蓄电元件的保护装置的制作方法

涉及对蓄电元件进行保护的技术。

背景技术：

已知有在保护蓄电元件不受过充电、过放电等异常的影响的同时容许充电或放电的技术(例如，参照专利文献1)。专利文献1所记载的蓄电装置具备：多个开关，设置在电气设备与蓄电元件之间，相互被并联连接；和整流元件，与任一个开关串联连接。在该蓄电装置中，在判断为蓄电元件不正常的情况下，从控制部向与整流元件连接的开关发送闭合指令信号，由此将该开关设为闭合状态(通电状态)，将其他开关设为打开状态(切断状态)。

根据该蓄电装置，例如整流元件是仅在对蓄电元件进行充电的方向上流过电流的元件的情况下，能够在保护蓄电元件不受过放电的影响的同时对蓄电元件进行充电。反之，在整流元件是仅在对蓄电元件进行放电的方向上流过电流的元件的情况下，能够在保护蓄电元件不受过充电的影响的同时向电气设备供给电力。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-217169号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

上述的专利文献1所记载的蓄电装置通过从控制部向开关发送闭合指令信号这样的基于软件的控制，使开关为闭合状态。然而，在通过基于软件的控制使开关为闭合状态的情况下，有时消耗电流会增大。

公开一种如下的技术，即，在为了保护蓄电元件不受过充电、过放电等异常的影响而将开关等开闭器切换为切断状态之后，在应切换为通电状态时，能够迅速地切换为通电状态，并且抑制用于切换的消耗电流。

用于解决课题的手段

一种蓄电元件的保护装置，具备：开闭器，设置在将所述蓄电元件和电气设备连接的电流路径中；控制部，在预测到所述蓄电元件异常的情况下，将所述开闭器切换为切断状态；和旁路路径，具有仅在对所述蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件、以及仅在对所述蓄电元件进行放电的方向上流过电流的整流元件的至少一者，并与所述开闭器并联连接，在所述旁路路径中，励磁线圈与所述整流元件串联连接，该励磁线圈通过流过给定的电流值的电流而利用磁通将所述开闭器切换为通电状态。

发明效果

在为了保护蓄电元件不受过充电、过放电等异常的影响而将开闭器切换为切断状态之后，在应切换为通电状态时，能够迅速地切换为通电状态，并且抑制用于切换的消耗电流。

附图说明

图1是示出实施方式1涉及的汽车以及蓄电池的示意图。

图2是蓄电池的立体图。

图3是蓄电池的分解立体图。

图4是蓄电池的电路图(未预测到异常的情况)。

图5是蓄电池的电路图(预测到过充电的情况：开闭器断开)。

图6是蓄电池的电路图(预测到过充电的情况：开闭器接通)。

图7是蓄电池的电路图(预测到过放电的情况：开闭器断开)。

图8是蓄电池的电路图(预测到过放电的情况：开闭器接通)。

具体实施方式

(本实施方式的概要)

一种蓄电元件的保护装置，可以具备：开闭器，设置在将所述蓄电元件和电气设备连接的电流路径中；控制部，在预测到所述蓄电元件异常的情况下，将所述开闭器切换为切断状态；和旁路路径，具有仅在对所述蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件、以及仅在对所述蓄电元件进行放电的方向上流过电流的整流元件的至少一者，并与所述开闭器并联连接，在所述旁路路径中，励磁线圈与所述整流元件串联连接，所述励磁线圈通过流过给定的电流值的电流而利用磁通将所述开闭器切换为通电状态。

整流元件是仅在对蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件的情况下，通过在预测到过放电的情况下将开闭器切换为切断状态，由此能够保护蓄电元件不受过放电的影响。若在该状态下连接充电装置，则从充电装置经由整流元件向蓄电元件流过充电电流，由此容许充电。

反之，整流元件是仅在对蓄电元件进行放电的方向上流过电流的情况下，通过在预测到过充电的情况下将开闭器切换为切断状态，由此能够保护蓄电元件不受过充电的影响。若在该状态下连接电气负载，则从蓄电元件经由整流元件向电气负载流过放电电流，由此容许放电。

在整流元件流过大电流时，有时整流元件会破损。在该情况下，也可考虑通过使用最大容许电流大的整流元件来防止破损，但一般而言，最大容许电流大的整流元件比较昂贵，而且尺寸变大。因而，若整流元件中流过的电流的电流值达到给定的电流值，则为了防止整流元件的破损而将开闭器切换为通电状态。

在该情况下，可考虑周期性地测量整流元件中流过的电流，若达到给定的电流值，则将开闭器切换为通电状态。可考虑通过基于软件的控制将开闭器切换为通电状态。然而，为了在电流值达到给定的电流值时迅速地将开闭器切换为通电状态，必须以短的周期测量电流，消耗电流增大。

若在整流元件中流过给定的电流值的电流，则通过励磁线圈将开闭器切换为通电状态，因此在达到给定的电流值时(换言之，在应将开闭器切换为通电状态时)能够迅速地将开闭器切换为通电状态。由于不需要用于将开闭器切换为通电状态的电流的测量，因此与以短的周期测量电流的情况相比，能够抑制消耗电流。

由于不是基于软件的控制而是通过硬件将开闭器切换为通电状态，因此在为了保护蓄电元件不受过充电、过放电等异常的影响而将开闭器切换为切断状态之后，在应切换为通电状态时，能够迅速地切换为通电状态，并且抑制用于切换的消耗电流。

也可以是，在所述旁路路径中，串联设置有第1并联电路和第2并联电路，所述第1并联电路是仅在对所述蓄电元件进行充电的方向上流过电流的所述整流元件和第1开关被并联连接的电路，所述第2并联电路是仅在对所述蓄电元件进行放电的方向上流过电流的所述整流元件和第2开关被并联连接的电路，所述控制部在预测到所述蓄电元件过充电的情况下，使所述第1开关为通电状态，使所述第2开关为切断状态。

能够在保护蓄电元件不受过充电的影响的同时向电气负载供给电力。

也可以是，在所述旁路路径中，串联设置有第1并联电路和第2并联电路，所述第1并联电路是仅在对所述蓄电元件进行充电的方向上流过电流的所述整流元件和第1开关被并联连接的电路，所述第2并联电路是仅在对所述蓄电元件进行放电的方向上流过电流的所述整流元件和第2开关被并联连接的电路，所述控制部在预测到所述蓄电元件过放电的情况下，使所述第1开关为切断状态，使所述第2开关为通电状态。

能够在保护蓄电元件不受过放电的影响的同时对蓄电元件进行充电。

也可以是，所述第2开关为常开式的非锁存型的开关，在所述旁路路径中，与所述第2开关并联设置有锁存型的辅助开闭器，所述控制部在将所述第2开关切换为通电状态时将所述辅助开闭器切换为通电状态。

在预测到过放电的情况下，电池剩余量变少，因此若使第2开关为通电状态，则在该状态持续很长时间的情况下存在中途蓄电元件的电力变得不足而第2开关成为切断状态的顾虑。若第2开关成为切断状态，则会变得无法对蓄电元件进行充电。与之相对，因为辅助开闭器是锁存式的，因此不需要用于维持通电状态的电力，即便蓄电元件的电力变得不足，也可维持通电状态。因而，即便第2开关成为切断状态，也能够经由辅助开闭器对蓄电元件进行充电。

能够以蓄电元件的保护装置、蓄电元件的保护方法、用于实现这些装置或方法的功能的计算机程序、记录了该计算机程序的记录介质等的各种各样的形态来实现。

<实施方式1>

通过图1～图8来说明实施方式1。在以下的说明中，在参照图2以及图3的情况下，将电池壳21相对于设置面不倾斜地水平放置时的电池壳21的上下方向设为y方向，将沿着电池壳21的长边方向的方向设为x方向，将电池壳21的进深方向设为z方向来进行说明。

(1)蓄电池的构造

如图1所示，蓄电池20搭载于电动汽车、混合动力汽车等汽车1，向以电能工作的动力源等电气负载3(参照图4)供给电力。

如图2所示，蓄电池20具有块状的电池壳21。如图3所示，在电池壳21内容纳有串联连接了多个电池单体31的电池组30、控制基板28等。电池组30为蓄电元件的一例。电池壳21具备：在上方开口的箱型的壳主体23、对多个电池单体31进行定位的定位构件24、装配在壳主体23的上部的中盖25、和装配在中盖25的上部的上盖26。

在壳主体23内单独容纳各电池单体31的多个单体室23a在x方向上排列设置。定位构件24在上表面配置有多个汇流条27，定位构件24配置在壳主体23内所配置的多个电池单体31的上部，从而多个电池单体31被定位，并且通过多个汇流条27被串联连接。

中盖25在俯视时是大致矩形状，在y方向带有高低差。在中盖25的x方向两端部，设置有连接未图示的线束端子的正极端子22p、负极端子22n。中盖25在内部容纳控制基板28，中盖25装配于壳主体23，从而电池组30和控制基板28被连接。

(2)蓄电池的电气结构

参照图4，对蓄电池20的电气结构进行说明。蓄电池20具备电池组30以及电池管理装置40(bms：batterymanagementsystem，电池管理系统)。bms40为蓄电元件的保护装置的一例。

如前所述，电池组30串联连接了多个电池单体31。各电池单体31是能够反复充电的二次电池，具体地，例如是对于正极而使用了磷酸铁系材料、对于负极而使用了石墨的磷酸铁系锂离子电池。电池组30设置在将正极端子22p和负极端子22n连接的电流路径41，经由正极端子22p以及负极端子22n选择性地连接至设置于汽车1的内部或外部的充电装置3以及设置于汽车1的内部的电气负载3。充电装置3以及电气负载3为电气设备的一例。

bms40具备控制部42、电流传感器43、电压传感器44、模拟-数字变换器45(以下称为adc45)、继电器l1、以及旁路路径46。

控制部42根据从电池组30供给的电力来动作。控制部42具备中央处理装置42a(以下称为cpu42a)、rom42b、ram42c等。在rom42b存储有各种控制程序。cpu42a通过执行存储于rom42b的控制程序，由此执行估计电池组30的soc(stateofcharge，充电状态)的处理、保护电池组30不受过充电、过放电等异常的影响的处理等。soc也称为充电状态、充电率，通过比率来表示相对于电气容量而充入的电量。

电流传感器43与电池组30串联设置在电流路径41中。电流传感器43测量在充电时从充电装置3流向电池组30的充电电流、以及在放电时从电池组30流向电气负载3的放电电流的电流值i[a]，并将与测量出的电流值i相应的模拟的测量信号sg1输出至adc45。在以后的说明中，在不区分充电电流和放电电流的情况下，称为充放电电流。

电压传感器44与电池组30的各电池单体31的两端连接。电压传感器44检测作为电池单体31的端子电压的电压值v[v]，并将与检测出的电压值v相应的模拟的测量信号sg2输出至adc45。adc45将从电流传感器43、电压传感器44输出的测量信号sg1、sg2从模拟信号变换为数字信号，并将表示电流值i、电压值v的数字数据输出至控制部42。

继电器l1和电池组30串联设置在电流路径41中。继电器l1具有锁存型的开闭器47、以及利用磁通将开闭器47切换为断开(切断状态、打开状态)的第1励磁线圈48。继电器l1并不限定于利用磁通将开闭器47切换为断开。

旁路路径46与继电器l1并联设置在电流路径41中。旁路路径46具有充电用fet49、放电用fet50、第2励磁线圈51、以及辅助继电器l2。充电用fet49为第1并联电路的一例。放电用fet50为第2并联电路的一例。第2励磁线圈51为励磁线圈的一例。辅助继电器l2为辅助开闭器的一例。

充电用fet49以及放电用fet50串联设置在旁路路径46中。充电用fet49具有：半导体开关49a、和与半导体开关49a并联设置且仅在对电池组30进行充电的方向上流过电流的寄生二极管49b。半导体开关49a为常开式的非锁存型的开关，仅在被供给电力的期间成为接通(通电状态、闭合状态)。寄生二极管49b为仅在对蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件的一例。半导体开关49a为第1开关的一例。

放电用fet50具有：半导体开关50a、和与半导体开关50a并联设置且仅在对电池组30进行放电的方向上流过电流的寄生二极管50b。半导体开关50a也为常开式的非锁存型的开关，仅在被供给电力的期间成为接通。寄生二极管50b为仅在对蓄电元件进行放电的方向上流过电流的整流元件的一例。半导体开关50a为第2开关的一例。

第2励磁线圈51与充电用fet49以及放电用fet50串联设置在旁路路径46中。第2励磁线圈51配置在开闭器47的附近，若流过给定的电流值的电流，则通过磁通将开闭器47切换为接通。给定的电流值为寄生二极管49b以及50b不破损的大小的电流值。

能够以未图示的路径向第2励磁线圈51供给电流，也可以通过向第2励磁线圈51供给电流从而将开闭器47切换为接通。

辅助继电器l2为锁存型的继电器，与放电用fet50并联设置在旁路路径46中。

(3)soc的估计

如前所述，控制部42对电池组30的soc进行估计。作为对soc进行估计的方法，以电流累计法为例进行说明。电流累计法是通过对电池的充放电电流进行常时测量从而测量相对于电池输出和输入的电力量，并通过从初始容量加减该电力量从而估计soc的方法。电流累计法具有即便在电池的使用中也能够估计soc的优点，另一方面，由于始终测量电流来累计充放电电力量，因此有时电流传感器43的测量误差累积而逐渐变得不准确。

还可进行如下动作，即，基于电池的开路电压(ocv：opencircuitvoltage)将根据电流累计法估计的soc重置(以下称为ocv重置)。这是如下方法，即，利用在电池不流动电流时的ocv与soc之间具有精度比较良好的相关关系，测量在电池不流动电流时的电池电压(ocv)，参照预先存储的ocv与soc的相关关系，求出与测量出的ocv对应的soc，对根据电流累计法估计的soc进行修正。若进行ocv重置，则电流累计法中的误差的累积被切断，因此能够提高soc的估计精度。

(4)电池组的保护

控制部42根据估计出的soc来判断电池组30的状态，在预测到过充电、过放电等异常的情况下，保护电池组30不受异常的影响。

(4-1)电池组的异常的预测

例如，soc为90％以上的情况设为过充电，soc为10％以下的情况设为过放电。在该情况下，若soc上升至85％，则控制部42判断为过充电临近。即，由控制部42预测到过充电。此外，若soc下降至15％，则控制部42判断为过放电临近。即，由控制部42预测到过放电。

上述的各值为一例，成为过充电、过放电的基准的值、或者成为判断为过充电、过放电临近的基准的值并不限定于上述的值。

(4-2)未预测到异常的情况下的工作

如图4所示，在未预测到过充电、过放电等异常的情况、即电池组30正常的情况下，控制部42使开闭器47为接通，使半导体开关49a、半导体开关50a以及辅助继电器l2为断开。

(4-3)预测到过充电的情况下的工作

如图5所示，在预测到电池组30过充电的情况下，控制部42为了保护电池组30不受过充电的影响而进行以下的动作。

(a1)对第1励磁线圈48通电而将开闭器47切换为断开。

(a2)将充电用fet49的半导体开关49a切换为接通。

通过进行上述的动作(a1)，由此可防止从充电装置3经由电流路径41向电池组30流过充电电流。放电用fet50的半导体开关50a维持为断开，因此还可防止从充电装置3经由旁路路径46向电池组30流过充电电流。由此，可保护电池组30不受过充电的影响。

通过进行上述的动作(a2)，由此在保护电池组30不受过充电的影响的状态下，在蓄电池20连接有电气负载3的情况下，从电池组30经由充电用fet49的半导体开关49a以及放电用fet50的寄生二极管50b向电气负载3流过放电电流。因而，即便是保护电池组30不受过充电的影响的状态，也可防止不向电气负载3供给电力的电力故障(电力供给的切断)。

如图6所示，在从电池组30经由半导体开关49a以及寄生二极管50b向电气负载3流过放电电流i1时，若放电电流i1逐渐变大并达到前述的给定的电流值，则通过第2励磁线圈51将开闭器47切换为接通。由此，可防止在寄生二极管50b流过大电流使得寄生二极管50b破损。

(4-4)预测到过放电的情况下的工作

如图7所示，在预测到电池组30过放电的情况下，控制部42为了保护电池组30不受过放电的影响而进行以下的动作。

(b1)对第1励磁线圈48通电而将开闭器47切换为断开。

(b2)将放电用fet50的半导体开关50a切换为接通。

(b3)将辅助继电器l2切换为接通。

通过进行上述的动作(b1)，由此可防止从电池组30经由电流路径41向电气负载3流过放电电流。充电用fet49的半导体开关49a维持为断开，因此还可防止从电池组30经由旁路路径46向电气负载3流过放电电流。由此，可保护电池组30不受过放电的影响。

通过进行上述的动作(b2)，由此在保护电池组30不受过放电的影响的状态下，在蓄电池20连接有充电装置3的情况下，从充电装置3经由放电用fet50的半导体开关50a以及充电用fet49的寄生二极管49b向电池组30流过充电电流。因而，即便是保护电池组30不受过放电的影响的状态，也能够对电池组30进行充电。

如图8所示，在从充电装置3经由半导体开关50a以及寄生二极管49b向电池组30流过充电电流i2时，若充电电流i2逐渐变大并达到前述的给定的电流值，则通过第2励磁线圈51将开闭器47切换为接通。由此，可防止在充电用fet49的寄生二极管49b流过大电流使得寄生二极管49b破损。

如图7所示，由于控制部42还进行动作(b3)，因此辅助继电器l2被切换为接通。在预测到过放电的情况下，电池剩余量变少，因此若通过(b2)的动作将放电用fet50的半导体开关50a切换为接通，则在该状态持续很长时间的情况下有时在中途电池组30的电力变得不足而半导体开关50a成为断开。若半导体开关50a成为断开，则会变得无法对电池组30进行充电。

与之相对，因为辅助继电器l2是锁存式的，因此不需要用于维持接通状态的电力，即便电池组30的电力变得不足，也可维持接通状态。因而，即便半导体开关50a成为断开，也能够经由辅助继电器l2对电池组30进行充电。

(5)实施方式的效果

根据以上说明的实施方式1涉及的bms40，若旁路路径46中流过的电流的电流值达到给定的电流值，则通过第2励磁线圈51将开闭器47切换为接通。由此，在电流值达到给定的电流值时(换言之，在应将开闭器47切换为接通时)能够迅速地将开闭器47切换为接通。由于在bms40中不需要用于将开闭器47切换为接通的电流的测量，因此与以短的周期测量电流的情况相比，能够抑制消耗电流。根据bms40，由于不是基于软件的控制而是通过硬件将开闭器47切换为接通，因此在应将开闭器47切换为接通时，能够迅速地切换为接通，并且抑制消耗电流。

在通过基于软件的控制将开闭器47切换为接通的情况下，担心由于软件的不良状况而动作变得不稳定。在bms40中，因为通过硬件切换为接通，所以能够将开闭器47稳定地切换为接通。

根据bms40，能够在保护电池组30不受过充电的影响的同时向电气负载3供给电力。

根据bms40，能够在保护电池组30不受过放电的影响的同时对电池组30进行充电。

根据bms40，在将放电用fet50的半导体开关50a切换为接通时将辅助继电器l2切换为接通，因此即便电池组30的电力变得不足而半导体开关50a成为断开，也能够经由辅助继电器l2对电池组30进行充电。

<其他实施方式>

在本说明书公开的技术并不限定于通过上述记述以及附图而说明的实施方式，例如也包含如下那样的各种方式。

(1)在上述实施方式中，作为蓄电元件，以电池组30为例进行了说明，但蓄电元件可以由一个电池单体31构成，也可以是串联连接了多个电池单体31的结构，还可以是并联连接了多个电池单体31的结构。

(2)在上述实施方式中，作为蓄电元件，以磷酸铁系锂离子电池为例进行了说明，但蓄电元件并不限于磷酸铁系锂离子电池，也可以是锰系锂离子电池、在负极包含钛的钛系锂离子电池、铅电池等其他二次电池。进而，蓄电元件不限于二次电池，也可以为电容器。

(3)在上述实施方式中，以在旁路路径46设置有充电用fet49(第1并联电路)以及放电用fet50(第2并联电路)的情况为例进行了说明，但也可以只设置仅在对蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件、以及仅在对蓄电元件进行放电的方向上流过电流的整流元件之中的任一者。

(4)在上述实施方式中，作为第1并联电路，以充电用fet49为例进行了说明，但第1并联电路只要并联设置有整流元件和第1开关即可，也可以不是fet。在该情况下，第1开关并非一定要是半导体开关，例如也可以是机械式的继电器。关于第2并联电路也同样。

(5)在上述实施方式中，以在旁路路径46设置有辅助继电器l2的情况为例进行了说明，但也可以不设置辅助继电器l2。

(6)在上述实施方式中，作为控制部42，以具有一个cpu42a的控制部42为例进行了说明，但控制部42的结构并不限于此。例如，控制部42也可以是具备多个cpu的结构、具备asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)、fpga(field-programmablegatearray，现场可编程门阵列)等硬件电路的结构、具备硬件电路以及cpu双方的结构。

(7)上述实施方式可以用于车辆的辅蓄电池(备用蓄电池)。辅蓄电池(备用蓄电池)是辅助主蓄电池的蓄电池，在主蓄电池因某些理由断开(off，电源丧失)的情况下，用于使得向车辆的电源供给不中断。辅蓄电池维持在充满电(soc为给定值以上)。若将本发明用于该辅蓄电池，则能够在不进行用于防止辅蓄电池的过充电的监视的情况下使开闭器为断开(off)。若主蓄电池断开(off，电源丧失)，则开闭器自动成为接通(on)，因此能够不中断向车辆的电源供给。

(8)此外，上述实施方式还可以用于车辆的辅机蓄电池。辅机蓄电池用作驱动混合动力车辆(hev)的照明、ecu的12v电源。在车辆的电源(交流发电机)发生了故障的情况下，开闭器自动地成为接通(on)，因此能够不中断向车辆的电源供给。

符号说明

3：电气设备，30：电池组，40：电池管理装置(蓄电元件的保护装置的一例)，41：电流路径，42：控制部，46：旁路路径，47：开闭器，49：充电用fet(第1并联电路的一例)，49a：半导体开关(第1开关的一例)，49b：寄生二极管(仅在对蓄电元件进行充电的方向上流过电流的整流元件的一例)，50：放电用fet(第2并联电路的一例)，50a：半导体开关(第2开关的一例)，50b：寄生二极管(仅在对蓄电元件进行放电的方向上流过电流的整流元件的一例)，51：第2励磁线圈(励磁线圈的一例)，l2：辅助继电器(辅助开闭器的一例)。