JP2017070024A

JP2017070024A - 電池監視装置

Info

Publication number: JP2017070024A
Application number: JP2015190615A
Authority: JP
Inventors: 孝司中澤; Koji Nakazawa; 雅俊小池; Masatoshi Koike
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】検出器で得られるデータが正しいかどうか診断でき、相互に回路の診断を行う機能を持った電池監視装置の提供することを目的とする。【解決手段】本発明の電池監視装置は、電気的に直列に接続された複数の電池セルＣを備えた組電池１０の最高電位と最低電位とを入力するための電圧入力回路２２ａと、組電池１０に流れる電流を計測するために設けられた電流センサ９の出力を入力するための電流入力回路２３ａと、電圧入力回路の出力から組電池１０の電圧を検出する第１の検出回路２２ｂと、電流入力回路の出力から組電池１０の電流を検出する第２の検出回路２３ｂと、複数の電池セルＣのそれぞれの電圧を検出する第３の検出回路２１ｂと、電圧入力回路、電流入力回路、第１乃至第３の検出回路を有し、第１の検出回路で得られるデータと第３の検出回路で得られるデータを相互に比較する回路を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、電池の状態を監視する電池監視装置に関する。

リチウムイオン２次電池やニッケル水素電池、鉛電池などの２次電池の電池セルを複数個直並列して構成した組電池は、通常、電池監視装置とともに用いられる。電池監視装置は、組電池を構成する各電池セルのセル電圧を検出したり、電池セルに流れる電流を検出したりすることで、電池の状態を検出する。これにより、組電池が適切な状態にあるかを監視する。電池監視装置によっては、適切な状態を保つために、通電状態を制御するなどの、制御装置としての働きを持つ場合もある。

一般的な電池監視装置では、各セルが過充電・過放電されていないかを知るために、各
電池セルの電圧や通電電流を検知または計測する。また、電池の劣化状態を知るために、
電池セルの内部抵抗を検知することもある。電池が劣化すると内部抵抗が上昇するので、
内部抵抗を知ることで電池の劣化状態がわかるためである。

電池の内部抵抗の検出は、電池セルの電圧の測定値と通電電流の測定値とから求まる。
ただし、この際、電圧検出手段にて電池セルのセル電圧を検出するタイミングと、電流検出手段にて電池セルを流れる電流を正確に検出しかつ電圧の検出するタイミングを同期させる必要がある。さらに、この電池情報から電池容量（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）を演算し、車両コントローラ等に演算結果を通知する。

セル電圧の検出と電流の検出させる構成としては、電圧検出回路と電流検出回路をそれぞれに設け、ＳＯＣやＳＯＨの計算を行う演算回路との間に通信回路を用いてデータ送受信を行う構成が考えられる。

しかし、このような構成では、電流センサ、電圧センサ検出回路の測定したデータが正しいかどうか判断出来ないという問題がある。

これに対して、アナログセレクタを用いる事により単一のＡＤ変換装置により、数種のデータを取り込む事で検出回路の診断を行う構成が特許文献１に示されている。

国際公開第２０１０／１０６５８８号

しかしながら、単にアナログセレクタで、数種のデータを読み込むのみでは真に装置の故障か否か判断出来ないという課題があった。

本発明の電池監視装置は、電気的に直列に接続された複数の電池セルＣを備えた組電池１０の最高電位と最低電位とを入力するための電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）と、組電池１０に流れる電流を計測するために設けられた電流センサ（電流計測素子９）の出力を入力するための電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）と、電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）の出力から組電池１０の電圧を検出する第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）と、電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）の出力から組電池１０の電流を検出する第２の検出回路（電流検出回路２３ｂ）と、複数の電池セルＣのそれぞれの電圧を検出する第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）と、電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）、電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）、第１乃至第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ、第２電圧検出回路２２ｂ、電流検出回路２３ｂ）を有し、第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）で得られるデータと第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）で得られるデータを相互に比較する回路を有する。

本発明を用いることによって、相互の検出回路の故障を診断することができる。

図１は、電動車両駆動装置１００の構成の一例を示す図である。図２は、電池監視装置２の構成の一例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
本発明に係る電池監視装置は、電池システム（蓄電装置とも呼ばれる）に設けられた組電池の電池状態を検出し、組電池を適切な状態に保つ装置である。図１は、本実施の形態の電池監視装置２が設けられた電池システム１を搭載する電動車両駆動装置１００を示したものである。ここで、電動車両駆動装置とは、ハイブリッド自動車(ＨＥＶ)や電気自動車(ＥＶ)などの電動車両を駆動する回転機システムである。

電動車両駆動装置１００には、電池監視装置２および組電池１０等を備える電池システ
ム１、車両全体の制御を行う車両コントローラ３０、インバータ４０，回転電機５０等を
備えている。電池システム１はリレー６０，６１を介してインバータ４０に接続されてい
る。電池監視装置２は、インバータ４０及び上位の車両コントローラ３０との通信を、Ｃ
ＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）の通信バスを介して行う。

回転電機５０はインバータ４０からの電力により駆動される。車両の発進および加速時
には電池システム１から放電電力がインバータ４０を通じて回転電機５０に供給され、回
転電機５０の駆動力によりエンジン（不図示）をアシストする。車両停止および減速時に
は、回転電機５０からの回生電力がインバータ４０を通じて電池システム１に設けられた
組電池１０を充電する。なお、インバータ４０は、モータコントローラ４１を内蔵し、イ
ンバータ４０のＤＣ−ＡＣ変換およびＡＣ−ＤＣ変換を制御することによって、回転電機
５０の駆動制御並びに組電池１０の充放電制御を行う。

電池システム１は、組電池１０、電池監視装置２を備えている。組電池１０は、最小単位である電池セルＣ（Ｃ(１)〜Ｃ(Ｎ)）が複数直列に接続されて構成されている。なお、本実施形態の組電池１０は、例えば、１２個程度の電池セルＣが直列接続されて構成され、全体として４８Ｖ程度となる。また、絶縁素子は挿入されていない。従って電池監視装置２全体のＧＮＤは共通となる。以下の説明では、組電池１０を構成する電池セルＣの個数をＮとし、以下では、Ｎ個の電池セルＣ(１)〜Ｃ(Ｎ)の一つを代表して表す場合には電池セルＣのように呼ぶ場合がある。組電池１０を構成する電池セルＣとしては、例えば充放電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。図１に示す例の電池セルＣを備える組電池１０は、所定数の電池セルにグループ化された複数のセルブロックを、直列に接続して成る接続体の構成としてもよい。この場合、グループ化された組電池１０に接続されるセル電圧計測部２１も複数のグループ化されたブロックとなる。

（電池監視装置２の構成）
続いて図２を用いて電池監視装置２の構成について説明する。電池監視装置２は、組電池１０の状態を監視する装置であり、組電池１０の各電池セルＣの過充電および過放電を検出する過充放電検出機能、組電池１０の各電池セルＣの内部抵抗を検知する内部抵抗検出機能等を有する。電池監視装置２は、セル電圧計測部２１、電流総電圧検出部４００、電流計測素子９、制御部２４等を内蔵する。また電流総電圧検出部４００は第２電圧計測部２２、電流計測部２３、ＡＤ変換制御部２５０、第一演算部４０５を内蔵する。

セル電圧計測部２１は、組電池１０を構成する各電池セルＣのセル毎の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）を計測する回路である。セル電圧計測部２１は、４〜１２個程度の電池セルＣのセル電圧を計測できる回路であり、集積回路（ＩＣ）として構成されたものを用いてもよい。

第２電圧計測部２２は、組電池１０を構成するＮ個の電池セル全体の電圧（以下では総
電圧Ｖｔと呼ぶ）を計測する回路である。Ｎ個の電池セルＣを組電池負極側から符号Ｃ(１)，Ｃ(２)，・・・・，Ｃ(Ｎ-１)，Ｃ(Ｎ)で表すと、第２電圧計測部２２の第２電圧入力端子２２０は、電池セルＣ(Ｎ)の正極に接続されている。セル電圧計測部２１は、各電池セルの電圧を測定する。なお、図示は省略したが、セル電圧計測部２１は、各電池セルＣ(１)〜Ｃ(Ｎ)のセル電圧のバランシング動作を行うバランシング抵抗とバランシングスイッチ、制御部２４と通信を行って制御を行うロジック部を備えている。

組電池１０に流れる電流を計測する電流計測部２３には、電流計測素子９から計測信号
（電気信号）が入力される。電流計測素子９は、電流の大きさを電気信号に変換する素子
であり、具体的には、ホール素子センサやシャント抵抗素子などがある。電流計測素子９
からは電流の大きさに対応した電気信号が出力され、その電気信号は電流計測部２３で計
測される。

なお、シャント抵抗素子は以下の点で、ホール素子センサに比べて優れている。シャン
ト抵抗素子はオフセット電流が小さいので、組電池１０の充電状態（ＳＯＣ）を正確（高
精度に）に計測することができる。また、シャント抵抗素子は応答特性（電流変化に対す
る電圧値の追従性）が速いので、電流計測部２３の測定時定数を速くすれば、それに応じ
て時間分解能を高くすることができる。すなわち、計測の同時性を達成しやすいという点
で優れている。

第２電圧計測部２２は第２電圧入力フィルタ２２ａ及び第２電圧検出回路２２ｂを備えている。電流計測部２３は電流入力フィルタ２３ａ及び電流検出回路２３ｂを備えている。この場合、第２電圧計測部２２が備える第２電圧入力フィルタ２２ａの特性周波数と、電流計
測部２３が備える電流入力フィルタ２３ａの特性周波数とが、互いに等しくなるように構
成する事が好ましい。具体的には両フィルタ回路の時定数を同一とする。このような構成にすることによって、電流と電圧が同一のタイミングで測定されれば、フィルタ回路の時定数による測定の遅れも無くなり、電圧と電流の測定の同時性を担保できる。

集積回路２５は第一演算部４０５、ＡＤ変換制御部２５０、第２電圧検出回路２２ｂ、電流検出回路２３ｂを内蔵する。第２電圧検出回路２２ｂおよび電流検出回路２３ｂは、それぞれＡＤ変換制御部２５０からのトリガ信号を受けてＡＤ変換を開始する。ＡＤ変換制御部２５０は、電圧検出回路２２ｂおよび電流検出回路２３ｂの変換タイミングが互いに等しくなるようにトリガ信号を発生する。さらには、電圧検出回路２２ｂおよび電流検出回路２３ｂが同一のトリガ信号で変換を開始するように構成するのが好ましい。

また、電圧検出回路２２ｂおよび電流検出回路２３ｂに、ΔΣ型のＡＤ変換器を用いるのが好ましい。ΔΣ型のＡＤ変換器を用いると、高精度なＡＤ変換を行えるので好ましい。

さらに好ましくは、ΔΣ型のＡＤ変換器のデシメーション・フィルタを電圧検出回路２２ｂと電流検出回路２３ｂとで同じ特性のデシメーション・フィルタとすることで、これら２つのＡＤ変換器の伝達関数を互いに等しくすることができる。このような構成にすることによって、電圧と電流の測定の同時性をより担保することができる。従って、その後の計算でもより正確な値を算出することが可能となる。

制御部２４は電池監視装置２の全体の制御を行うものであり、例えば、セル電圧計測回路の動作制御や状態判定などを行う。制御部２４は、セル電圧計測部２１、電流総電圧検出部４００のそれぞれから送られる信号を受け取り、それらの信号値を用いて、各電池セルＣ(１)〜Ｃ(Ｎ)の内部抵抗を検知する。またリレー６０のＯＮ，ＯＦＦ機能を有する場合もある。

第２電圧計測部２２及び電流計測部２３で同時性を持って検出された電流値と電圧値は電流総電圧検出部４００に内蔵される第１演算部４０５にて平均化、ＩＩＲ(ＩｎｆｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ)、ＦＦＴ(ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ)等の演算処理が行われる。この演算処理は時間がかかる為、第一演算部４０５で占有して行われる。また、電圧値と電流値の演算処理結果も同時性を保ったままとなる。

制御部２４に内蔵される第２演算部５０２は第１演算部４０５から送られる演算処理結果の信号とセル電圧計測部２１から送られるセル電圧値の信号を元に電池容量（ＳＯＣ），電池劣化状態（ＳＯＨ）の演算処理が行われる。

（電流変化に対する計測時刻ズレの説明）
電池システム１における組電池１０の通電電流の時間変化の、計測時刻ズレへの影響に
ついて説明する。図１に示す電動車両（ＨＥＶ）においては、電動車両の走行状態に応じ
て回転電機５０の出力トルクが時間的に変動する。例えば、回転電機５０によるエンジン
のアシストが必要になると、回転電機５０の出力トルクが増加するため、それに応じてイ
ンバータ４０の出力電力が増加する。そして、インバータ４０への入力電流、すなわち、
組電池１０の通電電流も増加する。逆に、電動車両が回生ブレーキを使用して回生状態に
なると、回転電機５０が発電機として動作して、回生電力が回転電機５０（発電機）から
インバータ４０、そして組電池１０へと流れる。このため、組電池１０への充電電流が増
加する。このように、電池システム１においては、組電池１０への通電電流が時間変化を
する。

第２電圧計測部２２は組電池１０から出力される総電圧を測定し、第１演算部４０５へ送信する。一方セル電圧計測部２１で測定された各セル電圧信号は第２演算部５０２へ送信される。つまり、第２演算部５０２は各セル電圧の総和により総電圧を検出可能となる。そのため、第１演算部４０５と第２演算部５０２は相互に総電圧のデータを比較し診断を行う。このような構成にすることによって、第１演算部４０５で測定されている総電圧のデータと、第２演算部５０２で各セルの電圧から算出された総電圧のデータを常に比較することが可能となり、実際に測定されている電流、各セル電圧、総電圧が互いに正確か否かを判断することができる。そのため、セル電圧計測部２１と電流総電圧検出部４００がそれぞれ故障していないか、互いに診断することが出来る。なお、電流総電圧検出部４００とセル電圧計測部２１は同一の回路基板に形成されることが、測定の同時性を担保できるため好ましい。

第一演算部４０５に電源電圧又はリファレンス電圧を検出する回路（不図示）を設け第二演算部５０２にも同様に電源電圧又はリファレンス電圧を検出する回路（不図示）を設ける。第一演算部４０５または第二演算部５０２のどちらかが故障により電源電圧、リファレンス電圧を検出する事が出来ない場合でも、一演算部４０５または第二演算部５０２によって検出可能となる為、診断性が向上する。

以上、本発明について簡単にまとめる。

本発明に記載の電池監視装置は、電気的に直列に接続された複数の電池セルＣを備えた組電池１０の最高電位と最低電位とを入力するための電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）と、組電池１０に流れる電流を計測するために設けられた電流センサ（電流計測素子９）の出力を入力するための電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）と、電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）の出力から組電池１０の電圧を検出する第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）と、電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）の出力から組電池１０の電流を検出する第２の検出回路（電流検出回路２３ｂ）と、複数の電池セルＣのそれぞれの電圧を検出する第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）と、電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）、電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）、第１乃至第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ、第２電圧検出回路２２ｂ、電流検出回路２３ｂ）を有し、第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）で得られるデータと第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）で得られるデータを相互に比較する回路を有する。このような構成にすることによって、第１演算部４０５で測定されている総電圧のデータと、第２演算部５０２で各セルの電圧から算出された総電圧のデータを常に比較することが可能となり、実際に測定されている電流、各セル電圧、総電圧が互いに正確か否かを判断することができる。そのため、セル電圧計測部２１と電流総電圧検出部４００がそれぞれ故障していないか、互いに診断することが出来る。

また、本発明に記載の電池監視装置は、第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）は電源電圧又はリファレンス電圧の電圧検出回路を有し、第３の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）は電源電圧又はリファレンス電圧の電圧検出回路を有する。このような構成にすることによって、第一演算部４０５または第二演算部５０２のどちらかが故障により電源電圧、リファレンス電圧を検出する事が出来ない場合でも、一演算部４０５または第二演算部５０２によって検出可能となる為、診断性が向上する。

また、本発明に記載の電池監視装置は、電圧入力回路（第２電圧入力フィルタ２２ａ）と前記電流入力回路（電流入力フィルタ２３ａ）の特性周波数は互いに同一である。このような構成にすることによって、電流と電圧が同一のタイミングで測定されれば、フィルタ回路の時定数による測定の遅れも無くなり、電圧と電流の測定の同時性を担保できる。

また、本発明に記載の電池監視装置は、第１の検出回路（第２電圧検出回路２２ｂ）は第１のＡＤ変換器と接続され、第２の検出回路（電圧検出回路２１ｂ）は第２のＡＤ変換器と接続され、第１のＡＤ変換器と第２のＡＤ変換器とは、同一の特性を有するフィルタ（同じ特性のデシメーション・フィルタ）を有する。このような構成にすることによって、電圧と電流の測定の同時性をより担保することができる。従って、その後の計算でもより正確な値を算出することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
さらに、本発明に係る二次電池モジュールは、自動車等の車両の用途のみに関わらず、鉄道車両の用途にも適用できるものである。

１…電池システム、２…電池監視装置、９…電流計測素子、１０…組電池、２１…セル
電圧計測部、２１ａ…電圧入力フィルタ、２１ｂ…電圧検出回路、２２…第２電圧計測部、２２ａ…第２電圧入力フィルタ、２２ｂ…第２電圧検出回路、２３ａ…電流入力フィルタ、２３ｂ…電流検出回路、２３…電流計測部、２４…制御部、２５…集積回路、３０…車両コントローラ、４０…インバータ、４１…モータコントローラー、５０…回転電機、１００…電動車両駆動装置、２５０…ＡＤ変換制御部、４００…電流総電圧検出部、４０５…第一演算部、５０２…第二演算部

Claims

電気的に直列に接続された複数の電池セルを備えた組電池の最高電位と最低電位とを入力するための電圧入力回路と、
前記組電池に流れる電流を計測するために設けられた電流センサの出力を入力するための電流入力回路と、
前記電圧入力回路の出力から前記組電池の電圧を検出する第１の検出回路と、
前記電流入力回路の出力から前記組電池の電流を検出する第２の検出回路と、
前記複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する第３の検出回路と、
前記電圧入力回路、前記電流入力回路、前記第１乃至第３の検出回路を有する電池監視装置において、
前記第１の検出回路で得られるデータと第３の検出回路で得られるデータを相互に比較する回路を有することを特徴とする電池監視装置。
電池監視装置。
請求項１に記載の電池監視装置において、
前記第１の検出回路は電源電圧、リファレンス電圧の電圧検出回路を有し、
前記第３の検出回路は電源電圧、リファレンス電圧の電圧検出回路を有することを特徴とする電池監視装置。
請求項２に記載の電池監視装置において、
前記電圧入力回路と前記電流入力回路の特性周波数は互いに同一であることを特徴とする電池監視装置。
請求項３に記載の電池監視装置において、
前記第１の検出回路は第１のＡＤ変換器と接続され、
前記第２の検出回路は第２のＡＤ変換器と接続され、
前記第１のＡＤ変換器と第２のＡＤ変換器とは、同一の特性を有するフィルタを有することを特徴とする電池監視装置。