JP6032135B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子に設けられた電流遮断器の作動状態を判別する蓄電システムに関する。

特許文献１では、フィルタコンデンサの電圧挙動に基づいて、電流遮断機構の作動を判別している。ここで、イグニッションスイッチがオンであるとき、言い換えれば、組電池が負荷と接続されているとき、組電池の出力電力がフィルタコンデンサにチャージされる。

特開２０１２−０８５４５５号公報 特開２０１２−１１０１７５号公報 特開２０１２−１３８２７８号公報 特開２００８−１８２７７９号公報

特許文献１において、電流遮断機構の作動を判別するためには、イグニッションスイッチがオンである必要がある。このため、イグニッションスイッチがオフの間では、電流遮断機構の作動を判別できない。

本発明の蓄電システムは、互いに直列に接続された複数の蓄電スタックと、各蓄電スタックの電圧値を検出する電圧センサと、電圧センサの検出結果が入力されるコントローラと、を有する。各蓄電スタックは、直列に接続された複数の蓄電素子を含んでおり、各蓄電素子は、各蓄電素子における電流経路を遮断する電流遮断器を含んでいる。

コントローラは、蓄電スタックおよび負荷の接続が遮断されたときから蓄電スタックおよび負荷が接続されるまでの間において、蓄電スタックの電圧値が所定値以上に低下するとともに、この電圧低下した蓄電スタックの電圧値と、他の蓄電スタックの電圧値との電圧差が所定差以上であるとき、電圧低下した蓄電スタックに含まれる電流遮断器が作動状態であることを判別する。

蓄電スタックが負荷と接続されていなくても、蓄電スタックの電圧値を検出することができる。ここで、電流遮断器が作動しているときには、蓄電スタックの電圧値が低下するため、この電圧降下を監視することにより、電流遮断器の作動状態を判別することができる。また、電流遮断器の作動は、頻繁に発生しないため、複数の蓄電スタックにおける電圧差を監視することにより、電流遮断器の作動状態を特定しやすくなる。

電池システムの構成を示す図である。 電流遮断器の作動状態を判別する処理を示すフローチャートである。 スタック電圧および電圧差の挙動を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システム（本発明の蓄電システムに相当する）について説明する。図１は、本実施例の電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載することができる。なお、本実施例で説明する組電池を負荷と接続したり、組電池および負荷の接続を遮断したりするシステムであれば、本発明を適用することができる。

組電池１は、直列に接続された電池スタック（本発明の蓄電スタックに相当する）１０Ａ，１０Ｂを有する。電池スタック１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、個別に交換することができる。例えば、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの一方が劣化によって寿命に到達したときには、寿命に到達した電池スタックだけを交換することができる。

電池スタック１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、直列に接続された複数の単電池（本発明の蓄電素子に相当する）１１を有する。各電池スタック１０Ａ，１０Ｂに含まれる単電池１１の数は、適宜設定することができ、単電池１１としては、二次電池や電気二重層キャパシタを用いることができる。

単電池１１は、充放電を行う発電要素と、発電要素を収容する電池ケースとを有する。発電要素は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されるセパレータとを有する。電池ケースには、発電要素の通電を遮断する電流遮断器が収容されている。なお、電池ケースの外部に電流遮断器を設けることもできる。この場合には、各単電池１１に対して電気流遮断器が設けられる。

電流遮断器としては、例えば、ヒューズ、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子又は、電流遮断弁を用いることができる。電流遮断弁は、電池ケースの内圧上昇に応じて変形し、発電要素との機械的な接続を断つことにより、単電池の内部における電流経路を遮断することができる。電流遮断弁としては、公知の構成（例えば、特開平１０−３０２７４４号公報）を適宜採用することができる。

監視ユニット２０は、電池スタック１０Ａの各単電池１１の電圧値を検出する電圧センサ２１と、電池スタック１０Ａの電圧値（スタック電圧）Ｖ_Ａを検出する電圧センサ２２とを有する。監視ユニット２０の検出結果は、コントローラ５０に出力される。監視ユニット３０は、電池スタック１０Ｂの各単電池１１の電圧値を検出する電圧センサ３１と、電池スタック１０Ｂの電圧値（スタック電圧）Ｖ_Ｂを検出する電圧センサ３２とを有する。監視ユニット３０の検出結果は、コントローラ５０に出力される。本実施例では、電池スタック１０Ａ，１０Ｂのそれぞれに対応させて、監視ユニット２０，３０が設けられている。

組電池１の正極端子には、正極ラインＰＬが接続されており、組電池１の負極端子には、負極ラインＮＬが接続されている。正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬのそれぞれには、システムメインリレーＳＭＲが設けられており、システムメインリレーＳＭＲは、コントローラ５０からの駆動信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。

車両のイグニッションスイッチのオン／オフに関する情報は、コントローラ５０に入力される。イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったとき、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲをオフからオンに切り替える。これにより、組電池１は、負荷としてのインバータ４１やモータ・ジェネレータ４２と接続され、図１に示す電池システムは、起動状態（Ready-ON）となる。

一方、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったとき、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲをオンからオフに切り替える。これにより、組電池１と、インバータ４１やモータ・ジェネレータ４２との接続が遮断され、図１に示す電池システムは、停止状態（Ready-OFF）となる。

組電池１は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、インバータ４１と接続されている。インバータ４１は、モータ・ジェネレータ４２と接続されている。モータ・ジェネレータ４２は、インバータ４１の出力電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。また、モータ・ジェネレータ４２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータ４２が生成した電力は、インバータ４１を介して、組電池１に供給される。

コントローラ５０は、メモリ５１を有しており、メモリ５１には、所定の情報が記憶されている。メモリ５１は、コントローラ５０の外部に設けることもできる。本実施例の電池システムにおいて、組電池１およびインバータ４１の間の電流経路に昇圧回路を設けることもできる。

次に、本実施例における電池システムの動作について、図２を用いて説明する。図２は、電流遮断器の作動状態を判別する処理を示すフローチャートであり、コントローラ５０によって実行される。図２に示す処理は、所定の周期で実行することができる。

ステップＳ１０１において、コントローラ５０は、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったことを確認する。ステップＳ１０２において、コントローラ５０は、監視ユニット２０，３０の出力に基づいて、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出する。ここでのスタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂは、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったときのスタック電圧Ｖ_{Ａ＿ｏｆｆ}、Ｖ_{Ｂ＿ｏｆｆ}である。イグニッションスイッチがオフであっても、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出することができる。

ステップＳ１０３において、コントローラ５０は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったか否かを判別する。イグニッションスイッチがオンであるとき、コントローラ５０は、ステップＳ１０４の処理を行う。一方、イグニッションスイッチがオフのままであるとき、コントローラ５０は、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ１０４において、コントローラ５０は、監視ユニット２０，３０の出力に基づいて、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出する。ここでのスタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂは、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときのスタック電圧Ｖ_Ａ＿ｏｎ，Ｖ_Ｂ＿ｏｎである。

ステップＳ１０５において、コントローラ５０は、スタック電圧Ｖ_{Ａ＿ｏｆｆ}，Ｖ_Ａ＿ｏｎの差（電圧差ΔＶ_Ａ）が閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する。ここで、スタック電圧Ｖ_Ａ＿ｏｎがスタック電圧Ｖ_{Ａ＿ｏｆｆ}よりも低く、電圧差ΔＶ_Ａが閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ以上であるとき、コントローラ５０は、ステップＳ１０６の処理を行う。

また、ステップＳ１０５において、コントローラ５０は、スタック電圧Ｖ_{Ｂ＿ｏｆｆ}，Ｖ_Ｂ＿ｏｎの差（電圧差ΔＶ_Ｂ）が閾値ΔＶ_Ｂ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する。ここで、スタック電圧Ｖ_Ｂ＿ｏｎがスタック電圧Ｖ_{Ｂ＿ｏｆｆ}よりも低く、電圧差ΔＶ_Ｂが閾値ΔＶ_Ｂ＿ｔｈ以上であるとき、コントローラ５０は、ステップＳ１０６の処理を行う。

閾値ΔＶ_Ｂ＿ｔｈは、閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈと同じであってもよいし、異なっていてもよい。閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ，ΔＶ_Ｂ＿ｔｈは、予め定めておくことができ、閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ，ΔＶ_Ｂ＿ｔｈに関する情報は、メモリ５１に記憶することができる。ステップＳ１０５の処理において、電圧差ΔＶ_Ａ，ΔＶ_Ｂのいずれかが、閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ，ΔＶ_Ｂ＿ｔｈ以上であれば、ステップＳ１０６の処理が行われる。

ステップＳ１０６において、コントローラ５０は、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差（電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂ）を算出する。ここで、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂは、ステップＳ１０４の処理で説明したスタック電圧Ｖ_Ａ＿ｏｎ，Ｖ_Ｂ＿ｏｎに相当する。また、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂは、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差の絶対値である。ステップＳ１０７において、コントローラ５０は、ステップＳ１０６の処理で算出した電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}以上であるか否かを判別する。

電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}以上であるとき、コントローラ５０は、ステップＳ１０８の処理を行う。一方、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}よりも小さいとき、コントローラ５０は、図２に示す処理を終了する。閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}は、適宜設定することができ、閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}に関する情報は、メモリ５１に記憶することができる。

ステップＳ１０８において、コントローラ５０は、単電池１１の電流遮断器が作動状態であると判別する。具体的には、コントローラ５０は、ステップＳ１０５の処理において、電圧差（ΔＶ_Ａ又はΔＶ_Ｂ）が閾値（ΔＶ_Ａ＿ｔｈ，ΔＶ_Ｂ＿ｔｈ）以上である電池スタック（１０Ａ又は１０Ｂ）に含まれる単電池１１において、電流遮断器が作動状態であると判別する。

電流遮断器が作動状態であると判別したとき、コントローラ５０は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わっても、システムメインリレーＳＭＲをオフからオンに切り替えない。これにより、電流遮断器が作動したときには、組電池１は、インバータ４１やモータ・ジェネレータ４２と接続されない。

図３は、スタック電圧Ｖ_Ａおよび電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂの挙動（一例）を示す。図３では、スタック電圧Ｖ_Ａの挙動を示しているが、スタック電圧Ｖ_Ｂについても、図３と同様の挙動を示す。

イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わるまでは、車両の走行パターンなどに応じて、スタック電圧Ｖ_Ａが変動する。スタック電圧Ｖ_Ｂも、車両の走行パターンなどに応じて変動する。また、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わるまでの間において、電流遮断器が作動していないとき、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂは、図３に示すように、電圧差ΔＶ１_Ａ−Ｂに沿って変動する。電圧差ΔＶ１_Ａ−Ｂは、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂのバラツキや、監視ユニット２０，３０の検出バラツキなどによって、０［Ｖ］よりも大きいことがある。

イグニッションスイッチがオフとなってから起動状態（Ready-ON）となるまでの間に、電流遮断器が作動していなければ、イグニッションスイッチのオン又は起動状態のときのスタック電圧Ｖ_Ａは、イグニッションスイッチのオフのときのスタック電圧Ｖ_Ａと等しくなる。一方、イグニッションスイッチがオフとなってから起動状態となるまでの間に、電流遮断器が作動すると、イグニッションスイッチのオン又は起動状態のときのスタック電圧Ｖ_Ａは、イグニッションスイッチのオフのときのスタック電圧Ｖ_Ａよりも低くなる。

通常、電流遮断器が作動したときには、作動状態の電流遮断器に対応した単電池１１の電圧値の分だけ、スタック電圧Ｖ_Ａが低下する。ここで、各単電池１１には、バイパス回路が並列に接続されており、電流遮断器が作動状態にあるときには、バイパス回路に電流が流れる。バイパス回路は、監視ユニット２０，３０および電池スタック１０Ａ，１０Ｂを接続する電圧検出ラインの一部を含んでいる。このように、バイパス回路に電流が流れることにより、スタック電圧Ｖ_Ａが低下する。作動状態の電流遮断器に対応した単電池１１の数が増えるほど、スタック電圧Ｖ_Ａが低下しやすくなる。

図３に示す実線では、イグニッションスイッチのオンのときのスタック電圧Ｖ_Ａが、イグニッションスイッチのオフのときのスタック電圧Ｖ_Ａよりも低下している。ここで、図２に示すステップＳ１０５の処理では、イグニッションスイッチのオフおよびオンにおけるスタック電圧Ｖ_Ａの差（電圧差ΔＶ_Ａ）が閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈ以上であるか否かを判別している。閾値ΔＶ_Ａ＿ｔｈは、電流遮断器の作動に伴う電圧降下を判別できる値であればよい。閾値ΔＶ_Ｂ＿ｔｈについても同様である。

一方、電流遮断器の作動によってスタック電圧Ｖ_Ａが低下すれば、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが変化する。具体的には、電池スタック１０Ａだけにおいて、電流遮断器が作動したときには、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが上昇する。これにより、図３の実線で示すように、電圧差ΔＶ_Ａ−ＢがΔＶ１_Ａ−ＢからΔＶ２_Ａ−Ｂに上昇することがある。図２に示すステップＳ１０７の処理では、この電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂが閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}以上であるか否かを判別している。閾値ΔＶ_{Ａ−Ｂ＿ｔｈ}は、電流遮断器の作動に伴う電圧差を判別できる値であればよい。

上述したように、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを監視すれば、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの低下によって、電流遮断器の作動状態を判別することができる。ただし、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが低下する要因は、電流遮断器の作動以外にもある。例えば、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの自己放電などによっても、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが低下してしまう。

そこで、本実施例では、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを監視するだけでなく、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂも監視している。電流遮断器の作動以外の要因で、電池スタック１０Ａ，１０Ｂが放電するときには、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが低下するものの、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂは変化しにくい。また、電流遮断器の作動は頻繁に発生しにくいため、電流遮断器が作動したときには、電流遮断器が作動している電池スタックの他に、すべての電流遮断器が作動していない電池スタックが存在しやすい。このため、電圧差ΔＶ_Ａ−Ｂを監視することにより、電流遮断器の作動状態を特定しやすくなる。

スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂとしては、ＣＣＶ（Closed Circuit Voltage）ではなく、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）を用いることが好ましい。ＣＣＶには、充放電履歴に伴う分極成分が含まれているため、正確な電圧値（ＯＣＶ）を把握しにくくなる。ＯＣＶを把握する方法としては、以下に説明する方法がある。

例えば、イグニッションスイッチがオフとなってから所定時間が経過した後に、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出すれば、ＯＣＶを取得しやすい。このように取得したＯＣＶは、スタック電圧Ｖ_{Ａ＿ｏｆｆ}，Ｖ_{Ｂ＿ｏｆｆ}として用いることができる。ここで、所定時間とは、分極成分が解消されるまでの時間であり、実験などによって予め求めておくことができる。また、所定時間に関する情報は、メモリ５１に記憶しておくことができる。

一方、分極電圧を推定すれば、所定時間が経過することを待たずに、ＯＣＶを推定することができる。具体的には、分極成分が解消する前に検出したスタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂから、推定した分極電圧を減算すれば、ＯＣＶを推定することができる。分極電圧を推定する方法は、公知の方法（例えば、特開２００３−０６８３７０号公報）を適宜採用することができる。

なお、スタック電圧Ｖ_Ａ＿ｏｎ，Ｖ_Ｂ＿ｏｎを検出するときには、イグニッションスイッチのオフによって分極成分が解消されていやすいため、ＯＣＶを取得しやすい。

本実施例において、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わった後では、イグニッションスイッチがオフとなっている間や、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった直後に、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出することができる。

イグニッションスイッチがオフの間では、コントローラ５０を周期的に起動させることにより、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出することができる。また、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替われば、コントローラ５０が起動するため、スタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを検出することができる。

このようにスタック電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂを監視すれば、図１に示す電池システムが起動状態（Ready-ON）となる前に、電流遮断器の作動状態を判別することができる。これにより、電流遮断器が作動している状態において、電池システムが起動状態となることを防止できる。

本実施例では、直列に接続された２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂによって組電池１が構成されているが、これに限るものではない。具体的には、直列に接続された３つ以上の電池スタックによって組電池１を構成することもできる。この場合には、本実施例と同様に、各電池スタックのスタック電圧を監視すればよい。

また、スタック電圧の電圧差を算出するときには、例えば、特定の電池スタックのスタック電圧と、他の電池スタックのスタック電圧とを比較すればよい。ここで、スタック電圧を比較するときには、あらゆる電池スタックの組み合わせを考慮してもよいし、特定の電池スタックの組み合わせだけを考慮してもよい。

１：組電池、１０Ａ，１０Ｂ：電池スタック、１１：単電池、
２０，３０：監視ユニット、２１，２２，３１，３２：電圧センサ、４１：インバータ、
４２：モータ・ジェネレータ、５０：コントローラ、５１：メモリ、
ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、ＳＭＲ：システムメインリレー

Claims (1)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子をそれぞれ含み、互いに直列に接続された複数の蓄電スタックと、
   前記各蓄電スタックの電圧値を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサの検出結果が入力されるコントローラと、を有し、
   前記各蓄電素子は、前記各蓄電素子における電流経路を遮断する電流遮断器を含んでおり、
   前記コントローラは、前記蓄電スタックおよび負荷の接続が遮断されたときから前記蓄電スタックおよび前記負荷が接続されるまでの間において、前記蓄電スタックの電圧値が所定値以上に低下するとともに、この電圧低下した前記蓄電スタックの電圧値と、他の前記蓄電スタックの電圧値との電圧差が所定差以上であるとき、前記電圧低下した前記蓄電スタックに含まれる前記電流遮断器が作動状態であることを判別することを特徴とする蓄電システム。

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