JPH08138759A - 組電池の劣化検出方法及び劣化検出装置 - Google Patents
組電池の劣化検出方法及び劣化検出装置Info
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Abstract
された組電池について、組電池の劣化を正確に、また、
現実の出力に即して的確に劣化を検出することのできる
組電池の劣化検出方法・装置を提供する。 【構成】 複数のモジュール電池の直列集合体からなる
組電池の劣化をその充電中に複数のモジュール電池間の
電圧格差に基づいて検出する方法において、充電開始後
所定容量を充電されるまで劣化検出を休止させる。ま
た、本発明による組電池の劣化検出装置においては、放
電電流値と温度値とに対応すべき劣化基準放電電圧値を
基準データに基づいて演算して求め、劣化基準放電電圧
値を実際の放電電圧値と比較して劣化か否かを判定する
ように構成する。
Description
蓄電池等の集合体からなる組電池形態の、特に電気自動
車等の移動体に搭載される蓄電池について、その蓄電池
の状態(例えば蓄電池が劣化して取替時期に達したかど
うか)を検出する方法・装置に関する。
業用車両等の移動体に搭載される電源としては、液式の
鉛蓄電池を組電池に構成したものが一般に用いられてき
た。かかる組電池が劣化して取替時期に達したかどうか
の検出は、連続充電中に、組電池を構成する単位電池間
の電圧の差、いわゆるばらつき、を測定することにより
行なっていた。例えば、特開平5−236662号公報
には複数ブロックを成す組電池について、各ブロック内
の1セル当たりの平均電圧の差が0.05V以上に達し
たとき異常と判定するシステムを開示している。
ー密度、出力密度、サイクル寿命等の基本特性において
鉛蓄電池より優れている密閉型ニッケル・水素蓄電池が
電気自動車等の移動体用電源として注目され、実用化に
向けての開発がすすんでいる。密閉型ニッケル・水素蓄
電池が電気自動車用として用いられる場合、所定の出力
を得るためには電池容量が50〜120Ahで且つ10
0〜350V程度の総電圧が必要となる。ニッケル・水
素蓄電池は実用上の最小単位である1セルの出力電圧が
1.2V程度であるため、多数のセルを直列接続して所
要の総電圧を得る。例えば、10セルを直列接続して1
モジュールとし、これを24モジュール直列接続すれば
240セルの組電池となり、総電圧288Vが得られ
る。ところがこのように非常に多数のセルを組合せた密
閉型ニッケル・水素蓄電池の電気自動車用組電池につい
て従来の鉛蓄電池に適用されていたような電圧のばらつ
きに基づく劣化検出法を用いても、正確な検出ができな
いことがわかった。これは、充電開始時の各セルの電圧
がその前サイクルの放電の影響によってばらつきを生じ
易く、しかもそのようなばらつきは正常な電池であって
も生じるため、誤った判定をしてしまうからである。一
方、電気自動車の動力性能を決定するのは組電池の放電
中の出力であるため、組電池の劣化検出基準の1つとし
て放電中の出力が実際上重要であるが、この出力の低下
を検出する方法・装置は従来の技術にはなかった。
になされたもので、組電池の劣化を正確に、また、現実
の出力に即して的確に劣化を検出することのできる組電
池の劣化検出方法・装置を提供することを目的とする。
化検出方法は、複数のモジュール電池の直列集合体から
なる組電池の劣化をその充電中に複数のモジュール電池
間の電圧格差に基づいて検出する方法において、充電開
始後所定容量が充電されるまで劣化検出を休止させるこ
とを特徴とするものである。
は、複数のモジュール電池の直列集合体からなる組電池
の劣化をその放電中に検出する装置であって、組電池の
放電電流を検出する電流検出手段と、組電池の放電電圧
を検出する電圧検出手段と、組電池の電池温度を検出す
る温度検出手段と、劣化した供試組電池の放電電圧をそ
の電池温度値と放電電流値とを変数として実測した基準
データを予め記憶した記憶手段と、電流検出手段によっ
て検出された放電電流値と温度検出手段によって検出さ
れた温度値とに対応すべき劣化基準放電電圧値を基準デ
ータに基づいて演算して求める演算手段と、劣化基準放
電電圧値を前記電圧検出手段によって検出された放電電
圧値と比較して劣化か否かを判定する劣化判定手段と、
劣化判定手段の出力を受けて表示する表示手段とを備え
たものである。
電圧の放電電流に対する分布の勾配をその電池温度値を
変数として実測した基準データを予め記憶した記憶手段
と、電流検出手段によって検出された複数の放電電流値
にそれぞれ対応するところの、電圧検出手段によって検
出された複数の放電電圧値の分布に基づいて、その勾配
を演算し、かつ、温度検出手段によって検出された温度
値に対応すべき、放電電圧の放電電流に対する分布の劣
化基準勾配を前記基準データに基づいて演算して求める
演算手段と、前記勾配を前記劣化基準勾配と比較して劣
化か否かを判定する劣化判定手段と、劣化判定手段の出
力を受けて表示する表示手段とを備えた。
所定の範囲にある間は、前記勾配に基づいての劣化判定
を休止するように構成した。
始後、組電池が所定容量が充電されるまで劣化検出を休
止させる。
において、演算手段は、電流検出手段によって検出され
た放電電流値と温度検出手段によって検出された温度値
とに対応すべき劣化基準放電電圧値を基準データに基づ
いて演算して求め、劣化判定手段は、劣化基準放電電圧
値を電圧検出手段によって検出された放電電圧値と比較
して劣化か否かを判定する。
検出された複数の放電電流値にそれぞれ対応する、電圧
検出手段によって検出された複数の放電電圧値の分布に
基づいて、その勾配を演算し、かつ、温度検出手段によ
って検出された温度値に対応すべき、放電電圧の放電電
流に対する分布の劣化基準勾配を基準データに基づいて
演算して求める。劣化判定手段は前記勾配を前記劣化基
準勾配と比較して劣化か否かを判定する。
の範囲にある間は、前記勾配に基づいての劣化判定を休
止する。
る、密閉型ニッケル・水素蓄電池の集合体からなる蓄電
池の内部回路図である。この電池1は複数(本実施例で
は例えば24個とする)のモジュール101、102、
103、...、及び124を直列接続して成る組電池
(以下組電池1という)であり、各モジュールはさらに
複数(通常10個)のセルの直列接続体により構成され
ている。図2は、本発明の、組電池の劣化検出装置を示
すブロック図である。図2において、電圧検出回路20
1〜224の一対の入力端子は、それぞれモジュール1
01〜124の各両端部に接続され、各モジュール10
1〜124の両端部間の電圧に比例したアナログ電圧出
力信号をA/D変換器7に入力する。モジュール102
の内部には電池温度センサ2が設けられていて、その出
力はA/D変換器7に送られる。ここで、電池温度セン
サ2は例えばサーミスタ温度センサである。なお、電池
温度センサ2をモジュール102内に設ける例を示した
が、これは一例として示したに過ぎず他のモジュールに
設けても良い。また2つ以上のモジュールに電池温度セ
ンサ2を設けてCPU8においてその出力値の平均又は
最大をとる構成にすることもできる。
及びスイッチ5と負荷6との直列体が接続されている。
負荷6は電気自動車におけるモータ等である。通常の走
行状態においてはスイッチ5が閉路され負荷6に電流を
供給し得る状態になっている。充電時にはスイッチ5を
開いて負荷6を切り離し、充電装置12によりDC充電
電圧を印加する。充電装置のプラグ13は、電気自動車
を停止させた状態で例えばAC200Vの電源に接続さ
れる。充電装置12が起動しているときは、そのことを
示す信号がA/D変換器7に送られる。負荷6に流れる
電流は例えばホール素子等の電流センサ3によって検出
されA/D変換器7に送られる。組電池1の両端間には
例えば抵抗分圧を利用した電圧センサ4が接続され、組
電池1の両端間の電圧(総電圧)に比例する電圧を検出
してA/D変換器7に電圧信号を送る。A/D変換器7
のディジタル出力信号はCPU8に送られる。CPU8
にはROM9が接続されている。A/D変換器7、CP
U8及びROM9は劣化検出回路10を構成する。そし
て、CPU8の出力は表示装置11に送られる。表示装
置11は例えば電気自動車の運転席正面に配置され、運
転者によって視認されるようになっている。
劣化検出動作から説明する。図3は、充電時にCPU8
が実行する動作を示すフローチャートである。図2にお
いて、スイッチ5を開いて負荷6を切り離した後、プラ
グ13を電源に接続して充電装置12を起動する。CP
U8は充電装置12から起動信号を受けて図3のフロー
チャートの実行を開始する。まず、ステップS1におい
て組電池1が充電によって所定の容量に達したかどうか
を組電池1の端子間電圧に基づいて判断する。そして所
定の容量に達するまでステップS1を繰り返す。ここ
で、所定の容量とは例えば組電池1の完全充電時の電池
容量[A・h]の10%とする。すなわち電池容量の1
0%を充電されるまでは次のステップに進まず、待機す
る。従って、その後のステップにて行なう電池の劣化検
出はこの間は行なわれない。このように充電初期の所定
の期間に電池の劣化検出を行わないのは以下の理由によ
る。
ル101〜124(図2)によって構成され、さらに各
モジュール101〜124は多数のセルから成ってい
る。そして、電気自動車に搭載される組電池1は充放電
の繰り返しが頻繁に繰り返される。このように使用され
てきた組電池1においては、すべてのセルが全く同じよ
うに放電しているとは限らず、セルによって放電深度す
なわちどの程度まで放電したかが異なっていることが実
験的にわかっている。従って、電池としての異常はなく
ても充電初期には各セルの電圧が異なり、モジュール1
01〜124単位で電圧を見ても不揃いになることが多
い。このような状態を「電圧のばらつき」の存在として
認識して、その中の電圧の低いモジュールが劣化してい
ると判断するのは適切ではない。正常なセルの電圧はそ
の後順調に回復するからである。従って、充電初期の所
定期間は劣化検出を行なわないことが好ましい。
ら、ステップS2において電圧のばらつきを監視し、ス
テップS3にてそのばらつきが正常な範囲内にあるかど
うかを判断する。具体的には、図2の電圧検出装置20
1〜224から送られてくる電圧信号を比較し、1セル
あたりの電圧を求め、その電圧のモジュール間での格差
が所定値未満に収っていたら、正常であると判断する。
ここで正常であればステップS4に進み、異常の表示を
オフにしてステップS6に進む。また、ステップS3に
おいて、異常と判断したらステップS5に進み、異常で
ある旨の表示をオンにする。具体的には、図2のCPU
8から表示装置11に異常表示信号が送られる。異常表
示信号は単に異常の存在を示す信号のほか、どのモジュ
ール101〜124の電圧が異常であるかを示す信号を
も含めることができる。次にステップS6においては、
充電が完了していればステップS7に進み、完了してい
なければステップS2に戻って既述の動作を繰り返す。
ステップS7では電池容量としてのデータを所定値に設
定する。所定値とは例えば、100(%)である。充電
時の劣化検出動作は以上である。
される負荷電流についてCPU8により単位時間ごとに
積分処理して電池容量の消費量を求める。そして、消費
量に相当する数値を前記の充電後の電池容量の所定値
(100)から減算し続ける。こうして充電完了後の電
池容量の状態を常時把握しておく。
の走行時における組電池1の劣化検出動作について説明
する。図4は、電気自動車の走行開始とともにCPU8
によって行なわれる動作のフローチャートである。動作
の説明にはいる前に、本動作フローにおいて使用する劣
化判定基準の作成から説明する。本動作フローにて検出
しようとするのは電池の劣化である。従ってどの程度を
もって劣化した(寿命が来た)と判断するかの基準が必
要である。そこで、新品の組電池の初期電池容量を10
0として、80の電池容量に低下した状態を電池の劣化
(寿命)とする。すなわち、いくら充電しても初期電池
容量の80%の容量しか得られない状態になったことを
意味する。なお、劣化とは、通常の充放電の繰返しによ
って自然的に寿命に到達する劣化のほか、突発的な明ら
かな故障の発生も含む。この80%の電池容量の電池に
ついて、電池温度を一定に保って一定電流で放電させ、
所定時間後(例えば10秒後)の安定した放電電圧(放
電中の組電池1の端子間電圧)を測定する実験を行な
う。電池温度と放電電流を変数として種々の値に変えな
がら放電電圧を測定した結果を表1に示す。この結果の
データをROM9(図2)に記憶させる。
始とともにステップS11に進み、ここで時間tが経過
するのを待つ。tの値は例えば10秒である。走行開始
から例えば10秒未満では電池の状態が安定しないから
である。時間tを経過したらステップS12に進み、放
電電圧V、放電電流I及び電池温度Tを読む。放電電圧
V及び放電電流Iは電気自動車の走行中激しく変化し続
けているので、両値の読み取りはCPU8の実行上連続
して行い、読み取りの同時性すなわち読み取り値の信頼
性を高める。次にステップ13に進み、まず放電電流I
及び電池温度Tを基に表1のデータから劣化の基準とな
るべき劣化基準放電電圧Vrefを求める。ROM9に記
憶されたデータは有限個のデータであるため、補間によ
り放電電圧を求める。例えば、電池温度Tが30℃で放
電電流Iが150Aであれば、20℃における放電電圧
データ(表1の横方向)と40℃における放電電圧デー
タとからそれらを補間して30℃における放電電圧デー
タを求める。次に、今求めた30℃における放電電圧デ
ータのうち100Aにおけるデータと200Aにおける
データとを補間して30℃−150Aの放電電圧を求め
る。これが劣化基準放電電圧Vrefとなる。
電電圧Vrefと現実の放電電圧Vとを比較し、(劣化基
準放電電圧Vref)<(放電電圧V)の関係が成り立て
ば正常であるとしてステップS15へ、成り立たなけれ
ば異常であるとしてステップS16へそれぞれ進む。ス
テップS15では異常表示をオフにしてステップS17
へ進む。また、ステップS16では異常表示をオンにす
る。すなわち、図2においてCPU8から表示装置11
に信号が送られ、表示装置11は組電池1の劣化を表示
する。ステップS17では運転を停止したかどうかを判
断し、運転中はステップS12に戻って既述の動作を繰
返す。運転停止、例えば運転キーをオフにすれば動作は
終了に至る。
電電流と電池温度とから放電電圧が劣化の基準値に達し
たかどうかを判断して、劣化検出を行なう。放電電流と
放電電圧との積である放電電力は、電気自動車の出力に
相当するため、電気自動車の実際の出力に忠実な劣化検
出を行なうことができる。
劣化検出とは異なる視点から組電池の劣化検出を行な
う構成を以下に説明する。図1に示す組電池1の放電電
圧(端子間電圧)Vと放電電流Iとの間には以下のよう
な関係がある。 V=(−a・I+b)×24 ...(1) 但し、a及びbは定数であり、一例として数値を代入す
れば、式(1)は、 V=(−0.012032×I+12.5605)×2
4 となる。ここでaはモジュールの内部抵抗に相当し、b
はモジュールの無負荷時の端子電圧に相当する。上記の
aの値は電池容量の残量には影響を受けないが、終始一
定ではなく、電池の疲弊(劣化の進行)とともに増加す
る。従って、aの値を監視することにより、電池の劣化
を検出し得る。そこで、前記劣化検出の場合と同様
に、電池容量が80%にまで劣化した組電池を用意し、
所定の電池温度において放電電圧と放電電流とを計測す
る。計測に際してはデータの信頼性を高めるため、所定
時間内(例えば10分)で且つ所定放電量以内(例えば
3Ah)に計測を行なうことが望ましい。そして電池温
度を種々変更して計測し、電池温度を変数とした放電電
圧及び放電電流のデータを用意する。そして、一つの電
池温度におけるすべての計測点をプロットした一例を図
5に示す。プロット点から図示のような直線が類推で
き、この直線の勾配がaである。回帰分析法(regressio
n analysis)によれば勾配aは以下の式によって与えら
れる。 a={Σ(Ii−Im)(Vi−Vm)}/Σ(Ii−Im)2 ...(2) 但し、Ii及びViはそれぞれ放電電流及び放電電圧の計
測値、Im及びVmはそれぞれ放電電流及び放電電圧の平
均値である。こうして、種々の電池温度における直線の
傾きを調べ、下記の表2のようなデータを得る。このデ
ータをROM9(図2)に記憶させる。
フローチャートである。図6において、電気自動車の走
行開始とともにステップS21に進み、ここで時間tが
経過するのを待つ。tの値は前述のように例えば10秒
である。時間tを経過したらステップS22に進み、放
電電圧V、放電電流I及び電池温度Tを読む。放電電圧
V及び放電電流Iは所定の時間ごとに繰返し読み、複数
のデータとしての放電電圧Vi及び放電電流Iiを収集す
る。次に、ステップS23において現在の電池容量が充
電完了直後の状態を100(%)としてそれに対して所
定の範囲内にあるかどうかを判断する。所定の範囲とは
例えば20〜80%である。従って、電池容量が80%
より大きいか又は20%より小さい場合にはステップS
22に戻る。20〜80%の範囲内にある場合は次のス
テップ24に進む。このように所定の範囲内に限ったの
は、検出の精度を上げるためである。すなわち電池容量
[A・h]が80%より大きい場合及び20%より小さ
い場合においては、一般に電圧と電流の直線関係がくず
れていて、計測誤差が大きくなるので的確な劣化検出が
できないからである。次にステップ24に進み、放電電
流に対する放電電圧の勾配aを、前記式(2)により求
める。そして、電池温度Tを基に表2のデータから劣化
基準勾配arefを求める。ROM9に記憶されたデータ
は有限個のデータであるため、補間により劣化基準勾配
arefを求める。例えば、電池温度Tが25℃であれ
ば、20℃における勾配0.5と30℃における勾配
0.45からそれらを補間して25℃における勾配を求
める。これが劣化基準放電勾配arefとなる。
配arefと現実の勾配aとを比較し、(勾配a)<(基
準勾配aref)の関係が成り立てば正常であるとしてス
テップS26へ、成り立たなければ異常であるとしてス
テップS27へそれぞれ進む。ステップS26では異常
表示をオフにしてステップS28へ進む。また、ステッ
プS27では異常表示をオンにする。すなわち、図2に
おいてCPU8から表示装置11に信号が送られ、表示
装置11は組電池1の劣化を表示する。ステップS28
では運転を停止したかどうかを判断し、運転中はステッ
プS22に戻って既述の動作を繰返す。運転停止、例え
ばキーをオフにすれば動作は終了に至る。
電電流対放電電圧の分布の勾配が劣化の基準値に達した
かどうかを判断して、電池の劣化検出を行なう。
組電池の充電開始後、所定容量が充電されるまで劣化検
出を休止させるので、単位電池間の放電深度の格差によ
る充電初期の電圧のばらつきを電池の劣化として誤検出
することが無い。
においては、演算手段は電流検出手段によって検出され
た放電電流値と温度検出手段によって検出された温度値
とに対応すべき劣化基準放電電圧値を基準データに基づ
いて演算して求め、劣化判定手段は劣化基準放電電圧値
を電圧検出手段によって検出された放電電圧値と比較し
て劣化か否かを判定するように構成したので、実際の電
気自動車等の出力に忠実に劣化検出をすることができ
る。
検出された複数の放電電流値にそれぞれ対応するところ
の、電圧検出手段によって検出された複数の放電電圧値
の分布に基づいて、その勾配を演算し、かつ、温度検出
手段によって検出された温度値に対応すべき、放電電圧
の放電電流に対する分布の劣化基準勾配を基準データに
基づいて演算して求める。そして、劣化判定手段は前記
勾配を前記劣化基準勾配と比較して劣化か否かを判定す
るようにしたので、残有の電池容量の影響を受けること
なく、電池の劣化状況を正確に検出することができる。
の範囲にある間は、劣化か否かの判定を休止するように
構成したので、電圧と電流の関係の直線性が保たれてい
る領域でのみ劣化検出を行なうことができ、信頼性が向
上する。
である。
チャートである。
チャートである。
る。
ローチャートである。
Claims (4)
- 【請求項1】 複数のモジュール電池の直列集合体から
なる組電池の劣化をその充電中に複数のモジュール電池
間の電圧格差に基づいて検出する方法において、充電開
始後所定容量が充電されるまで劣化検出を休止させるこ
とを特徴とする組電池の劣化検出方法。 - 【請求項2】 複数のモジュール電池の直列集合体から
なる組電池の劣化をその放電中に検出する装置であっ
て、 前記組電池の放電電流を検出する電流検出手段と、 前記組電池の放電電圧を検出する電圧検出手段と、 前記組電池の電池温度を検出する温度検出手段と、 劣化した供試組電池の放電電圧をその電池温度値と放電
電流値とを変数として実測した基準データを予め記憶し
た記憶手段と、 前記電流検出手段によって検出された放電電流値と前記
温度検出手段によって検出された温度値とに対応すべき
劣化基準放電電圧値を前記基準データに基づいて演算し
て求める演算手段と、 前記劣化基準放電電圧値を前記電圧検出手段によって検
出された放電電圧値と比較して劣化か否かを判定する劣
化判定手段と、 前記劣化判定手段の出力を受けて表示する表示手段と、 を備えたことを特徴とする組電池の劣化検出装置。 - 【請求項3】 複数のモジュール電池の直列集合体から
なる組電池の劣化をその放電中に検出する装置であっ
て、 前記組電池の放電電流を検出する電流検出手段と、 前記組電池の放電電圧を検出する電圧検出手段と、 前記組電池の電池温度を検出する温度検出手段と、 劣化した供試組電池について、放電電圧の放電電流に対
する分布の勾配をその電池温度値を変数として実測した
基準データを予め記憶した記憶手段と、 前記電流検出手段によって検出された複数の放電電流値
にそれぞれ対応する、前記電圧検出手段によって検出さ
れた複数の放電電圧値の分布に基づいて、その勾配を演
算し、かつ、前記温度検出手段によって検出された温度
値に対応すべき、放電電圧の放電電流に対する分布の劣
化基準勾配を前記基準データに基づいて演算して求める
演算手段と、 前記勾配を前記劣化基準勾配と比較して劣化か否かを判
定する劣化判定手段と、 前記劣化判定手段の出力を受けて表示する表示手段と、 を備えたことを特徴とする組電池の劣化検出装置。 - 【請求項4】 前記劣化判定手段は前記組電池の容量が
所定の範囲にある場合は、劣化か否かの判定を休止する
ことを特徴とする請求項3の組電池の劣化検出装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27345794A JP3285720B2 (ja) | 1994-11-08 | 1994-11-08 | 組電池の劣化検出方法及び劣化検出装置 |
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