JP6106269B2 - 蓄電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池監視装置に関する。

従来、取扱性の向上や構造の簡略化を目的として、二次電池を用いた電池セルを複数個直列に接続して組電池とすることが行われている。このような組電池において、各電池セルにリチウムイオン電池を使用する場合、各電池セルに電圧検出線を接続して電圧を測定し、その測定結果に基づいて各電池セルの状態を検出することにより、組電池の管理を行う方法が知られている。

上記のような組電池の管理方法では、電圧検出線の断線等により電池セルと電圧測定回路の間に接続不良が発生すると、電池セルの電圧を正確に測定できないため、組電池を正しく管理できない。そこで、これを解決する手段として、下記特許文献１のような接続不良の検出方法が知られている。この方法では、電池セルの正極と負極にそれぞれ接続された電圧検出線の間を抵抗を介して所定時間だけ短絡させ、その後に短絡を解除して電圧検出線間の電圧がほぼ短絡状態の電圧であるか否かを検出することにより、接続不良であるか否かを判断している。

日本国特開２００１−１５７３６７号公報

一般的に、電池セルに接続されている電圧検出線には、ノイズを除去するためのノイズフィルタが接続されている。そのため、上記特許文献１に記載されている接続不良の検出方法では、接続不良が発生しているときに電圧検出線の間を短絡すると、電圧検出線間の電圧が接続不良と判断される電圧まで低下するのに、ノイズフィルタの時定数に応じた放電時間を要する。したがって、接続不良を検出するために必要な短絡時間が長くなり、その分だけ電力損失が増大するという問題がある。

本発明による蓄電池監視装置は、蓄電池の正極と負極にそれぞれ接続された一対の電圧検出線とそれぞれ接続された一対の測定線と、測定線と並列に、一対の電圧検出線とそれぞれ接続された一対の調整線と、一対の測定線の間に接続された第１の容量素子と、一対の調整線の間に接続された第２の容量素子と、第２の容量素子の両端間に接続されたスイッチと、を備え、電圧検出線が断線している場合に、スイッチを閉じて所定の短絡時間後に開いた後において一対の測定線間の電圧が変化し続けた後に定常状態になるように、第１の容量素子の容量値Cmeasおよび第２の容量素子の容量値Cbalが設定されており、さらに、第１の容量素子の容量値Cmeasおよび第２の容量素子の容量値Cbalは、電圧検出線が断線していない場合の一対の測定線間の最大電圧Vmaxおよび電圧検出線の断線を検知するための所定のしきい値電圧Vthに基づく下記の式を満たすように設定されており、
Cmeas / ( Cbal + Cmeas ) < Vth / Vmax
スイッチを閉じて短絡時間後に開いた後に、一対の測定線間の定常状態における電圧を測定する電圧測定部と、電圧測定部により測定された電圧をしきい値電圧Vthと比較し、その比較結果に基づいて電圧検出線の断線を検知する断線検知部と、をさらに備える。

本発明によれば、接続不良を検出するために必要な短絡時間を短縮し、電力損失を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電池監視装置１００の構成を示す図である。 断線検知処理における測定線１４２の電位変動の例を示す図である。 電圧検出線２１２が断線している場合にスイッチ１３２がオン状態に切り替えられたときの測定線１４２の電位変動の様子の詳細を示す図である。 電圧検出線２１２の断線時における電圧変動に関わる部分の回路構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電池監視装置１００の構成を示す図である。蓄電池監視装置１００は、電圧検出線２１１、２１２および２１３を介して組電池２００と接続されている。

組電池２００は、電池セル２０１および２０２を有している。電池セル２０１、２０２は、それぞれリチウムイオン電池等の二次電池を用いて構成された蓄電池であり、不図示の負荷に対して電力を供給することで放電される。また、不図示の充電装置等から供給される電力を用いて、電池セル２０１、２０２を充電することができる。

電圧検出線２１１は、電池セル２０１の正極に接続されており、電圧検出線２１２は、電池セル２０１の負極および電池セル２０２の正極に接続されており、電圧検出線２１３は、電池セル２０２の負極に接続されている。このように、組電池２００を構成する各電池セル２０１、２０２の正極と負極に、電圧検出線２１１、２１２、２１３がそれぞれ接続されている。

蓄電池監視装置１００は、電圧検出線２１１、２１２、２１３にそれぞれ対応して設けられた測定線１４１、１４２、１４３および調整線１５１、１５２、１５３と、調整側フィルタ回路１１０と、測定側フィルタ回路１２０と、電圧測定部１６０と、断線検知部１７０とを備える。

蓄電池監視装置１００において、電圧検出線２１１には、測定線１４１および調整線１５１が並列に接続されている。測定線１４１は電圧測定部１６０に接続されており、調整線１５１はスイッチ１３１に接続されている。電圧検出線２１２には、測定線１４２および調整線１５２が並列に接続されている。測定線１４２は電圧測定部１６０に接続されており、調整線１５２はスイッチ１３１、１３２に接続されている。電圧検出線２１３には、測定線１４３および調整線１５３が並列に接続されている。測定線１４３は電圧測定部１６０に接続されており、調整線１５３はスイッチ１３２に接続されている。

スイッチ１３１、１３２の動作は、電圧測定部１６０によって制御される。たとえば、スイッチ１３１、１３２をそれぞれ閉じて電池セル２０１、２０２を放電させることで、電池セル２０１、２０２の充電容量のバランシングが行われる。また、後述する断線検知処理では、スイッチ１３１、１３２をそれぞれ閉じて所定の短絡時間後に開く動作が交互に行われる。

調整側フィルタ回路１１０は、電圧検出線２１１、２１２、２１３から調整線１５１、１５２、１５３にそれぞれ流入するノイズを除去するためのものであり、抵抗素子１１１、１１２、１１３および容量素子１１４、１１５を用いて構成されている。図１に示すように、抵抗素子１１１、１１２、１１３は調整線１５１、１５２、１５３上にそれぞれ設けられている。また、容量素子１１４は調整線１５１と調整線１５２の間に設けられ、容量素子１１５は調整線１５２と調整線１５３の間に設けられている。

測定側フィルタ回路１２０は、電圧検出線２１１、２１２、２１３から測定線１４１、１４２、１４３にそれぞれ流入するノイズを除去するためのものであり、抵抗素子１２１、１２２、１２３および容量素子１２４、１２５を用いて構成されている。図１に示すように、抵抗素子１２１、１２２、１２３は測定線１４１、１４２、１４３上にそれぞれ設けられている。また、容量素子１２４は測定線１４１と測定線１４２の間に設けられ、容量素子１２５は測定線１４２と測定線１４３の間に設けられている。

電圧測定部１６０は、スイッチ１３１、１３２の動作を制御すると共に、測定線１４１と測定線１４２の間の電圧V1、および測定線１４２と測定線１４３の間の電圧V2を測定する。断線検知処理において、電圧測定部１６０は、スイッチ１３１、１３２を交互に閉じて開き、その後に電圧V1、V2を測定する。そして、測定した電圧V1、V2を断線検知部１７０に出力する。

断線検知部１７０は、電圧測定部１６０から電圧V1、V2の測定結果を入力し、これらを所定のしきい値電圧Vthと比較する。この比較結果に基づいて、電圧検出線２１１、２１２、２１３の断線を検知する。

なお、図１では、２個の電池セル２０１、２０２で構成された組電池２００に接続される蓄電池監視装置１００の構成を例示したが、本発明に係る蓄電池監視装置が接続される組電池の電池セルの個数は、図１の例に限定されるものではない。本発明に係る蓄電池監視装置では、監視対象とする蓄電池を構成する電池セルの個数に関わらず、図１のように各電池セルの正極と負極に電圧検出線がそれぞれ接続されており、その各電圧検出線に対して測定線と調整線が接続されている。さらに、各測定線および各調整線に対して、抵抗素子と容量素子を組み合わせたフィルタ回路が設けられると共に、互いに隣接し合う調整線同士の間にスイッチが設けられている。

次に、蓄電池監視装置１００において実行される断線検知処理について説明する。蓄電池監視装置１００は、所定のタイミングや外部からの指示に応じて、電圧検出線２１１、２１２、２１３の断線を検知するための断線検知処理を実行する。この断線検知処理では、前述のように、電圧測定部１６０により、スイッチ１３１、１３２をそれぞれ閉じて所定の短絡時間後に開き、その後に、測定線１４１と測定線１４２の間の電圧V1、および測定線１４２と測定線１４３の間の電圧V2を測定する。こうして測定された電圧V1、V2に基づいて、断線検知部１７０により、電圧検出線２１１、２１２、２１３が断線しているか否かを判断する。

図２は、断線検知処理における測定線１４２の電位変動の例を示す図である。

断線検知処理が開始されると、スイッチ１３１、１３２が交互にオン状態に切り替えられる。ここで図２に示すように、スイッチ１３２が最初にオン状態に切り替えられてから、次にオン状態に切り替えられるまでの間に、電圧検出線２１２が断線していたとする。

この場合、スイッチ１３２がオン状態に切り替えられると、測定線１４２と測定線１４３の間にある容量素子１２５が放電され、測定線１４２の電位が徐々に低下していく。このとき、電圧測定部１６０において、測定電圧V1は大きくなり、測定電圧V2は小さくなる。

その後、スイッチ１３１がオン状態に切り替えられると、電圧検出線２１１を介して電池セル２０１から電流が供給され、測定線１４２と測定線１４３の間にある容量素子１２５が充電される。その結果、測定線１４２の電位は、測定線１４１の電位近くまで上昇する。このとき、電圧測定部１６０において、測定電圧V1は小さくなり、測定電圧V2は大きくなる。

さらにその後、電圧検出線２１２が断線していない状態で、スイッチ１３２がオン状態に切り替えられると、測定線１４２の電位は、電圧検出線２１２を介して接続された電池セル２０２の正極および電池セル２０１の負極に応じた電位へと復帰する。このとき、電圧測定部１６０において、測定電圧V1、V2は正常時の電圧となる。

以上説明したように、電圧検出線２１２が断線している場合は、スイッチ１３１、１３２の切替動作に応じて、測定電圧V1、V2がそれぞれ低下する。したがって、断線検知部１７０において、この測定電圧V1、V2を所定のしきい値電圧Vthとそれぞれ比較し、測定電圧V1、V2がしきい値電圧Vth未満であるか否かを判定することにより、電圧検出線２１２の断線を検知することができる。なお、他の電圧検出線２１１、２１３が断線している場合も、同様の方法により断線検知を行うことができる。

図３は、電圧検出線２１２が断線している場合にスイッチ１３２がオン状態に切り替えられたときの測定線１４２の電位変動の様子の詳細を示す図である。

時刻t1においてスイッチ１３２がオフ状態からオン状態に切り替えられると、測定線１４２と測定線１４３の間にある容量素子１２５の放電が開始されると共に、調整線１５２と調整線１５３の間にある容量素子１１５の放電も開始される。このとき、容量素子１１５は、抵抗素子を介さずにスイッチ１３２に直接つながっているため、短時間で放電される。一方、容量素子１２５は、測定線１４２、１４３に設けられている抵抗素子１２２、１２３および調整線１５２、１５３に設けられている抵抗素子１１２、１１３を介してスイッチ１３２につながっているため、容量素子１１５よりも遅れて放電される。そのため、図３に示すように、調整線１５２の電位が先に低下し、遅れて測定線１４２の電位が低下する。

ここで、図３に示すように、容量素子１２５の放電がまだ完了しておらず、測定線１４２の電位が低下している途中に、時刻t2においてスイッチ１３２がオン状態からオフ状態に切り替えられたとする。この場合、容量素子１２５から既に放電された容量素子１１５へと電荷が移動することで、容量素子１２５の放電が継続される一方で、容量素子１１５が充電される。そのため、測定線１４２の電位は低下し続け、調整線１５２の電位は上昇し始める。

測定線１４２の電位と調整線１５２の電位が一致すると、容量素子１２５の放電および容量素子１１５の充電が完了する。その後の時刻t3において、電圧測定部１６０により測定線１４２と測定線１４３の電位差を測定電圧V2として取得することで、これに基づいて電圧検出線２１２の断線を検知することができる。

容量素子１２５と容量素子１１５の容量値をそれぞれ適切な値に設定することで、以上説明したように、スイッチ１３２をオン状態からオフ状態に切り替えた後でも、容量素子１２５の放電を継続させることができる。これにより、容量素子１２５の放電が完了した後にスイッチ１３２をオフにする従来のような方法と比べて、スイッチ１３２の短絡時間を短縮することができる。そのため、スイッチ１３２がオン状態であるときに発生する電力損失を低減することができる。

次に、容量素子１２５と容量素子１１５の容量値の設定方法について説明する。図４は、図１の構成のうち、電圧検出線２１２の断線時における電圧変動に関わる部分の回路構成を示す図である。

図４に示すように、スイッチ１３２内には内部抵抗が存在しており、この内部抵抗の値をRswと表す。また、スイッチ１３２の両端電圧、すなわち調整線１５２と調整線１５３の間の電圧を、スイッチ端電圧Vswと表す。

電圧検出線２１２が断線していないときには、図１の電池セル２０２から電圧検出線２１２、２１３を介して、測定線１４２と測定線１４３の間、および調整線１５２と調整線１５３の間に、電池セル２０２の充電状態に応じた電圧がそれぞれ印加される。この電圧を、以下では初期電圧V0と表す。

電圧検出線２１２が断線しているときに、スイッチ１３２がオン状態に切り替えられると、前述のように、容量素子１２５、１１５の放電がそれぞれ開始される。スイッチ１３２がオンされてからの経過時間をtと表すと、この経過時間tを変数として、測定電圧V2の時間関数V2(t)およびスイッチ端電圧Vswの時間関数Vsw(t)は、それぞれ以下の式（１）、（２）で表すことができる。
V2(t) = V0 * exp(-t/τm) ・・・（１）
Vsw(t) = V0 * exp(-t/τb) ・・・（２）

式（１）において、τmは容量素子１２５の放電時定数であり、以下の式（３）で表すことができる。式（３）において、Rmeas2、Rmeas3は抵抗素子１２２、１２３の抵抗値をそれぞれ表し、Rbal2、Rbal3は抵抗素子１１２、１１３の抵抗値をそれぞれ表し、Cmeasは容量素子１２５の容量値を表している。
τm = ( Rmeas2 + Rbal2 + Rsw + Rbal3 + Rmeas3 ) * Cmeas ・・・（３）

また、式（２）において、τbは容量素子１１５の放電時定数であり、以下の式（４）で表すことができる。式（４）において、Cbalは容量素子１１５の容量値を表している。
τb = Rsw * Cbal ・・・（４）

上記の式（３）、（４）において、一般的にRmeas2、Rmeas3、Rbal2、Rbal3 >> Rswであるため、容量素子１２５の容量値Cmeasと容量素子１１５の容量値Cbalとが同程度である場合は、τm >> τbであることが分かる。

式（２）において、容量素子１１５が放電されてスイッチ端電圧Vswがほぼ０Ｖとなるまでの時間は、一般的に、式（４）で表される放電時定数τbの５倍程度である。一方、容量素子１２５が放電されて測定電圧V2がほぼ０Ｖとなるには、式（３）で表される放電時定数τmの５倍程度の時間が必要となるが、上述のようにτm >> τbである。したがって、図３で説明したように、容量素子１１５の放電が完了した後、容量素子１２５の放電中にスイッチ１３２をオフにしてその放電を継続させることで、従来のように容量素子１２５の放電が完了してからスイッチ１３２をオフにする場合と比べて、スイッチ１３２の短絡時間を大幅に短縮できることが分かる。

上述のように、容量素子１２５の放電中にスイッチ１３２をオフにし、その後に十分な時間が経過すると、測定線１４２の電位と調整線１５２の電位が一致して定常状態となる。この定常状態における測定電圧V2の大きさは、初期電圧V0やスイッチ１３２の短絡時間に応じて変化する。定常状態において測定電圧V2が取り得る最大値をV2stと表すと、この最大値V2stは以下の式（５）により求められる。式（５）において、Vmaxは初期電圧V0の最大値、すなわち電圧検出線２１２が断線していない場合の測定線１４２、１４３間の最大電圧を表している。
V2st = Vmax * Cmeas / ( Cbal + Cmeas ) ・・・（５）

上記の式（５）で表される測定電圧V2の最大値V2stが前述のしきい値電圧Vthを下回れば、断線検知部１７０において、電圧検出線２１２の断線を正しく検知することができる。したがって、以下の不等式（６）を満たすように、容量素子１２５の容量値Cmeasおよび容量素子１１５の容量値Cbalを設定することで、図３で説明したような方法を用いて、電圧検出線２１２の断線検知を行うことができる。
Cmeas / ( Cbal + Cmeas ) < Vth / Vmax ・・・（６）

一般的に、しきい値電圧Vthは、電池セル２０２の過放電電圧よりも低い値で設定される。したがって、たとえば電池セル２０２の過放電電圧が2Vであり、Vmax = 5Vである場合、Cbal > 1.5 * Cmeasの関係を少なくとも満たす範囲で、しきい値電圧Vthに応じて、容量素子１２５の容量値Cmeasおよび容量素子１１５の容量値Cbalが設定されている。たとえば、Vth = 0.5V、Vmax = 5Vの場合、Cbal > 9 * Cmeasとすることで、式（６）の関係を満たすことができる。

なお、上記の説明では、電圧検出線２１２が断線している場合の例を説明したが、他の電圧検出線２１１、２１３が断線している場合も同様である。すなわち、上記の容量素子１１５、１２５と同様にして容量素子１１４、１２４の容量値を設定することで、電圧検出線２１１、２１３の断線検知においても、スイッチ１３１、１３２の短絡時間を短縮し、電力損失を低減することができる。さらに、電池セルの個数に関わらず、各電池セルに接続されている電圧検出線ごとに測定線と調整線をそれぞれ接続し、各測定線および各調整線のフィルタ回路を構成する容量素子の容量値を上記のように設定することで、各電圧検出線の断線検知における電力損失を低減することができる。

以上説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）蓄電池監視装置１００は、蓄電池である電池セル２０２の正極と負極にそれぞれ接続された一対の電圧検出線２１２、２１３とそれぞれ接続された一対の測定線１４２、１４３と、測定線１４２、１４３と並列に、電圧検出線２１２、２１３とそれぞれ接続された一対の調整線１５２、１５３と、測定線１４２、１４３の間に接続された容量素子１２５と、調整線１５２、１５３の間に接続された容量素子１１５と、容量素子１１５の両端間に接続されたスイッチ１３２とを備える。この回路構成において、容量素子１２５の容量値Cmeasおよび容量素子１１５の容量値Cbalは、電圧検出線２１２が断線している場合に、スイッチ１３２を閉じて所定の短絡時間後に開いた後において測定線１４２、１４３間の測定電圧V2が変化し続けるように設定されている。このようにしたので、電圧検出線２１２の接続不良を検出するために必要な短絡時間を短縮し、電力損失を低減することができる。

（２）容量素子１２５の容量値Cmeasおよび容量素子１１５の容量値Cbalは、電圧検出線２１２が断線していない場合の測定線１４２、１４３間の最大電圧Vmax、および電圧検出線２１２の断線を検知するための所定のしきい値電圧Vthに基づいて、前述の不等式（６）を満たすように設定されている。このようにすることで、電圧検出線２１２が断線している場合に、スイッチ１３２を閉じて所定の短絡時間後に開いた後において、測定線１４２、１４３間の測定電圧V2をしきい値電圧Vth未満となるまで変化させ続けることができる。したがって、電圧検出線２１２の断線を確実に検知することができる。

（３）蓄電池監視装置１００は、スイッチ１３１、１３２を閉じて短絡時間後に開いた後に、測定線１４１、１４２間の電圧V1および測定線１４２、１４３間の電圧V2を測定する電圧測定部１６０と、電圧測定部１６０により測定された電圧V1、V2をしきい値電圧Vthと比較し、その比較結果に基づいて電圧検出線２１１、２１２、２１３の断線を検知する断線検知部１７０とを備える。このようにしたので、電圧検出線２１１、２１２、２１３が断線している場合、その断線を確実に検知することができる。

なお、以上説明した実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

１００ 蓄電池監視装置
１１０ 調整側フィルタ回路
１１１、１１２、１１３ 抵抗素子
１１４、１１５ 容量素子
１２０ 測定側フィルタ回路
１２１、１２２、１２３ 抵抗素子
１２４、１２５ 容量素子
１３１、１３２ スイッチ
１４１、１４２、１４３ 測定線
１５１、１５２、１５３ 調整線
１６０ 電圧測定部
１７０ 断線検知部
２００ 組電池
２０１、２０２ 電池セル
２１１、２１２、２１３ 電圧検出線

Claims (1)

1. 蓄電池の正極と負極にそれぞれ接続された一対の電圧検出線とそれぞれ接続された一対の測定線と、
   前記測定線と並列に、前記一対の電圧検出線とそれぞれ接続された一対の調整線と、
   前記一対の測定線の間に接続された第１の容量素子と、
   前記一対の調整線の間に接続された第２の容量素子と、
   前記第２の容量素子の両端間に接続されたスイッチと、を備え、
   前記電圧検出線が断線している場合に、前記スイッチを閉じて所定の短絡時間後に開いた後において前記一対の測定線間の電圧が変化し続けた後に定常状態になるように、前記第１の容量素子の容量値Cmeasおよび前記第２の容量素子の容量値Cbalが設定されており、
   さらに、前記第１の容量素子の容量値Cmeasおよび前記第２の容量素子の容量値Cbalは、前記電圧検出線が断線していない場合の前記一対の測定線間の最大電圧Vmaxおよび前記電圧検出線の断線を検知するための所定のしきい値電圧Vthに基づく下記の式を満たすように設定されており、
   Cmeas / ( Cbal + Cmeas ) < Vth / Vmax
   前記スイッチを閉じて前記短絡時間後に開いた後に、前記一対の測定線間の前記定常状態における電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部により測定された電圧を前記しきい値電圧Vthと比較し、その比較結果に基づいて前記電圧検出線の断線を検知する断線検知部と、をさらに備える蓄電池監視装置。
   

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