JP2004031192A

JP2004031192A - 並列接続電池の容量劣化異常検出装置

Info

Publication number: JP2004031192A
Application number: JP2002187439A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Saito; 齊藤　文彦; Kenichi Sakai; 酒井　健一
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】並列に接続された電池の容量劣化異常を検出する容量劣化異常検出装置を得る。
【解決手段】セルＣ１１〜Ｃ１ｎを並列に接続した並列電池と、セルＣ２１〜Ｃ２ｎを並列に接続した並列電池と、…、セルＣｍ１〜Ｃｍｎを並列に接続した並列電池とをそれぞれ直列に接続して電池モジュールＢＭを構成する。電池モジュールＢＭの負荷時および無負荷時のそれぞれにおいて、温度センサ１０２によって各並列電池の負極側のバスバー１０１Ｂの温度を並列電池ごとに検出する。負荷時の検出温度が温度平衡に達した状態の検出温度を負荷時の比較対象データＴ１とし、無負荷時の検出温度が温度平衡に達した状態の検出温度を無負荷時の比較対象データＴ２とし、並列電池ごとの温度変化量ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１を算出する。温度変化量ΔＴが所定値を超えた場合に、当該並列電池内に容量劣化異常のセルが存在するとみなす。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、並列に接続された電池の容量劣化異常を検出する容量劣化異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車などのように、充電可能な二次電池を電源として負荷を駆動する技術が知られている。電池は、セルと呼ばれる複数の単電池を直列に接続して構成され、負荷を駆動する放電動作と電池を充電する充電動作とを繰り返し行う。このような電池の電圧は、単電池ごとの電圧を直接検出し、検出電圧に応じて容量劣化異常の有無が判定される。容量劣化が進行した単電池の電圧は、他の正常な単電池の電圧に比べて検出電圧が低くなるので、容量劣化異常を判定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
複数の二次単電池を並列に接続した電池を上記電源に使用したいという要求がある。電池を並列に接続すると、電圧が高い側の電池から電圧が低い側の電池へ電流が流れる。この電流は調整電流と呼ばれ、電池間の端子電圧を合わせるように流れる。したがって、単電池を並列に接続した並列電池の端子電圧を測定しても単電池ごとの実際の電圧がわからないため、従来の方法では電池の容量劣化異常を検出することが困難である。
【０００４】
本発明の目的は、並列に接続された電池の容量劣化異常を検出する容量劣化異常検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の二次単電池を並列接続部材で並列に接続した電池の容量劣化異常を検出する容量劣化異常検出装置に関し、並列接続部材の温度を検出し、検出した温度に応じて並列接続電池の容量劣化異常の有無を判定するようにしたものである。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、並列に接続された電池の単電池ごとの電圧がわからなくても容量劣化異常を検出することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による組電池の容量劣化異常監視システムの構成図である。なお、本システムは、組電池を電源として使用する電気自動車などに搭載される。図１において、異常監視システムは、温度センサ１０２と、データ演算ユニット２０とを有する。
【０００８】
電池モジュールＢＭは、ｎ個のセルＣ１１〜セルＣ１ｎ、ｎ個のセルＣ２１〜セルＣ２ｎ、…、ｎ個のセルＣｍ１〜セルＣｍｎが、それぞれバスバー１０１によって並列に接続される。バスバー１０１は、たとえば銅で構成され、並列接続するセル群の正極側と負極側とにそれぞれ設けられる。セルＣ１１〜セルＣ１ｎによる並列電池をＣ（Ｐ１）と呼ぶことにする。同様に、セルＣ２１〜セルＣ２ｎによる並列電池をＣ（Ｐ２）と呼び、セルＣｍ１〜セルＣｍｎによる並列電池をＣ（Ｐｍ）と呼ぶ。並列電池Ｃ（Ｐ１）、Ｃ（Ｐ２）、…、およびＣ（Ｐｍ）は、それぞれ直列に接続されて電池モジュールＢＭを構成する。組電池は、上述した電池モジュールＢＭを複数組用いて構成される。なお、並列電池のセル数ｎ、および直列に接続する並列電池の数ｍは、電池モジュールＢＭの仕様に応じて適宜設定される。図１は、組電池を構成する電池モジュールＢＭの中で１組の電池モジュールＢＭのみを示した図である。
【０００９】
温度センサ１０２は、並列電池Ｃ（Ｐ１）、Ｃ（Ｐ２）、…、およびＣ（Ｐｍ）ごとの各バスバー１０１の温度を検出し、それぞれの温度検出信号をデータ演算ユニット２０へ送出する。図１の例では、並列電池の負極側のバスバー１０１の温度を検出する。データ演算ユニット２０は、ＣＰＵ２０１と、メモリ２０２と、タイマー２０３とを有する。
【００１０】
ＣＰＵ２０１は、温度センサ１０２から入力された温度検出信号により各並列電池のバスバー１０１の温度を求める。温度センサ１０２は、たとえば、複数のサーミスタによって構成され、各サーミスタが各並列電池のバスバー１０１の表面温度をそれぞれ検出するように配設されている。ＣＰＵ２０１は、各サーミスタの抵抗値から各バスバー１０１の温度をそれぞれ算出する。サーミスタの抵抗値と温度との関係を示す情報は、テーブル参照値もしくは関数としてあらかじめメモリ２０２内に記憶されている。ＣＰＵ２０１は、算出した各バスバー１０１の温度データをメモリ２０２に逐次記憶（蓄積）する。タイマー２０３は、所定の時間ごとにタイミング信号を発生する。ＣＰＵ２０１が上記タイミング信号をトリガに温度算出を行うことにより、各バスバー１０１の温度を所定の時間ごとに検出することができる。
【００１１】
本発明は、セルを並列に接続するバスバー１０１の検出温度に応じて当該バスバーによって接続されている並列電池の容量劣化異常の有無を判定することに特徴を有する。
【００１２】
図２は、ＣＰＵ２０１によって行われる容量劣化異常検出処理の流れを説明するフローチャートである。図２による処理は、電気車両のイグニションスイッチ（不図示）のオンおよびオフ操作に応じて繰り返し行われる。図２のステップＳ１１において、ＣＰＵ２０１は、イグニションスイッチオン時に電池モジュールＢＭが負荷時のバスバー温度を求める。ＣＰＵ２０１は、温度センサ１０２からの温度検出信号から各バスバー１０１の温度をそれぞれ求め、温度データをメモリ２０２に蓄積してステップＳ１２へ進む。
【００１３】
図３は、負荷時の並列接続電池モデルを示す図である。図３において、セル１〜セルｎが正極側バスバー１０１Ａおよび負極側バスバー１０１Ｂで並列に接続されている。並列電池は、イグニションスイッチＳＷがオンされた状態で電流Ｉを負荷Ｌへ供給して負荷Ｌを駆動する。負荷時の各セルについて次式（１）が成立する。
【数１】

ただし、Ｖ１、Ｖ２、…Ｖｎは、各セルの端子電圧（負荷時電圧）である。Ｖ０１、Ｖ０２、…Ｖ０ｎは、各セルの開放電圧である。Ｒ１、Ｒ２、…Ｒｎは、各セルの内部抵抗である。Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎは、各セルに流れる電流である。各セル電流の総和Ｉ１＋Ｉ２＋、…＋Ｉｎ＝Ｉとなる。
【００１４】
上式（１）において、セル１〜セルｎが並列接続されているのでＶ１＝Ｖ２＝、…、＝Ｖｎが成立する。このとき、たとえば、セル２以外のＳＯＣ（充電状態）がセル２のＳＯＣより高いと仮定すると、セル２の電流Ｉ２はセル２以外のセル電流に比べて小さくなる。このように、各セルに流れる電流は、並列電池の中でセルの開放電圧および内部抵抗のばらつきに応じて決定される。負荷時のバスバー１０１Ａ、１０１Ｂは、電流Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎによって発熱する。バスバー１０１Ａ、１０１Ｂが発熱すると、温度センサ１０２による検出温度が上昇する。ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２に所定時間ごとに蓄積される温度検出値の上昇幅が所定値以内になった場合に温度平衡状態とみなし、そのときの温度検出値を負荷時の比較対象データＴ１とする。
【００１５】
図２のステップＳ１２において、ＣＰＵ２０１は、イグニションスイッチオフ時に電池モジュールＢＭが無負荷時のバスバー温度を求める。ＣＰＵ２０１は、温度センサ１０２からの温度検出信号から各バスバー１０１の温度をそれぞれ求め、温度データをメモリ２０２に蓄積してステップＳ１３へ進む。
【００１６】
図４は、無負荷時の並列接続電池モデルを示す図である。図３と同様に、セル１〜セルｎが正極側バスバー１０１Ａおよび負極側バスバー１０１Ｂで並列に接続されている。無負荷時の各セルについて次式（２）が成立する。
【数２】

ただし、Ｖ１、Ｖ２、…Ｖｎは、各セルの端子電圧（無負荷時電圧）である。Ｖ０１、Ｖ０２、…Ｖ０ｎは、各セルの開放電圧である。
【００１７】
上式（２）において、セル１〜セルｎが並列接続されているのでＶ１＝Ｖ２＝、…、＝Ｖｎが成立する。このとき、たとえば、セル１のＤＯＤ（放電深度）がセル１以外のセルのＤＯＤより高いと仮定すると、セル１以外のセルからセル１へ容量調整電流が流れる。容量調整電流は、各セルの端子電圧を合わせるように流れ、各セルの容量調整電流の総和Ｉ１’＋Ｉ２’＋、…＋Ｉｎ’＝０となる。各セルに流れる容量調整電流は、各セルの開放電圧のばらつきに応じて決定される。
【００１８】
図５は、セルの電池容量（ＤＯＤ）と開放電圧との関係を示す図である。図５によれば、放電が少ないほど開放電圧が高く、放電が進むほど開放電圧が低下する。並列電池の調整電流を決定するセル間の開放電圧のばらつきは、セルの電池容量のばらつきを意味する。したがって、無負荷時に容量調整電流が多く流れる並列電池には、当該並列電池を構成するセルの中に他のセルに比べて容量劣化が進行して開放電圧が低下したセルが含まれる。
【００１９】
並列電池に容量調整電流が流れると、バスバー１０１Ａ、１０１Ｂが調整電流によって発熱する。これにより、温度センサ１０２による検出温度が負荷時より高くなる。ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２に所定時間ごとに蓄積される温度検出値の上昇幅が所定値以内になったとき、当該温度検出値を無負荷時の比較対象データＴ２とする。
【００２０】
図２のステップＳ１３において、ＣＰＵ２０１は、並列電池の劣化異常判定処理を行い、図２による処理を終了する。並列電池の劣化異常判定処理の詳細について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００２１】
図６のステップＳ２１において、ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２から全並列電池に対応する負荷時のバスバーの比較対象データＴ１をそれぞれ読み出してステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２において、ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２から全並列電池に対応する無負荷時のバスバーの比較対象データＴ２をそれぞれ読み出してステップＳ２３へ進む。
【００２２】
ステップＳ２３において、ＣＰＵ２０１は、並列電池ごとに温度変化量ΔＴを算出する。ＣＰＵ２０１は、無負荷時の比較対象データＴ２および負荷時の比較対象データＴ１を用いてバスバーの温度変化量ΔＴを次式（３）により算出し、ステップＳ２４へ進む。ΔＴの算出は、並列電池ごとに行う。
【数３】
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
【００２３】
ステップＳ２４において、ＣＰＵ２０１は、並列電池ごとに温度変化量ΔＴが許容範囲内か否かを判定する。ＣＰＵ２０１は、温度変化量ΔＴがあらかじめ用意した所定値を超えた場合にステップＳ２４を否定判定してステップＳ２５へ進み、温度変化量ΔＴが所定値を超えない場合はステップＳ２４を肯定判定して図６による処理を終了する。ステップＳ２４を肯定判定する場合は、当該並列電池が正常（並列電池を構成するセルに容量劣化異常のセルが含まれていない）とみなす。
【００２４】
ステップＳ２５において、ＣＰＵ２０１は、当該並列電池が異常（並列電池を構成するセルに容量劣化異常のセルが含まれている）と判定し、図６による処理を終了する。異常判定した場合は、ＣＰＵ２０１が不図示の車両コントローラに異常を報知する。
【００２５】
以上説明した実施の形態についてまとめる。
（１）単セルＣ１１〜Ｃ１ｎをバスバー１０１で並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐ１）と、単セルＣ２１〜Ｃ２ｎをバスバー１０１で並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐ２）と、…、単セルＣｍ１〜Ｃｍｎをバスバー１０１で並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐｍ）とをそれぞれ直列に接続して電池モジュールＢＭを構成する。
（２）電池モジュールＢＭの負荷時および無負荷時のそれぞれにおいて、温度センサ１０２によって各並列電池の負極側のバスバー１０１Ｂの温度をそれぞれ検出する。並列電池ごとに、負荷時の検出温度が温度平衡に達した状態の検出温度を負荷時の比較対象データＴ１とし、無負荷時の検出温度が温度平衡に達した状態の検出温度を無負荷時の比較対象データＴ２とする。
【００２６】
（３）並列電池ごとに温度変化量ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１を算出し、温度変化量ΔＴが所定値を超えた場合に当該並列電池内に容量劣化異常のセルが存在するとみなし、異常判定を行う。すなわち、並列接続電池内に容量劣化異常であるセルが存在していると、無負荷時に正常なセルから異常なセルへと流れる容量調整電流が、異常セルが存在しない場合よりも大きくなる。したがって、この大きな容量調整電流によってバスバーの発熱が大きくなる。よって、負荷時の比較対象データＴ１と無負荷時の比較対象データＴ２との温度変化量ΔＴ（＝Ｔ２−Ｔ１）を所定値と比較することで容量劣化セルの存在を検出することができる。このように、容量劣化異常のセルが発生して無負荷時に容量調整電流がセル間に流れたとき、発熱したバスバーの温度上昇によって容量調整電流が流れたことを検出するようにしたので、並列接続電池の各セルの開放電圧がわからなくても、当該並列電池内のセルに容量劣化が生じたことを検出できる。また、バスバーの温度上昇によって容量調整電流の発生を検出することは、各セルごとにそれぞれ電流センサを設けて容量調整電流を検出する場合に比べて部品点数を少なく抑えることができるから、コスト低減の効果も得られる。
【００２７】
上述したステップＳ２４の判定処理において温度変化量ΔＴと比較する所定値は、電池モジュールＢＭの周囲温度に応じて変えてもよい。この場合には、電池モジュールＢＭの周囲の温度を検出する温度センサを新たに配設し、ＣＰＵ２０１は、新たに配設した温度センサによる検出温度に応じて上記所定値を変更する。
【００２８】
以上の説明では、負荷時の比較対象データＴ１をメモリ２０２に蓄積（ステップＳ１１）してから無負荷時の比較対象データＴ２をメモリ２０２に蓄積（ステップＳ１２）するようにしたが、負荷時および無負荷時の比較対象データの蓄積順序は、上記例と反対でもよい。
【００２９】
並列電池を構成する正極側のバスバー１０１Ａおよび負極側のバスバー１０１Ｂのうち負極側のバスバー１０１Ｂの温度を検出するようにした。この代わりに、正極側のバスバー１０１Ａの温度を検出してもよいし、正負極両側のバスバー１０１Ａおよび１０１Ｂの温度をそれぞれ検出してもよい。
【００３０】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。二次単電池は、たとえば、セルＣ１１〜Ｃｍｎが対応する。並列接続電池は、たとえば、セルＣ１１〜Ｃ１ｎを並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐ１）、セルＣ２１〜Ｃ２ｎを並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐ２）、…、セルＣｍ１〜Ｃｍｎを並列に接続した並列電池Ｃ（Ｐｍ）が対応する。並列接続部材は、たとえば、バスバー１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ）によって構成される。温度検出手段は、たとえば、温度センサ１０２およびＣＰＵ２０１によって構成される。判定手段は、たとえば、ＣＰＵ２０１によって構成される。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による組電池の容量劣化異常監視システムの構成図である。
【図２】ＣＰＵによって行われる容量劣化異常検出処理の流れを説明するフローチャートである。
【図３】負荷時の並列接続電池モデルを示す図である。
【図４】無負荷時の並列接続電池モデルを示す図である。
【図５】セルの電池容量（ＤＯＤ）と開放電圧との関係を示す図である。
【図６】並列電池の劣化異常判定処理の詳細を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２０…データ演算ユニット、　　　１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ…バスバー、１０２…温度センサ、　　　　　　　２０１…ＣＰＵ、
２０２…メモリ、　　　　　　　　　２０３…タイマー、
Ｃ１１〜Ｃｍｎ…セル、　　　　　　ＢＭ…電池モジュール

Claims

複数の二次単電池を並列接続部材で並列に接続した電池の容量劣化異常を検出する容量劣化異常検出装置であって、
前記並列接続部材に配設されて温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による検出温度に応じて前記並列接続電池の容量劣化異常の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする並列接続された電池の容量劣化異常検出装置。
請求項１に記載の並列接続された電池の容量劣化異常検出装置において、
前記温度検出手段は、前記並列接続電池の負荷時および無負荷時にそれぞれ温度を検出し、
前記判定手段は、前記負荷時および前記無負荷時の検出温度差が所定値を超えると容量劣化異常と判定することを特徴とする並列接続された電池の容量劣化異常検出装置。
請求項２に記載の並列接続された電池の容量劣化異常検出装置において、
前記並列接続部材の温度は、前記負荷時の負荷電流、および前記無負荷時の前記単電池間の容量調整電流に応じて変化することを特徴とする並列接続された電池の容量劣化異常検出装置。