JP2007010316A

JP2007010316A - フライングキャパシタ式電圧検出装置

Info

Publication number: JP2007010316A
Application number: JP2005187583A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeyama; 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】断線不良と組電池の発電異常とを区別して、異常判定を行うフライングキャパシタ式電圧検出装置を提案する。
【解決手段】フライングキャパシタ式電圧検出装置（１０）は、直列接続されて組電池（４０）を構成する電池モジュールの各両端を電池モジュール毎に極性交互にチャージするフライングキャパシタ回路（２０）と、フライングキャパシタ回路（２０）の出力電圧を電池モジュールの検出電圧として記憶するメモリ（３３）と、隣接する二つの電池モジュールの検出電圧の極性が異なり且つ検出電圧の大きさが同程度であることを条件として異常判定を行う演算回路（３２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のセルを直列接続して成る組電池のセル電圧を検出するフライングキャパシタ式電圧検出装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車では、走行エネルギーを蓄電する高圧大容量の二次電池が用いられている。燃料電池を発電装置として備える燃料電車両においても、燃料電池の出力変動のバッファとして、高圧大容量の二次電池が用いられている。二次電池や燃料電池は、複数のセルを直列に接続してなる組電池である。組電池の異常を検出するための手段として、例えば、特開２００３−８４０１５号公報には、フライングキャパシタ方式で組電池のセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて、組電池と電圧検出装置との間の断線不良を判定する技術が提案されている。特開２００３−２９７４０７号公報には、組電池のセル電圧を検出し、検出したセル電圧と所定の基準電圧とを比較して、個々のセルの異常を判断する技術が提案されている。
特開２００３−８４０１５号公報特開２００３−２９７４０７号公報

しかし、燃料電池では、セル面内のフラッディング等によって生じる水素不足の状態で発電を継続すると、セル電圧はマイナス電位まで落ち込むことが知られている。セル電圧と所定の閾値とを比較して、断線不良を判定していたのでは、セル電圧の低下要因が断線不良によるものなのか、或いは発電異常によるものなのかを区別できない。

そこで、本発明は、断線不良と組電池の発電異常とを区別して、異常判定を行うフライングキャパシタ式電圧検出装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のフライングキャパシタ式電圧検出装置は、直列接続されて組電池を構成する電池モジュールの各両端を電池モジュール毎に極性交互にチャージするフライングキャパシタ回路と、フライングキャパシタ回路の出力電圧を電池モジュールの検出電圧として記憶する記憶手段と、隣接する二つの電池モジュールの検出電圧の極性が異なり且つ検出電圧の大きさが同程度であることを条件として異常判定を行う判定手段とを備える。かかる構成により、断線不良と組電池の発電異常とを区別して、異常判定を行うことができる。尚、電池モジュールとは、単一又は複数のセルから成るモジュールである。

ここで、判定手段は、上述の条件が一定時間継続して成立している場合に異常判定を行うのが好ましい。例えば、水素不足が原因でセル電圧が低下した場合、一時的には、上述の条件が成立する場合も想定されるが、セル電圧が負電圧領域で一定電圧を維持することはない。水素不足で発電を継続すれば、セル電圧は低下し続け、発電を停止すれば、セル電圧は上昇することが知られている。そこで、上述の条件が一定時間（例えば、数秒）継続している場合に、異常判定を行うのが好ましい。

また、本発明のフライングキャパシタ式電圧検出装置において、上述の構成に加えて、フライングキャパシタ回路の出力電圧を差動増幅する差動増幅回路を更に備え、記憶手段は差動増幅回路の出力電圧値を電池モジュールの検出電圧として記憶するように構成してもよい。また、フライングキャパシタ回路は、フライングキャパシタと、電池モジュールの各両端を電池モジュール毎にフライングキャパシタの両端に順次接続して電池モジュールの電圧によりフライングキャパシタを極性交互にチャージする入力側サンプリング手段と、差動増幅回路の一対の入力端子をフライングキャパシタの両端に接続する出力側サンプリング手段を備えてもよい。

本発明によれば、断線不良と組電池の発電異常とを区別して、異常判定を行うことができる。

以下、各図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形に係るフライングキャパシタ式電圧検出装置１０の回路構成を示している。フライングキャパシタ式電圧検出装置１０は、フライングキャパシタ方式により組電池４０のセル電圧を検出するための装置であり、主に、フライングキャパシタ回路２０、差動増幅回路Ａｍｐ、及びコントローラ３０を備えて構成されている。組電池４０は複数のセルを直列接続して成る燃料電池スタック又は二次電池である。フライングキャパシタ式電圧検出装置１０は単一又は複数のセルから成る電池モジュール毎にセル電圧の検出を行う。本実施形態では、説明の便宜上、単一のセル毎にセル電圧の検出を行う方式を示すが、複数のセルから成る電池モジュール毎にセル電圧の検出を行う方式にも適用できる。

フライングキャパシタ回路２０は、フライングキャパシタＣと、電池モジュールの各両端を電池モジュール毎にフライングキャパシタＣの両端に順次接続して電池モジュールの電圧によりフライングキャパシタＣを極性交互にチャージする入力側サンプリングスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６と、差動増幅回路Ａｍｐの一対の入力端子をフライングキャパシタＣの両端に接続する出力側サンプリングスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２２とを備える。

コントローラ３０は、差動増幅回路Ａｍｐの出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器３１と、差動増幅回路Ａｍｐの出力電圧値を電池モジュールの検出電圧として記憶するメモリ３３と、電池モジュールの検出電圧に基づいて異常判定を行う判定手段として機能する演算回路３２とを備える。演算回路３２は、隣接する二つの電池モジュールの検出電圧の極性が異なり且つ検出電圧の大きさが同程度である場合に異常判定を行う。演算回路３２は、上位コントローラに検出電圧を出力する他、異常判定の際には、上位コントローラに異常を通知することによって、システム停止や警報などの措置を講じる。

さて、上述の構成において、例えば、セル電圧Ｖ１を検出するには、入力側サンプリングスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を閉じて、実線の向きにフライングキャパシタＣをチャージし、セル電圧Ｖ１をフライングキャパシタＣにサンプリングホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を開き、出力側サンプリングスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２を閉じて、フライングキャパシタＣの両端を差動増幅回路Ａｍｐに接続する。すると、フライングキャパシタＣの両端の電位差が差増増幅されたアナログ電圧値が出力される。コントローラ３０は、このアナログ電圧値をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後のデジタル電圧値をセル電圧Ｖ１の検出電圧値として記憶する。

次いで、セル電圧Ｖ２を検出するには、入力側サンプリングスイッチＳＷ１２，ＳＷ１３を閉じて、点線の向きにフライングキャパシタＣをチャージし、セル電圧Ｖ２をフライングキャパシタＣにサンプリングホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＳＷ１２，ＳＷ１３を開き、出力側サンプリングスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２を閉じて、フライングキャパシタＣの両端を差動増幅回路Ａｍｐに接続する。すると、フライングキャパシタＣの両端の電位差が差増増幅されたアナログ電圧値が出力される。コントローラ３０は、このアナログ電圧値をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後のデジタル電圧値をセル電圧Ｖ２の検出電圧値として記憶する。

このように、隣接するセル（又は電池モジュール）の出力電圧は、極性が交互に反転する向きにフライングキャパシタＣにチャージされる。即ち、奇数番目のセル（又は電池モジュール）の出力電圧を正電圧とすると、偶数番目のセル（又は電池モジュール）の出力電圧は負電圧として検出される。

次に、図２を参照しながら本発明の原理について説明を加える。例えば、同図においてＶＢＢ３が断線した場合を考察する。この場合、入力側サンプリングスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を閉じることにより、セル電圧Ｖ１は、フライングキャパシタＣにチャージされるが、入力側サンプリングスイッチＳＷ１２，ＳＷ１３を閉じても、セル電圧Ｖ２は、フライングキャパシタＣにチャージされることはないので、セル電圧Ｖ１の電荷がそのまま残留する。すると、セル電圧Ｖ２の検出電圧は、セル電圧Ｖ１の検出電圧の極性を反転した電圧値として検出される。

そこで、演算回路３２は、Ｖ_n＝−Ｖ_n-1±５０ｍＶの条件が成立した場合に、フライングキャパシタ回路２０と各セル（又は各電池モジュール）を結線する配線に断線が生じたものと判定する。ここで、Ｖ_nはｎ番目のセル（又は各電池モジュール）の検出電圧であり、Ｖ_n-1は（ｎ−１）番目のセル（又は各電池モジュール）の検出電圧である。また、±５０ｍＶは、検出電圧のばらつきを加味した補正値である。補正値として、如何なる値を採用するかは、フライングキャパシタ式電圧検出装置１０の検出精度によるので、上述の値に限定されるものはない。

尚、水素不足が原因でセル電圧が低下した場合、一時的には、Ｖ_n＝−Ｖ_n-1となる場合も想定されるが、セル電圧が負電圧領域で一定電圧を維持することはない。水素不足で発電を継続すれば、セル電圧は低下し続け、発電を停止すれば、セル電圧は上昇することが知られている。そこで、Ｖ_n＝−Ｖ_n-1±５０ｍＶの関係が一定時間（例えば、数秒）継続している場合に、断線が生じているものと判定するのが好ましい。

図３は、断線箇所（オープン部位）ＶＢＢ１〜ＶＢＢ６と、各セル電圧Ｖ１〜Ｖ５の検出値との対応関係を示している。この例では、実際の各セル電圧Ｖ１〜Ｖ５を１Ｖと仮定している。例えば、ＶＢＢ３が断線すると、セル電圧Ｖ２は、セル電圧Ｖ１の極性を判定した値、即ち、−１Ｖとして検出される。

本実施形態によれば、断線不良と組電池４０の発電異常とを区別して異常判定を行うことができる。

本実施形に係る組電池の電圧検出装置の回路構成図である。本発明の原理を示す説明図である。セル電圧の検出例を示す説明図である。

符号の説明

１０…電圧検出装置２０…フライングキャパシタ回路３０…コントローラ３１…Ａ／Ｄ変換器３２…演算回路３３…メモリ４０…組電池ＳＷ１１〜ＳＷ１６…入力側サンプリングスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２２…出力側サンプリングスイッチＣ…フライングキャパシタＡｍｐ…差動増幅回路

Claims

直列接続されて組電池を構成する電池モジュールの各両端を前記電池モジュール毎に極性交互にチャージするフライングキャパシタ回路と、前記フライングキャパシタ回路の出力電圧を前記電池モジュールの検出電圧として記憶する記憶手段と、隣接する二つの電池モジュールの検出電圧の極性が異なり且つ検出電圧の大きさが同程度であることを条件として異常判定を行う判定手段とを備える、フライングキャパシタ式電圧検出装置。
請求項１に記載のフライングキャパシタ式電圧検出装置であって、前記判定手段は、前記条件が一定時間継続して成立している場合に異常判定を行う、フライングキャパシタ式電圧検出装置。
請求項１又は請求項２に記載のフライングキャパシタ式電圧検出装置であって、前記フライングキャパシタ回路の出力電圧を差動増幅する差動増幅回路を更に備え、前記記憶手段は前記差動増幅回路の出力電圧値を前記電池モジュールの検出電圧として記憶する、フライングキャパシタ式電圧検出装置。
請求項３に記載のフライングキャパシタ式電圧検出装置であって、前記フライングキャパシタ回路は、フライングキャパシタと、前記電池モジュールの各両端を前記電池モジュール毎に前記フライングキャパシタの両端に順次接続して前記電池モジュールの電圧により前記フライングキャパシタを極性交互にチャージする入力側サンプリング手段と、前記差動増幅回路の一対の入力端子を前記フライングキャパシタの両端に接続する出力側サンプリング手段を備える、フライングキャパシタ式電圧検出装置。