JPWO2016174854A1 - 蓄電池監視回路の断線検出方法 - Google Patents

Abstract

検出線の断線を検出して、常に適正な電圧監視が行えるようにする。蓄電池モジュールを構成する複数のセルの端子が検出線により複数の監視側端子と接続されて、セルの電圧を監視する監視部を備えた蓄電池監視回路の断線検出方法であって、セルの電圧を計測し、当該計測値を監視前セル電圧とし、監視前セル電圧の計測後であって、所定時間の経過後のセルの電圧を計測し、当該計測値を監視中セル電圧とし、監視前セル電圧と監視中セル電圧との差分電圧を算出して、予め記憶している断線判断閾値と差分電圧との大小を比較し、差分電圧が断線判断閾値より大きい場合には、検出線が断線していると判断する。

Description

本発明は、蓄電池監視回路の断線検出方法に関する。

蓄電システムの大容量化及び高電圧化に伴い、当該蓄電システムを構成する蓄電池モジュールのセル電圧や温度を監視する蓄電池監視回路が設けられている。

図５は、このような蓄電池監視回路１００の回路図を例示した図である。蓄電池モジュール１０１は複数のセルｂ１〜ｂ４が直列接続して構成され、各セルｂ１〜ｂ４の端子は検出線Ｌ０〜Ｌ５により監視部１０２の監視側端子Ｔ０〜Ｔ４、Ｖ_＋、Ｖ₋と接続されている。ここで、セルｂ１をボトム（最下位）セルと呼称し、その負極の端子をセル負極端子ＢＴ０、該セル負極端子ＢＴ０と接続される監視部１０２の端子を監視側端子Ｔ０と記載する。また、監視側端子Ｖ₋をグランド端子と記載する。

グランド端子Ｖ₋は、監視側端子Ｔ０と共通に設けられているので（以下、共通構成）、セル負極端子ＢＴ０は、検出線Ｌ０を介して監視側端子Ｔ０／グランド端子Ｖ₋に接続されている。以下、監視側端子Ｔ０／グランド端子Ｖ₋を共通端子Ｔｃと記載する。

また、ノイズが、共通端子Ｔｃを介して監視部１０２に入力するのを防止するために、抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ５）とコンデンサＣ（Ｃ１〜Ｃ４）とからなる高域遮断フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）１０３が設けられている。さらに、過電圧やサージ電圧が監視部１１に入力しないようにするために、各監視側端子Ｔ０〜Ｔ４間に保護ダイオードＺ（Ｚ１〜Ｚ４）を接続してなる保護ダイオード部１０４が設けられている。

このような共通構成の場合には、検出線Ｌ０に接続されている抵抗Ｒ０を介して電流Ｉが流れると、この抵抗Ｒ０による電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐが発生する。

監視部１０２は、ボトムセルｂ１の電圧を監視側端子Ｔ１と監視側端子Ｔ０（即ち、共通端子Ｔｃ）とで検出する。このため、ボトムセルｂ１の電圧がＶ_ｂａｔ１であっても電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐだけ低い電圧（Ｖ_ｂａｔ１−Ｖ_ｄｒｏｐ）が、当該ボトムセルｂ１の電圧として検出されてしまう。

このような場合に、検出線（グランド線）Ｌ０が断線した場合を考える。図５において、×印が断線箇所を例示している。グランド線Ｌ０が断線すると、ボトムセルｂ１のセル負極端子ＢＴ０はオープン状態となるため、当該ボトムセルｂ１の検出された電圧は０Ｖ付近まで低下して、ボトムセルｂ１が正常時の電圧範囲（例えば２．０〜４．２Ｖ）から外れる。従って、セルｂ１〜ｂ４の電圧を検出していれば、検出線Ｌ０〜Ｌ４の断線が検出できる。

しかし、グランド線Ｌ０が断線していない場合であっても、ボトムセルｂ１の電圧は、電圧降下Ｖ_ｄｒｏｐだけ低くなるため、正確な監視ができない。

そこで、特許文献１においては、ボトムセルｂ１の監視側端子Ｔ０とグランド端子Ｖ₋とを独立して設けた構成が提案されている（以下、分離構成）。

図６は、このような分離構成の蓄電池監視回路１１０の回路図を例示した図である。基本構成は、図５と同じであるが、監視部１０２の監視側端子Ｔ０とグランド端子Ｖ₋とは独立して設けられている。即ち、グランド線ＬＧと検出線Ｌ０とは、別の線である。

特開２０１２−４４７６８号公報

しかしながら、特許文献１における分離構成の場合でも、セル電圧を検出しただけではグランド線ＬＧの断線を検出できない問題があった。

即ち、グランド線ＬＧが断線した場合には、保護ダイオードＺ０を介した電流経路（一点鎖線矢印）が形成される。この電流経路は、保護ダイオードＺ０や抵抗Ｒ０を経由するため、保護ダイオードＺ０の順方向電圧（Ｖ_Ｆ）や抵抗Ｒ０により約１．０Ｖ程度の電圧降下が生じる。従って、グランド線ＬＧが断線した場合、セル電圧４．２［Ｖ］のときは３．２（＝４．２−１．０）［Ｖ］、セル電圧３．３［Ｖ］のときは２．３（＝３．３−１．０）［Ｖ］の電圧が検出されることにとなる。

しかし、このように検出電圧は、ボトムセルｂ１の電圧より小さくなるものの、正常時におけるセルの電圧範囲（２．０〜４．２Ｖ）に収まっているため、セル電圧の検出のみではグランド線ＬＧの断線を検出することができない。

従って、ボトムセルｂ１の正確な電圧の監視が不可能であるため、蓄電システムは能力以上の充放電を行う用に制御される事態が生じて、安全な運用を損なう可能性があった。

そこで、本発明の主目的は、検出線の断線を検出して、常に適正な電圧監視が行えるようにした蓄電池監視回路の断線検出方法を提供することである。

上記課題を解決するため、蓄電池モジュールを構成する複数のセルの端子が検出線により複数の監視側端子と接続されて、前記セルの電圧を監視する監視部を備えた蓄電池監視回路の断線検出方法にかかる発明は、セルの電圧を計測し、当該計測値を監視前セル電圧とし、監視前セル電圧の計測後であって、所定時間の経過後のセルの電圧を計測し、当該計測値を監視中セル電圧とし、監視前セル電圧と監視中セル電圧との差分電圧を算出して、予め記憶している断線判断閾値と差分電圧との大小を比較し、差分電圧が断線判断閾値より大きい場合には、検出線が断線していると判断することを特徴とする。

本発明に依れば、検出線が断線している場合であっても、この断線を検出できるようになり、常に適正な電圧監視が行える。

蓄電池監視回路の要部を示すブロック図である。 ３２個のセルからなる蓄電池モジュールの電圧を検出した結果を示す図である。 断線検出手順を示すフローチャートである。 ヒューズを設けた蓄電池監視回路の要部を示すブロック図である。 関連技術の説明に適用される共通構成の蓄電池監視回路の回路図である。 関連技術の説明に適用される分離構成の蓄電池監視回路の回路図である。 （ａ）は本発明の実施形態の断線検出方法に適用可能な情報処理装置の構成を例示する図であり、（ｂ）はこの情報処理装置により実現される断線検出装置の構成を例示するブロック図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は、蓄電池監視回路２Ａの要部を示すブロック図である。蓄電池監視回路２Ａは、監視部１１、高域遮断フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）部１２、保護ダイオード部１３を備える。

なお、図１には、監視対象の蓄電池モジュール３も図示している。蓄電池モジュール３は、複数のセル３ａ〜３ｄにより構成されている。なお、図１では、４つのセルからなる蓄電池モジュール３を図示しているが、かかるセル数に限定するものではないことを予め付言する。

そして、セル３ａの負極と監視部１１のグランド端子Ｖ₋とは、個別に分離して構成（分離構成）されている。

監視部１１は、監視側端子（Ｔ０〜Ｔ４、Ｖ_＋、Ｖ₋）を備え、検出線Ｌ（Ｌ０〜Ｌ５、ＬＧ）を介してセルと接続されている。以下、監視側端子Ｖ₋に接続された検出線ＬＧをグランド線、セル３ａをボトムセルと記載する。そして、各セルの端子電圧を監視することにより、当該セルの蓄電量等を監視すると共に、グランド線ＬＧの断線を監視している。

高域遮断フィルタ１２は、抵抗Ｒ０〜Ｒ５とコンデンサＣ０〜Ｃ３とから形成されて、周囲環境から検出線Ｌ０〜Ｌ５を介して監視部１１に侵入するノイズ（主に高周波ノイズ）を阻止するために設けられている。

保護ダイオード部１３は、過電圧やサージ電圧が監視部１１にかからないように、各監視側端子間に設けられた保護ダイオードＺ０〜Ｚ４により形成されている。

なお、図１においては、保護ダイオード部１３は監視部１１に対して外付けの場合を例示しているが、当該監視部１１に内設されていてもよい。以下の説明では、図１の構成について説明し、抵抗Ｒ０〜Ｒ５は２［ｋΩ］、コンデンサＣ０〜Ｃ３は１［μＦ］、保護ダイオードＺ０〜Ｚ４の順方向電圧（Ｖ_Ｆ）は０．６［Ｖ］、監視部１１の動作電流は６００［μＡ］とし、各セルの電圧を４．２［Ｖ］とする。

このような構成で、グランド線ＬＧが断線していないとき、監視部１１には実線矢印で示す電流経路（正常時電流経路）に沿って動作電流が流れている。

一方、例えば、図１において点Ｄの箇所でグランド線ＬＧが断線した場合には、一点鎖線で示す電流経路（断線時経路）に沿って動作電流が流れるようになる。このとき保護ダイオードＺ０〜Ｚ４の順方向電圧が０．６［Ｖ］であるので、監視側端子Ｔ０とグランド端子Ｖ₋と間には、−０．６［Ｖ］の電位差が発生する。ボトムセル３ａの電圧は、監視側端子Ｔ０と端子Ｔ１との間で検出されるため、保護ダイオード部１３の順方向電圧はボトムセル３ａの電圧検出には関係しない。

しかし、断線した検出線中の抵抗Ｒ０で、１．２（＝２×６００：抵抗２［ｋΩ］、電流６００［μＡ］）［Ｖ］の電圧降下が発生している。従って、この電圧降下分だけ、ボトムセル３ａの電圧は実際の電圧よりも低く検出される。

図２は、３２個のセルからなる蓄電池モジュール３の電圧を検出した結果を示す図である。なお、各セルの電圧は、約４．２［Ｖ］である。しかし、セル番号１（ボトムセル３ａに対応）の電圧は約１．２［Ｖ］だけ低い、約３．０［Ｖ］となっている。この検出電圧は、セルの電圧範囲（２．０〜４．２Ｖ）内であるので、グランド線ＬＧの断線が検出できない。

そこで、監視部１１は、グランド線ＬＧの断線を図３に示すフローチャートに従い検出する。

ステップＳ１： 監視部１１は、タイマーをリセットする。このタイマーは、セルの電圧を検出するために要する時間を計時する。なお、監視部１１には、断線判断閾値Ｖ_ｄｅｔが予め記憶されている。この断線判断閾値Ｖ_ｄｅｔは、抵抗Ｒ０で生じる電圧降下が検出できる値とする。ここでは、電圧降下を１．２［Ｖ］とする。そこで、断線判断閾値Ｖ_ｄｅｔをＶ_ｄｅｔ＝１．０Ｖに設定する。

無論、断線判断閾値は、抵抗で発生する電圧降下が検出できる値に限定するものではなく、保護ダイオードにより電圧降下が生じる場合には、この電圧降下が検出できる値とすることも可能である。即ち、断線判断閾値は、検出線に抵抗又は／及び保護ダイオードが接続されて、複数の検出線の内の１つが断線した際の電流経路の変化による抵抗又は／及び保護ダイオードによる電圧降下を含んだ電圧降下が検出できる値に設定される。具体的には、断線判断閾値は、複数の検出線の内の１つが断線した際の電流経路の変化による抵抗又は／及び保護ダイオードによる電圧降下を含んだ、後述する監視中セル電圧に対する監視前セル電圧の差分電圧が検出できる値に設定される。

ステップＳ２、Ｓ３： 監視部１１は、ボトムセル３ａの電圧の測定を行う。このときの電圧を監視前セル電圧（第１のセル電圧）とする。そして、タイマーを動作させる。

ステップＳ４、Ｓ５： その後、監視部１１は、タイマーが所定時間計時する間に、ボトムセル３ａの電圧測定を行う。このときの電圧を監視中セル電圧（第２のセル電圧）とする。

ステップＳ６、Ｓ７： 監視中セル電圧が取得されると、監視部１１は、ボトムセル３ａの差分電圧ΔＶ（＝監視中セル電圧−監視前セル電圧）を算出し、断線判断閾値（Ｖ_ｄｅｔ）と比較する。このとき差分電圧ΔＶが断線判断閾値Ｖ_ｄｅｔより大きい場合には、グランド線ＬＧは断線していると判断する。

ステップＳ８： 監視部１１は、グランド線ＬＧが断線していると判断した場合には、ユーザに対しグランド線ＬＧの断線を報知する。この報知方法としては、アラーム、警報灯等が例示できる。また、グランド線ＬＧが断線しているため、正常な電圧監視が行えない状況下であるので、蓄電システムの使用制限を行うことも可能である。

以上説明したように、グランド線ＬＧの断線が検出できるようになり、それ以降のシステム運用を制限したり、アラーム発行等による注意喚起を促すことが可能になる。これにより、蓄電システムを安全に使用することが可能となる。

なお、金属異物により回路がショートした場合、静電気や雷サージ等が侵入した場合等において、グランド線ＬＧを介して監視部１１に過電流が入力することがある。このような事態に対応すべく、図４に示すようにヒューズ１４を設けた構成も可能である。この構成の場合に、ヒューズ１４が溶断すると、これまで述べたようなグランド線ＬＧが断線した状態となる。しかし、本発明に従えば、適正に断線検出を行うことができる。

また、上記説明では、グランド線ＬＧの断線を監視する場合を例に説明したが、他の検出線の断線を検出することも可能である。即ち、検出線が断線することにより、電流経路が変わる。このため当該検出線に接続されている抵抗等による電圧降下が発生するので、断線していないときのセル電圧と、断線したときのセル電圧との差分電圧を求めることにより、断線の有無が判断できる。

（その他の実施形態）
上述した断線検出方法は、上述した動作を実現するプログラムを実行できる情報処理装置によっても実現され得る。このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の形態で、流通され得る。このような記録媒体に記録されたプログラムを読み込んで、情報処理装置で実行することにより、本実施形態の断線検出装置をソフトウェア的に実現することもできる。

図７（ａ）は本発明の実施形態の断線検出方法に適用可能な情報処理装置の構成を例示する図であり、図７（ｂ）はこの情報処理装置により実現される断線検出装置の構成を例示するブロック図である。なお、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

図７（ａ）に示すように、情報処理装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５や、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成されるメモリ１６を、含む。このようなハードウェア構成の情報処理装置で、図７（ｂ）の断線検出装置２０は実現され得る。図７（ｂ）の断線検出装置２０は、蓄電池モジュールを構成する複数のセルの監視前セル電圧を取得する監視前セル電圧取得手段２１と、所定時間の経過後の上記セルの電圧である監視中セル電圧を取得する監視中セル電圧取得手段２２と、を含む。さらに断線検出装置２０は、監視前セル電圧と監視中セル電圧との差分電圧を算出する差分電圧算出手段２３と、上記差分電圧が断線判断閾値より大きい場合には、検出線が断線していると判断する判断手段２４と、を含む。さらに断線検出装置２０は、上記検出線が断線していると判断した場合に判断結果を報知する報知手段２５と、を含む。図７（ｂ）の断線検出装置２０は、図７（ｂ）の監視前セル電圧取得手段２１、監視中セル電圧取得手段２２、差分電圧算出手段２３、及び判断手段２４を実現させるような断線検出プログラムを読み込んで、情報処理装置に実行させることによっても、実現できる。

また、この断線検出プログラムは、プログラムを記録した記録媒体の形態で、流通され得る。このプログラムは、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））及びＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記録デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記録媒体、又はＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）などの光学記録媒体などの形態で、流通され得る。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１５年４月２８日に出願された日本出願特願２０１５−９１０９９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

２Ａ 蓄電池監視回路
３ 蓄電池モジュール
３ａ〜３ｄ セル
１１ 監視部
１２ 高域遮断フィルタ
１３ 保護ダイオード部
１４ ヒューズ
１５ ＣＰＵ
１６ メモリ

Claims (7)

1. 蓄電池モジュールを構成する複数のセルの端子が検出線により複数の監視側端子と接続されて、前記セルの電圧を監視する監視部を備えた蓄電池監視回路の断線検出方法であって、
   前記セルの電圧である第１のセル電圧を計測し、
   前記第１のセル電圧の計測から所定時間経過後の前記セルの電圧である第２のセル電圧を計測し、
   前記第１のセル電圧と前記第２のセル電圧との差分電圧と、断線判断閾値との大小を比較し、
   前記差分電圧が前記断線判断閾値より大きい場合には、前記検出線が断線していると判断することを特徴とする蓄電池監視回路の断線検出方法。
2. 請求項１に記載の蓄電池監視回路の断線検出方法であって、
   前記検出線に抵抗又は／及び保護ダイオードが接続されて、複数の前記検出線の内の１つが断線した際の電流経路の変化による前記抵抗又は／及び前記保護ダイオードによる電圧降下を含んだ前記第２のセル電圧に対する前記第１のセル電圧の差分電圧に前記断線判断閾値が設定されていることを特徴とする蓄電池監視回路の断線検出方法。
3. 請求項１又は２に記載の蓄電池監視回路の断線検出方法であって、
   前記監視部は、前記検出線が断線していると判断した場合には、判断結果を報知することを特徴とする蓄電池監視回路の断線検出方法。
4. 蓄電池モジュールを構成する複数のセルの監視前セル電圧を取得する監視前セル電圧取得手段と、所定時間の経過後の前記セルの電圧である監視中セル電圧を取得する監視中セル電圧取得手段と、前記監視前セル電圧と前記監視中セル電圧との差分電圧を算出する差分電圧算出手段と、前記差分電圧が断線判断閾値より大きい場合には、検出線が断線していると判断する判断手段と、を含む断線検出装置。
5. 前記検出線が断線していると判断した場合に判断結果を報知する報知手段をさらに含む、請求項４に記載の断線検出装置。
6. コンピュータを、
   蓄電池モジュールを構成する複数のセルの監視前セル電圧を取得する監視前セル電圧取得手段と、所定時間の経過後の前記セルの電圧である監視中セル電圧を取得する監視中セル電圧取得手段と、前記監視前セル電圧と前記監視中セル電圧との差分電圧を算出する差分電圧算出手段と、前記差分電圧が断線判断閾値より大きい場合には、検出線が断線していると判断する判断手段と、して機能させる断線検出プログラムが記録された記録媒体。
7. 前記コンピュータを、
   前記検出線が断線していると判断した場合に判断結果を報知する報知手段としてさらに機能させる、請求項６に記載の断線検出プログラムが記録された記録媒体。

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