JP2017143635A

JP2017143635A - 車両用電源システム

Info

Publication number: JP2017143635A
Application number: JP2016022756A
Authority: JP
Inventors: 学佐々木; Manabu Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2017-08-17

Abstract

【課題】メインバッテリの通電遮断期間における、ハイレート劣化の解消に伴う電池セルの短絡有無を検出するに当たり、その検出システムに電力を供給するサブバッテリの負荷を抑制可能とする。【解決手段】車両用電源システムは、電池セル３２の電圧を測定する電圧センサユニット２４と、測定された電池セル３２の電圧に基づいて当該電池セル３２の短絡有無を検出する制御部２２と、メインバッテリ１０の通電遮断期間に電圧センサユニット２４及び制御部２２に電力を供給するサブバッテリ２０と、メインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間を、サブバッテリ２０から電圧センサユニット２４及び制御部２２への電力供給期間として定めるタイマー４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の駆動源となる回転電機に電力を供給するメインバッテリを備える、車両用電源システムに関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車では、電源として二次電池からなるメインバッテリが搭載されている。メインバッテリは、複数の電池セル（単電池）が積層されたスタック（組電池）を含んで構成される。

電池セルは正極板、負極板、及び両者を隔てる絶縁紙を備える。正極板及び負極板の少なくとも一方に金属等が析出すると、その析出体が絶縁紙を貫通して短絡に至ることがある。例えばリチウムイオン電池の場合、負極板上に樹枝（デンドライト）状に金属リチウムが析出することが知られている。この析出体が絶縁紙を突き破ると短絡が生じる。

析出体が絶縁紙を突き破る原因の一つとして、負極板と絶縁紙との相対移動が挙げられる。電池セルに大電流の充放電が生じるといわゆるハイレート劣化が発生して電池セルが膨らむ。この膨張の過程で負極板と絶縁紙とが相対移動し、例えば内側から外側へ向かう圧力により負極板と絶縁紙とが押し合い、その過程で析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至る。

このような短絡の検出手段として、例えば特許文献１では電池電圧の監視を行っている。電池セルに短絡が生じると、当該電池セルの電圧は急激に降下する。これを踏まえて、電池セルにハイレート劣化が生じ得る、つまり大電流の充放電が生じ得る、メインバッテリの通電期間（例えば、イグニッション−オン期間やプラグイン充電期間）に電池セル電圧を監視することで、短絡の有無を検出できる。

特開２００３−００９４０５号公報特開２０１５−１１７９５１号公報

ところで、電池セル内の負極板と絶縁紙とが相対移動するのは、電池セルの膨張時に限らない。ハイレート劣化は通電遮断状態で放置すると解消することが知られており、通電遮断期間の経過に伴って電池セルは収縮する。この収縮時に負極板と絶縁紙が相対移動し、例えば外側から内側へ向かう圧力により負極板と絶縁紙とが押し合い、その過程で短絡が発生するおそれがある。そこでメインバッテリの通電期間に加えて、例えば特許文献２のように通電遮断期間（イグニッション−オフ時）にも電池セル電圧を測定することが考えられる。

しかしながら、メインバッテリの通電遮断期間に電池セル電圧を監視するとなると、当該期間にサブバッテリ（補機バッテリ）から電圧センサや制御ユニット等の検出システムに電力を供給する必要がある。メインバッテリの通電遮断期間、例えばその全期間に亘ってサブバッテリから検出システムに電力供給を続けると、バッテリ上がりに繋がるおそれがある。そこで本発明は、メインバッテリの通電遮断期間における、ハイレート劣化の解消に伴う電池セルの短絡有無を検出するに当たり、その検出システムに電力を供給するサブバッテリの負荷を抑制可能な、車両用電源システムを提供することを目的とする。

本発明は、車両用電源システムに関する。当該システムは、複数の電池セルが積層されたメインバッテリと、それぞれの前記電池セルの電圧を測定する電圧センサと、測定された前記電池セルの電圧に基づいて当該電池セルの短絡有無を検出する検出部と、前記メインバッテリの通電遮断期間に前記電圧センサ及び検出部に電力を供給するサブバッテリと、を備える。さらに当該システムは、前記メインバッテリの通電遮断期間開始後の所定期間を、前記サブバッテリから前記電圧センサ及び検出部への電力供給期間として定めるタイマーを備える。

本発明では、サブバッテリから電圧センサ及び検出部に電力を供給する期間を通電遮断期間開始後の所定時間、例えばメインバッテリの通電期間に膨張した電池セルがメインバッテリの通電遮断期間に収縮する収縮期間に定めている。このようにすることで、サブバッテリの負荷を抑制可能となる。

本実施形態に係る車両用電源システム及びこれを搭載した車両の構成を例示する図である。短絡発生時の電池セルの電圧降下を説明する図である。メインバッテリの通電遮断期間における、電池セルの短絡検出フローを例示する図である。

図１に、本実施形態に係る車両用電源システム及び当該システムが搭載された車両の構成を例示する。なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係る車両用電源システムとの関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、図１の一点鎖線は信号線を表している。

システムメインリレーＳＭＲが遮断状態から接続状態に切り替わることでメインバッテリ１０が通電遮断状態から通電状態に切り替わる。例えば図示しないスタートスイッチを運転者がオン操作することでシステムメインリレーＳＭＲが遮断状態から接続状態に切り替わる。

メインバッテリ１０から出力された直流電力は昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２にて昇圧される。昇圧された直流電力はインバータ１４にて直交変換される。変換後の交流電力は回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の少なくとも一方に供給される。回転電機ＭＧ１，ＭＧ２から車輪１６への動力伝達経路については既知であるのでここでは説明を省略する。

また、メインバッテリ１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを繋ぐ電路から分岐して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に接続される分岐電路が設けられる。メインバッテリ１０の高圧電力は降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８により降圧されてサブバッテリ２０、制御部２２、電圧センサユニット２４やその他の補機類に供給される。

なお、図１に示す車両はいわゆるプラグインハイブリッド車両や電気自動車のように、外部のＡＣ電源２６からメインバッテリ１０への充電（外部充電またはプラグイン充電）が可能となっている。外部充電に当たり、ＡＣ電源２６のコネクタ２８が車両に設けられたコネクタ３０に接続される。制御部２２によって充電リレーＣＨＲが遮断状態から接続状態に切り替わると、メインバッテリ１０が通電状態となる。すなわちＡＣ電源２６から供給された交流電力が充電器３４によって交直変換及び昇圧され、変換及び昇圧後の直流電力がメインバッテリ１０に供給される。

運転者によりスタートスイッチがオフ操作されるとシステムメインリレーＳＭＲが接続状態から遮断状態に切り替わる。また外部充電が終了すると充電リレーＣＨＲが接続状態から遮断状態に切り替わる。これによりメインバッテリ１０が通電状態から通電遮断状態に切り替わる。メインバッテリ１０の通電遮断期間はサブバッテリ２０から制御部２２、電圧センサユニット２４やその他の補機類に電力が供給される。

後述するように、本実施形態に係る車両用電源システムでは、メインバッテリ１０の通電遮断期間にメインバッテリ１０の各電池セル３２の端子電圧（両端電圧）を測定し、これに基づいて当該セルの短絡有無を検出する。この検出に当たり、短絡検出期間、すなわち短絡検出システムへの電力供給期間を、メインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間に定めている。この所定期間は、例えばメインバッテリ１０の通電期間にハイレート劣化によって膨張した電池セル３２が、メインバッテリ１０の通電遮断期間中に収縮する期間（収縮期間）である。後述するように、短絡検出期間をメインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間に絞ることで、電圧センサユニット２４や制御部２２に電力を供給するサブバッテリ２０の負荷を抑制できる。

＜車両用電源システム＞
本実施形態に係る車両用電源システムは、メインバッテリ１０、サブバッテリ２０、電圧センサユニット２４及び制御部２２を備える。メインバッテリ１０は二次電池の電池セル３２が複数積層された積層体を含んで構成される。これらの電池セル３２は直列または並列接続される。または並列接続された電池セル３２のグループ同士が直列接続される。

電池セル３２は例えばリチウムイオン電池から構成される。リチウムイオン電池の詳細な構成については既知であるのでここでは簡単に説明する。リチウムイオン電池はコバルト酸リチウム等の材料から構成される正極板、黒鉛等の材料から構成される負極板、及び両者を隔てる絶縁材料から構成される絶縁紙を備える。正極板、絶縁紙、及び負極板を束ねた層は例えば捲回された状態で金属ケース内に収容される。

電池セル３２の正極板及び負極板の少なくとも一方に金属等が析出すると、その析出体が絶縁紙を貫通して短絡に至ることがある。例えばリチウムイオン電池の場合、負極板を構成する黒鉛とリチウムとの反応量が所定量を超過すると、負極板上に金属リチウムが樹枝（デンドライト）状に析出することが知られている。この析出体と絶縁紙とが相対移動すると、それに伴い析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至る場合がある。

析出体（及びこれが析出された負極板）と絶縁紙との相対移動は、ハイレート劣化の発生に伴う電池セル３２の膨張時、及びハイレート劣化の解消に伴う電池セル３２の収縮時に生じる。ハイレート劣化は、電池セル３２に対して大電流の充放電が生じたときに発生することが知られている。大電流充放電（ハイレート充放電）の際、極板内部や電解液中のイオンや濃度分布に偏りが生じる。このときリチウムイオンの濃度が相対的に低い箇所では内部抵抗が増加して発熱する。この発熱に伴って電池セル３２が膨張する。また、リチウムイオンの濃度が相対的に高い箇所では極板（活物質）へのリチウムイオンへの吸蔵量が増加して、これに伴い極板が膨張する。

このような、電池セル３２の膨張に伴って負極板と絶縁紙との相対移動が生じる。例えば内側から外側へ向かう圧力により負極板と絶縁紙とが押し合い、その過程で析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至るおそれがある。

また、ハイレート劣化は極板内部や電解液中のイオンや濃度分布に偏りが生じることで発生し、この偏りが均一化されると解消される。つまり、電池セル３２を通電遮断状態で放置することでハイレート劣化が解消される。この放置期間に、膨張した電池セル３２が収縮し、それに伴って負極板と絶縁紙との相対移動が生じる。例えば外側から内側へ向かう圧力により負極板と絶縁紙とが押し合い、その過程で析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至るおそれがある。

後述するように、本実施形態に係る車両用電源システムでは、電池セル３２が膨張し得るメインバッテリ１０の通電期間と、電池セル３２が収縮し得るメインバッテリ１０の通電遮断期間の両者に亘って、電池セル３２の短絡有無を検出している。さらに後者については、サブバッテリ２０の負荷軽減を図るために、短絡有無の検出期間、すなわち短絡検出システムへの電力供給期間を、メインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間（例えば電池セル３２の収縮期間）に定めている。

サブバッテリ２０はいわゆる補機バッテリであり、例えば鉛蓄電池から構成される。上述したように、システムメインリレーＳＭＲが接続状態であるときには、サブバッテリ２０はメインバッテリ１０から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して充電される。また、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲが遮断状態となって、メインバッテリ１０が通電遮断期間に入ると、サブバッテリ２０は補機類に電力を供給する。具体的には制御部２２、電圧センサユニット２４や時計等の補機に電力を供給する。

電圧センサユニット２４はメインバッテリ１０のそれぞれの電池セル３２の電圧（端子電圧）を測定する。測定された各電池セル３２の電圧値は制御部２２に送られる。

制御部２２は、例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ３６、記憶部３８、及びタイマー４０を備える。記憶部３８はＳＲＡＭ等の揮発性メモリ及びＲＯＭやハードディスク等の不揮発性メモリを含んで構成される。記憶部３８には後述する短絡検出フローを実行するためのプログラム等が記憶されている。また、短絡検出フローにおいて、記憶部３８は、短絡発生検出時に、短絡が発生した電池セル３２の識別番号とともに、電圧値や短絡発生時刻等を併せて記憶する。

制御部２２は、車両内の種々の機器を制御する。例えば、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びインバータ１４の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の回転数やトルクを制御する。また、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して降圧動作を制御する。

さらに、図示しないスタートスイッチのオン操作及びオフ動作に応じてシステムメインリレーＳＭＲを遮断状態と接続状態とに切り替える。またプラグイン充電の際には、充電タイマー設定やメインバッテリ１０のＳＯＣ等に応じて充電リレーＣＨＲを遮断状態と接続状態とに切り替える。

また制御部２２は、車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。具体的には電流センサ４２及び温度センサ４４から、それぞれメインバッテリ１０の電流値Ｉ及び温度Ｔを受信する。また電圧センサユニット２４から各電池セル３２の電圧値Ｖを受信する。制御部２２は、電圧センサユニット２４から取得した各電池セル３２の電圧値Ｖに基づいて、当該電池セル３２の短絡有無を検出する。つまり制御部２２は電池セル３２の短絡有無を検出する検出部としても機能する。

電池セル３２に短絡が生じた場合、正極と負極が導通するのに伴い、図２の時刻ｔ４からｔ５に例示するように、電池セル３２の電圧Ｖ（端子電圧）が急激に降下する。短絡の原因となった析出体が小規模である場合、短絡に伴う大電流が流れることで析出体が焼き切られて短絡が解消し、時刻ｔ５以降に例示されているように、その後電圧は回復する。

制御部２２は、メインバッテリ１０の通電期間、つまり、システムメインリレーＳＭＲまたは充電リレーＣＨＲが接続状態であるときに、各電池セル３２に対して短絡の有無を検出する。これにより、電池セル３２にハイレート劣化が生じて膨張した際に、当該電池セル３２の短絡を検出可能となる。

加えて本実施形態では、メインバッテリ１０の通電遮断期間、つまり、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲが遮断状態であるときに、各電池セル３２に対して短絡の有無を検出する。これにより、ハイレート劣化の解消に伴う電池セル３２の収縮の際に、当該電池セル３２の短絡を検出可能となる。

上述したように、メインバッテリ１０の通電遮断期間では、サブバッテリ２０から電圧センサユニット２４及び制御部２２に電力が供給される。そこで本実施形態では、メインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間に絞って、短絡検出を行っている。言い換えると、サブバッテリ２０による短絡検出システムへの電力供給期間（すなわち短絡検出期間）を、メインバッテリ１０の通電遮断期間開始後の所定期間に限定している。この所定期間は、例えばハイレート劣化が解消され電池セル３２が収縮する収縮期間である。このようにすることで、メインバッテリ１０の通電遮断期間における短絡検出に当たり、サブバッテリ２０の負荷が抑制可能となる。なお、短絡検出システムとは、電圧センサユニット２４と、制御部２２の短絡検出機能を含んで構成される。

電池セル３２の収縮期間は、例えば通電期間におけるハイレート充放電の容量［Ａｈ］収支に基づいて求められる。各電池セル３２の収縮期間が不揃いである場合には、収縮期間が最長の電池セル３２に合わせて全体の収縮期間を設定してもよい。また、収縮期間の演算負荷を軽減させるため、経験則や統計に基づいた固定値を設定して記憶部３８に予め記憶させておいてもよい。

メインバッテリ１０の通電遮断期間における短絡検出システムへの、サブバッテリ２０の電力供給期間（例えば電池セル３２の収縮期間）は、制御部２２のタイマー４０に設定される。短絡検出開始後、タイマー４０により計測された期間が上記電力供給期間に到達すると、制御部２２は、サブバッテリ２０と電圧センサユニット２４とを繋ぐスイッチ４６をオフ操作するとともに、自身の機能のうち短絡検出機能を終了させる。

＜メインバッテリの通電遮断期間における短絡検出フロー＞
図３には、本実施形態に係る車両用電源システムの、メインバッテリ１０の通電遮断期間における短絡検出フローが例示されている。制御部（検出部）２２は、メインバッテリ１０が通電状態から通電遮断状態に切り替わる、つまり、イグニッション−オン期間や外部充電期間からイグニッション−オフ期間に切り替わったことを検知すると、本フローをスタートさせる。この切り替えは、例えば、システムメインリレーＳＭＲや充電リレーＣＨＲへの遮断指令と連動していてもよい。

タイマー４０は、サブバッテリ２０から短絡検出システムへの電力供給のタイムカウントｔを初期化（ｔ＝０）する（Ｓ１０）。電圧センサユニット２４は、各電池セル３２の電圧を測定して（Ｓ１２）電圧値を制御部２２に送信する。

制御部２２は、電池セル３２のカウントｋ（セルカウント）を初期化（ｋ＝１）し（Ｓ１４）、セルカウントｋの電池セル３２_ｋの前回時刻ｔ−１における電圧Ｖ_ｋ（ｔ−１）と現在時刻ｔにおける電圧Ｖ_ｋ（ｔ）の差Ｖ_ｋ（ｔ−１）−Ｖ_ｋ（ｔ）を求める（Ｓ１６）。現在時刻ｔが初期値（ｔ＝０）である場合は当該ステップをスキップしてステップＳ２０に進んでもよい。前回時刻の電圧値Ｖ_ｋ（ｔ−１）と現在時刻の電圧値Ｖ_ｋ（ｔ）との差が図２に示すような閾値ａ［Ｖ］を超過する場合には、測定対象の電池セル３２_ｋの識別番号とともに、差分値Ｖ_ｋ（ｔ−１）−Ｖ_ｋ（ｔ）、及び現在時刻ｔを記憶部３８に記憶させる（Ｓ１８）。差分値Ｖ_ｋ（ｔ−１）−Ｖ_ｋ（ｔ）が閾値ａ以下である場合にはステップＳ２０に進む。

制御部２２は、差分値Ｖ_ｋ（ｔ−１）−Ｖ_ｋ（ｔ）を求めた電池セル３２_ｋのセルカウントｋが最後の電池セル３２_ｚのカウント（ｋ＝ｚ）であるか否かを判定する（Ｓ２０）。ｋ≠ｚである場合には、制御部２２はセルカウントｋをインクリメント（Ｓ２２）してステップＳ１６まで戻る。

セルカウントｋが最後までカウントされている（ｋ＝ｚ）場合、制御部２２は、タイムカウントｔが電力供給期間（例えば電池セル３２の収縮期間）の終了時刻ｔ＿ｅｎｄに到達しているか否かを判定する（Ｓ２４）。到達していない場合はタイムカウントｔをインクリメントして（Ｓ２６）ステップＳ１２まで戻る。

タイムカウントｔが終了時刻ｔ＿ｅｎｄに到達している場合、制御部２２は、サブバッテリ２０から短絡検出システムへの電力供給を停止させる（Ｓ２８）。すなわち、制御部２２はスイッチ４６をオフ操作して、サブバッテリ２０から電圧センサユニット２４への電力供給を停止させる。また、制御部２２は自身の機能のうち、短絡検出に関わる機能を終了させる。

短絡検出後、メインバッテリ１０が通電状態となったとき（例えばイグニッション−オン時）には、記憶部３８に記憶された電池セル３２の短絡情報が呼び出される。制御部２２は、呼び出した短絡情報に基づいて、運転者に対して警告（アラート）を出力する。例えば制御部２２は、車両内のディスプレイに、ディーラーでの点検を勧めるメッセージを表示させる。

１０メインバッテリ、２０サブバッテリ、２２制御部（検出部）、２４電圧センサユニット、３２電池セル、４０タイマー。

Claims

複数の電池セルが積層されたメインバッテリと、
それぞれの前記電池セルの電圧を測定する電圧センサと、
測定された前記電池セルの電圧に基づいて当該電池セルの短絡有無を検出する検出部と、
前記メインバッテリの通電遮断期間に前記電圧センサ及び検出部に電力を供給するサブバッテリと、
前記メインバッテリの通電遮断期間開始後の所定期間を、前記サブバッテリから前記電圧センサ及び検出部への電力供給期間として定めるタイマーと、
を備えることを特徴とする、車両用電源システム。