JP7741300B2 - 電池システム監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池システム監視装置に関する。

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、二次電池の単電池を多数直列接続した組電池（電池システム）が用いられている。このような組電池においては、集積回路を用いて各単電池の容量計算や保護管理を行っている。集積回路は、例えばセル電圧（単電池の端子間電圧）の計測と、充電状態すなわち残存容量の均等化（バランシング放電）を行う。そしてさらに、単電池やセルコントローラの各種診断も実施して、組電池の信頼性と安全性を高めている（例えば特許文献１）。

特開２０１５－２０３５９３号公報

組電池の信頼性と安全性をより高めるには、集積回路による診断の精度を向上させることが重要である。出願人は、鋭意研究の結果、セル電圧に重畳するノイズの印加の可能性を考慮することによって集積回路の診断精度を向上させることができることを見出した。

本発明の目的は、集積回路の診断精度を向上させることができる電池システム監視装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明の電池システム監視装置は、
直列接続された複数の単電池の状態を監視する電池システム監視装置であって、
前記複数の単電池の電圧に含まれる第１のノイズを第１の時定数に基づいて除去する第１ノイズ除去部と、
該第１ノイズ除去部により前記第１のノイズが除去された前記複数の単電池の電圧を合計して合計電圧を演算する合計電圧演算部と、
前記複数の単電池の直列接続された最上位の単電池の正極と最下位の単電池の負極との間の電圧である直列電圧に含まれる第２のノイズを第２の時定数に基づいて除去する第２ノイズ除去部と、
該第２ノイズ除去部により前記第２のノイズが除去された前記直列電圧を測定する直列電圧測定部と、
前記合計電圧演算部により演算された前記合計電圧と前記直列電圧測定部により測定された前記直列電圧とに基づいて前記複数の単電池の状態の診断を許可するか否かを判断する診断許可判断部と、
該診断許可判断部により診断可能と判断された場合に前記複数の単電池の状態の診断を実施するセル監視診断部と、
を有することを特徴とする。

本発明による電池システム管理装置によれば、集積回路の診断精度を向上させることができる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の電池システム監視装置を含む電池システムを備えたハイブリッド自動車の構成例を示す図。 図１のセルコントローラ２００の構成を示す図。 セル監視ＩＣの内部機能を説明する機能ブロック図。 セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるノイズ除去の処理内容を説明するフローチャート。 ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によるノイズ除去の処理内容を説明するフローチャート。 セル監視ＩＣによる診断の実施可否を判定するフローチャート。 リップルノイズの有無に応じたセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧それぞれの電圧の差分ΔＶを示すグラフ。 セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧の差を示すグラフ。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

［第１の実施形態］
本実施形態は、本発明に係る電池システム監視装置を、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などに用いられる駆動システムに対して適用した場合の例である。なお、本発明はＨＥＶに限らず、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各種の駆動システムに対して幅広く適用可能である。

以下の実施形態では、制御の最小単位となる蓄電・放電デバイスとして３．０～４．２Ｖ（平均出力電圧：３．６Ｖ）の範囲に電圧を持つリチウムイオン電池を想定しているが、これに限定されるものではなく、それ以外でも、充電状態を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が高すぎる場合（過充電）や低すぎる場合（過放電）に使用が制限されるような、電気を蓄え放電可能なデバイスであればよく、ここでは、それらを総称して単電池あるいはセルと呼ぶ。

本実施形態では、単電池を複数個（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。さら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並列に接続したものを組電池と呼ぶ。各セルグループには、セル監視ＩＣが各々設けられる。セル監視ＩＣは、各単電池のセル電圧を検出し、各セル電圧の均等化を図るバランシング放電等を行いながら電池状態を監視及び制御する。

＜ＨＥＶ用駆動システム＞
図１は、本実施形態の電池システム監視装置１００を備えたＨＥＶ用駆動システム１０の構成例を示す図である。
ＨＥＶ用駆動システム１０は、電池システム監視装置１００と、電池システム監視装置１００に接続されたインバータ７００と、インバータ７００に接続されたモータ８００を有している。電池システム監視装置１００は、リレー６００、６１０を介してインバータ７００に接続されている。車両の発進・加速時には、電池システム監視装置１００から放電された電力がインバータ７００を通じてモータ８００に供給されて、ＨＥＶ１０の図示されないエンジンをアシストする。車両停止・減速時には、モータ８００からの回生電力がインバータ７００を通じて電池システム監視装置１００に供給されて充電される。

なお、ここではインバータ７００は、複数の半導体スイッチング素子を備えたインバータ回路と、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路と、ゲート駆動回路をＰＷＭ制御するパルス信号を発生するモータコントローラとを備えているが、図１では省略されている。

電池システム監視装置１００は、主に、リチウムイオン電池である複数の単電池１０１から構成される組電池１０３と、各単電池１０１のセル電圧を組電池１０３のセルグループ１０２ごとに検出してバランシング放電動作等を行う電池監視・制御用のセル監視ＩＣ３００を複数備えたセルコントローラ２００と、セルコントローラ２００の動作を制御し、各単電池１０１の状態判定を行うバッテリコントローラ５００とを有する。

本実施形態に示す電池システム監視装置１００の例では、定格容量５．５Ａｈのリチウムイオン電池を単電池１０１として、これを９６個直列に接続した組電池１０３を有している。バッテリコントローラ５００は、絶縁素子群４００を介して複数のセル監視ＩＣ３００と通信を行い、組電池１０３を制御する。組電池１０３は、複数のセルグループ１０２を有している。セル監視ＩＣ３００は、前述のように、セルグループ１０２毎に設けられている。

セルコントローラ２００は、これら複数のセル監視ＩＣ３００を用いて、組電池１０３の管理を行う電池管理装置として機能する。組電池１０３とセルコントローラ２００は、セル電圧検出・放電ライン２０１を介して互いに接続されている。

バッテリコントローラ５００は、複数の単電池間の充電状態をバランシングさせるときに、複数の単電池１０１の放電を制御する。バッテリコントローラ５００は、総電圧検出回路５０１と、充放電電流検出回路５０２と、マイクロコンピュータ５０４とを備えている。総電圧検出回路５０１は、組電池１０３の総電圧を測定する。充放電電流検出回路５０２は、電流センサ５０３に接続されており、電流センサ５０３の検出信号に基づいて組電池１０３に流れる充放電電流を検出する。マイクロコンピュータ５０４は、セルコントローラ２００とインバータ７００及び図示されない車両制御システムなどの上位車両コントローラ（不図示）との間で通信を行い、バッテリコントローラ５００の全体を制御する。なお、総電圧検出回路５０１は、組電池１０３の総電圧を測定できればよく、図１のようにバッテリコントローラ５００の内部に設けられていなくともよい。

インバータ７００の内部にも、組電池１０３の総電圧を検出する総電圧検出回路７０１が設けられている。また、図１には示されていないが、バッテリコントローラ５００は、セル監視ＩＣ３００に接続された温度検出回路によって測定された単電池１０１の温度に基づいて、電池状態のパラメータの温度補正を行っている。

なお、図１では省略されているが、セルコントローラ２００とバッテリコントローラ５００は、一つの基板の上に設けられており、これらは金属製のケースに収納されている。また、組電池１０３も金属製のケースに収納されている。セルコントローラ２００と組電池１０３とは、複数の電圧検出線や単電池１０１の温度センサ（不図示）の接続線等が束ねられたハーネスで接続されている。

この電池システム監視装置１００では、起動後に以下の動作が行われる。バッテリコントローラ５００は、セルコントローラ２００に対して、各単電池１０１のＯＣＶ（開路電圧）測定を行う指令を送信する。バッテリコントローラ５００からセルコントローラ２００に対する指令の送信は、絶縁素子群４００を介して行われる。この指令に応じてセルコントローラ２００では、各単電池１０１のＯＣＶの測定が行われる。そして、セルコントローラ２００で測定された各単電池１０１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バッテリコントローラ５００に送信される。セルコントローラ２００からバッテリコントローラ５００へのデータ送信も絶縁素子群４００を介して行われる。

バッテリコントローラ５００は、受信した各単電池１０１のＯＣＶをＳＯＣに変換し、各単電池１０１のＳＯＣの偏差を算出する。複数の単電池１０１のうち、ＳＯＣの偏差が所定の値よりも大きい単電池１０１がバランシング放電を行う対象となる。そして、バランシング放電の対象となった単電池１０１のＳＯＣの偏差が０となるまでの時間が計算される。そして、この時間だけバランシング放電の対象となった単電池１０１のセル放電スイッチ３２１をオンとする制御動作を行う指令が、バッテリコントローラ５００からセルコントローラ２００に送られる。この指令に応じて、セルコントローラ２００では、バランシング対象の単電池１０１のセル放電スイッチ３２１がオンに制御され、バランシング対象の単電池１０１の放電が行われる。

上記で測定された各単電池１０１のＯＣＶから、組電池１０３のＳＯＣが算出された後、インバータ７００あるいは上位車両コントローラがリレー６００とリレー６１０とをオンとして、電池システム監視装置１００がインバータ７００に接続される。そして、上位車両コントローラからの充放電指令をインバータ７００が受けると、インバータ７００が動作してモータ８００を駆動するとともに、電池システム監視装置１００の充放電動作が行われる。

リレー６００及びリレー６１０をオンとして電池システム監視装置１００が充放電を開始する時から、バッテリコントローラ５００は、総電圧検出回路５０１及び充放電電流検出回路５０２を用いて、一定時間毎に総電圧と充放電電流を測定する。得られた総電圧と充放電電流の値から、バッテリコントローラ５００は組電池１０３の充電状態（ＳＯＣ）と内部抵抗（ＤＣＲ）をリアルタイムに算出する。さらに、これらの値から、組電池１０３が充放電可能な電流あるいは電力をリアルタイムに算出して、インバータ７００に送信する。インバータ７００は、その電流あるいは電力の範囲内で充放電電流あるいは電力を制御する。

図２は、セルコントローラ２００の内部構成を示す説明図である。
図２には、１つのセルグループ１０２と、そのセルグループ１０２に対応するセル監視ＩＣ３００が示されている。各セルグループ１０２は、ｎ－１個（ｎは整数）の単電池１０１（セル１～セルｎ－１とする）を直列に接続することによって構成されている。

セルグループ１０２とこれを制御するセル監視ＩＣ３００は、ｎ個のセル電圧検出・放電ライン２０１（ＣＬ１～ＣＬｎ）を介して互いに接続されている。ｎ個のセル電圧検出・放電ライン２０１（ＣＬ１～ＣＬｎ）は、単電池１０１側が組電池１０３の各単電池１０１の正極端子と負極端子に接続されている。そして、セル監視ＩＣ側が、ｎ個のセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）と、ｎ個のセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）とにそれぞれ分岐される。各々のセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）は、セル入力抵抗Ｒｃｖ２２１を介してセル監視ＩＣ３００の電圧検出用のＣＶ端子（ＣＶ１～ＣＶｎ）に接続される。セル監視ＩＣ３００のＣＶ端子間には、セル入力コンデンサＣｃｖ２２２が接続されている。セル入力コンデンサＣｃｖ２２２は、ノイズ対策用に設けられているバイパスコンデンサである。セル入力コンデンサＣｃｖ２２２は、セル監視ＩＣの診断（詳細は省略）の誤診断を防止するためのものであり、インバータ７００の動作に起因するリップル電圧等のノイズを誤検出しないようにしている。

そして、バランシング動作用のセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）は、バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１を介してセル監視ＩＣ３００のＢＳ端子（ＢＳ１～ＢＳｎ）に接続される。セル監視ＩＣ３００のＢＳ端子間には、バランシングコンデンサＣｂｓ２３２が接続されている。バランシングコンデンサＣｂｓ２３２は、ノイズ対策用に設けられているバイパスコンデンサである。バランシングコンデンサＣｂｓ２３２は、セル監視ＩＣの診断（詳細は省略）の誤診断を防止するためのものであり、インバータ７００の動作に起因するリップル電圧等のノイズで誤検出しないようにしている。

セルコントローラ２００は、セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０と、セル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路２３０と、ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０を有している。セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０は、セル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）においてセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）とセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）の分岐点とセル監視ＩＣ３００との間に設けられる。セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０は、セル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）からセル監視ＩＣ３００に入力される各単電池１０１の電圧信号に重畳された高周波ノイズを除去するためのものであり、セル入力抵抗Ｒｃｖ２２１とセル入力コンデンサＣｃｖ２２２を有するＲＣフィルタによって構成されている。セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０は、第１の時定数を有している。セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０は、複数の単電池１０１のセル電圧に含まれる第１のノイズを第１の時定数に基づいて除去する第１ノイズ除去部を構成する。

セル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路２３０は、バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１とバランシングコンデンサＣｂｓ２３２を有するＲＣフィルタによって構成されている。バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１は、放電時にセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）に流れるセル放電電流を調整するための抵抗素子であり、セル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）においてセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）とセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）との分岐点とセル監視ＩＣ３００の間にそれぞれ設けられる。

ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０は、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧に重畳されたノイズを除去するためのものであり、ＶＢＬＫ電圧ライン入力抵抗２１１とＶＢＬＫ電圧ライン入力コンデンサ２１２を有するＲＣフィルタによって構成されている。ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０は、セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０の第１の時定数とは異なる第２の時定数を有している。

ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０のＶＢＬＫ電圧ライン入力抵抗２１１は、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５に設けられている。ＶＢＬＫ電圧ライン２０５は、一端がセルグループ１０２の最上位、すなわち最も高電位側に配置されている単電池１０１の正極側に接続され、他端がセル監視ＩＣ３００のＶＢＬＫ端子に接続されている。ＶＢＬＫ電圧ライン２０５は、セルグループ１０２を構成する全ての単電池１０１を直列に接続したセルグループ全体の電圧（ＶＢＬＫ電圧）を測定するのに用いられる。ＶＢＬＫ電圧ライン入力コンデンサ２１２は、一端がＶＢＬＫ電圧ライン２０５に接続され、他端がＧＮＤラインＧＬ２０６に接続されている。ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０は、複数の単電池１０１の直列接続された最上位の単電池１０１の正極と最下位の単電池１０１の負極との間の直列電圧であるＶＢＬＫ電圧に含まれる第２のノイズを第２の時定数に基づいて除去する第２ノイズ除去部を構成する。

セル監視ＩＣ３００は、セル電圧検出部３１０、バランシングスイッチ回路３２０、及びセル放電制御部３３０を備えている。セル電圧検出部３１０は、ｎ個のセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）により各単電池１０１のセル電圧をそれぞれ検出する。バランシングスイッチ回路３２０は、セル監視ＩＣ３００のＢＳ端子（ＢＳ１～ＢＳｎ）に接続される複数のセル放電スイッチ３２１を有している。セル放電スイッチ３２１は、オンによりセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）からバランシング抵抗Ｒｂｓ２３１を通じて当該セルのセル放電電流を流す。セル放電制御部３３０は、セル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）のうち、放電対象の単電池１０１に対応するセル放電スイッチ３２１を制御する。

セル監視ＩＣ３００の電源端子ＶＣＣは、セル監視ＩＣ３００の電源ラインＰＬ２０４によりセルグループ１０２の最上位、すなわち最も高電位側に配置されている単電池１０１の正極側に接続される。セル監視ＩＣ３００のＧＮＤ端子は、セル監視ＩＣ３００のＧＮＤラインＧＬ２０６により、セルグループ１０２の最下位、すなわち最も低電位側に配置されている単電池１０１の負極側に接続される。

なお、図２では、組電池１０３においてｎ－１個の単電池１０１が直列に接続された例を示しているが、組電池１０３の構成は、電池セルを並列に接続したものをさらに直列に接続するなど、他の構成であってもよく、電池セルの個数も限定されない。

上記構成を有するセル監視ＩＣ３００は、ｎ個のセル電圧検出・放電ライン２０１（ＣＬ１～ＣＬｎ）から分岐されたｎ個のセル電圧検出ライン２０２（ＳＬ１～ＳＬｎ）により各単電池１０１のセル電圧を検出する。セル監視ＩＣ３００は、セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０により第１のノイズが除去された各単電池１０１のセル電圧を検出する。また、セル監視ＩＣ３００は、ｎ個のセル電圧検出・放電ライン２０１（ＣＬ１～ＣＬｎ）から分岐されたｎ個のセル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）により各単電池１０１の放電電圧を検出する。セル監視ＩＣ３００は、セル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路２３０により第２のノイズが除去された各単電池１０１の放電電圧を検出する。

電池システム監視装置１００は、セル監視ＩＣ３００による各単電池１０１の電圧検出結果に基づいて、組電池１０３を制御及び監視するための所定の動作を実行する。例えば、各単電池１０１の充電状態（ＳＯＣ）を推定し、単電池１０１間で充電状態にばらつきが生じている場合は、セル電圧放電ライン２０３（ＢＬ１～ＢＬｎ）のうち、放電対象の単電池１０１に対応するセル放電スイッチ３２１をオンに制御する。そして、セル電圧放電ライン２０３を介してセル放電電流を流すことにより、各単電池１０１の充電状態を均一化するための放電を行う。この他にも、電池システム監視装置１００は、セル監視ＩＣ３００により検出された各単電池１０１のセル電圧に基づいて、様々な処理や制御を行う。

セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０は、インバータ７００の動作に起因してセル電圧に重畳するリップル電圧を主とするノイズを抑制する。単電池１０１の両端の電圧端子は、バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１を通じてセル監視ＩＣ３００のＢＳ端子に接続される。セル放電スイッチ３２１をオンにすると、バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１を通じて当該単電池１０１のセル放電電流が流れて放電される。

不図示だがＣＶ端子は、セル監視ＩＣ３００の内部でマルチプレクサの入力端子に接続されている。マルチプレクサは、各々の単電池１０１を選択して、その正極電位と負極電位を出力するもので、ロジック部のマルチプレクサ入力選択レジスタからの出力で制御される。マルチプレクサの出力は、差動増幅器を通じて各単電池１０１の端子間電圧に変換され、その電圧はＡＤコンバータでデジタル値に変換される。ＡＤコンバータの動作は、ロジック部で制御され、ＡＤコンバータの出力は、ロジック部で処理される。すなわち、差動増幅器とＡＤコンバータとで電圧測定を行っている。

このＡＤコンバータには、例えば逐次比較型等の高速なＡＤコンバータを採用している。このような高速なＡＤコンバータを用いることで、マルチプレクサの診断（詳細は省略）などを高速に行うことができるようになっている。

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、本実施形態では、端子間電圧測定用のＣＶ端子に接続されているセル電圧検出ライン２０２の各々にセル入力抵抗Ｒｃｖ２２１とセル入力コンデンサＣｃｖ２２２を設けてＲＣフィルタを構成している。そして、ＲＣフィルタによってノイズを除去してから、セル監視ＩＣ内のマルチプレクサ、差動増幅器を経由してＡＤコンバータに入力されるようにしている。したがって、例えばインバータ７００の動作に起因してセル電圧に重畳する高周波リップルノイズが印加された場合であっても、その高周波リップルノイズを除去し、セル監視ＩＣ３００による診断への影響を抑えることができる。

例えば、このＣＶ端子のＲＣフィルタのカットオフ周波数は５０Ｈｚ程度となるようにしている。これにより、インバータ７００の半導体スイッチング素子のスイッチングによるノイズ（ｐ－ｐで約２０％、２０ｋＨｚ程度）は１／１００以下にすることができる。バランシング抵抗Ｒｂｓ２３１とバランシングコンデンサＣｂｓ２３２で構成されるセル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路２３０の時定数は小さいので、バランシング電流検出での断線判定（詳細は省略）を高速に行うことができる。

本実施形態のセルコントローラ２００は、セル電圧検出ライン２０２のセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０と、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０とが、互いに異なる時定数（第１の時定数と第２の時定数）を有している。
フィルタ回路をＲＣフィルタで構成した場合、時定数及びカットオフ周波数は、以下の式（１）、（２）で表される。
時定数τ＝Ｒ×Ｃ・・・（１）
カットオフ周波数ｆｃ＝１／（２・π・τ）＝１／（２・π・Ｒ・Ｃ）・・・（２）

例えば、リップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅが１ｋＨｚのリップルノイズが回路に印加される場合、セル電圧検出ライン２０２のセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるカットオフ周波数ｆｃ（Ｃｎ）を、数１０ｋＨｚに設定し、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によるカットオフ周波数ｆｃ（ＶＢＬＫ）を、数１００Ｈｚ程度に設定する。
周波数の関係性は、以下の式（３）となる。
ｆｃ（Ｃｎ）＞ｆｎｏｉｓｅ＞ｆｃ(ＶＢＬＫ）・・・（３）

セル電圧検出ライン２０２のセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるカットオフ周波数ｆｃ（Ｃｎ）は、リップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅより大きいため、リップルノイズの減衰は小さく、セル監視ＩＣ３００で測定するＲＣフィルタ後段（セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０後段）のセル電圧は、リップルノイズが重畳した測定電圧となる。

一方、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によるカットオフ周波数ｆｃ（ＶＢＬＫ）は、リップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅより小さいため十分減衰され、セル監視ＩＣ３００によるＲＣフィルタ後段（ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０後段）のＶＢＬＫ電圧の測定値は、リップルノイズが除去された測定電圧となる。

式（４）のようにセル監視ＩＣ３００で得られた各単電池１０１（セル１からセルｎ－１）のセル電圧を足し合わせたセル合計電圧と、ＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶをとると、ＶＢＬＫ電圧は、ノイズが除去されているが、セル電圧には、リップルノイズが重畳しているため、大きい差が生じる。
|ＶＢＬＫ電圧－セル合計電圧|＝ΔＶ・・・（４）

例えば回路にリップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅが２０ｋＨｚのリップルノイズが印加される場合、セル電圧検出ライン２０２のセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるカットオフ周波数ｆｃ（Ｃｎ）を、数１０ｋＨｚに設定し、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によるカットオフ周波数ｆｃ（ＶＢＬＫ）を、数１００Ｈｚに設定する。
周波数の関係性は、以下の式（５）となる。
ｆｃ（ｎｏｉｓｅ）＞ｆｃ（Ｃｎ）＞ｆｃ（ＶＢＬＫ）・・・（５）

セル電圧検出ライン２０２のカットオフ周波数ｆｃ（Ｃｎ）は、リップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅより小さいため、十分減衰され、セル監視ＩＣ３００で測定するＲＣフィルタ後段（セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０後段）のセル電圧は、リップルノイズが除去された測定電圧となる。

一方、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＲＣフィルタのカットオフ周波数ｆｃ（ＶＢＬＫ）は、リップルノイズ周波数ｆｎｏｉｓｅより小さいため十分減衰され、セル監視ＩＣ３００によるＲＣフィルタ後段（ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０後段）のＶＢＬＫ電圧測定値は、リップルノイズが除去された測定電圧となる。

式（４）のようにセル監視ＩＣ３００で得られた各単電池１０１（セル１からセルｎ－１）のセル電圧を足し合わせたセル合計電圧と、ＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶをとると、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧は両方ともノイズが除去されているため、差分ΔＶは小さくなる。

以上より、セル電圧検出ライン２０２のカットオフ周波数とＶＢＬＫ電圧ライン２０５のカットオフ周波数との違いにより、例えば低い周波数のリップルノイズが回路に印加された場合には、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧値との差が大きいが、高い周波数のリップルノイズが印加された場合には、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧値との差は小さい。このように、互いに時定数が異なるＲＣフィルタ回路を用いてセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧のノイズ除去処理を行い、ノイズ除去処理後のセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶをとることで、低周波リップルノイズの有無を検出することができる。

図７においてグラフにて説明する。
図７は、１０個の単電池１０１を用いた電池システム監視装置において、リップルノイズがあるときとリップルノイズがないときのセル１からセル１０のセル合計電圧の偏差と、リップルノイズがあるときとリップルノイズがないときのＶＢＬＫ電圧の偏差を示すグラフである。図７に示す例では、リップルノイズがないときのセル１からセル１０のセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧のセル監視ＩＣ３００で測定するＲＣフィルタ後段の電圧の測定結果と、リップルノイズを1ｋＨｚから２０ｋＨｚまで印加した場合のセル１からセル１０のセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧のセル監視ＩＣ３００で測定するＲＣフィルタ後段の電圧の測定結果との偏差を示している。図７のグラフにおいて、横軸はリップルノイズの周波数であり、縦軸はリップルノイズを印加しているときと、印加していないときのセル合計電圧とＶＢＬＫ電圧それぞれの電圧の差分ΔＶとなる。

セル電圧検出ライン２０２のセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるカットオフ周波数ｆｃ（Ｃｎ）は、数１０ｋＨｚ、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＲＣフィルタのカットオフ周波数ｆｃ（ＶＢＬＫ）は数１００Ｈｚに設定する。

リップルノイズ１ｋＨｚ付近では、セル合計電圧は、ｆｃ（Ｃｎ）＞ｆｎｏｉｓｅのため、偏差は±１５００ｍＶと大きく。ＶＢＬＫ電圧はｆｎｏｉｓｅ＞ｆｃ(ＶＢＬＫ）のため、偏差は±３００ｍＶと小さい。

リップルノイズ２０ｋＨｚ付近では、セル合計電圧は、ｆｃ（ｎｏｉｓｅ）＞ｆｃ（Ｃｎ）のため、偏差は±５０ｍＶ以下と小さく、ＶＢＬＫ電圧もｆｃ（ｎｏｉｓｅ）＞ｆｃ（ＶＢＬＫ）のため偏差は±５０ｍＶ以下と小さい。

図８は、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧の差を計算した結果となる。図８の横軸は、図７のセル合計電圧の偏差とＶＢＬＫ電圧の偏差との差となる。
図８に示すように、セル合計電圧の偏差とＶＢＬＫ電圧の偏差との差は、リップルノイズ１ｋＨｚ付近では、１０００ｍＶ以上と大きく、リップルノイズ２０ｋＨｚ付近では、５０ｍＶ以下と小さい。したがって、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶが大きいときは低周波リップルノイズが回路に印加されていると判断することができる。このように、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶをとることで、低周波リップルノイズの有無を検出することができる。

次に、セル監視ＩＣにおいて診断を実施するか否かを判断する処理について説明する。
セル監視ＩＣ３００は、セル電圧測定と均等化だけでなく、通信、ＩＣ内部電源、ＩＣ内部回路の各種診断を行って、自己の信頼性と安全性を高めている。セル監視ＩＣ３００は、診断を行う前に低周波リップルノイズが印加されているか否かを判断する。そして、印加されていないと判断した場合に診断を実施し、印加されていると判断した場合には誤診断のリスクがあるとして診断を実施しない。

図３は、セル監視ＩＣの内部機能を説明する機能ブロック図、図４は、セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によるノイズ除去の処理内容を説明するフローチャート、図５は、ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によるノイズ除去の処理内容を説明するフローチャート、図６は、セル監視ＩＣによる診断の実施可否を判定するフローチャートである。

まず、図４に示すように、セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０によって、各単電池１０１の電圧からそれぞれ第１のノイズが除去される（Ｓ１０１）。第１のノイズが除去された後の各単電池１０１のセル電圧は、ＣＶ端子からセル監視ＩＣ３００に入力される。そして、セル監視ＩＣ３００のセル電圧検出部３１０によって、各単電池１０１のセル電圧がそれぞれ検出される（Ｓ１０２）。

また、図５に示すように、ＶＢＬＫ電圧ライン２０５のＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路２４０によって、ＶＢＬＫ電圧から第２のノイズが除去される（Ｓ２０１）。第２のノイズが除去されたＶＢＬＫ電圧は、ＶＢＬＫ端子からセル監視ＩＣ３００に入力される。そして、セル監視ＩＣ３００のセル電圧検出部３１０によって、ＶＢＬＫ電圧が検出される（Ｓ２０２）。

そして、図３に示すように、セル監視ＩＣ３００は、内部機能として、セル合計電圧演算部（合計電圧演算部）３４１と、ＶＢＬＫ電圧測定部（直列電圧測定部）３４２と、診断許可判断部３４３と、セル監視ＩＣ診断部（セル監視診断部）３４４とを有している。セル合計電圧演算部３４１は、セル監視ＩＣ３００が対応するセルグループ１０２において、第１のノイズを除去済みの各単電池のセル電圧を合計してセル合計電圧を演算する（Ｓ４０１）。

そして、ＶＢＬＫ電圧測定部３４２は、ＶＢＬＫ端子からセル監視ＩＣ３００に入力される第２のノイズを除去済みのＶＢＬＫ電圧を測定する（Ｓ４０２）。なお、ステップＳ４０１のセル合計電圧の算出と、ステップＳ４０２のＶＢＬＫ電圧の測定の順番は、逆でも良く、また、同時でもよい。

診断許可判断部３４３は、上記した式（４）により、第１のノイズを除去済みのセル合計電圧と、第２のノイズを除去済みのＶＢＬＫ電圧との差分ΔＶを演算する（Ｓ４０３）。そして、差分ΔＶと予め設定された差分閾値（規定値）Ｖｔｈとを比較し（Ｓ４０４）、差分ΔＶの方が差分閾値Ｖｔｈよりも大きいときは（Ｓ４０４でＹＥＳ）、低周波リップルノイズが印加されていると判断し、セル監視ＩＣ３００による診断をマスクし、セル監視ＩＣ診断部３４４による診断の実施を不許可とする（Ｓ４０６）。一方、差分ΔＶが差分閾値Ｖｔｈ以下のときは（Ｓ４０４でＮＯ）、低周波リップルノイズが印加されていないと判断し、セル監視ＩＣ診断部３４４による診断の実施を許可する（Ｓ４０５）。セル監視ＩＣ診断部３４４は、診断許可判断部３４３により、診断の実施が許可された場合に診断を行い、診断がマスクされた場合には、診断を行わない。

例えば、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧との差分閾値Ｖｔｈを５０ｍＶとした場合、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧の差分ΔＶが５０ｍＶよりも大きいときは、低周波リップルノイズが印加されていると判断し、低周波リップルノイズの影響が大きいセル監視ＩＣ３００の診断はマスクし、つまり、診断は行わない。一方、セル合計電圧とＶＢＬＫ電圧の差分ΔＶが閾値５０ｍＶ以下のときは、低周波リップルノイズが印加されていないと判断し、診断を行う。

例えば、インバータ７００の動作に起因してセル電圧に重畳するリップルノイズが印加される可能性がある。高周波リップルノイズは、ＲＣフィルタなどにより抑制することができるが、低周波リップルノイズにはＲＣフィルタの効果が小さく、低周波リップルノイズを抑制することが困難である。本実施形態の電池システム監視装置１００によれば、セル監視ＩＣ３００に低周波リップルノイズが印加されている状況か否かを正確に把握することができるので、セル監視ＩＣ３００による診断においてノイズの印加の可能性を考慮したノイズ対策をとることができる。例えば、低周波リップルノイズが印加されている場合には、セル監視ＩＣ３００による診断をマスクすることができる。したがって、セル監視ＩＣ３００による診断においてノイズの影響を排除することができ、その診断精度を向上させることができる。

上記した実施形態では、セル電圧検出ラインとＶＢＬＫ電圧ライン２０５を用いた場合を例に説明したが、セル放電ラインにおいてもセル電圧は測定できる。セル放電ラインとＶＢＬＫ電圧ラインの測定電圧を用いてもよい。つまり、複数の単電池１０１の放電電圧に含まれる第１のノイズを、セル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路２３０により第１の時定数に基づいて除去し、そのノイズが除去された複数の単電池１０１の放電電圧をセル監視ＩＣ３００で合計して合計電圧を演算する。そして、ＶＢＬＫ電圧に含まれるノイズをセル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路２２０により第２の時定数に基づいて除去し、そのノイズが除去されたＶＢＬＫ電圧をＶＢＬＫ電圧測定部３４２で測定する。そして、合計電圧とＶＢＬＫ電圧とに基づいて複数の単電池１０１の状態の診断を許可するか否かを判断し、診断可能と判断された場合に複数の単電池１０１の状態の診断を実施する構成としても良い。

以上説明した各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。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０・・・ＨＥＶ用駆動システム、１００・・・電池システム監視装置、１０１・・・単電池、１０２・・・セルグループ、１０３・・・組電池、２００・・・セルコントローラ、２０１・・・セル電圧検出・放電ラインＣＬ、２０２・・・セル電圧検出ラインＳＬ、２０３・・・セル電圧放電ラインＢＬ、２０４・・・電源ラインＰＬ、２０５・・・ＶＢＬＫ電圧ライン、２０６・・・ＧＮＤラインＧＬ、２１１・・・ＶＢＬＫ電圧ライン入力抵抗、２１２・・・ＶＢＬＫ電圧ライン入力コンデンサ、２２０・・・セル電圧検出ラインＲＣフィルタ回路（第１ノイズ除去部）、２２１・・・セル入力抵抗Ｒｃｖ、２２２・・・セル入力コンデンサＣｃｖ、２３０・・・セル電圧放電ラインＲＣフィルタ回路、２３１・・・バランシング抵抗Ｒｂｓ、２３２・・・バランシングコンデンサＣｂｓ、２４０・・・ＶＢＬＫ電圧ラインＲＣフィルタ回路（第２ノイズ除去部）、３００・・・セル監視ＩＣ、３４１・・・セル合計電圧演算部（合計電圧演算部）、３４２・・・ＶＢＬＫ電圧測定部（直列電圧測定部）、３４３・・・診断許可判断部、３４４・・・セル監視ＩＣ診断部（セル監視診断部）、４００・・・絶縁素子群、５００・・・バッテリコントローラ、７００・・・インバータ、８００・・・モータ

Claims (5)

1. 直列接続された複数の単電池の状態を監視する電池システム監視装置であって、
   前記複数の単電池の電圧に含まれるリップルノイズを、第１の時定数に基づいて除去する第１ノイズ除去部と、
   前記第１ノイズ除去部により前記リップルノイズが除去された前記複数の単電池の電圧を合計して合計電圧を演算する合計電圧演算部と、
   前記複数の単電池の直列接続された最上位の単電池の正極と最下位の単電池の負極との間の電圧である直列電圧に含まれる前記リップルノイズを、前記第１の時定数とは異なる第２の時定数に基づいて除去する第２ノイズ除去部と、
   前記第２ノイズ除去部により前記リップルノイズが除去された前記直列電圧を測定する直列電圧測定部と、
   前記合計電圧演算部により演算された前記合計電圧と前記直列電圧測定部により測定された前記直列電圧とに基づいて、低周波の前記リップルノイズの有無を判断して前記複数の単電池の状態の診断を許可するか否かを判断する診断許可判断部と、
   前記診断許可判断部により前記低周波の前記リップルノイズが無く前記診断が可能と判断された場合に前記複数の単電池の状態の前記診断を実施するセル監視診断部と、を有することを特徴とする電池システム監視装置。
2. 前記診断許可判断部は、
   前記合計電圧演算部により演算された前記合計電圧と前記直列電圧測定部により測定された前記直列電圧との差分が予め設定された閾値よりも大きいか否かに応じて前記複数の単電池の状態の前記診断を許可するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の電池システム監視装置。
3. 前記診断許可判断部は、
   前記差分が前記閾値よりも大きい場合に前記診断を不許可とし、前記差分が前記閾値以下の場合に前記診断を許可することを特徴とする請求項２に記載の電池システム監視装置。
4. 前記複数の単電池の電圧は、セル電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電池システム監視装置。
5. 前記複数の単電池の電圧は、放電電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電池システム監視装置。