JP5704085B2 - 電源制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置および電力変換回路間を開閉する開閉手段と、前記開閉手段を開閉操作する開閉操作手段と、前記開閉手段および前記電力変換回路間に接続され、前記蓄電装置の端子電圧を検出する端子電圧検出手段とを備える電源制御装置に関する。
蓄電装置としては、たとえば下記特許文献1に見られるように、複数のキャパシタセルの直列接続体を備えるものも提案されている。ここでは、各キャパシタセルの電圧を検出する電圧検出線を備え、それら電圧検出線の断線を検出することも提案されている。
特開2004−180395号公報
ところで、蓄電装置と電力変換回路とを接続するに際しては、蓄電装置と電力変換回路との間にリレーを設けることが周知である。また、蓄電装置が複数のセルの直列接続体であり、それら各セルの電圧を個別に検出する手段を備えるとしても、蓄電装置の両電極には、蓄電装置の端子電圧を検出するための配線が接続されることがある。こうした状況にあっては、リレーを駆動するための信号線や蓄電装置の端子電圧を検出するための配線についても、断線する可能性を無視できない。
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、蓄電装置および電力変換回路間を開閉する開閉手段と、前記開閉手段を開閉操作する開閉操作手段と、前記開閉手段および前記電力変換回路間に接続され、前記蓄電装置の端子電圧を検出する端子電圧検出手段とを備える新たな電源制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
発明は、蓄電装置(10)および電力変換回路(14)間を開閉する開閉手段(SMRa,SMRb,SMRc)と、前記開閉手段を開閉操作する開閉操作手段(50)と、前記開閉手段および前記電力変換回路間に接続され、前記蓄電装置の端子電圧を検出する端子電圧検出手段(40,42,44)と、前記開閉操作手段によって前記開閉手段が閉操作されている状況下、前記端子電圧検出手段の検出値が所定範囲から外れることに基づき、前記開閉手段および前記端子電圧検出手段のいずれかに異常が生じた旨診断する異常診断手段(50)と、前記異常が生じている旨診断される場合、前記検出値の変化速度の絶対値が小さいときに前記開閉手段に異常が生じたとして且つ、大きいときに前記端子電圧検出手段に異常が生じたとする識別手段(50)と、を備えることを特徴とする。
開閉手段が閉操作されている場合、上記検出値は、蓄電装置の端子電圧となるため、過度に低い電圧や過度に高い電圧とはならないと考えられる。これに対し、開閉手段が開状態となる場合や、端子電圧検出手段の異常状態においては、検出値が過度に高い電圧や過度に低い電圧となり得る。上記発明では、この点に鑑み、異常診断手段を構成した。
また、端子電圧検出手段に異常が生じる場合、検出値は急激に変化する一方、開閉手段が開状態となる異常等においては、検出値の変化は端子電圧検出手段に異常が生じる場合と比較して緩やかであると考えられる。上記発明では、この点に鑑み、識別手段を構成した。
なお、本発明にかかる以下の代表的な実施形態に関する概念の拡張については、代表的な実施形態の後の「その他の実施形態」の欄に記載してある。
第1の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるリレー駆動信号線および総電圧検出線の断線の有無の診断処理の手順を示す流れ図。 第2の実施形態にかかるリレー駆動信号線および総電圧検出線の断線の有無の診断処理の手順を示す流れ図。
<第1の実施形態>
以下、本発明にかかる電源制御装置を住宅用の2次電池の監視装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示される高電圧バッテリ10は、電池セルC11〜Cnmの直列接続体としての組電池であり、正常時の開放端電圧がたとえば100V以上となるものを想定している。また、本実施形態では、電池セルCij(i=1〜n,j=1〜m)として、リチウムイオン2次電池を想定している。高電圧バッテリ10は、住宅に配備され、住宅内での電力の需要と供給とに基づき、充放電が制御される2次電池である。なお、高電圧バッテリ10は、接地箇所に対して絶縁されている。このため、高電圧バッテリ10の負極電位は、接地電位とはならない。なお、こうした設定を、たとえば高電圧バッテリ10の正極電位および負極電位の中央値を接地電位とするなどして実現してもよい。これは、高電圧バッテリ10の正極および負極間に抵抗体またはコンデンサの直列接続体を備え、それら抵抗体(コンデンサ)同士の接続点を接地することで実現することができる。
高電圧バッテリ10は、リレーSMRa,SMRcを介して直流交流変換回路等を備える電力変換回路14に接続されている。そして、たとえば住宅内の空調装置の稼動要求が生じることを条件に、高電圧バッテリ10の直流電力を電力変換回路14によって交流電力に変換して空調装置に供給する。
電力変換回路14は、平滑コンデンサ16を備えている。これに対応して、高電圧バッテリ10と電力変換回路14との間には、さらに、プリチャージ用抵抗体12およびリレーSMRbが備えられている。これにより、平滑コンデンサ16の充電電圧が低い状況下、高電圧バッテリ10および電力変換回路14間を接続する場合、リレーSMRaを閉操作するに先立って、リレーSMRbを閉操作することで、高電圧バッテリ10および電力変換回路14間を高インピーダンスで接続することができる。そしてこれにより、高電圧バッテリ10から平滑コンデンサ16に突入電流が流れる事態を回避することができる。
本実施形態では、上記リレーSMRa,SMRb,SMRcを、いずれも電磁形リレーとしている。また、本実施形態では、リレーSMRa,SMRb,SMRcを、ノーマリーオープンタイプのものとしている。
上記高電圧バッテリ10を構成する電池セルC11〜Cnmは、隣接するm個ずつでモジュールを構成し、各モジュールを構成する電池セルCi1〜Cimが監視ユニットUiによる監視対象となる。監視ユニットUiは、監視対象とする電池セルCi1〜Cimの端子電圧(セル電圧Vij)を検出し、これをインターフェース18を介して中央処理装置(CPU50)に出力する。ここで、CPU50は、接地を基準電位とするものである。そして、インターフェース18は、フォトカプラ等、入力側および出力側間を絶縁しつつ信号を伝播させる絶縁通信手段を備えて構成されている。
CPU50は、監視ユニットUiによって検出されるセル電圧Vijに基づき、高電圧バッテリ10の状態を監視する処理を行なう。また、CPU50は、ドライブユニットDUa,DUb,DUcを介して、リレーSMRa,SMRb,SMRcを開閉操作する処理を行なう。すなわち、CPU50は、ドライブユニットDUa,DUb,DUcに出力信号Doutを入力し、これに応じてドライブユニットDUa,DUb,DUcが対応するコイル21の通電、非通電を切り替える。
上記CPU50は、リレーSMRbを用いた平滑コンデンサ16のプリチャージ処理を行なうに際し、平滑コンデンサ16の充電電圧の検出値を利用する。これは、リレーSMRa,SMRb,SMRcおよび電力変換回路14間の電圧を検出する手段を備えることで実現される。すなわち、リレーSMRa,SMRb,SMRcおよび電力変換回路14間には、総電圧検出線Ldを介して、分圧用抵抗体40,42が接続されている。そして、分圧用抵抗体40,42によって分圧された電圧(総電圧Vb)は、アナログデジタル変換器44によってデジタルデータに変換される。デジタルデータに変換された総電圧Vbは、アイソレータ46を介してCPU50に出力される。ここで、アイソレータ46は、入力側および出力側間を絶縁しつつ信号を伝播させる絶縁通信手段を備えて構成されている。
こうした構成によれば、CPU50は、リレーSMRa,SMRb,SMRcが開状態とされている状況下、総電圧Vbを平滑コンデンサ16の充電電圧の検出値として、プリチャージ処理を行なうことができる。すなわち、リレーSMRb,SMRcを閉操作し、平滑コンデンサ16の充電電圧と高電圧バッテリ10の端子電圧との差が規定値以下となることで、リレーSMRaを閉操作するとともにリレーSMRbを開操作する。なお、高電圧バッテリ10の端子電圧は、監視ユニットUiによって検出されるセル電圧Vijを加算することで算出される。
CPU50では、さらに、リレーSMRa,SMRcが閉状態とされていることを条件に、セル電圧Vijから把握される高電圧バッテリ10の端子電圧と、総電圧Vbから把握される高電圧バッテリ10の端子電圧との比較に基づき、監視ユニットUiの異常の有無を診断する機能を有する。これはたとえば、セル電圧Vijの加算演算によって算出される高電圧バッテリ10の端子電圧と総電圧Vbによって定まる高電圧バッテリ10の端子電圧との差が大きい場合に、監視ユニットUiに異常がある旨診断することで実現することができる。
上記監視ユニットUi、ドライブユニットDUa,DUb,DUc、CPU50、分圧用抵抗体40,42、アナログデジタル変換器44、アイソレータ46等は、1つの基板60に構成されている。そして、リレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldは、基板60内の部材と基板60の外の部材とを接続する電気経路ともなっている。
上記CPU50は、リレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldの断線の有無を診断する処理をも行なう。図2に、この処理の手順を示す。この処理は、たとえば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、リレーSMRa,SMRcが閉状態であるか否かを判断する。この処理は、リレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldの断線の有無の診断の実行条件が成立するか否かを判断するためのものである。そして、ステップS10において肯定判断される場合、ステップS12において、総電圧Vb(n)が低電圧用規定値VthL以下であるか否かを判断する。この処理は、リレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldに断線が生じているか否かを判断するためのものである。すなわち、総電圧検出線Ldが断線する場合、分圧用抵抗体40,42によって分圧された総電圧Vb(n)がゼロとなる。また、リレー駆動信号線Llが断線するなら、電力変換回路14が高電圧バッテリ10の放電処理を行なっている場合には、平滑コンデンサ16の充電エネルギが急速に減少し、その充電電圧もゼロに低下する。また、電力変換回路14の動作停止中である場合には、平滑コンデンサ16の充電エネルギが分圧用抵抗体40,42によって放電されることで、その充電電圧も徐々にゼロに低下する。
本実施形態では、低電圧用規定値VthLを、高電圧バッテリ10の正常時の端子電圧としてとり得ない低電圧に設定する。これは、高電圧バッテリ10の各電池セルCijに下限電圧が規定されている場合には、下限電圧を電池セルC11〜Cnmの全てで加算した値よりも小さい値とすることで実現できる。ただし、低電圧用規定値VthLは、アナログデジタル変換器44の検出精度よりも大きい値とすることが望ましい。
ステップS12において肯定判断される場合、リレー駆動信号線Llまたは総電圧検出線Ldに断線が生じたと考えられるため、ステップS14に移行して、リレーSMRa,SMRcを開状態とする。この処理は、高電圧バッテリ10の充放電制御を禁止するフェールセーフ処理である。
続くステップS16においては、今回の総電圧のサンプリング値(総電圧Vb(n))と前回の総電圧のサンプリング値(総電圧Vb(n−1))との差の絶対値が規定速度ΔVth以下であるか否かを判断する。この処理は、リレー駆動信号線Llの断線と総電圧検出線Ldの断線とを識別するためのものである。すなわち、上述したように、総電圧検出線Ldが断線する場合、総電圧Vbは直ちに低下する一方、リレー駆動信号線Llが断線した場合には、総電圧Vbは、平滑コンデンサ16の充電電圧の低下に伴って低下する。このため、規定速度ΔVthを、リレー駆動信号線Llの断線時における平滑コンデンサ16の充電電圧の低下速度として想定される最大値よりも大きくすることで、いずれの異常であるかを識別することができる。
そして、規定速度ΔVth以下である場合には、ステップS18においてリレー駆動信号線Llの断線であると判断する一方、規定速度ΔVthを上回ると判断される場合には、ステップS20において総電圧検出線Ldの断線であると判断する。
ステップS18,S20の処理が完了する場合、ステップS22において、その旨をユーザに通知する処理を行なうとともに、先の図1に示す不揮発性メモリ52に診断結果を記憶する処理を行なう。ここで、診断結果とは、リレー駆動信号線Llの断線であるか、総電圧検出線Ldの断線であるかの識別情報のことである。これにより、ユーザから連絡を受けたメンテナンス担当者が不揮発性メモリ52にアクセスすることで、リレー駆動信号線Llの断線であるか、総電圧検出線Ldの断線であるかを把握することができ、ひいてはリレー駆動信号線Llまたは総電圧検出線Ldの取替えという簡易な処理によって修理を完了することが可能となる。
なお、上記不揮発性メモリとは、電気的書き換え可能な読み出し専用メモリ等、給電の有無にかかわらずデータを記憶保持する記憶手段のことである。
上記ステップS22の処理が完了する場合や、ステップS10,S12において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
上記実施形態では、総電圧Vbが低電圧用規定値VthL以下である場合に、リレー駆動信号線Llまたは総電圧検出線Ldの異常である旨診断した。しかし、高電圧バッテリ10の充電処理中にリレー駆動信号線Llが断線し、リレーSMRa,SMRcが開状態となる場合には、総電圧Vbは逆に上昇すると考えられる。すなわち、この場合、外部から電力変換回路14へと電力が流入し、これが本来ならリレーSMRa,SMRcを介して高電圧バッテリ10へと出力されるべきところ、出力先との電気的な接続が遮断されているために、平滑コンデンサ16の充電電圧が上昇する。
図3に、こうした点を踏まえた本実施形態にかかるリレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldの断線の有無を診断する処理について、その手順を示す。この処理は、たとえば所定周期で繰り返し実行される。なお、図3において、先の図2に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理では、ステップS10において肯定判断される場合、ステップS12aにおいて、総電圧Vb(n)が低電圧用規定値VthL以下であることと、総電圧Vb(n)が高電圧用規定値VthH以上であることとの論理和が真であるか否かを判断する。ここで、高電圧用規定値VthHは、正常時における高電圧バッテリ10の端子電圧の想定最大値よりも高い値に設定される。これにより、高電圧バッテリ10の充電時、放電時、および電力変換回路14の停止時のいずれであっても、リレー駆動信号線Llや総電圧検出線Ldに断線が生じている場合、ステップS12aにおいて肯定判断されることとなる。そしてこの場合、ステップS16において、規定速度ΔVthとの大小比較という単一の処理によって、リレー駆動信号線Llの断線と総電圧検出線Ldの断線とを識別することができる。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
「開閉手段について」
リレーSMRa,SMRb,SMRcとしては、電磁形リレーに限らない。たとえば、MOS電界効果トランジスタによって構成される半導体リレーであってもよい。
ノーマリーオープン式のものに限らない。ノーマリークローズ式のものである場合であっても、閉操作されているときにおいて、たとえばリレー駆動信号線Llがバッテリとショートするなどすることで、意図せずして開状態となる事態も想定しうる。そしてこの場合には、先の図2のステップS12において肯定判断されることで、リレー駆動信号線Llのショートまたは総電圧検出線Ldの断線である旨診断することができる。
「端子電圧検出手段について」
高電圧バッテリ10の端子電圧を分圧したアナログ信号をデジタル信号に変換するものに限らない。たとえば、高電圧バッテリ10の端子電圧の絶対値を縮小変換する差動増幅回路を備え、差動増幅回路の出力電圧をデジタル信号に変換する手段であってもよい。この場合、差動増幅回路を構成するオペアンプの入力端子に接続される抵抗体の抵抗値を大きくすることで、絶縁の要求を満足することも可能であり、この場合には、アイソレータ46を備えない構成も可能である。
「異常診断手段について」
高電圧バッテリ10の充電処理時に限って診断を行なうものであってもよい。
ソフトウェア処理手段(CPU50)によって構成されるものに限らず、ハードウェア処理手段によって構成されるものであってもよい。
「所定範囲の設定について」
上記実施形態では、高電圧バッテリ10の端子電圧が正常時にとり得ないと想定される低電圧(固定値)に低電圧用規定値VthLを設定したがこれに限らない。たとえば、高電圧バッテリ10の充電率に応じて低電圧用規定値VthLを可変設定してもよい。同様に、高電圧用規定値VthHについても、高電圧バッテリ10の充電率に応じて可変設定してもよい。
高電圧バッテリ10の放電処理時または電力変換回路14の動作停止時と、高電圧バッテリ10の充電処理時とを識別し、これに応じて総電圧Vbが所定範囲から外れるか否かを判断するようにしてもよい。この場合、高電圧バッテリ10の放電処理時または電力変換回路14の動作停止時である場合には、先の図2のステップS12と同様、低電圧用規定値VthL以下であるか否かを判断するようにしてもよい。
「識別手段について」
総電圧Vbの変化速度としては、ステップS12において肯定判断される際の総電圧Vb(n)と前回の総電圧Vb(n−1)とによって定まるものに限らない。たとえば、ステップS12において肯定判断される際の総電圧Vb(n)と次回の総電圧Vb(n+1)とによって定まるものであってもよい。ただし、この場合、低電圧用規定値VthLを、ゼロよりもある程度大きくする。
「診断実行期間について」
リレーSMRa,SMRcが閉操作されている期間に限らない。たとえばリレーSMRbが閉操作されることで、プリチャージ処理がなされているときであってもよい。ただし、この場合、低電圧用規定値VthLは、プリチャージ処理の開始タイミングからの経過時間が長くことで上昇させるようにすることが望ましい。また、これに代えて、プリチャージ処理の開始後所定時間経過後を診断実行開始タイミングとしてもよい。
「基板について」
開閉操作手段(CPU50)や、端子電圧検出手段(アナログデジタル変換器44)、異常診断手段(CPU50)が形成される1つの基板60を備えるものに限らない。たとえば、端子電圧検出手段(アナログデジタル変換器44)と、異常診断手段(CPU50)および開閉操作手段(CPU50)とのそれぞれが形成される基板が各別の基板であってもよい。この場合であっても、識別手段を備えることで、異常箇所の取替え等が容易となることには変わりない。
「記憶手段について」
給電の有無にかかわらず、データを記憶保持するメモリ(不揮発性メモリ52)に限らない。たとえば、CPU50等の起動の有無にかかわらず、給電状態が維持されるいわゆるバックアップRAM等であってもよい。
「蓄電装置について」
2次電池に限らず、たとえば燃料電池であってもよい。また、住宅内に配備されるものに限らず、たとえば車載蓄電池であってもよい。ただし、この場合、先の図2のステップS12において肯定判断された直後にリレーSMRa,SMRcを開操作するフェールセーフ処理に代えて、リンプホーム処理を可能とすることが望ましい。これは、たとえば車載主機としてエンジンとモータとを備えるハイブリッド車において、リレー駆動信号線Llの断線である場合にはエンジン走行を選択して且つ、総電圧検出線Ldの断線である場合にはモータの出力制限をしつつモータ走行を選択する処理として実現することができる。
10…高電圧バッテリ(蓄電装置の一実施形態)、SMRa,SMRb,SMRc…リレー(開閉手段の一実施形態)。

Claims (6)

  1. 直流電力を出力する蓄電装置(10)および前記蓄電装置から出力される直流電力を交流電力に変換する直流交流変換回路を含む電力変換回路(14)間を開閉する開閉手段(SMRa,SMRb,SMRc)と、
    前記電力変換回路に備えられ、前記開閉手段が閉状態とされることで前記蓄電装置に並列接続され、前記開閉手段が開状態とされることで前記蓄電装置との電気的な接続が遮断されるコンデンサ(16)と、
    前記開閉手段を開閉操作する開閉操作手段(50)と、
    前記開閉手段および前記電力変換回路間に接続され、前記蓄電装置の端子電圧を検出する端子電圧検出手段(40,42,44)と、
    前記開閉操作手段によって前記開閉手段が閉操作されている状況下、前記端子電圧検出手段の検出値が所定範囲から外れることに基づき、前記開閉手段および前記端子電圧検出手段のいずれかに異常が生じた旨診断する異常診断手段(50)と、
    前記異常が生じている旨診断される場合、前記検出値の変化速度の絶対値が規定速度以下になるときに前記開閉手段に異常が生じたとして且つ、前記検出値の変化速度の絶対値が前記規定速度を超えるときに前記端子電圧検出手段に異常が生じたとする識別手段(50)と、
    を備えることを特徴とする電源制御装置。
  2. 前記蓄電装置の正極と前記コンデンサの一端とを接続する第1電気経路と、
    前記蓄電装置の負極と前記コンデンサの他端とを接続する第2電気経路とを備え、
    前記開閉手段は、前記第1電気経路を開閉する第1開閉手段(SMRa)と、前記第2電気経路を開閉する第2開閉手段(SMRc)とを含み、
    前記端子電圧検出手段は、
    前記第1電気経路のうち前記第1開閉手段よりも前記電力変換回路側と、前記第2電気経路のうち前記第2開閉手段よりも前記電力変換回路側とを接続する一対の分圧用抵抗体(40,42)と、
    前記一対の分圧用抵抗体によって分圧された電圧を前記蓄電装置の端子電圧として検出するアナログデジタル変換器(44)とを含むことを特徴とする請求項1記載の電源制御装置。
  3. 前記異常診断手段は、前記電力変換回路によって前記蓄電装置の放電処理がなされている場合、または前記電力変換回路が動作停止している場合に、前記端子電圧検出手段の検出値が低電圧用規定値以下であると判断されることに基づき、前記開閉手段および前記端子電圧検出手段のいずれかに異常が生じている旨診断するものであることを特徴とする請求項1または2記載の電源制御装置。
  4. 前記識別手段による識別結果を記憶する記憶手段(52)を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源制御装置。
  5. 前記開閉操作手段、前記端子電圧検出手段および前記異常診断手段のそれぞれは、基板(60)に形成されており、
    前記開閉操作手段と前記開閉手段とを接続する電気経路、および前記端子電圧検出手段と前記蓄電装置とを接続する電気経路は、いずれも前記基板に対して外付けされた配線(Ll,Ld)を備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の電源制御装置。
  6. 前記蓄電装置は、電池セル(Cij:i=1〜n,j=1〜m)の直列接続体としての組電池であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の電源制御装置。
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