JPWO2020021889A1

JPWO2020021889A1 - 管理装置、及び電源システム

Info

Publication number: JPWO2020021889A1
Application number: JP2020532208A
Authority: JP
Inventors: 佑輔板倉; 長輝楊; 慎哉西川; 透渡邊
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: JP7217474B2; US20210296911A1; US11949257B2; CN112470326B; WO2020021889A1; CN112470326A

Abstract

制御部は、複数のセル間の容量を均等化する均等化処理、及び複数のセルの検出電圧の内、比較対象とする少なくとも１つのセルの検出電圧にもとづく代表電圧と、検出対象とする１つのセルの検出電圧との電圧差を第１時刻と第２時刻にそれぞれ算出し、２つの電圧差の差分が閾値以上のとき、検出対象のセルを異常と判定するセル異常判定処理を実行する。制御部は、均等化処理中にセル異常判定処理を実行する場合、均等化処理の対象セルの検出電圧に、第１時刻から第２時刻の間の均等化処理による前記対象セルのエネルギー移動に基づく電圧変化分に対応する補償値を付与した後、第２時刻の電圧差を算出する。

Description

本発明は、蓄電モジュールに含まれる複数のセルを管理するための管理装置、及び電源システムに関する。

近年、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が様々な用途で使用されている。例えば、ＥＶ(Electric Vehicle)、ＨＥＶ (Hybrid ElectricVehicle)、ＰＨＶ(Plug-in Hybrid Vehicle)の走行用モータに電力を供給することを目的とする車載（電動自転車を含む）用途、ピークシフト、バックアップを目的とした蓄電用途、系統の周波数安定化を目的としたＦＲ（Frequency Regulation）用途等に使用されている。

一般的に、リチウムイオン電池では電力効率の維持および安全性担保の観点から、直列接続された複数のセル間において容量を均等化する均等化処理が実行される。均等化処理の方式としてはパッシブ方式が主流である。パッシブ方式は、直列接続された複数のセルにそれぞれ放電抵抗を接続し、最も電圧が低いセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせように他のセルを放電する。

ところで、リチウムイオン電池等の二次電池では、セパレータのずれによる正極と負極の接触、電池内への異物混入による導電路の発生等に起因して、電池内において微小短絡が発生することがある。微小短絡は過熱の原因となり、微小短絡の状態から、異物の向きの変化等により、完全短絡の状態に移行する場合もある。

微小短絡の検出方法として、組電池内の全セルの平均電圧と各セルの電圧との電圧差が継続的に拡大しているときに、対象のセルを異常と判定する手法がある。しかしながら、均等化処理中はセルの放電により、上記電圧差の拡大が妨げられる。均等化処理中の放電電流の大きさによっては、微小短絡による上記電圧差の拡大が全て打ち消されてしまい、微小短絡を検出できなくなる場合もある。

均等化処理によるエネルギー移動によるセル電圧の降下と、微小短絡によるセル電圧の降下を区別するのは困難であり、均等化処理中は微小短絡の検出処理を停止させるのが一般的であった。

これに対して、セルの異常を検出する検出装置の休止期間の前後で、容量調整（均等化）時間の変化量が、微小短絡を示す閾値より大きい場合に、微小短絡が発生していると判定する手法が提案されている。即ち、検出装置が休止している期間は、充放電電流を積算することができず、休止期間中に生じたセルの異常を検出することができないため、休止前後の容量調整時間の変化量が閾値を超えるか否かにより異常を判定するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１７４１０号公報

しかしながら、均等化処理による容量調整時間を利用するため、異常判定を実施するタイミングが均等化処理後に限定され、異常判定のタイミングが遅れる。従って、セルの異常発生から異常の検出までに時間を要する。また、休止期間中の微小短絡を検出するために専用の演算処理を必要とし、非休止期間の判定と異なるプロセスで異常を判定する。パラメータ数や演算量が多くなり、複雑化する。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、均等化処理中か否かに関わらず、セルの異常を共通の判定基準で高精度に判定することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の特徴とする管理装置は、直列接続された複数のセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、（１）前記複数のセルの検出電圧をもとに、前記複数のセル間の容量を均等化する均等化処理、及び（２）前記複数のセルの検出電圧の内、比較対象とする少なくとも１つのセルの検出電圧にもとづく代表電圧と、検出対象とする１つのセルの検出電圧との電圧差を第１時刻と第２時刻にそれぞれ算出し、２つの電圧差の差分が閾値以上のとき、前記検出対象のセルを異常と判定するセル異常判定処理を実行する制御部と、を備える。前記制御部は、前記均等化処理中に前記セル異常判定処理を実行する場合、前記均等化処理の対象セルの検出電圧に、前記第１時刻から前記第２時刻の間の前記均等化処理による前記対象セルのエネルギー移動に基づく電圧変化分に対応する補償値を付与した後、前記第２時刻の前記電圧差を算出する。

本発明によれば、均等化処理中か否かに関わらず、セルの異常を共通の判定基準で高精度に判定することができる。

本発明の実施の形態に係る電源システムを説明するための図である。図２（ａ）−（ｂ）は、正常セルと、微小短絡セルを比較した図である。本発明の実施の形態に係る管理装置による、微小短絡の検出方法の第１の参考例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る管理装置による、微小短絡の検出方法の第２の参考例を示すフローチャートである。図５（ａ）、（ｂ）は、均等化処理と微小短絡の検出処理が競合する場合の第１例を示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、均等化処理と微小短絡の検出処理が競合する場合の第２例を示す図である。図５（ｂ）を詳細に示した図である。図６（ｂ）を詳細に示した図である。ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線、第１セルの検出電圧Ｖ３、及び移動エネルギー量Ｑｔから、補償値ＶΔｔを求める処理を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る管理装置による、微小短絡の検出方法の第１の実施例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る管理装置による、微小短絡の検出方法の第２の実施例を示すフローチャートである。ＳＯＨ＝８０％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の一例を示す図である。図１２の一次直線の位置を変えた図である。本発明の実施の形態に係る管理装置による、微小短絡の検出方法の第３の実施例を示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源システム１を説明するための図である。電源システム１は、例えば、車両の駆動用電池として車両に搭載されて使用される。電源システム１は、蓄電モジュールＭ１及び管理装置１０を備える。蓄電モジュールＭ１は、直列接続された複数のセルＣ１−Ｃ２０を含む。図１では、２０個のセルＣ１−Ｃ２０が直列接続されて１つの蓄電モジュールを形成している例を描いている。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。

管理装置１０は、放電部１１、電圧検出部１２、温度検出部１３、電流検出部１４及び制御部１５を備える。放電部１１は、複数の放電スイッチＳ１−Ｓ２０、及び複数の放電抵抗Ｒ１−Ｒ２０を含む。各セルＣ１−Ｃ２０に対して並列にそれぞれ放電回路が接続される。具体的には、第１セルＣ１の両端に第１放電スイッチＳ１と第１放電抵抗Ｒ１が直列接続され、第２セルＣ２の両端に第２放電スイッチＳ２と第２放電抵抗Ｒ２が直列接続され、第３セルＣ３の両端に第３放電スイッチＳ３と第３放電抵抗Ｒ３が直列接続され、・・・、第１９セルＣ１９の両端に第１９放電スイッチ（不図示）と第１９放電抵抗（不図示）が直列接続され、及び第２０セルＣ２０の両端に第２０放電スイッチＳ２０と第２０放電抵抗Ｒ２０が接続される。

電圧検出部１２は、直列接続された複数のセルＣ１−Ｃ２０の各ノードと複数の電圧線で接続され、隣接する２本の電圧線間の電圧をそれぞれ検出することにより、各セルＣ１−Ｃ２０の電圧を検出する。電圧検出部１２は、検出した各セルＣ１−Ｃ２０の電圧を制御部１５に送信する。

電圧検出部１２は制御部１５に対して高圧であるため、電圧検出部１２と制御部１５間は絶縁された状態で、通信線で接続される。電圧検出部１２は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）または汎用のアナログフロントエンドＩＣで構成することができる。電圧検出部１２はマルチプレクサ及びＡ／Ｄ変換器を含む。マルチプレクサは、隣接する２本の電圧線間の電圧を上から順番にＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する。

温度検出部１３は分圧抵抗およびＡ／Ｄ変換器を含む。Ａ／Ｄ変換器は、複数の温度センサＴ１、Ｔ２（例えば、サーミスタ）と複数の分圧抵抗によりそれぞれ分圧された複数のアナログ電圧を順次、デジタル値に変換して制御部１５に出力する。制御部１５は当該デジタル値をもとに複数のセルＣ１−Ｃ２０の温度を推定する。例えば制御部１５は、各セルＣ１−Ｃ２０の温度を、各セルＣ１−Ｃ２０に最も隣接する温度センサで検出された値をもとに推定する。

電流検出部１４は差動アンプ及びＡ／Ｄ変換器を含む。差動アンプはシャント抵抗Ｒｓの両端電圧を増幅してＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器は、差動アンプから入力される電圧をデジタル値に変換して制御部１５に出力する。制御部１５は当該デジタル値をもとに複数のセルＣ１−Ｃ２０に流れる電流を推定する。なおシャント抵抗Ｒｓの代わりにホール素子を用いてもよい。

なお制御部１５内にＡ／Ｄ変換器が搭載されており、制御部１５にアナログ入力ポートが設置されている場合、温度検出部１３及び電流検出部１４はアナログ電圧を制御部１５に出力し、制御部１５内のＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換してもよい。

制御部１５は、電圧検出部１２、温度検出部１３及び電流検出部１４により検出された複数のセルＣ１−Ｃ２０の電圧、温度、及び電流をもとに複数のセルＣ１−Ｃ２０の状態を管理する。

制御部１５はマイクロコンピュータ及び不揮発メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ）により構成することができる。不揮発メモリ内に、ＳＯＣ−ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）マップ１５ａが保持される。ＳＯＣ−ＯＣＶマップ１５ａには、複数のセルＣ１−Ｃ２０のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の特性データが記述されている。

制御部１５は、複数のセルＣ１−Ｃ２０の電圧、電流、及び温度をもとに、複数のセルＣ１−Ｃ２０のＳＯＣ及びＳＯＨを推定する。ＳＯＣは例えば、ＯＣＶ法または電流積算法により推定できる。ＯＣＶ法は、検出されたセルのＯＣＶと、不揮発メモリ内に保持されるＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の特性データをもとにＳＯＣを推定する方法である。電流積算法は、検出されたセルの充放電開始時のＯＣＶと、検出された電流の積算値をもとにＳＯＣを推定する方法である。

ＳＯＨは、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の比率で規定され、数値が低いほど（０％に近いほど）劣化が進行していることを示す。二次電池の劣化は、保存劣化とサイクル劣化の和で近似できる。

保存劣化は、充放電中であるか否かに関わらず、二次電池の各時点における温度、各時点におけるＳＯＣに応じて経時的に進行する劣化である。各時点におけるＳＯＣが高いほど（１００％に近いほど）、又は各時点における温度が高いほど、保存劣化速度が増加する。

サイクル劣化は、充放電の回数が増えるにつれ進行する劣化である。サイクル劣化は、使用ＳＯＣ範囲、温度、電流レートに依存する。使用ＳＯＣ範囲が広いほど、温度が高いほど、又は電流レートが高いほど、サイクル劣化速度が増加する。このように二次電池の劣化は使用環境に大きく依存し、使用期間が長くなるにつれ、複数のセルＣ１−Ｃ２０の容量のばらつきが大きくなっていく。

制御部１５は、電圧検出部１２から受信した複数のセルＣ１−Ｃ２０の電圧をもとに、複数のセルＣ１−Ｃ２０間の均等化処理を実行する。一般的なパッシブセルバランス方式では、複数のセルＣ１−Ｃ２０の内、最も容量が少ないセルの容量（以下、目標値という）まで、他のセルを放電する。なお目標値は、実容量、ＳＯＣ、ＯＣＶのいずれで規定されてもよい。ＯＣＶで規定される場合、最もＯＣＶが低いセルのＯＣＶが目標値となる。なお目標値は放電可能量または充電可能量で規定されてもよい。

制御部１５は、複数のセルＣ１−Ｃ２０の内、最も容量が少ないセルの検出値を目標値とし、当該目標値と他の複数のセルの検出値との差分をそれぞれ算出する。制御部１５は、算出したそれぞれの差分をもとに当該他の複数のセルの放電量をそれぞれ算出する。制御部１５は、算出したそれぞれの放電量をもとに当該他の複数のセルの放電時間をそれぞれ算出する。制御部１５は、複数のセルＣ１−Ｃ２０の放電時間を含む均等化処理の制御信号を生成し、電圧検出部１２に送信する。電圧検出部１２内のスイッチ制御回路（不図示）は、制御部１５から受信した制御信号をもとに、複数の放電スイッチＳ１−Ｓ２０をそれぞれ指定された時間、オン状態に制御する。

複数のセルＣ１−Ｃ２０のいずれかに微小短絡が発生することがある。微小短絡は過熱などの不安全事象の原因となるため、不安全事象に至る前に検出することが必要である。

図２（ａ）−（ｂ）は、正常セルと、微小短絡セルを比較した図である。図２（ａ）に示すように正常セルＣｎは、起電力Ｅ１と内部抵抗Ｒｉにより端子電圧が決まる。一方、図２（ｂ）に示すように微小短絡セルＣｎは、内部に微小短絡経路Ｐｓが形成され、微小短絡経路Ｐｓにも電流が流れる。従って微小短絡セルＣｎでは、内部抵抗Ｒｉによる自己放電に加えて、微小短絡経路Ｐｓによる放電が発生する。よって微小短絡セルＣｎの電圧降下は、正常セルＣｎの電圧降下より大きくなる。

図３は、本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第１の参考例を示すフローチャートである。電圧検出部１２は、直列接続されたｎ個のセルの電圧を検出して制御部１５に送信する（Ｓ１０）。所定の判定周期（例えば、１０分間）が経過すると（Ｓ１１のＹ）、制御部１５は、ｎ個のセルの検出電圧の内、最大電圧と最小電圧を除いた（ｎ−２）個のセルの平均電圧を算出する（Ｓ１２）。制御部１５は、算出した平均電圧と、検出対象の１つのセル（以下、対象セルという）の検出電圧との電圧差を算出する（Ｓ１３）。

制御部１５は、今回算出した現在の電圧差と、Δｔ時間（例えば、１時間）前に算出した電圧差との差分電圧ΔＶを算出する（Ｓ１４）。制御部１５は、算出した差分電圧ΔＶと判定閾値を比較する（Ｓ１５）。判定閾値は、想定する微小短絡経路Ｐｓの抵抗値と、Δｔ時間をもとに決定される。例えば、微小短絡経路Ｐｓの抵抗値を１００Ωと想定し、Δｔ時間を１時間に設定した場合、微小短絡が発生しているリチウムイオン電池セルでは１時間に４ｍＶ程度の電圧降下が発生することになる。この場合、上記判定閾値は４ｍＶに設定される。

算出した差分電圧ΔＶが判定閾値以上の場合（Ｓ１５のＹ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していると判定する（Ｓ１６）。算出した差分電圧ΔＶが判定閾値未満の場合（Ｓ１５のＮ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していないと判定する。以上の処理が、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルを対象に、電源システム１の稼働中（Ｓ１７のＮ）、繰り返し実行される。

図４は、本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第２の参考例を示すフローチャートである。ステップＳ１５までの処理は、図３に示した第１の参考例と同じであるため説明を省略する。ステップＳ１５で算出した差分電圧ΔＶが判定閾値以上の場合（Ｓ１５のＹ）、制御部１５は、変数ａをインクリメントする（Ｓ１５１）。なお変数ａの初期値は０である。制御部１５は、変数ａの値をもとに、過去ｘ（例えば、４０）回の比較判定において、差分電圧ΔＶが判定閾値以上となった回数Ｎを特定する（Ｓ１５２）。

回数Ｎが設定値（例えば、３０）以上の場合（Ｓ１５３のＹ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していると判定する（Ｓ１６）。回数Ｎが設定値未満の場合（Ｓ１５３のＮ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していないと判定する。上記ｘの値と上記設定値の値を調整することにより、微小短絡の検出にかかる時間と判定精度のバランスを調整することができる。両者の関係はトレードオフ関係にあり、上記ｘの値を大きくするほど、検出にかかる時間が長くなるが、判定精度は向上する。なお図３に示した第１例は、検出にかかる時間が最も短い例となる。

以上の処理が、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルを対象に、電源システム１の稼働中（Ｓ１７のＮ）、繰り返し実行される。なお図３、図４に示した処理において、対象セルも平均電圧を算出する基礎データに含めてもよい。またｎ個のセルの検出電圧から、最大電圧と最小電圧をそれぞれ１つずつ除いたが、除く数は２つずつでもよいし、０でもよい。即ち、ｎ個のセルの検出電圧からそのまま平均電圧を算出してもよい。また複数の検出電圧の平均値を算出する代わりに、複数の検出電圧の中央値を算出してもよい。

以上に説明した微小短絡の検出方法は、均等化処理中は、均等化放電による電圧降下と、微小短絡による電圧降下との区別が難しいという課題がある。これに対して、均等化処理中でも、微小短絡を高精度に検出できる手法を以下に説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、均等化処理と微小短絡の検出処理が競合する場合の第１例を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）では説明を単純化するため、正常な第１セルと、微小短絡が発生している第２セルの２つのセルが直列接続されている蓄電モジュールを想定している。なお、正常な第１セルは、上記平均電圧の算出の基礎となる複数のセルを統合したセルと考えてもよい。

図５（ａ）は比較例に係る第１セルと第２セルの電圧推移と、第１セルと第２セルの電圧差の推移を示している。第１セルは正常なセルであり、第２セルは微小短絡が発生しているセルである。第１セルの方が第２セルより電圧が高い状態である。第２セルは微小短絡が発生しているため時間経過とともに電圧が低下していく。正常な第１セルは均等化処理の期間のみ電圧が低下し、通常の期間は電圧が変化しない。第２セルの電圧低下により、第１セルと第２セルの電圧差は拡大していくが、第１セルの均等化処理中は電圧差が縮小する。この均等化処理中の電圧差の縮小は、電圧差に所定の傾きが発生しているか否かにもとづき微小短絡の有無を検出する処理に対する阻害要因となる。

なお、微小短絡が発生しているセルは通常、直列接続されている他のセルより電圧が低下しており、本実施の形態に示すパッシブ方式の均等化処理の場合、基本的に均等化放電の対象にならない。均等化放電の対象になる場合でも、他のセルより放電時間が短くなる。

図５（ｂ）は実施例に係る第１セルと第２セルの電圧推移と、第１セルと第２セルの電圧差の推移を示している。正常な第１セルの均等化処理による放電時間は既知であり、均等化処理による第１セルからの移動エネルギー量は算出可能である。制御部１５は、均等化処理による移動エネルギー量に対応する電圧補償値を第１セルの検出電圧に加算することにより、均等化処理によるセル電圧の変化（低下）の影響をキャンセルする。これにより、均等化処理中でも、微小短絡の有無を高精度に判定することができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、均等化処理と微小短絡の検出処理が競合する場合の第２例を示す図である。図６（ａ）は比較例に係る第１セルと第２セルの電圧推移と、第１セルと第２セルの電圧差の推移を示している。第１セルも第２セルも正常なセルであり、第１セルの方が第２セルより電圧が高い状態である。第１セルが判定対象のセルである。均等化処理が開始されると、電圧の高い第１セルが均等化放電され、第１セルの電圧が低下していく。均等化放電の対象になっていない第２セルの電圧は変化しない。均等化処理中は、第１セルと第２セルとの電圧差に所定の傾きが発生し、第１セルに微小短絡が発生していない場合でも、微小短絡が発生していると誤検出されるリスクがある。

図６（ｂ）は実施例に係る第１セルと第２セルの電圧推移と、第１セルと第２セルの電圧差の推移を示している。正常な第１セルの均等化処理による放電時間は既知であり、均等化処理により第１セルから放出される移動エネルギー量は算出可能である。制御部１５は、均等化処理による移動エネルギー量に対応する補償値を第１セルの検出電圧に付与（加算）することにより、均等化処理による電圧変化（電圧低下）の影響をキャンセルする。これにより、均等化処理中でも、微小短絡の有無を高精度に判定することができる。

図５（ａ）、（ｂ）に示した第１例は、発生している微小短絡を検出できない検出漏れ（フォールスネガティブ）の例であり、図６（ａ）、（ｂ）に示した第２例は、正常なセルを、微小短絡が発生しているセルと判定する誤検出（フォールスポジティブ）の例である。以下、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示した補正方法を詳細に説明する。

図７は、図５（ｂ）を詳細に示した図である。図８は、図６（ｂ）を詳細に示した図である。前提として、第１セルと並列に接続された放電抵抗の値をＲと表記する。第１時刻ｔ１における、正常な第１セルの検出電圧をＶ１、微小短絡が発生している第２セルの検出電圧をＶ２、第１セルから放電抵抗に流れる均等化電流をＩ１（＝Ｖ１／Ｒ）と表記する。また第１時刻ｔ１からΔｔ時間経過した第２時刻ｔ２における、正常な第１セルの検出電圧をＶ３、微小短絡が発生している第２セルの検出電圧をＶ４、第１セルから放電抵抗に流れる均等化電流をＩ３（＝Ｖ３／Ｒ）と表記する。なお、Ｖ１−Ｖ４は検出値であり、Ｒは既知の回路定数であり、Δｔは既知の判定周期である。

第１時刻ｔ１の第１セルと第２セルの相対電圧差Ｖｔ１は下記式（１）で表される。第２時刻ｔ２の第１セルと第２セルの相対電圧差Ｖｔ２は下記式（２）で表される。
Ｖｔ１＝（Ｖ１−Ｖ２）・・・式（１）
Ｖｔ２＝（（Ｖ３＋Ｖ_Δｔ）−Ｖ４）・・・式（２）

補償値Ｖ_Δｔは、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線、第２時刻ｔ２の第１セルの検出電圧Ｖ３、及び均等化処理による移動エネルギー量Ｑｔをもとに推定することができる。均等化処理による移動エネルギー量Ｑｔは、下記式（３）により求めることができる。
Ｑｔ＝（（Ｉ１＋Ｉ３）／２）×Δｔ＝（（（Ｖ１＋Ｖ３）／Ｒ）／２）×Δｔ・・・式（３）

図９は、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線、第１セルの検出電圧Ｖ３、及び移動エネルギー量Ｑｔから、補償値Ｖ_Δｔを求める処理を説明するための図である。制御部１５は、第１セルの検出電圧Ｖ３に対応するＳＯＣに、均等化処理による移動エネルギー量Ｑｔを付与（加算）することにより、均等化処理前の第１セルのＳＯＣを推定する。制御部１５は、当該ＳＯＣに対応する第１セルの電圧を特定し、特定した電圧と、第１セルの検出電圧Ｖ３との差分を補償値Ｖ_Δｔとして算出する。

制御部１５は下記式（４）に示すように、Δｔ時間経過前後の相対電圧差の差分電圧ΔＶと、判定閾値Ｅを比較することにより微小短絡の有無を判定する。
ΔＶ＝Ｖｔ２−Ｖｔ１＝（（Ｖ３＋Ｖ_Δｔ）−Ｖ４）−（Ｖ１−Ｖ２）≧Ｅ・・・式（４）

図７に示す例では、Δｔ時間経過前後の相対電圧差の差分電圧ΔＶが、判定閾値Ｅを超えており、第２セルに微小短絡が発生していると判定される。なお、補償値Ｖ_Δｔが加算されない場合の相対電圧差Ｖの推移は点線のようになる。その場合、差分電圧ΔＶは判定閾値Ｅを超えず、第２セルに微小短絡が発生していないと判定される。即ち、検出漏れが発生する。

図８に示す例では、Δｔ時間経過前後の相対電圧差の差分電圧ΔＶが、判定閾値Ｅを超えず、第１セルに微小短絡が発生していないと判定される。図８に示す例では差分電圧ΔＶは、略０になる。なお、補償値Ｖ_Δｔが加算されない場合の相対電圧差Ｖの推移は点線のようになる。その場合、差分電圧ΔＶが判定閾値Ｅを超えてしまい、第１セルに微小短絡が発生していると判定される。即ち、誤検出が発生する。

図１０は、本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第１の実施例を示すフローチャートである。電圧検出部１２は、直列接続されたｎ個のセルの電圧を検出して制御部１５に送信する（Ｓ１０）。所定の判定周期（例えば、１０分間）が経過すると（Ｓ１１のＹ）、制御部１５は、直列接続されたｎ個のセルを含む蓄電モジュールＭ１が均等化処理中であるか否か判定する（Ｓ１１１）。

均等化処理中である場合（Ｓ１１１のＹ）、制御部１５は、Δｔ時間（例えば、１時間）における均等化放電セルの電圧低下量を推定する（Ｓ１１２）。制御部１５は、推定した電圧低下量を補償値Ｖ_Δｔとして、当該均等化放電セルの検出電圧に加算する（Ｓ１１３）。ステップＳ１１１において、均等化処理中でない場合（Ｓ１１１のＮ）、ステップＳ１１２及びステップＳ１１３の処理はスキップされる。

制御部１５は、ｎ個のセルの検出電圧の内、最大電圧と最小電圧を除いた（ｎ−２）個のセルの平均電圧を算出する（Ｓ１２）。制御部１５は、算出した平均電圧と、対象セルの検出電圧との電圧差を算出する（Ｓ１３）。

制御部１５は、今回算出した現在の電圧差と、Δｔ時間前に算出した電圧差との差分電圧ΔＶを算出する（Ｓ１４）。制御部１５は、算出した差分電圧ΔＶと判定閾値を比較する（Ｓ１５）。算出した差分電圧ΔＶが判定閾値以上の場合（Ｓ１５のＹ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していると判定する（Ｓ１６）。算出した差分電圧ΔＶが判定閾値未満の場合（Ｓ１５のＮ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していないと判定する。以上の処理が、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルを対象に、電源システム１の稼働中（Ｓ１７のＮ）、繰り返し実行される。

制御部１５は、今回算出した現在の電圧差と、Δｔ時間（例えば、１時間）前に算出した電圧差との差分電圧ΔＶを算出する（Ｓ１４）。制御部１５は、算出した差分電圧ΔＶと判定閾値を比較する（Ｓ１５）。判定閾値は、一次関数の傾きの値に応じた値に設定される。一次関数の傾きが急に設定されている場合、差分電圧ΔＶの値が大きく算出されるため、判定閾値も大きく設定する必要がある。

図１１は、本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第２の実施例を示すフローチャートである。ステップＳ１５までの処理は、図１０に示した第１の実施例と同じであるため説明を省略する。ステップＳ１５で算出した差分電圧ΔＶが判定閾値以上の場合（Ｓ１５のＹ）、制御部１５は、変数ａをインクリメントする（Ｓ１５１）。なお変数ａの初期値は０である。制御部１５は、変数ａの値をもとに、過去ｘ（例えば、４０）回の比較判定において、差分電圧ΔＶが判定閾値以上となった回数Ｎを特定する（Ｓ１５２）。

回数Ｎが設定値（例えば、３０）以上の場合（Ｓ１５３のＹ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していると判定する（Ｓ１６）。回数Ｎが設定値未満の場合（Ｓ１５３のＮ）、制御部１５は、対象セルに微小短絡が発生していないと判定する。以上の処理が、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルを対象に、電源システム１の稼働中（Ｓ１７のＮ）、繰り返し実行される。

以上に説明した微小短絡の検出方法は、複数のセルＣ１−Ｃ２０のＳＯＣ及びＳＯＨが揃っていれば、微小短絡を高精度に検出することができる。しかしながら、複数のセルＣ１−Ｃ２０のＳＯＣ又はＳＯＨがばらついた状態では、平均電圧と対象セルとの間の電圧差の変動が均一に検出できず、微小短絡の検出精度が低下する。そこで、電圧差の変動を均一に評価するために規定した一次直線に、セルの検出電圧を、ＳＯＣ及びＳＯＨに応じて写像することにより、電圧差を均一に評価する手法を以下に説明する。

図１２は、ＳＯＨ＝８０％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の一例を示す図である。図１２の横軸は初期容量基準のＳＯＣであり、縦軸はＯＣＶである。初期容量基準のＳＯＣは、現在ＳＯＣ／初期ＦＣＣ（Full Charge Capacity)で規定される。即ち、初期容量基準のＳＯＣは、現在ＳＯＣを初期の満充電容量で正規化したＳＯＣである。

ＳＯＣ−ＯＣＶマップ１５ａには、蓄電モジュールＭ１に使用されるセルの、ＳＯＨ１％刻み、ＳＯＨ５％刻み、又はＳＯＨ１０％刻みの複数のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線が予め登録されていてもよい。またＳＯＣ−ＯＣＶマップ１５ａに、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線のみが登録されている場合、制御部１５は各セルのＳＯＨをもとに、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を補正して、各セルの近似的なＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を導出する。具体的には、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を、セルのＳＯＨに応じてＸ軸方向に縮小することにより、各セルのＳＯＨに応じたＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の近似曲線を導出することができる。

図１２に示すように、ＳＯＨ＝８０％で初期容量基準のＳＯＣが０．１の第１セルと、ＳＯＨ＝１００％で初期容量基準のＳＯＣが０．２の第２セルがあるとする。このとき第１セルのＯＣＶは３．３９Ｖであり、第２セルのＯＣＶは３．４６Ｖである。直列接続された第１セルと第２セルに、初期容量基準のＳＯＣ＝０．５相当の充電が実施されると、第１セルの初期容量基準のＳＯＣは０．６に、第２セルの初期容量基準のＳＯＣが０．７に増加する。このとき第１セルのＯＣＶは３．９３Ｖに、第２セルのＯＣＶは３．８９Ｖに上昇する。

充電前は、第２セルのＯＣＶのほうが第１セルのＯＣＶより高かったが、充電後は、第１セルのＯＣＶのほうが第２セルのＯＣＶより高くなっている。即ち、両者の電圧差の符号が逆転している。これは、第１セルと第２セルとのＳＯＨ差に起因している。そこで、ＳＯＨ差を正規化する。

初期容量基準のＳＯＣを入力変数、ＯＣＶを出力変数、傾きを正とする一次関数（一次直線）を導入する。図１２に示す例では、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の初期容量基準のＳＯＣが０．５の地点を通る接線を、一次直線として導入している。

制御部１５は、各セルのＳＯＨに応じたＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を参照して、各セルの検出電圧に対応する初期容量基準のＳＯＣを推定する。なおセルの電圧検出時に、蓄電モジュールＭ１が充放電中の場合は、検出電圧がＯＣＶではなく、ＣＣＶ（Closed Circuit Voltage）になる。簡易的な方法として、ＣＣＶをノイズ除去フィルタに通して、ノイズ除去後のＣＣＶをＯＣＶとして取り扱う方法がある。より厳密な方法として、ＣＣＶを、電流と内部抵抗をもとに補正してＯＣＶを推定する方法がある。その際、内部抵抗を、温度、ＳＯＣ及びＳＯＨに応じて補正することにより、より精度を向上させることができる。

制御部１５は、各セルの検出電圧に対応する初期容量基準のＳＯＣを、上記一次関数に適用して代替ＯＣＶを導出する。制御部１５は、代替ＯＣＶをもとに、正規化後の電圧差を算出する。図１２では、ＳＯＨ＝８０％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線における初期容量基準のＳＯＣが０．６のときのＯＣＶを下方向に移動させて、一次直線における初期容量基準のＳＯＣが０．６のときのＯＣＶに変換している。また、ＳＯＨ＝１００％のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線における初期容量基準のＳＯＣが０．７のときのＯＣＶを下方向に移動させて、一次直線における初期容量基準のＳＯＣが０．７のときのＯＣＶに変換している。そして、一次直線上に変換した２つのＯＣＶの電圧差を、正規化後の電圧差として算出している。

図１２に示す例では、充電前の正規化後電圧差と、充電後の正規化後電圧差に差異がないと評価できるため、微小短絡が発生していないと判定される。一方、ＳＯＨの正規化をしない場合、充電前の電圧差と充電後の電圧差に差異が生じているため、微小短絡が発生していないにも関わらず、微小短絡が発生していると誤判定されてしまうことになる。

放電前の電圧差と放電後の電圧差を比較する場合も同様である。このように、充放電前の電圧差と、充放電後の電圧差を直線上に写像することにより、第１セルと第２セルとの間のＳＯＨの差異によるＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の差異を吸収することができる。即ち、直列接続された複数のセルに対する充放電による複数のセルのＳＯＣの変化を、複数のセル間のＳＯＣの比率を維持したリニアな変化に置き換えることができる。微小短絡が発生していなければ、複数のセルの電圧差は、直線上のどの区間をとっても一定になる。

図１３は、図１２の一次直線の位置を変えた図である。一次直線は、電圧検出部１２の最低検出単位より大きな値の傾きを持つものであれば、どの位置に導入されてもよい。なお、電圧検出部１２の最低検出単位より傾きが小さい場合は、複数のセル間の電圧差の変化を高精度に検出することができなくなる。

図１４は、本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第３の実施例を示すフローチャートである。電圧検出部１２は、直列接続されたｎ個のセルの電圧を検出して制御部１５に送信する（Ｓ１０）。所定の判定周期（例えば、１０分間）が経過すると（Ｓ１１のＹ）、制御部１５は、直列接続されたｎ個のセルを含む蓄電モジュールＭ１が均等化処理中であるか否か判定する（Ｓ１１１）。

制御部１５は、各セルのＳＯＨに応じたＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を参照して、各セルの初期容量基準のＳＯＣを推定する（Ｓ１１４）。制御部１５は、各セルの初期容量基準のＳＯＣをもとに、一次関数に各セルの検出電圧を写像する（Ｓ１１５）。制御部１５は、ｎ個の写像された検出電圧の内、最大電圧と最小電圧を除いた（ｎ−２）個のセルの平均電圧を算出する（Ｓ１２ａ）。制御部１５は、算出した平均電圧と、対象セルの写像された電圧との電圧差を算出する（Ｓ１３ａ）。

制御部１５は、今回算出した現在の電圧差と、Δｔ時間前に算出した電圧差との差分電圧ΔＶを算出する（Ｓ１４）。制御部１５は、算出した差分電圧ΔＶと判定閾値を比較する（Ｓ１５）。判定閾値は、一次関数の傾きの値に応じた値に設定される。一次関数の傾きが急に設定されている場合、差分電圧ΔＶの値が大きく算出されるため、判定閾値も大きく設定する必要がある。

本発明の実施の形態に係る管理装置１０による、微小短絡の検出方法の第４の実施例は、図１４のフローチャートのステップＳ１５とステップＳ１６の間に、図４又は図１１に示したステップＳ１５１、Ｓ１５２、Ｓ１５３の処理が追加されたものとなる。

以上説明したように本実施の形態では、複数のセル間の電圧差の傾き（単位時間あたりの電圧差の拡大量）をもとに微小短絡の有無を判定する。その際、セルの均等化放電の時間をもとに、均等化放電した容量を算出し、当該容量をもとに均等化放電セルの検出電圧を補正する。これにより、均等化処理の有無に関係なく、微小短絡の検出処理を常時、実施することができる。微小短絡の有無を判定できるタイミングを選ばず、いつでも判定することができる。従って、均等化処理との競合による、微小短絡の検出処理の中断により、微小短絡の発生から検出までの時間が長くなることを防止できる。即ち、微小短絡の検出遅れによる不安全事象の発生を抑制することができる。また、微小短絡の有無を判定するプロセスを、均等化処理中であるか否かにより変更する必要がなく、判定プロセスを単純化することができる。

また、各セルの検出電圧を直線上の値に変換することにより、ＳＯＣ又はＳＯＨの状態に関わらずに、共通の指標で微小短絡の有無を評価することができる。より具体的には、初期容量基準のＳＯＣを横軸として単調増加する一次直線を導入し、セルの検出電圧を、ＳＯＣ及びＳＯＨに応じて当該一次直線上の値に変換して、複数のセル間の電圧差を算出する。このように正規化された電圧差は、微小短絡が発生していない場合、変化しない。微小短絡が発生した場合、正規化された電圧差は、ＳＯＣ又はＳＯＨによらずに一律に拡大する。

また、ＳＯＣ又はＳＯＨに応じて判定閾値を変更することがなく、一律に微小短絡の有無を判定することができる。

このように、判定閾値や判定条件を変更せずに、セルのＳＯＣ、ＳＯＨ及び検出電圧の限られた情報から、検出電圧を、一律に微小短絡の有無を判定できる値に変換する。これにより、判定条件を細分化することなく、長期運用のどのフェーズでも、均一に精度よく微小短絡の有無を判定することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記図１２、図１３では、傾きが正の一次関数を用いる例を示したが、傾きが負の一次関数を用いてもよい。その場合、差分電圧と判定閾値との大小関係を逆にして判定すればよい。

上述の実施の形態ではパッシブ方式の均等化処理に適用する例を説明したが、アクティブ方式の均等化処理にも本発明を適用することができる。アクティブ方式の均等化処理は容量の大きいセルから容量の小さいセルにエネルギー移動を行って複数のセル間の容量を揃える方式である。アクティブ方式の均等化処理回路は、例えば蓄電可能な受動素子であるコンデンサ、インダクタあるいはトランスと、前記受動素子と直列接続された複数のセルの中から選択的に所定のセルとを接続するマルチプレクサとを含んで構成される。

アクティブ方式の均等化処理の場合、エネルギーの移動元となる放電側セルの検出電圧に、移動されるエネルギー量に対応する電圧補償値を減算により付与し、エネルギーの移動先となる充電側セルの検出電圧に、移動されるエネルギー量に対応する電圧補償値を加算により付与して均等化処理によるセル電圧の変化の影響をキャンセルする。これにより、均等化処理中でも、微小短絡の有無を高精度に判定することができる。

上述の実施の形態では車載用途の電源システム１に本発明を適用する例を説明したが、定置型蓄電用途の電源システムにも本発明を適用することができる。またノート型ＰＣやスマートフォンなどの電子機器用途の電源システムにも本発明を適用することができる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
［項目１］
直列接続された複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）のそれぞれの電圧を検出する電圧検出部（１２）と、
（１）前記複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）の検出電圧をもとに、前記複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）間の容量を均等化する均等化処理、及び（２）前記複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）の検出電圧の内、比較対象とする少なくとも１つのセルの検出電圧にもとづく代表電圧と、検出対象とする１つのセルの検出電圧との電圧差を第１時刻と第２時刻にそれぞれ算出し、２つの電圧差の差分が閾値以上のとき、前記検出対象のセルを異常と判定するセル異常判定処理を実行する制御部（１５）と、を備え、
前記制御部（１５）は、前記均等化処理中に前記セル異常判定処理を実行する場合、前記均等化処理の対象セルの検出電圧に、前記第１時刻から前記第２時刻の間の前記均等化処理による前記対象セルのエネルギー移動に基づく電圧変化分に対応する補償値を付与した後、前記第２時刻の前記電圧差を算出することを特徴とする管理装置（１０）。
これによれば、均等化処理中か否かに関わらず、セル（Ｃｎ）の異常を共通の判定基準で高精度に判定することができる。

［項目２］
前記複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）のそれぞれに並列に接続される複数の放電回路（Ｒ１−Ｒ２０、Ｓ１−Ｓ２０）を備え、
前記制御部（１５）は、前記複数の放電回路（Ｒ１−Ｒ２０、Ｓ１−Ｓ２０）を制御して前記均等化処理を実行し、前記均等化処理の対象セルの検出電圧を前記複数の放電回路（Ｒ１−Ｒ２０、Ｓ１−Ｓ２０）のうち前記対象セルに対応する放電回路により消費されるエネルギー量に基づいて前記対象セルの検出電圧の電圧変化分に対応する補償値を算出することを特徴とする請求項１に記載の管理装置（１０）。
これによれば、パッシブ方式の均等化処理による電圧変化分に対応する補償値を容易に推定することができる。

［項目３］
前記制御部（１５）は、前記補償値を、前記第１時刻の前記セル（Ｃｎ）の電圧、前記セル（Ｃｎ）と並列接続された放電回路（Ｒｎ、Ｓｎ）の回路定数、放電時間、及び前記セル（Ｃｎ）のＳＯＣ(State Of Charge)−ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）曲線をもとに推定することを特徴とする項目１に記載の管理装置（１０）。
これによれば、均等化処理による電圧変化分に対応する補償値を高精度に推定することができる。

［項目４］
前記制御部（１５）は、前記複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）の検出電圧の内、最大電圧と最小電圧を除き、残りの複数のセルの検出電圧を平均化して、前記代表電圧を算出することを特徴とする項目１または２に記載の管理装置（１０）。
これによれば、高品位な比較対象の電圧を生成することができる。

［項目５］
前記制御部（１５）は、前記２つの電圧差の差分を所定時間を経過する度に算出し、算出した電圧差の差分と前記閾値とをそれぞれ比較し、過去ｘ（ｘは２以上の整数）回の比較において、Ｎ（Ｎは２以上の整数）回以上、前記差分が前記閾値以上のとき、前記検出対象のセルを異常と判定することを特徴とする項目１から３のいずれか１項に記載の管理装置（１０）。
これによれば、微小短絡の検出にかかる時間と判定精度のバランスを好適に調整することができる。

［項目６］
直列接続された複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）と、
前記直列接続された複数のセル（Ｃ１−Ｃ２０）を管理する項目１から４のいずれか１項に記載の管理装置（１０）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、均等化処理中か否かに関わらず、セル（Ｃｎ）の異常を共通の判定基準で高精度に判定することができる電源システム（１）を構築することができる。

１電源システム、Ｍ１蓄電モジュール、Ｃ１−Ｃ２０セル、Ｒｓシャント抵抗、Ｅ１起電力、Ｒｉ内部抵抗、Ｒ１−Ｒ２０放電抵抗、Ｓ１−Ｓ２０放電スイッチ、Ｐｓ微小短絡経路、１０管理装置、１１放電部、１２電圧検出部、１３温度検出部、１４電流検出部、１５制御部、１５ａＳＯＣ−ＯＣＶマップ。

Claims

直列接続された複数のセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
（１）前記複数のセルの検出電圧をもとに、前記複数のセル間の容量を均等化する均等化処理、及び（２）前記複数のセルの検出電圧の内、比較対象とする少なくとも１つのセルの検出電圧にもとづく代表電圧と、検出対象とする１つのセルの検出電圧との電圧差を第１時刻と第２時刻にそれぞれ算出し、２つの電圧差の差分が閾値以上のとき、前記検出対象のセルを異常と判定するセル異常判定処理を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記均等化処理中に前記セル異常判定処理を実行する場合、前記均等化処理の対象セルの検出電圧に、前記第１時刻から前記第２時刻の間の前記均等化処理による前記対象セルのエネルギー移動に基づく電圧変化分に対応する補償値を付与した後、前記第２時刻の前記電圧差を算出することを特徴とする管理装置。
前記複数のセルのそれぞれに並列に接続される複数の放電回路を備え、
前記制御部は、前記複数の放電回路を制御して前記均等化処理を実行し、前記均等化処理の対象セルの検出電圧を前記複数の放電回路のうち前記対象セルに対応する放電回路により消費されるエネルギー量に基づいて前記対象セルの検出電圧の電圧変化分に対応する補償値を算出することを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
前記制御部は、前記補償値を、前記第１時刻の前記セルの電圧、前記セルと並列接続された放電回路の回路定数、放電時間、及び前記セルのＳＯＣ(State Of Charge)−ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）曲線をもとに推定することを特徴とする請求項１または２に記載の管理装置。
前記制御部は、前記複数のセルの検出電圧の内、最大電圧と最小電圧を除き、残りの複数のセルの検出電圧を平均化して、前記代表電圧を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の管理装置。
前記制御部は、前記２つの電圧差の差分を所定時間を経過する度に算出し、算出した電圧差の差分と前記閾値とをそれぞれ比較し、過去ｘ（ｘは２以上の整数）回の比較において、Ｎ（Ｎは２以上の整数）回以上、前記差分が前記閾値以上のとき、前記検出対象のセルを異常と判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の管理装置。
直列接続された複数のセルと、
前記直列接続された複数のセルを管理する請求項１から５のいずれか１項に記載の管理装置と、
を備えることを特徴とする電源システム。