JP5381664B2

JP5381664B2 - 組電池の異常検出装置

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Inventors: 晃生石下
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Description

この発明は、組電池の異常検出装置に関し、より特定的には、直列接続された複数の電池セルを有する組電池における電池セルの内部抵抗上昇を検出する技術に関する。

多数の電池セル（電池モジュール）を直列接続した組電池が一般的に用いられている。たとえば、ハイブリッド自動車等において、このような組電池が電動機駆動用の電源として用いられている。

特開２００５−３４５１２４号公報（特許文献１）には、組電池において、複数の電池モジュール間で共通のＡ／Ｄコンバータを共有する構成が記載されている。特に、特開２００５−３４５１２４（特許文献１）では、複数の電池モジュール間で共有される、電圧値検出用の第１Ａ／Ｄコンバータと、電流検出用の第２Ａ／Ｄコンバータとを非同期に動作させることによって、電圧検出値および電流検出値の同期を確保するためのデータ収集装置の構成が開示されている。

これにより、電池セル（電池モジュール）の電圧および電流を同期して検出することによって、電池電圧が電流によって変化しても内部抵抗を正確に検出できるので、内部抵抗の異常（上昇）を誤検出することが防止できる。

特開２００５−３４５１２４号公報

組電池において電池セル単位での過充電および過放電を検知するためには、電池セル毎に電圧監視機能を持たせることが必要である。特に、電池セル毎に電圧値（アナログ値）を取得可能な構成とした場合には、電流センサによって取得される電流値との組み合わせに基づいて、内部抵抗の異常（過上昇）を検出することが可能である。特開２００５−３４５１２４号公報（特許文献１）には、このような構成の下で、電池セル（電池モジュール）間で電圧検出用のＡ／Ｄコンバータを共有した上で、電流検出値と電圧検出値とを同期させるためのデータ収集装置が記載されている。

しかしながら、電池セル毎に電圧検出値を出力可能な構成とすると、検出器（センサ）の配置個数や取り扱う信号数が増加することから、異常検出装置の構成が複雑化することによるコスト上昇が懸念される。

したがって、電池セルの電圧監視機能については、電圧検出値を直接取り扱うのではなく、過充放電の閾値となる判定電圧との比較結果のみを出力する構成とすることによって、装置の簡素化、すなわち、低コスト化を図ることができる。

一方、このような装置の簡素化と両立して、いかに異常検出の精度を確保するかが問題となる。たとえば、電池電圧は電流によって変化するため、電池の内部抵抗を正確に評価するためには、電圧および電流の検出タイミングが同期している必要がある。このため、異常検出装置の構成を上記のように簡素化したことによって、電圧値および電流値を正確に同期させて検出することが困難となった場合において、同期ずれに起因した電流検出誤差によって、内部抵抗の異常（過上昇）を誤検出してしまうことが懸念される。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、組電池の電池セル毎の電圧監視機能として、電圧値を直接検出することなく所定の判定電圧との比較結果を検出するように簡易に構成された異常検出装置において、内部抵抗異常（過上昇）の誤検出を防止することである。

この発明による組電池の異常検出装置は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池の異常検出装置であって、複数の検知ユニットと、電流検出器と、異常監視回路とを備える。複数の検知ユニットは、複数の電池セルのそれぞれに対応して設けられ、各々が対応の電池セルの出力電圧と所定の判定電圧との電圧比較を実行するように構成される。電流検出器は、複数の電池セルの電流を検出するために設けられる。複数の検知ユニットは、さらに、開始トリガに応答して順次動作するとともに電圧比較の結果を反映した信号を順次伝達することによって、複数の電池セルのいずれかの出力電圧が判定電圧よりも低下したか否かを示す異常検出信号を出力するように構成される。異常監視回路は、複数の検知ユニットからの異常検知信号と、電流検出器による電流検出値に基づいて、複数の電池セルのいずれかで内部抵抗が上限値よりも上昇する内部抵抗異常が発生したか否かを監視するように構成される。異常監視回路は、電流サンプリング部と、修正量設定部と、電流比較部とを含む。電流サンプリング部は、所定のサンプリング周期に従って、電流検出器による電流検出値を複数回サンプリングするように構成される。修正量設定部は、判定電圧を内部抵抗の上限値で除算した電流値に相当する判定電流に対して、電流のリップル成分を反映した電流修正量を設定するように構成される。電流比較部は、異常検出信号によって複数の電池セルのいずれかの出力電圧が判定電圧よりも低下したことが示された場合に、電流サンプリング部による複数の電流サンプリング値のうちの最大値が、判定電流から電流修正量を減算した電流値よりも低いときに、内部抵抗異常の発生を検知するように構成される。さらに、電流サンプリング部は、複数の検知ユニットにおける複数の電圧セルにおける電圧比較の開始（Ｔａ）から、サンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）以下の所定時間が経過したタイミングに、第１回目の電流サンプリングタイミングを設定する。そして、最終の電流サンプリングタイミング（Ｔｉ３，Ｔｉ４）が、複数の検知ユニットにおける電圧比較の終了（Ｔｂ）よりも、サンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）以下の所定時間だけ前のタイミングに位置するように、サンプリング周期は設定される。

好ましくは、修正量設定部は、半周期の位相ずれによって生じる、リップル成分による電流変動量に応じて、電流修正量を設定するように構成される。

さらに好ましくは、修正量設定部は、リップル成分を正弦波電流とみなしたときの組電池の最大出力時における電流振幅と、リップル成分の周期に対する半周期の比とに基づいて、電流修正量を設定するように構成される。

また好ましくは、複数の検知ユニットは、第１番目から第ｎ番目（ｎ：２以上の整数）の検知ユニットを含む。第１番目の検知ユニットは、開始トリガに応答して作動して、第１番目の電池セルが判定電圧よりも低下しているか否かを示す信号を第２番目の検知ユニットへ伝達する。そして、第ｉ番目（ｉ：２〜ｎの整数）の検知ユニットは、第ｉ番目の電池セルの出力電圧と判定電圧との電圧比較結果を出力するための電圧比較器と、論理演算回路とを有する。論理演算回路は、第（ｉ−１）番目の検知ユニットから伝達された信号と、電圧比較器の出力信号とに基づいて、第１番目から第ｉ番目までの電池セルのいずれかの出力電圧が判定電圧よりも低下しているか否かを示す信号を出力するように構成される。異常検出装置は、信号伝送回路をさらに備える。信号伝送回路は、第ｎ番目の検知ユニットから信号を受けて、当該信号に従った異常検出信号を異常監視回路へ出力するように構成される。

本発明によれば、電圧値を直接検出することなく所定の判定電圧との比較結果を検出するように簡易に構成された異常検出装置において、内部抵抗異常（過上昇）の誤検出を防止することである。

本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置が適用される電気システムの構成を示す概略ブロック図である。図１に示された検知ユニットの構成例を説明するブロック図である。異常監視回路による内部抵抗異常の検出手法を説明する概念図である。本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置における、セル抵抗異常の検出手法を説明するタイミングチャートである。異常監視回路による内部抵抗異常検出を実現するための機能ブロック図である。電圧および電流の検出タイミングのずれに起因して電流リップルの影響によって生じる電流変動を説明する概念図である。本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置による内部抵抗異常検出の制御処理手順を説明するフローチャートである。図８に示された電流サンプリング処理の詳細な制御処理手順を説明するフローチャートである。図４に示したタイミングチャートの変形例である。本実施の形態による組電池の異常検出装置が適用される組電池の他の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置および当該異常検出装置が適用される電気システム２００の構成を示す概略ブロック図である。

図１を参照して、電気システム２００は、たとえばハイブリッド自動車や電気自動車等の電力によって車両駆動力を発生可能な機構を備えた車両に搭載される。電気システム２００は、組電池１０と、組電池１０の異常検出装置１００と、負荷１２とを備える。

組電池１０は、直列接続された複数個の電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）を含む（ｎ：２以上の整数）。組電池１０は、直流電力を負荷１２へ供給する。また、組電池１０は負荷１２から供給される直流電力によって充電される。

負荷１２は、モータおよびモータを駆動するインバータ（いずれも図示せず）を含む。このモータは、力行動作によって車輪の駆動力を発生したり、車輪の駆動力によって回転されることにより、回生制動により交流電力を発生したりするように構成される。なお、上記モータをハイブリッド車両に搭載されるエンジンの始動および／または組電池１０の充電のために発電するモータとして用いてもよい。また、図示しないインバータは、組電池１０からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給したり、モータによって生成された交流電力を直流電力に変換して組電池１０に供給したりする。

異常検出装置１００は、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）にそれぞれ対応して設けられた検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）と、伝送回路２５と、異常監視回路３０とを含む。

検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）へは、対応する電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）のそれぞれの出力電圧Ｖｃ（１）〜Ｖｃ（ｎ）が入力される。検知ユニット２０（１）は、異常監視回路３０から開始トリガＴＲＧを与えられるのに応答して作動して、電池セルＣＬ（１）の出力電圧Ｖｃ（１）と所定の判定電圧Ｖｘとを比較する。そして、検知ユニット２０（１）は、電圧比較結果に従って、検出信号ＯＤ（１）を出力する。具体的には、検知ユニット２０（１）は、出力電圧Ｖｃ（１）が判定電圧Ｖｘよりも低下すると（Ｖｃ（１）＜Ｖｘ）、論理ハイレベル（以下、単にＨレベルとも表記する）の検出信号ＯＤ（１）を出力する。一方、検知ユニット２０（１）は、出力電圧Ｖｃ（１）が判定電圧Ｖｘを下回っていないとき（Ｖｃ（１）≧Ｖｘ）には、論理ローレベル（以下、単にＬレベルとも表記する）の検出信号ＯＤ（１）を出力する。

検知ユニット２０（２）は、前段の検知ユニット２０（１）から検出信号ＯＤ（１）が出力されるのに応答して動作して、電池セルＣＬ（２）の出力電圧Ｖｃ（２）と所定の判定電圧Ｖｘとを比較する。そして、検知ユニット２０（２）は、検知ユニット２０（１）での電圧比較結果と、自身での電圧比較結果との論理和を取る態様で、検出信号ＯＤ（２）を出力する。

すなわち、検出信号ＯＤ（１）がＨレベルであるときには、検知ユニット２０（２）は、Ｖｃ（２）≧Ｖｘであっても、Ｈレベルの検出信号ＯＤ（２）を出力する。これに対して、検出信号ＯＤ（１）がＬレベルであるときには、検知ユニット２０（２）は、Ｖｃ（２）と判定電圧Ｖｘとの比較結果に従って、すなわち、ＶＣ（２）＜ＶｘのときはＨレベルの検出信号ＯＤ（２）を出力する一方で、ＶＣ（２）≧ＶｘのときにはＬレベルの検出信号ＯＤ（２）を出力する。

図２は、第ｉ番目の検知ユニット２０（ｉ）の構成例を示すブロック図である。図２には、ｉ＝２〜ｎの検知ユニット２０（ｉ）の構成が示される。

図２を参照して、検知ユニット２０（ｉ）は、電圧比較器２１と、論理ゲート２２とを有する。電圧比較器２１は、検知ユニット２０（ｉ）に対応する電池セルＣＬ（ｉ）の出力電圧Ｖｃ（ｉ）と，所定の判定電圧Ｖｘとを比較して、Ｖｃ（ｉ）＜Ｖｘとなったときには、出力電圧をＨレベルに設定する一方で、Ｖｃ（ｉ）≧Ｖｘのときには出力電圧をＬレベルに設定する。

論理ゲート２２は、電圧比較器２１の出力信号と、前段の検知ユニット２０（ｉ−１）からの検出信号ＯＤ（ｉ−１）の間の論理和（ＯＲ）演算結果を、検知ユニット２０（ｉ）の検出信号ＯＤ（ｉ）として出力する。

再び図１を参照して、各検知ユニット２０（検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）を包括的に表記するもの。以下同じ）での電圧比較結果が反映された検出信号ＯＤ（検出信号ＯＤ（１）〜ＯＤ（ｎ）を包括的に表記するもの。以下同じ）は、論理和演算を行ないながら、次段の検知ユニット２０へ順次伝達される。この結果、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）は、開始トリガＴＲＧに応答して順次動作する。

各検知ユニット２０の動作時間は同様であるから、結果的には、一定周期で対応の電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の出力電圧Ｖｃ（１）〜Ｖｃ（ｎ）が、順番に判定電圧Ｖｘとの比較される。そして、最終段の検知ユニット２０（ｎ）が出力する検出信号ＯＤ（ｎ）は、開始トリガＴＲＧに応答した、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）と判定電圧Ｖｘとの一連の電圧比較において、出力電圧が判定電圧Ｖｘよりも低下した電池セルが存在するか否かを示す信号であって、たとえば１ビットのデジタル信号である。

伝送回路２５は、最終段の検知ユニット２０（ｎ）が出力した検出信号ＯＤ（ｎ）を、フォトカプラ等で絶縁した上で、最終的な判定信号ＦＶを生成する。すなわち、判定信号ＦＶは、開始トリガＴＲＧに応答して生成されて、異常監視回路３０へ入力される。上述のように、判定信号ＦＶは、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）のいずれかで出力電圧が判定電圧Ｖｘよりも低下する異常（以下、「セル電圧低下異常」とも称する）が発生しているか否かを示す。具体的には、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）のいずれかで出力電圧が判定電圧Ｖｘよりも低下したときには、判定信号ＦＶはＨレベルに設定される。一方で、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の全ての出力電圧が判定電圧Ｖｘを下回っていないときには、判定信号ＦＶはＬレベルとされる。

電流センサ１５は、組電池１０の通過電流であるバッテリ電流Ｉｂを検出する。電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）が直列接続されているので、バッテリ電流Ｉｂは、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）に共通である。電流センサ１５によって、バッテリ電流Ｉｂの電流値を求めることができる。その一方で、異常検出装置１００では、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の出力電圧Ｖｃ（１）〜Ｖｃ（ｎ）については、電圧値を検出するための電圧センサは配置されておらず、判定電圧Ｖｘとの電圧比較結果のみが取扱われる。すなわち、異常検出装置１００は、電池セル毎の電圧監視に関して、多数の電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の電圧値（アナログ値）を検出する電圧センサを非配置とする簡易な構成とされていることが理解される。

異常監視回路３０は、上位ＥＣＵ（Electronic Control Unit）からの開始指示信号ＳＴＲに応答して電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の異常検出動作を実行する。すなわち、開始指示信号ＳＴＲに応答して、検知ユニット２０（１）へ与えられる開始トリガＴＲＧを生成する。

さらに、異常監視回路３０は、開始トリガＴＲＧに応答して返送された判定信号ＦＶと、電流センサ１５の出力のサンプリング値とに基づいて、上記電圧低下異常の発生時には、内部抵抗の過上昇（以下、単に「内部抵抗異常」とも称する）が発生しているか否かを判定する。

そして、異常監視回路３０は、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の異常検出結果（少なくとも、セル電圧低下異常および内部抵抗異常に関する検出結果を含む）を示す信号ＲＳＬを、上位ＥＣＵへ出力する。

なお、本実施の形態における内部抵抗異常の検出と直接関連しないために図示は省略しているが、各電池セルの出力電圧Ｖｃ（１）〜Ｖｃ（ｎ）が、上限電圧（判定電圧Ｖｘよりも高い）を超えているかどうかを判定する検知ユニット（図示せず）をさらに設けることが好ましい。これにより、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の各々の過充電側の電圧異常についても監視可能に、異常検出装置１００を構成することができる。

次に、異常監視回路３０による内部抵抗異常の検出について詳細に説明する。なお、異常監視回路３０は、集積回路（ＩＣ）等のマイクロコンピュータによって構成することが可能であり、予め格納されたプログラムの実行によるソフトウェア処理および／または予め作製された専用の電子回路（図示せず）によるハードウェア処理によって、以下に説明する異常検出動作を実行するように構成される。

図３は、異常監視回路３０による内部抵抗異常の検出手法を説明する概念図である。
図３を参照して、電池セルの内部抵抗は、バッテリ電流Ｉｂによって生じる、開放電圧Ｖｏからの電圧降下によって検出できる。すなわち、電池セルの出力電圧Ｖｃは、内部抵抗に相当する傾きに従って、バッテリ電流Ｉｂの増大に応じて低下することとなる。

電池セルの内部抵抗が上昇すると、図３に示したＩｂ−Ｖｃ直線の傾き（負値）が急になり、同一のバッテリ電流Ｉｂにおける出力電圧Ｖｃが低下することになる。そして、内部抵抗異常を検出する閾値に相当する内部抵抗の境界値を定めることにより、内部抵抗が当該境界値の下で出力電圧Ｖｃ＝Ｖｘとなったときの電流Ｉｘを求めることができる。

このように求めた電流Ｉｘは、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）のいずれかの出力電圧が判定電圧Ｖｘを下回ったときのバッテリ電流Ｉｂと比較することによって、内部抵抗異常検出の判定電流とすることができる。すなわち、セル電圧低下異常の検出時には、バッテリ電流Ｉｂ＜Ｉｘのときには内部抵抗異常を検出する一方で、Ｉｂ≧Ｉｘのときには内部抵抗異常を検出しないようにすることで、各電池セルの出力電圧値を取得するための電圧センサを非配置とする構成の異常検出装置１００によっても、異常検出動作において、内部抵抗異常の発生有無を判定することができる。

しかしながら、出力電圧Ｖｃはバッテリ電流Ｉｂによって変わってくるので、電圧値を用いることなくバッテリ電流Ｉｂと判定電流Ｉｘとの比較によって内部抵抗異常の有無を判定するには、セル電圧低下異常が発生したタイミングにおけるバッテリ電流Ｉｂを判定電流Ｉｘと比較することが必要である。

ここで、判定電流Ｉｘと比較されるバッテリ電流Ｉｂは、電流センサ１５の出力値を異常監視回路３０によってサンプリングすることによって得られる。したがって、セル電圧低下異常の検出タイミングと、バッテリ電流Ｉｂのサンプリングタイミングとにずれが存在していると、このタイミングずれによって内部抵抗異常が正確に検出できなくなるおそれがある。特に、バッテリ電流Ｉｂを過小に検出することによって、内部抵抗異常を誤検出することが懸念される。

一方で、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）の動作周期に対応させて電流センサ１５の出力値をサンプリングする構成とすることは、高速の電流サンプリング動作を必要とするだけでなく、各検出信号ＯＤ（１）〜ＯＤ（ｎ）を異常監視回路３０へ入力することが必要となるため、入出力信号線の増加による構成の複雑化および装置の高コストを招く。したがって、簡易化された構成を有する本実施の形態による異常検出装置１００では、このような高速サンプリングを回避した電流サンプリングの下で、内部抵抗異常の誤検出を防止するために、以下のような検出手法を採用する。

図４は、本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置における、セル抵抗異常の検出手法を説明するタイミングチャートである。

図４を参照して、上位ＥＣＵより異常監視回路３０へ開始指示信号ＳＴＲが与えられることによって、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の異常検出動作（１セット）が開始される。

異常監視回路３０は、開始指示信号ＳＴＲに応答して、開始トリガＴＲＧを発生する。この開始トリガＴＲＧに応答して、図１で説明したように、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）が順次動作する。そして、各電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の出力電圧と判定電圧Ｖｘとの電圧比較が、時刻Ｔｖ１〜Ｔｖｎの間にそれぞれ実行される。すなわち、時刻Ｔｖ１〜Ｔｖｎは、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）のそれぞれにおける電圧サンプリングタイミングに相当する。

さらに、時刻Ｔｖｎで検知ユニット２０（ｎ）による電圧比較が完了した後、伝送回路２５を経由して、時刻Ｔｖｃに判定信号ＦＶが異常監視回路３０へ到達する。時刻Ｔｖ１〜ＴＶｎの所要時間Ｔ１は、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）の動作時間および検出信号ＯＤ（１）〜ＯＤ（ｎ−１）の伝達時間に相当する。また、時刻Ｔｖｎ〜Ｔｖｃの所要時間Ｔ２は、伝送回路２５での所要時間（たとえば、フォトカプラによる伝送遅れ時間を含む）に相当する。

ただし、本実施の形態による異常検出装置１００の構成では、時刻Ｔｖ１〜Ｔｖｎのそれぞれを異常監視回路３０から直接把握することはできない。ただし、上記の所要時間Ｔ１，Ｔ２は、予め把握しておくことが可能である。したがって、開始トリガＴＲＧの発生タイミングを基に、電圧サンプリングの実行が想定される期間Ｔａ〜Ｔｂ（以下、電圧サンプリング期間とも称する）を設定することができる。

電流サンプリングは、上述の電圧サンプリング期間Ｔａ〜Ｔｂにおいて、サンプリング周期ΔＴｉ毎に所定回数繰返し実行される。図４の例では、所定回数は３回であり、サンプリング周期ΔＴｉ毎の時刻Ｔｉ１，Ｔｉ２，Ｔｉ３のそれぞれにおいて電流サンプリングが実行される。さらに、初回の電流サンプリング時刻Ｔｉ１は、電圧サンプリング期間の開始時刻Ｔａからの遅れが（ΔＴｉ／２）以下となるように設けられる。たとえば、Ｔｉ１は、Ｔａよりも（ΔＴｉ／２）後に設定される。また、最終の電流サンプリング時刻Ｔｉ３は、電圧サンプリング期間の終了時刻Ｔｂまでの時間が（ΔＴｉ／２）以下となるように設けられる。たとえば、Ｔｉ３は、Ｔｂよりも（ΔＴｉ／２）前に設定される。

サンプリング周期ΔＴｉおよび、初回の電流サンプリングタイミング（時刻Ｔｉ１）と電圧サンプリングの開始タイミング（時刻Ｔａ）との関係を適切に設定することにより、電圧サンプリング期間である時刻Ｔａ〜Ｔｂよりも、ΔＴｉ／２以下である所定時間だけ内側の期間内に、電流サンプリングタイミングＴｉ１〜Ｔｉ３が設定される。

図５には、異常監視回路３０による内部抵抗異常検出を実現するための機能ブロック図が示される。図５に示される各ブロックの機能は、異常監視回路３０によるソフトウェア処理および／またはハードウェア処理によって実現される。

図５を参照して、異常監視回路３０は、電流サンプリング部３２と、最大値抽出部３４と、修正量設定部３６と、電流比較部３８とを含む。

電流サンプリング部３２は、開始指示信号ＳＴＲが入力されると、開始トリガＴＲＧを生成するとともに、図４に示したタイミングに従って所定のサンプリング周期ΔＴｉ毎に、電流センサ１５によって検出されたバッテリ電流Ｉｂをサンプリングする。これにより、図４に示したように、電流サンプリング値Ｉ（Ｔｉ１），Ｉ（Ｔｉ２），Ｉ（Ｔｉ３）が取得される。最大値抽出部３４は、電流サンプリング部３２によって抽出された電流サンプリング値Ｉ（Ｔｉ１）〜Ｉ（Ｔｉ３）のうちの最大値を抽出して、最大電流Ｉｍａｘを出力する。

修正量設定部３６は、図３に示した判定電流Ｉｘに対する修正電流Ｉｄを設定する。この修正電流Ｉｄは、バッテリ電流Ｉｂのリップル成分に起因して、上述した、セル電圧低下異常の検出と、バッテリ電流Ｉｂのサンプリングとの間のタイミングずれによってもたらされる、電流変化量の最大値を想定したものである。そして、本来の判定電流Ｉｘ（図３）を修正電流Ｉｄによって修正した電流値（Ｉｘ−Ｉｄ）が、電流比較部３８に入力される。

電流比較部３８は、判定信号ＦＶがＨレベルに設定されたとき、すなわち、いずれかの電池セルで出力電圧が判定電圧Ｖｘよりも低下したときに、内部抵抗異常の有無を示す異常検出信号ＲＳＬを出力する。

電流比較部３８は、最大値抽出部３４からの最大電流Ｉｍａｘと、修正された判定電流（Ｉｘ−Ｉｄ）とを比較する。そして、Ｉｍａｘ＜（Ｉｘ−Ｉｄ）のときに、内部抵抗異常を検出して異常検出信号ＲＳＬをＨレベルに設定する。一方、Ｉｍａｘ≧（Ｉｘ−Ｉｄ）のときには、電流比較部３８は、異常検出信号ＲＳＬをＬレベルに設定するので、内部抵抗異常は検出されない。

ここで、図６を用いて修正電流Ｉｄの設定について説明する。上述のように、修正電流Ｉｄは、バッテリ電流Ｉｂの電流リップル（交流成分）に対応するために設定される。

図６には、電圧および電流の検出タイミングのずれに起因して生じる電流変動を説明する概念図である。

図６を参照して、バッテリ電流Ｉｂのリップル成分によって、電池セルの出力電圧Ｖｃが変化している下で、時刻ＴｖにおいてＶｃ＜Ｖｘが検出されたものとする。すなわち、時刻Ｔｖは、セル電圧低下異常の検出タイミングに相当する。

一方で、電流サンプリングタイミングＴｉは、時刻Ｔｖとは無関係に、所定のサンプリング周期ΔＴｉに従って設定されている。したがって、電圧検出タイミングである時刻Ｔｖおよび電流検出タイミングである時刻Ｔｉの間には、検出ずれＴｄが存在する。そして、この検出ずれＴｄによって、電流リップルの位相差に伴う電流変動Ｉｄｄが発生することになる。

ここで、バッテリ電流Ｉｂのリップル成分を正弦波電流と仮定とすると、検出ずれＴｄによる電流変動Ｉｄｄは下記（１）式で示されることが理解される。

Ｉｄｄ＝Ｉｐｐ・ｓｉｎ（π−（Ｔｄ／Ｔｓ）・π） …（１）
（１）式において、Ｉｐｐは、正弦波電流と仮定した電流リップルのピーク−ピーク値（振幅の２倍）に相当し、Ｔｓは電流リップルの周期に相当する。

電流変動Ｉｄｄについては、電流検出タイミングＴｉの位相によって、プラス側およびマイナス側のいずれにも発生し得るが、本実施の形態では内部抵抗が閾値よりも上昇する異常の誤検出防止を目的とするため、電流変動Ｉｄについては電流の過小検出する方向についてのみを考慮すればよい。このような観点において、（１）式中における、電流変動Ｉｄの最大値をどのように設定すればよいかについて詳述する。

１回の異常検出動作において、図４に示したように３回の電流サンプリングが、時刻Ｔｉ１〜Ｔｉ３に行なわれる。そして、時刻Ｔａから時刻Ｔｂまでの間に、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）の電圧比較が実行される。

したがって、電池セルの出力電圧と判定電圧との比較の結果セル電圧低下異常が検出される、図６の電圧検出タイミングＴｖは、電圧サンプリング期間である時刻Ｔａ〜Ｔｂの間のいずれかに存在するようになっている。

この結果、電圧検出タイミングＴｖと、電流サンプリングタイミングＴｉとのずれの最大値が、サンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）となることが理解できる。したがって、Ｔｄ＝（ΔＴｉ／２）を（１）式に代入することによって、判定電流Ｉｘに対する修正電流Ｉｄを設定することができる。

ここで、（１）式中における、電流リップルのピーク−ピーク値Ｉｐｐおよび周期Ｔｓは、負荷１２を構成する車両駆動力発生用のモータの回転数やパワーによって変化する。したがって、車両毎に想定される車速範囲やパワー範囲に対応させて、発生し得る最大の電流リップル振幅に対応させて、ピーク−ピーク値Ｉｐｐを設定することができる。同様に、電流リップルの周期Ｔｓについても、車両毎に設定することができる。すなわち、式（１）に従って設定される修正電流Ｉｄは、組電池１０の負荷（代表的には、車両駆動用モータ）の仕様やその制御仕様によって、車両仕様毎に適用して予め決定することができる。

なお、修正電流Ｉｄが内部抵抗異常の誤検出を防止するために判定電流Ｉｘを低下させる方向に作用する点を考慮すると、負荷（モータ）の仕様に照らして想定されるＩｐｐの最大値およびＴｓの最小値を、式（１）に適用することによって、修正電流Ｉｄについては車両仕様毎の固定値とすることができる。

あるいは、車両状態、具体的には、モータの回転速度や出力値に応じて、電流リップルのピーク−ピーク値Ｉｐｐおよび周期Ｔｓを変化させた上で式（１）に適用することによって、修正電流Ｉｄを車両状態に応じた可変値に設定してもよい。

本実施の形態による異常検出装置１００では、時刻Ｔｉ１〜Ｔｉ３での電流サンプリング値Ｉ（Ｔｉ１）〜Ｉ（Ｔｉ３）のうちの最大値（最大電流Ｉｍａｘ）が、修正された判定電流（Ｉｘ−Ｉｄ）よりも低いときに内部抵抗異常が検出される。このため、最大電流Ｉｍａｘに対する電流変動Ｉｄｄについて、式（１）中のＴｄについて、検出ずれの最大値であるサンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）と置くことによって、電流リップルの影響を最大限に見積もったときの電流変動Ｉｄｄを算出することができる。何故なら、図４に示したように、電流サンプリング期間Ｔａ〜Ｔｂよりも（ΔＴｉ／２）以下の所定時間ずつ内側の期間内に電流サンプリングタイミングを設けることにより、時刻Ｔｖ１〜Ｔｖｎのいずれにおいてセル電圧低下異常が検出された場合でも、その電圧検出タイミング（図６のＴｖ）とその前後での電流サンプリングタイミングとのずれは、必ず（ΔＴｉ／２）以下となるからである。

そして、このような電流変動に対応させて修正電流Ｉｄを反映して、最大電流Ｉｍａｘと比較される判定電流を修正することができる。これにより、電圧および電流の検出タイミングのずれに起因して、電流リップルの影響によって電流値が過小に検出させることにより、内部抵抗の上昇を誤検出することが防止される。

次に、本発明の実施の形態による組電池の異常検出装置による内部抵抗異常検出について、異常監視回路３０による制御処理手順の形式でフローチャートを用いて説明する。

図７を参照して、異常監視回路３０は、ステップＳ１００により、内部抵抗異常の異常検出動作が開始されたか否かを判定する。ステップＳ１００による判定は、たとえば上位ＥＣＵからの開始指示信号ＳＴＲが発生されたか否かによって判定される。開始指示信号ＳＴＲの非発生時には、以降のステップＳ１１０〜Ｓ１７０の処理は実行されない。

一方、開始指示信号ＳＴＲが発生されると、ステップＳ１００がＹＥＳ判定とされて、ステップＳ１１０に処理が進められる。異常監視回路３０は、ステップＳ１１０では、検知ユニット２０（１）への開始トリガＴＲＧを発生する。この開始トリガＴＲＧに応答して、検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ）が順次動作することによる、電池セルＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）と判定電圧Ｖｘとの電圧比較が順次実行されることになる。

さらに、異常監視回路３０は、ステップＳ１２０により、サンプリング周期ΔＴｉが経過する度にサンプリング処理を実行する。各サンプリングタイミングにおいて、電流センサ１５の出力値をサンプリングすることにより、電流サンプリング値が取得される。

図８は、図７に示した電流サンプリング処理（Ｓ１２０）の詳細な制御処理手順を説明するフローチャートである。

図８を参照して、電流サンプリング処理において、異常監視回路３０は、ステップＳ１２１により計時処理を行なうとともに、ステップＳ１２２により、時刻Ｔａ（電圧サンプリング期間の開始）から、所定時間、代表的には、サンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）が経過したかどうかを判定する。（ΔＴｉ／２）が経過するまで（Ｓ１２２のＮＯ判定時）は、異常監視回路３０は、ステップＳ１２１による計時処理を繰返す。

そして、所定時間（ここでは、（ΔＴｉ／２））が経過すると、ステップＳ１２２がＹＥＳ判定とされて、異常監視回路３０は、ステップＳ１２３に処理を進めて、初回の電流サンプリングを実行する。この結果、電流センサ１５の出力値をサンプリングすることにより、電流サンプリング値Ｉ（Ｔｉ１）が取得される。

さらに、異常監視回路３０は、ステップＳ１２４により、前回の電流サンプリングタイミングからの経過時間を測定する計時処理を実行する。そして、異常監視回路３０は、ステップＳ１２５により、前回の電流サンプリングからサンプリング周期ΔＴｉが経過したか否かを判定する。サンプリング周期ΔＴｉが経過するまで（Ｓ１２５のＮＯ判定時）は、異常監視回路３０は、ステップＳ１２４による計時処理を繰返す。

異常監視回路３０は、前回の電流サンプリングからサンプリング周期ΔＴｉが経過すると（Ｓ１２５のＹＥＳ判定時）、ステップＳ１２６に処理を進めて、電流センサ１５の出力値をサンプリングする。さらに、異常監視回路３０は、電流サンプリング（Ｓ１２６）を行なった後、ステップＳ１２７に処理を進めて、電流サンプリングが所定回数実行されたか否かを判定する。電流サンプリングが所定回数実行された場合には（Ｓ１２７のＹＥＳ判定時）には、異常監視回路３０は、ステップＳ１２８に処理を進めて電流サンプリング処理を終了する。なお、電流サンプリングが所定回数実行されていない場合には（Ｓ１２７のＮＯ判定時）には、異常監視回路３０は、ステップＳ１２４〜Ｓ１２７の処理を繰返すことによって、サンプリング周期ΔＴｉに従って電流サンプリングを実行する。これにより、図４に示した時刻Ｔｉ１〜Ｔｉ３のそれぞれにおいて、電流サンプリングを実行できる。

再び図７を参照して、異常監視回路３０は、ステップＳ１２０による電流サンプリング処理が終了すると、ステップＳ１３０に処理を進めて、取得された複数の電流サンプリング値のうちの最大値である最大電流Ｉｍａｘを抽出する。これまで説明した例では、１回の異常検出動作毎に３回の電流サンプリング処理が実行されるので、電流サンプリング値Ｉ（Ｔｉ１）〜Ｉ（Ｔｉ３）のうちの最大値が最大電流Ｉｍａｘとされる。

さらに、異常監視回路３０は、ステップＳ１４０により、判定電流Ｉｘに対する修正量Ｉｄを設定する。ステップＳ１４０に設定される修正量Ｉｄは、図６で説明したように、図６に示した検出ずれＴｄの最大値である（ΔＴｉ／２）による電流リップルに起因した電流変動をカバーするように、式（１）においてＴｄ＝（ΔＴｉ／２）と置くことによって設定される。

異常監視回路３０は、ステップＳ１５０では、判定信号ＦＶによってセル電圧低下異常が検知された場合には、ステップＳ１３０で求められた最大電流Ｉｍａｘと、修正された判定電流（Ｉｘ−Ｉｄ）との比較により内部抵抗異常が発生しているかどうかを判定する。

異常監視回路３０は、Ｉｍａｘ＜（Ｉｘ−Ｉｄ）のとき（Ｓ１５０のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１６０に処理を進めて、いずれかの電池セルで内部抵抗が閾値よりも上昇している、すなわち内部抵抗異常が発生していると判定として、「異常あり」の検出結果を出力する。一方で、Ｉｍａｘ≧（Ｉｘ−Ｉｄ）のとき（Ｓ１５０のＮＯ判定時）には、異常監視回路３０は、ステップＳ１７０に処理を進めて、内部抵抗異常が発生していないと判定して、「異常なし」の検出結果を出力する。なお、判定信号ＦＶによってセル電圧低下異常が検知されない場合には、ステップＳ１５０はＮＯ判定とされて、内部抵抗異常は発生していないと判定される。

このように、本実施の形態による組電池の異常検出装置は、電池セル毎の電圧監視機能について電圧値を直接検出しない簡易な構成において、電流センサ１５の出力のサンプリングタイミングのずれに起因する誤検出を防止した上で、内部抵抗が所定レベルよりも上昇しているか否か（内部抵抗異常）を検出することができる。

なお、以上の例では、１回の異常検出動作において３回の電流サンプリングを行なうこととしたが、電流サンプリング回数は３以上の複数回であれば任意の回数に設定することができる。

たとえば、図９には、１回の異常検出動作で４回の電流サンプリングを行なう変形例が示される。図９の変形例においても、電圧サンプリング期間の開始（Ｔａ）からサンプリング周期の半周期（ΔＴｉ／２）が経過した時刻から、電圧サンプリング期間の終了（Ｔａ）から（ΔＴｉ／２）だけ前の時刻までの間に、サンプリング周期ΔＴｉで電流サンプリングタイミングＴｉ１〜Ｔｉ４を設定することにより、同様の異常検出手法、すなわち複数回の電流サンプリング値のうちの最大電流と、修正された判定電流（Ｉｘ−Ｉｄ）との比較に基づいて、電圧および電流の検出タイミングのずれに起因する誤検出を防止した上で内部抵抗異常を検出することができる。

また、図１０に示すように、図１に示した組電池１０を１つの電池ブロックとして、このような電池ブロックを複数個（Ｂ０〜Ｂ７）組合せることによって、組電池１０を構成してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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およ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。

この発明は、複数の電池セルが直列接続された組電池における電池セルの内部抵抗の過上昇の検出に適用することができる。

１０組電池、１２負荷、１５電流センサ、２０（１）〜２０（ｎ）検知ユニット、２１電圧比較器、２２論理ゲート、３０異常監視回路、３２電流サンプリング部、３４最大値抽出部、３６修正量設定部、３８電流比較部、１００異常検出装置、２００電気システム、５０１〜５０４電流挙動、ＣＬ（１）〜ＣＬ（ｎ）電池セル、ＦＶ判定信号、Ｉｂバッテリ電流、Ｉｄ修正電流、Ｉｄｄ電流変動（電流リップル起因）、Ｉｍａｘ最大電流、Ｉｘ判定電流、ＯＤ（１）〜ＯＤ（ｎ）検出信号、ＲＳＬ異常検出信号（内部抵抗異常）、ＳＴＲ開始指示信号（異常検出動作）、Ｔ１所要時間（検知ユニット２０（１）〜２０（ｎ））、Ｔ２所要時間（伝送回路２５）、Ｔａ時刻（電圧サンプリング期間開始）、Ｔｂ時刻（電圧サンプリング期間終了）、Ｔｉ時刻（電流検出タイミング）、Ｔｉ１〜Ｔｉ４時刻（電流サンプリングタイミング）、ＴＲＧ開始トリガ、Ｔｓ周期（電流リップル）、Ｔｖ時刻（電圧検出タイミング）、Ｔｖ１，Ｔｖｎ時刻（電圧比較タイミング）、Ｔｖｃ時刻（判定信号伝達）、Ｖｃ，Ｖｃ（１）〜Ｖｃ（ｎ）出力電圧（電池セル）、Ｖｏ開放電圧、Ｖｘ判定電圧（セル電圧低下）、ΔＴｉサンプリング周期。

Claims

直列接続された複数の電池セルを有する組電池の異常検出装置であって、
前記複数の電池セルのそれぞれに対応して設けられ、各々が対応の電池セルの出力電圧と所定の判定電圧との電圧比較を実行するように構成された複数の検知ユニットと、
前記複数の電池セルの電流を検出するための電流検出器とを備え、
前記複数の検知ユニットは、開始トリガに応答して順次動作するとともに前記電圧比較の結果を反映した信号を順次伝達することによって、前記複数の電池セルのいずれかの出力電圧が前記判定電圧よりも低下したか否かを示す異常検出信号を出力するように構成され、
前記異常検出装置は、
前記複数の検知ユニットからの前記異常検出信号と、前記電流検出器による電流検出値に基づいて、前記複数の電池セルのいずれかで内部抵抗が上限値よりも上昇する内部抵抗異常が発生したか否かを監視する異常監視回路をさらに備え、
前記異常監視回路は、
所定のサンプリング周期に従って、前記電流検出器による電流検出値を所定の複数回サンプリングするための電流サンプリング部と、
前記判定電圧を前記内部抵抗の前記上限値で除算した電流値に相当する判定電流に対して、前記電流のリップル成分を反映した電流修正量を設定する修正量設定部と、
前記異常検出信号によって前記複数の電池セルのいずれかの出力電圧が前記判定電圧よりも低下したことが示された場合に、前記電流サンプリング部による複数の電流サンプリング値のうちの最大値が、前記判定電流から前記電流修正量を減算した電流値よりも低いときに、前記内部抵抗異常の発生を検知するための電流比較部とを含み、
前記電流サンプリング部は、前記複数の検知ユニットにおける前記複数の電池セルにおける電圧比較の開始から、前記サンプリング周期の半周期以下の所定時間が経過したタイミングに、第１回目の電流サンプリングタイミングを設定し、
最終の電流サンプリングタイミングが、前記複数の検知ユニットにおける電圧比較の終了よりも、前記サンプリング周期の半周期以下の所定時間だけ前のタイミングに位置するように、前記サンプリング周期は設定される、組電池の異常検出装置。
前記修正量設定部は、前記半周期の位相ずれによって生じる、前記リップル成分による電流変動量に応じて、前記電流修正量を設定するように構成される、請求項１記載の組電池の異常検出装置。
前記修正量設定部は、前記リップル成分を正弦波電流とみなしたときの前記組電池の最大出力時における電流振幅と、前記リップル成分の周期に対する前記半周期の比とに基づいて、前記電流修正量を設定するように構成される、請求項２記載の組電池の異常検出装置。
前記複数の検知ユニットは、第１番目から第ｎ番目（ｎ：２以上の整数）の検知ユニットを含み、
前記第１番目の検知ユニットは、前記開始トリガに応答して作動して、第１番目の電池セルが前記判定電圧よりも低下しているか否かを示す信号を第２番目の検知ユニットへ伝達し、
第ｉ番目（ｉ：２〜ｎの整数）の検知ユニットは、
第ｉ番目の電池セルの出力電圧と前記判定電圧との電圧比較結果を出力するための電圧比較器と、
第（ｉ−１）番目の検知ユニットから伝達された前記信号と、前記電圧比較器の出力信号とに基づいて、第１番目から第ｉ番目までの電池セルのいずれかの出力電圧が前記判定電圧よりも低下しているか否かを示す前記信号を出力するように構成された論理演算回路とを有し、
前記異常検出信号は、前記第ｎ番目の検知ユニットの前記論理演算回路から出力された前記信号に従って生成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池の異常検出装置。