JP4529246B2

JP4529246B2 - 組電池の異常検出装置

Info

Publication number: JP4529246B2
Application number: JP2000204506A
Authority: JP
Inventors: 晴義山下; 敏宏勝田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: JP2002025628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池の異常検出装置に関し、詳しくは、複数の単電池を直列に接続してなる組電池の異常を検出する異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の組電池の調整装置としては、複数の単電池からなる電池ブロックの電圧アンバランスを解消するものが提案されている（例えば、特開平９−７４６８９号公報など）。この装置では、電池ブロック毎に電圧を検出し、最小電圧の電池ブロックとほぼ同じ電圧となるよう他の電池ブロックを放電することにより、各電池ブロックの電圧アンバランスを解消している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした組電池の調整装置では、組電池を構成する単電池に異常が生じても、その異常を検出することができない場合が多い。単電池に異常が生じ電池ブロック間に電圧差が生じることとなっても、最小電圧の電池ブロックの電圧となるよう放電されるため、単電池の異常として検出できない。また、電池ブロック毎に電圧を検出しているから、単電池に異常が生じても電池ブロックに現われる異常の程度は小さくなり、異常の検出が遅れてしまう。こうした単電池の異常が検出できなかったり異常の検出が遅れるときには、単電池を破損してしまう場合も生じる。過放電や過充電の回避が必要なリチウムイオン電池を単電池として組電池を構成する場合には、早期の異常の検出が特に必要となる。
【０００４】
本発明の組電池の異常検出装置は、迅速により正確に組電池の異常を検出することを目的の一つとする。また、本発明の組電池の異常検出装置は、簡易な構成で低コストで組電池の異常を検出することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の組電池の異常検出装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の第１の組電池の異常検出装置は、
複数の単電池を直列に接続してなる組電池の異常を検出する異常検出装置であって、
前記複数の単電池の容量の均等化を図る容量均等化手段と、
該容量均等化手段の作動頻度に基づいて組電池の異常を判定する異常判定手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の第１の組電池の異常検出装置では、複数の単電池の容量の均等化を図る容量均等化手段の作動頻度に基づいて組電池の異常を判定する。この判定が行なえるのは、容量の不均等の頻度が多くなる原因の一つに単電池の異常が含まれることに基づく。なお、容量均等化手段の作動頻度に基づく組電池の異常には、前述の組電池を構成する単電池の異常の他に容量均等化手段の異常も含まれる。
【０００８】
こうした本発明の第１の組電池の異常検出装置において、前記容量均等化手段は単電池毎に容量を調節する容量調節手段を備え、前記異常検出手段は前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池に対応する容量調節手段の作動頻度が所定頻度以上のときに異常と判定する手段であるものとすることもできる。
【０００９】
本発明の第２の組電池の異常検出装置は、
複数の単電池を直列に接続してなる組電池の異常を検出する異常検出装置であって、
前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池の過充電を検出する過充電検出手段と、
前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池の過放電を検出する過放電検出手段と、
所定時間内に前記過充電検出手段により検出される過充電と前記過放電検出手段により検出される過放電との両方に基づいて組電池の異常を判定する異常判定手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
この本発明の第２の組電池の異常検出装置では、所定時間内に過充電検出手段により検出される単電池の過充電と過放電検出手段により検出される単電池の過放電との両方に基づいて組電池の異常を判定する。この組電池の異常の判定は、異常の生じた単電池の充電や放電は、容易に過充電や過放電になることに基づく。なお、過充電と過充電とに基づく組電池の異常には、前述の組電池を構成する単電池の異常の他に過充電検出手段の異常や過放電検出手段の異常なども含まれる。
【００１１】
こうした本発明の第２の組電池の異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記所定時間内に複数回に亘って過放電と過充電とが検出されたときに異常と判定する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の第２の組電池の異常検出装置において、前記複数の単電池の容量の均等化を図る容量均等化手段を備え、該容量均等化手段と前記過充電検出手段と前記過放電検出手段とが単一のチップにより構成されてなるものとすることもできる。こうすれば、装置を簡易な構成とすると共に低コスト化および小型化を図ることができる。
【００１３】
これら本発明の第１または第２の組電池の異常検出装置において、前記複数の単電池は、リチウムイオン電池であるものとすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である組電池の異常検出装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の組電池の異常検出装置２０は、図示するように、リレー１２を介して負荷１０に接続された組電池１４の異常を検出する装置として構成されており、組電池１４を構成する単電池Ｂ１〜Ｂｎの接続点と導電ラインＬ０〜Ｌｎを介して接続された電子制御ユニット３０と、導電ラインＬ０〜Ｌｎ間に各々直列に接続されたトランジスタＴ１〜Ｔｎと抵抗Ｒ１〜Ｒｎとを備える。
【００１５】
組電池１４は、リチウムイオン電池として構成された単電池Ｂ１〜Ｂｎを直列接続して構成されている。組電池１４にリレー１２を介して接続された負荷１０は、実施例では電力を消費する電力消費機を含むほか、組電池１４の単電池Ｂ１〜Ｂｎを充電可能な電力を供給する電力供給機器も含まれる。
【００１６】
電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ３４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ３６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット３０からは、組電池１４の異常を表示するインジケータ４０への点灯信号や各トランジスタＴ１〜Ｔｎへのオンオフ信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１７】
電子制御ユニット３０からのオンオフ信号によりトランジスタＴ１〜Ｔｎがオンされると、オンされたトランジスタを介して直列に接続された抵抗に電流が流れ、電力が消費されるようになっている。
【００１８】
次に、こうして構成された実施例の組電池の異常検出装置２０の動作について説明する。図２は、実施例の組電池の異常検出装置２０の電子制御ユニット３０により実行される異常検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、組電池１４が負荷１０から遮断された直後から所定時間毎（例えば、１時間毎）に繰り返し実行される。
【００１９】
異常検出処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３２は、まず、各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎを検出する処理を実行する（ステップＳ１００）。各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎは、導電ラインＬ０〜Ｌｎのライン間の電位差として検出することができる。続いて、検出した各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎのうち最小電圧Ｖｂｍｉｎを判定し（ステップＳ１０２）、単電池カウンタｋに値０をセットする。
【００２０】
そして、単電池カウンタｋをインクリメントし（ステップＳ１０６）、ｋ番目の単電池Ｂｋの電圧Ｖｂｋと最小電圧Ｖｂｍｉｎとの偏差ΔＶを計算して（ステップＳ１０８）、計算した偏差ΔＶを閾値Ｖｒと比較する（ステップＳ１１０）。ここで、閾値Ｖｒは、単電池間の容量（ＳＯＣ）のバラツキが許容できる範囲に対応する電圧差として設定されるものである。偏差ΔＶが閾値Ｖｒ以上のときには、容量のバラツキを許容できないと判断し、対応するトランジスタＴｋをオンとして単電池Ｂｋの電力が抵抗Ｒｋで消費されて容量のバラツキが解消されるようにし（ステップＳ１１２）、均等化カウンタｂｋをインクリメントして（ステップＳ１１４）、単電池カウンタｋがｎであるかを調べ（ステップＳ１１６）、単電池カウンタｋがｎでないときには、ステップＳ１０６の処理に戻って次の単電池について同様の処理を行なう。ステップＳ１１０で偏差ΔＶが閾値Ｖｒ未満のときには、対応するトランジスタＴｋをオフとして（ステップＳ１１５）、単電池カウンタｋがｎであるかを調べる（ステップＳ１１６）。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒｎは、次にこの異常検出処理ルーチンが実行されるまでの時間で最小電圧Ｖｂｍｉｎの単電池との電圧差が閾値Ｖｒ未満となる電力が消費される値に設定されている。
【００２１】
単電池カウンタｋがｎになると、異常検出カウンタＣをインクリメントし（ステップＳ１１８）、異常検出カウンタＣが所定数Ｃｒを超えたか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、所定数Ｃｒは、組電池１４の異常を検出するのに十分な時間を要しているかを判定するものとして用いられるものである。異常検出カウンタＣが所定数Ｃｒを超えているときには、均等化カウンタｂ１〜ｂｎの各々を異常検出カウンタＣで割った値を閾値ｅと比較する（ステップＳ１２２）。ここで、閾値ｅは、容量のバラツキを解消する処理の許容頻度の上限値として設定されるものであり、用いる単電池の種類や組電池１４の仕様によって定められる。均等化カウンタｂ１〜ｂｎの各々を異常検出カウンタＣで割った値のうちいずれかが閾値ｅ以上のときには、いずれかの単電池か対応するトランジスタまたは抵抗などに異常が生じていると判断し、インジケータ４０を点灯して異常を出力し（ステップＳ１２４）、本ルーチンを終了する。図３は、正常な単電池と異常な単電池の容量（ＳＯＣ）と放置時間との関係の一例を示す説明図である。図中、曲線Ａは正常な単電池における容量（ＳＯＣ）と放置時間との関係を示し、曲線Ｂは異常な単電池の容量（ＳＯＣ）と放置時間との関係を示す。図示するように、異常な単電池は、正常な単電池に比して放置時間に対する容量（ＳＯＣ）の低下が速い。したがって、異常な単電池が生じると、正常な単電池に対して容量のバラツキを解消する処理が頻繁に実行されることになる。実施例では、この現象に基づいて組電池１４の異常を検出しているのである。
【００２２】
一方、均等化カウンタｂ１〜ｂｎの各々を異常検出カウンタＣで割った値のうちのいずれもが閾値ｅ未満のときには、いずれの単電池にも異常は生じていないと判断して本ルーチンを終了する。
【００２３】
以上説明した実施例の組電池の異常検出装置２０によれば、単電池Ｂ１〜Ｂｎの容量のバラツキを解消する処理の作動頻度に基づいて組電池１４の異常を検出することができる。
【００２４】
実施例の組電池の異常検出装置２０では、いずれかの単電池に対する容量のバラツキを解消する処理の作動頻度が閾値ｅ以上のときに異常を検出したが、複数の単電池に対する容量のバラツキを解消する作動頻度が閾値ｅ以上のときに異常を検出するものとしてもよい。また、いずれかの単電池に対して容量のバラツキを解消する処理を作動させる最小電圧Ｖｂｍｉｎの単電池の最小電圧Ｖｂｍｉｎに判定された頻度に基づいて異常を検出するものとしてもよい。
【００２５】
次に本発明の第２の実施例の組電池の異常検出装置１２０について説明する。図４は、第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例の組電池の異常検出装置１２０は、図示するように、リレー１１２を介して負荷１１０に接続された組電池１１４の異常を検出する装置として構成されており、組電池１１４を構成する単電池Ｂ１〜Ｂｎの接続点と導電ラインＬ０〜Ｌｎを介して接続され各単電池Ｂ１〜Ｂｎの容量のバラツキを解消する均等化回路１２２と、導電ラインＬ０〜Ｌｎから分岐した分岐ラインＭ０〜Ｍｎに接続されいずれかの単電池が過充電されているか過放電されているかを検出する過充電過放電検出回路１２４と、電子制御ユニット１３０と、均等化回路１２２に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒｎとを備える。
【００２６】
組電池１１４は、第１実施例で説明した組電池１４と同様に構成されており、負荷１１０も、第１実施例で説明した負荷１０と同様である。電子制御ユニット１３０も、第１実施例の電子制御ユニット３０と同様に構成されている。なお、電子制御ユニット１３０には、過充電過放電検出回路１２４からの過充電信号と過放電信号が入力ポートを介して入力されている。
【００２７】
均等化回路１２２と過充電過放電検出回路１２４は、単一のチップに集積回路１２６として構成されている。図５は、４つの単電池からなる組電池に対する均等化回路１２２と過充電過放電検出回路１２４とを中心とした回路構成を例示する回路図である。図示するように、過充電過放電検出回路１２４は、過充電検出回路と過放電検出回路とから構成されており、均等化回路１２２と共に単一のチップに集積回路１２６として組み込まれている。
【００２８】
均等化回路１２２は、図５に示すように、トランジスタと抵抗Ｒ１〜Ｒｎが各単電池Ｂ１〜Ｂｎに接続される構成となっており、第１実施例の組電池の異常検出装置２０と同様に、単電池Ｂ１〜Ｂｎの容量のバラツキをトランジスタをオンオフすることにより解消できるようになっている。
【００２９】
次に、第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の動作の参考例について説明する。図６は、第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の電子制御ユニット１３０により実行される異常検出処理ルーチンの参考例を示すフローチャートである。このルーチンは、過充電信号または過放電信号がオンとされたときに実行される。
【００３０】
異常検出処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット１３０のＣＰＵ１３２は、まず、過充電信号と過放電信号とを読み込み（ステップＳ２００）、いずれの信号がオンとなったかを判定し（ステップＳ２０２，Ｓ２０６）、過充電信号がオンのときには過充電カウンタＣ１をインクリメントし（ステップＳ２０４）、過放電信号がオンのときには過放電カウンタＣ２をインクリメントする（ステップＳ２０８）。そして、後述するステップＳ２１６で過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２とに値０がセットされてから所定時間経過したかを判断する（ステップＳ２１０）。ここで、所定時間は、組電池１１４の異常を検出するタイムサークルとして設定されるものである。所定時間経過していないときには、本ルーチンを終了する。
【００３１】
所定時間経過しているときには、過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２とを閾値Ｒと比較する（ステップＳ２１２）。ここで、閾値Ｒは、所定時間内に過充電や過放電が繰り返し実行されるのを許容できる上限回数として設定されるものである。過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２のうちのいずれかが閾値Ｒより大きいときには、組電池１１４に異常が生じていると判断してインジケータ４０を点灯して異常を出力し（ステップＳ２１４）、過充電カウンタＣ１および過放電カウンタＣ２を値０にリセットして（ステップＳ２１６）、本ルーチンを終了する。図７は、異常な単電池と正常な単電池の充放電の際の電圧の時間変化の一例を示す説明図である。図中、曲線Ｃは異常が生じている単電池の充放電の際の電圧の時間変化を示し、破線Ｄは正常な単電池の充放電の際の電圧の時間変化を示す。図示するように、異常が生じている単電池は、正常な単電池に比して過充電や過放電になりやすいから、頻繁に過充電検出用電圧を超えると共に頻繁に過放電検出用の電圧を下回るようになる。第２実施例の組電池の異常検出装置１２０では、この現象に基づいて組電池１１４の異常を検出しているのである。
【００３２】
ステップＳ２１２で過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２のいずれもが閾値Ｒ以下のときには、組電池１１４には異常は生じていないと判断し、過充電カウンタＣ１および過放電カウンタＣ２を値０にリセットして（ステップＳ２１６）、本ルーチンを終了する。
【００３３】
以上説明した第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の動作の参考例によれば、所定時間内に生じる過放電または過充電に基づいて組電池１１４の異常を検出することができる。しかも、均等化回路１２２と過充電過放電検出回路１２４とを単一にチップとしたから、装置を簡易な構成とすることができると共に装置の小型化や低コスト化を図ることができる。
【００３４】
第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の動作の参考例では、過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２のうちいずれかが閾値Ｒより大きいときに組電池１１４の異常を検出したが、動作の実施例として、過充電カウンタＣ１と過放電カウンタＣ２とが共に閾値Ｒより大きいときに組電池１１４を構成する単電池の異常を検出し、過充電カウンタＣ１だけが閾値Ｒより大きいときと過放電カウンタＣ２だけが閾値Ｒより大きいときには均等化回路１２２の異常を検出するものとしてもよい。図８の曲線Ｅに示すように過充電検出用の電圧を頻繁に上回るが過放電検出用の電圧を下回ることがない状態や曲線Ｆに示すように過放電検出用の電圧を頻繁に下回るが過充電検出用の電圧を超えることがない状態は、単電池の容量のバラツキの解消が適切になされていないことに基づいて生じると考えられるから、過充電カウンタＣ１や過放電カウンタＣ２に基づいて均等化回路１２２の異常を検出することができる。
【００３５】
第２実施例の組電池の異常検出装置１２０では、単電池Ｂ１〜Ｂｎのうちいずれかの単電池の過充電と過放電とを検出し、組電池１１４の異常を検出するものとしたが、単電池毎に過充電と過放電とを検出し、単電池毎に異常を検出するものとしてもよい。
【００３６】
第２実施例の組電池の異常検出装置１２０では、均等化回路１２２と過充電過放電検出回路１２４とを単一のチップに組み込むものとしたが、異なるチップとして構成しても差し支えない。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である組電池の異常検出装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の組電池の異常検出装置２０の電子制御ユニット３０により実行される異常検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】正常な単電池と異常な単電池の容量（ＳＯＣ）と放置時間との関係の一例を示す説明図である。
【図４】第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図５】４つの単電池からなる組電池に対する均等化回路１２２と過充電過放電検出回路１２４とを中心とした回路構成を例示する回路図である。
【図６】第２実施例の組電池の異常検出装置１２０の電子制御ユニット１３０により実行される異常検出処理ルーチンの参考例を示すフローチャートである。
【図７】異常な単電池と正常な単電池の充放電の際の電圧の時間変化の一例を示す説明図である。
【図８】容量のバラツキの解消処理が適切に行なわれていない状態における単電池の充放電の際の電圧の時間変化の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０負荷、１２，１１２リレー、１４，１１４組電池、２０，１２０組電池の異常検出装置、３０，１３０電子制御ユニット、３２，１３２ＣＰＵ、３４，１３４ＲＯＭ、３６，１３６ＲＡＭ、１２２均等化回路、１２４過充電過放電検出回路、１２６集積回路、Ｂ１〜Ｂｎ単電池、Ｔ１〜Ｔｎトランジスタ、Ｒ１〜Ｒｎ抵抗、Ｌ０〜Ｌｎ導電ライン、Ｍ０〜Ｍｎ分岐ライン。

Claims

複数の単電池を直列に接続してなる組電池の異常を検出する異常検出装置であって、
前記複数の単電池の容量の均等化を図る容量均等化手段と、
該容量均等化手段の作動頻度に基づいて組電池の異常を判定する異常判定手段と
を備える組電池の異常検出装置。
請求項１記載の組電池の異常検出装置であって、
前記容量均等化手段は、単電池毎に容量を調節する容量調節手段を備え、
前記異常検出手段は、前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池に対応する容量調節手段の作動頻度が所定頻度以上のときに異常と判定する手段である
組電池の異常検出装置。
複数の単電池を直列に接続してなる組電池の異常を検出する異常検出装置であって、
前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池の過充電を検出する過充電検出手段と、
前記複数の単電池のうちのいずれかの単電池の過放電を検出する過放電検出手段と、
所定時間内に前記過充電検出手段により検出される過充電と前記過放電検出手段により検出される過放電との両方に基づいて組電池の異常を判定する異常判定手段とを備える組電池の異常検出装置。
前記異常判定手段は、前記所定時間内に複数回に亘って過放電と過充電とが検出されたときに異常と判定する手段である請求項３記載の組電池の異常検出装置。
請求項３または４記載の組電池の異常検出装置であって、
前記複数の単電池の容量の均等化を図る容量均等化手段を備え、
該容量均等化手段と前記過充電検出手段と前記過放電検出手段とが単一のチップにより構成されてなる
組電池の異常検出装置。
前記複数の単電池は、リチウムイオン電池である請求項１ないし５いずれか記載の組電池の異常検出装置。