(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが直列接続されて構成された組電池における異常検出装置であって、
前記組電池における前記各電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるように、前記各電池セルに、それぞれ、並列接続された複数のセル電圧検出素子と、
これらセル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を検出する素子電流検出手段と、
この素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記電池セルのいずれかにおいて異常が発生したものと判定される判定基準値と比較する比較判定手段とを具備し、
前記各セル電圧検出素子は、前記各電池セルの出力電圧が第１の閾値電圧以上になると所定方向に電流が流れ、該第１の閾値電圧よりも低い第２の閾値電圧以下になると逆方向に電流が流れることを特徴とする組電池の異常検出装置。
【請求項２】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過充電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過充電を検出する請求項１に記載の組電池の異常検出装置。
【請求項３】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過放電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過放電を検出する請求項１に記載の組電池の異常検出装置。
【請求項４】
前記比較判定手段は、前記各電池セルの温度および前記組電池から出力された電流履歴に基づいて、前記判定基準値を変更する請求項２または３に記載の組電池の異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された組電池における異常を発生するために使用される異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題、エネルギー問題を解決する低公害車として、ＨＥＶ、ＰＥＶ、ＦＣＥＶなどの電気自動車が注目を集めている。電気自動車に搭載される高圧電池は、モータの動力源となるとともに、回生により発電された電力を貯蔵する機能を有している。
【０００３】
このような電気自動車用の高圧電池は、高電圧を得るために、複数個の電池セルを直列に接続したいわゆる組電池として使用される。組電池では、例えば各電池セルの充電状態等を監視するために、各電池セルの出力電圧を、それぞれ高精度に検出することが要求されている。しかしながら、組電池には多数の電池セルが使用されており、全ての電池セルの出力電圧を、それぞれ独立して検出するためには、回路構成が著しく複雑化するという問題がある。
【０００４】
このために、直列接続された多数の電池セルを、適当な個数の電池セルのブロックとして、各ブロック単位の電圧がそれぞれ測定することが実施されている。
【０００５】
図５は、組電池における過充電及び過放電の検出に使用される従来の異常検出装置の一例を示す回路図である。多数の電池セルＢを直列に接続して構成された組電池１は、インバータ２を介してモータジェネレータ３に接続されることにより、主回路が構成されている。組電池１を構成する各電池セルＢは、適当数の電池セルＢによってそれぞれ構成されたｎ個のブロックにグループ分けされている。
【０００６】
ＥＣＵ４では、組電池１を構成する多数個の電池セルＢの出力電圧が、電圧センサとしてのｎ個の比較器Ｃ１〜Ｃｎに、それぞれ入力されており、各比較器Ｃ１〜Ｃｎによって、ｎ個のブロックの各出力電圧Ｖ１〜Ｖｎが、それぞれ検出される。各比較器Ｃ１〜Ｃｎによって検出された各出力電圧Ｖ１〜Ｖｎは、ＥＣＵ４内に設けられた比較判定手段５に与えられている。
【０００７】
比較判定手段５では、入力された各ブロックの出力電圧Ｖ１〜Ｖｎが、過充電および過放電を検出するために、予め設定された各判定基準値とそれぞれ比較することにより、各ブロックにおける過充電および過放電を検出する。比較判定手段５によって設定された各判定基準値は一定でなく、組電池１からインバータ２に電流が供給される主回路に設けられた電流検出器６によって検出される主回路電流値、および、温度センサ７によって検出される組電池１の温度データに基づいて変更される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来の異常検出装置では、組電池１を構成する多数個の電池セルＢそれぞれの出力電圧が、複数の電池セルによって構成されたブロック単位で検出される。この場合は、検出されるブロック単位の電圧が、ブロックを構成する電池セルＢの合計電圧値として測定される。従って、各電池セルＢのそれぞれの電圧を検出することができず、電池セルＢの検出精度が悪く、その結果、各電池セルＢの過充電および過放電を精度よく検出することができないという問題がある。
【０００９】
各電池セルＢの過充電は、その寿命に著しい悪影響を及ぼす。しかも、過充電によって、電池セルＢは、異常な発熱が発生して、周囲の電池セルＢに悪影響を及ぼす。電池セルＢの過放電も、電池寿命に著しい悪影響を及ぼす。各電池セルＢにおける過充電および過放電を精度よく検出できないと、これらの悪影響により、モータジェネレータの制御性が著しく低下し、電気自動車に組電池が搭載されている場合には、電気自動車の走行性が著しく低下することになる。
【００１０】
各電池セルＢの出力電圧をそれぞれ測定することによって、過放電および過充電を精度よく検出することができるが、そのためには、回路構成、ＥＣＵの制御プログラムを実行するためのソフトウエアが著しく複雑化するという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、その目的は、回路構成、制御プログラムを実行するためのソフトウエア等を複雑化させることなく、高精度に異常を検出することができる組電池の異常検出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の異常検出装置は、複数の電池セルが直列接続されて構成された組電池における異常検出装置であって、前記組電池における前記各電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるように、前記各電池セルに、それぞれ、並列接続された複数のセル電圧検出素子と、これらセル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を検出する素子電流検出手段と、この素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記電池セルのいずれかにおいて異常が発生したものと判定される判定基準値と比較する比較判定手段とを具備し、前記各セル電圧検出素子は、前記各電池セルの出力電圧が第１の閾値電圧以上になると所定方向に電流が流れ、該第１の閾値電圧よりも低い第２の閾値電圧以下になると逆方向に電流が流れることを特徴とする。
【００１３】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過充電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過充電を検出する。
【００１４】
前記比較判定手段は、前記素子電流検出手段によって検出された電流値の総和を、前記各電池セルの過放電を検出するための判定基準値と比較して、前記各電池セルの過放電を検出する。
【００１５】
前記比較判定手段は、前記各電池セルの温度および前記組電池から出力された電流履歴に基づいて、前記判定基準値を変更する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明の組電池の異常検出装置の実施の形態の一例を示す回路図である。この異常検出装置は、ＨＥＶ（ハイブリッド型電気自動車）に搭載される組電池１０の過充電および過放電の検出に使用される。
【００１９】
組電池１０は、複数の電池セルＢを直列に接続して構成されており、組電池１０の電圧が、インバータ２０を介してモータジェネレータ３０に与えられている。インバータ２０は、第１のＥＣＵ（電子制御ユニット）４０によって制御される第２のＥＣＵ１００によって制御されており、第２のＥＣＵ１００は、第１のＥＣＵ４０から受け取る電池情報に基づいてインバータ２０を制御し、モータジェネレータ３０を所定の運転状態とする。
【００２０】
本発明の異常検出装置は、組電池１０の過充電および過放電の検出に使用され、組電池１０を構成する１つの電池セルＢにそれぞれ対応して設けられた各セル電圧検出素子５０を有している。各セル電圧検出素子５０は、各電池セルＢに対してそれぞれ並列に接続されており、各セル電圧検出素子５０の検出結果に基づいて、各電池セルＢの電圧がそれぞれ検出される。
【００２１】
各セル電圧検出素子５０は、対応する電池セルＢの出力電圧に応じた電流が流れる電圧−電流特性を有するツエナーダイオード等によって構成されており、本実施形態では、特に、図２に示すような電圧−電流特性を有する構成とされている。すなわち、各セル電圧検出素子５０は、並列に接続された電池セルＢの出力電圧Ｖが、第１の閾値電圧Ｖ１以上のとき、その電池セルＢの出力電圧Ｖに対応した正方向の電流が流れ、その電池セルＢの出力電圧Ｖが、第１の閾値電圧Ｖ１よりも小さな第２の閾値電圧Ｖ０以下になると、その電池セルＢの出力電圧Ｖに対して逆方向に電流が流れる電圧−電流特性を有している。
【００２２】
図３（ａ）は、セル電圧検出素子５０の具体的構成を示す回路図である。このセル電圧検出素子５０は、ショットキ−ダイオード５１とトランジスタ５２との組み合わせて構成されており、ショットキーダイオード５１は、正極性のわずかな電圧が印加されても非導通状態であるが、印加される電圧の極性が切り替わると、僅かの電圧（第２閾値電圧）Ｖ０によっても導通状態に切り替わって、負極性に対応した方向に電流を流す。
【００２３】
トランジスタ５２は、ショットキーダイオード５１と並列に接続された抵抗５３および５４の直列回路における両抵抗５３および５４の接続点にベースが接続されており、そのベースの電圧が所定の正極性の電圧（第１閾値電圧）Ｖ１よりも大きくなると、ショットキーダイオード５１と並列になった電流ＩDの経路が導通して、正極性の方向に電流ＩDが流れる。このような構成のセル電圧検出素子５０では、図３（ｂ）に示すような２段階の閾値電圧Ｖ０およびＶ１の閾値電圧を有する電圧−電流特性となる。そして、このような電圧−電流特性に、極性調整、ゲイン調整等を加えることにより、図２に示した２段階の閾値を有する電圧−電流特性が実現される。
【００２４】
図１に示す異常検出装置には、１個の素子電流検出器６０が設けられている。素子電流検出器６０は、各セル電圧検出素子５０に流れる電流値の総和を検出するカレントトランスによって構成されている。カレントトランスは、各セル電圧検出素子５０に対して電流ＩDがそれぞれ流れる各ラインを束ねた部分に、フローティング状態でセットされており、各セル電圧検出素子５０に対してそれぞれ流れる電流値の総和を、電流信号として検出するようになっている。
【００２５】
素子電流検出器６０において、電流信号として検出された電流値の総和は、変換器６１によって、電圧信号に変化されて、ＥＣＵ４０内の比較判定手段９０に入力される。
【００２６】
また、組電池１０からインバータ２０に供給される電流が、主回路電流検出器７０によって検出されるようになっており、この主回路電流検出器７０は、組電池１０からインバータ２０に供給される主回路電流を検出して、ＥＣＵ４０内の比較判定手段９０に与えている。
【００２７】
さらに、比較判定手段９０には、組電池１０における各電池セルＢの温度をそれぞれ検出する各セル温度センサ８０の出力が与えられている。
【００２８】
比較判定手段９０は、過充電を検出するための第１比較器９１と、過放電を検出するための第２比較器９２と、過充電についての第１の判定基準値および過放電についての第２の判定基準値を生成する判定レベル算出部９３とを備えている。
【００２９】
判定レベル算出部９３は、各セル温度センサ８０によって検出される各電池セルＢの温度と、組電池１０からインバータ２０に流れる電流の履歴に基づいて、第１の判定基準値および第２の判定基準値をそれぞれ生成する。
【００３０】
判定レベル算出部９３は、図４（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すグラフに基づいて、第１および第２の判定基準値をそれぞれ生成する。
【００３１】
図４（ａ）は、過去１００ｍｓｅｃの間に、過充電と見なされるセル電圧に与える主回路電流及びセル温度の影響を示している。また、図４（ｂ）は、過去１００ｍｓｅｃの間に、過放電と見なされるセル電圧に与える主回路電流及びセル温度の影響を示している。図４（ａ）および（ｂ）においては、主回路電流の放電を（＋）として表している。
【００３２】
過充電と見なすべき電池セルＢの出力電圧は、過去１００ｍｓｅｃの間の主回路電流が５０Ａ以上の場合は、その主回路電流および電池セルＢの温度の影響を受けず、約１．６３Ｖと一定であるが、過去１００ｍｓｅｃの間の主回路電流が５０Ａより小さい場合は、主回路電流および電池セルＢの温度の影響を受け、最小で約１．４Ｖまで低下する。同様に、過放電と見なすべき電池セルＢの出力電圧は、過去１００ｍｓｅｃの間の主回路電流が５０Ａ以上の場合は、その主回路電流および電池セルＢの温度の影響を受けず、約１Ｖと一定であるが、過去１００ｍｓｅｃの間の主回路電流が５０Ａより小さい場合は、主回路電流および電池セルＢの温度の影響を受け、最大で約１．２Ｖまで上昇する。
【００３３】
判定レベル算出部９３は、このように図４（ａ）および（ｂ）に示すグラフに基づいて、主回路電流検出器７０および各セル温度センサ８０出力信号から、第１の判定基準値及び第２の判定基準値をそれぞれ作成し、生成された第１の判定基準値及び第２の判定基準値を、それぞれ第１比較器９１および第２比較器９２にそれぞれ与える。
【００３４】
第１比較器９１に入力される第１の判定基準値は、素子電流検出器６０にて検出される電圧が、組電池１０のいずれか１つの電池セルＢが過充電されることによる電流上昇にて生じる電圧に対応して設定されており、また、第２比較器９２に入力される第２の判定基準値は、素子電流検出器６０にて検出される電圧が、組電池１０のいずれか１つの電池セルＢが過放電されることによる電流降下にて生じる電圧に対応して設定されている。
【００３５】
第１比較器９１は、素子電流検出器６０にて検出された電流値の総和を、判定レベル算出部９３から入力された第１の判定基準値と比較し、電流値の総和が第１の判定基準値を超えたときに過充電検出の信号を出力する。また、第２比較器９２は、素子電流検出器６０にて検出された電流値の総和を、判定レベル算出部９３から入力された第２の判定基準値と比較し、電流値の総和が第２の判定基準値を下回ったときに過放電検出の信号を出力する。
【００３６】
このような構成の組電池の異常検出装置では、組電池１０の各電池セルＢの過充電および過放電が、次のようにして、それぞれ検出される。
【００３７】
組電池１０内の各電池セルＢの出力電圧が、第１の閾値電圧Ｖ１と第２の閾値電圧Ｖ０との間にあるとき、各セル電圧検出素子５０の何れにも電流が流れない。その結果、素子電流検出器６０によって検出される電流値の総和は、０となる。従って、第１比較器９１および第２比較器９２の何れからも信号は出力されない。
【００３８】
これに対して、組電池１０のいずれかの電池セルＢに過充電が発生すると、その電池セルＢの出力電圧のみが上昇する。この電圧上昇が、セル電圧検出素子５０に設定された第１の閾値電圧Ｖ１よりも大きくなると、その電池セルＢに対応するセル電圧検出素子５０に対して電流が流れ、その電流が、素子電流検出器６０によって検出される。その結果、素子電流検出器６０から第１比較器９１および第２比較器９２への入力信号のレベルが上昇し、第１比較器９１における第１の判定基準値よりも大きくなると、組電池１０内のいずれかの電池セルＢに過充電が発生したものと判定して、第１比較器９１は、過充電検出信号が出力される。
【００３９】
他方、組電池１０内のいずれかの電池セルＢに過放電が発生した場合は、その電池セルＢの出力電圧のみが低下する。この電圧低下が、第２の閾値電圧Ｖ０よりも小さくなると、その電池セルＢに対応するセル電圧検出素子５０には、過充電の発生時における電流方向とは逆方向の電流が流れる。これにより、素子電流検出器６０によって検出される電流値が低下する。その結果、素子電流検出器６０から第２比較器９２へ入力される信号の電圧レベルが降下し、第２比較器９２に入力されている第２の判定基準値よりも小さくなり、組電池１０内のいずれかの電池セルＢに過放電が発生したものと判定して、第１比較器９１は、過放電検出信号が出力される。
【００４０】
このようにして、組電池１０内のいずれかの電池セルＢに過充電あるいは過放電が発生したことが、ＥＣＵ４０にて検出される。しかも、全てのセル電圧検出素子５０に流れる電流値の総和に対する過充電による電流上昇および過放電による電流降下に基づいて、過充電および過放電をそれぞれ検出する構成であるために、組電池１０における複数の電池セルＢが同時に過充電あるいは過放電が発生した場合にも、電池セルＢが過充電あるいは過放電であることをそれぞれ検出することができる。
【００４１】
このように、本実施形態の組電池の異常検出装置では、組電池１０内の各電池セルＢの各出力電圧を個別に検出することなく、電池セルＢの過充電および過放電が、各電池セルＢ単位で検出することができる。しかも、全ての電池セルＢの出力電圧に対応する電流値の総和を、素子電流検出器６０の出力として第１のＥＣＵ４０内の比較判定手段９０に出力しているために、ＥＣＵ４０と接続される配線本数が増加するおそれがなく、しかも、ＥＣＵ４０における制御の実行するためのソフトウエアも複雑化するおそれがない。
【００４２】
さらには、比較判定手段９０は、判定レベル算出部９３により、直列接続された電池セルＢの温度と共に、電池セルＢからインバータ２０に流れた主回路電流の電流履歴に基づいて、第１の判定基準値および第２の判定基準値がそれぞれ設定されるために、各電池セルＢの過充電および過放電を、高精度で検出することができる。なお、過充電および過放電の判定レベルの決定方法は、図４に示すグラフに基づく方法に限定されるものではなく、電池の特性に応じて、電流履歴に基づいて決定する。
【００４３】
また、各電圧検出素子５０は、電池セルＢの出力電圧が第１の閾値電圧Ｖ１以上になることにより、所定方向に電流が流れ、第１の閾値電圧Ｖ１よりも小さい第２の閾値電圧Ｖ０以下になることにより、逆方向に電流が流れる構成になっているので、過充電および過放電のいずれも、精度よく検出することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の組電池の異常検出装置は、このように、直列接続された複数の電池セルのそれぞれに、電池セルの出力電圧に対応した電流が流れるセル電圧検出素子を組み合わせ、セル電圧検出素子の全てに流れる電流値の総和を、電池セルの異常検出のための判定基準値と比較して電池セルの異常検出を行うように構成されているために、回路構成、制御を実行するためのソフトウエアを複雑化することなく、組電池を構成する複数の電池セルそれぞれの異常を、高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の異常検出装置の実施の形態の一例を示す構成図である。
【図２】その異常検出装置に使用されるセル電圧検出素子の特性図である。
【図３】（ａ）は、そのセル電圧検出素子の具体的構成を示す回路図、（ｂ）は、そのセル電圧検出素子の特性図である。
【図４】（ａ）は、過充電と見なすべきセル電圧に与える主電流回路の電流履歴及びセル温度の影響を示すグラフ、（ｂ）は、過放電と見なすべきセル電圧に与える主電流回路の電流履歴及びセル温度の影響を示すグラフである。
【図５】従来の組電池の異常検出装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０  組電池
２０  インバータ
３０  モータジェネレータ
４０  ＥＣＵ
５０  セル電圧検出素子
６０  素子電流検出器（素子電流検出手段）
７０  主回路電流検出器
８０  セル温度センサ
９０  比較判定手段
９１  第１比較器
９２  第２比較器
９３  判定レベル算出部
【図１】
0004116756.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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