JP2019032987A - 電池パックの異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用過程での電圧値のばらつきと電池パックの異常とを切り分けて判定する。
【解決手段】複数の電池セル１２と、各々の電池セル１２の電圧値を監視する監視ユニット１３と、を備えた電池パック１０の異常判定装置１であって、最高電圧値から各電圧値を減算した電圧差ΔＶを所定の順番に並べ、先頭から順に電圧差ΔＶを一つずつずらしながら所定数ごとの電圧差ΔＶの平均値を算出するとともに、複数の平均値の傾きＫを算出する算出部２と、算出部２で算出された複数の傾きＫの中に、その絶対値|Ｋ|が所定の異常判定値Ｋ₀以上である傾きＫが存在する場合に電池パック１０が異常であると判定する判定部３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを備えた電池パックの異常判定装置に関する。

電池パックは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等のエネルギ密度の高い電池セル（二次電池）をモジュール化した電池モジュールが、ケース内に複数配置されて構成される。電池パックは、例えば電動車両の動力源や電子機器の電力源として用いられる。このような電池パックには、内部の電池セルや電池モジュールの状態を監視する監視ユニットが電池モジュール毎に設けられ、この監視結果から電池パックの異常を判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２４０８０７号公報

電池パックにおける一般的な異常判定の方法としては、複数の電池セルの中から最高セル電圧と最低セル電圧とを抽出して、これらの差を判定閾値と比較する方法や、平均セル電圧と最低セル電圧との差を判定閾値と比較する方法が挙げられる。しかしながら、電池パックは使用を続けていくと、複数のセルの電圧値にばらつきが生じるため、単純な電圧差比較に基づく異常判定方法では、使用過程における電圧ばらつきであるのか、電池パックに異常が生じているのかを正確に判断することが困難である。

本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、使用過程での電圧値のばらつきと電池パックの異常とを切り分けて判定できるようにした、電池パックの異常判定装置を提供することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示する電池パックの異常判定装置は、複数の電池セルと、各々の前記電池セルの電圧値を監視する監視ユニットと、を備えた電池パックの異常判定装置であって、最高電圧値から各々の前記電圧値を減算した電圧差を所定の順番に並べ、先頭から順に前記電圧差を一つずつずらしながら所定数ごとの前記電圧差の平均値を算出するとともに、複数の前記平均値の傾きを算出する算出部と、前記算出部で算出された複数の前記傾きの中に、その絶対値が所定の異常判定値以上である傾きが存在する場合に前記電池パックが異常であると判定する判定部と、を備えている。

（２）前記算出部は、複数の前記電圧差を昇順又は降順に並べることが好ましい。
（３）前記判定部は、前記電池パックに電流が流れていないときに前記電池パックの異常判定を実施することが好ましい。
（４）前記判定部によって前記電池パックが異常であると判定された場合に、当該異常をユーザーに報知するための報知装置を制御する制御部を備えていることが好ましい。

開示の電池パックの異常判定装置によれば、使用過程での電圧値のばらつきと電池パックの異常とを切り分けて、電池パックの異常を判定することができる。

実施形態に係る電池パックの異常判定装置の構成を例示するブロック図である。 図１の異常判定装置で実施される判定手順を例示するフローチャートである。 図１の異常判定装置による作用効果を説明するための図であり、（ａ）及び（ｂ）は異常ありの電池パックにおける電圧ばらつきを示し、（ｃ）は異常なしの電池パックにおける電圧ばらつきを示す。 図１の異常判定装置による作用効果を説明するための図であり、（ａ）は異常ありの電池パックにおける電圧ばらつきを示し、（ｂ）は異常なしの電池パックにおける電圧ばらつきを示す。 図１の異常判定装置による作用効果を説明するための図であり、異常なしの電池パックにおける電圧ばらつきを示す。

図面を参照して、実施形態としての電池パックの異常判定装置について説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．装置構成］
図１に示すように、本実施形態に係る異常判定装置１は、複数の電池モジュール１１をケーシング１０ａ内に配置した電池パック１０に適用される。電池モジュール１１は、複数の電池セル１２が直列接続された状態で電池ケース１１ａ内に収納されたものである。電池セル１２は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等のエネルギ密度の高い二次電池であり、固有のセルナンバーを有している。電池パック１０は、例えば電動車両（電気自動車やハイブリッド自動車など）の動力源や電子機器の電力源として用いられる。

図１には、八つの電池セル１２から構成された電池モジュール１１が、ケーシング１０ａ内に四つ配置されたものを例示する。全ての電池セル１２は、通し番号として割り当てられたセルナンバーを持つ。例えば、図１の左上の八つの電池セル１２はセルナンバー＃１〜＃８を持ち、右上の八つの電池セル１２はセルナンバー＃９〜＃１６を持ち、左下の八つの電池セル１２はセルナンバー＃１７〜＃２４を持ち、右下の八つの電池セル１２はセルナンバー＃２５〜＃３２を持つ。なお、一つの電池モジュール１１を構成する電池セル１２の個数、及び、電池パック１０内に含まれる電池モジュール１１の個数は特に限定されない。

各電池モジュール１１には、その電池モジュール１１の状態をモニタリングする監視ユニット１３（Cell Monitoring Unit，以下、ＣＭＵ１３という）が設けられる。ＣＭＵ１３は、ＣＭＵ１３が設けられている電池モジュール１１を電力源として作動する電子制御装置であり、ＣＭＵ１３の電源がオンの状態では、常にその電池モジュール１１の様々な情報を監視（検出，計測）する。本実施形態のＣＭＵ１３は、各電池モジュール１１を構成する複数の電池セル１２の各電圧値（以下、セル電圧という）及び電池モジュール１１の充放電電流を監視する。なお、ＣＭＵ１３は、電池モジュール１１の温度（モジュール温度）や電池モジュール１１の充電率等を監視してもよい。ＣＭＵ１３は、検出した各情報を後述する異常判定装置１に伝達する。

セル電圧は、電池セル１２の開放電圧である。電池パック１０は充放電が繰り返されることで徐々に劣化していくが、この劣化の進み具合は電池セル１２ごとに異なることがあり、放電特性も電池セル１２ごとに異なることがあるため、電池パック１０を使用していくと、複数のセル電圧の値にばらつきが生じる。このような使用過程における電圧ばらつきは、従来周知のバランス制御（バランサー制御）によって解消される。充放電電流は、電池モジュール１１から放電される電流、及び、電池モジュール１１に充電される電流であり、電池パック１０が使用されている（通電中である）場合の電流値である。

異常判定装置１は、ＣＭＵ１３よりも上位の電子制御装置（例えばBattery Management Unit）であり、電池パック１０を統括管理する機能を有する。異常判定装置１は、各種演算処理を実行するＣＰＵ，その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ，ＣＰＵでの演算結果等が一時的に記憶されるＲＡＭ，外部との間で信号を入出力するための入出力ポート，時間をカウントするタイマー等を備えたコンピュータである。

［２．制御構成］
本実施形態の異常判定装置１には、電池パック１０の異常判定を実施するための機能要素として、算出部２，判定部３，制御部４が設けられる。これらの各要素は電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、ソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。

算出部２は、各ＣＭＵ１３で監視されている全てのセル電圧の中から最高値（以下「最高電圧値」という）を選択し、最高電圧値から各電圧値を減算した電圧差ΔＶを所定の順番に並べ、先頭から順に電圧差ΔＶを一つずつずらしながら所定数ごとの電圧差ΔＶの平均値を算出するとともに、複数の平均値の傾きＫを算出するものである。電圧差ΔＶは電池セル１２の個数分だけ算出され、セルナンバーと対応付けられる。

すなわち、本実施形態の算出部２は、セルナンバー＃１の電圧差ΔＶ₁，セルナンバー＃２の電圧差ΔＶ₂，・・・，セルナンバー＃３２の電圧差ΔＶ₃₂を求める。次いで、これらの電圧差ΔＶ₁〜ΔＶ₃₂を所定の順番に並べる。ここでいう「所定の順番」とは、例えば電圧差ΔＶの昇順又は降順であってもよいし、セルナンバーの昇順又は降順であってもよい。

さらに算出部２は、所定の順番に並べた電圧差ΔＶ₁〜ΔＶ₃₂のうち、先頭から数えて所定数（例えば１番目から４番目）の平均値を算出する。続けて、先頭の電圧差ΔＶを除いた所定数（すなわち２番目から５番目）の電圧差ΔＶの平均値を算出し、次に３番目から６番目の電圧差ΔＶの平均値を算出する。このように、算出部２は、先頭から順に電圧差ΔＶを一つずつずらしながら所定数ごとの電圧差ΔＶの平均値を算出する。これにより、平均値は、電池セル１２の個数から（所定数−１）を減じた数だけ算出される。

そして、算出部２は、算出した複数の平均値の傾きＫを算出する。ここでいう「傾きＫ」とは、隣り合う平均値の差（例えば、１番目から４番目の電圧差ΔＶの平均値と２番目から５番目の電圧差ΔＶの平均値との差）に相当する。つまり、傾きＫは、平均値の個数から１を減じた数だけ算出される。

判定部３は、算出部２で算出された複数の傾きＫに基づいて電池パック１０の異常の有無を判定するものである。具体的には、判定部３は、複数の傾きＫの中に、その絶対値|Ｋ|が所定の異常判定値Ｋ₀以上である傾きＫが存在する場合には、電池パック１０が異常であると判定し、全ての傾きＫの絶対値|Ｋ|が異常判定値Ｋ₀未満である場合には、電池パック１０が異常ではないと判定するものである。つまり、複数の傾きＫの各絶対値|Ｋ|と異常判定値Ｋ₀との大小関係をそれぞれ比較し、「|Ｋ|≧Ｋ₀」を満たす傾きＫが存在すれば、電池パック１０に異常が生じていると判定する。なお、異常判定値Ｋ₀は、予め設定されており、電池パック１０の仕様に応じて異なる。

本実施形態の判定部３は、例えば外部充電の完了後や停車中のように、電池パック１０に電流が流れていないときに電池パック１０の異常判定を実施する。電流が流れているか否かは、ＣＭＵ１３で監視されている電池モジュール１１の充放電電流に基づいて判断可能である。なお、充放電電流を用いる代わりに、充電リッドの開閉状態から外部充電の完了を判断してもよいし、シフトポジション及び車速に基づいて停車中か否かを判断してもよい。

また、判定部３は、上記の異常判定に先立ち、複数の電圧差ΔＶのうち最も大きな値（以下「最大電圧差ΔＶ_MAX」という）が第一判定値Ｆ₁以上であるか否かを判定し、ΔＶ_MAX≧Ｆ₁であれば上記の異常判定を実施するまでもなく「電池パック１０は故障している」と判定してもよい。また、判定部３は、上記の異常判定に先立ち、最大電圧差ΔＶ_MAXが第二判定値Ｆ₂以下であるか否かを判定し、ΔＶ_MAX≦Ｆ₂であれば上記の異常判定を実施するまでもなく「電池パック１０に異常はない」と判定してもよい。

第一判定値Ｆ₁は、電池パック１０が故障していなければ生じるはずのない電圧差に設定されている。言い換えると、確実に故障していると判定しうる値に設定されている。第二判定値Ｆ₂は、第一判定値Ｆ₁よりも十分に小さい値であって、一般的なバランス制御の実施によって電圧ばらつきを解消できる（すなわち電池パック１０の異常ではない）と判断しうる値に設定されている。なお、最大電圧差ΔＶ_MAXとなる電池セル１２は、各ＣＭＵ１３で監視されている全てのセル電圧のうちの最低値を持つ電池セル１２である。

制御部４は、判定部３によって電池パック１０が異常であると判定された場合に、その異常をユーザーに報知するための報知装置５を制御するものである。報知装置５としては、例えば表示装置（警告灯やディスプレイ等）や音声装置（スピーカーやブザー等）が挙げられる。制御部４は、電池パック１０が電動車両の動力源として用いられる場合には、車載ディスプレイやスピーカー等を制御することで乗員に電池パック１０の異常を報知する。また、電池パック１０が電子機器の動力源として用いられる場合には、制御部４は、電子機器のディスプレイやスピーカー等を制御することでユーザーに電池パック１０の異常を報知する。なお、制御部４は、異常を知らせるとともに電池パック１０の交換を促す報知を行ってもよい。また、判定部３により「電池パック１０が故障している」と判定された場合に、制御部４が故障を報知してもよい。

［３．フローチャート］
図２は、上述した異常判定装置１で実施される判定手順の一例を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは異常判定装置１において、所定の演算周期で繰り返し実施される。
図２に示すように、ステップＳ１では、電池モジュール１１毎に設けられた複数のＣＭＵ１３でモニタリングされた情報が異常判定装置１に入力される。

ステップＳ２では、充放電電流に基づいて、電池パック１０に電流が流れているか否かが判定され、電流が流れているときはこのフローをリターンする。一方、電流が流れていなければ、ステップＳ３に進み、最大電圧差ΔＶが第一判定値Ｆ₁以上であるか否かが判定され、ΔＶ_MAX≧Ｆ₁であればステップＳ９に進み、故障が報知される。また、ΔＶ_MAX＜Ｆ₁であればステップＳ４に進み、最大電圧差ΔＶ_MAXが第二判定値Ｆ₂以下であるか否かが判定され、ΔＶ_MAX≦Ｆ₂であればこのフローをリターンする。すなわち、この場合は異常判定が実施されない。

ステップＳ４において、ΔＶ_MAX＞Ｆ₂であると判定されると、複数の電圧差が所定の順番に並べられ、先頭から順に電圧差ΔＶが一つずつずらされながら所定数ごとの電圧差ΔＶの平均値が算出される（ステップＳ５）。次いで、複数の平均値の傾きＫが算出される（ステップＳ６）。そして、複数の傾きＫの中に、その絶対値|Ｋ|が所定の異常判定値Ｋ₀以上である傾きＫが存在するか否かが判定され（ステップＳ７）、「|Ｋ|≧Ｋ₀」が存在すればステップＳ８に進んで異常が報知される。一方、「|Ｋ|≧Ｋ₀」が存在しなければ、このフローをリターンする。

［４．作用，効果］
図３（ａ）〜図５は、上述した異常判定装置１による作用効果を説明するための図である。なお、これらの図では、セルナンバー＃１〜＃２０の電池セル１２を備えた電池パック１０を例示する。図中の白抜きダイヤ印は各電池セル１２の電圧差ΔＶを示し、白抜き丸印は４個の電池セル１２の電圧差ΔＶの平均値を示す。また、隣接する白抜き丸印を結ぶ直線は傾きＫを表す。

図３（ａ）〜（ｃ）及び図５は、電圧差ΔＶをセルナンバーの昇順に並べたものであり、図４（ａ）及び（ｂ）は電圧差ΔＶを電圧差ΔＶの降順に並べたものである。電池パック１０は使用を続けていくと、セル電圧値にばらつきが生じる。上述した異常判定装置１は、この電圧ばらつきが使用過程によって生じたものなのか、それとも電池パック１０の故障や異常に起因したものなのかを判別することが可能である。

図３（ａ）〜（ｃ）は、いずれもセルナンバー＃４の電池セル１２のセル電圧が最も低い（すなわち最大電圧差ΔＶ_MAXとなる）場合を示している。これら３つの図中の最大電圧差ΔＶ_MAXは互いに同一であり、かつ、Ｆ₁＞ΔＶ_MAX＞Ｆ₂の値である場合を例示している。図３（ａ）に示すように、ほとんどの電圧差ΔＶが０付近の値である場合に大きな電圧差ΔＶ（例えばセルナンバー＃４の電圧差ΔＶ₄）が存在すると、セルナンバー＃４の電圧差ΔＶ₄を含む平均値が、この電圧差ΔＶ₄を含まない平均値と比較して大きな値となる。

また、図３（ｂ）に示すように、電圧差ΔＶが大きな電池セル１２が複数含まれている場合であっても同様に、大きな電圧差ΔＶを含む平均値が、大きな電圧差ΔＶを含まない平均値よりも大きな値となる。そのため、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、平均値の傾きＫの絶対値|Ｋ|が異常判定値Ｋ₀以上となる傾きＫが存在することになり、電池パック１０の異常を判定することができる。

一方、図３（ｃ）に示すように、全ての電圧差ΔＶがばらついている場合には、セルナンバー＃４の電圧差ΔＶ₄を含む平均値と、この電圧差ΔＶ₄を含まない平均値との差が小さくなる。さらに、所定数（ここでは４セル）ごとの平均値をとることで、電圧差ΔＶのばらつきが均される。このため、図３（ｃ）では平均値の傾きＫの絶対値|Ｋ|がすべて異常判定値Ｋ₀未満となり、異常ではないと判定される。

つまり、上述した異常判定装置１によれば、単に電圧差ΔＶを用いて異常判定をするのではなく、電圧差ΔＶを所定の順番に並べ、かつ、所定数ごとの平均値を算出してからその傾きＫを異常判定値Ｋ₀と比較することで、電圧差ΔＶのばらつきを均す（吸収する）ことができ、大きな電圧差ΔＶ（すなわち、急激な電圧値の低下）のみを抽出することができる。これにより、図３（ａ）及び（ｂ）に示す電圧値のばらつき（電池パック１０の異常ありの場合）と、図３（ｃ）に示す使用過程での電圧値のばらつきを切り分けて判定することができる。

また、電圧差ΔＶを、電圧差ΔＶの昇順又は降順に並べた場合には、平均値が先頭から順に大きく又は小さくなるため、判定精度を高めることができる。例えば、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すグラフをそれぞれ、電圧差ΔＶの降順に並べたものを図４（ａ）及び（ｂ）に示す。この場合、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、図中左側（先頭）に電圧差ΔＶの大きな電池セル１２が並ぶため、平均値は図中右側にいくほど小さくなる。

異常なセル電圧を含む場合には、図４（ａ）に示すように傾きＫの絶対値|Ｋ|が極端に大きくなるが、使用過程における電圧ばらつきが生じている場合には、図４（ｂ）に示すように傾きＫの絶対値|Ｋ|が全体的に小さくなる。このように、電圧差ΔＶの昇順又は降順に並べることで、図３（ｂ）及び（ｃ）に示す場合よりも、特定のセル電圧が極端に低いのか、それとも電池パック１０内の電圧ばらつきが大きくなっているのかの切り分けが明確となり、判定精度を高めることができる。

また、上述した異常判定装置１が、上記の異常判定の前に最大電圧差ΔＶ_MAXと第一判定値Ｆ₁とを比較し、ΔＶ_MAX≧Ｆ₁のときに「電池パック１０は故障している」と判定する構成であれば、異常判定を省略して電池パック１０の故障を判定することができる。また、上述した異常判定装置１が、上記の異常判定の前に最大電圧差ΔＶ_MAXと第二判定値Ｆ₂とを比較し、図５に示すようにΔＶ_MAX≦Ｆ₂のときに「電池パック１０に異常はない」と判定する構成であれば、無駄な異常判定を省略することができる。

また、上述した異常判定装置１によれば、電池パック１０に電流が流れていないときに異常判定を実施するため、安定したセル電圧を検出でき、判定精度を高めることができる。
さらに、上述した異常判定装置１によれば、判定部３によって電池パック１０が異常であると判定された場合に、その異常が報知装置５を介してユーザーに報知されるため、ユーザーが電池パック１０の異常を知ることができ、適切な対応をとることが可能となる。

［５．その他］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上記実施形態では、各電池モジュール１１に設けられたＣＭＵ１３がそれぞれセル電圧及び充放電電流を監視する場合を例示したが、少なくとも電池パック１０内の全てのセル電圧を監視できる監視ユニットが設けられていればよく、上述した構成に限られない。

上述した判定部３による判定方法は一例である。例えば、最大電圧差ΔＶ_MAXと第一判定値Ｆ₁，第二判定値Ｆ₂との大小関係のいずれか一方のみを行ってもよいし、両方を省略してもよい。また、平均値を算出するときの電池セル１２の個数は４つに限られない。また、報知装置５による報知に代えてあるいは加えて、異常判定装置１内のメモリに異常判定結果を記憶しておいてもよい。

１ 異常判定装置
２ 算出部
３ 判定部
４ 制御部
５ 報知装置
１０ 電池パック
１１ 電池モジュール
１２ 電池セル
１３ ＣＭＵ（監視ユニット）
Ｋ 傾き
|Ｋ| 傾きの絶対値
Ｋ₀ 異常判定値
ΔＶ 電圧差

Claims (4)

1. 複数の電池セルと、各々の前記電池セルの電圧値を監視する監視ユニットと、を備えた電池パックの異常判定装置であって、
   最高電圧値から各々の前記電圧値を減算した電圧差を所定の順番に並べ、先頭から順に前記電圧差を一つずつずらしながら所定数ごとの前記電圧差の平均値を算出するとともに、複数の前記平均値の傾きを算出する算出部と、
   前記算出部で算出された複数の前記傾きの中に、その絶対値が所定の異常判定値以上である傾きが存在する場合に前記電池パックが異常であると判定する判定部と、を備えた
   ことを特徴とする、電池パックの異常判定装置。
2. 前記算出部は、複数の前記電圧差を昇順又は降順に並べる
   ことを特徴とする、請求項１記載の電池パックの異常判定装置。
3. 前記判定部は、前記電池パックに電流が流れていないときに前記電池パックの異常判定を実施する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の電池パックの異常判定装置。
4. 前記判定部によって前記電池パックが異常であると判定された場合に、当該異常をユーザーに報知するための報知装置を制御する制御部を備えた
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パックの異常判定装置。

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