JP2007046942A - 電池故障判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 セル電池接続部の故障を検知する。
【解決手段】 複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流（電池電流）を測定するとともに、セル電池ごとの両端電圧（セル電圧）を測定し、セル電圧と電池電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。また、複数のセル電池が直列に接続された組電池において、組電池が無負荷時のセル電池ごとの両端電圧（無負荷電圧）を測定するとともに、無負荷電圧の平均値（平均無負荷電圧）を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は組電池の故障判定装置に関する。

多数のセル電池を直列に接続して高電圧の電源を負荷へ供給する組電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の組電池では、セル電池どうしをタブにより直列に接続して高電圧を得ている。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００３−２７４５０２号公報

しかし、上述した従来の組電池では、セル電池どうしをタブにより接続しているので、外的要因によりタブに亀裂が発生する可能性がある。この亀裂が成長した状態、亀裂部分が瞬間的に断線した後にふたたび溶着した状態、あるいは断線後に接触している状態では、セル電池の劣化と誤認してそのまま使用し続けるおそれがある。このような状態で大電流が流れるとタブが完全に溶断してしまい、負荷に電源を供給できなくなる。

（１） 本願発明は、複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流（電池電流）を測定するとともに、セル電池ごとの両端電圧（セル電圧）を測定し、セル電圧と電池電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。
（２） また、本願発明は、複数のセル電池が直列に接続された組電池において、組電池が無負荷時のセル電池ごとの両端電圧（無負荷電圧）を測定するとともに、無負荷電圧の平均値（平均無負荷電圧）を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する。

本発明によれば、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。

本願発明の電池故障判定装置を、エンジンとモーターの両方の駆動力または一方の駆動力により走行するハイブリッド車両の高電圧バッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の電池故障判定装置は、ハイブリッド車両に限定されず、組電池により高電圧を負荷へ供給するあらゆる装置および機器に適用することができる。

図１は一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す。一実施の形態のハイブリッド車両はエンジン１とモーター２を備え、いずれか一方または両方の駆動力により走行する。モーター２は１台で走行駆動、エンジン始動、発電および回生制動の機能を有する。エンジン１とモーター２の駆動力はトランスミッションを介して駆動輪（不図示）に伝達される。

インバーター４はバッテリー５の直流電力を交流電力に変換してモーター２へ供給し、モーター２から走行駆動力を発生させるとともに、モーター２の回生交流電力を直流電力に逆変換し、バッテリー５を充電する。バッテリー５は、図２に示すように、ｎ個のセル電池１１〜１ｎが直列に接続された組電池である。

車両コントローラー６は車速、変速機のシフト位置、ブレーキペダルの踏み込み圧、アクセルペダルの踏み込み量などの車両情報に基づいて車両の所要駆動力を演算し、燃料消費量が最少となるようにエネルギーマネージメントを行ってエンジン１とモーター２のトルク指令を決定する。車両コントローラー６はエンジンコントローラー７を制御してエンジン１の運転と停止、トルクと回転速度を制御するとともに、モーターコントローラー８を制御してモーター２の運転と停止、トルクと回転速度を制御する。

車両コントローラー６はまた、バッテリーコントローラー９を制御してバッテリー５の充放電を制御する。エンジンコントローラー７はエンジン１のスロットルバルブ開閉制御、燃料噴射制御、点火時期制御などを行い、エンジン１のトルクと回転速度を制御する。モーターコントローラー８はモーター２の電圧と電流を制御し、モーター２のトルクと回転速度を制御する。バッテリーコントローラー９はバッテリー５の充放電制御を行うとともに、後述する制御プログラムを実行してバッテリー５を構成するセル電池の故障を判定する。

図２はバッテリー５とバッテリーコントローラー９の詳細な構成を示す。バッテリー５はｎ個のセル電池１１〜１ｎが直列に接続された組電池であり、セル電池１１〜１ｎは図３に示すタブ５１により接続されている。バッテリーコントローラー９はバッテリー制御回路２１、セル制御回路２２、電圧計２３、電流計２４、放電抵抗器３１〜３ｎ、バイパスリレー４１〜４ｎなどを備えており、バッテリー５の充放電を制御するとともにセル電池１１〜１ｎの故障判定を行う。

セル制御回路２２は、セル電池１１〜１ｎごとの両端電圧（以下、セル電圧という）Ｖc1〜Ｖcnを検出し、バイパスリレー４１〜４ｎを開閉して各セル電池１１〜１ｎのセル電圧Ｖc1〜Ｖcnが均一になるように制御する。すなわち、充電時に規定のセル電圧に達したセル電池１＊（＊＝１〜ｎ）のバイパスリレー４＊をオンし、放電抵抗３＊を介して充電電流をバイパスする。

バッテリー制御回路２１はＣＰＵ２１ａ、メモリ２１ｂ、Ａ／Ｄコンバーター２１ｃなどを備え、車両コントローラー６からの充放電指令にしたがってバッテリー５の充放電を行うとともに、後述する故障判定プログラムを実行してセル電池１１〜１ｎの故障判定を行う。バッテリー制御回路２１には、バッテリー５の両端電圧（この明細書ではバッテリー電圧または電池電圧という）ＶBを測定する電圧計２３と、バッテリー５に流れる電流（この明細書ではバッテリー電流または電池電流という）ＩBを測定する電流計２４が接続されている。

ここで、一実施の形態のセル電池１１〜１ｎの故障判定方法について説明する。バッテリー５の負荷時の故障判定方法は、バッテリー負荷時のセル電圧Ｖc1〜Ｖcn［Ｖ］とバッテリー電流ＩB［Ａ］とに基づいてセル電池１１〜１ｎごとの内部抵抗Ｒc1〜Ｒcn［Ω］を算出し、内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定する方法である。内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnは次式により算出する。
Ｒc1〜Ｒcn＝（Ｖc1〜Ｖcn）／ＩB ・・・（１）

各セル電池１１〜１ｎは、図４に示すように、セル電池自体と、セル電池の内部抵抗ｒ１と、セル電池接続部の接触抵抗ｒ２との直列回路で等価的に表すことができ、上記（１）式で算出されるセル電池の内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnは内部抵抗ｒ１と接触抵抗ｒ２の和と考えることができる。

セル電池の内部抵抗ｒ１はセル電池内部の化学変化により発生し、使用年数に応じて徐々に増加する。これに対しセル電池接続部の接触抵抗ｒ２は、タブ５１に亀裂が生じ、その亀裂が成長した状態、亀裂部分が瞬間的に断線した後にふたたび溶着した状態、あるいは断線後に接触している状態において発生し、このような接続が不完全な状態が発生すると急に増加する。したがって、セル電池１１〜１ｎの内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnの変化を常に監視し、内部抵抗変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きい場合には、タブ５１に亀裂が入り、セル電池接続部が接触不良な状態にあると考えることができる。

なお、バッテリー５の負荷時とは、図２に示すように、バッテリー負荷であるインバーター４とバッテリー５との間に設置される負荷開閉用リレー４ａ、４ｂの閉路時をいう。リレー４ａ、４ｂが閉路されると、インバーター４を介してバッテリー５からモーター２へ、またはモーター２からバッテリー５へ電流が流れる。

次に、バッテリー５の無負荷時の故障判定方法は、バッテリー無負荷時のセル電圧Ｖc1〜Ｖcnと平均セル電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを求め、電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定する方法である。
ΔＶc1〜ΔＶcn＝（Ｖc1〜Ｖcn）−Ｖc_ave ・・・（２）

上述したように、セル電池１１〜１ｎの接続用タブ５１に亀裂が生じて接触抵抗ｒ２が増大すると、不完全な接続状態にあるセル電池１＊（＊＝１〜ｎ）の無負荷電圧Ｖc*と平均無負荷電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc*も増加する。したがって、電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnの変化が通常のセル電池劣化による経年変化よりも大きいセル電池を故障と判定することができる。

なお、バッテリー５の無負荷時とは、図２に示すように、バッテリー負荷であるインバーター４とバッテリー５との間に設置される負荷開閉用リレー４ａ、４ｂの開路時をいう。リレー４ａ、４ｂが開路されていても、バッテリー５には電圧計２３を介して微小な放電電流ＩBが流れる。

図５は、バッテリーコントローラー９で実行されるセル電池故障判定プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。ハイブリッド車両のメインスイッチ（不図示）が投入されると、バッテリー制御回路２１のＣＰＵ２１ａはこのセル電池故障判定プログラムを実行する。

まず、ステップ１〜４において上述したバッテリー無負荷時の故障判定を行う。ステップ１でセル制御回路２２により各セル電池１１〜１ｎの無負荷電圧Ｖc1〜Ｖcnを測定する。続くステップ２で電圧計２３によりバッテリー電圧ＶBを測定し、バッテリー電圧ＶBをセル電池個数ｎで除して平均無負荷電圧Ｖc_aveを算出する。もちろん、セル電圧Ｖc1〜Ｖcnの平均値を求め、平均無負荷Ｖc_aveとしてもよい。

ステップ３では各セル電池ごとの無負荷電圧Ｖc1〜Ｖcnと平均無負荷電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを上記（２）式により演算し、メモリ２１ｂに記憶する。ステップ４においてメモリ２１ｂに記憶されている前回の電圧差ΔＶc1'〜ΔＶcn'から今回の電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnへの変化量を求め、変化量が予め設定した判定基準値Ｖo以下か否かを判定する。

セル電池劣化による経年変化でセル電池自体の内部抵抗ｒ１（図４参照）が徐々に増加しても、セル電池の無負荷電圧Ｖc1〜Ｖcnと平均無負荷電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnに大きな変化はない。しかし、セル電池接続部のタブ５１に亀裂が生じてセル電池１＊（＊＝１〜ｎ）の接触抵抗ｒ２が増大すると、そのセル電池１＊の無負荷電圧Ｖc*と平均無負荷電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc*も増大する。

そこで、セル電池接続部が正常な場合の電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnの変化量、つまりセル電池１１〜１ｎの通常の劣化による電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnの変化量を予め測定しておき、それよりもわずかに大きい変化量を判定基準値Ｖoとしてメモリ２１ｂに記憶しておく。セル電池故障判定を行うたびに、前回の電圧差ΔＶc1'〜ΔＶcn'から今回の電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnへの変化量を求め、その変化量が判定基準値Ｖo以下であればセル電池１１〜１ｎは正常であると判定し、変化量が判定基準値Ｖoを超えているセル電池は、そのセル電池の接続部が接触不良な状態にあると判定する。

ステップ１〜４のバッテリー無負荷時の故障判定において、いずれかのセル電池に不完全な接続による故障が発見された場合はステップ５へ進み、音声またはブザーにより乗員に警報する。そして、ステップ６でフェールセーフ制御を行う。例えばバッテリー５の出力量と回生量を制限することによって故障が発見されたセル電池接続部の発熱を抑制し、タブ５１の亀裂部の溶断事故を防止する。

バッテリー無負荷時の故障判定においてすべてのセル電池１１〜１ｎに故障が発見されなかった場合は、ステップ７〜１１において上述したバッテリー負荷時の故障判定を行う。ステップ７で負荷開閉用リレー４ａ、４ｂを閉路してバッテリー負荷であるインバーター４をバッテリー５に接続する。続くステップ８ではバッテリー５に流れる電流ＩBが予め設定した電流Ｉo以下か否かを判定する。

上述した内部抵抗変化による故障判定を実行する場合に、使用電流Ｉが大きいとセル電池内部の化学変化によりセル電池の内部抵抗ｒ１（図４参照）が急変するため、正確な故障判定ができなくなる。そのため、セル電池内部の化学変化により内部抵抗ｒ１が急変することのないバッテリー電流ＩBを測定し、正確な故障判定が可能な判定基準電流Ｉoとしてメモリ２ｂに記憶しておく。

バッテリー電流ＩBが判定基準電流Ｉo以下の場合はステップ９へ進み、セル制御回路２２により各セル電池１１〜１ｎの負荷電圧Ｖc1〜Ｖcnを測定する。続くステップ１０では、各セル電池１１〜１ｎの負荷電圧Ｖc1〜Ｖcnとバッテリー電流ＩBとに基づいて、上記（１）式により各セル電池１１〜１ｎの内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnを算出し、メモリ２１に記憶する。

ステップ１１においてメモリ２１ｂに記憶されている前回の内部抵抗Ｒc1'〜Ｒcn'から今回の内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnへの変化量を求め、変化量が予め設定した判定基準値Ｒo以下か否かを判定する。

上述したように、セル電池劣化による経年変化で内部抵抗が徐々に増加する。このような通常のセル電池劣化による内部抵抗の変化量を予め測定しておき、それよりもわずかに大きい変化量を判定基準値Ｒoとしてメモリ２１ｂに記憶しておく。セル電池故障判定を行うたびに、前回の内部抵抗Ｒc1'〜Ｒcn'から今回の内部抵抗Ｒc1〜Ｒcnへの変化量を求め、その変化量が判定基準値Ｒo以下であればセル電池接続部は正常であると判定し、変化量が判定基準値Ｒoを超えているセル電池は、その接続部が接触不良な状態にあると判定する。

ステップ７〜１１のバッテリー負荷時の故障判定において、いずれかのセル電池に不完全な接続状態による故障が発見された場合はステップ５へ進み、音声またはブザーにより乗員に警報する。そして、ステップ６でフェールセーフ制御を行う。例えばバッテリー５の出力量と回生量を制限することによって、故障が発見されたセル電池接続部の発熱を抑制し、タブ５１の亀裂部の溶断事故を防止する。一方、負荷時の故障判定においてすべてのセル電池１１〜１ｎに故障が発見されなかった場合は故障判定を終了する。

このように一実施の形態によれば、複数のセル電池が直列に接続されたバッテリーに流れるバッテリー電流を測定するとともに、セル電池ごとのセル電圧を測定し、セル電圧とバッテリー電流とに基づいてセル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算し、前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定するようにしたので、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。したがって、一実施の形態の電池故障判定装置を搭載したハイブリッド車両においては、セル電池接続部の溶断により走行できなくなる事態を避けることができる。

また、一実施の形態によれば、複数のセル電池が直列に接続されたバッテリーにおいて、バッテリーが無負荷時のセル電池ごとの両端電圧（無負荷電圧）を測定するとともに、無負荷電圧の平均値（平均無負荷電圧）を算出し、セル電池ごとの無負荷電圧と平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算し、前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定するようにしたので、タブ亀裂などのセル電池接続部の故障を確実に検知することができ、故障個所の溶断を防止することができる。したがって、一実施の形態の電池故障判定装置を搭載したハイブリッド車両においては、セル電池接続部の溶断により走行できなくなる事態を避けることができる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電流計２４が電流測定手段を、セル制御回路２２がセル電圧測定手段を、バッテリー制御回路２１が抵抗演算手段、故障判定手段、平均値算出手段および電圧差演算手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項との対応関係になんら限定も拘束もされない。

一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図である。 一実施の形態のバッテリーとバッテリーコントローラーの構成を示す図である。 セル電池のタブを示す図である。 セル電池の等価回路を示す図である。 一実施の形態のセル電池故障判定プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

４ インバーター
４ａ、４ｂ 負荷開閉用リレー
５ バッテリー
９ バッテリーコントローラー
１１〜１ｎ セル電池
２１ バッテリー制御回路
２２ セル制御回路
２３ 電圧計
２４ 電流計

Claims (5)

1. 複数のセル電池が直列に接続された組電池に流れる電流（以下、電池電流という）を測定する電流測定手段と、
   前記セル電池ごとの両端電圧（以下、セル電圧という）を測定するセル電圧測定手段と、
   前記セル電圧と前記電池電流とに基づいて前記セル電池ごとの内部抵抗を繰り返し演算する抵抗演算手段と、
   前記抵抗演算手段による演算結果の前回の内部抵抗から今回の内部抵抗への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする電池故障判定装置。
2. 請求項１の電池故障判定装置において、
   セル電池の通常の劣化による内部抵抗の変化量に基づいて前記判定基準値を設定することを特徴とする電池故障判定装置。
3. 請求項１の電池故障判定装置において、
   前記故障判定手段は、セル電池内部の化学変化によりセル電池の内部抵抗が急変することのない電池電流のときに故障判定を行うことを特徴とする電池故障判定装置。
4. 複数のセル電池が直列に接続された組電池において、前記組電池が無負荷時の前記セル電池ごとの両端電圧（以下、無負荷電圧という）を測定するセル電圧測定手段と、
   前記無負荷電圧の平均値（以下、平均無負荷電圧という）を算出する平均値算出手段と、
   前記セル電池ごとの前記無負荷電圧と前記平均無負荷電圧との電圧差を繰り返し演算する電圧差演算手段と、
   前記電圧差演算手段による演算結果の前回の電圧差から今回の電圧差への変化量が判定基準値を超えるセル電池を故障セルと判定する故障判定手段とを備えることを特徴とする電池故障判定装置。
5. 請求項４に記載の電池故障判定装置において、
   セル電池の通常の劣化による電圧差の変化量に基づいて前記判定基準値を設定することを特徴とする電池故障判定装置。

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