JP2009095222A - 組電池システムの断線検出装置及び組電池システムの断線検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流検出回路6は、断線検出を行う際に、正常状態で各電圧監視回路3を経由して流れる消費電流Iccよりも大なる検出用電流Isを、各セル2と,電圧監視回路3との間の接続線V1〜V8に流す。そして、ダイオード4は、断線が発生すると、対応するセル2の正側,負側接続線間の電位関係を反転させるように検出用電流が流れる経路を変化させ、反転検出回路5はその電位関係の反転を検出して断線検出信号を出力する。
【選択図】図1
Description
また、セルの電圧が高い場合でも、最上位(セルSnの正側)と最下位(セルS1の負側)の電源線の断線は検出することができない(過放電として検出されるが、断線との判別ができない)。このように、条件によっては断線が検出できない場合が存在する。
即ち、特許文献1の問題は、組電池の最上位と最下位の電源線の断線を検出することができないことであるから、少なくとも組電池の最上位電源線と最下位電源線との断線を、電流経路変化手段と断線検出手段により検出することが可能となれば、上記の問題は解消できる。
以下、本発明の第1実施例について図1乃至図4を参照して説明する。図1は、本発明を、2次電池セルの直列数が例えば8(=2n)個のシステムに適用した構成を示す。組電池1は、例えばリチウム電池などのセル2(1〜8)を直列接続して構成されており、各セル2には、電圧監視回路3がそれぞれ並列に接続されている。電圧監視回路3は、対応するセル2の端子電圧を監視して過充電状態や過放電状態を検出したり、充放電を制御して電圧の均等化処理を行う。
電流制御回路6(1):上流側 セル2(1)
:下流側 セル2(5)
電流制御回路6(2):上流側 セル2(2)
:下流側 セル2(6)
電流制御回路6(3):上流側 セル2(3)
:下流側 セル2(7)
電流制御回路6(4):上流側 セル2(4)
:下流側 セル2(8)
組電池1に断線が発生しておらず正常である場合、組電池1より供給される電流Iccは、8個の電圧監視回路3を介して流れる(すなわち、電圧監視回路3の消費電流に相当する)。そして、電流制御回路6は、組電池1について断線検出を行う時だけ機能して、検出用電流Is1〜Is4を流すようになっている。例えば電流制御回路6(1)は、セル2(1)の正側端子から、セル2(5)の正側端子(=セル2(4)の負側端子)に検出用電流Is1を流す。そして、検出用電流Isは、正常時の消費電流Iccよりも大きな値に設定されている。
断線が発生していない状態では、電流制御回路6(1)が検出用電流Is1を流した場合、その電流Is1は接続線V1→V5の経路でセル2(4)の負側端子に流れる(実線で示す)。そして、V1接続線が断線すると、電流Is1は、セル2(2)の正側端子であるV2接続線よりダイオード2(1)を経由して(電流Id1)V1接続線に流れる(一点鎖線で示す)。その結果、電圧V1,V2の大小関係が反転するので、その状態が反転検出回路5(1)により検出される。
例えばセル2(2)に対応するV2接続線が断線した場合を想定すると、上位からは電圧監視回路3(1)を介して通常の消費電流Iccが流入するが、Icc<Is2であるから、電流Is2は、セル3(3)の正側端子であるV3接続線よりダイオード2(2)を経由して(電流Id2)上位側のV2接続線に流れる。すると、電圧V2,V3の大小関係が反転し、その状態が反転検出回路5(2)により検出される。他のセル2(3),2(4)についても同様の作用で、反転検出回路5(3),5(4)により断線が検出される。
例えばセル2(1)の正側端子より引き出された検出用電流Is1は、V5接続線を介してセル2(4)の負側端子に流入する。そして、接続線V5が断線すると、電流Is1は、ダイオード4(4)を経由して(電流Id5)上位側のセル2(4)の正側端子に流れる(破線で示す)。すると、電圧V4,V5の大小関係が反転するので、その状態が反転検出回路5(4)により検出される。すなわち、接続線V4,V5が断線した場合は何れも反転検出回路5(4)により検出が行われる。他のセル2(6)〜2(8)についても同様の作用で、反転検出回路5(5)〜5(7)により断線が検出される。
GND線(接続線)には、電流制御回路6からの検出用電流Isは供給されないが、GND線が断線すると、電圧監視回路3(8)を介して流入する電流Iccが、セル2(8)の負側端子に流れず、ダイオード4(8)を介して(電流Idg)セル2(8)の正側端子に流れる。すると、電圧V8,GNDの大小関係が反転するので、その状態が反転検出回路5(8)により検出される。したがって、このケースは、電流制御回路6を機能させずとも断線が検出される。
<接続線V1,V2の断線>
この場合、電流制御回路6(1)が検出用電流Is1を流すと、その電流Is1は、セル2(3)の正側端子よりダイオード2(2),2(1)を経由して(電流Id1)V1接続線に流れる。その結果、電圧V1,V2の大小関係と、電圧V2,V3の大小関係とが同時に反転するので、その状態が反転検出回路5(1),5(2)により検出される。
この場合、電流制御回路6(4)が検出用電流Is4を流すと、その電流Is4は、セル2(6)の正側端子よりダイオード2(5),2(4)を経由して(電流Id4)V4接続線に流れる。その結果、電圧V4,V5の大小関係と、電圧V5,V6の大小関係とが同時に反転し、その状態が反転検出回路5(4),5(5)により検出される。
この場合、電圧監視回路3(8)を介して流入する電流Iccが、セル2(8)の負側端子に流れず、ダイオード4(8),4(7)を介して(電流Idg)セル2(7)の正側端子に流れる。すると、電圧V7,V8の大小関係と、電圧V8,GNDの大小関係が反転するので、その状態が反転検出回路5(7),5(8)により検出される。したがって、このケースも、電流制御回路6を機能させずとも断線が検出される。
反転検出回路5(2)については、反転検出回路5(1)と同様の構成が、接続線V2,V3,V5間に配置されている。また、反転検出回路5(3,4)については図示を省略している。
反転検出回路5(8)については、反転検出回路5(7)と同様の構成が、接続線V6,GND間に配置されている。また、反転検出回路5(5,6)については図示を省略している。
Ia=(V1−V4−Vsat−Vf)/R1 …(1)
Ib=(V2−V4−Vsat−Vf)/R2 …(2)
Vsatはトランジスタ21のコレクタ−エミッタ間飽和電圧,Vfはミラー対23,25を構成するトランジスタのベース−エミッタ間電圧,R1,R2は抵抗素子22,24の抵抗値である。(1),(2)式において、R1=R2であれば、
V1>V2 → Ia>Ib
V1<V2 → Ia<Ib
となる。
Id=(V5−Vsat−Vf−V8)/R3 …(3)
Ie=(V5−Vsat−Vf−V7)/R4 …(4)
Vsatはトランジスタ31のコレクタ−エミッタ間飽和電圧,Vfはミラー対32,34を構成するトランジスタのベース−エミッタ間電圧,R3,R4は抵抗素子33,37の抵抗値である。(3),(4)式において、R3=R4であれば、
V7>V8 → Id>Ie
V7<V8 → Id<Ie
となる。
尚、例えば反転検出回路5(1)において、トランジスタ21のエミッタを接続線V4に接続しているのは、電圧V3,V4間に電位関係の反転が生じた場合でも、反転検出回路5(1)を適正に動作させるためである。
図5は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例では、各セル2に逆並列接続されるダイオード4を、2個(a,b)直列にした場合であり、その他の構成は第1実施例と同様である。斯様に構成した第2実施例によれば、上段側セルと下段側セルとの電位関係が逆転した場合、発生する電位差が2Vfになるので、電位の反転検出をより容易に行うことができる。
図6は本発明の第3実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第3実施例では、各ダイオード4(1)〜4(7)のアノードを、一段下のセル(2)〜セル2(8)の正側端子並びにGND線に順次シフトして接続した場合である。斯様に構成した場合は、例えばV2接続線が断線すると検出電流Is2は、V4接続線からダイオード4(2)を介してV2接続線に流れる。その結果、電圧V2,V3間における電位の判定と、電圧V3,V4間における電位の判定とが、反転検出回路5(2),5(3)により同時に検出される。したがって、第1実施例と同様の効果が得られる。
図7は本発明の第4実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第4実施例では、電流制御回路6(1)〜6(4)の下流側を、全てGND線に接続した場合を示す。この場合、例えば電流制御回路6(1)〜6(4)が、正常時にセル2(1)〜(4)より引き出した検出電流Is1〜Is4は、全てGND線に流れる。したがって、図7では図示を省略しているが、接続線V5〜V8の断線を検出するにはそれらに対応する電流制御回路6(5)〜6(8)が別途必要となる。
以上のように構成される第4実施例による場合も、各セル2(1)〜2(8)に接続される接続線V1〜V8,並びにGND線について、断線検出を行うことができる。
図8は本発明の第5実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第5実施例では、第1実施例の反転検出回路5(1)〜5(8)を、コンパレータ(断線検出手段)31(1)〜31(8)(但し、図示は(1),(2),(7),(8)のみ)に置き換えたものである。この場合、接続線V1〜V4に対応するコンパレータ31(1)〜31(4)は入力差動対がNPNトランジスタで構成されているものを使用し、接続線V5〜V8に対応するコンパレータ31(5)〜31(8)は入力差動対がPNPトランジスタで構成されているものを使用する。
コンパレータ31(1)の(+),(−)電源端子は、それぞれ接続線V1,V4に接続され、コンパレータ31(2)の(+),(−)電源端子は、それぞれ接続線V2,V5に接続されている。そして、コンパレータ31の出力端子が抵抗素子29に接続されている。斯様に構成した第5実施例による場合も、第1実施例と同様の効果が得られる。
図9は本発明の第6実施例を示すものである。第6実施例は、前提構成として特許文献1の図1に開示されているものと同じ構成について、組電池1の最上位側セル2(1),最下位側セル2(8)に対してのみ、ダイオード4及び反転検出回路5を並列に接続した構成を示す。この場合、これらに対応する電流制御回路6は不要である。
即ち、特許文献1の問題は、組電池1の最上位と最下位の電源線の断線を検出することができない点であるから、最上位電源線と最下位電源線との断線を、ダイオード4(1,8)及び反転検出回路5(1,8)により検出することが可能となれば、上記の問題を解消できる。
第1実施例において、例えば反転検出回路5(1)を構成するトランジスタ21のエミッタを、接続線V3,V5等に接続しても良い。
トランジスタ21は必要に応じて配置すれば良く、トランジスタ21を使用しない場合は、ミラー対23,25のエミッタを電源線V4等に直接接続すれば良い。
第2実施例のダイオード4を、3つ以上直列に接続しても良い。
第5実施例のコンパレータを、MOSトランジスタで構成したコンパレータにしても良い。
電流経路変更手段は、ダイオード4に限ることなく、トランジスタを用いて構成しても良い。
組電池を構成するセルの直列段数は「8」に限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
また、ダイオード4や反転検出回路5は、必ずしも全てのセル2に対応して配置する必要はない。
監視回路は、少なくともセルの充放電を監視する機能を備えていれば良い。
断線検出は、ANDゲート7を介すことなく個別に検出を行うようにしても良い。
二次電池セルは、リチウム電池に限ることはない
Claims (9)
- 複数の二次電池セルを直列に接続して構成される組電池と、前記セルに並列に接続されて対応するセルの充放電状態を監視する複数の監視回路とで構成されるシステムに配置され、前記セルと対応する監視回路との間の断線を検出する組電池システムの断線検出装置において、
断線検出を行う際に、正常状態で前記監視回路を経由して流れる消費電流よりも大なる検出用電流を、前記セルと監視回路との間の接続線に流す検出用電流供給手段と、
断線が発生した場合、対応するセルの正側電源線,負側電源線間の電位関係を反転させるように、前記検出用電流が流れる経路を変化させる電流経路変化手段と、
前記電位関係の反転を検出して断線検出信号を出力する断線検出手段とを備えることを特徴とする組電池システムの断線検出装置。 - 前記セル数が2n(nは自然数)の場合、前記検出用電流供給手段をn個配置し、
各検出用電流供給手段を、接続される端子がそれぞれ異なるように、n直列のセルに並列接続したことを特徴とする請求項1記載の組電池システムの断線検出装置。 - 前記電流経路変化手段は、カソードが前記セルの正極側に接続されるダイオードで構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の組電池システムの断線検出装置。
- 複数の二次電池セルを直列に接続して構成される組電池と、前記セルに並列に接続されて対応するセルの充放電状態を監視する複数の監視回路とで構成されるシステムに配置され、前記セルと対応する監視回路との間の断線を検出する組電池システムの断線検出装置において、
前記組電池の最高電位側,並びに最低電位側に配置されるセルの間にそれぞれ並列に接続され、
前記最高電位電源線,又は前記最低電位電源線に断線が発生した場合、対応するセルの正側電源線,負側電源線間の電位関係を反転させるよう両電源線間に流れる電流の経路を変化させる電流経路変化手段と、
前記電位関係の反転を検出して断線検出信号を出力する断線検出手段とを備えることを特徴とする組電池システムの断線検出装置。 - 前記断線検出手段は、
対応するセルの正側電源線の電圧を正側電流に変換する正側電流変換手段と、
対応するセルの負側電源線の電圧を負側電流に変換する負側電流変換手段と、
前記正側電流と前記負側電流との大きさを比較する電流比較手段とを備え、
前記負側電流が前記正側電流より大きくなった場合に、前記断線検出信号を出力することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の組電池システムの断線検出装置。 - 前記正側電流変換手段は、前記負側電源線よりも低電位となる電源線側に配置され、第1ミラー電流が、前記正側電源線を介して供給される電流により決定される第1カレントミラー回路で構成され、
前記負側電流変換手段は、前記負側電源線よりも低電位となる電源線側に配置され、第2ミラー電流が、前記負側電源線を介して供給される電流により決定される第2カレントミラー回路で構成され、
前記電流比較手段は、前記負側電源線側に配置され、前記第2ミラー電流により決定される第3ミラー電流が、前記第1カレントミラー回路のミラー側トランジスタに供給される第3カレントミラー回路と、前記負側電源線より電流が供給される出力トランジスタとで構成され、
前記出力トランジスタは、前記第3カレントミラー回路を構成するトランジスタと、前記第1カレントミラー回路を構成するトランジスタとの共通接続点に流れる電流により導通が制御されることを特徴とする請求項5記載の組電池システムの断線検出装置。 - 前記第1,第2カレントミラー回路と、前記負側電源線よりも低電位となる電源線との間に接続され、断線検出を行う場合に導通制御される検出用トランジスタを備えたことを特徴とする請求項6記載の組電池システムの断線検出装置。
- 複数の二次電池セルを直列に接続して構成される組電池と、前記セルに並列に接続されて対応するセルの充放電状態を監視する複数の監視回路とで構成されるシステムにおいて、前記セルと対応する監視回路との間の断線を検出する方法であって、
断線検出を行う際に、正常状態で前記監視回路を経由して流れる消費電流よりも大なる検出用電流を、前記セルと監視回路との間の接続線に流し、
断線が発生した場合、対応するセルの正側電源線,負側電源線間の電位関係を反転させるように前記検出用電流が流れる経路を変化させ、
前記電位関係の反転を検出することで断線検出を行うことを特徴とする組電池システムの断線検出方法。 - 複数の二次電池セルを直列に接続して構成される組電池と、前記セルに並列に接続されて対応するセルの充放電状態を監視する複数の監視回路とで構成されるシステムに配置され、前記組電池の最高電位側,並びに最低電位側に配置されるセルと対応する監視回路との間の断線を検出する方法であって、
前記最高電位電源線,又は前記最低電位電源線に断線が発生した場合、対応するセルの正側電源線,負側電源線間の電位関係を反転させるよう両電源線間に流れる電流の経路を変化させ、
前記電位関係の反転を検出することで断線検出を行うことを特徴とする組電池システムの断線検出方法。
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