JP7103253B2

JP7103253B2 - 電池セルの断線検知装置

Info

Publication number: JP7103253B2
Application number: JP2019017890A
Authority: JP
Inventors: 明広守田; 義宏内田; 信行田中; 和樹久保
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2039-02-04
Also published as: JP2020125950A

Description

本発明は、電池セルの断線検知装置に関する。

従来、この種の電池セルの断線検知装置としては、複数の電池を並列に接続した電池セルを複数直列に接続した組電池における電池セルの断線を検知する装置において、検査対象の電池セルの抵抗値と基準となる電池セルの抵抗値との比である抵抗比を演算し、演算した抵抗比を基準抵抗比と比較した結果に基づいて検査対象の電池セルの断線本数を特定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－２１１２６２号公報

一般に、各電池セルでは、温度などにより抵抗値が異なる。このため、上述の電池セルの断線検知装置では、各電池セルの温度などにより抵抗比が異なり、検査対象の電池セルの断線の有無を誤判定する可能性がある。

本発明の電池セルの断線検知装置は、電池セルの断線の有無の誤判定を抑制することを主目的とする。

本発明の電池セルの断線検知装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電池セルの断線検知装置は、
複数の電池を並列に接続した電池セルを複数直列に接続した組電池における前記電池セルの断線を検知する電池セルの断線検知装置であって、
検査対象の前記電池セルである対象セルの抵抗値と基準となる前記電池セルである基準セルの抵抗値との抵抗比の最新の値とそれよりも前の値との比として第１抵抗比変化量を演算する第１演算部と、
前記第１抵抗比変化量が第１閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を仮判定する仮判定部と、
前記対象セルの断線を仮判定した後の前記抵抗比と前記対象セルの断線を仮判定する前の前記抵抗比との比として第２抵抗比変化量を演算する第２演算部と、
前記第２抵抗比変化量が前記第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を確定する確定部と、
を備えることを要旨とする。

本発明の電池セルの断線検知装置では、検査対象の電池セルである対象セルの抵抗値と基準となる電池セルである基準セルの抵抗値との抵抗比の最新の値とそれよりも前の値との比として第１抵抗比変化量を演算し、第１抵抗比変化量が第１閾値よりも大きくなったときに、対象セルの断線を仮判定する。そして、対象セルの断線を仮判定した後の抵抗比と対象セルの断線を仮判定する前の抵抗比との比として第２抵抗比変化量を演算し、第２抵抗比変化量が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きくなったときに、対象セルの断線を確定する。したがって、抵抗比を直接用いるのではなく、第１抵抗比変化量や第２抵抗比変化量を用いることにより、各電池セルの温度などに基づく抵抗比のバラツキを除去して、対象セルの断線を仮判定したり確定したりすることができるから、電池セルの断線の有無の誤判定を抑制することができる。また、対象セルの断線の検知を仮判定、確定の２段階で行なうことにより、電池セルの断線の有無の誤判定を抑制することができる。

本発明の変形例の断線検知装置は、
複数の電池を並列に接続した電池セルを複数直列に接続した組電池における前記電池セルの断線を検知する電池セルの断線検知装置であって、
検査対象の前記電池セルである対象セルの抵抗値と基準となる前記電池セルである基準セルの抵抗値との抵抗比を演算する演算部と、
前記抵抗比が第１閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を仮判定する仮判定部と、
前記対象セルの断線を仮判定した後に、前記抵抗比が前記第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を確定する確定部と、
前記対象セルの断線を仮判定する前で前記抵抗比が前記第１閾値以下のときに、前記第１閾値を学習すると共に、前記対象セルの断線を仮判定した後で前記抵抗比が前記第２閾値以下のときには、前記第２閾値を学習する学習部と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の変形例の断線検知装置では、検査対象の電池セルである対象セルの抵抗値と基準となる電池セルである基準セルの抵抗値との抵抗比を演算する。そして、抵抗比が第１閾値よりも大きくなったときに、対象セルの断線を仮判定し、対象セルの断線を仮判定した後に、抵抗比が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きくなったときに、対象セルの断線を確定する。さらに、対象セルの断線を仮判定する前で抵抗比が第１閾値以下のときに、第１閾値を学習すると共に、対象セルの断線を仮判定した後で抵抗比が第２閾値以下のときには、第２閾値を学習する。したがって、第１閾値および第２閾値を学習するから、第１閾値および第２閾値をより適切な値とすることができる。この結果、電池セルの断線の有無の誤判定を抑制することができる。

本発明の一実施例としての電池セルの断線検知装置を搭載する電池装置２０の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット５０により実行される断線検知ルーチンの一例を示すフローチャートである。対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときの、電池セル２３ａ，２３ｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂと抵抗比Ｒｔａと抵抗比変化量ΔＲｔａ１，ΔＲｔａ２と異常カウンタとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。変形例の断線検知ルーチンの一例を示すフローチャートである。対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときの、抵抗比Ｒｔａと閾値Ｒｔａｒｅｆ１，Ｒｔａｒｅｆ２と異常カウンタとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電池セルの断線検知装置を搭載する電池装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電池装置２０は、走行用のモータ１０やモータ１０を駆動するインバータ１２と共に電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、図示するように、バッテリ２２と、電子制御ユニット５０とを備える。実施例の「電池セルの断線検知装置」としては、主として、電子制御ユニット５０が相当する。

バッテリ２２は、４個の電池セル２３ａ～２３ｄを直列に接続した組電池として構成されている。電池セル２３ａ～２３ｄは、それぞれ、互いに並列に接続された複数（例えば、１０個や１５個、２０個など）の電池２４と、複数の電池２４のそれぞれに直列に接続された複数のヒューズ２５とを有する。電池２４は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されている。ヒューズ２５は、過電流などにより所定温度以上に至ると溶断する。なお、電池セルの数は、複数であれば、４個に限定されるものではなく、４個以外の数個程度～数十個程度としてもよい。

電子制御ユニット５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力される。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、電池セル２３ａ～２３ｄのそれぞれに並列に取り付けられたｎ個の電圧センサ３０ａ～３０ｄからの電池セル２３ａ～２３ｄの電圧Ｖｂａ～Ｖｂｄや、バッテリ２２の出力端子に取り付けられた電流センサ３１からのバッテリ２２の電流Ｉｂを挙げることができる。

電子制御ユニット５０は、所定時間Δｔ（例えば、数百ｍｓｅｃ～数ｓｅｃ程度）ごとに、電圧センサ３０ａ～３０ｄからの電池セル２３ａ～２３ｄの電圧Ｖｂａ～Ｖｂｄと電流センサ３１からのバッテリ２２の電流Ｉｂとの関係に基づいて、電池セル２３ａ～２３ｄの抵抗値Ｒａ～Ｒｄを演算する。なお、電池セル２３ａ～２３ｄの抵抗値Ｒａ～Ｒｄは、セル内の互いに並列に接続された複数の電池２４のうち断線した電池２４の個数（溶断したヒューズ２５の本数）が増加するにつれて増加する。

電子制御ユニット５０は、電池セル２３ａ～２３ｄをそれぞれ検査対象の電池セルである対象セルとして、所定時間Δｔごとに、対象セルの抵抗値を基準となる電池セルである基準セルの抵抗値で除して抵抗比Ｒｔａ～Ｒｔｄを演算する。基準セルとしては、例えば、対象セルに隣接するセルを用いることができる。なお、基準セルの設定方法は、これに限定されるものではない。

次に、こうして構成された実施例の電池装置２０の動作、特に、各電池セル２３ａ～２３ｄの断線を検知する際の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット５０により実行される断線検知ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、電池装置２０のシステム起動時などに実行が開始される。以下の説明では、電池セル２３ａ～２３ｄのうち、対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときについて説明する。

図２の断線検知ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、最初に、電池セル２３ａ（対象セル）と電池セル２３ｂ（基準セル）との最新時刻ｔのおよびそれよりも４回前（所定時間Δｔの４倍だけ前）の抵抗比Ｒｔａ［ｔ］，Ｒｔａ［ｔ－４］を入力する（ステップＳ１００）。

こうしてデータを入力すると、入力した抵抗比Ｒｔａ［ｔ］を抵抗比Ｒｔａ［ｔ－４］で除して抵抗比変化量ΔＲｔａ１を演算し（ステップＳ１１０）、演算した抵抗比変化量ΔＲｔａ１を閾値ΔＲｔａｒｅｆ１と比較する（ステップＳ１２０）。ここで、閾値ΔＲｔａｒｅｆ１は、電池セル２３ａで断線が生じていると仮判定してよいか否かを判定するのに用いられる閾値である。この閾値ΔＲｔａｒｅｆ１は、電池セル２３内の複数の電池２４の何れにも断線が生じていない（ヒューズ２５が１本も溶断していない）ときの抵抗比変化量ΔＲｔａ１の範囲よりも大きく、且つ、電池セル２３ａ内の１個の電池２４に対して断線が生じた（１本のヒューズ２５が溶断した）ときの抵抗比変化量ΔＲｔａ１の範囲よりも小さい値として定められる。抵抗比変化量ΔＲｔａ１が閾値ΔＲｔａｒｅｆ１以下のときには、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１２０で抵抗比変化量ΔＲｔａ１が閾値ΔＲｔａｒｅｆ１よりも大きいときには、電池セル２３ａの断線を仮判定し（ステップＳ１３０）、電池セル２３ａの断線を仮判定する前の４回の抵抗比Ｒｔａ［ｔ－４］～Ｒｔａ［ｔ－１］を比較用抵抗比Ｒｔａｃｏ［１］～Ｒｔａｃｏ［４］として設定する（ステップＳ１４０）。

続いて、電池セル２３ａと電池セル２３ｂとの最新時刻ｔの抵抗比Ｒｔａ［ｔ］を入力し（ステップＳ１５０）、入力した抵抗比Ｒｔａ［ｔ］を比較用抵抗比Ｒｔａｃｏ［１］～Ｒｔａｃｏ［４］から選択した選択抵抗比で除して抵抗比変化量ΔＲｔａ２を演算する（ステップＳ１６０）。ここで、選択抵抗比は、例えば、ステップＳ１６０の処理を実行するごとに比較用抵抗比Ｒｔａｃｏ［１］～Ｒｔａｃｏ［４］からＲｔａｃｏ［１］、・・・、Ｒｔａｃｏ［４］、Ｒｔａｃｏ［１］、・・・の順に選択したり、比較用抵抗比Ｒｔａｃｏ［１］～Ｒｔａｃｏ［４］のうち最大値を選択したりすることができる。

こうして抵抗比変化量ΔＲｔａ２を演算すると、演算した抵抗比変化量ΔＲｔａ２を閾値ΔＲｔａｒｅｆ１よりも大きい閾値ΔＲｔａｒａｆ２と比較する（ステップＳ１７０）。ここで、閾値ΔＲｔａｒｅｆ２は、電池セル２３ａで断線が生じていると確定してよいか否かを判定するのに用いられる閾値である。この閾値ΔＲｔａｒｅｆ２は、電池セル２３ａ内の１個の電池２４に対して断線が生じた（１本のヒューズ２５が溶断した）ときの抵抗比変化量ΔＲｔａ１の範囲よりも大きく、且つ、電池セル２３ａ内の２個の電池２４に対して断線が生じた（２本のヒューズ２５が溶断した）ときの抵抗比変化量ΔＲｔａ１の範囲よりも小さい値として定められる。

ステップＳ１７０で抵抗比変化量ΔＲｔａ２が閾値ΔＲｔａｒｅｆ２以下のときには、ステップＳ１５０に戻る。一方、抵抗比変化量ΔＲｔａ２が閾値ΔＲｔａｒｅｆ２よりも大きいときには、電池セル２３ａの断線を確定して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。

実施例では、電池セル２３ａ（対象セル）の断線の有無を仮判定したり確定したりする際に、抵抗比Ｒｔａを直接用いるのではなく、抵抗比変化量ΔＲｔａ１，ΔＲｔａ２を用いることにより、電池セル２３ａ（対象セル）や電池セル２３ｂ（基準セル）の温度などに基づく抵抗比Ｒｔａのバラツキを除去して電池セル２３ａの断線の有無を仮判定したり確定したりすることができる。また、電池セル２３ａの断線の検知を仮判定、確定の２段階で行なうことにより、電池セル２３ａの断線の有無の誤判定を抑制することができる。図２の断線検知ルーチンでは、対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときについて説明したが、対象セルおよび基準セルの組み合わせがこれ以外の場合についても同様に考えることができる。

図３は、対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときの、電池セル２３ａ，２３ｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂと抵抗比Ｒｔａと抵抗比変化量ΔＲｔａ１，ΔＲｔａ２と異常カウンタとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。なお、異常カウンタの値０は、通常時を意味し、値１は、電池セル２３ａの断線の仮判定を意味し、値２は、電池セル２３ａの断線の確定を意味する。図３の例では、抵抗比変化量ΔＲｔａ１が閾値ΔＲｔａｒｅｆ１よりも大きくなると（時刻ｔ１１）、異常カウンタを値０から値１に切り替える。そして、その後に抵抗比変化量ΔＲｔａ１が閾値ΔＲｔａｒｅｆ２よりも大きくなると（時刻ｔ１２）、異常カウンタを値１から値２に切り替える。これにより、上述の効果を奏することができる。

以上説明した実施例の電池装置２０が備える電子制御ユニット５０では、電池セル２３ａ（対象セル）の抵抗値Ｒａと電池セル２３ｂ（基準セル）の抵抗値Ｒｂとの比である抵抗比Ｒｔａを演算する。そして、最新時刻ｔの抵抗比Ｒｔａ［ｔ］とそれよりも前の時刻の抵抗比Ｒｔａ［ｔ－４］との比である抵抗比変化量ΔＲｔａ１が閾値ΔＲｔａｒｅｆ１よりも大きくなったときに、電池セル２３ａの断線を仮判定する。さらに、電池セル２３ａの断線を仮判定した後に、最新時刻ｔの抵抗比Ｒｔａ［ｔ］と電池セル２３ａの断線を仮判定する前の抵抗比Ｒｔａｃｏ［ｋ］（ｋ＝１～４の何れか）との比である抵抗比変化量ΔＲｔａ２が閾値ΔＲｔａｒｅｆ１よりも大きい閾値ΔＲｔａｒｅｆ２よりも大きくなったときに、電池セル２３ａの断線を確定する。したがって、抵抗比Ｒｔａを直接用いるのではなく、抵抗比変化量ΔＲｔａ１，ΔＲｔａ２を用いることにより、電池セル２３ａ（対象セル）や電池セル２３ｂ（基準セル）の温度などに基づく抵抗比Ｒｔａのバラツキを除去して電池セル２３ａの断線の有無を仮判定したり確定したりすることができる。また、電池セル２３ａの断線の検知を仮判定、確定の２段階で行なうことにより、電池セル２３ａの断線の有無の誤判定を抑制することができる。なお、対象セルおよび基準セルの組み合わせがこれ以外の場合についても同様に考えることができる。

実施例の電池装置２０が備える電子制御ユニット５０では、抵抗比変化量ΔＲｔａ１を演算する際には、最新時刻ｔの抵抗比Ｒｔａ［ｔ］をそれよりも４回前の抵抗比Ｒｔａ［ｔ－４］で除して演算するものとしたが、４回前に限定されるものではなく、１回前や２回前、３回前、５回前などとしてもよい。

実施例の電池装置２０が備える電子制御ユニット５０では、電池セル２３ａの断線を仮判定すると、その前の４回の抵抗比Ｒｔａ［ｔ－４］～Ｒｔａ［ｔ－１］を比較用抵抗比Ｒｔａｃｏ［１］～Ｒｔａｃｏ［４］として設定するものとした。しかし、比較用抵抗比の数は、４個に限定されるものではなく、１個や２個、３個、５個などとしてもよい。

実施例の電池装置２０が備える電子制御ユニット５０では、図２の断線検知ルーチンを実行するものとしたが、これに代えて、図４の断線検知ルーチンを実行するものとしてもよい。図２と同様に、電池セル２３ａ～２３ｄのうち、対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときについて説明する。なお、対象セルおよび基準セルの組み合わせがこれ以外の場合についても同様に考えることができる。

図４の断線検知ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、最初に、電池セル２３ａ（対象セル）と電池セル２３ｂ（基準セル）との抵抗比Ｒｔａを入力し（ステップＳ２００）、入力した抵抗比Ｒｔａを閾値Ｒｔａｒｅｆ１と比較する（ステップＳ２１０）。ここで、閾値Ｒｔａｒｅｆ１は、電池セル２３ａで断線が生じていると仮判定してよいか否かを判定するのに用いられる閾値である。

抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ１以下のときには、電池セル２３ａの断線を仮判定せずに、閾値Ｒｔａｒｅｆ１を学習して（ステップＳ２２０）、ステップＳ２００に戻る。ここで、閾値Ｒｔａｒｅｆ１の学習は、実施例では、最新の抵抗比ＲｔａにマージンＭ１を加えた値と、現在の閾値Ｒｔａｒｅｆ１と、のうち大きい方を新たな閾値Ｒｔａｒｅｆ１として設定することにより行なわれる。

ステップＳ２１０で抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ１よりも大きいときには、電池セル２３ａの断線を仮判定し（ステップＳ２３０）、抵抗比ＲｔａにマージンＭ２を加えた値を閾値Ｒｔａｒｅｆ２に設定する（ステップＳ２４０）。ここで、閾値Ｒｔａｒｅｆ２は、電池セル２３ａで断線が生じていると確定してよいか否かを判定するのに用いられる閾値である。

続いて、電池セル２３ａ（対象セル）と電池セル２３ｂ（基準セル）との抵抗比Ｒｔａを入力し（ステップＳ２５０）、入力した抵抗比Ｒｔａを閾値Ｒｔａｒｅｆ２と比較する（ステップＳ２６０）。そして、抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ２以下のときには、電池セル２３ａの断線を確定せずに、閾値Ｒｔａｒｅｆ２を学習して（ステップＳ２７０）、ステップＳ２５０に戻る。ここで、閾値Ｒｔａｒｅｆ２の学習は、実施例では、最新の抵抗比ＲｔａにマージンＭ２を加えた値と、現在の閾値Ｒｔａｒｅｆ２と、のうち大きい方を新たな閾値Ｒｔａｒｅｆ２として設定することにより行なわれる。ステップＳ２６０で抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ２よりも大きいときには、電池セル２３ａの断線を確定して（ステップＳ２８０）、本ルーチンを終了する。

図５は、対象セルを電池セル２３ａ、基準セルを電池セル２３ｂとしたときの、抵抗比Ｒｔａと閾値Ｒｔａｒｅｆ１，Ｒｔａｒｅｆ２と異常カウンタとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。異常カウンタは、図５と同様である。図３の例では、抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ１以下のときには、閾値Ｒｔａｒｅｆ１を学習する。そして、抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ１よりも大きくなると（時刻ｔ２１）、電池セル２３ａの断線を仮判定し、閾値Ｒｔａｒｅｆ２を設定する。その後に、抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ２以下のときには、閾値Ｒｔａｒｅｆ２を学習する。そして、抵抗比Ｒｔａが閾値Ｒｔａｒｅｆ２よりも大きくなると（時刻ｔ２２）、電池セル２３ａの断線を確定する。

このように閾値Ｒｔａｒｅｆ１，Ｒｔａｒｅｆ２を学習することにより、閾値Ｒｔａｒｅｆ１，Ｒｔａｒｅｆ２としてより適切な値を用いることができるから、電池セル２３ａの断線の仮判定や確定の誤判定を抑制することができる。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電池セルの断線検知装置の製造産業などに利用可能である。

１０モータ、１２インバータ、２０電池装置、２２バッテリ、２３ａ～２３ｄ電池セル、２４電池、２５ヒューズ、３０ａ～３０ｄ電圧センサ、３１電流センサ、５０電子制御ユニット。

Claims

複数の電池を並列に接続した電池セルを複数直列に接続した組電池における前記電池セルの断線を検知する電池セルの断線検知装置であって、
検査対象の前記電池セルである対象セルの抵抗値と基準となる前記電池セルである基準セルの抵抗値との抵抗比の最新の値とそれよりも前の値との比として第１抵抗比変化量を演算する第１演算部と、
前記第１抵抗比変化量が第１閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を仮判定する仮判定部と、
前記対象セルの断線を仮判定した後の前記抵抗比と前記対象セルの断線を仮判定する前の前記抵抗比との比として第２抵抗比変化量を演算する第２演算部と、
前記第２抵抗比変化量が前記第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きくなったときに、前記対象セルの断線を確定する確定部と、
を備える電池セルの断線検知装置。