JP-2026077917-A - 電池管理システム

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Abstract

【課題】二次電池の複素インピーダンスを簡単な回路構成で高精度に計測する電池管理システムを提供する。【解決手段】電池管理システム２００は、直交参照信号を生成する基準信号発生部１０９と、励起電流を生成して複数の電池セルに通電する交流信号重畳部１０４と、励起電流を測定する電流計測部１１２と、電圧測定部（計測部１２２のＡＤＣ）と、複数の電池セルと電圧測定部との接続を切り替える計測部１２２のマルチプレクサと、測定された励起電流と測定された電圧とに基づいて複数の電池セルそれぞれの交流インピーダンスを測定する統合制御部２０１とを備え、統合制御部２０１は、マルチプレクサにより、複数の電池セルから１つの電池セルを選択して、交流インピーダンスを測定させる。【選択図】図９

Inventors

岡田雄
小林仁
藤井圭一

Assignees

ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260305
Priority Date: 20190627

Claims (6)

複数の電池セルの電池状態を管理する電池管理システムであって、同相信号と、前記同相信号に対して位相が９０度異なる直交信号とからなる交流の直交参照信号を生成する参照信号生成部と、前記直交参照信号の同相信号を処理して励起信号を生成する励起信号生成部と、前記励起信号に基づく励起電流を生成して前記複数の電池セルに通電する電流生成部と、前記電流生成部により生成された励起電流を、前記直交参照信号を用いて、サンプリングすることにより測定する電流測定部と、前記複数の電池セルの電圧を、前記直交参照信号を用いて、サンプリングすることにより測定する電圧測定部と、前記複数の電池セルと前記電圧測定部との接続を切り替えるマルチプレクサと、前記電流測定部により測定された励起電流と、前記電圧測定部により測定された電圧とに基づいて、前記複数の電池セルそれぞれの交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、前記インピーダンス測定部による交流インピーダンスの測定を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記マルチプレクサにより、前記複数の電池セルから１つの電池セルを選択して、前記インピーダンス測定部に交流インピーダンスを測定させる電池管理システム。
前記制御部は、前記複数の電池セルのうちの１つの電池セルについて交流インピーダンスが測定されると、前記マルチプレクサを異なる電池セルに切り替える請求項１記載の電池管理システム。
前記制御部は、前記マルチプレクサの切り替えをサンプリング周期毎に行う請求項１記載の電池管理システム。
前記電圧測定部における電圧のサンプリングレートと、前記電流測定部における電流のサンプリングレートとが等しくなるように調整する同期化部を備える請求項３記載の電池管理システム。
前記電圧測定部における電圧のサンプリングにおける位相と、前記電流測定部における電流のサンプリングにおける位相とを合わせる同期化部を備える請求項３記載の電池管理システム。
前記電圧測定部及び前記マルチプレクサの組を複数備える請求項１から５の何れか一項に記載の電池管理システム。

Description

本開示は、電池の状態を管理する電池管理システムに関する。ＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、または、ＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）など、二次電池を電源として走行する自動車の開発が行われている。また、二次電池を安全に使用するためにバッテリーマネージメントシステム（ＢＭＳ：ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）によって電池残量推定、及び、異常検知などを行う技術が知られている。たとえば、特許文献１は、電池の複素インピーダンスを計測し、電池の容量や劣化量を診断可能な電池状態判定装置を開示している。特許文献２は、バッテリの完全な充放電を行うことなく容量維持率の判定を行うことが可能な容量維持率判定装置を開示している。特許文献３は、バッテリのインピーダンスに対応するＲＣ回路モデルのパラメータを用いてバッテリの充放電をプログラムする車両コントローラを開示している。非特許文献１は、具体的に電池の複素インピーダンスを、交流電流を印加し交流電圧を測定して、複素インピーダンスを交流重畳法により測定する方法を開示している。特開２０１５－９４７２６号公報特開２０１１－３８８５７号公報米国特許第１００２３０６４号明細書 “IC for online EIS in automotive batteries and hybrid architecture for high-current perturbation in low-impedance cells” Z. Gong, Z. Liu, Y. Wang 他 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) 図１は、実施の形態に係る電池管理システムの構成例および電池管理サーバを示すブロック図である。図２は、実施の形態に係る統合制御部の構成例を示す図である。図３は、実施の形態に係る統合制御部の処理例を示すフローチャートである。図４は、実施の形態に係る電池セルの構造例と、等価回路モデルの例とを示す説明図である。図５Ａは、実施の形態に係る電池セルの複素インピーダンスの一例を示すコール・コール・プロット図である。図５Ｂは、実施の形態に係る電池セルの複素インピーダンスの一例を示すボード線図である。図６は、実施の形態に係る電池セルの複素インピーダンスの温度特性例を示す図である。図７は、実施の形態に係る電池管理ネットワークの構成例を示すブロック図である。図８は、実施の形態に係る電池管理ネットワークの処理例を示すシーケンス図である。図９は、変形例に係る電池管理システムの構成例および電池管理サーバを示すブロック図である。（本開示の基礎となった知見）本発明者は、「背景技術」の欄において記載した二次電池を管理する装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。二次電池の内部複素インピーダンス（交流インピーダンスともいう）を交流重畳法により測定する場合には、印加する交流電流を基準とし、内部複素インピーダンスにより発生する電圧変化の位相遅れを複素数で表現した複素電圧を測定し、測定した複素電圧を印加電流で割り算して算出する方法が一般的である。印加する交流電流は、基準周波数信号を元に増幅された電流が二次電池に印加される。この方法では二次電池と、測定する装置とを接続する電気配線（例えばワイヤーハーネス）の影響や基準周波数信号を増幅する駆動アンプ等により、実際に二次電池に印加される交流電流の位相は、基準周波数信号の位相からの遅れが発生することが多い。一方、電圧測定は、基準周波数信号に同期したサンプリングクロックでサンプリングするＡＤコンバータにより計測される。したがって、実際に二次電池に印加される交流電流と電圧測定タイミングの位相差は、複素インピーダンスの位相誤差となって表れるため、二次電池の複素インピーダンスに誤差が生じやすい。このような位相誤差をなくすには、たとえば、実際に二次電池に印加される交流電流の周波数を、元になる基準周波数信号に一致させるよう、交流電流をフィードバック制御する必要がある。しかしながら、この方法でもフィードバックループ内の周波数特性による位相誤差や、フィードバックポイントから後段で発生する位相誤差の影響を排除することはできない。さらに、フィードバック制御を実施する場合、フィードバックループを線形動作できるように設計する必要がある。実際の二次電池の複素インピーダンスは、数１０ｍから数ｍΩしかないため、印加する交流電流は数Ａから数１０Ａ電流値が必要であり、駆動アンプ等がもつ周波数特性をフィードバックループに影響がないように設計することは非常に難しく、消費電流も増大してしまうという別の問題が発生する。そこで、本開示では、印加する交流電流のフィードバック制御することなく、二次電池の複素インピーダンスを簡単な回路構成で高精度に測定する電池管理回路、電池管理システムおよび電池管理ネットワークを提供する。このような問題を解決するために、本開示一態様に係る電池管理回路は、二次電池を管理する電池管理回路であって、第１基準周波数信号と、第１基準周波数信号と異なる位相をもつ第２基準周波数信号とを発生する基準信号発生部と、前記第１基準周波数信号の周波数成分を持つ交流電流を前記二次電池に重畳する交流重畳部と、前記第１基準周波数信号よりも高い周波数でサンプリングすることにより、前記二次電池の電圧を計測する電圧計測部と、前記第１基準周波数信号よりも高い周波数でサンプリングすることにより、前記二次電池の電流を計測する電流計測部と、前記電圧計測部および前記電流計測部の計測結果に、前記第１基準周波数信号および前記第２基準周波数信号を乗算することにより、前記計測結果を複素電圧および複素電流それぞれの実数部成分および虚数部成分に変換する変換部と、を備える電池管理回路である。これによれば、二次電池の複素インピーダンスを簡単な回路構成で、実部と虚部の直交性に誤差のない高精度な計測を行うことができる。言い換えると、直交するよう生成した第１基準信号と第２基準信号を基準として複素電圧の実部と虚部に分離して測定し、電圧測定と同じ第１基準信号と第２基準信号を基準として複素電流を実部と虚部に分離して測定し、測定した複素電圧を複素電流で割り算することで、計測した複素インピーダンスの実部と虚部の直交性が、第１基準信号と第２基準信号の直交性のみに依存するため、測定電圧と重畳電流の位相誤差による複素インピーダンスの位相誤差を無くした高精度な計測を可能にする。また、重畳電流の位相遅れを補正するため、交流電流をフィードバック制御する必要がないので、回路構成を簡単にすることができる。以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、本開示の実現形態は、現行の独立請求項に限定されるものではなく、他の独立請求項によっても表現され得る。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。（実施の形態１）［構成］まず、実施の形態１に係る電池管理システムの構成について説明する。図１は、実施の形態に係る電池管理システム２００の構成例および電池管理サーバ３０１を示すブロック図である。同図の電池管理システム２００は、複数の組電池１０１と、複数の電池管理装置１００と、統合制御部２０１とを備える。統合制御部２０１および複数の電池管理装置１００は、通信線１３２によってデイジーチェーン接続されている。組電池１０１は、二次電池であり、直列接続された複数の電池セルＢ０～Ｂ５を含む。各電池セルは、例えばリチウムイオン電池であるが、ニッケル水素電池などその他の電池であってもよい。また、リチウムイオンキャパシターのような直列接続された蓄電セルであってもよい。組電池１０１は、負荷および充電回路に接続される。負荷は、例えば、ＨＥＶまたはＥＶのモータであるが、これに限定されない。なお、図１の組電池１０１は６つの電池セルを有する例を示しているが、組電池１０１内の電池セルの個数は６つに限らない。電池管理装置１００は、組電池１０１の状態を管理する装置であり、セルマネージメントユニット（ＣＭＵ：ＣｅｌｌＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）とも呼ぶ。電池管理装置１００は、組電池１０１の交流インピーダンス、具体的には電池セルＢ０～Ｂ５それぞれの複素インピーダンス（交流インピーダンスともいう）を算出する。そのため、電池管理装置１００は、電池管理回路１０５および温度センサ１０７（例えばサーミスタ）を備える。なお、電池管理回路１０５は、例えば１チップの集積回路（ＩＣ）として構成してもよい。また、電池管理装置１００は、電池管理回路１０５のＩＣチップと温度センサとが実装されたプリント回路基板（ＰＣＢ）として構成してもよい。電池管理回路１０５は、交流重畳部１０４と、基準信号発生部１０９と、電流計測部１１２と、クロック生成部１１３と、電圧計測部１１５と、基準電圧生成部１１７と、変換部１１８ｂと、積分部１１８ｃと、保持部１１８ｄと、温度計測部１２０と、通信インターフェース部１３１とを備える。交流重畳部１０４は、基準信号発生部１０９に生成される第１基準周波数信号の周波数成分を持つ交流電流を二次電池に重畳する。図１の交流重畳部１０４は、第１基準周波数信号を差動信号として組電池１０１の正極と負極とに印加する差動バッファを有する。基準信号発生部１０９は、第１基準周波数信号と、第１基準周波数信号と直交した位相をもつ第２基準周波数信号とを発生する。例えば、第１基準周波数信号はサイン波信号であり、第２基準周波数信号はコサイン波信号である。なお、第１基準周波数信号と第２基準周波数信号は、許容可能な位相誤差の範囲で直交していることが望ましいが、正確に９０度である必要性はなく誤差を許容する。更に、複素平面に歪みがでるため計算が非常に複雑になるが、第１基準周波数信号と第２基準周波数信号の位相が９０度以外、例えば４５度の位相で測定し、測定後に実部と虚部が直交する複素平面に変換することは可能である。また、基準信号発生部１０９は、統合制御部２０１から通信インターフェース部１３１を介して、前記第１基準周波数信号の周波数ｆの指定を受け、指定に従って第１基準周波数信号を生成する。電流計測部１１２は、クロック生成部１１３からのサンプリングクロック信号を用いて組電池１０１の電流をサンプリングすることにより、組電池１０１に重畳された交流電流を計測する。組電池１０１の電流は、交流重畳部１０４により印加される交流電流が流れる経路に挿入された電流検出用抵抗素子１０６の電圧降下として計測される。この電圧降下は、交流電流に比例するので交流電流値を意味する。より具体的には、電流計測部１１２は、二次電池である組電池１０１の電流を計測するためのアナログデジタル変換器を備える。このアナログデジタル変換器は、クロック生成部１１３からのサンプリングクロック信号を用いて、電流検出用抵抗素子１０６の電圧降下をサンプリングし、サンプリングした電圧降下をデジタル信号に変換する。クロック生成部１１３は、第１基準周波数信号よりも高い周波数で、かつ、第１基準周波数信号に同期したサンプリングクロック信号を生成する。サンプリングクロック信号は電流計測部１１２と電圧計測部１１５とに供給される。例えば、５ＫＨｚ程度の複素インピー