JP5881593B2 - Battery system, battery monitoring apparatus and battery monitoring method - Google Patents

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Description

本発明は、電池システム、電池監視装置及び電池監視方法に関する。   The present invention relates to a battery system, a battery monitoring device, and a battery monitoring method.

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、コンパクトで軽量であるため、自然エネルギー発電システムの出力変動緩和やバックアップ電源等の蓄電システムへの活用が期待されている。   Lithium-ion batteries have high energy density, are compact and lightweight, and therefore are expected to be used in power storage systems such as output fluctuation mitigation for natural energy power generation systems and backup power sources.

リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すことで劣化する。また、リチウムイオン電池は、内部で短絡が発生した場合、大きな電流が流れて発熱し、内部温度が急上昇する、いわゆる熱暴走と呼ばれる状態となる場合がある。リチウムイオン電池は、その劣化状態や、熱暴走に至る現象を未然に検知して熱暴走を防止するために、電極端子間の電圧、内部抵抗、缶温度などを測定し、監視することが行われている。また、リチウムイオン電池は、充放電を行うと、その充電状態によって内部の積層体が膨張することにより電池ケース自体も膨張する。また、リチウムイオン電池は、熱暴走の原因となる内部温度が上昇した場合に、電解液が気化することにより内圧が上昇し、この場合にも電池ケースが膨張する。   A lithium ion battery deteriorates by repeated charge and discharge. In addition, when a short circuit occurs inside the lithium ion battery, a large current flows to generate heat and the internal temperature suddenly rises, so-called thermal runaway may occur. Lithium-ion batteries measure and monitor the voltage between the electrode terminals, internal resistance, can temperature, etc. in order to prevent the thermal runaway by detecting the deterioration state and the phenomenon leading to the thermal runaway. It has been broken. In addition, when a lithium ion battery is charged and discharged, the battery case itself expands due to expansion of the internal laminate depending on the state of charge. Further, in the lithium ion battery, when the internal temperature that causes thermal runaway increases, the internal pressure increases due to evaporation of the electrolyte, and in this case, the battery case expands.

図９は、圧力開放弁１０１を備えた電池システムの一例を示す。この電池システムは、複数のリチウムイオン電池１０２を有する。リチウムイオン電池１０２のそれぞれは、電池ケース１０３を有する。電池ケース１０３は、それぞれの間に絶縁体１０４を取り付けている。電池ケース１０３は、上面に電極端子１０５を有する。圧力開放弁１０１は、電池ケース１０３の上面に配置している。圧力開放弁１０１は、電池ケース１０３の内圧が所定の値を超えた際に開放する。しかし、この電池システムは、圧力開放弁１０１の開放時にのみ異常を検知する。そのため、この電池システムは、圧力開放弁１０１による圧力開放が発生した場合に急激な圧力変化を伴う。これにより、この電池システムは、圧力開放時の反力としての衝撃力が電池ラックへ作用することや圧力開放弁１０１から電解液が漏洩することがある。従って、このような電池システムにおいては、圧力開放前に異常を検知する必要がある。   FIG. 9 shows an example of a battery system including the pressure release valve 101. This battery system includes a plurality of lithium ion batteries 102. Each of the lithium ion batteries 102 has a battery case 103. The battery case 103 has an insulator 104 attached between them. The battery case 103 has electrode terminals 105 on the upper surface. The pressure release valve 101 is disposed on the upper surface of the battery case 103. The pressure release valve 101 is opened when the internal pressure of the battery case 103 exceeds a predetermined value. However, this battery system detects an abnormality only when the pressure release valve 101 is opened. Therefore, this battery system is accompanied by a rapid pressure change when the pressure release by the pressure release valve 101 occurs. Thereby, in this battery system, an impact force as a reaction force at the time of pressure release may act on the battery rack, or the electrolyte may leak from the pressure release valve 101. Therefore, in such a battery system, it is necessary to detect an abnormality before releasing the pressure.

このような背景に関連する技術としては、様々なものが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。   Various techniques relating to such a background are known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

例えば、特許文献１には、電気化学素子の膨張検知方法が記載されている。より具体的に説明すると、この電気化学素子の膨張検知方法は、素体と、素体を封入する封入体とを有する電気化学素子が膨張したときに、電気化学素子が固定される固定面、及び電気化学素子の固定面側の面のうちの少なくとも一方に形成された回路部が断線して、電気化学素子の膨張が検知される。このようにして、この電気化学素子の膨張検知方法によっては、簡易な構成で電気化学素子の膨張を検知することができる。   For example, Patent Document 1 describes a method for detecting expansion of an electrochemical element. More specifically, the method for detecting expansion of an electrochemical element includes a fixing surface on which an electrochemical element is fixed when the electrochemical element having an element body and an enclosure that encloses the element body expands. And the circuit part formed in at least one of the fixed surface side surfaces of the electrochemical element is disconnected, and the expansion of the electrochemical element is detected. Thus, depending on the method for detecting expansion of the electrochemical element, the expansion of the electrochemical element can be detected with a simple configuration.

また、例えば、特許文献２には、単電池を複数組み合わせて構成された電池システムが記載されている。より具体的に説明すると、この電池システムは、略箱状の電池収容ケースと、複数の電極板が積層されて構成された積層体、及び積層体を収容するセルケースとを有し、セルケースの積層体の積層方向に対向する第一の側面の少なくとも一方、及び積層方向と直交する方向に対向する第二の側面の少なくとも一方を、電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板に対向させるようにしてそれぞれ電池収容ケース内部に収容された単電池を備える。そして、この電池システムは、第一の側面と、第一の側面に対向する電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板との第一の離間距離、及び第二の側面と、第二の側面に対向する電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板との第二の離間距離をそれぞれ検出する。そして、この電池システムは、検出結果に基づいて、第一の離間距離と第二の離間距離との両方が小さくなった場合に、対応する単電池が内圧異常であると判定する。このようにして、この電池システムによっては、各単電池について、セルケースの膨張により、的確に内圧異常を検知することができる。   For example, Patent Document 2 describes a battery system configured by combining a plurality of single cells. More specifically, this battery system has a substantially box-shaped battery housing case, a laminated body formed by laminating a plurality of electrode plates, and a cell case for housing the laminated body. At least one of the first side surfaces facing the stacking direction of the stacked body and at least one of the second side surfaces facing the direction orthogonal to the stacking direction are made to face the battery housing case wall surface or the battery housing case partition plate. In this manner, each cell is housed in a battery housing case. The battery system includes a first side surface, a battery housing case wall surface facing the first side surface, a first separation distance from the battery housing case partition plate, a second side surface, and a second side surface. The second separation distance from the battery housing case wall surface facing the battery or the battery housing case partition plate is detected. Then, this battery system determines that the corresponding cell is abnormal in internal pressure when both the first separation distance and the second separation distance are reduced based on the detection result. Thus, depending on the battery system, the internal pressure abnormality can be accurately detected for each single battery by the expansion of the cell case.

特開２００８−２５１４３７号公報JP 2008-251437 A 国際公開第２０１１／１１５０９１号International Publication No. 2011/115091

特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、いずれも電池ケースの膨張を検知しているものの、外的要因に起因する温度上昇を伴わない圧力上昇を区別することができない。 Although the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 both detect the expansion of the battery case, it is impossible to distinguish a pressure increase without a temperature increase caused by an external factor .

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、電池システムであって、リチウムイオン電池と、リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサと、圧力センサの出力信号に基づいて、リチウムイオン電池の異常の有無を監視する電池監視装置とを備え、電池監視装置は、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、圧力センサの出力信号を取得する状態量取得部と、状態量取得部が取得した圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算部と、状態量取得部が取得した圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、変化量演算部が繰り返し算出した圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視部とを有する。 In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, there is provided a battery system, a lithium ion battery, a pressure sensor for detecting pressure generated by expansion of the lithium ion battery, and an output signal of the pressure sensor. And a battery monitoring device that monitors the presence or absence of abnormality of the lithium ion battery, and the battery monitoring device obtains an output signal of the pressure sensor as a state quantity representing an expansion state of the lithium ion battery; samples the time variation of the output signal of the pressure sensor state quantity acquisition unit has acquired, and repetition rate of change of the output signal calculation to that change amount calculation unit of the pressure sensor in a predetermined time period, the state quantity acquisition unit acquires The absolute value of the output signal of the pressure sensor exceeds the predetermined threshold, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor, which is repeatedly calculated by the change amount calculation unit, is continuously If it exceeds the constant threshold value, that have a and a determining monitoring unit abnormality lithium ion battery has occurred.

変化量演算部は、リチウムイオン電池に異常が生じた場合に破損に至るまでの推定時間よりも短い時間をサンプリング周期として、圧力センサの出力信号の平均変化率を算出してもよい。The change amount calculation unit may calculate the average rate of change of the output signal of the pressure sensor with a sampling period as a time shorter than an estimated time until the lithium ion battery is damaged.

監視部は、状態量取得部が取得した圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、変化量演算部が繰り返し算出した圧力センサの出力信号の変化率の平均値が特定閾値を超えると共に変化量演算部が算出した圧力センサの最新の出力信号の変化率が正の値となることが連続した場合に、リチウムイオン電池に異常が生じていると判定してもよい。In the monitoring unit, the absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired by the state quantity acquisition unit exceeds a predetermined threshold value, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated by the change amount calculation unit has a specific threshold value. When the change rate of the latest output signal of the pressure sensor calculated by the change amount calculation unit becomes a positive value continuously, the abnormality may be determined in the lithium ion battery.

本発明の第２の形態によると、電池監視装置であって、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサの出力信号を取得する状態量取得部と、状態量取得部が取得した圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算部と、状態量取得部が取得した圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、変化量演算部が繰り返し算出した圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視部とを備える。 According to the second aspect of the present invention, in the battery monitoring device, the state quantity for obtaining the output signal of the pressure sensor for detecting the pressure generated by the expansion of the lithium ion battery as the state quantity representing the expansion state of the lithium ion battery acquisition unit and samples the time variation of the output signal of the pressure sensor state quantity acquisition unit has acquired, a change amount calculating unit you repeatedly calculating a change rate of the output signal of the pressure sensor in a predetermined time period, the state quantity acquisition unit When the absolute value of the output signal of the pressure sensor obtained by exceeds the predetermined threshold, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated by the change amount calculation unit continuously exceeds the specific threshold And a monitoring unit that determines that an abnormality has occurred in the lithium ion battery .

本発明の第３の形態によると、電池監視方法であって、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサの出力信号を取得する状態量取得段階と、状態量取得段階において取得された圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算段階と、状態量取得段階において取得された圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、変化量演算段階において繰り返し算出された圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視段階とを含む。 According to the third aspect of the present invention, in the battery monitoring method, the state quantity for obtaining the output signal of the pressure sensor for detecting the pressure generated by the expansion of the lithium ion battery as the state quantity representing the expansion state of the lithium ion battery An acquisition stage ; a change amount calculation stage that samples a time change of the output signal of the pressure sensor acquired in the state quantity acquisition stage, and repeatedly calculates a change rate of the output signal of the pressure sensor within a predetermined time; and a state quantity acquisition stage The absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired in step 1 exceeds a predetermined threshold, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated in the change amount calculation stage continuously exceeds the specific threshold. case, including a determining monitoring phase to be abnormal lithium ion battery has occurred.

なおまた、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。   The above summary of the invention does not enumerate all necessary features of the present invention. Also, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

以上の説明から明らかなように、この発明によっては、外的要因に起因する温度上昇を伴わない圧力上昇を区別することができる。 As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to distinguish a pressure increase without a temperature increase caused by an external factor .

第１の実施形態の電池システムの概念ブロック図である。It is a conceptual block diagram of the battery system of a 1st embodiment. 第１の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池の断面図を含むブロック構成図である。It is a block block diagram including sectional drawing of the lithium ion battery in the battery system of 1st Embodiment. 第１の実施形態の電池システムの異常判定を行う際のタイムチャートである。It is a time chart at the time of performing abnormality determination of the battery system of 1st Embodiment. 第１の実施形態の電池システムの異常判定を行う際の平均変化率を求める方法を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the method of calculating | requiring the average change rate at the time of performing abnormality determination of the battery system of 1st Embodiment. 第１の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining control operation of the battery system of the first embodiment. 第２の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池の断面図である。It is sectional drawing of the lithium ion battery in the battery system of 2nd Embodiment. （ａ）は、第２の実施形態の電池システムに適用する使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブのタイムチャートであり、（ｂ）は、センサ出力平均値のタイムチャートである。(A) is a time chart of the internal pressure rise curve from the start of use applied to the battery system of the second embodiment to the end of its life, and (b) is a time chart of the sensor output average value. 第２の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control action of the battery system of 2nd Embodiment. 圧力開放弁１０１を備えた電池システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the battery system provided with the pressure release valve.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention. However, the following embodiments do not limit the claimed invention, and all combinations of features described in the embodiments are described below. However, this is not always essential for the solution of the invention.

図１は、第１の実施形態の電池システムの概念ブロック図である。図１に示すように、電池システム１は、組電池３と、組電池３を監視、制御する電池監視装置１０とを有する。組電池３は、複数の単電池であるリチウムイオン電池２から構成する。組電池３は、電力負荷４に接続していて充放電を行うことが可能である。電力負荷４としては、電気自動車が例として挙げられる。電力負荷４は、不図示の車輪に接続した電気モータやインバータ等の電力変換器などであり、インバータ等の電力変換器の動作や電気モータの回転数を制御する。電力負荷４は、ワイパーなどを駆動する電気モータであってもよい。なお、電力負荷４は、電気自動車以外にも、例えば、フォークリフトなどの産業車両や電車、電気モータにプロペラまたはスクリューを接続した飛行機または船などの移動体であってもよい。さらに、電力負荷４は、例えば家庭用の電力貯蔵システムや，風車や太陽光のような自然エネルギー発電と組み合わせた系統連系円滑化蓄電システムなどの定置用のシステムであってもよい。すなわち、電力負荷４は、リチウムイオン電池２による電力の充放電を利用するシステム全般に係るものである。   FIG. 1 is a conceptual block diagram of the battery system of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the battery system 1 includes an assembled battery 3 and a battery monitoring device 10 that monitors and controls the assembled battery 3. The assembled battery 3 includes a lithium ion battery 2 that is a plurality of unit cells. The assembled battery 3 is connected to the power load 4 and can be charged and discharged. An example of the electric power load 4 is an electric vehicle. The power load 4 is a power converter such as an electric motor or an inverter connected to a wheel (not shown), and controls the operation of the power converter such as an inverter and the rotation speed of the electric motor. The electric power load 4 may be an electric motor that drives a wiper or the like. In addition to the electric vehicle, the electric power load 4 may be, for example, an industrial vehicle such as a forklift, a train, or a mobile body such as an airplane or a ship in which a propeller or a screw is connected to an electric motor. Furthermore, the power load 4 may be a stationary system such as a home power storage system or a grid-connected smoothing power storage system combined with a natural energy power generation such as a windmill or sunlight. In other words, the power load 4 relates to the entire system that uses charge / discharge of power by the lithium ion battery 2.

電池監視装置１０は、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部１１を備える。電池監視装置１０は、状態量の時間変化を求める変化量演算部１２を備える。そして、電池監視装置１０は、時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部１３を備える。   The battery monitoring device 10 includes a state quantity acquisition unit 11 that acquires a state quantity indicating the expanded state of the lithium ion battery 2. The battery monitoring device 10 includes a change amount calculation unit 12 that obtains a time change of the state amount. And the battery monitoring apparatus 10 is equipped with the monitoring part 13 which monitors a time change and compares with the time change reference value which shows the deterioration obtained beforehand.

図２は、電池システム１におけるリチウムイオン電池２の断面図を含むブロック構成図である。図２に示すように、リチウムイオン電池２は、電池収容ケース１４に収容している。この電池収容ケース１４は、絶縁性を有する例えば樹脂材料により有底の箱形状に形成している。電池収容ケース１４は、上部開口部１５と、上蓋１６と、底板１７と、側板１８とを備える。電池収容ケース１４には、例えば四個のリチウムイオン電池２を並列に整列して収容している。   FIG. 2 is a block configuration diagram including a cross-sectional view of the lithium ion battery 2 in the battery system 1. As shown in FIG. 2, the lithium ion battery 2 is housed in a battery housing case 14. The battery housing case 14 is formed in a bottomed box shape with, for example, a resin material having insulating properties. The battery housing case 14 includes an upper opening 15, an upper lid 16, a bottom plate 17, and a side plate 18. For example, four lithium ion batteries 2 are accommodated in the battery housing case 14 in parallel.

リチウムイオン電池２は、電池ケース１９の上面に、プラス側電極端子２０と、マイナス側電極端子２１とを有する。リチウムイオン電池２は、バスバー２２により各電極端子２０、２１を直列に電気的に接続している。バスバー２２は、導電性金属材料により形成している。   The lithium ion battery 2 has a positive electrode terminal 20 and a negative electrode terminal 21 on the upper surface of the battery case 19. In the lithium ion battery 2, the electrode terminals 20 and 21 are electrically connected in series by a bus bar 22. The bus bar 22 is made of a conductive metal material.

互いに隣り合う一対のリチウムイオン電池２の電池ケース１９は、それぞれの間に第１絶縁体２３と第２絶縁体２４とを独立して取り付けている。各絶縁体２３、２４は、絶縁材料により成形してあり、電池ケース１９の側部に当接している。各絶縁体２３、２４は、例えば車両の振動等により各リチウムイオン電池２同士に揺れが生じた場合に、互いに電気的に接触しないようにする機能を有する。   A battery case 19 of a pair of lithium ion batteries 2 adjacent to each other has a first insulator 23 and a second insulator 24 attached independently between each other. The insulators 23 and 24 are formed of an insulating material and are in contact with the side portion of the battery case 19. The insulators 23 and 24 have a function of preventing electrical contact with each other when, for example, vibrations occur between the lithium ion batteries 2 due to vehicle vibration or the like.

電池システム１は、各絶縁体２３、２４の間に圧力センサ２５を取り付けている。圧力センサ２５は、両側部に不図示のセンシング部を有し、これらセンシング部を各絶縁体２３、２４に当接している。そのため、圧力センサ２５は、各絶縁体２３、２４を介してリチウムイオン電池２の電池ケース１９に生ずる膨張状態の変形を感圧素子にて検知し、検知した出力信号を出力する。なお、圧力センサ２５は、各絶縁体２３、２４の間に一つ配置するのに代えて、複数個を各絶縁体２３、２４の間に配置することもできる。その場合、圧力センサ２５は、電池ケース１９の複数個所における変形をセンシングすることができる。   In the battery system 1, a pressure sensor 25 is attached between the insulators 23 and 24. The pressure sensor 25 has sensing units (not shown) on both sides, and these sensing units are in contact with the insulators 23 and 24. Therefore, the pressure sensor 25 detects the deformation of the expanded state that occurs in the battery case 19 of the lithium ion battery 2 via the insulators 23 and 24, and outputs the detected output signal. Note that a plurality of pressure sensors 25 may be disposed between the insulators 23 and 24 instead of being disposed between the insulators 23 and 24. In that case, the pressure sensor 25 can sense deformation at a plurality of locations of the battery case 19.

電池監視装置１０は、所定の容量を有するメモリを備えたＣＰＵ等を内蔵している。状態量取得部１１は、圧力センサ２５に接続している。そのため、状態量取得部１１は、圧力センサ２５から得られた出力信号を、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量データＳとして取得する。   The battery monitoring device 10 has a built-in CPU or the like equipped with a memory having a predetermined capacity. The state quantity acquisition unit 11 is connected to the pressure sensor 25. Therefore, the state quantity acquisition unit 11 acquires the output signal obtained from the pressure sensor 25 as state quantity data S representing the expanded state of the lithium ion battery 2.

変化量演算部１２は、不図示の演算回路を内蔵している。変化量演算部１２は、状態量データＳを演算して状態量データＳの時間変化データＴを算出する。   The change amount calculation unit 12 includes a calculation circuit (not shown). The change amount calculator 12 calculates the state amount data S and calculates the time change data T of the state amount data S.

監視部１３は、破裂試験等の実験データに基づいて得た時間変化基準値となる閾値ａｃを格納している。監視部１３は、時間変化データＴに基づいて算出した平均変化率Ａ（図４参照）と閾値ａｃとを比較する。そして、電池監視装置１０は、圧力センサ２５の出力信号の時間変化をモニタリングし、ある時間内における平均変化率Ａと閾値ａｃとの比較により異常判定を行う。電池監視装置１０は、停止装置２６に接続している。停止装置２６は、異常判定を行った場合に充電動作を停止する。 Monitoring unit 13 stores a threshold value a c as a time variation reference value obtained based on experimental data such as burst test. Monitoring unit 13, the average rate of change A (see FIG. 4) calculated on the basis of the time change data T is compared with a threshold value a c. Then, the battery monitoring device 10 monitors the temporal change of the output signal of the pressure sensor 25, an abnormality determination by comparing the average rate A and the threshold a c within a certain time. The battery monitoring device 10 is connected to the stopping device 26. The stop device 26 stops the charging operation when the abnormality determination is performed.

図３は、電池システム１における電池監視装置１０の異常判定の具体的動作を説明するタイムチャートである。図３に示すように、監視部１３は、以下の二つの判定条件を設定している。監視部１３による判定条件の一つ目は、圧力センサ２５から得られた出力信号の絶対値と、所定閾値とを比較し、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超えた場合に異常の判定を行うことである。監視部１３による判定条件の二つ目は、圧力センサ２５の平均変化率Ａと閾値ａｃとを比較し、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた場合に異常の判定を行うことである。時点ｔ１を越えたあたりにおいては、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超える。これにより、電池監視装置１０は、異常判定を行う。そして、停止装置２６は、作動する。すなわち、電池監視装置１０は、圧力センサ２５の出力信号の絶対値のみによる異常の判定を行わないとともに、圧力センサ２５の平均変化率Ａのみによる異常の判定を行わない。 FIG. 3 is a time chart for explaining a specific operation of the abnormality determination of the battery monitoring device 10 in the battery system 1. As shown in FIG. 3, the monitoring unit 13 has set the two determination conditions below. The first judgment condition by monitoring unit 13 compares the absolute value of the output signal obtained from the pressure sensor 25, and a predetermined threshold value, the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 has exceeded a predetermined threshold value In this case, an abnormality is determined. The second determination condition by the monitoring unit 13 compares the average change rate A and the threshold a c of the pressure sensor 25, the determination of abnormality when the average change rate A of the pressure sensor 25 has exceeded the threshold value a c Is to do. In the Per beyond the time t1, the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 exceeds a predetermined threshold value, and the average change rate A of the pressure sensor 25 exceeds the threshold value a c. Thereby, the battery monitoring apparatus 10 performs abnormality determination. Then, the stop device 26 operates. That is, the battery monitoring device 10 does not determine abnormality based only on the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 and does not perform abnormality determination based only on the average change rate A of the pressure sensor 25 .

図４は、電池システム１における電池監視装置１０の異常判定を行う際の平均変化率Ａを求める方法を説明するタイムチャートである。図４に示すように、異常判定を行う際の平均変化率Ａを求める方法は、以下の二つが挙げられる。方法の一つ目は、最新のデータ取得時間を起点とし、ある一定時間分のデータをメモリに保存しておき、サンプリング間隔ごとに求めた変化率から平均変化率Ａを求めることである。方法の二つ目は、最新と最古の状態量データＳからデータ保持期間に対する平均変化率Ａを直接算出することである。ここで、圧力センサ２５の出力信号は、ｙ１、ｙ２、ｙ３〜ｙＮ−２、ｙＮ−１、ｙＮであり、電池監視装置１０は、新たなデータを取得する度にａ１、ａ２、ａ３、ａＮ−２、ａＮ−１の最新の変化率ａｉを格納する。このとき、変化率ａｉは、以下の式により得ることができる。なお、ｉ＝１、２〜Ｎ−１である。 FIG. 4 is a time chart for explaining a method for obtaining the average rate of change A when the abnormality determination of the battery monitoring device 10 in the battery system 1 is performed. As shown in FIG. 4, there are the following two methods for obtaining the average rate of change A when performing abnormality determination. The first method is to obtain the average rate of change A from the rate of change obtained at every sampling interval by storing data for a certain period of time in the memory starting from the latest data acquisition time. The second method is to directly calculate the average change rate A for the data holding period from the latest and oldest state quantity data S. Here, the output signals of the pressure sensor 25 are y 1 , y 2 , y 3 to y N-2 , y N−1 , y N , and the battery monitoring device 10 a The latest change rate a i of 1 , a 2 , a 3 , a N−2 , a N−1 is stored. At this time, the change rate a i can be obtained by the following equation. Note that i = 1, 2 to N-1.

Figure 0005881593
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そして、平均変化率Ａは、以下の式により得ることができる。   The average change rate A can be obtained by the following equation.

Figure 0005881593
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電池システム１は、以下に示す用途（定置用、移動体用）に応じて平均変化率による異常判定時の条件式を設定することにより、異常判定の確度を向上させる。
（定置用）
以下の条件式（１）、（２）を共に満足する場合、異常と判定する。
（１）平均変化率Ａ＞閾値ａｃ
（２）最新変化率ａ１＞０
なお、内部短絡等の異常発生時における内圧変動は常に上昇傾向を示すため、最新の変化率が負の場合、内圧は減少傾向にあり異常発生の可能性は低いと判定できる。
（移動体用）
以下の条件式（１）〜（３）を共に満足する場合、異常と判定する。
（１）平均変化率Ａ＞閾値ａｃ
（２）最新変化率ａ１＞０
（３）（１）、（２）の状態をＮ回（Ｎ≧２）連続で満足すること。
なお、移動体用の場合、センサ出力信号は、急激な負荷の上昇や衝撃等の外乱により一時的に増大することがある。そのため、サンプリングのタイミングがそれらイベントに一致する場合がある。そして、センサ出力信号の平均変化率が、一時的に閾値ａｃを超えて誤検知することが想定される。従って、このような誤検知を防止するために、移動体用には、（３）の条件を追加している。なお、異常発生から電池ケース１９が破損に至るまでの時間は最短で１〜２（Ｈｒ）程度であることを考慮すると、異常発生時の内圧上昇の傾向を的確に捉えるために、サンプリング周期は、５〜１０分以下に設定するのが好ましい。 The battery system 1 improves the accuracy of abnormality determination by setting a conditional expression at the time of abnormality determination based on the average rate of change in accordance with the following applications (for stationary use and for mobile objects).
(For stationary use)
When both the following conditional expressions (1) and (2) are satisfied, it is determined that there is an abnormality.
(1) Average rate of change A> threshold a c
(2) Latest rate of change a1> 0
In addition, since the internal pressure fluctuation at the time of occurrence of an abnormality such as an internal short circuit always shows an upward trend, when the latest change rate is negative, it can be determined that the internal pressure tends to decrease and the possibility of occurrence of the abnormality is low.
(For mobile objects)
When the following conditional expressions (1) to (3) are all satisfied, it is determined as abnormal.
(1) Average rate of change A> threshold a c
(2) Latest rate of change a1> 0
(3) The conditions of (1) and (2) should be satisfied N times (N ≧ 2) continuously.
In the case of a moving object, the sensor output signal may temporarily increase due to a sudden load increase or a disturbance such as an impact. Therefore, the sampling timing may coincide with these events. Then, the average rate of change of the sensor output signal, it is assumed to detect temporary erroneous exceeds the threshold a c. Therefore, in order to prevent such erroneous detection, the condition (3) is added for the moving object . Na us, considering that the time from the abnormality until the battery case 19 reaches the break of the order of 1 to 2 (Hr) at the shortest, to capture accurately the tendency of increase in internal pressure at the time of occurrence of an abnormality, the sampling period Is preferably set to 5 to 10 minutes or less.

図５は、電池システム１の基本的な制御動作を説明するフローチャートである。図５に示すように、制御を開始すると、状態量取得部１１により、圧力センサ２５から得られた出力信号を、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量データＳとして取得する（ステップＳ１０１）。次に、変化量演算部１２により、状態量データＳを演算して状態量データＳの時間変化データＴを算出する（ステップＳ１０２）。続いて、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えたか否かを監視部１３が判別する（ステップＳ１０３）。そして、ステップＳ１０３の判別で監視部１３により二つの判定条件を満たすと判別した場合、異常判定を行う（ステップＳ１０４）。このとき、ステップＳ１０３の判別で二つの判定条件を満たさないと判定した場合は、異常判定を行わずに、ステップＳ１０１に戻って状態量データＳを再度取得する。 FIG. 5 is a flowchart for explaining a basic control operation of the battery system 1. As shown in FIG. 5, when the control is started, the state quantity acquisition unit 11 acquires the output signal obtained from the pressure sensor 25 as the state quantity data S representing the expanded state of the lithium ion battery 2 (step S101). . Next, the change amount calculation unit 12 calculates the state amount data S and calculates the time change data T of the state amount data S (step S102). Subsequently, the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 exceeds a predetermined threshold value, and, whether or not the average change rate A of the pressure sensor 25 has exceeded the threshold value a c monitoring unit 13 determines (step S103). If the monitoring unit 13 determines that the two determination conditions are satisfied in the determination in step S103, an abnormality determination is performed (step S104). At this time, if it is determined in step S103 that the two determination conditions are not satisfied, the process returns to step S101 to acquire the state quantity data S again without performing abnormality determination.

以上、説明したように、第１の実施形態の電池システム１によれば、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池システム１によれば、外的要因に起因する発熱を伴わない内圧変化を区別することができる。 As described above, according to the battery system 1 of the first embodiment, exceeds a predetermined threshold value the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25, and the threshold is the average change rate A of the pressure sensor 25 a c An abnormality is judged when the value exceeds. Therefore, according to the battery system 1, it is possible to distinguish an internal pressure change without heat generation caused by an external factor .

また、電池システム１によれば、リチウムイオン電池２の内圧を直接測定せずに、内圧と圧力センサ２５の出力信号の相関関係より内圧を推定検出することができる。   Further, according to the battery system 1, the internal pressure can be estimated and detected from the correlation between the internal pressure and the output signal of the pressure sensor 25 without directly measuring the internal pressure of the lithium ion battery 2.

そして、電池システム１によれば、リチウムイオン電池２の内圧の時系列変化を間接的にモニタリングすることにより、早期の異常判定を行うことができる。   And according to the battery system 1, early abnormality determination can be performed by indirectly monitoring the time-series change of the internal pressure of the lithium ion battery 2.

さらに、電池システム１によれば、メモリが故障し、平均変化率Ａによる判定が難しくなった場合でも停止装置２６を作動することができる。   Furthermore, according to the battery system 1, the stop device 26 can be operated even when the memory fails and the determination based on the average change rate A becomes difficult.

第１の実施形態の電池監視装置１０によれば、電池システム１において、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池監視装置１０によれば、外的要因に起因する発熱を伴わない内圧変化を区別することができる。 According to the battery monitoring device 10 of the first embodiment, in the battery system 1, the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 exceeds a predetermined threshold value, and the average change rate A of the pressure sensor 25 is a threshold value a c When it exceeds, an abnormality is judged. Therefore, according to the battery monitoring apparatus 10, it is possible to distinguish an internal pressure change without heat generation caused by an external factor .

第１の実施形態の電池監視方法によれば、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が所定閾値を超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池監視方法によれば、外的要因に起因する発熱を伴わない内圧変化を区別することができる。 According to the battery monitoring method of the first embodiment, the absolute value of the output signal of the pressure sensor 25 exceeds a predetermined threshold value, and an abnormality determination when the average change rate A of the pressure sensor 25 has exceeded the threshold value ac Do. Therefore, according to the battery monitoring method, it is possible to distinguish a change in internal pressure that is not accompanied by heat generation due to an external factor .

次に、第２の実施形態について図６から図７を参照しながら説明するが、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図６は、第２の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池２の断面図である。図６に示すように、この電池システムは、単一構造の絶縁体３１を各電池ケース１９の間に取り付けている。そして、単一構造の絶縁体３１に圧力センサ２５を収容している。圧力センサ２５は、絶縁体３１を介して変形を検知する。ここで、変形とは、それぞれのリチウムイオン電池２の電池ケース１９に生ずる膨張状態のことである。圧力センサ２５は、検知した出力信号を出力する。この電池システムは、電池監視装置３２を有する。電池監視装置３２は、リチウムイオン電池２の使用開始から寿命到達時までの内圧上昇に伴う圧力センサ信号の平均値の変化のカーブ（以下、内圧上昇カーブと称する）を示すデータを性能試験等で事前に取得して格納している。 Next, the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 7, but the same parts as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted, and only differences will be described. explain. FIG. 6 is a cross-sectional view of the lithium ion battery 2 in the battery system of the second embodiment. As shown in FIG. 6, in this battery system, a single-structure insulator 31 is attached between the battery cases 19. And the pressure sensor 25 is accommodated in the insulator 31 of a single structure. The pressure sensor 25 detects deformation via the insulator 31. Here, the deformation is an expanded state generated in the battery case 19 of each lithium ion battery 2. The pressure sensor 25 outputs the detected output signal. This battery system has a battery monitoring device 32. The battery monitoring device 32 uses a performance test or the like to show a curve indicating a change in the average value of the pressure sensor signal (hereinafter referred to as an internal pressure increase curve) accompanying an increase in internal pressure from the start of use of the lithium ion battery 2 to the end of its life. Obtained and stored in advance.

図７（ａ）は、第２の実施形態の電池システムに適用する使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブのタイムチャートであり、図７（ｂ）は、センサ出力平均値のタイムチャートである。図７（ａ）に示すように、電池監視装置３２は、使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブを事前に取得している。そして、図７（ｂ）に示すように、電池監視装置３２は、図７中の左図に示すセンサ出力信号平均値Ｙの時間変化と、図７（ａ）に示した内圧上昇カーブとを逐次比較する。このとき、圧力センサ２５の出力信号は、ｙ１、ｙ２、ｙ３〜ｙＮ−２、ｙＮ−１、ｙＮである。また、電池監視装置３２は、ある時点ｔｐからのリチウムイオン電池２の寿命到達時の信号平均値Ｙを算出する。そして、電池監視装置３２は、算出した信号平均値Ｙから推定残存寿命の時点ｔｅを算出する。なお、時間ｔ＝ｔにおける推定残存寿命＝ｔｅ−ｔｐである。ここで、信号平均値Ｙは、以下の式により得ることができる。 FIG. 7A is a time chart of the internal pressure increase curve from the start of use to the end of the life applied to the battery system of the second embodiment, and FIG. 7B is a time chart of the sensor output average value. is there. As shown to Fig.7 (a), the battery monitoring apparatus 32 has acquired the internal pressure raise curve from the use start to the time of a lifetime end in advance. Then, as shown in FIG. 7 (b), the battery monitoring device 32 calculates the time variation of the sensor output signal average value Y shown in the left diagram of FIG. 7 and the internal pressure increase curve shown in FIG. 7 (a). Compare sequentially. At this time, output signals of the pressure sensor 25 are y 1 , y 2 , y 3 to y N−2 , y N−1 , and y N. The battery monitoring device 32 calculates the signal average value Y at life end of the lithium ion battery 2 from a certain time point t p. Then, the battery monitoring device 32 calculates the time t e the estimated remaining lifetime from the calculated signal mean value Y. Incidentally, it is estimated remaining life = t e -t p at time t = t. Here, the signal average value Y can be obtained by the following equation.

Figure 0005881593
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図８は、第２の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。図８に示すように、まず、圧力センサ２５の信号平均値Ｙの時間変化をモニタリングする（ステップＳ２０１）。次に、ある時点における圧力センサ２５の出力信号の平均値を算出する（ステップＳ２０２）。そして、使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブを参照して残存寿命を算出する（ステップＳ２０３）。   FIG. 8 is a flowchart for explaining the control operation of the battery system according to the second embodiment. As shown in FIG. 8, first, the time change of the signal average value Y of the pressure sensor 25 is monitored (step S201). Next, the average value of the output signal of the pressure sensor 25 at a certain time is calculated (step S202). Then, the remaining life is calculated with reference to the internal pressure increase curve from the start of use until the end of the life (step S203).

第２の実施形態の電池システムによれば、圧力センサ２５の信号平均値Ｙの時間変化をモニタリングし、この信号平均値Ｙと内圧上昇カーブデータとを比較する。これにより、この電池システムによれば、高精度でリチウムイオン電池２の残り寿命を推定することができる。また、この電池システムによれば、監視部１３により、予め求めた状態量と寿命との関係を示す基準データに基づいて状態量から寿命を求めるために、正確な寿命を得ることができる。   According to the battery system of the second embodiment, the time variation of the signal average value Y of the pressure sensor 25 is monitored, and the signal average value Y is compared with the internal pressure increase curve data. Thereby, according to this battery system, the remaining life of the lithium ion battery 2 can be estimated with high accuracy. Moreover, according to this battery system, since the monitoring unit 13 obtains the life from the state quantity based on the reference data indicating the relationship between the state quantity and the life obtained in advance, an accurate life can be obtained.

なお、本発明の電池システム、電池監視装置、及び電池監視方法は、前述した各実施形態に限定するものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。   The battery system, the battery monitoring device, and the battery monitoring method of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and appropriate modifications and improvements can be made.

１ 電池システム
２ リチウムイオン電池
５ 電池システム
１０ 電池監視装置
１１ 状態量取得部
１２ 変化量演算部
１３ 監視部
３２ 電池監視装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery system 2 Lithium ion battery 5 Battery system 10 Battery monitoring apparatus 11 State quantity acquisition part 12 Change amount calculating part 13 Monitoring part 32 Battery monitoring apparatus

Claims (5)

リチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサと、
前記圧力センサの出力信号に基づいて、前記リチウムイオン電池の異常の有無を監視する電池監視装置と
を備え、
前記電池監視装置は、
前記リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、前記圧力センサの出力信号を取得する状態量取得部と、
前記状態量取得部が取得した前記圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における前記圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算部と、
前記状態量取得部が取得した前記圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、前記変化量演算部が繰り返し算出した前記圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、前記リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視部と
を有する電池システム。 A lithium-ion battery;
A pressure sensor for detecting pressure generated by expansion of the lithium ion battery;
A battery monitoring device that monitors the presence or absence of abnormality of the lithium ion battery based on an output signal of the pressure sensor ;
The battery monitoring device includes:
A state quantity acquisition unit that acquires an output signal of the pressure sensor, as a state quantity that represents an expansion state of the lithium ion battery;
Sampling the time change of the output signal of the pressure sensor the state quantity acquisition unit has acquired, a change amount calculating unit you repeatedly calculating a change rate of the output signal of the pressure sensor in a predetermined time period,
The absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired by the state quantity acquisition unit exceeds a predetermined threshold value, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated by the change amount calculation unit is continuous. cell system that Yusuke if they exceed a certain threshold, and the determining monitoring unit abnormality to the lithium ion battery has occurred. 前記変化量演算部は、前記リチウムイオン電池に異常が生じた場合に破損に至るまでの推定時間よりも短い時間をサンプリング周期として、前記圧力センサの出力信号の平均変化率を算出するThe change amount calculation unit calculates an average rate of change of the output signal of the pressure sensor with a sampling period as a time shorter than an estimated time until damage is caused when an abnormality occurs in the lithium ion battery.
請求項１に記載の電池システム。The battery system according to claim 1. 前記監視部は、前記状態量取得部が取得した前記圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、前記変化量演算部が繰り返し算出した前記圧力センサの出力信号の変化率の平均値が特定閾値を超えると共に前記変化量演算部が算出した前記圧力センサの最新の出力信号の変化率が正の値となることが連続した場合に、前記リチウムイオン電池に異常が生じていると判定するThe monitoring unit has an absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired by the state quantity acquisition unit exceeding a predetermined threshold, and an average of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated by the change amount calculation unit When the value exceeds a specific threshold and the change rate of the latest output signal of the pressure sensor calculated by the change amount calculation unit is continuously a positive value, an abnormality has occurred in the lithium ion battery. judge
請求項１又は２に記載の電池システム。The battery system according to claim 1 or 2. リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、前記リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサの出力信号を取得する状態量取得部と、
前記状態量取得部が取得した前記圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における前記圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算部と、
前記状態量取得部が取得した前記圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、前記変化量演算部が繰り返し算出した前記圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、前記リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視部と
を備える電池監視装置。 A state quantity acquisition unit that acquires an output signal of a pressure sensor that detects a pressure generated by expansion of the lithium ion battery, as a state quantity representing an expansion state of the lithium ion battery ;
Sampling the time change of the output signal of the pressure sensor the state quantity acquisition unit has acquired, a change amount calculating unit you repeatedly calculating a change rate of the output signal of the pressure sensor in a predetermined time period,
The absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired by the state quantity acquisition unit exceeds a predetermined threshold value, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated by the change amount calculation unit is continuous. A battery monitoring device comprising: a monitoring unit that determines that an abnormality has occurred in the lithium ion battery when a specific threshold value is exceeded . リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量として、前記リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検知する圧力センサの出力信号を取得する状態量取得段階と、
前記状態量取得段階において取得された前記圧力センサの出力信号の時間変化をサンプリングし、所定時間内における前記圧力センサの出力信号の変化率を繰り返し算出する変化量演算段階と、
前記状態量取得段階において取得された前記圧力センサの出力信号の絶対値が所定閾値を超えており、前記変化量演算段階において繰り返し算出された前記圧力センサの出力信号の変化率の平均値が連続して特定閾値を超えている場合に、前記リチウムイオン電池に異常が生じていると判定する監視段階と
を含む電池監視方法。 A state quantity acquisition step of acquiring an output signal of a pressure sensor that detects a pressure generated by the expansion of the lithium ion battery as a state quantity representing an expansion state of the lithium ion battery ;
Sampling the time change of the output signal of the pressure sensor acquired in the state quantity acquisition step, and a change amount calculation step of repeatedly calculating the rate of change of the output signal of the pressure sensor within a predetermined time;
The absolute value of the output signal of the pressure sensor acquired in the state quantity acquisition step exceeds a predetermined threshold value, and the average value of the rate of change of the output signal of the pressure sensor repeatedly calculated in the change amount calculation step is continuous. and if it exceeds the specified threshold value, the a determines the monitoring phase and the including battery monitoring method abnormality in lithium ion batteries has occurred.
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