JP2007046942A - 電池故障判定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 セル電池接続部の故障を検知する。
【解決手段】 複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流(電池電流)を測定するとともに、セル電池ごとの両端電圧(セル電圧)を測定し、セル電圧と電池電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。また、複数のセル電池が直列に接続された組電池において、組電池が無負荷時のセル電池ごとの両端電圧(無負荷電圧)を測定するとともに、無負荷電圧の平均値(平均無負荷電圧)を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。
【選択図】 図5

Description

本発明は組電池の故障判定装置に関する。
多数のセル電池を直列に接続して高電圧の電源を負荷へ供給する組電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。この種の組電池では、セル電池どうしをタブにより直列に接続して高電圧を得ている。
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開2003−274502号公報
しかし、上述した従来の組電池では、セル電池どうしをタブにより接続しているので、外的要因によりタブに亀裂が発生する可能性がある。この亀裂が成長した状態、亀裂部分が瞬間的に断線した後にふたたび溶着した状態、あるいは断線後に接触している状態では、セル電池の劣化と誤認してそのまま使用し続けるおそれがある。このような状態で大電流が流れるとタブが完全に溶断してしまい、負荷に電源を供給できなくなる。
(1) 本願発明は、複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流(電池電流)を測定するとともに、セル電池ごとの両端電圧(セル電圧)を測定し、セル電圧と電池電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。
(2) また、本願発明は、複数のセル電池が直列に接続された組電池において、組電池が無負荷時のセル電池ごとの両端電圧(無負荷電圧)を測定するとともに、無負荷電圧の平均値(平均無負荷電圧)を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。
本発明によれば、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。
本願発明の電池故障判定装置を、エンジンとモーターの両方の駆動力または一方の駆動力により走行するハイブリッド車両の高電圧バッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の電池故障判定装置は、ハイブリッド車両に限定されず、組電池により高電圧を負荷へ供給するあらゆる装置および機器に適用することができる。
図1は一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す。一実施の形態のハイブリッド車両はエンジン1とモーター2を備え、いずれか一方または両方の駆動力により走行する。モーター2は1台で走行駆動、エンジン始動、発電および回生制動の機能を有する。エンジン1とモーター2の駆動力はトランスミッションを介して駆動輪(不図示)に伝達される。
インバーター4はバッテリー5の直流電力を交流電力に変換してモーター2へ供給し、モーター2から走行駆動力を発生させるとともに、モーター2の回生交流電力を直流電力に逆変換し、バッテリー5を充電する。バッテリー5は、図2に示すように、n個のセル電池11〜1nが直列に接続された組電池である。
車両コントローラー6は車速、変速機のシフト位置、ブレーキペダルの踏み込み圧、アクセルペダルの踏み込み量などの車両情報に基づいて車両の所要駆動力を演算し、燃料消費量が最少となるようにエネルギーマネージメントを行ってエンジン1とモーター2のトルク指令を決定する。車両コントローラー6はエンジンコントローラー7を制御してエンジン1の運転と停止、トルクと回転速度を制御するとともに、モーターコントローラー8を制御してモーター2の運転と停止、トルクと回転速度を制御する。
車両コントローラー6はまた、バッテリーコントローラー9を制御してバッテリー5の充放電を制御する。エンジンコントローラー7はエンジン1のスロットルバルブ開閉制御、燃料噴射制御、点火時期制御などを行い、エンジン1のトルクと回転速度を制御する。モーターコントローラー8はモーター2の電圧と電流を制御し、モーター2のトルクと回転速度を制御する。バッテリーコントローラー9はバッテリー5の充放電制御を行うとともに、後述する制御プログラムを実行してバッテリー5を構成するセル電池の故障を判定する。
図2はバッテリー5とバッテリーコントローラー9の詳細な構成を示す。バッテリー5はn個のセル電池11〜1nが直列に接続された組電池であり、セル電池11〜1nは図3に示すタブ51により接続されている。バッテリーコントローラー9はバッテリー制御回路21、セル制御回路22、電圧計23、電流計24、放電抵抗器31〜3n、バイパスリレー41〜4nなどを備えており、バッテリー5の充放電を制御するとともにセル電池11〜1nの故障判定を行う。
セル制御回路22は、セル電池11〜1nごとの両端電圧(以下、セル電圧という)Vc1〜Vcnを検出し、バイパスリレー41〜4nを開閉して各セル電池11〜1nのセル電圧Vc1〜Vcnが均一になるように制御する。すなわち、充電時に規定のセル電圧に達したセル電池1*(*=1〜n)のバイパスリレー4*をオンし、放電抵抗3*を介して充電電流をバイパスする。
バッテリー制御回路21はCPU21a、メモリ21b、A/Dコンバーター21cなどを備え、車両コントローラー6からの充放電指令にしたがってバッテリー5の充放電を行うとともに、後述する故障判定プログラムを実行してセル電池11〜1nの故障判定を行う。バッテリー制御回路21には、バッテリー5の両端電圧(この明細書ではバッテリー電圧または電池電圧という)VBを測定する電圧計23と、バッテリー5に流れる電流(この明細書ではバッテリー電流または電池電流という)IBを測定する電流計24が接続されている。
ここで、一実施の形態のセル電池11〜1nの故障判定方法について説明する。バッテリー5の負荷時の故障判定方法は、バッテリー負荷時のセル電圧Vc1〜Vcn[V]とバッテリー電流IB[A]とに基づいてセル電池11〜1nごとの内部抵抗Rc1〜Rcn[Ω]を算出し、内部抵抗Rc1〜Rcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定する方法である。内部抵抗Rc1〜Rcnは次式により算出する。
Rc1〜Rcn=(Vc1〜Vcn)/IB ・・・(1)
各セル電池11〜1nは、図4に示すように、セル電池自体と、セル電池の内部抵抗r1と、セル電池接続部の接触抵抗r2との直列回路で等価的に表すことができ、上記(1)式で算出されるセル電池の内部抵抗Rc1〜Rcnは内部抵抗r1と接触抵抗r2の和と考えることができる。
セル電池の内部抵抗r1はセル電池内部の化学変化により発生し、使用年数に応じて徐々に増加する。これに対しセル電池接続部の接触抵抗r2は、タブ51に亀裂が生じ、その亀裂が成長した状態、亀裂部分が瞬間的に断線した後にふたたび溶着した状態、あるいは断線後に接触している状態において発生し、このような接続が不完全な状態が発生すると急に増加する。したがって、セル電池11〜1nの内部抵抗Rc1〜Rcnの変化を常に監視し、内部抵抗変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きい場合には、タブ51に亀裂が入り、セル電池接続部が接触不良な状態にあると考えることができる。
なお、バッテリー5の負荷時とは、図2に示すように、バッテリー負荷であるインバーター4とバッテリー5との間に設置される負荷開閉用リレー4a、4bの閉路時をいう。リレー4a、4bが閉路されると、インバーター4を介してバッテリー5からモーター2へ、またはモーター2からバッテリー5へ電流が流れる。
次に、バッテリー5の無負荷時の故障判定方法は、バッテリー無負荷時のセル電圧Vc1〜Vcnと平均セル電圧Vc_aveとの電圧差ΔVc1〜ΔVcnを求め、電圧差ΔVc1〜ΔVcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定する方法である。
ΔVc1〜ΔVcn=(Vc1〜Vcn)−Vc_ave ・・・(2)
上述したように、セル電池11〜1nの接続用タブ51に亀裂が生じて接触抵抗r2が増大すると、不完全な接続状態にあるセル電池1*(*=1〜n)の無負荷電圧Vc*と平均無負荷電圧Vc_aveとの電圧差ΔVc*も増加する。したがって、電圧差ΔVc1〜ΔVcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定することができる。
なお、バッテリー5の無負荷時とは、図2に示すように、バッテリー負荷であるインバーター4とバッテリー5との間に設置される負荷開閉用リレー4a、4bの開路時をいう。リレー4a、4bが開路されていても、バッテリー5には電圧計23を介して微小な放電電流IBが流れる。
図5は、バッテリーコントローラー9で実行されるセル電池故障判定プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。ハイブリッド車両のメインスイッチ(不図示)が投入されると、バッテリー制御回路21のCPU21aはこのセル電池故障判定プログラムを実行する。
まず、ステップ1〜4において上述したバッテリー無負荷時の故障判定を行う。ステップ1でセル制御回路22により各セル電池11〜1nの無負荷電圧Vc1〜Vcnを測定する。続くステップ2で電圧計23によりバッテリー電圧VBを測定し、バッテリー電圧VBをセル電池個数nで除して平均無負荷電圧Vc_aveを算出する。もちろん、セル電圧Vc1〜Vcnの平均値を求め、平均無負荷Vc_aveとしてもよい。
ステップ3では各セル電池ごとの無負荷電圧Vc1〜Vcnと平均無負荷電圧Vc_aveとの電圧差ΔVc1〜ΔVcnを上記(2)式により演算し、メモリ21bに記憶する。ステップ4においてメモリ21bに記憶されている前回の電圧差ΔVc1'〜ΔVcn'から今回の電圧差ΔVc1〜ΔVcnへの変化量を求め、変化量が予め設定した判定基準値Vo以下か否かを判定する。
セル電池劣化による経年変化でセル電池自体の内部抵抗r1(図4参照)が徐々に増加しても、セル電池の無負荷電圧Vc1〜Vcnと平均無負荷電圧Vc_aveとの電圧差ΔVc1〜ΔVcnに大きな変化はない。しかし、セル電池接続部のタブ51に亀裂が生じてセル電池1*(*=1〜n)の接触抵抗r2が増大すると、そのセル電池1*の無負荷電圧Vc*と平均無負荷電圧Vc_aveとの電圧差ΔVc*も増大する。
そこで、セル電池接続部が正常な場合の電圧差ΔVc1〜ΔVcnの変化量、つまりセル電池11〜1nの通常の劣化による電圧差ΔVc1〜ΔVcnの変化量を予め測定しておき、それよりもわずかに大きい変化量を判定基準値Voとしてメモリ21bに記憶しておく。セル電池故障判定を行うたびに、前回の電圧差ΔVc1'〜ΔVcn'から今回の電圧差ΔVc1〜ΔVcnへの変化量を求め、その変化量が判定基準値Vo以下であればセル電池11〜1nは正常であると判定し、変化量が判定基準値Voを超えているセル電池は、そのセル電池の接続部が接触不良な状態にあると判定する。
ステップ1〜4のバッテリー無負荷時の故障判定において、いずれかのセル電池に不完全な接続による故障が発見された場合はステップ5へ進み、音声またはブザーにより乗員に警報する。そして、ステップ6でフェールセーフ制御を行う。例えばバッテリー5の出力量と回生量を制限することによって故障が発見されたセル電池接続部の発熱を抑制し、タブ51の亀裂部の溶断事故を防止する。
バッテリー無負荷時の故障判定においてすべてのセル電池11〜1nに故障が発見されなかった場合は、ステップ7〜11において上述したバッテリー負荷時の故障判定を行う。ステップ7で負荷開閉用リレー4a、4bを閉路してバッテリー負荷であるインバーター4をバッテリー5に接続する。続くステップ8ではバッテリー5に流れる電流IBが予め設定した電流Io以下か否かを判定する。
上述した内部抵抗変化による故障判定を実行する場合に、使用電流Iが大きいとセル電池内部の化学変化によりセル電池の内部抵抗r1(図4参照)が急変するため、正確な故障判定ができなくなる。そのため、セル電池内部の化学変化により内部抵抗r1が急変することのないバッテリー電流IBを測定し、正確な故障判定が可能な判定基準電流Ioとしてメモリ2bに記憶しておく。
バッテリー電流IBが判定基準電流Io以下の場合はステップ9へ進み、セル制御回路22により各セル電池11〜1nの負荷電圧Vc1〜Vcnを測定する。続くステップ10では、各セル電池11〜1nの負荷電圧Vc1〜Vcnとバッテリー電流IBとに基づいて、上記(1)式により各セル電池11〜1nの内部抵抗Rc1〜Rcnを算出し、メモリ21に記憶する。
ステップ11においてメモリ21bに記憶されている前回の内部抵抗Rc1'〜Rcn'から今回の内部抵抗Rc1〜Rcnへの変化量を求め、変化量が予め設定した判定基準値Ro以下か否かを判定する。
上述したように、セル電池劣化による経年変化で内部抵抗が徐々に増加する。このような通常のセル電池劣化による内部抵抗の変化量を予め測定しておき、それよりもわずかに大きい変化量を判定基準値Roとしてメモリ21bに記憶しておく。セル電池故障判定を行うたびに、前回の内部抵抗Rc1'〜Rcn'から今回の内部抵抗Rc1〜Rcnへの変化量を求め、その変化量が判定基準値Ro以下であればセル電池接続部は正常であると判定し、変化量が判定基準値Roを超えているセル電池は、その接続部が接触不良な状態にあると判定する。
ステップ7〜11のバッテリー負荷時の故障判定において、いずれかのセル電池に不完全な接続状態による故障が発見された場合はステップ5へ進み、音声またはブザーにより乗員に警報する。そして、ステップ6でフェールセーフ制御を行う。例えばバッテリー5の出力量と回生量を制限することによって、故障が発見されたセル電池接続部の発熱を抑制し、タブ51の亀裂部の溶断事故を防止する。一方、負荷時の故障判定においてすべてのセル電池11〜1nに故障が発見されなかった場合は故障判定を終了する。
このように一実施の形態によれば、複数のセル電池が直列に接続されたバッテリーに流れるバッテリー電流を測定するとともに、セル電池ごとのセル電圧を測定し、セル電圧とバッテリー電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定するようにしたので、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。したがって、一実施の形態の電池故障判定装置を搭載したハイブリッド車両においては、セル電池接続部の溶断により走行できなくなる事態を避けることができる。
また、一実施の形態によれば、複数のセル電池が直列に接続されたバッテリーにおいて、バッテリーが無負荷時のセル電池ごとの両端電圧(無負荷電圧)を測定するとともに、無負荷電圧の平均値(平均無負荷電圧)を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定するようにしたので、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。したがって、一実施の形態の電池故障判定装置を搭載したハイブリッド車両においては、セル電池接続部の溶断により走行できなくなる事態を避けることができる。
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電流計24が電流測定手段を、セル制御回路22がセル電圧測定手段を、バッテリー制御回路21が抵抗演算手段、故障判定手段、平均値算出手段および電圧差演算手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項との対応関係になんら限定も拘束もされない。
一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図である。 一実施の形態のバッテリーとバッテリーコントローラーの構成を示す図である。 セル電池のタブを示す図である。 セル電池の等価回路を示す図である。 一実施の形態のセル電池故障判定プログラムを示すフローチャートである。
符号の説明
4 インバーター
4a、4b 負荷開閉用リレー
5 バッテリー
9 バッテリーコントローラー
11〜1n セル電池
21 バッテリー制御回路
22 セル制御回路
23 電圧計
24 電流計

Claims (5)

  1. 複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流(以下、電池電流という)を測定する電流測定手段と、
    前記セル電池ごとの両端電圧(以下、セル電圧という)を測定するセル電圧測定手段と、
    前記セル電圧と前記電池電流とに基づいて前記セル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算する抵抗演算手段と、
    前記抵抗演算手段による演算結果の前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする電池故障判定装置。
  2. 請求項1の電池故障判定装置において、
    セル電池の通常の劣化による内部抵抗の変化量に基づいて前記判定基準値を設定することを特徴とする電池故障判定装置。
  3. 請求項1の電池故障判定装置において、
    前記故障判定手段は、セル電池内部の化学変化によりセル電池の内部抵抗が急変することのない電池電流のときに故障判定を行うことを特徴とする電池故障判定装置。
  4. 複数のセル電池が直列に接続された組電池において、前記組電池が無負荷時の前記セル電池ごとの両端電圧(以下、無負荷電圧という)を測定するセル電圧測定手段と、
    前記無負荷電圧の平均値(以下、平均無負荷電圧という)を算出する平均値算出手段と、
    前記セル電池ごとの前記無負荷電圧と前記平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算する電圧差演算手段と、
    前記電圧差演算手段による演算結果の前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする電池故障判定装置。
  5. 請求項4に記載の電池故障判定装置において、
    セル電池の通常の劣化による電圧差の変化量に基づいて前記判定基準値を設定することを特徴とする電池故障判定装置。
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