JP3831589B2 - 二次電池の異常を温度で検出する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の温度を検出して異常な電池を判別する方法と装置に関する。とくに本発明は、主として、ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車を駆動するモーターの電源用に使用される電源装置において、二次電池の異常を温度で検出する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、内部ショート等の異常を電池温度を検出して判別できる。それは、異常な状態になった二次電池が充放電されると、電池温度が異常に高くなるからである。二次電池を内蔵する電源装置は、たとえばＰＴＣのように、温度によって抵抗が変化する素子、すなわち温度−抵抗変換素子を固定して電池温度を検出する。とくに多数の二次電池を内蔵している電源装置は、各々の電池の異常を正確に検出することが大切である。このことを実現するために、多数の二次電池を内蔵している、たとえば、自動車を走行させるモーターを駆動するための電源装置は、各々の二次電池の表面に、温度−抵抗変換素子としてＰＴＣを固定している。各々の二次電池に固定しているＰＴＣは、互いに直列に接続される。いずれかの電池が異常な状態になって電池温度が異常に上昇すると、異常電池に固定しているＰＴＣの電気抵抗が急激に増加する。したがって、直列に接続しているＰＴＣ全体のトータル電気抵抗が増加する。このため、ＰＴＣ全体の電気抵抗を検出して、いずれかの電池が異常になったことを検出できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように電池の温度を検出して電池異常を検出する方法は、電池温度が相当に上昇しないと、異常電池を正確に判別できないことがある。それは、異常電池であると判別する設定温度を相当に高く、たとえば、設定温度を９０℃以上と高くしないと、正常な電池を間違って異常電池と判別することがあるからである。異常電池を判別する設定温度を、たとえば、８０℃と低く設定すると、使用環境によっては、正常な電池もこの程度の温度に上昇することがあるので、この設定温度では、正常な電池を異常電池と間違って判別してしまう。このような弊害を避けるために、異常電池と判定する設定温度を、たとえば９０℃と高く設定すると、この設定温度まで上昇される電池が高温障害で著しく劣化してしまう。自動車用ニッケル−水素二次電池は、民生用のニッケル−水素二次電池に比べ、高温時の劣化を抑えるように特性改善しているが、やはり、９０℃付近まで温度上昇することは、望ましいことではない。
【０００４】
高温障害を避けるために設定温度を低くすると、正常な電池を異常電池と間違って判別してしまう。このように、異常電池を正確に検出することと、電池を高温障害から防止することは互いに相反する特性であって両方を満足することは原理的に極めて難しい。
【０００５】
本発明はこの欠点を解決することを目的として開発されたもので、本発明の目的は、電池の高温障害を有効に阻止しながら、異常電池を正確に検出できる二次電池の異常を温度で検出する方法と装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池の異常を温度で検出する方法は、複数の二次電池１の温度を、複数の温度−抵抗変換素子２の電気抵抗で検出して、二次電池１の異常を検出する。複数の温度−抵抗変換素子２は、各々の二次電池１の表面に接近して配設し、かつ、互いに直列に接続している。さらに、本発明の検出方法は、二次電池１の周囲温度を温度センサー３で検出して、検出した周囲温度から直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算している。演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を温度で検出している。
【０００７】
本発明の検出方法は、好ましくは、全体の二次電池１を複数のブロックに区画し、各々のブロックの周囲温度を温度センサー３で検出して、検出した温度から各々のブロックの二次電池１の温度を検出する温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。
【０００８】
さらに、本発明の検出方法は、温度センサー３で検出した二次電池１の周囲温度と、二次電池１の電流値と、二次電池１の残存容量とで、互いに直列に接続している温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算することもできる。
【０００９】
さらに、本発明の検出方法は、好ましくは、二次電池１の周囲温度に対する各々の二次電池１の電池温度と、電池温度に対する温度−抵抗変換素子２の電気抵抗とを記憶回路に記憶させる。この検出方法は、記憶回路の記憶値でもって、周囲温度から各々の二次電池１の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子２の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する。
【００１０】
さらに、二次電池１の周囲温度と、二次電池１の電流値と、二次電池１の残存容量とで、温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する検出方法においては、二次電池１の周囲温度、電流値及び残存容量に対する各々の二次電池１の電池温度と、電池温度に対する温度−抵抗変換素子２の電気抵抗とを記憶回路に記憶させることもできる。この検出方法は、記憶回路の記憶値でもって、周囲温度、電流値及び残存容量から各々の二次電池１の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子２の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する。
【００１１】
さらに、本発明の検出方法は、二次電池１の温度を温度センサー３で検出して、検出した電池温度から直列に接続している温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を温度で検出することもできる。この検出方法は、好ましくは、全体の二次電池１を複数のブロックに区画し、各々のブロックの電池温度を温度センサー３で検出して、検出した温度から各々のブロックの二次電池１の温度を検出する温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。さらに、この検出方法は、好ましくは、温度センサー３が温度を検出する電池の電池温度に対する他の二次電池１の電池温度と、各々の電池温度に対する温度−抵抗変換素子２の電気抵抗とを記憶回路に記憶させ、記憶回路の記憶値でもって、温度センサー３が温度を検出する電池の電池温度から各々の二次電池１の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子２の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する。
【００１２】
本発明の二次電池の異常を温度で検出する装置は、複数の二次電池１と、各々の二次電池１の温度を検出すると共に互いに直列に接続している温度−抵抗変換素子２と、二次電池１の周囲温度を検出する温度センサー３と、温度センサー３が検出した温度から互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較して異常電池を検出する制御回路４とを有する。
【００１３】
さらに、本発明の検出装置は、温度センサー３で二次電池１の温度を検出することもできる。この検出装置は、制御回路４が、温度センサー３で検出した電池の温度から、互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための異常電池の検出方法と装置を例示するものであって、本発明は検出方法と装置を以下のものに特定しない。
【００１５】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１６】
図１は、自動車を走行させるモーターを駆動する電源装置の回路図を示す。この図の電源回路は、二次電池１の温度を検出して異常電池を検出するもので、複数の二次電池１と、各々の二次電池１の温度を検出する温度−抵抗変換素子２と、二次電池１の周囲温度を検出する温度センサー３と、温度−抵抗変換素子２と温度センサー３の検出値から異常電池を検出する制御回路４とを備える。
【００１７】
二次電池１はニッケル−水素電池である。ただ、二次電池は、ニッケル−カドミウム電池やリチウムイオン二次電池などの充電できる全ての電池とすることができる。図の電源装置は、複数の二次電池１を直列に接続して出力電圧を高くしている。ただ、電源装置は、複数の二次電池を直列と並列に接続することもできる。
【００１８】
温度−抵抗変換素子２はＰＴＣで、各々の二次電池１の表面に固定されている。ただ、温度−抵抗変換素子には、温度によって電気抵抗が変化する全ての素子、たとえば、サーミスター等も使用できる。電源装置は、温度−抵抗変換素子２を全ての二次電池１に固定している。したがって、温度−抵抗変換素子２の数は、二次電池１の数に等しい。全ての二次電池１に固定している複数の温度−抵抗変換素子２は、互いに直列に接続されて、トータルの電気抵抗を制御回路４に入力する。全ての温度−抵抗変換素子２を直列に接続する電源装置は、トータルの電気抵抗で異常電池を検出するので、簡単な回路で異常電池を検出できる。ただ、複数の温度−抵抗変換素子は、複数組のブロックに分割することもできる。この電源装置は、分割された各々のブロックの温度−抵抗変換素子を直列に接続して、制御回路に電気抵抗の信号を入力する。この電源装置は、分割された複数組のトータルの電気抵抗が制御回路に入力されて、各々のブロックで独立して異常電池を検出する。
【００１９】
温度センサー３は、二次電池１の周囲温度を検出する。温度センサー３は、二次電池１の近傍に配設され、あるいは二次電池１を冷却する空気の通路に配設されて、二次電池１の周囲温度を検出する。ただ、自動車に搭載する装置においては、温度センサーで外気温度を検出することもできる。
【００２０】
制御回路４は、温度センサー３で検出した周囲温度から、各々の温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。制御回路４は、周囲温度に対する温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を記憶回路に記憶している。記憶回路は、図２に示すように、周囲温度に対する予測抵抗値を関数として記憶し、あるいはテーブルとして記憶している。
【００２１】
温度−抵抗変換素子２は直列に接続しているので、全ての温度−抵抗変換素子２のトータルの予測抵抗値は、全ての温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を加算した値となる。ただし、制御回路は、各々の温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算することなく、周囲温度から全ての温度−抵抗変換素子のトータルの予測抵抗値を記憶回路に記憶させることもできる。この制御回路は、各々の温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を検出することなく、周囲温度から全ての温度−抵抗変換素子のトータルの予測抵抗値を演算する。
【００２２】
さらに、制御回路は、複数の温度−抵抗変換素子を複数のブロックに区分し、各々のブロックの周囲温度に対する温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算することもできる。この制御回路は、周囲温度に対する各々のブロックの温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を記憶回路に記憶している。制御回路は、各々のブロックの温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を加算して、全ての温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算する。
【００２３】
さらに、制御回路は、周囲温度と二次電池の電流値の両方で、温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算することもできる。この制御回路は、二次電池に大電流を流す状態で、温度−抵抗変換素子の電気抵抗をより正確に演算できる。二次電池は、大電流を流すと周囲温度が低くても温度が上昇するからである。この制御回路は、周囲温度と、二次電池に流れる電流値の両方をパラメータとして、温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を記憶回路に記憶している。
【００２４】
さらに、制御回路は、周囲温度と電流値に加えて、二次電池の残存容量で温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算することもできる。この制御回路は、二次電池の残存容量を検出して、温度−抵抗変換素子の電気抵抗をより正確に演算できる。二次電池は、流れる電流が一定であっても、残存容量が多くなると電池温度が上昇するからである。この制御回路は、周囲温度、電流値及び残存容量をパラメータとして、温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を記憶回路に記憶している。
【００２５】
制御回路４は、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較して、異常電池を検出する。異常電池があると予測抵抗値よりも実測抵抗値が大きくなる。異常電池の温度が異常に高くなって、異常電池に固定している温度−抵抗変換素子２の電気抵抗が高くなるからである。
【００２６】
図３は制御回路４が異常電池を検出するフローチャートを示している。このフローチャートは以下のステップで異常電池を検出する。
［ｎ＝１のステップ］
温度センサー３で周囲温度を検出する。
［ｎ＝２のステップ］
周囲温度から温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。温度−抵抗変換素子２は抵抗値に幅がある。したがって、予測抵抗値も抵抗値に幅があって、最小値と最大値とがある。幅のある予測抵抗値は記憶回路に記憶されている。
［ｎ＝３のステップ］
温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値を検出する。
［ｎ＝４のステップ］
実測抵抗値を予測抵抗値の最大値に比較する。
［ｎ＝５のステップ］
実測抵抗値が予測抵抗値の最大値よりも大きいと異常電池と判定し、実測抵抗値が予測抵抗値の最大値よりも小さいと正常であると判定する。
【００２７】
図４の平面図と図５の正面図と図６の回路図に示す電源装置は、全体の二次電池１を複数のブロックに区画している。この電源装置は、区画された各々のブロックに温度センサー３を配設している。さらに、全ての二次電池１に温度−抵抗変換素子２を固定すると共に、全ての温度−抵抗変換素子２を直列に接続している。各ブロックには複数のモジュール電池５を平行に配設している。モジュール電池５は複数の二次電池１を直列に接続して棒状に連結したものである。図の電源装置は、各ブロックに４本のモジュール電池５を内蔵する。４本のモジュール電池５を内蔵するブロックの周囲温度を温度センサー３で検出する。
【００２８】
制御回路４は、温度センサー３で検出した周囲温度から、各々のブロックの二次電池１に固定している温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。制御回路４は、周囲温度と、二次電池１に流れる電流から、温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。二次電池１に流れる電流が低いとき、図７に示すように、各々のブロックに内蔵しているモジュール電池５に温度差がないと判定して温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。二次電池１を特定の電流で通電したとき、図８に示すように各々のモジュール電池５の温度に差ができるとして温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。各々のモジュール電池５の温度差は、電流値によって変化するので、電流値に対するモジュール電池５の温度差は記憶回路に記憶されている。周囲温度と電流値からモジュール電池５の温度が検出され、温度から温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。温度−抵抗変換素子２の温度に対する予測抵抗値は記憶回路に記憶される。
【００２９】
以上の電源装置は、周囲温度と電流値からモジュール電池５の温度を検出し、検出した温度から温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。制御回路４は、各々のブロックにおいて、温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算し、全てのブロックの温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を加算して全ての温度−抵抗変換素子２の予測抵抗値を演算する。さらに、制御回路４は、演算した予測抵抗値の最大値を、温度−抵抗変換素子２の実測抵抗値に比較し、実測抵抗値が予測抵抗値の最大値よりも大きいときは異常電池、実測抵抗値が予測抵抗値の最大値よりも小さいと正常電池と判別する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の二次電池の異常を温度で検出する方法と装置は、電池の高温障害を有効に阻止しながら、異常電池を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の検出方法と装置が、複数の二次電池の温度を、各々の二次電池の温度を検出する温度−抵抗変換素子で検出すると共に、温度センサーで、二次電池の周囲温度あるいは二次電池の温度を検出しており、温度センサーが検出した温度から複数の温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を検出しているからである。正常な二次電池では、温度センサーの検出温度から演算される予測抵抗値と実測抵抗値との間には一定の相関関係があるが、異常電池では、実測抵抗値が予測抵抗値に比べて異常に高くなってしまう。このように、本発明の検出方法と装置は、温度センサーの検出温度から演算される予測抵抗値と実測抵抗値とを比較することによって、異常電池を正確かつ速やかに判別できる。
【００３１】
さらに、本発明の検出方法と装置は、温度センサーで二次電池の周囲温度あるいは二次電池の電池温度を検出して、複数の温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算するので、正常な二次電池が使用環境によって高温になった場合に、異常電池と間違って判別するのを確実に阻止できる。すなわち、二次電池の温度上昇が、使用環境によるものか、あるいは、電池異常によるものかを区別して正確に判別できる。したがって、本発明の検出方法と装置は、正常な電池においては、高温になっても異常電池と間違って判別することなく、逆に、異常電池は、高温まで上昇されることなく速やかに異常と判別して電池が高温障害で著しく劣化してしまうのを阻止できる。このように、本発明の検出方法と装置は、互いに相反する特性である異常電池を正確に検出することと、電池を高温障害から防止することの両方を満足し、理想的な状態で二次電池の異常を検出できる。
【００３２】
さらに、本発明の請求項２と請求項７の検出方法は、全体の二次電池を複数のブロックに区画し、各々のブロックで周囲温度あるいは電池の温度を温度センサーで検出しているので、電池異常をより正確に判別できる特長がある。それは、二次電池を複数のブロックに区画することによって、ブロック単位の環境に応じて温度センサーで温度検出できるので、予測抵抗値をより正確に演算できるからである。とくに、この検出方法は、区画されたブロック単位で電池の異常を判別できるので、異常電池がどのブロックにあるのか特定できる特長もある。
【００３３】
さらに、本発明の請求項３の検出方法は、温度センサーで検出した二次電池の周囲温度と、二次電池に流れる電流と、二次電池の残存容量とで、温度−抵抗変換素子の予測抵抗値を演算するので、より正確に二次電池の異常を判別できる特長がある。
【００３４】
さらに、本発明の請求項４と請求項５と請求項８の検出方法は、温度センサーで検出される周囲温度や電池温度、あるいは二次電池の電流値や二次電池の残存容量をパラメータとして、これらに対する電池温度と、電池温度に対する温度−抵抗変換素子の電気抵抗を記憶回路に記憶させているので、極めて簡単な回路構成で、電池温度から温度−抵抗変換素子の電池抵抗を特定して予測抵抗値を演算できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の検出方法に使用する電源装置の一例を示す回路図
【図２】本発明の実施例にかかる記憶回路が記憶している周囲温度に対する予測抵抗値の関数の一例を示すグラフ
【図３】制御回路が異常電池を検出する工程を示すフローチャート
【図４】本発明の他の実施例の検出方法に使用する電源装置の平面図
【図５】図４に示す電源装置の正面図
【図６】図４に示す電源装置の回路図
【図７】図５に示す電源装置の各モジュール電池の温度差の一例を示す正面図
【図８】図５に示す電源装置の各モジュール電池の温度差の他の一例を示す正面図
【符号の説明】
１…二次電池
２…温度−抵抗変換素子
３…温度センサー
４…制御回路
５…モジュール電池

Claims (10)

1. 複数の二次電池(1)の温度を、各々の二次電池(1)の表面に接近して配設され、かつ、互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗で検出して、二次電池(1)の異常を検出する方法であって、
   二次電池(1)の周囲温度を温度センサー(3)で検出して、検出した周囲温度から直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子(2)の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を温度で検出する方法。
2. 全体の二次電池(1)を複数のブロックに区画し、各々のブロックの周囲温度を温度センサー(3)で検出して、検出した温度から各々のブロックの二次電池(1)の温度を検出する温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算する請求項１に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
3. 温度センサー(3)で検出した二次電池(1)の周囲温度と、二次電池(1)の電流値と、二次電池(1)の残存容量とで、互いに直列に接続している温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算する請求項１に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
4. 二次電池(1)の周囲温度に対する各々の二次電池(1)の電池温度と、電池温度に対する温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗とを記憶回路に記憶させ、記憶回路の記憶値でもって、周囲温度から各々の二次電池(1)の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する請求項１に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
5. 二次電池(1)の周囲温度、電流値及び残存容量に対する各々の二次電池(1)の電池温度と、電池温度に対する温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗とを記憶回路に記憶させ、記憶回路の記憶値でもって、周囲温度、電流値及び残存容量から各々の二次電池(1)の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する請求項３に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
6. 複数の二次電池(1)の温度を、各々の二次電池(1)の表面に接近して配設され、かつ、互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗で検出して、二次電池(1)の異常を検出する方法であって、
   二次電池(1)の温度を温度センサー(3)で検出して、検出した電池温度から直列に接続している温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子(2)の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を温度で検出する方法。
7. 全体の二次電池(1)を複数のブロックに区画し、各々のブロックの電池温度を温度センサー(3)で検出して、検出した温度から各々のブロックの二次電池(1)の温度を検出する温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算する請求項６に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
8. 温度センサー(3)が温度を検出する電池の電池温度に対する他の二次電池(1)の電池温度と、各々の電池温度に対する温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗とを記憶回路に記憶させ、記憶回路の記憶値でもって、温度センサー (3) が温度を検出する電池の電池温度から各々の二次電池(1)の電池温度を推定し、推定された電池温度から温度−抵抗変換素子(2)の電気抵抗を特定して予測抵抗値を演算する請求項６に記載される二次電池の異常を温度で検出する方法。
9. 複数の二次電池(1)と、各々の二次電池(1)の温度を検出すると共に互いに直列に接続している温度−抵抗変換素子(2)と、二次電池(1)の周囲温度を検出する温度センサー(3)と、温度センサー(3)が検出した温度から互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子(2)の実測抵抗値に比較して異常電池を検出する制御回路(4)とを有する二次電池の異常を温度で検出する装置。
10. 複数の二次電池(1)と、各々の二次電池(1)の温度を検出すると共に互いに直列に接続している温度−抵抗変換素子(2)と、二次電池(1)の温度を検出する温度センサー(3)と、温度センサー(3)が検出した電池温度から、互いに直列に接続している複数の温度−抵抗変換素子(2)の予測抵抗値を演算し、演算した予測抵抗値を温度−抵抗変換素子(2)の実測抵抗値に比較して二次電池の異常を温度で検出する装置。

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