JP6539618B2 - 電池監視システム - Google Patents

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Description

本発明は、組電池を構成する電池セルの状態を監視する電池監視システムに関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車などは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池に蓄電された電力により、モータを駆動させて駆動力を得ている。
このような二次電池は、例えば複数の電池セルが互いに直列に接続されて組電池を構成している。
組電池は、各電池セルへの充放電が繰り返し行われることにより、徐々に経年劣化し、各電池セルの出力電圧も変化する。
また、組電池は、車両の走行状態の変化等の負荷変動、或いは温度や湿度等の外乱によっても各電池セルの出力電圧は変化する。
特にリチウムイオン電池を使った組電池の場合、各電池セルの過充電や過放電を防ぐために、各電池セルの電圧等を確度良く監視する必要があり、電池監視に関する技術が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。
例えば、図12に示すように、特許文献1に係る電圧検出装置520は、電池セル511が直列接続された組電池510の各々の電池セル511のうちの何れかを選択的に接続するマルチプレクサ540、541と、マルチプレクサ540、541の出力電圧であるセル電圧を検出する複数の電圧検出手段550、551とを備えている。
さらに、電圧検出装置520は、各電圧検出手段550、551で異なる電池セル511のセル電圧を検出する第1のモードと、各電圧検出手段550、551で同じ電池セル511のセル電圧を検出する第2のモードとを切り替える切り替え手段530を備えた構成となっている。
このような構成の電圧検出装置520によれば、図13に示すように電池セルが負荷変動などの影響により電圧波形に変化がある場合でも測定回路間の測定誤差が抑制される。
即ち、特許文献1に係る電圧検出装置520では、同一の電池セルを2つの電圧検出手段550、551を用いて、同時に測定する(図13におけるタイミングt1、t2を同時にする)ことによって測定精度を向上できるとしている。
特開2013−24800号公報
ところが、特許文献1に開示の技術には、次のような不都合があった。
即ち、組電池を構成する各電池セルの電圧は、車両等における実使用下では略同じ電圧値となっている場合がある。
このような場合において、仮にマルチプレクサが故障して、常に同じ電池セルとの接続に固定されてしまうと、電圧自体は略正常値と差異がないため、電圧検出装置自体の故障を発見することが困難であり、最悪の場合は故障の発生に気が付かない場合が生じるという問題がある。
このような問題が発生すると、各電池セルの電圧を正確に測定することができず、各電池セルの過充電や過放電を生じ、組電池の劣化を早める等のトラブルの原因となる。
また、従来技術では、各電池セルの電圧の均等化の動作確認を容易には行うことができないという不都合もあった。
さらに、従来技術では、電池セルの電圧検出線の断線検出を容易には行うことができないという不都合もあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、組電池を構成する各電池セルの電圧を高確度で検出することができ、しかも比較的簡単な処理により、各電池セルの電圧の均等化の動作確認および電池セルの電圧検出線の断線検出を容易に行うことのできる電池監視システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明に係る電池監視システムは、直列に複数段にわたって接続されたn個(nは整数)の電池セルを備える組電池の状態を監視する電池監視システムであって、前記各電池セルの電圧信号を入力する入力回路と、前記n個の電池セルの中から電圧を検出する電池セルを選択すると共に、前記入力回路から入力された電圧信号を選択して出力するマルチプレクサと、前記マルチプレクサから出力される第1系統および第2系統の電圧信号に基いて電圧を同時に測定する第1の電圧測定回路および第2の電圧測定回路と、前記第1の電圧測定回路の測定結果および前記第2の電圧測定回路の測定結果を比較する比較回路と、前記比較回路による比較結果に基いて前記各電池セルの電圧、前記各電池セルの電圧の均等化の動作確認、電池セルの電圧検出線の断線の有無および前記マルチプレクサの故障の有無のうち少なくとも1つを判定する制御部と、を備え、前記入力回路は、前記各電池セルの電圧を均等化する均等化スイッチとしてのFETn(nは、電池数に相当する整数)と、前記各FETnのドレイン端子側と前記各電池セルのプラス側との間に接続される均等化のための抵抗器と、前記各抵抗器と前記各電池セルのプラス側との接続点に接続されて第1系統の電圧を入力するn個の第1モニタ端子と、前記各FETnのドレイン端子側と前記抵抗器との接続点に接続されて第2系統の電圧を入力するn個の第2モニタ端子と、を備え、前記第1の電圧測定回路は、第1系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第1モニタ端子との間の電圧、または隣合う上下段の各第1モニタ端子間の電圧を測定し、前記第2の電圧測定回路は、第2系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第2モニタ端子との間の電圧、または隣合う上下段の前記第1モニタ端子と前記第2モニタ端子との間の電圧を測定することを特徴とする。
請求項に記載の発明に係る電池監視システムは、請求項1に記載の発明において、前記入力回路は、前記各FETnのゲート側に接続されるn個の駆動端子をさらに備え、各駆動端子には、FET駆動回路および断線検出用シンク回路を有し、前記制御部によって動作を制御される駆動部が接続されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明に係る電池監視システムは、請求項2に記載の発明において、前記第2モニタ端子は、前記FETnが前記駆動部によりオン状態とされた際に、前記第1モニタ端子が入力する電圧と異なる電圧を入力し、前記FETnが前記駆動部によりオフ状態とされた際に、該第2モニタ端子が属する段の前記第1モニタ端子に現れる電圧と同じ電圧を入力することを特徴とする。
請求項に記載の発明に係る電池監視システムは、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の発明において、前記各第1モニタ端子および前記第2モニタ端子の上流側には、同じ時定数を有するローパスフィルタが設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、組電池を構成する各電池セルの電圧を高確度で検出することができ、しかも比較的簡単な処理により、各電池セルの電圧の均等化の動作確認および電池セルの電圧検出線の断線検出を容易に行うことのできる電池監視システムを提供することができる。
実施の形態に係る電池監視システムの全体構成を示す回路図である。 実施の形態に係る電池監視システムで実行される電池監視処理の処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態に係る電池監視システムの全体構成およびVBAT2の均等化電流の状態を示す回路図である。 実施の形態に係る電池監視システムで実行される均等化診断処理の処理手順を示すフローチャートである。 図4に示す均等化診断処理の判定結果を示す図表である。 実施の形態に係る電池監視システムの全体構成および電源線およびGND線が断線した際の電流の状態を示す回路図である。 実施の形態に係る電池監視システムで実行される電源線の断線判定処理を可能にする動作の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る電池監視システムで実行されるGND線の断線判定処理を可能にする動作の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る電池監視システムの全体構成および中間にあるセル電圧検出線が断線した際の電流の状態を示す回路図である。 実施の形態に係る電池監視システムで実行される中間断線判定処理を可能にする動作の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る電池監視システムで実行されるマルチプレクサの自己診断処理の処理手順を示すフローチャートである。 従来技術に係る電圧検出装置の全体構成を示す回路図である。 負荷変動などの影響を受けた電池セルの電圧波形を示すグラフである。
[実施の形態]
図1および図2を参照して、本発明の実施の形態に係る電池監視システムS1aについて説明する。
ここで、図1は実施の形態に係る電池監視システムS1aの全体構成を示す回路図、図2は電池監視システムS1aで実行される電池監視処理の処理手順を示すフローチャートである。
(電池監視システムの全体構成について)
図1に示すように、電池監視システムS1aは、監視対象としてのリチウムイオン電池等で構成されるn個(nは整数)の電池セルVBATn(VBAT1〜3)から成る組電池と、各電池セルVBAT1〜3の電圧を検出する入力回路Cと、入力回路C内のFETを駆動するFET駆動回路および断線検出用シンク回路を備える駆動部10と、2つの電圧測定回路(第1の電圧測定回路12aおよび第2の電圧測定回路12b)と、各電圧測定回路12a、12bに入力する電圧値(第1系統の電圧信号および第2系統の電圧信号)を選択するマルチプレクサ11と、各電圧測定回路12a、12bからの出力値を比較する比較回路13と、マルチプレクサ11および各電圧測定回路12a、12b等を制御するマイクロコンピュータ等で構成される制御部14とから構成されている。
そして、比較回路による比較結果に基いて各電池セルVBATnの電圧、各電池セルVBATnの電圧の均等化の動作確認、入力回路Cの断線の有無およびマルチプレクサ11の故障の有無を判定するようになっている。具体的な判定処理等については後述する。
なお、電池監視システムS1aはモジュール化して、一つのLSIチップに搭載するようにできる。また、入力回路CのみをLSI化するようにしてもよい。
また、図1に示す構成例では、監視対象としての電池セルは、説明の容易化のため、電池セルVBAT1〜3の3個とされているが、これには限定されず、任意の個数(n個)とすることができる。
(入力回路等の概略構成について)
図1に示すように、入力回路C等は、概略的には、各電池セルVBATnの電圧を均等化する均等化スイッチとしてのFETn(nは、電池数に相当する整数)と、各FETnのドレイン端子側と各電池セルのプラス側との間に接続される均等化のための抵抗器R0−1〜R0−3と、各抵抗器R0−1〜R0−3と各電池セルVBATnのプラス側との接続点(ノードn5、n6、n7)に接続されて第1系統の電圧を入力するn個の第1モニタ端子Vn(V1〜V3)と、各FETnのドレイン端子側と抵抗器R0−1〜R0−3との接続点(X点、Y点、Z点)に接続されて第2系統の電圧を入力するn個の第2モニタ端子DVn(DV1〜DV3)とを備えている。
また、第1の電圧測定回路12aは、第1系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第1モニタ端子V1との間の電圧、または隣合う上下段の各第1モニタ端子V1、V2等との間の電圧を測定し、第2の電圧測定回路12bは、第2系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第2モニタ端子DV1との間の電圧、または隣合う上下段の前記第1モニタ端子V1等と第2モニタ端子DV2等との間の電圧を測定するようになっている。
また、入力回路Cは、各FETnのゲートに接続されるn個の駆動端子CBn(CB1〜CV3)をさらに備え、各駆動端子CBnには、FET駆動回路および断線検出用シンク回路を有し、前記制御部によって動作を制御される駆動部10が接続されている。
ここで、第2モニタ端子DVn(DV1〜DV3)は、FETnが駆動部10によりオン状態とされた際に、この第2モニタ端子DVnが属する段の電池セルVBATnの電圧に対して、抵抗器R0−nで生じる電圧降下分を引いた電圧を入力し、FETnが駆動部10によりオフ状態とされた際に、この第2モニタ端子DVnが属する段の第1モニタ端子Vnに現れる電圧と同じ電圧を入力するようになっている。
また、各第1モニタ端子Vnおよび第2モニタ端子DVnの上流側には、同じ時定数を有するローパスフィルタ(LPF)が設けられている。
(入力回路の構成例について)
図1を参照して、入力回路Cの具体的な構成例について説明する。
まず、一段目として、ノードn1、n2間に配置された電池セルVBAT1と並列に、ノードn5、Z点、ノードn11、n10およびn4を介して、抵抗器R0−1と、均等化スイッチを構成するFET1が接続されている。なお、電池セルVBAT1は、マイナス側がノードn1、プラス側がノードn2となるように設けられている。
また、ノードn11、n10間には、寄生ダイオードd1が形成されている。
なお、FET1は、ソース端子がノードn10側、ドレイン端子がノードn11側となるように設けられている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つであるグランド電位のVSS端子と、FET1の駆動端子CB1との間には、ノードn20、n21を介して抵抗器R3が接続されている。
FET1の駆動端子CB1は、ノードn21を介してFET1のゲート端子に接続されている。
マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、電池セルVBAT1のセル電圧を検出する第1のモニタ端子V1には、ノードn31を介して抵抗器R1及びコンデンサC1が接続されている。
なお、この抵抗器R1の一端は、ノードn22、n5、n2を介して電池セルVBAT1のプラス側に接続されている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、FET1のドレイン電圧を検出する第2のモニタ端子DV1には、ノードn30を介して抵抗器R1及びコンデンサC1が接続されている。
次いで、二段目として、ノードn2、n3間に配置された電池セルVBAT2と並列に、ノードn6、Y点、ノードn13、n12およびn5を介して、抵抗器R0−2と、均等化スイッチを構成するFET2が接続されている。なお、電池セルVBAT2は、マイナス側がノードn2、プラス側がノードn3となるように設けられている。
また、ノードn13、n12間には、寄生ダイオードd2が形成されている。
なお、FET2は、ソース端子がノードn12側、ドレイン端子がノードn13側となるように設けられている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つである第1のモニタ端子V1と、FET2の駆動端子CB2との間には、ノードn22、n23を介して抵抗器R3が接続されている。
FET2の駆動端子CB2は、ノードn23を介してFET2のゲート端子に接続されている。
マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、電池セルVBAT2のセル電圧を検出する第1のモニタ端子V2には、ノードn33を介して抵抗器R1及びコンデンサC1が接続されている。
なお、この抵抗器R1の一端は、ノードn24、n6、n3を介して電池セルVBAT2のプラス側に接続されている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、FET2のドレイン電圧を検出する第2のモニタ端子DV2には、ノードn32を介して抵抗器R1の一端が接続され及びコンデンサC1が接続されている。
次いで、三段目として、ノードn3、n7間に配置された電池セルVBAT3と並列に、ノードn7、X点、ノードn15、n14およびn6を介して、抵抗器R0−3と、均等化スイッチを構成するFET3が接続されている。なお、電池セルVBAT3は、マイナス側がノードn3、プラス側がノードn7となるように設けられている。
また、ノードn15、n14間には、寄生ダイオードd3が形成されている。
なお、FET3は、ソース端子がノードn14側、ドレイン端子がノードn15側となるように設けられている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つである第1のモニタ端子V2と、FET3の駆動端子CB3との間には、ノードn24、n25を介して抵抗器R3が接続されている。
FET3の駆動端子CB3は、ノードn25を介してFET2のゲート端子に接続されている。
マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、電池セルVBAT3のセル電圧を検出する第1のモニタ端子V3には、ノードn35を介して抵抗器R1及びコンデンサC1が接続されている。
なお、この抵抗器R1の一端は、ノードn7を介して電池セルVBAT3のプラス側に接続されている。
また、マルチプレクサ11との接続端子の一つであり、FET3のドレイン電圧を検出する第2のモニタ端子DV3には、ノードn34を介して抵抗器R1及びコンデンサC1が接続されている。
また、ノードn7と駆動電源の端子VCCとの間には抵抗器R2が設けられている。また、抵抗器R2の一端にはノードn36を介してコンデンサC2が接続されている。
ここで、本実施の形態では、電池セルVBAT1〜3の出力電圧は、定格上、何れも3Vとしているが、これには限らない。
また、上述のように図1に示す入力回路Cでは、監視対象(検出対象)としての電池セルは、電池セルVBAT1〜3の3個とされているが、これには限定されず、任意の個数(n個:nは整数)とすることができる。
そして、この電池セルVBATの個数(n個)に応じて、入力回路Cには、第1のモニタ端子Vn(nは整数)および第2のモニタ端子DVn(nは整数)が設けられることになる。
なお、第1の電圧測定回路12aおよび第2の電圧測定回路12bは、同クロックで動作され、両回路12a、12bの動作タイミングの完全な同期が図られている。
また、第1の電圧測定回路12aおよび第2の電圧測定回路12bとしては、同一特性のものが用いられる。
さらに、抵抗器R0(R0−1〜R0−3)の抵抗値は、抵抗器R1の抵抗値に比して非常に小さくなるように選定されている。
これにより、第1のモニタ端子Vnおよび第2のモニタ端子DVnには、抵抗器R1とコンデンサC1とによって構成される外付けローパスフィルタ(LPF)が両端子共に同様な時定数になっている。なお、このローパスフィルタの時定数を調整することにより、電圧変動を抑制することができる。
また、図1において、符号VH0〜VH3は、電池セルVBAT1〜3の電圧を検出する検出線である。なお、電池セルVBATの個数(n個)に応じて、(n+1)本の検出線が設けられる。
ここで、第1の電圧測定回路12aは、第1系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第1モニタ端子V1との間の電圧、または隣合う上下段の各第1モニタ端子Vn間の電圧を測定し、第2の電圧測定回路12bは、第2系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第2モニタ端子DV1との間の電圧、または隣合う上下段の第1モニタ端子Vnと第2モニタ端子DVn+1との間の電圧を測定する。
図1に示すように、電池セルVBAT1の電圧は、グラウンド電位であるVH0とプラス側の電位VH1との間の電位として検出され、電池セルVBAT2の電圧は、VH1と電位VH2間の電位として検出され、電池セルVBAT3の電圧は、VH2と電位VH3間の電位として検出される。
制御部14によって制御される駆動部10の動作により、均等化スイッチを構成するFETn(FET1〜3)が制御された場合を下記する。
FET1がオフの場合には、第1のモニタ端子V1と、第2のモニタ端子DV1には同じ電圧が現れる。
一方、FET1がオンの場合には、第1のモニタ端子V1に、電池セルVBAT1のセル電位が現れ、第2のモニタ端子DV1には、抵抗器R0−nで生じる電圧降下分を引いた電圧(略VSS)が現れる。
同様にして、FET2がオフの場合には、第1のモニタ端子V2と、第2のモニタ端子DV2には同じ電圧が現れ、FET2がオンの場合には、第1のモニタ端子V2に、電池セルVBAT2のセル電位が現れ、第2のモニタ端子DV2には抵抗器R0−nで生じる電圧降下分を引いた電圧(略V1)が現れる。
また、FET3がオフの場合には、第1のモニタ端子V3と、第2のモニタ端子DV3には同じ電圧が現れ、FET3がオンの場合には、第1のモニタ端子V3に、電池セルVBAT3のセル電位が現れ、第2のモニタ端子DV3には抵抗器R0−nで生じる電圧降下分を引いた電圧(略V2)が現れる。
制御部14の制御により、マルチプレクサ11はこれらの電圧を選択して2つの電圧測定回路12a、12bに同時に入力する。
より具体的には、電池セルVBAT1の電圧測定に関して、第1の電圧測定回路12aには、第1のモニタ端子V1とVSS端子間の電圧を入力し、第2の電圧測定回路12bには、第2のモニタ端子DV1とVSS端子間の電圧を入力する。
また、電池セルVBAT2の電圧測定に関して、第1の電圧測定回路12aには、第1のモニタ端子V2とV1端子間の電圧を入力し、第2の電圧測定回路12bには、第2のモニタ端子DV2と第1のモニタ端子V1間の電圧を入力する。
また、電池セルVBAT3の電圧測定に関して、第1の電圧測定回路12aには、第1のモニタ端子V3とV2端子間の電圧を入力し、第2の電圧測定回路12bには、第2のモニタ端子DV3と第1のモニタ端子V2間の電圧を入力する。
そして、これらの電圧を第1の電圧測定回路12aおよび第2の電圧測定回路12bで同時に測定する。その結果を比較回路13で比較することにより、測定確度が確認できるため、各電池セルVBAT1〜3の電圧を高精度検出することができる。
また、各検出電圧について所定の処理を実行することにより、各電池セルVBAT1〜3の電圧の均等化の動作確認および回路内の断線検出を容易に行うことができる。
なお、このような構成の入力回路Cを備える電池監視システムS1aの詳細な動作例については、図2のフローチャートを用いて後述する。
(電池監視処理について)
図2のフローチャートを参照して、実施の形態に係る電池監視システムS1aで実行される電池監視処理の処理手順について説明する。
この処理が開始されると、まずステップS10において、マルチプレクサ11によりVBATminまたはVBATmaxが選択されたか否かが判定される。具体的には、図1に示す構成例では、VBATminとしてのVBAT1か、VBATmaxとしてのVBAT3が選択されたか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合にはステップS11に移行する。
ステップS11では、FETminまたはFETmaxをオン制御したか否かが判定される。具体的には、図1に示す構成例では、FETminとしてのFET1か、FETmaxとしてのFET3がオンされたか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、ステップS12に移行して、上述のLPFの時定数を考慮した遅延時間を設定してステップS40に移行する。
ステップS40では、第1の電圧測定回路12a、第2の電圧測定回路12bは、同時にVBATminまたはVBATmaxの電圧を測定する。
次いで、ステップS13では、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
判定結果が「Yes」の場合、即ち、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」である場合には、ステップS14で、FETminまたはFETmaxに故障が発生していると判定して処理を終了する。
即ち、図1に示すように、例えば、VBAT1の電圧検出時において、第1の電圧測定回路12aには、第1のモニタ端子V1とグランド電位のVSS端子間の電圧が入力され、第2の電圧測定回路12bには、第2のモニタ端子DV1とグランド電位のVSS端子間の電圧が入力される。ここで、FET1がオンされているので、抵抗器R0−1による電圧降下により、正常時には、第1のモニタ端子V1に現れる電位より、第2のモニタ端子DV1に現れる電位の方が低くなるはずである。これにも関わらず、ステップS13における判定結果が「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるということは、FET1の動作に関係する何らかの故障により、オン状態にはなっていないものと推定される。このような推定に基いて、ステップS14における故障判定を行っている。
また、ステップS13の判定結果が「No」の場合には、FETminまたはFETmaxは正常、即ち、測定系は正常であると判定して処理を終了する。
このような処理は、ステップS10におけるVBATの選択により、各FETについて行われて、故障の有無が判定されることとなる。
また、遡って前記ステップS11で「No」と判定された場合、即ち、FETminまたはFETmaxはオフ状態であると判定された場合には、ステップS16に移行する。
ステップS16では、2つの電圧測定回路12a、12bは、同時にVBATmin、またはVBATmaxの電圧を測定する。
次いで、ステップS17では、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
判定結果が「Yes」の場合には、ステップS18で、VBATnが著しく減少(電圧が低下)しているか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、検出線VHminまたは検出線VHmaxの断線発生であると判定する。即ち、図1に示す構成例では、検出線VHminとしての検出線VH0か、検出線VHmaxとしての検出線VH4の断線であると判定して処理を終了する。
また、判定結果が「No」の場合には、測定値は正常(即ち、測定系は正常)と判定して処理を終了する。
このような処理は、ステップS10におけるVBATの選択により、各検出線について行われて、断線の有無が判定されることとなる。
一方、遡って、前記ステップS10で「No」と判定された場合には、ステップS22に移行して、FETnがオン制御されたか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、ステップS23に移行して、上述のLPFの時定数を考慮した遅延時間を設定してステップS24に移行する。
ステップS24では、2つの電圧測定回路12a、12bは、同時にVBATminまたはVBATmax以外のVBATnの電圧を測定する。
ステップS25では、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
判定結果が「Yes」の場合、即ち、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」である場合には、ステップS26で、FETnの動作に関係する何等かの故障が発生していると判定して処理を終了する。
即ち、図1に示すように、例えば、VBAT2の電圧検出時において、第1の電圧測定回路12aには、第1のモニタ端子V2と端子V1間の電圧が入力され、第2の電圧測定回路12bには、第2のモニタ端子DV2と第1のモニタ端子V1端子間の電圧が入力される。ここで、FETnとしてのFET2がオンされているので、抵抗器R0−2による電圧降下により、正常時には、第1のモニタ端子V2に現れる電位より、第2のモニタ端子DV2に現れる電位の方が低くなるはずである。これにも関わらず、ステップS25における判定結果が「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるということは、FET2の動作に関係する何らかの故障により、オン状態にはなっていないものと推定される。このような推定に基いて、ステップS26における故障判定を行っている。
また、ステップS25の判定結果が「No」の場合には、FETnは正常、即ち、測定系は正常であると判定して処理を終了する。
このような処理は、ステップS10におけるVBATの選択により、各FETnについて行われて、故障の有無が判定されることとなる。
一方、前記ステップS22で「No」と判定された場合には、ステップS28に移行する。
ステップS28では、駆動部10が有する断線検出用シンク回路の作用により、CBn+1より電流シンクがオンされたか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、ステップS29に移行して、上述のLPFの時定数を考慮した遅延時間を設定してステップS30に移行する。
ステップS30では、2つの電圧測定回路12a、12bは、同時にVBATminまたはVBATmax以外のVBATnの電圧を測定する。
次いで、ステップS31では、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
判定結果が「Yes」の場合には、ステップS32で、VBATnが著しく減少しているか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、検出線VHnの断線発生であると判定する。即ち、図1に示す構成例では、例えば、検出線VHnとしての検出線VH2の断線であると判定して処理を終了する。
また、判定結果が「No」の場合には、測定値は正常(即ち、測定系は正常)と判定して処理を終了する。
このような処理は、ステップS10におけるVBATの選択により、各検出線VHnについて行われて、断線の有無が判定されることとなる。
また、前記ステップS31の判定結果が「No」の場合には、ステップS35に移行して、第1の電圧測定回路12aまたは第2の電圧測定回路12bの何れかに何らかの故障が発生したと判定して処理を終了する。
一方、遡って、前記ステップS28で「No」と判定された場合には、ステップS36に移行する。
ステップS36では、2つの電圧測定回路12a、12bは、同時にVBATminまたはVBATmax以外のVBATnの電圧を測定する。
次いで、ステップS37では、「第1の電圧測定回路12aの測定結果=第2の電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
判定結果が「Yes」の場合には、ステップS38で、測定値は正常(即ち、測定系は正常)と判定して処理を終了する。
また、判定結果が「No」の場合には、第1の電圧測定回路12aまたは第2の電圧測定回路12bの何れかに何らかの故障が発生したと判定して処理を終了する。
[均等化診断処理]
この均等化診断処理は、前出の図2のフローチャートにおけるステップS11、S12、S40、S13、S14(またはS15)、S22、S23、S24、S25およびS26(またはS27)の詳細を示すものである。ここでは、均等化のためのFETの0N制御ができているかの確認手段を強調し、説明しているが、均等化FETのOFF制御ができているかの観点でも確認できる。
図3から図5を参照して、均等化診断処理について説明する。
なお、このVBAT2の均等化診断処理の処理手順におけるステップS100からステップS102は、前出の図2に示すフローチャートのステップS22、ステップ23、ステップS24、ステップS25およびステップS26(またはS27)に相当する。
また、本処理では、図3に示すように、主に、入力回路Cにおける電流の流れF1、F20に注目している。
まず、ステップS100(図2のステップS22に対応する)では、駆動部10が備えるFET駆動回路より、駆動端子CB2にFET2をオンさせることができる電圧を発生させる。これにより、FET2がオン状態となる。
次いで、ステップS101(図2のステップS23およびS24に対応する)では、FET2がオンした状態における第1の電圧測定回路12aによる第1のモニタ端子V2、V1間の電圧測定結果は、VBAT2電圧となる。
また、第2の電圧測定回路12bによる第2のモニタ端子DV2と第1のモニタ端子V1端子間の電圧は略0Vとなる。
この際に、2つの電圧測定回路12a、12bのLPFの時定数は同じであり、その時定数に応じた電圧変化時間を考慮した遅延時間の経過後に、2つの電圧測定回路12a、12bで同時測定している。
次に、ステップS102(図2のステップS25およびS26(またはS27)に対応する)では、比較回路13において、FET駆動回路の出力またはその制御信号と第1の電圧測定回路12aの測定結果と、第2の電圧測定回路12bの測定結果を比較する。
これにより、FET2の動作の確かさ(確度)を確認することができる。
より具体的には、図5に示す図表に示す条件に合致する場合には、FET2は正常と判定され、該当しない場合にはFETのオン機能またはオフ機能に何らかの故障があると判定される。
なお、同様の処理手順により、VBATn(nは整数)の均等化診断を行うことができ、FETn(nは整数)の故障の有無を判定することもできる。
[電源/GND線断線判定処理]
この電源/GND線断線判定処理は、前出の図2のフローチャートにおけるステップS11、S16、S17、S18およびS19(またはS20)の詳細を示すものである。
図6から図8を参照して、電源/GND線断線判定処理ついて説明する。
なお、本処理では、図6に示すように、主に、入力回路Cにおける電流の流れF2〜F5に注目している。また、本処理では、入力回路Cにおける電源線(検出線VH3)およびGND線(検出線VH0)のD1点またはD2点で断線が発生したものとする。
まず、図7に示すフローチャートにおいて、電源線が断線した際にその判定を可能にする動作の流れについて説明する。
電源線が断線した際に起きる最初の状態であるステップS200では、回路電源VCCの供給元である検出線VH3(VH3ライン)のD1点で断線が発生したことにより、第1のモニタ端子V3用のLPFを構成するコンデンサC1と、第2のモニタ端子DV3用のLPFを構成するコンデンサC1から電荷が引き抜かれてしまう(矢印F4、F5参照)。
これにより、検出線VH2(VH2ライン)の電位が、検出線VH3(VH3ライン=X点)の電位よりも高くなる。
また、ステップS201に示すように、ステップS200の結果から、検出線VH2から回路電源VCCへの電流が流れる(矢印F3参照)。
この時、検出線VH3(またX点)は、FET3の寄生ダイオードd3のVF(順電圧)分以上で、検出線VH2よりも低い電位となる。
また、ステップS202示すように、第1の電圧測定回路12aによるV3、V2間の電圧の測定結果が0V未満、且つ、第2の電圧測定回路12bによるDV3、V2間の電圧の測定結果が0V未満となる。
2つの測定経路で同時に同一電圧を測定する処理により、互いにその機能を補完する状態となっている。
この状態において、上記のような測定結果となるケースは、検出線VH3の断線時のみであるため、検出線VH3の断線であると判定できる。
一方、どちらかの経路のみの測定結果が<0Vとなる場合は、断線ではなく、経路中にGNDとのショートが発生しているなどの他の原因によるものと判定できる。
次に、図8に示すフローチャートにおいて、GND線が断線した際にその判定を可能にする動作の流れについて説明する。
ステップS210では、グランド電位(GND)である検出線VH0のD2点における断線した場合を想定している。このD2点が断線したことにより、電池監視システムS1aに流れていた電流は、FET1の寄生ダイオードd1などを介して、より低い電位(検出線VH1)に流れる(図6の矢印F2参照)。これにより、回路のGNDが、検出線VH1になる。
そして、ステップS211に示すように、ステップS210の結果により、V1端子とVSS端子の電位の関係が逆転し、V1の電位<VSSの電位となる。またDV1端子とVSS端子の電位の関係も逆転し、DV1の電位<VSSの電位となる。
また、ステップS212に示すように、第1の電圧測定回路12aによるV1、VSS間の電圧測定結果、且つ、第2の電圧測定回路12bによるDV1、VSS間の電圧測定結果が0V未満となる。
2つの測定経路で同時に同一電圧を測定する処理により、互いにその機能を補完する状態となっている。
この状態において、上記のような測定結果となるケースは、検出線VH0の断線時のみであるため、検出線VH0の断線であると判定できる。
一方、どちらかの経路のみの測定結果が0V未満となる場合は、断線ではなく、経路中にGNDとのショートが発生しているなどの他の原因によるものと判定できる。
[中間断線判定処理]
この中間断線判定処理は、前出の図2のフローチャートにおけるステップS22、S28、S29、S30、S31、S32およびS33(またはS34)の詳細を示すものである。
図9および図10を参照して、中間断線判定処理について説明する。
なお、本処理では、図9に示すように、主に、入力回路Cにおける電流の流れF10、F11に注目している。また、本処理では、入力回路Cにおける電源線、GND線以外の中間線(検出線VH1)のD3点で断線が発生したものとする。
まず、図10に示すフローチャートにおいて、中間線が断線した際にその判定を可能にする動作の流れについて説明する。
ステップS300では、検出線VH1と繋がるFET2の駆動端子CB2端子より電流をシンクする。
なお、断線検出処理を行う前に、全セルの均等化を行うと、断線の検出率が向上する場合があるため、ステップS300の前に全セルの均等化を行ってもよい。
これは、断線しているセル電圧も電圧測定回路12a、12b側から見ると、断線した線に対して上下に当たる2つのVBATの中間電位程度となり、見かけ上の断線した検出線の上下の電池セルの電圧測定結果は2つのVBATの平均値となる。本実施の形態の断線検出方法としては、CBn端子によるシンクにより、電圧検出結果がシンク前よりも大きく変化した方が検知性が高いことから、電池セルの状態により、全セル均等化をした方がCBn端子によるシンク前のVn端子間電圧のバランスを合わせることになるため、その結果として検出性が上がることがある。
断線していない場合においてはステップS301で説明するが、V1とVSS間、DV1とVSS間電圧は、VBAT1電圧が正常に測定される。
検出線VH1とVBAT1間が断線していない場合にFET2の駆動端子CB2から電流をシンクしても、その電源はVBAT1となる。この場合、検出線VH1とVBAT1間には抵抗成分が殆どないため、その間での電圧降下は発生しないものとしている。
よって、FET2の駆動端子CB2からの電流シンク中でもV1とVSS間、DV1とVSS間電圧は、VBAT1電圧が正常に測定される。(検出線の抵抗値が無視できない場合は、必要があればその分を考慮した判断をする。)
逆に断線していた場合においてはステップS302に示すように、VH1が断線している場合は、CB2から電流をシンクした場合、その電源がVBAT1ではなく、第1のモニタ端子V1または第2のモニタ端子DV1端子用LPFを構成するコンデンサC1に蓄えられた電荷となる(矢印F10参照)。
その電荷が空になるまでフィルタの時定数に関係した速度で第1のモニタ端子V1または第2のモニタ端子DV1端子電圧が降下する。
そして、最終的には、過小電圧異常に掛るレベルまで両電圧は降下する。この現象により、検出線VH1に断線があると判定することができる。または、両電圧が大きく降下する前に判断する方法として、シンク前後の電圧値比較により、単純に変化があった場合は断線と判定することでもよい。
[マルチプレクサの自己診断]
ここで、図11のフローチャートを参照して、本実施の形態に係る電池監視システムS1aに適用されるマルチプレクサ11の自己診断の処理手順について説明する。
この処理が開始されると、まず、ステップS501で、VBATn(nは整数。初期値は「1」)のみを均等化してステップS502に移行する。
ステップS502では、電圧測定回路12aおよび12bで同時に全てのVBATを測定する。
次いで、ステップS503では、全VBATの測定結果より、均等化をしたVBATnのみについて、「電圧測定回路12aの測定結果≠電圧測定回路12bの測定結果」であるか否かが判定される。
そして、判定結果が「Yes」の場合には、ステップS504に移行して、FETn(nは整数)およびマルチプレクサ11自体は正常であると判定してステップS506に移行する。
一方、ステップS503の判定結果が「No」である場合には、ステップS505に移行して、FETn(nは整数)またはマルチプレクサ11自体の故障であると判定してステップS506に移行する。
ステップS506では、nを「1」インクリメントしてステップS507に移行する。
ステップS507では、n>max(maxの値は、電池監視システムS1aで監視する電池の数によって変わる)であるか否かが判定され、「Yes」の場合には処理を終了し、「No」の場合にはステップS501に戻って同様の処理を繰り返して実行することとなる。
このようなマルチプレクサ11の自己診断の処理は、使用状況次第で、ユーザ判断によりいつ実行してもよいのだが、例として電池監視システムS1aの動作開始時の準備時間内に行う場合は、電圧測定前に一通り各電池セルVBATn毎にマルチプレクサ11の接続間違いがないことを確認することができ、2つの電圧測定回路12a、12bによる測定動作とその結果の確度を保証することができる。
以上述べたように、本実施の形態に係る電池監視システムS1aによれば、電池セルVBATnについて、従来よりも確度が高い電圧測定を行うことができ、均等化行為の確かさや、断線検出に関しても精度よく確認することができる。
また、本実施の形態に係る電池監視システムS1aでは、2つの電圧測定回路12a、12bの一方は意図的な電圧変動を加えられるため、マルチプレクサ11による電池セル選択の確かさも確認することができる。
また、均等化をしていないときは、電池セル選択の確かさを確認された経路と同一の電池セルを測定している他方の電圧測定回路が前者と同じ結果を出した場合は、その測定結果の確度は高く、電圧測定回路12a、12bの確かさも同時に確認することができる。
以上、本発明の電池監視システム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。
S1a…電池監視システム
C…入力回路
VBATn(VBAT1〜3)…電池セル
Vn(V1〜3)…第1のモニタ端子
DVn(DV1〜3)…第2のモニタ端子
VHn(VH1〜3)…検出線
R0−1〜R0−3…抵抗器
CBn(CB1〜3)…駆動端子
10…駆動部
11…マルチプレクサ
12a、12b…電圧測定回路
13…比較回路
14…制御部

Claims (4)

  1. 直列に複数段にわたって接続されたn個(nは整数)の電池セルを備える組電池の状態を監視する電池監視システムであって、
    前記各電池セルの電圧信号を入力する入力回路と、
    前記n個の電池セルの中から電圧を検出する電池セルを選択すると共に、前記入力回路から入力された電圧信号を選択して出力するマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサから出力される第1系統および第2系統の電圧信号に基いて電圧を同時に測定する第1の電圧測定回路および第2の電圧測定回路と、
    前記第1の電圧測定回路の測定結果および前記第2の電圧測定回路の測定結果を比較する比較回路と、
    前記比較回路による比較結果に基いて前記各電池セルの電圧、前記各電池セルの電圧の均等化の動作確認、電池セルの電圧検出線の断線の有無および前記マルチプレクサの故障の有無のうち少なくとも1つを判定する制御部と、
    を備え、
    前記入力回路は、
    前記各電池セルの電圧を均等化する均等化スイッチとしてのFETn(nは、電池数に相当する整数)と、
    前記各FETnのドレイン端子側と前記各電池セルのプラス側との間に接続される均等化のための抵抗器と、
    前記各抵抗器と前記各電池セルのプラス側との接続点に接続されて第1系統の電圧を入力するn個の第1モニタ端子と、
    前記各FETnのドレイン端子側と前記抵抗器との接続点に接続されて第2系統の電圧を入力するn個の第2モニタ端子と、
    を備え、
    前記第1の電圧測定回路は、第1系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第1モニタ端子との間の電圧、または隣合う上下段の各第1モニタ端子間の電圧を測定し、
    前記第2の電圧測定回路は、第2系統の電圧として、グランド電位のVSS端子と最下段の第2モニタ端子との間の電圧、または隣合う上下段の前記第1モニタ端子と前記第2モニタ端子との間の電圧を測定することを特徴とする電池監視システム。
  2. 前記入力回路は、前記各FETnのゲート側に接続されるn個の駆動端子をさらに備え、
    各駆動端子には、FET駆動回路および断線検出用シンク回路を有し、前記制御部によって動作を制御される駆動部が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電池監視システム。
  3. 前記第2モニタ端子は、
    前記FETnが前記駆動部によりオン状態とされた際に、前記第1モニタ端子が入力する電圧と異なる電圧を入力し、
    前記FETnが前記駆動部によりオフ状態とされた際に、該第2モニタ端子が属する段の前記第1モニタ端子に現れる電圧と同じ電圧を入力することを特徴とする請求項2に記載の電池監視システム。
  4. 前記各第1モニタ端子および前記第2モニタ端子の上流側には、同じ時定数を有するローパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電池監視システム。
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