JP2015216778A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＣフィルタ回路の抵抗素子において、抵抗値の低下が発生しているか否かを判定できる蓄電システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の蓄電システムは、直列に接続された複数の蓄電素子と、各蓄電素子の電圧値を検出する電圧検出回路と、抵抗素子およびキャパシタを備え、各蓄電素子および電圧検出回路の間における電圧検出ラインに設けられたＲＣフィルタ回路と、電圧検出ラインに設けられており、抵抗素子およびスイッチを備え、複数の蓄電素子における電圧値を均等化させるための均等化処理において、スイッチをオンにして各蓄電素子を放電する放電回路と、均等化処理による蓄電素子の電圧低下量が、予め定めた電圧低下量より大きい場合、抵抗素子の抵抗値が低下していると判定するコントローラと、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、直列に接続された複数の蓄電素子の電圧値を均等化する蓄電システムに関するものである。

従来、複数の単電池が直列に接続された組電池を有する電池システムが知られる。電池システムには、電圧検出回路や放電回路が設けられる。

電圧検出回路は、各単電池の電圧値を検出する。特許文献１，２には、電圧検出回路および各単電池を接続する電圧検出ライン上にＲＣフィルタ回路を設けた構成が記載される。ＲＣフィルタ回路は、抵抗素子およびキャパシタを備え、各単電池から電圧検出回路に出力される信号において、ノイズとなる高周波数帯を減衰させる。

放電回路は、抵抗素子およびスイッチを備え、スイッチのオンによって各単電池を放電させる。これにより、複数の単電池における電圧値のバラツキを抑制できる。特許文献３，４には、放電回路の抵抗素子の短絡等による抵抗値の低下を検出する構成が記載される。

特開２０１２−１５９４０７号公報 特開２０１２−１７２９９２号公報 特開２００７−０８５８４７号公報 特開２００２−３５４６８４号公報

ＲＣフィルタ回路を備える電池システムでは、ＲＣフィルタ回路の抵抗素子の抵抗値が低下すると、各単電池から電圧検出回路に出力される信号において、ノイズとなる高周波数帯を減衰できなくなる。特許文献３，４の技術は、放電回路の抵抗素子の抵抗値の低下を検出するためのものであり、ＲＣフィルタ回路の抵抗素子の抵抗値の低下を検出するためのものではない。

本発明の蓄電システムは、直列に接続された複数の蓄電素子と、各蓄電素子の電圧値を検出する電圧検出回路と、ＲＣフィルタ回路と、放電回路と、コントローラとを有する。ＲＣフィルタ回路は、各蓄電素子および電圧検出回路の間における電圧検出ラインに設けられており、抵抗素子およびキャパシタを備えている。放電回路は、電圧検出ラインに設けられており、ＲＣフィルタ回路と共用される抵抗素子と、スイッチとを備えている。複数の蓄電素子における電圧値を均等化させるための均等化処理において、放電回路は、スイッチをオンにして各蓄電素子を放電する。コントローラは、均等化処理による蓄電素子の電圧低下量が、予め定めた電圧低下量より大きい場合、抵抗素子の抵抗値が低下していると判定する。

本発明では、ＲＣフィルタ回路および放電回路において、抵抗素子が共用されている。このため、ＲＣフィルタ回路の抵抗素子において、短絡等により抵抗値の低下が生じていると、放電回路によって蓄電素子を放電した時に蓄電素子の電圧低下量が増加する。そこで、本発明では、蓄電素子の電圧低下量が予め定めた電圧低下量よりも大きい場合、ＲＣフィルタ回路の抵抗素子の抵抗値が低下していると判定する。

電池システムの構成を示す概略図である。 組電池および監視ユニットの構成を示す図である。 ＲＣフィルタ回路の故障検出処理を説明するためのフローチャートである。 ＲＣフィルタ回路および放電回路を示す拡大図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、電池システム１（本発明の蓄電システムに相当する）の構成を示す概略図である。
電池システム１は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載できる。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組電池１０を備えるとともに、他の動力源として燃料電池やエンジン等を備える。電気自動車は、車両の動力源として組電池１０のみを備える。

組電池１０の正極端子には正極ラインＰＬが接続し、組電池１０の負極端子には負極ラインＮＬが接続する。組電池１０は、負荷２０と正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して接続する。電池システム１を車両に搭載した時、負荷２０としてモータ・ジェネレータが用いられる。モータ・ジェネレータは、車両を走行させるための運動エネルギを組電池１０からの電力に基づいて生成する機能と、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力に変換して組電池１０に供給する機能とを備える。

コントローラ３０は、ＣＰＵ３１（Central Processing Unit）およびメモリ３２を備え、組電池１０の充放電制御等を行う。メモリ３２は、コントローラ３０が本実施形態の処理に用いる情報等を記憶する。

監視ユニット４０は、組電池１０の電圧値や、図２に示す組電池１０内の各単電池１１の電圧値を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。

図２は、組電池１０および監視ユニット４０の構成を示す図である。
組電池１０は、電気的に直列に接続される複数の単電池１１（本発明の蓄電素子に相当する）を備える。組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力等に基づいて適宜設定できる。単電池１１として、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタを用いることができる。

なお、本実施形態では、電圧検出回路５０にて各単電池１１の電圧値を検出する構成となっているが、これに限るものではない。具体的には、複数の単電池１１を直列に接続して電池ブロック（本発明の蓄電素子に相当する）を構成するとともに、複数の電池ブロックを直列に接続して組電池１０を構成する時、電圧検出回路５０によって各電池ブロックの電圧値を検出できる。

監視ユニット４０は、電圧検出回路５０、ＲＣフィルタ回路６０、放電回路７０、およびマルチプレクサ８０を備える。

電圧検出回路５０は、コンパレータ５１およびＡＤコンバータ５２を備える。
コンパレータ５１は、複数の電圧検出ラインＬ１、Ｌ２を介して各単電池１１と接続し、各単電池１１の電圧値を検出する。

電圧検出ラインＬ１は、２つあり、一方の電圧検出ラインＬ１は、組電池１０の正極端子に接続するとともにコンパレータ５１の一方の入力端子に接続し、他方の電圧検出ラインＬ１は、組電池１０の負極端子に接続するとともにコンパレータ５１の他方の入力端子に接続する。

電圧検出ラインＬ２は複数あり、電気的に直列に接続する２つの単電池１１における一方の単電池１１の負極端子と他方の単電池１１の正極端子とに接続する。電圧検出ラインＬ２は、分岐ラインＬ２１、Ｌ２２に分岐する。分岐ラインＬ２１は、組電池１０の正極端子に接続する電圧検出ラインＬ１に接続し、分岐ラインＬ２２は、組電池１０の負極端子に接続する電圧検出ラインＬ１に接続する。

マルチプレクサ８０は、サンプリングスイッチＳＷ８１、ＳＷ８２を備え、電圧検出回路５０の電圧検出対象となる単電池１１を選択する。

サンプリングスイッチＳＷ８１は、組電池１０の正極端子に接続する電圧検出ラインＬ１および分岐ラインＬ２１にあり、サンプリングスイッチＳＷ８２は、組電池１０の負極端子に接続する電圧検出ラインＬ１および分岐ラインＬ２２にある。サンプリングスイッチＳＷ８１，ＳＷ８２は、コントローラ３０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。

電圧検出対象の単電池１１に対応するサンプリングスイッチＳＷ８１，ＳＷ８２だけをオンにすると、コンパレータ５１は、電圧検出対象の単電池１１の電圧値（この単電池１１に対応する後述するキャパシタＣの電圧値）を出力する。各単電池１１に対応するサンプリングスイッチＳＷ８１，ＳＷ８２を順次オンすることで、各単電池１１の電圧値を順次検出できる。

ＡＤコンバータ５２は、コンパレータ５１の出力信号をＡＤ変換した後、ＡＤ変換後の信号をコントローラ３０に入力する。これにより、コントローラ３０は各単電池１１の電圧値を検出できる。

ＲＣフィルタ回路６０は、各単電池１１および電圧検出回路５０の間における電圧検出ラインＬ１，Ｌ２に設けられており、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又は電圧検出ラインＬ２，Ｌ２を介して各単電池１１と電気的に並列に接続される。ＲＣフィルタ回路６０は、各単電池１１から電圧検出回路５０に出力される信号（各単電池１１の電圧値の情報）において、ノイズとなる高周波数帯を減衰させる。

ＲＣフィルタ回路６０は、抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２およびキャパシタＣを備える。

抵抗素子Ｒ６１は、組電池１０の正極端子に接続する電圧検出ラインＬ１および分岐ラインＬ２１にあり、抵抗素子Ｒ６２は、組電池１０の負極端子に接続する電圧検出ラインＬ１および分岐ラインＬ２２にある。

キャパシタＣは、抵抗素子Ｒ６１およびサンプリングスイッチＳＷ８１の間に位置する分岐ラインＬ２１と、抵抗素子Ｒ６２およびサンプリングスイッチＳＷ８２の間に位置する分岐ラインＬ２２とに接続される。すなわち、このキャパシタＣは、電圧検出ラインＬ２，Ｌ２を介して、各単電池１１と電気的に並列に接続される。

また、キャパシタＣは、抵抗素子Ｒ６１およびサンプリングスイッチＳＷ８１の間に位置する電圧検出ラインＬ１と、抵抗素子Ｒ６２およびサンプリングスイッチＳＷ８２の間に位置する分岐ラインＬ２２とに接続される。このキャパシタＣは、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２を介して、単電池１１と電気的に並列に接続される。さらに、キャパシタＣは、抵抗素子Ｒ６１およびサンプリングスイッチＳＷ８１の間に位置する分岐ラインＬ２１と、抵抗素子Ｒ６２およびサンプリングスイッチＳＷ８２の間に位置する電圧検出ラインＬ１とに接続される。このキャパシタＣは、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２を介して、単電池１１と電気的に並列に接続される。

各キャパシタＣは、対応する単電池１１の放電電流によって充電されるため、各キャパシタＣの電圧値は、対応する単電池１１の電圧値と等しくなる。電圧検出回路５０は、電圧検出対象の単電池１１に対応するキャパシタＣの電圧値を、電圧検出対象の単電池１１の電圧値として検出する。

放電回路７０は、各単電池１１および電圧検出回路５０の間における電圧検出ラインＬ１，Ｌ２に設けられており、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又は電圧検出ラインＬ２，Ｌ２を介して各単電池１１と電気的に並列に接続される。放電回路７０は、組電池１０を構成する複数の単電池１１の電圧値を均等化させるための均等化処理を行う。

放電回路７０は、抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２、およびスイッチＳＷ７１を備える。抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２は、ＲＣフィルタ回路６０および放電回路７０において共用されている。

スイッチＳＷ７１は、コントローラ３０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。スイッチＳＷ７１は、電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又は電圧検出ラインＬ２，Ｌ２を介して、単電池１１と電気的に並列に接続される。スイッチＳＷ７１および単電池１１を接続する電流経路上（電圧検出ラインＬ１，Ｌ２又は電圧検出ラインＬ２，Ｌ２）に抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２が設けられる。

電圧値が他の単電池１１より高い放電対象の単電池１１に接続する放電回路７０のスイッチＳＷ７１をＯＮすることで、放電対象の単電池１１を放電できる。このようにすることにより、組電池１０を構成する複数の単電池１１における電圧値のバラツキを抑制（均等化）できる。該均等化処理は、所定時間の間だけ行われ、所定時間が経過した後には、各単電池１１の電圧値を再び検出し、この検出結果に基づいて均等化処理を更に行うか否かが判定される。このような均等化処理は、組電池１０が負荷２０と接続されていない時に行うことができる。

ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２の抵抗値が等しい場合において例えば抵抗素子Ｒ６１が短絡等して故障し、抵抗値が低下する場合を考える。この場合、該抵抗素子Ｒ６１を有するＲＣフィルタ回路６０に対応する単電池１１から電圧検出回路５０に出力される信号において、該ＲＣフィルタ回路６０が減衰するノイズの周波数の下限値であるカットオフ周波数は２倍となる。そのため、本来減衰すべき周波数帯を該ＲＣフィルタ回路６０によって減衰できなくなる。

そこで、本実施形態では、コントローラ３０は、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２の抵抗値の低下（ＲＣフィルタ回路６０の故障）を検出できるようになっている。以下、コントローラ３０によるＲＣフィルタ回路６０の故障検出処理について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

コントローラ３０は、電圧検出回路５０の出力に基づいて各単電池１１の電圧値Ｖ１を順次検出し、この電圧値Ｖ１をメモリ３２に記憶させる（ステップＳ１）。次に、コントローラ３０は、均等化処理を行う（ステップＳ２）。すなわち、コントローラ３０は、他の単電池１１より閾値以上高い電圧値を示す単電池１１を放電対象と判定し、放電回路７０を用いて、該放電対象の単電池１１を放電する（ステップＳ２）。

コントローラ３０は、均等化処理後、電圧検出回路５０の出力に基づいて各単電池１１の電圧値Ｖ２を再び検出する（ステップＳ３）。コントローラ３０は、検出された電圧値Ｖ２に基づいて、再度、均等化処理を行うか否かを判定する。

コントローラ３０は、ステップＳ１の処理で検出された電圧値Ｖ１と、ステップＳ３の処理で検出された電圧値Ｖ２とに基づいて、放電対象の単電池１１における均等化処理前後の電圧差ΔＶ（電圧低下量）を算出する（ステップＳ４）。具体的には、コントローラ３０は、電圧値Ｖ１から電圧値Ｖ２を減算することにより電圧差ΔＶを算出する。

また、コントローラ３０は、算出した電圧差ΔＶが、予め定めた電圧差ΔＶｔｈ（電圧低下量）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。電圧差ΔＶｔｈは、例えば下記式（１）に基づいて設定できる。

上記式（１）において、Ｉｅは、均等化処理を行うときの単電池１１の放電電流値であり、ΣＩｅは、均等化処理を行っている間（上述した所定時間）における放電電流値Ｉｅの積算値（放電電流量）である。Ｖｂ＿１００は、単電池１１のＳＯＣ（State of Charge）が１００％であるときの単電池１１の電圧値であり、Ｖｂ＿０は、単電池１１のＳＯＣが０％であるときの単電池１１の電圧値である。ＦＣＣは、単電池１１の満充電容量である。ＳＯＣとは、満充電容量に対する現在の充電容量の割合である。放電電流値Ｉｅ、電圧値Ｖｂ＿１００，Ｖｂ＿０および満充電容量ＦＣＣを予め求めておけば、電圧差ΔＶｔｈを設定できる。

単電池１１の劣化に応じて、電圧値Ｖｂ＿１００，Ｖｂ＿０および満充電容量ＦＣＣが変化することもある。ここで、現在の単電池１１において、電圧値Ｖｂ＿１００，Ｖｂ＿０および満充電容量ＦＣＣを取得した時には、この電圧値Ｖｂ＿１００，Ｖｂ＿０および満充電容量ＦＣＣを用いて電圧差ΔＶｔｈを設定し直すこともできる。

ここで、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２の少なくともいずれかが短絡等により抵抗値が低下すると、図４に示すように均等化処理時に該ＲＣフィルタ回路６０の電流経路を流れる放電電流量は増加する。

このため、均等化処理時において、放電対象の単電池１１に関する電圧差ΔＶは、電圧差ΔＶｔｈよりも大きくなる。コントローラ３０は、電圧差ΔＶが電圧差ΔＶｔｈよりも大きいと判定する場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２の少なくともいずれかの抵抗値が低下しており、ＲＣフィルタ回路６０は故障していると判定し（ステップＳ５）、図３に示す本処理（ＲＣフィルタ回路６０の故障検出処理）を終了する。

コントローラ３０は、電圧差ΔＶが電圧差ΔＶｔｈ以下であると判定する場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１、Ｒ６２の抵抗値はいずれも低下しておらず、ＲＣフィルタ回路６０は故障していないと判定し（ステップＳ６）、図３に示す本処理を終了する。

以上の本実施形態では、コントローラ３０は、放電対象の単電池１１の電圧差ΔＶが電圧差ΔＶｔｈより大きい場合、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２において抵抗値の低下が生じていると判定する。ここで、電圧差ΔＶｔｈの設定によっては、抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２に故障が発生しているか否かを判定できる。

ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２において、抵抗値の低下が生じていると、ＲＣフィルタ回路６０によるノイズの減衰機能の機能が低下し、単電池１１の実際の電圧値を電圧検出回路５０にて正しく検出できなくなるおそれがある。従って、本実施形態では、ＲＣフィルタ回路６０の抵抗素子Ｒ６１，Ｒ６２に故障（抵抗値の低下）が生じていることを判定した場合、故障の発生を不図示のディスプレイや、不図示のスピーカ等によりユーザに知らせることが可能となる。また、ＲＣフィルタ回路６０の故障が発生している時、コントローラ３０は、電池システム１を起動させないように、言い換えれば、組電池１０の充放電を行わせないようにすることができる。

１…電池システム（蓄電システム）、１１…単電池（蓄電素子）、３０…コントローラ、５０…電圧検出回路、６０…ＲＣフィルタ回路、７０…放電回路、Ｃ…キャパシタ、Ｒ６１，Ｒ６２…抵抗素子、ＳＷ７１…スイッチ。

Claims (1)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子と、
   前記各蓄電素子の電圧値を検出する電圧検出回路と、
   抵抗素子およびキャパシタを備え、前記各蓄電素子および前記電圧検出回路の間における電圧検出ラインに設けられたＲＣフィルタ回路と、
   前記電圧検出ラインに設けられており、前記抵抗素子およびスイッチを備え、前記複数の蓄電素子における電圧値を均等化させるための均等化処理において、前記スイッチをオンにして前記各蓄電素子を放電する放電回路と、
   前記均等化処理による前記蓄電素子の電圧低下量が、予め定めた電圧低下量より大きい場合、前記抵抗素子の抵抗値が低下していると判定するコントローラと、を備えることを特徴とする蓄電システム。
   

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