JP4287096B2 - 組電池システムおよび組電池システムの漏洩電流計測方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池システムおよびその漏洩電流計測方法に係り、特に、組電池システムにおける絶縁性の評価に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題などから、ハイブリッド自動車や電気自動車等が注目されており、そのために各種の二次電池が開発されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、密閉性に優れ、かつ、メンテナンスフリーであるため、ハイブリッド自動車や電気自動車用のバッテリとして優れているが、大型のものは実用化されていない。そこで、複数個の小型の電池セルを直列または並列に接続することにより組電池化し、この組電池ユニットを用いて所望の電圧や容量を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、組電池と負荷とを含む組電池システムでは、回路系における絶縁性の確保が重要となる。なぜなら、システムの回路系より電流が漏洩すると、組電池の消耗が促進されるからである。また、一般に、絶縁性は温度に依存しており、システムが高温になるほど絶縁性が低下する傾向がある。そのため、システム停止時はともかく、システム稼働時には高温になるため、絶縁性が大きく低下してしまう可能性がある。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池システムにおける絶縁性を、システム稼働時に近い状態で検出することにより、検出精度の向上を図ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、複数の電池セルが直列に接続された組電池と、負荷と、前段に組電池が接続され、後段に負荷が接続されたメインスイッチと、メインスイッチの後段側において、負荷と並列に接続されたキャパシタと、制御回路とを有する組電池システムを提供する。この制御回路は、メインスイッチのオンまたはオフを制御する。また、制御回路は、メインスイッチをオンからオフに切り替えた場合、キャパシタに蓄積された電荷により生じる電位差に基づいて、メインスイッチの後段側の回路系に関する絶縁性を評価する。
【０００６】
ここで、第１の発明において、制御回路は、メインスイッチの後段側の回路系に関する漏洩抵抗を第１の漏洩抵抗として計測することによって、絶縁性を評価することが好ましい。
【０００７】
また、第１の発明において、メインスイッチと並列に設けられたプリ抵抗負荷スイッチをさらに設けてもよい。この場合、制御回路は、プリ抵抗負荷スイッチのオンまたはオフを制御する。また、制御回路は、メインスイッチをオフに設定し、かつ、プリ抵抗負荷スイッチをオンに設定する期間において、プリ抵抗負荷スイッチを一時的にオフに設定することによって、第２の漏洩抵抗を計測してもよい。この場合、制御回路は、第１の漏洩抵抗と第２の漏洩抵抗との大小を比較する。これにより、漏洩の原因が、システム稼働時の温度上昇に起因した絶縁性の低下によるものか否かが判断できる。
【０００８】
第２の発明は、複数の電池セルが直列に接続され、所定の高電圧を発生させる組電池と、負荷と、前段に組電池が接続され、後段に負荷が接続されたメインスイッチと、メインスイッチの後段側において、負荷と並列に接続されたキャパシタと、メインスイッチのオンまたはオフを制御するとともに、メインスイッチをオンからオフに切り替えた場合、キャパシタに蓄積された電荷を高電圧電源として用いて、メインスイッチの後段側の回路系に関する絶縁性を評価する制御回路とを有する組電池システムを提供する。
【０００９】
ここで、第２の発明において、制御回路は、電池電圧、漏洩電流、または、漏洩抵抗の少なくとも一つを含む高電圧電源情報を、メインスイッチの後段側より取得することが好ましい。
【００１０】
また、第２の発明において、制御回路に対する電力は、高電圧電源とは別の電源であって、かつ、高電圧電源よりも低い低電圧電源より絶縁トランスを介して供給されることが望ましい。
【００１１】
複数の電池セルが直列に接続された組電池と、負荷と、前段に組電池が接続され、後段に負荷が接続されたメインスイッチと、メインスイッチの後段側において、負荷と並列に接続されたキャパシタとを有する組電池システムの漏洩電流計測方法を提供する。この計測方法は、メインスイッチをオンからオフに切り替えるステップと、キャパシタに蓄積された電荷により生じる電位差を検出するステップと、電位差に基づいて、メインスイッチの後段側の回路系に関する漏洩電流を計測するステップとを有する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、ハイブリッド自動車に適用される組電池システムの構成図である。この組電池システムは、組電池ユニット９、キャパシタ８、インバータ１０およびモータ１１を主体に構成されている。組電池ユニット９と外部装置８，１０，１１とは、コネクタ１５ａ，１５ｂを介して接続されている。組電池ユニット９は、負荷に相当するモータ１１に対して電力を供給する。車両の動力源となるモータ１１は、図示しないコントローラによる制御下において、インバータ１０によって出力が設定される。インバータ１０は、組電池ユニット９から供給された直流電流を三相交流電流に変換する。モータ１１は、三相交流モータであり、インバータ１０から三相交流電流が供給される。また、キャパシタ８は、インバータ１０およびモータ１１に並列に接続されており、数千μＦ程度の大容量を有する。後述するように、イグニッションキーをオフからオンにした場合、すなわち、組電池システムの稼働初期の段階では、まず、このキャパシタ８がプリチャージされる。
【００１３】
組電池ユニット９は、組電池２、各種スイッチ１，３，４、制御回路１４および低電圧電源系５，６，７，１３を主体に構成されている。組電池２は、複数の電池セルを直列に接続することによって、所定の高電圧を発生する。本実施形態では、マンガン系、コバルト系、ニッケル系等に代表されるリチウムイオン電池をラミネートシートで覆った薄板状のラミネートセルを用いている。
【００１４】
組電池２の正極と正極側コネクタ１５ａとの間は、正極側配線１６ａによって接続されている。この配線１６ａには、メインスイッチ１ａが設けられているとともに、このスイッチ１ａと並列にプリ抵抗負荷スイッチ３ａが設けられている。プリ抵抗負荷スイッチ３ａは、スイッチと抵抗とを直列に接続した構造を有する。また、メインスイッチ１ａの後段側（すなわちモータ１１側）は、リレースイッチ４ａを介して制御回路１４と接続されている。
【００１５】
一方、組電池２の負極と負極側コネクタ１５ｂとの間は、負極側配線１６ｂによって接続されている。この配線１６ｂには、メインスイッチ１ｂが設けられているとともに、このスイッチ１ｂと並列にプリ抵抗負荷スイッチ３ｂが設けられている。プリ抵抗負荷スイッチ３ｂは、スイッチと抵抗とを直列に接続した構造を有する。また、メインスイッチ１ｂの後段側は、リレースイッチ４ｂを介して制御回路１４と接続されている。
【００１６】
制御回路１４に対する電力は、低電圧電源系より供給される。この低電圧電源系は、前縁トランス６と、その一次側に設けられた装置７，１３と、その二次側に設けられた装置５，１２とで構成されている。低電圧電源１３は、高電圧電源である組電池２とは別の電源であり、組電池２の電圧よりも低い電圧を有する。このような電源１３としては、例えば、車両に搭載されたバッテリ（１２Ｖ）を用いることができる。この電源１３からの直流電圧は、所定の周波数でオン・オフを繰り返すスイッチング回路７で交流化された後、絶縁トランス６の一次側に供給される。また、絶縁トランス６の二次側に出力された交流電圧は、ブリッジ回路１２において整流された後に、三端子レギュレータ５において直流化される。そして、この直流電圧（例えば５Ｖ）が、制御回路１４用の電源電圧として、制御回路１４に供給される。
【００１７】
制御回路１４は、メインスイッチ１、プリ抵抗負荷スイッチ３およびリレースイッチ４のオンまたはオフを制御する。具体的には、組電池システムが停止している状態では、全てのスイッチ１，３，４がオフになっている。これにより、組電池２は、その後段側の回路系と電気的に完全に分離される。つぎに、イグニッションキーをオフからオンにして組電池システムを始動させる場合、プリ抵抗負荷スイッチ３のみがオンになり、メインスイッチ１およびリレースイッチ４はオフのままである。システムの稼働初期においてメインスイッチ１をオンさせない理由は、過大なプリチャージ電流（大容量のキャパシタ８を最初に充電するのに必要な電流）が流れるのを防止するためである。この初期段階では、メインスイッチ１と並列に設けられたプリ抵抗負荷スイッチ４を用いて、その抵抗で電流を絞りながら、キャパシタ８のプリチャージを行う。そして、キャパシタ８がプリチャージが完了した後は、プリ抵抗負荷スイッチ４がオフして、メインスイッチ１がオンになる。システムの稼働時には、メインスイッチ１のみがオンし、メインスイッチ１の前段の組電池２と後段のモータ１１とが電気的に接続される。イグニッションキーをオンからオフにして組電池システムを停止させる場合、リレースイッチ４のみがオンになり、メインスイッチ１およびリレースイッチ４はオフになる。
【００１８】
また、制御回路１４は、メインスイッチ１の後段側の回路系に関する絶縁性の評価も行う。イグニッションキーをオンからオフに切り替えた場合、その直後において、制御回路１４は、メインスイッチ１をオンからオフに切り替えるとともに、リレースイッチ４をオフからオンに切り替える。メインスイッチ１をオフにすることで、メインスイッチ１の後段は、組電池２と電気的に分離される。ただし、キャパシタ８には、蓄積された電荷が残っているため、この蓄積電荷に応じた電位差（キャパシタ電圧）が、正極側の配線１６ａと負極側の配線１６ｂとの間に生じる。制御回路１４は、この電位差を検出することによって、システム停止直後におけるシステムの絶縁性を評価する。換言すれば、キャパシタ８に蓄積された電荷を高電圧電源として用いて、メインスイッチ１の後段側の回路系に関する絶縁性が検出・評価される。
【００１９】
図２は、制御回路１４の一部を構成するブリッジ回路の回路図である。このブリッジ回路は、５つの抵抗１７ａ〜１７ｅで構成されている。正極側のリレースイッチ４ａの接点と負極側のリレースイッチ４ｂとの間には、２つの抵抗１７ａ，１７ｂが直列に設けられている。システム停止直後には、リレースイッチ４ａ，４ｂがオンするため、上述したキャパシタ電圧を２つの抵抗１７ａ，１７ｂで抵抗分割した電圧値がノードＡの電圧となる。そして、ノードＡの電圧に応じたアナログ値が、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル化される。したがって、Ａ／Ｄコンバータからの出力データは、キャパシタ電圧に応じて一義的に特定される。制御回路１４は、このデジタル化された出力データに基づいて漏電抵抗を計測し、この漏電抵抗に基づいて、メインスイッチ１の後段側の回路系に関する絶縁性を評価する。
【００２０】
例えば、漏電抵抗の経時的な変化率を算出することによって、絶縁性の低下の有無、換言すれば、漏洩電流の発生の有無を判断することができる。この場合、この変化率が所定値よりも大きい場合には、絶縁性が低下していると判断し、これが所定値以下の場合には、絶縁性が低下していないと判断する。また、システム停止時から所定時間（例えば５秒〜１０秒程度）が経過した時点における漏洩抵抗の値に基づいて、絶縁性の低下の有無を判断してもよい。この場合、漏洩抵抗の値が所定値以下の場合には、絶縁性が低下していると判断し、これが所定値よりも大きい場合には、絶縁性が低下していないと判断する。さらに、図３のような漏電パターンに基づいて、絶縁性の低下を評価してもよい。
【００２１】
このように、本実施形態によれば、組電池システムを停止させた直後に、組電池システムの絶縁性の評価、換言すれば、漏洩電流の計測を行うため、良好な精度を確保できるという効果がある。上述したように、システムの温度が上昇すると、これに起因してシステムの絶縁性が低下する傾向がある。したがって、低温状態において、メインスイッチ１の後段の回路系の絶縁性を精度よく評価することは困難である。そこで、本実施形態では、システム停止直後、すなわちシステム稼働時とほぼ同等の高温状態において、絶縁性を評価しているため、稼働状態における絶縁性を良好に検出・評価することが可能になる。
【００２２】
また、リチウムイオン電池は、電池内部の漏洩電流が著しく小さく、長期間にわたってエネルギーを保存できるという特性を有する。メインスイッチ１の前段から信号や電源を得る場合には、長期保存時の過放電の要因となるのに対して、本実施形態のようにメインスイッチ１の後段から得る場合には、かかる過放電を回避できる。
【００２３】
さらに、電池関係情報処理を高電圧系に配置することにより、信号のアイソレーション（分離）を簡略化で、コストの低減を図ることが可能になる。
【００２４】
なお、制御回路１４は、システム停止直後とともにシステム始動時においても、上述した算出手法に基づいて漏洩抵抗を計測してもよい。この場合、メインスイッチ１をオフにし、かつ、プリ抵抗負荷スイッチ３をオンに設定する期間（システム始動時）において、プリ抵抗負荷スイッチ３を一時的にオフに設定する。これにより、プリ抵抗負荷スイッチ３の後段の回路系は、組電池２と電気的に分離される。この状態で、制御回路１４は、第２の漏洩抵抗を計測する。そして、システム停止直後（高温時）に計測した第１の漏洩抵抗と、システム起動時（低温時）に計測した第２の漏洩抵抗との大小を比較する。これにより、漏洩の原因が、システム稼働時の温度上昇に起因した絶縁性の低下によるものか否かが判断できる。具体的には、高温時の第１の漏洩抵抗と低温時の第２の漏洩抵抗との差が所定値以下の場合、漏洩が生じた原因が温度上昇以外の要因であると判断できる。また、高温時の第１の漏洩抵抗と低温時の第２の漏洩抵抗との差が所定値よりも大きい場合、漏洩が生じた原因が温度上昇にあると判断できる。
【００２５】
また、上述した実施形態において、制御回路１４は、キャパシタ電圧より漏洩抵抗を算出しているが、制御回路１４は、電池電圧、漏洩電流、または、漏洩抵抗の少なくとも一つを含む高電圧電源情報を、メインスイッチ１の後段側より取得することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、システムを停止させた直後の状態で組電池システムにおける絶縁性を検出・評価することで、良好な精度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】組電池システムの構成図
【図２】制御回路の一部を構成するブリッジ回路の回路図
【図３】漏電パターンの説明図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ メインスイッチ
２ 組電池
３ａ，３ｂ プリ抵抗負荷スイッチ
４ａ，４ｂ リレースイッチ
５ 三端子レギュレータ
６ 絶縁トランス
７ スイッチング回路
８ キャパシタ
９ 組電池ユニット
１０ インバータ
１１ モータ
１２ ブリッジ回路
１３ 低電圧電源
１４ 制御回路
１５ａ，１５ｂ コネクタ
１６ａ，１６ｂ 配線
１７ａ〜１７ｅ 抵抗

Claims (8)

1. 組電池システムにおいて、
   複数の電池セルが直列に接続された組電池と、
   負荷と、
   前段に前記組電池が接続され、後段に前記負荷が接続されたメインスイッチと、
   前記メインスイッチの後段側において、前記負荷と並列に接続されたキャパシタと、
   前記メインスイッチのオンまたはオフを制御するとともに、前記メインスイッチをオンからオフに切り替えた場合、前記キャパシタに蓄積された電荷により生じる電位差に基づいて、前記メインスイッチの後段側の回路系に関する絶縁性を評価する制御回路と
   を有することを特徴とする組電池システム。
2. 前記制御回路は、前記メインスイッチの後段側の回路系に関する漏洩抵抗を計測することによって、前記絶縁性を評価することを特徴とする請求項１に記載された組電池システム。
3. 前記メインスイッチと並列に設けられたプリ抵抗負荷スイッチをさらに有し、
   前記制御回路は、前記プリ抵抗負荷スイッチのオンまたはオフを制御するとともに、前記メインスイッチをオフに設定し、かつ、前記プリ抵抗負荷スイッチをオンに設定する期間において、前記プリ抵抗負荷スイッチを一時的にオフに設定することによって、前記漏洩抵抗を計測することを特徴とする請求項２に記載された組電池システム。
4. 前記制御回路は、
   前記メインスイッチをオンからオフに切り替えることによって計測された第１の漏電抵抗と、前記メインスイッチをオフに設定し、かつ、前記プリ抵抗負荷スイッチをオンに設定する期間において、前記プリ抵抗負荷スイッチを一時的にオフに設定することによって計測された第２の漏洩抵抗との大小を比較することを特徴とする請求項３に記載された組電池システム。
5. 組電池システムにおいて、
   複数の電池セルが直列に接続され、所定の高電圧を発生させる組電池と、
   負荷と、
   前段に前記組電池が接続され、後段に前記負荷が接続されたメインスイッチと、
   前記メインスイッチの後段側において、前記負荷と並列に接続されたキャパシタと、
   前記メインスイッチのオンまたはオフを制御するとともに、前記メインスイッチをオンからオフに切り替えた場合、前記キャパシタに蓄積された電荷を高電圧電源として用いて、前記メインスイッチの後段側の回路系に関する絶縁性を評価する制御回路と
   を有することを特徴とする組電池システム。
6. 前記制御回路は、電池電圧、漏洩電流、または、漏洩抵抗の少なくとも一つを含む高電圧電源情報を、前記メインスイッチの後段側より取得することを特徴とする請求項５に記載された組電池システム。
7. 前記制御回路に対する電力は、前記高電圧電源とは別の電源であって、かつ、前記高電圧電源よりも低い低電圧電源より絶縁トランスを介して供給されることを特徴とする請求項５または６の記載された組電池システム。
8. 複数の電池セルが直列に接続された組電池と、負荷と、前段に前記組電池が接続され、後段に前記負荷が接続されたメインスイッチと、前記メインスイッチの後段側において、前記負荷と並列に接続されたキャパシタとを有する組電池システムの漏洩電流計測方法において、
   前記メインスイッチをオンからオフに切り替えるステップと、
   前記キャパシタに蓄積された電荷により生じる電位差を検出するステップと、
   前記電位差に基づいて、前記メインスイッチの後段側の回路系に関する漏洩電流を計測するステップと
   を有することを特徴とする組電池システムの漏洩電流計測方法。

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