JP2004325110A - 温度センサの故障検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を含むバッテリーシステムなどに設けられる、例えばサーミスタである温度センサの故障を確実に検出する。
【解決手段】定期的の温度センサの温度測定値Ｔを取り込むことなどによって、温度センサによる温度測定値Ｔの時間変化率ΔＴを求め、この時間変化率ΔＴに基づいて、故障を検出する。具体的には、温度測定値Ｔが予め定めた温度範囲（Ｔ_Ｌ≦Ｔ≦Ｔ_Ｈ）から逸脱し、かつ、温度測定値の時間変化率ΔＴが所定のしきい値Ｗを超えたときに、温度センサの故障と判断する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサの故障を検出する方法および装置に関し、特に、各種の二次電池を組み込んだバッテリーシステムなどにおいて温度検出のために設けられた温度センサの故障を検出するための故障検出方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車あるいは電気自動車などでは、モータなどを駆動するための駆動電源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池を組み込んだバッテリーシステムが用いられている。バッテリーシステムでは、二次電池の単位電池（セル）を複数個直列に接続して所望の端子間電圧が得られるようにするとともに、電池温度あるいは周囲温度などを検出する温度センサを装備している。二次電池の過充電などを防止し、あるいは、二次電池に何らかの障害がおきたことを検出するために、電池温度を検出する温度センサは、保安上、重要な部品となっている。温度センサとしては、一般的に、負の温度抵抗係数を有するサーミスタが使用されている。
【０００３】
多数個の二次電池を有するバッテリーシステムでは、バッテリーシステム内での電池の配置場所によって熱の放散効率が異なることもあって電池ごとの温度が異なることがあり、また、いずれの電池における不具合であるかを検出したいこともあって、複数の温度センサが設けられる。
【０００４】
図４は、温度センサとその温度センサからの出力に基づいて制御を行うための回路構成を示している。電源Ｖ_ｃｃ（例えば＋５Ｖ）と接地点ＧＮＤとの間に、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２が、抵抗Ｒ_２が接地側となるように直列に設けられている。そして、例えばサーミスタである温度センサＲ_ｓは、抵抗Ｒ_２に対して並列に接続されている。そして、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２の相互接続点の電圧Ｖ_ＡＤが、温度測定値としてアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１に入力し、Ａ／Ｄ変換器１１でデジタル値に変換された温度測定値は、電池に対する充放電の制御や異常検出時の制御を行うマイクロプロセッサ１２に入力するようになっている。電圧Ｖ_ＡＤは、
Ｖ_ＡＤ＝Ｒ_ｓＲ_２Ｖ_ｃｃ／（Ｒ_ｓＲ_２＋Ｒ_１Ｒ_ｓ＋Ｒ_１Ｒ_２）
で表わされる。図５は、温度センサにおける温度と電圧Ｖ_ＡＤとの間の典型的な関係を示すグラフである。
【０００５】
ところで、温度センサにおける障害が発生すると、例えば、温度センサの断線あるいは短絡が発生すると、電池温度の適切な監視を行えなくなり、電池の過充電あるいは充電不足を引き起こす原因ともなる。そこで、温度センサ自体の故障を検出する機構が必要となる。温度センサの故障のモードとしては、圧倒的に短絡もしくは断線が多いから、そのような故障が発生した場合には、見かけ上、温度測定値が極端に低温になったり、あるいは極端に高温になったりする。そこで、電圧Ｖ_ＡＤが通常はありえないような温度に対応する値となった場合に、温度センサの故障と判断することが試みられている。例えば、図５に示すような温度と電圧Ｖ_ＡＤとの関係が成り立つときには、検出された電圧Ｖ_ＡＤが−３０℃より低い温度に対応するものである場合（Ｖ_ＡＤ＜Ｖ_２）、あるいは、＋１００℃よりも高い温度に対応する場合（Ｖ_ＡＤ＞Ｖ_１）に、温度センサの故障と判断するようにする。この判断は、Ａ／Ｄ変換器１１からのデジタル値に基づいて、マイクロプロセッサ１２が実行する。故障（すなわちＮＧ）と判断した場合には、マイクロプロセッサ１２は、例えば、所定の警報信号を出力する。
【０００６】
二次電池の監視のために使用される温度センサにおいてこのように温度センサの出力が範囲外となった場合に温度センサの故障と判断することは、例えば、特開平８−２８０１４０号公報（特許文献１）に記載されている。特開平８−３０８１３３号公報（特許文献２）には、温度センサの抵抗値を直接測定し、規定の範囲以外であれば断線あるいは短絡と判断することが記載されている。さらに、特開２０００−１７５３７１（特許文献３）には、二次電池の充電装置において、サーミスタからなる温度センサとサーモスタットからなる温度センサとを併用し、両者が示す温度に矛盾が生じている場合に故障が発生したと判断することが開示されている。二次電池の監視のためのものではなく、駆動モータ等に設けられた温度センサの故障を検出するものとして、特開平７−３１２８０２号公報（特許文献４）には、モータに対するトルク指令の積分値からある温度に達しているはずであると判断できる場合に、温度センサの検出温度が所定温度に満たないときには、温度センサの断線であると判断することが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２８０１４０（段落０００９、００１０、図１）
【特許文献２】
特開平８−３０８１３３（段落００１４、００１５、図２）
【特許文献３】
特開２０００−１７５３７１（段落００１０、図１）
【特許文献４】
特開平７−３１２８０２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温度センサの検出温度が所定の温度範囲以外の場合にその温度センサの故障であると判断する方法では、温度センサは正常であって実際の温度がその所定の温度範囲外となった場合でも、温度センサの故障と判断してしまうという問題点がある。従来は、二次電池を含むバッテリーシステムはそれほど温度変化のない環境に配置されていたため、実際の温度が上述した所定の温度範囲外となることはほとんどなかった。しかしながら、高温特性に優れるとともに大電流での充放電が可能な二次電池が開発され、また、ハイブリッド電気自動車内などの周囲温度変化が激しいところにバッテリーシステムが配置されるようになってきたことにより、従来想定されているよりも広い温度範囲に温度センサが曝されるようになってきた。このため、例えば従来は、検出温度が−３０℃以上＋１００℃以下の温度範囲を逸脱したときに温度センサの故障としていた場合に、バッテリーシステム内の温度が実際に＋１００℃を超えることが起きるようになり、そのような場合に温度センサの故障と判断することで、バッテリーシステムに対する適切な制御を行えなくなっている。今後、二次電池における技術の発展に伴って、異常な温度値が測定されたときに、それがバッテリーシステムにおける実際の値なのか温度センサの故障によるものかの切り分けがますます困難になることが予想される。
【０００９】
そこで本発明の目的は、バッテリーシステムなどにおいて温度センサの故障を確実に検出できる故障検出方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の故障検出方法は、温度センサの温度測定値を監視し、温度測定値の変化率に基づいて温度センサの故障を検出する。
【００１１】
本発明の故障検出方法においては、例えば、温度測定値が予め定めた温度範囲から逸脱し、かつ、温度測定値の変化率が所定のしきい値を超えたときに、温度センサの故障と判断する。また、複数の温度センサが設けられる場合には、各温度センサの温度測定値を監視し、各温度センサの温度測定値の変化率を求め、これらの変化率の相互比較によって、いずれかの温度センサにおける故障を検出するようにしてもよい。
【００１２】
本発明の故障検出装置は、温度センサの故障を検出する故障検出装置であって、しきい値を格納するしきい値格納手段と、温度センサの温度測定値の変化率としきい値とを比較する比較手段と、を有する。
【００１３】
本発明において温度測定値とは、温度の単位で表示される測定値のみを指すものではなく、温度センサにおける温度に応じて変化する任意の物理量あるいは数値を指すものである。また、変化率とは、単位時間あたりの温度測定値の変化の絶対値すなわち時間変化率のことをいう。一定の時間間隔で温度測定値のサンプリングが行われるのであれば、前回の測定値と今回の測定値との差をそのまま変化率とすることができる。
【００１４】
本発明において温度センサは、典型的には、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の一形態の故障検出方法が適用されるバッテリーシステムの構成を示すブロック図である。
【００１７】
バッテリーシステム２０においては、リチウムイオン二次電池などのセル（単位電池）２１の複数個が直列に接続されている。そして、このバッテリーシステム２０内の温度、特にセル２１の近傍の温度を測定するために、例えばサーミスタなどからなる複数の温度センサ１０が設けられている。各温度センサ１０の出力は、温度センサ１０ごとに設けられたＡ／Ｄ変換器１１を介し、マイクロプロセッサ１２に入力している。ここでは説明の煩雑を避けるため、温度センサ１０をブロックとして簡略化して図示しているが、図４に示したものと同様に、電源電圧Ｖ_ｃｃと接地点ＧＮＤとの間に抵抗Ｒ_１，Ｒ_２が直列に接続し、抵抗Ｒ_２に対して温度センサが並列に接続されている。
【００１８】
次に、本実施形態における温度センサの故障検出について説明する。
【００１９】
上述したようにサーミスタなどの温度センサにおける故障モードとしては、断線あるいは短絡が主要なものと考えられる。温度センサにおける温度抵抗特性の不良あるいは劣化も考えられるが、初期における温度抵抗特性の不良は製造時に排除すべきものであり、また、温度抵抗特性の経時変化についても定期的な点検や交換などの処置を講じることによって、故障モードとしては無視できる。
【００２０】
温度センサにおける断線あるいは短絡の故障について検討すると、断線あるいは短絡が生じたことによって、その温度センサの見かけの抵抗値が変化する。従来の故障検出方法では、結局はこの抵抗値自体を検出して故障を判断していたため、温度センサは正常であって実際の温度が極端に高くなったりあるいは低くなったりした場合と、温度センサ自体の故障とを切り分けることが難しかった。
【００２１】
ところで、断線あるいは短絡が生じる場合の温度センサの見かけの抵抗値の変化は、徐々におきるものではなく、急激に変化するものと考えられる。また、このような急激な変化は、温度センサが正常に動作していて温度を検出している場合には起こらないと考えられる。そこで本実施形態では、温度センサの抵抗値あるいはこの抵抗値から算出される温度測定値における微分値すなわち時間変化率に基づいて、温度センサの故障を判別するようにしている。すなわち、温度測定値が徐々に変化しているときは、たとえ温度測定値自体が極端な値であっても温度センサは正常に動作していると判断し、温度測定値が急激に変化する（温度測定値の時間変化率が大きい）ときは温度センサの故障が発生したと判断する。
【００２２】
以上の故障検出原理を図１に示した構成において説明すると、マイクロプロセッサ１２は、温度センサ１０での温度測定値ＴをＡ／Ｄ変換器１１を介して定期的に例えば１００ミリ秒ごとに取得しており、温度センサ１０での温度測定値Ｔが所定のしきい値Ｔ_Ｈ（例えば＋１００℃）を上回っているとともに、その際の温度測定値の時間変化率ΔＴが所定のしきい値Ｗ（例えば１００ミリ秒あたり±２℃）以上である場合に、その温度センサ１０における故障が発生したものと判断する。ここでは定期的に温度測定値Ｔを取り込んでいるので、時間変化率ΔＴとしては、今回の温度測定値Ｔと前回の温度測定値Ｔ’との差の絶対値を用いればよい。温度センサ１０が負の温度抵抗係数を有するサーミスタである場合には、このときの故障は、温度センサ１０の短絡に相当する。同様に、温度測定値が所定のしきい値Ｔ_Ｌ（例えば−３０℃）を下回っていてかつその時間変化率が上述したしきい値Ｗ以上である場合にも、故障（負の温度抵抗係数を有する温度センサであれば断線）が生じたものと判断する。故障と判断した場合には、マイクロプロセッサ１２は例えば警報を出力する。
【００２３】
ここでは温度測定値Ｔとして説明したが、温度と温度センサ１０の抵抗値との関係は既知であることから、Ａ／Ｄ変換器１１の出力を温度に換算することなく、温度測定値Ｔの代わりにＡ／Ｄ変換器１１の出力値（あるいは温度センサ１０の測定された抵抗値）をそのまま使用してもよい。もちろんその場合には、しきい値Ｔ_Ｈ，Ｔ_Ｌ，Ｗの値も適宜に変換しておく必要がある。ここでは、温度測定値Ｔは、セルシウス温度あるいは絶対温度で表示される測定値のみを指すものではなく、温度センサ１０における温度に応じて変化する任意の物理量あるいは数値を指すものである。
【００２４】
図２は、この処理を示すフローチャートである。ステップ１０１で温度測定値Ｔを取得すると、ステップ１０２において温度測定値ＴがＴ_Ｌ以上Ｔ_Ｈ以下であるかどうかを判断し、そうであれば温度センサの故障でないのでステップ１０１に戻り、温度測定値ＴがＴ_Ｌ以上Ｔ_Ｈでないときは故障の可能性があるので、ステップ１０３において前回の温度測定値Ｔ’との差から時間変化率ΔＴを算出し、ステップ１０４においてΔＴがＷ以下であるかどうかを判断する。ΔＴがＷ以下であれば温度センサの故障ではないので、ステップ１０１に戻り、ΔＴがＷを上回っていれば故障と判断し、ステップ１０５で警報を出力して処理を終了する。ここでは、温度測定値ＴがＴ_Ｌ以上Ｔ_Ｈでないときに限って時間変化率ΔＴを算出しているが、常時、時間変化率ΔＴを算出していもよい。常時、ΔＴを算出している場合には、ΔＴの大きさに応じて、しきい値Ｔ_Ｈ，Ｔ_Ｌを変化させてもよい。
【００２５】
このような処理を行うマイクロプロセッサ１２は、図３に示す機能ブロック構成と等価なものである。図３に示す構成は、Ａ／Ｄ変換器１１からの出力が温度測定値Ｔとして入力する測定値入力部３１と、前回の温度測定値Ｔ’を保持する測定値保持部３２と、時間変化率ΔＴ（＝｜Ｔ−Ｔ’｜）を算出する変化率算出部３３と、上述した各しきい値Ｔ_Ｈ，Ｔ_Ｌ，Ｗを保持するしきい値格納部３４と、温度測定値Ｔとしきい値Ｔ_Ｈ，Ｔ_Ｌとを比較する第１の比較部３５と、時間変化率ΔＴとしきい値Ｗとを比較する第２の比較部３６と、第１及び第２の比較部３５，３６での比較結果に応じて温度センサ１０の故障を判定する判定部３７とを備えている。
【００２６】
以上の説明においては、Ｔ_Ｌ≦Ｔ≦Ｔ_Ｈでなく、かつ、Ｗ＜ΔＴのときに温度センサの故障と判断しているが、本発明はこれに限られるものではない。低温側については、Ｔ＜Ｔ_Ｌとなったことのみで温度センサ１０の故障と判断し、高温側については、Ｔ_Ｈ＜ＴかつＷ＜ΔＴとなったことによって故障と判断してもよい。逆に、低温側について、Ｔ＜Ｔ_ＬかつＷ＜ΔＴとなったことで温度センサ１０の故障と判断し、高温側については、Ｔ_Ｈ＜Ｔとなったことのみによって故障と判断してもよい。さらには、温度測定値の時間変化率ΔＴが所定のしきい値Ｗを超えたことのみをもって温度センサ１０の故障と判断してもよい。このとき、しきい値Ｗは、温度測定値Ｔに応じて変化するようにしてもよい。
【００２７】
図１に示すように１つのバッテリーシステム２０に対して複数個の温度センサ１０が配置されている場合には、各温度センサ１０からの温度測定値やその時間変化率との相互比較によって、温度センサ１０の故障の検出を行うこともできる。具体的には、他の温度センサにおける温度測定値の時間変化率に比べ、極端に時間変化率が大きな温度センサが存在した場合には、その時間変化率の大きな温度センサに故障が発生したと判断することができる。具体的には、１００ミリ秒の時間間隔で各温度センサ１０で温度を測定している場合に、全温度センサ１０を介した平均としての温度変化が１℃の上昇であった場合に、３℃も温度が上昇している温度センサがあれば、その温度センサが故障している、と判断できる。この場合、平均の時間変化率あるいは全温度センサを通じた最小の時間変化率の大きさに応じて、故障と判断する基準となる時間変化率におけるしきい値を変化させるようにしてもよい。
【００２８】
ここでは、温度測定値における時間変化率の相互比較を通じて故障を識別しているが、この場合、故障であると判断する前提として、温度測定値自体が所定の温度範囲を逸脱している、という条件を付加してもよい。このとき、温度測定値自体における所定の温度範囲も、平均の温度変化率あるいは最低の温度変化率に応じて変化させてもよい。
【００２９】
さらに、図１に示すように１つのバッテリーシステム２０に対して複数個の温度センサ１０が配置されている場合には、各温度センサ１０からの温度測定値やその時間変化率との相互比較によって、温度センサ１０の故障の検出精度を向上させることもできる。具体的には、他の温度センサにおける温度測定値の時間変化に比べ、極端に時間変化率が大きな温度センサが存在した場合には、その時間変化率の大きなセンサに対応する第２の比較部３６（図３参照）でのしきい値Ｗを他の温度センサの平均温度上昇値で補正することにより、故障の判定精度を向上させることができる。
【００３０】
例えば１００ミリ秒の時間間隔で各温度センサ１０で温度を測定している場合に、全ての温度センサ１０にわたって平均として温度変化が１℃の上昇であった場合には、しきい値Ｗを（Ｗ−１）℃に補正すればよい。
【００３１】
この補正値は、平均の時間変化率だけでなく、全温度センサを通じた最小の時間変化率の大きさに応じて変化させるようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、温度センサによる温度測定値自体ではなく、温度測定値の時間変化率に基づくことにより、温度センサにおける断線や短絡などの故障を確実に検出できるようになる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の故障検出方法が適用されるバッテリーシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】故障検出のための処理を示すフローチャートである。
【図３】故障検出のための機能ブロック構成を示すブロック図である。
【図４】温度センサを含む回路の一例を示す図である。
【図５】温度と電圧との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，Ｒ_ｓ 温度センサ
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ マイクロプロセッサ
２０ バッテリーシステム
２１ セル
３１ 測定値入力部
３２ 測定値保持部
３３ 変化率算出部
３４ しきい値格納部
３５，３６ 比較部
３７ 判定部
Ｒ_１，Ｒ_２ 抵抗

Claims (10)

1. 温度センサの故障を検出する故障検出方法であって、温度センサの温度測定値を監視し、前記温度測定値の変化率に基づいて故障を検出する、故障検出方法。
2. 温度センサの故障を検出する故障検出方法であって、該温度測定値が予め定めた温度範囲から逸脱し、かつ、前記温度測定値の変化率が所定のしきい値を超えたときに、前記温度センサの故障と判断する、故障検出方法。
3. 複数の温度センサを有するシステムにおける温度センサの故障を検出する故障検出方法であって、各温度センサの温度測定値を監視し、前記各温度センサの温度測定値の変化率を求め、該変化率の相互比較によっていずれかの温度センサにおける故障を検出する、故障検出方法。
4. 温度測定値が所定の温度範囲を逸脱している場合に故障として検出する、請求項３に記載の故障検出方法。
5. 前記複数の温度センサの全体にわたる平均の変化率または最低の変化率に応じ、前記所定の温度範囲を変化させる、請求項４に記載の故障検出方法。
6. 前記温度センサは、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の故障検出方法。
7. 前記温度センサは、二次電池の複数個のセルを有するバッテリーシステム内に配置される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の故障検出方法。
8. 温度センサの故障を検出する故障検出装置であって、
   しきい値を格納するしきい値格納手段と、
   温度センサの温度測定値の変化率と前記しきい値とを比較する比較手段と、
   を有する、故障検出装置。
9. 前記故障検出装置は複数の温度センサを有するシステムにおける温度センサの故障を検出するものであって、各温度センサの温度測定値を監視し、前記各温度センサの温度測定値の変化率を求め、前記各温度センサの変化率に基づいて前記しきい値を補正する、請求項８に記載の故障検出装置。
10. 温度センサの故障を検出する故障検出装置であって、
    温度範囲に関するしきい値と変化率に関するしきい値とを格納するしきい値格納手段と、
    温度センサの温度測定値を前記温度範囲に関するしきい値と比較する第１の比較手段と、
    前記温度センサの温度測定値における変化率と前記変化率に関するしきい値とを比較する第２の比較手段と、
    前記温度センサの温度測定値が前記温度範囲を逸脱し、かつ、前記温度センサの温度測定値における変化率が前記変化率に関するしきい値を上回るときに、前記温度センサの故障と判断する判定手段と、
    を有する、故障検出装置。

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