JP5248764B2 - 蓄電素子の異常検出装置、蓄電素子の異常検出方法及びその異常検出プログラム - Google Patents

蓄電素子の異常検出装置、蓄電素子の異常検出方法及びその異常検出プログラム Download PDF

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Description

本発明は、電源システムに搭載された蓄電素子の異常検出の精度を向上させることができる蓄電素子の異常検出装置、蓄電素子の異常検出方法及びその異常検出プログラムに関する。
近年、蓄電装置は、例えば太陽電池などの発電装置と組み合わされ、電源システムとして利用されることがある。発電装置は、太陽光、風力、水力といった自然エネルギーを用いて電力を発電する。このような蓄電装置を組み合わせた電源システムは、余剰な電力を蓄電装置に蓄積し、負荷装置が必要な時に蓄電装置から電力を供給することによって、エネルギー効率の向上を図っている。
かかる電源システムの一例としては、太陽光発電システムが挙げられる。太陽光発電システムでは、太陽光による発電量が負荷装置の消費電力量よりも多い場合には、余剰電力で蓄電装置に充電が行われる。逆に、発電量が負荷装置の消費電力量よりも少ない場合には、不足の電力を補うために蓄電装置から放電された電力が負荷装置に供給される。
このように、太陽光発電システムにおいては、従来利用されていなかった余剰電力を蓄電装置に蓄積できるため、従来の電源システムに比べてエネルギー効率を高めることができる。
また、太陽光発電システムにおいては、余剰電力を効率良く蓄電装置に充電するため、蓄電装置の充電状態(State Of Charge)を示す残存容量(以下「SOC」と呼ぶ)が100%にまで増大しないように、また、必要な時に負荷装置に電力を供給するため、SOCが0(ゼロ)にまで低下しないように、充放電制御が行われている。具体的には、通常、蓄電装置においては、SOCが20%〜80%の範囲で推移するように制御が行われている。
このような原理は、エンジンとモータを用いたハイブリット自動車(Hybrid Electric Vehicle、以下「HEV」と呼ぶ)でも利用されている。HEVは、走行に必要な動力に対してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰の電力で発電機を駆動して蓄電装置を充電する。また、HEVは、車両の制動や減速時には、モータを発電機として利用することで蓄電装置を充電する。
最近、夜間電力の有効活用をした負荷平準化電源やプラグインハイブリット車が注目されている。負荷平準化電源は電力消費が少ないシステムである。電力料金が安い夜間に蓄電装置に電力を貯蔵し、電力消費がピークとなる日中に貯蔵した電力を活用するシステムである。電力の消費量を平滑化することにより、電力の発電量を一定にし、電力設備の効率的運用や設備投資の削減に貢献することを目的としている。
一方、プラグインハイブリット車は夜間電力を活用するものである。燃費が悪い市街地走行時には蓄電装置から電力を供給するEV走行を主体とし、長距離走行時にはエンジンとモータを活用したHEV走行を行う。プラグインハイブリット車はトータルのCO2の排出量の削減を目的としている。
ところで、上記の電源システム等に搭載される蓄電装置は、複数の蓄電素子(単電池、単位電池等)を直列に接続することによって構成されている。このような蓄電装置では、個々の蓄電素子に容量バラツキが生じてしまう場合がある。この場合、蓄電装置に大電流で深い放電が行われると、容量の小さい蓄電素子が他の素子と比べてより過放電されてしまう。その結果、過放電された素子は劣化し、蓄電装置全体の寿命も低下することになる。
このような蓄電装置の寿命劣化を抑制するため、通常、容量バラツキが発生すると均等化手段を用いて容量バラツキを解消するように制御される。しかしながら、蓄電装置が劣化してくると、容量が減少し、内部抵抗も上昇してしまう。そのため、均等手段を行って容量を揃えても、大電流を流した場合には内部抵抗の上昇により電圧降下が大きくなり、容易に下限電圧に達してしまう。その結果、蓄電装置の劣化が促進され、電池の安全性を低下させてしまう。
このため、蓄電装置の劣化を検出することが重要となってくるが、その検出方法として以下のようなものが提案されている。
例えば、特許文献1では、電池の劣化を検出する手段として、均等化放電処理後に所定量の放電を行い、終了後の電圧に基づいて電池の劣化を判定する方法が開示されている。
また、特許文献2には、劣化の判定方法として、蓄電装置を構成する複数のブロック(あるいはセル)についてブロック間の電圧を検出し、検出された電圧差が所定値を超えたかどうかで異常を判定する方法が開示されている。
さらに、特許文献3には次のような判定方法が記載されている。蓄電装置が劣化すると、使用されていない間(不使用期間)の自己放電による放電量が大きくなり、長期間放置した場合には電圧降下量も増大する。このため、蓄電装置を構成するブロック毎に、蓄電装置の終了時直後から次の起動時までの(不使用期間)の電圧降下を算出し、これと基準値との差が所定値を超えたかどうかによって二次電池の劣化を判定する。
特開2003−282156号公報 特開平11−178225号公報 特開2003−204627号公報
しかしながら、上記の判定方法では以下のような不具合を有していた。
特許文献1に開示された方法では、均等化放電処理後さらに所定量の放電をするため、蓄電装置の充電状態をより低下させてしまう。そのため、負荷装置に供給できるエネルギー量(使用時間)が低下し、機器の利便性を低下させてしまうという問題があった。
特許文献2に開示された方法では、検出時点での電圧差を判定しているため、充電効率が低下して容量バラツキが発生した場合には、容量バラツキによる電圧差を劣化による電圧差と誤って判定してしまう。そのため、検出精度の低下を招いていた。
特許文献3に開示された方法では、不使用期間の開始時から終了時までの電圧降下量により判定が行われる。しかし、不使用期間の開始時の状態(充電状態)がバラバラのため、算出された電圧降下量が開始時の充電状態の影響を大きく受けてしまい、異常検出精度を向上させることが困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、蓄電素子の容量バラツキや充電状態の影響を受けることなく蓄電素子の異常判定を行なうことで、蓄電素子の異常検出精度を向上させることができる蓄電素子の異常検出装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、負荷装置の利便性を向上させつつ、寿命劣化時の蓄電装置の安全性を確保することができる蓄電素子の異常検出装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、蓄電素子の容量バラツキや充電状態の影響を受けることなく蓄電素子の異常判定を行なうことにより、蓄電素子の異常検出精度を向上させることができる蓄電素子の異常検出方法、及びその検出プログラムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキを無くし、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化する均等化処理部と、前記各蓄電部の異常を判定する異常判定処理部と、前記各蓄電部の端子間電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部から前記各蓄電部の端子間電圧を取得し、前記均等化処理部による均等化処理及び前記異常判定処理部による異常判定処理を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記各蓄電部の均等化処理終了時点から放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量に基づいて前記異常判定処理で用いられる異常判定値を算出する算出部を、有し、前記異常判定処理部は、前記異常判定値から異常判定を行う判定部を、有する蓄電素子の異常検出装置であることを第1の特徴とする。ここで、「蓄電部」は、例えば図1に示すように、少なくとも1つの蓄電素子から構成された蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNのことをいうものとする。もちろん、その数や接続関係は図1の構成に限定されるものではなく、少なくとも1つの蓄電素子を組み合わせたものであれば良い。
本発明の第1の特徴では、各蓄電部の充電状態を一旦均等化し、その後放置させることによって生じた各蓄電部の端子間電圧の変化量を用いて、各蓄電部の異常判定を行なうようにしている。したがって、各蓄電部の容量バラツキや電圧バラツキといった充電状態バラツキを無くした後の放置による端子間電圧の変化量に基づいて判定を行なうことができる。よって、充電状態バラツキの影響を受けることが無いので、各蓄電部の異常判定の精度を向上させることができる。そして、各蓄電部の異常を高精度に判定することで、それら蓄電部の劣化を正確に検出することが可能となり、その結果、蓄電部の安全性を高めることができる。
さらに、本発明の第1の特徴によれば、放置による端子間電圧の変化量のみで各蓄電部の異常判定を行なうようにしており、各蓄電部を強制的に放電させるといったことは不要である。したがって、異常判定のために各蓄電部の残存容量を積極的に減少させることが無くなり、負荷装置に供給できる電力を無駄にすることが無くなる。また、単なる放置に伴う変化量を用いるので、上記のような強制的な放電を行なう場合に必要となる制御系の構成も設ける必要は無い。それにより、検出装置を安価に実現することが可能となる。
本発明の第1の特徴に係る異常検出装置は、例えば、複数個の蓄電部を一組にした蓄電装置を備えた電源システムに搭載することができる。その電源システムとしては、自然エネルギーから電力を発電する発電装置を用いた電源システムや、負荷平準化電源、プラグインハイブリット車といった夜間電力を活用した、蓄電装置を備える電源システムであっても良い。このような電源システムの蓄電装置に本発明の第1の特徴に係る異常検出装置を適用することにより、その蓄電装置の安全性を高めることが可能となる。
本発明の第2の特徴は、少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキが生じた場合に、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化する第1のステップと、前記各蓄電部の均等化処理終了時点から放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量を測定する第2のステップと、前記各蓄電部の端子間電圧の変化量から算出された異常判定値と予め用意された複数の基準値のうちから選択した基準値とを比較する第3のステップと、前記比較結果に基づいて、前記各蓄電部が前記選択された基準値に対応付けられた異常内容であるか否かを判定する第4のステップとを含む蓄電素子の異常検出方法であることである。
本発明の第2の特徴では、複数の蓄電部の容量や電圧の充電状態にバラツキが生じた場合、その充電状態のバラツキを無くし、その後、複数の蓄電部を放置する。そして、均等化処理後の放置に伴う各蓄電部の端子間電圧の変化量から各蓄電部の異常判定を行なうようにしている。したがって、異常判定に用いる異常判定値の算出に蓄電部の容量バラツキが影響を及ぼすことが無くなり、その判定の精度を向上させることができる。
さらに、本発明の第2の特徴によれば、放置による端子間電圧の変化量を用いて判定を行なうので、各蓄電部の充放電が行なわれていない期間を各蓄電部の異常判定に充てることで、異常判定のための時間を特別に設けることない。従って、蓄電部の利用効率を向上させることができる。
本発明の第3の特徴は、上記の第2の特徴に係る異常検出方法を実現するためのコンピュータによって実行可能なプログラムであって、すなわち、少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキが生じたことが通知されると、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化することを要求する第1のステップと、前記各蓄電部の均等化処理終了時点から放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量を測定することを要求する第2のステップと、前記各蓄電部の端子間電圧の変化量から算出された異常判定値が入力されると、予め用意された複数の基準値のうちから一つの基準値を選択し、前記異常判定値と前記選択された基準値とを比較する第3のステップと、前記選択された基準値に対応付けられた異常内容を検索し、前記各蓄電部が前記検索された異常内容であるか否かを前記比較結果に基づいて判定する第4のステップとを含む処理をコンピュータに実行させる蓄電素子の異常検出プログラムであることである。
本発明によれば、負荷装置の利便性を低下させることなく、蓄電装置の劣化を容易に、かつ、高精度に判定することができる。
本発明によれば、蓄電装置の劣化時の安全性を確保することができる。
以下図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る異常検出装置を備えた電源システムの構成を示す図である。
図1において、本発明の第1の実施の形態に係る電源システム10は、太陽光、風力、水力などの自然エネルギーから電力を発電する発電装置100と、発電装置100からの余剰電力を貯蔵し、その貯蔵された電力を電力供給により駆動される負荷装置200に必要に応じて供給する蓄電装置300と、蓄電装置300の充放電を制御する充放電制御装置400と、蓄電装置300に対して後述する異常検出処理する異常検出装置500と、異常検出装置500及び充放電制御装置400と接続されて、電源システム10全体を制御する統合制御ECU(electronic control unit)600と、から構成される。
発電装置100は、例えば太陽光発電装置(太陽電池)や、風力発電装置、水力発電装置等の自然エネルギーを活用した発電装置である。エンジンを動力源とする発電機も含まれる。
負荷装置200は、電力の供給により駆動される各種の負荷を含み、周知の装置以外にも自然エネルギーと発電機(例えば、燃料電池)での発電を利用した水素ステーションなども考えられる。
蓄電装置300は、N個の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNを直列に接続して構成されている。また、蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNのそれぞれは、複数個の蓄電素子301を電気的に直列に接続して構成されている。各蓄電素子301としては、ニッケル水素電池などのアルカリ蓄電池、リチウムイオン電池などの有機電池、及び電気二重層キャパシタを用いることができる。なお、蓄電素子ブロックの数N、蓄電素子301の数は特に限定されるものではない。また、蓄電装置300も図1の構成に限定されるものではない。
充放電制御装置400は、発電装置100、負荷装置200及び蓄電装置300のそれぞれと接続され、発電装置100から蓄電装置300への充電、及び蓄電装置300から負荷装置200への放電を制御する。充放電制御装置400は、発電装置100が出力した電力のうち負荷装置200に対して余剰となる分を蓄電装置300に充電する。
一方、負荷装置200の消費電流が急激に増大した場合、または、発電装置100の発電量が低下して、負荷装置200から要求される電力が発電装置100の発電量を超えた場合、その不足分の電力を蓄電装置300から負荷装置200に放電する。
充放電制御装置400による充放電制御は、通常、蓄電装置300のSOCが20〜80%程度の範囲内に入るように行われる。ただし、夜間電力の有効活用をした負荷平準化電源やプラグインハイブリット車等では、SOCが100%の状態まで充電され、負荷装置でエネルギーが必要な時に放電されるように制御される。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る異常検出装置500について図1を用いて説明する。
図1において、異常検出装置500は、蓄電装置300の電圧値を測定する電圧測定部501と、蓄電装置300の電流値を測定する電流測定部502と、蓄電装置300の温度を測定する温度測定部503と、蓄電装置300の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNを均等化処理する均等化処理部504と、蓄電装置300の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNを異常判定処理する異常判定処理部510と、ECU600との間での通信を行うための通信部505と、異常検出装置500内の各部を制御する制御部520と、から構成される。
電圧測定部501は、蓄電装置300のN個の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNのそれぞれの端子電圧V0、V1、V2、…、VN−1、VNを所定の周期で時系列的に測定する。測定された蓄電素子ブロック毎の端子電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換し、ブロック毎の電圧データ及びその加算値を蓄電装置300の端子電圧データVDとして出力する。電圧測定部501から制御部520へのデータ出力は予め定められた周期で行われる。この蓄電素子ブロック毎の端子電圧を時系列に測定する方法としては、例えばフライングキャパシタ方式が知られている。
電流測定部502は、電流センサ302を用いて蓄電装置300の充放電電流Iを所定の周期で測定する。測定された充放電電流をアナログ信号からデジタル信号に変換して、充電方向(+)と放電方向(−)を示す符号C(Charge)/D(Discharge)とともに充放電電流データIDとして出力する。電流測定部502から制御部520へのデータ出力も、電圧測定部501からのデータ出力と同様、予め定められた周期で行われる。ここで、電流センサ302は、抵抗素子、電流変成器などで構成される。
温度測定部503は、蓄電装置300内に配置された温度センサ303を用いて蓄電装置300内の温度を所定の周期で測定する。測定された温度をアナログ信号からデジタル信号に変換して温度データTとして予め定められた周期で制御部520へ出力する。
制御部520は、電流測定部502から出力された充放電電流データIDの積算を所定期間(例えば、1日以下の期間)にわたって行い積算容量Qを算出する。この積算の際、充放電電流データIDとともに受け取った符号C/Dが充電方向(+)を示す場合、充放電電流データIDに充電効率(1よりも小さい係数、例えば0.8)を乗算する。制御部520は、積算容量Qを用いて残存容量SOCを予測して記憶する。
ここでは、上記のように積算容量Qを用いてSOCを求めたが、本実施の形態はこれに限るものではない。例えば、電圧データVDと電流データIDとの複数のペアデータを充電方向(+)と放電方向(−)について取得し、これらペアデータを直線(VD−ID直線)近似した際の電圧切片である無負荷電圧Voを求め、蓄電装置3の内部抵抗及び分極成分による電圧降下を無負荷電圧Voから減算して得られた起電力Vemfを索引として、予め実験により求められている起電力−SOC特性テーブルを参照してSOCを求めることもできる。
さらに、蓄電装置300の温度が大きく変化するような用途では、温度測定部503から出力された温度データTを上記起電力−SOC特性テーブルの補正パラメータとすることもできる。
均等化処理部504は、蓄電装置300の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧V0、V1、V2、…、VN−1、VN間のバラツキが大きくなった場合、制御部520の指示に基づいて、蓄電装置300の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNに対して均等化処理を行う。
ここで、均等化処理部504による均等化処理について説明する。図1に示すように、蓄電装置300の各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNのそれぞれの両端子間には、放電回路304が接続されている。放電回路304は抵抗305及びスイッチ306から構成されており、各スイッチ306の開閉は均等化処理部504により制御される。
制御部520は、各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧の中から最大電圧値及び最小電圧値を求め、さらにその電圧差を算出する。そして、その電圧差が所定量発生した場合に、その最小電圧値を目標電圧値に設定する。均等化処理部504は、その目標電圧値と各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧との差に応じた放電時間をそれぞれ算出する。そして、各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの放電回路304のスイッチ306を求めた放電時間だけ閉じて放電回路304をON状態とする。それにより、目標電圧値よりも大きい端子間電圧を持つ蓄電素子ブロックを抵抗305により定抵抗放電させる。均等化処理部504は、各蓄電素子ブロックの端子間電圧を監視しながら、各ブロックの放電を行なうが、その監視時間の計測することができるタイマを内蔵する。
上述の均等化処理は定抵抗放電によるものであるが、可変抵抗を用いた処理であっても良い。逆に、所定電圧まで各蓄電素子ブロックを充電することで均等化を図ってももちろん構わない。
異常判定処理部510は、図2(a)に示すように、蓄電装置300の蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧を所定の基準値と比較する比較部511と、比較部511の比較結果から各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの異常判定し、制御部520に出力する判定部512と、比較部511及び判定部512のそれぞれと接続し、複数の基準値とそれぞれに対応する異常内容とから成る複数の基準値ファイル513と、から構成される。基準値ファイル513は、図2(b)に示すように、複数の基準値とそれぞれに対応付けられたファイルが複数個格納されており、比較部511での比較内容に応じて選択される。
比較部511は、均等化処理部504による均等化処理が終了した時点から所定の期間経過後、各蓄電素子ブロックの端子間電圧から算出された異常判定電圧を制御部520から入力する。そして、基準値ファイル513内の基準値と異常判定電圧と各端子間電圧とを比較する。判定部512は、比較部511からの比較結果に基づき、各蓄電素子ブロックの異常判定を行なう。制御部520は、例えば図3に示すように、電圧測定部501から取得する各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧を含む電圧データVDを記憶する記憶部521と、各蓄電素子ブロックの端子間電圧から異常判定処理部510の比較部511及び判定部512が用いる異常判定電圧を算出する算出部522とを備える構成であれば良い。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る異常検出装置の動作、すなわち、蓄電素子の異常検出方法について説明する。図4及び図5は、本実施の形態に係る異常検出方法の処理手順を示すフローチャートであり、図4は、均等化処理部504が実行する蓄電素子の均等化処理の手順を示すフローチャート、図5は、異常判定処理部510が実行する蓄電素子の異常判定処理の手順を示すフローチャートである。本実施の形態に係る異常検出方法は、最初に図4の均等化処理を実施し、次に図5の異常判定処理を行なうものである。
まず、図4を用いて蓄電素子の均等化処理手順について説明する。
図4に示すように、制御部520は、電圧測定部501から蓄電装置300の各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧の電圧データVDを時系列的に取得する(ステップS101)。制御部520は、取得した電圧データVDから各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧の最大電圧値及び最小電圧値を求め、求めた最大電圧値と最小電圧値からそれらの電圧差を算出する(ステップS102)。そして、その電圧差が所定値以上であるか否かを判定する(ステップS103)。所定値以下であれば(ステップS103NO)、再びステップS101に戻る。
算出された電圧差が所定値以上であれば(ステップS103YES)、ステップS102で求めた最小電圧値を目標電圧値に設定し、制御部520は均等化処理部504に均等化処理の開始を指示する。指示を受けた均等化処理部504は、最小端子間電圧の蓄電素子ブロックを除いて、その他のすべての蓄電素子ブロックの均等化処理を開始する。均等化処理部504は、均等化処理の開始にあたって、均等化処理対象の蓄電素子ブロックのそれぞれの放電回路303をONさせる(ステップS104)。
均等化処理開始後、均等化処理部504は、各蓄電素子ブロックの端子間電圧の検査を開始し(ステップS105)、同時に内蔵タイマをスタートさせる(ステップS106)。そして、均等化処理部504は、例えば、図1の蓄電素子ブロックB1(カウント数N=1)から端子間電圧の検査を開始する(ステップS107)。
蓄電素子ブロックB1の放電回路303がON状態であれば(ステップS108YES)、そのブロックB1の端子間電圧が目標電圧値以下となっているか否かを判定する(ステップS109)。蓄電素子ブロックB1の端子間電圧が目標電圧値以下となっていれば(ステップS109YES)、均等化処理部504はブロックB1の放電回路303をOFFさせ、ブロックB1の蓄電素子からの放電を終了する(ステップS110)。
ステップS110において蓄電素子ブロックB1の放電回路303をOFFさせた後、さらに、ステップS108においてブロックB1の放電回路がOFF状態であった場合(ステップS108NO)、あるいは、ステップS109においてブロックB1の端子間電圧が目標値以上であった場合(ステップS109NO)には、均等化処理部504はカウント数Nを「1」だけ増加させ(ステップS111)、増加後のカウント数Nが図1の蓄電素子ブロックの全数を超えているか否かを判定する(ステップS112)。カウント数Nが全ブロック数を超えていなければ(ステップS112NO)、再びステップS108に戻り、ステップS108〜ステップS112を繰り返す。
ステップS112においてカウント数Nが全ブロック数を超えていた場合には(ステップS112YES)、ステップS106でスタートさせた内蔵タイマの計測時間が所定の時間を経過しているか否かを判定し(ステップS113)、すでに所定の時間を経過していた場合には(ステップS113YES)、均等化処理を終了する。
ステップS113で所定の時間をまだ経過していないと判定された場合には(ステップS113NO)、均等化処理対象の蓄電素子ブロックのうち、まだ放電回路303がON状態で均等化処理中のものがあれば(ステップS114YES)、ステップS107に戻り、カウント数N=1から再びステップS107〜ステップS114を繰り返すことになる。一方、すべての放電回路303がOFF状態で均等化処理中のものがなければ(ステップS114NO)、図5に示す異常判定処理に進む。
次に、図5を用いて蓄電素子の異常判定処理手順について説明する。
図5に示すように、制御部520は、内蔵タイマをスタートさせて、図4の均等化処理の終了後からの経過時間の計測を始める(ステップS201)。そして、所定の時間経過後(ステップS202YES)、異常判定処理部510は図1の各蓄電素子ブロックの端子間電圧を制御部520から取得する(ステップS203)。
異常判定処理部510の比較部511は、取得した各蓄電素子ブロックの端子間電圧のそれぞれに対して、基準値ファイル513内の基準値Aとの比較を行なう。ここでは、各蓄電素子ブロックの端子間電圧との比較を行なうため、その比較内容にあった基準値ファイルを比較部511は基準値ファイル513から選択する(ステップS204)。
端子間電圧が基準値A以上の蓄電素子ブロックは(ステップS204YES)、判定部512は、その比較結果からその蓄電素子ブロックを内部抵抗が高くなっている「内部抵抗異常」と判定する(ステップS206)。
一方、端子間電圧が基準値A以下の蓄電素子ブロックについては(ステップS204NO)、さらに基準値Bと比較する(ステップS205)。基準値B以下の蓄電素子ブロックは(ステップS205YES)、判定部512は、その比較結果からその蓄電素子ブロックは微小短絡が発生している「微小短絡異常」と判定し(ステップS207)、基準値B以上の蓄電素子ブロックについては「異常なし」と判定する(ステップS208)。そして、すべての蓄電素子ブロックについての判定が終わった時点で異常判定処理が終了する。
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態によれば、各蓄電素子ブロックに対する均等化処理の終了時点から所定の時間経過した後の各端子間電圧を用いて、各蓄電素子ブロックの異常判定を行なうようにしたので、各蓄電素子ブロックの異常検出を行なう際に、各蓄電素子ブロックの容量バラツキや充電状態の影響を受けることがなくなる。それにより、各蓄電素子ブロックの異常判定の精度を向上させることができる。さらに、各蓄電素子ブロックの異常を高精度に判定することで、それら蓄電素子ブロックで構成される蓄電装置の劣化を正確に検出することが可能となり、その結果、蓄電装置の安全性を高めることができる。
なお、本実施の形態では、自然エネルギーから電力を発電する発電装置を用いた電源システムを用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、負荷平準化電源やプラグインハイブリット車といった夜間電力を活用した、蓄電装置を備える電源システムであっても適用可能である。
また、図2の基準値ファイル513内の基準値は、温度測定部503及び制御部520による蓄電装置の300の残存容量SOCに基づいて補正した値を用いることで、より異常判定処理部510の異常判定処理の精度を向上させることができる。また、蓄電装置30の温度が大きく変わるような用途の場合には、温度測定部503から出力された温度データTも用いて基準値を補正すればよい。
さらに、本実施の形態に係る異常検出方法はプログラムをマイクロコンピュータ上で実行することで実現してもよい。すなわち、マイクロコンピュータに図4及び図5に示す各処理ステップを実現するための異常検出プログラムをインストールし、その異常検出プログラムを実行させることで実現可能である。
この蓄電素子の異常検出プログラムをマイクロコンピュータによって読み込ませ、このプログラムを実行することによって、異常検出装置500の異常検出方法を実現する。マイクロコンピュータの記憶部にこのプログラムをインストールし、このプログラムをマイクロコンピュータの演算部(Central Processing Unit:CPU)で実行させればよい。
また、図1の充放電制御装置400に異常検出装置510の機能を持たせることも可能である。この場合、例えば、充放電制御装置400を構成するマイクロコンピュータに上記の異常検出プログラムをインストールし、そのプログラムを実行させればよい。もちろん、異常検出装置510に充放電制御装置400の機能を設けても構わない。さらに、図1の負荷装置200に異常検出装置510の機能を持たせてもよい。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
上記の第1の実施の形態に係る異常検出方法は、図5の異常判定処理において、均等化処理終了から所定の時間経過した時点での各蓄電素子ブロックの端子間電圧を用いて異常判定を行なうものである。一方、本実施の形態に係る異常検出方法では、所定の時間経過した時点における、異なる蓄電素子ブロック間での端子間電圧の差を用いて異常判定処理を行なうものである。この差を用いることで、第1の実施の形態よりもさらに異常判定の精度を向上させることができるようになる。
以下、本発明の第2の実施の形態に係る異常検出方法について説明する。なお、本実施の形態に係る異常検出方法の均等化処理については、上記の第1の実施の形態と同様である。したがって、以下では、均等化処理終了後の異常判定処理について説明するものとする。また、本実施の形態に係る異常検出方法を実行する異常検出装置は、上記の第1の実施の形態と同一の構成で実現可能である。
図6は、本実施の形態に係る異常判定処理の手順を示すフローチャートである。
図6に示すように、制御部520は内蔵タイマをスタートさせて、図4の均等化処理の終了した時点からの経過時間の計測を開始する(ステップS301)。そして、所定の時間経過後(ステップS302YES)、制御部520は電圧データVDから図1の各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧を取得し(ステップS303)、異なる蓄電素子ブロック間での端子間電圧の差を算出し、異常判定処理部510に出力する(ステップS304)。
異常判定処理部510の比較部511は、異なる蓄電素子ブロック間の端子間電圧の差と、基準値ファイル513内の所定の基準値との比較を行なう。ここでは、異なる蓄電素子ブロック間での端子間電圧の差との比較を行なうため、その比較内容にあった基準値ファイルを比較部511は基準値ファイル513から選択することになる(ステップS305)。
端子間電圧の差が選択された基準値以上の蓄電素子ブロックは(ステップS305YES)、その比較結果から判定部512がその蓄電素子ブロックを「異常あり」であると判定する(ステップS306)。一方、端子間電圧が基準値以下の蓄電素子ブロックについては(ステップS305NO)、「異常なし」であると判定する(ステップS307)。そして、すべての蓄電素子ブロックについての判定が終わった時点で異常判定処理が終了する。
以上説明したように、本発明の第2の実施の形態によれば、各蓄電素子ブロックに対する均等化処理の終了時点から所定の時間経過した後における、異なるブロック間の端子間電圧の差を用いて、各蓄電素子ブロックの異常判定を行なうようにしたので、各蓄電素子ブロックの異常検出を行なう際に、各蓄電素子ブロックの容量バラツキや充電状態の影響を受けることがない。従って、各蓄電素子ブロックの異常判定の精度は向上する。さらに、各蓄電素子ブロックの異常を高精度に判定することで、それら蓄電素子ブロックで構成される蓄電装置の劣化を正確に検出でき、蓄電装置の安全性を高めることができる。
本実施の形態では、異常判定に用いる電圧差を異なるブロック間の端子間電圧の差としたが、その差としては、単純に隣接するブロック間(例えば図1のブロックB1とB2)の端子間電圧差や、全ブロックの端子間電圧の平均値と各ブロックの端子間電圧との差であっても良い。また、全ブロックのうちの最大端子間電圧と最小端子間電圧との差を用いても良い。
また、異なるブロック間の端子間電圧の差に換えて、異なるブロック間の端子間電圧の比率を用いても良い。例えば図1のブロックB1とB2の端子間電圧の比率であれば、ブロックB1の端子間電圧V1に対するブロックB2の端子間電圧V2の割合(または、ブロックB2の端子間電圧V2に対するブロックB1の端子間電圧V1の割合)となる。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。上記の第1及び第2の実施の形態に係る異常検出方法では、図5及び図6の異常判定処理において、すべての蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNに対する均等化処理の終了を基点として所定の時間経過後に各蓄電素子ブロックの端子間電圧、端子間電圧の差の算出を行なっていた。本実施の形態に係る異常検出方法では、各蓄電素子ブロックそれぞれの均等化処理終了時点から所定の時間経過後の端子間電圧を用いて異常判定処理を行なうものである。
以下、本発明の第3の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法について説明する。図7は、本実施の形態に係る均等化処理の手順を示すフローチャート、図8は、本実施の形態に係る異常判定処理の手順を示すフローチャートである。本実施の形態に係る異常検出方法は、最初に図7の均等化処理を実施し、次に図8の異常判定処理を行なうものである。また、本実施の形態に係る異常検出方法を実行する異常検出装置は、上記の第1の実施の形態と同一の構成で実現可能である。
まず、図7を用いて蓄電素子の均等化処理手順について説明する。
図7に示すように、制御部520は、電圧測定部501から蓄電装置300の各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧の電圧データVDを時系列的に取得する(ステップS401)。制御部520は、取得した電圧データVDから各蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNの端子間電圧の最大電圧値及び最小電圧値を求め、求めた最大電圧値と最小電圧値からそれらの電圧差を算出する(ステップS402)。そして、その電圧差が所定値以上であるか否かを判定する(ステップS403)。所定値以下であれば(ステップS403NO)、再びステップS401に戻る。
算出された電圧差が所定値以上であれば(ステップS403YES)、ステップS402で求めた最小電圧値を目標電圧値に設定し、制御部520は均等化処理部504に均等化処理の開始を指示する。指示を受けた均等化処理部504は、最小端子間電圧の蓄電素子ブロックを除いて、その他のすべての蓄電素子ブロックの均等化処理を開始する。均等化処理部504は、均等化処理の開始にあたって、均等化処理対象の蓄電素子ブロックのそれぞれの放電回路303をONさせる(ステップS404)。
均等化処理開始後、均等化処理部504は、各蓄電素子ブロックの端子間電圧の検査を開始し(ステップS405)、同時に内蔵タイマをスタートさせる(ステップS406)。そして、均等化処理部504は、例えば、図1の蓄電素子ブロックB1(カウント数N=1)から端子間電圧の検査を開始する(ステップS407)。
蓄電素子ブロックB1の放電回路303がON状態であれば(ステップS408YES)、そのブロックB1の端子間電圧が目標電圧値以下となっているか否かを判定する(ステップS409)。蓄電素子ブロックB1の端子間電圧が目標電圧値以下となっていれば(ステップS409YES)、均等化処理部504はブロックB1の放電回路303をOFFさせ、ブロックB1の蓄電素子からの放電を終了する。そして、本実施の形態ではさらに、均等化処理部504がブロックB1のブロック番号「B1」とその放電終了時刻を制御部520に通知し、制御部504が保存する(ステップS410)。
ステップS410において蓄電素子ブロックB1の放電回路303をOFFさせた後、さらに、ステップS408においてブロックB1の放電回路がOFF状態であった場合(ステップS408NO)、あるいは、ステップS409においてブロックB1の端子間電圧が目標値以上であった場合(ステップS409NO)には、均等化処理部504はカウント数Nを「1」だけ増加させ(ステップS411)、増加後のカウント数Nが図1の蓄電素子ブロックの全数を超えているか否かを判定する(ステップS412)。カウント数Nが全ブロック数を超えていなければ(ステップS412NO)、再びステップS408に戻り、ステップS408〜ステップS412を繰り返す。
ステップS412においてカウント数Nが全ブロック数を超えていた場合には(ステップS412YES)、ステップS406でスタートさせた内蔵タイマの計測時間が所定の時間を経過しているか否かを判定し(ステップS413)、すでに所定の時間を経過していた場合には(ステップS413YES)、均等化処理を終了する。
ステップS413で所定の時間をまだ経過していないと判定された場合には(ステップS413NO)、均等化処理対象の蓄電素子ブロックのうち、まだ放電回路303がON状態で均等化処理中のものがあれば(ステップS414YES)、ステップS407に戻り、カウント数N=1から再びステップS407〜ステップS414を繰り返すことになる。一方、すべての放電回路303がOFF状態で均等化処理中のものがなければ(ステップS414NO)、図8に示す異常判定処理に進む。
次に、図8を用いて蓄電素子の異常判定処理手順について説明する。
図8に示すように、まず、制御部520は、例えば、図1の蓄電素子ブロックB1(カウント数N=1)から異常判定処理を開始する(ステップS501)。制御部520は、図7のステップS410で保存したブロックB1の放電終了時刻を用いて、ブロックB1の均等化処理終了時刻から所定の時間が経過しているか否かを判定する(ステップS502)。所定の時間後(ステップS502YES)、制御部520は蓄電素子ブロックB1の端子間電圧を電圧測定部501からの電圧データVDより取得する(ステップS503)。そして、制御部520は、取得した端子間電圧と図7のステップS404で設定された目標電圧値との差から上記の所定時間における電圧変化量を算出し(ステップS504)、ブロックB1のブロック番号「B1」とその電圧変化量を保存する(ステップS505)。
ステップS502で所定時間が経過していなければ(ステップS502NO)、カウント数Nを「1」だけ増加させて(ステップS506)、増加後のカウント数Nが図1の蓄電素子ブロックの全数を超えているか否かを判定する(ステップS507)。カウント数Nが全ブロック数を超えていなければ(ステップS507NO)、再びステップS502に戻り、次の蓄電素子ブロック、ここではブロックB2についてステップS502〜ステップS507を実行する。同様に、ステップS507においてカウント数が蓄電素子ブロックの全数を超えたと判断されるまで、ステップS502〜ステップS507が繰り返されることになる。
ステップS507においてカウント数Nが蓄電素子ブロックの全数を超えた場合には(ステップS507YES)、すべての蓄電素子ブロックについて電圧変化量が算出されたか否かを判定する(ステップS508)。すべてのブロックについて算出されていないと判定された場合には(ステップS508NO)、ステップS501に戻り、ステップS501〜ステップS508を繰り返すことになる。
ステップS508においてすべての蓄電素子ブロックB1、B2、…、BNについて算出されたと判定された場合(ステップS508YES)、図1の異常判定処理部510は各ブロックの電圧変化量を制御部520から取得し、異常判定処理部510の比較部511が各蓄電素子ブロックの電圧変化量のそれぞれに対して、基準値ファイル513内の基準値Cとの比較を行なう。ここでは、各蓄電素子ブロックの電圧変化量との比較を行なうため、その比較内容にあった基準値ファイルを比較部511は基準値ファイル513から選択することになる(ステップS509)。
電圧変化量が基準値C以上のブロックについては(ステップS509YES)、判定部512がそのブロックを例えば「内部抵抗異常」であると判定する(ステップS511)。また、電圧変化量が基準値C以下であれば(ステップS509NO)、引き続き基準値Dとの比較を行なう(ステップS510)。
そして、電圧変化量が基準値D以上のブロックについては(ステップS510YES)、判定部512がそのブロックを例えば「微小短絡異常」であると判定する(ステップS512)。また、電圧変化量が基準値D以下のブロックについては(ステップS510NO)、そのブロックを「異常なし」と判定する(ステップS513)。そして、すべての蓄電素子ブロックについての判定が終わった時点で異常判定処理が終了する。
以上説明したように、本発明の第3の実施の形態によれば、各蓄電素子ブロックに対する均等化処理の終了時点から所定の時間経過するまでの各端子間電圧の変化量を用いて、各蓄電素子ブロックの異常判定を行なうようにしたので、各蓄電素子ブロックの異常検出を行なう際に、各蓄電素子ブロックの容量バラツキや充電状態の影響を受けることがなくなる。それにより、各蓄電素子ブロックの異常判定の精度を向上させることができる。さらに、各蓄電素子ブロックの異常を高精度に判定することで、それら蓄電素子ブロックで構成される蓄電装置の劣化を正確に検出することが可能となり、その結果、蓄電装置の安全性を高めることができる。
本実施の形態では、蓄電素子ブロックの異常判定に各蓄電素子ブロックの端子間電圧の変化量を用いたが、例えば、全ブロックの中での最大変化量と最小変化量との差を用いても良い。また、所定期間の電圧変化率や所定期間中の蓄電装置300内のブロックの最大電圧変化率と最小電圧変化率との差としてもよい。さらに、蓄電装置300内のブロックの電圧変化量あるいは電圧変化率の平均値と各ブロックの電圧変化量あるいは電圧変化率との差としてもよい。
また、本実施の形態では、図8のステップS501〜ステップS508のように、各ブロックの電圧変化量を算出してから異常判定を行っていたが、これに限定されることない。各ブロックで一連の異常判定を行ってから、次のブロックの異常判定を行うようにしてもかまわない。
今回開示した本発明の実施の形態は、例示であってこれに限定されるものではない。本発明の範囲は開示した内容ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明に係る蓄電素子の異常検出装置、異常検出方法及びその検出プログラムは、蓄電装置の均等化処理を有する電源システム、電源機器に有効であり、産業上の利用可能性を有するものである。
本発明の第1の実施の形態に係る異常検出装置、及びその異常検出装置を搭載した電源システムの構成を示す図である。 (a)は図1の異常判定処理部510の構成を示す図、(b)は(a)の基準値ファイル513を説明するための図である。 図1の制御部520の構成を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法の処理手順を示すフローチャートである(その1)。 本発明の第1の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法の処理手順を示すフローチャートである(その2)。 本発明の第2の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法の処理手順を示すフローチャートである(その1)。 本発明の第3の実施の形態に係る蓄電素子の異常検出方法の処理手順を示すフローチャートである(その2)。
符号の説明
10 電源システム
100 発電装置
200 負荷装置
300 蓄電装置
301 蓄電素子
302 電流センサ
303 温度センサ
304 放電回路
305 抵抗
306 スイッチ
400 充放電制御装置
500 異常検出装置
501 電圧測定部
502 電流測定部
503 温度測定部
504 均等化処理部
505 通信部
510 異常判定処理部
511 比較部
512 判定部
513 基準値ファイル
520 制御部
521 記憶部
522 算出部
600 統合制御ECU

Claims (5)

  1. 少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキを無くし、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化する均等化処理を均等化処理対象の蓄電部それぞれに行う均等化処理部と、
    前記各蓄電部の異常を判定する異常判定処理部と、
    前記各蓄電部の端子間電圧を測定する電圧測定部と、
    前記電圧測定部から前記各蓄電部の端子間電圧を取得し、前記均等化処理部による均等化処理及び前記異常判定処理部による異常判定処理を制御する制御部と
    を備え、
    前記均等化処理部は、前記均等化処理を終了した前記蓄電部の番号と均等化処理終了時刻とを前記制御部に通知し、
    前記制御部は、前記均等化処理部から通知された前記均等化処理を終了した前記蓄電部の番号と前記均等化処理終了時刻とを保存し、前記保存した前記均等化処理終了時刻を用いて、前記複数の蓄電部の前記均等化処理終了時刻から所定の時間が経過しているか否かを繰り返し判定し、
    前記制御部は、前記複数の蓄電部それぞれの前記均等化処理終了時刻から前記所定の時間放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量に基づいて前記異常判定処理で用いられる異常判定値を算出する算出部を、有し、
    前記異常判定処理部は、前記異常判定値から異常判定を行う判定部を、有することを特徴とする蓄電素子の異常検出装置。
  2. 前記異常判定処理部は、
    基準値と、前記基準値に対応付けられた異常内容と、から成る組合せを複数個含む基準値ファイルと、
    前記異常判定値と前記基準値ファイルから選択した基準値とを比較する比較部と、をさらに有し、
    前記判定部は、前記比較部からの比較結果に基づいて、前記各蓄電部が前記選択された基準値に対応付けられた異常内容であるか否かを判定することを特徴とする請求項1に記載の異常検出装置。
  3. 前記異常判定値は、前記複数の蓄電部のうちの一つの蓄電部の端子間電圧の変化量と他の一つの蓄電部の端子間電圧の変化量との差または比であることを特徴とする請求項1に記載の異常検出装置。
  4. 少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキが生じた場合に、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化する均等化処理を均等化処理対象の蓄電部それぞれに行う第1のステップと、
    前記複数の蓄電部それぞれの均等化処理終了時点から所定の時間放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量を測定する第2のステップと、
    前記各蓄電部の端子間電圧の変化量から算出された異常判定値と予め用意された複数の基準値のうちから選択した基準値とを比較する第3のステップと、
    前記比較結果に基づいて、前記各蓄電部が前記選択された基準値に対応付けられた異常内容であるか否かを判定する第4のステップと
    を含み、
    前記第2のステップは、前記均等化処理を終了した前記蓄電部の番号と均等化処理終了時刻とを保存するステップと、前記保存した前記均等化処理終了時刻を用いて、前記複数の蓄電部の前記均等化処理終了時刻から前記所定の時間が経過しているか否かを繰り返し判定するステップとを含むことを特徴とする蓄電素子の異常検出方法。
  5. 少なくとも一つの蓄電素子を含む、複数の蓄電部の充電状態のバラツキが生じたことが通知されると、前記複数の蓄電部の充電状態を均等化する均等化処理を均等化処理対象の蓄電部それぞれに行うことを要求する第1のステップと、
    前記複数の蓄電部それぞれの均等化処理終了時点から所定の時間放置された前記各蓄電部の端子間電圧の変化量を測定することを要求する第2のステップと、
    前記各蓄電部の端子間電圧の変化量から算出された異常判定値が入力されると、予め用意された複数の基準値のうちから一つの基準値を選択し、前記異常判定値と前記選択された基準値とを比較する第3のステップと、
    前記選択された基準値に対応付けられた異常内容を検索し、前記各蓄電部が前記検索された異常内容であるか否かを前記比較結果に基づいて判定する第4のステップと
    を含み、
    前記第2のステップは、前記均等化処理を終了した前記蓄電部の番号と均等化処理終了時刻とを保存するステップと、前記保存した前記均等化処理終了時刻を用いて、前記複数の蓄電部の前記均等化処理終了時刻から前記所定の時間が経過しているか否かを繰り返し判定するステップとを含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする蓄電素子の異常検出プログラム。
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