(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池を構成する複数の単電池（以下、セルと呼ぶ）を診断する組電池診断装置であって、
組電池に流れる電流を測定する電流測定手段と、
各セル両端の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）を測定する電圧測定手段と、
組電池に流れる電流の絶対値が所定値以下の状態が所定時間継続したら、前記電圧測定手段によりセル電圧の測定を開始する測定制御手段と、
各セルのセル電圧測定値に基づいて異常セルを検出する異常セル検出手段と、
組電池の温度を測定する温度測定手段と、
組電池の劣化状態を検出する劣化検出手段とを備え、
前記所定時間を組電池の種類に応じて設定し、設定した所定時間を組電池の温度と劣化状態とに基づいて補正することを特徴とする組電池診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の組電池診断装置において、
組電池に流れる電流の前記所定値に、電流変化にともなうセル電圧変化が異常セル検出に対して許容できる電流値を設定することを特徴とする組電池診断装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の組電池診断装置において、
前記測定制御手段は、前記電圧測定手段によるセル電圧の測定中に組電池に流れる電流の絶対値が前記所定値を超えたときは、セル電圧の測定を最初からやり直すことを特徴とする組電池診断装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの項に記載の組電池診断装置において、
前記測定制御手段は、前記電圧測定手段によるセル電圧の測定中の組電池に流れる電流の最大値と最小値との差の絶対値が所定値を超えたときは、セル電圧の測定を最初からやり直すことを特徴とする組電池診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池を構成するセルの異常を検出する診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルから構成される組電池では、充放電中は各セルの状態が充放電電流に依存して変化するため、セルのばらつきを正確に検出することができない。そこで、セルの状態が安定している車両起動時や充電開始時にセル電圧を測定し、セル電圧測定値に基づいて異常セルを検出する組電池診断装置が知られている（例えば特開平１１−１４９９４４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の組電池診断装置では、車両起動時や充電開始時にしか組電池の診断ができないため、車両走行時などの組電池の通常の使用中にセルに異常が発生した場合には、十分な保護ができないという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、組電池の通常の使用中に組電池を診断することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態の構成を示す図１および図２に対応づけて本発明を説明すると、
（１）  請求項１の発明は、組電池BATを構成する複数の単電池（セル）C1〜C96を診断する組電池診断装置であって、組電池BATに流れる電流ｉを測定する電流測定手段Ａと、各セルC1〜C96両端の電圧（セル電圧）を測定する電圧測定手段CC1〜CC12と、組電池BATに流れる電流ｉの絶対値が所定値以下の状態が所定時間継続したら、電圧測定手段CC1〜CC12によりセル電圧の測定を開始する測定制御手段BCと、各セルC1〜C96のセル電圧測定値に基づいて異常セルを検出する異常セル検出手段BCと、組電池BATの温度を測定する温度測定手段D2と、組電池BATの劣化状態を検出する劣化検出手段D3とを備え、所定時間を組電池BATの種類に応じて設定し、設定した所定時間を組電池BATの温度と劣化状態とに基づいて補正する。
（２）  請求項２の組電池診断装置は、組電池BATに流れる電流ｉの前記所定値に、電流ｉ変化にともなうセル電圧変化が異常セル検出に対して許容できる電流値を設定するようにしたものである。
（３）  請求項３の組電池診断装置は、測定制御手段BCによって、電圧測定手段CC1〜CC12によるセル電圧の測定中に組電池BATに流れる電流ｉの絶対値が前記所定値を超えたときは、セル電圧の測定を最初からやり直すようにしたものである。
（４）  請求項４の組電池診断装置は、測定制御手段BCによって、電圧測定手段CC1〜CC12によるセル電圧の測定中の組電池BATに流れる電流ｉの最大値と最小値との差の絶対値が所定値を超えたときは、セル電圧の測定を最初からやり直すようにしたものである。
【０００６】
上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】
（１）  請求項１の発明によれば、車両の走行中などの組電池の通常の使用中にも組電池の診断を行うことができる上に、組電池の状態に応じた最適な診断開始時期を設定することができ、信頼性の高い診断結果を得ることができる。
（２）  請求項２の発明によれば、測定中の組電池に流れる電流によるセル電圧変化を抑制することができ、異常セルを正確に検出することができる。
（３）  請求項３の発明によれば、測定中の組電池に流れる電流によるセル電圧変化を抑制することができ、異常セルを正確に検出することができる。
（４）  請求項４の発明によれば、異常セルを正確に検出することができ、診断の信頼性を向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を電気自動車やハイブリッド自動車の走行駆動系に適用した一実施の形態を説明する。なお、本発明は車両以外の組電池を用いるすべての装置に適用することができる。
【０００９】
図１および図２は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態の車両の走行駆動系は、組電池ＢＡＴに蓄えられた直流電力をインバーター主回路ＩＮＶに供給し、インバーター主回路ＩＮＶで直流電力を三相交流電力に変換して走行駆動用三相交流モーターＭに印加し、車両を走行駆動する。
【００１０】
一実施の形態の組電池ＢＡＴは、９６個の単電池（以下、セルと呼ぶ）Ｃ１〜Ｃ９６を直列に接続し、これらのセルＣ１〜Ｃ９６を８個ずつにまとめて１２組のモジュールＭ１〜Ｍ１２を構成したものである。なお、組電池とモジュールのセルの個数はこの実施の形態に限定されない。
【００１１】
この一実施の形態では、１２個のセルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２によりモジュールＭ１〜Ｍ１２単位で組電池ＢＡＴの動作を管理し、さらにバッテリーコントローラーＢＣによりすべてのモジュールＭ１〜Ｍ１２の動作を管理する。バッテリーコントローラーＢＣおよび各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２はそれぞれ、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成されている。
【００１２】
セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２は、それぞれ対応する各セルＣ１〜Ｃ９６のセル電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６を測定し、バッテリーコントローラーＢＣへ出力する。バッテリーコントローラーＢＣは、ループ状に接続した通信線により各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２とシリアル通信を行い、各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２からのセル電圧ｖｃなどの情報を受信し、各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２へ充放電指令などを送信する。
【００１３】
バッテリーコントローラーＢＣにはセルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２の他に、図２に示すように、車両のメインスイッチＳＷ１、組電池ＢＡＴのＳＯＣを検出するＳＯＣセンサーＤ１、組電池ＢＡＴの温度Ｔｂを検出する温度センサーＤ２、組電池ＢＡＴの容量劣化状態をモニターする劣化モニターＤ３、車両の走行速度ｖｓｐを検出する車速センサーＤ４、組電池ＢＡＴの電圧ｖを測定する電圧計Ｖ、組電池ＢＡＴに流れる電流ｉを測定する電流計Ａなどが接続されている。バッテリーコントローラーＢＣはこれらの機器から各種情報を入力し、組電池ＢＡＴの充放電を制御するとともに、組電池ＢＡＴの診断を行って異常セルを検出し、車両コントローラーＴＰＣへ診断結果を出力する。
【００１４】
なお、組電池温度センサーＤ２はモジュールＭ１〜Ｍ１２ごとに設けられ、各モジュールＭ１〜Ｍ１２の温度検出値は各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２からバッテリーコントローラーＢＣへ送られる。バッテリーコントローラーＢＣは、各モジュールＭ１〜Ｍ１２の温度検出値の平均値を組電池ＢＡＴの温度Ｔｂとする。
【００１５】
また、劣化モニターＤ３は、各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２で検出した各電池モジュールＭ１〜Ｍ１２の内部抵抗値に基づいて、組電池ＢＡＴの容量劣化の程度を把握し、容量劣化係数を出力する。
【００１６】
図３は、バッテリーコントローラーＢＣの組電池診断処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の組電池診断動作を説明する。
【００１７】
バッテリーコントローラーＢＣは、車両のメインスイッチＳＷ１がオンすると所定時間ごとに図３に示す組電池診断プログラムを実行する。ステップ１において、各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２により各セルＣ１〜Ｃ９６の電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６を測定し、測定結果を各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２から入力する。続くステップ２で、図４に示す異常セル検出ルーチンを実行し、車両走行前の組電池ＢＡＴがほぼ無負荷状態にあるときにセル電圧ｖｃが異常なセルを検出する。
【００１８】
図４のステップ２１において、車両走行前に測定した各セルＣ１〜Ｃ９６の電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６の平均値Ｖａｖｅと標準偏差σを演算する。続くステップ２２において、各セルごとに次式によりセル電圧ｖｃ（ｖｃ１〜ｖｃ９６）が正常か、異常かを判定する。
【数１】
（ｖｃ−Ｖａｖｅ）≧２０σ
【００１９】
この判定式を満足するセル電圧ｖｃ（ｖｃ１〜ｖｃ９６）は異常であるとし、異常セル電圧ｖｃのセルを異常セルと判定する。なお、標準偏差σが１０ｍＶより小さい場合は１０ｍＶとする。セル電圧ｖｃが異常であると判定されたときはステップ２３へ進み、車両コントローラーＴＰＣへ組電池ＢＡＴの故障と異常セルの情報を出力する。ステップ２４では、すべてのセルＣ１〜Ｃ９６の診断を完了したかどうかを確認し、完了していないときはステップ２２へ戻って次のセルの診断を行う。
【００２０】
車両走行前の組電池診断を終了したら図３のステップ３へ進み、車両が走行中かどうかを確認する。なお、車速センサーＤ４により検出した車速ｖｓｐを予め設定した判定基準値と比較し、車速ｖｓｐが判定基準値以上のときは走行中と判定する。車両が走行中でなければこの組電池診断処理を終了する。なお、もちろん車両が走行中でないときにもこの組電池診断処理を繰り返し実行してもよいが、車両が停車し続ける場合は組電池ＢＡＴの充放電量も少ないので、停車中に急にセルの劣化が進行して異常になる可能性は小さい。
【００２１】
車両が走行中のときはステップ４へ進み、ＳＯＣセンサー１により組電池ＢＡＴのＳＯＣを検出する。続くステップ５において、組電池ＢＡＴのＳＯＣが予め設定した範囲（ＳＯＣ１〜ＳＯＣ２）にあるかどうかを確認する。
【００２２】
組電池はＳＯＣが低くなるとセル電圧のバラツキが大きくなるので、異常セルの診断を正しくできなくなる。そこで、この実施の形態ではＳＯＣによるセル電圧のばらつきが少ないＳＯＣ範囲にあるときに、異常セルの診断を行う。このＳＯＣの範囲（ＳＯＣ１〜ＳＯＣ２）は電池の種類に応じて設定し、リチウムイオン電池では例えば３０〜１００％とする。組電池ＢＡＴのＳＯＣが設定範囲内にないときは、走行中の組電池診断を中止してステップ３へ戻る。
【００２３】
組電池ＢＡＴのＳＯＣが設定範囲内にあるときはステップ６へ進み、セル電圧測定待ち時間Ｚを補正するための補正係数Ｗを求める。一般に電池は、電流を流してから端子電圧が安定するまでに時間がかかるため、正しいセル電圧を測定するには安定になるまで待つ必要がある。この安定時間は電池の種類により異なり、さらに電池の温度や容量劣化の程度などにより変化する。この実施の形態では補正係数Ｗを、組電池ＢＡＴの温度係数ｋ１と容量劣化係数ｋ２の積により算出する。
【数２】
Ｗ＝ｋ１・ｋ２
【００２４】
温度係数ｋ１については、組電池温度に対する温度係数のテーブルを予め電池の種類ごとに設定しておき、温度センサーＤ２により検出した組電池温度Ｔｂに対応する温度係数ｋ１を表引き演算して求める。なお、温度係数ｋ１は組電池温度Ｔｂが高くなるほど大きくなる。
【００２５】
また、容量劣化係数ｋ２については、組電池ＢＡＴの容量劣化状態をモニターしている劣化モニターＤ３の劣化係数を用いる。例えば、組電池の使用時間が長くなるほど、あるいは満充電状態で放置した時間が長くなるほど劣化係数ｋ２は大きくなる。
【００２６】
ステップ７において、セル電圧ｖｃの測定待ち時間Ｚを決定する。上述したように電池に電流を流してから端子電圧が安定するまでの時間は電池の種類により異なるため、電池の種類に応じたセル電圧測定待ち時間Ｚを設定し、上述した補正係数Ｗにより組電池ＢＡＴの温度と容量劣化の程度に応じて待ち時間Ｚを補正する。
【００２７】
図５は補正係数Ｗに対するセル電圧測定待ち時間Ｚを示す図である。組電池ＢＡＴの温度Ｔｂが高くなるほど温度係数ｋ１が大きくなるから、補正係数Ｗも大きくなる。組電池温度Ｔｂが高いほど補正係数Ｗが大きくなるから、セル電圧測定待ち時間Ｚが長くなる。つまり、電池温度Ｔｂが高いときでも端子電圧が十分に安定してからセル電圧ｖｃの測定を開始することになり、電池温度Ｔｂに影響を受けない信頼性の高い診断が可能となる。
【００２８】
また、組電池ＢＡＴの容量劣化が大きいほど劣化係数ｋ２が大きくなるから、補正係数Ｗも大きくなる。つまり、組電池ＢＡＴの容量劣化が大きいほどセル電圧測定待ち時間Ｚが長くなるから、容量劣化が大きくて端子電圧の変動が激しいときでも端子電圧が十分に安定してからセル電圧の測定を開始することになり、電池劣化に影響を受けない信頼性の高い診断が可能となる。
【００２９】
ステップ８において、組電池ＢＡＴの電流ｉの絶対値が所定値Ｉ１以下の状態が、セル電圧測定待ち時間Ｚだけ続いたかどうかを確認する。ここで、所定値Ｉ１には、電流ｉの変化にともなうセル電圧ｖｃの変化が、セル電圧ｖｃの測定値に基づく異常セル検出に対して許容できる電流値を設定する。なお、所定値Ｉ１は組電池の種類とセル構成および個数に応じて値が異なる。
【００３０】
｜ｉ｜≦Ｉ１がＺ時間続いたときはステップ９へ進んでセル電圧ｖｃの測定を開始し、そうでなければ走行中の組電池診断を中止してステップ３へ戻る。ステップ９では、各セルコントローラーＣＣ１〜ＣＣ１２により各セルＣ１〜Ｃ９６の電圧ｖｃを測定するとともに、電流計Ａにより組電池ＢＡＴに流れる電流ｉを測定する。９６個のセルＣ１〜Ｃ９６のセル電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６を同時に測定するのは困難であるため、セル電圧ｖｃの測定は順番に行う。そのため、セル電圧測定中は組電池ＢＡＴに流れる電流ｉを常に監視し、ステップ１０で電流ｉの絶対値が所定値Ｉ１を超えた場合はステップ１１へ進み、セル電圧ｖｃの測定値をすべて消去して走行中の組電池診断を中止し、ステップ３へ戻る。つまり、セル電圧ｖｃの測定中に組電池ＢＡＴに流れる電流ｉの絶対値が所定値Ｉ１を超えたときは、セル電圧ｖｃの測定を最初からやり直す。
【００３１】
ステップ１２ですべてのセルＣ１〜Ｃ９６のセル電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６を測定したかどうかを確認し、測定が終了していないときはステップ９へ戻り、セル電圧ｖｃと電流ｉの測定を続ける。
【００３２】
すべてのセルＣ１〜Ｃ９６のセル電圧ｖｃ１〜ｖｃ９６の測定が終了したらステップ１３へ進み、セル電圧測定中のバッテリー電流ｉの最大値ｉｍａｘと最小値ｉｍｉｎの差の絶対値が所定値Ｉ２以下かどうかを確認する。
【数３】
｜（ｉｍａｘ−ｉｍｉｎ）｜≦Ｉ２
ここで、例えば所定値Ｉ２を、
【数４】
Ｉ２≦２・Ｉ１
とする。セル電圧ｖｃの測定中の組電池ＢＡＴに流れる電流ｉの最大値ｉｍａｘと最小値ｉｍｉｎとの差の絶対値が所定値Ｉ２を超えたときは、ステップ３へ戻ってセル電圧ｖｃの測定を最初からやり直す。
【００３３】
セル電圧測定中の最大電流ｉmaxと最小電流ｉminの差の絶対値が所定値Ｉ２以下のときはステップ１４へ進み、上述した図４に示す異常セル検出ルーチンを実行してセル電圧ｖcが異常なセルを検出する。すなわち、車両走行中の上記測定条件下で測定した各セルC1〜C96の電圧ｖc1〜ｖc96の平均値Ｖaveと標準偏差σを演算し、各セルごとに上記数式１によりセル電圧ｖcが正常か、異常かを判定する。セル電圧ｖcが異常であると判定されたときは、車両コントローラーTPCへ組電池BATの故障と異常セルの情報を出力する。すべてのセルC1〜C96の診断を完了したら処理を終了する。
【００３４】
このように、上述した一実施の形態によれば、組電池BATに流れる電流ｉの絶対値が所定値Ｉ１以下の状態が所定時間Ｚ継続したら、セル電圧ｖcの測定を開始するようにしたので、車両の走行中などの組電池BATの通常の使用中にも組電池BATの診断を行うことができる。また、セル電圧ｖcの測定開始条件の所定時間Ｚを組電池BATの種類に応じて設定するようにしたので、組電池の種類に応じた最適な診断開始時期を設定することができ、信頼性の高い診断結果を得ることができる。さらに、組電池BATの種類に応じて設定した所定時間Ｚを、組電池BATの温度Ｔbと劣化状態とに基づいて補正するようにしたので、組電池BATの状態に応じた最適な診断開始時期を設定することができ、信頼性の高い診断結果を得ることができる。
【００３５】
また、一実施の形態によれば、組電池ＢＡＴに流れる電流ｉの所定値Ｉ１に、電流変化にともなうセル電圧変化が異常セル検出に対して許容できる電流値を設定するようにしたので、測定中の組電池ＢＡＴに流れる電流ｉによるセル電圧変化を抑制することができ、異常セルを正確に検出することができる。また、セル電圧ｖｃの測定中に組電池ＢＡＴに流れる電流ｉの絶対値が所定値Ｉ１を超えたときは、セル電圧ｖｃの測定を最初からやり直すようにしたので、測定中の組電池ＢＡＴに流れる電流ｉによるセル電圧変化を抑制することができ、異常セルを正確に検出することができる。さらに、セル電圧ｖｃの測定中の組電池ＢＡＴに流れる電流ｉの最大値ｉｍａｘと最小値ｉｍｉｎとの差の絶対値が所定値Ｉ２を超えたときは、セル電圧ｖｃの測定を最初からやり直すようにしたので、異常セルを正確に検出することができ、診断の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】図１に続く、一実施の形態の構成を示す図である。
【図３】一実施の形態の組電池診断プログラムを示すフローチャートである。
【図４】一実施の形態の異常セル検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】補正係数Ｗに対するセル電圧測定待ち時間Ｚを示す図である。
【符号の説明】
ＢＡＴ  組電池
Ｃ１〜Ｃ９６  セル
Ｍ１〜Ｍ１２  モジュール
ＣＣ１〜ＣＣ１２  セルコントローラー
ＢＣ  バッテリーコントローラー
ＴＰＣ  車両コントローラー
Ｍ  三相交流モーター
ＩＮＶ  インバーター主回路
Ｖ  電圧計
Ａ  電流計
ＳＷ１  メインスイッチ
Ｄ１  ＳＯＣセンサー
Ｄ２  温度センサー
Ｄ３  劣化モニター
Ｄ４  車速センサー
【図１】
0003559900.tif 000002
【図２】
0003559900.tif 000003
【図３】
0003559900.tif 000004
【図４】
0003559900.tif 000005
【図５】
0003559900.tif 000006