JP6793637B2 - 電池管理装置、及び電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される二次電池を管理する電池管理装置、及び電源システムに関する。

近年、ＥＶ(Electric Vehicle)やハイブリッドカーが普及している。車載用の二次電池としてリチウムイオン電池やニッケル水素電池が普及している。二次電池は電圧、電流、温度の管理が必要であり、特にリチウムイオン電池では厳格な管理が要求される。過電圧や過電流が発生すると電池に負担がかかり電池寿命が短くなる。従って電池管理装置は、これらの異常を検出すると、コンタクタを開いて二次電池と車両側を電気的に切り離し、二次電池を保護するよう制御する（例えば、特許文献１参照）。

過電圧検出時のコンタクタの開制御をより確実にするため、二つの過電圧検出回路を並列に設けた冗長構成が用いられることが多い。

特開２００９−１５９７５５号公報

過電圧検出時にコンタクタが開くと、二次電池からモータへの給電が停止するためモータの回転が停止する。エンジンを搭載していない純粋なＥＶの場合、モータが停止するとともに車両走行も停止する。走行中に突然、車両が駆動停止すると他の車両と衝突する可能性があり危険である。従って車両側の要請として電池に異常が発生した場合でも、できるだけ安全な位置で車両を停止させることが求められる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電池に異常が発生した際、車両の安全性を確保しながら電池を保護する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電池管理装置は、車両に搭載されるべき二次電池を管理する電池管理装置であって、前記二次電池と、モータを駆動するインバータとの間の電流経路に挿入されるスイッチを駆動する駆動部と、前記二次電池の異常を検出したとき、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示する第１異常検出部と、前記第１異常検出部と並列に設けられ、前記二次電池の異常を検出したとき、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示する第２異常検出部と、を備える。前記第１異常検出部は、前記車両を管理制御している電子制御部から前記二次電池の放電停止禁止を指示されている場合、前記二次電池の異常を検出しても前記駆動部への前記スイッチのターンオフ指示を保留し、前記第２異常検出部は、前記電子制御部からの指示と無関係に、前記二次電池の異常を検出してから一定時間経過後に、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示する。

本発明によれば、電池に異常が発生した際、車両の安全性を確保しながら電池を保護する。

図１は本発明の実施の形態に係る電源システムを説明するための図である。 図２は図１の第１過電圧検出部と第２過電圧検出部の構成例を示す図である。 図３（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る、電池管理装置の過電圧検出時の動作例を示すタイミングチャートである。 図４は本発明の実施の形態に係る、電池管理装置の過電圧検出時の動作を説明するためのフローチャートである。 図５は踏み切りを通過する際に過電圧が発生した場合の処理例を説明するための図である。 図６は変形例に係る電源システムを説明するための図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源システム１を説明するための図である。電源システム１は車両に搭載され、コンタクタＲＬ及びインバータ２を介してモータ３に接続される。インバータ２は力行時、電源システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。回生時、モータ３から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム１に供給する。コンタクタＲＬは二次電池２０とモータ３との間の電流経路に挿入される。なおコンタクタＲＬは電源システム１と車両側とを電気的に遮断するためのデバイスの一例であり、両者間の電流を遮断できるスイッチ機能を備えるデバイスであれば、他の種類のデバイスを用いてもよい。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４は車両を電子的に管理制御する。例えば車両内の各種センサから車両情報を収集し、当該車両情報に基づき車両内の各種補機に制御信号を出力する。ＥＣＵ４は電源システム１と、ＣＡＮ(Controller Area Network）等の車内ネットワークで接続され、両者の間で制御信号がやりとりされる。

電源システム１は二次電池２０及び電池管理装置１０を備える。二次電池２０は複数の電池セルが直列接続されて形成される。本実施の形態では電池セルとしてリチウムイオン電池を使用することを想定する。リチウムイオン電池の公称電圧は３．６−３．７Ｖであり、モータ３の種類に応じて電池セルの直列数が決定される。リチウムイオン電池では厳密にセルバランスを保つ必要があり、セルごとに電圧が検出される。ニッケル水素電池ではリチウムイオン電池ほど厳密にセル単位で電圧を管理する必要はなく、二次電池２０全体の電圧管理だけでもよい。

電池管理装置１０は第１過電圧検出部１１、第２過電圧検出部１２及び駆動部１３を備える。図１の電池管理装置１０には、本実施の形態において注目する過電圧検出処理に関連する構成のみを描いており、以下、電池管理装置１０による過電圧検出処理を中心に説明する。

駆動部１３は、コンタクタＲＬの開閉状態を制御するための駆動信号を生成して、コンタクタＲＬに供給する。コンタクタＲＬが電磁式リレーで構成される場合、駆動部１３は、コイルを励磁／消磁するための駆動電流を生成して、当該コイルに供給する。

第１過電圧検出部１１と第２過電圧検出部１２は二次電池２０に対して、並列に設けられる。第１過電圧検出部１１は二次電池２０の過電圧を検出したとき、駆動部１３にコンタクタＲＬのオープン（ターンオフ）を指示する。第２過電圧検出部１２も二次電池２０の過電圧を検出したとき、駆動部１３にコンタクタＲＬのオープン（ターンオフ）を指示する。このように過電圧検出部は二重化されており、いずれかに不具合が発生しても過電圧検出が可能である。

本実施の形態では、第１過電圧検出部１１と第２過電圧検出部１２を単純に二重化するのではなく、それぞれに役割分担を持たせている。第１過電圧検出部１１は、ＥＣＵ４から停止禁止を指示されている場合、二次電池２０の過電圧を検出しても、コンタクタオープンを指示する開信号の駆動部１３への出力を保留する。ＥＣＵ４から停止許可を指示されている場合、二次電池２０の過電圧を検出したとき、第１過電圧検出部１１は直ちに上記開信号を駆動部１３に出力する。

一方、第２過電圧検出部１２はＥＣＵ４からの指示と無関係に、二次電池２０の過電圧を検出してから一定時間（例えば１０秒）経過後に、コンタクタオープンを指示する開信号を駆動部１３に出力する。過電圧を検出してから開信号を出力するまでの遅延時間は、二次電池２０の耐圧仕様、車両を安全に停止させるための時間などに基づき設計者により導出された値に設定される。

また本実施の形態では、第１過電圧検出部１１と第２過電圧検出部１２とで制御方法を変えている。前者をソフトウェア制御で構成し、後者をハードウェア制御で構成している。

図２は、図１の第１過電圧検出部１１と第２過電圧検出部１２の構成例を示す図である。図２では第１過電圧検出部１１はマイクロコントローラ１１ａで構成される。マイクロコントローラ１１ａ内には、電圧検出回路、Ａ／Ｄ変換器、ファームウェアに従い動作するＣＰＵが内蔵されている。当該電圧検出回路は二次電池２０の両端電圧を検出し、検出した電圧をＡ／Ｄ変換器に出力する。当該Ａ／Ｄ変換器は、入力されたアナログ電圧をデジタル値に変換してＣＰＵに出力する。当該ＣＰＵには、当該Ａ／Ｄ変換から二次電池２０の電圧値信号が入力され、ＥＣＵ４から放電停止許可／禁止信号が入力される。当該ＣＰＵは当該信号をもとにコンタクタＲＬをオープンするかクローズするかを判定し、開／閉信号を駆動部１３に出力する。

第２過電圧検出部１２は、差動アンプ１２ａ、コンパレータ１２ｂ及び遅延回路１２ｃを用いて構成される。差動アンプ１２ａは二次電池２０の両端電圧を増幅して、コンパレータ１２ｂの一方の入力端子に出力する。コンパレータ１２ｂの他方の入力端子には過電圧検出用の閾値電圧Ｖｔｈが入力される。コンパレータ１２ｂは、入力される二次電池２０の電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えると有意レベル（例えばハイレベル）信号を出力する。二次電池２０の電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下の場合、非有意レベル（例えばローレベル）信号を出力する。遅延回路１２ｃはコンパレータ１２ｂの出力信号を一定時間遅延させて、駆動部１３に出力する。

差動アンプ１２ａ及びコンパレータ１２ｂはそれぞれ、オペアンプと抵抗の組み合わせで構成できる。遅延回路１２ｃは例えば、複数のインバータの縦列接続で構成できる。このように第２過電圧検出部１２はアナログ素子のみで構成される。第２過電圧検出部１２にはＥＣＵ４からの放電停止許可／禁止信号は入力されない。

図３（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る、電池管理装置１０の過電圧検出時の動作例を示すタイミングチャートである。図３（ａ）は、ＥＣＵ４から放電停止許可信号（放電停止許可信号「ＯＫ」）が第１過電圧検出部１１に出力されている場合の例である。この例では第１過電圧検出部１１は過電圧を検出すると遅滞なく、コンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させる。この時点でコンタクタＲＬが開き、二次電池２０からモータ３への放電が停止する。第２過電圧検出部１２は過電圧を検出してから設定時間経過後、コンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させる。この時点から過電圧保護の二重化が成立する。仮に第１過電圧検出部１１に不具合が発生していても、この時点からコンタクタＲＬを開くことができる。

図３（ｂ）は、ＥＣＵ４から放電停止禁止信号（放電停止許可信号「ＮＧ」）が第１過電圧検出部１１に出力されている場合の例である。この例では第１過電圧検出部１１は過電圧を検出してから設定時間経過後、コンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させる。第２過電圧検出部１２も過電圧を検出してから設定時間経過後、コンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させる。この時点でコンタクタＲＬが開き、二次電池２０からモータ３への放電が停止する。またコンタクタＲＬが開いた時点から過電圧保護の二重化が成立する。

なお放電停止禁止信号が第１過電圧検出部１１に入力されている状態では、第１過電圧検出部１１はコンタクタ開閉信号を閉のままに維持する設定でもよい。図３（ｂ）に示すように放電停止禁止信号が第１過電圧検出部１１に入力されている状態でも、設定時間経過後に閉から開に遷移させる設定は、第２過電圧検出部１２に不具合が発生している場合でも、コンタクタＲＬを開くことができるメリットがある。

図３（ｃ）は過電圧発生後に、ＥＣＵ４から第１過電圧検出部１１への指示信号が、放電停止禁止から放電停止許可に切り替わる場合の例である。この例では第１過電圧検出部１１は過電圧を検出しても即座にコンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させず、ＥＣＵ４からの指示信号が放電停止許可に切り替わった時点で開に遷移させる。この時点でコンタクタＲＬが開き、二次電池２０からモータ３への放電が停止する。第２過電圧検出部１２は過電圧を検出してから設定時間経過後、コンタクタ開閉信号を閉から開に遷移させる。この時点から過電圧保護の二重化が成立する。

図４は、本発明の実施の形態に係る、電池管理装置１０の過電圧検出時の動作を説明するためのフローチャートである。電池管理装置１０は、ＥＣＵ４から走行開始を指示されるとコンタクタＲＬを閉じる（Ｓ１０）。電池管理装置１０は過電圧を検出すると（Ｓ２０のＹ）、ＥＣＵ４からの放電停止信号が許可（ＯＫ）であるか禁止（ＮＧ）であるかを確認する（Ｓ３０）。許可（ＯＫ）であれば（Ｓ３０のＹ）、直ちにコンタクタＲＬを開く（Ｓ５０）。禁止（ＮＧ）であれば（Ｓ３０のＮ）、設定時間が経過した後（Ｓ４０のＹ）、コンタクタＲＬを開く（Ｓ５０）。

以下、ＥＣＵ４が放電停止許可信号を出力するか放電停止禁止信号を出力するか判定する判定基準の例を説明する。最もシンプルな例では車両が停止中の場合に放電停止許可信号を出力し、車両が走行中の場合に放電停止禁止信号を出力する。車両が停止中の場合、二次電池２０からモータ３への放電が停止しても比較的安全である。一方、走行中にモータ３が突然停止すると安全性が確保できない。

図５は、踏み切りを通過する際に過電圧が発生した場合の処理例を説明するための図である。踏み切りの通過に先立ち、停止線の前で車両Ｖ１が停止している状態で過電圧が発生した場合、本実施の形態ではＥＣＵ４から第１過電圧検出部１１に放電停止許可信号が出力されているため、電池管理装置１０はコンタクタＲＬを直ちに開き、放電を停止させる。

踏み切りの通過中に突然、走行停止してしまうと危険である。踏み切りの通過中に過電圧が発生した場合、本実施の形態ではＥＣＵ４から第１過電圧検出部１１に放電停止禁止信号が出力されているため、電池管理装置１０は設定時間経過後にコンタクタＲＬを開く。過電圧発生から放電停止まで例えば１０秒程度の余裕があれば、踏み切りの通過を完了し、踏み切り内から脱出できる。

上述の判定基準の別の例として車両速度が設定値（例えば時速１０ｋｍ）以下の場合に放電停止許可信号を出力し、設定値を超える場合に放電停止禁止信号を出力してもよい。低速であれば相対的に危険度が低下するため電池保護を優先させる設計も可能である。また別の例として、直進中の場合は放電停止許可信号を出力し、カーブ中の場合は放電停止禁止信号を出力してもよい。カーブ中は対向車との衝突の可能性もあるため、直進中より危険度が上がる。従ってカーブが終了するに必要な時間は車両走行を停止させない設計とする。

以上説明したように本実施の形態によれば、危険度の高い状態では二次電池２０で過電圧が発生しても、直ぐに放電を停止せずに一定時間経過後に放電を停止させる。これにより車両が危険な状態で突然停止することを防止でき、車両の安全性と電池保護のバランスを図ることができる。また過電圧検出部を冗長化していることにより、二次電池２０の過電圧状態において充放電されることを、より確実に防止できる。

また過電圧検出部を二重化する際、一方をソフトウェア制御とし、他方をハードウェア制御とすることにより、両方の機能が停止する確率をより低下させることができる。またＥＣＵ４からの放電停止許可／禁止信号を、ソフトウェア制御している過電圧検出部の方に入力することにより、回路設計が複雑になることを抑制できる。前者ではマイクロコントローラの外部入力ポートにＥＣＵ４からの信号を入力するだけでよいが、後者では追加でＡＮＤ回路などの素子を設ける必要がある。従ってＥＣＵ４からの信号を前者に入力した方が、回路規模およびコストの増大を抑制できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の説明では二次電池２０全体の過電圧検出を例に説明したが、各セル電池の過電圧検出の場合も同じである。リチウムイオン電池が使用される場合、セル単位で過電圧が検出される。この場合、第２過電圧検出部１２はセル電池ごとに設ける必要がある。第１過電圧検出部１１はＡＳＩＣなどを用いて、複数のセル電池の電圧検出部をパッケージ化することができる。

上述の説明では過電圧検出部を二重化する例を説明した。その点、その他の電池異常を検出する検出部を二重化し、上述の処理を適用することも可能である。

図６は、変形例に係る電源システム１を説明するための図である。図６では過電流検出部を二重化する構成を示している。過電流を検出するために、二次電池２０と直列に第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を設ける。第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２はシャント抵抗で構成される。第１過電流検出部１５は第１抵抗Ｒ１の両端電圧から二次電池２０に流れる電流を検出し、過電流を検出する。第２過電流検出部１６は第２抵抗Ｒ２の両端電圧から二次電池２０に流れる電流を検出する。第１過電流検出部１５及び第２過電流検出部１６も、第１過電圧検出部１１及び第２過電圧検出部１２と同様に、前者をソフトウェア制御、後者をハードウェア制御とし、ＥＣＵ４からの放電停止許可／禁止信号は前者のみに入力する。なお第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２の代わりにホール素子を使用してもよい。

また、二次電池２０の温度異常を検出するためにサーミスタを２つ設け、温度異常検出部を二重化してもよい。また、二次電池２０の電圧低下異常を検出する検出部を二重化してもよい。

１ 電源システム、 ２ インバータ、 ３ モータ、 ４ ＥＣＵ、 １０ 電池管理装置、 １１ 第１過電圧検出部、 １１ａ マイクロコントローラ、 １２ 第２過電圧検出部、 １２ａ 差動アンプ、 １２ｂ コンパレータ、 １２ｃ 遅延回路、 １３ 駆動部、 １５ 第１過電流検出部、 １６ 第２過電流検出部、 ＲＬ コンタクタ、 Ｒ１ 第１抵抗、 Ｒ２ 第２抵抗、 ２０ 二次電池、 Ｖ１ 車両。

Claims (4)

1. 車両に搭載されるべき二次電池を管理する電池管理装置であって、
   前記二次電池と、モータを駆動するインバータとの間の電流経路に挿入されるスイッチを駆動する駆動部と、
   前記二次電池の異常を検出したとき、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示する第１異常検出部と、
   前記第１異常検出部と並列に設けられ、前記二次電池の異常を検出したとき、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを一定時間遅延させて指示する第２異常検出部と、を備え、
   前記第１異常検出部は、前記車両を管理制御している電子制御部から指示される前記二次電池の放電停止許可および放電停止禁止に応じて前記駆動部への前記スイッチのターンオフ指示を制御し、前記二次電池の放電停止禁止を指示されている場合、前記二次電池の異常を検出しても前記駆動部への前記スイッチのターンオフ指示を保留し、
   前記第２異常検出部は、前記電子制御部からの指示と無関係に、前記二次電池の異常を検出してから一定時間経過後に、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示し、
   前記第１異常検出部は、前記電子制御部から前記二次電池の放電停止禁止を指示されている状態から放電停止許可に切り替わった場合、前記放電停止許可に切り替わった時点で前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示することを特徴とする電池管理装置。
2. 前記第１異常検出部は、前記電子制御部から前記二次電池の放電停止禁止を指示されている場合、前記二次電池の異常を検出してから前記一定時間経過後に、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示することを特徴とする請求項１に記載の電池管理装置。
3. 前記第１異常検出部および前記第２異常検出部は、前記二次電池の過電圧を検出したとき、前記駆動部に前記スイッチのターンオフを指示する第１過電圧検出部および第２過電圧検出部であり、
   前記第１過電圧検出部は、
   前記二次電池の電圧、及び前記電子制御部からの信号が入力され、前記駆動部に指示信号を出力するマイクロコントローラを有し、
   前記第２過電圧検出部は、
   前記二次電池の電圧と過電圧検出用電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器の出力信号を前記一定時間遅延させる遅延回路と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池管理装置。
4. 車両に搭載されるべき二次電池と、
   前記二次電池を管理する請求項１から３のいずれかに記載の電池管理装置と、
   を備えることを特徴とする電源システム。

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