JP7380411B2 - 電池監視装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電池監視装置に関するものである。
従来から、車両用電源として複数の電池セルから構成される組電池が利用されている。このような組電池を利用する電源システムでは、組電池の異常を的確に検出する必要ある。例えば、特許文献1では、隣り合う2つの電池ブロックの電圧差が、所定値よりも大きく、かつ、電池ブロックに含まれる所定数の電池セルのいずれかが過放電状態である場合、組電池が異常であると判定している。
特開2010-164510号公報
しかしながら、この異常判定方法では、隣り合う2つの電池ブロックの電圧差が、所定値よりも大きいことを前提に、異常を判定しているため、水没時など、複数の電池セルが(同時多発的に)異常な状態に陥った場合、的確に異常を判定しえない場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異常を的確に判定できる電池監視装置を提供することにある。
上記課題を解決するための手段は、複数の電池セルを接続することにより構成される組電池の状態を監視する電池監視装置において、任意のタイミングで前記各電池セルの電圧を取得する電圧取得部と、前記電圧取得部が検出した前記各電池セルの電圧をそれぞれ記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された電圧に基づいて、前記電池セル毎の電圧変化の傾きを算出する演算部と、前記演算部により算出された前記電圧変化の傾きに基づいて、前記電池セルの異常を判定する異常判定部と、を備える。
電池又はその外部環境の異常時に電池セルの電圧変化の傾きを見ると、見かけ上電池セルの自己放電が増加して見える。このため、電圧変化の傾きに基づいて電池セルの自己放電が増加している場合、異常と判定することができる。そして、このように構成することにより、複数の電池セルが同時に低下する場合であっても、異常を判定することができる。また、組電池の漏電を検出する回路や、液体冷媒の導電率(絶縁率)を計測するセンサや、水没を検出するセンサ等を設ける必要もない。
電源システムを示す構成図。 異常判定処理の流れを示すフローチャート。 放電時の電圧の変化を示すタイムチャート。 充電時の電圧の変化を示すタイムチャート。 第2実施形態の電源システムを示す構成図。 冷媒温度の変化を示すタイムチャート。
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、例えば電気自動車やPHV、HVのようなモータを駆動源として走行する車両において、当該車両のモータ等の各種機器に電力を供給する車載電源の電源システムとして具体化するものとしている。なお、エンジンを駆動源として走行する車両の車載電源である電源システムとして具現化してもよい。
図1は、電源システム10の概略構成図である。電源システム10は、電池装置としての電池パック20と、液体冷媒を循環させる循環ポンプ30と、チラー等の熱交換器40と、を備える。電池パック20と、循環ポンプ30と、熱交換器40とは、液体冷媒が通過する冷媒通路50を介して、直列に配置されており、循環ポンプ30の作動により液体冷媒がこれらの間で循環可能に構成されている。
熱交換器40は、通過する液体冷媒を熱交換して、液体冷媒の温度調整を行うものである。具体的には、熱交換器40は、通過する液体冷媒を放熱して、冷却する冷却装置である。
電池パック20は、組電池60と、電池監視装置70と、それらを収容する電池パック筐体80と、を備える。なお、電池監視装置70は、電池パック筐体80の外部に設けてもよい。
組電池60は、例えば百V以上となる端子間電圧を有し、複数の電池セル61が直列接続されて構成されている。電池セル61として、例えば、リチウムイオン蓄電池や、ニッケル水素蓄電池を用いることができる。各電池セル61は、電解質と複数の電極とを有する蓄電池である。
図1に示すように、電池セル61は、扁平の直方体形状に形成されており、その上面において、長手方向両端に、電源端子62(正極側電源端子62aと負極側電源端子62b)が設けられている。正極側電源端子62aと負極側電源端子62bは、電池セル61から同方向に同程度突出している。そして、複数の電池セル61は、側面が重なるように、短手方向に積層されている。その際、隣接する電池セル61とは、正極側電源端子62aと負極側電源端子62bとが互い違いとなるように配置されている。なお、電池セル61の設置方法及び接続態様は一例であり、任意に変更してもよい。
そして、各電池セル61が、直列に接続されるように、電池セル61の正極側電源端子62aは、隣接する一方側の電池セル61の負極側電源端子62bにバスバー63を介して接続されている。そして、電池セル61の負極側電源端子62bは、隣接する他方側の電池セル61の正極側電源端子62aにバスバー63を介して接続されている。バスバー63は、導電性の材料で構成されており、隣接する電源端子62が届く程度の長さを有する薄板状に形成されている。
そして、図1に示すように、組電池60に接続される電源経路L1には、図示しないインバータ等の電気負荷の入出力端子が接続されている。電源経路L1には、リレースイッチ64が設けられており、リレースイッチ64により、通電及び通電遮断が切り替え可能に構成されている。このリレースイッチ64は、図1に示すように電池パック筐体80内に収容されている。また、電源経路L1には、電流センサ65が設けられており、検出結果が電池監視装置70に入力されるように構成されている。なお、リレースイッチ64や電流センサ65は、電池パック筐体80の外部に設けてもよい。
電池監視装置70は、CPUやメモリなどの回路素子が回路基板上に配置されることにより構成されている。この電池監視装置70は、各種情報を取得可能に構成されている。例えば、電池監視装置70は、組電池60を構成する各電池セル61の端子間電圧を検出し、取得可能に構成されている。また、電池監視装置70は、電流センサ65から組電池60から入出力される電流の電流値を取得可能に構成されている。
また、電池監視装置70は、各種機能を備え、取得した各種情報に基づき、各種機能を実行する。これらの機能は、電池監視装置70が備える記憶装置(記憶用メモリ)に記憶されたプログラムが実行されることで、各種機能が実現される。
電池パック筐体80は、組電池60、電池監視装置70、バスバー63、及びリレースイッチ64等をそれぞれ所定位置に配置して、収容している。組電池60を構成する電池セル61は、図1に示すように、電源端子62が、上方(車両の上方)に配置されている。また、バスバー63は、電源端子62以上の高さとなるように配置されている。また、リレースイッチ64は、電源端子62以上の高さとなるように配置されている。電池監視装置70は、組電池60、バスバー63、及びリレースイッチ64よりも高くなる位置に配置されている。
そして、電池パック筐体80の内部は、液体冷媒によって満たされており、組電池60、電池監視装置70、バスバー63、及びリレースイッチ64等、収容されている各種部材を液体冷媒に浸漬している。これにより、収容されている各種部材を液体冷媒により冷却するように構成されている。液体冷媒は、絶縁性の冷媒であり、例えば、絶縁性LLC(ロングライフクーラント)などである。なお、電池パック筐体80の液体冷媒は、前述したように、冷媒通路50を介して、熱交換器40との間で循環し、所定の温度となるように温度制御が行われている。
ところで、液体冷媒は、時間の経過とともに劣化する場合や、異物が混入する場合がある。これらの場合、液体冷媒の導電率が上昇し、適切に絶縁することができない虞がある。この場合、組電池60の各電池セル61に異常が発生することとなる。例えば、電池セル61を浸漬している液体冷媒の導電率が低下すると、電池セル61の電源端子62同士が液体冷媒を介して短絡し、漏電する可能性がある。また、リレースイッチ64やバスバー63など、電池セル61の端子間電圧よりも高電圧となる部位が存在するが、これらから漏電する可能性もある。そこで、この実施形態では、電池監視装置70は、電池セル61の異常を判定する異常判定処理を行っている。
以下、図2に基づいて詳しく説明する。異常判定処理は、電池監視装置70により任意のタイミングで実行される。例えば、電源システム10への電源投入時、車両の始動時、週の初め、月の初め、所定距離走行時などのタイミングで実行される。また、所定周期ごとに実行されてもよい。
電池監視装置70は、各電池セル61の電圧を検出し、取得する(ステップS101)。そして、電池監視装置70は、検出した各電池セル61の電圧を記憶部としてのメモリに記憶する。なお、今回の異常判定処理において検出された各電池セル61の電圧を今回値と示す。ステップS101により、電池監視装置70は、電圧取得部に相当する。また、電池監視装置70とは別に、各電池セル61の電圧を検出する電圧センサを設け、当該電圧センサから各電池セル61の電圧を取得してもよい。また、ステップS101により、電池監視装置70のメモリが、記憶部に相当する。
次に電池監視装置70は、前回の異常判定処理の実行時に取得された各電池セル61の電圧値(以下、前回値と示す)が記憶されているか否かを判定する(ステップS102)。この判定結果が否定の場合、電池監視装置70は、異常判定処理を終了する。
一方、ステップS102の判定結果が肯定の場合、電池監視装置70は、前回の異常判定処理の実行時から今回実行時までの間において、組電池60から入出力された電流値が一定値又は0であるか否かを判定する(ステップS103)。すなわち、前回の異常判定処理の実行時から組電池60から一定の電流が充放電され続けた場合、もしくは、組電池60の充放電がなかった場合、電池監視装置70は、このステップS103を肯定判定することとなる。なお、前回の異常判定処理の実行時から今回実行時までの間において組電池60から入出力された電流値は、電流センサ65により検出され、電池監視装置70のメモリに記憶されている。
ステップS103の判定結果が否定の場合、電池監視装置70は、異常判定処理を終了する。一方、ステップS103の判定結果が肯定の場合、電池監視装置70は、前回値、今回値、及び前回の異常判定処理が実行されてからの経過時間に基づいて、各電池セル61の電圧変化の傾きをそれぞれ算出する(ステップS104)。具体的には、今回値から前回値を減算し、減算した値を経過時間で除算することにより、単位時間当たりの電圧変化の傾きを算出する。したがって、通常、充電している場合、傾きが正となり、放電している場合には、傾きが負となる。また、経過時間は、電池監視装置70により計測され、電池監視装置70のメモリに記憶されている。このステップS104により、電池監視装置70が演算部に相当する。
そして、電池監視装置70は、各電池セル61の電圧変化の傾きがそれぞれ所定の閾値以上であるか否かを判定する(ステップS105)。閾値は、電流積算値に応じて設定される。電流積算値は、検出された電流値に基づいて電池監視装置70により算出され、記憶されている。
具体的には、ステップS105において、電気負荷へ放電している場合には基準閾値よりも小さくなるように(負側に値を大きくするように)、閾値を設定する。なお、基準閾値は、組電池60からの充放電がない場合(電流値がゼロの場合)における閾値とする。例えば、基準閾値が「-1.0」とした場合、閾値を「-1.1」とするように調整(設定)する。一方、充電している場合には基準閾値よりも大きくなるように(負側に値を小さくするように)閾値を設定する。例えば、基準閾値が「-1.0」とした場合、閾値を「-0.9」とするように調整する。なお、どれだけ小さく(又は大きく)するかは、電流積算値の大きさに応じて調整される。このステップS105により、電池監視装置70が異常判定部に相当する。
ステップS105の判定結果が肯定の場合、電池監視装置70は、各電池セル61が正常であると判定し、異常判定処理を終了する。つまり、放電していない、もしくは、放電が正常範囲内である場合、各電池セル61が正常であると判定する。
一方、ステップS105の判定結果が否定の場合、つまり、傾きが閾値よりも小さく、放電(電圧降下)が異常である場合、電池監視装置70は、各電池セル61のいずれかが異常であると判定し、異常時にすべき処理を実行する(ステップS106)。例えば、電池監視装置70は、異常である旨を示す異常フラグを設定する。また、例えば、電池監視装置70は、異常である旨を通知する信号を、上位ECU等の外部装置に出力する。また、例えば、電池監視装置70は、スイッチ部としてのリレースイッチ64をオフ制御して、組電池60と、電気負荷との通電を遮断する。なお、電池監視装置70は、リレースイッチ64をオフ制御するように、上位ECU等の外部装置に対して指示を行ってもよい。また、例えば、電池監視装置70は、電池パック筐体80から液体冷媒を排出させ、電池セル61が、液体冷媒に漬からないようにしてもよい。
異常と判定される場合における電池セル61の電圧変化の傾きについて説明する。図3は、一定放電中における各電池セル61の電圧変化の傾きを示している。図3に示すように、一定放電中である場合、一定の傾き(負の傾き)で各電池セル61の電圧が変化する。つまり、電圧降下が生じる。ここで、破線で示す時点T11で異常が生じたものとする。この場合、時点T11以降では、各電池セル61の電圧変化の傾きが、小さくなる(負側に大きくなる)。これにより、各電池セル61の電圧変化の傾きが閾値(破線で示す)よりも小さくなり、電圧降下が異常値であると判定されるため、異常であると判定される。なお、電気負荷への放電量が大きければ大きいほど、閾値は、小さくなる(負側に大きくなる)傾向がある。
図4は、一定充電中における各電池セル61の電圧変化の傾きを示している。図4に示すように、一定充電中である場合、一定の傾き(正の傾き)で各電池セル61の電圧が変化する。ここで、破線で示す時点T12で異常が生じたものとする。この場合、時点T12以降では、各電池セル61の電圧変化の傾きが、小さくなる(又はゼロとなる、又は負側に大きくなる)。これにより、各電池セル61の電圧変化の傾きが閾値(破線で示す)よりも小さくなるため、異常であると判定される。なお、充電中は、放電中と比較して閾値が大きくなる傾向がある。また、充電量が大きければ大きいほど、閾値は、大きくなる(負側に小さくなる)傾向がある。
以上、第1実施形態の構成によれば、以下の効果を有する。
電池監視装置70は、任意のタイミングで各電池セル61の電圧を検出、記憶する。そして、電池監視装置70は、前回値、今回値及び経過時間に基づいて電池セル61毎に、任意の時間における電圧変化の傾きを算出し、算出した前記電圧変化の傾きに基づいて、各電池セル61の異常を判定する。これにより、複数の電池セル61の電圧が同時に低下する場合であっても、異常を判定することができる。また、組電池60の漏電を検出する回路や、液体冷媒の導電率(絶縁率)を計測するセンサを設ける必要もない。
組電池60から電気負荷への放電状態もしくは充電状態によっては、各電池セル61の電圧変化が一定とならない場合がある。各電池セル61の電圧変化が一定とならないにもかかわらず、単位時間当たりの電圧変化の傾きに基づいて異常を判定すると誤判定する虞がある。そこで、組電池60から入出力される電流値が一定(もしくはゼロ)である場合に限って、電圧変化の傾きに基づいて異常を判定することとした。これにより、誤判定を抑制できる。
また、組電池60から入出力される電流値が一定である場合であっても、入出力される電流値の大きさで、電圧変化の傾きが正常となる範囲が変化しうる。このため、閾値を常に一定値とした場合、異常判定に誤差が生じる可能性がある。そこで、閾値は、組電池60から入出力される電流積算値に応じて設定(調整)されるようにした。これにより、誤判定を抑制できる。
また、異常を検知した場合、電池監視装置70は、リレースイッチ64をオフ制御して、組電池60と、電気負荷又は充電器との通電を遮断するため、安全を確保することができる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態を以下のように変更してもよい。
第2実施形態では、図5に示すように、電池パック筐体80において、液体冷媒が流出する流出口80bには、流出口80bにおける液体冷媒の流出温度を検出する温度センサ102が設けられている。また、電池パック筐体80において、液体冷媒が流入する流入口80aには、流入口80aにおける液体冷媒の流入温度を検出する温度センサ101が設けられている。
そして、電池監視装置70は、温度センサ101,102から、流入温度、及び流出温度を取得するように構成されている。このため、第2実施形態において、電池監視装置70は、冷媒温度取得部を備えることとなる。
ところで、図6の実線で示すように、一般的に、電池セル61自体に異常が発生した場合(時点T13)、液体冷媒に異常が生じた場合に比較して、液体冷媒の温度上昇は大きくなる。図6では、電池セル61自体に異常が発生した場合における液体冷媒の温度上昇を実線で示し、液体冷媒に異常が生じた場合における液体冷媒の温度上昇を破線で示す。
そこで、第2実施形態において電池監視装置70は、取得した流入温度と流出温度との差がセル温度異常値(所定の差)以上である場合、電池セル61に異常があると判定する。セル温度異常値は、図6に示す実線以上の値に基づいて、設定される。
また、第2実施形態において電池監視装置70は、取得した流入温度と流出温度との差が冷媒温度異常値以上である場合、異常判定処理を実行する。この異常判定処理において、電池セル61に異常がないと判定された場合、液体冷媒に異常があると判定する。一方、この異常判定処理において、電池セル61に異常があると判定された場合には、電池セル61に異常があると判定する。なお、冷媒温度異常値は、セル温度異常値よりも小さい値が設定され、例えば、図6に示す実線と破線との間の領域に基づいて設定される。
そして、電池監視装置70は、流入温度と流出温度との差が、冷媒温度異常値及びセル温度異常値よりも小さい場合(つまり、図6に示す破線以下の場合)、異常判定処理を実行する。この異常判定処理において、電池セル61に異常がないと判定された場合、正常であると判定する。一方、この異常判定処理において、電池セル61に異常があると判定された場合には、電池セル61に異常があると判定する。
第2実施形態の構成によれば、組電池60等に異常が生じて、発熱量が多くなった場合、液体冷媒の温度に基づいて、その異常を検出することができる。これにより、より正確に異常を判定することができる。また、例えば、電池セル61の充電率によっては、電圧変化が少ない(傾きの絶対値が小さい)場合がある。このような場合においても液体冷媒の温度に基づいて異常を判定することができる。また、冷媒温度に基づいて、電池セル61に異常があるか、液体冷媒に異常があるのかを判定することができる。
(他の実施形態)
上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、水冷式であったが、組電池60を空冷式の電池パック筐体に収容されてもよい。
・上記実施形態において、各電池セル61の温度をそれぞれ検出するセル温度センサを備えてもよい。そして、電池監視装置70は、セル温度センサから各電池セル61の温度を取得し、各電池セル61の温度を、電池セル61の異常を判定する際の判断材料としてもよい。例えば、電池セル61の充電率によっては、電圧変化が小さい場合がある。このような場合において電圧変化とともに電池セル61の温度に基づいて異常を判定するなどしてもよい。具体的には、温度に基づいて閾値を調整する、もしくは電圧変化の傾きが閾値未満であって、温度の上昇量が所定の上昇量以上である場合、異常であると判定してもよい。このように電池セル61の温度を電圧検出の冗長で見ることにより、より正確に異常を判定することができる。なお、この場合、電池監視装置70が、各電池セル61の温度をそれぞれ取得するセル温度取得部に相当する。また、電池監視装置70に、セル温度センサを設けてもよい。
・上記実施形態において、電池セル61と電池監視装置70との間における信号線が断線又は電圧検出系の異常が発生した場合、電圧変化の傾きは、電池セル61が短絡した場合に比較しても急激に変化することが多い。そこで、故障判定用閾値を設け、故障判定用閾値と電圧変化の傾きとの比較に基づいて、信号線の断線又は電圧検出系の異常を判定してもよい。なお、故障判定用閾値は、通常、異常判定処理における閾値よりもはるかに小さく(負側に大きく)設定される。このため、電圧変化の傾きが、故障判定用閾値よりも小さい場合(負側に大きい場合)、断線又は電圧検出系の異常を判定することとなる。
・上記実施形態において、電圧変化の傾きは、前回値から今回値を減算した値を除算することにより算出してもよい。この場合、計算方法に応じて閾値の大小関係を適宜変更することは言うまでもない。
・上記実施形態において、電流センサ65を備えなくてもよい。この場合、例えば、駐車中など、明確に充放電がない期間であると電池監視装置70等の制御装置が判定した場合、当該期間(例えば、前回停車時から今回起動時までの期間)における電池セル61の電圧変化の傾きを算出し、異常を判定してもよい。
・上記実施形態において、全電池セル61の電圧変化の傾きを算出し、全電池セル61の異常をそれぞれ判定したが、全電池セル61のうち、一部(1又は複数)の電圧変化の傾きを算出し、一部の異常を判定してもよい。
・本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。
60…組電池、61…電池セル、70…電池監視装置。

Claims (7)

  1. 複数の電池セル(61)を接続することにより構成される組電池(60)の状態を監視する電池監視装置(70)において、
    任意のタイミングで前記各電池セルの電圧を取得する電圧取得部(70)と、
    前記電圧取得部が検出した前記各電池セルの電圧をそれぞれ記憶する記憶部(70)と、
    前記記憶部に記憶された電圧に基づいて、前記電池セル毎の電圧変化の傾きを算出する演算部(70)と、
    前記演算部により算出された前記電圧変化の傾きに基づいて、前記電池セルの異常を判定する異常判定部(70)と、を備え
    前記異常判定部は、前記電圧変化の傾きと閾値との比較に基づいて、前記電池セルの異常を判定するように構成されており、
    前記閾値は、前記組電池から入出力される電流の積算値に応じて設定される、電池監視装置。
  2. 前記電池セルは、絶縁性の液体冷媒に浸漬して冷却される請求項に記載の電池監視装置。
  3. 前記組電池は、空冷式の筐体に収容される請求項に記載の電池監視装置。
  4. 複数の電池セル(61)を接続することにより構成される組電池(60)の状態を監視する電池監視装置(70)において、
    任意のタイミングで前記各電池セルの電圧を取得する電圧取得部(70)と、
    前記電圧取得部が検出した前記各電池セルの電圧をそれぞれ記憶する記憶部(70)と、
    前記記憶部に記憶された電圧に基づいて、前記電池セル毎の電圧変化の傾きを算出する演算部(70)と、
    前記演算部により算出された前記電圧変化の傾きに基づいて、前記電池セルの異常を判定する異常判定部(70)と、を備え
    前記電池セルは、絶縁性の液体冷媒に浸漬して冷却されるものであり、
    前記電池セルは、筐体(80)に収容されており、
    前記筐体は、前記液体冷媒が流出する流出口(80b)と、冷却装置により冷却された前記液体冷媒が流入する流入口(80a)と、を有し、
    前記流入口における前記液体冷媒の流入温度、及び前記流出口における前記液体冷媒の流出温度を取得する冷媒温度取得部(70)を備え、
    前記異常判定部は、
    前記温度取得部により取得された前記流入温度と前記流出温度との差が所定の差以上である場合、前記電池セルが異常であると判定する一方、前記流入温度と前記流出温度との差が所定の差未満である場合、前記電圧変化の傾きに基づいて、前記電池セルの異常を判定する、電池監視装置。
  5. 前記各電池セルの温度をそれぞれ取得するセル温度取得部(70)を備え、
    前記異常判定部は、
    前記セル温度取得部により取得された前記各電池セルの温度に基づいて、前記電池セルの異常を判定する請求項1~のうちいずれか1項に記載の電池監視装置。
  6. 前記異常判定部により異常が判定された場合、前記組電池の通電及び通電遮断を切り替えるスイッチ部(64)に対して、前記組電池の通電遮断を指示する制御部(70)を備える請求項1~のうちいずれか1項に記載の電池監視装置。
  7. 前記異常判定部は、前記電池セルと前記電池監視装置との間における信号線の断線又は電圧検出系の異常を判定するための故障判定用閾値と、前記電圧変化の傾きとを比較して、前記信号線の断線又は電圧検出系の異常を判定する請求項1~のうちいずれか1項に記載の電池監視装置。
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