JP6944647B2 - 電池パックの断線判定システム - Google Patents

Description

本発明は、電池パックの断線判定システムに関する。

従来から、複数の組電池を備えた電池パックの各組電池について、断線の有無を診断する装置が知られている。例えば、特開２０１６−０９６５９２号公報には、セルと並列に接続されたスイッチをオープンにしたときの各セルの端子電圧であるオープン電圧を用いて各セルの異常を診断する監視装置が開示されている。

特開２０１６−０９６５９２号公報

しかし、オープン電圧から断線状態を判断する方法では、電池に負荷が接続され、電流が流れている状態では、断線状態の検知が難しい。例えば、電池を使用しながら断線状態を検知することが難しい。

ここに開示する電池パックの断線判定システムは、複数の組電池が並列に接続された電池パックの温度を測定する第１温度センサと、電池パック内の空気の温度を測定する第２温度センサと、電池パックに流れる電流を測定する電流計と、演算装置とを備えている。演算装置は、記憶部と、第１演算部と、第２演算部と、第１判定部とを備えている。記憶部は、第１温度センサによって測定される電池パックの温度と、第２温度センサによって測定される電池パック内の空気の温度と、電流計によって測定される電池パックに流れる電流とに基づいて電池パックの予想昇温速度を演算する演算式を記憶する。第１演算部は、上記演算式に基づいて電池パックの予想昇温速度を演算する。第２演算部は、第１温度センサによって測定される電池パックの温度から電池パックの実昇温速度を算出する。第１判定部は、実昇温速度が予想昇温速度よりも大きい場合に、電池パックは断線した組電池を含んでいると判定する。

上記電池パックの断線判定システムによれば、電池パックに電流が流れている状態であっても断線した組電池があるかどうかを判定することができる。

図１は、二次電池システム１０の模式図である。 図２は、断線判定システム６０による断線判定の流れを示すフローチャートである。 図３は、充電または放電中の電池パック２０の温度の推移を示すグラフである。

以下、電池パックの断線判定システムの一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、二次電池システム１０の模式図である。二次電池システム１０は、例えば、電池の放電によって車両を走行させ、車両の回生制動により電池に充電を行う車載の二次電池システムである。図１に示すように、この実施形態に係る二次電池システム１０は、電池パック２０と、モータジェネレータ３０と、制御回路４０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electric Control Unit）５０と、断線判定システム６０とを備えている。

電池パック２０は、複数の組電池２１が並列に接続されたものである。電池パック２０は、複数の組電池２１と、ケース２２とを備えている。組電池２１は、複数の電池セル２３が組み合わされた電池である。

電池セル２３は、ここでは密閉型の電池セルである。電池セル２３は、電池ケースを備え、電池ケース内部に電極体と電解液とを収納している。電池セル２３は、ここでは、充電および放電可能に構成された二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池である。ただし、電池セル２３の種類は特に限定されない。電極体の正極および負極は電池ケースの外部に取り出され、それぞれ電池セル２３の正極２３ａおよび負極２３ｂを構成している。

図１に示すように、組電池２１において、複数の電池セル２３は直列に接続されている。複数の電池セル２３は、例えば、バスバーによって電気的に接続されている。１つの電池セル２３の正極２３ａには、他の電池セル２３の負極２３ｂが接続され、組電池２１の要部を構成している。バスバーは、複数の電池セル２３を電気的に接続するとともに、物理的に固定している。直列に接続された複数の電池セル２３において他の電池セル２３と接続されていない端部の正極は、組電池２１の正極２１ａを構成している。直列に接続された複数の電池セル２３において他の電池セル２３と接続されていない端部の負極は、組電池２１の負極２１ｂを構成している。

電池パック２０は、複数の組電池２１を備えている。電池パック２０は、複数の組電池２１を組み合わせて大容量化した電池である。電池パック２０において、複数の組電池２１は、並列に接続されている。電池パック２０においては、組電池２１の正極２１ａ同士が接続され、電池パック２０の正極２０ａを構成している。また、組電池２１の負極２１ｂ同士が接続され、電池パック２０の負極２０ｂを構成している。組み合わされた複数の組電池２１は、ケース２２に収容されている。ケース２２の外側には、電池パック２０の正極２０ａおよび負極２０ｂが取り出されている。

電池パック２０の正極２０ａおよび負極２０ｂは、制御回路４０を介してモータジェネレータ３０に接続されている。モータジェネレータ３０は、電池パック２０の放電により車両を走行させるための駆動力を生成するとともに、車両の回生制動時には、回生制動に伴う運動エネルギーを電気エネルギーに変換する部位である。

制御回路４０は、電池パック２０が放電する電力によってモータジェネレータ３０を駆動する際、および、モータジェネレータ３０が生成した電力によって電池パック２０に充電が行われる際に、直流／交流の変換や電圧の変換などを行う部位である。制御回路４０は、例えば、インバータなどを備えている。

電子制御ユニット５０は、モータジェネレータ３０と制御回路４０とを制御して、放電／充電の切り替えや出力の制御を行う部位である。電子制御ユニット５０は、モータジェネレータ３０と制御回路４０とを制御して放電／充電の管理を行うだけでなく、電池パック２０の放電／充電の履歴を記録している。

断線判定システム６０は、電池パック２０内の組電池２１の断線の有無および程度を判定するシステムである。図１に示すように、断線判定システム６０は、第１温度センサ６１と、第２温度センサ６２と、電流計６３と、演算装置６４とを備えている。

第１温度センサ６１は、電池パック２０の温度を測定する部材である。第１温度センサ６１の構成は限定されないが、例えば、熱電対やサーミスタを備えている。第１温度センサ６１は、電池パック２０内の電池セル２３の温度を測定している。第１温度センサ６１は、電池パック２０の温度を代表すると考えられる１つの電池セル２３の温度を測定してもよいし、複数の電池セル２３の温度を測定してもよい。

第２温度センサ６２は、電池パック２０内の空気の温度を測定する部材である。第２温度センサは、電池パック２０のケース２２内の空気の温度を測定している。第２温度センサ６２は、電池パック２０内の気温を代表すると考えられる１つの場所で空気の温度を測定してもよいし、複数の場所で空気の温度を測定してもよい。

電流計６３は、電池パック２０に流れる電流を測定する部材である。ここでは、電流計６３は、電池パック２０の正極２０ａと負極２０ｂとの間に構成された回路Ｃ１に設けられている。回路Ｃ１は、負荷として制御回路４０を有している。回路Ｃ１における電流計６３の場所は特に限定されない。電流計６３は、電子制御ユニット５０の制御に基づいて変化する、回路Ｃ１の電流の値を測定している。

演算装置６４は、電池パック２０内の組電池２１の断線の有無および程度を判定する部材である。演算装置６４は、例えば、マイクロコンピュータである。マイクロコンピュータのハードウェア構成は特に限定されないが、例えば、外部機器からデータ等を受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、プログラムの命令を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ：central processing unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）と、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるＲＡＭ（random access memory）と、上記プログラムや各種データを格納するメモリ等の記憶装置とを備えている。演算装置６４は、記憶部６４ａと、第１演算部６４ｂと、第２演算部６４ｃと、第１判定部６４ｄと、第３演算部６４ｅと、第２判定部６４ｆと、出力部６４ｇとを備えている。

記憶部６４ａは、第１温度センサ６１によって測定される電池パック２０の温度と、第２温度センサ６２によって測定される電池パック２０内の空気の温度と、電流計６３によって測定される電池パック２０に流れる電流とに基づいて電池パック２０の予想昇温速度を演算する演算式を記憶する部位である。記憶部６４ａが記憶する演算式は必ずしも限定されないが、例えば、以下のような演算式である。
Ｖｔ＝｛Ｉ^２Ｒ−ｈ（Ｔｂ−Ｔａ）｝／Ｃ
ここで、Ｖｔは電池パック２０の予想昇温速度、Ｉは電池パック２０に流れる電流、Ｒは電池パック２０の電気抵抗、ｈは電池パック２０の熱コンダクタンス、Ｔｂは電池パック２０の温度、Ｔａは電池パック２０内の空気の温度、Ｃは電池パック２０の熱容量である。予想昇温速度Ｖｔは、電池パック２０に電流Ｉが流れることによって発生する時間当たりの熱量から放熱で失われる時間当たりの熱量を減じたものを、電池パック２０の熱容量で除したものである。

第１演算部６４ｂは、上記演算式に基づいて電池パック２０の予想昇温速度Ｖｔを演算する部位である。第１演算部６４ｂは、第１温度センサ６１によって測定される電池パック２０の温度Ｔｂ、第２温度センサ６２によって測定される電池パック２０内の空気の温度Ｔａ、電流計６３によって測定される電池パック２０に流れる電流Ｉを、それぞれ定期的に取得している。ただし、電池パック２０の温度Ｔｂの取得と、電池パック２０内の空気の温度Ｔａの取得と、電池パック２０に流れる電流Ｉの取得とは、直接には演算装置６４の他の部位が行ってもよい。

第２演算部６４ｃは、第１温度センサ６１によって測定される電池パック２０の温度から電池パック２０の実昇温速度を算出する部位である。第２演算部６４ｃは、例えば、ある時点で測定された電池パック２０の温度と当該時点の近傍の時点で測定された電池パック２０の温度との差分、および、両測定の間の時間から電池パック２０の実昇温速度Ｖｃを算出する。

第１判定部６４ｄは、実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きい場合に、電池パック２０は断線した組電池２１を含んでいると判定する部位である。電池パック２０の組電池２１のうちの１つまたはいくつかが断線した場合に実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きくなると考えられる理由については後述する。

第３演算部６４ｅは、予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比を演算する部位である。第３演算部６４ｅは、実昇温速度Ｖｃを予想昇温速度Ｖｔで除した値Ｖｃ／Ｖｔを求めるように設定されている。

第２判定部６４ｆは、第３演算部６４ｅで演算されたＶｃ／Ｖｔの値から電池パック２０内の組電池２１の断線の程度を推定する部位である。また、第２判定部６４ｆは、推定された断線の程度が所定の程度よりも大きい場合に出力部６４ｇに信号を発するように指令する部位である。第２判定部６４ｆによる組電池２１の断線の程度の推定プロセス、および、出力部６４ｇへの指令が必要かどうかを判定するプロセスについては後述する。出力部６４ｇは、第２判定部６４ｆの指令を受け、実際に信号を発する部位である。出力部６４ｇが発した信号は、例えば、電子制御ユニット５０に送信され、電子制御ユニット５０に所定のダイアグとして記録される。

図２は、断線判定システム６０による断線判定の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、断線判定システム６０による断線判定では、ステップＳ０１において、電池パック２０の温度Ｔｂ、電池パック２０内の空気の温度Ｔａ、電池パック２０に流れる電流Ｉが取得される。前述したように、電池パック２０の温度Ｔｂは第１温度センサ６１によって測定される。電池パック２０内の空気の温度Ｔａは第２温度センサ６２によって測定される。電池パック２０に流れる電流Ｉは電流計６３によって測定される。

次いで、ステップＳ０２では、電池パック２０の予想昇温速度Ｖｔが演算される。この演算は、ステップＳ０１で取得された電池パック２０の温度Ｔｂ、電池パック２０内の空気の温度Ｔａ、電池パック２０に流れる電流Ｉを、記憶部６４ａに記憶された演算式に入力することによって得られる。

ステップＳ０３では、電池パック２０の実昇温速度Ｖｃが算出される。第２演算部６４ｃは、例えば、ステップＳ０１時点で取得された電池パック２０の温度とステップＳ０１時点よりもわずかに後の時点で取得された電池パック２０の温度との差分、および、両取得の間の時間から、電池パック２０の実際の昇温速度である実昇温速度Ｖｃを算出する。なお、ステップＳ０３とステップＳ０２は同時に行われてもよいし、順番が逆でもよい。

ステップＳ０４では、実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きい（Ｖｃ＞Ｖｔ）かどうかが判定される。ステップＳ０４において実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔ以下（ＮＯ）の場合には、電池パック２０の組電池２１はいずれも断線していないと判定され、ステップＳ０１からの各ステップを繰り返す。ステップＳ０４において実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きい（ＹＥＳ）場合には、電池パック２０の組電池２１のうちに断線しているものが存在すると判定され、ステップはステップＳ０５に進む。

ステップＳ０４において、実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きい場合に電池パック２０の組電池２１のうちに断線しているものが存在すると判定される理由は以下の通りである。図３は、充電または放電中の電池パック２０の温度の推移を示すグラフである。図３の横軸は時間である。図３の縦軸は、電池パック２０の温度である。図３の時間「０」は、ステップＳ０１で電池パック２０の温度Ｔｂ、電池パック２０内の空気の温度Ｔａ、電池パック２０に流れる電流Ｉが取得された時点を表している。従って、図３はステップＳ０１の時点以後の電池パック２０の温度の推移を示している。

図３は、例えば、電池パック２０が１０個の組電池２１を有している場合を示しているとする。ただし、この組電池２１の個数は単なる説明のための例であって、電池パック２０が有する組電池２１の個数を限定するものではない。図３のグラフＧ０は、１０個の組電池２１の全てが断線していない場合の電池パック２０の温度の推移を示している。図３のグラフＧ１は、１０個の組電池２１のうちの１個の組電池２１が断線している場合の電池パック２０の温度の推移を示している。図３のグラフＧ２は、１０個の組電池２１のうちの２個の組電池２１が断線している場合の電池パック２０の温度の推移を示している。図３に示されているように、グラフＧ１の立ち上がりの角度はグラフＧ０の立ち上がりの角度よりも大きく、グラフＧ２の立ち上がりの角度はグラフＧ１の立ち上がりの角度よりもさらに大きい。つまり、図３は、断線した組電池２１の個数が多いほど、実昇温速度Ｖｃが大きくなることを示している。

電池パック２０に流れる電流Ｉは、電子制御ユニット５０によって、制御回路４０を介して制御されている。そこで、断線が発生していない場合、電池パック２０の各組電池２１には、Ｉ／１０の電流が流れる。この電流により発生する時間当たりの熱量は、Ｉ／１０の２乗に比例する。一方、例えば、電池パック２０の１０個の組電池２１のうち１個が断線している場合には、電池パック２０の各組電池２１に流れる電流は、Ｉ／９である。この電流により発生する時間当たりの熱量は、Ｉ／９の２乗に比例する。従って、電池パック２０の１０個の組電池２１のうち１個が断線している場合の１個の組電池２１の時間当たり発熱量は、断線していない場合の約１．２倍となる。同様に、電池パック２０の１０個の組電池２１のうち２個が断線している場合の１個の組電池２１の時間当たり発熱量は、断線していない場合の約１．６倍となる。つまり、断線した組電池２１の個数が多いほど、実昇温速度Ｖｃは予想昇温速度Ｖｔに対して大きくなる。

ステップＳ０５では、予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比＝Ｖｃ／Ｖｔが演算され、演算されたＶｃ／Ｖｔの値から電池パック２０内の組電池２１の断線の程度が推定される。図３の例によれば、予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比Ｖｃ／Ｖｔの値は、１０個の組電池２１のうち１個が断線していれば約１．２となり、２個が断線していれば約１．６となる。そこで、この予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比Ｖｃ／Ｖｔの値によって何個の組電池２１が断線しているのかを推定することができる。

ステップＳ０６では、予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比Ｖｃ／Ｖｔが所定の閾値Ａを越える（Ｖｃ／Ｖｔ＞Ａ）かどうかが判定される。予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比Ｖｃ／Ｖｔが所定の閾値Ａを越えない（ＮＯ）場合は、断線はあるものの使用に問題はないと診断され、ステップはステップＳ０１に戻る。予想昇温速度Ｖｔに対する実昇温速度Ｖｃの比Ｖｃ／Ｖｔが所定の閾値Ａを越える（ＹＥＳ）場合は、断線した組電池２１の数が所定の数を越えていて電池パック２０としての性能を発揮できないと診断され、ステップＳ０７に進む。ステップＳ０７では、出力部６４ｇから、断線した組電池２１の数が所定の数を越えることを表す信号が発信される。

上記のように、この実施形態に係る電池パック２０の断線判定システム６０は、複数の組電池２１が並列に接続された電池パック２０の温度を測定する第１温度センサ６１と、電池パック２０内の空気の温度を測定する第２温度センサ６２と、電池パック２０に流れる電流を測定する電流計６３と、演算装置６４とを備えている。演算装置６４は、記憶部６４ａと、第１演算部６４ｂと、第２演算部６４ｃと、第１判定部６４ｄと、を備えている。記憶部６４ａは、第１温度センサ６１によって測定される電池パック２０の温度Ｔｂと、第２温度センサ６２によって測定される電池パック２０内の空気の温度Ｔａと、電流計６３によって測定される電池パック２０に流れる電流Ｉとに基づいて電池パック２０の予想昇温速度Ｖｔを演算する演算式を記憶する。第１演算部６４ｂは、上記演算式に基づいて電池パック２０の予想昇温速度Ｖｔを演算する。第２演算部６４ｃは、第１温度センサ６１によって測定される電池パック２０の温度から電池パック２０の実昇温速度Ｖｃを算出する。第１判定部６４ｄは、実昇温速度Ｖｃが予想昇温速度Ｖｔよりも大きい場合に、電池パック２０は断線した組電池２１を含んでいると判定する。このような断線判定システム６０によれば、電池パック２０に電流が流れている状態であっても断線した組電池２１があるかどうかを判定することができる。

また、上記の断線判定システム６０によれば、予想温度と実温度ではなく、予想昇温速度Ｖｔと実昇温速度Ｖｃとが比較される。従って、予想温度と実温度との間の温度差がある程度つくまで待つ必要がなく、検知速度を向上させうる。さらに、予想温度と実温度との間の温度差を利用する場合には、誤判定を防ぐために閾値をある程度高く設定する必要があるが、断線判定システム６０では、そのような閾値内においても昇温速度の変化を読み取れることが期待でき、検出精度を向上させうる。

以上、ここで提案される電池パックの断線判定システムについて、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた電池パックの断線判定システムの実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 二次電池システム
２０ 電池パック
２０ａ 電池パックの正極
２０ｂ 電池パックの負極
２１ 組電池
２１ａ 組電池の正極
２１ｂ 組電池の負極
２２ ケース
２３ 電池セル
２３ａ 電池セルの正極
２３ｂ 電池セルの負極
３０ モータジェネレータ
４０ 制御回路
５０ 電子制御ユニット
６０ 断線判定システム
６１ 第１温度センサ
６２ 第２温度センサ
６３ 電流計
６４ 演算装置
６４ａ 記憶部
６４ｂ 第１演算部
６４ｃ 第２演算部
６４ｄ 第１判定部
６４ｅ 第３演算部
６４ｆ 第２判定部
６４ｇ 出力部

Claims (1)

1. 複数の組電池が並列に接続された電池パックの温度を測定する第１温度センサと、
   前記電池パック内の空気の温度を測定する第２温度センサと、
   前記電池パックに流れる電流を測定する電流計と、
   演算装置と
   を備え、
   前記演算装置は、
   前記第１温度センサによって測定される前記電池パックの温度と、前記第２温度センサによって測定される前記電池パック内の空気の温度と、前記電流計によって測定される前記電池パックに流れる電流とに基づいて前記電池パックの予想昇温速度を演算する演算式を記憶した記憶部と、
   前記演算式に基づいて前記電池パックの予想昇温速度を演算する第１演算部と、
   前記第１温度センサによって測定される電池パックの温度から前記電池パックの実昇温速度を算出する第２演算部と、
   前記実昇温速度が前記予想昇温速度よりも大きい場合に、前記電池パックは断線した組電池を含んでいると判定する第１判定部と
   を備えている、電池パックの断線判定システム。

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