(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池を備え、電池の異常状態において電流を遮断する電流遮断機構を備えた車両用の組電池と、
前記組電池と、モータに供給される前記組電池の電力の電圧を調整するコンバータとを接続する接続ラインに接続され、前記コンバータのスイッチング動作に伴う電圧変動を抑制するフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサの電圧値に関する情報を取得する第１の電圧センサと、
所定周期内における前記フィルタコンデンサの電圧値の変化の度合いを算出し、前記変化の度合いが閾値よりも高い場合に前記電流遮断機構が作動したと判別するコントローラと、を有することを特徴とする電池の故障判定装置。
【請求項２】
さらに、前記組電池の電流値に関する情報を取得する電流センサを備え、
前記コントローラは、前記電流センサにより検出される電流値が前記組電池に電流が流れていないことを示す値であり、かつ、前記変化の度合いが前記閾値よりも高い場合には、前記電流遮断機構が作動したと判別することを特徴とする請求項１に記載の電池の故障判定装置。
【請求項３】
前記組電池は、複数の前記単電池を備える電池ブロックを複数備え、各前記電池ブロックの電圧値を検出する第２の電圧センサを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池の故障判定装置。
【請求項４】
前記単電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電池の故障判定装置。
【請求項５】
前記接続ラインには、電流の通電状態を切り替えるリレーが設けられており、
前記コントローラは、前記電流遮断機構が作動すると、前記リレーをオフにすることを特徴とする請求項４に記載の電池の故障判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流遮断機構を備えた組電池の故障を検知する電池の故障判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池異常時に電池セルに設けられた電流遮断機構を作動させることにより電流を遮断する機能を備えた電源機器が知られている。特許文献１は、電池セル群の電圧から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断し、作動が判定された場合は電流経路の一部に接続したスイッチング素子を駆動して組電池の充放電を停止させる電源機器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８２７７９号公報
【特許文献２】特開２００８−２５３０６４号公報
【特許文献３】特開平０８−０７５８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の構成では、電池セル群の電圧の変化を検知するまでに時間を要するため、電流遮断機構の作動検知を速やかに行うことができなかった。そこで、本発明は、電流遮断機構の作動検知を速やかに行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本願発明に係る電池の故障判定装置は、（１）複数の単電池を備え、電池の異常状態において電流を遮断する電流遮断機構を備えた車両用の組電池と、前記組電池とモータに供給される前記組電池の電力の電圧を調整するコンバータとを接続する接続ラインに接続され、前記コンバータのスイッチング動作に伴う電圧変動を抑制するフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧値に関する情報を取得する第１の電圧センサと、所定周期内における前記フィルタコンデンサの電圧値の変化の度合いを算出し、前記変化の度合いが閾値よりも高い場合に前記電流遮断機構が作動したと判別するコントローラと、を有することを特徴とする。
【０００６】
（２）上記（１）の構成において、さらに、前記組電池の電流値に関する情報を取得する電流センサを備え、前記コントローラは、前記電流センサにより検出される電流値が前記組電池に電流が流れていないことを示す値であり、かつ、前記変動の度合いが前記閾値よりも高い場合には、前記電流遮断機構が作動したと判別してもよい。
【０００７】
（２）の構成によれば、電池異常以外の要因でフィルタコンデンサの電圧値が急激に変動した場合に（例えば、車両がスリップした場合）、コントローラが電流遮断機構が作動したものと誤判断するのを防止できる。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記組電池は、複数の前記単電池を備える電池ブロックを複数備え、各前記電池ブロックの電圧値を検出する第２の電圧センサを備えることができる。
【０００９】
（３）の構成によれば、第２の電圧センサが電池異常により使用できなくなった場合でも、電流遮断機構の作動の有無を判別することができる。また、電流遮断機構の作動の有無が早期に判別されることにより、第２の電圧センサを保護できる場合もある。第２の電圧センサが保護されることにより、不具合の解析が容易となる。
【００１２】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、前記単電池は、リチウムイオン電池であってもよい。
【００１３】
（５）上記（４）の構成において、前記接続ラインには、電流の通電状態を切り替えるリレーが設けられており、前記コントローラは、前記電流遮断機構が作動すると、前記リレーをオフにしてもよい。
【００１４】
（５）の構成によれば、組電池（作動した電流遮断機構）に高電圧が印加され続けるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流遮断機構の作動検知を速やかに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】故障判定装置のブロック図である。
【図２】充電時に電流遮断機構が作動したときの、昇圧前フィルタコンデンサの電圧挙動を示す模式図である。
【図３】放電時に電流遮断機構が作動したときの、昇圧前フィルタコンデンサの電圧挙動を示す模式図である。
【図４】ΔＶＬの変動量を算出する方法を模式的に示したグラフである。
【図５】ΔＶＬの時間的な変化を示したグラフである。
【図６】実施例１の故障判定方法を示すフローチャートである。
【図７】実施例２の故障判定方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施例１）
図１は電池の故障判定装置のブロック図である。本実施例の故障判定装置１は、バッテリの電力によってモータを駆動し、このモータの駆動力により車輪を回転させる第１の駆動経路と、内燃機関で得られた駆動力により車輪を回転させる第２の駆動経路とを動力源として兼用するハイブリッド自動車に搭載することができる。
【００１８】
組電池１１は、複数の電池ブロック１３を備える。これらの電池ブロック１３は電気的に直列に接続されている。各電池ブロック１３は、複数の単電池１２を含む。これらの単電池１２は、電気的に直列に接続されている。単電池１２は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池であってもよい。
【００１９】
コントローラ３０は、故障判定装置１全体の制御を司る。各電池ブロック１３には、電圧センサ１４ａが接続されている。各電圧センサ１４ａは、各電池ブロック１３の電圧値を検出して、その検出結果をコントローラ３０に出力する。電流センサ１４ｂは、組電池１１に流れる電流値を検出して、その検出結果をコントローラ３０に出力する。
【００２０】
各単電池１２はそれぞれ、電圧値が使用電圧を超えると、コントローラ３０に信号を出力する図示しない出力回路部と、電流遮断機構を備える。単電池１２の使用電圧は、電池の劣化を防止する観点から設定される設計値であり、電池の種類に応じて異なる。電流遮断機構は、電流が過剰に流れたときに自己発熱により溶融して電流を遮断する電流ヒューズであってもよい。電流遮断機構は、周辺の温度が伝熱することにより可溶体が溶断して電流を遮断する温度ヒューズであってもよい。電流遮断機構は、特開平１０−３０２７４４号公報に記載されるような圧力による変形を利用して単電池１２内の電流経路を遮断する機構であってもよい。
【００２１】
コントローラ３０は、メモリ２１に記憶された種々のプログラムを実行する。メモリ２１は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＶＲＡＭ（Video RAM）であってもよい。
【００２２】
組電池１１は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐを介して、コンバータとしての昇圧回路３１に接続されている。組電池１１のプラス端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが接続され、組電池１１のマイナス端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが接続されている。また、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよびプリチャージ抵抗１７は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂに対して並列に接続されている。
【００２３】
これらのシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐは、コイルに対して通電したときに接点が閉じるリレーである。ＳＭＲがオンとは通電状態を意味し、ＳＭＲがオフとは非通電状態を意味する。
【００２４】
コントローラ３０は、電流遮断時、すなわちイグニッションスイッチのポジションがＯＦＦ位置になるときには、全てのシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐをオフする。すなわち、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐのコイルに対する励磁電流をオフにする。なお、イグニッションスイッチのポジションは、ＯＦＦ位置→ＡＣＣ位置の順に切り替わる。
【００２５】
ハイブリッドシステム起動時（メイン電源接続時）、すなわち、たとえば運転者がブレーキペダルを踏み込んでプッシュ式のスタートスイッチを押し込むと、コントローラ３０は、最初にシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにする。次に、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンしてプリチャージを実行する。
【００２６】
システムメインリレーＳＭＲ−Ｐにはプリチャージ抵抗１７が接続されている。このため、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンしてもインバータ３２への入力電圧は緩やかに上昇し、突入電流の発生を防止できる。
【００２７】
コントローラ３０は、インバータ３２の電圧値が、例えば、組電池１１の電圧値の約８０％〜１００％程度に達したとき、或いはインバータ３２の電圧値が略電池モジュール１３の電圧値に等しくなったときに、プリチャージを完了し、システムメインリレーＳＭＲ−ＰをオフしてシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂをオンする。
【００２８】
イグニッションスイッチのポジションがＯＮ位置からＯＦＦ位置に切り替わると、コントローラ３０は、先ずシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂをオフし、続いてシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフする。これにより、組電池１１とインバータ３２との間の電気的な接続が遮断され、電源遮断状態となる。
【００２９】
昇圧回路３１は、組電池１１の出力電圧を昇圧して、インバータ３２に供給する。インバータ３２は、昇圧回路３１からの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（三相交流モータ）３４に供給する。これにより、モータ・ジェネレータ３４が駆動され、モータ・ジェネレータ３４で生成された運動エネルギは、車輪に伝達されて車両を走行させることができる。ここで、昇圧回路３１およびインバータ３２により、パワーコントロールユニット３３が構成される。
【００３０】
一方、車両の制動時において、モータ・ジェネレータ３４は、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して、インバータ３２に供給する。インバータ３２は、モータ・ジェネレータ３４からの交流電力を直流電力に変換する。昇圧回路３１は、インバータ３２からの直流電力を降圧して、昇圧前フィルタコンデンサ１８に供給する。
【００３１】
昇圧前フィルタコンデンサ１８は、昇圧回路３１のスイッチング動作に応じて直流電力に付与される電圧の変動を平滑化する。コンデンサ電圧センサ１９は、昇圧前フィルタコンデンサ１８の両端の電圧値を測定する。コントローラ３０は、コンデンサ電圧センサ１９により測定された電圧値をメモリ２１に記憶するが、詳細については後述する。
【００３２】
次に、組電池１１の内部において電流遮断機構が作動したときの、昇圧前フィルタコンデンサ１８の電圧変化について説明する。図２は、組電池１１の充電時に単電池１２の電流遮断機構が作動した場合における、昇圧前フィルタコンデンサ１８の電圧挙動を模式的に示した模式図であり、横軸は経過時間を示し、縦軸は昇圧前電圧ＶＬを示す。同図を参照して、組電池１１の充電時に電流遮断機構が作動すると、それまで充電に用いられていた電流が組電池１１に流れなくなり、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬが上昇する。
【００３３】
昇圧前フィルタコンデンサ１８は、昇圧前電圧ＶＬが上限電圧値よりも高くならないように設計されている。昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬは、上限電圧値に達すると、徐々に又は急激に低下する。
【００３４】
図３は、組電池１１の放電時に単電池１２の電流遮断機構が作動した場合における、昇圧前フィルタコンデンサ１８の電圧挙動を模式的に示した模式図であり、横軸は経過時間を示し、縦軸は昇圧前電圧ＶＬを示す。同図を参照して、組電池１１の放電時に電流遮断機構が作動すると、パワーコントロールユニット３３は、組電池１１から電力を取得することが不可能となるため、昇圧前フィルタコンデンサ１８にチャージされた電荷を取得するように動作する。その結果、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬが降下する。
【００３５】
このように、組電池１１に含まれるいずれかの単電池１２において電流遮断機構が作動した場合には、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬが大きく変動する。したがって、この昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いに基づき、電流遮断機構の作動の有無を速やかに判別することができる。
【００３６】
具体的には、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いを示すΔＶＬの変動量が閾値（変化量閾値）を超えたときに、単電池１２の電流遮断機構が動作したものと判別することができる。変化量閾値は、電池の種類、解析結果などに応じて設定される設計値であってもよい。
【００３７】
図４は、ΔＶＬの変動量を算出する方法を模式的に示したグラフであり、横軸が時間、縦軸が昇圧前電圧ＶＬである。図５は、ΔＶＬの時間的な変化を示したグラフであり、横軸が時間、縦軸がΔＶＬである。
【００３８】
ΔＶＬは、図４に示すように、所定周期で所定回数だけサンプリングした昇圧前電圧ＶＬにより算出される。所定周期は８ｍｓｅｃであってもよい。所定回数は５回であってもよい。つまり、４０ｍｓｅｃ毎にΔＶＬを算出してもよい。
【００３９】
ここで、昇圧前電圧ＶＬをサンプリングする周期は、誤検知を防止する観点から、設計的に定められるものであり、車両への搭載条件、電池の種類などに応じて変動する。例えば、車両タイヤの摩擦抵抗が急激に変動する場合（スリップ状態の場合、グリップ状態の場合を含む）、電流遮断機構が作動した場合と同様に昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬは急激に変動する。しかしながら、昇圧前電圧ＶＬのサンプリング周期を適切な値に設定することにより、昇圧前電圧ＶＬの電圧変化の挙動の違いを明確化することができる。
【００４０】
次に、組電池１１の内部が断線したときの故障判定方法について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。ステップＳ１０１において、コントローラ３０は、コンデンサ電圧センサ１９の出力、つまり昇圧前電圧ＶＬをサンプリングする。ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、サンプリング回数が所定回数に達したか否かを判別する。サンプリング回数が所定回数に達した場合には、ステップＳ１０３に進む。
【００４１】
ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、所定回数サンプリングした昇圧前電圧ＶＬに基づいてΔＶＬを算出する。ステップＳ１０４において、コントローラ３０は、メモリ２１に記憶された直近に算出したΔＶＬと比較して、ΔＶＬの変動量を算出する。
【００４２】
ステップＳ１０５において、コントローラ３０は、ΔＶＬの変動量が閾値を超えたか否かを判別する。ΔＶＬの変動量が閾値を超えている場合には、ステップＳ１０６に進む。
ステップＳ１０６において、コントローラ３０は、電流遮断機構が作動したものと判別する。
【００４３】
コントローラ３０は、電流遮断機構が作動したと判別した場合には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ、ＳＭＲ−Ｂをオフに切り替える。これにより、高電圧が組電池１１（作動した電流遮断機構）に継続して印加されるのを防止できる。その結果、組電池１１を高圧から保護することができる。
【００４４】
電流遮断機構が作動した場合、電流遮断機構が作動した箇所の電圧値は増大する。このため、組電池１１の電圧値から電流遮断機構の作動の有無を判別する方法が考えられる。しかしながら、電流遮断機構が作動するような電池の異常状態においては、単電池１２から受ける熱などによって電圧センサ１４ａが正常に機能しないおそれがある。本実施例の故障判定装置によれば、電圧センサ１４ａが正常に機能しない場合であっても、コンデンサ電圧センサ１９により検出される昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いに基づき、電流遮断機構が作動したか否かを判別することができる。したがって、信頼性の高い故障判定装置を提供することができる。
【００４５】
各単電池１２に設けられた電圧値が所定値を超えると信号を出力する各出力回路部から出力される信号に基づき、電流遮断機構の作動の有無を判別する方法も考えられる。しかしながら、電流遮断機構が作動するような電池の異常状態では、組電池１１から受ける熱などによって出力回路部が正常に機能しないおそれがある。本実施例の構成によれば、出力回路部が正常に機能しない場合であっても、コンデンサ電圧センサ１９により検出される昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いに基づき、電流遮断機構が作動したか否かを判別することができる。したがって、信頼性の高い故障判定装置を提供することができる。
【００４６】
その一方、電流遮断機構が作動したことを早期に判別することにより、各電圧センサ１４ａの機能を損なうことなく保護できる場合がある。この場合、電圧センサ１４ａにより検出された電圧値を回収時に調べることにより、故障した電池ブロック１３が特定され、不具合の解析が容易となる。
（実施例２）
実施例１では、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いのみに基づき、電流遮断機構の作動の有無を判別したが、本実施例ではさらに電流センサ１４ｂの電流値を判別基準に含める。
【００４７】
単電池１２が正常に動作している場合には、組電池１１に電流が流れる。他方、単電池１２の電流遮断機構が作動している場合には、組電池１１に電流が流れない。したがって、組電池１１に流れる電流値を検知する電流センサ１４ｂの検知結果を用いることにより、より正確な遮断検知を行うことができる。すなわち、実施例１では、昇圧前電圧ＶＬのサンプリング周期を適切な値に設定することにより、いわゆるスリップ状態などの場合と電流遮断機構が作動する場合とを区別したが、本実施例においては必ずしもこのような区別を行う必要がない。組電池１１の回路には、スリップなどにより昇圧前電圧ＶＬが急激に変化した場合には電流が流れ、電流遮断機構が作動した場合には電流が流れない。
【００４８】
したがって、電流センサ１４ｂにより検出される電流値が断線を示す値（以下、断線閾値という）であり、かつ、昇圧前フィルタコンデンサ１８の昇圧前電圧ＶＬの変化の度合いが閾値よりも大きい場合には、単電池１２の電流遮断機構が作動したものと判別することができる。
【００４９】
ここで、断線閾値は、０Ａ、或いは０Ａ以外であってもよい。組電池１１の内部が断線している場合、当然のことながら、組電池１１の内部には電流が流れない。しかしながら、電流センサ１４ｂのオフセット誤差により、組電池１１の内部が断線しているにも拘わらず、電流センサ１４ｂにより検出される電流値が０Ａとならない場合（例えば、±４Ａ）がある。また、このようにオフセット誤差がある場合でも、いわゆる学習機能を備えることにより、オフセット誤差が徐々に小さくなる場合もある（例えば、±０．５Ａ）。このように断線閾値は、故障判定装置の設計条件に基づき変動するものである。
【００５０】
図７のフローチャートを参照しながら、組電池１１の内部が断線した場合の故障判定方法について説明する。ステップＳ２０１において、コントローラ３０は、電流センサ１４ｂにより検出される電流値が断線閾値であるか否かを判別する。本フローチャートでは、断線閾値が０Ａであるものとする。
【００５１】
ステップＳ２０２において、コントローラ３０は、コンデンサ電圧センサ１９の出力、つまり昇圧前電圧ＶＬをサンプリングする。ステップＳ２０３において、コントローラ３０は、サンプリング回数が所定回数に達したか否かを判別する。サンプリング回数が所定回数に達した場合には、ステップＳ２０４に進む。
【００５２】
ステップＳ２０４において、コントローラ３０は、サンプリングした昇圧前電圧ＶＬに基づいてΔＶＬを算出する。ステップＳ２０５において、コントローラ３０は、メモリ２１に記憶された直近に算出したΔＶＬと比較して、ΔＶＬの変動量を算出する。
【００５３】
ステップＳ２０６において、コントローラ３０は、ΔＶＬの変動量が閾値を超えたか否かを判別する。ΔＶＬの変動量が閾値を超えている場合には、ステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０７において、電流センサ１４ｂにより検出される電流値を再度サンプリングし、０Ａから変化がない場合にはステップＳ２０８に進む。
【００５４】
ステップＳ２０８において、コントローラ３０は、電流遮断機構が作動したものと判別する。
【００５５】
コントローラ３０は、電流遮断機構が作動したと判別した場合には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ、ＳＭＲ−Ｂをオフに切り替える。これにより、高電圧が組電池１１（作動した電流遮断機構）に継続して印加されるのを防止できる。
【符号の説明】
【００５７】
１    故障判定装置        １１  組電池        １２  単電池
１３  電池ブロック      １４ａ  電圧センサ      １４ｂ  電流センサ
１７  プリチャージ抵抗    １８  昇圧前フィルタコンデンサ
１９  コンデンサ電圧センサ      ３１  昇圧回路      ３２  インバータ
３４  モータ・ジェネレータ３４
【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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