JP2017207363A - 組電池の電圧監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路の大規模化を抑制しつつ、測定精度の確認を行うことができる組電池の電圧監視装置を提供する。【解決手段】２つのセルスタック２に対応して、各電池セルCellに夫々対応する選択スイッチＳＷを有するマルチプレクサＭＵＸと、選択された電池セルCellの電圧を測定する電圧検出処理部３と、マルチプレクサＭＵＸに対し選択制御信号Ｃ１〜Ｃｎを出力するマイコン４とを備える。２つのセルスタック２の境界に位置にする電池セルCell＿ｎ＋１を診断対象セルとし、２つのマルチプレクサＭＵＸは夫々電池セルCell＿ｎ＋１を選択するための診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂを別途備える。マイコン４はマルチプレクサＭＵＸに対し電池セルCell＿ｎ＋１を選択するための制御信号Ｃｎ＋１を別途出力し、ドライバユニット６（１）に制御信号Ｃｎ＋１をスイッチＳＷｎ＋１Ａに与えるため遅延調整用のドライバ８を備え、マイコン４から各診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂに夫々至る制御信号経路の伝搬遅延時間を等しくする。【選択図】図１

Description

本発明は、電池セルを有するセルスタックを、直列に多段接続してなる組電池を監視対象とする装置に関する。

組電池の電圧を監視する装置については、電圧の検出精度が適切に維持されているか否かを確認する機能を備えるものがある。例えば特許文献１には、各電池セルの電圧を個別に検出するためのマルチプレクサを含めて測定系を２重化し、双方の測定結果を比較する構成が開示されている。

特許第５７１２８４１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、電池セルの多段接続数が多くなり、耐圧に応じて個別に用意する測定系の数が増えると、回路が大規模化することが避けられない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路の大規模化を抑制しつつ、測定精度の確認を行うことができる組電池の電圧監視装置を提供することにある。

請求項１記載の組電池の電圧監視装置は、複数のセルスタックにそれぞれ対応して、各電池セルにそれぞれ対応する選択スイッチを有するセル選択部と、選択された電池セルの電圧を測定する電圧検出部と、複数のセル選択部に対し、選択制御信号を出力する選択制御部とを備える。また、連続して接続される第１及び第２セルスタックの境界に位置にする何れか一方の電池セルを診断対象セルとし、第１及び第２セル選択部はそれぞれ、前記診断対象セルを選択するための診断用スイッチを別途備える。

選択制御部は、第１及び第２セル選択部に対し、診断対象セルを選択するための制御信号を別途出力し、選択制御部から第１及び第２セル選択部の各診断用スイッチにそれぞれ至る選択制御信号経路の伝搬遅延時間が等しくなるように設定されている。そして、電圧監視部は、選択制御部が第１及び第２セル選択部を介して診断対象セルを選択した際に、第１及び第２電圧検出部より取得した２つの電圧検出結果を比較して、検出精度を診断する。

このように構成すれば、複数の電池セルのうちの１つだけを診断対象セルとして、第１及び第２セル選択部にその診断対象セルを選択するための診断用スイッチを備えるのみで、電圧監視部は電圧検出部の検出精度を診断することができる。この場合、選択制御部から各診断用スイッチに至る選択制御信号経路の伝搬遅延時間が等しくなるように設定されるので、各診断用スイッチのオンオフタイミングにずれが生じることが無い。したがって、第１及び第２セルスタックに対応して設けられている２つの電圧検出部は、診断対象セルの電圧を同じタイミングで検出でき、診断精度を高めることができる。

第１実施形態であり、組電池及び電圧監視装置の構成を示す図 各電池セルの電圧を検出する動作を示すタイミングチャート 診断動作を示すタイミングチャート 診断動作時における電圧監視装置の状態を示す図 第２実施形態であり、組電池及び電圧監視装置の構成を示す図 第３実施形態であり、組電池及び電圧監視装置の構成を示す図 第４実施形態であり、組電池及び電圧監視装置の構成を示す図 各電池セルの電圧を検出する動作を示すタイミングチャート 診断動作を示すタイミングチャート（その１） 診断動作を示すタイミングチャート（その２）

（第１実施形態）
図１に示すように、組電池１は、ｎ個の電池セルCellを多段直列接続してなるセルスタック２を２つ直列に接続して構成されている。そして、各セルスタック２（１），２（２）に対応して、電圧検出処理部３（１），３（２）及びマルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２が設けられている。これらはそれぞれ、セルスタック２の端子電圧に応じた耐圧が確保できる構成となっている。電圧検出処理部３（１），３（２）は、上位の制御装置であるマイクロコンピュータ４との間で通信制御部５を介して通信を行う。マイクロコンピュータ４については、以下マイコン４と称す。
ここで、セルスタック２（１），２（２）は第１，第２セルスタックに相当し、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２は第１，第２セル選択部に相当する。また、マイコン４は選択制御部及び電圧監視部に相当する。

セルスタック２とマルチプレクサＭＵＸとの間は、ＲＣフィルタ６及び電池セルCellの負側に挿入されている電流制限抵抗７を介して接続されている。マルチプレクサＭＵＸの内部には、各電池セルCellに対応して正側及び負側の一対のスイッチＳＷがｎ個配置されている。これらをマルチプレクサＭＵＸ１についてはスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ，マルチプレクサＭＵＸ２についてはスイッチＳＷｎ＋１〜ＳＷ２ｎとしている。

更に、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２の内部には、上記の各スイッチに加えて故障診断用のスイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂがそれぞれ配置されている。これらのスイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂは何れも、セルスタック２（２）の最低電位セルである電池セルCell＿ｎ＋１に接続されている。この電池セルCell＿ｎ＋１は、診断対象セルに相当する。

マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２が備える各スイッチＳＷのオンオフを制御する信号Ｃ１〜Ｃｎ＋１は、マイコン４が通信制御部５及びドライバユニット６（１），６（２）を介して出力する。制御信号Ｃ１〜Ｃｎ＋１は、先ずドライバユニット６（１）に入力され、そこから分岐してドライバユニット６（２）に入力されている。ドライバユニット６は、（ｎ＋１）個のスイッチＳＷに対応して（ｎ＋１）個のドライバ７を備えている。但し、ドライバユニット６（１）においては制御信号Ｃｎ＋１をスイッチＳＷｎ＋１Ａに与える経路に、遅延調整用のドライバ８が追加されている。ドライバユニット６は、各ドライバ７，８に必要な電源電圧を供給するため、チャージポンプ回路ＣＰを備えている。

電圧検出処理部３は、前処理部１１，レベルシフト及びＡＤＣ部１２並びにロジック部１３を備えている。前処理部１１には、マルチプレクサＭＵＸを介して各電池セルCellの電圧信号が入力され、マルチプレクサＭＵＸとの接続を断続するためのスイッチ等が配置されている。レベルシフト及びＡＤＣ部１２は、前処理部１１を介して入力される電圧をレベルシフトしてＡ／Ｄコンバータに入力する。

ロジック部１３は、フィルタ処理や電圧の補正を行うためのロジックや、データレジスタ等で構成され、ＡＤＣ部１２においてＡ／Ｄ変換されたデータが入力される。また、ロジック部１３は、通信制御部５を介してマイコン４と通信を行い、電圧データを送信する。尚、以上において、電圧検出処理部３，通信制御部５，ドライバユニット６及びマルチプレクサＭＵＸはＩＣ９として構成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、電圧検出処理部３が各電池セルCellの電圧を検出する際には、マイコン４は、制御信号Ｃ１〜Ｃｎをシリアルに出力する。これにより、マルチプレクサＭＵＸ１のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、マルチプレクサＭＵＸ２の対応するスイッチＳＷｎ＋１〜ＳＷ２ｎとが略同時にオンになる。したがって、電圧検出処理部３（１）には電池セルCell＿１〜Cell＿ｎの電圧が順次入力され、それに並行して、電圧検出処理部３（２）には電池セルCell＿ｎ＋１〜Cell＿２ｎの電圧が順次入力される。電圧検出処理部３（１），３（２）が取得した電圧データは、通信制御部５を介して適宜調停が行われた上でマイコン４に送信される。

そして、図３に示すように、診断動作を行う際には、マイコン４は、制御信号Ｃｎ＋１を出力する。これにより図４に示すように、マルチプレクサＭＵＸ１のスイッチＳＷｎ＋１Ａと、マルチプレクサＭＵＸ２の対応するスイッチＳＷｎ＋１Ｂとが同時にオンになり、電圧検出処理部３（１），３（２）には電池セルCell＿ｎ＋１の電圧が入力される。

電池セルCell＿ｎ＋１の電圧データは、電圧検出処理部３（１），３（２）からマイコン４に送信される。マイコン４は、双方の電圧データの差が許容範囲内にあるか否かにより、電圧検出処理部３（１），３（２）の機能が正常か否かを診断する。

以上のように本実施形態によれば、セルスタック２（１），２（２）にそれぞれ対応して、各電池セルCellにそれぞれ対応する選択スイッチＳＷを有するマルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２と、選択された電池セルCellの電圧を測定する電圧検出処理部３（１），３（２）と、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に対し、選択制御信号Ｃ１〜Ｃｎを出力するマイコン４とを備える。また、セルスタック２（１），２（２）の境界に位置にする電池セルCell＿ｎ＋１を診断対象セルとし、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２はそれぞれ、電池セルCell＿ｎ＋１を選択するための診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂを別途備える。

マイコン４は、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に対し、電池セルCell＿ｎ＋１を選択するための制御信号Ｃｎ＋１を別途出力し、ドライバユニット６（１）に、制御信号Ｃｎ＋１をスイッチＳＷｎ＋１Ａに与えるため遅延調整用のドライバ８を備えたことで、マイコン４から各診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂにそれぞれ至る信号経路の伝搬遅延時間が等しく設定されている。そして、マイコン４は、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２を介して電池セルCell＿ｎ＋１を選択した際に、電圧検出処理部３（１），３（２）より取得した２つの電圧検出結果を比較して検出精度を診断する。

このように構成すれば、複数の電池セルCellのうちの１つだけを診断対象セルとし、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂを備えるのみで、マイコン４は電圧検出処理部３（１），３（２）の検出精度を診断することができる。これにより、回路が大規模となることを抑制できる。そして、マイコン４から各診断用スイッチＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂに至る信号経路の伝搬遅延時間が等しくなるように設定されるので、上記スイッチのオンオフタイミングにずれが生じることが無い。したがって、電圧検出処理部３（１），３（２）は診断対象セルCell＿ｎ＋１の電圧を同じタイミングで検出でき、診断精度を高めることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示すように、第２実施形態では、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に対応して、２つの通信制御部５（１），５（２）を備えている。そして、制御信号Ｃ１〜Ｃｎ＋１は、マイコン４から通信制御部５（１）及びドライバユニット６（１）Ａ を介してマルチプレクサＭＵＸ１に入力され、通信制御部５（２）及びドライバユニット６（２）を介してマルチプレクサＭＵＸ２に入力される。

第２実施形態のドライバユニット６（１）Ａは、第１実施形態のドライバユニット６（１）より遅延調整用のドライバ８を削除したもので、ドライバユニット６（２）と対称な構成となっている。すなわち、第２実施形態では、マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に対して制御信号Ｃ１〜Ｃｎ＋１が同時に入力されるため、ドライバ８が不要となっている。

以上のように構成される第２実施形態による場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、電圧検出処理部３が各電池セルCellの電圧を検出する際に制御信号Ｃ１〜Ｃｎが各マルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に入力される遅延時間も等しくすることができる。

（第３実施形態）
図６に示すように、第３実施形態では、組電池１Ａを構成するセルスタック２（２）Ａにおいて、最低電位の電池セルCell＿ｎ＋１がセルスタック２（１）との間を接続するためのハーネス１０に置き換わっている。ハーネス１０は、図中では抵抗素子のシンボルで示している。また、第１実施形態のマルチプレクサＭＵＸ１，ＭＵＸ２に替わるマルチプレクサＭＵＸ１Ａ，ＭＵＸ２Ａでは、それぞれ診断用のスイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂが追加されている。そして、これらの診断用のスイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂは何れも、セルスタック２（２）Ａの電池セルCell＿ｎ＋２に接続されている。

これに対応して、ドライバユニット６（１）に替わるドライバユニット６（１）Ｂには、もう１つの遅延調整用のドライバ８（２）が追加されている。第１実施形態のドライバ８に対応するものはドライバ８（１）としている。この場合、マイコン４は、診断用のスイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂをオンオフするための制御信号Ｃｎ＋２を出力する。

第３実施形態では、上述のように電池セルCell＿ｎ＋１がハーネス１０に置き換えられる場合を想定し、電池セルCell＿ｎ＋２についても診断の対象となるように診断用のスイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂを追加し、それに応じてドライバ８（２）を追加したものである。この場合、電池セルCell＿ｎ＋１は仮想セルに相当する。

以上のように第３実施形態によれば、マルチプレクサＭＵＸ１Ａ，ＭＵＸ２Ａに、セルスタック２（１），２（２）Ａの境界に位置にする２つの電池セルCell＿ｎ，Cell＿ｎ＋２の間にある仮想セルCell＿ｎ＋１に対応する診断用スイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂを別途備える。

そして、マイコン４は、マルチプレクサＭＵＸ１Ａ，ＭＵＸ２Ａに対し、仮想セルCell＿ｎ＋１を選択するための制御信号Ｃｎ＋２を別途出力し、マイコン４から各診断用スイッチＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂにそれぞれ至る制御信号Ｃｎ＋２の経路についても、ドライバ８（２）を追加したことで伝搬遅延時間が等しくなるように設定した。このように構成すれば、仮想セルCell＿ｎ＋１がハーネス１０に置き換えられた場合でも、電池セルCell＿ｎ＋２を対象として診断を行うことができる。

（第４実施形態）
図７に示すように、第４実施形態は、組電池１Ｂが３つのセルスタック２（１）〜２（３）で構成されている場合に対応した監視装置を示す。すなわち、第１実施形態の構成に対し、セルスタック２（３）に対応して、電圧検出処理部３（３），ドライバユニット６（３）及びマルチプレクサＭＵＸ３が追加されている。電圧検出処理部３（２），３（３）の間においては、セルスタック２（３）の最低電位セルである電池セルCell＿２ｎ＋１が診断対象セルとなっている。

マルチプレクサＭＵＸ２Ａは、第１実施形態のマルチプレクサＭＵＸ２に対し、故障診断用のスイッチＳＷ２ｎ＋１Ａを加えた構成である。また、マルチプレクサＭＵＸ３の内部には、各電池セルCell２ｎ＋１〜Cell３ｎに対応してｎ個のスイッチＳＷ２ｎ＋１〜ＳＷ３ｎが配置され、これに加えて故障診断用のスイッチＳＷ２ｎ＋１Ｂが配置されている。そして、これらのスイッチＳＷ２ｎ＋１Ａ，ＳＷ２ｎ＋１Ｂは何れも電池セルCell＿２ｎ＋１に接続されている。

スイッチＳＷ２ｎ＋１Ａ，ＳＷ２ｎ＋１Ｂのオンオフは信号Ｃｎ＋２により制御され、前記信号Ｃｎ＋２は、通信制御部５を介してドライバユニット６（１）Ｃに入力されている。ドライバユニット６（１）Ｃは、制御信号Ｃｎ＋２に対応するドライバ７を備えており、制御信号Ｃｎ＋２は前記ドライバ７を経由してドライバユニット６（２）Ａに入力されている。ドライバユニット６（３）は、第１実施形態のドライバユニット６（２）と同様の構成である。また、ドライバユニット６（２）Ａは、ドライバユニット６（１）と同様に遅延調整用のドライバ８を備えている。

次に、第４実施形態の作用について説明する。図８に示すように、電圧検出処理部３が各電池セルCellの電圧を検出する際には、マイコン４は、第１実施形態と同様に制御信号Ｃ１〜Ｃｎをシリアルに出力する。これにより、マルチプレクサＭＵＸ１のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ，マルチプレクサＭＵＸ２Ａの対応するスイッチＳＷｎ＋１〜ＳＷ２ｎ，マルチプレクサＭＵＸ３の対応するスイッチＳＷ２ｎ＋１〜ＳＷ３ｎが略同時にオンになる。したがって、セルスタック２（１）及び２（２）の各電池セルCellの電圧と同様に、電圧検出処理部３（３）には電池セルCell＿２ｎ１〜Cell＿３ｎの電圧が順次入力される。

図９に示すように、電圧検出処理部３（１），３（２）間における診断動作は第１実施形態の図３と同様である。図１０に示すように、電圧検出処理部３（２），３（３）間で診断動作を行う際には、マイコン４は、制御信号Ｃｎ＋２を出力する。これにより、マルチプレクサＭＵＸ２ＡのスイッチＳＷ２ｎ＋１Ａと、マルチプレクサＭＵＸ３の対応するスイッチＳＷ２ｎ＋１Ｂとが同時にオンになり、電圧検出処理部３（２），３（３）には電池セルCell＿２ｎ＋１の電圧が入力される。
以上のように第４実施形態によれば、組電池１Ｂが３つのセルスタック２（１）〜２（３）で構成されている場合についても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
例えば第１実施形態において、電池セルCell＿ｎを診断対象セルとしても良い。
第３，第４実施形態に、第２実施形態の構成を適用しても良い。
第４実施形態に、第３実施形態の構成を適用しても良い。
セルスタック２の直列接続数を、「４」以上としても良い。

１ 組電池、２ セルスタック、３ 電圧検出処理部、４ マイクロコンピュータ、６ ドライバユニット ７，８ ドライバ、Cell 電池セル、ＭＵＸ マルチプレクサ。

Claims (2)

1. 直列に接続された複数の電池セル（Cell）を有するセルスタック（２）を、直列に多段接続してなる組電池（１，１Ａ，１Ｂ）を監視対象とするもので、
   前記複数のセルスタックにそれぞれ対応して設けられる、
   前記複数の電池セルのうち何れか１つを選択するため、各電池セルにそれぞれ対応する選択スイッチを有するセル選択部（ＭＵＸ）と、
   このセル選択部により選択された電池セルの電圧を測定する電圧検出部（３）と、
   前記複数のセル選択部に対し、選択制御信号を出力する選択制御部（４）とを備えると共に、
   前記複数の電圧検出部より検出される各電池セルの電圧を監視する電圧監視部（４）を備え、
   前記複数のうち、連続して接続される２つのセルスタックを第１及び第２セルスタック（２（１），２（２）／２（２），２（３）），これら２つのセルスタックに対応するセル選択部をそれぞれ第１及び第２セル選択部（ＭＵＸ１，ＭＵＸ２／ＭＵＸ２Ａ，ＭＵＸ３）並びに第１及び第２電圧検出部（３（１），３（２）／３（２），２（３））とし、
   前記第１及び第２セルスタックの境界に位置にする何れか一方の電池セル（Cell＿ｎ＋１，Cell＿２ｎ＋１）を診断対象セルとすると、
   前記第１及び第２セル選択部はそれぞれ、前記診断対象セルを選択するための診断用スイッチ（ＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂ／ＳＷｎ＋２Ａ，ＳＷｎ＋２Ｂ／ＳＷ２ｎ＋１Ａ，ＳＷ２ｎ＋１Ｂ）を別途備え、
   前記選択制御部は、前記第１及び第２セル選択部に対し、前記診断対象セルを選択するための制御信号を別途出力し、
   前記選択制御部から前記第１及び第２セル選択部の各診断用スイッチにそれぞれ至る選択制御信号経路の伝搬遅延時間が等しくなるように設定されており、
   前記電圧監視部は、前記選択制御部が前記第１及び第２セル選択部を介して前記診断対象セルを選択した際に、前記第１及び第２電圧検出部より取得した２つの電圧検出結果を比較して、検出精度を診断する組電池の電圧監視装置。
2. 前記第１及び第２セル選択部はそれぞれ、前記第１及び第２セルスタックの境界に位置にする２つの電池セルの間にある仮想セル（１０）に対応する診断用スイッチ（ＳＷｎ＋１Ａ，ＳＷｎ＋１Ｂ）を別途備え、
   前記選択制御部は、前記第１及び第２セル選択部に対し、前記仮想セルを選択するための制御信号を別途出力し、
   前記選択制御部から前記第１及び第２セル選択部における前記仮想セルを選択するための各診断用スイッチにそれぞれ至る選択制御信号経路についても、伝搬遅延時間が等しくなるように設定されている請求項１記載の組電池の電圧監視装置。

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