JP2010110033A - 蓄電体の異常判定装置、車両及び蓄電素子の異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン単電池からガスが発生したことを正確に判定できる異常判定装置を低コストで提供する。
【解決手段】複数のリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎを接続したバッテリＢと、これらのリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎのうちリチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧が過放電信号閾値以下に低下すると、異常信号を出力する異常検知部１３と、バッテリＢの放電動作中に異常検知部１３から異常信号が出力されると、バッテリＢの前記放電動作を充電動作に切り替えて、前記充電動作により前記端子電圧が上昇しなかった場合には、バッテリＢからガスが発生したものと判別する診断モードを実行するコントローラ１４と、を有することを特徴とするバッテリの異常判定装置。
【選択図】図４

Description

本発明を複数の蓄電素子を含む蓄電体の異常判定装置及び蓄電体の異常判定装置を搭載した車両に関するものである。

電気自動車、ハイブリッド自動車などの駆動用又は補助電源として、複数の二次電池を電気的に接続した組電池が知られている。この種の二次電池として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池が知られている。リチウムイオン電池は、正極体及び負極体を含む。正極体には、リチウム−遷移金属複合酸化物が含まれている。正極体及び負極体の間には有機溶媒からなる電解液を介在させている。

ここで、リチウムイオン電池が過度の充電及び放電を繰り返すと、正極体及び負極体の間にリチウムなどの金属（デポジット）が堆積する。このデポジットがさらに堆積すると、正極体及び負極体がデポジットを介して接続され、電池短絡が起こる。電池短絡が起こると、電解液に反応して、ガスが発生する場合がある。

特許文献１は、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続してセルグループを構成し、そのセルグループを複数直列に接続することで構成されている組電池について、放電時に、端子電圧が使用可能範囲として定められている下限電圧よりも低下すると異常を検知する異常検知手段を備えた異常判定装置を開示する。

特許文献２は、バッテリ充電制御装置について開示する。この制御装置では、所定時間ごとに、バッテリの充電電圧を所定値に制御して、バッテリを満充電にする。バッテリ内部に微短絡が発生していると、満充電になるはずの時間が経過しても、電流は所定値まで低下しない。したがって、充電電圧を所定値にしてから所定時間が経過した場合には、バッテリに劣化が生じたと判定する。また、微短絡が発生していると、残存要領の予測値が万充電時の容量を超えても、満充電の判定はされない。従って、バッテリの残存容量が所定値以上になった時は、バッテリが劣化したと判定する。

特許文献３は、二次電池の制御装置を開示する。この制御装置では、直列接続する複数のセルにより構成されるリチウムイオンバッテリの何れかのセルに過電圧が生じているか否かを検出するセル電圧検出回路が設けられている。
特開２００１−０２５１７３号公報 特開２００２−３４５１６４号公報 特開２００７−０１８８７１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、電池が発煙したかどうかを正確に検知することができない。すなわち、短絡には、蓄電素子の発煙に至る短絡（以下、通常短絡と略す）と、蓄電素子の発煙に至らない短絡（以下、微短絡と略す）とがあり、放電時において、通常短絡及び微短絡の双方において、蓄電素子の端子電圧が低下する。したがって、蓄電素子の端子電圧が下限値よりも低い電圧値に低下した場合であっても、発煙に至っていない場合がある。

ここで、別の観点として、短絡時に電池から発生するガスを検知するガス検出センサを設けて、このガス検出センサの検出結果に基づき、電池が発煙に至ったことを判定する方法も考えられる。

しかしながら、ガス検出センサを設けることにより、コストが増大する。さらに、二次電池から発生するガスには、水素、一酸化炭素、メタンガスなどの様々な成分が含まれており、これらのガス成分に応じて種類の異なる複数のガス検出センサを設ける必要があるため、コストの増大に拍車がかかる。

そこで、本願発明は、蓄電素子からガスが発生したことを正確に判定できる異常判定装置を低コストで提供することを目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本願発明の蓄電体の制御装置は、（１）複数の蓄電素子を接続した蓄電体と、これらの蓄電素子のうちいずれかの蓄電素子の端子電圧が閾値以下に低下すると、異常信号を出力する異常検知部と、前記蓄電体の放電動作中に前記異常検知部から異常信号が出力されると、前記蓄電体の前記放電動作を充電動作に切り替えて、前記充電動作により前記端子電圧が上昇しなかった場合には、前記蓄電体からガスが発生したものと判別する診断モードを実行する制御手段と、を有することを特徴とする蓄電体の異常判定装置。

（１）の構成において、制御手段は一つのコントローラで構成してもよいし、複数のコントローラで構成してもよい。例えば、診断モードにおいて充放電動作を切り替える処理と、ガスが発生したか否かを判別する判別処理とを別々のコントローラで行う構成であってもよい。また、ガスが発生したものと判別した場合には、発煙装置や警報装置などに制御手段から動作信号が出力される。したがって、この動作信号の出力を特定することにより、蓄電体からガスが発生したことを判別する判別処理が行われたことを特定することができる。

（２）（１）の構成において、前記診断モードにおいて、前記制御手段は、前記異常検知部から出力される信号が予め設定された設定時間内に停止しなかった場合には、前記蓄電体からガスが発生したものと判別することができる。

（２）の構成によれば、いわゆる微短絡の際に、蓄電素子の端子電圧が閾値に上昇するまでの時間的な余裕を確保することができる。

（３）（１）又は（２）の構成において、前記閾値は、前記蓄電素子の使用電圧とされる設計値よりも低い。

（４）（１）〜（３）の構成において、前記蓄電素子としてリチウムイオン電池を用いることができる。これにより、リチウムイオン電池の微短絡と通常短絡とを判別することができる。

（５）（１）〜（４）のうちいずれか一つに記載の蓄電体の異常判定装置と、前記蓄電体から発生したガスを車外に排煙するための排煙部と、を有し、前記制御手段は、前診断モードにおいてガスが発生したと判別した場合には、前記排煙部に対して排煙動作を指示する動作信号を出力することを特徴とする車両。

（５）の構成によれば、蓄電体からガスが発生したことを確実に検知し、さらに発生したガスを車外に排気することができる。

（６） 蓄電素子と、蓄電素子の端子電圧が閾値以下に低下すると、異常信号を出力する異常検知部と、前記蓄電素子の放電動作中に前記異常検知部から異常信号が出力されると、前記蓄電素子の前記放電動作を充電動作に切り替えて、前記充電動作により前記端子電圧が上昇しなかった場合には、前記蓄電素子からガスが発生したものと判別する診断モードを実行する制御手段と、を有することを特徴とする蓄電素子の異常判定装置。すなわち、（１）の構成は、蓄電素子が複数あることを前提条件としているが、本願発明は、蓄電素子が一つの構成であっても適用することができる。

本発明によれば、蓄電素子からガスが発生したことを正確に判定できる異常判定装置を低コストで提供することができる。

本発明者は、微短絡に至った蓄電素子を充電した場合には端子電圧が上昇し、通常短絡に至った蓄電素子を充電した場合には端子電圧が上昇しないことを発見した。

ここで、微短絡は、堆積したデボジットと正極体又は負極体との接触面積が小さく、蓄電素子の発煙に至らないような小さな短絡を意味している。微短絡が起こると、蓄電素子の内部抵抗が増大するため、放電時の電圧降下量が大きくなる。

また、通常短絡は、デポジットと正極体又は負極体との接触面積が大きく、電池の発煙に至るような短絡を意味している。

以下、上記知見に基づき、通常短絡及び微短絡のいずれに該当するかを判定可能な蓄電体の異常判定装置の構成について説明する。

本発明の異常判定装置は、車両に搭載することができる。車両には、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車などが含まれる。本実施例では、エンジン及びモータを走行用の動力源として兼用するハイブリッド自動車を例にして説明する。

図１は、ハイブリッド車両１のブロック図である。ハイブリッド車両１は、前輪２０Ｒ、２０Ｌと、後輪２２Ｒ、２２Ｌと、エンジン２と、プラネタリギヤ１６と、デファレンシャルギヤ１８と、ギヤ４、６と、コントローラ（制御手段）１４とを含む。

ハイブリッド車両１は、さらに、車両後方に配置されるバッテリ（蓄電体）Ｂと、バッテリＢの電圧、電流を監視する監視ユニット１０と、バッテリＢの出力する直流電力を昇圧する昇圧ユニット３２と、昇圧ユニット３２との間で直流電力を授受するインバータ３６と、プラネタリギヤ１６を介してエンジン２に連結され主として発電を行うモータジェネレータＭＧ１と、回転軸がプラネタリギヤ１６に接続されるモータジェネレータＭＧ２とを含む。インバータ３６は、モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２に接続され、交流電力と昇圧ユニット３２からの直流電力との変換を行う。

プラネタリギヤ１６は第１〜第３の回転軸を有し、それぞれエンジン２、モータジェネレータＭＧ１及びモータジェネレータＭＧ２に接続される。第３の回転軸にはギヤ４が取り付けられ、このギヤ４はギヤ６を駆動することによりデファレンシャルギヤ１８に動力を伝達する。デファレンシャルギヤ１８はギヤ６から受ける動力を前輪２０Ｒ、２０Ｌに伝達するとともに、ギヤ６、４を介して前輪２０Ｒ、２０Ｌの回転力をプラネタリギヤ１６の第３の回転軸に伝達する。

プラネタリギヤ１６は、エンジン２、モータジェネレータＭＧ１、モータジェネレータＭＧ２の間で動力を分割する。すなわち、プラネタリギヤ１６の３つの回転軸のうち２つの回転軸の回転が定まれば、残る１つの回転軸の回転は強制的に決定される。したがって、エンジン２を最も効率のよい領域で動作させつつ、モータジェネレータＭＧ１の発電量を制御してモータジェネレータＭＧ２を駆動させることにより車速の制御を行い、全体としてエネルギ効率のよい車両を実現している。なお、モータジェネレータＭＧ２の回転を減速してプラネタリギヤ１６に伝達する減速ギヤを設けても良く、その減速ギヤの減速比を変更可能にした減速ギヤを設けても良い。

バッテリＢは、直流電力を昇圧ユニット３２に供給するとともに、昇圧ユニット３２から供給される直流電力によって充電される。バッテリＢには、リチウムイオン電池を用いることができる。バッテリＢは、組電池であり、複数の電池ブロックＢ０〜Ｂｎを含む。これらの電池ブロックＢ０〜Ｂｎは直列に接続されている。

電池ブロックＢ０は、複数のリチウムイオン単電池（蓄電素子）ｂ０１〜ｂ０ｎを含む（図２参照）。他の電池ブロックも同様の構成である。なお、各電池ブロックＢ０〜Ｂｎに含まれるリチウムイオン単電池の個数は全て同じである。

監視ユニット１０は電圧検知部１１と、電流センサ１２と、異常検知部１３とを含む。電圧検知部１１は複数の電池ブロックＢ０〜Ｂｎのそれぞれの電圧Ｖ０〜Ｖｎ（ブロック電圧）を検知して、その検知結果をコントローラ１４に出力する。

リチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎは、過充電や過放電に弱く、定められた範囲で使用しないと材料が分解して著しく容量が低下したり、異常に発熱して使用できなくなるおそれがある。図３は、リチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎの使用電圧を模式的に示したものである。本実施例では、リチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎの使用電圧を２．０〜４．０Ｖに設定している。

また、リチウムイオン電池ｂ０１〜ｂ０ｎの過放電信号閾値は、使用電圧よりも低く設定されている。図３に図示するように、本実施例では、過放電信号閾値を０．８Ｖに設定している。異常検知部１３は、電池ブロックＢ０〜Ｂｎに含まれるリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎのいずれかの電圧値が過放電信号閾値よりも低くなると、フラグＦＬＧをオン状態にしてコントローラ１４に異常通知を行う。

昇圧ユニット３２はバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧してその昇圧された直流電圧をインバータ３６に供給する。インバータ３６は供給された直流電圧を交流電圧に変換してエンジン始動時にはモータジェネレータＭＧ１を駆動制御する。また、エンジン始動後には、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力はインバータ３６によって直流に変換され、昇圧ユニット３２によってバッテリＢの充電に適切な電圧に変換されてバッテリＢが充電される。

また、インバータ３６はモータジェネレータＭＧ２を駆動する。モータジェネレータＭＧ２はエンジン２を補助して前輪２０Ｒ、２０Ｌを駆動する。制動時には、モータジェネレータＭＧ２は回生運転を行い、車輪の回転エネルギを電気エネルギに変換する。得られた電気エネルギは、インバータ３６及び昇圧ユニット３２を経由してバッテリＢに戻される。昇圧ユニット３２とバッテリＢとの間には車両運転時にバッテリＢと昇圧ユニット３２とを接続するシステムメインリレー２８、３０が設けられる。車両非運転時にはシステムメインリレー２８、３０が非通電状態となり高電圧が遮断される。

コントローラ１４は、運転者の指示および車両に取り付けられた各種センサからの出力に応じてエンジン２、インバータ３６、昇圧ユニット３２およびシステムメインリレー２８、３０の制御を行うとともに、バッテリＢの充放電制御を行う。さらに、コントローラ１４は、バッテリＢの放電中に異常検知部１３から信号が出力された場合には、バッテリＢの診断モードを実行する。

診断モードでは、異常検知部１３から出力された信号が消えたか否かにより、バッテリＢの発煙状態を判定する。コントローラ１４は、発煙装置（発煙部）３５に接続されている。コントローラ１４は、診断モードにおいて、バッテリＢから発煙があったと判別した場合には、発煙装置３５に動作信号を出力する。発煙装置３５の発煙動作としては、エアコン用の空気を車外から導入したり、エアコンのブロアを駆動したり、車両のウィンドを開き方向に作動させたり、公知の方法を用いることができる。

図２は、異常判定装置と排煙装置のブロック図である。同図において、電圧検知部１１は複数の電圧センサ７１０〜７１ｎを含む。これらの電圧センサ７１０〜７１ｎはそれぞれ、電池ブロックＢ０〜Ｂｎのブロック電圧値を検出し、その結果をコントローラ１４に出力する。

電流センサ１２は、バッテリＢを流れる電流値を検出する。コントローラ１４は、電圧検知部１１により検出されたブロック電圧値Ｖ０〜Ｖｎ及び電流センサ１２から出力される電流値ＩＢ等に基づきバッテリＢの充放電状態（ＳＯＣ：state of charge）を制御する。

コントローラ１４にはカウンター１４ａが設けられており、このカウンター１４ａはバッテリＢの診断モードにおいて使用される。

異常検知部１３は、電池ブロックＢ０〜Ｂｎのそれぞれに対応して設けられる過放電検出部７５０〜７５ｎと、過放電検出部７５０〜７５０ｎの出力をＯＲ演算（論理和演算）するＯＲ回路７６とを含む。過放電検出部７５０は複数のリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎに対応してそれぞれ設けられる複数の異常判定部７８を含む。

各異常判定部７８は対応するリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎの電圧値が過放電信号閾値を下回る場合には、そのリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎが異常であることを示すために、出力の論理値を「０」から「１」に変化させる。過放電検出部７５０〜７５ｎは、過放電検出部７５０と同様の構成を有するので以後の説明は繰り返さない。

ＯＲ回路７６は、複数の異常判定部７８のいずれかの出力の論理値が「１」の場合、フラグＦＬＧをオン（フラグＦＬＧの論理値を「１」に設定）し、そうでない場合、すなわち、複数の異常判定部７８の出力の論理値がすべて「０」の場合にはフラグＦＬＧをオフ（フラグＦＬＧの論理値を「０」に設定）する。

異常検知部１３とコントローラ１４は、信号線４１（図１）を介して電気的及び機械的に接続されており、フラグＦＬＧがオンされると、その信号が信号線４１を介してコントローラ１４に出力される。

したがって、コントローラ１４は、電池ブロックＢ０〜Ｂｎに含まれるリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎのうちいずれかが過放電状態に至ったことを判別することができる。ただし、過放電状態に至ったリチウムイオン単電池を特定することはできない。また、各リチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎの電圧値を測定することもできない。

このように、異常検知部１３及びコントローラ１４を一本の配線で接続することにより、各異常判定部７８及びコントローラ１４を複数の配線で接続する構成よりもコストを削減することができる。また、電圧センサ７１０〜７１ｎを個々のリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂｎｎに設ける必要がないため、コストを削減することができる。

次に、図４及び図５を参照して、蓄電体の異常判定装置による判定動作について説明する。図４は、蓄電体の異常判定装置による判定方法を示したフローチャートである。図５は、判定時のセル電圧及び過放電信号の変化を模式的に示した模式図である。なお、図４のフローチャートは、コントローラ１４によって実行される。また、初期状態において、蓄電体は放電されているものとする。

ステップＳ１０１において、異常検知部１３のフラグＦＬＧがオンされたかどうかを判定する。ステップＳ１０１において、ＦＬＧフラグがオンされたと判定された場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、タイマー１４ａをスタートして、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、タイマー１４ａによるカウント時間がＴ１に達したか否かを判定する。カウント時間がＴ１に達した場合には、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、バッテリＢの充放電モードを放電動作から充電動作に切り替え、ステップＳ１０５に進む。このとき、図５に図示するように、リチウムイオン単電池（本実施例では、リチウムイオン単電池ｂ０１とする）が微短絡している場合には、リチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧は０Ｖ〜０．８Ｖであり、通常短絡した場合には、リチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧が０Ｖである。ただし、本実施例では、個々のリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎに対して電圧センサが設けられていないため、リチウムイオン電池ｂ０１の電圧値を測定することはできない。

ステップＳ１０５では、異常検知部１３のフラグＦＬＧがオフになったかどうかを判別する。ステップＳ１０５において、異常検知部１３のフラグＦＬＧがオフになったと判定された場合には、リチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧が上昇したため、微短絡と判定する（ステップＳ１０８）。この場合、図５に図示するように、リチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧は、下限電圧値である０．８Ｖよりも高い電圧に上昇している。

ステップＳ１０５において、異常検知部１３のフラグＦＬＧがオンのままであると判定された場合には、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、タイマー１４ａによるカウント時間がＴ２（設定時間）に達したか否かを判定する。カウント時間がＴ２に達していない場合には、ステップＳ１０５に戻る。

ステップＳ１０６において、タイマー１４ａによるカウント時間がＴ２に達したと判定された場合には、ステップＳ１０７に進み、通常短絡と判定する。この場合、図５に図示するように、リチウムイオン単電池ｂ０１の端子電圧は、０Ｖのままであり、電圧上昇がみられない。

このように、本実施例によれば、放電により端子電圧の降下したリチウムイオン電池ｂ０１を充電させ、この充電によって端子電圧が過放電信号閾値よりも高い値に上昇したか否かを判定するのみで、通常短絡及び微短絡のいずれに該当するかを確実に判別することができる。これにより、バッテリＢからガスが発生したことを確実に検知することができる。

また、電圧検出センサは、異常検知部１３を構成するコンパレータよりもコストが高いため、個々のリチウムイオン単電池ｂ０１〜ｂ０ｎに対応した電圧検出センサを不要とすることにより、コストを削減することができる。

（変形例）
上述の実施例では、蓄電素子としてリチウムイオン電池を使用したが、ニッケル水素電池などの他の二次電池、キャパシタを用いることもできる。また、蓄電素子は、いわゆる角型電池であってもよいし、円筒型の電池であってもよい。

また、上述の実施例では、正極体及び負極体の間にリチウム金属が析出する現象を例にして通常短絡及び微短絡を説明したが、他の理由で短絡した場合にも本願発明は適用することができる。

ハイブリッド車両のブロック図である。 異常判定装置と排煙装置のブロック図である。 リチウムイオン電池の使用電圧と下限電圧を模式的に示した模式図である。 診断モードのフローチャートである。 診断モードの際のセル電圧及び過放電信号の変化を模式的に示した模式図である。

符号の説明

１０ 監視ユニット
１１ 電圧検知部
１３ 異常検知部
１４ 制御部
７１０〜７１ｎ 電圧検出センサ
Ｂ バッテリ
Ｂ１〜Ｂｎ 電池ブロック
ｂ０１〜ｂｎｎ リチウムイオン単電池

Claims (6)

1. 複数の蓄電素子を接続した蓄電体と、
   これらの蓄電素子のうちいずれかの蓄電素子の端子電圧が閾値以下に低下すると、異常
   信号を出力する異常検知部と、
   前記蓄電体の放電動作中に前記異常検知部から異常信号が出力されると、前記蓄電体の前記放電動作を充電動作に切り替えて、前記充電動作により前記端子電圧が上昇しなか
   った場合には、前記蓄電体からガスが発生したものと判別する診断モードを実行する制御手段と、を有することを特徴とする蓄電体の異常判定装置。
2. 前記診断モードにおいて、前記制御手段は、前記異常検知部から出力される信号が
   予め設定された設定時間内に停止しなかった場合には、前記蓄電体からガスが発生したものと判別することを特徴とする請求項１に記載の蓄電体の異常判定装置。
3. 前記閾値は、前記蓄電素子の使用電圧とされる設計値よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電体の異常判定装置。
4. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の蓄電体の異常判定装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の蓄電体の異常判定装置と、
   前記蓄電体から発生したガスを車外に排煙するための排煙部と、を有し、
   前記制御手段は、前診断モードにおいてガスが発生したと判別した場合には、前記排煙部に対して排煙動作を指示する動作信号を出力することを特徴とする車両。
6. 蓄電素子と、
   蓄電素子の端子電圧が閾値以下に低下すると、異常信号を出力する異常検知部と、
   前記蓄電素子の放電動作中に前記異常検知部から異常信号が出力されると、前記蓄電素子の前記放電動作を充電動作に切り替えて、前記充電動作により前記端子電圧が上昇しなかった場合には、前記蓄電素子からガスが発生したものと判別する診断モードを実行する制御手段と、を有することを特徴とする蓄電素子の異常判定装置。
   

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