JP2017147021A

JP2017147021A - 蓄電装置及び電池モジュールの制御方法

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Publication number: JP2017147021A
Application number: JP2016025441A
Authority: JP
Inventors: 隆広都竹; Takahiro Tsutake; 西垣　研治; Kenji Nishigaki; 研治西垣; 順一波多野; Junichi Hatano
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP6583034B2

Abstract

【課題】複数の電池セルの劣化状態にばらつきがあったとしても、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かを精度よく判定することで電池モジュールの使用を適切に制御する蓄電装置を提供する。【解決手段】複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎと、セル劣化状態・セル膨張量対応マップを記憶する記憶部１２１と、複数の電池セルの劣化状態を夫々取得する取得部１２２と、セル劣化状態・セル膨張量対応マップから、複数の電池セルの劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得し、取得されたセル膨張量の和から、複数の電池セルから構成される電池モジュール１１のモジュール膨張量を算出する算出部１２３と、モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えるか否かを判定する判定部１２４と、モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超える場合に、複数の電池セルに入出力する電流を制限する制限部１２５とを備えて、蓄電装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置及び電池モジュールの制御方法に関する。

電池モジュールに含まれる複数の電池セルは拘束部材によって拘束される。電池セルが劣化により膨張した場合に拘束部材の拘束によって電池モジュールにかかる拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かの判定は、例えば、以下の方法により判定される。すなわち、電池モジュールに含まれる各電池セルは平均的に劣化するものと仮定して、最も劣化が進んだ電池セルの劣化状態が劣化閾値を超えるか否かによって、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かが判定される。

なお、関連する技術として特許文献１〜３に記載の技術が知られている。

特開２００２−０２７６８１号公報特開２０１２−２３４６２９号公報特開２００３−０４５３８７号公報

しかしながら、上述のような判定方法では、各電池セルの劣化状態にばらつきがある場合には、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を実際には超えないにも拘らず超えると判定される可能性がある。この結果、電池モジュールの使用が不必要に停止される可能性がある。

本発明の一側面に係る目的は、複数の電池セルの劣化状態にばらつきがあったとしても、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かを精度よく判定することで電池モジュールの使用を適切に制御する蓄電装置を提供することである。

本発明に係る一つの形態である蓄電装置は、複数の電池セル、記憶部、取得部、算出部、判定部、及び制限部を含む。
記憶部はセル劣化状態・セル膨張量対応マップを記憶する。取得部は前記複数の電池セルの劣化状態を夫々取得する。算出部は、前記セル劣化状態・セル膨張量対応マップから、前記複数の電池セルの劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得し、取得された前記セル膨張量の和から、前記複数の電池セルから構成される電池モジュールのモジュール膨張量を算出する。

判定部は、前記モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えるか否かを判定する。制限部は、前記モジュール膨張量が前記モジュール膨張閾値を超える場合に、前記複数の電池セルに入出力する電流を制限する。

一実施形態に従った蓄電装置によれば、電池モジュールに含まれる複数の電池セルの劣化状態にばらつきがあったとしても、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かを精度よく判定することで電池モジュールの使用を適切に制御できる。

実施形態に従った蓄電装置の構成例を示す図である。実施形態に従った蓄電装置に含まれる電池モジュールの構成例の概略図である。実施形態に従った電池モジュールの制御方法の第１例のフロー図である。実施形態に従った電池モジュールの制御方法の第２例のフロー図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態に従った蓄電装置の構成例を示す図である。図１に示す一例では、蓄電装置１は、電池モジュール１１、電池制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１２、スイッチ１３、電圧センサ１４、電流センサ１５、温度センサ１６、及び接続コネクタ１７を含む。

電池モジュール１１は、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を含む。複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎは、互いに同じ種類及び構造を有してもよく、直列に接続される。図２は、実施形態に従った蓄電装置に含まれる電池モジュールの構成例の概略図である。図２に示す構成例では、電池モジュール１１は、５つ（Ｎ＝５）の電池セル１１１−１〜１１１−５を含む。電池セル１１１−１〜１１１−５は、１対のエンドプレート１１２により挟まれる。そして、エンドプレート１１２の４隅を夫々貫通する通しボルト１１３とナット１１４とによりエンドプレート１１２間が締め付けられることで、電池セル１１１−１〜１１１−５はエンドプレート１１２間に拘束される。エンドプレート１１２、通しボルト１１３、及びナット１１４は拘束部材の一例である。電池モジュール１１には、電池セル１１１−１〜１１１−５の並設方向、すなわち、１対のエンドプレート１１２が対峙する方向に拘束荷重がかかる。

なお、図１に示す一例では１つの電池モジュール１１が蓄電装置１に含まれているが、複数の電池モジュール１１が蓄電装置１に含まれてもよい。
電池制御ユニット１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）といったプロセッサ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、又はＰＬＤ（Programmable Logic Device）である。電池制御ユニット１２は、記憶部１２１、取得部１２２、算出部１２３、判定部１２４、及び制限部１２５を含む。

電池制御ユニット１２は、電池モジュール１１の状態を監視し、蓄電装置１全体の動作を制御する。また、電池制御ユニット１２は、例えば、以下の説明のように動作する。図３は、実施形態に従った蓄電装置が実行する電池モジュールの制御方法の第１例のフロー図である。図３に示すような制御方法は任意のタイミング（例えば、所定の時間間隔）で繰り返し実行されてよい。

記憶部１２１はセル劣化状態・セル膨張量対応マップを予め記憶する。例えば、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎは互いに同じ種類及び構造を有してもよく、そうした電池セルの劣化状態（セル劣化状態）と膨張量（セル膨張量）との対応関係を示すマップが記憶部１２１に記憶される。セル劣化状態とセル膨張量との対応関係は、例えば、電池セル１１１−１〜１１１−Ｎと同じ種類及び構造を有する電池セルを用いた事前の実験等により取得される。

取得部１２２は複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎの劣化状態を夫々取得する（ステップＳ１１）。劣化状態は、電池セル１１１−１〜１１１−Ｎ夫々の満充電容量に基づき取得されてもよい。また、劣化状態は、電池セル１１１−１〜１１１−Ｎ夫々の内部抵抗値に基づき取得されてもよい。満充電容量或いは内部抵抗値は、例えば、電圧センサ１４（１４−１〜１４−Ｎ）により測定された電圧値、電流センサ１５により測定された電流値、及び温度センサ１６により測定された温度を用いて検出可能である。

算出部１２３は、記憶部１２１に記憶されたセル劣化状態・セル膨張量対応マップから、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎの劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得する（ステップＳ１２）。そして、算出部１２３は、取得されたセル膨張量の和からモジュール膨張量を算出する（ステップＳ１３）。モジュール膨張量は、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎから構成される電池モジュール１１の膨張量である。

判定部１２４は、算出されたモジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１４）。モジュール膨張閾値は、電池モジュール１１が故障又は破損しないために許容される電池モジュール１１の膨張限界値であり、電池モジュール１１の拘束荷重限界に対応する。モジュール膨張閾値は、例えば、電池モジュール１１と同じ種類及び構造を有する電池モジュールを用いた事前の実験等により取得され、判定部１２４に予め保持される。

モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超える場合（ステップＳ１４で“ＹＥＳ”）、制限部１２５は、電池モジュール１１の使用を制限又は停止するために、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を制限する（ステップＳ１６）。具体的には、例えば、制限部１２５は、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎを電力線Ｌｐ１及びＬｐ２を介して負荷２と接続するスイッチ１３をオフにすることで、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を停止する。また、例えば、制限部１２５は、電力の使用制限を通信線Ｌｃを介して負荷２に通知することで、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を制限する。スイッチ１３は、例えば、リレーであり、電圧線としての電力線Ｌｐ１上に設置される。負荷２は、例えば、ハイブリッドカー、電気自動車、及び電動フォークリフト等である。負荷２は、蓄電装置１側の接続コネクタ１７及び負荷２側の接続コネクタ２１を介して接続される。なお、負荷２に代わって、充電装置（図示せず）が蓄電装置１に接続されてもよい。

このように、電池モジュール１１のモジュール膨張量は、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎの夫々の劣化状態を基にして算出される。そして、算出されたモジュール膨張量が、電池モジュール１１の拘束荷重限界に対応するモジュール膨張閾値を超えるか否かが判定される。したがって、実施形態に従った蓄電装置によれば、複数の電池セルの劣化状態にばらつきがあったとしても、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かを精度よく判定でき、電池モジュールの使用を適切に制御できる。

モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えない場合（ステップＳ１４で“ＮＯ”）、判定部１２４は、ステップＳ１２で取得されたセル膨張量の中で最大のセル膨張量がセル膨張許容値を超えるか否かを更に判定する（ステップＳ１５）。セル膨張許容値は、膨張により当該電池セル又は隣接する電池セルが故障又は破損しないために各電池セルに許容される膨張限界値である。セル膨張許容値は、電池セル１１１−１〜１１１−Ｎと同じ種類及び構造を有する電池セルを用いた事前の実験等により取得され、判定部１２４に予め保持される。

最大のセル膨張量がセル膨張許容値を超える場合（ステップＳ１５で“ＹＥＳ”）、制限部１２５は、電池モジュール１１の使用を制限又は停止するために、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を制限する（ステップＳ１６）。電流の制限方法の具体例は前述した。

このように、電池モジュール１１の拘束荷重が拘束荷重限界を超えなくても、電池モジュール１１に含まれる少なくとも１つの電池セルの膨張量がセル膨張許容値を超える場合には電池モジュール１１の使用が制限される。したがって、実施形態に従った蓄電装置によれば、複数の電池セルの劣化状態にばらつきがあったとしても、電池モジュールの使用を適切に制御できる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
例えば、ステップＳ１２において算出部１２３は次のような処理を行ってもよい。すなわち、ステップＳ１１で取得される電池セル１１１−１〜１１１−Ｎ夫々の劣化状態は、検出された満充電容量又は内部抵抗値を基づく予測（推測）値であり、実際の劣化状態に対して誤差が含まれ得る。そこで、ステップＳ１２において、算出部１２３は、電池セルの劣化状態の予測精度に基づき予め設定された所定の誤差（例えば、３〜５％）をステップＳ１１で取得された劣化状態に夫々加算してもよい。具体的には、例えば、算出部１２３は、取得された劣化状態にプラス側の誤差を夫々加算し、取得された劣化状態にマイナス側の誤差を夫々加算する。算出部１２３は、プラス側の誤差が加算された劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得する。また、算出部１２３は、マイナス側の誤差が加算された劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得する。算出部１２３は、各電池セルについて取得された２つのセル膨張量の内、値が大きいセル膨張量を夫々選択する。こうした処理を行えば、電池モジュールの拘束荷重が拘束荷重限界を超えるか否かをより精度よく判定できる。

また、電池制御ユニット１２は、図３に示した制御方法に代えて図４に示すような制御方法を実行してもよい。実施形態に従った電池モジュールの制御方法の第２例のフロー図である。図４に示すような制御方法は任意のタイミング（例えば、所定の時間間隔）で繰り返し実行されてよい。

記憶部１２１はモジュール膨張量・拘束荷重対応マップを予め更に記憶する。モジュール膨張量・拘束荷重対応マップは、モジュール膨張量と電池モジュール１１にかかる拘束荷重との対応関係を示すマップである。モジュール膨張量と拘束荷重との対応関係は、例えば、電池モジュール１１と同じ種類及び構造を有する電池モジュールを用いた事前の実験等により取得される。

ステップＳ２１〜ステップＳ２３において、ステップＳ１１〜ステップＳ１３の上述した処理と同じ処理が行われてよい。ステップＳ２４において、算出部１２３は、記憶部１２１に記憶されたモジュール膨張量・拘束荷重対応マップから、ステップＳ２３で算出されたモジュール膨張量に対応する拘束荷重を更に取得する。

判定部１２４は、取得された拘束荷重が拘束荷重閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２５）。拘束荷重閾値は、電池モジュール１１が故障又は破損しないために許容される電池モジュール１１の拘束荷重限界値である。拘束荷重閾値は、例えば、電池モジュール１１と同じ種類及び構造を有する電池モジュールを用いた事前の実験等により取得され、判定部１２４に予め保持される。

取得された拘束荷重が拘束荷重閾値を超える場合（ステップＳ２５で“ＹＥＳ”）、制限部１２５は、電池モジュール１１の使用を制限又は停止するために、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を制限する（ステップＳ２７）。電流の制限方法の具体例はステップＳ１６に関して前述した。

取得された拘束荷重が拘束荷重閾値を超えない場合（ステップＳ２５で“ＮＯ”）、判定部１２４は、ステップＳ２２で取得されたセル膨張量の中で最大のセル膨張量がセル膨張許容値を超えるか否かを更に判定する（ステップＳ２６）。最大のセル膨張量がセル膨張許容値を超える場合（ステップＳ２６で“ＹＥＳ”）、制限部１２５は、電池モジュール１１の使用を制限又は停止するために、複数の電池セル１１１−１〜１１１−Ｎに入出力する電流を制限する（ステップＳ２７）。電流の制限方法の具体例はステップＳ１６に関して前述した。

図４に示したような制御方法の第２例によっても図３を参照しながら前述した制御方法の第１例と同様の効果が得られる。

１蓄電装置
１１電池モジュール
１１１−１〜１１１−Ｎ電池セル
１１２エンドプレート
１１３通しボルト
１１４ナット
１２電池制御ユニット
１２１記憶部
１２２取得部
１２３算出部
１２４判定部
１２５制限部
１３スイッチ
１４（１４−１〜１４−Ｎ）電圧センサ
１５電流センサ
１６温度センサ
１７接続コネクタ
２負荷
２１接続コネクタ
Ｌｃ通信線
Ｌｐ１、Ｌｐ２電力線

Claims

複数の電池セルと、
セル劣化状態・セル膨張量対応マップを記憶する記憶部と、
前記複数の電池セルの劣化状態を夫々取得する取得部と、
前記セル劣化状態・セル膨張量対応マップから、前記複数の電池セルの劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得し、取得された前記セル膨張量の和から、前記複数の電池セルから構成される電池モジュールのモジュール膨張量を算出する算出部と、
前記モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えるか否かを判定する判定部と、
前記モジュール膨張量が前記モジュール膨張閾値を超える場合に、前記複数の電池セルに入出力する電流を制限する制限部と
を含む蓄電装置。
請求項１に記載の蓄電装置であって、
前記記憶部は、モジュール膨張量・拘束荷重対応マップを更に記憶し、
前記算出部は、前記モジュール膨張量・拘束荷重対応マップから、前記モジュール膨張量に対応する拘束荷重を更に取得し、
前記判定部は、前記モジュール膨張量が前記モジュール膨張閾値を超えるか否かを判定する代わりに、前記拘束荷重が拘束荷重閾値を超えるか否かを判定し、
前記制限部は、前記モジュール膨張量が前記モジュール膨張閾値を超える場合に前記電流を制限する代わりに、前記拘束荷重が前記拘束荷重閾値を超える場合に前記電流を制限する
蓄電装置。
請求項１又は２に記載の蓄電装置であって、
前記判定部は、取得された前記セル膨張量の中で最大のセル膨張量がセル膨張許容値を超えるか否かを更に判定し、
前記制限部は、前記最大のセル膨張量が前記セル膨張許容値を超える場合に前記電流を制限する
蓄電装置。
請求項１〜３の何れか一項に記載の蓄電装置であって、
前記算出部は、電池セルの劣化状態の予測精度に基づき設定された誤差を、取得された前記劣化状態に夫々加算する
蓄電装置。
複数の電池セルの劣化状態を夫々取得し、
セル劣化状態・セル膨張量対応マップから、前記複数の電池セルの劣化状態に対応するセル膨張量を夫々取得し、
取得された前記セル膨張量の和から、前記複数の電池セルから構成される電池モジュールのモジュール膨張量を算出し、
前記モジュール膨張量がモジュール膨張閾値を超えるか否かを判定し、
前記モジュール膨張量が前記モジュール膨張閾値を超える場合に、前記複数の電池セルに入出力する電流を制限すること
を含む、蓄電装置が実行する電池モジュールの制御方法。