置の活線接続において、接続の順番を一切考慮することがないため、組電池の組み立てを容易にする効果がある。
(2)顧客先での蓄電池制御装置のみの交換においても、電池モジュールと蓄電池制御装置の接続手順を一切考慮することなく簡単に蓄電池制御装置の交換ができる効果がある。
(3)活線接続フリーの蓄電池制御装置内の領域RC-Net部ほかの回路部品を小さい容量値や小電力対応の抵抗などで構成でき、RC-Net部を低コストに実現することができるとともに蓄電池制御装置を低コスト化できる効果がある。
これら複数のセルコントローラには必要に応じて、それぞれに保護用のバイパスコンデンサが設けられている。組電池と蓄電池制御装置をコネクタで接続する際には、コネクタ内のピンの接続(活線接続)順序にはバラツキが生じるため、場合によってはセルコントローラに大きな電圧が急激に印加される。
保護用のバイパスコンデンサは、このような電圧に対するセルコントローラの保護を目的として設けられている。バイパスコンデンサの充電電流が大きいと、セルコントローラ内に設けられたESD保護用のダイオード等の内部回路にも大電流が流れる。各二次電池セルの充電状態を調整するために、バランシング放電が適宜行われているが、このバランシング放電を短時間で行うために、バランシング抵抗は小さい抵抗値のものが使用される傾向にあり、このため、上記充電電流も大きくなる可能性がある。
Claims (10)
- 複数の二次電池セルを接続した組電池を制御する蓄電池制御装置であって、
前記組電池の各々の二次電池セルの充放電を監視および制御する少なくとも一つの集積回路、
前記集積回路の正極側外部端子と負極側外部端子を接続する経路に設けられたバイパスコンデンサと、
前記経路に設けられた少なくとも一つの第1の電流制限素子と、
前記第1の電流制限素子と並列に設けられ、前記第1の電流制限素子を短絡する少なくとも一つの第1のスイッチとを備える蓄電池制御装置。 - 請求項1に記載の蓄電池制御装置において、
前記集積回路は、前記組電池を所定数の二次電池ごとに制御する複数の集積回路を備え、
前記第1の電流制限素子は、前記複数の集積回路の前記経路のすべて、または、前記複数の集積回路の前記経路のうち、前記組電池と前記蓄電制御装置の接続の際に許容電流以上の突入電流が流れる経路に設けられた複数の第1の電流制限素子を備え、
前記第1のスイッチは、前記複数の集積回路ごとに設けられた複数の第1のスイッチを備える蓄電池制御装置。 - 請求項1または2に記載の蓄電池制御装置において、
前記第1のスイッチは、前記集積回路が起動した後、遅延して閉成され、前記第1の電流制限素子を短絡する蓄電池制御装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の蓄電池制御装置において、
前記第1のスイッチは、前記集積回路が起動した後、前記集積回路の内部電源により閉成され、前記第1の電流制限素子を短絡する蓄電池制御装置。 - 請求項2に記載の蓄電池制御装置において、
連続して設けられた2つの集積回路間で各種信号を通信する通信経路と、
当該通信経路を流れる電流を制限する第2の電流制限素子と、
前記第2の電流制限素子と並列に設けられ、前記第2の電流制限素子を短絡する第2のスイッチとをさらに備える蓄電池制御装置。 - 請求項5に記載の蓄電池制御装置において、
前記第2のスイッチの制御用絶縁素子をさらに備え、
前記第2のスイッチは、前記集積回路の上位コントローラからの信号により前記第2のスイッチの制御用絶縁素子を介して閉成され、前記第2の電流制限素子を短絡する蓄電池制御装置。 - 請求項1または2または5に記載の蓄電池制御装置において、
前記集積回路とは別に設けられた、短絡スイッチ駆動用電源をさらに備え、
前記第1のスイッチは、前記集積回路の起動した後に、前記短絡スイッチ駆動用電源の出力により閉成され、前記第1の電流制限素子を短絡する蓄電池制御装置。 - 請求項5に記載の蓄電池制御装置において、
前記集積回路とは別に設けられ、短絡スイッチ駆動用電源をさらに備え、
前記第2のスイッチは、前記集積回路の起動した後に、前記短絡スイッチ駆動用電源の出力により閉成され、前記第2の電流制限素子を短絡する蓄電池制御装置。 - 請求項2に記載の蓄電池制御装置において、
前記複数の集積回路のうち、少なくとも最高電位の所定数の二次電池を制御する集積回路の正極側外部端子と負極側外部端子とを接続する経路に関して、前記第1の電流制限素子と前記第1のスイッチとを備える蓄電池制御装置。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の蓄電池制御装置と、
前記組電池とを備える蓄電装置。
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