JP2018105647A

JP2018105647A - 組電池電圧計測装置

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Publication number: JP2018105647A
Application number: JP2016249640A
Authority: JP
Inventors: 淑佐々木; Yoshi Sasaki; 克好村松; Katsuyoshi Muramatsu
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP6923840B2

Abstract

【課題】コストの増加を抑えつつ電池ユニットの電圧を高速に計測して組電池の状態を迅速に把握可能とする。【解決手段】複数の電池セル４ａ、４ｂを直列に接続した組電池３における電池セル４ａ、４ｂの電圧を計測する組電池電圧計測装置１であって、第１のグループの電池セル４ａの電圧を夫々計測する第１の電圧計測装置１０と、第２のグループの電池セル４ｂの電圧を夫々計測する第２の電圧計測装置１１と、を備え、第１の電圧計測装置１０は、電圧を計測する電池セル４ａの個数が第２の電圧計測装置１１より少なく、第１の電圧計測装置１０による第１のグループの電池セル４ａの電圧の計測は高速周期ｔａ毎に行ない、第２の電圧計測装置１１による第２のグループの電池セル４ｂの電圧の計測は高速周期ｔａよりも長い低速周期２ｔａで行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、組電池における電池ユニットの電圧計測技術に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車等の走行駆動用モータの電力供給源等に使用される電池は、高出力が要求されるため、リチウムイオン電池等の電池ユニットを少なくとも直列に組み合わせた組電池が広く使用されている。
このような高出力の組電池を搭載した車両においては、使用に伴い各電池ユニットの出力電圧にバラツキが発生した場合に、電池ユニットの出力電圧が均等になるように処理する電圧均等化装置が搭載されているものが多い。そして、このような電圧均等化装置による電圧均等化処理の要否判断をするため、また各電池ユニットの故障診断処理等を行うため、各電池ユニットの電圧を計測する装置が必要とされている。

特許文献１には、複数の電池ユニット（電池セル）を直列に並べた組電池において、各電池ユニットの電圧を計測する電圧計測装置（電圧監視システム）が記載されている。特許文献１の電圧計測装置においては、多数の電池ユニットを複数のグループに分け、グループ毎に電圧計測装置（第１モニタＩＣ、第２モニタＩＣ）を備えている。

特開２０１６−４４９８６号公報

ところで、各電池ユニットの電圧を計測する電圧計測装置においては、電圧均等化処理等の組電池の状態に基づいて実施される各種処理や、組電池からの出力によって行われる各種制御が、負荷や温度状態の変動に応じて迅速かつ正確に行えるように、各電池ユニットの電圧を高速に計測して組電池の状態を迅速に把握することが要求されている。
しかしながら、特許文献１のように、電池ユニットを複数のグループに分け、グループ毎に電圧計測装置を設けたとしても、電圧計測装置の処理能力に対して電池ユニットの個数が多いと、全ての電池ユニットの電圧を高速に計測処理することが困難となってしまう。また、１つの電圧計測装置当たりの電池ユニットの個数を減らすことで高速に電池ユニットの電圧を計測処理することは可能であるが、電圧計測装置の個数を増やさなければならず、コスト増加を招くといった問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、複数の電池ユニットを直列に組み合わせた組電池において、コストの増加を抑えつつ電池ユニットの電圧を高速に計測して組電池の状態を迅速に把握可能とする組電池電圧計測装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の組電池電圧計測装置は、複数の電池ユニットを直列に接続した組電池における前記電池ユニットの電圧を計測する組電池電圧計測装置であって、第１のグループの前記電池ユニットの電圧を夫々計測する第１の電圧計測装置と、第２のグループの前記電池ユニットの電圧を夫々計測する第２の電圧計測装置と、を備え、前記第１の電圧計測装置は、電圧を計測する前記電池ユニットの個数が前記第２の電圧計測装置より少なく、前記第１の電圧計測装置による前記第１のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は第１の周期で行ない、前記第２の電圧計測装置による前記第２のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は前記第１の周期よりも長い第２の周期で行なうことを特徴とする。

また、好ましくは、前記第２の電圧計測装置による前記第２のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は、前記第１の周期または前記第２の周期に切り替えて行なわれるとよい。
また、好ましくは、前記組電池は、駆動システムにおける電力供給源であり、前記第２の電圧計測装置による電圧の計測周期は、前記駆動システムの状態に基づいて、前記第１の周期または前記第２の周期に切り替えられるとよい。

また、好ましくは、前記第１の電圧計測装置は、前記電圧の計測とともに当該電圧計測以外の所定の処理を実行し、前記第２の電圧計測装置は、前記第１の周期に切り替えた際に前記所定の処理を停止し、前記第２の周期に切り替えた際に前記所定の処理を実行するとよい。
また、好ましくは、前記所定の処理は、前記電池ユニットの故障診断処理、電圧均等化処理及びデータ保存処理の少なくとも１つであるとよい。

本発明の組電池電圧計測装置によれば、第１の電圧計測装置が電圧を計測する第１のグループの電池ユニットの個数が比較的少ないので、第１の電圧計測装置が計測処理能力を抑えたものであっても第１のグループの電池ユニットの電圧を比較的高速の第１の周期で計測処理することができる。組電池における電池ユニットは直列に接続されているので、全ての電池ユニットに流れる電流は同一であり、組電池のうちの一部の電池ユニットの電圧を高速に計測することで、組電池全体の電池状態を迅速に把握することが可能である。

一方、第２の電圧計測装置は、第１の周期より長い第２の周期で行なわれるので、第２の電圧計測装置が計測処理能力を抑えたものであっても第２のグループの比較的多い電池ユニットの電圧を計測することができる。したがって、第２のグループに属する電池ユニットの個数が多くとも、第２の電圧計測装置が計測処理能力を抑えたものであっても電池ユニットの電圧計測処理が可能となり、第２の電圧計測装置の個数を少なくしてコストを抑制することができる。

本発明の実施形態の組電池電圧計測装置の概略構成図である。本実施形態に係る第１の電圧計測装置において実行する各種処理の判定要領を示すフローチャートである。本実施形態に係る第２の電圧計測装置において実行する各種処理の判定要領を示すフローチャートである。本実施形態における各電圧計測装置の電圧計測タイミングの一例を示す説明図である。

以下、本発明を具体化した組電池電圧計測装置の一実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態の組電池電圧計測装置１の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の組電池電圧計測装置１は、高電圧負荷２に電力を供給する組電池３に備えられており、組電池３の状態を監視する装置である。
本実施形態の組電池電圧計測装置１は、電気自動車あるいはプラグインハイブリッド車といった車両に搭載されている。高電圧負荷２はこの車両の電動の走行駆動用モータやインバータであり、組電池３はこの走行駆動用モータに電力を供給する、車載の走行駆動用電池である。

本実施形態における組電池３は、リチウムイオン電池等の電池セル４ａ、４ｂ（電池ユニット）を直列に複数個接続して構成されている。組電池３と高電圧負荷２とを接続する回路には、電池管理システム用制御装置１３もしくは図示しないコントロールユニットにより開閉制御されるスイッチ５が備えられ、高電圧を高電圧負荷へ接続を行う。
また、車両のアクセルスイッチ等の操作に基づいて図示しない高電圧負荷２のコントロールユニットにより、組電池３から高電圧負荷２への電力の供給が制御される。
組電池電圧計測装置１は、２種類の電圧計測装置（第１の電圧計測装置１０、第２の電圧計測装置１１）と、これらの電圧計測装置１０、１１を制御する電圧管理システム用制御装置１３と、を備えている。第１の電圧計測装置１０、第２の電圧計測装置１１及び電圧管理システム用制御装置１３は何れも、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される制御装置である。第１の電圧計測装置１０は少なくとも１個設けられ、複数の電池セル４ａ、４ｂのうち、一部（例えば２個）の電池セル４ａの電圧を個々に計測可能となっている。第２の電圧計測装置１１は、第１の電圧計測装置１０が計測する電池セル４ａ以外の電池セル４ｂの複数個（例えば５個）に対して１個ずつ設けられている。第２の電圧計測装置１１は、夫々担当する複数個の電池セル４ｂの電圧を個々に計測可能となっている。

なお、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１において、担当する複数の電池セル４ａ、４ｂの電圧を計測するタイミングを同一にすることは可能である。しかし、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１において、計測した電圧の計測結果を電池セル毎に順次処理するので、担当する電池セル４ａ、４ｂの数が多いほど計測開始から計測処理を完了するまでの時間を必要とする。

更に、第１の電圧計測装置１０は、電圧計測を担当する電池セル４ａの電圧を均等にする均等化処理機能を有している。均等化処理は、担当する電池セル４ａのうち電圧の高い電池セル４ａを抵抗により放電を行う、または、電圧の高い電池セル４ａから電圧の低い電池セル４ａに充電して、電池セル４ａの電圧を等しくする処理である。第２の電圧計測装置１１においても、第１の電圧計測装置１０と同様に、電圧計測を担当する電池セル４ｂの電圧を均等にする均等化処理機能を有している。

また、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１は、担当する電池セル４ａ、４ｂの故障診断処理機能を有している。故障診断処理は、例えば電池セル４ａ、４ｂの電圧が所定範囲外であるか否か、電圧の変動量が所定範囲外であるか否かを判定して行なわれ、該当する電池セル４ａ、４ｂを特定する。
また、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１は、データ保存機能を有している。データ保存機能は、計測した電池セル４ａ、４ｂの電圧や、故障情報、均等化処理の実施情報等の各種情報を記憶する。

電圧管理システム用制御装置１３は、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１により計測された各電池セル４ａ、４ｂの電圧情報や故障情報等を入力し、組電池３全体の状態を監視する。
また、電圧管理システム用制御装置１３は、全ての第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１に対し、電圧計測タイミングを規定する電圧計測用タイミング信号を出力する。なお、電圧計測用タイミング信号は、所定の高速周期ｔａ（第１の周期：例えば数10msec）で出力するパルス信号でよい。

次に、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１について、夫々の処理内容について説明する。
図２は、本実施形態に係る第１の電圧計測装置１０において実行する各種処理の判定要領を示すフローチャートである。
図２に示す制御は、第１の電圧計測装置１０において電源オン時に所定時間（例えば高速周期ｔａ）毎に繰り返し実行される。

始めにステップＳ１０では、各電池セル４ａの電圧を高速周期ｔａで計測する。本ステップでは、電圧管理システム用制御装置１３から高速周期ｔａで出力する電圧計測用タイミング信号に合わせて、各電池セル４ａの電圧を計測する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、第１の電圧計測装置１０において電圧計測以外に実行する必要処理（所定の処理）を判定する。この電圧計測以外の所定の処理は、例えば上記の故障診断処理、電圧均等化処理、データ保存処理である。例えば故障診断処理については高速周期ｔａ毎に常時実行するよう判定し、第１の電圧計測装置１０において担当する電池セル４ａのいずれかの電圧が他の電池セル４ａと所定値以上差がある場合に電圧均等化処理を実行するよう判定する。また、所定期間毎あるいは電圧等の各種データが所定値以上変化した場合等に、データ保存処理を実行するよう判定する。なお、電圧計測以外に実行する必要処理としては、故障診断処理、電圧均等化処理以外の電池セル４ａに対する診断や処理でもよく、これらを複数組み合わせて行うようにしてもよい。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０において判定した処理を実行する。そして、本ルーチンをリターンする。
図３は、本実施形態の組電池電圧計測装置における第２の電圧計測装置１１において実行する各種処理の判定要領を示すフローチャートである。
図３に示す制御は、第２の電圧計測装置１１において電源オン時に所定時間（例えば高速周期ｔａ）毎に繰り返し実行される。

始めにステップＳ１００では、組電池３の電力を用いる車両の走行駆動システム（駆動システム）の状態に基づいて、計測周期を判定する。走行駆動システムの動作状態の情報は、電圧管理システム用制御装置１３を介して、図示しない走行駆動システムの制御装置から入力する。計測周期については、例えば下記（１）〜（４）の判定条件のいずれかあるいは複数組み合わせて判定すればよい。なお、（１）〜（４）を複数組み合わせる場合には、いずれか１つでも高速周期とする条件を満たす場合に高速周期と判定すればよい。
（１）走行駆動システムの動作モード
ハイブリッド車においてＥＶモード、ハイパワーモード、エコモードのように、組電池３の入出力電力が比較的大きくなる可能性のあるモードでは、高速周期と判定する。上記以外のノーマルモードでは、高速周期ｔａの２倍の周期である低速周期２ｔａ（第２の周期）と判定する。なお、ＥＶモードはハイブリッド車においてエンジンを作動させずに走行駆動用モータのみで走行駆動するモードである。ハイパワーモードは、アクセル操作量に対して走行用駆動モータの出力を通常のノーマルモードよりも大きくするモードであり、エコモードは走行用駆動モータによる回生発電量をノーマルモードよりも大きくするモードである。
（２）入出力判定
走行駆動システムのトルク要求量、電力要求量、アクセルやブレーキの操作量が大きい場合のように、組電池３への入出力電力が適宜設定された所定値以上では、高速周期と判定する。組電池３への入出力電力が所定値未満となる条件では、低速周期２ｔａと判定する。
（３）走行駆動システムの速度
走行駆動システムの速度（車両走行速度）が適宜設定された所定値以上では、高速周期ｔａと判定する。走行駆動システムの速度が所定値未満では低速周期２ｔａと判定する。
（４）電池セルの状態
例えば担当する電池セル４ｂの中で、温度が使用範囲の上限値あるいは下限値に近い領域にある電池セル４ｂが１個でもある場合では高速周期ｔａと判定し、温度が使用範囲の上限値あるいは下限値に近い領域にある電池セル４ｂがない場合では低速周期２ｔａと判定する。

あるいは、担当する電池セル４ｂの中で、電圧が使用範囲の上限値あるいは下限値に近い領域にある電池セル４ｂが１個でもある場合では高速周期ｔａと判定し、電圧が使用範囲の上限値あるいは下限値に近い領域にある電池セル４ｂがない場合では低速周期２ｔａと判定する。
そして、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で判定した計測周期が高速周期ｔａであるか否かを判定する。高速周期ｔａである場合には、ステップＳ１２０に進む。高速周期ｔａでない場合には、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１２０では、高速周期電圧計測メイン動作を行う。高速周期電圧計測メイン動作は、故障診断処理、電圧均等化処理といった電圧計測以外の処理を実行せずに、担当する各電池セル４ｂの電圧を高速周期ｔａで計測するものである。そして、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ１３０では、各電池セル４ｂの電圧を低速周期２ｔａで計測する。本ステップでは、電圧計測用タイミング信号の２回に１回の割合で、電圧計測用タイミング信号に合わせて電池セル４ｂの電圧を計測すればよい。そして、ステップＳ１４０に進む。
ステップＳ１４０では、第２の電圧計測装置１１において電圧計測以外に実行する必要処理を判定する。必要処理は、ステップＳ２０で判定する必要処理と同様に、例えば故障診断処理、電圧均等化処理である。そして、ステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０では、ステップＳ１３０において判定した処理を実行する。そして、本ルーチンをリターンする。
図４は、本実施形態における各電圧計測装置１０、１１の電圧計測タイミングの一例を示す説明図である。なお、図中の下向き矢印は、夫々電池セル４ａ、４ｂの電圧を計測するタイミングを示す。

上記図２、３に示すように判定、制御することで、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１は、電圧計測する周期が異なる場合がある。
例えば、図４には、走行駆動システムの状態に基づいて、低速周期２ｔａ、高速周期ｔａ、低速周期２ｔａの順番に４ｔａ毎に切り換わった場合での電圧計測タイミングを示している。

第１の電圧計測装置１０は、走行駆動システムの状態から低速周期及び高速周期の何れに判定されても、常に高速周期ｔａ毎に電池セル４ａの電圧を計測する。なお、電圧計測以外の処理については、低速周期判定及び高速周期判定の何れに判定されたときであっても、必要に応じて実行可能である。
第２の電圧計測装置１１は、走行駆動システムの状態から低速周期判定された場合は、低速周期２ｔａ毎に電池セル４ｂの電圧を計測する。低速周期判定された場合では、電圧計測以外の処理は、必要に応じて実行可能である。一方、走行駆動システムの状態から高速周期判定された場合は、高速周期ｔａ毎に電池セル４ｂの電圧を計測する。このとき、電圧計測以外の処理は実行されない。

以上のように、本実施形態の組電池電圧計測装置１では、直列に接続された複数の電池セル４ａ、４ｂが、第１の電圧計測装置１０が電圧計測を担当する第１のグループの電池セル４ａと、第２の電圧計測装置１１が電圧計測を担当する第２のグループの電池セル４ｂと、に分けられている。本実施形態では、第１のグループが１つ、即ち第１の電圧計測装置１０が１個設けられ、第２のグループが複数、即ち第２の電圧計測装置１１が複数個設けられている。

そして、第１の電圧計測装置１０が電圧を計測する第１のグループの電池セル４ａの個数が例えば２個と比較的少ないので、第１の電圧計測装置１０が計測処理能力を抑えたものであっても第１のグループの電池セル４ａの電圧を高速周期ｔａで計測することができる。
ここで、組電池３における電池セル４ａ、４ｂは直列に接続されているので、全ての電池セル４ａ、４ｂに流れる電流は同一であり、組電池３のうちの一部の電池セル４ａの電圧を高速に計測することで、例え第の２グループの電池セル４ｂの電圧が低速周期２ｔａで計測されたとしても、組電池３全体の状態をおおよそではあるが迅速に把握することが可能である。したがって、この組電池の３の状態に基づいて走行駆動システムの各種制御を行うことが可能となる。

また、第２の電圧計測装置１１は、高速周期ｔａより長い低速周期２ｔａで電圧計測を行うことができるので、第２の電圧計測装置１１が計測処理能力を抑えたものであっても第２のグループの比較的多い個数の電池セル４ｂの電圧を計測することができる。したがって、第２のグループに属する電池セル４ｂの全体数が多くとも、第２の電圧計測装置１１の計測処理能力を抑えたまま、第２の電圧計測装置１１の個数を少なくしてコストを抑制することができる。

第２の電圧計測装置１１は、走行駆動システムの状態に基づいて電圧の計測周期を高速周期ｔａまたは低速周期２ｔａに切り替える。走行駆動システムの状態としては、例えば走行駆動システムの動作モード、入出力判定（組電池３への入出力電力）、走行駆動システムの速度（車両走行速度）、電池セル４ａ、４ｂの状態（電圧、温度）が用いられる。例えば、ＥＶモード、ハイパワーモード、エコモードのように組電池３の入出力電力が大きくなる可能性のあるモードの場合、組電池３への入出力電力が所定値以上の場合、走行駆動システムの速度（車両走行速度）が所定値以上の場合、電池セル４ａ、４ｂの温度や電圧が使用範囲の上限値あるいは下限値に近い領域の場合といったように、組電池３の状態を迅速に把握する必要がある場合には、第２のグループの電池セル４ｂの電圧計測周期を高速周期ｔａにすることで、全ての電池セル４ａ、４ｂの電圧を高速周期ｔａで計測することができる。これにより、高速周期ｔａで計測した全ての電池セル４ａ、４ｂの電圧を基に走行駆動システムを適切に制御することができる。なお、この第２のグループの電池セル４ｂの電圧計測周期を高速周期ｔａにした際には、第２の電圧計測装置１１においては故障診断処理や電圧均等化処理といった電圧計測以外の処理を停止するので、担当する電池セル４ｂの個数が多くとも電圧の高速周期ｔａの計測が可能になる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は以上の実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、図３のステップＳ１００の計測周期判定を第２の電圧計測装置１１にて行うが、電圧管理システム用制御装置１３において行ってもよい。この場合、電圧管理システム用制御装置１３において判定情報を第２の電圧計測装置１１に出力して、第２の電圧計測装置１１にてステップＳ１１０以降の処理を行えばよい。

また、本実施形態では、第１の電圧計測装置１０が１個であり第２の電圧計測装置１１が複数個設けられているが、第１の電圧計測装置１０を２個以上設けてもよい。また、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１の夫々担当する電池セル４ａ、４ｂの個数は、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１の夫々の処理能力に応じて適宜設定すればよい。

また、上記実施形態は、複数の電池セルを直列に接続して構成された組電池に対して本発明を適用したものであるが、複数の電池セルをまとめて構成した電池ユニットを複数直列に接続して構成された組電池に対して本発明を適用してもよい。この場合、第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１は、各電池ユニットの電圧を計測するものであり、本発明の適用により第１の電圧計測装置１０及び第２の電圧計測装置１１の個数を抑えたままを電池ユニットの電圧を高速に計測して組電池の状態を迅速に把握することが可能となる。

また、本実施形態では、車両の走行駆動システムの電力供給源である走行駆動用の組電池に本発明を適用しているが、走行駆動用電池以外の車載電池や、車載電池以外の組電池に対しても、本発明を広く適用することができる。

１組電池電圧計測装置
３組電池
４ａ、４ｂ電池セル（電池ユニット）
１０第１の電圧計測装置
１１第２の電圧計測装置

Claims

複数の電池ユニットを直列に接続した組電池における前記電池ユニットの電圧を計測する組電池電圧計測装置であって、
第１のグループの前記電池ユニットの電圧を夫々計測する第１の電圧計測装置と、
第２のグループの前記電池ユニットの電圧を夫々計測する第２の電圧計測装置と、を備え、
前記第１の電圧計測装置は、電圧を計測する前記電池ユニットの個数が前記第２の電圧計測装置より少なく、
前記第１の電圧計測装置による前記第１のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は第１の周期で行ない、
前記第２の電圧計測装置による前記第２のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は前記第１の周期よりも長い第２の周期で行なうことを特徴とする組電池電圧計測装置。
前記第２の電圧計測装置による前記第２のグループの前記電池ユニットの電圧の計測は、前記第１の周期または前記第２の周期に切り替えて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の組電池電圧計測装置。
前記組電池は、駆動システムにおける電力供給源であり、
前記第２の電圧計測装置による電圧の計測周期は、前記駆動システムの状態に基づいて、前記第１の周期または前記第２の周期に切り替えられることを特徴とする請求項２に記載の組電池電圧計測装置。
前記第１の電圧計測装置は、前記電圧の計測とともに当該電圧計測以外の所定の処理を実行し、
前記第２の電圧計測装置は、前記第１の周期に切り替えた際に前記所定の処理を停止し、前記第２の周期に切り替えた際に前記所定の処理を実行することを特徴とする請求項３に記載の組電池電圧計測装置。
前記所定の処理は、前記電池ユニットの故障診断処理、電圧均等化処理及びデータ保存処理の少なくとも１つであることを特徴とする請求項４に記載の組電池電圧計測装置。