JP2017156268A - 電池ユニットおよび電流測定器の故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 、安全性の高い電池ユニット、および、電流測定器の故障検出方法を提供する【解決手段】 実施形態による電池ユニット１０は、バッテリＢＴと、バッテリＢＴの電流を測定する電流測定器１２Ｂと、バッテリの電圧を測定する電圧測定器１２Ａと、電流測定器１２Ｂと電圧測定器１２Ａとで測定された値を記録可能なメモリ１５と、メモリ１５に記録された電圧値に基づいて、所定時間におけるバッテリＢＴの電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるか判断し、バッテリＢＴの電圧の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるときに、メモリ１５に記録された電流値に基づいて、所定時間前までに、バッテリＢＴの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流変化があるか判断し、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流変化がないときに、電流測定器１２Ｂの故障を外部へ通知する制御部１４と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電池ユニットおよび電流測定器の故障検出方法に関する。

電池ユニットは、例えば、バッテリと、バッテリの充電電流あるいは放電電流を測定する電流測定器と、バッテリの電圧を測定する電圧測定器と、バッテリの電流値と電圧値とを監視する制御回路と、を備えている。

制御回路は、例えばバッテリに過大な電流が流れるなどの危険な状態を回避するために、電流測定器で測定された値を監視している。電流測定器が故障したときには、バッテリの安全性を確保することができなくなるため、電流測定器が故障しているか否かを検出する必要がある。

特開平１０−２５３６８２号公報

しかしながら、電流測定器の故障を検出するために新たな構造を追加すると、電池ユニットの製造コストを低く抑えることが困難であった。
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、安全性の高い電池ユニット、および、電流測定器の故障検出方法を提供することを目的とする。

実施形態による電池ユニットは、バッテリと、前記バッテリの電流を測定する電流測定器と、前記バッテリの電圧を測定する電圧測定器と、前記電流測定器と前記電圧測定器とで測定された値を記録可能なメモリと、前記メモリに記録された電圧値に基づいて、所定時間における前記バッテリの電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるか判断し、前記バッテリの電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるときに、前記メモリに記録された電流値に基づいて、所定時間前までに、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流値が一定期間連続しているか、および、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化があるかを判断し、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって一定期間連続した所定の電流閾値以上の電流値が測定されず、または、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化がないときに、前記電流測定器の故障を外部へ通知する制御部と、を備える。

図１は、実施形態の電池ユニットの一構成例を概略的に示す図である。 図２は、実施形態の電流測定器の故障検出方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図３は、電流測定器および電圧測定器により測定された値の一例を示す図である。 図４は、電流測定器および電圧測定器により測定された値の一例を示す図である。

以下、実施形態の電池ユニットおよび電流測定器の故障検出方法の一例について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電池ユニットの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電池ユニットは、バッテリＢＴと、測定部１２と、制御部１４と、通信部１６と、切替器ＳＷと、を備えている。

バッテリＢＴは、図示しない電池セルを複数備えている。電池セルは、充電および放電可能な二次電池セルであって、例えばリチウムイオン電池や、ニッケル水素電池である。
測定部１２は、バッテリＢＴの端子間電圧（正極端子と負極端子との間の電圧）を検出する電圧センサ（電圧測定器）１２Ａと、バッテリＢＴに流れる電流を検出する電流センサ（電流測定器）１２Ｂと、バッテリＢＴの温度を検出する温度センサ（温度測定器）１２Ｃと、を備えている。なお、測定部１２は、バッテリＢＴの端子間電圧として個々のセル電圧を積み重ねた総和を測定してもよい。測定部１２は、検出した電圧値、電流値、および温度値を、所定の周期で制御部１４へ供給している。

通信部１６は、例えばＣＡＮプロトコルに従って外部と通信可能に構成されている。通信部１６は、制御部１４から、自身の電池ユニット１０のバッテリＢＴについての電圧値、電流値、および、温度値を受信し、これらの値を上位装置（図示せず）へ出力する。また、通信部１６は、上位装置より制御信号を受信し、受信した制御信号を制御部１４へ出力する。

制御部１４は、例えばＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサ（図示せず）と、メモリ１５と、を備えた演算手段を含む。制御部１４は、測定部１２から周期的に受信する値をメモリ１５へ記録する。メモリ１５は、書き換え可能な記録手段であって、測定部１２で測定された最新の値から遡って所定期間に測定された値を記録可能な領域を有している。なお、制御部１４は、測定部１２で測定された日付や時刻等と紐づけてメモリ１５へ記録してもよい。

制御部１４は、測定部１２で測定された電圧値および電流値や、通信部１６を介して外部から受信される値など、に基づいて、自身のバッテリＢＴを主回路配線（図示せず）に電気的に接続可能か判断して切替器ＳＷを制御する。

また、制御部１４は、測定部１２で測定された電圧値と電流値とに基づいて、電流測定器１２Ｂの異常か否かを判断し、電流測定器１２Ｂの異常が検出されたときに上位装置へ異常を通知する。
切替器ＳＷは、バッテリＢＴの正極端子と、電池ユニット１０外部の正極側の主回路配線との電気的接続を切替える手段であって、例えば電磁接触器（コンタクタ）である。

以下に、制御部１４において、電流測定器１２Ｂの故障を検出する動作の一例について説明する。
図２は、実施形態の電流測定器の故障検出方法の一例を説明するためのフローチャートである。なお、以下の動作において、制御部１４は、測定部１２から周期的に電圧値と電流値とを受信し、メモリ１５に受信した値等を記録する動作を同時に行っている。

制御部１４は、電圧値のノイズ除去のためメモリ１５に記録された電圧値を所定期間分読み出して、例えばバッテリＢＴの電圧の移動平均値を演算する。制御部１４は、同様の目的（ノイズを除去する目的）で、電圧値に対して別のソフトフィルタ処理を適用してもよい。（ステップＳＴ１）
続いて、制御部１４は、演算した移動平均値をメモリ１５へ記録する。このとき、制御部１４は、演算した移動平均値と、その移動平均値に対応する日付や時刻などと紐づけてメモリ１５へ記録してもよい。（ステップＳＴ２）

制御部１４は、メモリ１５から、バッテリＢＴの電圧の所定時間前の移動平均値を読み出して、バッテリＢＴの電圧の最新の移動平均値と比較し、これらの差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるか否か判断する。（ステップＳＴ３）
バッテリＢＴの電圧の所定時間前の移動平均値と、バッテリＢＴの電圧の最新の移動平均値との差の絶対値が、所定の電圧閾値未満であるときには、制御部１４は、ステップＳＴ１の処理へ戻って、次の所定期間内のバッテリ電圧の移動平均値を演算する。

バッテリＢＴの電圧の所定時間前の移動平均値と、バッテリＢＴの電圧の最新の移動平均値との差の絶対値が、所定の電圧閾値以上であるときには、制御部１４は、メモリ１５からバッテリＢＴの電流値を最新の値から順次読み出して、所定時間前までの電流値に電流変化閾値以上の変化があるか否か判断する。（ステップＳＴ４）このとき制御部１４は、電流値の変化はバッテリＢＴの電圧の移動平均値の変化と同じ方向（充電方向あるいは放電方向）の電流変化があるか否かについて判断する。
さらに、制御部１４は、メモリ１５からバッテリＢＴの電流値を最新の値から順次読み出して、所定時間前までの電流値について、電流閾値以上の電流値が一定期間連続しているか否か判断する。（ステップＳＴ５）このとき制御部１４は、バッテリＢＴの電圧の移動平均値の変化と同じ方向（充電方向あるいは放電方向）の電流値であるか否かについて判断する。

なお、バッテリＢＴの充電方向は、バッテリＢＴの電圧が上昇するときの電圧の変化方向、電流方向および電流の変化方向であって、バッテリＢＴの放電方向は、バッテリＢＴの電圧が低下するときの電圧の変化方向、電流方向および電流の変化方向である。制御部１４は、例えば、バッテリＢＴの電圧移動平均の差の符号によりバッテリＢＴの電圧の変化方向を判断し、バッテリＢＴの電流値の符号によりバッテリＢＴの電流方向を判断し、バッテリＢＴの電流の差の符号によりバッテリＢＴの電流の変化方向を判断する。

すなわち、制御部１４は、最新のバッテリＢＴの電流値から順次遡って、所定期間の電流値をメモリ１５から読み出し、当該電流値と当該電流値の所定時間前の電流値と比較し、これらの電流値が所定の電流閾値以上または電流値の差の絶対値が所定の電流変化閾値以上であって、これらの電流値または電流値の差の符号が、ステップＳＴ３で演算したバッテリＢＴの電圧移動平均の差の符号と同じであるか否か判断する。

所定時間前までの電流値に電流閾値以上の一定期間連続した電流検出があり、または、電流変化閾値以上の電流変化があり、かつ、電流検出または電流値の変化と電圧移動平均値の変化とが同じ方向であった場合、制御部１４は、ステップＳＴ１の処理へ戻って、次の所定期間内のバッテリ電圧の移動平均値を演算する。
所定時間前までの電流値に、電圧の移動平均値の変化と同じ方向における電流閾値以上の一定期間連続した電流検出、または、電圧の移動平均値の変化と同じ方向における電流変化閾値以上の電流変化がなかった場合、制御部１４は、電流測定器１２Ｂに何らかの異常があると判断し、例えば上位装置へ電流測定器１２Ｂの故障を通知する。（ステップＳＴ６）
このとき、制御部１４は、切替機ＳＷを開いて、バッテリＢＴの充電および放電を停止し、電池ユニット１０の安全性を確保してもよい。

図３は、電流測定器および電圧測定器により測定された値の一例を示す図である。
ここでは、横軸を時間軸とし、バッテリＢＴの電圧値と電流値との時間変化を示している。図３では、電流測定器の正常時と故障時とについて、測定される電流の時間変化の一例を示している。また、ここで示す電圧値は、制御部１４で演算したバッテリＢＴの電圧の移動平均値であってもよい。このとき、移動平均値に対応する時間は、全ての移動平均値のそれぞれについて、値を演算した期間の中央の時間や、期間の終了時間や、期間の開始時間であってもよい。上記図３についての説明事項は、次に説明する図４についても同様である。

制御部１４は、時間Ｔ１におけるバッテリＢＴの電圧の移動平均値Ｖ１と、所定時間Ｔ前の移動平均値Ｖ２とを比較し、移動平均値の差（Ｖ１−Ｖ２）の絶対値が所定の電圧閾値以上か否かを判断する。この例では、移動平均値の変化はバッテリＢＴの放電方向であって、移動平均値の差（Ｖ１−Ｖ２）の絶対値が所定の電圧閾値以上である。時間Ｔ１から遡って、時間Ｔ１から所定時間前のＴ２までの期間にバッテリＢＴの電流値が電圧移動平均値の変化と同じ方向の電流閾値以上であって一定期間連続しているか、または、バッテリＢＴの電圧移動平均値の変化と同じ方向の電流変化閾値以上の電流変化があるか判断する。

電流測定器が正常に動作している状態で、バッテリＢＴの電圧に所定の電圧閾値以上の変化があったときには、電圧変化に先立って生じるバッテリＢＴの電流の変化若しくは一定期間以上連続した電流閾値以上の電流値が測定される。このとき、制御部１４は、時間Ｔ１から所定時間前のＴ２までの期間に、バッテリＢＴを放電する方向に、バッテリＢＴの電流に所定の電流閾値以上の電流値または電流変化閾値以上の変化があると判断し、次の所定期間のバッテリ電圧の移動平均値について処理を開始する。

電流測定器が故障している状態で、バッテリＢＴの電圧に所定の電圧閾値以上の変化があったときには、例えば、所定の電流閾値以上の電流値または電流変化閾値以上の電流変化が測定されない。図３に示す例では、時間Ｔ１から所定時間前のＴ２までの期間に、バッテリＢＴの電流に変化は生じているが、所定の閾値以上の変化ではない。この場合、制御部１４は、バッテリＢＴの放電方向に、バッテリＢＴの電流に所定の電流閾値以上の電流値または電流変化閾値以上の電流変化がないと判断し、例えば、上位装置へ電流測定器１２Ｂの故障を通知し、切替機ＳＷを開いてバッテリＢＴを主回路配線から切り離し、電池ユニット１０の安全性を確保する。

図４は、電流測定器および電圧測定器により測定された値の一例を示す図である。
制御部１４は、時間Ｔ３におけるバッテリＢＴの電圧の移動平均値Ｖ３と、所定時間Ｔ前の移動平均値Ｖ４とを比較し、移動平均値の差（Ｖ３−Ｖ４）が所定の電圧閾値以上か否かを判断する。この例では、バッテリＢＴの充電方向において、移動平均値の差（Ｖ３−Ｖ４）の差が所定の電圧閾値以上である。制御部１４は、時間Ｔ３から遡って、時間Ｔ３から所定時間前のＴ４までの期間にバッテリＢＴの電流にバッテリＢＴの電圧移動平均値の変化と同じ方向の電流値または電流変化があるか判断する。

電流測定器が正常に動作している状態で、バッテリＢＴの電圧に所定の電圧閾値以上の変化があったときには、電圧変化に先立って生じる所定の電流閾値以上のバッテリＢＴの電流値または電流変化閾値以上の電流の変化が測定される。このとき、制御部１４は、時間Ｔ３から所定時間前のＴ４までの期間に、バッテリＢＴの充電方向に、バッテリＢＴの電流に所定の電流閾値以上の変化があると判断し、次の所定期間のバッテリ電圧の移動平均値について処理を開始する。

電流測定器が故障している状態で、バッテリＢＴの電圧に所定の電圧閾値以上の変化があったときには、例えば、所定の電流閾値以上の電流値または電流変化閾値以上の電流変化が測定されない。図４に示す例では、時間Ｔ３から所定時間前のＴ４までの期間に、バッテリＢＴの電流に変化は生じているが、バッテリＢＴの放電方向に電流が変化している。この場合、制御部１４は、バッテリＢＴの充電方向に、バッテリＢＴの電流に所定の電流閾値以上の変化がないと判断し、例えば、上位装置へ電流測定器１２Ｂの故障を通知し、切替機ＳＷを開いてバッテリＢＴを主回路配線から切り離し、電池ユニット１０の安全性を確保する。

上記のように、本実施形態の電池ユニットおよび電流測定器の故障検出方法によれば、電流測定器の故障を検出するために新たな構成を追加することなく、電流測定器１２Ｂで検出された値と電圧検出器で検出された値とに基づいて、電流測定値の故障を検出することができるため、電池ユニットの製造コストの上昇を回避することができる。また、本実施形態によれば、安全性の高い電池ユニット、および、電流測定器の故障検出方法を提供することができる。

なお、上記実施形態において、制御部１４が、電圧の移動平均値を比較するときに、例えば時間Ｔ１、Ｔ３の移動平均値と、時間Ｔ１、Ｔ３の１秒前の移動平均値とを比較している。制御部１４は、ある時間の電圧の移動平均値と、所定周期前の電圧の移動平均値とを比較すればよく、１秒前の移動平均値に限定するものではなく、電流変化に対する所定の電圧閾値以上の電圧の変化が十分に判定できるだけの時間であればよい。

また、上記実施形態において、制御部１４が電圧の移動平均値の所定の電圧閾値以上の変化を検出して時間（例えば時間Ｔ１、Ｔ３）から遡る期間（例えば期間Ｔ１−Ｔ２、Ｔ３−Ｔ４）は、例えば、時間Ｔ１、Ｔ３から２秒（時間Ｔ１、Ｔ３の所定周期前から遡って１秒）あれば十分である。
また、上記実施形態では、制御部１４は、バッテリＢＴの最新の電流値から所定時間遡って、電流値の変化があるか否か判断していたが、電流値は電圧の移動平均値が変化するタイミングよりも前に変化している為、最新の電流値から所定周期前の値から遡って電流値の変化があるか否かを判断しても構わない。
いずれの場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
なお、上記の実施形態では、電圧測定器で検出された測定値のノイズ除去のため、メモリ１５に記録された電圧の移動平均値をバッテリの電圧値として採用しているが、ノイズを除去する処理（例えばローパスフィルタやバンドパスフィルタによる処理）をした値であれば移動平均値以外の値をバッテリの電圧値として用いても構わない。その場合であっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

ＢＴ…バッテリ、１０…電池ユニット、１２…測定部、１２Ａ…電圧測定器、１２Ｂ…電流測定器、１４…制御部、１５…メモリ、１６…通信部。

Claims (3)

1. バッテリと、
   前記バッテリの電流を測定する電流測定器と、
   前記バッテリの電圧を測定する電圧測定器と、
   前記電流測定器と前記電圧測定器とで測定された値を記録可能なメモリと、
   前記メモリに記録された電圧値に基づいて、所定時間における前記バッテリの電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるか判断し、前記バッテリの電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上であるときに、前記メモリに記録された電流値に基づいて、所定時間前までに、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流値が一定期間連続しているか、および、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化があるかを判断し、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって一定期間連続した所定の電流閾値以上の電流値が測定されず、または、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化がないときに、前記電流測定器の故障を外部へ通知する制御部と、を備えた電池ユニット。
2. 前記バッテリと外部との電気的接続を切替える切替器を更に備え、
   前記制御部は、所定時間前までに、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流値が一定期間連続しているか、および、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流変化があるか判断し、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の一定期間連続した電流値が測定されず、または、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化がないときに、前記切替器を制御して前記バッテリを電気的に外部と切り離す、請求項１記載の電池ユニット。
3. 電流測定器で測定されたバッテリの電流値と、電圧測定器で測定された前記バッテリの電圧値とを、周期的にメモリに記録し、
   所定時間における前記バッテリの電圧値の移動平均値を演算し、
   演算した移動平均値を前記メモリに記録し、
   所定時間における前記バッテリの電圧値の差の絶対値を演算し、電圧値の差の絶対値が所定の電圧閾値以上か否か判断し、
   電圧値の差の絶対値が前記電圧閾値以上であるときに、所定時間前までに、前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の電流値が一定期間連続しているか、および、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の電流変化があるか判断し、
   前記バッテリの電圧変化と同じ方向であって所定の電流閾値以上の一定期間連続した電流値が測定されず、または、前記バッテリの電圧の差と同じ方向であって所定の電流変化閾値以上の変化がないときに、前記電流測定器の故障を外部へ通知する、電流測定器の故障検出方法。