JP6364127B2 - 蓄電池アレーの故障診断装置および故障診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電池アレーの故障診断技術に関する。

リチウムイオン二次電池（以下、「蓄電池」という）は、エネルギ密度が高い特徴を活かして、情報通信機器用電源および家庭用電源として開発されてきた。現在では、特に携帯端末の電源として広く普及している。さらに、地球温暖化対策や化石燃料代替の観点から、ハイブリッド自動車および電気自動車用電源、スマートグリッド用の負荷平準用蓄電池や医療現場での無停電電源装置などとして期待されている。リチウムイオン二次電池の適用範囲が広がるにつれて、安全性の確保が強く求められるようになってきた。

蓄電池は、正極にリチウムとコバルトまたはニッケルまたはマンガンなどとの複合酸化物が用いられ、負極には炭素系材料が用いられている。図９に蓄電池の簡単な原理図を示す。充電時にはリチウムイオンが、リチウムの複合酸化物から生成され、正極から負極に向けて移動し、負極の炭素原子間に吸蔵される。一方放電時は、負極に吸蔵されていたリチウムイオンが負極から放出され、正極に向けて移動し、再び複合酸化物に吸蔵される。こうして蓄電池は、正極および負極でのリチウムイオンの放出と吸蔵により、充放電動作を行う。例として、リチウムコバルト酸化物を用いた蓄電池で以下の反応式が挙げられる。なお、右側へ向かう反応が充電時、左側へ向かう反応が放電時を表す。
正極での反応：ＬｉＣｏＯ_２ ⇔ Ｌｉ_１−ｘＣｏＯ_２＋ｘＬｉ^＋＋ｘｅ⁻
負極での反応：ｘＬｉ^＋＋ｘｅ⁻＋Ｃ_６ ⇔ Ｌｉ_ｘＣ_６

蓄電池の電池容量は、充放電動作で吸蔵、放出できるリチウムイオンの量、つまり、電池を構成する電極の大きさで決まる。この容量を超える電荷を充放電すると各電極にて過剰のリチウムイオンを吸蔵、放出することになる。各電極で不可逆変化を起こし、充放電動作ができなくなる。例えば、過放電の場合は以下の式の不可逆的な反応がおき、
過放電による分解：Ｌｉ_２Ｏ＋ＣｏＯ ← ＬｉＣｏＯ_２＋Ｌｉ^＋＋ｅ⁻
過充電の場合は以下の式で表される不可逆反応がおき、
過充電による分解：ＬｉＣｏＯ_２ → ＣｏＯ_２＋Ｌｉ^＋＋ｅ⁻
正極が分解し元に戻らない。
さらに蓄電池は充放電動作に関して、正常に動作する領域と発熱や爆発などの危険な領域が隣接している。具体的には、電池の容量に対してより過充放電を行うと、発熱や爆発の危険性がある。これは、過充放電により、上述の電極における不可逆的な析出物の生成が原因である。
このため、蓄電池は定格容量を超える充放電は制限され、さらに上記発熱を防ぐため、個々の電池には電流センサ、電圧センサおよび温度センサが取り付けられている。

蓄電池は、その充電状況（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に応じて電圧に変化が生じ、また過充放電の異常事態では温度上昇がおきる。このため、個々の電池の電圧、電流および温度を監視することで電池の健全性を監視することができる。しかし、図１０に示すような大規模な蓄電池システムでは、数１００から数１０００の複数の電池が直並列された構成をとっている為、上述の監視システムも階層的かつ大規模なものとなる。この監視システムの例を図１０に示す。数−数１０単位の電池を直並列に接続して１個の蓄電池モジュール１０１０が構成される。この段階で個々の電池に対し電圧、電流、温度をモジュールレベル監視装置１００１で監視し、モジュールごとに結果が集約される。さらにこのモジュールを数−数１０個組み合わせた蓄電池パック１０２０を構成し、構成要素である個々のモジュールの情報をパック単位で集約して、パックレベル監視装置１００２で監視する。蓄電システムはさらにこの蓄電池パックを複数個接続し、蓄電池ブロック１０３０として構成し、ブロック単位で集約してブロックレベル監視装置１００３で監視する。図において、符号１０４０はインバータ装置を表し、符号１０５０は故障表示モニタを表す。

従来の電池監視技術は、個々の電池に電圧センサ、電流センサおよび温度センサを取り付ける必要がある。システム全体から見ると、電池の数は数１００個以上と膨大なものであり、センサの数も同様となる。さらに電池の配置が三次元的であればセンサの配置も同様となる。個々のセンサが正常かどうかの確認や故障した場合のメンテナンスが困難なものとなる。またセンサが故障すると監視システムを停止せざるを得なくなり、センサの個数が増加するとそのシステムの障害の確率も増加する。

また、監視システムがモジュール、パック、さらにブロックと階層構造になっており、その層ごとの集約機能と層間での通信が必要となる。このため、各センサからの情報を集約する部分さらに通信部分での故障が監視システムの障害の頻度を上げることになり、システム全体の信頼性を低下させることになる。

また、特許文献１にあるような簡易な診断方法が提案されているが、これは、複数の蓄電池を直並列に接続した蓄電池アレーの端電圧と電流を計測し、正常な場合と現状の電池アレーの静電容量の違いから、現状の蓄電池の異常を検出する機能のみの提供となる。

特開２０１４−８１２５８号公報

本発明の目的は、個々の電池に取り付けられたセンサや複雑に階層化された監視システムを用いることなく、複数の蓄電池を直並列に接続した蓄電池アレーの端電圧と電流を計測するのみで蓄電池を監視し、最低限、並列に接続されている蓄電池の最小の正常電池数、言い換えると最大故障数を推定し、蓄電池アレーの有効な容量を求めることで過充放電を防止する診断システムを提供することにある。本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

上記課題を解決するために、本発明の代表的な「蓄電池アレーの故障診断装置」の一つは、インバータ装置に接続された蓄電池アレーの故障診断装置であって、前記蓄電池アレーの端電圧を計測する電圧センサと、前記蓄電池アレーに流れる電流を計測する電流センサと、前記電流センサで検出した電流情報を積算して電荷量を求める積算器と、前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求め、当該電荷量から断線した故障電池の並列における最大数を推定する故障数推定部とを備えるものである。

また、本発明の代表的な「蓄電池アレーの故障診断方法」の一つは、インバータ装置に接続された蓄電池アレーの故障診断方法であって、前記蓄電池アレーの端電圧を計測するステップと、前記蓄電池アレーに流れる電流を積算して電荷量を計測するステップと、前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求めるステップと、前記求めた電荷量から、断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップと、を備えるものである。

本発明によれば、インバータの制御で使用する電圧センサと電流センサを用いて、個々の蓄電池にセンサを取り付けることなく、蓄電池アレー全体での並列モジュール内の正常電池の最小個数、言い換えると最大故障数が推定できる。さらに、蓄電池アレーの有効な容量がわかり、過充放電を防止する制御ができる。

本発明の第１の実施例における蓄電池アレーの故障診断装置の構成図。 本発明の第１の実施例における故障数推定部の構成図。 本発明の第１の実施例における故障数推定部の記録部の構成図。 本発明の第１の実施例の説明に使用する蓄電池アレーの構成図。 蓄電池アレーの故障パターンを示す表。 蓄電池アレーの正常な電池の最小並列数を示す表。 蓄電池アレーの放電電荷量に対する電圧特性図。 蓄電池アレーの放電電荷量に対するｄＶ／ｄＱの特性図。 蓄電池アレーの放電電荷量するｄ^２Ｖ／ｄＱ^２の特性図。 本発明の第２の実施例における蓄電池アレーの故障診断装置の構成図。 リチウムイオン二次電池の原理を説明する図。 従来の蓄電池の監視システムを説明する図。 本発明の第５の実施例における初期化プログラムのフローチャート図。 本発明の第５の実施例における初回実行プログラムのフローチャート図。 本発明の第５の実施例における故障検出プログラムのフローチャート図。 本発明の第６の実施例における故障検出プログラムのフローチャート図。 本発明の第７の実施例における故障検出プログラムのフローチャート図。

以下に、本発明を実施例により説明する。この実施例は本発明を用いた一例であり、本発明は本実施例により限定されるものではない。

本発明の第１の実施例を、図１、図２を用いて説明する。まず、図１に、本発明のリチウムイオン二次電池（以下、「蓄電池」という）を直並列して構成したリチウムイオン二次電池アレー１０２（以下、「蓄電池アレー」という）と充放電制御を行うインバータ装置１０３の接続の様子を示す。

蓄電池アレー１０２は、電池１００をＮ個並列に接続したリチウムイオン二次電池並列モジュール１０１（以下、「並列モジュール」という）をＭ個直列に接続することで構成される。一方、インバータ装置は、蓄電池アレーの端電圧を計測するための電圧センサ１１２および蓄電池アレーに流れる電流を計測するための電流センサ１１１を有する。またインバータ装置は、系統に接続し蓄電池アレーを充放電するための主回路１１３、リアクトル１１４、トランス１１５、交流電圧センサ１１６、交流電流センサ１１７および運転制御部１２０で構成される。さらにインバータ装置１０３は、電流センサ１１１からの電流情報を積算して電荷量情報に変換する積算器１３１と、積算器からの電荷量情報と電圧センサ１１２からの電圧情報および蓄電池アレー情報記憶部１３４に前もって記録された定格容量と並列数をもとに、蓄電池アレー１０２を構成する並列モジュールの中に含まれる正常な電池の最小個数、言い換えると最大故障数を推定する故障数推定部１３２と、正常電池の最小数／最大故障数を表示する表示パネル１３３で構成される故障検出部１３０を含む。インバータ装置１０３への充放電指令は操作パネルや上位制御に相当する装置（ここでは上位制御）１０４から行う。この装置に、正常電池の最小数／最大故障数や定格容量を合わせて、現状の有効容量を表示させることもできる。

さらに、上位制御１０４に有効容量の情報を与えた上で、充放電動作において定格容量に達していなくても、有効容量を超過したことで動作に制限をかけることもできる。

故障数推定部１３２の構成を図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２Ａに示すように故障数推定部は、２つの微分ブロック２０１_１，２０１_２と極値判定ブロック２０２、記録部２０３および故障数判定部２０４から構成される。ここで、２つの微分ブロック２０１_１，２０１_２と極値判定ブロック２０２とで変曲点検出部２００を構成する。充放電動作をする際に電荷量（Ｑ）に対する電荷差分と電圧差分の比（ΔＶ／ΔＱ）を微分ブロック２０１_１にて計算し求める。その比（ΔＶ／ΔＱ）の曲率が変化する、つまり変化が平坦（もしくは変化が揺るやか）になる電荷量Ｑ_Ｋをもとめるため、微分ブロック２０１_２にてΔＶ／ΔＱをさらに電荷量で微分したΔ^２Ｖ／ΔＱ^２を求め、極値判定部２０２にて極小値かどうかを検出し、極小値を取る際の電荷量を記録部２０３にてその際の電荷量をＱ_ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・）として記憶する。その電荷量と序数および定格容量を用いて、故障数判定部２０４は以下の手順で電池アレー内の並列モジュールの故障電池数を出力する。

記録部２０３の例を図２Ｂに示す。記録部２０３は２つの記録テーブル２２１、２２２をもち、充放電指令に従い記録を充電動作と放電動作で使い分けるように構成される。入力された電荷量はスイッチ２０５によりフラグの極値判定の結果が真であると、後段の切り替え部２０６に伝達され、充放電指令により、テーブル２２１もしくはテーブル２２２に振り分けられる。フラグが真になった回数だけＫ値が増加し、各テーブルに順次記録される。

故障数判定部２０４は記録部２０３の記録テーブルをもとに、以下の計算で故障数を判定する。たとえば、すべての正常な電池が装着されている初期段階において、充放電動作を行い上記一連の電荷量（Ｑ_０Ｋ；ｋ＝０、１、２、・・Ｉ）を放電動作用の記録テーブル２２１に記録する。その上限は電池アレーの定格容量Ｑ_ＮＯＭである。何回か電池アレーを運用したあとに、現状の電池アレーの電池の故障数を判定するために、初期値のうち記録した電荷量定格電池容量Ｑ_０Ｉと現状の放電で記録した電荷量の最大値の比（α＝ｍａｘ（Ｑ_Ｋ；０≦ｋ≦Ｉ）／Ｑ_０Ｉ）を求め、その比αから電池アレーを構成する並列モジュールの正常な電池の最小個数（［α×Ｎ］）もしくは故障した電池の最大数［（１−α）×Ｎ］を出力する。

検出ブロックの故障数を推定する原理を図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５，図６および図７を用いて説明する。図３は説明に使用する電池アレー３０２を示す。この電池アレーは、電池１００、３個を並列接続して構成する並列モジュール３０１を２個直列接続して構成される。一般に電池アレーの定格容量は、電池アレーを構成する並列モジュール内の並列数Ｎで決まり、全並列モジュールにおける電池の並列数はすべてＮに設定される。しかし、故障（断線）した電池を含む数電池アレーにおいては、電池アレーを構成する複数の並列モジュールのなかで並列数が最も少ない正常な電池数が電池アレーの実質的な容量となる。たとえば、電池アレー３０２のなかで並列モジュール３０１_１の電池１個が故障した場合は、同並列モジュールの正常電池数は２個、電池アレー全体でも電池容量は２個分となる。また、並列モジュール３０１_１の電池が２個故障し、並列モジュール３０１_２の電池が１個故障した場合は、並列モジュール３０１_１の正常な電池数は１個、並列モジュール３０１_２の正常な電池数は２個となるが、アレー全体では正常な電池数がより少ない並列モジュール３０１_１の１個分が実質的な容量となる。この状態で電池容量２個分の充放電を実施すると、並列モジュール３０１_１の正常な電池に対して過充放電な状態となり、この残存する正常な電池は急激に劣化する。この劣化を最小限に抑えるにはこの減少した容量の中で充放電制御を行う必要があり、アレー全体での実質的な電池容量、言い換えると並列モジュール内の電池の最大故障数を早急に検出する必要がある。

個々の電池では、ある電荷量での電池端電圧の大きさを監視することで、電池の故障を把握することができる。しかし、複数の電池を直並列して構成される電池アレーの場合、その端電圧の監視では故障を検出することは困難である。図５に、電池アレーを一定電流で放電させた場合の電圧特性を示す。ここでは、図４Ａで示す６つの故障パターンを作成し、それぞれについての電圧特性を同図に示す。各並列モジュールの正常な電池数とアレー全体での有効な電池数を図４Ｂに合わせて示す。電池を直並列に接続した二次電池アレーの場合も、例えば電池１個あたりの定格容量２０００Ｃとして、判別の電圧を６Ｖとすると、おおむね故障数に依存した電圧降下曲線を描く。しかし、故障パターン１のように実際には２個故障しているにもかかわらず、すべて正常なパターンＲＥＦと故障パターン２の中間を取り、故障数は曖昧になるものがある。６Ｖに到達した際、故障パターン１では、５０００Ｃ放電してしまい、故障していない他の電池に対して過放電を防ぐことができない。これは、故障した電池が電池アレーのどの位置に配置されていたかにより、電池間の接続抵抗や故障した電池から電池アレーの両端にいたるまでに経由する電池の内部抵抗の総和が異なるためである。抵抗の総和が異なると、それにともなう電圧降下も異なってくる。このため、故障した電池が電池アレーのどの位置に配置されているかにより、アレーの端電圧での電圧降下がばらついてくる。このため、単純に端電圧の電圧降下だけで故障数を検出することは困難といえる。同様のことは、並列モジュール内での電池故障数が２個の場合を含んでいる故障パターン３と故障パターン５でも起こりえる。

そこで、電池アレーの端電圧Ｖの代わりにｄＶ／ｄＱを評価することとした。図６に、先述の図４Ａに示す６つの故障パターンに対し、それぞれについて電池アレーを一定電流で放電させた場合の−ｄＶ／ｄＱ特性を示す。各故障パターンにおいてｄＶ／ｄＱ特性の変化が緩慢になる領域は、リチウムイオン二次電池において負極（カーボン電極）からリチウムイオンが抜けるデインターカレーションによって電極の構造が変化している最中であることを示す。一個の電池単体を放電し、放電電荷量Ｑに対しｄＶ／ｄＱ特性を計測するとこのデインターカレーションによる平坦な状態が数回起きる。ここで、このデインターカレーション状態の際の電荷量をデインターカレーションポイント（小さいものから順にＱ_単体ｋ；ｋ＝１、２、…）と呼ぶことにする。図７はデインターカレーションポイントを見つけるためにｄＶ／ｄＱの変化が緩慢になる部分をより強調する目的でさらに電荷量で微分したｄ^２Ｖ／ｄＱ^２特性を示す。図６と比較して、図７では平坦部ではなく極小値をとる領域の電荷量がデインターカレーションポイントとなる。

電池アレーが全て同じ種類かつ正常な電池で構成されていれば、１個の健全な電池単体の特性を電荷量方向に並列数だけ等倍した特性となり、デインターカレーションポイントも並列数Ｎだけ等倍される（小さいものから順に、Ｑ_{健全アレーｋ}＝Ｎ×Ｑ_{健全単体ｋ}；ｋ＝１、２、…）。定格容量Ｑ_ＮＯＭで放電動作をすれば、これに対応するデインターカレーションポイントＱ_{健全アレーＩ}が定まる。つまり以下の式が成立する。
Ｑ_ＮＯＭ＝β×Ｎ×Ｑ_{健全単体Ｉ} （１）
ここで、Ｉは記録すべきデインターカレーションポイントの最大数、βは、定格容量と最終デインターカレーションの対応比で１に近い値である。

しかし、故障（断線）した電池を含む電池アレーの場合は、そのｄ^２Ｖ／ｄＱ^２特性のデインターカレーションポイントが変化する。具体的には、故障した電池を含む並列モジュールのｄ^２Ｖ／ｄＱ^２特性には、残存する正常な電池数Ｎ´で定まる電荷量でデインターカレーションポイント（Ｑ_{故障モジュールｋ}＝Ｎ´×Ｑ_{健全単体ｋ}；ｋ＝１、２、…、Ｎ´＜Ｎ）が現れる。このため、電池アレーの端電圧から放電電荷量Ｑに対するｄＶ／ｄＱ特性を評価すると、健全な場合と比較してより小さいデインターカレーションポイント（Ｑ_{故障アレーｋ}＝Ｎ´×Ｑ_{健全単体ｋ}；ｋ＝１、２、…、Ｎ´＜Ｎ）が現れる。

よって、正常な電池で充放電動作をさせたときのデインターカレーションポイントの最大個数Ｉを求めておけば、もともとの並列数Ｎと残存する正常な電池数Ｎ´の関係は以下の式であらわされ、それらの比を算出することができる。
Ｎ´／Ｎ＝Ｎ´×Ｑ_{単体健全Ｉ}／Ｎ×Ｑ_{単体健全Ｉ}
＝Ｑ_{故障アレーＩ}／Ｑ_{健全アレーＩ} （２）

このデインターカレーションポイントの変化は電池間の接続抵抗や電池の内部抵抗の影響を受けない。このため、故障した電池の位置に依存せずに、故障した電池を有する並列モジュールの正常電池数が把握可能となる。

さらに複数の並列モジュールで故障した電池が存在した場合には、それぞれの並列モジュールの正常な電池の数をＮ´_１，Ｎ´_２，・・・とすると、それぞれの並列モジュールのｄＶ／ｄＱ特性のデインターカレーションポイントは（Ｑ_ｌｋ＝Ｎ´_ｌ×Ｑ_単体ｋ；ｌ＝１，２，…、Ｋ＝１，２，…）となる。アレー全体のｄＶ／ｄＱ特性においては、残存する正常な電池数のもっとも少ない並列モジュールのｄＶ／ｄＱ特性デインターカレーションポイント（Ｑ_ｌｋ＝ｍｉｎ（Ｎ´_ｌ；ｌ＝１，２、…）×Ｑ_単体ｋ；Ｋ＝１，２、…）がそのまま電池アレーのデインターカレーションポイントとして現われる。電池アレーの放電動作において、ｄＶ／ｄＱもしくはｄ^２Ｖ／ｄＱ^２を評価し、デインターカレーションポイントを記録することで、電池アレーの並列モジュール内の正常な電池の最小数を把握できる。
Ｑ_{故障アレーＩ}／Ｑ_{健全アレーＩ}＝ｍｉｎ（Ｎ´_ｌ；Ｉ＝１，２，…）／Ｎ （３）

以上のことから、定格容量と電池のデインターカレーションポイントの最大序数Ｉと現状の放電動作でデインターカレーションポイントを記録することで、電池アレーを構成する並列モジュール内の正常な電池の最小数を算出できる。言い換えると、最大故障数がわかる。

図４Ｂと図６もしくは図７を対比させても明らかなように、放電動作でのｄＶ／ｄＱ特性の平坦部もしくはｄ^２Ｖ／ｄＱ^２特性の極小値を示すデインターカレーションポイントはそれぞれの故障パターンの正常な電池数と一致する。逆に言うと、故障した電池の位置に関わらず最大故障数のみを反映している。

充電動作の場合にも、リチウムイオン二次電池において負極（カーボン電極）へリチウムイオンが入り込むインターカレーションがおき電極の構造が変化するため、充電電化量Ｑに対して、ｄＶ／ｄＱを計測すると変化が緩慢になる領域が出てくる。このため、放電時と同様の方法を適用し、ｄＶ／ｄＱやｄ^２Ｖ／ｄ^２Ｑを計測しインターカレーションポイントを記録することで、並列モジュール内にある最小の正常電池数つまり最大故障数を算出することができる。

実際のインバータ装置では離散的な電圧信号や電流信号を扱うので、微分値として、差分値ΔＶ／ΔＱもしくはΔ^２Ｖ／ΔＱ^２を評価することになる。また、実際には電圧センサや電流センサの誤差が含まれるので、デインターカレーションポイントと定格容量値の比に最も近い整数を故障数とする。

本実施例によれば、インバータの制御で使用する電圧センサと電流センサを用いて、個々の蓄電池にセンサを取り付けることなく、蓄電池アレー全体での並列モジュール内の正常電池の最小個数、言い換えると最大故障数を推定できる。さらに、蓄電池アレーの有効な容量がわかり、過充放電を防止する制御ができる。

本発明の第２の実施例について説明する。この実施例は、図１で示すインバータ装置の図２Ａで示す故障数推定部１３２の記録部２０３において、最大序数Ｉのデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントが記録された段階で、故障数を計算する前に電池の故障を示すアラームをあげることを特徴とする。このアラームを上位制御１０４に充放電中止命令として入力する。

実施例１で説明したとおり、すべて正常な電池で構成された初期の充放電動作で、使用する蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントと最大序数Ｉが明らかになる。記録の過程において、最大序数Ｉとなるところがその蓄電池の容量的な限界とみなすことができる。現行の充放電動作においても、使用する蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントの最大序数Ｉとなる部分がその電池アレーの限界となる。

本実施例によれば、蓄電池アレーの並列モジュールの正常な電池の最小個数を求めなくても、放電量の限界値を示し、放電動作を止めることにより、残存する正常電池の過放電を防止できる。なお、充電動作も同様に説明できる。

本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、図１で示すインバータ装置の図２Ａで示す故障数推定部１３２の記録部２０３において、序数Ｋ（１＜Ｋ＜Ｉ）のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントが記録された段階で、次のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントを計算し、最大序数Ｉに達する前に正常電池の最小数、言い換えると最大故障数を予測する。

実施例１で説明したとおり、すべて正常な電池で構成された初期の充放電動作で、使用する蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントと最大序数Ｉが明らかになる。隣接するデインターカレーションポイントの比は、現行の充放電動作においても、同様である。よって、現行の充放電動作で得られる蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントの一部と初期の隣接するデインターカレーションポイントの比を用いて、現行の充放電動作で得られる蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントの残りのポイントが予測できる。

本実施例によれば、すべて正常な電池で構成された初期の充放電動作で、使用する蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントと最大序数Ｉが明らかにしておけば、現行の充放電動作を一部行うだけで、電池アレーを構成する並列モジュール内の正常な電池の最小数を算出できる。言い換えると、最大故障数がわかる。

本発明の第４の実施例について図８を用いて説明する。本実施例は、図１で示すインバータ装置の電流センサ１１１から得られる電流情報のかわりに、交流電流センサ１１６と交流電圧センサ１１７から得られる交流電流および交流電圧を用いて電力計算部８０１にて有効電力を計算し、そこから直流電圧で除することで直流電流を求めるものである。直流電流を求めたあとの故障数検出方法は実施例１と同様である。

本実施例によれば、第一に直流電流センサ１１１を省略できることである。第２に電流の検出精度が高いこと、特に計測した電流値の経時変化が小さいことである。直流電流センサ１１１はホール効果を利用して検出する方式が主である。この効果は温度の影響を受けやすいので、逐次校正をしないと、経時変化が生じ正確な電流が計測できない。一方、交流電流センサ１１７は電磁誘導を利用するので、温度の影響を受けない。経時変化も小さく校正も不要である。故障数検出では、微妙な電流の変化を利用するので、それに使う電流情報は経時変化の小さい高精度なセンサからの情報を利用するのが望ましい。本実施例は、その要求に沿ってなされるものである。

実施例１では正常な電池の最小数の算出を、図２Ａおよび図２Ｂで示した制御ブロックで構成して実現したが、マイコンによるシーケンシャルなプログラム処理でも実装が可能である。実施例１の故障検出部１３０に相当するプログラムのフローチャートを図１１乃至図１２Ｂに示し、本実施例を説明する。

蓄電池アレーの端電圧および蓄電池アレーを流れる電流をそれぞれ電圧センサ１１２および電流センサ１１１から得、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）で読み出し、マイコン（図示せず）に入力する。ここからの動作は初期化プログラム１１０１、初回実行プログラム１２０１および故障検出プログラム１２０２を搭載したマイコンが実施する。

この初期化プログラム１１０１はインバータの動作開始時にのみ実行され、以下のフローを実施しメインに戻る。初期化プログラムは、接続される蓄電池の定格容量値Ｑ_ＮＯＭと並列モジュール内の電池並列数Ｎをそれぞれ設定する（Ｓ０１）。ついで、故障検出プログラムで使用する積算電荷量Ｑ（０）を０に初期化する（Ｓ０２）。

初回実行プログラム１２０１および故障検出プログラム１２０２の構成はほぼ同じである。初回実行プログラム１２０１はすべて健全な蓄電池で構成された蓄電池アレーを初回充放電する際に実行されるのに対し、故障検出プログラム１２０２は初回実行プログラムで一通り充放電が終わった後、通常の充放電動作で実行される。初回実行プログラムおよび故障検出プログラムは、インバータメインプログラムからタイマ割り込みなどによって定期的（数ｍ〜数１００ｍｓ間隔）で呼び出され、以下のフローを実行し、メインに戻る。

初回実行プログラム１２０１は、まず、ｎ回目（ｎ≧１）の呼び出しで得られた電流をこれまでの積算値すなわち電荷量Ｑ（ｎ−１）に加え、新しい電荷量Ｑ（ｎ）とする（Ｓ０３）。得られた電圧Ｖ（ｎ）を積算した電荷量Ｑ（ｎ）で２回微分（Δ^２Ｖ（ｎ）／ΔＱ（ｎ）^２）する（Ｓ０４）。前回微分値との差分をとり、増減状況から極小値を検出する（Ｓ０５〜Ｓ０７）。その際の運転状況、つまり充電動作もしくは放電動作に応じて（Ｓ０８）、電荷量Ｑ（ｎ）をそれぞれデインターカレーション初回配列とインターカレーション初回配列に記録する（Ｓ０９、Ｓ１１）。その際、序数ｋを１だけ増加させる（Ｓ１０，Ｓ１２）。一般的なインバータ装置であれば、定格容量になると充放電動作を終えるので、必要十分なデインターカレーションポイントやインターカレーションポイントが記録されることとなる。または、定格容量値と比較して充放電終了したことを発信するステージを設けてもよい。

故障検出プログラム１２０２は、初回実行プログラム１２０１と同様にデインターカレーションポイントとインターカレーションポイントを記録してゆく。ただし、格納する配列が異なり、初回配列ではなく現行配列となる（Ｓ２９、Ｓ３０）。最大序数を迎えたとき（Ｓ３３）に初回実行配列と現行配列の電荷量を比較して、大きく異なる場合（Ｓ３４）は、その比に並列数を乗じ、より近い整数を算出する（Ｓ３５）。比較の目安は、故障した電池１個分の容量とする。これが、並列モジュール内に存在する正常電池数の最小のケースとなる。この正常数または、故障数をメインプログラムに発信するか戻り値としてメインに戻る。

本実施例によれば、実施例1と同様に、インバータの制御で使用する電圧センサと電流センサを用いて、個々の蓄電池にセンサを取り付けることなく、蓄電池アレー全体での並列モジュール内の正常電池の最小個数、言い換えると最大故障数を推定できる。さらに、蓄電池アレーの有効な容量がわかり、過充放電を防止する制御ができる。

実施例２では充放電動作で最大序数Ｉを迎えた時点で動作を中止する構成を示したが、マイコンによるシーケンシャルなプログラム処理でも実装が可能である。実施例２の故障検出部１３０に相当するプログラムのフローチャートを図１３に示し本実施例を説明する。初期化プログラム、初回実行プログラムは実施例５と同様であるので省略する。ただし、最大序数Ｉは初回実行プログラムで求められているものとする。

図１３に故障検出プログラム１３０２のフローを示す。ｎ回目（ｎ≧１）の呼び出しで得られた電流をこれまでの積算値すなわち電荷量Ｑ（ｎ−１）に加え、新しい電荷量Ｑ（ｎ）とする（Ｓ２３）。得られた電圧Ｖ（ｎ）を積算した電荷量Ｑ（ｎ）で２回微分（Δ^２Ｖ（ｎ）／ΔＱ（ｎ）^２）する（Ｓ２４）。前回微分値との差分をとり、増減状況から極小値を検出する（Ｓ２５〜Ｓ２７）。その際の運転状況、つまり充電動作もしくは放電動作に応じて（Ｓ２８）、電荷量Ｑ（ｎ）をそれぞれデインターカレーションとインターカレーションの場合に分けて、序数を１だけ増加させる（Ｓ３０，Ｓ３２）。この際、現行配列への記録はあっても良いし、しなくてもかまわない（Ｓ２９とＳ３１）。この序数が、初回実行プログラムで得られた最大序数Ｉと比較して（Ｓ３３）同等となった場合に、動作を中断するサインをメインプログラムに発信（Ｓ３５）して戻る。同時に正常電池数を計算してもよい（Ｓ３４）。

本実施例によれば、実施例２と同様に、蓄電池アレーの並列モジュールの正常な電池の最小個数を求めなくても、放電量の限界値を示し、放電動作を止めることにより、残存する正常電池の過放電或いは過充電を防止できる。

実施例３では充放電動作の途中で正常電池数の推定を行い、最大序数Ｉを迎えた時点で動作を中止する構成を示したが、マイコンによるシーケンシャルなプログラム処理でも実装が可能である。実施例３の故障検出部１３０に相当するプログラムのフローチャートを図１４に示し、本実施例を説明する。初期化プログラム、初回実行プログラムは実施例５と同様であるので省略する。

故障検出プログラム１４０２は、初回実行プログラムと同様にデインターカレーションポイントとインターカレーションポイントを記録してゆく。ただし、格納する配列が異なり、初回配列ではなく現行配列となる。さらに同じ序数での初回実行配列と現行配列の電荷量を比較して（Ｓ３３）、大きく異なる場合は、その比に並列数を乗じより近い整数を算出する（Ｓ３４）。比較の目安は、故障した電池１個分の容量とする。これが、並列モジュール内に存在する正常電池数の最小のケースとなる。この正常数または、故障数をメインプログラムに発信するか戻り値としてメインプログラムに戻る。

本実施例によれば、実施例３と同様に、すべて正常な電池で構成された初期の充放電動作で、使用する蓄電池のデインターカレーションポイント／インターカレーションポイントと最大序数Ｉを明らかにしておけば、現行の充放電動作を一部行うだけで、電池アレーを構成する並列モジュール内の正常な電池の最小数を算出できる。

１００：リチウムイオン二次電池、１０１：リチウムイオン二次電池並列モジュール、１０２：リチウムイオン二次電池アレー、１０３：インバータ装置、１０４：上位制御装置、１１１：電流センサ、１１２：電圧センサ、１１３：主回路、１１４：リアクトル、１１５：トランス、１１６：交流電圧センサ、１１７：交流電流センサ、１２０：運転制御部、１３０：故障検出部、１３１：積算器、１３２：故障数推定部、１３３：表示パネル、１３４：電池アレー情報記憶部、２００：変曲点検出部、２０１：微分ブロック、２０２：極値判定ブロック、２０３：記録部、２０４：故障数判定部、２０５：スイッチ、２０６：切り換えブロック、２２１：記録用テーブル、２２２：記録用テーブル、３０１：リチウムイオン二次電池並列モジュール、３０２：リチウムイオン二次電池アレー、８０１：電力計算部、８０２：直流電流算出部、１００１：モジュールレベル監視装置、１００２：パックレベル監視装置、１００３：ブロックレベル監視装置、１０１０：蓄電池モジュール、１０２０：蓄電池パック、１０３０：蓄電池ブロック、１０４０：インバータ装置、１０５０：故障表示モニタ、１１０１：初期化プログラム、１２０１：初回実行プログラム、１２０２：故障検出プログラム、１３０２：故障検出プログラム、１４０２：故障検出プログラム。

Claims (15)

1. インバータ装置に接続された蓄電池アレーの故障診断装置であって、
   前記蓄電池アレーの端電圧を計測する電圧センサと、
   前記蓄電池アレーに流れる電流を計測する電流センサと、
   前記電流センサで検出した電流情報を積算して電荷量を求める積算器と、
   前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求め、当該電荷量から断線した故障電池の並列における最大数を推定する故障数推定部と
   を備える蓄電池アレーの故障診断装置。
2. 請求項１に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記蓄電池アレーに流れる電流を計測する電流センサに代えて、
   インバータ装置の交流電流センサと交流電圧センサから得られる交流電流および交流電圧を用いて有効電力を計算する電力計算部と、
   前記有効電力を前記電圧センサからの電圧情報で除することにより直流電流を求める直流電流算出部と、
   を備える蓄電池アレーの故障診断装置。
3. 請求項１に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記故障数推定部は、
   前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求めて順次記録し、記録した電荷量の最大値と定格電荷量とを比較し、断線した故障電池の並列における最大数を推定する蓄電池アレーの故障診断装置。
4. 請求項１に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記故障数推定部は、
   前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求めて順次記録し、記録したある電荷量の定数倍と定格電荷量とを比較し、断線した故障電池の並列における最大数を推定する蓄電池アレーの故障診断装置。
5. 請求項４に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記定数は、正常な電池が接続されている初期運転時に電荷量で充放電スキャンして、前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求めて順次記録し、記録した電荷量間の比から選択する蓄電池アレーの故障診断装置。
6. 請求項３に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記故障数推定部は、端電圧を電荷量で微分した値の変化が緩慢となる前記電荷量、或いは、端電圧を電荷量で２回微分した値が極小値をとる前記電荷量の最大序数Ｉを記録した時、アラームを出す蓄電池アレーの故障診断装置。
7. 請求項４に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記故障数推定部は、前記端電圧を電荷量で微分した値の変化が緩慢となる前記電荷量、或いは、端電圧を電荷量で２回微分した値が極小値をとる前記電荷量の序数Ｋ（１＜Ｋ＜Ｉ）を記録した時、次の前記電荷量を計算し、断線した故障電池の並列における最大数を推定する蓄電池アレーの故障診断装置。
8. 請求項１に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記故障数推定部は、
   前記電圧センサからの電圧情報Ｖと前記積算器からの電荷量情報Ｑとの微分ｄＶ／ｄＱの変曲点を検出する変曲点検出部と、
   前記ｄＶ／ｄＱの変曲点と、前記蓄電池アレーの定格容量と蓄電池の並列数とから、故障した電池の最大個数を求める故障判定部と
   を備える蓄電池アレーの故障診断装置。
9. 請求項８に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
   前記変曲点検出部は、
   ｄＶ／ｄＱを求める微分ブロックと、
   ｄ^２Ｖ／ｄＱ^２を求める微分ブロックと、
   ｄ^２Ｖ／ｄＱ^２の極値を求める極値判定ブロックと、
   を備える蓄電池アレーの故障診断装置。
10. 請求項１に記載の蓄電池アレーの故障診断装置において、
    故障電池の並列における最大数から現時点での有効な電池容量を推定し、蓄電池アレーの充放電制御に制限をかける蓄電池アレーの故障診断装置。
11. インバータ装置に接続された蓄電池アレーの故障診断方法であって、
    前記蓄電池アレーの端電圧を計測するステップと、
    前記蓄電池アレーに流れる電流を積算して電荷量を計測するステップと、
    前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を求めるステップと、
    前記求めた電荷量から、断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップと、
    を備える蓄電池アレーの故障診断方法。
12. 請求項１１に記載の蓄電池アレーの故障診断方法において、
    前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を順次記録し、前記電荷量の最大序数Ｉを記録した時、アラームを出すステップを備える蓄電池アレーの故障診断方法。
13. 請求項１１に記載の蓄電池アレーの故障診断方法において、
    前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を順次記録し、前記電荷量の序数Ｋ（１＜Ｋ＜Ｉ）を記録した時、次の前記電荷量を計算し、断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップを備える蓄電池アレーの故障診断方法。
14. 請求項１１に記載の蓄電池アレーの故障診断方法において、
    前記断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップは、
    前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を順次記録するステップと、
    記録した電荷量の最大値と定格電荷量とを比較して、断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップと
    を備える蓄電池アレーの故障診断方法。
15. 請求項１１に記載の蓄電池アレーの故障診断方法において、
    前記断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップは、
    前記端電圧を前記電荷量で微分した値の変化が緩慢となる電荷量、或いは、前記端電圧を前記電荷量で２回微分した値が極小値をとる電荷量を順次記録するステップと、
    記録したある電荷量の定数倍と定格電荷量とを比較し、断線した故障電池の並列における最大数を推定するステップと
    を備える蓄電池アレーの故障診断方法。

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