JP2023015704A - 電圧検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】放電抵抗のドリフト故障を検知する電圧検出装置を提供することができる。【解決手段】直列に接続される複数の電池セルで構成される二次電池の各セル電圧を検出する電圧検出装置であって、前記電池セルの放電が行われた際に放電回路電圧検出部で検出されると想定される前記放電回路電圧を、前記セル電圧検出部で検出される前記セル電圧に基づいて推定する推定部と、実際に前記電池セルの放電が行われている場合に前記放電回路電圧検出部にて検出された前記放電回路電圧と、前記推定部で推定された前記放電回路電圧の推定値とを用いて前記放電回路の故障の有無を判定する判定部と、を備える電圧検出装置である。【選択図】図1
Description
本発明は、電圧検出装置に関する。
組電池を構成する複数の電池セルの電圧(セル電圧)のアンバランスによって組電池の蓄電可能な容量が低下することを防止する目的として、各セル電圧が均一になるように電池セルの放電制御が行われる。
例えば、特許文献1には、抵抗及び放電スイッチから成る放電回路が電池セルごとに並列に接続されており、放電スイッチがオン・オフされることで放電制御が行われる。
特許文献1に記載の発明では、放電スイッチがオン状態であるときのセル電圧と、放電スイッチがオフ状態であるときのセル電圧とを比較することで放電回路の故障を検知している。しかしながら、この方法では、放電スイッチのオン・オフ故障や放電回路内の断線の故障は検知可能であるが、放電抵抗の抵抗値が変動することによって放電電流が変動してしまうドリフト故障については検知することができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、放電抵抗のドリフト故障を検知する電圧検出装置を提供することである。
(1)直列に接続される複数の電池セルで構成される二次電池の各セル電圧を検出する電圧検出装置であって、前記複数の電池セルの各々に並列接続され、前記電池セルを放電する放電経路を形成可能な放電回路と、前記放電経路上の電圧である放電回路電圧を検出する放電回路電圧検出部と、前記セル電圧を、前記放電回路を介さずに検出するセル電圧検出部と、前記放電回路の故障を判定する故障判定部と、を備え、前記故障判定部は、前記電池セルの放電が行われた際に前記放電回路電圧検出部で検出されると想定される前記放電回路電圧を、前記セル電圧検出部で検出される前記セル電圧に基づいて推定する推定部と、実際に前記電池セルの放電が行われている場合に前記放電回路電圧検出部にて検出された前記放電回路電圧と、前記推定部で推定された前記放電回路電圧の推定値とを用いて前記放電回路の故障の有無を判定する判定部と、を備える電圧検出装置である。
(2)上記(1)の電圧検出装置であって、前記放電回路は、放電抵抗及び放電スイッチを有し、前記放電経路は、前記放電スイッチがオン状態になることで、前記電池セルからの放電電流が前記放電スイッチ及び前記放電抵抗を通る経路であり、前記放電回路電圧は、前記放電電流が前記放電経路を流れることによって発生する電圧であってもよい。
(3)上記(2)の電圧検出装置であって、前記放電回路電圧は、前記放電電流が前記放電スイッチを流れることで発生する前記放電スイッチの端子間の電圧であってもよい。
(4)上記(2)又は上記(3)のいずれかの電圧検出装置であって、前記判定部は、実際に前記電池セルの放電が行われている場合に前記放電回路電圧検出部にて検出された前記放電回路電圧が、前記推定値を含む所定範囲外であるには、前記放電抵抗が故障していると判定してもよい。
以上説明したように、本発明によれば、放電抵抗のドリフト故障を検知する電圧検出装置を提供することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
以下、本実施形態に係る電圧検出装置100を、図面を用いて説明する。
本実施形態に係る電圧検出装置100は、図1に示すように組電池200を検出対象とするものである。電圧検出装置100は、組電池200と共に電気自動車やハイブリッド自動車等、モータを走行動力源とする車両に搭載され、組電池200の電圧を検出したり、管理したりする。
組電池200は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。組電池200は、全固体電池であってもよい。組電池200は、直列接続された複数の電池セルC-1~C-n(nは2以上の整数)を備える。すなわち、組電池200は、n個の電池セルC-1~C-nが直列接続されている。電池セルC-1~C-nのそれぞれを区別しない場合には、単に「電池セルC」と標記する。図1に示す例では、説明の便宜上、組電池200が2つの電池セルC-1及び電池セルC-2を備える場合について示しているが、電池セルCの個数に関しては2つに限定されず、3つ以上であってもよい。電池セルCの個数は、二次電池110が搭載される車両の車体サイズ等に左右され、車両によって電池セルCの個数が異なる場合がある。
電圧検出装置100は、各電池セルC-1~C-nの端子間電圧(以下、「セル電圧」という。)Vcellを検出し、各セル電圧Vcellを均等化するセルバランス制御を行う。
電圧検出装置100は、複数の接続線Lを介して各電池セルC-1~C-nと電気的に接続され、各電池セルC-1~C-nのセル電圧Vcellを検出する。例えば、電圧検出装置100と各電池セルC-1~C-nとの間の各接続線Lには、フューズFが設けられる。
接続線Lは、各電池セルC-1~C-nの出力端子(電池セルCの正極端子と負極端子)にそれぞれ接続されている。例えば、接続線L-1は、第1の端部が電池セルC-1の正極端子に接続され、第2の端部が電圧検出装置100に接続されている。また、接続線L-2は、第1の端部が電池セルC-2の正極端子に接続され、第2の端部が電圧検出装置100に接続されている。このように、接続線L-k(kは1からnまでの整数)は、第1の端部が電池セルC-kの正極端子に接続され、第2の端部が電圧検出装置100に接続されている。
次に、本実施形態に係る電圧検出装置100の概略構成の一例について説明する。
電圧検出装置100は、複数の放電回路10-1~10-n、フィルタ回路20-1~20-n、複数の放電回路電圧検出部30-1~30-n、複数のセル電圧検出部40-1~40-n、及び制御部50を備える。なお、ハイフン以下の符号は、複数の同じ種類の構成要素を互いに区別するものである。複数の同じ種類の構成を互いに区別しない場合には、ハイフン以下の符号を省略する場合がある。
複数の放電回路10は、組電池200と電圧検出装置100との間の各接続線L上に設けられている。放電回路10は、複数の電池セルCの各々に並列接続され、電池セルCを放電する放電経路13を形成可能である。放電回路10の数は、組電池200内で直列接続された複数の電池セルCの個数と同数である。
例えば、放電回路10-1は、接続線L-1と接続線L-2との間に接続されることで電池セルC-1に並列に接続されている。放電回路10-1は、制御部50からの制御に基づいて電池セルC-1を放電可能である。放電回路10-2は、接続線L-2と接続線L-3との間に接続されることで電池セルC-2に並列に接続されている。放電回路10-2は、制御部50からの制御に基づいて電池セルC-2を放電可能である。このように、放電回路10-kは、接続線L-nと接続線L-(n+1)との間に接続されることで電池セルC-kに並列に接続されている。放電回路10-kは、制御部50からの制御に基づいて電池セルC-kを放電可能である。
放電回路10は、2つの放電抵抗11(11a,11b)及び放電スイッチ12を備える。放電抵抗11a,11bと放電スイッチ12とは、それぞれ直列に接続されている。放電スイッチ12がオン状態になると、放電経路13が形成され、並列接続されている電池セルCが放電される。なお、本実施形態の例では、放電回路10は、2つの放電抵抗11a,11bを有するが、放電抵抗11の個数には限定されない。放電回路10は、1つの放電抵抗11のみを有してもよいし、3つ以上の放電抵抗11を有してもよい。
例えば、放電抵抗11a-1は、一端が接続線L-1を介して電池セルC-1の正極端子に接続され、他端が放電スイッチ12-1の第1の端子に接続されている。放電抵抗11b-1は、一端が放電スイッチ12-1の第2の端子に接続され、他端が接続線L-2を介して電池セルC-1の負極端子に接続される。放電スイッチ12-1をオン状態になることで電池セルC-1の正極端子からの放電電流が放電抵抗11a-1、放電スイッチ12-1、及び放電抵抗11b-1を通り電池セルC-1の負極端子に戻る放電経路13-1が形成される。
このように、放電抵抗11a-kは、一端が接続線L-kを介して電池セルC-kの正極端子に接続され、他端が放電スイッチ12-kの第1の端子に接続されている。放電抵抗11b-kは、一端が放電スイッチ12-kの第2の端子に接続され、他端が接続線L-(k+1)を介して電池セルC-kの負極端子に接続される。放電スイッチ12-kがオン状態になることで電池セルC-kの正極端子からの放電電流が放電抵抗11a-k、放電スイッチ12-k、及び放電抵抗11b-kを通り電池セルC-kの負極端子に戻る放電経路13-kが形成される。
フィルタ回路20-1~20-nは、複数の接続線Lのそれぞれに接続されるノイズ除去用のローパスフィルタであり、フィルタ抵抗21a及びフィルタコンデンサ21bから構成されている。図1に示す例では、フィルタ回路20-1が接続線L-1に接続され、フィルタ回路20-2が接続線L-2に接続される。
フィルタ抵抗21a-kは、接続線L-kに直列に接続されている。フィルタ抵抗21a-kは、一端が放電抵抗11a-kの一端に接続され、他端がフィルタコンデンサ21b-kの一端に接続されている。
フィルタコンデンサ21b-kは、一端がセル電圧検出部40-kに接続され、他端がGND(接地電位)に接続されている。
放電回路電圧検出部30は、複数の放電回路10-1~10-nのそれぞれに対して設けられている。放電回路電圧検出部30-1は、放電回路10-1に接続され、その放電回路10-2の放電経路13上の電圧である放電回路電圧Vr-1を検出する。同様に、放電回路電圧検出部30-2は、放電回路10-2に接続され、その放電回路10-2の放電経路13上の電圧である放電回路電圧Vr-2を検出する。このように、放電回路電圧検出部30-kは、放電回路10-kに接続され、その放電回路10-kの放電経路13上の電圧である放電回路電圧Vr-kを検出する。放電回路電圧検出部30-kは、検出した放電回路電圧Vr-kを直接又は間接的に制御部50に送信する。
放電回路電圧Vrは、電池セルCからの放電電流が放電経路13を流れることによって発生する電圧であって、例えば、放電スイッチ12の端子間の電圧や放電抵抗11の両端の電圧である。すなわち、放電回路電圧Vr-kは、放電経路13-k上であればどの箇所の電圧であってもよい。本実施形態では、一例として、放電回路電圧Vr-kが、放電電流が放電スイッチ12-kを流れることで発生する放電スイッチ12-kの端子間の電圧として説明する。
セル電圧検出部40-kは、放電回路10-kを介さずに電池セルC-kのセル電圧を検出する。セル電圧検出部40-kは、フィルタ回路20-kを介して電池セルC-kの正極端子に電気的に接続され、フィルタ回路20-(k+1)を介して電池セルC-kの負極端子に接続される。セル電圧検出部40-kは、電池セルC-kの正極端子と負極端子との端子間の電圧であるセル電圧Vcellを検出する。セル電圧検出部40-kは、検出したセル電圧Vcellを直接又は間接的に制御部50に送信する。
制御部50は、各放電回路10の放電スイッチ12をオン状態又はオフ状態に制御する。制御部50は、放電スイッチ12-kをオフ状態からオン状態に制御することで、放電回路10-kによる電池セルC-kの放電を実行させる。例えば、制御部50は、複数の電池セルCのセル電圧Vcellを検出し、各セル電圧Vcellを均等化するように各放電スイッチ12をオン状態又はオフ状態に制御するセルバランス制御を行う。セルバランス制御の方法は、公知であるため、詳細な説明を省略する。
制御部50は、各放電回路電圧検出部30と直接的又は間接的に接続され、各放電回路電圧検出部30から放電回路電圧Vrを取得する。制御部50は、各セル電圧検出部40と直接的又は間接的に接続され、各セル電圧検出部40からセル電圧Vcellを取得する。制御部50は、各放電回路10の故障を判定する故障判定処理を実行する。
制御部50は、例えば、プロセッサである。このプロセッサは、マイクロプロセッサ、マイコン、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)である。制御部50は、コンピュータプログラム命令を実行し、コンピュータプログラム命令によって記述された動作を実行するように動作可能である。制御部50は、「故障判定部」の一例である。
例えば、制御部50は、推定部51及び判定部52を備える。
推定部51は、電池セルCの放電が行われた際に放電回路電圧検出部30で検出されると想定される放電回路電圧Vrを、放電中に検出された電池セルCのセル電圧Vcellに基づいて推定する。例えば、推定部51は、セル電圧検出部40-kから電池セルC-kのセル電圧Vcellを取得する。そして、推定部51は、その取得したセル電圧Vcellに基づいて、電池セルC-kの放電によって放電回路電圧検出部30で検出されると想定される放電回路電圧Vr-kを推定する。この電池セルC-kのセル電圧Vcellは、電池セルCの放電が行われている場合において放電回路電圧検出部30で検出された電圧であるが、これに限定されず、電池セルCの放電が行われる直前に放電回路電圧検出部30で検出された電圧であってもよい。
判定部52は、実際に電池セルC-kの放電が行われている場合に放電回路電圧検出部30-kにて検出された放電回路電圧Vr-k(以下、「検出値」という。)と、推定部51で推定された放電回路電圧Vr-kの推定値とを用いて放電回路10-kの故障の有無を判定する。例えば、判定部52は、実際に電池セルCの放電が行われている場合に放電回路電圧Vr-kの検出値が、放電回路電圧Vr-kの推定値を含む所定範囲ΔV外である場合には、放電抵抗11が故障していると判定する。放電抵抗11の故障は、放電抵抗11のドリフト故障を含む。この所定範囲ΔVは、放電回路電圧Vr-kの検出値が正常か異常かを判定するための範囲であって、上記推定値から算出されてもよく、誤差を含み得る。ここで、放電回路電圧Vr-kの異常は、放電抵抗11がドリフト故障していることに起因して放電回路電圧Vrが正常の範囲からずれてしまっている状態である。例えば、所定範囲ΔVは、放電回路電圧Vr-kの理論値の範囲であって、判定部52が算出してもよいし、推定部51が算出してもよい。
以下に、本実施形態に係る故障判定処理について、図2を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る故障判定処理の流れを説明する図である。なお、説明の便宜上、放電回路10-1の故障判定処理について説明するが、これに限定されず、電池セルCの放電を行った1つ以上又はすべての放電回路10について故障判定処理を行ってもよい。故障判定処理は、電池セルCの放電中において1回以上実施すればよい。また、故障判定処理は、電池セルCの放電中において複数回実施されることで、故障判定処理の精度が向上する。
制御部50は、セルバランス制御などで電池セルC-1を放電させる場合には、放電回路10-1の放電スイッチ12-1をオン状態に制御する(ステップS101)。放電スイッチ12-1がオン状態に移行すると、電池セルC-1の放電が開始される。
制御部50は、放電スイッチ12-1をオン状態に制御すると、セル電圧検出部40-1から電池セルC-1のセル電圧Vcellを検出する(ステップ102)。
推定部51は、ステップS102で検出した電池セルC-1のセル電圧に基づいて、電池セルC-1の放電により発生する放電回路電圧Vr-1を推定する(ステップS103)。例えば、ステップS102で検出されたセル電圧Vcellが3[V]であると仮定する。この場合には、推定部51は、以下に示す式(1)を用いて、放電回路電圧Vr-1を推定する。この放電回路電圧Vr-1の推定値(以下、「Vr推定値」という。)は、セル電圧Vcell、放電抵抗11aの抵抗値R1、放電抵抗11bの抵抗R2及び放電スイッチ12のオン抵抗値Ronから算出される、いわゆる放電回路電圧Vr-1の理論値である。
Vr推定値=3[V]×Ron/(R1+R2+Ron)…(1)
放電回路電圧検出部30-1は、電池セルC-1の放電中において放電回路電圧Vr-1を検出する(ステップS104)。放電回路電圧検出部30-1は、検出した放電回路電圧Vr-1を制御部50に送信する。判定部52は、放電回路電圧検出部30-1から得られたその放電回路電圧Vr-1の検出値(以下、「Vr検出値」という。)と、Vr推定値とを比較する。判定部52は、Vr検出値がVr推定値を含む所定範囲ΔV内か否かを判定する(ステップS105)。判定部52は、Vr検出値が所定範囲ΔV内である場合には、放電抵抗11が正常であると判定する(ステップS106)。判定部52は、放電抵抗11が正常であると判定した場合には、電池セルC-1の放電が終了したか否かを判定する(ステップS107)。ステップS107において判定部52が電池セルC-1の放電が終了したと判定した場合には、故障判定処理は終了する。ステップS107において判定部52が電池セルC-1の放電が終了していないと判定した場合には、ステップS102に移行する。
ステップS105において、判定部52は、Vr検出値が所定範囲ΔV内ではないと判定した場合には、放電抵抗11が異常であると判定して(ステップS108)、異常を示すフラグを出力する(ステップS109)。異常を示すフラグが出力されると、例えば、電圧検出装置100は、放電抵抗11の異常を示す表示や情報を出力する。
例えば、セル電圧Vcellが3Vであり、R1=R2=30Ω、Ron=5Ωである場合には、Vr推定値は0.23Vになる。そして、例えば、判定部52は、放電抵抗の抵抗値やオン抵抗の抵抗値などのばらつきを考慮して所定範囲ΔVを0.207V~0.253Vの範囲に設定した場合には、Vr検出値が0.207V~0.253Vの範囲に収まっていれば放電抵抗11が正常であると判定し、収まっていなければ放電抵抗11がドリフト故障していると判定する。
以上説明したように、電圧検出装置100は、複数の電池セルCの各々に並列接続され、電池セルCを放電する放電経路13を形成可能な放電回路10と、放電経路13上の電圧である放電回路電圧Vrを検出する放電回路電圧検出部30と、セル電圧Vcellを放電回路10を介さずに検出するセル電圧検出部40と、放電回路10の故障を判定する制御部50と、を備える。制御部50は、電池セルCの放電が行われた際に放電回路電圧検出部30で検出されると想定される放電回路電圧Vrを、セル電圧検出部40で検出されるセル電圧Vcellに基づいて推定する。また、制御部50は、実際に電池セルCの放電が行われている場合に放電回路電圧検出部30にて検出された放電回路電圧Vrと、放電回路電圧Vrの推定値とを用いて放電回路10の故障の有無を判定する。
このような構成により、電圧検出装置100は、放電抵抗11のドリフト故障を検知することができる。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
例えば、故障判定処理を開始してから最初のセル電圧Vcellを検出するにあたって、図2に示す例では放電スイッチ12がオンした後に実行されているが、これに限定されない。例えば、放電スイッチ12がオンする直前にステップS102が実施されてもよい。この場合には、セル電圧Vcellを検出してから放電スイッチ12を速やかにオン状態に制御し、放電回路電圧Vrを推定することになる。
図2に示すフローにおいて、ステップS103とステップS104の順番を入れ替えてもよい。すなわち、ステップS102、ステップS104、ステップS103の順番で処理が実行されてもよい。
上記実施形態では、推定部51による放電回路電圧Vr-kの推定を行うタイミングは、放電回路電圧Vr-kの放電中であるが、これに限定されず、電池セルC-kの放電前(放電の直前が望ましい)であってもよいし、その両方であってもよい。
電圧検出装置100の一部又は全ては、システムオンチップ(System-on-a-chip)として実装されてもよい。例えば、図3に示すように、放電スイッチ12-k、放電回路電圧検出部30-k及びセル電圧検出部40-kが1つの集積回路300として構成されてもよい。この場合には、この集積回路300は、電池セルCごとに設けられ、制御部50と直接的又は間接的に通信することで情報を送受してもよい。例えば、複数の集積回路300がデイジーチェーン接続され、複数の集積回路300のうち最低電位側の集積回路のみ通信ラインを介して制御部50と通信可能に接続されてもよい。
明細書に記載の「…部」の用語は、少なくとも1つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアとして具現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現されてもよい。
100…電圧検出装置、200…組電池、C…電池セル、10…放電回路、20…フィルタ回路、30…放電回路電圧検出部、40…セル電圧検出部、50…制御部
Claims (4)
- 直列に接続される複数の電池セルで構成される二次電池の各セル電圧を検出する電圧検出装置であって、
前記複数の電池セルの各々に並列接続され、前記電池セルを放電する放電経路を形成可能な放電回路と、
前記放電経路上の電圧である放電回路電圧を検出する放電回路電圧検出部と、
前記セル電圧を、前記放電回路を介さずに検出するセル電圧検出部と、
前記放電回路の故障を判定する故障判定部と、
を備え、
前記故障判定部は、
前記電池セルの放電が行われた際に前記放電回路電圧検出部で検出されると想定される前記放電回路電圧を、前記セル電圧検出部で検出される前記セル電圧に基づいて推定する推定部と、
実際に前記電池セルの放電が行われている場合に前記放電回路電圧検出部にて検出された前記放電回路電圧と、前記推定部で推定された前記放電回路電圧の推定値とを用いて前記放電回路の故障の有無を判定する判定部と、
を備える電圧検出装置。 - 前記放電回路は、放電抵抗及び放電スイッチを有し、
前記放電経路は、前記放電スイッチがオン状態になることで、前記電池セルからの放電電流が前記放電スイッチ及び前記放電抵抗を通る経路であり、
前記放電回路電圧は、前記放電電流が前記放電経路を流れることによって発生する電圧である、
請求項1に記載の電圧検出装置。 - 前記放電回路電圧は、前記放電電流が前記放電スイッチを流れることで発生する前記放電スイッチの端子間の電圧である、
請求項2に記載の電圧検出装置。 - 前記判定部は、
実際に前記電池セルの放電が行われている場合に前記放電回路電圧検出部にて検出された前記放電回路電圧が、前記推定値を含む所定範囲外であるには、前記放電抵抗が故障していると判定する、
請求項2又は3に記載の電圧検出装置。
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JP2021119631A JP2023015704A (ja) | 2021-07-20 | 2021-07-20 | 電圧検出装置 |
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-
2021
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