JP5343299B2 - 電池故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は組電池の故障検出装置に関する。

多数のセル電池を直列に接続して高電圧の電源を負荷へ供給する組電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の組電池では、セル電池どうしを端子により直列に接続して高電圧を得ている。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００３−２７４５０２号公報

しかし、上述した従来の組電池では、セル電池どうしを端子により接続しているので、端子に酸化膜が付着して接触抵抗が増加することがあり、セル電圧を検出してセル電池の劣化を判定する場合には、端子の接触抵抗とセル電池の内部抵抗との判別が難しく、セル電池の劣化と誤判定することがある。

抵抗器とリレー接点とを直列に接続したバイパス回路を各セル電池に並列に接続し、各セル電池の両端電圧（セル電圧）と各セル電池の平均セル電圧を検出し、組電池に流れる電流を検出し、組電池に流れる電流が所定値以下のときに、前記各セル電池について、セル電圧と平均セル電圧との差の絶対値が所定値以上のセル電池であるか否かを判断し、前記差が前記所定値以上であるセル電池を、端子に酸化膜が付着していると判定し、端子に酸化膜が付着していると判定されたセル電池に対応するバイパス回路のリレー接点を所定時間閉路する。

本発明によれば、セル電池の接続部に付着した酸化膜を除去して正確なセル電圧を検出でき、セル電池の故障を正確に検出することができる。

本願発明の電池故障検出装置を、エンジンとモーターの両方の駆動力または一方の駆動力により走行するハイブリッド車両の高電圧バッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の電池故障検出装置は、ハイブリッド車両に限定されず、組電池により高電圧を負荷へ供給するあらゆる装置および機器に適用することができる。

図１は一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す。一実施の形態のハイブリッド車両はエンジン１とモーター２を備え、いずれか一方または両方の駆動力により走行する。モーター２は１台で走行駆動、エンジン始動、発電および回生制動の機能を有する。エンジン１とモーター２の駆動力はトランスミッションを介して駆動輪（不図示）に伝達される。

インバーター４はバッテリー５の直流電力を交流電力に変換してモーター２へ供給し、モーター２から走行駆動力を発生させるとともに、モーター２の回生交流電力を直流電力に逆変換し、バッテリー５を充電する。バッテリー５は、図２に示すように、ｎ個のセル電池１１〜１ｎが直列に接続された組電池である。

車両コントローラー６は車速、変速機のシフト位置、ブレーキペダルの踏み込み圧、アクセルペダルの踏み込み量などの車両情報に基づいて車両の所要駆動力を演算し、燃料消費量が最少となるようにエネルギーマネージメントを行ってエンジン１とモーター２のトルク指令を決定する。車両コントローラー６はエンジンコントローラー７を制御してエンジン１の運転と停止、トルクと回転速度を制御するとともに、モーターコントローラー８を制御してモーター２の運転と停止、トルクと回転速度を制御する。

車両コントローラー６はまた、バッテリーコントローラー９を制御してバッテリー５の充放電を制御する。エンジンコントローラー７はエンジン１のスロットルバルブ開閉制御、燃料噴射制御、点火時期制御などを行い、エンジン１のトルクと回転速度を制御する。モーターコントローラー８はモーター２の電圧と電流を制御し、モーター２のトルクと回転速度を制御する。バッテリーコントローラー９はバッテリー５の充放電制御を行うとともに、後述する制御プログラムを実行してバッテリー５を構成するセル電池の故障を判定する。

図２はバッテリー５とバッテリーコントローラー９の詳細な構成を示す。バッテリー５はｎ個のセル電池１１〜１ｎが直列に接続された組電池であり、セル電池１１〜１ｎは図３に示す端子（タブ）５１により接続されている。バッテリーコントローラー９はバッテリー制御回路２１、セル制御回路２２、電圧計２３、電流計２４、放電抵抗器３１〜３ｎ、バイパスリレー４１〜４ｎなどを備えており、バッテリー５の充放電を制御するとともにセル電池１１〜１ｎの故障判定を行う。

セル制御回路２２は、セル電池１１〜１ｎごとの両端電圧（以下、セル電圧という）Ｖc1〜Ｖcnを検出し、バイパスリレー４１〜４ｎを開閉して各セル電池１１〜１ｎのセル電圧Ｖc1〜Ｖcnが均一になるように制御する。すなわち、充電時に規定のセル電圧に達したセル電池１＊（＊＝１〜ｎ）のバイパスリレー４＊をオンし、放電抵抗３＊を介して充電電流をバイパスする。

バッテリー制御回路２１はＣＰＵ２１ａ、メモリ２１ｂ、Ａ／Ｄコンバーター２１ｃなどを備え、車両コントローラー６からの充放電指令にしたがってバッテリー５の充放電を行うとともに、後述する故障判定プログラムを実行してセル電池１１〜１ｎの故障判定を行う。バッテリー制御回路２１には、バッテリー５の両端電圧（この明細書ではバッテリー電圧または電池電圧という）ＶBを測定する電圧計２３と、バッテリー５に流れる電流（この明細書ではバッテリー電流または電池電流という）ＩBを測定する電流計２４が接続されている。

ここで、一実施の形態のセル電池１１〜１ｎの故障判定方法について説明する。各セル電池１１〜１ｎの抵抗Ｒc1〜Ｒcn［Ω］は、バッテリー５の負荷時のセル電圧Ｖc1〜Ｖcn［Ｖ］とバッテリー電流ＩB［Ａ］とに基づいて次式により算出することができる。
Ｒc1〜Ｒcn＝（Ｖc1〜Ｖcn）／ＩB ・・・（１）
なお、バッテリー５の負荷時とは、図２に示すように、バッテリー負荷であるインバーター４とバッテリー５との間に設置される負荷開閉用リレー４ａ、４ｂの閉路時をいう。リレー４ａ、４ｂが閉路されると、インバーター４を介してバッテリー５からモーター２へ、またはモーター２からバッテリー５へ電流が流れる。

各セル電池１１〜１ｎは、図４に示すように、セル電池自体と、セル電池の内部抵抗ｒ１と、セル電池接続部の接触抵抗ｒ２との直列回路で等価的に表すことができ、上記（１）式で算出されるセル電池の抵抗Ｒc1〜Ｒcnは内部抵抗ｒ１と接触抵抗ｒ２の和と考えることができる。セル電池の内部抵抗ｒ１はセル電池内部の化学変化により発生し、使用年数に応じて徐々に増加する。これに対しセル電池接続部の接触抵抗ｒ２は端子５１に酸化膜が付着して増加する。

複数のセル電池１１〜１ｎを直列に接続した組電池５では、上述したようにセル電池１１〜１ｎが経年変化により劣化して内部抵抗ｒ１が徐々に増加する。このとき、セル電池１１〜１ｎごとの劣化度合いは均一ではなくセル電池１１〜１ｎごとに異なるため、劣化による内部抵抗ｒ１に差が生じて各セル電池１１〜１ｎの充電容量にバラツキが生じる。そのため、各セル電池１１〜１ｎのセル電圧Ｖc1〜Ｖcn［Ｖ］を監視し、セル電圧Ｖcの最も低いセル電池のセル電圧Ｖcを基準にして他のセル電池の容量調整を行う。すなわち、他のセル電池のセル電圧Ｖcが前記基準電圧となるように、他のセル電池のバイパスリレーを閉路して放電電流を流し、他のセル電池のセル電圧を強制的に降下させる。これにより、組電池５を構成するすべてのセル電池１１〜１ｎのセル電圧Ｖc1〜Ｖcnが均一になり、組電池５の寿命を長くすることができる。

ところが、このような容量調整を行うと、セル電圧Ｖcが最も低いセル電池にはセル電圧検出のための微弱電流しか流れず、この状態で長期間使用するとセル電圧Ｖcが最も低いセル電池の端子５１に酸化膜が付着し、接触抵抗ｒ２が増加する。その結果、容量調整を行うときにセル電圧Ｖc1〜Ｖcnを正確に測定できなくなって、容量調整を十分に行うことができなくなるので、端子５１に付着した酸化膜を除去する必要がある。

なお、セル電池１１〜１ｎの端子に金メッキ処理を施して酸化膜の付着を防止する方法も考えられるが、コストがかかるので採用し難い。

この一実施の形態では、セル電池１１〜１ｎの無負荷時のセル電圧Ｖc1〜Ｖcnを測定し、これらの平均セル電圧Ｖc_aveとの電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを求め、電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnが大きいセル電池の端子５１には酸化膜が付着していると仮定し、そのセル電池のバイパスリレーをオンしてセル電池自体を電源とする放電回路を形成し、放電電流を流して酸化膜を強制的に除去する。

電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnは次式により求める。
ΔＶc1〜ΔＶcn＝｜Ｖc_ave−（Ｖc1〜Ｖcn）｜ ・・・（２）
電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを判定基準値ΔＶcoと比較し、判定基準値ΔＶco以上の電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnがあるセル電池に対しては、その端子５１に酸化膜が付着していると仮定する。

今、セル電池１１の端子５１に酸化膜が付着していると仮定すると、セル電池１１の接触抵抗ｒ２が大きくなってセル電圧Ｖc1が増加するが、平均セル電圧Ｖc_aveはセル電圧Ｖc1の増加分の１／ｎ（ｎはセル電池個数）しか増加しない。したがって、判定基準値ΔＶcoには、このような関係を考慮し、セル劣化による内部抵抗ｒ１の増加か、または酸化膜の付着による接触抵抗ｒ２の増加かを正確に判定できる値を決定する。

図５は、バッテリーコントローラー９で実行される電池故障検出プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。ハイブリッド車両のメインスイッチ（不図示）が投入されると、バッテリー制御回路２１のＣＰＵ２１ａはこの電池故障検出プログラムを実行する。

ステップ１において電流計２４によりバッテリー電流ＩBを測定し、バッテリー電流ＩBが予め設定した電流Ｉo以下か否かを判定する。バッテリー電流ＩBが少ないほど各セル電池１１〜１ｎの内部抵抗ｒ１が小さくなり、各セル電池１１〜１ｎの抵抗Ｒc1〜Ｒcnに含まれる接触抵抗ｒ２の割合が大きくなるため、端子５１への酸化膜付着を正確に判定できる。したがって、バッテリー電流ＩBが設定電流Ｉo以下のときはステップ２へ進み、電池故障検出処理を実行する。

なお、この一実施の形態ではバッテリー電流ＩBが設定値Ｉo以下の少ないときに電池故障検出処理を行う例を示すが、バッテリー電流ＩBに関わらず予め設定した時間ごとに故障検出処理を行ってもよい。バッテリーの負荷時はセル電池の抵抗に含まれる接触抵抗の割合が小さくなるので、酸化膜付着の判定精度がわずかに低下するが、バッテリーの負荷時、無負荷時を問わず常に故障検出処理を実行するので、電池故障を早期に検出できる。
また、ハイブリッド車両のメインスイッチが投入された起動時のみ電池故障検出処理を行うようにしてもよい。これにより、ハイブリッド車両の運行を開始する前に電池故障を検出することができる。

ステップ２では電圧計２３によりバッテリー電圧ＶBを測定し、セル電池個数ｎで除して平均セル電圧Ｖc_aveを演算する。なお、セル制御回路２２に内蔵される各セル電池１１〜１ｎのセル電圧測定用電圧計はデジチェーン接続されており、瞬時に各セル電圧Ｖc1〜Ｖcnを測定することができない。そこで、電圧計２３によりバッテリー電圧ＶBを測定して平均セル電圧Ｖc_aveを演算する。

ステップ３でセル制御回路２２により各セル電池１１〜１ｎのセル電圧Ｖc1〜Ｖcnを測定する。ステップ４において上記（２）式により電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを演算し、続くステップ５で各電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnを判定基準値ΔＶcoと比較する。電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnが判定基準値ΔＶco以上のセル電池に対しては、その端子に酸化膜が付着していると仮定してステップ６へ進む。一方、電圧差ΔＶc1〜ΔＶcnが判定基準値ΔＶco以上のセル電池がない場合はステップ１へ戻り、上述した処理を繰り返す。

ステップ６において電圧差が判定基準値ΔＶco以上のセル電池に対して酸化膜除去処理を行う。説明を理解しやすくするために、ここではセル電池１１の電圧差ΔＶc1が判定基準値ΔＶco以上あるものとして説明する。セル電池１１のバイパスリレー４１を所定時間の間オン（閉路）し、セル電池１１の両端を放電抵抗器３１で短絡して放電電流を流す。ここで、上記所定時間には、端子に付着した酸化膜を除去可能な最少時間を設定する。

所定時間経過後のステップ７において制御回路２２によりセル電池１１のセル電圧Ｖc1を測定し、続くステップ８で上記（２）式により電圧差ΔＶc1を演算する。そして、ステップ９で電圧差ΔＶc1を上記判定基準値ΔＶcoと比較し、電圧差ΔＶc1が判定基準値ΔＶco以上あるか否かを判定する。電圧差ΔＶc1が判定基準値ΔＶco以上の場合は、酸化膜除去処理によっても電圧差ΔＶc1が低減されないのであるから、セル電池１１には酸化膜が付着しているのではなく、セル電池自体が劣化していると判定する。この場合はステップ１０へ進み、スピーカー（不図示）によりセル電池１１の故障警報を行う。

一方、電圧差ΔＶc1が判定基準値ΔＶcoより小さい場合は、酸化膜除去処理によって電圧差ΔＶc1が減少したのであるから、セル電池１１の端子５１に付着していた酸化膜は除去されたと判定する。この場合はステップ１へ戻り、上述した処理を繰り返す。

このように、一実施の形態によれば、複数のセル電池が直列に接続された組電池の故障を検出する電池故障検出装置において、抵抗器とリレー接点とを直列に接続したバイパス回路を各セル電池に並列に接続し、各セル電池のセル電圧と各セル電池の平均セル電圧を検出し、セル電圧と平均セル電圧との差が所定値以上のセル電池に対し、バイパス回路のリレー接点を所定時間閉路するようにしたので、セル電池の接続部に付着した酸化膜を除去して正確なセル電圧を検出でき、セル電池の故障を正確に検出することができる。

また、一実施の形態によれば、セル電圧と平均セル電圧との差が所定値以上のセル電池に対し、バイパス回路のリレー接点を所定時間閉路した後に、そのセル電池のセル電圧と平均セル電圧との差が所定値以上ある場合には、そのセル電池が故障していると判定するようにしたので、セル電池の接続部に付着した酸化膜により接触抵抗が増大したのか、セル電池の劣化により内部抵抗が増大したのかを正しく判定することができ、セル電池の故障を正確に検出できる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、バッテリー５が組電池を、セル制御回路２２がセル電圧検出手段を、電圧計２３およびバッテリー制御回路２１が平均セル電圧検出手段を、バッテリー制御回路２１が制御手段を、電流計２４が電流検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項との対応関係になんら限定も拘束もされない。

一実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図である。 一実施の形態のバッテリーとバッテリーコントローラーの構成を示す図である。 セル電池の端子を示す図である。 セル電池の等価回路を示す図である。 一実施の形態の電池故障検出プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

４ インバーター
４ａ、４ｂ 負荷開閉用リレー
５ バッテリー
９ バッテリーコントローラー
１１〜１ｎ セル電池
２１ バッテリー制御回路
２２ セル制御回路
２３ 電圧計
２４ 電流計

Claims (2)

1. 複数のセル電池が直列に接続された組電池の故障を検出する電池故障検出装置において、
   抵抗器とリレー接点とを直列に接続したバイパス回路を各セル電池に並列に接続するとともに、
   各セル電池の両端電圧（以下、セル電圧という）を検出するセル電圧検出手段と、
   各セル電池の平均セル電圧を検出する平均セル電圧検出手段と、
   組電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   組電池に流れる電流が所定値以下のときに、前記各セル電池について、セル電圧と平均セル電圧との差の絶対値が所定値以上であるか否かを判断し、前記差の絶対値が前記所定値以上であるセル電池を、端子に酸化膜が付着していると判定する判定手段と、
   前記判定手段により、端子に酸化膜が付着していると判定されたセル電池に対応するバイパス回路のリレー接点を所定時間閉路する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、端子に酸化膜が付着していると判定されたセル電池に対応するバイパス回路のリレー接点を所定時間閉路した後に、そのセル電池のセル電圧と平均セル電圧との差が前記所定値以上ある場合には、そのセル電池が故障していると判定することを特徴とする電池故障検出装置。
2. 請求項１に記載の電池故障検出装置において、
   前記平均セル電圧検出手段は、組電池の両端電圧を検出する組電池電圧検出手段を有し、組電池の両端電圧を組電池を構成するセル電池の個数で除して前記平均セル電圧を検出することを特徴とする電池故障検出装置。

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