JP2013243880A - 電池状態判定方法、電池制御装置、及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルに搭載された電流遮断機構の作動を高精度に検出（判定）するための技術を提供する。
【解決手段】電池パックには、電流遮断機構及び電池セル本体を備えた電池セルが複数、直列に接続された電池が搭載されている。電池制御ＥＣＵは、電流センサが検出する電流値を用いて、時間微分値を算出し（Ｓ１）、時間微分値の絶対値が所定の閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ２）。その絶対値がその閾値より大きいと判定した場合（Ｓ２のＹ）、電池セルの内部抵抗値の推定を行い（Ｓ３）、その推定値が所定の範囲内か否か判定する（Ｓ４）。それにより、電池制御ＥＣＵは、時間微分値が閾値より大きく、且つ内部抵抗値の推定値が所定の範囲外であった場合（Ｓ４のＹ）、電流遮断機構が作動していると判定する（Ｓ５）。
【選択図】図３

Description

本発明は、電流遮断機構を搭載した電池（電池セル）を用いるための技術に関する。

充電可能な電池（二次電池）は現在、広く用いられている。１つの電池の端子間に得られる電圧は、比較的に小さいのが実情である。このため、より高い電圧を発生させる必要のある電池では、構成要素となる電池である電池セルを複数、直列に接続した構成が採用される。

二次電池では、過放電、過充電により特性の劣化が大きくなる。電池セル間の電池容量のアンバランス化は、電池全体の電池容量の低下を招く。このこともあり、電池セルを直列に接続した構成の電池を用いる装置では、電池セル毎に、電圧監視を行い、監視結果を放電、及び充電の各制御に反映させることにより、過放電、或いは過充電による特性の劣化を抑えるようになっている。

電圧監視による放電、及び充電の制御を行っても、何らかの理由によってその制御を適切に行えない可能性が考えられる。このことから、電池セルには、電流遮断機構（ＣＩＤ：Current Interrupt Device）が搭載されることが多くなっている。

電流遮断機構は、例えば、電池セル内部の圧力上昇等によって作動する安全装置であり、内圧上昇等によって電流を遮断する。そのため、内圧が上昇する高温時、例えば過充電時、或いは過電流発生時には、電流遮断機構により、電池セルへの電流の供給、及び電池セルからの電流の供給を遮断することができる。それにより、電流遮断機構を搭載した電池セルを用いた場合、より高い安全性を確保することができる。

電圧監視による充電制御は、電流遮断機構が作動しないように、つまり電流が遮断されないように行われるのが普通である。このため、電流遮断機能の作動には、充電制御が適切に行えない状態となっている可能性の他に、何れかの電池セルの状態が非常に悪化、例えばその特性が著しく劣化している可能性も考えられる。何れの可能性も、安全性を考慮すれば非常に望ましくない。このことから、電流遮断機構の作動を高精度に検出することが重要と思われる。

特開平８−１９１５４４号公報 特開平１０−２７００９１号公報 特開２０１１−２０００７１号公報 特開２０００−２３６２４７号公報

本発明は、電池セルに搭載された電流遮断機構の作動を高精度に検出（判定）するための技術を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、充放電が行われる電池の状態をコンピュータにより判定するための方法であって、電池を流れる電流値を検出し、該検出した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算し、該演算により得られた時間微分値を基に、電池の状態として、該電池に搭載された電流遮断機構が作動しているか否かを判定する。

本発明の他の１態様は、充放電される電池セルが複数、接続された電池を制御する電池制御装置であり、電流遮断機構を備えた電池セルである第１の電池セルに流れる電流値を取得する電流値取得手段と、電流値取得手段が検出した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算する演算手段と、演算手段が演算した時間微分値に基づいて、第１の電池セルの電流遮断機構が作動しているか否かを判定する状態判定手段と、を具備する。

本発明の更に他の１態様は、充放電される電池セルが複数、接続された電池を備えた電池パックであり、電流遮断機構を備えた電池セルである第１の電池セルに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、電流値検出手段が検出した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算する演算手段と、演算手段が演算した時間微分値に基づいて、第１の電池セルの電流遮断機構が作動しているか否かを判定する状態判定手段と、電流への充電、及び該電池からの放電に用いられる経路上に設けられ、該経路を流れる電流のオン／オフが可能なリレー手段と、電流遮断機構が作動していると状態判定手段が判定した場合に、リレー手段を制御して、経路を流れる電流をオフさせる制御手段と、を具備する。

本発明では、電池、或いは電池セルに搭載された電流遮断機構の作動を高精度に検出（判定）することができる。

本実施形態による電池パックの構成例を説明する図である。 電流遮断機構の作動に伴う電圧値、及び電流値の時間変化を説明する図である。 ＣＩＤ作動判定処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による電池パックの構成例を説明する図である。
この電池パック１は、例えば電気自動車（ＥＶ）、或いはプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両に搭載されることを想定したものである。図１に示すように、電池パック１は、電池制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１、電池セル１２０が複数、直列に接続された電池１２、ＳＭＲ（System Main Relay）１３、電流センサ１４、及び温度センサ１５を備えている。

電池パック１が搭載される車両には、車両システム全体を制御するＥＣＵ（図１中「ＨＶ／ＰＨＶ ＥＣＵ」と表記。ここでは以降「車両ＥＣＵ」と呼ぶことにする）２が備えられている。電池パック１が車両に搭載された場合、その電池パック１の電池制御ＥＣＵ１１は車両ＥＣＵ２と通信可能な状態となり、その電池制御ＥＣＵ１１には、例えば車両本体の電源３から電力が供給される。その電力供給によって、電池制御ＥＣＵ１１は動作可能となり、車両ＥＣＵ２からの指示に従った動作を行う。なお、電池制御ＥＣＵ１１への電力供給は、電源３以外の１つ以上のものから行えるようになっていても良い。電池制御ＥＣＵ１１に電力を供給する電源の種類やその数は特に限定されない。

上記電池制御ＥＣＵ１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、ＣＰＵが実行するプログラム（ファームウェア）が格納された記録媒体、及び複数のインターフェースを備えたコンピュータ（データ処理装置）である。本実施形態による電池制御装置は、この電池制御ＥＣＵ１１に搭載される形で実現されている。本実施形態による電池状態判定方法も、この電池制御ＥＣＵ１１によって実行される。

電池１２を構成する各電池セル１２０は、図１に表すように、電池セル本体１２１と、電流遮断機構（ＣＩＤ）１２２とを備える。電流遮断機構１２２は、例えば電池セル本体１２１の内圧上昇により、電気的な接続を強制的に切断する安全装置である。内圧は、温度の上昇に伴い上昇する。温度は、発熱体からの熱伝達による加熱、過充電、過放電、或いは過電流発生（例えば短絡）等が原因となって上昇する。電流遮断機構１２２は、そのような原因による安全性の低下を抑える。

各電池セル１２０には、その端子間の電圧値を検出するための電圧センサ１６が設けられている。この電圧センサ１６は、各電池セル１２０の端子間の電圧値を検出するための電圧値検出手段であり、電流遮断機構１２２の作動の判定の他に、過放電、及び過充電の防止、更には電池セル１２０間における電池容量のバランス化といった用途にも用いられる。

なお、本実施形態では、電池１２は、電流遮断機構１２２を備えた電池セル１２０を複数、直列に接続した構成となっているが、それとは異なる構成であっても良い。つまり電池１２は、例えば電流遮断機構１２２を備えた電池セル１２０を複数、直列に接続した電池モジュールを複数、並列に接続した構成であっても良い。特性の劣化がし難い電池セル１２０の配置等が予め判明しているような場合、電池セル１２０として、電流遮断機構１２２を備えていない電池セル１２０を用いても良い。このようなことから、電池パック１に搭載させる電池１２は、図１に表すようなものに限定されない。

電池１２は、不図示のモータへの電力供給に用いられる。電池１２の定格電圧は、そのモータの定格電圧よりも低い。このことから、電池１２からの放電による電力は、ＳＭＲ１３を介して、不図示の昇圧コンバータに供給されるようになっている。

モータは、充電時には電力を発生する発電機となる。そのモータが発生した電力は、例えば昇圧コンバータにより降圧され、ＳＭＲ１３を介して電池１２に充電用に供給される。それにより、ＳＭＲ１３は、電池１２からの放電、及び電池１２への充電のための経路上に設けられた電流のオン／オフを行うことが可能なリレー手段として機能する。電池制御ＥＣＵ１１は、必要に応じてＳＭＲ１３における電流のオン／オフの切り換えを行う機能を有するものとする。

電流センサ１４は、電池１２に供給される電流値、或いは電池１２から供給される電流値を検出するための電流値検出手段である。温度センサ１５は、電池パック１内の温度を検出するための温度検出手段である。電流センサ１４が検出した電流値、温度センサ１５が検出した温度は、各電池セル１２０の電圧センサ１６が検出した電圧値と同様に、電池制御ＥＣＵ１１に入力され、処理される。電池制御ＥＣＵ１１に入力された電流値、及び電圧値は、電池セル１２０の電流遮断機構１２２が作動しているか否かの判定に用いられる。それにより、電池制御ＥＣＵ１１は、電流センサ１４が検出した電流値を取得する電流値取得手段、各電圧センサ１６が検出した電圧値を取得する電圧値取得手段、及び電流遮断機構１２２が作動しているか否かを判定する状態判定手段として機能する。

図２は、電流遮断機構の作動に伴う電圧値、及び電流値の時間変化を説明する図である。図２（ａ）は、電流遮断機構（ＣＩＤ）１２２が作動した電池セル１２０の電圧センサ１６によって検出された電圧値の時間変化の例を表し、図２（ｂ）は、電流センサ１４によって検出された電流値の時間変化の例を表している。電流遮断機構１２２が作動したのは時刻ｔ１である。

電圧センサ１６によって検出される電圧値は、電流遮断機構１２２の作動に伴う電流の流れの停止に伴い、時刻ｔ１以降、不定となる。つまり信頼できない値となる。しかし、電流センサ１４によって検出される電流値は、電流遮断機構１２２の作動に伴う電流の流れの停止に伴い、それまでの値から０に急激に低下することになる。電流遮断機構１２２が作動するのは、電池セル本体１２０内部の圧力が上昇した場合である。充電、或いは放電のための電流が流れている状況では、電流遮断機構１２２の作動に伴い、電流センサ１４は、電流を検出している状態から電流を検出できない状態に短時間に移行することになる。

本実施形態では、このことに着目し、電流センサ１４が検出した電流値の時間微分値、例えば電流センサ１４が前回、検出した電流値と今回、検出した電流値の差分値を計算し、計算した差分値を用いて、電流遮断機構１２２が作動したか否かを判定する。それにより、電池制御ＥＣＵ１１は、例えば計算した差分値の絶対値が予め定めた閾値より大きい場合、電流遮断機構１２２が作動した可能性があると見なす。計算する差分値（時間微分値）については以降「電流変化値」と表記する。電池制御ＥＣＵ１１は、電流変化値（時間微分値）を計算する演算手段として機能する。

電池１２に流れる電流の向きは、放電時と充電時とで異なる。差分値の絶対値を閾値と比較するのは、このためである。図２（ｂ）に表す電流値の時間変化は、放電時に電流センサ１４によって検出される電流値の時間変化の例に相当する。

電池制御ＥＣＵ１１は、電圧監視による制御を行う。そのため、通常、電流遮断機構１２２は作動しない。それにより、電流遮断機構１２２が作動するのは、温度センサ１５が検出する温度が高温でなければ、電池セル本体１２０の特性の劣化が原因となっている可能性が高いと考えられる。このことから、本実施形態では、差分値が閾値より大きい場合、温度センサ１６が検出した電圧値、及び電流センサ１４が検出した電流値を用いて、電池セル１２０の内部抵抗値の推定を行い、推定した内部抵抗値が予め定めた範囲内か否かの確認を更に行うようにしている。その確認を行うことにより、本実施形態では、差分値が閾値より大きく、且つ推定した内部抵抗値が予め定めた範囲内となっていない電池セル１２０が存在する場合、電流遮断機構１２２が作動したと見なすようにしている。内部抵抗値の推定は、例えば電圧値を電流値で割ること（内部抵抗値の推定値＝電圧値／電流値）で行うことができる。内部抵抗値の推定を行うことから、電池制御ＥＣＵ１１は、抵抗値推定手段として機能する。

このようにして本実施形態では、２段階の比較を通して、電流遮断機構１２２の作動の判定を行う。それにより、電流センサ１４が検出する電流値が一時的に比較的に大きく変動したとしても、電流遮断機構１２２が作動したと誤って判定するのを抑えることができる。このため、電流遮断機構１２２の作動はより高精度に判定することができる。電流遮断機構１２２の作動判定に電流変化値を用いているため、その判定も迅速に行うことができる。

なお、内部抵抗値の推定は、差分値が閾値より大きいことが確認された状況より前に電圧センサ１６が検出した電圧値を用いて行うことが望ましい。これは、電流の遮断によって電圧センサ１６が検出する電圧値は不定となるからである。内部抵抗値を推定する電池セル１２０としては、電圧センサ１６によって検出された電圧値が最も高い電池セル１２０を選択すれば良い。また、電流遮断機構１２２の作動の判定は、内部抵抗値の推定結果を用いて行わなくとも良い。例えば電流遮断機構１２２が作動した場合、電流センサ１４が検出する電流値の絶対値は０に近い値となるから、その電流値の絶対値が予め定めた閾値以下となることを電流遮断機構１２２の作動と判定する条件の一つとしても良い。図２（ｂ）に表す直線２１は、その閾値とする電流値の例である。

本実施形態では、電流変化値と比較する閾値は１種類のみとしているが、閾値を複種類、用意しても良い。例えば２種類の閾値を用意する場合、電流変化値が大きい方の閾値よりも大きいことが確認できた時点で電流遮断機構１２２が作動と判定すれば良い。電流変化値が大きい方の閾値以下であり、且つ小さい方の閾値より大きければ、内部抵抗値の推定値、或いは電流値の絶対値を用いて更に電流遮断機構１２２が作動しているか否かを判定するようにすれば良い。

図３は、ＣＩＤ作動判定処理のフローチャートである。この判定処理は、電池制御ＥＣＵ１１が、何れかの電池セル１２０の電流遮断機構１２２が作動したことを検出するための処理であり、例えば電流センサ１４が電流値をサンプリングするサンプリング時間から定められた一定時間が経過する度に実行される。次に図３を参照し、上記のように電流遮断機構１２２の作動を判定するために電池制御ＥＣＵ１１が実行する処理について、詳細に説明する。

先ず、Ｓ１では、電池制御ＥＣＵ１１は、電流センサ１４から電流値を取り込み、取り込んだ電流値、及び過去に取り込んだ電流値を用いて電流変化値を算出する。図３では、電流変化値の算出式として「電流変化値＝ｄ（電流値）ｄｔ」と表記している。次のＳ２では、電池制御ＥＣＵ１１は、算出した電流変化値の絶対値が上記閾値より大きいか否か判定する。電流変化値の絶対値が閾値より大きい場合、Ｓ２の判定はＹ（Ｙｅｓ）となってＳ３に移行する。その電流変化値の絶対値が閾値以下の場合、Ｓ２の判定はＮ（Ｎｏ）となり、電流遮断機構１２２が作動した可能性はないとして、ここでＣＩＤ作動判定処理を終了する。

Ｓ３では、電池制御ＥＣＵ１１は、各電圧センサ１６から直前に取り込んだ電圧値のなかで最大の電圧値を抽出し、抽出した電圧値を直前に取り込んだ電流値で割ることにより、電圧セル１２０の内部抵抗値の推定を行う。続くＳ４では、電池制御ＥＣＵ１１は、内部抵抗値の推定値が予め定めた範囲内か否か判定する。内部抵抗値の推定値がその範囲内であった場合、つまりその推定値が、その範囲の下限（図３中「内部抵抗値下限」と表記）より大きく、且つその範囲の上限（図３中「内部抵抗値上限」と表記）より小さい場合、Ｓ４の判定はＹとなり、電流遮断機構１２２が作動していないとして、ここでＣＩＤ作動判定処理を終了する。内部抵抗値の推定値がその範囲内でなかった場合、つまり、その推定値が、内部抵抗値下限以下か、或いは内部抵抗値上限以上であった場合、Ｓ４の判定はＮとなり、Ｓ５に移行する。

上記範囲は、予めデータとして電池制御ＥＣＵ１１に保持させても良いが、電池制御ＥＣＵ１１に電池セル１２０の内部抵抗値の推測を行わせ、その推測結果から範囲を電池制御ＥＣＵ１１に設定させるようにしても良い。車両ＥＣＵ２等の外部装置から、範囲を表すデータを電池制御ＥＣＵ１１が取得するようにしても良い。

Ｓ５では、電池制御ＥＣＵ１１は、内部抵抗値を推定した電池セル１２０の電流遮断機構１２２が作動していると判定し、ＳＭＲ１３による接続を遮断させる制御、その判定結果の車両ＥＣＵ２への通知等を行う。その後、ＣＩＤ作動判定処理を終了する。

ＳＭＲ１３による接続を遮断させることにより、電池１２からの放電、及び電池１２への充電の何れも行えなくなる。このため、ＳＭＲ１３による接続を遮断させることにより、電池１２からの放電、或いは電池１２への充電により電流遮断機構１２２が作動した電池セル１２０の状態がより悪化するのを抑えることができる。電流遮断機構１２２の作動を車両ＥＣＵ２に通知することにより、車両ＥＣＵ２に電流遮断機構１２２の作動への対応を行わせることができる。例えば車両ＥＣＵ２の制御により、電池１２に緊急性の高い問題が発生していることをユーザに通知する、車両を安全な場所に止めて降りるのを求める、といったことを不図示の表示装置、或いは音声出力装置を用いて行うことができる。このようなこともあり、ユーザの安全性をより確実に確保できるようになる。ＳＭＲ１３による接続を遮断させることから、電池制御ＥＣＵ１１は、電池１２への充電、及びその電池１２からの放電に用いられる経路の接続を遮断する制御手段として機能する。

なお、本実施形態では、電池パック１内の電池制御ＥＣＵ１１に電池制御装置を搭載させているが、その電池制御装置は、電池パック１外のデータ処理装置上に搭載させても良い。電池パック１は、車両に搭載されることを想定しているが、電池パック１は車両以外の装置に搭載されるものであっても良い。また、ＳＭＲ１３に代わる代替機能が電池パック１外に存在する場合、電池パック１とその代替機能を制御する装置との連携により、その代替機能を動作させるようにしても良い。このようなこともあり、様々な変形を行うことができる。

１ 電池パック
１１ 電池制御ＥＣＵ
１２ 電池
１３ ＳＭＲ
１４ 電流センサ
１５ 温度センサ
１６ 電圧センサ
１２０ 電池セル
１２１ 電池セル本体
１２２ 電流遮断機構（ＣＩＤ）

Claims (10)

1. 充放電が行われる電池の状態をコンピュータにより判定するための方法であって、
   前記電池を流れる電流値を検出し、
   該検出した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算し、
   該演算により得られた時間微分値を基に、前記電池の状態として、該電池に搭載された電流遮断機構が作動しているか否かを判定する、
   ことを特徴とする電池状態判定方法。
2. 前記電流遮断機構が作動しているとの判定は、前記時間微分値の絶対値が予め定めた閾値より大きい場合に行う、
   ことを特徴とする請求項１記載の電池状態判定方法。
3. 前記電流遮断機構が作動しているか否かの判定は、前記時間微分値の他に、前記検出した電流値、及び前記電池の推測される内部抵抗値のうちの少なくとも一方を用いて行う、
   ことを特徴とする請求項２記載の電池状態判定方法。
4. 前記電流遮断機構が作動しているとの判定した場合に、前記電池への充電、及び該電池からの放電に用いられる経路の接続を遮断する、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電池状態判定方法。
5. 充放電される電池セルが複数、接続された電池を制御する電池制御装置において、
   電流遮断機構を備えた電池セルである第１の電池セルに流れる電流値を取得する電流値取得手段と、
   前記電流値取得手段が取得した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算する演算手段と、
   前記演算手段が演算した時間微分値に基づいて、前記第１の電池セルの前記電流遮断機構が作動しているか否かを判定する状態判定手段と、
   を具備することを特徴とする電池制御装置。
6. 前記電流遮断機構が作動していると前記状態判定手段が判定した場合に、前記電池への充電、及び該電池からの放電に用いられる経路の接続を遮断する制御手段、
   を更に具備することを特徴とする電池制御装置。
7. 前記第１の電池セル毎に、該第１の電池セルの端子間の電圧値を取得する電圧値取得手段と、
   前記電圧値取得手段が取得した電圧値、及び前記電流値取得手段が取得した電流値を用いて、前記第１の電池の内部抵抗値を推定する抵抗値推定手段と、を更に具備し、
   前記状態判定手段は、前記時間微分値、及び前記抵抗値推定手段が推定した内部抵抗値を用いて、前記電流遮断機構が作動しているか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項５、または６記載の電池制御装置。
8. 前記状態判定手段は、前記時間微分値が予め定めた閾値より大きく、且つ前記内部抵抗値が所定の範囲外となっている場合に、前記第１の電池セルに搭載された電流遮断機構が作動していると判定する、
   ことを特徴とする請求項７記載の電池制御装置。
9. 前記状態判定手段は、前記時間微分値、及び前記電流値検出手段が検出した電流値を用いて、前記電流遮断機構が作動しているか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項５、または６記載の電池制御装置。
10. 充放電される電池セルが複数、接続された電池を備えた電池パックにおいて、
    電流遮断機構を備えた電池セルである第１の電池セルに流れる電流値を検出する電流値検出手段と、
    前記電流値検出手段が検出した電流値を用いて、該電流値の時間微分値を演算する演算手段と、
    前記演算手段が演算した時間微分値に基づいて、前記第１の電池セルの前記電流遮断機構が作動しているか否かを判定する状態判定手段と、
    前記電流への充電、及び該電池からの放電に用いられる経路上に設けられ、該経路を流れる電流のオン／オフが可能なリレー手段と、
    前記電流遮断機構が作動していると前記状態判定手段が判定した場合に、前記リレー手段を制御して、前記経路を流れる電流をオフさせる制御手段と、
    を具備することを特徴とする電池パック。

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