JP3649092B2

JP3649092B2 - 組電池異常検出装置

Info

Publication number: JP3649092B2
Application number: JP2000186429A
Authority: JP
Inventors: 智永杉本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002008733A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車等に搭載される駆動用組電池の異常を検出する組電池異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等に搭載される走行駆動用電池には、複数の単セルを直列に接続して構成される組電池が用いられている。組電池を構成するこれらの単セルは、少数の単セルからなるモジュールに纏められ、各モジュール毎に設けられたコントローラ（以下では、セルコントローラと呼ぶ）によってモジュールを構成する単セルの管理が行われる。そして、モジュールに含まれる単セルに不具合が生じた場合、例えば、セル電圧が他の単セルと比べて極端に低いものが有った場合には、その単セルを含むモジュールを交換するようにしている。
【０００３】
車両側には組電池全体を管理するバッテリーコントローラが設けられており、各モジュールを管理するセルコントローラとの間でシリアル通信により相互にデータが送受信される。車両起動時および充電開始時に、バッテリーコントローラは各セルコントローラに対して全ての単セルの無負荷電圧を測定するように指示を出し、セル電圧のバラツキ状況を監視している。バッテリーコントローラはセルコントローラから送信されたセル電圧に基づいてセル平均電圧および標準偏差を算出し、各セルコントローラへと転送する。そして、これらのデータに基づいて容量調整セルの選択や、異常セルの検出が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したセル電圧のバラツキは単セルの劣化等により生じるが、セルコントローラは異常単セルの検出を行ってセル電圧が許容下限値を超えないように監視している。従来の異常セル検出においては、例えば、次式（１）のような算出式が用いられており、セル電圧が式（１）を満足する場合には異常であると判断する。
【数１】
（各セル電圧）−（セル平均電圧）≧２０σ …（１）
ただし、σは集約された全セル電圧から算出される標準偏差であり、最小値としては、σmin＝１０（mV）程度の値が用いられている。
【０００５】
しかしながら、上述したような異常セル判定方法では、異常と判定される場合のセル電圧とセル平均電圧との差の最小値が２００mVであるため、異常検知度が低いという課題があった。すなわち、異常無しと判定された場合であっても、実際に各単セルのセル電圧を調査してみると、異常セルが検出される場合があった。なお、異常検知度を上げようとσminを小さくすると、正常な範囲のバラツキでも異常と判定されるという不都合が生じるため、このような方法での異常検知度向上は困難であった
【０００６】
また、組電池のＳＯＣ（state of chrage）が低い領域においては、セル容量誤差が拡大するとともに、標準偏差σも拡大するという傾向がある。そのため、標準偏差σとセル電圧バラツキとの間の相関が小さくなり、異常セル検知を適切に行うことが困難となるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、組電池のセル電圧異常を確実に検出することができる組電池異常検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、複数の単セルC1〜C96から構成されるモジュールM1〜M12を有する組電池１と、組電池１全体を制御する第１の制御装置B/Cと、複数のモジュールM1〜M12毎に設けられて、対応するモジュールM1〜M12を制御する第２の制御装置C/C1〜C/C12とを備え、第１の制御装置B/Cと第２の制御装置C/C1〜C/C12との間で相互にデータを送受信して組電池１の異常を検出する組電池異常検出装置に適用され、モジュールM1〜M12内の単セルC1〜C96のセル電圧に基づくモジュール内標準偏差を複数のモジュールM1〜M12毎に算出する算出手段C/C1〜C/C12と、判定対象モジュールのモジュール内標準偏差と複数のモジュール M1 〜 M12 のモジュール内標準偏差の平均値とに基づいて、判定対象モジュールが異常単セルを有するモジュールか否かを判定する判定手段B/Cとを備えて上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の組電池異常検出装置において、第１の制御装置B/Cを判定手段とし、第２の制御装置C/C1〜C/C12を算出手段としたものである。
【０００９】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１および請求項２の発明によれば、モジュール内標準偏差はモジュール内のセル電圧に基づいて算出されるので、セル電圧の異常な単セルがあると大きく変化する。そのため、モジュール内標準偏差同士の相関関係を調べることによって、組電池のＳＯＣによらず異常単セルを含むモジュールか否かを確実に判定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による組電池異常検出装置を説明するための図であり、装置のブロック図である。図１に示した組電池１は、９６個の単セルC1〜C96が直列に接続されたものであり、単セルC1〜C96は８個ずつまとめられてモジュールM1，…，M12を構成している。なお、組電池および各モジュールを構成する単セルの個数は上述の個数に限定されるものではない。各モジュールM1，…，M12に設けられたセルコントローラC/C1，C/C2，…，C/C12はモジュール単位に単セルを管理するものであり、それぞれ各モジュールM1〜M12から電力が供給される。
【００１２】
セルコントローラC/C1〜C/C12は各単セルの電圧，温度を検出するとともに、モジュール電圧等の電池状態の演算や、センサ異常，セルコントローラC/C1〜C/C12自体の異常を診断する等の機能を有しており、それらのデータはRAM11（後述する）に記憶される。セルコントローラC/C1〜C/C12は後述するバッテリーコントローラB/Cからの起動信号がオンされることにより起動し、起動信号がオフしたらモジュールM1〜M12からの電力もオフとなる。
【００１３】
B/Cは各セルコントローラC/C1〜C/C12を制御して組電池１全体を管理するバッテリーコントローラである。このバッテリーコントローラB/Cは車両側に搭載され、各セルコントローラC/C1〜C/C12がインタフェースI/F６を介してシリアル接続されている。バッテリーコントローラB/CはCPU３，RAM４，ROM５および送信端子SD，受信端子RDを備えており、シリアル通信により各セルコントローラC/C1〜C/C12を制御するとともに各セルコントローラC/C1〜C/C12からのデータを受信する。
【００１４】
なお、本実施の形態では、送信データ量を低減するために、各セルコントローラC/C1〜C/C12からバッテリーコントローラB/Cへと送信されるセル電圧情報は、各単セルの個々のセル電圧Ｖcではなく、モジュール内のセル電圧Ｖcを平均して得られるモジュール電圧Ｖmとした。後述するように、各モジュールM1〜M12の異常診断は、このモジュール電圧Ｖmおよび各セルコントローラC/C1〜C/C12で算出されるモジュール毎の標準偏差σmに基づいて行われる。
【００１５】
各セルコントローラC/C1〜C/C12から送信されたデータはバッテリーコントローラB/CのRAM４（バックアップRAM）に記憶され、バッテリーコントローラB/Cは、これらのデータに基づいてセルコントローラC/C1〜C/C12の制御や電池残存容量の演算やバッテリ異常の診断等を行う。車両には残存容量やバッテリ異常を表示するための表示装置８が設けられており、インタフェースI/F７を介してバッテリーコントローラB/CのCPU３に接続されている。なお、バッテリーコントローラB/Cは補助電池２を電源としており、車両のイグニッションスイッチおよび組電池１の充電のオン・オフに連動してオン・オフされる。
【００１６】
図２はセルコントローラC/C1の構成を示す図であり、CPU１０，RAM１１，ROM１２，A/Dコンバータ１３，インタフェースI/F１４を備えている。なお、説明は省略するが、他のセルコントローラC/C2〜C/C12も同様の構成となっている。A/Dコンバータ１３は、各単セルC1〜C8の端子電圧をデジタル信号に変換してCPU１０へ送る。このセル電圧データは一旦RAM１１に記憶され、これらのデータに基づいて上述した演算や診断を行う。演算や診断の結果はRAM１１に記憶され、バッテリーコントローラB/Cの指示を待ってシリアル通信によりバッテリーコントローラB/Cに送信される。
【００１７】
《異常電圧セル検出方法の説明》
次に、図３に示すフローチャートを用いて異常電圧セル検出方法について説明する。図３は、セルコントローラC/CとバッテリーコントローラB/Cの異常診断動作を示すフローチャートである。例えば、車両が起動されると、バッテリーコントローラB/CおよびセルコントローラC/Cは図３に示す動作を開始する。
【００１８】
ステップＳ１において、バッテリーコントローラB/Cはセル電圧測定の指示信号を各セルコントローラC/C1〜C/C12へと送信する。各セルコントローラC/C1〜C/C12は、バッテリーコントローラB/Cからの指示信号を受信したならば、ステップＳ１１において各単セルのセル電圧Ｖcを測定する。続くステップＳ１２では、セル電圧Ｖcに基づいてモジュール電圧Ｖmおよびモジュール内のセル電圧の標準偏差であるモジュール内標準偏差σmが算出される。ステップＳ１３では、算出されたモジュール電圧Ｖmおよびモジュール内標準偏差σmが各セルコントローラC/C1〜C/C12からバッテリーコントローラB/Cへと送信される。
【００１９】
バッテリーコントローラB/Cは、各セルコントローラC/C1〜C/C12からのモジュール電圧Ｖmおよびモジュール内標準偏差σmを受信すると、ステップＳ２において、モジュール電圧Ｖmに基づいて組電池全体に関する標準偏差σtotalを算出する。ステップＳ３は、モジュール内標準偏差σmが、標準偏差σmの平均σmaveおよび組電池全体の標準偏差σtotalに対して次式（２）を満たしているか否かを判定するステップである。
【数２】
σm≧χ｛σmave−σtotal｝ …（２）
なお、式（２）において、σtotalはモジュール電圧Ｖmを用いて算出される標準偏差である。また、係数χはモジュールM1〜M12に含まれる電池の個数や、電池の種類によって定められる定数である。
【００２０】
ステップＳ３においてσmが式（２）を満足している判断されると、ステップＳ４へ進み、モジュールに異常セルが含まれていることを示すフラグをたてる。一方、ステップＳ３においてσmが式（２）を満足していないと判断されると、ステップＳ５へ進んでモジュールは正常であることを示すフラグをたてる。ステップＳ６は全てのモジュールM1〜M12について異常判断が終了したか否かを判断するステップであり、終了していないと判断されるとステップＳ３へ戻り、終了したと判断されると一連の処理を終了する。
【００２１】
上述した説明では、車両起動時に図３に示す異常診断処理が行われるとしたが、この異常診断処理は車両停止状態および走行状態のいずれにおいても実行可能である。しかし、異常判断を正確に行うためには、車両起動時や充電開始時の無負荷時に実行したり、定常負荷走行時に実行したりするのが良い。
【００２２】
図４は、各モジュールM1〜M12に含まれる単セルのセル電圧Ｖcの実例を示したものである。モジュールM1に含まれる６番目の単セルのセル電圧Ｖcは、組電池に含まれる他の単セルと比べて１０％程度電圧が低くなっており、一般的には、この単セルは異常と見なされる。しかしながら、式（１）を用いた従来の診断方法によると、（３）式のような不等式が成り立ち、この場合にはセル異常判断が成されない。
【数３】
セル電圧の最大値（Ｖ）：４．１５
セル電圧の最小値（Ｖ）：３．６
セル電圧の平均値（Ｖ）：４．０９８６８８
平均値−最小値（ｍＶ）：４９８．６８７５←（１）式左辺
標準偏差σ（ｍＶ）：５４．４２７３８
異常判定値２０σ（ｍＶ）：１０８８．５４８←（１）式右辺
｛（１）式左辺｝＜｛（１）式右辺｝ …（３）
【００２３】
一方、本実施の形態のようにモジュール内標準偏差σmに基づいて異常判断を行う場合、各モジュールM1〜M12のモジュール内標準偏差σm1〜σm12は図４に示すような値となり、それらの分布をグラフに表すと図５のようになる。セル電圧Ｖc＝３．６（Ｖ）の異常な単セルを含むモジュールM1のモジュール内標準偏差σm1は、他のモジュールM2〜M12のモジュール内標準偏差σm2〜σm12に比べて著しく大きくなっている。図６は参考データであり、モジュールM1の６番目の単セルのセル電圧が、３．９（Ｖ）、４（Ｖ）、４．０３（Ｖ）であった場合のモジュール内標準偏差σm1の値を示したものである。
【００２４】
図４および図６から分かるように、セル電圧Ｖcが平均値から離れるに従いモジュール内標準偏差σmは著しく変化することが分かる。このように、本実施の形態では、各モジュール毎に算出されたモジュール内標準偏差σm同士で相関関係を見るとともに、組電池全体の標準偏差σtotalとの比較を行うことによって、正常なモジュールと異常単セルを含む異常モジュールとを確実に判別することができ、従来のようにセル電圧異常を見逃すようなことが無い。
【００２５】
また、セル容量誤差が拡大するＳＯＣの低い領域でもσm同士や、σmとσtotalとの間には相関があるので、ＳＯＣが低い領域であっても異常モジュールを検出することができる。
【００２６】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、バッテリーコントローラB/Cは第１の制御装置および判定手段を、セルコントローラC/C1〜C/C12は第２の制御装置および算出手段をそれぞれ構成する。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による組電池異常検出装置のブロック図である。
【図２】セルコントローラC/C1の構成を示す図である。
【図３】異常診断の手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】各モジュールM1〜M12に含まれる単セルのセル電圧Ｖcの実例を示す図である。
【図５】モジュール内標準偏差σmの分布をグラフ化して示した図である。
【図６】モジュールM1のセル電圧の変化に対するモジュール内標準偏差σmの変化を説明する図。
【符号の説明】
１組電池
B/C バッテリーコントローラ
C1〜C96 単セル
C/C1〜C/C12 セルコントローラ
M1〜M12 モジュール
σm，σm1〜σm12 モジュール内標準偏差

Claims

複数の単セルから構成されるモジュールを複数有する組電池と、前記組電池全体を制御する第１の制御装置と、前記複数のモジュール毎に設けられて、対応するモジュールを制御する第２の制御装置とを備え、前記第１の制御装置と前記第２の制御装置との間で相互にデータを送受信して前記組電池の異常を検出する組電池異常検出装置において、
前記モジュール内の単セルのセル電圧に基づくモジュール内標準偏差を前記複数のモジュール毎に算出する算出手段と、
判定対象モジュールの前記モジュール内標準偏差と前記複数のモジュールの前記モジュール内標準偏差の平均値とに基づいて、前記判定対象モジュールが異常単セルを有するモジュールか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とする組電池異常検出装置。
請求項１に記載の組電池異常検出装置において、
前記判定手段は前記第１の制御装置であって、前記算出手段は前記第２の制御装置であることを特徴とする組電池異常検出装置。