JP2016009552A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易な構成で電池の状態を監視することができる電源システムを提供することである。
【解決手段】実施形態の電源システムは、組電池と、電圧検出部と、監視部とを持つ。電源システムは、電池ごとに電圧を検出することなく複数の電池の状態を監視する。組電池は、複数の電池が直列に接続される。電圧検出部は、複数の電池のうち互いに隣接し直列に接続された電池群の両端の電圧を検出し、複数の電池群について、複数設けられる。監視部は、複数の電圧検出部の検出結果に基づいて、複数の電池の状態を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電源システムに関する。

従来、接続された複数の電池（セル）の状態（電圧、電流など）を監視するための装置が知られている。しかしながら、従来の装置では、電池ごとに電圧や電流を検出することにより、構成が複雑となり、コストや演算処理負荷が増大する場合があった。

特開２０１１−１８５９１５号公報

本発明が解決しようとする課題は、より簡易な構成で電池の状態を監視することができる電源システムを提供することである。

実施形態の電源システムは、組電池と、電圧検出部と、監視部とを持つ。電源システムは、電池ごとに電圧を検出することなく複数の電池の状態を監視する。組電池は、複数の電池が直列に接続される。電圧検出部は、複数の電池のうち互いに隣接し直列に接続された電池群の両端の電圧を検出し、複数の電池群について、複数設けられる。監視部は、複数の電圧検出部の検出結果に基づいて、複数の電池の状態を監視する。

第１の実施形態の電源システム１の構成例を示す図。 電源システム１により実行される処理の流れを示すフローチャート。 電池特性マップ５３の一例を示す図。 異常判定部５４による判定の手法を説明するための図。 第２の実施形態の電源システム１により実行される処理の流れを示すフローチャート。 本実施形態によるリチウムイオン電池を用いた電池群２２の特性（１）と、他の態様のリチウムイオン電池を用いた電池群２２の特性（２）を比較した図。

以下、実施形態の電源システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電源システム１の構成例を示す図である。電源システム１は、負荷１０と、組電池２０と、電圧検出部３０と、電流検出部４０と、監視部５０と、出力部６０と、を備える。組電池２０は、モータやインバータ等の負荷１０に接続されている。組電池２０は、モータを駆動するための電源として電気自動車やハイブリッド自動車、エンジン車両等に搭載されたり、停電時のバックアップ用電源として家庭や商業ビル、工場等の家屋に設置されたりする。

組電池２０は、複数の電池（セル）２１が直列にｎ個接続（積層）されたものを筐体に内蔵し、正極端子と、負極端子と、ガス排出弁が筐体表面に設けられている。電池２１は、例えばリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、正極と負極とがセパレータを挟んで対向する構造である。リチウムイオン電池は、好ましくは、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを、それぞれ用いている。このような態様とすることにより、充電の受け入れ速度を向上させると共に、リチウムの析出により内部短絡が生じる可能性を低減することができる。なお、電池２１は、正極にリチウム金属酸化物を、負極にグラファイトなどの炭素材を用いたリチウムイオン電池であってもよい。

電圧検出部３０は、例えば組電池２０を構成するリチウムイオン電池のうち、互いに隣接し直列に接続された２つの電池２１（以下、「電池群２２」という。）の電圧［Ｖ］を検出する。電圧検出部３０の正極端子は、電池群２２の一方の端部にある正極側に接続され、電圧検出部３０の負極端子は、電池群２２の他方の端部にある負極側に接続されている。また、電圧検出部３０は、監視部５０と電気的に接続され、検出結果を監視部５０に出力する。

電流検出部４０は、組電池２０の充放電する電流［Ａ］を検出する。電流検出部４０は、組電池２０の充放電する電流を検出できるように、例えば負荷１０と電池２１−ｎとの間に配置される。また、電流検出部４０は、監視部５０と電気的に接続され、検出結果を監視部５０に出力する。

監視部５０は、例えば記憶部５２と、異常判定部５４と、電池特性マップ算出部５６と、を備える。これらのうち、異常判定部５４と、電池特性マップ算出部５６は、例えば、監視部５０が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが記憶部５２に格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。なお、これらの機能部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。なお、監視部５０は、各種機器（負荷１０や、電圧検出部３０、電流検出部４０、データベース（不図示））と通信可能な通信部を備え、通信部を介して各種機器より取得した情報に基づき、処理を実行してもよい。また、監視部５０は、各種機器より取得した情報または電池特性マップ５３に基づき、抵抗値を算出する。

記憶部５２は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory），ＲＯＭ（Read Only Memory），またはＲＡＭ（Random Access Memory）等により実現される。また、記憶部５２には、ファームウェアやアプリケーションプログラム等の各種プログラム、各種機能部による処理結果、負荷１０の設定電圧、後述する電池特性マップ５３などが記憶される。

異常判定部５４は、電圧、電流、および記憶部５２に記憶された情報に基づき、電池２１、電池群２２の異常を判定する。異常判定部５４は、電流検出部４０により検出された電流値に対応する電流値の電池特性マップ５３と、電圧検出部３０により検出された電圧、および電流検出部４０により検出された電流値の積算値とが合致しているか否かを判定することによって、複数の電池２１の状態を監視する。具体的な処理については、後述する。電池特性マップ算出部５６は、電流検出部４０により検出された電流に対応する電池特性マップ５３が存在しない場合に、電池特性マップ５３を参照して、電池特性マップ５３の補間演算を実行する。また、電池特性マップ算出部５６は、補間演算に基づき、電池特性マップ５３を生成する。

出力部６０は、例えばディスプレイや異常を知らせる警報を出力するスピーカなどである。出力部６０は、異常判定部５４により出力された信号に基づき、電池群２２の異常を知らせる画像を出力する。出力部６０は、ディスプレイに組電池２０の電圧、電流、電池群２２の電圧などを、出力する。

図２は、電源システム１により実行される処理の流れを示すフローチャートである。図２に示す処理では、監視部５０は、電圧検出部３０や電流検出部４０により検出された検出結果に基づく電池群２２の電池特性と、記憶部５２に記憶されている電池特性マップ５３とを比較して、電池群２２の異常を検出する。

まず、電流検出部４０は、組電池２０が充放電する電流を検出する（ステップＳ１００）。異常判定部５４は、記憶部５２に記憶された電池特性マップ５３を参照して、電流検出部４０により検出された電流に対応する電池特性マップ５３が存在するか否かを判定する、（ステップＳ１０２）。

ここで、電池特性マップ５３について、説明する。図３は、電池特性マップ５３の一例を示す図である。電池特性マップ５３は、電池特性を示すマップであり、電池の電圧と電流積算値［Ａｈ］との関係が電流値ごとに対応づけられたものである。図３の縦軸は、電池群２２の電圧を示し、横軸は、放電容量すなわち放電電流の積算値［Ａｈ］から充電電流の積算値を差し引いた値を示している。また、図中、ａ〜ｄは、それぞれが、組電池２０が充放電する、異なる電流に対応した電池特性マップ５３である。電池特性マップａに対応する電流Ｉａが最も大きく、次いで電池特性マップｂに対応する電流Ｉｂが大きく、次いで電池特性マップｃに対応する電流Ｉｃが大きく、電池特性マップｄに対応する電流Ｉｄが最も小さい。電流検出部４０により、例えば組電池２０の充放電する電流が、「Ｉａ」に十分近い値に検出された場合、異常判定部５４は、電流「Ｉａ」に対応する電池特性マップａが存在するため、電池特性マップ５３のうち電池特性マップａを選択する（ステップＳ１０４）。

一方、例えば組電池２０の電流が「Ｉｃ」と「Ｉｄ」の間の電流「Ｉｘ」であり、電流「Ｉｃ」と「Ｉｄ」のいずれにも十分に近くない場合、異常判定部５４は、電流「Ｉｘ」に対応する電池特性マップ５３は存在しないと判定する。この場合、電池特性マップ算出部５６は、補間演算によって、電流「Ｉｘ」に対応する電池特性マップ５３を生成する（ステップＳ１０６）。ここで、電池特性マップ５３の算出方法の一例について、説明する。電池特性マップ算出部５６は、まず、電流「Ｉｘ」に最も近く、電流「Ｉｘ」よりも大きい電流Ｉｃと小さい電流Ｉｄを抽出し、それらに対応する電池特性マップ「ｃ」「ｄ」を抽出する。電池特性マップ算出部５６は、例えば、電池特性マップ５３の電圧範囲を所定の電圧幅で区切った複数の電圧毎に、Ｉｃ−Ｉｘの大きさと、Ｉｘ−Ｉｄの大きさとの逆比で、電池特性マップ「ｃ」上の当該電圧に対応する電流積算値と、電池特性マップ「ｄ」上の当該電圧に対応する電流積算値との加重平均を求めることで、電流Ｉｘに対応する電池特性マップ「ｘ」を生成する。

次に、異常判定部５４は、時刻ｔ１における電池群２２の電圧を検出すると共に、時刻ｔ１における電流積算値Ｃ１を計算する。（ステップＳ１０８）。次に、異常判定部５４は、時刻ｔ２における電池群２２の電圧を検出すると共に、時刻ｔ２における電流積算値Ｃ２を計算する。（ステップＳ１１０）。

次に、異常判定部５４は、時刻ｔ１における電圧値および電流積算値と、時刻ｔ２における電圧値および電流積算値との組合わせが、電池特性マップ５３と合致しているか否かを判定する（ステップＳ１１２）。

図４は、異常判定部５４による判定の手法を説明するための図である。図中、ｙは、時刻ｔ１における電圧Ｖ１および電流積算値Ｃ１を座標とする点と、時刻ｔ２における電圧Ｖ２および電流積算値Ｃ２を座標とする点とを結んだ仮想直線ｙを示している。また、図中ｘは、図２のフローチャートにおけるステップＳ１０４で選択され、またはステップＳ１０６で生成された電池特性マップ５３である。異常判定部５４は、まず、電池特性マップｘにおける電流積算値Ｃ１およびＣ２に対応する２点（Ｖ１＃，Ｃ１）および（Ｖ２＃，Ｃ２）を抽出し、２点（Ｖ１＃，Ｃ１）および（Ｖ２＃，Ｃ２）を結ぶ仮想直線を生成する。そして、異常判定部５４は、例えば、（１）（Ｖ１，Ｃ１）および（Ｖ２，Ｃ２）を結ぶ仮想直線と、（Ｖ１＃，Ｃ１）および（Ｖ２＃，Ｃ２）を結ぶ仮想直線とのなす角度の絶対値が所定角度以下であり、且つ、（２）仮想直線間の距離が所定距離以下である場合に、時刻ｔ１における電圧値および電流積算値と、時刻ｔ２における電圧値および電流積算値との組合わせが、電池特性マップ５３と合致していると判定する。ここで、仮想直線間の距離としては、図中ｄ１とｄ２の平均を求めてもよいし、ｄ１またはｄ２のいずれかを採用してもよい。なお、上記（２）の条件を省略しても構わない。また、時刻ｔ１とｔ２における電流積算値を電池特性マップ５３に適用して対応する仮想直線を求めることを例示したが、時刻ｔ１とｔ２における電圧を電池特性マップ５３に適用して対応する仮想直線を求めてもよい。

時刻ｔ１における電圧値および電流積算値と、時刻ｔ２における電圧値および電流積算値との組合わせが、電池特性マップ５３と合致していないと判定した場合、異常判定部５４は、電池群２２に異常が存在することを知らせる出力を出力部６０にさせる（ステップＳ１１４）。一方、電池特性マップ５３と合致していると判定した場合、本フローチャートの１ルーチンが終了する。

このように、複数の電池２１が直列に接続された組電池２０と、複数の電池２１のうち互いに隣接し、直列に接続された複数の電池群２２の両端の電圧を検出する電圧検出部３０であって、複数の電池群２２について設けられた複数の電圧検出部３０と、組電池２０の電流値を検出する電流検出部４０と、電池群２２の状態を監視する監視部５０を備え、監視部５０は、電池２１の電圧と電流積算値との関係が電流値ごとに対応づけられた電池特性マップ５３を参照し、電流検出部４０により検出された電流値に対応する電池特性マップ５３と、電圧検出部３０により検出された電圧および電流検出部４０により検出された電流値の積算値とが合致しているか否かを判定することによって、簡易な構成で複数の電池２１の状態を監視することができる。

なお、第１の実施形態では、電池２１が充電された状態から電流を放電するときに、電池２１の状態を監視する場合について説明したが、電池２１を充電する過程における電池２１の状態を監視してもよい。この場合、図３で示した電池特性マップ５３を左右反転させたものを利用することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点を中心に説明し、第１の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。第１の実施形態では、電池群２２の特性を電池特性マップ５３と比較することにより、電池群２２の異常を検出したが、第２の実施形態では、電池群２２のそれぞれの電圧を閾値と比較することにより、電池群２２の異常を検出する。第２の実施形態における電池２１は、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを、それぞれ用いたリチウムイオン電池である。

図５は、第２の実施形態の電源システム１により実行される処理の流れを示すフローチャートである。まず、異常判定部５４は、電圧検出部３０により検出された電圧を取得する（ステップＳ２００）。次に、異常判定部５４は、電圧検出部３０により検出された電圧が、第１の電圧範囲であるＶ１ｍｉｎ〜Ｖ１ｍａｘ（例えば３．０［Ｖ］以上、５．４［Ｖ］以下）の範囲内に存在するか否かを判定する（ステップＳ２０２）。第１の電圧範囲は、２つの電池２１を直列に接続したときに、出力される電圧の範囲である。従って、異常判定部５４は、電圧が第１の電圧範囲内である場合に、電池群２２に異常はない判断し、本フローチャートの１ルーチンを終了する。

電圧がＶ１ｍｉｎ〜Ｖ１ｍａｘの範囲内でない場合、異常判定部５４は、電圧検出部３０により検出された電圧が、第２の電圧範囲であるＶ２ｍｉｎ〜Ｖ２ｍａｘ（例えば１．５［Ｖ］以上、２．７［Ｖ］以下）の範囲内に存在するか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

第２の電圧範囲は、１つの電池２１から出力される電圧の範囲である。従って、電圧が、第１の電圧範囲外、且つ第２の電圧範囲内であるということは、電池群２２を構成する２つの電池２１のいずれか一方が正常な電圧を保っており、他方が正常な電圧を保っていないことを意味する。従って、電圧が第２の電圧範囲内である場合、異常判定部５４は、電池群２２を構成する電池２１のうち、一方の電池２１が異常であることを示す情報を出力部６０に出力させる（ステップＳ２０６）。

一方、電圧が、第１の電圧範囲内、または第２の電圧範囲内のいずれにも存在しないということは、電池群２２を構成する２つの電池２１のいずれもが適正な電圧を維持していないこと、或いは電池群２２の電圧測定が正常に機能していないことを意味する。従って、電圧が第２の電圧範囲内でない場合、異常判定部５４は、電池群２２を構成する双方の電池２１の異常、または組電池２０に接続された機器等の異常を示す情報を、出力部６０に出力させる（ステップＳ２０８）。

このように、異常判定部５４は、電圧検出部３０により検出された電圧に基づき、電池群２２を構成する電池２１のうち一方または双方に異常が存在するか否かを判定することができる。

前述したように電池群２２を構成する電池２１は、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを、それぞれ用いたリチウムイオン電池である。これによって、本実施形態の電源システム１は、図５に示す簡易なソフトウェア処理で電池２１の状態を監視することができる。以下、これについて説明する。図６は、本実施形態によるリチウムイオン電池を用いた電池群２２の特性（１）と、他の態様のリチウムイオン電池を用いた電池群２２の特性（２）を比較した図である。他の態様のリチウムイオン電池とは、例えば、正極にリチウム金属酸化物を、負極にグラファイトなどの炭素材を用いたリチウムイオン電池である。それぞれの特性は、リチウムイオン電池単体の特性と、２つのリチウムイオン電池を直列に２個接続した場合の電圧特性を重畳させて示している。

特性（１）に示すように、本実施形態に係る、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを、それぞれ用いたリチウムイオン電池は、単独での電圧範囲が１．５〜２．７［Ｖ］であるため、２つ直列に接続すると、電池群２２としての電圧範囲は３．０〜５．４［Ｖ］となる。すなわち、単独での電圧範囲と、２つ直列に接続した場合の電圧範囲が重ならないという特性を示している。従って、電池群２２としての電圧を監視するだけで、電池群２２を構成する電池２１の一つ一つを監視することができる。

一方、特性（２）に示すように、他の態様のリチウムイオン電池は、単独での電圧範囲が２．０〜４．２［Ｖ］であるため、２つ直列に接続すると、電池群としての電圧範囲は４．０〜８．４［Ｖ］となる。すなわち、単独での電圧範囲と、２つ直列に接続した場合の電圧範囲が重なってしまう。このため、電池群２２として用いた場合の電圧が、４．０［Ｖ］と４．２［Ｖ］の間である場合、電池２１の双方が下限電圧Ｖ２ｍｉｎ付近を維持しているのか、１つの電池２１に異常が生じたのかを判別することができない。

上述したように、第２の実施形態の電源システム１は、電池群２２ごとに備えた電圧検出部３０により検出された電圧が、第１の電圧範囲内である場合、電池群２２を構成する２つの電池２１が正常であると判定し、電池群２２ごとに備えた電圧検出部３０により検出された電圧が、第１の電圧範囲と重複しない第２の電圧範囲内である場合、電池群２２を構成する２つの電池２１のうち、いずれか一方の電池２１に異常が存在すると判定するため、簡易な構成でありながら、電池２１の状態を監視することができる。

（その他の実施形態）
異常判定部５４は、例えば電池群２２同士の電圧を比較し、所定以上の電位差が存在する場合には、いずれかの電池群２２に異常が発生したと判定してもよい。この場合、２つの電池群２２の間に所定以上の電位差が存在する場合に、当該２つとは異なる第三の電池群２２との間で（或いは他の電池群２２の電圧の平均との間で）電圧を比較し、第三の電池群２２との間で電位差が小さい方を、異常でないと判断してよい。また、異常判定部５４は、ある電池群２２の電圧を、他の電池群２２の電圧の平均値と比較し、所定以上の電位差が存在する場合には、電池群２２に異常が発生したと判定してもよい。このように、異常判定部５４は、２つの電池群２２の電圧と、当該２つとは異なる第三の電池群２２の電圧（或いは他の電池群２２の電圧の平均値）とを、比較することで異常の疑われる電池群２２を特定することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数の電池２１が直列に接続された組電池２０と、複数の電池２１のうち互いに隣接し直列に接続された電池群２２の両端の電圧を検出する電圧検出部３０であって、複数の電池群２２について設けられた複数の電圧検出部３０と、電圧検出部３０の検出結果に基づいて、複数の電池２１の状態を監視する監視部５０とを持つことにより、簡易な構成で電池２１の状態を監視することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電源システム、１０…負荷、２０…組電池、２１（２１−１〜２１−ｎ）…電池、２２（２２−１〜２２−ｋ）…電池群、３０（３０−１〜３０−ｋ）…電圧検出部、４０…電流検出部、５０…監視部、５２…記憶部、５３…電池特性マップ、５４…異常判定部、５６…電池特性マップ算出部、６０…出力部

Claims (6)

1. 複数の電池が直列に接続された組電池と、
   前記複数の電池のうち互いに隣接し直列に接続された電池群の両端の電圧を検出する電圧検出部であって、複数の前記電池群について設けられた複数の電圧検出部と、
   前記複数の電圧検出部の検出結果に基づいて、前記複数の電池の状態を監視する監視部と、を備え、
   前記電池ごとに電圧を検出することなく前記複数の電池の状態を監視する電源システム。
2. 前記複数の電池は、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを、それぞれ用いたリチウムイオン電池である、
   請求項１に記載の電源システム。
3. 前記組電池の電流値を検出する電流検出部を備え、
   前記監視部は、前記電池の電圧と電流積算値との関係が電流値ごとに対応づけられた電池特性マップを参照し、前記電流検出部により検出された電流値に対応する電池特性マップと、前記電圧検出部により検出された電圧および前記電流検出部により検出された電流値の積算値とが合致しているか否かを判定することによって、前記複数の電池の状態を監視する、
   請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記監視部は、前記電流検出部により検出された電流値に対応する電流値の電池特性マップが存在しない場合、補間演算によって、前記電流検出部により検出された電流値に対応する電流値の電池特性マップを生成する、
   請求項３に記載の電源システム。
5. 前記電池群は、２つの電池を含み、
   前記監視部は、前記電圧検出部により検出された電圧が、第１の電圧範囲内である場合、電池群を構成する２つの電池が正常であると判定し、前記電圧検出部により検出された電圧が、前記第１の電圧範囲と重複しない第２の電圧範囲内である場合、電池群を構成する２つの電池のうち、いずれか一方の電池が異常であると判定する、
   請求項２に記載の電源システム。
6. 前記監視部は、前記複数の電圧検出部により検出された電圧同士を比較し、所定の電位差がある場合には、前記複数の電圧検出部に対応する電池群のいずれかに異常があると判定する、
   請求項１から５のうちいずれか１項に記載の電源システム。

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