JP4660497B2

JP4660497B2 - バッテリパックの監視保護装置

Info

Publication number: JP4660497B2
Application number: JP2007059524A
Authority: JP
Inventors: 昌幸星野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008224265A

Description

本発明は、複数個のセルが直列接続されたバッテリパックを監視保護するバッテリパックの監視保護装置に関する。

例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパックにおいては、過充電や過放電からリチウムイオン二次電池を保護するため、セル電圧を計測して監視保護を行っている。また、各セル電圧を計測するための電圧計測線が断線した場合には、リチウム二次電池を保護することができないので、電圧計測線の断線の監視も行っている。

電圧測定線を介して二次電池の出力電圧が入力される複数の電圧入力端子間に複数の電圧センサを接続するとともに、電圧測定線が非断線状態の時には接続された電圧入力端子に対して所定の電流を供給する複数の定電流源をそれぞれ電圧入力端子に接続し、二次電池の電圧計測線の断線を監視するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、電圧計測線の断線を監視するものとして１セル毎の放電回路を用いて検出するもの（例えば、特許文献２参照）や、セル短絡回路のインピーダンスを変えてインピーダンス測定を行うようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６−２７５９２８号公報特開２００５−１６８１１８号公報特開２００６―５０７８４号公報

しかし、特許文献１〜３に示される電圧計測線の断線検出方法においては、電圧計測線の断線を検出するためのステップが必要であり、このステップの間において、各セル電圧の計測ができない。このため、急速に充電や放電が行われてセルの電圧が急激に変化するときには、保護動作が遅れるという課題があった。

本発明の目的は、断線検出のための追加のステップを必要としないで断線検出ができるバッテリパックの監視保護装置を得ることである。

本発明のバッテリパックの監視保護装置は、複数個のセルが直列接続されたバッテリパックの電圧計測線に各々のセルのプラス端子とマイナス端子とに接続される切替スイッチを設け、１セル分の出力電圧は前記切替スイッチで１セルのプラス端子とマイナス端子とを接続して計測し、２セル分の出力電圧は前記切替スイッチで直列接続された２セルの一方のセルのプラス端子と他方のセルのマイナス端子とを接続して計測し、前記切替スイッチにより１セル分の出力電圧と２セル分の出力電圧とを交互に計測する計測部と、前記計測部で計測された１セル分の出力電圧または２セル分の出力電圧が所定範囲を逸脱したときはバッテリパックの保護動作を行い正常範囲に戻ったときは保護動作を解除する保護動作部とを備え、前記保護動作部は、２セル分の電圧計測で１セル分の正常範囲の電圧が計測された場合、または１セル分の電圧計測で２セル分の正常範囲の電圧が計測された場合には、電圧計測線に断線があると判断することを特徴とする。

本発明によれば、断線検出のための追加のステップを必要としないで断線検出ができるので、急速に充電や放電が行われてセルの電圧が急激に変化するときであっても保護動作が遅れることがないバッテリパックの監視保護装置を提供できる。

図１は本発明の実施の形態に係わるバッテリパックの監視保護装置の構成図である。バッテリパック１１は、複数個のセルBatt1〜Battnが直列接続されて構成され、各々のセルBatt1〜Battnから電圧計測線１２が引き出され計測部１３に接続されている。計測部１３は、各々のセルBatt1〜Battnのプラス端子側に接続される切替スイッチS11H〜S1nHと、各々のセルBatt1〜Battnのマイナス端子側に接続される切替スイッチS11L〜S1nLとを有し、並列接続された切替スイッチS11H〜S1nHと並列接続された切替スイッチS11L〜S1nLとの間にコンデンサＣが接続されている。このコンデンサＣには、切替スイッチS11H〜S1nH及び切替スイッチS11L〜S1nLの切り替えにより、１セル分の出力電圧または２セル分の出力電圧が印加される。

また、計測部１３の出力側には、並列接続された切替スイッチS11H〜S1nHに接続される出力側切替スイッチS21H、S22Hと、並列接続された切替スイッチS11L〜S1nLに接続されるS21L、S22Lとが設けられている。そして、コンデンサＣにチャージされた電荷量に基づいて１セル分または２セル分が過充放電状態であるか否かを測定し、１セル分が過放電状態であるときは演算増幅器１４ｄ１から１セル分の過放電検出信号Od1が保護操作部１５に出力され、１セル分が過充電状態であるときは演算増幅器１４ｃ１から１セル分の過充電検出信号Oc1が保護操作部１５に出力される。同様に、２セル分が過放電状態であるときは演算増幅器１４ｄ２から２セル分の過放電検出信号Od2が保護操作部１５に出力され、２セル分が過充電状態であるときは演算増幅器１４ｃ２から２セル分の過充電検出信号Oc2が保護操作部１５に出力される。

保護操作部１５は、過放電検出信号Od1、過充電検出信号Oc1、過放電検出信号Od2、過充電検出信号Oc2に基づいて、バッテリパック１１の監視保護動作を行う。また、各々のセルBatt1〜Battnから電圧計測線１２のいずれかが断線していると判断したときは、警報出力装置１６に対し、その旨を警報出力する。警報出力装置１６は表示器１７及び音声出力装置１８を有しており、これらのいずれか一方または双方に電圧計測線１２が断線していることを報知出力する。

ここで、計測部１３においては、切替スイッチS11H〜S1nHと切替スイッチS11L〜S1nLとを切り替えて、１セル分の出力電圧と２セル分の出力電圧とを交互に計測する。まず、１セル分の出力電圧の計測について説明する。切替スイッチS11L、S11Hを閉じ、セルBatt1の出力電圧をコンデンサＣに印加してコンデンサＣに電荷を充電させる。その後に、それぞれの切替スイッチS11L、S11Hを開き、出力側切替スイッチS21L、S21Hを閉じてセルBatt1（１セル分）の電圧を計測する。このときに計測された電圧によって、図２に示す保護動作を行う。

計測電圧が１セル分の放電保護電圧を超え１セル分の充電保護電圧未満であるときは、Batt1（１セル分）の電圧は正常範囲である。従って、演算増幅器１４ｄ１からの１セル分の過放電検出信号Od1、演算増幅器１４ｃ１からの１セル分の過充電検出信号Oc1は保護操作部１５に出力されず、保護動作部１５による保護動作は行われない。

次に、計測電圧が１セル分の充電保護電圧以上で２セル分の放電保護電圧以下である場合は、充電保護動作として充電を遮断する。そして、計測電圧が１セル分の充電保護電圧より小さい予め定めた特定電圧より小さくなったときは、充電保護動作を解除し充電が行える状態とする。また、計測電圧が１セル分の放電保護電圧以下であるときは、放電保護動作として放電を遮断する。そして、計測電圧が１セル分の放電保護電圧より大きい予め定めた特定電圧より大きくなったときは、放電保護動作を解除し放電が行える状態とする。

一方、保護動作部１５は、１セル分の電圧計測で２セル分の正常範囲の電圧が計測された場合には、電圧計側線１２に断線があると判断する。これは切替スイッチS11L、S11Hを閉じた状態では、電圧計測線１２が正常であればコンデンサＣがセルBatt1の電圧に充電されるはずであるが、２セル分の正常範囲の電圧が計測されたということは、コンデンサＣがセルBatt1の電圧によって充電されずに、直前に計測した２セル分の電圧がコンデンサＣに充電されいる状態と考えられるので電圧計測線１２が断線していると判断する。

また、計測電圧が２セル分の放電保護電圧以上であった場合には、図３に示すように、セルBatt1の電圧を計測する電圧計測線１２に断線があると判断するようにしてもよい。この場合も、電圧計測線１２が正常であればコンデンサＣがセルBatt1の電圧に充電されるはずであるが、２セル分の放電保護電圧以上となったということは、コンデンサＣがセルBatt1の電圧に充電されずに、直前に計測した２セル分の電圧がコンデンサＣに充電された状態と考えられるからである。

電圧計測線１２に断線があると判断したときは、電圧を計測できないセルBattiがあることになるので、バッテリパック１１に対して充電も放電も行えないようにする必要があり、充電保護動作及び充電保護動作の双方を行う。また、電圧計測線１２の断線は修理しない限り修復されないので、充電保護動作及び充電保護動作の解除は禁止とする。電圧計測線１２に断線が起こっているときは、修理が必要であることから運転員にその旨を報知しなければならないので、警報出力装置１６の表示器１７に断線を表示したり、音声出力装置１８により断線を報知する。

次に、２セル分の出力電圧の計測について説明する。セルBatt1の出力電圧の計測が終了した後に、セルBatt2の出力電圧とセルBatt3の出力電圧の２セル分の出力電圧を計測する場合について説明する。切替スイッチS12L、S13Hを閉じ、コンデンサＣにセルBatt2の出力電圧とセルBatt3の出力電圧の２セル分の出力電圧を印加し電荷を充電する。電荷を充電させた後に、それぞれの切替スイッチS12L、S13Hを開き、出力側切替スイッチS22L、S22Hを閉じて２セル分の電圧を計測する。このときに計測された電圧によって、図４に示す保護動作を行う。

計測電圧が２セル分の放電保護電圧を超え２セル分の充電保護電圧未満であるときは、２セル分の電圧は正常範囲である。従って、演算増幅器１４ｄ２からの２セル分の過放電検出信号Od2、演算増幅器１４ｃ２からの２セル分の過充電検出信号Oc2は保護操作部１５に出力されず、保護動作部１５による保護動作は行われない。

次に、計測電圧が２セル分の充電保護電圧以上である場合は、充電保護動作として充電を遮断する。そして、計測電圧が２セル分の充電保護電圧より小さい予め定めた特定電圧より小さくなったときは、充電保護動作を解除し充電が行える状態とする。また、計測電圧が２セル分の放電保護電圧以下で１セル分の充電保護電圧を超えるときは、放電保護動作として放電を遮断する。そして、計測電圧が２セル分の放電保護電圧より大きい予め定めた特定電圧より大きくなったときは、放電保護動作を解除し放電が行える状態とする。

一方、保護動作部１５は、２セル分の電圧計測で１セル分の正常範囲の電圧が計測された場合には、電圧計側線１２に断線があると判断する。これは切替スイッチS12L、S13Hを閉じた状態では、電圧計測線１２が正常であればコンデンサＣが２セル分の電圧に充電されるはずであるが、１セル分の正常範囲の電圧が計測されたということは、コンデンサＣがセル２セル分の電圧によって充電されずに、直前に計測した１セル分の電圧がコンデンサＣに充電されいる状態と考えられるので電圧計測線１２が断線していると判断する。

また、計測電圧が１セル分の放電保護電圧以下であった場合には、図５に示すように、電圧計測線１２に断線があると判断するようにしてもよい。この場合も、電圧計測線１２が正常であればコンデンサＣが２セル分の電圧に充電されるはずであるが、１セル分の放電保護電圧以下となったということは、コンデンサＣが２セル分の電圧に充電されずに、直前に計測した１セル分の電圧がコンデンサＣに充電された状態と考えられるからである。

このように、１セル分と２セル分との計測を交互に行い、すべてのセルBatt1〜Battnの出力電圧の計測が終った場合に、再び、セルBatt1から計測を始める。この際には、直前のセルBatt1が１セル分で計測していた場合には、次の計測対象としてはセルBatt2の電圧とセルBatt3との２セルではなく、セルBatt1の電圧とセルBatt2との電圧の２セル分を計測することが望ましい。これは、２セル分の計測では、一方のセル電圧が保護すべき電圧となっていても他方のセル電圧によっては、２セル分の計測として保護すべき電圧にならない場合もあるからである。つまり、すべてのセルBatt1〜Battnを１セル分として必ず計測しておくためである。

また、セルの個数によっては、再び、セルBatt1から計測を始めようとしたときに、２セル分の計測とならない場合がある。その場合は、まずセルBatt2の１セル分の電圧を計測し、その後にセルBatt1電圧とセルBatt2電圧との２セル分を計測するようにすればよい。

本発明の実施の形態によれば、セル電圧の計測によって電圧計測線１２の断線が検出できるので、電圧計測線１２の断線のためのステップを特別に設ける必要がない。なお、以上の説明では、１セル分の電圧計測において、断線と判断する電圧を２セル分の放電保護電圧としたが、１セル分の充電保護電圧より大きい特定の電圧とすることもできる。また、２セル分の電圧計測において、断線と判断する電圧を１セル分の充電保護電圧としたが、２セル分の放電保護電圧より小さい特定電圧とすることもできる。

本発明の実施の形態に係わるバッテリパックの監視保護装置の構成図。本発明の実施の形態における１セル分の出力電圧の計測の場合の保護動作の一例を示す説明図。本発明の実施の形態における１セル分の出力電圧の計測の場合の保護動作の他の一例を示す説明図。本発明の実施の形態における２セル分の出力電圧の計測の場合の保護動作の一例を示す説明図。本発明の実施の形態における２セル分の出力電圧の計測の場合の保護動作の他の一例を示す説明図。

符号の説明

１１…バッテリパック、１２…電圧計測線、１３…計測部、１４…演算増幅器、１５…保護操作部、１６…警報出力装置、１７…表示器、１８…音声出力装置

Claims

複数個のセルが直列接続されたバッテリパックの電圧計測線に各々のセルのプラス端子とマイナス端子とに接続される切替スイッチを設け、１セル分の出力電圧は前記切替スイッチで１セルのプラス端子とマイナス端子とを接続して計測し、２セル分の出力電圧は前記切替スイッチで直列接続された２セルの一方のセルのプラス端子と他方のセルのマイナス端子とを接続して計測し、前記切替スイッチにより１セル分の出力電圧と２セル分の出力電圧とを交互に計測する計測部と、前記計測部で計測された１セル分の出力電圧または２セル分の出力電圧が所定範囲を逸脱したときはバッテリパックの保護動作を行い正常範囲に戻ったときは保護動作を解除する保護動作部とを備え、前記保護動作部は、２セル分の電圧計測で１セル分の正常範囲の電圧が計測された場合、または１セル分の電圧計測で２セル分の正常範囲の電圧が計測された場合には、電圧計測線に断線があると判断することを特徴とするバッテリパックの監視保護装置。
前記保護動作部は、前記正常範囲の電圧が計測された場合に代えて、２セル分の電圧計測で１セル分の充電保護電圧以下の電圧が計測された場合、または、１セル分の電圧計測で２セル分の放電保護電圧以上の電圧が計測された場合には、電圧計測線に断線があると判断することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパックの監視保護装置。
前記保護動作部は、前記電圧計測線に断線があると判断した場合には、充電保護動作および放電保護動作の双方を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリパックの監視保護装置。
前記保護動作部は、充電保護動作及び放電保護動作の解除を禁止することを特徴とする請求項３記載のバッテリパックの監視保護装置。
前記保護動作部は、前記電圧計測線に断線があると判断した場合には、その旨を警報出力することを特徴とする請求項３または４記載のバッテリパックの監視保護装置。