JP6770184B2

JP6770184B2 - 電源システム、電源システムの故障診断方法およびシステム制御装置

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Publication number: JP6770184B2
Application number: JP2019515089A
Authority: JP
Inventors: 一臣林
Original assignee: Envision AESC Japan Ltd
Current assignee: Envision AESC Japan Ltd
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: WO2018198437A1; CN110832726B; EP3618218A4; EP3618218A1; JPWO2018198437A1; CN110832726A

Description

本発明は、電源システムと電源システムの故障診断方法とシステム制御装置に関するものである。

従来の電源システムとしては、特許文献１に記載されている構成が知られている。この電源システムは負荷に対して複数の電源装置を並列に接続した構成となっており、その始動前に、それぞれの電源装置に設けられたスイッチを電源装置毎にオンオフすることで断線異常の有無を診断している。

特開２０１２−０３４５３５号公報

しかしながら、電源装置毎に電源装置内のスイッチのオンオフを繰り返すため、電源装置の数が増えると、診断時間が長くなる。本発明は、診断時間の短縮を図ることを目的とする。

本発明の一実施形態である電源システムは、負荷に対して複数の電源装置が並列に接続された電源群と、電源群を制御するシステム制御手段とを有し、電源装置は、電池装置と、電池装置に直列に接続されかつ接続と切断を切り替える切り替え手段と、当該電池装置の電圧を検出する電圧検出手段と、を有し、システム制御手段は、少なくとも一つの電源装置の前記切り替え手段を接続側に切り替えると共に、接続側に切り替えていない切り替え手段が属する電源装置の電圧検出手段により検出した電圧値に基づいて故障診断を行うことを特徴とする。

故障診断の時間を短縮することができる。

実施形態１に係る電源システムのブロック図である。実施形態１の電気的接点構造の一例である。図１の電源システムにおけるフローチャートである。図１の電源システムにおけるフローチャートである。実施形態１と比較例を対比した図である。実施形態２と比較例を対比した図である。実施形態２の診断経路を説明する図である。

図を使用して、実施形態１に係る電源システムを説明する。まず、図１のブロック図を使用して各部品や機能を説明する。
１は負荷・回生機器であり、例えば車両に搭載されたインバータ及びモータである。電源装置からの電力を、インバータを介してモータに供給しモータの回転により車輪を回転させて車両を走行させる。またモータの回生制動により発生した電力を電源装置に供給する。

２は負荷・回生機器１と接続された高電圧側の強電ハーネスであり、３は負荷・回生機器１と接続された低電圧側の強電ハーネスである。４はリレーであり、図１ではリレー４の一端が低電圧側の強電ハーネス３と接続されている。５は勘合型のコネクタであり、勘合された状態の２つのコネクタのうち一方のコネクタはリレー４の他端に接続されている。６も５と同様の勘合型のコネクタであり、一方のコネクタは高電圧側の強電ハーネス２を介して負荷・回生機器１に接続されている。

７は電池群であり、コネクタ６の他方のコネクタと接続された高電圧側の強電ハーネス８と、コネクタ５の他方のコネクタに接続された低電圧側の強電ハーネス９と、４つの電源装置１０，２０，３０，４０とを有している。電源装置１０，２０，３０，４０はほぼ同様の構成をしており、負荷・回生機器１に対し並列に接続されている。

以下、電源装置１０を例に説明する。電源装置１０は、ハーネス８に接続された電気的接点１１と、ハーネス９に接続された電気的接点１２と、複数の単電池を直列に接続しかつ負極端が電気的接点１２に接続された電池装置１３と、一端が電池装置１３の正極端に接続されかつ他端が電気的接点１１に接続されたスイッチ１４と、電気的接点１１及びスイッチ１４の間と、電気的接点１２及び電池装置１３の負極端との間の電圧差を計測する電圧計１５と、電圧計１５で計測した電圧値を入力し、入力した電圧値を後述するマスタＢＭＳ（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）１７に送信しマスタＢＭＳ１７からの指示に従いスイッチ１４のオン（閉成）及びオフの切り替えを制御するスレーブＢＭＳ（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）１６とを有している。図中ではスレーブＢＭＳはＳ−ＢＭＳ、マスタＢＭＳはＭ−ＢＭＳと表記している。システム制御手段としてのマスタＢＭＳ１７と、電池制御手段としてのスレーブＢＭＳ１６は、実施形態１では一つのコントロールユニット１００により構成されている。

なお、図１中の電源装置２０の２１から２６の部品とその接続関係、電源装置３０の３１から３６の部品とその接続関係、電源装置４０の４１から４６の部品とその接続関係は、図１中の電源装置１０の１１から１６の部品とその接続関係は同じであり、説明を省略する。電源装置１０のコントロールユニット１００の一部であるマスタＢＭＳ１７が他の電源装置にない点が異なっており、スレーブＢＭＳ２６、３６、４６は、電源装置１０のコントロールユニット１００（マスタＢＭＳ１７機能部分）と接続されている。

次に、２００は、ＶＣＵ（ＶｅｈｉｃｌｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、負荷・回生機器１、リレー４、コントロールユニット１００、及びイグニッションスイッチ（不図示）や車両の状態信号を入力するセンサ（車速センサ等）３００に接続されている。
ＶＣＵ２００は、イグニッションスイッチの状態を入力してＶＣＵ２００自身の起動処理や制御装置１００のマスタＢＭＳ１７への起動指令や各スレーブＢＭＳ１６，２６，３６，４６にスイッチ１４，２，４３，４４のオン（閉成）を指示する。

ＶＣＵ２００は、各スレーブＢＭＳ１６，２６，３６，４６のスイッチ１４，２４，３４，４４が全てオンしたことを示す信号を受信したマスタＢＭＳ１７から充放電の準備が完了した旨を受信すると、リレー４をオン（閉成）し、充放電の制御を開始する。
ＶＣＵ２００は、車両の状態信号をセンサ３００から入力したりマスタＢＭＳ１７からの電池群７の状態信号を入力して、負荷・回生機器１へ出力する目標値を演算したり、電池群の充電状態をモニタし充放電の制御をする指令をマスタＢＭＳ１７に出力したりする。

図２は、電気的接点１１，１２，２１，２２，３１，３２，４１，４２の一例を示している。電気的接点１１を例に説明する。１１１は絶縁基板であり、電池群７を格納する例えばケース１１０に取り付けられている。１１２は金属板であり絶縁板１１１に固定されている。
１１３はハーネス８の一端に取り付けられた丸型端子であり、１１４はハーネス９の一端に取り付けられた丸型端子である。１１５は金属製ボルトであり丸型端子１１３に形成された孔及び金属板１１２に形成された孔部に挿入され絶縁基板１１１にねじ止めされる。１１６も金属製ボルトであり丸型端子１１４に形成された孔及び金属板１１２に形成された別の孔部に挿入され絶縁基板１１１の別の孔部にねじ止めされる。

図３を使用して実施形態１の電源システムのフローチャートを説明する。
ステップ（以下、Ｓと表記する）１は、ＶＣＵ２００にて、車両操作者が走行開始時に操作するイグニッションスイッチの操作を検出したか否かを判断するステップである。イグニッションスイッチの操作を検出した場合、Ｓ２にて、ＶＣＵ２００はマスタＢＭＳ１７及びスレーブＢＭＳ１６，２６，３６，４６に対し、起動処理を指示する。

Ｓ３では、マスタＢＭＳ１７が起動処理としてそれぞれスリープ状態から非スリープ状態への移行を行い、移行完了後、起動完了フラグをＶＣＵ２００に送信する。Ｓ４では、マスタＢＭＳ１７から起動完了フラグを受信したＶＣＵ２００が、診断開始指令をマスタＢＭＳ１７に送信する。
Ｓ５では、各スレーブＢＭＳが起動処理としてそれぞれスリープ状態から非スリープ状態への移行を行い、移行完了後、起動完了フラグをマスタＢＭＳ１７に送信する。このとき各スレーブＢＭＳはスイッチのオン固着診断及びオフ固着診断を行い、起動完了フラグと共に送信する。

Ｓ６では、マスタＢＭＳ１７が、ＶＣＵ２００からの診断開始指令を受信しかつ各スレーブＢＭＳからの起動完了フラグを受信しかつスイッチ固着診断結果が全て正常である場合か否かを判定する。全ての条件がそろった場合、Ｓ７において、マスタＢＭＳ１７のメモリに予め記憶された充放電準備のためのスイッチ投入順番を読み出す。以下は説明を簡単にするため、スイッチ１４，２４，３４，４４の順にオンするものとする。なお、いずれかの条件がそろわなかった場合は、異常信号をＶＣＵ２００に送信する（Ｓ１２に進む）。

Ｓ７では、マスタＢＭＳ１７が電源装置１０のスレーブＢＭＳ１６に対しスイッチ１４をオンする指示を送信する。Ｓ８では、スレーブＢＭＳ１６がスイッチ１４をオンにする。その後、マスタＢＭＳ１７に対しオン状態である旨を通知する。Ｓ９では、マスタＢＭＳ１７が、スレーブＢＭＳ１６からスイッチ１４がオン状態である旨の通知を受信したか否かを確認し、受信した場合は、次に投入する電源装置２０のスレーブＢＭＳ２６に対し電圧値を送付する指示信号を送信する。

Ｓ１０では、スレーブＢＭＳ２６が、電圧計２５で計測した電圧値が予め定めた電圧以上か否かを判定し、予め定めた電圧以上であれば正常、予め定めた電圧より小さければ、異常と判定し、正常または異常の信号をマスタＢＭＳ１７に送信する。ここで予め定めた電圧とは電源装置で使用する単電池のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）が０％の時の電圧より小さい電圧値に単電池数を乗じて定められる電圧を基準電圧とし、これ以上であれば接点不良を含む断線がない状態と判断できる。

Ｓ１１では、投入順２番目の電源装置２０のスレーブＢＭＳ２６から正常または異常の情報を受信し、正常であれば図４のＳ３０に進む。異常であれば、ＶＣＵ２００に異常信号を送信する。Ｓ１２では、ＶＣＵ２００が異常信号を受信した場合は、ＶＣＵ２００は停止指令をマスタＢＭＳ１７を介してスレーブＢＭＳ１６に送信する（Ｓ１３）。ここまでの説明ではスイッチ１４をオンした状態なので、スレーブＢＭＳ１６にスイッチ１４をオフする指示を送信する。

Ｓ１４ではスレーブＢＭＳ１６によりスイッチ１４をオフにする。その後、オフ状態になったことを示すフラグをマスタＢＭＳ１７を経由してＶＣＵ２００に送信される（Ｓ１５）。Ｓ１６では、ＶＣＵ２００が、停止処理を実行する。停止処理としては、例えば車載モニタに異常ランプを点灯したり、または走行モードへの移行を禁止する。次に、図４のＳ３０では、マスタＢＭＳ１７が、投入順２番目の電源装置２０のスイッチ２４をオンする指示を行う。

Ｓ３１では、スレーブＢＭＳ２６が、スイッチ２４をオンし、その後、マスタＢＭＳ１７に対しオン状態である旨を通知する。Ｓ３２では、マスタＢＭＳ１７が、スイッチ２４がオンである旨の通知を受信したか否かを確認し、受信した場合は、次に投入する電源装置３０のスレーブＢＭＳ３６に対し電圧値を送付する指示信号を送信する。

Ｓ３３では、スレーブＢＭＳ３６が、電圧計３５で計測した電圧値が予め定めた電圧以上か否かを判定し、予め定めた電圧以上であれば正常、予め定めた電圧より小さければ、異常と判定し、正常または異常の信号をマスタＢＭＳ１７に送信する。ここで予め定めた電圧とは電源装置で使用する単電池のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）が０％の時の電圧より小さい電圧値に単電池数を乗じて定められる電圧を基準電圧とし、これ以上であれば接点不良を含む断線がない状態と判断できる。

Ｓ３４では、投入順３番目の電源装置３０のスレーブＢＭＳ３６から正常または異常の情報を受信し、正常であればＳ３５に進む。異常であれば、ＶＣＵ２００に異常信号を送信する（Ｓ１２に進む）。Ｓ３５では、マスタＢＭＳ１７が、投入順３番目の電源装置３０のスイッチ３４をオンする指示をスレーブＢＭＳ３６に送信する。Ｓ３６では、スレーブＢＭＳ３６がスイッチ３４をオンし、その後、マスタＢＭＳ１７に対しオン状態である旨を通知する。

Ｓ３７では、マスタＢＭＳ１７が、スイッチ３４がオンである旨の通知を受信したか否かを確認し、受信した場合は、次に投入する電源装置４０のスレーブＢＭＳ４６に対し電圧値を送付する指示信号を送信する。
Ｓ３８では、スレーブＢＭＳ４６が、電圧計４５で計測した電圧値が予め定めた電圧以上か否かを判定し、予め定めた電圧以上であれば正常、予め定めた電圧より小さければ、異常と判定し、正常または異常の信号をマスタＢＭＳ１７に送信する。ここで予め定めた電圧とは電源装置で使用する単電池のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）が０％の時の電圧より小さい電圧値に単電池数を乗じて定められる電圧を基準電圧とし、これ以上であれば接点不良を含む断線がない状態と判断できる。

Ｓ３９では、投入順４番目の電源装置４０のスレーブＢＭＳ４６から正常または異常の情報を受信し、正常であればＳ４０に進む。異常であれば、ＶＣＵ２００に異常信号を送信する（Ｓ１２に進む）。Ｓ４０では、マスタＢＭＳ１７が、投入順４番目の電源装置４０のスイッチ４４をオンする指示をスレーブＢＭＳ４６に送信する。Ｓ４１では、スレーブＢＭＳ４６がスイッチ４４をオンし、その後、マスタＢＭＳ１７に対しオン状態である旨を通知する。

Ｓ４２では、マスタＢＭＳ１７が全ての電源装置のスイッチがオンしたことを確認し、ＶＣＵに対し全オン状態信号を送信する。Ｓ４３で、ＶＣＵ２００は充放電を開始する。なお、図示してはいないが、充放電中にＶＣＵで過充電や過放電と判定される等、異常状態になったらＳ１２からＳ１６の処理が行われる。

図５は図３，図４のフローチャートから診断工程部分と充放電準備工程を抜き出した工程表であり、実施形態１の効果について説明する。
図５（ａ）は実施形態１の診断工程であり、（ｂ）は比較例の診断工程である。なお、図５（ａ）（ｂ）のいずれにおいても電源装置のスイッチは全てオフしている状態から開始する。また準備工程とは充放電を開始するための状態でありスイッチ全てがオンした状態である。
図５（ａ）の工程を説明する。まずＳ５０１でスイッチ１４をオンした後、Ｓ５０２で電圧計２５により電圧を計測し、前述した所定電圧以上か否かを判定する。次に、Ｓ５０３でスイッチ２４をオンした後、Ｓ５０４で電圧計３５により電圧を計測し、前述した所定電圧以上か否かを判定する。
次に、Ｓ５０５でスイッチ３４をオンした後、Ｓ５０６で電圧計４５により電圧を計測し、前述した所定電圧以上か否かを判定する。いずれかの判定において、所定電圧より小さい場合と判定されると、Ｓ５０８で接点不良を含む断線異常と判定し異常処理を行う。例えば、図３のＳ１２からＳ１６に示した処理である。全ての電源装置の電圧が所定電圧以上の場合には、Ｓ０７で残ったスイッチ４４をオンし、正常に診断工程と準備工程が完了する（Ｓ５０９）。

図５（ｂ）に示した比較例は、電圧計が特許文献１のように各電源装置共通の唯一のものとして用意され、かつ電源装置毎に順番にスイッチをオン、電圧の計測、スイッチをオフする診断手順を示している。
図５（ａ）と（ｂ）による対比から明らかなように、診断工程及び準備工程の全体で比較した場合、オンしたスイッチをオフし再度オンする工程がないため、工程が短縮できる。診断工程だけを比較しても、つまりオフした状態からオンする工程を除いても、少なくとも一つの電源装置のスイッチをオンすることで、他の電源装置に印加される電圧によって断線故障を診断できる。

また、図３のＳ１０で経路の正常が判定されると、Ｓ６で定めた次の電源装置２０のスイッチ２４をオンにし、Ｓ３３で経路の正常が判定されると、Ｓ６で定めた次の電源装置３０のスイッチ３４をオンにし、Ｓ３８で経路の正常が判定されると、Ｓ６で定めた更に次の電源装置４０のスイッチ４４をオンにするというように、スイッチをオンにしたままであってもスイッチがオフ状態の電源装置の電圧で故障診断をするため、診断自体に影響を与えないばかりか、診断後に充電準備のためにスイッチをオフからオンへ変化させる工程も不要となる。

次に、図６を使用して、図５の工程表に示した手順を変えた実施形態２について説明する。なお、ブロック図は図１、電気的接点構造は図２と同様であるため、説明を省略する。また図６（ｂ）は図５（ｂ）と同じ比較例の診断工程を示している。また、図６（ａ）（ｂ）のいずれにおいても電源装置のスイッチは全てオフしている状態から開始している。
図６（ａ）の工程を説明する。Ｓ６０１はスイッチ１４をオンする。Ｓ６０２は２番目に投入予定のスイッチ２４が属する電源装置２０の電圧計２５により電圧値を計測し前述した所定電圧以上か否かを判定する。
Ｓ６０３は３番目に投入予定のスイッチ３４が属する電源装置３０の電圧計３５により電圧値を計測し前述した所定電圧以上か否かを判定する。Ｓ６０４は４番目に投入予定のスイッチ４４が属する電源装置４０の電圧計４５により電圧値を計測し前述した所定電圧以上か否かを判定する。Ｓ６０５は全ての電源装置の電圧が所定電圧以上であれば正常と判定する。

Ｓ６０６は、Ｓ６０２，Ｓ６０３，Ｓ６０４のいずれかで所定電圧未満と判定された場合、接点不良を含む断線異常と判定し異常処理を行う。例えば、図３のＳ１２からＳ１６に示した処理である。
図７は、実施形態２における断線異常の有無を診断する経路について説明する。Ｓ６０１，Ｓ６０２によって経路６１を、Ｓ６０３で経路６２を、Ｓ６０４で経路６３を診断している。強電系のハーネスの断線の有無が診断できると共に接点不良の有無も診断することができる。なお、実施形態１では、図５（ａ）のＳ５０１，Ｓ５０２により図７の経路６１を、Ｓ５０４で経路６２を、Ｓ５０６で経路６３を診断していることなる。

図６（ａ）（ｂ）による対比及び図７から明らかなように、オフしているスイッチ２４，３４，４４をオンすることなく、Ｓ６０３の電圧計３５の値で経路６２を、Ｓ６０４の電圧計４５の値で経路６３を診断できる。このように電源群７のうち少なくとも一つの電源装置のスイッチをオン状態（閉成状態）とすることでオフ状態のスイッチが属する電源装置に電圧を印加することができるため、接点不良を含む断線診断を短時間で実施することができる。

また、図６のＳ６０１で電源装置１０のスイッチ１４をオンにした後、Ｓ６０２，Ｓ６０３，Ｓ６０４で経路の正常が判定されることで、図５（ａ）と比べて診断を確実にかつ短い工程で行うことができる。また、各電源装置はスイッチと電池装置とを含む回路の両端に電気的接点を有する構造としたため、電気的接点での接触不良も判定することができる。
以上、２つの実施形態について説明したが、これに限るものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、図１ではマスタＢＭＳ１７を電源装置１０のＢＭＳと同一のＣＰＵで構成したがマスタＢＭＳ１７とスレーブＢＭＳは別のＣＰＵで構成してもよい。

また、マスタＢＭＳ１７からスレーブＢＭＳ２６，３６，４６への信号の送信はシリアル通信で説明したが、マスタＢＭＳ１７からスレーブＢＭＳ２６，３６，４６にそれぞれ独立に通信するパラレル通信にしてもよい。電池群７を格納するケースはあっても無くてもよい。電源装置を格納するケースはあっても無くてもよい。マスタＢＭＳ１７は必須ではなくＶＣＵで兼用してもよい。

また、負荷・回生機器１は車両駆動用モータやインバータにかぎらず、移動体以外、すなわち定置型電源装置の電力負荷であってもよい。また、リレー４は低電圧側に配置した例で説明したが高電圧側に配置してもよいし高低両側にあってもよい。また、リレー４はなくても実現は可能である。電池装置１３は、単電池を直列に接続した例を示したが、単電池を直並列に接続したものでもよいし並列に接続したものでもよい。

また、接続関係は、図１に示したものに限らず、単電池や電池装置１３の温度を検出する温度計や電池装置１３を流れる電流を検出する電流計やヒューズを追加するなど適宜必要な電気回路部品を途中に配置させてもよい。
また、電気的接点の例として、各電源装置のスイッチと電池装置とを含む回路の両端に設けた図２のような電気的接点１１，１２，２１，２２，３１，３２，４１，４２を一例として説明したが、電気的接点は勘合型コネクタとすることもできる。この場合、電池装置毎に格納用ケースを用意し、ケースに勘合型コネクタの一方のコネクタを取り付け、８に他方のコネクタを接続してもよい。

１・・・負荷・回生機器
７・・・電源群
１０，２０，３０，４０・・・電源装置
１３，２３，３３，３４・・・電池装置
１７・・・マスターＢＭＳ（システム制御手段）
１６，２６，３６，４６・・・スレーブＢＭＳ（電池制御手段）
１４，２４，３４，４４・・・スイッチ（切り替え手段）
１５，２５，３５，４５・・・電圧計（電圧検出手段）
１００・・・コントロールユニット
２００・・・ＶＣＵ

Claims

負荷に対して複数の電源装置が並列に接続された電源群と、該電源群を制御するシステム制御手段と、を有し、
前記電源装置は、電池装置と、前記電池装置に直列に接続されかつ接続と切断を切り替える切り替え手段と、当該電池装置の電圧を検出する電圧検出手段と、を有し、
前記システム制御手段は、少なくとも一つの電源装置の前記切り替え手段を接続側に切り替えると共に、接続側に切り替えていない切り替え手段が属する電源装置の電圧検出手段により検出した電圧値に基づいて故障診断を行うことを特徴とする電源システム。
電池装置と、前記電池装置に直列に接続されかつ接続と切断を切り替える切り替え手段と、当該電池装置の電圧を検出する電圧検出手段とを有する電源装置を、負荷に対して並列に接続した電源システムの故障診断方法であって、
少なくとも一つの電源装置の前記切り替え手段を接続側に切り替えた後に、接続側に切り替えていない切り替え手段が属する電源装置の電圧検出手段により検出した電圧値に基づいて故障診断を行うことを特徴とする電源システムの故障診断方法。
電池装置と、当該電池装置に直列に接続されかつ接続と切断を切り替える切り替え手段と、前記電池装置と前記切り替え手段を含む回路の両端の電圧を計測する電圧検出手段とを有する電源装置を並列に接続した電源群を制御するシステム制御装置であって、
少なくとも一つの電源装置の前記切り替え手段を接続側に切り替えると共に、接続側に切り替えていない切り替え手段が属する電源装置の電圧値に基づいて故障診断を行うことを特徴とするシステム制御装置。