JP2008298643A - パック電池の内部消費電流異常の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の自己放電を含む内部消費電流を正確に検出して、内部消費電流異常を確実に判定する。
【解決手段】パック電池の内部消費電流異常の検出方法は、あらかじめ設定されている設定時間よりも長く、かつ電池の電圧が設定電圧もしくは満充電状態になるまでの積算時間帯における電池の充放電電流を積算して電池の演算残容量を演算する残容量演算工程と、この残容量演算工程の積算時間帯における電池の内部消費電流を積算する内部消費電流積算工程と、電池の電圧が設定電圧になることを検出して、検出された電池電圧から電池の満充電を含む検出残容量を判定する残容量判定工程と、電池の検出残容量と演算残容量の容量差を、積算された電池の内部消費電流積算値に比較し、内部消費電流異常を判定する異常判定工程とからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パック電池の内部消費電流異常を検出する方法に関する。

パック電池は、電池の自己放電で残容量が減少し、また、内蔵している回路基板の消費電流で残容量が減少する。正常なパック電池は、電池の自己放電や回路基板の消費電流を所定の電流値としている。しかしながら、パック電池が異常な状態になると、電池の自己放電が大きくなり、あるいは回路基板の消費電力が増加して内部消費電流が増加する。このことから、パック電池は、内部消費電流を検出して、電池の異常な自己放電や回路基板の異常を判定できる。電池の電圧から、内部消費電流を検出するパック電池は開発されている。（特許文献１参照）
特開２００４−３２５２６３号公報

特許文献１のパック電池は、車両に搭載されて自己放電量を検出する。このパック電池は、車両のイグニッションスイッチをオフに切り変える直前の負荷状態における電池電圧から、無負荷状態における電池電圧を推定する。推定されたパック電池の電圧と、次にイグニッションスイッチをオンに切り変える直後の無負荷状態におけるパック電池の電圧の電圧差を検出する。この電圧差から、イグニッションスイッチをオフに切り変えるタイミングからオンに切り変えるまでの駐車時間におけるパック電池の自己放電量を算出する。

このパック電池は、車両のイグニッションスイッチをオフにするタイミングから、次にオンにするタイミングまでの自己放電を検出するので、高精度に自己放電を検出するのが難しい。それは、自己放電を演算する車両の停車時間が、必ずしも電池の自己放電を正確に検出できる時間とはならないからである。停車時間は、ドライバーが車両を利用する状態で特定される。頻繁に利用される車両にあっては停車時間が短くなる。とくに、電池の自己放電は非常に小さいので、停車時間が短いと正確に検出できない。

さらに、このパック電池は、電池の無負荷電圧の差から自己放電で減少する残容量を推測するので、正確に自己放電を検出できない。それは、電池が、電圧をパラメータとして残容量を判定できても、全ての電圧範囲において正確に残容量を判定できないからである。電圧から残容量を正確に特定できる電圧範囲は、最高電圧と最低電圧付近に制限され、中間電圧においては、電圧から正確に残容量を判定できない。引用文献１のパック電池は、イグニッションスイッチをオフとオンに切り変えるタイミングで電池電圧から残容量を判定するが、このタイミングにおいて、電池電圧は必ずしも電圧から残容量を正確に判定できる電圧範囲にない。また、イグニッションスイッチをオフに切り変える直前の負荷状態の電圧（ＣＣＶ）から無負荷電圧（ＯＣＶ）を推測することも、残容量を検出する誤差の原因となる。それは、負荷電圧から無負荷電圧を推測すると、この工程においても誤差が生じるからである。

以上の理由から、引用文献１のパック電池は、電池の自己放電を正確に検出するのが難しい欠点がある。本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池の自己放電を含む内部消費電流を正確に検出して、内部消費電流異常を確実に判定できるパック電池の内部消費電流異常の検出方法を提供することにある。

本発明のパック電池の内部消費電流異常の検出方法は、あらかじめ設定されている設定時間よりも長く、かつ電池の電圧が設定電圧もしくは満充電状態になるまでの積算時間帯における電池の充放電電流を積算して電池の演算残容量を演算する残容量演算工程と、この残容量演算工程の積算時間帯における電池の内部消費電流を積算する内部消費電流積算工程と、電池の電圧が設定電圧になることを検出して、検出された電池電圧から電池の満充電を含む検出残容量を判定する残容量判定工程と、電池の検出残容量と演算残容量の容量差を、積算された電池の内部消費電流積算値に比較し、内部消費電流異常を判定する異常判定工程とからなる。

本発明の請求項２のパック電池の内部消費電流異常の検出方法は、内部消費電流積算工程で積算される内部消費電流積算値を設定値に比較し、内部消費電流積算値が設定値よりも大きい状態において、異常判定工程において内部消費電流異常を判定する。

本発明の請求項３のパック電池の内部消費電流異常の検出方法は、残容量判定工程において、検出残容量を判定する設定電圧を、電池の最高電圧と最低電圧に設定している。さらに、本発明の請求項４のパック電池の内部消費電流異常の検出方法は、電池がリチウムイオン二次電池で、設定電圧の最高電圧を４.１Ｖ〜４.３Ｖに設定して、最低電圧を２.８Ｖ〜３.８Ｖに設定している。

本発明の請求項５のパック電池の内部消費電流異常の検出方法は、設定時間を５日以上であって１００日以下に設定している。

本発明は、電池の自己放電を含む内部消費電流を正確に検出して、内部消費電流異常を正確に判定できる特徴がある。それは、本発明が、設定時間よりも長い時間であって、電池の電圧が設定電圧になるまでの積算時間帯に、充放電電流から電池の演算残容量を演算し、さらに、この積算時間帯における電池の内部消費電流も積算し、さらにまた、設定電圧となる電池の電圧から検出残容量を判定し、検出残容量と演算残容量の容量差を、内部消費電流の積算値に比較して、内部消費電流異常を判定するからである。すなわち、本発明は、車両のイグニッションスイッチのように不特定な時間帯における積算値から内部消費電流異常を判定するのではなく、また、種々の電圧範囲となる負荷電圧や無負荷電圧から電池の容量を判定するのでもない。本発明は、演算残容量と内部消費電流の積算値とを正確に演算する時間帯に積算時間帯を設定できる。このため、演算残容量と内部消費電流の積算値を正確に演算できる。さらに、本発明は、積算時間帯を、設定時間よりも長く、電池電圧で残容量を正確に判定できる電圧になる時間帯としている。このため、演算残容量と内部消費電流の積算値を正確に演算しながら、電池電圧から正確に検出残容量を検出できる。本発明は、内部消費電流異常を判定するために必要な、演算残容量と、内部消費電流の積算値と、検出残容量の全てを正確に検出することから、内部消費電流の異常を正確に判定できる。さらに、一定の時間間隔で内部消費電流の異常判定を正確にできることから、パック電池を使用する状態で、内部消費電流異常があると速やかに判定できる。

さらに、本発明の請求項２の異常判定方法は、請求項１の構成に加えて、内部消費電流積算工程において積算される内部消費電流積算値を設定値に比較し、内部消費電流積算値が設定値よりも大きい状態において、異常判定工程において内部消費電流異常を判定する。この方法によると、内部消費電流積算値をより正確に検出して、内部消費電流の異常判定をさらに正確にできる。電池の内部消費電流は、残容量の大小や温度により変化する。この方法は、内部消費電流が小さくなる状態にあっては、内部消費電流の積算値が設定値よりも大きくなるまで積算する時間帯が長くなる。このため、電池の内部消費電流が小さい状態にあっても、内部消費電流異常を正確に判定できる。

さらに、本発明の請求項３の異常判定方法は、請求項１の構成に加えて、残容量判定工程において、検出残容量を判定する設定電圧を、電池の最高電圧と最低電圧に設定している。また、本発明の請求項４の異常判定方法は、電池をリチウムイオン二次電池として、設定電圧の最高電圧を４.１Ｖ〜４.３Ｖに設定して、最低電圧を２.８Ｖ〜３.８Ｖに設定している。この方法は、リチウムイオン二次電池を内蔵するパック電池において、内部消費電流異常を正確に判定できる。とくに、リチウムイオン二次電池は、この電圧範囲における電圧に対する残容量が正確に判定でき、内部消費電流異常を正確に判定できる。

また、本発明の請求項５の異常判定方法は、設定時間を５日以上であって１００日以下に設定する。積算時間帯は設定時間よりも長くなるので、長い時間にわたって内部消費電流を積算して、内部消費電流異常を正確に判定できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池の内部消費電流異常を判定する方法を例示するものであって、本発明は異常判定する方法を以下に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１はパック電池のブロック図を示している。このパック電池は、電池１に回路基板２を接続している。回路基板２は電池１の過充電や過放電を防止する保護回路３等を実装する。このパック電池１は、負荷５に電流を流さない状態においても、内部消費電流によって電池１の残容量を減少させる。パック電池１の内部消費電流は、電池１の自己放電と回路基板２の消費電流で特定される。正常なパック電池１は、内部消費電流が特定の範囲にある。電池１の自己放電と回路基板２の消費電流が所定の電流値となるからである。ただ、電池１が異常に劣化した場合、あるいは回路基板２の内部ショートや絶縁低下した場合に内部消費電流が増加する。したがって、パック電池１の内部消費電流が設定範囲にあるかどうかを検出して、内部消費電流異常を判定できる。

図のパック電池１は、内部消費電流異常を判定するために異常判定回路４を備えている。この異常判定回路４は、電池１に流れる充放電の電流と、電池１の電圧から内部消費電流異常を判定する。したがって、異常判定回路４は、電池１に流れる充放電の電流を検出する電流検出回路と、電池１の電圧を検出する電圧検出回路とを備える。
また、電池の自己放電や回路消費電流には温度依存があるため、異常判定回路４には温度検出回路も含まれているが、図中では省略している。

異常判定回路４は、以下の原理で、パック電池の内部消費電流異常を判定する。
図２と図３は、充放電されるパック電池の電圧が変化する状態を示している。これらの図において、実線Ａは、充放電電流から演算される電池の演算残容量が変化する状態を示している。鎖線Ｂは、現実の電池の残容量を電圧から判定して検出残容量として示している。ただ、電池の現実の残容量は、電池の電圧が設定電圧になるときに限って検出されるので、設定電圧以外の部分は、理解しやすくするために記載している。図において、電池電圧が最高電圧の４．２Ｖとなる状態で電池の残容量を１００％とし、設定電圧が最低電圧の３Ｖとなる状態で残容量を５％としている。ただ、検出残容量を判定する電池の設定電圧は、電池をリチウムイオン二次電池とする場合、最高電圧を４.１Ｖ〜４.３Ｖに設定し、最低電圧を２.８Ｖ〜３.８Ｖに設定することができる。

さらに、図２と図３は、正常なパック電池の内部消費電流の積算値をハッチング部分で示している。正常なパック電池は、自己放電電流と、回路基板の消費電流が特定の範囲にあることから、内部消費電流積算値が演算できる。ただし、内部消費電流は、電池の温度と電圧で変化するので、温度と電圧の関数として時間で積算して演算される。

図２のパック電池は、ｔ１のタイミングと、ｔ２のタイミングで満充電されて残容量を１００％とする。図３のパック電池は、ｔ１のタイミングで満充電されて残容量を１００％とし、ｔ２のタイミングでは最低電圧である３Ｖまで低下して残容量を５％としている。ｔ１とｔ２は、電池の電圧が設定電圧、たとえば、最高電圧や最低電圧となって電圧から残容量を正確に判定できるタイミングに設定される。さらに、ｔ１とｔ２の時間間隔は、短すぎると内部消費電流の積算値を演算できないので、本発明は、ｔ１とｔ２の時間間隔、すなわち積算時間帯を設定時間よりも長くする。ｔ１とｔ２の積算時間帯は、あらかじめ設定している設定時間を経過した後に、電池の電圧が設定電圧になる時間帯となる。したがって、設定時間を経過しない時間帯に電池の電圧が設定電圧になっても、内部消費電流異常の判定は行わない。設定時間は、たとえば、５日ないし１００日に設定する。ｔ１とｔ２の時間間隔である積算時間帯が短すぎると、内部消費電流の設定値を正確に判定できなくなって、異常判定を正確にできなくなるからである。また、積算時間帯が長すぎると、内部消費電流異常の判定に時間がかかって頻繁に判定できなくなる。したがって、この積算時間帯は、たとえば、５日〜１００日、好ましくは、７日〜５０日、さらに好ましくは、１０日〜２０日に設定される。

図２と図３に示すように、パック電池は充放電され、あるいは放置されて残容量が変化する。電池の残容量は、放電と内部消費電流で減少し、充電されて増加する。図２は、満充電されて残容量が１００％なった電池が、充放電され、また放置されて所定の時間が経過した後に、再び充電されて最高電圧になるまで満充電される状態を示している。電池の満充電は、充電される電池の電圧が最高電圧の４．２Ｖに上昇すること、もしくは充電電流が一定値以下となったことを検出して判定される。

図２のパック電池は、積算時間帯において充放電された電流の積算値から演算される、ｔ２のタイミングにおける演算残容量が、検出残容量の１００％よりも大きくなる。それは、パック電池が内部消費電流で電力を消費しているからである。演算残容量から内部消費電流の積算値を減算した値が検出残容量となる。したがって、演算残容量は、検出残容量に内部消費電流の積算値を加算した値となって、１００％の検出残容量よりも大きくなる。仮に、検出残容量が１００％となる状態で、演算残容量が１０５％となれば、このパック電池は、満充電容量の５％をパック電池の内部消費電流として消費したことになる。したがって、演算残容量と検出残容量の差は、パック電池が現実に内部消費電流として消費する実質内部消費容量となる。

さらに、異常判定回路４は、正常なパック電池が内部消費電流として消費する電流の積算値、すなわち内部消費電流積算値を正常内部消費容量として演算している。正常なパック電池は、内部消費電流があらかじめ特定される範囲内にあるので、この電流の積算値が正常内部消費容量となる。正常なパック電池は、実質内部消費容量が正常内部消費容量にほぼ等しくなる。しかしながら、異常なパック電池にあっては、実質内部消費容量が正常内部消費容量よりも大きくなる。したがって、正常内部消費容量と実質内部消費容量とを比較して、パック電池の内部消費電流異常を判定できる。

たとえば、電池の検出残容量が１００％となるｔ２のタイミングにおいて、演算残容量が１０５％、ｔ１からｔ２までの積算時間帯において積算される内部消費電流積算値、すなわち正常内部消費容量が５％であれば、実質内部消費容量と正常内部消費容量が５％で等しくなり、パック電池の内部消費電流は正常と判定できる。しかしながら、演算残容量が１３０％となると実質内部消費容量が３０％となって、正常内部消費容量の５％に比較して相当に大きいことから、パック電池は内部消費電流異常と判定できる。

図３のパック電池は、ｔ２におい検出残容量が５％となってｔ１のタイミングよりも小さくなるが、ｔ１からｔ２までの積算時間帯において、充放電された電流の積算値から演算されるｔ２における演算残容量は、検出残容量の５％よりも大きくなる。パック電池が、積算時間帯において内部消費電流で電力を消費しているからである。このパック電池も、演算残容量から内部消費電流の積算値を減算した値が検出残容量となる。したがって、演算残容量は、検出残容量に内部消費電流の積算値を加算した値となって、５％の検出残容量よりも大きくなる。仮に、検出残容量が５％となる状態で、演算残容量が１０％となれば、このパック電池は、積算時間帯において、満充電容量の５％をパック電池の内部消費電流として消費したことになる。したがって、演算残容量と検出残容量の差の５％の容量は、パック電池が現実に内部消費電流として消費する実質内部消費容量となる。

異常判定回路４は、正常なパック電池が内部消費電流として消費する電流の積算値を正常内部消費容量として演算しているので、正常なパック電池は、実質内部消費容量が正常内部消費容量にほぼ等しくなる。しかしながら、異常なパック電池にあっては、実質内部消費容量が正常内部消費容量よりも大きくなるので、図３においても、正常内部消費容量と実質内部消費容量とを比較して、パック電池の内部消費電流異常を判定できる。

たとえば、電池の検出残容量が５％となるｔ２のタイミングにおいて、演算残容量が１０％、ｔ１からｔ２までの積算時間帯において積算される内部消費電流の積算値、すなわち正常内部消費容量が５％であれば、実質内部消費容量と正常内部消費容量が５％で等しくなり、パック電池の内部消費電流は正常と判定できる。しかしながら、演算残容量が３０％となると、実質内部消費容量が２５％となって、正常内部消費容量の５％に比較して相当に大きいことから、パック電池は内部消費電流異常と判定できる。

図２と図３において、異常判定は、積算時間帯が経過するｔ２のタイミングにおいて、実質内部消費容量と正常内部消費容量とを比較し、正常内部消費容量が、実質内部消費容量の０．９〜１．１倍の範囲にあると、パック電池の内部消費電流を正常と判定し、その範囲にないと内部消費電流異常と判定する。ここで、正常判定範囲を設定時間によらず固定値、例えば、正常内部消費容量−１０％から正常内部消費容量＋１０％とした場合は、正常内部消費容量が５％であれば、−５％〜１５％の範囲が正常範囲条件となり、実質内部消費容量が２５％であれば異常と判定できるが、設定時間が短く、例えば５分の１となった場合には、正常内部消費容量が１％程度、実質内部消費容量が５％程度となり、正常範囲判定条件は−９％〜１１％となって、正常であると誤判定されてしまう。そのため、固定値では無く設定時間によって判定範囲が増減するように比率を採用している。さらに、この比率による判定範囲は、設定時間により最適な範囲に変化させることもできる。たとえば、この判定範囲は、設定時間が短くなると、正常と判定する範囲を狭くし、設定時間が長くなると、正常と判定する範囲を広くすることもできる。

異常判定回路が、パック電池の内部消費電流異常の判定をするフローチャートを図４に示す。
［ｎ＝１のステップ］
電池電圧を検出して、電池の電圧が設定電圧にあることを検出すると、検出残容量と演算残容量を設定電圧で特定される残容量に設定する。電池の設定電圧は、最高電圧の４．２Ｖとなる状態で電池の残容量を１００％とし、最低電圧の３Ｖとなる状態で残容量を５％とする。さらに、電池が設定電圧となる状態において、検出残容量と演算残容量を等しくする。図２と図３においては、ｔ１のタイミングで電池電圧が最高電圧になるので、検出残容量と演算残容量を１００％としている。したがって、図示しないが、電池電圧が最低電圧になる場合は、検出残容量と演算残容量を５％とする。
さらに、このステップで、内部消費電流の積算値を０にリセットする。
［ｎ＝２のステップ］
充放電電流の積算を開始して、演算残容量を検出する。演算残容量は、演算を開始するときの残容量に、充電電流の積算値を加算し、放電電流の積算値を減算して演算残容量を演算する。
［ｎ＝３のステップ］
内部消費電流の積算値を演算する。パック電池の内部消費電流は、あらかじめ設定されているが、この内部消費電流は、電池電圧と温度により変化するので、電圧と温度を考慮して時間で積算して演算する。電圧と温度による内部消費電流は、異常判定回路のメモリのテーブルに記憶され、あるいは電圧と温度の関数として記憶している。
［ｎ＝４のステップ］
設定時間が経過するまで、ｎ＝２〜４のステップをループする。
［ｎ＝５のステップ］
設定時間が経過すると、電池の電圧が設定電圧になったかどうかを検出する。電池電圧が設定電圧の最高電圧や最低電圧になるまで、ｎ＝２〜５のステップをループする。図２はｔ２のタイミングで電池の電圧が最高電圧となり、図３はｔ２のタイミングに最低電圧になり、次のステップに進む。
［ｎ＝６のステップ］
積算している内部消費電流の積算値が設定値になったかどうかを判定し、この積算値が設定値になるまで、ｎ＝２〜６のステップをループする。
このステップで内部消費電流の積算値が設定値よりも大きいときに、次のステップに進む方法、すなわち内部消費電流の積算値が設定値よりも大きいときにかぎって、内部消費電流異常を判定する方法は、より正確に異常判定をできる。ただ、本発明の異常判定方法は、必ずしもこのステップを必要としない。積算時間帯を過ぎた長い時間帯で内部消費電流を演算して、内部消費電流の積算値を大きくできるからである。
［ｎ＝７のステップ］
演算残容量と検出残容量から実質内部消費容量を演算する。実質内部消費容量は、演算残容量と検出残容量の差で演算される。
［ｎ＝８のステップ］
演算された実質内部消費容量と、内部消費電流の積算値である正常内部消費容量とを比較する。図は、実質内部消費容量の０．９倍〜１．１倍の範囲に正常内部消費容量があると、内部消費電流を正常と判定して、この範囲にないと異常と判定している。ただし、この範囲は、前述のように、設定時間により最適な範囲に変更することもできる。正常内部消費容量が設定範囲内にあると、ｎ＝１のステップに戻る。
［ｎ＝９、１０のステップ］
正常内部消費容量が実質内部消費容量の設定範囲にないと、内部消費電流異常と判定し、異常処理を示す信号を、パック電池をセットしている機器に出力して、異常処理する。

本発明の一実施例にかかる内部消費電流異常の検出方法に使用するパック電池のブロック図である。 充放電されるパック電池の電圧が変化する一例を示す図である。 充放電されるパック電池の電圧が変化する他の一例を示す図である。 パック電池の内部消費電流異常を判定するフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…回路基板
３…保護回路
４…異常判定回路
５…負荷

Claims (5)

1. あらかじめ設定されている設定時間よりも長く、かつ電池の電圧が設定電圧もしくは満充電になるまでの積算時間帯における電池の充放電電流を積算して電池の演算残容量を演算する残容量演算工程と、
   この残容量演算工程の積算時間帯における電池の内部消費電流を積算する内部消費電流積算工程と、
   電池の電圧が設定電圧になることを検出して、検出された電池電圧から電池の満充電を含む検出残容量を判定する残容量判定工程と、
   電池の検出残容量と演算残容量の容量差を、積算された電池の内部消費電流積算値に比較し、内部消費電流異常を判定する異常判定工程とからなるパック電池の内部消費電流異常の検出方法。
2. 内部消費電流積算工程で積算される内部消費電流積算値を設定値に比較し、内部消費電流積算値が設定値よりも大きい状態において、異常判定工程において内部消費電流異常を判定する請求項１に記載されるパック電池の内部消費電流異常の検出方法。
3. 残容量判定工程において、検出残容量を判定する設定電圧を、電池の最高電圧と最低電圧に設定している請求項１に記載されるパック電池の内部消費電流異常の検出方法。
4. 電池がリチウムイオン二次電池で、設定電圧の最高電圧を４.１Ｖ〜４.３Ｖに設定して、最低電圧を２.８Ｖ〜３.８Ｖに設定している請求項３に記載されるパック電池の内部消費電流異常の検出方法。
5. 設定時間を５日以上であって１００日以下に設定している請求項１に記載されるパック電池の内部消費電流異常の検出方法。

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