JP2008288192A - 蓄電装置の異常検出装置及び方法並びにプログラム - Google Patents

蓄電装置の異常検出装置及び方法並びにプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】組電池等の蓄電装置の異常を検出する。
【解決手段】組電池１００の各ブロック毎に、所定の電圧に達するタイミングを比較器１４０−１〜１４０−ｎで検出する。判定部１６０は、所定の電圧に達するタイミングにおける電流を検出し、各ブロック毎の代表電流値を算出する。各ブロック毎の代表電流値の偏差をしきい値と比較し、偏差が大きい場合に短絡や微小短絡、ＩＲ（内部抵抗）上昇、容量低下等の異常が生じていると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は蓄電装置の異常検出装置及び方法並びにプログラムに関し、特に直列に接続された複数のブロックから構成される組電池等の蓄電装置の異常を検出する技術に関する。
従来より、１つあるいは複数の電池が直列に接続されてブロックを構成し、ブロックを複数直列に接続されて構成される組電池がハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されており、組電池を構成する各ブロックの電圧や電流を計測して異常を検出する装置が開発されている。異常検出の基本的な方法は、各ブロック毎に電圧と電流を計測し、内部抵抗（ＩＲ：Internal Resistance）を最小二乗法により算出する。そして、ＩＲの増大あるいは偏差に基づいて異常を検出する。
図１２に、横軸を電流、縦軸を電圧（ブロック電圧）として計測して得られたブロックの（電流，電圧）をプロットした結果を示す。図において、×印が個々の計測ポイントを示す。また直線５０は複数の計測ポイントから最小二乗法で得られた直線であり、その傾きはＩＲを表す。組電池を構成する各ブロック毎に直線が算出され、これらの直線群が許容範囲内にあれば組電池は正常と判定される。一方、図１３に示すように、各ブロック毎に最小二乗法で直線を算出した場合、あるブロックの直線６０が他のブロックの直線５０群に対して大きな偏差を有する場合、寿命や気密漏れ等によりＩＲが上昇したとして組電池の異常を検出する。
下記の特許文献１には、ブロック電圧と電流に基づいて各ブロックのＩＲを演算し、ＩＲと所定のしきい値とを比較することで電池の異常昇温を検出する技術が開示されている。図１４に、この従来技術に開示された組電池制御装置の構成を示す。組電池制御装置はハイブリット自動車に搭載される。組電池制御装置は、組電池１０の入出力を制御する。組電池１０は、直列に接続された複数のブロック１０Ａを含む。複数のブロック１０Ａのそれぞれは、直列に接続された複数の単電池１０Ｂを含む。組電池制御装置は、組電池１０の電力の入出力を制御する電池電力入出力部１と、複数のブロック１０Ａのそれぞれのブロック電圧を検出するブロック電圧検出部２と、組電池１０の電池電流を検出する電池電流検出部３と、ブロック電圧と電池電流とに基づいて、単電池１０Ｂの異常昇温を検出する異常昇温検出部４と、異常昇温検出部４による異常昇温の検出結果に基づいて、電池電力入出力部１を制御する車両制御部５と組電池１０の電池温度を検出する電池温度検出部６とを備える。異常昇温検出部４は、ブロック電圧と電池電流とに基づいて複数のブロック１０Ａのそれぞれの内部抵抗を演算する内部抵抗演算部４Ａと、組電池１０の電池温度に基づいてしきい値を設定するしきい値設定部４Ｂと、複数のブロック１０Ａのそれぞれのブロック電圧の平均値と分散σ2とを演算する分散演算部４Ｃと、複数のブロック１０Ａのそれぞれのブロック電圧と平均値と分散σ2とに基づいて単電池１０Ｂの異常昇温を検出する分散異常昇温検出部４Ｄと、複数のブロック１０Ａのそれぞれの残存容量に基づいて単電池１０Ｂの異常昇温を検出する残存容量異常昇温検出部４Ｅとを含む。電池電力入出力部１は、ハイブリッド自動車のインバータ１Ａとモータジェネレータ１Ｂとを含む。モータジェネレータ１Ｂは、トランスミッション１１を介してエンジン１２を駆動する。エンジン制御部１３は、車両制御部５の出力に基づいてエンジン１２を制御する。車両制御部５は、アクセルペダル７、ブレーキペダル８、シフトレバー９および電池残存容量検出部１４に接続される。車両制御部５は、異常昇温検出４による異常昇温の検出結果に基づいて、電池電力入出力部１を制御する。
また、特許文献２には、組電池の複数の電池のそれぞれの電圧を所定のタイミングで計測するとともに、組電池を流れる電流を同一タイミングで計測し、計測して得られたそれぞれの電圧の最大値と最小値との偏差を演算し、電流と偏差との対の値に基づいて組電池の異常を検出する技術が開示されている。
特開２００１−１９６１０２号公報 特開２００５−１９５６０４号公報
しかしながら、各ブロック毎にブロック電圧及び電流を計測する構成では、ブロック電圧のＡ／Ｄ変換が必要となりコスト増大を招く問題がある。また、ブロック電圧と電流に基づいて最小二乗法によりＩＲを演算するため、演算量増大による処理時間の増大や処理プログラムの負荷増大を招く問題がある。また、このような状態下で演算速度を高速化すれば、発熱を伴い、検出装置の小型化の妨げになる問題がある。
本発明の目的は、簡易な構成でありながら迅速かつ正確に組電池やキャパシタ等の蓄電装置の異常を検出することにある。
本発明は、直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する検出装置であって、各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測する計測手段と、計測した各ブロック毎の電流値の偏差に基づいて前記蓄電装置の異常を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
本発明の１つの実施形態では、前記検出手段は、計測した各ブロック毎の複数の電流値から所定の統計処理により各ブロック毎の代表電流値を算出する演算手段と、算出された各ブロック毎の代表電流値の偏差を所定値と比較することで前記蓄電装置の異常を検出する比較手段とを有する。
また、本発明は、直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する方法であって、各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測するステップと、計測した各ブロック毎の電流値の偏差をしきい値と比較することで前記蓄電装置の異常を検出するステップとを有することを特徴とする。
また、本発明は、直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出するためのコンピュータプログラムであって、コンピュータに、各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測させ、計測した各ブロック毎の電流値を順次メモリに記憶させ、前記メモリに記憶された各ブロック毎の複数の電流値から所定の統計処理により各ブロック毎の代表電流値を演算装置に演算させ、演算して得られた各ブロック毎の代表電流値の偏差を前記演算装置に演算させ、演算して得られた偏差をしきい値と大小比較させることで前記蓄電装置の異常を検出させることを特徴とする。
さらに、本発明は、直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する検出装置であって、前記複数のブロックのうちの互いに隣接するブロック間の電圧差が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測する計測手段と、計測した電流値の大きさに基づいて前記蓄電装置の異常を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、（電流、電圧）の組を検出することなく、小型で簡易な構成により、所定タイミングにおける電流値に基づいて蓄電装置の異常を検出することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態における組電池の異常検出装置の構成を示す。異常検出装置は図１４に示す組電池制御装置と同様にハイブリッド自動車に搭載され、組電池の異常を検出する。図１には、図１４における電池電力入出力部１や車両制御部５、エンジン制御部１３等が図示されていないが、これらは図１４と同一構成であるためその説明は省略する。
図１において、蓄電装置としての組電池１００は、複数のブロックＢ１〜Ｂｎから構成され、各ブロックＢ１〜Ｂｎは直列接続される。各ブロックは１つまたは複数の単電池が直列接続されて構成される。各電池は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池である。
電圧センサ１２０−１〜１２０−ｎは、組電池１００を構成する各ブロックＢ１〜Ｂｎのそれぞれのブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎを検出する。検出したブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎは、それぞれ比較器１４０−１〜１４０−ｎに供給される。
比較器１４０−１〜１４０−ｎは、それぞれ入力されたブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎを所定電圧と比較し、それぞれのブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎが所定電圧に達したか否かを判定する。ブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎが所定電圧に一致する場合、各比較器１４０−１〜１４０−０ｎはそれぞれ一致信号を判定部１６０に供給する。各比較器１４０−１〜１４０−ｎにおける判定用の所定電圧は同一値である。したがって、各ブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎがほとんど等しい値であれば、各比較器１４０−１〜１４０−ｎからほぼ等しいタイミングで一致信号が出力される。一方、各ブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎが等しくない場合、各比較器１４０−１〜１４０−ｎからはブロック電圧の値に応じたタイミングで一致信号が出力される。各比較器１４０−１〜１４０ｎから出力される一致信号は、組電池の電流をサンプリングするタイミングを規定するサンプリング信号として機能する。
電流センサ１８０は、組電池１００の電流ＩＢを検出する。検出された電流ＩＢは判定部１６０に供給される。
判定部１６０は、各比較器１４０−１〜１４０−ｎから供給された一致信号のタイミングで電流センサ１８０から供給された電流ＩＢをサンプリングしメモリに記憶する。したがって、メモリにはブロックＢ１のブロック電圧ＶＢ１が所定電圧に達したタイミングにおける電流群、ブロックＢ２のブロック電圧ＶＢ２が所定電圧に達したタイミングにおける電流群、・・・、ブロックＢｎのブロック電圧ＶＢｎが所定電圧に達したタイミングにおける電流群がそれぞれ記憶される。判定部１６０は、各ブロック毎にメモリに記憶されたサンプリング電流群を統計処理してそのブロックの代表電流値とする。例えば、統計処理として平均値とし、ブロックＢ１についてサンプリング電流群の平均値を算出してブロックＢ１の代表電流値Ｉ１とし、ブロックＢ２についてサンプリング電流群の平均値を算出してブロックＢ２の代表電流値Ｉ２とし、ブロックＢｎについてサンプリング電流群の平均値を算出してブロックＢｎの代表電流値Ｉｎとする。また、判定部１６０は、以上のようにして算出された各ブロック毎の代表電流値Ｉ１〜Ｉｎに基づき、これらのばらつきの程度により組電池１００に異常が生じているか否かを判定して判定結果を出力する。
従来技術では、ブロック電圧とブロック電流の組データを検出し、最小二乗法あるいは回帰分析により各ブロックのＩＲを算出して異常の有無を判定しているが、本実施形態では各ブロック毎の代表電流値Ｉ１〜Ｉｎに基づいて異常の有無を判定していることに留意されたい。
判定部１６０はマイクロコンピュータにより構成でき、比較器１４０−１〜１４０−ｎを含めてＩＣで構成してもよい。
図２に、本実施形態の異常判定処理フローチャートを示す。まず、各比較器１４０−１〜１４０−ｎでブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎと比較する所定電圧であるしきい電圧Ｖｔｈを設定する（Ｓ１０１）。しきい電圧Ｖｔｈの設定方法は任意であるが、短時間に多くの電流サンプリングを可能とするために組電池１００が車両の走行に伴って充放電を繰り返す際の電圧変動範囲内の所定値に設定することが好適である。しきい電圧Ｖｔｈは絶対値として設定してもよく、あるいは組電池１００の基準ＳＯＣ（充電状態）に対する比率に基づいて設定してもよい。所定電圧としてのしきい電圧Ｖｔｈは予め比較器１４０−１〜１４０−ｎに供給してもよく、レジスタに登録して各比較器１４０−１〜１４０−ｎに供給する構成としてレジスタの内容を書き換えることでしきい電圧Ｖｔｈを適宜調整できるように構成してもよい。
しきい電圧Ｖｔｈを設定した後（Ｓ１０１）、各比較器１４０−１〜１４０−ｎでブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎをそれぞれしきい電圧Ｖｔｈと比較し、各ブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎがしきい電圧Ｖｔｈに達した時点における電流値を取得する（Ｓ１０２）。取得した電流は各ブロック毎に順次メモリに記憶していく。そして、各ブロック毎に電流の代表値を算出する（Ｓ１０３）。取得する電流のサンプル数は任意であり、所定値に固定してもよい。あるいは、サンプリング時間を固定してもよい。サンプリング時間を固定した場合、ブロック毎にサンプル数が異なる場合もあり得る。サンプル数は少なくとも２個であり、数十サンプルとすることができる。各ブロック毎の代表値は、一般には上記のように平均値であるが、中間値あるいは最大値あるいは最小値を採用することも可能である。但し、全てのブロックで同一基準に従い代表値を算出することが望ましい。
各ブロック毎に代表電流値を算出した後、各ブロック毎の代表電流値のばらつきの度合いに応じて異常か否かを判定する（Ｓ１０４）。判定結果は従来と同様に車両制御部に供給され、車両制御部は組電池１００の電力入出力部を制御し、あるいは車両乗員に組電池の異常を報知する。
図２の処理は、判定部１６０を構成する、あるいは判定部１６０と比較器１４０−１〜１４０−ｎを含んで構成するマイクロコンピュータがＲＯＭに記憶された異常診断プログラムを順次実行することで実現できる。Ｓ１０２で取得した各ブロック毎の電流値はマイクロコンピュータのワークメモリに順次格納される。Ｓ１０３ではマイクロコンピュータのプロセッサがメモリに格納した各ブロック毎の複数の電流値を読み出して所定の統計処理、例えば平均値算出処理を行い各ブロック毎に代表電流値を算出する。算出された代表電流値は再びワークメモリに格納される。Ｓ１０４ではマイクロコンピュータのプロセッサがワークメモリに格納された各ブロック毎の代表電流値を読み出してその偏差を算出する。偏差の算出方法にもいくつかあるが、例えば代表電流値のうちの最小値と最大値を抽出してその差を演算する、あるいは分散σ2を演算する等である。代表電流値の平均を算出し、当該平均値からの最大差分値を算出してもよい。そして、算出した偏差をワーキングメモリに記憶されたしきい値と大小比較し、しきい値を超える代表電流値を有するブロックに異常が生じていると判定し、入出力インタフェースを介して外部に判定結果を出力する。判定結果として、異常の有無の他、異常が生じているブロックを特定する情報を出力してもよい。
図３に、組電池１００を構成する任意のブロックＢｉについての電流サンプリングタイミングを示す。図３（ａ）は電圧センサ１２０−ｉで検出されるブロック電圧の時間変化である。横軸は時間（ｓ）であり、縦軸は電圧値（Ｖ）である。充放電を繰り返すことでブロック電圧も約６Ｖ〜約１０Ｖにわたって変化する。同図に、設定されたしきい電圧Ｖｔｈも併せて示す。図ではしきい電圧Ｖｔｈは約７Ｖに設定される。図中、黒丸で示すタイミングでブロック電圧としきい電圧Ｖｔｈとが一致する。
図３（ｂ）は比較器１４０−ｉでブロック電圧としきい電圧Ｖｔｈとを比較した結果の信号波形である。比較器１４０−１〜１４０−ｎは、ブロック電圧としきい電圧とを比較し、ブロック電圧≧しきい電圧ＶｔｈであればＨｉレベル、ブロック電圧＜しきい電圧であればＬｏｗレベルの電圧信号を出力するとすると、同図のような矩形信号が出力される。矩形信号の立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングがブロック電圧としきい電圧Ｖｔｈが等しいタイミングであることを示す。したがって、判定部１６０は、図３（ｂ）に示すような矩形信号が入力された場合、その立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングに同期したタイミングで電流ＩＢをサンプリングすることで、ブロック電圧がしきい電圧Ｖｔｈに達したタイミングにおける電流を取得することができる。
図３（ｃ）は電流センサ１８０で検出される電流の時間変化である。充放電を繰り返すことで電流もプラス側及びマイナス側に変化する（プラス側を充電とするとマイナス側は放電を示す）。判定部１６０は、比較器１４０−ｉからの矩形信号の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングで電流ＩＢをサンプリングし、Ｉ１〜Ｉ８を取得する。取得した電流値はメモリに順次記憶され、これらの電流値Ｉ１〜Ｉ８の代表値が算出される。ブロックＢｉにおける代表電流値をＩＢｉと称するものとする。
図４に、縦軸にブロック電圧、横軸に電流として各ブロック毎に算出された代表電流値をプロットした図を示す。電流−電圧特性は、従来においても各ブロックのＩＲを算出するために用いられているが、本実施形態では各代表値はある特定の電圧であるしきい電圧Ｖｔｈにおける電流値がプロットされることに留意されたい。図では、ブロックＢ１の代表電流値ＩＢ１、ブロックＢ２の代表電流値ＩＢ２、ブロックＢ３の代表電流値ＩＢ３、ブロックＢｉの代表電流値ＩＢｉが例示されている。電流−電圧特性の傾きはＩＲであり、各ブロック毎に固有のＩＲを有するから、各ブロック毎にプロットした代表電流値を通る直線（あるいは曲線）を想定することができる。図において、プロットした各代表電流値を通る直線を示す。従来では、図１２に示すように、複数の（電流，電圧）を検出してプロットし、これらを回帰分析して直線５０を算出し、直線５０の傾きをＩＲとして算出しているが、本実施形態では単に代表電流値を通る直線を想定している。想定直線の傾きはＩＲを示すことになるが、一応所定の傾きを有するものと仮定して直線を想定する。そして、想定した直線群のばらつき、本質的には各ブロックの代表電流値のばらつきに応じて異常の有無を判定する。
組電池１００の異常モードとしては、例えば以下のものがある。
（１）自己短絡（ショート）
（２）微小短絡（自己放電、内部放電の増加）
（３）ＩＲ上昇（寿命や気密漏れによる）
（４）容量低下
（５）温度上昇
これらのうち、（１）の自己短絡ではブロック内の単電池（単セル）の内部の極板同士が接触し短絡しているのでＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開放端電圧）も低下する。電流−電圧特性では、電流が０における電圧値であるＯＣＶに相当する切片が小さくなる。図４において、直線群１５０及び直線２００は同一の傾きを有しているが、直線群１５０の切片と直線２００の切片は大きく異なる。代表電流値ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３と代表電流値ＩＢｉとのばらつきが大きいことに起因するものである。この場合、代表電流値ＩＢｉのブロックＢｉに自己短絡が生じている可能性が高いとして異常と判定する。具体的には、ばらつき（偏差）を所定値と大小比較し、ばらつきが所定値以下であれば正常と判定し、所定値を超えていれば異常と判定する。各代表電流値のばらつきの程度は任意の評価式で評価でき、例えば分散σ2を所定値と大小比較することでばらつきの程度を評価してもよく、代表電流値の最大値と最小値の差を所定値と大小比較することでばらつきの程度を評価してもよい。
また、（２）の微小短絡は電池内部の金属が析出して正負極間の導電パスが形成されるものであり、自己放電、内部放電が増加する。図５に、微小短絡の場合の電流−電圧特性を示す。放電時に電圧が低下するため、正常な直線群１５０に対して直線３００のように電圧が低下する。この場合にも、代表電流値ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３と代表電流値ＩＢｉのばらつきが大きいことが原因であり、代表電流値ＩＢｉのブロックＢｉに微小短絡が生じている可能性が高いとして異常と判定する。
また、（３）のＩＲ上昇では電流−電圧特性の傾きが増大する。図６に、ＩＲ上昇の場合の電流−電圧特性を示す。正常な直線群１５０に対して直線４００のように傾きが増大する。この場合にも、代表電流値ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３と代表電流値ＩＢｉのばらつきが大きいことが原因であり、代表電流値ＩＢｉのブロックＢｉに寿命や気密漏れによるＩＲ上昇が生じている可能性が高いとして異常と判定する。
また、（４）の容量低下は充放電を繰り返すことで生じるものであり、（２）の微小短絡の場合と同様に図５に示すように正常な直線群１５０に対して直線３００のような特性を示す。この場合にも代表電流値ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３に対する代表電流値ＩＢｉのばらつきが大きいとして把握することが可能であり、代表電流値ＩＢｉのブロックＢｉに容量低下が生じている可能性が高いとして異常と判定する。
また、（５）の温度上昇は（３）のＩＲ上昇の結果として生じるものであり、図６に示すように正常な直線群１５０に対して直線４００のように傾きが増大する。この場合にも代表電流値ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３に対する代表電流値ＩＢｉのばらつきが大きいとして把握することが可能であり、代表電流値ＩＢｉのブロックＢｉに温度上昇が生じている可能性が高いとして異常と判定する。
このように、（１）〜（５）のいずれの異常モードも、各ブロックの代表電流値ＩＢ１〜ＩＢｎのばらつき（偏差）の大きさで評価することができ、代表電流値ＩＢ１〜ＩＢｎのばらつきが所定の範囲内にあれば異常は生じておらず、代表電流値Ｂ１〜Ｂｎのばらつきが所定の範囲内を超えているのであれば、範囲を超えた代表電流値の当該ブロックに（１）〜（５）のいずれかの異常が生じていると判定することができる。本実施形態では、各ブロックの代表電流値自体を対象としてしきい値と比較して正常／異常を判定するのではなく、代表電流値のばらつきを対象として正常／異常を判定している。その理由は、組電池の各ブロックの電気化学反応は温度により影響を受けやすく、また、いわゆるメモリ効果によりブロックには初期状態からの変化が生じ得るがこの変化の完全予測が困難であるため、異常判定のしきい値を適当に設定することが困難だからである。
なお、本実施形態では、各ブロックの代表電流値Ｂ１〜Ｂｎのばらつきの程度により（１）〜（５）のいずれかの異常が生じていると簡易かつ迅速に判定することができ、さらに組電池１００を構成するブロックＢ１〜Ｂｎのうちどのブロックに異常が生じているかを判定することができるが、どの異常モードが生じているかを特定することはできない。そこで、いずれかの異常が生じていると判定した後に、さらに他のパラメータを用いてどの異常が生じているかを特定してもよい。
また、本実施形態では、蓄電装置として電池を用いているが、蓄電装置としてのキャパシタにも適用することができる。キャパシタの異常モードとしては上記（１）〜（５）の異常モードのうち（４）の容量低下が生じ得るが、同様にキャパシタを構成する各ブロックの代表電流値のばらつき（偏差）の大きさを所定範囲と比較し、ばらつきが大きく所定範囲を超える場合に異常が生じていると判定することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず種々の変更が可能である。本発明の要旨は、各ブロック毎に計測された（電流，電圧）の組を用いて異常を検出するのではなく、各ブロック毎の所定のタイミング（すなわち、ある電圧に達するタイミング）における電流のブロック間のばらつきの程度を用いて異常を検出することにあり、各ブロック毎の所定タイミングにおける電流のブロック間ばらつきに加え、他のパラメータを複合的に用いる任意の異常検出技術を含むものである。また、本実施形態では各ブロック毎の所定のタイミングにおける電流としてある電圧に達するタイミングとしたが、しきい電圧を２つあるいはそれ以上設け、各ブロック毎の第１しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつき、及び各ブロック毎の第２しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつきを用いて総合的に異常を検出してもよい。すなわち、各ブロック毎の第１しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつき、及び各ブロック毎の第２しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつきのいずれもしきい値を超える場合に異常と判定する。あるいは各ブロック毎の第１しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつき、及び各ブロック毎の第２しきい電圧に達するタイミングにおける電流のブロック間のばらつきの少なくともいずれかがしきい値を超える場合に異常と判定する等である。第１しきい電圧及び第２しきい電圧の設定方法は任意であるが、第１しきい電圧を放電側のしきい値、第２しきい電圧を充電側のしきい値としてもよい。
以下、しきい電圧を２つ設けて異常を検出する場合の一例を示す。しきい電圧を１つ設定して異常を検出する場合、（１）〜（５）のどの異常モードが生じているかを特定することはできないが、しきい電圧を２つ設けることで、どの異常モードが生じているかを特定することが可能となる。
具体的には、放電側のしきい電圧に加え、充電側のしきい電圧を設定する。放電側のしきい電圧をＶｔｈ１、充電側のしきい電圧をＶｔｈ２とする。そして、しきい電圧Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２に達した時点の電流を検出し、放電側、充電側においてそれぞればらつきの度合いを評価する。ばらつきとして、各ブロックの代表電流間のばらつきの大きさの最大値ΔＩ、及びばらつきが最大となる当該ブロックＢｉのブロック間平均値からのばらつきΔＩｄｉｆ＝ΣＩＢｊ／ｎ−ＩＢｉを用いる。放電側のしきい電圧Ｖｔｈ１に対するばらつきをそれぞれΔＩ１、ΔＩｄｉｆ１とし、充電側のしきい電圧Ｖｔｈ２に対するばらつきをそれぞれΔＩ２、ΔＩｄｉｆ２とする。放電側、充電側それぞれにおいて、ΔＩ、ΔＩｄｉｆをしきい値と大小比較して異常の有無、及び異常のモードを識別する。
図７に、（１）の短絡の場合の電流−電圧特性を示す。図４とほぼ同様であるが、図４との相違は充電側（電流のプラス側）にもしきい電圧Ｖｔｈ２が設定され、各ブロック毎に電流が検出される点である。放電側に着目すると、ＩＢ１〜ＩＢｎのうち、ＩＢｉとＩＢ３の差分の絶対値が最大であるとするとΔＩ１は｜ＩＢ３−ＩＢｉ｜であり、これとしきい値とを大小比較してしきい値を超える場合に異常と検出することができる。また、充電側についても同様であり、ΔＩ２＝｜ＩＢ３−ＩＢｉ｜であり、これとしきい値とを大小比較してしきい値を超える場合に異常と判定することができる。一方、ΔＩｄｉｆに着目すると、その定義から、異常ブロックＢｉの代表電流値が全ブロックの平均電流値より大きい場合にはマイナス、小さい場合にはプラスとなる。図７において、放電側では異常ブロックの代表電流値ＩＢｉは他の正常ブロック群よりもプラス側に位置しており、従ってΔＩｄｉｆ１はマイナスとなる。また、充電側においても同様にΔＩｄｉｆ２はマイナスとなる。
図８に、（２）の微小短絡及び（４）の容量低下の場合の過放電時の電流−電圧特性を示す。図５とほぼ同様であるが、図５との相違は充電側にもしきい電圧Ｖｔｈ２が設定され、各ブロック毎に電流が検出される点である。放電側に着目すると、ΔＩ１はしきい値を超えてブロックＢｉの異常が検出されるがΔＩ２はしきい値以内となる。また、ΔＩｄｉｆ１は図７と同様にマイナスとなるが、ΔＩｄｉｆ２はΔＩ２がしきい値以内であるため正常の範囲内である。
図９に、（３）のＩＲ上昇の場合、（５）の温度上昇の場合、及びキャパシタの容量低下の場合の電流−電圧特性を示す。図６とほぼ同様であるが、図６との相違は充電側にもしきい電圧Ｖｔｈ２が設定され、各ブロック毎に電流が検出される点である。放電側では、ΔＩ１はしきい値を超えてブロックＢｉの異常が検出され、ΔＩｄｉｆ１はマイナスとなる。一方、充電側に着目すると、ΔＩ２もしきい値を超えてブロックＢｉの異常が検出され、ΔＩｄｉｆ２はＩＢｉがマイナス側にシフトしているためプラスとなる。すなわち、ΔＩｄｉｆ１とΔＩｄｉｆ２の符号は反対極性となる。
図１０に、容量低下の場合であって過充電時の電流−電圧特性を示す。図７〜図９と同様に放電側のしきい電圧Ｖｔｈ１に加え充電側にもしきい電圧Ｖｔｈ２が設定される。符号５００はブロックＢｉの特性を示す。放電側ではΔＩ１はしきい値の範囲内であり正常であるが、充電側ではΔＩ２がしきい値を超えてブロックＢｉの異常が検出される。また、充電側においてＩＢｉがマイナス側にシフトしているためΔＩｄｉｆ２はプラスとなる。
このように、異常のモードに応じてΔＩｄｉｆ１、ΔＩｄｉｆ２の符号が変化するため、この符号の変化を用いて異常モードを識別することができる。図１１に、ΔＩ１、ΔＩ２、ΔＩｄｉｆ１、ΔＩｄｉｆ２としきい値Ａとの大小比較の結果をまとめて示す。図において、例えばΔＩ１がしきい値Ａを超え（ＹＥＳ）、ΔＩ２もしきい値Ａを超える（ＹＥＳ）場合であって、ΔＩｄｉｆ１の符号がマイナス、つまりΔＩｄｉｆ＜−Ａの場合であり、かつ、ΔＩｄｉｆ２の符号がマイナス、つまりΔＩｄｉｆ２＜−Ａであるのは図７に示す短絡が生じているためと判定し、ΔＩ１及びΔＩ２が同様にしきい値を超える場合であっても、ΔＩｄｉｆ１の符号がマイナスであり、かつ、ΔＩｄｉｆ２の符号がプラス、つまりΔＩｄｉｆ＞Ａであるのは図９に示すＩＲ上昇あるいは温度上昇あるいはキャパシタの容量低下が生じているためであると判定する。一方、ΔＩ１のみがしきい値を超えてΔＩ２は正常の範囲内である場合には図８に示す微小短絡あるいは容量低下により過放電状態にあると判定し、逆にΔＩ２のみがしきい値を超えてΔＩ１は正常の範囲内である場合には図１０に示す容量低下による過充電状態にあると判定する。なお、ΔＩ１、ΔＩ２及びΔＩｄｉｆ１、ΔＩｄｉｆ２のしきい値として同じ値Ａを用いたが、検出する不具合に応じてそれぞれ異なった値を採用してもよい。
当業者であれば、図１１を参照することで、異常モードを識別するための種々のアルゴリズムを想定することが可能であろう。本実施形態には、ΔＩ１、ΔＩ２、ΔＩｄｉｆ１、ΔＩｄｉｆ２を組み合わせて異常のモードを識別する任意のアルゴリズムが含まれる。図１１から明らかなように、ΔＩ１、ΔＩ２を用いることなく、ΔＩｄｉｆ１及びΔＩｄｉｆ２のみを用いて異常モードを識別することも可能である。
本実施形態において、各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を取得しており、具体的には、図２のＳ１０２で各ブロック電圧ＶＢ１〜ＶＢｎがしきい電圧Ｖｔｈに達した時点における電流値を取得しているが、しきい値電圧Ｖｔｈに達した時点における電流値は、もちろん厳密な意味での同時性を要求するものではなく、ある許容値の範囲内における同時性を意味することは言うまでもない。蓄電池の異常を判定するために必要とされる同時性は、１００ｍｓｅｃ以内の同時性で十分であろう。もちろん、蓄電池の異常判定に要求される精度に応じて同時性の許容範囲も定まることになろう。蓄電池がハイブリッド車両に搭載される場合、ハイブリッドモータの駆動キャリア周波数はＫＨｚオーダであり、ナイキスト定理によれば理論的には同時性は１ｍｓｅｃ以下が望まれるが、経験的にはこれほどの同時性は必要ではなく上記のように１００ｍｓｅｃ程度でよい。蓄電池の各種異常モードのうち、最もプライオリティの高い異常モードを確実に判定するために必要な精度を確保する観点から同時性の許容範囲を設定してもよい。例えば、異常モードの中で特にＩＲ上昇のプライオリティが高い場合、ＩＲの所定量以上の上昇（例えば通常値に対する変化量ΔＩＲ＝１０％）を確実に検出するために必要な同時性を設定すればよい。
さらに、本実施形態では、図２のＳ１０３で各ブロック毎の代表値を算出しているが、各ブロックの代表値を算出する際に、精度の低い電流値サンプルを除去して代表値を算出することで、同時性の精度を高めることも可能である。具体的には、各ブロック毎の電流値群の分布を用いて各電流値サンプルを採用するか否かを判別する。具体的には、
（ａ）電流値群の分布に対して電流値の偏差が所定値以上大きい電流値サンプルを代表値算出のサンプルから除去する
（ｂ）電流値分布自体の偏差が大きい場合にその代表値自体を算出しない
等である。（ｂ）の条件は、電流値分布自体の偏差が所定値以下の場合にのみその代表値を算出すると言い換えることもできる。図１５に、同時性の精度と電流値分布との関係を示すシミュレーション結果を示す。また、図１６に、シミュレーションに用いた電流プロファイルを示す。図１５において、ブロック電圧がしきい電圧Ｖｔｈに達するタイミングに対して全く遅れのないタイミング（no delay）、１０ｍｓｅｃずれたタイミング、５０ｍｓｅｃずれたタイミング、１００ｍｓｅｃずれたタイミング、１ｓｅｃずれたタイミングでの電流分布をそれぞれ示す。全く遅れのないタイミングは標準偏差１．８３、分散３．３５であるのに対し、１ｓｅｃでは標準偏差１３．００、分散１６８．８８であり、同時性の精度が低下するほど分布が増大する。上記の（ａ）または（ｂ）のいずれかを用いて電流値サンプルを除去することで、各ブロック毎の代表値の精度、すなわち同時性の精度を簡易に、つまりハードウェアの処理能力を高めることなく向上させることができ、これにより異常判定の精度を向上させることができる。
なお、ブロック電圧がしきい電圧Ｖｔｈに達するタイミングにおける電流は、具体的には図１における比較器１４０−１等からの出力を判定部１６０に供給し、判定部１６０では比較器出力及び電流センサ１８０からの電流値をともにレジスタに取り込み、比較器出力が変化する時点においてレジスタに記憶されている電流値をメモリに転送して順次記憶すればよい。比較器出力は例えば８ビットとして前回値と今回値が一致するか否かを判定し、前回値と今回値が一致しない場合に比較器出力が変化した、つまりブロック電圧がしきい値電圧Ｖｔｈに達したものと判定する。比較器出力が変化したタイミングにおける電流値とは、厳密には、比較器出力が変化する直前の電流値、比較器出力が変化する直後のタイミングのいずれでもよく、あるいは、比較器出力が変化する直前のタイミングにおける電流値と比較器出力が変化する直後のタイミングにおける電流値の平均値でもよい。いずれの場合でも、上記のように許容値の範囲内における同時性が確保されていればよい。
本実施形態では、ブロック電圧がしきい電圧Ｖｔｈに達するタイミングにおける電流を用いて組電池１００の異常を検出しているが、各ブロックのブロック電圧ではなく、隣接ブロック間の電圧差を用いて組電池１００の異常を検出することもできる。
図１７に、隣接ブロック間の電圧差を用いて組電池１００の異常を検出する場合の構成を示す。ブロックＢ１の電圧を検出する電圧センサ１２０−１からの検出電圧ＶＢ１及びブロックＢ１に隣接するブロックＢ２の電圧を検出する電圧センサ１２０−２からの検出電圧ＶＢ２はともに減算器１３０−１に供給される。減算器１３０−１は、ブロックＢ１とブロックＢ２の電圧差ＶＢ１−ＶＢ２を演算して比較器１４０−１に供給する。減算器１３０−１は、隣接ブロック間の電圧差としてＶＢ２−ＶＢ１を演算してもよく、ＶＢ１−ＶＢ２あるいはＶＢ２−ＶＢ１の絶対値を演算してもよい。比較器１４０−１は、減算器１３０−１から供給された電圧差を所定のしきい値ＶＴＨと比較し、電圧差が所定のしきい値ＶＴＨと一致するか否かを判定する。そして、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングで一致信号を判定部１６０に供給する。減算器１３０−１及び比較器１４０−１はそれぞれ複数設けられることは言うまでもない。比較器１４０−１から判定部１６０に供給される一致信号は、組電池１００の電流をサンプリングするタイミングを規定するサンプリング信号として機能する。
図１８に、隣接ブロック間の電圧差を用いて組電池１００の異常を検出する場合の他の構成を示す。ブロックＢ１の電圧を検出する電圧センサ１２０−１からの検出電圧及びブロックＢ１に隣接するブロックＢ２の電圧を検出する電圧センサ１２０−２からの検出電圧ＶＢ２はともに減算器１３０−１に供給される。また、ブロックＢ２の電圧を検出する電圧センサ１２０−２からの検出電圧ＶＢ２は分岐して減算器１３０−２にも供給される。また、ブロックＢ２に隣接するブロックＢ３の電圧を検出する電圧センサ１２０−３からの検出電圧ＶＢ３は減算器１３０−２に供給される。減算器１３０−１は、電圧ＶＢ１と電圧ＶＢ２の電圧差を演算して比較器１４０−１に供給する。減算器１３０−２は、電圧ＶＢ２と電圧ＶＢ３の電圧差を演算して比較器１４０−２に供給する。比較器１４０−１は、減算器１３０−１から供給された電圧差を所定のしきい値ＶＴＨと比較し、電圧差が所定のしきい値ＶＴＨと一致するか否かを判定する。そして、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングで一致信号を判定部１６０に供給する。また、比較器１４０−２は、減算器１３０−２から供給された電圧差を所定のしきい値ＶＴＨと比較し、電圧差が所定のしきい値ＶＴＨと一致するか否かを判定する。そして、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングで一致信号を判定部１６０に供給する。この構成では、仮にブロックＢ２に異常がある場合、その異常は減算器１３０−１で演算される電圧差だけでなく、減算器１３０−２で演算される電圧差にも影響を与えることになる。
図１９に、隣接ブロック間の電圧差が所定のしきい値ＶＴＨとなるタイミングで電流値をサンプリングした結果（電流と電圧差の関係を示す特性図）を示す。図において、横軸は電流値であり、縦軸は電圧差である。組電池１００が正常な場合、図に示すように電圧差は０を通る直線であり、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングにおける電流値Ｉ１やＩ２の値（絶対値）は基準電流値Ｉｒｅｆよりも大きくなる。
図２０に、組電池１００に自己短絡が生じた場合の特性図を示す。図４に示すように、自己短絡が生じると直線群１５０と直線２００は同一の傾きを有しているため電圧差はほぼ一定となり、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングにおける電流値はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５等と検出され、基準電流値Ｉｒｅｆよりも絶対値の小さい電流値が検出される。
図２１に、組電池１００に微小短絡が生じた場合の特性図を示す。図５に示すように微小短絡が生じると放電時に電圧が低下するため、電圧差は放電側において徐々に増大する特性となる。電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングにおける電流値はＩ１（放電側）と検出され、基準電流値Ｉｒｅｆよりも絶対値の小さい電流値Ｉ１が検出される。
図２２に、組電池１００にＩＲ上昇が生じた場合の特性図を示す。図６に示すようにＩＲ上昇が生じると正常な直線群１５０に対して直線４００のように傾きが増大する。電圧差は正常な場合と同様に０を通る直線であるが、ＩＲ上昇に伴いその傾きが増大するため、電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングにおける電流値Ｉ１やＩ２の絶対値は徐々に小さくなる。すなわち、電流値Ｉ１やＩ２の絶対値によりＩＲ上昇の程度を評価することができる。
図２３に、組電池１００に容量低下（過充電）が生じた場合の特性図を示す。図１０に示すように容量低下（過充電）が生じると充電側において電圧が増大するため、電圧差は充電側において徐々に増大する特性となる。電圧差がしきい値ＶＴＨと一致するタイミングにおける電流値はＩ１（充電側）と検出され、基準電流値Ｉｒｅｆよりも絶対値の小さい電流値Ｉ１が検出される。
以上のように、電圧差がしきい値ＶＴＨに一致するタイミングにおける電流値の大きさ（絶対値）と基準電流値Ｉｒｅｆとを大小比較し、基準電流値Ｉｒｅｆよりも検出電流値の絶対値が大きい場合には組電池１００は正常と判定し、検出電流値の絶対値が基準電流値Ｉｒｅｆよりも小さい場合には組電池１００は異常と判定できる。また、検出電流値の絶対値が基準電流値Ｉｒｅｆよりも大きい場合でも、その値が小さい場合（基準電流値に近い場合）には内部抵抗が上昇していると判定することができる。なお、図１７の回路構成では仮にブロックＢ２に異常が生じてもブロックＢ１とブロックＢ２のいずれに異常が生じたかを判別することはできないが、図１８の構成では電圧差ＶＢ１−ＶＢ２だけでなく電圧差ＶＢ２−ＶＢ３も演算されているので、ブロックＢ１ではなくブロックＢ２に異常が生じたと判別することができる。
このように、隣接ブロック間の電圧差が所定のしきい値ＶＴＨとなるタイミングにおける電流値を検出し、基準電流値Ｉｒｅｆと大小比較することで、組電池１００の異常を検出することができる。図１９〜図２３では、電圧差としてＶＢ１−ＶＢ２等を用いているが、絶対値を用いてもよいのは言うまでもない。隣接ブロック間の電圧差を用いる場合、電圧差を検出するための回路が新たに必要となるが、組電池１００をリチウムイオン電池としてハイブリッド車両に搭載する場合、単一のＩＣで複数ブロックを管理する構成となるので、ＩＣ内部に電圧差検出回路を設ければよい。
実施形態の異常検出装置の全体構成図である。 実施形態の処理フローチャートである。 電流サンプリングタイミングを示すタイミングチャートである。 短絡時の電流−電圧特性を示すグラフ図である。 微小短絡時の電流−電圧特性を示すグラフ図である。 ＩＲ上昇時のグラフ図である。 短絡時の電流−電圧特性を示すグラフ図である。 微小短絡時の電流−電圧特性を示すグラフ図である。 ＩＲ上昇時のグラフ図である。 容量低下時（過充電）の電流−電圧特性を示すグラフ図である。 電流のばらつきと異常モードとの関係を示す表図である。 従来のＩＲ算出方法を示すグラフ図である。 従来のＩＲ異常検出方法を示すグラフ図である。 従来装置の全体構成図である。 同時性の精度と電流値分布の関係を示すグラフ図である。 同時性の精度と電流値分布の関係を示すシミュレーションに用いた電流プロファイル図である。 他の実施形態の異常検出装置の構成図である。 さらに他の実施形態の異常検出装置の構成図である。 正常時の電流−電圧差特性を示すグラフ図である。 短絡時の電流−電圧差特性を示すグラフ図である。 微小短絡時の電流−電圧差特性を示すグラフ図である。 ＩＲ上昇時の電流−電圧差特性を示すグラフ図である。 容量低下時（過充電）の電流−電圧差特性を示すグラフ図である。
符号の説明
１００ 組電池、１２０−１〜１２０−ｎ 電圧センサ、１４０−１〜１４０−ｎ 比較器、１５０ 正常直線群、１６０ 判定部、２００，３００，４００ 異常直線。

Claims (14)

  1. 直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する検出装置であって、
    各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測する計測手段と、
    計測した各ブロック毎の電流値の偏差に基づいて前記蓄電装置の異常を検出する検出手段と、
    を有することを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  2. 請求項１記載の装置において、
    前記検出手段は、
    計測した各ブロック毎の複数の電流値から所定の統計処理により各ブロック毎の代表電流値を算出する演算手段と、
    算出された各ブロック毎の代表電流値の偏差を所定値と比較することで前記蓄電装置の異常を検出する比較手段と、
    を有することを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  3. 請求項２記載の装置において、
    前記代表値は、各ブロック毎の複数の電流値の平均値、中間値、最小値、最大値のいずれかであることを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  4. 請求項１記載の装置において、
    前記検出手段は、前記異常として、短絡、内部抵抗上昇、容量低下の少なくともいずれかを検出することを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  5. 請求項１記載の装置において、
    前記蓄電装置は、電池あるいはキャパシタのいずれかであることを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  6. 直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する方法であって、
    各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測するステップと、
    計測した各ブロック毎の電流値の偏差をしきい値と比較することで前記蓄電装置の異常を検出するステップと、
    を有することを特徴とする蓄電装置の異常検出方法。
  7. 直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出するためのコンピュータプログラムであって、コンピュータに、
    各ブロック毎に、ブロックの電圧が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測させ、
    計測した各ブロック毎の電流値を順次メモリに記憶させ、
    前記メモリに記憶された各ブロック毎の複数の電流値から所定の統計処理により各ブロック毎の代表電流値を演算装置に演算させ、
    演算して得られた各ブロック毎の代表電流値の偏差を前記演算装置に演算させ、
    演算して得られた偏差をしきい値と大小比較させることで前記蓄電装置の異常を検出させる
    ことを特徴とするコンピュータプログラム。
  8. 請求項１記載の装置において、
    前記所定電圧は、第１所定電圧及び第２所定電圧の少なくとも２つ設定され、
    前記検出手段は、前記第１所定電圧に等しくなるタイミングにおける各ブロック毎の電流値の偏差、及び前記第２所定電圧に等しくなるタイミングにおける各ブロック毎の電流値の偏差に基づいて前記蓄電装置の異常を検出する
    ことを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  9. 請求項１記載の装置において、
    前記計測手段は、前記ブロックの電圧が前記所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値として、１００ｍｓｅｃ以内の時間ずれを有する電流値を計測する
    ことを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  10. 請求項２記載の装置において、
    前記演算手段は、計測した各ブロック毎の複数の電流値のうち、一定の範囲内にある電流値のみを抽出して前記所定の統計処理により各ブロック毎の前記代表値を算出する
    ことを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  11. 請求項２記載の装置において、
    前記演算手段は、計測した各ブロック毎の複数の電流値のうち、分布度合いが一定値以下の複数の電流値に対してのみ前記代表電流値を算出する
    ことを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  12. 直列に接続された複数のブロックからなり、該ブロックは１つあるいは複数の蓄電器からなる蓄電装置の異常を検出する検出装置であって、
    前記複数のブロックのうちの互いに隣接するブロック間の電圧差が所定電圧に等しくなるタイミングにおける電流値を計測する計測手段と、
    計測した電流値の大きさに基づいて前記蓄電装置の異常を検出する検出手段と、
    を有することを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
  13. 請求項１２記載の装置において、
    前記検出手段は、前記異常として、短絡、内部抵抗上昇、容量低下の少なくともいずれかを検出する蓄電装置の異常検出装置。
  14. 請求項１２記載の装置において、
    前記蓄電装置は、電池あるいはキャパシタのいずれかであることを特徴とする蓄電装置の異常検出装置。
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