(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性が高く、製造が容易なバッテリコントローラを提供する。【解決手段】バッテリ5の電圧値を分圧回路19によって降圧し、絶縁回路9で絶縁処理し、帰還用抵抗を用いるオペアンプ10で電圧を増幅し、Ａ/Ｄ変換してデジタル化し、デジタル化した電圧値からバッテリ5の状態を監視する。ここで、バッテリコントローラ7は、１個又は複数個の抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）を自動で選択し、直列接続し、最適な帰還用抵抗をオペアンプ10に接続するようにした。また、複数個の抵抗は、それぞれの抵抗値が２の階乗比になるようにし、自動による複数個の抵抗選択を定期的に行うようにした。加えて、コンパレータ21を用いる冗長回路17を設けてバッテリ5の状態を監視するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数個のリチウムイオン電池を直列に接続したバッテリの状態を、電圧値に変換して監視するバッテリコントローラにおいて、
前記バッテリコントローラは、
自動で１個又は複数個の抵抗を選択し、
該抵抗を直列に接続して帰還用抵抗としたオペアンプを用いて前記電圧値を増幅し、
該増幅した前記電圧値をデジタル化し、
該デジタル化した電圧値から、前記バッテリの状態を監視することを特徴とするバッテリコントローラ。
【請求項２】
前記抵抗は、それぞれの抵抗値が２の階乗比になるようにすることを特徴とする請求項１記載のバッテリコントローラ。
【請求項３】
前記抵抗の選択を、定期的に行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のバッテリコントローラ。
【請求項４】
前記バッテリの状態を、さらにコンパレータを用いる冗長回路を設けて監視することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のバッテリコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車や無停電電源装置などに用いられているリチウムイオン電池によって構成されるバッテリ（組電池）の監視システムに用いられており、特にバッテリの過充電、過放電及び温度状態などを監視するためのバッテリコントローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無停電電源装置や電気自動車等には、セルと呼ばれる単電池（例えば、リチウムイオン電池。）を多数個（例えば、１００個程度。）直列に接続したバッテリ（組電池）が用いられている。一般的にリチウムイオン電池を過充電すると、負極での金属リチウムの析出によるショートや電解液の分解等による発熱や発火の危険性がある。一方、リチウムイオン電池を過放電すると、負極用の集電体として用いられている銅（Ｃｕ）がイオン化して電解液中に溶出してショートの原因になったり、正極活物質が劣化して短寿命になったりすることが知られている。
【０００３】
そこで、リチウムイオン電池の過充電や過放電を防止する目的として、従来から図４に示すようなバッテリ監視及び制御システムが用いられている。なお、図４は、バッテリ監視及び制御システムを、ハイブリッド方式の電気自動車に用いた場合の一例を示している。
【０００４】
図４において、システムコントローラ8は、バッテリコントローラ7、エンジン１、発電機2、モータ4及びリレー3a,bなどの、ハイブリッド方式の電気自動車を構成する各要素の全体的な監視や制御をする装置である。
【０００５】
車両に搭載したエンジン１により発電機2を回転させ、発電機2からの電力によってバッテリ5を充電する。そして、発進時や加速走行時のようにパワーを必要とするような場合には、バッテリ5からモータ4に電力を供給し、モータ4の動力によってエンジン１のアシストを行う。
【０００６】
また、システムコントローラ8は、発電機2からバッテリ5への動力線や、バッテリ5からモータ4への動力線の接続や遮断を、それぞれリレー3a,bを開閉することによって行い、バッテリ5を構成するセル18の過充電や過放電を防止する。
【０００７】
ここで、長期間にわたって多数回の充放電を繰り返すと、バッテリ5を構成するセル18の放電深度（ＤＯＤ：Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ。）にバラツキが生じることが知られている。そこで、それぞれのセル18の放電深度を調整するために、セルコントローラ6が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
また、上述したバッテリ5を構成するセル18の過充電や過放電を監視したり、バッテリ5の温度を監視したり、セルコントローラ6が正常に作動しているか否か等のバッテリ5の状態を監視する装置として、従来からバッテリコントローラ7が用いられている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
従来のバッテリコントローラ7について、図５に示す要部回路図を用いて説明する。すなわち、電気自動車などに用いられるバッテリ5の電圧は、通常、数１００Ｖと高電圧であるために、そのままの高電圧ではマイコン11などに入力してデータ処理をすることができない。そこで、バッテリ5の電圧を、マイコン11で処理可能な電圧に降圧する必要がある。
【００１０】
そこで、バッテリ5の電圧を分圧回路19によって３．６Ｖ程度に降圧する。降圧したバッテリ5の電圧は、安全性確保等の理由から絶縁回路9で絶縁した後に、オペアンプ10の入力端子（＋側）に入力する（図５において、入力電圧をＶｉｎと記述した。）。
【００１１】
オペアンプ10では、所定の出力電圧（例えば、４Ｖ程度のアナログ電圧。）になるように電圧増幅をし、マイコン11内のＡ／Ｄ変換器に入力してデジタル化する。マイコン11内では、デジタル化した電圧値から、バッテリ5が過充電や過放電がされていないかどうかを判断し、その結果を出力ポート（図５において、Ｐｏｕｔと記載した。）からシステムコントローラ8に出力する。
【００１２】
なお、図５において、分圧回路8、絶縁回路9、抵抗回路15、オペアンプ10等の特性には、それぞれバラツキがあるために、バッテリ5の電圧とオペアンプ10の出力電圧（図５において、Ｖｏと示す。）との間には、一対一の対応関係が得られないことが知られている。そこで、オペアンプ10の帰還用として用いている抵抗回路15の可変抵抗器（図５において、Ｒxと表示した。）を用いて増幅率を加減して、オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）を調整する手法を用いている。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−４０５３０号公報
【特許文献２】特開平７−２５５１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した可変抵抗器（Ｒｘ）を抵抗回路15に用いると、走行時の振動や衝撃等によって接点の位置ズレなどが起こり、可変抵抗器（Ｒｘ）の抵抗値が変化する。その結果、オペアンプ10の増幅率が変化するために、バッテリコントローラ7の信頼性が低いという問題点がある。
【００１５】
なお、許容誤差の極めて小さい薄膜型抵抗を、オペアンプ10の出力電圧（Ｖｏ）を確認しながら選別して用いる方法もある。しかしながら、薄膜型抵抗器は、極く薄い皮膜で構成されているために、人汗や大気に含まれる汚染物質と化学反応して抵抗体が断線し易く、信頼性が低いという問題点がある。
【００１６】
また、トリマブル抵抗を用い、調整時に抵抗値をレーザートリミングして精度補正を行う方法もある。しかしながら、新たな製造設備が必要となることや、事後における抵抗値の調整が不可能という問題点がある。
【００１７】
本発明の目的は、前記した課題を解決するものであり、信頼性が高く、製造が容易なバッテリコントローラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記した課題を解決するために、本発明に係わるバッテリコントローラでは、オペアンプの負帰還回路部に用いる抵抗回路として、あらかじめ複数個の固定抵抗を用意しておく。そして、マイコンが自動でオペアンプの増幅率を確認しながら、必要とする固定抵抗のみを選択し、それらを直列に接続して帰還用抵抗として使用することを特徴としている。
【００１９】
すなわち、請求項１の発明は、多数個のリチウムイオン電池を直列に接続したバッテリの状態を、電圧値に変換して監視するバッテリコントローラにおいて、
前記バッテリコントローラは、
自動で１個又は複数個の抵抗を選択し、
該抵抗を直列に接続して帰還用抵抗としたオペアンプを用いて前記電圧値を増幅し、
前記増幅した電圧値をデジタル化し、
前記デジタル化した電圧値から、前記バッテリの状態を監視することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記抵抗は、それぞれの抵抗値が２の階乗比になるようにすることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記複数個の抵抗の選択を、定期的に行うことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記バッテリの状態を、さらにコンパレータを用いる冗長回路を設けて監視することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明を用いると、信頼性が高く、製造が容易なバッテリコントローラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下において、本発明の実施をするための最良の形態について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。
【００２５】
１．バッテリ監視及び制御システム
図４に、本発明に係わるバッテリコントローラ7をハイブリッド方式の電気自動車に用いた場合の一例を示す。ここで、システムコントローラ8は、バッテリコントローラ7、エンジン１、発電機2、モータ4及びリレー3a,bなどの各構成要素の全体的な監視や制御をする。
【００２６】
車両に搭載したエンジン１により発電機2を回転させ、発電機2からの電力によってバッテリ5の各セル18を充電する。そして、発進時や加速走行時のようにパワーを必要とするような場合には、バッテリ5からモータ4に電力を供給し、モータ4の動力によってエンジン１のアシストを行う。
【００２７】
システムコントローラ8は、発電機2からバッテリ5への動力線（太線で表示した。）や、バッテリ5からモータ4への動力線の接続や遮断を、コントロール線（細線で表示した。）を用いてリレー3a,bを開閉して行う。ここで、リレー3a,bを開閉制御することによって、バッテリ5を構成するセル18の過充電や過放電を防止することができる。
【００２８】
ここで、長期間にわたって多数回の充放電を繰り返すと、バッテリ5を構成するセル18の放電深度（ＤＯＤ：Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ。）にバラツキが生じることが知られている。そこで、それぞれのセル18の放電深度を調整するために、セルコントローラ6を用いている。
【００２９】
また、上述したバッテリ5を構成するセル18の過充電や過放電を防止したり、過熱等の温度異常を温度センサ34で監視したり、セルコントローラ6が正常に作動しているか否か等を監視する装置として、バッテリコントローラ7を用いている。
【００３０】
２．バッテリコントローラ及びその周辺部分の回路図
図２は、本発明品に係わるバッテリコントローラ7及びその周辺部分の回路図であり、一例として、バッテリ5の過充電を監視する部分についての概略図である。多数個のセル18を直列接続したバッテリ5の電圧は、通常、数１００Ｖと高電圧であるために、そのままの電圧ではマイコン11などに入力してデータ処理をすることができない。そこで、バッテリ5の電圧を、マイコン11で処理可能な電圧にまで降圧する必要がある。
【００３１】
そこで、最初にバッテリ5の電圧を分圧回路19によって３．６Ｖ程度にまで降圧する。降圧したバッテリ5の電圧は、安全性確保等の理由から絶縁回路9（例えば、絶縁アンプ。）で絶縁処理をした後に、オペアンプ10の入力端子（＋側）に入力する（図２において、オペアンプ10への入力電圧をＶｉｎと記述した。）。
【００３２】
オペアンプ10では、所定の出力電圧（例えば、４Ｖ程度のアナログ電圧。）になるように電圧増幅をし、マイコン11のＡ／Ｄ変換器に入力してデジタル化する。マイコン11内では、デジタル化した電圧値から、バッテリ5が過充電や過放電がされていないかどうかを判断し、その結果を出力ポート（図２において、Ｐ6と表示した。）からシステムコントローラ8に出力する。
【００３３】
そして、システムコントローラ8は、バッテリコントローラ7から、バッテリ5の電圧が基準値よりも高く、バッテリ5が過充電されている状態にあるとの信号を受けた場合には、リレー3a（図４）を開き、充電電流を遮断してバッテリ5の充電を終了する。
【００３４】
なお、図２において、分圧回路8、絶縁回路9、抵抗回路15、オペアンプ10等の特性には、それぞれバラツキがあるために、バッテリ5の電圧とオペアンプ10の出力電圧（図２において、Ｖｏと示す。）との間に一対一の対応関係が得られないことが知られている。そこで、詳細については後述するように、オペアンプ10の帰還用として用いられている抵抗回路15の可変抵抗（図２において、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの抵抗値の総和をＲｘと表示した。）を用いて増幅率を加減して、オペアンプ10の出力電圧を調整するようにした。
【００３５】
なお、図２の構成はオペアンプによる非反転増幅回路であり、ＶinとＶoの関係式は、（１）式で表すことができる。ここで、本発明ではＲ1：Ｒ2として１０：１程度のオーダーの抵抗値のものを用いた（例えば、Ｒ1として１０ｋΩ、Ｒ2として１ｋΩとした。）。また、Ｒａ〜ＲｄとしてＲ1に比べて、１／１００〜１／１０程度のオーダーの抵抗値のものを用いた。詳細については後述するように、Ｒａ〜Ｒｄによって、オペアンプ10の増幅率の微調整を行うためである。
【００３６】
Ｖo  ＝  （１＋（Ｒ2＋Ｒｘ）／Ｒ1）×Ｖin      （１）式
スイッチ素子Ｓａ〜Ｓｄとして、ＣＭＯＳロジックＩＣ（４０６６型）を使用した。なお、４０６６型ＩＣは、双方向のアナログスイッチであり、１つのパッケージに４素子内蔵されている。そして、スイッチ素子Ｓａ〜Ｓｄ（４０６６型ＩＣ）は、フリップフロップ回路16（４１７４型）の出力端子（Ｑ0〜Ｑ3）が「Ｈレベル」でオン（論理１）、「Ｌレベル」でオフ(論理０)になる。すなわち、４個のスイッチ素子Ｓａ〜Ｓｄを使用することによって、２の４乗、すなわち１６通りの抵抗値の組合せができることになる（図１、図２）。
【００３７】
なお、４１７４型フリップフロップ回路16には、Ｄ型フリップ−フロップ素子が６個内蔵されている。そして、データ入力端子（Ｄ端子）に入力された論理信号を、Ｃｌｏｃｋ入力端子のトリガ信号で読み込み、そのデータ状態を保持し（Ｄ0〜Ｄ3）、出力端子（Ｑ0〜Ｑ3）からＣＭＯＳロジックＩＣ（４０６６型）に出力するようにした。
【００３８】
また、図１の真理値表に示すように、Ｒｄの抵抗値を基準とし、他の抵抗（Ｒｃ、Ｒｂ、Ｒａ）の抵抗値を、２の階乗比、すなわち、
Ｒｃ＝２×Ｒｄ、Ｒｂ＝４×Ｒｄ、Ｒａ＝８×Ｒｄ      （２）式
とするようにした。したがって、スイッチ素子Ｓａ〜Ｓｄのオン／オフ操作によって、Ｒａ〜Ｒｄを合計した抵抗値を、均等に１５分割した抵抗値を得ることができる。ここで、図１に示す真理値表は、マイコン11内のメモリに、あらかじめデータテーブルとして記憶しておくようにした。
【００３９】
したがって、図１において全てのスイッチ素子Ｓａ〜Ｓｄをオンすると、
Ｖo  ＝  （１＋Ｒ2／Ｒ1）×Ｖin      （３）式
となり、これがＶｏの最小値となる。
【００４０】
次に、スイッチ素子Ｓａ〜Ｓｃをオンとし、スイッチ素子Ｓｄをオフにすると
Ｖo  ＝  （１＋（Ｒ2＋Ｒｄ）／Ｒ1）×Ｖin      （４）式
となる。
【００４１】
そして、（４）式と（３）式の差から、
（４）式−（３）式＝（１＋（Ｒ2＋Ｒｄ）／Ｒ1）×Ｖin−（１＋（Ｒ2）／Ｒ1）×Ｖin
＝（Ｒｄ／Ｒ1）×Ｖin      （５）式
が、オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）の最少の補正量とすることができる。以下において、（５）式の数値を、１ランクと呼ぶことにする。以下の実施例では、図１に示す真理値表では、スイッチ素子Ｓａのみがオンであり、スイッチ素子Ｓｂ〜Ｓｄがオフの場合を基準状態（±比が、０の状態。）として、±比を決めており、＋１の場合を１ランク上げると呼ぶことにする。
【００４２】
３．バッテリコントローラの設定及び運転
以下において、図１〜図４を用いて本発明に係わるバッテリコントローラの設定及び運転について詳細に説明する。一実施例として、バッテリ5が過充電されて電圧が高くなり、オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）が、基準電圧値（Ｖｒｅｆ：例えば、４Ｖ。）を超えた場合において、バッテリコントローラ7からの信号によって、システムコントローラ8がリレー3aを切り離してバッテリ5への充電を停止する場合の例について説明する。
【００４３】
なお、スイッチ素子Ｓａのみをオフ「Ｌレベル」とし、他のスイッチ素子Ｓｂ〜Ｓｄをオン「Ｈレベル」とした場合の基準状態（±比が、０の状態。）において、誤差がない理想状態を基準電圧値（Ｖｒｅｆ）としている。
【００４４】
図３は、マイコン11によって、本発明に係わるバッテリコントローラ7の設定をするためのフローチャートである。まず、バッテリコントローラ7を絶縁回路9から切り離した状態としてスタートする。
【００４５】
Ｓ１：マイコン11は、出力ポート（Ｐ0〜5）、フリップフロップ回路16を作動させて、スイッチ素子14ａのみをオフ「Ｌレベル」とし、他のスイッチ素子14ｂ〜ｄをオン「Ｈレベル」とする初期設定をする。
【００４６】
Ｓ２：オペアンプ10の入力端子に、調整電圧（Ｖｉｎ）を印加する。なお、この場合にオペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）は、
Ｖo  ＝  （１＋（Ｒ2＋Ｒａ）／Ｒ1）×Ｖin      （６）式
となる。
【００４７】
Ｓ３：オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）をＡ／Ｄ変換器に読み込む。
【００４８】
Ｓ4：オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）と基準電圧値（Ｖｒｅｆ）との差分を演算して、差分の絶対値が上述した最少の補正量（（５）式）の範囲内であるか否かを判断する。最少の補正量（（５）式）の範囲内の場合にはＳ５へ行き、それ以外の場合にはＳ６へ進む。
【００４９】
Ｓ５：現在のフリップフロップ回路16の状態を保持することによって、スイッチ素子14ａ〜ｄを固定して終了する。
【００５０】
Ｓ６：オペアンプ10の出力電圧（Ｖｏ）と基準電圧値（Ｖｒｅｆ）との差分を演算する。
【００５１】
Ｓ７：演算結果がマイナス値である場合には、帰還抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）の値を１ランク増加させるように、図１の真理値表に従ってスイッチ素子14ａ〜ｄを作動させる。一方、演算結果がプラス値である場合にはＲｘの値を１ランク減少させるように、図１の真理値表に従ってスイッチ素子14ａ〜ｄを作動させる。帰還抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）の値を１ランク増加又は減少させた後にＳ３にジャンプしてループする。
【００５２】
上述したように、本発明を用いるとマイコン11を用いてスイッチ素子14ａ〜ｄを作動させて、適切な帰還抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）を選択してオペアンプ10の出力電圧（Ｖｏ）を調整することができる。したがって、信頼性が高く、製造が容易なバッテリコントローラ7を提供することができる。
【００５３】
図２に示すように、システムコントローラ8は、定期的（例えば、１ヶ月間ごと。）に、マイコン11及びＡＮＤ素子13を操作して、上述したオペアンプ10に使用している帰還抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）の再選択を行うようにした。したがって、本発明に係わるバッテリコントローラ7を使用すると、経時劣化等の理由によって、以前に選択された帰還抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）の抵抗値やその他の素子の性能が変化したような場合でも、常に最適な状態で作動させることができる。
【００５４】
また、フリップフロップ回路16を使用しているために、一旦保持された論理信号は、何らかの原因によって、マイコン11の出力ポート（Ｐ0〜Ｐ4）の論理信号がその後変化したような場合でも、再度、Ｃｌｏｃｋ入力端子にトリガがかかるまで前の状態を維持し続けることができる。
【００５５】
なお、ＡＮＤ回路13の入力側は、マイコン11の出力ポート（Ｐ4）とシステムコントローラ8からの出力側の双方に接続されており、フリップフロップ回路16のＣｌｏｃｋ入力端子は、ＡＮＤ回路13の出力側に接続されている。したがって、マイコン11又はシステムコントローラ8の一方が暴走をしたような場合でも、フリップフロップ回路16は従来の動作状態を維持することができる。
【００５６】
加えて、図２に示すように、本発明に係わるバッテリコントローラ7は、別途、コンパレータ21を用いた冗長回路17を設けている。そして、コンパレータ21では、オペアンプ10からの出力電圧（Ｖｏ）が、上述したＶｒｅｆよりも大きい場合、すなわち、バッテリ5が過充電されていると判断される場合には、ＯＲ回路12に「Ｈレベル」信号を出力するようにした。
【００５７】
また、マイコン11の出力ポート（Ｐ6）とコンパレータ21の出力とは、ＯＲ回路12を通してシステムコントローラ8に出力されている。したがって、マイコン11又は冗長回路17のいずれか一方によってバッテリ5が過充電されていると判断される場合には、ＯＲ回路12から「Ｈレベル」信号をシステムコントローラ8に出力することができるために、安全性や信頼性を向上させることができる。
【００５８】
また、上述した実施例では、バッテリ5は過充電された場合についての一実施例についての説明をした。なお、バッテリ5が過放電された場合、過大電流で放電された場合又は温度異常の監視等のように、バッテリ5の状態を電圧値に変換し、オペアンプ10を使用して電圧増幅して監視するバッテリコントローラ7にも同様の手法で実施をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、複数個のセルを直列接続して使用するバッテリのバッテリコントローラに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明品に係わるバッテリコントローラの要部概略図である。
【図２】本発明品に係わるバッテリコントローラ及びその周辺部分の回路図である。
【図３】本発明品に係わるバッテリコントローラを設定するためのフローチャートである。
【図４】電気自動車用バッテリの監視及び制御システムの概略図である。
【図５】従来のバッテリコントローラの要部回路図である。
【符号の説明】
【００６１】
１：エンジン、２：発電機、３ａ，ｂ：リレー、４：モータ、５：バッテリ、
６：セルコントローラ、７：バッテリコントローラ、８：システムコントローラ、
９：絶縁回路、１０：オペアンプ、１１：マイコン、１２：ＯＲ回路、１３：ＡＤＮ回路、
１４ａ，ｂ，ｃ，ｄ：スイッチ素子（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ）、
１５：抵抗回路（Ｒ1、Ｒ2、Ｒｘ、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ）、
１６：フリップ・フロップ回路、１７：冗長回路、１８：セル、１９：分圧回路、
２０：温度センサ、２１：コンパレー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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