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JP2012112811A - 二次電池装置および車両 - Google Patents

二次電池装置および車両 Download PDF

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Takashi Akiba
剛史 秋葉
Masahiro Tohara
正博 戸原
Takahisa Wada
卓久 和田
Masayuki Kubota
雅之 久保田
Yousuke Tonami
洋介 渡並
Asami Mizutani
麻美 水谷
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Toshiba Corp
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Abstract


【課題】 低消費電力の二次電池装置および車両を提供する。
【解決手段】 複数の二次電池セルを含む組電池BTと、二次電池セルの電圧を測定し、測定値のデータを出力する電池監視回路10と、組電池BTに流れる電流を測定する電流検出器30と、電流検出器30から受信した測定値のデータから電池状態を算出し、算出した電池状態の値が電池状態に対する電圧の傾きが所定値以下の安定領域に含まれるか否かを判断し、電圧の傾きが所定値以下である場合に、予め設定された周期よりも長い電圧送信周期を前記電池監視回路へ出力する電池管理部40と、電池監視回路10と電池管理部40との間の通信に用いられるバス通信線20と、を備えたことを特徴とする二次電池装置。
【選択図】図8

Description

本発明の実施形態は、二次電池装置および車両に関する。
二次電池装置は、複数の二次電池セルを含む組電池と、二次電池セルの電圧、温度、電池状態(SOC:state of charge)等により二次電池セルを監視する電池監視回路と、電池監視回路(VTM:Voltage Temperature Monitoring)から電池状態を受信して二次電池装置の充電および放電を制御する電池管理部(BMU:Battery Management Unit)と、を備える。電池管理部は、電池監視回路から受信した電圧、および温度と、電流計測装置から受けた組電池の放電電流あるいは充電電流を用いて、SOC等の算出を行い、さらに上位制御装置に向けて、CAN(cable area network)バス通信線等の通信手段へ情報を出力する。
例えば電気自動車等の車両に上記二次電池装置が搭載されたとき、組電池を満充電したときの航続距離を延ばすために、車両に実装された電装品は低消費電力であることが要求される。
特開2007−230398号公報 特開2005−329856号公報
上記二次電池装置では、定周期で二次電池セルの電圧や温度を計測してSOCが算出(推定)されるため、常にプロセッサやCANバス通信線が動作しており、消費電力を高める一要因となっていた。
特に、電気自動車等の車両に搭載される二次電池装置は多数の二次電池セルを備えるため、電池監視回路から電池管理部に送信される電池情報のデータが非常に多く、電池情報の送信による消費電力が無視できないものであった。
本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、低消費電力の二次電池装置および車両を提供することを目的とする。
実施形態の二次電池装置は、複数の二次電池セルを含む組電池と、前記二次電池セルの電圧を測定し、測定値のデータを出力する電池監視回路と、前記組電池に流れる電流を測定し、測定値のデータを出力する電流検出器と、前記電流検出器から受信した測定値のデータから電池状態を算出し、算出した電池状態の値が安定領域に含まれるか否かを判断し、算出した電池状態が前記安定領域に含まれる場合に、予め設定された周期よりも長い電圧送信周期を前記電池監視回路へ出力する電池管理部と、前記電池監視回路と前記電池管理部との間の通信に用いられるバス通信線と、を備えたことを特徴とする。
実施形態の車両の一構成例を説明するための図である。 実施形態の二次電池装置の一構成例を説明するための図である。 図2に示す二次電池装置のバス通信線の一構成例を示す図である。 図2に示す二次電池装置のバス通信線に印加される電圧レベルの一例を示す図である。 二次電池セルのSOCに対する電圧の変化の一例を示す図である。 図2に示す二次電池装置の電池管理部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図2に示す二次電池装置の電池監視回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図2に示す二次電池装置の通信状況の一例を説明するためのシーケンス図である。 CANバス通信線で送信されるデータフレームの一例を示す図である。
以下、実施形態に係る二次電池装置および車両について、図面を参照して説明する。
図1に、実施形態に係る車両の一構成例を概略的に示す。本実施形態に係る車両は、例えば電気自動車あるいはハイブリッド自動車であって、二次電池装置が搭載されている。
車両は、電池管理部40と、電池400と、電池400からの電力により駆動される車軸と、運転制御部500と、電池400から電力が供給されるモータ600と、電気制御装置(ECU:Electric Control Unit)60と、シャーシ1000と、駆動輪WR、WLと、を備える。
電池400は、複数の二次電池セル(図示せず)を含む組電池BT(図2に示す)と、組電池BTの温度等を測定する電池監視回路10(図2に示す)と、電池管理部40に電池情報を送信する通信系とを備える。電池400の正極端子100と負極端子200とは、運転制御部500に接続されている。
電池管理部40は、電池400から複数の二次電池セルの電圧値、組電池BTの電流値、および、組電池BTの温度値が供給され、組電池BTの電圧値等を監視するとともに充電および放電等を管理する制御回路と、電池400および電気制御装置60と通信を行なう通信系とを備える。
運転制御部500はインバータ(図示せず)を備え、電池400から供給される電圧を変換するとともに、運転指令を受けて出力電流・電圧のレベル制御及び位相制御などを行う。運転制御部500の出力は、モータ600に駆動電力として供給される。モータ600の回転は、例えば差動ギアユニットを介して、車軸(図示せず)および駆動輪WR、WLに伝達される。
電気制御装置60は、電池管理部40から複数の二次電池セルの電圧等のデータや、電池モジュールMDLや電池管理部40の異常を通知する信号を受信して、電池管理部40の動作を制御する。
図2に、実施形態に係る二次電池装置の一構成例を示す。二次電池装置は、複数の電池モジュールMDLと、電池モジュールMDLから電池情報を受信して二次電池装置を制御する電池管理部40と、電池モジュールMDLに流れる電流を測定する電流検出器30と、バス通信線20と、スイッチ素子が近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオンおよびオフされるリレー回路50と、を備えている。複数の電池モジュールMDLは図1に示す車両の電池400に搭載されている。
図3にバス通信線20の一構成例を概略的に示す。
図4に、バス通信線20に印加される電圧レベルの一例を示す。バス通信線20は、複数の電池モジュールMDLと電池管理部40との間の通信に用いられる。バス通信線20は、例えばCAN規格に基づいて2本のワイヤー間に発生する差動電圧を信号レベルとして検出する。作動電圧なしをデジタル信号の「1」(レセッシブ)、作動電圧ありをデジタル信号の「0」(ドミナント)とされる。通信が行なわれていないバスアイドル中は、レセッシブとなっている。
電池モジュールMDLは、複数の二次電池セルを含む組電池BTと、組電池BTの電圧および温度を測定する電池監視回路10とを備える。
電池監視回路10は、複数の二次電池セルの電圧を測定する電圧検出部(図示せず)と、複数の二次電池セルの少なくとも1つの温度を測定する温度検出部(図示せず)と、測定値のデータをバス通信線20へ送信する通信回路12と、を備えている。各二次電池セルの正極端子と負極端子とが電圧検出部に接続され、電圧検出部は各二次電池セルの正極端子と負極端子間の端子間電圧を個別に測定する。通信回路12は、電圧検出部が測定した電圧値をデータ化しバス通信線20へ出力する。また各二次電池セルの近傍に、温度センサが配置されている。各温度センサの出力端子は温度検出部に接続されている。温度検出部は各温度センサの検出結果をデータ化して通信回路12へ送信し、通信回路12がバス通信線20へ出力する。
二次電池セルは、リチウムイオン電池である。
図5に、二次電池セルのSOCに対する電圧の変化の一例を示す。図3に示す特性では、二次電池セルのSOCが50%の前後では電圧の変化が小さく、急激に変化することがない。以下の説明において、SOCに対する電圧の傾きが所定値以下であるSOCの範囲を安定領域とし、SOCに対する電圧の傾きが一定値よりも大きいSOCの範囲を変化領域とする。
電流検出器30は、複数の組電池BTに流れる電流を測定して電池管理部40へ出力する。電流検出器30は、複数の組電池BTと直列に接続され、例えばシャント抵抗(図示せず)を備えている。
リレー回路50は電池モジュールMDLの出力経路に配置され、電池モジュールMDLと負荷との接続を切替える。リレー回路50は、電池管理部40により動作を制御される。
電池管理部40は、電池監視回路10から電圧や温度等の測定値のデータを受信するとともに、電流検出器30から電流の測定値のデータを受信する。電池管理部40は、電流検出器30から受信した電流値を積算して二次電池セルのSOCを算出する。また、電池監視回路10から受信した電圧や温度等の測定値のデータおよび算出したSOCの値により、組電池BTの充電および放電を制御する。また、電池管理部40は、二次電池セルの電圧や温度が異常であるか否かを判断し、異常である場合にはバス通信線22を介して電気制御装置60へ異常を通知する。
図6に、車両に搭載された上記二次電池装置の起動から停止までの動作の一例を説明するフローチャートを示す。イグニッションがオンされたか、充電器が接続されると、電気制御装置60から電池管理部40の電源回路(図示せず)へ電源を投入する信号が出力され、電源回路から電池管理部40、電流検出器30および電池監視回路10に電源が投入さて起動する(ステップSTA1)。
電池管理部40は、電池監視回路10から受信した電圧と温度との値、および、電流検出器30から受信した電流の値に異常がないと判断すると、リレーを閉じ(ステップSTA2)、電流値を積算してSOCを算出し、電気制御装置60へ算出したSOC値を送信する(ステップSTA3)。
続いて、電池管理部40は、算出したSOCの値が安定領域に含まれるか否か判断する(ステップSTA4)。SOCが安定領域に含まれない場合には、電池管理部40は予め設定された最短電圧送信周期T2により電圧値のデータを送信するように電池監視回路10へ指示を送信する(ステップSTA5)。SOCが安定領域に含まれる場合には、電池管理部40は電圧値データの送信頻度を削減する電圧送信周期T1の値を電池監視回路10へ送信する(ステップSTA6)。
SOCが安定領域に含まれるであるときには、SOCの変化に対する電圧の変化が小さいため、電圧値のデータを送信する周期を長くしても二次電池セルの電圧を監視することによる安全性を担保することが可能である。そこで、本実施形態では、SOCが安定領域に含まれるときには、電池管理部40が電池監視回路10から電池管理部40へ電圧値のデータを送信する頻度を少なくして、通信による消費電力を抑制する。
なお、電池管理部40は、SOCの安定領域をさらに複数の領域として、電圧値のデータを送信する周期を段階的に変化させてもよい。例えば電池管理部40は、SOCが安定領域(SOCに対する電圧の傾きが第1値以下である領域)に含まれる場合に、さらにSOCに対する電圧の傾きが第2値(第2値<第1値)以下である第2安定領域に含まれるか否か判断し、SOCが第2安定領域に含まれる場合には電圧値のデータを送信する電圧送信周期T1よりもさらに長い周期の値を電池監視回路10へ送信して、電圧値データの送信頻度をさらに削減する。このことにより、二次電池装置の安全性を害することなく、さらに通信による消費電力を抑制することが可能となる。
電池管理部40は、電池監視回路10、電流検出器30、および電池管理部40に電源が投入されているか否か判断し(ステップSTA7)、電源が投入されている場合には、SOCを算出して算出した値を電気制御装置60へ送信するステップSTA3へ戻る。電源が投入されていない場合には、動作を終了する。
図7に、電池監視回路10の動作の一例を説明するフローチャートを示す。イグニッションがオンされたか、充電器が接続されると、電池管理部40、電流検出器30および電池監視回路10に電源が投入さて起動する(ステップSTB1)。
続いて、電池監視回路10は、二次電池セルの電圧を測定し、予め定義された最短電圧送信周期T2に従って電池管理部40に電圧値のデータを送信開始する(ステップSTB2)。電池監視回路10は、二次電池セルの温度を測定し、測定した温度値のデータを電池管理部40へ送信開始する(ステップSTB3)。同様に、電流検出器30が複数の組電池BTに流れる電流を検出し、電流値のデータを電池管理部40へ送信開始する。
電池監視回路10は、電池監視回路10は電池管理部40から電圧送信周期T1又は最短電圧送信周期T2による電圧値のデータ送信の指示を受信した否か判断し(ステップSTB4)、電圧送信周期T1を受信したときには電圧送信周期T1にしたがって電池管理部40へ電圧値のデータを送信する(ステップSTB5)。予め設定された最短電圧送信周期T2による電圧値のデータ送信の指示を受信した場合には、最短電圧送信周期T2にしたがって電池管理部40へ電圧値のデータを送信する(ステップSTB6)
続いて、電池監視回路10は、電源が投入されているか否か判断し(ステップSTB6)、電源が投入されている場合には、電池管理部40からの信号が受信されるのを待機する。電源が投入されていない場合には、動作を終了する。
図8に、二次電池装置の通信状況の一例を説明するためのシーケンス図を示す。
図中の「alt」はシーケンス図の定義で、条件(”[“と”]”の間)が真(true)の時に選択される「条件分岐」を意味する。電池監視回路10は、起動直後は予め定義された最短電圧送信周期T2で電圧を送信するが、電池管理部40でSOCが安定領域であると判断された場合、電池管理部40から電池監視回路10へ予め設定された周期よりも長い電圧送信周期T1を通知する。このことにより、電池監視回路10から電池管理部40への電圧送信頻度が削減される。
以下、上記のように電圧送信頻度を削減した場合に、二次電池装置で消費される電力の一例について説明する。
本実施形態の電池監視回路10と電池管理部40との間の通信方式として、CANを使用したものとする。ここで、電池監視回路に含まれる通信回路12での消費電力について検討する。例として、Philips Semiconductors社のHigh Speed CAN Transceiver 「TJA1040」の電流と電圧を用いて説明する。スタンバイモード(standby mode)では、最大(MAX)15μA、最小(MIN)5μAで、標準(TYP)10μAの電流が消費される。ノーマルモード(normal mode)では、レセッシブのときに最大(MAX)10mA、最小(MIN)2.5mA、標準(TYP)5mAの電流が消費され、ドミナントのときに最大(MAX)70mA、最小(MIN)30mA、標準(TYP)50mAが消費される。通信に用いられる電圧は、最小(MIN)4.75V、最大(MAX)5.25Vである。なお、以下の説明では、電流および電圧の値は標準(TYP)の値を用いる。
CANバス通信線での通信スピード(ボーレート)は、Hight Speed CANでは125Kbps以上であり、「TJA1040」の最大ボーレートは1Mbpsである。以下では、ボーレートを1Mbpsとして説明する。
図9に、CANバス通信線で送信されるデータフレームの一例を示す。各データフレームはCAN規格に基づいて構成されている。1回のデータフレームで、予めレセッシブとドミナントとの値が決められているフィールドフレーム以外では、レセッシブとドミナントとの取りうるフィールドはレセッシブとドミナントとの確率が50%として考えると、レセッシブ数=60.5bit、ドミナント数=50.5bitである。
このデータフレームにおいて、電池監視回路10から電池管理部40へ送信するデータはデータフィールド(Data Field)に割り当てられる。図9には300個の二次電池セル(セル1〜セル300)の電圧値のデータをデータフィールドに割り当てたときのデータ構成の一例を示している。1つの二次電池セルの電圧値あたり2Byte要すること、通信データの健全性を示すために1フレームあたりALIVE COUNTER(アライブカウンタ値)とCheck SUM(電圧値の和)との値を付加すること、送信電圧値総数(二次電池セルの総数)が300個であることを仮定すると、電池監視回路10がバス通信線20に出力する電圧値のデータは100フレームで送信することができる。
また、電池監視回路10からバス通信線20へ出力する最短電圧送信周期を100ms、送信頻度を削減した電圧送信周期を100sとする。すなわち、最短電圧送信周期の場合は、1秒間に1000フレーム、送信頻度を削減した電圧送信周期の場合は、1秒間に1フレームのデータを送信することができる。
送信頻度を削減した電圧送信周期でデータを送信する場合、1秒間のノーマルモード中の消費電力[mW]は、以下のように算出される。
1フレーム毎電流(TYP)=レセッシブ電流(TYP)×1フレーム毎レセッシブビット数+ドミナント電流(TYP)×1フレーム毎ドミナントビット数
=5[mA]×60.5bit+50[mA]×50.5bit…[1]
1ビット毎消費電力[mW]=(電圧(TYP)×[1])/1フレーム毎ビット数
=5[V]×(5[mA]×60.5bit+50[mA]×50.5bit)/111bit…[2]
1秒内のノーマルモードビット数率=(111bit×1フレーム)/1M…[3]
ノーマルモード消費電力[mW]=[2]×[3]…[4]
1秒間のスタンバイモード中の消費電力[mW]:
スタンバイモード消費電力[mW]=電圧(TYP)×スタンバイモード電流(TYP)×1秒間のスタンバイモードビット数率=5[V]×0.01[mA]×(1−[3])…[5]
上記の結果から、送信頻度を削減した電圧送信周期でデータを送信する場合の消費電力は、[4]と[5]との和となり、具体的には下記のように算出される。
送信頻度削減後周期時[mW]=[4]+[5]=14137.5/1M+49994.45/1M=0.06413195
また、最短電圧送信周期で電圧値のデータを送信する場合、1秒間のノーマルモード中の消費電力[mW]は、以下のように算出される。
1フレーム毎電流(TYP)=レセッシブ電流(TYP)×1フレーム毎レセッシブビット数+ドミナント電流(TYP)×1フレーム毎ドミナントビット数
=5[mA]×60.5bit+50[mA]×50.5bit…[1]´
1ビット毎消費電力[mW]=(電圧(TYP)×[1]´)/1フレーム毎ビット数
=5[V]×(5[mA]×60.5bit+50[mA]×50.5bit)/111bit…[2]´
1秒間のノーマルモードビット数率=(111bit×1000フレーム)/1M…[3]´
ノーマルモード消費電力[mW]=[2]´×[3]´…[4]´
1秒間のスタンバイモード中の消費電力[mW]は以下のように算出される。
スタンバイモード消費電力[mW]=電圧(TYP)×スタンバイモード電流(TYP)×1秒間のスタンバイモードビット数率
=5[V]×0.01[mA]×(1−[3]´)…[5]´
最短電圧送信周期時[mW]=[4]´+[5]´=14137500/1M+44450/1M=14.18195
上記の結果を用いて、最短電圧送信周期時の消費電力から送信頻度削減後周期時の消費電力を引くと、最短電圧送信周期時[mW]−削減後周期時[mW]=14.18195−0.06413195=14.11781805…[6]となり、抑えられた消費電力は以下のように算出される。
抑えられた消費電力[Wh]=[6]×0.001×60×60=50.82414498…[7]
すなわち、電池監視回路10は、電気制御装置60の鉛電池から電源供給されるとともに、車両等の負荷の駆動に用いられる電池400から電源供給されることが多い。電池監視回路10の通信を行なう際の電力が電池400から供給される場合、50.82414498[Wh]分だけ、電池400の消費電力が抑えられることになる。
ここで、電気自動車の電池400の総電力量を20kWh、総電力量による走行可能距離を150kmとすると、
電力量当たりの走行距離[m/Wh]=150×1000/20×1000=7.5…[8] となる。したがって、本実施形態に係る車両および二次電池装置により得られる走行距離は[7]と[8]との積であり、
走行距離[m]=[7]×[8]=381.18108735 となる。
上記のように、本実施形態に係る二次電池装置および車両によれば、電池400のそう電力量により車両を約381[m]長く走行させることができる。なお、電池400の1充電後は、ほとんどの時間がSOCの安定領域での走行となるため、走行時間が長ければ長いほど、効果が大きくなる。さらに、本実施形態ではSOCが安定領域に含まれる場合にのみ電圧値の送信頻度を削減しているため、二次電池装置の安全性が低下することはない。また、上記の効果は、1つの電池監視回路10の効果であるため、周辺回路の電力削減効果も含めることでさらなる効果を期待することができる。さらに、例えば、渋滞しているため車両が長時間あまり進まないなど、走行状態や交通情報によっては、長時間通信不要であることもある。その場合はさらに削減効果が大きくなる。
すなわち、本実施形態に係る二次電池装置および車両によれば、低消費電力の二次電池装置および車両を提供することができる。
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。
例えば、上記実施形態では、電池管理部40でSOCを算出し、SOCが安定領域に含まれるか否かを判断し、SOCが安定領域に含まれる場合に、電圧送信頻度を削減するように周期を変更していたが、この処理は電気制御装置60や電池監視回路10で行なってもよい。これらの場合であっても、上述の実施形態に係る二次電池装置および車両と同様の効果を得ることができる。
WR、WL…駆動輪、BT…組電池、MDL…電池モジュール、10…電池監視回路、12…通信回路、20、22…バス通信線、30…電流検出器、40…電池管理部、50…リレー回路、60…電気制御装置(上位制御装置)、100…正極端子、200…負極端子、400…電池、500…運転制御部、600…モータ、1000…シャーシ。

Claims (4)

  1. 複数の二次電池セルを含む組電池と、
    前記二次電池セルの電圧を測定し、測定値のデータを出力する電池監視回路と、
    前記組電池に流れる電流を測定し、測定値のデータを出力する電流検出器と、
    前記電流検出器から受信した測定値のデータから電池状態を算出し、算出した電池状態の値が安定領域に含まれるか否かを判断し、算出した電池状態が前記安定領域に含まれる場合に、予め設定された周期よりも長い電圧送信周期を前記電池監視回路へ出力する電池管理部と、
    前記電池監視回路と前記電池管理部との間の通信に用いられるバス通信線と、を備えたことを特徴とする二次電池装置。
  2. 前記電池管理部は、算出した電池状態が前記安定領域に含まれない場合に、前記電池監視回路から予め設定された周期で電圧値のデータを送信する指示を前記電池監視回路へ出力することを特徴とする請求項1記載の二次電池装置。
  3. 前記安定領域は、前記二次電池セルの電池特性において電池状態に対する電圧の傾きが第1値以下となる電池状態の範囲であって、
    前記電池管理部は、算出した電池状態が前記安定領域に含まれる場合に、前記二次電池セルの電池特性において電池状態に対する電圧の傾きが前記第1値よりも小さい第2値以下となる電池状態の第2安定領域に算出した電池状態が含まれるか否か判断し、算出した電池状態が前記第2安定領域に含まれる場合に、前記電圧送信周期よりも長い周期を前記電池監視回路へ出力することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の二次電池装置。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載された二次電池装置と、
    前記二次電池装置からの電力により駆動される車軸と、を具備することを特徴とする車両。
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