JP2012069405A - 蓄電装置の異常状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの蓄電ブロックに、容量低下の蓄電素子および内部短絡の蓄電素子が含まれている場合には、蓄電ブロックの電圧を検出しても、正常な蓄電素子だけを含む蓄電ブロックの電圧と等しいことがある。
【解決手段】 複数の蓄電素子（１１）をそれぞれ含む複数の蓄電ブロック（１２）が電気的に直列に接続された蓄電装置の異常状態を検出する検出装置であって、各蓄電ブロックの端子間電圧を検出するための電圧センサ（２０）と、電圧センサの出力に基づいて、蓄電素子の異常状態を検出するコントローラ（３０）と、を有する。コントローラは、複数の蓄電ブロックの間で電圧差を発生させる条件で電流値を変化させながら蓄電装置の充放電を行い、電圧センサの出力に基づいて電圧差を検出したときには、蓄電ブロック内に容量劣化状態の蓄電素子および内部短絡状態の蓄電素子が含まれていることを検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電素子の容量劣化および内部短絡を検出することができる蓄電システムに関する。

複数の単電池の電圧を検出する場合には、図１２に示すように、４つの単電池１００を２つのブロック１０１ａ，１０１ｂに分け、電圧センサ１０２によって各ブロック１０１ａ，１０１ｂの端子間電圧を検出しているものがある。電圧センサ１０２によって検出される電圧値は、各ブロック１０１ａ，１０１ｂに含まれる２つの単電池１００の電圧値Ｖ１の和Ｖ２となる。各ブロック１０１ａ，１０１ｂに対して電圧センサ１０２を設けることにより、各単電池１００に電圧センサ１０２を設ける場合に比べて、電圧センサ１０２の数を減らすことができる。

特開２００９−２７６１６９号公報 特開２００１−５２６８７７号公報 特開平０６−１９７４７５号公報 特開平１１−５５８６６号公報

単電池の劣化によって内部短絡が発生するおそれがある。具体的には、単電池の内部において正極板および負極板が互いに接触したり、単電池の内部で金属が析出したりすることにより、短絡が発生することがある。内部短絡が発生すれば、単電池の電圧が低下してしまう。一方、単電池の充放電を繰り返すことにより、単電池の容量が低下することがある。単電池の容量が低下すると、充電によって単電池の電圧が上昇しやすくなってしまう。

１つのブロック１０１ｂにおいて、内部短絡の単電池１００と、容量低下の単電池１００とが含まれていると、各単電池１００の電圧は異なるものの、ブロック１０１ｂの電圧は、正常な単電池１００で構成されたブロック１０１ａの電圧と等しくなることがある。

図１３に示すように、ブロック１０１ａを構成する２つの単電池１００は、正常であるため、充電によって、２つの単電池１００の電圧は、図１２に示す電圧値Ｖ１から電圧値Ｖ３に上昇する。一方、ブロック１０１ｂでは、一方の単電池１００において内部短絡が発生しているため、充電を行っても、単電池１００の電圧は、図１２に示す電圧値Ｖ１から電圧値Ｖ４に低下してしまう。また、ブロック１０１ｂに含まれる他方の単電池１００では、容量低下が発生しているため、充電によって、単電池１００の電圧が電圧値Ｖ１から電圧値Ｖ５に上昇する。

図１３に示す場合において、ブロック１０１ａの端子間電圧は、電圧値Ｖ６（＝Ｖ３＋Ｖ３）となり、ブロック１０１ｂの端子間電圧は、電圧値Ｖ７（＝Ｖ４＋Ｖ５）となる。電圧値Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５によっては、電圧値Ｖ６，Ｖ７が等しくなることがある。この場合には、ブロック１０１ｂにおいて、内部短絡の単電池１００および容量低下の単電池１００が存在しているにも拘わらず、正常な単電池１００で構成されたブロック１０１ａと同等として取り扱われてしまう。すなわち、内部短絡および容量低下が発生していることを検出できないことになる。

本願第１の発明は、複数の蓄電素子をそれぞれ含む複数の蓄電ブロックが電気的に直列に接続された蓄電装置の異常状態を検出する検出装置であって、各蓄電ブロックの端子間電圧を検出するための電圧センサと、電圧センサの出力に基づいて、蓄電素子の異常状態を検出するコントローラと、を有する。コントローラは、複数の蓄電ブロックの間で電圧差を発生させる条件で電流値を変化させながら蓄電装置の充放電を行い、電圧センサの出力に基づいて電圧差を検出したときには、蓄電ブロック内に容量劣化状態の蓄電素子および内部短絡状態の蓄電素子が含まれていることを検出する。

ここで、コントローラは、周期的に変化する電流の振幅を増大方向に変化させることにより、電圧差を発生させることができる。また、コントローラは、定電流充電において、電流値を変化させることにより、電圧差を発生させることができる。

本願第２の発明は、複数の蓄電素子をそれぞれ含む複数の蓄電ブロックが電気的に直列に接続された蓄電装置の異常状態を検出する検出方法であって、複数の蓄電ブロックの間で電圧差を発生させる条件で電流値を変化させながら蓄電装置の充放電を行い、各蓄電ブロックの端子間電圧を検出するための電圧センサの出力に基づいて、電圧差を検出したときには、蓄電ブロック内に容量劣化状態の蓄電素子および内部短絡状態の蓄電素子が含まれていることを検出する。

本発明によれば、電流値を変化させることより、正常な蓄電素子を含む蓄電ブロックと、容量劣化状態の蓄電素子および内部短絡状態の蓄電素子を含む蓄電ブロックとの間で電圧差を発生させやすくすることができる。このため、電圧センサを用いて電圧差を容易に検出することができ、この電圧差の検出に基づいて、１つの蓄電ブロック内に、容量劣化状態の蓄電素子および内部短絡状態の蓄電素子が含まれていることを検出することができる。

実施例１である電池システムの構成を示す図である。 正常電池、容量低下電池および内部短絡電池を充電したときのＳＯＣの変化を示す図である。 単電池におけるＳＯＣおよび内部抵抗の関係を示す図である。 正常電池ブロックおよび異常電池ブロックにおけるブロック電圧を決定する成分を示す概略図である。 充放電電流の波形を示す図である。 正常電池ブロックおよび異常電池ブロックにおけるブロック電圧の変化を示す図である。 充放電電流の波形を示す図である。 正常電池ブロックおよび異常電池ブロックにおけるブロック電圧の変化を示す図である。 正常電池ブロックおよび異常電池ブロックにおけるブロック電圧を決定する成分を示す概略図である。 内部短絡および容量低下の発生を検出するための処理を示すフローチャートである。 正常電池、容量低下電池および内部短絡電池を充電したときの電圧の変化を示す図である。 電圧検出を行う１つのブロック内に、内部短絡の単電池と、容量低下の単電池とが含まれているときの電圧変化を説明する図である。 電圧検出を行う１つのブロック内に、内部短絡の単電池と、容量低下の単電池とが含まれているときの電圧変化を説明する図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システムについて、図１を用いて説明する。組電池（蓄電装置）１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池（蓄電素子）１１を有しており、負荷に接続されている。例えば、組電池１０を車両に搭載するときには、負荷として、モータ・ジェネレータを用いることができる。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させるための動力源として、組電池１０に加えて、内燃機関又は燃料電池を用いた車両である。電気自動車は、動力源として組電池１０だけを用いた車両である。

モータ・ジェネレータは、組電池１０から供給された電気エネルギを、車両の走行に用いられる運動エネルギに変換する。モータ・ジェネレータで生成された運動エネルギは、動力伝達機構を介して車輪に伝達される。一方、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して、組電池１０に供給する。なお、組電池１０およびモータ・ジェネレータの間には、昇圧回路やインバータを配置することができる。昇圧回路を用いれば、組電池１０の出力電圧を上昇させてからモータ・ジェネレータに供給することができる。インバータを用いれば、モータ・ジェネレータとして、交流モータを用いることができる。

組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力等に基づいて、適宜設定することができる。また、本実施例では、すべての単電池１１を電気的に直列に接続して、組電池１０を構成しているが、電気的に並列に接続された複数の単電池１１が組電池１０に含まれていてもよい。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。

組電池１０を構成する複数の単電池１１は、複数のブロック（以下、電池ブロックという）１２に分けられており、複数の電池ブロック（蓄電ブロック）１２は、電気的に直列に接続されている。各電池ブロック１２は、電気的に直列に接続された２つの単電池１１で構成されており、電池ブロック１２を構成する単電池１１の数は、すべての電池ブロック１２において同じである。

本実施例では、２つの単電池１１によって、１つの電池ブロック１２を構成しているが、これに限るものではない。すなわち、電池ブロック１２を構成する単電池１１の数は、適宜設定することができ、３つ以上の単電池１１によって、１つの電池ブロック１２を構成することができる。

各電池ブロック１２には、電圧センサ２０が電気的に並列に接続されており、電圧センサ２０は、電池ブロック１２の電圧を検出するために用いられる。電圧センサ２０の出力信号は、コントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、電圧センサ２０からの信号に基づいて、電池ブロック１２の電圧を検出する。また、コントローラ３０は、組電池１０の充放電を制御する。

本実施例の電池システムでは、１つの電池ブロック１２内に、内部短絡の単電池１１と、容量低下の単電池１１とが含まれていることを検出することができる。以下、具体的に説明する。

図２には、容量低下の単電池１１と、内部短絡の単電池１１と、正常な単電池１１とを定電流で充電したときのＳＯＣ（State Of Charge）の変化を示している。ここで、正常な単電池１１とは、容量低下や内部短絡が発生していない単電池１１である。

容量低下の単電池１１では、正常な単電池１１と比べて、ＳＯＣの変化率が高くなっており、過充電になりやすい。一方、内部短絡の単電池１１では、充電を行っても、ＳＯＣが上昇しにくくなっており、充電時の電流値によっては、ＳＯＣが低下してしまい、過放電となることがある。

図３には、単電池１１のＳＯＣと、単電池１１の内部抵抗との関係を示している。図３に示すように、ＳＯＣが高い領域では、過充電となり、単電池１１の内部抵抗が上昇しやすい。また、ＳＯＣが低い領域では、過放電となり、単電池１１の内部抵抗が上昇しやすい。このため、容量低下の単電池１１や内部短絡の単電池１１は、正常な単電池１１と比べて、内部抵抗が大きくなる。

次に、正常な単電池１１だけで構成された電池ブロック（正常電池ブロックという）１２と、容量低下の単電池１１および内部短絡の単電池１１を含む電池ブロック（異常電池ブロックという）１２との関係について説明する。

図４に示すように、正常電池ブロック１２は、２つの正常な単電池Ｃ１，Ｃ２で構成されており、正常電池ブロック１２のブロック電圧は、単電池Ｃ１における開放電圧ＯＣＶ（Ｃ１）および内部抵抗ＩＲ（Ｃ１）と、単電池Ｃ２における開放電圧ＯＣＶ（Ｃ２）および内部抵抗ＩＲ（Ｃ２）とによって決定される。

一方、異常電池ブロック１２は、容量低下が発生している単電池Ｃ３と、内部短絡が発生している単電池Ｃ４とで構成されている。異常電池ブロック１２のブロック電圧は、単電池Ｃ３における開放電圧ＯＣＶ（Ｃ３）および内部抵抗ＩＲ（Ｃ３）と、単電池Ｃ４における開放電圧ＯＣＶ（Ｃ４）および内部抵抗ＩＲ（Ｃ４）とによって決定される。

図１３を用いて説明したように、単電池Ｃ３，Ｃ４の電圧値が互いに異なっていても、異常電池ブロック１２のブロック電圧は、正常電池ブロック１２のブロック電圧と略等しいことがある。図４では、正常電池ブロック１２のブロック電圧と、異常電池ブロック１２のブロック電圧との差を、ΔＶ１で示しているが、電圧差ΔＶ１がゼロに近づくと、電圧センサ２０の出力に基づいて、電圧差ΔＶ１を検出することができず、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２を区別することができない。

本実施例では、単電池Ｃ３，Ｃ４の内部抵抗が単電池Ｃ１，Ｃ２の内部抵抗よりも大きいことに着目し、電圧センサ２０の出力（ブロック電圧）に基づいて、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２を容易に区別できるようにしている。具体的には、電流値を周期的に変化させることにより、ブロック電圧を周期的に変化させた状態において、正常電池ブロック１２のブロック電圧と、異常電池ブロック１２のブロック電圧との差を広げるようにしている。ブロック電圧の差を広げれば、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２を容易に区別することができる。

図５に示す周期で電流を変化させながら充電を行うと、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２のブロック電圧は、図６に示す挙動を示す。図５に示す電流波形は、平均値をＩ_１［Ａ］、振幅をＩ_１［Ａ］、１周期をｔ_Ｓ秒に設定している。図６に示すように、所定のタイミングｔ_１において、正常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＡと、異常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＢとの差は、ΔＶ１となる。

一方、図７に示す周期で電流を変化させながら充電を行うと、電池ブロック１２Ａおよび電池ブロック１２Ｂのブロック電圧は、図８に示す挙動を示す。図７に示す電流波形は、平均値をＩ_１［Ａ］、振幅をＩ_２［Ａ］、１周期をｔ_Ｓ秒に設定している。振幅Ｉ_２は、振幅Ｉ_１よりも大きくなっている。図８に示すように、所定のタイミングｔ_１において、正常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＡと、異常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＢとの差は、ΔＶ２となる。

なお、本実施例では、充放電電流を図７に示す波形としているが、これに限るものではなく、周期的に変化するものであれば、いかなる波形であってもよい。

図９は、図８に示す状態において、正常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＡおよび異常電池ブロック１２のブロック電圧Ｖ_ＢＢの関係を示している。図２，３を用いて説明したように、異常電池ブロック１２（容量低下の単電池Ｃ３および内部短絡の単電池Ｃ４）では、正常電池ブロック１２（正常な電池Ｃ１，Ｃ２）に比べて、内部抵抗ＩＲの成分が多くなる。このため、電流波形の振幅をＩ_１からＩ_２に増大させると、ブロック電圧Ｖ_ＢＢの振幅を増大させることができる。

ブロック電圧Ｖ_ＢＢの振幅を増大させれば、ブロック電圧Ｖ_ＢＡおよびブロック電圧Ｖ_ＢＢの差を広げることができる。すなわち、図８に示す電圧差ΔＶ２を、図６に示す電圧差ΔＶ１よりも大きくすることができる。これにより、コントローラ３０は、電圧センサ２０の出力に基づいて、ブロック電圧Ｖ_ＢＡおよびブロック電圧Ｖ_ＢＢの差を検出しやすくなる。そして、ブロック電圧の差を検出した場合には、１つの電池ブロック１２内に、容量低下の単電池１１と、内部短絡の単電池１１とが含まれていることを判別することができる。

図６および図８に示す例では、単電池１１を充電する場合について説明したが、単電池１１を放電する場合にも本発明を適用することができる。この場合には、図６および図８において、電流の平均値が負の値となる。

なお、電流の振幅は、適宜設定することができる。すなわち、異常電池ブロックのブロック電圧と、正常電池ブロックのブロック電圧との差が検出できやすい状態にすればよい。本実施例の技術的思想は、電流の振幅を大きくするほど、異常電池ブロックのブロック電圧と正常電池ブロックのブロック電圧との差を広げて、電圧差を検出しやすくすることにある。

本実施例におけるコントローラ３０の処理について、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。図１０に示す処理は、例えば、複数の電池ブロック１２において、ブロック電圧が等しい値を示すときに行うことができる。また、図１０に示す処理を行うためのモードを用意しておき、このモードの設定が行われたときに、図１０に示す処理を開始させることができる。

コントローラ３０は、電流波形の振幅および周期を設定し（Ｓ１０１）、組電池１０の充放電を開始する（Ｓ１０２）。コントローラ３０は、電圧センサ２０の出力に基づいて、各電池ブロック１２のブロック電圧を監視する（Ｓ１０３）。ここで、コントローラ３０は、ブロック電圧の差を検出できるか否かを判別し（Ｓ１０４）、ブロック電圧の差を検出したときには、電池ブロック１２内に、容量低下の単電池１１と内部短絡の単電池１１とが含まれていると判断する（Ｓ１０５）。ブロック電圧の差を検出できなければ、本処理を終了する。

単電池１１に容量低下や内部短絡が発生していると判断したときには、組電池１０の充放電を制限することができる。具体的には、組電池１０の充放電を禁止することができる。また、組電池１０の充放電制御で用いられる上限値（電圧又は電力）を小さくすることができる。一方、図１に示す電池システムにおいて、ディスプレイを設けておき、容量低下や内部短絡が発生している可能性があることを、ディスプレイ等に表示させることもできる。

本実施例によれば、電流波形の振幅を増加方向に変化させるだけで、正常電池ブロック１２のブロック電圧と、異常電池ブロック１２のブロック電圧との差を広げることができ、ブロック電圧の差を容易に検出して、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２を区別することができる。また、電圧センサ２０の検出精度を向上させなくても、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２におけるブロック電圧の差を検出することができる。

本発明の実施例２である電池システムについて説明する。実施例１で説明した部材と同一の部材については、同一符号を用い、詳細な説明は省略する。

実施例１（図２）で説明したように、容量低下の単電池１１および正常な単電池１１では、充電が進むにつれて、ＳＯＣが上昇し、容量低下の単電池１１におけるＳＯＣの変化率は、正常な単電池１１におけるＳＯＣの変化率よりも大きくなる。また、内部短絡の単電池１１では、充電されにくくなっており、内部短絡の単電池１１におけるＳＯＣの変化率は、正常な単電池１１におけるＳＯＣの変化率よりも小さくなる。

内部短絡の単電池１１および容量低下の単電池１１におけるＳＯＣの挙動によっては、正常な単電池１１だけを含む電池ブロック１２におけるＳＯＣの挙動と、内部短絡の単電池１１および容量低下の単電池１１を含む電池ブロック１２におけるＳＯＣの挙動とが略一致してしまうことがある。言い換えれば、図１１に示すように、容量低下の単電池１１における電圧値と、内部抵抗の単電池１１における電圧値とが互いに異なっていても、異常電池ブロック１２のブロック電圧が、正常電池ブロック１２のブロック電圧と等しく成ることがある。この場合には、電圧センサ２０の出力に基づいて、ブロック電圧を検出しても、単電池１１の異常状態（容量低下や内部短絡）を検出することはできない。

本実施例では、定電流充電を行うときの電流値を変化させることにより、正常電池ブロック１２および異常電池ブロックを区別するようにしている。以下、具体的に説明する。

充電電流の電流値を変化させると、容量低下の単電池１１における電圧（又はＳＯＣ）の挙動が変化するとともに、内部短絡の単電池１１における電圧（又はＳＯＣ）の挙動が変化する。例えば、図２において、電流値を上昇させれば、ＳＯＣの変化率を上昇させることができる。

容量低下の単電池１１における電圧挙動や、内部短絡の単電池１１における電圧挙動を変化させれば、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２の間において、ブロック電圧を異ならせることができる。すなわち、電流値を変化させることにより、ブロック電圧の差を検出できる状態を発生させることができる。ブロック電圧の差を検出できれば、実施例１と同様に、１つの電池ブロック１２内において、容量低下の単電池１１および内部短絡の単電池１１が含まれていることを検出することができる。

本実施例において、電流値は、適宜変化させることができる。すなわち、電流値を変化させることにより、正常電池ブロック１２および異常電池ブロック１２の間において、ブロック電圧に差を発生させることができればよい。例えば、電流値を、段階的に上昇させたり、段階的に低下させたりすることができる。また、電流値を上昇させる処理と、電流値を低下させる処理とを、ランダムに行うこともできる。この場合には、互いに異なる値となるように、電流値を変化させる必要がある。

複数の電池ブロック１２において、ブロック電圧に差が発生していなくても、電流値を変化させることによって、ブロック電圧に差が発生したときには、１つの電池ブロックにおいて、容量低下の単電池１１および内部短絡の単電池１１が含まれていることを検出することができる。

１０：組電池（蓄電装置） １１：単電池（蓄電素子）
１２：電池ブロック（蓄電ブロック） ２０：電圧センサ
３０：コントローラ １００：単電池
１０１ａ，１０１ｂ：電池ブロック １０２：電圧センサ

Claims (6)

1. 複数の蓄電素子をそれぞれ含む複数の蓄電ブロックが電気的に直列に接続された蓄電装置の異常状態を検出する検出装置であって、
   前記各蓄電ブロックの端子間電圧を検出するための電圧センサと、
   前記電圧センサの出力に基づいて、前記蓄電素子の異常状態を検出するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、前記複数の蓄電ブロックの間で電圧差を発生させる条件で電流値を変化させながら前記蓄電装置の充放電を行い、前記電圧センサの出力に基づいて前記電圧差を検出したときには、前記蓄電ブロック内に容量劣化状態の前記蓄電素子および内部短絡状態の前記蓄電素子が含まれていることを検出することを特徴とする検出装置。
2. 前記コントローラは、周期的に変化する電流の振幅を増大方向に変化させることにより、前記電圧差を発生させることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記コントローラは、定電流充電において、電流値を変化させることにより、前記電圧差を発生させることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
4. 複数の蓄電素子をそれぞれ含む複数の蓄電ブロックが電気的に直列に接続された蓄電装置の異常状態を検出する検出方法であって、
   前記複数の蓄電ブロックの間で電圧差を発生させる条件で電流値を変化させながら前記蓄電装置の充放電を行い、前記各蓄電ブロックの端子間電圧を検出するための電圧センサの出力に基づいて、前記電圧差を検出したときには、前記蓄電ブロック内に容量劣化状態の前記蓄電素子および内部短絡状態の前記蓄電素子が含まれていることを検出することを特徴とする検出方法。
5. 周期的に変化する電流の振幅を増大方向に変化させることにより、前記電圧差を発生させることを特徴とする請求項４に記載の検出方法。
6. 定電流充電において、電流値を変化させることにより、前記電圧差を発生させることを特徴とする請求項４に記載の検出方法。
   

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