JP6126903B2

JP6126903B2 - 電池状態検出装置

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Publication number: JP6126903B2
Application number: JP2013099256A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: JP2014219310A

Description

本発明は、電池の劣化の度合や内部インピーダンスなどの当該電池の状態を検出する電池状態検出装置に関するものである。

例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。

このような二次電池は、充電及び放電を繰り返すことにより劣化が進み、蓄電可能容量（電流容量や電力容量など）が徐々に減少することが知られている。そして、二次電池を用いた電気自動車などにおいては、二次電池の劣化の度合を検出することにより蓄電可能容量を求めて、二次電池によって走行可能な距離や二次電池の寿命などを算出している。

二次電池の劣化の度合を示す指標の一つとして、初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）がある。このＳＯＨは二次電池の内部インピーダンスと相関があることが知られており、二次電池の内部インピーダンスを求めることにより当該内部インピーダンスに基づいてＳＯＨを検出することができる。

二次電池の内部インピーダンスは、例えば、二次電池に対して、電圧及び電流が一定となる直流信号、又は、電圧及び電流の波形が一定となる交流信号を印加して、その応答に基づいて求めることができる。このような二次電池の内部インピーダンスを測定する技術の一例が、特許文献１等に開示されている。

特開２００４−２５１６２５号公報

しかしながら、電気自動車に搭載される二次電池は多数の電池セルが直列に接続されて構成されているので、二次電池の端子電圧が百数十ボルト〜数百ボルト程度まで高くなることがある。そのため、このような高電圧の端子間に電気信号を印加するとともにその応答を測定するためには高耐圧の電気信号源や測定ユニットが必要となるので、電池の内部インピーダンスなどの電池の状態を検出する検出装置の構成が複雑化してしまうという問題があった。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、端子間が高電圧となる二次電池の状態を検出できる簡易な構成の電池状態検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、電池の状態を検出する電池状態検出装置であって、交流信号源と、前記交流信号源と閉回路を構成するように接続された一次巻線及び前記電池と閉回路を構成するように接続される二次巻線を備えた変成器と、前記交流信号源と前記一次巻線との間に直列に接続された分圧素子と、前記電池と前記二次巻線との間に直列に接続され、直流信号の通過を遮断しかつ交流信号の通過を許容する直流遮断素子と、前記分圧素子における前記一次巻線側の端子の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された前記電圧及び前記交流信号源から出力される交流電圧に基づいて前記電池の状態を検出する状態検出手段と、を備えていることを特徴とする電池状態検出装置である。

請求項１に記載された発明によれば、一次巻線と二次巻線とが磁気的に結合された変成器を備え、一次巻線が交流信号源と閉回路を構成するように接続され、二次巻線が状態を検出する対象となる電池と閉回路を構成するように接続される。交流信号源と一次巻線との間には、分圧素子が直列に接続され、電池と二次巻線との間には、直流電流が流れることを遮断しかつ交流電流が流れることを許容する直流遮断素子が直列に接続される。そして、電圧検出手段が、分圧素子における一次巻線側の端子の電圧を検出して、状態検出手段が、電圧検出手段によって検出された電圧に基づいて電池の状態を検出する。このようにしたことから、変成器によって一次巻線側回路と二次巻線側回路とを電気的に遮断するとともに、直流遮断素子によって電池から流れる直流電流が二次巻線に流れることを遮断することで、電池から出力される高電圧が一次巻線側の回路に影響を及ぼすことを回避できる。そして、交流信号源から出力された交流信号は、分圧素子、一次巻線、二次巻線及び直流遮断素子を順次流れて電池に印加され、そして、二次巻線及び一次巻線を順次流れて交流信号源に戻る。そのため、一次巻線における分圧素子が接続された端子の電圧は、交流信号源の電圧を、分圧素子のインピーダンスと、変成器、直流遮断素子及び電池の内部インピーダンスとの合成インピーダンスと、で分圧した電圧となり、これにより、一次巻線における分圧素子が接続された端子の電圧に基づいて、電池の内部インピーダンスや当該内部インピーダンスと相関のあるＳＯＨなどの電池の状態を検出することができる。したがって、変成器、分圧素子及び直流遮断素子からなる簡易な構成の回路を用いて、端子間が高電圧となる電池の状態を検出できる。

本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図１の電池状態検出装置の交流信号印加回路によって二次電池に交流信号を与えたときの応答電圧とＳＯＨとの関係を模式的に示すグラフの一例である。図１の電池状態検出装置が備える交流信号印加回路に二次電池を接続した構成の回路図である。図３の等価回路である。図４の回路によって交流信号源の電圧が分圧されることを説明する回路図である。

以下、本発明の一実施形態の電池状態検出装置について、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態の電池状態検出装置は、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える二次電池の電極間に接続されて、当該二次電池に交流信号を印加するとともに、その応答に基づいて電池の劣化度合（ＳＯＨ）を検出するものである。

図１は、本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図２は、図１の電池状態検出装置の交流信号印加回路によって二次電池に交流信号を与えたときの応答電圧とＳＯＨとの関係を模式的に示すグラフの一例である。

図１に示すように、電池状態検出装置１は、交流信号印加回路１０と、平滑回路２０と、アナログ−デジタル変換器３０と、マイクロコンピュータ４０と、を有している。

交流信号印加回路１０は、所望の振幅及び周波数の交流信号を出力する交流信号源１１と、一次巻線１２ａ及び二次巻線１２ｂを有し、これら一次巻線１２ａ及び二次巻線１２ｂが磁気的に結合された変成器１２と、を備えている。また、交流信号印加回路１０は、分圧素子としての分圧コンデンサ１３と、直流遮断素子としての第１カップリングコンデンサ１４と、一対の接続端子１５、１６と、を有している。

交流信号源１１は、交流信号が出力される一方の端子が、分圧コンデンサ１３を介して変成器１２の一次巻線１２ａの一方の端子に接続されている。また、交流信号が出力される他方の端子が、変成器１２の一次巻線１２ａに直接接続される。つまり、交流信号源１１と変成器１２の一次巻線１２ａとは、閉回路を構成するように接続されており、交流信号源１１の一方の端子と変成器１２の一次巻線１２ａの一方の端子との間には、分圧コンデンサ１３が直列に接続されている。分圧コンデンサ１３に代えて、分圧素子としての抵抗器などを備えた構成としてもよい。

変成器１２の二次巻線１２ｂの一方の端子は、第１カップリングコンデンサ１４を介して一対の接続端子１５、１６のうちの一方の接続端子１５に接続されている。また、変成器１２の二次巻線１２ｂの他方の端子は、他方の接続端子１６に直接接続されている。一対の接続端子１５、１６のそれぞれは、状態を検出する対象となる二次電池Ｂの正極Ｂｐ、負極Ｂｍに接続される。つまり、二次電池Ｂと変成器１２の二次巻線１２ｂとは、閉回路を構成するように接続されており、一方の接続端子１５（即ち、二次電池Ｂの正極Ｂｐ）と変成器１２の二次巻線１２ｂの一方の端子との間には、第１カップリングコンデンサ１４が直列に接続されている。

交流信号印加回路１０では、変成器１２により、一次巻線１２ａ側の回路（交流信号源１１側の回路）と、二次巻線１２ｂ側の回路（二次電池Ｂ側の回路）とが、電気的に遮断されている。また、第１カップリングコンデンサ１４により、二次電池Ｂから流れる直流電流が遮断され、当該電流は変成器１２の二次巻線１２ｂに流れることを規制されている。また、第１カップリングコンデンサ１４は、交流信号が流れることを許容する。

また、交流信号印加回路１０では、交流信号源１１の一方の端子から出力された交流信号が、分圧コンデンサ１３、変成器１２の一次巻線１２ａ、二次巻線１２ｂ及び第１カップリングコンデンサを順次流れて二次電池Ｂの正極Ｂｐに印加され、そして、二次電池Ｂの負極Ｂｍから、変成器１２の二次巻線１２ｂ、一次巻線１２ａを順次流れて交流信号源１１の他方の端子に戻る。また、交流信号が反転すると、逆の経路で流れる。そのため、分圧コンデンサ１３と変成器１２の一次巻線１２ａとの間には、交流信号源１１の電圧が、分圧コンデンサ１３のインピーダンスと、変成器１２、第１カップリングコンデンサ１４及び二次電池Ｂの合成インピーダンスと、で分圧された電圧が出力される。換言すると、分圧コンデンサ１３における一次巻線１２ａ側の端子に、上記分圧されて分圧が出力される。この分圧された電圧（交流信号）が交流信号印加回路１０から出力される信号（Ｖｏｕｔ）となる。

平滑回路２０は、交流信号印加回路１０の後段に配設されており、第２カップリングコンデンサ２１と、整流ダイオード２２と、プルダウン抵抗２３と、平滑コンデンサ２４と、放電用抵抗２５と、を有している。

第２カップリングコンデンサ２１は、平滑回路２０の入口に設けられている。第２カップリングコンデンサ２１の一方の端子には、交流信号印加回路１０の出力部（即ち、分圧コンデンサ１３の一次巻線１２ａ側の端子）が接続され、他方の端子には、整流ダイオード２２のアノード端子Ａが接続されている。整流ダイオード２２のアノード端子Ａは、プルダウン抵抗２３を介して基準電位Ｇに接続され、整流ダイオード２２のカソード端子Ｋは、平滑コンデンサ２４を介して基準電位Ｇに接続されている。また、平滑コンデンサ２４と並列に、放電用抵抗２５が接続されている。

平滑回路２０では、第２カップリングコンデンサ２１により、交流信号印加回路１０から出力される信号から直流成分を除去（遮断）して交流成分のみ取り出し、プルダウン抵抗２３により、当該信号の交流成分の振幅中心を基準電位Ｇとする。そして、整流ダイオード２２により半波整流して正電位の部分のみ取り出し、平滑コンデンサ２４により直流信号となるように平滑する。この直流信号が平滑回路２０から出力される信号となる。この直流信号の電圧が、二次電池Ｂの状態を示す応答（応答電圧）となる。

平滑コンデンサ２４に蓄えられた電荷は、放電用抵抗２５によって消費（即ち、放電）される。放電用抵抗２５の抵抗値は、平滑コンデンサ２４による平滑機能を妨げないように当該平滑コンデンサ２４に入る電荷より放電用抵抗２５により消費される電荷が十分に小さくなる程度に大きい値が設定されている。また、放電用抵抗２５に直列にアナログスイッチなどのスイッチ素子を接続し、必要時のみスイッチ素子を閉状態（導通状態）として平滑コンデンサ２４の放電を行う構成としてもよい。

アナログ−デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ３０」という）３０は、平滑回路２０の後段に配設されており、平滑回路２０からの入力された直流信号（応答電圧）を量子化し、当該応答電圧に対応するデジタル値を出力する。本実施形態において、ＡＤＣ３０は、個別の電子部品として実装されているが、これに限定されるものではなく、例えば、後述するマイクロコンピュータ４０に内蔵されたアナログ−デジタル変換部などを用いて平滑回路２０からの直流信号を量子化してもよい。

マイクロコンピュータ４０（以下、「μＣＯＭ４０」という）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、電池状態検出装置１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを電圧測定手段、状態検出手段などの各種手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより各種手段として機能する。また、μＣＯＭ４０のＲＯＭには、図２に模式的に示すような、上記応答電圧とＳＯＨとの関係を示す情報（グラフ、算出式又はテーブルなど）の各種情報が記憶されている。

μＣＯＭ４０は、ＡＤＣ３０に入力された電圧に対応するデジタル値を示す信号が入力される入力ポートＰＩ、及び、外部機器との通信のための通信ポート（図示なし）を備えた外部インタフェース部をさらに有している。

μＣＯＭ４０において、入力ポートＰＩに入力された信号（応答電圧）は、ＣＰＵが認識できる形式の情報に変換されて当該ＣＰＵに送られる。ＣＰＵは、当該情報に基づいて応答電圧を検出する（即ち、電圧検出手段）。そして、ＣＰＵは、この応答電圧をＲＯＭに記憶されている上記応答電圧とＳＯＨとの関係を示す情報に当てはめることにより、ＳＯＨを検出する（即ち、状態検出手段）。また、μＣＯＭ４０において、通信ポートは、図示しない車両内ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）など）に接続されており、当該車両内ネットワークを通じて車両メンテナンス用の端末装置などの表示装置に接続される。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、検出したＳＯＨを示す信号を表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づきＳＯＨ等の二次電池Ｂの状態を表示する。

次に、交流信号印加回路１０における交流信号源の電圧の分圧動作について、図３〜図５を参照して説明する。

図３は、図１の電池状態検出装置が備える交流信号印加回路に二次電池を接続した構成の回路図である。図４は、図３の等価回路である。図５は、図４の回路によって交流信号源の電圧が分圧されることを説明する回路図である。

図３に、交流信号印加回路１０及び二次電池Ｂからなる回路を示す。この回路において、交流信号源１１から出力される交流電圧をＥとし、変成器１２の一次巻線１２ａのインダクタンスをＬ₁、二次巻線１２ｂのインダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとする。また、分圧コンデンサ１３のキャパシタンスをＣ₁とし、第１カップリングコンデンサ１４のキャパシタンスをＣ₂とする。また、二次電池Ｂの内部インピーダンスをＺとする。交流信号印加回路１０の出力電圧をＶ_outとする。

図３に示す回路は、図４及び図５に示す等価回路で表すことができる。そして、図５の等価回路において、交流電圧Ｅと出力電圧Ｖ_outとに着目すると、これら交流電圧Ｅと出力電圧Ｖ_outの比は、点線で囲われた回路部分Ｘ₁のインピーダンスＺ₁及び回路部分Ｘ₂のインピーダンスＺ₂との合成インピーダンスに対する回路部分Ｘ₂のインピーダンスＺ₂の比で表される。また、インピーダンスＺ₂は、回路部分Ｘ₂₁のインピーダンスＺ₂₁と回路部分Ｘ₂₂のインピーダンスＺ₂₂との合成インピーダンスである。またインピーダンスＺ₂₂は、回路部分Ｘ₂₂₁のインピーダンスＺ₂₂₁と回路部分Ｘ₂₂₂のインピーダンスＺ₂₂₂との合成インピーダンスである。この関係を（１）式で示す。

また、各回路部分Ｘ₁、Ｘ₂₁、Ｘ₂₂₁、Ｘ₂₂₂のインピーダンスＺ₁、Ｚ₂₁、Ｚ₂₂₁、Ｚ₂₂₂を、（２）式〜（５）式で示す。

そして、（１）式に（２）式〜（５）式を代入することにより、（６）式が導かれる。

この（６）式において、交流電圧Ｅの係数部は、それぞれ固定値である変成器１２の一次巻線１２ａのインダクタンスＬ₁、二次巻線１２ｂのインダクタンスＬ₂、相互インダクタンスＭ、分圧コンデンサ１３のキャパシタンスＣ₁、及び、第１カップリングコンデンサ１４のキャパシタンスＣ₂と、二次電池Ｂの劣化に応じて変動する変動値である内部インピーダンスＺと、により算出される。そのため、交流信号印加回路１０の出力電圧をＶ_outは、二次電池Ｂの内部インピーダンスＺに応じて変動するので、この出力電圧Ｖ_outを平滑した上記応答電圧に基づいて、二次電池Ｂの状態を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態の電池状態検出装置１は、交流信号源１１と、交流信号源１１と閉回路を構成するように接続された一次巻線１２ａ及び二次電池Ｂと閉回路を構成するように接続される二次巻線１２ｂを備えた変成器１２と、を備えている。また、電池状態検出装置１は、交流信号源１１と一次巻線１２ａとの間に直列に接続された分圧コンデンサ１３と、二次電池Ｂと二次巻線１２ｂとの間に直列に接続される第１カップリングコンデンサ１４と、を備えている。また、電池状態検出装置１は、分圧コンデンサ１３における一次巻線１２ａ側の端子の電圧（具体的には、当該電圧が平滑回路２０によって平滑された電圧（応答電圧））を検出して、この検出された電圧に基づいて二次電池ＢのＳＯＨを検出するμＣＯＭ４０を備えている。

以上より、本実施形態によれば、一次巻線１２ａと二次巻線１２ｂとが磁気的に結合された変成器１２を備え、一次巻線１２ａが交流信号源１１と閉回路を構成するように接続され、二次巻線１２ｂがＳＯＨを検出する対象となる二次電池Ｂと閉回路を構成するように接続される。交流信号源１１と一次巻線１２ａとの間には、分圧コンデンサ１３が直列に接続され、二次電池Ｂと二次巻線１２ｂとの間には、直流電流が流れることを遮断しかつ交流電流が流れることを許容する第１カップリングコンデンサ１４が直列に接続される。そして、μＣＯＭ４０が、分圧コンデンサ１３における一次巻線１２ａ側の端子の電圧を検出して、この検出された電圧に基づいて二次電池ＢのＳＯＨを検出する。このようにしたことから、変成器１２によって一次巻線１２ａ側回路と二次巻線１２ｂ側回路とを電気的に遮断するとともに、第１カップリングコンデンサ１４によって二次電池Ｂから流れる直流電流が二次巻線１２ｂに流れることを遮断することで、二次電池Ｂから出力される高電圧が一次巻線１２ａ側の回路に影響を及ぼすことを回避できる。そして、交流信号源１１から出力された交流信号は、分圧コンデンサ１３、一次巻線１２ａ、二次巻線１２ｂ及び第１カップリングコンデンサ１４を順次流れて二次電池Ｂに印加され、そして、二次巻線１２ｂ及び一次巻線１２ａを順次流れて交流信号源１１に戻る。そのため、一次巻線１２ａにおける分圧コンデンサ１３が接続された端子の電圧は、交流信号源１１の電圧を、分圧コンデンサのインピーダンス（即ち、回路部分Ｘ１のインピーダンスＺ１）と、変成器１２、第１カップリングコンデンサ１４及び二次電池Ｂの内部インピーダンスとの合成インピーダンス（即ち、回路部分Ｘ２のインピーダンスＺ２）と、で分圧した電圧となり、これにより、分圧コンデンサ１３における一次巻線１２ａが接続された端子の電圧に基づいて、二次電池Ｂの内部インピーダンスと相関のあるＳＯＨを検出することができる。したがって、変成器１２、分圧コンデンサ１３及び第１カップリングコンデンサ１４からなる簡易な構成の回路を用いて、端子間が高電圧となる二次電池Ｂの状態を検出できる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の電池状態検出装置はこれらの実施形態の構成に限定されるものではない。

例えば、上述した本実施形態では、電池状態検出装置１が１つの二次電池ＢのＳＯＨを検出する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、電池状態検出装置１の接続端子１５、１６の先にマルチプレクサを設けて、当該マルチプレクサを切り換えることにより、複数の二次電池Ｂと接続する構成としてもよい。

また、本実施形態では、分圧素子として１つの分圧コンデンサ１３を備えていたが、これに限定されるものではなく、分圧コンデンサ１３に代えて、複数のコンデンサや抵抗、コイルなどを組み合わせた回路を設けて、当該回路を分圧素子として機能させてもよい。また、直流遮断素子としての第１カップリングコンデンサについても、同様である。

また、本実施形態では、二次電池の状態を検出するものであったが、これに限定されるものではなく、一次電池の状態の検出に用いてもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の電池状態検出装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１電池状態検出装置
１０交流信号印加回路
１１交流信号源
１２変成器
１２ａ一次巻線
１２ｂ二次巻線
１３分圧コンデンサ（分圧素子）
１４第１カップリングコンデンサ（直流遮断素子）
１５、１６接続端子
２０平滑回路
２１第２カップリングコンデンサ
２２整流ダイオード
２３プルダウン抵抗
２４平滑コンデンサ
３０アナログ−デジタル変換器
４０マイクロコンピュータ（電圧検出手段、状態検出手段）
Ｂ二次電池（電池）
Ｅ交流信号源の交流電圧
Ｇ基準電位
Ｖｏｕｔ交流信号印加回路から出力される電圧（分圧素子における変成器の一次巻線側の端子の電圧）
Ｚ二次電池の内部インピーダンス

Claims

電池の状態を検出する電池状態検出装置であって、
交流信号源と、
前記交流信号源と閉回路を構成するように接続された一次巻線及び前記電池と閉回路を構成するように接続される二次巻線を備えた変成器と、
前記交流信号源と前記一次巻線との間に直列に接続された分圧素子と、
前記電池と前記二次巻線との間に直列に接続され、直流信号の通過を遮断しかつ交流信号の通過を許容する直流遮断素子と、
前記分圧素子における前記一次巻線側の端子の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された前記電圧及び前記交流信号源から出力される交流電圧に基づいて前記電池の状態を検出する状態検出手段と、
を備えていることを特徴とする電池状態検出装置。