JP5597349B2 - 組電池の接続異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池の接続異常を診断する装置に関する。

従来、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池において、組電池の所定容量の放電または充電前後の各並列ブロックの電圧変化量に基づいて、電圧変化量の大きな並列ブロックを並列接続セルの異常と判定する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−３１１２０号公報

しかしながら、並列ブロックの電圧を検出するための電圧検出線がセルに直接接続されている状態で、当該電圧検出線が接続されたセルが強電ラインからセルが外れるような接続異常が生じても、強電ラインから外れたセルの電圧を電圧検出線を介して検出し続けるために、特許文献１に記載の技術では、そのような接続異常を検出することができないという問題があった。

本発明による組電池の接続異常診断装置は、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池の接続異常を診断する装置であって、並列ブロックのいずれかのセルに電圧検出線を介して接続され、該接続されたセルの電圧を検出することで、各並列ブロックの電圧を検出する並列ブロック電圧検出手段を備え、組電池の充電および放電のいずれか一方が行われた時の各並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下である場合に、並列ブロック電圧検出手段が接続されたセルの接続異常が生じていると判定することを特徴とする。

本発明によれば、並列ブロックの電圧を検出するための電圧検出線がセルに直接接続されている状態で、セル間を接続する強電ラインからセルが外れるような接続異常が生じた場合でも、そのような接続異常を確実に検出することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の各実施の形態について説明する。以下では、本願発明の組電池の接続異常診断装置を電気自動車（ＥＶ）のバッテリに適用した実施の形態を説明する。なお、本願発明の組電池の接続異常診断装置は、電気自動車のバッテリへの適用に限定されず、ハイブリッド車両およびエンジン車両のバッテリや、車両以外の装置に用いられるバッテリに適用することができる。

−第１の実施の形態−
図１は、第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置の構成を示す図である。組電池１は、一般にセルと呼ばれる単電池２を２個ずつ並列に接続して４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを構成し、さらにこれら４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを直列に接続したものである。本明細書では、バッテリコントローラ３および車両コントローラ４へ制御電源を供給する補助バッテリ５と区別するため、組電池１をメインバッテリと呼ぶ。

なお、この第１の実施の形態では、２個のセルを並列に接続して４組の並列ブロックを構成し、これら４組の並列ブロックを直列に接続した組電池を例に上げて説明するが、並列ブロック内のセルの並列接続数と並列ブロックの直列接続数は、この第１の実施の形態の数量に限定されない。

メインバッテリ１は、電流センサ６とメインリレー７を介して、インバータ８および補機システム１０へ接続され、インバータ８および補機システム１０へ直流電力を供給する。インバータ８は、メインバッテリ１の直流電力を交流電力に変換して走行駆動用交流モータ９に印加し、モータ９を駆動して車両を走行させる。インバータ８はまた、車両の制動時にモータ９で発生した交流回生電力を直流電力に変換し、メインバッテリ１を充電する。

バッテリコントローラ３は、ＣＰＵ３ａ、メモリ３ｂ、タイマ３ｃ、セル電圧検出部３ｄ、容量調整部３ｅなどから構成され、メインバッテリ１の充放電と容量調整を制御するとともに、セルの異常診断を行う。セル電圧検出部３ｄは、メインバッテリ１の各並列ブロック１ａ〜１ｄに２個ずつ並列接続されたセル２の平均端子電圧を検出する。容量調整部３ｅは、セル電圧検出部３ｄで検出した各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル平均端子電圧に基づいて、並列ブロック間の容量バラツキを補正する。この容量調整部３ｅの詳細については後述する。

車両コントローラ４は、インバータ８および補機システム１０を制御して、車両の走行と補機の作動を制御する。なお、補機システム１０には、空調装置、灯火類、ワイパーなどが含まれる。電流センサ６は、メインバッテリ１からインバータ８へ流れる放電電流と、インバータ８からメインバッテリ１へ流れる充電電流とを検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインリレー７は、ＣＰＵ３ａからの指令信号に基づいて開閉され、メインバッテリ１とその負荷（モータ９および補機システム１０）との間の接続と開放を行う。

電圧センサ１１は、メインバッテリ１の総電圧を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。温度センサ１２は、メインバッテリ１の温度を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインスイッチ１３は、エンジンを走行駆動源とする従来の自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、電気自動車のメインキーが走行位置に設定されると閉路（オン）する。警告灯１４は、電気自動車に何らかの異常が発生したときに点灯して乗員に異常発生を報知する。

図２は、容量調整部３ｅの詳細な構成を示す図である。メインバッテリ１の並列ブロック１ａには、抵抗器Ｒ１およびトランジスタＴｒ１の直列回路２５が並列に接続される。同様に、並列ブロック１ｂ〜１ｄにもそれぞれ、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４およびトランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４の直列回路２６〜２８が並列に接続される。この抵抗器Ｒ１〜Ｒ４およびトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の直列回路２５〜２８は、各並列ブロック１ａ〜１ｄ内のセル２の充電容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を放電するための回路であり、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は放電抵抗、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４は放電と停止を行うスイッチである。なお、この第１の実施の形態では、放電回路２５〜２８のスイッチとしてトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４を用いた例を示すが、トランジスタ以外のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどを用いてもよい。

ＣＰＵ３ａは、各並列ブロック１ａ〜１ｄに接続される各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のベース端子へ制御信号を送り、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４ごとにオン（導通）とオフ（非導通）とを制御する。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４がオンすると、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル２の充電電力が抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を介して放電し、放電分だけ充電容量ＳＯＣが減少する。ＣＰＵ３ａは、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のオンとオフとを繰り返してデューティ制御を行う。デューティは、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間（容量調整時間）とに基づいて決定する。

各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクタ端子およびエミッタ端子間にはそれぞれ、電圧センサ２１〜２４が並列に接続されている。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４がオンすると、コレクタ端子〜エミッタ端子間電圧がほぼ０Ｖになり、オフすると、コレクタ端子〜エミッタ端子間電圧が並列ブロック１ａ〜１ｄのセル両端電圧になる。ＣＰＵ３ａは、電圧センサ２１〜２４により、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクタ端子〜エミッタ端子間電圧をモニターし、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の動作状況、つまり各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整状況を確認する。

容量調整部３ｅは、メインバッテリ１の並列ブロック１ａ〜１ｄ単位で容量調整を行い、いずれかの並列ブロックが過充電状態または過放電状態になってメインバッテリ１の容量を十分に利用できなくなるのを防止する。しかし、容量調整部３ｅでは、各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルの容量バラツキを調整することはできない。各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルの容量バラツキは、容量自己調整により解消される。

ここで、各並列ブロック内の並列に接続されたセルの容量自己調整について簡単に説明する。並列に接続された２個のセルの間に容量のバラツキがあると、容量が高い側すなわち端子電圧が高い側のセルの容量が、容量の低い側すなわち端子電圧が低い側のセルへ徐々に移動し、２個の並列セルは等容量になろうとする性質がある。この性質は容量自己調整と呼ばれ、容量差（セル開放電圧の差）が大きいほど等容量に近い状態になるまでの容量の変化速度が速く、容量差が小さくなって等容量に近い状態になると容量変化速度は遅くなる。

図３は、メインバッテリ１を構成する各セルの実際の接続関係、および、電圧検出線の接続関係を示す図である。ただし、図３では、４組の並列ブロック１ａ〜１ｄのうち、３組の並列ブロック１ａ〜１ｃのみを示している。また、図３では、各セルを区別するため、並列ブロック１ａを構成するセルの符号を２ａ１、２ａ２、並列ブロック１ｂを構成するセルの符号を２ｂ１、２ｂ２、並列ブロック１ｃを構成するセルの符号を２ｃ１、２ｃ２としている。なお、図示はしないが、並列ブロック１ｄを構成するセルの符号を２ｄ１、２ｄ２とする。

図３に示すように、並列ブロック１ａを構成するセル２ａ１、２ａ２の正極は、導電性のバスバー３１で接続されている。並列ブロック１ａを構成するセル２ａ１、２ａ２の負極と、並列ブロック１ｂを構成するセル２ｂ１、２ｂ２の正極とは、導電性のバスバー３２で接続されている。また、並列ブロック１ｂを構成するセル２ｂ１、２ｂ２の負極と、並列ブロック１ｃを構成するセル２ｃ１、２ｃ２の正極とは、導電性のバスバー３３で接続されており、並列ブロック１ｃを構成するセル２ｃ１、２ｃ２の負極と、並列ブロック１ｄを構成するセル２ｄ１、２ｄ２の正極とは、導電性のバスバー３４で接続されている。

電圧検出線４１および４２は、並列ブロック１ａの電圧を検出するための線であり、電圧検出線４３および４４は、並列ブロック１ｂの電圧を検出するための線である。また、電圧検出線４４および４５は、並列ブロック１ｃの電圧を検出するための線である。

電圧検出線４１は、セル２ａ１とバスバー３１との接続点で友締めされており、電圧検出線４２、４３は、セル２ｂ２とバスバー３２との接続点で友締めされている。また、電圧検出線４４は、セル２ｃ２とバスバー３３との接続点で友締めされており、電圧検出線４５は、セル２ｄ２（不図示）とバスバー３４との接続点で友締めされている。

図４は、電圧検出線４２および４３とバスバー３２とを締結している箇所の友締めが緩んだ状態を示す図である。セル２ｂ２は、バスバー３２から外れた非接続状態となっている。この場合、電圧検出線４２および４３は、セル２ｂ２との接触が保たれているので、セルの電圧を検出することが可能であるが、バスバーとの接触抵抗が高いため、セル２ｂ２にはほとんど電流が流れなくなる。図４に示すように、電圧検出線４３および４４を用いて検出される電圧は、セル２ｂ２の電圧となるため、メインバッテリ１の全体が通電していても、電圧検出線４３および４４で検出される電圧はほとんど変動しない。

図５は、セル２とバスバー５１および電圧検出線５２との接続関係の一例を示す図である。図５に示す接続例では、セル２に、バスバー５１と接続する部位５４が設けられるとともに、電圧検出線５２と接続する部位５３が設けられている。従って、バスバー５１とセル２との締結がゆるくて、バスバー５１が外れた場合や、バスバー５１とセル２との接続不良が生じている場合には、図４で説明したようなことが起こる。すなわち、メインバッテリ１の全体が通電していても、電圧検出線５２が接続されているセル２にはほとんど電流が流れず、電圧検出線５２を介して接続されるセル電圧はほとんど変動しない。

第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置では、図４を用いて説明したような友締めの緩みや、図５を用いて説明したようなバスバーの外れ等のような接続異常、すなわち、電圧検出線がセルと接続されている状態で、セルが強電ラインから外れる接続異常を検出する。強電ラインとは、図４に示すバスバー３１〜３５のような各セル間を結ぶ線である。

図６は、第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。ステップＳ１から始まる処理は、バッテリコントローラ３のＣＰＵ３ａによって行われる。

ステップＳ１では、セル電圧検出部３ｄによって、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧を検出して、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、メインバッテリ１が所定容量Ａｈの充電または放電を行ったか否かを判定する。この判定は、電流センサ６によって検出される電流に基づいて行う。所定容量Ａｈは、メインバッテリ１の容量によるが、例えば、メインバッテリ１の満充電時の容量の５〜１０％程度の値とする。一定方向（充電方向または放電方向）の電流が流れることによって、メインバッテリ１が所定容量Ａｈの充電または放電を行ったと判定すると、ステップＳ３に進み、行っていないと判定すると、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３では、セル電圧検出部３ｄによって再び、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧を検出して、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、ステップＳ１およびＳ３で検出した電圧に基づいて、各並列ブロック１ａ〜１ｄごとに電圧変化量を求め、求めた電圧変化量が所定の判定しきい値以下の並列ブロックが存在するか否かを判定する。所定の判定しきい値は、メインバッテリ１が所定容量Ａｈの充電または放電を行った際に、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧が変化すると推定される推定電圧変化量よりは少なくとも小さい値であり、実験等によって適切な値を設定しておけばよい（例えば、０．１Ｖ以下の値とする）。電圧変化量が所定の判定しきい値以下の並列ブロックが存在しないと判定すると、接続異常は発生していないと判定してフローチャートの処理を終了する。一方、電圧変化量が所定の判定しきい値以下の並列ブロックが存在すると判定すると、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、電圧変化量が所定の判定しきい値以下の並列ブロックにおいて、接続異常が存在すると判定する。すなわち、所定容量Ａｈの充電または放電を行ったにもかかわらず、電圧変化量が所定の判定しきい値以下の並列ブロックに接続異常が発生していると判定する。接続異常とは、図４および図５を用いて説明したような異常である。この場合、例えば、警告灯１４を点灯させることによって、接続異常が生じていることをユーザに報知して、フローチャートの処理を終了する。

以上、第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によれば、複数のセル２を並列に接続した並列ブロック１ａ〜１ｄを複数ブロック直列に接続した組電池１の接続異常を診断する際に、組電池１の充電および放電のいずれか一方が行われた時の各並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下の場合に、セルの接続異常が生じていると判定する。これにより、並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧を検出するための電圧検出線がセル２に接続されている状態で、セルが強電ラインから外れるような接続異常が発生した場合でも、そのような接続異常を確実に検出することができる。

特に、組電池１の所定容量の放電または充電前後における各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量が所定の判定しきい値以下である場合に、接続異常が生じていると判定するので、より確実に接続異常を検出することができる。

−第２の実施の形態−
第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置は、接続異常の診断方法が第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置と異なる。以下では、第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置による異常診断方法について説明する。なお、第１の実施の形態におけるＣＰＵ３ａと区別するため、第２の実施の形態におけるＣＰＵの符号を３ａＡとする。

図７は、第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。ステップＳ１１から始まる処理は、バッテリコントローラ３のＣＰＵ３ａＡによって行われる。なお、第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置では、セル電圧検出部３ｄによって、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧を定期的（例えば、所定時間ごと）に検出する。

ステップＳ１１では、定期的に検出される各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧に基づいて、全ての並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量を求めて、ステップＳ１２に進む。なお、電圧変化量は、電圧検出時刻が１番新しい電圧値および２番目に新しい電圧値の電圧差を求める。ステップＳ１２では、全並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量の平均値を算出して、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した全並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量の平均値が所定値以上であるか否かを判定する。所定値は、メインバッテリ１が使用されていることを判定するためのしきい値であり、セル電圧検出部３ｄの電圧検出性能にもよるが、例えば、０．３Ｖとする。全並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量の平均値が所定値以上であると判定するとステップＳ１４に進み、所定値未満であると判定すると、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１４では、電圧変化量の最も小さい並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下であるか否かを判定する。所定の判定しきい値は、第１の実施の形態と同様に、実験等によって適切な値を設定しておけばよい（例えば、０．１Ｖ以下の値とする）。電圧変化量の最も小さい並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下ではないと判定すると、接続異常は発生していないと判定してフローチャートの処理を終了する。

一方、電圧変化量の最も小さい並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下であると判定すると、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、電圧変化量の最も小さい並列ブロックにおいて、接続異常が存在すると判定する。接続異常とは、図４および図５を用いて説明したような異常である。この場合、例えば、警告灯１４を点灯させることによって、接続異常が生じていることをユーザに報知して、フローチャートの処理を終了する。

以上、第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によれば、全ての並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量の平均値を算出し、算出した全ての並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量の平均値が所定値以上である場合に、並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化量が所定の判定しきい値以下であるか否かの判定を行うことにより、接続異常の診断を行う。これにより、第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置と同様に、並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧を検出するための電圧検出線がセル２に接続されている状態で、セルが強電ラインから外れるような接続異常が発生した場合でも、そのような接続異常を確実に検出することができる。また、第１の実施の形態のように、メインバッテリ１が所定容量Ａｈの充電または放電を行ったか否かを判定する必要がないので、より簡易に接続異常診断を行うことができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。例えば、メインバッテリ１を構成する各セルの実際の接続関係、および、電圧検出線の接続関係の一例を図３に示したが、図３に示すような接続関係に限定されることはない。

第１の実施の形態では、メインバッテリ１の所定容量Ａｈの充電または放電前後における並列ブロックの電圧変化量と所定の判定しきい値とを比較することにより接続異常の診断を行ったが、並列ブロックの電圧変化量と比較する判定しきい値を、メインバッテリ１の電圧に応じて変更するようにしてもよい。すなわち、所定容量の放電または充電を行った際の電圧変化量が低い電圧領域に比べて、所定容量の放電または充電を行った際の電圧変化量が高い電圧領域では、判定しきい値を大きくする。これにより、より正確に接続異常の診断を行うことができる。

なお、並列ブロックの電圧変化量と比較する判定しきい値を変更せずに、メインバッテリ１の電圧に応じて、所定容量Ａｈの値を変更するようにしても同様の効果を得ることができる。すなわち、ある電圧変化量に対する容量変化量が小さい電圧領域に比べて、容量変化量が大きい電圧領域では、所定容量Ａｈの値を大きくする。

第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置の構成を示す図 容量調整部の詳細な構成を示す図 メインバッテリを構成する各セルの実際の接続関係、および、電圧検出線の接続関係を示す図 電圧検出線とバスバーとを締結している箇所の友締めが緩んだ状態を示す図 セルとバスバーおよび電圧検出線との接続関係の一例を示す図 第１の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によって行われる処理内容を示すフローチャート 第２の実施の形態における組電池の接続異常診断装置によって行われる処理内容を示すフローチャート

符号の説明

１…メインバッテリ
１ａ〜１ｄ…並列ブロック
２、２ａ１、２ａ２、２ｂ１、２ｂ２、２ｃ１、２ｃ２、２ｄ１、２ｄ２…セル
３…バッテリコントローラ
３ａ、３ａＡ…ＣＰＵ
３ｄ…セル電圧検出部
４…車両コントローラ
３１〜３４…バスバー
４１〜４５…電圧検出線

Claims (6)

1. 複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池の接続異常診断装置であって、
   前記並列ブロックのいずれかのセルに電圧検出線を介して接続され、該接続されたセルの電圧を検出することで、各並列ブロックの電圧を検出する並列ブロック電圧検出手段と、
   前記組電池の充電および放電のいずれか一方が行われた時の各並列ブロックの電圧変化量が所定の判定しきい値以下である場合に、前記並列ブロック電圧検出手段が接続されたセルの接続異常が生じていると判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする組電池の接続異常診断装置。
2. 請求項１に記載の組電池の接続異常診断装置において、
   前記異常判定手段は、前記組電池の所定容量の放電または充電前後における各並列ブロックの電圧変化量が前記所定の判定しきい値以下である場合に、前記並列ブロック電圧検出手段が接続されたセルの接続異常が生じていると判定することを特徴とする組電池の接続異常診断装置。
3. 請求項２に記載の組電池の接続異常診断装置において、
   前記組電池の電圧を検出する組電池電圧検出手段と、
   前記組電池の電圧に応じて、前記所定容量を変更する所定容量変更手段と、
   をさらに備えることを特徴とする組電池の接続異常診断装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の組電池の接続異常診断装置において、
   前記組電池の電圧を検出する組電池電圧検出手段と、
   前記組電池の電圧に応じて、前記所定の判定しきい値を変更する判定しきい値変更手段と、
   をさらに備えることを特徴とする組電池の接続異常診断装置。
5. 請求項２に記載の組電池の接続異常診断装置において、
   前記所定の判定しきい値は、前記組電池が前記所定容量の放電または充電を行った場合に、前記各並列ブロックの電圧が変化すると推定される推定電圧変化量よりも小さい値であることを特徴とする組電池の接続異常診断装置。
6. 請求項１に記載の組電池の接続異常診断装置において、
   全ての並列ブロックの電圧変化量の平均値を算出する平均値算出手段をさらに備え、
   前記異常判定手段は、前記平均値算出手段によって算出される全ての並列ブロックの電圧変化量の平均値が所定値以上である場合に、前記並列ブロックの電圧変化量が前記所定の判定しきい値以下であるか否かの判定を行うことを特徴とする組電池の接続異常診断装置。