JP3827123B2

JP3827123B2 - 電気自動車用組電池の制御装置

Info

Publication number: JP3827123B2
Application number: JP17701398A
Authority: JP
Inventors: 貴史山下; 徹也小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: JP2000013917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車用組電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のハイブリッド形式または純バッテリ形式の電気自動車用組電池の制御装置では、それぞれ１乃至複数の電池セルを直列接続されてなる多数の電池モジュールを直列接続して組み電池を構成し、この組み電池の充放電により走行エネルギーの供給乃至回収を行っている。
【０００３】
組み電池の放電により走行エネルギーを供給する場合、組み電池を構成するどれか一つの電池モジュールが劣化したり、放電完了すると、他の電池モジュールが正常に放電可能であっても、組み電池として放電続行は好ましくないので、従来は、すべての電池モジュールの端子電圧をモニターし、どれか一つの端子電圧が所定値以下となる場合に放電を停止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の電池制御では、電池モジュールから延出される電圧検出ライン、又は、電圧検出ライン間の電位差により電池モジュールの端子電圧を検出するモジュール電圧検出回路などの検出回路系に異常（たとえばどれかの電圧検出ラインの断線）が生じる可能性があり、この場合にはすべての電池モジュールの劣化の度合いまたは残存容量が判定できない。
【０００５】
そこで、各電池モジュールの端子電圧を検出する多数の検出回路系のどれかが異常である場合、組み電池の放電を停止させる安全制御回路をセットすることも考えられるが、この場合、検出回路系は異常でも、組み電池そのものは放電可能すなわち電気自動車は走行可能であり、使い勝手が悪いという問題が派生する。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、安全性を損なうことなく、使い勝手に優れる電気自動車用組電池の制御装置を提供することを、その目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電気自動車用組電池の制御装置によれば、たとえどれかの電池モジュールの検出回路系すなわち電圧検出ラインやモジュール電圧検出手段が異常となっても、この異常検出時に、あらかじめ記憶する記憶データに基づいてこの異常な検出回路系が検出する電池モジュールの端子電圧を推定するので、検出回路系異常発生後もなんら支障なく各電池モジュールの状態推移を推定することができ、充放電を継続することができるので、電池モジュールの安全性を損なうことなく、使い勝手に優れる電気自動車用組電池の制御装置を実現することができる。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば更に、端子電圧の最小値である正常時代表端子電圧を発生する検出回路系（最小値発生検出回路系）以外の検出回路系の異常の場合に正常時代表端子電圧の推移に基づいて放電を制御する。
すなわち、放電においては各電池モジュールの端子電圧のうち最小値を発生する電池モジュール（最小値発生電池モジュールともいう）が最も早期に放電不能となるので、正常な最小値発生検出回路系を通じてこの最小値発生電池モジュールの端子電圧の低下をモニタするだけで、なんら安全性を損なうことなく組み電池の放電を続行することができる。
【０００８】
一方、最小値発生検出回路系が異常となった場合には、最小値発生検出回路系以外の所定の検出回路系で検出される端子電圧を臨時代表端子電圧として検出する。そして、この臨時代表端子電圧と正常時代表端子電圧との間の端子電圧関係（記憶データ）をあらかじめ記憶しておき、最小値発生検出回路系の異常の場合に臨時代表端子電圧と端子電圧関係とに基づいて最小値発生電池モジュールの端子電圧（最小端子電圧）を推定する。
【０００９】
このようにすれば、最小値発生検出回路系の異常が生じても、放電時に最も早期に過放電となる（放電不能となる）最小値発生電池モジュールの最小端子電圧を正確かつ簡単に推定することができるので、なんら安全性を損なうことなく組み電池の放電を続行することができる。
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の電気自動車用組電池の制御装置において更に、検出した各端子電圧のうちの二番目の最小値を発生する電池モジュールの端子電圧を臨時代表端子電圧として設定する。
【００１０】
このようにすれば、この二番目の最小値を発生する電池モジュールの端子電圧（二番目に小さい端子電圧）と上記最小端子電圧との差が小さく、かつ、両電池モジュールの劣化の度合いも近似しているので、放電中におけるそれらの端子電圧の低下特性も近似するので、推定精度を向上することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。ただし、本発明は下記の実施例の構成に限定されるものではなく、置換可能な公知回路を用いても構成できることは当然である。
【００１２】
【実施例】
本発明の組み電池の電圧検出装置の一実施例を図１、図２を参照して説明する。図１は、組み電池１９の各モジュ−ル電圧をデジタル信号に変換する組み電池の電圧検出装置を示すブロック図であり、組み電池１９、差動型電圧検出回路２０１〜２２０、Ａ／Ｄ変換回路５〜８、フォトカプラ素子２０ａが図示されている。図２は図１のこの電圧検出装置を用いた電池モニタ装置の一実施例を示すブロック図である。
【００１３】
１は電池の充放電を制御するＣＰＵ、２はデマルチプレクサからなるクロック信号分配用のセレクタ回路（以下、クロック信号セレクタ回路ともいう）、３はデマルチプレクサからなる制御信号分配用のセレクタ回路（以下、制御信号セレクタ回路ともいう）、４はマルチプレクサからなるデジタル信号選択用のセレクタ回路（以下、デ−タセレクタ回路ともいう）、５〜１０はＡ／Ｄ変換回路、２０１〜２２０及び１３は差動型電圧検出回路、１４はアナログ増幅回路、１５は電流センサ、１０１〜１２０は組み電池１９の各電池モジュ−ル（単にモジュ−ルともいう）である。ただし、図２において、電池モジュ−ル１０６〜１２０、差動型電圧検出回路２０６〜２２０、Ａ／Ｄ変換回路６〜８は図示省略されている。
【００１４】
電池モジュ−ル１０１〜１２０はそれぞれ１個の単電池（電池セル）からなる。なお、更に多数の電池モジュールを縦続接続して組み電池１９を構成してもよいことはもちろんである。電池モジュ−ル１０１は最高位のモジュ−ル電圧をもち、電池モジュ−ル１２０は最低位のモジュ−ル電圧をもつ。２０は各セレクタ回路２〜４と各Ａ／Ｄ変換回路５〜１０を接続するシリアル信号線群であり、この実施例では、各信号線はＣＰＵ１の保護のためにそれぞれフォトカプラ（たとえば２０ａ）を有している。Ａ／Ｄ変換回路５〜１０はそれぞれ５チャンネル入力の切り替え入力型のＡ／Ｄ変換回路であり、入力される切り替え信号により、各Ａ／Ｄ変換回路５〜１０は同期してチャンネル切り替えされる。
【００１５】
図１からわかるように、モジュ−ル１０１のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０１で所定の基準電位１に対する信号電圧に変換されてからＡ／Ｄ変換回路５でＡ／Ｄ変換される。同様に、モジュ−ル１０２のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０２で所定の基準電位１に対する信号電圧に変換されてからＡ／Ｄ変換回路５でＡ／Ｄ変換され、モジュ−ル１０３のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０３で所定の基準電位１に対する信号電圧に変換されてからＡ／Ｄ変換回路５でＡ／Ｄ変換され、モジュ−ル１０４のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０３で所定の基準電位１に対する信号電圧に変換されてからＡ／Ｄ変換回路５でＡ／Ｄ変換され、モジュ−ル１０５のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０５で所定の基準電位１に対する信号電圧に変換されてからＡ／Ｄ変換回路５でＡ／Ｄ変換される。
【００１６】
同様に、電池モジュ−ル１０６〜１１０のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２０６〜２１０を通じてＡ／Ｄ変換回路６に入力され、電池モジュ−ル１１１〜１１５のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２１１〜２１５を通じてＡ／Ｄ変換回路７に入力され、電池モジュ−ル１１６〜１２０のモジュ−ル電圧は差動型電圧検出回路２１６〜２２０を通じてＡ／Ｄ変換回路８に入力される。
【００１７】
また、組み電池１９の総電圧は差動型電圧検出回路１３で所定の共通接地電位に対する信号電圧に変換されからＡ／Ｄ変換回路９でＡ／Ｄ変換され、組み電池１９の電流は増幅回路１４を通じてＡ／Ｄ変換回路１９でＡ／Ｄ変換される。
各Ａ／Ｄ変換回路５〜１０の出力は、デ−タセレクタ回路４にて時間順次に選択され、信号ＳＩＮとしてＣＰＵ１に読み込まれる。Ａ／Ｄ変換回路５〜１０は同期動作シリアル出力型のＡ／Ｄ変換回路であって、変換デ−タすなわちシリアルデジタル信号はデジタル信号確定後に入力するクロックパルスに同期して出力される。
【００１８】
更に説明すると、Ａ／Ｄ変換回路５は、アナログ信号が入力されるアナログ入力端子、シリアル信号であるデジタル信号を出力するデ−タ出力端子、シリアル信号である制御命令が入力される制御命令入力端子、及び、同期用のクロックパルスが入力されるクロックパルス入力端子を有し、読み込み指令が制御命令入力端子へ入力されると、クロックパルス入力端子へ入力されるクロックパルスのエッジに同期してアナログ信号の読み込みが行われ、その後、次のクロックパルスの入力により８ビットのシリアルデジタル信号が出力される。その他のＡ／Ｄ変換回路６〜１０も同じ構造を有している。
【００１９】
この組み電池の電圧検出装置の更に詳細な動作を以下に説明する。
ＣＰＵ１は、クロック信号セレクタ回路２へクロックパルスＳＣＬＫ及びＡ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬを出力し、制御信号セレクタ回路３へ読み込み指令などの制御命令信号ＳＯＵＴ及びＡ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬを出力し、デ−タセレクタ回路４へＡ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬを出力し、デ−タセレクタ回路４からシリアルデジタル信号を受け取る。
【００２０】
（同時読み込み）
ＣＰＵ１は、Ａ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬによりＡ／Ｄ変換回路５〜１０の全てを選択することをクロック信号セレクタ回路２及び制御信号セレクタ回路３に通知し、これにより制御信号セレクタ回路３は読み込み命令をＡ／Ｄ変換回路５〜１０全てに送信し、クロック信号セレクタ回路２はクロックパルスＳＣＬＫをＡ／Ｄ変換回路５〜１０全てに送信し、各Ａ／Ｄ変換回路５〜１０は読み込み命令入力直後に入力するクロックパルスのエッジに同期してアナログ信号の読み込みを行い、それを８ビットのデジタル信号に変換して保持する。なお、この時、Ａ／Ｄ変換回路５〜１０の全てを選択するＡ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬはデ−タセレクタ回路４に対してはデ−タセレクタ回路４の内部において無効とされる。
【００２１】
（順次出力）
次に、ＣＰＵ１は、Ａ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬによりＡ／Ｄ変換回路５を選択することをセレクタ回路２〜４に通知し、これによりクロック信号セレクタ回路２はクロックパルスＳＣＬＫをＡ／Ｄ変換回路５にだけ送信し、これによりＡ／Ｄ変換回路５はクロックパルスＳＣＬＫのエッジに同期してシリアルデジタル信号をデ−タセレクタ回路４に出力し、デ−タセレクタ回路４はＡ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬによりＡ／Ｄ変換回路５を選択しているので、このＡ／Ｄ変換回路５からのシリアルデジタル信号はＣＰＵ１に送信される。
【００２２】
次に、ＣＰＵ１は、Ａ／Ｄ変換回路選択信号ＳＥＬによりＡ／Ｄ変換回路６を選択することをセレクタ回路２〜４に通知し、その後は上記と同じ動作を行ってＡ／Ｄ変換回路６のシリアルデジタル信号をＣＰＵ１へ送信し、以下同様に、各Ａ／Ｄ変換回路８〜１０のシリアルデジタル信号がＣＰＵ１へ送信される。
なお、上記一連の動作は入力切り替え型のマルチ入力Ａ／Ｄ変換回路５〜１０の第１の入力チャンネルに対して実行されるが、その後、上記一連の動作が、第２〜第５の各チャンネル入力に対して実施される。
【００２３】
次に、組み電池１９の各モジュ−ル電圧を検出する差動型電圧検出回路２０１〜２２０について、図１を参照して説明する。
この実施例では組み電池１９を構成する合計２４０個の単電池が互いに縦続接続される２０個の電池モジュ−ル１０１〜１２０に区分され、更に、電池モジュ−ル１０１〜１０５は第１の電圧検出ブロックを構成し、電池モジュ−ル１０６〜１１０は第２の電圧検出ブロックを構成し、電池モジュ−ル１１１〜１１５は第３の電圧検出ブロックを構成し、電池モジュ−ル１１６〜１２０は第４の電圧検出ブロックを構成している。
【００２４】
第１の電圧検出ブロックは、第１の基準電位である基準電位１をもち、第２の電圧検出ブロックは第２の基準電位である基準電位２をもち、第３の電圧検出ブロックは、第３の基準電位である基準電位３をもち、第４の電圧検出ブロックは第４の基準電位である基準電位４をもち、第５の電圧検出ブロックは第５の基準電位である基準電位５を有している。
【００２５】
この実施例では、基準電位１は電池モジュ−ル１０３の低位側端子電圧（電池モジュ−ル１０４の高位側端子電圧）に設定され、以下同様に、各基準電位２〜４は、各電圧検出ブロックにおける高電位側から３番目の電池モジュ−ルの低位側端子電圧（低位側から２番目の電池モジュ−ルの高位側端子電圧）に設定されている。
【００２６】
すなわち、この実施例では、同一の電圧検出ブロック内の各差動型電圧検出回路の基準電位（入力側抵抗回路網の一端に印加される定電位）は等しくされ、また、各電圧検出ブロックには異なる基準電位１〜４が印加される。更に、各基準電位１〜４は、電圧検出ブロック内の各電池モジュ−ルの中間電位（最高端子電圧と最低端子電圧との中間の値にできるだけ近い値）に設定され、更に、各基準電位１〜４として電池モジュ−ルの端子電圧を用いている。
【００２７】
図３に差動型電圧検出回路２０１の回路図を示す。
２０１１は入力抵抗ｒ１、ｒ２及び帰還抵抗ｒｆ１をもつオペアンプであって、電池モジュ−ル１０１の高電位側の端子電圧Ｖ１と基準電位１（ここでは電池モジュ−ル１０３の低位側端子電圧（電池モジュ−ル１０４の高位側端子電圧に設定されている）との差（Ｖ１−Ｖ４）を検出する。
【００２８】
同様に、２０１２は入力抵抗ｒ３、ｒ４及び帰還抵抗ｒｆ２をもつオペアンプであって、電池モジュ−ル１０１の低電位側の端子電圧Ｖ２と差（Ｖ１−Ｖ４）との和から基準電位１（ここでは電池モジュ−ル１０３の低位側端子電圧（電池モジュ−ル１０４の高位側端子電圧に設定されている）を減算することにより、差Ｖ１−Ｖ２を検出する。
【００２９】
オペアンプ２０１１、２０１２の正、負の電源電圧は、オペアンプの正、負の入力端の電位が仮想接地電位すなわち、この実施例では基準電位Ｖ４にほぼ等しくなることから、正の電源電圧ＶＨは基準電位Ｖ４より所定電圧（ここでは７．５Ｖ）高く設定し、負の電源電圧ＶＬは基準電位Ｖ４より所定電圧（ここでは７．５Ｖ）低く設定した電圧を形成すればよい。
【００３０】
なお、基準電位Ｖ１はこの電圧検出ブロックの最高電位Ｖ１と最低電位Ｖ６の中間電位であればよく、特別の電圧発生回路を用いて形成してもよい。
次に、この実施例の特徴をなす組み電池１９の放電停止制御動作を図４に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、このフローチャートで示される組み電池の放電停止制御ルーチンは他の種々の電池制御ルーチンとともに車両走行時に一定周期でＣＰＵ１で実行される。
【００３１】
なお、図１において３０１〜３２１は各電池モジュール１０１〜１２０の各端子から延出される電圧検出ラインであり、差動増幅器２０１〜２２０は本発明でいうモジュール電圧検出手段であり、ＣＰＵ１は本発明でいう検出回路系異常判定手段及び充放電制御手段を構成している。
まず、各電池モジュール１０１〜１２０の端子電圧（電位差）Ｖｉを差動増幅器２０１〜２２０から順次読み込み（Ｓ１００）、これら端子電圧Ｖｉに基づいて各検出回路系の異常を判定する（Ｓ１０２）。なお、この検出回路系の異常は、周知の種々の方法で検出することができるが、この実施例では、所定電流以上の放電時における所定期間中の端子電圧低下率が所定値未満の場合、又は、端子電圧の値が所定の範囲外に逸脱した場合に異常と判定するものとする。
【００３２】
Ｓ１０２において検出回路系がすべて正常であれば読み込んだ各端子電圧Ｖｉのうち、最小値Ｖ１、二番目に小さい値Ｖ２を抽出し、これらＶ１、Ｖ２及びそれらの端子電圧番号を不揮発メモリに書き込み（Ｓ１０４）、更に最小値Ｖ１と二番目に小さい値Ｖ２との電圧差ΔＶを算出し、それも不揮発メモリに書き込み（Ｓ１０４）、Ｓ１１４へジャンプする。
【００３３】
一方、Ｓ１０２にて、どれかの検出回路系が異常であればそれがＳ１０４で前回記憶した最小値Ｖ１を発生する検出回路系（最小値発生検出回路系）かどうかを判別し、そうでなければＳ１１４へジャンプし、そうであれば最小値Ｖ１を所定の算出式を用いて算出する（Ｓ１１２）。
この算出式の一例を以下に説明する。
【００３４】
前に正常に算出した最小値をＶ１、二番目に小さい値（二番目の最小値ともいう）をＶ２とすれば、

ここで、前の正常時から今回の異常発生時までのＶ１の電圧低下率はＶ２の電圧低下率に等しくＫであるとし、今回の推定最小値をＶ１’、今回の二番目の最小値をＶ２’とすれば、
Ｖ１’＝ＫΔＶ＋Ｖ２’
となる。また、Ｋ＝Ｖ２’／Ｖ２であるので、最終的に、
Ｖ１’＝ΔＶ・Ｖ２’／Ｖ２＋Ｖ２’
となる。
【００３５】
次に、Ｓ１０４またはＳ１１２で算出または推定した最小値Ｖ１又はＶ１’が規制範囲すなわちかなり容量が減少して急激な放電は電池エコノミー上好ましくないかどうかを調べ（Ｓ１１４）、規制範囲であれば警報を出力して不要な負荷を遮断してＳ１１８へ進み、大電流放電を規制し、規制範囲外であればＳ１１８へジャンプする。
【００３６】
Ｓ１１８では、最小値Ｖ１又はＶ１’がもはや電池保護上、放電をただちに禁止するレベルにまで低下したかどうかを調べ、達したら、警報を出力して放電を禁止して（Ｓ１２０）、そうでなければただちにメインルーチンへリターンする。
なお、上記実施例では、端子電圧として電池モジュールの単純な電位差を用いたが、端子電圧と電池容量との関係は放電電流値により変動し、かつ、開放端子電圧のほうがより電池容量に正確な相関関係をもつので、検出した端子電圧から放電電流・内部抵抗で示される電池内部電圧降下を差し引いて各電池モジュールの開放端子電圧を求めてそれを用いて図４のルーチンを実行してもよい。なお、この場合、放電電流は電流センサで検出され、内部抵抗は端子電圧や温度の関数としてマップからサーチすることが好ましい。
【００３７】
なお、上記実施例では、最小値Ｖ１が異常である場合に、二番目に小さい端子電圧Ｖ２に基づいて最小値Ｖ１を推定したが、二番目に小さい端子電圧ではなく他の端子電圧に基づいて推定することもできる。また、正常な複数の端子電圧の平均値などに基づいて推定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】組み電池１の各モジュ−ル電圧をデジタル信号に変換する組み電池の電圧検出装置を示すブロック図である。
【図２】図１の組み電池の電圧検出装置を用いた電気自動車用組電池の制御装置の一実施例を示すブロック回路図である。
【図３】図１のＡ／Ｄ変換回路５のブロック回路図である。
【図４】放電停止制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１９は組み電池、１０１〜１２０は電池モジュ−ル、２０１〜２２０は差動型電圧検出回路、３０１〜３２１は電圧検出ライン、ＣＰＵ１は本発明でいう検出回路系異常判定手段及び充放電制御手段。

Claims

直列接続されて電気自動車の走行モータ給電用の組電池を構成する多数の電池モジュールの各端子から延出される多数の電圧検出ラインと、
算出した各前記電圧検出ラインの電位差により前記各電池モジュールの端子電圧を検出するモジュール電圧検出手段と、
前記各電池モジュールの端子電圧に基づいて前記電池モジュールの充放電を制御する充放電制御手段と、
前記電圧検出ライン又は前記モジュール電圧検出手段を含む検出回路系の異常を前記端子電圧に基づいて判定する検出回路系異常判定手段と、
を備え、
前記充放電制御手段は、前記検出回路系が異常であると判定した場合に、あらかじめ記憶する記憶データに基づいて異常と判定した前記検出回路系が検出する電池モジュールの端子電圧を推定し、推定した前記端子電圧に基づいて前記組電池の充放電を制御する電気自動車用組電池の制御装置において、
前記充放電制御手段は、
検出した前記各電池モジュールの端子電圧のうちの最小値を発生する電池モジュールの端子電圧を正常時代表端子電圧として設定し、
前記正常時代表端子電圧を発生する前記検出回路系である最小値発生検出回路系以外の前記検出回路系の異常の場合に前記正常時代表端子電圧の推移に基づいて放電を制御し、
前記最小値発生検出回路系以外の所定の前記検出回路系で検出される前記端子電圧である臨時代表端子電圧と前記正常時代表端子電圧との間の端子電圧関係を前記記憶データとしてあらかじめ記憶しておき、
前記最小値発生検出回路系の異常の場合に前記臨時代表端子電圧及び前記端子電圧関係に基づいて推定した前記最小値を発生する前記電池モジュールの端子電圧に基づいて放電を制御することを特徴とする電気自動車用組電池の制御装置。
請求項１記載の電気自動車用組電池の制御装置において、
前記充放電制御手段は、
検出した前記各端子電圧のうちの二番目の最小値を発生する電池モジュールの端子電圧を前記臨時代表端子電圧として設定することを特徴とする電気自動車用組電池の制御装置。