WO2019069435A1

WO2019069435A1 - 組電池の管理装置および組電池システム

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Publication number: WO2019069435A1
Application number: PCT/JP2017/036372
Authority: WO
Inventors: 博人西口; 勢児平井; 英敬石黒
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11
Also published as: JP6301048B1; CN111164824B; JPWO2019069435A1; CN111164824A

Abstract

組電池の管理装置は、組電池を満充電以上に充電するときに充電を開始してから時間の経過とともに組電池に通電された通電電荷量、または組電池を満充電以上に一定電流で充電するときに充電を開始してから組電池に通電された通電時間を、通電パラメータとして取得し、組電池を満充電以上に充電するときの組電池の電圧を取得し、電圧または通電パラメータと、電圧を通電パラメータで微分することで得られる電圧微分値とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知する。

Description

組電池の管理装置および組電池システム

　本発明は、水系二次電池によって構成される組電池のオープン故障を検知する組電池の管理装置、およびその管理装置を備えた組電池システムに関する。

　従来において、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、小型機器、移動体、産業用機器等のさまざまな機器に組み込まれている。また、二次電池が組み込まれる機器によって、要求される二次電池の放電容量および電圧が様々である。したがって、二次電池は、単電池の構造ではなく、複数のセルを接続して構成される組電池の構造で使用されることが一般的である。複数のセルの接続方法としては、直列に接続する接続方法、並列に接続する接続方法、またはこれら両方を組み合わせた接続方法が用いられる。

　組電池の故障は、「ショート故障」と「オープン故障」に大きく分けられる。「ショート故障」とは、セルが短絡することに起因した故障である。「オープン故障」とは、セル間の接続が切り離されたり、セルと端子間の溶接が外れたり、セルが劣化したりすることに起因した故障である。

　ここで、並列に接続された複数のセルによって構成されるセルブロックを直列に複数接続して構成される組電池において、セルがショート故障した場合、ショート故障したセルを含むセルブロックの電荷が消費される。この場合、そのセルブロックのＯＣＶ（Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）は、低下する。そのため、組電池の電圧を監視することで、組電池の故障を容易に検知することが可能である。

　一方、上記のように構成される組電池において、セルがオープン故障した場合、オープン故障したセルを含むセルブロック（以下、オープン故障セルブロックと称す）のＯＣＶは、組電池を充放電しなければ変化せず、他の健全なセルブロックのＯＣＶも変化しない。また、組電池を充放電したとしても、オープン故障後の組電池の使用状況によっては、オープン故障セルブロックのＯＣＶの変化が小さいので、組電池の故障の検知に時間がかかる場合がある。

　オープン故障が検知されない状態で組電池を使用すると、オープン故障セルブロックの充放電時の電圧変動が大きくなるので、要求される組電池の特性が得られない可能性がある。そこで、上記のように構成される組電池において、オープン故障を検知するさまざまな手法が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

　特許文献１に記載の従来技術では、充電前後または放電前後における各セルブロックの開放電圧の変化量を算出し、さらに、その変化量の最大値と最小値との差を算出し、その差が既定値よりも大きい場合、オープン故障を検知するように構成されている。

　特許文献２に記載の従来技術では、以下の特性を利用して、オープン故障を検知するように構成されている。すなわち、オープン故障セルブロックにおいて、オープン故障したセル以外の残りのセルの充放電電流が増加するため、充電時にはＯＣＶが増加する速度が上昇し、放電時にはＯＣＶが減少する速度が上昇する。特許文献２に記載の従来技術では、このような特性を利用して、セルブロックの電流と電圧から算出されるＯＣＶと、セルブロックの電池残量から推定されるＯＣＶとの差を算出し、その差が閾値以上である場合に、オープン故障を検知するように構成されている。

特開２００６－３３７１５５号公報特開２００８－７１５６８号公報

　特許文献１および２に記載の従来技術では、上記のように構成される組電池において、オープン故障セルブロックの充放電時の電圧変動は、他の健全なセルブロックよりも大きくなることを前提として、オープン故障を検知するように構成されている。

　しかしながら、実際には、オープン故障セルブロックと健全なセルブロックの間の電圧変動の違いが微小であり、その結果、上記の従来技術では、オープン故障の検知精度の信頼性が低下する可能性がある。特に、セルブロックごとに個別に電圧を計測する場合、上記の電圧変動の違いは、セルブロック間の個体差に起因するのか、オープン故障に起因するのかを区別できず、結果として、オープン故障の検知精度の信頼性がさらに低下する可能性がある。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１つのセルブロックによって構成され、またはセルブロックを直列に複数接続して構成される組電池のオープン故障のより正確な検知の実現を図った組電池の管理装置および組電池システムを得ることを目的とする。

　本発明における組電池の管理装置は、１つのセルブロックによって構成され、またはセルブロックを直列に複数接続して構成される組電池のオープン故障を検知する演算器を備え、セルブロックは、１つのセルによって構成され、またはセルを並列に複数接続して構成され、セルは、水系二次電池であり、演算器は、組電池を満充電以上に充電するときに充電を開始してから時間の経過とともに組電池に通電された通電電荷量、または組電池を満充電以上に一定電流で充電するときに充電を開始してから組電池に通電された通電時間を、通電パラメータとして取得し、組電池を満充電以上に充電するときの組電池の電圧を取得し、電圧または通電パラメータと、電圧を通電パラメータで微分することで得られる電圧微分値とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知するものである。

　本発明における組電池システムは、上記の組電池の管理装置と、組電池とを備えたものである。

　本発明によれば、１つのセルブロックによって構成され、またはセルブロックを直列に複数接続して構成される組電池のオープン故障のより正確な検知の実現を図った組電池の管理装置および組電池システムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における組電池の管理装置を備えた組電池システムを示す構成図である。本発明の実施の形態１における組電池の管理装置を示す構成図である。ニッケル水素電池の充電時における電圧挙動を示す模式図である。本発明の実施の形態１における組電池がＭ＝１、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧挙動を比較例として示す模式図である。本発明の実施の形態１における組電池がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧挙動を示す模式図である。本発明の実施の形態１における組電池がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄｖ／ｄｑの挙動を示す模式図である。本発明の実施の形態１における組電池がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²の挙動を示す模式図である。本発明の実施の形態２における組電池がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄｖ／ｄｔの挙動を示す模式図である。本発明の実施の形態２における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²の挙動を示す模式図である。

　以下、本発明による組電池の管理装置および組電池システムを、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１における組電池の管理装置７を備えた組電池システム８を示す構成図である。図１に示す組電池システム８は、組電池１と、組電池１の電流を計測する電流センサ４と、組電池１の電圧を計測する電圧センサ５と、組電池１の温度を計測する温度センサ６と、組電池の管理装置７とを備える。

　組電池１は、１つのセルブロック３によって構成され、またはセルブロック３を直列に複数接続して構成される。セルブロック３は、１つのセル２によって構成され、またはセル２を並列に複数接続して構成される。セル２は、いわゆる単電池とも呼ばれ、セル２としては、電解液の主たる溶媒が水である二次電池、すなわち水系二次電池が用いられる。

　図１では、一例として、組電池１は、セルブロック３を直列に５つ接続して構成され、セルブロック３は、セル２を並列に３つ接続して構成される場合を例示している。以下、組電池１を構成するセルブロック３の数をＭとし、１つのセルブロック３を構成するセル２の数をＮとする。ここで、ＭおよびＮは、それぞれ１以上の整数であり、例えば、図１に示す組電池１は、Ｍ＝５であり、Ｎ＝３である。

　組電池システム８には、組電池１の状態を管理するために、電流センサ４、電圧センサ５および温度センサ６が設けられている。電流センサ４は、組電池１に直列に接続され、電圧センサ５は、組電池１に並列に接続される。電流センサ４、電圧センサ５および温度センサ６のそれぞれの計測結果は、管理装置７に入力される。

　なお、図１では、複数のセルブロック３に対して１つの電圧センサ５が設けられている場合を例示しているが、複数のセルブロック３に対して１つのセルブロック３ごとに個別に電圧センサ５が設けられていてもよい。

　なお、実施の形態１では、１つのセルブロック３を構成するセル２の数Ｎについて、Ｎ＝３である場合を例示しているが、これに限定されない。ただし、Ｎの増加に伴って、組電池１の故障検知の精度が低下する可能性があることを考慮すると、１≦Ｎ≦１０であることが望ましい。

　同様に、組電池１を構成するセルブロック３の数Ｍについて、Ｍ＝５である場合を示しているが、これに限定されない。ただし、Ｍの増加に伴って、組電池１の故障検知の精度が低下する可能性があることを考慮すると、１≦Ｍ≦１０であることが望ましい。

　なお、実施の形態１では、１つの組電池１を備えた組電池システム８に対して本発明を適用する場合を例示しているが、直列または並列に接続された複数の組電池１を備えた組電池システム８に対しても本発明が適用可能である。

　次に、管理装置７の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態１における組電池の管理装置７を示す構成図である。

　管理装置７は、例えば、演算処理を実行するマイクロコンピュータと、プログラムデータ、固定値データ等のデータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）と、格納されているデータを更新して順次書き換えられるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等によって実現される。

　管理装置７は、演算器７１および制御器７２を備える。演算器７１には、電流センサ４、電圧センサ５および温度センサ６のそれぞれの計測結果が入力される。

　演算器７１は、電流センサ４の計測結果と、電圧センサ５の計測結果と、温度センサ６の計測結果を用いて、組電池１の状態を判断し、その判断結果を制御器７２に出力する。制御器７２は、演算器７１の判断結果に基づいて、組電池１の充放電を制御する制御指令を出力する。

　ここで、演算器７１および制御器７２の動作の具体例として、例えば、以下の例が挙げられる。

　第１の例として、演算器７１は、電流センサ４の計測結果、すなわち組電池１に流れる電流を積算することで、組電池１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ；充電率）を判断する。この場合、制御器７２は、演算器７１によって判断されるＳＯＣが設定範囲内となるように、組電池１への制御指令として、充放電を制限する指令を出力する。なお、この設定範囲は、例えば、５０％以上８０％以下の範囲となるように設定される。

　第２の例として、演算器７１は、電圧センサ５の計測結果、すなわち組電池１の電圧が、正常な範囲内になければ、組電池１が故障であると判断する。この場合、制御器７２は、組電池１への制御指令として、充放電を停止する指令を出力する。なお、この正常な範囲は、使用するセル２の電圧の正常な範囲から計算される。

　第３の例として、演算器７１は、温度センサ６の計測結果、すなわち組電池１の温度が、正常な範囲内になければ、組電池１が故障であると判断する。この場合、制御器７２は、組電池１への制御指令として、充放電を停止する指令を出力する。なお、この正常な範囲は、例えば、－３０℃以上６０℃以下となるように設定される。

　以下、本実施の形態１の技術的特徴に相当する組電池１のオープン故障検知処理について、図３～図７を参照しながら説明する。なお、オープン故障の検知は、管理装置７の演算器７１によって行われる。

　ここで、組電池システム８の用途例としては、組電池１の充電量を常に満充電付近を保つことで無停電電源装置のように電源をバックアップするための用途、組電池１が充放電を繰り返すことで機器の電力回生または電力アシストを行うための用途等が考えられる。

　また、一例として、電力を消費したり回生したりするモータを組電池システム８に接続する場合が考えられる。この場合、組電池システム８とモータの間に組電池１の電圧を昇降圧するコンバータと、直流電流と交流電流を相互に変換するインバータが設けられる構成が考えられる。

　組電池を長期的に使用すると、組電池を構成する各セルのＳＯＣに差異が生じる場合がある。この差異は、各セルの自己放電量または充放電効率の違いによって生じる。この自己放電量または充放電効率の違いは、各セルの製造時の特性ばらつきの他、組電池が設置される機器内の温度分布によっても生じる。一般的に、高温環境下では、セルの自己放電が促進される。

　各セル間のＳＯＣの差異が大きくなると、放電時にＳＯＣが低いセルの電圧が他のセルの電圧よりも著しく低くなる。この場合、例えば、ＳＯＣが低いセルの電圧が予め設定した下限電圧に早期に達することで出力が不足したり、バックアップ動作時に必要な電気量が得られなかったりする可能性がある。また、組電池の電圧が正常な範囲内にあっても、ＳＯＣが高いセルが過充電されたり、ＳＯＣが低いセルが過放電されたりする可能性がある。そのため、組電池を構成する各セル間のＳＯＣは、揃っていることが望ましい。

　リチウムイオン電池のような有機溶媒を電解液とした電池は、過充電されると破裂したり発火したりする可能性がある。したがって、このような電池によって構成される組電池では、各セル間のＳＯＣを揃えるために、各セル、または各セルブロックに対して、電圧を監視する監視装置と、充電量を揃えるバランサ回路とが設けられることが一般的である。バランサ回路の方式としては、ＳＯＣが高いセルからＳＯＣが低いセルへ電力を融通することで各セル間のＳＯＣを揃える方式の他、ＳＯＣが高いセルの電力を抵抗によって消費することで各セル間のＳＯＣを揃える方式がある。

　ここで、図１に示すセル２としては、上述したとおり、水系二次電池が用いられる。水系二次電池では、電解液の溶媒として、有機溶媒ではなく水が用いられる。なお、水系二次電池の具体例としては、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル鉄電池、または鉛蓄電池が挙げられる。ただし、水系二次電池は、同様の特性を有していれば、これらの例に限定されるものではない。

　水系二次電池は、充電末期の満充電付近の状態である場合、水の電気分解反応によって酸素が発生する。また、水系二次電池において、正極の酸素発生過電圧は、通常の充電反応時の過電圧と比較して高いので、充電末期の満充電付近の状態で酸素の発生が始まると充電電圧が増大する。

　水系二次電池によって構成される組電池の構造としては、安価な構造とするために、リチウムイオン電池のような有機溶媒を電解液とした電池によって構成される組電池の構造を採用しないことが考えらえる。すなわち、水系二次電池によって構成される組電池では、バランサ回路が設けられない構造が考えられる。バランサ回路が設けられない組電池を長期的に使用する場合、各セル間のＳＯＣの差異が大きくなり、結果として、要求される出力およびバックアップ特性が得られない可能性がある。したがって、このような組電池を構成する各セル間のＳＯＣを揃える工程が必要となる。

　以下、図１に示すセル２として、水系二次電池の具体例であるニッケル水素電池が用いられる場合を例に挙げて、組電池１のオープン故障検知処理について説明する。

　ニッケル水素電池は、乾電池型の充電池として用いられたり、車両用途の充電池として用いられたりする広く普及している二次電池である。ニッケル水素電池では、正極にニッケル酸化物が用いられ、負極に金属水素化物が用いられ、電解液にアルカリ水溶液が用いられる。また、ニッケル水素電池では、正極と負極の接触を妨げるためのセパレータに親水性を付与した多孔性のポリプロピレン不織布等が用いられる。

　ニッケル酸化物とは水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルであり、これらを微粒子化して多孔のニッケル集電体に塗布することで正極が形成される。ニッケル酸化物は導電性が低いので、電池性能を向上させるために、ニッケル酸化物に導電性を付与する処理、集電体への塗布時に導電助剤を添加する処理等が行われる。

　アルカリ水溶液は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの強アルカリ性を示す電解質を水に溶解させたものである。金属水素化物とは、水素吸蔵合金が水素を吸蔵したものである。

　ここで、ニッケル水素電池を満充電以上に充電すると、正極では、以下の反応式（１）に示すように、電解液の水酸化物イオンが分解して酸素ガスが発生する。発生した酸素ガスは、セパレータを通過して負極に到達し、以下の反応式（２）に示すように、負極表面で金属水素化物と反応して水となる。一方、負極では、以下の反応式（３）に示すように、水が分解して水酸化物イオンと金属水素化物が生成される。

　ＯＨ^-→１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-　　　　　（１）
　２ＭＨ＋１／２Ｏ₂→２Ｍ＋Ｈ₂Ｏ　　　　　（２）
　Ｍ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^-→ＭＨ＋ＯＨ^-　　　　　　（３）
　ここで、Ｍは水素吸蔵合金、ＭＨは金属水素化物を表す。

　このように、ニッケル水素電池で起こる反応全体を見ると、ニッケル水素電池を過充電しても、見かけ上は何の反応も起こらないことになる。また、ニッケル水素電池では、満充電以上に充電されても、超過分の充電電力が上記の反応によって消費されて熱となるので、満充電状態が維持される。

　このような特性を利用すると、ニッケル水素電池によって構成される組電池全体を満充電以上に充電することで、各ニッケル水素電池の充電量を満充電量に揃えることができ、結果として、各ニッケル水素電池間に生じたＳＯＣの差異をなくすことができる。その後、各ニッケル水素電池において、既定の充電量を放電することで、組電池を構成する各ニッケル水素電池のＳＯＣを所望の値に揃えることができる。

　なお、図１に示す組電池システム８では、１つのセルブロック３ごとに電圧を計測して各セルブロック３のＳＯＣを管理する構成であってもよい。また、組電池システム８では、構成のさらなる小型化および簡素化を実現するために、直列に接続された複数のセルブロック３ごとに電圧を計測して複数のセルブロック３全体のＳＯＣを管理する構成であってもよい。また、組電池システム８では、各セルブロック３間のＳＯＣを揃えるためのバランサ回路が設けられていなくてもよい。この場合、各セルブロック３間に生じたＳＯＣの差異をなくす工程が一定期間ごとに実施される。

　次に、ニッケル水素電池の充電時の電圧挙動について、図３を参照しながら説明する。図３は、ニッケル水素電池の充電時における電圧挙動を示す模式図である。なお、図３では、ニッケル水素電池を或るＳＯＣから一定電流で連続して充電するときの、ニッケル水素電池に通電された通電電荷量（Ａｈ）とニッケル水素電池の電圧（Ｖ）の関係が示されている。なお、通電電荷量とは、充電を開始してから時間の経過とともにニッケル水素電池に通電された電荷量を意味し、換言すると、充電を開始してから時間の経過とともにニッケル水素電池に入ったトータルの電荷量ともいえる。

　図３に示すように、ニッケル水素電池が満充電付近の状態で、電圧が急激に増大した後、その増大の程度が緩やかになり、その後も充電が継続されると、電圧が若干低下する。これは、上述したように、ニッケル水素電池を満充電以上に充電すると、充電反応以外に、水を分解する反応と水を生成する反応が起こり、結果として、ニッケル水素電池が発熱して温度が上昇するためである。この発熱によって、電池内部の温度が増加すると、電池内部の抵抗が減少し、電流値と内部抵抗値の積から算出される過電圧が減少し、計測電圧が低下する。

　また、この発熱を伴う水の反応は、ニッケル水素電池が満充電付近の状態で起こりやすくなるので、電圧の極大値と満充電時の電圧値とが一致するとは限らない。図３では、一例として、満充電時の電圧値が電圧の極大値である場合を示したが、ニッケル水素電池の構成、充電時の電流値、放熱環境等によっても、電圧の極大値の位置に違いが生じる場合がある。

　ニッケル水素電池の電圧の極大値を検知することでニッケル水素電池が満充電の状態であることを判定する方法は、ニッケル水素電池の充電器に一般的に用いられる。

　一般に、満充電の状態から電池容量が空になるまで１時間かけて電池を放電するときの電流レートを１Ｃと呼称する。例えば、満充電の状態から電池容量が空になるまで２時間かけて電池を放電する場合の電流レートは０．５Ｃとなる。

　ニッケル水素電池を満充電の状態にする場合、充電時の電流値が大きいと電流効率が低下する場合がある。これは、電流値が大きいほど抵抗に起因する過電圧が増大することで電池の電圧が増大するためであり、さらには、抵抗による発熱で電池の温度が上昇することで副反応である水の電気分解が促進されるためである。さらに、電池の温度が上昇すると、電池の劣化が促進される懸念もある。以上を考慮すると、ニッケル水素電池を満充電の状態にする場合の電流レートは、例えば０．０５Ｃ以上１Ｃ以下の範囲であることが望ましい。

　次に、比較例として、Ｍ＝１、Ｎ＝３である場合、すなわち、セルブロック３の数が「１」であり、１つのセルブロック３を構成するセル２の数が「３」である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧挙動について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態１における組電池１がＭ＝１、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧挙動を比較例として示す模式図である。

　なお、図４では、組電池１を或るＳＯＣ、例えば７０％から、過充電の状態まで一定電流で充電するときの、組電池１に通電された通電電荷量（Ａｈ）と組電池１の電圧（Ｖ）の関係が示されている。また、図４では、１つのセル２がオープン故障した組電池（以下、１セル故障組電池と称す）と、全てのセル２が健全である組電池１（以下、健全組電池と称す）のそれぞれについて、上記の関係が示されている。なお、通電電荷量とは、充電を開始してから時間の経過とともに組電池１に通電された電荷量を意味し、換言すると、充電を開始してから時間の経過とともに組電池１に入ったトータルの電荷量ともいえる。

　ここで、１セル故障組電池では、オープン故障したセル２には電流が流れず、残りの健全なセル２に電流が流れるので、これらの健全なセル２への充電電流が増加する。したがって、１セル故障組電池と、健全組電池とを比較すると、図４に示すように、１セル故障組電池は、より少ない通電電荷量で満充電の状態に達し、より少ない通電電荷量で電圧の極大値が観測される。

　このように、組電池１を構成するセルブロック３の数が１である場合、組電池１を満充電以上に充電するときの電圧の極大値を観測することで、組電池１のオープン故障を検知することができる。

　次に、Ｍ＝５、Ｎ＝３である場合、すなわち、セルブロック３の数が「５」であり、１つのセルブロック３を構成するセル２の数が「３」である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧挙動について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧挙動を示す模式図である。

　なお、図５では、組電池１を或るＳＯＣ、例えば７０％から、過充電の状態まで一定電流で充電するときの、組電池１に通電された通電電荷量（Ａｈ）と組電池１の電圧（Ｖ）の関係が示されている。また、図５では、１セル故障組電池と、健全組電池のそれぞれについて、上記の関係が示されている。

　ここで、１セル故障組電池と、健全組電池とを比較すると、図５に示すように、１セル故障組電池は、より少ない通電電荷量で満充電の状態に達する。したがって、組電池全体の電圧変動を見ると、１セル故障組電池は、健全組電池と比較して、充電時の電圧変動が大きく、電圧が若干高くなる。しかしながら、図５に示す状況では、先の図４に示す状況と比較して、１セル故障組電池と健全組電池の間の電圧差が小さく、さらに、電圧の極大値が明確に観測されない。

　このように、組電池を構成するセルブロック３の数が複数であれば、組電池１を満充電以上に充電するときの電圧を観測するだけでは、組電池１のオープン故障を検知することが困難である。これに対して、本実施の形態１の技術的特徴に相当するオープン故障検知処理では、セルブロック３の数が複数であっても、組電池１のオープン故障を検知することができる。

　次に、上記のオープン故障検知処理の一例について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の実施の形態１における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄｖ／ｄｑの挙動を示す模式図である。

　なお、図６では、先の図５に示す通電電荷量当たりの電圧の変動、すなわち、充電時の組電池１の通電電荷量に対する電圧の傾きがｄｖ／ｄｑとして示されている。つまり、図６は、先の図５に示す関係を、電圧または通電電荷量を横軸とし、電圧を通電電荷量で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｑを縦軸とした関係に変換した図に相当する。

　ここで、上述したとおり、ニッケル水素電池は、充電を継続すると、満充電付近で急激に電圧が増大した後、その増大の程度が緩やかになり、電圧が若干低下する挙動をとるので、満充電付近でｄｖ／ｄｑの極大値が観測される。また、上述したとおり、１セル故障組電池は、健全組電池と比較して、より少ない通電電荷量で満充電の状態に達する。

　したがって、図６に示すように、１セル故障組電池では、健全組電池と同様の位置で観測されるｄｖ／ｄｑの極大値とは別に、より低い電圧、またはより少ない通電電荷量で、ｄｖ／ｄｑの極大値が観測される。そのため、健全組電池では観測されず、１セル故障組電池では観測されるこの極大値を検知することによって、組電池１のオープン故障を検知することが可能となる。

　そこで、演算器７１は、組電池１を満充電以上に充電するときに組電池１に通電された通電電荷量を通電パラメータとして取得し、組電池１を満充電以上に充電するときの組電池１の電圧を取得する。なお、演算器７１は、例えば、電流センサ４の計測結果と電圧センサ５の計測結果とを用いて、この通電電荷量とこの電圧を取得する。

　演算器７１は、取得した電圧または通電電荷量と、電圧を通電電荷量で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｑとで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知する。より具体的には、演算器７１は、電圧または通電電荷量と、電圧を通電電荷量で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｑとで対応付けられた関係において、電圧微分値ｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量に基づいて、オープン故障を検知する。

　なお、ｄｖ／ｄｑは、電流センサ４による電流計測および電圧センサ５による電圧計測に起因したノイズを含んでいる。そこで、電流センサ４および電圧センサ５によってそれぞれ計測される電流値および電圧値に対して、ローパスフィルタを用いたデータ処理を適切に行うことでノイズを除去する。これにより、ｄｖ／ｄｑの極値の検知精度を向上させることができる。

　以下、上記の関係において、電圧微分値ｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量に基づいて、オープン故障を検知する構成の具体例について説明する。

　ここで、組電池１のｄｖ／ｄｑを利用した故障検知の第１の例では、健全組電池のｄｖ／ｄｑが極大値を取り得る電圧の範囲または通電電荷量の範囲を予め把握しておく。予め把握した範囲を逸脱した位置に組電池１のｄｖ／ｄｑの極大値が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、オープン故障が発生した組電池１のｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧および通電電荷量は、ＭおよびＮのそれぞれの数と、オープン故障が発生したセル２の数とによって決定される。オープン故障が発生した組電池１の電圧は、直列に接続された健全なセルブロック３と、オープン故障が発生したセル２を含むセルブロック３のそれぞれの電圧の和で算出される。したがって、組電池１の充電を開始してから健全なセルブロック３のｄｖ／ｄｑの極大値が観測されるまでの間の電圧または通電電荷量を基に、オープン故障の各パターンにおけるｄｖ／ｄｑを算出し、ｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量をパターンごとに予め把握することができる。これにより、オープン故障の検知時に、その故障の状態がどのようなパターンのものであるかについても同時に検知することが可能となる。

　ここで、ｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量は、オープン故障が発生した時のセルブロック３のＳＯＣによっても影響を受けるが、組電池１を通常使用する際のＳＯＣの変動の幅が数％程度であれば、その影響は小さい。

　組電池１のｄｖ／ｄｑを利用した故障検知の第２の例では、同一の機器内において組電池１を複数接続して同条件にて使用する場合、組電池１のｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量の位置を、各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。組電池１は、機器内における温度環境または劣化状況によっても、ｄｖ／ｄｑが極大値をとるときの電圧または通電電荷量の範囲にずれが生じる可能性がある。したがって、各組電池１間でこの範囲を比較することで、故障検知の精度を向上させることが可能となる。

　なお、組電池１のオープン故障検知において、第１の例と第２の例は、それぞれ個別に用いることも可能であるし、両方を組み合わせて用いることも可能である。

　次に、オープン故障検知処理の別例について、図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の実施の形態１における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²の挙動を示す模式図である。

　なお、図７では、先の図６に示すｄｖ／ｄｑの傾きがｄ²ｖ／ｄｑ²として示されている。つまり、図７は、先の図５に示す関係を、電圧または通電電荷量を横軸とし、電圧を通電電荷量で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²を縦軸とした関係に変換した図に相当する。

　図７に示すように、１セル故障組電池では、ｄ²ｖ／ｄｑ²の極値となる変曲点が観測される。そのため、健全組電池では観測されず、１セル故障組電池では観測されるこの変曲点を検知することによって、組電池１のオープン故障を検知することが可能となる。

　そこで、演算器７１は、取得した電圧または通電電荷量と、電圧を通電電荷量で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知する。より具体的には、演算器７１は、電圧または通電電荷量と、電圧を通電電荷量で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²とで対応付けられた関係において、電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²が、極値または負の値をとるときの電圧または通電電荷量に基づいて、オープン故障を検知する。

　なお、上述したとおり、ローパスフィルタを用いて、電流センサ４による電流計測および電圧センサ５による電圧計測に起因したノイズを除去することによって、ｄ²ｖ／ｄｑ²の極値の検知精度を向上させることができる。

　以下、上記の関係において、電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｑ²が極値または負の値をとるときの電圧または通電電荷量に基づいて、オープン故障を検知する構成の具体例について説明する。

　組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²を利用した故障検知の第１の例では、健全組電池のｄ²ｖ／ｄｑ²が極値を取り得る電圧の範囲または通電電荷量の範囲を予め把握しておく。予め把握した範囲を逸脱した位置に組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²の極値が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、オープン故障が発生した組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²が極値をとるときの電圧および通電電荷量は、ＭおよびＮのそれぞれの数と、オープン故障が発生したセル２の数とによって決定される。オープン故障が発生した組電池１の電圧は、直列に接続された健全なセルブロック３と、オープン故障が発生したセル２を含むセルブロック３のそれぞれの電圧の和で算出される。したがって、組電池１の充電を開始してから健全なセルブロック３のｄ²ｖ／ｄｑ²の極値が観測されるまでの間の電圧または通電電荷量を基に、オープン故障の各パターンにおけるｄ²ｖ／ｄｑ²を算出し、ｄ²ｖ／ｄｑ²が極値をとるときの電圧または通電電荷量をパターンごとに予め把握することができる。これにより、オープン故障の検知時に、その故障の状態がどのようなパターンのものであるかについても同時に検知することが可能となる。

　また、健全な組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²が正の値をとるときの電圧または通電電荷量の範囲を予め把握しておき、その範囲に、組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²が負の値をとるときの電圧または通電電荷量が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²を利用した故障検知の第２の例では、同一の機器内において組電池１を複数接続して同条件にて使用する場合、組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²が極値をとるときの電圧または通電電荷量を各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。同様に、この場合、組電池１のｄ²ｖ／ｄｑ²が負の値をとるときの電圧または通電電荷量を各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。組電池１は、機器内における温度環境または劣化状況によっても、ｄ²ｖ／ｄｑ²が極値または負の値をとるときの電圧または通電電荷量の範囲にずれが生じる可能性がある。したがって、各組電池１間でこの範囲を比較することで、故障検知の精度を向上させることが可能となる。

　以上、本実施の形態１の組電池の管理装置によれば、組電池を満充電以上に充電するときに充電を開始してから時間の経過とともに組電池に通電された通電電荷量を通電パラメータとして取得し、組電池を満充電以上に充電するときの組電池の電圧を取得するように構成されている。また、組電池の管理装置は、電圧または通電パラメータと、電圧を通電パラメータで微分することで得られる電圧微分値とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知するように構成されている。これにより、１つのセルブロックによって構成され、またはセルブロックを直列に複数接続して構成される組電池のオープン故障のより正確な検知の実現を図ることができる。

　実施の形態２．
　本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１と故障検知の手法が異なる管理装置７を備えた組電池システム８について説明する。

　先の実施の形態１では、電圧または通電電荷量と、電圧微分値ｄｖ／ｄｑとが対応付けられた関係を利用した故障検知について説明した。ここで、電池間に生じた電池残量の差をリセットする充電工程において、充電電流値が一定であれば、通電電荷量に代えて、組電池を満充電以上に一定電流で充電するときに組電池１に通電された通電時間を用いることができる。なお、通電時間とは、充電を開始してから組電池１に通電された時間を意味し、換言すると、充電を開始してから経過した時間ともいえる。

　図８は、本発明の実施の形態２における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄｖ／ｄｔの挙動を示す模式図である。なお、図８では、充電時の組電池１の通電時間に対する電圧の傾きがｄｖ／ｄｔとして示されている。すなわち、図８では、電圧または通電時間を横軸とし、電圧を通電時間で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｔを縦軸とした関係が示されている。

　図８に示すように、１セル故障組電池では、健全組電池と同様の位置で観測されるｄｖ／ｄｔの極大値とは別に、より低い電圧、またはより少ない通電時間で、ｄｖ／ｄｔの極大値が観測される。そのため、健全組電池では観測されず、１セル故障組電池では観測されるこの極大値を検知することによって、組電池１のオープン故障を検知することが可能となる。

　そこで、演算器７１は、組電池１を満充電以上に一定電流で充電するときに組電池１に通電された通電時間を、通電パラメータとして取得し、組電池１を満充電以上に充電するときの組電池の電圧を取得する。なお、演算器７１は、例えば、タイマ（図示せず）の計測結果と電圧センサ５の計測結果とを用いて、この通電時間とこの電圧を取得する。

　演算器７１は、取得した電圧または通電時間と、電圧を通電時間で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｔとで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知する。より具体的には、演算器７１は、電圧または通電時間と、電圧を通電時間で一階微分することで得られる電圧微分値ｄｖ／ｄｔとで対応付けられた関係において、電圧微分値ｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間に基づいて、オープン故障を検知する。

　ｄｖ／ｄｔは、電圧センサ５による電圧計測に起因したノイズを含んでいる。そこで、電圧センサ５によって計測される電圧値に対して、ローパスフィルタを用いたデータ処理を適切に行うことでノイズを除去する。これにより、ｄｖ／ｄｔの極値の検知精度を向上させることができる。

　以下、上記の関係において、電圧微分値ｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間に基づいて、オープン故障を検知する構成の具体例について説明する。

　ここで、組電池１のｄｖ／ｄｔを利用した故障検知の第１の例では、健全組電池のｄｖ／ｄｔが極大値を取り得る電圧の範囲または通電時間の範囲を予め把握しておく。予め把握した範囲を逸脱した位置に組電池１のｄｖ／ｄｔの極大値が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、オープン故障が発生した組電池１のｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧および通電時間は、ＭおよびＮのそれぞれの数と、オープン故障が発生したセル２の数とによって決定される。オープン故障が発生した組電池１の電圧は、直列に接続された健全なセルブロック３と、オープン故障が発生したセル２を含むセルブロック３のそれぞれの電圧の和で算出される。したがって、組電池１の充電を開始してから健全なセルブロック３のｄｖ／ｄｔの極大値が観測されるまでの間の電圧または通電時間を基に、オープン故障の各パターンにおけるｄｖ／ｄｔを算出し、ｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間をパターンごとに予め把握することができる。これにより、オープン故障の検知時に、その故障の状態がどのようなパターンのものであるかについても同時に検知することが可能となる。

　ここで、ｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間は、オープン故障が発生した時のセルブロック３のＳＯＣによっても影響を受けるが、組電池１を通常使用する際のＳＯＣの変動の幅が数％程度であれば、その影響は小さい。

　組電池１のｄｖ／ｄｔを利用した故障検知の第２の例では、同一の機器内において組電池１を複数接続して同条件にて使用する場合、組電池１のｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間の位置を、各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。組電池１は、機器内における温度環境または劣化状況によっても、ｄｖ／ｄｔが極大値をとるときの電圧または通電時間の範囲にずれが生じる可能性がある。したがって、各組電池１間でこの範囲を比較することで、故障検知の精度を向上させることが可能となる。

　次に、オープン故障検知処理の別例について、図９を参照しながら説明する。図９は、本発明の実施の形態２における組電池１がＭ＝５、Ｎ＝３である場合の組電池１の健全時とオープン故障時の電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²の挙動を示す模式図である。

　なお、図９では、先の図８に示すｄｖ／ｄｔの傾きがｄ²ｖ／ｄｔ²として示されている。すなわち、図９では、電圧または通電時間を横軸とし、電圧を通電時間で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²を縦軸とした関係が示されている。

　図９に示すように、１セル故障組電池では、ｄ²ｖ／ｄｔ²の極値となる変曲点が観測される。そのため、健全組電池では観測されず、１セル故障組電池では観測されるこの変曲点を検知することによって、組電池１のオープン故障を検知することが可能となる。

　そこで、演算器７１は、取得した電圧または通電時間と、電圧を通電時間で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知する。より具体的には、演算器７１は、電圧または通電時間と、電圧を通電時間で二階微分することで得られる電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²とで対応付けられた関係において、電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²が、極値または負の値をとるときの電圧または通電時間に基づいて、オープン故障を検知する。

　なお、上述したとおり、ローパスフィルタを用いて、電圧センサ５による電圧計測に起因したノイズを除去することによって、ｄ²ｖ／ｄｔ²の極値の検知精度を向上させることができる。

　以下、上記の関係において、電圧微分値ｄ²ｖ／ｄｔ²が極値または負の値をとるときの電圧または通電時間に基づいて、オープン故障を検知する構成の具体例について説明する。

　組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²を利用した故障検知の第１の例では、健全組電池のｄ²ｖ／ｄｔ²が極値を取り得る電圧の範囲または通電時間の範囲を予め把握しておく。予め把握した範囲を逸脱した位置に組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²の極値が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、オープン故障が発生した組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²が極値をとるときの電圧および通電時間は、ＭおよびＮのそれぞれの数と、オープン故障が発生したセル２の数とによって決定される。オープン故障が発生した組電池１の電圧は、直列に接続された健全なセルブロック３と、オープン故障が発生したセル２を含むセルブロック３のそれぞれの電圧の和で算出される。したがって、組電池１の充電を開始してから健全なセルブロック３のｄ²ｖ／ｄｔ²の極値が観測されるまでの間の電圧または通電時間を基に、オープン故障の各パターンにおけるｄ²ｖ／ｄｔ²を算出し、ｄ²ｖ／ｄｔ²が極値をとるときの電圧または通電時間をパターンごとに予め把握することができる。これにより、オープン故障の検知時に、その故障の状態がどのようなパターンのものであるかについても同時に検知することが可能となる。

　また、健全な組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²が正の値をとる電圧または通電時間の範囲を予め把握しておき、その範囲に、組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²が負の値をとるときの電圧または通電時間が存在する場合、オープン故障を検知することができる。

　また、組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²を利用した故障検知の第２の例では、同一の機器内において組電池１を複数接続して同条件にて使用する場合、組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²が極値をとるときの電圧または通電時間を各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。同様に、この場合、組電池１のｄ²ｖ／ｄｔ²が負の値をとるときの電圧または通電時間を各組電池１間で比較することで、オープン故障を検知することができる。組電池１は、機器内における温度環境または劣化状況によっても、ｄ²ｖ／ｄｔ²が極値または負の値をとるときの電圧または通電時間の範囲にずれが生じる可能性がある。したがって、各組電池１間でこの範囲を比較することで、故障検知の精度を向上させることが可能となる。

　以上、本実施の形態２の組電池の管理装置によれば、組電池を満充電以上に一定電流で充電するときに充電を開始してから組電池に通電された通電時間を通電パラメータとして取得し、組電池を満充電以上に充電するときの組電池の電圧を取得するように構成されている。また、組電池の管理装置は、電圧または通電パラメータと、電圧を通電パラメータで微分することで得られる電圧微分値とで対応付けられた関係に基づいて、オープン故障を検知するように構成されている。このように構成した場合であっても、先の実施の形態１と同様の効果が得られる。

　１　組電池、２　セル、３　セルブロック、４　電流センサ、５　電圧センサ、６　温度センサ、７　組電池の管理装置、７１　演算器、７２　制御器、８　組電池システム。

Claims

　１つのセルブロックによって構成され、または前記セルブロックを直列に複数接続して構成される組電池のオープン故障を検知する演算器を備え、
　前記セルブロックは、１つのセルによって構成され、または前記セルを並列に複数接続して構成され、
　前記セルは、水系二次電池であり、
　前記演算器は、
　　前記組電池を満充電以上に充電するときに充電を開始してから時間の経過とともに前記組電池に通電された通電電荷量、または前記組電池を前記満充電以上に一定電流で充電するときに充電を開始してから前記組電池に通電された通電時間を、通電パラメータとして取得し、前記組電池を前記満充電以上に充電するときの前記組電池の電圧を取得し、
　　前記電圧または前記通電パラメータと、前記電圧を前記通電パラメータで微分することで得られる電圧微分値とで対応付けられた関係に基づいて、前記オープン故障を検知する
　組電池の管理装置。
　前記通電パラメータは、前記通電電荷量であり、
　前記演算器は、
　　前記電圧または前記通電電荷量と、前記電圧を前記通電電荷量で一階微分または二階微分することで得られる前記電圧微分値とで対応付けられた前記関係に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項１に記載の組電池の管理装置。
　前記演算器は、
　　前記電圧微分値が前記電圧を前記通電電荷量で一階微分することで得られる場合、前記関係において、前記電圧微分値が極大値をとるときの前記電圧または前記通電電荷量に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項２に記載の組電池の管理装置。
　前記演算器は、
　　前記電圧微分値が前記電圧を前記通電電荷量で二階微分することで得られる場合、前記関係において、前記電圧微分値が極値または負の値をとるときの前記電圧または前記通電電荷量に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項２に記載の組電池の管理装置。
　前記通電パラメータは、前記通電時間であり、
　前記演算器は、
　　前記電圧または前記通電時間と、前記電圧を前記通電時間で一階微分または二階微分することで得られる前記電圧微分値とで対応付けられた前記関係に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項１に記載の組電池の管理装置。
　前記演算器は、
　　前記電圧微分値が前記電圧を前記通電時間で一階微分することで得られる場合、前記関係において、前記電圧微分値が極大値をとるときの前記電圧または前記通電時間に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項５に記載の組電池の管理装置。
　前記演算器は、
　　前記電圧微分値が前記電圧を前記通電時間で二階微分することで得られる場合、前記関係において、前記電圧微分値が極値または負の値をとるときの前記電圧または前記通電時間に基づいて、前記オープン故障を検知する
　請求項５に記載の組電池の管理装置。
　前記水系二次電池は、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル鉄電池、または鉛蓄電池である
　請求項１から７のいずれか１項に記載の組電池の管理装置。
　請求項１から８のいずれか１項に記載の組電池の管理装置と、
　前記組電池と、
　を備えた組電池システム。