JP2014500570A - 継電器又は接触器の動作能力を予測する方法 - Google Patents

Abstract

継電器又は接触器（１９）の動作能力を予測する方法が記載される。継電器又は接触器（１９）を通って流れる電流、及び／又は、継電器又は接触器（１９）に印加される電圧が繰り返し測定され（１１、１２）、測定値が監視ユニット（２２）へと伝達される。監視ユニット（２２）は、測定値及びモデルに基づいて、継電器又は接触器（１９）の動作能力についての予測を行う。さらに、本発明に係る方法を実施するよう構成された監視ユニット（２２）及びバッテリ（１００）が記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、継電器又は接触器の動作能力を予測する方法、及び、本発明に係る方法を実施するよう構成された監視ユニットに関する。

将来的に、（例えば風力発電所のような）定置型の利用において、及び、（例えばハイブリッド車及び電気自動車のような）自動車内で、非常に高い信頼性が求められる新しいバッテリシステムが益々使用されるようになることは明らかである。このような要請の背景には、バッテリシステムの故障がシステム全体の故障（例えば電気自動車のメインバッテリの故障）、又は、安全性に関わる問題となりうることがある（風力発電所の場合には、例えばバッテリが、強風の際に動翼の調整によって、許容しえない駆動状態になることから発電所を護るために使用される）。

接続された消費機器、例えば車両電力系統からのバッテリシステムの分離を可能とするために、通常では、継電器（又は接触器）が２つのバッテリ極に対して直列に設けられる。この継電器は、負荷が掛かった状態でのこのようなバッテリシステムの度重なる停止を可能にする必要がある。この高い要求に対応するために、この継電器の機能を診断し予測できなければならない。

継電器内及び接触器内では、切り替え可能な電磁石が、電気負荷の作動、停止、及び切替のための接点を操作するための駆動力として役に立つ。ここで、接点は、電気負荷の作動時に様々な大きさの摩擦にさらされ、この摩擦は、中規模の電力から大きな電力による負荷が掛かった際に著しく増大する。その際に、接点同士が摩擦し合って貼り付き、著しく危険な状況に繋がる可能性がある。従って、スイッチ接点の状態を監視し、適切な電気負荷の停止措置をさらに導入する必要がある。

独国実用新案第２０３１００４３号明細書には、監視される継電器に対して、継電器のコイルのための制御要素が割り当てられる監視装置が記載されている。ここでは、制御素子は、コイルが駆動されているか否かについての情報を伝達する。このことは、制御要素が、磁場に対して感度の良い構成要素を含み、コイルの作動時にはその形成された磁場を通るようにコイルの近くに配置され、これによりコイルの磁場が制御要素を作動することによって可能となる。ここでは、リード接点が制御要素として設けられる。このような構成の欠点は、必然的に、監視される継電器上に追加的な構成要素を設けなければならないことである。

継電器又は接触器の動作能力を予測するための本発明に係る方法は、基本的に以下の工程を含む。即ち、継電器又は接触器を通って流れる電流が、繰り返し測定され、測定値が監視ユニットに伝達される。測定値及びモデルに基づいて、監視ユニットが、継電器又は接触器の動作能力についての予測を行う。

電圧測定は、継電器又は接触器を通って流れる電流に対する帰納的推測を可能とし、又は、電流測定は、継電器又は接触器に印加される電圧に対する帰納的推測を可能とするため、本方法は同様に、継電器又は接触器に印加される電圧を測定することによっても実施されうる。このことは基本的に、様々な段階での（閉鎖されていく間、及び、閉鎖されている状態の間の）継電器又は接触器の（等価）抵抗が公知である場合に可能である。従って、電流値又は電圧値が監視ユニットによって評価され、その際に、監視ユニットはこれに基づいて典型的に、継電器又は接触器上で作用する電力を計算する。さらに、２つの物理的変数の測定値を同時に監視ユニットによって評価することも可能であり、このことは、これに伴う冗長性により有利でありうる。

監視ユニットにより利用されるモデルは例えば、印加される電力、又は、存在する電位差により発生するアーク放電と、継電器又は接触器上での変化と、を関係付ける特性曲線に基づいていてもよい。

本発明に係る方法は、特に、継電器又は接触器の劣化を計算するため、又は、継電器又は接触器の溶着を予測するために利用することが可能である。

好適に、監視ユニットは、測定値及び上記モデルに基づいて、継電器又は接触器の現在の温度を推定する。継電器又は接触器の温度を監視ユニット内で計算することによって、継電器又は接触器上に配置された温度検出素子により温度を測定する必要が無くなる。むしろ、本発明は基本的に、温度検出素子を使用せずに実施される。但し、継電器又は接触器の現在の温度の推定は、継電器又は接触器の周囲温度を測定し、周囲温度の測定値を監視ユニットへと伝達することによって改善することが可能である。しかしながらその際に、継電器又は接触器の近傍にではなく継電器又は接触器の外部に配置された温度検出素子を設けることで十分である。例えば、バッテリ内での本方法の適用の際には、バッテリ管理ユニットにより検出されたバッテリ温度を監視ユニットへと伝達することが可能である。

継電器または接触器を通って流れる電流、もしくは、継電器または接触器上に印加される電圧は、様々な段階で測定することが可能であり、即ち、開放状態から閉鎖状態へと（又は閉鎖状態から開放状態へと）継電器または接触器が変化する継電器または接触器の切り替え動作の間に、もしくは、閉鎖されている状態の間に測定することが可能である。

継電器又は接触器の推定された温度が温度閾値を上回った場合には、警報信号を生成することが可能である。警報信号により又は類似した措置により、継電器又は接触器の溶着を防止することが可能であり、このことは、安全性及び信頼性における利点である。

本発明の更なる別の観点は、本発明に係る方法を実施するよう構成された監視ユニットと、本発明に係る監視ユニットを備えたバッテリ、好適にリチウムイオンバッテリと、本発明に係るバッテリを備えた車両と、に関する。

車両のバッテリシステム内での適用の他に、本発明は好適に他のシステム、例えばエンジンストップスタートシステム内で、継電器又は接触器の寿命を予測するために利用することが可能である。エンジンストップスタートシステム内には、始動機の前に作動される始動制御部のための継電器が設けられる。この場合にも、作動プロセスの間に、継電器の接点に損害を与えうる高い電流が流れる。

本発明の実施例が、図面及び以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
本発明に係るバッテリの一実施例を示す。 本発明に係るバッテリの一実施例を示す。

図１は、全体に符号１００が付されたバッテリのブロック図を示す。複数のバッテリセル１０が直列に接続され、任意に、各用途のために所望の高い出力電圧及びバッテリ容量を達成するために追加的に並列に接続される。バッテリセルの陽極と、正のバッテリ端子１４と、の間には充電及び分離素子１６が接続される。追加的に、バッテリセル１０の陰極と負のバッテリ端子１５と、の間には分離素子１７が接続される。分離及び充電素子１６と分離素子１７とはそれぞれ接触器１８又は１９を備え、この接触器１８又は１９は、バッテリ端子を零電位で接続するためにバッテリ端子１４、１５からバッテリセルを分離するために設けられている。分離及び充電素子１６と分離素子１７とが接触器１８又は１９を備えない場合には、直列接続されたバッテリセルの高い直流電圧のために、保守員等にとっては非常に危険になる可能性がある。充電及び分離素子１６内には、充電接触器２０に対して直列に接続された充電抵抗２１を備える充電接触器２０がさらに設けられる。充填抵抗２１は、図示されない直流中間回路にバッテリが接続される場合には、充電電流を制限する。このために最初に、接触器１８が開放されて充電接触器２０が閉鎖される。正のバッテリ端子１４の電圧がバッテリセル１０の電圧に達する場合には、接触器１９を閉鎖し、場合によっては、充電接触器２０を開放することが可能である。接触器１８、１９及び充電接触器２０は、それらの信頼性、及び、それらが供給する電流に対する要求が高いため、バッテリ１００のためのコストを著しく増大させる。

接触器１８、１９上での各接続過程及び各作動過程によって、接触器は劣化する。従って、故障を予防するために接触器の寿命を推定し、いつ接触器１８、１９、２０のうちの１つを交換する必要があるのかを診断する必要がある。このために、接触器１８、１９、２０のいずれに対しても適用可能な本発明に係る方法が実施されるが、ここでは、（負の）接触器１９に関してのみ解説される。

バッテリ１００、又は、より詳細に示されないバッテリ管理ユニットは、バッテリ電流及び接触器１９を通って流れる電流を測定するよう構成された電流測定ユニット１１と、接触器１９に印加される電圧を測定するよう構成された電圧素子１２と、バッテリ温度を測定するよう構成された温度測定素子１３と、を備える。本発明に係る方法を実施するためには、電流測定素子１１による又は電圧素子１２による測定で十分であり、従って、温度測定素子１３のような各他の測定素子は、冗長な情報又は演算を改善する情報を伝達する。

電流測定素子１１と、電圧素子１２と、温度測定素子１３とは、本発明に係る方法を実施する監視ユニットとしての役割を果たし又はそのような監視ユニットを備える制御装置２２へと、自身の測定値を伝達する。

図１では、監視ユニットは、バッテリ１００、特にバッテリ管理ユニットの一部として設けられる。しかしながら監視ユニットは、バッテリ１００の外部に配置することも可能であり、例えば、車両の主制御装置に含まれていてもよい。

監視される接触器１９の近傍に、温度検出素子１３を配置する必要はない。温度監視素子１３は、接触器１９の温度を直接的に測定するのではなく、周囲温度、例えばバッテリセルの近傍の温度を測定する。

図２は、図１に示したバッテリ１００内に実現された接触器の動作能力を予測するための本発明に係る方法の実施例を示す。全過程の間、電流測定素子１１と、電圧素子１２と、温度測定素子１３とは測定データを収集して監視ユニット２２へと伝達する。同様に全過程の間に、監視ユニット２２によって、接触器１９の現在の温度が計算され又は推定される。比較的長い周期に渡って電流が接触器１９を通って流れない場合については、推定された接触器１９の温度が、周囲温度と同等に扱われる。

ステップＳ１１では、接触器１９は開放された状態にある。電流は接触器１９を通って流れないため、接触器１９の更なる加熱は起こり得ない。

ステップＳ１２では、接触器１９が閉鎖される。切り替え動作の間に、接触器１９の接点を加熱する弧絡が起こる。弧絡の間の電流パルスが測定され、これに関連する接触器１９内での温度上昇が、監視ユニット２２によって計算される。

特に、短時間の間に接触器１９の開閉が繰り返される場合には、接触器１９の温度は、接点が溶接過程により貼り付いてしまうほど上昇する。従って、ステップＳ１３では、推定された接触器１９の温度が、所定の温度閾値と比較される。推定された接触器１９の温度が所定の温度閾値よりも高い場合には、ステップＳ１４で、例えば、交換の提案が発話される警報信号が生成され、これにより、接触器１９の誤動作を防止することが可能である。その際に、接触器１９内での温度上昇の推定は、電流バルスと、当該電流パルスに伴う温度上昇と、を互いに関連付ける温度モデルを基礎として行われる。

推定された接触器１９の温度が所定の温度閾値よりも高くない場合には、ステップＳ１５において、接点が閉鎖されている場合に、駆動中に接触器１９を通って流れる電流の推移が記録される。その際に、接触器１９は、流れ続ける駆動電流によって加熱される。接触器１９へのこの加熱は、監視ユニット２２により利用されるモデルによって予測される。その際に、接点への加熱が大きいほど、接点に対する既に存在する損傷が大きいことも考慮される。接点への加熱から、厳密には、推定される接点１９の温度の時間的経過から、接触器１９の劣化を予測することが可能である。

ステップＳ１６では接触器１９が再び開放され、このことが、ステップＳ１２のように弧絡に繋がる。発生したアーク放電に起因する温度上昇が大き過ぎる場合については（Ｓ１７）、警報信号が生成される（Ｓ１４）。発生したアーク放電に起因する温度上昇が大きくない場合には、本方法の開始点であるステップＳ１１へと戻り、その際に、このステップＳ１１は、接触器１９が閉鎖された状態に相当する。

監視ユニット２２により利用されるモデルは、接触器の製造業者により提供される真理値表であって、通常では、一定の負荷電流に従った、（複数の切り替え動作において測定された）継電器又は接触器の寿命がどのくらい長いのかを示す上記真理値表により改善することが可能である。しかしながら、上記の記述に対して、監視ユニット２２により利用されるモデルは、電流が可変的である場合にも劣化予想が行えるように、従って例えば、所定の負荷電流での第１の切り替え動作が実行され、その後に、負荷電流が１０倍大きい第２の切り替え動作が実行される場合を考慮しうるように構成される。

接触器１９の劣化及び溶着に関する予測は、監視ユニット２２によって、データ接続を介して、特にバスシステムを介して他の制御装置、例えば車両の主制御装置に報知される。

バッテリ１００、又は、より詳細に示されないバッテリ管理ユニットは、バッテリ電流及び接触器１９を通って流れる電流を測定するよう構成された電流測定素子１１と、接触器１９に印加される電圧を測定するよう構成された電圧素子１２と、バッテリ温度を測定するよう構成された温度測定素子１３と、を備える。本発明に係る方法を実施するためには、電流測定素子１１による又は電圧素子１２による測定で十分であり、従って、温度測定素子１３のような各他の測定素子は、冗長な情報又は演算を改善する情報を伝達する。

ステップＳ１６では接触器１９が再び開放され、このことが、ステップＳ１２のように弧絡に繋がる。発生したアーク放電に起因する温度上昇が大き過ぎる場合については（Ｓ１７）、警報信号が生成される（Ｓ１４）。発生したアーク放電に起因する温度上昇が大きくない場合には、本方法の開始点であるステップＳ１１へと戻り、その際に、このステップＳ１１は、接触器１９が開放された状態に相当する。

Claims (10)

1. 継電器又は接触器（１９）の動作能力を予測する方法において、前記継電器又は前記接触器（１９）を通って流れる電流、及び／又は、前記継電器又は前記接触器（１９）に印加される電圧が繰り返し測定され（１１、１２）、前記測定値が監視ユニット（２２）へと伝達され、前記監視ユニット（２２）は、前記測定値及びモデルに基づいて、前記継電器又は前記接触器（１９）の前記動作能力についての予測を行うことを特徴とする、方法。
2. 前記方法は、前記継電器又は前記接触器（１９）の劣化（Ｓ１５）を計算するため、又は、前記継電器又は前記接触器（１９）の溶着（Ｓ１３）を予測するために利用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記監視ユニット（２２）は、前記測定値及び前記モデルに基づいて、前記継電器又は前記接触器（１９）の現在の温度を推定する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記継電器又は前記接触器の周囲温度が測定され（１３）、前記周囲温度の測定値が前記監視ユニット（１８）へと伝達される、請求項３に記載の方法。
5. 前記継電器又は前記接触器を通って流れる前記電流、及び／又は、前記継電器又は前記接触器に印加される前記電圧は、前記継電器又は前記接触器の切り替え動作の間に測定される（Ｓ１２、Ｓ１６）、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記継電器又は前記接触器を通って流れる前記電流、及び／又は、前記継電器又は前記接触器に印加される前記電圧は、前記継電器又は前記接触器が閉鎖されている間に測定される（Ｓ１５）、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記継電器又は前記接触器の前記推定された温度が温度閾値を上回る場合には（Ｓ１３、Ｓ１７）、警報信号が生成される（Ｓ１４）、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 監視ユニット（２２）は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成されることを特徴とする、監視ユニット（２２）。
9. 継電器又は接触器（１９）と、請求項８に記載の監視ユニット（２２）と、を備えたバッテリ（１００）。
10. 請求項９に記載のバッテリ（１００）を備えた車両、特に電気自動車。
    

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