JP2011117852A - 電池接続状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の端子部分にセンサを設けることなく、電池と電池負荷との接続状態を判定できる電池接続状態判定装置を提供する。
【解決手段】電池と電力負荷と接続する接続部と、電池と電力負荷とを、接続部を介して電気的に接続する電力供給線と、電池を監視する監視部と、電池負荷を制御する電池負荷制御部とを有し、交流通信信号が電力供給線を流れることにより、接続部を介して、電池負荷制御部と監視部との間で通信を行い、監視部又は電池負荷制御部は、交流通信信号に応じて、接続部の接続状態を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池接続状態判定装置に関する。

バッテリの端子部に、他のバッテリの端子部を電気的に接続するためのハーネス端子を装着するスタッドボルトと、面圧歪センサを含む端子台を設け、当該ハーネス端子を挟みつつナットと当該スタッドボルトとを締結させ、当該面圧歪センサに加わる面圧値に応じて、締結状態を判定するバッテリ端子部面圧不良防止装置が知られている（特許文献１）。

特開平９−１９９１０７号公報

しかしながら、従来のバッテリ端子部面圧不良防止装置は、端子部分においてセンサを設けるため、当該センサの分、端子構造が大きくなり、また端子構造が複雑化する、という問題があった。

そこで本発明は、電池の端子部分にセンサを設けることなく、電池と電池負荷との接続状態を判定できる電池接続状態判定装置を提供する。

本発明は、電池と電力負荷とを、接続部を介して電力供給線により電気的に接続し、当該電池を監視する監視部と当該電池負荷を制御する電池負荷制御部との間で行われる通信の交流通信信号に応じて、当該接続部の接続状態を判定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、電池を監視する監視部と電池負荷を制御する電池負荷制御部との間で行われる通信の交流通信信号に応じて、当該電池と当該電池負荷との間を接続する接続部の接続状態を判定するため、電力供給線により行われる通信信号を、接続状態の判定に利用することができ、その結果、電池の端子部分に別途センサを設けることなく当該接続状態を判定することができる。

発明の実施形態に係る電池接続状態判定装置を示すブロック図である。 図１の電池接続状態判定装置の接続部が接続不良になる場合の波形を示す図である。 図１の電池接続状態判定装置の接続部が接続不良になる場合の波形を示す図である。 図１の電池接続状態判定装置の制御手順を示すフローチャートである。 図１の電池接続状態判定装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る電池接続状態判定装置を備えた組電池１によるモータ４の駆動システムを示すブロック図である。同図に示す組電池１は、複数の電池１１を直列に接続し、その両極に電力供給線２を介してインバータ３を接続したものである。組電池１から供給される直流電流は、電力変換装置であるインバータ３により交流電流に変換されて交流モータ４に供給され、当該交流モータ４を駆動する。これにより、組電池１の負荷である、インバータ３及びモータ４は、組電池１からの電力供給を受ける。また組電池１とインバータ３との間には、接続部８ａ及び接続部８ｂが接続されている。接続部８ａは、正極側の接続部分を、接続部８ｂは、負極側の接続部分を示し、例えばリレースイッチが用いられる。これにより、インバータ３及びモータ４等の電池負荷が、強電側の組電池１に電気的に接続される。なお、接続部８ａ及び接続８ｂは、必ずしもリレースイッチではなく、組電池１の端子に対して、電池負荷の入出力端子を接続する構成であってもよい。

またインバータ３には、インバータ３のスイッチング周期等を制御するためのコントローラ９が接続される。コントローラ９は、カップリングコンデンサ９１を介して電力供給線２に接続されており、後述するように、監視装置５との間で、電力線通信を行う。

なお、同図に示す組電池１によるモータ４の駆動システムは、本実施形態に係る電池接続状態判定装置を説明するための一例であって、本例のように複数の電池１１を直列に接続して組電池１を構成する以外にも、複数の電池１１を直列及び／又は並列に接続して組電池１を構成することもできる。また、組電池１による電力の供給対象が直流モータの場合はインバータ３を省略することができ、さらに電力の供給対象はモータ４以外の負荷とすることもできる。また組電池１に含まれる電池１１は、単数であってもよい。

組電池１の端子間には、組電池１の電圧を検出する電圧センサ１０１が接続され、電力供給線２には、組電池１の入出力電流を検出するための電流センサ１０２が接続される。

本実施形態に係る監視装置５は、各電池１１の両端子間の電圧を検出する電圧検出回路６と、各電圧検出回路６により検出された各電池１１の電圧値を取り込んで組電池１の電池容量を把握し、過充電や過放電を防止するためのトータル的な制御を実行する制御回路７とを備える。本例の監視装置５が本発明の監視部に相当し、本例の電圧検出回路６が本発明の検出部に相当し、本例の制御回路７が本発明の制御部に相当する。

なお、本例の電圧検出回路６は、一つの電圧検出回路で一つの電池１１の端子間電圧を検出するように構成したが、幾つかの電池１１をグループ化し、これら複数の電池１１の電圧を検出するように構成することもできる。

本例の電圧検出回路６は、制御回路７からの検出指令信号に基づいて、対応する一つの電池１１の端子間電圧を検出し、検出された電圧値に相当する通信信号を制御回路７へ送出する。また、制御回路７からの放電指令信号に基づいて、対応する電池１１の電力を消費し、組電池１を構成する電池１１間の容量バラツキを解消する。

特に、本例の監視装置５では、電圧検出回路６と制御回路７との間でやり取りされる制御指令や検出された電圧値に相当する通信信号を、電力供給線２を用いて送受信する。また、電力供給線は直流電流が流れるので、これと識別するために通信信号を交流信号とする。図１に示す配線６８ａ，６８ｂが電池１１の端子間電圧を検出するための配線を示し、配線６９，７２が電圧検出回路６と制御回路７との間で信号の送受信を行うための通信用接続部を示す。

検出された電池１１の端子間電圧値は、ＭＰＵ６１の内部機能によって特定周波数帯域の交流信号に変換され、ＭＰＵ６１の通信信号出力端子から配線６９及び電力供給線２を介して制御回路７へ送出される。このとき、この交流通信信号の基準電位を定めるために、ＭＰＵ６１の通信信号用接地端子には配線６９ｃが接続され、カップリングコンデンサ６３を介して、本例の組電池１を収納する電池ケースなどの接地点に接続されている。電池ケースなどの接地点は各電池１１において同一電位であることから、何れの電圧検出回路６においても通信信号出力端子Ｏｕｔから制御回路７へ送出される交流通信信号の基準電位が等しくなる。

また配線６９には、カップリングコンデンサ６２が設けられている。本例では、ＭＰＵ６１の通信信号出力端子Ｏｕｔと電力供給線２との間の配線６９にカップリングコンデンサ６２を設けることで電力供給線２を用いた通信を可能としている。すなわち、カップリングコンデンサ６２（上述したカップリングコンデンサ６３、９１も同様）は、直流成分を遮断して交流成分のみを通過させる機能を有する。したがって、直流電流と交流通信信号の混成信号は、カップリングコンデンサ６２を通過する際に直流成分が除去されて上述した基準電位の交流通信信号のみとなり、これが電力供給線２に送出される。これにより、各電池１１の電圧検出回路６から、組電池１における電池１１の配設位置に拘らず、同一電位の交流通信信号が電力供給線２に送出され、制御回路７において通信信号の認識が可能になる。

交流通信信号の周波数帯域は、電池１１を通過できる帯域が設定されており、さらにインバータ３の周波数帯域との干渉を避けるための帯域が設定されている。また当該交流通信信号の周波数帯域は、本例の電池接続状態判定装置が搭載される車両等が発生する信号の周波数帯域や、ノイズが信号にのりやすい帯域も避けることが好ましい。

制御回路７は、ＭＰＵ７１と、ＭＰＵ７１の通信信号出力端子および通信信号入力端子を電力供給線２に接続する配線７２と、ＭＰＵ７１の通信信号用接地端子を本例の組電池１を収納する電池ケースなどの接地点に接続する配線７４と、配線７２に設けられたカップリングコンデンサ７３とを有する。

ＭＰＵ７１は、上述した各電圧検出回路６により検出された各電池１１の端子間電圧値を取り込んで組電池１の電池容量を把握し、過充電や過放電を防止するための総括的制御を実行する。このため、各電圧検出回路６に対し、電池１１の電圧を検出する旨の指令信号を送出する。この指令信号は、上述したとおり、特定の周波数帯域の交流通信信号として生成される。そして、配線７２に設けられたカップリングコンデンサ７２によって直流成分が遮断され、電圧検出回路６と同じ基準電位の交流通信信号として電力供給線２に送出される。

ＭＰＵ７１は、各電圧検出回路６から送出されてきた各電池１１の電圧値に相当する交流通信信号を読み込み、当該交流通信信号に含まれる電池１１の固有識別子とともに電圧値を解析する。そして、所定の閾値以上に電池容量に差がある場合は、その対象とされる電池１１に相当する電圧検出回路６に指令信号を送出し、図示しない容量調整用抵抗に所定時間だけ電流を流すことにより、たとえば組電池１を構成する各電池１１の容量が均等になるよう制御する。

またＭＰＵ７１は、上述したＭＰＵ６１とＭＰＵ７１との間で行われる電力線通信と同様に、コントローラ９との間で、接続部８ａ及び接続部８ｂを介して、電力線通信を行う。そして、ＭＰＵ７１は、電力線通信により、電力供給線２に流れる交流通信信号から、組電池１とインバータ３等を含む電力負荷と間の接続状態を検出する。

ＭＰＵ７１は、電力線通信を行うために、コントローラ９に対して、キャリア信号である交流通信信号の送信を要求する。要求を受けたコントローラ９は、ＭＰＵ７１に対してキャリア信号を送信する。キャリア信号は、接続部８ａ、接続部８ｂを介して電力供給線２を流れる。ＭＰＵ７１は、当該キャリア信号を正常に受信できるか否かを判定することにより、接続部８ａ及び接続部８ｂの接続状態を判定する。すなわち、ＭＰＵ７１がキャリア信号を受信できない場合、接続部８ａ又は接続部８ｂが、例えばリレースイッチと電力線通信配線との端子部分での断線等により、切断されている可能性があり、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ又は接続部８ｂにおいて接続不良が生じていると判定する。

またＭＰＵ７１には、電力線通信が正常に行われている場合の基準となる信号波形が予め設定されており、当該基準信号波形と、コントローラ９から送信されたキャリア信号の受信信号波形とを比較し、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続状態を判定する。

図２及び図３は、接続部８ａ又は接続部８ｂにおいて、接続不良が生じた場合のキャリア信号の波形を示す。図２に示すように、キャリア信号の受信信号波形の一部が、不定期な波形を示し、波形が飛んでいる場合（点線部分参照）、言い換えると、他の周期的に変化する波形に対して、波形の立ち上がりが急な波形が非周期的に変化する場合、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続部分の緩みにより、接続点において接触と非接触の繰り返しが生じている可能性がある。また図３に示すように、キャリア信号の受信信号波形の一部において、振幅が小さくなっている、又は、波形が崩れている場合（点線部分参照）、言い換えると、他の周期的に変化する波形に対して、振幅が極端に小さい場合、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続部分が外れかけて、自続放電により通電している可能性がある。

図２及び図３に示すような特徴が受信波形に現れた場合、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ又は８ｂにおいて、接続の緩み、アーク放電が発生していると、それぞれ判定し、接続不良であると判定する。これにより、ＭＰＵ７１は、コントローラ９から送信されるキャリア信号から、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続状態を検出し判定することができる。

またＭＰＵ７１は、ＭＰＵ６１との間で行う電力線通信を利用して、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続状態を検出し判定する。すなわち、キャリア信号がノイズを含んでいる場合、当該信号の波形が乱れる可能性がある。そのため、ＭＰＵ７１は、ＭＰＵ６１からの受信信号も用いて、コントローラ９から送信されるキャリア信号が、接続部８ａ及び８ｂの接続状態の異常により乱れているのか、若しくはノイズにより乱れているのかを判定することで、より判定精度を高める。

ＭＰＵ７１は、電力線通信を行うために、ＭＰＵ６１に対して、キャリア信号である交流通信信号の送信を要求する。要求を受けたＭＰＵ６１は、ＭＰＵ７１に対してキャリア信号を送信し、キャリア信号は、電力供給線２を流れる。ＭＰＵ７１は、当該キャリア信号を正常に受信できるか否かを判定し、以下のように、最終的な接続部８ａ及び８ｂの接続状態を判定する。

ＭＰＵ７１とコントローラ９との間の電力線通信で受信信号に異常があり、ＭＰＵ６１とＭＰＵ７１との間の電力線通信で受信信号に異常がある場合、当該受信信号の波形はノイズにより乱れていると判断され、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ及び８ｂの接続状態は正常であると判定する。一方、ＭＰＵ７１とコントローラ９との間の電力線通信で受信信号に異常があり、ＭＰＵ６１とＭＰＵ７１との間の電力線通信で受信信号が正常である場合、ＭＰＵ６１とＭＰＵ７１との間は、正常に通信することができるため、ＭＰＵ７１とコントローラ９との間で異常が生じている可能性が高く、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ及び８ｂの接続状態が不良である、と判断する。

なおＭＰＵ７１は、コントローラ９に対して、電力線通信を利用して、制御信号を送信し、ＭＰＵ７１によりコントローラ９を制御することも可能あり、また同様に、コントローラ９は、ＭＰＵ７１に対して、電力線通信を利用して、制御信号を送信し、コントローラ９によりＭＰＵ７１を制御することも可能である。

次に、図４及び図５を用いて、本例の電池接続状態判定装置の制御手順を説明する。図４は、本例の電池接続状態判定装置の制御手順を示すフローチャートであり、図５は、ステップ３における、電力線通信の通信状態を判定するための制御手順を示すフローチャートである。

図４を参照し、本例の電池接続状態判定装置において、接続状態を判定するための制御が開始されると、ＭＰＵ７１は、電圧センサ１０１の検出電圧及び電流センサ１０２の検出電流から、組電池１の入出力電力を測定する（ステップＳ１）。そして、ステップ２にて、入出力電力が所定の値より大きい場合、本例の制御処理は終了し、入出力電力が所定の値より小さい場合、以下の制御処理を行う。組電池１の入出力電力が所定値より大きい場合、電力供給線２を流れる交流通信信号にノイズが入る可能性高いため、かかる場合、本例は、電力線通信による接続状態の判定を行わない。なお、ステップ２にて比較される所定の電力の値は、発生するノイズの大きさ、またはノイズによる電力線通信への影響度に応じて設定される。

次に、ステップＳ３にて、ＭＰＵ７１及びコントローラ９の間で電力線通信が行われ、第１の通信状態を判定する。図５を参照して、ＭＰＵ７１は、第１の通信状態を判定するために、コントローラ９にキャリア信号の送信を要求する（ステップＳ３１）。要求を受けたコントローラ９は、ＭＰＵ７１に向けて、電力供給線２にキャリア信号を流す。ステップＳ３２にて、ＭＰＵ７１は、キャリア信号を受信するか否かを判定する。キャリア信号を受信しない場合、ＭＰＵ７１は、通信状態に異常ありと判定する（ステップＳ３３）。

一方、キャリア信号を受信する場合、ＭＰＵ７１は、受信信号の波形と基準信号の波形を比較する（ステップＳ３４）。ここで、基準信号波形は、電力線通信が正常に行われる場合、ＭＰＵ７１が受信する信号波形を示す。基準信号は、予め設定さている信号でもよく、また受信された信号の中で、周期的に安定して変化する波形の部分を基準信号として設定してもよい。

ステップＳ３５にて、ＭＰＵ７１は、通信信号の波形に異常があるか否かを判定する。具体的には、当該基準信号の波形に対して、図２に示すように、波形の一部に不定期な波形を含む場合、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ又は接続部８ｂの端子の緩みが生じていると判定し、通信状態に異常ありと判定する（ステップＳ３６）。また当該基準信号の波形に対して、図３に示すように、波形の一部の振幅が小さい場合、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ又は接続部８ｂでアース放電が生じていると判定し、通信状態に異常ありと判定する（ステップＳ３６）。受信波形に異常がない場合、ＭＰＵ７１は、通信状態に異常なしと判定する。

図４に戻り、ステップＳ４にて、ＭＰＵ７１は、第１の通信状態に異常があるか否かを判定し、通信状態に異常がない場合、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ、８ｂの接続状態は正常であると判定し（ステップＳ９）、本例の制御処理を終了する。

一方、第１の通信状態に異常がある場合、ステップ５にて、ＭＰＵ６１及びＭＰＵ７１の間で電力線通信が行われ、第２の通信状態を判定する。ステップ５における通信状態の判定は、基本的には、ステップＳ３における第１の通信状態の判定と同様のため、省略する。

そして、ステップＳ６にて、ＭＰＵ７１は、第２の通信状態に異常があるか否かを判定し、第２の通信状態に異常がない場合、第１の通信状態のみが異常であることになるため、ＭＰＵ７１は、接続部８ａ、８ｂの接続状態が不良であると判定する（ステップＳ８）。ここで、本例の電池接続状態判定装置は、接続部８ａ、８ｂの接続状態が不良であると判定されると、例えば図示しないランプを点灯又は音声等により出力し、接続状態が不良である旨を操作者に報知する。一方、第２の通信状態に異常がある場合、第１の通信状態及び第２の通信状態が共に異常であることになるため、ＭＰＵ７１は、当該異常がノイズにより生じた通信異常であると判定し（ステップＳ７）、本例の制御処理を終了する。

上記のように、本例の電池接続状態判定装置は、監視装置５とコントローラ９との間で、接続部８ａ、８ｂを介して電力線通信を行い、交流通信信号に応じて、接続部８ａ、８ｂの接続状態を判定する。これにより、本例は、本来、制御部分の構成間の制御通信のために利用される電力線通信を、接続不良の検知のために利用するため、接続部８ａ、８ｂに別途センサを設けることなく、接続状態が不良になることを検出することができる。また本例は、交流信号の変化に基づいて接続状態の不良を検知するため、接続部分が完全に切断されていない状態で当該交流信号の波形が変化することによって、不完全な状態の接続不良を検出することができる。また本例は、接続状態を判定するためのキャリア信号を定期的に送受信することで、接続不良をリアルタイムに検出することができるため、接続部分が完全に外れる前に操作者に対して報知することができる。本例の電池接続状態判定装置を車両に搭載する場合、車両の振動により接続部８ａ、８ｂの接続状態が外れて、組電池１から電力負荷への強電電力供給が途絶される可能性を低減し、また操作者に対して事前に報知することができる。

また本例は、電圧検出回路６と制御回路７との間で、電力線通信を行い、交流通信信号に応じて、接続部８ａ、８ｂの接続状態を判定する。これにより、本例は、監視装置５とコントローラ９との間で行われる電力線通信の交流通信号と、電圧検出回路６と制御回路７との間で行われる電力線通信の交流通信信号とを比較して、接続状態を判定することができるため、ノイズの影響、通信不良などにより生じる交流通信信号の乱れを接続状態不良として誤って検知することを防止し、検知精度を高めることができる。

また本例は、組電池１から電池負荷への供給電力が、所定の電力より小さい場合に、上記電力線通信を行い、接続状態を判定する。これにより、ノイズ等が発生し易い環境を避けて、接続状態を判定することができる。

また本例は、交流通信信号の波形が不定期な波形である場合、接続部８ａ、８ｂの接続部分の緩みにより、接続点において接触と非接触の繰り返しが生じており、接続不良であると判定する。これにより本例は、接続部８ａ、８ｂの接続状態をより詳細に判定することができる。また本例は、接続部８ａ、８ｂにおいて、接続状態が完全に切断される前に、接続状態不良を検出することができるため、より検知精度を高めつつ、安全性の高い接続判定システムを提供することができる。

また本例は、交流通信信号の振幅が基準波形の振幅より小さい場合、接続部８ａ又は接続部８ｂの接続部分が外れかけて、自続放電により通電しており、接続不良であると判定する。これにより、本例は、接続部８ａ、８ｂの接続状態をより詳細に判定することができる。また本例は、接続部８ａ、８ｂにおいて、接続状態が完全に切断される前に、接続状態不良を検出することができるため、より検知精度を高めつつ、安全性の高い接続判定システムを提供することができる。

なお、本例は、制御回路７に含まれるＭＰＵ７１が、接続部８ａ、８ｂの接続状態を判定するが、コントローラ９が接続状態を判定してもよい。コントローラ９は、当該接続状態を検出するために、ＭＰＵ６１又はＭＰＵ７１に対してキャリア信号の送信要求をし、接続部８ａ、８ｂを介して電力供給線２に流れる交流通信信号の受信状態から、当該接続状態を判定する。

また本例は、第１の通信状態で通信異常と判定された際の信号波形と、第２の通信状態で受信された信号波形とを比較して、波形の違いから、ノイズによる通信異常であるか、接続状態の不良による波形の乱れかを判定してもよい。すなわち、ノイズにより波形が乱れる場合、第１の通信状態における受信波形及び第２の通信状態における受信波形は、同一または類似する波形ととるため、それぞれの波形を比較することで、より精度を高めて接続状態を判定することができる。

なお、本例の組電池１が本発明の「電池」に相当し、インバータ３及びモータ４が「電池負荷」に相当し、コントローラ９が「電池負荷制御部」に相当する。

１…組電池
１１…電池
２…電力供給線
３…インバータ
４…モータ
５…監視装置
６…電圧検出回路
６１…ＭＰＵ
６２、６３…カップリングコンデンサ
６８ａ、６８ｂ、６９…配線
７…制御回路
７１…ＭＰＵ
７２、７４…配線
７３…カップリングコンデンサ
８ａ、８ｂ…接続部
９…コントローラ
９１…カップリングコンデンサ
１０１…電圧センサ
１０２…電流センサ

Claims (5)

1. 電池と電力負荷と接続する接続部と、
   前記電池と前記電力負荷とを、前記接続部を介して電気的に接続する電力供給線と、
   前記電池を監視する監視部と、
   前記電池負荷を制御する電池負荷制御部とを有し、
   交流通信信号が前記電力供給線を流れることにより、前記接続部を介して、前記電池負荷制御部と前記監視部との間で通信を行い、
   前記監視部又は前記電池負荷制御部は、前記交流通信信号に応じて、前記接続部の接続状態を判定することを特徴とする
   電池接続状態判定装置。
2. 前記監視部は、
   前記電池の電圧を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された電圧検出結果を受信する制御部とを有し、
   前記検出部は、前記電圧検出結果を前記交流通信信号に変換して前記電力供給線を通じて前記制御部へ送信し、
   前記監視部又は前記電池負荷制御部は、前記検出部と前記制御部との間に流れる交流通信信号に応じて、前記接続部の接続状態を判定することを特徴とする
   請求項１記載の電池接続状態判定装置。
3. 前記監視部又は前記電池負荷制御部は、
   前記電池から前記電池負荷へ供給される電力が、所定の電力より小さい場合、前記通信を行うことを特徴とする
   請求項１又は２記載の電池接続状態判定装置。
4. 前記監視部又は前記電池負荷制御部は、
   前記交流通信信号が不定期な波形である場合、前記接続状態が不良であると判定することを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池接続状態判定装置。
5. 前記監視部又は前記電池負荷制御部は、
   前記接続状態が正常であることを示す基準波形を設定し、
   前記交流通信信号の振幅が前記基準波形の振幅より小さい場合、前記接続状態が不良であると判定することを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池接続状態判定装置。

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