JP7463942B2 - 断線異常診断装置 - Google Patents
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Description
本発明は、断線異常診断装置に関する。
近年、高い駆動力を備えた電動車の普及が見込まれており、組電池に大電流を通電して急速充電する必要性が高まっている。組電池は、複数の電池セルを直列接続した電池ブロックを複数接続して構成され、電池ブロックの間に特別に用意されたスタック間セルを構成している。従来、電池ブロックの間のスタック間セルにバスバーが使用されていたが、原価低減の要望からバスバーに代えて例えば安価なワイヤ接続を用いることも検討されている。
ワイヤはバスバーに比べて高抵抗であるため、スタック間接続回路に流れる電流が従来より多くなると、スタック間接続回路のドロップ電圧値も正方向又は負方向共に大きくなることが想定されている。
他方、組電池を構成する各電池セルの電圧を監視する電池監視装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。特許文献1、2記載の技術によれば、奇数セル/偶数セルの均等化スイッチをオフ→瞬間オン→オフし、電池セルに現れる電圧差を比較することで検出ラインに異常を生じているか否かを判定している(以下、2値比較方式と称する)。
また、均等化スイッチをオフ→オン→オフした後、セル電圧を測定し、この値が所定の閾値を超えているか否かに応じて検出ラインに異常を生じているか否かを判定している(以下、絶対値比較方式と称する)。また特許文献2においては、隣接する電池ブロックの間に接続された検出ラインが隣接する電池ブロックで共用ラインとして設けられる。
スタック間セルの断線を検知する場合、前述したように、スタック間セルが高抵抗となることからスタック間電圧が従来に比較して大きくなる。スタック間接続回路に生じる負電圧に対応するためには、逆流防止部としてダイオードなどを接続しなければならない。逆流防止部の特性を考慮すると、前述の特許文献1、2の技術を適用しても、断線検知マージンが小さくなったり、最悪の場合、異常診断できなくなることが判明している。
本発明の目的は、スタック間セルに接続されるシャントラインの断線異常を正常に診断できるようにした断線異常診断装置を提供することにある。
請求項1記載の発明は、複数の電池セルを直列接続してブロック化した電池スタックにスタック間セルを挟んで接続した組電池を監視する電池監視装置の断線異常検出装置を対象としている。複数のシャントラインは、複数の電池セルの電極にそれぞれ接続されている。電圧検出回路は、複数のシャントラインを通じて電池セルの電圧を検出する。均等化回路は、複数の電池セルにそれぞれ対応して設けられ電池セルの両電極に接続された一対のシャントラインを短絡可能に接続する第1均等化スイッチを備えている。
スタック間接続回路は、第2均等化スイッチ及び逆流防止部を備える。 第2均等化スイッチは、スタック間セルに対応して設けられると共に、複数の均等化回路の間に隣接され、当該隣接して構成される均等化回路のシャントラインを共用すると共に両側で共用されたシャントラインを短絡可能に接続している。また逆流防止部は、スタック間セルに負電圧を生じるときに第2均等化スイッチを逆流防止するように接続される。
請求項1記載の発明によれば、断線検知部が、スタック間セルに隣接した電池セル(以下、隣接セルと称す)に対応した均等化回路の第1均等化スイッチを一時的にオン、オフした後、電圧検出回路により検出される隣接セルの検出電圧が所定の第1閾値に達しているか否かに基づいて断線を検知するようにしているため、スタック間セルに接続されるシャントラインの断線異常を正常に診断できる。
以下、幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する各実施形態において、同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付し、必要に応じて説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、断線異常診断装置の第1実施形態について図1から図4を参照しながら説明する。図1に示す電池監視装置2は、組電池1を監視する装置であり、本願にかかる断線異常診断装置としての構成を備える。
以下、断線異常診断装置の第1実施形態について図1から図4を参照しながら説明する。図1に示す電池監視装置2は、組電池1を監視する装置であり、本願にかかる断線異常診断装置としての構成を備える。
組電池1は車両に搭載されており、複数の電池スタック3を備える。各電池スタック3は、複数個の電池セルCeを多段直列接続してブロック化して構成され、組電池1は、各電池スタック3をスタック間セルCSbを挟んで接続している。電池セルCeは、例えばリチウムイオン電池などの二次電池、燃料電池などである。
なお、図1には複数の電池セルCeを区別するために、符号の末尾に11,12,14,15の添え字を付しているが、図2には同一機能を備える部品には同一符号を付して総称して示している。また、複数の電池セルCeのそれぞれに対応して均等化回路11、スタック間接続回路12に設けられる各構成について、説明の利便性を考慮し、図1には符号の末尾に同様の添え字11,12,14,15を付して区別すると共に、図2には添え字を省略している。但し、第2均等化スイッチSa13には同一符号を付している。
以下の説明では、これら各構成について区別する必要がない場合には、図2に示した総称符号を用いて説明するが、区別する必要があるときには図1に示した符号を用いて説明する。
図2に示すように、電池スタック3の各電池セルCeの電極にはそれぞれシャントラインSLが接続されており、複数のシャントラインSLを通じてそれぞれ均等化回路11が接続されている。均等化回路11は、シャント抵抗Rs、RCフィルタ回路5、スイッチSa、Ss、Sfを備え、各電池セルCeの電圧を均等化するために設けられている。
各シャントラインSLにはそれぞれシャント抵抗Rsが接続されている。電池監視装置2は、電池監視IC4を備える。電池監視IC4は、各電池セルCeの両電極に対応してそれぞれ接続端子Tsを備える。各接続端子Tsは、各シャント抵抗Rs及び各シャントラインSLを通じて各電池セルCeの電極に接続されている。隣接する電池セルCeの間では、シャントラインSL、シャント抵抗Rs及び接続端子Tsは共用されている。
各電池セルCeの高電位側の電極と低電位側の電極との間には、抵抗Rf、及び、コンデンサCfによるRCフィルタ回路5が接続されている。電池監視IC4は、各電池セルCeに対応してそれぞれフィルタ接続端子Tfを設けている。フィルタ接続端子Tfは、抵抗Rf、及びコンデンサCfの共通接続点であるRCフィルタ回路5の出力端子に接続されている。
電池監視IC4の内部には、多数のスイッチSaを備えた均等化SW部6、多数のスイッチSs、Sfをそれぞれ備えたマルチプレクサ7、8、及び、レベルシフト及びA/D変換回路を備えた電圧検出回路9、及び制御回路10などが設けられている。制御回路10はマイコンなどにより構成される。
均等化SW部6は、各電池セルCeの電圧を均等化するための均等化スイッチSaを複数備える。マルチプレクサ7は、シャントラインSLを選択するためのシャントライン選択スイッチSsを複数備える。マルチプレクサ8は、RCフィルタ回路5の出力電圧を選択するためのフィルタ選択スイッチSfを複数備える。均等化スイッチSa、シャントライン選択スイッチSs、フィルタ選択スイッチSfは、例えば何れもNチャネル型MOSFETにより構成されている。
制御回路10は、マルチプレクサ7のシャントライン選択スイッチSs、マルチプレクサ8のフィルタ選択スイッチSfを切り替えることで、電圧検出回路9は、各接続端子Ts、Tf、各シャントラインSLを通じて各電池セルCeの電圧を検出できる。
また均等化スイッチSaは、電池セルCeの両電極に接続された一対のシャントラインSLを短絡可能になっている。制御回路10は、均等化SW部6の均等化スイッチSaを切り替えることで、全ての電池スタック3を構成する電池セルCeのうち高電圧となる電池セルCeの両電極を短絡させることができる。
制御回路10は、電池セルCeの両電極を接続する一対のシャントラインSLを短絡することで各電池セルCeの充電電圧を均等化できる。
またスタック間セルCSbにはバスバーよりも高抵抗な接続部材、例えばワイヤが用いられている。ワイヤを用いることでバスバーよりも安価に構成できる。
またスタック間セルCSbに対応してスタック間接続回路12を備えている。スタック間接続回路12は、均等化回路11と同様の回路により構成され、均等化スイッチSaに代えて第2均等化スイッチSa13を備えると共に、逆流防止部としてダイオードDを備える。
スタック間接続回路12は、2つの均等化回路11の間に挟まれるように構成される。第2均等化スイッチSa13及びダイオードDは、2つの均等化回路11の均等化スイッチSaの間に挟まれるように隣接して構成される。第2均等化スイッチSa13は、両側に隣接して構成される均等化回路11のシャントラインSLを短絡可能に接続している。
第2均等化スイッチSa13は、ボディダイオード付きのNチャネル型のMOSFETにより構成されている。制御回路10は、第2均等化スイッチSa13をオン切替えすることでスタック間セルCSbにかかる電圧を極力低下させることができる。
また、後述するようにスタック間セルCSbには負電圧を生じることがある。ここでいう負電圧とは、スタック間セルCSbの低電圧側の電極が高電圧側の電極よりも高い電圧となることを示す。負電圧の影響により逆流を防ぐため、ダイオードDが構成されている。
ダイオードDは、第2均等化スイッチSa13に直列接続されると共に、隣接したシャントラインSLの間に接続されている。ダイオードDは、スタック間セルCSbに負電圧を生じるときに第2均等化スイッチSa13に流れる電流を逆流防止するように、上流側から下流側に向けてアノードカソード間を接続している。
以上のような構成において、制御回路10は、マイコンによりプログラムを実行することで断線異常を検知する断線検知部10aとして機能する。この断線検知部10aの機能の詳細は後述する。
以下では、スタック間セルCSbを基準に説明するため、スタック間セルCSbの高電位側及び低電位側にそれぞれ隣接した偶数番の電池セルCe12、Ce14を隣接セルCe12、Ce14と称する。この隣接セルCe12、Ce14に対し更に一つ外側に隣接した電池セルCe11、Ce15を第2隣接セルCe11、Ce15と称する。
なお図1の添え字11,12,14,15を付した構成において、隣接セルCe14の高電位側の第1電極に対応して第1の接続端子Ts15を接続すると共に、隣接セルCe14の低電位側の第2電極に対応して第2の接続端子Ts14を接続している。その他の電池セルCe11、Ce12…Ce15についても同様に接続しており、回路構成の詳細説明を省略する。
上記構成の作用について図1及び図3から図5を参照しながら説明する。異常判定処理の具体的な内容の一例について説明する。ここでは、シャントラインSL14が断線した場合の異常判定方法を例に挙げて処理内容を説明する。
背景技術欄に示したように、スタック間セルCSbが従来に比較して高抵抗となることから、スタック間セルCSbにかかる電圧が従来に比較して負方向に大きくなることがある。本実施形態のスタック間接続回路12は、逆流防止部としてダイオードDを設けることで、スタック間セルCSbに負電圧がかかったとしても電流の逆流を防止できる。
スタック間セルCSbの高電位側電極に接続されるシャントラインSL14の断線を検知する際、スタック間電圧の変動範囲(スタック間電圧範囲と称する)が拡大すると、スタック間セルCSbに対応した第2均等化スイッチSa13をオン、オフ制御して断線検知しただけでは、スタック間セルCSbに対応したダイオードDの順方向電圧Vfが影響してしまい、正確に判定できないことが判明している。
そこで本実施形態では、制御回路10は、隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14を一時的にオン・オフ制御した後の電圧検出回路9による隣接セルCe14の検出電圧が所定の第1閾値Vthに達しているか否かに基づいて断線を検知する。
以下に具体例を説明する。図4に示したように、各電池セルCeの電圧を所定のセル電圧Vcと仮定し、スタック間セルCSbにかかる電圧を負電圧-Vsとし、また、スタック間セルCSbの低電位側電極の電位をVcpとすると、高電位側電極の電位はVcp-Vsとなる。また、隣接セルCe14の高電位側電極の電位はVcp-Vs+Vcとなる。
<正常時>
何れのシャントラインSLも断線していない場合、制御回路10が、図3のタイミングt1において隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14、及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じた閉回路に流れる。これにより、隣接セルCe14のシャント抵抗Rs14、Rs15による分圧電圧が低下する。このため隣接セルCe14の検出電圧V14は、一旦、閾値Vthにまで低下する。なお、第2隣接セルCe11、Ce15の検出電圧は上昇する。
何れのシャントラインSLも断線していない場合、制御回路10が、図3のタイミングt1において隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14、及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じた閉回路に流れる。これにより、隣接セルCe14のシャント抵抗Rs14、Rs15による分圧電圧が低下する。このため隣接セルCe14の検出電圧V14は、一旦、閾値Vthにまで低下する。なお、第2隣接セルCe11、Ce15の検出電圧は上昇する。
その後、制御回路10が、タイミングt2において均等化スイッチSa14をオフ制御すると、この閉回路に流れる電流が遮断され、図3のタイミングt3に示すように隣接セルCe14の検出電圧V14は復帰する。
制御回路10は、均等化スイッチSa14を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt3における検出電圧がオン・オフ制御する前の電圧に復帰していると検知することで、断線していないと判定する。
同様に、制御回路10が、タイミングt4、t5において第2隣接セルCe11、Ce15に対応した均等化スイッチSa11、Sa15を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt6における検出電圧がオン・オフ制御する前の電圧に復帰していると検知することで、断線していないと判定する。
<断線異常時>
シャントラインSL14が断線した場合、制御回路10が、タイミングt11にて隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。これは、シャントラインSL14が断線しているためである。
シャントラインSL14が断線した場合、制御回路10が、タイミングt11にて隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。これは、シャントラインSL14が断線しているためである。
このとき前述同様に、隣接セルCe14の検出電圧V14が低下し、閾値Vthを下回るまで低下する。なお、第2隣接セルCe15の検出電圧は上昇する。
その後、制御回路10が、タイミングt12において均等化スイッチSa14をオフ制御したとしても、流れ始めた電流が遮断されることはないため、図3のタイミングt13aに示すように、電圧検出回路9による検出電圧V14が復帰することはなく、閾値Vthを下回ったまま維持される。
制御回路10は、均等化スイッチSa14を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt13aにおける検出電圧V14が第1閾値Vthに達して下回っていると判定し、オン・オフ制御する前の電圧に復帰していないと検知することで断線していると判定する。これにより、シャントラインSL14が断線しているか否かを正確に診断できる。
なお、制御回路10が、タイミングt11~t12、t14~t15において第2隣接セルCe11、Ce15に対応した均等化スイッチSa11、Sa15を一時的にオン・オフ制御する。このときシャントラインSL14が断線していたとしても、タイミングt13a、t16における第2隣接セルCe15の検出電圧V15に影響しない。このため、制御回路10は、オン・オフ制御する前の電圧に復帰していると検知することになる。
スタック間セルCSbに対応した均等化スイッチSa13をオン・オフ制御して断線検出する場合と比較した検出電位差を図4に示している。各電池セルCeのセル電圧Vcは、その充電状態に応じて変化すると共に、スタック間電圧-Vsも同様に変化する。その変動範囲を考慮するため、セル電圧Vcのセル電圧上限をVc_maxとし、セル電圧範囲下限をVc_minとし、スタック間電圧-Vsのスタック間電圧範囲上限をVs_maxとし、スタック間電圧範囲下限を-Vs_minとする。
発明者らは、本実施形態と、背景技術欄に記載した2値比較方式、絶対値比較方式について逆流防止用のダイオードDの順方向電圧Vfを考慮した診断成立条件を考慮した。
シャントラインSL14が断線している場合、本実施形態のように、制御回路10が、隣接セルCe12、Ce14の均等化スイッチSa12、Sa14をオン・オフ制御して検出すると、シャントラインSL14のノードN1の電位V@N1はVcp-Vs+Vcに維持される。
これに対し、スタック間セルCSbに対応した均等化スイッチSa13をオン・オフ制御した場合、シャントラインSL14のノードN1の電位V@N1は、ダイオードDの順方向電圧Vfに応じて変化する。
例えば、セル電圧Vc-スタック間電圧Vs>ダイオードDの順方向電圧Vfの関係を満たす場合、均等化スイッチSa13の電圧降下を無視すればノードN1の電位V@N1はVcp+Vfとなり、ダイオードDの順方向電圧Vfに依存した電圧が検出される。偶奇番の均等化スイッチSa14、Sa13をそれぞれオンしたときの電位差はVc-Vs-Vfとなる。
従来の2値比較方式を適用すると、偶数番の均等化スイッチSa12…をオンした場合と奇数番の均等化スイッチSa13…をオンしたときの差分電位差に基づいて判定している。このため、PVTばらつきの影響に基づいて最大最小変動範囲を考慮して計算すれば、当該差分の最小値に基づく条件式Vc_min-Vs_min-Vf>Vthを満たすときに断線を検知でき、この条件を満たすことで断線を正常に検知できる。
また従来の絶対値比較方式を適用すると、電池セルCeの絶対電位(例えばV14)が通常電圧範囲を超えた場合に断線と判定する。スタック間セルCsbの上側電極の上限電位はVcp+Vs_maxとなり、隣接セルCe14の電極間電圧は、この基準値からの差分により求めることができ、(Vcp-Vs+Vc)-(Vcp+Vs_max)=Vc-Vs-Vs_maxとなる。PVTばらつきの影響に基づいて最大最小変動範囲を考慮して計算すれば、Vc_min-Vs_min-Vs_max>Vthの条件を満たすときに断線を検知でき、この条件を満たすことで断線を正常に検知できる。
これに対し、本実施形態の方式を用いると、0V<Vth<Vc_minの条件を満たすことで断線を正常に検知できる。すなわち、本実施形態の断線検知方式を用いると、セル電圧最小電圧Vc_minの影響を考慮するだけで、断線を信頼性良く検知できる。逆に言えば、スタック間電圧範囲Vs_min、Vs_maxの影響も、ダイオードDの順方向電圧Vfの影響も受けることなく断線を信頼性良く検知できる。
また逆に、例えば図5の右図に示すように、セル電圧Vc-スタック間電圧Vs≦ダイオードDの順方向電圧Vfの関係を満たす場合、均等化スイッチSa13をオン制御したとしてもダイオードDには電流が流れないため、ノードN1の電位V@N1=Vcp+Vcとなる。
このような条件においては、従来の2値比較方式を適用した場合、奇数番の均等化スイッチSa13…をオン制御したとしてもダイオードDに電流が流れないため、電位差が変化せず、断線を検知することができない。
また従来の絶対値比較方式では、前述と同様にVc_min-Vs_min-Vs_max>Vthの条件を満たすときに断線を検知でき、この条件を満たすことで断線を正常に検知できる。
これに対し、本実施形態の方式を用いると、0V<Vth<Vc_minの条件を満たすことで断線を正常に検知できる。すなわち、本実施形態の断線検知方式を用いると、セル電圧最小電圧Vc_minの影響を考慮するだけで断線を信頼性良く検知できる。逆に言えば、スタック間電圧範囲Vs_min、Vs_maxの影響もダイオードDの順方向電圧Vfの影響も受けることなく断線を信頼性良く検知できる。
本実施形態によれば、制御回路10は、スタック間セルCSbに隣接した隣接セルCe14に対応した均等化回路11の均等化スイッチSa14を一時的にオン、オフした後、電圧検出回路9により検出される隣接セルCe14の検出電圧が所定の第1閾値Vthに達しているか否かに基づいて断線を検知している。
本実施形態によれば、スタック間セルCSbの電極間電圧ではなく、隣接セルCe14の検出電圧を絶対値比較することで診断しているため、スタック間電圧範囲の拡大や逆流防止用のダイオードDの挿入による影響を受けることなく、スタック間セルCSbに接続されるシャントラインSLの断線異常を正常に診断できる。本実施形態によれば、スタック間セルCSbの電極に接続されるシャントラインSL13、SL14の断線を検知できる。
(第2実施形態)
第2実施形態について図6から図8を参照しながら説明する。第2実施形態では、図6に示したように、制御回路10は、断線検知部10aとしての機能に加えて、判別部10bとしての機能も備える。
第2実施形態について図6から図8を参照しながら説明する。第2実施形態では、図6に示したように、制御回路10は、断線検知部10aとしての機能に加えて、判別部10bとしての機能も備える。
その他の電気的構成は第1実施形態と同様であるが、第2実施形態では、シャントラインSL12、SL13、SL14、SL15の断線を検知できるようにしている。また更に、判別部10bの機能によって、これらの断線箇所の判別も行うことができる。
以下、具体例を説明する。
<正常時>
何れのシャントラインSLも断線していない場合、制御回路10が、図7のタイミングt1において隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14、Sa15を一時的にオン・オフ制御しても、図7のタイミングt3、t6において、隣接セルCe14の電極間電圧、第2隣接セルCe15の電極間電圧が復帰する。このため、制御回路10は、第1実施形態と同様に断線していないと判定する。
<正常時>
何れのシャントラインSLも断線していない場合、制御回路10が、図7のタイミングt1において隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14、Sa15を一時的にオン・オフ制御しても、図7のタイミングt3、t6において、隣接セルCe14の電極間電圧、第2隣接セルCe15の電極間電圧が復帰する。このため、制御回路10は、第1実施形態と同様に断線していないと判定する。
<シャントラインSL14の断線異常時>
スタック間セルCSbに接続されるシャントラインSL14が断線した場合、制御回路10が、タイミングt11にて隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。
スタック間セルCSbに接続されるシャントラインSL14が断線した場合、制御回路10が、タイミングt11にて隣接セルCe14に対応した均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。
このとき、電圧検出回路9が検出する隣接セルCe14の検出電圧V14は閾値Vthを下回るまで低下する。なお、電圧検出回路9が検出する第2隣接セルCe15の検出電圧V15は上昇する。
その後、制御回路10が、タイミングt12において均等化スイッチSa14をオフ制御したとしても、流れ始めた電流が遮断されることはないため、図7のタイミングt13aに示すように、電圧検出回路9による検出電圧V14が復帰することはなく閾値Vthを下回ったまま維持される。
制御回路10は、均等化スイッチSa14を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt13aにおける検出電圧V14が第1閾値Vthに達していると判定し、オン・オフ制御前の電圧に復帰していないと検知することで断線していると判定する。これにより、断線しているか否かを正確に診断できる。
なお、制御回路10が、タイミングt11~t12、t14~t15において第2隣接セルCe15に対応した均等化スイッチSa15を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt13a、t16における第2隣接セルCe15の検出電圧V15は、均等化スイッチSa15のオン・オフ制御前の電圧に復帰している。
このため制御回路10は、均等化スイッチSa15を一時的にオン・オフ制御しても、第2隣接セルCe15の検出電圧V15に影響していないことを認識でき、シャントラインSL14が断線していることを判別できる。
<シャントラインSL15の断線異常時>
また隣接セルCe14に接続されるシャントラインSL15が断線した場合、制御回路10が、タイミングt21にて均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。
また隣接セルCe14に接続されるシャントラインSL15が断線した場合、制御回路10が、タイミングt21にて均等化スイッチSa14をオン制御すると、隣接セルCe14及びコンデンサCf14の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs15、均等化スイッチSa14、及び抵抗Rs14を通じてスタック間接続回路12側に流れ込む。
このとき電圧検出回路9が検出する隣接セルCe14の検出電圧V14は閾値Vthを下回るまで低下する。なお、電圧検出回路9が検出する第2隣接セルCe15の検出電圧V15は上昇する。
その後、制御回路10が、タイミングt22において均等化スイッチSa14をオフ制御したとしても、流れ始めた電流が遮断されることはない。このため、図7のタイミングt23aに示すように、電圧検出回路9による隣接セルCe14の検出電圧V14が復帰することはなく、閾値Vthを下回ったまま維持される。
制御回路10は、均等化スイッチSa14を一時的にオン・オフ制御した後のタイミングt23aにおける検出電圧V14が第1閾値Vthに達していると判定し、オン・オフ制御する前の電圧に復帰していないと検知することで断線していると判定する。
また、制御回路10が、タイミングt24において第2隣接セルCe15に対応した均等化スイッチSa15をオン制御すると、隣接セルCe15及びコンデンサCf15の蓄積電荷に基づく電流が、抵抗Rs16、均等化スイッチSa15、及び抵抗Rs15を通じて均等化回路11側に流れ込む。
このとき、電圧検出回路9が検出する隣接セルCe14の検出電圧V14が、閾値Vthを下回るまで低下する。なお、第2隣接セルCe15の検出電圧V15は上昇する。
その後、制御回路10が、タイミングt25において均等化スイッチSa15をオフ制御したとしても、流れ始めた電流が遮断されることはない。このため、図7のタイミングt26aに示すように、電圧検出回路9による第2隣接セルCe15の検出電圧V15が復帰することはなく、閾値Vthを下回ったまま維持される。
制御回路10は、均等化スイッチSa15をオン・オフ制御したときに、第2隣接セルCe15の検出電圧V15に影響しているということを認識でき、シャントラインSL15が断線していることを判別できる。
ここでは、スタック間セルCSbの上流側のシャントラインSL14、SL15の断線の判別方法について説明したが、スタック間セルCSbの下流側のシャントラインSL13、SL12の断線についても同様に判別できる。この診断内容を図8に概略的に示しているが、詳細説明は省略する。
本実施形態によれば、制御回路10は、隣接セルCe12、Ce14に対し更に一つ隣接した第2隣接セルCe11、Ce15に対応して設けられた第1均等化スイッチSa11、Sa15を一時的にオン、オフした後、電圧検出回路9により検出される第2隣接セルCe11、Ce15の検出電圧が所定の閾値Vth(第2閾値相当)に達しているか否かに基づいて断線を検知する。
そして制御回路10は、この断線検知結果と共に、第1実施形態で説明した隣接セルCe12、Ce14の検出電圧に基づく断線検知結果に基づいて断線異常箇所を判別している。
すなわち、本実施形態によれば、隣接セルCe12、Ce14の更に一つ隣の第2隣接セルCe11、Ce15に対しても上記絶対値診断を実施し、その結果を組み合せて判定することで、異常箇所の判別もできる。
なお、本実施形態では第2閾値Vth=第1閾値Vthの形態を示したが、これに限定されるものではなく、第2閾値と第1閾値とは互いに異なる値であっても良い。
(第3実施形態)
第3実施形態について図9及び図10を参照しながら説明する。図9に示すように、電池監視装置2は、ダイオードDに代えてMOSトランジスタGを逆流防止部として構成した均等化SW部16を備える。
第3実施形態について図9及び図10を参照しながら説明する。図9に示すように、電池監視装置2は、ダイオードDに代えてMOSトランジスタGを逆流防止部として構成した均等化SW部16を備える。
MOSトランジスタGは、第2均等化スイッチSa13に直列接続されると共に隣接したシャントラインSLの間に接続されており、ボディダイオードを上流側から下流側にかけて順方向に接続して構成している。MOSトランジスタGは、いわゆるBackToBackMOSFETによる。電池監視装置2のその他の構成は、第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
スタック間セルCSbに対応した奇数番の均等化スイッチSa13をオン・オフ制御して断線検出する場合と比較した検出電位差を図10に示している。前述実施形態の説明と同様に、セル電圧Vcのセル電圧上限をVc_maxとし、セル電圧範囲下限をVc_minとし、スタック間電圧-Vsのスタック間電圧範囲上限をVs_maxとし、スタック間電圧範囲下限を-Vs_minとして考慮する。
発明者らは、本実施形態と、背景技術欄に記載した2値比較方式、絶対値比較方式とについて、MOSトランジスタGの影響を考慮した場合の診断成立条件を考慮した。
シャントラインSL14が断線している場合に、本実施形態のように制御回路10が隣接セルCe12、Ce14の均等化スイッチSa12、Sa14をオン・オフ制御して検出する場合、シャントラインSL14のノードN1の電位V@N1はVcp-Vs+Vcに維持される。
これに対し、スタック間セルCSbに対応した均等化スイッチSa13をオン・オフ制御した場合、シャントラインSL14のノードN1の電位V@N1は、MOSトランジスタGのオン抵抗による電圧を無視すればVcpになる。
従来の2値比較方式を適用すると、偶数番の均等化スイッチSa12…をオンした場合と奇数番の均等化スイッチSa13…をオンしたときの差分電位差に基づいて判定することになる。このため、PVTばらつきの影響に基づいて最大最小変動範囲を考慮して計算すれば、当該差分の最小値に基づく条件式Vc_min-Vs_min>Vthを満たすときに断線を検知でき、この条件を満たすことで断線を正常に検知できる。
また従来の絶対値比較方式では、前述と同様にVc_min-Vs_min-Vs_max>Vthの条件を満たすときに断線を検知でき、この条件を満たすことで断線を正常に検知できる。
これに対し、本実施形態の方式を用いると、0V<Vth<Vc_minの条件を満たすことで断線を正常に検知できる。すなわち、本実施形態の断線検知方式を用いると、セル電圧最小電圧Vc_minの影響を考慮するだけで断線を信頼性良く検知できる。逆に言えば、スタック間電圧範囲Vs_min、Vs_maxの影響を受けることなく断線を信頼性良く検知できる。このように、本実施形態でも前述実施形態と同様の作用効果を奏する。
(第4実施形態)
第4実施形態について図11から図16を参照しながら説明する。図11から図16は、図2に対応付けた電気的構成図を示している。
第4実施形態について図11から図16を参照しながら説明する。図11から図16は、図2に対応付けた電気的構成図を示している。
図11に示したように、第1実施形態のRCフィルタ回路5に代えて対地容量型RCフィルタ回路15を構成しても良い。図12に示したように、図11のように対地容量型RCフィルタ回路15を設けた構成に対し、MOSトランジスタGを備えた均等化SW部16を設けても良い。
図13に示したように、ダイオードDを備えた均等化SW部6を電池監視IC14に外付けして構成しても良い。なお図13に示した電池監視IC14は、電池監視IC4から均等化SW部6を除いた構成である。
同様に、図14に示したように、MOSトランジスタGを備えた均等化SW部16を電池監視IC14に外付けして構成しても良い。図15又は図16に示したように、図13又は図14の構成に対して、対地容量型RCフィルタ回路15を設けても良い。このような回路構成においても全て前述実施形態と同様の作用効果を奏する。
(他の実施形態)
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができ、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができ、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。
スタック間接続回路12は、均等化回路11とダイオードD、MOSトランジスタGを除いて同様の電気的構成を示したが、これに限定されるものではなく、スタック間接続回路12と均等化回路11とは、ダイオードD、MOSトランジスタG以外の部分についても異なる構成であっても良い。前述実施形態はその少なくとも二つ以上の実施形態の構成を組み合わせても良い。
本発明は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本発明は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、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、更には、それらに一要素、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、本発明の範畴や思想範囲に入るものである。
図面中、1は組電池、2は電池監視装置、3は電池スタック、9は電圧検出回路、10aは断線検知部、10bは判別部、11は均等化回路、Ceは電池セル、CSbはスタック間セル、Dはダイオード(逆流防止部)、GはMOSトランジスタ(MOSトランジスタのボディダイオードは逆流防止部)、SLはシャントライン、Rsはシャント抵抗、Saは第1均等化スイッチ、Sa13は第2均等化スイッチ、を示す。
Claims (4)
- 複数の電池セル(Ce)を直列接続してブロック化した電池スタック(3)にスタック間セル(CSb)を挟んで接続した組電池(1)を監視する電池監視装置(2)の断線異常診断装置であって、
前記複数の電池セルの電極にそれぞれ接続される複数のシャントライン(SL)と、
前記複数のシャントラインを通じて前記電池セルの電圧を検出する電圧検出回路(9)と、
前記複数の電池セルにそれぞれ対応して設けられ前記電池セルの両電極に接続された一対の前記シャントラインを短絡可能に接続する第1均等化スイッチ(Sa)を備える均等化回路(11)と、
前記スタック間セルに対応して設けられると共に、複数の前記均等化回路の間に隣接され当該隣接して構成される前記均等化回路の前記シャントラインを共用すると共に両側で共用された前記シャントラインを短絡可能に接続した第2均等化スイッチ(Sa13)、及び、前記スタック間セルに負電圧を生じるときに前記第2均等化スイッチに流れる電流を逆流防止するように接続される逆流防止部(D;G)と、
前記スタック間セルに隣接した前記電池セル(以下、隣接セルと称す)に対応した前記均等化回路の前記第1均等化スイッチを一時的にオン、オフした後、前記電圧検出回路により検出される前記隣接セルの検出電圧が所定の第1閾値に達しているか否かに基づいて断線を検知する断線検知部(10a)と、
を備える断線異常診断装置。 - 前記隣接セルに対し更に一つ隣接した前記電池セル(以下、第2隣接セルと称す)に対応して設けられた前記均等化回路の前記第1均等化スイッチを一時的にオン、オフした後、前記電圧検出回路により検出される前記第2隣接セルの検出電圧が所定の第2閾値に達しているか否かに基づいて断線を検知した断線検知結果と共に前記断線検知部による断線検知結果に基づいて断線異常箇所を判別する判別部(10b)、をさらに備える請求項1記載の断線異常診断装置。
- 前記スタック間セル(CSb)には、バスバーより高抵抗な接続部材を用いている請求項1又は2記載の断線異常診断装置。
- 前記逆流防止部は、前記第2均等化スイッチに直列接続されると共に前記隣接した前記シャントラインの間に接続されるダイオード(D)又はMOSトランジスタ(G)のボディダイオードにより構成される請求項1から3の何れか一項に記載の断線異常診断装置。
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