JP2012137334A - 監視回路、組電池モジュールおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高い監視回路、組電池モジュールおよび車両を安価に実現する。
【解決手段】 複数の第１入力端子Ｔ１と、複数の第２入力端子Ｔ２と、複数の第１入力端子Ｔ１から入力された電圧から選択した電圧の差分値を出力する電圧監視部と、２つの第２入力端子Ｔ２間の電気的接続を切替える複数のスイッチＳＷと、電圧監視部から出力された電圧値を外部へ出力するとともに、外部から電圧検出部および複数のスイッチＳＷの制御信号を受信するインタフェース回路１３９と、を備えたことを特徴とする監視回路。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、監視回路、組電池モジュールおよび車両に関する。

複数の二次電池セルを含む組電池を備えた二次電池装置では、過充電や二次電池セルの異常な状態を回避するために、各二次電池セルの電圧や温度等を常時監視している。

また、一般に、複数の二次電池セルを直列に組み合わせて使用する組電池においては、二次電池セルの充放電や温度のばらつきなどにより、組み合わされた二次電池セルに蓄えられたエネルギーが不均等となってくることが知られている。

このように二次電池セルに蓄えられているエネルギーが不均等となると、組電池としての機能を最大に利用できるような効率のよい充放電を行うことができなくなる。従来、このようなエネルギーの均等化を行う方式として抵抗放電方式が提案されている。

エネルギーの均等化を行なう二次電池装置は、例えば、複数の二次電池セルを含む組電池および監視回路を備えた組電池モジュールと、監視回路の動作等を制御する制御装置（ＭＰＵ）と、を備えている。監視回路は、複数の二次電池セルの端子間電圧を検出する電圧監視部や、複数の二次電池セルを抵抗放電させる均等化処理部を備えている。

LTC6802-1 Multicell Battery Stack Monitor (http://cds.linear.com/docs/Datasheet/68021fa.pdf)

二次電池セルの正極端子と負極端子とは、セルバランススイッチにより接続が切替えられる抵抗器が接続されている。また、二次電池セルの電圧検出入力端子の前段にはノイズの影響を抑制するためのローパスフィルタが配置されている。

エネルギーの均等化を行なう際に、セルバランススイッチ端が他の二次電池セルの電圧検出入力端子と接続されている場合、電圧検出入力端子の前段に時定数の大きなローパスフィルタを配置すると、抵抗放電の際に流れる放電電流（セルバランス電流）はローパスフィルタの時定数に依存することになる。

そのため、電圧検出入力端子の前段に安価なローパスフィルタを配置すると、ローパスフィルタを所望の周波数帯域とすることが困難となり、検出する電圧値へノイズの影響を抑制して信頼性を向上させるために高価なローパルスフィルタを配置する必要があった。

本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、信頼性の高い監視回路、組電池モジュールおよび車両を安価に実現することを目的とする。

実施形態による監視回路は、複数の第１入力端子と、複数の第２入力端子と、前記複数の第１入力端子から入力された電圧から選択した電圧の差分値を出力する電圧監視部と、２つの前記第２入力端子間の電気的接続を切替える複数のスイッチと、前記電圧監視部から出力された差分値を外部へ出力するとともに、外部から前記電圧検出部および前記複数のスイッチの制御信号を受信するインタフェース回路と、を備える。

実施形態に係る車両の一構成例を説明するための図である。 実施形態に係る監視回路の一構成例を説明するための図である。 比較例に係る監視回路の一構成例を説明するための図である。

以下、実施形態に係る監視回路、組電池モジュールおよび車両について、図面を参照して説明する。
図１に、実施形態に係る車両の一構成例を概略的に示す。なお、図１では車両１００、車両１００への二次電池装置１の搭載個所、及び車両１００の駆動モータ４５などは概略的に示している。

車両１００は、二次電池装置１と、二次電池装置１の上位制御手段である電気制御装置（ＥＣＵ：Electric Control Unit）８０と、外部電源７０と、インバータ４０と、駆動モータ４５とを備えている。

二次電池装置１は、互いに直列に接続された複数の二次電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、電池管理装置（ＢＭＵ：Battery Management Unit）１１と、二次電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃと電池管理装置１１とを接続する通信バス（通信手段）１１０と、電源供給線１９と、スイッチ装置３３と、を備えている。

二次電池モジュール１２ａは、組電池１４ａと組電池監視回路（ＶＴＭ：Voltage Temperature Monitoring）１３ａと、を備えている。二次電池モジュール１２ｂは、組電池１４ｂと組電池監視回路１３ｂと、を備えている。二次電池モジュール１２ｃは、組電池１４ｃと組電池監視回路１３ｃと、を備えている。二次電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それぞれ独立して取り離すことが可能であり、別の二次電池モジュールと交換することができる。

二次電池装置１の負極端子１７には、接続ラインＬ１の一方の端子が接続されている。この接続ラインＬ１は、電池管理装置１１内の電流検出部（図示せず）を介してインバータ４０の負極入力端子に接続されている。

また二次電池装置１の正極端子１６には、接続ラインＬ２の一方の端子が、スイッチ装置３３を介して接続されている。接続ラインＬ２の他方の端子は、インバータ４０の正極入力端子に接続されている。

スイッチ装置３３は、電池への充電が行われるときにオンするプリチャージスイッチ（図示せず）、電池出力が負荷へ供給されるときにオンするメインスイッチ（図示せず）を含む。プリチャージスイッチおよびメインスイッチは、スイッチ素子の近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオンおよびオフされるリレー回路（図示せず）を備える。

インバータ４０は、入力した直流電圧をモータ駆動用の３相の交流（ＡＣ）の高電圧に変換する。このインバータ４０は、後述する電池管理装置１１あるいは車両全体動作を制御するための電気制御装置８０からの制御信号に基づいて、出力電圧が制御される。インバータ４０の３相の出力端子は、駆動モータ４５の各３相の入力端子に接続されている。駆動モータ４５の回転は、例えば差動ギアユニットおよび車軸を介して、駆動輪Ｗに伝達される。

電池管理装置１１には、独立した外部電源７０からの電源が電源供給配線１８を介して供給されている。外部電源７０は定格１２Ｖの鉛蓄電池である。また、電池管理装置１１は、運転者などの操作入力に応答して車両全体の管理を行なう電気制御装置８０と通信線１５を介して接続されている。

二次電池装置１は、例えば電気自動車等の車両や電力蓄積装置等に接続され、正極端子１６および負極端子１７を通じて組電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃの充放電が行われる。また、電池管理装置１１と二次電池装置１が組み込まれた装置（電気自動車や電力蓄積装置等）との間で、通信線１５を介して、組電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃの二次電池セルＢＴの残容量（ＳＯＣ：state of charge）等の二次電池装置１の保全に関するデータ転送が行われる。

複数の二次電池セルＢＴを組み合わせた組電池１４を含む二次電池装置１では、過充電や二次電池セルＢＴの異常な状態を回避するために、各二次電池セルＢＴの電圧や温度を常時監視している。電池管理装置１１は、二次電池装置１の保全に関する情報を集めるために、組電池１４の二次電池セルＢＴの電圧、温度などの二次電池セル情報を組電池監視回路１３との間で通信バス１１０により通信を行い収集する。

通信バス１１０は、１組の通信線を複数のノード（電池管理装置１１と１つ以上の組電池監視回路１３と）で共有するように構成されている。通信バス１１０は、例えばＣＡＮ（Control Area Network）規格に基づいて構成された通信バスである。

電源供給線１９は、組電池監視回路１３の動作電源を電池管理装置１１から送信する配線である。図１では、動作電源は電池管理装置１１を経由して組電池監視回路１３へ供給されるように構成されているが、二次電池装置１が搭載された電気自動車や電力蓄積装置等から組電池監視回路１３へ直接供給されてもよい。また、二次電池装置１の接続先である電気自動車や電力蓄積装置等から電源供給線１９へ常時電源が供給されることも好適である。

図２に本実施形態に係る二次電池装置１の二次電池モジュール１２の一構成例を示す。二次電池装置１は、複数個の二次電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備えている。これら二次電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃの構成は同様であるため、図２では二次電池モジュール１２として共通の構成を記載している。二次電池モジュール１２は、複数の二次電池セルＢＴを備えた組電池１４および組電池監視回路１３を含む。

組電池監視回路１３は、複数の第１入力端子（電圧検出入力端子）Ｔ１と、複数の第２入力端子Ｔ２と、を備えている。第１入力端子Ｔ１には、第１配線（電圧検出入力線）Ｗ１の一端が接続されている。

第１配線Ｗ１の他端は、複数の二次電池セルＢＴの正極端子あるいは負極端子に接続されている。第１配線Ｗ１は、セルバランス抵抗Ｒｃと、セルバランス抵抗Ｒｃと直列に接続された電圧検出入力抵抗Ｒｓとを備える。１つの二次電池セルＢＴの正極端子に接続された第１配線Ｗ１と、負極端子に接続された第１配線Ｗ１とは、電圧検出入力抵抗Ｒｓと第１入力端子Ｔ１との間において、コンデンサＣが接続されている。電圧検出入力抵抗ＲｓとコンデンサＣとは、第１配線Ｗ１から第１入力端子Ｔ１へ入力される高周波成分を除去するローパスフィルタである。

上記のように、例えば二次電池装置１が車両に搭載される場合、組電池１４に接続されるインバータ駆動の主回路電流によるノイズの影響を避けるために、第１配線Ｗ１の第１入力端子Ｔ１の前段に電圧検出入力抵抗ＲｓとコンデンサＣによるローパスフィルタが設けられる。

第２入力端子Ｔ２には第２配線Ｗ２の一端が接続されている。第２配線Ｗ２の他端は、第１配線Ｗ１のセルバランス抵抗Ｒｃと電圧検出入力抵抗Ｒｓとの間に電気的に接続されている。

組電池監視回路１３は、電池管理装置１１からの通信による指令に基づいて、組電池１４を構成する個々の二次電池セルＢＴの端子間電圧を検出して出力する電圧監視部と、二次電池セルＢＴの温度を検出して出力する温度監視部（図示せず）と、電池管理装置１１と通信を行なうインタフェース回路１３９と、を備えている。ただし、温度監視部は、温度は１つの組電池１４につき数箇所だけで測定し、全ての二次電池セルＢＴの温度は測定しなくてもよい。

また、複数の二次電池セルＢＴを直列に組み合わせて使用する組電池においては、二次電池セルＢＴの充放電や温度のばらつきなどにより、組み合わされた二次電池セルＢＴに蓄えられたエネルギーが不均一になることが知られている。そこで、組電池監視回路１３は、二次電池セルＢＴに蓄えられているエネルギーが不均一になると抵抗放電によりエネルギーの均等化を行う均等化処理部を備えている。以下、抵抗放電によるエネルギーの均等化処理をセルバランス処理という。

組電池監視回路１３の電圧監視部は、複数の二次電池セルＢＴの電圧を順次検出する差動マルチプレクサ１３２と、差動マルチプレクサ１３２の動作タイミングを制御するシーケンサ回路１３４と、差動マルチプレクサ１３２で検出された正極端子電圧と負極端子電圧とが入力され、正極端子電圧と負極端子電圧との差を出力する差動アンプ１３６と、差動アンプ１３６から出力された電圧をデジタル化するＡ／Ｄ変換部１３８と、を備え、複数の第１入力端子Ｔ１から入力された電圧から選択した電圧の差分値を出力する。

差動マルチプレクサ１３２は、第１入力端子Ｔ１から複数の二次電池セルＢＴの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の入力端子と、複数の入力端子から入力された電圧から、１つの二次電池セルＢＴの正極端子電圧とその二次電池セルＢＴの負極端子電圧とを選択して出力する出力端子と、を備えている。入力端子と出力端子との接続は、シーケンサ回路１３４から供給される信号に同期して切替られる。

シーケンサ回路１３４は、インタフェース回路１３９から供給される、電池管理装置１１からの制御信号に応じて差動マルチプレクサ１３２の切替タイミングを制御する。

差動アンプ１３６は。差動マルチプレクサ１３２から出力された正極端子電圧と負極端子電圧とを受信する。差動アンプ１３６は、受信した正極端子電圧から負極端子電圧を引いた差分値（端子間電圧）を算出し、Ａ／Ｄ変換部１３８へ出力する。

Ａ／Ｄ変換部１３８は、入力された差分値をデジタル化し、インタフェース回路１３９へ出力する。
インタフェース回路１３９は、Ａ／Ｄ変換部１３８から受信したデジタル化後の差分値を、通信バス１１０を介して電池管理装置１１へ出力する。

組電池監視回路１３の均等化処理部は、２つの第２入力端子Ｔ２間の電気的接続を切替える複数のセルバランススイッチＳＷを備えている。セルバランススイッチＳＷの開閉により、二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間でセルバランス抵抗Ｒｃの接続が切替えられ、二次電池セルＢＴの抵抗放電が入り切りされる。

セルバランススイッチＳＷは、セルバランス抵抗Ｒｃを介して二次電池セルＢＴの正極端子と電気的に接続された第２入力端子Ｔ２に一端が接続され、セルバランス抵抗Ｒｃを介して二次電池セルＢＴの負極端子と電気的に接続された第２入力端子Ｔ２に他端が接続されている。すなわち、隣り合う二次電池セルＢＴを抵抗放電させる２つのセルバランススイッチＳＷについて、組電池１４の正極側の二次電池セルＢＴを抵抗放電させるセルバランススイッチＳＷの負極側の端部（一端）と、組電池１４の負極側の二次電池セルＢＴを抵抗放電させるセルバランススイッチＳＷの正極側の端部（他端）とは、共通の第２入力端子Ｔ２に接続されている。

セルバランス処理では、電池管理装置１１との通信によりインタフェース回路１３９へ入力された制御信号に基づいてセルバランススイッチＳＷの開閉を制御し、充電量が過多となった二次電池セルＢＴを放電させる。複数のセルバランススイッチＳＷのゲートには、それぞれのセルバランススイッチＳＷを独立して制御する制御信号が供給される。したがって、複数の二次電池セルＢＴのそれぞれは、独立して抵抗放電が行なわれる。

なお、上記の組電池監視回路１３と電池管理装置１１とを備える二次電池装置１の要素の全部または一部は、半導体集積回路により構成されることが多い。

本実施形態に係る二次電池モジュール１２では、上記のように１つの二次電池セルＢＴを抵抗放電させるセルバランススイッチＳＷの負極側の端子をもう一方の二次電池セルＢＴのセルバランススイッチＳＷの正極側の端子と共通の第２入力端子Ｔ２へ接続することにより、セルバランス電流とローパスフィルタの時定数との依存関係をなくしている。このことにより、比較的安価なコンデンサＣを用いて所望の周波数帯域のローパスフィルタを実現することができ、低コストで信頼性のある監視回路、組電池モジュール、および、車両を提供することができる。

図３に、比較例に係る二次電池モジュール１２の一構成例を示す。図３に示す比較例では、二次電池セルＢＴの負極端子側のセルバランススイッチＳＷの端部（一端）は、第１入力端子Ｔ１に電気的に接続されている。図２に示す実施形態と同様に、組電池１４に接続されるインバータ駆動の主回路電流によるノイズの影響を避けるために、第１配線Ｗ１には、第１入力端子Ｔ１の前段に電圧検出入力抵抗ＲｓとコンデンサＣによるローパスフィルタが設けられる。

図３のようにセルバランススイッチＳＷを接続すると、セルバランス処理の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗はＲｓ＋２Ｒｃとなり、電圧検出の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗は２Ｒｓ＋２Ｒｃとなる。

ここで、二次電池セルＢＴの大型化に伴いセルバランス電流を多く流すために、合成抵抗値（Ｒｓ＋２Ｒｃ）を小さくする場合には、電圧検出入力抵抗Ｒｓも小さくすることが望ましい。しかし、電圧検出入力抵抗Ｒｓを小さくすると、必要なカットオフ周波数のローパスフィルタを得るためにコンデンサＣの容量を大きくすることになる。一般に、大容量のコンデンサは高価であるとともに大きさが大きくなるため、実用上の容量の上限が存在し、所望の周波数帯域のローパスフィルタを実現することが困難となる。所望の周波数帯域のローパスフィルタを実現することができなければ、二次電池セルＢＴの電圧検出精度の低下を招き、二次電池モジュール１２および組電池監視回路１３の信頼性低下を招くこととなる。

これに対し、本実施形態では、図２に示すようにセルバランススイッチＳＷの端子が第１入力端子Ｔ１に接続されず、セルバランス処理の際に第１入力端子Ｔ１へセルバランス電流が流れないため、第１入力端子Ｔ１の前段に高抵抗を接続することが可能となる。

すなわち、セルバランス処理の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗は２Ｒｃとなり、電圧検出の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗は２Ｒｓ＋２Ｒｃとなる。この場合、セルバランス電流を多く流すために合成抵抗値（２Ｒｃ）を小さくするには、セルバランス抵抗Ｒｃを小さくするだけでよく、電圧検出入力抵抗Ｒｓは小さくする必要がない。

また、ノイズの影響を低く抑えるために第１入力端子Ｔ１の入力インピーダンスは高く設定されている。この場合に、コンデンサＣの容量値を小さくして、電圧検出入力抵抗Ｒｓを大きくして電圧検出の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗（２Ｒｓ＋２Ｒｃ）を大きくすることにより、所望の時定数のローパスフィルタを得ることができる。

例えば、電圧検出の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗（２Ｒｓ＋２Ｒｃ）を、セルバランス処理の際の二次電池セルＢＴの正極端子と負極端子との間の合成抵抗（２Ｒｃ）よりも１０倍以上大きくする場合、２Ｒｓ＋２Ｒｃ≫Ｒｃであり、かつ、Ｒｓ≫Ｒｃである。よって、電圧検出入力抵抗Ｒｓは、必要なセルバランス電流からセルバランス抵抗Ｒｃを決めた後で、所望のローパルフィルタの周波数帯域から決定される抵抗値（＝２Ｒｓ＋２Ｒｃ）から２Ｒｃを引いて２で割ることにより、決定することができる。

上記のように、セルバランス電流とローパスフィルタの時定数との依存関係がなくなることにより、電圧検出入力抵抗Ｒｓはセルバランス抵抗Ｒｃの抵抗値と実質的に独立に決定することが可能となる。

このため、本実施形態によれば、安価で小型なコンデンサをローパルスフィルタに使用することができ、信頼性の高い監視回路、組電池モジュールおよび車両を安価に実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｗ…駆動輪、Ｔ１…第１入力端子（電圧検出入力端子）、Ｔ２…第２入力端子、Ｗ１…第１配線（電圧検出入力線）、Ｗ２…第２配線、Ｒｃ…セルバランス抵抗（第１抵抗）、Ｒｓ…電圧検出入力抵抗（第２抵抗）、Ｃ…コンデンサ、ＳＷ…セルバランススイッチ、１…二次電池装置、１１…電池管理装置、１２（１２ａ〜１２ｃ）…二次電池モジュール、１３（１３ａ〜１３ｃ）…組電池監視回路、１４（１４ａ〜１４ｃ）…組電池、１５…通信線、１６…正極端子、１７…負極端子、１８、１９…電源供給配線、３３…スイッチ装置、４０…インバータ、４５…駆動モータ、７０…外部電源、８０…電気制御装置、１００…車両、１１０…通信バス（通信手段）、１３２…差動マルチプレクサ、１３４…シーケンサ回路、１３６…差動アンプ、１３８…Ａ／Ｄ変換部、１３９…インタフェース回路。

Claims (5)

1. 複数の第１入力端子と、
   複数の第２入力端子と、
   前記複数の第１入力端子から入力された電圧から選択した電圧の差分値を出力する電圧監視部と、
   前記第２入力端子間の電気的接続を切替える複数のスイッチと、
   前記電圧監視部から出力された差分値を外部へ出力するとともに、外部から前記電圧検出部および前記複数のスイッチの制御信号を受信するインタフェース回路と、を備えたことを特徴とする監視回路。
2. 前記スイッチの一端は他の前記スイッチの他端と共通の前記第２入力端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の監視回路。
3. 前記電圧監視部は、前記複数の第１入力端子から入力された電圧から選択的に２つの電圧を出力するマルチプレクサと、
   前記インタフェース回路からの制御信号に従って前記マルチプレクサの動作タイミングを制御するシーケンサ回路と、
   前記マルチプレクサから出力された電圧の差分値を出力するアンプと、
   前記アンプから受信した差分値をデジタル化して出力するＡ／Ｄ変換部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の監視回路。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された監視回路と、
   複数の二次電池セルを含む組電池と、
   前記複数の二次電池セルの正極端子又は負極端子と前記複数の第１入力端子との間を接続し、第１抵抗と、前記第１抵抗と前記第１入力端子との間において前記第１抵抗に直列に接続された第２抵抗とを備えた第１配線と、
   前記第２抵抗と前記第１入力端子との間において、前記第１配線間に接続されたコンデンサと、
   前記第１配線の前記第１抵抗と前記第２抵抗との間と、前記第２入力端子とを接続する第２配線と、を備えたことを特徴とする組電池モジュール。
5. 電池管理装置と、
   請求項４記載の組電池モジュールと、
   前記電池管理装置と、前記インタフェース回路との間の通信に用いられる通信手段と、
   前記組電池モジュールからの電力により駆動される車軸と、を具備することを特徴とする車両。

Images