JP2015042022A

JP2015042022A - 蓄電システム

Info

Publication number: JP2015042022A
Application number: JP2013170220A
Authority: JP
Inventors: 宏紀三木; Hiroki Miki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-03-02

Abstract

【課題】昇圧回路（リアクトル）からインバータに流れる電流値を検出する電流センサの故障を判別したり、インバータのスイッチング素子がオフ状態で故障したことを判別したりする。
【解決手段】蓄電システムは、蓄電装置の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータに出力する昇圧回路と、蓄電装置の電流値を検出する第１電流センサと、昇圧回路の昇圧時に、昇圧回路に含まれるリアクトルからインバータに流れる電流値を検出する第２電流センサと、蓄電装置の温度を検出する温度センサと、蓄電装置に対して冷却風を供給するファンと、を有する。コントローラは、蓄電装置の温度、蓄電装置の電流値の二乗値、ファンの風量および蓄電装置の温度の上昇速度に基づき、第２電流センサの故障又は、インバータのスイッチング素子の故障を判別する。この故障を判別するとき、昇圧後の電圧値が所定時間内に上限電圧値および下限電圧値に到達した回数も考慮することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電システム、特に昇圧回路に設けられる電流センサなどの故障を判別する技術に関する。

ハイブリッド自動車などには、車両走行用モータ（モータ・ジェネレータ）に作動電力を供給する電池（二次電池）が搭載されている。この種の電池システムでは、電池の電流値を検出する第１電流センサと、昇圧回路によって電池の出力電圧を昇圧するときに、昇圧回路のリアクトルからインバータに流れる電流値を検出する第２電流センサとが設けられていることがある。

特開２００５−１６０１３６号公報

上述した電池システムでは、第２電流センサの故障によって、第２電流センサによる検出電流値が任意の値に固定されたり、モータ・ジェネレータの１相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のいずれか１つ）に対応したインバータのスイッチング素子がオフ状態で故障したりすると、高周波成分を含む電流が電池に流れることにより、電池が過度に発熱してしまうことがある。ここで、上述した故障によって、高周波成分を含む電流が電池に流れることについて説明する。

まず、昇圧回路の動作を制御するときには、車両の要求トルクから算出されるインバータの目標電圧値と、電圧センサによって検出されたインバータの電圧値（検出電圧値）との差に基づいて、目標電流量を算出する。そして、この目標電流量に基づいて、第２電流センサによる検出電流値を監視しながら、昇圧回路のリアクトルからインバータに流れる電流値を制御している。

上述したように第２電流センサが故障すると、第２電流センサによる検出電流値（固定値）が、目標電流量から特定される電流指令値よりも小さくなることがあり、検出電流値および電流指令値の間に差が生じる。この差を補正するための制御によって、昇圧回路（リアクトル）からインバータに流れる電流値が上昇したり、インバータの電圧値が上昇したりしてしまう。

インバータの電圧値が上昇すれば、上述した昇圧回路の制御において、電流指令値が変更される。これにより、第２電流センサによる検出電流値（固定値）が電流指令値よりも大きくなることがあり、検出電流値および電流指令値の差を補正するための制御によって、昇圧回路（リアクトル）からインバータに流れる電流値が低下したり、インバータの電圧値が低下したりしてしまう。

上述した挙動が繰り返されることにより、電池に流れる電流値が上昇および低下を繰り返すことになる。これにより、高周波成分を含む電流が電池に流れてしまい、電池が過度に発熱してしまうことがある。

一方、モータ・ジェネレータのＵ相、Ｖ相およびＷ相のうち、例えばＶ相に対応したインバータのスイッチング素子がオフ状態で故障した場合には、モータ・ジェネレータのＶ相への通電を行うときに、インバータの出力電力がモータ・ジェネレータで消費されずに、インバータの電圧値が上限電圧値を超えてしまうことがある。この場合には、インバータの目標電圧値を低下させることになり、これに伴ってインバータの電圧値が低下する。

インバータの電圧値を低下させた状態において、モータ・ジェネレータの通電をＶ相からＷ相に切り替えると、Ｗ相に対応したインバータのスイッチング素子は故障していないため、インバータからモータ・ジェネレータに電力が供給される。これにより、インバータの電圧値が低下して、下限電圧値よりも低下してしまうことがある。この場合には、インバータの目標電圧値を上昇させることになり、これに伴ってインバータの電圧値が上昇する。この状態において、モータ・ジェネレータのＶ相への通電を行うときには、上述したように、インバータの電圧値が上限電圧値を超えやすくなってしまう。

ここで、第２電流センサが故障していなく、インバータのスイッチング素子が故障しているとき、第２電流センサによる検出電流値は、電流指令値に沿った値を示すことになる。このため、高周波成分を含む電流が発生していても、第２電流センサの検出結果からは、何らかの異常が発生しているとは判別されない。また、電池システムでは、第２電流センサの他に、電池の電流値を検出する第１電流センサが設けられているが、第１電流センサによる検出電流値に対しては、制御の都合上、なまし処理が行われているため、第１電流センサを用いても、高周波成分を含む電流を検出することができない。

そこで、本願発明は、電池などの蓄電装置が過度に発熱する前に、上述した電流センサの故障を判別したり、インバータのスイッチング素子がオフ状態で故障していることを判別したりすることを目的とする。

本願発明である蓄電システムは、充放電を行う蓄電装置と、蓄電装置の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータに出力する昇圧回路と、蓄電装置の電流値を検出する第１電流センサと、昇圧回路の昇圧時に、昇圧回路に含まれるリアクトルからインバータに流れる電流値を検出する第２電流センサと、蓄電装置の温度を検出する温度センサと、蓄電装置に対して冷却風を供給するファンと、コントローラとを有する。コントローラは、蓄電装置の温度、蓄電装置の電流値の二乗値、ファンの風量および蓄電装置の温度の上昇速度に基づき、第２電流センサの故障又は、インバータのスイッチング素子の故障を判別する。

蓄電システムには、昇圧回路で昇圧された後の電圧値を検出する電圧センサを設けることができる。ここで、コントローラは、昇圧後の電圧値が所定時間内に上限電圧値および下限電圧値に到達した回数にも基づき、第２電流センサの故障又は、インバータのスイッチング素子の故障を判別する。

本願発明によれば、蓄電装置の温度と、蓄電装置の発熱量を特定するための電流値の二乗値と、蓄電装置の温度低下に影響を与えるファンの風量と、蓄電装置の温度の上昇速度とを監視することにより、第２電流センサの故障や、インバータのスイッチング素子の故障によって、蓄電装置が過度に発熱しやすくなっていることを把握できる。言い換えれば、第２電流センサの故障や、インバータのスイッチング素子の故障を判別することができる。

また、昇圧後の電圧値が所定時間内に上限電圧値および下限電圧値に到達した回数も監視すれば、第２電流センサの故障や、インバータのスイッチング素子の故障を判別しやすくなる。

電池システムの回路構成図である。故障検知のフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１である電池システム（蓄電システムに相当する）について説明する。図１は、本実施例の電池システムの構成を示す概略図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。車両としては、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、車両を走行させるための動力源として、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、車両の動力源として、後述する組電池だけを備えている。

組電池（蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池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の要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。また、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。

温度センサ１３は、組電池１０の温度（電池温度）を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。コントローラ５１は、温度センサ１３が検出した電池温度に基づき、ファンモータ（Ｍ）２１等の駆動を制御する。ファンモータ２１は、ファン２２を回転させる。ファン２２が回転することにより、組電池１０を冷却するための冷却風が生成される。

リレー３１，３２は、コントローラ５１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。リレー３１，３２がオフであるとき、組電池１０の充放電が禁止される。リレー３１，３２がオンであるとき、組電池１０の充放電が許容される。

第１電流センサ１２は、組電池１０の充放電電流を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。第１電流センサ１２は、組電池１０の正極端子および後述する昇圧回路４０を接続する接続ラインＰＬ１に設けられている。接続ラインＰＬ１にはリレー３１が設けられ、図１の例では、組電池１０の正極端子およびリレー３１を接続する接続ラインＰＬ１に第１電流センサ１２が設けられている。

昇圧回路４０は、接続ラインＰＬ１，ＮＬを介して組電池１０と接続されている。接続ラインＮＬは、組電池１０の負極端子および昇圧回路４０に接続されている。昇圧回路４０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５２に出力する。また、昇圧回路４０は、インバータ５２の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。昇圧回路４０は、コントローラ５１からの制御信号を受けて動作する。なお、組電池１０および昇圧回路４０を接続する接続ラインＰＬ１，ＮＬには、コンデンサＣ１が接続されている。

昇圧回路４０は、リアクトル４１と、ダイオード４２，４３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）４４，４５と、を有する。リアクトル４１は、一端がリレー３１に接続され、他端がトランジスタ４４，４５の接続点に接続されている。

トランジスタ４４，４５は、直列に接続されており、各トランジスタ４４，４５のベースには、コントローラ５１からの制御信号が入力される。トランジスタ４４，４５は、コントローラ５１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。トランジスタ４４，４５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４２，４３がそれぞれ接続されている。

トランジスタ４４，４５としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子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）等のスイッチング素子を用いることもできる。

昇圧回路４０の昇圧動作を行うとき、コントローラ５１は、トランジスタ４５をオンにするとともに、トランジスタ４４をオフにする。これにより、組電池１０からリアクトル４１に電流が流れ、リアクトル４１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５１は、トランジスタ４５をオンからオフに切り替えることにより、リアクトル４１からダイオード４２を介して、インバータ５２に電流を流す。これにより、リアクトル４１で蓄積されたエネルギが放出され、昇圧動作が行われる。

降圧動作を行うとき、コントローラ５１は、トランジスタ４４をオンにするとともに、トランジスタ４５をオフにする。これにより、インバータ５２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。

第２電流センサ４６は、リアクトル４１と、トランジスタ４４，４５の接続点との間に位置する接続ラインＰＬ１に設けられている。第２電流センサ４６は、昇圧回路４０が昇圧動作を行うときに、リアクトル４１からインバータ５２に流れる電流値を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。

昇圧回路４０は、接続ラインＰＬ２，ＮＬを介して、インバータ５２と接続されている。接続ラインＰＬ２，ＮＬには、コンデンサＣ２が接続されている。電圧センサ１４は、コンデンサＣ２の電圧値（言い換えれば、インバータ５２の電圧値）を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。電圧センサ１４の検出結果は、昇圧回路４０の動作を制御するときに用いられる。

インバータ５２は、コントローラ５１からの制御信号を受けて動作する。インバータ５２は、組電池１０（昇圧回路４０）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（三相交流モータ）５３に出力する。インバータ５２は、公知のように、モータ・ジェネレータ５３のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相と接続されたスイッチング素子を有する。これらのスイッチング素子をオンおよびオフの間で切り替えることにより、モータ・ジェネレータ５３に交流電力を供給することができる。

モータ・ジェネレータ５３は、インバータ５２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５３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５３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。モータ・ジェネレータ５３によって生成された交流電力は、インバータ５２によって直流電力に変換された後に、組電池１０に出力される。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。

本実施例において、コントローラ５１は、１つのＥＣＵ（Electric Control Unit）によって構成されていてもよいし、複数のＥＣＵによって構成されていてもよい。複数のＥＣＵを用いる場合には、組電池１０の電流値、電圧値および温度などを監視するＥＣＵと、インバータ５２やモータ・ジェネレータ５３の動作を制御するＥＣＵとを設けることができる。

本実施例の電池システムにおいても、上述したように、第２電流センサ４６の故障によって、第２電流センサ４６による検出電流値が任意の値に固定されてしまったり、モータ・ジェネレータ５３の１相に対応したインバータ５２のスイッチング素子がオフ状態で故障したりすることがある。本実施例では、これらの故障を判別するようにしている。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、コントローラ５１により実行される故障判別処理について説明する。この故障判別処理は、第２電流センサ４６による検出電流値が任意の値に固定される故障を判別したり、インバータ５２のスイッチング素子におけるオフ状態の故障を判別したりする処理である。

ステップＳ１０１において、コントローラ５１は、温度センサ１３の検出結果に基づき、電池温度が閾値（電池温度に関する閾値）Ｔｂ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する。閾値Ｔｂ＿ｔｈは、組電池１０で許容される温度の上限値であり、適宜設定することができる。電池温度が閾値Ｔｂ＿ｔｈ以上であるとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０２の処理に進む。電池温度が閾値Ｔｂ＿ｔｈよりも低いとき、コントローラ５１は、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ１０２において、コントローラ５１は、第１電流センサ１２による検出電流値の二乗値が閾値（二乗値に関する閾値）Ｉ^２＿ｔｈ以下であるか否かを判別する。組電池１０の発熱量は、組電池１０の電流値の二乗値に比例するため、電流値の二乗値を監視することにより、組電池１０の発熱量を把握することができる。

閾値Ｉ^２＿ｔｈは、組電池１０で許容される発熱量の上限値から特定される値であり、適宜設定することができる。電流値の二乗値が閾値Ｉ^２＿ｔｈ以下であるとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０３の処理に進む。電流値の二乗値が閾値Ｉ^２＿ｔｈよりも大きいとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０９において、組電池１０が高温状態（異常状態）であると判別し、高温異常に関するフラグを立てて、図２に示す処理を終了する。高温異常に関するフラグが設定されたときには、ユーザなどに警告を行ったり、組電池１０の充放電を禁止したりすることができる。

ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理によって、組電池１０が高温状態（異常状態）であるか否かを判別することができる。しかしながら、第２電流センサ４６の故障や、インバータ５２のスイッチング素子の故障に伴って発生する組電池１０の高温状態（異常状態）は、ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理を行っても判別することができない。これらの故障を判別するために、本実施例では、以下に説明する処理を行っている。

ステップＳ１０３において、コントローラ５１は、ファン２２の風量が、予め定められた最大値であるか否かを判別する。コントローラ５１は、ファン２２の駆動を制御しているため、ファン２２の風量を把握でき、この風量が最大値であるか否かを判別することができる。ファン２２の風量が最大値であるとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０４の処理に進む。ファン２２の風量が最大値よりも少ないとき、コントローラ５１は、図２に示す処理を終了する。ここでは、電池温度が閾値Ｔｂ＿ｔｈ以上となっているため、コントローラ５１は、ファン２２の風量を最大値に設定することができる。

ステップＳ１０４において、コントローラ５１は、温度センサ１３の検出結果に基づいて、電池温度の上昇速度を算出する。電池温度の上昇速度とは、単位時間当たりの電池温度の上昇量を示す。また、ステップＳ１０４において、コントローラ５１は、電圧センサ１４の検出結果に基づいて、所定時間内において、電圧センサ１４による検出電圧値（インバータ５２の電圧値）が上限電圧値および下限電圧値に到達した回数をカウントする。

このカウント値は、電圧センサ１４による検出電圧値が、上限電圧値および下限電圧値の間で変化していることを把握するために用いられる。例えば、検出電圧値が上限電圧値に到達した後に下限電圧値に到達するたびに、又は、検出電圧値が下限電圧値に到達した後に上限電圧値に到達するたびに、カウント値をインクリメントすることができる。

ステップＳ１０５において、コントローラ５１は、ステップＳ１０４の処理で算出した上昇速度が閾値（上昇速度に関する閾値）Ｓ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する。コントローラ５１は、上昇速度が閾値Ｓ＿ｔｈ以上であることを判別することにより、電池温度が上昇しやすくなっていることを把握できる。上昇速度が閾値Ｓ＿ｔｈ以上であるとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０６の処理に進み、上昇速度が閾値Ｓ＿ｔｈよりも低いとき、コントローラ５１は、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ１０６において、コントローラ５１は、ステップＳ１０４の処理で得られたカウント値が閾値（カウント値に関する閾値）Ｃ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する。コントローラ５１は、カウント値が閾値Ｃ＿ｔｈ以上であることを判別することにより、高周波成分を含む電流が組電池１０に流れていることを把握することができる。カウント値が閾値Ｃ＿ｔｈ以上であるとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０７の処理に進み、カウント値が閾値Ｃ＿ｔｈよりも小さいとき、コントローラ５１は、ステップＳ１０８の処理に進む。

ステップＳ１０７において、コントローラ５１は、第２電流センサ４６の故障によって、第２電流センサ４６による検出電流値が固定されていることを判別したり、インバータ５２のスイッチング素子がオフ状態で故障していることを判別したりする。この判別に伴い、コントローラ５１は、リレー３１，３２をオンからオフに切り替える。

ステップＳ１０８において、コントローラ５１は、電池システムが異常状態であるか否かを判別する。この異常状態は、コントローラ５１の異常や、電圧センサ１４の異常を示す。コントローラ５１は、電圧センサ１４による検出電圧値が上限電圧値又は下限電圧値に到達し続けていること、又は、電圧センサ１４による検出電圧値が固定されていることを確認すれば、電池システムが異常状態であると判別する。この場合には、ユーザなどに警告することができ、この警告を受けたユーザなどは、コントローラ５１や電圧センサ１４を交換することができる。

本実施例では、ファン２２の風量が最大値に設定されているにもかかわらず、電池温度の上昇速度が閾値Ｓ＿ｔｈ以上であり、カウント値が閾値Ｃ＿ｔｈ以上であることを確認することにより、高周波成分を含む電流が組電池１０に流れていることを確認している。上述したように、高周波成分を含む電流は、第２電流センサ４６の故障や、インバータ５２のスイッチング素子の故障によって引き起こされる。このため、図２に示す処理（特に、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６の処理）によって、第２電流センサ４６の故障や、インバータ５２のスイッチング素子の故障を判別することができる。

なお、本実施例では、電池システムに第２電流センサ４６が設けられているが、第２電流センサ４６を省略することもできる。この場合には、図２に示す処理によって、インバータ５２のスイッチング素子の故障を判別することができる。また、図２に示すステップＳ１０６の処理を省略して、第２電流センサ４６の故障や、インバータ５２のスイッチング素子の故障を判別することもできる。ただし、本実施例のように、ステップＳ１０６の処理を行うことにより、第２電流センサ４６の故障やインバータ５２のスイッチング素子の故障を判別する精度を向上させることができる。

１０：組電池、１２：第１電流センサ、１３：温度センサ、３１，３２：リレー、
４０：昇圧回路、４１：リアクトル、４２，４３：ダイオード、
４４，４５：トランジスタ、４６：第２電流センサ、５１：コントローラ、
５２：インバータ、５３：モータ・ジェネレータ

Claims

充放電を行う蓄電装置と、
前記蓄電装置の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータに出力する昇圧回路と、
前記蓄電装置の電流値を検出する第１電流センサと、
前記昇圧回路の昇圧時に、前記昇圧回路に含まれるリアクトルから前記インバータに流れる電流値を検出する第２電流センサと、
前記蓄電装置の温度を検出する温度センサと、
前記蓄電装置に対して冷却風を供給するファンと、
前記蓄電装置の温度、前記蓄電装置の電流値の二乗値、前記ファンの風量および前記蓄電装置の温度の上昇速度に基づき、前記第２電流センサの故障又は、前記インバータのスイッチング素子の故障を判別するコントローラと、
を有することを特徴とする蓄電システム。
前記昇圧回路で昇圧された後の電圧値を検出する電圧センサを有しており、
前記コントローラは、前記昇圧後の電圧値が所定時間内に上限電圧値および下限電圧値に到達した回数にも基づき、前記第２電流センサの故障又は、前記インバータのスイッチング素子の故障を判別することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。