JP4389758B2 - セル電圧バラツキ異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池を構成する各セル間の電圧バラツキ異常を検出する装置に関する。

従来、組電池を構成する複数のセルの開放電圧を検出し、検出した開放電圧の電圧分布を求めることにより、各セル間の電圧バラツキを検出する装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−３２２９２５号公報

しかしながら、従来の装置では、各セルの開放電圧を検出して、電圧分布を求めるために、電圧バラツキを検出するための演算量が大きくなるという問題があった。

本発明によるセル電圧バラツキ異常検出装置は、いずれかのセルの電圧がしきい値電圧以下となってから、セルの平均電圧がしきい値電圧以下となるまでの時間、または、いずれかのセルの電圧がしきい値電圧以上となってから、セルの平均電圧がしきい値電圧以上となるまでの時間に基づいて、複数のセル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする。

本発明によるセル電圧バラツキ異常検出装置によれば、各セルの電圧を検出することなく、簡易な方法で、セル間の電圧バラツキ異常を検出することができる。

図１は、本発明によるセル電圧バラツキ異常検出装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図である。組電池１は、複数のセルＣ１〜Ｃｎを直列に接続して構成される。組電池１の直流電圧は、インバータ４にて交流電圧に変換されて、車両の走行駆動源である３相交流モータ５に印加される。コントロールユニット３は、ＣＰＵ３ａ、メモリ３ｂ、タイマ３ｃを備え、インバータ４を制御することにより、組電池１の充電および放電を制御する。電圧センサ６は、組電池１の総電圧Ｖbatを検出して、コントロールユニット３に出力する。電流センサ７は、組電池１から流れる放電電流および組電池１に流れる充電電流（以下、まとめて充放電電流と呼ぶ）を検出して、コントロールユニット３に出力する。

容量調整回路Ａ１〜Ａｎは、各セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、対応するセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行う。セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎは、各セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のしきい値電圧Ｖtより低下したことを検知する。オア回路８は、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎから出力された電圧低下検知信号に対して論理和演算を行い、演算結果をコントロールユニット３に出力する。

図２は、図１に示す容量調整回路Ａ１〜Ａｎ、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、および、オア回路８を含む回路２の詳細な構成を示す図である。ここでは、説明を簡単にするために、組電池１が８個のセルＣ１〜Ｃ８により構成されているものとする。容量調整回路Ａ１〜Ａ８は、それぞれ、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ１〜ＩＣ８、および、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8を備える。

電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8は、対応するセルＣ１〜Ｃ８の電圧を、対応して設けられている電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８、および、後述する電圧比較器ＩＣ９〜ＩＣ１６に入力する。ただし、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8は、セル電圧を電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８、および、ＩＣ９〜ＩＣ１６の入力端子に入力させるためのアナログ回路であって、電圧センサのように、実際に電圧値を検出するものではない。

電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8から入力されるセル電圧と、所定のバイパス作動電圧とを比較し、比較結果を対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ８に出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、セル電圧がバイパス作動電圧よりも高いことを示す信号が電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８から入力された場合に、オンする。例えば、スイッチＳＷ１がオンすると、スイッチＳＷ１と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１を介して、充電電流の一部が流れる。すなわち、セル電圧がバイパス作動電圧を超えると、オンしたスイッチＳＷ１〜ＳＷ８と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して、セルの放電が行われる。これにより、各セル間の電圧バラツキが抑制される。

セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８は、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ９〜ＩＣ１６と、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8とを備える。電圧比較器ＩＣ９〜ＩＣ１６は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8から入力されるセル電圧と、所定のしきい値電圧Ｖtとを比較し、セル電圧がしきい値電圧Ｖtより低い場合に、その旨の信号を出力する。オア回路８は、いずれか一つのセル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８から、セル電圧がしきい値電圧Ｖtより低いことを示す信号が入力されると、電圧低下信号をコントロールユニット３に出力する。

コントロールユニット３内のＣＰＵ３ａは、電圧センサ６により検出された組電池１の総電圧をセル数ｎで除算することにより、セルの平均電圧を算出する。また、ＣＰＵ３ａは、算出したセル平均電圧、オア回路８から入力されるセル電圧低下信号、および、電流センサ７によって検出される充放電電流値に基づいて、セル間の電圧バラツキ異常の発生の有無を判定する。電圧バラツキ異常の発生の有無の詳細な判定方法については、後述する。

図３は、一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置により行われる電圧バラツキ異常検出処理の内容を示すフローチャートである。コントロールユニット３のＣＰＵ３ａは、車両のイグニッションスイッチ（不図示）がオンされると、ステップＳ１０の処理を開始する。電圧センサ６は、サンプリングタイミングｔ１にて、組電池１の総電圧を検出する。従って、ステップＳ１０では、前回、電圧センサ６によって組電池１の総電圧が検出されてから、サンプリングタイミングｔ１が経過したか否かを判定する。サンプリングタイミングｔ１が経過していないと判定すると、経過するまでステップＳ１０で待機し、経過したと判定すると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、電圧センサ６によって、組電池１の総電圧を検出するとともに、電流センサ７によって、組電池１の充放電電流を検出する。検出された総電圧値および充放電電流値は、コントロールユニット３に入力される。ステップＳ２０に続くステップＳ３０では、オア回路８から、セル電圧低下信号が入力されたか否かを判定する。セル電圧低下信号が入力されていないと判定するとステップＳ１０に戻り、セル電圧低下信号が入力されたと判定すると、ステップＳ４０に進む。ステップＳ４０では、タイマ３ｃによる時間計測をスタートさせて、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、ステップＳ２０で検出した組電池１の総電圧に基づいて、次式（１）の関係が成り立つか否かを判定する。
組電池の総電圧≦しきい値電圧Ｖt×セル数ｎ （１）
式（１）が成立する場合、すなわち、各セルの平均電圧（総電圧／セル数）がしきい値電圧Ｖt以下であると判定すると、ステップＳ６０に進み、式（１）の関係が成り立たないと判定すると、ステップＳ１０に戻る。

なお、ステップＳ５０からステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０以降の処理を行う場合、ステップＳ３０の判定を肯定した時に、タイマ３ｃによる時間計測を既にスタートさせている場合には、ステップＳ４０の処理を行わずに、タイマ３ｃによる時間計測を継続して行い、ステップＳ５０へ進む。

ステップＳ６０では、ステップＳ４０でスタートさせたタイマ３ｃをストップさせる。図４は、セルの平均電圧の時間変化と、平均電圧に比べて、電圧バラツキが大きいセルの電圧の時間変化の一例を示す図である。各セル間の電圧にバラツキが生じている場合には、図４に示すように、組電池１の放電時において、平均電圧に対して電圧がばらついているセルの電圧がしきい値電圧Ｖt以下に低下してから、平均電圧がしきい値電圧Ｖt以下に低下するまでに、時間差ΔＴが生じる。ステップＳ１０からステップＳ６０までの処理では、この時間差ΔＴをタイマ３ｃで計測している。ステップＳ６０でタイマ３ｃをストップさせると、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、ステップＳ２０で検出した組電池１の充放電電流Ｉ、および、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する。セル間の電圧バラツキ異常の判定方法について説明する。コントロールユニット３のメモリ３ｂには、図５に示すような、組電池１の充放電電流Ｉと、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴとに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常を検出するためのテーブルが格納されている。

例えば、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴが１０（ｍｓ）以下の場合には、セル間の電圧バラツキ異常は発生していないと判定する。また、時間ΔＴが１０（ｍｓ）より大きく、５０（ｍｓ）以下の場合には、組電池１の充放電電流Ｉがしきい値電流１００（Ａ）より大きければ、電圧バラツキ異常が発生していると判定し、１００（Ａ）以下であれば、電圧バラツキ異常は発生していないと判定する。また、時間ΔＴが５０（ｍｓ）より大きく、１００（ｍｓ）以下の場合には、組電池１の充放電電流Ｉがしきい値電流５０（Ａ）より大きければ、電圧バラツキ異常が発生していると判定し、５０（Ａ）以下であれば、電圧バラツキ異常は発生していないと判定する。

また、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴが１００（ｍｓ）より大きく、５００（ｍｓ）以下の場合には、組電池１の充放電電流Ｉがしきい値電流２０（Ａ）より大きければ、電圧バラツキ異常が発生していると判定し、２０（Ａ）以下であれば、電圧バラツキ異常は発生していないと判定する。さらに、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴが５００（ｍｓ）より大きい場合には、組電池１の充放電電流Ｉがしきい値電流１０（Ａ）より大きければ、電圧バラツキ異常が発生していると判定し、１０（Ａ）以下であれば、電圧バラツキ異常は発生していないと判定する。

なお、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴに応じて設定されているしきい値電流は、実験等によって予め決めておく必要がある。ただし、充放電電流Ｉの値が大きいほど、時間ΔＴの値は小さくなるので、図５に示すように、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴが小さいほど、しきい値電流の値を大きい値に設定し、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴが大きいほど、しきい値電流の値を小さい値に設定することが好ましい。

コントロールユニット３のＣＰＵ３ａは、メモリ３ｂに格納されているテーブル（図５参照）と、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴおよび組電池１の充放電電流Ｉとに基づいて、上述した方法により、電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する。電圧バラツキ異常の判定を行うと、ステップＳ８０に進む。ステップＳ８０では、ステップＳ７０で行った判定に基づいて、セル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する。電圧バラツキ異常が発生していないと判定すると、図３に示すフローチャートの処理を終了し、電圧バラツキ異常が発生していると判定すると、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、セル間の電圧バラツキ異常が発生しているため、セル間の容量調整を行う。例えば、組電池１を充電することによって、全セルＣ１〜Ｃｎの電圧を上昇させると、容量調整回路Ａ１〜Ａｎによって、セル電圧がバイパス作動電圧を越えたセルの放電が行われるので、各セル間の電圧差を減少させることができる。セル間の容量調整を行うと、図３に示すフローチャートの処理は終了する。

一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置によれば、組電池１を構成するセルＣ１〜Ｃｎのうち、いずれかのセルがしきい値電圧Ｖt以下に低下してから、セルの平均電圧がしきい値電圧Ｖt以下に低下するまでの時間ΔＴを計測し、計測した時間ΔＴと、組電池１の充放電電流Ｉとに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常を検出するので、各セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出することなく、セル間の電圧バラツキ異常を検出することができる。従って、各セルの電圧値に基づいて、電圧分布を求める必要もないので、演算負荷の小さい簡易な方法で、電圧バラツキ異常を検出することができる。

また、タイマ３ｃで計測される時間に応じて予め用意するしきい値電流を、タイマ３ｃで計測される時間が大きいほど、小さい値に設定するので、より正確に、電圧バラツキ異常を検出することができる。

また、一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置によれば、セル間の電圧バラツキ異常が発生していると判定されると、容量調整回路Ａ１〜Ａｎによって、セル間の容量調整を行う。これにより、ハイブリッド自動車の電力供給源として組電池１が用いられており、車両の走行中に、セル間の電圧バラツキ異常が検出された場合でも、セル間の容量調整を行うことにより、車両の走行を継続して行うことができる。

また、一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置によれば、組電池の充電時および放電時でも、セル間の電圧バラツキ異常を検出することができるので、各セルの開放電圧を検出して、電圧バラツキを判定する方法に比べて、利便性が高い。なお、各セルの電圧を検出する方法として、フライングキャパシタを利用する方法があるが、各セルの電圧を検出する際に、セル側のグランドの切り換えや、キャパシタ側のグランドの切り換えが必要となるため、多数のスイッチを設けなければならず、装置の大型化および高コスト化につながる。しかし、一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置によれば、装置が大型化することもない。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、タイマ３ｃは、いずれかのセルがしきい値電圧Ｖt以下に低下してから、セルの平均電圧がしきい値電圧Ｖt以下に低下するまでの時間ΔＴ（以下、ΔＴ１と呼ぶ）を計測したが、組電池１の充電時において、いずれかのセルがしきい値電圧Ｖt以上に上昇してから、セルの平均電圧がしきい値電圧Ｖt以上に上昇するまでの時間ΔＴ２を計測するようにしてもよい。この場合、時間ΔＴ１とΔＴ２のいずれか一方を計測するのではなく、時間ΔＴ１およびΔＴ２の両方を計測するようにしてもよい。

上述した一実施の形態におけるセル電圧バラツキ異常検出装置では、組電池１を構成するセルＣ１〜Ｃｎのうち、いずれかのセルがしきい値電圧Ｖt以下になってから、セルの平均電圧がしきい値電圧Ｖt以下になるまでの時間ΔＴと、組電池１の充放電電流Ｉとに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常を検出したが、時間ΔＴのみに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常を検出するようにしてもよい。例えば、タイマ３ｃにて計測した時間ΔＴが所定時間より大きい場合には、セルの平均電圧と、他のセルの電圧との差が大きく、電圧バラツキ異常が発生していると判定することができる。ただし、この時間ΔＴ（図４参照）は、組電池１の充放電電流Ｉが大きいほど、小さくなる特性があるので、時間ΔＴと、組電池１の充放電電流Ｉとに基づいて、電圧バラツキ異常の発生の有無を判定する方法を採用する方が、より確実に、電圧バラツキ異常を検出することができる。

組電池１の充放電電流Ｉと、タイマ３ｃで計測された時間ΔＴとに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常を検出するために、図５に示すテーブルを用いたが、このテーブルに用いられている値は一例であって、電流しきい値等の値が図５に示すテーブルの値に限定されることはない。

上述した一実施の形態では、セル電圧バラツキ異常検出装置をハイブリッド自動車に搭載した例について説明したが、電気自動車などの他の車両に適用することもできるし、車両以外の他のシステムに適用することもできる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電圧センサ６が電圧検出手段を、電流センサ７が電流検出手段を、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎが第１の電圧比較手段を、コントロールユニット３のＣＰＵ３ａが第２の電圧比較手段、および、判定手段を、コントロールユニット３内のタイマ３ｃが時間計測手段を、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが容量調整手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

本発明によるセル電圧バラツキ異常検出装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図 図１に示す容量調整回路、セル電圧低下検知回路、および、オア回路を含む回路の詳細な構成を示す図 一実施の形態におけるセル電圧バラツキ検出装置により行われる電圧バラツキ異常検出処理の内容を示すフローチャート セルの平均電圧の時間変化と、平均電圧に比べて、電圧バラツキが大きいセルの電圧の時間変化を示す図 組電池の充放電電流と、タイマで計測された時間ΔＴとに基づいて、セル間の電圧バラツキ異常の発生の有無を判定するためのテーブル

符号の説明

１…組電池
３…コントロールユニット
４…インバータ
５…３相交流モータ
６…電圧センサ
７…電流センサ
８…オア回路
Ａ１〜Ａｎ…容量調整回路
Ｂ１〜Ｂｎ…セル電圧低下検知回路
ＩＣ１〜ＩＣ１６…電圧比較器
Ｖt1〜Ｖt8…電圧検知回路
ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチ
Ｒ１〜Ｒ８…バイパス抵抗

Claims (5)

1. 組電池を構成する複数のセル間の電圧バラツキ異常を検出するセル電圧バラツキ異常検出装置において、
   前記組電池の総電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された組電池の総電圧に基づいて、セルの平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、
   前記複数のセルの電圧と、所定のしきい値電圧とを比較する第１の電圧比較手段と、
   前記平均電圧算出手段によって算出された平均電圧と、前記しきい値電圧とを比較する第２の電圧比較手段と、
   前記組電池の放電時に、前記第１の電圧比較手段によって、いずれかのセルの電圧が前記しきい値電圧以下となったことが検出されてから、前記第２の電圧比較手段によって、前記平均電圧が前記しきい値電圧以下となったことが検出されるまでの時間、および、前記組電池の充電時に、前記第１の電圧比較手段によって、いずれかのセルの電圧が前記しきい値電圧以上となったことが検出されてから、前記第２の電圧比較手段によって、前記平均電圧が前記しきい値電圧以上となったことが検出されるまでの時間のうち、少なくとも一方の時間を計測する時間計測手段と、
   前記時間計測手段によって計測された時間に基づいて、前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とするセル電圧バラツキ異常検出装置。
2. 請求項１に記載のセル電圧バラツキ異常検出装置において、
   前記組電池の充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記時間計測手段によって計測された時間、および、前記電流検出手段によって検出された充放電電流に基づいて、前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定することを特徴とするセル電圧バラツキ異常検出装置。
3. 請求項２に記載のセル電圧バラツキ異常検出装置において、
   前記判定手段は、前記時間計測手段によって計測された時間に応じて用意されているしきい値電流と、前記電流検出手段によって検出された充放電電流とを比較し、前記充放電電流が前記しきい値電流より大きい場合に、前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が発生していると判定することを特徴とするセル電圧バラツキ異常検出装置。
4. 請求項３に記載のセル電圧バラツキ異常検出装置において、
   前記時間計測手段によって計測された時間に応じて用意されているしきい値電流は、前記時間計測手段によって計測された時間が大きいほど、小さい値であることを特徴とするセル電圧バラツキ異常検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のセル電圧バラツキ異常検出装置において、
   前記判定手段によって、前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が発生していると判定されると、前記複数のセル間の容量調整を行う容量調整手段をさらに備えることを特徴とするセル電圧バラツキ異常検出装置。

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