JP2010271267A - 電池監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル及び電圧測定回路の測定経路の異常を、コストの増加を抑えて検出可能にする。
【解決手段】電池セルを複数個接続して一つの電池モジュールを構成してなる二次電池において、電池セルの正極と負極とを短絡する短絡回路を開閉するスイッチを閉作動して電池セルの正極と負極とを短絡させた状態で電圧測定回路により測定した当該電池セルの第１の電圧Ｖ’と（ｓ20）、スイッチを開作動して短絡回路を遮断させた状態で電圧測定回路により測定した当該電池セルの第２の電圧Ｖ（ｓ10）との差に基づいて、電池モジュールの異常を判定する（ｓ30）。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池の監視装置に係り、詳しくは、電圧測定による二次電池の故障診断技術に関するものである。

電気自動車等に採用されている二次電池は、例えば複数のリチウムイオン電池（電池セル）を直列に重ねてモジュール化しており、この電池モジュールを車両に複数搭載している。このような二次電池では、電池セル毎に電圧を測定する電圧測定回路と、各電池セルの充電状態を均等化する電圧均衡化装置が広く備えられている。電圧均衡化装置は、電池セル毎に正極と負極とを短絡する短絡回路を備えており、電圧測定回路により測定した各電池セルの電圧に基づいて高い電圧の電池セルを短絡回路によって放電させ、低い電圧の電池セルに合わせるように制御する。更に、電圧測定回路における誤検出を防止するために、電池セルと短絡回路との間の断線の有無を検出する装置も開発されている（特許文献１）。

特開２００６−５０７８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される二次電池では、例え断線の有無は検出できたとしても、電池セル自体の異常、電池セルの端子の接触不良、回路異常等により回路内の抵抗が増加した場合には、正確な電圧測定が困難となる虞がある。そして、不正確な電圧測定結果を用いて電池セルの充放電制御を行ってしまうと、二次電池の劣化や破損を招き好ましくない。特に電圧測定の正確性が極めて大切なリチウムイオン二次電池については、断線だけでなく接触不良や回路異常等により正確な電圧測定ができない場合であっても、これらの異常を検出する必要がある。接触不良や回路異常等を検出するには、測定経路を２重にしたり、新たに検出回路を設けたりする方法が考えられるが、コスト増加や構造の複雑化を招くといった問題点がある。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、コスト増加を抑えた上で、測定経路の抵抗増加による電池セル電圧の誤測定を防止可能な電池監視装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１記載の電池監視装置は、電池セルを複数個接続して一つの電池モジュールを構成してなる二次電池において、電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、電池セルの正極と負極とを短絡する短絡回路と該短絡回路を開閉する開閉手段とを備え、電圧測定手段により測定した電池セルの電圧に基づいて開閉手段を開閉制御して電池セルを選択的に放電させ、複数の電池セルの電圧を均衡化する電圧均衡化手段と、開閉手段を閉作動して電池セルの正極と負極とを短絡させた状態で電圧測定手段により測定した当該電池セルの第１の電圧と、開閉手段を開作動して短絡回路を遮断させた状態で電圧測定手段により測定した当該電池セルの第２の電圧との差に基づいて、電池モジュールの異常を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の電池監視装置は、請求項１において、判定手段は、第１の電圧と第２の電圧との差が第１の所定値より大きい場合には異常であると判定することを特徴とする。
請求項３記載の電池監視装置は、請求項２において、判定手段は、更に、第１の電圧が第２の所定値より小さい場合は異常であると判定することを特徴とする。
請求項４記載の電池監視装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、判定手段は、隣り合う電池セルを異常であると判定した場合には、隣り合う電池セルに共通する経路で異常が発生していると特定することを特徴とする。

請求項１記載の電池監視装置によれば、第１の電圧と第２の電圧との差を求めることで、電池セル自体や電池セルの端子等の電圧測定手段の測定経路の抵抗値を推定することができる。したがって、新たに検出回路を設けたり測定経路を２重にしたりしてコスト増加を招くことなく、電池セルや電圧測定手段の測定経路の抵抗値の上昇を伴う電池モジュールの異常を判定することが可能となる。

請求項２記載の電池監視装置によれば、第１の電圧と第２の電圧との差が第１の所定値より大きい場合には、電池セル及び電圧測定回路の測定経路の抵抗値が所定以上に増加しているので、電池モジュールの異常を判定することができる。
請求項３記載の電池監視装置によれば、第１の電圧が第２の所定値より小さい場合には、電池セル及び電圧測定回路の測定経路の抵抗値が所定以上に増加しているので、電池モジュールの異常を判定することができる。

請求項４記載の電池監視装置によれば、判定手段において隣り合う電池セルを異常であると判定した場合は、隣り合う当該電池セルに共通する経路、すなわち一方の電池セルの負極と他方の電池セルの正極との接続点から電圧測定回路の測定経路間の抵抗値が所定以上に増加しているので、異常箇所を特定することができる。

本発明の電池監視装置の概略構成を示すシステム図である。 電池モジュールの構成を示す回路図である。 セルモニタユニットにおける故障診断要領を示すフローチャートである。 バランサ停止時のセルモニタユニット内の回路図である。 バランサ作動時のセルモニタユニット内の回路図である。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の電池監視装置の概略構成を示すシステム図である。
図１に示すように、電気自動車に備えられた駆動用バッテリ１は、電池モジュール２を複数個直列に接続して構成されている。１つのモジュール２は、複数のリチウムイオン二次電池の電池セル３を備えて構成されている。更に、電池モジュール２には、夫々充電状態を監視するセルモニタユニット（ＣＭＵ）４が備えられている。電池モジュール２を直列に接続する配線５には、バッテリ１全体の入出力電流を検出する電流センサ６が設けられている。

セルモニタユニット４は、バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）７に接続されている。バッテリマネジメントユニット７は、各セルモニタユニット４から各電池モジュール２の充電状態情報と、電流センサ６からバッテリ１の入出力電流値を入力し、車両統合制御コントローラ（ＥＣＵ）８にバッテリ情報を伝達する。さらにバッテリマネジメントユニット７は、各セルモニタユニット４にバランサ（電圧均衡化手段）の制御に用いる基準電圧を伝達する。

図２は、電池モジュール２の構成を示す回路図である。
各電池モジュール２は、複数の電池セル３を直列に接続して構成されている。各電池セル３の正極端子と負極端子とがセルモニタユニット４に接続されている。
セルモニタユニット４は、図示しないＣＰＵ及びメモリと、電圧測定回路（電圧測定手段）１０及びバランサ（電圧均衡化手段）１１とを備え、各電池セル３の充電状態の監視を行う。電圧測定回路１０は、当該電池モジュール２の電池セル３毎に正極端子及び負極端子と接続されており、各電池セル３の電圧を測定する機能を有する。電圧測定回路１０は、内部抵抗が大きく、電圧測定時には微少な電流しか消費しないように構成されている。

バランサ１１は、電池セル３毎に正極端子と負極端子とを短絡する短絡回路１２と、各短絡回路１２に介装されたスイッチ１３（開閉手段）及び抵抗１４とにより構成されている。セルモニタユニット４は、電圧測定回路１０により、各電池セル３の電圧を検出し、当該電池モジュール２の中で、基準電圧より電圧の高い電池セル３の正極端子と負極端子とを短絡する短絡回路１２に介装されたスイッチ１３をＯＮ制御することで、当該電池セル３を放電させて電圧を低下させる。抵抗１４は、スイッチ１３のＯＮ時に速やかに電池セル３が放電できるように適宜設定しておけばよい。これにより、バッテリ１の中で比較的高い電圧の電池セル３の電圧を低下させてバッテリ１内の全ての電池セル３の電圧を略一定にする。

更に、本実施形態では、セルモニタユニット４において、電圧測定回路１０と電池セル３とを接続する測定経路の断線、接触不良、回路異常、電池セル３自体の故障を検出する故障診断機能を有している（判定手段）。
図３は、セルモニタユニット４における故障診断要領を示すフローチャートである。
本ルーチンはキースイッチＯＮ時に各電池セル３について所定時間、例えば数msec毎に繰り返し行われる。

まず、ステップＳ１０では、スイッチ１３をＯＦＦ制御してバランサ１１の機能を停止させた状態で、電圧測定回路１０により電池セル３の電圧Ｖ（第２の電圧）を測定する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、スイッチ１３をＯＮ制御してバランサ１１を作動させた状態で、電圧測定回路１０により電池セル３の電圧Ｖ’（第１の電圧）を測定する。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ１０において測定した電池セル３の電圧ＶとステップＳ２０において測定した電池セル３の電圧Ｖ’との差を求める。そして、この電圧の差｜Ｖ−Ｖ’｜が第１の所定値Ｖ1以下であるか否かを判別する。第１の所定値Ｖ1は、正常時におけるバランサ１１作動時と非差動時とでの電池セル３の測定電圧の差の上限値をあらかじめ確認して設定すればよい。電圧の差｜Ｖ−Ｖ’｜が第１の所定値Ｖ1以下である場合は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、当該電池セル３を正常と判定する。そして、本ルーチンを終了する。
ステップＳ３０にて電圧の差｜Ｖ−Ｖ’｜が第１の所定値Ｖ1より大きいと判定した場合は、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、当該電池セル３を異常と判定する。そして、本ルーチンを終了する。

なお、上記ステップＳ１０及びステップＳ２０の実行順序を逆にしてもよい。また、ステップＳ２０にて行われるバランサ作動時の電圧測定を、ステップＳ１０にて行われるバランサ停止時の電圧測定と同じ頻度ではなく、例えばバランサ停止時の電圧測定１０回程度行う毎にバランサ作動時の電圧測定を１回行って故障判断を行ってもよい。
以上のように、本実施形態ではバランサ停止時の電池セル３の電圧Ｖとバランサ作動時の電池セル３の電圧Ｖ’との差を演算して、第１の所定値Ｖ1より大きい場合は異常であると判定する。この判定原理について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、バランサＯＦＦ時のセルモニタユニット４内の回路図である。図５は、バランサＯＮ時のセルモニタユニット４内の回路図である。
図３に示すフローチャートのステップＳ１０において、スイッチ１３がＯＦＦ制御されてバランサ１１の機能が停止したときには、図４に示すように、電圧測定回路１０にて測定される電圧Ｖは、電池セル３の真の電池電圧Ｅから、電圧測定回路１０の測定経路中の抵抗ｒ1及び電池セルの内部抵抗ｒ2による電圧降下分を差し引いた電圧である。そして、電圧測定時に電圧測定回路１０に流れる電流Ｉは微少であるので、例え計測経路中の接触不良や電池セル３の異常等により抵抗ｒ1及びｒ2が大きくなっていたとしても電圧降下量は微少なものであり、電圧Ｖは電池セル３の電池電圧Ｅと略変らない値となる。

一方、ステップＳ２０において、スイッチ１３がＯＮ制御されてバランサ１１が作動しているときには、図５に示すように、電池セル３から流れる電流Ｉ’は、電圧測定回路を流れる電流と、短絡回路１２を流れる電流とを加算した値となる。短絡回路１２を流れる電流は抵抗１４に応じた値となるが電圧測定回路１０に流れる電流より比較的大きくなるので、電池セル３から流れる電流Ｉ’もバランサ停止時に流れる電流Ｉに対して比較的大きな値となる。したがって、バランサ作動時における抵抗ｒ1及びｒ2による電圧降下量は、抵抗ｒ1及びｒ2に応じて比較的大きな値となり、このとき電圧測定回路１０において測定した電圧Ｖ’は抵抗ｒ1及びｒ2に応じて電池電圧Ｅ（≒Ｖ）との差が顕著に表われる。

したがって、バランサＯＦＦ時の電圧ＶとバランサＯＮ時の電圧Ｖ’との差は抵抗ｒ1及びｒ2に応じた値となる。このように、本実施形態では、電圧Ｖと電圧Ｖ’との差を求めることで抵抗ｒ1及びｒ2を推定しており、この差が第１の所定値Ｖ1より大きくなれば抵抗ｒ1及びｒ2が上昇していることが判定される。
特に、本実施形態では、抵抗ｒ1及びｒ2が推定できることから、電圧測定回路１０の測定経路の断線だけではなく、電池セル３の端子の接触不良等、測定経路中の接触不良や電池セル３自体の異常を判定することができる。このように既存のバランサ１１を用いることで、コスト増加に繋がる測定経路の２重化や検出回路の追加を行うことなく、測定経路の断線、接触不良あるいは電池セル３の異常を判定することが可能となる。

また、本実施形態では、異常判定時にスイッチ１３がＯＮとなり電流が消費されるので、常に電流消費されることがなく、特許文献１に開示された従来技術と比較して消費電流を抑制することができる。
また、特許文献１に開示された従来技術では、断線検出に用いる分圧抵抗を隣合う電池セルで異なる値のものを使用しているので、電池セルの残存容量のバラツキが発生する虞がある。これに対し、本実施形態では、断線検出用の分圧抵抗を必要とせず、短絡回路１２に介装される抵抗１４を各電池セル３で同じ抵抗値のものを使用することができるので、バランサ作動時の消費電流を統一させて、電池セル３の残存容量のバラツキの発生を抑制することができる。

なお、故障診断の実行時期に関しては、電池セル３の電圧を測定することから例えばモータ等の消費電流の大きな電気負荷２０が使用されておらずバッテリ１の負荷電流が十分小さいかもしくは安定しているときが望ましい。しかしながら、本実施形態において、バランサ作動時とバランサ停止時とで電圧測定時に電流センサ６により負荷電流を検出すれば、演算により負荷電流の変化を除くことで故障診断を可能にすることができる。また、負荷電流の変動時間に比べ、バランサ作動時の電圧測定とバランサ停止時の電圧測定との間隔が短い時間で実行すれば、負荷電流の変動の影響を受けずに故障診断が可能となり、容易に故障診断の機会を増加させることができる。

また、セルモニタユニット４において、更に、バランサ１１作動時に測定した電池セル３の電圧Ｖ’が第２の所定値Ｖ2より小さい場合は異常であると判定するとよい。第２の所定値Ｖ2は、略０に近い値に設定すればよい。このように更に異常判定することで、測定経路の断線や抵抗値の大幅な増加をより確実に検出することができる。
また、セルモニタユニット４において、上記電池セル３の故障診断により、隣り合う電池セル３がいずれも異常であると判定した場合には、隣り合う当該電池セル３に共通する測定経路、すなわち一方の電池セル３の負極と他方の電池セル３の正極との接続点から電圧測定回路１０の測定経路間の抵抗値が所定以上に増加していると判定することが可能となる。これにより、異常箇所を特定することができる。

なお、以上の実施形態では、電気自動車の駆動源であるバッテリ１に対して本発明を適用しているが、電気自動車のバッテリに限定するものではなく、電池セルの電圧を監視する装置を備えた二次電池に対して本発明を広く適用することができる。

１ バッテリ
２ 電池モジュール
３ 電池セル
４ セルモニタユニット
１０ 電圧測定回路
１１ バランサ

Claims (4)

1. 電池セルを複数個接続して一つの電池モジュールを構成してなる二次電池において、
   前記電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記電池セルの正極と負極とを短絡する短絡回路と該短絡回路を開閉する開閉手段とを備え、前記電圧測定手段により測定した前記電池セルの電圧に基づいて前記開閉手段を開閉制御して前記電池セルを選択的に放電させ、複数の電池セルの電圧を均衡化する電圧均衡化手段と、
   前記開閉手段を閉作動して前記電池セルの正極と負極とを短絡させた状態で前記電圧測定手段により測定した当該電池セルの第１の電圧と、前記開閉手段を開作動して前記短絡回路を遮断させた状態で前記電圧測定手段により測定した当該電池セルの第２の電圧との差に基づいて、前記電池モジュールの異常を判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする電池監視装置。
2. 前記判定手段は、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差が第１の所定値より大きい場合には異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載の電池監視装置。
3. 前記判定手段は、更に、前記第１の電圧が第２の所定値より小さい場合には異常であると判定することを特徴とする請求項２に記載の電池監視装置。
4. 前記判定手段は、隣り合う電池セルの両方を異常と判定した場合には、隣り合う電池セルに共通する経路が異常であると特定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池監視装置。

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