JP7006359B2 - 電池の発煙判定方法および電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両等に搭載される電池システムに関する。
車両においては、複数の電池（セル）を直列または並列に接続して、所要の電圧及び容量を得るようにした電池モジュールが一般的に使用されている。セルに発煙等の異常が発生した場合、これを検知して必要な安全制御を行うことが好ましい。セルが複数並列接続されている場合は、１つのセルに異常が発生しても電圧低下しないため、電圧を監視するのみでは、異常検出は困難である。特許文献１は、複数の電池と、電池の異常時に排出されるガスを排気する排煙経路と、排煙経路に設けられた温度ヒューズを含む非復帰型スイッチとを備え、温度ヒューズが溶断した場合に異常があると判定する電池システムを開示している。
国際公開第２０１２／０１４４４９号
特許文献１では、非復帰型スイッチの温度ヒューズが断線故障した場合、セル発煙にともなう高温による溶断と区別ができず、判定精度に限界がある。非復帰型スイッチを冗長に多く設けて判定精度を向上することも考えられるがコストが高くなる。また、セルの数が多くなると、排煙経路を複数設けることになり、非復帰型スイッチの数が同様に多く必要となる。
本発明は、上記課題に鑑み、電池の発煙を精度よく判定できる電池の発煙判定方法および電池システムを低コストで提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一局面は、複数のセルを並列に接続して構成された並列回路を、複数直列に接続して構成された電池モジュールと、各並列回路に少なくとも１つずつ設けられ各並列回路の電圧をそれぞれ測定する複数の電圧センサと、各並列回路に少なくとも１つずつ設けられ各並列回路の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサと、電池モジュールに少なくとも１つ設けられ電池モジュールの電流を測定する電流センサと、セルの発煙を判定する判定部とを備える電池システムの判定部が実行する、電池の発煙判定方法であって、各電圧センサから取得する各電圧値および電流センサから取得する電流値に基づいて、第１期間および第１期間の後の第２期間における各並列回路の内部抵抗値を算出するステップと、各温度センサから各温度値を取得するステップと、各並列回路のいずれかにおいて、第１期間における内部抵抗値より、第２期間における内部抵抗値が小さくなったこと、および、並列回路に設けられた温度センサから取得する温度値が、第１期間と第２期間とに基づいて定まる期間内に上昇したことを少なくとも検出した場合に、並列回路に含まれるセルが発煙したと判定するステップとを含む、電池の発煙判定方法である。
これにより、発煙時の温度上昇と内部抵抗値の低下とに基づいて精度よく発煙の判定を行うことができる。
また、判定部が、各電圧センサから取得する各電圧値および電流センサから取得する電流値に基づいて、第２期間より後の、第３期間における各並列回路の内部抵抗値を算出するステップをさらに備え、セルが発煙したと判定するステップにおいて、第１期間における内部抵抗値より、第２期間における内部抵抗値が小さくなった並列回路において、第２期間における内部抵抗値より第３期間における内部抵抗値が大きくなったことをさらに検出した場合に、並列回路に含まれるセルが発煙したと判定してもよい。
これにより、発煙後低下した内部抵抗がその後、発煙前と同程度にまで上昇することを検出することにより、発煙したと判定するので判定精度をより向上することができる。
また、本発明の他の局面は、複数のセルを並列に接続して構成された並列回路を、複数直列に接続して構成された電池モジュールと、各並列回路に少なくとも１つずつ設けられ各並列回路の電圧をそれぞれ測定する複数の電圧センサと、各並列回路に少なくとも１つずつ設けられ各並列回路の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサと、電池モジュールに少なくとも１つ設けられ電池モジュールの電流を測定する電流センサと、セルの発煙を判定する判定部とを備える電池システムであって、判定部は、各電圧センサから取得する各電圧値および電流センサから取得する電流値に基づいて、第１期間および第１期間の後の第２期間における各並列回路の内部抵抗を算出し、各温度センサから各温度値を取得し、各並列回路のいずれかにおいて、第１期間における内部抵抗値より、第２期間における内部抵抗値が小さくなったこと、および、並列回路に設けられた温度センサから取得する温度値が、第１期間と第２期間とに基づいて定まる期間内に上昇したことを少なくとも検出した場合に、並列回路に含まれるセルが発煙したと判定する、電池システムである。
これにより、発煙時の温度上昇と内部抵抗値の低下とに基づいて精度よく発煙の判定を行うことができる。
本発明によれば、上述のように、発煙時の温度上昇と内部抵抗値の低下とに基づいて発煙の判定を行うので、発煙とスイッチ等の故障との区別がしやすく、判定精度を向上でき、また、スイッチ等を多数設ける必要がなく、コストを抑制することができる電池の発煙判定方法および電池システムを提供することができる。
本発明の第１、第２の実施形態に係る電池システムの機能ブロック図 本発明の第１の実施形態に係る判定部の処理を示すフローチャート 本発明の第１、第２の実施形態に係る内部抵抗値の算出方法を示すグラフ 本発明の第１、第２の実施形態に係る発煙時の内部抵抗および温度の変化を示す図 本発明の第２の実施形態に係る判定部の処理を示すフローチャート
（概要）
本発明に係る電池の発煙判定方法は、第１期間およびその後の第２期間における各並列回路の内部抵抗値を算出するステップと、各並列回路の温度値を取得するステップとを含む。各並列回路のいずれかにおいて、第１期間の内部抵抗値より、第２期間の内部抵抗値が小さくなったこと、および、温度値が、第１期間と第２期間とに基づいて定まる期間内に上昇したことを少なくとも検出した場合、その並列回路に含まれるセルが発煙したと判定する。温度上昇だけでなく、内部抵抗低下にも基づいて、判定するので、センサ故障等と区別ができ、判定精度を向上することができる。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜構成＞
図１に、本実施形態に係る電池システム１００の機能ブロック図を示す。電池システム１００は、電池モジュール１０、電圧センサ３、温度センサ４、電流センサ５、電池監視ＥＣＵ２０を備える。電池モジュール１０は、一例として、直列接続された複数のｎ個の並列回路２（２（１）～２（ｎ））を含む。各並列回路２は並列接続された複数のセル１（１（１，１）～１（１，ｍ），…，１（ｎ，１）～１（ｎ，ｍ））をｍ個ずつ含む。電圧センサ３（３（１）～３（ｎ））は各並列回路２の電圧を測定する。温度センサ４（４（１）～４（ｎ））は各並列回路２の温度を測定する。温度センサ４は１つの並列回路２に複数設けられてもよい。電流センサ５は電池モジュール１０の電流を測定する。
電池監視ＥＣＵ２０は、一例として電池モジュール１０を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。電池監視ＥＣＵ２０は、電圧センサ３、温度センサ４、電流センサ５から測定値を取得し、これらに基づいて、セルの発煙判定を行う判定部２１を含む。電池監視ＥＣＵ２０は、他にも電池モジュール１０の充放電等の機能を制御するための制御部を有してもよい。
＜処理＞
以下に、電池システム１００の判定部が実行する発煙判定処理を説明する。図２は発煙判定処理を説明するフローチャートである。また、図３は、本処理に係る内部抵抗値の算出方法を説明する図であり、図４は、発煙時の内部抵抗値と電池センサ値との変化を示す図である。本処理は、例えば、車両が走行を開始し、電池モジュール１０の充放電が開始されたことにより開始される。
なお、以下の説明においては、１つの並列回路２を判定対象として説明するが、並列回路２ごとに同様の処理行うことで、全並列回路２を判定対象とすることができる。
（ステップＳ１０１）：判定部２１は、所定の第１期間の間、並列回路２の電圧を電圧センサ３から取得し、電流を電流センサ５から取得する。期間中に取得した電流および電圧の測定値の組（Ｉ，Ｖ）に基づいて、最小二乗法等によってＶ＝Ｖ０－Ｒ×Ｉの式に線形近似し、得られた傾きＲを並列回路２の内部抵抗値Ｒ１とする。図３に、電流－電圧グラフにマップした電流および電圧の測定値の組（Ｉ，Ｖ）と、Ｖ＝Ｖ０－Ｒ×Ｉのグラフの例を示す。傾きＲを複数回算出し、その時間平均値を内部抵抗値Ｒ１としてもよい。
（ステップＳ１０２）：判定部２１は、第１期間の後の、所定の第２期間の間、並列回路２の電圧を電圧センサ３から取得し、電流を電流センサ５から取得し、ステップＳ１０１と同様にして、並列回路２の内部抵抗値Ｒ２を算出する。
（ステップＳ１０３）：判定部２１は、第２期間の内部抵抗値Ｒ２が、第１期間の内部抵抗値Ｒ１より低下したか否か判定する。なお、ｋ１（≧０）を所定の定数とし、Ｒ２がＲ１－ｋ１よりも小さい場合にＲ２がＲ１より低下したと判定してもよい。Ｒ１がＲ２より低下したと判定した場合ステップＳ１０４に進み、そうでない場合、処理を終了する。
（ステップＳ１０４）：判定部２１は、並列回路２に設けられた温度センサ４から、温度Ｔを取得する。温度Ｔを複数回取得してその時間変化ｄＴ／ｄｔを計算し、温度Ｔが上昇中であるか否か判定する。なおｋＴ（≧０）を所定の定数とし、ｄＴ／ｄｔがｋＴより大きい場合に温度Ｔが上昇中であると判定してもよい。温度Ｔが上昇したと判定した場合ステップＳ１０５に進み、そうでない場合、処理を終了する。
ここで、図４を参照して、発煙と、内部抵抗の変化、温度変化との関係を説明する。セルに異常が発生して高温となり発煙すると、その熱が周囲のセルに拡散する。周囲のセルの温度が上昇すると、そのセルの内部抵抗が低下し、並列回路２の内部抵抗も低下する。また、熱の拡散が進行すると、温度センサ４が測定する温度が上昇する。例えば第１期間と第２期間の間に発煙が発生すると、第２期間の内部抵抗Ｒ２は第１期間の内部抵抗Ｒ１より小さくなり、発煙後一定の間、温度センサ４が測定する温度が上昇する。その後、熱が発散してセルの温度が低下して内部抵抗が発煙前と同程度にまで上昇する（第３期間）。また、温度センサ４が測定する温度が発煙前と同程度にまで低下する。上述のステップＳ１０３およびＳ１０４のように内部抵抗および温度の変化を監視することによって、発煙時の変化パターンを検出することができる。なお、発煙後の内部抵抗の変化パターンと温度の変化パターンとのタイミングのずれを考慮し、ステップＳ１０４で温度Ｔを取得する期間の開始および終了のタイミングは、電池モジュール１０の特性に応じて、例えば、ステップＳ１０１、Ｓ１０２で内部抵抗値を算出する第１期間、第２期間との所定の相対関係に基づいて定めることができる。そのために必要であれば、ステップＳ１０４はステップＳ１０１、Ｓ１０２と並列的に処理してもよい。また、第１期間、第２期間の長さや間隔も、電池モジュール１０の特性に応じて、発煙時の内部抵抗の低下を好適に検出できるように、適宜定められる。
（ステップＳ１０５）：判定部２１は、並列回路２に含まれるセル１の少なくともいずれか１つが発煙したと判定する。判定結果を表す情報を、電池監視ＥＣＵ２０内部や外部の他の機能部に出力する。以上により処理を終了する。
以上のステップＳ１０１～Ｓ１０５の処理は、繰り返し実行することで、電池モジュール１０の発煙有無を常時監視することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、第１に実施形態とは判定部２１の処理が異なる。以下、第１の実施形態との差異を中心に説明し、同様の部分は説明を省略する。
＜処理＞
図５は発煙判定処理を説明するフローチャートである。本実施形態では、発煙後低下した内部抵抗がその後、発煙前と同程度にまで上昇することも検出することにより、発煙したと判定する。
（ステップＳ２０１）：第１の実施形態におけるステップＳ１０１と同様、判定部２１は、所定の第１期間の間の並列回路２の内部抵抗値Ｒ１を算出する。
（ステップＳ２０２）：第１の実施形態におけるステップＳ１０２と同様、判定部２１は、第１期間の後の、所定の第２期間の間の並列回路２の内部抵抗値Ｒ２を算出する。
（ステップＳ２０３）：第１の実施形態におけるステップＳ１０３と同様、判定部２１は、第２期間の内部抵抗値Ｒ２が、第１期間の内部抵抗値Ｒ１より低下したか否か判定する。Ｒ１がＲ２より低下したと判定した場合ステップＳ２０４に進み、そうでない場合、処理を終了する。
（ステップＳ２０４）：第１の実施形態におけるステップＳ１０３と同様、判定部２１は、並列回路２の温度Ｔが上昇中であるか否か判定する。温度Ｔが上昇したと判定した場合ステップＳ２０５に進み、そうでない場合、処理を終了する。
（ステップＳ２０５）：ステップＳ１０１と同様の方法により、判定部２１は、第２期間の後の、所定の第３期間の間の並列回路２の内部抵抗値Ｒ３を算出する。
（ステップＳ２０６）：判定部２１は、第３期間の内部抵抗値Ｒ３が、第２期間の内部抵抗値Ｒ２より上昇したか否か判定する。なお、ｋ２（≧０）を所定の定数とし、Ｒ３がＲ２＋ｋ２よりも大きい場合にＲ３がＲ２より上昇したと判定してもよい。Ｒ３がＲ２より上昇したと判定した場合ステップＳ２０７に進み、そうでない場合、処理を終了する。なお、Ｒ３がＲ１と同程度の値（Ｒ１を含む所定範囲内の値）にまで上昇した場合にステップＳ２０７に進むものとしてもよい。
（ステップＳ２０７）：判定部２１は、並列回路２に含まれるセル１のいずれかが発煙したと判定する。判定結果を表す情報を、電池監視ＥＣＵ２０内部や外部の他の機能部に出力する。以上により処理を終了する。
以上のステップＳ２０１～Ｓ２０７の処理は、繰り返し実行することで、電池モジュール１０の発煙有無を常時監視することができる。
以上の各実施形態の処理は、電池モジュールの温度上昇に加えて、内部抵抗値の低下に基づいて発煙したことを判定できれば、適宜変更してもよい。また、図４に示すように、発煙後上昇した温度がその後、発煙前と同程度にまで低下することを、さらに検出することにより発煙したと判定してもよい。
＜効果＞
本発明によれば、発煙時の温度上昇だけでなく内部抵抗値の低下にも基づいて発煙の判定を行うため、従来のように温度上昇のみを検出する場合に比べて、発煙とセンサ故障等との区別が容易であるため、発煙の判定精度を向上することができる。また、従来のような温度ヒューズを備えた非復帰型スイッチを多数設ける場合と比べて、コストを抑制することができる。また、内部抵抗低下後の上昇をさらに検出して判定に用いれば、より判定精度を向上できる。なお、温度上昇後の温度低下をさらに検出して判定に用いてもよい。
なお、本発明は、電池の発煙判定方法だけでなく、コンピューターが実行する発煙判定方法、プログラム、または、このようなコンピューターを含む電池システム、車両として捉えることも可能である。
本発明は、電池を搭載した車両等に有用である。
１ セル
２ 並列回路
３ 電圧センサ
４ 温度センサ
５ 電流センサ
１０ 電池モジュール
２０ 電池監視ＥＣＵ
２１ 判定部
１００ 電池システム

Claims (3)

  1. 複数のセルを並列に接続して構成された並列回路を、複数直列に接続して構成された電池モジュールと、
    複数の前記並列回路のそれぞれに少なくとも１つずつ設けられ各前記並列回路の電圧をそれぞれ測定する複数の電圧センサと、
    複数の前記並列回路のそれぞれに少なくとも１つずつ設けられ各前記並列回路の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサと、
    前記電池モジュールに少なくとも１つ設けられ前記電池モジュールの電流を測定する電流センサと、
    前記セルの発煙を判定する判定部とを備える電池システムの前記判定部が実行する、電池の発煙判定方法であって、
    前記電圧センサから取得する電圧値および前記電流センサから取得する電流値に基づいて、第１期間および前記第１期間の後の第２期間における複数の前記並列回路のそれぞれにおける内部抵抗値を算出するステップと、
    各前記温度センサから各温度値を取得するステップと、
    複数の前記並列回路のうちいずれかの並列回路において、前記第１期間における内部抵抗値より、前記第２期間における内部抵抗値が小さくなったこと、および、前記いずれかの並列回路に設けられた前記温度センサから取得する温度値が、前記第１期間と前記第２期間とに基づいて定まる期間内に所定の定数よりも大きい時間変化で上昇したことを少なくとも検出した場合に、前記いずれかの並列回路に含まれる前記セルが発煙したと判定するステップとを含む、電池の発煙判定方法。
  2. 前記判定部が、前記電圧センサから取得する電圧値および前記電流センサから取得する電流値に基づいて、前記第２期間より後の、第３期間における複数の前記並列回路のそれぞれにおける内部抵抗値を算出するステップをさらに備え、
    前記セルが発煙したと判定するステップにおいて、前記第１期間における内部抵抗値より、前記第２期間における内部抵抗値が小さくなった前記いずれかの並列回路において、前記第２期間における内部抵抗値より前記第３期間における内部抵抗値が大きくなったことをさらに検出した場合に、前記いずれかの並列回路に含まれる前記セルが発煙したと判定する、請求項１に記載の電池の発煙判定方法。
  3. 複数のセルを並列に接続して構成された並列回路を、複数直列に接続して構成された電池モジュールと、
    複数の前記並列回路のそれぞれに少なくとも１つずつ設けられ各前記並列回路の電圧をそれぞれ測定する複数の電圧センサと、
    複数の前記並列回路のそれぞれに少なくとも１つずつ設けられ各前記並列回路の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサと、
    前記電池モジュールに少なくとも１つ設けられ前記電池モジュールの電流を測定する電流センサと、
    前記セルの発煙を判定する判定部とを備える電池システムであって、
    前記判定部は、
    前記電圧センサから取得する電圧値および前記電流センサから取得する電流値に基づいて、第１期間および前記第１期間の後の第２期間における複数の前記並列回路のそれぞれにおける内部抵抗を算出し、
    各前記温度センサから各温度値を取得し、
    複数の前記並列回路のうちいずれかの並列回路において、前記第１期間における内部抵抗値より、前記第２期間における内部抵抗値が小さくなったこと、および、前記いずれかの並列回路に設けられた前記温度センサから取得する温度値が、前記第１期間と前記第２期間とに基づいて定まる期間内に所定の定数よりも大きい時間変化で上昇したことを少なくとも検出した場合に、前記いずれかの並列回路に含まれる前記セルが発煙したと判定する、電池システム。
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