(57)【要約】【課題】バッテリの故障を検出し、分類することができるバッテリの故障検出装置およびバッテリの故障検出方法を提供する。【解決手段】バッテリの故障検出装置は、バッテリ１００の満充電容量を検出する満充電容量検出部５１０と、バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出部５２０と、バッテリ劣化判定部５３０とを含む。バッテリ１００は、リチウムイオンバッテリである。バッテリ劣化判定部５３０は、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大した場合に、バッテリ１００の故障が摩耗劣化によるものであると判定し、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大していない場合には、バッテリの故障が析出劣化によるものであると判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの故障検出装置であって、
前記バッテリの満充電容量を検出する満充電容量検出部と、
前記バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出部と、
前記満充電容量および前記内部抵抗に基づいて、前記バッテリの故障が摩耗劣化によるものであるか析出劣化によるものであるかを判定するバッテリ劣化判定部とを含む、バッテリの故障検出装置。
【請求項２】
前記バッテリは、リチウムイオンバッテリである、請求項１に記載のバッテリの故障検出装置。
【請求項３】
前記バッテリ劣化判定部は、前記満充電容量検出部が検出した前記満充電容量が減少し、かつ前記内部抵抗検出部が検出した前記内部抵抗が増大した場合に、前記バッテリの故障が前記摩耗劣化によるものであると判定し、前記満充電容量が減少し、かつ前記内部抵抗が増大していない場合には、前記バッテリの故障が前記析出劣化によるものであると判定する、請求項１または２に記載のバッテリの故障検出装置。
【請求項４】
バッテリの故障検出方法であって、
前記バッテリの満充電容量を検出するステップと、
前記バッテリの内部抵抗を検出するステップと、
前記満充電容量および前記内部抵抗に基づいて、前記バッテリの故障が摩耗劣化によるものであるか析出劣化によるものであるかを判定するステップとを含む、バッテリの故障検出方法。
【請求項５】
前記バッテリは、リチウムイオンバッテリである、請求項４に記載のバッテリの故障検出方法。
【請求項６】
前記判定するステップは、前記満充電容量が減少し、かつ前記内部抵抗が増大した場合に、前記バッテリの故障が前記摩耗劣化によるものであると判定し、前記満充電容量が減少し、かつ前記内部抵抗が増大していない場合には、前記バッテリの故障が前記析出劣化によるものであると判定する、請求項４または５に記載のバッテリの故障検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バッテリの故障検出装置およびバッテリの故障検出方法に関し、特に、バッテリの故障を分類することができるバッテリの故障検出装置およびバッテリの故障検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電と放電が可能な二次電池は、小容量の近年携帯型機器用から電気自動車、ハイブリッド自動車などの大容量のものまで、益々重要になってきている。
【０００３】
かかる二次電池の寿命は有限であり、使用するにつれて性能が劣化する。したがって、二次電池の劣化が発生したらそれを検出して、交換等の必要な措置をとることが好ましい。
【０００４】
特開平９−１７４５８号公報（特許文献１）は、充電式リチウム電池の微小短絡検出法を開示している。この検出法では、電流を制御した充電時に予め設定しておいた時間での端子電圧が所定の電圧よりも小になることを検出することを特徴とする。
【特許文献１】特開平９−１７４５８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２６４７１号公報
【特許文献３】特開２００３−５９５４４号公報
【特許文献４】特開２０００−３４１８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バッテリの充放電制御にはバッテリの満充電容量や内部抵抗等のパラメータの情報が必要である。そしてこれらのパラメータは一定ではなく、バッテリの使用条件などによって変化する。そしてパラメータとして、バッテリの充放電電流や端子間電圧などから推定された値が用いられている。
【０００６】
バッテリの制御にもともと必要なこれらのパラメータを観測することによって、バッテリの故障が発見できれば好ましい。満充電容量の減少はバッテリの劣化に起因するが、劣化にもいくつかの分類があり、どのような劣化かによってその対処も変える必要もある。
【０００７】
この発明の目的は、バッテリの故障を検出し、分類することができるバッテリの故障検出装置およびバッテリの故障検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、要約すると、バッテリの故障検出装置であって、バッテリの満充電容量を検出する満充電容量検出部と、バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出部と、満充電容量および内部抵抗に基づいて、バッテリの故障が摩耗劣化によるものであるか析出劣化によるものであるかを判定するバッテリ劣化判定部とを含む。
【０００９】
好ましくは、バッテリは、リチウムイオンバッテリである。
より好ましくは、バッテリ劣化判定部は、満充電容量検出部が検出した満充電容量が減少し、かつ内部抵抗検出部が検出した内部抵抗が増大した場合に、バッテリの故障が摩耗劣化によるものであると判定し、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大していない場合には、バッテリの故障が析出劣化によるものであると判定する。
【００１０】
この発明は、他の局面では、バッテリの故障検出方法であって、バッテリの満充電容量を検出するステップと、バッテリの内部抵抗を検出するステップと、満充電容量および内部抵抗に基づいて、バッテリの故障が摩耗劣化によるものであるか析出劣化によるものであるかを判定するステップとを含む。
【００１１】
好ましくは、バッテリは、リチウムイオンバッテリである。
より好ましくは、判定するステップは、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大した場合に、バッテリの故障が摩耗劣化によるものであると判定し、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大していない場合には、バッテリの故障が析出劣化によるものであると判定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バッテリの故障を分類することができるので、分類に応じた適切な処置を行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１４】
図１は、本願発明が適用される車両の構成を示す図である。なお、車両を例示するが、車両以外にも、バッテリを使用するものであれば、種々の装置に本願発明を適用することができる。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態に係るバッテリの故障検出装置を搭載した車両は、バッテリ１００とＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２００と、走行用モータ３００と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）４００とを含む。この車両は、走行用モータ３００の駆動力により走行する電気自動車である。なお、電気自動車の代わりに、エンジンとモータとを搭載したハイブリッド自動車や、燃料電池を搭載した燃料電池車であってもよい。
【００１６】
バッテリ１００は、複数のバッテリセルを一体化したバッテリモジュールを、さらに複数直列に接続して構成された組電池である。ＰＣＵ２００は、バッテリ１００から供給された直流電力を、交流電力に変換し、走行用モータ３００に供給する。車両の回生制動時には、走行用モータ３００が発電した交流電力を、直流電力に変換し、変換された直流電流により、バッテリ１００が充電される。なお、ＰＣＵ２００は、バッテリ１００から供給された電力の電圧値を昇圧したり、走行用モータ３００が発電した電力の電圧値を降圧したりするＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。
【００１７】
走行用モータ３００は、三相交流モータである。走行用モータ３００は、バッテリ１００に蓄えられた電力により駆動され、車両を走行させる。車両の回生制動時には、車輪（図示せず）により走行用モータ３００が駆動され、走行用モータ３００が発電機として作動する。これにより走行用モータ３００は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作用する。走行用モータ３００により発電された電力は、ＰＣＵ２００を介してバッテリ１００に蓄えられる。
【００１８】
ＥＣＵ４００は、車両の運転状態や、アクセル開度、アクセル開度の変化率、シフトポジション、バッテリ１００のＳＯＣおよびＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）に保存されたマップを用いて所定のプログラムを実行する。これにより、ＥＣＵ４００は、車両が所望の運転状態となるように、車両に搭載された機器類を制御する。好ましくは、ＥＣＵ４００は、単数あるいは複数のマイクロコンピュータを含んで構成される。
【００１９】
ＥＣＵ４００には、バッテリ１００の端子間電圧である充放電電圧ＶＭを検出する電圧センサ４１０と、充放電電流ＩＭを検出する電流センサ４１２と、バッテリ温度ＴＭを検出するバッテリ温度センサ４１４とが接続されている。バッテリ温度センサ４１４は、好ましくは複数個（たとえば３箇所）に設けられる。車両は、車両の環境温度を検出する環境温度センサ４１５をさらに含む。環境温度センサ４１５も、ＥＣＵ４００に接続されている。
【００２０】
本実施の形態のバッテリの故障検出装置として動作するＥＣＵ４００は、バッテリ１００の満充電容量を検出する満充電容量検出部５１０と、バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出部５２０と、満充電容量および内部抵抗に基づいて、バッテリの故障が摩耗劣化によるものであるか析出劣化によるものであるかを判定するバッテリ劣化判定部５３０とを含む。
【００２１】
析出劣化とは、リチウムイオン電池で、低温時にハイレートで充電が断続的に行なわれた時、負極表面上にリチウムイオンが析出する現象によって起こる劣化である。一方、磨耗劣化とは、通常の電池使用に伴う劣化であり、その原因は、活物質の微粉化、電極界面での皮膜生成などである。磨耗劣化すると、バッテリの満充電容量が減少し、内部抵抗が上昇する。
【００２２】
好ましくは、バッテリ１００は、リチウムイオンバッテリである。
より好ましくは、バッテリ劣化判定部５３０は、満充電容量検出部５１０が検出した満充電容量が減少し、かつ内部抵抗検出部５２０が検出した内部抵抗が増大した場合に、バッテリ１００の故障が摩耗劣化によるものであると判定し、満充電容量が減少し、かつ内部抵抗が増大していない場合には、バッテリの故障が析出劣化によるものであると判定する。
【００２３】
図２は、バッテリの故障を分類する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間経過ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。
【００２４】
図２を参照して、ＥＣＵ４００は、まずステップＳ１において満充電容量の検出を行なう。満充電容量の検出については、後に図３〜図５を用いて説明する。そして、ステップＳ２において満充電容量が前回測定時よりも減少していなければ、バッテリの劣化は発生していないと判断して、ステップＳ７に処理が進み、制御はメインルーチンに移される。
【００２５】
ステップＳ２において、満充電容量の減少が検出された場合には、ステップＳ３に処理が進み、ＥＣＵ４００はバッテリの内部抵抗の検出を行なう。内部抵抗の検出については、後に図６〜図１１を用いて説明する。そして、ステップＳ４において、バッテリの内部抵抗が前回測定時よりも増大していなければ、ステップＳ６に処理が進みバッテリの劣化は析出劣化であると判定される。一方、ステップＳ４において、バッテリの内部抵抗が増大したことが検出されれば、ステップＳ５に処理が進み、バッテリの劣化は磨耗劣化であると判定される。
【００２６】
ステップＳ５、Ｓ６のいずれかで判定された劣化の種別は、ＥＣＵ４００の内部または外部の記憶装置に記憶され、修理工場や販売店などで記憶装置から読み出され修理のために役立てられる。または、ＥＣＵ４００が、劣化の種別を警告ランプや画面などの報知装置で運転者に報知しても良い。なお、磨耗劣化よりも修理の必要性の緊急度が高い析出劣化であると判定された場合にのみ警告ランプなどの報知装置で運転者に修理の必要性を知らせる等しても良い。
【００２７】
ステップＳ５、Ｓ６のいずれかの処理が終了すると、ステップＳ７に処理が進み、制御はメインルーチンに移される。
【００２８】
以下、ステップＳ１で実行される満充電容量の検出について、図３〜図５を用いて説明する。
【００２９】
図３は、電流および電圧から開路電圧（ＯＣＶ）を推定する方法を説明するための図である。
【００３０】
図１、図３を参照して、ＥＣＵ４００は、バッテリ１００の充放電中、例えば車両の走行中に電圧センサ４１０で測定された充放電電圧ＶＭおよび電流センサ４１２で測定された充放電電流ＩＭを取得し、測定値ＶＭ，ＩＭの関係から開路電圧ＯＣＶを推定する。
【００３１】
開路電圧ＯＣＶの推定は、所定の期間Ｙごとに実行される。期間ＹにおけるＯＣＶの推定は、期間Ｙに取得されＥＣＵ４００の内部のメモリ等に記憶されていた複数組の測定値ＶＭ，ＩＭに基づいて行なわれる。
【００３２】
一例として、図３に示すように、複数組の測定値ＶＭ，ＩＭに基づいて最小二乗法等によって求められた一次関数式（直線）の□印（白抜き四角形）の切片を推定ＯＣＶとして得ることができる。推定された開路電圧ＯＣＶは、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を求めるために使用される。かかる直線近似においては、推定精度を向上させるため、電圧と電流の組を３組以上用いて開路電圧ＯＣＶを推定することが好ましい。
【００３３】
図４は、開路電圧から充電状態（ＳＯＣ）を推定する方法を説明するための図である。
図４を参照して、予め、開路電圧ＯＣＶ（Ｖ）に対応する充電状態ＳＯＣ（％）がＥＣＵ４００の内部にマップとして保持されている。新品も劣化品も図４に示すような同一のマップを使用することができる。開路電圧ＯＣＶが増加すると充電状態ＳＯＣも増加する。図３で得られた推定ＯＣＶをＯＣＶ１とすると、マップを参照することにより、ＯＣＶ１に対応する充電状態ＳＯＣであるＳＯＣ１を得ることができる。
【００３４】
このように、図２に示したフローチャートが実行される度に、充電状態ＳＯＣが得られ、一時的にＥＣＵ４００の内部メモリに記憶される。車両が走行中にＡ地点からＢ地点に移動した場合、次式（１）に示すように、前回Ａ地点で実行時に記憶された充電状態ＳＯＣＡと、今回Ｂ地点において得られた充電状態ＳＯＣＢの差であるΔＳＯＣを求める。
ΔＳＯＣ＝ＳＯＣＢ−ＳＯＣＡ  …  （１）
そして、次式（２）によって、満充電容量Ｑが算出される。ここで、積算容量ＳＩは、充放電電流ＩＭの積分値（積算値）として検出することが可能である。
Ｑ（Ａｈ）＝ＳＩ（Ａｈ）／ΔＳＯＣ（％）×１００  …  （２）
このようにして図２に示したフローチャートが実行される度に、満充電容量Ｑが得られ、一時的にＥＣＵ４００の内部メモリに記憶される。
【００３５】
図５は、満充電容量の減少について説明するための図である。
図５を参照して、満充電容量がたとえば前回１２（Ａｈ）であると算出されたが、今回６（Ａｈ）と算出された場合には、満充電容量が減少したと判断される。
【００３６】
たとえば、次式（３）に示すように、前回実行時に記憶された充電状態ＱＡと、今回得られた充電状態ＱＢの差であるΔＱを求める。
ΔＱ＝ＱＢ−ＱＡ  …  （３）
そして、図２のステップＳ２において、ΔＱの値が負であれば満充電容量が減少したと判断されバッテリの劣化が発生している判断されてステップＳ３〜Ｓ６の処理が実行される。一方、ΔＱの値が負でなければ、バッテリの劣化は発生していないと判断されてステップＳ３〜Ｓ６の処理は実行されない。
【００３７】
なお、満充電容量が減少したか否かの判断は、種々変形しても良い。たとえば、誤検出を防ぐために、ΔＱの値が負の所定値を下回る（大きく減少する）場合にステップＳ２で減少したと判定しても良いし、ΔＱの値が負または負の所定値を下回ることが複数回連続して検出された場合にステップＳ２で減少したと判定してもよい。
【００３８】
続いて、図６〜図１１を用いて、図２のステップＳ３で検出される内部抵抗の検出について説明を行なう。
【００３９】
図６は、内部抵抗測定時の印加電流波形を示した波形図である。
図７は、内部抵抗測定時の観測電圧波形を示した波形図である。
【００４０】
図６の電流を電池セルに印加した場合に、図７に示すような電圧波形を観測する。なお、この電流を印加開始したときの開路電圧ＯＣＶは、３．７Ｖ（新品、２５℃でＳＯＣ＝６０％）であった。図６では、１００Ａの一定電流が１０秒間バッテリに印加される。すると、図７に示すように、電圧は初期に３．７Ｖ付近から３．９Ｖ程度まで増加し、その後１０秒間の間に４．０Ｖを超えるまで次第に増加する。パルス状に与える電流をΔＩ、電流印加開始１秒後に観測される電圧増加分をΔＶ１、電流印加開始１０秒後に観測される電圧増加分をΔＶ１０と表記すると、下記の式（４）、（５）に示す２通り内部抵抗ＩＮＲ１（１秒後），ＩＮＲ１０（１０秒後）が得られる。
ＩＮＲ１＝ΔＶ１／ΔＩ  …  （４）
ＩＮＲ１０＝ΔＶ１０／ΔＩ  …  （５）
ＩＮＲ１は、純抵抗（直流抵抗）分を主に表わし，ＩＮＲ１０は、純抵抗に拡散抵抗分（リチウムイオンの電解溶液中での拡散）が追加されたものを主に表わす。
【００４１】
図８は、新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（１０℃）を示した図である。
【００４２】
図９は、新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（２５℃）を示した図である。
【００４３】
図１０は、新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（４０℃）を示した図である。
【００４４】
図８〜図１０では、○印（白抜き丸）は新品バッテリの内部抵抗ＩＮＲ１を示し、●印（塗りつぶし丸）は、新品バッテリの内部抵抗ＩＮＲ１０を示す。また、△印（白抜き三角）は４０００サイクル充放電後のバッテリの内部抵抗ＩＮＲ１を示し、▲印（塗りつぶし▲）は、４０００サイクル充放電後のバッテリの内部抵抗ＩＮＲ１０を示す。
【００４５】
図８〜図１０で分かるように、析出劣化が発生している場合には、新品と４０００サイクル充放電後（析出劣化後）とで、内部抵抗はあまり差がない。図示しないが、磨耗劣化が発生した場合には新品と比べて内部抵抗は大きく増加する。したがって、内部抵抗の変化によって析出劣化と磨耗劣化を見分けることができる。
【００４６】
なお、内部抵抗については、上記式（４）、（５）のＩＮＲ１，ＩＮＲ１０のいずれを用いても良い。また、充電状態ＳＯＣの比較的変化しない領域において、電流と電圧とをプロットし、最小二乗法で直線近似した傾きから内部抵抗を求めても良い。
【００４７】
内部抵抗は、図２のフローチャートのＳ３が実行される度に算出されて、ＥＣＵ４００の図示しないメモリに保存される。そして、ステップＳ４においてメモリに保存されている前回算出された内部抵抗に比べて、今回算出された内部抵抗が増大したか否かが判断される。
【００４８】
図１１は、内部抵抗の増大について説明するための図である。
図１１に示すように、ステップＳ４において、たとえば、バッテリセルの内部抵抗が１ｍΩから１．４ｍΩに増大していた場合には、ステップＳ５に処理が進み、劣化が磨耗劣化であると判定される。バッテリセルの内部抵抗が増大していなかった場合にはステップＳ６に処理が進み、劣化は析出劣化であると判定される。
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態では、劣化に伴うバッテリの満充電容量と内部抵抗とを測定し、満充電容量が減少し内部抵抗が増加したときは磨耗劣化と判定する。一方、満充電容量が減少するものの、内部抵抗がほぼ変わらないときは析出劣化と判定する。これにより、劣化の種別が判定でき、劣化の種類に応じた適切な処理を速やかに行なうことが可能となる。
【００５０】
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。本発明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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本願発明が適用される車両の構成を示す図である。
【図２】バッテリの故障を分類する処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】電流および電圧から開路電圧（ＯＣＶ）を推定する方法を説明するための図である。
【図４】開路電圧から充電状態（ＳＯＣ）を推定する方法を説明するための図である。
【図５】満充電容量の減少について説明するための図である。
【図６】内部抵抗測定時の印加電流波形を示した波形図である。
【図７】内部抵抗測定時の観測電圧波形を示した波形図である。
【図８】新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（１０℃）を示した図である。
【図９】新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（２５℃）を示した図である。
【図１０】新品と析出劣化発生時のバッテリの内部抵抗の変化（４０℃）を示した図である。
【図１１】内部抵抗の増大について説明するための図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  バッテリ、３００  走行用モータ、４１０  電圧センサ、４１２  電流センサ、４１４  バッテリ温度センサ、４１５  環境温度センサ、５１０  満充電容量検出部、５２０  内部抵抗検出部、５３０  バッテリ劣化判定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010066229.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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