JPWO2014171013A1 - 電池システム監視装置 - Google Patents
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Abstract
電池システム監視装置は、セルグループごとに設けられた複数の電池監視回路と、バランシング抵抗とを備える。電池監視回路は、各単電池セルのセル電圧を所定のタイミングごとに測定するセル電圧測定部と、各単電池セルからバランシング抵抗を介して流れる放電電流の状態を切り替える放電スイッチと、放電スイッチを制御するバランシング制御部とを有する。セル電圧測定部と各単電池セルの間には、フィルタ回路がそれぞれ接続されており、セル電圧測定部は、フィルタ回路の時定数に応じた過渡応答期間内にセル電圧が測定されたか否かを判定し、その判定結果に応じた補正値を用いて、セル電圧の測定値を補正する。
Description
本発明は、電池システムを監視する装置に関する。
ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)などでは、所望の高電圧を確保するため、二次電池の単電池セルを多数直列接続して構成される組電池(電池システム)が一般的に用いられている。従来、このような組電池には、所定数の単電池セルごとに、集積回路等を用いた電池監視回路が接続されている。この電池監視回路により、各単電池セルの端子間電圧(セル電圧)の測定や、各単電池セルの残存容量を均等化するためのバランシング放電などを行うことで、各単電池セルの状態を監視および管理している。バランシング中には、各単電池セルが残存容量に応じて放電され、各単電池セルと電池監視回路の間に設けられた電圧検出線を介して、バランシング抵抗に放電電流が流れる。このとき、電圧検出線において、そのインピーダンスの大きさに応じた電圧降下が生じる。
近年では、残存容量の変化に対する電圧変動が従来よりも小さな単電池セルが実用化されている。こうした単電池セルを用いた場合、セル電圧を測定して残存容量を正確に推定するためには、従来よりも高い測定精度が要求される。そのため、バランシング中のセル電圧の測定では、上記のような電圧検出線における電圧降下の影響が無視できなくなっている。そこで、電圧検出線における電圧降下分を補正することで、正確にセル電圧を測定する方法が提案されている(特許文献1参照)。
一般的な組電池では、ノイズや電圧変動等によって生じるエリアシング誤差を抑制するために、単電池セルと電池監視回路の間にRCフィルタが挿入されている。したがって、バランシングを開始または停止すると、それに伴って、RCフィルタの時定数に応じた過渡応答がセル電圧において発生する。しかし、特許文献1に記載の方法では、バランシングを開始して過渡応答を経過した後に安定状態となったときのセル電圧を正確に測定することはできるが、過渡応答の期間内におけるセル電圧については正確に測定することができない。
本発明による電池システム監視装置は、複数の単電池セルを直列接続したセルグループを複数個備えた電池システムを監視および制御するためのものであって、セルグループごとに設けられた複数の電池監視回路と、電池監視回路に対応するセルグループの各単電池セルを放電させるためのバランシング抵抗と、を備える。この電池システム監視装置において、電池監視回路は、対応するセルグループの各単電池セルのセル電圧を所定のタイミングごとに測定するセル電圧測定部と、対応するセルグループの各単電池セルからバランシング抵抗を介して流れる放電電流の状態を切り替える放電スイッチと、放電スイッチを制御するバランシング制御部と、を有する。セル電圧測定部と各単電池セルの間には、フィルタ回路がそれぞれ接続されており、セル電圧測定部は、フィルタ回路の時定数に応じた過渡応答期間内にセル電圧が測定されたか否かを判定し、その判定結果に応じた補正値を用いて、セル電圧の測定値を補正する。
本発明によれば、過渡応答の期間内においても、セル電圧を正確に測定可能な電池システム監視装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド自動車(HEV)などに用いられる電池システムを監視する電池システム監視装置に対して、本発明を適用した場合の例を説明する。なお、本発明による電池システム監視装置の適用範囲は、HEVに搭載される電池システムを監視するものに限らない。たとえば、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)や電気自動車(EV)、鉄道車両などに搭載される電池システムを監視する装置に対しても、幅広く適用可能である。
以下の実施形態では、本発明に係る電池システム監視装置が制御および監視の対象とする電池システムの最小単位として、所定の出力電圧範囲、たとえば3.0〜4.2V(平均出力電圧:3.6V)の出力電圧範囲を有するリチウムイオン電池を想定している。しかし、本発明に係る電池システム監視装置は、リチウムイオン電池以外の蓄電・放電デバイスを用いて構成された電池システムを制御および監視の対象としてもよい。すなわち、SOC(State Of Charge)が高すぎる場合(過充電)や低すぎる場合(過放電)にその使用を制限する必要があれば、どのような蓄電・放電デバイスを用いて電池システムを構成してもよい。以下の説明では、こうした電池システムの構成要素としての蓄電・放電デバイスを、単電池セルと総称する。
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システムと呼んでいる。また、これらを合わせて組電池と呼ぶこともある。
図1は、本発明の一実施形態による電池システム監視装置10の構成を示す図である。電池システム監視装置10は、バッテリコントローラ200と、所定の通信順位に従って相互に接続された複数の電池監視回路100とを有している。電池システム監視装置10は、車両コントローラ400、モータコントローラ300、電池システム130、インバータ340、モータ350などと共に、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に搭載される。
電池システム130は、複数のセルグループ120を直列に接続したものである。各セルグループ120は、単電池セル110(以下、単にセルともいう)が複数個直列に接続されて構成されている。各セル110には、たとえばリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。
電池システム監視装置10において、バッテリコントローラ200と各電池監視回路100との間には、ループ状の通信回路が設けられている。バッテリコントローラ200は、通信順位で最上位の電池監視回路100に対して、絶縁素子201を介して通信信号を送信する。この通信信号を受けた最上位の電池監視回路100は、通信順位で1つ下位の電池監視回路100へ通信信号を転送する。こうした動作が各電池監視回路100において順次行われることで、最上位の電池監視回路100から最下位の電池監視回路100まで順に、直列に通信信号が伝送される。通信順位で最下位の電池監視回路100は、バッテリコントローラ200へ絶縁素子202を介して通信信号を送信する。このようにして、バッテリコントローラ200と各電池監視回路100との間で、ループ状の通信回路を介した通信信号の授受が行われる。
車両コントローラ400は、電動車両の運転者が操作するアクセルペダルやブレーキペダル、あるいは変速レバーなどの車両運転操作装置(不図示)からの操作信号に基づいて、車両の走行速度や制駆動力などを制御する。モータコントローラ300は、車両コントローラ400からの速度指令や制駆動力指令に基づいてバッテリコントローラ200およびインバータ340を制御し、モータ350の回転速度およびトルクを制御する。
バッテリコントローラ200は、電圧センサ210、電流センサ220および温度センサ230によりそれぞれ検出された電池システム130の電圧、電流、温度に基づいて、電池システム130の充放電およびSOC(State Of Charge)を制御する。バッテリコントローラ200は、各電池監視回路100との間で前述のようにして通信信号の授受を行うことにより、各電池監視回路100の動作を制御して、電池システム130において各セルグループ120を構成する複数のセル110のSOCを推定する。この推定結果に基づいて、各セル110のSOCが不均一とならないように、各セル110間のSOCのばらつきを補正するための放電(以下、バランシング放電という)を行う。このようにして、電池システム監視装置10は電池システム130を監視および制御する。
上記のようにして各電池監視回路100との間で通信信号の授受を行う場合、バッテリコントローラ200は、その前に各電池監視回路100に対して不図示の起動信号を出力することで、各電池監視回路100を起動させる。この起動信号の出力は、通信信号とは異なる信号経路を介して行われる。そして、各電池監視回路100が起動したことを確認したら、通信信号の送信を開始する。
なお、図1では、電池システム130として、4個のセル110が直列に接続されているセルグループ120を複数個直列接続した組電池を例示している。しかし、セルグループ120を構成するセル110の数はこれに限らず、4個未満や4個以上であってもよい。電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両には、多くのセルあるいはセルグループが直並列に接続され、その両端電圧が数100V程度の高圧、高容量の電池モジュールが一般に用いられる。このような高圧、高容量の電池モジュールに対しても、本発明を適用することができる。
電池監視回路100は、電池システム130を構成する複数のセル110を所定個数(図1では4個)ごとにグループ分けした各セルグループ120ごとに設けられる。たとえば、電池システム130において100個のセル110が直列に接続されており、これを4個ずつグループ分けした場合、電池システム130内に25組のセルグループ120が設けられ、それに応じて、25個の電池監視回路100が電池システム監視装置10内に配置される。
各電池監視回路100は、対応するセルグループ120を構成するセル110ごとに、正極と負極の各端子間電圧を検出することでセル電圧を測定し、バッテリコントローラ200へ送信する。バッテリコントローラ200は、各電池監視回路100から送信された各セル110のセル電圧の測定結果に基づいて、各セル110のSOCを推定し、各電池監視回路100へバランシング指令を出力する。各電池監視回路100は、バッテリコントローラ200からのバランシング指令にしたがって、セル110ごとにバランシング電流の通電制御を行う。各電池監視回路100と対応するセルグループ120の間には、バランシング電流を決定するためのバランシング抵抗102がセル110ごとに設けられている。
車両の駆動時には、電池システム130に充電された直流電力が、正極側コンタクタ310および負極側コンタクタ320を介して、平滑コンデンサ330およびインバータ340へ供給される。インバータ340は、電池システム130から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ350に印加する。この交流電力を用いて、モータ350の駆動が行われる。インバータ340には、不図示のスイッチング素子が設けられており、これをスイッチングさせることで直流電力から交流電力への変換が行われる。一方、車両の制動時には、モータ350により発電された交流電力が、インバータ340に備えられたダイオード素子(不図示)と平滑コンデンサ330により直流電力に変換される。この直流電力は、正極側コンタクタ310および負極側コンタクタ320を介して電池システム130に印加され、電池システム130の充電が行われる。このようにして、電池システム130とインバータ340との間で直流電力の授受が行われる。
なお、インバータ340の動作に伴ってリプルノイズ及びスイッチングノイズが発生する。これらのノイズは、平滑コンデンサ330によってある程度低減されるが、完全には除去しきれず電池システム130に流れ込み、ノイズ電流を発生する。このノイズ電流に比例して、電池システム130において各セル110の端子間電圧にノイズ電圧が重畳する。このノイズはセル電圧の検出誤差となるため、後述する図2において示すRCフィルタ4を用いて、電池監視回路100への入力が抑制される。
次に、図1の電池システム監視装置10におけるセルグループ120と電池監視回路100の間の接続回路の詳細について説明する。図2は、セルグループ120と電池監視回路100の間の接続回路の詳細を示した図である。図1において対応関係に配置された各セルグループ120と各電池監視回路100は、図2に示すような接続回路を介して互いに接続されている。なお、図2では、セルグループ120を構成する6個のセル110をセル110a〜110fとして表している。しかし、セルグループ120を構成するセル110の数はこれに限らない。たとえば、図1のように、4個のセル110を直列に接続してもよい。
電池システム監視装置10の外側では、セルグループ120のセル110a〜110fと電池監視回路100の間に、抵抗成分3を有する電圧検出線2がそれぞれ接続されている。また、電池システム監視装置10の内側では、セル110a〜110fと電池監視回路100の間に、バランシング抵抗102およびRCフィルタ4がそれぞれ接続されている。RCフィルタ4は、前述のようにセル電圧の測定誤差となるノイズを抑制するためのものであり、抵抗とコンデンサを用いて構成されている。
電池監視回路100は、セル電圧測定部6、バランシング制御部7および放電スイッチ8を機能的に有する。セル電圧測定部6は、電圧検出線2およびRCフィルタ4を介して入力されるセル110a〜セル110fの各セル電圧を所定のタイミングごとに測定する。セル電圧測定部6により測定されたセル電圧は、前述の通信信号により、バッテリコントローラ200へ送信される。
放電スイッチ8は、セル110a〜110fに対してそれぞれ設けられている。図2では、セル110a〜110fと対応付けて、各放電スイッチ8を符号8a〜8fで表している。バランシング制御部7は、バッテリコントローラ200からの指示に応じて、放電スイッチ8a〜8fの開閉状態をそれぞれ切り替える。このように、バランシング制御部7によって放電スイッチ8a〜8fの開閉状態が切り替えられることで、セル110a〜110fからバランシング抵抗102を介して流れる放電電流の状態が切り替えられ、セル110a〜110fのバランシング放電が行われる。
次に、セル電圧測定部6によるセル電圧の測定方法について説明する。図3は、セル電圧測定部6によるセル電圧の測定タイミングと、バランシング電流およびセル電圧の変化の様子の一例を示した図である。図3において、上側に実線で示した波形31は上位側セルのセル電圧を表し、破線で示した波形32は下位側セルのセル電圧を表している。また、下側に実線で示した波形33は、上位側セルからバランシング抵抗102を介して流れるバランシング電流を示し、破線で示した波形34は、下位側セルからバランシング抵抗102を介して流れるバランシング電流を示している。残りの波形35は、セル電圧の測定タイミングを示している。なお、上位側セルとは、セルグループ120において高電圧側から数えたときに奇数番目に当たるセル110のことであり、図2ではセル110a、110cおよび110eが該当する。一方、下位側セルとは、セルグループ120において高電圧側から数えたときに偶数番目に当たるセル110のことであり、図2ではセル110b、110dおよび110fが該当する。
図3において、左側の縦軸の値は、上記の波形31、32がそれぞれ示すセル電圧値を表している。一方、右側の縦軸の値は、波形33、34がそれぞれ示すバランシング電流値を示している。また、横軸の値は時間を示しており、これは波形31〜35に対して共通に用いられる。
セル電圧測定部6は、波形35に示すように、セル110a〜110fの各セル電圧を0.02秒ごとに測定する。バランシング制御部7は、このセル電圧の測定タイミングに同期したタイミングで、放電スイッチ8a〜8fを制御する。
時刻0において電池監視回路100の動作が開始されると、バランシング制御部7は、0.02秒後に行われるセル電圧測定の直後に、上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eを短時間だけ閉じる。その後、次のセル電圧の測定タイミングの直後に、下位側セルに対応する放電スイッチ8b、8dおよび8fを短時間だけ閉じる。このとき、波形33および34に示すように、上位側セルと下位側セルにおいて、交互にそれぞれバランシング電流が流れる。このバランシング電流を検出することで、電池監視回路100において電圧検出線2の断線検知を行うことができる。
続いてバランシング制御部7は、上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eのうち、バランシング対象とするセルに対応する放電スイッチを制御して閉状態に切り替える。これにより、上位側セルであるセル110a、110cおよび110eのうち、バランシング対象セルの正極と負極の間がバランシング抵抗102を介して接続され、波形33に示すように、当該セルが放電されてバランシング電流が流れる。
上位側セルのバランシング放電が終了したら、電池監視回路100において、電圧検出線2の断線検知が再び行われる。このときバランシング制御部7は、前述のように、上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eと、下位側セルに対応する放電スイッチ8b、8dおよび8fとを、短時間だけ交互に閉じる。その後バランシング制御部7は、下位側セルに対応する放電スイッチ8b、8dおよび8fに対して、上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eと同様の制御を行う。すなわち、下位側セルに対応する放電スイッチ8b、8dおよび8fのうち、バランシング対象とするセルに対応する放電スイッチを制御して閉状態に切り替える。これにより、下位側セルであるセル110b、110dおよび110fのうち、バランシング対象セルの正極と負極の間がバランシング抵抗102を介して接続され、波形34に示すように、当該セルが放電されてバランシング電流が流れる。
以上説明したようなタイミングで放電スイッチ8a〜8fの切り替えを行うと、上位側セルおよび下位側セルのセル電圧は、波形31、32に示すようにそれぞれ変化する。すなわち、電圧検出線2の断線検知を行うために、最初に上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eを短時間だけ閉じてセル110a、110cおよび110eにバランシング電流を流すと、それに応じて上位側セルのセル電圧が低下し、下位側セルのセル電圧が上昇する。これらの放電スイッチを開状態に戻すと、バランシング電流は0となり、上位側セルおよび下位側セルのセル電圧が元のレベルに向かってそれぞれ変化する。続いて、下位側セルに対応する放電スイッチ8b、8dおよび8fを短時間だけ閉じてセル110b、110dおよび110fにバランシング電流を流すと、それに応じて下位側セルのセル電圧が低下し、上位側セルのセル電圧が上昇する。これらの放電スイッチを開状態に戻すと、バランシング電流は0となり、上位側セルおよび下位側セルのセル電圧が元のレベルに向かってそれぞれ変化する。
電圧検出線2の断線検知後に、上位側セルまたは下位側セルのバランシング放電が行われる。上位側セルのバランシング放電では、放電スイッチ8a、8cまたは8eを閉じることでバランシング対象とするセルを放電させてバランシング電流を流すと、それに応じて上位側セルのセル電圧が低下し、下位側セルのセル電圧が上昇する。バランシング電流が流れ始めてから所定時間が経過すると、これらのセル電圧は一定のレベルに安定する。その後、当該放電スイッチを開状態に戻すと、バランシング電流が遮断され、上位側セルおよび下位側セルのセル電圧は元のレベルに向かってそれぞれ変化する。
一方、下位側セルのバランシング放電では、放電スイッチ8b、8dまたは8fを閉じることでバランシング対象とするセルを放電させてバランシング電流を流すと、それに応じて下位側セルのセル電圧が低下し、上位側セルのセル電圧が上昇する。バランシング電流が流れ始めてから所定時間が経過すると、これらのセル電圧は一定のレベルに安定する。その後、当該放電スイッチを開状態に戻すと、バランシング電流が遮断され、上位側セルおよび下位側セルのセル電圧は元のレベルに向かってそれぞれ変化する。
上記のように、放電スイッチ8a〜8fを開状態から閉状態に、または閉状態から開状態に切り替えると、その後の一定期間、セル電圧が過渡的に変動する。このようにセル電圧が過渡的に変動する期間を、以下では過渡応答期間と称する。図3の例では、図中に示した期間が過渡応答期間に相当する。この期間は、電圧検出線2の断線検知を行うために、上位側セルに対応する放電スイッチ8a、8cおよび8eを開状態から閉状態に切り替えてから、上位側セルまたは下位側セルのバランシング放電中にセル電圧が安定するまでの期間である。この過渡応答期間の長さは、RCフィルタ4の時定数に応じて定まる。
本実施形態の電池システム監視装置10では、こうした過渡応答期間におけるセル電圧の変動を考慮して、セル電圧測定部6においてセル電圧の測定結果を補正するようにしている。この点について、以下に詳しく説明する。
図4は、セル電圧の補正結果の例を示す図である。図4において、符号41に示す点に代表される各点は、補正前のセル電圧の測定値をそれぞれ表している。この補正前のセル電圧の測定値は、図2に示した抵抗成分3をバランシング電流が流れることで生じた電圧降下分による誤差を含んでいるため、上下にばらついている。これに対して、符号42に示す破線は、従来の補正方法による補正後のセル電圧を表している。この補正後のセル電圧は、補正前のセル電圧の測定値から抵抗成分3の電圧降下分を補正することで求められる。このように、抵抗成分3による電圧降下分を補正することで、セル電圧の測定値に含まれる誤差を低減することができる。
一方、符号43に示す実線は、本実施形態の電池システム監視装置10において求められた補正後のセル電圧を表している。電池システム監視装置10は、電池監視回路100のセル電圧測定部6により、各セル110のセル電圧の測定値に対して、抵抗成分3の電圧降下分を補正する。このとき、過渡応答期間内に測定されたセル電圧については、図3に示したようなセル電圧の変動を考慮した補正値を用いるようにする。これにより、セル電圧の測定値に含まれる誤差を従来の補正方法よりもさらに低減することができる。
図5は、電池システム監視装置10におけるセル電圧測定処理の手順を示すフローチャートである。このセル電圧測定処理は、電池システム監視装置10において、電池監視回路100のセル電圧測定部6により実行される。
ステップS10において、セル電圧測定部6は、対応するセルグループ120の各セル110のセル電圧を測定する。ここでは、各セル110から電圧検出線2およびRCフィルタ4を介してセル電圧測定部6に入力される各セル110の両端電圧の電位差を測定することで、各セル110のセル電圧が測定される。
ステップS20において、セル電圧測定部6は、ステップS10でセル電圧を測定した各セル110について、その測定時点より前の所定の設定時間以内に、当該セルに対応する放電スイッチ8、または当該セルに隣接するセルに対応する放電スイッチ8の切り替えがあったか否かを判定する。これらの放電スイッチのいずれか少なくとも1つの切り替え状態が設定時間以内に変化していた場合は、過渡応答期間内に当該セルのセル電圧が測定されたものと判定してステップS50へ進む。一方、これらの放電スイッチのいずれについても、その切り替え状態が設定時間以内に変化していなかった場合は、過渡応答期間内に当該セルのセル電圧が測定されなかったものと判定してステップS30へ進む。
たとえば、図2のセル110bに対応する放電スイッチ8b、またはセル110bに隣接するセル110a、110cにそれぞれ対応する放電スイッチ8a、8cのいずれか少なくとも一方が、セル110bのセル電圧の測定タイミングより前の所定の設定時間以内に切り替えられたとする。この場合、図5のステップS20では、過渡応答期間内にセル110bのセル電圧が測定されたものと判定してステップS50へ進む。一方、これらの放電スイッチの切り替えが設定時間以内に行われていなかった場合は、過渡応答期間内にセル110bのセル電圧が測定されなかったものと判定してステップS30へ進む。
ステップS30において、セル電圧測定部6は、過渡応答期間内にセル電圧が測定されなかったとステップS20で判定した各セル110について、当該セルに対応する放電スイッチ8、または当該セルに隣接するセルに対応する放電スイッチ8の切り替え状態が、当該セルのセル電圧測定時にオンであったか否かを判定する。これらの放電スイッチのいずれか少なくとも1つの切り替え状態がセル電圧測定時にオン、すなわち閉状態であった場合は、バランシング放電中にセル電圧が測定されたものと判定してステップS40へ進む。一方、これらの放電スイッチのいずれについても、その切り替え状態がセル電圧測定時にオフ、すなわち開状態であった場合は、バランシング放電中ではないときにセル電圧が測定されたものと判定する。この場合、セル電圧測定値の補正を行わずに、図5のフローチャートに示す処理を終了する。
ステップS40において、セル電圧測定部6は、ステップS30でバランシング放電中に測定されたと判定した各セル110のセル電圧測定値について、第1の補正方法による補正を行う。ここでは、放電電流の測定値Idおよび抵抗成分3の抵抗値Rsに基づいて以下の式(1)により計算される第1の補正電圧Vcを用いて、セル電圧測定値を補正する。
Vc=Id×Rs ・・・(1)
Vc=Id×Rs ・・・(1)
以下では、第1の補正電圧Vcを用いた具体的なセル電圧測定値の補正方法について検討する。最初に、セル電圧を測定したセル110(測定対象セル)に対応する放電スイッチ8がオンであった場合を考える。この場合、測定対象セルからのバランシング電流は、測定対象セルの正極側と負極側にそれぞれ接続されている各電圧検出線2を通過する。このとき、これらの電圧検出線2の各抵抗成分3によって電圧降下がそれぞれ生じることで、正極電圧については本来よりも低い値で測定され、負極電圧については本来よりも高い値で測定される。その結果、セル電圧の測定値は、各抵抗成分3の電圧降下分を合計した分だけ低くなる。したがってこの場合は、上記の式(1)から各抵抗成分3について計算される第1の補正電圧Vcを合計した値をセル電圧の測定値に加算することで、セル電圧測定値を補正することができる。
次に、セル電圧を測定したセル110(測定対象セル)の上位側に隣接するセル110(隣接セル)に対応する放電スイッチ8がオンであった場合を考える。この場合、隣接セルからのバランシング電流は、隣接セルの負極側および測定対象セルの正極側に共通に接続されている電圧検出線2を通過する。このとき、電圧検出線2の抵抗成分3によって、セル電圧測定部6から当該測定対象セルの正極側に向かう方向に電圧降下が生じることで、本来の値よりも高い正極電圧が測定される。その結果、セル電圧の測定値は、抵抗成分3の電圧降下分だけ高くなる。そのため、第1の補正電圧Vcをセル電圧の測定値から減算することで、セル電圧測定値を補正することができる。
また、セル電圧を測定したセル110(測定対象セル)の下位側に隣接するセル110(隣接セル)に対応する放電スイッチ8がオンであった場合を考える。この場合、隣接セルからのバランシング電流は、隣接セルの正極側および測定対象セルの負極側に共通に接続されている電圧検出線2を通過する。このとき、電圧検出線2の抵抗成分3によって、測定対象セルの負極側からセル電圧測定部6に向かう方向に電圧降下が生じることで、本来の値よりも低い負極電圧が測定される。その結果、上記の場合と同様に、セル電圧の測定値は、抵抗成分3の電圧降下分だけ高くなる。そのため、この場合にも第1の補正電圧Vcをセル電圧の測定値から減算することで、セル電圧測定値を補正することができる。
ステップS40では、以上説明したような方法により、セル電圧測定値を補正することができる。ステップS40においてセル電圧測定値を補正したら、図5のフローチャートに示す処理を終了する。
ステップS50において、セル電圧測定部6は、ステップS20で過渡応答期間内に測定されたと判定した各セル110のセル電圧測定値について、第2の補正方法による補正を行う。ここでは、前述の式(1)により計算される第1の補正電圧Vcに対して、以下の式(2)に従って所定の過渡応答係数Kを乗算することにより、第2の補正電圧Vtを算出する。こうして求められた第2の補正電圧Vtを用いて、セル電圧測定値を補正する。なお、式(2)において、過渡応答係数Kは0以上1未満の値であり、RCフィルタ4の時定数に応じて予め設定しておくことができる。すなわち、第2の補正電圧Vtは、第1の補正電圧Vcよりも小さな値を有しており、その割合はRCフィルタ4の時定数に応じて決定される。
Vt=K×Vc ・・・(2)
Vt=K×Vc ・・・(2)
ステップS50でも、ステップS40と同様に、セル電圧を測定したセル110に対応する放電スイッチ8が過渡応答期間内に切り替えられた場合と、セル電圧を測定したセル110の上位側または下位側に隣接するセル110に対応する放電スイッチ8が過渡応答期間内に切り替えられた場合とで、異なる計算方法を用いてセル電圧測定値を補正することができる。すなわち、セル電圧を測定したセル110(測定対象セル)に対応する放電スイッチ8が過渡応答期間内に切り替えられた場合は、測定対象セルの正極側と負極側にそれぞれ接続されている各電圧検出線2の抵抗成分3について第2の補正電圧Vtを計算し、これらを合計した値をセル電圧の測定値に加算することで、セル電圧測定値を補正することができる。一方、セル電圧を測定したセル110(測定対象セル)の上位側または下位側に隣接するセル110(隣接セル)に対応する放電スイッチ8が過渡応答期間内に切り替えられた場合は、測定対象セルと隣接セルに共通に接続されている電圧検出線2の抵抗成分3について第2の補正電圧Vtを計算し、これをセル電圧の測定値から減算することで、セル電圧測定値を補正することができる。
以上説明したような方法により、ステップS50においてセル電圧測定値を補正したら、図5のフローチャートに示す処理を終了する。
次に、電圧検出線2が有する抵抗成分3の測定方法について説明する。上記の式(1)における抵抗成分3の抵抗値Rsは、予め設定された値を用いる以外に、実際の測定値を用いてもよい。その場合、以下で説明するような手順により、各セル110から各バランシング抵抗102に電流が流れていないときのセル電圧の測定値と、各セル110から各バランシング抵抗102に電流が流れているときのセル電圧の測定値とを取得し、これらに基づいて、各セル110とセル電圧測定部6の間に接続されている各電圧検出線2が有する抵抗成分3の抵抗値Rsを算出する。この抵抗値Rsの算出結果に基づいて、前述の式(1)、(2)に従って第1の補正電圧Vcおよび第2の補正電圧Vtをそれぞれ決定することができる。
図6は、電池システム監視装置10における検出線抵抗測定処理の手順を示すフローチャートである。この検出線抵抗測定処理は、電池システム監視装置10において、電池監視回路100のセル電圧測定部6およびバランシング制御部7により実行される。なお、図6のフローチャートに示す処理は、電池システム130の状態が安定しているとき、たとえば電池システム監視装置10を含む車両システムの起動時または停止直前において行うことが好ましい。
ステップS110において、バランシング制御部7は、全ての放電スイッチ8をオフ状態に設定する。続くステップS120において、セル電圧測定部6は、全てのセル110を測定対象として、開放状態でのセル電圧を測定する。
ステップS130において、バランシング制御部7は、ステップS110でオフ状態に設定した放電スイッチ8のうち、いずれか1つの放電スイッチ8をオン状態に設定する。続くステップS140において、セル電圧測定部6は、ステップS130でオン状態に設定した放電スイッチ8に対応するセル110と、当該セルの上位側および下位側にそれぞれ隣接するセル110とを測定対象として、放電状態でのセル電圧を測定する。
ステップS150において、バランシング制御部7は、全ての放電スイッチ8をオン状態に設定済みであるか否かを判定する。前述のステップS130および後述するステップS160において、全ての放電スイッチ8をオン状態に設定済みである場合はステップS170へ進み、そうでない場合はステップS160へ進む。
ステップS160において、バランシング制御部7は、オン状態に設定する放電スイッチ8を変更する。ここでは、まだオン状態に設定していない放電スイッチ8の中からいずれかを選択し、その放電スイッチ8をオン状態に設定すると共に、他の放電スイッチ8をオフ状態に設定する。ステップS160を実行したらステップS140に戻り、オン状態に設定した放電スイッチ8に対応するセル110と、当該セルの上位側および下位側にそれぞれ隣接するセル110とを測定対象として、放電状態でのセル電圧の測定を行う。このステップS160の処理とステップS140の処理を繰り返すことにより、全てのセル110を測定対象として、放電状態でのセル電圧がそれぞれ測定される。
ステップS170において、セル電圧測定部6は、ステップS120で測定された各セル110の開放状態でのセル電圧と、ステップS140で測定された各セル110の放電状態でのセル電圧とに基づいて、各電圧検出線2が有する抵抗成分3の抵抗値Rsを算出する。ここでは、以下で説明するような方法により、抵抗値Rsを算出することができる。ステップS170において抵抗値Rsを算出したら、図6のフローチャートに示す処理を終了する。
以下に、ステップS170における抵抗値Rsの算出方法について説明する。図7は、電圧検出線2が有する抵抗成分3の抵抗値Rsの算出方法を説明するための図である。この図では、簡略化のために、3つのセル110a、110bおよび110cについて、これらに接続されている各電圧検出線2が抵抗成分3a〜3dをそれぞれ有しているときの例を示している。
図7において、セル110aのセル電圧は、電圧検出値V1と電圧検出値V2の差分として測定される。同様に、セル110bのセル電圧は、電圧検出値V2と電圧検出値V3の差分として測定され、セル110cのセル電圧は、電圧検出値V3と電圧検出値V4の差分として測定される。以下では、放電スイッチ8a、8bおよび8cが全て開放状態であるときに測定されるセル110a、110b、110cのセル電圧を、それぞれV0a、V0b、V0cと表す。また、放電スイッチ8aおよび8cが開放状態であり、放電スイッチ8bがオン状態であるときに測定されるセル110a、110b、110cのセル電圧を、それぞれV1a、V1b、V1cと表す。
ここで、放電スイッチ8bをオン状態にすると、セル110bが放電されてバランシング電流が流れる。このバランシング電流は、抵抗成分3b、バランシング抵抗102b、放電スイッチ8b、バランシング抵抗102cおよび抵抗成分3cを順に通過する。このバランシング電流の電流値I2は、バランシング抵抗102b、102cの抵抗値をそれぞれRb2、Rb3とすると、以下の式(3)で表すことができる。
I2=V1b/(Rb2+Rb3) ・・・(3)
I2=V1b/(Rb2+Rb3) ・・・(3)
放電スイッチ8bがオン状態のときには、セル110bとセル110cの間に接続されている電圧検出線2に上記のバランシング電流が流れることで、セル110cに対して検出されるセル電圧が上昇する。このセル電圧の上昇分は、以下の式(4)で表すことができる。
V1c−V0c=I2×Rs3 ・・・(4)
V1c−V0c=I2×Rs3 ・・・(4)
上記の式(3)、(4)から、セル110bとセル110cの間に接続されている電圧検出線2が有する抵抗成分3cの抵抗値Rs3は、以下の式(5)により算出することができる。
Rs3=(V1c−V0c)/I2
=(V1c−V0c)×(Rb2+Rb3)/V1b ・・・(5)
Rs3=(V1c−V0c)/I2
=(V1c−V0c)×(Rb2+Rb3)/V1b ・・・(5)
また、セル110aに対して検出されるセル電圧についても同様に、セル110aとセル110bの間に接続されている電圧検出線2にバランシング電流が流れることにより上昇する。このセル電圧の上昇分は、以下の式(6)で表すことができる。
V1a−V0a=I2×Rs2 ・・・(6)
V1a−V0a=I2×Rs2 ・・・(6)
上記の式(3)、(6)から、セル110aとセル110bの間に接続されている電圧検出線2が有する抵抗成分3bの抵抗値Rs2は、以下の式(7)により算出することができる。
Rs2=(V1a−V0a)/I2
=(V1a−V0a)×(Rb2+Rb3)/V1b ・・・(7)
Rs2=(V1a−V0a)/I2
=(V1a−V0a)×(Rb2+Rb3)/V1b ・・・(7)
次に、放電スイッチ8bをオフ状態に戻すと共に、放電スイッチ8aをオン状態にする。このとき測定されるセル110aのセル電圧を、以下ではV2aと表す。
放電スイッチ8aをオン状態にすると、セル110aが放電されてバランシング電流が流れる。このバランシング電流は、抵抗成分3a、バランシング抵抗102a、放電スイッチ8a、バランシング抵抗102bおよび抵抗成分3bを順に通過する。このバランシング電流の電流値I1は、バランシング抵抗102a、102bの抵抗値をそれぞれRb1、Rb2とすると、以下の式(8)で表すことができる。
I1=V2a/(Rb1+Rb2) ・・・(8)
I1=V2a/(Rb1+Rb2) ・・・(8)
放電スイッチ8aがオン状態のときには、上記のバランシング電流により、セル110aに対して検出されるセル電圧が低下する。このセル電圧の低下分は、以下の式(9)で表すことができる。
V0a−V2a=I1×(Rs1+Rs2) ・・・(9)
V0a−V2a=I1×(Rs1+Rs2) ・・・(9)
上記の式(8)、(9)から、セル110aの正極側に接続されている電圧検出線2が有する抵抗成分3aの抵抗値Rs1は、以下の式(10)により算出することができる。なお、式(10)において、抵抗成分3bの抵抗値Rs2は、前述の式(7)で算出されたものを用いることができる。
Rs1=(V0a−V2a)/I1−Rs2
=(V0a−V2a)×(Rb1+Rb2)/V2a−Rs2 ・・・(10)
Rs1=(V0a−V2a)/I1−Rs2
=(V0a−V2a)×(Rb1+Rb2)/V2a−Rs2 ・・・(10)
次に、放電スイッチ8aをオフ状態に戻すと共に、放電スイッチ8cをオン状態にする。このとき測定されるセル110cのセル電圧を、以下ではV3cと表す。
放電スイッチ8cをオン状態にすると、セル110cが放電されてバランシング電流が流れる。このバランシング電流は、抵抗成分3c、バランシング抵抗102c、放電スイッチ8c、バランシング抵抗102dおよび抵抗成分3dを順に通過する。このバランシング電流の電流値I3は、バランシング抵抗102c、102dの抵抗値をそれぞれRb3、Rb4とすると、以下の式(11)で表すことができる。
I3=V3c/(Rb3+Rb4) ・・・(11)
I3=V3c/(Rb3+Rb4) ・・・(11)
放電スイッチ8cがオン状態のときには、上記のバランシング電流により、セル110cに対して検出されるセル電圧が低下する。このセル電圧の低下分は、以下の式(12)で表すことができる。
V0c−V3c=I3×(Rs3+Rs4) ・・・(12)
V0c−V3c=I3×(Rs3+Rs4) ・・・(12)
上記の式(11)、(12)から、セル110cの負極側に接続されている電圧検出線2が有する抵抗成分3dの抵抗値Rs4は、以下の式(13)により算出することができる。なお、式(13)において、抵抗成分3cの抵抗値Rs3は、前述の式(5)で算出されたものを用いることができる。
Rs4=(V0c−V3c)/I3−Rs3
=(V0c−V3c)×(Rb3+Rb4)/V3c−Rs3 ・・・(13)
Rs4=(V0c−V3c)/I3−Rs3
=(V0c−V3c)×(Rb3+Rb4)/V3c−Rs3 ・・・(13)
図6のステップS170では、以上説明したような方法により、各電圧検出線2が有する抵抗成分3の抵抗値Rsを算出することができる。なお、上記の説明では、3つのセル110a、110bおよび110cが直列に接続された図7の例について説明したが、セルグループ120を構成するセル110の個数に関わらず、同様の算出方法を適用可能である。
以上説明した本発明の実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
(1)電池システム130は、複数の単電池セル110を直列接続したセルグループ120を複数個備えており、この電池システム130を監視および制御する電池システム監視装置10は、セルグループ120ごとに設けられた電池監視回路100を備えている。各電池監視回路100は、セル電圧測定部6、バランシング制御部7および放電スイッチ8を有しており、セル電圧測定部6と各単電池セル110の間には、RCフィルタ4がそれぞれ接続されている。セル電圧測定部6は、RCフィルタ4の時定数に応じた過渡応答期間内にセル電圧が測定されたか否かを判定し(ステップS20)、その判定結果に応じた補正値を用いて、セル電圧の測定値を補正する(ステップS40、S50)。このようにしたので、過渡応答の期間内においても、セル電圧を正確に測定可能な電池システム監視装置10を提供することができる。
(2)セル電圧測定部6は、ステップS20において、セル電圧を測定する前の所定の設定時間以内に、セル電圧を測定した単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態、またはセル電圧を測定した単電池セル110に隣接する単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態が変化していた場合は、過渡応答期間内にセル電圧が測定されたと判定する。一方、上記の設定時間以内に、セル電圧を測定した単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態、またはセル電圧を測定した単電池セル110に隣接する単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態が変化していなかった場合は、過渡応答期間内にセル電圧が測定されなかったと判定する。このようにしたので、RCフィルタ4の時定数に応じた過渡応答期間内にセル電圧が測定されたか否かを確実に判定することができる。
(3)セル電圧測定部6は、過渡応答期間内にセル電圧が測定されなかったとステップS20において判定した場合、セル電圧を測定した単電池セル110に対応する放電スイッチ8、またはセル電圧を測定した単電池セル110に隣接する単電池セル110に対応する放電スイッチ8のいずれか少なくとも一方が、セル電圧の測定時にオンまたはオフのいずれであったかを判断する(ステップS30)。その結果、オンであったと判断したときに、第1の補正電圧Vcを用いてセル電圧の測定値を補正する(ステップS40)。また、過渡応答期間内にセル電圧が測定されたとステップS20において判定した場合、第1の補正電圧Vcよりも小さな第2の補正電圧Vtを用いて、セル電圧の測定値を補正する(ステップS50)。このようにしたので、過渡応答期間内にセル電圧が測定された場合とされなかった場合とで、それぞれ適切な補正電圧を用いてセル電圧の測定値を補正することができる。
(4)バランシング制御部7は、セル電圧測定部6によるセル電圧の測定タイミングに同期したタイミングで、放電スイッチ8を制御する。このようにしたので、セル電圧を測定したときの放電スイッチ8の切り替え状態を確実に特定し、その切り替え状態に応じてセル電圧の測定値を適切に補正することができる。
(5)セル電圧測定部6は、図6に示す検出線抵抗測定処理により、単電池セル110からバランシング抵抗102に電流が流れていないときのセル電圧の測定値と、単電池セル110からバランシング抵抗102に電流が流れているときのセル電圧の測定値とに基づいて、単電池セル110とセル電圧測定部6の間に接続された電圧検出線2の抵抗値を算出する。この算出結果に基づいて、図5のステップS40、S50でそれぞれ用いられる補正値を決定することができる。このようにすれば、電圧検出線2が有する抵抗成分3の抵抗値Rsの実測定結果を用いて、より一層正確にセル電圧の測定値を補正することができる。
なお、以上説明した実施形態において、ステップS50で第2の補正電圧Vtを用いてセル電圧の測定値を補正するときには、そのセル電圧の測定タイミングによって第2の補正電圧Vtの大きさを変化させるようにしてもよい。たとえば、過渡応答期間内に行われるセル電圧の測定に対して、当該セル電圧の過渡応答を引き起こす放電スイッチ8の切り替えタイミングからの経過時間に応じて、異なる過渡応答係数Kの値を予め設定しておく。この過渡応答係数Kを用いて、前述の式(2)に従って第2の補正電圧Vtを算出することにより、セル電圧の測定タイミングごとに第2の補正電圧Vtの大きさを変化させることができる。
上記のように、セル電圧測定部6は、過渡応答期間内にセル電圧が測定されたとステップS20で判定した場合に、当該セル電圧を測定した単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態、または当該セル電圧を測定した単電池セル110に隣接する単電池セル110に対応する放電スイッチ8の切り替え状態が変化してから、セル電圧を測定するまでの時間に応じて、ステップS50における補正値を変化させることができる。このようにすれば、過渡応答期間内におけるセル電圧の測定結果をより一層正確に補正することができる。
以上説明した実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
Claims (6)
- 複数の単電池セルを直列接続したセルグループを複数個備えた電池システムを監視および制御するための電池システム監視装置であって、
前記セルグループごとに設けられた複数の電池監視回路と、
前記電池監視回路に対応するセルグループの各単電池セルを放電させるためのバランシング抵抗と、を備え、
前記電池監視回路は、対応するセルグループの各単電池セルのセル電圧を所定のタイミングごとに測定するセル電圧測定部と、対応するセルグループの各単電池セルから前記バランシング抵抗を介して流れる放電電流の状態を切り替える放電スイッチと、前記放電スイッチを制御するバランシング制御部と、を有し、
前記セル電圧測定部と各単電池セルの間には、フィルタ回路がそれぞれ接続されており、
前記セル電圧測定部は、前記フィルタ回路の時定数に応じた過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されたか否かを判定し、その判定結果に応じた補正値を用いて、前記セル電圧の測定値を補正する電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記セル電圧測定部は、前記セル電圧を測定する前の所定の設定時間以内に、前記セル電圧を測定した単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態、または前記セル電圧を測定した単電池セルに隣接する単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態が変化していた場合は、前記過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されたと判定し、
前記設定時間以内に、前記セル電圧を測定した単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態、または前記セル電圧を測定した単電池セルに隣接する単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態が変化していなかった場合は、前記過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されなかったと判定する電池システム監視装置。 - 請求項2に記載の電池システム監視装置において、
前記セル電圧測定部は、前記過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されたと判定した場合、前記セル電圧を測定した単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態、または前記セル電圧を測定した単電池セルに隣接する単電池セルに対応する放電スイッチの切り替え状態が変化してから、前記セル電圧を測定するまでの時間に応じて、前記補正値を変化させる電池システム監視装置。 - 請求項2または3に記載の電池システム監視装置において、
前記セル電圧測定部は、
前記過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されなかったと判定した場合、前記セル電圧を測定した単電池セルに対応する放電スイッチ、または前記セル電圧を測定した単電池セルに隣接する単電池セルに対応する放電スイッチのいずれか少なくとも一方が、前記セル電圧の測定時にオンまたはオフのいずれであったかを判断して、オンであったと判断したときに第1の補正値を用いて前記セル電圧の測定値を補正し、
前記過渡応答期間内に前記セル電圧が測定されたと判定した場合、前記第1の補正値よりも小さな第2の補正値を用いて、前記セル電圧の測定値を補正する電池システム監視装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング制御部は、前記セル電圧測定部による前記セル電圧の測定タイミングに同期したタイミングで、前記放電スイッチを制御する電池システム監視装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電池システム監視装置において、
前記セル電圧測定部は、前記単電池セルから前記バランシング抵抗に電流が流れていないときの前記セル電圧の測定値と、前記単電池セルから前記バランシング抵抗に電流が流れているときの前記セル電圧の測定値とに基づいて、前記単電池セルと前記セル電圧測定部の間に接続された電圧検出線の抵抗値を算出し、その算出結果に基づいて前記補正値を決定する電池システム監視装置。
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