JP5469909B2 - 車両用電池制御システム - Google Patents

Description

本発明は、車両用電池制御システムに関する。

近年、バッテリーを使用したハイブリッドシステム搭載車や電気自動車など、走行時にバッテリーコントローラからの入出力可能電力情報を駆動に利用するシステムの開発及び商品化が進んでいる。これらの車両は、バッテリーコントローラからの充電状態や入出力可能電力などの情報を基に、バッテリーを使用している。バッテリーの充電状態や入出力可能電力の計算には、電圧センサなどの各種センサから入力された情報を基に行われている。

特開２００３−２４３０４４号公報

ところで、これらセンサ情報の出力は、車両構成及びバッテリーコントローラの動作状態によって結果が異なってくる場合がある。例えば、バッテリーとインバータとの間にはリレー回路が設けられているが、電圧センサをリレー回路とインバータとの間の電力ラインに配置した場合には、リレー回路が開いた状態ではバッテリーの電圧を計測できなかったり、インバータ側に設けられた平滑コンデンサの影響で正しい電圧が計測できなかったりするという問題があった。

請求項１の発明による車両用電池制御システムは、電気的に直列に接続された複数の単電池を備え、開閉器を介してインバータ装置に電気的に接続されるバッテリーモジュールと、複数の単電池の各電圧を検出するセルコントローラと、開閉器とインバータ装置との間の正負極間の電圧を計測する電圧センサと、バッテリーモジュールの電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力するバッテリーコントロールユニットと、を備え、開閉器はメイン開閉器及びサブ開閉器を有し、バッテリーコントロールユニットは、電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力するモードとして、第１乃至第３のモードを有すると共に、第１乃至第３のモードのいずれかに切り替え、切り替えられたモードに応じて、電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力しており、バッテリーコントロールユニットの起動時であり、メイン開閉器が開状態である第１のモードに切り替えると、セルコントローラによって検出された複数の単電池の電圧の合計値をバッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力し、メイン開閉器が閉状態である第２のモードに切り替えると、電圧センサによって計測された電圧をバッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力し、メイン開閉器が閉状態から開状態になり、バッテリーコントロールユニットの使用が停止される第３のモードに切り替えると、セルコントローラによって検出された複数の単電池の電圧の合計値をバッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力する、ことを特徴とする。

本発明によれば、開閉器が開状態のときであっても電池状態を精度良く算出することができ、車両用電池制御システムの信頼性向上を図ることができる。

本実施の形態による車両用電池制御システムを示す図である。 装置起動から停止までの充電状態の変化を模式的に示したものであり、（ａ）は従来の場合を、（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。 モード切り換えの動作を説明するフローチャートである。 集積回路ＩＣを詳細に示すブロック図である。 診断動作および計測動作に関係する回路を説明する図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態による車両用電池制御システムを示す図である。図１に示す駆動システムは、バッテリー制御システム１１、バッテリー制御システム１１からの直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置３および車両駆動用のモータ２３０を備えている。モータ２３０は、インバータ装置３からの３相交流電力により駆動される。

インバータ装置３は、パワーモジュール２２６と、ＭＣＵ２２２と、パワーモジュール２２６を駆動するためのドライバ回路２２４および平滑コンデンサ２２８を備えている。
パワーモジュール２２６は、バッテリー制御システム１１から供給される直流電力を、モータ２３０を駆動するための３相交流電力に変換する。パワーモジュール２２６に接続される強電ラインＨＶ＋，ＨＶ−間に設けられた平滑コンデンサ２２８は、バッテリー制御システム１１に設けられた後述する集積回路に加わる電圧ノイズを低減する働きをするもので、例えば、約７００μＦ〜約２０００μＦ程度の大容量のコンデンサが用いられる。

バッテリー制御システム１１は、直列接続された複数の単電池ＢＣから成るバッテリーモジュール６，８と、バッテリーモジュール６，８を制御するバッテリーコントロールユニット（以下では、ＢＣＵと称する）１と、電流センサ２と、電圧センサ１０、セルコントローラ１２，１３、メインリレー４，９およびサブリレー５を備えている。

各バッテリーモジュール６，８に設けられた複数の単電池ＢＣはそれぞれ複数の電池グループに分けられており、セルコントローラ１２，１３には、それらの電池グループに対応して複数の集積回路（ＩＣ）が設けられている。各集積回路は、主に単電池ＢＣの電圧測定や、単電池ＢＣの充電量ばらつきを均一化するための容量調整などを行っている。バッテリーモジュール６，８は、スイッチとヒューズとが直列接続された保守・点検用のサービスディスコネクトＳＤを介して直列接続されている。

各集積回路とＢＣＵ１との間には、デイジーチェーン方式のシリアル通信系６０２と１ビット通信系６０４とが設けられている。通信系６０２においては、ＢＣＵ１から各集積回路へ電圧測定や容量調整などを要求するコマンドが送信され、各集積回路からＢＣＵ１へは要求に応じて測定電圧などが送信される。１ビット通信系６０４においては、単電池ＢＣが過充電状態であることを報知する過充電検知情報が、集積回路からＢＣＵ１へ送信される。通信系６０２，６０４には、フォトカプラ等の絶縁素子ＰＨが設けられている。

ＢＣＵ１は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの通信方式により、インバータ装置３との間で命令およびデータの受け渡しを行う。インバータ装置３は、上位のコントローラである車両側のコントローラとＣＡＮ通信を行っており、モータ２３０に関する駆動指令や車両状態に関する情報を車両側コントローラ（不図示）から受信する。バッテリー制御システム１１は、インバータ３から１２Ｖ電源がＢＣＵ１に印加されることで、ＢＣＵ１を始めとする周辺回路が動作を開始する。

バッテリーモジュール６，８とインバータ装置３との間の強電ラインＨＶ＋，ＨＶ−には、メインリレー４，９が設けられている。メインリレー４には、サブリレー５と抵抗７との直列回路が並列に接続されている。電流センサ２は強電系の電流を計測し、その計測結果をＢＣＵ１へ送る。電圧センサ１０は、メインリレー４，９とインバータ装置３との間における強電ラインＨＶ＋，ＨＶ−間の電圧、すなわち、バッテリーモジュール６，８に設けられた複数の単電池ＢＣの総電圧を計測し、その計測結果をＢＣＵ１へ送る。ＢＣＵ１は、電流センサ２及び電圧センサ１０などからの情報に基づき電池状態（充電状態や入出力可能電力など）の計算を行い、通信により計算結果をインバータ３へ通知する。

インバータ装置３は、モータ２３０の回転子に対するパワーモジュール２２６により発生する交流電力の位相を制御して、車両制動時にはモータ２３０をジェネレータとして動作させる。すなわち回生制動制御を行い、ジェネレータ運転により発電された電力を電池モジュール６，８に回生して電池モジュール６，８を充電する。電池モジュール６，８の充電状態が基準状態より低下した場合には、インバータ装置３はモータ２３０を発電機として運転する。モータ２３０で発電された３相交流電力は、パワーモジュール２２６により直流電力に変換されて電池モジュール６，８に供給される。その結果、電池モジュール６，８は充電される。

インバータ装置３の動作開始状態では平滑コンデンサ２２８の電荷は略ゼロであり、メインリレー４，９を閉じると大きな初期電流が平滑コンデンサ２２８へ流れ込む。そのため、この大電流によりメインリレー４が融着するおそれがある。そこで、この問題を解決するために、インバータ３からＢＣＵ１に対して高電圧出力要求が発行されると、まず、サブリレー５およびメインリレー９を閉じて、平滑コンデンサ２２８をプリチャージする。メインリレー４が開放状態であっても平滑コンデンサ２２８の電圧は電圧センサ１０で計測することができるので、計測された電圧が電池モジュール６，８の８０〜９０％程度まで上昇したならば、メインリレー４を投入しサブリレー５を開放する。

このようなリレー動作を行うことで、リレー回路を保護すると共に、単電池ＢＣやインバータ装置３を流れる最大電流を所定値以下に低減でき、高い安全性を維持できる。ＢＣＵ１は、メインリレー４を投入したところで、インバータ３に対してリレー投入完了の通知をする。また、ＢＣＵ１は、インバータ３からバッテリー使用停止命令を受け取ると、メインリレー４，９を開放してインバータ３への高電圧の供給を停止する。

〈集積回路〉
図４は、セルコントローラ１２，１３に設けられた集積回路の一例を示す電子回路のブロック図である。図４に示す集積回路ＩＣは、セルコントローラ１２の最上位の集積回路ＩＣを示したものであるが、その他の集積回路ＩＣもそれぞれ同一の構造となっている。電池モジュール６に設けられた複数の単電池ＢＣは、セルコントローラ１２に設けられた複数の集積回路ＩＣに対応した複数のセルグループＧＢ１，ＧＢ２，・・・にグループ化されている。図４では、集積回路ＩＣにはセルグループＧＢ１を構成する４つの単電池ＢＣ１〜ＢＣ４が接続されている。

集積回路ＩＣの入力側端子Ｖ１〜Ｖ４およびＧＮＤ端子は、セルグループＧＢ１を構成する単電池ＢＣ１からＢＣ４に接続されている。単電池ＢＣ１の正極端子は、入力端子Ｖ１を介して入力回路１１６に接続されている。この入力回路１１６は、マルチプレクサを含む。単電池ＢＣ１の負極端子であって単電池ＢＣ２の正極端子は入力端子Ｖ２を介して、単電池ＢＣ２の負極端子であって単電池ＢＣ３の正極端子は入力端子Ｖ３を介して、単電池ＢＣ３の負極端子であって単電池ＢＣ４の正極端子は入力端子Ｖ４を介して、それぞれ入力回路１１６に接続されている。単電池ＢＣ４の負極端子は、集積回路ＩＣのＧＮＤ端子に接続されている。

電源回路１２１は、たとえばＤＣ／ＤＣコンバータ等で構成され、各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４からの電力を所定の定電圧に変換し、これらの電圧は集積回路ＩＣ内の各回路に駆動電源として供給され、あるいは状態を判断するために比較回路に比較基準電圧として供給される。

電圧検出回路１２２は、各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４のそれぞれの端子間電圧をデジタル値に変換する回路を有しており、デジタル値に変換された各端子間電圧はＩＣ制御回路１２３に送られ、内部の記憶回路１２５に保持される。これらの電圧は診断などに利用されたり、図１に示すＢＣＵ１に通信回路１２７から送信されたりする。

ＩＣ制御回路１２３は、演算機能を有すると共に、記憶回路１２５、電源管理回路１２４、各種電圧の検知や状態診断を周期的に行うタイミング制御回路２５２を有している。タイミング制御回路２５２は、集積回路ＩＣ全体の動作を管理する制御信号（タイミング信号）を発生するステージカウンタを備えている。記憶回路１２５は、例えばレジスタ回路で構成されており、電圧検出回路１２２で検出した各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４の各端子間電圧を各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４に対応づけて記憶し、また、その他の検出値を、予め定められたアドレスに読出し可能に保持する。電源管理回路１２４は電源回路１２１における状態を管理するように構成されている。

ＩＣ制御回路１２３には、通信回路１２７が接続され、この通信回路１２７を介して当該集積回路ＩＣの外部から信号を受信できる。例えば、ＢＣＵ１からの通信コマンドを、フォトカプラＰＨを介してＲＸ端子で受信する。通信コマンドは通信回路１２７からＩＣ制御回路１２３に送られ、ここで通信コマンドの内容が解読され、通信コマンド内容に応じた処理が行われる。例えば通信コマンドは、各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４の端子間電圧の計測値を要求する通信コマンド、各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４の充電状態を調整するための放電動作を要求する通信コマンド、当該集積回路ＩＣの動作を開始する通信コマンド（Ｗａｋｅ ＵＰ）、動作を停止する通信コマンド（スリープ）、アドレス設定を要求する通信コマンド、等を含んでいる。

抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、各単電池ＢＣ１〜ＢＣ４のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を個別に調整するための充電状態調整用抵抗である。単電池ＢＣ１の正極端子は、抵抗Ｒ１を介して集積回路ＩＣの端子Ｂ１に接続されている。この端子Ｂ１と端子Ｖ２との間にはバランシングスイッチ１２９Ａが設けられている。バランシングスイッチ１２９Ａには、このスイッチの動作状態を検出するための動作状態検出回路１２８Ａが並列接続されている。このバランシングスイッチ１２９Ａは放電制御回路１３２によって開閉が制御される。同様に、単電池ＢＣ２の正極端子は抵抗Ｒ２を介して端子Ｂ２に接続され、この端子Ｂ２と端子Ｖ３との間にはバランシングスイッチ１２９Ｂが設けられている。バランシングスイッチ１２９Ｂには、このスイッチの動作状態を検出するための動作状態検出回路１２８Ｂが並列接続されている。このバランシングスイッチ１２９Ａは放電制御回路１３２によって開閉が制御される。

単電池ＢＣ３の正極端子は抵抗Ｒ３を介して端子Ｂ３に接続され、この端子Ｂ３と端子Ｖ４との間にはバランシングスイッチ１２９Ｃが設けられている。バランシングスイッチ１２９Ｃには、このスイッチの動作状態を検出するための動作状態検出回路１２８Ｃが並列接続されている。このバランシングスイッチ１２９Ｃは放電制御回路１３２によって開閉制御される。単電池ＢＣ４の正極端子は抵抗Ｒ４を介して端子Ｂ４に接続され、この端子Ｂ４と端子ＧＮＤとの間にはバランシングスイッチ１２９Ｄが設けられている。バランシングスイッチ１２９Ｄには、このスイッチの動作状態を検出するための動作状態検出回路１２８Ｄが並列接続されている。このバランシングスイッチ１２９Ｃは放電制御回路１３２によって開閉が制御される。

動作状態検出回路１２８Ａ〜１２８Ｄは、それぞれ各バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの両端電圧を所定周期で繰り返し検出し、各バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄが正常であるかどうかを検出する。バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄは単電池ＢＣ１〜単電池ＢＣ４の充電状態を調整するスイッチで、これらスイッチが異常の場合、単電池の充電状態を制御できなくなり、一部の単電池が過充電あるいは過放電になる恐れがある。各バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの異常検出は、例えば、あるバランシングスイッチが導通している状態にも拘わらず、対応するバランシングスイッチの端子間電圧が単電池の端子電圧を示す場合である。この場合は、バランシングスイッチが制御信号に基づく導通状態になっていないこととなる。一方、あるバランシングスイッチが開放状態であるにも拘わらず、対応するバランシングスイッチの端子間電圧が単電池の端子電圧に比べて低い値である場合、この場合は、バランシングスイッチは制御信号に関係なく導通していることとなる。これらスイッチの動作状態検出回路１２８Ａ〜１２８Ｄとしては、差動アンプ等で構成される電圧検出回路が用いられ、後述の異常判断回路１３１で上記判断を行う所定電圧と比較される。

バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄは、たとえばＭＯＳ型ＦＥＴで構成され、それぞれ対応する単電池ＢＣ１〜ＢＣ４に蓄積された電力を放電させる作用をする。多数の単電池が直列接続されている電池モジュール６，８に対してインバータなどの電気負荷が接続され、電気負荷に対する電流の供給は直列接続された多数の単電池の全体で行われる。また電池モジュール６，８が充電される状態では、電気負荷からの電流の供給は直列接続された多数の単電池の全体に対して行われる。直列接続された多数の単電池が異なる充電状態（ＳＯＣ）にあると、電気負荷への電流の供給は多数の単電池の内の最も放電状態にある単電池の状態により制限される。一方、電気負荷から電流が供給される場合、多数の単電池の内の最も充電されている単電池によって電流の供給が制限される。

このため直列接続された多数の単電池の内、例えば平均状態を越えた充電状態にある単電池に対して、単電池に接続されているバランシングスイッチ１２９を導通状態とし、直列接続されている抵抗を介して放電電流を流す。これにより直列接続された単電池の充電状態が互いに近づく方向に制御されることとなる。また他の方法として、最も放電状態にある単電池を基準セルとし、基準セルとの充電状態の差に基づき放電時間を決める方法がある。他にも充電状態ＳＯＣを調整する色々の方法がある。充電状態は単電池の端子電圧を基に演算で求めることができる。単電池の充電状態とその単電池の端子電圧は相関関係が有るので、各単電池の端子電圧を近づけるようにバランシングスイッチ１２９を制御することで、各単電池の充電状態を近づけることができる。

動作状態検出回路１２８Ａ〜１２８Ｄによって検出されるバランシングスイッチを構成する各ＦＥＴのソースとドレーン間の電圧は、電位変換回路１３０に出力される。各ＦＥＴのソースとドレーン間の電位は集積回路３Ａの基準電位に対してそれぞれ異なっており、このままでは比較判断が難しいので、電位変換回路１３０で電位をそろえ、次に異常判定回路１３１で異常判定する。また、電位変換回路１３０は、診断すべきバランシングスイッチ１２９をＩＣ制御回路１２３からの制御信号に基づき選択する機能も有している。選択されたバランシングスイッチ１２９の電圧が異常判定回路１３１に送られ、異常判定回路１３１はＩＣ制御回路１２３から制御信号に基づき、電位変換回路１３０からの信号である診断すべきバランシングスイッチ１２９の端子間電圧を判定電圧と比較し、各バランシングスイッチ１２９Ａ１〜１２９Ｄが異常か否かを判定する。

放電制御回路１３２には、ＩＣ制御回路１２３から放電させるべき単電池に対応したバランシングスイッチ１２９を導通させるための指令信号が送られ、この指令信号に基づき、放電制御回路１３２から、上述したようにＭＯＳ型ＦＥＴから構成されるバランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの導通を行うゲート電圧に相当する信号が出力される。ＩＣ制御回路１２３は、図１のＢＣＵ１から、単電池に対応した放電時間の指令を通信により受け、上記放電の動作を実行する。

異常判定回路１３１によりバランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの異常の有無が検出される。

ＩＣ制御回路１２３は、バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの異常を通信回路１２７の１ビット送信端子ＦＦＯから出力し、他の集積回路の通信回路１２７を介してＢＣＵ１に送信する。また、ＩＣ制御回路１２３は、バランシングスイッチ１２９Ａ〜１２９Ｄの異常と、その異常であるバランシングスイッチを特定する情報を、通信回路１２７の送信端子ＴＸを介してＢＣＵ１に送信する。

〈診断および計測：単電池の端子電圧計測〉
図５は計測回路および診断回路を示す図である。入力回路１１６はマルチプレクサの働きをする回路であり、タイミング制御回路２５２のデコーダから、制御信号（タイミング信号）信号ＳＴＧ１，ＳＴＧ２が入力され、その信号に基づいてマルチプレクサによる選択動作が行われる。マルチプレクサ診断では、電圧検出回路１２２の差動増幅器２６２の出力信号が診断回路１６０に取り込まれ、診断が行われる。また、例えば単電池ＢＣ１の電圧を計測する場合には、端子Ｖ１と端子Ｖ２とを選択すると単電池ＢＣ１の電圧が入力回路１１６から電圧検出回路１２２に出力される。ここでは、単電池の端子電圧計測について説明する。

電圧検出回路１２２は差動増幅器２６２とアナログデジタル変換器１２２Ａとを有している。なお、単電池ＢＣ１〜ＢＣ４は直列接続されているので、各端子電圧の負極電位が異なっている。そのため、基準電位（各集積回路ＩＣ内のＧＮＤ電位）をそろえるために差動増幅器２６２を使用している。差動増幅器２６２の出力はアナログデジタル変換器１２２Ａによりデジタル値に変換され、平均化回路２６４に出力される。平均化回路２６４は所定回数の測定結果の平均値を求める。その平均値は、単電池ＢＣ１の場合には現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１に保持される。平均化回路２６４は、平均化制御回路２６３に保持された測定回数の平均値を演算し、その出力を上述の現在値記憶回路２７４に保持する。平均化制御回路２６３が１を指令すれば、アナログデジタル変換器１２２Ａの出力は、平均化されないでそのまま現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１に保持される。平均化制御回路２６３が４を指令すれば、単電池ＢＣ１の端子電圧の４回の計測結果が平均化され、その平均値が上記現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１に保持される。４回の平均を演算するには、最初は図４のステージによる計測を４回行うことが必要となるが、４回目以降は最新の測定結果の中から４個の測定値を演算に使用することで、各測定毎に平均化回路２６４の平均化演算が可能となる。上述のとおり、所定回数の平均化を行う平均化回路２６４を設けることで、ノイズの悪影響を除去できる。図１に示す電池モジュール６，８の直流電力はインバータ装置に供給され、交流電力に変換される。インバータ装置による直流電力から交流電力への変換の際に電流の導通や遮断動作が高速に行われ、そのときに大きなノイズが発生するが、平均化回路２６４を設けることで、そのようなノイズの悪影響を少なくできる効果がある。

デジタル変換された単電池ＢＣ１の端子電圧のデジタル値は現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１に保持される。その後、計測値に基づく診断動作が行われる。診断動作としては過充電診断と過放電診断である。先ず単電池ＢＣ１の端子電圧のデジタル値は現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１に保持され、次に、デジタルマルチプレクサ２７２は、現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１から単電池ＢＣ１の端子電圧を読み出してデジタル比較器２７０に送る。また、デジタルマルチプレクサ２７６は、基準値記憶回路２７８から過充電の判断基準値ＯＣを読み出しデジタル比較器２７０へ送る。デジタル比較器２７０はレジスタＣＥＬＬ１からの単電池ＢＣ１の端子電圧と過充電の判断基準値ＯＣとを比較し、もし単電池ＢＣ１の端子電圧が過充電の判断基準値ＯＣより大きい場合には、フラグ記憶回路２８４に異常を表すフラグ［ＭＦｆｌａｇ］をセットする。また、過充電を表すフラグ［ＯＣｆｌａｇ］もセットする。実際には過充電状態が生じないように制御しており、このような状態はほとんど生じない。しかし、信頼性を担保するため、診断を繰り返し実行する。

過充電診断に続いて、さらに過放電の診断を行う。デジタルマルチプレクサ２７２が現在値記憶回路２７４のレジスタＣＥＬＬ１から単電池ＢＣ１の端子電圧を読み出しデジタル比較器２７０に送る。またデジタルマルチプレクサ２７６が基準値記憶回路２７８から過放電の判断基準値ＯＤを読み出しデジタル比較器２７０へ送る。前記デジタル比較器２７０はレジスタＣＥＬＬ１からの単電池ＢＣ１の端子電圧と過放電の判断基準値ＯＤとを比較し、もし単電池ＢＣ１の端子電圧が過放電の判断基準値ＯＤより小さい場合には、フラグ記憶回路２８４に異常を表すフラグ［ＭＦｆｌａｇ］をセットする。また、過放電を表すフラグ［ＯＣｆｌａｇ］もセットする。上述の過充電の場合と同様、実際には過放電状態が生じないように制御しており、このような過放電の状態はほとんど生じない。しかし、信頼性を担保するため、診断を繰り返し実行する。

同様にして、入力回路１１６により単電池ＢＣ２〜ＢＣ４の端子電圧を順に選択して、端子電圧の計測と過充電や過放電の診断を行う。

前述したように、車両走行時には、ＢＣＵ１からの充電状態や入出力可能電力などの情報を基に、バッテリーを使用している。そして、充電状態や入出力可能電力の算出には、電圧センサ１０で計測された総電圧が使用される。もちろん、セルコントローラ１２，１３で計測された各単電池ＢＣの電圧を合計することでも、総電圧を求めることができる。しかし、単電池ＢＣの総数は非常に多いため、それらの電圧をセルコントローラ１２，１３の各集積回路で測定し、測定された電圧をシリアル通信系６０２でＢＣＵ１に送信してＢＣＵ１で合計電圧を計算するまでの処理時間がかかり、モータ２３０の駆動状態が急激に変動する運転状況においては、電圧測定がその変化に追従できないおそれがある。

一方、電圧センサ１０で総電圧を計測する場合には、総電圧の変化をリアルタイムに取得することができるので、そのような問題を避けることができるという利点がある。そのため、充電状態の計算や入出力可能電力の算出には、電圧センサによる総電圧を用いることが従来から行われている。

なお、電圧センサ１０の配置としては、図１のようにメインリレー４，９とインバータ装置３との間に配置する場合と、メインリレー４，９とバッテリーモジュール６，８との間に配置する場合とがある。しかしながら、本実施形態の図１に示すように配置した場合には、装置停止時にはメインリレー４，９が開放状態となっているので、停止中における電圧センサ１０のリーク電流を防止することができ、リーク検出回路を設ける必要がなくコスト的に有利である。

また、電圧センサ１０で計測される電圧からメインリレー４の溶着診断を容易に行えるという利点もある。例えば、マイナス側のメインリレー９だけを投入したときに、電圧センサ１０の計測値に電圧が出たならば、プラス側のリレーが溶着していると診断できる。逆に、プラス側のリレーを投入したときに電圧が出たならば、マイナス側のメインリレー９が溶着していると診断できる。一方、電圧センサ１０をメインリレー４，９とバッテリーモジュール６，８との間に配置した場合には、上記のような診断を行うことができない。

しかしながら、本実施形態のように電圧センサ１０をメインリレー４，９とインバータ装置３との間に配置した場合には、前述したように、電圧センサ１０により正しい電圧が計測できない状況が生じるという問題があった。図２（ａ）を用いて、その問題点について説明する。

図２は、ＢＣＵ１で算出される充電状態（ＳＯＣ）に関して、装置起動から停止までの変化を模式的に示したものである。図２（ａ）は従来の場合を、図２（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。なお、ここでは、装置を起動してからメインリレー４が投入されるまで、および、停止信号によりリレーが開放されてから装置が停止されるまでの期間Ａ，Ｃが問題とされる期間である。

図２（ａ）において、時刻ｔ０にＢＣＵ１が起動されると、ＢＣＵ１は、電圧センサ１０で検出された電圧から単電池当たりの電圧を算出し、その電圧に基づいて現在の充電状態（ＳＯＣ）を算出する。例えば、単電池電圧と充電状態（ＳＯＣ）との相関テーブルを保持しておき、算出された単電池電圧と相関テーブルとから充電状態（ＳＯＣ）を求める。時刻ｔ０から時刻ｔ１にメインリレー９とサブリレー５が投入されてプリチャージが始まるまでは、平滑コンデンサ２２８の充電量はゼロなので、電圧センサ１０により計測される電圧はゼロとなっている。そのため、充電状態もゼロのままである。

時刻ｔ１にプリチャージが開始されると、平滑コンデンサ２２８が徐々に充電されて、電圧センサ１０により計測される平滑コンデンサ２２８の電圧も徐々に上昇する。そのため、電圧センサ１０の電圧に基づいて算出される充電状態も図２（ａ）に示すように時間の経過とともに徐々に上昇することになる。

次いで、時刻ｔ２にメインリレー４が投入されると、電圧センサ１０により計測される電圧はバッテリーモジュール６，８の総電圧に等しくなる。その後、ＢＣＵ１がインバータ装置３からバッテリー使用停止の信号を受信すると、時刻ｔ３においてメインリレー４，９を開放するとともに、平滑コンデンサ２２８に充電されている電力を不図示の放電機構により放電する。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間Ｂにおいては、電圧センサ１０によってバッテリーモジュール６，８の総電圧を計測することができる。この期間Ｂにおいては、車両走行状態に応じて充電状態が変化する。

時刻ｔ３でリレー４，９を開放すると、電圧センサ１０が接続されている強電ラインはバッテリーモジュール６，８と切り離され、平滑コンデンサ２２８の放電が進むに従い電圧センサ１０の電圧も徐々に低下する。その結果、電圧センサ１０の電圧に基づいて算出される充電状態も図２（ａ）に示すように徐々に低下し、平滑コンデンサ２２８の放電が終了する時刻ｔ４には充電状態はゼロと算出される。その後、時刻ｔ５にＢＣＵ１は停止される。

図２（ａ）に示す従来の場合、期間Ａ，Ｃにおいて算出される充電状態が変化しているが、実際にはバッテリーモジュール６，８の総電圧は変化しないので、充電状態は図２（ｂ）に示すように一定となっているはずである。なお、期間Ａにおいては平滑コンデンサ２２８に充電を行っているので、厳密には充電状態が変化するが、図２（ｂ）では一定であるとして図示している。このように、従来の場合には、リレー回路が開いた状態（期間Ａ，Ｃ）においては、電圧センサ１０ではバッテリーモジュール６，８の総電圧を読み取ることができない。そのため、充電状態や入出力可能電力も計算できないことになる。このような場合、従来、時刻ｔ０〜ｔ１間では、ＢＣＵ１は、充電状態や入出力可能電力として不定値もしくはデフォルト値などを車両側に出力することがあるが、そのような値を用いると、正確な充電状態や入出力可能電力を算出することができない。

その後、プリチャージにより平滑コンデンサ２２８の電圧が徐々に上昇してくるため、充電状態や入出力可能電力も徐々に変化してくることになる。ＢＣＵ１はこの情報を車両側に報告するため、車両がバッテリー使用を開始した直後からバッテリーの機能を十分に使用することができないという問題があった。また、リレーを開放した場合には、バッテリー側の電圧ではなくインバータ側の残電圧を読み取ってしまい、実際のバッテリーの状態とは関係のないデータを報告してしまうことになる。図２（ａ）に示すように電圧センサ１０の電圧が徐々に落ちてくるため、異常な充電状態や入出力可能電力を報告してしまうという問題もあった。

そこで、本実施の形態では、図２に示す期間Ａ，Ｃにおいては、セルコントローラ１２，１３で検出される各単電池ＢＣの電圧値を利用して充電状態や入出力可能電力の算出を行うようにし、メインリレー４および９の状態に係わらず、より正確な充電状態や入出力可能電力を上位に通知できるような構成とした。以下では、図２（ｂ）を参照して、本実施の形態における充電状態算出について説明する。

まず、ＢＣＵ１が起動されてからメインリレー４および９が投入されるまでの期間Ａの動作について説明する。期間Ａにおいてはメインリレー４および９は閉状態となっていないので、電圧センサ１０によってバッテリーモジュール６，８の総電圧を検出することができない。そこで、ＢＣＵ１は、セルコントローラ１２，１３から各単電池ＢＣの電圧値を取り込み、取り込んだ電圧値の合計値を算出する。この合計値は総電圧に相当する電圧であり、この合計値を単電池ＢＣの総数で割って、単電池当たりの電圧値を求める。そして、この単電池当たりの電圧値と上述した電圧−充電状態の相関テーブルとから、充電状態を算出する。同様に、入出力可能電力も単電池電圧の合計値に基づいて算出される。

充電状態の変化を模式的に示した図２（ｂ）では、期間Ａにおいてバッテリーモジュール６，８の状態が正しく反映され、充電状態は一定となっている。なお、ここでは、プリチャージによる充電状態の変化は無視して表示したので、充電状態は一定と表される。このようにして算出された充電状態や入出力可能電力を、ＢＣＵ１から上位コントローラへ送信する。

次に、メインリレー４および９が投入されてから開放されるまでの期間Ｂの動作について説明する。期間Ｂでは電圧センサ１０によってバッテリーモジュール６，８の総電圧を検出することができるので、電圧センサ１０の電圧値から単電池当たりの電圧値を求め、充電状態などを計算する。

メインリレー４，９が開放されてからＢＣＵ１が停止するまでの期間Ｃでは、電圧センサ１０によってバッテリーモジュール６，８の総電圧を検出することができないので、期間Ａの場合と同様にして充電状態や入出力可能電力を求める。そのため、この期間Ｃにおける充電状態が正確に求まり、図２（ｂ）に示すように充電状態は一定となる。

このような期間に応じて充電状態の算出方法を変更するには、リレーの制御信号または制御指令を利用して、ＢＣＵ１における充電状態算出の動作モードを切り換えるようにすればよい。図３はモード切り換えの動作を説明するフローチャートである。

ＢＣＵ１が起動されると、ステップＳ１００においてモードＡに設定される。モードＡとは、上述した期間Ａにおける動作モードであり、同様に、期間Ｂ，ＣにおけるモードはそれぞれモードＢ、モードＣと呼ぶことにする。ステップＳ１１０においては、リレー投入がされたか否か、すなわち、プリチャージ終了後のメインリレー４を投入する制御信号を発したか否かを判定する。そして、ステップＳ１１０でＹＥＳと判定されたならば、ステップＳ１２０へ進んでモードＢに設定する。ステップＳ１３０では、リレーが開放されたか否かを判定する。そして、ステップＳ１３０でＹＥＳと判定されたならば、ステップＳ１４０へ進んでモードＣに設定する。

このように、本実施の形態では、メインリレー４及び９の投入前とメインリレー４及び９の投入後とメインリレー開放時の３つの期間Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、上述したように充電状態や入出力可能電力の算出動作を切り換えることにより、メインリレー４及び９の状態に係わらず、正確な充電状態や入出力可能電力を通知することが可能となる。

なお、ＢＣＵ１の停止時に、各単電池電圧、単電池電圧の合計値および電圧センサ１０で検出された総電圧のいずれかを不揮発性メモリ１５（図１参照）に記憶しておき、次の起動時において各単電池の電圧が収集されるまでは、その不揮発性メモリ１５に記憶された電圧データに基づいて充電状態，入出力可能電力を算出するようにしても良い。そうすることで、車両側は、起動時から信頼性の高い電池情報を得ることができる。例えば、アイドルストップ時の再起動時に有効である。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：バッテリーコントロールユニット、２：電流センサ、３：インバータ装置、４，９：メインリレー、５：サブリレー、６，８：バッテリーモジュール、１０：電圧センサ、１１：バッテリー制御システム、１２，１３：セルコントローラ、２２８：平滑コンデンサ、２３０：モータ、ＨＶ＋，ＨＶ−：強電ライン

Claims (3)

1. 電気的に直列に接続された複数の単電池を備え、開閉器を介してインバータ装置に電気的に接続されるバッテリーモジュールと、
   前記複数の単電池の各電圧を検出するセルコントローラと、
   前記開閉器と前記インバータ装置との間の正負極間の電圧を計測する電圧センサと、
   前記バッテリーモジュールの電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力するバッテリーコントロールユニットと、を備え、
   前記開閉器はメイン開閉器及びサブ開閉器を有し、
   前記バッテリーコントロールユニットは、
   電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力するモードとして、第１乃至第３のモードを有すると共に、前記第１乃至第３のモードのいずれかに切り替え、切り替えられたモードに応じて、前記電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力しており、
   前記バッテリーコントロールユニットの起動時であり、前記メイン開閉器が開状態である第１のモードに切り替えると、前記セルコントローラによって検出された前記複数の単電池の電圧の合計値を前記バッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、前記電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力し、
   前記メイン開閉器が閉状態である第２のモードに切り替えると、前記電圧センサによって計測された電圧を前記バッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、前記電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力し、
   前記メイン開閉器が閉状態から開状態になり、前記バッテリーコントロールユニットの使用が停止される第３のモードに切り替えると、前記セルコントローラによって検出された前記複数の単電池の電圧の合計値を前記バッテリーモジュールの総電圧とし、この総電圧に基づいて、前記電池状態及び／又は入出力可能電力を算出して、その算出結果を上位コントローラに出力する、ことを特徴とする車両用電池制御システム。
2. 請求項１に記載の車両用電池制御システムにおいて、
   前記インバータ装置は入力端に並列接続される平滑コンデンサを有し、
   前記平滑コンデンサの予備充電期間は、前記開状態の期間に含まれることを特徴とする車両用電池制御システム。
3. 請求項１または２に記載の車両用電池制御システムにおいて、
   車両用電池制御システム停止時の前記メイン開閉器を開く直前に前記セルコントローラで検出された前記単電池の電圧あるいは前記合計値を記憶する記憶回路を備え、
   前記バッテリーコントロールユニットは、車両用電池制御システム起動時に前記記憶回路に記憶された前記電圧あるいは前記合計値に基づいて、前記電池状態を算出することを特徴とする車両用電池制御システム。

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