(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定個数の蓄電池セルが直列に接続された電池モジュールを複数直列に接続し構成された組電池において蓄電池セルの過放電を検出する装置であって、
各電池モジュール毎の電圧を検出する電圧検出手段と、
各電池モジュール間の電圧差を検出する電圧差検出手段と、
組電池を流れる充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧差と前記充放電電流との関係に基づいて蓄電池セルにおける過放電の発生を判定する過放電判定手段と、を有する過放電セル検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池を構成する蓄電池の過放電を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組電池は、蓄電池セル（以下、セルという）が複数直列に接続された電池モジュール（以下、モジュールという）を複数組むことで構成され、こうした組電池は電気自動車やハイブリッド車などの大きな電気容量を必要とする電力源として使用されている。
【０００３】
この組電池を構成するセルは、充電、放電を繰り返して直列の電力を貯蔵し必要に応じて外部に直流を供給することが可能であるが、こうしたセルの電池性能を維持するためには過度な充放電が行なわれないように制御することが必要となっている。特に、組電池の場合には、一つのセルの電池容量のばらつきにより、特定のセルにおいて過放電等が生じやすく、この過放電により転極してセル内の活物質が電気分解され電池性能が劣化することがある。また、水の電気分解によりガスが発生しセル内の気圧が上昇するという問題もある。
【０００４】
こうした観点から、組電池においてセルにおける過放電の発生を検出する装置が設けられている。従来の過放電セル検出装置は、モジュールの電圧を測定し、この測定された電圧よりモジュール間の電圧差を検出して所定の電圧差を越える場合に過放電セルが発生したことを検出する。すなわち、過放電セルが存在するモジュールでは、過放電となったセルの分だけ電圧値が低下するため、この電圧値の低下を他のモジュールの電圧値との差により検出し、過放電セルを検出することとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の過放電セル検出装置は、各モジュール間の電圧差のみにより過放電セルが発生しているか否かを判定するため、電圧差が過放電セルの発生に起因するのか、又はセルの電池温度差により生じた内部抵抗差の発生に起因しているのかを区別することは困難であった。
【０００６】
一般にセルにおける内部抵抗は電池温度が低下すると上昇し、この上昇率は低温になればなるほど大きくなる。従って、低温の場合にセル間で温度差が生じると大きな内部抵抗差が形成され、モジュール間に電圧差が生じることになる。従って、従来の過放電セル検出装置では内部抵抗差による電圧差が生じた場合にも、過放電セルの発生として誤判定されることになる。
【０００７】
そこで、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、組電池の過放電セル検出において、過放電セルの発生を内部抵抗差の発生と区別して判定することを可能にすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の過放電セル検出装置は、所定個数のセルが直列に接続されたモジュールを複数直列に組まれた組電池においてセルの過放電を検出する装置であって、各モジュール毎の電圧を検出する電圧検出手段と、各電池モジュール間の電圧差を検出する電圧差検出手段と、組電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、前記電圧差と前記充放電電流との関係に基づいて蓄電池セルにおける過放電の発生を判定する過放電判定手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
上記発明は、過放電セルの発生により生じる電圧差と、セルの内部抵抗の変化により生じる電圧差とでは、電流に依存して変化するか否かという違いがあることに着目した。すなわち、セルの内部抵抗差によりモジュール間に電圧差が形成されている場合には、この電圧差は電流値に依存して変化し、電流値が上昇すれば電圧差が上昇する。これに対し、過放電セルが存在する場合には、モジュール間の電圧差は組電池の電流値に依存せず所定の値を示す。
【００１０】
従って、本発明の過放電セル検出装置は、各モジュール毎の電圧検出手段及びモジュール間の電圧差検出手段に、さらに組電池の充放電電流を検出する電流検出手段を備えて、検出された電圧差の変化を算出し、これと同時に電流値の変化も検出する。そして、電圧差の変化が電流値の変化に非依存的であるかを検出することにより過放電セルの発生をセルの内部抵抗差の発生から区別して検出することが可能となる。
【００１１】
このように過放電セルの発生を内部抵抗差の発生と区別して検出可能とすることにより、特に、低温によりセルの内部抵抗が上昇した場合でも内部抵抗差の発生を過放電セルの発生として誤判定することを防止することができ、これにより組電池のセルの充放電の制御をより確実にすることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１には、過放電セル検出装置を備えた組電池の全体構成を示す。
【００１３】
図１において、組電池１０には、複数の電池モジュールが直列に接続され、これら各電池モジュールは蓄電池からなる複数のセルが直列に接続されて構成されている。この蓄電池の種類は特に限定はなく、例えばニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池などいずれであってもよい。また接続形式についても横並び、縦並び、これらを組合せたタイプのいずれであってもよい。また、モジュールの個数についても特に限定はなく、ここではｎ個のモジュール１２、１４、１６、１８を備えた組電池１０を示している。
【００１４】
こうして構成された組電池では、モジュール内の各セルが充電により直列の電力を貯蔵し、放電により必要に応じて外部に直流を供給して、組電池全体として大きな電力を出力する。しかし、組電池において、充放電を繰り返すと各セルの容量にばらつきが生じる。特にハイブリッド車の組電池では長期間充放電が繰り返されるため、各セル間で容量のばらつきが生じやすい。そして、容量のばらつきが生じると、容量の小さなセルは放電の際に過放電を受けて転極し、内部圧力上昇や充放電性能の劣化の原因となる場合がある。こうした過放電セルを検出するために、本実施形態の組電池では過放電セル検出装置が備えられている。
【００１５】
この過放電セル検出装置は、モジュール毎の電圧を検出する電圧検出手段として複数の電圧計が備えられ、これら電圧計により個々のモジュールの電圧が検出される。具体的には、図１に示すように、第一のモジュール１２には第一の電圧計２０が、第二のモジュール１４には第二の電圧計２２が、第三のモジュール１６には第三の電圧計２４が、そして第ｎの電圧計１８には第ｎの電圧計２６がそれぞれ設けられ、各電圧計は個々のモジュールの電圧をモニタする。ここで、いずれかのモジュールで過放電セルが発生した場合には過放電セルを含むモジュールの電圧値が低下してこの電圧値が電圧計により検出される。
【００１６】
この電圧値の低下を検出するために、これら電圧計２０、２２、２４、２６にはそれぞれの信号線２０ａ、２２ａ、２４ａ、２６ａを介して電圧差検出部２８が接続されている。この電圧差検出部２８は、各電圧計から信号線を介して出力される各モジュールの電圧値を差分演算して電圧差を求める。ここで、いずれかのモジュール内のセルにおいて過放電が発生した場合には、そのモジュールの電圧値は過放電が生じたセルの分だけ低下することになる。例えば、ニッケル−水素電池の電圧値が１．２Ｖとすると、モジュール中の１セルが過放電すると電圧値として１．２Ｖ低下し、この低下が電圧差として検出される。
【００１７】
但し、後述する過放電判定部において検出する電圧差は、必ずしも１セル分の電圧差とする必要はなく、過放電セルを適切に検出し得る値とすることができる。例えば、ニッケル−水銀電池の場合を例にとると、０．６〜１．０Ｖの電圧差とすることができ、また好ましくは０．６Ｖの電圧差とすることができる。
【００１８】
しかし、上述したような電圧差はセルの内部抵抗の上昇や劣化によっても生じるため、これら他の要因から過放電セルの発生を区別可能とするために、組電池１０の放電側には電流検出手段として電流計３０が設けられている。この電流計３０では、組電池を流れる電流の値が検出され、この値を後述する過放電判定部３２に出力して、過放電判定部３２において過放電セルが発生したか否かが判定されることになる。なお、この過放電判定部３２の判定については後述する。
【００１９】
上記過放電判定部３２は、電圧差検出部２８及び電流計３０と、それぞれ信号線２８ａ、３０ａを介して接続され、この過放電判定部３２では次の原理に基づいて過放電セルが発生したことを判定する。図２に過放電セルが発生した場合及び内部抵抗値が上昇した場合における電流と電圧との関係をそれぞれ示す。
【００２０】
図２（Ａ）には、過放電セルが発生した場合の電流と電圧との関係を示す。過放電セルが発生していない正常なモジュール（破線で示す）では、モジュールの電圧は組電池を流れる電流と反比例の関係を有する。一方、過放電セルが発生したモジュール（実線で示す）では、正常なモジュールに比較して、電流値０以上において過放電セルの電圧値分だけ低下したパターンを示す。これらから、正常モジュールと過放電セル入りのモジュールとの間の電圧差と電流との関係を図２（Ｂ）に示す。この図２（Ｂ）に示されているように、電流０以上ではこの電圧差は電流に無関係に所定の値を示し、過放電セルを含むモジュールと正常なモジュールとの間の電圧差は電流に非依存的に変化する。
【００２１】
これとは対照的に、図２（Ｃ）に示すように、内部抵抗値が上昇した場合には、正常なモジュールと同様に電圧と電流とは反比例の関係にあるが、正常なモジュールに比してその傾きが大きくなる。また、図２（Ｄ）には、内部抵抗値が上昇したセルを含むモジュールと正常モジュールとの間の電圧差を電流との関係で示すが、これらは一定の傾きを有する比例直線を描き、電圧差は電流に依存して変化することになる。
【００２２】
すなわち、電圧差の発生が電流に依存していない場合には、過放電セルが発生したと判定することができ、また一方、電圧差の発生が電流に依存していない場合には、内部抵抗値の上昇、その他の要因と判定することができる。従って、過放電判定部３２では、電圧差検出部２８より入力される電圧差の変化と、電流計３０から入力される電流値の変化とに基づいて、電圧差が電流に依存して変化するかを求める。そして、電圧差の変化が電流に依存している場合には内部抵抗値の上昇と判定することができ、一方、依存していない場合には過放電セルが発生したと判定することができる。
【００２３】
以下に、この過放電判定部３２における動作を図３に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。
【００２４】
過放電判定部３２において、過放電セルの検出が開始されると（Ｓ０１）、検出カウンタを初期化してカウンタ値を「０」にする（Ｓ０２）。次に、過放電判定部３２は、電圧差検出部２８において検出された電圧差を出力するように指令し、電圧差検出部２８より電圧差が入力される。また、電流計３０にも検出された電流値を出力するように指令し、電流計３０より電流値が入力される。過放電判定部３２は、これら入力された電圧差及び電流値を検出すると（Ｓ０３）、電流値が０以上であり、かつ、電圧差は所定の値（α）以上であるか否かを判定する（Ｓ０４）。ここで、電流値が０以上であり、かつ、電圧差は所定の値（α）以上でない場合には検出カウンタの初期化（Ｓ０２）から動作を繰り返す。
【００２５】
一方、電流値が０以上であり、かつ、電圧差は所定の値（α）以上である場合には、これら電圧値及び電流値を記録し、検出カウンタを「１」加算する（Ｓ０５）。ここで検出カウンタが所定の回数に達するまで、電流計及び電圧差検出部からそれぞれ電流値、電圧差の値を取得して記録する（Ｓ０６）。そして、検出カウンタが所定の回数に達した場合には、これまで取得した電流値、電圧差より電圧差が電流依存性であるか否かを判定する（Ｓ０７）。この判定は、取得した電圧差の最大値と最小値との差分を、電流値の最大値と最小値との差分により除して傾きを求め、この傾きが所定の値（β）よりも大きい場合には、内部抵抗値の変化による電圧差が発生したと判定される（Ｓ０８）。一方、この傾きが所定の値（β）以上でない場合には過放電セルの発生と判定される（Ｓ０９）。なお、ここでは電圧と電流との関係を表す直線の傾きを求めることとしているが、この方法以外にも最小二乗法によりこれらの関係を求め、過放電セルの発生を検出することもできる。
【００２６】
ここで過放電セルの発生と判定された場合には、この過放電判定部３２は、例えば、充放電を制御する制御部に指令を発し、放電を停止させ、充電モードに切換えて充電を行わせることによりセルの性能の劣化等を防止することが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、各モジュール毎の電圧検出手段及びモジュール間の電圧差検出手段に、さらに組電池の充放電電流を検出する電流検出手段を備えて、モジュール間の電圧差を検出するとともに電流値を検出して、電圧差が電流に依存して変化するか否かを検出することにより、過放電セルの発生をセルの内部抵抗差の発生と区別して検出することが可能となる。
【００２８】
このように過放電セルの発生を内部抵抗差の発生と区別して検出可能とすることにより、特に、温度が低くセルの内部抵抗が上昇した際でも内部抵抗差の発生を過放電セルの発生として誤判定することを防止することができる。これにより組電池のセルの充放電の制御をより確実にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の過放電セル検出装置を備えた組電池の全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態における過放電判定部において過放電セルの発生を判定する際の原理を示す図であり、（Ａ）は、過放電セルが発生した場合の電流値と電圧値との関係、（Ｂ）は、正常なモジュールと比較した際の電圧差と電流値との関係、（Ｃ）及び（Ｄ）には、セルの内部抵抗値が上昇した場合のそれぞれの関係を示すグラフ図である。
【図３】本実施形態における過放電判定部における検出動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０    組電池、１２，１４，１６，１８    モジュール、２０，２２，２４，２６    電圧計、２８    電圧差検出部、３０    電流計、３２    過放電判定部。
【図１】
0003584760.tif 000002
【図２】
0003584760.tif 000003
【図３】
0003584760.tif 000004