JP7240972B2 - 断線検知装置および断線検知方法 - Google Patents

断線検知装置および断線検知方法 Download PDF

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Description

開示の実施形態は、断線検知装置および断線検知方法に関する。
複数の電池セルが直列に接続された組電池は、いずれかの電池セルが過充電状態になると故障することがある。このため、最も電圧が高い電池セルを基準に充電量を決めると、電圧の低い電池セルがある場合、該電圧の低い電池セルが充電不足になる虞がある。そこで、組電池の各電池セルのセル電圧を監視し、電池間の電圧差を均等化させてセル電圧をバランシングする装置がある。
ただし、セル電圧をバランシングする装置は、電池セルの電圧検出線が断線した場合、セル電圧を監視することができず、その結果、セル電圧をバランシングすることができなくなる。そこで、電圧検出線の電圧を監視し、電圧検出線の電圧が所定の閾値以下まで低下した場合に、電圧検出線が断線したと判定する装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０－２５９２５号公報
しかしながら、従来の技術では、電池セルのセル電圧が大きく低下する場合、電圧検出線に断線が発生していないにもかかわらず、電圧検出線が断線したと誤判定することがある。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、組電池の各電池セルに接続される電圧検出線の断線を誤判定することなく検知することができる断線検知装置および断線検知方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る断線検知装置は、ＣＲフィルタと、放電回路と、検知部とを備える。ＣＲフィルタは、電池セルが直列に接続された組電池の前記電池セル毎に設けられる。放電回路は、前記電池セルと前記ＣＲフィルタとの間に接続され、前記電池セルのセル電圧をバランシングする場合に前記電池セルを放電させる。検知部は、直列に接続される２つの前記電池セルを順次放電させ、各前記電池セルの放電終了から所定時間経過後に、前記２つの電池セルの接続点電圧を検出する検出線の電圧を順次検出し、検出した２つの前記電圧の差分に基づいて、前記検出線の断線を検知する。
実施形態の一態様に係る断線検知装置および断線検知方法によれば、組電池の各電池セルに接続される電圧検出線の断線を誤判定することなく検知することができる。
図１は、実施形態に係る断線検知装置の回路構成例を示す説明図である。 図２は、実施形態の対比例に係る非断線時の断線検知装置の動作説明図である。 図３は、実施形態の対比例に係る断線時の断線検知装置の動作説明図である。 図４は、実施形態の対比例に係る非断線時と断線時との入力電圧の推移を示す説明図である。 図５は、実施形態に係る非断線時の入力電圧の推移を示す説明図である。 図６は、実施形態に係る断線時の入力電圧の推移を示す説明図である。
以下、添付図面を参照して、断線検知装置および断線検知方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。図１は、実施形態に係る断線検知装置の回路構成例を示す説明図である。
図１に示すように、実施形態に係る断線検知装置１は、複数（ここでは２つ）の電池セルＢ１，Ｂ２が直列に接続された組電池の電池セルＢ１，Ｂ２のセル電圧を均等にするバランシング回路２と、検知部３と、フィルタ回路４とを備える。
バランシング回路２は、組電池の電池セルＢ１，Ｂ２毎に設けられる放電回路を備える。また、電池セルＢ１，Ｂ２には、ＣＲフィルタであるフィルタ回路４が接続される。具体的には、電池セルＢ１（以下、「第１セルＢ１」と記載する）には、第１抵抗Ｒ１と第１コンデンサＣ１とによって形成されるＣＲフィルタが接続される。
第１抵抗Ｒ１は、第１セルＢ１の正極と検知部３との間に直列接続される。第１コンデンサＣ１は、一方の端子が第１抵抗Ｒ１と検知部３とを接続する接続線に接続され、他方の端子が第２抵抗Ｒ２を介して第１セルＢ１の負極に接続されると共に、検知部３にも接続される。
そして、電池セルＢ２（以下、「第２セルＢ２」と記載する）には、第３抵抗Ｒ３と第２コンデンサＣ２とによって形成されるＣＲフィルタが接続される。第３抵抗Ｒ３は、第２セルＢ２の正極と検知部３との間に直列接続される。第２コンデンサＣ２は、一方の端子が第３抵抗Ｒ３と検知部３とを接続する接続線に接続され、他方の端子が第１抵抗Ｒ１と検知部３とを接続する接続線に接続される。
また、バランシング回路２は、第１セルＢ１および第２セルＢ２のセル電圧をバランシングする場合に、第１セルＢ１および第２セルＢ２を個別に放電させる放電回路を備える。具体的には、第１セルＢ１の放電回路は、第１セルＢ１と第１セルＢ１のＣＲフィルタとの間に設けられ、直列接続される第４抵抗Ｒ４と第１スイッチＳＷ１とが第１セルＢ１に対して並列接続される。
また、第２セルＢ２の放電回路は、第２セルＢ２と第２セルＢ２のＣＲフィルタとの間に設けられ、直列接続される第５抵抗Ｒ５と第２スイッチＳＷ２とが第２セルＢ２に対して並列接続される。
検知部３は、第１セルＢ１の正極に接続される第１電圧検出線Ｌ１、第１セルＢ１の負極に接続される第２電圧検出線Ｌ２、および第２セルＢ２の正極に接続される第３電圧検出線Ｌ３の電圧を検出して第１セルＢ１および第２セルＢ２のセル電圧を監視する。
そして、検知部３は、例えば、第１セルＢ１の電圧が第２セルＢ２の電圧よりも所定電圧以上高くなる場合に、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦからＯＮにして第１セルＢ１を放電させることによって、セル電圧のバランシングを行う。
また、検知部３は、例えば、第２セルＢ２の電圧が第１セルＢ１の電圧よりも所定電圧以上高くなる場合に、第２スイッチＳＷ２をＯＦＦからＯＮにして第２セルＢ２を放電させることによって、セル電圧のバランシングを行う。
かかる検知部３は、第１電圧検出線Ｌ１、第２電圧検出線Ｌ２、および第３電圧検出線Ｌ３のうちのいずれかが断線した場合、セル電圧を監視することができない。このため、検知部３は、例えば、定期的に第１電圧検出線Ｌ１、第２電圧検出線Ｌ２、および第３電圧検出線Ｌ３が断線しているか否かの判定を行う。
ここで、図２～図４を参照し、実施形態の対比例に係る断線検知装置の動作と、検出線電圧の推移について説明する。図２は、実施形態の対比例に係る非断線時の断線検知装置の動作説明図である。図３は、実施形態の対比例に係る断線時の断線検知装置の動作説明図である。図４は、実施形態の対比例に係る非断線時と断線時との入力電圧の推移を示す説明図である。
対比例に係る一般的な検知部は、例えば、第１電圧検出線Ｌ１が断線しているか否かを判定する場合、第１スイッチＳＷ１をＯＮにして第１セルＢ１を放電させる。このとき、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ、図２に破線矢印で示すように、第１セルＢ１の正極から第１電圧検出線Ｌ１、第４抵抗Ｒ４、第１スイッチＳＷ１、および第２電圧検出線Ｌ２を経由して第１セルＢ１の負極へ電流が流れる経路が形成される。
これにより、図４に示すように、例えば、時刻ｔ１に第１スイッチＳＷ１をＯＮにすると、第１セルＢ１が放電されるので、その分、入力電圧Ｖが低下する。このとき、電流が流れる経路は、主にハーネスであり経路抵抗が小さい。このため、入力電圧Ｖの電圧低下は、数１０ｍＶと小さい。
このため、対比例に係る一般的な検知部は、例えば、時刻ｔ１に第１スイッチＳＷ１をＯＮにしてから所定時間が経過した時刻ｔ２の時点で、入力電圧Ｖが断線検出閾値を下回っていない場合に、第１電圧検出線Ｌ１が断線していないと判定する。その後、検知部は、時刻ｔ３に第１スイッチＳＷ１をＯＦＦにする。
これに対して、第１電圧検出線Ｌ１が断線している場合、図３に一点鎖線矢印で示すように、第２セルＢ２の正極から、第３抵抗Ｒ３、第２コンデンサＣ２、第１抵抗Ｒ１、第４抵抗Ｒ４、第１スイッチＳＷ１を経由して第１セルＢ１の負極へ電流が流れる。このとき、第１コンデンサＣ１から、第１抵抗Ｒ１、第４抵抗Ｒ４、第１スイッチＳＷ１を経由して第１セルＢ１の負極へ電流が流れる経路も形成される。
これにより、図４に示すように、例えば、時刻ｔ４に第１電圧検出線Ｌ１が断線した場合、検知部が時刻ｔ５に第１スイッチＳＷ１をＯＮにすると、第１コンデンサＣ１から第１セルＢ１の負極へ放電されるので、入力電圧Ｖが大きく低下する。
このため、対比例に係る一般的な検知部は、時刻ｔ５に第１スイッチＳＷ１をＯＮにしてから所定時間が経過した時刻ｔ６の時点で入力電圧Ｖが断線検出閾値を下回っていた場合に、第１電圧検出線Ｌ１が断線していると判定する。
しかしながら、対比例に係る一般的な検知部は、断線検出閾値がセル低電圧（過放電）閾値より十分に低くない場合、第１電圧検出線Ｌ１が断線していない場合に、セル電圧が下限値付近まで低下すると、第１電圧検出線Ｌ１の断線と誤判定する可能性がある。
具体的には、セルバランシング用の放電回路は、ＣＲフィルタの第１コンデンサＣ１を直接放電する訳ではないので、放電中の入力電圧Ｖは、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の分圧で決まる。このため、セル電圧が高い条件では放電中でも入力電圧Ｖが１Ｖ以下にならない可能性がある。
また、セル低電圧の閾値は、セルの仕様で決まり、リチウムイオンバッテリでは、一般的に１Ｖ～２Ｖ程度である。このため、低電圧検出閾値と断線検出閾値とが近い場合、セル電圧下限値付近では、断線が発生していなくても放電の電圧低下を断線と誤判定する懸念がある。
また、対比例に係る一般的な検知部は、入力電圧Ｖのそのものを断線診断の判定値に使っているので、セル電圧の変動に応じて、判定基準となる断線検出閾値の値も変動させなければ、断線の誤判定を防止することができない。しかしながら、セル電圧の上限を想定して断線検出閾値が１Ｖ以上にしてしまうと、断線検出閾値を低電圧検出閾値より十分低くすることができない。
このため、セル電圧の変動範囲全域で誤判定なく正確に断線を検知可能な断線検出方法が必要である。そこで、本実施形態では、セル電圧の高低に影響されない断線の検知方法として、断線時には第１セルＢ１および第２セルＢ２を放電しても、放電終了後に入力電圧Ｖが放電前の電圧に戻らない現象を利用して第１電圧検出線Ｌ１の断線を検知する。
検知部３は、断線の診断箇所を挟んで上下に隣接する第１セルＢ１および第２セルＢ２を交互に順次放電して各放電の終了から所定時間経過後における第１セルＢ１および第２セルＢ２の接点電圧に対応する入力電圧Ｖ１、Ｖ２を取得する。このとき、第１電圧検出線Ｌ１が導通していれば、入力電圧Ｖ１、Ｖ２はどちらもほぼ放電前のセル電圧に戻っており、入力電圧Ｖ１および入力電圧Ｖ２の差分の絶対値｜Ｖ１－Ｖ２｜は、数ｍＶから数１００ｍＶ程度に収束する。
これに対して、第１電圧検出線Ｌ１が断線（非導通）している場合、放電終了から所定時間が経過しても、入力電圧Ｖ１、Ｖ２はほぼ放電終了時の電圧で、｜Ｖ１－Ｖ２｜は少なくとも１セル分の電圧以上になる。そこで、検知部３は、｜Ｖ１－Ｖ２｜が断線検出閾値を超える場合に、第１電圧検出線Ｌ１の断線と判定する。
ただし、断線検知閾値は、第１電圧検出線Ｌ１が断線していない場合に、放電終了後にセル電圧が戻ることが予想される放電前のセル電圧の設計値にマージンを加えた電圧の振れ幅よりも大きく、１つの電池セルにおいて変動可能なセル電圧の最大振れ幅よりも小さい値とする。また、上記した所定時間は、回路の時定数によって決まる確定時間である。
次に、図２、図３および図５、図６を参照し、実施形態に係る非断線時および断線時の断線検知装置の動作、および実施形態に係る非断線時および断線時の入力電圧の推移について説明する。
図５は、実施形態に係る非断線時の入力電圧の推移を示す説明図である。図６は、実施形態に係る断線時の入力電圧の推移を示す説明図である。
検知部３は、第１電圧検出線Ｌ１が断線しているか否かを判定する場合、まず、第１スイッチＳＷ１をＯＮにし、その後、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦにする。そして、所定時間経過後の入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ１として検出する。
このとき、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ、図２に破線矢印で示すように、第１セルＢ１の正極から、第１電圧検出線Ｌ１、第４抵抗Ｒ４、第１スイッチＳＷ１、第２電圧検出線Ｌ２を経由して、第１セルＢ１の負極へ電流が流れる。
さらに、検知部３は、第２スイッチＳＷ２をＯＮにし、その後、第２スイッチＳＷ２をＯＦＦにする。そして、所定時間経過後の入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ２として検出する。このとき、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ、図２に破線矢印で示すように、第２セルＢ２の正極から、第３電圧検出線Ｌ３、第５抵抗Ｒ５、第２スイッチＳＷ２、第１電圧検出線Ｌ１を経由して、第２セルＢ２の負極へ電流が流れる。
かかる一連の動作を行った場合、入力電圧Ｖは、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ、図５に太実線で示すように推移する。具体的には、図５に示すように、入力電圧Ｖは、第１スイッチＳＷ１をＯＮにする前は、第１セルＢ１のセル電圧に比例した電圧となっている。
その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ１１に第１スイッチＳＷ１がＯＮにされると、第１セルＢ１の放電により小さく低下するが、時刻ｔ１２に第１スイッチＳＷ１がＯＦＦにされると、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ上昇する。
そして、入力電圧Ｖは、第１セルＢ１の放電が終了する時刻ｔ１２から所定時間経過後の時刻ｔ１３には、ほぼ放電前の第１セルＢ１のセル電圧まで上昇する。検知部３は、この時刻ｔ１３における入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ１として検出する。
その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ１４に第２スイッチＳＷ２がＯＮにされると、第２セルＢ２の放電により小さく上昇するが、時刻ｔ１５に第２スイッチＳＷ２がＯＦＦにされると、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ低下する。
そして、入力電圧Ｖは、第２セルＢ２の放電が終了する時刻ｔ１５から所定時間経過後の時刻ｔ１６には、ほぼ放電前の第１セルＢ１のセル電圧まで低下する。検知部３は、この時刻ｔ１６における入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ２として検出する。
このように、入力電圧Ｖは、第１電圧検出線Ｌ１が断線していなければ、第１セルＢ１の放電終了から所定時間経過後、および第２セルＢ２の放電終了から所定時間経過後には、放電前の第１セルＢ１のセル電圧とほぼ同じ電圧まで戻る。
そこで、検知部３は、上記した入力電圧Ｖ１および入力電圧Ｖ２の差分の絶対値である｜Ｖ１－Ｖ２｜が断線検出閾値以下の場合に、第１電圧検出線Ｌ１が断線していないと判定する。
これに対して、第１電圧検出線Ｌ１が断線している場合、第１スイッチＳＷ１がＯＮにされると、図３に一点鎖線矢印で示す経路に電流が流れる。具体的には、電流は、第２セルＢ２の正極から、第３電圧検出線Ｌ３、第２コンデンサＣ２、第１抵抗Ｒ１、第４抵抗Ｒ４、第１スイッチＳＷ１、第２電圧検出線Ｌ２を経由して、第１セルＢ１の負極へ流れる。
その後、第１スイッチＳＷ１がＯＦＦにされた後、第２スイッチＳＷ２がＯＮにされると、図３に破線矢印で示す経路に電流が流れる。具体的には、電流は、第２セルＢ２の正極から、第３電圧検出線Ｌ３、第５抵抗Ｒ５、第２スイッチＳＷ２、第１抵抗Ｒ１、第１コンデンサＣ１、第２抵抗Ｒ２、第２電圧検出線Ｌ２を経由して、第１セルＢ１の負極へ電流が流れる。
この場合、入力電圧Ｖは、図６に太実線で示すように推移する。具体的には、図６に示すように、入力電圧Ｖは、例えば、時刻ｔ２１に第１電圧検出線Ｌ１が断線した場合、第１セルＢ１から第１コンデンサＣ１へ電圧が印加されなくなるため、時刻ｔ２１から徐々に低下し始める。その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ２２に第１スイッチＳＷ１がＯＮにされると、第１コンデンサＣ１が放電するため大きく低下する。
その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ２３に第１スイッチＳＷ１がＯＦＦにされても、第１電圧検出線Ｌ１が断線しており、第１セルＢ１から第１コンデンサＣ１へ電圧が印加されることがないため、ほぼ放電終了時の電圧に維持される。そこで、検知部３は、第１スイッチＳＷ１がＯＦＦにされて放電が終了する時刻ｔ２３から所定時間経過後の時刻ｔ２４における入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ１として検出する。
その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ２５に第２スイッチＳＷ２がＯＮにされると、第２セルＢ２から第１コンデンサＣ１へ電圧が印加されるため、大きく上昇する。その後、入力電圧Ｖは、時刻ｔ２６に第２スイッチＳＷ２がＯＦＦにされても、第１電圧検出線Ｌ１が断線しており、第１コンデンサＣ１がフローティング状態となっているため、ほぼ放電終了時の電圧に維持される。
そこで、検知部３は、第２スイッチＳＷ２がＯＦＦにされて放電が終了する時刻ｔ２６から所定時間経過後の時刻ｔ２７における入力電圧Ｖを入力電圧Ｖ２として検出する。このように、第１電圧検出線Ｌ１が断線していれば、第１セルＢ１の放電動作終了から所定時間経過後の入力電圧Ｖ１と第２セルＢ２の放電動作終了から所定時間経過後の入力電圧Ｖ２との差分の絶対値は、少なくとも１セル分のセル電圧の振れ幅より大きくなる。
そこで、検知部３は、上記した入力電圧Ｖ１および入力電圧Ｖ２の差分の絶対値である｜Ｖ１－Ｖ２｜が断線検出閾値を超える場合に、第１電圧検出線Ｌ１が断線していると判定する。
かかる断線判定を行う場合、入力電圧Ｖ１、Ｖ２の値は、第１セルＢ１および第２セルＢ２の充電状態（セル電圧）に応じて変動するが、入力電圧Ｖ１、Ｖ２の値によらず、第１電圧検出線Ｌ１が断線していれば、｜Ｖ１－Ｖ２｜が断線検出閾値を超える。このため、検知部３は、セル電圧の変動範囲全域で誤判定なく正確に断線を判定することができる。
なお、ここまで、第１電圧検出線Ｌ１の断線を判定する方法について説明したが、検知部３は、対比例に係る断線判定方法と同一の方法により、第２電圧検出線Ｌ２および第３電圧検出線Ｌ３の断線を正確に判定することもできる。
具体的には、第２電圧検出線Ｌ２が断線している場合、検知部３が第１スイッチＳＷ１をＯＮにすると、第１コンデンサＣ１の両端子間の電位差が略０Ｖとなる。このため、検知部３は、第１コンデンサＣ１の両端子間電圧が等しくなる場合に、組電池の負極の電圧を検出する第２電圧検出線Ｌ２が断線していると正確に判定することができる。
同様に、第３電圧検出線Ｌ３が断線している場合、検知部３が第２スイッチＳＷ２をＯＮにすると、第２コンデンサＣ２の両端子間の電位差が略０Ｖとなる。このため、検知部３は、第２コンデンサＣ２の両端子間電圧が等しくなる場合に、組電池の正極の電圧を検出する第３電圧検出線Ｌ３が断線していると正確に判定することができる。
また、断線検知装置１は、既存のバランシング回路２を使用して、第１電圧検出線Ｌ１、第２電圧検出線Ｌ２、および第３電圧検出線Ｌ３の断線を判定するので、断線検知用のソフトウェアを追加するだけでハード構成を変更せずに断線を判定することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 断線検知装置
２ バランシング回路
３ 検知部
４ フィルタ回路
Ｂ１ 第１セル
Ｂ２ 第２セル
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｒ１ 第１抵抗
Ｒ２ 第２抵抗
Ｒ３ 第３抵抗
Ｒ４ 第４抵抗
Ｒ５ 第５抵抗
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
Ｌ１ 第１電圧検出線
Ｌ２ 第２電圧検出線
Ｌ３ 第３電圧検出線

Claims (6)

  1. 電池セルが直列に接続された組電池の前記電池セル毎に設けられるＣＲフィルタと、
    前記電池セルと前記ＣＲフィルタとの間に接続され、前記電池セルのセル電圧をバランシングする場合に前記電池セルを放電させる放電回路と、
    直列に接続される２つの前記電池セルを順次放電させ、各前記電池セルのそれぞれの放電終了から所定時間経過後に、前記２つの電池セルの接続点電圧を検出する検出線の電圧を順次検出し、検出した２つの前記電圧の差分に基づいて、前記検出線の断線を検知する検知部と
    を備えることを特徴とする断線検知装置。
  2. 前記検知部は、
    前記電圧の差分の絶対値が予め定める閾値を超える場合に、前記検出線の断線と判定する
    ことを特徴とする請求項１に記載の断線検知装置。
  3. 前記閾値は、
    １つの前記電池セルにおいて変動可能なセル電圧の最大振れ幅未満である
    ことを特徴とする請求項２に記載の断線検知装置。
  4. 前記検知部は、
    前記組電池の正極となる電極を備える前記電池セルを放電させて前記ＣＲフィルタにおけるコンデンサの両端電圧が等しくなる場合に、前記正極の電圧を検出する検出線の断線と判定する
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の断線検知装置。
  5. 前記検知部は、
    前記組電池の負極となる電極を備える前記電池セルを放電させて前記ＣＲフィルタにおけるコンデンサの両端電圧が等しくなる場合に、前記負極の電圧を検出する検出線の断線と判定する
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の断線検知装置。
  6. 電池セルが直列に接続された組電池と、前記電池セル毎に設けられるＣＲフィルタとの間に接続され、前記電池セルのセル電圧をバランシングする場合に前記電池セルを放電させる放電回路によって、２つの直列に接続される前記電池セルを順次放電させる工程と、
    各前記電池セルのそれぞれの放電終了から所定時間経過後に、前記２つの直列に接続される電池セルの接続点電圧を検出する検出線の電圧を順次検出する工程と、
    検出した２つの前記電圧の差分に基づいて、前記検出線の断線を検知する工程と
    を含むことを特徴とする断線検知方法。
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