JP4035913B2 - 組み電池の充電状態検出装置および該装置を用いた車両制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に電気自動車もしくはハイブリッド車に好適な、組み電池の充電状態検出装置ならびにこの検出装置を備えた車両制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車の駆動用電池は、数V〜十数Vの電池モジュールを数十個直列に接続した組電池構造をしており、これを1つのパッケージに納め、電池パックとして車体に搭載されている。この様な電池パックを搭載したハイブリッド車及び電気自動車において、組電池の残存容量や、劣化具合等を正確に把握することが、走行及び充電性能を向上させるための要因の一つである。
【0003】
そこで従来は、各電池モジュール毎もしくは、数個の電池モジュール毎に電池電圧を測定して、組電池の残存容量や劣化の状態などを把握するためのパラメータの1つとしている。これらの電池電圧(以降個別電圧と略)の検出手段は電池パック内に組み込まれ、他の制御とを高電圧から絶縁している。
【0004】
この個別電圧検出手段は、測定した各個別電圧データを車両制御や走行制御を行う走行制御ユニットに搭載されたコントローラにシリアル通信などでデータ転送し、このコントローラで電池状態を判断している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなシステム構成では、電流センサによる総電流のサンプリング時間に対して、個別電圧のサンプリング時間に時間差が生じる問題を有している。これは電池状態を判断するコントローラにおいて、個別電圧のサンプリング時間=データ転送された時間となるが、実際の個別電圧データは、それ以前に個別電圧検出手段によってサンプリングされた時点のデータであるため、総電流のデータと個別電圧のデータに同期が取れず、電池状態の演算精度が悪化することが問題となる。
【0006】
そこで、本発明は、組電池の個別電圧検出手段と、この総電流の電流検出手段において、個別電圧と総電流の同期検出を実現することにより、より正確な電池状態が把握可能な電気自動車やハイブリッド車を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載した本発明の充電状態検出装置によれば、互いに直列接続されて高圧の組み電池を構成する多数の電池モジュ−ルの各モジュ−ル電圧を順次に個別に検出する電圧検出回路と、前記組み電池の総電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記電流検出回路により、検出された電圧および電流に応じて組み電池の充電状態を演算する電池状態演算手段とを備えた組み電池の充電状態検出装置において、
前記電流検出回路は、前記組み電池と前記組み電池に接続される電力変換器との間に設けられた電流センサにより前記組み電池の総電流を検出するものであって、前記電池演算手段が出力する信号に基づいて前記電圧検出回路による電圧検出と前記電流検出回路による電流検出を行うことにより電圧検出時期と電流検出時期とを同期させた。
【0008】
これによれば、電圧および電流を同期して検出することで、より正確な電池状態が検出することができる。
【0009】
また、請求項2記載の電池の充電状態検出装置においては、電池モジュールと電圧検出回路とを1つのパッケージに納めている。
【0010】
請求項3記載の車両制御装置によれば、互いに直列接続されて高圧の組み電池を構成する多数の電池モジュ−ルと、この電池モジュールの各モジュ−ル電圧を順次に個別に検出する電圧検出回路とを有する電池パックと、前記組み電池の総電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記電流検出回路により、検出された電圧および電流に応じて組み電池の充電状態を演算する電池状態演算手段とを備えた組み電池の充電状態検出装置と、この充電状態検出装置によって検出された電池の充電状態に応じて、車両の駆動源を制御する駆動源制御回路とを備え、前記電流検出回路は、前記組み電池と前記組み電池に接続される電力変換器との間に設けられた電流センサにより前記組み電池の総電流を検出するものであって、
前記電池演算手段が出力する信号に基づいて前記電圧検出回路による電圧検出と前記電流検出回路による電流検出を行うことにより電圧検出時期と電流検出時期とを同期させた。
【0011】
これによれば、電圧および電流を同じタイミングで検出することで、組み電池の正確な充電状態を検出することで、車両の駆動源を適格に制御することができる。
【0012】
また、請求項4記載の車両制御装置においては、前記電流検出回路、前記充電状態検出回路および前記駆動源制御回路とは、前記電池パックとは異なる別のパッケージに収納されている。
【0013】
さらに、請求項5記載の車両制御装置においては、前記電圧検出回路により検出された電圧は、前記充電状態検出回路に通信により送られる。
【0014】
【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構成できることは当然である。
【0015】
【実施例】
本発明の車両制御装置の一実施例を図1、図2を参照して説明する。
【0016】
図1は本発明のシステム構成概略図で、19は走行用バッテリで、数V〜十数V程度の電圧の電池モジュールが数十個直列に接続した組電池構造をしている。
【0017】
1は個別電圧検出手段で、走行用バッテリの電池モジュール19と他の制御系を絶縁すると共に、各電池モジュール19の電圧V1〜Vnを個別に測定し、測定データをシリアル通信で信号201に出力している。なお、この個別電圧検出手段1については、後述する。
【0018】
30は電池パックで、走行用バッテリ19と個別電圧検出手段1とを1つのパッケージに納め、走行用の電源ユニットとして車両に搭載されている。
【0019】
40は走行用モータであり、走行用バッテリ19に蓄えられた電力を、50の走行用インバータで電力変換して駆動する。そして、電気自動車もしくはハイブリッド車の駆動源である走行用モータ40を駆動させるものである。
【0020】
60は電流検出手段であり、走行用バッテリ19に流れる電池モジュールの総電流Ibを、磁気平衡式電流センサなどを用いて測定し、信号601として電圧出力する。
【0021】
70は走行制御ユニットで、走行用インバータ50と電流検出手段60及びコントローラ80等から構成された走行制御装置で、電池パック30とは別のパッケージになっている。
【0022】
80は本システムを制御するためのコントローラで、車両の各種センサ信号(例えば、アクセルセンサ84、ブレーキセンサ85、シフトセンサ86等)を入力し、マイコンによって走行用インバータ50を制御して、走行用モータ40を駆動することで車両の走行を制御している。
【0023】
そして、コントローラ80内の電池状態演算手段81は、電流検出手段60と個別電圧検出手段1からの信号により、組み電池の充電状態を検出している。この検出方法については、一般に知られていることから説明を省略する。
【0024】
また、車両制御手段82においては、電池状態演算手段81からの電池充電状態の情報と、上述した各センサ84,85,86の信号から、車両を駆動するに必要なトルクを演算する。なお、トルクの演算方法については、例えば、特開平11−6449号公報を参照のこと。
【0025】
さらに、トルク制御装置83は、上記車両制御手段82により、演算されたトルクに応じて、走行用インバータ50の電流制御を行うものである。また、走行用バッテリ19に充電する際は、本システムの外部または内部の充電器と協調し、充電制御を行っている。そして、信号201及び信号601を介して走行用バッテリ19の各電池モジュール電圧V1〜Vnや総電流Ibを検出して、走行用バッテリ19の残存容量や劣化具合等を演算、監視し、必要に応じて走行能力を制限したり、充電電流を制御することによりシステムの走行及び充電性能を向上させている。
【0026】
そして、電池パック301について、以下、図3および図4に基づいて説明する。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。
【0027】
図4は図3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。
【0028】
1は電池の電圧を制御する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4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。
【0029】
電池モジュ−ル101〜120はそれぞれ12個の単電池を縦続接続してなる。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。
【0030】
図4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204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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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、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。
【0036】
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3を参照して説明する。
【0037】
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。
【0038】
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を有している。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
次に、図2において、本発明の個別電圧及び総電流データを確定する場合のタイミングチャートを示す。このタイミングチャートでは、コントローラ80に組み込まれたマイコンによってタイミングが制御されている。
【0042】
まず、各電池モジュール電圧V1〜Vnと総電流Ibのサンプリングを同期させるため、コントローラ80が所定周期のパルス信号を同期信号として信号211に出力する(図2(a)参照)と共に、このパルス信号に合わせて信号601を介して総電流Ibの検出を行っている(図2(e)参照)。
【0043】
さらに、個別電圧検出手段1は、図2(a)の信号211のタイミングに合わせて電池モジュール電圧V1〜Vnの測定する(図2(b)参照)と共に、測定データを信号201にシリアル通信で出力している(図2(c)参照)。
【0044】
また、コントローラ80は、信号201を介して行われる各電池モジュール電圧V1〜Vnのシリアル通信データの受信に合わせて、電池モジュール電圧V1〜Vnの更新(図2(d)参照)及び総電流Ibデータの更新(図2(f)参照)を行っている。
【0045】
以上の制御により、組電池の個別電圧検出手段と、この総電流の電流検出手段が別体になったシステム構成においても、個別電圧と総電流の同期検出を実現でき、より正確な電池状態が把握可能となり、車両駆動源(走行用モータ40)を適格に駆動できる電気自動車やハイブリッド車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の車両制御装置のシステム図である。
【図2】本発明の電圧および電流の検出を示すタイミングチャートである。
【図3】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る。
【図4】図3の組み電池の電圧検出装置を用いた組み電池の電池モニタ装置の一実施例を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
1は個別電圧検出手段、19は組み電池、30は電池パック、40は走行用モータ、50はインバータ回路、60は電流検出手段、70は走行制御ユニット、80はコントローラ、81は電池状態演算手段。
Claims (5)
- 互いに直列接続されて高圧の組み電池を構成する多数の電池モジュ−ルの各モジュ−ル電圧を順次に個別に検出する電圧検出回路と、前記組み電池の総電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記電流検出回路により、検出された電圧および電流に応じて組み電池の充電状態を演算する電池状態演算手段とを備えた組み電池の充電状態検出装置において、
前記電流検出回路は、前記組み電池と前記組み電池に接続される電力変換器との間に設けられた電流センサにより前記組み電池の総電流を検出するものであって、前記電池演算手段が出力する信号に基づいて前記電圧検出回路による電圧検出と前記電流検出回路による電流検出を行うことにより電圧検出時期と電流検出時期とを同期させたことを特徴とする組み電池の充電状態検出装置。 - 請求項1記載の電池の充電状態検出装置において、前記電池モジュールと前記電圧検出回路とを1つのパッケージに納めていることを特徴とする組み電池の充電状態検出装置。
- 互いに直列接続されて高圧の組み電池を構成する多数の電池モジュ−ルと、この電池モジュールの各モジュ−ル電圧を順次に個別に検出する電圧検出回路とを有する電池パックと、前記組み電池の総電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記電流検出回路により、検出された電圧および電流に応じて組み電池の充電状態を演算する電池状態演算手段とを備えた組み電池の充電状態検出装置と、この充電状態検出装置によって検出された電池の充電状態に応じて、車両の駆動源を制御する駆動源制御回路とを備え、
前記電流検出回路は、前記組み電池と前記組み電池に接続される電力変換器との間に設けられた電流センサにより前記組み電池の総電流を検出するものであって、前記電池演算手段が出力する信号に基づいて前記電圧検出回路による電圧検出と前記電流検出回路による電流検出を行うことにより電圧検出時期と電流検出時期とを同期させたことを特徴とする車両制御装置。 - 請求項3記載の車両制御装置において、前記電流検出回路、前記充電状態検出回路および前記駆動源制御回路とは、前記電池パックとは異なる別のパッケージに収納されていることを特徴とする車両制御装置。
- 請求項4記載の車両制御装置において、前記電圧検出回路により検出された電圧は、前記充電状態検出回路に通信により送られることを特徴とする車両制御装置。
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