(57)【要約】【課題】組電池ユニットの異常を早期に把握可能にする。【解決手段】組電池ユニット１００は、ボックス１内に設けられており、組電池の動作状況を検出するとともに、この検出結果に基づいて組電池の動作状況を診断し、その該診断結果を出力するコントローラと、ボックス１に取り付けられており、コントローラより出力された診断結果を表示する表示部７０とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池ユニットにおいて、
ボックスと、
前記ボックス内に収納された組電池と、
前記ボックス内に設けられており、前記組電池の動作状況を検出するとともに、当該検出結果に基づいて前記組電池の動作状況を診断し、当該診断結果を出力するコントローラと、
前記ボックスに取り付けられており、前記コントローラより出力された診断結果を表示する表示部と
を有することを特徴とする組電池ユニット。
【請求項２】
前記コントローラは、前記組電池の総電圧値が所定の電圧値よりも高い場合に、前記組電池が過充電状態であると判断し、当該判断結果を前記診断結果として出力することを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
【請求項３】
前記コントローラは、前記組電池の総電圧値が所定の電圧値よりも低い場合に、前記組電池が過放電状態であると判断し、当該判断結果を前記診断結果として出力することを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
【請求項４】
前記コントローラは、前記組電池の残存容量を算出するとともに、当該算出結果を前記診断結果として出力することを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
【請求項５】
前記コントローラは、イグニッションキーをオンにした場合に流れるプリチャージ電流の電流値が所定の電流値よりも低い場合に、電流経路系にフェールが生じていると判断し、当該判断結果を前記診断結果として出力することを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
【請求項６】
前記コントローラは、前記組電池のセル温度の上昇率が減少しない場合に、冷却ファンが故障していると判断し、当該判断結果を前記診断結果として出力することを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題などから、ハイブリッド自動車や電気自動車が注目されており、そのために各種の二次電池が開発されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、密閉性に優れ、かつ、メンテナンスフリーであるため、ハイブリッド自動車や電気自動車用のバッテリとして優れているが、大型のものは実用化されていない。そこで、複数個の小型の電池セルを直列に接続することによって組電池化し、この組電池ユニットを用いて、車両の駆動に必要な電圧や容量を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、組電池ユニットは充放電するときは無音であり、故障時に大きな音を出したり、白煙を上げたりするのは、トラブルが相当深刻な状態になってからである。したがって、このような状態になる前に、組電池ユニットの異常に対して早期に対応できるような対策を講じることが好ましい。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、組電池ユニットの異常を早期に把握可能にすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明は、ボックスと、ボックス内に収納された組電池と、ボックス内に設けられており、組電池の動作状況を検出するとともに、この検出結果に基づいて組電池の動作状況を診断し、その該診断結果を出力するコントローラと、ボックスに取り付けられており、コントローラより出力された診断結果を表示する表示部とを有する組電池ユニットを提供する。
【０００６】
ここで、上記構成において、コントローラは、組電池の総電圧値が所定の電圧値よりも高い場合に、組電池が過充電状態であると判断し、この判断結果を上記診断結果として出力してもよい。また、コントローラは、組電池の総電圧値が所定の電圧値よりも低い場合に、組電池が過放電状態であると判断し、この判断結果を上記診断結果として出力してもよい。また、コントローラは、組電池の残存容量を算出するとともに、この算出結果を上記診断結果として出力してもよい。また、コントローラは、イグニッションキーをオンにした場合に流れるプリチャージ電流の電流値が所定の電流値よりも低い場合に、電流経路系にフェールが生じていると判断し、この判断結果を上記診断結果として出力してもよい。さらに、コントローラは、組電池のセル温度の上昇率が減少しない場合に、冷却ファンが故障していると判断し、この判断結果を上記診断結果として出力してもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態に係る組電池ユニットの概略的な外観斜視図である。この組電池ユニット１００は、組電池やコントローラ等を収納したボックス１と、このボックス１に取り付けられた表示部７０とを有する。この表示部７０には、コントローラより出力された、各種フェール情報、総電圧および電流といった診断結果が表示される。
【０００８】
図２は、組電池ユニット１００の構成図であり、図３は、組電池ユニット１００の回路図である。ボックス１は、内部に空間が形成された樹脂製の箱体であって、一例として、そのサイズは６４０ｍｍ×２４０ｍｍ×１９０ｍｍである。このボックス１内には、複数の電池セル２０を重ね合わせることによって構成された組電池２が収納されている。本実施形態では、電池セル２０として、薄板状のリチウム系電池（マンガン系リチウム電池）を用いており、金属層の両面を樹脂層で覆ったラミネートシート内に発電要素が収容されている。この電池セル２０の板厚は５ｍｍ程度であり、これを数十枚（例えば８０枚）直列に接続することによって組電池２が構成されている。また、電池セル１０の一方の縁部（図２の上方）には、正極の電極タブ２１が突出して設けられているとともに、これとは反対側に縁部（図２の下方）には、負極の電極タブ２１が突出して設けられている。
【０００９】
組電池２を構成する一連の電池セル２０は、一方向からみた場合に、表面と裏面とが交互に反転するように配置されている。したがって、隣接した２つの電池セル２０において、正極の電極タブ２１と負極の電極タブ２１とは互いに対向する。そして、互いに対向して隣接した電極タブ２１同士を接続することによって、一連の電池セル２０が直列に接続される。そして、組電池２における右上端の電極タブ２１は、電流センサ６とリレー７とを介して、互いに並列な２つの正極コネクタ３ａに接続されている。電流センサ６は、組電池２の充放電電流を検出する。この検出結果は、電流制限値の管理や組電池２の残存容量を算出する際に用いられる。また、リレー７は、図示しない外部システムから供給される制御信号によって制御され、故障した組電池ユニット１００の電流経路を遮断する。一方、組電池２における左下端の電極タブ２１は、互いに並列な２つの負極コネクタ３ｂに接続されている。
【００１０】
ここで、組電池２は、右電池セル群２ａと左電池セル群２ｂとに分けられており、両セル群２ａ，２ｂとの間にはヒューズ８と安全プラグ４とが設けられている。具体的には、右電池セル群２ａは、その上下において互いに対向した電極タブ２１同士を接合することによって、直列に接続されている。そして、右電池セル群２ａの左上端（組電池２でみた場合には中間上）の電極タブ２１は、第１の配線１４ａと接合している。この配線１４ａには、ヒューズ８が設けられている。ヒューズ８は、負荷側の制御暴走時や短絡、或いは、ボックス１内部での短絡等に起因して異常電流が流れた場合に溶断し、組電池ユニット１００内の電流経路を遮断する。一方、左電池セル群２ｂも、その上下において互いに対向した電極タブ２１同士を接合することによって、直列に接続されている。そして、左電池セル群２ｂの右下端（組電池２でみた場合には中間下）の電極タブ２１は、第２の配線１４ｂと接合している。そして、第１の配線１４ａと第２の配線１４ｂとは、安全プラグ４を介して電気的に接続されている。安全プラグ４は、ボックス１の外壁部に着脱可能に設けられており、このプラグ４を引き抜くことにより、組電池ユニット１００の電流経路を物理的に遮断する。このような安全プラグ４を設ける理由は、リレー７誤動作に起因した誤出力を防止するため、或いは、メンテナンス時や組電池ユニット１００の輸送時における感電を防止するためである。このように、右電池セル群２ａと左電池セル群２ｂとは、配線１４ａ，１４ｂを介して接続されているため、組電池２全体において、電池セル２０が直列接続された形態となる。
【００１１】
また、ボックス１には、この内部空間を冷却するための冷却ファン１３と、スリット状の空気取入口１２とが設けられている。この冷却ファン１３の回転によって、ボックス１内の空気が強制的に外部に排出される。したがって、充放電時に組電池２が発熱しても、空冷によって組電池２の温度上昇を効率的に抑制することができる。なお、ボックス１の各部位の温度検出を行うために、本実施形態では３カ所にサーミスタ３０が設けられている。具体的には、第１のサーミスタ３０は、ボックス１の内部空間に配置されており、第２のサーミスタ３０は、隣接した電池セル２０の間に挟持されており、第３のサーミスタ３０は、電極タブ２１と接触して設けられている。
【００１２】
さらに、ボックス１の所定部位（本実施形態では冷却用ファン１３の直上）には、外部システムとの間で通信を行うための制御コネクタ１５が設けられている。
【００１３】
一方、電池セル２０を重ね合わせることによって構成された組電池２上には、基板５が載置されており、この基板５にはバランサ回路４０が搭載されている。バランサ回路４０は、それぞれの電極タブ２１と接続されている。バランサ回路４０は、それぞれの電池セル２０におけるセル電圧のばらつきを修正し、組電池２全体でこれらが均一になるように制御する。バランサ回路４０は、互いに磁気結合された複数の巻き線を有するトランスと、それぞれの巻き線に直列接続されたスイッチと、セル電圧を監視する監視回路とのセットを電池セル２０の個数分だけ有する。そして、バランサ回路４０は、セル電圧が所定のしきい値を超えた場合に、スイッチによるスイッチングを停止することにより、セル電圧の異常な上昇を回避する。その結果、特定の電池セル２０の過放電や過充電を防ぎ、電池セル２０の劣化を防止する。なお、バランサ回路４０の詳細については、特開２００１−３０９５７３号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。
【００１４】
また、基板５には、コントローラ９が搭載されており、このコントローラ９は、有線通信ユニット１０と無線通信ユニット１１とを含む。これらのユニット１０，１１は、組電池ユニット１００の動作状態に関するデータを外部システムに送信するための通信回路である。具体的には、有線通信ユニット１０は、上述した制御コネクタ１５を介して、電源系全体を制御する外部のコントローラとの間で制御上必要なデータの送受信を行う。また、無線通信ユニット１１は、無線通信によって、管理者側のシステムに対してデータを送信する。なお、コントローラ９は、基板５上に直接載置してもよいが、コントローラ９を搭載した別の基板を基板５上に載置した場合においても同様の形態を実現できる。
【００１５】
図４は、組電池ユニット１００におけるデータの入出力を示す図である。コントローラ９は、組電池ユニット１００の動作状況の診断に先立ち、まず、その動作状況を検出する。具体的には、リレー７の溶着の有無が検出されるとともに、組電池２の漏電の有無も検出される。サーミスタ３０からのセンサ信号に基づいて、電極タブ２１の温度、電池セル２０本体の温度、および、ボックス１の内部空間の温度が検出される。また、バランサ回路４０からの信号に基づいて、組電池２全体の総電圧、電池セル２０毎の過放電および過充電が検出される。さらに、電流センサ６からのセンサ信号に基づいて、電流が検出される。そして、コントローラ９は、以下の各種ルーチンを所定の期間毎に呼び出して、これらの検出結果を用いた診断を行う。診断結果は、ボックス１に取り付けられた表示部７０に適宜表示される。
【００１６】
図５は、過充電検出ルーチンのフローチャートである。まず、ステップ１において、バランサ回路４０からの総電圧値が読み込まれる。ステップ２では、総電圧値が所定の過充電電圧値よりも高いか否かが判断される。この過充電電圧値は、過充電の有無を判断する判定しきい値である。ステップ２で否定判定された場合には、過充電状態ではないと判断し、過充電フラグを”０”にセットして（ステップ３）、本ルーチンを抜ける。これに対して、ステップ２で肯定判定された場合には、過充電状態であると判断し、過充電フラグを”１”にセットして（ステップ４）、本ルーチンを抜ける。コントローラ９は、過充電に関する診断結果、すなわち、過充電フラグの設定内容を表示部７０に出力する。これにより、この診断結果が表示部７０に表示される。
【００１７】
図６は、過放電検出ルーチンのフローチャートである。まず、ステップ１１において、バランサ回路４０からの総電圧値が読み込まれる。ステップ１２では、総電圧値が所定の過放電電圧値よりも低いか否かが判断される。この過放電電圧値は、過放電の有無を判断する判定しきい値である。ステップ１２で否定判定された場合には、過放電状態でないと判断し、過放電フラグを”０”にセットして（ステップ１３）、本ルーチンを抜ける。これに対して、ステップ１２で肯定判定された場合には、過放電状態であると判断し、過放電フラグを”１”にセットして（ステップ１４）、本ルーチンを抜ける。コントローラ９は、過放電に関する診断結果、すなわち、過放電フラグの設定内容を表示部７０に出力する。これにより、この診断結果が表示部７０に表示される。
【００１８】
図７は、残存容量（ＳＯＣ）推定ルーチンのフローチャートである。まず、ステップ２１において、電流センサ６からの電流値が読み込まれる。ステップ２２では、電流値を積算することによって、電流値積算ベースの残存容量ＳＯＣ＿Ｉが下式に従い算出される。
【数１】
2004006131.tif 000003
【００１９】
図８は、電流値積算による残存容量ＳＯＣ＿Ｉの算出の説明図である。あるサンプル間隔ｔにおいて、電流値がＩ＿ＯＬＤからＩ＿ＮＥＷに変化した場合、この変化に起因した残存容量ΔＳＯＣ＿Ｉは、斜線で示した部分の面積に相当する。サンプル間隔ｔが極短時間である場合、ΔＳＯＣ＿Ｉは台形の面積として近似計算できる。そして、今回算出されたΔＳＯＣ＿Ｉを従前の残存容量ＳＯＣ＿Ｉ＿ＯＬＤに加算することにより、残存容量ＳＯＣ＿Ｉ［Ａｈ］が算出される。
【００２０】
続くステップ２３，２４において、バランス回路４０からの総電圧値と、サーミスタ３０からのセル温度とが読み込まれる。そして、ステップ２５において、今回読み込まれたセル温度に関するマップが存在するか否かが判断される。ステップ２５で否定判定された場合、すなわち、現在のセル温度に関するマップが存在しない場合には、電流値積算ベースで算出された残存容量ＳＯＣ＿Ｉを最終的な残存容量ＳＯＣとして設定し（ステップ２６）、本ルーチンを抜ける。
【００２１】
これに対して、ステップ２５で肯定判定された場合、すなわち、現在のセル温度に関するマップが存在する場合には、総電圧値と電流値とセル温度とに基づいて、マップベースの残存容量ＳＯＣ＿Ｍが算出される（ステップ２７）。このマップは、セルの温度毎に設けられており、電流値と総電圧とを入力変数とした残存容量ＳＯＣ＿Ｍが記述されている。コントローラ９は、対応するマップを参照し、これらの入力変数に対応する残存容量ＳＯＣ＿Ｍを検索する。そして、マップ検索より特定された残存容量ＳＯＣ＿Ｍを最終的な残存容量ＳＯＣとして設定し（ステップ２８）、本ルーチンを抜ける。
【００２２】
図９は、電流経路系のフェール検出ルーチンのフローチャートである。また、図１０は、プリチャージの説明図である。車両の動力源となるモータの出力はインバータ５０によって設定されるが、このインバータ５０は、大容量（数千μＦ）のコンデンサ５１を含む。イグニッションキーをオフからオンにした場合には、まず、このコンデンサ５１をプリチャージする必要がある。ただし、メインリレー７を介したプリチャージでは過電流が流れてしまい好ましくない。そこで、メインリレー７と並列にプリチャージリレー７ａを設け、プリチャージ抵抗６０で電流を絞りながら、コンデンサ５１のプリチャージを行う。なお、このプリチャージに際しては、メインリレー７は遮断状態に設定される。
【００２３】
まず、ステップ３１において、イグニッションキーがオンになったか否かが判断される。このステップ３１で否定判定された場合、すなわち、イグニッションキーがオフの場合には、ステップ３２以降の手順をスキップして、本ルーチンを抜ける。
【００２４】
これに対して、イグニッションキーがオンの場合には、プリチャージリレー７ａをオンにする（ステップ３２）。これにより、プリチャージ抵抗６０とプリチャージリレー７ａとを介してプリチャージ電流が流れて、インバータ５０のコンデンサ５１が充電される。ステップ３３では、電流センサ６からの電流値が読み込まれる。そして、続くステップ３４において、プリチャージ電流の電流値が所定値よりも小さいか否かが判断される。この所定値は、プリチャージ電流が殆ど流れていない状態を判断する際の基準を与えるしきい値であり、０若しくは０に近い値（例えば１〜２アンペア程度）に設定されている。
【００２５】
ステップ３４で否定判定された場合、すなわち、所定値以上のプリチャージ電流が流れている場合には、電流経路系に異常はないと判断する。そして、ステップ３５に進み、フェールフラグを”０”に設定した上で、本ルーチンを抜ける。このフェールフラグが”０”に設定されるということは、電流経路系に異常がないことを示す。
【００２６】
これに対して、ステップ３４で肯定判定された場合、すなわち、電流値が所定値よりも小さい場合には、ステップ３６に進み、この状態が所定の時間が経過したか否かが判断される。このステップ３６で否定判定された場合には、ステップ３３に戻り、肯定判定された場合にはステップ３７に進む。つまり、低電流状態が所定時間続いた場合には、ステップ３７に進み、フェールフラグを”１”に設定した上で、本ルーチンを抜ける。このフェールフラグが”１”に設定されているということは、電流経路系に異常が生じていることを示す。具体的には、電流センサ６の故障、プリチャージ抵抗６０の断線、プリチャージリレー７ａの故障、或いは、ヒューズ８の溶断等が挙げられる。
【００２７】
コントローラ９は、電流経路系の異常の有無を示すフェールフラグの設定内容を診断結果として表示部７０に出力する。これにより、この診断結果が表示部７０に表示される。
【００２８】
図１１は、冷却ファンの故障診断ルーチンのフローチャートである。まず、ステップ４１において冷却ファン１３をオンして、ボックス１の内部の空気を外部に排出する。続くステップ４２において、サーミスタ３０からのセル温度が読み込まれる。そして、ステップ４３において、セル温度の上昇率が減少したか否かが判断される。すなわち、従前のセル温度の上昇率よりも今回のセル温度の上昇率の方が小さいか否かが判断される。冷却ファン１３が回転して、ボックス１内の空気が適切に排出されている場合には、セル温度の上昇率は減少するはずである。したがって、このステップ４３で肯定判定された場合には、冷却ファン１３は故障していないと判断して、ファン故障フラグを”０”に設定した上で（ステップ４４）、本ルーチンを抜ける。
【００２９】
これに対して、ステップ４３で否定判定された場合、すなわち、セル温度の上昇率が減少していない場合には、ステップ４５に進み、この状態が所定の時間が経過したか否かが判断される。このステップ４５で否定判定された場合には、ステップ４２に戻り、肯定判定された場合にはステップ４６に進む。つまり、セル温度の上昇率が減少していない状態が所定時間続いた場合には、ステップ４６に進み、ファン故障フラグを”１”に設定した上で、本ルーチンを抜ける。このファン故障フラグが”１”に設定されているということは、冷却ファン１３が故障していることを示す。
【００３０】
コントローラ９は、冷却ファン１３の故障の有無を示すファン故障フラグの設定内容を診断結果として表示部７０に出力する。これにより、この診断結果が表示部７０に表示される。
【００３１】
このように、本実施形態では、コントローラ９が組電池の動作状況をリアルタイムで診断するとともに、その診断結果が表示部７０に表示される。これにより、ユーザ等は組電池の動作状況を把握することができ、トラブルに対しても早期に対応可能になる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、過充電、過放電、残存容量、電流経路のフェールおよび冷却ファンの故障を診断しているが、これらの全てを診断する必要はなく、これらの項目の少なくとも一つを診断すれば足り、いくつかを組み合わせてもよい。また、これら以外の項目を診断項目として追加してもよいのは当然である。
【発明の効果】
本発明によれば、ボックスに表示部を設けることで、組電池ユニットの異常を早期に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】組電池ユニットの概略的な外観斜視図
【図２】組電池ユニットの構成図
【図３】組電池ユニットの回路図
【図４】組電池ユニットにおけるデータの入出力を示す図
【図５】過充電検出ルーチンのフローチャート
【図６】過放電検出ルーチンのフローチャート
【図７】残存容量推定ルーチンのフローチャート
【図８】電流値積算による残存容量の算出の説明図
【図９】電流経路系のフェール検出ルーチンのフローチャート
【図１０】プリチャージの説明図
【図１１】冷却ファンの故障診断ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１　ボックス
２　組電池
２ａ　右電池セル群
２ｂ　左電池セル群
３ａ　正極コネクタ
３ｂ　負極コネクタ
４　安全プラグ
５　バランサ基板
６　電流センサ
７　リレー
８　ヒューズ
９　コントローラ
１０　有線通信ユニット
１１　無線通信ユニット
１２　空気取入口
１３　冷却ファン
１４ａ　第１の配線
１４ｂ　第２の配線
１５　制御コネクタ
１６　コネクタ
１７　配線
２０　電池セル
２１　電極タブ
３０　サーミスタ
４０　バランサ回路
５０　インバータ
５１　コンデンサ
６０　プリチャージ抵抗
７０　表示部
１００　組電池ユニット
【図１】
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【図２】
2004006131.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004006131.tif 000009
【図７】
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【図８】
2004006131.tif 000011
【図９】
2004006131.tif 000012
【図１０】
2004006131.tif 000013
【図１１】
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