電池システム
【課題】電池システムにおいて、電池セルのプルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体の接続状態を簡易な構成で判定する。
【解決手段】第１及び第２の電極端子と導電性の電池容器を備えた電池セルと、一端が第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、第２の電極端子と他端との間の電圧を計測する電圧計と、第２の抵抗体と、第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間に電気的に接続可能なスイッチと、制御装置とを有し、制御装置は、スイッチを開から閉に制御して第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間に電気的に接続した場合またはスイッチを閉から開に制御して第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、電圧の変化を監視することで第１の抵抗体が電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする。
【解決手段】第１及び第２の電極端子と導電性の電池容器を備えた電池セルと、一端が第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、第２の電極端子と他端との間の電圧を計測する電圧計と、第２の抵抗体と、第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間に電気的に接続可能なスイッチと、制御装置とを有し、制御装置は、スイッチを開から閉に制御して第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間に電気的に接続した場合またはスイッチを閉から開に制御して第２の抵抗体を第１の電極端子と第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、電圧の変化を監視することで第１の抵抗体が電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を電池容器に接続した電池セルにおいて、当該抵抗体の接続状態を判定する電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極板（正極板、負極板）と電解液を収納して電池セルを形成する容器（以下、電池容器という）は、成型容易且つ強度があり、さらに放電または充電により発熱する電池セルの放熱を効果的に行うため熱伝導性の高い金属（合金を含む、例えばアルミニウム合金）を用いた材料で形成されるのが一般的である。
かような金属で形成された電池容器は、電池セルの正極板に塗工される正極活物質および負極板に塗工される負極活物質の材料によっては腐食等し、結果として電池性能を低下させる場合がある。
そこで、当該材料に対応して、電池容器の電位を正極板の電位と同電位または負極板の電位と同電位とすべく、正極板と電池容器とを電気的に接続する抵抗体（プルアップ抵抗体）または負極板と電池容器とを電気的に接続する抵抗体（プルダウン抵抗体）を配置する電池が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８６５９１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、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を配置した電池であっても、電池システム（例えば電気自動車等）に当該電池が組み込まれて使用されると、経年変化や電池システムの振動により、これら抵抗体が物理的または電気的に所定の配置から外れる場合（以下、「断線」という）がある。かように断線してしまうと、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体としての機能を果たすことができなくなるため上述した腐食等が生じ、結果として電池性能が低下するのみならず電池システムの故障を誘発してしまう恐れがある。
そこで、本発明は、簡易な構成で上述したプルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体の断線を検知することができる電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の目的を達成するために、本発明の電池システムは、第１の電極端子と、第２の電極端子と、導電性の電池容器とを備えた電池セルと、一端が前記第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が前記電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、前記第２の電極端子と前記他端との間の電圧を計測する電圧計と、第２の抵抗体と、前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続することができるスイッチと、制御装置とを有し、前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開から閉に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続した場合または前記制御装置が前記スイッチを閉から開に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、前記電圧の変化を監視することで、前記第１の抵抗体が前記電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする。
【０００６】
上記構成により、スイッチを「開」から「閉」、または「閉」から「開」とした場合に、プルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体となる第１の抵抗体と電池容器との配線上で断線が生じているか否かを判定できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電池システムによれば、簡易な構成でプルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体の断線を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態としての電池システム概要図である。
【図２】図１の電池システムにおけるプルアップ抵抗体を使用した電池セル周辺の構造体との電気的接続関係を示す回路詳細図である。
【図３】図２の電池システムの検知動作を示す図である。
【図４】図１の電池システムにおけるプルダウン抵抗体を使用した電池セル周辺の構造体との電気的接続関係を示す回路詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態に係る電池システムは、電池システムに組み込まれる電池セルにその内容物に応じて適宜配置されるプルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体で「断線」が生じたか否かを判定・検知し、適宜制御・処理を行うことを特徴の１つとしている。以下、図面を参照しながら、詳述する。
なお、ここでは、「断線」は、電気配線が所定の配置から物理的に外れた場合のみならず、電気的に外れ電気を通すことができなくなった場合を含むとする。
【００１０】
以下、本発明の実施形態の電池システムにつき図面を参照して説明する。図１は電池システム１の構成を示す図である。電池システム１で用いる電池セルＣＥは、電池システム１の用途に応じて一次電池または二次電池等のいずれの電池でも、また、積層型または捲回型のいずれの電池でも用いることが可能であるが、ここでは電池セルＣＥの一例として、充放電可能な電池セル、例えば蓄電池であるリチウムイオン二次電池の電池セルを用いて説明する。
具体的には、電池セルＣＥは、アルミニウム合金で形成された導電性の電池容器に、マンガン酸リチウムを正極活物質とする正極板と、カーボンを負極活物質とする負極板とをセパレータを介して電解液とともに密閉した構成として説明を進める。電池セルＣＥが当該構成である場合には、上述した電池容器の腐食等を防止するため、プルアップ抵抗体を配置することとなる。
【００１１】
電池システム１は、電池モジュール２、電力負荷３、上位制御装置４、表示装置５を備えている。
複数の電池セルＣＥ（ＣＥａ〜ＣＥｈ）からなる組電池と当該組電池の監視制御装置であるＢＭＳ（Battery Management System）６とを含む電池モジュール２は、電池システム１の外部から電池システム１の内部へはめ込まれて固定される。モジュールとすることで、電池システム１の外部から容易に交換可能となっている。なお、電力負荷３、上位制御装置４、および表示装置５は電池システム１に予め組み込まれている。また、ここでは、上位制御装置４およびＢＭＳ６を併せて単に「制御装置」という場合もある。
ここで、電池システム１は、例えば、電力負荷３である電気モータに車輪を接続したフォークリフトなどの産業車両、電車、または電気自動車などの移動体、並びに電力負荷３である電気モータにプロペラまたはスクリューを接続した飛行機または船などの移動体であってもよい。さらに、電池システム１は、例えば家庭用の電力貯蔵システムや、風車や太陽光のような自然エネルギー発電と組み合わせた系統連系円滑化蓄電システムなどの定置用のシステムであってもよい。すなわち、電池システム１は、組電池を構成する複数の電池セルによる電力の少なくとも放電を利用するシステムであり、また、充放電を利用するシステムであってもよい。
【００１２】
電池モジュール２内の組電池は、電池システム１の電力負荷３に電力を供給するものであり、直列接続された電池セルＣＥａ〜ＣＥｄからなる第１アームと直列接続された電池セルＣＥｅ〜ＣＥｈからなる第２アームとが並列に接続されている。なお、以下、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈに対応する電圧センサーＶ１、Ｖ２、温度センサーＴ、回路Ｍ等の各構成については、対応する各構成の説明記号の末尾にａ〜ｈを適宜記載し、いずれの電池セルに対応する構成の説明であるかを明示することとする。
組電池を構成する複数の電池セルＣＥａ〜ＣＥｈには、電池容器の温度（以下、セル温度という）を計測するための温度センサーＴａ〜Ｔｈ、電池セルの正極端子と負極端子との間の電圧（以下、セル電圧という）を計測するための電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、および電池容器の電圧（以下、容器電圧という）を計測するための電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈが、各々の電池セルにそれぞれ１つずつ対応して配置されている。
また、各電池セルの正極端子または負極端子の一方と電池容器とを電気的に接続することで後述のプルアップまたはプルダウンを行うとともに、各電池セルに対して公知のセルバランスを行う回路Ｍａ〜Ｍｈが、各々の電池セルにそれぞれ１つずつ対応して配置されている。なお、当該回路Ｍａ〜Ｍｈは公知の回路基板に実装されてもよい。
さらに、各アームには対応する電流センサーが１つ、ここでは第１アームに対して電流センサーＩαが、また、第２アームに対して電流センサーＩβが配置されており、各アームを流れる電流をそれぞれ計測することができる。また、各アームには、各アームを電力負荷３に対し電気的に接続または非接続とするためのアーム用スイッチが１つ、ここでは第１アームに対してアーム用スイッチＳαが、また、第２アームに対してアーム用スイッチＳβが配置されている。
上述したセル温度、セル電圧、容器電圧、各アームを流れる電流を計測する各種のセンサーにより計測され且つ出力された計測情報は、後述するＢＭＳ６に入力される。
なお、ここでは４つの電池セルが直列接続されて１つのアームを形成し、計２つのアームが並列に接続されている構成としている。しかしながら、各アームに接続される電池セルの個数、さらにはアームの個数は、各々１つであっても各々複数であってもいかようにも設計可能である。
【００１３】
ＢＭＳ６は、２つのＣＭＵ（Cell Monitor Unit）、すなわちＣＭＵ１およびＣＭＵ２と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）とを含んで構成される。
ここで、ＣＭＵ１およびＣＭＵ２は、図示しないＡＤＣ（Analog Digital Converter）を備えており、上記各種のセンサーが検知して出力する複数の上記計測情報をそれぞれアナログ信号として受け、これらアナログ信号をＡＤＣによってそれぞれに対応するデジタル信号に変換した後、ＢＭＵが関連情報（上記計測情報に関連した情報であり、ＢＭＵにて演算される各電池セルの充電率（ＳＯＣ）を含む）を算出等するための複数のパラメータとしてＢＭＵへ出力している。そして、本実施形態においては、図１に示すように、各ＣＭＵがそれぞれ上記各種のセンサーとバスまたは信号線により接続されている。
なお、図１では、回路Ｍａ〜Ｍｈ、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、及び電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈは、便宜上、ＢＭＳ６とは別個に表示されている。しかしながら、図１において、実際上、これらはＢＭＳ６の一部、特にここでは各々に対応するＣＭＵの一部である。
【００１４】
上位制御装置４は、ユーザーの指示（例えば、電池システム１が電気自動車の場合には、ユーザーによるアクセルペダルの踏み込み量）に応じて電力負荷３を制御するとともに、ＢＭＳ６から送信される組電池の関連情報を受信し、表示装置５を制御して、適宜、当該関連情報を表示装置５に表示させる。また、上位制御装置４は、上記関連情報が異常値であると判断した場合には、表示装置５に内蔵された異常ランプを点灯させる等するとともに、表示装置５に内蔵されたブザー等の音響装置を作動させて警報を鳴らし、光と音により視覚および聴覚を刺激してユーザーの注意を促す。
表示装置５は、例えば上記音響装置を備えた液晶パネル等のモニターであり、上位制御装置４からの制御に基づいて組電池を構成する複数の各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの上記関連情報の表示等を行うことができる。
電力負荷３は、例えば電気自動車の車輪に接続された電気モータやインバータ等の電力変換器である。電力負荷３は、ワイパーなどを駆動する電気モータであってもよい。
【００１５】
では、電池システム１において、後述する各電池セルの「抵抗体接続判定」の制御を行うための構成・動作につき、図１及至図３を用いて詳述する。
まず、図２を用いて、図１の電池セル周辺における構成の電気的接続関係を詳述する。いずれの電池セルＣＥの周辺でも同様の構成であるので、ここでは、代表的に第１アームの電池セルＣＥａの周辺の構成を説明する。
そして、その後、図１、図２、及び図３を用いて「抵抗体接続判定」の動作につき説明する。
【００１６】
では、図２を用いて電池セル周辺の構成から説明する。電池セルＣＥａの電池容器Ｃ０ａの内部には、上述した正極板と負極板とがセパレータを介して積層され、さらに電解液とともに密閉されている。従って、起電圧Ｖ０ａの電池が電池容器Ｃ０ａに内蔵されることになる。電池容器Ｃ０ａには正極端子と負極端子が形成されており、正極端子は正極板と、また、負極端子は負極板と電池容器Ｃ０ａ内部でそれぞれ電気的に接続されている。
【００１７】
回路Ｍ（Ｍａ〜Ｍｈ）の構成はいずれも同一である。回路Ｍは、抵抗体Ｒ１と、抵抗体Ｒ２と、「閉」（ＯＮ）に制御された場合には抵抗体Ｒ２の一端を電池セルＣＥの正極端子に電気的に接続し且つ抵抗体Ｒ２の他端を当該電池セルＣＥの負極端子に電気的に接続し、「開」（ＯＦＦ）に制御された場合には当該他端と当該負極端子とを電気的に非接続とするトランジスタ等で構成されたスイッチＳＷとを備えている。
本実施形態では、電池容器Ｃ０を正極端子と実質的に同電位とする、すなわち「プルアップ」する構成であるため、抵抗体Ｒ１（例えば、電池セルＣＥａに対応する回路Ｍａの場合は抵抗体Ｒ１ａ）の「一端」が電気経路Ｄ１（例えば、電池セルＣＥａの場合は電気経路Ｄ１ａ）を介して当該正極端子に電気的に接続され、抵抗体Ｒ１の「他端」が電気経路Ｄ２（例えば、電池セルＣＥａの場合は電気経路Ｄ２ａ）を介して当該電池容器Ｃ０（例えば、電池セルＣＥａの場合は電池容器Ｃ０ａ）に電気的に接続される。
なお、電気経路Ｄ２は抵抗体Ｒ１よりも抵抗値の小さい電気経路であり、抵抗体Ｒ１とは別個の物体であってもよいし、抵抗体Ｒ１と当初から一体に形成されてもよい。
また、電気経路Ｄ１については、電気経路Ｄ２と同様の構成であってもよいし、抵抗体Ｒ１と同様の抵抗体をその電気経路に含む構成であってもよい。これにより、後述の第２の抵抗体接続判定をより容易とすることができる。
【００１８】
また、セル電圧を計測するための電圧センサーＶ１（例えば、電池セルＣＥａに対応する電圧センサーはＶ１ａ）は、電池セルＣＥの正極端子と負極端子との間の電圧を、電気経路Ｄ１を介して計測するよう配置・接続される。そして、容器電圧を計測するための電圧センサーＶ２（例えば、電池セルＣＥａに対応する電圧センサーはＶ２ａ）は、負極端子と電池容器Ｃ０の間の電圧を、電気経路Ｄ２を介して計測するよう、配置・接続される。
なお、スイッチＳＷの開閉の制御は、後述のように、ＢＭＳ６が行う。
さらに、図２では、隣り合う電池セルＣＥ間を接続する電力線から２本の電気経路が延びているが、適宜制御される場合には、これを共通化して１本とすることができる。
【００１９】
では、図１、図２、及び図３を用いて、電池システム１における各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの「抵抗体接続判定」処理の動作につき説明する。「抵抗体接続判定」とは、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの各々に配置したプルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体と電池容器との電気的接続の状態、具体的には電気経路Ｄ１またはＤ２と電池容器Ｃ０との間の断線の有無を検知・判定するものである。ここでは、抵抗体Ｒ１がプルアップ抵抗体として配置されているので、「抵抗体接続判定」は、プルアップ抵抗体と電池容器との電気的接続の状態を検知・判定するものとして説明する。
電池システム１では、電池システム１の起動時に制御装置、具体的には上位制御装置４が「抵抗体接続判定」処理を開始する。これを順に説明する。
なお、電池システム１が起動される前は、回路Ｍａ〜Ｍｈの各スイッチＳＷａ〜ＳＷｈは「開」（ＯＦＦ）、アーム用スイッチＳα及びＳβは「開」（ＯＦＦ）の状態となっている。
【００２０】
まず、電池システム１の起動スイッチをオン、例えば電池システム１が電気自動車の場合、イグニッションキーをユーザーがＯＮすることで、図示しない小電源により電力供給された上位制御装置４が、各電池セルＣＥの「抵抗体接続判定」を行うため、ＢＭＳ６へ判定開始信号を送信する。なお、この際、当該小電源から電力供給を受けて、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、Ｖ２ａ〜Ｖ２ｈ、温度センサーＴａ〜Ｔｈなどの各種センサーも計測を開始する。なお、この際、電池モジュール２の一つの電池セルを当該小電源としても用い、制御装置の動作用の電力供給をしてもよい。この場合には、当該電池セルは、電力負荷３への電力供給用電源としてのみならず、制御装置の動作用の電源としても機能することになる。
【００２１】
判定開始信号を受信したＢＭＳ６は、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈの計測情報を用いて各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのそれぞれのセル電圧を上記パラメータの１種として得る。また、電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈの計測情報を用いて各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのそれぞれの容器電圧を上記パラメータの１種として得る。
そして、まず、ＢＭＳ６は、電気経路Ｄ１（以下、便宜上、「配線Ｄ１」という）が断線していないか、すなわち電気的に接続されているか否かの「第１の抵抗体接続判定」を行う。
配線Ｄ１が断線していれば、電圧センサーＶ１の計測情報の意味する電圧値は対応する電池セルＣＥの起電圧Ｖ０の値とは異なる値となる。従って、第１の抵抗体接続判定では、電圧センサーＶ１の計測情報の意味する電圧値と、ＢＭＳ６に内蔵される図示しない電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）に記録されている前回の起動スイッチがオフされた際の電池セルＣＥのセル電圧の値とをＢＭＳ６が比較し、両者が実質的に同じであれば配線Ｄ１が断線していないとＢＭＳ６が判定し、両者が実質的に異なれば配線Ｄ１が断線しているとＢＭＳ６が判定するとしてもよい。
例えば、配線Ｄ１ａが断線していれば、電圧センサーＶ１ａの計測情報の意味する電圧値は電池セルＣＥａの起電圧Ｖ０ａの値とは異なる値となるので、前回の起動スイッチがオフされた際の電池セルＣＥａのセル電圧の値と現在の電圧センサーＶ１ａの計測情報の意味する電圧値とが実質的に同じ値を意味するのであれば配線Ｄ１ａが断線していないとＢＭＳ６が判定し、両者が実質的に異なる値を意味すれば配線Ｄ１ａが断線しているとＢＭＳ６が判定する。
【００２２】
上述した第１の抵抗体接続判定の処理によって、対応する配線Ｄ１が断線して電気的に非接続と判定された電池セルＣＥ（以下、第１の異常セルという）を各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの中からＢＭＳ６が特定した後、第１の異常セルではない他の電池セルＣＥにつき、ＢＭＳ６は、電気経路Ｄ２（以下、便宜上、「配線Ｄ２」という）が断線しているか否かの「第２の抵抗体接続判定」の処理を行う。
なお、第１の異常セルについてはすでに異常であることが判明しているので、第２の抵抗体接続判定は実施されない。言い換えれば、第２の抵抗体接続判定が実施される電池セルＣＥは、プルアップ抵抗体として機能する抵抗体Ｒ１の上記「一端」が正極端子へ電気的に接続された電池セルのみである。
【００２３】
ＢＭＳ６は、次のように第２の抵抗体接続判定の処理を行う。当該処理では、対応する配線Ｄ１の断線がない電池セルＣＥが対象であるので、配線Ｄ２が断線した場合も断線していない場合も、定常状態においては、電圧センサーＶ２の計測情報が意味する電圧値は対応する電圧センサーＶ１の計測情報が意味する電圧値と実質的に同じ値、すなわち起電圧Ｖ０に相当する電圧値となる。そこで、スイッチＳＷを「開」から「閉」、または「閉」から「開」へ制御した際の過渡的状態の電圧センサーＶ１およびＶ２の計測情報を用い、後述のコンデンサＣの放電または当該コンデンサＣの充電による影響を検知することで配線Ｄ２の断線の有無を判定する。なお、コンデンサＣは、電池セルの特性上発生する寄生容量を表すものであり、電池セルの外部に別途用意したコンデンサを電池セルの内部に配置したものではない。
まず、ＢＭＳ６は、各電池セルに対応する回路Ｍａ〜Ｍｈに対し、スイッチ信号をアクティブにして出力する。
アクティブとなったスイッチ信号が入力された回路Ｍａ〜Ｍｈはそれぞれに備えられたスイッチＳＷａ〜ＳＷｈを「閉」（ＯＮ）として、各回路Ｍａ〜Ｍｈに備えられた抵抗体Ｒ２（すなわち、抵抗体Ｒ２ａ〜Ｒ２ｈ）の他端を対応する負極端子に電気的に接続する。これにより、電池セルＣ０の正極端子と負極端子は抵抗体Ｒ２を介して電気的に接続されるので、電圧センサーＶ１の計測値は、起電圧Ｖ０から図示しない電池セルＣ０の内部抵抗や配線抵抗等の抵抗分だけ電圧降下した値Ｖα（以下、降下電圧Ｖαという）となる。なお、起電圧Ｖ０と降下電圧Ｖαの値の差は、一般的に１０ｍＶ〜４０ｍＶ程度である。
【００２４】
しかしながら、配線Ｄ２が電池容器Ｃ０に電気的に接続されている場合と接続されていない「非接続」の場合とを比較すると、電圧センサーＶ２の計測値Ｖの値が当該降下電圧Ｖαへ変化するまでの時間に大きな差が生じる。
すなわち、当該非接続の場合には、図３（ｂ）に示すように、１ｍｓより小さい時間で瞬時に計測値Ｖの値が降下電圧Ｖαへ変化するのに対し、当該接続がされている場合には、図３（ａ）に示すように、数百ｍｓの単位で比較的にゆっくりと変化する。
この理由は、当該接続されている場合には当該電池セルの電池容器Ｃ０の電位が当該電池セルの正極端子の電位と実質的に同じ値となっていることから、当該電池セルの電池容器Ｃ０と当該電池セルの負極端子との間に電池セルとは別に用意されたコンデンサが電池セルの内部に配置されたと同様の作用が生じるからである。一方、当該非接続の場合にはかようなコンデンサによる作用が生じない。当該コンデンサと同様の作用を示す寄生容量を、上述のようにコンデンサＣと記載している。
従って、アクティブとしたスイッチ信号をＢＭＳ６が出力してから電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ≒Ｖ０からＶ≒Ｖαへ変化するまでの時間ｔをＢＭＳ６にて計測する。
例えば、抵抗体Ｒ１が当該電池セルの電池容器に電気的に接続されている場合に電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ≒Ｖ０からＶ≒Ｖαへ変化する時間を基準時間Ｔｍ（十分に長い時間、例えば約１秒間）とすると、ＢＭＳ６は、ｔ≒Ｔｍの場合に、抵抗体Ｒ１の上記「他端」が当該電池セルの電池容器に対し電気的に接続されていると判定する。一方、ｔ＜＜Ｔｍの場合に、配線Ｄ２が断線して当該「他端」が当該電池容器に対し電気的に接続されていない非接続の状態であると判定する。
このように、第２の抵抗体接続判定の処理においては、電圧センサーＶ１を用いずとも、電圧センサーＶ２の計測値Ｖの値の変化を監視するだけで、配線Ｄ２の断線の有無を判定することができる。
【００２５】
第２の抵抗体接続判定の処理によって、配線Ｄ２が電池容器Ｃ０から電気的に非接続であると判定された電池セルＣＥ（以下、第２の異常セルという）をＢＭＳ６が各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの中から特定した後、ＢＭＳ６は、各電池セルに対応する回路Ｍａ〜Ｍｈに対し、スイッチ信号をインアクティブにして出力する。これにより、インアクティブとなったスイッチ信号が入力された回路Ｍａ〜Ｍｈはそれぞれに備えられたスイッチＳＷａ〜ＳＷｈを「開」（ＯＦＦ）として、各回路Ｍａ〜Ｍｈに備えられた抵抗体Ｒ２を電池容器Ｃ０から電気的に切り離して非接続とする。従って、電圧センサーＶ２の計測値Ｖは、図３のように電池ＣＥの起電圧Ｖ０まで上昇する。
このとき、配線Ｄ２が断線している場合には、スイッチＳＷを「開」（ＯＦＦ）とした後、電圧センサーＶ２の計測値Ｖは、図３（ｂ）に示すように、１ｍｓより小さい時間で瞬時に計測値Ｖの値が降下電圧Ｖαから起電圧Ｖ０へ変化する。一方、配線Ｄ２が断線していない場合には、図３（ａ）に示すように、比較的にゆっくりと上昇する。
従って、ＢＭＳ６は、配線Ｄ２と電池容器Ｃ０との電気的な接続の有無を、第２の抵抗体接続判定の処理で述べたと同様に、この動作を利用して判定してもよい。
【００２６】
なお、第２の抵抗体接続判定の処理によって、電圧センサーＶ２の計測値Ｖが、図３のように変化しない場合、対応するスイッチＳＷが故障しているとＢＭＳ６は判定することができる。すなわち、第２の抵抗体接続判定の処理の対象となった電池セルＣＥに対応するスイッチＳＷａ〜ＳＷｈのいずれが故障しているか、例えば「開」「閉」不能となっているかを判定かつ特定することができる。具体的には、電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ０のままである場合にはスイッチＳＷが「閉」（ＯＮ）できない故障であり、計測値ＶがＶ０でない場合には、スイッチＳＷが「開」（ＯＦＦ）できない場合またはスイッチＳＷがある抵抗値を持って接続されることで「閉」（ＯＮ）でもなく「開」（ＯＦＦ）でもない状態を維持している場合の故障であると判定できる。
【００２７】
さらに、ＢＭＳ６は、上位制御装置４へ、第１及至第２の異常セルと判定された電池セルＣＥの情報を、先述の故障したスイッチＳＷの情報と併せて、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの関連情報の一部として送信するとともに、判定終了信号を送信する。
【００２８】
上位制御装置４が受信した各電池セルの関連情報に、第１、第２の異常セルを示す情報または故障しているスイッチＳＷの情報が含まれる場合には、上位制御装置４は関連情報に異常値が含まれると判定して表示装置５に内蔵された異常ランプを点灯させる等するとともに、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのいずれが第１または第２の異常セルであるか、さらに、いずれのスイッチＳＷが故障しているかを判別できる情報を表示装置５に表示する。また、表示装置５に内蔵されたブザー等の音響装置を作動させて警報を鳴らす。
これにより、光と音で視覚および聴覚を刺激してユーザーに適切な修理を促すことができるのみならず、プルアップ抵抗体が電気的に外れた電池セルがいずれであるか特定できるとともに対応する配線Ｄ１またはＤ２のいずれが断線したかも特定できるので、修理も容易となる。さらに、故障したスイッチＳＷを修理することも容易となる。
【００２９】
なお、判定終了信号を受信した上位制御装置４は、電力負荷３へ組電池の電力を供給可能とすべく、第１のアーム用スイッチ制御信号をアクティブにしてＢＭＳ６へ送信する。アクティブとなった第１のアーム用スイッチ制御信号を受信したＢＭＳ６は、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれないアームのアーム用スイッチＳα又はＳβを「開」（ＯＦＦ）から「閉」（ＯＮ）とすべく、当該異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれないアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号をアクティブとする。アクティブとなった第２のアーム用スイッチ制御信号が入力されたアーム用スイッチＳα又はＳβは、「開」（ＯＦＦ）から「閉」（ＯＮ）へと動作する。一方、この時、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれるアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号はインアクティブであるので、対応するアーム用スイッチは「開」（ＯＦＦ）のままであり、従って、当該アームは電力負荷３へ電気的に接続されない。
これにより、電池モジュール２の各アームのうち、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含まないアームと電力負荷３とが電気的に接続される。従って、抵抗体接続判定の処理により、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが１つも判定されなかった場合には、全てのアームが電力負荷３に電気的に接続されるので電池システム１が運転可能、例えば電池システム１が電気自動車等の移動体の場合には走行可能となる。
また、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含むアームが存在する場合には、このアームを電力負荷３に接続せず、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含まないアームのみを電力負荷３に接続するので、例えば電池システム１が電気自動車等の移動体の場合には、少なくとも修理工場まで自力で安全に移動させることができる。
【００３０】
なお、起動スイッチをオフ、例えばイグニッションキーをユーザーがＯＦＦすると、上記不揮発性メモリにＢＭＳ６が各電池セルＣＥのそれぞれのセル電圧の値を記憶し、さらに上位制御装置４が全てのアームに対応する第１のアーム用スイッチ制御信号をインアクティブとする。従って、インアクティブとなった第１のアーム用スイッチ制御信号を受けるＢＭＳ６は、アーム用スイッチＳα及びＳβを「閉」から「開」とすべく、全てのアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号をインアクティブとする。インアクティブとなった第２のアーム用スイッチ制御信号を受ける各アーム用スイッチＳα及びＳβは、「閉」から「開」へと動作する。これにより、電池モジュール２の各アームの組電池と電力負荷３とが電気的に遮断される。
そして、上記小電源から電力供給が遮断されて、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、Ｖ２ａ〜Ｖ２ｈ、温度センサーＴａ〜Ｔｈなどの各種センサーの計測が停止するとともにＢＭＳ６も停止する。これによって、電池システム１も停止する。
【００３１】
以上の説明では、電池容器Ｃ０の電位を「プルアップ」する構成としたが、正極活物質と負極活物質などの材料によっては、電池セルＣＥの電池容器Ｃ０を当該電池セルＣＥの負極端子と実質的に同電位とする、すなわち「プルダウン」する構成とする場合がある。
この場合、図２で示す回路Ｍをそのまま用いることができ、ただし、図４に示すように、図２の電池セルＣＥに接続した回路Ｍを図中上下ひっくり返して接続、すなわち図２で回路Ｍが正極端子と接続した位置を負極端子に、また、図２で回路Ｍが負極端子と接続した位置を正極端子に接続した構成とする。
言い換えれば、抵抗体Ｒ１の上記一端が配線Ｄ１´を介して当該電池セルＣＥの負極端子に電気的に接続され、抵抗体Ｒ１の上記他端が配線Ｄ２´を介して電池セルＣＥの電池容器Ｃ０に電気的に接続される。これにより、抵抗体Ｒ１がプルダウン抵抗体として機能することとなる。また、容器電圧を計測するための電圧センサーＶ２は、配線Ｄ２´を介して当該電池セルＣＥの正極端子と当該電池セルＣＥの電池容器Ｃ０の間の電圧を計測するよう配置・接続される。
このように構成すると、コンデンサＣに対応する寄生容量であるコンデンサＣ´は、正極端子と電池容器との間に発生する。
【００３２】
かようにして電池容器Ｃ０の電位を「プルダウン」した構成が得られるが、上述の「プルアップ」した構成で説明した構成および動作において、「プルアップ」を「プルダウン」、「正極端子」を「負極端子」、「負極端子」を「正極端子」、「コンデンサＣ」を「コンデンサＣ´」、「配線Ｄ１」を「配線Ｄ１´」、「配線Ｄ２」を「配線Ｄ２´」、と読み替えれば、「プルダウン」した構成における抵抗体接続判定の処理の説明となる。従って、繰り返しての説明は省略する。
以上のように、プルアップの場合とプルダウンの場合のいずれの場合においても同一構成の回路Ｍを適宜用いることができるので、電池システム１を量産する場合等のコスト削減を図ることもできる。
【００３３】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りで種々の変形が可能である。例えば、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を回路Ｍの回路基板内部に配置せず、当該回路基板の外部に別体として配置してもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１…電池システム、２…電池モジュール、３…電力負荷、４…上位制御装置、
５…表示装置、６…ＢＭＳ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を電池容器に接続した電池セルにおいて、当該抵抗体の接続状態を判定する電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極板（正極板、負極板）と電解液を収納して電池セルを形成する容器（以下、電池容器という）は、成型容易且つ強度があり、さらに放電または充電により発熱する電池セルの放熱を効果的に行うため熱伝導性の高い金属（合金を含む、例えばアルミニウム合金）を用いた材料で形成されるのが一般的である。
かような金属で形成された電池容器は、電池セルの正極板に塗工される正極活物質および負極板に塗工される負極活物質の材料によっては腐食等し、結果として電池性能を低下させる場合がある。
そこで、当該材料に対応して、電池容器の電位を正極板の電位と同電位または負極板の電位と同電位とすべく、正極板と電池容器とを電気的に接続する抵抗体（プルアップ抵抗体）または負極板と電池容器とを電気的に接続する抵抗体（プルダウン抵抗体）を配置する電池が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８６５９１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、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を配置した電池であっても、電池システム（例えば電気自動車等）に当該電池が組み込まれて使用されると、経年変化や電池システムの振動により、これら抵抗体が物理的または電気的に所定の配置から外れる場合（以下、「断線」という）がある。かように断線してしまうと、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体としての機能を果たすことができなくなるため上述した腐食等が生じ、結果として電池性能が低下するのみならず電池システムの故障を誘発してしまう恐れがある。
そこで、本発明は、簡易な構成で上述したプルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体の断線を検知することができる電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の目的を達成するために、本発明の電池システムは、第１の電極端子と、第２の電極端子と、導電性の電池容器とを備えた電池セルと、一端が前記第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が前記電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、前記第２の電極端子と前記他端との間の電圧を計測する電圧計と、第２の抵抗体と、前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続することができるスイッチと、制御装置とを有し、前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開から閉に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続した場合または前記制御装置が前記スイッチを閉から開に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、前記電圧の変化を監視することで、前記第１の抵抗体が前記電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする。
【０００６】
上記構成により、スイッチを「開」から「閉」、または「閉」から「開」とした場合に、プルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体となる第１の抵抗体と電池容器との配線上で断線が生じているか否かを判定できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電池システムによれば、簡易な構成でプルアップ抵抗体又はプルダウン抵抗体の断線を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態としての電池システム概要図である。
【図２】図１の電池システムにおけるプルアップ抵抗体を使用した電池セル周辺の構造体との電気的接続関係を示す回路詳細図である。
【図３】図２の電池システムの検知動作を示す図である。
【図４】図１の電池システムにおけるプルダウン抵抗体を使用した電池セル周辺の構造体との電気的接続関係を示す回路詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態に係る電池システムは、電池システムに組み込まれる電池セルにその内容物に応じて適宜配置されるプルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体で「断線」が生じたか否かを判定・検知し、適宜制御・処理を行うことを特徴の１つとしている。以下、図面を参照しながら、詳述する。
なお、ここでは、「断線」は、電気配線が所定の配置から物理的に外れた場合のみならず、電気的に外れ電気を通すことができなくなった場合を含むとする。
【００１０】
以下、本発明の実施形態の電池システムにつき図面を参照して説明する。図１は電池システム１の構成を示す図である。電池システム１で用いる電池セルＣＥは、電池システム１の用途に応じて一次電池または二次電池等のいずれの電池でも、また、積層型または捲回型のいずれの電池でも用いることが可能であるが、ここでは電池セルＣＥの一例として、充放電可能な電池セル、例えば蓄電池であるリチウムイオン二次電池の電池セルを用いて説明する。
具体的には、電池セルＣＥは、アルミニウム合金で形成された導電性の電池容器に、マンガン酸リチウムを正極活物質とする正極板と、カーボンを負極活物質とする負極板とをセパレータを介して電解液とともに密閉した構成として説明を進める。電池セルＣＥが当該構成である場合には、上述した電池容器の腐食等を防止するため、プルアップ抵抗体を配置することとなる。
【００１１】
電池システム１は、電池モジュール２、電力負荷３、上位制御装置４、表示装置５を備えている。
複数の電池セルＣＥ（ＣＥａ〜ＣＥｈ）からなる組電池と当該組電池の監視制御装置であるＢＭＳ（Battery Management System）６とを含む電池モジュール２は、電池システム１の外部から電池システム１の内部へはめ込まれて固定される。モジュールとすることで、電池システム１の外部から容易に交換可能となっている。なお、電力負荷３、上位制御装置４、および表示装置５は電池システム１に予め組み込まれている。また、ここでは、上位制御装置４およびＢＭＳ６を併せて単に「制御装置」という場合もある。
ここで、電池システム１は、例えば、電力負荷３である電気モータに車輪を接続したフォークリフトなどの産業車両、電車、または電気自動車などの移動体、並びに電力負荷３である電気モータにプロペラまたはスクリューを接続した飛行機または船などの移動体であってもよい。さらに、電池システム１は、例えば家庭用の電力貯蔵システムや、風車や太陽光のような自然エネルギー発電と組み合わせた系統連系円滑化蓄電システムなどの定置用のシステムであってもよい。すなわち、電池システム１は、組電池を構成する複数の電池セルによる電力の少なくとも放電を利用するシステムであり、また、充放電を利用するシステムであってもよい。
【００１２】
電池モジュール２内の組電池は、電池システム１の電力負荷３に電力を供給するものであり、直列接続された電池セルＣＥａ〜ＣＥｄからなる第１アームと直列接続された電池セルＣＥｅ〜ＣＥｈからなる第２アームとが並列に接続されている。なお、以下、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈに対応する電圧センサーＶ１、Ｖ２、温度センサーＴ、回路Ｍ等の各構成については、対応する各構成の説明記号の末尾にａ〜ｈを適宜記載し、いずれの電池セルに対応する構成の説明であるかを明示することとする。
組電池を構成する複数の電池セルＣＥａ〜ＣＥｈには、電池容器の温度（以下、セル温度という）を計測するための温度センサーＴａ〜Ｔｈ、電池セルの正極端子と負極端子との間の電圧（以下、セル電圧という）を計測するための電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、および電池容器の電圧（以下、容器電圧という）を計測するための電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈが、各々の電池セルにそれぞれ１つずつ対応して配置されている。
また、各電池セルの正極端子または負極端子の一方と電池容器とを電気的に接続することで後述のプルアップまたはプルダウンを行うとともに、各電池セルに対して公知のセルバランスを行う回路Ｍａ〜Ｍｈが、各々の電池セルにそれぞれ１つずつ対応して配置されている。なお、当該回路Ｍａ〜Ｍｈは公知の回路基板に実装されてもよい。
さらに、各アームには対応する電流センサーが１つ、ここでは第１アームに対して電流センサーＩαが、また、第２アームに対して電流センサーＩβが配置されており、各アームを流れる電流をそれぞれ計測することができる。また、各アームには、各アームを電力負荷３に対し電気的に接続または非接続とするためのアーム用スイッチが１つ、ここでは第１アームに対してアーム用スイッチＳαが、また、第２アームに対してアーム用スイッチＳβが配置されている。
上述したセル温度、セル電圧、容器電圧、各アームを流れる電流を計測する各種のセンサーにより計測され且つ出力された計測情報は、後述するＢＭＳ６に入力される。
なお、ここでは４つの電池セルが直列接続されて１つのアームを形成し、計２つのアームが並列に接続されている構成としている。しかしながら、各アームに接続される電池セルの個数、さらにはアームの個数は、各々１つであっても各々複数であってもいかようにも設計可能である。
【００１３】
ＢＭＳ６は、２つのＣＭＵ（Cell Monitor Unit）、すなわちＣＭＵ１およびＣＭＵ２と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）とを含んで構成される。
ここで、ＣＭＵ１およびＣＭＵ２は、図示しないＡＤＣ（Analog Digital Converter）を備えており、上記各種のセンサーが検知して出力する複数の上記計測情報をそれぞれアナログ信号として受け、これらアナログ信号をＡＤＣによってそれぞれに対応するデジタル信号に変換した後、ＢＭＵが関連情報（上記計測情報に関連した情報であり、ＢＭＵにて演算される各電池セルの充電率（ＳＯＣ）を含む）を算出等するための複数のパラメータとしてＢＭＵへ出力している。そして、本実施形態においては、図１に示すように、各ＣＭＵがそれぞれ上記各種のセンサーとバスまたは信号線により接続されている。
なお、図１では、回路Ｍａ〜Ｍｈ、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、及び電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈは、便宜上、ＢＭＳ６とは別個に表示されている。しかしながら、図１において、実際上、これらはＢＭＳ６の一部、特にここでは各々に対応するＣＭＵの一部である。
【００１４】
上位制御装置４は、ユーザーの指示（例えば、電池システム１が電気自動車の場合には、ユーザーによるアクセルペダルの踏み込み量）に応じて電力負荷３を制御するとともに、ＢＭＳ６から送信される組電池の関連情報を受信し、表示装置５を制御して、適宜、当該関連情報を表示装置５に表示させる。また、上位制御装置４は、上記関連情報が異常値であると判断した場合には、表示装置５に内蔵された異常ランプを点灯させる等するとともに、表示装置５に内蔵されたブザー等の音響装置を作動させて警報を鳴らし、光と音により視覚および聴覚を刺激してユーザーの注意を促す。
表示装置５は、例えば上記音響装置を備えた液晶パネル等のモニターであり、上位制御装置４からの制御に基づいて組電池を構成する複数の各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの上記関連情報の表示等を行うことができる。
電力負荷３は、例えば電気自動車の車輪に接続された電気モータやインバータ等の電力変換器である。電力負荷３は、ワイパーなどを駆動する電気モータであってもよい。
【００１５】
では、電池システム１において、後述する各電池セルの「抵抗体接続判定」の制御を行うための構成・動作につき、図１及至図３を用いて詳述する。
まず、図２を用いて、図１の電池セル周辺における構成の電気的接続関係を詳述する。いずれの電池セルＣＥの周辺でも同様の構成であるので、ここでは、代表的に第１アームの電池セルＣＥａの周辺の構成を説明する。
そして、その後、図１、図２、及び図３を用いて「抵抗体接続判定」の動作につき説明する。
【００１６】
では、図２を用いて電池セル周辺の構成から説明する。電池セルＣＥａの電池容器Ｃ０ａの内部には、上述した正極板と負極板とがセパレータを介して積層され、さらに電解液とともに密閉されている。従って、起電圧Ｖ０ａの電池が電池容器Ｃ０ａに内蔵されることになる。電池容器Ｃ０ａには正極端子と負極端子が形成されており、正極端子は正極板と、また、負極端子は負極板と電池容器Ｃ０ａ内部でそれぞれ電気的に接続されている。
【００１７】
回路Ｍ（Ｍａ〜Ｍｈ）の構成はいずれも同一である。回路Ｍは、抵抗体Ｒ１と、抵抗体Ｒ２と、「閉」（ＯＮ）に制御された場合には抵抗体Ｒ２の一端を電池セルＣＥの正極端子に電気的に接続し且つ抵抗体Ｒ２の他端を当該電池セルＣＥの負極端子に電気的に接続し、「開」（ＯＦＦ）に制御された場合には当該他端と当該負極端子とを電気的に非接続とするトランジスタ等で構成されたスイッチＳＷとを備えている。
本実施形態では、電池容器Ｃ０を正極端子と実質的に同電位とする、すなわち「プルアップ」する構成であるため、抵抗体Ｒ１（例えば、電池セルＣＥａに対応する回路Ｍａの場合は抵抗体Ｒ１ａ）の「一端」が電気経路Ｄ１（例えば、電池セルＣＥａの場合は電気経路Ｄ１ａ）を介して当該正極端子に電気的に接続され、抵抗体Ｒ１の「他端」が電気経路Ｄ２（例えば、電池セルＣＥａの場合は電気経路Ｄ２ａ）を介して当該電池容器Ｃ０（例えば、電池セルＣＥａの場合は電池容器Ｃ０ａ）に電気的に接続される。
なお、電気経路Ｄ２は抵抗体Ｒ１よりも抵抗値の小さい電気経路であり、抵抗体Ｒ１とは別個の物体であってもよいし、抵抗体Ｒ１と当初から一体に形成されてもよい。
また、電気経路Ｄ１については、電気経路Ｄ２と同様の構成であってもよいし、抵抗体Ｒ１と同様の抵抗体をその電気経路に含む構成であってもよい。これにより、後述の第２の抵抗体接続判定をより容易とすることができる。
【００１８】
また、セル電圧を計測するための電圧センサーＶ１（例えば、電池セルＣＥａに対応する電圧センサーはＶ１ａ）は、電池セルＣＥの正極端子と負極端子との間の電圧を、電気経路Ｄ１を介して計測するよう配置・接続される。そして、容器電圧を計測するための電圧センサーＶ２（例えば、電池セルＣＥａに対応する電圧センサーはＶ２ａ）は、負極端子と電池容器Ｃ０の間の電圧を、電気経路Ｄ２を介して計測するよう、配置・接続される。
なお、スイッチＳＷの開閉の制御は、後述のように、ＢＭＳ６が行う。
さらに、図２では、隣り合う電池セルＣＥ間を接続する電力線から２本の電気経路が延びているが、適宜制御される場合には、これを共通化して１本とすることができる。
【００１９】
では、図１、図２、及び図３を用いて、電池システム１における各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの「抵抗体接続判定」処理の動作につき説明する。「抵抗体接続判定」とは、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの各々に配置したプルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体と電池容器との電気的接続の状態、具体的には電気経路Ｄ１またはＤ２と電池容器Ｃ０との間の断線の有無を検知・判定するものである。ここでは、抵抗体Ｒ１がプルアップ抵抗体として配置されているので、「抵抗体接続判定」は、プルアップ抵抗体と電池容器との電気的接続の状態を検知・判定するものとして説明する。
電池システム１では、電池システム１の起動時に制御装置、具体的には上位制御装置４が「抵抗体接続判定」処理を開始する。これを順に説明する。
なお、電池システム１が起動される前は、回路Ｍａ〜Ｍｈの各スイッチＳＷａ〜ＳＷｈは「開」（ＯＦＦ）、アーム用スイッチＳα及びＳβは「開」（ＯＦＦ）の状態となっている。
【００２０】
まず、電池システム１の起動スイッチをオン、例えば電池システム１が電気自動車の場合、イグニッションキーをユーザーがＯＮすることで、図示しない小電源により電力供給された上位制御装置４が、各電池セルＣＥの「抵抗体接続判定」を行うため、ＢＭＳ６へ判定開始信号を送信する。なお、この際、当該小電源から電力供給を受けて、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、Ｖ２ａ〜Ｖ２ｈ、温度センサーＴａ〜Ｔｈなどの各種センサーも計測を開始する。なお、この際、電池モジュール２の一つの電池セルを当該小電源としても用い、制御装置の動作用の電力供給をしてもよい。この場合には、当該電池セルは、電力負荷３への電力供給用電源としてのみならず、制御装置の動作用の電源としても機能することになる。
【００２１】
判定開始信号を受信したＢＭＳ６は、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈの計測情報を用いて各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのそれぞれのセル電圧を上記パラメータの１種として得る。また、電圧センサーＶ２ａ〜Ｖ２ｈの計測情報を用いて各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのそれぞれの容器電圧を上記パラメータの１種として得る。
そして、まず、ＢＭＳ６は、電気経路Ｄ１（以下、便宜上、「配線Ｄ１」という）が断線していないか、すなわち電気的に接続されているか否かの「第１の抵抗体接続判定」を行う。
配線Ｄ１が断線していれば、電圧センサーＶ１の計測情報の意味する電圧値は対応する電池セルＣＥの起電圧Ｖ０の値とは異なる値となる。従って、第１の抵抗体接続判定では、電圧センサーＶ１の計測情報の意味する電圧値と、ＢＭＳ６に内蔵される図示しない電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）に記録されている前回の起動スイッチがオフされた際の電池セルＣＥのセル電圧の値とをＢＭＳ６が比較し、両者が実質的に同じであれば配線Ｄ１が断線していないとＢＭＳ６が判定し、両者が実質的に異なれば配線Ｄ１が断線しているとＢＭＳ６が判定するとしてもよい。
例えば、配線Ｄ１ａが断線していれば、電圧センサーＶ１ａの計測情報の意味する電圧値は電池セルＣＥａの起電圧Ｖ０ａの値とは異なる値となるので、前回の起動スイッチがオフされた際の電池セルＣＥａのセル電圧の値と現在の電圧センサーＶ１ａの計測情報の意味する電圧値とが実質的に同じ値を意味するのであれば配線Ｄ１ａが断線していないとＢＭＳ６が判定し、両者が実質的に異なる値を意味すれば配線Ｄ１ａが断線しているとＢＭＳ６が判定する。
【００２２】
上述した第１の抵抗体接続判定の処理によって、対応する配線Ｄ１が断線して電気的に非接続と判定された電池セルＣＥ（以下、第１の異常セルという）を各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの中からＢＭＳ６が特定した後、第１の異常セルではない他の電池セルＣＥにつき、ＢＭＳ６は、電気経路Ｄ２（以下、便宜上、「配線Ｄ２」という）が断線しているか否かの「第２の抵抗体接続判定」の処理を行う。
なお、第１の異常セルについてはすでに異常であることが判明しているので、第２の抵抗体接続判定は実施されない。言い換えれば、第２の抵抗体接続判定が実施される電池セルＣＥは、プルアップ抵抗体として機能する抵抗体Ｒ１の上記「一端」が正極端子へ電気的に接続された電池セルのみである。
【００２３】
ＢＭＳ６は、次のように第２の抵抗体接続判定の処理を行う。当該処理では、対応する配線Ｄ１の断線がない電池セルＣＥが対象であるので、配線Ｄ２が断線した場合も断線していない場合も、定常状態においては、電圧センサーＶ２の計測情報が意味する電圧値は対応する電圧センサーＶ１の計測情報が意味する電圧値と実質的に同じ値、すなわち起電圧Ｖ０に相当する電圧値となる。そこで、スイッチＳＷを「開」から「閉」、または「閉」から「開」へ制御した際の過渡的状態の電圧センサーＶ１およびＶ２の計測情報を用い、後述のコンデンサＣの放電または当該コンデンサＣの充電による影響を検知することで配線Ｄ２の断線の有無を判定する。なお、コンデンサＣは、電池セルの特性上発生する寄生容量を表すものであり、電池セルの外部に別途用意したコンデンサを電池セルの内部に配置したものではない。
まず、ＢＭＳ６は、各電池セルに対応する回路Ｍａ〜Ｍｈに対し、スイッチ信号をアクティブにして出力する。
アクティブとなったスイッチ信号が入力された回路Ｍａ〜Ｍｈはそれぞれに備えられたスイッチＳＷａ〜ＳＷｈを「閉」（ＯＮ）として、各回路Ｍａ〜Ｍｈに備えられた抵抗体Ｒ２（すなわち、抵抗体Ｒ２ａ〜Ｒ２ｈ）の他端を対応する負極端子に電気的に接続する。これにより、電池セルＣ０の正極端子と負極端子は抵抗体Ｒ２を介して電気的に接続されるので、電圧センサーＶ１の計測値は、起電圧Ｖ０から図示しない電池セルＣ０の内部抵抗や配線抵抗等の抵抗分だけ電圧降下した値Ｖα（以下、降下電圧Ｖαという）となる。なお、起電圧Ｖ０と降下電圧Ｖαの値の差は、一般的に１０ｍＶ〜４０ｍＶ程度である。
【００２４】
しかしながら、配線Ｄ２が電池容器Ｃ０に電気的に接続されている場合と接続されていない「非接続」の場合とを比較すると、電圧センサーＶ２の計測値Ｖの値が当該降下電圧Ｖαへ変化するまでの時間に大きな差が生じる。
すなわち、当該非接続の場合には、図３（ｂ）に示すように、１ｍｓより小さい時間で瞬時に計測値Ｖの値が降下電圧Ｖαへ変化するのに対し、当該接続がされている場合には、図３（ａ）に示すように、数百ｍｓの単位で比較的にゆっくりと変化する。
この理由は、当該接続されている場合には当該電池セルの電池容器Ｃ０の電位が当該電池セルの正極端子の電位と実質的に同じ値となっていることから、当該電池セルの電池容器Ｃ０と当該電池セルの負極端子との間に電池セルとは別に用意されたコンデンサが電池セルの内部に配置されたと同様の作用が生じるからである。一方、当該非接続の場合にはかようなコンデンサによる作用が生じない。当該コンデンサと同様の作用を示す寄生容量を、上述のようにコンデンサＣと記載している。
従って、アクティブとしたスイッチ信号をＢＭＳ６が出力してから電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ≒Ｖ０からＶ≒Ｖαへ変化するまでの時間ｔをＢＭＳ６にて計測する。
例えば、抵抗体Ｒ１が当該電池セルの電池容器に電気的に接続されている場合に電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ≒Ｖ０からＶ≒Ｖαへ変化する時間を基準時間Ｔｍ（十分に長い時間、例えば約１秒間）とすると、ＢＭＳ６は、ｔ≒Ｔｍの場合に、抵抗体Ｒ１の上記「他端」が当該電池セルの電池容器に対し電気的に接続されていると判定する。一方、ｔ＜＜Ｔｍの場合に、配線Ｄ２が断線して当該「他端」が当該電池容器に対し電気的に接続されていない非接続の状態であると判定する。
このように、第２の抵抗体接続判定の処理においては、電圧センサーＶ１を用いずとも、電圧センサーＶ２の計測値Ｖの値の変化を監視するだけで、配線Ｄ２の断線の有無を判定することができる。
【００２５】
第２の抵抗体接続判定の処理によって、配線Ｄ２が電池容器Ｃ０から電気的に非接続であると判定された電池セルＣＥ（以下、第２の異常セルという）をＢＭＳ６が各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの中から特定した後、ＢＭＳ６は、各電池セルに対応する回路Ｍａ〜Ｍｈに対し、スイッチ信号をインアクティブにして出力する。これにより、インアクティブとなったスイッチ信号が入力された回路Ｍａ〜Ｍｈはそれぞれに備えられたスイッチＳＷａ〜ＳＷｈを「開」（ＯＦＦ）として、各回路Ｍａ〜Ｍｈに備えられた抵抗体Ｒ２を電池容器Ｃ０から電気的に切り離して非接続とする。従って、電圧センサーＶ２の計測値Ｖは、図３のように電池ＣＥの起電圧Ｖ０まで上昇する。
このとき、配線Ｄ２が断線している場合には、スイッチＳＷを「開」（ＯＦＦ）とした後、電圧センサーＶ２の計測値Ｖは、図３（ｂ）に示すように、１ｍｓより小さい時間で瞬時に計測値Ｖの値が降下電圧Ｖαから起電圧Ｖ０へ変化する。一方、配線Ｄ２が断線していない場合には、図３（ａ）に示すように、比較的にゆっくりと上昇する。
従って、ＢＭＳ６は、配線Ｄ２と電池容器Ｃ０との電気的な接続の有無を、第２の抵抗体接続判定の処理で述べたと同様に、この動作を利用して判定してもよい。
【００２６】
なお、第２の抵抗体接続判定の処理によって、電圧センサーＶ２の計測値Ｖが、図３のように変化しない場合、対応するスイッチＳＷが故障しているとＢＭＳ６は判定することができる。すなわち、第２の抵抗体接続判定の処理の対象となった電池セルＣＥに対応するスイッチＳＷａ〜ＳＷｈのいずれが故障しているか、例えば「開」「閉」不能となっているかを判定かつ特定することができる。具体的には、電圧センサーＶ２の計測値ＶがＶ０のままである場合にはスイッチＳＷが「閉」（ＯＮ）できない故障であり、計測値ＶがＶ０でない場合には、スイッチＳＷが「開」（ＯＦＦ）できない場合またはスイッチＳＷがある抵抗値を持って接続されることで「閉」（ＯＮ）でもなく「開」（ＯＦＦ）でもない状態を維持している場合の故障であると判定できる。
【００２７】
さらに、ＢＭＳ６は、上位制御装置４へ、第１及至第２の異常セルと判定された電池セルＣＥの情報を、先述の故障したスイッチＳＷの情報と併せて、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈの関連情報の一部として送信するとともに、判定終了信号を送信する。
【００２８】
上位制御装置４が受信した各電池セルの関連情報に、第１、第２の異常セルを示す情報または故障しているスイッチＳＷの情報が含まれる場合には、上位制御装置４は関連情報に異常値が含まれると判定して表示装置５に内蔵された異常ランプを点灯させる等するとともに、各電池セルＣＥａ〜ＣＥｈのいずれが第１または第２の異常セルであるか、さらに、いずれのスイッチＳＷが故障しているかを判別できる情報を表示装置５に表示する。また、表示装置５に内蔵されたブザー等の音響装置を作動させて警報を鳴らす。
これにより、光と音で視覚および聴覚を刺激してユーザーに適切な修理を促すことができるのみならず、プルアップ抵抗体が電気的に外れた電池セルがいずれであるか特定できるとともに対応する配線Ｄ１またはＤ２のいずれが断線したかも特定できるので、修理も容易となる。さらに、故障したスイッチＳＷを修理することも容易となる。
【００２９】
なお、判定終了信号を受信した上位制御装置４は、電力負荷３へ組電池の電力を供給可能とすべく、第１のアーム用スイッチ制御信号をアクティブにしてＢＭＳ６へ送信する。アクティブとなった第１のアーム用スイッチ制御信号を受信したＢＭＳ６は、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれないアームのアーム用スイッチＳα又はＳβを「開」（ＯＦＦ）から「閉」（ＯＮ）とすべく、当該異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれないアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号をアクティブとする。アクティブとなった第２のアーム用スイッチ制御信号が入力されたアーム用スイッチＳα又はＳβは、「開」（ＯＦＦ）から「閉」（ＯＮ）へと動作する。一方、この時、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが含まれるアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号はインアクティブであるので、対応するアーム用スイッチは「開」（ＯＦＦ）のままであり、従って、当該アームは電力負荷３へ電気的に接続されない。
これにより、電池モジュール２の各アームのうち、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含まないアームと電力負荷３とが電気的に接続される。従って、抵抗体接続判定の処理により、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷが１つも判定されなかった場合には、全てのアームが電力負荷３に電気的に接続されるので電池システム１が運転可能、例えば電池システム１が電気自動車等の移動体の場合には走行可能となる。
また、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含むアームが存在する場合には、このアームを電力負荷３に接続せず、第１、第２の異常セルまたは故障したスイッチＳＷを含まないアームのみを電力負荷３に接続するので、例えば電池システム１が電気自動車等の移動体の場合には、少なくとも修理工場まで自力で安全に移動させることができる。
【００３０】
なお、起動スイッチをオフ、例えばイグニッションキーをユーザーがＯＦＦすると、上記不揮発性メモリにＢＭＳ６が各電池セルＣＥのそれぞれのセル電圧の値を記憶し、さらに上位制御装置４が全てのアームに対応する第１のアーム用スイッチ制御信号をインアクティブとする。従って、インアクティブとなった第１のアーム用スイッチ制御信号を受けるＢＭＳ６は、アーム用スイッチＳα及びＳβを「閉」から「開」とすべく、全てのアームに対応する第２のアーム用スイッチ制御信号をインアクティブとする。インアクティブとなった第２のアーム用スイッチ制御信号を受ける各アーム用スイッチＳα及びＳβは、「閉」から「開」へと動作する。これにより、電池モジュール２の各アームの組電池と電力負荷３とが電気的に遮断される。
そして、上記小電源から電力供給が遮断されて、電圧センサーＶ１ａ〜Ｖ１ｈ、Ｖ２ａ〜Ｖ２ｈ、温度センサーＴａ〜Ｔｈなどの各種センサーの計測が停止するとともにＢＭＳ６も停止する。これによって、電池システム１も停止する。
【００３１】
以上の説明では、電池容器Ｃ０の電位を「プルアップ」する構成としたが、正極活物質と負極活物質などの材料によっては、電池セルＣＥの電池容器Ｃ０を当該電池セルＣＥの負極端子と実質的に同電位とする、すなわち「プルダウン」する構成とする場合がある。
この場合、図２で示す回路Ｍをそのまま用いることができ、ただし、図４に示すように、図２の電池セルＣＥに接続した回路Ｍを図中上下ひっくり返して接続、すなわち図２で回路Ｍが正極端子と接続した位置を負極端子に、また、図２で回路Ｍが負極端子と接続した位置を正極端子に接続した構成とする。
言い換えれば、抵抗体Ｒ１の上記一端が配線Ｄ１´を介して当該電池セルＣＥの負極端子に電気的に接続され、抵抗体Ｒ１の上記他端が配線Ｄ２´を介して電池セルＣＥの電池容器Ｃ０に電気的に接続される。これにより、抵抗体Ｒ１がプルダウン抵抗体として機能することとなる。また、容器電圧を計測するための電圧センサーＶ２は、配線Ｄ２´を介して当該電池セルＣＥの正極端子と当該電池セルＣＥの電池容器Ｃ０の間の電圧を計測するよう配置・接続される。
このように構成すると、コンデンサＣに対応する寄生容量であるコンデンサＣ´は、正極端子と電池容器との間に発生する。
【００３２】
かようにして電池容器Ｃ０の電位を「プルダウン」した構成が得られるが、上述の「プルアップ」した構成で説明した構成および動作において、「プルアップ」を「プルダウン」、「正極端子」を「負極端子」、「負極端子」を「正極端子」、「コンデンサＣ」を「コンデンサＣ´」、「配線Ｄ１」を「配線Ｄ１´」、「配線Ｄ２」を「配線Ｄ２´」、と読み替えれば、「プルダウン」した構成における抵抗体接続判定の処理の説明となる。従って、繰り返しての説明は省略する。
以上のように、プルアップの場合とプルダウンの場合のいずれの場合においても同一構成の回路Ｍを適宜用いることができるので、電池システム１を量産する場合等のコスト削減を図ることもできる。
【００３３】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りで種々の変形が可能である。例えば、プルアップ抵抗体またはプルダウン抵抗体を回路Ｍの回路基板内部に配置せず、当該回路基板の外部に別体として配置してもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１…電池システム、２…電池モジュール、３…電力負荷、４…上位制御装置、
５…表示装置、６…ＢＭＳ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極端子と、第２の電極端子と、導電性の電池容器とを備えた電池セルと、
一端が前記第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が前記電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、
前記第２の電極端子と前記他端との間の電圧を計測する電圧計と、
第２の抵抗体と、
前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続することができるスイッチと、
制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開から閉に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続した場合または前記制御装置が前記スイッチを閉から開に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、前記電圧の変化を監視することで、前記第１の抵抗体が前記電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開閉した場合に、前記電圧計の計測する前記電圧の変化を計測することで、前記スイッチが故障しているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記制御装置に制御される表示装置をさらに有し、
前記制御装置は、前記判定の結果を前記表示装置へ表示させる制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の電池システム。
【請求項４】
前記第１の電極端子は正極端子であり、前記第２の電極端子は負極端子であり、前記第１の抵抗体はプルアップ抵抗体であることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の電池システム。
【請求項５】
前記第１の電極端子は負極端子であり、前記第２の電極端子は正極端子であり、前記第１の抵抗体はプルダウン抵抗体であることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の電池システム。
【請求項１】
第１の電極端子と、第２の電極端子と、導電性の電池容器とを備えた電池セルと、
一端が前記第１の電極端子に電気的に接続され且つ他端が前記電池容器に電気的に接続された第１の抵抗体と、
前記第２の電極端子と前記他端との間の電圧を計測する電圧計と、
第２の抵抗体と、
前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続することができるスイッチと、
制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開から閉に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間に電気的に接続した場合または前記制御装置が前記スイッチを閉から開に制御して前記第２の抵抗体を前記第１の電極端子と前記第２の電極端子との間から電気的に非接続とした場合に、前記電圧の変化を監視することで、前記第１の抵抗体が前記電池容器と電気的に接続しているか否かを判定することを特徴とする電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記制御装置が前記スイッチを開閉した場合に、前記電圧計の計測する前記電圧の変化を計測することで、前記スイッチが故障しているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記制御装置に制御される表示装置をさらに有し、
前記制御装置は、前記判定の結果を前記表示装置へ表示させる制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の電池システム。
【請求項４】
前記第１の電極端子は正極端子であり、前記第２の電極端子は負極端子であり、前記第１の抵抗体はプルアップ抵抗体であることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の電池システム。
【請求項５】
前記第１の電極端子は負極端子であり、前記第２の電極端子は正極端子であり、前記第１の抵抗体はプルダウン抵抗体であることを特徴とする請求項１及至３のいずれか一項に記載の電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１１４７５３（Ｐ２０１３−１１４７５３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６８７７（Ｐ２０１１−２５６８７７）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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