JP2017221026A - バッテリ装置及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ制御部に故障が発生した場合において、単位セルの検出電圧値の誤差悪化による影響を抑えることが可能なバッテリ装置を提供する。【解決手段】バッテリ装置２のバッテリ制御部３０は、複数の単位セル１１の電圧を検出する電圧検出回路３１ｂと、複数の単位セル１１の電圧又は当該電圧に基づく充電率を均等化する均等化回路３１ａと、バッテリ制御部３０の故障を検知する故障診断回路３１ｄと、を備え、バッテリ制御部３０は、電圧検出部３１ｂの検出結果に基づいてバッテリ１０の充放電制御を行い、故障診断回路３１ｄが故障を検知した場合に、均等化回路３１ａは、均等化を停止する。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のセルによって構成されているバッテリを備えるバッテリ装置及び車両に関する。

従来、互いに直列に接続された複数の単位セルによって構成されているバッテリに関して、バッテリＥＣＵ内の均等化回路が複数の単位セルの電圧を均等化することが行われている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の均等化装置では、バッテリＥＣＵの電源電圧が低下した場合に、均等化回路とは別の均等化停止回路が、均等化回路による均等化を停止させる。

特許第５４８９５２５号公報

一方、バッテリＥＣＵにおいて、セル電圧の検出値の誤差が悪化するような故障が発生した場合には、セル電圧の実際の値と検出値との間の誤差が大きくなり、バッテリの充放電制御が困難となる。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、バッテリ制御部に故障が発生した場合において、単位セルの検出電圧値の誤差悪化による影響を抑えることが可能なバッテリ装置及び車両を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するために、本発明のバッテリ装置は、互いに接続された複数の単位セルを有するバッテリと、前記バッテリの充放電制御を行うバッテリ制御部と、を備えるバッテリ装置であって、前記バッテリ制御部は、複数の前記単位セルの電圧を検出する電圧検出部と、複数の前記単位セルの前記電圧又は当該電圧に基づく充電率を均等化する均等化部と、前記バッテリ制御部の故障を検知する故障診断部と、を備え、前記故障診断部が故障を検知した場合に、前記均等化部は、均等化を停止することを特徴とする。

本発明によると、バッテリ制御部に故障が発生した場合において、単位セルの検出電圧値の誤差悪化による影響を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るバッテリ装置を備える車両を模式的に示す図である。 単位セル、均等化回路及び電圧検出回路を示す回路図である。 誤差悪化量テーブルの例を示す図である。 本発明の実施形態に係るバッテリ装置の動作例を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施形態について、本発明のバッテリ装置を車両に適用した場合を例にとり、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る車両１は、バッテリ装置２と、通知部３と、を備える。バッテリ装置２は、バッテリ１０と、コンタクタ２０と、バッテリ制御部３０と、を備える。

＜バッテリ＞
バッテリ１０は、車両の各機器へ電力を供給したり（放電）、車両の回生制御によって発生した電力を蓄電したりする（充電）。バッテリ１０は、複数の単位セル１１が互いに直列に接続されることによって構成されている。

＜コンタクタ＞
コンタクタ２０は、バッテリ１０と接続されており、バッテリ制御部３０の制御によってバッテリ１０の電気回路を開閉するスイッチである。コンタクタ２０が閉状態である場合には、バッテリ１０は、充放電を実行する。また、コンタクタ２０が開状態である場合には、バッテリ１０は、充放電を停止する。

＜バッテリ制御部＞
バッテリ制御部３０は、バッテリ１０の充放電制御を行う、いわゆるバッテリＥＣＵ（Electrical Control Unit）である。バッテリ制御部３０は、高圧回路であるＬＩＢＩＣ（Lithium Ion Battery Integrated Circuit）３１と、低圧回路であるＭＰＵ（Micro Processing Unit）３２と、を備える。

＜ＬＩＢＩＣ＞
ＬＩＢＩＣ３１は、均等化回路３１ａと、電圧検出回路３１ｂと、通信回路３１ｃと、故障診断回路３１ｄと、を備える。

≪均等化回路≫
均等化回路（均等化部）３１ａは、複数の単位セル１１の電圧又は充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を均等化する状態と、均等化を停止した状態と、を切替可能な回路である。均等化回路３１ａは、電圧検出回路３１ｂによって検出された電圧に基づいて、複数の単位セル１１の電圧を均等化する。

なお、均等化回路３１ａは、電圧検出回路３１ｂによって検出された電圧並びに図示しない電流検出部及び温度検出部によって検出されたバッテリ１０の電流及び温度に基づいて、複数の単位セル１１の充電率を均等化する構成であってもよい。ここで、充電率は、電圧検出回路３１ｂによって検出された電圧と、バッテリ１０を流れる電流を検出する電流検出部（図示せず）によって検出された電流の積算値と、バッテリ１０の温度を検出する温度検出部によって検出された温度と、に基づいて算出可能な値である。

すなわち、均等化は、複数の単位セル１１の電圧又は充電率にバラツキが発生している場合に、電圧又は充電率の高い単位セル１１を放電させることによって、複数の単位セル１１の電圧又は充電量を揃えることを指す。

図２に示すように、均等化回路３１ａは、互いに直列に接続された放電抵抗３１ａ１及び放電スイッチ３１ａ２を備える。

≪電圧検出回路≫
図１に示すように、電圧検出回路（電圧検出部）３１ｂは、複数の単位セル１１のそれぞれの電圧の値を検出する電圧センサである。図２に示すように、電圧検出回路３１ｂは、放電抵抗３１ａ１及び放電スイッチ３１ａ２と並列に接続されている。電圧検出回路３１ｂは、互いに直列に接続されたオペアンプ３１ｂ１及びＡＤコンバータ３１ｂ２を備える。

電圧検出回路３１ｂは、検出される電圧の値に関して、均等化に起因する均等化誤差と、バッテリ制御部（ＥＣＵ）３０に起因するＥＣＵ誤差と、を補正する機能を有している。

均等化誤差は、均等化のための電圧の高い単位セル１１の放電スイッチをオンとし、放電電流が流れたときに発生する誤差である。均等化誤差は、ハーネス抵抗による誤差と、放電抵抗による誤差と、放電スイッチのオン抵抗による誤差と、を含む。ハーネス抵抗による誤差は、単位セル１１の両極と、均等化回路３１ａの放電抵抗３１ａ１及び放電スイッチ３１ａ２と、を接続するハーネスの抵抗によって発生する誤差である。放電抵抗による誤差は、均等化回路３１ａの放電抵抗３１ａ１によって発生する誤差である。放電スイッチのオン抵抗による誤差は、均等化回路３１ａの放電スイッチ３１ａ２がオン状態のときの当該放電スイッチ３１ａ２の抵抗によって発生する誤差である。電圧検出回路３１ａによって検出された電圧の値は、推定又は予め設定されたハーネス抵抗、放電抵抗、オン抵抗及び放電電流に基づいて補正されている。しかし、推定又は予め設定されたハーネス抵抗、放電抵抗、オン抵抗及び放電電流が誤差を含むため、補正後の電圧の値も、誤差すなわち均等化残誤差を含む。

ＥＣＵ誤差は、単位セル１１の電圧を検出するためのオペアンプ３１ｂ１の直線性及びＡＤコンバータ３１ｂ２のリファレンス電圧によって発生する誤差である。バッテリ制御部３０内の不揮発性メモリには、製造工場において正確な電圧を読み込んだときの入力電圧と検出電圧とのズレすなわちＥＣＵ誤差が記憶されている。電圧検出回路３１ｂによって検出された電圧の値は、記憶されたズレの値に基づいて補正されている。

また、図１に示すように、バッテリ制御部３０（より詳細には、ＭＰＵ３２）は、電圧検出回路３１ｂによって検出された単位セル１１の電圧の値に基づいて、バッテリ１０の充放電制御を行う。さらに、バッテリ制御部３０（より詳細には、ＭＰＵ３２）は、バッテリ１０の電圧値以外にも、バッテリ１０の電圧値、電流値及び温度に基づく充電率（ＳＯＣ）、又は、バッテリ１０の温度に基づいて、バッテリ１０の充放電制御を行うことができる。例えば、バッテリ制御部３０は、電圧検出回路３１ｂによって検出された単位セル１１の電圧の値又は充電率が所定値以下である場合には、図示しないモータの回生制御を行うことによって、バッテリ１０に蓄電させることができる。すなわち、バッテリ装置２のＬＩＢＩＣ３１は、バッテリ１０に流れる電流の値を検出する電流検出部と、バッテリ１０の温度を検出する温度検出部と、を備える。そして、バッテリ制御部３０（より詳細には、ＭＰＵ３２）は、電圧検出回路３１ｂ、電流検出部及び温度検出部の検出結果に基づいて、バッテリ１０の充放電制御を行う。

≪通信回路≫
通信回路３１ｃは、ＭＰＵ３２との通信を行う回路である。通信回路３１ｃは、ＭＰＵ３２からの判定結果を取得して均等化回路３１ａへ出力する。また、通信回路３１ｃは、電圧検出回路３１ｂ並びに図示しない電流検出部及び温度検出部の検出結果をＭＰＵ３２へ出力する。

≪故障診断回路≫
故障診断回路３１ｄは、バッテリ制御部３０、より詳細には、ＬＩＢＩＣ３１の故障を自己診断する回路である。故障診断回路（故障診断部）３１ｄは、故障の検知結果をＭＰＵ３２へ出力する。

例えば、故障の診断結果（故障モード）の例として、（１）均等化誤差補正におけるパラメータ読み出し不可、（２）ＥＣＵ誤差補正におけるパラメータ読み出し不可、（３）セル電圧検出におけるＡＤリファレンス故障等が挙げられる（図３参照）。

本実施形態において、均等化誤差補正におけるパラメータ読み出し不可が発生した場合には、均等化中の電圧検出精度は１００［ｍＶ］悪化し、均等化停止中の電圧検出精度のは悪化しない（±０［ｍＶ］）。また、ＥＣＵ誤差補正におけるパラメータ読み出し不可が発生した場合には、均等化中及び均等化停止中のそれぞれにおいて、電圧検出精度は５０［ｍＶ］悪化する。また、セル電圧検出におけるＡＤリファレンス悪化が発生した場合には、均等化中及び均等化停止中のそれぞれにおいて、電圧検出精度は１００［ｍＶ］悪化する。

＜ＭＰＵ＞
ＭＰＵ３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路等によって構成されている。ＭＰＵ３２は、前記したバッテリ１０の充放電制御機能に加え、均等化停止判定機能及び充放電停止判定機能を有する。すなわち、ＭＰＵ３２は、均等化停止判定機能及び充放電停止判定機能のための機能部として、記憶部３２ａと、均等化停止判定部３２ｂと、充放電停止判定部３２ｃと、を備える。

記憶部３２ａには、誤差悪化量マップ３２ａ１が記憶されている。図３に示すように、誤差悪化量テーブル３２ａ１は、故障診断回路によって検知された故障モードと、均等化中の検出電圧値の誤差悪化量と、均等化停止中の検出電圧値の誤差悪化量と、の関係を示すテーブルである。

≪均等化及び充放電停止判定部≫
図１に示すように、均等化停止判定部３２ｂは、故障診断回路３１ａの診断結果に基づいて、均等化を停止するか否かと、充放電を停止するか否かと、を判定する。均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、検知された故障の種類（故障モード）に基づいて、均等化中における電圧検出回路３１ｂの検出結果の誤差悪化量を推定し、推定された誤差悪化量が閾値以上である場合に、均等化回路３１ａによる均等化を停止する。また、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、検知された故障の種類（故障モード）に基づいて、均等化を停止した場合における電圧検出回路３１ａの検出結果の誤差悪化量を推定し、推定された誤差悪化量が閾値以上である場合に、バッテリ１０の充放電を停止する。

均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、故障診断回路３１ｄの診断結果、均等化停止、及び、充放電停止を示す信号を通知部３へ出力する。

＜通知部＞
通知部３は、車両１の車室内のインパネ等に設けられているランプ、ディスプレイ、スピーカ等である。通知部３は、均等化及び充放電停止判定部３２ｂから出力された信号を取得し、取得された信号に応じた診断結果、均等化停止及び充放電停止を車両１の乗員、詳細には運転者へ通知する。

＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係るバッテリ制御装置１０の動作例について、図４を参照して説明する。図４に示すように、バッテリ制御部３０がバッテリ１０の充放電制御を実行しているとともに、均等化回路３１ｂが複数のセル１１の電圧又は充電率の均等化を実行している状態において、故障診断回路３１ｄが、故障の検知を行う（ステップＳ１）。故障診断回路３１ｄが故障を検知した場合（ステップＳ１でＹｅｓ）には、故障診断回路３１ｄは、診断結果を均等化及び充放電停止判定部３２ｂへ出力する。均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、診断結果を取得し、取得された診断結果に基づいて、電圧検出回路３１ａの検出結果の均等化中及び均等化を停止した場合のそれぞれの誤差の悪化量を推定する（ステップＳ２）。ここで、複数の故障が発生している場合には、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、複数の故障モードの誤差悪化量を加算する。

均等化中の誤差の悪化量が所定の閾値（例えば、７５［ｍＶ］）未満である場合（ステップＳ３でＹｅｓ）には、本フローは終了し、均等化は継続される。誤差悪化量に関する閾値は、事前の試験、シミュレーション等によって設定されたものであり、均等化停止判定及び充放電停止判定の両方で同じ値が用いられる。

例えば、故障モード（２）の場合には、均等化中の誤差の悪化量が閾値未満の５０［ｍＶ］であるため、均等化及び充放電は継続される。

均等化中の誤差の悪化量が閾値以上である場合（ステップＳ３でＮｏ）であって、均等化を停止した場合の誤差の悪化量が閾値未満である場合（ステップＳ４でＹｅｓ）には、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、均等化停止信号をＬＩＤＩＣ３１へ出力する（ステップＳ５）。均等化回路３１ａは、通信回路３１ｃを介して均等化停止信号を取得し、取得された均等化停止信号に基づいて均等化を停止する。すなわち、均等化回路３１ａの全ての放電スイッチは、オフ状態となる。

例えば、故障モード（１）の場合には、均等化中の誤差の悪化量が閾値以上の１００［ｍＶ］であり、均等化を停止した場合の誤差の悪化量が閾値未満の０［ｍＶ］であるため、均等化は停止され、充放電は継続される。

均等化中の誤差の悪化量が閾値以上である場合（ステップＳ３でＮｏ）であって、均等化を停止した場合の誤差の悪化量が閾値以上である場合（ステップＳ４でＮｏ）には、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、充放電停止信号をコンタクタ２０へ出力する（ステップＳ６）。コンタクタ２０は、充放電停止信号を取得し、取得された充放電停止信号に基づいてバッテリ１０の充放電を停止する。すなわち、コンタクタ２０は、開状態となる。

例えば、故障モード（３）の場合には、均等化中及び均等化を停止した場合の誤差の悪化量がともに閾値以上であるため、充放電が停止される。この場合には、充放電の停止とともに均等化も停止する構成であってもよい。

本発明の実施形態に係るバッテリ装置２は、故障診断部が故障を検知した場合に均等化部による均等化を停止するので、均等化に基づく均等化誤差を低減し、バッテリ１０の充放電制御を継続することができる。この場合において、車両１の運転者は、通知部３の通知結果に基づいて故障の発生及び均等化の停止を認識し、均等化が停止された車両１を検査場、修理工場等まで運転することができる。

また、バッテリ装置２は、均等化中における誤差悪化量が閾値以上である場合に均等化を停止するので、均等化の停止の必要性を好適に判定し、停止が必要である場合には、均等化に基づく均等化誤差を低減し、バッテリ１０の充放電制御を継続することができる。

また、バッテリ装置２は、均等化を停止した場合の誤差悪化量が閾値以上である場合に充放電を停止するので、バッテリ１０を好適に保護することができる。この場合において、車両１の運転者は、通知部３の通知結果に基づいて故障の発生及び充放電の停止を認識し、車両１を安全な場所に停車させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、均等化を停止した場合の誤差悪化量が閾値以上である場合には、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、均等化停止信号を出力して均等化回路３１ａによる均等化を停止させるとともに、故障の発生、均等化の停止、及び充放電の停止予告を示す信号を通知部３に出力する構成であってもよい。この場合において、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、通知部３によって充放電の停止予告を認識した運転者が車両１を停車させた場合に、充放電停止信号を出力して充放電を停止させる構成であってもよい。

また、ＬＩＢＩＣ３１が、バッテリ１０に流れる電流を検出する電流検出回路（電流検出部）と、バッテリ１０の温度を検出する温度検出回路（温度検出部）と、を備える構成であってもよい。この場合には、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、各回路によって検出された電圧、電流及び温度に基づいて、電圧検出回路３１ｂの検出値に関する均等化中及び均等化停止中のＥＣＵ誤差補正残誤差、ハードフィルタ誤差、ＬＩＢＩＣ誤差を推定する。そして、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、均等化中のＥＣＵ誤差補正残誤差、均等化誤差、ハードフィルタ誤差及びＬＩＢＩＣ誤差の合計が閾値（制御許容誤差）以上である場合に、均等化を停止させる。また、均等化及び充放電停止判定部３２ｂは、均等化を停止した場合のＥＣＵ誤差補正残誤差、均等化誤差、ハードフィルタ誤差及びＬＩＢＩＣ誤差の合計が閾値（制御許容誤差）以上である場合に、充放電を停止させる。ここで、ＥＣＵ誤差補正残誤差は、バッテリ制御部３０で発生する設計誤差の最大値である。また、ハードフィルタ誤差及びＬＩＢＩＣ誤差は、それぞれの部品保証精度である。

１ 車両
２ バッテリ装置
３ 通知部
１０ バッテリ
１１ 単位セル
３０ バッテリ制御部
３１ａ 均等化回路（均等化部）
３１ｂ 電圧検出回路（電圧検出部）
３１ｄ 故障診断回路（故障診断部）

Claims (4)

1. 互いに接続された複数の単位セルを有するバッテリと、前記バッテリの充放電制御を行うバッテリ制御部と、を備えるバッテリ装置であって、
   前記バッテリ制御部は、
   複数の前記単位セルの電圧を検出する電圧検出部と、
   複数の前記単位セルの前記電圧又は当該電圧に基づく充電率を均等化する均等化部と、
   前記バッテリ制御部の故障を検知する故障診断部と、
   を備え、
   前記故障診断部が故障を検知した場合に、前記均等化部は、均等化を停止する
   ことを特徴とするバッテリ装置。
2. 前記故障診断部が故障を検知した場合に、前記バッテリ制御部は、検知された故障の種類に基づいて、均等化中における前記電圧検出部の検出結果の誤差悪化量を推定し、推定された前記誤差悪化量が閾値以上である場合に、前記均等化部による均等化を停止する
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ装置。
3. 前記故障診断部が故障を検知した場合に、前記バッテリ制御部は、検知された故障の種類に基づいて、均等化を停止した場合における前記電圧検出部の検出結果の誤差悪化量を推定し、推定された前記誤差悪化量が前記閾値以上である場合に、前記バッテリの充放電を停止する
   ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバッテリ装置と、
   前記故障診断部による故障の検知結果を車両の乗員に通知する通知部と、
   を備えることを特徴とする車両。

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