JP4902066B2 - 電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車両等に搭載され、ニッケル−水素バッテリなどのアルカリ二次電池である単電池が複数個接続された組電池を内蔵した電池パックの電池劣化を判定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、電気自動車（ＰＥＶ）や、エンジンとモータを備えたいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）において、モータを駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度（すなわち、コンパクトにエネルギーを蓄積できる）と高い出力密度の点から、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）バッテリが主に使用されている。かかるＰＥＶやＨＥＶでは、モータに対して十分な出力を供給できるように、単電池を複数個組み合わせて１つの組電池とし、その組電池が電池制御部等とともに電池パックに内蔵されている。
【０００３】
かかるＰＥＶ等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池を構成して使用する場合、単電池の特性が基本的にすべて同じになり、組電池としての性能が十分に発揮できるように設計されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池の特性がすべて同じになるように組電池を構成することは、実際には製造上不可能である。このため、例えば、特開平１−１３４８７７号公報には、鉛蓄電池に１つの長寿命セルと数個の通常セルを設け、長寿命セルと通常セルとの電圧差を常にモニターして、この電圧差が一定値以上になった時に寿命劣化警報を出す旨の構成が開示されている。
【０００５】
かかる従来の鉛蓄電池は、主にエンジン始動を目的とするものであり、例えば電圧１２Ｖを得るために２Ｖ用単電池が６個直列に接続されるだけである。これに対して、ＰＥＶ等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池が構成される場合、安全確実に電池の劣化判定を行なうためには、単電池毎の電池状態を監視する必要があるが、単電池数が非常に多いので、製造が困難であり、またコストが増大するという問題がある。
【０００６】
一方、電池を重大な不具合に至らない範囲で制御することが可能なブロック単位で電圧等を検出し電池パックの充放電制御を行なっていると、単電池毎の電池状態が認識できず、寿命に至る電池の発生時期や発生個所、また劣化の兆候の見極めが困難である。よって、電池パックの交換時期の指標や基準が明確でないため、ＰＥＶやＨＥＶのように電池を動力源に用いている場合、車両走行性能に影響を及ぼす可能性があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで寿命末期判定を安全確実に行なうことが可能な電気自動車等用の電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電池パックシステムは、二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックシステムであって、組電池は、充放電が行なわれるにつれて、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池が配設されて成ることを特徴とする。
【０００９】
この電池パックシステムにおいて、組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、比較判定用単電池の電圧を検出する第１の電圧検出部と、他の単電池の電圧をブロック単位で検出する第２の電圧検出部と、少なくとも電流検出部からの電流データと第１の電圧検出部からの電圧データとに基づいて、比較判定用単電池の第１の内部抵抗を算出する第１の内部抵抗算出部と、少なくとも電流検出部からの電流データと第２の電圧検出部からの電圧データとに基づいて、他の単電池の第２の内部抵抗を算出する第２の内部抵抗算出部と、第１の内部抵抗と第２の内部抵抗とに基づいて、電池劣化判定を行なう劣化判定部とを備えることが好ましい。
【００１０】
この場合、比較判定用単電池は、他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することが好ましい。
【００１１】
または、比較判定用単電池は、他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることが好ましい。
【００１２】
また、二次電池はニッケル・水素二次電池であることが好ましい。
【００１３】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電池パックの劣化判定方法は、二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックの劣化を判定する方法であって、組電池は、充放電が行なわれるにつれて、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池が配設されて成り、比較判定用単電池の第１の内部抵抗をセル単位でモニターする工程と、他の単電池の第２の内部抵抗をブロック単位でモニターする工程と、第１の内部抵抗と第２の内部抵抗とを比較することにより、電池劣化判定を行なうことを特徴とする。
【００１４】
この場合、比較判定用単電池は、他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することが好ましい。
【００１５】
または、比較判定用単電池は、他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることが好ましい。
【００１６】
また、二次電池はニッケル・水素二次電池であることが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、電池パックを構成する組電池に、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池を設け、この比較判定用単電池の内部抵抗をセル単位でモニターし、他の単電池については、電圧等の検出が行われるブロック単位で内部抵抗をモニターして、両方の内部抵抗を比較することで、安全、確実、低コストで電池寿命の末期判定を行なうことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態による電池パックの構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１において、１は、ＨＥＶ等に搭載される、二次電池、例えばニッケル−水素バッテリで構成された電池パックである。この電池パック１は、通常、モータに対する所定の出力を得るため、ニッケル−水素バッテリである多数の単電池が電気的に直列接続された第１電池モジュール１１、第２電池モジュール１２、第３電池モジュール１３、第４電池モジュール１４、第５電池モジュール１５をさらに複数個電気的に直列接続した構成をとる。各電池モジュール１１、１２、１３、１４、１５は、後述するが電池電圧を検出するブロック単位で分けられている。また、第１電池モジュール１１については、後述するが比較判定用単電池１１１の電圧がセル単位で検出される。
【００２１】
第１電池モジュール１１には、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池１１１が配設されている。この比較判定用単電池１１１は、他の単電池に比べて、通常の電池特性には差がない程度で、目付重量が大きいセパレータを有して構成されるか、または電解液量を少なくして構成される。一般に、充放電が行われるにつれて、極板の膨張や酸化等によりセパレータの電解液が消費され、セパレータの保液量がある一定の閾値を下回ると、電池の内部抵抗の上昇が始まる。すなわち、比較判定用単電池１１１は、他の単電池に比べて初期のセパレータの保液量が少ないため、充放電が行なわれるにつれて、常に最初にセパレータの電解液の保液量が閾値を下回ることで、内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まることになる。
【００２２】
図２は、電池容量が１０Ａｈの電池パックにおいて、充放電パルスサイクルに対する内部抵抗の変化を、電解液量を少なくした（３１ｇ）比較判定用単電池電池（曲線Ａ）と電解液量が通常量である（３７ｇ）他の単電池（曲線Ｂ）とで比較例示した図である。なお、図２において、１回の充放電サイクルは、２０Ａ、１分間の充電パルス期間と２０Ａ、１分間の放電パルス期間からなる。図２に示すように、曲線Ａの比較判定用単電池のほうが、曲線Ｂの他の単電池よりも早く内部抵抗が上昇している。
【００２３】
再び、図１に戻って、２は、電池パック１に対する電圧検出用スイッチであり、比較判定用単電池１１１の電圧および第１から第５電池モジュール１１、１２、１３、１４、１５のそれぞれの電池電圧を時系列で所定時間毎に電圧サンプルＶ０（ｎ）、Ｖ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）、Ｖ３（ｎ）、Ｖ４（ｎ）、Ｖ５（ｎ）として検出するためのスイッチ２０、２１、２２、２３、２４、２５からなる。
【００２４】
３は、電池パック１に対する温度検出用スイッチであり、第１から第５電池モジュール１１、１２、１３、１４、１５のそれぞれと温度結合して配設された温度センサ４１、４２、４３、４４、４５で測定されたそれぞれの電池温度を時系列で所定時間毎に温度サンプルＴ１（ｎ）、Ｔ２（ｎ）、Ｔ３（ｎ）、Ｔ４（ｎ）、Ｔ５（ｎ）として検出するためのスイッチ３１、３２、３３、３４、３５からなる。
【００２５】
４は電流検出部であり、電流センサ（不図示）から出力される電池パック１の充放電電流を所定時間毎にサンプリングし、電流サンプルＩ（ｎ）を取得して電流の大きさを検出すると共に、その符号により充電であるのか放電であるのかの充放電方向Ｃ／Ｄも検出する。
【００２６】
５は電池コントローラであり、制御信号ＶＣにより電圧検出用スイッチ２０、２１、２２、２３、２４、２５を時系列にオン状態にして取得した電圧サンプルＶ０（ｎ）、Ｖ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）、Ｖ３（ｎ）、Ｖ４（ｎ）、Ｖ５（ｎ）と、制御信号ＴＣにより温度検出用スイッチ３１、３２、３３、３４、３５を時系列にオン状態にして取得した温度サンプルＴ１（ｎ）、Ｔ２（ｎ）、Ｔ３（ｎ）、Ｔ４（ｎ）、Ｔ５（ｎ）と、電流検出部５からの電流サンプルＩ（ｎ）および充放電方向Ｃ／Ｄとから、電池パック１の残存容量を演算により求め、電池パック１に対する充放電制御のために、外部のシステム制御部（不図示）に電池情報ＢＩとして送信する。
【００２７】
また、電池コントローラ５は、演算により求めた残存容量が内部抵抗変化の小さい残存容量範囲において、電圧サンプルＶ０（ｎ）と電流サンプルＩ（ｎ）および充放電方向Ｃ／Ｄとに基づいて、比較判定用単電池１１１の内部抵抗を算出し、電圧サンプルＶ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）、Ｖ３（ｎ）、Ｖ４（ｎ）、Ｖ５（ｎ）と電流サンプルＩ（ｎ）および充放電方向Ｃ／Ｄとに基づいて、各電池モジュール１１、１２、１３、１４、１５における他の単電池の内部抵抗を算出し、他の単電池の内部抵抗を比較判定用単電池１１１の内部抵抗と比較することにより、電池パックの劣化状態を判断し、電池寿命末期と判定した場合、外部のシステム制御部（不図示）に電池情報ＢＩにより警告信号を送信する。
【００２８】
次に、このように構成された電池パックシステムの劣化判定方法について、図３を参照して説明する。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態による電池パックの劣化判定方法における劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。
【００３０】
図３において、まず、比較判定用単電池１１１および各電池モジュール１１、１２、１３、１４、１５の電圧サンプルＶｉ（ｎ）、電流サンプルＩｉ（ｎ）、温度サンプルＴｉ（ｎ）を取得して、残存容量ＳＯＣｉ（ｎ）を演算する（Ｓ３０１）。次に、演算した残存容量ＳＯＣｉ（ｎ）が内部抵抗変化の小さい残存容量範囲において、電圧サンプルＶｉ（ｎ）および電流サンプルＩｉ（ｎ）をプロットして、そのＶｉ（ｎ）−Ｉｉ（ｎ）特性から、比較判定用単電池１１１の内部抵抗ＲＡおよび他の単電池の内部抵抗ＲＢを算出する（Ｓ３０２）。
【００３１】
次に、内部抵抗ＲＡと内部抵抗ＲＢとの差分値（ＲＡ−ＲＢ）が、所定の閾値Ｒｓを超えているか否かを判断する（Ｓ３０３）。この判断の結果、ＲＡ−ＲＢ≦Ｒｓであった場合（Ｎｏ）、比較判定用単電池１１１の内部抵抗ＲＡは増大しておらず、劣化に至っていないため、電池パック１は寿命末期でないと判定し（Ｓ３０４）、ステップＳ３０１に戻る。
【００３２】
一方、ステップＳ３０３における判断の結果、充放電サイクルが繰り返されて、比較判定用単電池１１１の内部抵抗ＲＡが増大し、ＲＡ−ＲＢ＞Ｒｓとなった場合（Ｙｅｓ）、劣化が進行しており、電池パック１は寿命末期であると判定し（Ｓ３０５）、外部のシステム制御部に警告信号を送信する（Ｓ３０６）。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで寿命末期判定を安全確実に行なうことが可能な電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法を提供することができる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による電池パックの構成を示すブロック図
【図２】 充放電パルスサイクルに対する内部抵抗の変化を示す図
【図３】 本発明の一実施形態による電池パックの劣化判定方法における劣化判定ルーチンを示すフローチャート
【符号の説明】
１ 電池パック
２ 電圧検出用スイッチ
３ 温度検出用スイッチ
４ 電流検出部
５ 電池コントローラ
１１１ 比較判定用単電池

Claims (9)

1. 二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックシステムであって、
   前記組電池は、充放電が行なわれるにつれて、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池が配設されて成ることを特徴とする電池パックシステム。
2. 前記組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記比較判定用単電池の電圧を検出する第１の電圧検出部と、
   前記他の単電池の電圧をブロック単位で検出する第２の電圧検出部と、
   少なくとも前記電流検出部からの電流と前記第１の電圧検出部からの電圧とに基づいて、前記比較判定用単電池の第１の内部抵抗を算出する第１の内部抵抗算出部と、
   少なくとも前記電流検出部からの電流と前記第２の電圧検出部からの電圧とに基づいて、前記他の単電池の第２の内部抵抗を算出する第２の内部抵抗算出部と、
   前記第１の内部抵抗と前記第２の内部抵抗とに基づいて、電池劣化判定を行なう劣化判定部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電池パックシステム。
3. 前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することを特徴とする請求項１または２記載の電池パックシステム。
4. 前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることを特徴とする請求項１または２記載の電池パックシステム。
5. 前記二次電池はニッケル・水素二次電池である請求項１から４のいずれか一項記載の電池パックシステム。
6. 二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックの劣化を判定する方法であって、
   前記組電池は、充放電が行なわれるにつれて、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池が配設されて成り、
   前記比較判定用単電池の第１の内部抵抗をセル単位でモニターする工程と、
   前記他の単電池の第２の内部抵抗をブロック単位でモニターする工程と、
   前記第１の内部抵抗と前記第２の内部抵抗とを比較することにより、電池劣化判定を行なうことを特徴とする電池パックの劣化判定方法。
7. 前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することを特徴とする請求項６記載の電池パックの劣化判定方法。
8. 前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることを特徴とする請求項６記載の電池パックの劣化判定方法。
9. 前記二次電池はニッケル・水素二次電池である請求項６から８のいずれか一項記載の電池パックの劣化判定方法。

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