JP2013125016A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流遮断器が作動した後に再通電した二次電池の異常検出を速やかにかつ精度よく行う。
【解決手段】本発明の車両に搭載される蓄電システムは、電流経路を遮断する電流遮断器を有する蓄電素子が複数直列に接続された蓄電装置と、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子の異常状態を判別するコントローラと、を有する。コントローラは、蓄電素子間の温度差が所定値以上である場合に、蓄電装置からの電力を受けて動作し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させ、消費電力の変動に伴う電圧センサによる検出電圧および電流センサによる検出電流に基づいて、電流の変化量に対する電圧の変化量を示す蓄電素子の抵抗を算出し、算出した抵抗が閾値よりも高いときに、蓄電素子が異常状態であることを判別する。
【選択図】図７

Description

本発明は、蓄電装置の異常を判別する蓄電システムに関する。

特許文献１では、逐次検出される電流値及び電圧値から電池の内部抵抗異常を検出している。具体的には、所定電流で充電又は放電した際の電圧の変化が基準値を超える場合に、電池の内部抵抗異常を検出している。

特開２０１０−１１７２３５号公報

二次電池には電流遮断器を内蔵するものがあり、二次電池に異常が発生した場合に電流遮断器が動作して電流を遮断することができる。しかしながら、電流遮断器が動作した後に再度導通し、電流が流れる再導通現象が生じるおそれがある。

電流遮断器が動作した後の再導通現象は、機械的、物理的な抵抗上昇によって二次電池の抵抗が極端に上昇して高抵抗状態となるので、二次電池の抵抗上昇を速やかに検出する必要がある。

一方で、充放電電流の電流分散が十分に確保されないと、電圧センサや電流センサの検出誤差によって二次電池の抵抗異常を把握し難い課題がある。特に、充放電電流が低い状態では、電流センサの検出誤差の影響が大きくなり、抵抗異常を精度よく検出することができない。

本願第１の発明である車両に搭載される蓄電システムは、電流経路を遮断する電流遮断器を有する蓄電素子が複数直列に接続された蓄電装置と、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子の異常状態を判別するコントローラとを有する。コントローラは、蓄電素子間の温度差が所定値以上である場合に、蓄電装置からの電力を受けて動作し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させ、消費電力の変動に伴う電圧センサによる検出電圧および電流センサによる検出電流に基づいて、電流の変化量に対する電圧の変化量を示す前記蓄電素子の抵抗を算出する。算出した抵抗が閾値よりも高いときに、蓄電素子が異常状態であると判別する。

本願第１の発明によれば、蓄電素子間の温度差を監視して、高抵抗状態にある電流遮断器が作動した後に再導通した単電池１１の存在を素早く検出するとともに、電力消費機器の消費電力を変動させて電流分散を確保して蓄電素子の抵抗を精度よく検出できるので、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子の異常を速やかにかつ精度よく検出することができる。

コントローラは、電流センサによる検出電流が電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合や異常判定許容値以下の継続時間が所定時間以上である場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させることができる。充放電が電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合であっても、電力消費機器の消費電力を変動させて電流分散を確保して蓄電素子の抵抗を精度よく検出でき、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子の異常を速やかにかつ精度よく検出することができる。

コントローラは、蓄電素子間の温度差が所定値以上である場合に、蓄電装置の充放電制御の入出力上限値を低く設定することができる。上限値を低く制限することで、蓄電素子の発熱量を抑制することができる。

本願第２の発明である車両に搭載される蓄電システムは、電流経路を遮断する電流遮断器を有する蓄電素子が複数直列に接続された蓄電装置と、複数の蓄電素子の温度を検出する温度センサと、蓄電装置を冷却する冷却装置と、温度センサによる検出温度に基づいて蓄電素子の単位時間当たりの昇温変化量及び降温変化量を算出し、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子の異常状態を判別するコントローラと、を有する。コントローラは、昇温変化量が第１閾値以上である場合に冷却装置を駆動し、冷却装置による蓄電装置の冷却に伴う降温変化量が第２閾値以上であるときに、蓄電素子が異常状態であると判別する。

本願第２の発明によれば、電流遮断器が作動した後に再導通した異常状態にある蓄電素子と異常が発生していない（電流遮断器が作動していない）蓄電素子の、温度上昇傾向及び温度降下傾向の相違に基づいて、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子を正確かつ素早く検出することができる。

本願第２の発明は、蓄電装置に流れる電流を検出する電流センサをさらに有することができ、コントローラは、電流センサによる検出電流が電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合、昇温変化量及び降温変化量に基づいて、各蓄電素子の異常状態を判別することができる。電池電圧や電流値に基づいて蓄電素子の抵抗異常を検出しないため、充放電が電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合であっても、電流遮断器が作動した後に再導通した蓄電素子を正確かつ素早く検出することができる。

コントローラは、昇温変化量が第１閾値以上である場合に、蓄電装置の充放電制御の入出力上限値を低く設定することができる。上限値を低く制限することで、蓄電素子の発熱量を抑制することができる。

実施例１の電池システムの構成を示す図である。 実施例１の単電池の内部構成を示す図である。 実施例１の電池システムの構成ブロック図である。 実施例１の単電池の抵抗を算出する方法を示す図である。 実施例１の電池異常（再導通）が発生した単電池の抵抗と電流値との関係を示す図である。 実施例１の電池異常（再導通）が発生した電池の温度挙動を説明する図である。 実施例１の単電池の異常を判定する処理を示すフローチャートである。 実施例１の消費電力を変動させた際の電流変動の一例を示す図である。 実施例２の電池異常（再導通）が発生した電池の温度挙動を説明する図である。 実施例２の電池システムの構成ブロック図である。 実施例２の単電池の異常を判定する処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１〜図８を参照して、本発明の実施例１である電池システム（蓄電システムに相当する）について説明する。図１は、電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。

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、車両を走行させる動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池だけを備えている。以下に説明する実施例では、エンジンを備えたハイブリッド自動車について説明する。

組電池（蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池（蓄電素子に相当する）１１を有する。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を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。本実施例では、組電池１０を構成する、すべての単電池１１が直列に接続されているが、これに限るものではない。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は、図２に示すように、発電要素１１ａおよび電流遮断器１１ｂを有する。発電要素１１ａおよび電流遮断器１１ｂは、単電池１１の外装を構成する電池ケースに収容されている。発電要素１１ａは、充放電を行う要素であり、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されるセパレータとを有する。

正極板は、集電板と、集電板の表面に形成された正極活物質層とを有する。負極板は、集電板と、集電板の表面に形成された負極活物質層とを有する。正極活物質層は、正極活物質や導電剤などを含んでおり、負極活物質層は、負極活物質や導電剤などを含んでいる。

単電池１１としてリチウムイオン二次電池を用いるときには、例えば、正極板の集電板をアルミニウムで形成し、負極板の集電板を銅で形成することができる。また、正極活物質としては、例えば、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂を用い、負極活物質としては、例えば、カーボンを用いることができる。セパレータ、正極活物質層および負極活物質層には、電解液がしみ込んでいる。電解液を用いる代わりに、正極板および負極板の間に、固体電解質層を配置することもできる。

電流遮断器１１ｂは、単電池１１の内部における電流経路を遮断するために用いられる。すなわち、電流遮断器１１ｂが作動することにより、単電池１１の内部における電流経路が遮断される。電流遮断器１１ｂとして、例えば、ヒューズを用いることができる。ヒューズを溶断させることにより、単電池１１の内部における電流経路を遮断することができる。

また、電流遮断器１１ｂとして、例えば、単電池１１の内圧が上昇することに応じて変形する弁を用いることができる。弁は、単電池１１の内圧上昇に応じて変形し、発電要素１１ａとの機械的な接続を断つことにより、単電池１１の内部における電流経路を遮断することができる。単電池１１の内部は、密閉状態となっており、発電要素１１ａからガスが発生すると、単電池１１の内圧が上昇する。単電池１１の内圧が上昇することに応じて、電流遮断器１１ｂとしての弁を変形させることにより、発電要素１１ａとの機械的な接続を断つことができる。これにより、発電要素１１ａに充放電電流が流れるのを阻止し、単電池１１（発電要素１１ａ）を保護することができる。

さらに、電流遮断器１１ｂとして、例えば、温度上昇により抵抗が増大するＰＴＣ素子を用いることができる。ＰＴＣ素子は、炭素などの導通性粒子を絶縁性樹脂で固めた構造をしており、電流が流れることで高温になると絶縁性樹脂が膨張して抵抗が増大し、抵抗増大によって発電要素１１ａとの電気的な接続を断たれ、単電池１１の内部における電流経路を遮断することができる。これにより、発電要素１１ａに充放電電流が流れるのを阻止し、単電池１１（発電要素１１ａ）を保護することができる。

組電池１０の正極ラインＰＬには、システムメインリレー３１が設けられ、組電池１０の負極ラインＮＬには、システムメインリレー３２が設けられている。システムメインリレー３１，３２は、コントローラ５０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。

組電池１０を負荷と接続するとき、コントローラ５０は、システムメインリレー３１，３２をオフからオンに切り替える。これにより、組電池１０および負荷の接続が完了し、図１に示す電池システムは、起動状態となる。一方、組電池１０および負荷の接続を遮断するとき、コントローラ５０は、システムメインリレー３１，３２をオンからオフに切り替える。これにより、図１に示す電池システムの起動は停止する。

昇圧回路４１は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ４２に出力する。また、昇圧回路４１は、インバータ４２の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。昇圧回路４１は、コントローラ５０からの制御信号を受けて動作する。本実施例の電池システムでは、昇圧回路４１を用いているが、昇圧回路４１を省略することもできる。

インバータ４２は、昇圧回路４１から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ４３に出力する。また、インバータ４２は、モータ・ジェネレータ４３が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路４１に出力する。モータ・ジェネレータ４３としては、例えば、三相交流モータを用いることができる。

モータ・ジェネレータ４３は、インバータ４２からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成したり、エンジン（図示せず）をクランキングさせるための運動エネルギを生成したりする。組電池１０の電力を用いて車両を走行させるとき、モータ・ジェネレータ４３によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。エンジンをクランキングするとき、モータ・ジェネレータ４３によって生成された運動エネルギは、エンジンに伝達される。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ４３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（交流電力）に変換する。インバータ４２は、モータ・ジェネレータ４３が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路３２に出力する。昇圧回路４１は、インバータ４２からの電力を組電池１０に出力する。これにより、回生電力を組電池１０に蓄えることができる。

組電池１０には、電圧監視ユニット２０、電流センサ２１及び温度センサ２２が設けられている。図３は、本実施形態の電池システムの構成ブロック図の一例である。

電圧監視ユニット（電圧センサに相当する）２０は、各単電池１１の端子間電圧（電池電圧という）を検出し、検出結果をコントローラ５０に出力する。なお、本実施例では、組電池１０を構成する複数の単電池１１を、複数の電池ブロックに分けることができる。例えば、直列に接続されている複数の単電池１１を、複数の各電池ブロックに区分し、区分された複数の電池ブロックを直列に接続することで、組電池１０を構成することができる。この場合、電圧監視ユニット２０は、単電池１１単位、電池ブロック単位で電池電圧を検出することができる。また、電圧監視ユニット２０は、組電池１０の端子間電圧を検出することができる。

電流センサ２１は、組電池１０に流れる電流値（充放電電流値）を検出し、検出結果をコントローラ５０に出力する。組電池１０を放電しているときに電流センサ２１によって検出される電流値を正の値とし、組電池１０を充電しているときに電流センサ２１によって検出される電流値を負の値として検出することができる。

温度センサ２２は、各単電池１１の温度（電池温度）を検出し、検出結果をコントローラ５０に出力する。なお、温度センサ２２は、電圧監視ユニット２０に含まれるように構成することができ、例えば、組電池１０の電圧及び温度を検出する監視ＩＣとして構成できる。

コントローラ５０は、組電池１０の充放電制御を行う制御装置として機能する。コントローラ５０は、出力要求に基づいて負荷に組電池１０の電力を出力する放電制御、車両が減速したり、停止したりする際の車両制動時における回生電力を組電池１０に充電する充電制御を行うことができる。

コントローラ５０は、異常検出部５１及び記憶部５２を含んで構成される。異常検出部５１は、単電池１１の異常を判定する処理を行う。記憶部５２は、コントローラ５０を動作させるためのプログラムや、特定の情報を記憶している。なお、異常検出部５１が遂行する処理は、コントローラ５０とは個別の制御装置が行うように構成することもでき、記憶部５２は、コントローラ５０の外部に設けることもできる。

補機６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して接続され、組電池１０からの電力を受けて動作する機器（電力消費機器）であり、例えば、車両に搭載されたエアコン、ＡＶ機器、照明装置、組電池１０を冷却する冷却装置（例えば、冷却ファン）等である。組電池１０から補機６０に供給される電力は、コントローラ５０によって制御される。コントローラ５０は、消費電力に応じて補機６０に電力を供給するように、組電池１０の充放電制御を行う。

次に、本実施例の電池異常判定処理について詳細に説明する。電流遮断器１１ｂが作動することにより、発電要素１１ａに充放電電流が流れることが一旦阻止された後でも、物理的な接触やアーク放電等によって電流遮断器１１ｂが再度導通した状態となり、単電池１１に電流が流れることがある。

電流遮断器１１ｂが再導通状態の単電池１１は、劣化等の抵抗上昇に比べて極端に抵抗が増加している。つまり、電流遮断器１１ｂが抵抗体として作用し、単電池１１は高抵抗状態となる。このような単電池１１に電圧が印加されて電流が流れると、高抵抗状態の電流遮断器１１ｂが発熱する。このため、単電池１１を適切に保護する観点から、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１の異常を速やかに検出する必要がある。

電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１を速やかに検出する必要がある一方で、単電池１１の異常判定処理は、単電池１１の電池電圧及び電流値を監視して電流値の変動に対する電圧値の変化量を示す抵抗を算出し、算出された単電池１１の抵抗と所定の閾値とを比較して、算出された単電池１１の抵抗が所定の閾値よりも高い場合、単電池１１の抵抗異常を検出することができる。

図４は、単電池１１の抵抗を算出する方法を示す図である。図４に示すように、単電池１１の抵抗は、電流値の変動に対する電圧値の変化量として算出することができる。電流遮断器１１ｂが作動していない単電池１１の抵抗Ｒ１は、実線で表すように電池電圧と電流との関係に基づく傾きとして算出される。また、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１の抵抗Ｒ２も、一点鎖線で表すように電池電圧と電流との関係に基づく傾きとして算出される。例えば、時間ｔ１で測定される電池電圧をＶ１，電流値をＩ１、時間ｔ２で測定される電池電圧Ｖ２、電流値をＩ２とした場合、単電池１１の抵抗Ｒは、Ｒ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｉ２−Ｉ１）で算出することができる。

本実施例では、電流遮断器１１ｂが再導通状態の単電池１１の抵抗Ｒ２が、正常な単電池１１の抵抗Ｒ１よりも高く（急勾配に）なるので、電流値の変動に対する電圧値の変化量を示す抵抗Ｒを算出し、算出された単電池１１の抵抗Ｒを、正常な単電池１１の抵抗Ｒ１に応じた所定の閾値と比較して、算出された単電池１１の抵抗Ｒが所定の閾値よりも高い場合、単電池１１の抵抗異常を検出する。

しかしながら、電圧監視ユニット２０の検出電圧及び電流センサ２１の検出電流には、それぞれ検出誤差が含まれる。このため、電流値の変動が少ない状態では、単電池１１の抵抗Ｒを精度よく算出できないので、単電池１１の異常を精度よく検出することが難しい。特に、充放電の電流値が低い状態（低レート領域）では、電流センサ２１の検出電流に含まれる検出誤差の割合が大きくなり、単電池１１の抵抗Ｒを精度よく算出できない。

図５は、単電池１１に設けられた電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１の抵抗と電流値との関係を示した図である。曲線は、充放電電流値と抵抗値とから求められる所定の発熱量の上限値に基づいた、充放電電流値と電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した状態の単電池１１の抵抗との関係を示している。

図５に示すように、充放電電流値Ａ１以下の低レート領域では、電流センサ２１の検出電流に含まれる検出誤差の割合が大きくなり、単電池１１の抵抗Ｒを精度よく算出できない。さらに、斜線で示した低レート領域において電流遮断器１１ｂが作動した状態の単電池１１の抵抗が低い領域（低レート充放電／低抵抗領域）では、電圧監視ユニット２０の検出誤差の影響も大きくなり、電圧監視ユニット２０及び電流センサ２１の検出誤差の影響の大きい低レート充放電／低抵抗領域では、さらに単電池１１の抵抗Ｒを精度よく算出できない。

低レート充放電領域としては、電流センサ２１の検出誤差に応じた異常検出許容値以下とすることができる。例えば、予め取得できる電流センサ２１の検出誤差に基づいて、電流センサ２１の検出電流に検出誤差が含まれる割合が検出精度上の観点から許容できる値を、異常検出許容値として定めることができる。低抵抗領域についても同様であり、電流センサ２１の検出誤差に応じた異常検出許容値以下とすることができる。例えば、予め取得できる電圧監視ユニット２０の検出誤差に基づいて、電圧監視ユニット２０の検出電圧に検出誤差が含まれる割合が検出精度上の観点から許容できる値を、異常検出許容値（例えば、図５に示す抵抗Ｒａ）として定めることができる。このように、電圧監視ユニット２０及び電流センサ２１それぞれの異常検出許容値以下の領域を、低レート充放電／低抵抗領域とすることができる。

このように単電池１１の抵抗異常の検出精度が低下すると、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した状態の単電池１１の異常を速やかに検出することができない。

そこで、本実施例では、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の電池温度が、電流遮断器１１ｂが作動していない正常な単電池１１の電池温度よりも高くなることを検出することで仮異常判定を行い、仮異常判定をトリガーに補機６０の消費電力を変動させて単電池１１の抵抗異常を検出することで、速やかにかつ精度よく単電池１１の異常を検出する。

図６は、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した状態の単電池１１（異常電池）と正常な単電池１１（正常電池）の温度遷移を示す図である。図６に示すように、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１は高抵抗状態なので、正常な単電池１１に比べて極端に温度が上昇している。このように電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した高抵抗状態の単電池１１の温度上昇を、正常な単電池１１の電池温度と比較して監視し、温度差ΔＴが電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の温度上昇に応じた所定値よりも高い場合に、単電池１１を仮異常として判定する。

図７は、本実施例の電池異常判定処理のフローチャートである。電池異常判定処理は、コントローラ５０によって遂行される。コントローラ５０は、電池システム起動後、電池異常判定処理を開始する。

ステップ１０１において、コントローラ５０は、温度センサ２２の出力に基づいて、組電池１０の各単電池１１の電池温度を取得する。

ステップＳ１０２において、コントローラ５０は、取得した各単電池１１の電池温度を用いて、単電池１１間の電池温度を比較して温度差が所定値以上であるか否かを判別する。例えば、直列に接続された各単電池１１において、隣り合う２つの単電池１１間の電池温度を比較したり、任意の２つの単電池１１の電池温度を比較することができる。コントローラ５０は、単電池１１間の温度差が電流遮断器１１ｂが作動したことに応じた所定値を超えると判別される場合、ステップＳ１０３に進み、電池異常判定処理を仮異常モードへ移行させる。コントローラ５０は、単電池１１間の温度差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えていないと判別される場合は、電池異常判定処理を終了する。

なお、ステップＳ１０２において、組電池１０を構成する直列に接続された複数の単電池１１すべてを対象に、２つの単電池１１間の電池温度を比較して温度差が所定値以上であるか否かを判別するように構成することができる。このとき、少なくとも１つの単電池１１の電池温度が、他方の単電池１１の電池温度に対して所定値を超える電池温度である場合に、電池異常判定処理を仮異常モードへ移行させることができる。

また、ステップＳ１０３において、コントローラ５０は、仮異常モードへの移行に伴い、組電池１０の入出力電力を制限して充放電制御の入出力上限値を低く設定することができる。例えば、図５の例において、コントローラ５０は、単電池１１間の温度差が電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えると判別された後の時間ｔ３から充放電電流値の上限値を仮異常モードの移行前の充放電電流の上限値よりも低い上限値に設定し、コントローラ５０は、低く設定した上限値に基づいた充放電制御を行う。上限値を低く制限することで、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した高抵抗状態にある単電池１１の発熱量を抑制することができる。

仮異常モードに移行したコントローラ５０は、ステップＳ１０４において、電流センサ２１の出力に基づいて、組電池１０の充放電電流値を取得する。コントローラ５０は、ステップＳ１０５において、取得した充放電電流値が所定値（異常判定許容値）よりも小さいか否か、すなわち、低レート充放電中であるか否かを判別する。

ステップＳ１０５において低レート充放電中であると判別された場合、コントローラ５０は、充放電電流値が所定値以下の低レート充放電の継続時間を計測して、低レート充放電の継続時間が所定値以上であるか否かを判別する。コントローラ５０は、ステップＳ１０４からステップＳ１０６を繰り返し行い、低レート充放電中の時間が所定時間以上続く場合、ステップＳ１０７に進んで、低レートチェックモードに移行する。なお、ステップＳ１０５において、充放電電流値が所定値よりも大きいと判別された場合、コントローラ５０は、通常のチェックモードに移行し、ステップＳ１０７をスキップしてステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０７において、コントローラ５０は、低レートチェックモードとして補機６０の消費電力を変動させる消費電力変動制御を行い、消費電力変動制御に伴う単電池１１の電流値及び電圧値を、電圧監視ユニット２０及び電流センサ２１の出力に基づいて取得する。消費電力変動制御は、補機６０が動作していなければ、動作するように制御して電力を消費させたり、動作中の補機６０の出力値を現状よりも高く又は低くすることで、消費電力を変動させるようにする。また、低レートチェックモードにおける補機６０の消費電力変動は、一定の周期で行うことができる。

図８は、消費電力変動制御の一例を示す図であり、時間ｔ４において例えば、車両に搭載されたエアコンを稼働させたり、稼働中のエアコンの出力値を高く又は低くすることで、組電池１０の電流変動を生じさせることができる。このとき、コントローラ５０は、電圧監視ユニット２０又は／及び電流センサ２１の検出誤差に応じた所定の電流変動量以上となるように、補機６０の消費電力を変動させる。例えば、電流センサ２１の検出誤差の範囲外となる電流値の変動が発生するように、補機６０の消費電力を変動させることができる。

ステップＳ１０８において、コントローラ５０は、ステップＳ１０７において消費電力変動制御中に取得された電圧値及び電流値を用いて、図４に示した単電池１１の抵抗Ｒを算出する。例えば、図８の例において、時間ｔ４及び時間ｔ５における各電圧値及び電流値を用いて、単電池１１の抵抗Ｒを算出することができる。また、異常検出部５１は、ステップＳ１０５において充放電電流値が所定値よりも大きいと判別された場合、ステップＳ１０８において充放電制御中の電圧値及び電流値を用いて、単電池１１の抵抗Ｒを算出する。

ステップＳ１０９において、コントローラ５０は、ステップＳ１０８で算出した抵抗Ｒが、電流遮断器１１ｂが作動したことに応じた所定の閾値よりも大きいか否かを判別する。抵抗Ｒが、所定値よりも大きいと判別された場合、コントローラ５０は、ステップＳ１１０に進み、単電池１１の抵抗異常、すなわち、単電池１１の異常を検出する。抵抗Ｒが所定の閾値よりも小さいと判別された場合には電池異常判別処理を終了する。

ステップＳ１１０において、単電池１１の異常が検出された場合、コントローラ５０は、組電池１０の入出力を制限することができる。組電池１０の入出力を制限する方法としては、組電池１０の入出力を許容する上限電力を低下させることができる。上限電力は、組電池１０の入力および出力のそれぞれに対して設定される。上限電力を低下させることには、上限電力を０［ｋＷ］に設定することも含まれる。上限電力を０［ｋＷ］に設定することにより、組電池１０の入出力が行われないことになる。

また、単電池１１が異常状態であるとき、コントローラ５０は、組電池１０の充放電を再開させないことができる。具体的には、単電池１１が異常状態であると判別したとき、コントローラ５０は、システムメインリレー３１，３２をオフからオンに切り替えないようにすることができる。

なお、ステップＳ１０８において、コントローラ５０は、組電池１０を構成する全ての単電池１１の抵抗値を算出し、各単電池１１に対してステップＳ１０９で抵抗異常を検出するように構成することができる。

また、ステップＳ１０２において、コントローラ５０は、取得した各単電池１１の電池温度を用いて、単電池１１間の電池温度を比較して温度差が所定値以上であるか否かを判別しているので、所定値以上の温度差があると判別された電池温度が高い方の単電池１１を特定することができる。コントローラ５０は、所定値以上の温度差があると判別された電池温度が高い方の単電池１１のみを対象に、ステップＳ１０８において消費電力変動制御中に取得された電圧値及び電流値、又は充放電制御中の電圧値及び電流値を用いて、単電池１１の抵抗を算出し、ステップＳ１０９において、単電池１１の抵抗異常を判別するように構成することができる。

図７では、低レート領域での充放電電流値が所定時間継続する場合に、低レートチェックモードとして、補機６０の消費電力を変動させる消費電力変動制御を行う態様を一例に示しているが、低レート領域での充放電電流値が所定時間継続する場合に限らず、単電池１１間の電池温度を比較して温度差が所定値以上であると判別されてステップＳ１０３で仮異常モードに移行した後、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６を省略してステップＳ１０７に進み、補機６０の消費電力を変動させる消費電力変動制御を行って、消費電力変動制御中の単電池１１の電流値及び電圧値を、電圧監視ユニット２０及び電流センサ２１の出力に基づいて取得するように構成することも可能である。

本実施例の電池異常判別処理は、単電池１１間の温度差を監視して、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１の存在を素早く検出するとともに、強制的に補機６０の消費電力を変動させて単電池１１の抵抗を精度よく検出できるので、電流遮断器１１ｂが再導通状態にある単電池１１を速やかにかつ精度よく検出することができる。

特に、強制的に補機６０の消費電力を変動させて単電池１１の抵抗を検出するので、低レートでの充放電が継続していても、速やかに単電池１１の抵抗を精度よく検出することができる。

また、電流遮断器１１ｂが、単電池１１の内圧が上昇することに応じて変形する弁である場合、弁が単電池１１の内圧上昇に応じて変形し、発電要素１１ａとの機械的な接続が断たれるので、弁が作動した単電池１１は、過充電状態となっている。このため、過充電状態から再導通してさらに充電が継続されると、単電池１１を適切に保護できないが、本実施例では、充放電電流値が低レートであっても精度よく単電池１１の異常を検出することができるので、弁が作動した過充電状態の単電池１１を適切に保護することができる。

（実施例２）
図９〜図１１を参照して、本発明の実施例２である電池システム（蓄電システムに相当する）について説明する。本実施例の電池システムの主な構成は、上記実施例１の図１に示したものと同様である。以下、上記実施例１と相違する部分を中心の述べ、重複する部分については同符号を付して説明を省略する。

本実施例は、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通して高抵抗状態にある単電池１１の温度上昇が、充放電を繰り返し行う単電池１１（発電要素１１ａ）の内部抵抗の上昇に伴う温度上昇と相違する機械的又は物理的な発熱に基づくことから、単位時間当たりの昇温変化量及び降温変化量を算出し、各単電池１１の異常状態を判別する。

図９は、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１（異常電池）と正常な単電池１１（正常電池）の温度遷移を示す図である。電流遮断器１１ｂが作動していない正常な単電池１１は、劣化等による発電素子１１ａの内部抵抗が増加し、内部抵抗の増加に伴って電池温度が上昇するが、内部抵抗の増加は、劣化等による経年変化に応じた緩やかな上昇であり、その温度上昇の変化量は小さい。図９に示すように、ΔＴａ／Δｔが単電池１１の内部抵抗の増加に伴って上昇する電池温度の単位時間当たりの変化量（変化率）である。

これに対して、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通状態にある単電池１１は、高抵抗状態なので、単電池１１の抵抗が極端に増加している。このため、電流遮断器１１ｂが作動したことによる抵抗増加に伴う電池温度の上昇は、機械的な又は物理的な発熱に基づくものであり、その温度上昇の変化量は、単電池１１の内部抵抗の増加に伴って上昇する電池温度の単位時間当たりの変化量よりも極端に大きい。図９に示すように、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の単位時間当たりの昇温変化量は、ΔＴ１／Δｔであり、ΔＴａ／Δｔよりも大きくなっている。

一方で、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の温度上昇は、機械的な又は物理的な発熱に基づくものなので、冷却によって温度が下がる変化量（降温変化量）も大きい。すなわち、電流遮断器１１ｂが抵抗体として発熱する表面発熱であるため、単電池１１の内部抵抗の増加に伴って上昇する電池温度を冷却する場合に比べて、単位時間あたりの温度低下量は大きい。単電池１１の内部抵抗の増加に伴って上昇する電池温度は、単電池１１内部から生じる発電要素１１ａの発熱であることから、表面発熱に比べて単位時間あたりの温度低下量が小さい。図９に示すように、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の単位時間当たりの降温変化量は、ΔＴ２／Δｔであり、電流遮断器１１ｂが作動していない単電池１１の降温変化量は、ΔＴ２／Δｔよりも小さくなっている。

本実施例では、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１と電流遮断器１１ｂが作動していない単電池１１との間の、温度上昇傾向及び温度降下傾向の相違に基づいて、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した単電池１１を素早くかつ正確に検出する。

図１０は、本実施例の電池システムの構成ブロック図である。上記実施例１の図３に示した図に対して冷却装置７０が設けられている。冷却装置７０は、冷却ファン等の送風機であり、冷却装置７０の駆動制御は、コントローラ５０によって行われる。コントローラ５０は、温度センサ２２によって検出される組電池１０の電池温度に応じて冷却装置７０を駆動し、組電池１０を冷却する。

図１１は、本実施例の電池異常判定処理のフローチャートである。電池異常判定処理は、コントローラ５０によって遂行される。コントローラ５０は、電池システム起動後、電池異常判定処理を開始する。

ステップ３０１において、コントローラ５０は、電流センサ２１の出力に基づいて、組電池１０の充放電電流値を取得する。コントローラ５０は、ステップＳ３０２において、取得した充放電電流値が所定値（上記実施例１と同様の電流センサ２１の検出誤差に応じた異常判定許容値）よりも小さいか否か、すなわち、低レート充放電中であるか否かを判別する。

ステップＳ３０２において、充放電電流値が所定値よりも大きいと判別された場合、コントローラ５０は、ステップＳ３０９、Ｓ３１０を遂行し、上記実施例１の図７で示した単電池１１の抵抗に基づく異常判定処理を行う。ステップＳ３０９は、図７のステップＳ１０８に対応し、ステップＳ３１０は、図７のステップＳ１０９に対応している。

ステップＳ３０２において、充放電電流値が所定値よりも小さいと判別された場合、コントローラ５０は、温度センサ２２の出力に基づいて、組電池１０の各単電池１１の電池温度を取得する。

ステップＳ３０４において、コントローラ５０は、取得した各単電池１１の検出温度に基づいて、各単電池１１の単位時間当たりの昇温変化量を算出し、単電池１１間で算出された各昇温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値以上であるか否かを判別する。例えば、直列に接続された各単電池１１において、隣り合う２つの単電池１１間の昇温変化量を比較したり、任意の２つの単電池１１の昇温変化量を比較することができる。

ステップＳ３０４において、単電池１１間で算出された各昇温変化量の差と比較する所定値（第１閾値に相当する）は、電流遮断器１１ｂが作動していない正常な単電池１１が、劣化等による発電素子１１ａの内部抵抗が増加によって異常と判定される予め決められた抵抗（劣化上限抵抗値）から算出される発熱量に応じた温度を考慮して決定することができる。すなわち、当該所定値は、電流遮断器１１ｂが作動していない正常な単電池１１の劣化上限抵抗値から算出される発熱量に応じた温度上昇における昇温変化量よりも大きい値とすることができ、劣化等による発電素子１１ａの内部抵抗の増加に伴う温度上昇の昇温変化量と、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の温度上昇における昇温変化量とを精度よく判別することができる。

コントローラ５０は、単電池１１間の昇温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えると判別される場合、ステップＳ３０５に進み、電池異常判定処理を仮異常モードへ移行させる。コントローラ５０は、単電池１１間の昇温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えていないと判別される場合、電池異常判定処理を終了する。

なお、ステップＳ３０４において、組電池１０を構成する直列に接続された複数の単電池１１すべてを対象に、２つの単電池１１間の昇温変化量の差が所定値以上であるか否かを判別する。このとき、少なくとも１つの単電池１１の昇温変化量が、他方の単電池１１の昇温変化量に対して電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超える場合に、電池異常判定処理を仮異常モードへ移行させることができる。

仮異常モードに移行したコントローラ５０は、ステップＳ３０６において、冷却装置７０を駆動して組電池１０を冷却するとともに、組電池１０の入出力電力を制限して充放電制御の入出力上限値を低く設定する。

例えば、図９の例において、コントローラ５０は、単電池１１間の昇温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えると判別された後の時間ｔ６から充放電電流値の上限値を仮異常モードの移行前の充放電電流の上限値よりも低い上限値に設定し、低く設定した上限値に基づいた充放電制御を行う。上限値を低く制限することで、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通した高抵抗状態の単電池１１の発熱量を抑制することができる。さらに、コントローラ５０は、時間ｔ６から所定時間経過後の時間ｔ７の時点から冷却装置７０を駆動して冷却風を組電池１０に送り、組電池１０を冷却する。このとき、駆動出力を最大値にして冷却装置７０の駆動することができる。

このように、単電池１１間の昇温変化量の差が電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値を超えると判別された後、上限値を低く制限して高抵抗状態にある単電池１１の発熱量を抑制しつつ、冷却装置７０によって冷却することで、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１の電池温度を低減することができる。

次に、コントローラ５０は、ステップＳ３０７に進み、冷却装置７０の駆動した後に冷却される各単電池１１の降温変化量を算出する。図９に示すように、冷却装置７０を駆動した時間ｔ７から単位時間当たりの降温変化量ΔＴ２／Δｔを算出する。ステップＳ３０４同様、コントローラ５０は、単電池１１間の単位時間当たりの各昇温変化量を算出し、単電池１１間で算出された各降温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値（第２閾値に相当する）以上であるか否かを判別する。降温変化量の差が所定値よりも大きい場合、ステップＳ３０８に進み、単電池１１の異常を検出する。降温変化量の差が所定値よりも小さいと判別された場合には、電池異常判別処理を終了する。

ステップＳ３０８において、単電池１１の異常が検出された場合、コントローラ５０は、上記実施例１同様に、組電池１０の入出力を制限したり、組電池１０の充放電を再開させないなどの異常処理を行うことができる。

なお、ステップＳ３０４において、コントローラ５０は、取得した各単電池１１の検出温度に基づいて、各単電池１１の単位時間当たりの昇温変化量を算出し、単電池１１間で算出された各昇温変化量の差が、電流遮断器１１ｂが作動した後に再導通したことに応じた所定値以上であるか否かを判別しているので、所定値以上の昇温変化量の差があると判別された昇温変化量の高い方の単電池１１を特定することができる。コントローラ５０は、昇温変化量が正常な単電池１１よりも高いと特定された単電池１１のみを対象に、ステップＳ３０７を遂行して単電池１１の異常を判別するように構成することができる。

図１１の例では、上記実施例１同様に、所定の充放電電流値以下の低レート領域における単電池１１の抵抗異常の検出精度の低下に鑑みて、所定の充放電電流値以下の場合に電池異常判定処理を行う一例を示しているが、これに限らずステップＳ３０１、Ｓ３０２を省略して本実施例の電池異常判定処理を行うこともできる。

本実施例の電池異常判別処理は、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１と電流遮断器１１ｂが作動していない単電池１１の、温度上昇傾向及び温度降下傾向の相違に基づいて、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１を正確かつ素早く検出することができる。

特に、電池電圧や電流値により単電池１１の抵抗異常を検出しないので、電圧監視ユニット２０や電流センサ２１の検出誤差による検出精度の低下を抑制することができ、上記実施例１で説明した低レート領域や低レート充放電／低抵抗領域でも、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１を精度よく検出することができる。

また、本実施例の電池異常判別処理は、温度上昇傾向（昇温変化量）のみならず温度降下傾向（降温変化量）の相違に基づいて、電流遮断器１１ｂが作動した後の再導通状態にある単電池１１を検出しているので、電流遮断器１１ｂが作動していない正常な単電池１１の、劣化等による発電素子１１ａの内部抵抗の増加に伴う温度上昇や冷却機能の低下による組電池１０の温度上昇の影響を低減して精度よく電流遮断器１１ｂが作動した単電池１１の異常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）
１１ａ 発電要素
１１ｂ 電流遮断器
２０ 電圧監視ユニット
２１ 電流センサ
２２ 温度センサ
３１，３２ システムメインリレー
４１ 昇圧回路
４２ インバータ
４３ モータ・ジェネレータ
５０ コントローラ
５１ 異常検出部
５２ 記憶部
６０ 補機
７０ 冷却装置

Claims (7)

1. 車両に搭載される蓄電システムであって、
   電流経路を遮断する電流遮断器を有する蓄電素子が複数直列に接続された蓄電装置と、
   前記複数の蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、
   前記蓄電装置に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記複数の蓄電素子の温度を検出する温度センサと、
   前記電流遮断器が作動した後に再導通した前記蓄電素子の異常状態を判別するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   前記蓄電素子間の温度差が所定値以上である場合に、前記蓄電装置からの電力を受けて動作し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させ、前記消費電力の変動に伴う前記電圧センサによる検出電圧および前記電流センサによる検出電流に基づいて、電流の変化量に対する電圧の変化量を示す前記蓄電素子の抵抗を算出し、算出した抵抗が閾値よりも高いときに、前記蓄電素子が前記異常状態であると判別することを特徴とする蓄電システム。
2. 前記コントローラは、前記電流センサによる検出電流が前記電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記コントローラは、前記電流センサによる検出電流が前記電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下の継続時間が所定時間以上である場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される電力消費機器の消費電力を変動させることを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
4. 前記コントローラは、前記蓄電素子間の温度差が所定値以上である場合に、前記蓄電装置の充放電制御の入出力上限値を低く設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム。
5. 車両に搭載される蓄電システムであって、
   電流経路を遮断する電流遮断器を有する蓄電素子が複数直列に接続された蓄電装置と、
   前記複数の蓄電素子の温度を検出する温度センサと、
   前記蓄電装置を冷却する冷却装置と、
   前記温度センサによる検出温度に基づいて前記蓄電素子の単位時間当たりの昇温変化量及び降温変化量を算出し、前記電流遮断器が作動した後に再導通した前記蓄電素子の異常状態を判別するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   前記昇温変化量が第１閾値以上である場合に前記冷却装置を駆動し、前記冷却装置による前記蓄電装置の冷却に伴う前記降温変化量が第２閾値以上であるときに、前記蓄電素子が前記異常状態であると判別することを特徴とする蓄電システム。
6. 前記蓄電装置に流れる電流を検出する電流センサをさらに有し、
   前記コントローラは、前記電流センサによる検出電流が前記電流センサの検出誤差に応じた異常判定許容値以下である場合、前記昇温変化量及び降温変化量に基づいて、前記各蓄電素子の異常状態を判別することを特徴とする請求項５に記載の蓄電システム。
7. 前記コントローラは、前記昇温変化量が第１閾値以上である場合に、前記蓄電装置の充放電制御の入出力上限値を低く設定することを特徴とする請求項５又は６に記載の蓄電システム。

Images