JP4832840B2

JP4832840B2 - 電池制御装置

Info

Publication number: JP4832840B2
Application number: JP2005274107A
Authority: JP
Inventors: 正樹長岡; 彰彦工藤; 憲一朗水流
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007085847A

Description

本発明は電池制御装置に係り、特に、複数の単電池を直列に接続した電池モジュールの各単電池に並列に接続されバイパススイッチとバイパス抵抗とで構成されたセルバランス回路の異常を検出する電池制御装置に関する。

従来、複数の単電池を直並列に接続した電池モジュールでは、単電池電圧測定機能や単電池の充電状態を制御するセルバランス機能を有する制御回路を備えている（例えば、特許文献１参照）。その理由は、電池モジュールを構成する各単電池の残存容量が異なると、電池モジュールとしての容量が確保されないだけでなく、充放電した場合に残存容量が異なる単電池あるいはモジュールが過充電あるいは過放電となって、単電池が劣化してしまう可能性があるためである。

電池モジュールを構成する単電池には、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が用いられている。リチウムイオン電池では、過充電となると安全性に影響があるため、セルバランス（調整）回路が必要であり、また、セルバランス回路の異常を検出することも必要である。

その例を、図２を用いて説明する。図２に示すように、一般に、セルバランス回路は、バイパス抵抗１９（２０）とＦＥＴ等で構成されるバイパススイッチ（以下、バイパスＦＥＴという。）１７（１８）とで構成されており、電池モジュール１を構成する単電池毎に並列接続されている。マイクロコントローラ２１は、電池モジュールを構成し直列接続された各単電池の電圧を測定して、各単電池の残存容量を揃えるためのバイパスＦＥＴ１７、１８のオン時間を算出し、算出したオン時間の間、バイパスＦＥＴ１７、１８をオン状態とし、バイパス抵抗１９、２０を介して単電池を放電させて残存容量を揃える。また、マイクロコントローラ２１は、バイパスＦＥＴ１７、１８のオン、オフをトランジスタ２２〜２５を介してモニタ（監視）し、セルバランス回路の異常を検出する。

特開２０００−９２７３２号公報

ところが、従来のセルバランス回路では、バイパスＦＥＴのオン、オフをモニタしているだけのため、バイパスオン時のバイパススイッチ外部短絡、バイパスオフ時のバイパス抵抗開放など検出不能なものがある。また、セルバランス回路の異常という全体的な検出しかできず、詳細にどのような異常かの個別的な検出は不能である。

本発明は上記事案に鑑み、セルバランス回路の個別的な異常原因を検出可能な電池制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電池制御装置は、複数の単電池を直列に接続した電池モジュールの各単電池の電圧測定機能およびバイパススイッチとバイパス抵抗とで構成され各単電池に並列に接続されたセルバランス回路により各単電池の充電状態を制御するセルバランス機能を有する制御回路を備え、前記バイパススイッチの両端の電圧を、電池電圧を前記バイパス抵抗と前記バイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より大きい値を閾値電圧１とするコンパレータ１と、電池電圧を前記バイパス抵抗と前記バイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より小さい値を閾値電圧２とするコンパレータ２とで比較し、前記バイパススイッチのオン時に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧１以下であることを前記コンパレータ１で検出し、かつ前記バイパススイッチのオフ時に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧２以下であることを前記コンパレータ２で検出した場合は、前記バイパススイッチの外部短絡あるいはバイパス抵抗の開放と判断し、前記バイパススイッチのオン時およびオフ時共に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧１以上であることを前記コンパレータ１で検出した場合は、前記バイパス抵抗の短絡と判断することを特徴とする。

本発明では、複数の単電池を直列に接続した電池モジュールの各単電池の電圧測定機能およびバイパススイッチとバイパス抵抗とで構成され各単電池に並列に接続されたセルバランス回路により各単電池の充電状態を制御するセルバランス機能を有する制御回路を備えている。バイパススイッチの両端の電圧を、電池電圧をバイパス抵抗とバイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より大きい値を閾値電圧１とするコンパレータ１と、電池電圧をバイパス抵抗とバイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より小さい値を閾値電圧２とするコンパレータ２とで比較し、バイパススイッチのオン時にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧１以下であることをコンパレータ１で検出し、かつバイパススイッチのオフ時にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧２以下であることをコンパレータ２で検出した場合は、バイパススイッチの外部短絡あるいはバイパス抵抗の開放と判断し、バイパススイッチのオン時およびオフ時共にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧１以上であることをコンパレータ１で検出した場合は、バイパス抵抗の短絡と判断する。

本発明において、バイパススイッチにＦＥＴを用い、該ＦＥＴのソース−ドレイン間の電圧と基準電圧とをコンパレータで比較することが好ましい。

本発明によれば、バイパススイッチの両端の電圧を、電池電圧をバイパス抵抗とバイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より大きい値を閾値電圧１とするコンパレータ１と、電池電圧をバイパス抵抗とバイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より小さい値を閾値電圧２とするコンパレータ２とで比較し、バイパススイッチのオン時にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧１以下であることをコンパレータ１で検出し、かつバイパススイッチのオフ時にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧２以下であることをコンパレータ２で検出した場合は、バイパススイッチの外部短絡あるいはバイパス抵抗の開放と判断し、バイパススイッチのオン時およびオフ時共にバイパススイッチの両端電圧が閾値電圧１以上であることをコンパレータ１で検出した場合は、バイパス抵抗の短絡と判断することで、セルバランス回路の個別的な異常原因であるバイパススイッチの外部短絡あるいはバイパス抵抗の開放と、バイパス抵抗の短絡を個別に検出することができる、という効果を得ることができる。

以下、セルバランス回路（部）の個別的異常検出が可能な電池モジュール制御回路の実施の形態について説明する。

図１に示すように、電池モジュール制御回路の制御対象となる電池モジュール１は、２個の単電池Ｃ１、Ｃ２が直列接続されている。なお、図１では、説明を簡単にするために、２個の単電池で構成された電池モジュール１の例を示している。

本実施形態の電池モジュール制御回路は、バイパス抵抗４、５及びバイパスＦＥＴ２、３で構成されるセルバランス回路部と、コンパレータ１０〜１３、基準電圧源６〜９及び抵抗１４、１５で構成される異常検出回路部と、単電池Ｃ１、Ｃ２の個々の電圧を測定し単電池Ｃ１、Ｃ２のセルバランスを制御すると共に、異常検出回路部からの出力によりセルバランス回路の異常判定を行うマイクロコントローラ２８とを備えている。

すなわち、単電池Ｃ１の正極にはＰチャネル型バイパスＦＥＴ２のドレインが接続されており、バイパスＦＥＴ２のソースは、他端が単電池Ｃ１の負極に接続されたバイパス抵抗４の一端に接続されている。また、バイパスＦＥＴ２のゲートはマイクロコントローラ２８の出力ポート（後述するＤＡコンバータの出力側）に接続されている。バイパスＦＥＴ２のソース−ドレイン間には抵抗１４が挿入されており、バイパスＦＥＴ２のソースは、コンパレータ１０の＋入力（被比較入力電圧）端子及びコンパレータ１１の−入力（比較基準電圧）端子に接続されている。コンパレータ１０の−入力端子及びコンパレータ１１の＋入力端子には、それぞれ、基準電圧源６、７が接続されており、コンパレータ１０、１１の出力端子はマイクロコントローラ２８に接続されている。また、単電池Ｃ１の正極、負極は、単電池電圧を測定するために、マイクロコンピュータ２８に接続されている。

同様に、単電池Ｃ２の正極には他端がｎチャネル型バイパスＦＥＴ３のドレインに接続されたバイパス抵抗５の一端に接続されており、バイパスＦＥＴ３のソースは単電池Ｃ２の負極に接続されている。また、バイパスＦＥＴ３のゲートはマイクロコントローラ２８の出力ポートに接続されている。バイパスＦＥＴ３のソース−ドレイン間には抵抗１５が挿入されており、バイパスＦＥＴ３のドレインは、コンパレータ１２の＋入力端子及びコンパレータ１３の−入力端子に接続されている。コンパレータ１２の−入力端子及びコンパレータ１３の＋入力端子には、それぞれ、基準電圧源８、９が接続されており、コンパレータ１２、１３の出力端子はマイクロコントローラ２８に接続されている。また、単電池Ｃ２の正極、負極は、単電池電圧を測定するために、マイクロコンピュータ２８に接続されているが、単電池Ｃ２の正極は単電池Ｃ１の負極に接続されているため、単電池Ｃ１の負極と共通化されている。

マイクロコントローラ２８は、差動増幅回路を有し単電池Ｃ１、Ｃ２の電圧を検出する単電池電圧検出回路部と、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭで構成されたマイクロコンピュータ部と、ＡＤコンバータ及びＤＡコンバータを有するＡＤ／ＤＡ変換部と、上位制御システムに異常状況を報知するためのインターフェースとを備えている。なお、バイパスＦＥＴ２、３のゲートはＤＡコンバータの出力に接続されており、コンパレータ１０〜１３の出力はＡＤコンバータの入力に接続されている。また、単電池電圧検出回路部はＡＤコンバータを介してマイクロコンピュータ部の外部バスに接続されている。

次に、本実施形態の電池モジュール制御回路の動作について、マイクロコントローラ２８のマイクロコンピュータ部のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵと略称する。）を主体として説明する。

ＣＰＵは、単電池電圧検出回路部からの単電池Ｃ１、Ｃ２の出力電圧を、ＡＤコンバータを介してデジタル値として取り込む。すなわち、単電池Ｃ１、Ｃ２の電圧を測定する。この場合に、単電池Ｃ１、Ｃ２の充電状態（ないし残存容量）を精度よく演算するためには、開回路電圧を測定することが好ましい。

次に、ＣＰＵは、測定した単電池Ｃ１、Ｃ２の電圧から、例えば、ＲＯＭに予め格納されＲＡＭに展開された電圧−充電状態マップを用いて、単電池Ｃ１、Ｃ２の充電状態を演算する。次いで、ＣＰＵは、単電池Ｃ１、Ｃ２のセルバランスを採るために、バイパス抵抗４、５に放電（ないし充電中の充電電流のバイパス）させる時間を演算する。そして、ＣＰＵは、予め定められたタイミングで（例えば、電池モジュール１の充電、放電、及び／又は休止中に）、演算した時間の間、ＤＡコンバータを介してハイレベル信号を送出しバイパスＦＥＴ２、３をオン状態として、単電池Ｃ１、Ｃ２の残存容量を揃える。なお、電圧−充電マップによる演算方法やバイパス時間の演算方法は公知技術として知られている。

本実施形態の電池モジュール制御回路の特徴は、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧を基準電圧源６〜９とコンパレータ１０〜１３で比較し、ＣＰＵがセルバランス回路部の異常検出を個別的に行う点にある。以下、表１を参照して、ＣＰＵによる異常検出について説明する。なお、表１は、単電池Ｃ１、Ｃ２の電圧：３．７Ｖ、バイパスＦＥＴ２、３のオン状態時の抵抗値：１０Ω、バイパス抵抗４、５：６８Ω、基準電圧源６、８：０．３Ｖ、基準電圧源７、９：３．５Ｖ、抵抗１４、１５：１ＭΩでの条件でセルバランス回路部の異常検出結果を示したものである。

セルバランス回路部が正常な場合、バイパススイッチの設定がＯＦＦであれば（マイクロコントローラ２８がＤＡコンバータを介してバイパスＦＥＴ２、３のゲートにハイレベル信号を出力しなければ）、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧は単電池電圧の３．７Ｖとなり、コンパレータ１０、１３出力はＬｏｗ、コンパレータ１１、１２出力はＨｉｇｈとなる。バイパススイッチの設定がＯＮであれば、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧はバイパスＦＥＴ２、３のオン状態時の抵抗値１０Ωがあるため０．５Ｖであり、コンパレータ１０〜１３出力はＨｉｇｈとなる。バイパスＦＥＴ２、３が外部短絡している場合、バイパススイッチの設定がＯＦＦ、ＯＮに拘わらず、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧は０Ｖとなり、コンパレータ１０、１３出力はＨｉｇｈ、コンパレータ１１、１２出力はＬｏｗとなり、ＣＰＵは異常検出が可能である。

バイパス抵抗４、５短絡の場合、バイパススイッチの設定がＯＮであれば、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧は３．７Ｖとなり、コンパレータ１０、１３出力はＬｏｗ、コンパレータ１１、１２出力はＨｉｇｈとなり、ＣＰＵは異常検出が可能である。バイパススイッチの設定がＯＦＦ場合は、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧は３．７Ｖとなり、コンパレータ１０、１３出力はＬｏｗ、コンパレータ１１、１２出力はＨｉｇｈとなり、異常検出不能であるが、バイパススイッチの設定がＯＮの時にのみバイパス電流が通電され、その時点で異常検出可能なため問題はない。

バイパス抵抗４、５開放の場合、バイパススイッチの設定がＯＦＦ、ＯＮに拘わらず、バイパスＦＥＴ２、３のソース−ドレイン間の電圧は０Ｖとなり、コンパレータ１０、１３出力はＨｉｇｈ、コンパレータ１１、１２出力はＬｏｗとなり、ＣＰＵは異常検出が可能である。

ＣＰＵは、セルバランス回路部の異常検出結果、又は、セルバランス回路部の異常検査を行った結果を（異常のない場合を含め）、インターフェースを介して上位制御システムに報知する。

以上のように、本実施形態の電池モジュール制御回路は、バイパススイッチとして機能するバイパスＦＥＴ２、３の電圧を基準電圧源６〜９とコンパレータ１０〜１３で比較してセルバランス回路部の異常原因であるバイパスＦＥＴ２、３の外部短絡あるいはバイパス抵抗４、５の開放と、バイパス抵抗４、５の短絡を個別的に検出することが可能である。

なお、本実施形態では、単電池電圧検出回路部をマイクロコントローラ２８に内蔵した例を示したが、本発明はこれに制限されず、単電池電圧検出回路部をマイクロコントローラ２８の外に配置するようにしてもよい。このような単電池電圧検出回路部にはマルチプレクサを用いることができ、マイクロコントローラ２８からマルチプレクサに単電池を指定し、マルチプレクサは指定された単電池電圧をマイクロコントローラ２８に出力し、マイクロコントローラ２８はＡＤコンバータを介してデジタル値を取り込むことで電池モジュールを構成する各単電池の電池電圧を把握する。

また、本実施形態では、説明を簡単にするために、電池モジュール１を２個の単電池Ｃ１、Ｃ２で直列接続した例を説明したが、例えば、電気自動車用電池モジュールのように、直列ないし直並列される電池個数が多数の場合にも本発明が適用可能である。更に、本実施形態では、抵抗等の定数の具体例について説明したが、本発明がこれに制限されるものでないことは論を待たない。

本発明はセルバランス回路の個別的な異常を検出可能なセルバランス異常検出方式を提供するものであるため、セルバランス回路、電池モジュール制御回路又は同回路を有する電池モジュールの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池モジュール制御回路のブロック回路図である。従来の電池モジュール制御回路のブロック回路図である。

符号の説明

１電池モジュール
２、３バイパスＦＥＴ（バイパススイッチ）
４、５バイパス抵抗
１０、１１、１２、１３コンパレータ
Ｃ１、Ｃ２単電池

Claims

複数の単電池を直列に接続した電池モジュールの各単電池の電圧測定機能およびバイパススイッチとバイパス抵抗とで構成され各単電池に並列に接続されたセルバランス回路により各単電池の充電状態を制御するセルバランス機能を有する制御回路を備え、前記バイパススイッチの両端の電圧を、電池電圧を前記バイパス抵抗と前記バイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より大きい値を閾値電圧１とするコンパレータ１と、電池電圧を前記バイパス抵抗と前記バイパススイッチのオン抵抗で分圧された値より小さい値を閾値電圧２とするコンパレータ２とで比較し、前記バイパススイッチのオン時に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧１以下であることを前記コンパレータ１で検出し、かつ前記バイパススイッチのオフ時に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧２以下であることを前記コンパレータ２で検出した場合は、前記バイパススイッチの外部短絡あるいはバイパス抵抗の開放と判断し、前記バイパススイッチのオン時およびオフ時共に前記バイパススイッチの両端電圧が前記閾値電圧１以上であることを前記コンパレータ１で検出した場合は、前記バイパス抵抗の短絡と判断することを特徴とする電池制御装置。
前記バイパススイッチにＦＥＴを用い、該ＦＥＴのソース−ドレイン間の電圧と基準電圧とを前記コンパレータ１およびコンパレータ２で比較することを特徴とする請求項１に記載の電池制御装置。