JP2014134488A - 電池監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冗長性を持たせるための冗長回路を追加することなく、モジュール電圧およびセル電圧の測定精度の健全性を確保できる電池監視装置を提供する。
【解決手段】モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２がバッテリ１のモジュール１０の電圧を測定し、セル電圧測定ＩＣ１０３がモジュール１０のセル１１〜１４それぞれの電圧を測定する。マイコン１０７は、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定したモジュール電圧をセル数で等分した目安値を、セル電圧測定ＩＣ１０３の測定したセル電圧と比較することにより、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２とセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性を診断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ ＥＶ；ＨＥＶ）といった電動車両を動作させる電池を監視する電池監視装置に関するものである。

現在市場に広がりつつあるＥＶおよびＨＥＶには、駆動用電源としてリチウムイオン電池が採用されている。リチウムイオン電池は、セルと呼ばれる４Ｖ前後の電圧を持つ電池で構成されており、セルを８〜１０個集めたものをモジュールと呼ぶ。このモジュールを１０〜２０個直列に接続して合計３００〜４００Ｖの電池を構成し、それをＥＶおよびＨＥＶの駆動用電源として使用している。

リチウムイオン電池は、過充電および過放電、ならびに高温による劣化が問題となる。そのため、リチウムイオン電池の状態を常に監視しておく必要があり、従来は、モジュールごとに電池監視装置を設けてセル電圧と、モジュール電圧と、セル温度とを監視（測定）していた。セル電圧、モジュール電圧およびセル温度の測定結果は、電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；ＳＯＣ）および劣化状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ；ＳＯＨ）を算出するための重要な要素であり、正確な測定値を得る必要がある。

セル電圧およびモジュール電圧を正確に測定するためには、電池監視装置のセル電圧測定インタフェース（以下、Ｉ／Ｆ）およびモジュール電圧測定Ｉ／Ｆがそれぞれ健全であることが必要である。その健全性を確認する手段として、冗長性を持たせるための冗長回路等を実装する方法があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２０３７９０号公報

しかしながら、冗長化を行うことは、普段は全く使用しない部品をあえて実装することになり、コストアップの要因および基板小型化の妨げになるという課題があった。

また、従来は、セル電圧測定Ｉ／Ｆおよびモジュール電圧測定Ｉ／Ｆに異常が発生しているのか、冗長回路に異常が発生しているのか判定できなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冗長性を持たせるための冗長回路を追加することなく、モジュール電圧およびセル電圧の測定精度の健全性を確保できる電池監視装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電池監視装置は、モジュールの電圧を測定するモジュール電圧測定部と、モジュールの有する複数のセルそれぞれの電圧を測定するセル電圧測定部と、モジュール電圧測定部の測定したモジュール電圧とセル電圧測定部の測定したセル電圧を比較して、モジュール電圧測定部およびセル電圧測定部の健全性を診断する診断部とを備えるものである。

この発明によれば、モジュール電圧測定部およびセル電圧測定部の互いの測定結果を用いて互いの健全性を診断するようにしたので、冗長性を持たせるための冗長回路を追加することなく、モジュール電圧およびセル電圧の測定精度の健全性を確保することができる。

この発明の実施の形態１に係る電池監視装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る電池監視装置を適用した電動車両駆動システムのブロック図である。 実施の形態１に係る電池監視装置において、セル電圧測定ＩＣおよびモジュール電圧測定Ｉ／Ｆの健全性診断に用いる判別一覧表である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る電池監視装置１００の構成を示す回路図である。図２は、この電池監視装置１００を適用した電動車両駆動システムのブロック図の一例である。ＥＶおよびＨＥＶなどの電動車両に搭載されたバッテリ１はリチウムイオン電池から構成されており、直列接続された８個のセル１１〜１８ごとにモジュール化され、モジュール１０ごとに電池監視装置１００が接続されている。なお、図１ではセル１１〜１８のうち、セル１１〜１４に関する構成のみ示しており、以下の説明でもセル１１〜１４を例に用いる。

電池監視装置１００は、バッテリ１のモジュール１０から電源供給を受ける高電圧側と、補機バッテリ（図示せず）から電源供給を受ける低電圧側とに分離されており、両エリアはアイソレータ１１０によって電気的に接続されている。

電池監視装置１００の高電圧側において、高電圧側電源回路１０１は、バッテリ１のモジュール１０を電源として例えば５Ｖ電源を生成し、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）基準電圧回路１０４およびマイコン１０７に供給している。モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２は、モジュール電圧測定部を構成し、モジュール１０の電圧を測定する。

セル電圧測定ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１０３は、モジュール１０のセル１１〜１４それぞれの電圧を測定し、測定値をマイコン１０７へ出力する。マイコン基準電圧回路１０４は、セル電圧測定ＩＣ１０３の測定精度を確保するために、マイコン基準電圧を生成する。ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０５は、電池監視装置１００の各種パラメータ、および、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２とセル電圧測定ＩＣ１０３を診断した結果などを記憶する記憶素子である。セル温度測定回路１０６は、温度センサ２０を接続して、セル１１〜１４の温度を測定する。

マイコン１０７は、マイコン基準電圧回路１０４のマイコン基準電圧を使用して、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定したモジュール電圧をＡＤ変換する。また、このマイコン１０７は、セル電圧測定ＩＣ１０３の制御、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２およびセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性の診断、ならびにＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を経由した電池管理装置２との通信などを行う。ウォッチドッグ回路１０８は、マイコン１０７の暴走時に、このマイコン１０７をリセットする。振動子１０９は、マイコン１０７のクロックを生成する。

セル電圧測定ＩＣ１０３は、モジュール１０から電源供給を受けて動作する。セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａは、セル電圧測定部を構成し、モジュール１０を構成するセル１１〜１４それぞれの電圧を測定する。また、このセル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａは、セル１１〜１４に並列に接続された放電回路３１〜３４を制御する。ＩＣ基準電圧回路１０３ｂは、マイコン基準電圧回路１０４のマイコン基準電圧と同じ電圧のＩＣ基準電圧を生成する。ＳＰＩ（Ｓｉｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）通信Ｉ／Ｆ１０３ｃはＳＰＩ通信によりマイコン１０７と通信する。セル電圧測定ＩＣ１０３は、ＩＣ基準電圧回路１０３ｂのＩＣ基準電圧を使用して、セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａの測定したセル１１〜１４のセル電圧をＡＤ変換し、測定値をＳＰＩ通信Ｉ／Ｆ１０３ｃからマイコン１０７へ出力する。

モジュール１０において、セル１１〜１４間のセル電圧のばらつきを解消するために、セル１１〜１４と並列に放電回路３１〜３４が設けられている。各放電回路３１〜３４は、直列に接続されたスイッチング素子と抵抗とから構成されている。
セル１１〜１４は、製造時のばらつき、自己放電のばらつき、および経年変化の影響により、充電量が一律とは限らず、セルによって個体差が生じる。そのため、セル１１〜１４のセル電圧にばらつきが発生したときに、セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａがスイッチング素子を操作することにより、放電回路３１〜３４を選択的に動作させてセル電圧の高いセルを放電させ、セル１１〜１４の充電量を最も少ないセルに合わせる。放電回路３１〜３４を用いたセル電圧均等化の方法は公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

他方、電池監視装置１００の低電圧側において、低電圧側電源回路１１１は、補機バッテリ（図示せず）を電源として例えば５Ｖ電源を生成し、ＣＡＮ通信Ｉ／Ｆ１１２に供給している。ＣＡＮ通信Ｉ／Ｆ１１２は、ＣＡＮを経由して電池管理装置２およびその他の電池監視装置１００と通信を行う。自動付番回路１１３は、ＣＡＮに接続された複数の電池監視装置１００のうち、自機の接続順序を検出して、ＥＥＰＲＯＭ１０５に設定する。

次に、電池監視装置１００の基本的な動作を説明する。
マイコン１０７が、セル電圧測定ＩＣ１０３の測定したセル１１〜１４の各セル電圧、および、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定したモジュール１０のモジュール電圧を取得する。また、セル温度測定回路１０６が温度センサ２０を使用して、マイコン１０７に指定されたセル温度を測定し、測定結果をマイコン１０７へ出力する。

マイコン１０７は、セル電圧、モジュール電圧およびセル温度の測定結果を、自動付番回路１１３で設定した電池監視装置１００の固有番号と共に、アイソレータ１１０を介してＣＡＮ通信Ｉ／Ｆ１１２から電池管理装置２へ出力する。電池管理装置２は、これらの測定結果を元にバッテリ１のモジュール１０の状態を確認し、その確認結果を、必要に応じて、ＣＡＮを経由して車両制御装置３へ出力する。

この電池管理装置２は、バッテリ１の管理を行う所謂ＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）であり、例えば、電池監視装置１００から通知されるセル電圧の測定結果に基づいてバッテリ１の残容量を判定する。また、電池管理装置２は、電池監視装置１００から通知されるモジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２およびセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性の診断結果の情報を車両制御装置３へ出力したり、車両制御装置３から通知を受けて電池監視装置１００の動作を制御したりする。

車両制御装置３は、電動車両全体を統合制御する所謂ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、車両駆動用モータ４を始め、不図示の充電用コネクタ、イグニッションスイッチ、表示器などとＣＡＮを経由して接続している。車両制御装置３は、例えば、イグニッションスイッチのオンオフを検出してバッテリ１から車両各部への電力供給を制御したり、電池管理装置２から通知されるバッテリ１の残容量および健全性の診断結果の情報などを表示器に表示させたり、充電用コネクタへの充電ガンの接続を検出して充電可能状態に移行したことを電池管理装置２へ通知したりする。

次に、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２およびセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性の診断方法を説明する。
マイコン１０７は、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２が測定したモジュール１０のモジュール電圧ａを、このモジュール１０に含まれるセル数ｎ（図１の例ではｎ＝４）で等分し、これをセル１個あたりの電圧の目安値ａ／ｎに設定する。この目安値は、セル１１〜１４のセル電圧にばらつきが無いときの理想値である。

次に、マイコン１０７は、セル電圧測定ＩＣ１０３が測定したセル１１のセル電圧ｂから目安値ａ／ｎを減算し、セル１１の差分値（ｂ−ａ／ｎ）を求める。同様に、セル１２のセル電圧ｃの差分値（ｃ−ａ／ｎ）、セル１３のセル電圧ｄの差分値（ｄ−ａ／ｎ）、セル１４のセル電圧ｅの差分値（ｅ−ａ／ｎ）も求める。
そして、マイコン１０７が求めた差分値を図３に示す判別一覧表に当てはめて、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２およびセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性を確認する。

以下、図３の判別一覧表を参照しながら、健全性の診断方法を説明する。
（１）セル電圧測定ＩＣ１０３の固着異常の判別
バッテリ１の使用時または放電回路３１〜３４の動作時、モジュール１０のセル１１〜１４からの放電に応じて目安値は低下していくが、そのとき、セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａに固着異常（天絡、地絡など）が生じていると、セル電圧の測定値は変化しないため、時間の経過と共に、セル電圧の測定値と目安値との差分値の絶対値が大きくなっていく。一方、固着異常が生じていなければ、差分値はほとんど変化しない。
従って、マイコン１０７は、差分値（ｂ−ａ／ｎ）、（ｃ−ａ／ｎ）、（ｄ−ａ／ｎ）、（ｅ−ａ／ｎ）の放電に伴う経時変化に基づいて、セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａの固着異常を判別できる。

（２）セル電圧測定ＩＣ１０３の測定値異常の判別
セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａまたはＳＰＩ通信Ｉ／Ｆ１０３ｃの故障などにより、セル電圧測定ＩＣ１０３に測定値異常が生じていると、マイコン１０７で取得したセル電圧の測定値が不正確となり、目安値から大きくずれる。一方、測定値異常が生じていなければ、セル電圧の測定値と目安値はほとんど差がない。
従って、マイコン１０７は、差分値（ｂ−ａ／ｎ）、（ｃ−ａ／ｎ）、（ｄ−ａ／ｎ）、（ｅ−ａ／ｎ）と予め設定された閾値との比較により、セル電圧測定ＩＣ１０３の測定値異常を判別できる。

（３）モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の固着異常の判別
バッテリ１の使用時または放電回路３１〜３４の動作時、モジュール１０のセル１１〜１４からの放電に応じてセル電圧の測定値が低下していくが、そのとき、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２に固着異常が生じていると、モジュール電圧の測定値が変化しないため、目安値も変化しない。従って、時間の経過と共に、セル電圧の測定値と目安値との差分値の絶対値が小さくなっていく。一方、固着異常が生じていなければ、差分値はほとんど変化しない。
従って、マイコン１０７は、差分値（ｂ−ａ／ｎ）、（ｃ−ａ／ｎ）、（ｄ−ａ／ｎ）、（ｅ−ａ／ｎ）の放電に伴う経時変化に基づいて、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の固着異常を判別できる。

（４）モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定値異常の判別
ＩＣ基準電圧回路１０３ｂは、マイコン基準電圧回路１０４のマイコン基準電圧を取り込んで、マイコン１０７に出力しているので、マイコン１０７においてマイコン基準電圧とＩＣ基準電圧を比較した場合、正常時には略一致する。一方、マイコン基準電圧とＩＣ基準電圧とが一致しない場合、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定値をマイコン１０７が正常にＡＤ変換できない状態にあり、モジュール電圧の測定値が異常値になる。
従って、マイコン１０７は、マイコン基準電圧とＩＣ基準電圧との差分を、予め設定された閾値と比較することにより、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定値異常を判別できる。

なお、上述した（１）〜（４）の判別を行うタイミングは任意でよいが、走行中はノイズが重畳しやすいため、誤判別を避ける目的で、走行中以外の放電時（例えば、停車中）に判別を行うことが望ましい。また、セル１１〜１４の各セル電圧が均一になっている状態で判別を行えば、より正確な診断が可能である。また、（１）と（２）の判別は、モジュール１０の全てのセル１１〜１４が放電しているときだけでなく、モジュール１０のいずれかのセルのみが放電回路の動作により放電しているときでもその放電中のセルについて実施可能である。

以上より、実施の形態１によれば、電池監視装置１００は、バッテリ１のモジュール１０の電圧を測定するモジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２と、モジュール１０の有するセル１１〜１４それぞれの電圧を測定するセル電圧測定ＩＣ１０３と、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定したモジュール電圧とセル電圧測定ＩＣ１０３の測定したセル電圧とを比較して、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２およびセル電圧測定ＩＣ１０３の健全性を診断するマイコン１０７とを備えるように構成した。このため、冗長性を持たせるための冗長回路を追加することなく、モジュール電圧およびセル電圧の測定精度の健全性を確保することができる。また、電池監視装置１００に冗長回路を実装しない分コストアップおよび基板小型化が可能となる。

また、実施の形態１によれば、マイコン１０７は、モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２の測定したモジュール１０のモジュール電圧を当該モジュール１０の有するセル数で等分して、セル当たりのセル電圧の目安値を求め、当該目安値とセル電圧測定ＩＣ１０３の測定したセル電圧を比較するように構成した。この目安値は、理論上正しい電圧値と考えられるので、理想と現実の差異が鮮明になり、健全性診断の信頼性を高めることができる。

また、実施の形態１によれば、マイコン１０７は、目安値とセル電圧測定ＩＣ１０３の測定したセル電圧との差分がバッテリ１の放電に伴って変動する場合に、当該差分の変動に基づいてセル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ１０３ａとモジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２のどちらに異常が発生しているかを判別するように構成した。このため、セル電圧測定ＩＣ１０３とモジュール電圧測定Ｉ／Ｆ１０２のどちらに固着異常が発生しているか、容易に判別が可能になる。

なお、上記実施の形態１では、１個のモジュール１０に４個のセル１１〜１４が含まれる場合を例に説明したが、セル数はこれに限定されるものではない。
これ以外にも、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ バッテリ（電池）、２ 電池管理装置、３ 車両制御装置、４ 車両駆動用モータ、１０ モジュール、１１〜１８ セル、２０ 温度センサ、３１〜３４ 放電回路、１００ 電池監視装置、１０１ 高電圧側電源回路、１０２ モジュール電圧測定Ｉ／Ｆ（モジュール電圧測定部）、１０３ セル電圧測定ＩＣ（セル電圧測定部）、１０３ａ セル電圧測定・放電Ｉ／Ｆ、１０３ｂ ＩＣ基準電圧回路、１０３ｃ ＳＰＩ通信Ｉ／Ｆ、１０４ マイコン基準電圧回路、１０５ ＥＥＰＲＯＭ、１０６ セル温度測定回路、１０７ マイコン（診断部）、１０８ ウォッチドッグ回路、１０９ 振動子、１１０ アイソレータ、１１１ 低電圧側電源回路、１１２ ＣＡＮ通信Ｉ／Ｆ、１１３ 自動付番回路。

Claims (3)

1. 直列接続された複数のセルをモジュール化した電池を監視する電池監視装置であって、
   前記モジュールの電圧を測定するモジュール電圧測定部と、
   前記モジュールの有する前記複数のセルそれぞれの電圧を測定するセル電圧測定部と、
   前記モジュール電圧測定部の測定したモジュール電圧と前記セル電圧測定部の測定したセル電圧を比較して、前記モジュール電圧測定部および前記セル電圧測定部の健全性を診断する診断部とを備えることを特徴とする電池監視装置。
2. 前記診断部は、前記モジュール電圧測定部の測定したモジュール電圧を当該モジュールの有するセル数で等分してセル当たりのセル電圧目安値を求め、当該セル電圧目安値と前記セル電圧測定部の測定したセル電圧を比較することを特徴とする請求項１記載の電池監視装置。
3. 前記診断部は、前記セル電圧目安値と前記セル電圧測定部の測定したセル電圧との差分が前記電池の放電に伴って変動する場合に、当該差分の変動に基づいて前記セル電圧測定部と前記モジュール電圧測定部のどちらに異常が発生しているかを判別することを特徴とする請求項２記載の電池監視装置。

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