JP2018137058A - 電池装置および電池装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ故障時に、安全性を担保しつつ運転を継続可能な電池装置を提供する。【解決手段】 実施形態による電池装置１００は、電池セルＣ１〜Ｃｎを含む組電池ＢＴと、電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子と負極端子との電圧を検出する電圧センサを含む電圧検出回路１０と、電圧検出回路１０から検出値を受信し、電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧を演算し、複数のセル電圧に基づいて電圧センサが正常に動作しているか否か判断し、電圧センサが異常であると判断したときに、電圧センサにより正常に検出された他の複数のセル電圧の合算値と組電池ＢＴの電圧とを用いて、電圧センサにより正常に検出されなかったセル電圧の補正値を演算し、補正値により電圧センサにより正常に検出されなかったセル電圧を補正して、複数のセル電圧に基づいて電池セルＣ１〜Ｃｎが異常な状態であるか否かを判断する制御回路３０と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、電池装置および電池装置の制御方法に関する。

二次電池は、様々な電子機器の電源として二次電池が用いられている。二次電池は、安全性を担保するために電池の電圧、電流、温度などを監視し、電圧等を監視することができないときには充電および放電を禁止することが推奨されている。このため、二次電池を電源として搭載した電子機器は、二次電池の電圧等を監視することができなくなったときには、動作を停止するか、或いは、通常時よりも充放電電流を抑制する縮退運転に切替えて安全性を担保していた。

特開２０００−１１３９１１号公報

例えば、電気自動車は、人体の安全を確保するために急停止することが許容されていない。しかしながら、電気自動車の駆動電源として搭載された二次電池について、例えば電圧等を監視するための構成に不具合が生じて電圧等を監視することが不可能となった場合、二次電池自体が正常な状態であっても電気自動車が急停止する可能性があった。

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、センサ故障時に、安全性を担保しつつ運転を継続可能な電池装置を提供することを目的とする。

実施形態による電池装置は、複数の電池セルを含む組電池と、前記複数の電池セルそれぞれの正極端子と負極端子との電圧を検出する電圧センサを含む電圧検出回路と、前記電圧検出回路から検出値を受信し、前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧を演算し、複数の前記セル電圧に基づいて前記電圧センサが正常に動作しているか否か判断し、前記電圧センサが異常であると判断したときに、前記電圧センサにより正常に検出された他の複数の前記セル電圧の合算値と前記組電池の電圧とを用いて、前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧の補正値を演算し、前記補正値により前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧を補正した後、複数の前記セル電圧に基づいて前記複数の電池セルが異常な状態であるか否かを判断する制御回路と、を備える。

図１は、実施形態の電池装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 図２は、実施形態の電池装置の制御方法の一例について説明するためのフローチャートである。

以下、実施形態の電池装置および電池装置の制御方法について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施形態の電池装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。
本実施形態の電池装置１００は、組電池ＢＴと、電圧検出回路１０と、電流検出回路２０と、制御回路３０と、切替器４０と、正極端子ＰＴと、負極端子ＭＴと、を備えている。

電池装置１００の正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとは、例えば負荷５０に電気的に接続され、負荷５０へ直流電力を供給可能に構成されている。例えば、電池装置１００が電気自動車に搭載されている場合、負荷５０は例えばインバータと電動機とを含み、電池装置１００から供給された直流電力を交流電力に変換して、電動機を駆動することにより動作可能である。

組電池ＢＴは、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎ（ｎは２以上の整数）を備えている。電池セルＣ１〜Ｃｎは、例えばリチウムイオン電池セルであって、互いに直列に接続されている。最も高電位側の電池セルＣ１の正極は、切替器４０を介して正極端子ＰＴと電気的に接続している。最も低電位側の電池セルＣｎの負極は、負極端子ＭＴと電気的に接続している。

電圧検出回路１０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子および負極端子の電圧を検出する電圧センサを含む。電圧検出回路は、検出値を所定の周期で制御回路３０へ供給する。なお、電圧検出回路１０は、検出値に基づいて複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの電圧（セル電圧）を演算し、複数のセル電圧を所定の周期で制御回路３０へ供給してもよい。なお、電圧検出回路１０は、例えば、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子電圧と負極端子電圧との差をセル電圧としてもよい。

電流検出回路２０は、組電池ＢＴに流れる電流を検出する電流センサを備えている。電流検出回路２０は、検出した値を所定の周期で制御回路３０へ供給する。
なお、電池装置１００は、組電池ＢＴの温度を検出する少なくとも１つの温度センサを備えた温度検出回路（図示せず）を更に備えていてもよい。

制御回路３０は、電圧検出回路１０から複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧を周期的に受信する。また、制御回路３０は、電流検出回路２０から組電池ＢＴに流れる電流値を周期的に受信する。

制御回路３０は、電圧検出回路１０から受信した、正極端子電圧および負極端子電圧から、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧と組電池ＢＴの電圧とを演算することができる。

なお、電圧検出回路１０は、例えば、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子電圧と負極端子電圧との差をセル電圧としてもよい。また、制御回路３０は、例えば、最も高電位側の電池セルＣ１の正極端子の電圧と、最も低電位側の電池セルＣｎの負極端子の電圧との差を組電池ＢＴの電圧としてもよい。また、制御回路３０は、例えば、周期的に受信される電圧値および電流値について、連続する複数周期の値の平均値を用いて、電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧および組電池ＢＴの電圧を演算してもよい。

制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの電圧と、組電池ＢＴの電圧と、組電池ＢＴに流れる電流とに基づいて、電圧検出回路１０の電圧センサが正常か否かを判断し、電圧センサが正常でないと判断したときに、正常に検出されなかった電池セルのセル電圧の補正値を演算可能に構成されている。

また、制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの電圧と、組電池ＢＴの電圧と、組電池ＢＴに流れる電流と、セル電圧の補正値とに基づいて、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれについて異常な状態(例えば、過充電状態や、過放電状態)であるか否かを判断し、電池セルＣ１〜Ｃｎのいずれか（若しくは組電池ＢＴ）が異常であると判断したときに、切替器４０を制御して、組電池ＢＴと負荷５０とを電気的に切り離すことができる。

また、制御回路３０は、電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧や組電池ＢＴに流れる電流とから、組電池ＢＴのＳＯＣ（state of charge）を演算することができる。制御回路３０は、外部と通信可能に構成され、例えば、組電池ＢＴの電圧値、電流値、および、ＳＯＣ、電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの電圧値などを外部へ出力することが可能である。

制御回路３０は、上記動作を、例えばハードウエアにより実現してもよく、ソフトウエアにより実現してもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより実現してもよい。制御回路３０は、例えば、メモリと、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）等のプロセッサを少なくとも１つ備えた演算回路であっても良い。

切替器４０は、組電ＢＴの正極（電池セルＣ１の正極）と正極端子ＰＴとの間の電気的接続を切替え可能である。切替器４０は、例えば電磁接触器であって、制御回路３０により動作を制御される。

図２は、実施形態の電池装置の制御方法の一例について説明するためのフローチャートである。ここでは、上記電池装置１００の制御回路３０にて、電池セルＣ１〜Ｃｎの異常を判断する動作の一例について説明する。

本実施形態の電池装置では、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出する電圧センサの故障等により電圧検出回路１０が異常な状態であるか否かを判断し、電圧検出回路１０が異常な状態であると判断したときには正常に検出されなかったセル電圧値の補正値を演算し、セル電圧の補正値と他の複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧値とに基づいて、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常か否かを判断する。

制御回路３０は、電圧検出回路１０から電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの正極端子および負極端子の電圧値を周期的に受信し、電流検出回路２０から組電池ＢＴへの電流値を周期的に受信する（ステップＳ１）。

続いて、制御回路３０は、電圧検出回路１０から受信した電圧値から複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれの電圧（セル電圧）を演算する（ステップＳ２）。制御回路３０は、例えば、電池セルＣ１の正極端子の電圧と負極端子の電圧との差を電池セルＣ１のセル電圧としてもよい。なお、制御回路３０は、例えば、電圧検出回路１０から周期的に受信される電圧値の連続する複数周期の値の平均値を演算し、演算した平均値を用いて電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧を演算してもよい。

続いて、制御回路３０は、演算した複数のセル電圧に基づいて、電圧検出回路１０の電圧センサが正常に動作しているか否かを判断する（ステップＳ３）。このとき、制御回路３０は、例えば、演算した複数のセル電圧それぞれについて、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの使用上で実現し得る電圧範囲に含まれているか否か判断する。例えば、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの使用上で実現し得る電圧範囲は、その下限値が過放電時の電圧より小さく、その上限値が過充電時の電圧より大きくなるように設定してもよい。制御回路３０は、正常な電圧範囲に含まれていないセル電圧があったときに、対応する正極端子電圧および負極端子電圧を検出した電圧センサが異常であると判断する。

また、制御回路３０は、例えば、電圧センサの測定精度を考慮して、以下の様に電圧センサが正常か否かを判断してもよい。正常な範囲に含まれていないセル電圧があったときに、制御回路３０は、組電池ＢＴが充電しているのか、放電しているのかを判断する。例えば、組電池ＢＴが充電しているときには電流値が正となり、組電池ＢＴが放電しているときには電流値が負となる。

充電時には、［測定されたセル電圧（正常範囲）の最大値＋センサ測定精度］＜［組電池の電圧］−［測定されたセル電圧（正常範囲）の合算値］のとき、正常な範囲に含まれていないセル電圧に対応する正極端子電圧および負極端子電圧を検出した電圧センサが異常であると判断してもよい。

放電時には、［測定されたセル電圧（正常範囲）の最小値−センサ測定精度］＞［組電池ＢＴの電圧］−［測定されたセル電圧（正常範囲）の合算値］のとき、正常な範囲に含まれていないセル電圧に対応する正極端子電圧および負極端子電圧を検出した電圧センサが異常と判断してもよい。なお、上記のセンサ測定精度は、予め測定することにより得られた値であり、正の電圧値[Ｖ]である。

上記ステップＳ３にて、複数のセル電圧を検出する電圧センサが正常であると判断したときには、例えば、制御回路３０は、後述のように複数の電池セルの異常判断を行う（ステップＳ７）。
上記ステップＳ３にて、複数のセル電圧を検出する電圧センサの少なくとも１つが故障等による異常であると判断したときには、制御回路３０は、電圧検出回路１０により正常に検出された値に基づく他のセル電圧と、組電池ＢＴの電圧とから、電圧センサの故障により正常に検出されなかった値に基づくセル電圧の補正値を演算する。このとき、制御回路３０は、図示しない上位制御装置（外部）へ、電圧センサが正常でない旨の通知を行ってもよい。

制御回路３０は、組電池ＢＴの電流がゼロか否か判断する（ステップＳ４）。このとき、制御回路３０は、例えば、周期的に受信される電流値の連続する複数周期の値の平均値を組電池ＢＴの電流としてもよい。なお、組電池ＢＴの電流が、充電電流や放電電流に比べてその絶対値が十分に小さいときには、実質的に、組電池ＢＴの充電および放電を停止しているものと扱うことができる。このことから、制御回路３０は、組電池ＢＴの電流がゼロを含む所定の範囲（充電電流および放電電流よりも十分小さい電流の範囲）に含まれているか否かを判断しても良い。

組電池ＢＴの電流がゼロでない場合、制御回路３０は、故障した電圧センサにより検出された値に基づくセル電圧を除いた他の複数のセル電圧の合算値と、組電池ＢＴの電圧値と、組電池ＢＴの電流値と、電池セルの内部抵抗値とから、電圧センサの故障により正常に検出できなかったセル電圧の補正値を演算する（ステップＳ５）。

このとき、制御回路３０は、例えば組電池ＢＴに流れる電流に基づいて、組電池ＢＴが負荷５０から充電しているのか（電流が正であるか）、負荷５０へ放電しているのか（電流が負であるか）を判断する。

組電池ＢＴから負荷５０へ放電しているとき、および、組電池ＢＴが負荷５０から充電されているときには、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧降下を考慮すると、セル電圧の合算値と組電池ＢＴの総電圧とには以下のような関係が成立する。

すなわち、組電池ＢＴが充電されているときには、例えば組電池ＢＴの電流値Ｉが正の値（Ｉ＞０）となり、制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧の合算値と、組電池ＢＴの内部抵抗値Ｒと充電電流値Ｉとの積との和が、充電時の組電池ＢＴの総電圧となる（［セル電圧の合算値］＋［内部抵抗Ｒ×電流値Ｉ］＝［組電池ＢＴの総電圧］）。

また、組電池ＢＴが放電しているときには、例えば組電池ＢＴの電流値Ｉが負の値（Ｉ＜０）となり、制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎそれぞれのセル電圧の合算値から、組電池ＢＴの内部抵抗値Ｒと充電電流値Ｉとの積を引いた差が、放電時の組電池ＢＴの総電圧となる（［セル電圧の合算値］−［内部抵抗Ｒ×電流値Ｉ］＝［組電池ＢＴの総電圧］）。
制御回路３０は、上記の式に基づいて、電圧センサの故障等により正常に検出されなかったセル電圧の補正値を演算することができる。

具体的には、充電時は、［電圧センサの故障により正常に検出されなかったセル電圧（補正値）］＝［組電池ＢＴの総電圧］−［内部抵抗Ｒ×電流値Ｉ］−[正常に検出されたセル電圧の合算値]となり、放電時は、［電圧センサの故障により正常に検出されなかったセル電圧（補正値）］＝［組電池ＢＴの総電圧］＋［内部抵抗Ｒ×電流値Ｉ］−[正常に検出されたセル電圧の合算値]となる。

ステップＳ４において組電池ＢＴの電流がゼロであるとき、制御回路３０は、故障した電圧センサにより検出されたセル電圧を除いた他の複数のセル電圧の合算値と、組電池ＢＴの電圧値とから、電圧センサの故障により正常に測定できなかったセル電圧を演算する（ステップＳ６）。具体的には、［電圧センサの故障により正常に検出されなかったセル電圧（補正値）］＝［組電池ＢＴの総電圧］−[正常に検出されたセル電圧の合算値]となる。

本実施形態の電池装置１００において、制御回路３０は、電圧センサの故障により正常に検出されなかったセル電圧の上記補正値を、実際に電圧センサにより検出された値と置き換えて、電池装置１００の動作を継続する。

続いて、制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常か否かを判断する（ステップＳ７）。制御回路３０は。上記補正値を含む複数の電池セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧それぞれと、過放電閾値および過充電閾値とを比較し、電池セルＣ１〜Ｃｎが過充電状態であるか否か、過放電状態であるか否かを判断し、過充電状態であるとき、および、過放電状態であるときに、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常な状態であると判断する。

複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常であると判断したときには、制御回路３０は、図示しない上位制御装置（外部）へ異常である旨通知するとともに、切替器４０により組電池ＢＴと正極端子ＰＴとを電気的に切り離す（ステップＳ８）。
複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常でないと判断したときには、制御回路３０は、ステップＳ１に戻り、組電池ＢＴの監視動作を継続する。

なお、電池装置１００は、組電池ＢＴの温度を検出する温度センサ（図示せず）を備えていてもよく、制御回路３０は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎが異常な状態であるか否か判断する際に、検出された温度と過温度閾値とを比較して組電池ＢＴが過温度であるか否かを合わせて判断してもよい。

上記のように、本実施形態の電池装置１００では、電池セル自体の本質的な故障ではなく測定系の不具合による故障によりセル電圧が正常に測定されなかったときに、電池装置１００が搭載されたシステムを停止させたり、組電池ＢＴの放電を制限したりすることなく運転を継続することができる。したがって、本実施形態によれば、センサ故障時に、安全性を担保しつつ運転を継続可能な電池装置を提供することができる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

例えば、電池セルＣｋのセル電圧に対応する電圧センサが異常であるときに、制御回路３０は、当該電池セル（Ｃｋ）の両側に隣接する電池セル（Ｃｋ−１、Ｃｋ＋１）のセル電圧と、当該電池セルとその両側に隣接す電池セルとの総電圧（Ｖｋ）とから、当該電池セルのセル電圧の補正値（＝総電圧Ｖｋ−（電池セルＣｋ−１の電圧＋電池セルＣｋ＋１の電圧））を演算することが可能である。この場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電圧センサの故障により２以上のセル電圧が正常に検出されなかったときでも、制御回路３０は、当該電池セルのセル電圧の補正値を演算することができる。このときに、制御回路３０は、電池セルの電圧降下を考慮して補正値を演算してもよい。なお、ｋは２以上ｎ−１以下の正の整数である。

１０…電圧検出回路、２０…電流検出回路、３０…制御回路、４０…切替器、５０…負荷、１００…電池装置、ＢＴ…組電池、Ｃ１〜Ｃｎ…電池セル。

Claims (4)

1. 複数の電池セルを含む組電池と、
   前記複数の電池セルそれぞれの正極端子と負極端子との電圧を検出する電圧センサを含む電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路から検出値を受信し、前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧を演算し、複数の前記セル電圧に基づいて前記電圧センサが正常に動作しているか否か判断し、前記電圧センサが異常であると判断したときに、前記電圧センサにより正常に検出された他の複数の前記セル電圧の合算値と前記組電池の電圧とを用いて、前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧の補正値を演算し、前記補正値により前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧を補正し、複数の前記セル電圧に基づいて前記複数の電池セルが異常な状態であるか否かを判断する制御回路と、を備えた電池装置。
2. 前記組電池に流れる電流を検出する電流検出回路を更に備え、
   前記制御回路は、前記電流検出回路から検出値を受信し、前記組電池に流れる電流値に基づいて前記組電池が充電中であるか放電中であるかを判断し、前記組電池が充電中であるときおよび放電中であるときに、前記電圧センサにより正常に検出された他の複数の前記セル電圧の合算値と前記組電池の電圧と前記組電池の内部抵抗と前記組電池に流れる電流とを用いて、前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧の前記補正値を演算する、請求項１記載の電池装置。
3. 電圧センサにより検出された複数の電池セルそれぞれの正極端子と負極端子との電圧値を受信し、
   前記正極端子と前記負極端子との電圧に基づいて、前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧を演算し、
   複数の前記セル電圧に基づいて前記電圧センサが正常に動作しているか否か判断し、
   前記電圧センサが異常であると判断したときに、前記電圧センサにより正常に検出された他の複数の前記セル電圧の合算値と前記複数の電池セルを含む組電池の電圧とを用いて、前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧の補正値を演算し、
   前記補正値により前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧を補正した後、複数の前記セル電圧に基づいて前記複数の電池セルが異常な状態であるか否かを判断する、電池装置の制御方法。
4. 前記組電池に流れる電流値を受信し、
   前記組電池に流れる電流値に基づいて前記組電池が充電中であるか放電中であるかを判断し、
   前記組電池が充電中であるときおよび放電中であるときに、前記電圧センサにより正常に検出された他の複数の前記セル電圧の合算値と前記組電池の電圧と前記組電池の内部抵抗と前記組電池に流れる電流とを用いて、前記電圧センサにより正常に検出されなかった前記セル電圧の前記補正値を演算する、請求項３記載の電池装置の制御方法。