JP5850017B2 - バッテリ監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルにより構成される高圧バッテリの監視を行う監視ＩＣを備えるバッテリ監視装置に関する。

従来、複数のセルにより構成される高圧バッテリの各セルの容量を監視ＩＣにより監視し、各セルの容量を調整するものがある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の制御装置では、高圧バッテリから監視ＩＣへ電力を供給している。

特開２００３−７０１７９号公報

特許文献１記載の制御装置では、常に高圧バッテリから監視ＩＣへ電力が供給されるため、高圧バッテリが監視ＩＣを駆動する際に消費する電力が多くなる。また、監視ＩＣごとに消費電力がバラつくため、高圧バッテリの各セルの容量にバラつきが発生する。高圧バッテリを用いた制御は、最も容量の少ないセルに合わせて行うこととなるため、高圧バッテリの各セルの容量にバラつきが発生した場合には、高圧バッテリの本来の性能を発揮できなくなるおそれが生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、バッテリ監視装置が備える監視ＩＣにより消費される高圧バッテリの電力を低減することにある。

本発明は、複数のセルにより構成される高圧バッテリと接続され、高圧バッテリの監視を複数の動作モードで行う監視ＩＣを備えるバッテリ監視装置であって、高圧バッテリよりも低圧であり、監視ＩＣへ電力を供給可能な低圧電源を備え、監視ＩＣの動作モードに応じて、高圧バッテリ及び低圧電源のうちから、監視ＩＣへ電力を供給する電源を選択することを特徴とする。

上記構成によれば、監視ＩＣの動作モードに応じて監視ＩＣへ電力を供給する電源を使い分けることができるため、高圧バッテリから監視ＩＣへ供給される電力を低減することができる。その結果として、監視ＩＣへ電力を供給することに起因する高圧バッテリの各セルの容量のバラつきを抑制することができ、高圧バッテリの本来の性能を発揮することが可能となる。

全体の構成を示す回路ブロック図である。 監視ＩＣの構成を示す回路ブロック図である。

本実施形態に係るバッテリ監視装置は、複数のセルからなる高圧バッテリであるリチウムイオンバッテリと、低圧バッテリである鉛バッテリとを備えるＨＶ車に搭載され、リチウムイオンバッテリの各セルの容量を監視するバッテリ監視装置である。

図１は、本実施形態に係るバッテリ監視装置の回路ブロック図である。

バッテリ監視装置１００には、複数の監視ＩＣ１１０、及び、複数の監視ＩＣ１１０へ電力を供給する低圧電源である絶縁電源ブロック１２０が実装されている。バッテリ監視装置１００は、図示しない上位ＥＣＵから制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて制御を行う。

絶縁電源ブロック１２０には、電源ＩＣ１２１及び集中型トランス１２２が設けられている。集中型トランス１２２は、一つの一次コイル１２２ａと、複数の二次コイル１２２ｂとにより構成されている。一次コイル１２２ａへ電流を流すことにより、複数の二次コイル１２２ｂへ同時に電流を流すことができ、複数の監視ＩＣ１１０へ同時に電力を供給することができる。また、集中型トランス１２２は、絶縁部としても機能する。二次コイル１２２ｂに発生した電流は、ダイオード１２３及びコンデンサ１２４により構成される整流回路を経て、監視ＩＣ１１０へ入力される。電源ＩＣ１２１は、上位ＥＣＵから受信した制御信号に基づいて集中型トランス１２２の制御を行い、複数の監視ＩＣ１１０へ入力される電力を調節する。

バッテリ監視装置１００には、複数のセル２０１からなる高圧バッテリ２００と、低圧バッテリ３００とが電力を供給可能に接続されている。高圧バッテリ２００および低圧バッテリ３００は、図示しない充電装置により充電される。また、監視ＩＣ１１０へは高圧バッテリ２００の複数のセル２０１から電圧が入力され、監視ＩＣ１１０は入力された電圧に応じた制御を行う。

低圧バッテリ３００は、外部スイッチであるトランジスタ１３０を介して絶縁電源ブロック１２０に接続されている。トランジスタ１３０の開閉制御は、上位ＥＣＵからの制御信号により行われる。

図２は、監視ＩＣ１１０の構成を示す回路ブロック図である。

監視ＩＣ１１０は、第１切替スイッチ１１１と、第２切替スイッチ１１２と、第１電源１１３と、第２電源１１４と、第３電源１１５と、第４電源１１６と、発振・ロジック回路１１７とを備えている。発振・ロジック回路１１７は、高圧部分と低圧部分とを備えており、高圧部分は低圧部分と比較して小さい電流値で駆動可能となっている。また、監視ＩＣ１１０は図示しないメモリも備えている。

次に、監視ＩＣ１１０が実行する動作モードについて説明する。

監視ＩＣ１１０が実行する動作モードは、消費電力が所定値以上である第１動作モードと、消費電力が所定値未満である第２動作モードとに分けられる。第１動作モードに該当する動作モードと第２動作モードに該当する動作モードとは予め設定されており、上位ＥＣＵ内のメモリに記憶されている。

第１動作モードとして設定される動作モードは、自己診断動作モード等である。自己診断動作モードでは、監視ＩＣ１１０は高圧バッテリ２００の各セル２０１の電圧を取得する。取得された各セル２０１の電圧に基づき、内部抵抗及び容量を算出する。また、所定時間での電圧の降下量を算出することにより、セル２０１の劣化状態を判定する。そして、算出された内部抵抗値、容量、及び、判定された劣化状態をメモリに記録する。

メモリに記録された各セル２０１の内部抵抗値、容量、及び、劣化状態は、上位ＥＣＵへと送信される。上位ＥＣＵは受信した各セル２０１の内部抵抗値、容量、及び、劣化状態に基づいて、充電装置の制御を行う。セル２０１の容量が、所定の第１閾値を下回っていた場合には、セル２０１が過放電状態であると判定し、充電装置の電圧を調節することにより、セル２０１の充電を行う。一方、セル２０１の容量が第１閾値より大きい値である第２閾値を上回っていた場合には、過充電状態であると判定し、充電装置の電圧を調節することにより、セル２０１の放電を行う。

第２動作モードとして設定される動作モードは、均等化動作モード及びスリープ動作モード等である。

均等化動作モードへは所定時間ごとに移行し、均等化動作を行う。均等化動作では、監視ＩＣ１１０は高圧バッテリ２００の各セル２０１の電圧を取得し、各セル２０１の電圧を比較する。そして、各セル２０１の容量が均等となるように、発振・ロジック回路１１７により他のセル２０１より相対的に電圧の高いセル２０１の放電を行い、相対的に電圧の高いセル２０１の容量を減少させる。この制御を、最も電圧が高いセル２０１と最も電圧の低いセル２０１との差があらかじめ設定された所定値となるまで繰り返し、各セル２０１の容量がほぼ均等となるように調節する。

スリープ動作モードへは、車両に備えられるイグニッションスイッチがＯＦＦ状態となった場合に移行する。スリープ動作モードでは、第１電源１１３により、タイマのカウントや、メモリへの電力供給等のみが行われ、他の制御手段等へは電力供給は停止される（待機動作）。そして、各種の制御動作は行われないこととなる。

上記の第１動作モードと第２動作モードが切り替えられることに伴い、第１切替スイッチ１１１及び第２切替スイッチ１１２の開閉制御も行われ、電源の選択が行われる。

まず、第１動作モードにおける、第１切替スイッチ１１１及び第２切替スイッチ１１２の開閉状態について説明する。

第１動作モードでは、第１切替スイッチ１１１及び第２切替スイッチ１１２は、共に閉状態である。高圧バッテリ２００から入力された電流は、第１電源１１３により所定電圧とされた後、発振・ロジック回路１１７の高圧部分の駆動に用いられる。

絶縁電源ブロック１２０から入力された電流は、第２電源１１４により所定電圧まで降圧された後、監視ＩＣ１１０内部のデジタル電源である第３電源１１５に入力される。第３電源１１５から出力された電流は、発振・ロジック回路１１７の低圧部分の駆動に用いられる。

一方、第４電源１１６は図示しないフォトカプラの駆動用電源であり、絶縁電源ブロック１２０から入力された電力を所定電圧まで降圧し、上位ＥＣＵとの信号の送受信に用いられるフォトカプラを駆動する。第１動作モードでは、上述したとおり上位ＥＣＵへ各セル２０１の内部抵抗、容量、及び、劣化状態を送信するため、フォトカプラを用いて上位ＥＣＵへ信号を送信する。

次に、第１動作モードと第２動作モードとの移行に伴うスイッチの制御について説明する。

第１動作モードから第２動作モードへ移行した場合、監視ＩＣ１１０は絶縁電源ブロック１２０から入力される電流を必要としないため、上位ＥＣＵからバッテリ監視装置１００へ、絶縁電源ブロック１２０からの電流の流入を遮断するための遮断信号が送信される。バッテリ監視装置１００は遮断信号を受信すると、第１切替スイッチ１１１の閉状態を維持するとともに、第２切替スイッチ１１２を開状態とする。さらに、上位ＥＣＵからバッテリ監視装置１００へ絶縁電源ブロック１２０の停止信号が送信され、トランジスタ１３０がＯＦＦとなる。その結果として、低圧バッテリ３００から絶縁電源ブロック１２０への電力の供給が停止される。

一方、第２動作モードから第１動作モードへ移行した場合、第１切替スイッチ１１１の閉状態を維持したまま、上位ＥＣＵからの制御信号により第２切替スイッチ１１２及びトランジスタ１３０を閉状態とする。トランジスタ１３０が閉状態となるため、電源ＩＣ１２１に電力が供給され、絶縁電源ブロック１２０の制御が開始される。集中型トランス１２２は各監視ＩＣ１１０へ同時に電力を供給するため、各監視ＩＣ１１０の絶縁電源ブロック１２０により駆動される回路は、ほぼ同時に起動することになる。

上記構成により、本実施形態に係るバッテリ監視装置１００は以下の効果を奏する。

・監視ＩＣ１１０の動作モードに応じて、監視ＩＣ１１０へ電力を供給する電源を使い分けることができるため、高圧バッテリ２００から監視ＩＣ１１０へ供給される電力を低減することができる。その結果として、監視ＩＣ１１０へ電力を供給することに起因する高圧バッテリ２００の各セル２０１の容量のバラつきを抑制することができ、高圧バッテリ２００の本来の性能を発揮することが可能となる。

・監視ＩＣ１１０内に高圧部分と低圧部分とを設けた場合、第１動作モードにおいては高圧バッテリ２００からも電力を供給する構成とすることで、低圧バッテリ３００の電圧を昇圧する必要が無くなり、昇圧の際に発生する電力のロスを低減することができる。

・高圧バッテリ２００からの電力により駆動される回路を消費電流の小さい回路とすることで、監視ＩＣ１１０の発熱を低減することができ、監視ＩＣ１１０を小型化することができる。また、高圧バッテリ２００からの電力の消費を抑制することもできる。

・監視ＩＣ１１０内には、電圧変換回路やダイオードが設けられており、電力変換回路が動作することに起因する電力の消費が生じたり、ダイオードにリーク電流が生じたりする。電力の供給元を選択した際に、電力の供給元とならない電源からの電力の供給を第１切替スイッチ１１１及び第２切替スイッチ１１２を用いて遮断するため、電力の消費を防ぐことができる。

・絶縁電源ブロック１２０の出力端には整流回路が設けられているため、第２切替スイッチ１１２を開状態としても、集中型トランス１２２が駆動されていれば電力の消費が発生する。トランジスタ１３０により低圧バッテリ３００から絶縁電源ブロック１２０への電力の供給を遮断し、集中型トランス１２２の駆動を停止させることで、整流回路で電力の消費が発生することを防ぐことができる。

・低圧電源として集中型トランス１２２を用いるため、絶縁電源ブロック１２０の電源ＩＣ１２１はひとつのみでよく、製造コストを低減することができる。

・低圧電源が集中型トランス１２２を用いているため、監視ＩＣ１１０への電力供給を同時に行うことができる。その結果として、電力の供給を開始する際に、一部の監視ＩＣ１１０への電力の供給が遅れることに起因する無駄な待ち時間の発生を低減することができる。一方、絶縁電源ブロック１２０からの電力供給を停止することで、複数の監視ＩＣ１１０への電力の供給を同時に停止することができるため、複数の監視ＩＣ１１０へ個別に停止信号を送信する必要がなく、上位ＥＣＵの処理負担を低減することができる。

・低圧バッテリ３００と絶縁電源ブロック１２０とをトランジスタ１３０を介して接続したため、絶縁電源ブロック１２０から監視ＩＣ１１０への電力の供給と停止との切り替えを行う際に、電源ＩＣ１２１へ制御信号を送る必要がない。したがって、処理を簡略化することができる。

＜変形例＞
・上記実施形態では、第２切替スイッチ１１２とトランジスタ１３０とを設けるものとしたが、いずれか一方のみを設けるものとしてもよい。

・上記実施形態では、トランジスタ１３０を設け、トランジスタ１３０を開状態とすることにより、低圧バッテリ３００と絶縁電源ブロック１２０とを遮断するものとした。しかしながら、トランジスタ１３０を設けず、上位ＥＣＵから電源ＩＣ１２１へ停止信号を送信し、絶縁電源ブロック１２０の駆動を停止するものとしてもよい。

・上記実施形態では、自己診断動作モードを第１動作モードとして設定し、均等化動作モード及びスリープ動作モードを第２動作モードとしたが、第１動作モード及び第２動作モードとして設定される動作モードは上記各動作モードに限らず、消費電力等に応じて適宜変更が可能である。

・上記実施形態では、絶縁電源ブロック１２０に集中型トランス１２２を設け、ひとつの絶縁電源ブロック１２０から複数の監視ＩＣ１１０へ電力を供給するものとしたが、絶縁電源ブロック１２０を監視ＩＣ１１０と同じ数だけ設け、各絶縁電源ブロック１２０から監視ＩＣ１１０へ電力を供給する構成としてもよい。この場合、各絶縁電源ブロック１２０には集中型トランス１２２は設けられず、一次コイル１２２ａ及び二次コイル１２２ｂを一対のみ備えるトランスが設けられるものとなる。

・第１動作モードと第２動作モードとをイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態により決定し、切り替えてもよい。すなわち、イグニッションスイッチがＯＮ状態であれば主に自己診断モード制御が実行されるため第１動作モードに設定し、イグニッションスイッチがＯＦＦ状態であればスリープモードとなるため、第２動作モードに設定するものとしてもよい。

上記構成によれば、第１動作モードと第２動作モードとの切り替えの判定をイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態のみに基づいて行うため、判定の処理を簡略化することができる。

１００…バッテリ監視装置、１１０…監視ＩＣ、１２０…絶縁電源ブロック、２００…高圧バッテリ、２０１…セル、３００…低圧バッテリ。

Claims (12)

1. 複数のセル（２０１）により構成される高圧バッテリ（２００）と接続され、前記高圧バッテリの監視を複数の動作モードで行う監視ＩＣ（１１０）を備えるバッテリ監視装置（１００）であって、
   前記高圧バッテリよりも低圧であり、前記監視ＩＣへ電力を供給可能な低圧電源（１２０）を備え、
   前記動作モードとして、消費電力が所定値以上である第１動作モードと、消費電力が所定値未満である第２動作モードとが予め設定されており、
   前記第２動作モードは、各種制御を行わないスリープ動作モードと、前記高圧バッテリの複数のセルのそれぞれの容量を均等にする均等化動作モードを含み、
   前記監視ＩＣの前記動作モードに応じて、前記高圧バッテリ及び前記低圧電源のうちから、前記監視ＩＣへ電力を供給する電源を選択することを特徴とするバッテリ監視装置。
2. 複数のセル（２０１）により構成される高圧バッテリ（２００）と接続され、前記高圧バッテリの監視を複数の動作モードで行う複数の監視ＩＣ（１１０）を備えるバッテリ監視装置（１００）であって、
   前記高圧バッテリよりも低圧であり、集中型トランス（１２２）により複数の前記監視ＩＣへ電力を供給可能な低圧電源（１２０）を備え、
   前記低圧電源から供給される電力は、低圧バッテリ（３００）から絶縁部（１２２）を介して前記監視ＩＣに供給され、
   前記監視ＩＣの前記動作モードに応じて、前記高圧バッテリ及び前記低圧電源のうちから、前記監視ＩＣへ電力を供給する電源を選択することを特徴とするバッテリ監視装置。
3. 前記動作モードとして、消費電力が所定値以上である第１動作モードと、消費電力が所定値未満である第２動作モードとが予め設定されていることを特徴とする請求項２に記載のバッテリ監視装置。
4. 前記第２動作モードは、各種制御を行わないスリープ動作モードと、前記高圧バッテリの複数のセルのそれぞれの容量を均等にする均等化動作モードを含むことを特徴とする請求項３に記載のバッテリ監視装置。
5. 前記低圧電源から供給される電力は、低圧バッテリ（３００）から絶縁部（１２２）を介して前記監視ＩＣに供給されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ監視装置。
6. 前記監視ＩＣを複数備え、
   前記低圧電源は、複数の前記監視ＩＣに電力を供給する集中型トランス（１２２）を含むことを特徴とする請求項５に記載のバッテリ監視装置。
7. 前記第１動作モードでは、前記低圧電源から前記監視ＩＣへ電力を供給することを特徴とする請求項１、３〜６のいずれか１項に記載のバッテリ監視装置。
8. 前記第１動作モードでは、前記高圧バッテリから前記監視ＩＣへさらに電力を供給することを特徴とする請求項７に記載のバッテリ監視装置。
9. 前記第２動作モードでは、前記高圧バッテリのみから前記監視ＩＣへ電力を供給することを特徴とする請求項１、３〜８のいずれか１項に記載のバッテリ監視装置。
10. 前記電源の選択は、切替スイッチ（１１１、１１２）のＯＮ／ＯＦＦ動作により行われることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のバッテリ監視装置。
11. 前記低圧電源は、前記低圧バッテリから前記監視ＩＣへの電力の供給を制御する電源ＩＣ（１２１）を備え、
    前記低圧電源から前記監視ＩＣへ電力が供給されない場合には、前記電源ＩＣの駆動を停止することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のバッテリ監視装置。
12. 前記低圧バッテリと前記低圧電源とは外部スイッチ（１３０）を介して接続されていることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリ監視装置。

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