JP2019133801A - Battery pack disconnection determination system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池パックの断線判定システムに関する。 The present invention relates to a battery pack disconnection determination system.
従来から、複数の組電池を備えた電池パックの各組電池について、断線の有無を診断する装置が知られている。例えば、特開2016−096592号公報には、セルと並列に接続されたスイッチをオープンにしたときの各セルの端子電圧であるオープン電圧を用いて各セルの異常を診断する監視装置が開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an apparatus for diagnosing the presence or absence of disconnection for each assembled battery of a battery pack including a plurality of assembled batteries. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2006-096592 discloses a monitoring device that diagnoses an abnormality of each cell using an open voltage that is a terminal voltage of each cell when a switch connected in parallel with the cell is opened. ing.
しかし、オープン電圧から断線状態を判断する方法では、電池に負荷が接続され、電流が流れている状態では、断線状態の検知が難しい。例えば、電池を使用しながら断線状態を検知することが難しい。 However, in the method of determining the disconnection state from the open voltage, it is difficult to detect the disconnection state when a load is connected to the battery and current is flowing. For example, it is difficult to detect a disconnection state while using a battery.
ここに開示する電池パックの断線判定システムは、複数の組電池が並列に接続された電池パックの温度を測定する第1温度センサと、電池パック内の空気の温度を測定する第2温度センサと、電池パックに流れる電流を測定する電流計と、演算装置とを備えている。演算装置は、記憶部と、第1演算部と、第2演算部と、第1判定部とを備えている。記憶部は、第1温度センサによって測定される電池パックの温度と、第2温度センサによって測定される電池パック内の空気の温度と、電流計によって測定される電池パックに流れる電流とに基づいて電池パックの予想昇温速度を演算する演算式を記憶する。第1演算部は、上記演算式に基づいて電池パックの予想昇温速度を演算する。第2演算部は、第1温度センサによって測定される電池パックの温度から電池パックの実昇温速度を算出する。第1判定部は、実昇温速度が予想昇温速度よりも大きい場合に、電池パックは断線した組電池を含んでいると判定する。 The battery pack disconnection determination system disclosed herein includes a first temperature sensor that measures the temperature of a battery pack in which a plurality of assembled batteries are connected in parallel, and a second temperature sensor that measures the temperature of air in the battery pack. And an ammeter for measuring the current flowing through the battery pack and an arithmetic unit. The calculation device includes a storage unit, a first calculation unit, a second calculation unit, and a first determination unit. The storage unit is based on the temperature of the battery pack measured by the first temperature sensor, the temperature of the air in the battery pack measured by the second temperature sensor, and the current flowing through the battery pack measured by the ammeter. An arithmetic expression for calculating the expected temperature increase rate of the battery pack is stored. The first calculation unit calculates an expected temperature increase rate of the battery pack based on the calculation formula. The second calculation unit calculates the actual temperature increase rate of the battery pack from the temperature of the battery pack measured by the first temperature sensor. The first determination unit determines that the battery pack includes a disconnected assembled battery when the actual temperature increase rate is greater than the expected temperature increase rate.
上記電池パックの断線判定システムによれば、電池パックに電流が流れている状態であっても断線した組電池があるかどうかを判定することができる。 According to the battery pack disconnection determination system, it is possible to determine whether there is a disconnected assembled battery even when a current is flowing through the battery pack.
以下、電池パックの断線判定システムの一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。 Hereinafter, an embodiment of a battery pack disconnection determination system will be described. It should be noted that the embodiments described herein are not intended to limit the present invention. Each figure is a schematic diagram and does not necessarily reflect the actual product faithfully. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | play the same effect | action, and the overlapping description is abbreviate | omitted or simplified suitably.
図1は、二次電池システム10の模式図である。二次電池システム10は、例えば、電池の放電によって車両を走行させ、車両の回生制動により電池に充電を行う車載の二次電池システムである。図1に示すように、この実施形態に係る二次電池システム10は、電池パック20と、モータジェネレータ30と、制御回路40と、電子制御ユニット(ECU:Electric Control Unit)50と、断線判定システム60とを備えている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a
電池パック20は、複数の組電池21が並列に接続されたものである。電池パック20は、複数の組電池21と、ケース22とを備えている。組電池21は、複数の電池セル23が組み合わされた電池である。
The
電池セル23は、ここでは密閉型の電池セルである。電池セル23は、電池ケースを備え、電池ケース内部に電極体と電解液とを収納している。電池セル23は、ここでは、充電および放電可能に構成された二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池である。ただし、電池セル23の種類は特に限定されない。電極体の正極および負極は電池ケースの外部に取り出され、それぞれ電池セル23の正極23aおよび負極23bを構成している。
Here, the battery cell 23 is a sealed battery cell. The battery cell 23 includes a battery case, and an electrode body and an electrolytic solution are accommodated in the battery case. Here, the battery cell 23 is a secondary battery configured to be chargeable and dischargeable, for example, a lithium ion battery. However, the type of the battery cell 23 is not particularly limited. The positive electrode and the negative electrode of the electrode body are taken out of the battery case, and constitute the
図1に示すように、組電池21において、複数の電池セル23は直列に接続されている。複数の電池セル23は、例えば、バスバーによって電気的に接続されている。1つの電池セル23の正極23aには、他の電池セル23の負極23bが接続され、組電池21の要部を構成している。バスバーは、複数の電池セル23を電気的に接続するとともに、物理的に固定している。直列に接続された複数の電池セル23において他の電池セル23と接続されていない端部の正極は、組電池21の正極21aを構成している。直列に接続された複数の電池セル23において他の電池セル23と接続されていない端部の負極は、組電池21の負極21bを構成している。
As shown in FIG. 1, in the assembled
電池パック20は、複数の組電池21を備えている。電池パック20は、複数の組電池21を組み合わせて大容量化した電池である。電池パック20において、複数の組電池21は、並列に接続されている。電池パック20においては、組電池21の正極21a同士が接続され、電池パック20の正極20aを構成している。また、組電池21の負極21b同士が接続され、電池パック20の負極20bを構成している。組み合わされた複数の組電池21は、ケース22に収容されている。ケース22の外側には、電池パック20の正極20aおよび負極20bが取り出されている。
The
電池パック20の正極20aおよび負極20bは、制御回路40を介してモータジェネレータ30に接続されている。モータジェネレータ30は、電池パック20の放電により車両を走行させるための駆動力を生成するとともに、車両の回生制動時には、回生制動に伴う運動エネルギーを電気エネルギーに変換する部位である。
The
制御回路40は、電池パック20が放電する電力によってモータジェネレータ30を駆動する際、および、モータジェネレータ30が生成した電力によって電池パック20に充電が行われる際に、直流/交流の変換や電圧の変換などを行う部位である。制御回路40は、例えば、インバータなどを備えている。
When the
電子制御ユニット50は、モータジェネレータ30と制御回路40とを制御して、放電/充電の切り替えや出力の制御を行う部位である。電子制御ユニット50は、モータジェネレータ30と制御回路40とを制御して放電/充電の管理を行うだけでなく、電池パック20の放電/充電の履歴を記録している。
The
断線判定システム60は、電池パック20内の組電池21の断線の有無および程度を判定するシステムである。図1に示すように、断線判定システム60は、第1温度センサ61と、第2温度センサ62と、電流計63と、演算装置64とを備えている。
The
第1温度センサ61は、電池パック20の温度を測定する部材である。第1温度センサ61の構成は限定されないが、例えば、熱電対やサーミスタを備えている。第1温度センサ61は、電池パック20内の電池セル23の温度を測定している。第1温度センサ61は、電池パック20の温度を代表すると考えられる1つの電池セル23の温度を測定してもよいし、複数の電池セル23の温度を測定してもよい。
The
第2温度センサ62は、電池パック20内の空気の温度を測定する部材である。第2温度センサは、電池パック20のケース22内の空気の温度を測定している。第2温度センサ62は、電池パック20内の気温を代表すると考えられる1つの場所で空気の温度を測定してもよいし、複数の場所で空気の温度を測定してもよい。
The
電流計63は、電池パック20に流れる電流を測定する部材である。ここでは、電流計63は、電池パック20の正極20aと負極20bとの間に構成された回路C1に設けられている。回路C1は、負荷として制御回路40を有している。回路C1における電流計63の場所は特に限定されない。電流計63は、電子制御ユニット50の制御に基づいて変化する、回路C1の電流の値を測定している。
The
演算装置64は、電池パック20内の組電池21の断線の有無および程度を判定する部材である。演算装置64は、例えば、マイクロコンピュータである。マイクロコンピュータのハードウェア構成は特に限定されないが、例えば、外部機器からデータ等を受信するインターフェイス(I/F)と、プログラムの命令を実行する中央演算処理装置(CPU:central processing unit)と、CPUが実行するプログラムを格納したROM(read only memory)と、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるRAM(random access memory)と、上記プログラムや各種データを格納するメモリ等の記憶装置とを備えている。演算装置64は、記憶部64aと、第1演算部64bと、第2演算部64cと、第1判定部64dと、第3演算部64eと、第2判定部64fと、出力部64gとを備えている。
The
記憶部64aは、第1温度センサ61によって測定される電池パック20の温度と、第2温度センサ62によって測定される電池パック20内の空気の温度と、電流計63によって測定される電池パック20に流れる電流とに基づいて電池パック20の予想昇温速度を演算する演算式を記憶する部位である。記憶部64aが記憶する演算式は必ずしも限定されないが、例えば、以下のような演算式である。
Vt={I2R−h(Tb−Ta)}/C
ここで、Vtは電池パック20の予想昇温速度、Iは電池パック20に流れる電流、Rは電池パック20の電気抵抗、hは電池パック20の熱コンダクタンス、Tbは電池パック20の温度、Taは電池パック20内の空気の温度、Cは電池パック20の熱容量である。予想昇温速度Vtは、電池パック20に電流Iが流れることによって発生する時間当たりの熱量から放熱で失われる時間当たりの熱量を減じたものを、電池パック20の熱容量で除したものである。
The
Vt = {I 2 R-h (Tb-Ta)} / C
Here, Vt is the expected temperature increase rate of the
第1演算部64bは、上記演算式に基づいて電池パック20の予想昇温速度Vtを演算する部位である。第1演算部64bは、第1温度センサ61によって測定される電池パック20の温度Tb、第2温度センサ62によって測定される電池パック20内の空気の温度Ta、電流計63によって測定される電池パック20に流れる電流Iを、それぞれ定期的に取得している。ただし、電池パック20の温度Tbの取得と、電池パック20内の空気の温度Taの取得と、電池パック20に流れる電流Iの取得とは、直接には演算装置64の他の部位が行ってもよい。
The
第2演算部64cは、第1温度センサ61によって測定される電池パック20の温度から電池パック20の実昇温速度を算出する部位である。第2演算部64cは、例えば、ある時点で測定された電池パック20の温度と当該時点の近傍の時点で測定された電池パック20の温度との差分、および、両測定の間の時間から電池パック20の実昇温速度Vcを算出する。
The
第1判定部64dは、実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きい場合に、電池パック20は断線した組電池21を含んでいると判定する部位である。電池パック20の組電池21のうちの1つまたはいくつかが断線した場合に実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きくなると考えられる理由については後述する。
The
第3演算部64eは、予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比を演算する部位である。第3演算部64eは、実昇温速度Vcを予想昇温速度Vtで除した値Vc/Vtを求めるように設定されている。
The
第2判定部64fは、第3演算部64eで演算されたVc/Vtの値から電池パック20内の組電池21の断線の程度を推定する部位である。また、第2判定部64fは、推定された断線の程度が所定の程度よりも大きい場合に出力部64gに信号を発するように指令する部位である。第2判定部64fによる組電池21の断線の程度の推定プロセス、および、出力部64gへの指令が必要かどうかを判定するプロセスについては後述する。出力部64gは、第2判定部64fの指令を受け、実際に信号を発する部位である。出力部64gが発した信号は、例えば、電子制御ユニット50に送信され、電子制御ユニット50に所定のダイアグとして記録される。
The
図2は、断線判定システム60による断線判定の流れを示すフローチャートである。図2に示すように、断線判定システム60による断線判定では、ステップS01において、電池パック20の温度Tb、電池パック20内の空気の温度Ta、電池パック20に流れる電流Iが取得される。前述したように、電池パック20の温度Tbは第1温度センサ61によって測定される。電池パック20内の空気の温度Taは第2温度センサ62によって測定される。電池パック20に流れる電流Iは電流計63によって測定される。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of disconnection determination by the
次いで、ステップS02では、電池パック20の予想昇温速度Vtが演算される。この演算は、ステップS01で取得された電池パック20の温度Tb、電池パック20内の空気の温度Ta、電池パック20に流れる電流Iを、記憶部64aに記憶された演算式に入力することによって得られる。
Next, in step S02, the expected temperature increase rate Vt of the
ステップS03では、電池パック20の実昇温速度Vcが算出される。第2演算部64cは、例えば、ステップS01時点で取得された電池パック20の温度とステップS01時点よりもわずかに後の時点で取得された電池パック20の温度との差分、および、両取得の間の時間から、電池パック20の実際の昇温速度である実昇温速度Vcを算出する。なお、ステップS03とステップS02は同時に行われてもよいし、順番が逆でもよい。
In step S03, the actual temperature increase rate Vc of the
ステップS04では、実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きい(Vc>Vt)かどうかが判定される。ステップS04において実昇温速度Vcが予想昇温速度Vt以下(NO)の場合には、電池パック20の組電池21はいずれも断線していないと判定され、ステップS01からの各ステップを繰り返す。ステップS04において実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きい(YES)場合には、電池パック20の組電池21のうちに断線しているものが存在すると判定され、ステップはステップS05に進む。
In step S04, it is determined whether or not the actual temperature increase rate Vc is greater than the expected temperature increase rate Vt (Vc> Vt). If the actual temperature increase rate Vc is equal to or lower than the expected temperature increase rate Vt in step S04 (NO), it is determined that none of the assembled
ステップS04において、実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きい場合に電池パック20の組電池21のうちに断線しているものが存在すると判定される理由は以下の通りである。図3は、充電または放電中の電池パック20の温度の推移を示すグラフである。図3の横軸は時間である。図3の縦軸は、電池パック20の温度である。図3の時間「0」は、ステップS01で電池パック20の温度Tb、電池パック20内の空気の温度Ta、電池パック20に流れる電流Iが取得された時点を表している。従って、図3はステップS01の時点以後の電池パック20の温度の推移を示している。
In step S04, when the actual temperature increase rate Vc is larger than the expected temperature increase rate Vt, the reason why it is determined that there is a disconnected battery in the assembled
図3は、例えば、電池パック20が10個の組電池21を有している場合を示しているとする。ただし、この組電池21の個数は単なる説明のための例であって、電池パック20が有する組電池21の個数を限定するものではない。図3のグラフG0は、10個の組電池21の全てが断線していない場合の電池パック20の温度の推移を示している。図3のグラフG1は、10個の組電池21のうちの1個の組電池21が断線している場合の電池パック20の温度の推移を示している。図3のグラフG2は、10個の組電池21のうちの2個の組電池21が断線している場合の電池パック20の温度の推移を示している。図3に示されているように、グラフG1の立ち上がりの角度はグラフG0の立ち上がりの角度よりも大きく、グラフG2の立ち上がりの角度はグラフG1の立ち上がりの角度よりもさらに大きい。つまり、図3は、断線した組電池21の個数が多いほど、実昇温速度Vcが大きくなることを示している。
For example, FIG. 3 shows a case where the
電池パック20に流れる電流Iは、電子制御ユニット50によって、制御回路40を介して制御されている。そこで、断線が発生していない場合、電池パック20の各組電池21には、I/10の電流が流れる。この電流により発生する時間当たりの熱量は、I/10の2乗に比例する。一方、例えば、電池パック20の10個の組電池21のうち1個が断線している場合には、電池パック20の各組電池21に流れる電流は、I/9である。この電流により発生する時間当たりの熱量は、I/9の2乗に比例する。従って、電池パック20の10個の組電池21のうち1個が断線している場合の1個の組電池21の時間当たり発熱量は、断線していない場合の約1.2倍となる。同様に、電池パック20の10個の組電池21のうち2個が断線している場合の1個の組電池21の時間当たり発熱量は、断線していない場合の約1.6倍となる。つまり、断線した組電池21の個数が多いほど、実昇温速度Vcは予想昇温速度Vtに対して大きくなる。
The current I flowing through the
ステップS05では、予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比=Vc/Vtが演算され、演算されたVc/Vtの値から電池パック20内の組電池21の断線の程度が推定される。図3の例によれば、予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比Vc/Vtの値は、10個の組電池21のうち1個が断線していれば約1.2となり、2個が断線していれば約1.6となる。そこで、この予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比Vc/Vtの値によって何個の組電池21が断線しているのかを推定することができる。
In step S05, the ratio of the actual temperature increase rate Vc to the expected temperature increase rate Vt = Vc / Vt is calculated, and the degree of disconnection of the assembled
ステップS06では、予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比Vc/Vtが所定の閾値Aを越える(Vc/Vt>A)かどうかが判定される。予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比Vc/Vtが所定の閾値Aを越えない(NO)場合は、断線はあるものの使用に問題はないと診断され、ステップはステップS01に戻る。予想昇温速度Vtに対する実昇温速度Vcの比Vc/Vtが所定の閾値Aを越える(YES)場合は、断線した組電池21の数が所定の数を越えていて電池パック20としての性能を発揮できないと診断され、ステップS07に進む。ステップS07では、出力部64gから、断線した組電池21の数が所定の数を越えることを表す信号が発信される。
In step S06, it is determined whether the ratio Vc / Vt of the actual temperature increase rate Vc to the expected temperature increase rate Vt exceeds a predetermined threshold A (Vc / Vt> A). If the ratio Vc / Vt of the actual temperature increase rate Vc to the expected temperature increase rate Vt does not exceed the predetermined threshold A (NO), it is diagnosed that there is a disconnection but there is no problem in use, and the step returns to step S01. When the ratio Vc / Vt of the actual temperature increase rate Vc to the expected temperature increase rate Vt exceeds a predetermined threshold A (YES), the number of disconnected assembled
上記のように、この実施形態に係る電池パック20の断線判定システム60は、複数の組電池21が並列に接続された電池パック20の温度を測定する第1温度センサ61と、電池パック20内の空気の温度を測定する第2温度センサ62と、電池パック20に流れる電流を測定する電流計63と、演算装置64とを備えている。演算装置64は、記憶部64aと、第1演算部64bと、第2演算部64cと、第1判定部64dと、を備えている。記憶部64aは、第1温度センサ61によって測定される電池パック20の温度Tbと、第2温度センサ62によって測定される電池パック20内の空気の温度Taと、電流計63によって測定される電池パック20に流れる電流Iとに基づいて電池パック20の予想昇温速度Vtを演算する演算式を記憶する。第1演算部64bは、上記演算式に基づいて電池パック20の予想昇温速度Vtを演算する。第2演算部64cは、第1温度センサ61によって測定される電池パック20の温度から電池パック20の実昇温速度Vcを算出する。第1判定部64dは、実昇温速度Vcが予想昇温速度Vtよりも大きい場合に、電池パック20は断線した組電池21を含んでいると判定する。このような断線判定システム60によれば、電池パック20に電流が流れている状態であっても断線した組電池21があるかどうかを判定することができる。
As described above, the
また、上記の断線判定システム60によれば、予想温度と実温度ではなく、予想昇温速度Vtと実昇温速度Vcとが比較される。従って、予想温度と実温度との間の温度差がある程度つくまで待つ必要がなく、検知速度を向上させうる。さらに、予想温度と実温度との間の温度差を利用する場合には、誤判定を防ぐために閾値をある程度高く設定する必要があるが、断線判定システム60では、そのような閾値内においても昇温速度の変化を読み取れることが期待でき、検出精度を向上させうる。
Further, according to the
以上、ここで提案される電池パックの断線判定システムについて、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた電池パックの断線判定システムの実施形態などは、本発明を限定しない。 The battery pack disconnection determination system proposed here has been variously described. Unless otherwise stated, the embodiment of the battery pack disconnection determination system mentioned here does not limit the present invention.
10 二次電池システム
20 電池パック
20a 電池パックの正極
20b 電池パックの負極
21 組電池
21a 組電池の正極
21b 組電池の負極
22 ケース
23 電池セル
23a 電池セルの正極
23b 電池セルの負極
30 モータジェネレータ
40 制御回路
50 電子制御ユニット
60 断線判定システム
61 第1温度センサ
62 第2温度センサ
63 電流計
64 演算装置
64a 記憶部
64b 第1演算部
64c 第2演算部
64d 第1判定部
64e 第3演算部
64f 第2判定部
64g 出力部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記電池パック内の空気の温度を測定する第2温度センサと、
前記電池パックに流れる電流を測定する電流計と、
演算装置と
を備え、
前記演算装置は、
前記第1温度センサによって測定される前記電池パックの温度と、前記第2温度センサによって測定される前記電池パック内の空気の温度と、前記電流計によって測定される前記電池パックに流れる電流とに基づいて前記電池パックの予想昇温速度を演算する演算式を記憶した記憶部と、
前記演算式に基づいて前記電池パックの予想昇温速度を演算する第1演算部と、
前記第1温度センサによって測定される電池パックの温度から前記電池パックの実昇温速度を算出する第2演算部と、
前記実昇温速度が前記予想昇温速度よりも大きい場合に、前記電池パックは断線した組電池を含んでいると判定する第1判定部と
を備えている、電池パックの断線判定システム。 A first temperature sensor for measuring a temperature of a battery pack in which a plurality of assembled batteries are connected in parallel;
A second temperature sensor for measuring the temperature of air in the battery pack;
An ammeter that measures the current flowing through the battery pack;
An arithmetic unit,
The arithmetic unit is:
The temperature of the battery pack measured by the first temperature sensor, the temperature of the air in the battery pack measured by the second temperature sensor, and the current flowing through the battery pack measured by the ammeter A storage unit storing an arithmetic expression for calculating an expected temperature increase rate of the battery pack based on
A first calculation unit that calculates an expected temperature increase rate of the battery pack based on the calculation formula;
A second computing unit that calculates an actual rate of temperature rise of the battery pack from the temperature of the battery pack measured by the first temperature sensor;
A battery pack disconnection determination system, comprising: a first determination unit that determines that the battery pack includes a disconnected assembled battery when the actual temperature increase rate is greater than the expected temperature increase rate.
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