JP2018143014A - Secondary battery system and vehicle system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次単電池を用いた二次電池システム及びそれを用いた車両システムに関する。 The present invention relates to a secondary battery system using a secondary cell and a vehicle system using the same.
ハイブリッド電気自動車(HEV)や電気自動車(EV)などの電動車両には、二次電池が用いられており、この
二次電池からの直流出力をインバータにより交流に変換し、交流モータを駆動する。このような電動駆動システムでは、二次電池とインバータの正極、および負極を接続する高電圧回路にコンタクタが接続される。
A secondary battery is used in an electric vehicle such as a hybrid electric vehicle (HEV) or an electric vehicle (EV), and a DC output from the secondary battery is converted into an AC by an inverter to drive an AC motor. In such an electric drive system, the contactor is connected to a high voltage circuit that connects the secondary battery and the positive and negative electrodes of the inverter.
このコンタクタは開閉することにより二次電池とインバータとを接続、もしくは切断する役割を持ち、安全性の高さが重要視される二次電池の取扱いにおいて用いられることが多い。また、安全性を確保する上で、二次電池を用いる際に考慮しなければいけない点は過充電と過放電である。これらの問題を防止するために二次電池の不要な充放電は避けなければならず、コンタクタが故障し、二次電池とインバータとの接続が制御できなくなってしまうと不要な充放電が起きる要因となる。したがって、コンタクタの制御が適切に行われていることを確認するために、コンタクタの故障診断が実施される。 This contactor has a role of connecting or disconnecting the secondary battery and the inverter by opening and closing, and is often used in handling a secondary battery in which high safety is regarded as important. Further, in order to ensure safety, points to be considered when using a secondary battery are overcharge and overdischarge. In order to prevent these problems, unnecessary charging / discharging of the secondary battery must be avoided. If the contactor fails and the connection between the secondary battery and the inverter becomes uncontrollable, factors that cause unnecessary charging / discharging. It becomes. Therefore, in order to confirm that the control of the contactor is appropriately performed, a failure diagnosis of the contactor is performed.
特許文献1には正極コンタクタ、プリチャージコンタクタ、負極コンタクタと、各コンタクタの開閉指令を制御する制御手段を備えており、コンタクタの開閉に伴う、負荷側(高電圧側)の電圧変動を測定することによってコンタクタの溶着診断を実施している。
二次電池の不要な充放電は、過充電、過放電を引き起こす要因となる。したがって、コンタクタによる二次電池と負荷との導通、遮断は確実に実施することが求められる。しかし、特許文献1に記載の内容では、地絡、天絡、断線、ドライバ開放故障、ドライバ短絡故障といった診断を行うことができない。
Unnecessary charging / discharging of the secondary battery causes overcharging and overdischarging. Therefore, it is required to reliably conduct and shut off the secondary battery and the load by the contactor. However, according to the content described in
そのため、本発明では測定する項目を増やし、診断項目を増やすことによって、できるだけ早く異常を検知し、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようにし、さらに、故障部位の特定ができる二次電池システムを提供することを課題とする。 Therefore, in the present invention, by increasing the number of items to be measured and increasing the number of diagnostic items, it is possible to detect an abnormality as soon as possible, to detect not only a contactor abnormality but also a control circuit abnormality, and further, it is possible to identify a failure part. It is an object to provide a secondary battery system.
本発明では上記課題を解決するために、本発明の二次電池システム(1000)は、二次電池(100)と、二次電池と負荷(110)との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ(200)と、コンタクタ(200)を駆動するコイル(300)を備え、コンタクタ(200)の開閉指令信号(120)と、コイル(300)の電圧値および電流値と、コンタクタ(200)の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ(200)を駆動するドライバ(310)からコンタクタ(200)までのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部(400)を備える。 In the present invention, in order to solve the above problems, the secondary battery system (1000) of the present invention conducts or cuts off the power supply between the secondary battery (100) and the secondary battery and the load (110). A contactor (200) and a coil (300) for driving the contactor (200) are provided. The contactor (200) opening / closing command signal (120), the voltage value and current value of the coil (300), and the contactor (200) A battery control unit (400) that performs failure diagnosis of the contactor circuit unit from the driver (310) that drives the contactor (200) to the contactor (200) based on the voltage value on the high voltage side is provided.
本発明を適用することによって、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようになり、さらに、故障部位の特定ができ、二次電池システムとしての信頼性が向上する。 By applying the present invention, not only a contactor abnormality but also a control circuit abnormality can be detected, and a failure part can be specified, thereby improving the reliability of the secondary battery system.
以下、本発明に係わる組電池の実施形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, an embodiment of an assembled battery according to the present invention will be described with reference to the drawings.
≪実施形態1≫
まず図1を用いて、本発明の二次電池システム1000について説明する。高電圧二次電池100は、自動車を駆動するために必要となる電力を蓄えておく装置であり、複数個の二次電池のセルを直列接続することによって構成されている。負荷110は、高電圧二次電池100に蓄えられている電力を消費するシステムであり、本実施形態においてはインバータを接続し、モータへつながることを想定している。また、負荷110を本実施形態のように想定した場合、高電圧二次電池100に蓄えられた電力を消費するだけでなく、高電圧二次電池100に電力を回生する役割も持つ。
First, the
高電圧二次電池100と負荷110との電力のやり取りを導通、遮断するものがコンタクタ200であって、コンタクタ200を開閉することによって導通、遮断を行う。コンタクタ200は高電圧二次電池100の正極側に接続される正極コンタクタ200aとプリチャージコンタクタ200b、負極側に接続される負極コンタクタ200cから構成される。
The
コンタクタ200の開閉動作を担うものがコンタクタ制御回路であり、コンタクタ駆動用電源140、コイル300、コンタクタドライバ310から構成される。コンタクタ200の開閉は、コイル300に流す電流を制御することによって行う。正極コンタクタ200aはコイル300a、プリチャージコンタクタ200bはコイル300b、負極コンタクタ200cはコイル300cの電流を制御することによって駆動する。
The contactor control circuit is responsible for the opening and closing operation of the
コイル300に流す電流は、MPU130から出力されるコンタクタ開閉指令信号120のON、OFFに応じて、コンタクタドライバ310の出力電圧150を変化させることによって制御する。コイル300aに流す電流は、MPU130から出力されるコンタクタ開閉指令信号120aのON、OFFに応じて、正極コンタクタドライバ310aの出力電圧150aを変化させることによって制御する。コイル300bに流す電流は、MPU130から出力されるコンタクタ開閉指令信号120bのON、OFFに応じて、プリチャージコンタクタドライバ310bの出力電圧150bを変化させることによって制御する。コイル300cに流す電流は、MPU130から出力されるコンタクタ開閉指令信号120cのON、OFFに応じて、負極コンタクタドライバ310cの出力電圧150cを変化させることによって制御する。
The current flowing through the coil 300 is controlled by changing the output voltage 150 of the contactor driver 310 in accordance with ON / OFF of the contactor opening / closing command signal 120 output from the
これより先、コンタクタドライバ310の出力電圧150(150a、150b、150c)をコイル300の電圧値とする。 Prior to this, the output voltage 150 (150a, 150b, 150c) of the contactor driver 310 is set as the voltage value of the coil 300.
続いて図2を用いて、本発明の電圧検出装置400の説明をする。図1で示した二次電池システム1000における二次電池100から負荷110までの回路には図2に示すような電圧検出装置(Battery Manegement System、図面中のBMS)400が備わっており、総電圧検出装置400a、正極コンタクタ電圧検出装置400b、負極コンタクタ検出装置400cでそれぞれ二次電池100の電圧値を検出している。
Next, the
総電圧検出装置400aは常に二次電池100の正極側と負極側に接続されているため常に二次電池100の電圧値を検出できる。
Since the total
正極コンタクタ電圧検出装置400bは正極コンタクタ200a、もしくはプリチャージコンタクタ200bが閉じることによって、二次電池100の正極側と負極側に接続されるため二次電池100の電圧値を検出できるようになる。正極コンタクタ200aとプリチャージコンタクタ200bが開いていると二次電池100の正極側と接続されないため二次電池100の電圧値は検出できない。
Since the positive electrode contactor voltage detection device 400b is connected to the positive electrode side and the negative electrode side of the
負極コンタクタ電圧検出装置400cは負極コンタクタ200cが閉じることによって二次電池100の正極側と負極側に接続されるため二次電池100の電圧値を検出できるようになる。負極コンタクタ200cが開いていると二次電池100の負極側と接続されないため二次電池100の電圧値は検出できない。
Since the negative electrode contactor
これより先、正極コンタクタ電圧検出装置400b、負極コンタクタ電圧検出装置400cによって検出された電圧をコンタクタ200の電圧値とする。
Prior to this, the voltage detected by the positive contactor voltage detection device 400b and the negative contactor
図3は、コンタクタ200の電圧値とコイル300の電流値に基づいて診断した際の故障モード判定表を示し、図4は、コンタクタ200の電圧値とコイル300の電圧値に基づいて診断した際の故障モード判定表を示す。この図3及び図4は従来の方法による判定方法である。なお、図3以降ではいずれのコンタクタ(正極コンタクタ200a、プリチャージコンタクタ200b、負極コンタクタ200c)であっても同様の判断となるため、コンタクタ200と総称して説明を行う。
FIG. 3 shows a failure mode determination table when diagnosing based on the voltage value of the
表の縦軸500番台は診断する故障モードであり、各故障モードについて以下に示す。 The vertical axis 500s in the table are failure modes to be diagnosed, and each failure mode is shown below.
正常500:コンタクタ開閉指令信号120に応じて適切にコンタクタ200を動作させることができる。
Normal 500: The
地絡510:コンタクタドライバ310からコンタクタコイル300までの経路が地絡状態となり、該当経路の電圧がLowになるためコンタクタ200が常にcloseの状態となってしまう故障(ハーネス故障)。
Ground fault 510: A failure (harness failure) in which the path from the contactor driver 310 to the contactor coil 300 is in a ground fault state, and the voltage of the corresponding path becomes low, so that the
天絡520:コンタクタドライバ310からコンタクタコイル300までの経路が天絡状態となり、該当経路の電圧がコンタクタ駆動用電源140の電圧値になるためコンタクタ200が常にopenの状態となってしまう故障(ハーネス故障)。
Skyline 520: A failure (harness) in which the path from the contactor driver 310 to the contactor coil 300 becomes a skyline state, and the voltage of the path becomes the voltage value of the contactor
断線530:コンタクタ制御回路が断線し、コイル300に電流が流れないためコンタクタ200が常にopenの状態となってしまう故障(ハーネス故障)。
Disconnection 530: A failure (harness failure) in which the contactor control circuit is disconnected and no current flows through the coil 300, so that the
ドライバ解放故障540:コンタクタドライバ回路310が解放状態となり、常にコンタクタドライバ310の出力電圧150(150a、150b、150c)がコンタクタ駆動用電源140の電圧値になる。コンタクタ200が常にopenの状態となってしまう故障(ドライバ故障)。
Driver release failure 540: The contactor driver circuit 310 is released, and the output voltage 150 (150a, 150b, 150c) of the contactor driver 310 is always the voltage value of the contactor
ドライバ短絡故障550:コンタクタドライバ回路310が短絡状態となり、常にコンタクタドライバ310の出力電圧150がLowになる。コンタクタ200が常にcloseの状態となってしまう故障(ドライバ故障)。
Driver short-circuit fault 550: The contactor driver circuit 310 is short-circuited, and the output voltage 150 of the contactor driver 310 is always low. A failure (driver failure) in which the
コンタクタ溶着560:コンタクタ200が溶着し、常にcloseの状態となってしまう故障(コンタクタ故障)。
Contactor welding 560: A failure (contactor failure) in which the
横軸は診断に用いる測定項目であり、各測定項目の状態を以下に示す。 The horizontal axis is a measurement item used for diagnosis, and the state of each measurement item is shown below.
また、コンタクタ開閉指令信号120のON状態はコンタクタclose要求を意味し、OFF状態はコンタクタopen要求を意味する。これらの要求に対して実際のコンタクタ動作を示したのが、図3中のコンタクタ200の状態である。このコンタクタ200の状態に対応してコンタクタ200の電圧値は変化し、コンタクタ200がcloseのときは高電圧二次電池100と接続されているため総電圧が検出され、openのときは高電圧二次電池100と切り離されているため電圧はLow(0[V]に近い値)となる。また、コイル300の電流値とコイル300の電圧値は、それぞれの故障モードにおいて測定される値を示している。
Further, the ON state of the contactor opening / closing command signal 120 means a contactor close request, and the OFF state means a contactor open request. The actual contactor operation in response to these requests is the state of the
図3及び図4に示す各測定項目の状態に基づいて、故障モード500から560を診断する。
The
図3に示すコンタクタ200の電圧値とコイル300の電流値に基づいた診断においては、コンタクタ開閉指令信号120に関わらず断線状態とドライバ開放故障におけるコンタクタ200の高電位側の電圧値とコイル300の電流値の測定結果は同じであるため判断することができない。また、図4に示すコンタクタ200の電圧値とコイル300の電圧値に基づいた診断においては、コンタクタ開閉指令信号120に関わらず地絡とドライバ短絡故障、天絡とドライバ開放故障におけるコンタクタ200の電圧値とコイル300の電流値の測定結果は同じであるため判断することができない。そのため、従来方法では地絡、ドライバ短絡故障、天絡、ドライバ開放故障、断線、コンタクタ溶着のいずれの状態であるか断定できない。
In the diagnosis based on the voltage value of the
一方で本発明の方法を用いれば地絡、ドライバ短絡故障、天絡、ドライバ開放故障、断線、コンタクタ溶着のいずれの状態であるか断定できる。図5は本発明の検出方法を用いた結果を示した表である。本発明の検出方法は、コンタクタ200の電圧値とコイル300の電流値とコイル300の電圧値のすべてを用いてコンタクタの故障を検知するものである。
On the other hand, if the method of this invention is used, it can be determined whether it is a ground fault, a driver short circuit fault, a power fault, a driver open fault, a disconnection, and a contactor welding. FIG. 5 is a table showing the results using the detection method of the present invention. The detection method of the present invention detects contactor failure using all of the voltage value of the
なお、図5に示す各故障モードは図3、および図4に記載の故障モードと同様である。図3及び図4同様、図5に示す各測定項目の状態に基づいて、故障モード500から560を診断する。
Each failure mode shown in FIG. 5 is the same as the failure mode described in FIGS. 3 and 4. Similar to FIGS. 3 and 4,
このように、コンタクタ200の電圧値とコイル300の電流値で各故障モードを検出する場合には、コンタクタ開閉指令信号120のON、OFFにかかわらず断線530の故障モードとドライバ開放故障540の故障モードが同じ判定になるため断線530とドライバ開放故障540の区別がつかなかった。一方で、コンタクタ200の電圧値とコイル300の電圧値で各故障モードを検出する場合には、コンタクタ開閉指令信号120のON、OFFにかかわらず地絡510の故障モードとドライバ短絡故障550の故障モー
ド、天絡520の故障モードとドライバ開放故障540の故障モードがそれぞれ同じ判定になるため地絡510とドライバ短絡故障550、天絡520とドライバ開放故障540のそれぞれの故障モードがそれぞれ区別がつかなかった。
As described above, when each failure mode is detected by the voltage value of the
一方で本発明のように、測定項目を合わせる(測定項目をコンタクタ200の電圧値、コイル300の電圧値、コイル300の電流値のすべてを用いて診断を実施する)ことによって、それぞれの診断項目におけるコンタクタ200の電圧、コイル300の電流値、コイル300の電圧値の組み合わせはすべて異なるようになるため、全故障モードを診断することが可能となる。したがって、従来の方法よりもより詳細な診断をすることが可能である。また、本発明のように故障モードが特定できると、下記のような利点がある。
On the other hand, by combining measurement items as in the present invention (diagnosis is performed using all of the voltage values of the
(1)コンタクタドライバの故障と制御回路の故障が見分けられないと、故障したときコンタクタドライバと制御回路をどちらも取り替える必要があり、コストが増大する。そのため、本発明を適用することによって、故障モードを特定することによって、故障部位まで特定することができ、修理の際に交換する部品が減るという利点がある。 (1) If the failure of the contactor driver and the failure of the control circuit cannot be distinguished, it is necessary to replace both the contactor driver and the control circuit when a failure occurs, and the cost increases. Therefore, by applying the present invention, it is possible to specify the failure mode by specifying the failure mode, and there is an advantage that the number of parts to be replaced at the time of repair is reduced.
(2)従来文献では診断に用いる入力が、高電圧側の電圧値だけとなっているが、この電圧測定系に異常をきたしてしまうと診断が不可能となる。一方で本発明のように測定系に電圧系と電流系を使用すれば、仮にどちらか一方の測定系に異常が発生しても他の測定系だけで診断できる項目もあるため、信頼性が向上する。 (2) In the conventional literature, the input used for diagnosis is only the voltage value on the high voltage side. However, if this voltage measurement system is abnormal, the diagnosis becomes impossible. On the other hand, if a voltage system and a current system are used in the measurement system as in the present invention, there is an item that can be diagnosed only by the other measurement system even if an abnormality occurs in either one of the measurement systems. improves.
以上、本発明について簡単にまとめる。本発明の車両システムは、二次電池(100)と、負荷(110)と、二次電池(100)と負荷(110)との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ(200)と、コンタクタ(200)を駆動するコイル(300)を備え、コンタクタ(200)の開閉指令信号(120)と、コイル(300)の電圧値及び電流値と、コンタクタ(200)の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ(200)を駆動するドライバ(310)からコンタクタ(200)までのコンタクタ回路部の故障診断を行う。このような構成にすることによって、それぞれの診断項目におけるコンタクタ200の電圧、コイル300の電流値、コイル300の電圧値の組み合わせはすべて異なるようになるため、全故障モードを診断することが可能となる。そのため、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようなり、さらに、故障部位の特定ができる車両システムや二次電池システムを提供することができる。
The present invention will be briefly described above. A vehicle system of the present invention includes a secondary battery (100), a load (110), a contactor (200) that conducts or cuts off power supply between the secondary battery (100) and the load (110), and a contactor. A coil (300) for driving (200), an open / close command signal (120) of the contactor (200), a voltage value and a current value of the coil (300), and a voltage value on the high voltage side of the contactor (200). Based on this, failure diagnosis of the contactor circuit section from the driver (310) that drives the contactor (200) to the contactor (200) is performed. By adopting such a configuration, the combinations of the voltage of the
また、本発明の二次電池システム(1000)は、二次電池(100)と、二次電池と負荷(110)との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ(200)と、コンタクタ(200)を駆動するコイル(300)を備え、コンタクタ(200)の開閉指令信号(120)と、コイル(300)の電圧値および電流値と、コンタクタ(200)の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ(200)を駆動するドライバ(310)からコンタクタ(200)までのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部(400)を備える。このように、二次電池システムの形態をとっていてもよい。 以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Further, the secondary battery system (1000) of the present invention includes a secondary battery (100), a contactor (200) that conducts or cuts off power supply between the secondary battery and the load (110), and a contactor (200). ), And a voltage value and a current value of the coil (300), and a voltage value on the high voltage side of the contactor (200). A battery control unit (400) that performs failure diagnosis of the contactor circuit unit from the driver (310) that drives the contactor (200) to the contactor (200). Thus, the form of a secondary battery system may be taken. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
100 二次電池
110 負荷
120 コンタクタ開閉指令信号
130 MPU
140 コンタクタ駆動用電源
150 出力電圧
200 コンタクタ
300 コイル
400 電圧検出装置
1000 二次電池システム
100
140 Contactor drive power supply 150
Claims (2)
前記コンタクタの開閉指令信号と、前記コイルの電圧値及び電流値と、前記コンタクタの高電圧側の電圧値に基づいて、前記コンタクタを駆動するドライバからコンタクタまでのコンタクタ回路部の故障診断を行うことを特徴とする車両システム。 In a vehicle system comprising: a secondary battery; a load; a contactor that conducts or cuts off power supply between the secondary battery and the load; and a coil that drives the contactor.
Based on the contactor open / close command signal, the voltage value and current value of the coil, and the voltage value on the high voltage side of the contactor, failure diagnosis of the contactor circuit section from the driver that drives the contactor to the contactor is performed. A vehicle system characterized by this.
前記コンタクタの開閉指令信号と、前記コイルの電圧値および電流値と、前記コンタクタの高電圧側の電圧値に基づいて、前記コンタクタを駆動するドライバからコンタクタまでのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部を備えることを特徴とする二次電池システム。 In a secondary battery system comprising: a secondary battery; a contactor that conducts or cuts off power supply between the secondary battery and a load; and the coil that drives the contactor.
A battery that performs failure diagnosis of the contactor circuit unit from the driver that drives the contactor to the contactor based on the contactor open / close command signal, the voltage value and current value of the coil, and the voltage value on the high voltage side of the contactor A secondary battery system comprising a control unit.
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