JP2018185306A - バッテリ管理システムにおけるオープンセル検出方法およびオープンセル回復検出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】改善されたオープンセル検出方法を提供する。
【解決手段】オープンセル検出方法は、(a)第1の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオンにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(b)第2の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオフにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(c)第1のキャパシタの電圧値を測定ユニットを用いて測定するステップと、(d)第1のキャパシタの電圧値がオープンセルしきい値よりも小さい場合、第1のセルがオープンセル故障を有することを制御ユニットを用いて判断するステップと、(e)セルのうちの各セルに対して、ステップ(a)から(d)を繰り返すステップと、(f)セルのうちの少なくとも1つのセルがオープンセル故障を有する場合、バッテリ管理システムがオープンセル故障を有することを制御ユニットを用いて判断するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、2017年4月24日に中国国家知識産権局に出願された「Open Cell Detection Method and Open Cell Detection Recovery Method in Battery Management System」と題する中国特許出願第201710270590.3の優先権を主張するものであり、上記中国特許出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
マルチセルバッテリパックは、通常、電力を電気車両、家庭用電化製品などに供給するために直列に接続された複数のセル(たとえば、リチウムイオン電池)を含む。バッテリパックのステータスをモニタするためおよびセル電圧を平衡させるために、バッテリパックは、通常、バッテリ管理システム(Battery Management System、BMS)を含む。BMSは、セルのうちのいずれかを選択するためのマルチプレクサ(MUX)と、選択されたセルの両端部における電圧を測定し、セル電圧を実時間で検出し、過電圧(OV)または低電圧(UV)状況であるかどうかを検出するための電圧測定モジュールと、セルを平衡させるためのセル平衡モジュールとを含む。セル平衡モジュールは、対応するセルから平衡抵抗への平衡電流を生成することによって各セル電圧を平衡させることができる。たとえば、あるセルの電圧値が他のセルの電圧値より大きい場合、対応する平衡スイッチは、平衡抵抗をそのセルと並列に接続し、そのセル上で放電動作を実行して、バッテリ内のセル電圧を平衡させるために閉じられる。
セル電圧測定値の精度は、BMSとセルとの間の接続がロバストであるか否かに依存する。通常、ニッケルストラップまたは電線が接続のために使用される。セル側において、ニッケルストラップまたは電線はセルタップにはんだ付けされる。BMS側において、ニッケルストラップはプリント回路板(PCB)に直接はんだ付けされ、電線はコネクタを介してPCBに接続される。しかしながら、時にはBMSとセルとの間の接続が劣化または破損し、オープンセル故障(セルタップオープンまたはオープンセル)を生じることがある。ひとたびオープンセル故障が生じると、セル電圧測定値は不正確になる。それゆえ、タイムリーで正確なバッテリ管理機能を達成することが不可能になる。たとえば、一シナリオでは、あるセルの電圧がOVしきい値より大きいとき、BMSはOV保護動作を実行しなければならない。しかしながら、BMS内のオープンセル故障によってOV状況が検出され得ないとき、OV保護動作は実行され得ない。たとえば、別のシナリオでは、すべてのセル電圧は正常であるが、BMS内のオープンセル故障によって、BMSは、OVまたはUV保護動作を不適切かつ不必要に実行する。それゆえ、バッテリ管理システム内のオープンセル故障を速やかに検出し、そのオープンセル故障が回復されたかどうかを検出し、オープンセル故障が検出されない状況または間違って存在するとして識別される状況を効率的に回避するために、改善されたオープンセル検出方法がBMS内に必要である。
上述の問題を解決するために、本発明による実施形態は、バッテリ管理システムにおけるオープンセル検出方法を提供する。これらの実施形態では、バッテリ管理システムは、セルに対応するモニタリング抵抗と、キャパシタと、平衡スイッチと、平衡抵抗とを含み、セルのうちの第1のセルは、第1のモニタリング抵抗、第2のモニタリング抵抗、第1のキャパシタ、第1の平衡スイッチ、および第1の平衡抵抗に対応する。これらの実施形態では、オープンセル検出方法は、(a)第1の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオンにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(b)第2の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオフにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(c)制御ユニットに接続された測定ユニットを用いて第1のキャパシタの電圧値を測定するステップと、(d)第1のキャパシタの電圧値がオープンセルしきい値よりも小さい場合、第1のセルがオープンセル故障を有するものと制御ユニットを用いて判断するステップと、(e)セルのうちの各セルに対して、ステップ(a)から(d)を繰り返すステップと、(f)セルのうちの少なくとも1つのセルがオープンセル故障を有する場合、バッテリ管理システムがオープンセル故障を有するものと制御ユニットを用いて判断するステップとを含む。
本発明による実施形態はまた、バッテリ管理システムにおけるオープンセル回復検出方法を提供する。これらの実施形態では、バッテリ管理システムは、セルに対応するモニタリング抵抗と、キャパシタと、平衡スイッチと、平衡抵抗とを含み、セルのうちの第1のセルは、第1のモニタリング抵抗、第2のモニタリング抵抗、第1のキャパシタ、第1の平衡スイッチ、および第1の平衡抵抗に対応する。これらの実施形態では、オープンセル回復検出方法は、(a)第1の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオンにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(b)第2の時間期間の間に第1の平衡スイッチをオフにするために制御ユニットを用いて制御信号を生成するステップと、(c)制御ユニットに接続された測定ユニットを用いて第1のキャパシタの電圧値を測定するステップと、(d)第1のキャパシタの電圧値がオープンセルしきい値以上である場合、第1のセルがオープンセル故障を有しないものと制御ユニットを用いて判断するステップと、(e)セルのうちの各セルに対して、ステップ(a)から(d)を繰り返すステップと、(f)すべてのセルがオープンセル故障を有しない場合、バッテリ管理システムのオープンセル故障が回復されたものと制御ユニットを用いて判断するステップとを含む。
有利には、本発明によるバッテリ管理システムにおけるオープンセル検出方法およびオープンセル回復検出方法は、バッテリ管理システム内のオープンセル故障を速やかに検出し、オープンセル故障が回復されたかどうかを検出し、オープンセル故障を見落とすことまたは間違ってオープンセル故障の存在を識別することを効率的に回避することができる。
特許請求される主題の実施形態の特徴および利点は、同様の番号が同様の部分を示す図面を参照しながら、以下の発明を実施するための形態が進むにつれて明白になるであろう。
本発明の一実施形態によるバッテリ管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による、バッテリ管理システム内のセルのオープンセル検出回路の図である。 本発明の一実施形態による、オープンセル故障の前および後の、時間の関数としての電圧変化を示す図である。 本発明の一実施形態によるオープンセル検出方法の流れ図である。 本発明の一実施形態によるオープンセル検出方法の流れ図である。 本発明の一実施形態によるオープンセル回復検出方法の流れ図である。 本発明の一実施形態によるオープンセル回復検出方法の流れ図である。
次に、本発明の実施形態を詳細に参照する。本発明は、これらの実施形態に関連して説明されるが、これらの実施形態はこれらに対する発明を限定することを意図するものではないことが理解されよう。対照的に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲内に含まれ得る代替形態、修飾形態、および等価形態を包含することを意図するものである。
さらに、本発明の以下の発明を実施するための形態では、本発明の完全な理解を与えるために、多数の具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは、当業者には認識されよう。他の例では、よく知られている方法、手順、構成要素および回路は、本発明の態様を不必要に分かりにくくしないように、詳細には説明されていない。
以下の発明を実施するための形態のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内の手順、論理ブロック、処理、およびデータビット上の演算の他の記号表現に関して提示される。これらの記述および表現は、データ処理分野の当業者によって、自身の仕事の内容を他の当業者に最も効率的に伝達するために使用される手段である。本出願では、手順、論理ブロック、プロセスなどは、所望の結果に導く、首尾一貫したシーケンスのステップまたは命令であるものと考えられる。ステップは、物理量の物理的処置を利用するステップである。通常、必ずではないが、これらの量は、コンピュータシステム内で記憶、転送、結合、比較、および場合によっては操作され得る電気信号または磁気信号の形態を取る。主として広く使用されるという理由から、これらの信号をトランザクション、ビット、値、要素、シンボル、キャラクタ、サンプル、ピクセルなどと呼ぶことが、時には便利であることが分かっている。
しかしながら、これらおよび同様の用語のすべては、適切な物理量に関連付けられており、これらの量に付けられた便宜的ラベルに過ぎないことに留意すべきである。以下の議論から明らかなように別段に具体的に記述されない限り、本開示を通して、「生成する」、「判断する」、「クリアする」、「無効にする」などの用語を使用する議論は、コンピューティングシステムまたは同様の電子コンピューティングデバイスもしくはプロセッサのアクションおよびプロセス(たとえば、図4A、図4B、図5Aおよび図5Bの流れ図)を指すことが諒解される。コンピューティングシステムまたは同様の電子コンピューティングデバイスは、コンピューティングシステムのメモリ、レジスタ、または他のそのような情報ストレージ、送信もしくは表示のデバイス内の物理(電子)量として表されるデータを操作し、変換する。
図1は、本発明の一実施形態によるバッテリ管理システム120のブロック図を示す。図1に示すように、バッテリ管理システム120は、N個のセル110_1〜110_N(Nは2より大きい整数である)を管理することを、各セルの電圧値を実時間でモニタすること、および過電圧(OV)または低電圧(UV)状況であるかどうかを検出することを含めて行うように構成され得る。一実施形態では、セル110_1は最下部のセル(すなわち、バッテリ管理システム120の基準接地に最も近いバッテリ)と呼ばれ、セル110_Nは最上部のセル(すなわち、基準接地から最も遠いバッテリ)と呼ばれ、逆も成り立つ。これは、本発明の限定事項ではない。
バッテリ管理システム120は、セル110_1〜110_Nのうちの対応するセルの正および負の電極の電圧値をモニタするために、セル110_1〜110_Nのうちの対応するセルの正および/または負の電極にそれぞれ接続されたN+1個のモニタリング抵抗RF_0〜RF_Nを含むことができる。たとえば、モニタリング抵抗RF_0はセル110_1の負電極に接続され、モニタリング抵抗RF_1はセル110_1の正電極およびセル110_2の負電極に接続され、以下同様である。
バッテリ管理システム120は、N個のキャパシタCF_1〜CF_Nをさらに含むことができる。キャパシタCF_1はモニタリング抵抗RF_0とRF_1との間に接続され、キャパシタCF_2はモニタリング抵抗RF_1とRF_2との間に接続され、キャパシタCF_Nはモニタリング抵抗RF_N-1とRF_Nとの間に接続され、以下同様である。モニタリング抵抗RF_0〜RF_NおよびキャパシタCF_1〜CF_Nは、電圧測定値から不必要な雑音成分を除外するためのRCフィルタを形成する。
一実施形態では、バッテリ管理システム120は、モニタリング抵抗RF_0〜RF_Nに接続され、セル110_1〜110_Nのセル電圧を実時間でモニタするように構成された測定ユニット122を含む。たとえば、測定ユニット122は、モニタリング抵抗RF_0およびRF_1によって感知された、セル110_1の両端部における電圧(すなわち、セル110_1の正および負の電極の電圧値)に従ってセル110_1のセル電圧を計算することができる。一実施形態では、制御ユニット124は測定ユニット122に接続され、セル110_1〜110_Nの測定されたセル電圧を測定ユニット122から受信することと、セルのうちの1つのセル(たとえば、セル110_1)がN個のセル電圧に照らして不平衡であるかどうかを判断することと、平衡スイッチ(たとえば、SW_1)の状態(オン/オフ)を制御するために対応する平衡スイッチ(たとえば、SW_1)に対する制御信号を生成することとを行うように構成される。一実施形態では、制御ユニット124は、それの機能を実行するためにプロセッサに接続されたメモリ内に記憶された命令のセットを実行するプロセッサ125を含む。測定ユニット122は、セルの測定されたセル電圧を、それらが制御ユニット124に送信される前にディジタルフォーマットに変換するアナログ/ディジタル変換器(ADC)を含む。
図1の実施形態に示すように、バッテリ管理システム120は、N個の平衡スイッチSW_1〜SW_NとN個の平衡抵抗RB_1〜RB_Nとを含む。平衡スイッチおよび平衡抵抗は、セル平衡回路として働くことができる。具体的には、たとえば、測定ユニット122は、それぞれ、セル110_1および110_2のセル電圧V1およびV2(たとえば、12.4Vおよび12V)を測定する。セル110_1と110_2との間の電圧差ΔV1-2(たとえば、0.4V)がしきい値VTH(たとえば、0.1V)より大きいとき、制御ユニット124は、セル110_1と110_2との間の電圧差は不平衡であるものと判断する。制御ユニット124の制御の下で、平衡スイッチSW_1、SW_2および平衡抵抗RB_1、RB_2は、セル110_1と110_2との間の電圧差ΔV1-2をしきい値VTH以下にするように、2つのセル110_1および110_2の電圧値を調整して平衡させるようにともに働く。一実施形態では、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_1をオンにし、平衡スイッチSW_2をオフにするように制御信号を生成する。放電プロセスの間に、放電電流は平衡抵抗RB_1を通って流れ、電圧差ΔV1-2がセル110_1と110_2との間で平衡になる(たとえば、セル110_1と110_2との間の電圧差ΔV1-2がしきい値VTHよりも小さくなる)まで、セル110_1の放電動作を実行することになる。充電プロセスの間に、電圧差ΔV1-2がセル110_1と110_2との間で平衡になるまで、バイパス電流が平衡抵抗RB_1を通って流れ、セル110_1をバイパスすることになる。
一実施形態では、複数のセルの間の電圧差が不平衡である場合、制御ユニット124はそれらのセルのペア間の電圧差を計算し、それらの電圧差に対して異なる優先度をセットする。たとえば、最大の電圧差が最高の優先度を有するようにセットされ、最小の電圧差が最低の優先度を有するようにセットされる。2つ以上の電圧差が同じである場合、それらの電圧差は同じ優先度を有するようにセットされ得る。制御ユニット124は、優先度に従って不平衡なセルを調整することができる。一実施形態では、2つ以上の電圧差が同じ優先度を有する場合、制御ユニット124は、不平衡なセルを調整するために対応する平衡スイッチと平衡抵抗とを同時に制御する。別の実施形態では、バッテリ管理システム120が温度(高温問題)を低減するためにクーラーまたはファンを使用する場合、制御ユニット124は電圧差の優先度を判断および/またはセットする必要はなく、代わりにすべての不平衡なセルを同時に調整する。上記の実施形態は、例示する目的に過ぎず、本発明を限定するものではない。
有利には、バッテリ管理システム120内の制御ユニット124は、セル110_1〜110_Nの間の不平衡なセルを実時間でモニタすることができ、不平衡なセル電圧を調整するために対応する平衡回路を制御することができる。それゆえ、上記のアクションは、バッテリ容量が余りにも急速に低下することを防止するために取られ得る。
図2は、図1のバッテリ管理システム120内の1つのセル110_J(Jは1からNの間の1つの整数である)のオープンセル検出回路の図を示す。図3は、オープンセル故障の前および後のキャパシタCF_Jの両端部におけるノードD_JおよびD_J-1の、時間の関数としての電圧変化を示す。図2および図3に示すように、セル110_Jのセル電圧はVJとラベル付けられ、ノードD_J-1の電圧値はVDJ-1とラベル付けられ、ノードD_Jの電圧値はVDJとラベル付けられる。さらに、抵抗RB_Jの抵抗値はr1とラベル付けられ、抵抗RF_J-1の抵抗値はr2とラベル付けられ、抵抗RF_Jの抵抗値はr3とラベル付けられ、キャパシタCF_Jの静電容量値はc1とラベル付けられる。
オープンセル故障の前-状況(1)
時間期間0〜t1の間、平衡スイッチSW_Jはオフにされ、キャパシタCF_Jの電圧値(すなわち、VDJ-VDJ-1)はセル電圧VJに等しい。
時間t1において、平衡スイッチSW_Jはオンにされ、キャパシタCF_Jはその放電プロセスを開始し、キャパシタCF_Jの電圧は徐々に減少する。その時点において、抵抗RB_Jならびに抵抗RF_Jおよび抵抗RF_J-1は電圧分割器回路として働く。
時間期間t1'〜t2の間、電圧分割器回路は安定状態に入る。この時間期間の間、キャパシタCF_Jの電圧は常にK*VJであり、ここでKは抵抗RB_Jの抵抗値と、抵抗RB_J、RF_J、RF_J-1の抵抗値の合計との比、K=r1/(r1+r2+r3)である。
時間t2において、平衡スイッチSW_Jはオフにされ、セル110_1はキャパシタCF_Jを充電することを開始し、キャパシタCF_Jの電圧は徐々に増加する。
時間t3において、キャパシタCF_Jの電圧はセル電圧VJまで増加し、次いで安定状態に入る。
図3に示すように、t1〜t2の時間期間TONの間、平衡スイッチSW_Jはオンにされる。t2〜t3の時間期間TOFFの間、平衡スイッチSW_Jはオフにされる。
オープンセル故障の後-状況(2)
図2内の点線は、セル110_Jと回路の右側との間のオープンセル故障を示す。バッテリ管理システム120は、納入前に(たとえば、工場内で)および/または納入時にオープンセル故障に対して試験され、それゆえバッテリ管理システム120は予め存在するオープンセル故障を有しないものと仮定することができる。その上、オープンセル故障の前に、セル110_JはキャパシタCF_Jを充電するように機能する。
時間期間0〜t1の間、平衡スイッチSW_Jはオフにされ、キャパシタCF_Jの電圧値(すなわち、VDJ-VDJ-1)はセル電圧VJに等しい。
時間t1において、平衡スイッチSW_Jはオンにされ、キャパシタCF_Jはその放電プロセスを開始し、キャパシタCF_Jの電圧は徐々に減少する。状況(1)(オープンセル故障の前)とは違って、セル110_Jと回路の右側との間にオープンセル故障があるので、抵抗RB_Jならびに抵抗RF_Jおよび抵抗RF_J-1は電圧分割器回路として働くことはできず、それゆえ安定状態に入る。それゆえ、キャパシタCF_Jの電圧は連続的に減少することができる。t1〜t2の時間期間TONが十分に長い場合、キャパシタCF_Jの電圧はゼロまで低下することができる。
時間t2において、平衡スイッチSW_Jがオフにされる。状況(1)とは違って、セル110_Jと回路の右側との間にオープンセル故障があるので、セル110_JはキャパシタCF_Jを再び充電することはできない。それゆえ、キャパシタCF_Jの電圧は増加することができない。たとえば、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧は、依然として時間t2におけるキャパシタCF_Jの電圧に等しい。状況(1)および状況(2)の、経時的な電圧の変化(図3)から分かるように、バッテリ管理システム(たとえば、制御ユニット124)は、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧とプリセットされたオープンセルしきい値VCTOとを比較することによって、セル110_Jがオープンセル故障を有するかどうかを判断することができる。たとえば、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧がプリセットされたオープンセルしきい値VCTOよりも小さい場合、セル110_Jはオープンセル故障を有するものと判断される。一方で、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧がプリセットされたオープンセルしきい値VCTO以上である場合、セル110_Jはオープンセル故障を有しないものと判断される。
時間期間TONの長さは、オープンセル故障の後、キャパシタCF_Jが、時間TONの間に完全にまたはほぼ完全に放電されるようにセットされる。たとえば、時間t2におけるキャパシタCF_Jの電圧VDJ-VDJ-1はゼロに近い。オープンセル故障の後、キャパシタCF_Jおよび抵抗RB_Jからなる放電回路の時定数T1はr1*c1に等しい。一実施形態では、時間期間TONは、時定数T1の3倍から5倍の間になるようにセットされる、TON=(3〜5)*T1。
時間期間TOFFの長さは、オープンセル故障の前に、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧VDJ-VDJ-1がプリセットされたオープンセルしきい値VCTO以上になるように、およびオープンセル故障の後、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧VDJ-VDJ-1がオープンセルしきい値VCTOよりも小さくなるようにセットされる。言い換えれば、時間t3においてオープンセル故障がない場合はVDJ-VDJ-1≧VCTOであり、オープンセル故障がある場合はVDJ-VDJ-1<VCTOである。このようにして、時間t3におけるキャパシタCF_Jの電圧VDJ-VDJ-1を使用して、オープンセル故障があるかどうかが判断され得る。オープンセル故障の前に、充電回路(キャパシタCF_Jならびに抵抗RF_Jおよび抵抗RF_J-1)の時定数T2は、T2=(r2+r3)*c1に等しい。一実施形態では、時間期間TOFFは、時定数T2の3倍から5倍の間になるようにセットされる、TOFF=(3〜5)*T2。
オープンセルしきい値VCTOは、オープンセル故障の存在を見逃すことまたは間違って識別することを回避するようにセットされる。たとえば、状況(2)では、キャパシタCF_Jの電圧は、バッテリ管理システム120の電流リーク経路からキャパシタCF_Jまでの充電電流が無視できるとき、時間期間TOFFの間、一定である。しかしながら、実践では、電流リーク経路によって、キャパシタCF_Jの電圧は、ゆっくりと増加することができる。オープンセルしきい値VCTOが低すぎる場合、オープンセル故障は検出されないことがある。さらに、オープンセルしきい値VCTOは各セルのセル電圧よりも小さくなければならず(VCTO<VJ)、そうでない場合、セル電圧が比較的低いときに、オープンセル故障が存在するものとして間違って識別されることを生じることがある。実践では、バッテリパックの各セルは、極めて低いセル電圧(たとえば、0)による回復不可能な損傷を回避するために、低バッテリ保護しきい値VMINを有する。これらの要因を考慮して、一実施形態では、オープンセルしきい値VCTOは、低バッテリ保護しきい値VMINの3/5から9/10の間になるようにセットされる、VCTO=(3/5〜9/10)*VMIN。
図4Aおよび図4Bは、本発明の一実施形態によるオープンセル検出方法400の流れ図である。
ブロック402において、バッテリ管理システム(たとえば、バッテリ管理システム120)が作動を開始する。
ブロック404において、制御ユニット124は、オープンセル検出タイマーをクリアする(たとえば、タイマーはゼロに戻る)。
ブロック406において、制御ユニット124は、オープンセル検出タイマーが終了したかどうか(たとえば、時間期間が満了したかどうか)を判断する。
ブロック408において、オープンセル検出タイマーが終了した場合、制御ユニット124は、高温問題があるかどうかをさらに判断する。高温問題がある場合、制御ユニット124は、オープンセル検出プロセスを停止し、方法はブロック404に戻る。
ブロック410において、高温問題がない場合、制御ユニット124は、バッテリ(たとえば、セル110_1〜110_N)が充電中であるかどうかをさらに判断する。バッテリが充電中である(たとえば、充電器のプラグがバッテリまたは電源に差し込まれている)場合、方法はブロック416に進む。
ブロック412において、バッテリが充電中でない(たとえば、充電器のプラグが抜かれている)場合、制御ユニット124は、低電圧状況であるかどうかをさらに判断する。低電圧状況でない場合、方法はブロック416に進む。
ブロック414において、低電圧状況である場合、制御ユニット124は、低電圧状況が生じたのが、充電器のプラグが抜かれて以来1回目であるかどうかをさらに判断する。それが1回目でない場合、それはバッテリが持続的低電圧状況にあることを意味し、制御ユニット124はオープンセル検出プロセスを停止し、方法はブロック404に戻る。同時に、バッテリ管理システム120は、充電器のプラグを再び差し込んでバッテリを充電することをオペレータに気付かせるために、低電圧警報を生成することができる。ブロック414における判断結果が「yes」である場合、方法はブロック416に進む。低電圧状況が生じたのが1回目である場合、オープンセル故障による誤った低電圧状況である可能性があり、方法はブロック416に進む。
ブロック416において、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jを時間期間TONの間オンにするように制御信号を生成する。たとえば、図3におけるt1〜t2の時間期間TONの間、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jをオンにするために高レベル制御信号(たとえば、論理「1」)を生成する。一実施形態では、時間期間TONは、時定数T1の3倍から5倍の間になるようにセットされ(TON=(3〜5)*T1)、ここで放電回路(キャパシタCF_Jおよび抵抗RB_Jからなる)の時定数T1はr1*c1に等しい。
ブロック418において、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jを時間期間TOFFの間オフにするように制御信号を生成する。たとえば、図3におけるt2〜t3の時間期間TOFFの間、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jをオフにするために低レベル制御信号(たとえば、論理「0」)を生成する。一実施形態では、時間期間TOFFは、時定数T2の3倍から5倍の間になるようにセットされ(TOFF=(3〜5)*T2)、ここで充電回路(キャパシタCF_Jならびに抵抗RF_JおよびRF_J-1からなる)の時定数T2はT2=(r2+r3)*c1に等しい。
ブロック420において、測定ユニット122は、平衡キャパシタCF_Jの電圧値、すなわちVDJ-VDJ-1を測定する。
ブロック422において、制御ユニット124は、測定された電圧がオープンセルしきい値VCTOよりも小さいかどうかを判断する。一実施形態では、オープンセルしきい値VCTOは、低バッテリ保護しきい値VMINの3/5から9/10の間になるようにセットされる(VCTO=(3/5〜9/10)*VMIN)。たとえば、図3の時間t3において、オープンセル故障がない場合、VDJ-VDJ-1≧VCTO。判断結果が「no」であるとき、方法はブロック426に進み、そうでない場合はブロック424に進む。
ブロック424において、測定された電圧がオープンセルしきい値VCTOより低い場合、制御ユニット124は、セル110_Jがオープンセル故障を有しているものと判断し、方法はブロック426に進む。たとえば、図3の時間t3において、オープンセル故障がある場合、VDJ-VDJ-1<VCTO。
ブロック426において、制御ユニット124は、セル110_Jが最後のセルであるかどうか(たとえば、JがNに等しいかどうか)を判断する。一実施形態では、セル110_1は最下部のセル(すなわち、基準接地に最も近いバッテリ)と呼ばれ、セル110_Nは最上部のセル(すなわち、基準接地から最も遠いバッテリ)と呼ばれる。別の実施形態では、セル110_1は最上部のセル(すなわち、基準接地から最も遠いバッテリ)と呼ばれ、セル110_Nは最下部のセル(すなわち、基準接地に最も近いバッテリ)と呼ばれる。これは、本発明の限定事項ではない。
ブロック428において、セル110_Jが最後のセルでない(たとえば、JがNに等しくない)場合、制御ユニット124は次のセルに続く。
たとえば、セル110_1が最下部のセルであり、セル110_Nが最上部のセルである場合、オープンセル検出方法は最下部のセル110_1から開始し、416〜428のブロックを、下から上に向けてセル110_2、セル110_3、等々と繰り返す。ブロック426においてセル110_Jが最後のセルである(たとえば、JがNに等しい)と判断されると、方法はブロック430に続く。セル110_1が最上部のセルであり、セル110_Nが最下部のセルである場合、オープンセル検出方法は最上部のセル110_1から開始し、416〜428のブロックを、上から下に向けてセル110_2、セル110_3、等々と繰り返す。ブロック426においてセル110_Jが最後のセルである(たとえば、JがNに等しい)と判断されると、方法はブロック430に続く。
ブロック430において、制御ユニット124は、セル110_1〜110_Nのうちのいずれかのセルがオープンセル故障を有するかどうかを判断する。どのセルもオープンセル故障を有しない場合、方法はブロック404に戻る。
ブロック432において、少なくとも1つのセルがオープンセル故障を有する場合、制御ユニット124は、バッテリ管理システム120がオープンセル故障を有するものと判断する。
対応して、オープンセル故障があると判断した後、バッテリ管理システム120は、たとえばニッケルストラップをはんだ付けし直すことまたはコネクタを交換することによってオープンセル故障に対処するようにオペレータに警告するために、オープンセル警報を、たとえばマイクロコントローラユニット(MCU、図示せず)に送信することができる。
図5Aおよび図5Bは、本発明の一実施形態によるオープンセル回復検出方法500の流れ図を示す。すべてのセルがオープンセル故障を有しない場合、バッテリ管理システム120のオープンセル故障は回復されている。
ブロック502において、制御ユニット124は、オープンセル故障があるものと判断する。次いで、バッテリ管理システム120はバッテリ(たとえば、セル110_1〜110_N)の充電を無効にし、充電器のプラグを抜くようにオペレータに警告する。
ブロック504において、制御ユニット124は、充電器のプラグが差し込まれているかどうかを検出する。
ブロック506において、充電器のプラグが差し込まれている場合、制御ユニット124は、充電器のプラグが差し込まれたのが、充電器のプラグが最後に抜かれて以来1回目であるかどうかをさらに検出する。それが1回目でない場合、方法は、オープンセル故障が回復されたかどうかを判断することなく、ブロック504に戻る。
ブロック508において、それが1回目である場合、制御ユニット124は、高温問題があるかどうかをさらに判断する。高温問題がある場合、制御ユニット124は、オープンセル回復プロセスを停止し、方法はブロック504に戻る。
オープンセル回復検出方法の間、バッテリ管理システム120は、バッテリの充電を無効にすることができる。低電圧状況であることが検出された場合、バッテリ管理システム120は、バッテリの放電を無効にすることができる。ひとたびバッテリが充電または放電することができなくなると、バッテリはもはや使用できなくなる。その問題を回避するために、一実施形態では、オープンセル回復検出方法500は、バッテリが低電圧問題を有するかどうかをさらに検出するステップを含まない。
ブロック510において、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jを時間期間TONの間オンにするように制御信号を生成する。たとえば、図3におけるt1〜t2の時間期間TONの間、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jをオンにするために高レベル制御信号(たとえば、論理「1」)を生成する。一実施形態では、時間期間TONは、時定数T1の3倍から5倍の間になるようにセットされ(TON=(3〜5)*T1)、ここで放電回路(キャパシタCF_Jおよび抵抗RB_Jからなる)の時定数T1はr1*c1に等しい。
ブロック512において、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jを時間期間TOFFの間オフにするように制御信号を生成する。たとえば、図3におけるt2〜t3の時間期間TOFFの間、制御ユニット124は、平衡スイッチSW_Jをオフにするために低レベル制御信号(たとえば、論理「0」)を生成する。一実施形態では、時間期間TOFFは、時定数T2の3倍から5倍の間になるようにセットされ(TOFF=(3〜5)*T2)、ここで充電回路(キャパシタCF_Jならびに抵抗RF_JおよびRF_J-1からなる)の時定数T2はT2=(r2+r3)*c1に等しい。
ブロック514において、測定ユニット122は、平衡キャパシタCF_Jの電圧値、すなわちVDJ-VDJ-1を測定する。
ブロック516において、制御ユニット124は、測定された電圧がオープンセルしきい値VCTOよりも小さいかどうかを判断する。一実施形態では、オープンセルしきい値VCTOは、低バッテリ保護しきい値VMINの3/5から9/10の間になるようにセットされる、VCTO=(3/5〜9/10)*VMIN。
ブロック518において、測定された電圧がオープンセルしきい値VCTOより大きい場合、制御ユニット124は、セル110_Jがオープンセル故障を有しないものと判断し、方法はブロック522に進む。たとえば、図3の時間t3において、オープンセル故障がない場合、VDJ-VDJ-1≧VCTO。
ブロック520において、測定された電圧がオープンセルしきい値VCTOより低い場合、制御ユニット124は、セル110_Jが依然としてオープンセル故障を有しているものと判断し、方法はブロック522に進む。たとえば、図3の時間t3において、オープンセル故障がある場合、VDJ-VDJ-1<VCTO。
ブロック522において、制御ユニット124は、セル110_Jが最後のセルである(たとえば、JがNに等しい)かどうかを判断する。一実施形態では、上述のように、セル110_1は最下部のセルと呼ばれ、セル110_Nは最上部のセルと呼ばれ、またはその逆も成り立つ。これは、本発明の限定事項ではない。
ブロック524において、セル110_Jが最後のセルでない(たとえば、JがNに等しくない)場合、制御ユニット124は次のセルに続く。
たとえば、セル110_1が最下部のセルであり、セル110_Nが最上部のセルである場合、検出プロセスは最下部のセル110_1から開始し、510〜524のブロックを、下から上に向けてセル110_2、セル110_3、等々と繰り返す。ブロック522においてセル110_Jが最後のセルである(たとえば、JがNに等しい)と判断されると、方法はブロック526に進む。セル110_1が最上部のセルであり、セル110_Nが最下部のセルである場合、検出プロセスは最上部のセル110_1から開始し、510〜524のブロックを、上から下に向けてセル110_2、セル110_3、等々と繰り返す。ブロック522においてセル110_Jが最後のセルである(たとえば、JがNに等しい)と判断されると、方法はブロック526に進む。
ブロック526において、制御ユニット124は、セル110_1〜110_Nのすべてのセルがオープンセル故障を有していないかどうかを判断する。いずれかのセルがオープンセル故障を有する場合、方法はブロック504に戻る。
ブロック528において、すべてのセルがオープンセル故障を有しない場合、制御ユニット124は、バッテリ管理システム120のオープンセル故障は回復されているものと判断する。
有利には、本発明によるバッテリ管理システムにおけるオープンセル検出方法は、バッテリ管理システム内のオープンセル故障を速やかに検出し、オープンセル故障が回復されたかどうかを検出し、オープンセル故障を見落とすことまたはオープンセル故障の存在を間違って識別することを効率的に回避することができる。
上述の説明および図面は本発明の実施形態を提示するが、様々な追加形態、修正形態および代替形態が、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の原理の趣旨および範囲から逸脱することなく、上記の実施形態において作成され得ることが理解されよう。本発明は、形体、構造、配置、比率、材料、要素、および構成要素の多くの修正形態とともに使用されてもよく、場合によっては、本発明の原理から逸脱することなく特定の環境および動作要件に特に適合される、本発明の実践において使用されてもよいことは、当業者には諒解されよう。それゆえ、本開示の実施形態は、あらゆる点で例示であって制約ではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびそれらの合法の等価物によって示され、上述の説明に限定されないものと見なされるべきである。
110_1 セル
110_2 セル
110_N セル
120 バッテリ管理システム
122 測定ユニット
124 制御ユニット
125 プロセッサ

Claims (17)

  1. バッテリ管理システムにおけるオープンセル検出方法であって、前記バッテリ管理システムが、複数のセルに対応する複数のモニタリング抵抗と、複数のキャパシタと、複数の平衡スイッチと、複数の平衡抵抗とを備え、前記複数のセルのうちの第1のセルが、第1のモニタリング抵抗、第2のモニタリング抵抗、第1のキャパシタ、第1の平衡スイッチ、および第1の平衡抵抗に対応し、前記オープンセル検出方法が、
    (a)第1の時間期間の間に前記第1の平衡スイッチをオンにするために、制御ユニットにより、制御信号を生成するステップと、
    (b)第2の時間期間の間に前記第1の平衡スイッチをオフにするために、前記制御ユニットにより、前記制御信号を生成するステップと、
    (c)前記制御ユニットに接続された測定ユニットにより、前記第1のキャパシタの電圧値を測定するステップと、
    (d)前記第1のキャパシタの前記電圧値がオープンセルしきい値よりも小さい場合、前記制御ユニットにより、前記第1のセルがオープンセル故障を有するものと判断するステップと、
    (e)前記複数のセルの各セルに対して、ステップ(a)から(d)を繰り返すステップと、
    (f)前記複数のセルのうちの少なくとも1つのセルがオープンセル故障を有する場合、前記制御ユニットにより、前記バッテリ管理システムがオープンセル故障を有するものと判断するステップと
    を含む、オープンセル検出方法。
  2. 前記第1の時間期間が、第1の時定数の3倍から5倍の間になるようにセットされ、前記第1の時定数が、前記第1のキャパシタの静電容量値と前記第1の平衡抵抗の抵抗値との積に等しく、
    前記第2の時間期間が、第2の時定数の3倍から5倍の間になるようにセットされ、前記第2の時定数が、前記第1のキャパシタの静電容量値と前記第1のモニタリング抵抗および前記第2のモニタリング抵抗の抵抗値の合計との積に等しい、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  3. 高温状況でない場合、前記制御ユニットにより、前記複数のセルが充電中であるかどうかをさらに判断するステップと、
    前記複数のセルが充電中でない場合、前記制御ユニットにより、低電圧状況であるかどうかをさらに判断するステップと、
    前記低電圧状況である場合、前記制御ユニットにより、前記低電圧状況が生じたのが1回目であるかどうかをさらに判断するステップと、
    前記1回目でない場合、前記制御ユニットにより、オープンセル検出タイマーを再びクリアするステップと
    をさらに含む、請求項2に記載のオープンセル検出方法。
  4. 前記複数のセルの各セルがバッテリ保護しきい値を有し、前記オープンセルしきい値が、前記バッテリ保護しきい値の3/5から9/10の間になるようにセットされる、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  5. 前記ステップ(a)の前に、前記方法が、
    前記制御ユニットにより、オープンセル検出タイマーをクリアするステップと、
    前記制御ユニットにより、前記オープンセル検出タイマーが終了したかどうかを判断するステップと、
    前記オープンセル検出タイマーが終了した場合、前記制御ユニットにより、高温問題があるかどうかをさらに判断するステップと、
    前記高温問題がある場合、前記制御ユニットにより、前記オープンセル検出タイマーを再びクリアするステップと
    をさらに含む、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  6. 前記第1のセルが最下部のセルであり、前記ステップ(e)が、
    ステップ(a)から(d)が前記複数のセルのうちの最上部のセルに対して実行されるまで、ステップ(a)から(d)を下から上に向けて繰り返すステップ
    を含む、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  7. 前記第1のセルが最上部のセルであり、前記ステップ(e)が、
    ステップ(a)から(d)が前記複数のセルのうちの最下部のセルに対して実行されるまで、ステップ(a)から(d)を上から下に向けて繰り返すステップ
    を含む、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  8. 前記ステップ(d)が、
    前記第1のキャパシタの前記電圧値が前記オープンセルしきい値以上である場合、前記制御ユニットにより、前記第1のセルがオープンセル故障を有しないものと判断するステップ
    をさらに含む、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  9. 前記ステップ(f)の後に、前記方法が、
    前記複数のセルの充電を無効にするステップと、
    前記制御ユニットにより、充電器を取り外すための警告を生成するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載のオープンセル検出方法。
  10. バッテリ管理システムにおけるオープンセル回復検出方法であって、前記バッテリ管理システムが、複数のセルに対応する複数のモニタリング抵抗と、複数のキャパシタと、複数の平衡スイッチと、複数の平衡抵抗とを備え、前記複数のセルのうちの第1のセルが、第1のモニタリング抵抗、第2のモニタリング抵抗、第1のキャパシタ、第1の平衡スイッチ、および第1の平衡抵抗に対応し、前記オープンセル回復検出方法が、
    (a)第1の時間期間の間に前記第1の平衡スイッチをオンにするために、制御ユニットにより、制御信号を生成するステップと、
    (b)第2の時間期間の間に前記第1の平衡スイッチをオフにするために、前記制御ユニットにより、前記制御信号を生成するステップと、
    (c)前記制御ユニットに接続された測定ユニットにより、前記第1のキャパシタの電圧値を測定するステップと、
    (d)前記第1のキャパシタの前記電圧値がオープンセルしきい値以上である場合、前記制御ユニットにより、前記第1のセルがオープンセル故障を有しないものと判断するステップと、
    (e)前記複数のセルの各セルに対して、ステップ(a)から(d)を繰り返すステップと、
    (f)前記複数のセルのすべてがオープンセル故障を有しない場合、前記制御ユニットにより、前記バッテリ管理システムのオープンセル故障は回復されているものと判断するステップと
    を含む、オープンセル回復検出方法。
  11. 前記第1の時間期間が、第1の時定数の3倍から5倍の間になるようにセットされ、前記第1の時定数が、前記第1のキャパシタの静電容量値と前記第1の平衡抵抗の抵抗値との積に等しく、
    前記第2の時間期間が、第2の時定数の3倍から5倍の間になるようにセットされ、前記第2の時定数が、前記第1のキャパシタの静電容量値と前記第1のモニタリング抵抗および前記第2のモニタリング抵抗の抵抗値の合計との積に等しい、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
  12. 前記複数のセルの各セルが低バッテリ保護しきい値を有し、前記オープンセルしきい値が、前記低バッテリ保護しきい値の3/5から9/10の間になるようにセットされる、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
  13. 前記ステップ(a)の前に、前記方法が、
    前記制御ユニットにより、充電器が接続されているかどうかを検出するステップと、
    前記充電器が接続されている場合、前記制御ユニットにより、前記充電器が取り外されて以来1回目であるかどうかをさらに判断するステップと、
    前記1回目でない場合、前記制御ユニットにより、オープンセル回復検出を停止し、前記充電器が再び接続されたかどうかを検出するステップと
    をさらに含む、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
  14. 前記1回目である場合、前記制御ユニットにより、高温状況であるかどうかをさらに判断するステップと、
    高温状況である場合、前記制御ユニットにより、前記オープンセル回復検出を停止し、前記充電器が再び接続されたかどうかを検出するステップと
    をさらに含む、請求項13に記載のオープンセル回復検出方法。
  15. 前記第1のセルが最下部のセルであり、前記ステップ(e)が、
    ステップ(a)から(d)が前記複数のセルのうちの最上部のセルに対して実行されるまで、ステップ(a)から(d)を下から上に向けて繰り返すステップ
    を含む、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
  16. 前記第1のセルが最上部のセルであり、前記ステップ(e)が、
    ステップ(a)から(d)が前記複数のセルのうちの最下部のセルに対して実行されるまで、ステップ(a)から(d)を上から下に向けて繰り返すステップ
    を含む、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
  17. 前記ステップ(d)が、
    前記第1のキャパシタの前記電圧値が前記オープンセルしきい値よりも小さい場合、前記制御ユニットにより、前記第1のセルが依然としてオープンセル故障を有するものと判断するステップ
    をさらに含む、請求項10に記載のオープンセル回復検出方法。
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