JP5978145B2 - 蓄電池システム - Google Patents

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電池モジュールを複数有する蓄電池と、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をなす前記電池セルの電圧を個別に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、該通信障害が発生する前に前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報の何れか１つを用いて前記蓄電池の推定出力電圧を算出し、該推定出力電圧と前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力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、前記推定出力電圧が、前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力電圧よりも大である場合には、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、前記推定出力電圧が、前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力電圧以下である場合には、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、前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報の何れか１つに対し、前記蓄電池に設けられている前記電池セルの総数を乗算することによって前記推定出力電圧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、前記推定出力電圧の算出に用いられる監視情報が、前記通信障害が発生する前に前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報のうちの電圧値が最も大きな監視情報であ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、前記蓄電池が、前記電池セルの各々に対して設けられた複数の過電流遮断装置を備え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、通信障害が発生する前に電圧監視回路から得られた電池セルの監視情報の何れか１つを用いて蓄電池の推定出力電圧を算出し、その推定出力電圧と通信障害が発生した後の蓄電池の出力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、絶縁素子３０ａ，３０ｂ、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、及びヒューズ１３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。各電池セルＣには、過電流を防止するための過電流遮断装置Ｄがそれぞれ設けられている。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。

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。

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、その通信障害が発生する前（直前）に電圧監視回路２０ａ〜２０ｄから得られた電池セルＣの監視情報の何れか１つを用いて、蓄電池１０の出力電圧であろうと推定される推定出力電圧Ｖｐを算出する。そして、異常箇所判定部４０ａは、算出した推定出力電圧Ｖｐと、バッテリ制御装置４０に設けられた電圧測定部（図示省略）で測定される蓄電池１０の出力電圧Ｖｏとを比較して異常箇所を判定する。

具体的に、異常箇所判定部４０ａは、推定出力電圧Ｖｐが蓄電池１０の出力電圧Ｖｏよりも大である場合に、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、或いは過電流遮断装置Ｃによる電流経路の遮断）である場合には、蓄電池１０の出力電圧Ｖｏが、異常が発生する前の出力電圧Ｖｏ（推定出力電圧Ｖｐとほぼ同じ電圧）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、推定出力電圧Ｖｐが蓄電池１０の出力電圧Ｖｏ以下である場合には、電圧監視回路２０ａ〜２０ｄが異常箇所であると判定する。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の出力電圧Ｖｏは殆ど変動せずに、異常が発生する前の出力電圧Ｖｏ（推定出力電圧Ｖｐとほぼ同じ電圧）と同程度の電圧に維持されるからである。

ここで、異常箇所判定部４０ａは、通信障害が発生する前（直前）に電圧監視回路２０ａ〜２０ｄから得られた各電池セルＣの監視情報のうち、電圧値が最も大きな監視情報を用いて推定出力電圧Ｖｐを算出する。例えば、電圧監視回路２０ａで監視される電池モジュール１１ａをなす１つの電池セルＣの電圧（電圧Ｖｍ）が最も大きいとすると、異常箇所判定部４０ａは、以下の（１）式を用いて推定出力電圧Ｖｐを算出する。
Ｖｐ＝Ｎ・α・Ｖｍ …（１）

但し、上記（１）式中の「Ｎ」は、蓄電池１０に設けられる電池セルＣの総数である。また、係数αは、蓄電池１０に設けられる電池セルＣの電圧値のバラツキを考慮して定められるバラツキ係数である。この係数αは、例えば、蓄電池１０に設けられた各電池セルＣの正常状態における電圧の最大電と最小値とを予め検出してその差電圧ΔＶを設定し、電池セルＣの設計最小値を差電圧ΔＶで除算することによって求められる。つまり、異常箇所判定部４０ａは、電圧監視回路２０ａ〜２０ｄから得られた各電池セルＣの監視情報の何れか１つ（最も大きな電圧Ｖｍ）に対し、蓄電池１０に設けられている電池セルＣの総数Ｎとバラツキ係数（α）とを乗算することによって推定出力電圧Ｖｐ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Ｖｃ」参照）。尚、バッテリ制御装置４０では、電圧監視回路２０ａ〜２０ｄの監視情報とは別に、内部に設けられた不図示の電圧測定部によって、蓄電池１０の出力電圧Ｖｏが定期的に取得されている（図３中の「出力電圧Ｖｏ」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監視回路２０ａ〜２０ｄから得られた各電池セルＣの監視情報の何れか１つを用いて、蓄電池１０の出力電圧であろうと推定される推定出力電圧Ｖｐを算出する（ステップＳ１１）。

具体的に、異常箇所判定部４０ａは、通信エラーフラグが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化した時刻ｔ２の直前の時刻ｔ１で得られた各電池セルＣの電圧（電圧Ｖｃ）のうち、電圧値が最も大きなものを用いて推定出力電圧Ｖｐを算出する。例えば、電圧監視回路２０ａで監視される電池モジュール１１ａをなす１つの電池セルＣの電圧（電圧Ｖｍ）が最も大きいとすると、異常箇所判定部４０ａは、前述した（１）式を用いて推定出力電圧Ｖｐを算出する。

推定出力電圧Ｖｐを算出すると、バッテリ制御装置４０の内部に設けられた不図示の電圧測定部によって、蓄電池１０の出力電圧Ｖｏが取得される（ステップＳ１２：時刻ｔ３）。また、出力電圧Ｖｏが取得されると同時（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、ステップＳ１１で算出した推定出力電圧ＶｐがステップＳ１２で取得された出力電圧Ｖｏ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Ｓ１３）。

推定出力電圧Ｖｐが出力電圧Ｖｏよりも大であると判断した場合（ステップＳ１３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Ｓ１４）。これに対し、推定出力電圧Ｖｐが出力電圧Ｖｏ以下であると判断した場合（ステップＳ１３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Ｓ１５）。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、通信エラーフラグが変化する前に電圧監視回路２０ａ〜２０ｄから得られた各電池セルＣの監視情報の何れか１つを用いて蓄電池１０の推定出力電圧Ｖｐを算出し、推定出力電圧Ｖｐと蓄電池１０の出力電圧Ｖｏ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、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が、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、２０ａ〜２０ｄ…電圧監視回路、４０…バッテリ制御装置、４０ａ…異常箇所判定部、Ｃ…電池セル、Ｄ…過電流遮断装置

Claims (6)

1. 電池セルを直列接続してなる電池モジュールを複数有する蓄電池と、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をなす前記電池セルの電圧を個別に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、該通信障害が発生する前に前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報の何れか１つを用いて前記蓄電池の推定出力電圧を算出し、該推定出力電圧と前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力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、前記推定出力電圧が、前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力電圧よりも大である場合には、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、前記推定出力電圧が、前記通信障害が発生した後の前記蓄電池の出力電圧以下である場合には、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、前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報の何れか１つに対し、前記蓄電池に設けられている前記電池セルの総数を乗算することによって前記推定出力電圧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. 前記推定出力電圧の算出に用いられる監視情報は、前記通信障害が発生する前に前記電圧監視回路から得られた前記電池セルの監視情報のうちの電圧値が最も大きな監視情報であ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. 前記蓄電池は、前記電池セルの各々に対して設けられた複数の過電流遮断装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の蓄電池システム。

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