JP2011027608A - 組電池の状態監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】組電池10を構成する電池セルCijの電圧と閾値との比較のみによって電池セルCijの状態を監視すると、その監視精度が低いこと。
【解決手段】監視ユニットUiによって電池セルCi1〜Cimの電圧を検出するタイミングに同期して、制御装置30では、組電池10を流れる電流を検出する。検出された電流と、SOCから算出される電池セルCijの内部抵抗と、SOCから算出される開放端電圧とに基づき、電池セルCijの端子電圧を算出する(推定セル電圧を算出する)。制御装置30から推定セル電圧に応じた信号を監視ユニットUiに出力することで、監視ユニットUiでは、推定セル電圧に応じた閾値と電圧の検出値とを比較する。
【選択図】 図1
【解決手段】監視ユニットUiによって電池セルCi1〜Cimの電圧を検出するタイミングに同期して、制御装置30では、組電池10を流れる電流を検出する。検出された電流と、SOCから算出される電池セルCijの内部抵抗と、SOCから算出される開放端電圧とに基づき、電池セルCijの端子電圧を算出する(推定セル電圧を算出する)。制御装置30から推定セル電圧に応じた信号を監視ユニットUiに出力することで、監視ユニットUiでは、推定セル電圧に応じた閾値と電圧の検出値とを比較する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、複数の電池セルの直列接続体である組電池を備える高電圧システム内に備えられて且つ、該組電池の状態を監視する高電圧側監視手段と、該高電圧システムから絶縁された低電圧システム内に備えられて且つ、前記高電圧側監視手段との通信によって前記組電池の状態を監視する低電圧側監視手段とを備える組電池の状態監視装置に関する。
例えば車載主機として電動機を搭載する車両等においては、これに電力を供給するための高電圧バッテリとして、複数個の電池セルの直列接続体である組電池を用いることが周知である。ただし、各電池セルの温度ばらつきや電池セル自身の個体差等により、各電池セルの残存容量がばらつき、各電池セルの電圧にばらつきが生じることがある。ここで、電池セルとしてリチウム電池を用いる場合、残存容量が過度に大きくなる(過充電)ことにより劣化が促進される。
そこで従来、例えば下記特許文献1に見られるように、電池セルの電圧が閾値を超えたか否かを判断することで、電池セルの過充電異常の有無を判断することも提案されている。
ただし、上記の場合、過充電異常と判断される閾値よりも低い電圧である場合、電池セルは正常と判断される。すなわち、上記技術は、電池セルの異常の有無を、端子電圧が閾値よりも高いか低いかの2値的な状態に応じて判断することができるに過ぎない。このため、電池セルの状態を詳細に把握することはできない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電池セルの直列接続体である組電池を備える高電圧システム内に備えられる高電圧側監視手段と、該高電圧システムから絶縁された低電圧システム内に備えられる低電圧側監視手段とを備えるものにあって、組電池の状態をより詳細に把握することのできる組電池の状態監視装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項1記載の発明は、複数の電池セルの直列接続体である組電池を備える高電圧システム内に備えられて且つ、該組電池の状態を監視する高電圧側監視手段と、該高電圧システムから絶縁された低電圧システム内に備えられて且つ、前記高電圧側監視手段との通信によって前記組電池の状態を監視する低電圧側監視手段とを備える組電池の状態監視装置において、前記組電池を流れる電流を検出する電流検出手段を更に備え、前記低電圧側監視手段は、前記組電池を構成する1または隣接する複数個の電池セルである単位電池の充電状態に関する情報と前記電流検出手段によって検出された電流とに基づき前記単位電池の電圧を推定する推定手段と、前記推定される電圧に応じた信号を前記高電圧側監視手段に出力する推定電圧情報出力手段とを備え、前記高電圧側監視手段は、前記単位電池のそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による電圧の検出結果と前記推定された電圧との乖離度合い応じた信号を前記低電圧側監視手段に出力する信号出力手段と、を備えることを特徴とする。
上記推定電圧と検出される電圧との乖離度合いが大きい場合には、単位電池に異常があるものと考えられる。上記発明では、この点に鑑み、推定電圧情報に基づき、電圧の検出結果と推定される電圧との乖離度合いに応じた情報を生成する。そして、この情報に応じた信号を低電圧側監視手段に出力することで、低電圧側監視手段によって単位電池の異常の有無を高精度に判断することができる。すなわち、単位電池の充放電電流量に応じて単位電池の電圧が変動するため、単位電池の電圧と閾値との比較に基づく異常の有無の判断にはその精度に制約が生じやすいのに対し、単位電池と推定電圧との乖離度合いを利用することで異常の有無を高精度に判断することができる。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記推定手段による推定に用いられる電流の検出タイミングと前記電圧検出手段による電圧の検出タイミングとを同期させる同期手段を更に備えることを特徴とする。
単位電池の充放電電流量に応じて単位電池の電圧が変動するため、推定される電圧と検出される電圧との乖離度合いに基づき異常の有無を高精度に判断するためには、電圧の推定に用いた電流値を、推定電圧との比較対象となる電圧についての検出時における値に極力近似させることが要求される。これは、電圧推定に用いた電流の検出タイミングを、推定電圧との比較対象となる電圧についての検出タイミングに極力近似させることで実現することができる。上記発明では、この点に鑑み、同期手段を備えた。
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記組電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記推定手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と前記充電状態に関する情報とに基づき、前記単位電池の内部抵抗を算出する手段と、前記充電状態に関する情報に基づき前記単位電池の開放端電圧を算出する手段とを備え、前記電流検出手段によって検出された電流と前記算出された内部抵抗と前記開放端電圧とに基づき、前記単位電池の電圧を推定することを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記温度検出手段は、前記組電池のうちの互いに相違する複数の部分毎にそれぞれその温度を検出する手段を備え、
前記信号出力手段は、前記温度検出手段によって検出される前記各部分の温度の分布を加味して前記乖離度合いに応じた信号を出力することを特徴とする。
前記信号出力手段は、前記温度検出手段によって検出される前記各部分の温度の分布を加味して前記乖離度合いに応じた信号を出力することを特徴とする。
組電池の温度は、部分部分で相違し得る。一方、単位電池の内部抵抗は温度依存性を有する。このため、各単位電池の内部抵抗が温度ばらつきに応じてばらつき得る。上記発明では、この点に鑑み、電圧の検出結果と推定された電圧との乖離度合いに応じた信号の生成に際し、温度ばらつきに起因した内部抵抗のばらつきを反映させる。
請求項5記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明において、前記信号出力手段は、前記電圧検出手段の検出した電圧を保持する保持手段と、該保持手段の保持する電圧と前記推定電圧情報出力手段の出力信号に応じた閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果を前記低電圧側監視手段に出力する手段とを備えることを特徴とする。
なお、上記発明が請求項2記載の発明特定事項を有する場合、同期手段は、保持手段による保持タイミングを、上記電流の検出タイミングと同期させる手段とすればよい。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の発明において、前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧に応じたデジタルデータを出力するものであり、前記電圧検出手段は、検出対象となる単位電池の電圧値に応じたデジタルデータを生成するデジタルデータ生成手段を備えることを特徴とする。
上記発明では、推定される電圧と検出される電圧との乖離度合いの定量化処理を、デジタルデータを用いた演算処理として行うことができる。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記保持手段は、デジタルデータ生成手段によって生成されたデジタルデータを記憶する記憶手段であることを特徴とする。
上記発明の場合、電圧検出手段を、上記デジタルデータ生成手段とすることができる。
請求項8記載の発明は、請求項5記載の発明において、前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧に応じたデジタルデータを出力するものであり、前記信号出力手段は、前記デジタルデータをアナログ電圧値に変換して前記比較手段に入力する手段を更に備えることを特徴とする。
上記発明では、比較手段をアナログ回路等のアナログデータ処理手段とすることができる。
請求項9記載の発明は、請求項5〜8のいずれか1項に記載の発明において、前記信号出力手段は、前記推定電圧情報出力手段の出力信号に応じて前記閾値を生成する手段を更に備えることを特徴とする。
上記発明では、推定電圧情報出力手段が推定電圧の値を表現する信号を出力する場合であっても、これに応じて適切な閾値を設定することができる。
請求項10記載の発明は、請求項5〜8のいずれか1項に記載の発明において、前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧を表現する信号を出力するものであり、
前記比較手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記推定された電圧値との乖離度合いを3段階以上の多段階に定量化することを特徴とする。
前記比較手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記推定された電圧値との乖離度合いを3段階以上の多段階に定量化することを特徴とする。
上記発明では、乖離度合いを多段階で定量化した信号を低電圧側監視手段に出力することで、検出される電圧値についてのより詳細な情報を送信しつつも、検出された電圧値そのものを出力する場合と比較して送信データ量を低減することが可能となる。
請求項11記載の発明は、請求項5〜8のいずれか1項に記載の発明において、前記推定電圧情報出力手段の出力する信号は、前記推定手段によって推定された電圧値に応じた前記閾値を表現するものであることを特徴とする。
上記発明では、低電圧システムから出力される信号を用いることで、検出される電圧と推定される電圧との乖離度合いを簡易な処理にて特定することができる。
請求項12記載の発明は、請求項5〜11のいずれか1項に記載の発明において、前記信号出力手段は、前記推定電圧情報を記憶する手段を備え、前記推定電圧情報出力手段からの信号が受信されない場合、前記記憶された情報を用いて前記比較手段による比較処理を行うことを特徴とする。
上記発明では、何らかの要因で推定電圧情報出力手段からの信号が受信されない場合であっても、検出される電圧の異常の有無を判断することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる組電池の状態監視装置をハイブリッド車に搭載される状態監視装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
以下、本発明にかかる組電池の状態監視装置をハイブリッド車に搭載される状態監視装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図示される組電池10は、車載低電圧システムから絶縁された車載高電圧システムを構成するものである。組電池10は、車載主機としての回転電機に電力を供給するための2次電池である。詳しくは、組電池10は、電池セルCij(i=1〜n、j=1〜m)の直列接続体である。ここで、電池セルCijは、リチウムイオン2次電池である。
電池セルCijは、隣接する所定数(m)個ずつでグループ化され、ブロックを構成している。そして、これら各ブロック(電池セルCi1〜Cim)毎に、その状態を監視する監視ユニットUiが設けられている。
監視ユニットUiでは、マルチプレクサ12によって電池セルCi1〜Cimの電圧のいずれを、アナログ信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換器(A/D変換器14)に出力するかが選択される。A/D変換器14によって変換されたデジタルデータは、記憶部16に記憶される。一方、制御部20は、比較部18に閾値情報を出力し、これにより、比較部18では、記憶部16に記憶された電池セルCijの電圧と閾値とを比較し、その比較結果を制御部20に出力する。
監視ユニットUiは、隣接するもの同士が互いに通信線CLを介して接続されている。これは、低電圧システムを構成して且つ組電池10の状態を監視する制御装置30からの1の監視ユニットに出力された指令信号を全ての監視ユニットで共有するための構成である。すなわち、信号伝達の最上流の監視ユニット(ここでは、監視ユニットU1)に制御装置30から指令信号を出力することで、隣接する監視ユニットに順次指令信号が伝達され、最下流の監視ユニット(ここでは、監視ユニットUn)にいたる。
制御装置30は、離散的な数値にて表現されるデータであるデジタルデータを演算処理対象とするものである。制御装置30は、組電池10を流れる電流を検出する電流センサ50の検出値をA/D変換器32によってデジタルデータに変換する。また、制御装置30は、組電池10の温度を検出する温度センサ52の検出値をA/D変換器36によってデジタルデータに変換する。一方、SOC算出部34は、A/D変換器32から出力されるデジタル表記された電流値の積算演算に基づき、組電池10の充電状態の定量値を算出する。ここで、本実施形態では、組電池10の放電能力によって充電状態を定量化する。詳しくは、残存容量(SOC)にて定量化する。ここで、SOCは、満充電に対する現在の充電量の割合を定量化したものである。SOCは、通常「5時間率容量」や、「10時間率容量」等によって定量化される。
同期検出指令部38では、監視ユニットUiにおける電池セルCijの電圧の検出タイミングと、組電池10の電流検出タイミングとを同期させる。
出力信号生成部40では、上記同期検出指令部38によって電圧の検出タイミングに同期して検出された電流の検出値と、SOC算出部34によって算出されたSOCとに基づき、電池セルCijの電圧の推定値に関する情報(推定電圧情報)を算出し、最上流の監視ユニットU1に出力する。これにより、各監視ユニットUiに推定電圧情報が伝達される。そして、監視ユニットUiでは、推定電圧情報に応じた閾値と電池セルCijの電圧との大小比較結果に基づき、電池セルCijの異常の有無を判断する。
異常判断部42では、監視ユニットUiにおいて行われる上記異常の有無の判断結果を受信する。
なお、制御装置30と監視ユニットUiとは絶縁されているため、これらの間での信号の授受は、フォトカプラ等の絶縁素子を介して行われる。
以下、上記異常判断のための一連の処理について更に詳述する。
図2に、SOCの算出処理の手順を示す。この処理は、制御装置30によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、組電池10の充放電電流が規定電流以下である状態が所定時間継続しているか否かを判断する。この処理は、組電池10の端子電圧が開放端電圧とみなせるか否かを判断するためのものである。ここで、所定時間は、組電池10を流れる電流を検出するに際してノイズの影響を除去することができる時間に設定される。より望ましくは、この所定時間は、組電池10の端子電圧に対する分極の影響が無視できるまで減衰するのに要すると想定される時間に基づき設定される。そして、ステップS10において肯定判断される場合、組電池10の端子電圧を開放端電圧とみなせることに鑑み、ステップS12において監視ユニットU1〜Unによって検出される全電池セルC11〜Cnmの電圧を入力として、組電池10の電圧を算出する。続くステップS14では、ステップS12において算出された組電池10の電圧に基づき、SOCを算出する。詳しくは、開放端電圧(OCV)とSOCとの関係情報に基づきSOCを算出する。ここでは、ステップS10において肯定判断される場合、電池セルCijを流れる電流は小さいことに鑑み、その電圧は開放端電圧とみなしている。なお、上記関係情報は、マップというかたちで保存しておくことが望ましい。
一方、上記ステップS10において否定判断される場合、ステップS16において、組電池10を流れる電流Iを検出する。続くステップS18においては、電流Iの積算値Inを算出する。この積算値Inは、ステップS14においてSOCが算出された後最初にステップS18に移行した際には、ステップS16における電流Iを初期値とするものである。そして、ステップS20において、積算値Inに基づきSOCを算出する。ここでは、ステップS14において算出されたSOCを初期値とし、満充電容量に対する積算値Inの比率を加算した値をSOCとする。
なお、ステップS14,S20の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
図3に、制御装置30の行う電池セルCijの異常の有無の判断処理の手順を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS100において、電池セルCijの電圧の検出指令信号を監視ユニットUiに出力する。続くステップS110においては、組電池10を流れる電流を検出する。これにより、組電池10を流れる電流の検出タイミングに同期して、各監視ユニットUiにおいて、電池セルCi1〜Cimの電圧が検出されることとなる。続くステップS120では、後述する電池セルCijの電圧を推定する処理を行う。次に、ステップS130では、後述する推定電圧情報を生成する処理を行う。そして、ステップS140では、推定電圧情報と、この情報の生成に際して利用した電圧検出タイミングにおいて組電池10が充電中であったか放電中であったかの情報(充放電情報)とを、最上流の監視ユニットU1に出力する。続くステップS150では、各監視ユニットUiから、推定電圧情報に基づく電池セルCijの電圧の異常の有無の判定結果を受信する。そして、ステップS160においては、受信された判定結果に基づき、異常の有無の判断を行う。この処理は、低電圧システムにおいて、電池セルCijの異常の有無を認識する処理である。
なお、ステップS160の処理が完了する場合、この一連の処理を一旦終了する。
図4に、先の図3のステップS120の処理の詳細を示す。
この一連の処理では、まずステップS121において、電流Iの情報を取得する。続くステップS122では、組電池10の温度Tを検出する。ここでは、上記複数の温度センサ52のそれぞれによる温度Tを検出する。続くステップS123では、温度TとSOCとに基づき、内部抵抗Rを算出する。ここで、内部抵抗Rは、SOCが大きいほど小さく算出される。また、内部抵抗Rは、温度Tが高いほど小さく算出される。ちなみに、ここで温度Tは、温度センサ52によって検出される温度の複数の検出値の平均値とすればよい。
続くステップS124では、SOCに基づき、開放端電圧を算出する。これは、SOCと開放端電圧との関係情報に基づき算出することができる。この関係情報は、マップに加工されることが望ましい。続くステップS125では、先の図3のステップS110において検出された電流Iと、ステップS123において算出された内部抵抗Rと、ステップS124において算出された開放端電圧とに基づき、電池セルCijの端子電圧を推定する(推定セル電圧Vcを算出する)。ここでは、内部抵抗Rに電流Iを乗算したものに開放端電圧を加算することで推定セル電圧Vcを算出する。なお、ステップS125の処理が完了する場合、この一連の処理を一旦終了する。
図5に、先の図3のステップS130の処理の詳細を示す。
この一連の処理では、まずステップS131において、推定電圧情報によらず、電池セルCijの電圧が上限値および下限値の範囲内にあるか否かを判断する過充放電判定処理を実施する時期であるか否かを判断する。これは、例えば、規定時間毎に、過充放電判定処理を実行するための処理である。ステップS131において肯定判断される場合、ステップS132において、電池セルCijの電圧との比較対象とする閾値を、上限電圧と下限電圧とに設定する。
一方、上記ステップS131において否定判断される場合、ステップS133において、推定セル電圧Vcを取得する。続くステップS134においては、推定セル電圧Vcの絶対値が上限電圧と下限電圧との間にあるか否かを判断する。そして、ステップS134において否定判断される場合、ステップS132に移行する。一方、ステップS132において肯定判断される場合、ステップS135において、推定セル電圧Vcの算出に用いた電池セルCijの電圧の検出タイミングにおいて組電池10が充電中であったか放電中であったかの情報(電流情報)を取得する。続くステップS136においては、上記情報に基づき、充電中であったか否かを判断する。そして、充電中であった場合、ステップS137において、推定セル電圧Vcにマージン量αを加算することで、閾値を設定する。これに対し、ステップS136において否定判断される場合、ステップS138に移行する。ステップS138においては、推定セル電圧Vcからマージン量αを減算することで、閾値を設定する。なお、上記マージン量αは、温度センサ52によって検出される温度の複数の検出値のばらつき(温度ばらつきΔT)に応じて可変設定する。詳しくは、温度ばらつきΔTが大きいほど、マージン量αを大きく設定する。
上記ステップS132、S137,S138の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
図6に、監視ユニットUiによる電池セルCijの異常の有無の判断処理の手順を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS30において、先の図3のステップS100において出力される電圧検出指令信号を受信するまで待機する。続くステップS32においては、ブロック内の電池セルCi1〜Cimの全ての電圧を検出する。続くステップS34では、推定電圧情報と、充放電情報とを受信するまで待機する。そして、それらの情報を受信すると、ステップS36において、上記充放電情報に基づき、推定電圧情報の生成に用いた電池セルCijの電圧の検出時において組電池10が充電状態であったか否かを判断する。この処理は、充電時においては、電池セルCi1〜Cimの電圧が閾値よりも大きいか否かを判断して且つ、放電時においては、電池セルCi1〜Cimの電圧が閾値よりも小さいか否かを判断するためのものである。
そして、ステップS36において充電状態であったと判断される場合、ステップS38において、上記ステップS32において検出された電池セルCi1〜Cimの電圧の少なくとも1つが、推定電圧情報に基づく閾値よりも大きいか否かを判断する。すなわち、充電時においては、電池セルCi1〜Cimの内部抵抗による電圧降下によって電池セルCi1〜Cimの端子電圧は開放端電圧よりも大きくなるため、電池セルCi1〜Cimの電圧が異常に低くなる事態は生じにくいと考えられる。このため、充電時には、閾値よりも大きいか否かのみを判断する。そして、大きいと判断される場合、ステップS40において異常がある旨(論理「H」)の信号を出力する。これに対し、閾値以下と判断される場合、ステップS42において正常である旨(論理「L」)の信号を出力する。
一方、上記ステップ36において放電状態であったと判断される場合、ステップS44において、上記ステップS32において検出された電池セルCi1〜Cimの電圧の少なくとも1つが、推定電圧情報に基づく閾値よりも小さいか否かを判断する。すなわち、放電時においては、電池セルCi1〜Cimの内部抵抗による電圧降下によって電池セルCi1〜Cimの端子電圧は開放端電圧よりも小さくなるため、電池セルCi1〜Cimの電圧が異常に高くなる事態は生じにくいと考えられる。このため、放電時には、閾値よりも小さいか否かのみを判断する。そして、小さいと判断される場合、ステップS46において異常がある旨(論理「H」)の信号を出力する。これに対し、閾値以上と判断される場合、ステップS48において正常である旨(論理「L」)の信号を出力する。なお、各監視ユニットU2〜Unは、実際には、ステップS40、S42,S46,S48の処理によって定まる信号を出力するのではなく、この信号と、上流の監視ユニットUから出力される信号との論理合成信号(論理和信号)を出力する。これにより、制御装置30では、電池セルC11〜Cnmの電圧の少なくとも1つに、閾値から外れるものがあるか否かを、単一の信号によって判断することができる。
なお、上記ステップS40、S42,S46,S48の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)検出された電流IとSOCとに基づく推定電圧情報(推定セル電圧Vcから算出される閾値)を監視ユニットUiに出力し、監視ユニットUiでは、これに基づき電池セルCijが閾値に対して高いか低いかを判断した。これにより、電池セルCijの異常の有無を高精度に判断することができる。この異常の有無の判断精度は、先の図5のステップS131において肯定判断される場合になされる過充放電判定処理による異常の有無の判断精度よりも高いものとなる。すなわち、過充放電判定処理では、組電池10の充放電電流を参照することなく、電池セルCijの電圧値の異常の有無を判断する処理であるため、上限電圧を小さくすることができず、また下限電圧を大きくすることができない。そして、電池セルCijの電圧が上限電圧と下限電圧との間にある場合には、電池セルCijの異常を検出することができない。しかし、電池セルCijの異常としては、例えば内部抵抗Rが大きくなる異常等があり、組電池10の充放電電流が比較的小さい場合には、内部抵抗Rが過度に大きくなる異常が生じていたとしても、上記過充放電判定処理によって異常であるとは判断されないものとなる。これに対し、推定セル電圧Vcと検出される電圧との乖離度合いを利用することで異常の有無を高精度に判断することができる。
(2)推定セル電圧Vcの算出に用いられる電流の検出タイミングと、推定セル電圧Vcからの乖離度合いの判断対象となる電圧の検出タイミングとを同期させた。これにより、電圧の検出時において電池セルCijが正常の場合に想定される電圧を推定セル電圧Vcとして高精度に算出することができる。
(3)推定セル電圧Vcの推定に際し、電池セルCijの温度を加味した。これにより、推定セル電圧Vcをいっそう高精度に算出することができる。
(4)複数の温度センサ52によって検出される組電池10の各部分の温度の分布に基づき、閾値を設定した。これにより、電圧の検出結果と推定セル電圧Vcとの乖離度合いの判断に、温度ばらつきに起因した内部抵抗Rのばらつきを反映させることが可能となる。
(5)検出した電圧(A/D変換器14の出力値)を保持する記憶部16を備えた。これにより、推定セル電圧Vcの算出に用いた電流の検出タイミングにおける電圧値を保持し、これと閾値とを比較することができる。
(6)監視ユニットUiに、電池セルCijの電圧をデジタルデータとするためのA/D変換器14を備えた。これにより、電池セルCijの電圧値と推定セル電圧Vcとの乖離度合いの特定を、デジタル処理とすることができる。
(7)推定セル電圧Vcに応じた閾値を表現する信号を制御装置30から監視ユニットUiに出力した。これにより、監視ユニットUiにおいて、検出される電圧と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを簡易な処理にて特定することができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、制御装置30から監視ユニットUiに推定セル電圧Vcを表現する信号を直接出力し、監視ユニットUiにおいて閾値を生成する。また、制御装置30から監視ユニットUiへと充放電情報を出力しない。
図7に、本実施形態にかかる監視ユニットUiの処理の手順を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図7において、先の図6に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理では、ステップS32において電池セルCi1〜Cimの電圧を検出すると、ステップS34aにおいて、推定電圧情報としての推定セル電圧Vcを表現する信号を受信するまで待機する。そして、受信すると、ステップS50において、電池セルCi1〜Cimの電圧のうち少なくとも1つが、推定セル電圧Vcにマージン量αを加算したものよりも大きいか否かを判断する。そして、大きい場合には、ステップS52において異常がある旨(論理「H」)の信号を選択し、大きくない場合には、ステップS54において異常がない旨(論理「L」)の信号を選択する。
ステップS52、S54の処理が完了する場合、ステップS56において、電池セルCi1〜Cimの電圧のうち少なくとも1つが、推定セル電圧Vcからマージン量αを減算したものよりも小さいか否かを判断する。そして、小さい場合には、ステップS58において異常がある旨(論理「H」)の信号を選択し、小さくない場合には、ステップS60において異常がない旨(論理「L」)の信号を選択する。
ステップS58、S60の処理が完了する場合、ステップS62において、ステップS52、S54の選択処理において選択された信号と、ステップS58、S60において選択された信号との双方を制御装置30に出力する。なお、各監視ユニットU2〜Unは、実際には、ステップS52、S54,S58,S60の処理によって定まる信号を出力するのではなく、この信号と、上流の監視ユニットUから出力される信号との論理合成信号(論理和信号)を出力する。これにより、制御装置30では、電池セルC11〜Cnmの電圧の少なくとも1つに、閾値から外れるものがあるか否かを、一対の信号の入力に基づき判断することができる。
なお、制御装置30では、推定セル電圧Vcの算出に用いた電流の検出時に組電池10の充電処理がなされていた場合、監視ユニットUnから出力された信号のうちステップS52、S54に対応する信号を用いて異常の有無を判断する。これに対し、推定セル電圧Vcの算出に用いた電流の検出時に組電池10の放電処理がなされていた場合、監視ユニットUnから出力された信号のうちステップS58、S60に対応する信号を用いて異常の有無を判断する。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)〜(3)、(5)、(6)の各効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(8)制御装置30から出力される推定セル電圧Vcを表現する信号に基づき、監視ユニットUiで閾値を生成するようにした。これにより、監視ユニットUiにおいて、電池セルCijの電圧と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを適切に特定することができる。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第3の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、監視ユニットUiにおいて、電池セルC11〜Cnmの電圧の最大値および最小値と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを定量化する。
図8に、本実施形態にかかる監視ユニットUiの処理の手順を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図8において、先の図6に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理では、推定セル電圧Vcを表現する信号を受信すると(ステップS34a:YES)、ステップS70において、推定セル電圧Vcに対する電池セルC11〜Cnmの電圧の最大値および最小値の乖離度合いを定量化する。ここでは、推定セル電圧Vcからのずれ量を量子化し、最大値や最小値が量子化された各ビットの表現するずれ量に該当する場合としない場合とで2進数の値を相違させる。これにより、ずれ量の分解能に応じたビット数のデジタルデータによって乖離度合いを定量化する。
具体的には、本実施形態では、推定セル電圧Vcとのずれ量として想定する最大値および最小値をそれぞれ「100」および「−100」として、「10」以下のずれ、「25」以下のずれ、「50」以下のずれ、および「100」以下のずれの各4段階で乖離度合いを定量化する。そして、これら各ずれのうち、最大値および最小値の該当するずれ量に対応するビットを「1」とし、それ以外のビットを「0」とする。これにより、「8ビット」にて最大値および最小値のそれぞれと推定セル電圧Vcとのずれ量を表現するデータを生成することができる。なお、図には、推定セル電圧Vcと最小値とのずれが、「50」より大きく「100」以下であって且つ、推定セル電圧Vcと最大値とのずれが、「10」より大きく「25」以下の場合を例示している。
ステップS70の処理が完了する場合、ステップS72において、上記定量化されたデータを出力する。なお、監視ユニットU2〜Unについては、実際には、定量化されたデータそのものを出力するのではなく、このデータと上流から出力されたデータとのうち、最大値および最小値のそれぞれについて、ずれ量が大きい方を採用したデータを出力する。これにより、制御装置30では、単一の8ビットの信号によって、電池セルC11〜Cnmの全電圧のうちの最大値および最小値と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを認識することができる。
以上説明した本実施形態では、先の第1の実施形態の上記(1)〜(3)、(5)、(6)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(9)電池セルC11〜Cnmの電圧の最大値および最小値と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを定量化した。これにより、検出された電圧値そのものを直接出力する場合と比較して送信データ量を低減することが可能となる。
(第4の実施形態)
以下、第4の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第4の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、監視ユニットUiにおいて何らかの要因で推定セル電圧Vcを表現する信号が受信できない場合、前回受信された推定セル電圧Vcを用いて電池セルCi1〜Cimの電圧と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを特定する。
図9に、本実施形態にかかる監視ユニットUiの処理の手順を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図9において、先の図7に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理では、ステップS30において電圧検出指令信号を受信したにもかかわらず、推定セル電圧Vcを表現する信号が所定時間にわたって受信できない場合(ステップS64:YES)、推定セル電圧Vcとして前回値を用いる(ステップS66)。
以上説明した本実施形態では、先の第1の実施形態の上記(1)〜(3)、(5)、(6)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(10)電池セルCi1〜Cimの電圧との比較対象となる閾値を記憶した(推定セル電圧Vcの前回値を記憶した)。これにより、何らかの要因で推定セル電圧Vcを表現する信号が受信されない場合であっても、検出される電圧の異常の有無を判断することができる。
(第5の実施形態)
以下、第5の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第5の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図10に、本実施形態にかかる監視ユニットUiの構成を示す。なお、図10において、先の図1に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を付している。
図示されるように、本実施形態では、電池セルCi1〜Cimのそれぞれの電圧値を保持する手段として、サンプルホールド22を備える。そして、サンプルホールド22には、制御装置30から直接、電圧検出指令信号(同期指令信号)が入力される。サンプルホールド22では、この電圧検出指令信号の入力タイミングで、電池セルCi1〜Cimのそれぞれの電圧をホールドする。サンプルホールド22によって保持される電圧は、マルチプレクサ12によって選択的にA/D変換器14によりデジタルデータに変換される。そして、変換されたデジタルデータは、比較部18において、制御部20から出力される閾値と比較される。
以上説明した本実施形態では、先の第1の実施形態の上記各効果に準じた効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(11)同期指令信号に基づき複数の電池セルCi1〜Cimの電圧値をホールドする手段(サンプルホールド22)を備えた。これにより、推定セル電圧Vcの算出に用いる電流と電圧とのそれぞれの検出タイミングをより高精度に一致させることができる。このため、推定セル電圧Vcの推定精度を向上させることができる。
(第6の実施形態)
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図11に、本実施形態にかかる監視ユニットUiの構成を示す。なお、図11において、先の図1に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を付している。
図示されるように、本実施形態では、電池セルCi1〜Cimのそれぞれの電圧値を保持する手段として、サンプルホールド22を備える。そして、サンプルホールド22には、制御装置30から直接、電圧検出指令信号(同期指令信号)が入力される。サンプルホールド22では、この電圧検出指令信号の入力タイミングで、電池セルCi1〜Cimのそれぞれの電圧をホールドする。サンプルホールド22によって保持される電圧は、マルチプレクサ12によって選択的に比較回路24の非反転入力端子に取り込まれる。一方、比較回路24の反転入力端子には、D/A変換器26の出力信号が印加される。D/A変換器26は、制御装置30から出力された閾値を表現するデジタルデータをアナログ電圧信号に変換するものである。
以上説明した本実施形態では、先の第1の実施形態の上記(1)〜(4)、(7)の効果や、先の第5の実施形態の上記(11)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(12)制御装置30から出力される閾値を表現するデジタルデータをアナログ電圧値に変換して比較回路24に印加した。これにより、監視ユニットUiにおいて、アナログ処理によって、電池セルCi1〜Cimの電圧と推定セル電圧Vcとの乖離度合いを特定することができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記第1の実施形態では、推定セル電圧Vcから閾値を算出するためのマージン量αを、複数の温度センサ52によって検出される温度TのばらつきΔTに基づき可変設定したがこれに限らず、固定値としてもよい。
・上記第1の実施形態では、全電池セルCijを代表する推定セル電圧Vcを唯1つ求め、これとマージン量αとから閾値を設定したが、これに限らない。例えば、先の図4のステップS123において、複数の温度センサ52によって検出される各温度毎に内部抵抗Rを算出し、これに基づき開放端電圧や、推定セル電圧Vcを複数算出するようにしてもよい。この場合、これらの最大値に所定のマージン量を加算したり、最小値から所定のマージン量を減算したりすることで、閾値を設定することができる。
・上記第1の実施形態では、推定電圧情報としての閾値と、充電状態であったか放電状態であったかを示す情報とを監視ユニットUiに出力するようにしたがこれに限らない。例えば、充電時用の閾値と放電時用の閾値との一対の閾値のみを出力してもよい。この場合であっても、監視ユニットUiにおいて、セル電圧が一対の閾値のうちの大きい方よりも大きいか、および、小さい方よりも小さいかの双方の判断結果を出力する機能を有するようにするなら、制御装置30において最終的に充電時には大きい方の閾値よりも大きいことをもって異常と判断し、放電時には小さい方の閾値よりも小さいことをもって異常と判断することができる。
・上記第2の実施形態では推定セル電圧Vcに基づき閾値を設定するためのマージン量αを固定値としたがこれに限らない。例えば制御装置30から温度センサ52によって検出された温度情報(電池セルCij同士の温度ばらつき情報)を更に出力するようにし、監視ユニットUiにおいてマージン量αを温度情報に応じて可変設定するようにしてもよい。
・上記第3の実施形態では、推定セル電圧Vcに対する実際のセル電圧の最大値および最小値のずれ量を定量化して制御装置30に出力したが、これに限らない。例えば、推定セル電圧Vcからのずれ量を離散的な数値にて表現し、各ずれ量毎に、これに属するセル数を出力してもよい。この場合であっても、セル数を例えば「5未満」、「5以上10以下」、…というように複数個単位で量子化して表現することで送信データ量を低減することができる。
・上記第4の実施形態では、所定時間内に推定温度情報(推定セル電圧Vc)が監視ユニットUiに入力されない場合、前回値を用いたがこれに限らず、例えば製品出荷時から監視ユニットUiに予め規定値を記憶しておき、これを用いるようにしてもよい。
・上記第4の実施形態では、全電池セルCijの電圧の代表値としての単一の推定セル電圧Vcとの乖離度合いを定量化したが、これに限らない。例えば、複数の温度の検出値に基づき算出される複数の推定セル電圧と検出値との最大値同士のずれと最小値同士のずれとを定量化してもよい。
・上記第1の実施形態において、第4の実施形態の要領で、閾値を表現する電圧を所定時間内に受信できない場合いは、予め記憶しておいた値を代用してもよい。
・上記第2〜4の実施形態において、第1の実施形態のように、適宜、過充放電判定処理を行ってもよい。これは、例えば、推定セル電圧Vcを表現するデータに代えて、マージン量を加算することで上限電圧となる値のデータを出力したり、マージン量を減算することで下限電圧となる値のデータを出力したりすることで行うことができる。
・上記各実施形態では、推定セル電圧Vcの算出に際し、温度センサ52の検出値を用いたがこれに限らない。例えば、組電池10の充放電の履歴に基づきその温度相当値を推定し、これに基づき推定セル電圧Vcを算出してもよい。この場合、温度センサ52の検出値を用いた場合よりセル電圧の推定精度が低下すると考えられるなら、マージン量αを大きくするなどで対処することが望ましい。
・上記第2〜4の実施形態において、監視ユニットUiを、第5の実施形態の要領で、サンプルホールド22を備えて構成してもよい。
・上記第2、4の実施形態において、監視ユニットUiを、第6の実施形態の要領で、サンプルホールド22およびD/A変換器26を備えて構成してもよい。
・上記各実施形態では、制御装置30を、離散的な数値にて表現されるデータであるデジタルデータを出力する手段として構成したがこれに限らない。例えば、先の第6の実施形態(図11)において、推定セル電圧Vc等の推定電圧情報を論理「H」および論理「L」の一周期に対する論理「H」の比である時比率にて表現し、監視ユニットUiに周波数電圧変換手段を備えて、この時比率信号をアナログ電圧値に変換するようにしてもよい。これにより、D/A変換器26を備えることなく、上記変換された信号を比較回路24に直接出力することができる。
・上記各実施形態では、監視ユニットUiのうち隣接するもの同士で信号の授受が可能として且つ、最上流の監視ユニットU1に推定電圧情報を出力することで、最下流の監視ユニットUnまで隣接する監視ユニットUiに順次この情報が出力されるようにしたが、これに限らない。例えば、制御装置30から各監視ユニットUiに推定電圧情報を出力するようにしてもよい。さらに、この場合、各監視ユニットUiから制御装置30へと乖離度合いに関する情報を直接出力してもよい。
・上記各実施形態では、SOCの初期値の算出に際し、監視ユニットU1〜Unから各電池セルの電圧値を制御装置30に出力するようにしたが、これに限らない。例えば、組電池10の電圧を抵抗分圧等によって検出する電圧検出手段を備え、これを利用してSOCの初期値を算出するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、電流の検出タイミングと電圧の検出タイミングとを同期させたが、これに限らない。例えば組電池10の電流の変動量が所定以下となる定常状態においては、電流の検出タイミングと電圧の検出タイミングとを同期させなくても、電圧の検出タイミングにおける電流値と、検出される電流値とのずれは小さいと考えられる。このため、こうした場合には、同期手段を備えなくても、検出された電流と電圧とに基づき電池セルCijの状態を高精度に解析することが可能である。
・電池セルCijとしては、リチウムイオン2次電池に限らない。また、検出対象としては、電池セルCijの電圧に限らず、例えば隣接する2つの電池セルCijの電圧であってもよい。
・組電池10としては、ハイブリッド車に搭載されるものに限らず、例えば車載主機として回転電機のみが搭載される電気自動車等に搭載されるものであってもよい。
10…組電池、30…制御装置(低電圧側監視手段の一実施形態)、Ui…監視ユニット(高電圧側監視手段の一実施形態)、Cij…電池セル。
Claims (12)
- 複数の電池セルの直列接続体である組電池を備える高電圧システム内に備えられて且つ、該組電池の状態を監視する高電圧側監視手段と、該高電圧システムから絶縁された低電圧システム内に備えられて且つ、前記高電圧側監視手段との通信によって前記組電池の状態を監視する低電圧側監視手段とを備える組電池の状態監視装置において、
前記組電池を流れる電流を検出する電流検出手段を更に備え、
前記低電圧側監視手段は、
前記組電池を構成する1または隣接する複数個の電池セルである単位電池の充電状態に関する情報と前記電流検出手段によって検出された電流とに基づき前記単位電池の電圧を推定する推定手段と、
前記推定される電圧に応じた信号を前記高電圧側監視手段に出力する推定電圧情報出力手段と、
を備え、
前記高電圧側監視手段は、
前記単位電池のそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧の検出結果と前記推定された電圧との乖離度合い応じた信号を前記低電圧側監視手段に出力する信号出力手段と、
を備えることを特徴とする組電池の状態監視装置。 - 前記推定手段による推定に用いられる電流の検出タイミングと前記電圧検出手段による電圧の検出タイミングとを同期させる同期手段を更に備えることを特徴とする請求項1記載の組電池の状態監視装置。
- 前記組電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
前記推定手段は、前記温度検出手段によって検出された温度と前記充電状態に関する情報とに基づき、前記単位電池の内部抵抗を算出する手段と、前記充電状態に関する情報に基づき前記単位電池の開放端電圧を算出する手段とを備え、前記電流検出手段によって検出された電流と前記算出された内部抵抗と前記開放端電圧とに基づき、前記単位電池の電圧を推定することを特徴とする請求項1又は2記載の組電池の状態監視装置。 - 前記温度検出手段は、前記組電池のうちの互いに相違する複数の部分毎にそれぞれその温度を検出する手段を備え、
前記信号出力手段は、前記温度検出手段によって検出される前記各部分の温度の分布を加味して前記乖離度合いに応じた信号を出力することを特徴とする請求項3記載の組電池の状態監視装置。 - 前記信号出力手段は、前記電圧検出手段の検出した電圧を保持する保持手段と、該保持手段の保持する電圧と前記推定電圧情報出力手段の出力信号に応じた閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果を前記低電圧側監視手段に出力する手段とを備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
- 前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧に応じたデジタルデータを出力するものであり、
前記電圧検出手段は、検出対象となる単位電池の電圧値に応じたデジタルデータを生成するデジタルデータ生成手段を備えることを特徴とする請求項5記載の組電池の状態監視装置。 - 前記保持手段は、デジタルデータ生成手段によって生成されたデジタルデータを記憶する記憶手段であることを特徴とする請求項6記載の組電池の状態監視装置。
- 前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧に応じたデジタルデータを出力するものであり、
前記信号出力手段は、前記デジタルデータをアナログ電圧値に変換して前記比較手段に入力する手段を更に備えることを特徴とする請求項5記載の組電池の状態監視装置。 - 前記信号出力手段は、前記推定電圧情報出力手段の出力信号に応じて前記閾値を生成する手段を更に備えることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
- 前記推定電圧情報出力手段は、前記推定される電圧を表現する信号を出力するものであり、
前記比較手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記推定された電圧値との乖離度合いを3段階以上の多段階に定量化することを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。 - 前記推定電圧情報出力手段の出力する信号は、前記推定手段によって推定された電圧値に応じた前記閾値を表現するものであることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
- 前記信号出力手段は、前記推定電圧情報を記憶する手段を備え、前記推定電圧情報出力手段からの信号が受信されない場合、前記記憶された情報を用いて前記比較手段による比較処理を行うことを特徴とする請求項5〜11のいずれか1項に記載の組電池の状態監視装置。
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