JP5418076B2

JP5418076B2 - 地絡検知装置及び地絡検知方法

Info

Publication number: JP5418076B2
Application number: JP2009201250A
Authority: JP
Inventors: 涼坂本; 篤史川瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2011053042A

Description

本発明は、地絡検知装置及び地絡検知方法に関する。

車体の温度と車体に搭載された補機の温度に基づき車体の静電容量を推定し、当該静電容量に基づいてしきい値を設定し、当該しきい値を用いて、車体と組電池との地絡を検出する地絡検出装置が知られている（特許文献１）。

特開２００４−５３３６５号公報

しかしながら、従来の地絡検出装置は、組電池の劣化によって変化する、組電池の静電容量を考慮して、地絡判断を行っていないため、誤って地絡を検知する可能性があった。

そこで本発明は、組電池の静電容量を考慮して、正確に地絡を検知することができる地絡検知装置を提供する。

本発明は、組電池の静電容量に応じて地絡検知条件を設定し、車体と組電池の地絡を検知することによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、組電池の静電容量に応じて地絡検知条件を設定し、当該地絡検知条件により車体と組電池の地絡を検知するため、組電池の劣化による組電池の静電容量の変化に対して、地絡検知条件を設定することができ、その結果として、正確に車体と組電池の地絡を検知することができる。

発明の実施形態に係る地絡検知装置を含む車両のブロック図である。図１に示す電池モジュールの要部側面図である。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１に示す組電池の絶縁抵抗に対する矩形波パルスの出力の電圧特性を示す図である。図１に示す組電池の内部抵抗の抵抗比に対する、組電池の単位長さ（ｍｍ）当たりの電池膨れ量の特性を示す図である。図１に示す組電池の単位長さ（ｍｍ）当たりの膨れ量に対する、静電容量（Ｆ）の特性を示す図である。図１に示す組電池の絶縁抵抗に対する、補正前後の矩形波パルス信号の出力の特性を示す図である。図１に示す地絡検知装置の制御手順のフローチャートを示すである。発明の他の実施形態において、組電池の絶縁抵抗に対する、矩形波パルス信号の出力の特性を示す図である。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
本発明の地絡検知装置を、例えば車体に搭載される場合を例として説明する。図１は、本例の地絡検知装置を含む車両のブロック図である。

図１に示す車両は、図示しないモータ等の電池負荷に電力を供給し、充電される、複数の電池モジュール２０を含む組電池１と、組電池１の端子間に接続され、組電池１の電圧を検出する電圧センサ２と、組電池１の正極端子側に接続され、組電池１の入出力電流を検出する電流センサ３と、組電池１に接続されるバッテリコントローラ４と、組電池１の温度を検出するサーミスタ５と、車体と組電池との地絡を検出する地絡検知回路１０とを有する。なお、コンデンサＣｂは、組電池１の静電容量を示すために、模式的に図１に示すものであって、詳細は後述する。

地絡検知回路１０は、組電池１のプラス側出力端と接続するカップリングコンデンサＣ１と、コントローラ１００と、電圧測定回路１１０と、抵抗Ｒ１とを有する。抵抗Ｒ１の一端はカップリングコンデンサＣ１の一端に接続され、抵抗Ｒ１の他端は、インピーダンス調整用のボルテージフォロワＶＦ１を介して、コントローラ１００の出力端子に接続される。電圧測定回路１１０は、カップリングコンデンサＣ１の一端側（測定点Ａ）に発生する電圧を測定するものであり、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との直接回路を有する。抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との接続点には、インピーダンス調整用のボルテージフォロワＶＦ１を介して、コントローラ１００の入力端子が接続される。

コントローラ１００は、測定信号として矩形波パルス信号を発生する短波系パルス発生部１０１と、当該測定信号の出力信号を受信しＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１０２と、Ａ／Ｄ変換部１０２からの出力から、組電池１と車体との地絡が発生しているか否かを判定する地絡検知部１０３と、地絡検知部１０３による地絡判定条件を設定する条件設定部１０４と、静電容量測定部１０５を有する。

バッテリコントローラ４は、組電池１の充放電状態を管理するための制御部分であり、電圧センサ２により検出される検出電圧、電流センサ３により検出される検出電流及びサーミスタ５から、組電池１の内部抵抗を演算する。組電池１の内部抵抗は、例えば、組電池１の入出力電流を流す間にサンプリングされる検出電圧と、サンプリングするタイミングで検出される電流とからＩ−Ｖ特性を算出し、当該Ｉ−Ｖ特性の傾きから演算される。また組電池１の内部抵抗は、温度依存性を有しているため、サーミスタ５の検出温度に基づく補正値により補正され、算出される。なお、内部抵抗の演算手段は、上記に限らず他の方法であってもよく、またサーミスタ５の検出温度に基づく補正値の補正は、必ずしも必要ではない。そして、バッテリコントローラ４は、演算された内部抵抗を含む制御信号を、コントローラ１００に送信する。

コントローラ１００について、短波系パルス発生部は、予め設定した、周期及びデューティ比の矩形パルスを測定信号として出力する。そして、電圧測定回路１１０により検出される測定点Ａの電圧値がＡ／Ｄ変換１０２を介して地絡検知判定部１０３読み込まれる。地絡検知判定部１０３には、地絡を検知するための閾値となる基準電圧（Ｖｃ）が予め設定されており、測定点Ａの電圧値が当該基準電圧（Ｖｃ）より低くなった場合、地絡が発生したと判断する。地絡が発生している場合には、組電池１の絶縁抵抗が低下するため、測定点Ａにおける信号出力値、すなわち測定点Ａの電圧値が低下する。地絡検知判定部１０３は、当該電圧低下を検知することにより、地絡発生を検知する。そして、コントローラ１００は、地絡検知判定部１０３により地絡が発生したことを検知すると、地絡検知信号を外部に送信し、当該信号に基づいて図示しないランプ等により操作者に報知する。これにより車両の操作者は、地絡が発生したことを認識できる。

なお、地絡検知判定部１０３において、地絡判定は、予め設定されている所定の基準電圧Ｖｃと測定点Ａの電圧値とを比較することにより行うが、短波系パルス発生部１０１により発生する測定信号を参照信号として、コントローラ１０１に入力される信号と比較することにより行ってもよい。

ここで組電池１の劣化に伴う、組電池１の静電容量の変化について、図２及び図３を参照しつつ、説明する。図２は、組電池１に含まれる電池モジュール２０の要部側面図を示し、図３は、図２に示す電池モジュール２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図２において、電極と、電極を覆う絶縁層は、本来、単電池２０の側面から見えないが、説明のために透写させて描かれている。

組電池１は、図２に示す、モジュール構造の電池モジュール２０を複数積層された電池である。電池モジュール２０は、複数の単電池３０を、アルミ等の金属製ケースで格納し、当該ケースにより封止される構造である。単電池３０は、集電体３１及び当該集電体３１の両面に形成される活物質層３２を含む電極と、図示しないセパレータを介して当該電極と対極である電極とを有し、電解液を含浸させて、樹脂等の絶縁層３３で覆われている。図３に示す、集電体３１及び活物質層３２は、最外層の電極に含まれる。そして、当該集電体３１及び活物質層３２を含む電極は、絶縁層３３を介して金属製ケース２１と対面する。最外層の電極と金属製ケース２１との間には、誘電体層となる絶縁層３３が形成されるため、最外層の電極と金属製ケース２１との間で静電容量が形成される。なお、図１において、組電池１に接続されるコンデンサＣｂは、当該静電容量を示す。

ところで、組電池１が劣化すると、電極が膨張するため、最外層の電極と金属層ケースとの間の距離が短くなり、最外層の電極と金属製ケース２１との間で静電容量が増加する。金属層ケース２１は弱電である接地（ＧＮＤ）と同電位となっているため、静電容量が増加すると、測定点Ａにおける出力信号が低下し、測定点Ａの電圧値が下がる。図４を参照して、測定点Ａにおける、矩形波パルスの出力と組電池１の絶縁抵抗との関係を説明する。図４は、組電池１の絶縁抵抗に対する矩形波パルスの出力の電圧特性を示す。（ａ）は、劣化前の組電池１におけるグラフを、（ｂ）は、組電池１が劣化し、小さい静電容量が形成された場合のグラフを、（ｃ）組電池１がさらに劣化し、（ｂ）に比べて大きい静電容量が形成された場合のグラフを示す。Ｖｃは地絡判定の基準電圧を示し、Ｒｃは、地絡していると本来判定すべき、組電池１の絶縁抵抗を示す。図４に示すように、矩形波パルスの出力が、基準電圧Ｖｃに達した場合、（ａ）に示す劣化前の組電池１の絶縁抵抗値は、Ｒｃであるため、正常に地絡発生と判断される。一方、（ｂ）及び（ｃ）に示す劣化後の組電池１について、本来地絡している判断すべきではない、抵抗値（Ｒ_１及びＲ_２＞Ｒｃ）にもかかわらず、矩形波パルスの出力が基準電圧Ｖｃに達しているため、地絡が発生したと誤って判断されることになる。

上記のように、実際には、車体と組電池の地絡が生じていないにもかかわらず、組電池１の劣化に伴う、組電池１の静電容量の増加により、測定点Ａの電圧値が下がることによって、地絡検知判定部１０３において、地絡が発生したと誤って検知する可能性がある。

本例は、静電容量測定部１０５及び条件設定部１０４により、組電池１の静電容量に応じて、地絡検知判定部１０３における地絡検知条件を設定し、車体と組電池１の地絡を正確に検知する。

静電容量測定部１０５は、バッテリコントローラ４により測定される組電池１の内部抵抗から、組電池１の静電容量を測定する。ここで図５及び図６を参照し、組電池１の内部抵抗と静電容量との関係を説明する。図５は、組電池１の内部抵抗の抵抗比に対する、組電池１の単位長さ（ｍｍ）当たりの電池膨れ量の特性を示し、図６は、単位長さ（ｍｍ）当たりの膨れ量に対する、静電容量（Ｆ）の特性を示すグラフである。図５に示すように、組電池１の劣化前の内部抵抗に対する抵抗比が、電池の劣化により増加すると、組電池１の膨れ量が増加する。そして、図６に示すように、組電池１の膨れ量が増加すると組電池１の静電容量が増加し、組電池１の膨れ量がある量を越えると、当該静電容量が急激に増加する。

そして、静電容量測定部１０５は、図５及び図６に示す特性を、組電池１の内部抵抗と静電容量との関係として、図示しないＲＯＭ等に記憶し、バッテリコントローラ４により送信される制御信号に含まれる組電池１の内部抵抗から、組電池１の静電容量を測定する。

条件設定部１０４は、静電容量測定部１０５により測定される静電容量に応じて、短波系パルス発生部１０１から発信される矩形波パルス信号の出力を補正することにより、地絡の検知条件を設定する。

次に図７を参照して、地絡検知条件の設定について説明する。図７は、組電池１の絶縁抵抗に対する、補正前後の矩形波パルス信号の出力の特性を示すグラフである。（Ａ）は補正前の特性を示すグラフ、（Ｂ）は補正後の特性を示すグラフである。上述のとおり、組電池１の劣化により静電容量が増加すると、測定点Ａにおいて信号出力値が低下する。そのため、測定点Ａの信号出力が初期の信号出力になるよう、測定信号の出力が上がるための補正値が設定される。補正値は、組電池１の構造及び性能によって、劣化により変化する静電容量又は内部抵抗に応じて予め設定されており、当該静電容量の変化に対して測定点Ａのおける電圧変化を予め把握し、出力値を調整する補正値を設定すればよい。

そして、補正された測定信号が出力され、地絡検知判定部１０３は、条件設定部１０４により設定された地絡判定条件である、補正後の測定信号による測定点Ａの電圧値が基準電圧（Ｖｃ）より低い場合、地絡が発生したと判定するという条件の下、地絡を検知する。これにより、補正前、基準電圧Ｖｃに対応する抵抗は、地絡判定の基準抵抗Ｒｃより高い抵抗（Ｒ_Ａ）であったが、補正後は、基準電圧Ｖｃに対応する抵抗は、基準抵抗Ｒｃと対応する。これにより、本例は、地絡を正確に診断することができる。

次に、図８を参照して、本例の地絡検知装置の制御手順を説明する。図８は、本例の地絡検知装置の制御手順のフローチャートを示す。

本例の地絡検知制御が開始されると、ステップ１にて、バッテリコントローラ４は、組電池１の内部抵抗を演算し、演算された内部抵抗を含む信号をコントローラ１００に送信する。コントローラ１００は、当該内部抵抗から、組電池１の膨れ量を測定するし（ステップ２）、当該膨れ量から、組電池１の静電容量を測定する（ステップＳ３）。

そして、ステップＳ４にて、コントローラ１００は、補正の必要があるか否かを判定する。そして、補正の必要がない場合、ステップＳ６に進み、補正の必要性が有る場合、ステップＳ５にて、条件制定部１０４は、組電池１の静電容量に応じて補正値を設定し、短波系パルス発生部１０１から発生される測定信号の出力を補正する。補正の必要性の判定について、条件設定部１０４は、例えば、ステップＳ３において、測定される静電容量が予め設定されている所定値より大きくなった場合に、補正の必要性が有ると判断してもよい。

または、測定点Ａにおける電圧値の変化量に応じて、補正の必要性を判定してもよい。この場合、例えば、補正の必要性の判定基準となる補正基準判定電圧（Ｖｐ）が予め設定されており、コントローラ１００は、コントローラ１００の受信信号である、測定点Ａにおける矩形波パルスの出力値と当該判定電圧Ｖｐとを比較する。（ステップＳ４）そして、矩形波パルスの出力値が判定電圧Ｖｐより高い場合、条件設定部１０４は、矩形波パルスの出力値が高くなるよう補正し、矩形波パルスの出力値が判定電圧Ｖｐより低い場合、条件設定部１０４は、矩形波パルスの出力値が低くなるよう補正する（ステップＳ５）。

次に、ステップＳ６にて、地絡検知判定部１０３は、基準電圧Ｖｃと測定点Ａの出力電圧とを比較し、測定点Ａの電圧が基準電圧Ｖｃより高いか否かを判定する。測定点Ａの電圧が基準電圧Ｖｃより高い場合、地絡が発生していないと判定し、本例の制御を終了する。一方、測定点Ａの電圧が基準電圧Ｖｃより低い場合、地絡が発生している可能性があるとして、コントローラ１００は地絡検知信号を送信し、車両が停止するよう制御される。

上記のように本例の組電池制御装置は、劣化による組電池１の静電容量の変化に応じて、地絡検知条件を設定し、車体と組電池１との地絡を検知する。これにより、本例は、組電池１の静電容量の変化により生じる、測定信号の出力値の変化分を見積もり、地絡検知条件を設定することができるため、組電池１の静電容量の変化に対応させつつ、正確に地絡を検知することができる。

また本例は、劣化による組電池１の静電容量の変化に応じて、測定信号の出力を補正することにより、地絡検知条件を設定する。これにより、本例は、現在の組電池１の静電容量の増加による測定信号の出力の低下分を補正し、又は、組電池の静電容量の減少による測定信号の出力の増加分を補正し、地絡検知条件を設定することによって、適切な地絡の判断を行うことができる。

なお本例の地絡検知判定部１０３が、本発明の「地絡検知部」に相当し、条件設定部１０４が「地絡検知条件設定部」に相当する。

《第２実施形態》
図９を参照しつつ、発明の他の実施形態に係る地絡検知装置を説明する。本例は上述した第１実施形態に対して、制御内容の一部が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態と同じ構成は、その記載を援用する。図９は、劣化後の組電池１の絶縁抵抗に対する、矩形波パルス信号の出力の特性を示すグラフである。

条件設定部１０４は、静電容量測定部１０５により測定された静電容量に応じて、地絡検知を判断するための基準電圧Ｖｃを補正する。組電池１の劣化により静電容量が増加すると、測定点Ａにおいて信号出力値が低下するため、組電池１の絶縁抵抗が、地絡判定の基準抵抗Ｒｃより高い抵抗（Ｒ_Ａ）と等しくなると、測定点Ａにおいて信号出力値は、Ｖｃに達してしまう。すなわち図９に示す補正前の基準電圧を用いて、地絡検知を判定する場合、誤判定の可能性ある。

そのため、条件制定部１０４は、静電容量測定部１０５により測定された静電容量に応じて、基準電圧Ｖｃより低い電圧Ｖｃ’に基準電圧を補正するための補正値を設定する。そして、条件制定部１０４は、当該補正値を用いて、基準電圧をＶｃ’に補正し、地絡検知判定部１０３は、地絡検知を判定する。なお、補正値は、組電池１の構造及び性能によって、劣化により変化する静電容量又は内部抵抗に応じて予め設定されており、当該静電容量の変化に対して測定点Ａのおける電圧変化を予め把握し、基準電圧Ｖｃを調整する補正値を設定すればよい。

上記のように、本例は、劣化による組電池１の静電容量の変化に応じて、地絡判定の閾値となる基準電圧Ｖｃを補正することにより、地絡検知条件を設定する。これにより、本例は、現在の組電池１の静電容量の増加による測定信号の出力の低下分を補正し、又は、組電池１の静電容量の減少による測定信号の出力の増加分を補正し、地絡検知条件を設定することによって、適切な地絡の判断を行うことができる。

１…組電池
２０…電池モジュール
２…電圧センサ
３…電流センサ
４…バッテリコントローラ
５…サーミスタ
１０…地絡検知回路
１００…コントローラ
１０１…短波系パルス発生部
１０２…Ａ／Ｄ変換部
１０３…地絡検知判定部
１０４…条件設定部
１０５…静電容量測定部
１１０…電圧測定回路
Ｒ１、Ｒ２…抵抗
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
ＶＦ１、ＶＦ２…ボルテージフォロワ
Ｃｂ…静電容量

Claims

車体と組電池との地絡を検知する地絡検知部と、
前記組電池の静電容量を測定する静電容量測定部と、
前記静電容量に応じて、前記地絡検知部の地絡検知条件を設定する地絡検知条件設定部を有することを特徴とする
地絡検知装置。
前記組電池は、電極と、前記電極を格納する金属製ケースとを有し、
前記静電容量測定部は、前記電極と前記金属製ケースとの間で形成される前記静電容量を測定することを特徴とする
請求項１記載の地絡検知装置。
前記静電容量測定部は、前記組電池の内部抵抗に基づいて、前記静電容量を測定することを特徴とする
請求項１又は２記載の地絡検知装置。
前記地絡検知部は、前記車体と前記組電池との間の測定点における信号出力値と所定の閾値とを比較し、
前記地絡検知条件設定部は、前記静電容量に応じて前記所定の閾値を補正することにより前記地絡検知条件を設定することを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項に記載の地絡検知装置。
前記地絡検知部は、前記車体と前記組電池との間の測定点に測定信号を送信し、前記測定点における信号出力値と所定の閾値とを比較し、
前記地絡検知条件設定部は、前記静電容量に応じて前記測定信号の出力を補正することにより前記地絡検知条件を設定することを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項に記載の地絡検知装置。
組電池の静電容量を測定する工程と、
前記静電容量に応じて、車体と前記組電池との地絡検知条件を設定する工程と、
前記地絡検知条件において、前記車体と前記組電池の地絡を検知する工程とを有することを特徴とする
地絡検知方法。