JP7331543B2 - 組電池監視システム及び組電池の故障判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルを多段直列接続して構成される組電池について、各電池セルの電圧を検出して監視するシステム及び組電池の故障判定方法に関する。

一般に、組電池を構成する各電池セルには、端子電圧を均等化するため、それぞれ並列に放電用スイッチが接続されている。そして、放電用スイッチの故障診断を行うシーケンスは、図１０に示すように、例えば奇数番目に位置する放電用スイッチだけを同時にオンした状態で全てのセルの電圧を測定し、次に偶数番目に位置する放電用スイッチだけを同時にオンした状態で全てのセルの電圧を測定する、という手順で行っている。

電池セルの電圧をＶｃｅｌｌとすると、放電用スイッチをオンすれば電圧をＶｃｅｌｌが２つの放電用抵抗により２分される。したがって、それぞれのケースで奇数番目，偶数番目の電池セルについてＶｃｅｌｌ／２が測定されることで、各放電用スイッチが健全であることが確認される。

ところで、出願人は特許文献１において、組電池を構成する各電池セルに対応して設けられるＲＣフィルタ及び放電用抵抗について、新規な接続形態を提案している。

特開２０１７－１１２６７７号公報

図１１に示すように、特許文献１の接続形態では、奇数番目に位置する放電用スイッチをオンすると端子Ｓ２の電圧がＶｃｅｌｌ／２となるため、その１段上で偶数番目の端子Ｖ２－Ｓ２間の電圧が（３・Ｖｃｅｌｌ／２）となる。この場合、電圧検出装置への入力電圧が過大となってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定のＲＣフィルタ及び放電用抵抗の接続形態を採用した測定系においても、電圧検出装置への入力電圧が過大となることを回避しつつ故障判定を行うことができる組電池監視システム及び組電池の故障判定方法を提供することにある。

請求項１記載の組電池監視システムによれば、電圧検出装置には、１つの電池セルに対応して設けられる第１～第３端子がそれぞれ接続用スイッチを介して接続される。第２及び第３端子は、電池セルに並列に接続されるＲＣフィルタの出力端子を介して当該電池セルの電圧を検出するために使用される。放電用抵抗素子は、電池セルの正側，負側の各端子と第１，第３端子との間にそれぞれ接続され、放電用スイッチは第１，第３端子間に接続される。これにより、放電用スイッチがオンされると、２つの放電用抵抗素子を介した電池セルの放電経路が形成される。尚、負側端子と正側端子とが共通になる２つの電池セルについては、上段のセルの第３端子が下段のセルの第１端子になる。

制御装置は、各電池セルの端子電圧を検出した結果と、複数の放電用スイッチを偶数番目に並ぶものと、奇数番目に並ぶものとをそれぞれ同時にオンした際に、対応する電池セルについて検出される電圧の差を閾値と比較することで放電用スイッチの故障判定を行う。また、前記対応する電池セルについて検出される電圧を閾値と比較することで、ＲＣフィルタに接続されるハーネスの故障判定を行う。このように構成すれば、電池セルの電圧をＶｃｅｌｌとすると、それぞれのケースで偶数番目，奇数番目の電池セルについて電圧をＶｃｅｌｌ／２が検出されることで、測定系が正常であることが確認できる。この時、制御装置は、測定対象の電池セルに対応する第２及び第３端子が、電圧検出装置の入力端子に順次接続されるように接続用スイッチを制御すれば良い。これにより、電圧検出装置に過大な電圧が入力されることを回避できる。

更に、放電用スイッチのショート故障やオープン故障，放電用抵抗素子のオープン故障や第２，第３端子のオープン，ショート故障等を検出できる。

一実施形態であり、組電池監視システムの構成を示す図 放電用スイッチの故障診断シーケンスを示す図 「通常検出」の測定状態を示す図 「放電用ＳＷ診断偶数」の測定状態を示す図 「放電用ＳＷ診断奇数」の測定状態を示す図 正常時の故障診断シーケンスを示すタイミングチャート 放電用スイッチのＯＮ固着状態を示す図 ＲＣフィルタの出力端子と端子Ｖ２とを接続するハーネスのオープン状態を示す図 放電用スイッチのＯＦＦ固着状態を示す図 ＲＣフィルタのコンデンサのショート状態を示す図 図５Ａのケースに対応する故障診断シーケンスを示すタイミングチャート 図５Ｂのケースに対応する故障診断シーケンスを示すタイミングチャート 図５Ｃのケースに対応する故障診断シーケンスを示すタイミングチャート 図５Ｄのケースに対応する故障診断シーケンスを示すタイミングチャート 一般的な故障診断シーケンスを示す図 奇数番目の放電用スイッチをＯＮした場合に１段上の電池セル側で測定される電圧を説明する図

以下、一実施形態について説明する。図１に示すように、組電池１は、二次電池である複数個の電池セル２（１，２，３，…）が多段直列接続されて構成されている。電圧監視ＩＣ３は、各電池セル２の正側，負側端子に対応した接続端子９，４を備え、接続端子４は放電用抵抗素子５を介して、対応する電池セル２の負側端子にそれぞれ接続されている。電圧監視ＩＣ３は電圧監視装置に相当する。

各電池セル２の正側端子，負側端子には、抵抗素子６及びコンデンサ７の直列回路が接続されており、これらはＲＣフィルタ８を構成している。接続端子９には、抵抗素子６及びコンデンサ７の共通接続点であるＲＣフィルタ８の出力端子が接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成される放電用スイッチ１０は、電圧監視ＩＣ３の内部において、対応する電池セル２の接続端子４と、その一段上に位置する電池セル２の接続端子４との間に接続されている。一段上の電池セル２の負側端子は、その下の電池セル２の正側端子と共通であるから、放電用スイッチ１０は、対応する電池セル２の正側，負側端子間に、それぞれ放電用抵抗素子５を介して接続されている。

電圧監視ＩＣ３は、制御装置１１及び電圧検出装置１２を備えている。電圧検出装置１２は、例えばＡ／Ｄコンバータである。各電池セル２に対応する接続端子９及び４は、それぞれ接続用スイッチ１３及び１４を介して電圧検出装置１２の各入力端子に共通に接続されている。制御装置１１は、接続用スイッチ１３及び１４のＯＮ／ＯＦＦを制御して、電圧検出装置１２に各電池セル２の電圧を個別に検出させる。その検出結果は、制御装置１１に入力される。また制御装置１１は、放電用スイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦを制御して各電池セル２の電圧均等化処理を行う。以上が組電池監視システム１５を構成している。

ここで、例えば電池セル２（１）について見ると、接続端子４（２），９（１），４（１）がそれぞれ第１，第２，第３端子に相当する。また、電池セル２（２）について見ると、接続端子４（３），９（２），４（２）がそれぞれ第１，第２，第３端子に相当する。また、これらの端子については、測定対象とする電圧を明確にするため、接続端子９（１），４（１）をそれぞれ端子Ｖ１，Ｓ１と称し、接続端子９（２），４（２）をそれぞれ端子Ｖ２，Ｓ２と称す場合がある。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、本実施形態の診断シーケンスは、先ず各電池セル２の電圧を検出する「通常検出」を行う。これが第１ステップに相当する。対応する検出状態を図３Ａに示す。検出結果は、制御装置１１内部の通常レジスタに格納される。次に、偶数番目に並ぶ放電用スイッチ１０だけをＯＮさせる「放電用ＳＷ診断偶数」を行う。これが第２ステップに相当する。この時、接続用スイッチ１３，１４のオンオフを順次切り替えて偶数番目に並ぶ電池セル２の電圧をそれぞれ検出し、検出結果を制御装置１１内部の診断レジスタ（偶数）に格納する。対応する検出状態を図３Ｂに示す。

次に、奇数番目に並ぶ放電用スイッチ１０だけをＯＮさせる「放電用ＳＷ診断奇数」を行う。これが第３ステップに相当する。この時も、接続用スイッチ１３，１４のオンオフを順次切り替えて奇数番目に並ぶ電池セル２の電圧をそれぞれ検出し、検出結果を制御装置１１内部の診断レジスタ（奇数）に格納する。対応する検出状態を図３Ｃに示す。それから、制御装置１１は、通常レジスタ，診断レジスタに格納された各電圧値を比較して判定を行う。これらの「通常レジスタ読み出し」，「診断レジスタ読み出し」，「比較判定」が第４ステップに相当する。尚、「放電用ＳＷ診断偶数」と「放電用ＳＷ診断奇数」の順序を入れ替えても良いことは言うまでもない。

図４に示すように正常であれば、「通常検出」では各電池セル２の電圧Ｖｃｅｌｌが検出され、「放電用ＳＷ診断偶数」，「放電用ＳＷ診断奇数」では、それぞれ偶数番目，奇数番目の電池セル２について電圧Ｖｃｅｌｌ／２が検出される。

例えば図５Ａに示すように、放電用スイッチ１０（２）がショート故障，つまりＯＮ状態で固着すると、端子Ｓ３，Ｓ２の電位がＶｃｅｌｌ／２となる。そのため、図６に示すように、「通常検出」，「放電用ＳＷ診断偶数」の何れの測定結果もＶｃｅｌｌ／２となるので、放電用スイッチ１０（２）のショート故障を判定できる。この場合「比較判定」では、「通常レジスタ読み出し」の値を０．５倍したものと、「診断レジスタ読み出し」の値との差の絶対値をとり、その結果をゼロ付近に設定される閾値と比較することで行う。これを「差分比較」と称する。

また、例えば図５Ｂに示すように、ＲＣフィルタ８の出力端子と端子Ｖ２との間を接続するハーネスが断線してオープンになると、端子Ｖ２に電位が発生しない。そのため、図７に示すように、「通常検出」，「放電用ＳＷ診断偶数」の何れの測定結果もゼロとなるので、ハーネスの断線を判定できる。この場合「比較判定」では、「診断レジスタ読み出し」の値をゼロ付近に設定される閾値と比較することで行う。これを「絶対値比較」と称する。また、「通常検出」，「放電用ＳＷ診断偶数」の測定結果の差をゼロ付近の閾値と比較して「差分比較」を行っても良い。尚、端子Ｖ２，Ｓ２間がショート故障した場合も同様の結果となる。

例えば図５Ｃに示すように、放電用スイッチ１０（２）がオープン故障，つまりＯＦＦ状態で固着すると、端子Ｖ２，Ｓ２の電位がＶｃｅｌｌ／２に変化しない。そのため、図８に示すように、「放電用ＳＷ診断偶数」の測定結果がＶｃｅｌｌとなるので、放電用スイッチ１０（２）のオープン故障を判定できる。この場合「比較判定」では、「通常レジスタ読み出し」の値と「診断レジスタ読み出し」の値との差の絶対値をとり、その結果をゼロ付近に設定される閾値と比較することで行う。これも「差分比較」である。尚、放電用抵抗素子５（３）と端子Ｓ３との間を接続するハーネスが断線してオープンになった場合も同様の結果となる。

また、例えば図５Ｄに示すように、ＲＣフィルタ８（２）のコンデンサ７（２）がショート故障すると、端子Ｖ２が電池セル２の負側端子の電位になる。したがって、図９に示すように、「通常検出」の測定結果がゼロとなる。また、「放電用ＳＷ診断偶数」の測定結果は、－Ｖｃｅｌｌ／２となる。これにより、コンデンサ７（２）のショート故障を判定できる。この場合「比較判定」では、「診断レジスタ読み出し」の値をゼロ付近の負の値に設定される閾値と比較することで行う。尚、抵抗素子６（２）の出力側端子が電池セル２の負側端子にショートした場合も同様の結果となる。

以上のように本実施形態によれば、電圧検出装置１２には、電池セル２に対応して設けられる接続端子９，４がそれぞれ接続用スイッチ１３，１４を介して接続される。接続端子９，４は、ＲＣフィルタ８の出力端子を介して電池セル２の電圧を検出するために使用される。放電用抵抗素子５は、電池セル２の正側，負側の各端子と接続端子９，４との間にそれぞれ接続され、放電用スイッチ１０は接続端子４（ｎ＋１），４（ｎ）間に接続される。ｎは自然数である。

制御装置１１は、複数の放電用スイッチ１０を偶数番目に並ぶものと、奇数番目に並ぶものとをそれぞれ同時にオンした際に、対応する電池セル２について検出される電圧に基づいて故障判定を行う。このように構成すれば、「放電用ＳＷ診断偶数」，「放電用ＳＷ診断奇数」の測定結果が何れもＶｃｅｌｌ／２となることで、測定系が正常であることが確認できる。そして、電圧検出装置１２に過大な電圧が入力されることを回避できる。

また、制御装置は、「通常検出」の測定結果と、「放電用ＳＷ診断偶数」又は「放電用ＳＷ診断奇数」の測定結果との差に基づいて故障判定を行う。これにより、放電用スイッチ１０のショート故障やオープン故障，放電用抵抗素子５のオープン故障や接続端子９，４又はそれらに対応するハーネスのオープン故障等を検出できる。

（その他の実施形態）
各電池セル２の正側端子とＲＣフィルタ８等との間にインダクタを挿入したり、電池セル２に並列にツェナーダイオードや平滑コンデンサを接続しても良い。
各スイッチを構成する素子は、ＦＥＴやバイポーラトランジスタ，アナログスイッチ等何れでも良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は組電池、２は電池セル、３は電圧監視ＩＣ、４は接続端子、５は放電用抵抗素子、６は抵抗素子、７はコンデンサ、８はＲＣフィルタ、９は接続端子、１０は放電用スイッチ、１１は制御装置、１２は電圧検出装置である。

Claims (2)

1. 複数の電池セル（２）を多段直列接続して構成される組電池（１）における、前記各電池セルの電圧を検出する電圧検出装置（１２）と、
   前記各電池セルと前記電圧検出装置との間にそれぞれ接続される放電用抵抗素子（５）及びＲＣフィルタ（８）と、
   前記各電池セルに対応して配置され、対応する電池セルを放電させる放電用スイッチ（１０）と、
   前記放電用スイッチのオンオフを制御する制御装置（１１）とを備え、
   前記ＲＣフィルタは、対応する電池セルに並列に接続され、
   １つの電池セルに対応して第１～第３端子（９，４）が設けられ、
   前記電圧検出装置には、前記第１～第３端子がそれぞれ接続用スイッチ（１３，１４）を介して接続され、
   前記制御装置は、前記接続用スイッチのオンオフも制御し、
   前記第２及び第３端子は、前記ＲＣフィルタの出力端子を介して前記電池セルの電圧を検出するために使用され、
   前記放電用抵抗素子は、前記電池セルの正側，負側の各端子と前記第１，第３端子との間にそれぞれ接続され、
   前記放電用スイッチは、前記第１，第３端子間に接続され、
   前記制御装置は、各電池セルの端子電圧を検出した結果と、前記複数の放電用スイッチを偶数番目に並ぶものと、奇数番目に並ぶものとをそれぞれ同時にオンした際に、対応する電池セルについて検出される電圧との差を閾値と比較することで、前記放電用スイッチの故障判定を行い、前記対応する電池セルについて検出される電圧を閾値と比較することで、前記ＲＣフィルに接続されるハーネスの故障判定を行う組電池監視システム。
2. 複数の電池セルを多段直列接続して構成される組電池における、前記各電池セルと各電池セルに対応する第１～第３端子との間に夫々接続される放電用抵抗素子及びＲＣフィルタと、
   前記各電池セルに対応して配置され、対応する電池セルを放電させる放電用スイッチと
   を備え、
   前記ＲＣフィルタは、対応する電池セルに並列に接続され、
   前記第２及び第３端子を、前記ＲＣフィルタの出力端子を介して前記電池セルの電圧を検出するために使用し、
   前記第１及び第３端子を、前記放電用スイッチがオンされた際に前記電池セルの放電経路を形成するために使用し、
   前記放電用抵抗素子は、前記電池セルの正側，負側の各端子と前記第１，第３端子との間にそれぞれ接続されている構成において、
   各電池セルの端子電圧を検出した結果と、前記複数の放電用スイッチを偶数番目に並ぶものと、奇数番目に並ぶものとをそれぞれ同時にオンした際に、対応する電池セルについて検出される電圧との差を閾値と比較することで前記放電用スイッチの故障判定を行い、前記対応する電池セルについて検出される電圧を閾値と比較することで、前記ＲＣフィルタに接続されるハーネスの故障判定を行う組電池の故障判定方法。

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