JP6724693B2

JP6724693B2 - 電池の短絡判定システム

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Publication number: JP6724693B2
Application number: JP2016189385A
Authority: JP
Inventors: 学佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP2018055910A

Description

本発明は、電池の短絡判定システムに関し、特に、一時的な短絡の発生後正常状態に回復する微短絡を判定可能な判定システムに関する。

電気自動車やハイブリッド車両等、回転電機を駆動源とする車両には、直流電源である電池モジュールが搭載されている。電池モジュールは、複数の電池セル（単電池）が積層して接続されている。

電池セルは正極板、負極板、及び両者を隔てる絶縁紙（セパレータ）を備える。正極板及び負極板の少なくとも一方に金属等が析出すると、その析出体が絶縁紙を貫通して短絡に至ることがある。例えばリチウムイオン電池の場合、負極板上に樹枝（デンドライト）状に金属リチウムが析出することが知られている。この析出体が絶縁紙を突き破ると短絡が生じる。

析出体が絶縁紙を突き破る原因の一つとして、析出体が形成された負極板と絶縁紙との相対移動が挙げられる。例えば大電流の充放電に伴ういわゆるハイレート劣化により電池セルが膨張する際、及び、充放電停止時の電池セルの収縮過程（ハイレート劣化の解消過程）で、負極板と絶縁紙とが相対移動し、その過程で析出体が絶縁紙を突き破って正極板に到達して短絡に至る。

短絡が生じると内部抵抗が低下して端子間電圧が急減する。したがってこの端子間電圧の急減を捉えることで電池セルの短絡有無を判定可能となる。

例えば特許文献１では、充放電中の電池の端子間電圧が所定の電圧許容値より低い時に所定の電圧低下情報が保存される。また、充放電停止期間の端子間電圧の変化量に基づいて蓄電池の劣化度を推定し、その劣化度が劣化許容値を超えている場合には所定の劣化超過情報が保存される。そして、上記電圧低下情報と劣化超過情報の両者が保存された場合、電池に対して短絡有りとの判定がなされる。

また、特許文献２では、電池の電圧変化を測定し、その変化量が基準値を下回ると、電池に短絡有りと予備的に判断される。その後、電池の温度変化量が基準値を超えていると、電池に短絡有りとの最終判定がなされる。

特開２０１１−１１２４５３号公報特開２０１２−５２８５７号公報

ところで、充放電停止中（通電遮断期間）に電池セルの電圧測定を行う場合、電圧測定システムの電力消費を抑える観点から、間欠的に（例えば一時間置きに）電圧測定が行われる。ここで、電圧測定と次の電圧測定との待ち時間（インターバル）に、小規模な短絡であるいわゆる微短絡が発生した場合、当該次の電圧測定時までに短絡状態が回復し、微短絡の検出が困難になる場合がある。

例えば負極板の析出物が絶縁紙を突き破って正極板に到達して短絡すると、析出物に電流が集中する。析出物が小さい場合、電流集中により当該析出物が焼き切れて短絡が解消して正常状態に回復する。短絡が電圧測定時以降に発生し、次の電圧測定時までに正常状態に回復すると、微短絡を検出できなくなる。

そこで本発明は、電力消費を抑制しつつ、従来よりも微短絡の検出を高確度で行うことが可能な、電池の短絡判定システムを提供することを目的とする。

本発明は、複数の電池セルが積層されたメインバッテリの、それぞれの前記電池セルの短絡有無を判定する、電池の短絡判定システムに関する。当該システムは、電圧センサ、短絡判定部、タイマースイッチ、及び、インターバル設定部を備える。電圧センサは、前記電池セルの電圧を測定する。短絡判定部は、前記メインバッテリの通電遮断期間に間欠的に起動され、前記電池セルの電圧に基づいて当該電池セルの短絡有無を判定する。タイマースイッチは、前記短絡判定部を起動させる起動間隔の初期値として第１の起動間隔が設定される。インターバル設定部は、前記メインバッテリの充電後に前記通電遮断期間に移行した充電後通電遮断期間に、所定の起動時の前記電池セルの電圧値からその一つ前の起動時の前記電池セルの電圧値を引いた電圧値差分が所定の電圧閾値を下回る状態が複数回生じた場合、または、前記電圧値差分が正の値である場合に、前記タイマースイッチによる起動間隔を、前記第１の起動間隔よりも短い第２の起動間隔に設定する。

本発明によれば、微短絡の発生が疑われる現象、つまり、微短絡の発生から正常状態に回復する回復過程の現象を捉えたときに、電圧測定及び短絡有無判定のインターバルを短縮化する。このように、短いインターバルで電圧測定を行う期間を特定の期間に限定することで、常時短いインターバルで電圧測定を行う場合と比較して、電力消費を抑制可能となる。また、電圧測定のインターバルを短くすることで、微短絡の発生時、またはその直後の電圧を捉えることが可能となり、高確度で微短絡を検出可能となる。

本実施形態に係る電池の短絡判定システム及びこれを搭載した車両の構成を例示する図である。制御部の機能ブロックを例示する図である。短絡判定フローを例示する図である。充電後／放電後インターバル設定部の選択フローを例示する図である。充電後インターバル設定フローを例示する図である。充電後通電遮断期間における、短絡検出の過程を例示する図である。充電後通電遮断期間における、短絡検出の過程の別例を示す図である。放電後インターバル設定フローを例示する図である。放電後通電遮断期間における、短絡検出の過程を例示する図である。放電後通電遮断期間における、短絡検出の過程の別例を示す図である。

図１に、本実施形態に係る電池の短絡判定システム及び当該システムが搭載された車両の構成を例示する。なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係る短絡判定システムとの関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、矢印線は信号線を表している。

図１に示す車両では、メインバッテリ１０から駆動源である回転電機ＭＧ１，ＭＧ２等の負荷に電力が供給される。具体的には、メインバッテリ１０から出力された直流電力は昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２にて昇圧される。昇圧された直流電力はインバータ１４にて直交変換される。変換後の交流電力は回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の少なくとも一方に供給される。回転電機ＭＧ１，ＭＧ２から車輪１６への動力伝達経路については既知であるのでここでは説明を省略する。

また、メインバッテリ１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを繋ぐ電路から分岐して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に接続される分岐電路が設けられる。メインバッテリ１０の高圧電力は降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８により降圧されてサブバッテリ２０、制御部２２、電圧センサユニット２４やその他の補機類に供給される。

メインバッテリ１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の間にはシステムメインリレーＳＭＲが設けられる。システムメインリレーＳＭＲが接続状態となることで、メインバッテリ１０と、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２等の高電圧系の負荷や、制御部２２や補機類等の低電圧系の負荷とが接続状態となる。例えば図示しないスタートスイッチを運転者がオン操作することでシステムメインリレーＳＭＲが遮断状態から接続状態に切り替わる。また、スタートスイッチを運転者がオフ操作することでシステムメインリレーＳＭＲが接続状態から遮断状態に切り替わる。

また、図１に示す車両はいわゆるプラグインハイブリッド車両や電気自動車のように、外部のＡＣ電源２６からメインバッテリ１０への充電（外部充電）が可能となっている。外部充電に当たり、ＡＣ電源２６のコネクタ２８（プラグ）が車両に設けられたコネクタ３０（インレット）に接続される。コネクタ２８，３０の接続後、ＡＣ電源２６から供給された交流電力が充電器３４によって交直変換及び昇圧され、変換及び昇圧後の直流電力がメインバッテリ１０に供給される。

メインバッテリ１０と充電器３４との間には充電リレーＣＨＲが設けられる。充電リレーＣＨＲが接続状態となることで、ＡＣ電源２６とメインバッテリ１０とが接続状態となる。例えば図示しないスタートスイッチを運転者がオフ操作後、コネクタ２８，３０が接続されると、充電リレーＣＨＲが接続状態となる。また、メインバッテリ１０が目標ＳＯＣまで充電されると、充電リレーＣＨＲが遮断状態となる。

このように、メインバッテリ１０の通電／通電遮断状態は、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲによって切り換えられる。つまり、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲの少なくとも一方が接続状態であればメインバッテリ１０は通電状態となる。一方、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲの両者が遮断状態であればメインバッテリ１０は通電遮断状態となる。

メインバッテリ１０は、二次電池の電池セル３２が複数積層された積層体を含んで構成される。図１に示す例では、並列接続された複数の電池セル３２からなる電池パック３３が複数直列接続される。

電池セル３２は例えばリチウムイオン電池から構成される。リチウムイオン電池の詳細な構成については既知であるのでここでは簡単に説明する。リチウムイオン電池はコバルト酸リチウム等の材料から構成される正極板、黒鉛等の材料から構成される負極板、及び両者を隔てる絶縁紙を備える。正極板、絶縁紙（セパレータ）、及び負極板を束ねた層は例えば捲回された状態で金属ケース内に収容される。

電池セル３２の正極板及び負極板の少なくとも一方に金属等が析出すると、その析出体が絶縁紙を貫通して短絡に至ることがある。例えばリチウムイオン電池の場合、負極板を構成する黒鉛とリチウムとの反応量が所定量を超過すると、負極板上に金属リチウムが樹枝（デンドライト）状に析出することが知られている。この析出体と絶縁紙とが相対移動すると、それに伴い析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至る場合がある。

析出体（及びこれが析出された負極板）と絶縁紙との相対移動は、電池セル３２の膨張／収縮に伴って生じる。例えばハイレート劣化の発生に伴う電池セル３２の膨張時、及びハイレート劣化の解消に伴う電池セル３２の収縮時に生じる。ハイレート劣化は、電池セル３２に対して大電流の充放電が生じたときに負極板と絶縁紙が相対移動する。

大電流充放電（ハイレート充放電）の際、極板内部や電解液中の、イオンや濃度分布に偏りが生じる。このときリチウムイオンの濃度が相対的に低い箇所では内部抵抗が増加して発熱する。この発熱に伴って電池セル３２が膨張する。また、リチウムイオンの濃度が相対的に高い箇所では極板（活物質）へのリチウムイオンへの吸蔵量が増加して、これに伴い極板が膨張する。

上述のように、ハイレート劣化は極板内部や電解液中のイオンや濃度分布に偏りが生じることで発生することから、この偏りが均一化されると解消される。つまり、電池セル３２を通電遮断状態で放置することでハイレート劣化が解消される。この放置期間に、膨張した電池セル３２が収縮し、それに伴って負極板と絶縁紙との相対移動が生じる。例えば外側から内側へ向かう圧力により負極板と絶縁紙とが押し合い、その過程で析出体が絶縁紙を突き破って短絡に至るおそれがある。

短絡が生じると電池セル３２の内部抵抗が低下して端子間電圧が急減（急落）する。したがってこの端子間電圧の急減を捉えることで電池セル３２の短絡有無を判定可能となる。

しかしながら、この短絡が小規模である、つまり析出物が小さい微短絡である場合、電流集中により当該析出物が焼き切れて短絡が解消して正常状態に回復する。電圧測定が間欠的に行われる場合、短絡が所定の電圧測定時以降に発生し、さらに次の電圧測定時までに正常状態に回復するようなことが考えられ、そのような場合には微短絡を検出できなくなる。

後述するように、本実施形態に係る短絡判定システムでは、電池セル３２が収縮し得るメインバッテリ１０の通電遮断期間に、間欠的に電池セル３２の短絡有無を判定する。この短絡有無の判定を行うインターバルについて、本実施形態では、微短絡の発生が疑われる現象を捉え、これに応じて電圧検出のインターバルを短縮化させている。

なお、図６及び図９に示すように、通電遮断期間における電池セル３２の電圧変化は、大電流放電に伴うハイレート劣化と大電流充電に伴うハイレート劣化とで挙動が異なる。例えば図６に示すように、大電流充電に伴うハイレート劣化が生じた場合、通電遮断期間（充電後通電遮断期間）において電池セル３２の端子間電圧は漸減する。一方、図９に示すように、大電流放電に伴うハイレート劣化が生じた場合、通電遮断期間（放電後通電遮断期間）において電池セル３２の端子間電圧は漸増する。

このような端子間電圧の振る舞いの違いに対応して、本実施形態では、電圧検出のインターバルの短縮可否を判定するフローを、大電流放電に伴うハイレート劣化が生じた場合と大電流充電に伴うハイレート劣化が生じた場合とで異ならせている。

＜短絡判定システム＞
本実施形態に係る短絡判定システムは、サブバッテリ２０、電圧センサユニット２４、制御部２２、及びタイマースイッチ４０を備える。

サブバッテリ２０はいわゆる補機バッテリであり、例えば鉛蓄電池から構成される。上述したように、システムメインリレーＳＭＲが接続状態であるときには、サブバッテリ２０はメインバッテリ１０から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して充電される。また、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲが遮断状態となって、メインバッテリ１０が通電遮断期間に入ると、サブバッテリ２０は補機類に電力を供給する。具体的には制御部２２、電圧センサユニット２４、タイマースイッチ４０や時計等の補機に電力を供給する。

電圧センサユニット２４はメインバッテリ１０のそれぞれの電池セル３２の電圧（端子間電圧）を測定する。測定された各電池セル３２の電圧値は制御部２２に送られる。メインバッテリ１０の通電遮断期間における電力消費を抑えるために、電圧センサユニット２４は間欠的に起動される。例えば、タイマースイッチ４０による起動指令を受けてセンサスイッチ４６が遮断状態から接続状態に切り替えられ、これにより電圧センサユニット２４にサブバッテリ２０の電力が供給される。

制御部２２は、例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ３６、及び記憶部３８を備える。記憶部３８はＳＲＡＭ等の揮発性メモリ及びＲＯＭやハードディスク等の不揮発性メモリを含んで構成される。記憶部３８には後述する短絡判定フロー、インターバル設定部の選択フロー、及び、充電後／放電後フローインターバル設定フローを実行するためのプログラム等が記憶されている。

制御部２２は、車両内の種々の機器を制御する。例えば、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びインバータ１４の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の回転数やトルクを制御する。また、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して降圧動作を制御する。

さらに制御部２２は、図示しないスタートスイッチのオン操作及びオフ操作に応じてシステムメインリレーＳＭＲを遮断状態及び接続状態に切り替える。また外部充電（プラグイン充電）の際には、充電タイマー設定やメインバッテリ１０のＳＯＣ等に応じて充電リレーＣＨＲを遮断状態と接続状態とに切り替える。

また制御部２２は、車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。具体的には電流センサ４２及び温度センサ４４から、それぞれメインバッテリ１０の電流値Ｉ及び温度Ｔを受信する。また電圧センサユニット２４から各電池セル３２の電圧値Ｖを受信する。制御部２２は、電圧センサユニット２４から取得した各電池セル３２の電圧値Ｖに基づいて、当該電池セル３２の短絡有無を検出する。つまり制御部２２は電池セル３２の短絡有無を検出する検出部としても機能する。

具体的には、制御部２２の記憶部３８に記憶された短絡判定フロー、インターバル設定部の選択フロー、及び、充電後／放電後インターバル設定フローのプログラムを実行することで、制御部２２は、図２に示すような複数の機能部を備える。すなわち、制御部２２は、短絡判定部５０、インターバル設定フロー決定部５２、充電後インターバル設定部５４、及び放電後インターバル設定部５６を備える。これら各機能部の動作については後述する。

タイマースイッチ４０は、メインバッテリ１０の通電遮断期間における、電圧センサユニット２４、短絡判定部５０、充電後インターバル設定部５４、及び放電後インターバル設定部５６の起動間隔（インターバル）を定める。後述するように、通電遮断期間開始時には、インターバルΔｔの初期値としてΔｔａ（第１の起動間隔）が設定される。さらに充電後インターバル設定部５４及び放電後インターバル設定部５６により、このインターバルΔｔはΔｔａよりも短いΔｔｂ（第２の起動間隔）に変更される。

図３には、短絡判定部５０による短絡有無の判定フローが例示されている。この判定フローは、メインバッテリ１０の電池セル３２のそれぞれに対して、独立に実行されてよい。

短絡判定部５０は間欠的に起動されてその都度短絡有無の判定を行う。具体的には、短絡判定部５０は、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲの両リレーへの遮断指令（リレーオフ指令）を受けるか、またはその後タイマースイッチ４０から起動指令を受けると、図３に示すフローを実行する。

なお、リレーオフ指令を受けた際に、短絡判定部５０に設定された各種パラメータは初期化される。例えば、図３のフローにおいてｎ＝１となる。

短絡判定部５０は、電圧センサユニット２４に電池セル３２の端子間電圧Ｖｎを検出させる（Ｓ１０）。続いて短絡判定部５０は、端子間電圧Ｖ_nのサフィックスｎが２以上であるか否かを判定する（Ｓ１２）。サフィックスｎが２未満のとき、そのままステップＳ２０までスキップする。サフィックスｎが２以上のとき、短絡判定部５０は、今回検出した端子間電圧Ｖ_nからその一つ前の起動時の端子間電圧Ｖ_n-1を差し引いた電圧値差分ΔＶ_nを求める（Ｓ１４）。

電圧値差分ΔＶ_nを求めた後、短絡判定部５０は、当該電圧値差分ΔＶ_nが所定の電圧閾値Ｖｔｈ未満であるか否かを判定する（Ｓ１６）。電圧閾値Ｖｔｈは例えば所定の負の値に定められる。例えば図６の時刻ｔ７、ｔ８に見られるように、短絡が発生すると端子間電圧は急減する。したがって、短絡発生直後の時刻ｔ８における電圧値Ｖ₈からその一つ前の起動時の、短絡発生直前の電圧値Ｖ₇を差し引いた電圧値差分ΔＶ₇は、負の値をとる。この電圧値差分ΔＶ₇が電圧閾値Ｖｔｈよりも更に負に大きい場合、つまり電圧の落ち込みが大きい場合、短絡判定部５０は判定対象の電池セル３２に対して短絡有りと判定する（Ｓ１８）。

電圧閾値Ｖｔｈは、正常時の（無短絡時）と短絡時の電池セル３２の端子間電圧とに基づいて定められる。例えば、短絡時点の端子間電圧から満充電時（上限ＳＯＣ）の端子間電圧を差し引いた差分値に所定の割合（例えば５０％以上７０％以下の任意の割合）を掛けた値を電圧閾値Ｖｔｈとする。

ステップＳ１８にて短絡判定部５０は、車内のディスプレイ等の表示器等や、図示しないテレマティクスシステムを通じて運転者の端末等に、所定の短絡発生通知を送信する。さらに短絡判定フローはステップＳ２０に進み、サフィックスｎがインクリメントされる。その後短絡判定部５０はタイマースイッチ４０にカウント指令を出力し（Ｓ２２）、タイマースイッチ４０にインターバル期間のカウントを開始させる。カウント指令の出力後、短絡判定部５０は休止（スリープ）状態に移行する。

インターバル設定フロー決定部５２、充電後インターバル設定部５４、及び放電後インターバル設定部５６は、タイマースイッチ４０によるインターバル（起動間隔）を設定する。インターバル設定フロー決定部５２は、インターバルの設定に当たり、充電後インターバル設定部５４と放電後インターバル設定部５６のどちらの設定部及びフローを用いるかを決定する。

図４には、インターバル設定フロー決定部５２（以下フロー決定部と呼ぶ）による決定フローが例示されている。当該フローは、メインバッテリ１０の通電期間（充放電期間）から通電遮断期間（充放電停止期間）への移行時に実行される。フロー決定部５２は、システムメインリレーＳＭＲ及び充電リレーＣＨＲの両リレーへの遮断指令（リレーオフ指令）を受けると、タイマースイッチ４０にインターバルΔｔの初期値としてΔｔａ（第１の起動間隔）を設定する（図２参照）。

フロー決定部５２には、メインバッテリ１０の通電期間から、電流センサ４２によるバッテリ電流Ｉｂの検出値が継続的に送られ記憶されている。例えば、システムメインリレーＳＭＲが遮断状態から接続状態に切り替わった時点（例えば、スタートスイッチのオン操作時点）を起点として、その後、接続状態から遮断状態に切り替わる（例えば、スタートスイッチのオフ操作時点）までのバッテリ電流Ｉｂがフロー決定部５２に記憶される。または、充電リレーＣＨＲが遮断状態から接続状態に切り替わった時点（外部充電開始時点）を起点として、その後接続状態から遮断状態に切り替わる（外部充電終了時点）までのバッテリ電流Ｉｂがフロー決定部５２に記憶される。

このフローでは、電池セル３２に生じたハイレート劣化が、大電流放電によるものか大電流充電によるものかが判定される。つまり、通電遮断期間が、充電後に移行したものであるか（充電後通電遮断期間）、放電後に移行したものであるか（放電後通電遮断期間）が判定される。この判定に基づいて、インターバル設定フローとして放電後のフローを用いるか充電後のフローを用いるかが決定される。

フロー決定部５２は、ハイレート充電の積算値を求める。つまり、バッテリ電流Ｉｂが所定の電流閾値Ｉｈｒ−未満である充電電流積算値ΣＩｃｈを求める（Ｓ３０）。なお、バッテリ電流Ｉｂの符号として、放電電流を正（＋）、充電電流を負（−）で表す。

次にフロー決定部５２は、ハイレート放電の積算値を求める。つまり、バッテリ電流Ｉｂが所定の電流閾値Ｉｈｒ＋を超過する放電電流積算値ΣＩｄｃを求める（Ｓ３２）。

さらにフロー決定部５２は、充電電流積算値ΣＩｃｈと放電電流積算値ΣＩｄｃとの絶対値比較を行う（Ｓ３４）。相対的に充電電流積算値ΣＩｃｈ（の絶対値）が大きい場合、フロー決定部５２は、充電後インターバル設定部５４に決定指令を出力する（Ｓ３６）。相対的に放電電流積算値ΣＩｄｃ（の絶対値）が大きい場合、フロー決定部５２は、放電後インターバル設定部５６に決定指令を出力する（Ｓ３８）。

なお、図４のフローでは、バッテリ電流Ｉｂのみを判断基準としていたが、この形態に限らない。例えば電池セル３２の膨張は周辺機器からの加熱によっても生じる。例えば充電器３４が発熱してこれがメインバッテリ１０に伝達される場合がある。そこで、温度センサ４４によるバッテリ温度を判断基準に加えてもよい。

図５には、充電後インターバル設定部５４による充電後インターバル設定フローが例示されている。当該フローは、フロー決定部５２から決定指令を受信した時点、及び、その後のタイマースイッチ４０による起動指令の受信時に実行される。なお、フロー決定部５２の決定指令が受信されない場合は、タイマースイッチ４０から起動指令を受信したとしても図５のフローが実行されないように設定（ＡＮＤ設定）されている。

なお、フロー決定部５２から決定指令を受信した際に、充電後インターバル設定部５４に設定された各種パラメータは初期化される。例えば、図５のフローにおいてｎ＝１、ｋ＝０となる。

充電後インターバル設定部５４は、電圧センサユニット２４に電池セル３２の端子間電圧Ｖｎを検出させる（Ｓ４０）。続いて充電後インターバル設定部５４は、端子間電圧Ｖ_nのサフィックスｎが２以上であるか否かを判定する（Ｓ４２）。サフィックスｎが２未満のとき、そのままステップＳ５６までスキップする。サフィックスｎが２以上のとき、充電後インターバル設定部５４は、今回検出した端子間電圧Ｖ_nからその一つ前の起動時の端子間電圧Ｖ_n-1を差し引いた電圧値差分ΔＶ_nを求める（Ｓ４４）。

続いて充電後インターバル設定部５４は、電池セル３２に微短絡が発生したと疑われるか否か、言い換えると微短絡の発生に付随した現象が生じているか否かが判定される。すなわち充電後インターバル設定部５４は、電圧値差分ΔＶ_nが所定の電圧閾値Ｖａ未満であるか否かを判定する（Ｓ４６）。電圧閾値Ｖａは例えば所定の負の値に定められる。

図６に示すように、ハイレート劣化の解消過程で微短絡が発生すると端子間電圧は急激に落ち込み、その後回復する。本実施形態では、この回復過程の端子間電圧を捉えたときに、電圧測定のインターバルを短縮化させる。

なお、大電流充電後のハイレート劣化の解消過程では、電池セル３２の端子間電圧が漸減する。したがって、正常状態では（現在値から過去の値を差し引く）電圧値差分ΔＶ_nは常にΔＶ_n＜０となる。電圧閾値Ｖａは、この正常状態で生じ得る電圧差と、微短絡発生時の電圧差との間の値に設定される。

例えば、短絡時点の端子間電圧から満充電時（上限ＳＯＣ）の端子間電圧を差し引いた差分値に所定の割合を掛けた値を電圧閾値Ｖａとする。ここで、電圧閾値Ｖａを短絡時寄りに設定すると、その分、微短絡の回復過程を検出し難くなる。つまり、電圧閾値Ｖａを下回るタイミングが、微短絡の発生直後の僅かな期間に限られてしまう。他方、電圧閾値Ｖａを正常時寄りに設定すると、正常時に微短絡が発生したと誤検出するおそれがある。

そこで本実施形態では、例えば上記所定の割合を１０％以上２０％以下として、微短絡の回復過程を、微短絡の発生時点から長期間に亘り検出可能としている。さらに、微短絡の誤検出を抑制するために、電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖａ未満となる状態をカウントして、複数回に亘って電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖａ未満となったときに、電圧測定（つまり短絡判定）のインターバルを短縮化させている。

なお、図６に示されているように、大電流充電後のハイレート劣化の解消過程では、電圧の減少カーブが徐々に緩くなる。言い換えると、電池セル３２の端子間電圧の減少割合が時間とともに小さくなる。そこで、電圧閾値Ｖａを時間の経過とともに小さくさせてもよい。例えば電圧閾値Ｖａを、通電遮断期間の開始時点を時刻０とした関数Ｖａ（ｔ）としてもよい。

充電後インターバル設定部５４は、ステップＳ４６にて電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖａ未満であると判定されると、カウンタｋをインクリメントする（Ｓ４８）。さらに充電後インターバル設定部５４は、カウンタｋが所定のカウンタ閾値ｋｔｈを超過しているか否かを判定する（Ｓ５０）。超過している場合、タイマースイッチ４０のインターバルΔｔを初期値Δｔａ（第１の起動間隔）よりも短いΔｔｂ（第２の起動間隔）に設定変更する（Ｓ５４）。例えば図６では、ｋｔｈ＝１として、電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖａ未満となった２回目の時刻ｔ４に、インターバルをΔｔｂに変更している。なお、ステップＳ５０にてカウンタｋが所定のカウンタ閾値ｋｔｈ以下である場合、ステップＳ５６までスキップする。

インターバルΔｔｂは、Δｔａより短い期間であればよく、例えば０以上Δｔａ未満の任意の時間を設定できる。例えばΔｔｂ＝０とすると、電圧測定（及び短絡判定）を連続的に実行可能となる。

ステップＳ４６にて電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖａ以上である場合、充電後インターバル設定部５４は、電池セル３２に微短絡が発生したと疑われるか否か、言い換えると微短絡の発生に付随した現象が生じているか否かを判定する第２の判定を行う。すなわち充電後インターバル設定部５４は、電圧値差分ΔＶ_nが正（ΔＶ_n＞０）であるか否かを判定する（Ｓ５２）。

上述したように、大電流充電後のハイレート劣化の解消過程では、電池セル３２の端子間電圧が漸減する。したがって、正常状態では（現在値から過去の値を差し引く）電圧値差分ΔＶ_nは常にΔＶ_n＜０となる。このことから、ΔＶ_n＞０となったときは微短絡が発生した可能性が高い。例えば図７の時刻ｔ２及び時刻ｔ３に示すように、正常状態の現在時端子間電圧から微短絡の回復過程における前回端子間電圧を差し引いた結果、ΔＶ_n＞０となったと推定できる。

充電後インターバル設定部５４は、電圧値差分ΔＶ_nが正（ΔＶ_n＞０）であるときに、タイマースイッチ４０のインターバルΔｔを初期値Δｔａ（第１の起動間隔）よりも短いΔｔｂ（第２の起動間隔）に設定変更する（Ｓ５４）。電圧値差分ΔＶ_nが０以下であるときは、ステップＳ５６まで進む。

ステップＳ５６では、電圧計測回数のサフィックスｎがインクリメントされる。その後充電後インターバル設定部５４はタイマースイッチ４０にカウント指令を出力し（Ｓ５８）、タイマースイッチ４０にインターバル期間のカウントを開始させる。カウント指令の出力後、充電後インターバル設定部５４は休止（スリープ）状態に移行する。

図８には、放電後インターバル設定部５６による放電後インターバル設定フローが例示されている。当該フローは、フロー決定部５２から決定指令を受信した時点、及び、その後のタイマースイッチ４０による起動指令の受信時に実行される。なお、フロー決定部５２の決定指令が受信されない場合は、タイマースイッチ４０から起動指令を受信したとしても図８のフローが実行されないように設定（ＡＮＤ設定）されている。

なお、フロー決定部５２から決定指令を受信した際に、放電後インターバル設定部５６に設定された各種パラメータは初期化される。例えば、図８のフローにおいてｎ＝１、ｋ＝０となる。

放電後インターバル設定部５６は、電圧センサユニット２４に電池セル３２の端子間電圧Ｖｎを検出させる（Ｓ６０）。続いて放電後インターバル設定部５６は、端子間電圧Ｖ_nのサフィックスｎが２以上であるか否かを判定する（Ｓ６２）。サフィックスｎが２未満のとき、そのままステップＳ７６までスキップする。サフィックスｎが２以上のとき、放電後インターバル設定部５６は、今回検出した端子間電圧Ｖ_nからその一つ前の起動時の端子間電圧Ｖ_n-1を差し引いた電圧値差分ΔＶ_nを求める（Ｓ６４）。

続いて放電後インターバル設定部５６は、電池セル３２が微短絡からの回復過程にあるか否かを判定する。すなわち放電後インターバル設定部５６は、電圧値差分ΔＶ_nが所定の電圧閾値Ｖｂを超過する否かを判定する（Ｓ６６）。電圧閾値Ｖｂは例えば所定の正の値に定められる。

図９に示すように、大電流放電後のハイレート劣化の解消過程では、電池セル３２の端子間電圧が漸増する。この漸増の割合を超過するほど電圧値差分ΔＶ_nが大きい値を示したときに、電池セル３２に微短絡が発生したと疑われる、言い換えると微短絡の発生に付随した現象が生じていると推定される。

電圧閾値Ｖｂは、例えば、短絡時点の端子間電圧から満充電時（上限ＳＯＣ）の端子間電圧を差し引いた差分値に所定の割合を掛けた値に設定される。ここで、充電後インターバル設定フローの電圧閾値Ｖａと同様にして、電圧閾値Ｖｂを短絡時寄りに設定すると、その分、微短絡の回復過程を検出し難くなる。つまり、電圧閾値Ｖｂを超過するタイミングが、微短絡の発生直後の僅かな期間に限られてしまう。他方、電圧閾値Ｖｂを正常時寄りに設定すると、正常時に微短絡が発生したと誤検出するおそれがある。

そこで本実施形態では、例えば上記所定の割合を１０％以上２０％以下として、微短絡の回復過程を長期間に亘り検出可能とする。さらに、微短絡の誤検出を抑制するために、電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖｂを超過する状態をカウントして、複数回に亘って電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖｂを超過するときに、電圧測定（つまり短絡判定）のインターバルを短縮化させている。

なお、図９に示されているように、大電流放電後のハイレート劣化の解消過程では、電池セル３２の端子間電圧の増加割合が時間とともに小さくなる。そこで、電圧閾値Ｖｂを時間の経過とともに小さくさせてもよい。例えば電圧閾値Ｖｂを、通電遮断期間の開始時点を時刻０とした関数Ｖｂ（ｔ）としてもよい。

ステップＳ６６にて電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖｂを超過すると判定されると、放電後インターバル設定部５６は、カウンタｋをインクリメントする（Ｓ６８）。さらに放電後インターバル設定部５６は、カウンタｋが所定のカウンタ閾値ｋｔｈを超過しているか否かを判定する（Ｓ７０）。超過している場合、タイマースイッチ４０のインターバルΔｔを初期値Δｔａ（第１の起動間隔）よりも短いΔｔｂ（第２の起動間隔）に設定変更する（Ｓ７４）。例えば図９では、ｋｔｈ＝１として、電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖｂを超過する状態が２回目となる時刻ｔ６に、インターバルをΔｔｂに変更している。なお、ステップＳ７０にてカウンタｋが所定のカウンタ閾値ｋｔｈ以下である場合、ステップＳ７６までスキップする。

ステップＳ６６にて電圧値差分ΔＶ_nが電圧閾値Ｖｂ以下である場合、放電後インターバル設定部５６は、微短絡からの回復過程であることを判定する第２の判定を行う。すなわち放電後インターバル設定部５６は、電圧値差分ΔＶ_nが負（ΔＶ_n＜０）であるか否かを判定する（Ｓ７２）。

上述したように、大電流放電後のハイレート劣化の解消過程では、電池セル３２の端子間電圧が漸増する。したがって、正常状態では（現在値から過去の値を差し引く）電圧値差分ΔＶ_nは常にΔＶ_n＞０となる。このことから、ΔＶ_n＜０となったときは微短絡が発生した可能性が高い。例えば図１０の時刻ｔ３及び時刻ｔ４に示すように、微短絡の回復過程における端子間電圧（時刻ｔ４）から正常状態の端子間電圧（時刻ｔ３）を差し引いた結果、ΔＶ_n＜０となったと推定できる。

放電後インターバル設定部５６は、電圧値差分ΔＶ_nが負（ΔＶ_n＜０）であるときに、タイマースイッチ４０のインターバルΔｔを初期値Δｔａ（第１の起動間隔）よりも短いΔｔｂ（第２の起動間隔）に設定変更する（Ｓ７４）。電圧値差分ΔＶ_nが０以上であるときは、ステップＳ７６まで進む。

ステップＳ７６では、電圧計測回数のサフィックスｎがインクリメントされる。その後放電後インターバル設定部５６はタイマースイッチ４０にカウント指令を出力し（Ｓ７８）、タイマースイッチ４０にインターバル期間のカウントを開始させる。カウント指令の出力後、放電後インターバル設定部５６は休止（スリープ）状態に移行する。

１０メインバッテリ、２０サブバッテリ、２２制御部、２４電圧センサユニット、３２電池セル、３３電池パック、４０タイマースイッチ、５０短絡判定部、５２インターバル設定フロー決定部、５４充電後インターバル設定部、５６放電後インターバル設定部、ＣＨＲ充電リレー、ＳＭＲシステムメインリレー。

Claims

複数の電池セルが積層されたメインバッテリの、それぞれの前記電池セルの短絡有無を判定する、電池の短絡判定システムであって、
前記電池セルの電圧を測定する電圧センサと、
前記メインバッテリの通電遮断期間に間欠的に起動され、前記電池セルの電圧に基づいて当該電池セルの短絡有無を判定する短絡判定部と、
前記短絡判定部を起動させる起動間隔の初期値として第１の起動間隔が設定されたタイマースイッチと、
前記メインバッテリの充電後に前記通電遮断期間に移行した充電後通電遮断期間に、所定の起動時の前記電池セルの電圧値からその一つ前の起動時の前記電池セルの電圧値を引いた電圧値差分が所定の電圧閾値を下回る状態が複数回生じた場合、または、前記電圧値差分が正の値である場合に、前記タイマースイッチによる起動間隔を、前記第１の起動間隔よりも短い第２の起動間隔に設定する、インターバル設定部と、
を備えることを特徴とする、電池の短絡判定システム。