JP2010164510A - 組電池の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池のより的確な異常検出を可能にする、組電池の異常検出装置を提供する。
【解決手段】制御装置１６は、組電池１０中の複数の電池ブロックのうち、隣り合う２つのブロックの電圧差が所定値より大きいことを検出し、かつ、電池監視ユニット１２から、複数の電池ブロックに含まれるセルのいずれかが過放電状態であることを示す信号Ｓｄを受けた場合に、組電池が異常であると判定する。制御装置１６は、組電池が異常であると判定した判定回数を計数し、その判定回数の計数値が所定値に達した場合に、組電池が異常であると確定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池の異常検出装置に関し、特に、複数の電池ブロックにより構成された組電池において、複数の電池ブロックのいずれかに異常が生じたことを検出する技術に関する。

ハイブリッド自動車をはじめとして、二次電池から負荷へ電力を供給する電源システムが多く用いられている。このような電源システムでは、複数の電池ブロックを備える組電池が用いられる。また上記電源システムでは、一般に組電池の的確な異常検出が求められる。

たとえば特開２００７−２０５８５３号公報（特許文献１）では、互いに異なる２つのブロックの両端電圧値の差が所定値以上である場合に、車載バッテリが異常であると判定する、車載バッテリの異常検出方法が開示されている。

特開２００７−２０５８５３号公報 特開２００６−２６２６３４号公報 特開２００５−１０８５４３号公報 特開２０００−１４０２９号公報

しかしながら、組電池が正常か否かをより的確に検出するためには、上記のように、一種類の情報（上記の技術においては電圧値）のみに基づいて異常を検出するよりも、異なる複数の種類の情報を組み合わせて異常を検出することが好ましい。

本発明の目的は、組電池のより的確な異常検出を可能にする、組電池の異常検出装置を提供することである。

本発明は要約すれば、組電池の異常検出装置である。組電池は、各々が直列接続された所定数のセルを有する複数の電池ブロックを含む。複数の電池ブロックは、任意の１つのブロックに対して、少なくとも１つの他のブロックが隣りあうよう配置される。異常検出装置は、複数の電池ブロックのうち隣り合う２つのブロックの電圧差が、所定値より大きいことを検出する電圧差検出部と、各複数の電池ブロックに含まれる所定数のセルのいずれかが過放電状態であることを検出する過放電検出部と、過放電検出部により過放電状態が検出され、かつ電圧差検出部により電圧差が所定値よりも大きいことが検出された場合に、組電池が異常であると判定する異常判定部と、異常判定部により組電池が異常であると判定された判定回数を計数する計数部と、計数部による判定回数の計数値が所定値に達した場合に、組電池が異常であると確定する異常確定部とを備える。

本発明によれば、組電池の異常をより的確に検出することができる。

本発明の実施の形態に係る組電池の異常検出装置の検出対象となる組電池の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る組電池の異常検出装置の構成および、その異常検出装置を備える電気システムの構成を示す概略ブロック図である。 電池監視ユニット１２の一構成例を示す図である。 制御装置１６の機能ブロック図である。 電池ブロックＢ０とＢ１との電圧差を示す模式図である。 制御装置１６による組電池１０の異常検出処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る組電池の異常検出装置の検出対象となる組電池の構成を説明する図である。図１を参照して、組電池１０は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池からなる。組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の電池ブロックにより構成される。複数の電池ブロックの各々は、電気的に直列に接続された複数の電池セルＣＬを含む。

なお、電池ブロックの個数は２以上であれば特定の数に限定されないが、図１では便宜上、８つの電池ブロックＢ０〜Ｂ７を示す。同様に、各電池ブロック中の電池セルの個数も特に限定されないが、図１では、直列接続された７個の電池セルＣＬを示す。

電池ブロックＢ０〜Ｂ７の任意の１つのブロックは、少なくとも１つの他のブロックと隣り合うように配列される。図１においては、電池ブロックＢ０〜Ｂ７は一方向（水平方向とする）に配列されているので、任意の１つのブロック（たとえば電池ブロックＢ０）は、少なくとも１つの他のブロック（電池ブロックＢ１）と隣り合うように配列される。ただし、任意の１つのブロックが少なくとも１つの他のブロックと隣り合うのであれば、複数の電池ブロックを上下方向に重ねて配置してもよいし、水平および上下方向の両方向に配置してもよい。

なお、以後においても組電池に含まれる電池ブロックの個数を８個として本実施の形態を説明するが、電池ブロックの個数は２以上であれば特定の数に限定されないことを繰返して記載する。

図２は、本発明の実施の形態に係る組電池の異常検出装置の構成および、その異常検出装置を備える電気システムの構成を示す概略ブロック図である。図２を参照して、この電気システムは、たとえばハイブリッド自動車に搭載される。ハイブリッド自動車１００は、組電池１０と、電池監視ユニット１２と、制御装置１６と、負荷１８とを備える。本実施の形態に係る組電池の異常検出装置は、電池監視ユニット１２および制御装置１６を含む。

組電池１０は、直流電力を負荷１８に供給する。また組電池１０は負荷１８から供給される直流電力によって充電される。

負荷１８は、モータおよびモータを駆動するインバータ（いずれも図示せず）とを含む。このモータは、たとえば車輪を駆動したり、車輪の駆動力により交流電力を生成したりする。なお、上記モータをハイブリッド車両に搭載されるエンジンの始動および／または組電池１０の充電のために発電するモータとして用いてもよい。インバータは組電池１０からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給したり、モータにより生成された交流電力を直流電力に変換して組電池に供給したりする。上記したモータおよびインバータは制御装置１６により制御される。

電池監視ユニット１２は、電池ブロックＢ０〜Ｂ７（図１参照）にそれぞれ対応して設けられて、対応する電池ブロックの電圧を検出する電圧センサを含む。電池監視ユニット１２は、電池ブロックＢ０〜Ｂ７の電圧値をそれぞれ示す電圧値Ｖ０〜Ｖ７を、制御装置１６に出力する。

電池監視ユニット１２は、さらに電池ブロックＢ０〜Ｂ７のいずれかに含まれる電池セルが過充電状態であることを検出する。この場合、電池監視ユニット１２は、過充電信号Ｓｃを制御装置１６に出力する。電池監視ユニット１２は、さらに電池ブロックＢ０〜Ｂ７のいずれかに含まれる電池セルが過放電状態であることを検出する。この場合、電池監視ユニット１２は、過放電信号Ｓｄを制御装置１６に出力する。

なお、電池監視ユニット１２は、さらに電池ブロックＢ０〜Ｂ７の各々の温度、組電池１０に入出力される電流を検出する。制御装置１６は、電池監視ユニット１２から組電池１０の各ブロックの電圧値（組電池１０全体の電圧でもよい）、電池電流、ならびに電池温度を受けて組電池１０のＳＯＣ（充電状態：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する。ＳＯＣの算出方法については、組電池１０のＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）とＳＯＣとの相関関係を用いる方法や、組電池１０の充放電電流量を積算する方法などの公知の手法によって算出可能であるので、ここでは詳細な説明を繰返さない。算出されたＳＯＣは、たとえば負荷１８の駆動に伴う組電池１０の充放電に用いられる。たとえば制御装置１６は、組電池１０の充放電によってＳＯＣが目標値（たとえば５０％）を挟む所定の範囲内で推移するように負荷１８を制御する。

さらに制御装置１６は、電池監視ユニット１２から出力される電圧値および、過放電信号Ｓｄに基づいて、組電池１０に含まれる複数の電池ブロックＢ０〜Ｂ７のいずれかにおける異常の有無を検出する。制御装置１６による異常の検出方法は、後に詳細に説明する。

図３は、電池監視ユニット１２の一構成例を示す図である。図３を参照して、電池監視ユニット１２は、充放電状態監視部１３および電圧検出部１４を含む。充放電状態監視部１３は、電池ブロックＢ０〜Ｂ７のそれぞれに対応して設けられる過充電／過放電検出部７５０〜７５７と、過充電／過放電検出部７５０〜７５７の出力に基づいて、過充電信号Ｓｃあるいは過放電信号Ｓｄを生成して出力する信号生成回路７６とを含む。

過充電／過放電検出部７５０は複数の電池セルＣＬに対応してそれぞれ設けられる複数の状態判定部７８を含む。状態判定部７８は、対応する電池セルＣＬの電圧値を検出する電圧センサとしての機能を有する。さらに、状態判定部７８は、電池セルＣＬの電圧値が所定の上限値を上回る場合には、その電池セルが過充電状態であることを示すフラグをオンする。状態判定部７８は、対応する電池セルＣＬの電圧値が所定の下限値を上回る場合には、その電池セルが過放電状態であることを示すフラグをオンする。なお、過充電／過放電検出部７５１〜７５７は過充電／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返さない。

信号生成回路７６は、過充電／過放電検出部７５０〜７５７の各々に含まれる複数の状態判定部７８のいずれかが、電池セルの過充電状態であることを示すフラグをオンした場合には、過充電信号Ｓｃを出力する。同様に、信号生成回路７６は、過充電／過放電検出部７５０〜７５７の各々に含まれる複数の状態判定部７８のいずれかが、電池セルの過放電状態であることを示すフラグをオンした場合には、過放電信号Ｓｄを出力する。過充電信号Ｓｃあるいは過放電信号Ｓｄは、対応するフラグがオンしている間、継続的に出力される。

電圧検出部１４は、電池ブロックＢ０〜Ｂ７にそれぞれ対応して設けられて、対応する電池ブロックの電圧を検知する電圧センサ７１０〜７１７を含む。電圧センサ７１０〜７１７は電圧値Ｖ０〜Ｖ７をそれぞれ出力する。

図４は、制御装置１６の機能ブロック図である。なお、図４は、制御装置１６において、組電池１０の異常検出に関する構成を示したものである。また、図４に示した構成は、ハードウェアあるいはソフトウェアのいずれによっても実現可能である。

図４を参照して、制御装置１６は、電圧差検出部２１と、異常判定部２２と、計数部２３と、異常確定部２４とを備える。

電圧差検出部２１は、電圧値Ｖ０〜Ｖ７に基づいて、電池ブロックＢ０〜Ｂ７のうちの隣り合う２つのブロックの電圧差が所定値以上であることを検出する。その検出結果は、異常判定部２２に送られる。

異常判定部２２は、電池監視ユニット１２（充放電状態監視部１３）からの過放電信号Ｓｄを受ける。異常判定部２２は、過放電信号Ｓｄとともに電圧差検出部２１の検出結果を受けた場合に、組電池１０が異常であると判定する。なお、異常判定部２２は、たとえば一定の周期ごとに、この判定処理を繰返して実行する。

計数部２３は、異常判定部２２により組電池１０が異常であると判定された判定回数を計数（カウント）する。その計数結果は異常確定部２４に送られる。

異常確定部２４は、計数部２３による判定回数の計数値が所定値（複数であれば特に限定されないが、たとえば３回）に達した場合に、組電池１０が異常であると確定する。

続いて、電圧差検出部２１による電圧差の検出方法について説明する。たとえば、電池ブロックＢ０とＢ１との電圧差、電池ブロックＢ２とＢ３との電圧差、電池ブロックＢ４とＢ５との電圧差、電池ブロックＢ６とＢ７との電圧差が、組電池１０の異常検出に用いられる。以下では、代表的に電池ブロックＢ０とＢ１との電圧差が所定値以上であることを検出する方法について説明する。

図５は、電池ブロックＢ０とＢ１との電圧差を示す模式図である。図５を参照して、電池ブロックＢ０の正常セル電圧をａ［Ｖ］とし、電池ブロックＢ１の正常セル電圧をｂ［Ｖ］とし、電池ブロックＢ０，Ｂ１間の正常セル電圧の差をα［Ｖ］とする。なお、正常セル電圧は、同一ブロック内の正常セルについてすべて同じであるとする。電圧差αは以下の式（１）に従って表わされる。

α＝ａ−ｂ ・・・（１）
ここで、図５に示すように電池ブロックＢ１中に、電圧が正常セル電圧よりも低い異常セルが１つ存在するとする。異常セルの電圧はｘ［Ｖ］である。

電池ブロックＢ０の電圧Ｖ０は、以下の式（２）に従って表わされる。
Ｖ０＝７×ａ ・・・（２）
一方、電池ブロックＢ１の電圧Ｖ１は、以下の式（３）に従って表わされる。

Ｖ１＝６×ｂ＋ｘ ・・・（３）
電圧Ｖ１は、式（１）から式（３）により、電圧Ｖ０を用いて表わすことができる（式（４））。

Ｖ１＝６×（ａ−α）＋ｘ＝６×（Ｖ０／７−α）＋ｘ＝（６／７）Ｖ０−６α＋ｘ ・・・（４）
ここまでの説明では、電池ブロックＢ０，Ｂ１間の正常セル電圧の差は一定であるとした。しかしながら実際には、同一の電池ブロックに含まれる正常セルの電圧が、ばらつくことが多い。その理由としては、たとえば電池セルの内部抵抗のばらつき、電池セルの容量の差、セル電圧の検出誤差などが挙げられる。したがって、電池ブロックＢ０，Ｂ１間の正常セル電圧の差は必ずしもαとはならない。

本実施の形態では、上記（４）式において、６α＝βとする。すなわち、電池ブロックＢ０，Ｂ１間での正常セルの電圧差の積算値をβとする。積算値βは、たとえば電池ブロックＢ０に対応して設けられた過充電／過放電検出部７５０に含まれる複数の状態判定部７８の検出結果（セル電圧値）、および電池ブロックＢ０に対応して設けられた過充電／過放電検出部７５１に含まれる複数の状態判定部７８の検出結果（セル電圧値）を用いて算出される。

上記式（４）において６α＝βとすると、式（４）は以下の式（５）のように表わされる。

Ｖ１＝（６／７）Ｖ０−β＋ｘ ・・・（５）
この状態は、隣り合う電池ブロックＢ０，Ｂ１の電圧差が所定値であることに対応する。本実施の形態では、以下の式（６）を、電圧差の判定式として用いる。すなわち、以下の式（６）に示した条件が満たされる場合に、電圧差検出部２１は、隣り合う電池ブロックＢ０，Ｂ１の電圧差が所定値よりも大きいことを検出する。

Ｖ１＜（６／７）Ｖ０〜β＋ｘ ・・・（６）
たとえば上記式（５）に示した積算値βがより大きくなった場合（たとえば、電池ブロックＢ１に含まれる正常セルの１つが異常セルとなったために、そのセルの電圧が低下する場合）、式（６）の条件が満たされる。また、たとえば上記式（５）に示した電圧ｘがより小さくなった場合（たとえば、セルの異常が進んだ場合）に式（６）の条件が満たされる。

式（６）をより一般化して、隣あう電池ブロックの電圧をＶＢ，ＶＡとすると、式（６）の条件は以下の式（７）および式（８）のように示される。

ＶＢ＜（セル数−１）×ＶＡ−β＋ｘ ・・・（７）
β＝（セル数−１）×α ・・・（８）
なお、上記の説明においては、隣り合う２つの電池ブロックとして、電池ブロックＢ０，Ｂ１を示した。ただし電池ブロックＢ１と電池ブロックＢ２との電圧差を組電池１０の異常検出に用いてもよい。電池ブロックＢ１のように、自身の両側に他の電池ブロックが配列されている場合には、隣り合う２つの電池ブロックの組み合わせは限定されない。

図６は、制御装置１６による組電池１０の異常検出処理を説明するフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、たとえば一定の条件の成立時、あるいは、一定の周期ごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図６を参照して、ステップＳ１において、制御装置１６は、隣り合う２つの電池ブロックの一方の電圧差を算出する。具体的には、電圧差検出部２１は、上記式（５）、電圧値Ｖ０，Ｖ１、積算値βおよび電圧ｘに基づいて、電圧値Ｖ１を算出する。

ステップＳ２において、制御装置１６は、過放電信号Ｓｄが充放電状態監視部１３から出力され、かつ、２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上であるという条件が満たされるか否かを判定する。

充放電状態監視部１３は、各電池ブロックＢ０〜Ｂ１に含まれる複数の電池セルＣＬのいずれかが過放電状態である場合に、過放電信号Ｓｄを出力する。制御装置１６（異常判定部２２）は過放電信号Ｓｄを受けることにより、各電池ブロックＢ０〜Ｂ１に含まれる複数の電池セルＣＬのいずれかが過放電状態であると判定する。さらに、制御装置１６（電圧差検出部２１）は、上記の式（６）に示した条件が満たされる場合に、２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上であると判定する。

過放電信号Ｓｄが出力されていない、または、２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上でない場合（ステップＳ２においてＮＯ）、処理はステップＳ１に戻される。したがって、この場合、電池ブロックＢ０，Ｂ１と異なる、隣り合う２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上であることを検出するための処理が実行される。たとえば電池ブロックＢ２，Ｂ３の電圧差が所定値以上であることを検出するために、電圧値Ｖ３の算出が実行される。この場合、電圧値Ｖ３は、上記式（５）において、電圧値Ｖ０，Ｖ１をＶ２，Ｖ３にそれぞれ置き換えることによって算出できる。

一方、過放電信号Ｓｄが出力され、かつ、２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上である場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、制御装置１６（計数部２３）は、ステップＳ３において、計数値を＋１増加させる。そして、ステップＳ４において、制御装置１６（異常確定部２４）は、計数値（判定回数）が所定値（所定回数）以上であるか否かを判定する。判定回数が所定回数以上であると判定された場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、ステップＳ５において、制御装置１６（異常確定部２４）は、組電池１０の異常を確定する。一方、判定回数が所定回数未満であると判定された場合（ステップＳ４においてＮＯ）、ステップＳ６において、制御装置１６（異常確定部２４）は、組電池１０の異常を確定しない。ステップＳ５またはＳ６の処理が終了すると、全体の処理が終了する。

隣り合う２つの電池ブロックからなる複数の電池ブロックの対がすべて正常である場合（電圧差が所定値未満である場合）、ステップＳ１，Ｓ２の処理が繰り返し実行される。また、複数の電池ブロックの対のいずれかにおいて電圧差が所定値未満であっても、過放電信号Ｓｄが出力されていない場合には、ステップＳ１，Ｓ２の処理が繰り返し実行される。

複数の電池ブロックの対のいずれかが異常であり、かつ、過放電信号Ｓｄが出力された場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、計数値が＋１増加する（ステップＳ３）。ただし、計数値（判定回数）が所定値（所定回数）に達するまでは、組電池が異常であると確定されない（ステップＳ６）。しかし、このような状態が継続された場合には、図６に示した処理（特にステップＳ２の判定処理）を繰り返し実行することによって、計数値が所定値以上となる。したがって、組電池が異常であると確定される（ステップＳ６）。

過放電によってセル電圧が閉路電圧（ＣＣＶ）の閾値を下回った場合には、たとえば電池の負極側から金属（たとえばＣｕ）が溶出することが起こる。溶出した金属が累積することによって微短絡異常が発生する可能性がある。しかしながら充放電状態監視部１３（過充電／過放電検出部７５０〜７５７のいずれか）が電池セルの過放電をすぐに検出できない可能性が考えられる。また、状態判定部７８による判定結果に誤りがあった場合、セル電圧が上記の閾値まで下がらなくても、充放電状態監視部１３から過放電信号Ｓｄが出力される可能性がある。よって、異常判定部２２が、過放電信号Ｓｄが出力されたことのみに基づいて組電池１０の異常を判定する場合（計数部２３の計数値を増やす場合）、組電池の異常が誤って判定される可能性がある。

本実施の形態では、過放電信号Ｓｄが出力され、かつ、２つの電池ブロックの電圧差が所定値以上である場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、異常判定部２２は、組電池１０が異常であると判定する。このように、本実施の形態では、２つの異なる情報に基づいて組電池１０の異常が検出されるので、組電池の異常をより的確に検出できる。

さらに、本実施の形態では、組電池１０が異常であると異常判定部２２が判定した回数（計数値）が所定回数（所定値）以上である場合に、組電池の異常が確定される。このように、異常が複数回にわたり判定されることにより、組電池の異常が確定されるので、異常検出の確実性を高めることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 組電池、１２ 電池監視ユニット、１３ 充放電状態監視部、１４ 電圧検出部、１６ 制御装置、１８ 負荷、２１ 電圧差検出部、２２ 異常判定部、２３ 計数部、２４ 異常確定部、７６ 信号生成回路、７８ 状態判定部、１００ ハイブリッド自動車、７１０〜７１７ 電圧センサ、７５０〜７５７ 過充電／過放電検出部、Ｂ０〜Ｂ７ 電池ブロック、Ｂ１〜Ｂ７ 電池ブロック、ＣＬ 電池セル。

Claims (1)

1. 組電池の異常検出装置であって、
   前記組電池は、各々が直列接続された所定数のセルを有する複数の電池ブロックを含み、
   前記複数の電池ブロックは、任意の１つのブロックに対して、少なくとも１つの他のブロックが隣りあうよう配置され、
   前記異常検出装置は、
   前記複数の電池ブロックのうち隣り合う２つのブロックの電圧差が、所定値より大きいことを検出する電圧差検出部と、
   各前記複数の電池ブロックに含まれる前記所定数のセルのいずれかが過放電状態であることを検出する過放電検出部と、
   前記過放電検出部により前記過放電状態が検出され、かつ前記電圧差検出部により前記電圧差が前記所定値よりも大きいことが検出された場合に、前記組電池が異常であると判定する異常判定部と、
   前記異常判定部により前記組電池が異常であると判定された判定回数を計数する計数部と、
   前記計数部による前記判定回数の計数値が所定値に達した場合に、前記組電池が異常であると確定する異常確定部とを備える、組電池の異常検出装置。

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