(57)【要約】【課題】構成電池数が多い組電池に対する電圧監視を省電力で行うことが可能な電池電圧監視装置を提供する。【解決手段】１つのマイコンによる集中制御を止め、異なるグラウンド電位ごとに配置したインテリジェントな検出モジュール31と中央マイコン30とによる分散制御とし、Ｍ1〜ＭNで表すＮ個の検出モジュール31と１個の中央マイコン30との間はシリアル接続によるデジタルデータ転送としている。このようにすると、検出モジュール31内に中央マイコン30に対するグラウンドを基準グラウンドとする回路が無くなり、電力消費は分割されたグラウンドごとに閉じたものとなるため、バッテリモジュール３全体で見ると検出モジュール31は直列接続と等しくなり、検出モジュール31の数が増えても消費電力は増加しない。【選択図】図１
2008131670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池を直列接続してなる組電池を構成する前記各電池の電圧を複数の検出部にてそれぞれ検出し、これらの検出部の検出結果を監視部にて監視する電池電圧監視装置であって、
前記検出部は、前記電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記監視部とデータを送受信するための通信手段とを備えたものであり、
前記監視部は、前記検出部とデータを送受信するための通信手段を備えたものであり、
前記監視部と前記検出部との間における電気的に絶縁された伝送を可能とする絶縁伝送部を備えたことを特徴とする電池電圧監視装置。
【請求項２】
前記検出部が、スリープモードでスタンバイしており、前記監視部が起動指令を与えることでアクティブ動作状態になり電圧検出及びデータ伝送を行った後に再びスリープモードに戻るよう構成されたことを特徴とする請求項１記載の電池電圧監視装置。
【請求項３】
前記絶縁伝送部が、アイソレータとマルチプレクサとから構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電池電圧監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池が直列接続された組電池における各電池の電圧を監視するための電池電圧監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のバッテリセル（電池セル）が直列接続された組電池としてのバッテリモジュールにおける各バッテリセルの電圧を監視するための従来の電池電圧監視装置としては、セル電圧検出ＩＣとマイクロコンピュータ（以下、マイコンと言う）を用いた回路構成が一般的である。例えば、携帯機器のように、バッテリモジュールを構成するバッテリセルの数が電圧検出ＩＣに接続可能なセル数以内の場合は最小部品構成となるため、回路構成に起因する消費電力増加は無い。
【０００３】
しかしながら、例えば産業用バッテリなどではバッテリモジュール全体としての電圧を大きく取ることが求められ、多数のバッテリセルが直列接続される。例えば特許文献１などに開示されるように、多くの場合、電圧検出ＩＣに接続可能なセル単位でグラウンド（基準電位点）を分割し、グラウンドの異なる検出電圧は、アナログレベルシフト回路にてマイコンのグラウンド基準の電位に変換される。また、電圧検出ＩＣの操作信号に対しても、異グラウンド間の信号伝達のためにデジタルレベルシフト回路が必要になる。
【０００４】
図２にセル電圧検出ＩＣにバッテリモジュールを構成する全てのバッテリセルが接続可能な場合の回路例を示す。同図に示す回路は、４つのバッテリセル３Ａ〜３Ｄを直列接続してなるバッテリモジュール３の充放電回路である。バッテリモジュール３の＋側（正極側）には、放電用ＦＥＴ４と充電用ＦＥＴ５を介して＋端子13が設けられており、−側（負極側）には、抵抗11を介して−端子14が設けられている。
【０００５】
マイコン１は、放電用ＦＥＴ４及び充電用ＦＥＴ５をスイッチング制御するための制御装置である。当該回路構成では、マイコン１とセル電圧検出ＩＣ２との間で各種制御信号がやり取りされる。そのため、マイコン１に設けられた複数の入力端子又は出力端子は、セル電圧検出ＩＣ２に設けられた複数の出力端子又は入力端子へそれぞれ接続されている。
【０００６】
ここで、マイコン１及びセル電圧検出ＩＣ２の端子機能について説明する。
【０００７】
セル電圧検出ＩＣ２のイネーブル信号入力端子CS，クロック入力端子CK，シリアルデータ入力端子DIは、マイコン１との同期シリアル通信に使用され、マイコン１から出力された操作信号が入力される。セル電圧検出ＩＣ２の電源供給端子VREGは、一端が接地されたバイパスコンデンサ10の他側と共にマイコン１の電源端子VCCへ接続され、マイコン１へ電源供給を行う。セル電圧検出ＩＣ２のアナログ信号出力端子ANALOGは、バッテリセル３Ａ〜３Ｄの検出電圧をアナログ信号として出力するものであり、マイコン１の第１のアナログ信号入力端子AN1へ接続されている。マイコン１は、第２のアナログ信号入力端子AN2を備えており、バッテリモジュール３の−側に接続されている。マイコン１の接地端子GNDは−端子14に接続されている。なお、マイコン１のアナログ信号入力端子AN2と接地端子GNDとの間には抵抗11が接続されており、アナログ信号入力端子AN2に電流検出信号が入力されるよう構成されている。
【０００８】
セル電圧検出ＩＣ２は、バッテリセルを４つまで接続可能なようにセル接続端子VIN1〜VIN4を有しており、これら各セル接続端子には、それぞれ抵抗６を介してバッテリセル３Ａ〜３Ｄの各＋側が接続されている。また、セル接続端子VIN1〜VIN4には、一端が接地されたバイパスコンデンサ７の他側がそれぞれ接続されている。電源端子VCCは、一端が接地されたバイパスコンデンサ９の他側と接続されると共に、抵抗８を介してバッテリモジュール３の＋側に接続される。一方、接地端子GNDはバッテリモジュール３の−側に接続されている。
【０００９】
従来はバッテリモジュール３の直列セル数がセル電圧検出ＩＣ２の接続可能セル数（図２のものでは４個）を越える場合は、図３の回路例のように、セル電圧検出ＩＣ２毎のグラウンド分割とレベルシフト回路の付加により対応していた。同図では、バッテリモジュール３が８個のバッテリセル３Ａ〜３Ｈを直列接続して構成されている。グラウンドの異なる検出電圧は、差動アンプによるアナログレベルシフト回路15にて対基準（マイコン）グラウンドの電位に変換され、マイコン１のアナログ信号入力端子AN2に入力される。またセル電圧検出ＩＣ２の操作信号は基準グラウンドから見ると高電圧回路となるため、トランジスタ又はＦＥＴスイッチを用いたデジタルレベルシフト回路16を介してマイコン１に接続する必要がある。これらのレベルシフト回路15，16は全て対基準グラウンドの回路となるためバッテリモジュール３から見ると負荷（放電回路）となる。
【００１０】
なお、図３においては、＋端子13の電圧をツェナーダイオード20によりクランプした電圧が、ダイオード21と抵抗22を介してセル電圧検出ＩＣ２の充電器接続のモニタ端子VIN12へそれぞれ入力されている。
【特許文献１】特開２００６−０４２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図３は８セル直列（セル電圧検出ＩＣ２を２個使用）の例を示しているが、更にセル直列数が増え、４Ｎセル直列（セル電圧検出ＩＣ２が任意のＮ個）の場合を考えると図４のようになる。
【００１２】
図４から、４Ｎセル直列のバッテリモジュール３に対し、（Ｎ−１）個のレベルシフト回路15，16が負荷として増加し、マイコン１のＩ／ＯもＮ本のアナログ入力、３Ｎ本の操作信号出力が必要になることが判る。マイコンＩ／Ｏの増加数によっては、より多ピンのマイコンへの種類変更が必要になるが、通常は多ピンになるほどマイコンの消費電力も増加する。
【００１３】
また、図３のアナログレベルシフト回路15は１つの差動アンプで表されているが、図４の各アナログレベルシフト回路15のゲインは基準グラウンドから離れた回路ほど小さくなるので、差動アンプの出力に増幅アンプを接続しないと実用上十分なＡ／Ｄ変換分解能が得られない。これも消費電力の増加要因となっている。
【００１４】
このように直列セル数が増えると、従来回路では回路規模の増加と消費電力の増加が比例関係に有るため、電池容量は増えないのに消費電力が増大する形となっていた。すなわち、レベルシフト回路がバッテリから見ると並列に増加し、これがバッテリの負荷となるためバッテリ電圧保持時間の減少を招いてしまう。
【００１５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、構成電池数が多い組電池に対する電圧監視を省電力で行うことが可能な電池電圧監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明における請求項１では、複数の電池を直列接続してなる組電池を構成する前記各電池の電圧を複数の検出部にてそれぞれ検出し、これらの検出部の検出結果を監視部にて監視する電池電圧監視装置であって、前記検出部は、前記電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記監視部とデータを送受信するための通信手段とを備えたものであり、前記監視部は、前記検出部とデータを送受信するための通信手段とを備えたものであり、前記監視部と前記検出部との間における電気的に絶縁された伝送を可能とする絶縁伝送部を備えている。
【００１７】
このようにすると、検出部内に監視部に対するグラウンドを基準グラウンドとする回路が無くなり、電力消費は分割されたグラウンドごとに閉じたものとなるため、組電池全体で見ると検出部は直列接続と等しくなり、検出部の数が増えても消費電力は増加しない。
【００１８】
本発明における請求項２の電池電圧監視装置では、前記検出部が、スリープモードでスタンバイしており、前記監視部が起動指令を与えることでアクティブ動作状態になり電圧検出及びデータ伝送を行った後に再びスリープモードに戻るよう構成されている。
【００１９】
このようにすると、監視部からの起動指令を受けたときのみ検出部がアクティブ動作状態になるため、検出部の動作が間欠的になり平均消費電力を低減できる。
【００２０】
本発明における請求項３の電池電圧監視装置では、前記絶縁伝送部が、アイソレータとマルチプレクサとから構成されている。
【００２１】
このようにすると、監視部と各検出部と間における通信が時分割で１対Ｎ接続に拡張されるため、各検出部が順次アクティブ状態となり、消費電力を低減できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の請求項１によると、構成電池数が多い組電池に対する電圧監視を省電力で行うことが可能な電池電圧監視装置を提供することができる。
【００２３】
本発明の請求項２によると、検出部を必要なときのみ動作させて平均消費電力を低減できる。
【００２４】
本発明の請求項３によると、同時に複数の検出部がアクティブ状態にならない様に操作できるため消費電力を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明における電池電圧監視装置の好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。
【００２６】
本発明における電池電圧監視装置では、従来のような１つのマイコンで全てのセル電圧を計測すること（集中制御）を止め、グラウンド分割ごとにインテリジェント化された検出部としての検出モジュール（前記従来例におけるセル電圧検出ＩＣ＋マイコンの機能を有する）を配置し、監視部としての中央マイコンとは絶縁されたシリアル通信バスで接続する（分散制御）方式に変更する。これにより検出部内に対基準（中央マイコン）グラウンドの回路が無くなり、電力消費は分割されたグラウンドごとに閉じたものとなるため、バッテリ全体で見ると検出部は直列接続と等しくなり、検出部の数が増えても消費電力は増加しない。このため、単体の検出部の消費電力がインテリジェント化により従来の検出回路に比べて大きくなる場合でも、回路数が増えるにつれ、全体の消費電力は本発明における回路の方が従来の回路より少なくなる。
【００２７】
本発明における電池電圧監視装置の回路構成を図１に示す。
【００２８】
同図に示す回路では、１つのマイコンによる集中制御を止め、異なるグラウンド電位ごとに配置したインテリジェントな検出部としての検出モジュール31（図２のセル電圧検出ＩＣ２から電流検出と操作信号に関する回路構成を削除し、非同期シリアルインターフェイスを付加した物）と監視部としての中央マイコン30とによる分散制御とし、Ｍ1〜ＭNで表すＮ個の検出モジュール31と１個の中央マイコン30との間はシリアル接続によるデジタルデータ転送としている。従って、検出モジュール31は、少なくとも、バッテリモジュール３を構成する各バッテリセル３Ａ等のセル電圧を検出する機能と、中央マイコン30とのシリアル通信機能とを有する。
【００２９】
中央マイコン30と検出モジュール31との間におけるデータ通信の内容としては、例えば、各バッテリセル３Ａ等のセル電圧情報（中央マイコン30のシリアル入出力）や、検出モジュール31への各種制御信号（中央マイコン30からのデジタル出力）などが挙げられる。
【００３０】
検出モジュール31に内蔵されたマイコンは、消費電力を抑えるためスリープモード（低電力動作状態）でスタンバイしており、シリアル通信経由で中央マイコン30が起動指令を与えることでアクティブ動作状態になり、バッテリセル３Ａ等に対するセル電圧計測および中央マイコン30へのデータ伝送を行った後に再びスタンバイ状態（スリープモード）に戻るという動作を繰り返す。このとき、検出モジュール31の起動間隔と処理時間の比が大きいほど動作が間欠的になり平均消費電力を低減できる。
【００３１】
本実施例のシリアル通信回路は、１対１通信方式である調歩同期式通信をマルチプレクサ33により送受信信号の各々を時分割で１対Ｎ接続に拡張している。なお、本実施例では採用しなかったがＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）のような同期シリアルでも信号線の数が増えるものの、同様に拡張可能である。他のシリアル通信方式としてはＩ２Ｃバス（Inter IC Bus）のようなバス接続方式も考えられるが、この場合中央マイコン30が通信を開始した場合に全ての検出モジュール31がアクティブ化してしまい消費電力の点で不利なため採用しなかった。
【００３２】
検出モジュール31と中央マイコン30との間でやり取りされるシリアル信号は、Ｉ1〜ＩNで表すＮ個のアイソレータ32により絶縁することでグラウンド電位の違いを吸収している。アイソレータ32の回路方式は、例えば磁気結合方式・容量結合方式等、種々の絶縁方式が有るが、ここでは静的消費電力が少ないフォトカプラによる絶縁回路を採用している。動作時の消費電力は他の絶縁方式よりも多いが本発明での通信動作は間欠動作となるため、シリアル通信の平均消費電力はフォトカプラ方式が一番小さくなる。
【００３３】
マルチプレクサ33及びアイソレータ32が、検出モジュール31と中央マイコン30との間において、電気的に絶縁された状態で例えばセル電圧情報などのデータ伝送を可能とする絶縁伝送部に相当する。
【００３４】
なお、本実施例では、中央マイコン30と共通グラウンドとなる検出モジュールＭ1も他のグラウンドレベルの異なる検出部と同様にモジュール化されているが、これは検出部の共通化及び検出処理を行なう中央マイコンソフトウェアの単純化を考慮したためで、この部分に関しては従来回路と同様に中央マイコン30で直接処理することも可能である。
【００３５】
本実施例の回路では直列セル数が４Ｎ倍になっても従来の集中制御方式と異なり、他のグラウンドへの電流ループが存在しないため、絶縁された検出モジュール31の消費電力は１つの検出モジュール分の電力以上には増加しない。また間欠動作させた場合の検出モジュール31の消費電力は従来回路のセル電圧検出ＩＣ２＋レベルシフト回路15，16の消費電力より低減される。
【００３６】
アイソレータ32やマルチプレクサ33等の絶縁伝送部は、検出モジュール数Ｎの増加に伴い回路規模も増加するが、一般にマルチプレクサ33の規模増加はＮ＞２x毎で済むため、増加率はlog2Ｎとなり従来回路構成より少なくなる。また回路規模が増加してもレベルシフト回路15，16のような高電圧回路では無く、中央マイコン30と同じ動作電圧で動作するため、回路規模が増加することによる消費電力の増加は非常に少ない。このためセル電圧検出に掛かる消費電力を従来回路と本発明の改善回路で比較した場合、直列セル数が多くなるほど少なくできる。
【００３７】
以上のように本実施例では、複数の電池としてのバッテリセル３Ａ等を直列接続してなる組電池としてのバッテリモジュール３を構成するバッテリセル３Ａ等の電圧を複数の検出部としての検出モジュール31にてそれぞれ検出し、これらの検出モジュール31の検出結果を監視部としての中央マイコン30にて監視する電池電圧監視装置であって、検出モジュール31は、バッテリセル３Ａの電圧を検出する電圧検出手段と、中央マイコン30とデータを送受信するための通信手段とを備えたものであり、中央マイコン30は、検出モジュール31とデータを送受信するための通信手段とを備えたものであり、中央マイコン30と検出モジュール31との間における電気的に絶縁された伝送を可能とする絶縁伝送部に相当するマルチプレクサ33及びアイソレータ32を備えている。
【００３８】
このようにすると、検出モジュール31内に中央マイコン30に対するグラウンドを基準グラウンドとする回路が無くなり、電力消費は分割されたグラウンドごとに閉じたものとなるため、バッテリモジュール３全体で見ると検出モジュール31は直列接続と等しくなり、検出モジュール31の数が増えても消費電力は増加しない。従って、構成バッテリセル数が多いバッテリモジュール３に対する電圧監視を省電力で行うことが可能な電池電圧監視装置を提供することができる。
【００３９】
また本実施例の電池電圧監視装置では、検出モジュール31が、スリープモードでスタンバイしており、中央マイコン30が起動指令を与えることでアクティブ動作状態になり、電圧検出及びデータ伝送を行った後に再びスリープモードに戻るよう構成されている。
【００４０】
このようにすると、中央マイコン30からの起動指令を受けたときのみ検出モジュール31がアクティブ動作状態になるため、検出モジュール31の動作が間欠的になり平均消費電力を低減できる。従って、検出モジュール31を必要なときのみ動作させて平均消費電力を低減できる。
【００４１】
さらに本実施例の電池電圧監視装置では、前記絶縁伝送部が、アイソレータ32とマルチプレクサ33とから構成されている。
【００４２】
このようにすると、中央マイコン30と各検出モジュール31と間における通信が時分割で１対Ｎ接続に拡張されるため、各検出モジュール31が順次アクティブ状態となり、消費電力を低減できる。
【００４３】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。電池電圧監視装置の各構成部は、同等の機能を有するものであれば上述した具体的な部品に限られないことは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例における電池電圧監視装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】従来例における電池電圧監視装置の４セル直列時の構成を示す回路ブロック図である。
【図３】同上、８セル直列時の構成を示す回路ブロック図である。
【図４】同上、４Ｎセル直列時の構成を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
３Ａ  バッテリセル（電池）
３  バッテリモジュール（組電池）
30  中央マイコン（監視部）
31  検出モジュール（検出部）
32  アイソレータ（絶縁伝送部）
33  マルチプレクサ（絶縁伝送部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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