JP2006294339A

JP2006294339A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2006294339A
Application number: JP2005111030A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tsuru; 憲一朗水流; Akihiko Kudo; 彰彦工藤; Masaki Nagaoka; 正樹長岡; Akihiko Emori; 昭彦江守; Shigeyuki Yoshihara; 重之吉原
Original assignee: Hitachi Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: JP5160024B2

Abstract

【課題】電池電圧検出線の接続状態を正確に検査可能な検査手段を備えた電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール２０のマイコン１７は、スイッチ３、６、９、１２、１５をオフ状態とし、単電池１の電圧値Ｖａ１を測定して記憶する。次いで、１つおきにスイッチをオン状態とし、単電池１の電圧値Ｖａ２を測定して記憶する。電圧値Ｖａ１と電圧値Ｖａ２の差が規定値以上かを判断することで、肯定判断のときは電圧検出ラインＬ１もしくはＬ２に異常があり、否定判断のときは両者に異常がないと判断する。他の単電池も電圧値を測定し比較することで異常か正常かを判断でき、すべての判断結果からどの電圧検出ラインが正常または異常かを判断することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は電池モジュールに係り、特に、抵抗がスイッチを介して並列に接続された単電池を複数個接続して構成される組電池の各単電池の電圧値を検出するための電池電圧検出線の接続状態を検査する検査手段を備えた電池モジュールに関する。

例えば、電気自動車等に用いられる電池モジュールは、複数個の単電池を接続して構成される組電池を用いており、走行中の振動も加わるため、信頼性を確保することが重要である。組電池を構成する単電池のうちの何れかが過充電や過放電等によりその機能が低下すると、組電池全体としての機能も低下することになる。このため、電池モジュールは、一般に各単電池の状態を監視するための制御回路を有している。すなわち、制御回路は、電池電圧検出線を介して各単電池の電圧を測定し、測定した電圧によって過充電や過放電等を含む各単電池の状態を監視している。このような電池電圧検出線の接続状態についての検査は、従来、単電池毎の電池電圧を測定し（例えば、特許文献１参照）、単電池の電圧が検出されることで接続状態を検査する方法が一般的であった。

特開２０００−９２７３２号公報

しかしながら、上記従来の電池電圧検出線の接続検査では、組電池が休止状態にあるときに各単電池の開放電圧のみを測定するので、電池電圧検出線が微小断線状態にあると、測定される電池電圧に影響が表れず、電池電圧検出線の接続状態を正常と判断してしまう、という問題がある。このような誤判断を避けるため、本発明者らの一部は、特願２００２−３３８９４０号において、単電池に並列接続された容量調整用抵抗に電流を流したときの電圧値と開放電圧値との電圧差に着目して電池電圧検出線の接続状態に異常があるかを判定する検査回路（検査手段）について出願した。本発明者らは、電池モジュールに具備された電池電圧検出線の接続状態（微小断線状態の有無）の検査回路について更に研究を進め、上記出願の改良発明に到った。

本発明は上記事案に鑑み、電池電圧検出線の接続状態を正確に検査可能な検査手段を備えた電池モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、抵抗がスイッチを介して並列に接続された単電池を複数個接続して構成される組電池の各単電池の電圧値を検出するための電池電圧検出線の接続状態を検査する検査手段を備えた電池モジュールにおいて、検査手段は、スイッチのすべてをオフ状態としたときの各単電池の電圧値と、スイッチを各単電池に対応して１つおきにオン状態としたときの各単電池の電圧値とを測定し、測定した電圧値の比較により電池電圧検出線の接続状態を検査する。組電池を構成する単電池の直列個数が偶数の場合には、検査手段は、１つおきにスイッチをオン状態として各単電池の電圧値を測定する際にオン状態としなかった最上位または最下位の単電池に対応するスイッチのみをオン状態として最上位または最下位の単電池の電圧値を測定するか、もしくはスイッチのすべてをオン状態として組電池または最下位の単電池の電圧値を測定し、スイッチのすべてをオフ状態として測定した最上位または最下位の単電池の電圧値との比較により最上位または最下位の電圧検出線の接続状態を更に検査すればよい。

本発明では、検査手段が、スイッチのすべてをオフ状態として各単電池の電圧値を測定し、スイッチを各単電池に対応して１つおきにオン状態として各単電池の電圧値を測定し、測定した電圧値の比較することにより、電池電圧検出線に微小断線があると、単電池と並列に抵抗を接続し電流を流したときの電圧値が、電池電圧検出線が正常なとき（微小断線がないとき）と比べ異なってくるため、電池電圧検出線の接続状態に異常があることを判定することができる。オフ状態での測定と１つおきにオン状態での測定とはいずれを先に行ってもよい。また、抵抗には各単電池に並列接続される容量調整用抵抗を用いることが好ましい。更に、組電池を構成する単電池の直列個数が多くなっても、単電池の直列数が奇数個の場合には２回、偶数個の場合は３回のスイッチのオンオフ状態での単電池電圧を測定することで、電池電圧検出線の接続状態に異常があることを判定することができる。

本発明によれば、検査手段が、スイッチのすべてをオフ状態として各単電池の電圧値を測定し、スイッチを各単電池に対応して１つおきにオン状態として各単電池の電圧値を測定し、測定した電圧値の比較することにより、電池電圧検出線に微小断線があると、単電池と並列に抵抗を接続し電流を流したときの電圧値が、電池電圧検出線が正常なときと比べ異なってくるため、電池電圧検出線の接続状態に異常があることを判定することができる、という効果を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明が適用可能な車載用電池モジュールの第１の実施の形態について説明する。なお、本実施形態は、組電池を構成する単電池の直列個数が奇数の場合の例である。

図１に示すように、本実施形態の電池モジュール１９は、リチウムイオン二次電池（以下、単電池という。）１、４、７、１０、１３が５個直列に接続された組電池１８を備えている。単電池１、４、７、１０、１３には、直列接続された抵抗２、５、８、１１、１４及びＦＥＴ等で構成されるスイッチ３、６、９、１２、１５が、それぞれ並列に接続されている。なお、抵抗２、５、８、１１、１４は、対応する単電池１、４、７、１０、１３の容量調整用抵抗である。各スイッチは、検出手段の一部としてのマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）１７の出力ポートからの２値信号（Ｈｉレベル信号（以下、Ｈｉと略称する。）、Ｌｏレベル信号（以下、Ｌｏと略称する。））の出力によりオンオフ制御が可能である。

各単電池の電圧は電池電圧検出線としての電圧検出ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６を介して電圧測定回路１６に入力される。電圧測定回路１６は、例えば、マルチプレクサ等で構成することができ、マイコン１７の電池指定ポートからの測定対象単電池の指定に従い、指定された測定対象単電池のアナログ電圧を、電圧検出ラインＬ６を基準に変換してマイコン１７のＡＤ入力ポートへ出力する。

マイコン１７は、演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び種々の設定値等のプログラムデータを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、及び電圧測定回路１６からのアナログ電圧をデジタル電圧に変換するＡ／Ｄコンバータを含んで構成されている。なお、マイコン１７は、上述した各ポートの他に、インターフェース（Ｉ／Ｆ）を介して（複数の）電池モジュール１９を制御する上位システムとの通信を行うための図示を省略したポートを有している。

次に、フローチャートを参照して、本実施形態の電池モジュール１９の動作について説明する。なお、マイコン１７に電源が投入されると、ＲＯＭに格納されたプログラム等がＲＡＭに展開され、電圧検出ラインＬ１〜Ｌ６の接続状態（微小断線の有無）を検査するための検査ルーチンが実行可能な状態となり、上位システムから所定信号を受信すると、マイコン１７のＣＰＵにより、図２に示す検査ルーチンが実行される。

この検査ルーチンでは、まず、出力ポートの出力信号をすべてＬｏとしてスイッチ３、６、９、１２、１５をオフ状態とする（ステップ１０１）。次に、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池１として指定し（ステップ１０２）、電圧測定回路１６を介して単電池１の電圧値Ｖａ１を測定して（Ａ／Ｄコンバータからのデジタル電圧値を取り込んで）記憶（ＲＡＭに格納）する（ステップ１０３）。次いで、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池４として指定し（ステップ１０４）、電圧測定回路１６を介して単電池４の電圧値Ｖｂ１を測定して記憶する（ステップ１０５）。続いて、残りの電池７、１０、１３も同様に電圧値を測定しそれぞれスイッチがオフ状態のときの電圧値Ｖｃ１、Ｖｄ１、Ｖｅ１を測定して記憶する（ステップ１０６〜１１１）。

次に、スイッチ３、６、９、１２、１５を１つおきにオン状態とするために、出力ポートの出力信号をＨｉＬｏＨｉＬｏＨｉとし、スイッチ３、９、１５をオン状態とする（ステップ２０１）。次いで、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池１として指定し（ステップ２０２）、電圧測定回路１６を介して単電池１の電圧値Ｖａ２を測定して記憶する（ステップ２０３）。続いて、残りの電池４、７、１０、１３も同様に電圧値を測定しそれぞれスイッチがオン状態のときの電圧値Ｖｂ２、Ｖｃ２、Ｖｄ２、Ｖｅ２を測定して記憶する（ステップ２０４〜２１１）。

次に、スイッチ３をオフ状態としたときの電圧値Ｖａ１とオン状態としたときの電圧値Ｖａ２とを比較し、両者の差が規定値（例えば、０．８Ｖ）以上か否かを判断する（ステップ３０１）ことにより、肯定判断のときは電圧検出ラインＬ１もしくはＬ２に異常があると判断し、否定判断のときは電圧検出ラインＬ１、Ｌ２ともに正常であると判断する。なお、図２等のフローチャートでは、このような処理が明瞭に分かるように判断結果についても記載した。同様に、電圧値Ｖｂ１と電圧値Ｖｂ２とを比較することで電圧検出ラインＬ２と電圧検出ラインＬ３の異常の有無を、電圧値Ｖｃ１と電圧値Ｖｃ２とを比較することで電圧検出ラインＬ３と電圧検出ラインＬ４の異常の有無を、電圧値Ｖｄ１と電圧値Ｖｄ２とを比較することで電圧検出ラインＬ４と電圧検出ラインＬ５の異常の有無を、電圧値Ｖｅ１と電圧値Ｖｅ２とを比較することで電圧検出ラインＬ５と電圧検出ラインＬ６の異常の有無をそれぞれ判断して（ステップ３０２〜３０５）検査ルーチンを終了する。

従って、マイコン１７のＣＰＵは、すべての判断結果からどの電圧検出ラインが正常または異常かを判断することができ、電圧検出ラインＬ１〜Ｌ６の一つでも異常のあるときには上位システムに報知する（図２では、これらのステップは捨象している。）。上位システムは、例えば、インストールメントパネルにその旨を表示することで、ドライバに電池モジュール１９に異常があることを報知する。この場合に、上位システムは、特定の電圧検出ラインが異常である旨をインストールメントパネルに表示するようにしてもよいし、専用治具に当該電圧検出ラインを報知するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明が適用可能な車載用電池モジュールの第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、組電池を構成する単電池の直列個数が偶数の場合の例である。なお、本実施形態において第１実施形態と同一の回路要素（構成）には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。

図３に示すように、本実施形態の電池モジュール２０は、単電池１、４、７、１０、１３が５個直列に接続された第１実施形態の電池モジュール１９に対し、単電池２１が更に加えられ６個直列に接続された組電池２４を備えている。単電池２１には、直列接続された抵抗２２及びＦＥＴ等で構成されるスイッチ２３が並列に接続されており、スイッチ２３も他のスイッチと同様にマイコン１７の出力ポートからの２値信号の出力によりオンオフ制御が可能である。また、他の単電池と同様に単電池２１の電圧は電圧検出ラインＬ６、Ｌ７を介して電圧測定回路１６に入力され、電圧測定回路１６は、マイコン１７の単電池指定ポートからの測定対象単電池の指定に従い、指定された測定対象単電池のアナログ電圧を、電圧検出ラインＬ７を基準に変換してマイコン１７のＡＤ入力ポートへ出力する。

次に、フローチャートを参照して、本実施形態の電池モジュール２０の動作について説明する。なお、マイコン１７のＣＰＵは、上位システムから所定信号を受信すると、図４に示す検査ルーチンを実行する。

この検査ルーチンでは、まず、出力ポートの出力信号をすべてＬｏとしてスイッチ３、６、９、１２、１５、２３をオフ状態とする（ステップ４０１）。次に、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池１として指定し（ステップ４０２）、電圧測定回路１６を介して単電池１の電圧値Ｖａ１を測定して記憶する（ステップ４０３）。次いで、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池４として指定し（ステップ４０４）、電圧測定回路１６を介して単電池４の電圧値Ｖｂ１を測定して記憶する（ステップ４０５）。続いて、残りの電池７、１０、１３、２１も同様に電圧値を測定しそれぞれスイッチがオフ状態のときの電圧値Ｖｃ１、Ｖｄ１、Ｖｅ１、Ｖｆ１を測定して記憶する（ステップ４０６〜４１３）。

次に、１つおきにスイッチをオン状態とするために、出力ポートの出力信号をＨｉＬｏＨｉＬｏＨｉＬｏとし、スイッチ３、９、１５をオン状態とする（ステップ５０１）。次いで、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池１として指定し（ステップ５０２）、電圧測定回路１６を介して単電池１の電圧値Ｖａ２を測定して記憶する（ステップ５０３）。続いて、残りの電池４、７、１０、１３も同様に電圧値を測定しそれぞれスイッチがオン状態のときの電圧値Ｖｂ２、Ｖｃ２、Ｖｄ２、Ｖｅ２を測定して記憶する（ステップ５０４〜５１１）。更に、１つおきにスイッチをオン状態とするときにオン状態とならなかった最下位の単電池２１に対応するスイッチ２３だけをオン状態とするために出力ポートの信号をＬｏＬｏＬｏＬｏＬｏＨｉとしてスイッチ２３をオン状態とし（ステップ６０１）、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池２１として指定し（ステップ６０２）、電圧測定回路１６を介して単電池２１の電圧値Ｖｆ２を測定して記憶する（ステップ６０３）。

次に、スイッチ３をオフ状態としたときの電圧値Ｖａ１とオン状態としたときの電圧値Ｖａ２の差が規定値以上か否かを判断することで、電圧検出ラインＬ１もしくはＬ２に異常があるか（肯定判断の場合）、電圧検出ラインＬ１、Ｌ２ともに正常であるか（否定判断の場合）を判断する（ステップ７０１）。同様に、電圧値Ｖｂ１と電圧値Ｖｂ２を比較することで電圧検出ラインＬ２と電圧検出ラインＬ３の異常の有無を、電圧値Ｖｃ１と電圧値Ｖｃ２を比較することで電圧検出ラインＬ３と電圧検出ラインＬ４の異常の有無を、電圧値Ｖｄ１と電圧値Ｖｄ２を比較することで電圧検出ラインＬ４と電圧検出ラインＬ５の異常の有無を、電圧値Ｖｅ１と電圧値Ｖｅ２を比較することで電圧検出ラインＬ５と電圧検出ラインＬ６の異常の有無を、電圧値Ｖｆ１と電圧値Ｖｆ２を比較することで電圧検出ラインＬ６と電圧検出ラインＬ７の異常の有無を判断する（ステップ７０２〜７０６）。従って、マイコン１７のＣＰＵは、すべての判断結果からどの電圧検出ラインが正常または異常かを判断することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明が適用可能な車載用電池モジュールの第３の実施の形態について説明する。なお、本実施形態の回路要素は第２実施形態と同じであり、マイコン１７のＣＰＵが実行する検査ルーチンが異なるものである。このため、本実施形態では、回路要素の説明を省略し、異なる動作箇所を中心に説明する。

図５に示すように、本実施形態のマイコン１７のＣＰＵが実行する検査ルーチンは、ステップ４０１〜４１３までは、第２実施形態と同じである。次に、マイコン１７のＣＰＵは、電圧測定回路１６に組電池２４を指定し（ステップ４１４）、電圧測定回路１６を介して組電池２４の電圧値Ｖｇ１を測定して記憶する（ステップ４１５）。次のステップ５０１〜５１１までは、第２実施形態と同じである。次いで、出力ポートの出力信号をすべてＨｉとし、すべてのスイッチをオン状態とする（ステップ８０１）。続いて、電圧測定回路１６に測定対象単電池を単電池２１として指定し（ステップ８０２）、電圧測定回路１６を介して単電池２１の電圧値Ｖｆ２を測定して記憶する（ステップ８０３）。次に、電圧測定回路１６に組電池２４を指定し（ステップ８０４）、電圧測定回路１６を介して組電池２４の電圧値Ｖｇ２を測定して記憶する（ステップ８０５）。続いて、第２実施形態と同様に、電圧検出ラインＬ１〜Ｌ６に異常があるか判断した後（ステップ７０１〜７０５）、電圧値Ｖｆ１と電圧値Ｖｆ２を比較し両者の差が規定値以上か否かを判断することで電圧検出ラインＬ６の異常の有無を（ステップ７０７）、電圧値Ｖｇ１と電圧値Ｖｇ２を比較し両者の差が規定値以上か否かを判断することで電圧検出ラインＬ１と電圧検出ラインＬ７の異常の有無を判断する（ステップ７０８）。従って、マイコン１７のＣＰＵは、すべての判断結果からどの電圧検出ラインが正常または異常かを判断することができる。

以上のように、上記実施形態の電池モジュール１９、２０では、電圧検出ラインが異常な状態、例えば微小断線などがあると単電池と並列に抵抗を接続し電流を流したときの電圧値が、正常なときに比べ異なってくるので、単電池の開放電圧値（スイッチがオフ状態のときに測定した電圧値）との差が予め定められた所定値以上となり、電圧検出ラインの接続状態に異常があることを判定することができ、組電池を構成する単電池の直列個数が多くなっても、単電池の直列数が奇数個の場合は２回、偶数個の場合は３回のスイッチのオンオフ状態での単電池電圧を測定することで、電圧検出ラインの接続状態に異常があることを判定することができる。従って、上記実施形態の電池モジュール１９、２０によれば、電圧検出ラインの接続状態を正確に検査可能となる。

なお、上記実施形態では、マイコン１７がＡ／Ｄコンバータを有する例を示したが、電圧測定回路１６でアナログ電圧値からデジタル電圧値に変換してマイコン１７へ出力する形態を採るようにしてもよい。また、上記実施形態では、組電池（１８、２４）を例示したが、本発明はこれに限らず、奇数個ないし偶数個で構成される単電池群にも適用可能である。従って、本発明の用語「組電池」には単電池群が含まれている。更に、上記実施形態では、５直列ないし６直列の単電池を例示したが、単電池を複数個並列接続した単電池群を複数個直列接続する態様を採るようにしてもよい。

本発明は電池電圧検出線の接続状態を正確に検査可能な検査手段を備えた電池モジュールを提供するため、電池モジュールの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な第１実施形態の電池モジュールのブロック回路図である。第１実施形態の電池モジュールのマイコンのＣＰＵが実行する検査ルーチンのフローチャートである。本発明が適用可能な第２、第３実施形態の電池モジュールのブロック回路図である。第２実施形態の電池モジュールのマイコンのＣＰＵが実行する検査ルーチンのフローチャートである。第３実施形態の電池モジュールのマイコンのＣＰＵが実行する検査ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１、４、７、１０、１３、２１単電池
２、５、８、１１、１４、２２抵抗
３、６、９、１２、１５、２３スイッチ
１６電圧測定回路（検査手段の一部）
１７マイコン（検査手段の一部）
１８、２４組電池
１９、２０電池モジュール
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７電圧検出ライン（電池電圧検出線）

Claims

抵抗がスイッチを介して並列に接続された単電池を複数個接続して構成される組電池の各単電池の電圧値を検出するための電池電圧検出線の接続状態を検査する検査手段を備えた電池モジュールにおいて、前記検査手段は、前記スイッチのすべてをオフ状態としたときの各単電池の電圧値と、前記スイッチを各単電池に対応して１つおきにオン状態としたときの各単電池の電圧値とを測定し、前記測定した電圧値の比較により前記電池電圧検出線の接続状態を検査することを特徴とする電池モジュール。
前記組電池を構成する単電池の直列個数が偶数の場合に、前記検査手段は、前記１つおきにスイッチをオン状態として各単電池の電圧値を測定する際にオン状態としなかった最上位または最下位の単電池に対応するスイッチ、のみをオン状態として前記最上位または最下位の単電池の電圧値を測定し、前記スイッチのすべてをオフ状態として測定した前記最上位または最下位の単電池の電圧値との比較により最上位または最下位の電圧検出線の接続状態を更に検査することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
前記組電池を構成する単電池の直列個数が偶数の場合に、前記検査手段は、前記スイッチのすべてをオフ状態として各単電池の電圧値を測定する際に選択的に前記組電池の電圧値を追加して測定し、更に、前記スイッチのすべてをオン状態として前記組電池又は最下位の単電池の電圧値を測定し、前記スイッチのすべてをオフ状態として測定した前記組電池または最下位の単電池の電圧値との比較により最上位または最下位の電圧検出線の接続状態を検査することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。