JP2019022275A

JP2019022275A - 電池パック

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Publication number: JP2019022275A
Application number: JP2017137020A
Authority: JP
Inventors: 勇一郎須藤; Yuichiro Sudo; 順一波多野; Junichi Hatano; 皓子安谷屋; Hiroko Ataya
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: JP6950314B2

Abstract

【課題】電池が低温である場合にモジュールスイッチの閉固着を過充電電圧に至ることなく検出できる電池パックを提供する。【解決手段】並列接続し、電池１１１と電池に直列接続したモジュールスイッチ１１５とを夫々含む複数の電池モジュール１１と、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチの内、１つモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に電池の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値を電池の温度に従い算出する電流指令値算出部１２１と、全てのモジュールスイッチが閉じた場合に全ての電池に対して通電が検出可能な検出可能指令値を電流指令値が下回る場合に、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチにスイッチ開信号を出力し、充電器２へ出力する電流指令信号を電流指令値から検出可能指令値へ向けて任意の段数で上げて、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチの閉固着の有無を判定する閉固着判定部１２２とを備えて電池パック１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池パックに関する。

電池パックは、並列接続した複数の電池モジュールと、複数の電池モジュール夫々の動作を制御する制御部とを備える。複数の電池モジュールは、二次電池と、該二次電池に直列接続したモジュールスイッチとを夫々備える。以下の説明において二次電池を単に電池と記載する場合がある。

電池の充電時、制御部は、モジュールスイッチを閉じるスイッチ閉信号を各電池モジュールへ出力する。また、制御部は、複数の電池モジュールの全ての電池に対する電流指令値を示す電流指令信号を充電器へ出力する。スイッチ閉信号に従いモジュールスイッチが閉じ、充電器が電流指令信号に従い複数の電池モジュールの全ての電池に電流を供給すると、複数の電池モジュール夫々の電池は充電される。

また、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチの閉固着の有無を判定する場合、制御部は、スイッチ開信号を各電池モジュールへ出力する。また、制御部は、複数の電池モジュールの全ての電池に対して通電が検出可能な検出可能指令値を示す電流指令信号を充電器へ出力する。ある電池モジュールにおいて、充電器が電流指令信号に従い電流を電池に供給し、モジュールスイッチがスイッチ開信号に従い開いた場合、電池の通電は検出されず、制御部は、当該モジュールスイッチは閉固着していないと判定する。一方、ある電池モジュールにおいて、充電器が電流指令信号に従い電流を電池に供給し、モジュールスイッチがスイッチ開信号に従い開かず閉じている場合、電池の通電が検出され、制御部は、当該モジュールスイッチは閉固着していると判定する。

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２０１４−２３９６３０号公報特開２００３−２０９９０７号公報特開２０１７−０７９４９６号公報

しかしながら、電池が低温である場合には、電池の内部抵抗は大きくなるため、ドロップ電圧が大きくなる。このため、複数の電池モジュールのモジュールスイッチの内、１つのモジュールスイッチのみが閉固着していた場合に、充電器が電流指令信号に従い検出可能指令値に相当する電流を供給すると、電池の電圧が過充電電圧を超える虞がある。電池の電圧が過充電電圧を超えると、該電池は故障する虞がある。

本発明の一側面に係る目的は、電池が低温である場合にモジュールスイッチの閉固着を過充電電圧に至ることなく検出できる電池パックを提供することである。

本発明に係る一つの形態である電池パックは、並列接続した複数の電池モジュール、電流指令値算出部、及び閉固着判定部を備える。複数の電池モジュールは、電池と、電池に直列接続したモジュールスイッチとを夫々含む。電流指令値算出部は、複数の電池モジュールの全ての電池に対する電流指令値であって、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチの内、１つの電池モジュールのモジュールスイッチのみが閉じた場合に１つの電池モジュールの電池の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値を電池の温度に従い算出する。閉固着判定部は、複数の電池モジュールの全てのモジュールスイッチが閉じた場合に複数の電池モジュールの全ての電池に対して通電が検出可能な検出可能指令値を電流指令値が下回る場合に、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチにスイッチ開信号を出力し、充電器へ出力する電流指令信号を電流指令値から検出可能指令値へ向けて任意の段数で上げて、複数の電池モジュール夫々のモジュールスイッチの閉固着の有無を判定する。

一実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温である場合にモジュールスイッチの閉固着を過充電電圧に至ることなく検出できる。

実施形態に従った電池パックの構成例を示す図である。実施形態に従った、モジュールスイッチの閉固着判定処理の例示的フロー図である。電池の温度と過充電電圧を超えない電流指令値との関係を示す図である。

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、実施形態に従った電池パックの構成例を示す図である。図１には、電池パック１が充電器２に接続された状態が示されている。なお、電池パック１は、充電器２を外して、車両等の負荷（図示せず）に接続し得る。

図１に示す構成例では、電池パック１は、複数の電池モジュール１１−１〜１１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）及び制御部１２を備える。以下の説明において電池モジュール１１−１〜１１−Ｎを特に区別にしない場合には、電池モジュール１１と記載する場合がある。

複数の電池モジュール１１は並列接続する。各電池モジュール１１は、電池１１１、電流センサ１１２、電圧センサ１１３、温度センサ１１４、モジュールスイッチ１１５、及び監視部１１６を備える。

電池１１１は、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層コンデンサ等である。電池モジュール１１に含まれる電池１１１の数は任意の数であってもよい。

電流センサ１１２は、例えば、ホール素子又はシャント抵抗により構成される。電流センサ１１２は、電池１１１に流れた電流を計測し、計測値を監視部１１６へ出力する。
電圧センサ１１３は、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）により構成される。電圧センサ１１３は、電池１１１の電圧を計測し、計測値を監視部１１６へ出力する。

温度センサ１１４は、電池１１１の温度を計測し、計測値を監視部１１６へ出力する。なお、図１に示す温度センサ１１４に代えて、複数の電池モジュールの内の任意の電池モジュール１１の電池１１１の温度を計測する１つ以上の温度センサ（図示せず）が電池パック１内に備えられてもよく、制御部１２は、該１つ以上の温度センサの計測値を取得するように構成してもよい。

モジュールスイッチ１１５は、例えば、機械式リレーやトランジスタ等により構成される。モジュールスイッチ１１５は、電池１１１に直列接続する。
監視部１１６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等）により構成される。監視部１１６は、制御部１２と通信し、該監視部１１６を備える電池モジュール１１の監視及び制御を司る。例えば、監視部１１６は、電流センサ１１２、電圧センサ１１３、及び温度センサ１１４の計測値を取得し、該計測値を制御部１２へ出力する。また、監視部１１６は、制御部１２からスイッチ閉信号を受け取ると、モジュールスイッチ１１５を閉じ、制御部１２からスイッチ開信号を受け取ると、モジュールスイッチ１１５を開く。

制御部１２は、電流指令値算出部１２１及び閉固着判定部１２２を含む。制御部１２は、例えば、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡやＰＬＤ等）により構成される。制御部１２は、電池パック１全体の制御を司る。制御部１２は、各電池モジュール１１の監視部１１６と通信し、電池パック１に接続した充電器２と通信する。

複数の電池モジュールの電池１１１を充電する場合、制御部１２は、モジュールスイッチ１１５を閉じるスイッチ閉信号を各電池モジュール１１の監視部１１６へ出力する。また、制御部１２は、複数の電池モジュール１１の全ての電池１１１に対する所定の電流指令値を示す電流指令信号を充電器２へ出力する。スイッチ閉信号に従い各電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５が閉じ、電流指令信号に従い充電器２が電流を全ての電池１１１に供給すると、各電池モジュール１１の電池１１１は充電される。

また、各電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５の閉固着の有無を判定する場合、制御部１２は、図２に示すような処理を実行する。図２は、実施形態に従った、モジュールスイッチの閉固着判定処理の例示的フロー図である。なお、モジュールスイッチ１１５の閉固着の有無の判定は、電池１１１の充電開始前に実行され得る。

ステップＳ１０１において、電流指令値算出部１２１は、電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値を電池１１１の温度に従い算出する。
例えば、複数の電池モジュール１１の電池１１１に充電器２が所定の電流を供給した場合、１つ当たりの電池１１１に流れる電流は、開いているモジュールスイッチ１１５の数が少ない程小さくなる。そして、１つ当たりの電池１１１に流れる電流は、全てのモジュールスイッチ１１５が閉じている場合に最小になる。したがって、全てのモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無を漏れなく判定するためには、電流指令値は、検出可能指令値以上であることが望ましい。検出可能指令値は、全てのモジュールスイッチ１１５が閉固着した場合に全ての電池１１１に対して通電が検出可能な電流指令値であり、電流センサ１１２の計測誤差を考慮して予め設定される。例えば、電流センサ１１２の計測誤差の規格値が±０．５「Ａ」である場合、電流センサ１１２が、該電流センサ１１２に直列接続した電池１１１に対して通電を検出可能な検出可能電流値は、１．０［Ａ］を超える値である。そこで、複数の電池モジュール１１の全ての電池１１１に対して通電が検出可能な検出可能指令値は、１．０×Ｎ［Ａ］（検出可能電流値×電池モジュール１１の数）を上回る値に設定される。

しかしながら、電池１１１が低温である場合、電池１１１の内部抵抗は大きくなり、該内部抵抗に起因するドロップ電圧も大きくなる。この結果、１つのモジュールスイッチ１１５のみが閉固着している場合には、閉固着したモジュールスイッチ１１５に直列接続する電池１１１に検出可能指令値に相当する電流が充電器２から流れ、該電池１１１の電圧は、過充電電圧を超える虞がある。

そこで、電流指令値算出部１２１は、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５の内、１つの電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に、該１つの電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値を電池１１１の温度に従い算出する。該電流指令値は、例えば、電流指令値＝（過充電電圧−電池１１１の開放電圧）／電池１１１の内部抵抗値、から求めることができる。なお、過充電電圧とは、それ以上の電圧では電池が劣化すると判断される電圧閾値である。

図３は、電池の温度と過充電電圧を超えない電流指令値との関係を示す図である。図３に示すように、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５の内、１つの電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に該１つの電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値は、電池１１１の温度が低下するに従って小さくなる。したがって、電池１１１が第１の温度のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値は、電池１１１が第１の温度より高い第２の温度のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値よりも小さい。

しかしながら、図３に示すように、電池１１１が低温になると、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値が検出可能指令値を下回る場合が生じ得る。検出可能指令値を下回る電流指令値に相当する電流を充電器２が複数の電池モジュール１１の全ての電池１１１に供給した場合、電流センサ１１２の計測値に変化は生じたものの、該計測値が電流センサｓ１１２の検出可能電流値を下回る電池モジュール１１が存在し得る。すなわち、閉固着の有無を判定できないモジュールスイッチ１１５が生じ得る。

このように、電流指令値は、１つの電池モジュール１１において電池１１１に対する通電が検出可能な検出可能電流値よりも大きく、かつ、１つの電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に該１つの電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない値である。しかしながら、電流指令値は、複数の電池モジュール１１の全ての電池１１１に対して通電が検出可能な検出可能指令値を下回る値であり得る。そこで、ステップＳ１０２において、閉固着判定部１２２は、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値が検出可能指令値を下回るか否かを判定する。

電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値が検出可能指令値以上である場合（ステップＳ１０２で“ＮＯ”）、閉固着判定部１２２は、全てのモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無を判定することが可能である。そこで、閉固着判定部１２２はステップＳ１０３の処理に進む。

ステップＳ１０３において、閉固着判定部１２２は、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５にスイッチ開信号を出力する。また、閉固着判定部１２２は、検出可能指令値を示す電流指令信号を充電器２へ出力する。各電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５は、閉固着していない限り、スイッチ開信号に従って開く。また、充電器２は、電流指令信号が示す検出可能指令値に相当する電流を複数の電池モジュール１１の電池１１１に供給する。

ステップＳ１０４〜ステップＳＳ１０８の繰り返し処理において、閉固着判定部１２２は、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無を判定する。すなわち、ステップＳ１０５において、閉固着判定部１２２は、電流センサ１１２の計測値に基づいて、電池１１１に電流が流れたか否かを電池モジュール１１毎に判定する。電流センサ１１２の計測値が０［Ａ］から計測誤差の範囲内で所定値以上変化していない場合、閉固着判定部１２２は、該電流センサ１１２が計測した電池１１１に直列接続したモジュールスイッチ１１５は閉固着していないと判定する（ステップＳ１０６）。また、電流センサ１１２の計測値が検出可能電流値を超える場合には、該電流センサ１１２が計測した電池１１１に直列接続したモジュールスイッチ１１５は閉固着していると判定する（ステップＳ１０７）。

一方、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値が検出可能指令値を下回る場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、全てのモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無を判定するために、閉固着判定部１２２はステップＳ１０９の処理に進む。

ステップＳ１０９において、閉固着判定部１２２は、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５にスイッチ開信号を出力する。また、閉固着判定部１２２は、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値を示す電流指令信号を充電器２へ出力する。各電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５は、閉固着していない限り、スイッチ開信号に従って開く。また、充電器２は、受け取った電流指令信号が示す電流指令値に相当する電流を複数の電池モジュールの電池１１１に供給する。

ステップＳ１１０において、閉固着判定部１２２は、全ての電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無が判定できたか否か確認する。すなわち、閉固着判定部１２２は、閉固着の有無を各モジュールスイッチ１１５に対して判定できたか否かを確認する。仮に、電流センサ１１２の計測値が０［Ａ］から計測誤差の範囲内で所定値以上変化していない場合には、該電流センサ１１２が計測した電池１１１に直列接続したモジュールスイッチ１１５は閉固着していないと判定可能である。また、仮に、電流センサ１１２の計測値が検出可能電流値を超える場合には、該電流センサ１１２が計測した電池１１１に直列接続したモジュールスイッチ１１５は閉固着していると判定可能である。

確認の結果、全ての電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無が判定できた場合（ステップＳ１１０で“ＹＥＳ”）、閉固着判定部１２２は、ステップＳ１０４〜ステップＳＳ１０８の繰り返しの処理に進む。そして、閉固着判定部１２２は、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無を判定する。

一方、確認の結果、全ての電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無が判定できない場合（ステップＳ１１０で“ＮＯ”）、閉固着判定部１２２は、ステップＳ１１１の処理に進む。

ステップＳ１１１において、閉固着判定部１２２は、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値に所定の加算値を加算する。そして、閉固着判定部１２２は、加算後の電流指令値を示す電流指令信号を充電器２へ出力する。充電器２は、受け取った電流指令信号が示す電流指令値に相当する電流を複数の電池モジュールの電池１１１に供給する。閉固着判定部１２２は、ステップＳ１１０に戻り、全ての電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５に対して閉固着の有無が判定できたか否か再び確認する。

こうして、閉固着判定部１２２は、複数の電池モジュール１１の全てのモジュールスイッチ１１５の閉固着の有無が判定できるまで、ステップＳ１１０及びステップＳ１１１の処理を繰り返す。具体的には、閉固着判定部１２２は、充電器２へ出力する電流指令信号を、電流指令値算出部１２１が算出した電流指令値から検出可能指令値へ向けて任意の段数で上げて、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５の閉固着の有無を判定する。電流指令信号を上げる段数は、１以上の任意の数であってよく、ステップＳ１１０及びステップＳ１１１の処理に対して予め設定された繰り返し回数に従って決定されてもよい。なお、所定の加算値は、電流指令信号を上げる段数に従って決定されてもよい。

このように、制御部１２は、電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値を電池１１１の温度に従い算出し、算出した電流指令値に相当する電流が充電器２から電池１１１に供給された場合にモジュールスイッチ１１５の閉固着の有無を判定する。したがって、実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温である場合にモジュールスイッチの閉固着の有無を判定できる。

また、制御部１２は、算出した電流指令値が検出可能指令値を下回る場合には、電流指令値を任意の段数で検出可能指令値へ向けて上げて、全てのモジュールスイッチ１１５の閉固着の有無を判定する。したがって、実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温である場合にモジュールスイッチの閉固着の有無の判定漏れを防ぐことができる。また、実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温である場合に、電池の電圧が過充電電圧を超えるのを防ぐことができる。

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Ｓ１０１において、電流指令値算出部１２１は、電池１１１の温度に加えて電池１１１の開放電圧（ＯＣＶ（Open circuit voltage））（又は充電容量（ＳＯＣ（State of charge）））及び電池１１１の劣化状態の内の少なくとも一方に従い電流指令値を算出してもよい。電池１１１の開放電圧は、電圧センサ１１３により計測される。電池１１１の充電容量は、電池１１１の開放電圧から求まる。また、電池１１１の劣化状態は、電池１１１の使用年数や充放電回数等から求まる。

図３に示すように、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５の内、１つの電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に該１つの電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値は、電池１１１の開放電圧（又は充電容量）が大きくなるに従って小さくなる。したがって、電池１１１の開放電圧が第１の電圧のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値は、電池１１１の開放電圧が第１の電圧より低い第２の電圧のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値よりも小さい。

また、図３に示すように、複数の電池モジュール１１夫々のモジュールスイッチ１１５の内、１つの電池モジュール１１のモジュールスイッチ１１５のみが閉じた場合に該１つの電池モジュール１１の電池１１１の電圧が過充電電圧を超えない電流指令値は、電池１１１の劣化状態が大きくなるに従って小さくなる。したがって、電池１１１の劣化状態が第１の状態のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値は、劣化状態が第１の状態より劣化していない第２の状態のときに電流指令値算出部１２１が算出する電流指令値よりも小さい。

こうした実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温であることに加えて、電池の開放電圧が大きかったり、電池の劣化状態が大きい場合でもモジュールスイッチの閉固着の有無を判定できる。また、こうした実施形態に従った電池パックによれば、電池が低温であることに加えて、電池の開放電圧が大きかったり、電池の劣化状態が大きい場合でも、モジュールスイッチの閉固着の有無の判定漏れを防ぐことできる。

１電池パック
２充電器
１１電池モジュール
１２制御部
１１１電池
１１２電流センサ
１１３電圧センサ
１１４温度センサ
１１５モジュールスイッチ
１１６監視部
１２１電流指令値算出部
１２２閉固着判定部

Claims

並列接続した複数の電池モジュールであって、電池と、前記電池に直列接続したモジュールスイッチとを夫々含む前記複数の電池モジュールと、
前記複数の電池モジュールの全ての前記電池に対する電流指令値であって、前記複数の電池モジュール夫々の前記モジュールスイッチの内、１つの電池モジュールの前記モジュールスイッチのみが閉じた場合に前記１つの電池モジュールの前記電池の電圧が過充電電圧を超えない前記電流指令値を前記電池の温度に従い算出する電流指令値算出部と、
前記複数の電池モジュールの全ての前記モジュールスイッチが閉じた場合に前記複数の電池モジュールの全ての前記電池に対して通電が検出可能な検出可能指令値を前記電流指令値が下回る場合に、前記複数の電池モジュール夫々の前記モジュールスイッチにスイッチ開信号を出力し、充電器へ出力する電流指令信号を前記電流指令値から前記検出可能指令値へ向けて任意の段数で上げて、前記複数の電池モジュール夫々の前記モジュールスイッチの閉固着の有無を判定する閉固着判定部と
を備えることを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックであって、
前記閉固着判定部は、前記電流指令値が前記検出可能指令値以上である場合に、前記複数の電池モジュール夫々の前記モジュールスイッチにスイッチ開信号を出力し、前記検出可能指令値を示す電流指令信号を前記充電器へ出力して、前記複数の電池モジュール夫々の前記モジュールスイッチの閉固着の有無を判定する
ことを特徴とする電池パック。
請求項１又は２に記載の電池パックであって、
前記電池が第１の温度のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値は、前記電池が前記第１の温度より高い第２の温度のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値よりも小さい
ことを特徴とする電池パック。
請求項１又は２に記載の電池パックであって、
前記電池の開放電圧が第１の電圧のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値は、前記電池の開放電圧が前記第１の電圧より低い第２の電圧のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値よりも小さい
ことを特徴とする電池パック。
請求項１又は２に記載の電池パックであって、
前記電池の劣化状態が第１の状態のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値は、前記劣化状態が第１の状態より劣化していない第２の状態のときに前記電流指令値算出部が算出する前記電流指令値よりも小さい
ことを特徴とする電池パック。