JP3839397B2

JP3839397B2 - 蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置

Info

Publication number: JP3839397B2
Application number: JP2002342214A
Authority: JP
Inventors: 真志加藤; 康一山本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004180395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば二次電池等からなる複数の単位セルを直列に接続してなる組電池（バッテリ）において、各単位セルに並列に接続されたセル電圧検出回路およびバイパス回路を備え、各セル電圧検出回路により検出される端子間電圧に応じて各単位セルが満充電状態か否かを判定し、満充電状態であると判定されたセルへの充電電流をバイパス回路へ通電させることで各単位セルの端子間電圧のばらつきを調整すると共に、検出される端子間電圧に応じて各単位セルへの充電電流を設定するバッテリの充電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２９９０３２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係るバッテリの充電装置において、各セルの端子間電圧を検出するセル電圧検出回路は、各セルの入出力端子に接続された電圧検出線を介して各セルに並列に接続されている。ここで、例えば電圧検出線に断線が生じると、各セルの端子間電圧を正確に検出することができなくなるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば断線検知用の装置等を新たに備えることで装置構成が複雑化することを抑制しつつ、電圧検出線の断線の有無を容易に検知することが可能な蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置は、複数のセル（例えば、実施の形態でのキャパシタセル４１）が直列に接続されてなる蓄電装置（例えば、実施の形態でのキャパシタ１３）の各前記セルの端子（例えば、実施の形態での正極側端子４１ａ、負極側端子４１ｂ）と、各前記セルの端子間電圧を検出するセル電圧検出手段（例えば、実施の形態でのセル電圧検出回路５１）とを接続する蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置であって、前記電圧検出線を介して各前記セルに並列に接続され、バイパス抵抗（例えば、実施の形態でのバイパス抵抗５２ａ）および該バイパス抵抗への通電のオン／オフを切替可能なスイッチング素子（例えば、実施の形態でのスイッチング素子５２ｂ）を具備するバイパス回路（例えば、実施の形態でのバイパス回路５２）と、前記電圧検出線を介して各前記セルに並列に接続され、所定の基準電圧（例えば、実施の形態での回生制限閾電圧ＶＲ）を生成するための抵抗（例えば、実施の形態での第１抵抗５５ａおよび第２抵抗５５ｃ）を具備する基準電圧生成回路（例えば、実施の形態での基準電圧生成回路５５）と、前記スイッチング素子により前記バイパス抵抗への通電をオンとする通電手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０２）と、前記スイッチング素子により前記バイパス抵抗への通電のオン／オフが切り替えられる際に、前記バイパス抵抗への通電がオフであるときに前記セル電圧検出手段により検出される前記端子間電圧と、前記バイパス抵抗への通電がオンであるときに前記セル電圧検出手段により検出される前記端子間電圧との差の変化の有無に応じて前記電圧検出線の断線の有無を判定する判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０５）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置によれば、互いに接続されたセル同士の間（つまり、一方のセルの入出力端子と他方のセルの入出力端子との接点、あるいは、一方のセルの入出力端子と他方のセルの入出力端子とを接続する接続線等）から分岐するようにして設けられた電圧検出線は、各セルの端子間電圧を検出するセル電圧検出手段に接続されている。ここで、適宜のセルの端子間電圧を、このセルに並列に接続されたセル電圧検出手段によって検出する際に、電圧検出線が正常であれば、スイッチング素子のオン／オフに関わらず、同等の端子間電圧が検出される。
一方、電圧検出線に断線が生じると、スイッチング素子のオン／オフに応じて検出結果に差異が生じる。すなわち、電圧検出線に断線が生じると、この電圧検出線に接続されていた、隣り合うセルの各端子間電圧が合成された電圧が検出されるようになる。ここで、スイッチング素子がオフのときには、合成された電圧が、隣り合う各セルに並列に接続されていた各基準電圧生成回路の抵抗によって分圧された値が検出され、スイッチング素子がオンのときには、合成された電圧が、隣り合う各セルに並列に接続されていた各基準電圧生成回路の抵抗およびバイパス抵抗によって分圧された値が検出される。
これにより、スイッチング素子のオン／オフに応じて、セル電圧検出手段の検出結果が変化する場合には、電圧検出線に断線が生じていると判断することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置１０は、例えば燃料電池車両やハイブリッド車両等の車両に搭載されており、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、電流・電圧制御器１２と、キャパシタ１３と、出力制御器１４と、走行用モータ１５と、保護装置１６と、制御装置１７と、電流センサ２１と、電圧センサ２２と、キャパシタ温度センサ２３と、アクセル開度センサ３１と、ブレーキスイッチ３２と、ＩＧスイッチ３３とを備えて構成される燃料電池車両においては、例えば図２に示すように、キャパシタ１３と、保護装置１６と、制御装置１７とを備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンクによって水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサによって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００９】
燃料電池１１から取り出される発電電流は電流・電圧制御器１２に入力されており、この電流・電圧制御器１２には、蓄電装置をなす、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタ１３が接続されている。
そして、燃料電池１１とキャパシタ１３は、出力制御器１４を介して、電気的負荷である走行用モータ１５に対して並列に接続されている。
電流・電圧制御器１２は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成されており、制御装置１７から出力される電流指令値つまり燃料電池１１に対する発電指令に基づいて、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
【００１０】
出力制御器１４は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えており、制御装置１７から出力される制御指令に応じて走行用モータ１５の駆動および回生動作を制御する。例えば走行用モータ１５の駆動時には、制御装置１７から出力されるトルク指令に基づき、電流・電圧制御器１２およびキャパシタ１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して走行用モータ１５へ供給する。一方、走行用モータ１５の回生時には、走行用モータ１５から出力される３相交流電力を直流電力に変換し、キャパシタ１３を充電する。
なお、走行用モータ１５は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器１４から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時に駆動輪側から走行用モータ１５側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１５は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１１】
キャパシタ１３は、例えば図２に示すように、電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセル４１，…，４１が直列に接続されて構成されており、キャパシタ１３には各キャパシタセル４１の入出力端子に接続された電圧検出線４２，４２を介して保護装置１６が接続されている。
保護装置１６は、例えば図２に示すように、各キャパシタセル４１の端子間電圧（セル電圧）を検出するセル電圧検出回路５１と、各キャパシタセル４１へ通電される充電電流をバイパスし、各キャパシタセル４１を放電可能なバイパス回路５２と、バイパス制御部５３と、セル電圧判定部５４と、基準電圧生成回路５５と、中央処理部（ＣＰＵ）５６とを備えて構成され、セル電圧検出回路５１およびバイパス回路５２および基準電圧生成回路５５は、電圧検出線４２，４２を介して各キャパシタセル４１に並列に接続されている。
【００１２】
バイパス回路５２は、例えば、バイパス抵抗５２ａ（抵抗値Ｒｂ）およびバイパス抵抗５２ａへの通電のオン／オフを切替可能なスイッチング素子５２ｂとしてのＮＰＮトランジスタを備えて構成されており、ＮＰＮトランジスタのエミッタは対応するキャパシタセル４１の負極側端子４１ｂに接続され、コレクタはバイパス抵抗５２ａを介して対応するキャパシタセル４１の正極側端子４１ａに接続されている。
バイパス制御部５３は、例えばＯＲゲート等を備えて構成され、バイパス回路５２のスイッチング素子５２ｂのオン／オフ動作を制御しており、セル電圧判定部５４または中央処理部５６から論理「ハイ」レベルの信号が入力されると、ＮＰＮトランジスタをオン状態に設定する論理「ハイ」レベルのオン信号をＮＰＮトランジスタのベースへ入力するようになっている。
【００１３】
セル電圧判定部５４は、例えばコンパレータ等を備えて構成され、基準電圧生成回路５５にて生成される所定の基準電圧、例えば所定の回生制限閾電圧ＶＲ（例えば、ＶＲ＝２．５Ｖ）と、キャパシタセル４１の端子間電圧（セル電圧）Ｖｃとを比較し、この比較結果に応じた信号をスイッチング素子５２ｂのベースへ入力する。例えば、コンパレータの非反転入力端子へ入力されたセル電圧が、コンパレータの反転入力端子へ入力された回生制限閾電圧ＶＲを超えている場合にはスイッチング素子５２ｂをオン状態に設定する論理「ハイ」レベルのオン信号をスイッチング素子５２ｂのベースへ入力する。これにより、対応するキャパシタセル４１はバイパス抵抗５２ａを介して放電すると共に、このキャパシタセル４１へ通電される充電電流はバイパス抵抗５２ａへバイパスされるようになっている。
【００１４】
基準電圧生成回路５５は、例えば対応するキャパシタセル４１の正極側端子４１ａに接続された第１抵抗５５ａ（抵抗値ｒ１）と、第１抵抗５５ａとキャパシタセル４１の負極側端子４１ｂとを接続するツェナーダイオード５５ｂおよび第２抵抗５５ｃ（抵抗値ｒ２）と備えて構成され、ツェナーダイオード５５ｂおよび第２抵抗５５ｃは互いに並列に接続されている。そして、ツェナーダイオード５５ｂのカソードは、セル電圧判定部５４のコンパレータの反転入力端子に接続されており、第１抵抗５５ａとツェナーダイオード５５ｂによって生成される所定の基準電圧がコンパレータの反転入力端子に入力されている。
中央処理部５６は、所定のタイミング（例えば、車両の作動開始時等）で制御装置１７から入力される制御指令に応じて、バイパス回路５２のスイッチング素子５２ｂをオン状態に設定する論理「ハイ」レベルのオン信号をバイパス制御部５３へ入力する。さらに、中央処理部５６は、論理「ハイ」レベルのオン信号をバイパス制御部５３へ入力する前後においてセル電圧検出回路５１から出力されるセル電圧の検出結果を比較し、この比較結果に基づいて電圧検出線４２に断線が生じているか否かを判定する。
【００１５】
すなわち、セル電圧検出回路５１によって対応するキャパシタセル４１のセル電圧を検出する場合に、キャパシタセル４１の正極側端子４１ａおよび負極側端子４１ｂに接続された電圧検出線４２，４２が正常であれば、セル電圧検出回路５１の検出対象とされるキャパシタセル４１の端子間電圧そのものが、そのまま検出されるので、スイッチング素子５２ｂのオン／オフに関わらず、同等のセル電圧が検出される。
一方、電圧検出線４２に断線が生じると、スイッチング素子５２ｂのオン／オフに応じてセル電圧の検出結果に差異が生じる。すなわち、電圧検出線４２に断線が生じると、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、この電圧検出線４２に接続されていた、隣り合うキャパシタセル４１−１，４１−２の各セル電圧Ｖ１，Ｖ２が合成された電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が検出されるようになる。
【００１６】
例えば図３（ａ）に示すように、スイッチング素子５２ｂがオフのときには、合成された電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が、隣り合う各キャパシタセル４１−１，４１−２に並列に接続されていた各基準電圧生成回路５５，５５の抵抗値Ｒ１，Ｒ２によって分圧された値ＶＯＦＦ、例えば下記数式（１）におけるＶＯＦＦが検出される。
また、例えば図３（ｂ）に示すように、スイッチング素子５２ｂがオンのときには、合成された電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が、隣り合う各キャパシタセル４１−１，４１−２に並列に接続されていた各基準電圧生成回路５５，５５の抵抗値Ｒ１，Ｒ２およびバイパス抵抗５２ａの抵抗値Ｒｂによって分圧された値ＶＯＮ、例えば下記数式（２）におけるＶＯＮが検出される。
なお、各基準電圧生成回路５５，５５の抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、例えば直列に接続された第１抵抗５５ａと第２抵抗５５ｃの合成抵抗（ｒ１＋ｒ２）とされている。
これにより、スイッチング素子５２ｂのオン／オフに応じて、セル電圧検出回路５１の検出結果が変化する場合には、電圧検出線４２に断線が生じていると判断することができる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
【数２】

【００１９】
制御装置１７は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの出力電圧や、燃料電池１１から取り出される発電電流等に基づき、エアーコンプレッサおよび水素タンクから燃料電池１１へ供給される各反応ガスの流量に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御すると共に、燃料電池１１に対する発電指令を電流・電圧制御器１２へ出力し、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
【００２０】
また、制御装置１７は、出力制御器１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１５の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置１７が、このトルク指令を出力制御器１４に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流が走行用モータ１５の各相へと出力される。
さらに、制御装置１７は、キャパシタ１３の状態、例えば保護装置１６の各セル電圧検出回路５１から出力される各キャパシタセル４１のセル電圧の検出結果や、例えばキャパシタ１３の温度や、複数のキャパシタセル４１，…，４１のセル電圧の和である総電圧の検出値に基づき、走行用モータ１５の回生動作を制御する。
【００２１】
さらに、制御装置１７は、所定のタイミング（例えば、車両の作動開始時等）で、複数のキャパシタセル４１，…，４１に対して順次、各キャパシタセル４１に対応するバイパス回路５２のスイッチング素子５２ｂをオン状態に設定することを指示する制御指令を中央処理部５６へ出力し、電圧検出線４２の断線の有無を検知する処理を開始する。
このため、制御装置１７には、例えば、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を検出する電流センサ２１から出力される検出信号と、セル電圧の総和である総電圧を検出する電圧センサ２２から出力される検出信号と、キャパシタ１３の温度を検出するキャパシタ温度センサ２３から出力される検出信号と、アクセル開度センサ３１から出力される検出信号と、運転者によるブレーキ操作の有無を検知するブレーキスイッチ３２から出力される信号と、車両の作動を指示するＩＧスイッチ３３から出力される信号とが入力されている。
【００２２】
本実施の形態による蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置１０は上記構成を備えており、次に、この蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００２３】
先ず、例えば図２に示すステップＳ０１においては、車両の作動開始時等に制御装置１７から入力される制御指令に応じて、バイパス処理の実行直前におけるキャパシタ１３の各キャパシタセル４１のセル電圧を検出する。
次に、ステップＳ０２においては、バイパス処理として、各キャパシタセル４１に並列に接続されたバイパス回路５２のスイッチング素子５２ｂをオン状態に設定する論理「ハイ」レベルの信号を出力する。
次に、ステップＳ０３においては、バイパス処理の実行直後におけるキャパシタ１３の各キャパシタセル４１のセル電圧を検出する。
【００２４】
次に、ステップＳ０４においては、バイパス処理の実行直前と実行直後におけるセル電圧の検出値の偏差を算出する。
次に、ステップＳ０５においては、算出したセル電圧の偏差が所定判定値よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
ステップＳ０６においては、電圧検出線４２が正常状態であると判定し、一連の処理を終了する。
ステップＳ０７においては、電圧検出線４２が異常状態であり、電圧検出線４２の断線が生じていると判定し、一連の処理を終了する。
【００２５】
上述したように、本実施の形態による蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置１０によれば、互いに直列接続された複数のキャパシタセル４１，…，４１同士の間のセル電圧のばらつきを低減し、各セル電圧を均等化するために設けられたバイパス回路５２に対して、適宜のタイミングで通電のオン／オフを切り替え、この切換処理の前後においてセル電圧検出回路５１により検出されるセル電圧の検出結果を比較することにより、例えば専用の検査装置等を新たに備える必要無しに、電圧検出線４２が正常であるか否かを容易に検知することができる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態においては、走行用モータ１５と電気エネルギーの授受を行う蓄電装置をキャパシタ１３としたが、これに限定されず、例えばリチウムイオン電池等の二次電池からなる複数のセルを直列に接続してなる組電池等であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置によれば、互いに接続された複数のセル同士の端子間電圧のばらつきを低減するために設けられたバイパス回路に対して、適宜のタイミングで通電のオン／オフを切り替え、この切換処理の前後において検出される端子間電圧を比較することにより、例えば専用の検査装置等を新たに備える必要無しに、電圧検出線の断線の有無を容易に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置を搭載する燃料電池車両の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置の構成図である。
【図３】図３（ａ）は電圧検出線の断線時であって、スイッチング素子がオフ状態での保護装置の回路図を簡略化して示す図であり、図３（ｂ）は電圧検出線の断線時であって、スイッチング素子がオン状態における保護装置の回路図を簡略化して示す図である。
【図４】図１に示す車載モータの回生制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置
１３キャパシタ（蓄電装置）
４１キャパシタセル（セル）
５１セル電圧検出回路（セル電圧検出手段）
５２バイパス回路
５２ａバイパス抵抗
５２ｂスイッチング素子
５５基準電圧生成回路
５５ａ第１抵抗
５５ｃ第２抵抗
ステップＳ０２通電手段
ステップＳ０５判定手段

Claims

複数のセルが直列に接続されてなる蓄電装置の各前記セルの端子と、各前記セルの端子間電圧を検出するセル電圧検出手段とを接続する蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置であって、
前記電圧検出線を介して各前記セルに並列に接続され、バイパス抵抗および該バイパス抵抗への通電のオン／オフを切替可能なスイッチング素子を具備するバイパス回路と、
前記電圧検出線を介して各前記セルに並列に接続され、所定の基準電圧を生成するための抵抗を具備する基準電圧生成回路と、
前記スイッチング素子により前記バイパス抵抗への通電をオンとする通電手段と、
前記スイッチング素子により前記バイパス抵抗への通電のオン／オフが切り替えられる際に、前記バイパス抵抗への通電がオフであるときに前記セル電圧検出手段により検出される前記端子間電圧と、前記バイパス抵抗への通電がオンであるときに前記セル電圧検出手段により検出される前記端子間電圧との差の変化の有無に応じて前記電圧検出線の断線の有無を判定する判定手段と
を備えることを特徴とする蓄電装置の電圧検出線の断線検知装置。