(57)【要約】  短絡電流と突入電流とを識別して、短絡電流に対してのみ保護機能が動作するようにする。蓄電池監視装置は、蓄電池からの充放電電流を検出する電流検出手段と、充放電電流の電流変化率を求める微分回路と、充放電電流の電流変化率が予め設定された閾値電圧より大きいか否かに応じた信号を出力する比較手段と、を備え、閾値電圧は突入電流の電流変化率より大きく、短絡電流より小さい値に設定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池の過電流に対する保護を行う蓄電池監視装置であって、
前記蓄電池からの充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記充放電電流の電流変化率を求める微分回路と、
前記充放電電流の電流変化率が予め設定された閾値電圧より大きいか否かに応じた信号を出力する比較手段と、
を備え、前記閾値電圧は突入電流の電流変化率より大きく、短絡電流より小さい値に設定されていることを特徴とする蓄電池監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄電池監視装置であって、
前記電流検出手段は、前記充放電電流を電位差に変換するシャント抵抗であることを特徴とする蓄電池監視装置。
【請求項３】
請求項２に記載の蓄電池監視装置であって、
前記シャント抵抗の両端に発生した前記電位差を増幅する増幅手段を備え、
該増幅手段で増幅された信号が前記微分回路に入力することを特徴とする蓄電池監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池の過電流に対する保護を行う蓄電池監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、低インピーダンスであるため電流出力特性が良い特徴を持つ反面、短絡が生じた際には、大電流（例えば、１００Ａ）が流れる。このため、リチウムイオン電池に対して短絡が発生したときの十分な対策が必要となる。また、電池の輸送に関する安全性試験においては、短絡に対する保護試験が必須となっており、短絡に対する対策は非常に重要である。【０００３】
これまで、短絡に対する電池保護等のために、ＦＥＴ（Field effect transistor）等からなるスイッチを設けた構成が提案されている。この構成では、予め設定された値以上の電流が流れると、スイッチが動作して電流を遮断することで、電池保護を行う。【０００４】
しかし、スイッチが短絡電流を遮断するまでには、短絡電流は１０００Ａを越えていることがある。従って、当該スイッチは、１０００Ａ以上の電流制限能力（許容電流）を備える必要がある。しかし、許容電流の大きなスイッチは、非常に高価であり、装置の大幅なコストアップをもたらす要因となっている。【０００５】
かかる問題に対し、特許文献１においては、遅延回路を備えた過電流検出手段を設け、当該過電流検出手段により放電制御スイッチのオン時間を制御する技術が提案されている。このとき、遅延回路は、遅延時間を連続的（アナログ的）に変化させる機能を有している。そして、放電制御スイッチにおける急激な状態変化（電流増大）に応答して、迅速に当該放電制御スイッチがオフ状態にできるようにしている。これにより、放電制御スイッチに大電流が長時間流れるのを防止して、当該放電制御スイッチの破壊を防止している。【０００６】
特許文献２は、二次電池の充電制御に関するものである。二次電池のセルの端子間電圧を読み取ってアナログ／ディジタル変換器に入力し、充電制御部はアナログ／ディジタル変換器からの入力値から、端子間の短絡などの異常に対して、充電経路に介在しているＦＥＴを遮断するなどの保護動作を行うことが、提案されている。【０００７】
特許文献３は、鋼板の電気メッキラインのショート疵検出装置に関するものである。電気メッキで鋼板にショート疵が発生する場合には流れる電流が急激に変化するので、この電流をシャント等の電流検出手段で検出し、電流検出手段の出力を微分し、微分値が所定の範囲内にあるか比較手段によって判定することが、提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２２６１８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／１４２１９５号
【特許文献３】特開平２−１３４５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１においては、短絡電流と突入電流とを区別することが困難である問題があった。【００１０】
即ち、短絡電流と突入電流とは、共に大電流で、かつ、短時間に増大する電流である。しかし、短絡電流は何らかの不具合により発生する電流であるが、突入電流は設計段階での想定内の電流である。従って、かかる突入電流により保護機能が動作して、電力供給が停止してしまうことは好ましくない。【００１１】
そこで、本発明の主目的は、短絡電流と突入電流とを識別して、短絡電流に対してのみ保護機能が動作するようにした蓄電池監視装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、蓄電池の過電流に対する保護を行う蓄電池監視装置は、蓄電池からの充放電電流を検出する電流検出手段と、充放電電流の電流変化率を求める微分回路と、充放電電流の電流変化率が予め設定された閾値電圧より大きいか否かに応じた信号を出力する比較手段と、を備え、閾値電圧は突入電流の電流変化率より大きく、短絡電流より小さい値に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、短絡電流と突入電流との充放電電流の電流変化率が大きく異なることに着目して、これらを識別するため、的確に短絡電流に対してのみ回路遮断等の処理が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電池短絡時の回路モデルを示した図である。
【図２】負荷への突入電流の回路モデルを示した図である。
【図３】短絡電流の電流変化率を示した図で、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電流増加率ｄＩ／ｄｔの波形を示した図である。
【図４】突入電流の電流変化率を示した図で、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電流増加率ｄＩ／ｄｔの波形を示した図である。
【図５】突入電流と短絡電流の立ち上がりを拡大して図である。
【図６】蓄電池監視装置２のブロック図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態の説明に先立ち、発明の概要を説明する。本発明では、突入電流と短絡電流とを識別しながら短絡保護を行う。
【００１６】
先に説明したように、ＦＥＴ等のスイッチ（遮断器）に入力する瞬間的な大電流として突入電流と短絡電流とが挙げられる。しかし、突入電流は一過性の電流であるが、短絡電流は連続的に流れる電流である違いがある。
【００１７】
遮断判断閾値Ｉｔを設定して、電流が当該遮断判断閾値Ｉｔを越えると、充放電回路を遮断する際の電流（遮断電流）には、『機器の故障や誤動作等の異常動作』からの保護を目的とする場合（第１保護パターン）、『機器の故障や誤動作等の異常動作及び短絡』からの保護を目的とする場合（第２保護パターン）２つの保護パターンが考えられる。
【００１８】
（１）第１保護パターン：  『機器の故障や誤動作等の異常動作』からの保護を目的とする場合
この保護パターンでは、検出電流が遮断判断閾値Ｉｔを越えた場合には、電池は機器の故障や誤動作等の異常動作しているとみなす。検出電流には、誤差が含まれるため、当該誤差を含めて通常使用される正常範囲の電流（正常電流）Ｉｎでは異常動作と判断しないように誤差マージンαを加算する。即ち、遮断電流Ｉｃは、
Ｉｃ≒Ｉｔ≧Ｉｎ＋αを満たす。
【００１９】
（２）第２保護パターン：  『機器の故障や誤動作等の異常動作及び短絡』からの保護を目的とする場合
この保護パターンは、第１保護パターンに短絡に対する保護を追加した保護モードである。遮断判断閾値Ｉｔを超える電流が検出されても、実際に回路遮断が行われるまでには時間的な遅延が存在する（第１ケース）。しかし、突入電流に対しても同様の挙動を示す（第２ケース）。最終的には、第１ケースのみに対して保護動作を機能させたい。第１ケース及び第２ケースにおける挙動を検討する。
【００２０】
（２−１）第１ケース：  遮断判断閾値Ｉｔを超える電流検出から回路遮断までの時間遅れる場合
遮断判断閾値Ｉｔを超える電流検出から回路遮断までの時間の遅延を回路遮断遅延時間Ｔｄ、短絡時における電流増加率を電流増加率ｄＩ／ｄｔとする。このとき、遮断電流Ｉｃは、
Ｉｃ＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄで与えられる。遮断判断閾値Ｉｔは、『第１保護パターン』で述べた様に、正常電流Ｉｎに誤差マージンαを加算した値以上でなければならないので、
Ｉｃ＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄ
≧Ｉｎ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄとなる。
【００２１】
（２−２）第２ケース：  突入電流の存在する場合
多くの負荷では、電源投入時などに一時的に大きな電流が流れる。この電流値は、ミリ秒程度の短時間ではあるが、通常運転の５〜１０倍程度に達する大きさである。
【００２２】
負荷設計に際しては、突入電流が発生しないように設計することが好ましい。しかし、経済的な理由等により負荷設計に対しては突入電流に対する対策は望まれず、電源（電池）側に要求されることが多い。無論、突入電流は、電池が異常状態で発生するのではないので、当該突入電流により回路遮断が行われてはならない。
【００２３】
短絡電流と突入電流とを識別して遮断制御すための方法として、突入電流の最大値よりも遮断判断閾値Ｉｔを大きくする方法（第１解決方法）や電流検出手段の応答性を悪くする方法（第２解決方法）が例示できる。
【００２４】
（２−２−１）第１解決方法：突入電流の最大値よりも遮断判断閾値Ｉｔを大きくする
突入電流は通常運転の５〜１０倍に達するが、短絡時における飽和電流（短絡電流が一定したときの電流値）よりも小さい。そこで、想定される突入電流の最大値より大きな値の遮断判断閾値Ｉｔを設定すれば、突入電流を検出せずに短絡電流のみを検出することができる。
【００２５】
突入電流の最大値Ｉｒ＿ｍａｘは、
Ｉｒ＿ｍａｘ＝β×Ｉｃとして表す。ここで、βは５〜１０の値であり、以下突入電流係数と記載する。
【００２６】
従って、遮断判断閾値Ｉｔは、
Ｉｔ≧Ｉｒ＿ｍａｘ＋α≧β×Ｉｃ＋αを満たすように設定する。
【００２７】
さらに、回路遮断遅延時間Ｔｄの影響を加味すると、遮断電流Ｉｃは、
Ｉｃ＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄ≧Ｉｒ＿ｍａｘ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄ
＝β×Ｉｃ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄを満たすように設定すればよい。
【００２８】
（２−２−２）第２解決方法：  電流検出手段の応答性を悪くする
一般に、突入電流は数ミリ秒程度の有限な時間（突入電流継続時間）内に収束する。そこで、電流検出に要する時間を、この突入電流継続時間より長くする。これにより、電流検出手段は突入電流を検出することができず、短絡電流だけを検出するようになる。
【００２９】
しかし、この第２解決方法では、検出電流Ｉは、遮断判断閾値Ｉｔに達してから異常と判断されるまでの判断時間の遅れ判断時間遅延Ｔｉの間にも電流は増加しているため、判断時の検出電流Ｉは、
Ｉ＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｉとなっている。
【００３０】
従って、電流検出から回路遮断までの判断時間遅延Ｔｉの影響を加味した遮断電流Ｉｃは、
Ｉｃ＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｉ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄ
＝Ｉｔ＋（ｄＩ／ｄｔ）×（Ｔｉ＋Ｔｄ）
≧Ｉｃ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×（Ｔｉ＋Ｔｄ）となる。
【００３１】
以上のように『機器の故障や誤動作』と『短絡』との両方に対して保護し、突入電流に対しては保護しないようにすると、
Ｉｃ≧β×Ｉｃ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｔｄ又は、
Ｉｃ≧Ｉｃ＋α＋（ｄＩ／ｄｔ）×（Ｔｉ＋Ｔｄ）のどちらか大きい遮断電流Ｉｃに耐えるスイッチを選定する必要がある。
【００３２】
しかし、これらの遮断電流Ｉｃは大きな電流であり、スイッチも高価になる。そこで、本発明では、検出電流の電流増加率ｄＩ／ｄｔを用いて、短絡電流と突入電流とを識別する。
【００３３】
図１は、電池短絡時の回路モデルを示した図である。また、図２は、負荷への突入電流の回路モデルを示した図である。
【００３４】
図１に示すように、短絡時の回路モデルでは、電池の端子電圧をＶ、内部抵抗をＲｉ、内部インダクタンスをＬｉ、短絡が起きた時刻をｔ＝０とすると、電流Ｉは、
2016185711.tif 000003
【００３５】
の式１で表される。
【００３６】
ここで電流増加率ｄＩ／ｄｔは、
2016185711.tif 000004
【００３７】
の式２で表される。
【００３８】
そして、短絡発生時（ｔ＝０）における電流増加率ｄＩ／ｄｔは、
2016185711.tif 000005
【００３９】
の式３で表される。
【００４０】
一方、図２に示す突入電流の回路モデルでは、配線の抵抗をＲｃ、インダクタンスをＬｃ、負荷の容量をＣとしたとき、電源投入時（ｔ＝０）の電流Ｉは、
2016185711.tif 000006
【００４１】
の式４で表される。ここで、抵抗ＲはＲ＝Ｒｉ＋Ｒｃ、インダクタンスＬはＬ＝Ｌｉ＋Ｌｃである。
【００４２】
一方、電流増加率ｄＩ／ｄｔは、
2016185711.tif 000007
【００４３】
の式５で表される。
【００４４】
従って、電源投入時（ｔ＝０）における電流増加率ｄＩ／ｄｔは、
2016185711.tif 000008
【００４５】
の式６となる。
【００４６】
一般に、電池の内部インダクタンスＬｉは、非常に小さい（Ｌｃ＞＞Ｌｉ）ので、電流増加率ｄＩ／ｄｔは短絡電流と突入電流とで大きく異なる。図３は、短絡電流の電流変化率を示した図で、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電流増加率ｄＩ／ｄｔの波形を示した図である。また、図４は、突入電流の電流変化率を示した図で、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電流増加率ｄＩ／ｄｔの波形を示した図である。さらに図５は、突入電流と短絡電流の立ち上がりを拡大して図である。図５において、点線は短絡電流、実線は突入電流を示している。
【００４７】
図３〜図５から解るように、電源投入時（ｔ＝０）における電流増加率ｄＩ／ｄｔは、短絡電流の方が突入電流より大きい。従って、電流増加率ｄＩ／ｄｔの大きさにより、短絡電流と突入電流とを識別することが可能になる。
【００４８】
このような原理に従いなされた、本発明の実施形態にかかる蓄電池監視装置２のブロック図を図６に示す。電池１０の端子には電力線１１が接続されて、この電力線１１にシャント抵抗（電流検出手段）１２が接続されている。シャント抵抗１２の両端には、電流Ｉの大きさに応じた電圧差が発生するので、この電圧差をオペアンプ（増幅手段）１３で差動増幅する。オペアンプ１３の出力は、コンデンサ１４ａ、抵抗１４ｂ、オペアンプ１４ｃからなる公知の微分回路１４の入力となっている。
【００４９】
このとき、微分回路１４の入力電圧をＶｉｎ、コンデンサ１４ａの容量をＣｓ、抵抗１４ｂの抵抗値をＲｄとすると、Ｖｏｕｔ＝−Ｒｄ×Ｃｓ×（ｄＶｉｎ／ｄｔ）で表される電圧Ｖｏｕｔがオペアンプ１４ｃから出力される。
【００５０】
そして、この微分回路１４の出力電圧Ｖｏｕｔがコンパレータ（比較手段）１５の一方の端子に入力する。コンパレータ１５の他方の端子には、予め設定された一定の閾値電圧（Ｖｒｅｆｆ）が入力している。
【００５１】
これにより、コンパレータ１５は、電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｒｅｆｆより大きいか否かに応じて極性の反転した信号を出力する。従って、閾値電圧Ｖｒｅｆｆとして、突入電流の電流増加率ｄＩ／ｄｔを設定しておくことで、突入電流と短絡電流とを識別することが可能になる。
【００５２】
特に、かかる突入電流と短絡電流とを識別は、電流値が小さいうちに判断できるので、電流の遮断時に必要とするエネルギー（電流値の二乗に比例する）は小さくて済む。このことは、回路遮断にＦＥＴを用いた場合に、許容電流が小さいＦＥＴで済むことを意味し、コストアップを抑制することができるようになる。
【００５３】
なお、上記説明では、アナログの微分回路を用いた場合を説明したが、ディジタル回路により構成しても良い。この場合は、ＡＤコンバータを用いて電流値を周期的にサンプリングする。このときの、サンプリング周期をτとすると、ｄＩ／ｄｔ＝｛Ｉ（ｔ）−Ｉ（ｔ−τ）｝／τとして電流増加率を求めることができる。
【００５４】
また、電流検出手段としてシャント抵抗を用いて電流を検出したが、これに限定するものではなくクランプメータ等の公知の電流検出手段を用いることができる。
【００５５】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
【００５６】
この出願は、２０１５年５月２１日に出願された日本出願特願２０１５−１０３５９２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００５７】
２    蓄電池監視装置
１０    電池
１１    電力線
１２    シャント抵抗（電流検出手段）
１３    オペアンプ（増幅手段）
１４    微分回路
１４ａ    コンデンサ
１４ｃ    オペアンプ
１４ｂ    抵抗
１５    コンパレータ（比較手段）
【図１】
2016185711.tif 000009
【図２】
2016185711.tif 000010
【図３】
2016185711.tif 000011
【図４】
2016185711.tif 000012
【図５】
2016185711.tif 000013
【図６】
2016185711.tif 000014
【国際調査報告】
2016185711.tif 000015
2016185711.tif 000016
2016185711.tif 000017
2016185711.tif 000018