JP4116756B2 - 組電池の異常検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された組電池における異常を発生するために使用される異常検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
環境問題、エネルギー問題を解決する低公害車として、HEV、PEV、FCEVなどの電気自動車が注目を集めている。電気自動車に搭載される高圧電池は、モータの動力源となるとともに、回生により発電された電力を貯蔵する機能を有している。
【0003】
このような電気自動車用の高圧電池は、高電圧を得るために、複数個の電池セルを直列に接続したいわゆる組電池として使用される。組電池では、例えば各電池セルの充電状態等を監視するために、各電池セルの出力電圧を、それぞれ高精度に検出することが要求されている。しかしながら、組電池には多数の電池セルが使用されており、全ての電池セルの出力電圧を、それぞれ独立して検出するためには、回路構成が著しく複雑化するという問題がある。
【0004】
このために、直列接続された多数の電池セルを、適当な個数の電池セルのブロックとして、各ブロック単位の電圧がそれぞれ測定することが実施されている。
【0005】
図5は、組電池における過充電及び過放電の検出に使用される従来の異常検出装置の一例を示す回路図である。多数の電池セルBを直列に接続して構成された組電池1は、インバータ2を介してモータジェネレータ3に接続されることにより、主回路が構成されている。組電池1を構成する各電池セルBは、適当数の電池セルBによってそれぞれ構成されたn個のブロックにグループ分けされている。
【0006】
ECU4では、組電池1を構成する多数個の電池セルBの出力電圧が、電圧センサとしてのn個の比較器C1〜Cnに、それぞれ入力されており、各比較器C1〜Cnによって、n個のブロックの各出力電圧V1〜Vnが、それぞれ検出される。各比較器C1〜Cnによって検出された各出力電圧V1〜Vnは、ECU4内に設けられた比較判定手段5に与えられている。
【0007】
比較判定手段5では、入力された各ブロックの出力電圧V1〜Vnが、過充電および過放電を検出するために、予め設定された各判定基準値とそれぞれ比較することにより、各ブロックにおける過充電および過放電を検出する。比較判定手段5によって設定された各判定基準値は一定でなく、組電池1からインバータ2に電流が供給される主回路に設けられた電流検出器6によって検出される主回路電流値、および、温度センサ7によって検出される組電池1の温度データに基づいて変更される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来の異常検出装置では、組電池1を構成する多数個の電池セルBそれぞれの出力電圧が、複数の電池セルによって構成されたブロック単位で検出される。この場合は、検出されるブロック単位の電圧が、ブロックを構成する電池セルBの合計電圧値として測定される。従って、各電池セルBのそれぞれの電圧を検出することができず、電池セルBの検出精度が悪く、その結果、各電池セルBの過充電および過放電を精度よく検出することができないという問題がある。
【0009】
各電池セルBの過充電は、その寿命に著しい悪影響を及ぼす。しかも、過充電によって、電池セルBは、異常な発熱が発生して、周囲の電池セルBに悪影響を及ぼす。電池セルBの過放電も、電池寿命に著しい悪影響を及ぼす。各電池セルBにおける過充電および過放電を精度よく検出できないと、これらの悪影響により、モータジェネレータの制御性が著しく低下し、電気自動車に組電池が搭載されている場合には、電気自動車の走行性が著しく低下することになる。
【0010】
各電池セルBの出力電圧をそれぞれ測定することによって、過放電および過充電を精度よく検出することができるが、そのためには、回路構成、ECUの制御プログラムを実行するためのソフトウエアが著しく複雑化するという問題がある。
【0011】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、その目的は、回路構成、制御プログラムを実行するためのソフトウエア等を複雑化させることなく、高精度に異常を検出することができる組電池の異常検出装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の異常検出装置は、複数の電池セルが直列接続されて構成された組電池における異常検出装置であって、前記組電池における前記各電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるように、前記各電池セルに、それぞれ、並列接続された複数のセル電圧検出素子と、これらセル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を検出する素子電流検出手段と、この素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記電池セルのいずれかにおいて異常が発生したものと判定される判定基準値と比較する比較判定手段とを具備し、前記各セル電圧検出素子は、前記各電池セルの出力電圧が第1の閾値電圧以上になると所定方向に電流が流れ、該第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧以下になると逆方向に電流が流れることを特徴とする。
【0013】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過充電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過充電を検出する。
【0014】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過放電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過放電を検出する。
【0015】
前記比較判定手段は、前記各電池セルの温度および前記組電池から出力された電流履歴に基づいて、前記判定基準値を変更する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【0018】
図1は、本発明の組電池の異常検出装置の実施の形態の一例を示す回路図である。この異常検出装置は、HEV(ハイブリッド型電気自動車)に搭載される組電池10の過充電および過放電の検出に使用される。
【0019】
組電池10は、複数の電池セルBを直列に接続して構成されており、組電池10の電圧が、インバータ20を介してモータジェネレータ30に与えられている。インバータ20は、第1のECU(電子制御ユニット)40によって制御される第2のECU100によって制御されており、第2のECU100は、第1のECU40から受け取る電池情報に基づいてインバータ20を制御し、モータジェネレータ30を所定の運転状態とする。
【0020】
本発明の異常検出装置は、組電池10の過充電および過放電の検出に使用され、組電池10を構成する1つの電池セルBにそれぞれ対応して設けられた各セル電圧検出素子50を有している。各セル電圧検出素子50は、各電池セルBに対してそれぞれ並列に接続されており、各セル電圧検出素子50の検出結果に基づいて、各電池セルBの電圧がそれぞれ検出される。
【0021】
各セル電圧検出素子50は、対応する電池セルBの出力電圧に応じた電流が流れる電圧−電流特性を有するツエナーダイオード等によって構成されており、本実施形態では、特に、図2に示すような電圧−電流特性を有する構成とされている。すなわち、各セル電圧検出素子50は、並列に接続された電池セルBの出力電圧Vが、第1の閾値電圧V1以上のとき、その電池セルBの出力電圧Vに対応した正方向の電流が流れ、その電池セルBの出力電圧Vが、第1の閾値電圧V1よりも小さな第2の閾値電圧V0以下になると、その電池セルBの出力電圧Vに対して逆方向に電流が流れる電圧−電流特性を有している。
【0022】
図3(a)は、セル電圧検出素子50の具体的構成を示す回路図である。このセル電圧検出素子50は、ショットキ−ダイオード51とトランジスタ52との組み合わせて構成されており、ショットキーダイオード51は、正極性のわずかな電圧が印加されても非導通状態であるが、印加される電圧の極性が切り替わると、僅かの電圧(第2閾値電圧)V0によっても導通状態に切り替わって、負極性に対応した方向に電流を流す。
【0023】
トランジスタ52は、ショットキーダイオード51と並列に接続された抵抗53および54の直列回路における両抵抗53および54の接続点にベースが接続されており、そのベースの電圧が所定の正極性の電圧(第1閾値電圧)V1よりも大きくなると、ショットキーダイオード51と並列になった電流IDの経路が導通して、正極性の方向に電流IDが流れる。このような構成のセル電圧検出素子50では、図3(b)に示すような2段階の閾値電圧V0およびV1の閾値電圧を有する電圧−電流特性となる。そして、このような電圧−電流特性に、極性調整、ゲイン調整等を加えることにより、図2に示した2段階の閾値を有する電圧−電流特性が実現される。
【0024】
図1に示す異常検出装置には、1個の素子電流検出器60が設けられている。素子電流検出器60は、各セル電圧検出素子50に流れる電流値の総和を検出するカレントトランスによって構成されている。カレントトランスは、各セル電圧検出素子50に対して電流IDがそれぞれ流れる各ラインを束ねた部分に、フローティング状態でセットされており、各セル電圧検出素子50に対してそれぞれ流れる電流値の総和を、電流信号として検出するようになっている。
【0025】
素子電流検出器60において、電流信号として検出された電流値の総和は、変換器61によって、電圧信号に変化されて、ECU40内の比較判定手段90に入力される。
【0026】
また、組電池10からインバータ20に供給される電流が、主回路電流検出器70によって検出されるようになっており、この主回路電流検出器70は、組電池10からインバータ20に供給される主回路電流を検出して、ECU40内の比較判定手段90に与えている。
【0027】
さらに、比較判定手段90には、組電池10における各電池セルBの温度をそれぞれ検出する各セル温度センサ80の出力が与えられている。
【0028】
比較判定手段90は、過充電を検出するための第1比較器91と、過放電を検出するための第2比較器92と、過充電についての第1の判定基準値および過放電についての第2の判定基準値を生成する判定レベル算出部93とを備えている。
【0029】
判定レベル算出部93は、各セル温度センサ80によって検出される各電池セルBの温度と、組電池10からインバータ20に流れる電流の履歴に基づいて、第1の判定基準値および第2の判定基準値をそれぞれ生成する。
【0030】
判定レベル算出部93は、図4(a)および(b)にそれぞれ示すグラフに基づいて、第1および第2の判定基準値をそれぞれ生成する。
【0031】
図4(a)は、過去100msecの間に、過充電と見なされるセル電圧に与える主回路電流及びセル温度の影響を示している。また、図4(b)は、過去100msecの間に、過放電と見なされるセル電圧に与える主回路電流及びセル温度の影響を示している。図4(a)および(b)においては、主回路電流の放電を(+)として表している。
【0032】
過充電と見なすべき電池セルBの出力電圧は、過去100msecの間の主回路電流が50A以上の場合は、その主回路電流および電池セルBの温度の影響を受けず、約1.63Vと一定であるが、過去100msecの間の主回路電流が50Aより小さい場合は、主回路電流および電池セルBの温度の影響を受け、最小で約1.4Vまで低下する。同様に、過放電と見なすべき電池セルBの出力電圧は、過去100msecの間の主回路電流が50A以上の場合は、その主回路電流および電池セルBの温度の影響を受けず、約1Vと一定であるが、過去100msecの間の主回路電流が50Aより小さい場合は、主回路電流および電池セルBの温度の影響を受け、最大で約1.2Vまで上昇する。
【0033】
判定レベル算出部93は、このように図4(a)および(b)に示すグラフに基づいて、主回路電流検出器70および各セル温度センサ80出力信号から、第1の判定基準値及び第2の判定基準値をそれぞれ作成し、生成された第1の判定基準値及び第2の判定基準値を、それぞれ第1比較器91および第2比較器92にそれぞれ与える。
【0034】
第1比較器91に入力される第1の判定基準値は、素子電流検出器60にて検出される電圧が、組電池10のいずれか1つの電池セルBが過充電されることによる電流上昇にて生じる電圧に対応して設定されており、また、第2比較器92に入力される第2の判定基準値は、素子電流検出器60にて検出される電圧が、組電池10のいずれか1つの電池セルBが過放電されることによる電流降下にて生じる電圧に対応して設定されている。
【0035】
第1比較器91は、素子電流検出器60にて検出された電流値の総和を、判定レベル算出部93から入力された第1の判定基準値と比較し、電流値の総和が第1の判定基準値を超えたときに過充電検出の信号を出力する。また、第2比較器92は、素子電流検出器60にて検出された電流値の総和を、判定レベル算出部93から入力された第2の判定基準値と比較し、電流値の総和が第2の判定基準値を下回ったときに過放電検出の信号を出力する。
【0036】
このような構成の組電池の異常検出装置では、組電池10の各電池セルBの過充電および過放電が、次のようにして、それぞれ検出される。
【0037】
組電池10内の各電池セルBの出力電圧が、第1の閾値電圧V1と第2の閾値電圧V0との間にあるとき、各セル電圧検出素子50の何れにも電流が流れない。その結果、素子電流検出器60によって検出される電流値の総和は、0となる。従って、第1比較器91および第2比較器92の何れからも信号は出力されない。
【0038】
これに対して、組電池10のいずれかの電池セルBに過充電が発生すると、その電池セルBの出力電圧のみが上昇する。この電圧上昇が、セル電圧検出素子50に設定された第1の閾値電圧V1よりも大きくなると、その電池セルBに対応するセル電圧検出素子50に対して電流が流れ、その電流が、素子電流検出器60によって検出される。その結果、素子電流検出器60から第1比較器91および第2比較器92への入力信号のレベルが上昇し、第1比較器91における第1の判定基準値よりも大きくなると、組電池10内のいずれかの電池セルBに過充電が発生したものと判定して、第1比較器91は、過充電検出信号が出力される。
【0039】
他方、組電池10内のいずれかの電池セルBに過放電が発生した場合は、その電池セルBの出力電圧のみが低下する。この電圧低下が、第2の閾値電圧V0よりも小さくなると、その電池セルBに対応するセル電圧検出素子50には、過充電の発生時における電流方向とは逆方向の電流が流れる。これにより、素子電流検出器60によって検出される電流値が低下する。その結果、素子電流検出器60から第2比較器92へ入力される信号の電圧レベルが降下し、第2比較器92に入力されている第2の判定基準値よりも小さくなり、組電池10内のいずれかの電池セルBに過放電が発生したものと判定して、第1比較器91は、過放電検出信号が出力される。
【0040】
このようにして、組電池10内のいずれかの電池セルBに過充電あるいは過放電が発生したことが、ECU40にて検出される。しかも、全てのセル電圧検出素子50に流れる電流値の総和に対する過充電による電流上昇および過放電による電流降下に基づいて、過充電および過放電をそれぞれ検出する構成であるために、組電池10における複数の電池セルBが同時に過充電あるいは過放電が発生した場合にも、電池セルBが過充電あるいは過放電であることをそれぞれ検出することができる。
【0041】
このように、本実施形態の組電池の異常検出装置では、組電池10内の各電池セルBの各出力電圧を個別に検出することなく、電池セルBの過充電および過放電が、各電池セルB単位で検出することができる。しかも、全ての電池セルBの出力電圧に対応する電流値の総和を、素子電流検出器60の出力として第1のECU40内の比較判定手段90に出力しているために、ECU40と接続される配線本数が増加するおそれがなく、しかも、ECU40における制御の実行するためのソフトウエアも複雑化するおそれがない。
【0042】
さらには、比較判定手段90は、判定レベル算出部93により、直列接続された電池セルBの温度と共に、電池セルBからインバータ20に流れた主回路電流の電流履歴に基づいて、第1の判定基準値および第2の判定基準値がそれぞれ設定されるために、各電池セルBの過充電および過放電を、高精度で検出することができる。なお、過充電および過放電の判定レベルの決定方法は、図4に示すグラフに基づく方法に限定されるものではなく、電池の特性に応じて、電流履歴に基づいて決定する。
【0043】
また、各電圧検出素子50は、電池セルBの出力電圧が第1の閾値電圧V1以上になることにより、所定方向に電流が流れ、第1の閾値電圧V1よりも小さい第2の閾値電圧V0以下になることにより、逆方向に電流が流れる構成になっているので、過充電および過放電のいずれも、精度よく検出することができる。
【0044】
【発明の効果】
本発明の組電池の異常検出装置は、このように、直列接続された複数の電池セルのそれぞれに、電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるセル電圧検出素子を組み合わせ、セル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を、電池セルの異常検出のための判定基準値と比較して電池セルの異常検出を行うように構成されているために、回路構成、制御を実行するためのソフトウエアを複雑化することなく、組電池を構成する複数の電池セルそれぞれの異常を、高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の組電池の異常検出装置の実施の形態の一例を示す構成図である。
【図2】その異常検出装置に使用されるセル電圧検出素子の特性図である。
【図3】(a)は、そのセル電圧検出素子の具体的構成を示す回路図、(b)は、そのセル電圧検出素子の特性図である。
【図4】(a)は、過充電と見なすべきセル電圧に与える主電流回路の電流履歴及びセル温度の影響を示すグラフ、(b)は、過放電と見なすべきセル電圧に与える主電流回路の電流履歴及びセル温度の影響を示すグラフである。
【図5】従来の組電池の異常検出装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
10 組電池
20 インバータ
30 モータジェネレータ
40 ECU
50 セル電圧検出素子
60 素子電流検出器(素子電流検出手段)
70 主回路電流検出器
80 セル温度センサ
90 比較判定手段
91 第1比較器
92 第2比較器
93 判定レベル算出部
Claims (4)
- 複数の電池セルが直列接続されて構成された組電池における異常検出装置であって、
前記組電池における前記各電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるように、前記各電池セルに、それぞれ、並列接続された複数のセル電圧検出素子と、
これらセル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を検出する素子電流検出手段と、
この素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記電池セルのいずれかにおいて異常が発生したものと判定される判定基準値と比較する比較判定手段とを具備し、
前記各セル電圧検出素子は、前記各電池セルの出力電圧が第1の閾値電圧以上になると所定方向に電流が流れ、該第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧以下になると逆方向に電流が流れることを特徴とする組電池の異常検出装置。 - 前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過充電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過充電を検出する請求項1に記載の組電池の異常検出装置。
- 前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過放電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過放電を検出する請求項1に記載の組電池の異常検出装置。
- 前記比較判定手段は、前記各電池セルの温度および前記組電池から出力された電流履歴に基づいて、前記判定基準値を変更する請求項2または3に記載の組電池の異常検出装置。
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