JP2016050870A

JP2016050870A - 電池監視装置

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Publication number: JP2016050870A
Application number: JP2014176813A
Authority: JP
Inventors: 飯野　潤一; Junichi Iino; 潤一飯野; 溝口　朝道; Asamichi Mizoguchi; 朝道溝口; 亮太郎三浦; Ryotaro Miura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-04-11
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: JP6264231B2; US20160061909A1; US9933489B2

Abstract

【課題】組電池と電池監視装置とを接続する配線部の状態を検出できる電池監視装置を提供する。
【解決手段】電池監視装置は、一端が複数の単位電池Ｖ間の各々に接続され、他端が分岐ラインＬ２，Ｌ３となっている複数の配線Ｌ１と、単位電池Ｖの正極側及び負極側に接続される各配線Ｌ１のうち、正極側の分岐ラインＬ３と負極側分岐ラインＬ２とを第１配線ペア、正極側の分岐ラインＬ２と負極側の分岐ラインＬ３とを第２配線ペアとし、第１配線ペア間に設けられた均等化スイッチ２２１と、第１配線ペア間に設けられた第１電圧検出部３１と、第１電圧検出部による電圧検出結果に基づき、均等化スイッチ２２１をオンとした際の放電で単位電池Ｖの電圧を均等化する均等化回路２２２と、第２配線ペア間に設けられ、均等化スイッチ２２１のオン時及びオフ時に単位電池Ｖの電圧を検出する第２電圧検出部３２と、を備える。
【選択図】図１

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装置に関する。

組電池を構成する単位電池は、充放電の繰り返しによって単位電池毎の電圧にばらつきが生じることがある。単位電池毎の電圧にばらつき生じた場合、組電池において過放電や過充電になりやすい単位電池が損傷するなどの不都合が生じうる。

そこで、組電池には各単位電池の状態を監視する電池監視装置が設けられている。電池監視装置は、配線及びコネクタを介して組電池の各単位電池間と接続されており、隣接する配線間の電位差から単位電池の電圧を検出する。

また、電池監視装置には、各単位電池の両側の配線間を短絡させて、当該単位電池を放電する均等化スイッチ及び抵抗からなる均等化処理部が設けられている。均等化処理部によって複数の単位電池のうち電圧の高い単位電池の放電が実施されることで、単位電池ごとの端子間電圧のばらつきが解消されるようにしている（特許文献１参照）。

特開２０１２−１００４１１号公報

しかし、組電池と電池監視装置とを接続する配線及びコネクタは、上記の電圧検出処理及び均等化処理の繰り返しを伴う長期の使用或いは放置によって劣化することが考えられる。配線やコネクタが劣化するとその抵抗が増加し、電圧検出処理や均等化処理を実施する際の精度に影響が及ぶおそれがある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、組電池と電池監視装置とを接続する配線部の状態を検出できる電池監視装置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、複数の単位電池を直列接続して構成された組電池に適用される電池監視装置であって、一端側が前記複数の単位電池間の各々に接続され、他端側が分岐されて第１分岐部（Ｌ２）及び第２分岐部（Ｌ３）となっている複数の配線部（Ｌ１）と、前記単位電池の正極側及び負極側に接続される各配線部のうち正極側の配線部の第２分岐部と負極側の配線部の第１分岐部とを第１配線ペア、正極側の配線部の第１分岐部と負極側の配線部の第２分岐部とを第２配線ペアとし、そのうち前記第１配線ペアの間に設けられた均等化スイッチ（２２１）と、前記第１配線ペアの間に、前記均等化スイッチに並列に設けられた第１電圧検出手段（３１）と、前記第１電圧検出手段による電圧検出結果に基づいて、前記均等化スイッチをオンとした際の放電により前記単位電池の端子間電圧を均等化する均等化手段（２２２）と、前記第２配線ペアの間に設けられ、前記均等化スイッチのオン時及びオフ時に前記単位電池の端子間電圧をそれぞれ検出する第２電圧検出手段（３２）と、を備える。

本発明によれば、均等化スイッチのオン時及びオフ時における単位電池の端子間電圧の変化に基づき、より適切なる電圧検出処理及び均等化処理を実施することができる。

電圧監視システムを示す図。電圧監視システムの概略図。抵抗検出処理のフローチャート。接続経路の電圧と抵抗との関係を示す図。

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、組電池１０を構成する車載高圧バッテリに本発明の電池監視装置２０を適用している。なお、以下の各実施形態相互において、同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、電圧監視システムは、組電池１０と、電池監視装置２０とを備えて構成されている。

組電池１０は、複数の単位電池Ｖの直列接続体として構成されている。単位電池Ｖ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。なお、単位電池Ｖは、単一の電池にて構成されたものである他、複数個の電池を直列接続してグループ化したものであってもよい。

電池監視装置２０は、複数の配線Ｌ１および複数のコネクタＣＮからなる接続経路２３を介して各単位電池Ｖ間に接続されている。

配線Ｌ１は、一端側が単位電池Ｖの電極間に接続され、他端側が分岐されて複数の分岐ラインＬ２，Ｌ３となっている。各分岐ラインＬ２及びＬ３の他端側は電池監視装置２０（後述する監視ＩＣ２２）に接続されている。このように、各単位電池Ｖの電極間に接続する配線Ｌ１を、複数の分岐ラインＬ２、Ｌ３に分岐した場合、一つの単位電池Ｖの電極間に対して複数の経路が形成された状態にできるため、これら複数の経路の各々を電池監視装置２０の各機能に応じて使い分けることができる。

電池監視装置２０は、フィルタ回路２１、監視ＩＣ２２、制御装置２５を備えて構成されており、各単位電池Ｖの両電極間の電圧を検出する電圧検出処理、各単位電池Ｖの端子間電圧のばらつきがある場合に端子間電圧のばらつきを解消する均等化処理、および各単位電池Ｖの両端（正極側及び負極側）と電池監視装置２０とを接続する配線Ｌ１及びコネクタＣＮからなる接続経路２３の抵抗値を検出する抵抗検出処理を実施する。

フィルタ回路２１は、各単位電池Ｖの正極側及び負極側に接続される配線Ｌ１のうち、正極側の配線Ｌ１の分岐ラインＬ３と負極側の配線Ｌ１の分岐ラインＬ２とを第１配線ペア、正極側の配線Ｌ１の分岐ラインＬ２と負極側の配線Ｌ１の分岐ラインＬ３とを第２配線ペアとし、そのうち各第１配線ペアの間に設けられたキャパシタＣと、分岐ラインＬ２，Ｌ３の各々に設けられた抵抗Ｒとの組み合わせからなるＲＣ回路を備えている。抵抗Ｒは、電圧検出が行われる際にはフィルタ用抵抗として用いられ、均等化処理が行われる際には電流制限用抵抗として用いられる。キャパシタＣは単位電池Ｖごとに並列接続されている。

監視ＩＣ２２は、各単位電池Ｖの端子間電圧（セル電圧）を検出する電圧検出部２２ａと、各単位電池Ｖの電圧を均等化する均等化処理部２２ｂとを備えている。

まず、均等化処理部２２ｂは、各第１配線ペアの間に設けられたＭＯＳＦＥＴ等からなる均等化スイッチ２２１と、各均等化スイッチ２２１のオンオフを切り替える均等化回路２２２とを備えている。なお、均等化スイッチ２２１は、キャパシタＣ及び単位電池Ｖに並列接続されている。

電圧検出部２２ａは、各単位電池Ｖに並列接続され、各単位電池Ｖの電圧を検出する第１電圧検出部３１及び第２電圧検出部３２を備えている。第１電圧検出部３１は、第１配線ペアの間に接続されている。すなわち、単位電池Ｖの正極側の分岐ラインＬ３と負極側の分岐ラインＬ２との間に接続されている。第２電圧検出部３２は、第２配線ペアの間に接続されている。すなわち、各単位電池Ｖの正極側の分岐ラインＬ２と負極側の分岐ラインＬ３との間に接続されている。すなわち、本実施形態の電圧検出部２２ａは、第１電圧検出部３１及び第２電圧検出部３２の異なる経路を用いて単位電池Ｖの電圧を検出することができる。なお、第１電圧検出部３１は、キャパシタＣ及び均等化スイッチ２２１に並列接続されている。

制御装置２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、書き換え可能なフラッシュメモリ等からなるマイクロコンピュータであって、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、電圧検出処理、均等化処理、抵抗検出処理の各処理を実行する。

電圧検出処理では、第１電圧検出部３１を用いて各単位電池Ｖの端子間電圧を取得する。均等化処理では、第１電圧検出部３１による端子間電圧の検出結果に基づいて、全単位電池Ｖのうち放電対象となる単位電池Ｖを決定するとともに、放電対象となる単位電池Ｖに接続された均等化スイッチ２２１をオンに切り替えることで、当該単位電池Ｖの放電を実施し、各単位電池Ｖの電圧を均等化する。

抵抗検出処理では、第２電圧検出部３２を用いて各単位電池Ｖの端子間電圧を取得する。ここで、抵抗検出処理について詳しく説明する。上述したように、組電池１０と電池監視装置２０とは、配線Ｌ１及びコネクタＣＮからなる接続経路２３で接続されているが、これら配線Ｌ１及びコネクタＣＮは、長期の使用或いは放置に伴って劣化しその抵抗値が変化（増大）しうる。

例えば、図２の電池監視システムの概略図において、複数の単位電池Ｖのうち、単位電池Ｖａの負極側の配線Ｌ１が劣化により抵抗値が増大したとする。例えば、配線Ｌ１の抵抗値が通常状態の略０ΩからＲ２＝２ｋΩに増大したとする。この状態で、第１電圧検出部３１による電圧検出処理を実施されると、配線Ｌ１の抵抗Ｒ２が電圧検出及び均等化の各処理の精度に影響するおそれがある。

ところで、単位電池Ｖの接続経路２３の抵抗は、接続経路２３に電流を流し電圧降下を発生させることで検出できる。そこで本実施形態では、各単位電池Ｖに２系統の電圧検出部を設けている。すなわち、第１配線ペアに接続された第１電圧検出部３１と、第２配線ペアに接続された第２電圧検出部３２とが設けられている。この際、第１電圧検出部３１に均等化スイッチ２２１が接続されているのに対して、第２電圧検出部３２には均等化スイッチ２２１は接続されていない。そのため、第２電圧検出部３２は、均等化スイッチ２２１のオンオフに関わらず単位電池Ｖの電圧を検出できる、そして、第２電圧検出部３２を用いて、均等化スイッチ２２１をオンオフした際の電圧の変化（差分）を求めることにより、その電圧の変化（差分）から単位電池Ｖの接続経路２３における抵抗値を求められる。

すなわち、図２の例では、第２電圧検出部３２を用いて、単位電池Ｖａに並列接続された均等化スイッチ２２１がオフの際に検出した第１電圧検出値Ｖ１と、均等化スイッチ２２１がオンの際に取得した第２電圧検出値Ｖ２との電圧の差分ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）を取得する。そして、当該電圧の差分ΔＶを用いて、単位電池Ｖａの接続経路２３における抵抗値を算出する。例えば、差分ΔＶと抵抗値との対応関係を示すマップを用いて算出する。なおマップは制御装置２５のＲＯＭ等に予め記憶されているとする。

次に以上の構成を備える電池監視装置２０の抵抗検出処理の手順を説明する。なお、以下の処理は、所定周期で繰り返し実施する。なお、抵抗検出処理は単位電池ごとに実施する。

図３において、ステップＳ１１で、抵抗検出処理の実施時期であるか否かを判定する。例えば、組電池１０と電池監視装置２０とが接続された状態であり、かつ図示を略すシステムメインリレーがオフの際に、抵抗検出処理の実施時期であると判定する。なおシステムメインリレーがオフの場合に抵抗検出処理が実施されるようにすることで、組電池１０の充放電等に伴うノイズの影響を抑えつつ抵抗検出処理を実施できる。

ステップＳ１１で肯定判定した場合には、ステップＳ１２で、抵抗検出処理が未実施の単位電池Ｖがあるか否かを判定する。肯定判定した場合には、ステップＳ１３で、抵抗検出処理が未実施の単位電池Ｖに並列接続された均等化スイッチ２２１をオフとして、第２電圧検出部３２を用いて単位電池Ｖの電圧を検出する。これにより第１電圧検出値Ｖ１を取得する。

ステップＳ１４では、当該単位電池Ｖに並列接続された均等化スイッチ２２１をオンにして、第２電圧検出部３２を用いた電圧検出を実施する。これにより第２電圧検出値Ｖ２を取得する。そして、ステップＳ１５では、第１電圧検出値Ｖ１と第２電圧検出値Ｖ２との電圧の差分ΔＶを算出する。ステップＳ１６では、電圧の差分ΔＶから、当該単位電池Ｖの接続経路２３における抵抗値を算出する。例えば、図４に示す電圧の差分ΔＶと抵抗値との対応関係を示すマップを用いて、単位電池Ｖの接続経路２３における抵抗値を算出する。

ステップＳ１７では、接続経路２３の抵抗値が第１閾値α１未満であるか否かを判定する。なお、第１閾値α１は、単位電池Ｖの接続経路２３に劣化が生じていない場合の抵抗値であり、予め設定されている。

ステップＳ１７で肯定判定した場合には、ステップＳ１８に進み、接続経路２３は正常であると判定する。すなわち接続経路２３の抵抗値は許容範囲内であることが判定される。この場合、第１電圧検出部３１による電圧検出値を用いた均等化処理等が実施される。

一方、ステップＳ１７で否定判定した場合には、ステップＳ１９で、接続経路２３の抵抗値が第１閾値α１以上第２閾値α２未満（α１＜α２）であるか否かを判定する。肯定判定した場合には、ステップＳ２０で、第１電圧検出部３１で検出される電圧検出値から、接続経路２３によって生じる電圧降下分を誤差として差し引いた補正後の電圧値を用いて均等化処理等が実施されることとなる。

ステップＳ１９で否定判定した場合、すなわち抵抗値が第２閾値α２以上の場合には、ステップＳ２１で異常状態の通知処理を実施する。例えば、単位電池Ｖの接続経路２３に異常が生じている可能性がある旨を上位システムへの通知、ディスプレイ等への表示、スピーカによる音等で通知する。なおステップＳ１１、Ｓ１２で否定判定した場合には、処理を終了する。

次に上記処理の実行例を図２を参照しつつ説明する。まず、組電池１０に電池監視装置２０が接続されており、かつシステムメインリレーがオフの際に、抵抗検出処理が実施されていない単位電池Ｖがあると判定されることにより、抵抗検出処理が実施される。

単位電池Ｖａの抵抗検出処理が未実施であると判定されると、単位電池Ｖａに並列接続された均等化スイッチ２２１がオフの状態で、第２電圧検出部３２による単位電池Ｖａの電圧検出が行われる。この場合、第２電圧検出部３２によって端子間電圧（Ｖ１）が検出される。次に、均等化スイッチ２２１がオンに切り替えられると、単位電池Ｖａの接続経路２３に流れる電流Ｉａによって抵抗Ｒ２による電圧降下が生じた状態で、第２電圧検出部３２によって端子間電圧（Ｖ２）が検出される。そして各端子間電圧の差分ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）を算出し、取得した電圧の差分ΔＶを用いて、単位電池Ｖａの接続経路２３における抵抗Ｒ２が算出される。そして抵抗Ｒ２の抵抗値に応じて、異常判定等が実施される。

上記によれば以下の優れた効果を奏することができる。

・均等化スイッチ２２１のオン時及びオフ時における単位電池Ｖの端子間電圧を取得できるようにした。この場合、均等化スイッチ２２１のオン時及びオフ時における単位電池Ｖの端子間電圧の変化に基づき、より適切なる電圧検出処理及び均等化処理を実施することができる。

・第１配線ペアの間に設けられた第１電圧検出部３１の電圧の検出結果に基づいて、単位電池Ｖの均等化処理を好適に実施できる。また、第２配線ペアの間に設けられた第２電圧検出部３２の電圧の検出結果（ＳＷオン時＆オフ時）に基づいて、接続経路２３の劣化状態を好適に検出できる。

・均等化スイッチ２２１がオフの際とオンの際に第２電圧検出部３２が検出した電圧の差分を用いて、接続経路２３の抵抗値を算出できる。

・接続経路２３に異常（抵抗増加）が生じていることを判定できる構成とした。この場合、接続経路２３の抵抗値が所定以上に大きい場合に、接続経路２３が異常であると判定できる。

・接続経路２３の抵抗値が所定未満（所定範囲内）の場合には、正常状態であると判定することができる。

・接続経路２３の抵抗値が第１閾値α１以上第２閾値α２未満の際に、接続経路２３によって生じる電圧降下分を誤差として差し引いた補正後の電圧値を用いて、均等化処理が実施されることとした。この場合、接続経路２３の抵抗値が所定範囲内の場合に、補正後の電圧値を用いてより適切なる均等化処理を実施できる。

・接続経路２３に異常があることが判定された際に、その旨を通知できる構成とした。この場合、接続経路２３の異常状態を上位システム或いはユーザに通知できる。

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、上述の実施形態と同じ構成には同じ図番号を付し詳述は省略する。

・上記の図３の処置では、複数の閾値（第１閾値α１、第２閾値α２）を設定して、各単位電池Ｖの接続経路２３における異常判定を実施しているが、閾値は少なくとも一つ設定されていればよい。この場合、電圧の差分ΔＶが閾値未満の場合には接続経路２３は正常（異常なし）と判定し、電圧の差分ΔＶが閾値以上の場合には、接続経路２３に異常（劣化）が生じていると判定することができる。

・単位電池Ｖに接続された接続経路２３に異常がある場合、その異常個所が正極側と負極側のいずれであるかが特定されるようにしてもよい。例えば、隣り合う単位電池Ｖにおいて算出した電圧の差分ΔＶを比較することで、各単位電池Ｖの正極側及び負極側の各々に接続された接続経路２３（配線Ｌ１及びコネクタＣＮ）のうち、正極側及び負極側のいずれの接続経路２３における抵抗値が増大したかを特定することができる。

・上記において、当該単位電池Ｖの均等化処理が行われる際に、抵抗検出処理を実施してもよい。この場合、制御装置２５が実施する抵抗検出処理の手順を簡略化できる。また組電池１０の電圧をより効率よく使用できる。

・上記では、システムメインリレーがオフの際に、抵抗検出処理を実施する例を示した。これ以外にもシステムメインリレーがオン状態において、車両の停車中等、組電池１０の充放電が実施されない状態（充放電が少ない状態）において、上記の抵抗検出処理が実施されてもよい。

２５…制御装置、３１…第１電圧検出部、３２…第２電圧検出部、２２１…均等化スイッチ、２２２…均等化回路、Ｌ１…配線、Ｌ２…分岐ライン、Ｌ３…分岐ライン。

Claims

複数の単位電池を直列接続して構成された組電池に適用される電池監視装置であって、
一端側が前記複数の単位電池間の各々に接続され、他端側が分岐されて第１分岐部（Ｌ２）及び第２分岐部（Ｌ３）となっている複数の配線部（Ｌ１）と、
前記単位電池の正極側及び負極側に接続される各配線部のうち正極側の配線部の第２分岐部と負極側の配線部の第１分岐部とを第１配線ペア、正極側の配線部の第１分岐部と負極側の配線部の第２分岐部とを第２配線ペアとし、そのうち前記第１配線ペアの間に設けられた均等化スイッチ（２２１）と、
前記第１配線ペアの間に、前記均等化スイッチに並列に設けられた第１電圧検出手段（３１）と、
前記第１電圧検出手段による電圧検出結果に基づいて、前記均等化スイッチをオンとした際の放電により前記単位電池の端子間電圧を均等化する均等化手段（２２２）と、
前記第２配線ペアの間に設けられ、前記均等化スイッチのオン時及びオフ時に前記単位電池の端子間電圧をそれぞれ検出する第２電圧検出手段（３２）と、
を備えることを特徴とする電池監視装置。
前記均等化スイッチをオンにした際の前記第２電圧検出手段による電圧検出結果と、前記均等化スイッチをオフにした際の前記第２電圧検出手段による電圧検出結果とに基づいて、前記配線部の劣化状態を検出する劣化検出手段（２５）と、を備える請求項１に記載の電池監視装置。
前記劣化検出手段は、前記均等化スイッチがオフの際に前記第２電圧検出手段が検出した第１電圧検出値（Ｖ１）と、前記均等化スイッチがオンの際に前記第２電圧検出手段が検出した第２電圧検出値（Ｖ２）との電圧の差分（ΔＶ）に基づいて、前記単位電池に接続された前記配線部の抵抗値を算出する請求項２に記載の電池監視装置。
前記劣化検出手段で算出された抵抗値が所定の第１閾値以上の際に、前記配線部に異常が生じていると判定する異常判定手段（２５）を備える請求項３に記載の電池監視装置。
前記抵抗値が第１閾値以上であり且つ前記第１閾値よりも大きい所定の第２閾値未満の場合に、前記抵抗値を用いて、前記第１電圧検出手段が検出した前記端子間電圧の検出値を補正する補正手段（２５）を備える請求項４に記載の電池監視装置。
前記均等化手段は、前記補正手段による補正後の前記端子間電圧を用いて、均等化処理を実施する請求項５に記載の電池監視装置。
隣接する前記単位電池の各々の前記配線部の抵抗値に基づいて、前記単位電池の正極側及び負極側のいずれかの抵抗値が増加したかを特定する手段を備える請求項３乃至６のいずれか１項に記載の電池監視装置。
前記劣化検出手段で算出された抵抗値が所定以上の際に、その旨を通知する手段を備える請求項３乃至７のいずれか１項に記載の電池監視装置。
前記第１配線ペアに設けられたＲＣフィルタを備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電池監視装置。