JP2018057123A - バッテリ監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】過充電時のバッテリの充電停止を従来よりも高速化する。【解決手段】バッテリを構成する複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路1A,1Bと、複数の電池セルの電圧を所定の過充電判定用しきい値と比較し、各々の電池セルに関する判定信号を出力する電圧比較回路2A,2Bと、複数の電池セルに関する電圧検出回路1A,1Bの検出信号及び電圧比較回路2A,2Bの判定信号に基づいてバッテリの状態をソフトウエア的に監視する監視回路3とを備えるバッテリ監視装置であって、監視回路3とは別に設けられ、電圧比較回路2A,2Bの判定信号をハードウエア的に処理してコンタクタを駆動する駆動信号を生成するコンタクタ駆動回路4を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、バッテリ監視装置に関する。
下記特許文献1には、バッテリ(二次電池)を構成する複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、各電池セルの電圧(セル電圧)を所定の過充電判定用しきい値と比較する電圧比較回路と、電圧検出回路から入力される電圧検出値と電圧比較回路から入力される比較結果とに基づいて各電池セルが過充電状態にあるか否かを判定する判定部とを備えるバッテリ監視装置が開示されている。より具体的には、上記判定部は過充電状態をプログラムに基づく所定のアルゴリズムで判定するCPU(Central Processing Unit)である。
ところで、上記バッテリ監視装置では、電圧比較回路によって1次的に判定したバッテリの過充電をCPUによるプログラム処理によって2次的に判定し、過充電が発生するとバッテリと負荷との間に設けられたコンタクタを閉状態から開状態に切り替える。そして、上記バッテリ監視装置では、CPUがバッテリの過充電を判定すると、バッテリの充電を停止させて過充電によるバッテリの損傷を防止する。
しかしながら、このようなCPUによる2次的なバッテリの過充電判定処理は、バッテリの充電停止の即時性という点で問題がある。すなわち、従来のバッテリ監視装置では、バッテリの過充電判定に時間を要するので、過充電に起因するバッテリの損傷を的確に防止することができないという問題がある。特に近年では、バッテリ監視装置の高機能化からCPUの負荷が重くなる傾向になり、この重負荷が原因となってCPUにおけるバッテリの過充電判定処理に時間を要し、バッテリの適切な保護を達成することが困難な傾向になる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、過充電時のバッテリの充電停止を従来よりも高速化することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、バッテリ監視装置に係る第1の解決手段として、バッテリを構成する複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、複数の前記電池セルの電圧を所定の過充電判定用しきい値と比較し、各々の前記電池セルに関する判定信号を出力する電圧比較回路と、複数の前記電池セルに関する前記電圧検出回路の検出信号及び前記電圧比較回路の判定信号に基づいて前記バッテリの状態をソフトウエア的に監視する監視回路とを備えるバッテリ監視装置であって、前記監視回路とは別に設けられ、前記電圧比較回路の判定信号をハードウエア的に処理してコンタクタを駆動する駆動信号を生成するコンタクタ駆動回路を備える、という手段を採用する。
また、バッテリ監視装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記監視回路は、前記電圧検出回路の検出信号及び前記電圧比較回路の判定信号に基づいて複数の前記電池セルの過充電状態を判定して判定信号を出力し、前記コンタクタ駆動回路は、前記電圧比較回路から入力される判定信号に加えて、前記監視回路から入力される判定信号を取り込んで駆動信号を生成する、という手段を採用する。
バッテリ監視装置に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、前記コンタクタ駆動回路は、前記電圧比較回路の判定信号の論理和の否定論理を取るNOR論理回路と、該NOR論理回路の出力信号と前記監視回路の判定信号との論理積を取るAND論理回路と、該AND論理回路の出力信号に基づいて前記駆動信号を生成する駆動回路とを備える、という手段を採用する。
バッテリ監視装置に係る第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、前記電圧比較回路と前記監視回路とが別電源で駆動される場合、前記NOR論理回路と前記AND論理回路との間には、電気的なアイソレーションを取る絶縁素子が設けられる、という手段を採用する。
本発明によれば、監視回路とは別に設けられ、電圧比較回路から入力される各々の判定信号をハードウエア的に処理してコンタクタを駆動する駆動信号を生成するコンタクタ駆動回路を備えるので、過充電時のバッテリの充電停止を従来よりも高速化することが可能である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るバッテリ監視装置は、図1に示すように組電池Xを監視対象とすると共にコンタクタYを操作対象とする装置であり、2つの電圧検出回路1A、1B、2つの電圧比較回路2A、2B、CPU(Central Processing Unit)3及びコンタクタ駆動回路4を備えている。
本実施形態に係るバッテリ監視装置は、図1に示すように組電池Xを監視対象とすると共にコンタクタYを操作対象とする装置であり、2つの電圧検出回路1A、1B、2つの電圧比較回路2A、2B、CPU(Central Processing Unit)3及びコンタクタ駆動回路4を備えている。
組電池Xは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるバッテリであり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。この組電池Xは、図示するように互いに直列接続された複数の電池セルを備えている。当該複数の電池セルは2つのグループを構成しており、当該グループは例えば電池モジュールである。すなわち、この組電池は、複数の電池セルを備えた2つの電池モジュールを直列接続したものである。
このような組電池Xのプラス端子P1は、例えば車両の走行動力を発生させる走行モータを駆動するインバータの一方の入力端子に接続され、組電池Xのマイナス端子P2は、図示しないコンタクタを介してインバータの他方の入力端子に接続されている。すなわち、この組電池Xは、インバータに直流電力を供給する直流電源である。
コンタクタYは、上述したように組電池Xのプラス端子P1とインバータの一方の入力端子との間に設けられた開閉器であり、組電池Xから出力された直流電力のインバータへの供給/非供給を設定する。このコンタクタYは、例えば励磁コイルに駆動電流が通電されると閉状態となり、上記駆動電流の通電が停止すると開状態となる開閉器である。このようなコンタクタYは、コンタクタ駆動回路4から駆動信号Sdとして供給される駆動電流に基づいて上記直流電力のインバータへの通過を許容/遮断する。
2つの電圧検出回路1A、1Bのうち、一方の電圧検出回路1Aは、上述した2つの電池モジュールのうち、高電位側の電池モジュールに対応して設けられている。この電圧検出回路1Aは、上記高電位側の電池モジュールにおける各電池セルの電圧(電池セル)を検出する。すなわち、この電圧検出回路1Aは、高電位側の電池モジュールにおける各電池セルの出力端(プラス端及びマイナス端)に各々接続される複数の入力端を備えており、高電位側の電池モジュールにおける個々の電池セルの出力端の電位差をセル電圧として検出する。このような電圧検出回路1Aは、高電位側の電池モジュールにおける各電池セルのセル電圧を示す検出信号をCPU3に出力する。
2つの電圧比較回路2A、2Bのうち、一方の電圧比較回路2Aは、上記高電位側の電池モジュールに対応して設けられている。この電圧比較回路2Aは、上述した電圧検出回路1Aと同様に高電位側の電池モジュールにおける各電池セルの出力端(プラス端及びマイナス端)に各々接続される複数の入力端を備え、各電池セルの出力端の電位を所定の過充電判定用しきい値と比較することにより、高電位側の電池モジュールにおける各電池セルの過充電を判定する。
この電圧比較回路2Aは、高電位側の電池モジュールにおける各電池セルの正常/過充電の判定結果を判定信号SaとしてCPU3及びコンタクタ駆動回路4に出力する。この判定信号Saは、例えば電池セルが正常な場合はL(ロー)電位(論理値として「0」)となり、電池セルが過充電の場合にはH(ハイ)電位(論理値とて「1」)となる。
2つの電圧検出回路1A、1Bのうち、他方の電圧検出回路1Bは、上述した2つの電池モジュールのうち、低電位側の電池モジュールに対応して設けられている。この電圧検出回路1Bは、上記低電位側の電池モジュールにおける各電池セルの電圧(電池セル)を検出する。すなわち、この電圧検出回路1Bは、低電位側の電池モジュールにおける各電池セルの出力端(プラス端及びマイナス端)に各々接続される複数の入力端を備えており、低電位側の電池モジュールにおける個々の電池セルの出力端の電位差をセル電圧として検出する。このような電圧検出回路1Bは、低電位側の電池モジュールにおける各電池セルのセル電圧を示す検出信号をCPU3に出力する。
2つの電圧比較回路2A、2Bのうち、他方の電圧比較回路2Bは、上記低電位側の電池モジュールに対応して設けられている。この電圧比較回路2Bは、上述した電圧検出回路1Bと同様に低電位側の電池モジュールにおける各電池セルの出力端(プラス端及びマイナス端)に各々接続される複数の入力端を備え、各電池セルの出力端の電位を所定の過充電判定用しきい値と比較することにより、低電位側の電池モジュールにおける各電池セルの過充電を判定する。
この電圧比較回路2Bは、低電位側の電池モジュールにおける各電池セルの正常/過充電の判定結果を判定信号SbとしてCPU3及びコンタクタ駆動回路4に出力する。この判定信号Sbは、例えば電池セルが正常な場合はL(ロー)電位(論理値として「0」)となり、電池セルが過充電の場合にはH(ハイ)電位(論理値とて「1」)となる。
CPU3は、内部メモリに記憶された監視プログラムに基づいて機能する監視回路である。すなわち、このCPU3は、上述した電圧検出回路1A、1Bから入力される各電池セルのセル電圧及び電圧比較回路2A、2Bから入力される各電池セルの過充電判定結果に基づいて組電池Xの状態を監視する。また、このCPU3は、車両における上位制御系(例えばバッテリECU)に組電池Xの監視結果を出力する。
このCPU3は、組電池Xの状態監視の一環として、電圧比較回路2A、2Bから入力される評価結果とは別に、電圧比較回路2A、2Bから入力される各電池セルのセル電圧に基づいて組電池Xが過充電状態にあるか否かを判定する。すなわち、組電池Xが過充電状態は、電圧比較回路2A、2BとCPU3とによって電圧比較回路2A、2Bの判定とは別に判定される。このCPU3は、組電池Xの過充電の判定結果を判定信号Scとしてコンタクタ駆動回路4に出力する。
この判定信号Scは、例えば電池セルが正常な場合はH(ハイ)電位(論理値とて「1」)となり、電池セルが過充電の場合にはL(ロー)電位(論理値として「0」)となる。なお、2つの電圧検出回路1A、1B及び電圧比較回路2A、2Bは同一の電源(アナログ系電源)によって駆動され、これに対してCPU3は、上記アナログ系電源とは別電源であるデジタル系電源によって駆動される。
コンタクタ駆動回路4は、2つの電圧比較回路2A、2Bの判定信号Sa、Sbに加え、CPU3の判定信号Scを取り込んでコンタクタYを作動させる駆動信号Sdを生成する。このコンタクタ駆動回路4は、図2に示すように、OR論理回路4a、4b、NOR論理回路4c、絶縁デバイス4d、AND論理回路4e及びドライバ4f(駆動回路)を備えている。
OR論理回路4aは、高電位側の電池モジュールの電池セル数に相当する数の入力端子を備えており、電圧比較回路2Aから入力される複数の判定信号Saの論理和(OR)を取ってOR論理回路4cに出力する。OR論理回路4bは、低電位側の電池モジュールの電池セル数に相当する数の入力端子を備えており、電圧比較回路2Bから入力される複数の判定信号Sbの論理和(OR)を取ってOR論理回路4cに出力する。NOR論理回路4cは、OR論理回路4aから入力される論理結果とOR論理回路4bから入力される論理結果との論理和(OR)の否定論理を取って絶縁デバイス4dに出力する。
このような2つのOR論理回路4a、4b及びNOR論理回路4cは、判定信号Sa、Sbを扱う関係で電圧検出回路1A、1B及び電圧比較回路2A、2Bと同一のアナログ系電源によって駆動される。一方、AND論理回路4eは、CPU3から判定信号Scが入力される関係でデジタル系電源によって駆動される。
絶縁デバイス4dは、このように電源が異なるNOR論理回路4cとAND論理回路4eとの電気的なアイソレーションを取るための絶縁素子である。すなわち、この絶縁デバイス4dは、NOR論理回路4cの出力信号を光信号に変換する発光素子と、発光素子から入力される光信号を電気信号に変換してAND論理回路4eに出力するフォトトランジスタを備えている。AND論理回路4eは、絶縁デバイス4dから入力される電気信号つまりNOR論理回路4cの出力と同一の論理信号とCPU3から入力される判定信号との論理積を取ってドライバ4fに出力する。
ドライバ4fは、AND論理回路4eから入力される論理信号を電力増幅してコンタクタYを作動させる駆動信号Sdに生成する駆動回路である。例えば、このドライバ4fは、上記駆動コイルに直列接続されると共にON/OFFすることにより、駆動信号Sdによって駆動電流スイッチングトランジスタである。このようなドライバ4fは、駆動コイルに通電する駆動電流を駆動信号Sdとして生成してコンタクタYに供給する。なお、このドライバ4fとしては、上記スイッチングトランジスタにアクティブクランプ回路が付加されたものを採用しても良い。
次に、このように構成されたバッテリ監視装置の動作について、図3のタイミングチャートを参照して詳しく説明する。
ここで、電圧比較回路2A、2Bが出力する判定信号Sa、Sbは、組電池Xの全電池セルに関するものであり、よって実際には電池セルの個数に相当する信号数を有する。しかしながら、個々の電池セルに対応する判定信号Sa、Sbを全て表記するのは煩雑なので、図3では判定信号Sa、Sbを便宜的に各々1つの信号として表記している。また、この図3では、コンタクタ駆動回路4を構成する各回路要素における時間遅延はないものとして各信号の遷移タイミングを示している。
本実施形態に係るバッテリ監視装置では、電圧検出回路1A、1Bが各電池セルのセル電圧を検出してCPU3に出力すると共に、電圧比較回路2A、2Bが各電池セルの過充電に関する判定結果を判定信号Sa、SbとしてCPU3及びコンタクタ駆動回路4に出力する。この判定信号Sa、Sbは、図3に示すように電池セルが正常な場合は論理値が「0」、また電池セルが過充電の場合には論理値が「1」となる論理信号である。
このバッテリ監視装置において、コンタクタ駆動回路4には、電圧比較回路2A、2Bの判定信号Sa、Sbが入力される。すなわち、コンタクタ駆動回路4のOR論理回路4aには、電圧比較回路2Aの判定信号Sa、つまり組電池Xにおける高電位側電池モジュールの各電池セルに関する過充電の判定結果が入力される。一方、コンタクタ駆動回路4のOR論理回路4bには、電圧比較回路2Bの判定信号Sb、つまり組電池Xにおける低電位側電池モジュールの各電池セルに関する過充電の判定結果が入力される。
OR論理回路4aは、高電位側電池モジュールの各電池セルに対応する複数の判定信号Saの論理和を取るので、高電位側電池モジュールの各電池セルの何れかが過充電の場合に論理値が「1」となり、全電池セルが正常な場合には論理値が「0」となる論理信号S1を出力する。図3では、高電位側電池モジュールの各電池セルの何れかが時刻t1において過充電になり、この結果として論理信号S1が時刻t1において論理値「0」から論理値「1」に変化していることを示している。
一方、OR論理回路4bは、低電位側電池モジュールの各電池セルに対応する複数の判定信号Sbの論理和を取るので、低電位側電池モジュールの各電池セルの何れかが過充電の場合に論理値が「1」となり、低電位側電池モジュールの全電池セルが正常な場合には論理値が「0」となる論理信号S2を出力する。図3では、低電位側電池モジュールの各電池セルの何れかが時刻t2において過充電になり、この結果として論理信号S2が時刻t2において論理値「0」から論理値「1」に変化していることを示している。
そして、NOR論理回路4cは、このようなOR論理回路4a、4bの論理信号S1、S2の論理和の否定論理を取るので、組電池Xの各電池セルの何れか1つが過充電の場合に論理値が「0」となり、組電池Xの全電池セルが正常な場合に論理値が「1」となる論理信号S3を絶縁デバイス4dに出力する。すなわち、論理信号S3は、論理信号S1が論理値「0」から論理値「1」に変化するタイミング、つまり時刻t1において論理値「1」から論理値「0」に変化する。そして、絶縁デバイス4dは、上記論理信号S3を一旦光信号に変換した後電気信号に再変換してAND論理回路4eに出力する。
一方、CPU3は、電圧検出回路1A、1Bの各セル電圧及び電圧比較回路2A、2Bの判定信号Sa、Sbに基づいて組電池Xの状態を監視する。例えばCPU3は、電圧比較回路2A、2Bの判定信号Sa、Sbとは別に、電圧検出回路1A、1Bの各セル電圧を所定のアルゴリズムでソフトウエア的に再評価することにより組電池Xの過充電を冗長的に判定する。そして、CPU3は、上記判定の結果として、電池セルが正常な場合は論理値が「1」、電池セルが過充電の場合には論理値が「0」となる論理信号を判定信号Scとして出力する。
そして、AND論理回路4eは、このようなNOR論理回路4cの論理信号S3とCPU3の判定信号Scとの論理積を取るが、CPU3が組電池Xの電池セルの何れかが過充電になったことを判定して判定信号Scが論理値「1」から論理値「0」に変化する時刻t3は、判定信号Sa、Sbが論理値「0」から論理値「1」に変化する時刻t1、t2、つまり論理信号S2が時刻t2において論理値「0」から論理値「1」に変化する時刻よりも大幅に遅れる。
これに対して、NOR論理回路4cが出力する論理信号S3は、電圧比較回路2A、2Bの判定信号Sa、SbをOR論理回路4a、4b及びNOR論理回路4cでハードウエア的(論理回路的)に処理して得られたものであり、図3に示すように判定信号Sa、Sbと略同一のタイミングで論理変化するので、判定信号Scの論理変化よりも速い。したがって、AND論理回路4eは、判定信号Saが論理値「0」から論理値「1」に変化する時刻t1において論理値「1」から論理値「0」に変化する論理信号S4を出力する。
そして、コンタクタ駆動回路4のドライバ4fは、上記論理信号S4に従って駆動電流の通電を非通電とする駆動信号SdをコンタクタYに出力する。この結果、コンタクタYは時刻t1において開状態から閉状態に変化し、組電池Xへの充電が停止する。
このような本実施形態によれば、コンタクタ駆動回路4を備えているので、CPU3の判定信号Scとは別に、かつ当該判定信号Scよりも高速にコンタクタYを閉状態から開状態に移行させることが可能である。したがって、本実施形態によれば、過充電時の組電池X(バッテリ)の充電停止を従来よりも高速化することができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態ではOR論理回路4a、4b、NOR論理回路4c、絶縁デバイス4d、AND論理回路4e及びドライバ4fによってコンタクタ駆動回路4を構成したが、本発明はこれに限定されない。図2に示すコンタクタ駆動回路4の構成は、あくまでも一例であって、CPU3の判定信号Scよりも高速にコンタクタYを閉状態から開状態に移行させる駆動信号Sdを生成できるものであれば、他の構成を採用しても良い。
(1)上記実施形態ではOR論理回路4a、4b、NOR論理回路4c、絶縁デバイス4d、AND論理回路4e及びドライバ4fによってコンタクタ駆動回路4を構成したが、本発明はこれに限定されない。図2に示すコンタクタ駆動回路4の構成は、あくまでも一例であって、CPU3の判定信号Scよりも高速にコンタクタYを閉状態から開状態に移行させる駆動信号Sdを生成できるものであれば、他の構成を採用しても良い。
(2)上記実施形態では2つのOR論理回路4a、4bと1つのNOR論理回路4cによって判定信号Sa、Sbの論理和の否定論理を取ったが、本発明はこれに限定されない。OR論理回路4a、4b及びNOR論理回路4cを組電池Xの電池セル数に相当する入力端を有する単一のNOR論理回路に代替えしても良い。
(3)上記実施形態では2つの電池モジュールを備える組電池Xに本発明を適用したが、本発明におけるバッテリの構成は、上記実施形態における組電池Xに限定されない。本発明は、単一の電池モジュールからなるバッテリや3以上の電池モジュールからなるバッテリに適用可能である。
(4)上記実施形態では組電池Xのプラス端子P1に接続されるコンタクタYの駆動について説明したが、コンタクタYに加えて、組電池Xのマイナス端子P2に接続されるコンタクタをコンタクタ駆動回路4の駆動信号Sdによって同様に駆動しても良い。
X 組電池(バッテリ)
Y コンタクタ
1A、1B 電圧検出回路
2A、2B 電圧比較回路
3 CPU(監視回路)
4 コンタクタ駆動回路
4a、4b OR論理回路
4c NOR論理回路
4d 絶縁デバイス
4e AND論理回路
4f ドライバ(駆動回路)
Y コンタクタ
1A、1B 電圧検出回路
2A、2B 電圧比較回路
3 CPU(監視回路)
4 コンタクタ駆動回路
4a、4b OR論理回路
4c NOR論理回路
4d 絶縁デバイス
4e AND論理回路
4f ドライバ(駆動回路)
Claims (4)
- バッテリを構成する複数の電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、複数の前記電池セルの電圧を所定の過充電判定用しきい値と比較し、各々の前記電池セルに関する判定信号を出力する電圧比較回路と、複数の前記電池セルに関する前記電圧検出回路の検出信号及び前記電圧比較回路の判定信号に基づいて前記バッテリの状態をソフトウエア的に監視する監視回路とを備えるバッテリ監視装置であって、
前記監視回路とは別に設けられ、前記電圧比較回路の判定信号をハードウエア的に処理してコンタクタを駆動する駆動信号を生成するコンタクタ駆動回路を備えることを特徴とするバッテリ監視装置。 - 前記監視回路は、前記電圧検出回路の検出信号及び前記電圧比較回路の判定信号に基づいて複数の前記電池セルの過充電状態を判定して判定信号を出力し、
前記コンタクタ駆動回路は、前記電圧比較回路から入力される判定信号に加えて、前記監視回路から入力される判定信号を取り込んで駆動信号を生成す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。 - 前記コンタクタ駆動回路は、
前記電圧比較回路の判定信号の論理和の否定論理を取るNOR論理回路と、
該NOR論理回路の出力信号と前記監視回路の判定信号との論理積を取るAND論理回路と、
該AND論理回路の出力信号に基づいて前記駆動信号を生成する駆動回路とを備え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。 - 前記電圧比較回路と前記監視回路とが別電源で駆動される場合、前記NOR論理回路と前記AND論理回路との間には、電気的なアイソレーションを取る絶縁素子が設けられることを特徴とする請求項3に記載のバッテリ監視装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2019207626A1 (ja) * | 2018-04-23 | 2019-10-31 | 株式会社東芝 | 電池システム |
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WO2019207626A1 (ja) * | 2018-04-23 | 2019-10-31 | 株式会社東芝 | 電池システム |
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