JP2023047093A - 電圧センサ異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流変動がない一定電流である場合であっても、電圧センサの異常を検知することができる電圧センサ異常判定装置を提供する。【解決手段】電圧センサ異常判定装置１６は、バッテリ１１に流れる電流を検出する電流センサ１４によって検出された電流の積算値が第１の所定値以上となった場合、電圧センサ１２１によって検出されたセル電圧値のセル電圧変動量が第２の閾値以下であるか否かを判定する判定部１６４と、判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の閾値以下であると判定された場合、電圧センサ１２１が異常であると検知する検知部１６６と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電圧センサ異常判定装置に関する。

特許文献１には、バッテリの閉回路電圧と開回路電圧との差分値である第１電圧差と、電流センサで検出されたバッテリの電流と内部抵抗とから求められる電圧の変化量である第２電圧差と、に基づいて、電流センサの異常の有無を判定するセンサ異常判定装置が開示されている。

特開２０２１－４８７２０号公報

しかしながら、上述した特許文献１では、プラグイン充電またはソーラー充電等の場合、電流に変動がなく一定で充電されるため、大きな電圧差が発生せず、電圧センサの異常を検知することができないという問題点があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、電流変動がない一定電流の場合であっても、電圧センサの異常を検知することができる電圧センサ異常判定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電圧センサ異常判定装置は、複数の電池セルを直列接続して構成されるバッテリのセル電圧を検出する電圧センサの異常を検出する電圧センサ異常判定装置であって、前記バッテリに流れる電流を検出する電流センサによって検出された電流の積算値が第１の所定値以上となった場合、前記電圧センサによって検出されたセル電圧値のセル電圧変動量が第２の閾値以下であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記セル電圧変動量が第２の閾値以下であると判定された場合、前記電圧センサが異常であると検知する検知部と、を備える。

本開示によれば、電流変動がない一定電流である場合であっても、電圧センサの故障を検知することができるという効果を奏する。

図１は、一実施の形態に係るバッテリシステムの概略構成を示す図である。 図２は、一実施の形態に係る電圧センサ異常判定装置が実行する処理の概要を示すフローチャートである。 図３は、一実施の形態に係るバッテリの充電時における電流、電流積算、ＳＯＣ、電圧および電圧センサの異常の有無の概要を示す図である。

以下、本開示の実施の形態に係る電圧センサ異常判定装置を備えるバッテリシステムについて、図面を参照しながら説明する。なお、下記の実施の形態における構成要素は、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、以下の説明において参照する各図は、本開示の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本開示は、各図で例示された形状、大きさおよび位置関係のみに限定されるものではない。

また、以下に説明する電圧センサ異常判定装置を備えるバッテリシステムは、電動車両に搭載される。電動車両とは、モータを走行用動力源として、車載のバッテリから供給される電力によってモータを駆動することで走行可能な車両をいう。具体的には、電動車両は、例えば、モータのみを動力嚴として搭載したＢＥＶ（Battery Electric Vehicle）およびＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）である。なお、電動車両は、モータとエンジンを搭載したＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）およびＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）等であってもよい。

〔バッテリシステムの概略構成〕
図１は、一実施の形態に係るバッテリシステムの概略構成を示す図である。図１に示すバッテリシステム１は、バッテリ１１と、均等化回路１２と、均等化回路１２の駆動およびセル電圧値を計測する集積回路１３（以下、単に「ＩＣ１３」という）と、電流センサ１４と、表示装置１５と、電圧センサ異常判定装置１６と、を備える。

バッテリ１１は、複数の電池セルＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、・・・、ＢＣｎ（ここで、ｎは、４以上の整数）が直列接続されて構成された組電池である。以下において、各電池セルＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、・・・、ＢＣｎを区別せずに呼ぶとき、単に電池セルＢＣという。また、以下においては、電池セルＢＣが４つ以上含まれる例を説明するが、２個以上の複数であればよい。電池セルＢＣは、リチウムイオン電池等の充放電可能に二次電池がそれぞれ用いられる。

バッテリ１１には、正極ラインＰＬ１および負極ラインＮＬ１を介して電力変換装置１７が電気的に接続されている。電力変換装置１７は、双方向ＡＣ／ＤＣ変換機能を有する。具体的には、走行用動力源となる例えば三相交流同期型モータ（図示せず）を駆動するために、バッテリ１１から供給された直流電力を交流電力に変換して供給する機能を有する。さらに、バッテリ１１は、三相交流同期型モータ（図示せず）から供給される交流電力をバッテリ充電用の直流電力に変換する機能を有する。また、電力変換装置１７は、直流電力の電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣ変換機能をさらに有してもよい。

バッテリ１１と電力変換装置１７との間の正極ラインＰＬ１および負極ラインＮＬ１には、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が設けられている。システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、電圧センサ異常判定装置１６によってオンされることによって、バッテリ１１から電力変換装置（すなわちモータ）へ電力供給可能な状態になる。即ち、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、電圧センサ異常判定装置１６からの制御信号を受けてオン・オフ制御される。

また、正極ラインＰＬ１および負極ラインＮＬ１には、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２よりもバッテリ１１に近いところに、正極充電ラインＰＣＬおよび負極充電ラインＮＣＬを介して充電器１８が電気的に接続されている。充電器１８は、車両ボディーに設けられた充電口（図示せず）に電気的に接続される。なお、充電器１８は、ソーラーシステムといった外部の充電スタンドと接続しなくても車両システム自身で発電するユニットと電気的に接続されるものが含まれていてもよい。

正極充電ラインＰＣＬおよび負極充電ラインＮＣＬには、充電用リレーＣＨＲ１，ＣＨＲ２が設けられている。充電用リレーＣＨＲ１，ＣＨＲ２は、電圧センサ異常判定装置１６から送信される制御信号を受けてオン・オフ制御される。

均等化回路１２は、バッテリ１１を構成する各電池セルＢＣにそれぞれ接続されている。均等化回路１２は、放電抵抗Ｒ１，Ｒ２と、スイッチング素子ＦＥＴと、電圧センサ１２１と、キャパシタＣ１と、を有する。

放電抵抗Ｒ１は、各電池セルＢＣの正極端子に電気的に接続されている。また、放電抵抗Ｒ２は、各電池セルＢＣの負極端子に電気的に接続されている。

スイッチング素子ＦＥＴは、放電抵抗Ｒ１と放電抵抗Ｒ２との間に電気的に接続されている。スイッチング素子ＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタを好適に用いることができる。スイッチング素子ＦＥＴは、電圧センサ異常判定装置１６からの制御信号を受けてオン・オフ制御される。具体的には、スイッチング素子ＦＥＴは、電圧センサ異常判定装置１６からゲートオン信号を受けてオンされる。オンされたスイッチング素子ＦＥＴに対応する電池セルＢＣは、放電抵抗Ｒ１、スイッチング素子ＦＥＴ、および、放電抵抗Ｒ２の順に電流が流れる短絡回路が形成される。これにより、スイッチング素子ＦＥＴがオンされた電池セルＢＣの電力は、放電抵抗Ｒ１，Ｒ２によって消費される。この結果、特定の電池セルＢＣのＳＯＣまたは電圧を低下させて、他の電池セルＢＣのＳＯＣと合わせる均等化処理を実行できる。

電圧センサ１２１は、電池セルＢＣに対して電気的に並列接続されている。電圧センサ１２１は、電池セルＢＣの開放端電圧（セル電圧）を検出し、この検出結果を電圧センサ異常判定装置１６へ出力する。一実施の形態では、各均等化回路１２のスイッチング素子ＦＥＴおよび電圧センサ１２１は、樹脂モールド２０によって覆われたＩＣ１３として構成されている。また、電圧センサ１２１は、キャパシタＣ１のキャパシタ電圧を検出し、この検出結果を電圧センサ異常判定装置１６へ出力する。

キャパシタＣ１は、電圧センサ１２１によって検出される電池セルＢＣの電圧を安定させる機能を有する。キャパシタＣ１は、電池セルＢＣおよび電圧センサ１２１に対して電気的に並列接続される。

電流センサ１４は、バッテリ１１に対して電気的に直列接続されている。電流センサ１４は、バッテリ１１の電流値を検出し、この検出結果を電圧センサ異常判定装置１６へ出力する。電流センサ１４は、オペアンプ等を用いて構成される。

表示装置１５は、電圧センサ異常判定装置１６の制御のもと、各種の情報を表示する。具体的には、表示装置１５は、電圧センサ異常判定装置１６から電圧センサ１２１に異常があると検知されたことを示す情報を表示する。表示装置１５は、例えば、液晶ディスプレイまたは有機ＥＬディスプレイ（Organic Electroluminescent Display）等を用いて構成される。

電圧センサ異常判定装置１６は、メモリ１６１と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアを有するプロセッサを用いて構成される。電圧センサ異常判定装置１６は、いわゆるＥＣＵ（Electronic Control Unit）として構成される。電圧センサ異常判定装置１６は、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２、および、充電用リレーＣＨＲ１，ＣＨＲ２をオン・オフ制御する。具体的には、電圧センサ異常判定装置１６は、外部の商用電源等の外部電源に接続された充電プラグが充電器１８の充電口（図示せず）に装着されたことを図示しないセンサ等によって検出すると、充電用リレーＣＨＲ１，ＣＨＲ２をオンする制御信号を送信する。これにより、外部電源から供給される外部電力をバッテリ１１に充電可能な状態となる。また、電圧センサ異常判定装置１６は、ソーラーシステムといった自車発電システムによる充電を検出すると、充電用リレーＣＨＲ１，ＣＨＲ２をオンする制御信号を送信する。これにより、外部電源から供給される外部電力をバッテリ１１に充電可能な状態となる。

メモリ１６１は、電圧センサ１２１の異常を検出するためのプログラムおよびデータが予め記録されている。なお、電圧センサ異常判定装置１６は、車外から通信等で取得したプログラムやデータをメモリ１６１に記録してもよい。また、電圧センサ異常判定装置１６は、日時をカウントするためのタイマー回路（図示せず）を備えている。このタイマー回路によって、後述する均等化処理の時間や、外部電力を充電する時間などを計測できる。

また、電圧センサ異常判定装置１６は、メモリ１６１に格納されたプログラムをプロセッサが読み出して実行することによって、以下に説明する取得部１６２、変換部１６３、判定部１６４、算出部１６５、検知部１６６および出力制御部１６７の各機能を実現する。

取得部１６２は、電流センサ１４が検出する電流を取得して電流の積算を開始する。また、取得部１６２は、電圧センサ１２１が検出する電池セルＢＣにおけるセル電圧最高値（セル電圧ＭＡＸ値）および最小値（セル電圧ＭＩＮ値）を取得してメモリ１６１に逐次更新しながら一時的に保持する

変換部１６３は、取得部１６２によって取得された電流センサ１４が検出した電流の積算を絶対値に変換する。

判定部１６４は、電流センサ１４が検出した電流の積算値が第１の所定値以上であるか否かを判定する。ここで、第１の所定値とは、例えば１０分間充電した際の電流の積算値である。なお、第１の所定値は、バッテリ１１の容量等に応じて、適宜変更することができる。また、判定部１６４は、算出部１６５が算出したセル電圧変動量が第２の所定値以下であるか否かを判定する。ここで、第２の所定値とは、セル電圧最高値（セル電圧ＭＡＸ値）と最小値（セル電圧ＭＩＮ値）との差分が１０％の範囲となる値である。

算出部１６５は、メモリ１６１に記録したセル電圧最高値と、セル電圧最小値と、に基づいて、セル電圧変動量（セル電圧ＭＡＸ値－セル電圧ＭＩＮ値の差分）を算出する。

検知部１６６は、判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の所定値以下であると判定された場合、電圧センサ１２１が異常（固着異常）であると検知する。

出力制御部１６７は、表示装置１５へ電圧センサ１２１に異常が生じている旨の情報を出力する。

〔電圧センサ異常判定装置１６の処理〕
次に、電圧センサ異常判定装置１６が実行する処理について説明する。図２は、電圧センサ異常判定装置１６が実行する処理の概要を示すフローチャートである。図３は、バッテリ１１の充電時における電流、電流積算、ＳＯＣ、電圧および電圧センサの異常の有無の概要を示す図である。また、図３において、上段から（ａ）が電流センサ１４によって検出された充電時のバッテリ１１の電流の変化情報を示し、（ｂ）が積算した電流の変化情報を示し、（ｃ）がバッテリ１１のＳＯＣの変化状況を示し、（ｄ）が電圧センサ１２１によって検出された充電時の電圧の変化状況を示し、（ｅ）が電圧センサ１２１の状況を示す。さらに、図３において、折れ線Ｌ１が電流センサ１４によって検出された充電時のバッテリ１１の電流の変化を示し、直線Ｌ２が積算した電流積算の変化を示し、直線Ｌ３がＳＯＣの変化を示し、直線Ｌ４が電圧センサ１２１の正常時における電圧の変化を示し、直線Ｌ５が電圧センサ１２１の異常時における電圧の変化を示し、折れ線Ｌ６が電圧センサ１２１の異常（固着異常）の場合を示す。

図２に示すように、まず、取得部１６２は、電流センサ１４が検出する電流を取得して電流の積算を開始する（ステップＳ１０１）。具体的には、図３の（ａ）の折れ線Ｌ１に示すように、取得部１６２は、電流センサ１４が検出する電流を取得して電流の積算を開始する。

続いて、変換部１６３は、取得部１６２によって取得された電流センサ１４が検出した電流値の積算を絶対値に変換する（ステップＳ１０２）。

その後、取得部１６２は、電圧センサ１２１が検出する電池セルＢＣにおけるセル電圧最高値（セル電圧ＭＡＸ値）および最小値（セル電圧ＭＩＮ値）を取得してメモリ１６１に逐次更新しながら一時的に保持する（ステップＳ１０３）。

続いて、判定部１６４は、電流センサ１４が検出した電流値の積算値が第１の所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。具体的には、判定部１６４は、図３（ｂ）に示すように、直線Ｌ２の積分値が第１の所定値ＬＴ１以上であるか否かを判定する。この場合、図３（ｃ）の直線Ｌ３に示すように、バッテリ１１には、充電器１８を介して外部電源またはソーラーシステムといった自車発電システムから供給される外部電力が蓄電される。判定部１６４によって電流センサ１４が検出した電流値の積算値が第１の所定値以上であると判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、電圧センサ異常判定装置１６は、後述するステップＳ１０５へ移行する。これに対して、判定部１６４によって電流センサ１４が検出した電流値の積算値が第１の所定値以上でないと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、電圧センサ異常判定装置１６は、ステップＳ１０１へ戻る。

ステップＳ１０５において、算出部１６５は、メモリ１６１に記録したセル電圧最高値と、セル電圧最小値と、に基づいて、セル電圧変動量（セル電圧ＭＡＸ値－セル電圧ＭＩＮ値）を算出する。

続いて、判定部１６４は、算出部１６５が算出したセル電圧変動量が第２の所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。図３（ｄ）の直線Ｌ４および直線Ｌ５に示すように、電圧センサ１２１は、正常の場合、バッテリ１１のＳＯＣの増加に従って、電圧も増加する（直線Ｌ４を参照）。これに対して、電圧センサ１２１は、固着異常の場合、バッテリ１１のＳＯＣが上昇した場合であっても、電圧が増加せず、ほぼ一定の電圧となる（直線Ｌ５を参照）。そこで、一実施の形態では、判定部１６４が算出部１６５によって算出されたセル電圧変動量が第２の所定値以下であるか否かを判定する。判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の所定値以下であると判定された場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、検知部１６６は、電圧センサ１２１が異常（固着異常）（図３の（ｅ）の折れ線Ｌ６を参照）であると検知する（ステップＳ１０７）。

続いて、出力制御部１６７は、表示装置１５へ電圧センサ１２１に異常が生じている旨の情報を出力する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８の後、電圧センサ異常判定装置１６は、本処理を終了する。

ステップＳ１０６において、判定部１６４によってセル電圧変動値が所定値以下でないと判定した場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、電圧センサ異常判定装置１６は、ステップＳ１０９へ移行する。

ステップＳ１０９において、電圧センサ異常判定装置１６は、メモリ１６１に一時的に記録された電流積算値、セル電圧最大値およびセル電圧最小値をクリアする。ステップＳ１０９の後、電圧センサ異常判定装置１６は、本処理を終了する。

以上説明した一実施の形態によれば、判定部１６４がバッテリ１１に流れる電流を検出する電流センサ１４によって検出された電流の積算値が第１の所定値以上となった場合、電圧センサ１２１によって検出されたセル電圧値のセル電圧変動量が第２の閾値以下であるか否かを判定する。続いて、検知部１６６は、判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の閾値以下であると判定された場合、電圧センサ１２１が異常であると検知する。これにより、電流変動がない一定電流である場合であっても、電圧センサ１２１の故障を検知することができる。

なお、一実施の形態では、検知部１６６は、判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の閾値以下であると判定された場合、電圧センサ１２１が異常であると検知していたが、これに限定されることなく、キャパシタＣ１が出力するキャパシタ電圧最大値とキャパシタ電圧最小値とのキャパシタ変動量（差分）が第３の所定値以下であるか否かを判定し、キャパシタ変動量が第３の所定値以下である場合、電圧センサ１２１が異常であると検知してもよい。さらに、検知部１６６は、判定部１６４によってセル電圧変動量が第２の所定値以下とした場合において、キャパシタ変動量が第３の所定値以下であると判定したとき、電圧センサ１２１が異常であると検知してもよい。

（その他の実施の形態）
また、一実施の形態に係る電圧センサ異常判定装置に実行させるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルデータでＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＵＳＢ媒体、フラッシュメモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、一実施の形態に係る電圧センサ異常判定装置に実行させるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。

なお、本明細書におけるフローチャートの説明では、「まず」、「その後」、「続いて」等の表現を用いてステップ間の処理の前後関係を明示していたが、本実施の形態を実施するために必要な処理の順序は、それらの表現によって一意的に定められるわけではない。即ち、本明細書で記載したフローチャートにおける処理の順序は、矛盾のない範囲で変更することができる。

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。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の形態に限定されるものではない。従って、添付のクレーム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 バッテリシステム
１１ バッテリ
１２ 均等化回路
１３ 集積回路
１４ 電流センサ
１５ 表示装置
１６ 電圧センサ異常判定装置
１７ 電力変換装置
１８ 充電器
２０ 樹脂モールド
１２１ 電圧センサ
１６１ メモリ
１６２ 取得部
１６３ 変換部
１６４ 判定部
１６５ 算出部
１６６ 検知部
１６７ 出力制御部
ＢＣ 電池セル
Ｃ１ キャパシタ

Claims (1)

1. 複数の電池セルを直列接続して構成されるバッテリのセル電圧を検出する電圧センサの異常を検出する電圧センサ異常判定装置であって、
   前記バッテリに流れる電流を検出する電流センサによって検出された電流の積算値が第１の所定値以上となった場合、前記電圧センサによって検出されたセル電圧値のセル電圧変動量が第２の閾値以下であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記セル電圧変動量が第２の閾値以下であると判定された場合、前記電圧センサが異常であると検知する検知部と、
   を備える、
   電圧センサ異常判定装置。

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