JP4001725B2

JP4001725B2 - 電池パックの物理量測定装置

Info

Publication number: JP4001725B2
Application number: JP2001117195A
Authority: JP
Inventors: 直久森本; 一郎槙
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: EP1251360A1; EP1251360B1; US6603287B2; JP2002313436A; DE60220966T2; DE60220966D1; US20020149357A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車両等の電動車両、無停電電源装置、バックアップ電源装置等に搭載される二次電池の物理量として、電圧、電流、温度等を測定する装置に関し、特に、かかる物理量を装置の環境温度変動に対して正確に測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池には、鉛バッテリやニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）バッテリ、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）バッテリ、リチウムイオンバッテリ等がある。これらのバッテリは、電力が消耗されると、外部電源に接続して所定の電流を流すことにより充電することができるという性質がある。かかる性質を利用して、これらのバッテリは、従来より各種の機器に使用されている。
【０００３】
たとえば、バッテリは車両に搭載されて、始動時にエンジンの点火プラグへの電力供給を行うというエンジン始動用バッテリとしての役目を果たしている。最近では、Ｎｉ−ＭＨバッテリが、二次電池である複数個の単電池を組み合わせた電池パックとして、電気自動車や、エンジンとモータとを備えたいわゆるハイブリッド車両において、モータを駆動する際の主電源としても使用されている。
【０００４】
ハイブリッド車両では、走行に必要な動力に対してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰の動力で発電機を駆動して二次電池の充電が行われる。逆に、エンジンからの出力が小さい場合には、二次電池の電力を用いてモータを駆動して不足の動力を出力する。この場合、二次電池の放電が行われる。かかる充放電等を制御して適正な動作状態に維持することが、二次電池をハイブリッド車両等に搭載する場合に要求される。
【０００５】
そのために、電池パックの出力電圧、充放電電流、内部温度等を検出して電池の残存容量（ＳＯＣ）を推定し、車両の燃料消費効率が最も良くなるようにＳＯＣ制御を行っている。よって、電池のＳＣＣ制御を確実に行うためには、電池パックの出力電圧、充放電電流、内部温度等の物理量を環境温度の変動にかかわらず正確に測定する必要があった。
【０００６】
従来では、図３に示すように、電池パック１の出力電圧、充放電電流、内部温度を検出するセンサ類（不図示）からの信号ＶＢ、ＩＢ、ＴＢを電子制御ユニット３０（ＥＣＵ）が受けて、ＥＣＵ３０内に設けられたＡ／Ｄ変換器３１により、各アナログ信号を時系列でディジタル信号に変換し、電圧調整器３３から電源電圧ＶＯが供給されるマイクロコンピュータ３２等により各物理量を測定し、電池パック１のＳＯＣを推定していた。そして、Ａ／Ｄ変換器３１における変換の基準電圧ＶＲを、温度係数の非常に小さい（例えば、−３０℃から＋８０℃の温度範囲にわたって、基準電圧の変化が０．１％以下）、高精度で高安定な基準電圧発生ＩＣ３４から供給することで、環境温度の変動に対して正確な物理量を測定するものであった。
【０００７】
また、図３に示すように、環境温度ＴＥを測定することで、各物理量を検出するセンサ類からＥＣＵ３０内部のＡ／Ｄ変換器３１までの回路系の温度特性を補正する手法も提案されている（例えば、特開２０００−１４６６２０号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例ではすべて、Ａ／Ｄ変換器３１において正確な変換データを得るために、Ａ／Ｄ変換器３１に対して基準電圧を生成する基準電圧発生ＩＣ３４が用いられており、この基準電圧発生ＩＣは、その高精度および高安定さゆえに非常にコストが高いものであった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境温度の変動に対して、低コストで高精度に電池パックの物理量を測定可能な装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電池パックの物理量測定装置は、二次電池である複数個の単電池を組み合わせた電池パックの物理量を測定する装置であって、電池パックの被検出物理量に応じたレベルの信号を発生する物理量検出部と、装置内の周囲温度に応じたレベルの信号を発生する温度検出部と、物理量検出部および温度検出部からのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、所定の温度範囲内における複数の温度に対応して、物理量検出部および温度検出部からＡ／Ｄ変換器を介して得られた信号レベルを予め格納する記憶部と、記憶部に格納されている複数の温度に対応する信号レベルに基づいて、物理量検出部からＡ／Ｄ変換器を介して得られた信号レベルを補正する信号処理部と、入力電源の電圧レベルを調整して、温度検出部およびＡ／Ｄ変換器にそれぞれ検出および変換の基準となる電圧を供給するとともに、前記基準電圧を記憶部および信号処理部に電源電圧として供給する電圧調整器を備えたことを特徴とする。この場合、二次電池は直列接続される。
【００１１】
この構成において、電圧調整器（例えば、汎用の電圧レギュレータＩＣ）により記憶部と信号処理部に供給される電源電圧は、一般に、所定の温度範囲において、記憶部と信号処理部が正常に動作できる範囲で変動する。この環境温度変動に伴って変化する電源電圧は、温度検出部とＡ／Ｄ変換器にも、それぞれ検出と変換の基準電圧として供給されるが、所定の温度範囲における複数の温度に対して、Ａ／Ｄ変換器を介して予め記憶部に格納してある物理量検出部と温度検出部からの信号レベルに基づいて、実際の物理量測定時には、信号処理部において物理量検出部からの信号レベルに補正を加えることで、正確な物理量を測定することができる。しかも、従来の高価な基準電圧発生ＩＣを削除して、信号処理部等に電源電圧を供給する電圧調整器として既に装置に搭載されている汎用の電圧レギュレータＩＣを、温度検出部とＡ／Ｄ変換部に対する基準電圧発生用ＩＣとして共用できるので、装置の低コスト化を図ることができる。
【００１２】
本発明に係る電池パックの物理量測定装置において、被検出物理量は、電池パックの出力電圧、充放電電流、および電池パック内の温度の少なくとも１つである。
【００１３】
また、温度検出部は、固定抵抗素子と感温抵抗素子を含み、固定抵抗素子と感温抵抗素子により、電圧調整器からの基準電源電圧を分圧して出力することが好ましい。これにより、例えば、所定の温度範囲の中心温度において、固定抵抗素子の抵抗値と感温抵抗素子、例えばサーミスタ素子の抵抗値が等しくなるように設定することで、温度変動範囲にわたって、環境温度に対応したＡ／Ｄ変換器出力を簡単な構成で得ることができる。
【００１４】
また、温度検出部は、電圧調整器に近接して配設されることが好ましい。これにより、環境温度の変動に対する電圧調整器の出力電圧の変化を、物理量の測定値に対して正確に反映させることができる。
【００１５】
また、記憶部は、複数の温度に対応して、物理量検出部に供給した被検出物理量の基準値に応じて物理量検出部から出力される信号レベルを予め格納することが好ましい。これにより、温度検出部からの周囲温度に対応した被検出物理量の基準値に基づいて、実際の物理量測定時には、信号処理部において物理量検出部からの信号レベルに補正を加えることで、物理量検出部における温度特性を補正してより正確な物理量を測定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による電池パックの物理量測定装置の構成例を示すブロック図である。
【００１８】
図１において、１は、ハイブリッド車両に搭載される、二次電池、例えばニッケル−水素バッテリで構成された電池パックである。この電池パック１は、通常、モータ６に対する所定の出力を得るため、ニッケル−水素バッテリである複数の単電池が電気的に直列接続された電池モジュールをさらに複数個電気的に直列接続した電池パックで構成される。
【００１９】
２は電池電流検出部であり、電池パック１のマイナス出力端子とモータ６のマイナス入力端子間に配置され、電流センサ（不図示）を用いて電池パック１の充放電電流を検出するが、電流の大きさＩＢと共に、その符号により充電であるのか放電であるのかの充放電方向Ｃ／Ｄも検出する。
【００２０】
３は電池温度検出部であり、電池パック１内の所定位置に配置された温度センサ（不図示）を用いて電池温度ＴＢを検出する。
【００２１】
４は電池電圧検出部であり、電池パック１における単電池当たりの出力電圧ＶＢを検出する。
【００２２】
電池電流検出部２からの充放電電流ＩＢと充放電方向Ｃ／Ｄ、電池温度検出部３からの電池温度ＴＢ、および電池電圧検出部４からの電池電圧ＶＢは、それぞれ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０内のＡ／Ｄ変換器１１に入力され、時系列でアナログ信号からディジタル信号に変換され、得られた電流サンプルＩＢ（ｎ）と充放電方向Ｃ／Ｄ、温度サンプルＴＢ（ｎ）、および電圧サンプルＶＢ（ｎ）に基づき、信号処理部１２において、電池パック１の残存容量（ＳＯＣ）が演算により求められる。
【００２３】
５は電池入出力制御部であり、信号処理部１２により演算された現時点の残存容量レベルに基づいて、電池パック１に対して充電および放電を行うことで、常に残存容量が所定の範囲内になるように制御を行う。また、電池入出力制御部５は、運転者の電池入出力要求、例えば加速および減速操作に応じて、エンジン７のパワーアシストおよび回生制動を行うべく、電池パック１に対する放電量および充電量の制御を行う。
【００２４】
ここで、ＥＣＵ１０内には、電圧調整器３３が設けられており、電圧調整器３３は、所定の入力電圧ＶＩ（例えば、＋１２Ｖ）を受けて調整された出力電圧ＶＯ（例えば、＋５Ｖ）を生成し、信号処理部１２および後述する記憶部１４に供給するとともに、Ａ／Ｄ変換器１１および後述する環境温度検出部１３にそれぞれ変換および検出の基準となる電圧として供給する。
【００２５】
この電圧調整器３３は、例えば、汎用の電圧レギュレータＩＣからなり、この出力電圧ＶＯ（例えば、＋５Ｖ）は、所定の温度範囲内、例えば、環境温度が＋２５℃を中心として±５０ｄｅｇ変動した場合（−２５℃から＋７５℃）でも、信号処理部１２および記憶部１４のロジック回路が正常に動作するような電圧変動、例えば＋５Ｖ±０．０２５Ｖ（すなわち、０．５％）を有する。この場合、電圧調整器３３の出力電圧ＶＯの温度係数は、０．０１％／ｄｅｇとなる。
【００２６】
環境温度検出部１３は、直列接続された固定抵抗素子とサーミスタ等からなり、電圧調整器３３からの出力電圧ＶＯを分圧して、環境温度に対応したレベルの信号ＴＥを出力する。まず、所定の環境温度範囲における複数の温度、例えば−２５℃、２５℃、７５℃において、環境温度検出部１３で検出された信号ＴＥは、Ａ／Ｄ変換器１１に供給され、Ａ／Ｄ変換器１１でアナログ信号からディジタル信号ＤＴＥに変換され、信号処理部１２を介して記憶部１４に格納される。
【００２７】
ここで、環境温度検出部１３は、抵抗値が１０ｋΩの固定抵抗素子と、環境温度２５℃で１０ｋΩ、環境温度−２５℃で９１．２７ｋΩ、環境温度７５℃で１．９９２ｋΩの抵抗値を有するサーミスタとから構成されるものとする。また、Ａ／Ｄ変換器１１は、１０ビット（出力は０〜１０２４レベル）で構成され、電圧調整器３３の出力電圧ＶＯの温度係数が０．０１％／ｄｅｇであるので、環境温度２５℃で５Ｖ、環境温度−２５℃で４．９７５Ｖ、環境温度７５℃で５．０２５Ｖと基準電圧が変動する。
【００２８】
この場合、環境温度検出部から出力される信号ＴＥは、環境温度２５℃で２．５Ｖ、環境温度−２５℃で４．４８Ｖ、環境温度７５℃で０．８１Ｖとなり、Ａ／Ｄ変換器１１から出力されるディジタル信号ＤＴＥは、それぞれの環境温度で、「５１２」、「９２２」、「１６５」レベルとなる。この環境温度と対応したディジタル信号ＤＴＥのレベルが記憶部１４に予め格納される。図２（ａ）にその対応関係を示す。なお、図２（ａ）において、環境温度を−２５℃、２５℃、７５℃に設定して、各設定温度におけるディジタル信号ＤＴＥを測定して、各設定温度間のディジタル信号ＤＴＥは、例えば補間により演算され、記憶部１４に格納される。
【００２９】
また、図２（ｂ）は、環境温度を２５℃、−２５℃、７５℃に設定して、各設定温度において、電池パック１の電流、温度、電圧に対する基準値を、それぞれ、電池電流検出部２、電池温度検出部３、電池電圧検出部４に入力した場合に、Ａ／Ｄ変換器１１から出力されるディジタル信号ＤＩＲ、ＤＴＲ、ＤＶＲ（図中、ＤＲで代表して表す）に対して、各設定温度におけるディジタル信号ＤＴＥとの関係を示す図である。物理量の基準値に対するディジタル信号ＤＩＲ、ＤＴＲ、ＤＶＲは、環境温度に対応したディジタル信号ＤＴＥとともに、例えば参照テーブルとして記憶部１４に格納される。
【００３０】
実際に、電圧サンプルＶＢ（ｎ）、電流サンプルＩＢ（ｎ）、温度サンプルＴＢ（ｎ）を測定する際には、ディジタル信号ＤＴＥに対応したディジタル信号ＤＩＲ、ＤＴＲ、ＤＶＲが記憶部１４から読み出され、これに基づいて信号処理部１２において物理量の測定値に補正を加えることで、環境温度変動に対するＡ／Ｄ変換器１１の基準電圧変動と、電池電流検出部２、電池温度検出部３、電池電圧検出部４における検出電圧変動とを相殺した正確な物理量が測定され、確実なＳＯＣ制御を行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池パックの出力電圧、充放電電流、内部温度等の物理量を環境温度の変動にかかわらず、低コストかつ高精度に測定可能な装置を実現することができる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電池パックの物理量測定装置の構成例を示すブロック図
【図２】環境温度とディジタル信号ＤＴＥとの関係（ａ）およびディジタル信号ＤＴＥと対応する物理量基準値のディジタル信号ＤＲとの関係（ｂ）を示す図
【図３】従来における電池パックの物理量測定装置の構成例を示すブロック図
【符号の説明】
１電池パック
２電池電流検出部
３電池温度検出部
４電池電圧検出部
５電池入出力制御部
６モータ
７エンジン
１０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１１Ａ／Ｄ変換器
１２信号処理部
１３環境温度検出部
１４記憶部
３３電圧調整器

Claims

二次電池である複数個の単電池を組み合わせた電池パックの物理量を測定する装置であって、
前記電池パックの被検出物理量に応じたレベルの信号を発生する物理量検出部と、
装置内の周囲温度に応じたレベルの信号を発生する温度検出部と、
前記物理量検出部および前記温度検出部からのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
所定の温度範囲内における複数の温度に対応して、前記物理量検出部および前記温度検出部から前記Ａ／Ｄ変換器を介して得られた信号レベルを予め格納する記憶部と、
前記記憶部に格納されている前記複数の温度に対応する信号レベルに基づいて、前記物理量検出部から前記Ａ／Ｄ変換器を介して得られた信号レベルを補正する信号処理部と、
入力電源の電圧レベルを調整して、前記温度検出部および前記Ａ／Ｄ変換器にそれぞれ検出および変換の基準となる電圧を供給するとともに、前記基準電圧を前記記憶部および前記信号処理部に電源電圧として供給する電圧調整器とを備えたことを特徴とする電池パックの物理量測定装置。
前記被検出物理量は、電池パックの出力電圧、充放電電流、および電池パック内の温度の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の電池パックの物理量測定装置。
前記温度検出部は、固定抵抗素子と感温抵抗素子を含み、前記固定抵抗素子と前記感温抵抗素子により、前記電圧調整器からの基準電源電圧を分圧して出力することを特徴とする請求項１または２記載の電池パックの物理量測定装置。
前記温度検出部は、前記電圧調整器に近接して配設されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電池パックの物理量測定装置。
前記記憶部は、前記複数の温度に対応して、前記物理量検出部に供給した被検出物理量の基準値に応じて前記物理量検出部から出力される信号レベルを予め格納する請求項１から４のいずれか一項記載の電池パックの物理量測定装置。
前記二次電池は直列接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の電池パックの物理量測定装置。