JP7056363B2

JP7056363B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP7056363B2
Application number: JP2018091463A
Authority: JP
Inventors: 麻衣藤原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: JP2019196996A

Description

本開示は、複数のセルを有する電池ブロック内の断線を検出する技術に関する。

特開２００１－１１６７７６号公報（特許文献１）には、直列に接続された複数のセルを各々が有する複数の直列ブロックが直列に接続されて構成された電池システムが開示されている。各ブロックには、電圧測定線と、電圧測定線を介して各ブロックに接続された電圧センサとが設けられている。さらに、各ブロックには、電圧測定線の断線を検出するための断線検出用抵抗が各ブロックに対して並列に接続されている。このような構成においては、いずれかの電圧測定線が断線した場合、断線した電圧測定線に接続される２つの隣接する電圧センサで検出される電圧値は、断線した電圧測定線に接続される２つの隣接する断線検出用抵抗の抵抗比に伴った電圧値となる。これにより、正常時には検出されない電圧が電圧センサによって検出された場合に、電圧測定線の断線を検出することが可能となる。

特開２００１－１１６７７６号公報特開２０１６－５０８７０号公報

電池システムのなかには、並列に接続された複数のセルを各々が有する複数の並列ブロックが直列に接続されて構成されたものも存在する。

各並列ブロック内においては、断線によって通電しなくなったセル（以下「断線セル」ともいう）が存在する場合であっても、断線していない残りのセル（以下「残存セル」ともいう）からの電力供給を継続することが可能である。しかしながら、残存セルに負荷が集中することになるため、断線セルの数を把握することなく電力制御を行なうと、残存セルに対して過剰な負荷が掛かり、残存セルの劣化を早めてしまうことが懸念される。そのため、複数の並列ブロックが直列に接続されて構成される電池システムにおいては、各並列ブロック内の断線の有無を検出するだけでなく、各並列ブロック内の断線セルの数を適切に把握し、その上で残存セルの数に見合った電力制御を行なうことが望ましい。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の並列ブロックが直列に接続されて構成される電池システムにおいて、各並列ブロック内の断線セルの数を適切に把握することである。

本開示による電池システムは、並列に接続された複数のセルを有する第１並列ブロックと、第１並列ブロックに直列に接続され、並列に接続された複数のセルを有する第２並列ブロックと、第１並列ブロック内の断線によって通電しなくなったセルの数を断線セル数として算出するように構成された制御装置とを備える。制御装置は、第２並列ブロックの抵抗に対する第１並列ブロックの抵抗の割合を第１並列ブロックの抵抗比として算出し、第１並列ブロックの抵抗比が断線閾値を超えたことに応じて断線セル数を増加させ、断線セル数が増加したことに応じて断線閾値を増加させる。

上記システムによれば、第１並列ブロックの抵抗比が断線閾値を超えたことに応じて断線セル数を増加される。抵抗比と比較される断線閾値は、断線セル数が増加したことに応じて増加される。これにより、１本目の断線だけでなく、２本目以降の断線をも適切に判定することが可能となる。そのため、断線閾値を断線セル数に関わらず固定値とする場合に比べて、断線セルの数を適切に把握することができる。

本開示によれば、複数の並列ブロックが直列に接続されて構成される電池システムにおいて、各並列ブロック内の断線セル数を適切に把握することができる。

電池システムの全体構成の一例を示す図である。ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャートである。並列ブロック内で断線が生じた場合の学習抵抗比Ｒｒａ、断線閾値Ｒｔｈ、断線カウンタ、断線本数、補正係数Ｋの変化の一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜電池システムの全体構成＞
図１は、本実施の形態による電池システム１の全体構成の一例を示す図である。電池システム１は、図示しない電気負荷に電力を供給可能に構成される。たとえば、電池システム１は、走行用モータを備えた電動車両（ハイブリッド自動車あるいは電気自動車等）に搭載され、走行用モータとの間で電力を授受する。

電池システム１は、第１並列ブロック１０Ｘと、第２並列ブロック１０Ｙと、電流センサ２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。第１並列ブロック１０Ｘは、並列に接続された５つの電池セルＢと、電圧センサ１２と、温度センサ１４とを備える。第２並列ブロック１０Ｙも、第１並列ブロック１０Ｘと同様に、並列に接続された５つの電池セルＢと、電圧センサ１２と、温度センサ１４とを備える。第２並列ブロック１０Ｙは、第１並列ブロック１０Ｘに直列に接続される。電池セルＢの各々は、電気負荷に供給するための電力を蓄える二次電池である。

第１並列ブロック１０Ｘの電圧センサ１２は、第１並列ブロック１０Ｘの電圧（以下「第１ブロック電圧Ｖ_Ｘ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。第２並列ブロック１０Ｙの電圧センサ１２は、第２並列ブロック１０Ｙの電圧（以下「第２ブロック電圧Ｖ_Ｙ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

第１並列ブロック１０Ｘの温度センサ１４は、第１並列ブロック１０Ｘの温度（以下「第１ブロック温度Ｔ_Ｘ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。第２並列ブロック１０Ｙの温度センサ１４は、第２並列ブロック１０Ｙの温度（以下「第２ブロック温度Ｔ_Ｙ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

電流センサ２０は、直接に接続された第１並列ブロック１０Ｘおよび第２並列ブロック１０Ｙを流れる電流ｉを検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵する。ＥＣＵ１００は、各センサからの情報およびメモリに記憶された情報に基づいて所定の演算処理を実行するように構成される。

なお、図１には各並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙ内に５つの電池セルＢを設ける例を示したが、各並列ブロック内に設けられる電池セルＢの数は５つに限定されるものではなく、２つ以上であればよい。また、図１には２つの並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙが直列に接続される例を示したが、直列に接続される並列ブロックの数は２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。

＜並列ブロック内の断線セル数（断線本数）の算出＞
上述のように、本実施の形態による電池システム１は、並列に接続された５つの電池セルＢを各々が有する２つの並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙが直列に接続されて構成される。

したがって、各並列ブロック内１０Ｘ，１０Ｙにおいて、断線によって通電しなくなった電池セルＢ（以下「断線セル」ともいう）が存在する場合であっても、断線していない残りの電池セルＢ（以下「残存セル」ともいう）からの電力供給を継続することが可能である。しかしながら、残存セルに負荷が集中することになるため、断線セルの数を把握することなく電力制御を行なうと、残存セルに対して過剰な負荷が掛かり、残存セルの劣化を早めてしまうことが懸念される。そのため、電池システム１においては、各並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙ内の断線の有無を検出するだけでなく、各並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙ内の断線セルの数（以下「断線本数」ともいう）を適切に把握し、その上で残存セルの数に見合った電力制御を行なうことが望ましい。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、以下に示す手法で各並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙ内の断線本数（断線セルの数）を算出する。なお、以下では、第１並列ブロック１０Ｘ内の断線本数を算出する手法を中心に説明する。第２並列ブロック１０Ｙ内の断線本数についても、第１並列ブロック１０Ｘ内の断線本数を算出する手法と同様の手法で算出することができる。

図２は、ＥＣＵ１００が第１並列ブロック１０Ｘ内の断線本数を算出する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、たとえば所定の周期で繰り返し実行される。

ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの通電中である（電流センサ２０で検出された電流ｉが基準値を超える）か否かを判定する（ステップＳ１０）。

通電中である場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒを算出する（ステップＳ１２）。なお、第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒは、第２並列ブロック１０Ｙの合成抵抗Ｒ_Ｙに対する第１並列ブロック１０Ｘの合成抵抗Ｒ_Ｘの割合（＝Ｒ_Ｘ／Ｒ_Ｙ）である。

たとえば、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの電圧センサ１２で検出された第１ブロック電圧Ｖ_Ｘを電流センサ２０で検出された電流ｉで除算した値（＝Ｖ_Ｘ／ｉ）を第１並列ブロック１０Ｘの合成抵抗Ｒ_Ｘとして算出し、第２並列ブロック１０Ｙの電圧センサ１２で検出された第２ブロック電圧Ｖ_Ｙを電流センサ２０で検出された電流ｉで除算した値（＝Ｖ_Ｙ／ｉ）を第２並列ブロック１０Ｙの合成抵抗Ｒ_Ｙとして算出する。そして、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの合成抵抗Ｒ_Ｘを第２並列ブロック１０Ｙの合成抵抗Ｒ_Ｙで除算した値（＝Ｒ_Ｘ／Ｒ_Ｙ）を第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒとして算出する。

なお、第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒの算出手法は、上記の手法に限定されるものではない。たとえば、電流ｉを用いることなく、第１ブロック電圧Ｖ_Ｘを第２ブロック電圧Ｖ_Ｙで除算した値（＝Ｖ_Ｘ／Ｖ_Ｙ）を第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒとして算出するようにしてもよい。

次いで、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの温度センサ１４で検出された第１ブロック温度Ｔ_Ｘと第２並列ブロック１０Ｙの温度センサ１４で検出された第２ブロック温度Ｔ_Ｙとの温度差ΔＴ（＝｜Ｔ_Ｘ－Ｔ_Ｙ｜）が所定値ΔＴｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。この判定は、ステップＳ１２で算出された抵抗比Ｒｒに、温度差ΔＴによる一時的なばらつきが含まれていないことを確認するための処理である。

温度差ΔＴが所定値ΔＴｔｈを超える場合（ステップＳ１４においてＮＯ）、ステップＳ１２で算出された抵抗比Ｒｒに温度差ΔＴによる一時的なばらつきが多く含まれており断線本数の算出精度を確保できないおそれがあるため、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。

温度差ΔＴが所定値ΔＴｔｈ未満である場合（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、ステップＳ１２で算出された抵抗比Ｒｒに温度差ΔＴによる一時的なばらつきがほとんど含まれていないと考えられるため、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１２以降の処理を行なう。

具体的には、ＥＣＵ１００は、まず、ステップＳ１２で算出された抵抗比Ｒｒにメモリに記憶されている補正係数Ｋを乗じた値（＝Ｒｒ×Ｋ）を、第１並列ブロック１０Ｘの学習抵抗比Ｒｒａとして算出する（ステップＳ１６）。

ここで、補正係数Ｋは、抵抗比Ｒｒに含まれる断線以外のばらつき（製造ばらつき、摩耗劣化ばらつきなど）を抵抗比Ｒｒから取り除くように抵抗比Ｒｒを補正するための係数である。したがって、学習抵抗比Ｒｒａ（＝Ｒｒ×Ｋ）は、抵抗比Ｒｒから断線以外のばらつきが取り除かれた値となる。これにより、断線による抵抗比を精度よく算出することができる。なお、補正係数Ｋは、後述するステップＳ５４で算出されてメモリに記憶されている。

次いで、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘ内において新たな断線が生じたか否かを判定するための断線閾値Ｒｔｈを、下記の式（１）を用いて算出する（ステップＳ２０）。

断線閾値Ｒｔｈ＝［並列数／｛並列数－（断線本数＋１）｝］＋誤差 …（１）
式（１）において、「並列数」は、第１並列ブロック１０Ｘ内で並列に接続される電池セルＢの数（固定値。本実施の形態においては「５」）である。「断線本数」は、並列ブロック１０Ｘ内の断線セルの数であり、後述するステップＳ５０で算出されてメモリに記憶されている。なお、断線本数の初期値は０である。「誤差」は、実験等によって得られる値（固定値）である。

ＥＣＵ１００は、メモリに記憶されている断線本数を上記式（１）に代入することによって断線閾値Ｒｔｈを算出する。断線閾値Ｒｔｈが上記（１）で算出されることによって、断線閾値Ｒｔｈは、断線本数が新たに１本増加したと仮定した場合の第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒを示す値となる。なお、式（１）から理解できるように、断線本数が増加したことに応じて、断線閾値Ｒｔｈは増加することになる。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１６で算出された学習抵抗比ＲｒａがステップＳ２０で算出された断線閾値Ｒｔｈよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２２）。

学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈよりも小さい場合（ステップＳ２２においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、新たな断線は生じていないと判定し、メモリに記憶されている断線カウンタ（後述）をクリアする（ステップＳ２４）。

一方、学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈよりも大きい場合（ステップＳ２２においてＹＥＳ）、新たな断線が生じている可能性があるため、ＥＣＵ１００は、メモリに記憶されている断線カウンタをアップする（ステップＳ４０）。なお、断線カウンタは、学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈよりも大きいと判定された回数を示すパラメータである。

次いで、ＥＣＵ１００は、断線カウンタが所定値に達したか否かを判定する（ステップＳ４２）。断線カウンタが所定値に達していない場合（ステップＳ４２においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。この際、断線カウンタはクリアされることなく現在の値に維持される。

断線カウンタが所定値に達した場合（ステップＳ４２においてＹＥＳ）、新たな断線によって学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈよりも大きい状態が継続していると考えられるため、ＥＣＵ１００は、新たな断線が生じたと判定してメモリに記憶されている断線本数を１本増加する（ステップＳ５０）。

その後、ＥＣＵ１００は、補正係数Ｋの学習を行なう（ステップＳ５２，Ｓ５４）。具体的には、ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの断線本数による抵抗比Ｒｒｂを下記の式（２）を用いて算出する（ステップＳ５２）。

抵抗比Ｒｒｂ＝並列数／（並列数－断線本数） …（２）
そして、ＥＣＵ１００は、ステップＳ５２で算出された抵抗比Ｒｒｂの逆数（＝１／Ｒｒｂ）を補正係数Ｋとして算出し、算出された補正係数Ｋをメモリに記憶する（ステップＳ５４）。その後、ＥＣＵ１００は、断線カウンタをクリアする（ステップＳ５６）。

図３は、並列ブロック１０Ｘ内で断線が生じた場合の学習抵抗比Ｒｒａ、断線閾値Ｒｔｈ、断線カウンタ、断線本数、補正係数Ｋの変化の一例を示す図である。なお、図３には、時刻ｔ１に１本目の断線が生じた例が示されている。

時刻ｔ１以前においては、断線本数が０本である。この場合、断線閾値Ｒｔｈは、断線本数が０本から１本に増加したと仮定した場合の抵抗比Ｒｒを示す値に設定される（式（１）参照）。したがって、断線本数が０本である時刻ｔ１以前においては、学習抵抗比Ｒｒａは断線閾値Ｒｔｈ未満で推移する。

時刻ｔ１にて断線が生じて第１並列ブロック１０Ｘ内のいずれか１つの電池セルＢが通電しなくなると、第１並列ブロック１０Ｘの合成抵抗Ｒ_Ｘは第２並列ブロック１０Ｙの合成抵抗Ｒ_Ｙよりも大きくなるため、学習抵抗比Ｒｒａ（＝Ｒｒ×Ｋ）は増加する。そして、時刻ｔ２にて学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈを超えると、断線カウンタのアップが開始される。そして、時刻ｔ３にて断線カウンタが所定値に達すると、新たな断線が生じたと判定されて、断線本数が０本から１本に増加される。

断線本数が０本から１本に増加したことに応じて、断線閾値Ｒｔｈは、断線本数が１本から２本に増加したと仮定した場合の抵抗比Ｒｒを示す値に増加される（式（１）参照）。このように、断線本数が増加したことに応じて断線閾値Ｒｔｈを増加させることによって、１本目の断線だけでなく、２本目以降の断線をも適切に判定することが可能となる。

さらに、図３に示すように、断線本数が０本から１本に増加したことに応じて、補正係数Ｋが減少される。このように、断線本数が増加したこと（すなわち残存セルが減少したこと）に応じて補正係数Ｋを減少させることによって、２本目以降の断線が生じた場合であっても、学習抵抗比Ｒｒａ（＝Ｒｒ×Ｋ）の算出精度が低下することを抑制することができる。そのため、２本目以降の断線をより適切に判定することが可能となる。

以上のように、本実施の形態による電池システム１は、並列に接続された５つの電池セルＢを各々が有する２つの並列ブロック１０Ｘ，１０Ｙと、ＥＣＵ１００とを備える。ＥＣＵ１００は、第１並列ブロック１０Ｘの抵抗比Ｒｒ（＝Ｒ_Ｘ／Ｒ_Ｙ）に補正係数Ｋを乗じた値（＝Ｒｒ×Ｋ）を第１並列ブロック１０Ｘの学習抵抗比Ｒｒａとして算出する。そして、ＥＣＵ１００は、学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈを超えた回数（断線カウンタ）が所定値に達した場合、第１並列ブロック１０Ｘ内の断線本数を増加させるとともに、断線本数が増加したことに応じて断線閾値Ｒｔｈを増加させる。このように、断線本数が増加したことに応じて断線閾値Ｒｔｈを増加させることによって、１本目の断線だけでなく、２本目以降の断線をも適切に判定することが可能となる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、断線本数の算出精度を向上させる観点から、学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈを超えた回数を断線カウンタとしてカウントし、断線カウンタが所定値に達した場合に断線本数を増加させる例を示した。しかしながら、断線カウンタをカウントすることなく、学習抵抗比Ｒｒａが断線閾値Ｒｔｈを超えた場合に断線本数を増加させるようにしてもよい。すなわち、図２において、断線カウンタに関連する処理（ステップＳ２４，Ｓ４０，Ｓ４２，Ｓ５６）を省略するようにしてもよい。

また、上述の実施の形態においては、図２のステップＳ２２において、ステップＳ１６で算出された学習抵抗比Ｒｒａを断線閾値Ｒｔｈと比較する例を示した。しかしながら、図２のステップＳ２２において、ステップＳ１２で算出された抵抗比Ｒｒを断線閾値Ｒｔｈと直接比較するようにしてもよい。この場合においては、図２において、学習抵抗比Ｒｒａの算出に関連する処理（ステップＳ１６，Ｓ５２、Ｓ５４）を省略することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電池システム、１０Ｘ第１並列ブロック、１０Ｙ第２並列ブロック、１２電圧センサ、１４温度センサ、２０電流センサ、１００ＥＣＵ、Ｂ電池セル。

Claims

並列に接続された複数のセルを有する第１並列ブロックと、
前記第１並列ブロックに直列に接続され、並列に接続された複数のセルを有する第２並列ブロックと、
前記第１並列ブロック内の断線によって通電しなくなったセルの数を断線セル数として算出するように構成された制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記第２並列ブロックの抵抗に対する前記第１並列ブロックの抵抗の割合を前記第１並列ブロックの抵抗比として算出し、
前記第１並列ブロックと前記第２並列ブロックとの温度差が所定値未満である場合に、前記第１並列ブロックの抵抗比が断線閾値を超えたことに応じて前記断線セル数を増加させ、
前記断線セル数が増加したことに応じて前記断線閾値を増加させる、電池システム。