JP5355224B2 - 複数組電池の電圧監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数組電池の電圧を監視する電圧監視装置に係り、特に、装置に故障が発生した際に電力の消耗を回避する技術に関する。

例えば、ハイブリッド車両では、モータの駆動電源として、高電圧バッテリを備えている。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接続して高電圧を得ている。

また、二次電池が過放電状態、或いは過充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り、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）、各ブロックの単位セルより出力される電圧を、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、測定した各単位セルの電圧が所定の範囲内であるか否かを判断している。

更に、高電圧バッテリの充放電を繰り返して長期間使用した場合や、高電圧バッテリを長期間放置した場合には、各単位セルの電力の残容量が不均一になることがある。このような場合には、高電圧バッテリの使用容量が減少することになり、高電圧バッテリから十分な電力を得ることができなくなる。そこで、例えば、特開２００３−１８９４９０号公報（特許文献１）に記載されているように、各単位セルの残容量を均一化する試みがなされている。

特許文献１に記載された残容量の均一化方法では、イグニッションがオフのときに各単位セルの出力電圧を検出し、最も出力電圧の低い単位セルと一致するように、その他の単位セルの出力電圧を調整して、全ての各単位セルの残容量を均一化することが示されている。

特開２００３−１８９４９０号公報

上述したように、特許文献１に開示された従来例では、イグニッションがオフとされているときに、各単位セルの残容量を均一化する処理が実行されるので、イグニッションのオフ時に、各単位セルの出力電圧を検出する電圧検出回路、及び出力電圧を調整するための電圧調整回路を作動させる必要がある。これらの回路は、アクティブ電源より電力が供給されて作動する。

ここで、電圧検出回路、或いは電圧調整回路に何らかの異常が発生し、単位セルの出力電圧が検出不能となった場合や、電圧調整回路により残容量の均一化処理ができなくなった場合には、異常が発生している電圧検出回路或いは電圧調整回路に対して、アクティブ電源より電力が継続して供給されることになり、この状態が長時間継続した場合には、高電圧バッテリに異常が発生してしまうという問題が発生する。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、各単位セルの出力電圧を均一化する電圧監視回路に何らかの異常が発生した場合に、アクティブ電源からの電力供給を停止させて、電力の消耗を回避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にある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、複数の単位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、出力電圧を監視する電圧監視装置において、前記複数の単位セルを複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ電圧監視手段が設けられ、前記各電圧監視手段は、通信回線を介して互いに接続され、且つ該通信回線を介して主制御手段に接続され、前記各電圧監視手段は、各単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、各単位セルの電圧が均一となるように調整する電圧調整手段と、単位セルより電力を取得し、前記電圧検出手段、及び前記電圧調整手段を作動する電力を生成するアクティブ電源と、単位セルより電力が供給されて所定の電力を出力する低消費電源と、前記低消費電源より出力される電力で作動し、前記アクティブ電源による電力の供給、停止を切り替える電源切替手段と、を有し、前記主制御手段は、前記各電圧監視手段の故障診断を行う故障診断手段と、前記故障診断の結果が故障である場合に、前記アクティブ電源による電力供給を停止する制御を行う切替制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記各電圧監視手段は、更に、前記アクティブ電源から電力が供給されて作動し、前記電圧検出手段及び電圧調整手段に故障が発生しているか否かを診断する自己診断手段を備え、前記電源切替手段は、前記自己診断手段にて故障の発生が検出された場合には、前記アクティブ電源による電力供給を停止することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記各電圧監視手段は、高電圧側装置に設けられ、前記主制御手段は、高圧側装置とは絶縁インターフェースを介して接続される低電圧側装置に設けられたことを特徴とする。

請求項１の発明では、主制御手段に設けられる故障診断手段により各電圧監視手段に故障が発生しているか否かを判定し、故障が発生していると判定した場合には、アクティブ電源による電力供給を停止させる。従って、電圧監視手段に故障が発生し正常な電圧調整処理を実行できない状態であるときに、アクティブ電源よりの電力が供給され続けることを防止でき、不要な電力の浪費を回避することができ、高電圧バッテリが劣化することを防止できる。また、アクティブ電源が停止している場合であっても、低消費電源より供給される電力により電源切替手段が作動可能な状態とされているので、リセット信号により電圧監視装置がリセットされた場合等に、再度アクティブ電源を起動させて電圧監視手段を通常通りに作動させることができる。

請求項２の発明では、電圧監視手段に設けられる自己診断手段により、該電圧監視手段の電圧検出手段、或いは電圧調整手段に故障が発生しているか否かを判定し、故障が発生している場合には、上記と同様にアクティブ電源による電力供給を停止させる。従って、主制御手段に設けられる故障診断手段、及び電圧監視手段に設けられる自己診断手段のいずれか一方にて故障の発生が検出された場合に、アクティブ電源を停止させるので、より正確に故障の発生を検出することができ、不要な電力の消費を確実に防止することができる。

請求項３の発明では、高電圧装置側に設けられた電圧監視手段に対して、絶縁インターフェースを介して接続される低電圧装置側に主制御手段を設けるので、高電圧装置と低電圧装置を確実に分離することができる。

本発明の一実施形態に係る電圧監視装置、及び二次電池を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電圧監視装置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電圧監視装置の、高電圧系制御部、及び低電圧系制御部による処理動作を示すシーケンス図である。

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）を示すブロック図である。本実施形態で採用する二次電池１３は、例えば、ハイブリッド車両や電気自動車に用いられるモータを駆動するための高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、絶縁インターフェース３２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、５個の電圧監視用ＩＣ、即ち、第１電圧監視用ＩＣ（２１-1）〜第５電圧監視用ＩＣ（２１-5）を備えている。そして、第１電圧監視用ＩＣ（２１-1）は、第１ブロック６１-1として区切られた１１個の単位セルＢＴ１〜ＢＴ１１の出力電圧を測定する。また、第２電圧監視用ＩＣ（２１-2）は、第２ブロック６１-2として区切られた１１個の単位セルＢＴ１２〜ＢＴ２２の出力電圧を測定し、同様に、第３電圧監視用ＩＣ（２１-3）は、第３ブロック６１-3として区切られた１１個の単位セルＢＴ２３〜ＢＴ３３の出力電圧を測定し、第４電圧監視用ＩＣ（２１-4）は、第４ブロック６１-4として区切られた１１個の単位セルＢＴ３４〜ＢＴ４４の出力電圧を測定し、第５電圧監視用ＩＣ（２１-5）は、第５ブロック６５として区切られた１１個の単位セルＢＴ４５〜ＢＴ５５の出力電圧を測定する。

また、各電圧監視用ＩＣ（２１-1）〜（２１-5）はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器（図示省略）を備えており、Ａ／Ｄ変換用の基準電源７１-1〜７１-5より出力される基準電圧を用いて、各ブロック（第１ブロック〜第５ブロック）に設けられる各単位セル毎に測定された電圧信号をディジタルの電圧信号に変換する。

更に、第２〜第５電圧監視用ＩＣ（２１-2）〜（２１-5）は、通信線３１を介して、第１電圧監視用ＩＣ（２１-1）に接続され、該電圧監視用ＩＣ（２１-1）は、絶縁インターフェース３２を介して、低電圧側装置１２側に設けられているメインマイコン（主制御手段）３３に接続されている。即ち、メインマイコン３３と、各電圧監視用ＩＣ（２１-1）〜（２１-5）は、絶縁インターフェース３２を介し、デイジーチェーン通信で接続されている。

図２は、第１電圧監視用ＩＣ２１-1、及びメインマイコン３３の内部構成を示すブロック図であり、図２を参照して第１電圧監視用ＩＣ２１-1、及びメインマイコン３３の詳細な構成について説明する。なお、第２〜第５電圧監視用ＩＣ２１-2〜２１-5は、第１電圧監視用ＩＣ２１-1と同一構成であるので、詳細な説明を省略する。

図２に示すように、第１電圧監視用ＩＣ２１-1は、第１ブロック６１-1の各単位セルより出力される電力から、該第１電圧監視用ＩＣ２１-1全体を作動させるための電力を生成して出力するアクティブ電源２２と、やはり第１ブロック６１-1の各単位セルより出力される電力から、必要最小限の機器を作動させるための電力を生成して出力する低消費電源２３とを有している。

更に、電圧監視用ＩＣ２１-1全体を制御する高電圧系制御部２４と、電圧検出回路２６と、電圧調整回路２７、及び自己診断回路２５を備えている。

電圧検出回路２６は、第１ブロック６１-1の各単位セルの出力電圧を検出し、基準電源より供給されるＡ／Ｄ変換用の基準電圧を用いて、検出した電圧信号をＡ／Ｄ変換し、ディジタル化した電圧信号をレジスタ（図示省略）等に記憶する。

電圧調整回路２７は、車両のイグニッションがオフとされ、二次電池による放電、或いは充電が行われていないときに、各単位セルの出力電圧を参照し、各単位セルの出力電圧にバラツキが存在する場合には、各単位セルの出力電圧が一致するように調整する。具体的には、各単位セルのうち、出力電圧が最低となる電圧を基準とし、他の単位セルの出力電圧がこの最低電圧と一致するように、電力を消費する操作を行い、全ての単位セルの出力電圧が一致するように（即ち、残容量が一致するように）制御する。

自己診断回路２５は、高電圧系制御部２４より自己診断を実行するべき指令信号が与えられた際に、電圧検出回路２６、及び電圧調整回路２７に異常が発生しているか否かを判定する診断処理を実行する。診断の結果、異常が検出されない場合には、正常判定フラグを高電圧系制御部２４に出力し、異常が検出された場合には異常判定フラグを高電圧系制御部２４に出力する。

更に、図２に示すように、第１電圧監視用ＩＣ２１-1は、通信部２８及び電源切替部２９を有している。

通信部２８は、第２電圧監視用ＩＣ２１-2、及びメインマイコン３３との間で各種信号の送受信を行う。具体的には、電圧検出回路２６で検出された電圧信号、自己診断回路２５で検出された正常判定フラグまたは異常判定フラグをメインマイコン３３に送信する。また、デイジーチェーン通信で接続された第２〜第５監視用ＩＣ２１-2〜２１-5より通信線３１を介して送信された信号を中継して、メインマイコン３３に送信する。更に、メインマイコン３３より送信される各種の信号を受信して高電圧系制御部２４に供給すると共に、メインマイコン３３から第２〜第５監視用ＩＣ２１-2〜２１-5に向けて送信する信号を中継して、通信線３１を経由して所望の電圧監視用ＩＣに送信する。メインマイコン３３から各監視用ＩＣ２１-1〜ＩＣ２１-5に送信される信号としては、各単位セルの電圧検出を開始させるための指令信号や、故障診断制御用の信号、電源切替信号等が挙げられる。

電源切替部２９は、メインマイコン３３より電圧切替信号が送信された場合、或いは自己診断回路２５による自己診断の結果、電圧検出回路２６或いは電圧調整回路２７にて異常の発生が検出されたと判定された場合に、アクティブ電源２２による電力供給を停止させる制御を行う。また、メインマイコン３３より、アクティブ電源２２の作動信号が送信された場合には、停止中のアクティブ電源２２を作動させ、該アクティブ電源２２による電力供給を開始させる制御を行う。

次に、メインマイコン３３の詳細な構成について説明する。図２に示すように、メインマイコン３３は、通信部４１と、低電圧系制御部４２を備えている。

通信部４１は、絶縁インターフェース３２を介して高電圧側装置１１に設けられた第１〜第５電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5との間で各種信号の送受信を行う。

低電圧系制御部４２は、故障診断監視部（故障診断手段、切替制御手段）４２１と、電圧監視部４２２を備えている。電圧監視部４２２は、第１〜第５電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5より送信される各単位セルの電圧信号を監視して、電圧異常が発生してるか否かを判断する。そして、電圧異常が発生している単位セルが存在する場合には警報信号を発する等により、電圧異常の発生をユーザに通知する。

故障診断監視部（切替制御手段）４２１は、外部入力があった場合、或いは所望のタイミングで、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5に対して、故障診断制御信号を出力し、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5より送信される正常判定フラグ、或いは異常判定フラグに基づいて、故障が発生している電圧監視用ＩＣを認識する。また、いずれかの電圧監視用ＩＣより異常判定フラグが送信された場合には、全ての電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5に対して、電源切替信号を出力する。この電源切替信号により、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5のアクティブ電源２２による電力供給を停止させることができる。

次に、図３に示すシーケンス図を参照して、本実施形態に係る電圧監視装置の処理動作について説明する。まず、ステップｑ１において、メインマイコン３３の低電圧系制御部４２よりアクティブ電源のオン指令信号が送信されると、ステップｐ１において、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5のアクティブ電源２２がオンとなり、該アクティブ電源２２による電力供給が開始される。

次いで、ステップｐ２において、高電圧系制御部２４は、電圧検出回路２６による電圧検出処理を実行する。この処理では、それぞれのブロック６１-1〜６１-5に設けられる各単位セルの出力電圧を検出し、検出した電圧信号をＡ／Ｄ変換処理によりディジタル化し、ディジタル化した電圧信号をレジスタ（図示省略）等に記憶する。

ステップｐ３において、高電圧系制御部２４は、電圧調整回路２７による電圧調整処理を実行する。この処理では、任意のブロック６１に設けられる各単位セルの出力電圧を監視し、各出力電圧にバラツキが存在する場合には、このうち最低の出力電圧を基準として、各単位セルの出力電圧を均一化する。

ステップｐ４において、高電圧系制御部２４は、処理結果データをメインマイコン３３に送信する。具体的には、ステップｐ２の処理で検出した電圧信号、及びステップｐ３の処理で実行した電圧調整処理の結果を示す信号を、メインマイコン３３に送信する。

ステップｑ２において、低電圧系制御部４２は、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5より送信された処理結果データを受信する。

ステップｑ３において、低電圧系制御部４２は、故障診断処理を実行する。この処理では、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5に故障診断制御信号を送信する（ステップｑ４）。

ステップｐ５において、高電圧系制御部２４は、故障診断制御信号を受信し、電圧検出回路２６、及び電圧調整回路２７の故障診断を実行する。

ステップｐ６において、高電圧系制御部２４は、故障診断の結果、異常が発生していないと判定した場合には、正常判定フラグをレジスタに記憶する。

ステップｐ７において、高電圧系制御部２４は、自己診断回路２５による自己診断処理を実行する。この処理では、自己診断回路２５により、電圧検出回路２６及び電圧調整回路２７に異常が発生しているか否かを自己診断する。そして、ステップｐ８の処理で、異常が発生していないと判定された場合には、ステップｐ１１の処理にて、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5がリセットされたか否かを判定し、リセットされない場合には、ステップｐ２の処理に戻る。また、リセットされた場合には本処理を終了する。

他方、ステップｐ６、またはｐ８の処理で、高電圧系制御部２４が故障発生と判定した場合には、異常判定フラグをレジスタに記憶すると共に、ステップｐ９の処理において、アクティブ電源２２を停止させる。その結果、高電圧系制御部２４、自己診断回路２５、電圧検出回路２６、及び電圧調整回路２７を作動させるための電力は供給されず、電圧検出処理及び電圧調整処理は停止する。また、低消費電源２３による電力供給は継続されているので、電源切替部２９、通信部２８は引き続き作動状態が維持される。

ステップｐ１０では、高電圧系制御部２４は、アクティブ電源２２をオフしたことを示す電源オフ信号を送信する。

ステップｑ５では、低電圧系制御部４２は、電源オフ信号を受信し、アクティブ電源２２による電圧供給が停止していることを認識し、このデータをメモリ（図示省略）等に記憶する。その後、ステップｑ６において、メインマイコン３３がリセットされたか否かを判定し、リセットされない場合にはステップｑ２の処理に戻る。また、リセットされた場合には本処理を終了する。

こうして、低電圧系制御部４２による故障診断処理、或いは高電圧系制御部２４による自己診断処理により、電圧検出回路２６或いは電圧調整回路２７に異常が発生しているか否かを判定し、異常が発生している場合には、アクティブ電源による電力供給を停止させることにより、無駄な電力の消費を避けることができるのである。

このようにして、本実施形態に係る複数組電池の電圧監視装置１０では、電圧検出回路２６或いは電圧調整回路２７が作動しているときに、これらの回路に異常が発生した場合には、アクティブ電源２２による電力供給が停止され、低消費電源２３の出力電圧が供給されることにより通信部２８、及び電源切替部２９のみが作動状態とされる。

従って、車両のイグニッションがオンとされ、電圧検出処理及び電圧調整処理が実行されているときに異常が発生し、これらの処理が正常に実行されない場合には、アクティブ電源２２による電力供給が即時に停止することができる。このため、アクティブ電源２２による電力供給が継続して実行されることを防止でき、高電圧バッテリに負担をかけることを防止することができる。

また、低電圧系制御部４２による故障診断のみならず、各電圧監視用ＩＣ２１-1〜２１-5に設けられる自己診断回路２５により異常の発生を検出するので、異常が発生した場合には確実にこれを検出してアクティブ電源を停止させることができる。

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。

例えば、上述した実施形態では、ハイブリッド車両や電気自動車に搭載される高電圧バッテリの電圧を監視する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでは無く、その他のバッテリについても適用することができる。

本発明は、各単位セルの電圧が均一となるように調整する回路に利用することができる。

１０ 電圧監視装置
１１ 高電圧側装置
１２ 低電圧側装置
１３ 二次電池
２１-1〜２１-5 第１〜第５電圧監視用ＩＣ
２２ アクティブ電源
２３ 低消費電源
２４ 高電圧系制御部
２５ 自己診断回路（自己診断手段）
２６ 電圧検出回路（電圧検出手段）
２７ 電圧調整回路（電圧調整手段）
２８ 通信部
２９ 電源切替部（電源切替手段）
３１ 通信線
３２ 絶縁インターフェース
３３ メインマイコン
４１ 通信部
４２ 低電圧系制御部
６１-1〜６１-5 第１〜第５ブロック
７１-1〜７１-5 基準電源
４２１ 故障診断監視部（故障診断手段、切替制御手段）
４２２ 電圧監視部

Claims (3)

1. 複数の単位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、出力電圧を監視する電圧監視装置において、
   前記複数の単位セルを複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ電圧監視手段が設けられ、
   前記各電圧監視手段は、通信回線を介して互いに接続され、且つ該通信回線を介して主制御手段に接続され、
   前記各電圧監視手段は、
   各単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   各単位セルの電圧が均一となるように調整する電圧調整手段と、
   単位セルより電力を取得し、前記電圧検出手段、及び前記電圧調整手段を作動する電力を生成するアクティブ電源と、
   単位セルより電力が供給されて所定の電力を出力する低消費電源と、
   前記低消費電源より出力される電力で作動し、前記アクティブ電源による電力の供給、停止を切り替える電源切替手段と、を有し、
   前記主制御手段は、前記各電圧監視手段の故障診断を行う故障診断手段と、
   前記故障診断の結果が故障である場合に、前記アクティブ電源による電力供給を停止する制御を行う切替制御手段と、を備えたことを特徴とする複数組電池の電圧監視装置。
2. 前記各電圧監視手段は、更に、
   前記アクティブ電源から電力が供給されて作動し、前記電圧検出手段及び電圧調整手段が正常に作動しているか否かを診断する自己診断手段を備え、
   前記電源切替手段は、前記自己診断手段にて異常が検出された場合には、前記アクティブ電源による電力供給を停止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. 前記各電圧監視手段は、高電圧側装置に設けられ、前記主制御手段は、高圧側装置とは絶縁インターフェースを介して接続される低電圧側装置に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の複数組電池の電圧監視装置。

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