JP6706688B2 - 電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池とインバータ間の電流が計測制御可能な電池制御装置に関する。

電気自動車およびハイブリッド型自動車においては、リチウム単電池等の二次電池セル（単電池）を直列または直並列に複数個接続した組電池を、更に複数個直列または直並列に接続した電池モジュールを使用している。またこの電池モジュールを複数個直列または直並列に接続したものが、これらの電池モジュールを制御する電池制御装置とともに蓄電装置として使用されている。

通常、これら蓄電装置とモータを駆動するためのインバータ制御装置間には電力を供給するため電流センサが備えられている。電流センサは電流経路に磁性体コアを配置し、コアに発生する磁界の強度を電圧に変換するホール素子を用いて計測する方法や、電流経路に直列に配置された抵抗体の両端電圧を計測する例もある。

一般的にリチウムイオン電池を搭載した車両には、リチウムイオン電池を安全に使用するために過充電、過放電を防止するシステムが備えられているが、近年、ＩＳＯ２６２６２規格に代表される様に車両の安全に対する要求が更に高まってきている。

リチウムイオン電池を搭載した車両では、電池に対して流れる充電及び放電の電流を計測するほかに電流の正確さを診断するシステム構成となっている。

本技術分野に関連した技術として、例えば特許文献１がある。この特許文献には、車両側の制御装置と電池制御装置間に流れる電流の計測方法が記載されている。

特開２００５−１５００７９号公報

従来は電池に流れる電流の計測は２個の電流センサを備え、２個の電流センサ間の差異で電流センサの故障を診断していた。

しかし、２個の電流センサについては１個の磁性体コアのギャップに２個のホールＩＣを備えるなどの構成をとるが大型化し、システムの配置スペースを圧迫する。

また、２個の電流センサは異なるアーキテクチャーで構成されることが望まれ、電源、計測するＡ／Ｄコンバータは２系統に分離する必要があった。

本発明では、上記問題を解決するために、電池制御装置内に備える電流センサは電池電圧を測定するセル電圧監視ＩＣを使用することで電流センサをなくし、電池制御装置の小型化できるようにした。

本発明の目的は、リチウムイオン電池の電流をセル電圧監視ＩＣで計測することである。

上記課題を解決するために。本発明の電池パックでは、複数の電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）を直列に接続した電池群と、電池群に直列に接続された抵抗体（バスバー２０）、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）及び抵抗体（バスバー２０）の両端に配置された電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と、電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と接続される電池コントローラとを備え、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）に隣接した一つの電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）は、分岐して電池コントローラと接続される端子を有する構成とした。

本発明によれば、リチウムイオン電池を制御する電池制御装置で電流センサによらず電流計測できる出来る効果がある。

電流計測手段を備えた電池制御装置の第一の構成図の例である。 セル電圧検出線の故障診断の一例である。 セル電圧検出線の故障診断のシーケンス例である。 電流計測手段を備えたリチウムイオン電池アレイの構成図の例である。 電流計測手段を備えた電池制御装置の構成図の例である。

以下、実施例の図面を用いて説明する。

≪実施例１≫
本実施例で、リチウムイオン電池とその端子間を接続する低抵抗バスバーを電池制御装置に接続し、リチウムイオン電池に流れる電流を計測する方法を説明する。以下、同一部品には同一番号を付し説明を省略する。

図１は、本実施例のリチウムイオン電池の電流計測について説明した図である。低抵抗バスバー２０はリチウムイオン電池１１、１２と直列に接続され、その両端の電圧はセル電圧検出線１０１から１０４でコネクタ３０を介して電池制御装置２０１に接続される。

低抵抗バスバー２０はリチウムイオン電池に流れる電流によって、電流に比例して電圧降下が発生し、正電流は正電圧、負電流は負電圧が発生する。

コネクタ３０に入力された電圧はフィルタ抵抗２４０から２４４を介してセル電圧監視ＩＣに接続される。この時セル電圧監視ＩＣのＣ１からＣ５端子間へはフィルタコンデンサ２６０から２６３がそれぞれ配置され、セル電圧監視ＩＣに印加されるノイズ成分を除去する。

セル電圧監視ＩＣの接続はＣ５とＣ４端子間はリチウムイオン電池１１が接続され、Ｃ２とＣ１端子間はリチウムイオン電池１２が接続される。セル電圧監視ＩＣの接続にてＣ３はリチウムイオン電池１２の負電圧に接続され、セル電圧監視ＩＣのＣ４とＣ３端子間に入力される電圧はリチウムイオン電池１２と低抵抗バスバー２０と加算した電圧が検出される電圧が接続される。この点が本発明の一つの特徴となる。

セル電圧監視ＩＣ内のＭＵＸ２２０はＣ５とＣ４間のセル電圧２８０を選択し、次いでＣ４とＣ３間の電圧２８１、次いでＣ３とＣ２間のセル電圧２８２、Ｃ２とＣ１間のセル電圧２８３を順次選択し、ＡＤＣ２３０へ端子間の電圧を順次計測する。

セル電圧監視ＩＣは絶縁通信手段２３１を介して、ＭＰＵ３００へ順次電圧情報を転送する。

ＭＰＵは順次計測された電圧を格納し、セル電圧２８１はセル１２の電圧と低抵抗バスバー電圧が計測され、セル電圧２８３を減算器３０３にて減算する。

減算器の計算値はＲＯＭテーブル３０５の値により、除算器３０４により除算され、電流値３１０を演算で求めることができる。なお、この場合の低抵抗バスバー２０の抵抗は予めＲＯＭテーブル３０５に記憶しておくことによって、電池電流を算出することが可能となる。絶縁手段２３１を介してＭＰＵ３００に入力された電圧情報は、ＭＰＵ３００内のリチウムイオン電池１２の電圧及び低抵抗バスバー２０の電圧の和（図１中の２８１間の電圧）を測定する測定部３０２とリチウムイオン電池１２の電圧を測定する測定部３０１の差分を取る減算器３０３を有している。そしてその減算器３０３から出力された情報は除算器３０４に入力され、ＲＡＭテーブル３０５から出力された低抵抗バスバー２０の抵抗値が除算され、電流値を算出する。なお、この電流値を算出する際に、電圧の大きさに基づいて補正しても良い。このときは０Ｖを中心に放電方向と充電方向で同様の挙動を示すような係数とするのが好ましい。

続いてリチウムイオン電池１１、１２とその端子間を接続する低抵抗バスバー２０を電池制御装置２０１に接続し、計測するセル電圧検出線１０１から１０４の断線故障の診断方法を説明する。以下、同一部品には同一番号を付し説明を省略する。
本断線診断を説明するために、図１から新たにリチウムイオン電池１１の正電圧より容量調整抵抗４４０を介して容量調整スイッチ４８０、このスイッチの他方にリチウムイオン電池１１の負電圧より容量調整抵抗４４１を介して接続し、さらに容量調整スイッチ４８０に容量調整フィルタコンデンサ４６１が接続した点が、リチウムイオン電池１２は容量調整抵抗４４２、４４３、容量調整スイッチ４８３、容量調整フィルタコンデンサ４６２が図に追加されている。

図２は、本実施例のリチウムイオン電池の電流計測について説明した図である。リチウムイオン電池１１の電圧を計測する正電圧のセル電圧検出線１０１と負電圧のセル電圧検出線１０２、リチウムイオン電池１２の電圧を計測する正電圧のセル電圧検出線１０３と負電圧のセル電圧検出線１０４は電線を使用してコネクタ３０を介して電池制御装置２０１と接続される。

容量調整スイッチはＭＰＵ３００から絶縁通信手段２３１を介してセル電圧監視Ｉ２１０へ指令されます。リチウムイオン電池１１のセル電圧を計測する時はその計測手段であるセル電圧検出線１０１から１０４の各々が導通することを確認する。このリチウムイオン電池１１、１２を容量調整抵抗によって放電させることで複数本のリチウムイオン電池１１、１２間容量を均等化する機能を有する。この容量調整スイッチ４８０から４８３を利用し、スイッチがＯＮ時のセル電圧２８０を計測してセル電圧検出線１０１から１０４の断線を検知する。断線がある場合セル電圧は通常のセル電圧より低い電圧となる。

図３は、断線診断のフローを示す図である。まずステップＳ８００で断線診断をスタートし、ステップＳ８０１で容量調整スイッチＯＮにする。続いてステップＳ８０２で診断用セル電圧の値をセル電圧２８０よりＭＵＸ２２０を切り替えて順次測定する。測定結果は絶縁通信手段２３１を介してＭＰＵ３００へ送られる。次にステップＳ８０３で容量調整スイッチをＯＦＦして診断用セル電圧取得を完了する。以降はステップＳ８０４に進み
、演算用セル電圧取得を行い、同様にＭＰＵへ測定結果が送られ、ステップＳ８０５に進み指定された容量調整スイッチをＯＮとして、ステップＳ８０６で所定時間待った後、ステップＳ８０７で指定された容量調整スイッチをＯＦＦとしてステップＳ８０７でシーケンスを終了する。また電池制御装置が動作中はステップＳ８００からステップＳ８０８までの本シーケンスを繰り返し電池状態の監視を行う。

ここでＭＰＵに送られてきた診断用セル電圧値が一定の閾値以下に下がった場合はセル電圧検出線が断線したと判定してシステムに異常を知らせ、本実施例の電流計測手段の計測値が異常とも検知してリチウムイオン電池を保護する。

本発明について簡単にまとめる。本発明の電池装置は、複数の電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）を直列に接続した電池群と、電池群に直列に接続された抵抗体（バスバー２０）、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）及び抵抗体（バスバー２０）の両端に配置された電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と、電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と接続される電池コントローラとを備え、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）に隣接した一つの電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）は、分岐して電池コントローラと接続される端子を有する。このような構造にすることによって、新たに電流センサを設けることなく、リチウムイオン電池に流れる電流値を測定することが可能となる。電流センサの数が少なくなるので、従来に比べ電流センサ分のコスト低減、及び電流センサが少なくなった分、電池パックの体積低減に寄与する。また、本発明ではリチウムイオン電池１１及びリチウムイオン電池１２の間に低抵抗バスバー２０を配作する構造とした。このような構造にすることにより、セル電圧使用範囲内の電流検出精度を向上させることが可能となる。

なお、本発明では別途電流センサを設けても良い。このような構成にすることによって電流検知を二重系とすることが出来るので、取得した電流値の信頼性を向上させることが出来るとともに、バスバーの故障及び電流センサの故障を互いに監視することが出来る。

また、本発明に記載の電池パックは、電池コントローラ２１０が電池セルの電圧検出に同期して抵抗体（バスバー２０）に流れる電流を算出こととするのが好ましい。このような構成にすることによって、電池セルの電圧検出と抵抗体（バスバー２０）電圧検出に取得される電圧値にずれが無くなるため、取得される電流値の正確性が向上する。

なお、本実施例では電流測定に用いるのはバスバーとしたが、別の抵抗体を設けてもよい。その場合はバスバーではなく、配線ケーブル等を用いることとなる。

≪実施例２≫
続いて実施例２について説明する。実施例１と異なる点は、実施例１ではリチウムイオン電池１１、１２の形状を規定していなかったが、本実施例ではリチウムイオン電池の形状を角形リチウムイオン電池とした点である。

リチウムイオン電池１１〜２４は正電圧の他方の負電圧が次の正電圧にセル間バスバーで接合され、１４セルが直列に接続される。この途中のリチウムイオン電池１７の負電圧とリチウムイオン電池１８の正電圧間はマンガニン（登録商標）等の抵抗体が接合された低抵抗バスバー９０８で接続される。マンガニン（登録商標）を用いた場合、リチウムイオン二次電池１１、１２の使用電圧範囲で高精度を担保できるので他の抵抗体よりも好ましい。

各セル間バスバーからはセル電圧検出線１０１から１１６によりコネクタ３０に集約され、電池制御装置に接続される。

図５に図４の構成を電気回路に表したものを示す。図４の１４個のセルは、直列に接続されたアレイ状の構成から電池制御装置に接続される構成となっている。セル電圧監視ＩＣ２１０のＣ８端子はリチウムイオン電池１７の正電圧に接続され、セル電圧２８８にはリチウムイオン電池１７と低抵抗セル間バスバーの電流により正負極に電圧降下した電圧の合計が入力される。以降の処理は前述の通り、演算されて電流を求めるような構成となっている。

簡単に本発明の特徴をまとめる。リチウムイオン電池を搭載した車両では、リチウムイオン電池に流れる電流を計測して車両制御にフィードバックしてリチウムイオン電池が過充電、過放電などの危険な状態とならないように制御する必要がある。従来はリチウムイオン電池の電流経路に電流センサを配置して制御していた。電流センサは磁性体コアとホールＩＣを搭載した回路基板から構成され、電流経路の途中に配置するため、レイアウトスペースを確保する必要があった。本発明では、リチウムイオン電池を接続するバスバーのいずれかを抵抗体を含むバスバーに置き換え、セル電圧監視ＩＣの電圧入力の計測系を使用して電流を演算で計測するようにした。

上記課題を解決するために。本発明の電池パックでは、複数の電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）を直列に接続した電池群と、電池群に直列に接続された抵抗体（バスバー２０）、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）及び抵抗体（バスバー２０）の両端に配置された電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と、電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）と接続される電池コントローラとを備え、電池セル（リチウムイオン電池１１、１２）に隣接した一つの電圧検出線（電圧検出線１０１から１０４）は、分岐して電池コントローラと接続される端子を有する。このような構造にすることによって、新たに電流センサを設けることなく、リチウムイオン電池に流れる電流値を測定することが可能となる。電流センサの数が少なくなるので、従来に比べ電流センサ分のコスト低減、及び電流センサが少なくなった分、電池パックの体積低減に寄与する。また、本発明ではリチウムイオン電池１１及びリチウムイオン電池１２の間に低抵抗バスバー２０を配作する構造とした。このような構造にすることにより、セル電圧使用範囲内の電流検出精度を向上させることが可能となる。

また、本発明の電池パックは、さらに電流センサを設ける構成とした。このような構成にすることによって電流検知を二重系とすることが出来るので、取得した電流値の信頼性を向上させることが出来るとともに、バスバーの故障及び電流センサの故障を互いに監視することが出来る。

また、本発明に記載の電池パックは、電池コントローラ２１０が電池セルの電圧検出に同期して抵抗体（バスバー２０）に流れる電流を算出する。このような構成にすることによって、電池セルの電圧検出と抵抗体（バスバー２０）電圧検出に取得される電圧値にずれが無くなるため、取得される電流値の正確性が向上する。

また、本発明に記載の電池パックは、電池コントローラ２１０は、電池セルにかかる電圧と抵抗体（バスバー２０）にかかる電圧の和から電池セルにかかる電圧を差し引き、当該抵抗体にかかる電圧を当該抵抗体の抵抗値で除算することにより電流を算出することとした。

また、本発明に記載の電池パックは、バスバー２０にはマンガニン（登録商標）を用いている。このような構成にすることによって、リチウムイオン電池１１、１２を使用する使用範囲で高精度を担保することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１１〜２４ リチウムイオン電池
３０ コネクタ
４０ 低抵抗バスバー
１０１〜１１６ セル電圧検出線
２０１ 電池制御装置
２１０ セル電圧監視ＩＣ
２２０ ＭＵＸ
２３０ ＡＤＣ
２３１ 絶縁通信手段
２４０、２４１、２４２、２４３、２４４ フィルタ抵抗
２６０、２６１、２６２、２６３ フィルタコンデンサ
２８０、２８１、２８２、２８３ セル電圧
３００ ＭＰＵ
３０１、３０２ 演算部
３０３ 減算器
３０４ 除算器
３０５ ＲＯＭテーブル
３１０ 電流値
４４０、４４１、４４２、４４３容量調整抵抗
４６１、４６２容量調整フィルタコンデンサ
４８０、４８１、４８２、４８３容量調整スイッチ
９０１〜９０７、９０９〜９１５セル間バスバー
９０８ 低抵抗セル間バスバー

Claims (5)

1. 複数の電池セルを直列に接続した電池群と、
   前記電池群に直列に接続された抵抗体と、
   前記電池セル及び前記抵抗体の両端に配置された電圧検出線と、
   前記電圧検出線と接続される電池コントローラとを備えた電池パックにおいて、
   前記電池セルに隣接した一つの電圧検出線は、分岐して前記電池コントローラと接続される端子を有し、
   前記電池コントローラは、前記電池セルにかかる電圧と前記抵抗体にかかる電圧との和から前記電池セルにかかる電圧を差し引き、当該抵抗体にかかる前記電圧を当該抵抗体の抵抗値で除算することにより電流を算出することを特徴とする電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   前記電池パックには、さらに電流センサを設けたことを特徴とする電池パック。
3. 請求項１又は２に記載の電池パックにおいて、
   前記抵抗体は、前記電池セル間に接続されたバスバーであることを特徴とする電池パック。
4. 請求項３に記載の電池パックにおいて、
   前記バスバーには、マンガニン（登録商標）を用いたことを特徴とする電池パック。
5. 複数の電池セルを直列に接続した電池群と、
   前記電池群に直列に接続された抵抗体と、
   前記電池セル及び前記抵抗体の両端に配置された電圧検出線と、を備えた電池パックの前記電圧検出線と接続される電池コントローラにおいて、
   前記電池コントローラは、前記電池セルに隣接した一つの電圧検出線から分岐して設けられた端子と接続され、
   前記電池セルにかかる電圧と前記抵抗体にかかる電圧との和から前記電池セルにかかる電圧を差し引き、当該抵抗体にかかる前記電圧を当該抵抗体の抵抗値で除算することにより電流を算出することを特徴とする電池コントローラ。

Images