JP7101506B2 - 電池劣化判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池劣化判定装置に関する。

下記特許文献１には、周期電流をセル電池に印加する周期電流印加部と、上記周期電流が印加された状態でセル電池から得られるセル電圧に基づいてセル電池の劣化度を推定する劣化推定部とを備える劣化推定装置が開示されている。

特開２０１２－１８１０３７号公報

ところで、上記従来技術では、電池状態（劣化度）を推定するための回路要素として周期電流印加部を必須の構成要素としている。したがって、上記従来技術によれば、周期電流印加部の分だけ部品点数が増加し、この結果として周期電流印加部の分だけ実装面積が増大するという問題点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、部品点数を従来よりも抑制することが可能な電池劣化判定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電池劣化判定装置に係る第１の解決手段として、負荷に電力を供給する電池の電圧を電池電圧として検出する電圧検出部と、所定の評価用抵抗器の前記電池に対する接続状態を可変した場合に得られる所定の評価電圧に基づいて前記電池の外部接続状態を判定する接続状態判定部と、前記電池の充電容量及び前記評価用抵抗器の前記電池に対する接続状態を可変した場合の前記電池電圧に基づいて前記電池の劣化を判定する劣化判定部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、電池劣化判定装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電池と前記負荷の間にコンタクタが設けられる場合、前記劣化判定部は、前記電池の充電容量及び前記コンタクタが開状態のときに得られる前記電池電圧に基づいて前記電池の劣化を判定する、という手段を採用する。

本発明では、電池劣化判定装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記劣化判定部は、前記コンタクタを開状態かつ前記電池に前記評価用抵抗器を接続しない状態における第１の電池電圧、また前記コンタクタを開状態かつ前記電池に前記評価用抵抗器を接続した状態における第２の電池電圧に基づいて前記電池の内部抵抗を推定し、当該内部抵抗及び前記充電容量に基づいて前記電池の劣化を判定する、という手段を採用する。

本発明では、電池劣化判定装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記電池の温度を電池温度として検出する温度センサをさらに備え、前記劣化判定部は、前記内部抵抗及び前記充電容量並びに前記電池温度に基づいて前記電池の劣化を判定する、という手段を採用する。

本発明では、電池劣化判定装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記劣化判定部は、前記内部抵抗、前記充電容量及び前記電池温度の関係を示す特性データを予め記憶し、当該特性データを参照することにより前記電池の劣化を判定する、という手段を採用する。

本発明では、電池劣化判定装置に係る第５の解決手段として、上記第１～第５のいずれかの解決手段において、前記接続状態判定部は、所定の評価用抵抗器の前記電池に対する接続状態を可変した場合に得られる所定の評価電圧に基づいて前記電池のプラス端子あるいは／及びマイナス端子の地絡を判定する、という手段を採用する。

本発明によれば、部品点数を従来よりも抑制することが可能な電池劣化判定装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態におけるモータ駆動装置Ａの全体構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る地絡・電池劣化判定部７の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る地絡・電池劣化判定部７における評価用抵抗器の接続状態を示す回路図である。 本発明の一実施形態におけるＳＯＨ－Ｒ特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態におけるモータ駆動装置Ａは、図４に示すように三相モータＸを駆動対象とするものであり、電池１、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ、昇圧回路３、三相インバータ回路４、サーミスタ５（温度センサ）、電圧検出部６、地絡・電池劣化判定部７及びモータ制御回路８を備えている。なお、これら各構成要素のうち、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ、サーミスタ５、電圧検出部６及び地絡・電池劣化判定部７は、電池劣化判定装置を構成している。

三相モータＸは、例えば電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、走行動力を発生する走行モータである。この三相モータＸは、本発明における負荷に相当する。モータ駆動装置Ａは、同じく電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、運転手の操作指示に基づいて三相モータＸを駆動制御する。

電池１は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であり、図示するように複数の電池セルが直列接続されたものである。この電池１は、プラス端子とマイナス端子との間の端子間電圧（電池電圧）が数百ボルトであり、昇圧回路３及び三相インバータ回路４を介して三相モータＸ（負荷）に電力を供給する。

一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂは、例えば地絡・電池劣化判定部７によって開閉状態が制御される開閉器である。一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂのうち、一方のコンタクタ２Ａは、一端が電池１のプラス端子に接続され、他端が昇圧回路３の入力端に接続されている。また、他方のコンタクタ２Ｂは、一端が電池１のマイナス端子に接続され、他端が三相インバータ回路４の一方の入力端に接続されている。

昇圧回路３は、入力端が一方のコンタクタ２Ａの他端に接続され、出力端が三相インバータ回路４の他方の入力端に接続されている。この昇圧回路３は、モータ制御回路８から入力されるＰＷＭ信号に基づいて電池電圧（直流電圧）を所定の昇圧比で昇圧し、当該昇圧後の出力電圧（直流電圧）を三相インバータ回路４の入力端に出力する。

三相インバータ回路４は、一対の入力端のうち、一方の入力端が電池１のマイナス端子に接続され、他方の入力端が昇圧回路３の出力端に接続されている。この三相インバータ回路４は、昇圧回路３から入力される直流電圧を交流電圧に変換して三相モータＸに出力する。

サーミスタ５は、電池１に付帯するように設けられており、当該電池１の温度（電池温度Ｔ）を検出して電圧検出部６に出力する。

電圧検出部６は、上記電池１の電池電圧を各電池セルの電圧（セル電圧）として検出するものであり、電池セルの個数に対応した複数の入力端を備えている。この電圧検出部６は、各入力端が電池セルの各電極にそれぞれ接続されており、各電池セルの電圧（セル電圧）を検出する。また、この電圧検出部６は、各電池セルのセル電圧あるいは当該セル電圧の合計電圧つまり電池１の電池電圧及びサーミスタ５から入力された電池温度Ｔを地絡・電池劣化判定部７に出力する。このような電圧検出部６は、地絡・電池劣化判定部７と共に本発明における劣化判定部を構成している。

地絡・電池劣化判定部７は、第１スイッチ７ａ、第２スイッチ７ｂ、第３スイッチ７ｃ、第１抵抗器７ｄ、第２抵抗器７ｅ、第３抵抗器７ｆ、第４抵抗器７ｇ、差動アンプ７ｈ及び判定部７ｉを備えている。なお、第１スイッチ７ａ、第２スイッチ７ｂ、第３スイッチ７ｃ、第１抵抗器７ｄ、第２抵抗器７ｅ、第３抵抗器７ｆ、第４抵抗器７ｇ及び差動アンプ７ｈは、地絡・電池劣化判定部７における検出部７ｊを構成している。

第１スイッチ７ａは、一端が電池１のプラス端子に接続され、他端が第１抵抗器７ｄの一端に接続されている。第２スイッチ７ｂは、一端が電池１のマイナス端子に接続され、他端が第２抵抗器７ｅの一端に接続されている。第３スイッチ７ｃは、一端が第３抵抗器７ｆの一端に接続され、他端が第４抵抗器７ｇの一端及び差動アンプ７ｈの一方の入力端に接続されている。なお、これら３つの第１～第３スイッチ７ａ～７ｃは、判定部７ｉによって開閉動作が制御される。

第１抵抗器７ｄは、所定の抵抗値を有し、一端が第１スイッチ７ａの他端に接続され、他端が第２抵抗器７ｅの他端及び第３抵抗器７ｆの他端に接続されている。第２抵抗器７ｅは、所定の抵抗値を有し、一端が第２スイッチ７ｂの他端に接続され、他端が第１抵抗器７ｄの他端及び第３抵抗器７ｆの他端に接続されている。このような第１抵抗器７ｄ及び第２抵抗器７ｅは、第１スイッチ７ａ及び第２スイッチ７ｂが何れも閉状態となった場合に電池１のプラス端子とマイナス端子との間に接続される抵抗器である。

第３抵抗器７ｆは、所定の抵抗値を有し、一端が第３スイッチ７ｃの一端に接続され、他端が第１抵抗器７ｄの他端及び第２抵抗器７ｅの他端に接続されている。第４抵抗器７ｇは、所定の抵抗値を有し、一端が第３スイッチ７ｃの他端及び差動アンプ７ｈの一方の入力端に接続され、他端が接地されている。なお、このような第１抵抗器７ｄ、第２抵抗器７ｅ、第３抵抗器７ｆ及び第４抵抗器７ｇは、本発明における評価用抵抗器に相当する。

差動アンプ７ｈは、一方の入力端が第３スイッチ７ｃの他端及び第４抵抗器７ｇの一端に接続され、他方の入力端が電池１のマイナス端子に接続されており、第３スイッチ７ｃの他端と第４抵抗器７ｇ一端との接点電圧と電池１のマイナス端子の端子電圧との差分を増幅し、評価電圧Ｖとして判定部７ｉに出力する。判定部７ｉは、３つの第１～第３スイッチ７ａ～７ｃの開閉状態に応じた評価電圧Ｖに基づいて、電池１のプラス端子の地絡あるいは／及びマイナス端子の地絡を判定すると共に電池１の劣化状態を判定する。

このような地絡・電池劣化判定部７は、本発明における接続状態判定部に相当する。すなわち、この地絡・電池劣化判定部７は、所定の評価用抵抗器（第１～第４抵抗器７ｄ～７ｇ）の電池１に対する接続状態を可変した場合に得られる所定の評価電圧Ｖに基づいて電池１の外部接続状態つまり、プラス端子あるいは／及びマイナス端子の地絡を判定する。

モータ制御回路８は、昇圧回路３及び三相インバータ回路４並びに上位制御系（図示略）と通信自在に接続されており、上位制御系から入力される制御指令に基づいて昇圧回路３及び三相インバータ回路４を制御することにより三相モータＸの回転を制御する。このモータ制御回路８は、所定の制御プログラムに基づいて制御処理を実行するソフトウエア制御装置である。

次に、このように構成されたモータ駆動装置Ａの動作、特に地絡・電池劣化判定部７における地絡及び電池劣化の検出動作について説明する。

このモータ駆動装置Ａは、地絡・電池劣化判定部７によって一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂが閉状態に設定された状態において、電池１から出力さる所定電圧の直流電力を昇圧回路３で所定電圧まで昇圧し、さらに三相インバータ回路４によって交流電力に変換して三相モータＸに供給する。そして、モータ駆動装置Ａは、必要に応じて昇圧回路３の昇圧比を調節すると共に上位制御系から入力される制御指令によって三相インバータ回路４に出力するＰＷＭ信号のデューティー比を可変することにより三相モータＸの回転数を調節する。

このモータ駆動装置Ａの全体的な動作において、地絡・電池劣化判定部７は、継時的に変化する電池１の劣化（電池劣化）及び電池１のプラス端子及びマイナス端子の地絡発生を以下のように検出し、この検出結果を上位制御系に報知する。すなわち、地絡・電池劣化判定部７は、モータ駆動装置Ａが三相モータＸを駆動していないタイミングにおいて、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第１～第３スイッチ７ａ～７ｃの開閉状態を可変設定することにより電池劣化及び地絡発生を検知する。

最初に地絡発生の検知動作について説明すると、地絡・電池劣化判定部７は、電池１のプラス端子の地絡を検知しようとする場合に、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第１スイッチ７ａを何れも開状態とし、かつ第２スイッチ７ｂ及び第３スイッチ７ｃを閉状態に設定する。この場合における評価電圧Ｖは、電池１のプラス端子が地絡している場合に地絡していない場合に比べて大きな値となる。判定部７ｉは、このような評価電圧Ｖを評価用しきい値と比較することにより、電池１のプラス端子の地絡発生を検知する。

一方、地絡・電池劣化判定部７は、電池１のマイナス端子の地絡を検知しようとする場合に、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第２スイッチ７ｂを何れも開状態とし、かつ第１スイッチ７ａ及び第３スイッチ７ｃを閉状態に設定する。この場合における評価電圧Ｖは、電池１のマイナス端子が地絡している場合に地絡していない場合に比べて小さな値となる。判定部７ｉは、このような評価電圧Ｖを評価用しきい値と比較することにより、電池１のプラス端子の地絡発生を検知する。

続いて、電池劣化を判定する場合には、地絡・電池劣化判定部７は、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第３スイッチ７ｃを何れも開状態とする。そして、地絡・電池劣化判定部７は、第１スイッチ７ａ及び第２スイッチ７ｂを開状態に設定すると共に、この状態において電圧検出部６から入力される第１の電池電圧Ｅ１を取り込む。また、地絡・電池劣化判定部７は、第１スイッチ７ａ及び第２スイッチ７ｂを閉状態に設定すると共に、この状態において電圧検出部６から入力される第２の電池電圧Ｅ２を取り込む。

上記第１の電池電圧Ｅ１は、電池１に評価用抵抗器（第１抵抗器７ｄ及び第２抵抗器７ｅ）が接続されていない状態における電池電圧つまり開放電圧である。これに対して、第２の電池電圧Ｅ２は、電池１に抵抗値が既知な評価用抵抗器（第１抵抗器７ｄ及び第２抵抗器７ｅ）が接続された状態における電池電圧つまり基準負荷電圧である。

判定部７ｉは、このような第１の電池電圧Ｅ１及び第２の電池電圧Ｅ２並びに予め記憶している評価用抵抗器の抵抗値Ｒに基づいて電池１の内部抵抗値Ｒｎを推定する。すなわち、判定部７ｉは、第２の電池電圧Ｅ２を抵抗値Ｒで除算することによって劣化評価用抵抗器に流れる電流Ｉを演算し、さらに第１の電池電圧Ｅ１と第２の電池電圧Ｅ２をの差電圧を電流Ｉで除算することによって内部抵抗値Ｒｎを求める。

また、判定部７ｉは、第１の電池電圧Ｅ１を用いて予め記憶している充電容量特性データを検索することにより、電池１の充電容量Ｊ（ＳＯＣ）を求める。すなわち、充電容量特性データは、電池１における第１の電池電圧Ｅ１（開放電圧）と充電容量Ｊとの関係を示す特性データであり、判定部７ｉに予め記憶されている。判定部７ｉは、この充電容量特性データを第１の電池電圧Ｅ１で検索することにより、第１の電池電圧Ｅ１の取得時点（現時点）における電池１の充電容量Ｊを取得する。

そして、判定部７ｉは、このようにして得られた内部抵抗値Ｒｎ及び充電容量Ｊ並びに電池温度Ｔを用いて内部抵抗特性データを参照することにより、電池１の劣化状態を判定する。すなわち、内部抵抗特性データは、図４に示すように、新品の電池１における電池の内部抵抗Ｒｎ、充電容量Ｊ及び電池温度Ｔの関係を示すＳＯＨ－Ｒ特性である。

判定部７ｉは、現時点において取得された内部抵抗値Ｒｎ、充電容量Ｊ及び電池温度Ｔを電池１の初期状態を示す内部抵抗特性データと比較することにより、電池１の劣化が進んでいるか否かを判定する。例えば、図４に示すように、内部抵抗特性データにおいて充電容量Ｊが７０％、かつ電池温度Ｔが２５℃である場合の内部抵抗Ｒｎは値Ｒａとなるが、現時点の内部抵抗Ｒｎが値Ｒａに対して所定の許容範囲ΔＲｆよりも大きい場合、判定部７ｉは、電池１の劣化が異常に進んでいると判断する。

すなわち、本実施形態における電池劣化判定装置は、電池の地絡検出用に設けられた４つの評価用抵抗器（第１抵抗器７ｄ、第２抵抗器７ｅ、第３抵抗器７ｆ及び第４抵抗器７ｇ）の一部、つまり第１抵抗器７ｄ及び第２抵抗器７ｅを用いて電池１の劣化を評価する。そして、判定部７ｉは、電池１の劣化が異常に進行していると判断すると、この判断結果を上位制御系に報告する。

このような本実施形態によれば、地絡検知用に設けられた検出部７ｊを流用して電池１の内部抵抗Ｒｎを求め、当該内部抵抗Ｒｎに基づいて電池１の異常な劣化を検知するので、部品点数を従来よりも抑制することが可能である。

また、本実施形態によれば、電池１の劣化判定に内部抵抗値Ｒｎ及び充電容量Ｊに加えて電池温度Ｔをも用いるので、精度の良い劣化判定を実現することができる。例えば電池温度Ｔの変化幅が比較的小さい場合は、内部抵抗値Ｒｎ及び充電容量Ｊのみを用いて電池１の劣化判定を行うことが可能であるが、電池温度Ｔの変化幅が比較的大きい場合には、内部抵抗値Ｒｎ及び充電容量Ｊに加えて電池温度Ｔを用いることにより精度の良い劣化判定を実現することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態におけるモータ駆動装置Ａは、負荷である三相モータＸに対して力行動作のみを行うものであるが、本発明は、力行動作に加えて回生動作を行うモータ駆動装置にも適用可能である。すなわち、本発明は、昇圧回路に代えて昇降圧回路を備え、電池１の電力を昇降回路として機能する昇降圧回路及び三相インバータ回路４を介して三相モータＸに供給すると共に、三相モータＸの回生電力を三相インバータ回路４及び降圧回路として機能する昇降圧回路を介して電池１に回生するモータ駆動装置にも適用可能である。

（２）上記実施形態では、電池の地絡検出用に設けられた検出部７ｊを流用して電池１の内部抵抗Ｒｎを検出したが、本発明はこれに限定されない。地絡検出以外の目的で電池１に接続／非接続される抵抗器があれば、この抵抗器を流用して電池１の内部抵抗Ｒｎを検出してもよい。

（３）上記実施形態では、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂが開状態の場合に得られる第１の電池電圧Ｅ１及び第２の電池電圧Ｅ２を用いて電池１の内部抵抗Ｒｎを求めたが、本発明はこれに限定されない。負荷が比較的安定している状態つまり三相モータＸの消費電流が比較的安定している状態であれば、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂが閉状態の場合に得られる第１の電池電圧Ｅ１及び第２の電池電圧Ｅ２を用いてもよい。なお、この場合には、内部抵抗特性データを第１の電池電圧Ｅ１及び第２の電池電圧Ｅ２の取得時と同一条件の下で取得しておく必要がある。

（４）上記実施形態では、電池１の充電容量Ｊを電圧検出部６が検出した第１の電池電圧Ｅ１及び第２の電池電圧Ｅ２と判定部７ｊが予め記憶している充電容量特性データを用いて求めたが、本発明はこれには限定されない。充電容量Ｊの取得手法には周知の各種方法があるので、それも用いてもよい。例えば電池１の電流（電池電流Ｉ）を検出する電流センサを設け、電池電流Ｉの積算値を順次演算することによって時系列的に変化する充電容量Ｊを求めてもよい。

（５）上記実施形態では、差動アンプ７ｈは、一方の入力端が第３スイッチ７ｃの他端及び第４抵抗器７ｇの一端に接続され、他方の入力端が電池１のマイナス端子に接続される構成としたが、本発明はこれには限定されない。例えば、差動アンプ７ｈは、一方の入力端が第３スイッチ７ｃの一端及び第４抵抗器７ｆの一端に接続され、他方の入力端が電池１のマイナス端子に接続される構成としてもよい。

（６）上記実施形態では、第３スイッチ７ｃを設ける構成としたが、本発明はこれには限定されない。例えば第３スイッチ７ｃを省略し、第４抵抗器７ｇの一端を第４抵抗器７ｇの一端及び差動アンプ７ｈの一方の入力端と直接接続してもよい。

（７）上記実施形態では、地絡発生を検知する場合に、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第１スイッチ７ａを何れも開状態としていたが、本発明はこれには限定されない。例えば、絡発生を検知する場合に、一対のコンタクタ２Ａ、２Ｂ及び第１スイッチ７ａを何れも閉状態としてもよい。

（８）上記実施形態では、電圧検出部６は、電池１の電池電圧を各電池セルの電圧（セル電圧）として検出する構成としたが、本発明はこれには限定されない。例えば、電池１の電池電圧を各電池セルの電圧（セル電圧）として検出する電圧検出部とは、別に電池１の総電圧を検出する総電圧検出部の構成としてもよい。

Ａ モータ駆動装置
Ｘ 三相モータ
１ 電池
２Ａ、２Ｂ コンタクタ
３ 昇圧回路
４ 三相インバータ回路
５ サーミスタ（温度センサ）
６ 電圧検出部（劣化判定部）
７ 地絡・電池劣化判定部（接続状態判定部、劣化判定部）
７ａ 第１スイッチ
７ｂ 第２スイッチ
７ｃ 第３スイッチ
７ｄ 第１抵抗器（評価用抵抗器）
７ｅ 第２抵抗器（評価用抵抗器）
７ｆ 第３抵抗器（評価用抵抗器）
７ｇ 第４抵抗器（評価用抵抗器）
７ｈ 差動アンプ
７ｉ 判定部
７ｊ 検出部
８ モータ制御回路

Claims (3)

1. 負荷に電力を供給する電池の電圧を電池電圧として検出する電圧検出部と、
   前記電池と前記負荷の間に設けられるコンタクタと、
   一端が第１スイッチを介して前記電池のプラス端子に接続された第１抵抗器の他端と一端が第２スイッチを介して前記電池のマイナス端子に接続された第２抵抗器の他端との接続点における前記第１抵抗器及び前記第２抵抗器の前記電池に対する接続状態を可変した場合の電圧 に基づいて前記電池の前記プラス端子あるいは／及び前記マイナス端子の地絡を判定する接続状態判定部と、
   前記電池の充電容量及び前記第１抵抗器及び前記第２抵抗器の前記電池に対する接続状態を可変した場合の前記電池電圧に基づいて前記電池の劣化を判定する劣化判定部とを備え、
   前記劣化判定部は、前記コンタクタを開状態かつ前記電池に前記第１抵抗器及び前記第２抵抗器を接続しない状態における第１の電池電圧、また前記コンタクタを開状態かつ前記電池に前記第１抵抗器及び前記第２抵抗器を接続した状態における第２の電池電圧に基づいて前記電池の内部抵抗を推定し、当該内部抵抗及び前記充電容量に基づいて前記電池の劣化を判定する ことを特徴とする電池劣化判定装置。
2. 前記電池の温度を電池温度として検出する温度センサをさらに備え、
   前記劣化判定部は、前記内部抵抗及び前記充電容量並びに前記電池温度に基づいて前記電池の劣化を判定する ことを特徴とする請求項１に記載の電池劣化判定装置。
3. 前記劣化判定部は、前記内部抵抗、前記充電容量及び前記電池温度の関係を示す特性データを予め記憶し、当該特性データを参照することにより前記電池の劣化を判定する ことを特徴とする請求項２に記載の電池劣化判定装置。

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