JP5727016B2 - 電池制御装置 - Google Patents
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Description
(2)本発明の第2の態様によると、第1の態様の電池制御装置において、セルグループは複数個設けられ、第1の制御ユニットと第2の制御ユニットは複数のセルグループの各々に対応して設けられ、電池監視装置は、複数の第1の制御ユニットを起動する起動信号を上位制御装置から送信するための第1の通信経路と、複数の第2の制御ユニットを起動する起動信号を上位制御装置から送信するための第2の通信経路と、複数の第1の制御ユニットと上位制御装置との間でデータを送受信するための第3の通信経路と、同期信号を送受信するための第4の通信経路と、複数の第2の制御ユニットと上位制御装置との間でデータを送受信するための第5の通信経路と、同期信号を送受信するための第6の通信経路とを備えることが好ましい。
(3)本発明の第3の態様によると、第2の態様の電池制御装置において、上位制御装置は、第2の態様の第1乃至第6の通信経路と絶縁素子を介して電池監視装置に接続される。
(4)本発明の第4の態様によると、第1乃至3の態様のいずれか1つ態様の電池制御装置において、上位制御装置は、バランシング電流を算出するバランシング電流算出部と、バランシング電流算出部で算出されたバランシング電流に基づいてこの単電池セルの充電状態(SOC)を算出するSOC算出部とを有することが好ましい。
(5)本発明の第5の態様によると、第4の態様の電池制御装置において、バランシング電流算出部による算出とSOC算出部による算出とがリアルタイムで実行されることが好ましい。
(6)本発明の第6の態様によると、第1乃至5の態様のいずれか1つの態様の電池制御装置において、上位制御装置は、2つの隣り合うバランシングスイッチが同時にオンとならないように、第2の制御ユニットが制御されて、複数の単電池セルのバランシング放電が行われることが好ましい。
(7)本発明の第7の態様によると、複数の単電池セルを直列接続したセルグループの充放電を制御する電池監視装置と、電池監視装置と通信して電池監視装置を制御する上位制御装置とを備えた電池制御装置であって、電池監視装置は、複数の単電池セルのそれぞれの端子間電圧を測定する第1の制御ユニットと、複数の単電池セルのそれぞれの正負極端子をそれぞれ短絡するバランシングスイッチを有し、バランシングスイッチを閉成して複数の単電池セルに対してバランシング放電をそれぞれ行う第2の制御ユニットと、複数の単電池セルのそれぞれの端子間電圧を第1の制御ユニットで測定するための複数の電圧検出線および複数のセル電圧入力抵抗と、複数の単電池セルのそれぞれに対するバランシング放電を第2の制御ユニットで行うための複数のバランシング線および複数のバランシング抵抗とを備え、上位制御装置は、第1の制御ユニットを制御して、一の単電池セルの端子間電圧の測定を行うとともに、第2の制御ユニットを制御して、一の単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチの端子間電圧の測定を、一の単電池セルのバランシング放電中に同期して行ない、一の単電池セルの端子間電圧の測定結果と、第2の制御ユニットによるバランシングスイッチの端子間電圧の測定結果と、バランシング抵抗の抵抗値とから、一の単電池セルのバランシング電流を算出する。
(8)本発明の第8の態様によると、第7の態様の電池制御装置において、第2の制御ユニットでバランシング放電を行うときのバランシング放電電流がセル電圧入力抵抗を通過しないように、バランシング線、バランシング抵抗、電圧検出線、セル電圧入力抵抗がそれぞれ配置されていることが好ましい。
(9)本発明の第9の態様によると、第7または第8の態様の電池制御装置において、第1の制御ユニットと第2の制御ユニットでそれぞれ行われる端子間電圧測定とバランシング放電制御は、対象となる単電池セルに対して同期して行うことが好ましい。
(10)本発明の第10の態様によると、第9の態様の電池制御装置において、上位制御装置は、同期の制御を行うことが好ましい。
なお、本発明はHEV、PHEV、EVに限らず、たとえば鉄道車両など、電動駆動装置を備えた車両に搭載される各種蓄電装置などに対しても幅広く適用可能である。
HEVは純粋な電動車両ではないが、本発明はこれを含めた電動車両に幅広く適用可能であるので、以下の説明での電動車両にはハイブリッド自動車も含める。
また、以下に説明する実施形態では、単電池セルを複数個(概ね数個から十数個)直列に接続したものをセルグループと呼び、このセルグループを複数個直列に接続したものを電池モジュールと呼ぶ。更にこのセルグループあるいは電池モジュールを複数個直列または直並列に接続したものを電池システムと呼称する。セルグループ、電池モジュールおよび電池システムを総称して組電池と呼んでいる。各単電池セルのセル電圧を検出し、バランシング動作等を行いながら電池状態を監視するセルコントローラICはセルグループ毎に設けられる。
まず、図1、2を用いて、本発明による電池監視装置を含む電池制御装置を搭載した蓄電装置をHEV、PHEV、EVなどの電動車両用の電動駆動システムに適用した例について説明する。
すなわち、セルコントローラ200は、各単電池セルの端子間電圧等を検出して各単電池セルの状態を監視する電池監視装置として機能し、このセルコントローラ200と通信経路で接続された上位制御装置であるバッテリコントローラ500を含む電池制御装置600が電池システムの状態を管理し、各単電池セルの充電状態を制御している。
バッテリーコントローラ500は、セルコントローラ200のメインセルコントローラ301が監視する全単電池セルのOCV(開路電圧)測定を行う指令を絶縁素子群400を介して送信する。測定された各単電池セルのOCVのデータは、セルコントローラ200からセルグループ単位で絶縁素子群400を介して、バッテリコントローラ500に送信される。バッテリーコントローラ500は、既に測定されデータ化されたOCVとSOCの関係(例えば図4のOCV−SOC曲線)を用いて、受信した各単電池セルのOCVをSOCに変換し、全単電池セルのSOCの偏差を算出する。SOCの偏差が所定の値よりも大きい単電池セルがバランシング放電を行う対象となる。なお、このOCVの測定は、バランシングスイッチ222(図4参照)を全てオフにして行われ、通常メインセルコントローラ301で行われるが、サブセルコントローラ302で行うことも可能である。
なお、ここでは同期クロックとコマンド及びデータのそれぞれの送受信経路ではシリアル通信を用いることを想定している。
これらの高速絶縁素子401、低速絶縁素子402、および、コンデンサ403で、マイクロコンピュータ504と最上位のメインセルコントローラIC301aとの間、および最上位のサブセルコントローラIC302aとの間の通信経路で用いられている絶縁素子をまとめて絶縁素子群400(図1、2)としている。
セルコントローラ200を起動する場合は、マイクロコンピュータ504は起動信号を出力し、メインセルコントローラIC301a、サブセルコントローラIC302a、メインセルコントローラIC301cとサブセルコントローラIC302cはそれぞれ低速絶縁素子402を通じて起動信号を受信して起動される。起動されたメインセルコントローラICおよびサブセルコントローラICは、それぞれ次段のメインセルコントローラICおよびサブセルコントローラICに起動信号を出力する。このようにして全部のセルコントローラICペア300は順番に起動される。
マイクロコンピュータ504からメインセルコントローラIC301aあるいはサブセルコントローラIC302に送信されたデータパケットは、双方向通信経路によってマイクロコンピュータ504に戻って読み込まれ、このデータパケットが対象となるメインセルコントローラIC301あるいはサブセルコントローラIC302によって読み込まれたかどうかが確認される。
また、マイクロコンピュータ504からの起動信号で全てのメインセルコントローラIC301とサブセルコントローラIC302が起動されたかどうかは、それぞれのメインセルコントローラIC301およびサブセルコントローラIC302の状態を上記の双方向通信経路からデータパケットとしてマイクロコンピュータ504に送信されてこれらが正常に起動したかどうかが確認される。
全てのメインセルコントローラIC301と全てのサブセルコントローラIC302を同じ通信経路で接続することも可能であるが、その分通信経路が長くなるので、最後のメインセルコントローラIC301あるいは最後のサブセルコントローラIC302までバッテリーコントローラ500からの指令やデータが届くまでに時間がかかることになる。
また、以下で説明する、メインセルコントローラICとサブセルコントローラICを同期して動作させる場合も、メインセルコントローラIC301間の通信経路と、サブセルコントローラIC間の通信経路を別経路とする方が同期をとりやすいからである。
マイクロコンピュータ504は次のようにしてセルグループ102a〜102dの単電池セルの端子間電圧(セル電圧と呼ぶ)および過放電あるいは過充電状態等の状態データを得る。ぞれぞれのメインセルコントローラIC301a〜301dは、データパケットにデータを付加し、通信端子SDAT2から次のメインセルコントローラICのSDAT1に送信する。メインセルコントローラIC301の管理する全ての単電池セルの状態データが付加されたデータパケットは、マイクロコンピュータ504が送信したコマンド信号を含めたデータパケットとして、上記双方向通信経路を介してマイクロコンピュータ504が受信する。
また、メインセルコントローラICおよびサブセルコントローラICに設けられたロジック部213の構成概略を図6に示す。
なお、サブセルコントローラIC302のBS端子(CBS1〜13)は、メインセルコントローラIC301の電圧検出用のCV端子(CV1〜13)と同等であるが、前述のようにサブセルコントローラの主たる機能は、セルグループ102の各単電池セルのバランシング放電を行うことであるので、ここでは別の名称としている。
なお、上記ではセル電圧入力抵抗202の名称をRcvとし、バランシング抵抗201の名称をRbとしているが、以下の説明では、それぞれの抵抗値もRcvおよびRbであるとして説明する。
なお、メインセルコントローラIC301の内部にも同様にバランシングスイッチ(BS)222が設けられている。このメインセルコントローラIC301のバランシングスイッチは、主に電圧検出線の断線検出のために用いられるが、ここでは詳述しない。
高速なADコンバータは信号にノイズ成分があると、これをそのまま検出してAD変換してしまう。このため、単電池セルの端子間電圧測定用のメインセルコントローラIC301のCV端子に接続されている電圧検出線の各々にセル電圧入力抵抗Rcv202とセル電圧入力コンデンサCin203を設けてRCフィルタを構成し、ノイズを除去してからマルチプレクサ210、差動増幅器211を経由してADコンバータ212に入力されるようになっている。
ロジック部213にはADコンバータ212からの検出電圧信号が入力される。ADコンバータ212の出力は、上述のように、マルチプレクサ210で選択された単電池セルの端子間電圧、あるいは入力端子Min1〜Min13に接続された2つの電圧検出線の間の電圧であり、電圧検出結果レジスタ244に格納される。
マルチプレクサ入力選択レジスタ245には、マルチプレクサ245を切り替えて入力を選択するためのデータが格納されている。バランシングスイッチ制御レジスタ247には、各セル毎に設けられたバランシングスイッチ222のオン・オフを制御するためのデータが格納されている。なお、上述のように、各単電池セルのバランシング放電を行う場合は、サブセルコントローラIC302のバランシングスイッチを用いる。メインセルコントローラIC301のバランシングスイッチは電圧検出線SL1〜13の断線診断等を行う場合に用いられるが、単電池セルの端子間電圧測定等のメインセルコントローラIC301の通常の動作以外ではオフ状態となっている。
なお、このチャージポンプ動作を行う回路は、後述する第2データ入出力部221、第2クロック入出力部221にも共通に用いられており、これらの入出力の電位基準は下位のメインセルコントローラICの電位基準と同程度となるようになっている。
同期用のクロック信号は、マイクロコンピュータ504のクロック信号出力ポートSCLKから、最上位のメインセルコントローラIC301aおよび最上位のサブセルコントローラIC302aに送信され、さらに上述したようにデイジーチェーン形式の信号経路で下位のメインセルコントローラIC301aおよびサブセルコントローラIC302aに伝送される。
各メインセルコントローラIC301あるいは各サブセルコントローラIC302では、このクロック信号をSCLK1端子から第1クロック入出力部219が受信し、ロジック部213に送る。ロジック部213は、さらにこのクロック信号を第2クロック入出力部221からSCLK2端子を介して下位のメインセルコントローラIC301あるいはサブセルコントローラIC302に送信する。
このクロック信号の伝送は双方向通信であるので、メインセルコントローラIC301あるいはサブセルコントローラIC302から、マイクロコンピュータ504にクロックを送信する時はこの逆の経路でクロック伝送が行われる。
クロックの伝送と同様に、メインセルコントローラIC301あるいはサブセルコントローラIC302から、マイクロコンピュータ504にデータを送信する時はこの逆の経路でデータ伝送が行われる。
また図3の各セルグループの参照番号102a〜102dも、ここで示すメインセルコントローラICおよびサブセルコントローラICの上位・下位の関係に合わせて設定しており、図で一番下側のセルグループが102aとなっている。
ただし、各セルグループの中での単電池セルに関しては、図の上側の単電池セルの電位が高いので、図で上側に示す単電池セルを上位の単電池セルとしている。
既に説明したように、本発明による電池制御装置では、1つのセルグループに対し同様の構成の2つのセルコントローラIC、すなわちメインセルコントローラIC301とサブセルコントローラIC301が用いられている(図4参照)。以下に本発明による電池制御装置におけるバランシング放電電流およびバランシング放電電流の算出方法について説明する。以下では電動車両を単に車両と呼称している。
まず、メインセルコントローラIC301は、例えばHEV、PHEV、EVなどの電動車両の起動時(キーオン時)に、バッテリコントローラからの単電池セルの端子間電圧(OCV)測定のコマンドを上記の通信経路を介して受信して、以下のように蓄電装置100に負荷(インバータ800)が接続されていない状態の各単電池セルの端子間電圧、すなわち各単電池セルの端子間開路電圧VCOCV(セル1の端子間開路電圧はVC1OCVと記す)の測定を行う。
また、これと同時に、最小のSOCの単電池セル以外の単電池セルがバランシング放電を行っている時の、これらの単電池セルの端子間電圧VCBSの測定を行う指令をメインセルコントローラIC301に送信する。
このサブセルコントローラIC302での動作とメインセルコントローラIC301での動作の同期は、マイクロコンピュータ504からそれぞれに送信される、同期クロックとデータパケットで管理されて行われる。
サブセルコントローラIC302は、電圧検出線SL1〜13、バランシング接続線BL1〜13およびバランシング端子(BS端子)CBS1〜13を介して、セル1〜12の単電池セルと接続されている。サブセルコントローラIC302は、バッテリコントローラ500からのバランシング放電のコマンドを上記の通信経路を介して受信すると、このバランシング放電のコマンドで指定されたバランシングスイッチ(222)BS1〜12をオンとして、このバランシングスイッチに対応する単電池セルのバランシング放電を行う。またこれと同時に、オンとなっているバランシングスイッチの正負端子の電位をマルチプレクサ210で選択して差動増幅器211に入力する。差動増幅器211はこのバランシングスイッチの正負端子電位の差をこのバランシングスイッチの端子間電圧(VBS)としてADコンバータ212に入力する。ADコンバータ212は入力されたこのバランシングスイッチの端子間電圧をデジタル値に変換し、ロジック部213に入力し、ロジック部213は測定されたバランシングスイッチの端子間電圧(VBS)をデジタル値で電圧測定結果レジスタ244に格納する。
この電圧測定結果レジスタ244に格納されたバランシングスイッチの端子間電圧(VBS)は、上記の通信経路を介してバッテリコントローラ500に送信される。
メインセルコントローラIC301は、バッテリコントローラ500からのサブセルコントローラIC302へのバランシング放電の指令とほぼ同時に、バッテリコントローラ500から単電池セルのバランシング放電中の端子間電圧(VCBS)の測定を行う指令を受信する。従ってこの指令のデータには、サブセルコントローラIC302によるバランシング放電と、メインセルコントローラIC301とが同期するような指令データ(例えば同期するかしないかを示すビットデータ)が含まれている。
この電圧測定結果レジスタ244に格納されたバランシングスイッチの端子間電圧VCBSは、上記の通信経路を介してバッテリコントローラ500に送信される。
上記のように、各単電池セル101がバランシング放電を行っている時に、サブセルコントローラ302で測定されたバランシングスイッチ222の端子間電圧とメインセルコントローラIC301で測定された単電池セルの端子間電圧は、上記の通信経路を介してバッテリーコントローラ500に送信され、マイクロコンピュータ504で各単電池セルのバランシング放電電流が算出される。
VBS=VC*RBS/(2*Rb+RBS) ...(1)
ここでRbは既知のバランシング抵抗201(図3参照)であり、その抵抗値もRbで示すものとする。また、RBSはバランシングスイッチ222のオン抵抗値である。
RBS=2*Rb*VBS/(VC−VBS) ...(2)
Ib=(VC−VBS)/(2*Rb) ...(3)
または、
Ib=VC*(1−RBS/(2*Rb+RBS))/(2*Rb)
=VC/(2*Rb+RBS) ...(4)
と表わされる。
ただし、たとえば上記の車両の起動時で、インバータ800などの負荷が蓄電装置100に接続されていない状態で、バランシング放電を行った場合の各単電池セルの端子間電圧は、上述の各単電池セルのOCVから各単電池セルの内部抵抗による電圧降下を差し引いたものとなる。また、インバータ800などの負荷が接続された状態では、負荷の変動に対応して各単電池セルの端子間電圧(VC)も変動する。またこのときの端子間電圧(VC)にはノイズも混入する。また、車両の起動時と通常の動作時とでは蓄電装置の温度も異なってくる。
ここでは以下の説明を容易にするために、車両の起動時などの各単電池セルおよび電池監視装置などの回路が一定の温度の状態でのバランシング放電電流Ib、単電池セルの端子間電圧VC、バランシングスイッチの端子間電圧VBS、バランシング抵抗Rb、バランシングスイッチのオン抵抗RBSにそれぞれ(R)を付けて以下のように表わす。
Ib(R)=(VC(R)−VBS(R))/(2*Rb(R)) ...(5)
または、
Ib(R)=VC(R)/(2*Rb(R)+RBS(R)) ...(6)
Ib(N)=(VC(N)−VBS(N))/(2*Rb(N)) ...(7)
または、
Ib(N)=VC(N)/(2*Rb(N)+RBS(N)) ...(8)
バランシング抵抗Rb、バランシングスイッチのオン抵抗RBSにそれぞれ(N)を付けて区別しているのは、車両の状態によりこれらの抵抗周辺の温度も変化するためである。これらの抵抗も含めた蓄電装置の温度変化が無視できる場合は、上記の式(5)と(7)、(6)と(8)はそれぞれ全く同等なものとなる。
Ib(N)=Ib(R)*(VC(N)−VBS(N))
/(VC(R)−VBS(R))*F1 ...(9)
F1=Rb(N)/Rb(R) ...(10)
または、
Ib(N)=Ib(R)*(VC(N)/VC(R))*F2 ...(11)
F2=(2*Rb(R)+RBS(R))/(2*Rb(N)+RBS(N))...(12)
と表わされる。係数F1、F2は、バランシング抵抗201やバランシングスイッチ222の温度特性に基づいて事前にテーブル化したものを用いて算出することは可能であるが、セルコントローラIC内部の温度を正確に測定することが必要であり、また温度補正のためのデータや計算が必要となる。
Ib(N)=Ib(R)*(VC(N)−VBS(N))/(VC(R)−VBS(R)) ...(13)
と表わすことができる。
あるいは、Rb(R)=Rb(N)=Rbとして、式(5)、(7)は等価になるので、(R)と(N)の区別を省略し、
Ib=(VC−VBS)/(2*Rb) ...(14)
とできる。
式(14)は、単電池セルの端子間電圧(VC)とバランシングスイッチの端子間電圧(VBS)を測定すれば、既知のバランシング抵抗値を用いてバランシング電流が算出できることを示している。また、MOSFETなどから構成されるバランシングスイッチのオン抵抗が含まれていないので、バランシングスイッチのオン抵抗のばらつきや温度変化を直接補正する必要がなく、バランシング電流を正確に算出することができる。
式(1)で明らかなように、単電池セルの端子間電圧が変動すると、これに比例してバランシングスイッチ222の端子間電圧VBSも変動する。これにより、式(5)、(7)あるいは式(14)で、単電池セルの端子間電圧VCとバランシングスイッチ222の端子間電圧(VBS)が、それぞれ別のタイミングで測定された場合、バランシング電流IBSが正しく算出されない。
誤差のあるバランシング電流を用いると、単電池セルのSOCは正しく算出されない(下記説明参照)。このようなSOCの算出誤差は積算されてゆくので、場合によっては過放電等の原因となる。
HEV、PHEV、EVなどの電動車両の起動時に測定されたOCVを用いて、図7のOCV−SOC換算曲線に基づいて、まず初期SOCを求める。例として1個の単電池セルの場合を説明する。
単電池セルのSOCの初期値をSOC0とする。蓄電装置100とインバータ800が接続されたときの電池システム104とインバータ800間の充放電電流をI、またバランシング放電電流をIbとすると、この単電池セルのSOCは、以下のように表わされる。
SOC=SOC0 − ∫I(t)dt − ∫Ib(t)dt ...(15)
なお、∫Iは充放電電流I(t)の積算値を示し、∫Ibはバランシング放電電流Ib(t)の積算値を示す。(t)は時間により変動していることを示している。I(t)は充放電電流であるので、電池システムが充電されている場合は、I(t)は負の値であり、SOCは増加する。バランシング放電電流は、上記で説明したように、各単電池セルの端子間電圧の変化に対応して多少変動する。なお、バランシング放電は、全単電池セルのSOCを求め、SOCのばらつきΔSOC(>0)が所定の閾値ΔSOCth(>0)より大きい単電池セルに対して行われる。各単電池セルのSOCは、バッテリーコントローラ500とセルコントローラ200によって管理される。
ΔSOC − ∫Ib(t)dt =0 ...(16)
となるまでバランシングスイッチ222をオンとして放電を行うことである。
実際は、
ΔSOC − ∫Ib(t)dt ≦0 ...(17)
となった時点で速やかにバランシング放電を停止する。
本発明による電池監視装置を用いた蓄電装置の一実施の形態では、ほぼこのようなバランシング放電を行うことが可能であるが、従来のバランシング放電では、正確なバランシング電流を求めることができなかったためこのような制御は行われていなかった。
理解を容易にするため、バランシング電流をある一定の電流値Ibであるとすると、バランシング放電時間tは、
ΔSOC − Ib・t =0 ...(18)
により求めることができる。
しかしながら、実際のバランシング電流Ib(t)は、単電池セルの端子間電圧の変動により変化する。また従来は、バランシング電流の算出を端子間電圧とバランシング抵抗でのみ行っており、バランシングスイッチのオン抵抗が考慮されていなかった。最初に述べたように、最近の二次電池セルは容量が増大しており、これに対応してバランシング放電電流を大きくすることが要求されている。このため、バランシング抵抗は小さい値のものが使用される傾向にある。バランシングスイッチのオン抵抗も考慮してバランシング電流を算出しないと、場合によっては過大なバランシング電流が流れて過放電状態となる可能性もある。
単電池セルの正確なSOCは、例えば図7のOCV−SOC換算曲線の傾斜の急な部分(図中A)で求められる。しかし、この曲線の傾斜が緩やかな部分(図中B)では、OCVから正確なSOCを求めることはできない。図7の下に示す2つの曲線C、Dはそれぞれ、OCVの測定誤差が15mVと10mVの場合のSOCの換算誤差を示す。
すなわち、OCV−SOC換算曲線のBの部分では正確なSOCが算出できない。従来は、Aの部分で算出したSOCのばらつきΔSOCを用いて、式(18)のΔSOC−Ib・tを計算していたが、Ibが正確に求まっていなかったため過放電となる可能性があった。
しかしながら、従来の電池監視装置の構成では、単電池セルの端子間電圧と、この単電池セルに対応したバランシングスイッチ222がオンの時の端子間電圧はどちらかを別々に測定することになり、これらを同時に測定することはできない。したがって、バランシング電流は正しく算出されず、SOCが正しく算出されない。さらに従来は、単電池セルの容量が小さかったので、バランシング放電電流は大きくなく、セル電圧入力抵抗およびバランシング抵抗に比べて小さい抵抗値であるバランシングスイッチのオン抵抗は考慮されていなかった。
図8は、上記で説明した本発明による電池監視装置を含む電池制御装置を搭載した蓄電装置の一実施の形態での各単電池セルのバランシング放電電流の算出とバランシング放電の制御のフローの概略を示したものである。なお、図8の中央部分はマイクロコンピュータ504での処理を記載している。バッテリーコントローラ500にはマイクロコンピュータ以外の回路(不図示)も含まれており、また電池制御装置600にはバッテリーコントローラ500やセルコントローラ200以外の回路(不図示)も含まれている。したがって、電池制御装置は、実際はこのフローに含まれる以外の別の動作を多く行っている。図8に示すフローは、本発明に関する部分のみ抜き出して、まとめて示したものである。たとえば、各単電池セルおよびセルコントローラIC自身の内部回路動作の診断、あるいは電圧検出線の断線診断などはこのフローには含まれていない。また、このフローの中に含まれている各単電池セルのOCV測定やCCV測定は、上記で説明したバランシング放電電流算出以外にも用いているが、ここでは説明を省略する。
各バランシングスイッチをオフにする指令は、各単電池セルの端子間電圧を測定する指令とは別の指令であるが、OCVの測定においてはバランシングスイッチは必ずオフの状態で行われる。すなわち、OCVの測定指令とバランシングスイッチオフの指令は必ず一緒に発生されるので、図8ではこれを簡略化して示してある。
(メインセルコントローラIC301)
・全バランシングスイッチオフ(ステップS2M1)
・各単電池セル端子間電圧測定(ステップS2M2)
(サブセルコントローラIC302)
・全バランシングスイッチオフ(ステップS2S)
なお、車両の始動時は、通常全バランシングスイッチ222はオフ状態で開始されるので、ステップS2M1とステップS2Sの動作は省略可能である。
ステップS2M2において、メインセルコントローラIC301で測定された各単電池セルの端子間電圧(この場合はOCV)の測定データは、上記のように通信経路を介してマイクロコンピュータ504に送信され、ステップS3で各単電池セルのSOCが算出される。このSOCの算出は、図7で示すようなOCV−SOCの関係を用いて求めるが、上述のようにOCV−SOC換算曲線の部分Aを用いることが望ましい。
t0=ΔSOC/Ib0 ...(19)
となる。
単電池セルの端子間電圧は、インバータ800の負荷の変動と共に変動する。また電池システムの充放電にともない、平均的な端子間電圧も時間と共に変動する。したがって、式(19)で算出される放電時間はあくまで目安として使用し、実際のバランシング放電はもっと細かな時間ステップで制御される。
発熱の問題が無ければ、2つの隣り合うバランシングスイッチをオンにしてバランシング放電を行ってもよいが、バランシング電流が2個の単電池セルに対応した値となるとなることを考慮してバランシング放電を行うことが可能である。
このCCV測定指令に基づいて、バランシング放電を行っている単電池セルの端子間電圧の測定(ステップS13M)がメインセルコントローラIC301で行われる。またこれと同期して、サブセルコントローラIC302で、オン状態のバランシングスイッチ222の端子間電圧が測定される(ステップS13S)。
なお、各単電池セルのSOCの算出では、式(15)で示すように、電池システムの充放電電流も積算されている。この電池システムの充放電電流は、図1、2に示す電流センサ503、充放電電流検出回路によって検出されている。この充放電電流は、マイクロコンピュータ504の制御サイクル毎にリアルタイムで検出されている。この電池システムの充放電電流の検出ならびに、この充放電電流を積算したSOC値の算出、さらにはこのSOC値に基づく電池制御(電池システムの接続/切り離し、停止等)については、図示ならびに説明を省略する。
また、総バランシング放電電流がΔSOC以上となった単電池セルに対しては、バランシング放電を終了するので、サブセルコントローラIC302に対し、この単電池セルのバランシングスイッチ222をオフにする指令を送信する。この指令に基づいて、ステップS15Sで、サブセルコントローラIC302はバランシングスイッチ222をオフとしてバランシング放電を停止する。
ステップS3以降は、電池システム104にインバータ等の負荷が接続された状態で行うことが可能である。ただし、バランシング放電中での最初のCCV測定(S8、S9、S8S、S9S、S9M)での測定結果に基づいて、概略のバランシング放電時間を算出(ステップS11)するので、この最初のCCV測定は、たとえば電動車両の起動時等で、車両がある程度安定した状態で行われることが望ましい。
特に、上記で説明した本発明による電池制御装置の一実施の形態ではメインセルコントローラIC301のバランシングスイッチは、診断動作に用いる以外はオフ状態で使用している。また、この診断動作もサブセルコントローラIC302のバランシングスイッチで実施可能である。したがって、上記で説明した電池制御装置の動作を行うことにおいては、メインセルコントローラIC301のバランシングスイッチはなくともよい。
ただし、診断動作等を確実に行うことは車両の安全確認で重要な意義を持つので、メインセルコントローラIC301とサブセルコントローラIC302の双方で同様の機能を維持することで車両の安全性を向上するができる。
Claims (10)
- 複数の単電池セルを直列接続したセルグループの充放電を制御する電池監視装置と、
前記電池監視装置と通信して前記電池監視装置を制御する上位制御装置とを備えた電池制御装置であって、
前記電池監視装置は、
前記単電池セルの端子間電圧を測定する第1の制御ユニットと、
前記単電池セルのバランシング放電を行う第2の制御ユニットと、
前記単電池セルの端子間電圧を測定するための、前記単電池セルの正極および負極のそれぞれと前記第1の制御ユニットとを接続する複数の電圧検出線とを備え、
各々の前記電圧検出線には第1の抵抗が設けられ、
前記第2の制御ユニットには、前記第1の抵抗より前記単電池セル側で、各々の前記電圧検出線から分岐したバランシング線が接続され、
前記バランシング線には第2の抵抗が設けられ、
前記第2の制御ユニットは、前記単電池セルの正極に接続されたバランシング線と負極に接続されたバランシング線との間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを前記単電池セル毎に備え、
前記上位制御装置は、前記第1の制御ユニットを制御して、一の単電池セルの端子間電圧の測定を行うとともに、前記第2の制御ユニットを制御して、前記一の単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチの端子間電圧の測定を、前記一の単電池セルのバランシング放電中に同期して行ない、前記一の単電池セルの端子間電圧の測定結果と、前記第2の制御ユニットによる前記バランシングスイッチの端子間電圧の測定結果と、前記第2の抵抗の抵抗値とから、前記一の単電池セルのバランシング電流を算出する電池制御装置。 - 請求項1に記載の電池制御装置において、
前記セルグループは複数個設けられ、
前記第1の制御ユニットと前記第2の制御ユニットは複数の前記セルグループの各々に対応して設けられ、
前記電池監視装置は、
複数の前記第1の制御ユニットを起動する起動信号を前記上位制御装置から送信するための第1の通信経路と、複数の前記第2の制御ユニットを起動する起動信号を前記上位制御装置から送信するための第2の通信経路と、
複数の前記第1の制御ユニットと前記上位制御装置との間でデータを送受信するための第3の通信経路と、同期信号を送受信するための第4の通信経路と、
複数の前記第2の制御ユニットと前記上位制御装置との間でデータを送受信するための第5の通信経路と、同期信号を送受信するための第6の通信経路とを備える電池制御装置。 - 請求項2に記載の電池制御装置において、
前記上位制御装置は、前記第1乃至第6の通信経路と絶縁素子を介して前記電池監視装置に接続される電池制御装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記上位制御装置は、
前記バランシング電流を算出するバランシング電流算出部と、
前記バランシング電流算出部で算出されたバランシング電流に基づいて前記一の単電池セルの充電状態(SOC)を算出するSOC算出部とを有する電池制御装置。 - 請求項4に記載の電池制御装置において、
前記バランシング電流算出部による算出と前記SOC算出部による算出とがリアルタイムで実行される電池制御装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記上位制御装置は、2つの隣り合うバランシングスイッチが同時にオンとならないように、前記第2の制御ユニットが制御されて、前記複数の単電池セルのバランシング放電が行われる電池制御装置。 - 複数の単電池セルを直列接続したセルグループの充放電を制御する電池監視装置と、
前記電池監視装置と通信して前記電池監視装置を制御する上位制御装置とを備えた電池制御装置であって、
前記電池監視装置は、
前記複数の単電池セルのそれぞれの端子間電圧を測定する第1の制御ユニットと、
前記複数の単電池セルのそれぞれの正負極端子をそれぞれ短絡するバランシングスイッチを有し、前記バランシングスイッチを閉成して前記複数の単電池セルに対してバランシング放電をそれぞれ行う第2の制御ユニットと、
前記複数の単電池セルのそれぞれの端子間電圧を前記第1の制御ユニットで測定するための複数の電圧検出線および複数のセル電圧入力抵抗と、
前記複数の単電池セルのそれぞれに対するバランシング放電を前記第2の制御ユニットで行うための複数のバランシング線および複数のバランシング抵抗とを備え、
前記上位制御装置は、前記第1の制御ユニットを制御して、一の単電池セルの端子間電圧の測定を行うとともに、前記第2の制御ユニットを制御して、前記一の単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチの端子間電圧の測定を、前記一の単電池セルのバランシング放電中に同期して行ない、前記一の単電池セルの端子間電圧の測定結果と、前記第2の制御ユニットによる前記バランシングスイッチの端子間電圧の測定結果と、前記バランシング抵抗の抵抗値とから、前記一の単電池セルのバランシング電流を算出する電池制御装置。 - 請求項7に記載の電池制御装置において、
前記第2の制御ユニットでバランシング放電を行うときのバランシング放電電流が前記セル電圧入力抵抗を通過しないように、前記バランシング線、前記バランシング抵抗、前記電圧検出線、前記セル電圧入力抵抗がそれぞれ配置されている電池制御装置。 - 請求項7または8に記載の電池制御装置において、
前記第1の制御ユニットと前記第2の制御ユニットでそれぞれ行われる端子間電圧測定とバランシング放電制御は、対象となる単電池セルに対して同期して行う電池制御装置。 - 請求項9に記載の電池制御装置において、
前記上位制御装置は、前記同期の制御を行う電池制御装置。
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