(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5949146
(24)【登録日】2016年6月17日
(45)【発行日】2016年7月6日
(54)【発明の名称】電池状態判定方法、電池制御装置、及び電池パック
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20160623BHJP
H01M 10/48 20060101ALI20160623BHJP
G01R 31/36 20060101ALI20160623BHJP
H02J 7/02 20160101ALI20160623BHJP
H02H 7/18 20060101ALI20160623BHJP
【FI】
H02J7/00 Q
H01M10/48 P
G01R31/36 A
H02J7/02 H
H02J7/00 S
H02H7/18
【請求項の数】7
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2012-116496(P2012-116496)
(22)【出願日】2012年5月22日
(65)【公開番号】特開2013-243880(P2013-243880A)
(43)【公開日】2013年12月5日
【審査請求日】2014年9月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】100074099
【弁理士】
【氏名又は名称】大菅 義之
(72)【発明者】
【氏名】野村 博之
(72)【発明者】
【氏名】倉石 守
(72)【発明者】
【氏名】吉澤 宏昌
(72)【発明者】
【氏名】都竹 隆広
(72)【発明者】
【氏名】松井 正清
【審査官】
稲葉 崇
(56)【参考文献】
【文献】
特開2012−060786(JP,A)
【文献】
特開2012−085455(JP,A)
【文献】
特開2008−182779(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R31/327−31/36,
H01M10/42−10/48,
H02H7/00,
H02H7/10−7/20,
H02J7/00−7/12,
H02J7/34−7/36
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記電池毎に、該電池の端子間の電圧値を取得し、
前記電圧値、及び前記電流値を用いて、前記電池の内部抵抗値を推定し、
前記時間微分値、及び前記内部抵抗値を用いて、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。
【請求項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。
【請求項3】
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または請求項2に記載の電池状態判定方法。
【請求項4】
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の電池セルの内部抵抗値を推定する抵抗値推定手段と、
前記演算手段が演算した時間微分値、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。
【請求項5】
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4に記載の電池制御装置。
【請求項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、前記第1の電池セルへの充電、及び該第1の電池セル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請求項4または請求項5に記載の電池制御装置。
【請求項7】
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、及び前記電流値検出手段が検出した電流値を用いて、前記第1の電池セルの内部抵抗値を推定する抵抗値推定手段と、
前記演算手段が演算した時間微分値、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、
前記第1の電池セルへの充電、及び該第1の電池セル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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平8−191544号公報
【特許文献2】特開平10−270091号公報
【特許文献3】特開2011−200071号公報
【特許文献4】特開2000−236247号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】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。
【
図2】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3】CID作動判定処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【符号の説明】
【0038】
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)