JP2014048281A

JP2014048281A - 電源装置および故障検出回路

Info

Publication number: JP2014048281A
Application number: JP2012194479A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Furukawa; 公彦古川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】電圧検出回路の故障を迅速かつ正確に検出する。
【解決手段】電源装置１００において、直列電池群１０は、複数の電池セルが直列に接続される。複数の電圧検出回路２０は、直列電池群１０が分割されて形成される複数のグループごとに設けられる。複数の故障検出回路３０は、一つまたは連続する複数のグループごとに設けられる。電圧検出回路２０は、グループに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する。故障検出回路３０は分圧回路３１および故障判定回路３２を含む。分圧回路３１は、一つまたは連続する複数のグループに属する直列接続された複数の電池セルの両端電圧を分圧する。故障判定回路３２は、分圧回路３１により分圧された電圧を参照して、一つまたは複数の電圧検出回路２０の故障の有無を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルが直列に接続された組電池を搭載した電源装置、およびその電源装置に搭載されるべき故障検出回路に関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。複数のリチウムイオン電池セルが直列に接続された組電池を使用する場合、各電池セルの電圧を検出するための電圧検出回路が設けられる。検出される各電池セルの電圧は、充放電制御およびセル電圧の均等化制御などに使用される。

特開２０１２−１０５６３号公報

電圧検出回路が故障した場合、制御回路はその故障をできるだけ早く認識する必要がある。特に車載用では迅速に認識する必要がある。制御回路は電圧検出回路の故障を、電圧検出回路からの通信信号を参照して検知できる。この構成において電圧検出回路の出力値が急変化した場合、制御回路は電池セルが故障したのか、電圧検出回路自体が故障したのか瞬時に判断することが難しい。また電圧検出回路が故障した場合において、電圧検出回路だけではなく電池セルも故障しているのかどうか判断することも難しい。すなわち、従来の構成では、電池セルの故障に起因して電圧検出回路が故障したのか、電圧検出回路単体が故障したのかを区別することは困難であった。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電圧検出回路の故障を迅速かつ正確に検出する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、前記直列電池群が分割されて形成される複数のグループごとに設けられる複数の電圧検出回路と、一つまたは連続する複数のグループごとに設けられる複数の故障検出回路と、を備える。前記電圧検出回路は、グループに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出し、前記故障検出回路は、一つまたは連続する複数のグループに属する直列接続された複数の電池セルの両端電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路により分圧された電圧を参照して、前記一つまたは複数の電圧検出回路の故障の有無を判定する故障判定回路と、を含む。

本発明の別の態様は、故障検出回路である。この故障検出回路は、複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、前記直列電池群が分割されて形成される複数のグループごとに設けられ、それぞれのグループに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する複数の電圧検出回路と、を備える電源装置に搭載されるべき故障検出回路である。前記故障検出回路は、一つまたは連続する複数のグループごとに設けられ、一つまたは連続する複数のグループに属する直列接続された複数の電池セルの両端電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路により分圧された電圧を参照して、前記一つまたは複数の電圧検出回路の故障の有無を判定する故障判定回路と、を含む。

本発明によれば、電圧検出回路の故障を迅速かつ正確に検出できる。

本発明の実施の形態に係る電源装置の使用形態を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源装置の構成を説明するための図である。電池モジュールの実装例を示す図である。変形例に係る電源装置の構成を説明するための図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置１００の使用形態を示す図である。実施の形態に係る電源装置１００は、複数のリチウムイオン電池セル（以下、単に電池セルという）が直列に接続された直列電池群１０を備える。また電源装置１００は直列電池群１０を構成する各電池セルの電圧を検出するための電圧検出回路２０を備える。

電源装置１００は負荷２００に接続し、負荷２００に電源を供給する。本実施の形態では電源装置１００を車載用のバッテリシステムとして使用する形態を想定する。この場合、負荷２００は、駆動モータおよびプリチャージコンデンサである。電源装置１００は当該駆動モータを駆動するインバータに１００Ｖ〜３００Ｖの高電圧を出力する。

直列電池群１０は各電池セルを保護するための電流遮断手段を備える。例えば、電池セル間にヒューズｆ１が挿入される。過電流が発生してヒューズｆ１が溶断すると、ヒューズｆ１をまたぐ電池セル間は原則的に電流が流れなくなる。しかしながら、ヒューズｆ１のような電流遮断要因をまたぐように電圧検出器を接続する構成では、当該電圧検出器および外部接続された負荷２００を介して閉回路が形成されてしまう。このような閉回路が形成されると、電圧検出回路２０に仕様以上の高電圧が印加されるおそれがある。そこで一般的に、ヒューズをまたぐように電圧検出器を接続しない構成とすることにより、ヒューズが溶断した際に、電圧検出回路に高電圧が形成されないように構成される。

しかしながら電池セル間の電流が遮断される要因はヒューズだけではない。例えば、電池セル間をネジ止めで接続する場合、ネジが弛むと電流が遮断されるおそれがある。また溶接で接続する場合、クラックにより電流が遮断される場合もある。このような場合、閉回路の形成を阻止できないため、電圧検出回路２０に高電圧が印加されて電圧検出回路２０が故障するおそれがある。特に大電流の充電中に電流遮断が起こると、外部接続された負荷２００は低抵抗状態と近くなるため、電圧検出回路２０が故障する可能性が高くなる。以下、電圧検出回路２０の故障を迅速かつ正確に検出する構成を備える電源装置１００について説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る電源装置１００の構成を説明するための図である。本実施の形態では、直列電池群１０を構成する複数の電池セルは、それぞれ複数の電池セルを備える複数のグループに分割される。各グループに属する直列接続された複数の電池セルを組電池１０ａという。以下、各電池セルの電圧が４Ｖ、組電池１０ａを形成する電池セルの数が１２個、全体の直列電池群１０を形成する組電池１０ａの数が６個の例を想定する。この例では各組電池１０ａの電圧が約５０Ｖ、全体の直列電池群１０の電圧が約３００Ｖである。

電源装置１００は、複数の組電池１０ａ、複数の電圧検出回路２０および複数の故障検出回路３０を備える。電圧検出回路２０は組電池１０ａごとに設けられる。本実施の形態では電圧検出回路２０は、専用のカスタムＩＣであるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）２１により構成される。ＡＳＩＣ２１は、組電池１０ａの両端電圧を電源電圧およびグラウンド電圧として動作する。即ち、組電池１０ａの最上位電圧を電源電圧とし、最下位電圧をグラウンド電圧として動作する。

ＡＳＩＣ２１は電圧検出器２２および制御ロジック回路２３を含む。電圧検出器２２は、組電池１０ａに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する。電圧検出器２２は当該複数の電池セルのそれぞれの電圧値を制御ロジック回路２３に出力する。制御ロジック回路２３は、電圧検出器２２から入力されるアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換して故障検出回路３０に出力する。

故障検出回路３０は組電池１０ａごとに設けられる。故障検出回路３０は分圧回路３１、ＣＰＵ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３３、アイソレータ３４を含む。分圧回路３１は組電池１０ａの両端電圧を分圧して当該ＣＰＵに出力する。分圧回路３１には、例えば抵抗分圧回路を採用できる。

当該ＣＰＵは直列電池群１０と異なる補助電源から電源供給を受ける。本実施の形態では電源装置１００は車両に搭載されるため、補助電源として１２Ｖの鉛蓄電池を使用できる。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３は補機用電源から入力される直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換して当該ＣＰＵに供給する。本実施の形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ３３は、入力される１２Ｖの直流電圧を、当該ＣＰＵの電源電圧（一般的に３〜５Ｖ）に絶縁・降圧して当該ＣＰＵに供給する。当該ＣＰＵのグラウンド電圧は、組電池１０ａの最下位電圧に設定される。

当該ＣＰＵは均等化制御など組電池１０ａの制御全般を担うが、本実施の形態では故障判定機能に注目する。以下、本明細書では当該ＣＰＵを故障判定回路３２と呼ぶ。故障判定回路３２は、電圧検出回路２０により検出される組電池１０ａを構成する各電池セルの電圧値、および分圧回路３１により分圧された電圧値を受ける。故障判定回路３２は、分圧回路３１から入力されるアナログ電圧値を、内蔵するＡ／Ｄ変換器によりデジタル電圧値に変換する。

故障判定回路３２は、電圧検出回路２０および分圧回路３１から出力される電圧値を参照して、電圧検出回路２０および組電池１０ａの故障の有無を判定する。故障判定回路３２は、判定結果を通信路を介して上位の制御回路に通知する。本実施の形態ではＣＡＮ(Control Area Network)−ＢＵＳを介してＥＣＵ(Electronic Control Unit)に通知する。当該通信路と故障判定回路３２との間にアイソレータ３４が挿入され、故障判定回路３２と上位の制御回路は絶縁される。

以上に説明した組電池１０ａ、電圧検出回路２０および故障検出回路３０が一つの電池モジュール（セルスタックともいう）を構成する。この電池モジュールが複数組み合わされて電源装置１００が構成される。図２では一つの電池モジュールのみを描いている。本実施の形態では６個の電池モジュールが直列に接続される。

電池モジュールにおいて電圧検出回路２０の耐圧は、組電池１０ａの両端電圧を基準に設計される。本実施の形態では組電池１０ａの両端電圧は約５０Ｖであるため、電圧検出回路２０の耐圧は５０Ｖにマージンを加えた電圧値に設計される。

分圧回路３１は、全体の直列電池群１０の両端電圧（以下、システム電圧という）に対応する耐圧を有するように設計される。本実施の形態ではシステム電圧は約３００Ｖであるため、分圧回路３１の耐圧は３００Ｖにマージンを加えた電圧値に設計される。

図１に示したように組電池１０ａを構成する電池セル間の電流路が遮断される場合、電圧検出器２２にシステム電圧が印加される可能性がある。この場合、電圧検出器２２は耐圧オーバーとなり故障する可能性が高くなる。電圧検出器２２が故障するとＡＳＩＣ２１から電池セルの正確な電圧値を故障判定回路３２に出力することができなくなる。

故障判定回路３２は、分圧回路３１から出力される分圧電圧値を参照して電圧検出回路２０の故障の有無を判定する。故障判定回路３２は当該分圧電圧値と設定値を比較する。当該設定値には例えば、ＡＳＩＣ２１の定格耐圧電圧値に分圧比を掛けた値に設定する。当該分圧電圧値が当該設定値を超えたとき、故障判定回路３２は電圧検出回路２０が故障したと推測する。当該分圧電圧値が当該設定値を大きく上回る場合、電圧検出回路２０が故障したとみなしてもよい。当該分圧電圧値が当該設定値を超えた場合、組電池１０ａにも不具合が発生していると推測できる。故障判定回路３２は、電圧検出回路２０および組電池１０ａの不具合発生を上位の制御回路に通知する。

ＡＳＩＣ２１は、サージ電圧印加など組電池１０ａの不具合と関係なく故障する可能性もある。この場合、組電池１０ａは正常であるため分圧回路３１から入力される分圧電圧値は正常な値を示す。一方、ＡＳＩＣ２１から入力される電圧値が異常な振る舞いを示す。この場合、故障判定回路３２は電圧検出回路２０のみが故障していると判定する。故障判定回路３２は、電圧検出回路２０の故障発生を上位の制御回路に通知する。

分圧回路３１から入力される分圧電圧値が正常な値を示し、ＡＳＩＣ２１から入力される電圧値が正常な振る舞いを示す場合において、ＡＳＩＣ２１から入力される特定の電池セルの電圧値が異常な場合、故障判定回路３２は当該電池セルの不具合発生を上位の制御回路に通知する。

本実施の形態において上位の制御回路であるＥＣＵは、故障判定回路３２から電圧検出回路２０および組電池１０ａの少なくとも一方に不具合または故障が発生したことを示す通知を受領するとセーフティ処理を発動する。具体的には電源装置１００と駆動システムとの間に挿入されるコンタクトをオープンにして両者を電気的に切り離す。また直列電池群１０への充電を禁止する。

図３は、電池モジュールの実装例を示す。電池モジュールは組電池１０ａ、電圧検出回路２０としてのＡＳＩＣ２１、故障検出回路３０を含む。ＡＳＩＣ２１および故障検出回路３０は同一の回路基板５０に形成される。両者は絶縁距離ｄ以上離れて配置される。このように実装することにより、故障検出回路３０を高電圧から保護することができる。

図４は、変形例に係る電源装置１００の構成を説明するための図である。この変形例では一つの組電池１０ａに対する電圧検出回路２０として複数のＡＳＩＣ２１を用いる。図４では二つのＡＳＩＣ２１を用いる。上側のＡＳＩＣ２１ａは、組電池１０ａを構成する上半分の電池セルのそれぞれの電圧を検出する。下側のＡＳＩＣ２１ｂは、組電池１０ａを構成する下半分の電池セルのそれぞれの電圧を検出する。図４では８個の電池セルを４個、４個に上下に分割する例を描いているが、上述の例のように１２個の電池セルで構成する場合、６個、６個に上下に分割する。このように複数のＡＳＩＣ２１を用いれば、各ＡＳＩＣ２１の動作電圧範囲を狭めることができる。上述の例では各ＡＳＩＣ２１の動作電圧範囲は約５０Ｖの半分の約２５Ｖとなる。動作電圧範囲を狭めれば、コストおよび回路面積を縮小できる。

これまで一つの電池モジュールに一つの故障検出回路３０を設ける例を説明した。以下に説明する別の変形例では、電気的に連続する複数の電池モジュールごとに一つの故障検出回路３０を設ける。この場合、当該複数の電池モジュールに含まれる、直列接続された複数の組電池１０ａの両端電圧が分圧回路３１に印加される。また故障判定回路３２は、当該複数の電池モジュールのそれぞれに含まれる複数の電圧検出回路２０から、各電池セルの電圧を受ける。この変形例によれば、当該複数の電池モジュールに含まれる複数の電圧検出回路２０の内、どの電圧検出回路２０が故障したかを特定することができなくなるが、故障検出回路３０の設置数を低減できる。したがってコストおよび回路面積を縮小できる。

これまで複数の電池モジュールを直列に接続して電源装置１００を構成する例を説明した。以下に説明するさらに別の変形例では、直列電池群１０を一つの組電池で構成する。この場合も、直列電池群１０を複数のグループに分割し、グループごとに電圧検出回路２０を設ける。また、一つまたは連続する複数のグループごとに故障検出回路３０を設ける。直列電池群１０を一つの組電池で構成する場合も、複数の組電池を直列に接続する場合と電圧検出回路２０および故障検出回路３０の電気的構成は同じである。

以上説明したように本実施の形態によれば、分圧回路３１を含む故障検出回路３０を設けることにより、電圧検出回路２０の故障を迅速かつ正確に検出できる。上述のように電源装置１００が負荷２００に接続された状態で、電池セル間の電流路が遮断されると電圧検出回路２０にシステム電圧が印加される可能性がある。上述のようにシステム電圧は１００〜３００Ｖと高電圧であるが、電圧検出回路２０を構成する素子をシステム電圧に対応する耐圧設計にすると、コストおよび回路面積が非常に増大する。

これに対し本実施の形態では分圧回路３１を設ける。分圧回路３１は複数の抵抗の直列回路で構成でき、高耐圧化が容易である。また抵抗を用いた分圧回路３１は簡単に設計でき、信頼性も高い。また分圧回路３１を設けることにより、その後段の故障判定回路３２以下の動作電圧を低くできる。

また分圧回路３１が設けられない場合、故障判定回路３２はＡＳＩＣ２１のみの出力値から電圧検出回路２０の故障の有無を判定しなければならない。この場合、電圧検出回路２０の故障と、組電池１０ａの故障を判別しづらい。仮に判別できたとしても、ＡＳＩＣ２１の出力値の振る舞いを、ある程度の期間観測する必要があり、故障を判定するまでに時間がかかる。分圧回路３１は単純なアナログ素子で構成できるため、故障の有無を瞬時に判定できる。

本実施の形態では故障判定回路３２の動作電源を、組電池１０ａではなく別の補助電源から取得する。これにより直列電池群１０に不具合が発生しても、故障判定回路３２は正常動作を続けることができる。また分圧回路３１により組電池１０ａの両端電圧を、故障判定回路３２の動作電圧範囲内に低下させることができる。したがって故障判定回路３２およびその動作電源を生成するためのＤＣ−ＤＣコンバータ３３のコストおよび回路面積の増大を抑制できる。

なおＡＳＩＣ２１の動作電圧範囲は比較的広いため（上述の例では約５０Ｖ）、その動作電源を、補助電源の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して生成するとコストおよび回路面積の増大を招く。そこで本実施の形態ではＡＳＩＣ２１の動作電源は組電池１０ａから取得する。本実施の形態では別の補助電源で動作する故障検出回路３０が設けられるため、組電池１０ａの不具合に起因する電圧検出回路２０の故障を許容できる。

これまで電池セル間の電流遮断要因として、ヒューズの溶断、ネジ緩み、溶接クラックを挙げた。さらに別の電流遮断要因としてリチウムイオン電池ではＣＩＤ（Current Interrupt Device）が挙げられる。ＣＩＤとは電池内の圧力が所定値を超えた場合に電池の電流路を遮断する保護素子である。ヒューズやＣＩＤは、いずれも電源装置の異常時に電流を遮断できるようになっている。例えば、通常では流れないような大きな値の電流が回路を流れた場合、ヒューズが溶断して電流が遮断される。また、電池セルが過充電されると、電池の外装缶内に封入されている電解液等からガスが発生して、電池セルの内圧が上昇する。ＣＩＤが設けられている電池では、この内圧が所定値を超えた場合に電池の電流路が遮断される。

以上の構成の電源装置は、故障判定回路３２により、電圧検出回路２０の故障を判定できると共に、電池セルの故障に起因して電圧検出回路２０が故障したのか、電池セルの故障以外の要因に起因して電圧検出回路２０単体が故障したのかを区別することが可能となる。例えば、ネジ緩み、溶接クラック等による電流遮断によって電圧検出回路が故障した場合にも、故障箇所を特定することができるので、故障した電圧検出回路２０の交換に加えて、電池セルの接続部分の異常がないか検査すること等ができる。従ってネジが弛んで或いは溶接クラックによりルーズコンタクトしている状態のまま、電圧検出回路２０を交換してしまうことを防止できる。例えば、電池セル間の接続がルーズコンタクトしている状態で、電圧検出回路２０を交換すると、再び電池セル間の接続が遮断された際に、電圧検出回路２０が故障するおそれがある。このように、電圧検出回路２０の故障要因の特定を可能とすることでサービス性を向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００電源装置、１０直列電池群、１０ａ組電池、２０電圧検出回路、２１ＡＳＩＣ、２２電圧検出器、２３制御ロジック回路、３０故障検出回路、３１分圧回路、３２故障判定回路、３３ＤＣ−ＤＣコンバータ、３４アイソレータ、５０回路基板、２００負荷。

Claims

複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、
前記直列電池群が分割されて形成される複数のグループごとに設けられる複数の電圧検出回路と、
一つまたは連続する複数のグループごとに設けられる複数の故障検出回路と、を備え、
前記電圧検出回路は、グループに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出し、
前記故障検出回路は、
一つまたは連続する複数のグループに属する直列接続された複数の電池セルの両端電圧を分圧する分圧回路と、
前記分圧回路により分圧された電圧を参照して、前記一つまたは複数の電圧検出回路の故障の有無を判定する故障判定回路と、
を含むことを特徴とする電源装置。
前記故障検出回路は、前記直列電池群と異なる電源から電源供給を受けることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記分圧回路は、前記直列電池群の両端電圧に対応する耐圧を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
前記電圧検出回路および前記故障検出回路は同一基板に形成され、両者は絶縁距離以上離れて配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。
複数の電池セルが直列に接続された直列電池群と、前記直列電池群が分割されて形成される複数のグループごとに設けられ、それぞれのグループに属する直列接続された複数の電池セルのそれぞれの電圧を検出する複数の電圧検出回路と、を備える電源装置に搭載されるべき故障検出回路であって、
前記故障検出回路は、一つまたは連続する複数のグループごとに設けられ、
一つまたは連続する複数のグループに属する直列接続された複数の電池セルの両端電圧を分圧する分圧回路と、
前記分圧回路により分圧された電圧を参照して、前記一つまたは複数の電圧検出回路の故障の有無を判定する故障判定回路と、を含むことを特徴とする故障検出回路。