JP5642018B2 - 電動車両のバッテリ監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両のバッテリ監視装置に関し、特に、複数のセルが直列に接続された複数のモジュールを有するバッテリにおけるセルの温度、電圧、および電流等の状態情報を取得する監視ユニットとバッテリを制御する制御ユニットとの間の通信手段を改善することができる電動車両のバッテリ監視装置に関する。

電気自動車やいわゆるハイブリッド車両等の電動車両の走行用モータや各種負荷を駆動するための電源装置として、大容量かつ高電圧を得るために複数の単電池（以下、「セル」という）を直列接続してなるバッテリモジュールをさらに複数接続して構成したバッテリが使用される。バッテリ監視システムにおいて、バッテリモジュール毎におけるセルの温度、電圧、および電流等の状態情報を取得する監視ユニットとバッテリを制御する制御ユニットとの間を、バッテリモジュール毎にまたはハーネスを用いてバッテリモジュールを一括して接続することがある。しかし、配線の取り回し回数が多くなることや、配線が長くなった場合にノイズの影響を受けやすいといった課題があった。

そこで、例えば、特許文献１に記載されているような、複数のクライアント側とサーバ側とを無線通信で接続する技術を電動車両のバッテリ監視システムに適用することが考えられる。

特開２００１−３３９４０８号公報

電動車両とりわけ電動二輪車の電源装置を想定した場合、バッテリモジュールは、防振、防水等を考慮した耐久性の観点から金属製のバッテリケース内に収容されることが望ましい。また、レイアウトの都合上、制御ユニットをバッテリケースから離して配置することがあり、この場合、各バッテリモジュールに取り付けられる監視ユニットからの無線通信による通信情報は金属製のバッテリケースによってシールドされてしまうという課題が生じる。

本発明の目的は、金属製のバッテリケース内のモジュール監視ユニットからの通信情報を制御ユニットに確実に送信可能にできる電動車両のバッテリ監視装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、電動車両に搭載されるバッテリ監視装置であって、直列接続された複数のセル（７）を有して構成されるバッテリモジュール（４ａ）を複数直列接続してなるバッテリ（４）と、前記バッテリモジュール（４ａ）および前記セル（７）を監視し、状態情報を出力する監視手段（６）と、前記監視手段（６）から出力される前記状態情報を受信して前記バッテリ（４）を制御する制御手段（４５）とを有する電動車両のバッテリ監視装置において、前記バッテリ（４）および前記監視手段（６）を収容する電磁遮蔽されたバッテリケース（７０）と、前記制御手段（４５）を収容する電磁遮蔽された制御ケース（７１）とを有し、前記バッテリケース（７０）および前記制御ケース（７１）を、電磁遮蔽被覆を有する電波誘導線（７２）によって互いに接続するとともに、前記バッテリケース（７０）内に設けられて前記状態情報を電波信号として送出する送信手段（６１）と、前記制御ケース（７１）内に設けられて前記電波誘導線（７２）を通じて前記送信手段（６１）から送出された前記状態情報を受信する受信手段（４５３）とを備えている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記バッテリケース（７０）が、樹脂製筐体（７０ａ）の内面に金属膜ライニング（７０ｂ）を施した構造を有している点に第２の特徴がある。

また、本発明は、複数の送信手段（６１）は、互いに異なる送信周波数で電波信号を送信するように設定されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記状態情報が、前記セル（７）毎の電圧と前記バッテリモジュール（４ａ）毎の電圧および温度とである点に第４の特徴がある。
また、本発明は、電動二輪車に搭載される電動車両のバッテリ監視装置であって、前記電動二輪車がステップフロア（４０）と、ステップフロア（４０）よりも車体後方上寄りに配置される運転者用シート（２１）とを備え、前記バッテリケース（７０）が、前記ステップフロア（４０）の下に配置され、前記制御ケース（７１）が、電動二輪車（１）の後輪（ＷＲ）とバッテリケース（７０）との間で前記運転者用シート（２１）下方に配置されている点に第５の特徴がある。
また、本発明は、前記バッテリケース（７０）の前部には冷却ダクト（３８）が連結され、バッテリケース（７０）の後部には冷却ファン（３９）が設けられている点に第６の特徴がある。
さらに、本発明は、前記バッテリケース（７０）と前記制御ケース（７１）とが、前記電動二輪車の前後方向で互いに近接して配置されている点に第７の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、バッテリケースや制御ケースを金属性等にして電磁遮蔽されたバッテリケースと制御ケースを使用し、防振・防水性を高めながら外部からの電波の影響を最小にすることができる上に、監視手段で検出したバッテリモジュールやセルの状態情報は電磁遮蔽被膜を有する電磁誘導線を通して確実に、且つノイズの影響も受けずに制御手段に送信することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、樹脂製筐体で軽量化を図りつつ、金属膜ライニングによってノイズの影響を受けにくくすることができる。

第３の特徴を有する本発明によれば、１本の電波誘導線を用いて複数のバッテリモジュールの状態情報を区別して送信でき、受信手段でも区別して受信できる。

第４の特徴を有する本発明によれば、制御手段は、セルやバッテリモジュールの電圧、およびバッテリモジュールの温度を受信して過充電、過放電、および過熱程度等を検出することができる。

また、本発明は、特に、外部環境に曝されやすい電動二輪車に搭載されるバッテリ監視装置に適用することによって、良好な防水性や耐振性の利点がより顕著となる。
また、第５の特徴を有する本発明によれば、低重心化した場合でも金属シールドで防水性を確保できるし、飛び石等による衝撃の影響を良好に回避できる。
さらに、第６の特徴を有する本発明によれば、冷却システムと金属ケースとの相乗効果により放熱性を良好なものとすることができる。
第７の特徴を有する本発明によれば、電磁誘導線の引き回し長さを短縮できるので、より一層外部からのノイズの影響を排除できるし、電力損失を小さくすることもできる。

本発明の一実施形態に係るバッテリ監視装置を搭載した電動車両の左側面図である。 バッテリ監視装置のシステム構成を示す図である。 バッテリケースの要部断面図である。 状態情報の送信フォーマットの一例を示す図である。 ＶＴＭ内のサブ検出ユニットの例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るバッテリ監視装置を搭載した電動車両の左側面図である。電動車両１は低床フロアを有するスクータ型二輪車であり、車体フレーム３に各構成部分が直接または他の部材を介して間接的に取り付けられている。車体フレーム３は、ヘッドパイプ３１と、ヘッドパイプ３１に先端が接合されて後端が下方に延びている前フレーム部分３２と、前フレーム部分３２から車体幅方向左右にそれぞれ分岐して車体後方寄りに延びている一対のメインフレーム部分３３と、メインフレーム部分３３から車体上後方に延びているリヤフレーム部分３６とからなる。

ヘッドパイプ３１には、前輪WFを支持するフロントフォーク２が操舵自在に支持される。フロントフォーク２から上部に延長されてヘッドパイプ３１で支持されるステアリング軸４１の上部にはステアリングハンドル４６が連結される。ステアリングハンドル４６には、車体右側に設けられる図示しないアクセルグリップの回動角つまりアクセル開度を検知するスロットルセンサ２３が設けられる。ヘッドパイプ３１の前部に結合されるブラケット３７の前端部には、前照灯２５と、前照灯２５の上方に位置させたフロントキャリア２６が支持される。

車体フレーム３の、メインフレーム部分３３とリヤフレーム部分３６との中間領域に車体後方に向けて延在するブラケット３４が接合される。ブラケット３４には、車体幅方向に延在してピボット軸３５が設けられる。ピボット軸３５には車両駆動源としてのモータ１８を備えるスイングアーム１７が上下揺動自在に支持される。モータ１８の出力は後輪車軸１９に伝達され、後輪車軸１９に支持された後輪WRが駆動される。後輪車軸１９を含むハウジングとリヤフレーム部分３６とは、リヤサスペンション２０によって連結される。ブラケット３４には、停車中に車体を支持するサイドスタンド２４が枢支される。サイドスタンド２４が所定位置に格納されているときに検出信号を出力するサイドスタンドスイッチ２８が設けられる。

メインフレーム部分３３には、高電圧（例えば７２ボルト定格）のメインバッテリ４が搭載される。メインバッテリ４はステップフロア４０の下方に位置し、バッテリケース７０に収容される。バッテリケース７０内にはメインバッテリ４および詳細を後述するＶＴＭが含まれる。

メインバッテリ４はバッテリケース７０によって覆われ、バッテリケース７０の前部には、空気導入パイプ（冷却ダクト）３８が連結され、バッテリケース７０の後部には吸気ファン（冷却ファン）３９が設けられる。吸気ファン３９によって空気導入パイプ３８からバッテリケース７０内の内部に空気が導入され、この空気はメインバッテリ４を冷却した後、車体後方に排出される。空気導入パイプ３８には、図示しないエアクリーナを通して空気を導入するのがよい。

リヤフレーム部分３６の上にはメインバッテリ４を充電する充電器（図示せず）から延びる充電ケーブル４２のプラグ４３を結合することができるソケット４４が設けられる。リヤフレーム部分３６には、さらにリヤキャリヤ２９や尾灯２７が設けられる。

左右一対のリヤフレーム部分３６の間には荷室５０が設けられ、この荷室５０から下部に突出している荷室５０の底部には、メインバッテリ４で充電される低電圧（例えば、１２ボルト定格）のサブバッテリ５が収容される。スイングアーム１７には、モータ１８を制御するパワー・ドライブ・ユニット（ＰＤＵ)の機能を一体にしたバッテリ管理ユニット（ＢＭＵ）４５が設けられる。ＢＭＵ４５はバッテリケース７１に対して車体後方に近接配置されるＢＭＵケース７１に収容される。バッテリケース７０内とＢＭＵケース７１内には、それぞれ近距離無線規格（この例ではブルートゥース「商標」）の送受信チップ（Bluetooth「商標」チップ）６１、４５３が設けられる。メインバッテリ４とＢＭＵ４５との間は電波誘導線を有するシールド線７２によって接続される。

荷室５０の上には、荷室５０の蓋を兼用する運転者シート２１が設けられ、運転者シート２１には、運転者が着座したときに作動して着座信号を出力するシートスイッチ２２が設けられる。

図２は電動車両におけるバッテリ監視装置のシステム構成を示すブロック図である。図２において、バッテリ制御システムは、バッテリ４と、バッテリ４の電圧・温度監視回路（ＶＴＭ）６と、ＶＴＭ６で検出されたバッテリ電圧とバッテリ温度とを監視するバッテリ制御装置（ＢＭＵ）４５とを備える。ＢＭＵ４５は、ＶＴＭ６から入力されるバッテリ電圧やバッテリ温度に基づいて充電終了状態、放電終了状態、バッテリ残容量、温度補正情報を算出する機能を実行するＣＰＵ４５１と、コンタクトドライバ４５２と、ブルートゥースチップ４５３とを含む

バッテリ４は、高電圧を得るため、複数のバッテリモジュール４ａを直列に接続してなり、さらに、各バッテリモジュール４ａはそれぞれ直列接続される複数のセル７を含んでいる。この例では、バッテリ電圧として７２ボルト電圧を得るために３個のバッテリモジュールを使用している（すなわち各モジュールの電圧は２４ボルトである）が、バッテリモジュールの個数は、必要とされるバッテリ電圧に応じて任意に設定できるし、セル７の個数は各バッテリモジュールに同一セル電圧のセルを同一数設けるのであれば任意に選択できる。ＶＴＭ６は、セル７毎の状態情報（電圧、温度）を監視する。

バッテリ４は、図示しないモータ駆動回路と充電器回路に接続される。バッテリ４のプラス側端子には充放電を許可または禁止するためのコンタクタ４７が設けられ、マイナス側端子にはシャント抵抗４８が設けられる。なお、コンタクタ４７には突入電流を制限する抵抗器４９が接続される。シャント抵抗４８の両端はＣＰＵ４５１のバッテリ電流入力端子Ｔ２に接続されて、シャント抵抗４８を流れる電流はＣＰＵ４５１で検出される。

ＶＴＭ６は複数のバッテリモジュール４ａにそれぞれ対応して設けられる。各ＶＴＭ６は同一回路であって、セルバランス付き保護ＩＣ６０と、ブルートゥースの送受信チップ６１と、異常報知出力部６２とを有している。送受信チップ６１と保護ＩＣ６０との間はインタフェースＢ１で接続される。また、ＣＰＵ４５１と送受信チップ４５３との間はインタフェースＢ２で接続される。

複数のＶＴＭ６にそれぞれ設けられる送受信チップ６１は、互いに異なる周波数の搬送波を用いた電波信号でデータを送出するように設定される。

送受信チップ６１と４５３との接続認証にはリンクキーが使用される。各送受信チップ６１、４５３は、互いにリンクキーを設定し、そのリンクキーと各チップのブルートゥースデバイスアドレスとを組にして保持する。一旦接続認証が済んだ状態となれば、それ以降の接続認証は、不揮発性メモリに記録されるリンクキーとブルートゥースデバイスアドレスとのペアに基づいて接続認証することが可能になる。

保護ＩＣ６０はバッテリ４の温度保護機能を備える。セルバランスは、所定の放電基準電圧ＶＢよりも高いセル電圧ＶＡを有するセル７の電圧値ＶＡを放電基準電圧ＶＢまで放電する機能である。バッテリモジュール４ａにはそれぞれの温度を感知するための温度センサとしてサーミスタ１２ａ、１２ｂが設けられ、感知温度は保護ＩＣ６０に入力される。

異常報知出力部６２は、フォトダイオードＤ１とフォトダイオードＤ１が発生する光を受光して動作するフォトトランジスタＱ１とからなるフォトカプラである。フォトトランジスタＱ１は、他の二つのＶＴＭ６に同様に設けられるフォトトランジスタＱ１を介してＣＰＵ４５１の充放電停止入力端子Ｔ１に接続される。保護ＩＣ６０でバッテリ４の異常や充電・放電終了を感知したときにフォトダイオードＤ１がオンになって光を放出すると、フォトトランジスタＱ１が導通して充放電停止入力端子Ｔ１の電位が変化するので、ＣＰＵ４５１はこの変化に基づいて、バッテリ４の充放電停止をするため、コンタクトドライバ４５２に指示をしてコンタクタ４７を遮断するように駆動する。

バッテリ４およびＶＴＭ６はバッテリケース７０に収容され、ＢＭＵ４５はＢＭＵケース７１に収容される。バッテリケース７０およびＢＭＵケース７１は、金属製または樹脂製筐体の内面にアルミ蒸着等金属ライニングを施したものであることが好ましく、電磁遮蔽性および防水性を備える。

図３はバッテリケース７０の一例に係る要部断面図である。バッテリケース７０は、樹脂筐体７０ａと樹脂筐体７０ａの内側にアルミ蒸着されたライニング部分７０ｂとを備える。

バッテリケース４およびＢＭＵケース７１の間は電磁遮蔽被覆７２１が施された電波誘導線７２によって接続される。電磁誘導線７２の両端は、電磁遮蔽被覆７２１が剥がされて露出しており、それぞれバッテリケース７０およびＢＭＵケース７１内に突出している。

上記構成のバッテリ制御システムにおいて、送受信チップ６１、４５３が起動されると、両者はすでにリンクキーを有しているので直ちに接続認証が行われ、電波誘導線７２を通じて相互に通信が開始される。送受信チップ６１は、バッテリモジュール４ａのそれぞれの状態情報（各セル７の電圧、各バッテリモジュール４ａの温度等）を、インタフェースＢ１を通じて読み込み、該状態情報を所定のフォーマットに構成して送信する。

図４は状態情報を含む通信情報のフォーマット例を示す図である。図４において、フレームの先頭にはパリティビットが設定され、その次にＶＴＭ６の識別情報（ＶＴＭＩＤ）が設定され、その後に状態情報（電圧、電流、温度）、エマージェンシービット、および予備ビットが設定される。

前記状態情報を含む送信データは電波誘導線７２を通じてＢＭＵ４５側の送受信チップ４５３で受信され、インタフェースＢ２を通じてＣＰＵ４５１に入力される。複数のＶＴＭ６の送受信チップ６１から送出される状態情報は互いに異なる周波数の搬送波を用いて送信される（周波数多重送信される）ので、電波誘導線７２は単一であっても複数のモジュール（ＶＴＭ）からの情報を伝送することができる。

このように、複数のＶＴＭ６からの情報は送受信チップ６１を使用して電波信号として送出され、この電波信号は電波誘導線７２を通じてＢＭＵ６側に伝送される。そして、ＢＭＵ６側では電波誘導線７２にて伝送された電波信号が送受信チップ４５３で受信されてＣＰＵ４５１に供給される。したがって、バッテリケース７０およびＢＭＵケース７１を、電波を通さない電磁遮蔽体で形成しつつ、電波誘導線７２を使って外部からの影響を排除してセル７やバッテリモジュール４ａの状態情報を伝送することができる。また、複数のＶＴＭ６からの情報は電波信号として送信できるので、配線は簡素化されるという利点がある。

なお、ＶＴＭ６の保護ＩＣ６０はデジタル回路系およびアナログ回路系の保護回路で構成することもできる。また、この保護回路が故障したときのバックアップとしてサブ検出ユニットを設けることができる。

図５はサブ検出ユニットを含むＶＴＭ６の例を示す図である。図５において、サブ検出ユニット７５は、過充電検出回路９、過放電検出経路１０、および温度保護回路１１を有する。過充電検出回路９は充電終了電圧が基準電圧９１として反転入力に入力され、バッテリモジュール４ａの電圧が非反転入力に入力される過充電検出用コンパレータ９２からなる。

過放電検出回路１０は放電終了電圧が基準電圧１０１として非反転入力に入力され、バッテリモジュール４ａの電圧が反転入力に入力される過放電検出用コンパレータ１０２からなる。

温度保護回路１１はバッテリモジュール４ａ内に設けられる温度センサ（サーミスタ）１２ａおよび１２ｂと、保護基準電圧発生器１１１と、コンパレータ１１２および１１３とからなる。保護基準電圧発生器１１１は、バッテリ４を保護するための予定温度に対応する保護基準電圧を発生する回路である。コンパレータ１１２および１１３の反転入力端子は保護基準電圧発生器１１１を介してサーミスタ１２ａ、１２ｂの一端に接続され、サーミスタ１２ａ、１２ｂの他端はコンパレータ１１２および１１３の非反転入力端子に接続されるとともに、抵抗器１１４、１１５を介して電源Ｖｄｄに接続される。

過充電検出量コンパレータ９２および過放電検出用コンパレータ１０２ならびにコンパレータ１１２および１１３の出力端子はオア回路１３の入力側に接続され、オア回路１３の出力側にはフォトカプラ１４の発光ダイオード１４ａが接続される。フォトカプラ１４のフォトトランジスタ１４ｂは前記ＭＢＵ４５内の、ＣＰＵ４５１の充放電停止入力端子Ｔ１に接続される。

このサブ検出ユニット７５によれば、バッテリモジュール４ａの電圧が充電終了電圧以上または放電終了電圧未満である場合、またはバッテリモジュール４ａの温度が保護温度以上である場合にオア回路１３は出力を生じて過充電および過放電、あるいは過熱が検出される。

なお、サブ検出ユニット７５は、次のように変形してもよい。例えば、過充電に関して、過充電検出用コンパレータ９２の非反転入力にバッテリモジュール４ａ全体の電圧を入力し、反転入力には充電終了電圧を基準電圧とするのに代えて、各セル７で計測した電圧の合算値を入力するように構成する。こうすることで、バッテリモジュール４ａの電圧値が各セル７で計測した電圧の合算値より大きいときに過充電検出用コンパレータ９２は出力を生じてフォトカプラ１４がオン動作し、ＢＭＵ４５に異常信号が送出される。

１…電動車両、 ４…バッテリ、 ４ａ…バッテリモジュール、 ６…バッテリ電圧・温度監視回路（ＶＴＭ）、 ７…バッテリセル、 ４５…バッテリ制御回路（ＢＭＵ）、 ６１、４５３…送受信チップ、 ７０…バッテリケース、 ７０ａ…樹脂筐体、 ７０ｂ…ライニング部分、 ７１…ＢＭＵケース、 ７２…電波誘導線

Claims (7)

1. 直列接続された複数のセル（７）を有して構成されるバッテリモジュール（４ａ）を複数直列接続してなるバッテリ（４）と、
   前記バッテリモジュール（４ａ）および前記セル（７）を監視し、状態情報を出力する監視手段（６）と、
   前記監視手段（６）から無線通信出力される前記状態情報を受信して前記バッテリ（４）を制御する制御手段（４５）とを有する電動車両のバッテリ監視装置において、
   前記バッテリ（４）および前記監視手段（６）を収容する電磁遮蔽されたバッテリケース（７０）と、
   前記制御手段（４５）を収容する電磁遮蔽された制御ケース（７１）とを有し、
   前記バッテリケース（７０）および前記制御ケース（７１）を、電磁遮蔽被覆を有する電波誘導線（７２）によって互いに接続するとともに、
   前記バッテリケース（７０）内に設けられて前記状態情報を電波信号として送出する送信手段（６１）と、
   前記制御ケース（７１）内に設けられて前記電波誘導線（７２）を通じて前記送信手段（６１）から送出された前記状態情報を受信する受信手段（４５３）とを備えていることを特徴とする電動車両のバッテリ監視装置。
2. 前記バッテリケース（７０）が、樹脂製筐体（７０ａ）の内面に金属膜ライニング（７０ｂ）を施した構造を有していることを特徴とする請求項１記載の電動車両のバッテリ監視装置。
3. 複数の送信手段（６１）は、互いに異なる送信周波数で電波信号を送信するように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の電動車両のバッテリ監視装置。
4. 前記状態情報が、前記セル（７）毎の電圧と前記バッテリモジュール（４ａ）毎の電圧および温度とであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動車両のバッテリ監視装置。
5. 電動二輪車に搭載される請求項１〜４のいずれかに記載の電動車両のバッテリ監視装置であって、
   前記電動二輪車がステップフロア（４０）と、ステップフロア（４０）よりも車体後方上寄りに配置される運転者用シート（２１）とを備え、
   前記バッテリケース（７０）が、前記ステップフロア（４０）の下に配置され、前記制御ケース（７１）が、電動二輪車（１）の後輪（ＷＲ）とバッテリケース（７０）との間で前記運転者用シート（２１）下方に配置されていることを特徴とする電動車両のバッテリ監視装置。
6. 前記バッテリケース（７０）の前部には冷却ダクト（３８）が連結され、バッテリケース（７０）の後部には冷却ファン（３９）が設けられていることを特徴とする請求項５記載の電動車両のバッテリ監視装置。
7. 前記バッテリケース（７０）と前記制御ケース（７１）とが、前記電動二輪車の前後方向で互いに近接して配置されていることを特徴とする請求項５または６記載の電動車両のバッテリ監視装置。