JP2021191011A - 電池監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セル均等化回路又はブロック均等化回路の故障を検知して、正常な均等化動作を継続する。【解決手段】故障検出回路７は、セル均等化回路５又はブロック均等化回路６が有する均等化スイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、当該スイッチ１３に印加される電圧値を所定の閾値と比較して故障判定を行う。制御回路８は、均等化回路５又は６の一方について均等化スイッチ１３の故障が判定されると、その故障の状態に応じて均等化を行う際に流れる均等化電流の経路を切り替えて均等化を継続する。【選択図】図２

Description

本発明は、組電池を構成する複数の電池ブロック，及びその電池ブロックを構成する複数の電池セルについて均等化制御を行う装置に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車には、動力源であるモータに電力を供給するための電池ユニットが搭載されている。この電池ユニットは、複数の電池ブロックを直列に接続して構成されており、各電池ブロックは、複数の電池セルを直列に接続して構成される。ここで、各電池セルには内部抵抗や容量にバラつきがあり、これに起因して各電池セルの電圧にバラつきが生じる

そこで、各電池セル間の電圧のバラつきを解消するため、電池ユニットに付随する監視装置には、電圧の均等化を行うセル均等化回路が搭載されている。また、各電池セルのバラつきは、各電池ブロック間の電圧のバラつきも引き起こす。しかし、各電池ブロック間の電圧のバラつきまでもセル均等化回路だけで解消しようとすると、効率が悪く時間がかかる。そこで、各電池ブロック間の電圧を均等化するためのブロック均等化回路を別途設けて、ブロック間の電圧を効率よく均等化することも行われている。

特開２００６−２５４５３５号公報

例えば従来の均等化制御では、ブロック電圧のバラつきの程度に応じて電圧が低下しているブロックを特定すると、そのブロックの均等化を停止して放電電流を低減することで過放電状態に至ることを回避している。

しかしながら、従来の構成では、均等化回路が備えているセルを放電させるための均等化スイッチに、例えばＯＮ状態で固着する故障が発生し、そのまま通常の均等化動作を行い続けると電池ブロックが過放電になるおそれがある。

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、セル均等化回路又はブロック均等化回路の故障を検知して、正常な均等化動作を継続できる電池監視装置を提供することにある。

請求項１記載の電池監視装置によれば、セル均等化回路は、各電池ブロック内の電池セル間の電圧を均等化する均等化スイッチを有し、ブロック均等化回路は、各電池ブロック間の電圧を均等化する均等化スイッチを有する。故障検出回路は、均等化スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて印加される電圧値又は流れる電流値を所定の値と比較して、均等化スイッチの故障判定を行う。

制御回路は、均等化スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して各電池セル間及び各電池ブロック間の均等化制御を行うと共に、均等化回路の一方について均等化スイッチの故障が判定されると、その故障の状態に応じて均等化を行う際に流れる均等化電流の経路を切り替えて、均等化を継続する。

具体的には、制御回路は、請求項２記載の電池監視装置のように、ブロック均等化回路の均等化スイッチが故障と判定されるとセル均等化回路により均等化を行うように切り替え、また請求項３記載の電池監視装置のように、セル均等化回路の均等化スイッチが故障と判定されると、故障が発生したセル均等化回路に替えて、当該セル均等化回路が属する電池ブロックのブロック均等化回路により均等化を行うように切り替える。

このように構成すれば、ブロック又はセル均等化回路の一方が有する均等化スイッチが故障しても、他方の均等化回路によりブロック又はセルの均等化を代替させて継続することができる。したがって、冗長性を向上させることができる。

第１実施形態であり、電池監視装置の構成を示す機能ブロック図 ブロック均等化回路の構成を示す機能ブロック図 ブロック均等化回路による均等化をセル均等化回路に代替させる処理を示すフローチャート セル均等化回路による均等化をブロック均等化回路に代替させる処理を示すフローチャート 第２実施形態であり、ブロック均等化回路の構成を示す機能ブロック図 第３実施形態であり、ブロック均等化回路の構成を示す機能ブロック図 第４実施形態であり、ブロック均等化回路の構成を示す機能ブロック図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１に示すように、電池ユニット１は、複数の電池ブロックＢ１〜Ｂｍを直列に接続して構成され、各電池ブロックＢは、複数の単位電池セルＣ１〜Ｃｎを直列に接続して構成されている。本実施形態の電池監視装置２は、各電池ブロックＢ１〜Ｂｎにそれぞれ接続される電池監視ユニット３（１）〜３（ｎ）と、これらの電池監視ユニット３を統括的に制御するマイクロコンピュータ４とを備えている。

電池監視ユニット３は、各電池セルＣ１〜Ｃｎ間の電圧を均等化するセル均等化回路５，電池ブロックＢ１〜Ｂｎ間の電圧を均等化するブロック均等化回路６，セル均等化回路５及びブロック均等化回路６の故障を判定する故障検出回路７，マイコン４との間で情報を送受信し、均等化回路５及び６のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路８を備えている。

尚、セル均等化回路５及びブロック均等化回路６の構成は同一なので、同一の回路素子には同一の符号を付しており、以下ではブロック均等化回路６について説明する。図２に示すように、ブロック均等化回路６は、電池ブロックＢの正側端子と負側端子との間に接続される、ヒューズ１１，電流制限抵抗１２及び均等化スイッチ１３の直列回路を備えている。ヒューズ１１には、短絡スイッチ１４が並列に接続されている。均等化スイッチ１３及び短絡スイッチ１４のＯＮ／ＯＦＦは、マイコン４により制御回路８を介して制御される。

電池ブロックＢ間の電圧を均等化する際には、マイコン４が制御回路８へ均等化を指示する命令を出力し、その命令を受信した制御回路８が均等化スイッチ１３をＯＮにする。均等化スイッチ１３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、そのドレイン及びソースをそれぞれ端子Ｖｏｕｔ−Ｖｇとし、これらは故障検出回路７の入力端子に接続されている。故障検出回路７は、各端子Ｖｏｕｔ，Ｖｇ間の電圧をＡ／Ｄ変換して読み込むと、所定の閾値と比較して均等化スイッチ１３の故障判定を行う。故障判定の結果は、制御回路８よりマイコン４に出力される。所定の閾値は、例えば電池ブロックＢの端子電圧の１／２程度に設定する。

具体的には、均等化スイッチ１３が正常であれば、制御回路８がＯＮにすれば当該スイッチ１３は短絡するので、端子Ｖｏｕｔ−Ｖｇ間の電圧は閾値よりも低くなり、故障検出回路７によりＬｏと識別される。一方、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着状態で故障しており、制御回路８がＯＮにしてもＯＦＦのままであれば、端子Ｖｏｕｔ−Ｖｇ間には電池ブロックＢの端子電圧が印加されて閾値よりも高くなり、故障検出回路７によりＨｉと識別されるので、ＯＦＦ固着で故障していると特定できる。

また、制御回路８が均等化スイッチ１３をＯＦＦにしていれば、上述のように端子Ｖｏｕｔ−Ｖｇ間には電池ブロックＢの端子電圧が印加されているので、故障検出回路７ではＨｉと識別される。一方、均等化スイッチ１３がＯＮ固着状態で故障しており、制御回路８がＯＦＦにしていてもＯＮのままであれば故障検出回路７ではＬｏと識別され、ＯＮ固着で故障していると特定できる。

短絡スイッチ１４は、通常動作時にはＯＦＦにされ、均等化スイッチ１３がＯＮした際に流れる放電電流を、電流制限抵抗１２に流して制限する。短絡スイッチ１４がＯＮされると、均等化スイッチ１３がＯＮした際に放電電流が流れてヒューズ１１が溶断し、電流経路が遮断される。

次に均等化スイッチ１３が故障した際の均等化回路５，６間の切り替えについて説明する。図３は、下記の切り替え処理を示すフローチャートである。
＜ブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着した場合＞
この場合、電池ブロックＢからブロック均等化回路６に電流が流れる経路が遮断される。マイコン４は、制御回路８から上記のＯＦＦ固着故障の判定結果を受け取ると（Ｓ１，Ｓ２；ＯＦＦ固着）、セル均等化回路５のみで均等化を行うための命令を出力する。例えば、ブロックＢ１に接続されるブロック均等化回路６がＯＦＦ固着した場合、先ずブロックＢ１のブロック電圧，つまり単位電池セルＣ１の正極とＣｎの負極間の電圧を検出し（Ｓ３）、ブロックＢ２〜Ｂｎのブロック電圧と比較する。その結果、ブロックＢ１を放電する必要があれば（Ｓ４；ＹＥＳ）、マイコン４がブロックＢ１の放電量を計算し、制御回路８がセル均等化回路５（１）〜５（ｎ）の均等化スイッチ１３のＯＮ/ＯＦＦを制御して、マイコン４により計算された放電量に相当する均等化電流を放電する（Ｓ５）。この時、単位電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの放電量が均一となるように、各単位電池セルＣ１〜Ｃｎの端子電圧を検出しながら均等化を行う。

＜ブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３がＯＮ固着した場合＞
この場合（Ｓ２；ＯＮ固着）、マイコン４が短絡スイッチ１４をＯＮするように命令を出力し、制御回路８は、その命令を受け取ると、ブロック均等化回路６内の短絡スイッチ１４をＯＮにする（Ｓ６）。すると、電流制限抵抗１２が短絡されてヒューズ１１に大電流が流れて溶断し、ブロック均等化回路６に電流が流れなくなる（Ｓ７）。すなわち、上述したブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着した状態と同様になるため、同様の処置を行うことでセル均等化回路５により均等化を実施するように切り替える（Ｓ３）。

次にセル均等化回路５内の均等化スイッチ１３が故障した際の動作を説明する。図４は、下記の切り替え処理を示すフローチャートである。
＜セル均等化回路５内の均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着した場合＞
例えば、図２に示す単位電池セルＣ１に接続されたセル均等化回路５（１）内の均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着で故障すると（Ｓ１１，Ｓ１２；ＯＦＦ固着）、マイコン４がセル均等化回路５（１）以外のセル均等化回路５（２）〜５（ｎ）内の均等化スイッチ１３をＯＮにする命令を出力する（Ｓ１３）。これにより、単位電池セルＣ２〜Ｃｎが短絡されるので、単位電池セルＣ２の正極側から単位電池セルＣｎの負極側までの経路は配線とみなせる（Ｓ１４）。したがって、単位電池セルＣ１の放電は、ブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３のＯＮ/ＯＦF状態を切り替えることで制御される。すなわち、セル均等化回路５内の均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着した際には、ブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことで均等化の実施が可能になる（Ｓ１５）。

＜セル均等化回路５内の均等化スイッチ１３がＯＮ固着した場合＞
この場合（Ｓ１２；ＯＮ固着）、対応するセル均等化回路５内の短絡スイッチ１４をＯＮにすることで（Ｓ１６）電流制限抵抗１２が短絡され、ヒューズ１１が溶断して回路を遮断すれば、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着した状態と同様になる（Ｓ１７）。そこで、ＯＦＦ固着故障と同様の処置を行うことで、セル均等化回路５の代わりにブロック均等化回路６による均等化の実施にと切り替える（Ｓ１３）。

以上のように本実施形態によれば、故障検出回路７は、セル均等化回路５又はブロック均等化回路６が有する均等化スイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、当該スイッチ１３に印加される電圧値を所定の閾値と比較して故障判定を行う。

制御回路８は、均等化回路５又は６の一方について均等化スイッチ１３の故障が判定されると、その故障の状態に応じて均等化を行う際に流れる均等化電流の経路を切り替えて均等化を継続して行う。具体的には、ブロック均等化回路６側の故障が判定されるとセル均等化回路５により均等化を行うように切り替え、セル均等化回路５側に故障が判定されると、そのセル均等化回路５が属する電池ブロックＢのブロック均等化回路６により均等化を行うように切り替える。このように構成すれば、均等化回路５又は６の一方が有する均等化スイッチ１３が故障しても、他方の均等化回路によりセルＣ又はブロックＢの均等化を代替させて継続できるので、従来よりも冗長性が向上する。

また、均等化回路５及び６に、並列に接続される電流制限抵抗１２および短絡スイッチ１４と、これらに直列に接続されるヒューズ１１とを備え、制御回路８は、均等化スイッチ１３の故障がＯＮ状態での固着であれば、短絡スイッチ１４をＯＮしてヒューズ１１を溶断させる。これにより、セルＣ又はブロックＢより対応する均等化回路５又は６を遮断して、セルＣ又はブロックＢが過放電状態になることを確実に回避できる。

（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実施形態の電池監視装置２１では、２つの均等化スイッチ１３を直列に接続しており、各均等化スイッチ１３の両端の電圧を検出する。これにより、各均等化スイッチ１３の故障個所を個別に特定する。

均等化スイッチ１３（１）のドレイン，ソースをそれぞれ端子Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２とし、均等化スイッチ１３（２）のソースを端子Ｖｏｕｔ３とする。そして、各端子Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ３と故障検出回路２２の各入力端子との間に、それぞれスイッチ１５（１）〜１５（３）を配置する。制御回路２３により各スイッチ１５（１）〜１５（３）のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、各端子Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ３と故障検出回路２２の入力端子との接続を切り替えて、均等化スイッチ１３（１），１３（２）の故障を個別に判定する。

例えば、均等化スイッチ１３（１）の故障を判定する際には、制御回路２３がスイッチ１５（１）及び１５（２）をＯＮにし、スイッチ１５（３）をＯＦＦにする。そして、第１実施形態と同様に、故障検出回路２２が端子Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２間の電圧をＡ／Ｄ変換して閾値と比較し、故障判定する。均等化スイッチ１３（２）の場合は、制御回路２３がスイッチ１５（１）をＯＦＦにし、スイッチ１５（２）及び１５（２）をＯＮにして故障判定すれば良い。

以上のように第２実施形態によれば、均等化スイッチ１３（１）又は１３（２）の一方がＯＮ固着状態で故障した際にも、他方のスイッチ１３により放電電流を遮断できるので、冗長性を更に向上させることができる。

（第３実施形態）
図６に示す第３実施形態の電子監視装置３１では、フォトカプラ３２を用いて電流を検出することで故障判定を行う。フォトカプラ３２は、発光ダイオード３３とフォトトランジスタ３４とで構成されている。発光ダイオード３３は、ブロック均等化回路６内の均等化スイッチ１３と単位電池セルＣｎの負極側との間に接続されており、フォトトランジスタ３４は、ブロック均等化回路６と電気的に絶縁された二次回路３５内において、電源とグランドとの間にシャント抵抗３６と共に直列に接続され、発光ダイオード３３の光信号を受信可能な位置に配置されている。故障検出回路７は、シャント抵抗３６の端子電圧を検出する。

次に、第３実施形態の作用について説明する。均等化スイッチ１３が正常であれば、制御回路８が均等化スイッチ１３をＯＮにすると、ブロック均等化回路６内に均等化電流が流れ、発光ダイオード３３から光が放射される。これによってフォトトランジスタ３４がＯＮとなり、シャント抵抗３６が通電されて端子間に閾値よりも大きい電位差が発生し、故障検出回路７によりＨｉと識別される。

一方、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着状態で故障していると、ブロック均等化回路６内に均等化電流が流れないので、発光ダイオード３３が発光せず二次回路３５に電流が流れない。そのため、シャント抵抗３６の端子間に電位差が発生せず、故障検出回路７によりＬｏと識別されるので、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着で故障していると特定できる。

また、均等化スイッチ１３が正常であれば、制御回路８が均等化スイッチ１３をＯＦＦにしているとブロック均等化回路６内に電流が流れず、発光ダイオード３３は発光しないので二次回路３５に電流が流れない。一方、均等化スイッチ１３がＯＮ固着状態で故障していると、均等化スイッチ１３をＯＦＦにしていても発光ダイオード３３が発光し、フォトトランジスタ３４がＯＮとなりシャント抵抗３６の端子間に電位差が発生する。したがって、故障検出回路７によりＨｉと識別されて、均等化スイッチ１３がＯＮ固着で故障していると特定できる。

（第４実施形態）
図７に示す第４実施形態の電子監視装置４１では、均等化スイッチ１３に対して並列に補助均等化スイッチ４２を接続している。これにより、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着で故障した際に、それに替えて均等化スイッチ４２を用いることができる。具体的には、故障検出回路７が均等化スイッチ１３のＯＦＦ固着故障を検出すると、制御回路８を介してマイコン４へとその故障情報が伝達される。そして、マイコン４が均等化スイッチ４２を用いてブロック均等化を行うよう制御回路８に命令を出力すると、制御回路８が均等化スイッチ４２をＯＮ／ＯＦＦ制御して均等化を行う。

以上のように構成される第４実施形態によれば、均等化スイッチ１３がＯＦＦ固着で故障しても、補助均等化スイッチ４２により均等化を行うことができるので、冗長性を更に向上させることができる。

（その他の実施形態）
均等化スイッチは、ＦＥＴに限ることなくバイポーラトランジスタにより構成しても良い。
電池ブロックの数と電池セルの数は、同じである必要はない。
第２実施形態において、均等化スイッチを３個以上直列に接続しても良い。
ヒューズ１１及び短絡スイッチ１３は、必要に応じて設ければ良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は電池ユニット、２は電池監視装置、３は電池監視ユニット、４はマイクロコンピュータ、５はセル均等化回路、６はブロック均等化回路、７は故障検出回路、８は制御回路、１１はヒューズ、１２は電流制限抵抗、１３は均等化スイッチ、１４は短絡スイッチを示す。

Claims (7)

1. 複数の電池ブロック（Ｂ）を直列に接続して構成される電池ユニット（１）の電圧を監視するもので、
   各電池ブロック内の電池セル（Ｃ）間の電圧を均等化する均等化スイッチ（１３）を有するセル均等化回路（５）と、
   各電池ブロック間の電圧を均等化する均等化スイッチ（１３）を有するブロック均等化回路（６）と、
   前記均等化スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて当該スイッチに印加される電圧値又は当該スイッチに流れる電流値を所定の値と比較して、当該スイッチの故障判定を行う故障検出回路（７，２２）と、
   前記均等化スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して各電池セル間及び各電池ブロック間の均等化制御を行うと共に、
   前記セル均等化回路又は前記ブロック均等化回路の一方について均等化スイッチの故障が判定されると、その故障の状態に応じて均等化を行う際に流れる均等化電流の経路を切り替えて均等化を継続して行うように制御する制御回路（８）とを備える電池監視装置。
2. 前記制御回路は、前記ブロック均等化回路の均等化スイッチが故障と判定されると、前記セル均等化回路により均等化を行うように切り替える請求項１記載の電池監視装置。
3. 前記制御回路は、前記セル均等化回路の均等化スイッチが故障と判定されると、故障が発生したセル均等化回路に替えて、当該セル均等化回路が属する電池ブロックのブロック均等化回路により均等化を行うように切り替える請求項１又は２記載の電池監視装置。
4. 前記均等化スイッチが、複数直列に接続されている請求項１から３の何れか一項に記載の電池監視装置。
5. 前記制御回路は、前記複数の均等化スイッチのそれぞれに印加される電圧を個別に検出し、それぞれの均等化スイッチについて故障判定を行う請求項４記載の電池監視装置。
6. 前記均等化スイッチに並列に接続される補助均等化スイッチ（４２）を備え、
   前記制御回路は、前記均等化スイッチの故障がＯＦＦ状態での固着によるものであれば、前記補助均等化スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して均等化を行う請求項１から５の何れか一項に記載の電池監視装置。
7. 前記セル均等化回路と前記ブロック均等化回路は、それぞれ電流量を制限する電流制限抵抗（１２）と、この電流制限抵抗に並列に接続される短絡スイッチ（１３）と、これらの並列回路に直列に接続されるヒューズ（１１）とを有し、
   前記制御回路は、前記均等化スイッチの故障がＯＮ状態での固着によるものであれば、前記短絡スイッチをＯＮして前記ヒューズを溶断させる請求項１から６の何れか一項に記載の電池監視装置。

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