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JP5978143B2 - 蓄電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電池システムに関する。
蓄電池システムは、リチウムイオン電池等の再充電が可能な蓄電池(二次電池)と、蓄電池の充放電を制御する制御装置とを備えており、制御装置の制御の下で、蓄電池に蓄えられた電力の取り出し及び蓄電池への電力の蓄え(充放電)を行うシステムである。このような蓄電池システムは、例えば電気自動車(EV:Electric Vehicle)やハイブリッド自動車(HV:Hybrid Vehicle)に搭載される電源として用いられている。
蓄電池システムに設けられる蓄電池の多くは、複数の電池セル(単位電池)を直列接続してなる電池モジュールを、必要とされる電圧が得られる分だけ直列接続した構成である。このような蓄電池を備える蓄電池システムは、蓄電池を構成する電池モジュール毎に電圧監視回路を備えており、制御装置が、各電圧監視回路の監視情報(監視データ)を参照しつつ蓄電池に蓄えられた電力の取り出し及び蓄電池への電力の蓄えの制御(充放電制御)を行う。
以下の特許文献1には、このような蓄電池システムの従来例が開示されている。具体的に、以下の特許文献1には、各電池モジュールに対応して設けられて、対応する電池モジュールを構成する電池セルを制御する複数の下位コントローラ(セルコントローラ)と、これらを制御する上位コントローラ(バッテリコントローラ)とが数珠繋ぎ(デイジーチェーン)のシリアル通信で接続された蓄電池システムが開示されている。
特開2008−220074号公報
ところで、上述した特許文献1の蓄電池システムに設けられる下位コントローラは、対応する電池モジュールからの給電を受けて動作して電池セルの制御及びシリアル通信を行っている。このため、蓄電池に異常が発生した場合には、電池モジュールから下位コントローラへの給電停止等によって、上位コントローラと下位コントローラとの間のシリアル通信に障害が発生する。尚、蓄電池の異常は、例えば蓄電池内に設けられたブレーカー、ヒューズ、CID(Current Interrupt Device:過電流遮断装置)、電源ライン等の蓄電池の電流経路が遮断(開放)されることによって発生する。
また、電池モジュールから下位コントローラへの給電は正常に行われているものの、下位コントローラそのものに異常が発生した場合には、異常が発生した下位コントローラは動作が停止する(或いは、正常に動作しなくなる)。このため、上述した蓄電池に異常が発生した場合と同様に、上位コントローラと下位コントローラとの間のシリアル通信に障害が発生する。
このように、上位コントローラと下位コントローラとの間のシリアル通信に障害が発生する主な原因としては、蓄電池の異常によるものと、下位コントローラの異常によるものとが挙げられる。しかしながら、従来の蓄電池システムでは、下位コントローラとの間のシリアル通信に障害が発生した場合に、上位コントローラは、障害の原因が何れの原因であるのかを判別することができないという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、通信障害が発生した場合に、その障害の原因を容易に判別することが可能な蓄電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の蓄電池システムは、電池セルを直列接続してなる複数の電池モジュールと該電池モジュール間に設けられた遮断部とを有する蓄電池と、前記電池モジュールに対応して設けられて前記電池モジュールの電圧を監視する複数の電圧監視回路と、該電圧監視回路と環状に接続されて該電圧監視回路と通信を行って得られる監視情報に基づいて前記蓄電池の充放電を制御する制御装置とを備える蓄電池システムにおいて、前記制御装置は、前記電圧監視回路との間の通信障害が発生した場合に、前記蓄電池に流れる電流に応じた電圧閾値を算出し、該電圧閾値と前記通信障害が発生する前に前記遮断部の両端間に発生していた端子間電圧とを比較して前記通信障害の異常箇所を判定する判定手段を備えることを特徴としている。
また、本発明の蓄電池システムは、前記判定手段が、前記制御装置が前記蓄電池に対する充電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧よりも大であるときに前記蓄電池が前記異常箇所であると判定し、前記制御装置が前記蓄電池に対する放電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧よりも小であるときに前記蓄電池が前記異常箇所であると判定することを特徴としている。
また、本発明の蓄電池システムは、前記判定手段が、前記制御装置が前記蓄電池に対する充電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧以下であるときに前記電圧監視回路が前記異常箇所であると判定し、前記制御装置が前記蓄電池に対する放電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧以上であるときに前記電圧監視回路が前記異常箇所であると判定することを特徴としている。
また、本発明の蓄電池システムは、前記判定手段が、予め求められている前記遮断部の抵抗を含む前記蓄電池の配線抵抗に対し、前記蓄電池に流れる電流を乗算することによって前記電圧閾値を算出することを特徴としている。
また、本発明の蓄電池システムは、前記遮断部の両端間に発生する端子間電圧を検出して前記制御装置に出力する電圧検出回路を備えることを特徴としている。
或いは、本発明の蓄電池システムは、前記制御装置が、前記電圧監視回路の監視情報と前記蓄電池の出力電圧の測定情報とを用いて演算により前記前記遮断部の両端間に発生する端子間電圧を求めることを特徴としている。
本発明によれば、電圧監視回路との間の通信障害が発生した場合に、制御装置に設けられた判定手段が、蓄電池に流れる電流に応じた電圧閾値を算出し、その電圧閾値と通信障害が発生する前に遮断部の両端間に発生していた端子間電圧とを比較して通信障害の異常箇所を判定するようにしているため、通信障害の原因を容易に判別することができるという効果がある。
本発明の一実施形態による蓄電池システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による蓄電池システムの通信障害発生時の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による蓄電池システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による蓄電池システムについて詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)等の自動車に搭載される蓄電池システムを例に挙げて説明する。
図1は、本発明の一実施形態による蓄電池システムの要部構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態の蓄電池システム1は、蓄電池10、電圧監視回路20a〜20d、電圧検出回路21、絶縁素子30a〜30c、及びバッテリ制御装置40(制御装置)を備える。この蓄電池システム1は、コンタクタC1,C2を介してインバータINVに接続され、蓄電池10に蓄えられた電力を放電させてインバータINVに供給するとともに、インバータINVからの回生電力を用いて蓄電池10を充電する。
ここで、コンタクタC1,C2は、機械式スイッチの一種であり、蓄電池10とインバータINVとの間を開状態又は閉状態にする。尚、コンタクタC1は、蓄電池10及びインバータINVの正極端子間に設けられ、コンタクタC2は、蓄電池10及びインバータINVの負極端子間に設けられる。インバータINVは、蓄電池システム1から供給される電力によりモータMを駆動して自動車を走行させるための動力を発生させる。また、インバータINVは、自動車の減速時にはモータMを発電機として機能させてモータMで発電される電力を回生電力として蓄電池システム1に供給する。
蓄電池10は、直列接続された電池モジュール11a〜11d、ブレーカー12(遮断部)、及びヒューズ13(遮断部)を備えており、バッテリ制御装置40の制御の下で、蓄えている電力の放電及び供給される電力の充電を行う。電池モジュール11a〜11dは、予め規定された複数の電池セルCを直列接続してなるモジュールである。ここで、電池セルCは、電池モジュール11a〜11dに設けられる単位電池であり、例えばリチウムイオン電池等の再充電が可能な蓄電池(二次電池)である。尚、図1においては、説明を簡単にするために4つの電池モジュール11a〜11dを備える蓄電池10を図示しているが、蓄電池10に設けられる電池モジュールの数は任意である。
ブレーカー12及びヒューズ13は、電池モジュール11bと電池モジュール11cとの間に直列接続されており、蓄電池10の電流経路を遮断(開放)するために設けられる。例えば、ブレーカー12は、作業者が蓄電池10の電流経路を手動で遮断するために設けられる。また、ヒューズ13は、蓄電池10に過電流が流れた場合に、蓄電池10の電流経路を自動的に遮断するために用いられる。尚、ブレーカー12及びヒューズ13が設けられる位置は、電池モジュール11b,11c間である必要は必ずしも無く、例えば電池モジュール11a,11b間であっても良く、電池モジュール11c,11d間であっても良い。
電圧監視回路20a〜20dは、蓄電池10の電池モジュール11a〜11dに対応して設けられており、対応する電池モジュールの電圧(対応する電池モジュール全体の電圧)、及び対応する電池モジュールに設けられる各電池セルCの電圧を監視する。これら電圧監視回路20a〜20dは、対応する電池モジュール11a〜11dからの給電を受けてそれぞれ動作する。
また、電圧監視回路20a〜20dは、互いに縦続接続(デイジーチェーン接続)されて絶縁素子30a,30bを介してバッテリ制御装置40に接続されており、バッテリ制御装置40と通信を行って電池モジュール及び各電池セルCの監視情報(監視データ)をバッテリ制御装置40に送信する。尚、図1においては、説明を簡単にするために4つの電圧監視回路20a〜20dを図示しているが、電圧監視回路の数は蓄電池10の電池モジュールと同数設けられる。
電圧検出回路21は、ブレーカー12の一端部(電池モジュール11bに接続される端部)とヒューズ13の一端部(電池モジュール11cに接続される端部)とに接続されており、これらの端部の間に発生する電圧Vi(端子間電圧)を検出する。この電圧検出回路21は、絶縁素子30cを介してバッテリ制御装置40に接続されており、上記電圧Viの検出情報(検出データ)をバッテリ制御装置40に出力する。
絶縁素子30a,30bは、デイジーチェーン接続された電圧監視回路20a〜20dとバッテリ制御装置40との間を電気的に絶縁するための素子であり、例えばフォトカプラによって実現される。尚、絶縁素子30aは、バッテリ制御装置40と電圧監視回路20aとの間に設けられ、絶縁素子30bは、バッテリ制御装置40と電圧監視回路20dとの間に設けられる。絶縁素子30cは、電圧検出回路21とバッテリ制御装置40との間を電気的に絶縁するための素子であり、例えばフォトカプラによって実現される。
バッテリ制御装置40は、電圧監視回路20a〜20dの監視情報に基づいて、蓄電池10の充放電を制御する。具体的に、バッテリ制御装置40は、電圧監視回路20a〜20dの監視情報から蓄電池10の残容量(SOC:State Of Charge)を求め、求めた残容量が予め規定された許容範囲内である場合には、自動車の走行状態に応じて蓄電池10の充放電を制御する。例えば、モータMを駆動して自動車を走行させるための動力を発生させる場合には、蓄電池10に蓄えられた電力を放電させる制御を行い、自動車を減速させる場合には、インバータINVから供給される回生電力によって蓄電池10を充電する制御を行う。
また、バッテリ制御装置40は、電圧監視回路20a〜20dとの間の通信障害が発生した場合に、その通信障害の原因である箇所(異常箇所)を判定する異常箇所判定部40a(判定手段)を備える。尚、この異常箇所判定部40aは、ハードウェア回路として実現されていても良く、異常箇所判定部40aを実現するソフトウェアがコンピュータに読み込まれることにより、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現されるものであっても良い。
異常箇所判定部40aは、電圧監視回路20a〜20dとの間の通信障害が発生した場合に、バッテリ制御装置40に設けられた電流測定部(図示省略)で測定される蓄電池10に流れる電流Ioに応じた電圧閾値Vtを算出する。この電圧閾値Vtは、ブレーカー12及びヒューズ13の抵抗を含む蓄電池10の配線抵抗で発生しているであろうと推定される電圧である。そして、異常箇所判定部40aは、算出した電圧閾値Vtと通信障害が発生する前(直前)に電圧検出回路21から得られた電圧Vi(ブレーカー12及びヒューズ13の端部の間に発生する電圧)とを比較して異常箇所を判定する。
具体的に、バッテリ制御装置40が蓄電池10に対する充電制御を行っている場合には、異常箇所判定部40aは、電圧閾値Vtが電圧Viよりも大であるときに蓄電池10が異常箇所であると判定する。これは、通信障害の原因が蓄電池10の異常(例えば、電池セルCの各々に設けられた不図示の過電流遮断装置による電流経路の遮断)によって蓄電池10に流れ込む電流が増大し、電圧閾値Vtが、異常が発生する前の電圧Viよりも上昇するからである。
これに対し、異常箇所判定部40aは、電圧閾値Vtが電圧Vi以下であるときに電圧監視回路20a〜20dが異常であると判定する。これは、通信障害の原因が電圧監視回路20a〜20dの異常によるものである場合には、蓄電池10の配線抵抗で発生しているであろうと推定される電圧閾値Vtは、異常が発生する前の電圧Viと同程度の電圧になると考えられるからである。
他方、バッテリ制御装置40が蓄電池10に対する放電制御を行っている場合には、異常箇所判定部40aは、電圧閾値Vtが電圧Viよりも小であるときに蓄電池10が異常箇所であると判定する。これは、通信障害の原因が蓄電池10の異常(例えば、ブレーカー12やヒューズ13の遮断)である場合には、蓄電池10から流れ出す電流が大幅に減少し、電圧閾値Vtが、異常が発生する前の電圧Viよりも大幅に低下するからである。
これに対し、異常箇所判定部40aは、電圧閾値Vtが電圧Vi以上であるときに電圧監視回路20a〜20dが異常であると判定する。これは、通信障害の原因が電圧監視回路20a〜20dの異常によるものである場合には、蓄電池10の配線抵抗で発生しているであろうと推定される電圧閾値Vtは、異常が発生する前の電圧Viと同程度の電圧になると考えられるからである。
ここで、ブレーカー12及びヒューズ13の抵抗を含む蓄電池10の配線抵抗の抵抗値は予め求められていて異常箇所判定部40aに格納されている。この蓄電池の配線抵抗をRとし、ノイズの影響を考慮した電圧変動量をΔVとすると、異常箇所判定部40aは、以下の(1)式を用いて電圧閾値Vtを算出する。
Vt=R・Io+ΔV …(1)
つまり、異常箇所判定部40aは、予め求められている蓄電池10の配線抵抗の抵抗値Rと蓄電池10に流れる電流Ioとを乗じて得られる値に対し、ノイズの影響を考慮した電圧変動量ΔVを加算することによって電圧閾値Vtを算出する。
次に、上記構成における蓄電池システム1の動作について説明する。図2は、本発明の一実施形態による蓄電池システムの通信障害発生時の動作を示すフローチャートである。また、図3は、本発明の一実施形態による蓄電池システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。以下では、電圧監視回路20a〜20dとバッテリ制御装置40との間の通信障害が発生していない場合の動作を簡単に説明した後で、通信障害が発生した場合の動作について説明する。
まず、通信障害が発生していない場合には、電圧監視回路20a〜20dとバッテリ制御装置40との間、及び電圧検出回路21とバッテリ制御装置40との間で定期的に通信が行われており、電圧監視回路20a〜20dの監視情報及びバッテリ検出回路21の検出情報がバッテリ制御装置40で定期的に取得されている(図3中の「電圧Va〜Vd,Vi」参照)。尚、バッテリ制御装置40では、電圧監視回路20a〜20dの監視情報及び電流検出回路21の検出情報とは別に、内部に設けられた不図示の電流測定部によって、蓄電池10に流れる電流が定期的に取得されている(図3中の「電流Io」参照)。
電圧監視回路20a〜20dの監視情報を取得すると、バッテリ制御装置40は、蓄電池10の残容量を求め、求めた残容量が予め規定された許容範囲内である場合には自動車の走行状態に応じて蓄電池10の充放電を制御する。例えば、モータMを駆動して自動車を走行させるための動力を発生させる場合には、蓄電池10に蓄えられた電力を放電させる制御を行い、自動車を減速させる場合には、インバータINVから供給される回生電力によって蓄電池10を充電する制御を行う。通信障害が発生していない場合には、以上の動作が繰り返し行われる。
次に、通信障害が発生した場合には、図3に示す通り、バッテリ制御装置40内において、通信エラーが発生した旨を示すフラグである通信エラーフラグが「L(ロー)」レベルから「H(ハイ)」レベルに変化する(時刻t2)。すると、バッテリ制御装置40に設けられた異常箇所判定部40aは、その通信障害が発生する直前に電圧検出回路21から得られた検出情報(時刻t1に得られた電圧Vi)を特定する(ステップS11)。
次いで、バッテリ制御装置40の内部に設けられた不図示の電流測定部によって蓄電池10に流れる電流Ioが測定され(時刻t3)、測定された電流Ioに応じた電圧閾値Vtを算出する処理が異常箇所判定部40aで行われる(ステップS12)。具体的に、異常箇所判定部40aは、前述した(1)式を用いて蓄電池10に流れる電流Ioに応じた電圧閾値Vtを算出する。
また、蓄電池10に流れる電流Ioの測定と同時(或いは、ほぼ同時)に、バッテリ制御装置40内において、異常判定を実施する旨を示すフラグである異常判定フラグが「L」レベルから「H」レベルに変化する。すると、バッテリ制御装置40が蓄電池10に対して充電制御を行っているのか、或いは放電制御を行っているのかが異常箇所判定部40aで判断される(ステップS13)。
バッテリ制御装置40が蓄電池10に対して充電制御を行っていると判断した場合には、ステップS12で算出した電圧閾値VtがステップS11で特定した電圧Viよりも大であるか否かが異常箇所判定部40aで判断される(ステップS14)。電圧閾値Vtが電圧Viよりも大であると判断した場合(ステップS14の判断結果が「YES」の場合)には、異常箇所判定部40aは、蓄電池10が異常であると判定する(ステップS15)。これに対し、電圧閾値Vtが電圧Vi以下であると判断した場合(ステップS14の判断結果が「NO」の場合)には、異常箇所判定部40aは、電圧監視回路20a〜20dが異常であると判定する(ステップS16)。
他方、バッテリ制御装置40が蓄電池10に対して放電制御を行っていると判断した場合には、ステップS11で特定した電圧ViがステップS12で算出した電圧閾値Vtよりも大であるか否かが異常箇所判定部40aで判断される(ステップS17)。電圧Viが電圧閾値Vtよりも大であると判断した場合(ステップS17の判断結果が「YES」の場合)には、異常箇所判定部40aは、蓄電池10が異常であると判定する(ステップS18)。これに対し、電圧Viが電圧閾値Vt以下であると判断した場合(ステップS17の判断結果が「NO」の場合)には、異常箇所判定部40aは、電圧監視回路20a〜20dが異常であると判定する(ステップS19)。このようにして、電圧監視回路20a〜20dとバッテリ制御装置40との間の通信障害が発生したときの異常箇所の判定が行われる。
以上の通り、本実施形態では、バッテリ制御装置40内において通信エラーフラグが「L」レベルから「H」レベルに変化した場合に、通信障害が発生する直前に電圧検出回路21から得られた電圧Viを特定するとともに蓄電池10に流れる電流Ioに応じた電圧閾値Vtを算出し、電圧閾値Vtと電圧Viとを比較して通信障害の異常箇所を異常箇所判定部40aで判定している。このため、通信障害が発生した場合に、その障害の原因を容易に判別することが可能である。
以上、本発明の一実施形態による蓄電池システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、蓄電池10内にブレーカー12及びヒューズ13が遮断部として設けられている例について説明したが、ブレーカー12のみが遮断部として設けられていても良く、ヒューズ13のみが遮断部として設けられていても良い。
また、上記実施形態の蓄電池システム1は、ブレーカー12及びヒューズ13の端部の間に発生する電圧Viを検出する電圧検出回路21を備える構成であったが、電圧検出回路21及び絶縁素子30cを省いた構成にすることも可能である。かかる構成の場合には、蓄電池10の出力電圧Voを測定する電圧測定部をバッテリ制御装置40内に設け、電圧測定部で測定される出力電圧Voから電圧監視回路20a〜20dの監視情報(電圧Va〜Vd)を減算することで、ブレーカー12及びヒューズ13の端部の間に発生する電圧Viを求めることができる。
また、上記実施形態では、理解を容易にするために、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)等の自動車に搭載される蓄電池システムを例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は、自動車以外の二輪車や船舶等の移動体に設けられる蓄電池システムにも適用可能である。
1…蓄電池システム、10…蓄電池、11a〜11d…電池モジュール、12…ブレーカー、13…ヒューズ、20a〜20d…電圧監視回路、21…電圧検出回路、40…バッテリ制御装置、40a…異常箇所判定部、C…電池セル

Claims (6)

  1. 電池セルを直列接続してなる複数の電池モジュールと該電池モジュール間に設けられた遮断部とを有する蓄電池と、前記電池モジュールに対応して設けられて前記電池モジュールの電圧を監視する複数の電圧監視回路と、該電圧監視回路と環状に接続されて該電圧監視回路と通信を行って得られる監視情報に基づいて前記蓄電池の充放電を制御する制御装置とを備える蓄電池システムにおいて、
    前記制御装置は、前記電圧監視回路との間の通信障害が発生した場合に、前記蓄電池に流れる電流に応じた電圧閾値を算出し、該電圧閾値と前記通信障害が発生する前に前記遮断部の両端間に発生していた端子間電圧とを比較して前記通信障害の異常箇所を判定する判定手段を備える
    ことを特徴とする蓄電池システム。
  2. 前記判定手段は、前記制御装置が前記蓄電池に対する充電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧よりも大であるときに前記蓄電池が前記異常箇所であると判定し、前記制御装置が前記蓄電池に対する放電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧よりも小であるときに前記蓄電池が前記異常箇所であると判定することを特徴とする請求項1記載の蓄電池システム。
  3. 前記判定手段は、前記制御装置が前記蓄電池に対する充電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧以下であるときに前記電圧監視回路が前記異常箇所であると判定し、前記制御装置が前記蓄電池に対する放電制御を行っている場合には、前記電圧閾値が前記端子間電圧以上であるときに前記電圧監視回路が前記異常箇所であると判定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の蓄電池システム。
  4. 前記判定手段は、予め求められている前記遮断部の抵抗を含む前記蓄電池の配線抵抗に対し、前記蓄電池に流れる電流を乗算することによって前記電圧閾値を算出することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の蓄電池システム。
  5. 前記遮断部の両端間に発生する端子間電圧を検出して前記制御装置に出力する電圧検出回路を備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の蓄電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記電圧監視回路の監視情報と前記蓄電池の出力電圧の測定情報とを用いて演算により前記前記遮断部の両端間に発生する端子間電圧を求めることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の蓄電池システム。
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