JP2018143014A

JP2018143014A - 二次電池システム及びそれを用いた車両システム

Info

Publication number: JP2018143014A
Application number: JP2017034280A
Authority: JP
Inventors: 雄貴能美; Yuki Nomi; 昌宏上田; Masahiro Ueda
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-09-13

Abstract

【課題】コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようにし、さらに、故障部位の特定ができる二次電池システムを提供する。【解決手段】二次電池システム１０００は、二次電池１００と、二次電池と負荷１１０との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ２００ａ〜２００ｃと、コンタクタを駆動するコイル３００ａ〜３００ｃを備える。コンタクタの開閉指令信号１２０ａ〜１２０ｃと、コイルの電圧値および電流値と、コンタクタの高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタを駆動するドライバ３１０ａ〜３１０ｃからコンタクタまでのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部４００を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、二次単電池を用いた二次電池システム及びそれを用いた車両システムに関する。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの電動車両には、二次電池が用いられており、この
二次電池からの直流出力をインバータにより交流に変換し、交流モータを駆動する。このような電動駆動システムでは、二次電池とインバータの正極、および負極を接続する高電圧回路にコンタクタが接続される。

このコンタクタは開閉することにより二次電池とインバータとを接続、もしくは切断する役割を持ち、安全性の高さが重要視される二次電池の取扱いにおいて用いられることが多い。また、安全性を確保する上で、二次電池を用いる際に考慮しなければいけない点は過充電と過放電である。これらの問題を防止するために二次電池の不要な充放電は避けなければならず、コンタクタが故障し、二次電池とインバータとの接続が制御できなくなってしまうと不要な充放電が起きる要因となる。したがって、コンタクタの制御が適切に行われていることを確認するために、コンタクタの故障診断が実施される。

特許文献１には正極コンタクタ、プリチャージコンタクタ、負極コンタクタと、各コンタクタの開閉指令を制御する制御手段を備えており、コンタクタの開閉に伴う、負荷側（高電圧側）の電圧変動を測定することによってコンタクタの溶着診断を実施している。

特開２０１３−１６９０８７号公報

二次電池の不要な充放電は、過充電、過放電を引き起こす要因となる。したがって、コンタクタによる二次電池と負荷との導通、遮断は確実に実施することが求められる。しかし、特許文献１に記載の内容では、地絡、天絡、断線、ドライバ開放故障、ドライバ短絡故障といった診断を行うことができない。

そのため、本発明では測定する項目を増やし、診断項目を増やすことによって、できるだけ早く異常を検知し、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようにし、さらに、故障部位の特定ができる二次電池システムを提供することを課題とする。

本発明では上記課題を解決するために、本発明の二次電池システム（１０００）は、二次電池（１００）と、二次電池と負荷（１１０）との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ（２００）と、コンタクタ（２００）を駆動するコイル（３００）を備え、コンタクタ（２００）の開閉指令信号（１２０）と、コイル（３００）の電圧値および電流値と、コンタクタ（２００）の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ（２００）を駆動するドライバ（３１０）からコンタクタ（２００）までのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部（４００）を備える。

本発明を適用することによって、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようになり、さらに、故障部位の特定ができ、二次電池システムとしての信頼性が向上する。

本発明に係る車両システムを説明する図。本発明に係る電圧検出装置を説明する図。コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値に基づいて診断した際の故障モード判定図。コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電圧値に基づいて診断した際の故障モード判定図。本発明を用いた場合の故障モード判定図。

以下、本発明に係わる組電池の実施形態を図面に基づき説明する。

≪実施形態１≫
まず図１を用いて、本発明の二次電池システム１０００について説明する。高電圧二次電池１００は、自動車を駆動するために必要となる電力を蓄えておく装置であり、複数個の二次電池のセルを直列接続することによって構成されている。負荷１１０は、高電圧二次電池１００に蓄えられている電力を消費するシステムであり、本実施形態においてはインバータを接続し、モータへつながることを想定している。また、負荷１１０を本実施形態のように想定した場合、高電圧二次電池１００に蓄えられた電力を消費するだけでなく、高電圧二次電池１００に電力を回生する役割も持つ。

高電圧二次電池１００と負荷１１０との電力のやり取りを導通、遮断するものがコンタクタ２００であって、コンタクタ２００を開閉することによって導通、遮断を行う。コンタクタ２００は高電圧二次電池１００の正極側に接続される正極コンタクタ２００ａとプリチャージコンタクタ２００ｂ、負極側に接続される負極コンタクタ２００ｃから構成される。

コンタクタ２００の開閉動作を担うものがコンタクタ制御回路であり、コンタクタ駆動用電源１４０、コイル３００、コンタクタドライバ３１０から構成される。コンタクタ２００の開閉は、コイル３００に流す電流を制御することによって行う。正極コンタクタ２００ａはコイル３００ａ、プリチャージコンタクタ２００ｂはコイル３００ｂ、負極コンタクタ２００ｃはコイル３００ｃの電流を制御することによって駆動する。

コイル３００に流す電流は、ＭＰＵ１３０から出力されるコンタクタ開閉指令信号１２０のＯＮ、ＯＦＦに応じて、コンタクタドライバ３１０の出力電圧１５０を変化させることによって制御する。コイル３００ａに流す電流は、ＭＰＵ１３０から出力されるコンタクタ開閉指令信号１２０ａのＯＮ、ＯＦＦに応じて、正極コンタクタドライバ３１０ａの出力電圧１５０ａを変化させることによって制御する。コイル３００ｂに流す電流は、ＭＰＵ１３０から出力されるコンタクタ開閉指令信号１２０ｂのＯＮ、ＯＦＦに応じて、プリチャージコンタクタドライバ３１０ｂの出力電圧１５０ｂを変化させることによって制御する。コイル３００ｃに流す電流は、ＭＰＵ１３０から出力されるコンタクタ開閉指令信号１２０ｃのＯＮ、ＯＦＦに応じて、負極コンタクタドライバ３１０ｃの出力電圧１５０ｃを変化させることによって制御する。

これより先、コンタクタドライバ３１０の出力電圧１５０（１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ）をコイル３００の電圧値とする。

続いて図２を用いて、本発明の電圧検出装置４００の説明をする。図１で示した二次電池システム１０００における二次電池１００から負荷１１０までの回路には図２に示すような電圧検出装置（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎｅｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ、図面中のＢＭＳ）４００が備わっており、総電圧検出装置４００ａ、正極コンタクタ電圧検出装置４００ｂ、負極コンタクタ検出装置４００ｃでそれぞれ二次電池１００の電圧値を検出している。

総電圧検出装置４００ａは常に二次電池１００の正極側と負極側に接続されているため常に二次電池１００の電圧値を検出できる。

正極コンタクタ電圧検出装置４００ｂは正極コンタクタ２００ａ、もしくはプリチャージコンタクタ２００ｂが閉じることによって、二次電池１００の正極側と負極側に接続されるため二次電池１００の電圧値を検出できるようになる。正極コンタクタ２００ａとプリチャージコンタクタ２００ｂが開いていると二次電池１００の正極側と接続されないため二次電池１００の電圧値は検出できない。

負極コンタクタ電圧検出装置４００ｃは負極コンタクタ２００ｃが閉じることによって二次電池１００の正極側と負極側に接続されるため二次電池１００の電圧値を検出できるようになる。負極コンタクタ２００ｃが開いていると二次電池１００の負極側と接続されないため二次電池１００の電圧値は検出できない。

これより先、正極コンタクタ電圧検出装置４００ｂ、負極コンタクタ電圧検出装置４００ｃによって検出された電圧をコンタクタ２００の電圧値とする。

図３は、コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値に基づいて診断した際の故障モード判定表を示し、図４は、コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電圧値に基づいて診断した際の故障モード判定表を示す。この図３及び図４は従来の方法による判定方法である。なお、図３以降ではいずれのコンタクタ（正極コンタクタ２００ａ、プリチャージコンタクタ２００ｂ、負極コンタクタ２００ｃ）であっても同様の判断となるため、コンタクタ２００と総称して説明を行う。

表の縦軸５００番台は診断する故障モードであり、各故障モードについて以下に示す。

正常５００：コンタクタ開閉指令信号１２０に応じて適切にコンタクタ２００を動作させることができる。

地絡５１０：コンタクタドライバ３１０からコンタクタコイル３００までの経路が地絡状態となり、該当経路の電圧がＬｏｗになるためコンタクタ２００が常にｃｌｏｓｅの状態となってしまう故障（ハーネス故障）。

天絡５２０：コンタクタドライバ３１０からコンタクタコイル３００までの経路が天絡状態となり、該当経路の電圧がコンタクタ駆動用電源１４０の電圧値になるためコンタクタ２００が常にｏｐｅｎの状態となってしまう故障（ハーネス故障）。

断線５３０：コンタクタ制御回路が断線し、コイル３００に電流が流れないためコンタクタ２００が常にｏｐｅｎの状態となってしまう故障（ハーネス故障）。

ドライバ解放故障５４０：コンタクタドライバ回路３１０が解放状態となり、常にコンタクタドライバ３１０の出力電圧１５０（１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ）がコンタクタ駆動用電源１４０の電圧値になる。コンタクタ２００が常にｏｐｅｎの状態となってしまう故障（ドライバ故障）。

ドライバ短絡故障５５０：コンタクタドライバ回路３１０が短絡状態となり、常にコンタクタドライバ３１０の出力電圧１５０がＬｏｗになる。コンタクタ２００が常にｃｌｏｓｅの状態となってしまう故障（ドライバ故障）。

コンタクタ溶着５６０：コンタクタ２００が溶着し、常にｃｌｏｓｅの状態となってしまう故障（コンタクタ故障）。

横軸は診断に用いる測定項目であり、各測定項目の状態を以下に示す。

また、コンタクタ開閉指令信号１２０のＯＮ状態はコンタクタｃｌｏｓｅ要求を意味し、ＯＦＦ状態はコンタクタｏｐｅｎ要求を意味する。これらの要求に対して実際のコンタクタ動作を示したのが、図３中のコンタクタ２００の状態である。このコンタクタ２００の状態に対応してコンタクタ２００の電圧値は変化し、コンタクタ２００がｃｌｏｓｅのときは高電圧二次電池１００と接続されているため総電圧が検出され、ｏｐｅｎのときは高電圧二次電池１００と切り離されているため電圧はＬｏｗ（０［Ｖ］に近い値）となる。また、コイル３００の電流値とコイル３００の電圧値は、それぞれの故障モードにおいて測定される値を示している。

図３及び図４に示す各測定項目の状態に基づいて、故障モード５００から５６０を診断する。

図３に示すコンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値に基づいた診断においては、コンタクタ開閉指令信号１２０に関わらず断線状態とドライバ開放故障におけるコンタクタ２００の高電位側の電圧値とコイル３００の電流値の測定結果は同じであるため判断することができない。また、図４に示すコンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電圧値に基づいた診断においては、コンタクタ開閉指令信号１２０に関わらず地絡とドライバ短絡故障、天絡とドライバ開放故障におけるコンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値の測定結果は同じであるため判断することができない。そのため、従来方法では地絡、ドライバ短絡故障、天絡、ドライバ開放故障、断線、コンタクタ溶着のいずれの状態であるか断定できない。

一方で本発明の方法を用いれば地絡、ドライバ短絡故障、天絡、ドライバ開放故障、断線、コンタクタ溶着のいずれの状態であるか断定できる。図５は本発明の検出方法を用いた結果を示した表である。本発明の検出方法は、コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値とコイル３００の電圧値のすべてを用いてコンタクタの故障を検知するものである。

なお、図５に示す各故障モードは図３、および図４に記載の故障モードと同様である。図３及び図４同様、図５に示す各測定項目の状態に基づいて、故障モード５００から５６０を診断する。

このように、コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電流値で各故障モードを検出する場合には、コンタクタ開閉指令信号１２０のＯＮ、ＯＦＦにかかわらず断線５３０の故障モードとドライバ開放故障５４０の故障モードが同じ判定になるため断線５３０とドライバ開放故障５４０の区別がつかなかった。一方で、コンタクタ２００の電圧値とコイル３００の電圧値で各故障モードを検出する場合には、コンタクタ開閉指令信号１２０のＯＮ、ＯＦＦにかかわらず地絡５１０の故障モードとドライバ短絡故障５５０の故障モー
ド、天絡５２０の故障モードとドライバ開放故障５４０の故障モードがそれぞれ同じ判定になるため地絡５１０とドライバ短絡故障５５０、天絡５２０とドライバ開放故障５４０のそれぞれの故障モードがそれぞれ区別がつかなかった。

一方で本発明のように、測定項目を合わせる（測定項目をコンタクタ２００の電圧値、コイル３００の電圧値、コイル３００の電流値のすべてを用いて診断を実施する）ことによって、それぞれの診断項目におけるコンタクタ２００の電圧、コイル３００の電流値、コイル３００の電圧値の組み合わせはすべて異なるようになるため、全故障モードを診断することが可能となる。したがって、従来の方法よりもより詳細な診断をすることが可能である。また、本発明のように故障モードが特定できると、下記のような利点がある。

（１）コンタクタドライバの故障と制御回路の故障が見分けられないと、故障したときコンタクタドライバと制御回路をどちらも取り替える必要があり、コストが増大する。そのため、本発明を適用することによって、故障モードを特定することによって、故障部位まで特定することができ、修理の際に交換する部品が減るという利点がある。

（２）従来文献では診断に用いる入力が、高電圧側の電圧値だけとなっているが、この電圧測定系に異常をきたしてしまうと診断が不可能となる。一方で本発明のように測定系に電圧系と電流系を使用すれば、仮にどちらか一方の測定系に異常が発生しても他の測定系だけで診断できる項目もあるため、信頼性が向上する。

以上、本発明について簡単にまとめる。本発明の車両システムは、二次電池（１００）と、負荷（１１０）と、二次電池（１００）と負荷（１１０）との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ（２００）と、コンタクタ（２００）を駆動するコイル（３００）を備え、コンタクタ（２００）の開閉指令信号（１２０）と、コイル（３００）の電圧値及び電流値と、コンタクタ（２００）の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ（２００）を駆動するドライバ（３１０）からコンタクタ（２００）までのコンタクタ回路部の故障診断を行う。このような構成にすることによって、それぞれの診断項目におけるコンタクタ２００の電圧、コイル３００の電流値、コイル３００の電圧値の組み合わせはすべて異なるようになるため、全故障モードを診断することが可能となる。そのため、コンタクタの異常だけでなく、制御回路の異常も検知できるようなり、さらに、故障部位の特定ができる車両システムや二次電池システムを提供することができる。

また、本発明の二次電池システム（１０００）は、二次電池（１００）と、二次電池と負荷（１１０）との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタ（２００）と、コンタクタ（２００）を駆動するコイル（３００）を備え、コンタクタ（２００）の開閉指令信号（１２０）と、コイル（３００）の電圧値および電流値と、コンタクタ（２００）の高電圧側の電圧値に基づいて、コンタクタ（２００）を駆動するドライバ（３１０）からコンタクタ（２００）までのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部（４００）を備える。このように、二次電池システムの形態をとっていてもよい。以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００二次電池
１１０負荷
１２０コンタクタ開閉指令信号
１３０ＭＰＵ
１４０コンタクタ駆動用電源
１５０出力電圧
２００コンタクタ
３００コイル
４００電圧検出装置
１０００二次電池システム

Claims

二次電池と、負荷と、前記二次電池と前記負荷との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタと、前記コンタクタを駆動するコイルを備える車両システムにおいて、
前記コンタクタの開閉指令信号と、前記コイルの電圧値及び電流値と、前記コンタクタの高電圧側の電圧値に基づいて、前記コンタクタを駆動するドライバからコンタクタまでのコンタクタ回路部の故障診断を行うことを特徴とする車両システム。
二次電池と、前記二次電池と負荷との間の電力供給を導通又は遮断するコンタクタと、前記コンタクタを駆動する前記コイルを備える二次電池システムにおいて、
前記コンタクタの開閉指令信号と、前記コイルの電圧値および電流値と、前記コンタクタの高電圧側の電圧値に基づいて、前記コンタクタを駆動するドライバからコンタクタまでのコンタクタ回路部の故障診断を行う電池制御部を備えることを特徴とする二次電池システム。