WO2020261596A1 - 断線検知装置および断線検知方法 - Google Patents
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Abstract
実施形態に係る断線検知装置(1)は、CRフィルタ(4)と、放電回路と、検知部(3)とを備える。CRフィルタ(4)は、電池セルが直列に接続された組電池の電池セル(B1,B2)毎に設けられる。放電回路は、電池セル(B1,B2)とCRフィルタ(4)との間に接続され、電池セル(B1,B2)のセル電圧をバランシングする場合に電池セル(B1,B2)を放電させる。検知部(3)は、直列に接続される2つの電池セル(B1,B2)を順次放電させ、各電池セル(B1,B2)の放電終了から所定時間経過後に、2つの電池セル(B1,B2)の接続点電圧を検出する検出線(L1,L2)の電圧を順次検出し、検出した2つの電圧の差分に基づいて、検出線(L1,L2)の断線を検知する。
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)。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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1~3のいずれか一つに記載の断線検知装置。 - 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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