JP6711238B2 - 電池パックの断線検知システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルが並列接続された電池パックの断線検知システムに関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、電源である電池モジュール（バッテリモジュール）が搭載されている。電池モジュールは、直列接続された複数の電池パックから構成される場合がある。個々の電池パックは、例えば数十個単位の電池セル（単電池）が並列接続される。

例えば特許文献１では、電池パックの内部抵抗、つまり並列接続された電池セルの合成内部抵抗に基づいて、電池パックにおける断線の有無を検知している。なお、断線とは電池セルの電極が電池パック内の配線から外れた場合や電池セルの電極間が絶縁状態（非導通状態）となった場合が含まれる。

例えば３並列された電池セルの内部抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３の合成抵抗Ｒ１は下記数式（１）のように表され、３並列された電池セルのうち一つが断線すると、その合成抵抗Ｒ２は下記数式（２）のように表される。

両者の比Ｒ２／Ｒ１（内部抵抗変化率）は、下記数式（３）のように表される。

ここで仮に、全ての内部抵抗が等しい（ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ）と仮定すると、数式（３）は下記数式（４）のようになる。

すなわち、内部抵抗変化率（増加率）は、当初電池セル数／（当初電池セル数−断線電池セル数）で表される。特許文献１では、電池パックの内部抵抗値が所定の閾値を超過した場合に、電池パック内に断線が生じたと判定される。

特開２００８−２７６５８号公報

ところで、電池パック内に並列接続される電池セルの数が多くなるにつれて、内部抵抗に基づく断線検知が困難となる。例えば電池セルが２０個並列された場合、一つの電池セルが断線すると、内部抵抗の増加率は２０／１９≒１．０５となり、５％程度の増加率に止まる。このような増加率は、内部抵抗の算出に伴う誤差等と同等またはそれ以下のオーダー（精度）となる場合があり、その結果、断線検知が困難となる。

そこで本発明は、従来よりも信頼性の高い断線検知が可能な、電池パックの断線検知システムを提供することを目的とする。

本発明に係る電池パックの断線検知システムは、断線判定部、電流判定部、タイマー、及び放電時間判定部を備える。断線判定部は、複数の電池セルが並列接続された電池パックの内部抵抗に基づいて当該電池パックの断線有無を判定する。電流判定部は、前記電池パックの放電電流が所定の電流閾値以上となる大電流放電状態であるか否かを判定する。タイマーは、前記大電流放電状態の継続時間を計測する。放電時間判定部は、前記大電流放電状態の継続時間が所定の閾値時間以上となったときに、前記断線判定部に対して前記電池パックの断線有無判定の実行を許可する。

本発明によれば、大電流放電状態が長期間に亘って継続した場合に、電池パックの断線有無が判定される。大電流放電状態が長期間に亘って継続すると、個々の電池セル内の塩濃度分布が広がり、電池セル内にイオン導電率の低い低濃度領域（いわゆる塩枯れ領域）が生じる。その結果、個々の電池セルの内部抵抗が増加し、電池パックの無断線時と断線発生時との内部抵抗差が、低濃度領域の発生前と比較して大きく表れるようになる。その結果、従来よりも信頼性の高い断線検知が可能となる。

本実施形態に係る電池パックの断線検知システム及びこれを搭載した車両の構成を例示する図である。 電池セルの電圧降下を説明する図（電流グラフ、電圧グラフ）である。 電池セルの塩濃度とイオン導電率との関係を例示するグラフである。 制御部の機能ブロックを例示する図である。 断線判定許可フローを例示する図である。 制御部の機能ブロックの別例を示す図である。 断線判定許可フローの別例を示す図である。 制御部の機能ブロックの更なる別例を示す図である。 断線判定許可フローの更なる別例を示す図である。 断線判定許可フローの更なる別例を実行した際のタイムチャートを例示する図である。

図１に、本実施形態に係る電池パックの断線検知システム及び当該システムが搭載された車両の構成を例示する。なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係る断線検知システムとの関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、矢印線は信号線を表している。

図１に示す車両は、ハイブリッド車両、プラグインハイブリッド車両、及び電気自動車等の、回転電機を駆動源とする車両である。この車両では、電池モジュール１０（メインバッテリ）から駆動源である回転電機ＭＧ１，ＭＧ２等の負荷に電力が供給される。具体的には、電池モジュール１０から出力された直流電力は昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２にて昇圧される。昇圧された直流電力はインバータ１４にて直交変換される。変換後の交流電力は回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の少なくとも一方に供給される。回転電機ＭＧ１，ＭＧ２から車輪１６への動力伝達経路については既知であるのでここでは説明を省略する。

ハイブリッド車両やプラグインハイブリッド車両では、車両の走行モードとして、回転電機ＭＧ２のみを駆動源とするＥＶ走行モードと、回転電機ＭＧ２及び内燃機関１７を駆動源とするＨＶ走行モードが選択される。ＨＶ走行モードと比較して、ＥＶ走行モードでは電池モジュール１０から回転電機ＭＧ２に大電流が供給される（大電流放電）。後述するように、ＥＶ走行モード実行時の大電流放電状態が長時間に亘り継続された場合に、電池パック３３の断線有無が判定される。

電池モジュール１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを繋ぐ電路から分岐して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に接続される分岐電路が設けられる。電池モジュール１０の高圧電力は降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８により降圧されてサブバッテリ２０、制御部２２、電圧センサユニット２４やその他の補機類に供給される。

電池モジュール１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８との間にはシステムメインリレーＳＭＲが設けられる。システムメインリレーＳＭＲが接続状態となることで、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２等の高電圧系の負荷や、制御部２２や補機類等の低電圧系の負荷と、電池モジュール１０とが接続状態となる。例えば図示しないスタートスイッチを運転者がオン操作することでシステムメインリレーＳＭＲが遮断状態から接続状態に切り替わる。また、スタートスイッチを運転者がオフ操作することでシステムメインリレーＳＭＲが接続状態から遮断状態に切り替わる。

電池モジュール１０は、二次電池の電池セル３２が複数積層された積層体を含んで構成される。図１に示す例では、並列接続された複数の電池セル３２からなる電池パック３３が複数直列接続される。例えば一つの電池パック３３当たり数十個の電池セル３２が並列接続される。

電池セル３２は例えばリチウムイオン電池から構成される。リチウムイオン電池の詳細な構成については既知であるのでここでは簡単に説明する。リチウムイオン電池はコバルト酸リチウム等の材料から構成される正極板、黒鉛等の材料から構成される負極板、及び両者を隔てる絶縁紙（セパレータ）を備える。正極板、絶縁紙、及び負極板を束ねた層は例えば捲回された状態で円筒形状の金属ケース内に収容される。さらに金属ケース内にリチウム塩の有機電解質が充填される。

図２には、リチウムイオン電池の電圧特性が例示されている。基本的にリチウムイオン電池は、通電電流とこれによる電圧降下（ΔＶ）の度合いがおおよそ比例関係となることが知られている。例えば相対的に大電流の実線（Ｂ）の電圧降下は、相対的に小電流の破線（Ａ）の電圧降下はよりも大きくなる。

また、リチウムイオン電池では通電に伴って塩濃度分布が生じることが知られている。この塩濃度分布の広がりは通電電流に応じて変化する。例えば大電流放電が継続されると、これに伴って塩濃度分布が拡大される。一方、大電流放電の後に大電流充電が行われると、一旦広がった塩濃度分布は狭められる。

図３には塩濃度に応じたイオン導電率の変化が例示されている。このグラフに示されているように、低濃度側でイオン導電率が急激に減少する。塩濃度分布の広がりに伴い、電池セル３２内に低濃度領域（いわゆる塩枯れ領域）が発生すると、当該領域のイオン導電率が低下することから、当該電池セル３２の内部抵抗が増加する。これに伴い、図２の破線円で示すように実線（Ｂ）の電圧降下が急峻となる。

後述するように本実施形態では、塩枯れ領域の発生に伴い電池セル３２の内部抵抗が増加するとの特性に着目し、当該塩枯れ領域の発生時に電池パック３３の断線有無を判定する。

＜断線検知システム＞
本実施形態に係る断線検知システムは、電圧センサユニット２４、電流センサ４２、タイマー４０、及び制御部２２を備える。

電圧センサユニット２４は電池モジュール１０のそれぞれの電池パック３３の電圧（端子間電圧）を測定する。言い換えると、電池パック３３内の並列接続された電池セル３２の合成電圧を測定する。この電池パック３３の電圧（ＣＣＶ）と、予め検出した開回路電圧（ＯＣＶ）との差が、内部抵抗による電圧降下となる。この内部抵抗は、並列接続された複数の電池セル３２の合成内部抵抗となる。測定された各電池パック３３の電圧は制御部２２に送られる。

制御部２２は、例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ３６、及び記憶部３８を備える。制御部２２は、主に電池モジュール１０の管理を行ういわゆる電池ＥＣＵであってよい。記憶部３８はＳＲＡＭ等の揮発性メモリ及びＲＯＭやハードディスク等の不揮発性メモリを含んで構成される。記憶部３８には後述する断線検知プロセスや断線判定許可フローを実行するためのプログラム等が記憶されている。

また制御部２２は、車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。具体的には電流センサ４２及び温度センサ４４から、それぞれ電池モジュール１０の電流値Ｉｂ及び温度Ｔｂを受信する。また電圧センサユニット２４から各電池パック３３の電圧値Ｖｂを受信する。

制御部２２の記憶部３８に記憶された断線検知プロセスや断線判定許可フローのプログラムを実行することで、制御部２２は、図４に示すような複数の機能部を備える。すなわち、制御部２２は、電流判定部５２、放電時間判定部５４、及び断線判定部５６を備える。

断線判定部５６は、電池パック３３の断線有無を判定する断線有無判定（断線判定）を実行する。断線判定部５６は、電圧センサユニット２４から取得した電池パック３３の電圧Ｖｂ（＝ＣＣＶ）、電流センサ４２から取得した電流値Ｉｂ、及び、予め車両休止時等に測定した電池パック３３の開回路電圧（ＯＣＶ）に応じて、断線判定を行う。

具体的には、断線判定部５６は、予め取得した電池パック３３の開回路電圧（ＯＣＶ）から現在時の電池パック３３の電圧（ＣＣＶ）を差し引いて内部抵抗に基づく電圧降下ΔＶを求める。さらに断線判定部５６は、電流センサ４２から現在時の電流値Ｉｂを取得して、電圧降下ΔＶを電流値Ｉｂで除することで、内部抵抗ｒを求める。求めた内部抵抗ｒが、予め定めた抵抗閾値以上である場合に、断線判定部５６は電池パック３３に断線有りと判定し、断線警告信号を出力する。例えば、車両内のディスプレイにディーラーでの点検を促すメッセージを表示させる。

一般的に、電池パック３３内でいずれかの電池セル３２に断線が生じると、一個の電池セル３２当たりの電流密度が増加して、電池パック３３全体の内部抵抗が増加する。加えて上述したように、電池セル３２に塩枯れ領域が発生すると、当該電池セル３２の内部抵抗が増加する。塩枯れ領域の発生により個々の電池セル３２の内部抵抗が増加することで、断線の無い正常時と断線発生時との電池パック３３の内部抵抗差は、塩枯れ領域発生前の内部抵抗差よりも大きくなる。これを踏まえ、本実施形態に係る断線検知システムは、電池セル３２に塩枯れ領域が発生したタイミングを狙って、断線の有無を判定している。

＜第１の断線判定許可フロー＞
電流判定部５２及び放電時間判定部５４は、タイマー４０と協働して、断線判定部５６による断線判定の実行可否を判定する。図５には、断線判定の実行可否を判定するフロー（断線判定許可フロー）が例示されている。

車両内のスタートボタン（図示せず）がオン操作され、システムメインリレーＳＭＲが遮断状態から導通状態に切り替わると、電池モジュール１０と回転電機ＭＧ１，ＭＧ２等の負荷とが接続される。電流判定部５２は、スタートボタンのオン操作に応じて図５のフローを起動させる。

なお、図５のフロー起動時の放電時間ｔは初期値ｔ＝０に設定される。また、図５のフローはスタートボタンのオフ操作によって終了するものとする。

電流判定部５２は、車両の図示しない上位制御部からＥＶ走行モードのオン／オフ指令を受信し、車両がＥＶ走行モード実施中であるか否かを判定する（Ｓ１０）。ＥＶ走行モードが実行されていない場合、放電時間ｔは０にリセットされる（Ｓ２０）。なお、車両が電気自動車である場合はステップＳ１０は省略される。

ＥＶ走行モードの実施中であるとき、電流判定部５２は、電池パック３３の通電状態が大電流放電状態であるか否かを判定する。すなわち電流判定部５２は、電流センサ４２から電池モジュール１０の（したがって電池パック３３の）電流Ｉｂを取得して、これが所定の電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ１２）。電流Ｉｂが電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ未満である場合は放電時間ｔは０にリセットされる（Ｓ２０）。

電流Ｉｂが電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ以上である場合、電流判定部５２は、大電流放電状態の継続時間（放電時間ｔ）の計測を開始させるカウント指令をタイマー４０に出力する。これにより放電時間ｔがカウントアップされる（Ｓ１４）。

次に、放電時間判定部５４は、電池パック３３にいわゆる塩枯れ領域が発生したか否かを判定する。すなわち、放電時間判定部５４は、タイマー４０がカウントした放電時間ｔが所定の閾値時間ｔ＿ｔｈ以上となったか否かを判定する（Ｓ１６）。放電時間ｔが閾値時間ｔ＿ｔｈ未満である場合は、断線判定部５６に対して、断線判定（断線有無判定）の実行を留保させる（Ｓ２２）。例えば断線判定部５６に対して、電圧センサユニット２４及び電流センサ４２からの計測値の取得を許可しない。

ステップＳ１６にて放電時間ｔが閾値時間ｔ＿ｔｈ以上である場合、放電時間判定部５４は、断線判定部５６に対して断線判定（断線有無判定）の実行を許可する（Ｓ１８）。これを受けて断線判定部５６は上述したように電池パック３３の断線有無を判定する。

＜第２の断線判定許可フロー＞
上述したように、塩濃度分布の広がり方は、通電電流の大きさに応じて変化する。具体的には大電流であるほど塩枯れ領域は早期に発生する。そこで、電流値と放電時間のペアを複数設定して、多段階的に断線判定の可否を決定してもよい。

図６には第２の断線判定許可フローを実行する、制御部２２の機能ブロック図が例示されている。図４の機能ブロック図と比較して、タイマー４０（第１タイマー）に加えて第２タイマー５８が追加されている。

また、電流判定部５２には、大電流放電の閾値として、第１電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ１及び第２電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ２が記憶されている。また放電時間判定部５４には、第１閾値時間ｔ＿ｔｈ１及び第２閾値時間ｔ＿ｔｈ２が記憶されている。これら閾値の大小関係は、Ｉｂ＿ｔｈ１＞Ｉｂ＿ｔｈ２であり、ｔ＿ｔｈ１＜ｔ＿ｔｈ２である。

図７には第２の断線判定許可フローが例示されている。図５のフローと同様に、車両内のスタートボタン（図示せず）がオン操作されると図７のフローが起動される。なお、フロー起動時の放電時間ｔは初期値ｔ＝０に設定される。また、図７のフローはスタートボタンのオフ操作によって終了するものとする。

電流判定部５２は、車両の図示しない上位制御部からＥＶ走行モードのオン／オフ指令を受信し、車両がＥＶ走行モード実施中であるか否かを判定する（Ｓ３０）。ＥＶ走行モードが実行されていない場合、大電流放電状態の継続時間である第１放電時間ｔ１及び第２放電時間ｔ２は０にリセットされる（Ｓ５２，Ｓ５４）。さらに断線判定（断線有無判定）の実行が留保される（Ｓ５０）。なお、車両が電気自動車である場合はステップＳ３０は省略される。

ＥＶ走行モードの実施中であるとき、電流判定部５２は、電流センサ４２から電池モジュール１０の電流Ｉｂを取得して、これが第１電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ１以上であるか否かを判定する（Ｓ３２）。

電流Ｉｂが第１電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ１以上である場合、電流判定部５２は、大電流放電状態の継続時間の計測を開始させるカウント指令をタイマー４０（第１タイマー）に出力する。これにより放電時間ｔ１がカウントアップされる（Ｓ３４）。

放電時間判定部５４は、タイマー４０がカウントした放電時間ｔ１が第１閾値時間ｔ＿ｔｈ１以上となったか否かを判定する（Ｓ３６）。放電時間ｔ１が第１閾値時間ｔ＿ｔｈ１未満である場合は、断線判定部５６に対して、断線判定（断線有無判定）の実行を留保させる（Ｓ５０）。放電時間ｔ１が第１閾値時間ｔ＿ｔｈ１以上である場合、放電時間判定部５４は、断線判定部５６に対して断線判定の実行を許可する（Ｓ３８）。

ステップＳ３２に戻り、電流Ｉｂが第１電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ１未満である場合、タイマー４０のカウントｔ１が０にリセットされる（Ｓ４０）さらに電流判定部５２は、電流Ｉｂが第２電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ２以上であるか否かを判定する（Ｓ４２）。電流Ｉｂが第２電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ２未満である場合、第２タイマー５８のカウントｔ２が０にリセットされる（Ｓ４８）。さらに断線判定の実行が留保される（Ｓ５０）。

ステップＳ４２にて電流Ｉｂが第２電流閾値Ｉｂ＿ｔｈ２以上である場合、電流判定部５２は、大電流放電状態の継続時間の計測を開始させるカウント指令を第２タイマー５８に出力する。これにより放電時間ｔ２がカウントアップされる（Ｓ４４）。

放電時間判定部５４は、第２タイマー５８がカウントした放電時間ｔ２が第２閾値時間ｔ＿ｔｈ２以上となったか否かを判定する（Ｓ４６）。放電時間ｔ２が第２閾値時間ｔ＿ｔｈ２未満である場合、断線判定の実行が留保される（Ｓ５０）。放電時間ｔ２が第２閾値時間ｔ＿ｔｈ２以上である場合、放電時間判定部５４は、断線判定部５６に対して断線判定の実行を許可する（Ｓ３８）。

＜第３の断線判定許可フロー＞
図５、図７のフローでは、放電時間の計測中に一度でも電流Ｉｂが電流閾値（Ｉｂ＿ｔｈ，Ｉｂ＿ｔｈ１，Ｉｂ＿ｔｈ２）を下回れば断線判定の実行が留保される。断線判定の実行機会を増やすために、電流Ｉｂの代わりに積算電流ΣＩｂをもとに、断線判定の実行可否を判定してもよい。

図８には、第３の断線判定許可フローを実行する制御部２２の機能ブロック図が例示されている。図４の機能ブロック図と比較して、電流判定部５２の前段に電流積算部６０が設けられる。加えて、第３タイマー６２及び第４タイマー６４が設けられる。

図９には第３の断線判定許可フローが例示されている。車両内のスタートボタン（図示せず）がオン操作に応じて図９のフローが起動される。フロー起動時の放電時間ｔ、電流積算時間ｔ＿ΣＩｂ、及び電流積算値ΣＩｂは初期値０に設定される。また、図９のフローはスタートボタンのオフ操作によって終了するものとする。

電流積算部６０は、車両がＥＶ走行モード実施中であるか否かを判定する（Ｓ６０）。ＥＶ走行モードが実行されていない場合、放電時間ｔ、電流積算時間ｔ＿ΣＩｂ、及び電流積算値ΣＩｂはいずれも０にリセットされる（Ｓ８０，Ｓ８２，Ｓ８４）。さらに断線判定（断線有無判定）の実行が留保される（Ｓ８６）。なお、車両が電気自動車である場合、ステップＳ６０は省略される。

ステップＳ６０にてＥＶ走行モードの実施中であるとき、電流積算部６０は、電流積算時間ｔ＿ΣＩｂのカウントを開始させるカウント指令を第３タイマー６２に出力する。これにより電流積算時間ｔ＿ΣＩｂがカウントアップされる（Ｓ６２）。また、電流積算部６０は電流積算値ΣＩｂの前回値に現在時の電流Ｉｂを加える（Ｓ６４）。

電流判定部５２は第３タイマー６２による電流積算時間ｔ＿ΣＩｂが所定の閾値時間ｔ＿ΣＩｂ＿ｔｈ以上となったか否かを判定する（Ｓ６６）。電流積算時間ｔ＿ΣＩｂが閾値時間ｔ＿ΣＩｂ＿ｔｈに到達していない場合、断線判定の実行が留保される（Ｓ８６）。

電流積算時間ｔ＿ΣＩｂが閾値時間ｔ＿ΣＩｂ＿ｔｈ以上である場合、電流判定部５２は電流積算値ΣＩｂが所定の積算電流閾値ΣＩｂ＿ｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ６８）。電流積算値ΣＩｂが積算電流閾値ΣＩｂ＿ｔｈ未満である場合、放電時間ｔが０にリセットされ（Ｓ８８）、ステップＳ７２に進む。

電流積算値ΣＩｂが積算電流閾値ΣＩｂ＿ｔｈ以上である場合、電流判定部５２は第４タイマー６４に放電時間ｔのカウントを開始させるカウント指令を出力する。これにより、大電流放電状態の継続時間である放電時間ｔがカウントアップされる（Ｓ７０）その後、電流積算時間ｔ＿ΣＩｂ及び電流積算値ΣＩｂが０にリセットされる（Ｓ７２，Ｓ７４）。

放電時間判定部５４は、第４タイマー６４がカウントする放電時間ｔが閾値時間ｔ＿ｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ７６）。放電時間ｔが閾値時間ｔ＿ｔｈ未満である場合、断線判定（断線有無判定）の実行が留保される（Ｓ８６）。放電時間ｔが閾値時間ｔ＿ｔｈ以上である場合、断線判定の実行が許可される（Ｓ７８）。

このように第３の断線判定許可フローでは、電流値Ｉｂの代わりに電流積算値ΣＩｂを用いている。これにより、図１０に示すように、電流積算時間ｔ＿ΣＩｂ中に電流値Ｉｂが、第１の断線判定許可フローにて設定されていた電流閾値Ｉｂ＿ｔｈを下回っても、閾値時間ｔ＿ΣＩｂ＿ｔｈ到達時の電流積算値ΣＩｂが積算電流閾値ΣＩｂ＿ｔｈ以上であれば、放電時間ｔはリセットされない。その結果、断線判定の実行機会をより多く得ることができる。

１０ 電池モジュール、２２ 制御部、２４ 電圧センサユニット、３２ 電池セル、３３ 電池パック、４０ タイマー（第１タイマー）、４２ 電流センサ、５２ 電流判定部、５４ 放電時間判定部、５６ 断線判定部、５８ 第２タイマー、６０ 電流積算部、６２ 第３タイマー、６４ 第４タイマー。

Claims (1)

1. 複数の電池セルが並列接続された電池パックの内部抵抗に基づいて当該電池パックの断線有無を判定する断線判定部と、
   前記電池パックの放電電流が所定の電流閾値以上となる大電流放電状態であるか否かを判定する電流判定部と、
   前記大電流放電状態の継続時間を計測するタイマーと、
   前記大電流放電状態の継続時間が所定の閾値時間以上となったときに、前記断線判定部に対して前記電池パックの断線有無判定の実行を許可する放電時間判定部と、
   を備えることを特徴とする、電池パックの断線検知システム。