JP6279442B2

JP6279442B2 - 故障検出システム

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Publication number: JP6279442B2
Application number: JP2014204819A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: JP2016077054A

Description

本発明は、直列に接続された複数のセルアレイの故障を検出する故障検出システムに関するものである。

例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。

このような二次電池として、複数の電池セルが直列及び並列に接続されることによって電池パックを構成するものが特許文献１に記載されている。電池セルを直列に接続することによって二次電池全体の電圧を高くすることができ、並列に接続することによって容量を大きくすることができる。

特開２００９−１７６６８９号公報

特許文献１に記載されたような複数の電池セルが直列及び並列に接続された二次電池において、１個の電池セルが故障してしまうと二次電池全体の容量が大きく低下してしまう。特に、複数の電池セルが並列に接続されてセルアレイを構成し、複数のセルアレイが直列に接続される場合、１個の電池セルの故障によって１組のセルアレイの容量が低下すると、二次電池全体の容量が当該セルアレイの容量によって決まってしまう。したがって、容量の低下を検出して対処するために、各セルアレイの故障を検出することが求められる。

そこで、電池セルが故障すると通電しなくなってセルアレイの合成内部抵抗が変化することから、合成内部抵抗の変化を検出することによってセルアレイの故障を検出する方法が考えられる。開放電圧ＯＣＶ及び合成内部抵抗ｒを有するセルアレイに電流Ｉが流れると、両電極間の電圧は、Ｖ＝ＯＣＶ−ｒ・Ｉとなり、この電圧Ｖの変化を検出すれば、合成内部抵抗の変化を検出することができる。

しかしながら、電池セルの故障数が少ない場合、故障による両電極間の電圧Ｖの変化は小さく、この変化が測定器の測定精度よりも小さいとセルアレイの故障を検出することができない。

本発明の目的は、セルアレイの故障を精度良く検出することができる故障検出システムを提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、直列に接続された複数のセルアレイのそれぞれに対応して設けられる複数の故障検出装置と、該セルアレイの故障を検出する故障判定手段と、を備える故障検出システムであって、前記故障検出装置が、第１入力端子及び第２入力端子を有し、該第１入力端子及び該第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、前記セルアレイの一方の電極を前記第１入力端子及び前記第２入力端子に排他的に接続する切換スイッチと、前記第１入力端子と前記セルアレイの他方の電極との間の電圧を保持可能な第１電圧保持手段と、前記第２入力端子と前記セルアレイの他方の電極との間の電圧を保持可能な第２電圧保持手段と、前記セルアレイに第１電流が流れる際に当該セルアレイの一方の電極と前記第１入力端子とを接続し、前記セルアレイに前記第１電流と大きさが異なる第２電流が流れる際に当該セルアレイの一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する切換制御手段と、を備え、前記故障判定手段が、前記複数のセルアレイのそれぞれにおいて、前記複数の故障検出装置のそれぞれの前記差分電圧出力手段によって出力された前記第１電流が流れる際の両電極間の電圧と前記第２電流が流れる際の前記両電極間の電圧との差分値に応じた前記差分電圧に基づいて、当該複数のセルアレイのそれぞれを正常なセルアレイと故障したセルアレイとに判定することを特徴とする故障検出システムである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記セルアレイが、互いに並列接続された複数の電池セルを有し、前記故障判定手段が、前記正常なセルアレイの前記差分電圧と、前記故障したセルアレイの前記差分電圧と、１組の前記セルアレイにおける前記電池セルの並列数と、に基づいて前記故障したセルアレイにおける前記電池セルの故障数を推定することを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記第１電流及び前記第２電流が、放電時に前記セルアレイに流れる電流であることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、第１入力端子及び第２入力端子を有し、これら第１入力端子及び第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する。切換スイッチが、セルアレイの一方の電極を第１入力端子及び第２入力端子に排他的に接続する。第１電圧保持手段が、第１入力端子とセルアレイの他方の電極との間に設けられ、第１入力端子とセルアレイの他方の電極との間の電圧を保持する。第２電圧保持手段が、第２入力端子とセルアレイの他方の電極との間に設けられ、第２入力端子とセルアレイの他方の電極との間の電圧を保持する。接続切換制御手段が、セルアレイに第１電流が流れる際にセルアレイの一方の電極と第１入力端子とを接続し、かつ、セルアレイに第２電流が流れる際にセルアレイの一方の電極と第２入力端子とを接続するように、切換スイッチを制御する。そして、故障判定手段が、各故障検出装置で検出された各セルアレイにおける電圧の差分値に基づいて正常なセルアレイと故障したセルアレイとを判定する。

このようにしたことから、セルアレイに第１電流が流れる際の両電極間の電圧を第１電圧保持手段に保持し、第２電流が流れる際の両電極間の電圧を第２電圧保持手段に保持することができ、この２つの電圧の差分値が差分電圧出力手段によって差分電圧として出力される。これに対し、例えば、二次電池の両電極間の電圧を直接測定する構成とした場合には、二次電池の最低使用電圧から最高使用電圧の間でしか電圧が変化しないにもかかわらず、測定器（例えばアナログ−デジタル変換器）の入力レンジを０以上最高電圧以下に合わせる必要があり、最低使用電圧がオフセット電圧として含まれてしまう。即ち、測定器の分解能の一部しか利用することができない。一方、差分電圧は、このようなオフセット電圧を含まず絶対電圧と比較して非常に小さい値となることから、適宜に増幅して測定器の入力レンジに合わせることにより、測定器の分解能を最大限に利用して高精度で検出することができる。

故障判定手段は、複数のセルアレイのうち、差分電圧が所定範囲内の値となる集団を正常なセルアレイと判定し、正常なセルアレイとの差分電圧の差が所定値よりも大きいものを故障したセルアレイと判定する。上記のように差分電圧を高精度で検出することにより、セルアレイが故障することによる差分電圧の変化が小さくても高精度で故障を検出することができる。

請求項２に記載された発明によれば、故障判定手段が、正常なセルアレイの差分電圧と、故障したセルアレイの差分電圧と、１組のセルアレイにおける電池セルの並列数と、に基づいて電池セルの故障数を推定する。例えば、正常なセルアレイの差分電圧ΔＶと電池セルの並列数ｎとに基づいて、１つの電池セルの内部抵抗ｒ０を算出するとともに、並列数ｎから故障数ｋを減じた故障後並列数ｎ−ｋと、電池セルの内部抵抗ｒ０と、に基づいて故障後並列数ｎ−ｋに対するセルアレイの合成内部抵抗ｒｋを算出し、この合成内部抵抗ｒｋに基づいて故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋを算出する。さらに、故障判定手段が、故障したセルアレイにおける差分電圧の理論値と実測値とを比較することによって故障数を推定する。

即ち、故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋと実測値ΔＶとを比較し、例えば理論値ΔＶｋのうち実測値ΔＶに最も近いものを判定し、この理論値ΔＶｋとなる故障後並列数ｎ−ｋから故障数ｋを推定する。このようにしたことから、セルアレイの故障の有無だけでなく、故障したセルアレイにおける電池セルの故障数も推定することができる。

請求項３に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されている。このようにしたことから、差分電圧をより大きな値として得ることができ、セルアレイの故障を精度良く検出することができる。

請求項４に記載された発明によれば、第１電流及び第２電流が放電時に二次電池に流れる電流である。このようにしたことから、二次電池に接続された負荷の大きさの変動に応じて適宜に第１電流及び第２電流を設定することができる。さらに、放電時にセルアレイの故障を検出することにより、セルアレイが故障して二次電池全体の容量が小さくなってしまった場合に、残容量が減少したと判断し、充電が必要なタイミングを正確に判定することができる。

本発明の実施形態に係る故障検出システムにおける各故障検出装置を示す概略構成図である。図１の故障検出装置を備えた故障検出システム、及び、該故障検出システムによって検査される二次電池を示す概略構成図である。故障検出システムが備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される故障検出処理の一例を示すフローチャートである。故障検出装置が備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される差分電圧検出処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態の故障検出システムについて、図１〜４を参照して説明する。図１は、本実施形態の故障検出システムにおける各故障検出装置の概略構成を示す図である。図２は、図１の故障検出装置を複数備えた故障検出システム、及び、この故障検出システムによって検査される二次電池を示す概略構成図である。図３は、故障検出システムが備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される故障検出処理の一例を示すフローチャートである。図４は、故障検出装置が備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される差分電圧検出処理の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の故障検出システムは、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える二次電池を構成する複数のセルアレイのそれぞれの両電極間に接続される複数の故障検出装置と、セルアレイの故障を判定する故障判定手段と、を備え、当該セルアレイの故障を検出するものである。勿論、電気自動車以外の二次電池を備えた装置、システムなどに適用してもよい。

このような二次電池（図中、符号Ｂで示す）は、図２に示すように、並列に接続された複数の電池セルＢＣを有したセルアレイＣＡを複数備え、複数のセルアレイＣＡが直列に接続されている。各セルアレイＣＡに対して後述する故障検出装置１が設けられ、故障検出時に対象のセルアレイＣＡに故障検出装置１が接続される。また、二次電池Ｂの両電極間には、図示しない充放電手段が接続されており、二次電池Ｂの充電時には、二次電池Ｂを図示しない充電部に接続して充電電流を流すように設けられ、放電時には、図示しない負荷（例えば、電気自動車の走行用モータや暖房用の電気ヒータ）に接続するとともに、二次電池Ｂから当該負荷に流れる負荷電流の大きさを調節可能に設けられている。複数のセルアレイＣＡが直列に接続されていることから、二次電池Ｂに流れる充電電流又は負荷電流は、各セルアレイＣＡに流れる充電電流又は負荷電流に等しい。

セルアレイＣＡが有する各電池セルＢＣは、図１に示すように、開放電圧ＯＣＶを生じる起電力部ｅと、内部抵抗ｒ０と、を有し、セルアレイＣＡは内部抵抗ｒ０の合成抵抗である合成内部抵抗ｒを有している。セルアレイＣＡは、両電極（正極Ｂｐ及び負極Ｂｎ）間に電圧Ｖを生じ、この電圧Ｖは、開放電圧ＯＣＶと合成内部抵抗ｒに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｒとによって決定される（Ｖ＝ＯＣＶ＋Ｖｒ）。セルアレイＣＡに故障検出装置１が接続された際に、セルアレイＣＡの負極Ｂｎが基準電位Ｇに接続される。

図２に示すように、本実施形態の故障検出システム（図中、符号１０で示す）は、後述する複数の故障検出装置１と、マイクロコンピュータ２０（以下、「μＣＯＭ２０」という）と、を備え、このμＣＯＭ２０のＣＰＵが故障判定手段として機能する。

また、図１に示すように、本実施形態の故障検出装置（図中、符号１で示す）は、増幅器１１と、切換スイッチ１２と、第１電圧保持手段としての第１コンデンサ１３と、第２電圧保持手段としての第２コンデンサ１４と、アナログ−デジタル変換器２１と、マイクロコンピュータ４０（以下、「μＣＯＭ４０」という）と、を有している。以下、故障検出装置１が対象のセルアレイＣＡに接続された際の構成について説明する。

増幅器１１は、例えば、オペアンプなどで構成されており、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２）と１つの出力端子（出力端子Ｏｕｔ）を備え、これら２つの入力端子に入力された電圧の差分値を所定の増幅率Ａｖで増幅した増幅電圧Ｖｍを出力端子から出力する。増幅器１１は、差分電圧出力手段に相当する。

切換スイッチ１２は、例えば、アナログスイッチなどで構成された１回路２接点（ＳＰＤＴ（単極双投））のスイッチである。切換スイッチ１２は、２つの切換端子ａ、ｂのうちの一方の切換端子ａが、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１に接続され、他方の切換端子ｂが、増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２に接続されている。また、切換スイッチ１２は、共通端子ｃが、セルアレイＣＡの正極Ｂｐ（セルアレイの一方の端子）に接続されている。切換スイッチ１２は、後述するμＣＯＭ４０に接続されており、μＣＯＭ４０からの制御信号に応じて、２つの切換端子ａ、ｂと共通端子ｃとの接続を切り替えて、セルアレイＣＡの正極Ｂｐを第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２に排他的に接続する。

第１コンデンサ１３は、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１と基準電位Ｇとの間に接続されており、つまり、第１コンデンサ１３は、第１入力端子Ｉｎ１とセルアレイＣＡの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第１コンデンサ１３には、第１入力端子Ｉｎ１とセルアレイＣＡの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。

第２コンデンサ１４は、増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２と基準電位Ｇとの間に接続されており、つまり、第２コンデンサ１４は、第２入力端子Ｉｎ２とセルアレイＣＡの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第２コンデンサ１４には、第２入力端子Ｉｎ２とセルアレイＣＡの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。

アナログ−デジタル変換器２１（以下、「ＡＤＣ２１」という）は、増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを量子化して、当該増幅電圧Ｖｍに対応するデジタル値を示す信号を出力する。本実施形態において、ＡＤＣ２１は、個別の電子部品として実装されているが、これに限定されるものではなく、例えば、後述するμＣＯＭ４０に内蔵されたアナログ−デジタル変換部などを用いて、各電圧を量子化してもよい。

μＣＯＭ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、故障検出装置１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを接続切換制御手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより接続切換手段として機能する。

μＣＯＭ４０は、切換スイッチ１２に接続された出力ポートＰＯ１を備えている。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に制御信号を送信して、セルアレイＣＡに充電電流又は負荷電流として第１電流Ｉ１が流れる際にセルアレイＣＡの正極Ｂｐと第１入力端子Ｉｎ１とを接続し、かつ、セルアレイＣＡに充電電流又は負荷電流として第２電流Ｉ２が流れる際にセルアレイＣＡの正極Ｂｐと第２入力端子Ｉｎ２とを接続するように、切換スイッチ１２を制御する。

μＣＯＭ４０は、ＡＤＣ２１から出力された信号が入力される入力ポートＰＩ１を有している。入力ポートＰＩ１に入力された信号は、μＣＯＭ４０のＣＰＵが認識できる形式の情報に変換されて当該ＣＰＵに送られる。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、当該情報に基づいて増幅電圧Ｖｍを検出する。

故障検出システム１０のμＣＯＭ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、故障検出システム１０全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを故障判定手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより、下位のＣＰＵであるμＣＯＭ４０のＣＰＵを制御し、後述するように各セルアレイＣＡにおける増幅電圧Ｖｍに基づいてセルアレイＣＡの故障を検出することで、故障判定手段として機能する。

μＣＯＭ２０は、図示しない通信ポートを有している。この通信ポートは、図示しない車両内ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）など）に接続されており、当該車両内ネットワークを通じて車両メンテナンス用の端末装置などの表示装置に接続される。μＣＯＭ２０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、二次電池Ｂにおける電池セルＢＣの故障の有無を示す信号を表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき電池セルＢＣの故障の有無を表示する。または、μＣＯＭ２０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、電池セルＢＣの故障の有無を示す信号を車両に搭載されたコンビネーションメータなどの表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき電池セルＢＣの故障の有無を表示するようにしてもよい。尚、故障の有無だけでなく故障数を示す信号が送信され、故障数も表示されてもよい。

μＣＯＭ２０は、図示しない受信ポートを有している。この受信ポートは、車両に搭載された電子制御装置に接続されている。電子制御装置は、二次電池Ｂ全体を充電部又は負荷に接続して充放電電流が流れるように充放電手段に制御信号を送信すると同時に、二次電池Ｂに充放電電流が流れることを示す信号をμＣＯＭ２０及びμＣＯＭ４０に送信する。

次に、上述した故障検出システムが備えるマイクロコンピュータにおける故障検出処理の一例について、図３のフローチャートを参照して説明する。

μＣＯＭ２０のＣＰＵ（以下、単に「上位ＣＰＵ」という）は、例えば、車両の走行開始時や加速時に、電子制御装置から二次電池Ｂに負荷電流が流れることを示す信号を受信して図３に示す故障検出処理に進む。また、各μＣＯＭ４０のＣＰＵを以下、単に「下位ＣＰＵ」という。

故障検出処理において、上位ＣＰＵは、二次電池Ｂの放電が開始されると、下位ＣＰＵを制御し、各セルアレイＣＡに対して差分電圧検出処理を実行する（Ｓ１１０）。各セルアレイＣＡにおける差分電圧検出処理は、略同時に実施されてもよいし、順次実施されてもよい。

差分電圧検出処理において、下位ＣＰＵは、出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ２１０）。切換スイッチ１２は、この制御信号に応じて他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続することにより、セルアレイＣＡの正極Ｂｐと増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２とを接続する。これにより、第２コンデンサ１４がセルアレイＣＡの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第２コンデンサ１４に、セルアレイＣＡから電荷が流れ込む。

次に、下位ＣＰＵは、セルアレイＣＡに第２電流Ｉ２が流れるまで待機する（Ｓ２２０）。そして、ある程度時間が経過すると、第２コンデンサ１４には、第２電流Ｉ２が流れる際のセルアレイＣＡの両電極間の電圧が保持される。なお、第２電流Ｉ２は、測定してもよいし負荷の大きさから推定してもよく、例えば、負荷電流を測定する電流測定手段が設けられるとともに測定結果がμＣＯＭ４０に入力されることで、第２電流Ｉ２が流れたことを下位ＣＰＵが判断してもよいし、μＣＯＭ４０に負荷の大きさと負荷電流との関係を予め記憶させておき、負荷の大きさが所定値となったら第２電流Ｉ２が流れたと下位ＣＰＵが判断してもよい。また、第２電流Ｉ２の大きさは予め定められていなくてもよく、例えば、下位ＣＰＵが、セルアレイＣＡの放電開始直後や所定時間経過後に流れる負荷電流を第２電流Ｉ２と判断し、電流測定手段によってこの電流の大きさを測定してもよい。

次に、下位ＣＰＵは、セルアレイＣＡに第２電流Ｉ２が流れて所定時間が経過すると、第２コンデンサ１４への電荷の蓄積が完了したと判断し、出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ２３０）。切換スイッチ１２は、下位ＣＰＵからの制御信号に応じて、一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続することにより、セルアレイＣＡの正極Ｂｐと増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する。これにより、第１コンデンサ１３がセルアレイＣＡの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第１コンデンサ１３に、セルアレイＣＡから電荷が流れ込む。

次に、下位ＣＰＵは、セルアレイＣＡに第２電流Ｉ２と大きさの異なる第１電流Ｉ１が流れるまで待機する（Ｓ２４０）。そして、第１電流Ｉ１が流れてある程度時間が経過すると、第１コンデンサ１３には、第１電流Ｉ１が流れる際のセルアレイＣＡの両電極間の電圧が保持される。なお、第１電流Ｉ１は、第２電流Ｉ２と略同様に、測定してもよいし負荷の大きさから推定してもよい。また、第１電流Ｉ１の大きさは予め定められていなくてもよく、第２電流Ｉ２との差分電流の大きさが予め定められてもよい。

次に、下位ＣＰＵは、入力ポートＰＩ１に入力された信号から得られた情報に基づいて増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを検出する（Ｓ２５０）。

次に、下位ＣＰＵは、検出した増幅電圧Ｖｍを増幅器１１の増幅率Ａｖで除することで、第１コンデンサ１３の両端間の電圧Ｖ１と第２コンデンサ１４の両端間の電圧Ｖ２との差分電圧ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）を算出し（Ｓ２６０）、この差分電圧ΔＶの情報をμＣＯＭ２０に送信して差分電圧検出処理を終了する。

以上のように各セルアレイＣＡにおける差分電圧検出処理が終了したら、上位ＣＰＵは、複数のセルアレイＣＡにおける差分電圧ΔＶに基づいて、正常なセルアレイＣＡの集団と、故障したセルアレイＣＡと、を判定する（Ｓ１２０）。即ち、複数のセルアレイＣＡのうち、差分電圧ΔＶが所定範囲内の値となる集団を正常なセルアレイＣＡと判定し、正常なセルアレイＣＡとの差分電圧ΔＶの差が所定値よりも大きいものを故障したセルアレイＣＡと判定する。尚、過去に故障履歴のあるセルアレイＣＡについては、予め正常なセルアレイＣＡの集団から除外しておく。

次に、上位ＣＰＵは、正常なセルアレイＣＡの差分電圧ΔＶと、故障したセルアレイの差分電圧ΔＶと、電池セルＢＣの並列数ｎと、に基づいて故障したセルアレイＣＡにおける電池セルＢＣの故障数ｋ（ｋ＝０〜ｎ−１）を推定し（Ｓ１３０）、故障検出処理を終了する。即ち、正常なセルアレイＣＡの差分電圧ΔＶと電池セルＢＣの並列数ｎとに基づいて、１つの電池セルＢＣの内部抵抗ｒ０を算出するとともに、並列数ｎから故障数ｋを減じた故障後並列数ｎ−ｋと、電池セルの内部抵抗ｒ０と、に基づいて故障後並列数ｎ−ｋに対するセルアレイの合成内部抵抗ｒｋを算出し、この合成内部抵抗ｒｋに基づいて故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋを算出する。さらに、故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋと実測値ΔＶとを比較し、例えば理論値ΔＶｋのうち実測値ΔＶに最も近いものを判定し、この理論値ΔＶｋとなる故障後並列数ｎ−ｋから故障数ｋを推定する。そして、故障検出処理の終了後、上位ＣＰＵは、通信ポートを通じて、電池セルＢＣの故障の有無及び故障数ｋを示す信号を他の装置等に送信する。

図３のフローチャートにおけるステップＳ１２０及びＳ１３０の処理を実行する上位ＣＰＵが、故障判定手段に相当し、図４のフローチャートにおけるステップＳ２１０及びＳ２３０の処理を実行する下位ＣＰＵが、接続切換制御手段に相当する。

上記の故障判定処理の詳細について、さらに具体的に説明する。例えば、１００組のセルアレイＣＡが直列に接続されて二次電池Ｂが構成されるとともに、各セルアレイＣＡにおいて、電池セルＢＣの並列数ｎが３３であり、第１電流Ｉ１が１００Ａであり、第２電流Ｉ２が１Ａである場合について考える。

ステップＳ２６０において算出した差分電圧ΔＶが６０．００±０．５０ｍＶ内となるセルアレイＣＡが９９組あり、残り１組のセルアレイＣＡの差分電圧ΔＶが６１．９０ｍＶであったとする。上位ＣＰＵは、ステップＳ１２０においてこの９９組のセルアレイＣＡを正常なセルアレイＣＡの集団と判定し、１組のセルアレイＣＡを故障したセルアレイＣＡであると判定する。尚、正常なセルアレイＣＡの集団と判定するための差分電圧ΔＶの範囲は適宜に設定されればよく、その中央値は例えば正常な集団における平均値であればよい。また、例えばセルアレイＣＡ全体における差分電圧ΔＶの平均値との差に基づいて故障したセルアレイＣＡを仮定し、正常な集団における平均値を再び算出してセルアレイＣＡの故障を再判定することを繰り返し、故障したセルアレイＣＡを判定するとともに正常な集団における差分電圧ΔＶの平均値を求めればよい。また、正常なセルアレイＣＡの集団を判定するための差分電圧ΔＶの範囲は、周囲温度や二次電池Ｂの総使用時間等に応じて設定してもよく、このように範囲を設定することで、電池セルＢＣの内部抵抗が温度上昇によって上昇したり、劣化に伴って低下したりすることにも対応することができ、判定制度をさらに向上させることができる。

正常なセルアレイＣＡの集団における差分電圧ΔＶの範囲の中央値が６０．００ｍＶとなる場合、上位ＣＰＵは、ステップＳ１３０において、この差分電圧ΔＶを第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２との差分値で除して合成内部抵抗ｒが０．６０６１ｍΩであることを算出し、並列数３３を乗じて電池セルＢＣの内部抵抗ｒ０が２０．００ｍΩであることを算出する。さらに、上位ＣＰＵは、故障後並列数３２と、電池セルの内部抵抗ｒ０と、に基づいて故障後並列数３２に対するセルアレイの合成内部抵抗ｒ１が０．６２５０ｍΩであることを算出し、この合成内部抵抗ｒ１に基づいて故障後並列数３２に対する差分電圧の理論値ΔＶ１が６１．８８ｍＶであることを算出する。故障後並列数ｎ−ｋが３１以下の場合についても同様に、故障したセルアレイＣＡの差分電圧の理論値Ｖｋを算出する。なお、理論値ΔＶｋは、全ての故障後並列数ｎ−ｋに対して算出してもよいし、故障後並列数ｎ−ｋの下限を決めて算出してもよい。

上位ＣＰＵは、ステップＳ１３０において、故障したセルアレイＣＡの差分電圧の実測値ΔＶと故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋとを比較し、理論値ΔＶｋのうち実測値ΔＶに最も近いものを判定し、故障数ｋを推定する。故障したセルアレイＣＡの差分電圧の実測値ΔＶが６１．９０ｍＶであることから、最も近い理論値ΔＶｋは、故障後並列数ｎ−ｋが３２の場合の６１．８８ｍＶであり、故障数ｋが１であることを推定する。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、増幅器１１によって増幅された増幅電圧Ｖｍから差分電圧ΔＶを求めることにより、差分電圧ΔＶを高精度で求めることができ、この差分電圧ΔＶに基づいて正常なセルアレイＣＡと故障したセルアレイＣＡとを判定することにより、セルアレイＣＡが故障することによる差分電圧ΔＶの変化が小さくても高精度で故障を検出することができる。

さらに、故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋと実測値ΔＶとを比較し、故障数ｋを推定することから、セルアレイＣＡの故障の有無だけでなく、そのセルアレイＣＡにおける電池セルＢＣの故障数ｋも精度良く推定することができる。

さらに、二次電池Ｂの放電時の負荷電流である第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２に基づいて電池セルＢＣの故障を検出することにより、二次電池Ｂに接続された負荷の大きさの変動に応じて適宜に第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２を設定することができる。さらに、放電時に電池セルＢＣの故障を精度良く検出することにより、電池セルＢＣが故障して二次電池Ｂ全体の容量が小さくなってしまった場合に、残容量が減少したと判断し、充電が必要なタイミングを正確に判定することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記実施形態では、上位ＣＰＵが故障後並列数ｎ−ｋに対する差分電圧の理論値ΔＶｋを算出し、電池セルＢＣの故障数ｋを推定するものとしたが、故障検出システムは、電池セルの故障数を推定せずにセルアレイの故障の有無のみを検出するものであってもよい。

また、前記実施形態では、差分電圧の理論値ΔＶｋのうち実測値ΔＶに最も近いものから故障数ｋを推定する、即ち、故障後並列数ｎ−ｋが１だけ異なる２つの理論値ΔＶｋの平均値を境界として故障数ｋを推定するものとしたが、この境界は、例えば、故障後並列数ｎ−ｋと理論値ΔＶｋとの関係を表す非線形な関数に基づいて決定してもよい。

また、前記実施形態では、負荷電流である第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２に基づいて差分電圧ΔＶを測定して電池セルＢＣの故障を検出するものとしたが、第１電流及び第２電流は、充電時に二次電池に流れる電流であってもよいし、放電時の電流と充電時の電流とが組み合わされてもよい。

また、前記実施形態では、各故障検出装置１のμＣＯＭ４０とは別に設けられたμＣＯＭ２０のＣＰＵが故障判定手段として機能するものとしたが、μＣＯＭ２０が省略されるとともに、μＣＯＭ４０のＣＰＵのうち１つが代表して故障検出処理を実行して故障判定手段として機能してもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１０故障検出システム
１故障検出装置
１１増幅器（差分電圧出力手段）
１２切換スイッチ
１３第１コンデンサ（第１電圧保持手段）
１４第２コンデンサ（第２電圧保持手段）
４０マイクロコンピュータ（接続切換制御手段）
２０マイクロコンピュータ（故障判定手段）
ＣＡセルアレイ

Claims

直列に接続された複数のセルアレイのそれぞれに対応して設けられる複数の故障検出装置と、該セルアレイの故障を検出する故障判定手段と、を備える故障検出システムであって、
前記故障検出装置が、第１入力端子及び第２入力端子を有し、該第１入力端子及び該第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、前記セルアレイの一方の電極を前記第１入力端子及び前記第２入力端子に排他的に接続する切換スイッチと、前記第１入力端子と前記セルアレイの他方の電極との間の電圧を保持可能な第１電圧保持手段と、前記第２入力端子と前記セルアレイの他方の電極との間の電圧を保持可能な第２電圧保持手段と、前記セルアレイに第１電流が流れる際に当該セルアレイの一方の電極と前記第１入力端子とを接続し、前記セルアレイに前記第１電流と大きさが異なる第２電流が流れる際に当該セルアレイの一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する切換制御手段と、を備え、
前記故障判定手段が、前記複数のセルアレイのそれぞれにおいて、前記複数の故障検出装置のそれぞれの前記差分電圧出力手段によって出力された前記第１電流が流れる際の両電極間の電圧と前記第２電流が流れる際の前記両電極間の電圧との差分値に応じた前記差分電圧に基づいて、当該複数のセルアレイのそれぞれを正常なセルアレイと故障したセルアレイとに判定することを特徴とする故障検出システム。
前記セルアレイが、互いに並列接続された複数の電池セルを有し、
前記故障判定手段が、前記正常なセルアレイの前記差分電圧と、前記故障したセルアレイの前記差分電圧と、１組の前記セルアレイにおける前記電池セルの並列数と、に基づいて前記故障したセルアレイにおける前記電池セルの故障数を推定することを特徴とする請求項１に記載の故障検出システム。
前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の故障検出システム。
前記第１電流及び前記第２電流が、放電時に前記セルアレイに流れる電流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の故障検出システム。