JP2020005466A - 電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で負荷の事前充電と、負荷の放電とを行うことができる電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法を提供すること。【解決手段】実施形態の一態様に係る電池制御装置は、経路選択部と、制御部とを備える。経路選択部は、電池から負荷へ電流を供給する主供給経路よりも少ない電流を負荷へ供給する事前充電経路を接続する状態と、負荷に充電された電荷を放電する放電経路を接続する状態と、事前充電経路および放電経路を切断する状態とを切り替える。制御部は、経路選択部の状態を切替える。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法に関する。

従来、電池と負荷とを接続する正極側リレーと、負極側リレーと、起動時に電池から負荷への突入電流の流入を防止するプリチャージリレーと、終了時に負荷から電荷を放電させるディスチャージリレーとを備える電源装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−０９２８０７号公報

しかしながら、従来の電源装置は、負荷への電力供給と、負荷の事前充電と、負荷の放電とを行うために、正極側リレー、負極側リレー、プリチャージリレー、およびディスチャージリレーという４つのリレーが必要であり、部品点数が多く制御も煩雑である。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で負荷の事前充電と、負荷の放電とを行うことができる電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電池制御装置は、経路選択部と、制御部とを備える。経路選択部は、電池から負荷へ電流を供給する主供給経路よりも少ない電流を前記負荷へ供給する事前充電経路を接続する状態と、前記負荷に充電された電荷を放電する放電経路を接続する状態と、前記事前充電経路および前記放電経路を切断する状態とを切り替える。制御部は、前記経路選択部の状態を切替える。

実施形態の一態様に係る電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法は、簡易な構成で負荷の事前充電と、負荷の放電とを行うことができる。

図１は、実施形態に係る電池制御システムの構成の一例を示す説明図である。 図２は、実施形態に係る電池制御装置の制御部の動作と負荷電圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。 図３は、実施形態に係る電池制御システムが行う溶着診断動作の説明図である。 図４は、実施形態に係る電池制御システムが行う溶着診断動作の説明図である。 図５は、実施形態に係る電池制御システムが行う溶着診断動作の説明図である。 図６は、実施形態の変形例に係る電池制御システムの構成の一例を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、電池制御装置、電池制御システム、および電池制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。図１は、実施形態に係る電池制御システム１の構成の一例を示す説明図である。

図１に示すように、電池制御システム１は、電池１００と負荷１０１との間に接続される。電池１００は、例えば、リチウムイオンバッテリ等の充放電可能な二次電池である。負荷１０１は、例えば、インバータであり、内部に平滑コンデンサ１１１を備える。なお、ここでは、図示を省略しているが負荷１０１は、例えば、車両を走行させるモータに接続される。

電池制御システム１は、例えば、モータが電動機として機能する場合に、電池１００と負荷１０１とを接続して電池１００を放電させ、電池１００から負荷１０１を介してモータへ電力を供給する。

また、電池制御システム１は、例えば、モータが発電機として機能する場合に、電池１００と負荷１０１とを接続してモータから負荷１０１を介して電池１００へ電力を供給して電池１００を充電する。

かかる電池制御システム１では、例えば、起動時に電池１００から直接負荷１０１へ電流を流すと、負荷１０１へ突入電流が流れ込み平滑コンデンサ１１１を破損させるおそれがある。

このため、電池制御システム１は、電池１００から直接負荷１０１へ電流を流す前に、電池１００から負荷１０１へ直接電流を供給する場合よりも少ない電流を負荷１０１へ供給して平滑コンデンサ１１１を事前充電（以下、「プリチャージ」と記載する）する。

これにより、電池制御システム１は、負荷１０１への突入電流の流れ込みを防止する。その後、電池制御システム１は、電池１００から直接負荷１０１へ電流を流す。負荷１０１の平滑コンデンサ１１１をプリチャージすることによって、平滑コンデンサ１１１への突入電流の流入を防止する。

以下では、平滑コンデンサ１１１をプリチャージする場合に電流が流れる経路をプリチャージ経路と称し、電池１００から直接負荷１０１へ電流を流す場合に電流が流れる経路を主供給経路と称する。

また、電池制御システム１は、例えば、終了時に平滑コンデンサ１１１に残存する充電された電荷を放電（以下、「ディスチャージ」と記載する）する。これにより、電池制御システム１は、平滑コンデンサ１１１に残った不要な電荷をディスチャージすることができる。以下では、平滑コンデンサ１１１をディスチャージする場合に電流が流れる経路をディスチャージ経路と称する。

電池制御システム１は、複数の電池監視（ＣＭ：Cell Management）部２と、電池制御装置３と、電圧センサ４と、正極側リレー（以下、「Ｐリレー５１」と記載する）と、負極側リレー（以下、「Ｎリレー５２」と記載する）とを備える。さらに、電池制御システム１は、プリチャージ抵抗６１と、ディスチャージ抵抗６２とを備える。

複数のＣＭ部２は、電池１００が備える複数の直列に接続された電池セル毎に設けられ、対応する各電池セルの充電状態を検出して検出結果を電池制御装置３へ出力する。電圧センサ４は、電池制御システム１から負荷１０１へ供給される電圧（以下、「負荷電圧」と記載する）を検出して検出結果を電池制御装置３へ出力する。

Ｐリレー５１は、電池１００の正極と負荷１０１とを切離可能に接続する。Ｎリレー５２は、電池１００の負極と負荷１０１とを切離可能に接続する。Ｐリレー５１およびＮリレー５２は、電池制御装置３によってＯＮとＯＦＦとが切替えられる。

プリチャージ抵抗６１は、例えば、起動時に電池１００の電圧を所定電圧まで低下させて負荷１０１へ供給するための抵抗である。電池制御システム１は、例えば、起動時にプリチャージ抵抗６１を介して電池１００から負荷１０１へ電流を供給することによって、平滑コンデンサ１１１への突入電流の流入を防止する。

ディスチャージ抵抗６２は、例えば、終了時に平滑コンデンサ１１１の電圧を所定電圧まで低下させて平滑コンデンサ１１１に充電された電荷を放電させるための抵抗である。電池制御システム１は、例えば、終了時にディスチャージ抵抗６２を介して平滑コンデンサ１１１からグランドへ電荷を放電することによって、グランド配線の溶断を防止する。

電池制御装置３は、経路選択部と、制御部８とを備える。経路選択部は、例えば、ＰＤ（Precharge Discharge）リレー７で構成され、ＰＤリレー７は、１つの極、すなわち１つの共通端子と、共通端子との接続を切り替え可能な３つの接点を有する、１極３接点のリレーである。すなわちＰＤリレー７は、３つの任意の経路の中から１つを選択して回路を形成することができる。

以降、ＰＤリレー７は電磁開閉式のリレーとして説明するが、半導体スイッチなどで構成してもよい。ＰＤリレー７は、プリチャージ抵抗６１を介して電池１００の正極に接続される第１接点７１と、ディスチャージ抵抗６２を介して電池１００の負極と接続される第２接点７２とを備える。さらに、ＰＤリレー７は、接続先がない第３接点７３と、負荷１０１に接続される共通端子７４を備える。

ＰＤリレー７は、第１接点７１と共通端子７４とを接続することでプリチャージ経路を接続する状態になる。また、ＰＤリレー７は、第２接点７２と共通端子７４とを接続することでディスチャージ経路を接続する状態になる。

また、ＰＤリレー７は、第３接点７３と共通端子７４とを接続することで、プリチャージ経路およびディスチャージ経路を切断する状態になる。かかるＰＤリレー７は、制御部８によって上記した３つの状態が切替えられる。

このように、ＰＤリレー７は、平滑コンデンサ１１１をプリチャージするプリチャージリレーとして機能すると共に、平滑コンデンサ１１１をディスチャージするディスチャージリレーとしても機能する。

このため、電池制御装置３は、制御部８によって、ＰＤリレー７という１つの回路素子の状態を制御するという簡易な構成で負荷１０１のプリチャージとディスチャージとを行うことができる。

また、電池制御装置３によれば、例えば、負荷１０１をディスチャージするために負荷１０１（インバータ）を動作させて平滑コンデンサ１１１に残存する電荷を消費させる必要がない。つまり、電池制御システム１は、システムの内容動作で負荷１０１のプリチャージおよびディスチャージを完結させることができる。

制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。なお、制御部８は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成されてもよい。制御部８は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを作業領域として使用して実行することによって、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７の状態を切替える。

また、制御部８は、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７を所定の状態に切替えた場合に電圧センサ４から入力される負荷電圧に基づいて、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７の溶着診断を行う。制御部８が溶着診断を行う場合の電池制御システム１の動作の一例については、図２〜図５を参照して後述する。

また、制御部８は、複数のＣＭ部２から入力される充電状態の検出結果に基づき、電池１００が過充電または過放電にならないように、Ｐリレー５１およびＮリレー５２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

次に、図２〜図５を参照し、制御部８の動作および電池制御システム１が行う溶着診断動作の一例について説明する。図２は、実施形態に係る電池制御装置３の制御部８の動作と負荷電圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。

図３〜図５は、実施形態に係る電池制御システム１が行う溶着診断動作の説明図である。なお、図３〜図５では、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７の状態を明瞭にするため、ＣＭ部２、制御部８、および電圧センサ４の図示を省略し、Ｐリレー５１およびＮリレー５２をスイッチの回路記号によって示している。また、図３〜図５に示すＶは、負荷電圧である。

図２に示すように、時刻ｔ１〜時刻ｔ５までの期間に起動シーケンスを行い、時刻ｔ５〜時刻ｔ６までの期間に通常シーケンスを行い、時刻ｔ６〜時刻ｔ１１までの期間に終了シーケンスを行う。なお、通常シーケンスとは、車両の走行状態に応じて制御部８が電池１００の充放電を行うようにＰリレー５１およびＮリレー５２をＯＮ／ＯＦＦ制御するシーケンスである。

電池制御システム１は、起動シーケンスが開始される時刻ｔ１以前では、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７が全てＯＦＦとなっている。その後、図２に示すように、制御部８は、例えば、時刻ｔ１で車両のイグニッションスイッチがＯＮにされると、まず、Ｎリレー５２をＯＮにして負荷電圧Ｖを参照する。

このとき、図３（ａ）に示すように、Ｐリレー５１およびＰＤリレー７がＯＦＦであるため、正常であれば負荷電圧ＶはＬｏｗになることが想定される。このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ１の後に負荷電圧Ｖが上昇する、すなわち想定外の経路形成によって負荷に電流が供給されている場合には、Ｐリレー５１がＯＮ固着している、または、ＰＤリレー７の第１接点７１と共通端子７４とがＯＮ固着していると診断する。

制御部８は、ＯＮ固着がないと診断した場合、図２に示すように、時刻ｔ２でＰＤリレー７の第１接点７１と共通端子７４とを接続し、プリチャージＯＮ（ＰｒｅＯＮ）の状態にして負荷電圧Ｖを参照する。これにより、電池制御システム１は、プリチャージ中となり、負荷１０１の平滑コンデンサ１１１へ突入電流が流れ込むことを防止することができる。

このとき、図３（ｂ）に示すように、電池１００から、プリチャージ抵抗６１、ＰＤリレー７の第１接点７１、共通端子７４、負荷１０１、Ｎリレー５２を経由して電池１００へ電流が流れる。これにより、プリチャージ経路が接続されるので、負荷電圧ＶはＬｏｗから上昇することが想定される。

このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ２の後に負荷電圧Ｖが上昇しない、すなわち想定する経路が形成されず、負荷に電流が供給されていない場合には、Ｎリレー５２がＯＦＦ固着している、または、ＰＤリレー７がＯＦＦ固着していると診断する。

制御部８は、ＯＦＦ固着がないと診断した場合、図２に示すように、時刻ｔ３でＰリレー５１をＯＮにし、時刻ｔ４でＰＤリレー７の第３接点７３と共通端子７４とを接続してＰＤリレー７をＯＦＦにし、負荷電圧Ｖを参照する。

このとき、図３（ｃ）に示すように、電池１００から、Ｐリレー５１、負荷１０１、Ｎリレー５２を経由して電池１００へ電流が流れる主供給経路が接続されるので、負荷電圧ＶはＨｉｇｈになることが想定される。

このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ４の後に負荷電圧ＶがＨｉｇｈから低下する、すなわち想定する経路が形成されず、負荷に電流が供給され続けない場合には、Ｐリレー５１がＯＦＦ固着していると診断する。制御部８は、ＯＦＦ固着がないと診断した場合、図２に示すように、時刻ｔ５〜時刻ｔ６までの期間に通常シーケンスを行う。

そして、制御部８時刻ｔ６でＰリレー５１をＯＦＦにして負荷電圧Ｖを参照する。このとき、図４（ａ）に示すように、Ｐリレー５１およびＰＤリレー７がＯＦＦであり、平滑コンデンサ１１１が充電された状態を維持しているので、負荷電圧ＶはＨｉｇｈになることが想定される。

このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ６の後に負荷電圧ＶがＨｉｇｈから低下する、すなわち想定外の経路形成によって、負荷から電流が放電している場合には、ＰＤリレー７の第２接点７２と共通端子７４とがＯＮ固着していると診断する。

制御部８は、ＯＮ固着がないと診断した場合、図２に示すように、時刻ｔ７でＰＤリレー７ｂの第２接点７２と共通端子７４とを接続し、ディスチャージＯＮ（ＤｉｓＯＮ）の状態にして負荷電圧Ｖを参照する。これにより、電池制御システム１は、ディスチャージ中となり、負荷１０１の平滑コンデンサ１１１に残存する不要な電荷をディスチャージすることができる。

このとき、図４（ｂ）に示すように、負荷１０１から、ＰＤリレー７の共通端子７４、第２接点７２、ディスチャージ抵抗６２、Ｎリレー５２を経由して電池１００へ電流が流れる。これにより、ディスチャージ経路が接続されるので、負荷電圧ＶはＨｉｇｈから低下することが想定される。

このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ７の後に負荷電圧Ｖが低下しない、すなわち想定する経路が形成されず、負荷から電流が放電されない場合には、ＰＤリレー７の第３接点７３と共通端子７４とがＯＮ固着、つまり、ＰＤリレー７がＯＦＦ固着していると診断する。

制御部８は、ＯＦＦ固着がないと診断した場合、図２に示すように、時刻ｔ８でＰＤリレー７をＯＦＦにする。これにより、図４（ｃ）に示すように、ディスチャージ経路が切断される。

その後、制御部８は、図２に示すように、時刻ｔ９でＮリレー５２をＯＦＦにする。これにより、図５（ａ）に示すように、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７の全てがＯＦＦとなる。

その後、制御部８は、図２に示すように、時刻ｔ１０でＰＤリレー７の第１接点７１と共通端子７４とを接続する。このとき、図５（ｂ）に示すように、プリチャージ抵抗６１、ＰＤリレー７の第１接点７１、および共通端子７４を介して電池１００と負荷１０１とが接続されるが、Ｎリレー５２がＯＦＦであるため、負荷電圧ＶがＬｏｗから上昇しないことが想定される。

このため、制御部８は、図２に点線で示すように、時刻ｔ１０の後に負荷電圧Ｖが上昇する、すなわち想定外の経路形成によって負荷に電流が供給されている場合には、Ｎリレー５２がＯＮ固着していると診断する。このように、制御部８は、主供給経路による負荷１０１への電流供給が終了された後というプリチャージおよびディスチャージとは無関係の期間に、ＰＤリレー７の第１接点７１と共通端子７４とを接続して、Ｎリレー５２のＯＮ固着を診断することができる。

これにより、制御部８は、Ｐリレー５１、Ｎリレー５２、およびＰＤリレー７全てのＯＮ固着診断とＯＦＦ固着診断とを行うことができる。そして、制御部８は、最後に、時刻ｔ１１でＰＤリレー７をＯＦＦにして終了シーケンスを終了する。

なお、上述した電池制御システム１の構成は、一例であり種々の変形が可能である。ここで、図６を参照し、実施形態の変形例に係る電池制御システム１ａについて説明する。図６は、実施形態の変形例に係る電池制御システム１ａの構成の一例を示す説明図である。

ここでは、図６に示す電池制御システム１ａの構成要素のうち、図１に示す電池制御装置３の構成要素と同一の構成要素については、図１に示す符号と同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。

図１に示す電池制御システム１のプリチャージ抵抗６１の抵抗値と、ディスチャージ抵抗６２の抵抗値が同一である場合、プリチャージ抵抗６１およびディスチャージ抵抗６２を図６に示す１つの電流制限抵抗６３で代用することが可能である。

具体的には、電池制御システム１ａは、図１に示すプリチャージ抵抗６１およびディスチャージ抵抗６２を備えていない。その代わりに、電池制御システム１ａは、ＰＤリレー７の共通端子７４と負荷１０１との間に、プリチャージ経路用およびディスチャージ経路用として兼用される電流制限抵抗６３を備える。

電池制御システム１ａは、ＰＤリレー７の第１接点７１と共通端子７４とを接続し、電池１００から、ＰＤリレー７の第１接点７１、共通端子７４、および電流制限抵抗６３を経由して負荷１０１へ電力を供給することができる。これにより、電池制御システム１ａは、負荷１０１をプリチャージすることができる。

このように、電池制御システム１ａは、プリチャージ抵抗６１およびディスチャージ抵抗６２として兼用される１つの電流制限抵抗６３を備えるので、部品点数を削減することによって製造コストを低減することができる。

また、電池制御システム１ａは、ＰＤの共通端子７４と第２接点７２とを接続し、負荷１０１から、電流制限抵抗６３、ＰＤリレー７の共通端子７４、第２接点７２、およびＮリレー５２を経由してグランドへ電流を流すことができる。これにより、電池制御システム１ａは、負荷１０１をディスチャージすることができる。

なお、上述した実施形態では、ＰＤリレー７が１極３接点のリレーである場合について説明したが、ＰＤリレー７は、例えば、１つの極、すなわち共通端子と、２つの接点を有し、かつ２つの接点のどちらとも回路を形成しない状態をとりうる、１極２接点のノーマリーオープン型リレーであってもよい。つまり、ＰＤリレー７は本実施の形態では、２つの任意の経路と、何も接続がない経路との、計３つの経路の中から１つを選択して、回路を形成することができる。

かかる場合、ＰＤリレー７の第１接点は、プリチャージ経路を介して電池１００の正極に接続され、第２接点は、ディスチャージ経路を介して電池１００の負極に接続され、共通端子は、負荷１０１に接続される。

これにより、制御部８は、ＰＤリレー７の第１接点と共通端子とを接続することによって負荷１０１をプリチャージし、ＰＤリレー７の第２接点と共通端子とを接続することによって負荷１０１をディスチャージすることができる。

つまり、制御部８は、１極２接点のノーマリーオープン型リレーという１つの回路素子の状態を制御するという簡易な構成で負荷１０１のプリチャージとディスチャージとを行うことができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 電池制御システム
２ ＣＭ部
３ 電池制御装置
４ 電圧センサ
５１ Ｐリレー
５２ Ｎリレー
６１ プリチャージ抵抗
６２ ディスチャージ抵抗
６３ 電流制限抵抗
７ ＰＤリレー
７１ 第１接点
７２ 第２接点
７３ 第３接点
７４ 共通端子
８ 制御部
１００ 電池
１０１ 負荷
１１１ 平滑コンデンサ

Claims (8)

1. 電池から負荷へ電流を供給する主供給経路よりも少ない電流を前記負荷へ供給する事前充電経路を接続する状態と、前記負荷に充電された電荷を放電する放電経路を接続する状態と、前記事前充電経路および前記放電経路を切断する状態とを切り替える経路選択部と、
   前記経路選択部の状態を切替える制御部と
   を備えることを特徴とする電池制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記主供給経路による前記負荷への電流供給が開始される前に、前記事前充電経路を接続する状態に前記経路選択部を切替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記主供給経路による前記負荷への電流供給が終了された後に、前記放電経路を接続する状態に前記経路選択部を切替える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池制御装置。
4. 前記経路選択部は、
   少なくとも１つの共通端子と３つの接点を有するリレーであり、前記事前充電経路を介して前記電池の正極に接続される第１接点と、前記放電経路を介して前記電池の負極に接続される第２接点と、接続先がない第３接点と、前記負荷に接続される共通端子と
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電池制御装置。
5. 前記経路選択部は、
   少なくとも１つの共通端子と２つの接点を有し、かつ接点はノーマリーオープン型のリレーであり、前記事前充電経路を介して前記電池の正極に接続される第１接点と、前記放電経路を介して前記電池の負極に接続される第２接点と、前記負荷に接続される共通端子と
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電池制御装置。
6. 前記共通端子と前記負荷との間に接続され、前記事前充電経路用および前記放電経路用として兼用される電流制限抵抗
   を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電池制御装置。
7. 電池から負荷へ電流を供給する主供給経路よりも少ない電流を前記負荷へ供給する事前充電経路を接続する状態と、前記負荷に充電された電荷を放電する放電経路を接続する状態と、前記事前充電経路および前記放電経路を切断する状態とを切り替える経路選択部と、
   前記経路選択部の状態を切替える制御部と
   を備える電池制御装置と、
   前記電池の正極と前記負荷とを接離可能に接続する正極側スイッチと、
   前記電池の負極と前記負荷との接離可能に接続する負極側スイッチと
   を備えることを特徴とする電池制御システム。
8. 電池制御装置の制御部が経路選択部を制御して、電池から負荷へ電流を供給する主供給経路よりも少ない電流を前記負荷へ供給する事前充電経路を接続状態にする工程と、
   電池制御装置の制御部が前記経路選択部を制御して、前記負荷に充電された電荷を放電する放電経路を接続状態にする工程と、
   電池制御装置の制御部が前記経路選択部を制御して、前記事前充電経路および前記放電経路を切断状態にする工程と
   を含むことを特徴とする電池制御方法。

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