(57)【要約】【課題】  蓄電ブロックに含まれる蓄電素子の異常状態を判別して、蓄電装置の入出力を制限する。【解決手段】  蓄電装置（１０）は、直列に接続された複数の蓄電ブロック（１１）を有する。各蓄電ブロックは、並列に接続された複数の蓄電素子（１２）を有する。温度センサ（２３）は、蓄電ブロックの温度を検出する。コントローラ（４０）は、蓄電ブロック内のすべての蓄電素子に略均等に電流が流れることに伴う発熱成分と、蓄電ブロックから熱が放出される放熱成分とを規定した推定式を用いて、蓄電ブロックの温度を推定する。検出した温度が推定した温度よりも高く、検出および推定した温度の差が閾値以上であるとき、コントローラは、蓄電装置の入出力を制限する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続された複数の蓄電素子をそれぞれ有する複数の蓄電ブロックが直列に接続された蓄電装置と、
前記蓄電ブロックの温度を検出する温度センサと、
前記蓄電ブロック内のすべての前記蓄電素子に略均等に電流が流れることに伴う発熱成分と、前記蓄電ブロックから熱が放出される放熱成分とを規定した推定式を用いて、前記蓄電ブロックの温度を推定するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、検出した前記温度が推定した前記温度よりも高く、検出および推定した前記温度の差が閾値以上であるとき、前記蓄電装置の入出力を制限することを特徴とする蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子が並列に接続された蓄電ブロックにおいて、蓄電素子の異常状態を判別する蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単電池が直列に接続された組電池では、各単電池の電圧値と、組電池（各単電池）の電流値とに基づいて、各単電池の内部抵抗を算出することができる。組電池には、並列に接続された複数の単電池が含まれることがある。具体的には、複数の単電池を並列に接続して電池ブロックを構成し、複数の電池ブロックを直列に接続することにより、組電池を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４１５５８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電池ブロックに含まれる一部の単電池の内部抵抗だけが上昇したとき、この単電池を除く他の単電池に電流が流れやすくなる。ここで、電池ブロックを構成する各単電池の電流値を検出すれば、単電池の内部抵抗が上昇していることが分かる。しかし、この場合には、各単電池に対して電流センサを設けなければならず、電流センサの数が増えてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の蓄電システムは、蓄電装置と、温度センサと、コントローラとを有する。蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電ブロックを有する。各蓄電ブロックは、並列に接続された複数の蓄電素子を有する。温度センサは、蓄電ブロックの温度を検出する。コントローラは、蓄電ブロック内のすべての蓄電素子に略均等に電流が流れることに伴う発熱成分と、蓄電ブロックから熱が放出される放熱成分とを規定した推定式を用いて、蓄電ブロックの温度を推定する。ここで、検出した温度が推定した温度よりも高く、検出および推定した温度の差が閾値以上であるとき、コントローラは、蓄電装置の入出力を制限する。
【０００６】
蓄電ブロックに含まれる蓄電素子が異常状態であるとき、他の蓄電素子に電流が流れやすくなり、蓄電ブロックの温度が上昇しやすくなる。これにより、温度センサによって検出される温度が上昇しやすくなる。ここで、異常状態としては、蓄電素子の内部抵抗が過度に上昇している状態や、蓄電素子の電流経路が遮断されている状態が含まれる。
【０００７】
一方、推定式から推定される蓄電ブロックの温度は、蓄電素子の異常状態を考慮していない。したがって、検出および推定した温度の差が閾値以上であることを判別すれば、蓄電素子が異常状態であることを判別できる。本発明では、各蓄電素子の電流値を検出しなくても、蓄電ブロックの温度（検出温度および推定温度）を比較することにより、蓄電素子が異常状態であるか否かを判別できる。蓄電素子が異常状態であれば、蓄電装置の入出力を制限することにより、蓄電装置を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電池システムの構成を示す図である。
【図２】組電池の構成を示す図である。
【図３】電池ブロックの異常状態を判別する処理を説明するフローチャートである。
【図４】単電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１である電池システム（蓄電システムに相当する）について、図１を用いて説明する。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、組電池１０に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、組電池１０だけを備えている。
【００１１】
監視ユニット２１は、後述するように、組電池１０に含まれる各電池ブロックの電圧値Ｖｂを検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。電流センサ２２は、組電池１０の電流値Ｉｂを検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。本実施例において、組電池１０を放電したときの電流値Ｉｂを正の値とし、組電池１０を充電したときの電流値Ｉｂを負の値としている。
【００１２】
温度センサ２３は、後述する電池ブロックの温度Ｔｂ＿ｄを検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。温度センサ２４は、組電池１０の周囲における温度Ｔｆを検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。例えば、ファンを駆動して車室内の空気を組電池１０に供給することにより、組電池１０の温度を調節するとき、温度センサ２４は、組電池１０に供給される空気の温度Ｔｆを検出することができる。
【００１３】
コントローラ４０は、メモリ４１を有する。メモリ４１は、コントローラ４０が所定の処理（特に、本実施例で説明する処理）を行うときに用いられる情報を記憶する。なお、メモリ４１は、コントローラ４０の外部に設けることもできる。
【００１４】
組電池１０の正極端子には、正極ラインＰＬが接続され、組電池１０の負極端子には、負極ラインＮＬが接続されている。正極ラインＰＬにはシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられ、負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇは、コントローラ４０からの駆動信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。
【００１５】
組電池１０は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、インバータ３１と接続されている。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオンであれば、組電池１０がインバータ３１と接続され、図１に示す電池システムは起動状態（Ready-On）になる。一方、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオフであれば、組電池１０およびインバータ３１の接続が遮断され、図１に示す電池システムは停止状態（Ready-Off）になる。
【００１６】
インバータ３１は、組電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ３２に出力する。モータ・ジェネレータ３２は、インバータ３１からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギ（動力）を生成する。車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ３２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ３１は、モータ・ジェネレータ３２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に出力する。これにより、回生電力を組電池１０に蓄えることができる。
【００１７】
なお、組電池１０およびインバータ３１の間の電流経路には、昇圧回路を設けることができる。昇圧回路は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ３１に出力することができる。また、昇圧回路は、インバータ３１の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。
【００１８】
図２は、組電池１０の構成を示す。組電池（本発明の蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の電池ブロック（本発明の蓄電ブロックに相当する）１１を有する。複数の電池ブロック１１を直列に接続することにより、組電池１０が構成される。組電池１０を構成する電池ブロック１１の数は、適宜設定することができる。
【００１９】
各電池ブロック１１は、並列に接続された複数の単電池（本発明の蓄電素子に相当する）１２を有する。電池ブロック１１を構成する単電池１２の数は、適宜設定することができる。単電池１２としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。
【００２０】
本実施例では、各電池ブロック１１に対して温度センサ２３（図１参照）を配置している。これにより、温度センサ２３を用いて、各電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｄを検出することができる。なお、各電池ブロック１１に温度センサ２３を配置しなくてもよい。温度センサ２３が配置されていない電池ブロック１１の温度は、他の電池ブロック１１に配置された温度センサ２３の検出結果（温度Ｔｂ＿ｄ）を用いて推定することができる。
【００２１】
例えば、温度センサ２３が配置されていない電池ブロック１１が、温度センサ２３が配置された２つの電池ブロック１１の間に配置されていることがある。この場合において、２つの温度センサ２３によって検出された２つの温度Ｔｂ＿ｄに基づいて、温度センサ２３が配置されていない電池ブロック１１の温度を推定することができる。
【００２２】
ここで、２つの温度Ｔｂ＿ｄが略等しければ、温度センサ２３が配置されていない電池ブロック１１の温度が温度Ｔｂ＿ｄに等しいと推定できる。また、２つの温度Ｔｂ＿ｄが異なっていれば、これらの温度Ｔｂ＿ｄの中央値を、温度センサ２３が配置されていない電池ブロック１１の温度として推定できる。
【００２３】
次に、電池ブロック１１に含まれる単電池１２の異常状態を判別する処理について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。ここで、異常状態とは、単電池１２の実際の内部抵抗が想定上の内部抵抗よりも上昇している状態である。図３に示す処理は、各電池ブロック１１に対して行われ、コントローラ４０によって実行される。
【００２４】
ステップＳ１０１において、コントローラ４０は、温度センサ２３の出力に基づいて、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｄを検出する。なお、上述したように、温度センサ２３によって検出された温度Ｔｂ＿ｄに基づいて、電池ブロック１１の温度を推定することもできる。
【００２５】
ステップＳ１０２において、コントローラ４０は、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｍを推定する。具体的には、コントローラ４０は、下記式（１）に基づいて、温度Ｔｂ＿ｍを算出（推定）する。ここでは、電池ブロック１１に含まれる、すべての単電池１２に略均等に電流が流れたときの温度Ｔｂ＿ｍを算出している。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
上記式（１）において、Ｔｂ＿ｍ（ｎ），Ｔｂ＿ｍ（ｎ−１）は、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｍを示す。温度Ｔｂ＿ｍ（ｎ）は現在の温度Ｔｂ＿ｍであり、温度Ｔｂ＿ｍ（ｎ−１）は前回の温度Ｔｂ＿ｍである。所定時間（ｄｔ）が経過するたびに、温度Ｔｂ＿ｍが算出される。
【００２８】
Ｉｂは電流センサ２２によって検出された電流値であり、Ｉｂ／ｄｔは、単位時間あたりの電流値を示す。ここで、電流値Ｉｂとしては、絶対値が用いられる。Ｒは、電池ブロック１１（単電池１２）の内部抵抗である。内部抵抗Ｒは、電池ブロック１１（単電池１２）の想定される劣化状態を考慮して、電池ブロック１１（単電池１２）の温度やＳＯＣから予め定められた値である。例えば、時間の経過とともに、電池ブロック１１（単電池１２）の内部抵抗が上昇するため、経過時間および内部抵抗Ｒの対応関係を予め求めておけば、経過時間に応じた内部抵抗Ｒを算出することができる。
【００２９】
αは発熱係数であり、予め設定されている。Ｔｆは、温度センサ２４によって検出される温度である。βは放熱係数であり、予め設定されている。κは冷却係数である。本実施例では、ファンを駆動して、車室内の空気を組電池１０に供給することにより、組電池１０を冷却している。このため、ファンの風量に基づいて冷却係数κを設定している。
【００３０】
上記式（１）に示すように、電池ブロック１１に電流が流れることに伴って発熱する成分（発熱項）と、電池ブロック１１から熱が放出される成分（放熱項）とを考慮して、温度Ｔｂ＿ｍ（ｎ）が算出される。なお、温度Ｔｂ＿ｍを推定する方法は、上記式（１）に限るものではない。すなわち、電池ブロック１１（単電池１２）に電流が流れることに伴う発熱成分と、電池ブロック１１（単電池１２）から熱が放出される放熱成分とを考慮して、温度Ｔｂ＿ｍを推定すればよい。
【００３１】
ステップＳ１０３において、コントローラ４０は、温度差ΔＴｂを算出する。温度差ΔＴｂは、ステップＳ１０１の処理で検出された温度Ｔｂ＿ｄから、ステップＳ１０２の処理で算出された温度Ｔｂ＿ｍを減算した値である。温度Ｔｂ＿ｄが温度Ｔｂ＿ｍよりも高いとき、温度差ΔＴｂが正の値となる。温度Ｔｂ＿ｄが温度Ｔｂ＿ｍよりも低いとき、温度差ΔＴｂが負の値となる。
【００３２】
ステップＳ１０４において、コントローラ４０は、温度差ΔＴｂが第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１よりも小さいか否かを判別する。第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１は正の値であり、第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１を特定する情報は、メモリ４１に記憶されている。温度差ΔＴｂが第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１よりも小さいとき、コントローラ４０は、図３に示す処理を終了する。
【００３３】
温度差ΔＴｂが第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１以上であるとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０５において、温度差ΔＴｂが第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２以上であるか否かを判別する。第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２は、第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１よりも大きな正の値である。第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２を特定する情報は、メモリ４１に記憶されている。
【００３４】
温度差ΔＴｂが第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２よりも小さいとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０６において、許容入力電力Ｗｉｎおよび許容出力電力Ｗｏｕｔを低下させる。許容入力電力Ｗｉｎとは、組電池１０の充電（入力）を許容する上限の電力値である。許容出力電力Ｗｏｕｔとは、組電池１０の放電（出力）を許容する上限の電力値である。組電池１０の充放電を行うとき、組電池１０の電力が電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを超えないように、組電池１０の充放電が制御される。
【００３５】
許容入力電力Ｗｉｎおよび許容出力電力Ｗｏｕｔは、組電池１０の温度やＳＯＣに基づいて設定される。ステップＳ１０６の処理では、組電池１０の温度やＳＯＣに基づいて設定された電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを低下させる。ここで、電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを低下させる量は、適宜設定することができる。例えば、温度差ΔＴｂが大きくなるほど、電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの低下量を増加させることができる。また、エンジンを備えた車両では、エンジンを始動させる電力以上の範囲内において、許容出力電力Ｗｏｕｔを低下させることができる。
【００３６】
ステップＳ１０７において、コントローラ４０は、組電池１０の充放電を停止させる。このとき、上述した電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは０［ｋＷ］に設定される。ステップＳ１０７の処理において、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替える。
【００３７】
本実施例では、上記式（１）に基づいて、各電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｍを推定することができる。すなわち、電池ブロック１１に含まれる単電池１２が異常状態ではないと仮定したときにおいて、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｍを推定することができる。ここで、実測値としての温度Ｔｂ＿ｄが、推定値としての温度Ｔｂ＿ｍから乖離しているときには、電池ブロック１１に含まれる単電池１２が異常状態であることを判別できる。
【００３８】
電池ブロック１１に含まれる単電池１２の内部抵抗が上昇して異常状態になると、この単電池１２に電流が流れにくくなり、他の単電池１２に電流が流れやすくなる。これにより、他の単電池１２が発熱しやすくなり、発熱状態の単電池１２を含む電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｄは上昇し、温度Ｔｂ＿ｍから乖離することになる。
【００３９】
本実施例では、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理で説明したように、温度Ｔｂ＿ｍに対する温度Ｔｂ＿ｄの乖離状態に応じて、組電池１０の充放電を制限している。これにより、発熱状態の単電池１２に電流が流れることを抑制し、単電池１２の更なる発熱を抑制することができる。
【００４０】
図３に示す処理において、温度差ΔＴｂが第１閾値ΔＴｂ＿ｔｈ１および第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２の間にあるときには、電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを段階的に低下させることができる。すなわち、温度差ΔＴｂが第２閾値ΔＴｂ＿ｔｈ２に近づくほど、電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを低下させる量を増加させることができる。
【００４１】
一方、図４に示すように、各単電池１２に電流遮断器１２ａを設けることができる。単電池１２は、電流遮断器１２ａと接続された発電要素１２ｂを有する。発電要素１２ｂは、充放電を行う要素である。発電要素１２ｂは、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されたセパレータとを有する。発電要素１２ｂは、単電池１２の外装を構成する電池ケースに収容されている。電流遮断器１２ａは、電池ケースに収容してもよいし、電池ケースの外部に配置してもよい。
【００４２】
電流遮断器１２ａは、単電池１２の電流経路を遮断するために用いられる。電流遮断器１２ａとしては、例えば、ヒューズ、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子又は、電流遮断弁を用いることができる。ヒューズは、発電要素１２ｂに過大な電流が流れるときに溶断する。ＰＴＣ素子の温度が上昇すると、ＰＴＣ素子の抵抗値が上昇することにより、発電要素１２ｂに過大な電流が流れることを抑制する。電流遮断器１２ａとしての電流遮断弁は、単電池１２（電池ケース）の内圧が上昇することに応じて変形し、発電要素１２ｂとの機械的な接続を断つ。これにより、単電池１２の内部における電流経路を遮断することができる。
【００４３】
電流遮断器１２ａが作動すると、作動状態の電流遮断器１２ａと接続された発電要素１２ｂ（単電池１２）には電流が流れなくなる。ここで、電池ブロック１１を構成する複数の単電池１２は、並列に接続されているため、１つの単電池１２に電流が流れなくなると、残りの単電池１２に電流が流れる。これにより、単電池１２の電流値が上昇し、単電池１２が発熱しやすくなる。したがって、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｄは、温度Ｔｂ＿ｍよりも高くなりやすい。
【００４４】
図３に示す処理によれば、温度差ΔＴｂに基づいて、電流遮断器１２ａが作動しているか否か、言い換えれば、電流遮断器１２ａを含む単電池１２が異常状態であるか否かを判別することができる。具体的には、温度差ΔＴｂが、予め定めた閾値以上であるとき、電流遮断器１２ａが作動していることを判別できる。
【００４５】
電池ブロック１１において、作動状態にある電流遮断器１２ａの数が増えるほど、電流遮断器１２ａが作動していない単電池１２には電流が流れやすくなる。したがって、作動状態にある電流遮断器１２ａの数が増えるほど、電池ブロック１１の温度Ｔｂ＿ｄが上昇しやすくなる。
【００４６】
そこで、各電池ブロック１１において、作動状態にある電流遮断器１２ａの数と、温度差ΔＴｂとの対応関係を予め求めておけば、温度差ΔＴｂを算出することにより、作動状態にある電流遮断器１２ａの数を特定することができる。作動状態にある電流遮断器１２ａの数と、温度差ΔＴｂとの対応関係を特定する情報は、メモリ４１に記憶しておくことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０：組電池（蓄電装置）、１１：電池ブロック（蓄電ブロック）、
１２：単電池（蓄電素子）１２ａ：電流遮断器、１２ｂ：発電要素、
２１：監視ユニット、２２：電流センサ、２３，２４：温度センサ、
３１：インバータ、３２：モータ・ジェネレータ、４０：コントローラ、
４１：メモリ、ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、
ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ：システムメインリレー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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