JP2013094032A - 電池システム監視装置およびこれを備えた蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の単電池セル110を直列接続したセルグループ120を制御するセルコントローラIC100が、単電池セル100のバランシング放電を行うバランシングスイッチ108を単電池セル毎に備え、単電池セル110の端子間電圧を測定する電圧検出線SL1〜5には電圧入力抵抗101が直列に設けられ、バランシングスイッチ108とこれに直列に接続されたバランシング抵抗102とで構成されるバランシング放電回路が単電池セル100の正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続され、その接続点は、それぞれ電圧入力抵抗101よりセルグループ120側に設けられ、セルコントローラIC100はリーク検出スイッチ109をさらに備える。
【選択図】図9
Description
しかしながら、従来のセルコントローラICを備えた電池システム監視装置では、電流リークが発生したことを検出できなかった。
(2)請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電池システム監視装置において、電池システム監視装置は、単電池セルの端子間電圧に重畳するノイズを除去するためのコンデンサを単電池セル毎にさらに備え、コンデンサは、複数の電圧検出線の内の2つの電圧検出線の間、または電源線と複数の電圧検出線のいずれか1つの電圧検出線の間、またはグラウンド線と複数の電圧検出線のいずれか1つの電圧検出線の間に接続されることを特徴とする。
(3)請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の電池システム監視装置において、バランシング抵抗は、バランシングスイッチの正極側と、単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点との間に接続されることを特徴とする。
(4)請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の電池システム監視装置において、バランシング抵抗は、バランシングスイッチの負極側と、単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間に接続されることを特徴とする。
(5)請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の電池システム監視装置において、バランシング抵抗は、バランシングスイッチの負極側と、単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間、およびバランシングスイッチの負極側と、単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間にそれぞれ接続されることを特徴とする。
(6)請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、電池システム監視装置は、複数のセルグループと、この複数のセルグループを制御する複数のセルコントローラICと、この複数のセルコントローラICを制御するバッテリコントローラとを備えることを特徴とする。
(7)請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の電池システム監視装置において、セルコントローラICは、バッテリコントローラの指令により、リーク検出スイッチをオフとした時の単電池セルの端子間電圧である第1のセル電圧および、リーク検出スイッチをオンとした時の単電池セルの端子間電圧である第2のセル電圧を各単電池セルについて測定するリーク検出用の電圧測定を行い、バッテリコントローラは、第1のセル電圧と第2のセル電圧の差が所定の値以上であれば、電池システムにリークが発生していると判断することを特徴とする。
(8)請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の電池システム監視装置において、セルコントローラICは、バッテリコントローラの指令により、セルグループの全ての単電池セルのリーク検出用の電圧測定を行い、バッテリコントローラは、2つの隣り合って接続された単電池セルにおいて、上位の単電池セルでの第1のセル電圧が第2のセル電圧より所定の値(>0)以上大きく、下位の単電池セルでの第1のセル電圧が第2のセル電圧より所定の値(>0)以上小さい場合は、下位の単電池セルはリークが発生しているリーク発生セルであると判断するリーク判定部を備えることを特徴とする。
(9)請求項9に記載の発明は、請求項6に記載の電池システム監視装置において、セルコントローラICは、バッテリコントローラの指令により、セルグループの全ての単電池セルのリーク検出用の電圧測定を行い、バッテリコントローラは、2つの隣り合って接続された単電池セルにおいて、上位の単電池セルでの第1のセル電圧が第2のセル電圧より所定の値(>0)以上小さく、下位の単電池セルでの第1のセル電圧が第2のセル電圧より所定の値(>0)以上大きい場合は、上位の単電池セルはリークが発生しているリーク発生セルであると判断するリーク判定部を備えることを特徴とする。
(10)請求項10に記載の発明は、請求項8に記載の電池システム監視装置において、バッテリコントローラは、車両始動時に測定された単電池セルの第1のセル電圧と第2のセル電圧を用いて、車両稼働時に測定されるリーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された上位の単電池セルのそれぞれの第1のセル電圧から、リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された上位の単電池セルのそれぞれの実電圧を算出する電圧補正部を備えることを特徴とする。
(11)請求項11に記載の発明は、請求項9に記載の電池システム監視装置において、バッテリコントローラは、車両始動時に測定された単電池セルの第1のセル電圧と第2のセル電圧を用いて、車両稼働時に測定されるリーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された下位の単電池セルのそれぞれの第1のセル電圧から、リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された下位の単電池セルのそれぞれの実電圧を算出する電圧補正部を備えることを特徴とする。
(12)請求項12に記載の発明は、請求項7に記載の電池システム監視装置において、リークが発生したと判断された場合に、バッテリコントローラは、セルコントローラICを制御して、バランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする。
(13)請求項13に記載の発明は、請求項8に記載の電池システム監視装置において、バッテリコントローラは、セルコントローラICを制御して、リーク発生セルに隣り合って接続された上位の単電池セルのバランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする。
(14)請求項14に記載の発明は、請求項9に記載の電池システム監視装置において、バッテリコントローラは、セルコントローラICを制御して、リーク発生セルに隣り合って接続された下位の単電池セルのバランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする。
(15)請求項15に記載の発明は、請求項12乃至14のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、バランシングスイッチのデューティ比の所定の値は、電圧検出線に設けられた電圧入力抵抗の抵抗値と、単電池セルの過充電保護電圧値と、単電池セルのSOCが100%の場合の電圧値とから算出される値であることを特徴とする。
(16)請求項16に記載の発明は、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の電池システム監視装置と、電池システムとを備えることを特徴とする蓄電装置である。
(17)請求項17に記載の発明は、請求項16に記載の蓄電装置を備えることを特徴とする電動駆動装置である。
(18)請求項18に記載の発明は、請求項12乃至14のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、リークが発生したと判断された場合のバランシングスイッチのデューティ比の所定の値を算出する方法であって、この所定の値は、電圧検出線に設けられた電圧入力抵抗の抵抗値と、単電池セルの過充電保護電圧値と、単電池セルのSOCが100%の場合の電圧値とから算出される値であることを特徴とするバランシングスイッチの実効抵抗値の算出方法である。
(19)請求項19に記載の発明は、電池システムを構成する複数の単電池セルの端子間電圧であるセル電圧をそれぞれ測定するための電圧測定部と、この電圧測定部にセル電圧を入力するための電圧入力抵抗と、当該電圧入力抵抗と共にRCフィルタを構成するコンデンサと、当該電圧入力抵抗をバイパスするリーク検出スイッチとを各単電池毎に備えた電池システム監視装置の監視方法において、リーク検出スイッチをオフとした時のセル電圧である第1のセル電圧とオフとした時のセル電圧である第2のセル電圧とを測定し、第1のセル電圧と第2のセル電圧の差を検出して、コンデンサのリークの有無を判定することを特徴とする電池システム監視方法である。
(20)請求項20に記載の発明は、請求項19に記載の電池システム監視方法において、コンデンサにリークがあると判定された場合に、電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した第1のセル電圧および第2のセル電圧を用いて、電池システム監視装置を備えた車両の稼働時に当該コンデンサに対応する単電池セルの第1のセル電圧を補正することを特徴とする。
(21)請求項21に記載の発明は、請求項19または20に記載の電池システム監視方法において、電池システム監視装置は、バランシング放電抵抗と、バランシング放電電流のオンオフを制御するスイッチング素子とを備えた、複数の単電池セルの充電状態を揃えるためのバランシング放電を行うバランシング放電回路を備え、コンデンサにリークがあると判定された場合に、電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した第1のセル電圧および第2のセル電圧に基づいて、バランシング放電回路の実効抵抗値を制御するようにスイッチング素子を制御することを特徴とする。
(22)請求項22に記載の発明は、請求項19または20に記載の電池システム監視方法において、コンデンサにリークがあると判定された場合に、電池システムと直流電力の授受を行うインバータとの接続を遮断することを特徴とする。
なお、ここではループ状の通信回路を介して信号伝送を行う例を示しているが、双方向通信回路を用いて構成することも可能であり、この場合はシグナルアイソレータ202は不要となる。さらに、図示はしないが、バッテリコントローラ200からすべてのセルコントローラIC100へ並列に通信回路を接続し、パラレルに信号伝送を行うことも可能である。
ハイブリッド自動車に搭載される電池システム130は多くのセルあるいはセルグループが直並列に接続され、両端電圧が数100Vの高圧、高容量とした電池システムが一般的である。もちろんこのような高圧、高容量の電池システムに対しても本発明を適用することができる。
図2にセルコントローラIC100を用いたセル電圧検出のためのRCフィルタ回路と、バランシング回路の例を示す。ここでは、図1に示す1つのセルグループ120で、4個の直列接続されたの単電池セル110の正負極端子が電圧検出線SL1〜5を介してセルコントローラIC100のセル電圧入力端子(CV端子)105に接続されている。各々の電圧検出線SL1〜5には、RCフィルタを形成するセル電圧入力抵抗(Rcv)101が設けられている。また、各々のセルの正負極端子に接続された電圧検出線、すなわち2つの隣り合う電圧検出線の間にはコンデンサ103が接続され、RCフィルタを形成している。
なお、セル電圧入力抵抗(Rcv)101の抵抗値とバランシング抵抗(BS抵抗、Rb)の抵抗値もそれぞれRcv、Rbと表わす。
この明細書では、電圧検出線は、各単電池セルの正負極から、セルコントローラIC100内に設けられた、各単電池セルの端子間電圧を電圧測定回路(不図示)で測定するために電圧検出線を選択するマルチプレクサ(不図示)の入力までの配線を指す。
図3はRCフィルタ回路の他の例であり、RCフィルタのコンデンサ103がセルコントローラIC100のGND端子107に接続されるものである。図2のRCフィルタの方式では、4個のコンデンサに同じ容量のものを用いた場合、接続されるセルに対応したRCフィルタの実効コンデンサ容量が変わるので、単電池セル毎にRCフィルタびカットオフ周波数特性が異なる。周波数特性を同一にするにはRCの定数を各セル毎に変更する必要があった。図3の方式では、RCの定数は同一で良いが、コンデンサ103の耐圧は単電池セル4個分の電圧に耐えるように高くする必要がある。
図4はRCフィルタ回路のさらに他の例であり、コンデンサ103の接続点を直列電池の中点電位の電圧検出線(図4ではSL3)に接続するものである。この方式でも、各セルに接続されたRCフィルタの定数は同一となる。また、コンデンサ504の耐圧が図3のRCフィルタ回路の半分で済む利点がある。
このような回路構成の動作も図2〜4に示す回路構成と同様であり、以下の図2〜4を参照した説明から容易に分かるので、電圧検出線と電源線(VL)との間にコンデンサ103を接続する回路構成の図は省略する。
ここで、本発明による電池システム監視装置を備えた蓄電装置で用いる単電池セルの例としてリチウムイオン電池の特性について説明する。電池システム130を構成する複数の単電池セルのSOCがばらつく原因としては、各セルの自己放電速度のばらつき、充放電効率のばらつき、制御回路の動作時消費電流および停止時暗電流のばらつきなどのいろいろな要素があるが、乗用車に搭載される電池は比較的、放置期間が長いため、自己放電(自然放電)のばらつきが主となる。リチウムイオン電池の場合は、システム起動時に各単電池セルのOCV(開路電圧)を測定して、これから各単電池セルのSOCを算出する。OCVが高いとSOCも高いので、このOCVが高いセルのバランシング放電を行ってSOCを低減し、電池システム130を構成する複数のセルのSOCを揃えるようにする。
次に、リチウムイオン電池の過充電状態における挙動例を説明する。図5は、定電流でリチウムイオン電池を充電し、意図的に過充電状態とした場合の、SOCに対するセル電圧の変化とガス排出弁の動作を示す図である。図から明らかなように、SOCの上昇にともなってセル電圧が上昇し、SOCが280%程度で内圧が上昇してガス排出弁が動作している。このリチウムイオン電池では、SOCが230%以上でガス排出弁が動作する可能性があるため、SOC230%以上をガス排出弁作動領域とする。ガス排出弁作動領域の下限のSOCは、リチウムイオン電池の特性に大きく依存し、正極活物質、負極活物質、電解液組成などのいろいろな条件により異なる。図5に示すガス排出弁作動領域は一例を示したものである。
前述のように、リークはRCフィルタのコンデンサ劣化、セルコントローラIC100内に設けられたESD対策用のダイオード劣化、あるいはセルコントローラIC100の電圧検出端子付近の絶縁不良等で発生する可能性がある。以下ではこれらの中でRCフィルタのコンデンサでリークが発生したとして説明する。他の原因でリークが発生した場合も全く同様に理解することができ、以下で説明する本発明による電池システムの動作を適用することができる。
また、以下の説明では、図3に示すように、各電圧検出線SL1〜5とグラウンド線(GL)の間にRCフィルタのコンデンサ103がセルと並列に接続されている場合について説明する。なお、コンデンサ103にリークが発生したことにより検出電圧が低下したセルをリーク発生セルと呼ぶ。ただし、これはあくまで呼称であって、実際にこのセルがリークしていることを意味するものではない。
図6では説明を簡単にするため、直列に接続された4つの単電池セル(セル1〜セル4)でセル2正極に接続された電圧検出線(図6の例ではSL2)とグラウンド配線GLとの間に接続されたコンデンサ103にリークが発生したとする。これをコンデンサ103に並列に接続されたリーク抵抗(RL)131で表わす。なお、図6は、見易いように、図3のセルコントローラIC100内に設けられたバランシングスイッチ108を外に抜き出して示し、セルコントローラの記載を省略したものでる。
V2=Vc2−(Vc2+Vc3+Vc4)×Rcv/(Rcv+RL) ...(1)
リーク抵抗(RL)131に流れるリーク電流ILは、電圧検出線SL2の電圧入力抵抗Rcvにも流れ、この電圧入力抵抗Rcvによる電圧降下のため、電圧検出線SL2が接続されたCV端子の電位が低下し、電圧検出線SL2が接続されたCV端子間の電圧はセル2の実電圧より低く測定される。このため、セル2が接続された2つのCV端子間の検出電圧V2は低下する。
V1=Vc1+(Vc2+Vc3+Vc4)×Rcv/(Rcv+RL) ...(2)
式(2)に示されるように、セル2の正極に接続された電圧検出線SL2とグラウンド線GLとの間のリーク抵抗(RL)131で流れるリーク電流により、セル1のCV端子間電圧V1は逆に上昇し、実電圧Vc1より高い電圧値が測定される。
言い換えれば、リーク電流によりCV端子での電圧降下を生じるセル電圧入力抵抗Rcvが設けられた電圧検出線の上側のセルの検出電圧は上昇し、また、この電圧検出線の下側のセルの検出電圧が上昇することになる。
ここでは説明を簡単にするため、例として、最低電位のセル(セル12)、またはこの最低電位のセルから6番目のセル(セル7)、または最高電位のセル(セル1)のいずれかがリークを発生しているとしている。すなわち、最低電位のセル(セル12)と、この最低電位のセルから6番目のセル(セル7)と、最高電位すなわち最低電位のセル12番目のセル(セル1)の、いずれかの正極に接続された電圧検出線とグラウンド線との間に接続されたコンデンサ103でリークが発生した場合の、それぞれのセルの検出電圧をコンデンサ103のリーク抵抗(RL)131に対して示している。なお、図8ではRcv=33kΩとして計算している。
図8のセル12の曲線は単電池セル1個分(3.6V)の電圧に対して、検出されるセル電圧がリーク抵抗RLに対してどのように変化するか示している。すなわち、この場合は式(1)で、V3=V4=0とした場合の、V2を示している。
また、セル7(不図示)の曲線は単電池セル6個分の電圧(3.6×6=21.6V)に対するリーク電流による電圧降下の様子を示している。さらに、セル1の曲線は、セル1の正極に接続された電圧検出線(SL1)とグラウンド線(GL)との間の12個分のセルの電圧(3.6×12=43.2V)に対するリーク電流による電圧降下の様子を示している。
もしもこのリークが、ある時点で突然発生した場合、セル電圧の検出値は2V以下となって2Vの過放電検出電圧を下回り、過放電として異常を検出される可能性がある。リークが発生して電圧が低く検出されたセルの一つ上位のセルは、逆に電圧が高く検出されるので、ある時点で突然リーク発生した場合、過充電としても異常が検出される可能性がある。
図9は、本発明による電池システム監視装置でリーク検出を行うための回路構成を示す図である。ここでも簡単のため、4個の単電池セルからなるセルグループの場合を例として示す。図3の回路との違いは、セルコントローラIC100内に、セル電圧入力用RCフィルタの抵抗であるセル電圧入力抵抗(Rcv)101をバイパスするリーク検出スイッチ109が内蔵されている点である。このリーク検出スイッチ109はセルコントローラIC100内で、バランシング電流を通電制御するバランシングスイッチ108に接続されている2つのバランシング線(BL)の内、このバランシングスイッチ108に対応したセルの正極側に接続されたバランシング線に接続されている。
また、コンデンサ103に全くリークがない状態、すなわちコンデンサの絶縁抵抗がほぼ無限大の場合には、リーク検出スイッチ109がオン・オフの場合のどちらでもリークが無い状態での正常なセル電圧(=実電圧)が検出される。これは前述の式(1)、(2)で、RL≫Rcvとすれば、それぞれV2=Vc2、V1=Vc1となることから明らかである。
したがって、リーク検出スイッチ109のオンの時のセル電圧とオフの時のセル電圧の差(=検出電圧差)を検出することにより、リークが発生しているかどうかを判定することができる。
なお、セル電圧の測定はセルコントローラIC100で行われるが、このセル電圧の測定結果は上位のコントローラであるバッテリコントローラ200に送信され、検出電圧差の算出や、この検出電圧差に基づくリーク有無の判定、さらにはリーク抵抗やリーク電流の算出等はこのバッテリコントローラで行われる。
以上で本発明による電池システム監視装置を用いたリーク検出の方法について説明した。このリーク検出の方法を用いてリークが発生したコンデンサ103を特定することができる。あるいは、既に説明したように、リーク発生はコンデンサ103に限らず、セルコントローラIC100内に設けられた、各単電池セルの端子間電圧を測定するために電圧検出線を選択するマルチプレクサ(不図示)の入力端子まで配線やESD対策用ダイオード等でリークが発生した場合にも同様に検出することができる。
以下では例として、図9に示すように、RCフィルタのコンデンサ103が電圧検出線(SL1〜SL5)とグラウンド線(GL)との間に接続されている場合と、図11に示すように、単電池セルの正負極にそれぞれ接続された2つの隣り合う電圧検出線の間に、RCフィルタのコンデンサ103が接続されている場合について説明する。なお、図9に示す回路は、図3に示す回路にリーク検出スイッチ109を追加した構成であり、図11に示す回路は、図2に示す回路にリーク検出スイッチ109を追加した構成となっている。また、以下の説明では簡単のため、図9および図11に示すように、4個の単電池セルが直列に接続されたセルグループの構成の例で説明する。5個以上の単電池セルで構成されたセルグループ、たとえば図8で説明したような12個の単電池セルのセルグループであっても以下で説明するリーク検出方法は同様に適用できる。
図6で説明したように、リーク電流により電圧降下を生じるセル電圧入力抵抗Rcvが設けられた電圧検出線の上側のセルの検出電圧は上昇し、また、この電圧検出線の下側のセルの検出電圧が上昇する。
セル電圧の検出では、マルチプレクサ(不図示)を駆動して電圧を検出するセルの正負極に接続された2つの電圧検出線を選択し、この2つの電圧検出線の電位がマルチプレクサから電圧測定回路(不図示)に送られて電圧が測定される。このセル電圧の測定の際、リーク検出スイッチ109をオフにした電圧測定とオンにした電圧測定の両方を行う。この電圧測定動作をセル1〜セル4に対して行う。
なお、コンデンサ103にリークがない場合、すなわち電池システムが正常な場合は、V1off〜V4offはそれぞれV1on〜V4onと等しく、それぞれセルの実電圧Vc1〜4が検出される。
実電圧は、電池システムあるいは単電池セルが通常の状態では、たとえば3.0〜4.2V(平均出力電圧:3.6V)の範囲となるように、各単電池セルは充放電されて、これらの残存容量(SOC)が管理される。したがって、検出電圧が、たとえば3.0〜4.2Vの範囲に入っていれば、正常であると判断される。
なお、リーク検出スイッチは通常の電池システムの動作状態ではオフとされている。
V1off=Vc1+(Vc2+Vc3+Vc4)×Rcv/(Rcv+RL) ...(3)
V1on=Vc1 ...(4)
となる。
セル2のコンデンサ103すなわち電圧検出線SL2とグラウンド線GLとの間に接続されたコンデンサ103のリークによって、電圧検出線SL2に設けられたセル電圧入力抵抗(Rcv)101に流れるリーク電流により、電圧検出線SL2に接続された電圧入力端子(CV端子)の電位が降下している。したがって、V1offはセル1の実電圧Vc1より高い電圧が検出されることになる。
リークによる電圧降下がそれほど大きくなく、V1offが正常電圧範囲にある場合は、V1offだけでは、この検出電圧が正常かどうかの判断はできないが、V1on=Vc1となり、V1offがV1onより大きい電圧となることから、セル2のコンデンサ103でリークが発生していると判断できる。
V2off=Vc2−(Vc2+Vc3+Vc4)×Rcv/(Rcv+RL) ...(5)
V2on=Vc2 ...(6)
となる。
セル2のコンデンサ103のリークにより、電圧検出線SL2のセル電圧入力抵抗(Rcv)101で電圧降下が発生し、セル2の検出電圧は実電圧Vc2より低くなる。
リークによる電圧降下がそれほど大きくなく、V2offが正常電圧範囲にある場合は、V2offだけでは、セル1の場合(上記1))と同様に、この検出電圧が正常化どうかの判断はできないが、V2on=Vc2となり、V2offがV2onより小さい電圧となることから、セル2のコンデンサ103でリークが発生していると判断できる。
V3off=V3on=Vc3 ...(7)
V4off=V4on=Vc4 ...(8)
となる。
これらのセル3、セル4のセル電圧の検出には、セル2のコンデンサ103のリークは影響しない。すなわち、コンデンサ103にリークが無い場合は、これらのセルの実電圧が、リーク検出スイッチオフまたはオンで検出される。
a)すなわち、あるセルでリーク検出スイッチをオフにした時の検出電圧Voffあるいはリーク検出スイッチをオンとしたときのセルの検出電圧Vonが正常電圧であっても、Voff>Vonである場合は、このセルの下位のセルの電圧検出用RCフィルタのコンデンサにリークが発生していると判断される。
b)あるいは、VoffあるいはVonが正常電圧であっても、Voff<Vonである場合は、このセルの電圧検出用RCフィルタのコンデンサにリークが発生していると判断される。
c)言い換えれば、セル1〜4のセル電圧を上記のように連続して検出すると、あるセルでVoff<Vonとなり、このセルの次のセルでVoff>Vonとなる場合は、この2つの連続したセルの間の電圧検出線に接続されたコンデンサにリークが発生していると判断される。
たとえば、図11のように、セル2の正負極それぞれに接続された2つの隣り合う電圧検出線の間に接続されたコンデンサ103にリークが発生したとする。図9の場合と同様に、このリーク発生はリーク抵抗RLとして図示されている。また、図9の場合と同様に、各セルのセル電圧V1〜V4の測定において、それぞれリーク検出スイッチ109をオフまたはオンとしたセル電圧が測定されるが、リーク検出スイッチ109がオフの場合のセル電圧をV1off〜V4offとし、リーク検出スイッチ109がオンの場合のセル電圧をV1on〜V4onとする。また、セル1〜4の実電圧をVc1〜4とする。
なお、セル2のコンデンサ103にリークがない場合、すなわち電池システムが正常な場合は、上記で説明した図9の場合と同様に、V1off〜V4offはそれぞれV1on〜V4onと等しく、それぞれセルの実電圧Vc1〜4が検出される。
図12は、図11のセル1〜3の部分のみを抜き出して簡略化して示したものである。また、リーク検出スイッチは省略されており(すなわちV1off〜V3offのみ測定する構成となっている)、また、見易いように、図6、図8と同様に、バランシングスイッチ(BSW)108は、セルコントローラIC100から外部に引き出した状態で示してある。
言い換えれば、リーク電流によりCV端子での電圧降下を生じるセル電圧入力抵抗Rcvが設けられた電圧検出線の上側のセルの検出電圧は上昇し、リーク電流でCV端子での電圧上昇を生じるセル電圧入力抵抗Rcvが設けられた電圧検出線の下側のセルの検出電圧とは共に上昇することになる。
1)セル1のセル電圧を測定した場合:
V1off=Vc1+Vc2×Rcv/(2×Rcv+RL) ...(9)
V1on=Vc1 ...(10)
すなわち、V1off>V1onとなる。
2)セル2のセル電圧を測定した場合:
V2off=Vc2×RL/(2×Rcv+RL) ...(11)
V2on=Vc2 ...(12)
すなわち、V2off<V2onとなる。
3)セル3のセル電圧を測定した場合:
V3off=Vc3+Vc2×Rcv/(2×Rcv+RL) ...(13)
V3on=Vc3 ...(14)
すなわち、V3off>V3onとなる。
4)セル4のセル電圧を測定した場合:
V4off=V4on=Vc4 ...(15)
となる。
a)ある2つの連続して接続されたセルの内の上位のセルで、リーク検出スイッチをオフにした時の検出電圧Voffあるいはリーク検出スイッチをオンとしたときのセルの検出電圧Vonが正常電圧であっても、Von>Voffであり、このセルの下位のセルでVon<Voffである場合は、下位のセルの電圧検出用RCフィルタのコンデンサにリークが発生していると判断される。
b)ある2つの連続して接続されたセルの内の上位のセルで、リーク検出スイッチをオフにした時の検出電圧Voffあるいはリーク検出スイッチをオンとしたときのセルの検出電圧Vonが正常電圧であっても、Von<Voffであり、このセルの下位のセルでVon>Voffである場合は、上位のセルの電圧検出用RCフィルタのコンデンサにリークが発生していると判断される。
b)ある3つの連続して接続されたセルの内の最上位および最下位のセルで、リーク検出スイッチをオフにした時の検出電圧Voffあるいはリーク検出スイッチをオンとしたときのセルの検出電圧Vonが正常電圧であっても、それぞれVon>Voffであり、また、中央のセルでVon<Voffである場合は、中央のセルの電圧検出用RCフィルタのコンデンサにリークが発生していると判断される。
この所定の大きさは、電圧測定回路の測定分解能、測定電圧に重畳しているノイズの大きさ、および、このノイズを除去するRCフィルタのフィルタ定数、さらには電圧測定回路でもノイズ除去を行う場合はこのフィルタ定数等によって決定されるが、詳細は省略する。
なお、上記で説明したリーク検出およびリーク箇所の特定は、セルコントローラIC100で測定された、リーク検出スイッチのオフ/オンでのセル電圧の測定結果に基づき、バッテリコントローラで行われる。
後述するが、単電池セル110の端子間電圧が正確に測定されないと、電池システムの充放電や各単電池セルのバランシング放電が正常に行われず、電池システムの複数の単電池セルの残存容量(SOC)のばらつきが解消されないだけでなく、単電池セルの過充電や過放電が発生する可能性がある。したがって、前述のように、電池システムを効率良く充放電することができないだけでなく、過充電の場合には単電池セルの発熱等を発生する可能性がある。
ここでも、電圧検出線とグラウンド線との間にコンデンサが接続されている場合と、2つの隣り合う電圧検出線の間にコンデンサが接続されている場合のちらでも実電圧の算出が可能である。
なお、このようなセル電圧の補正は、あくまでもリークが徐々に進行する場合であるので、上記のリーク検出によって、リークが発生していると判断される場合は、アラーム等を発生して車両の運転者に通知することや、後述するリークによる過充電対策など、あるいはリークが大きい場合は、正極側コンタクタ310および負極側コンタクタ320(図1参照)をオフとして、電池システムとインバータとの接続を遮断する等の保護動作を行う。ただし、これらの説明はここでは省略する。
この方法は、上記の式(3)〜(8)を用いて、車両の稼働中での、たとえばリークが発生したコンデンサ103のリーク電流によってセルの検出電圧と実電圧に差が生じるセルでの実電圧の算出を行うものである。ここでも図6、図9で説明したように、電圧検出線SL2とグラウンド線(GL)の間に接続されたコンデンサ103にリークが発生しているとして説明する。この場合、このコンデンサ103のリークによって検出電圧と実電圧とで差が生じるセルはセル1とセル2である。これ以外のセルは、リーク検出スイッチのオフ/オンに拘わらず、検出電圧と実電圧は等しくなる。
したがって、以下ではセル1およびセル2の実電圧を算出する方法を説明する。まず、リークが発生しているコンデンサ103に対応したセル2(リーク発生セル)の実電圧を算出し、この結果を用いてセル1の実電圧を算出する。
V2off (0)=Vc2(0)−
(Vc2(0)+Vc3(0)+Vc4(0))×Rcv/(Rcv+RL) ...(16)
V2on (0)=Vc2(0) ...(17)
V3off (0)=V3on (0)=Vc3(0) ...(18)
V4off (0)=V4on (0)=Vc4(0) ...(19)
なお、上記で説明したように、リークは急激に進行しないので、リーク抵抗RLはここで一定としている。
RF=(V2on (0)−V2off (0))
/(V2on (0)+V3on (0)+V4on (0)) ...(20)
RF=Rcv/(Rcv+RL) ...(21)
IL=(Vc2(0)+Vc3(0)+Vc4(0))/(Rcv+RL)
=(V2on (0)−V2off (0))/Rcv ...(22)
電池システムにインバータ等の負荷が接続された、車両の稼働状態では、リーク検出スイッチ109はオフとされるので、式(5)に対応する電圧測定のみ行われる。この車両が稼働状態で算出されるセル電圧V2off、Vc2、Vc3、Vc4の右肩に(t)を付けて表わす。
V2off (t)=Vc2(t)−
(Vc2(t)+Vc3(t)+Vc4(t))×RF ...(23)
V2(t)=Vc2(t)−
(Vc2(t)+V3(t)+V4(t))×RF ...(24)
すなわち、式(24)でV2(t)、V3(t)、V4(t)は、リーク検出スイッチ109がオフの状態で測定される実測値であり、Vc2(t)はV2(t)に対応するセル2の実電圧である。この式(24)から、セル2の実電圧Vc2(t)は以下の式(25)で求められる。
Vc2(t)=(V2(t)+(V3(t)+V4(t))×RF)/(1−RF)
...(25)
セル1の検出電圧V1(t)と実電圧Vc1(t)はの関係は、式(3)、(4)から上記と同様に、式(26)で表わされる。
V1(t)=Vc1(t)+(Vc2(t)+V3(t)+V4(t))×RF
...(26)
これを変形した式(27)で、実電圧Vc1(t)を算出することができる。
Vc1(t)=V1(t)−(Vc2(t)+V3(t)+V4(t))×RF
...(27)
式(27)ではV1(t)、V3(t)、V4(t)が測定値(セル電圧の検出値)であり、Vc2(t)は上記の式(25)で求められる値であるので、これらによりセル1の実電圧Vc1(t)が求められる。
この方法も、上記の電圧検出線とグラウンド線との間にコンデンサが接続されている図11の場合と同様に、車両の稼働中でのセル1〜3の実電圧を算出するものである。ここでも、図11、図12で説明したように、電圧検出線SL2とSL3の間に接続されたコンデンサ103にリークが発生しているとして説明する。この場合に検出電圧が実電圧と異なるのは、この2つの電圧検出線SL2とSL3を電圧検出線として用いているセル1〜セル3であり、これ以外のセルの検出電圧は、リーク検出スイッチのオフ/オンに関係無く実電圧と等しくなる。
まず、リークが発生しているコンデンサ103に対応したセル2(リーク発生セル)の実電圧を算出し、この結果を用いてセル1の実電圧を算出する。
V2off (0)=Vc2(0)×RL/(2×Rcv+RL) ...(28)
V2on (0)=Vc2(0) ...(29)
ここでRF=Rcv/RL(上記の式(21)とは異なる)とすると、式(28)は、
V2off (0)=V2on (0)/(2×RF+1) ...(30)
RF=Rcv/RL ...(31)
となり、式(30)から、
RF=(V2on (0)−V2off (0))/V2off (0) ...(32)
としてRFが求められる。
IL=Vc2(0)/(2×Rcv+RL)
=V2off/RL ...(33)
電池システムにインバータ等の負荷が接続された、車両の稼働状態では、リーク検出スイッチ109はオフとされるので、式(11)に対応する電圧測定のみ行われる。この車両が稼働状態でのセル電圧V2off、Vc2を右肩に(t)を付けて表わし、式(31)のRFを代入すると、
V2off (t)=Vc2(t)/(2×RF+1) ...(34)
したがって、
さらに、電圧検出が全てリーク検出スイッチオフで行われるので、添字offを省略して、
V2(t)=Vc2(t)/(2×RF+1) ...(35)
となるので、セル2の実電圧Vc2(t)は
Vc2(t)=V2(t)×(2×RF+1) ...(36)
として求められる。
セル1の検出電圧V1(t)と実電圧Vc1(t)の関係は、式(9)、(10)から上記と同様に、式(31)のRFを用いて、以下の式(37)で表わされる。
V1(t)=Vc1(t)+Vc2(t)×RF/(2×RF+1) ...(37)
これを変形した式(38)により、セル1の実電圧Vc1(t)を算出することができる。
Vc1(t)=V1(t)−Vc2(t)×RF/(2×RF+1) ...(38)
なお、Vc2(t)は式(36)で算出されている。
式(9)、(10)と式(13)、(14)は実質的に同等であるので、セル3の実電圧Vc1(t)も、式(38)と同等の式(39)で算出できる。
Vc3(t)=V3(t)−Vc2(t)×RF/(2×RF+1) ...(39)
なお、セル1の場合と同様に、Vc2(t)は式(36)で算出されている。
また、以上で説明したリーク検出スイッチ109のオフ/オンでの検出電圧差を用いて、車両が稼働中における検出電圧を補正して実電圧を算出する動作は、バッテリコントローラ200で行われる。
また、実際の回路では、図13に示されるような、バランシング抵抗102がバランシングスイッチ108の正電位側に配置される場合、あるいは、図14に示されるような、バランシング抵抗102がバランシングスイッチ108の正電位側と負電位側の両側に分割して配置される場合も考えられる。
通常、バランシング抵抗102は最大で数〜数十mAオーダーの電流を流すために、数十Ωオーダーの抵抗値が用いられる。また、10kHzオーダーのインバーターノイズを充分に減衰させるため、セル電圧入力用のRCフィルタのカットオフ周波数は100Hz以下に設定される。RCフィルタのコンデンサの容量を大きくすると、コストが高くなり面積も増えるので、RCフィルタの抵抗値は一般的にkΩオーダーの値が設定される。従って、バランシング抵抗102はRCフィルタの抵抗(Rcv)101に比べて十分小さい。よって、リーク検出スイッチ109をオフとして測定したセル電圧測定値と、リーク検出スイッチ109をオンとして測定したセル電圧測定値の差が、リーク電流により発生する電圧検出誤差と見てもかまわない。
したがって、図13あるいは図14のような回路の場合でも、電圧検出誤差を発生させるレベルのリーク電流が流れているかどうか、リーク検出スイッチ109をオンとオフの状態で測定したセル電圧値から判断する事ができる。
上記で説明したように、セルコントローラIC100のセル電圧入力端子に設けられたRCフィルタのコンデンサ劣化、セルコントローラIC100内に設けられたESD対策用のダイオード劣化、あるいはセルコントローラIC100の電圧検出端子付近の絶縁不良等の種々の原因によるリークが発生すると、セル電圧は実電圧からずれた電圧値がセル電圧としてセルコントローラIC100の電圧測定回路(不図示)で検出される。すなわちセル電圧の誤検出が発生する。
上記では、図3あるいは図2に示すRCフィルタ回路を備えた構成の電池システム監視装置に対し、図9および図11に示す構成を備えた本発明による電池システム監視装置のように、さらにリーク検出スイッチ109をセルコントローラIC100内に設けることにより、このセル電圧が誤検出されていること、すなわちリークが発生していることを検出することが可能な電池システム監視装置について説明した。また、このリーク検出が可能な本発明による電池システム監視装置を用いて、車両稼働中の誤検出されたセル電圧の補正方法について説明した。
リークが発生すると、セル電圧の誤検出だけでなく、この誤検出されたセル電圧を上記で説明したように補正を行わないと、単電池セルが過充電となる可能性がある。特に、たとえば、リークは進行してくると、そのリーク抵抗の低下速度は大きくなることがあり、また環境温度によっても低下することがある。このような場合、車両の始動時でのリーク抵抗から車両の稼働中のリーク抵抗が低下する可能性がある。
この場合は、車両の始動時でのリーク検出スイッチ109のオフ/オンでの検出電圧差を用いたセル電圧の補正量が不足する可能性がある。セル電圧の補正量が不足すると、検出されるセル電圧は実電圧より高くなるので、この検出されたセル電圧に基づくバランシング放電量が不足する。このバランシング放電電流の不足分は検出されないので、電池システムの充放電動作が行われると過充電となる可能性がある。
以下では、図2に示す回路構成を備えた電池監視装置に、さらにリーク検出スイッチを設けた構成(図11)を備えた本発明による電池監視装置を例にして、本発明による電池監視装置を用いたバランシング放電制御について説明する。
なお、上記の説明で分かるように、この方法は、前述のセル電圧の補正を行わない場合や、セル電圧の補正が不足すると思われる場合に適用すると、過充電を避ける有効な方法となる。以下では、前述のセル電圧の補正を行わないことを前提に説明する。
図12は、図2に示す回路構成の一部を分かり易く示したものである。バランシングスイッチ(BSW)は、見易いようにセルコントローラIC100から引き出されて示してある。
図15は、簡単のため、たとえば、Vc1=Vc2=Vc3=3.6V、Rcv=30kΩとした場合に、リーク抵抗(RL)の抵抗値と検出されるセル電圧の関係を示す。図15に示すように、リーク抵抗が小さくなるほど、リークが発生したセル(セル2)の検出電圧が低くなる。逆に、リークが発生したセルの上下のセル(セル1、セル3)では、セルの検出電圧は高くなる。この例では、リーク抵抗(RL)131の抵抗値が100kΩまで低下した場合、3.6Vの実電圧はリークを発生したセルの端子間電圧の検出値は2.25Vとなり、リークを発生したセル(セル2)の上下のセル(セル2、3)での端子間電圧の検出値は4.2Vを超える電圧として検出される。
したがって、この過充電保護電圧は、発熱の問題が起きないような余裕をもった電圧に設定する。この電圧はリチウム電池の組成や構造によって異なるので、上記の4.35Vはあくまであるリチウムイオン電池での例である。また同様に過放電保護電圧もあるが、ここでは説明は省略する。
リーク抵抗(RL)131の抵抗値が300kΩの場合、端子間電圧の測定で3.6Vが検出されていても、リークの発生しているセルの実電圧は4.35Vとなっている。さらにリーク抵抗RLが100kΩまで低下した場合には、リーク発生セルの実電圧は約5.8Vに達する可能性がある。
しかしながら、バランシング抵抗102とセル電圧入力抵抗101が適切な値に設定された、本発明による組電池の監視装置を用いることにより、セルの実電圧が過充電保護電圧以上とならないようにすることができる。以下、このバランシング抵抗102とセル電圧入力抵抗101の抵抗値の設定について説明する。
図12、図15、図17を参照してリーク発生時のバランシング放電について説明する。
図15は、たとえば、図12のセル2の電圧検出線SL2、SL3が接続された、2つのセル電圧入力端子105の間でリークが発生し、その上下のセル1、セル3で高い電圧が検出された場合を示している。ただし、ここではセル1〜3は、全て同程度の実電圧(=3.6V)になっているとする。またRcv=30kΩとして計算してある。
式(2)、(3)で説明したように、セル1、セル3では実電圧が3.6Vであるが、リーク抵抗(RL)131の抵抗値が小さくなると、検出される電圧は高くなる。またセル2の検出電圧は逆に低くなるが、セル2での検出電圧の低下の大きさはセル1、セル3での検出電圧の増加の大きさより大きい。検出電圧があまりに低い場合には、過放電状態であるとして判断されて警告が発せられ、電池システムの使用停止等の対応が行われる。しかし、過放電の場合は過充電の場合のような発熱やセル内部の圧力増大等の問題は発生しない。ここでは過充電となるような動作とこれを防ぐための本発明による電池システム監視装置の動作について説明する。
バランシング放電時間は、検出されたセル電圧とバランシング抵抗で算出されるバランシング電流とこのセルのSOCに基づいて算出される。なお、算出方法については種々の方法があるが、ここでは説明は省略する。ただし、上記で簡単に説明したバランシング電流を積算するような方法のように、端子間電圧は正確に求める必要がある。
バランシング放電がセルの実電圧でなく、検出された電圧に基づいて行われるので、算出されたバランシング電流は、実電圧に基づくものに比べ、約8.3%(3.9V/3.6V=1.083)大きくなる。この状態で放電を行うと、予定した電流量が放電されないので、放電終了後のこのセルの電圧は当初予定した電圧まで低下せず、放電終了後に検出される電圧は、バランシング未達の状態であるやや高めの電圧となる。この高めの電圧が検出されると、再度バランシング放電が行われ、結局検出された電圧ばらつきを解消するようなバランシング放電が行われる。
当初検出されたセル電圧で1回目のバランシング放電を行っても、実電圧のΔVは直線A(ΔV1)から直線B(ΔV2)までしか低下しない。バランシング放電未達となった電圧(ΔV2)分は、次回のセルの端子間電圧測定時に検出され、さらにバランシング放電される(2回目のバランシング放電)。このようにして、検出電圧に基づくバランシング放電が行われ、結局検出電圧に基づくセル電圧のばらつきΔVだけ実電圧も低下することになる。
図18は、リーク電流とバランシング電流の関係により、リークが発生しているセルの端子間電圧の実電圧がどの程度まで上昇する可能性があるかを示している。ただし、ここでは最初全てのセルの端子間電圧が実電圧で4.1V、すなわち通常100%のSOCに対応する電圧になっているとしている。また、セル電圧入力抵抗(Rcv)101は、100kΩとしている。
図12での記載に合わせて、リーク電流(IL)132は、以下の式(40)で算出される。
IL=Vc2/(2×Rcv+RL) ...(40)
なお、これは、上記の式(33)と等価であり、式(33)の添え字(0)とoffを省略したものである。
ただし、リーク電流を算出するために、図18の横軸は純粋なリーク抵抗RLでなく、リーク放電抵抗2×Rcv+RLとしているので、横軸が200kΩの所で、RL=0Ωとなり、これが最大のリーク電流となる。
リーク電流ILは、リーク抵抗RLが小さいほど増加し、リーク放電抵抗2×Rcv+RLが512kΩの所でバランシング電流と交差する。リーク抵抗(RL)131は、この交差点で約312kΩとなる。
V(F、R)=V(F、D)×(Rbef+Rcv)/Rbef ...(41)
ここでRbef=2×Rcv+RLとなっている。
図18および図19に示されている、リーク発生セルの実電圧はこの式(39)で表わされるものである。
図18では、リーク抵抗は図右側の大きな値から始まり、左側に進んでゆくが、リーク放電抵抗が512kΩまでは、リークが発生しているセルの実電圧が増加する。512kΩ以下になるとリーク電流の方が、バランシング電流より大きいので、リーク発生しているセルの実電圧は逆に低下する。
したがって最も高い実電圧が発生する可能性のある場合は、リーク抵抗が312kΩ(リーク放電抵抗が512kΩ)となる場合で、この場合は図18の上側に示す電圧到達可能限界まで電圧が上昇する可能性がある。
上記の説明で分かるように、リークが発生したセルの実電圧の最大到達電圧を4.30Vとするには、最大到達電圧が4.30Vとなるリーク放電抵抗4000kΩでリーク電流ILの直線とバランシング電流の直線が交差するようにすればよい。
バランシングスイッチ108に実効抵抗値Refが、このリーク放電抵抗4000kΩとなるように、バランシングスイッチのデューティを制御すればよいことになる。
式(41)のV(F、D)は、単電池セルがSOC=100%の時の電圧になるので、これをさらにVFとする。またV(F、R)は、それ以上の電圧とならないようにするための、図18、19に示す到達最大電圧であり、これをVmaxとする。すなわち式(41)をこれ等価な式(42)で表わす。
Vmax=VF×(Rbef+Rcv)/Rbef ...(42)
ただし、ここでVmax=V(F、R)、VF=V(F、D)、Rbef=実効バランシング抵抗である。
Rbef=Rcv×VF/(Vmax−VF) ...(43)
Vmaxは前述の過充電保護電圧、VFはSOC100%のセル電圧、Rbefは実効バランシング電圧すなわちRbef=Rb×デューティ比である。
このRcvの抵抗値に対応する実効バランシング抵抗をRbef式(43)から求められる値以上とすれば、リーク発生したセルにおける実電圧を過充電保護電圧Vmax以下とすることができる。
また、通常、バランシング抵抗は、電池システムを構成する複数の単電池セルの端子間電圧のばらつきを速やかに揃えられるようにできる限り大きなバランシング電流となるように設定される。また、同時にこのバランシング電流によるバランシング抵抗やバランシングスイッチでの発熱によるセルコントローラC100の温度上昇が所定の温度以下となるように設定される。さらに、環境温度も考慮して、バランシングスイッチのオン/オフのデューティ比を変更し実効バランシング抵抗Rbefを可変とすることも可能である。
ここで、上記で説明したように、セルコントローラIC100の電圧測定回路の入力側のどこかでリークが発生した場合、高い端子間電圧が検出されたセルのデューティ比を上記で説明したように変更して、上記の式(43)で設定される実効バランシング抵抗の値に設定することにより、リーク発生時の過充電を避けることができる。
すなわち、リーク発生がない場合のバランシングスイッチのデューティ制御と、リーク発生した場合のバランシングスイッチのデューティ制御を切り替えることで、単電池セルの過充電を避け、電池システムの安全かつ安定した稼働を実現することができる。
セルグループ120の複数の単電池セル110の最上位(高電位側)あるいは最下位(低電位側)でリークが発生した場合には、最上位のセルの隣の下位のセル、あるいは最下位のセルの隣の上位のセルに対して、上記の説明と同様な方法が適用できることは、式(2)あるいは(3)の説明で明らかである。
尚、上記のバランシング放電の説明では、RCフィルタのコンデンサは図2に示すようにセルコントローラIC100の電圧検出端子(CV端子)間に接続されると想定されているが、RCフィルタのコンデンサがセルコントローラIC100のグラウンド(GND)に接続される場合(RCフィルタ回路の変形例1、図3)、あるいはセルグループの中間電位の電圧検出線に接続される場合(RCフィルタ回路の変形例2、図4)あるいは別の個所に接続される場合がある。その場合でも、コンデンサにリーク電流が流れることにより、RCフィルタのR(Rcv)で電圧降下が発生し、セル電圧検出値の低下は発生するので、同様に考えることができる。
説明を簡単にするため、リーク発生が検出されたときの全単電池セルの実電圧は同じとなっており、充放電後の全単電池セルの検出電圧が同じになるとする。これは上記の図2のRCフィルタ回路での説明と同等の条件である。
図2ではRCフィルタ回路のコンデンサの印加電圧が、単電池セル1個分となっているが、図3、図4の場合は、図2の場合と比較して、コンデンサが接続される2つの電圧検出線の間の電池の個数分だけ印加電圧が増えることになる。
したがって、リーク放電電流も電池の個数分だけ増加する。これと同じバランシング放電電流を流すには、上記の図2のRCフィルタ回路での説明の場合と比較して、実効バランシング抵抗を電池の個数分だけ小さい値とすればよい。
この検出電圧の上昇の大きさは、電圧検出線SL2とSL5の間に3個の単電池セルがあるので、図2の場合に比べ3倍となる。これに対応してリーク放電電流は3倍となり、またこれにバランスするための実効バランシング抵抗は1/3になる。
通常リークの進行は遅いので、このようにRbefを可変に調整してバランシング放電を行うことで効率よく安全に充放電制御を行うことができる。
なお、以上で説明したバランシング放電でのバランシングスイッチのデューティ制御では、実効バランシング抵抗はバッテリコントローラ200で算出され、この実効バランシング抵抗となるようなバランシングスイッチ制御指令がバッテリコントローラ200からセルコントローラIC100に送信され、セルコントローラIC100でバランシングスイッチのオンオフのデューティ制御が行われる。
また、1つのコンデンサ103でリーク発生が検出された時には、他のコンデンサにおいても、劣化が始まっている可能性がある。あるいは、コンデンサ以外の部分、たとえばセルコントローラIC100のセル電圧入力端子(CV端子)105付近の配線パターンでも絶縁の劣化が始まっている可能性がある。安全性の観点からは、たとえば上記のようにの電圧検出線SL2とグラウンド線(GL)の間でのリークの場合であっても(図6参照)、セル1のバランシングスイッチのデューティ比を1/3にせず、たとえば式(43)で算出される、セル電圧1個分の場合の実効バランシング抵抗として車両の稼働を継続するが、早急にメンテナンス等の対策を行うことが望ましい。
セル電圧入力抵抗が小さいと、リーク検出スイッチのオフ/オンでリークが検出された時のリーク抵抗も上記の値より小さくなる。これは、リーク検出スイッチのオフ/オンでのセル電圧の検出値VoffとVonの差が検出できる所定の大きさ以上となるリーク抵抗も小さくなるためである。詳細な説明は省略するが、リーク抵抗はある程度小さくなると進行が早くなるので、測定されたセル電圧の補正を行うより、このようなバランシング放電でのデューティ比制御を行った方が有効な場合がある。
このような場合は、セル1以外のセルでリーク検出スイッチがオフとオンでの検出電圧差がないことを確認して、電圧検出線SL1に接続されたコンデンサ103にリークが発生していると判断する。
なお、この際の検出電圧補正の方法は、上記の式(20)、(21)で説明した補正方法で同様に補正できる。
ただし、図3の場合は以下の式(44)、図7の場合は以下の式(45)となる。
Vc1(t)=(V1(t)+(V1(t)+・・・+V4(t))×RF)
/(1−RF) ...(44)
Vc1(t)=(V1(t)+(V1(t)+・・・+V12(t))×RF)
/(1−RF) ...(45)
ただしRFは、式(21)で示すものである。
このような場合は、この最下位電位のセル以外のセルでリーク検出スイッチがオフとオンでの検出電圧差がないことを確認して、この最下位電位のセルの負極側に接続された電圧検出線(図3のSL5または図7のSL13)に接続されたコンデンサ103にリークが発生していると判断する。
なお、この際の検出電圧補正の方法は、上記の式(25)で説明した補正方法で同様に補正でき、その補正式は上記の式(44)あるいは(45)と同じである。
(1)本発明による電池システム監視装置は、複数の単電池セルを有する電池システムを監視し、 単電池セルの端子間電圧であるセル電圧を測定するための電圧測定部と、この電圧測定部にセル電圧を入力するための電圧入力抵抗と、当該電圧入力抵抗と共にRCフィルタを構成するコンデンサと、当該電圧入力抵抗をバイパスするリーク検出スイッチとを各単電池毎に備え、リーク検出スイッチをオフとした時のセル電圧である第1のセル電圧とオフとした時のセル電圧である第2のセル電圧とを測定し、第1のセル電圧と第2のセル電圧の差を検出して、コンデンサのリークの有無を判定することが可能である。
(2)また本発明による電池システム監視装置は、コンデンサにリークがあると判定された場合に、この電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した上記の第1のセル電圧および第2のセル電圧を用いて、電池システム監視装置を備えた車両の稼働時に当該コンデンサに対応する単電池セルの第1のセル電圧を補正することが可能である。この第1のセル電圧を補正することにより、単電池セルの過充電を回避することができるとともに、第1のセル電圧を用いた、電池システムおよび電池監視装置を含む蓄電装置の種々の診断を正確に行うことができる。
(3)また本発明による電池システム監視装置は、バランシング放電抵抗と、バランシング放電電流のオンオフを制御するスイッチング素子とを備えた、複数の単電池セルの充電状態を揃えるためのバランシング放電を行うバランシング放電回路を更に備え、コンデンサにリークがあると判定された場合に、この電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した第1のセル電圧および第2のセル電圧に基づいて、バランシング放電回路の実効抵抗値を制御するように当該スイッチング素子を制御することが可能である。これにより単電池セルの過充電を回避することができる。
(4)さらに 本発明による電池システム監視装置を用いて、コンデンサにリークがあると判定された場合に、電池システムと直流電力の授受を行うインバータとの接続を遮断することが可能である。
100:セルコントローラIC
101:セル電圧入力抵抗(Rcv)
102:バランシング抵抗(Rb)
103:コンデンサ
104:Vcc端子(VCC)
105:電圧入力端子(CV)
106: バランシング端子(BS端子)
107:グラウンド端子(GND端子)
108:バランシングスイッチ(BSW)
109:リーク検出スイッチ
110:単電池セル
120:セルグループ
130:電池システム
131:リーク抵抗(RL)
132:リーク放電電流(IL)
200:バッテリコントローラ
201、202:シグナルアイソレータ
210:電圧センサ
220:電流センサ
300:モータコントローラ
310:正極側コンタクタ
320:負極側コンタクタ
330:平滑コンデンサ
340:インバータ
350:モータ
400:車両コントローラ
SL1〜5:電圧検出線
BL:バランシング線
GL:グラウンド線
VL:電源線
Claims (22)
- 複数の単電池セルを直列接続したセルグループを備えた電池システムを監視する電池システム監視装置であって、
前記セルグループを制御するセルコントローラICと、
前記単電池セルの端子間電圧を測定するための、前記単電池セルの正極および負極のそれぞれと前記セルコントローラICとを接続する複数の電圧検出線とを備え、
前記セルコントローラICは、前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線との間に接続された、当該単電池セルのバランシング放電を行うバランシングスイッチを前記単電池セル毎に備え、
前記電圧検出線には、電圧入力抵抗が直列に設けられ、
前記バランシングスイッチと当該バランシングスイッチに直列に接続されたバランシング抵抗とで構成されるバランシング放電回路が前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線と負極に接続された電圧検出線の間に接続され、
前記バランシング放電回路と前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点および、前記バランシング放電回路と前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点は、それぞれ前記電圧入力抵抗より前記セルグループ側に設けられ、
前記セルコントローラICは、前記バランシングスイッチの正極側と、前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線との間に接続されるリーク検出スイッチをさらに備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記電池システム監視装置は、前記単電池セルの端子間電圧に重畳するノイズを除去するためのコンデンサを前記単電池セル毎にさらに備え、
前記コンデンサは、前記複数の電圧検出線の内の2つの電圧検出線の間、または前記電源線と前記複数の電圧検出線のいずれか1つの電圧検出線の間、または前記グラウンド線と前記複数の電圧検出線のいずれか1つの電圧検出線の間に接続されることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング抵抗は、前記バランシングスイッチの正極側と、前記単電池セルの正極に接続された電圧検出線との接続点との間に接続されることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング抵抗は、前記バランシングスイッチの負極側と、前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間に接続されることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシング抵抗は、前記バランシングスイッチの負極側と、前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間、および前記バランシングスイッチの負極側と、前記単電池セルの負極に接続された電圧検出線との接続点との間にそれぞれ接続されることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、
前記電池システム監視装置は、複数の前記セルグループと、当該複数の前記セルグループを制御する複数の前記セルコントローラICと、当該複数のセルコントローラICを制御するバッテリコントローラとを備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項6に記載の電池システム監視装置において、
前記セルコントローラICは、前記バッテリコントローラの指令により、前記リーク検出スイッチをオフとした時の前記単電池セルの端子間電圧である第1のセル電圧および、前記リーク検出スイッチをオンとした時の前記単電池セルの端子間電圧である第2のセル電圧を各単電池セルについて測定するリーク検出用の電圧測定を行い、
前記バッテリコントローラは、前記第1のセル電圧と前記第2のセル電圧の差が所定の値以上であれば、前記電池システムにリークが発生していると判断することを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項6に記載の電池システム監視装置において、
前記セルコントローラICは、前記バッテリコントローラの指令により、前記セルグループの全ての単電池セルの前記リーク検出用の電圧測定を行い、
前記バッテリコントローラは、2つの隣り合って接続された単電池セルにおいて、上位の単電池セルでの前記第1のセル電圧が前記第2のセル電圧より所定の値(>0)以上大きく、下位の単電池セルでの前記第1のセル電圧が前記第2のセル電圧より所定の値(>0)以上小さい場合は、前記下位の単電池セルはリークが発生しているリーク発生セルであると判断するリーク判定部を備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項6に記載の電池システム監視装置において、
前記セルコントローラICは、前記バッテリコントローラの指令により、前記セルグループの全ての単電池セルの前記リーク検出用の電圧測定を行い、
前記バッテリコントローラは、2つの隣り合って接続された単電池セルにおいて、上位の単電池セルでの前記第1のセル電圧が前記第2のセル電圧より所定の値(>0)以上小さく、下位の単電池セルでの前記第1のセル電圧が前記第2のセル電圧より所定の値(>0)以上大きい場合は、前記上位の単電池セルはリークが発生しているリーク発生セルであると判断するリーク判定部を備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項8に記載の電池システム監視装置において、
前記バッテリコントローラは、車両始動時に測定された前記単電池セルの前記第1のセル電圧と前記第2のセル電圧を用いて、車両稼働時に測定される前記リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された上位の単電池セルのそれぞれの前記第1のセル電圧から、前記リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された上位の単電池セルのそれぞれの実電圧を算出する電圧補正部を備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項9に記載の電池システム監視装置において、
前記バッテリコントローラは、車両始動時に測定された前記単電池セルの前記第1のセル電圧と前記第2のセル電圧を用いて、車両稼働時に測定される前記リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された下位の単電池セルのそれぞれの前記第1のセル電圧から、前記リーク発生セルと当該リーク発生セルに隣合って接続された下位の単電池セルのそれぞれの実電圧を算出する電圧補正部を備えることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項7に記載の電池システム監視装置において、
リークが発生したと判断された場合に、前記バッテリコントローラは、前記セルコントローラICを制御して、バランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項8に記載の電池システム監視装置において、
前記バッテリコントローラは、前記セルコントローラICを制御して、前記リーク発生セルに隣り合って接続された上位の単電池セルのバランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項9に記載の電池システム監視装置において、
前記バッテリコントローラは、前記セルコントローラICを制御して、前記リーク発生セルに隣り合って接続された下位の単電池セルのバランシングスイッチのデューティ比を所定の値以下に設定することを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項12乃至14のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、
前記バランシングスイッチのデューティ比の前記所定の値は、電圧検出線に設けられた電圧入力抵抗の抵抗値と、前記単電池セルの過充電保護電圧値と、前記単電池セルのSOCが100%の場合の電圧値とから算出される値であることを特徴とする電池システム監視装置。 - 請求項1乃至15のいずれか1項に記載の電池システム監視装置と、電池システムとを備えることを特徴とする蓄電装置。
- 請求項16に記載の蓄電装置を備えることを特徴とする電動駆動装置。
- 請求項12乃至14のいずれか1項に記載の電池システム監視装置において、
リークが発生したと判断された場合のバランシングスイッチのデューティ比の前記所定の値を算出する方法であって、
前記所定の値は、電圧検出線に設けられた電圧入力抵抗の抵抗値と、前記単電池セルの過充電保護電圧値と、前記単電池セルのSOCが100%の場合の電圧値とから算出される値であることを特徴とするバランシングスイッチの実効抵抗値の算出方法。 - 電池システムを構成する複数の単電池セルの端子間電圧であるセル電圧をそれぞれ測定するための電圧測定部と、この電圧測定部に前記セル電圧を入力するための電圧入力抵抗と、当該電圧入力抵抗と共にRCフィルタを構成するコンデンサと、当該電圧入力抵抗をバイパスするリーク検出スイッチとを各単電池毎に備えた電池システム監視装置の監視方法において、
前記リーク検出スイッチをオフとした時のセル電圧である第1のセル電圧とオフとした時のセル電圧である第2のセル電圧とを測定し、
前記第1のセル電圧と前記第2のセル電圧の差を検出して、前記コンデンサのリークの有無を判定することを特徴とする電池システム監視方法。 - 請求項19に記載の電池システム監視方法において、
前記コンデンサにリークがあると判定された場合に、前記電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した第1のセル電圧および第2のセル電圧を用いて、前記電池システム監視装置を備えた車両の稼働時に当該コンデンサに対応する単電池セルの第1のセル電圧を補正することを特徴とする電池システム監視方法。 - 請求項19または20に記載の電池システム監視方法において、
前記電池システム監視装置は、バランシング放電抵抗と、バランシング放電電流のオンオフを制御するスイッチング素子とを備えた、前記複数の単電池セルの充電状態を揃えるためのバランシング放電を行うバランシング放電回路を備え、
前記コンデンサにリークがあると判定された場合に、前記電池システム監視装置を備えた車両の始動時に測定した第1のセル電圧および第2のセル電圧に基づいて、バランシング放電回路の実効抵抗値を制御するように前記スイッチング素子を制御することを特徴とする電池監視方法。 - 請求項19または20に記載の電池システム監視方法において、
前記コンデンサにリークがあると判定された場合に、前記電池システムと直流電力の授受を行うインバータとの接続を遮断することを特徴とする電池システム監視方法。
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