JP6303963B2

JP6303963B2 - 電池監視システム

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Publication number: JP6303963B2
Application number: JP2014200498A
Authority: JP
Inventors: 藤井　宏紀; 宏紀藤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US9753092B2; US20160091572A1; JP2016070787A

Description

本発明は、組電池を構成する複数の単位電池の状態を監視する電池監視システムに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の車両には、動力源となるモータに電力を供給する高電圧・大容量のバッテリとして、いわゆる組電池が搭載されている。組電池は、リチウムイオン蓄電池等からなる複数の単位電池の直列接続体として構成されている。

組電池においては、単位電池の個体差等に起因して、単位電池ごとの充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）に偏りが生じうる。そのため、過放電或いは過充電状態となる単位電池において劣化が進行する等の不都合が生じうる。

そこで従来から、組電池を構成する単位電池の充電状態を均等にするため、単位電池間の充電状態の偏りを求めている。すなわち、各単位電池のアナログの電圧を検出して、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）のＡＤ変換でデジタル化する。そして、デジタル化で生成したデジタル信号を単位電池の電圧として取得するとともに、当該単位電池の電圧の差分（電圧差）を求める。そしてこの電圧差を単位電池間の充電状態の偏りとして取得している（例えば、特許文献１参照）。

この際、ＡＤＣは、単位電池の取りうる電圧範囲を入力電圧範囲として、単位電池の電圧を所定の分解能（所定のビット数）でデジタル化している。

特開２００９−２７６２９７号公報

ＡＤ変換が行われる際には、ＡＤＣの分解能に応じて変換誤差が生じるが、ＡＤ変換の際の変換誤差が大きくなるほど電圧差の算出精度への影響が大きくなる。そのため、電圧差の算出精度を向上させるためには、ＡＤＣによる変換誤差を低減する必要がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、単位電池間の電圧のばらつきの検出精度を向上できる電池監視システムを提供することを主たる目的とするものである。

本発明は、複数の単位電池の直列接続体として構成される組電池（１０）に適用され、前記単位電池に関する電圧の検出結果をＡＤ変換器に対して出力するフライングキャパシタ方式の電池監視システムであって、前記複数の単位電池のいずれかに各々接続可能な第１キャパシタ（Ｃ１）及び第２キャパシタ（Ｃ２）と、前記各キャパシタに対して各々異なる単位電池による充電が行われた状態で、それらキャパシタ同士を互いに逆極性で直列接続させる第１スイッチ部（４３）と、前記第１スイッチ部により前記キャパシタ同士が逆極性で直列接続された状態で、前記直列接続された両キャパシタの両端電圧を前記ＡＤ変換器に入力させる第２スイッチ部（４４）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の単位電池のいずれかに各々接続可能な第１キャパシタと第２キャパシタとを設け、各キャパシタに対して各々異なる単位電池による充電を行った後で、第１及び第２キャパシタ同士を互いに逆極性となるように直列接続する。そして直列接続された両キャパシタの両端電圧をＡＤ変換器に入力させるようにした。この場合、ＡＤ変換器には第１キャパシタと第２キャパシタの電圧差が入力されることになり、これに合わせて入力電圧範囲を従来技術よりも狭く設定することができる。そのため、ＡＤ変換に伴う変換誤差を抑えることができ、ひいては、単位電池間の電圧差の算出精度を向上できる。

電池監視システムの説明図。キャパシタの接続状態の説明図。電池監視システムの動作の説明図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される車載高圧バッテリをなす組電池１０に、本発明の電池監視システムを適用している。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の電池監視システムは、組電池１０、電池監視装置２０、電圧差検出装置４０、マイコン５０を備えている。

組電池１０は、インバータ等を介して車両走行用の電動機（走行用モータ）に電力を供給するものであり、複数個の単位電池の直列接続体として構成されている。図１では、組電池１０が５個の単位電池１１〜１５の直列接続体として構成された例を示している。各単位電池１１〜１５は、充電状態の最小単位である電池セルを１又は複数個直列に接続して構成したものであり、例えば０〜５Ｖの電圧範囲で充電される。なお、電池セルは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池である。

隣り合う単位電池１１〜１５間の各々には配線Ｌ１が接続されている。各配線Ｌ１の他端側は分岐されており、分岐ラインＬ２，Ｌ３となっている（ただし最も負側の配線Ｌ１は除く）。複数の分岐ラインＬ２の各々は共通の接続ラインＬ２０に接続されている。複数の分岐ラインＬ３の各々は共通の接続ラインＬ３０に接続されている。そして、接続ラインＬ２０及びＬ３０には、後述する電池監視装置２０と電圧差検出装置４０とがそれぞれ設けられている。

分岐ラインＬ２，Ｌ３には切替スイッチ部２１が設けられている。詳しくは、最も負側の配線Ｌ１及び分岐ラインＬ３の各々にスイッチＳＷ１が設けられており、分岐ラインＬ２の各々にスイッチＳＷ２が設けられている。これらのスイッチＳＷ１，ＳＷ２の導通と遮断とが切り替えられることで、各単位電池１１〜１５と電池監視装置２０との導通と遮断、各単位電池１１〜１５と電圧差検出装置４０との導通と遮断とが切り替えられる。

電池監視装置２０は、各単位電池１１〜１５の電圧を検出するものであり、入力側スイッチ部２２、キャパシタＣ１、出力側スイッチ部２４、ＡＤＣ２６を備えている。

入力側スイッチ部２２は、接続ラインＬ２０（接続端子Ａ）に設けられたスイッチＳＷＡと、接続ラインＬ３０（接続端子Ｂ）に設けられたスイッチＳＷＢとを備えている。

キャパシタＣ１は、切替スイッチ部２１及び入力側スイッチ部２２（第１開閉手段）を介して複数の単位電池１１〜１５のいずれかに選択的に接続され、当該単位電池の電圧で充電されるものであり、一端がスイッチＳＷＡに接続され、他端がスイッチＳＷＢに接続されている。

出力側スイッチ部２４は、キャパシタＣ１を挟んで入力側スイッチ部２２とは反対側において、接続ラインＬ２０（接続端子Ｃ）に設けられたスイッチＳＷＣと、接続ラインＬ３０（接続端子Ｄ）に設けられたスイッチＳＷＤとを備えている。

ＡＤＣ２６は、キャパシタＣ１のアナログの充電電圧をマイコン５０が処理可能なデジタル信号に変換する。詳しくは、ＡＤＣ２６は、キャパシタＣ１の電圧範囲（単位電圧の電圧範囲０〜５Ｖ）が入力電圧範囲（ＡＤ変換可能な電圧範囲）として設定されており、その入力電圧範囲の電圧を予め規定された分解能（例えば１２ビット）でＡＤ変換する。

マイコン５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、書き換え可能なフラッシュメモリ等を備えており、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って、各単位電池１１〜１５の電圧を検出する電圧検出処理、単位電池ごとの電圧のばらつきを解消する均等化処理などの各種処理を実施する。なおマイコン５０による各種処理の実施結果は、図示を略す上位の制御装置（図示略）に送信される。

以上の構成により、複数の単位電池１１〜１５のうちのいずれかの単位電池の両端のスイッチＳＷ１（又はＳＷ２）が導通され、且つ入力側スイッチ部２２が導通されることで、キャパシタＣ１が並列接続された単位電池によって充電される。

キャパシタＣ１が充電された状態で、入力側スイッチ部２２を含む全スイッチが一旦遮断され、出力側スイッチ部２４が導通されると、キャパシタＣ１のアナログ電圧がＡＤＣ２６に入力される。そしてＡＤＣ２６によって、アナログ電圧がデジタル化される。そしてマイコン５０がデジタル化された電圧検出値を読み込むことで、単位電池の電圧が検出される。そして、単位電池の電圧の検出値を用いて、２つの単位電池間の電圧差が算出され、単位電池ごとの充電状態のばらつきが検出される。

ところで、ＡＤＣ２６によるＡＤ変換が行われる際、電圧の変換誤差が生じる。この電圧の変換誤差はＡＤＣ２６の入力電圧範囲が広いほど大きくなる。例えば、ＡＤＣ２６の分解能を１２ビット、入力電圧範囲を０〜５Ｖとした場合、ＡＤＣ２６が分解可能な電圧の最小単位である１ＬＳＢ（Least Significant Bit）は１．２２ｍＶとなる。この際、ＡＤＣ２６の変換精度を１０ＬＳＢとすると、変換誤差は１２．２ｍＶとなる。そのため、単位電池の電圧の検出値を用いて、単位電池間の電圧差を算出すると、各単位電池の検出値に含まれる変換誤差が加算されることとなり、電圧差の算出値には最大で２４．４ｍＶの誤差が含まれるおそれがある。

そこで、ＡＤ変換で生じる変換誤差を抑えるために、ビット数の多いＡＤＣを用いることが想定される。しかし、ビット数の多いＡＤＣは回路構成が複雑となり、回路規模や消費電力が増大する。

そこで本実施形態では、ＡＤＣのビット数を増加させずに、ＡＤ変換による変換誤差を減らし、単位電池間の電圧差の検出精度を向上させることで、電圧差を用いた処理（均等化処理など）の精度を向上させる。

詳しくは、図１に示すように、電圧差検出装置４０を用いて電圧差の検出精度を向上させる。電圧差検出装置４０は、入力側スイッチ部４１、キャパシタＣ２、キャパシタ接続部４３、出力側スイッチ部４４、電圧レベルシフト回路４５、ＡＤＣ４６を備えている。

入力側スイッチ部４１は、接続ラインＬ２０に接続されたスイッチＳＷＥと、接続ラインＬ３０に接続されたスイッチＳＷＦを備えている。

キャパシタＣ２は、切替スイッチ部２１及び入力側スイッチ部４１（第２開閉手段）を介して複数の単位電池のいずれかに選択的に接続され、当該単位電池の電圧で充電されるものであり、一端がスイッチＳＷＥに接続され、他端がスイッチＳＷＦに接続されている。

キャパシタ接続部４３は、互いに異なる単位電池で充電されたキャパシタＣ１，Ｃ２同士を互いに逆極性で直列接続するとともに、直列接続された際に両キャパシタＣ１，Ｃ２に生じた電圧をＡＤＣ４６に入力させるスイッチＳＷＧを備えている。例えば、図２に示すように、キャパシタＣ１の接続端子Ｂが負側、接続端子Ａが正側となるように充電され、キャパシタＣ２の接続端子Ｃが正側、接続端子Ｄが負側となるように充電された後、スイッチＳＷＧが導通される。これにより、キャパシタＣ１，Ｃ２の負極同士、すなわち接続端子Ｂ，Ｄが接続され、キャパシタＣ１，Ｃ２が互いに逆極性となる向きに接続され、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧差が生じる。

出力側スイッチ部４４は、接続ラインＬ２０において、キャパシタＣ１とスイッチＳＷＣとの間に接続されたスイッチＳＷＨと、入力側スイッチ部４１のスイッチＳＷＥに接続されたスイッチＳＷＫとを備えている。

ＡＤＣ４６は、キャパシタＣ１，Ｃ２間の電圧差をＡＤ変換する。本実施形態では、ＡＤＣ４６の入力電圧範囲は、キャパシタＣ１，Ｃ２間の電圧差が取りうる電圧範囲に対応付けて設定されている。例えば入力電圧範囲は０〜０．１Ｖに設定されている。この場合、ＡＤＣ２６の分解能１２ビットとすると、１ＬＳＢ＝０．１／４０９６＝０．０２４ｍＶとなる。ＡＤＣ２６の変換精度が１０ＬＳＢの場合には、変換誤差は０．２４ｍＶに抑えられる。更に本実施形態の場合には、ＡＤ変換後に、単位電池間の電圧の差分を演算する処理は行われないため、電圧差の誤差の最大値は０．２４ｍＶに抑えられる。なお、ＡＤＣ４６によるＡＤ変換後の電圧差のデジタル信号は、上述のマイコン５０に入力される。

電圧レベルシフト回路４５は、図示を略すオペアンプ等を備えて構成されており、キャパシタＣ１，Ｃ２の両端電圧の電圧レベルを上げるレベルシフトを行う。すなわち、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とを逆極性に接続すると、キャパシタＣ１，Ｃ２の充電電圧との大小関係によって、電圧差が正値又は負値のいずれかになりうる。そこで、電圧レベルシフト回路４５で、ＡＤＣ２６の入力前に電圧レベルを上げることによって、ＡＤＣ２６に入力される電圧を正値とすることができる。例えば、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧差の取りうる電圧範囲が‐５０ｍＶ〜＋５０ｍＶの場合、電圧レベルシフト回路４５によって５０ｍＶのレベルシフトを行うことで、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧差をＡＤＣ２６の入力電圧範囲内の正値の０〜１００ｍＶとなるようにできる。

次に本実施形態の電池監視システムの動作を図３を用いて説明する。なお以下の処理は、マイコン５０により実行される。

図３（ａ）に示されるように、単位電池１１の負側のスイッチＳＷ１，正側のＳＷ２が導通され、且つスイッチＳＷＡ，ＳＷＢが導通されると、単位電池１１の電圧Ｖ１でキャパシタＣ１が充電される。

キャパシタＣ１の充電が完了した状態で、一端全てのスイッチが遮断された後、スイッチＳＷＣ，ＳＷＤが導通されると、キャパシタＣ１とＡＤＣ２６とが接続され、キャパシタＣ１の電圧がＡＤＣ２６でＡＤ変換されて、単位電池１１の電圧Ｖ１がデジタル値として検出される。

その後、図３（ｂ）に示すように、単位電池１２の正側のスイッチＳＷ１，負側のスイッチＳＷ２が導通され、且つスイッチＳＷＥ，ＳＷＦが導通されると、単位電池１２の電圧Ｖ２でキャパシタＣ２が充電される。

キャパシタＣ２の充電が完了した状態で、一端全てのスイッチが遮断され、その後、スイッチＳＷＧが導通されると、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とが互いの電圧が逆極性となる向きに接続され、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧差が生じる。その後、スイッチＳＷＨ，ＳＷＫが導通されると、電圧レベルシフト回路４５によって、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧が昇圧される。

そして、キャパシタＣ１，Ｃ２の電圧が、ＡＤＣ４６でＡＤ変換される。この際、ＡＤＣ４６の入力電圧範囲は、キャパシタＣ１，Ｃ２に生じる電圧差が取りうる範囲（０〜０．１Ｖ）に合わせて設定される。そのため、単位電池１１〜１５が取りうる電圧範囲（０〜５Ｖ）に合わせて入力電圧範囲を設定した場合と比べて、ＡＤＣ４６の入力電圧範囲を狭くすることができ、ＡＤ変換に伴う変換誤差を小さくできることで、単位電池間の電圧差の検出精度を向上できる。

以上の処理を繰り返し実施することで、各単位電池１１〜１５間の電圧差が算出される。例えば、キャパシタＣ１を単位電池１１で充電した状態を保持しつつ、キャパシタＣ２を充電する単位電池を、単位電池１２〜１５で順次切り替える。そしてキャパシタＣ２の充電電圧が切り替えられる都度、スイッチＳＷＧを導通して、単位電池１１で充電されたキャパシタＣ１と、単位電池１１以外の単位電池１２〜１５で充電されたキャパシタＣ２との電圧差を算出する。この場合、キャパシタＣ１，Ｃ２の充電回数を少なくしつつ、各単位電池間の電圧差を算出することができ、処理の適正化を図ることができる。

上記によれば以下の優れた効果を奏することができる。

・単位電池間の電圧差は、単位電池のアナログの電圧の検出値をＡＤ変換し、デジタル化された電圧値の差分を求めることで算出されていた。ところで、ＡＤＣはその分解能に応じて変換誤差が生じ、これが単位電池間の電圧差の算出精度に影響する。なおＡＤＣによる変換誤差は、ＡＤＣの入力電圧範囲が広くなるほど大きくなる。そこで、複数の単位電池のいずれかに各々接続可能なキャパシタＣ１とキャパシタＣ２とを設け、各キャパシタＣ１，Ｃ２に対して各々異なる単位電池による充電を行った後で、キャパシタＣ１，Ｃ２同士を互いに逆極性となるように直列接続する。そして直列接続された両キャパシタＣ１，Ｃ２の両端電圧をＡＤＣ４６に入力させるようにした。この場合、ＡＤＣ４６にはキャパシタＣ１とキャパシタＣ２の電圧差が入力されることになり、これに合わせて入力電圧範囲を従来技術よりも狭く設定することができる。そのため、ＡＤ変換に伴う変換誤差を抑えることができ、ひいては、単位電池間の電圧差の算出精度を向上できる。

・２つの単位電池の電圧差を検出する場合、その電圧差は正値にも負値にもなる。この点、ＡＤＣ４６の入力前に電圧レベルを上げることで、電圧差が正値、負値のいずれであっても適正にＡＤ変換を実施できる。

本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。なお以下の説明において上記と同じ構成には同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・上記では、キャパシタＣ１，Ｃ２を逆極性で直列接続する際に、各キャパシタＣ１，Ｃ２の負側同士を互いに接続したが、これに代えて、各キャパシタＣ１，Ｃ２の正側同士を互いに接続する構成としてもよい。

・各単位電池の電圧を個別検出するために用いるＡＤＣ２６と、２つの単位電池の電圧差を検出するために用いるＡＤＣ４６として、各々異なるビット数のＡＤＣを用いる構成としてもよい。具体的には、ＡＤＣ４６のビット数を、ＡＤＣ２６のビット数よりも小さくする。例えば、ＡＤＣ４６を１０ビット又は８ビット、ＡＤＣ２６を１２ビットとする。この場合、電圧差の検出では、電池電圧の個別検出に比べてＡＤＣに対する電圧入力範囲が小さいため、その点を考慮しての構成の簡略化が可能となる。

・上記では、キャパシタＣ１の電圧を基準としてキャパシタＣ２を充電する単位電池を切り替えることで、各単位電池１１〜１５間の電圧差を算出している。これ以外にも、複数の単位電池１１〜１５のうち、任意の２つの単位電池を用いてキャパシタＣ１，Ｃ２のそれぞれを充電して、各単位電池間における電圧差を算出するようにしてもよい。

・上記では、電圧検出回路において単位電池の電圧を一つのキャパシタを用いて順次検出する例を示している。これ以外にも本実施形態は、２つのキャパシタの直列接続体を用いることで、一度に複数の単位電池の電圧検出を行うことができるダブルフライングキャパシタ方式の電池検出装置にも適用可能である。この場合にも、ダブルフライングキャパシタの両端に、更に上記のキャパシタＣ２が並列接続されるようにすればよい。

・上記実施形態では、キャパシタＣ１，Ｃ２間に、キャパシタＣ１，Ｃ２を充電電圧が互いに逆極性となる向きに接続するスイッチＳＷＧを設けているが、スイッチＳＷＧは省略してもよく、キャパシタＣ１，Ｃ２が互いに逆極性となる向きに直接接続されてもよい。この場合、構成の簡略化を図ることができる。

１０…組電池、４３…キャパシタ接続部、４４…出力側スイッチ部、Ｃ１…キャパシタ、Ｃ２…キャパシタ。

Claims

複数の単位電池の直列接続体として構成される組電池（１０）に適用され、前記単位電池に関する電圧の検出結果をＡＤ変換器に対して出力するフライングキャパシタ方式の電池監視システムであって、
前記複数の単位電池のいずれかに各々接続可能な第１キャパシタ（Ｃ１）及び第２キャパシタ（Ｃ２）と、
前記各キャパシタに対して各々異なる単位電池による充電が行われた状態で、それらキャパシタ同士を互いに逆極性で直列接続させる第１スイッチ部（４３）と、
前記第１スイッチ部により前記キャパシタ同士が逆極性で直列接続された状態で、前記直列接続された両キャパシタの両端電圧を前記ＡＤ変換器に入力させる第２スイッチ部（４４）と、
を備えることを特徴とする電池監視システム。
前記第１キャパシタに対して前記複数の単位電池のいずれかを選択的に接続する第１開閉手段（２１，２２）と、
前記第２キャパシタに対して前記複数の単位電池のいずれかを選択的に接続する第２開閉手段（２１，４１）と、を備え、
前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段によって各々異なる単位電池から前記各キャパシタへの充電が各々行われた後に、前記各キャパシタと前記単位電池との接続を切り、その状態で、前記第１スイッチ部の閉鎖により前記キャパシタ同士を互いに逆極性で直列接続する請求項１に記載の電池監視システム。
前記直列接続された両キャパシタの両端電圧について電圧レベルを上げるレベルシフト手段（４５）を備える請求項１又は２に記載の電池監視システム。
前記第１キャパシタに対して１の前記単位電池による充電がなされた状態で、前記第２キャパシタに対して複数の前記単位電池による充電を繰り返し実施して、前記第２キャパシタにおいて別の単位電池による充電が行われる都度、前記第１スイッチ部を閉鎖して両キャパシタ同士を互いに逆極性に直列接続し、前記第２スイッチ部により、前記直列接続された両キャパシタの両端電圧を前記ＡＤ変換器に入力させる手段（５０）を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池監視システム。