JP4588614B2 - バッテリのセルショート検出方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリのセルショートを検出するバッテリのセルショート検出方法および装置に関する。

バッテリを使用している間にバッテリ内部のセル間でショートが発生した場合では、外観上では判断することは不可能であり、一般的には、開回路電圧を経過時間毎に測定し、その変化量から判断する必要がある。

図９に示すように、通常のバッテリの開回路電圧変化は、自己放電により徐々に低下していく。セルショートによる内部リークがある場合は、リーク発生分以上（Ｖ２−Ｖ１）の電力を消費し、端子電圧低下が大きくなるが、内部リーク発生の判断を行うためには、長時間の開回路電圧測定を行う必要がある。

しかしながら、上述の方法の場合、内部リーク発生の判断には時間を要することになり、事前通知が困難となる。その結果として、エンドユーザーは、バッテリ機能不全となった時点（トラブル発生後）でバッテリ交換を余儀なくされてしまう。

そこで、本発明は、上述の従来の課題に鑑み、比較的短時間でバッテリのセルショートを検出することができるバッテリのセルショート検出方法および装置を提供することを課題としている。

請求項１記載の発明は、バッテリのセルショートを検出するバッテリのセルショート検出方法であって、充電が終了した後、バッテリの開放電圧を所定のサンプリング周期で所定期間の間測定する開放電圧測定ステップと、開放電圧測定ステップで測定した開放電圧を収集する開放電圧収集ステップと、開放電圧収集ステップで収集した開放電圧に対して時間の経過順に予め定めた複数の期間の各期間内の前記開放電圧に基づいて近似された、べき数が−０．５となるかまたは略−０．５となる累乗近似式が漸近する電圧値を各期間の想定開回路電圧として求める想定開回路電圧算出ステップと、想定開回路電圧算出ステップで算出した各期間の想定開回路電圧が、時間の経過と共に減少しかつその減少割合が予め決められた基準レベルを超えていた場合、セルショートが発生していると判定する判定ステップとを含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、バッテリのセルショートを検出するバッテリのセルショート検出装置であって、充電が終了した後、バッテリ１３の開放電圧を所定のサンプリング周期で所定期間の間測定する開放電圧測定手段２３ａ−１と、開放電圧測定手段２３ａ−１で測定した開放電圧を収集する開放電圧収集手段２３ｂと、開放電圧収集手段２３ｂで収集した開放電圧に対して時間の経過順に予め定めた複数の期間の各期間内の前記開放電圧に基づいて近似された、べき数が−０．５となるかまたは略−０．５となる累乗近似式が漸近する電圧値を各期間の想定開回路電圧として求める想定開回路電圧算出手段２３ａ−２と、想定開回路電圧算出手段２３ａ−２で算出した各期間の想定開回路電圧が、時間の経過と共に減少しかつその減少度合いが予め決められた基準レベルを超えていた場合、セルショートが発生していると判定する判定手段２３ａ−３とを備えていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のバッテリのセルショート検出装置において、前記想定開回路電圧算出手段２３ａ−２は、前記各期間の開放電圧と、想定した想定開回路電圧との差値により、べき数が負である予め定めた累乗近似式を決定し、該決定した累乗近似式のべき数が−０．５となるかまたは略−０．５となるまで、前記累乗近似式の決定を前記想定開回路電圧を更新しながら繰り返し実行することによって、前記累乗近似式が漸近する電圧値を求めることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載のバッテリのセルショート検出装置において、時間をｔ、未知の係数をα、未知の負のべき数をＤとしたとき、前記累乗近似式がα・ｔ^D で表されることを特徴とする。

請求項１および２記載の発明によれば、バッテリのセルショート発生を比較的短時間で検出することが可能となり、バッテリの劣化に起因するトラブルを未然に防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、バッテリの充電が終了した後、比較的短い時間内に、各期間の累乗近似式の漸近線を各期間の想定開回路電圧として求めることができる。

請求項４記載の発明によれば、累乗近似式α・ｔ^D のべき数Ｄが−０．５になるかまたは略−０．５となったときの想定開回路電圧をその期間の想定開回路電圧とすることができる。

図２は、本発明のバッテリのセルショート検出方法を適用した本発明の一実施形態に係るバッテリのセルショート検出装置の概略構成を一部ブロックにて示す説明図であり、本実施形態のバッテリのセルショート検出装置は、エンジン３に加えてモータジェネレータ５を有するハイブリッド車両に搭載されている。

そして、このハイブリッド車両は、通常時はエンジン３の出力のみをドライブシャフト７からディファレンシャルケース９を介して車輪１１に伝達して走行させ、高負荷時には、バッテリ１３からの電力によりモータジェネレータ５をモータとして機能させて、エンジン３の出力に加えてモータジェネレータ５の出力をドライブシャフト７から車輪１１に伝達し、アシスト走行を行わせるように構成されている。

また、このハイブリッド車両は、減速時や制動時にモータジェネレータ５をジェネレータ（発電機）として機能させ、運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ１３を充電させるように構成されている。

なお、モータジェネレータ５はさらに、図示しないスタータスイッチのオンに伴うエンジン３の始動時に、エンジン３のフライホイールを強制的に回転させるセルモータとして用いられるが、その場合にモータジェネレータ５には、短時間に大きな電流が流される。スタータスイッチのオンによりモータジェネレータ５によってエンジン３が始動されると、イグニッションキー（図示しない）の操作解除に伴って、スタータスイッチがオフになってイグニッションスイッチやアクセサリスイッチのオン状態に移行し、これに伴ってバッテリ１３から流れる放電電流は、定常電流に移行する。

本実施形態のバッテリのセルショート検出装置は、アシスト走行用のモータやセルモータとして機能するモータジェネレータ５等、電装品に対するバッテリ１３の放電電流Ｉや、ジェネレータとして機能するモータジェネレータ５からのバッテリ１３に対する充放電電流を検出する電流センサ１５と、バッテリ１３に並列接続した１Ｍオーム程度の抵抗を有し、バッテリ１３の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ１７とを備えている。

また、本実施形態のバッテリのセルショート検出装置は、上述した電流センサ１５および電圧センサ１７の出力がインタフェース回路（以下、「Ｉ／Ｆ」と略記）２１におけるＡ／Ｄ変換後に取り込まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記）２３をさらに備えている。

そして、マイコン２３は、ＣＰＵ２３ａ、ＲＡＭ２３ｂおよびＲＯＭ２３ｃを有しており、このうち、ＣＰＵ２３ａには、ＲＡＭ２３ｂおよびＲＯＭ２３ｃの他、Ｉ／Ｆ２１が接続されており、また、上述した図示しないスタータスイッチ、イグニッションスイッチやアクセサリスイッチ、モータジェネレータ５以外の電装品（負荷）のスイッチ等が、さらに接続されている。ＣＰＵ２３ａは、特許請求の範囲における開放電圧測定手段２３ａ−１、想定開回路電圧算出手段２３ａ−２および判定手段２３ａ−３として働く。

ＲＡＭ２３ｂは、各種データ記憶用のデータエリアおよび各種処理作業に用いるワークエリアを有しており、ＲＯＭ２３ｃには、ＣＰＵ２３ａに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。ＲＡＭ２３ｂは、特許請求の範囲における開放電圧収集手段として働く。

なお、上述した電流センサ１５および電圧センサ１７の出力である電流値および電圧値は、Ｉ／Ｆ２１を介してマイコン２３のＣＰＵ２３ａに取り込まれる。

上述の構成において、本発明は、充電後の開回路電圧を平衡状態になる前に複数の時点で推定し、推定した開回路電圧の変化の度合いによってバッテリ１３におけるセルショートの発生の有無を検出する。

そこで、まず充電後の開回路電圧を平衡状態になる前に推定する方法について説明する。この推定方法は、たとえば、特開２００２−２３４４０８号公報や特開２００３−３０７５５６号公報で提案されている方法を用いる。

一般に、車両に搭載したバッテリ（鉛酸バッテリ）の充電が終了した場合、バッテリの開放状態での端子電圧（開放電圧）は、濃度分極によって上昇していた分が時間とともに解消するため、図３に示すように、徐々に減少し、たとえば充電終了から２４時間経過後のバッテリの平衡状態における端子電圧である開回路電圧ＯＣＶ（＝Ｅ₀ ）に漸近するように変化する漸近曲線の特性を表す。このような漸近曲線は、一般に累乗式で表される。

よって、今、開回路電圧ＯＣＶ（＝Ｅ₀ ）が未知であるとき、図４に示すように、想定した開回路電圧ＯＣＶ′（＝Ｅ）を定め、この想定した想定開回路電圧Ｅを端子電圧Ｖ（ｔ）から減算すると、図５に示すように、横軸に漸近する累乗近似式α・ｔ^D で表されるようになる。また、拡散現象を累乗近似式α・ｔ^D で近似すると、べき数Ｄが−０．５付近になるとされている。

そこで、バッテリの充電が終了後、図５に示すように、例えば５分の予め定めた時間Ｔａを経過してから、例えば１５分の予め定めた時間Ｔｂまでの間のバッテリの開放電圧を測定し、この測定した開放電圧より、想定した想定開回路電圧Ｅを減算し累乗近似式α・ｔ^D を算出する。

一般的に、拡散現象を累乗近似式α・ｔ^D で近似すると、べき数Ｄが−０．５付近になるとされている。充電終了後の開回路電圧の変化は、電解液の拡散によって生じる電圧変化によるものであるとすることができるので、べき数Ｄが−０．５になるような累乗近似式α・ｔ^D が得られたときの想定開回路電圧Ｅを開回路電圧Ｅ₀ とみなすことができる。

一般的に、充電が終了した後、予め定めた時間を経過してから一定の時間の間にバッテリの開放電圧を複数回測定し、この測定した開放電圧から、想定した想定開回路電圧を減算した値により、べき数が負である予め定めた累乗近似式を決定し、この決定した累乗近似式のべき数が−０．５となるまで、累乗近似式の決定を想定開回路電圧を更新して繰り返し実行し、べき数が−０．５となったときの想定開回路電圧を開回路電圧と推定すればよい。

なお、想定開回路電圧を予め定めた回数更新して繰り返し実行しても、べき数が−０．５とならないことがあるときには、予め定めた回数が実行されたことによってべき数が略−０．５になったと判断し、このときの想定開回路電圧を開回路電圧と推定し、必要以上に累乗近似式を決定する処理を繰り返すことをなくすことができる。

以上のようにして、充電後の開回路電圧を平衡状態になる前に比較的短時間で推定することができる。

そこで、図６に示すように、車両停止（イグニッション オフ）による充電終了後、徐々に減少するバッテリの開放状態の端子電圧（開放電圧）を測定して、収集し、上述した平衡状態の開回路電圧推定時使用範囲内の開放電圧に対して、時間の経過順に複数の期間（内部リーク（セルショート）検出用想定開回路電圧推定区間）、たとえば、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を予め定め、各期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３内でサンプリングされた開放電圧データをそれぞれ用いて、各期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３における想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、それぞれ上述の方法を用いて算出する。

そして、算出された想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の変化の度合いによりバッテリのセルショート（内部リーク）の有無を検出する。すなわち、バッテリのセルショート（内部リーク）が発生していない場合は、各期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で算出された想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３はほぼ同じ値になり、その変化の度合いはほぼ無いに等しくなる（Ｖ１≒Ｖ２≒Ｖ３）。なぜなら、正常時のバッテリの開回路電圧は、平衡状態の開回路電圧推定時使用範囲内において細分化された区間のどこで算出しても、ほぼ同じになるからである。

一方、バッテリのセルショート（内部リーク）が発生している場合は、各期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で算出された想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、時間の経過と共に減少し、その変化の度合いは大きくなる（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）。この変化の度合いが予め決められた基準レベルを超えた場合、バッテリのセルショート（内部リーク）が発生していると判断することができる。なぜなら、図９で説明したように、バッテリのセルショート（内部リーク）が発生している場合の開回路電圧の変化の度合いは、正常時の変化の度合いより大きくなっているからである。

たとえば、基準レベルを１００ミリボルト（ｍＶ）と設定し、各期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で算出された想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が時間の経過と共に減少し、その変化の度合い、（Ｖ２−Ｖ１）、（Ｖ３−Ｖ２）がいずれも１００ｍＶを超えたならば、バッテリのセルショート（内部リーク）が発生していると判断することができる。

次に、ＲＯＭ２３ｃに格納された制御プログラムに従いＣＰＵ２３ａが行うバッテリのセルショート検出処理を、図７を参照して説明する。

まず、車両停止状態（イグニッション オフ）を検出し（ステップＳ１）、次に、平衡状態の開回路電圧推定時使用範囲期間の間（たとえば、充電停止後の６０分〜９０分の間の３０分間）一定時間毎（たとえば、１分毎）に、電圧センサ１７の出力によりバッテリの端子電圧を開放電圧としてサンプリングして測定し、測定した開放電圧Ｖ（ｔ）を収集してＲＡＭ２３ｂのデータエリア（記憶手段に相当する）に格納、記憶する（ステップＳ２）。次に、６０〜９０分の間の３０分間測定した開放電圧Ｖ（ｔ）のデータを１０分間ずつ細分化した期間を設定する（ステップＳ３）。この細分化による最初の１０分間（充電停止後の６０〜７０分の間）を期間Ｔ１、次の１０分間（充電停止後の７０〜８０分の間）を期間Ｔ２、次の１０分間（充電停止後の８０〜９０分の間）を期間Ｔ３と設定する。

次に、各期間が定められたら、各期間中に測定した開放電圧を使用して当該期間の想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３をそれぞれ算出する処理を行う（ステップＳ４）。この想定開回路電圧算出処理は、全ての期間について終了するまで継続して行われる（ステップＳ５のＮ）。

全ての期間の想定開回路電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が算出されたら、期間毎の想定開回路電圧の算出値について、各々の差（Ｖ２−Ｖ１）、（Ｖ３−Ｖ２）が規定された基準レベル（たとえば、１００ｍＶ）を超えているか否かを判定する（ステップＳ６）。

各々の差（Ｖ２−Ｖ１）、（Ｖ３−Ｖ２）が規定された基準レベル（たとえば、１００ｍＶ）を超えていれば（ステップＳ６のＹｅｓ）、次いで、セルショート（内部リーク）発生と判断し（ステップＳ７）、超えていなければ（ステップＳ６のＮｏ）、セルショート（内部リーク）なしと判断する（ステップＳ８）。

また、上述した図７のフローチャート中のステップＳ４における各期間の想定開回路電圧算出処理は、具体的には、サブルーチンを示す図８のフローチャートにて行われる。

まず、各期間の測定した開放電圧Ｖ（ｔ）と、想定した想定開回路電圧Ｅとの差値、すなわち測定した開放電圧Ｖ（ｔ）から想定した想定開回路電圧Ｅを減算した値を求め（ステップＳ１１）、求めた値ｆ（ｔ）について累乗近似処理を行ってべき数Ｄが負である予め定めた累乗近似式を決定する（ステップＳ１２）。

累乗近似式が決定したら、次に決定した累乗近似式のべき数Ｄが−０．５に等しいかどうかを判断し（ステップ１３）、この判断の結果、べき数Ｄが−０．５となっていないときには（ステップＳ１３のＮ）、想定開回路電圧Ｅを更新し（ステップＳ１４）、この更新した想定開回路電圧Ｅについて、上記ステップＳ１１に戻って、測定した開放電圧Ｖ（ｔ）から、想定した想定開回路電圧Ｅを減算する処理を行う。べき数Ｄが−０．５となったときには（ステップＳ１３のＹ）、べき数Ｄが−０．５となったときの想定開回路電圧Ｅを当該期間の想定開回路電圧（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）としてＲＡＭ２３ｂのデータエリア（記憶手段に相当する）に格納（ステップＳ１５）して一連の処理動作を終了し、図７のフローチャートに戻る。

なお、図８のフローチャートには記載はないが、決定した累乗近似式のべき数がなかなか−０．５とならないときには、累乗近似式の決定が予め定めた回数行われた時点での電圧値を当該期間の想定開回路電圧Ｅとして求めて一連の処理動作を終らせることもできる。

また、図８のフローチャートでは、１分の一定間隔で測定を行っていることになっているが、１分毎の測定時以外の期間マイコンをスリープ状態にすることもできる。

このように、本発明においては、車両停止後、一定時間の間電圧推移をサンプリングし、充電後の開回路電圧を平衡状態になる前に複数の時点で推定し、推定した開回路電圧の変化の度合いによってバッテリ１３におけるセルショートの発生の有無を検出しているので、バッテリのセルショート発生を比較的短時間で検出することが可能となり、バッテリの劣化に起因するトラブル（たとえば、車両のエンジン始動不能など）を未然に防止することができる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施の形態では、平衡状態の開回路電圧推定時使用範囲期間を３つの期間に細分化し、算出した３つの想定開回路電圧の変化の度合いを判定して、セルショートの有無を検出しているが、これにかぎらず、４つ以上の期間に細分化して、４つ以上の算出された想定開回路電圧の変化の度合いを判定してセルショートの有無を検出しても良い。

本発明のバッテリのセルショート検出装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明のバッテリのセルショート検出方法を適用した本発明の一実施形態に係るバッテリのセルショート検出装置の概略構成を一部ブロックにて示す説明図である。 充電終了後のバッテリの開放電圧の変化を示すグラフである。 開回路電圧推定方法を説明するために使用するグラフである。 開回路電圧推定方法を説明するために使用する他のグラフである。 セルショート検出方法を説明するためのグラフである。 図２中のマイコンがバッテリのセルショート検出のため予め定めたプログラムに従って行う処理を示すフローチャートである。 図７のフローチャート中のステップＳ４で実行されるサブルーチンを示すフローチャートである。 従来のセルショート検出を説明するためのグラフである。

符号の説明

２３ａ−１ 開放電圧測定手段（ＣＰＵ）
２３ｂ 開放電圧収集手段（ＲＡＭ）
２３ａ−２ 想定開回路電圧算出手段（ＣＰＵ）
２３ａ−３ 判定手段（ＣＰＵ）

Claims (4)

1. バッテリのセルショートを検出するバッテリのセルショート検出方法であって、
   充電が終了した後、バッテリの開放電圧を所定のサンプリング周期で所定期間の間測定する開放電圧測定ステップと、
   開放電圧測定ステップで測定した開放電圧を収集する開放電圧収集ステップと、
   開放電圧収集ステップで収集した開放電圧に対して時間の経過順に予め定めた複数の期間の各期間内の前記開放電圧に基づいて近似された、べき数が−０．５となるかまたは略−０．５となる累乗近似式が漸近する電圧値を各期間の想定開回路電圧として求める想定開回路電圧算出ステップと、
   想定開回路電圧算出ステップで算出した各期間の想定開回路電圧が、時間の経過と共に減少しかつその減少割合が予め決められた基準レベルを超えていた場合、セルショートが発生していると判定する判定ステップと
   を含むことを特徴とするバッテリのセルショート検出方法。
2. バッテリのセルショートを検出するバッテリのセルショート検出装置であって、
   充電が終了した後、バッテリの開放電圧を所定のサンプリング周期で所定期間の間測定する開放電圧測定手段と、
   開放電圧測定手段で測定した開放電圧を収集する開放電圧収集手段と、
   開放電圧収集手段で収集した開放電圧に対して時間の経過順に予め定めた複数の期間の各期間内の前記開放電圧に基づいて近似された、べき数が−０．５となるかまたは略−０．５となる累乗近似式が漸近する電圧値を各期間の想定開回路電圧として求める想定開回路電圧算出手段と、
   想定開回路電圧算出手段で算出した各期間の想定開回路電圧が、時間の経過と共に減少しかつその減少度合いが予め決められた基準レベルを超えていた場合、セルショートが発生していると判定する判定手段と
   を備えていることを特徴とするバッテリのセルショート検出装置。
3. 請求項２記載のバッテリのセルショート検出装置において、
   前記想定開回路電圧算出手段は、前記各期間の開放電圧と、想定した想定開回路電圧との差値により、べき数が負である予め定めた累乗近似式を決定し、該決定した累乗近似式のべき数が−０．５となるかまたは略−０．５となるまで、前記累乗近似式の決定を前記想定開回路電圧を更新しながら繰り返し実行することによって、前記累乗近似式が漸近する電圧値を求める
   ことを特徴とするバッテリのセルショート検出装置。
4. 請求項２または３記載のバッテリのセルショート検出装置において、
   時間をｔ、未知の係数をα、未知の負のべき数をＤとしたとき、前記累乗近似式がα・ｔ^D で表される
   ことを特徴とするバッテリのセルショート検出装置。

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