JP7293714B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電池セルの直列接続体を有する組電池に適用される電圧検出装置に関する。
この種の電圧検出装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、ダブルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置が知られている。この装置では、複数の電池セルが分割されることにより構成された各検出ブロックの電圧を、2個のキャパシタをそれぞれ用いて検出する。各検出ブロックは、少なくとも1個の電池セルを含み、各キャパシタは、それぞれ異なる検出ブロックの電圧を同時に取得する。上記装置では、同時に取得された2つの電圧に基づいて2個のキャパシタのいずれかのリーク故障を判定する。
特開2017-156297号公報
フライングキャパシタ方式の電圧検出装置として、ダブルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置の他に、シングルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置が知られている。シングルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置では、キャパシタが1個しか存在しないため、同時に2つの電圧を取得できず、上記特許文献1の技術によりキャパシタのリーク故障を判定できない。フライングキャパシタを構成するキャパシタの数によらず、キャパシタのリーク故障を判定できる技術が望まれている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フライングキャパシタを構成するキャパシタのリーク故障を適切に判定できる電圧検出装置を提供することにある。
上記課題を解決するための第1の手段は、複数の電池セルの直列接続体を有する組電池に適用される電圧検出装置であって、複数の前記電池セルが分割されることにより複数の検出ブロックが構成され、前記各検出ブロックが少なくとも1個の前記電池セルを含み、キャパシタと、前記各検出ブロックを前記キャパシタに並列接続し、前記各検出ブロックと前記キャパシタとの間を開閉する入力側スイッチと、前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出部と、前記キャパシタと前記電圧検出部との間を開閉する出力側スイッチと、前記出力側スイッチを開状態とするとともに前記入力側スイッチを閉状態とし、前記キャパシタを前記複数の検出ブロックのうちの1個である特定検出ブロックにより充電するキャパシタ充電部と、前記キャパシタ充電部により前記キャパシタが充電された後に、前記入力側スイッチを開状態とするとともに前記出力側スイッチを閉状態とし、前記入力側スイッチが開状態とされてから第1期間が経過した後の前記キャパシタの電圧である第1電圧を取得する第1電圧取得部と、前記第1電圧が取得されてから第2期間が経過した後の前記キャパシタの電圧である第2電圧を取得する第2電圧取得部と、前記第1電圧と前記第2電圧とに基づいて前記キャパシタのリーク故障を判定する故障判定部と、を備える。
上記構成によれば、特定検出ブロックにより充電されたキャパシタの電圧を異なるタイミングで取得し、取得した2つの電圧に基づいてそのキャパシタのリーク故障を判定する。このため、フライングキャパシタを構成するキャパシタの数によらず、キャパシタのリーク故障を判定でき、フライングキャパシタを構成するキャパシタのリーク故障を適切に判定できる。
第2の手段では、前記第1電圧が取得されてから前記第2電圧が取得されるまでの前記第2期間において、前記出力側スイッチを開状態とする状態制御部を備える。
上記構成によれば、第2期間において、キャパシタから電圧検出装置側への放電を抑制できる。つまり、キャパシタからのリーク放電以外の放電を抑制できる。これにより、キャパシタのリーク故障を精度よく判定できる。
第3の手段では、前記故障判定部は、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差が閾値よりも大きい場合に前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定し、前記閾値は、前記第1電圧及び前記第2期間のうち少なくとも一方に基づいて設定される。
キャパシタからのリーク放電量は、第1電圧が大きいほど大きく、第2期間が長いほど大きくなり、これにより第1電圧と第2電圧との電圧差が大きくなる。上記構成によれば、キャパシタのリーク故障の判定に用いられる閾値が第1電圧及び第2期間のうち少なくとも一方に基づいて設定される。そのため、第1電圧又は第2期間によらず閾値が一定に設定される場合に比べて、リーク故障を精度よく判定できる。
第4の手段では、前記第1電圧に基づいて前記特定検出ブロックの電圧を取得するブロック電圧取得部を備える。
上記構成によれば、キャパシタのリーク故障判定のために取得される第1電圧に基づいて特定検出ブロックの電圧が取得される。そのため、特定検出ブロックの電圧を取得するために、第1電圧及び第2電圧とは別にキャパシタの電圧を検出する必要がなく、装置全体の制御を簡略化できる。
第5の手段では、前記故障判定部により前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に、リーク故障が発生していないと判定された場合と比較して前記第1期間を短く設定する第1期間設定部を備える。
キャパシタにリーク故障が発生している場合、第1期間が短いほど、キャパシタからのリーク放電量は少なくなり、リーク故障が特定検出ブロックの取得電圧値に与える影響は小さくなる。上記構成によれば、キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に第1期間を短くするので、特定検出ブロックの電圧を精度よく取得でき、取得された電圧に基づいて、特定検出ブロックの残容量を精度よく推定できる。
第6の手段では、前記故障判定部により前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に、リーク故障が発生していないと判定された場合と比較して前記第2期間を長く設定する第2期間設定部を備える。
キャパシタにリーク故障が発生している場合、第2期間が長いほど、キャパシタからのリーク放電量は多くなり、このリーク放電量を用いてキャパシタのリーク度合を推定できる。上記構成によれば、キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に第2期間を長くするので、キャパシタのリーク故障の程度を精度よく判定でき、推定されたリーク度合に基づいて例えばキャパシタの交換の要否を判定できる。
第1実施形態に係る電源システムを示す図。 電圧検出処理の手順を示すフローチャート。 第2期間と閾値との関係を示す図。 第1実施形態に係る電圧検出処理のタイムスケジュールを示す図。 電圧検出処理の一例を示すタイムチャート。 リーク故障が発生した場合の電圧検出処理の一例を示すタイムチャート。 リーク度合とリーク放電量との関係を示す図。 第2実施形態に係る電源システムを示す図。 第2実施形態に係る電圧検出処理のタイムスケジュールを示す図。 リーク故障が発生した場合の電圧検出処理の別例を示すタイムチャート。
(第1実施形態)
以下、本発明に係る電圧検出装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る電圧検出装置20は、例えばハイブリッド自動車又は電気自動車に搭載される電源システム100に適用される。
図1に示すように、本実施形態の電源システム100は、組電池10と、フライングキャパシタ方式の電圧検出装置20とを備える。
組電池10は、車両の図示しない走行用の回転電機を含む車載電気負荷の電力供給源となる。組電池10は、単電池としての電池セルの直列接続体を備えており、端子間電圧が例えば数百Vとなるものである。電池セルとしては、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素蓄電池等の蓄電池を用いることができる。
本実施形態では、組電池10を構成する電池セルのうち、少なくとも2個の電池セルの直列接続体が一体化されることにより、電池モジュールBが構成される。組電池10は、複数の電池モジュールBの直列接続体を有する。本実施形態では、説明の便宜上、組電池10が8個の電池モジュールBを備えることとする。以降、本実施形態では、組電池10を構成する電池モジュールBのうち、最も高電位側の電池モジュールBから順に、第1電池モジュールB1、第2電池モジュールB2、…、第8電池モジュールB8と称すこととする。各電池モジュールB1~B8は、互いに同数の電池セルを備えており、定格電圧が互いに同一である。
本実施形態では、各電池モジュールB1~B8が第1~第6検出ブロックA1~A6に分割される。各検出ブロックA1~A6は、少なくとも1個の電池モジュールB1~B8を含む。具体的には、第1検出ブロックA1は、第1電池モジュールB1を含む。第2検出ブロックA2は、第2電池モジュールB2を含む。第3検出ブロックA3は、第3,第4電池モジュールB3,B4の直列接続体を含む。第4検出ブロックA4は、第5,第6電池モジュールB5,B6の直列接続体を含む。第5検出ブロックA5は、第7電池モジュールB7を含む。第6検出ブロックA6は、第8電池モジュールB8を含む。
組電池10には、第1~第7電極端子T1~T7が設けられる。電極端子T1~T7の数は、検出ブロックA1~A6の数よりも1だけ多い。mを1~6までの整数とする場合、第m検出ブロックAmの正極端子には、第m電極端子Tmが接続される。また、第m検出ブロックAmの負極端子には、第m+1電極端子Tm+1が接続される。
電圧検出装置20は、抵抗部21、入力側スイッチ部22、キャパシタ部23、出力側スイッチ部24、電圧検出部25、及び制御部27を備える。
抵抗部21は、組電池10と入力側スイッチ部22との間に設けられる。nを1~7までの整数とする場合、抵抗部21は、各電極端子Tnに接続される検出ラインLn上に個別に設けた複数の電流制限抵抗Rを備える。各電流制限抵抗Rは、組電池10(高圧側)から入力側スイッチ部22(低圧側)に、突入電流が流れることを防止するためのものであり、抵抗値が互いに同一である。
入力側スイッチ部22は、抵抗部21とキャパシタ部23との間に設けられており、各検出ラインLnに個別に接続される第1~第7スイッチSW1~SW7を備える。入力側スイッチ部22の各スイッチSWn(以下、単に各スイッチSWnという)は、電極端子Tnとキャパシタ部23との接続状態を切り替える。各スイッチSWnとしては、例えば、一対のソース同士が接続されたNチャンネルMOSFET、フォトリレー又はリレー等を用いることができる。
キャパシタ部23は、1個のキャパシタCAを有する。つまり、電圧検出装置20は、シングルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置である。キャパシタCAには接続端子として第1,第2端子N1,N2が設けられている。組電池10の各電極端子Tnは、各スイッチSWnを介して、これらの端子N1,N2の一方に接続される。
詳しくは、第1端子N1には、第1~第7電極端子T1~T7のうち、第2,第4,第6電極端子T2,T4,T6が接続され、第2端子N2には、第1,第3,第5,第7電極端子T1,T3,T5,T7が接続される。つまり、各スイッチSW1~SW7は、各検出ブロックA1~A6をキャパシタCAに並列接続し、各検出ブロックA1~A6とキャパシタCAとの間を開閉する。
出力側スイッチ部24は、キャパシタ部23と電圧検出部25との間に設けられており、キャパシタCAの第1,第2端子N1,N2の一方にそれぞれ接続されたスイッチSWA,SWBを備える。具体的には、スイッチSWAは第1端子N1に接続され、スイッチSWBは第2端子N2に接続される。各スイッチSWA,SWBは、キャパシタCAと電圧検出部25との間を開閉する。スイッチSWA,SWBとしては、例えば、NチャンネルMOSFET等の半導体スイッチを用いることができる。
電圧検出部25は、出力側スイッチ部24と制御部27との間に設けられている。電圧検出部25は、スイッチSWA,SWBを介してキャパシタCAに対して並列接続されており、キャパシタCAの電圧を検出する。具体的には、電圧検出部25は、図示しない差動増幅回路とAD変換回路を備えており、この差動増幅回路を用いてキャパシタCAの電圧を検出し、その検出値をAD変換して制御部27に出力する。
制御部27は、CPU、メモリ等からなるマイクロコンピュータである。制御部27は、各スイッチSWnの開閉、各スイッチSWA,SWBの開閉、及び電圧検出部25の電圧取得タイミングTD1,TD2(図5参照)を制御する。これにより、制御部27は、キャパシタCAと電圧検出部25とを電気的に絶縁した状態で、組電池10の各検出ブロックA1~A6を用いてキャパシタCAを充電する充電処理や、組電池10とキャパシタCAとを電気的に絶縁した状態で、電圧検出部25から出力された検出値に基づいて各検出ブロックA1~A6の電圧を取得する取得処理、を含む電圧検出処理を実行する。
続いて、図2を用いて、本実施形態に係る電圧検出処理について説明する。ここで、図2は、上記処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御部27によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、電圧検出処理の開始時において、各スイッチSWn及びスイッチSWA,SWBは開状態に切り替えられている。
この一連の処理では、まずステップS10において、所定の処理タイミングTSに到達したかを判定する。処理タイミングTSは、各検出ブロックA1~A6に対して第1処理又は第2処理を実施するタイミングであり、検出ブロックA1~A6毎に予め設定されている。ステップS10で否定判定すると、電圧検出処理を終了する。
ステップS10で肯定判定すると、ステップS12で、電圧検出の対象が第6検出ブロックA6であるかを判定する。ステップS12で否定判定すると、第1処理を実施する。なお、本実施形態において、第6検出ブロックA6が「特定検出ブロック」に相当する。
第1処理は、検出対象の検出ブロックA1~A5を用いてキャパシタCAを充電する充電処理と、電圧検出部25を用いて検出対象の検出ブロックA1~A5の電圧を取得する取得処理と、を含む。以下では、検出対象の検出ブロックA1~A5が第1検出ブロックA1である例を説明する。
具体的には、ステップS14において、充電処理を実施する。この充電処理では、第1検出ブロックA1の両側の第1,第2電極端子T1,T2に接続される第1,第2スイッチSW1,SW2を閉状態に切り替え、第1検出ブロックA1を用いてキャパシタCAを充電する。所定の充電期間後、ステップS16において、第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替える。
第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替えると、取得処理を実施する。具体的には、第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替えてから所定の第1期間Y1が経過するよりも前に、ステップS18において、スイッチSWA,SWBを閉状態に切り替える。これにより、電圧検出部25を用いてキャパシタCAの電圧が取得可能となる。続くステップS20において、電圧検出部25を用いて、第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替えてから第1期間Y1が経過した第1電圧取得タイミングTD1に、キャパシタCAの電圧である第1電圧V1を取得する(図5参照)。第1電圧V1の取得後、ステップS22において、スイッチSWA,SWBを開状態に切り替える。
ステップS24において、ステップS22で取得された第1電圧V1に基づいて第1検出ブロックA1の電圧を取得し、電圧検出処理を終了する。
一方、ステップS12で肯定判定すると、第2処理を実施する。第2処理は、第6検出ブロックA6を用いてキャパシタCAを充電する充電処理と、電圧検出部25を用いて第6検出ブロックA6の電圧を取得する取得処理と、キャパシタCAのリーク故障を判定する判定処理と、を含む。
具体的には、ステップS26~S36において、充電処理及び取得処理を実施する。なお、ステップS26~S36の処理は、ステップS14~S24の処理と同一の処理であるため、重複した説明を省略する。本実施形態において、ステップS26の処理が「キャパシタ充電部」に相当し、ステップS32の処理が「第1電圧取得部」に相当し、ステップS36の処理が「ブロック電圧取得部」する。
続いて判定処理を実施する。具体的には、ステップS38において、ステップS32で第1電圧V1が取得されてから所定の第2期間Y2が経過するよりも前に、ステップS38において、スイッチSWA,SWBを閉状態に切り替える。続くステップS40において、電圧検出部25を用いて、ステップS32で第1電圧V1が取得されてから第2期間Y2が経過した第2電圧取得タイミングTD2に、キャパシタCAの電圧である第2電圧V2を取得する。第2電圧V2の取得後、ステップS42において、スイッチSWA,SWBを開状態に切り替える。なお、本実施形態において、ステップS34,S38の処理が「状態制御部」に相当し、ステップS40の処理が「第2電圧取得部」に相当する。
続くステップS44において、ステップS32で取得された第1電圧V1、及びステップS40で取得された第2電圧V2に基づいてキャパシタCAのリーク故障を判定する。具体的には、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差ΔVを算出し、この電圧差ΔVが所定の閾値Vthよりも大きいかを判定する。電圧差ΔVは、次の(式1)のように表される。なお、本実施形態において、ステップS44の処理が「故障判定部」に相当する。
ΔV=|V1-V2|・・・(式1)
ここで、閾値Vthは、キャパシタCAにリーク故障が発生していない場合において、キャパシタCAの自然放電により第2期間Y2において発生しうるキャパシタCAの電圧低下値に予め設定されている。具体的には、閾値Vthは、キャパシタCAの自然放電により第2期間Y2において発生しうるキャパシタCAの電圧低下値の最大値である。閾値Vthは、ステップS32で取得された第1電圧V1及び第2期間Y2に基づいて設定されている。図3は、第2期間Y2と閾値Vthとの関係を示す図である。図3に示すように、第2期間Y2が長いほど、閾値Vthは大きく設定され、第1電圧V1が大きいほど、閾値Vthが大きく設定される。
電圧差ΔVが閾値Vthよりも小さい場合、キャパシタCAにリーク故障が発生していないと判定し、ステップS44で否定判定する。この場合、電圧検出処理を終了する。一方、電圧差ΔVが閾値Vthよりも大きい場合、キャパシタCAにリーク故障が発生していると判定し、ステップS44で肯定判定する。この場合、ステップS46において、キャパシタCAにリーク故障が発生していないと判定された場合と比較して、第1期間Y1を短く設定する。つまり、第6,第7スイッチSW6,SW7が開状態とされてから第1電圧V1が取得されるまでの期間を短く設定する。なお、本実施形態において、ステップS46の処理が「第1期間設定部」に相当する。
続くステップS48において、キャパシタCAにリーク故障が発生していないと判定された場合と比較して、第2期間Y2を長く設定し、電圧検出処理を終了する。つまり、第1電圧V1が取得されてから第2電圧V2が取得されるまでの期間を長く設定する。なお、本実施形態において、ステップS48の処理が「第2期間設定部」に相当する。
なお、前回実施された電圧検出処理において、ステップS46,S48の処理が実施されている場合には、ステップS46,S48の処理に代えて、電圧差ΔVに基づいてキャパシタCAの交換の要否を判定する処理が実施される。
続いて、図4に、電圧検出処理の一例を示す。図4には、電圧検出処理のタイムスケジュールを示す。電圧検出処理では、第1~第6検出ブロックA1~A6それぞれの電圧をこの順に取得するとともに、これらの電圧を取得後に電圧検出部25を校正する。電圧検出部25の校正では、電圧検出部25に備えられる差動増幅回路に入力される基準電圧のオフセットを校正する。そのため、電圧検出処理を実施するのに必要な処理期間YRには、6つの検出期間YDと1つの校正期間YPとが含まれる。例えば処理期間YRは、数十msである。
各検出期間YDの開始タイミングは、処理タイミングTSであり、第1~第5検出ブロックA1~A5では、処理タイミングTSに到達すると、対応する検出期間YDに第1処理が実施される。一方、第6検出ブロックA6では、処理タイミングTSに到達すると、対応する検出期間YD及びそれに続く校正期間YPに第2処理が実施される。本実施形態では、第2処理が、校正期間YPを利用して実施されるため、第2処理を実施することによる処理期間YRの延長が抑制されている。
図5に、電圧検出処理のタイムチャートを示す。図5には、図4に示す電圧検出処理のタイムスケジュールのうち、第1検出ブロックA1の第1処理と第6検出ブロックA6の第2処理における電圧検出処理のタイムチャートを示す。
図5において、(a)は、制御部27が実施する処理の推移を示し、(b)は、第1~第7スイッチSW1~SW7のうち、充電処理において切り替えの対象となるスイッチ(以下、対象スイッチという)SW#の開閉状態の推移を示し、(c)は、スイッチSWA,SWBの開閉状態の推移を示し、(d)は、キャパシタCAの電圧の推移を示す。なお、図5(d)では、キャパシタCAの第2端子N2を基準とした第1端子N1の電圧の推移が示されており、第1端子N1の電圧が第2端子N2の電圧よりも高い場合には正の値となり、第1端子N1の電圧が第2端子N2の電圧よりも低い場合には負の値となる。
また、図5(d)には、リーク故障が発生していない場合におけるキャパシタCAの電圧の推移(実線)と、リーク故障が発生している場合におけるキャパシタCAの電圧の推移(破線)とが示されている。
図示される例では、図5(a)に示すように、タイミングt1において第1検出ブロックA1に対する第1処理が開始されると、まず、充電期間YCにおいて、第1検出ブロックA1を用いた充電処理が実施される。具体的には、図5(b)に示すように、対象スイッチSW#である第1,第2スイッチSW1,SW2が閉状態に切り替えられる。これにより、図5(d)に示すように、第1検出ブロックA1によりキャパシタCAが充電され、キャパシタCAの電圧が、第1検出ブロックA1の電圧に相当する負の値となる。
充電期間YCが経過すると、タイミングt2において第1,第2スイッチSW1,SW2が開状態に切り替えられ、次に取得期間YEにおいて、電圧検出部25を用いた取得処理が実施される。具体的には、図5(c)に示すように、タイミングt2から所定の第1待機期間YW1が経過すると、スイッチSWA,SWBが閉状態に切り替えられる。電圧検出処理では、第1待機期間YW1が設けられることにより、対象スイッチSW#とスイッチSWA,SWBとが同時に閉状態となり、電圧検出部25に過電流が流れることが抑制される。
その後、第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替えてから第1期間Y1(>YW1)が経過した第1電圧取得タイミングTD1であるタイミングt3に、キャパシタCAの電圧である第1電圧V1が取得される。
第1電圧V1の取得後、スイッチSWA,SWBが閉状態に切り替えられる。その後、取得期間YEが経過すると、タイミングt4において第1検出ブロックA1に対する第1処理が終了し、第1検出ブロックA1に対する検出期間YDが終了する。つまり、充電期間YCと取得期間YEとを加算した期間が検出期間YDとなる。
また、タイミングt11において第6検出ブロックA6に対する第2処理が開始されると、まず、充電期間YCにおいて、第6検出ブロックA6を用いた充電処理が実施される。具体的には、対象スイッチSW#である第6,第7スイッチSW6,SW7が閉状態に切り替えられる。これにより、第6検出ブロックA6によりキャパシタCAが充電され、キャパシタCAの電圧が、第6検出ブロックA6の電圧に相当する正の値となる。
充電期間YCが経過すると、タイミングt12において第6,第7スイッチSW6,SW7が開状態に切り替えられ、次に取得期間YEにおいて、電圧検出部25を用いた取得処理が実施される。具体的には、タイミングt12から第1待機期間YW1が経過すると、スイッチSWA,SWBが閉状態に切り替えられる。その後、第1,第2スイッチSW1,SW2を開状態に切り替えてから第1期間Y1が経過した第1電圧取得タイミングTD1であるタイミングt13に、キャパシタCAの電圧である第1電圧V1が取得される。
第1電圧V1の取得後、スイッチSWA,SWBが閉状態に切り替えられる。その後、取得期間YEが経過すると、タイミングt14において第6検出ブロックA6に対する検出期間YDが終了し、校正期間YPにおいて判定処理が実施される。具体的には、タイミングt14から所定の第2待機期間YW2が経過すると、スイッチSWA,SWBが再び閉状態に切り替えられる。その後、第1電圧V1を取得してから第2期間Y2が経過した第2電圧取得タイミングTD2であるタイミングt15に、キャパシタCAの電圧である第2電圧V2が取得される。
第2電圧V2の取得後、スイッチSWA,SWBが閉状態に切り替えられる。その後、校正期間YPが経過すると、タイミングt16において第6検出ブロックA6に対する第2処理が終了し、電圧検出処理を終了する。
図5(b)に示すように、電圧検出処理では、取得期間YE及び校正期間YPにおいて対象スイッチSW#が開状態に維持されている。そのため、充電期間YCにおいてキャパシタCAに充電された電荷が、取得期間YE及び校正期間YPに組電池10側に放電されることが抑制されている。
また、図5(c)に示すように、電圧検出処理では、取得期間YE及び校正期間YPにおいてスイッチSWA,SWBが閉状態となる期間が限られており、具体的には電圧取得タイミングTD1,TD2近傍の所定期間に限られている。そのため、充電期間YCにおいてキャパシタCAに充電された電荷が、取得期間YE及び校正期間YPに電圧検出部25側に放電されることが抑制されている。
特に第2処理では、第1電圧V1が取得されてから第2電圧V2が取得されるまでの第2期間Y2において、スイッチSWA,SWBが開状態に切り替えられる。そのため、図5(d)に実線で示すように、キャパシタCAにリーク故障が発生していない場合、第2期間Y2においてキャパシタCAは高インピーダンス状態となっている。その結果、第2期間Y2においてキャパシタCAの電圧は略一定に維持され、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差ΔVは閾値Vthよりも小さくなる。
一方、図5(d)に破線で示すように、キャパシタCAにリーク故障が発生している場合、キャパシタCAからのリーク放電によりキャパシタCAの電圧が低下し、電圧差ΔVは閾値Vthよりも大きくなる。そのため、電圧差ΔVと閾値Vthとを比較することで、キャパシタCAにリーク故障が発生しているかを判定できる。
キャパシタCAにリーク故障が発生していると、第1電圧取得タイミングTD1に取得される第1電圧V1が低下し、各検出ブロックA1~A6の電圧として真値よりも低い電圧が取得される。各検出ブロックA1~A6の電圧として真値よりも低電圧が取得されると、各検出ブロックA1~A6の残容量が真値よりも少なく推定され、各検出ブロックA1~A6の残容量を使い切ることができない。そこで、本実施形態の電圧検出処理では、キャパシタCAにリーク故障が発生している場合に、第1電圧V1を取得する第1電圧取得タイミングTD1を早める。
図6に、リーク故障が発生した場合の電圧検出処理のタイムチャートを示す。なお、図6の(a)~(d)は、図5の(a)~(d)と同一であり、重複した説明を省略する。
図示される例では、図6(c)に示すように、第1検出ブロックA1の第1処理において、第1電圧取得タイミングTD1を、タイミングt3からタイミングt23に早める。つまり、第1電圧取得タイミングTD1を早めることで第1期間Y1を短く設定する。
なお、タイミングt23は、タイミングt12から第1待機期間YW1が経過した後のタイミングであり、タイミングt23においてスイッチSWA,SWBは閉状態に切り替えられている。本実施形態では、リーク故障が発生した場合に、第1電圧取得タイミングTD1を早める一方、スイッチSWA,SWBの開閉タイミングを一定に維持する。
同様に、第6検出ブロックA6の第2処理において、第1電圧取得タイミングTD1を、タイミングt13からタイミングt33に早める。なお、タイミングt23とタイミングt3との間の時間差ΔYAは、タイミングt33とタイミングt13との間の時間差ΔYBに等しい。
これにより、図6(d)に示すように、第1電圧取得タイミングTD1に取得される第1電圧V1の絶対値が、タイミングt3,t13で取得される場合に比べて差分値ΔVXだけ大きくなる。これにより、リーク故障によりキャパシタCAが交換されるまでの間において、各検出ブロックA1~A6の残容量の推定精度の悪化を抑制でき、組電池10の使い切りにおいて有利である。
一方、第6検出ブロックA6の第2処理において、第2電圧取得タイミングTD2を、タイミングt15に維持する。つまり、第1電圧取得タイミングTD1を早め、第2電圧取得タイミングTD2を維持することで第2期間Y2を長く設定する。これにより、図6(d)に示すように、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差ΔVが、タイミングt13で取得される場合に比べて差分値ΔVXだけ大きくなる。電圧差ΔVが大きくなると、単位時間当たりの電圧差ΔVの増加量であるリーク度合RDを正確に推定できる。リーク度合RDは、次の(式2)のように表される。
RD=ΔV/Y2・・・(式2)
ここで、リーク度合RDは、キャパシタCAのリーク故障の程度を示すものであり、単位時間当たりのキャパシタCAからのリーク放電量QRに比例する。図7は、リーク度合RDとリーク放電量QRとの関係を示す図である。図7に示すように、リーク度合RDが大きいほど、リーク放電量QRは大きくなる。そのため、リーク度合RDが正確に推定されることで、このリーク度合RDに基づいてキャパシタCAの交換の要否を適切に判定できる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
・本実施形態では、第6検出ブロックA6により充電されたキャパシタCAの電圧を電圧取得タイミングTD1,TD2でそれぞれ取得し、取得した2つの電圧V1,V2に基づいてキャパシタCAのリーク故障を判定する。つまり、キャパシタCAを用いて当該キャパシタCAのリーク故障を判定する。このため、フライングキャパシタを構成するキャパシタCAの数によらず、キャパシタCAのリーク故障を判定でき、フライングキャパシタを構成するキャパシタCAのリーク故障を適切に判定できる。
・本実施形態では、第2期間Y2においてスイッチSWA,SWBを開状態に切り替え、キャパシタCAから電圧検出部25側への放電を抑制する。つまり、キャパシタCAからのリーク放電以外の放電を抑制する。これにより、キャパシタCAのリーク故障を精度よく判定できる。
・キャパシタCAにリーク故障が発生している場合、キャパシタCAからのリーク放電量QRは、第1電圧V1が大きいほど大きく、第2期間Y2が長いほど大きくなり、これにより第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差ΔVが大きくなる。本実施形態では、キャパシタCAのリーク故障の判定に用いられる閾値Vthが、第1電圧V1及び第2期間Y2に基づいて設定される。そのため、第1電圧V1及び第2期間Y1によらず閾値Vthが一定に設定される場合に比べて、リーク故障を精度よく判定できる。
・本実施形態では、第2処理において、キャパシタCAのリーク故障判定のために取得される第1電圧V1に基づいて第6検出ブロックA6の電圧が取得される。そのため、第6検出ブロックA6の電圧を取得するために、第1電圧V1及び第2電圧V2とは別にキャパシタCAの電圧を取得する必要がなく、装置全体の制御を簡略化できる。
・キャパシタCAにリーク故障が発生している場合、第2処理において、第1期間Y1が短いほど、キャパシタCAからのリーク放電量QRは少なくなり、リーク故障が第6検出ブロックA6の取得電圧値に与える影響は小さくなる。本実施形態では、キャパシタCAにリーク故障が発生していると判定された場合に第1期間Y1を短くするので、第6検出ブロックA6の電圧を精度よく取得でき、取得された電圧に基づいて、第6検出ブロックA6の残容量を精度よく推定できる。
・キャパシタCAにリーク故障が発生している場合、第2処理において、第2期間Y2が長いほど、キャパシタCAからのリーク放電量QRは多くなり、このリーク放電量QRを用いてキャパシタCAのリーク度合RDを推定できる。本実施形態では、キャパシタCAにリーク故障が発生していると判定された場合に第2期間Y2を長くするので、キャパシタCAのリーク度合RDを精度よく推定でき、推定されたリーク度合RDに基づいて例えばキャパシタCAの交換の要否を判定できる。
具体的には、リーク度合RDが小さい場合、キャパシタCAはリーク故障しておらず、一時的な結露等の微少リークが発生していると考えられる。この場合には、キャパシタCAを交換せず、第1電圧V1から各検出ブロックA1~A6の電圧を取得する際に、所定のリーク補正を実施すればよい。
また、リーク度合RDが大きい場合でも、そのリーク度合RDが安定している場合には、キャパシタCAを交換せず、第1電圧V1から各検出ブロックA1~A6の電圧を取得する際に、リーク度合RDに応じたリーク補正を実施すればよい。これにより、リーク故障によりキャパシタCAが交換されるまでの間において、組電池10を使用することができる。
(第2実施形態)
以下、第2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8及び図9を参照しつつ説明する。図8において、先の図1に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付して説明を省略する。また、図9において、先の図4に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図8に示すように、キャパシタ部23が、直列接続された第1キャパシタCA1と第2キャパシタCA2とを有している。キャパシタCA1,CA2の直列接続体の端部には接続端子として第1,第3端子N1,N3が設けられている。また、キャパシタCA1,CA2の間には接続端子として第2端子N2が設けられている。組電池10の各電極端子Tnは、各スイッチSWnを介して、これらの端子N1~N3の1つに接続される。本実施形態において、キャパシタCA1,CA2のそれぞれが「キャパシタ」に相当する。
詳しくは、第1端子N1には、第1~第7電極端子T1~T7のうち、第1,第5電極端子T1,T5が接続される。第2端子N2には、第2,第4電極端子T2,T4が接続される。第3端子N3には、第3,第7電極端子T3,T7が接続される。
出力側スイッチ部24は、キャパシタCA1,CA2の直列接続体の第1~第3端子N1~N3の1つにそれぞれ接続された複数のスイッチSWA~SWCを備える。具体的には、スイッチSWAは第1端子N1に接続され、スイッチSWBは第2端子N2に接続され、スイッチSWCは第3端子N3に接続される。
また、本実施形態では、電圧検出部25として、第1電圧検出部25A及び第2電圧検出部25Bを有する。第1電圧検出部25Aは、第1キャパシタCA1に接続され、第1キャパシタCA1の電圧を検出する。第2電圧検出部25Bは、第2キャパシタCA2に接続され、第2キャパシタCA2の電圧を検出する。
各電圧検出部25A,25Bは、出力側スイッチ部24の各スイッチSWA~SWCを介して、第1,第2キャパシタCA1,CA2に接続される。詳しくは、第1電圧検出部25Aは、スイッチSWA,SWBを介して第1キャパシタCA1に接続され、第2電圧検出部25Bは、スイッチSWB,SWCを介して第2キャパシタCA2に接続される。
制御部27は、各スイッチSWnの開閉、各スイッチSWA~SWCの開閉、及び電圧検出部25A,25Bの電圧取得タイミングTD1,TD2を制御し、電圧検出処理を実行する。
図9に示すように、本実施形態に係る電圧検出処理では、第1~第6検出ブロックA1~A6それぞれの電圧を取得する際に、まず、キャパシタCA1,CA2を用いて第1,第2検出ブロックA1,A2の電圧を同時に取得する。続いて第3,第4検出ブロックA3,A4の電圧を同時に取得し、最後に第5,第6検出ブロックA5,A6の電圧を同時に取得する。そして、これらの電圧を取得後に電圧検出部25を校正する。つまり、電圧検出装置20は、2個のキャパシタCA1,CA2を有するシングルフライングキャパシタ方式の電圧検出装置である。
本実施形態では、第1~第4検出ブロックA1~A4では、対応する検出期間YDに第1処理が実施される。一方、第5,第6検出ブロックA5,A6では、対応する検出期間YD及びそれに続く校正期間YPに第2処理が実施される。
そして、この第2処理において、第1キャパシタCA1を用いて、第5検出ブロックA5の電圧に相当する第1キャパシタCA1の電圧を電圧取得タイミングTD1,TD2で取得し、取得した2つの電圧V1,V2に基づいて第1キャパシタCA1のリーク故障を判定する。また、第2キャパシタCA2を用いて、第6検出ブロックA6の電圧に相当する第2キャパシタCA2の電圧を電圧取得タイミングTD1,TD2で取得し、取得した2つの電圧V1,V2に基づいて第2キャパシタCA2のリーク故障を判定する。
・以上説明した本実施形態によれば、電圧検出装置20が有する2個のキャパシタCA1,CA2それぞれを用いて、各キャパシタCA1,CA2のリーク故障をそれぞれ判定する。このため、フライングキャパシタを構成するキャパシタCA1,CA2の数によらず、キャパシタCA1,CA2のリーク故障を判定でき、フライングキャパシタを構成するキャパシタCA1,CA2それぞれのリーク故障を適切に判定できる。
(その他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。
・上記実施形態では、組電池10が8個の電池モジュールを備える例を示したが、これに限られず、2個以上8個未満の電池モジュールを備えていてもよければ、9個以上の電池モジュールを備えていてもよい。
・上記実施形態では、複数の電池モジュールを含む検出ブロックが存在する例を示したが、検出ブロックは必ずしも複数の電池モジュールを含む必要がない。例えば、全ての検出ブロックが、1個の電池モジュールのみを含んでいてもよい。
・上記実施形態では、検出ラインLn上に電流制限抵抗Rが設けられる例を示したが、電流制限抵抗Rは必ずしも設けられる必要はない。
・上記第1実施形態では、第1期間Y1を短く設定する場合に、第1電圧取得タイミングTD1を早める一方、スイッチSWA,SWBの開閉タイミングを一定に維持する例を示したが、これに限られない。
図10に、リーク故障が発生した場合の電圧検出処理のタイムチャートを示す。図10に示すように、リーク故障が発生した場合に、第1待機期間YW1を短く設定し、スイッチSWA,SWBを閉状態とするタイミングを早めてもよい。これにより、第1電圧取得タイミングTD1を、図6におけるタイミングt23,t33よりも早いタイミングt43,t53に早めることができる。この結果、第1電圧取得タイミングTD1に取得される第1電圧V1の絶対値がより大きくなり、各検出ブロックA1~A6の残容量の推定精度の悪化を好適に抑制できる。
・上記第1実施形態では、第2期間Y2を長く設定する場合に、第2電圧取得タイミングTD2を維持する例を示したが、これに限られず、第2電圧取得タイミングTD2を遅らせてもよい。この場合に、スイッチSWA,SWBを開状態とするタイミングを遅らせることで、スイッチSWA,SWBを開状態とするタイミングを維持する場合に比べて、第2電圧取得タイミングTD2をさらに遅らせることができる。
・上記第1実施形態では、キャパシタCAのリーク故障の判定に用いる閾値Vthを、第1電圧V1及び第2期間Y2に基づいて設定する例を示したが、これに限られず、第1電圧V1のみに基づいて設定されてもよければ、第2期間Y2のみに基づいて設定されてもよい。
10…組電池、20…電圧検出装置、25,25A,25B…電圧検出部、A1~A6…検出ブロック、CA,CA1,CA2…キャパシタ、SW1~SW7…第1~第7スイッチ、SWA~SWC…スイッチ。

Claims (4)

  1. 複数の電池セルの直列接続体を有する組電池(10)に適用される電圧検出装置(20)であって、
    複数の前記電池セルが分割されることにより複数の検出ブロック(A1~A6)が構成され、前記各検出ブロックが少なくとも1個の前記電池セルを含み、
    キャパシタ(CA,CA1,CA2)と、
    前記各検出ブロックを前記キャパシタに並列接続し、前記各検出ブロックと前記キャパシタとの間を開閉する入力側スイッチ(SW1~SW7)と、
    前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出部(25,25A,25B)と、
    前記キャパシタと前記電圧検出部との間を開閉する出力側スイッチ(SWA~SWC)と、
    制御部(27)と、を備え、
    前記制御部は、
    前記出力側スイッチを開状態とするとともに前記入力側スイッチを閉状態とし、前記キャパシタを前記複数の検出ブロックのうちの1個である特定検出ブロックにより充電するキャパシタ充電処理(S26)と、
    前記キャパシタ充電処理が実行されたことにより前記キャパシタが充電された後に、前記入力側スイッチを開状態とするとともに前記出力側スイッチを閉状態とし、前記入力側スイッチが開状態とされてから第1期間(Y1)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第1電圧(V1)として取得する第1電圧取得処理(S32)と、
    前記第1電圧が取得されてから第2期間(Y2)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第2電圧(V2)として取得する第2電圧取得処理(S40)と、
    前記第1電圧と前記第2電圧とに基づいて前記キャパシタのリーク故障を判定する故障判定処理(S44)と、
    前記第1電圧が取得されてから前記第2電圧が取得されるまでの前記第2期間において、前記出力側スイッチを開状態とする状態制御処理(S34,S38)と、を実行する電圧検出装置。
  2. 複数の電池セルの直列接続体を有する組電池(10)に適用される電圧検出装置(20)であって、
    複数の前記電池セルが分割されることにより複数の検出ブロック(A1~A6)が構成され、前記各検出ブロックが少なくとも1個の前記電池セルを含み、
    キャパシタ(CA,CA1,CA2)と、
    前記各検出ブロックを前記キャパシタに並列接続し、前記各検出ブロックと前記キャパシタとの間を開閉する入力側スイッチ(SW1~SW7)と、
    前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出部(25,25A,25B)と、
    前記キャパシタと前記電圧検出部との間を開閉する出力側スイッチ(SWA~SWC)と、
    制御部(27)と、を備え、
    前記制御部は、
    前記出力側スイッチを開状態とするとともに前記入力側スイッチを閉状態とし、前記キャパシタを前記複数の検出ブロックのうちの1個である特定検出ブロックにより充電するキャパシタ充電処理(S26)と、
    前記キャパシタ充電処理が実行されたことにより前記キャパシタが充電された後に、前記入力側スイッチを開状態とするとともに前記出力側スイッチを閉状態とし、前記入力側スイッチが開状態とされてから第1期間(Y1)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第1電圧(V1)として取得する第1電圧取得処理(S32)と、
    前記第1電圧が取得されてから第2期間(Y2)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第2電圧(V2)として取得する第2電圧取得処理(S40)と、
    前記第1電圧と前記第2電圧とに基づいて前記キャパシタのリーク故障を判定する故障判定処理(S44)と、
    前記第1電圧を、前記特定検出ブロックの電圧として取得するブロック電圧取得処理(S36)と、
    前記故障判定処理において前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に、リーク故障が発生していないと判定された場合と比較して前記第1期間を短く設定する第1期間設定処理(S46)と、を実行する電圧検出装置。
  3. 複数の電池セルの直列接続体を有する組電池(10)に適用される電圧検出装置(20)であって、
    複数の前記電池セルが分割されることにより複数の検出ブロック(A1~A6)が構成され、前記各検出ブロックが少なくとも1個の前記電池セルを含み、
    キャパシタ(CA,CA1,CA2)と、
    前記各検出ブロックを前記キャパシタに並列接続し、前記各検出ブロックと前記キャパシタとの間を開閉する入力側スイッチ(SW1~SW7)と、
    前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出部(25,25A,25B)と、
    前記キャパシタと前記電圧検出部との間を開閉する出力側スイッチ(SWA~SWC)と、
    制御部(27)と、を備え、
    前記制御部は、
    前記出力側スイッチを開状態とするとともに前記入力側スイッチを閉状態とし、前記キャパシタを前記複数の検出ブロックのうちの1個である特定検出ブロックにより充電するキャパシタ充電処理(S26)と、
    前記キャパシタ充電処理が実行されたことにより前記キャパシタが充電された後に、前記入力側スイッチを開状態とするとともに前記出力側スイッチを閉状態とし、前記入力側スイッチが開状態とされてから第1期間(Y1)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第1電圧(V1)として取得する第1電圧取得処理(S32)と、
    前記第1電圧が取得されてから第2期間(Y2)が経過した後の前記電圧検出部の検出電圧を、第2電圧(V2)として取得する第2電圧取得処理(S40)と、
    前記第1電圧と前記第2電圧とに基づいて前記キャパシタのリーク故障を判定する故障判定処理(S44)と、
    前記故障判定処理において前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定された場合に、リーク故障が発生していないと判定された場合と比較して前記第2期間を長く設定する第2期間設定処理(S48)と、を実行する電圧検出装置。
  4. 前記故障判定処理は、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差(ΔV)が閾値(Vth)よりも大きい場合に前記キャパシタにリーク故障が発生していると判定する処理であり
    前記閾値は、前記第1電圧及び前記第2期間のうち少なくとも一方に基づいて設定される請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電圧検出装置。
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