JP5350479B2

JP5350479B2 - バッテリーパックのセル電圧測定装置及び方法

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Publication number: JP5350479B2
Application number: JP2011527749A
Authority: JP
Inventors: ホ、ジン‐ソク; キム、ジェー‐ホ; リー、ダル‐フーン; リー、サン‐フーン
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-09-18
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Description

本発明は、バッテリーパックのセル電圧測定装置及び方法に関するものであって、より詳しくは、バッテリーパックに含まれた多数のセル電圧をグループごとに測定する装置及び方法に関する。

最近、化石エネルギーの枯渇及び環境汚染により化石エネルギーを使用せずに電気エネルギーを利用する電気自動車やハイブリッド自動車に対する関心が高まっている。

このような電気自動車やハイブリッド自動車などに使われる大容量バッテリーパックには繰り返し充放電が可能な多数のセルが含まれる。バッテリーパックの充放電時には、各セルの充電状態（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を適切に維持し、過充電や過放電のような異常状況からバッテリーパックを保護しなければならないので、セル電圧測定装置を使用して各セルの電圧を周期的に測定してモニタリングする必要性がある。

図１は、従来技術によるバッテリーセル電圧測定装置１０の構成を示す回路構成図である。

図１を参照すれば、従来のセル電圧測定装置１０は、浮動キャパシタＣ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、セル電圧測定回路２０、Ａ／Ｄコンバータ３０及び制御部４０を含む。

上記第１スイッチＳＷ１は、セル電圧の測定時上記制御部４０によってターンオンされる。これによって、各浮動キャパシタＣには、対応するセルＢ電圧がサンプリングされる。このようなセルＢ電圧のサンプリングが完了すれば、上記第１スイッチＳＷ１はすべてターンオフされて各浮動キャパシタＣにはセルＢ電圧がホールドされる。

上記第２スイッチＳＷ２は、セルＢ電圧のサンプリング及びホールドが完了した後予め定められた順序に従って順次ターンオンされる。これによって、各浮動キャパシタＣにホールドされた電圧（セル電圧に該当）がセル電圧測定回路２０に順次印加される。

上記セル電圧測定回路２０は、順次印加される各浮動キャパシタＣのホールドされた電圧をセンシングして各セルＢ電圧に該当するアナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３０に出力する。そうすれば、Ａ／Ｄコンバータ３０は、アナログ電圧信号を所定ビート数のデジタル電圧信号に変換して制御部４０に出力する。

上記制御部４０は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２との動作を全般的に制御し、上記Ａ／Ｄコンバータ３０から出力される各セルＢのデジタル電圧信号の入力を受けてメモリ（図示せず）に貯蔵する。そして、上記制御部４０は、メモリに貯蔵された各セルＢの電圧データを利用して各セルＢの充放電を制御し、過充電防止や過放電防止のような各種のバッテリー保護動作を行う。

上記セル電圧測定回路２０は、浮動キャパシタＣの両端電圧に該当する電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３０側に出力する差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含む。ところが、従来のセル電圧測定回路２０は、一つの差動増幅器で多数のセル電圧をセンシングすることができるようにセル電圧センシングラインＬ１〜Ｌ４が配線される。

上記セル電圧測定装置１０は、一つの差動増幅器で４個のセル電圧をセンシングすることができるようにセル電圧センシングラインＬ１〜Ｌ４が配線されている。したがって、偶数番目のセルの電圧を測定するときには、浮動キャパシタＣの両端電圧を反転させなければならない。このために、上記セル電圧測定回路２０は、内部に極性反転回路を含んでいるが、これは、セル電圧測定装置１０の回路構造を複雑にする主な原因になる。また、一つの差動増幅器で多数のセル電圧をセンシングするので、高電位が差動増幅器に印加される問題がある。従って、高い電位に耐え得る耐久性の高い素子で差動増幅器を具現しなければならない。しかし、耐久性の高い素子は高価であるのでセル電圧測定装置の製造コストを増加させる問題を引き起こす。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために創案されたものであって、差動増幅器及び極性反転回路を使わずに直列に連結された多数のセル電圧をグループごとに測定することができる装置及び方法、そして上記装置を含むバッテリーパック駆動装置及びバッテリーパックを提供することにその目的がある。

上記技術的課題を達成するためのバッテリーパックのセル電圧測定装置は、バッテリーパックのセルグループとグループごとに対応し、対応するセルグループから基準電位の印加を受けて上記基準電位を基準にしてセルグループに属した各セルの電圧信号を出力する多数のマルチプレクサ；各セルグループに含まれた多数のセルにそれぞれ対応して各セルの電圧をサンプリングした後ホールドする多数の浮動キャパシタ；各セルの電圧を該当のセルに対応する浮動キャパシタにサンプリング及びホールドさせるスイッチング手段；及び各セルグループごとに上記スイッチング手段を制御して各セルの電圧を対応する浮動キャパシタにサンプリング及びホールドした後、各マルチプレクサを制御してマルチプレクサと連結されたセルグループに対応する各浮動キャパシタにホールドされたセル電圧をセンシングする制御部；を含む。

望ましくは、上記それぞれのマルチプレクサは、対応するセルグループから基準電位の印加を受ける基準電位入力端子を備えることができる。

望ましくは、上記マルチプレクサは、上記基準電位を基準にして各浮動キャパシタの両端子の電圧差を対応する各セルの電圧信号として出力する。

望ましくは、上記マルチプレクサは、上記浮動キャパシタにホールドされたセル電圧を出力するバッファーを含む。本発明において、上記バッファーはＯＰ‐Ａｍｐで構成することができる。

望ましくは、本発明による装置は、上記各マルチプレクサを通じて出力されるセル電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄコンバータをさらに含み、上記Ａ／Ｄコンバータは、各マルチプレクサから出力されるセル電圧信号の入力を受けてデジタル電圧信号に変換して制御部に出力する。

本発明において、上記スイッチング手段は、各浮動キャパシタの低電位端子とセルのアノード端子とを連結または解除させる第１スイッチ；及び各浮動キャパシタの高電位端子とセルのカソード端子、そして第１スイッチの一端とセル電圧センシングラインを連結または解除させる第２スイッチ；を含むことができる。

本発明によれば、上記制御部は、各セルグループごとに第１スイッチをターンオンさせた状態で第２スイッチを同時にまたは順序に従ってターンオンさせて各浮動キャパシタにセルの電圧をサンプリングする。また、上記制御部は、各セルグループごとに該当のセルグループに属した浮動キャパシタにセルの電圧をサンプリングさせた状態で第１スイッチと第２スイッチとをすべてターンオフさせて各浮動キャパシタにセルの電圧をホールドする。

本発明において、上記制御部は、各セルグループに対するセル電圧のサンプリング及びホールド過程を同時にまたは順序に従って行う。

望ましくは、上記基準電位は、対応するセルグループの最低電位であり得る。

上記技術的課題は、本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定装置を含むバッテリー管理システム、バッテリーパック駆動装置及びバッテリーパックによって達成可能である。

上記技術的課題を達成するための本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定方法は、（ａ）バッテリーパックに含まれた各セルグループに対して各セルの電圧を各セルごとに対応する浮動キャパシタにサンプリングした後ホールドするステップ；（ｂ）上記セルグループとグループごとに対応するように連結された多数のマルチプレクサを順序に従って選択するステップ；及び（ｃ）上記選択されたマルチプレクサと連結されたセルグループの浮動キャパシタにホールドされたセル電圧を対応するセルグループから印加された基準電位を基準にしてセンシングするステップ；を含む。

本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
従来技術によるバッテリーセル電圧測定装置の回路構成図である。本発明の望ましい実施例によるバッテリーパックのセル電圧測定装置の構成を示す回路構成図である。本発明の望ましい実施例によるバッテリーパックのセル電圧測定方法の順序を示すフローチャートである。

以下、添付した図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想のすべてを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

図２は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーパックのセル電圧測定装置の構成を示す回路構成図である。

図２を参照すれば、本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定装置１００は、直列に連結された多数のセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）を含むバッテリーパック１１０において所定個数（４個のセル）でグルーピングした第１セルグループ（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４：Ｍ１）ないし第ｎセルグループ（ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４：Ｍｎ）と、各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に対してそれぞれ備えられるマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）と、各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に含まれた多数のセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）にそれぞれ対応するように設けられて各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）の電圧がサンプリング及びホールドされる多数の浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）と、上記浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にセルの電圧がサンプリング及びホールドされるように選択的に連結するスイッチング手段（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４、Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４、…、ＭｎＳ１‐１〜ＭｎＳ１‐４、ＭｎＳ２‐１〜ＭｎＳ２‐４：１２０）と、各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）ごとに上記スイッチング手段１２０を制御して各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）の電圧を対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にサンプリング及びホールドした後、所定順序に従ってマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を選択し、選択されたマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）と連結されたセルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に属した各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にホールドされたセルの電圧を測定する制御部１４０とを含む。

上記制御部１４０とマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）との間には、各マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）から出力される、該当するセルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に属した浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にホールドされたセル電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１３０が選択的に備えられ得る。このような場合、上記制御部１４０には、上記Ａ／Ｄコンバータ１３０を通じて各浮動キャパシタにホールドされたセル電圧が順次印加される。

上記スイッチング手段１２０は、各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）の低電位端子とセルのアノード端子とを連結または解除させる第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４、…、ＭｎＳ１‐１〜ＭｎＳ１‐４）と、各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）の高電位端子とセル電圧センシングライン（Ｌ）、そして第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４、…、ＭｎＳ１‐１〜ＭｎＳ１‐４）の一端とセル電圧センシングライン（Ｌ）とを連結または解除させる第２スイッチ（Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４、…、ＭｎＳ２‐１〜ＭｎＳ２‐４）とを含む。

本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定装置１００が各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）の電圧を測定する過程を、第１セルグループ（Ｍ１）に該当するセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）の電圧を測定する過程を中心にして説明すれば以下のようである。

まず、上記制御部１４０は、第１セルグループ（Ｍ１）の第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４）をターンオンさせて各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）の低電位端子とセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）のアノード端子とを相互連結し、第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４）がターンオンされた状態で第２スイッチ（Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４）をターンオンさせて各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）の高電位端子とセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）のカソード端子とを相互連結する。このとき、第２スイッチ（Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４）は同時にまたは順序に従ってターンオンされ得る。そうすれば、各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）のカソード及びアノード端子と該当の浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）の低電位及び高電位端子が電気的に連結されて各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）の電位が該当の浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）にそれぞれ充電されてサンプリングされる。例えば、各セルの電圧を４Ｖとするとき、第１番セル（Ｍ１Ｂ１）に対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１）には低電位端子に０Ｖの電位が、高電位端子に４Ｖの電位が印加されるので浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１）には電位差４Ｖに該当する充電電圧が充電され、第２番セル（Ｍ１B２）に対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ２）には低電位端子に４Ｖの電位が、高電位端子に８Ｖの電位が印加されるので浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ２）には電位差４Ｖに該当する充電電圧が充電され、第３番セル（Ｍ１Ｂ３）に対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ３）には低電位端子に８Ｖの電位が、高電位端子に１２Ｖの電位が印加されるので浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ３）には電位差が４Ｖに該当する充電電圧が充電され、第４番セル（Ｍ１Ｂ４）に対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ４）には低電位端子に１２Ｖの電位が、高電位端子に１６Ｖの電位が印加されるので浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ４）には電位差４Ｖに該当する充電電圧が充電されてサンプリングされる。

それから、制御部１４０は、第１セルグループ（Ｍ１）に属した浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）にセル電圧をサンプリングさせた状態で第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４）と第２スイッチ（Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４）とをすべてターンオフさせて、各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）のカソード及びアノード端子と該当の浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）の低電位及び高電位端子間の連結を解除する。そうすれば、各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）は、対応するセル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）及び隣接する浮動キャパシタと互いに分離されてサンプリングされたセル電圧がホールドされる。

上記各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）の電圧が浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にサンプリング及びホールドされる過程は、全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に対して同時に行うこともでき、順序に従って個別セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）ごとに順次行うこともできる。

上記過程を経て各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）に対応する各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）の電圧がサンプリング及びホールドされれば、上記制御部１４０は所定順序に従ってマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を選択する。

それから、上記制御部１４０は、選択されたマルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を制御してセルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に属した各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にホールドされたセル電圧をセンシングする。このために、上記マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）は浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にホールドされたセル電圧を出力するバッファー（図示せず）を含む。

上記バッファーは、対応するセルグループから基準電位の印加を受け、上記基準電位を基準にして浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）の低電位端子と高電位端子との間にホールドされたセル電圧をセンシングして出力する。望ましくは、上記基準電位は、対応するセルグループの最低電位であり得る。しかし、本発明がこれに限定されるのではない。具体的に、上記バッファーは、浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）の低電位端子と基準電位（ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿１}〜ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿ｎ}）とを連結し、基準電位（ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿１}〜ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿ｎ}）を基準にして各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）の両端子の電圧差を検出してセル電圧信号を出力する。ここで、上記基準電位（ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿１}〜ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿ｎ}）はマルチプレクサの基準電位入力端子に設定され、上記基準電位入力端子には対応するセルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に含まれたセル端子電位の中で何れか一つの電位、望ましくは最低電位、すなわち、セルグループで最も電位が低いセルのアノード端子電位に該当する電圧が印加される。したがって、上記バッファーは、差動増幅器ではなく、通常のＯＰＡｍｐで構成して各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）のセル電圧を直接的にセンシングすることが可能である。例えば、最下位にあるマルチプレクサ（ＭＵＸ１）に含まれたバッファーは、基準電位（ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿１}）を基準にして各キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）に充電されている充電電荷量に対応する充電電圧を順次または同時に検出して各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）の電圧信号を出力する。このようなセル電圧測定方式は、上位のマルチプレクサ（ＭＵＸ２〜ＭＵＸｎ）にも同様に適用され、基準電位のみがＧＮＤ_{ｒｅｆ＿２}〜ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿ｎ}に変更される。

上記Ａ／Ｄコンバータ１３０は、上記マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）から出力された各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）のアナログ電圧信号を所定ビート数のデジタル電圧信号に変換して制御部１４０側に出力する。

これによって、上記制御部１４０は、上記Ａ／Ｄコンバータ１３０側から出力される各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）のデジタル電圧信号をメモリ（図示せず）に貯蔵して各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）に対するセル電圧測定過程を完了する。上記制御部１４０は、測定された各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４、…、ＭｎＢ１〜ＭｎＢ４）のデジタル電圧信号を利用して各セルの充放電動作を制御するか、過充電防止や過放電防止のような各種のバッテリー保護動作を行うことができる。

上述した動作を行う制御部１４０は、本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定方法をプログラム化したコードを実行することができるマイクロプロセッサーとして構成することもでき、本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定方法の制御フローを論理回路で具現した半導体チップとしても構成することができるが、本発明がこれに限定されるのではない。

一方、上述した本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定装置はバッテリーパックから電源供給を受けるバッテリーパック駆動装置に結合されて使われ得る。

一例として、本発明は、ノートＰＣ、携帯電話、個人用ポータブルマルチメディアプレイヤーのようにバッテリーから駆動電圧供給を受ける各種の電子製品に含まれて使用され得る。

他の例として、本発明は、化石燃料自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車のようにバッテリーが搭載された各種の動力装置に結合されて使用され得る。

ひいては、本発明によるバッテリーパックのセル電圧測定装置は、ＰＣＢ回路または注文型半導体回路（ＡＳＩＣ）にモジュール化してバッテリーパック内に搭載できるのは本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に自明である。

図３は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーパックのセル電圧測定方法の順序を示すフローチャートである。

以下、図３を参照しながら本発明の望ましい実施例によるバッテリーパックのセル電圧測定方法を詳しく説明する。

まず、ステップ（Ｓ１０）において、制御部１４０は、セル電圧測定周期が到来したか否かを判断する。ここで、セル電圧測定周期は任意に設定可能である。

ステップ（Ｓ２０）は、セル電圧測定周期が到来した場合行うステップであって、制御部１４０は、各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）ごとに浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にセル電圧をサンプリングするために各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に対してセルグループインデックスｋを付与し、セルグループインデックスｋの値を１に初期化させる。

ステップ（Ｓ３０）において、制御部１４０は、ｋ番目セルグループの第１スイッチ（ＭｋＳ１‐１〜ＭｋＳ１‐４）をターンオンさせた状態で第２スイッチ（ＭｋＳ２‐１〜ＭｋＳ２‐４）を同時にまたは予め定められた順序に従ってターンオンさせて各浮動キャパシタ（ＭｋＣ１〜ＭｋＣ４）に対応するセル（ＭｋＢ１〜ＭｋＢ４）の電圧をサンプリングする。現在、ｋが１に初期化されているので、ステップ（Ｓ３０）は一番目セルグループ（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）の各セル電圧を対応する浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）にサンプリングするステップとして見られる。

ステップ（Ｓ４０）において、制御部１４０は、セルグループインデックスｋが全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）の総数と同一であるか否かを判断する。

ステップ（Ｓ４５）は、セルグループインデックスｋが全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）の総数と同一でない場合行うステップであって、制御部１４０は、ステップ（Ｓ４５）でセルグループインデックスｋを１増加させた状態でプロセスをステップ（Ｓ３０）に進ませる。それから、セルグループインデックスｋが全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）の総数と同一になるまでステップ（Ｓ３０）、ステップ（Ｓ４０）及びステップ（Ｓ４５）を繰り返し行うことで全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）のすべての浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にセル電圧をサンプリングする。すなわち、セルグループの個数をｎとするとき、上記制御部１４０は、ステップ（Ｓ３０）、ステップ（Ｓ４０）及びステップ（Ｓ４５）を繰り返して行いながら二番目セルグループからｎ番目セルグループまで各セル電圧を対応する浮動キャパシタにサンプリングする。

一方、上述した実施例では、浮動キャパシタにセル電圧をサンプリングする過程を各セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）ごとに順次行った。しかし、すべてのセルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）に対してセル電圧サンプリング過程を同時に行うこともできることは当業者に自明である。

ステップ（Ｓ５０）は、セルグループインデックスｋが全体セルグループ（Ｍ１、…、Ｍｎ）の総数と同一になった場合行うステップであって、制御部１４０は、上記第１スイッチ（Ｍ１Ｓ１‐１〜Ｍ１Ｓ１‐４、…、ＭｎＳ１‐１〜ＭｎＳ１‐４）と第２スイッチ（Ｍ１Ｓ２‐１〜Ｍ１Ｓ２‐４、…、ＭｎＳ２‐１〜ＭｎＳ２‐４）とをすべてターンオフさせて各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にセル電圧をホールドする。

次いで、ステップ（Ｓ６０）において、制御部１４０は、各マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を通じて各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４、…、ＭｎＣ１〜ＭｎＣ４）にホールドされたセル電圧を順次センシングするために各マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）に対してマルチプレクサインデックスｍを付与し、マルチプレクサインデックスｍの値を１に初期化させる。

ステップ（Ｓ７０）において、制御部１４０は、ｍ番目マルチプレクサ（ＭＵＸｍ）を制御してｍ番目マルチプレクサ（ＭＵＸｍ）と連結された各浮動キャパシタ（ＭｍＣ１〜ＭｍＣ４）にホールドされたセル電圧をＡ／Ｄコンバータ１３０を通じて所定ビート数のデジタル電圧信号に順次センシングしてメモリに貯蔵する。現在、マルチプレクサインデックスｍが１に初期化されているので、ステップ（Ｓ７０）において制御部１４０は一番目マルチプレクサ（ＭＵＸ１）を通じて各浮動キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）にホールドされたセル電圧がアナログ電圧信号として入力される。このために、上記マルチプレクサ（ＭＵＸ１）に含まれたバッファーは、基準電位（ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿１}）を基準にして各キャパシタ（Ｍ１Ｃ１〜Ｍ１Ｃ４）に充電されている充電電荷量に対応する充電電圧を順次または同時にセンシングして各セル（Ｍ１Ｂ１〜Ｍ１Ｂ４）電圧に対応するアナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ１３０側に出力する。このようなセル電圧測定方式は上位のマルチプレクサ（ＭＵＸ２〜ＭＵＸｎ）にも同様に適用され、基準電位のみがＧＮＤ_{ｒｅｆ＿２}〜ＧＮＤ_{ｒｅｆ＿ｎ}に変更される。ステップ（Ｓ８０）において、制御部１４０は、マルチプレクサインデックスｍが全体マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）の総数と同一であるか否かを判断する。

ステップ（Ｓ８５）は、マルチプレクサインデックスｍが全体マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）の総数と同一でない場合行うステップであって、制御部１４０は、マルチプレクサインデックスｍを１増加させた状態でプロセスをステップ（Ｓ７０）に進ませる。それから、制御部１４０は、マルチプレクサインデックスｍが全体マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）の総数と同一になるまでステップ（Ｓ７０）、ステップ（Ｓ８０）及びステップ（Ｓ８５）を繰り返し行うことですべてのセル電圧をセンシングしてメモリに貯蔵する。すなわち、マルチプレクサの数がｎであるとき、上記制御部１４０は、ステップ（Ｓ７０）、ステップ（Ｓ８０）及びステップ（Ｓ８５）を繰り返して行いながら二番目マルチプレクサからｎ番目マルチプレクサまでマルチプレクサを順次選択しながら浮動キャパシタに充電されたセル電圧をセンシングしてメモリに貯蔵する。一方、上記ステップ（Ｓ６０）ないしステップ（Ｓ８５）において、制御部１４０は、マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を通じてセル電圧をセンシングするとき各マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）ごとに順次セル電圧をセンシングした。しかし、制御部１４０は、全体マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）を同時に制御して各マルチプレクサ（ＭＵＸ１、…、ＭＵＸｎ）に属した同一の順番のセル電圧を同時にセンシングできることは当業者に自明である。ステップ（Ｓ９０）において、制御部１４０は、バッテリーパックのセル電圧測定を続けるか否かを判断する。セル電圧測定はバッテリーが使用中であれば続けることができる。もし、セル電圧測定を続けようとする場合、制御部１４０は、プロセスをステップ（Ｓ１０）に進ませて次の測定週期のセル電圧測定過程に進む。逆に、セル電圧測定を中断しようとする場合、制御部１４０は、セル電圧測定プロセスを終了する。

図面に示さなかったが、上記制御部１４０は、メモリに貯蔵された各セルの電圧値を参照して各セルの充放電制御を行うか、過充電防止や過放電防止のようなバッテリーの保護動作を行うことができることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に自明である。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。

本発明によれば、バッテリーパックに含まれた多数のセルに対する電圧を測定するにあたって、差動増幅器及び極性反転回路を使わずにセル電圧を直接測定することが可能であることから、セル電圧測定装置の回路構成を単純化させることができる。また、多数のセルをグルーピングしてセル電圧を測定することで、セル電圧測定の効率性を向上させることができる。

Claims

バッテリーパックのセルグループとグループごとに対応し、セルグループに属した各セルの電圧信号を出力する多数のマルチプレクサと、
各セルグループに含まれた多数のセルにそれぞれ対応して各セルの電圧をサンプリングした後ホールドする多数の浮動キャパシタと、
各セルの電圧を該当のセルに対応する浮動キャパシタにサンプリング及びホールドさせるスイッチング手段と、及び
各セルグループごとに前記スイッチング手段を制御して各セルの電圧を対応する浮動キャパシタにサンプリング及びホールドした後、各マルチプレクサを制御してマルチプレクサと連結されたセルグループに対応する各浮動キャパシタにホールドされたセル電圧をセンシングする制御部とを備えてなり、
前記スイッチング手段が、
各浮動キャパシタの低電位端子とセルのアノード端子と、及び隣接する浮動キャパシタ間を連結または解除させる第１スイッチと、並びに
各浮動キャパシタの高電位端子とセルのカソード端子と、及び第１スイッチの一端とセル電圧センシングラインを連結または解除させる第２スイッチとを備えてなり、
前記マルチプレクサが、対応するセルグループから基準電位の印加を受けて前記基準電位を基準にして、各浮動キャパシタの高電位端子と連結されて各浮動キャパシタの両端子の電圧差を対応する各セルの電圧信号として出力することを特徴とする、バッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記それぞれのマルチプレクサが、対応するセルグループから基準電位の印加を受ける基準電位入力端子を備えることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記マルチプレクサが、前記浮動キャパシタにホールドされたセル電圧を出力するバッファーを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記バッファーが、ＯＰ‐Ａｍｐで構成されることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記各マルチプレクサを通じて出力されるセル電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄコンバータをさらに備えてなり、
前記Ａ／Ｄコンバータが、各マルチプレクサから出力されるセル電圧信号の入力を受けてデジタル電圧信号に変換して制御部に出力することを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記制御部が、各セルグループごとに第１スイッチをターンオンさせた状態で第２スイッチを同時にまたは順序に従ってターンオンさせて各浮動キャパシタにセルの電圧をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記制御部が、各セルグループごとに該当のセルグループに属した浮動キャパシタにセルの電圧をサンプリングさせた状態で第１スイッチと第２スイッチとをすべてターンオフさせて各浮動キャパシタにセルの電圧をホールドすることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記制御部が、各セルグループに対するセル電圧のサンプリング及びホールド過程を同時にまたは順序に従って行うことを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
前記基準電位が、対応するセルグループの最低電位であることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置。
請求項１〜９の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置を備えなる、バッテリー管理システム。
請求項１〜９の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置を備えてなる、バッテリーパック駆動装置。
請求項１〜９の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定装置を備えてなる、バッテリーパック。
（ａ）バッテリーパックに含まれたセルグループに対し、各セルグループに含まれた多数のセルにそれぞれ対応する浮動キャパシタの低電位端子とセルのアノード端子と、及び隣接する浮動キャパシタ間を連結または解除させ、
浮動キャパシタの高電位端子とセルのカソード端子と、及び隣接する浮動キャパシタとセル電圧センシングラインを連結または解除させて各セルの電圧を該当セルに対応する浮動キャパシタにサンプリングした後ホールドするステップと、
（ｂ）前記セルグループとグループごとに対応するように連結された多数のマルチプレクサを順序に従って選択するステップと、及び
（ｃ）前記選択されたマルチプレクサと連結されたセルグループの浮動キャパシタにホールドされたセル電圧をセンシングするステップとを含んでなり、
前記（ｃ）ステップにおいて、前記選択されたマルチプレクサが、対応するセルグループから基準電位の印加を受けて前記基準電位を基準にして、各浮動キャパシタの高電位端子と連結されて、各浮動キャパシタの両端子の電圧差を対応する各セルの電圧信号として出力することを特徴とする、バッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記（ａ）ステップが、
各セルグループごとに各浮動キャパシタの低電位端子と対応するセルのアノード端子と、隣接する浮動キャパシタ間を連結させた状態で浮動キャパシタの高電位端子と対応するセルのカソード端子と、及び隣接する浮動キャパシタとセル電圧センシングラインを連結させて各セル電圧を対応する浮動キャパシタにサンプリングするステップと、及び
各セルグループごとに各浮動キャパシタの低電位端子及び高電位端子と対応するセルのアノード端子及びカソード端子、並びに隣接する浮動キャパシタ間の連結を全て解除させて各セル電圧を対応する浮動キャパシタにホールドするステップとを含んでなることを特徴とする、請求項１３に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記セル電圧のサンプリングステップが、セルグループに属した多数のセルに対して同時にまたは順序に従って行うことを特徴とする、請求項１４に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記セル電圧のホールドステップが、セルグループに属した多数のセルに対して同時にまたは順序に従って行うことを特徴とする、請求項１４に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記（ｃ）ステップが、
順序に従ってマルチプレクサを選択し、選択されたマルチプレクサと連結された多数のセル電圧をセンシングするステップであることを特徴とする、請求項１４〜１６の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記（ｃ）ステップが、
前記マルチプレクサから出力されたセル電圧信号を受信してデジタル電圧信号に変換するステップと、及び
前記変換されたデジタル電圧信号の入力を受けてメモリに貯蔵するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４〜１７の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。
前記基準電位が、対応するセルグループの最低電位であることを特徴とする、請求項１４〜１８の何れか一項に記載のバッテリーパックのセル電圧測定方法。