JP7316967B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電圧検出装置に関するものである。
例えば、特許文献1には、複数の電池セルを備え、電池セルに対してヒューズが直列接続されたバッテリが開示されている。このようなバッテリでは、電池セルの過充電等の異常によって大きな電流がヒューズに流れるとヒューズが溶断され、異常のある電池セルが切り離される。
特開2012-157217号公報
特許文献1に開示されたバッテリは、1つの電池サブユニットに対して並列接続された複数の電池セルが備えられている。しかしながら、一般的には、バッテリは、全ての電池セルが直列接続された構成を採用することが一般的である。このような複数の電池セルが直列接続されたバッテリにおいて、いずれかの電池セルに異常が生じ、この電池セルが切り離されると、バッテリ内における送電路が切断されることとなり、バッテリからの給電ができなくなる。電気自動車等では、バッテリに何らかの異常が生じた場合であっても、一定時間の走行を可能にすることが必要である。このため、バッテリのいずれかの電池セルに異常が生じた場合であっても、バッテリからの給電を少なくとも一定時間可能とすることが望ましい。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、いずれかの電池セルに異常が検出された場合であってもバッテリからの給電を可能とすることを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
第1の発明は、電圧検出装置であって、直列に接続された複数の電池セルの各々の電圧を検出する検出部と、少なくともいずれかの上記電池セルのプラス端子とマイナス端子とを接続すると共にスイッチング素子を含むバイパス回路と、上記バイパス回路が接続された上記電池セルの異常の有無を判定する判定部と、上記判定部にて異常が検出された上記電池セルに接続された上記バイパス回路のスイッチング素子を通電可能に制御する制御部とを備えるという構成を採用する。
第2の発明は、上記第1の発明において、上記判定部が、上記電池セルが過充電である場合に、上記電池セルに異常があると判定するという構成を採用する。
第3の発明は、上記第2の発明において、上記判定部が、上記検出部の検出結果に基づいて、上記電池セルの電圧が予め設定された閾値を一定時間経過した場合に、上記電池セルが過充電であると判定するという構成を採用する。
第4の発明は、上記第1の発明において、上記判定部が、上記電池セルに熱異常を検出した場合に、上記電池セルに異常があると判定するという構成を採用する。
第5の発明は、上記第1~第4いずれかの発明において、上記バイパス回路と並列的に接続されると共に直列に接続された放電抵抗及び放電用スイッチング素子を有する放電回路を備えるという構成を採用する。
第6の発明は、上記第5の発明において、上記バイパス回路の抵抗値が、上記放電回路の抵抗値よりも小さいという構成を採用する。
本発明によれば、電池セルに異常が検出されると、異常が検出された電池セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子が通電可能な状態とされ、異常が検知された電池セルを迂回して、バイパス回路を介することで通電を行うことができる。このため、異常が検知された電池セルを切り離しても、電池セルが備えられたバッテリから電力を出力することが可能となる。したがって、本発明によれば、いずれかの電池セルに異常が検出された場合であってもバッテリからの給電が可能となる。
本発明の第1実施形態における電圧検出装置の概略構成を示す回路図である。 本発明の第1実施形態における電圧検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第1実施形態における電圧検出装置の動作を説明するための回路図である。 本発明の第2実施形態における電圧検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第3実施形態における電圧検出装置の概略構成を示す回路図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電圧検出装置の一実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は、本第1実施形態の電圧検出装置Aの概略構成を示す回路図である。本実施形態の電圧検出装置Aは、バッテリXを構成する複数(n個)の電池セルC1~Cnの電圧(セル電圧)を検出する装置であり、所定サイズのプリント基板上に実装された複数(n個)のバイパス回路By1~Byn、複数(n+1本)の伝送線路S1~Sn+1、複数(n+1個)のCRフィルタF1~Fn+1、検出部D及びマイコンM(判定部及び制御部)を備えている。なお、上記「n」は2以上の自然数である。
なお、図1では、作図スペースの制約からn個(複数)の電池セルC1~Cn、n個のヒューズFu1~Fun、n個のバイパス回路By1~Byn、n+1本の伝送線路S1~Sn+1及びn+1個のCRフィルタF1~Fn+1のうち、3個の電池セルC1~C3、3個のヒューズFu1~Fu3、3個のバイパス回路By1~By3、4本の伝送線路S1~S4及び4個のCRフィルタF1~F4のみを示している。
n個の電池セルC1~Cnは、一列に直列接続されており、電池セルC1のプラス端子がバッテリXのプラス端子であり、電池セルCnのマイナス端子がバッテリXのマイナス端子である。すなわち、n個の電池セルC1~Cnは、電池セルC1→電池セルC2→電池セルC3→(中略)→電池セルCnの順に直列接続されており、各電池セルC1~Cnのセル電圧の合計値がバッテリXの出力電圧となる。
また、各々の電池セルC1~Cnのプラス端子には、ヒューズFu1~Funが直列接続されている。電池セルC1のプラス端子にはヒューズFu1が接続され、電池セルC2のプラス端子にヒューズFu2が接続され、電池セルC3のプラス端子にヒューズFu3が接続され、(中略)、電池セルCnのプラス端子にヒューズFunが接続されている。これらのヒューズFu1~Funは、大きな電流(後述する溶断電流)が流れた場合に作動して溶断され、自らがプラス端子に接続されている電池セルC1~Cnを導電経路から切り離す。
n個のバイパス回路By1~Bynは、上記n個の電池セルC1~Cnに各々並列接続されており、各々がバイパス抵抗10とスイッチング素子11との直列回路である。これらバイパス回路By1~Bynは、スイッチング素子11がON状態になると通電可能な状態となり、スイッチング素子11がOFF状態になると非通電状態となる。すなわち、バイパス回路By1は電池セルC1に並列接続され、バイパス回路By2は電池セルC2に並列接続され、バイパス回路By3は電池セルC3に並列接続され、(中略)、バイパス回路Bynは電池セルCnに並列接続されている。例えば、これらのバイパス回路By1~Bynのスイッチング素子11がオン状態での抵抗値は、例えば数mΩ程度とされる。
n+1本の伝送線路S1~Sn+1は、n個の電池セルC1~Cnの各端子の端子電圧を検出部Dに伝送する配線であり、n個の電池セルC1~Cnの各端子(合計n+1個)と検出部Dの入力端とを相互に接続する。
すなわち、伝送線路S1は電池セルC1のプラス端子と検出部Dとを接続し、伝送線路S2は電池セルC1のマイナス端子と電池セルC2のプラス端子との接続点と検出部Dとを接続する。また、伝送線路S3は、電池セルC2のマイナス端子と電池セルC3のプラス端子との接続点と検出部Dとを接続し、伝送線路S4は、電池セルC3のマイナス端子と電池セルC4のプラス端子との接続点と検出部Dとを接続する。(中略)。伝送線路Snは、電池セルCnのプラス端子と検出部Dとを接続し、伝送線路Sn+1は、電池セルCnのマイナス端子と検出部Dとを接続する。
n+1個のCRフィルタF1~Fn+1は、n+1本の伝送線路S1~Sn+1に各々設けられたノイズ除去用のローパスフィルタであり、フィルタ抵抗12及びフィルタコンデンサ13から構成されている。フィルタ抵抗12は、n+1本の伝送線路S1~Sn+1の各々に直列に接続されており、またフィルタコンデンサ13は、一端がn+1本の伝送線路S1~Sn+1の各々に、また他端がGND(接地電位)に接続されている。
すなわち、CRフィルタF1は伝送線路S1に設けられており、CRフィルタF2は伝送線路S2に設けられており、CRフィルタF3は伝送線路S3に設けられており、CRフィルタF4は伝送線路S4に設けられており、(中略)、CRフィルタFnは伝送線路Snに設けられており、またCRフィルタFn+1は伝送線路Sn+1に設けられている。
検出部Dは、伝送線路S1~Sn+1及びCRフィルタF1~Fn+1を介して入力された電池セルC1~Cnの端子電圧に基づいてセル電圧を検出する。検出部Dは、互いに隣り合う電池セルC1~Cnの一対の端子電圧の差分をセル電圧として検出する。
例えば、検出部Dは、伝送線路S1及び伝送線路S2を介して入力される一対の端子電圧の差分を電池セルC1のセル電圧として検出する。また、検出部Dは、伝送線路S2及び伝送線路S3を介して入力される一対の端子電圧の差分を電池セルC2のセル電圧として検出する。また、検出部Dは、伝送線路S3及び伝送線路S4を介して入力される一対の端子電圧の差分を電池セルC3のセル電圧として検出する。(中略)。また、検出部Dは、伝送線路Sn及び伝送線路Sn+1を介して入力される一対の端子電圧の差分を電池セルCnのセル電圧として検出する。
マイコンMは、CPU(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれた所謂ワンチップマイコンであり、検出部Dから入力されるセル電圧をA/D変換することによりサンプル値(セル電圧データ)を取得し、当該セル電圧データ等をバッテリECUに出力する。
また、このマイコンMは、所定のプログラムに基づいてセル電圧を処理することにより電池セルの異常の有無を判定する判定部14として機能する。判定部14は、セル電圧が予め定められた閾値以上の状態を一定時間経過しているか否かを判断し、セル電圧が閾値を一定時間経過している場合には、当該セル電圧が示す電池セルC1~Cnが過充電であると判定する。また、マイコンMは、判定部14によっていずれかの電池セルC1~Cnが過充電であると判定された場合には、過充電であると判定された電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Bynのスイッチング素子11を通電可能に制御する制御部15として機能する。
図2は、このような電圧検出装置Aの動作を説明するためのフローチャートである。この図に示すように、バイパス回路By1を作動させるか否かの判定処理は、まず電池セルC1のセル電圧を取得する(ステップS1)。ここでは、検出部Dが電池セルC1のセル電圧を取得する。
続いて、ステップS1で取得されたセル電圧が予め記憶された閾値以上であるか否かの判断が行われる(ステップS2)。なお、閾値は、電池セルC1の定格電圧を越える値に設定されている。ここでは、判定部14が、ステップS1で取得された電池セルC1のセル電圧と、予め記憶された閾値とを比較することによって、セル電圧が閾値以上であるか否かを判断する。
続いて、ステップS2においてセル電圧が閾値以上であると判断された場合には、セル電圧が閾値以上である時間が予め記憶された一定時間を経過しているか否かの判断が行われる(ステップS3)。なお、上記一定時間は、セル電圧が高い状態が一定時間経過することで過充電状態であると判断できる時間に設定されている。ここでは、判定部14が、セル電圧が閾値以上である時間が一定時間経過しているか否かを判断する。また、ステップS2においてセル電圧が閾値以上でないと判断された場合には、再びステップS1に戻る。
続いて、ステップS3においてセル電圧が閾値以上である時間が一定時間経過していると判断された場合には、バイパス回路By1が作動される(ステップS4)。ここでは、制御部15がバイパス回路By1のスイッチング素子11をオン状態として通電可能とする。一方で、ステップS3においてセル電圧が閾値以上である時間が一定時間経過していないと判断された場合には、再びステップS1に戻る。
電圧検出装置Aは、上述のようなステップS1~ステップS4までの動作を全ての電池セルC1~Cnに対して行い。全てのバイパス回路By1~Bynの作動判断を行う。図3は、電池セルC2が過充電であると判断され、電池セルC2に接続されたバイパス回路By2が作動された状態を示す回路図である。この図に示すように、バイパス回路By2が作動されると、バイパス回路By2のスイッチング素子11がオン状態とされて、バイパス回路By2を介した導通が可能となる。
このようにバイパス回路By2を介した導通が可能となると、電池セルC2のプラス端子とマイナス端子とが短絡され、ヒューズFu2に対して短時間で大きな電流(溶断電流)が流れる。この結果、ヒューズFu2が溶断されて電池セルC2がバッテリXの導通経路から切り離される。つまり、本実施形態の電圧検出装置Aにおいては、いずれかの電池セルC1~Cnに異常が検出されると、異常が検出された電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Bynのスイッチング素子11がオン状態とされ、電流密度の大きな溶断電流が異常検知された電池セルC1~Cnに接続されたヒューズFu1~Funに流れ、短時間で確実にヒューズFu1~Funを溶断することができる。このように、いずれかの電池セルC1~Cnが過充電となっても、短時間で過充電となった電池セルC1~Cnに接続されたヒューズFu1~Funを溶断できるため、例えばバッテリXとモータとの間に設置された不図示のヒューズに大きな負荷がかかることを抑止することが可能となる。
また、上述のように電池セルC2に接続されたヒューズFu2が溶断されると、電池セルC1と電池セルC3とを電池セルC2を介して導通することができなくなる。このため、バイパス回路By2のスイッチング素子11はヒューズFu2が溶断された後もオン状態とされる。この結果、電池セルC1と電池セルC3とがバイパス回路By2を介して導通される。したがって、バッテリXからの出力が継続される。
以上のような本実施形態の電圧検出装置Aにおいては、直列に接続された複数の電池セルC1~Cnの各々の電圧を検出する検出部Dと、電池セルC1~Cnのプラス端子とマイナス端子とを接続すると共にスイッチング素子11を含むバイパス回路By1~Bynと、電池セルC1~Cnの異常の有無を判定する判定部14と、判定部14にて異常が検出された電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Bynのスイッチング素子11を通電可能に制御する制御部15とを備えている。
本実施形態の電圧検出装置Aによれば、電池セルC1~Cnに異常が検出されると、異常が検出された電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Bynのスイッチング素子11が通電可能な状態とされ、異常が検知された電池セルC1~Cnを迂回して、バイパス回路By1~Bynを介することで通電を行うことができる。このため、異常が検知された電池セルC1~Cnを切り離しても、電池セルC1~Cnが備えられたバッテリXから電力を出力することが可能となる。したがって、本実施形態の電圧検出装置Aによれば、いずれかの電池セルC1~Cnに異常が検出された場合であってもバッテリXからの給電が可能となる。このように本実施形態の電圧検出装置Aによれば、いずれかの電池セルC1~Cnに異常が検出された場合であってもバッテリXからモータへの給電が可能となり、適切なリンプホーム走行(退避走行)を実現することができる。
また、本実施形態の電圧検出装置Aにおいては、判定部14が、電池セルC1~Cnが過充電である場合に、電池セルC1~Cnに異常があると判定する。このため、電池セルC1~Cnが過充電の場合には、過充電の電池セルC1~Cnを切り離して、過充電の電池セルC1~Cnをバイパスして電送経路を形成することができる。
また、本実施形態の電圧検出装置Aにおいては、判定部14が、検出部Dの検出結果に基づいて、電池セルC1~Cnの電圧が予め設定された閾値を一定時間経過した場合に、電池セルC1~Cnが過充電であると判定する。このため、検出誤差等によって、一時的に電池セルC1~Cnの電圧が閾値を越えた場合に、過充電であると誤判定することを抑止することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、図4のフローチャートを参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第1実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図4は、本実施形態の電圧検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。この図に示すように、本実施形態の電圧検出装置では、上記第1実施形態におけるステップS2及びステップS3に換えて、電池セルC1~Cnに熱異常があるか否かの判定をする。このような判定は、判定部14によって行われる(ステップS5)。ステップS5において、電池セルC1~Cnに熱異常があると判定された場合には、ステップS4に移行して、熱異常があると判定された電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Bynを作動させる。一方で、ステップS5において、電池セルC1~Cnに熱異常がないと判定された場合には、再びステップS1に戻る。
このような本実施形態の電圧検出装置においては、判定部14が、電池セルC1~Cnが熱異常である場合に、電池セルC1~Cnに異常があると判定する。このため、電池セルC1~Cnが熱異常の場合には、熱異常の電池セルC1~Cnを切り離して、熱異常の電池セルC1~Cnをバイパスして電送経路を形成することができる。このように本実施形態の電圧検出装置においても、上記第1実施形態と同様に、いずれかの電池セルC1~Cnに異常が検出された場合であってもバッテリXからモータへの給電が可能となり、適切なリンプホーム走行(退避走行)を実現することができる。
なお、熱異常とは、単一の電池セルC1~Cnが通常時の温度を越えて温度が上昇している熱暴走、複数の電池セルC1~Cnが連鎖的に通常時の温度を越えて温度が上昇している熱連鎖、熱暴走あるいは熱連鎖の予兆等を含む。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について、図5を参照して説明する。なお、本第3実施形態の説明において、上記第1実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図5は、本第3実施形態の電圧検出装置A1の概略構成を示す回路図である。この図に示すように、本実施形態の電圧検出装置A1は、複数(n個)の放電回路B1~Bnを備えている。
n個の放電回路B1~Bnは、上記n個の電池セルC1~Cnに各々が並列的に接続されており、各々が放電抵抗16と放電用スイッチング素子17との直列回路である。これら放電回路B1~Bnは、放電用スイッチング素子17がON状態になると通電可能な状態となり、放電用スイッチング素子17がOFF状態になると非通電状態となる。すなわち、放電回路B1は電池セルC1に並列接続され、放電回路B2は電池セルC2に並列接続され、放電回路B3は電池セルC3に並列接続され、(中略)、放電回路Bnは電池セルCnに並列接続されている。
このような放電回路B1~Bnは、制御部15の制御の下で、放電用スイッチング素子17がオン状態とされると、接続された電池セルC1~Cnの電力を放電抵抗16において熱に変換する。これらの放電回路B1~Bnを制御することによって、電池セルC1~Cnの電圧が均一化される。
なお、放電回路B1~Bnの放電抵抗16は、バイパス回路By1~Bynのバイパス抵抗10よりも抵抗値が高い。つまり、バイパス回路By1~Bynの抵抗値が、放電回路B1~Bnの抵抗値よりも小さく設定されている。このため、仮に同一の電池セルC1~Cnに接続されたバイパス回路By1~Byn及び放電回路B1~Bnが同時に作動されたとしても、バイパス回路By1~Bynに電流を通すことができ、電池セルC1~Cnが過放電となることを防ぎ、異常が生じた電池セルC1~Cnを確実に切り離すことが可能となる。
なお、本実施形態では、上述のように、放電回路B1~Bnによって、電池セルC1~Cnの電圧を均一化している。しかしながら、放電回路B1~Bnを設けずに、バイパス回路By1~Bynを放電回路B1~Bnと同様に用いることによって、電池セルC1~Cnの電圧を均一化することも可能である。
なお、このように本実施形態の電圧検出装置A1においても、上記第1実施形態と同様に、いずれかの電池セルC1~Cnに異常が検出された場合であってもバッテリXからモータへの給電が可能となり、適切なリンプホーム走行(退避走行)を実現することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、マイコンMが判定部14及び制御部15として機能する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、判定部14と制御部15とがマイコンMと異なる半導体装置によって具現化される構成を採用することも可能である。
10……バイパス抵抗、11……スイッチング素子、12……フィルタ抵抗、13……フィルタコンデンサ、14……判定部、15……制御部、16……放電抵抗、17……放電用スイッチング素子、A……電圧検出装置、A1……電圧検出装置、B1~Bn……放電回路、By1~Byn……バイパス回路、C1~Cn……電池セル、D……検出部、F1~Fn+1……CRフィルタ、Fu1~Fun……ヒューズ、M……マイコン、S1~Sn+1……伝送線路、X……バッテリ

Claims (6)

  1. 直列に接続された複数の電池セルの各々の電圧を検出する検出部と、
    少なくともいずれかの前記電池セルのプラス端子とマイナス端子とを接続すると共にスイッチング素子を含むバイパス回路と、
    前記バイパス回路が接続された前記電池セルの異常の有無を判定する判定部と、
    前記判定部にて異常が検出された前記電池セルに接続された前記バイパス回路のスイッチング素子を通電可能に制御する制御部と
    を備え、
    前記バイパス回路は、前記プラス端子と前記マイナス端子とを短絡することで、前記電池セルの前記プラス端子に直列接続されたヒューズを溶断する
    ことを特徴とする電圧検出装置。
  2. 前記判定部は、前記電池セルが過充電である場合に、前記電池セルに異常があると判定することを特徴とする請求項1記載の電圧検出装置。
  3. 前記判定部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記電池セルの電圧が予め設定された閾値を一定時間経過した場合に、前記電池セルが過充電であると判定することを特徴とする請求項2記載の電圧検出装置。
  4. 前記判定部は、前記電池セルに熱異常を検出した場合に、前記電池セルに異常があると判定することを特徴とする請求項1記載の電圧検出装置。
  5. 前記バイパス回路と並列的に接続されると共に直列に接続された放電抵抗及び放電用スイッチング素子を有する放電回路を備えることを特徴とする請求項1~4いずれか一項に記載の電圧検出装置。
  6. 前記バイパス回路の抵抗値は、前記放電回路の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項5記載の電圧検出装置。
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