JP2012252896A - ２次電池の不正交換検出システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、２次電池を搭載している機器において、これまでより、より厳格に２次電池の不正交換を検出することが可能な２次電池の不正交換検出システム及びその方法を提供することを課題とする。
【解決手段】機器が動作を停止したとき若しくは外部からの充電を完了したときに、各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧及び電池温度を測定して、測定時間ｔ０と共に記憶装置５１に記憶する。機器が起動を開始する直前の時間ｔ１に、２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧及び電池温度を測定する。時間ｔ０からの経過時間ｔ１−ｔ０及び記憶装置５１内の端子間電圧から求めた推定値と時間ｔ１に測定した測定値の差が許容範囲Ｓｔｈより大きければＥＣＵ５０は、不正交換が行われた旨を上位ＥＣＵに通知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池を搭載した機器についての技術に関し、さらに詳しくは機器に搭載された２次電池の不正交換を検出する不正交換検出システム及びその方法に関する。

現在、充電して繰り返し使用可能な２次電池は様々な機器に搭載されて、用いられている。特に電気自動車やハイブリッドカー等の普及に伴って、リチウムイオン電池等の大容量の２次電池を搭載する車両が多くなっている。

そして通常電気自動車やハイブリッドカー等用の大容量の２次電池は、大量の複数の２次電池セルを組み合わせて車両に搭載されている。
車両等複数の２次電池を搭載する機器を設計する設計者は、機器の安全性を保証できるように特定の規格に則った２次電池セルを用いるように機器を設計する。

しかし使用者は、機器の特定の性能を向上させる等の目的で、２次電池セルの一部若しくは全部を機器オリジナルのものから交換することが行われる可能性がある。このことは、安全性等の面から機器の製造者にとって好ましくないことである。

図６に２次電池の不正交換の例を示す。
図６の例は、複数の２次電池を搭載した車両の場合を例にしており、車両が停車中に搭載されている２次電池Ａ及びＢのうち２次電池Ｂを新しい２次電池Ｃに交換した場合を示している。この場合、２次電池Ｃは、使用途中であった２次電池Ｂより電圧／ＳＯＣ（State Of Charge）の値が大きく、また電池温度も低い。このように電池の特性が本来予定されている値と異なった場合、電池の保護動作を正常に行なえずに安全性に支障をきたす。

このような２次電池の不正交換に対処するものとして例えば特許文献１の技術がある。特許文献１に開示の技術では、機器に搭載されている２次電池の不正交換を検出するために、充電を開始する度に２次電池セルの電圧及び電流を測って内部抵抗を求め、これをメモリ内に記憶している前回求めた内部抵抗のほうが高ければ電池が交換されたと判断する。

また搭載されている各２次電池についての残容量や電池温度等の各種情報を機器のメモリに記憶しておくことは、特許文献２に開示がある。

特開２００８−６５９８９号公報 特開２００３−１７１３８号公報

２次電池の不正交換の検出方法として、２次電池が状態を示す何らかの情報を事前に記憶し、これと求めた情報とを比較する方法を行った場合、特定の数値のみクリアしていれば検出を免れてしまう。例えば特許文献１の方法では、算出した２次電池の内部抵抗を前回算出し値と比較することによって、２次電池の不正交換を検出しているが、交換された２次電池の内部抵抗が前回値より大きくさえあれば不正交換を検出することはできない。

そこで本発明は、２次電池を搭載している機器において、これまでより、より厳格に２次電池の不正交換を検出することが可能な２次電池の不正交換検出システム及びその方法を提供することを課題とする。

本不正交換検出システムは、２次電池セルを搭載した機器の当該２次電池セルの不正交換を検出する不正交換検出システムにおいて、前記２次電池の両端電圧を含む基準状態情報Ｓ０を取得する基準状態取得部と、前記基準状態情報Ｓ０を当該基準状態情報Ｓ０を取得した基準取得時間ｔ０と共に記憶する記憶部と、前記２次電池の両端電圧を含む判定用態情報Ｓ１を取得する判定用状態取得部と、前記記憶部に記憶された前記基準状態情報Ｓ０及び基準取得時間ｔ０、前記判定用状態情報Ｓ１を取得した時間である判定用取得時間ｔ１から、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔを推定する電池状態情報推定部と、前記判定用状態情報Ｓ１と、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔとの差が許容範囲Ｓｔｈを超えたとき、前記２次電池セルの不正交換が行われたと判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

また本不正交換検出方法は、２次電池セルを搭載した機器の当該２次電池セルの不正交換を検出する不正交換検出方法において、前記２次電池の両端電圧を含む基準状態情報Ｓ０を取得し、前記２次電池の両端電圧を含む判定用状態情報Ｓ１を取得し、前記基準状態情報Ｓ０及び当該基準情報Ｓ０を取得した時間である基準取得時間ｔ０、前記判定用電池状態Ｓ１を取得した時間である判定用取得時間ｔ１から、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔを推定し、前記判定用電池状態情報Ｓ１と、前記推定値Ｓｌｅｓｔとの差が許容範囲Ｓｔｈを超えたとき、前記２次電池セルの不正交換が行われたと判定することを特徴とする。

本発明によれば、これまでより、より厳格に２次電池の不正交換を検出することができる。

本実施形態の２次電池の不正交換検出システムの構成を示す図である。 本実施形態の２次電池の不正交換検出システムが行う判定の仕方を説明する図である。 電池温度を考慮して行う仕方を説明する図である。 ２次電池セルの基準状態情報を取得する際のＥＣＵの動作処理を示すフローチャートである。 ２次電池セルの不正交換が行われたかどうかの判定を行う際のＥＣＵの処理動作を示すフローチャートである。 ２次電池の不正交換の例を示す図である。

以下に図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１の構成を示す図である。
図１の構成は、車両に搭載される場合を例として示しているが、本実施形態の２次電池劣化度推定装置が搭載される機器は、車両に限定されるものではなく、２次電池を搭載する機器であれば他のものであっても良い。

図１の構成を見ると複数の２次電池セル１１−１〜１１−ｎが直列に接続された電池スタック１０として搭載されており、各２次電池セル１１−１〜１１−ｎ近傍には電池温度を測定するための温度センサー２０−１〜２０−ｎが設けられている。そして温度センサー２０−１〜２０−ｎによって計測された各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの電池温度はＥＣＵ５０に通知される。また各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの両端はマルチプレクサ（ＭＵＸ）３０に接続されており、またマルチプレクサ（ＭＵＸ）３０には電圧センサー４０が接続されている。マルチプレクサ（ＭＵＸ）４０は、ＥＣＵ５０からの指示に基づいて、２次電池セル１１−１〜１１−ｎの中から１つを選択してその両端を電圧センサー４０に接続して両端電圧を測定する。そしてその計測結果は、ＥＣＵ５０に通知される。

ＥＣＵ５０は、本システムを制御するもので、内部に記憶装置５１、演算装置５２及び計時を行う不図示のタイマを備えている。記憶装置５１には制御プログラムが記憶されており、この制御プログラムを演算装置５２が実行することによって、後述する２次電池セル１１の不正交換の検出処理を実現する。また記憶装置５１には、演算装置５２によって、温度センサー２０−１〜２０−ｎや電圧センサー４０からの測定値の情報が記憶される。またＥＣＵ５０は、車両全体の制御を司る上位ＥＣＵと接続されており、ＥＣＵ５０が２次電池セル１１の不正交換を検出すると上位ＥＣＵに通知を行う。

このような構成において、本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１は、車両が停車したときや外部充電器から充電を行うときに各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧や電池温度を測定し、ＥＣＵ５０内の記憶装置５１に基準状態情報Ｓ０（１）、．．．、Ｓ０（ｎ）としてその時の時間ｔ０と共に記憶する。そして車両を起動（イグニッションオン）時、にその時の時間ｔ１と共に各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの両端電圧及び電池温度を測定し、判定用状態情報Ｓ１（１）、．．．、Ｓ１（ｎ）とする。そして基準状態情報Ｓ０（１）、．．．、Ｓ０（ｎ）と経過時間（ｔ１−ｔ０）から推定される各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧と判定用状態情報Ｓ１（１）、．．．、Ｓ１（ｎ）内の端子間電圧の差が特定値以下のとき２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換は行われていないと判定する。逆に２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧の推定値と測定値の差が特定値を超えているときＥＣＵ５０は、上位ＥＣＵに２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換が行われた旨を通知する。

この判定の仕方を図２に示す。
図２のグラフ６１に示すように２次電池セル１１−１〜１１−ｎの端子間電圧Ｖは、充電してからの経過時間ｔとともにだんだんと減少してゆく。この２次電池セル１１の自然放電特性を示すグラフ６１と、基準状態情報Ｓ０から得た端子間電圧から時間ｔ１での端子間電圧の推定値６２を求める。そしてこの推定値６２と車両起動時に測定した端子間電圧との差が許容範囲Ｓｔｈ内に収まるかどうかで２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換が行われたかどうかを判定する。

また端子間電圧Ｖと充電してからの経過時間ｔの関係を示すグラフ６１は、電池温度によって変化する。よって、不正交換が行われたかどうかの判定には、電池温度も考慮するとより精度が高まる。

図３は、電池温度を考慮した場合の２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換が行われたかどうかの判定の仕方を示すものである。
図３では、電池温度が低温時（例えば車両の起動時）の端子間電圧Ｖと充電してからの経過時間ｔの関係を示すグラフ６１ａと電池温度が高温時（外部充電時等例えば車両を停止してから短時間の時）の端子間電圧Ｖと充電してからの経過時間Ｔの関係を示すグラフ６１ｂの２つが代表してが記載されている。このグラフ６１ａ及び６１ｂに示すように２次電池セル１１の端子間電圧Ｖと経過時間ｔの関係（２次電池セル１１の自然放電特性）は、２次電池セル１１の電池温度によって異なるので、電池温度によって、グラフ６１ａ、６１ｂ、．．．から選択を行うとより精度の高い端子間電圧の推定値を求めることができる。

ＥＣＵ５０は、基準状態情報Ｓ０（１）、．．．、Ｓ０（ｎ）や判定用状態情報Ｓ１（１）、．．．、Ｓ１（ｎ）内の電池を温度からこれらのグラフ６１ａ、６１ｂ、．．．から１つを選択して、図２で説明したような時間ｔ１での端子間電圧の推定値を求める。

このようにＥＣＵ５０が、電池温度をも考慮して不正交換が行われたかどうかを判定するようにすれば、より精度の高い判定を行うことができる。
次に２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換の検出処理時のＥＣＵ５０の具体的な処理について説明する。

図４は、基準となる２次電池セル１１−１〜１１−ｎの基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）を取得する際のＥＣＵ５０の動作処理を示すフローチャートである。同図の処理は、ＥＣＵ５０が自己の記憶装置５１に記憶されている制御プログラムを演算装置５２が実行することによって実現される。

同図の処理は、本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１を搭載されている機器、例えば車両が、動作を停止したとき若しくは外部からの充電を完了したときに実行される。

同図の処理が開始されると、まずステップＳ１としてＥＣＵ５０は、機器（車両）がエンジン停止等の稼働停止をした状態若しくは外部から２次電池１１へ充電が終了した状態にあるかどうかを調べ、そうでないなら（ステップＳ１、ＮＯ）本処理を終了する。

ステップＳ１において、機器が稼動停止状態にある若しくは外部からの充電が完了した状態にあるとき（ステップＳ１、ＹＥＳ）、次にＥＣＵ５０はステップＳ２として自己のタイマで計時を開始する。そしてタイマによる時間が所定時間τ経過するまで待つ（ステップＳ３、ＮＯ）。そしてタイマによる計時時間が所定時間τ経過したならば、ステップＳ４としてタイマカウントを終了する。

この所定時間τだけ間を置くのは、２次電池セル１１−１〜１１−ｎは充電直後は分極を起こしているので、分極が解消されるのに十分な時間τだけ処理を待つ。
次にＥＣＵ５０は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）３０を制御して、各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの両端電圧を測定し、これを温度センサー２０−１〜２０−ｎから通知される各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの電池温度等の２次電池１１についての情報と共に基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）として記憶装置５１に記憶し、本処理を終了する。

次にＥＣＵ５０が２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換が行われたかどうかの判定を行う際の処理動作を図５のフローチャートを参照しながら説明する。同図の処理も、ＥＣＵ５０の演算装置５２が記憶装置５１内の制御プログラムを実行することによって実現される。

車両を起動（イグニッションオン）時等、機器の動作起動を開始する直前に行われる。これによって、２次電池セル１１−１〜１１−ｎに対して不正交換が行われていた場合においても、直前にその不正交換された２次電池セル１１を用いて機器を動作させるのを防ぎ、機器の安全性を確保する。

同図の処理が開始されると、まずＥＣＵ５０は、ステップＳ１１として、記憶装置５１に記憶されている２次電池セル１１−１〜１１−ｎの基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）及びこの基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）を記憶した時刻ｔ０をロードする。

次にステップＳ１２において、ＥＣＵ５０は、各２次電池セル１１−１〜１１−ｎの現在の端子間電圧や電池温度等の判定用状態情報Ｓ１（０）〜Ｓ１（ｎ）を温度センサー２０−１〜２０−ｎや電圧センサー４０から取得する。

またＥＣＵ５０は、ステップＳ１３としてＥＣＵ５０は、タイマから現在時刻ｔ１を取得する。そして時刻ｔ０及びｔ１から、基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）を記憶してからの経過時間Ｔ（ｔ１−ｔ０）を求める。

そしてＥＣＵ５０は、ステップＳ１５において基準状態情報Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）から経過時間Ｔ後の電池状態の推定値Ｓｌｅｓｔ（１）〜Ｓｌｅｓｔ（ｎ）を求める。
そしてＥＣＵ５０は、ステップＳ１６で変数ｉに初期値１を設定する。そして次にステップＳ１７として、｜Ｓｌｅｓｔ（ｉ）−Ｓ１（ｉ）｜を計算し、この値が許容範囲Ｓｔｈを超えるかどうかを判定する。その結果許容範囲Ｓｔｈを越えないときは（ステップＳ１７、ＮＯ）そのまま処理をステップＳ１９に移す。またステップＳ１７において｜Ｓｌｅｓｔ（ｉ）−Ｓ１（ｉ）｜の値が許容範囲Ｓｔｈを越えるときは（ステップＳ１７、ＹＥＳ）、ステップＳ１８として２次電池セル１１−ｉは異常状態にあり、不正交換された可能性があることを上位ＥＣＵに通知後、処理をステップＳ１８に移す。

以降ステップＳ１９で変数ｉの値を１ずつインクリメントしながら、ステップＳ１７乃至Ｓ２０のループ処理を繰り返してゆき（ステップＳ２０、ＮＯ）、変数ｉの値がｎを超えたならば（ステップＳ２０、ＹＥＳ）、本処理を終了する。

このように、本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１では、本システム１を搭載した機器が停止したときや充電を行うとき等に、電池の状態情報を測定し、以前に測定して電池の状態情報から推定される値と比較することによって、電池の不正交換の有無を判定する。

例えば図５の処理は、本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１を搭載されている機器が動作を停止したとき若しくは外部からの充電を完了したときに取得した基準電池状態Ｓ０（１）〜Ｓ０（ｎ）と経過時間Ｔから、現在の２次電池セル１１−１〜１１−ｎの電池状態を推定することによって、２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換が行われたかどうかを判定する。よって精度の高い判定を行うことができる。

本実施形態の２次電池の不正交換システム１では、２次電池セル１１−１〜１１−ｎの現在の状態を推定して、推定値を用いて判定を行っているので、２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換を行うには、推定値を予測して交換する電池のＳＯＣ等を細かく設定しなければならないので非常に困難である。

なお本実施形態の２次電池の不正交換検出システム１は、機器に搭載されている２次電池セル１１−１〜１１−ｎの不正交換の検出だけでなく、機器に対して不正充電器によって外部充電した際の検出も行うことができる。不正充電器によって２次電池セル１１−１〜１１−ｎに充電を行った場合には、推定値より各２次電池セル１１−１〜１１−ｎのＳＯＣが大きくなるので、この点から不正充電器による充電を検出することができる。

１ ２次電池の不正交換検出システム
１０ 電池スタック
１１ ２次電池セル
２０ 温度センサー
３０ マルチプレクサ
４０ 電圧センサー
５０ ＥＣＵ
５１ 記憶装置
５２ 演算装置

Claims (5)

1. ２次電池セルを搭載した機器の当該２次電池セルの不正交換を検出する不正交換検出システムにおいて、
   前記２次電池の両端電圧を含む基準状態情報Ｓ０を取得する基準状態取得部と、
   前記基準状態情報Ｓ０を当該基準状態情報Ｓ０を取得した基準取得時間ｔ０と共に記憶する記憶部と、
   前記２次電池の両端電圧を含む判定用態情報Ｓ１を取得する判定用状態取得部と、
   前記記憶部に記憶された前記基準状態情報Ｓ０及び基準取得時間ｔ０、及び前記判定用状態情報Ｓ１を取得した時間である判定用取得時間ｔ１から、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔを推定する電池状態情報推定部と、
   前記判定用状態情報Ｓ１と、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔとの差が許容範囲Ｓｔｈを超えたとき、前記２次電池セルの不正交換が行われたと判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする不正交換検出システム。
2. 前記基準状態取得部は、前記機器が動作を停止したとき若しくは外部からの充電を完了したときに前記基準状態情報Ｓ０を取得し、前記判定用状態取得部は、前記機器の動作起動を開始する直前に前記判定用状態情報Ｓ１を取得することを特徴とする請求項１に記載の不正交換検出システム。
3. 前記電池状態情報推定部は、前記判定用状態情報Ｓ１内の前記２次電池セルの両端電圧を推定し、
   前記判定部は、前記判定用状態情報Ｓ１内と前記推定値Ｓｌｅｓｔ内の前記２次電池セルの両端電圧の差が許容範囲Ｓｔｈを超えたとき、前記２次電池セルの不正交換が行われたと判定することを特徴とする請求項１に記載の不正交換検出システム。
4. 前記基準状態情報Ｓ０及び前記判定用状態情報Ｓ１は、２次電池セルの電池温度の情報を含み、前記電池状態情報推定部は、前記基準状態情報Ｓ０及び前記判定用状態情報Ｓ１内の電池温度の情報を考慮して前記推定値Ｓｌｅｓｔを推定することを特徴とする請求項１に記載の不正交換検出システム。
5. ２次電池セルを搭載した機器の当該２次電池セルの不正交換を検出する不正交換検出方法において、
   前記２次電池の両端電圧を含む基準状態情報Ｓ０を取得し、
   前記２次電池の両端電圧を含む判定用状態情報Ｓ１を取得し、
   前記基準状態情報Ｓ０及び当該基準情報Ｓ０を取得した時間である基準取得時間ｔ０、前記判定用電池状態Ｓ１を取得した時間である判定用取得時間ｔ１から、当該判定用状態情報Ｓ１の推定値Ｓｌｅｓｔを推定し、
   前記判定用電池状態情報Ｓ１と、前記推定値Ｓｌｅｓｔとの差が許容範囲Ｓｔｈを超えたとき、前記２次電池セルの不正交換が行われたと判定する
   ことを特徴とする不正交換検出方法。