JP2013205070A - 蓄電システムおよび異常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電素子と電気的に接続された電気部品の異常を判定する。
【解決手段】 蓄電システムは、充放電を行う蓄電素子（１１）と、トランジスタ（５４，５５）の通電および非通電を切り替えて、蓄電素子の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（５０）と、蓄電素子およびＤＣ／ＤＣコンバータの間の電流経路に配置された電気部品（２０）と、を有する。コントローラ（４０）は、トランジスタの通電および非通電を周期的に切り替えて交流信号を生成し、交流信号を蓄電素子および電気部品に流したときの電圧変動量を、電気部品の異常を判定する指標として用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電装置と電気的に接続された電気部品の抵抗異常を検出できる蓄電システムおよび異常判定方法に関する。

組電池を充放電させるシステムでは、組電池に対して、各種の電気部品が接続されている。特許文献１では、電池の電圧値を測定し、電圧値および閾値を比較することにより、電池が異常状態であるか否かを判別している。

特開２０１０−１１７２３５号公報

特許文献１に記載の技術では、電池の異常を判別することができるが、電池と接続されている電気部品の異常を判別することはできない。

ここで、電気部品の異常を判別する方法としては、電気部品の両端における電圧と、電気部品に流れる電流値とを検出しておき、電圧値および電流値から算出される抵抗値が上昇しているか否かを判別することにより、電気部品が異常であるか否かを判別することができる。この場合には、電気部品の電圧値を検出するための電圧センサが必要になってしまう。

本願第１の発明である蓄電システムは、充放電を行う蓄電素子と、トランジスタの通電および非通電を切り替えて、蓄電素子の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電素子およびＤＣ／ＤＣコンバータの間の電流経路に配置された電気部品と、を有する。コントローラは、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御する。コントローラは、トランジスタの通電および非通電を周期的に切り替えて交流信号を生成し、交流信号を蓄電素子および電気部品に流したときの電圧変動量を、電気部品の異常を判定する指標として用いる。

本願第１の発明によれば、蓄電素子および電気部品に交流信号を流すことにより、蓄電素子における電圧変動量を低減させることができる。したがって、蓄電素子および電気部品に交流信号を流したときの電圧変動量は、電気部品に起因したものとなり、この電圧変動量を用いて、電気部品が異常であるか否かの判別を行うことができる。

電気部品の異常には、電気部品の接触不良などがある。電気部品に異常が発生していれば、電気部品の抵抗値が上昇しやすくなり、抵抗値が上昇すれば、電圧変動量も上昇する。電気部品が正常であるときの電圧変動量を取得しておけば、交流信号を流したときの電圧変動量と、電気部品が正常であるときの電圧変動量とを比較することにより、電気部品が異常であるか否かを判別することができる。

蓄電素子および電気部品に交流信号を流したときの抵抗値を、電気部品の異常を判定する指標として用いることができる。抵抗値は、上述した電圧変動量と、蓄電素子および電気部品に流れる電流値とから算出することができる。電圧変動量は、電圧センサを用いて取得することができ、電流値は、電流センサを用いて取得することができる。電圧センサは、蓄電素子および電気部品を含む回路の電圧を検出するために用いられ、電気部品の異常を判定すること以外にも用いられる。したがって、部品点数を増やすことなく、電気部品の異常を判定することができる。

算出した抵抗値と、回路の基準となる抵抗値との差が、予め定めた閾値よりも高いとき、電気部品が異常であると判別することができる。基準となる抵抗値は、電気部品の異常を判別するときの基準値であり、この抵抗値としては、例えば、蓄電素子および電気部品が初期状態にあるときの抵抗値を用いることができる。初期状態とは、蓄電素子および電気部品を組み立てた直後の状態である。

交流信号の平均値が略一定であるとき、電気部品の異常を判定する処理を行うことができる。具体的には、抵抗値を用いて、電気部品の異常を判定するとき、交流信号の平均値が略一定であるときに算出した抵抗値を、異常判定の指標として用いることができる。交流信号の平均値を略一定とすることにより、蓄電素子の電圧変動を低減しやすくなり、電圧変動量又は抵抗値を用いて、電気部品の異常を判定しやすくなる。蓄電素子は、車両に搭載でき、車両の走行に用いられるエネルギを出力することができる。

本願第２の発明は、本願第１の発明で説明した蓄電システムの異常を判定する異常判定方法である。具体的には、トランジスタの通電および非通電を周期的に切り替えて交流信号を生成し、交流信号を蓄電素子および電気部品に流したときの電圧変動量を、電気部品の異常を判定する指標として用いる。本願第２の発明においても、本願第１の発明と同様の効果を得ることができる。

実施例１である電池システムの構成を示す図である。 実施例１において、電気部品の異常を判定する処理を説明するフローチャートである。 交流信号を用いたときの組電池および電気部品の抵抗成分を示す図である。 直流信号を用いたときの組電池および電気部品の抵抗成分を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システム（蓄電システム）について説明する。図１は、電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載することができる。車両には、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、組電池だけを備えている。

組電池１０は、直列に接続された複数の単電池（蓄電素子）１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力などを考慮して、適宜設定することができる。組電池１０は、並列に接続された複数の単電池１１を含んでいてもよい。

組電池１０には、電気部品２０が電気的に接続されている。電気部品２０は、組電池１０を充放電するときの電流経路に配置された電気部品（単電池１１を除く）である。ここでいう電流経路は、本実施例では、組電池１０および後述するＤＣ／ＤＣコンバータ５０の間の電流経路である。電気部品２０としては、例えば、リレー、ケーブル、バスバーなどがある。図１では、これらの電気部品２０をまとめて、抵抗として示している。

リレーは、オンおよびオフの間で切り替わることにより、組電池１０を負荷（後述するＤＣ／ＤＣコンバータ５０など）と接続したり、組電池１０および負荷の接続を遮断したりする。リレーは、コントローラ４０からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。ケーブルは、組電池１０の正極端子および負極端子を負荷と接続するための配線である。バスバーは、複数の単電池１１を電気的に接続するために用いられ、単電池１１の正極端子や負極端子に接続される。

電流センサ３１は、組電池１０に流れる電流値を検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。電圧センサ３２は、組電池１０および電気部品２０を含む回路の電圧値を検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。コントローラ４０は、メモリ４１を内蔵している。メモリ４１は、コントローラ４０を動作させるための情報などが記憶されている。メモリ４１は、コントローラ４０の外部に設けることもできる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ６１に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、インバータ６１から出力された電圧を降圧して、組電池１０に出力することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、リアクトル５１と、ダイオード５２，５３と、スイッチング素子としてのトランジスタ（ｎｐｎ型トランジスタ）５４，５５とを有する。リアクトル５１は、一端が電気部品２０に接続され、他端がトランジスタ５４，５５の接続点に接続されている。

トランジスタ５４，５５は、直列に接続されており、各トランジスタ５４，５５のベースには、コントローラ４０からの制御信号が入力される。各トランジスタ５４，５５のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード５２，５３がそれぞれ接続されている。

トランジスタ５４，５５としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることもできる。また、ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることもできる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が組電池１０の出力電圧を昇圧するとき、コントローラ４０は、トランジスタ５５をオンにするとともに、トランジスタ５４をオフにする。これにより、組電池１０からリアクトル５１に電流が流れ、リアクトル５１には、電流量に応じた磁場エネルギが蓄積される。次に、コントローラ４０は、トランジスタ５５をオンからオフに切り替えることにより、リアクトル５１からダイオード５２を介して、インバータ６１に電流を流す。これにより、リアクトル５１で蓄積されたエネルギが放出され、昇圧動作が行われる。

一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０がインバータ６１の出力電圧を降圧するとき、コントローラ４０は、トランジスタ５４をオンにするとともに、トランジスタ５５をオフにする。これにより、インバータ６１からの電力が組電池１０に供給され、組電池１０の充電が行われる。

インバータ６１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０からの直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ６２に出力する。モータ・ジェネレータ６２としては、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ６２は、インバータ６１からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ６２によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ６２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ６１は、モータ・ジェネレータ６２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、インバータ６１の出力電圧を降圧して、降圧後の電力を組電池１０に出力する。これにより、回生エネルギを組電池１０に蓄えることができる。

次に、本実施例の電池システムにおいて、電気部品２０の異常を検出する処理について説明する。図２は、電気部品２０の異常を検出する処理を示すフローチャートである。図２に示す処理は、コントローラ４０によって実行される。

ステップＳ１０１において、コントローラ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０におけるトランジスタ５４，５５の駆動を制御することにより、交流信号を生成する。具体的には、コントローラ４０は、トランジスタ５４又はトランジスタ５５のオンおよびオフを周期的に切り替えることにより、交流信号を生成する。トランジスタ５４，５５をオンおよびオフにするときのタイミングを変更することにより、交流信号の周波数を設定することができる。周波数は、例えば、４００Ｈｚ以上に設定することができる。

交流信号は、組電池１０を充電又は放電するときの電流値を用いて生成することができる。組電池１０を放電するとき、トランジスタ５５のオンおよびオフを切り替えることにより、交流信号を生成することができる。一方、インバータ６１からの電流を組電池１０に流すとき、トランジスタ５６のオンおよびオフを切り替えることにより、交流信号を生成することができる。

交流信号を生成するタイミングは、適宜設定することができる。例えば、車両を走行させる前に交流信号を生成したり、車両の走行中に交流信号を生成したりすることができる。

車両を走行させる前においては、例えば、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときに、交流信号を生成することができる。イグニッションスイッチのオンおよびオフに関する情報は、コントローラ４０に入力される。コントローラ４０は、イグニッションスイッチのオンの信号に基づいて、トランジスタ５４，５５を駆動して、交流信号を生成することができる。車両の走行中においては、電流値が変動しにくい状況において、交流信号を生成することができる。電流値が変動しにくい状況としては、例えば、イグニッションスイッチがオンであって、車両が停止しているときがある。

ステップＳ１０２において、コントローラ４０は、組電池１０および電気部品２０に交流信号を流した状態において、電流センサ３１の出力に基づいて、電流値を取得するとともに、電圧センサ３２の出力に基づいて、電圧値を取得する。所定時間の間、組電池１０および電気部品２０に交流信号を流すことにより、コントローラ４０は、電流値および電圧値の履歴を取得し、履歴情報をメモリ４１に記憶する。

ステップＳ１０３において、コントローラ４０は、メモリ４１に記憶された履歴情報を用いて、組電池１０および電気部品２０を含む回路の抵抗値を算出する。具体的には、コントローラ４０は、互いに異なるタイミングで取得した電圧値を用いて、電圧変動ΔＶを算出する。そして、コントローラ４０は、電圧変動ΔＶを、交流信号の平均電流値によって除算することにより、組電池１０および電気部品２０を含む回路の抵抗値を算出する。ステップＳ１０３で算出された抵抗値（算出抵抗値という）には、組電池１０の抵抗成分と、電気部品２０の抵抗成分とが含まれる。

組電池１０に交流信号を流すことにより、組電池１０の電圧変動ΔＶを低減することができ、組電池１０の抵抗成分も低減することができる。ここで、交流信号の平均電流値は、略一定であることが好ましい。平均電流値が変化してしまうと、組電池１０の電圧変動ΔＶが発生し、算出抵抗値に、組電池１０の抵抗成分が含まれやすくなってしまう。

組電池１０の抵抗成分を低減させることにより、図３に示すように、算出抵抗値において、電気部品２０の抵抗成分が占める割合を、組電池１０の抵抗成分が占める割合よりも高くすることができる。これにより、算出抵抗値を用いて、電気部品２０の抵抗成分を監視しやすくなる。

ここで、組電池１０および電気部品２０に直流電流を流したときには、組電池１０の電圧値が変動し、図４に示すように、算出抵抗値に、組電池１０の抵抗成分が含まれやすくなってしまう。また、組電池１０は、使用状態や時間の経過などによって、劣化するため、組電池１０の劣化に応じて、組電池１０の抵抗成分が増加してしまう。この場合には、組電池１０の抵抗成分と、電気部品２０の抵抗成分とを区別することができなくなり、算出抵抗値に基づいて、電気部品２０の抵抗成分を監視し難くなる。

ステップＳ１０４において、コントローラ４０は、算出抵抗値を基準抵抗値と比較して、算出抵抗値および基準抵抗値の差分ΔＲを算出する。また、コントローラ４０は、差分ΔＲが閾値Ｒｔｈよりも高いか否かを判別する。

基準抵抗値とは、電気部品２０の異常を判定するときの基準となる抵抗値である。基準抵抗値の設定方法としては、例えば、本実施例の電池システムを組み立てた直後において、組電池１０および電気部品２０を含む回路の抵抗値（初期抵抗値）を測定し、この初期抵抗値を基準抵抗値とすることができる。基準抵抗値に関する情報は、メモリ４１に記憶させておくことができる。

閾値Ｒｔｈは、電気部品２０の異常を判定するための指標である。閾値Ｒｔｈの設定方法としては、まず、電気部品２０が異常状態であるときの抵抗値を予め測定しておき、異常状態の抵抗値および基準抵抗値の差分を閾値Ｒｔｈとすることができる。外部からの衝撃などによって電気部品２０に接触不良などが発生すると、電気部品２０の抵抗値が上昇するため、このときの抵抗値を、電気部品２０が異常状態であるときの抵抗値とすることができる。電気部品２０の抵抗値が上昇するほど、差分ΔＲは、閾値Ｒｔｈよりも高くなる。

電気部品２０の抵抗上昇を監視することにより、電気部品２０の発熱状態を監視することができる。すなわち、電気部品２０の発熱が異常であるか否かを判別することができる。

ステップＳ１０４において、算出抵抗値および基準抵抗値の差分ΔＲが閾値Ｒｔｈよりも高いとき、ステップＳ１０５の処理に進み、そうでなければ、ステップＳ１０６の処理に進む。ステップＳ１０５において、コントローラ４０は、電気部品２０に異常が発生していると判別する。ステップＳ１０６において、コントローラ４０は、電気部品２０に異常が発生していないと判別する。

電気部品２０に異常が発生しているとき、コントローラ４０は、組電池１０の充放電を行わないようにすることができる。具体的には、コントローラ４０は、組電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ５０を接続するためのリレーをオンからオフに切り替えて、組電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ５０の接続を遮断することができる。

一方、コントローラ４０は、電気部品２０に異常が発生していることを示す情報をユーザなどに知らせることができる。ユーザへの通知方法としては、ディスプレイの表示や、音声出力などを用いることができる。

例えば、電気部品２０に異常が発生していることを示す情報を、車両に搭載されたディスプレイや、ユーザが所有する端末に設けられたディスプレイに表示させることができる。また、車両に搭載されたスピーカや、ユーザが所有する端末に設けられたスピーカから、電気部品２０に異常が発生していることを示す情報を、音として出力することができる。電気部品２０に異常が発生していることを示す情報は、電気部品２０に異常が発生していることをユーザなどが認識できるものであればよい。ユーザの端末を用いるときには、車両から端末に対して、無線又は有線を介して、電気部品２０に異常が発生していることを示す情報を送信する必要がある。

本実施例によれば、組電池１０および電気部品２０を含む回路の電流値および電圧値を検出するための電流センサ３１および電圧センサ３２を用いるだけで、電気部品２０の異常を判別することができる。言い換えれば、部品点数を増やすことなく、電気部品２０の異常を判定することができる。

電気部品２０には、複数の電気部品が含まれることがあるが、いずれかの電気部品に異常が発生すれば、基準抵抗値に対して算出抵抗値が高くなりやすくなり、算出抵抗値および基準抵抗値の差分ΔＲが閾値Ｒｔｈよりも高くなりやすくなる。したがって、電気部品２０に、複数の電気部品が含まれているときには、いずれかの電気部品に異常が発生していることを判別することができる。

本実施例では、組電池１０および電気部品２０を含む回路の抵抗値に基づいて、電気部品２０が異常であるか否かを判別しているが、これに限るものではない。組電池１０および電気部品２０を含む回路の電圧値を検出し、電圧値の変動量に基づいて、電気部品２０が異常であるか否かを判別することができる。

具体的には、ステップＳ１０３の処理において、電圧値の変動量を取得するとともに、取得した変動量を、基準となる変動量と比較して差分を算出する。電圧変動量の差分は、ステップＳ１０３で算出された差分ΔＲに相当する。次に、ステップＳ１０４において、電圧変動量の差分が、閾値よりも大きいか否かを判別する。電圧変動量の差分が閾値よりも大きいときには、電気部品２０に異常が発生していると判別することができる。電圧変動量の差分が閾値よりも小さいときには、電気部品２０に異常が発生していないと判別することができる。ここで用いられる閾値は、閾値Ｒｔｈに相当するが、電流値に応じて異なる値となる。

本実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を用いて、交流信号を生成しているが、これに限るものではない。例えば、図１に示す構成において、組電池１０の正極端子および負極端子に対して、充電器が接続されているときには、充電器において、交流信号を生成することができる。充電器は、外部電源の電力を組電池１０に供給するために用いられる。外部電源とは、車両の外部に設けられた電源である。外部電源としては、例えば、商用電源を用いることができる。

充電器を用いて組電池１０を充電するときには、定電流で組電池１０の充電が行われる。このため、充電電流に交流信号を含めておけば、本実施例と同様に、電気部品２０の異常判定を行うことができる。

１０：組電池 １１：単電池
２０：電気部品 ３１：電流センサ
３２：電圧センサ ４０：コントローラ
４１：メモリ ５０：ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１：リアクトル ５２，５３：ダイオード
５４，５５：トランジスタ ６１：インバータ
６２：モータ・ジェネレータ

Claims (11)

1. 充放電を行う蓄電素子と、
   トランジスタの通電および非通電を切り替えて、前記蓄電素子の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記蓄電素子および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間の電流経路に配置された電気部品と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、前記トランジスタの通電および非通電を周期的に切り替えて交流信号を生成し、前記交流信号を前記蓄電素子および前記電気部品に流したときの電圧変動量を、前記電気部品の異常を判定する指標として用いることを特徴とする蓄電システム。
2. 前記蓄電素子および前記電気部品を含む回路の電圧値を検出する電圧センサと、
   前記回路に流れる電流値を検出する電流センサと、を有し、
   前記コントローラは、前記電圧センサを用いて取得した前記電圧変動量と、前記電流センサを用いて取得した電流値とから抵抗値を算出し、算出した抵抗値を前記指標として用いることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記コントローラは、算出した前記抵抗値と、前記回路の基準となる抵抗値との差が、予め定めた閾値よりも高いとき、前記電気部品が異常であると判別することを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
4. 前記コントローラは、前記交流信号の平均値が略一定であるとき、前記電気部品の異常を判定する処理を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム。
5. 前記コントローラは、前記交流信号の平均値が略一定であるときに算出した前記抵抗値を、前記指標として用いることを特徴とする請求項２又は３に記載の蓄電システム。
6. 前記蓄電素子は、車両の走行に用いられるエネルギを出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電システム。
7. 蓄電システムの異常を判定する異常判定方法であって、
   前記蓄電システムは、
   充放電を行う蓄電素子と、
   トランジスタの通電および非通電を切り替えて、前記蓄電素子の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記蓄電素子および前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間の電流経路に配置された電気部品と、を有しており、
   前記トランジスタの通電および非通電を周期的に切り替えて交流信号を生成し、前記交流信号を前記蓄電素子および前記電気部品に流したときの電圧変動量を、前記電気部品の異常を判定する指標として用いることを特徴とする異常判定方法。
8. 前記蓄電素子および前記電気部品を含む回路の電圧値を検出し、
   前記回路に流れる電流値を検出し、
   検出した前記電圧値の変動量と、検出した前記電流値とから抵抗値を算出し、算出した抵抗値を前記指標として用いることを特徴とする請求項７に記載の異常判定方法。
9. 算出した前記抵抗値と、前記回路の基準となる抵抗値との差が、予め定めた閾値よりも高いとき、前記電気部品が異常であると判別することを特徴とする請求項８に記載の異常判定方法。
10. 前記交流信号の平均値が略一定であるとき、前記電気部品の異常を判定する処理を行うことを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の異常判定方法。
11. 前記交流信号の平均値が略一定であるときに算出した前記抵抗値を、前記指標として用いることを特徴とする請求項８又は９に記載の異常判定方法。
    

Images