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JP2015033283A - バランス補正装置及び蓄電装置 - Google Patents

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健志 ▲浜▼田
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Abstract

【課題】簡素な構成にてバランス補正回路に生じた断線を確実に検出する。
【解決手段】スイッチング素子S1,S2をオンオフ制御することにより、直列接続された蓄電セルB1,B2を放電ユニットU1,U2の抵抗素子R1,R2に接続して蓄電セルB1,B2の電圧を均等化する制御回路10と、蓄電セルB1,B2の夫々の端子間電圧である第1及び第2の電圧を計測する電圧センサVM1,VM2とを備えたバランス補正回路1において、スイッチング素子S1,S2をオン又はオフに維持した一つ以上の状態について第1の電圧又は第2の電圧を取得し、取得した電圧に基づき、蓄電セルB1,B2と放電ユニットU1,U2とを結ぶ線路である第1乃至第3の線路に断線が生じているか否かを判定する。
【選択図】図1

Description

この発明は、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、蓄電セル間又は直列接続された複数の蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置及び蓄電装置に関する。
複数の蓄電セルが直列接続されてなる集合電池にあっては、放電能力の低下や寿命の短縮化を防ぐために蓄電セル間の電圧(起電力)のばらつきを抑える必要がある。蓄電セル間の電圧を均等化させる仕組みとして、例えば、特許文献1には、直列に接続された複数のセルと、セルの端子間の電圧を検出するセル電圧検出手段と、セルの端子間の電圧検出に用いられ、セルの端子とセル電圧検出手段の端子とを接続する電圧検出線と、複数のセルの端子間の電圧を均等にする均等化放電回路と、一端がセルの端子に抵抗器を介して接続されるとともにセル電圧検出手段の端子に接続され、他端が所定の電位に保持され、抵抗器とともにフィルタ回路を形成するコンデンサとを備えた蓄電装置について開示されている。また同文献には、電圧検出線の断線を正確に検知すべく、均等化放電回路が動作していない時、セル電圧検出手段によって検出されるセルの端子間の電圧が所定の電圧範囲から外れる場合、電圧検出線が断線していると判定する断線検知手段を設けることが記載されている。
特開2012−172992号公報
断線検出の仕組みとしては、上記特許文献1に開示された方法の他、例えば、バッテリーマネージメント用の集積回路の内部に設けられている電流源回路から電流を供給して電流を流すことにより電圧検出線の断線を検出することが考えられる。しかしこの方法を実施する場合は制御装置に専用の制御命令を用意する必要があり、内部回路も複雑化する。
昨今、蓄電装置を備えた製品の小型化に対する要請が高まっており、こうした製品に搭載される蓄電装置については、従来にも増して小型化が求められるようになってきている。このため、蓄電セルや蓄電モジュールを備えて構成される蓄電装置に適用されるバランス補正装置についても簡素かつ小型であることが求められるようになってきている。
本発明は、このような課題を解決すべくなされたもので、簡素な構成にて回路に生じた断線を確実に検出することが可能な、バランス補正装置及び蓄電装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するための本発明のうちの一つは、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、前記蓄電セル間又は直列接続された複数の前記蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置であって、前後して直列接続する第1の前記蓄電モジュールと第2の前記蓄電モジュールのうち、前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に接続される、第1のスイッチング素子と第1の放電素子とが直列接続された構成を含む第1の放電ユニットと、前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に接続される、第2のスイッチング素子と第2の放電素子とが直列接続された構成を含む第2の放電ユニットと、前記第1の蓄電モジュールの端子間電圧である第1の電圧と前記第2の蓄電モジュールの端子間電圧である第2の電圧とを均等化するために、前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、前記第1の電圧を計測する第1の電圧センサと、前記第2の電圧を計測する第2の電圧センサと、を備え、前記制御回路は、前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子を夫々オン又はオフに維持した一つ以上のパターンについて前記第1の電圧又は前記第2の電圧を取得し、取得した前記第1の電圧又は前記第2の電圧に基づき、前記第1の蓄電モジュールの正極と前記第1の放電ユニットとを結ぶ線路である第1の線路、前記第2の蓄電モジュールの正極と前記第2の放電ユニットとを結ぶ線路である第2の線路、及び前記第2の蓄電モジュールの負極と前記第2の放電ユニットとを結ぶ線路である第3の線路の少なくともいずれかについて、断線が生じているか否かを判定する。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第1の蓄電モジュールの端子間に接続される第1の容量素子を備え、前記制御回路は、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御を中止した後、前記第1の容量素子を放電すべく前記第1のスイッチング素子を所定時間オンに維持し、前記所定時間の経過後、前記第1の電圧を前記第1の電圧センサから取得し、取得した前記第1の電圧が0又は予め設定された閾値以下であるか否かを判定することにより、前記第1の線路に断線が生じているか否かを判定する。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第2の蓄電モジュールの端子間に接続される第2の容量素子を備え、前記制御回路は、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子のオンオフ制御を中止した後、前記第2の容量素子を放電すべく前記第2のスイッチング素子を所定時間オンに維持し、前記所定時間の経過後、前記第2の電圧を前記第2の電圧センサから取得し、取得した前記第2の電圧が0又は予め設定された閾値以下であるか否かを判定することにより、前記第2の線路及び前記第3の線路のうちの少なくともいずれかに断線が生じているか否かを判定する。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記制御回路は、前記第1の線路、前記第2の線路、前記第3の線路の少なくともいずれかに断線が生じていると判定した場合に、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子のオンオフ制御を中止する。
本発明の他の一つは、上記蓄電装置であって、前記複数の蓄電セルと、前記いずれかのバランス補正装置とを備える。
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、簡素な構成にて回路に生じた断線を確実に検出することが可能なバランス補正装置及び蓄電装置を提供することができる。
バランス補正回路1の一例である。 断線診断処理S200を説明するフローチャートである。 第3の線路に断線が生じている様子を示す図である。 第2の線路に断線が生じている様子を示す図である。 第1の線路に断線が生じている様子を示す図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
図1は本発明の一実施形態として示すバランス補正回路1(バランス補正装置)である。バランス補正回路1は、例えば、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池を利用する蓄電装置(電気自動車、ハイブリッド自動車、電気二輪車、鉄道車両、昇降機、系統連携用蓄電装置、パーソナルコンピュータ、ノートブック型コンピュータ、携帯電話機、スマートフォン、PDA機器等)に適用される。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池等であるが、電気二重層キャパシタ等の他の種類の蓄電素子であってもよい。
集合電池を構成している蓄電セル間で製造品質や劣化の度合いが異なる場合、蓄電セル間の電池特性(電池容量、放電電圧特性)に差が生じることがあり、この電池特性の差に起因して充放電時等に蓄電セル間の電圧にばらつきが生じることがある。そこでこのようなばらつきの発生を抑制すべく、バランス補正回路1は、蓄電セル間の電圧もしくは直列接続された複数の蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化(セルバランスの確保)させるように動作する。
同図に示すように、このバランス補正回路1においては、直列接続された2つの蓄電セルB1,B2によって集合電池3が構成されている。集合電池3の正負端子31,32には、例えば、集合電池3に充電電流を供給する電流供給源(例えば、充電器、回生回路等)、集合電池3の起電力を利用して機能する負荷(例えば、モータ、電子回路、電気製品等)等が接続される。
同図に示すように、このバランス補正回路1は、蓄電セルB1,B2、スイッチング素子S1,S2、抵抗素子R1,R2、容量素子C1,C2、電圧センサ(電圧計)VM1,VM2、及び制御回路10を含む。
蓄電セルB1の正負端子間には、スイッチング素子S1と放電素子として機能する抵抗素子R1とを直列接続した構成を有する第1の放電ユニットU1が接続し、それにより第1の回路(蓄電セルB1の正極、接続点J1、接続点J2、第1の放電ユニットU1、接続点J6、接続点J7、蓄電セルB1の負極をこの順に結んで構成される回路)が構成されている。
また蓄電セルB2の正負端子間には、スイッチング素子S2と放電素子として機能する抵抗素子R2とを直列接続した構成を有する第2の放電ユニットU2が接続し、それにより第2の回路(蓄電セルB2の正極、接続点J7、接続点J6、第2の放電ユニットU2、接続点J9、接続点J8、蓄電セルB2の負極をこの順に結んで構成される回路)が構成されている。
同図に示すように、接続点J6と接続点J7とを結ぶ線路は第1の回路と第2の回路の双方で共通になっている。
スイッチング素子S1,S2は、制御回路10から夫々のゲートに供給される制御信号によってオンオフされる。スイッチング素子S1,S2は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やバイポーラトランジスタを用いて構成される。
蓄電セルB1の正負端子間には電圧センサVM1が接続されている。また蓄電セルB1の正負端子間には、電圧センサVM1と並列して容量素子C1が接続されている。容量素子C1は電圧センサVM1に入力される電圧を平滑化する役割を果たす。
蓄電セルB2の正負端子間には電圧センサVM2が接続されている。また蓄電セルB2の正負端子間には、電圧センサVM2と並列して容量素子C2が接続されている。容量素子C2は電圧センサVM2に入力される電圧を平滑化する役割を果たす。
同図に示すように、制御回路10は、電圧計測部101、電圧均等化制御部102、及び断線診断部103を備える。制御回路10は、例えば、演算装置(CPU(Central Processing Unit),MPU(Micro Processing Unit)等)、並びに記憶装置(RAM(Random Access Memory),ROM(Read Only Memory)等)を備えたマイクロコンピュータを用いて、ハードウエア又はソフトウエアとして実現することができる。
電圧計測部101は、制御回路10が備えるA/Dコンバータを介して、電圧センサVM1の計測値である電圧V1、並びに電圧センサVM2の計測値である電圧V2を取得し、取得した電圧V1並びに電圧V2を、電圧均等化制御部102並びに断線診断部103に随時入力する。
電圧均等化制御部102は、電圧計測部101から入力される電圧V1並びに電圧V2に基づき、蓄電セルB1と蓄電セルB2の夫々の端子間電圧が均等化されるように、具体的には、端子間電圧の差が0又は端子間電圧の差の絶対値が所定の閾値以下になるように、スイッチング素子S1,S2のオンオフを制御する。
例えば、蓄電セルB1の端子間電圧が蓄電セルB2の端子間電圧よりも高い場合、電圧均等化制御部102は、スイッチング素子S1をオン、スイッチング素子S2をオフに夫々制御して蓄電セルB1の電荷を放電させ、蓄電セルB1と蓄電セルB2の夫々の端子間電圧が均等化されるようにする。
また例えば、蓄電セルB2の端子間電圧が蓄電セルB1の端子間電圧よりも高い場合、電圧均等化制御部102は、スイッチング素子S1をオフ、スイッチング素子S2をオンに夫々制御して蓄電セルB2の電荷を放電させ、蓄電セルB1と蓄電セルB2の夫々の端子間電圧が均等化されるようにする。
尚、電圧均等化制御部102は、蓄電セルB1,B2間の電圧が、例えば、迅速性、安全性、効率等を向上させる観点から適切に均等化されるように、電圧V1並びに電圧V2の値に応じてスイッチング素子S1,S2のオンオフを制御する。
断線診断部103は、電圧均等化制御部102が制御を中止している間にスイッチング素子S1,S2のオンオフを制御し、スイッチング素子S1,S2を夫々オン又はオフの状態に維持した一つ以上のパターンについて電圧V1,V2を電圧計測部101から取得することにより、バランス補正回路1を構成している線路、具体的には、接続点J1及び接続点J2を含む、蓄電セルB1の正極と放電ユニットU1とを結ぶ線路(以下、第1の線路と称する。)、接続点J6及び接続点J7を含む、蓄電セルB2の正極(又は蓄電セルB1の負極)と放電ユニットU2(又は放電ユニットU1)とを結ぶ線路(以下、第2の線路と称する)、接続点J8及び接続点J9を含む、蓄電セルB2の負極と放電ユニットU2とを結ぶ線路(以下、第3の線路と称する)のうちの少なくともいずれかに現在、断線が生じているか否かを判定する。
<断線診断処理>
続いて制御回路10を主体として行われる断線診断の仕組みについて説明する。図2は断線診断に際して制御回路10が行う処理(以下、断線診断処理S200と称する。)を説明するフローチャートである。以下、同図とともに断線診断処理S200について説明する。
同図に示すように、制御回路10は、断線診断を行うタイミングが到来したか否かをリアルタイムに監視している。断線診断を行うタイミングが到来したことを検知すると(S211:YES)、制御回路10は、電圧均等化制御部102を主体として行われている蓄電セルB1,B2の電圧均等化のための制御を中止し、S212以降の処理を開始する。尚、上記タイミングは、例えば、予め設定された日時が到来した際、予め設定された待機期間が経過した際、制御回路10に設けられた入力インタフェース等を介してユーザが断線診断の開始指示操作を行った際等に到来する。
S212〜S217の処理では、制御回路10は、第2又は第3の線路に断線が生じているか否かを判定する。
まず制御回路10は、スイッチング素子S1をオフ、スイッチング素子S2をオンに制御する(S212)。そして容量素子C2に蓄積されている電荷を放電するのに必要な時間である放電時間以上待機した後(S213)、電圧センサVM2から電圧V2の計測値を取得する(S214)。
ここで第2の線路及び第3の線路のいずれにも断線が生じていなければ、電圧V2は蓄電セルB2の端子間電圧に対応する値となる。しかし例えば図3又は図4に示すように、第2の線路及び第3の線路の少なくともいずれかに断線(この例では断線部位81又は断線部位82で断線)が生じていた場合には、放電ユニットU2の端子間の電圧が等しくなって、電圧V2は0もしくは予め設定された閾値(例えば蓄電セルB2の端子間電圧よりも十分に小さな値)以下になる。
そこで制御回路10は、電圧V2が0もしくは予め設定された閾値以下であれば(S215:YES)、第2の線路及び第3の線路のうちの少なくともいずれかに断線が生じていると判定し、これを診断結果として記憶する(S216)。また電圧V2が0もしくは予め設定された閾値以下でなければ(S215:NO)、制御回路10は、第2の線路及び第3の線路のいずれにも断線は生じていないと判定し、これを診断結果として記憶する(S217)。その後、処理はS220に進む。
尚、S213の処理で放電時間以上待機して容量素子C2に蓄積されている電荷を放電するようにしているのは、第2の線路及び第3の線路のうちの少なくともいずれかに断線が生じる前に容量素子C2が充電される期間が存在する場合は容量素子C2に電荷が残存している可能性があり、容量素子C2の端子間の電圧が電圧センサVM2の計測値に影響を与え、第3の線路に断線が生じているか否かを正しく判定することができなくなるからである。従って、例えばバランス補正回路1の製造当初から第3の線路に断線が存在していた場合等、過去に容量素子C2が充電された期間が存在しないことが明らかな状況下で断線診断を行う場合にはS213の処理は必ずしも必要ではない。尚、第3の線路に断線が生じている場合、容量素子C2の充電経路は絶たれている。このため、S212でスイッチング素子S2をオンに制御することにより、容量素子C2に残存している電荷は、接続点J5→接続点J6→スイッチング素子S2→抵抗素子R2→接続点J9→接続点J10の経路で放電されることになる。また、第2の経路に断線が生じている場合、蓄電セルB1の正極→接続点J1→接続点J3→容量素子C1→接続点J5→容量素子C2→接続点J10→接続点J8→蓄電セルB2の負極の経路で容量素子C2の充電経路が発生する。しかし、その際の充電電流は非常に微小なものであるため、S212でスイッチング素子S2をオンに制御することにより、容量素子の電荷は、接続点J5→接続点J6→スイッチング素子S2→抵抗素子J9→接続点J10の経路で放電されることになる。
S220〜S224の処理では、制御回路10は、第1の線路に断線が生じているか否かを判定する。
まず制御回路10は、スイッチング素子S1をオン、スイッチング素子S2をオフに制御する(S220)。そして容量素子C1に蓄積されている電荷を放電するのに必要な時間である放電時間以上待機した後(S221)、電圧センサVM1から電圧V1の計測値を取得する(S222)。
ここで第1の線路に断線が生じていなければ、電圧V1は蓄電セルB1の端子間電圧に対応する値となる。しかし例えば図5に示すように、第1の線路に断線(この例では断線部位83で断線)が生じていた場合には、放電ユニットU1の端子間の電圧が等しくなって、電圧V1は0もしくは予め設定された閾値(例えば蓄電セルB1の端子間電圧よりも十分に小さな値)以下になる。
そこで制御回路10は、電圧V1が0もしくは予め設定された閾値以下であれば(S223:YES)、第1の線路に断線が生じていると判定し、これを診断結果として記憶する(S224)。また電圧V1が0もしくは予め設定された閾値以下でなければ(S223:NO)、制御回路10は、第1の線路に断線は生じていないと判定し、これを診断結果として記憶する(S225)。その後、処理はS226に進む。
尚、S221の処理で所定時間待機して容量素子C1に蓄積されている電荷を放電するようにしているのは、第1の線路に断線が生じる前に容量素子C1が充電される期間が存在する場合は容量素子C1に電荷が残存している可能性があり、容量素子C1の端子間の電圧が電圧センサVM1の計測値に影響を与え、断線が生じているか否かを正しく判定することができなくなってしまうからである。従って、例えばバランス補正回路1の製造当初から第1の線路に断線が存在していた場合等、過去に容量素子C1が充電された期間が存在しないことが明らかな状況下で断線診断を行う場合にはS221の処理は必ずしも必要ではない。尚、第1の線路に断線が生じている場合、容量素子C1の充電経路が絶たれている。このため、S220でスイッチング素子S1をオンに制御することにより、容量素子C1に残存している電荷は、接続点J3→接続点J2→スイッチング素子S1→抵抗素子R1→接続点J6→接続点J5の経路で放電されることになる。
以上に説明したように、本実施形態のバランス補正回路1にあっては、蓄電セルB1の電圧と蓄電セルB2の電圧を均等化するために設けられている、スイッチング素子S1,S2、電圧センサVM1,VM2を利用して、第1乃至第3の線路に断線が生じているか否かを診断することができる。このため、一般的なバランス補正回路の構成に特別な回路を付加することなく、制御回路10に断線新段部103の機能を追加するだけで第1乃至第3の線路に断線が生じているか否かを判定する仕組みを容易に実現することができる。このため、バランス補正回路1の簡素化並びに小型化を図ることができる。
またバランス補正回路1は、容量素子C1,C2を放電した後に断線の有無の診断を行うので、容量素子C1,C2に残存する電荷による影響を抑えて第1乃至第3の線路に断線が生じているか否かを正確に判定することができる。
尚、以上に説明した実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
例えば、図2に示した断線診断処理S200では、第1乃至第3の線路の断線有無の判定を一連の流れとして行っているが、第1乃至第3の線路の夫々の断線有無の判定は必ずしも一度にまとめて行う必要はなく、独立したタイミングで個別に行うようにしてもよい。また第1乃至第3の線路の断線有無の判定を一連の流れとして行う場合、第1乃至第3の線路の断線有無を判定する順序は必ずしも図2に示した断線診断処理S200の順序で行う必要はない。
本発明のバランス補正回路は、蓄電セルとは別体に設けられるものであってもよいし、蓄電セルと一体化されて電池パック等を構成するものであってもよい。
1 バランス補正回路、10 制御回路、101 電圧計測部、102 電圧均等化制御部、103 断線診断部、C1,C2 容量素子、B1,B2 蓄電セル、S1,S2 スイッチング素子、R1,R2 抵抗素子、U1,U2 放電ユニット、VM1,VM2 電圧センサ

Claims (5)

  1. 直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、前記蓄電セル間又は直列接続された複数の前記蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置であって、
    前後して直列接続する第1の前記蓄電モジュールと第2の前記蓄電モジュールのうち、前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に接続される、第1のスイッチング素子と第1の放電素子とが直列接続された構成を含む第1の放電ユニットと、
    前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に接続される、第2のスイッチング素子と第2の放電素子とが直列接続された構成を含む第2の放電ユニットと、
    前記第1の蓄電モジュールの端子間電圧である第1の電圧と前記第2の蓄電モジュールの端子間電圧である第2の電圧とを均等化するために、前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、
    前記第1の電圧を計測する第1の電圧センサと、
    前記第2の電圧を計測する第2の電圧センサと、
    を備え、
    前記制御回路は、
    前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子を夫々オン又はオフに維持した一つ以上のパターンについて前記第1の電圧又は前記第2の電圧を取得し、
    取得した前記第1の電圧又は前記第2の電圧に基づき、前記第1の蓄電モジュールの正極と前記第1の放電ユニットとを結ぶ線路である第1の線路、前記第2の蓄電モジュールの正極と前記第2の放電ユニットとを結ぶ線路である第2の線路、及び前記第2の蓄電モジュールの負極と前記第2の放電ユニットとを結ぶ線路である第3の線路の少なくともいずれかについて、断線が生じているか否かを判定する
    バランス補正装置。
  2. 請求項1に記載のバランス補正装置であって、
    前記第1の蓄電モジュールの端子間に接続される第1の容量素子を備え、
    前記制御回路は、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御を中止した後、前記第1の容量素子を放電すべく前記第1のスイッチング素子を所定時間オンに維持し、前記所定時間の経過後、前記第1の電圧を前記第1の電圧センサから取得し、取得した前記第1の電圧が0又は予め設定された閾値以下であるか否かを判定することにより、前記第1の線路に断線が生じているか否かを判定する
    バランス補正装置。
  3. 請求項1又は2に記載のバランス補正装置であって、
    前記第2の蓄電モジュールの端子間に接続される第2の容量素子を備え、
    前記制御回路は、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子のオンオフ制御を中止した後、前記第2の容量素子を放電すべく前記第2のスイッチング素子を所定時間オンに維持し、前記所定時間の経過後、前記第2の電圧を前記第2の電圧センサから取得し、取得した前記第2の電圧が0又は予め設定された閾値以下であるか否かを判定することにより、前記第2の線路及び前記第3の線路のうちの少なくともいずれかに断線が生じているか否かを判定する
    バランス補正装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のバランス補正装置であって、
    前記制御回路は、前記第1の線路、前記第2の線路、前記第3の線路の少なくともいずれかに断線が生じていると判定した場合に、前記均等化のための前記第1のスイッチング素子又は前記第2のスイッチング素子のオンオフ制御を中止する
    バランス補正装置。
  5. 前記複数の蓄電セルと、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の前記バランス補正装置とを、備える蓄電装置。
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