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技術 電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法

出願人 パナソニック株式会社トヨタ自動車株式会社
発明者 豊田将義
出願日 2001年8月2日 (18年2ヶ月経過) 出願番号 2001-235254
公開日 2003年2月14日 (16年8ヶ月経過) 公開番号 2003-045387
状態 特許登録済
技術分野 遮断器と発電機・電動機と電池等の試験 電池の充放電回路 二次電池(鉛及びアルカリ蓄電池) 二次電池の保守(充放電、状態検知) 電池及び電池容器の装着・懸架 車両の電気的な推進・制動 電池等の充放電回路 車両の電気的な推進・制動
主要キーワード 比較判定用 温度サンプル 充放電パルス 電池寿命末期 複数個電気的 充電パルス 通常セル 電池パックシステム
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この項目の情報は公開日時点(2003年2月14日)のものです。
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図面 (4)

課題

電池パックシステムにおいて、低コスト二次電池寿命末期判定を安全確実に行なう。

解決手段

他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池111を設け、この比較判定用単電池の内部抵抗をセル単位モニターし、他の単電池については、電圧等の検出が行われるブロック単位で内部抵抗をモニターして、両方の内部抵抗を比較することで、電池寿命末期判定を行なう。

概要

背景

最近では、電気自動車(PEV)や、エンジンモータを備えたいわゆるハイブリッド車両HEV)において、モータを駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度(すなわち、コンパクトエネルギー蓄積できる)と高い出力密度の点から、ニッケル水素(Ni−MHバッテリが主に使用されている。かかるPEVやHEVでは、モータに対して十分な出力を供給できるように、単電池複数個組み合わせて1つの組電池とし、その組電池が電池制御部等とともに電池パックに内蔵されている。

かかるPEV等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池を構成して使用する場合、単電池の特性が基本的にすべて同じになり、組電池としての性能が十分に発揮できるように設計されている。

概要

電池パックシステムにおいて、低コスト二次電池寿命末期判定を安全確実に行なう。

他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池111を設け、この比較判定用単電池の内部抵抗をセル単位モニターし、他の単電池については、電圧等の検出が行われるブロック単位で内部抵抗をモニターして、両方の内部抵抗を比較することで、電池寿命末期判定を行なう。

目的

かかる従来の鉛蓄電池は、主にエンジン始動を目的とするものであり、例えば電圧12Vを得るために2V用単電池が6個直列に接続されるだけである。これに対して、PEV等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池が構成される場合、安全確実に電池の劣化判定を行なうためには、単電池毎電池状態監視する必要があるが、単電池数が非常に多いので、製造が困難であり、またコストが増大するという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで寿命末期判定を安全確実に行なうことが可能な電気自動車等用の電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
3件

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請求項1

二次電池である単電池複数個接続された組電池を有する電池パックシステムであって、前記組電池は、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池が配設されて成ることを特徴とする電池パックシステム。

請求項2

前記組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、前記比較判定用単電池の電圧を検出する第1の電圧検出部と、前記他の単電池の電圧をブロック単位で検出する第2の電圧検出部と、少なくとも前記電流検出部からの電流と前記第1の電圧検出部からの電圧とに基づいて、前記比較判定用単電池の第1の内部抵抗を算出する第1の内部抵抗算出部と、少なくとも前記電流検出部からの電流と前記第2の電圧検出部からの電圧とに基づいて、前記他の単電池の第2の内部抵抗を算出する第2の内部抵抗算出部と、前記第1の内部抵抗と前記第2の内部抵抗とに基づいて、電池劣化判定を行なう劣化判定部とを備えたことを特徴とする電池パックシステム。

請求項3

前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することを特徴とする請求項1または2記載の電池パックシステム。

請求項4

前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることを特徴とする請求項1または2記載の電池パックシステム。

請求項5

前記二次電池はニッケル水素二次電池である請求項1から4のいずれか一項記載の電池パックシステム。

請求項6

二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パック劣化を判定する方法であって、前記組電池は、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池が配設されて成り、前記比較判定用単電池の第1の内部抵抗をセル単位モニターする工程と、前記他の単電池の第2の内部抵抗をブロック単位でモニターする工程と、前記第1の内部抵抗と前記第2の内部抵抗とを比較することにより、電池劣化判定を行なうことを特徴とする電池パックの劣化判定方法

請求項7

前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することを特徴とする請求項6記載の電池パックの劣化判定方法。

請求項8

前記比較判定用単電池は、前記他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることを特徴とする請求項6記載の電池パックの劣化判定方法。

請求項9

前記二次電池はニッケル・水素二次電池である請求項6から8のいずれか一項記載の電池パックの劣化判定方法。

技術分野

0001

本発明は、電気自動車ハイブリッド車両等に搭載され、ニッケル水素バッテリなどのアルカリ二次電池である単電池複数個接続された組電池を内蔵した電池パック電池劣化を判定する技術に関する。

背景技術

0002

最近では、電気自動車(PEV)や、エンジンモータを備えたいわゆるハイブリッド車両(HEV)において、モータを駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度(すなわち、コンパクトエネルギー蓄積できる)と高い出力密度の点から、ニッケル−水素(Ni−MH)バッテリが主に使用されている。かかるPEVやHEVでは、モータに対して十分な出力を供給できるように、単電池を複数個組み合わせて1つの組電池とし、その組電池が電池制御部等とともに電池パックに内蔵されている。

0003

かかるPEV等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池を構成して使用する場合、単電池の特性が基本的にすべて同じになり、組電池としての性能が十分に発揮できるように設計されている。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、単電池の特性がすべて同じになるように組電池を構成することは、実際には製造上不可能である。このため、例えば、特開平1−134877号公報には、鉛蓄電池に1つの長寿命セル数個通常セルを設け、長寿命セルと通常セルとの電圧差を常にモニターして、この電圧差が一定値以上になった時に寿命劣化警報を出す旨の構成が開示されている。

0005

かかる従来の鉛蓄電池は、主にエンジン始動を目的とするものであり、例えば電圧12Vを得るために2V用単電池が6個直列に接続されるだけである。これに対して、PEV等用の電池パックのように、非常に多数の単電池を直列に接続して組電池が構成される場合、安全確実に電池の劣化判定を行なうためには、単電池毎電池状態監視する必要があるが、単電池数が非常に多いので、製造が困難であり、またコストが増大するという問題がある。

0006

一方、電池を重大な不具合に至らない範囲で制御することが可能なブロック単位で電圧等を検出し電池パックの充放電制御を行なっていると、単電池毎の電池状態が認識できず、寿命に至る電池の発生時期発生個所、また劣化兆候の見極めが困難である。よって、電池パックの交換時期指標や基準が明確でないため、PEVやHEVのように電池を動力源に用いている場合、車両走行性能に影響を及ぼす可能性があるという問題があった。

0007

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト寿命末期判定を安全確実に行なうことが可能な電気自動車等用の電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

前記の目的を達成するため、本発明に係る電池パックシステムは、二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックシステムであって、組電池は、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池が配設されて成ることを特徴とする。

0009

この電池パックシステムにおいて、組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、比較判定用単電池の電圧を検出する第1の電圧検出部と、他の単電池の電圧をブロック単位で検出する第2の電圧検出部と、少なくとも電流検出部からの電流データと第1の電圧検出部からの電圧データとに基づいて、比較判定用単電池の第1の内部抵抗を算出する第1の内部抵抗算出部と、少なくとも電流検出部からの電流データと第2の電圧検出部からの電圧データとに基づいて、他の単電池の第2の内部抵抗を算出する第2の内部抵抗算出部と、第1の内部抵抗と第2の内部抵抗とに基づいて、電池劣化判定を行なう劣化判定部とを備えることが好ましい。

0010

この場合、比較判定用単電池は、他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することが好ましい。

0011

または、比較判定用単電池は、他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることが好ましい。

0012

また、二次電池はニッケル・水素二次電池であることが好ましい。

0013

前記の目的を達成するため、本発明に係る電池パックの劣化判定方法は、二次電池である単電池が複数個接続された組電池を有する電池パックの劣化を判定する方法であって、組電池は、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池が配設されて成り、比較判定用単電池の第1の内部抵抗をセル単位でモニターする工程と、他の単電池の第2の内部抵抗をブロック単位でモニターする工程と、第1の内部抵抗と第2の内部抵抗とを比較することにより、電池劣化判定を行なうことを特徴とする。

0014

この場合、比較判定用単電池は、他の単電池よりも目付重量が大きなセパレータを有することが好ましい。

0015

または、比較判定用単電池は、他の単電池よりも電解液量が少なく構成されることが好ましい。

0016

また、二次電池はニッケル・水素二次電池であることが好ましい。

0017

上記の構成によれば、電池パックを構成する組電池に、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まる比較判定用単電池を設け、この比較判定用単電池の内部抵抗をセル単位でモニターし、他の単電池については、電圧等の検出が行われるブロック単位で内部抵抗をモニターして、両方の内部抵抗を比較することで、安全、確実、低コストで電池寿命末期判定を行なうことができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

0019

図1は、本発明の一実施形態による電池パックの構成を示すブロック図である。

0020

図1において、1は、HEV等に搭載される、二次電池、例えばニッケル−水素バッテリで構成された電池パックである。この電池パック1は、通常、モータに対する所定の出力を得るため、ニッケル−水素バッテリである多数の単電池が電気的に直列接続された第1電池モジュール11、第2電池モジュール12、第3電池モジュール13、第4電池モジュール14、第5電池モジュール15をさらに複数個電気的に直列接続した構成をとる。各電池モジュール11、12、13、14、15は、後述するが電池電圧を検出するブロック単位で分けられている。また、第1電池モジュール11については、後述するが比較判定用単電池111の電圧がセル単位で検出される。

0021

第1電池モジュール11には、他の単電池に比べて内部抵抗が常に早く上昇する比較判定用単電池111が配設されている。この比較判定用単電池111は、他の単電池に比べて、通常の電池特性には差がない程度で、目付重量が大きいセパレータを有して構成されるか、または電解液量を少なくして構成される。一般に、充放電が行われるにつれて、極板膨張酸化等によりセパレータの電解液消費され、セパレータの保液量がある一定の閾値を下回ると、電池の内部抵抗の上昇が始まる。すなわち、比較判定用単電池111は、他の単電池に比べて初期のセパレータの保液量が少ないため、充放電が行なわれるにつれて、常に最初にセパレータの電解液の保液量が閾値を下回ることで、内部抵抗が常に早く上昇し、常に最初に劣化が始まることになる。

0022

図2は、電池容量が10Ahの電池パックにおいて、充放電パルスサイクルに対する内部抵抗の変化を、電解液量を少なくした(31g)比較判定用単電池電池(曲線A)と電解液量が通常量である(37g)他の単電池(曲線B)とで比較例示した図である。なお、図2において、1回の充放電サイクルは、20A、1分間の充電パルス期間と20A、1分間の放電パルス期間からなる。図2に示すように、曲線Aの比較判定用単電池のほうが、曲線Bの他の単電池よりも早く内部抵抗が上昇している。

0023

再び、図1に戻って、2は、電池パック1に対する電圧検出用スイッチであり、比較判定用単電池111の電圧および第1から第5電池モジュール11、12、13、14、15のそれぞれの電池電圧を時系列で所定時間毎に電圧サンプルV0(n)、V1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)として検出するためのスイッチ20、21、22、23、24、25からなる。

0024

3は、電池パック1に対する温度検出用スイッチであり、第1から第5電池モジュール11、12、13、14、15のそれぞれと温度結合して配設された温度センサ41、42、43、44、45で測定されたそれぞれの電池温度を時系列で所定時間毎に温度サンプルT1(n)、T2(n)、T3(n)、T4(n)、T5(n)として検出するためのスイッチ31、32、33、34、35からなる。

0025

4は電流検出部であり、電流センサ(不図示)から出力される電池パック1の充放電電流を所定時間毎にサンプリングし、電流サンプルI(n)を取得して電流の大きさを検出すると共に、その符号により充電であるのか放電であるのかの充放電方向C/Dも検出する。

0026

5は電池コントローラであり、制御信号VCにより電圧検出用スイッチ20、21、22、23、24、25を時系列にオン状態にして取得した電圧サンプルV0(n)、V1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)と、制御信号TCにより温度検出用スイッチ31、32、33、34、35を時系列にオン状態にして取得した温度サンプルT1(n)、T2(n)、T3(n)、T4(n)、T5(n)と、電流検出部5からの電流サンプルI(n)および充放電方向C/Dとから、電池パック1の残存容量演算により求め、電池パック1に対する充放電制御のために、外部のシステム制御部(不図示)に電池情報BIとして送信する。

0027

また、電池コントローラ5は、演算により求めた残存容量が内部抵抗変化の小さい残存容量範囲において、電圧サンプルV0(n)と電流サンプルI(n)および充放電方向C/Dとに基づいて、比較判定用単電池111の内部抵抗を算出し、電圧サンプルV1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)と電流サンプルI(n)および充放電方向C/Dとに基づいて、各電池モジュール11、12、13、14、15における他の単電池の内部抵抗を算出し、他の単電池の内部抵抗を比較判定用単電池111の内部抵抗と比較することにより、電池パックの劣化状態を判断し、電池寿命末期と判定した場合、外部のシステム制御部(不図示)に電池情報BIにより警告信号を送信する。

0028

次に、このように構成された電池パックシステムの劣化判定方法について、図3を参照して説明する。

0029

図3は、本発明の一実施形態による電池パックの劣化判定方法における劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。

0030

図3において、まず、比較判定用単電池111および各電池モジュール11、12、13、14、15の電圧サンプルVi(n)、電流サンプルIi(n)、温度サンプルTi(n)を取得して、残存容量SOCi(n)を演算する(S301)。次に、演算した残存容量SOCi(n)が内部抵抗変化の小さい残存容量範囲において、電圧サンプルVi(n)および電流サンプルIi(n)をプロットして、そのVi(n)−Ii(n)特性から、比較判定用単電池111の内部抵抗RAおよび他の単電池の内部抵抗RBを算出する(S302)。

0031

次に、内部抵抗RAと内部抵抗RBとの差分値(RA−RB)が、所定の閾値Rsを超えているか否かを判断する(S303)。この判断の結果、RA−RB≦Rsであった場合(No)、比較判定用単電池111の内部抵抗RAは増大しておらず、劣化に至っていないため、電池パック1は寿命末期でないと判定し(S304)、ステップS301に戻る。

0032

一方、ステップS303における判断の結果、充放電サイクルが繰り返されて、比較判定用単電池111の内部抵抗RAが増大し、RA−RB>Rsとなった場合(Yes)、劣化が進行しており、電池パック1は寿命末期であると判定し(S305)、外部のシステム制御部に警告信号を送信する(S306)。

発明の効果

0033

以上説明したように、本発明によれば、低コストで寿命末期判定を安全確実に行なうことが可能な電池パックシステムおよび電池パックの劣化判定方法を提供することができる、という格別な効果を奏する。

図面の簡単な説明

0034

図1本発明の一実施形態による電池パックの構成を示すブロック図
図2充放電パルスサイクルに対する内部抵抗の変化を示す図
図3本発明の一実施形態による電池パックの劣化判定方法における劣化判定ルーチンを示すフローチャート

--

0035

1電池パック
2電圧検出用スイッチ
3温度検出用スイッチ
4電流検出部
5電池コントローラ
111比較判定用単電池

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