JP2016057173A

JP2016057173A - 温度検出装置

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Publication number: JP2016057173A
Application number: JP2014184074A
Authority: JP
Inventors: 谷川　純也; Junya Tanigawa; 純也谷川; 荘田　隆博; Takahiro Shoda; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: US20170179550A1; CN106687784B; JP6211493B2; US10355323B2; DE112015004134T5; WO2016039098A1; CN106687784A

Abstract

【課題】組電池の温度状態を分解能よく検出しつつも検出線の配索性に優れる温度検出装置を提供する。
【解決手段】温度検出装置１は、複数の電池セル１０１のそれぞれに対応して設けられる複数の検出回路１０と、複数の検出回路１０を電気的に並列接続する一対の検出線１５と、一対の検出線１５に分圧抵抗２１を介して正弦波検出信号を入力することで、電池セル１０１の温度をそれぞれ検出する処理部２３と、を有している。ここで、検出回路１０のそれぞれは、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗Ｒth1〜Ｒth6と、コイルＬ１と、コンデンサＣ１〜Ｃ６とを直列に接続した回路で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池の状態管理に用いられる温度検出装置に関する。

従来より、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）といった、電気モータを利用して走行する車両が知られている。この車両には、電気モータ等に電力を供給するバッテリ（蓄電装置）が搭載されている。バッテリとしては、例えばリチウムイオン電池が用いられる。バッテリは、満充電で充電を継続した場合や、継続的な高負荷状態に対応して大きな電流を流し続けた場合には、その温度が上昇する。バッテリ温度が上昇すると、電解液の分解が起き、バッテリ内部にガスが発生する。そのため、バッテリ内圧が上昇し、形状変形や破裂を起こす可能性がある。

また、車両搭載用のバッテリには高い出力電圧が必要であることから、複数の電池セルを組み合わせた組電池が用いられる。この組電池においては、電池セル毎に温度状態が異なり組電池内に温度分布が発生するため、電池セル毎に温度を管理することが必要になる。また、高温に弱いリチウムイオン電池では、電池セル毎の温度管理が特に重要となる。

例えば、特許文献１には、組電池である電池パックの温度を検出する温度センサを備えた入出力制御装置が開示されている。この特許文献１では、１つの電池パックに対して、単位電池（電池セル）の配列方法に沿って等間隔となるように、３個の温度センサが配置されている。温度センサには、サーミスタ等の感温素子が示されている。

特開２０１１−２２２１３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、３点でしか温度の検出をしておらず、組電池の温度状態を分解能よく把握することができないという問題がある。また、個々の温度センサについて一対の検出線が必要となることから、合計で６本の検出線が必要となる。

組電池の温度状態を分解能よく検出するためには、電池セルに対応して複数の温度センサを搭載すればよいが、センサ数に比例して検出線の数も多くなる。検出線の数が増えると、その配索作業が煩雑となるばかりか、組電池を収容するケース内の限られたスペースに検出線を配索しなければならず、これが非常に困難であるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池の温度状態を分解能よく検出しつつも検出線の配索性に優れる温度検出装置を提供する。

かかる課題を解決するために、本発明は、複数の電池セルを組み合わせた組電池に用いられる温度検出装置を提供する。この温度検出装置は、温度検出対象となる電池セルのそれぞれに対応して設けられる複数の検出回路と、複数の検出回路を電気的に並列接続する一対の検出線と、一対の検出線に分圧抵抗を介して正弦波検出信号を入力することで、温度検出対象となる電池セルの温度をそれぞれ検出する処理部と、を有している。ここで、検出回路のそれぞれは、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗と、コイルと、コンデンサとを直列接続した回路で構成されている。

ここで、本発明において、複数の検出回路は、コイルのインダクタンス及びコンデンサの静電容量によって回路の共振周波数がそれぞれ異なる値に設定されていることが好ましい。この場合、処理部は、検出回路のそれぞれの共振周波数と対応するように周波数を変動させながら正弦波検出信号を入力することが望ましい。

また、本発明において、処理部は、正弦波検出信号の周波数毎に、分圧抵抗に印加される電圧に基づいて周波数が対応する検出回路の感温抵抗の抵抗値を演算し、当該感温抵抗の抵抗値に基づいて当該検出回路が設けられた電池セルの温度を検出することが好ましい。

本発明によれば、温度検出対象の電池セルのそれぞれに対応して複数の検出回路を設けているため、電池セルそれぞれの温度状態を検出することが可能となる。また、２本の検出線をそれぞれの検出回路が共用することで、検出線を検出回路毎に設ける必要がない。これにより、組電池の温度状態を分解能よく検出しつつ、検出線の配索性に優れた温度検出装置を提供することができる。

本実施形態に係る温度検出装置の構成を模式的に示す説明図本実施形態に係る温度検出装置の回路構成を示す説明図各検出回路に関するインダクタンス及び静電容量の一例とその共振周波数を示す図本実施形態に係る温度検出装置による温度検出処理を示すフローチャート

図１は、本実施形態に係る温度検出装置１の構成を模式的に示す説明図である。図２は、本実施形態に係る温度検出装置１の回路構成を示す説明図である。本実施形態に係る温度検出装置１は、組電池１００の状態管理に用いられるものであり、その温度を検出するものである。

組電池１００は、複数の電池セル１０１を電気的に接続したものであり、本実施形態では、６つの電池セル１０１で構成されている。各電池セル１０１は、その厚み方向に積層された状態でモジュールケース（図示せず）に収容されている。

個々の電池セル１０１は、１つ電池要素から又は複数の電池要素を電気的に接続して構成されている。電池セル１０１としては、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。

温度検出装置１は、複数の検出回路１０と、一対の検出線１５と、検出処理部２０とを有している。

複数の検出回路１０は、それぞれが独立した回路であり、本実施形態では、電池セル１０１のそれぞれに対応する６つの検出回路１０が設けられている。検出回路１０と電池セル１０１とは一対一の関係で設けられている。なお、検出回路１０を識別する場合には、図２に示すように、「Ｓ１」から「Ｓ６」までの各記号を用いることとする。

個々の検出回路１０は、対応する電池セル１０１の温度を検出する回路であり、当該電池セル１０１に配置されている。個々の検出回路１０は、抵抗と、コイルと、コンデンサとを直列に接続した回路（ＲＬＣ回路）から構成されている。

第１の検出回路１０（Ｓ１）は、抵抗Ｒth1、コイルＬ１及びコンデンサＣ１からなるＲＬＣ回路であり、第２の検出回路１０（Ｓ２）は、抵抗Ｒth2、コイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＲＬＣ回路である。同様に、第３の検出回路１０（Ｓ３）は、抵抗Ｒth3、コイルＬ３及びコンデンサＣ３からなるＲＬＣ回路であり、第４の検出回路１０（Ｓ４）は、抵抗Ｒth4、コイルＬ４及びコンデンサＣ４からなるＲＬＣ回路である。また、第５の検出回路１０（Ｓ５）は、抵抗Ｒth5、コイルＬ５及びコンデンサＣ５からなるＲＬＣ回路であり、第６の検出回路１０（Ｓ６）は、抵抗Ｒth6、コイルＬ６及びコンデンサＣ６からなるＲＬＣ回路である。

各抵抗Ｒth1〜Ｒth6は、対応する電池セル１０１に対して熱的に接触して配設されている。この抵抗Ｒth1〜Ｒth6は、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗であり、例えばサーミスタなどを用いることができる。

各検出回路１０において、コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンス及びコンデンサＣ１〜Ｃ６の静電容量は任意に設定することができるが、各検出回路１０の共振周波数がそれぞれ異なるように、コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンス及びコンデンサＣ１〜Ｃ６の静電容量がそれぞれ設定されている。

図３は、各検出回路１０に関するインダクタンスＬ及び静電容量Ｃの一例とその共振周波数ｆ０を示す図である。例えば、各検出回路１０において、各コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンスＬは、それぞれ４７μＨである。また、各コンデンサＣ１〜Ｃ６の静電容量Ｃは、０．１μＦ、０．１５μＦ、０．２２μＦ、０．３３μＦ、０．４７μＦ、０．５６μＦである。そして、各検出回路１０の共振周波数ｆ０は、７３．４ｋＨｚ、５９．９ｋＨｚ、４９．５ｋＨｚ、４０．４ｋＨｚ、３３．９ｋＨｚ、３１．０ｋＨｚである。

一対の検出線１５は、６つの検出回路１０を電気的に並列接続するものである。一対の検出線１５のうち、第１の検出線１５ａは、各検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6側に接続され、第２の検出線１５ｂは、各検出回路１０のコンデンサＣ１〜Ｃ６側に接続される。また、第１の検出線１５ａは、電源電圧Ｖｃｃを印加する電源３０に接続され、第２の検出線１５ｂは、グランドに接続される。

検出処理部２０は、分圧抵抗２１と、電圧センサ２２と、処理部２３と、電源３０とで構成されている。

分圧抵抗２１は、第１の検出線１５ａに接続されている。電源３０から出力される電流（後述する正弦波検出信号）は、分圧抵抗１２を介して検出線１５に供給される。分圧抵抗１２の抵抗値を「ｒ」とする。

電圧センサ２２は、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出するセンサである。

処理部２３は、各電池セル１０１の温度を検出するものであり、処理部２３としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。具体的には、処理部２３は、一対の検出線１５に分圧抵抗２１を介して特定周波数の正弦波検出信号を供給したり、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出したりする。

電源３０は、周波数可変の交流電源であり、処理部２３に制御されて所定周波数の正弦波検出信号（交流電流）を出力する。電源３０は、例えばインバータ回路等で構成することが可能であるが、特にこれに限定されるものではない。

図４は、本実施形態に係る温度検出装置１による温度検出処理を示すフローチャートである（温度検出方法）。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され処理部２３により実行される。

ステップ１０（Ｓ１０）において、処理部２３は、正弦波検出信号の周波数を設定する。本実施形態に係る温度検出処理では、一連の処理の中で周波数を段階的に変動させることで、検出回路１０のそれぞれの共振周波数ｆ０と対応する周波数の正弦波検出信号を出力する。そこで、本ステップでは、処理部２３は、６つの共振周波数ｆ０の中から任意の共振周波数ｆ０を選択し、これを正弦波検出信号の周波数として設定する。

ステップ１１（Ｓ１１）において、処理部２３は、電源３０を制御して、ステップ１０で設定された周波数の正弦波検出信号を出力する。出力された正弦波検出信号は、分圧抵抗２１を介して一対の検出線１５に入力される。

ステップ１２（Ｓ１２）において、処理部２３は、電圧センサ２２により、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出する。

ステップ１３（Ｓ１３）において、処理部２３は、ステップ１０で設定した周波数（共振周波数ｆ０）に対応する検出回路１０が設けられた電池セル１０１の温度を算出する。具体的には、処理部２３は、分圧抵抗２１の電圧に基づいて、その検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6の抵抗値Ｒを演算する。そして、処理部２３は、演算した抵抗値Ｒに基づいて、電池セル１０１の温度を演算する。

ステップ１４（Ｓ１４）において、処理部２３は、温度検出対象となる次の電池セル１０１があるか否かを判定する。このステップ１４において否定判定された場合、すなわち、次の電池セル１０１がない場合には、本処理を終了する（ＥＮＤ）。一方、ステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、次の電池セル１０１がある場合には、ステップ１０に戻る。そして、ステップ１０にて６つの共振周波数ｆ０の中で未だに設定されていない新たな共振周波数ｆ０を選択し、これを正弦波検出信号の周波数として設定し、温度検出対象となる全ての電池セル１０１について温度が検出されるまで、上述の処理を繰り返す。

このような一連の処理により、正弦波検出信号の周波数は順次切り替えられ、６つの検出回路１０の共振周波数ｆ０と順次一致することとなる。一方、検出回路１０では、正弦波検出信号の周波数がその共振周波数ｆ０と一致した場合、その検出回路１０は共振状態となる。共振状態の検出回路１０では、コイルＬ１〜Ｌ６とコンデンサＣ１〜Ｃ６との電位が打ち消し合い、合成インピーダンスが０Ωと扱える。

この場合、全回路のインピーダンスは、分圧抵抗２１の抵抗値ｒと共振状態の検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6の抵抗値Ｒとの和として捉えることができる。このため、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出すれば、この電圧と、入力電圧（電源電圧Ｖｃｃ）と、分圧抵抗２１の抵抗値ｒとに基づいて、共振状態の検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6の抵抗値Ｒを求めることができる。

また、検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6は、温感特性を有しているので、この抵抗値Ｒから温度を特定することができる。検出回路１０の抵抗Ｒth1〜Ｒth6は、電池セル１０１に熱的に接触されているため、特定された温度がその電池セル１０１の温度を表すこととなる。

このように本実施形態の温度検出装置１は、６つの電池セル１０１を組み合わせた組電池１００に用いられるものである。この温度検出装置１は、６つの電池セル１０１のそれぞれに対応して設けられる６つの検出回路１０と、複数の検出回路を電気的に並列接続する一対の検出線１５と、分圧抵抗２１を介して一対の検出線１５に正弦波検出信号を入力することで、６つの電池セル１０１の温度をそれぞれ検出する処理部２３と、を有している。ここで、検出回路１０のそれぞれは、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗Ｒth1〜Ｒth6と、コイルＬ１〜Ｌ６と、コンデンサＣ１〜Ｃ６とを直列に接続した回路で構成されている。

この構成によれば、６つの電池セル１０１のそれぞれに対応して６つの検出回路１０を設けているため、個々の電池セル１０１の温度状態をそれぞれ検出することが可能となる。また、２本の検出線１５をそれぞれの検出回路１０が共用することで、一対の検出線１５を検出回路１０毎に設ける必要がない。これにより、組電池１００の温度状態を分解能よく検出しつつ、検出線１５の配索性に優れる温度検出装置１を提供することができる。

また、本実施形態において、６つの検出回路１０は、コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンスＬ及びコンデンサＣ１〜Ｃ６の静電容量Ｃによって回路の共振周波数ｆ０がそれぞれ異なる値に設定されている。そして、処理部２３は、検出回路１０のそれぞれの共振周波数ｆ０と対応するように周波数を変動させながら正弦波検出信号を入力している。

この構成によれば、正弦波検出信号の周波数を変動させ、個々の検出回路１０が順次共振状態となるため、その検出回路１０を通じて電池セル１０１の温度を検出することができる。

また、本実施形態において、処理部２３は、正弦波検出信号の周波数毎に、以下の処理を行う。すなわち、処理部２３は、分圧抵抗２１に印加される電圧に基づいて周波数が対応する検出回路１０の感温抵抗Ｒth1〜Ｒth6の抵抗値Ｒを演算し、当該感温抵抗Ｒth1〜Ｒth6の抵抗値Ｒに基づいてその検出回路１０が設けられた電池セル１０１の温度を検出する。

この構成によれば、共振状態の検出回路１０では、コイルＬ１〜Ｌ６とコンデンサＣ１〜Ｃ６との合成インピーダンスが０Ωと扱えることから、分圧抵抗２１に印加される電圧に基づいて、対象となる電池セル１０１の温度を容易に検出することができる。

以上、本発明の実施形態にかかる温度検出装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上述の実施形態では、組電池を構成する電池セルの数を６つとしたが、特にこれに限定されるものでない。また、上述の実施形態では、組電池をなす全ての電池セルを温度検出対象とし、検出回路を電池セルのそれぞれに対応して設けているが、温度検出対象となる電池セルは、組電池の中で選択した一部の電池セルのみとしてもよい。

また、組電池の適用は、車両用のバッテリ以外にも、電化製品、携帯電話に実装されるバッテリなどについても可能である。

１温度検出装置
１０検出回路
Ｒth1〜Ｒth6 抵抗
Ｌ１〜Ｌ６コイル
Ｃ１〜Ｃ６コンデンサ
１５検出線
２０検出処理部
２１分圧抵抗
２２電圧センサ
２３処理部

Claims

複数の電池セルを組み合わせた組電池に用いられる温度検出装置において、
温度検出対象となる電池セルのそれぞれに対応して設けられる複数の検出回路と、
前記複数の検出回路を電気的に並列接続する一対の検出線と、
前記一対の検出線に分圧抵抗を介して正弦波検出信号を入力することで、温度検出対象となる電池セルの温度をそれぞれ検出する処理部と、を有し、
前記検出回路のそれぞれは、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗と、コイルと、コンデンサとを直列接続した回路で構成されることを特徴とする温度検出装置。
前記複数の検出回路は、前記コイルのインダクタンス及び前記コンデンサの静電容量によって回路の共振周波数がそれぞれ異なる値に設定されており、
前記処理部は、前記検出回路のそれぞれの共振周波数と対応するように周波数を変動させながら前記正弦波検出信号を入力することを特徴とする請求項１に記載された温度検出装置。
前記処理部は、前記正弦波検出信号の周波数毎に、前記分圧抵抗に印加される電圧に基づいて周波数が対応する前記検出回路の感温抵抗の抵抗値を演算し、当該感温抵抗の抵抗値に基づいて当該検出回路が設けられた前記電池セルの温度を検出することを特徴とする請求項２に記載された温度検出装置。