JP2011010448A - 制御ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】単位セルが放電回路に接続された状態で均等化ユニットの制御装置に暴走が発生しても、単位セルが放電回路で放電したままとなってしまうのを防止すること。
【解決手段】制御ユニット１３において、何らかの事情によりマイコン１３ａが暴走した場合、ウォッチドッグパルスの入力が途絶えた５Ｖ電源ＩＣ１３ｂが出力するリセット信号ＲＳＴによりマイコン１３ａがリセット（再起動）されないと、５Ｖ電源ＩＣ１３ｂからリセット信号ＲＳＴが繰り返し出力される。そして、リセット信号ＲＳＴの出力回数が所定値になると、バイナリカウンタ１３ｃが出力する異常報知の指令信号によって、各スイッチ手段ＳＷ２の全てのスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１がオフされる。したがって、暴走したマイコン１３ａがリセットされなくても、その暴走に起因して各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎが無用に放電回路１１ｂで放電を続けることはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成する複数のセルの電圧のばらつきを放電により解消するための均等化処理を行う均等化ユニットの放電動作を、制御装置により制御する制御ユニットに関するものである。

例えば、ハイブリッド車両では、モータの駆動電源として、高電圧バッテリを備えている。高電圧バッテリは、例えば、ニッケル・水素電池やリチウム電池などの２次電池（蓄電式電池）の単位セルを複数個直列接続して高電圧を得ている。

このような組電池による高電圧バッテリにおいては、２次電池が過放電状態、又は、過充電状態とならないように、各単位セル毎の充電状態を確認する必要がある。そこで、従来より、個々の単位セルの電圧をリアルタイムで測定し、測定した各単位セルの電圧が所定の範囲内であるか否かを判断している。

また、高電圧バッテリにおいては、充放電を長期間繰り返したり長期間放置すると、各単位セルの電力の残容量が不均一になることがある。単位セルの残容量が不均一になった高電圧バッテリにおいては、残容量の一番高い単位セルが上限電圧に達すると過充電防止のために充電が終了される。かつ、残容量の一番低い単位セルが下限電圧に達すると過放電防止のために放電が終了される。つまり、高電圧バッテリの各単位セルの残容量が不均一になると、高電圧バッテリ全体としての使用容量が減少することになり、高電圧バッテリから十分な電力を得ることができなくなる。

そこで、各単位セルのうち測定した電圧の高い単位セルを均等化ユニットの動作により選択的に放電させて、全ての単位セルの残容量を均等化させることが行われている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−９２７３２号公報

上述した従来の例では、均等化ユニット中の放電回路に各単位セルを選択的に接続するスイッチのオンオフ動作が、フォトカプラを介して高電圧側から絶縁された低電圧側の制御装置（マイクロコンピュータ）によって制御される。

この制御装置が均等化動作を行っている（特定の単位セルを選択的に放電させている）間にトラブルの発生で暴走すると、暴走前の制御で選択的に放電させ始めた単位セルを放電回路から切り離せなくなってしまう。このため、放電回路に接続された特定の単位セルが延々と放電されて、やがては、高電圧バッテリが枯渇するまで電力消費されてしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、単位セルが放電回路に接続された状態で均等化ユニットの制御装置に暴走が発生しても、単位セルが放電回路で放電したままとなってしまうのを防止することができる制御ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の制御ユニットは、組電池を構成する複数のセルに対応する放電回路と、該放電回路を特定の前記セルに対して接断させるスイッチとを有する均等化ユニットに対して、前記スイッチにより特定の前記セルを前記放電回路に対して接断させるための指令信号を出力して、前記均等化ユニットの動作を制御する制御装置を備え、前記各セルのセル電圧にばらつきがあるときに、前記指令信号の前記均等化ユニットへの出力により、前記セル電圧のばらつきを解消するための前記放電回路における放電を特定の前記セルに行わせるように、前記制御装置が前記均等化ユニットの動作を制御する制御ユニットにおいて、前記指令信号の出力が不能となる前記制御装置の動作異常を検出したときに、オン中の前記放電回路を強制的にオフさせるための前記指令信号を生成して前記均等化ユニットに出力する指令信号出力回路を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の制御ユニットによれば、指令信号出力回路が、プログラムを動作上必要としない「回路」である。このため、制御装置の動作異常により均等化ユニットの動作を制御するためのプログラムが機能しなくなっても、プログラムが機能しない制御装置に代わって指令信号出力回路が確実に指令信号を生成出力する。そして、この指令信号によって均等化ユニットの放電回路に接続されたセルが、強制的に放電回路との接続を終了される。これにより、制御装置の動作異常中に組電池の特定のセルが無用に放電を続けることを防止することができる。

また、請求項２に記載した本発明の制御ユニットは、請求項１に記載した本発明の制御ユニットにおいて、前記組電池が車両の推進用モータの電源であり、前記制御装置が前記車両のイグニッションスイッチのオフ中に、前記セル電圧のばらつきを解消するための前記放電回路における放電を特定の前記セルに行わせるように前記均等化ユニットの動作を制御することを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の本発明の制御ユニットによれば、請求項１に記載した本発明の制御ユニットにおいて、車両のイグニッションスイッチのオフ中においては、制御ユニットの上位のコントローラが動作しないので、コントローラの動作に基づいて制御装置の動作異常に対処することはできない。しかし、プログラムを動作上必要としない「回路」である指令信号出力回路は、イグニッションスイッチがオンオフどちらの状態にあっても、均等化ユニットの放電回路に接続されたセルを強制的に放電回路と接続終了させる指令信号を出力することができる。したがって、イグニッションスイッチのオフ中にセル電圧の均等化動作が均等化ユニットによって行われる構成であっても、制御装置の動作異常中に組電池の特定のセルが無用に放電を続けることを防止することができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の制御ユニットは、請求項２に記載した本発明の制御ユニットにおいて、前記制御装置の動作異常時に、該制御装置の動作をリセットさせるリセット信号を前記制御装置に出力するリセット装置をさらに備えており、前記指令信号出力回路が、前記リセット信号により前記制御装置がリセットされないことを検出したときに該制御装置の動作異常を検出することを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の制御ユニットによれば、請求項２に記載した本発明の制御ユニットにおいて、制御ユニットの上位のコントローラが動作しないイグニッションスイッチのオフ中においても、制御ユニット内のリセット装置は、制御装置が動作異常になるとリセット信号を出力する。このため、リセット信号により動作異常の制御装置がリセットされれば、そのリセットによって均等化ユニットの放電回路に接続されたセルを強制的に放電回路と接続終了させる制御を制御装置に行わせることができる。また、リセット信号により動作異常の制御装置がリセットされなくても、指令信号出力回路が出力する指令信号によって、放電回路に接続されたセルを強制的に放電回路と接続終了させることができる。このため、イグニッションスイッチのオフ中であっても確実に、制御装置の動作異常中に組電池の特定のセルが無用に放電を続けることを防止することができる。

本発明の制御ユニットによれば、制御装置の動作異常中に組電池の特定のセルが無用に放電を続けることを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る制御ユニットを組電池の均等化ユニットの制御に用いた電圧管理システムの電気的な概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明による制御ユニットの実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る制御ユニットを組電池の均等化ユニットの制御に用いた電圧管理システムの電気的な概略構成を示すブロック図である。図１中引用符号１で示す電圧管理システムは、リチウム電池等の単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎ（請求項中のセルに相当）を複数直列接続した組電池（２次電池）Ｂの電圧を管理するものである。この組電池Ｂは、車両（図示せず）の推進用モータＭの電源として使用される。そして、電圧管理システム１は、単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの電圧監視及び均等化を行う均等化ユニット１１と、均等化ユニット１１の動作を制御する制御ユニット１３とを有している。均等化ユニット１１と制御ユニット１３とは、第１及び第２の２つのフォトカプラ１５Ａ，１５Ｂによって接続されている。

均等化ユニット１１は、カスタムＩＣ１１ａと放電回路１１ｂとを有している。カスタムＩＣ１１ａは、組電池Ｂの所望の単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを選択するための２組のスイッチ手段ＳＷ１，ＳＷ２と、一方のスイッチ手段ＳＷ１により選択された単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの両端電圧を測定するための、Ａ／ＤコンバータＡＤＣ及びワンチップマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。）μＣＯＭとを内蔵している。

各スイッチ手段ＳＷ１，ＳＷ２は、フォトＭＯＳトランジスタによる複数のスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１をそれぞれ有している。各スイッチ手段ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１は、隣り合う単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの電極どうしの接続点と、組電池Ｂの両端に位置する単位セルＢＴ−１，ＢＴ−ｎの電極とに接続されている。

マイコンμＣＯＭには、正常動作時の制御ユニット１３から第１フォトカプラ１５Ａを介して、セル電圧測定の指令信号や均等化動作の指令信号が入力される。また、マイコンμＣＯＭには、動作異常時の制御ユニット１３から第２フォトカプラ１５Ｂを介して、異常を報知する指令信号が入力される。

マイコンμＣＯＭは、セル電圧測定の指令信号が入力されると、セル電圧測定動作を実行する。このセル電圧測定動作では、マイコンμＣＯＭは、セル電圧測定の指令信号において指定された単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを、Ａ／ＤコンバータＡＤＣに対して接続又は接続終了させる。これにより、マイコンμＣＯＭは、Ａ／ＤコンバータＡＤＣに順次接続される各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの両端電圧を、Ａ／ＤコンバータＡＤＣのデジタル出力に基づいてそれぞれ測定する。そして、マイコンμＣＯＭは、測定した各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの両端電圧を、第１フォトカプラ１５Ａを介して制御ユニット１３に出力する。

また、マイコンμＣＯＭは、均等化動作の指令信号が入力されると、均等化動作を実行する。この均等化動作では、マイコンμＣＯＭは、均等化動作の指令信号において指定された単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを、他方のスイッチ手段ＳＷ２のオンオフにより放電回路１１ｂに対して接続又は接続終了させる。これにより、マイコンμＣＯＭは、両端電圧が最も低い単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎ以外の他の単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを、両端電圧が最も低い単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎに一致する両端電圧となるまで、放電回路１１ｂに接続して放電させる。従って、本実施形態では、スイッチ手段ＳＷ２のスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１が、請求項中のスイッチに相当している。

一方、マイコンμＣＯＭは、異常を報知する指令信号が入力されると、各スイッチ手段ＳＷ１，２の全てのスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１を強制的にオフにする。

制御ユニット１３は、マイコン１３ａと５Ｖ電源ＩＣ１３ｂとバイナリカウンタ１３ｃとを有している。マイコン１３ａには、イグニッションスイッチＩＧＮが接続されている。

マイコン１３ａ（請求項中の制御装置に相当）は、イグニッションスイッチＩＧＮがオンからオフに切り替わるのに伴って、省電力モード又は均等化モードとなり、イグニッションスイッチＩＧＮがオフからオンに切り替わるのに伴って通常モードとなる。そして、マイコン１３ａは、イグニッションスイッチＩＧＮのオンオフや現在のモードに関係なく、正常動作中に定周期でウォッチドッグパルスＷＤＰを出力する。

５Ｖ電源ＩＣ１３ｂ（請求項中のリセット回路に相当）は、マイコン１３ａからのウォッチドッグパルスＷＤＰが前回の入力又はリセット信号ＲＳＴの出力から一定時間入力されないと、リセット信号ＲＳＴをマイコン１３ａ及びバイナリカウンタ１３ｃに出力する。マイコン１３ａは、５Ｖ電源ＩＣ１３ｂからリセット信号ＲＳＴが入力されると、リセットされて再起動し、通常モードとなる。

バイナリカウンタ１３ｃ（請求項中の指令信号出力回路に相当）は、５Ｖ電源ＩＣ１３ｂによるリセット信号ＲＳＴの出力回数をカウントする。このカウント値は、マイコン１３ａが出力するカウンタクリア信号ＣＬＲによりゼロリセットされる。このカウンタクリア信号ＣＬＲは、５Ｖ電源ＩＣ１３ｂからのリセット信号ＲＳＴの入力に伴いマイコン１３ａがリセット及び再起動される際に、マイコン１３ａが出力する。バイナリカウンタ１３ｃは、リセット信号ＲＳＴのカウント値が所定値に達すると、第２フォトカプラ１５Ｂを介して均等化ユニット１１のマイコンμＣＯＭに、異常を報知する指令信号を出力する。なお、バイナリカウンタ１３ｃのカウント値に対して設定される上記の所定値は、１以上の整数に設定することができる。つまり、１回であっても２回以上の複数回であっても良い。

そして、マイコン１３ａは、他のモードから通常モードに移行した際に、つまり、イグニッションスイッチＩＧＮがオフからオンに切り替わったときに、初期化動作として、各スイッチ手段ＳＷ１，ＳＷ２の全てのスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１をオフにする。

また、通常モードにおいて、マイコン１３ａは、一定の周期毎に、第１フォトカプラ１５Ａを介して均等化ユニット１１にセル電圧測定の指令信号を出力する。このセル電圧測定の指令信号においてマイコン１３ａは、両端電圧を測定する単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを指定する。そして、マイコン１３ａは、セル電圧測定の指令信号の出力後に均等化ユニット１１から第１フォトカプラ１５Ａを介して入力される、均等化ユニット１１で測定された各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの両端電圧を、図示しないローカルエリアネットワークを介して、組電池Ｂの電圧監視を行う上位コントローラ（図示せず。例えば、車両のＥＣＵ）に出力する。

さらに、通常モードにおいて不図示の上位コントローラから均等化の要求信号が入力された場合に、マイコン１３ａは、イグニッションスイッチＩＧＮのオンからオフへの切り替わりに伴って通常モードから均等化モードに移行する。一方、通常モードにおいて均等化の要求信号が入力されていない場合には、イグニッションスイッチＩＧＮのオンからオフへの切り替わりに伴って通常モードから省電力モードに移行する。均等化の要求信号は、マイコン１３ａから入力された各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの両端電圧の測定結果に基づいて上位コントローラが、単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの均等化が必要であると判断した場合に、上位コントローラからマイコン１３ａに入力される。

省電力モードにおいては、マイコン１３ａは、イグニッションスイッチＩＧＮがオフからオンに切り替わって通常モードに移行するまで、スリープ状態となる。

均等化モードにおいては、マイコン１３ａは、イグニッションスイッチＩＧＮがオフからオンに切り替わって通常モードに移行するまでの間、均等化動作の指令信号を均等化ユニット１１に対して出力する。この指令信号は、均等化が必要な単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを均等化ユニット１１の放電回路１１ｂに順次接続して放電させるための信号である。したがって、均等化動作の指令信号では、上位コントローラからの均等化の要求信号により均等化が必要とされた単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの１つが指定され、かつ、均等化ユニット１１の放電回路１１ｂに対する接続又は接続終了が指定される。

なお、指定された単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎを放電回路１１ｂに接続させる指令信号と、その単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの放電回路１１ｂに対する接続を終了させる指令信号とは、放電回路１１ｂに対する接続対象として指定された単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの必要とされる放電量に応じた時間間隔を空けて、均等化ユニット１１に出力される。前後の指令信号の出力間隔においては、マイコン１３ａは、実質的に省電力モードと同じスリープ状態となる。

以上に説明した本実施形態の制御ユニット１３において、何らかの事情によりマイコン１３ａが暴走した場合、ウォッチドッグパルスの入力が途絶えた５Ｖ電源ＩＣ１３ｂが出力するリセット信号ＲＳＴにより、マイコン１３ａがリセット（再起動）される場合とリセット（再起動）されない場合とがある。

リセット信号ＲＳＴによりマイコン１３ａがリセットされれば、その後の再起動により通常モードに移行するマイコン１３ａの初期化動作によって、各スイッチ手段ＳＷ２の全てのスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１がオフされる。したがって、マイコン１３ａの暴走に起因して各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎが無用に放電回路１１ｂで放電を続けることはない。

一方、リセット信号ＲＳＴによりマイコン１３ａがリセットされない場合には、暴走によりウォッチドッグパルスがマイコン１３ａから出力されなくなり、マイコン１３ａがリセット（再起動）されないまま５Ｖ電源ＩＣ１３ｂからリセット信号ＲＳＴが繰り返し出力される。そして、リセット信号ＲＳＴの出力回数が所定値になると、リセット信号ＲＳＴによりマイコン１３ａがリセットされないものとして、バイナリカウンタ１３ｃが出力する異常報知の指令信号によって、各スイッチ手段ＳＷ２の全てのスイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１がオフされる。したがって、暴走したマイコン１３ａがリセットされなくても、その暴走に起因して各単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎが無用に放電回路１１ｂで放電を続けることはない。

このため、組電池Ｂの単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎが放電回路１１ｂに接続された状態で、均等化ユニット１１のスイッチ手段ＳＷ２の各スイッチＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ＋１のオンオフを制御する制御ユニット１３のマイコン１３ａに暴走が発生しても、単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎが放電回路１１ｂに接続されたままとなって無用に放電が継続されてしまうのを防止することができる。このため、単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの過放電による組電池Ｂの枯渇や損傷の発生を防ぐことができる。

なお、本実施形態では、組電池Ｂが車両の推進用モータＭの電源として使用される場合を例に取って説明したが、本発明は、車両の推進用モータ以外の電源として使用される組電池であっても、本発明は適用可能である。

また、本実施形態では、均等化ユニット１１による組電池Ｂの単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの均等化動作が、イグニッションスイッチＩＧＮのオフ中に行われる場合を例に取って説明したが、本発明は、イグニッションスイッチＩＧＮのオン中に単位セルＢＴ−１〜ＢＴ−ｎの均等化動作が行われる組電池であっても適用可能である。

本発明は、組電池を構成する複数のセルの電圧のばらつきを放電により解消するための均等化処理を行う均等化ユニットの放電動作を、制御ユニットの制御装置により制御する場合に用いて好適である。

１ 電圧管理システム
１１ 均等化ユニット
１１ａ カスタムＩＣ
１１ｂ 放電回路
１３ 制御ユニット
１３ａ マイクロコンピュータ（制御装置）
１３ｂ ５Ｖ電源ＩＣ（リセット回路）
１３ｃ バイナリカウンタ（指令信号出力回路）
１５Ａ 第１フォトカプラ
１５Ｂ 第２フォトカプラ
ＡＤＣ Ａ／Ｄコンバータ
Ｂ 組電池
ＢＴ−１〜ＢＴ−ｎ 単位セル（セル）
ＣＬＲ カウンタクリア信号
ＩＧＮ イグニッションスイッチ
Ｍ 推進用モータ
ＲＳＴ リセット信号
ＳＷ−１〜ＳＷ−ｎ スイッチ（スイッチ）
ＳＷ１ スイッチ手段
ＳＷ２ スイッチ手段（スイッチ）
ＷＤＰ ウォッチドッグパルス
μＣＯＭ マイクロコンピュータ

Claims (3)

1. 組電池を構成する複数のセルに対応する放電回路と、該放電回路を特定の前記セルに対して接断させるスイッチとを有する均等化ユニットに対して、前記スイッチにより特定の前記セルを前記放電回路に対して接断させるための指令信号を出力して、前記均等化ユニットの動作を制御する制御装置を備え、前記各セルのセル電圧にばらつきがあるときに、前記指令信号の前記均等化ユニットへの出力により、前記セル電圧のばらつきを解消するための前記放電回路における放電を特定の前記セルに行わせるように、前記制御装置が前記均等化ユニットの動作を制御する制御ユニットにおいて、
   前記指令信号の出力が不能となる前記制御装置の動作異常を検出したときに、前記放電回路に対する前記セルの接続を強制的に終了させるための前記指令信号を生成して前記均等化ユニットに出力する指令信号出力回路を備える、
   ことを特徴とする制御ユニット。
2. 前記組電池は車両の推進用モータの電源であり、前記制御装置は前記車両のイグニッションスイッチのオフ中に、前記セル電圧のばらつきを解消するための前記放電回路における放電を特定の前記セルに行わせるように前記均等化ユニットの動作を制御することを特徴とする請求項１記載の制御ユニット。
3. 前記制御装置の動作異常時に、該制御装置の動作をリセットさせるリセット信号を前記制御装置に出力するリセット回路をさらに備えており、前記指令信号出力回路は、前記リセット信号により前記制御装置がリセットされないことを検出したときに該制御装置の動作異常を検出することを特徴とする請求項２記載の制御ユニット。

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