JP5571486B2

JP5571486B2 - 組電池の電圧検出装置

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Publication number: JP5571486B2
Application number: JP2010159443A
Authority: JP
Inventors: 崇明伊澤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN103003705B; EP2594947A1; JP2012021868A; WO2012008449A1; EP2594947B1; EP2594947A4; CN103003705A; US20130106430A1

Description

本発明は、複数の単位電池を直列に接続して所定の電圧を出力する組電池において、各単位電池の出力電圧が正常であるか否かを検出する電圧検出装置に係り、特に、電圧測定に係る各種機器が正常に作動しているか否かを診断する技術に関する。

例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される二次電池は、所定の電圧を出力する複数の単位電池を直列に接続し、この直列接続回路の両端に例えば２００Ｖ等の高電圧を発生させ、この電力を用いて駆動用モータを駆動させる。このような複数の単位電池を直列に接続した組電池は、各単位電池が経年使用により劣化することがあり、劣化した単位電池をいち早く検出して修復するために、従来より組電池に電圧検出装置を設けて、各単位電池の充電電圧が正常であるか否かを検出している。

このような従来の電圧検出装置として、例えば、特開２０１０−５８２４４号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、一定の電圧値とされるアナログの基準電圧をＡ／Ｄ変換器でディジタル化し、ディジタル化された電圧データと基準データとを対比し、双方が一致した場合には、Ａ／Ｄ変換器は正常であると判別し、一致しない場合にはＡ／Ｄ変換器が異常であると判別することが開示されている。

しかしながら、上述した特許文献１に記載された電圧検出装置では、Ａ／Ｄ変換器に異常が発生した場合には、これを検出することができるものの、Ａ／Ｄ変換器に至るまでの測定機器にて異常が発生した場合にはこれを検出することができないという欠点がある。

特開２０１０−５８２４４号公報

上述したように、特許文献１に記載された電圧検出装置では、組電池を構成する複数の電池セルの電圧を測定する（アナログの電圧信号をディジタル化する）Ａ／Ｄ変換器に異常が発生した場合にはこれを検出することができるものの、電池セルからＡ／Ｄ変換器に至るまでに設けられる各種の測定機器に異常が発生した場合には、これを検出することができないという問題が発生していた。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電池ブロックの電圧を測定する機器に異常が発生したことを高精度に検知することが可能な組電池の電圧検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、１以上の単位電池からなる電池ブロックを複数個直列接続して、該直列接続の両端に所望の電圧を発生させる組電池の、前記各電池ブロック毎の出力電圧を検出する電圧検出装置において、前記各電池ブロックの正極側端子に接続用配線を介して接続され、前記各正極側端子に生じる電圧に基づいて、前記各電池ブロックの出力電圧を選択する電圧選択手段（例えば、マルチプレクサ１２）と、前記各正極側端子と、前記各接続用配線との間にそれぞれ設けられる第１のスイッチ（例えば、第１のスイッチ群１５）と、前記電圧選択手段にて選択された出力電圧信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段（例えば、Ａ／Ｄ変換器１３）と、前記各接続用配線に、それぞれ異なるレベルの参照電圧を供給する参照電圧出力手段（例えば、直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４）と、前記参照電圧出力手段より出力される参照電圧の、前記各接続用配線への供給、遮断を切り替える第２のスイッチ（例えば、ＳＷ２１，ＳＷ２２）と、前記各電池ブロックの出力電圧を検出する際には、前記第１のスイッチを接続し、第２のスイッチを遮断し、前記電圧選択手段及びＡ／Ｄ変換手段の故障診断時には、前記第１のスイッチを遮断し、第２のスイッチを接続する制御を行う切り替え制御手段（例えば、制御器１４）と、前記故障診断時には、前記Ａ／Ｄ変換手段より出力される電圧信号に基づいて、前記電圧選択手段或いはＡ／Ｄ変換手段に故障が発生しているか否かを判定する故障検出手段（例えば、制御器１４）と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記参照電圧出力手段は、前記各接続用配線毎に、２個の抵抗を含む直列接続回路を有し、前記２個の抵抗の中間点は前記接続用配線に接続され、前記各直列接続回路の一端は直流電源に接続され、前記２個の抵抗の抵抗値を適宜設定することにより、前記各接続配線に供給する電圧を設定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記各直列接続回路は、共通の直流電源に接続されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記電池ブロックは、１つの単位電池から構成されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記組電池は、車両に搭載される二次電池であることを特徴とする。

本発明に係る組電池の電圧検出装置では、電圧選択手段及びＡ／Ｄ変換手段の診断時においては、各接続線に電圧値が予め決められている参照電圧を印加し、この参照電圧をＡ／Ｄ変換手段でディジタル化し、このディジタル化された電圧信号に基づいて電圧選択手段及びＡ／Ｄ変換手段の診断を行う。従って、電圧の測定に係る測定機器全体の異常を検出することができ、迅速且つ高精度な異常検出が可能となる。

本発明の一実施形態に係る組電池の電圧検出装置の構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る組電池の電圧検出装置の、処理動作を示すフローチャートである。本発明の変形例に係る組電池の電圧検出装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る組電池の電圧検出装置、及び該電圧検出装置に接続される組電池の構成を示すブロックである。図１に示すように、組電池５１は、例えば電気自動車に設けられる二次電池として用いられ、互いに直列接続された４個の単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４（例えば、リチウムイオン電池）を備えている。なお、本実施形態では、説明を容易にするため４個の単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４を示しているが、単位電池の個数が１個〜３個、或いは５個以上であっても良い。

また、図１に示す電圧検出装置は、各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の出力電圧を選択するマルチプレクサ（電圧選択手段）１２と、該マルチプレクサ１２で選択された電圧信号をレベルシフトするレベルシフト回路１１と、レベルシフトされた電圧信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ変換手段）１３、及び該Ａ／Ｄ変換器１３の後段に配置される制御器１４を備えている。

制御器１４は、Ａ／Ｄ変換器１３より出力される電圧信号に基づき、測定した電圧に異常が発生しているか否かを判断し、電圧異常が発生している場合には後段に設けられる警報装置（図示省略）等に警報信号を出力すると共に、マルチプレクサ１２及びＡ／Ｄ変換器１３の動作を診断する際には、後述する各スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４（第１のスイッチ）、ＳＷ２１，ＳＷ２２（第２のスイッチ）にスイッチ切り替え信号を出力する。

即ち、制御器１４は、故障診断時には、Ａ／Ｄ変換器１３より出力される電圧信号に基づいて、マルチプレクサ１２或いはＡ／Ｄ変換器１３に故障が発生しているか否かを判定する故障検出手段としての機能を備えている。また、制御器１４は、各電池ブロック（単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４）の出力電圧を検出する際には、第１のスイッチ（ＳＷ１１〜ＳＷ１４）を接続し、且つ第２のスイッチ（ＳＷ２１，ＳＷ２２）を遮断し、マルチプレクサ１２及びＡ／Ｄ変換器１３の故障診断時には、第１のスイッチを遮断し、且つ第２のスイッチを接続する制御を行う切り替え制御手段としての機能を備えている。

一方、組電池５１を構成する各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の正極は、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４からなる第１のスイッチ群１５、及び接続線Ｌ１〜Ｌ４を介して、マルチプレクサ１２の端子Ｔ１〜Ｔ４に接続されている。即ち、単位電池ＢＴ１の正極は、スイッチＳＷ１１を介して接続線Ｌ１の一端に接続され、この他端はマルチプレクサ１２の端子Ｔ１に接続されている。単位電池ＢＴ２の正極は、スイッチＳＷ１２を介して接続線Ｌ２の一端に接続され、この他端はマルチプレクサ１２の端子Ｔ２に接続されている。単位電池ＢＴ３の正極は、スイッチＳＷ１３を介して接続線Ｌ３の一端に接続され、この他端はマルチプレクサ１２の端子Ｔ３に接続されている。単位電池ＢＴ４の正極は、スイッチＳＷ１４を介して接続線Ｌ４の一端に接続され、この他端はマルチプレクサ１２の端子Ｔ４に接続されている。また、単位電池ＢＴ１の負極はグランドに接続されている。

更に、図１に示す電圧検出装置は、直流電源ＶＢに接続されたスイッチＳＷ２１、及びグランドに接続されたスイッチＳＷ２２を備えており、各スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２間には、４系統の直列接続回路（第１〜第４の直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４；参照電圧出力手段）が設けられている。

第１の直列接続回路Ｎ１は、抵抗Ｒａ１、ダイオードＤ１，Ｄ２、及び抵抗Ｒｂ１が直列に接続されている。第２の直列接続回路Ｎ２は、抵抗Ｒａ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、及び抵抗Ｒｂ２が直列に接続されている。第３の直列接続回路Ｎ３は、抵抗Ｒａ３、ダイオードＤ１，Ｄ２、及び抵抗Ｒｂ３が直列に接続されている。第４の直列接続回路Ｎ４は、抵抗Ｒａ４、ダイオードＤ１，Ｄ２、及び抵抗Ｒｂ４が直列に接続されている。

そして、第１の直列接続回路Ｎ１は、ダイオードＤ１とＤ２の間の点Ｐ１にて、接続線Ｌ１に接続されている。従って、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が共にオンの場合には、直流電源ＶＢの電圧を抵抗Ｒａ１とＲｂ１で分圧した電圧が点Ｐ１に印加されることになる。なお、ここではダイオードＤ１，Ｄ２による電圧降下分を無視している。

また、第２の直列接続回路Ｎ２は、ダイオードＤ１とＤ２の間の点Ｐ２にて、接続線Ｌ２に接続されている。従って、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が共にオンの場合には、直流電源ＶＢの電圧を抵抗Ｒａ２とＲｂ２で分圧した電圧が点Ｐ２に印加されることになる。

第３の直列接続回路Ｎ３は、ダイオードＤ１とＤ２の間の点Ｐ３にて、接続線Ｌ３に接続されている。従って、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が共にオンの場合には、直流電源ＶＢの電圧を抵抗Ｒａ３とＲｂ３で分圧した電圧が点Ｐ３に印加されることになる。

第４の直列接続回路Ｎ４は、ダイオードＤ１とＤ２の間の点Ｐ４にて、接続線Ｌ４に接続されている。従って、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が共にオンの場合には、直流電源ＶＢの電圧を抵抗Ｒａ４とＲｂ４で分圧した電圧が点Ｐ４に印加されることになる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る電圧検出装置の処理動作を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、制御器１４の制御により実行される。

初めに、制御器１４は、単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の電圧監視処理を実行するか、或いは電圧測定機器（マルチプレクサ１２からＡ／Ｄ変換器１３までの各種機器）の診断処理処理を行うかを判断する（ステップＳ１０）。

そして、単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の電圧監視処理を実行する場合には（ステップＳ１０で「電池電圧の監視」）、第１のスイッチ群１５を全てオンとする（ステップＳ１１）。次いで、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオフとする（ステップＳ１２）。

従って、図１に示す各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がオンとなり、各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の正極に生じる電圧が各接続線Ｌ１〜Ｌ４を介してマルチプレクサ１２の各端子Ｔ１〜Ｔ４に供給される。例えば、単位電池ＢＴ１の正極の電圧として２．０Ｖの電圧が端子Ｔ１に供給され、単位電池ＢＴ２の正極の電圧として４．１Ｖが端子Ｔ２に供給され、単位電池ＢＴ３の正極の電圧として６．３Ｖが端子Ｔ３に供給され、単位電池ＢＴ４の正極の電圧として８．６Ｖが端子Ｔ４に供給される。

また、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が共にオフとされるので、直流電源ＶＢからの出力電圧は供給されない。また、各直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４には、ダイオードＤ１，Ｄ２が設けられているので、各接続線Ｌ１〜Ｌ４どうしが直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４を経由して短絡されることは無い。

マルチプレクサ１２により選択されたアナログの電圧信号は、レベルシフト回路１１を介してＡ／Ｄ変換器１３に供給される。このＡ／Ｄ変換器１３では、各端子Ｔ１〜Ｔ４に供給される電圧に基づいて、各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の出力電圧を測定することができる。具体的には、単位電池ＢＴ１の出力電圧は２．０Ｖであり、単位電池ＢＴ２の出力電圧は「４．１−２．０＝２．１Ｖ」であり、単位電池ＢＴ３の出力電圧は「６．３−４．１＝２．２Ｖ」であり、単位電池ＢＴ４の出力電圧は「８．６−６．３＝２．３Ｖ」であることが測定される。

そして、Ａ／Ｄ変換器１３でディジタル化された各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の測定結果が制御器１４に出力される（ステップＳ１３）。

制御器１４は、検出された各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の電圧情報を後段に設けられる表示装置、警報装置等（図示省略）に出力する（ステップＳ１４）。こうして、操作者は各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の出力電圧を認識することができ、出力電圧に異常が発生している場合には、これに対処することができる。

一方、例えば、電源の投入時、或いは所定時間の経過毎に、電圧検出装置の回路診断処理が実行される。この場合に、ステップＳ１０の処理で「回路診断」となる。

回路診断が選択されると、制御器１４は、第１のスイッチ群１５を全てオフとする（ステップＳ１５）。次いで、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２を共にオンとする（ステップＳ１６）。

その結果、点Ｐ１には、直流電源ＶＢの出力電圧を抵抗Ｒａ１とＲｂ１で分圧した電圧が印加される。同様に、点Ｐ２には、直流電源ＶＢの出力電圧を抵抗Ｒａ２とＲｂ２で分圧した電圧が印加され、点Ｐ３には、直流電源ＶＢの出力電圧を抵抗Ｒａ３とＲｂ３で分圧した電圧が印加され、点Ｐ４には、直流電源ＶＢの出力電圧を抵抗Ｒａ４とＲｂ４で分圧した電圧が印加されることになる。

この際、各抵抗Ｒａ１〜Ｒａ４、及び各抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４の大きさを適宜設定することにより、各点Ｐ１〜Ｐ４に発生する電圧値を所望の値に設定することができる。例えば、点Ｐ１に電圧２Ｖを発生させ、点Ｐ２に電圧４Ｖを発生させ、点Ｐ３に電圧６Ｖを発生させ、点Ｐ４に電圧８Ｖを発生させること等が可能となる。これらの電圧は、直流電源ＶＢより出力される電圧を分圧して生成しているので、極めて高い精度で発生させることができる。

そして、各点Ｐ１〜Ｐ４に発生した電圧は、マルチプレクサ１２の端子Ｔ１〜Ｔ４に供給されるので、該マルチプレクサ１２では、各点間（Ｐ１〜グランド間、Ｐ２〜Ｐ１間、Ｐ３〜Ｐ２間、Ｐ４〜Ｐ３間）の電圧を選択し、レベルシフトした後、Ａ／Ｄ変換器１３に出力して各電圧信号をディジタル化する。このディジタル化された電圧信号は制御器１４にて取得される（ステップＳ１７）。

制御器１４は、取得した参照電圧が正常であるか否かを判断し（ステップＳ１８）、正常であれば（ステップＳ１８でＹＥＳ）、電圧測定機器（マルチプレクサ１２からＡ／Ｄ変換器１３までの機器）は正常に動作しているものと判断して回路診断処理を終了する。他方、参照電圧が正常でなければ（ステップＳ１８でＮＯ）、電圧測定機器に異常が発生しているものと判断して、警報装置（図示省略）等に警報信号を出力し（ステップＳ１９）、操作者に対して異常の発生を報知する。こうして、操作者は、電圧測定機器に異常が発生していることを即時に認識することができるのである。

このようにして、本実施形態に係る組電池の電圧検出装置では、各単位電池ＢＴ１〜ＢＴ４の出力電圧を測定する場合には、第１のスイッチ群１５を全てオンとし、且つスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオフとして電圧測定処理を行う。

また、回路診断時には、第１のスイッチ群１５を全てオフとし、且つスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオンとすることにより、各接続線Ｌ１〜Ｌ４に所望の参照電圧を印加し、マルチプレクサ１２の各端子Ｔ１〜Ｔ４に参照電圧を供給する。そして、この参照電圧がＡ／Ｄ変換器１３でディジタル化された後、制御器１４に供給されるので、制御器１４では、各端子Ｔ１〜Ｔ４間の電圧に基づいて、電圧測定機器（マルチプレクサ１２からＡ／Ｄ変換器１３までの機器）が正常に作動しているか否かを判断することができる。その結果、マルチプレクサ１２、及びＡ／Ｄ変換器１３のいずれかに異常が発生していることを認識することができ、電圧測定機器についての総括的な異常検出が可能となる。

また、各直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４には、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２が設けられているので、第１のスイッチ群１５がオンで、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２がオフとされているときに、各接続線Ｌ１〜Ｌ４間で電流が回り込むことを防止できる。

更に、各点Ｐ１〜Ｐ４に生じる電圧は、抵抗Ｒａ１〜Ｒａ４、及び抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４による分圧比を決めることにより任意に設定することができるので、電圧設定の汎用性が向上する。また、各直列接続回路Ｎ１〜Ｎ４は、同一の直流電源ＶＢに接続されて参照電圧を生成するので、直流電源ＶＢの出力電圧が変動した場合でも、各点Ｐ１〜Ｐ４に生じる電圧は相対的に変動するので、全体的には電圧変動の影響を受けることなく、電圧測定機器の診断処理を実行することができる。

また、車両に搭載されるリチウムイオン電池等の単位電池に対して本実施形態に係る診断機能を適用することにより、電圧測定機器（マルチプレクサ１２からＡ／Ｄ変換器１３までの機器）に故障が発生していることをいち早く認識することができ、二次電池の過充電、過放電に至る前の時点で確実にこれを回避することができる。

次に、上述した実施形態の変形例について説明する。図３は、変形例に係る組電池の電圧検出装置の構成を示す回路図である。図３に示すように、変形例に係る電圧検出装置では、複数の単位電池を直列に接続した電池ブロックＢＴ１１，ＢＴ１２，ＢＴ１３，ＢＴ１４を直列接続して組電池５１ａを構成し、各電池ブロックＢＴ１１〜ＢＴ１４に対してそれぞれ電圧を測定する。そして、各電圧ブロックＢＴ１１〜ＢＴ１４の正極に接続された接続線Ｌ１１〜Ｌ１４上の点Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４にそれぞれ直流電源ＶＢの出力電圧を分圧した参照電圧を印加して、電圧測定機器の診断処理を実行する。

そして、このような構成においても、マルチプレクサ１２，及びＡ／Ｄ変換器１３が正常に作動しているか否かを診断することができる。なお、図３に示した各電池ブロックＢＴ１１〜ＢＴ１４に設けられる単位電池の個数は同一であっても良いし、同一で無くても良い。

以上、本発明の組電池の電圧検出装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。例えば、上述した実施形態では、組電池５１，５１ａとして電気自動車に搭載される二次電池を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電気自動車以外に用いられる組電池についても適用することが可能である。

本発明は、組電池に設けられる各単位電池の出力電圧が正常に測定されているか否かを判定することに用いることができる。

１１レベルシフト回路
１２マルチプレクサ（電圧選択手段）
１３Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ変換手段）
１４制御器
１５第１のスイッチ群
Ｌ１〜Ｌ４接続線
Ｔ１〜Ｔ４端子
ＳＷ１１〜ＳＷ１４スイッチ（第１のスイッチ）
ＳＷ２１，ＳＷ２２スイッチ（第２のスイッチ）
ＢＴ１〜ＢＴ４単位電池
ＢＴ１１〜ＢＴ１４電池ブロック

Claims

１以上の単位電池からなる電池ブロックを複数個直列接続して、該直列接続の両端に所望の電圧を発生させる組電池の、前記各電池ブロック毎の出力電圧を検出する電圧検出装置において、
前記各電池ブロックの正極側端子に接続用配線を介して接続され、前記各正極側端子に生じる電圧に基づいて、前記各電池ブロックの出力電圧を選択する電圧選択手段と、
前記各正極側端子と、前記各接続用配線との間にそれぞれ設けられる第１のスイッチと、
前記電圧選択手段にて選択された出力電圧信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、
前記各接続用配線に、それぞれ異なるレベルの参照電圧を供給する参照電圧出力手段と、
前記参照電圧出力手段より出力される参照電圧の、前記各接続用配線への供給、遮断を切り替える第２のスイッチと、
前記各電池ブロックの出力電圧を検出する際には、前記第１のスイッチを接続し、且つ前記第２のスイッチを遮断し、前記電圧選択手段及びＡ／Ｄ変換手段の故障診断時には、前記第１のスイッチを遮断し、且つ第２のスイッチを接続する制御を行う切り替え制御手段と、
前記故障診断時には、前記Ａ／Ｄ変換手段より出力される電圧信号に基づいて、前記電圧選択手段或いはＡ／Ｄ変換手段に故障が発生しているか否かを判定する故障検出手段と、
を備えたことを特徴とする組電池の電圧検出装置。
前記参照電圧出力手段は、前記各接続用配線毎に、２個の抵抗を含む直列接続回路を有し、前記２個の抵抗の中間点は前記接続用配線に接続され、前記各直列接続回路の一端は直流電源に接続され、前記２個の抵抗の抵抗値を適宜設定することにより、前記各接続配線に供給する電圧を設定することを特徴とする請求項１に記載の組電池の電圧検出装置。
前記各直列接続回路は、共通の直流電源に接続されることを特徴とする請求項２に記載の組電池の電圧検出装置。
前記電池ブロックは、１つの単位電池から構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の組電池の電圧検出装置。
前記組電池は、車両に搭載される二次電池であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の組電池の電圧検出装置。