JP2022072798A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の要素である各セルの異常の検出精度をより一層向上させる。【解決手段】複数の充放電可能な電池セルを要素とする二次電池の各セルの端子電圧または充電容量を均衡させるためのセルバランス処理を実施するとともに、そのセルバランス処理中の各セル毎の端子電圧の降下量を個別に参照し、それに基づいて各セル毎に異常の有無を判定する制御装置を構成した。ここでは、あるセルの端子電圧と他のセルのそれとを相対比較することを必ずしも行わない。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の充放電可能な電池セルを要素とする二次電池の各セルの異常の有無を判定する制御装置に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等に搭載する二次電池として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等が使用されている。車両用二次電池は、複数個の電池セルを直列接続してスタックとし、高電圧化したものである。さらに、大容量化のために、複数個のスタックを並列接続してユニット化することもある。

複数個のセルを直列接続したスタックにおいて、各セルを流れる電流の大きさは等しいが、各セル毎の現在の充電容量または充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）には必ずばらつきが生じ、それに伴い各セルの端子電圧も不均等となる。即ち、スタック総体としては平常のＳＯＣまたは電圧であるとしても、個々のセル単位では既に過充電に近いものや過放電に近いものが存在する可能性がある。

特に、リチウムイオン電池は、過充電または過放電による性能の劣化が激しく、適正な電圧の範囲内で使用しないと充電可能な容量が低減したり異常に発熱したりする懸念を招く。そこで、従来より、イグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）がＯＦＦとされている駐車中等に、スタックを構成する各セルの端子電圧を均等化するセルバランス処理を実施している。セルバランス処理では、相対的に端子電圧が高い、蓄えている電荷量の多いセルを意図的に放電させる。

その上で、スタックを構成する各セルの端子電圧を相互に比較し、あるセルの端子電圧と他のセルの端子電圧との差分の絶対値が判定閾値を上回っている場合に、端子電圧の低い方のセルを、劣化した異常なセルであると判定する診断を行う（以上、下記特許文献を参照）。

特開２０２０－０６３９８３号公報

各セル間の端子電圧を相互に比較する診断手法は、スタックを構成する全セルが同程度に劣化している場合に、端子電圧に顕著な差が現れないことから、その劣化を検出することができない。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、二次電池の要素である各セルの異常の検出精度をより一層向上させることを所期の目的とする。

本発明では、複数の充放電可能な電池セルを要素とする二次電池の各セルの端子電圧または充電容量を均衡させるためのセルバランス処理を実施するとともに、そのセルバランス処理中の各セル毎の端子電圧の降下量を個別に参照し、それに基づいて各セル毎に異常の有無を判定する制御装置を構成した。

本発明によれば、二次電池の要素である各セルの異常の検出精度をより一層向上させることができる。

本発明の一実施形態の制御装置及び二次電池その他周辺の電気回路を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態の制御装置１及び二次電池４その他周辺の電気回路を概略的に示す。これら制御装置１及び二次電池４等は、ハイブリッド車両や電気自動車等に搭載される。

二次電池４は、複数個の電池セル４１を直列に接続してスタックとしたものである。各セル４１は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等である。周知の通り、各セル４１からはその電極である正極及び負極が突出しており、あるセル４１の正極をこれに隣接する他のセル４１の負極にバスバーを介して電気的に接続することにより、複数個のセル４１を直列接続する。さらに、電池の大容量化を目的として、複数個のスタック４を並列接続することもあり得る。

制御装置１は、二次電池４の蓄電量及び出力電圧の監視、制御を司るＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を主体とする。ＥＣＵ１は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。本実施形態にあって、制御装置１には、各セル４１の端子電圧Ｖｉを均等化するセルバランス処理を実行するための放電用回路２と、各セル４１の端子電圧Ｖｉを個別に計測する計測回路３とが付随している。

放電用回路２は、各セル４１毎に割り当てられた電気抵抗２１と、同じく各セル４１毎に割り当てられセル４１及び電気抵抗２１を含む回路のループを開閉するスイッチ２２とを有する。スイッチ２２は、例えばパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子であり、ＥＣＵ１からの制御信号の入力を受けて点弧／消弧が切り替わる。スイッチ２２が点弧すると、セル４１及び抵抗２１を含む回路のループが導通状態となり、セル４１に蓄えられていた電荷がセル４１から流出し、その電流が抵抗２１を流れて電気エネルギが消費される、即ちセル４１が放電することになる。スイッチ２２が消弧すると、セル４１及び抵抗２１を含む回路のループが遮断状態となって、セル４１から抵抗２１に電流が流れなくなる。ＥＣＵ１は、各スイッチ２２の点弧／消弧の切り替えを通じて、各セル４１を個別に放電させることができる。

計測回路３は、各セル４１毎に、当該セル４１の正極と負極との電位差である端子電圧Ｖｉを計測し、その電圧の大きさをＥＣＵ１に伝えることができる。各セル４１の現在の端子電圧Ｖｉは、各セル４１に現在蓄えられている電荷の量、裏返せば各セル４１の現在の充電可能な容量を示唆する。

図２に、制御装置たるＥＣＵ１がプログラムに従い実行する処理の手順例を示している。ＥＣＵ１は、例えば車両のイグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）が運転者によりＯＦＦとされている駐車中等（ステップＳ１）に、セルバランス処理を実施する（ステップＳ２）とともに、各セル４１の端子電圧Ｖｉに基づいて、各セル４１が劣化していない正常なものであるか、劣化した異常なものであるかを判定する診断を行う（ステップＳ３）。

ステップＳ２のセルバランス処理では、その開始前に、スタックを構成する各セル４１の端子電圧Ｖｉを計測回路３を介して計測する。そして、各セル４１の端子電圧Ｖｉを相互に比較し、その中で最も端子電圧Ｖｉが低いセル４１以外の複数個のセル４１に蓄えている電荷を放電用回路２を介して放電させ、それら全てのセル４１の端子電圧Ｖｉを最も低い端子電圧Ｖｉに近づける。このセルバランス処理自体は、従前と同様である。

ステップＳ３の診断処理では、少なくとも、セルバランス処理中の各セル４１毎の端子電圧Ｖｉの降下量を計測し、それをセル４１毎に個別に参照して、各セル４１の異常の有無を判定する。より具体的には、セルバランス処理により放電するセル４１の一定時間内における端子電圧Ｖｉの降下量（の絶対値）を判定閾値と比較し、電圧降下量が判定閾値以下のセル４１は劣化していない正常なセル４１であるとし、電圧降下量が判定閾値よりも大きいセル４１は劣化した異常なセル４１であるとする。一定時間内での端子電圧Ｖｉの降下量は、端子電圧Ｖｉの降下の速さ（単位時間あたりの降下量または時間微分）と言い換えてもよい。ここでは、各セル４１の端子電圧Ｖｉの降下量を、他のセル４１とは関わりなく個々に独立して判定閾値と比較している。つまり、あるセル４１の端子電圧Ｖｉ（の降下量）と他のセル４１のそれとを相対比較することはしていない。

上記に加え、ステップＳ３にて、セルバランス処理開始前または終了後に計測した各セル４１の端子電圧Ｖｉを相互に比較し、あるセル４１の端子電圧Ｖｉと他のセル４１の端子電圧Ｖｉとの電位差が判定閾値を上回る場合に、当該セル４１が劣化した異常なセル４１であるとの診断を下してもよい。

劣化した異常なものであると判定したセル４１については、以後、これに対する入出力即ち充放電を禁止して車両の走行に使用しないようにし、またはこれへの充放電量に制限を加えることが考えられる。一定数以上のセル４１が異常であると判定したときには、二次電池４に故障が生じている旨を、車両の運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知することも考えられる。例えば、コックピットのエンジンチェックランプを点灯させたり、ディスプレイに表示したり、警告音若しくは音声を出力したりする。

本実施形態によれば、スタックを構成する全セル４１が同程度に劣化しており、各セル４１間の相対的な端子電圧Ｖｉの差が大きくないとしても、個々のセル４１の劣化を検出することが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的な構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…制御装置（ＥＣＵ）
４…二次電池
４１…セル
Ｖｉ…セルの端子電圧

Claims (1)

1. 複数の充放電可能な電池セルを要素とする二次電池の各セルの端子電圧または充電容量を均衡させるためのセルバランス処理を実施するとともに、そのセルバランス処理中の各セル毎の端子電圧の降下量を個別に参照し、それに基づいて各セル毎に異常の有無を判定する制御装置。

Images