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JP2013029362A - 電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車 - Google Patents

電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車 Download PDF

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Abstract

【課題】端子の異常を即時に検出する。
【解決手段】一つの実施形態によれば、電池セル監視回路は、電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う。第一のスイッチは、一端が第一のセルバランス端子に接続され、他端が第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスする。電流源及び第二のスイッチは、第一のスイッチと並列配置され、第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続される。電流源は電流を流す。第二のスイッチは第二の制御信号によりオン・オフする。第一の検出部は、第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。第二の検出部は、第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。
【選択図】 図2

Description

本発明の実施形態は、電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車に関する。
電池セルモジュールは、EV(electric vehicle)やHV(hybrid electric vehicle)などの自動車、エナジーハーベスティング、スマートグリッドなどの分野に適用される。電池セルモジュールは、例えば積層された複数の電池セルが設けられる。電池セルモジュールには、電池セルを監視する電池セル監視回路が設けられる。電池セル監視回路は、電池セルの端子間の電圧を検出し、電池セルの過充電や過放電などを検出する。
電池セルモジュールでは、高精度に電池セルをモニターするには、電池セルの正極側及び負極側にセル電圧測定端子とセルバランス端子をそれぞれ独立に設けるのが有効となる。セル電圧測定端子とセルバランス端子をそれぞれ独立に設けると、電池セルが過充電になった場合、セルバランススイッチをオンさせて放電するが、放電時にセル電圧測定端子の電圧が変動しない。また、セルバランスしながらセル電圧測定を実行することができる。
ところが、上述した電池セル監視回路では、セルバランス端子やセルバランススイッチの異常などを即時に検出することが困難であるという問題点がある。
特開2010−91520号公報
本発明は、端子の異常を即時に検出することができる電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車を提供することにある。
一つの実施形態によれば、電池セル監視回路は電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う。電池セル監視回路には、第一のセル電圧測定端子、第一のセルバランス端子、第二のセル電圧測定端子、第二のセルバランス端子、第一のスイッチ、電流源、第二のスイッチ、第一の検出部、及び第二の検出部が設けられる。第一のセル電圧測定端子は、電池セルの正極側に接続される。第一のセルバランス端子は、電池セルの正極側に接続され、第一のセル電圧測定端子と並列に配置される。第二のセル電圧測定端子は、電池セルの負極側に接続される。第二のセルバランス端子は、電池セルの負極側に接続され、第二のセル電圧測定端子と並列に配置される。第一のスイッチは、一端が第一のセルバランス端子に接続され、他端が第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する。電流源及び第二のスイッチは、第一のスイッチと並列配置され、第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続される。電流源は、電流を流す。第二のスイッチは、第二の制御信号によりオン・オフする。第一の検出部は、第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。第二の検出部は、第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。
他の実施形態によれば、電池セルモジュールは、電池セルが積層或いは並列に配置された電池セル部及び電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路が設けられる。前記電池セル監視回路は、第一のセル電圧測定端子、第一のセルバランス端子、第二のセル電圧測定端子、第二のセルバランス端子、第一のスイッチ、電流源、第二のスイッチ、第一の検出部、及び第二の検出部が設けられる。第一のセル電圧測定端子は、電池セルの正極側に接続される。第一のセルバランス端子は、電池セルの正極側に接続され、第一のセル電圧測定端子と並列に配置される。第二のセル電圧測定端子は、電池セルの負極側に接続される。第二のセルバランス端子は、電池セルの負極側に接続され、第二のセル電圧測定端子と並列に配置される。第一のスイッチは、一端が第一のセルバランス端子に接続され、他端が第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する。電流源及び第二のスイッチは、第一のスイッチと並列配置され、第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続される。電流源は、電流を流す。第二のスイッチは、第二の制御信号によりオン・オフする。第一の検出部は、第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。第二の検出部は、第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。
他の実施形態によれば、電池セルモジュールを備えた自動車は、エンジン、タイヤ、電池セルモジュール部、及びECUを有する。ECUは電池セルモジュール部を制御する制御部を備える。電池セルモジュール部は電池セルモジュールが直列或いは並列に複数配置される。電池セルモジュールは電池セルが積層或いは並列に配置された電池セル部及び電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路が設けられる。前記電池セル監視回路は、第一のセル電圧測定端子、第一のセルバランス端子、第二のセル電圧測定端子、第二のセルバランス端子、第一のスイッチ、電流源、第二のスイッチ、第一の検出部、及び第二の検出部が設けられる。第一のセル電圧測定端子は、電池セルの正極側に接続される。第一のセルバランス端子は、電池セルの正極側に接続され、第一のセル電圧測定端子と並列に配置される。第二のセル電圧測定端子は、電池セルの負極側に接続される。第二のセルバランス端子は、電池セルの負極側に接続され、第二のセル電圧測定端子と並列に配置される。第一のスイッチは、一端が第一のセルバランス端子に接続され、他端が第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する。電流源及び第二のスイッチは、第一のスイッチと並列配置され、第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続される。電流源は、電流を流す。第二のスイッチは、第二の制御信号によりオン・オフする。第一の検出部は、第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。第二の検出部は、第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する。
第一の実施形態に係る電池セルモジュールを備えた自動車の概略構成を示す図である。 第一の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。 第一の実施形態に係る電池セル監視回路のオープン検出動作を示すフローチャートである。 第一の実施形態に係る電池セル監視回路のオープン検出動作を示すタイミングチャート、図4(a)はセルバランス端子が正常の場合、図4(b)はセルバランス端子がオープン場合である。 第二の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。 第二の実施形態に係る電池セル監視回路のオープン検出動作を示すタイミングチャート、図6(a)はセルバランス端子が正常の場合、図6(b)はセルバランス端子がオープンの場合である。 第二の実施形態に係る電池セル監視回路のショート検出動作を示すタイミングチャート、図7(a)はセルバランススイッチがOFFの場合、図7(b)はセルバランススイッチがショート故障の場合である。 第三の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。 第三の実施形態に係る電池セル監視回路の電流検出動作を示すタイミングチャート、図9(a)はセルバランス端子が正常の場合、図9(b)はセルバランス端子がオープン場合である。
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第一の実施形態)
まず、本発明の第一の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車について図面を参照して説明する。図1は電池セルモジュールを備えた自動車の概略構成を示す図である。図2は電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。本実施形態ではセルバランス端子のオープン検出を即時に行うために電池セル監視回路に検出回路を設けている。
図1に示すように、自動車90には、電池セルモジュール部1、ECU2、エンジン3、インバータ4、及びタイヤ5が設けられる。自動車90はEV(electric vehicle)である。
ECU(electronic control unit 自動車向け電子制御装置)2には、MCU(microcontroller unit)21が設けられる。MCU(microcontroller unit)21は、電池セルモジュール部1、エンジン3、インバータ4等の電子制御を行う。自動車90には、タイヤ5が通常4箇所配置される。
電池セルモジュール1部には、n個の電池セルモジュール20a、電池セルモジュール20b、電池セルモジュール20nが直列に配置される。電池セルモジュール20aには、電池セル部11aと電池セル監視回路12aが設けられる。電池セルモジュール20bには、電池セル部11bと電池セル監視回路12bが設けられる。電池セルモジュール20nには、電池セル部11nと電池セル監視回路12nが設けられる。
n個の電池セル部11a、電池セル部11b、電池セル部11nは、互いに直列に接続される。電池セル部11aの正極側がインバータ4の(+)側に接続され、負極側が電池セル部11bの正極側に接続される。電池セル部11bの負極側が図示しない電池セル部11cの正極側に接続される。電池セル部11nの正極側が図示しない電池セル部11(n−1)の負極側に接続される。電池セル部11aの正極側と電池セル部11nの負極側は、例えば図示しない電池管理部に接続される。インバータ4の(+)側と(−)側が電池管理部に接続される。電池管理部は、電池セル部11aの正極側と電池セル部11nの負極側の間の電圧を管理する。
電池セル監視回路12aは電池セル部11aを監視し、電池セル監視回路12bは電池セル部11bを監視し、電池セル監視回路12nは電池セル部11nを監視する。n個の電池セルモジュール20a、電池セルモジュール20b、電池セルモジュール20nは、それぞれ独立して取り離すことができ、別の電池セルモジュールと交換できる構造となっている。n個の電池セル部11a、電池セル部11b、電池セル部11nも、それぞれ独立して取り離すことができ、別の電池セル部と交換できる構造となっている。
電池セル部11a、電池セル部11b、及び電池セル部11nは同様な構成を有し、電池セル監視回路12a、電池セル監視回路12b、及び電池セル監視回路12nは同様な構成を有するので、電池セルモジュール20を構成する電池セル部11と電池セル監視回路12としてその内部構成を説明する。
図2に示すように、電池セル部11には、電池セルDC1乃至4、抵抗R11乃至18、及びコンデンサC11乃至16が設けられる。電池セル監視回路12には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、電流源30a乃至30c、スイッチSW11乃至13、スイッチSW21乃至23、検出回路31a乃至31d、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。
ここでは、電池セル部DC4、抵抗R18、コンデンサC16以降の表記を省略している。セル電圧測定端子Pcv14、セルバランス端子Pcb14、電流源30c、スイッチSW13、スイッチSW23以降の表記を省略している。
電池セル11の正極側及び負極側に、それぞれセル電圧測定端子及びセルバランス端子を設けると、電池セルが過充電になった場合、セルバランススイッチ(スイッチSW11乃至13)をオンさせて放電するが、放電時にセル電圧測定端子の電圧は変動しない。また、セルバランスしながらセル電圧測定を実行することができるという利点を有する。
電池セルDC1は、正極側がノードN1に接続され、負極側がノードN11及び電池セルDC2の正極側に接続される。電池セルDC3は、正極側が電池セルDC2の負極側に接続され、負極側が電池セルDC4の正極側に接続される。
抵抗R11は、一端がノードN1及び電池セルDC1の正極側に接続され、他端がノードN2及びセル電圧測定端子Pcv11に接続される。抵抗R12は、一端がノードN1及び電池セルDC1に接続され、他端がノードN3及びセルバランス端子Pcb11に接続される。
抵抗R13は、一端がノードN11、電池セルDC1の負極側、及び電池セルDC2の正極側に接続され、他端がノードN12及びセル電圧測定端子Pcv12に接続される。抵抗R14は、一端がノードN11、電池セルDC1の負極側、及び電池セルDC2の正極側に接続され、他端がノードN13及びセルバランス端子Pcv12に接続される。
抵抗R15は、一端がノードN1a、電池セルDC2の負極側及び電池セルDC3の正極側に接続され、他端がノードN2a及びセル電圧測定端子Pcv13に接続される。抵抗R16は、一端がノードN1a、電池セルDC2の負極側及び電池セルDC3の正極側に接続され、他端がノードN3a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。
抵抗R17は、一端がノードN11a、電池セルDC3の負極側及び電池セルDC4の正極側に接続され、他端がノードN12a及びセル電圧測定端子Pcv14に接続される。抵抗R18は、一端がノードN11a、電池セルDC3の負極側及び電池セルDC4の正極側に接続され、他端がノードN13a及びセルバランス端子Pcb14に接続される。ここで、抵抗R11乃至18は、それぞれ電池セルの放電電流設定用抵抗として機能する。
コンデンサC11は、一端がノードN2及びセル電圧測定端子Pcv11に接続され、他端がノードN12及びセル電圧測定端子Pcv12に接続される。コンデンサC12は、一端がノードN3及びセルバランス端子Pcb11に接続され、他端がノードN13及びセルバランス端子Pcv12に接続される。コンデンサC13は、一端がノードN12及びセル電圧測定端子Pcv12に接続され、他端がノードN2a及びセル電圧測定端子Pcv13に接続される。コンデンサC14は、一端がノードN13及びセルバランス端子Pcb12に接続され、他端がノードN3a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。コンデンサC15は、一端がノードN2a及びセル電圧測定端子Pcv13に接続され、他端がノードN12a及びセル電圧測定端子Pcv14に接続される。コンデンサC16は、一端がノードN3a及びセルバランス端子Pcb13に接続され、他端がノードN13a及びセルバランス端子Pcb14に接続される。ここで、コンデンサC11乃至16は、図示しない外付けされる抵抗とフィルタ(LPF)を構成し、セル電圧測定端子或いはセルバランス端子へのノイズを抑制する。
検出部としての検出回路31aは、比較器である。検出回路31aは、入力側の+(プラス)ポートがノードN4及びセル電圧測定端子Pcv11に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN5及びセルバランス端子Pcb11に接続され、ノードN4とノードN5の電圧を比較し、比較結果を出力側のノードN6から出力する。
検出部としての検出回路31bは、比較器である。検出回路31bは、入力側の+(プラス)ポートがノードN14及びセル電圧測定端子Pcv12に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続され、ノードN14とノードN15の電圧を比較し、比較結果を出力側のノードN16から出力する。
検出部としての検出回路31cは、比較器である。検出回路31cは、入力側の+(プラス)ポートがノードN4a及びセル電圧測定端子Pcv13に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続され、セル電圧測定端子Pcv13とセルバランス端子Pcb13の電圧を比較し、比較結果を出力側のノードN6aから出力する。
検出回路31dは、比較器である。検出回路31dは、入力側の+(プラス)ポートがノードN14a及びセル電圧測定端子Pcv14に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN15a及びセルバランス端子Pcb14に接続され、セル電圧測定端子Pcv14とセルバランス端子Pcb14の電圧を比較し、比較結果を出力側のノードN16aから出力する。
スイッチSW11は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW11は、ドレインがノードN5及びセルバランス端子Pcb11に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続される。
スイッチSW12は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW12は、ドレインがノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。
スイッチSW13は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW13は、ドレインがノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN15a及びセルバランス端子Pcb14に接続される。
セルバランス処理では、制御信号SG1に基づいてスイッチSW11乃至13がそれぞれ独立にオン・オフして充電量が過多となった電池セルの放電が行われる。したがって、複数の電池セルは、それぞれ独立して抵抗放電が行なわれる。
電流源30a及びスイッチSW21は、縦続接続される。電流源30aは、一端がノードN5及びセルバランス端子Pcb11に接続される。スイッチSW21は、一端が電流源30aの他端に接続され、他端がノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続され、制御信号SG2に基づいてオン・オフ動作する。
電流源30b及びスイッチSW22は、縦続接続される。電流源30bは、一端がノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続される。スイッチSW22は、一端が電流源30bの他端に接続され、他端がノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続され、制御信号SG2に基づいてオン・オフ動作する。
電流源30c及びスイッチSW23は、縦続接続される。電流源30cは、一端がノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。スイッチSW23は、一端が電流源30cの他端に接続され、他端がノードN15a及びセルバランス端子Pcb14に接続され、制御信号SG2に基づいてオン・オフ動作する。
差動増幅器32は、入力側の+(プラス)ポートが電池セルの正極側に接続され、入力側の−(マイナス)ポートが電池セルの負極側に接続され、出力側のノードNdaから差分(電池セル電圧)検出信号を出力する。ここでは、シーケンサ回路34から出力される信号に基づいて電池セルDC1の正極側(ノードN4で(+)で表示)と電池セルDC1の負極側(ノードN14で(−)で表示)が選択され電池セルDC1の電圧が測定される。
ADコンバータ33は、差動増幅器32から出力されるノードNdaの信号が入力され、差分(電池セル電圧)値をデジタル変換する。ADコンバータ33には、例えば、12bit ΔΣADコンバータが用いられる。
レジスタ36は、電池セル監視回路12の電池セルの監視情報をストアし、MCU21から出力される各種制御信号(制御信号SG1及びSG2を含む)を電池セル監視回路12内に配信する。
シーケンサ回路34は、MCU21から出力される制御信号がレジスタ36を介して入力され、この制御信号に基づいて電池セルの正極側と負極側を選択する切り替えタイミングを制御する。差動増幅回路32で測定する電池セルの電圧は、シーケンサ回路34の切り替えタイミングにより決定される。
インターフェース部35は、MCU21と双方向で交信する。例えば、MCU21で生成される各種制御信号は、インターフェース部35を介して電池セル監視回路12内に入力される。電池セル監視回路12の電池セルの監視情報は、インターフェース部35を介して出力される。
次に、電池セル監視回路によるセルバランス端子の異常検出について図3及び図4を参照して説明する。図3は電池セル監視回路のオープン検出動作を示すフローチャートである。
図3に示すように、まず、MCU21が端子オープンチェック命令を電池セル監視回路12に送信する。具体的には、制御信号SG1及び制御信号SG2を送信する(ステップS1)。
次に、電池セル監視回路12は、端子オープンチェック命令に基づいて電流源をオンさせる。例えば、電池セル監視回路12のスイッチSW21にイネーブル状態の制御信号SG2が入力され、スイッチSW21はオンしてノード5とノードN15の間に電流を流す。
続いて、端子のオープン判定を行う。図4は電池セル監視回路のオープン検出動作を示すタイミングチャート、図4(a)はセルバランス端子が正常の場合、図4(b)はセルバランス端子がオープン場合である。ここでは、セルバランス端子Pcb11のオープン判定を例にして説明する。
図4(a)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12が正常の場合、制御信号SG1がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW11がオフし、制御信号SG2がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW21がオンすると電流源30aに電流が流れる。このとき、ノードN5は電池セルDC1の正極側に電気的に接続されているのでノードN4とノードN5は同電位(ノードN1の電圧Vn1)となる。このため、検出回路31aでは差電圧としての検出信号が検出されない。
図4(b)に示すように、セルバランス端子Pcb12が正常で、セルバランス端子Pcb11が端子オープンの場合、制御信号SG1がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW11がオフし、制御信号SG2がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW21がオンすると電流源30aに電流が流れる。このとき、ノードN5は電池セルDC1の正極側に電気的に接続されていないので、ノードN5は電池セルDC1の負極側の電圧(ノードN11の電圧Vn11)となる。このため、検出回路31aでは差電圧としてハイレベルの検出信号(ハイレベルのノードN6の信号)が検出される。つまり、セルバランス端子Pcb11がオープンであると判定することができる。なお、検出回路31aの検出結果は、電池セル監視回路12の図示しない判定部で行っている。
端子の正常或いはオープンの判定を他のセルバランス端子にも同様に行い、セルバランス端子の異常の有無を調査する(ステップS3)。
そして、セルバランス端子の正常或いはオープンの判定結果は、判定部を介してレジスタ36にストアされる(ステップS4)。
次に、判定結果がレジスタ36にストアされた後、MCU21は電池セル監視回路12に読み出し命令を送信する(ステップS5)。
続いて、MCU21は電池セル監視回路12から判定結果を入手する。MCU21は、どのセルバランス端子がオープン不良なのかを把握し、オープン不良が発生した電池セルモジュールや電池セル部の補修或いは入れ替えの判断を行う。その判断により電池セルモジュールや電池セル部の補修或いは入れ替えが実行される(ステップS6)。
上述したように、本実施形態の電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車では、電池セルモジュール部1、ECU、エンジン3、インバータ4、及びタイヤ5が自動車90に設けられる。電池セルモジュール1部には、n個の電池セルモジュール20a、電池セルモジュール20b、電池セルモジュール20nが直列に配置される。電池セルモジュール20は電池セルが積層される電池セル部11と電池セル監視回路12から構成される。電池セル監視回路12には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、電流源30a乃至30c、スイッチSW11乃至13、スイッチSW21乃至23、検出回路31a乃至31d、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。電池セル監視回路12の検出回路は、ローレベルの制御信号SG1、ハイレベルの制御信号SG2に基づいて、入力側の+(プラス)ポートの電圧と入力側の−(マイナス)ポートの電圧を比較する。比較結果はMCU21に送信される。
このため、セルバランス端子がオープン不良であるかの判定を即時に実行することができる。MCU21は、セルバランス端子の異常結果を早期に把握することができる。したがって、電池セルモジュールで異常が発生した場合、電池セル部や電池セル監視回路の補修或いは入れ替えを即時に実行することができ、自動車90の安全性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、電池セル監視回路12をEVに適用しているが必ずしもこれに限定されるものではない。HEV(hybrid electric vehicle)、燃料電池車、スマートグリッド、エナジーハーべスティング、モーバイル等に適用してもよい。
また、本実施形態では、スイッチSW11乃至13にNch MOSトランジスタを用いているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、トランスファゲートを代わりに用いてもよい。
(第二の実施形態)
次に、本発明の第二の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車について、図面を参照して説明する。図5は電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。本実施形態では電池セル監視回路の検出回路をPch MOSトランジスタに置き換えている。
以下、第一の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図5に示すように、電池セルモジュール201には電池セル11と電池セル監視回路121が設けられる。電池セルモジュール201は、第一の実施形態と同様に電池セルモジュールを構成し、電池セルモジュールは自動車に搭載される。
電池セル部11には、電池セルDC1乃至4、抵抗R11乃至18、及びコンデンサC11乃至16が設けられる。電池セル監視回路121には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、電流源30a乃至30c、スイッチSW11乃至13、スイッチSW21乃至23、抵抗R21乃至24、Pch MOSトランジスタPT1乃至4、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。
ここでは、抵抗R24、Pch MOSトランジスタPT4以降の表記を省略している。
抵抗R21は、一端がノードN5及びセルバランス端子Pcb11に接続される。検出部としてのPch MOSトランジスタPT1は、ソースがノードN4及びセル電圧測定端子Pcv11に接続され、ゲートが抵抗R21の他端に接続され、ドレインがノードN7に接続され、ノードN7側からセルバランス端子Pcb11のオープン判定結果情報が出力される。
抵抗R22は、一端がノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続される。検出部としてのPch MOSトランジスタPT2は、ソースがノードN14及びセル電圧測定端子Pcv12に接続され、ゲートが抵抗R22の他端に接続され、ドレインがノードN17に接続され、ノードN17側からセルバランス端子Pcb12のオープン判定結果情報が出力される。
抵抗R23は、一端がノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。検出部としてのPch MOSトランジスタPT3は、ソースがノードN4a及びセル電圧測定端子Pcv13に接続され、ゲートが抵抗R23の他端に接続され、ドレインがノードN7aに接続され、ノードN7a側からセルバランス端子Pcb13のオープン判定結果情報が出力される。
抵抗R24は、一端がノードN15a及びセルバランス端子Pcb14に接続される。検出部としてのPch MOSトランジスタPT4は、ソースがノードN14a及びセル電圧測定端子Pcv14に接続され、ゲートが抵抗R24の他端に接続され、ドレインがノードN17aに接続され、ノードN17a側からセルバランス端子Pcb14のオープン判定結果情報が出力される。
次に、電池セル監視回路によるセルバランス端子の異常検出について図6を参照して説明する。図6は電池セル監視回路のオープン検出動作を示すタイミングチャート、図6(a)はセルバランス端子が正常の場合、図6(b)はセルバランス端子がオープンの場合である。ここでは、セルバランス端子Pcb11のオープン判定を例にして説明する。
図6(a)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12が正常の場合、制御信号SG1がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW11がオフし、制御信号SG2がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW21がオンすると電流源30aに電流が流れる。このとき、ノードN5は電池セルDC1の正極側に電気的に接続されているのでノードN4とノードN5は同電位(ノードN1の電圧Vn1)となる。このため、Pch MOSトランジスタPT1のソースとゲートが同電位なのでPch MOSトランジスタはオフしている。
図6(b)に示すように、セルバランス端子Pcb12が正常で、セルバランス端子Pcb11が端子オープンの場合、制御信号SG1がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW11がオフし、制御信号SG2がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW21がオンすると電流源30aに電流が流れる。このとき、ノードN5は電池セルDC1の正極側に電気的に接続されていないので、ノードN5は電池セルDC1の負極側の電圧(ノードN11の電圧Vn11)となる。このため、Pch MOSトランジスタPT1のゲートの電位がソースの電位よりも低くなり、Pch MOSトランジスタPT1はオンしてドレイン側からハイレベルの信号が出力される。つまり、セルバランス端子Pcb11がオープンであると判定することができる。なお、Pch MOSトランジスタPT1での検出結果は、電池セル監視回路121の図示しない判定部で行っている。
次に、電池セル監視回路によるスイッチの異常検出について図7を参照して説明する。図7は電池セル監視回路のショート検出動作を示すタイミングチャート、図7(a)はセルバランススイッチがOFFの場合、図7(b)はセルバランススイッチがショート故障の場合である。ここでは、スイッチSW11の故障判定を例にして説明する。
図7(a)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12が正常の場合、制御信号SG2がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW21がオフし、ノードN4とノードN5は同電位(ノードN1の電圧Vn1)のときPch MOSトランジスタはオフとなる。このとき、スイッチSW11はショート故障が発生していないと判断することができる。
図7(b)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12が正常の場合、制御信号SG2がディセーブル状態のローレベルでスイッチSW21がオフし、ノードN5の電位がノードN4の電位よりも低下するとPch MOSトランジスタはオンとなる。このとき、スイッチSW11はショート故障が発生していると判断することができる。
上述したように、本実施形態の電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車では、電池セルモジュール201は、電池セルが積層される電池セル部11と電池セル監視回路121から構成される。電池セル監視回路121には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、電流源30a乃至30c、スイッチSW11乃至13、スイッチSW21乃至23、抵抗R21乃至24、Pch MOSトランジスタPT1乃至4、検出回路31a乃至31d、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。電池セル監視回路121の検出部としてのPch MOSトランジスタは、ローレベルの制御信号SG1、ハイレベルの制御信号SG2に基づいて、ソースの電位とゲートの電位に応じてオン・オフ動作を行い、ドレイン側から検出信号を出力する。Pch MOSトランジスタでの検出結果は、MCUに送信される。
このため、セルバランス端子がオープン不良であるかの判定を即時に実行することができる。MCUは、セルバランス端子の異常結果を早期に把握することができる。したがって、電池セルモジュールで異常が発生した場合、電池セル部や電池セル監視回路の補修或いは入れ替えを即時に実行することができ、自動車の安全性を向上させることができる。
(第三の実施形態)
次に、本発明の第三の実施形態に係る電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車について、図面を参照して説明する。図8は電池セル監視回路、電池セルの概略構成を示す回路図である。本実施形態では電池セル監視回路の構成を変更している。
以下、第一の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図8に示すように、電池セルモジュール202には、電池セル11と電池セル監視回路221が設けられる。電池セルモジュール202は、第一の実施形態と同様に電池セルモジュールを構成し、電池セルモジュールは自動車に搭載される。
電池セル部11には、電池セルDC1乃至4、抵抗R11乃至18、及びコンデンサC11乃至16が設けられる。電池セル監視回路221には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、抵抗R31乃至33、スイッチSW11乃至13、検出回路41a乃至41c、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。
ここでは、抵抗R33、スイッチSW13、検出回路41c以降の表記を省略している。
スイッチSW11は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW11は、ドレインがノードN5及びセルバランス端子Pcb11に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN21に接続される。抵抗R31は、一端がノードN21に接続され、他端がノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続される。
スイッチSW12は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW12は、ドレインがノードN15及びセルバランス端子Pcb12に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN23に接続される。抵抗R32は、一端がノードN23に接続され、他端がノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続される。
スイッチSW13は、制御信号SG1に基づいてオン・オフ動作し、セルバランススイッチとして機能する。Nch MOSトランジスタから構成されるスイッチSW13は、ドレインがノードN5a及びセルバランス端子Pcb13に接続され、ゲートに制御信号SG1が入力され、ソースがノードN21aに接続される。抵抗R33は、一端がノードN21aに接続され、他端がセルバランス端子Pcb14に接続される。
検出部としての検出回路41aは、電流検出回路である。検出回路41aは、入力側の+(プラス)ポートがノードN21(抵抗R31の一端)に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN15(抵抗R31の他端)に接続され、抵抗R31の両端間に流れる電流を検出し、検出結果を出力側のノードN22から出力する。
検出部としての検出回路41bは、電流検出回路である。検出回路41bは、入力側の+(プラス)ポートがノードN23(抵抗R32の一端)に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN5a(抵抗R32の他端)に接続され、抵抗R32の両端間に流れる電流を検出し、検出結果を出力側のノードN24から出力する。
検出部としての検出回路41cは、電流検出回路である。検出回路41cは、入力側の+(プラス)ポートがノードN21a(抵抗R33の一端)に接続され、入力側の−(マイナス)ポートがノードN15a(抵抗R33の他端)に接続され、抵抗R33の両端間に流れる電流を検出し、検出結果を出力側のノードN22aから出力する。
次に、電池セル監視回路によるセルバランス端子の異常検出について図9を参照して説明する。図9は電池セル監視回路の電流検出動作を示すタイミングチャート、図9(a)はセルバランス端子が正常の場合、図9(b)はセルバランス端子がオープン場合である。ここでは、セルバランス端子Pcb11、セルバランス端子Pcb2のオープン判定を例にして説明する。
図9(a)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12が共に正常の場合、制御信号SG1がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW11がオンし、抵抗R31に電流が流れると検出回路41aは抵抗R31で発生した電圧を検知して検出結果をノードN22から出力する。
図9(b)に示すように、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12の少なくともいずれか一方がオープンの場合、制御信号SG1がイネーブル状態のハイレベルでスイッチSW11がオンしても、抵抗R31に電流が流れない。このため、検出回路41aは何も検出しない。つまり、セルバランス端子Pcb11及びセルバランス端子Pcb12の少なくともいずれか一方がオープンであると判定することができる。なお、検出回路41a乃至41cでの検出結果は、電池セル監視回路221の図示しない判定部で行っている。
上述したように、本実施形態の電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車では、電池セルモジュール202には、電池セル11と電池セル監視回路221が設けられる。電池セル監視回路221には、セル電圧測定端子Pcv11乃至14、セルバランス端子Pcb11乃至14、抵抗R31乃至33、スイッチSW11乃至13、検出回路41a乃至41c、差動増幅器32、ADコンバータ33、シーケンサ回路34、インターフェース部35、及びレジスタ36が設けられる。電池セル監視回路221の検出回路は、ハイレベルの制御信号SG1に基づいて、入力側の+(プラス)ポートの電圧と入力側の−(マイナス)ポートの電圧を比較する。比較結果はMCUに送信される。
このため、セルバランス端子がオープン不良であるかの判定を即時に実行することができる。MCUは、セルバランス端子の異常結果を早期に把握することができる。したがって、電池セルモジュールで異常が発生した場合、電池セル部や電池セル監視回路の補修或いは入れ替えを即時に実行することができ、自動車の安全性を向上させることができる。
なお、第一の実施形態では、複数の電池セルモジュール20を直列接続しているが必ずしもこれに限定されるものではない。複数の電池セルモジュール20を並列接続してもよいし、複数の電池セルモジュール20を直列接続及び並列接続してもよい。
第一乃至第三の実施形態では、複数の電池セルを積層(縦続接続)形成しているが必ずしもこれに限定されるものではない。複数の電池セルを並列に配置してもよい。この場合、1つ或いは複数の電池セルが故障しても少なくとも1つ以上の電池セルが正常の場合、電池セルモジュールは稼働可能な状態を維持することができる。
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。
1 電池セルモジュール部
2 ECU
3 エンジン
4 インバータ
5 タイヤ
11、11a〜11n 電池セル部
12、12a〜12n、121、221 電池セル監視回路
20、20a〜20n、201、202 電池セルモジュール
21 MCU
90 自動車
30a〜30c 電流源
31a〜31d、41a〜41c 検出回路
32 差動増幅器
33 ADコンバータ
34 シーケンサ回路
35 インターフェース部
36 レジスタ
C11〜C16 コンデンサ
DC1〜DC4 電池セル
N1〜N7、N1a〜N7a、N11〜N17、N11a〜N17a、Nda、N21〜N24、N21a、N22a ノード
Pcv11〜Pcv14 セル電圧測定端子
Pcb11〜Pcb14 セルバランス端子
PT1〜PT4 Pch MOSトランジスタ
R11〜R18、R21〜R24、R31〜R34 抵抗
SG1、SG2 制御信号
SW11〜SW13、SW21〜SW23 スイッチ

Claims (9)

  1. 電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路であって、
    前記電池セルの正極側に接続される第一のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの正極側に接続され、前記第一のセル電圧測定端子と並列に配置される第一のセルバランス端子と、
    前記電池セルの負極側に接続される第二のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの負極側に接続され、前記第二のセル電圧測定端子と並列に配置される第二のセルバランス端子と、
    一端が前記第一のセルバランス端子に接続され、他端が前記第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する第一のスイッチと、
    前記第一のスイッチと並列配置され、前記第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続され、電流を流す電流源及び第二の制御信号によりオン・オフする第二のスイッチと、
    第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第一の検出部と、
    第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第二の検出部と、
    を具備することを特徴とする電池セル監視回路。
  2. 前記第一の検出部は、第一の入力側に前記第一のセル電圧測定端子電圧が入力され、第二の入力側に前記第一のセルバランス端子電圧が入力され、前記第一のセル電圧測定端子電圧と前記第一のセルバランス端子電圧を比較する第一の比較器であり、
    前記第二の検出部は、第一の入力側に前記第二のセル電圧測定端子電圧が入力され、第二の入力側に前記第二のセルバランス端子電圧が入力され、前記第二のセル電圧測定端子電圧と前記第二のセルバランス端子電圧を比較する第二の比較器である
    ことを特徴とする請求項1に記載の電池セル監視回路。
  3. 前記第一の検出部は、第一の端子に前記第一のセル電圧測定端子電圧が印加され、制御端子に前記第一のセルバランス端子電圧が印加され、第二の端子側から端子のオープンを検出する第一の検出信号を出力する第一のPch MOSトランジスタであり、
    前記第二の検出部は、第一の端子に前記第二のセル電圧測定端子電圧が印加され、制御端子に前記第二のセルバランス端子電圧が印加され、第二の端子側から端子のオープンを検出する第二の検出信号を出力する第二のPch MOSトランジスタである
    ことを特徴とする請求項1に記載の電池セル監視回路。
  4. 前記第一及び第二のスイッチがオフで、ハイレベルの前記第一の検出信号が出力されたときに前記第一のスイッチがショート故障と判定することを特徴とする請求項3に記載の電池セル監視回路。
  5. 電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路であって、
    前記電池セルの正極側に接続される第一のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの正極側に接続され、前記第一のセル電圧測定端子と並列に配置される第一のセルバランス端子と、
    前記電池セルの負極側に接続される第二のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの負極側に接続され、前記第二のセル電圧測定端子と並列に配置される第二のセルバランス端子と、
    一端が前記第一のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する第一のスイッチと、
    一端が第一のスイッチの他端に接続され、他端が前記第二のセルバランス端子に接続される抵抗と、
    第一の入力側が前記抵抗の一端に接続され、第二の入力側が前記抵抗の他端に接続され、前記抵抗に流れる電流を検知する検出回路と、
    を具備することを特徴とする電池セル監視回路。
  6. 前記第一のセル電圧測定端子及び前記第一のセルバランス端子は、それぞれフィルターを介して前記電池セルの正極電圧が印加され、
    前記第二のセル電圧測定端子及び前記第二のセルバランス端子は、それぞれフィルターを介して前記電池セルの負極電圧が印加される
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電池セル監視回路。
  7. 前記電池セルの正極側と前記第一のセル電圧測定端子、前記電池セルの正極側と前記第一のセルバランス端子、前記電池セルの負極側と前記第二のセル電圧測定端子、及び前記電池セルの負極側と前記第二のセルバランス端子の間には、放電電流を設定する抵抗がそれぞれ設けられる
    ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電池セル監視回路。
  8. 電池セルが積層或いは並列に配置された電池セル部、及び前記電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路が設けられる電池セルモジュールであって、
    前記電池セル監視回路は、
    前記電池セルの正極側に接続される第一のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの正極側に接続され、前記第一のセル電圧測定端子と並列に配置される第一のセルバランス端子と、
    前記電池セルの負極側に接続される第二のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの負極側に接続され、前記第二のセル電圧測定端子と並列に配置される第二のセルバランス端子と、
    一端が前記第一のセルバランス端子に接続され、他端が前記第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する第一のスイッチと、
    前記第一のスイッチと並列配置され、前記第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続され、電流を流す電流源及び第二の制御信号によりオン・オフする第二のスイッチと、
    第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第一の検出部と、
    第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第二の検出部と
    を有することを特徴とする電池セルモジュール。
  9. エンジン、タイヤ、電池セルモジュール部、及びECUを有する電池セルモジュールを備えた自動車であって、
    前記ECUは前記電池セルモジュール部を制御する制御部を備え、
    前記電池セルモジュール部は電池セルモジュールが直列或いは並列に複数配置され、
    前記電池セルモジュールは電池セルが積層或いは並列に配置された電池セル部、及び前記電池セルのセルバランス及び端子の異常検出を行う電池セル監視回路が設けられ、
    前記電池セル監視回路は、
    前記電池セルの正極側に接続される第一のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの正極側に接続され、前記第一のセル電圧測定端子と並列に配置される第一のセルバランス端子と、
    前記電池セルの負極側に接続される第二のセル電圧測定端子と、
    前記電池セルの負極側に接続され、前記第二のセル電圧測定端子と並列に配置される第二のセルバランス端子と、
    一端が前記第一のセルバランス端子に接続され、他端が前記第二のセルバランス端子に接続され、第一の制御信号によりオン・オフしてセルバランスを実行する第一のスイッチと、
    前記第一のスイッチと並列配置され、前記第一のスイッチの一端と他端の間に縦続接続され、電流を流す電流源及び第二の制御信号によりオン・オフする第二のスイッチと、
    第一のセル電圧測定端子電圧と第一のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第一の検出部と、
    第二のセル電圧測定端子電圧と第二のセルバランス端子電圧が入力され、端子のオープンを検出する第二の検出部と
    を有することを特徴とする電池セルモジュールを備えた自動車。
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