JP2016158364A

JP2016158364A - 電源システム

Info

Publication number: JP2016158364A
Application number: JP2015033846A
Authority: JP
Inventors: 湯郷　政樹; Masaki Yugo; 政樹湯郷; 公彦古川; Kimihiko Furukawa
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-09-01

Abstract

【課題】二次電池に過電流が発生した後、その二次電池を再利用可能か否か正確に判定する。【解決手段】電圧検出部１１は、複数の電池セルＳ１〜Ｓｎのそれぞれの電圧を検出する。電流検出部１２は、二次電池２０に流れる電流を検出する。制御部１３は、二次電池２０と負荷との間に接続されるスイッチを制御する。制御部１３は、電流検出部１２により過電流が検出されたとき、スイッチをターンオフさせる前に、電圧検出部１１に電池セルＳ１〜Ｓｎの電圧値を当該電池セルＳ１〜Ｓｎの再利用可能性を判定するための電圧値として検出させる。【選択図】図１

Description

本発明は、主に車両に搭載されて使用される電源システムに関する。

近年、ハイブリッドカーやＥＶ(Electric Vehicle)が普及している。車載用の二次電池には主に、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池が使用されている。車載用の二次電池と走行用モータとの間には大型のリレーがコンタクタとして接続される。リレーに、短絡等で発生する極めて大きな過電流が流れると、リレー内部の回路が溶断したり、接点が溶着したりすることがある。従ってリレーが溶断や溶着により動作不良となっても、短絡電流を遮断できるように通常、車載用の二次電池にはヒューズが接続される。

短絡の中には、上記ヒューズの溶断電流に至らない程度の短絡電流を発生させる軽度な短絡（以下、本明細書では微短絡という）がある。微短絡は、絶縁不良や誤接続などにより発生する完全な短絡と異なり、外乱要因や環境要因により発生する軽度な短絡である。

二次電池の状態を管理するため、二次電池の電圧を検出するための電圧検出回路と、二次電池の電流を検出するための電流検出回路が設けられる。電圧検出回路は所定の周期（例えば、４０ｍｓ）で電圧を検出する。過放電が検出された場合、制御回路はリレーを開いて放電を停止させる。電流検出回路は、所定の周期（例えば、１０ｍｓ）で電流を検出する。過電流が検出された場合、制御回路はリレーを開いて放電を停止させる。

特開２０１３−７２８１７号公報

一般にヒューズが溶断する過電流が発生した場合、二次電池を再利用せずに新しい二次電池に交換する運用がなされている。ヒューズが溶断するレベルの過電流が流れると、二次電池で大きな電圧降下が発生し、通常、二次電池の過放電電圧を下回ってしまう。これに対して、微短絡などによりヒューズが溶断しないレベルの過電流が発生した場合、二次電池が過放電電圧に達しない可能性がある。二次電池が過放電電圧に達していなかった場合、その二次電池を継続して使用しても基本的に問題ない。

通常、二次電池の電圧検出周期は電流検出周期より長いため、過電流発生時の電圧値がログとして保存されていない場合が多い。この場合、その二次電池を再利用してよいか否か正確に判断することができなかった。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、二次電池に過電流が発生した後、その二次電池を再利用可能か否か正確に判定する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、複数の電池セルが直列接続された二次電池と、前記複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部と、前記二次電池と負荷との間に接続されるスイッチを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記電流検出部により過電流が検出されたとき、前記スイッチをターンオフさせる前に、前記電圧検出部に前記電池セルの電圧値を当該電池セルの再利用可能性を判定するための電圧値として検出させる。

本発明によれば、二次電池に過電流が発生した後、その二次電池を再利用可能か否か正確に判定できる。

本発明の実施の形態に係る電源システムを説明するための図である。図２（ａ）−（ｂ）は、電流検出部による電流検出周期と電圧検出部による電圧検出周期の関係を説明するための図である。微短絡による過電流発生時の動作シーケンスを説明するための図である。微短絡による過電流発生時の制御部の処理の流れを示すフローチャートである。図４のフローチャートに発熱判定処理を追加したフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源システム１を説明するための図である。電源システム１は車両に搭載され、リレーＲＬ及びインバータ２を介してモータ３に接続される。インバータ２は力行時、電源システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。回生時、モータ３から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム１に供給する。なおリレーＲＬは電源システム１と車両側とを電気的に遮断するための素子の一例であり、両者間の電流を遮断できるスイッチ機能を備える素子であれば、他の種類の素子を用いてもよい。

電源システム１は二次電池２０及び電池管理装置１０を備える。二次電池２０は複数の電池セルＳ１〜Ｓｎが直列接続されて形成される。本実施の形態では電池セルとしてリチウムイオン電池を使用することを想定する。リチウムイオン電池の公称電圧は３．６−３．７Ｖであり、モータ３の種類に応じて電池セルＳ１〜Ｓｎの直列数が決定される。

複数の電池セルＳ１−Ｓｎと直列にヒューズＦ１が直列に接続される。さらに複数の電池セルＳ１−Ｓｎ及びヒューズＦ１と直列にシャント抵抗Ｒｓが接続される。シャント抵抗Ｒｓは電流検出素子として機能する。なおシャント抵抗Ｒｓの代わりにホール素子を用いてもよい。

電池管理装置１０は電圧検出部１１、電流検出部１２、制御部１３、記憶部１４及び駆動部１５を備える。電圧検出部１１は複数の電池セルＳ１−Ｓｎのそれぞれの電圧を検出して制御部１３に出力する。電流検出部１２は、シャント抵抗Ｒｓの両端電圧を検出することにより二次電池２０に流れる電流を検出して制御部１３に出力する。電流検出部１２は、シャント抵抗Ｒｓの両端に接続された誤差増幅器を含む。電流検出部１２及び制御部１３は例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成できる。

制御部１３は、電圧検出部１１及び電流検出部１２により検出された二次電池２０の電圧および電流をもとに二次電池２０を管理する。制御部１３は例えば、マイクロコントローラで構成できる。記憶部１４は各種の情報を記憶する。記憶部１４は例えば、不揮発性半導体メモリで構成できる。駆動部１５は、制御部１３からの切替指示信号を受けてリレーＲＬのオン／オフを制御するための駆動信号を生成し、リレーＲＬに供給する。

制御部１３は、電圧検出部１１により検出された電圧が過放電判定用の設定電圧値を下回ると、駆動部１５にリレーＲＬのターンオフを指示する。また電流検出部１２により検出された電流値が過電流検出用の設定電流値を上回ると、駆動部１５にリレーＲＬのターンオフを指示する。

図２（ａ）−（ｂ）は、電流検出部１２による電流検出周期と電圧検出部１１による電圧検出周期の関係を説明するための図である。本実施の形態では電流検出部１２は１０ｍｓ周期で二次電池２０に流れる電流を検出する。電圧検出部１１は４０ｍｓ周期で二次電池２０に含まれる複数の電池セルＳ１−Ｓｎの電圧を検出する。電圧検出部１１は複数の電池セルＳ１−Ｓｎの電圧を順番に検出する。また電圧値の方が電流値より制御部１３に出力するデータ数が多くなる。従って電圧検出部１１による電圧検出周期の方が、電流検出部１２による電流検出周期より長く設定される。

各電池セルは内部インピーダンスを持つため、過電流が流れると大きな電圧降下が発生し、セル電圧が急低下する。図２（ａ）に示すように電流検出周期の方が電圧検出周期より短いため、過電流が発生すると通常、電流検出部１２により先に過電流が検出される。制御部１３は、電流検出部１２により過電流が検出されたとき、リレーＲＬをターンオフさせる前に、電圧検出部１１に電池セルの電圧値を検出させる。この電圧検出は、図２（ｂ）に示すように通常の電圧検出周期に関係なく即時に実行される割込制御となる。制御部１３は、リレーＲＬのターンオフの直前に検出された各電池セルＳ１−Ｓｎの電圧値を電圧検出部１１から取得し、記憶部１４に保存する。これらの電圧値は、各電池セルＳ１−Ｓｎの再利用可能性を判定するために使用される。

制御部１３は、電圧検出部１１による電圧検出に必要な時間と、駆動部１５及びリレーＲＬによる電流遮断に必要な時間を考慮して、リレーＲＬのターンオフの直前に電圧検出されるように電圧検出部１１及び駆動部１５に送出する指示信号のタイミングを調整する。

電源システム１の正極端子と負極端子が短絡すると基本的にヒューズＦ１が溶断して電流を遮断する。微短絡などにより、ヒューズＦ１の溶断電流より低く、制御部１３における過電流検出用の設定電流値より高い過電流が発生した場合、ヒューズＦ１は溶断されず、リレーＲＬで電流を遮断することになる。この場合において、ヒューズＦ１が溶断するレベルの過電流が発生した場合は二次電池２０を再利用できないが、ヒューズＦ１が溶断しないレベルの過電流が発生した場合は二次電池２０を再利用できる可能性がある。

リチウムイオン電池では一般に、再利用できない過放電電圧に１．８−１．９Ｖが設定されている。電池セルの内部インピーダンスが１ｍΩの場合において、１０００Ａの過電流が流れたとすると当該電池セルでの電圧降下は１．０Ｖ（１０００Ａ×１ｍΩ）となる。セル電圧が３．０Ｖであった場合、過電流が流れていたときのセル電圧は２．０Ｖであり、再利用できない過放電電圧を上回っている。従ってこの電池セルは基本的に再利用可能と判定できる。

電流検出部１２により検出できる電流値のレンジには制限がある。具体的には電流検出部１２内の誤差増幅器を構成するオペアンプの動作レンジによる制限を受ける。従って電流レンジの上限より大きな電流が流れると、電流レンジの上限で張り付くことになる。例えば電流レンジが±４５０Ａの場合、微短絡により１０００−１５００Ａ程度の過電流が発生すると電流検出部１２の出力値は上限に張り付くことになる。

制御部１３は、電流検出部１２の検出レンジを超えた電流が設定時間以上継続して検出されたとき、ヒューズＦ１が溶断していなくても過電流発生と判定する。なおヒューズＦ１の溶断は、電圧検出部１１により検出される電圧値の変化により検出できる。

図３は、微短絡による過電流発生時の動作シーケンスを説明するための図である。図３に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は電流値である。微短絡が発生すると電流値が急上昇する。その後、電流検出部１２により検出される電流値が検出レンジの上限値に到達する。上限値に張り付いたまま設定時間ｔが経過すると、制御部１３は過電流発生と判定する。過電流と判定すると、制御部１３は電圧検出部１１に各電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０を検出させる。その後、制御部１３は駆動部１５にリレーＲＬをターンオフさせる。リレーＲＬがターンオフした後、制御部１３は電圧検出部１１に各電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ１を検出させる。

図４は、微短絡による過電流発生時の制御部１３の処理の流れを示すフローチャートである。電流検出部１２により検出される電流値が上限電流値になると（Ｓ１０のＹ）、制御部１３はカウントを開始し、上限電流値に張り付いたまま設定時間ｔが経過すると（Ｓ２０のＹ）、電圧検出部１１に各電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０を検出させる（Ｓ３０）。制御部１３は、電圧検出部１１により検出された電圧Ｖ０を取得して記憶部１４に保存する。

制御部１３は、駆動部１５にリレーＲＬをターンオフさせる（Ｓ４０）。これにより電流が遮断され、各電池セルＳ１−Ｓｎに電流が流れなくなる。制御部１３は、電圧検出部１１に各電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ１を検出させる（Ｓ５０）。この電圧は、電池セルに電流が流れていない状態（開放状態）で検出されるＯＣＶ（Open Circuit Voltage）である。二次電池（特にリチウムイオン電池）ではＳＯＣ(State Of Charge)とＯＣＶとの間に安定的な関係があり、電池セルのＯＣＶを検出することにより、当該電池セルのＳＯＣを推定できる。

制御部１３はヒューズＦ１が溶断しているか否か判定し（Ｓ６０）、溶断している場合（Ｓ６０のＹ）、二次電池２０に含まれる全ての電池セルＳ１〜Ｓｎを再利用不可と判定する（Ｓ９０）。ヒューズＦ１が溶断していない場合（Ｓ６０のＮ）、制御部１３は、電流遮断前に検出された電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０と、設定電圧を比較する（Ｓ７０）。この設定電圧には上記の過放電電圧（１．８−１．９Ｖ）を使用することができ、電池セルの再利用判定用の閾値として利用される。

電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０が設定電圧以下の場合（Ｓ７０のＮ）、制御部１３は当該電池セルＳ１−Ｓｎを再利用不可と判定する（Ｓ９０）。電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０が設定電圧より高い場合（Ｓ７０のＹ）、制御部１３は電池セルＳ１−Ｓｎを再利用可と判定する（Ｓ８０）。通常、全ての電池セルＳ１−Ｓｎの電圧Ｖ０は同じにように変化する。ただし電池セルは温度の違い等によりＳＯＣがばらつくことがあり、それにより再利用可能性の判定結果が全ての電池セルＳ１−Ｓｎで一致しない場合がある。その場合において、二次電池２０の構成が電池セルを個別に交換可能な構成である場合、電池セルを個別に交換してもよい。

制御部１３は、図示しないＣＡＮ（Controller Area Network）等の車内ネットワークを介して車両側のＥＣＵ（Electronic Control Unit）に、過電流の発生および二次電池２０の再利用可能性の判定結果を通知する。ＥＣＵは例えば、インストルメンタルパネル内の警報ランプを点灯させて、運転者にバッテリ異常を通知する。運転者はカーディーラに車両を持ち込み、電源システム１を点検させる。ハイブリッドカーであれば、カーディーラまでエンジン走行により移動できる。ＥＶの場合、再利用可の場合は自走で移動できるが、再利用不可の場合はその場で二次電池２０を交換するか、レッカー移動か牽引移動する必要がある。再利用不可の場合、リレーＲＬが開かれたままの状態になるため走行できなくなる。なお再利用可の場合、リレーＲＬを閉じることができる。

再利用可の場合であっても電池セル内のＳＯＣが低下している場合、直ぐに放電できない場合がある。そこで制御部１３は、電流遮断直後に検出された電池セルの電圧Ｖ１をもとに当該電池セルのＳＯＣを推定し、推定したＳＯＣがＳＯＣの使用下限値（例えば、５−１０％）を下回っているとき要充電状態であることをＥＣＵに通知する。電池セルのＳＯＣがＳＯＣの使用下限値を上回った後、モータ３に給電可能になる。

これまで電流遮断直前の電池セルの電圧をもとに、電池セルを再利用可能か否か判定する例を説明した。仮に電流遮断直前の電池セルの電圧が、設定電圧を下回らなかった場合でも、大電流による発熱で電池セルの端子が損傷したり、電池セル内のセパレータが溶断している可能性がある。そこで制御部１３は過電流による発熱量を推定する。

制御部１３は電池セルのＳＯＨ (State Of Health)を推定するために、電池セルの内部インピーダンスを計測している。内部インピーダンスは、例えば電池セルに電流が流れていないときの電圧と電流が流れているときの電圧との差を、流れた電流で割ることにより算出できる。制御部１３は、短絡発生前の電池セルの電圧と電流遮断直前の電池セルの電圧との差を、直近に計測した内部インピーダンスで割ることにより短絡時の電流値を算出できる。従って短絡により電流検出部１２の出力値が上限値に張り付いた場合でも、電流値を推定できる。

制御部１３は、電流検出部１２の出力値が上限値に張り付いてからリレーＲＬがターンオフするまでの時間を測定する。制御部１３は測定した時間、当該時間内に流れた過電流の値、及び電池セルの内部インピーダンスをもとに電池セルの発熱量を算出する。当該時間は電池セルに過電流が流れた時間に相当する。当該過電流の値および内部インピーダンスは上記の演算により算出できる。従って発熱量Ｑは下記式（１）により算出できる。下記式（１）では内部インピーダンスを１ｍΩ、過電流が流れた時間を１００ｍｓとしている。

Ｑ＝Ｉ^２ＲＴ＝１０００Ａ×１０００Ａ×０．００１Ω×０．１ｓ＝１００Ｊ（２４００ｋｃａｌ） …式（１）

図５は、図４のフローチャートに発熱判定処理を追加したフローチャートである。図５のフローチャートでは図４のフローチャートに、ステップＳ７２及びステップＳ７４の処理が追加される。電流遮断直前に検出された電池セルの電圧Ｖ０が設定電圧より高い場合（Ｓ７０のＹ）、制御部１３は過電流が流れた時間、電流値、内部インピーダンスをもとに電池セルの発熱量を算出する（Ｓ７２）。制御部１３は算出した発熱量と、再利用判定用の設定発熱量を比較する（Ｓ７４）。当該設定発熱量には実験やシミュレーションに基づき導出された値が設定される。

算出した発熱量が設定発熱量より小さい場合（Ｓ７４のＹ）、制御部１３は電池セルを再利用可と判定する（Ｓ８０）。算出した発熱量が設定発熱量以上の場合（Ｓ７４のＮ）、電池セルを再利用不可と判定する（Ｓ９０）。

以上説明したように本実施の形態によれば、電池セルに過電流が発生した後、リレーＲＬで電流を遮断する直前の電池セルの電圧を検出することにより、電池セルを再利用可能か否か正確に判定できる。一般に電圧検出周期は電流検出周期より短いため、過電流検出からリレーＲＬが遮断される間に電圧を検出できていないことが多い。また電流値が上限値に張り付いてしまうと電流値も正確に測定できない。従来、ヒューズＦ１が溶断しない水準の過電流が発生し、過電流検出からリレーＲＬが遮断される間に検出された電圧のログが残っていない場合、電池セルを再利用可能か否か正確に判定することが難しかった。この点、本実施の形態ではリレーＲＬが遮断される直前の電圧検出が担保されるため、電池セルを再利用可能か否か常に正確な情報に基づき判定できる。また過電流発生時の発熱量による影響も推定することができ、その情報を併用することにより、より正確な判定が可能となる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記の実施の形態では、電池セルが再利用可能か否かを制御部１３が行ったが、制御部１３では、電流遮断直前および直後の電圧Ｖ０、Ｖ１を記憶部１４にログとして残すに止め、再利用可能か否かの判定はカーディーラで行ってもよい。カーディーラでは、車両が持ち込まれると情報端末と、電池管理装置１０を通信線で接続して記憶部１４に記憶された電流遮断直前および直後の電圧Ｖ０、Ｖ１を読み出す。当該電圧Ｖ０、Ｖ１をもとに、作業者が電池セルが再利用可能か否か判断する。また情報端末が図４、図５に示したステップＳ６０以降の処理を行ってもよい。

また上記の実施の形態ではリレーＲＬとヒューズＦ１により過電流を遮断する例を説明した。この点、ヒューズＦ１の代わりに、リレーＲＬより反応速度の早い半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を使用してもよい。特に走行用の高圧な電源システム１ではなく、補機用の１２Ｖ／２４Ｖシステムに有効である。この場合、半導体スイッチがターンオフする直前の電池セルの電圧を検出し、保存しておく。

なお、電池セルが再利用可能か否かの判定は、電池セルの容量や、過電流の電流値、過電流が流れている時間等によって影響を受ける。そのため。ヒューズＦ１の代わりに、半導体スイッチを利用する構成の場合、半導体スイッチの反応速度の早さによっては、電流遮断直前の電圧値に関わらず、電池セルが再利用可能と判断できることもありうる。また、半導体スイッチの反応速度が早いほど、電池セルへのダメージを軽減することもできる。

１電源システム、２インバータ、３モータ、１０電池管理装置、１１電圧検出部、１２電流検出部、１３制御部、１４記憶部、１５駆動部、２０二次電池、Ｓ１−Ｓｎ電池セル、Ｒｓシャント抵抗、Ｆ１ヒューズ、ＲＬリレー。

Claims

複数の電池セルが直列接続された二次電池と、
前記複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記二次電池と負荷との間に接続されるスイッチを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電流検出部により過電流が検出されたとき、前記スイッチをターンオフさせる前に、前記電圧検出部に前記電池セルの電圧値を当該電池セルの再利用可能性を判定するための電圧値として検出させることを特徴とする電源システム。
前記複数の電池セルと直列に接続されたヒューズをさらに備え、
前記制御部は、前記過電流の発生により前記ヒューズが溶断したとき前記電池セルを再利用不可と判定し、前記前記ヒューズが溶断していないとき前記電圧値が再利用判定用の設定電圧値より高い場合は前記電池セルを再利用可と判定し、当該設定電圧値以下の場合は前記電池セルを再利用不可と判定することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記制御部は、前記電流検出部の検出レンジを超えた電流が設定時間以上継続して検出されたとき、前記ヒューズが溶断していなくても過電流発生と判定することを特徴とする請求項２に記載の電源システム。
前記電圧検出部による電圧検出周期は、前記電流検出部による電流検出周期より長く、
前記制御部は、前記過電流が発生したと判定したとき、前記電圧検出周期に関係なく前記電池セルの電圧値を検出するよう前記電圧検出部に指示することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源システム。
前記制御部は、前記過電流が流れた時間、当該時間内に流れた過電流の値、前記電池セルの内部インピーダンスをもとに発熱量を算出し、当該発熱量が再利用判定用の設定発熱量より大きい場合、前記電池セルを再利用不可と判定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電源システム。