JP2011059001A

JP2011059001A - 二次電池システム

Info

Publication number: JP2011059001A
Application number: JP2009210556A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakano; 健治中野; Masayuki Murakami; 真之村上; Koji Morimoto; 孝司森本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】
断線故障に対して信頼性の高い二次電池システムを提供する。
【解決手段】
充放電可能な二次電池１０１と、二次電池１０１の充放電電流を検出する充放電電流検出手段１０３と、二次電池１０１を構成する複数の単セル電池の電圧をそれぞれ検出する複数の単セル電池電圧検出手段１０２と、充放電電流検出手段１０３により検出された充放電電流値と単セル電池電圧検出手段１０２により検出された単セル電池電圧値に基づいて充放電電流検出手段１０３の異常を検出する演算手段１０４とを具備した二次電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は高い信頼性が要求される二次電池システムに関する。

従来より、エンジンや燃料電池などとモータとを併用するハイブリッド装置や、モータの回生エネルギーを蓄積する装置では、使用されている二次電池の過充電による故障が発生した場合、システムを直ちに安全に停止するなど高い信頼性が要求されている。充放電電流を正常に検出しているかどうかの検出方法として、従来、特許文献１や特許文献２などに記載の検出方法が存在する。

しかしながら、特許文献１記載の技術では、セルの電圧が低く、２つのセルの合計電圧が過充電の閾値以下である場合は、断線を検出できないという問題がある。また、特許文献２記載の技術では、回路が複雑になることによるコストアップ要因のほかに、より高度な信頼性を確保するためには、断線検出のための機構が正常に動作しているかどうかの故障診断をする必要があり、必ずしも優れた方法とは言えない。

特開２００４−１０４９８９公報特開２００９−９５２２２公報

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであって、二次電池システムの二次電池パックならびに充放電電流測定系に断線が発生した場合でも、充放電電流検出値などから断線を検出するもので、回路の複雑化を防止するとともに、断線検出機構が正常に動作しているかの診断も容易に実現することが可能な二次電池システムを提供することを目的とする。

本発明による二次電池システムは、充放電可能な二次電池と、この二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、二次電池を構成する複数の単セル電池の電圧をそれぞれ検出する複数の単セル電池電圧検出手段と、充放電電流検出手段により検出された充放電電流値と単セル電池電圧検出手段により検出された単セル電池電圧値に基づいて充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システムである。

本発明によれば、二次電池システムの二次電池パックならびに充放電電流測定系に断線が発生した場合でも、検知することが可能であり、信頼性の高い二次電池システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。本発明の第４実施形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。本発明の第５実施形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。図４、図５に示す二次電池システムの動作を示す図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る二次電池システムについて、図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態の二次電池システムの構成図である。

この二次電池システムは、単セルが複数個接続され構成された二次電池パック１０１、この二次電池パック１０１を構成する各単セルの電圧を検出する単セル電池電圧検出器１０２、二次電池パック１０１の充放電電流を検出する充放電電流検出器１０３、単セル電池電圧検出器１０２及び充放電電流検出器１０３の出力を入力する演算器０１４、演算器１０４の演算結果を記憶する記憶部１０５から構成されている。

充放電電流検出器１０３は、二次電池パック１０１の充放電電流を直接検出する検出部１０６と検出部１０６の検出信号を変換する変換部１０７により構成されている。

二次電池パック１０１は、複数の単セル電池が直列に接続されることにより構成されている。この二次電池パック１０１の出力が、負荷１００の電源として使用される。単セル電池電圧検出器１０２は、二次電池パック１０１を構成する複数の単セル電池の各々の電圧を検出する。この単セル電池電圧検出器１０２で検出された複数の単セル電池の電圧は演算器１０４に送られる。

充放電電流検出器１０３は、例えば電流トランスやホール素子、ロゴスキーコイル、シャント抵抗などから構成される検出部１０６と、検出値をデジタルに変換する変換部１０７で構成されており、二次電池パック１０１と負荷１００との間に流れる電流（放電電流および充電電流）を検出する。この充放電電流検出器１０３で検出された電流は、演算器１０４に送られる。

演算器１０４は、例えばプロセッサなどから構成されており、単セル電池電圧検出器１０２から送られてくる複数の単セル電池の電圧値や充放電電流検出器１０３から送られてくる充放電電流値に基づき、充放電電流検出器１０３内の断線や故障を判定する。

次に、本実施形態の動作について図１を参照しつつ説明する。

充放電電流検出器１０３から出力された充放電電流が一定時間ゼロ電流のとき、二次電池パック１０１不使用に伴うゼロ電流と断線に伴うゼロ電流を区別がつかない。この場合、単セル電池電圧検出器１０２から出力される単セル電池の電圧値を参照する。演算器１０４は、充放電電流値が一定時間、ゼロ電流を継続している間、単セル電池電圧検出器１０２による検出電圧値が変化しない場合は電池不使用に伴うゼロ電流と判断する。また、演算器１０４は、充放電電流値が一定時間、ゼロ電流を継続している間、単セル電池電圧検出器１０２による検出電圧値が変化する場合は断線に伴うゼロ電流と判定する。断線検出に必要な機構はウォッチドッグタイマなどで正常に動作しているかどうか容易に診断することが可能であるため、断線検出自身の故障診断も容易に診断することができる。

本実施形態によれば、電池不使用に伴うゼロ電流と断線に伴うゼロ電流を区別することができるので、二次電池システムの二次電池パックならびに充放電電流測定系に発生した断線を正確に検出することができる。また、断線検出のための検出機構が正常に動作しているかどうか容易に診断することが可能である。

以上のように本発明を用いれば、断線が発生した場合でも、検知することが可能であり、信頼性の高い二次電池システムを提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る二次電池システムについて、図面を用いて説明する。

図２は、第２実施形態の二次電池システムの構成図である。

本実施形態の構成が、上記第１実施形態の構成と相違する点は、互いに直列に接続された充放電電流検出器を複数備え、各々の出力値から充放電電流検出異常を出力する点である。

この二次電池システムは、単セルが複数個接続され構成された二次電池パック１０１、二次電池パック１０１の充放電電流を検出する第１の充放電電流検出器１０３、二次電池パック１０１の充放電電流を検出する第２の充放電電流検出器１０８、充放電電流検出器１０３および充放電電流検出器１０８の出力を入力する演算器１０９から構成されている。

同様に、充放電電流検出器１０８は、二次電池パック１０１の充放電電流を直接検出する検出部１１０と検出部１１０の検出信号を変換する変換部１１１により構成されている。

二次電池パック１０１は、複数の単セル電池が直列に接続されることにより構成されている。この二次電池パック１０１の出力が、負荷１００の電源として使用される。充放電電流検出器１０３は、例えば電流トランスやホール素子、ロゴスキーコイル、シャント抵抗などから構成される検出部１０６と、検出値をデジタルに変換する変換部１０７で構成されており、二次電池パック１０１と負荷１００との間に流れる電流（放電電流および充電電流）を検出する。この充放電電流検出器１０３で検出された電流は、演算器１０９に送られる。

充放電電流検出器１０８は、例えば電流トランスやホール素子、ロゴスキーコイル、シャント抵抗などから構成される検出部１１０と、検出値をデジタルに変換する変換部１１１で構成されており、二次電池パック１０１と負荷１００との間に流れる電流（放電電流および充電電流）を検出する。この充放電電流検出器１０８で検出された電流は、演算器１０９に送られる。

演算器１０９は、例えばプロセッサなどから構成されており、充放電電流検出器１０３から送られてくる第１の検出充放電電流値、充放電電流検出器１０８から送られてくる第２の検出充放電電流値に基づき、充放電電流検出器の異常の判定を行なう。

演算器１０９は、２つの充放電電流検出器からの出力を比較し、両者に差異が生じた際に、いずれかの充放電電流検出器の異常を検出する。

本実施形態によれば、充放電電流検出器内内で断線した場合など充放電電流検出器の異常の判定を行なうことが可能である。また、充放電電流検出器の二重化による充放電電流検出値の信頼性の向上にも繋がる。

次に、本発明の第３実施形態に係る二次電池システムについて、図面を用いて説明する。

図３は、第３実施形態の二次電池システムの構成図である。

図３中、上記実施形態と同一構成については、同一符号を付して、説明を省略する。

本実施形態が、上記実施形態と相違する点は、充放電電流検出値１０３による検出値の度数分布から充放電電流検出異常を出力する点である。

本実施形態では、演算器１０４の出力である充放電電流値の度数分布を演算する度数分布演算器を設けた。

充放電電流検出器１０３内で断線した場合は充放電電流検出器の入力がハイ・インピーダンス状態となり、断線していない場合と比べて充放電電流検出値の雑音を多く拾うことになる。このため、度数分布演算器１１３は、充放電検出電流値の標準偏差を演算し、度数分布のバラつきおよび度数分布範囲から充放電電流検出異常の判定を行なう。すなわち、充放電電流検出器１０３内で断線した場合は、断線していない場合と比べて充放電電流検出値の標準偏差が大きくなることから、所定の閾値を超えた際に充放電電流検出器の異常の検出を行なう。

また、度数分布を算出する度数分布演算器１１３は、制御プロセッサが計算し、制御プロセッサが故障診断はウォッチドッグタイマなどで容易に診断が可能である。

本実施形態を用いれば、二次電池システムの二次電池パックならびに充放電電流測定系に断線が発生した場合でも、電池不使用に伴うゼロ電流と断線に伴うゼロ電流を区別することができ、断線検出が可能となる。また、断線検出のための検出機構が正常に動作しているかどうか容易に診断することが可能である。

次に、本発明の第４実施形態に係る二次電池システムについて、図面を用いて説明する。

図４は、第４実施形態の二次電池システムの構成図である。

この二次電池システムは、単セルが複数個接続され構成された二次電池パック１０１、二次電池パック１０１の充放電電流を検出する充放電電流検出器１１４、充放電電流検出器１１４の出力を入力する演算器１０４、演算器１０４の演算結果を記憶する記憶部１０５から構成されている。

充放電電流検出器１１４は、二次電池パック１０１の充放電電流を直接検出する検出部１０６、検出部１０６の検出信号を変換する変換部１０７、充放電電流検出器１１４の近傍の温度を検出する温度検出器１１５により構成されている。

本実施形態の特徴は、温度検出器１１５により充放電電流検出器の近傍の温度を検出し、充放電電流検出値と検出温度から充放電電流検出異常を検出する点である。

次に本実施形態の作用について説明する。

充放電電流検出器１１４の検出部１０６と変換部１０７の間で断線した場合は、検出部１０６に電流が流れるが検出した電流値が変換部１０７に入力されないために、変換器１０７の出力はゼロ電流を出力となる。本実施形態による二次電池システムの動作を図５を用いて説明する。図５において、１１８は温度検出器１１５の出力値を示し、１１７は変換器１０７の出力すなわち充放電電流検出値を示す。同図において、時刻ｔ０かたｔ１の間は、システムが正常に動作している範囲を示し、時刻ｔ１かたｔ２の間は、充放電電流検出１１４に故障が発生している期間を示し、時刻ｔ２以降は、電池不使用に伴うゼロ電流の範囲を示す。図５から明らかなように、温度計１１５の出力と充放電電流値とを比較することで、電池不使用に伴うゼロ電流と検出部１０６と変換部１０７の間の断線に伴うゼロ電流を区別することができ、断線検出が可能となる。時刻ｔ１からｔ２の範囲では、検出部１０６に充放電電流が流れることにより同検出部が発熱する。この発熱を温度検出器１１５で検出する。しかしながら、充放電電流値１１７がほぼゼロになっていることから、検出部１０６と変換部１０７の間に断線が発生したことを検出する。一方、時刻ｔ２以降は、温度検出器１１５の出力１１８が通常使用時より低下し、充放電電流値１１７がほぼゼロになっていることから電池不使用に伴うゼロ電流を検出することができる。

充放電電流検出器１１４の近傍の温度を検出する温度検出器１１５とは別に、温度検出器１１５とは離れたところに設けられ、大気の気温を検出する第２の温度検出器１１６を設け、より信頼性の高いシステムを提供することもできる。

図５の時刻ｔ２以降において、温度検出器１１５の出力１１８が気温まで低下し、充放電電流値１１７がほぼゼロになっていることから電池不使用に伴うゼロ電流を検出することができる。

充放電電流検出器１１４の近傍の温度と大気の気温に差異がないときは、充放電電流検出器１１４の近傍の温度上昇は外気温による上昇と判断することができる。また、外気温と充放電電流検出器１１４固有の温度差を記憶するために、二次電池システム起動して一定時間後の充放電電流検出器１１４の近傍の温度と大気温を保存しておき、正常時における充放電電流検出器１１４の近傍の温度差を保持しておくことで、充放電電流検出器１１４内の抵抗器の発熱による温度と気温に差異は見られた場合でも、正常時の温度差であるかどうか判別できるので、断線検出判定の確度を高めることができる。

また、図６に示すとおり、出力される充放電電流検出値ならびに温度を保持する記憶部１０５を備え、一定時間前の充放電電流検出値ならびに温度と比較してもよい。例えば、時刻ｔ３と時刻ｔ４について見ると、時刻ｔ３において一定時間前（時刻ｔ４）と比べて充放電電流値１１７が下がっているのに対して、温度１１８は一定あるいは上昇している場合、断線していると判断することが可能である。

また、電流検出に用いられるシャント抵抗は電流により発熱するので、充放電電流検出手段１０３の検出部１０６にシャント抵抗を用いることで、充放電電流検出器１０３の検出部１０６を簡素化することも可能である。

本実施形態によれば、二次電池システムの二次電池パックならびに充放電電流測定系に断線が発生した場合でも、電池不使用に伴うゼロ電流と断線に伴うゼロ電流を区別することができ、断線検出が可能となる。また、断線検出のための検出機構が正常に動作しているかどうか容易に診断することが可能である。

１００・・負荷、１０１・・二次電池パック、１０２・・単セル電池電圧検出器、１０３・・充放電電流検出器、１０４・・演算器、１０５・・記憶部、１０６・・検出部、１０７・・変換部、１１３・・度数分布演算器、１１５・・温度検出器

Claims

充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
前記二次電池を構成する複数の単セル電池の電圧をそれぞれ検出する複数の単セル電池電圧検出手段と、
前記充放電電流検出手段により検出された充放電電流値と前記単セル電池電圧検出手段により検出された単セル電池電圧値に基づいて前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する第１の充放電電流検出手段と、
前記二次電池の充放電電流を検出する第２の充放電電流検出手段と、
前記第１の充放電電流検出手段により検出された充放電電流値と前記第２の充放電電流検出手段により検出された充放電電流値に基づいて前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
前記充放電電流検出手段により検出された充放電電流値の度数分布を算出する度数分布演算手段と、
この度数分布演算手段により求められた前記度数分布に基づいて前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
この充放電電流検出手段の近傍に設けられ、前記充放電電流検出手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記充放電電流検出手段により検出された前記充放電電流値と前記温度検出手段により検出された前記充放電電流検出手段の温度に基づいて前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
この充放電電流検出手段の近傍に設けられ、前記充放電電流検出手段の温度を検出する第１の温度検出手段と、
この第１の温度検出手段と離れた場所に設けられ、大気の気温を検出する第２の温度検出手段と
前記充放電電流検出手段により検出された前記充放電電流値と前記第１の温度検出手段により検出された前記充放電電流検出手段の温度と前記第２の温度検出手段により検出された大気の気温に基づいて前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
この充放電電流検出手段により検出された充放電電流値を記憶する記憶手段と、
前記充放電電流検出手段で検出された前記充放電電流値と前記記憶手段に所定時間前に記憶された充放電電流値とを比較することにより前記充放電電流検出手段の異常を検出する演算手段とを具備した二次電池システム。