JP2005195604A

JP2005195604A - 組電池の異常判定装置および異常判定方法

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Publication number: JP2005195604A
Application number: JP2005026432A
Authority: JP
Inventors: Yoshiteru Kikuchi; 義晃菊池; Shigehiro Kawauchi; 滋博川内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】充放電のパターンや温度の変化に拘わらず簡易な計算により正確に組電池の異常を判定する。
【解決手段】組電池を構成する各単位電池の電圧のうちの最大値と最小値との偏差ΔＶを求め（Ｓ１２０，Ｓ１３０）、これを組電池に流れる電流Ｉと対の値として複数記憶する（Ｓ１４０）。電圧の偏差ΔＶと電流Ｉとの関係を直線関係として捉えると、その傾きΔＲが内部抵抗の偏差に相当することから、傾きΔＲを最小二乗法により求め（Ｓ１７０）、この傾きΔＲの大きさによって組電池の異常を判定する（Ｓ２００）。充放電のパターンによる起電圧の変動、温度変化による起電圧の変動は電圧の偏差ΔＶを求める際に相殺されることにより考慮されているから、より正確に組電池の異常を判定することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池の異常判定装置に関し、詳しくは、複数の電池を直列に接続してなる組電池の異常を判定する異常判定装置に関する。

従来、この種の組電池の異常判定装置としては、単位電池毎にあるいは複数の単位電池からなるブロック毎に電池の内部抵抗を算出し、その値の大きさに基づいて異常を判定するものが提案されている。単位電池は、その構成に依存する内部抵抗が存在するから、その内部抵抗を計算し、その値に基づいて異常を判定することができる。

しかしながら、こうした内部抵抗を算出しその値の大きさに基づいて異常を判定する装置では、充放電のパターンによっては正確に判定することが困難であるという問題があった。充放電のパターンによっては組電池の起電力が変動する。内部抵抗は電池の起電圧が変動しなければ正確に算出できるが、ある内部抵抗値が充放電のパターンによって正常な値となったり、異常な値となってしまう。また、電池の起電圧は、電池の温度によっても変化するから、上述の問題は更にクローズアップされる。さらに、単位電池毎やブロック毎に内部抵抗を算出すると、その計算処理が膨大なものとなるため、その計算に高性能なコンピュータを必要とする。

本発明の異常判定装置は、こうした問題を解決し、充放電のパターンや温度が変化したときでも正確に組電池の異常を判定することを目的の一つとする。また、本発明の異常判定装置は、こうした異常の判定を簡易な計算で行なうことを目的の一つとする。

本発明の異常判定装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の組電池の異常判定装置は、複数の電池を直列に接続してなる組電池の異常を判定する異常判定装置であって、前記複数の電池の各々の電圧を所定のタイミングで計測する電圧計測手段と、前記組電池を流れる電流を該タイミングで計測する電流計測手段と、前記電圧計測手段により計測された前記各々の電圧を入力し、該入力した各々の電圧のうちの最大値と最小値との偏差を演算する偏差演算手段と、前記電流計測手段により計測された電流と、前記偏差演算手段により演算された偏差と、を対の値として複数記憶する記憶手段と、該タイミングで計測され、記憶された複数の対の値に基づいて前記組電池の異常を判定する異常判定手段と、を備えることを要旨とする。さらに、前記偏差演算手段は、前記組電池が充電状態であるか、放電状態であるかに分けて偏差を演算する。

ここで、各々の電圧の最大値と最小値との偏差と組電池を流れる電流とからなる対の値を複数用いることによって組電池の異常を判定できる原理について説明する。電池の電圧（Ｖ）は、電池が正常であるか否かに拘わらず、次式（１）に示すように、起電力（Ｖ０）から電池を流れる電流（Ｉ）と内部抵抗（Ｒ）との積を減じたものとして表わされる。

Ｖ＝Ｖ０−Ｒ・Ｉ（１）
いま、正常な電池と異常な電池とを直列に接続した組電池を考える。正常な電池が示す電圧も異常な電池が示す電圧も上式（１）によって表わされ、それぞれ次式（２）および（３）となる。正常な電池と異常な電池を直列に接続して組電池を構成している場合を考えているから各電池に流れる電流（Ｉ）は同じ値となる。

Ｖ１＝Ｖ０１−Ｒ１・Ｉ（２）
Ｖ２＝Ｖ０２−Ｒ２・Ｉ（３）
上式（３）から上式（２）を減じれば、次式（４）となり、左辺は電圧の偏差（ΔＶ）となる。

ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１＝（Ｖ０２−Ｖ０１）−（Ｒ２−Ｒ１）・Ｉ（４）
各電池の電圧と組電池を電流が計測できるものであれば、電圧の偏差（ΔＶ）と電流（Ｉ）とは既知のものとして取り扱うことができるから、未知数は起電力の偏差と内部抵抗の偏差の二つとなる。したがって、電圧の偏差と電流とを対の値としたとき２以上の対の値を用いれば起電力の偏差と内部抵抗の偏差とを求めることができる。一般に、電池の異常は内部抵抗に現われるから、内部抵抗の偏差によって電池の異常は判定できるのである。すなわち一方の電池が正常であれば、複数の対の値に基づいて、すなわち複数の対の値から内部抵抗の偏差に相当するものを求めることにより他方の電池が正常であるか否かを判定できるのである。

上述の原理の説明では、一方の電池が正常であるものとして他方の電池の異常を判定している。本発明の組電池の異常判定装置では、各々の電池の電圧の最大値と最小値との偏差を演算することにより、電圧が最大の電池を正常な電池と仮定すると共に電圧が最小の電池を異常のおそれがある電池と仮定し、電圧が最小の電池を判定することによって組電池の異常を判定するのである。

こうした本発明の組電池の異常判定装置によれば、各々の電池の電圧の最大値と最小値との偏差と組電池を流れる電流とに基づいて組電池の異常を判定することができる。しかも、起電圧の変動は差を算出することにより打ち消されるから、充放電のパターンや温度の変化に異常の判定が左右されることがない。

こうした本発明の組電池の異常判定装置において、前記異常判定手段は前記記憶手段により記憶された複数の対の値が所定対数となったときに異常を判定する手段であるものとしたり、前記異常判定手段は前記記憶手段により記憶された複数の対の値のうちの前記電流の値が所定範囲を越えて分布したときに異常を判定する手段であるものとすることもできる。このように複数の対の値を所定対数のものを使ったり、所定範囲を越えた分布のものを使って異常を判定することにより、より正確に組電池の異常を判定することができる。

また、本発明の組電池の異常判定装置において、前記異常判定手段は、前記複数の対の値を用いて最小二乗法により少なくとも傾きを演算し、該傾きに基づいて異常を判定するものとすることもできる。上式（４）は直線の式をなしており、内部抵抗の偏差はこの直線の傾きをなすから、直線近似の手法として最小二乗法を用いて傾きを求め、これにより組電池の異常を判定することができる。こうした傾きにより判定をする組電池の異常判定装置において、前記異常判定手段は、前記傾きの絶対値が所定値より大きいときに異常と判定する手段であるものとすることもできる。さらに、本発明に係る異常判定方法は、複数の電池を直列に接続してなる組電池の異常を判定する異常判定方法であって、前記複数の電池の各々の電圧を所定のタイミングで計測する電圧計測工程と、前記組電池を流れる電流を該タイミングで計測する電流計測工程と、前記電圧計測工程により計測された前記各々の電圧を入力し、該入力した各々の電圧のうちの最大値と最小値との偏差を演算する偏差演算工程と、前記電流計測工程により計測された電流と、前記偏差演算工程により読み込まれた前記各々の電圧から演算された偏差と、を対の値として複数記憶する記憶工程と、該タイミングで計測され、記憶された複数の対の値に基づいて前記組電池の異常を判定する異常判定工程と、を含んでいる。

次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である組電池の異常判定装置４０の構成の概略を例示する概略構成図である。図示するように、実施例の組電池の異常判定装置４０は、ｎ個の単位電池を直列に接続してなる組電池２０に取り付けられており、組電池２０には、組電池２０の充放電により動作する負荷３０が接続されている。

実施例の異常判定装置４０は、組電池２０の各単位電池の電圧Ｖ１〜Ｖｎを計測する複数の電圧計からなる電圧計測器４２、組電池２０に流れる電流Ｉを計測する電流計４４、異常判定装置４０全体を制御すると共に組電池２０の異常の判定処理を行なう電子処理装置５０、所定タイミング毎（例えば、１０ｍｓ毎）に電子処理装置５０にクロック信号ＣＬを出力するクロック発振回路６０、異常判定装置４０の各部に必要な電力を供給する図示しない電源回路などを備える。

電子処理装置５０は、ＣＰＵ５２を中心として構成された１チップマイクロコンピュータであり、その内部には処理プログラムを予め記憶した内部ＲＯＭ５４と、データを一時的に記憶する内部ＲＡＭ５６と、各種入力ポートおよび出力ポートとが備えられている。入力ポートには、電圧計測器４２により計測された組電池２０の各単電池の電圧Ｖ１〜Ｖｎや電流計４４により計測された電流Ｉ，クロック発振回路６０から出力されるクロック信号ＣＬなどが入力されており、出力ポートからは、異常判定装置４０による組電池２０の異常の判定結果をＬＣＤ７０や他の装置（例えば組電池２０の運転を制御する図示しないコンピュータや負荷３０の運転を制御する図示しないコンピュータなど）に出力する異常判定信号Ｊ，Ｋが出力されている。

こうして構成された実施例の異常判定装置４０は、内部ＲＯＭ５４に予め記憶された図２に例示する異常判定ルーチンを所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に繰り返し実行することによって組電池２０に異常がないか否かを監視している。なお、図示する異常判定ルーチンを実行するタイミングは、クロック発振回路６０から入力されるクロック信号ＣＬをカウントすることによって計られている。以下、この異常判定ルーチンに基づいて異常判定装置４０による組電池２０の異常の判定について説明する。

異常判定ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５２は、まず電流計４４により計測される電流Ｉと電圧計測器４２により計測される組電池２０の各単位電池の電圧Ｖ１〜Ｖｎを同タイミングで読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。次に、読み込んだ電流Ｉが値０より大きいか否か判定し（ステップＳ１１０）、電流Ｉが値０より大きいときには読み込んだ電圧Ｖ１〜Ｖｎのうちの最小値から最大値を減じて電圧偏差ΔＶを算出し（ステップＳ１２０）、電流Ｉが値０以下のときには逆に電圧Ｖ１〜Ｖｎのうちの最大値から最小値を減じて電圧偏差ΔＶを算出する（ステップＳ１３０）。ここで、電流Ｉの値により電圧偏差ΔＶの符号を変えるのは、電流Ｉが値０より大きいときの状態、即ち組電池２０からの放電により負荷３０で電力を消費している状態と、電流Ｉが値０以下のときの状態、即ち負荷３０により供給される電力により組電池２０を充電している状態とを考慮し、いずれの状態でも電圧偏差ΔＶを同様に扱うためである。

次に、ＣＰＵ５２は、こうして算出された電圧偏差ΔＶと電流Ｉとを対の値として内部ＲＡＭ５６に一時的に記憶する（ステップＳ１４０）。そして、カウンタＮをインクリメントし（ステップＳ１５０）、カウンタＮの値が閾値Ｎｒｅｆより大きいか否かを判定する（ステップＳ１６０）。カウンタＮは、電圧偏差ΔＶと電流Ｉとからなる対の値を幾つ内部ＲＡＭ５６に記憶したかをカウントするものであり、異常判定装置４０の電源が投入されたときに実行される図示しない初期化ルーチンにより初期値として値０が設定されるものである。また、閾値Ｎｒｅｆは、組電池２０を判定するのに十分な対の値の数として設定されるものであり、組電池２０に要求される安定性の程度や組電池２０を構成する単位電池の数あるいは単位電池の製品のばらつきなどにより定められる。カウンタＮが閾値Ｎｒｅｆ以下のときには、組電池２０の異常を判定するのに十分な数の対の値を記憶していないと判断し本ルーチンを終了する。

一方、カウンタＮが閾値Ｎｒｅｆより大きいときには、記憶したＮ個の対の値を用いて最小二乗法による演算により傾きΔＲを算出すると共に（ステップＳ１７０）、Ｎ個の電流Ｉよりその分散σＩを算出する（ステップＳ１８０）。最小二乗法による傾きΔＲの算出および電流Ｉの分散σＩの算出の手法については一般的な数値計算法によるため、その計算手法についての説明は省略する。

次に、算出した電流Ｉの分散σＩが閾値σｒｅｆより大きいか否かを判定する（ステップＳ１９０）。電流Ｉの分散σＩを考慮するのは、カウンタＮを閾値Ｎｒｅｆと比較することにより組電池２０の異常を判定するのに十分な数の対の値を記憶していると判定されても、最小二乗法によって求められる傾きΔＲの精度が電流Ｉの分散σＩによって左右されるからである。電流Ｉの分散σＩが閾値σｒｅｆ以下のときには、十分な精度の傾きΔＲが得られず組電池２０の異常を十分な精度で判定できないと判断して、本ルーチンを終了する。

電流Ｉの分散σＩが閾値σｒｅｆより大きいときには、傾きΔＲを閾値Ｒｒｅｆと比較する（ステップＳ２００）。本発明の原理で説明したように、電池の異常はその内部抵抗に現われるから、実施例の組電池２０の場合には、内部抵抗の偏差、即ち傾きΔＲに基づいて組電池２０の異常を判定することができる。実施例では、正常な単位電池の電圧と電流との関係および異常な単位電池の電圧と電流との関係は共に直線関係にあり、電圧偏差ΔＶと電流Ｉとの関係も直線関係にあると考えることにより、内部抵抗の偏差を傾きΔＲとして求めている。図３に正常な単位電池および異常な単位電池の電圧と電流との関係を例示する。図中直線状の線Ａは正常な単位電池の電圧と電流との関係であり、直線状の線Ｂは異常な単位電池の電圧と電流との関係である。図示するように、それぞれの関係は上述した式（２）および式（３）に示したような直線状のものとなる。したがって、電圧偏差ΔＶと電流Ｉとの関係も図４に例示するように直線状のものとなる。いま、組電池２０を構成する単位電池のすべてが正常であれば、いずれの単位電池も図３中の線Ａに近い特性を示すから、傾きΔＲは値０に近いものとなる。組電池２０を構成する単位電池のうちのいずれかが異常であれば、その単位電池の特性は起電力Ｖ０２は異なるものの図３中の線Ｂのように線Ａとは異なる傾きの直線状になるから、傾きΔＲは値０に比して大きな値となる。このような理由から、傾きΔＲを閾値Ｒｒｅｆと比較することによって組電池２０の異常を判定できるのである。なお、閾値Ｒｒｅｆの値は、組電池２０を構成する単位電池の特性やその製品のばらつきなどによって定められるものである。

こうして傾きΔＲと閾値Ｒｒｅｆとを比較し、傾きΔＲが閾値Ｒｒｅｆより大きいときには、組電池２０を構成する単位電池のうちのいずれかが異常な状態となり組電池２０に異常が発生したと判定して異常判定フラグＦに値１をセットし（ステップＳ２１０）、カウンタＮを値０にリセットして（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。一方、傾きΔＲが閾値Ｒｒｅｆ以下のときには、組電池２０を構成するいずれの単位電池も正常な状態にあると判定して異常判定フラグＦに値０をセットし（ステップＳ２２０）、カウンタＮを値０にリセットして（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。実施例の異常判定装置４０では、このようにセットされた異常判定フラグＦの値を異常判定信号Ｊ，ＫとしてＬＣＤ７０や他の装置に出力する。

以上説明した実施例の組電池の異常判定装置４０によれば、組電池２０を構成する各単位電池の電圧Ｖ１〜Ｖｎのうちの最大値と最小値との偏差である電圧偏差ΔＶと組電池２０に流れる電流Ｉとからなる対の値に基づいて組電池２０の異常を判定することができる。しかも、電流Ｉの分散σＩを考慮して種々の充放電のパターン等が含まれるようにするから、充放電のパターンに拘わらずより正確に組電池２０の異常を判定することができる。また、組電池２０に温度変化が生じることにより正常な単位電池も異常な単位電池もその特性を変化させるが、電圧の偏差である電圧偏差ΔＶを用いて特性の変化を相殺するから、組電池２０に温度変化が生じたときでも組電池２０の異常を正確に判定することができる。さらに、最小二乗法による演算で傾きΔＲを算出するだけで組電池２０の異常を判定するから、組電池２０を構成する各単位電池の内部抵抗をすべて計算して異常を判定するものや複数個の単位電池により構成される電池ブロックの各内部抵抗を計算して異常を判定するものに比して簡易な計算により異常を判定することができる。

実施例の組電池の異常判定装置４０では、電圧偏差ΔＶと電流Ｉとからなる対の値が閾値Ｎｒｅｆより多く、しかも電流Ｉの分散σＩが閾値σｒｅｆより大きいときに組電池２０の異常を判定するものとしたが、電流Ｉの分散σＩは考慮せずに電圧偏差ΔＶと電流Ｉとからなる対の値が閾値Ｎｒｅｆより大きいときに組電池２０の異常を判定するものとしたり、カウンタＮを用いずに単に電流Ｉの分散σＩが閾値σＩより大きくなったときに組電池２０の異常を判定するものとしても差し支えない。

また、実施例の組電池の異常判定装置４０では、正常な電池か否かに拘わらずその電圧と電流との関係を直線関係として捉え、最小二乗法による直線近似の手法で内部抵抗の偏差である傾きΔＲを求めて組電池２０の異常を判定したが、電池と電流との関係を直線以外の関係（例えば３次関数曲線やベゼー曲線など）として捉えると共に電圧偏差ΔＶと電流Ｉとの関係も直線以外の関係として捉え、その関係における単位電池の内部抵抗に基づいて構成される項に着目し、これにより異常を判定するものとしてもよい。

以上、本発明の実施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。

本発明の一実施例である組電池の異常判定装置４０の構成の概略を例示する概略構成図である。実施例の異常判定装置４０の電子処理装置５０により実行される異常判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。正常な単位電池および異常な単位電池の電圧と電流との関係の一例を示すグラフである。異常が生じているときの電圧偏差ΔＶと電流Ｉとの関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

２０組電池、３０負荷、４０異常判定装置、４２電圧計測器、４４電流計、５０電子処理装置、５２ＣＰＵ、５４内部ＲＯＭ、５６内部ＲＡＭ、６０クロック発振回路。

Claims

複数の電池を直列に接続してなる組電池の異常を判定する異常判定装置であって、
前記複数の電池の各々の電圧を所定のタイミングで計測する電圧計測手段と、
前記組電池を流れる電流を該タイミングで計測する電流計測手段と、
前記電圧計測手段により計測された前記各々の電圧を入力し、該入力した各々の電圧のうちの最大値と最小値との偏差を演算する偏差演算手段と、
前記電流計測手段により計測された電流と、前記偏差演算手段により演算された偏差と、を対の値として複数記憶する記憶手段と、
該タイミングで計測され、記憶された複数の対の値に基づいて前記組電池の異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする異常判定装置。
前記偏差演算手段は、前記組電池が充電状態であるか、放電状態であるかについて偏差を演算する請求項１に記載の異常判定装置。
前記異常判定手段は、前記記憶手段により記憶された複数の対の値が所定対数となったときに異常を判定する手段である請求項１又は２に記載の異常判定装置。
前記異常判定手段は、前記記憶手段により記憶された複数の対の値のうちの前記電流の値が所定範囲を越えて分布したときに異常を判定する手段である請求項１又は２に記載の異常判定装置。
前記異常判定手段は、前記複数の対の値を用いて最小二乗法により少なくとも傾きを演算し、該傾きに基づいて異常を判定する請求項１から４のいずれか１項に記載の異常判定装置。
前記異常判定手段は、前記傾きの絶対値が所定値より大きいときに異常と判定する手段である請求項５記載の異常判定装置。
複数の電池を直列に接続してなる組電池の異常を判定する異常判定方法であって、
前記複数の電池の各々の電圧を所定のタイミングで計測する電圧計測工程と、
前記組電池を流れる電流を該タイミングで計測する電流計測工程と、
前記電圧計測工程により計測された前記各々の電圧を入力し、該入力した各々の電圧のうちの最大値と最小値との偏差を演算する偏差演算工程と、
前記電流計測工程により計測された電流と、前記偏差演算工程により読み込まれた前記各々の電圧から演算された偏差と、を対の値として複数記憶する記憶工程と、
該タイミングで計測され、記憶された複数の対の値に基づいて前記組電池の異常を判定する異常判定工程と、
を含むことを特徴とする異常判定方法。