JP2016134962A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電システムの回路基板のツェナーダイオード部分の発熱による損傷を防止すること。【解決手段】蓄電システムは、ヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ）の断線の有無を検出するとともに、複数の蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）の直列接続部分のオープン故障を検出する電池監視ユニット２２を含む。電池監視ユニット２２は、オープン故障を検出した場合には、各複数の電圧検出線の断線の有無を判定を確定させる時間をオープン故障を検出していない場合と比べて短くする。監視ユニットは、各複数の電圧検出線の断線の有の判定が確定すると、システムメインリレーによって充放電電流を遮断する。【選択図】図２

Description

この発明は、蓄電システムに関し、特に、直列に接続された複数の蓄電ユニットを含む蓄電装置を備えた蓄電システムに関する。

特開２０１４−１１０６８３号公報（特許文献１）には、充放電を行なう直列接続された複数の蓄電ブロック（単電池）を含む蓄電装置と、複数の蓄電ブロックとそれぞれ電気的に並列に接続された複数のツェナーダイオードを含む保護回路と、蓄電装置の過充電を検出する過充電検出回路とを備える蓄電システムが開示されている。保護回路は、蓄電ブロックからの過電圧が過充電検出回路に印加されるのを防止するために用いられる。

特開２０１４−１１０６８３号公報

上記の構成の蓄電システムにおいて、複数の蓄電ブロックを直列接続する結線部分にオープン故障が生じると、オープン箇所を迂回した電流がツェナーダイオードを経由して流れ続ける。ツェナーダイオードを経由して電流が流れ続けると、発熱によりツェナーダイオードが配置された回路基盤が損傷するおそれがある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、蓄電システムの回路基板の損傷を防止することである。

この発明は、要約すると、蓄電システムであって、直列に接続された複数の蓄電ユニットを含む蓄電装置と、複数の蓄電ユニットにそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電ユニットの正極端子に各々のカソードが接続され、対応する蓄電ユニットの負極端子に各々のアノードが接続された、複数のツェナーダイオードと、蓄電装置と電気負荷とを結ぶ経路の充放電電流の導通と遮断との切換えを行なうリレーと、複数の蓄電ユニットの各々の電圧を検出するための複数の電圧検出線と、複数の電圧検出線の各々の断線の有無を検出するとともに、複数の蓄電ユニットの直列接続部分のオープン故障を検出する監視ユニットとを備える。監視ユニットは、オープン故障を検出した場合には、複数の電圧検出線の断線の有無の判定を確定させる時間をオープン故障を検出していない場合と比べて短くする。監視ユニットは、複数の電圧検出線のいずれかに断線有の判定が確定すると、リレーによって充放電電流を遮断する。

好ましくは、監視ユニットは、複数の電圧検出線のいずれか２本の間を一時的に電気的に接続した後に再び電気的に切り離し、判定を確定させる時間経過後の複数の電圧検出線の電圧に応じていずれか２本の電圧検出線の断線の有無を判断する。

本発明によれば、オープン故障が検出された場合には、早期に電圧検出線の断線故障を確定させて、リレーによって充放電電流を遮断するので、オープン故障発生時におけるツェナーダイオードに電流が流れる時間が短縮される。これにより、ツェナーダイオードの温度が上昇するのを避けることができるので、回路基板の損傷を防ぐことができる。

蓄電システムが搭載された車両の構成を示す回路図である。 メインバッテリ２および電池ＥＣＵ２０の詳細な構成を示した回路図である。 蓄電ユニット間に生じたオープン故障の場所について説明するための図である。 オープン故障が発生した直後の電流の流れる経路を示した図である。 ヒューズＦＵ（Ｍ）が溶断した場合の電流経路を示した図である。 制御装置３０が電池ＥＣＵ２０と連携して実行するオープン故障検出処理を説明するためのフローチャートである。 高圧検出線の断線検出処理を説明するための回路図である。 高圧バッテリユニット間の結線オープンが生じた前後における電圧ＶＬの傾きの変化を示した波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、蓄電システムが搭載された車両の構成を示す回路図である。
図１を参照して、車両は、蓄電装置であるメインバッテリ２と、電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０と、システムメインリレー４と、エアコン用ＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、電圧コンバータ１２と、平滑用コンデンサ３と、電圧センサ１３，２１と、車両駆動部１４と、制御装置３０とを含む。

車両駆動部１４は、車両駆動用モータ、エンジン、ギヤ機構、駆動輪などを含んで構成される。電圧コンバータ１２は、メインバッテリ２と車両駆動部１４との間に設けられ、電圧変換を行なう電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、メインバッテリ２の電圧（たとえば２００Ｖ）を降圧し、補機負荷回路に直流電圧（たとえば１４Ｖ）を電源電圧として供給する。

電圧センサ２１は、平滑用コンデンサ３の両端間の電圧ＶＬを検出して制御装置３０に対して出力する。電圧コンバータ１２は、バッテリ２から放電が行なわれる場合には、平滑用コンデンサ３の端子間電圧を昇圧する。電圧センサ１３は、電圧コンバータ１２によって昇圧された電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する。

システムメインリレー４は、制御装置３０から与えられる制御信号に応じて導通／非導通状態が制御される。

電池ＥＣＵ２０は、メインバッテリ２の充電状態を監視するために、メインバッテリ２に流れる電流ＩＢを検出する電流センサとメインバッテリの電圧ＶＢを検出する電圧センサとを含む。メインバッテリ２としては、たとえば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタなどを用いることができる。

電圧コンバータ１２は、車両駆動部１４でエンジンによって発電が行なわれたり、モータによる制動によって発電が行なわれたりした場合には、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。このときには、バッテリ２に充電が行なわれる。

図２は、メインバッテリ２および電池ＥＣＵ２０の詳細な構成を示した回路図である。図２を参照して、メインバッテリ２は、直列に接続された複数の蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）を含む。電池ＥＣＵ２０は、ヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ）と、ツェナーダイオードＤ（１）〜Ｄ（Ｎ）と、電池監視ユニット２２とを含む。

図１、図２を参照して、通常は、バッテリ電圧ＶＢとコンデンサ３の電圧ＶＬは同じである。しかし、図２に示したメインバッテリ２および電池ＥＣＵ２０の構成において、メインバッテリ２の蓄電ユニット間を接続する結線部分にオープン故障が生じた場合には、ツェナーダイオードに電流が流れる現象が生じる。以下、この現象について図を用いて詳細に説明する。

図３は、蓄電ユニット間に生じたオープン故障の場所について説明するための図である。図３に示すように、直列接続された蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）において、蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）と蓄電ユニットＢＣ（Ｍ−１）との間にオープン故障が生じたとする。なお、オープン故障は、結線部分のコネクタはずれ、配線の断線、蓄電ユニットのＣＩＤ（Current Interrupt Device）の作動などによって生じる。

図４は、オープン故障が発生した直後の電流の流れる経路を示した図である。なお、メインバッテリ２から車両駆動部に電流が供給される電流放電時において流れる電流が経路Ａ１に示されている。蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）と蓄電ユニットＢＣ（Ｍ−１）との間にオープン故障が生じた場合、経路Ａ１に示すように、蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）に流れるはずであった電流は、蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）を迂回して、ヒューズＦＵ（Ｍ−１）、ツェナーダイオードＤ（Ｍ）、ヒューズＦＵ（Ｍ）を経由して流れるようになる。

なお、たとえばモータ回生時など、電圧ＶＬが上昇しメインバッテリ２に充電が行なわれる場合には、電圧ＶＬが変化し電圧ＶＢとの差が拡大すると、ツェナーダイオードＤ（Ｍ）に差電圧（ＶＬ−ＶＢ）が印加される。この場合、差電圧がツェナーダイオードＤ（Ｍ）の降伏電圧を超えるとメインバッテリ２に充電電流が流れる。

充電時または放電時において、ヒューズの許容電流を超える電流が流れると、ヒューズＦＵ（Ｍ−１）、ヒューズＦＵ（Ｍ）のいずれか一方が溶断する。以下に、ヒューズＦＵ（Ｍ）が溶断した場合について説明する。

図５は、ヒューズＦＵ（Ｍ）が溶断した場合の電流経路を示した図である。図５に示すようにヒューズＦＵ（Ｍ）が溶断すると、経路Ａ２に示すように、蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）およびＢＣ（Ｍ＋１）を迂回して、ヒューズＦＵ（Ｍ−１）、ツェナーダイオードＤ（Ｍ）およびＤ（Ｍ＋１）、ヒューズＦＵ（Ｍ＋１）を経由して電流が流れるようになる。

このとき、バッテリ電圧ＶＢは、蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）およびＢＣ（Ｍ＋１）の電圧分低くなる。

以降、ヒューズの許容電流より大きな放電電流が流れ続けると、ヒューズＦＵ（Ｎ）またはＦＵ（０）に向けて順々にヒューズが溶断していく。しかし、ヒューズが一箇所溶断すると蓄電ユニット１つ分の電圧Ｖがバッテリ電圧ＶＢから減るので、ヒューズの切断数がＫとすると、バッテリ電圧ＶＢは、Ｖ×（Ｎ−Ｋ）となるので、電圧降下に伴ない放電時の電流も低下していく。

このように、オープン故障が生じた後に、多数のヒューズが切断された後は、バッテリの電圧ＶＢの降下に伴ない電流が低下し、バッテリから放電してもヒューズが切断されなくなる場合が考えられる。少なくともヒューズＦＵ（０）とヒューズＦＵ（Ｎ）が切れずに残った状態では、放電電流が流れ続ける。この場合、電流が小さいとヒューズが切れずにツェナーダイオードＤ（１）〜Ｄ（Ｎ）に電流が流れ続けるので、ツェナーダイオードＤ（１）〜Ｄ（Ｎ）が発熱し基板に損傷を与えるおそれがある。ツェナーダイオードＤ（１）〜Ｄ（Ｎ）の電流許容量を増やしたり、放熱を良くしたりすることも考えられるが、そのようにすると、製造コストが上昇したり基板サイズが大きくなったりしてしまう。

そこで、本実施の形態では、蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）の直列接続部分にオープン故障が発生した場合には、これを速やかに検出してシステムメインリレー４を遮断するように制御する。

図６は、制御装置３０が電池ＥＣＵ２０と連携して実行するオープン故障検出処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図６を参照して、まずステップＳ１において、高圧検出線の断線検出処理が行なわれる。高圧検出線は、蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）に電圧ばらつきが生じないように監視するための検出線であり、ヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ）が途中に設けられている。電池監視ユニット２２が内部のスイッチを操作することによってヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ）が断線しているか否かが判断される。

図７は、高圧検出線の断線検出処理を説明するための回路図である。図７において、電池監視ユニット２２の一部とメインバッテリ２の一部の蓄電ユニットＢ１〜Ｂ３とが示されている。電池監視ユニット２２は、高圧検出線間に接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ３と、高圧検出線の電流を制限する抵抗Ｒ０〜Ｒ３と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３と、電圧検出センサとを含んで構成される。

ＣＰＵは、スイッチＳＷ１を一瞬導通状態としてすぐに開放状態とする。すると、キャパシタＣ１に蓄えられていた電荷が放電されるが、スイッチが開放状態となるとヒューズＦ０およびＦ１を経由して蓄電ユニットＢ１から再び電荷がキャパシタＣ１にチャージされる。このとき、電圧Ｖ１は、一瞬０Ｖに低下するがすぐに電圧ＶＣに回復する。

これに対して、スイッチＳＷ２を一瞬導通状態としてすぐに開放状態とした場合には、キャパシタＣ２に蓄えられていた電荷は、放電された後にスイッチＳＷ２が開放状態となっても蓄電ユニットＢ２から電荷を供給するヒューズＦ２が切れているので、電圧Ｖ２は０Ｖに低下したままである。なお、電圧Ｖ３についてもスイッチＳＷ３をオンオフさせると同様に電圧は０Ｖに低下したままである。これらの結果から、ヒューズＦ２が溶断していることを検出できる。

したがって、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を順次オンオフさせた際の電圧Ｖ１〜Ｖ３を監視することによって、高圧検出線のヒューズの切断を検出することができる。

ただし、電圧Ｖ１〜Ｖ３の低下後の回復待ち時間が短いと、誤検出することがあるので、待ち時間Ｔが経過後再び電圧Ｖ１〜Ｖ３を検出し、電圧に回復が見られないときは、システムメインリレー４を遮断することにしている。このとき、図３に示したような高圧バッテリセル間の結線オープン故障が発生した場合には、図４〜図５に示すようにヒューズ切れが発生することがあり、ヒューズ切れの後に電流値が低い状態となると、ヒューズが一部残ってツェナーダイオードに電流が流れ続ける場合がある。

ツェナーダイオードの発熱によって基板が損傷すると、電池ＥＣＵばかりでなくメインバッテリにも損傷が及ぶ場合があるので、このような結線オープン故障の場合には、誤検出防止ために待ち時間を長く取るよりも、速やかにシステムメインリレーを遮断して損傷範囲を広げないようにしたほうが好ましい。

そこで、ステップＳ２において、高圧バッテリユニット間の結線オープン故障に起因する高圧検出線の断線であったか否かが判断される。電池監視ユニット２２および制御装置３０は、電圧ＶＬの時間変化がしきい値よりも小さいか否かで結線オープン故障であるか否かを判断する。

放電時の電圧ＶＬの傾きは、バッテリのインピーダンスＺｂによって変化する。放電時の電圧ＶＬの傾きは、以下の式によって算出される傾きで低下していく。

ｄＶＬ／ｄｔ＝Ｉ／Ｃ×（Ｚｂ＋Ｚｃ）／Ｚｃ
ここで、Ｉは電流、Ｃはコンデンサ３の容量値、Ｚｂはメインバッテリ２のインピーダンス、Ｚｃはコンデンサ３のインピーダンスを示す。

次に、直列接続された高圧バッテリユニット間の結線オープンが生じた直後に、電圧ＶＬがどのように変化するかを説明する。図８は、高圧バッテリユニット間の結線オープンが生じた前後における電圧ＶＬの傾きの変化を示した波形図である。図１、図８を参照して、時刻ｔ１までは、メインバッテリ２にはオープン故障は生じておらず、電圧ＶＢ＝ＶＬの状態であり放電によってバッテリ２の電圧が徐々に低下している状態である。

時刻ｔ１において、メインバッテリ２にオープン故障が生じると、電圧ＶＬの低下の傾きが大きくなる。これは、結線オープン故障が発生した場合は、メインバッテリ２のインピーダンスが増大するので、コンデンサ３から優先的に放電されるためである。そこで、電圧ＶＬの変化の傾きが通常であれば、図６のステップＳ２においてＮＯと判断されて、ステップＳ３に処理が進められる。ステップＳ３では、通常断線故障と判定され、ステップＳ４において断線検出の以上確定待ち時間がＴ（ｓｅｃ）に設定される。

一方、ステップＳ２において、電圧の傾きが通常よりも大きくなったことが検出されるとステップＳ２でＹＥＳと判断され、ステップＳ５に処理が進められる。ステップＳ５では、高圧バッテリユニット間にオープン故障が発生したと判定され、ステップＳ６において断線検出の以上確定待ち時間が０．５Ｔ（ｓｅｃ）に設定される。なお、待ち時間は、Ｔよりも短ければよく、０．５Ｔには限定されない。

ステップＳ７では、ステップＳ４またはＳ６で設定された待ち時間経過後に、図７のキャパシタＣ１〜Ｃ３のうち断線と判定された検出線に接続されている部分の電圧が回復していないことを確認する。ステップＳ７において、電圧が回復していなかった場合（Ｓ７でＹＥＳ）にはステップＳ８の処理が実行されるが、ステップＳ７で電圧が回復していた場合（Ｓ７でＮＯ）には、ステップＳ８の処理は行なわれない。

ステップＳ８では、制御装置３０は、システムメインリレー４を遮断し、メインバッテリ２が損傷しないように保護される。

最後に再び図１，図２等を参照して本実施の形態について総括する。本実施の形態に係る蓄電システムは、バッテリ２と、ツェナーダイオードＤ（Ｍ）と（ただし、Ｍは１〜Ｎの自然数）、システムメインリレー４と、複数の電圧検出線（ヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ））と、監視ユニット（電池監視ユニット２２および制御装置３０）とを備える。

バッテリ２は、直列に接続された複数の蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）を含む。 ツェナーダイオードＤ（Ｍ）は、対応する蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）と電気的に並列に接続される。ツェナーダイオードＤ（Ｍ）は、カソードが蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）の正極端子と接続され、アノードが蓄電ユニットＢＣ（Ｍ）の負極端子に接続される。

システムメインリレー４は、バッテリ２と電気負荷である補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ６、エアコン用ＤＣ／ＤＣコンバータ４０および車両駆動部１４とを結ぶ経路の充放電電流の導通と遮断との切換えを行なう。

複数の電圧検出線（ヒューズＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ））は、蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）の各々電圧を検出するために設けられる。

監視ユニットは、各複数の電圧検出線の断線の有無を検出するとともに、複数の蓄電ユニットＢＣ（１）〜ＢＣ（Ｎ）の直列接続部分のオープン故障を検出する。監視ユニットは、オープン故障を検出した場合（Ｓ２でＹＥＳ）には、各複数の電圧検出線の断線の有無を判定を確定させる時間をオープン故障を検出していない場合と比べて短くする（Ｓ６）。監視ユニットは、各複数の電圧検出線の断線の有の判定が確定すると（Ｓ７でＹＥＳ）、リレーによって充放電電流を遮断する（Ｓ８）。

好ましくは、図７で説明したように、監視ユニットは、複数の電圧検出線のいずれか２本の間を一時的に電気的に接続した後に再び電気的に切り離し、判定を確定させる時間経過後の複数の電圧検出線の電圧に応じていずれか２本の電圧検出線の断線の有無を判断する。

本実施の形態によれば、オープン故障が検出された場合には、早期に電圧検出線の断線故障を確定させて、システムメインリレー４によって充放電電流を遮断するので、オープン故障発生時におけるツェナーダイオードＤ（１）〜Ｄ（Ｎ）に電流が流れる時間が短縮される。これにより、ツェナーダイオードの温度が上昇するのを避けることができるので、回路基板の損傷を防ぐことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，ＢＣ 蓄電ユニット、２ メインバッテリ、３，Ｃ１ 平滑用コンデンサ、４ システムメインリレー、６，４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２ 電圧コンバータ、１３，２１ 電圧センサ、１４ 車両駆動部、２０ 電池ＥＣＵ、２２ 電池監視ユニット、３０ 制御装置、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ キャパシタ、Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ） ツェナーダイオード、Ｆ０〜Ｆ３，ＦＵ（０）〜ＦＵ（Ｎ） ヒューズ、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３ スイッチ。

Claims (1)

1. 直列に接続された複数の蓄電ユニットを含む蓄電装置と、
   前記複数の蓄電ユニットにそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電ユニットの正極端子に各々のカソードが接続され、対応する蓄電ユニットの負極端子に各々のアノードが接続された、複数のツェナーダイオードと、
   前記蓄電装置と電気負荷とを結ぶ経路の充放電電流の導通と遮断との切換えを行なうリレーと、
   前記複数の蓄電ユニットの各々の電圧を検出するための複数の電圧検出線と、
   前記複数の電圧検出線の各々の断線の有無を検出するとともに、前記複数の蓄電ユニットの直列接続部分のオープン故障を検出する監視ユニットとを備え、
   前記監視ユニットは、前記オープン故障を検出した場合には、前記複数の電圧検出線の断線の有無の判定を確定させる時間を前記オープン故障を検出していない場合と比べて短くし、
   前記監視ユニットは、前記複数の電圧検出線のいずれかに断線有の判定が確定すると、前記リレーによって前記充放電電流を遮断する、蓄電システム。

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