JP6549055B2

JP6549055B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP6549055B2
Application number: JP2016044753A
Authority: JP
Inventors: 弘樹松下
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: JP2017162613A

Description

本発明の実施形態は、電池パックに関する。

従来、蓄電池の劣化を診断する劣化診断装置が知られている。劣化診断装置は、例えば、蓄電池の劣化を診断する場合に、蓄電池に充放電装置を接続し、蓄電池に充放電をさせた場合における電流値などに基づいて蓄電池の劣化を診断する。しかしながら、従来の劣化診断装置は、蓄電池に充放電装置を接続して蓄電池の劣化を診断する必要があるため、簡易に蓄電池の劣化を診断したいというユーザのニーズに応えることができない場合があった。

特開２０１１−９１０２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、より簡易に蓄電池の劣化を診断することができる電池パックを提供することである。

実施形態の電池パックは、蓄電池と、第１の開閉器と、内部負荷と、第２の開閉器と、電圧検出部と、電流検出部と、制御部と、を持つ。前記蓄電池と、前記第１の開閉器と、前記内部負荷と、前記第２の開閉器と、前記電圧検出部と、前記電流検出部と、前記制御部とは、筐体内に収容される。前記第１の開閉器は、前記蓄電池と、外部装置に接続される入出力端子との間に接続される。前記内部負荷は、蓄電池に対して前記端子と並列に接続される。前記第２の開閉器は、前記蓄電池と前記内部負荷との間に接続される。前記電圧検出部は、前記蓄電池から放電されている電力の電圧を検出する。前記電流検出部は、蓄電池の充放電電流を検出する。前記制御部は、前記第１の開閉器および前記第２の開閉器が遮断状態である場合において前記電圧検出部により検出された第１の電圧値と、前記第１の開閉器が遮断状態で且つ前記第２の開閉器が導通状態である場合において前記電圧検出部により検出された第２の電圧値および前記電流検出部により検出された電流値と、に基づいて前記蓄電池の内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値と所定値との比に基づいて、前記蓄電池の容量の低下率を算出する。

実施形態の電池パック１００の一例を示すブロック図。実施形態の制御部１５０により外部負荷用開閉器１２０を制御する処理の流れの一例を示すフローチャート。実施形態の制御部１５０により内部負荷用開閉器１３４を制御する処理の流れの一例を示すフローチャート。実施形態の制御部１５０において蓄電池１１２の劣化を診断する処理の流れの一例を示すフローチャート。内部負荷用開閉器１３４を導通状態させた場合における蓄電池ユニット１１０の電圧の変化の一例を示す図。蓄電池ユニット１１０の抵抗上昇率と、蓄電池ユニット１１０の容量との関係の一例を示す図。

以下、実施形態の電池パックを、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の電池パック１００の一例を示すブロック図である。電池パック１００は、例えば、蓄電池ユニット１１０と、外部負荷用開閉器１２０と、内部負荷部１３０と、電圧検出部１４０と、電流検出部１４２と、制御部１５０と、インジケータ１５２とを含む。電池パック１００は、蓄電池ユニット１１０、外部負荷用開閉器１２０、内部負荷部１３０、電圧検出部１４０、電流検出部１４２、および制御部１５０を筐体１００Ａに収容している。

筐体１００Ａには、例えば、正極端子１００Ｂと、負極端子１００Ｃと、信号端子１００Ｄと、が設けられる。正極端子１００Ｂおよび負極端子１００Ｃは、例えば、電池パック１００と外部負荷２００とを接続する電力線が着脱可能なコネクタを含む。外部負荷２００は、蓄電池ユニット１１０から供給された電力に基づいて動作する電装機器を含む。外部負荷２００は、例えば、車両の補機を含む。信号端子１００Ｄは、例えば、電池パック１００と外部装置（不図示）とを接続する信号線が着脱可能なコネクタを含む。

蓄電池ユニット１１０は、リチウムイオン電池等の蓄電池１１２を含む。蓄電池１１２は、例えば、直列に接続された複数の電池セルを含む。複数の電池セルは、直列に接続されてよいが、これに限定されず、互いに電池セルと並列に接続されていてもよく、さらには、直列に接続された複数の電池セル同士が並列に接続されていてもよい。蓄電池ユニット１１０は、一方端が正極端子１００Ｂに接続され、他方端が負極端子１００Ｃに接続されている。蓄電池ユニット１１０は、正極端子１００Ｂおよび負極端子１００Ｃを介して、外部負荷２００に電力を供給する。また、蓄電池ユニット１１０は、正極端子１００Ｂおよび負極端子１００Ｃを介して、充電器（不図示）から電力が供給される。

蓄電池１１２には、内部抵抗１１４が直列に接続される。内部抵抗１１４は、蓄電池１１２の電極端子および電解質等の抵抗成分により変動する抵抗値を有する。また、蓄電池ユニット１１０は、温度センサ１１６を備える。温度センサ１１６は、蓄電池１１２の温度を検出する。

外部負荷用開閉器１２０は、例えば、電力用のリレー回路である。外部負荷用開閉器１２０は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）スイッチであってもよい。外部負荷用開閉器１２０は、蓄電池ユニット１１０と正極端子１００Ｂとの間に設けられている。外部負荷用開閉器１２０は、制御部１５０の制御に従って、導通状態と遮断状態との間で状態が切り替えられる。外部負荷用開閉器１２０は、導通状態において蓄電池ユニット１１０の電力を外部負荷２００に供給可能である。外部負荷用開閉器１２０は、遮断状態において蓄電池ユニット１１０と外部負荷２００との間を絶縁する。

内部負荷部１３０は、例えば、内部負荷１３２と、内部負荷用開閉器１３４と、を含む。内部負荷１３２は、筐体１００Ａに収容された負荷である。内部負荷１３２は、蓄電池ユニット１１０に対して正極端子１００Ｂと並列に接続される。内部負荷１３２は、例えば、電流が流れることによって発熱する電熱ヒータを含む。ヒータは、蓄電池ユニット１１０を昇温させるためのものである。内部負荷１３２は、ヒータを含んでよいが、これに限定されない。内部負荷１３２は、抵抗体であってもよい。さらに、内部負荷１３２は、内部負荷１３２は、ヒータに加え、または、ヒータに代えて、筐体１００Ａ内の空気を流通させる送風機を含んでいてもよい。

内部負荷用開閉器１３４は、例えば、電力用のリレー回路である。内部負荷用開閉器１３４は、ＦＥＴスイッチであってもよい。内部負荷用開閉器１３４は、蓄電池ユニット１１０と内部負荷１３２との間に設けられている。内部負荷用開閉器１３４は、制御部１５０の制御に従って、導通状態と遮断状態との間で状態が切り替えられる。内部負荷用開閉器１３４は、導通状態において蓄電池ユニット１１０の電力を内部負荷１３２に供給する。内部負荷用開閉器１３４は、遮断状態において蓄電池ユニット１１０と内部負荷１３２との間を絶縁する。

電圧検出部１４０は、蓄電池ユニット１１０から外部負荷２００または内部負荷１３２に供給される電力の電圧（蓄電池電圧）を検出する電圧計である。電圧検出部１４０は、検出した電圧値を表す信号を制御部１５０に出力する。

電流検出部１４２は、蓄電池ユニット１１０の充放電電流を検出する電流計である。電流検出部１４２は、蓄電池ユニット１１０から外部負荷２００または内部負荷１３２に供給される放電電力の電流を検出する。電流検出部１４２は、検出した電流値を表す信号を制御部１５０に出力する。

制御部１５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部１５０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。制御部１５０は、電圧検出部１４０および電流検出部１４２から供給された信号に基づいて、蓄電池１１２の劣化を診断する。

インジケータ１５２は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含む。インジケータ１５２は、筐体１００Ａの外から表示内容が視認可能表示部の一例である。インジケータ１５２は、制御部１５０により出力された制御信号に従って、点灯または消灯する。

以下、制御部１５０により、外部負荷用開閉器１２０を制御することについて説明する。図２は、実施形態の制御部１５０により外部負荷用開閉器１２０を制御する処理の流れの一例を示すフローチャートである。

制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０が筐体１００Ａに接続されているか否かを判定する（ステップＳ１００）。制御部１５０は、例えば、正極端子１００Ｂまたは負極端子１００Ｃに対して外部負荷２００が接続されたことを検知するセンサ（不図示）により接続が検知された場合に、外部負荷用開閉器１２０が筐体１００Ａに接続されていると判定する。また、制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０が導通状態である場合に、外部負荷２００が正極端子１００Ｂに接続されて、外部負荷２００から蓄電池ユニット１１０に流れる電流が電流検出部１４２により検出された場合に、外部負荷２００が筐体１００Ａに接続されていると判定してもよい。

制御部１５０は、外部負荷２００が筐体１００Ａに接続されていない場合、外部負荷用開閉器１２０を遮断状態に制御する（ステップＳ１０６）。制御部１５０は、外部負荷２００が筐体１００Ａに接続されている場合、外部負荷２００から要求があるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。このとき、制御部１５０は、例えば信号端子１００Ｄから蓄電池ユニット１１０から外部負荷２００に電力を供給する要求を受信した場合、外部負荷２００から要求があると判定する。

制御部１５０は、外部負荷２００から要求がある場合、外部負荷用開閉器１２０を導通状態に制御する（ステップＳ１０４）。制御部１５０は、外部負荷２００から要求がない場合、外部負荷用開閉器１２０を遮断状態に制御する（ステップＳ１０６）。

なお、制御部１５０は、外部負荷２００が筐体１００Ａに接続されていない場合、または外部負荷２００から要求がない場合に外部負荷用開閉器１２０を遮断状態に制御してもよいが、これに限定されない。制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０から外部負荷用開閉器１２０に電力を供給している場合、または充電器から蓄電池ユニット１１０に電力が供給されている場合において、過電流を検出した場合に外部負荷用開閉器１２０を導通状態から遮断状態に切り替えてもよい。

以下、制御部１５０により、内部負荷用開閉器１３４を制御することについて説明する。図３は、実施形態の制御部１５０により内部負荷用開閉器１３４を制御する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図３に示す処理は、図２に示した外部負荷用開閉器１２０を制御する処理と並行して行われる。

制御部１５０は、温度センサ１１６により検出されている温度値が閾値Ｔｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。閾値Ｔｔｈは、蓄電池１１２の特性に基づいて蓄電池１１２を暖機する必要がある温度値であって、予め制御部１５０の内部メモリ（不図示）に記憶されている。

制御部１５０は、温度センサ１１６により検出されている温度値が閾値Ｔｔｈ以下ではない場合、内部負荷用開閉器１３４を遮断状態に制御する（ステップＳ２０６）。制御部１５０は、温度センサ１１６により検出されている温度値が閾値Ｔｔｈ以下である場合、電流検出部１４２により検出されている電流値が閾値Ｉｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。閾値Ｉｔｈは、蓄電池１１２が動作することで発熱していることを判定するための電流値であって、予め制御部１５０の内部メモリ（不図示）に記憶されている。

制御部１５０は、電流検出部１４２により検出されている電流値が閾値Ｉｔｈ以下である場合、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御する（ステップＳ２０４）。制御部１５０は、電流検出部１４２により検出されている電流値が閾値Ｉｔｈ以下ではない場合、内部負荷用開閉器１３４を遮断状態に制御する（ステップＳ２０６）。

以下、制御部１５０により、電圧検出部１４０により検出された電圧および電流検出部１４２により検出された電流に基づいて蓄電池１１２の劣化を診断することについて説明する。図４は、実施形態の制御部１５０において蓄電池１１２の劣化を診断する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４に示す処理は、図２に示した外部負荷用開閉器１２０を制御する処理および図３に示した内部負荷用開閉器１３４を制御する処理と並行して行われる。

まず、制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０および内部負荷用開閉器１３４の双方の開閉器が遮断状態であるか否かを判定する（ステップＳ３００）。制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０および内部負荷用開閉器１３４の双方の開閉器が遮断状態ではない場合、処理を終了する。

制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０および内部負荷用開閉器１３４の双方が遮断状態である場合、電圧検出部１４０を用いて、蓄電池ユニット１１０の電圧（Ｖ１）を測定する（ステップＳ３０２）。次に、制御部１５０は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御する（ステップＳ３０４）。ここで、制御部１５０は、外部負荷用開閉器１２０が遮断状態で維持されている状態で、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御する。なお、制御部１５０は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御する前に外部負荷用開閉器１２０を導通状態に制御する場合には、処理を中止してもよい。

次に、制御部１５０は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御した時刻から所定時間Ｔが経過したか否かを判定する（ステップＳ３０６）。制御部１５０は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御した時刻から所定時間Ｔが経過していない場合には待機する。制御部１５０は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御した時刻から所定時間Ｔが経過した場合、電圧検出部１４０を用いて、蓄電池ユニット１１０の電圧（Ｖ２）を測定する（ステップＳ３０８）。次に、制御部１５０は、電流検出部１４２を用いて、蓄電池ユニット１１０の電流（Ｉ）を測定する（ステップＳ３１０）。

図５は、内部負荷用開閉器１３４を導通状態させた場合における蓄電池ユニット１１０の電圧の変化の一例を示す図である。時刻ｔ１において内部負荷用開閉器１３４を遮断状態から導通状態に切り替えた場合、蓄電池ユニット１１０の電圧（電池電圧）は、内部負荷用開閉器１３４を導通させる前に計測されたＶ１から低下し、時刻ｔ１から所定時間Ｔ後の時刻ｔ２においてＶ２になる。なお、時刻ｔ２において電流検出部１４２を用いて計測された電流は、Ｉとなる。所定時間Ｔは、１秒であってもよいが、これに限定されず、内部負荷用開閉器１３４を導通させた後に電圧が安定する期間であればよい。

次に、制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の内部抵抗値を算出する（ステップＳ３１２）。このとき、制御部１５０は、下記の式に従って、内部抵抗値Ｒ１を算出する。
Ｒ１＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ

次に、制御部１５０は、内部抵抗Ｒ１に基づいて、蓄電池ユニット１１０の容量劣化率を算出する（ステップＳ３１４）。このとき、制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の使用初期の抵抗値Ｒ０と、ステップＳ３１２において算出した内部抵抗値Ｒ１との比を算出する。蓄電池ユニット１１０の使用初期の抵抗値Ｒ０は、制御部１５０に記憶された所定値の一例である。使用初期の抵抗値Ｒ０と内部抵抗値Ｒ１との比は、内部抵抗１１４の抵抗上昇率を表す。制御部１５０は、抵抗上昇率に基づいて、蓄電池ユニット１１０の容量劣化率を算出する。

図６は、蓄電池ユニット１１０の抵抗上昇率と、蓄電池ユニット１１０の容量との関係の一例を示す図である。蓄電池ユニット１１０の使用初期の容量は、１００％である。蓄電池ユニット１１０の使用初期の抵抗上昇率は、１００％である。蓄電池ユニット１１０の容量は、抵抗上昇率が上昇するほど、下降する。制御部１５０は、例えば、図６に示すような抵抗上昇率と蓄電池ユニット１１０の容量との対応関係を表すテーブルデータを記憶している。制御部１５０は、算出した抵抗上昇率に対応する蓄電池ユニット１１０の容量を取得する。これにより、制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の容量劣化率を算出することができる。また、制御部１５０は、抵抗上昇率に基づいて蓄電池ユニット１１０の容量を導出する変換関数の演算を行うことで、蓄電池ユニット１１０の容量を導出し、蓄電池ユニット１１０の容量劣化率を算出してもよい。

制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の交換時期であるか否かを判定する（ステップＳ３１６）。制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の容量劣化率が閾値を超えている場合、蓄電池ユニット１１０の交換時期であると判定する。容量劣化率の閾値は、予め制御部１５０に記憶されている。容量劣化率の閾値は、例えば、７０％であってもよいが、これに限定されない。制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の交換時期ではない場合、ステップＳ３００に処理を戻す。

制御部１５０は、蓄電池ユニット１１０の交換時期である場合、インジケータ１５２を点灯させる（ステップＳ３２０）。なお、電池パック１００は、インジケータ１５２を点灯させることに加え、蓄電池ユニット１１０の交換時期を通知する情報を、信号端子１００Ｄを介して外部装置に送信してもよい。

以上説明した実施形態の電池パック１００は、蓄電池ユニット１１０から供給された電力を内部負荷１３２に供給した場合に蓄電池ユニット１１０の容量劣化率を算出する。これにより、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の容量劣化を算出するために、例えば電池パック１００に外部負荷を接続して外部負荷に電力を供給することなく、より簡易に蓄電池ユニット１１０の劣化を診断することができる。

また、実施形態の電池パック１００によれば、電池パック１００に外部装置を接続することなく、電池パック１００単体で蓄電池ユニット１１０の容量劣化を診断することができるので、装置の大型化を抑制することができ、さらには、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の容量劣化を診断する手間を削減することができる。

さらに、実施形態の電池パック１００によれば、内部負荷１３２として蓄電池ユニット１１０を暖機するヒータを筐体１００Ａ内に備え、ヒータに電圧を印加すると共に、第２の電圧値および電流値を取得する。これにより、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の劣化を診断することができる。この結果、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の劣化診断のために専用の抵抗器などを追加して備える必要が無く、追加のコストを抑制することができる。

さらに、実施形態の電池パック１００は、温度センサ１１６により検出された温度が閾値以下である場合に、外部負荷用開閉器１２０および内部負荷用開閉器１３４が遮断状態である場合において第１の電圧値（Ｖ１）を検出させた後に、内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御することでヒータに印加された第２の電圧（Ｖ２）、およびヒータに流れた電流値（Ｉ）に基づいて蓄電池ユニット１１０の内部抵抗値を算出する。これにより、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０が外部負荷２００に接続されていなく、ヒータを動作させるタイミングで、蓄電池ユニット１１０の容量劣化を診断することができる。これにより、実施形態の電池パック１００によれば、ヒータを動作させるたびに蓄電池ユニット１１０の容量劣化を診断することができ、利便性を向上させることができる。また、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の容量劣化のためだけにヒータに電力を供給することなく、蓄電池ユニット１１０の電力消費を抑制することができる。

さらに、実施形態の電池パック１００によれば、蓄電池ユニット１１０の容量劣化がある場合にインジケータ１５２を点灯させるので、電池パック１００の利用者に電池パック１００の交換時期を提示することができる。また、実施形態の電池パック１００によれば、多数の電池パック１００を含む蓄電池システムにおいて、多数の電池パック１００のうち、蓄電池ユニット１１０の容量劣化がある電池パック１００を簡単に見つけることができ、利便性を向上させることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、蓄電池ユニット１１０と、外部負荷２００に接続される外部負荷用開閉器１２０と、蓄電池ユニット１１０に接続された内部負荷１３２と、蓄電池ユニット１１０と内部負荷１３２との間に接続された内部負荷用開閉器１３４と、蓄電池ユニット１１０から放電されている電力の電圧を検出する電圧検出部１４０と、蓄電池ユニット１１０から放電されている電力の電流を検出する電流検出部１４２と、外部負荷用開閉器１２０および内部負荷用開閉器１３４が遮断状態である場合において電圧検出部１４０により検出された第１の電圧値と、外部負荷用開閉器１２０が遮断状態であることが維持されている状態で内部負荷用開閉器１３４を導通状態に制御した場合において電圧検出部１４０により検出された第２の電圧値および電流検出部１４２により検出された電流値と、に基づいて蓄電池ユニット１１０の内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値と所定値との比に基づいて、蓄電池ユニット１１０の容量の低下率を算出する制御部１５０とを、筐体１００Ａ内に収容することにより、より簡易に蓄電池ユニット１１０の劣化を診断することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…電池パック、１００Ａ…筐体、１００Ｂ…正極端子、１００Ｃ…負極端子、１００Ｄ…信号端子、１１０…蓄電池ユニット、１１２…蓄電池、１１４…内部抵抗、１１６…温度センサ、１２０…外部負荷用開閉器、１３０…内部負荷部、１３２…内部負荷、１３４…内部負荷用開閉器、１４０…電圧検出部、１４２…電流検出部、１５０…制御部、１５２…インジケータ

Claims

蓄電池と、
前記蓄電池と、外部装置に接続される端子との間に接続された第１の開閉器と、
前記蓄電池に対して前記端子と並列に接続された内部負荷と、
前記蓄電池と前記内部負荷との間に接続された第２の開閉器と、
前記蓄電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記蓄電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記第１の開閉器および前記第２の開閉器が遮断状態である場合において前記電圧検出部により検出された第１の電圧値と、前記第１の開閉器が遮断状態で且つ前記第２の開閉器が導通状態である場合において前記電圧検出部により検出された第２の電圧値および前記電流検出部により検出された電流値と、に基づいて前記蓄電池の内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値と所定値との比に基づいて、前記蓄電池の容量の低下率を算出する制御部と、を筐体内に収容した電池パック。
前記内部負荷は、前記蓄電池を昇温させるためのヒータを含む、
請求項１に記載の電池パック。
前記蓄電池の温度を検出する温度検出部を前記筐体内に収容し、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された温度が閾値以下である場合に、前記第２の開閉器を導通状態に制御することで前記ヒータに電圧を印加すると共に、前記第２の電圧値および前記電流値を取得する、
請求項２に記載の電池パック。
前記筐体の外から表示内容が視認可能な表示部を備え、
前記制御部は、算出した前記蓄電池の容量の低下率に基づいて、前記表示部を制御する、
請求項１から３のうち何れか１項に記載の電池パック。