用于检测蓄电装置的异常的装置和方法

专利名称：用于检测蓄电装置的异常的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于检测蓄电装置的异常的装置、方法和程序，特别
是用于检测诸如包括串联连接的多个电池块的电池组的蓄电装置的异常的技 术。
背景技术：
在现有技术中，通过串联连接一个或多个电池构建电池块并且多 个电池块串联连接形成的电池组装备在混合动力汽车和电动汽车中，并且研 发了用于测量电池组的每个电池块的电压或电流以及用于检测异常的装置。 检测异常的基本方法是测量每个电池块的电压和电流，并且通过最小二乘法 来计算内阻(IR)。基于IR的增加或偏差来检测异常。图12表示通过测量获得的电池块的电流相对于电压的图的结果， 其中横轴代表电流，而纵轴代表电压(电池块电压)。在图12中，X标志代 表每个测量点。直线50是基于多个测量点通过最小二乘法获得的直线，并且 直线的斜率代表IR。为电池组的每个电池块计算出直线，并且当该直线在允 许范围内时，判定电池组正常。另一方面，如图13所示，当通过最小二乘法 计算每个电池块的直线时，当某些电池块的直线60相对于其它电池块的直线 50具有较大偏差时，通过判定IR由于使用时间的过去而增加来检测电池组 的异常，包括气密性等。JP 2001-196102 A公开了一种检测电池的温度的异常增加的技 术，其中基于电池块的电压和电流计算每个电池块的IR，并且将IR与预定阈值相比较。图14表示在所述对比文件中公开的电池组控制装置的结构。电 池组控制装置装备在混合动力汽车中。电池组控制装置控制电池组10的输入
和输出。电池组10包括串联连接的多个电池块10A。多个电池块10A的每一 个包括串联连接的多个单个电池IOB。电池组控制装置包括电池电力输入和
输出部l，其控制电池组10的电力的输入和输出；电池块电压检测部2，其 检测多个电池块10A的每一个的电池块电压；电池电流检测部3，其检测电 池组10的电池电流；异常温度上升检测部4，其基于电池块电压和电池电流
检测单个电池10B的异常温度上升；车辆控制部5，其基于异常温度上升检 测部4的异常温度上升的检测结果来控制电池电力输入和输出部1;以及电 池温度检测部6，其检测电池组10的电池温度。异常温度上升检测部4包括 内阻计算部4A，其基于电池块电压和电池电流计算多个电池块10A的每一个 的内阻；阈值设定部4B，其基于电池组10的电池温度来设定阈值；变量计 算部4C，其计算多个电池块10A的每一个的电池块电压的平均值和变量o 2; 变量异常温度上升检测部4D，其基于多个电池块10A的每一个的电池块电压、 平均值和变量c^检测单个电池iob的异常温度上升；以及剩余电容量异常 温度上升检测部4E，其基于多个电池块10A的每一个的剩余电容量来检测单 个电池10B的异常温度上升。电池电力输入和输出部1包括混合动力汽车的 变流器1A和电动发电机1B。龟动发电机1B通过变速器11驱动发动机12。 发动机控制部13基于车辆控制部5的输出控制发动机12。车辆控制部5连 接到加速踏板7、制动踏板8、变速杆9和电池剩余电容量检测部14。车辆 控制部5基于异常温度上升检测部4的异常温度上升的检测结果来控制电池 电力输入和输出部1。 JP 2005-195604 A公开了这样一种技术其中在预定时间测量电 池组的多个电池中的每一个的电压，并且同时测量流经电池组的电流，计算通过测量获得的每个电压的最大值和最小值之间的差异，并且基于一对电流 和差异的值检测电池组的异常。然而，在测量每个电池块的电池块电压和电流的结构中，电池块
电压需要A/D转换器，这可能导致成本的增加。此外，由于基于电池块电压 和电流通过最小二乘法计算IR，所以存在由于计算量的增加而导致处理时间 增加和处理程序的负荷增加的问题。此外，当在这种状态中增加计算速度时， 可能导致热量的产生，这可以妨碍检测装置的尺寸减小。

发明内容
本发明提供一种利用简单结构能够快速地并且精确地检测诸如电 池组和电容器的蓄电装置的异常的装置和方法。根据本发明的一个方案，提供了一种检测蓄电装置的异常的检测 装置，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多 个蓄电单元，所述检测装置包括测量单元，其为每个电池块测量在电池块 的电压变得等于预定电压的时候的电流值；以及检测单元，其基于每个电池 块的测量到的电流值的偏差来检测蓄电装置的异常。根据本发明的另一个方案，提供了一种检测蓄电装置的异常的方 法，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多个 蓄电单元，所述方法包括以下步骤为每个电池块测量在电池块的电压变得 等于预定电压的时候的电流值；以及通过将每个电池块的测量到的电流值的 偏差与阈值相比较来检测蓄电装置的异常。根据本发明的另一个方案，提供了一种存储用于检测蓄电装置的 异常的计算机程序的记录介质，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多个蓄电单元，当执行所述计算机程序时使得计算机 执行的过程包括为每个电池块测量在所述电池块的电压变得等于预定电压 的时候的电流值，顺序地将每个电池块的测量到的电流值存储在存储器中， 基于存储在存储器中的每个电池块的多个电流值通过预定的统计过程来计算 每个电池块的代表电流值，使得计算部件计算通过计算获得的每个电池块的 代表电流值的偏差；以及通过将通过所述计算获得的偏差与阈值在大小上进 行比较来检测蓄电装置的异常。根据本发明的另一个方案，提供了一种检测蓄电装置的异常的检 测装置，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或 多个蓄电单元，所述检测装置包括测量单元，其测量在多个电池块之中的 相邻电池块之间的电压差变得等于预定电压的时候的电流值，以及检测单元，
其基于测量到的电流值的大小来检测蓄电装置的异常。根据本发明的多种方案，可以通过小型并且简单的结构基于在预 定时刻的电流值来检测蓄电装置的异常，而不检测一组电流和电压。


图1为根据本发明的优选实施例的异常检测装置的整体结构图。
图2为本发明的优选实施例的处理流程。
图3为表示电流取样定时的脉冲波形图。
图4为表示当发生短路时的电流-电压特性的图。
图5为表示当发生微小短路时的电流-电压特性的图。图6为表示当IR增加时的状况的图。
图7为表示当发生短路时的电流-电压特性的图。 图8为表示当发生微小短路时的电流-电压特性的图。 图9为表示当IR增加时的状况的图。 图10为表示当电容量减小(过充电)时的电流-电压特性的图。
图11为表示电流的变化和异常模式之间的关系的表格。
图12为表示在现有技术中计算IR的方法的图。
图13为表示在现有技术中检测IR的异常的方法的图。
图14为现有技术的结构的整体结构图。
图15为表示同时性的精度和电流值分布之间的关系的图。
图16为用于表示同时性的精度和电流值分布之间的关系的模拟中的电 流分布图。
图17为在本发明的另一个优选实施例中的异常检测装置的结构图。
图18为本发明的又一个优选实施例的异常检测装置的结构图。
图19为表示正常时的电流-电压差特性的图。
图20为表示当发生短路时的电流-电压差特性的图。
图21为表示当发生微小短路时的电流-电压差特性的图。图22为表示当IR增加时的电流-电压差特性的图。 图23为表示当电容量减小(过充电)时的电流-电压差特性的图。
具体实施例方式现在将描述本发明的优选实施例。图1表示在本实施例中的电池组的异常检测装置的结构。与图14 中所示的电池组控制装置相似，该异常检测装置装备在混合动力汽车中，并 且检测电池组的异常。图l没有示出图14中所示的电池电力输入和输出部1、 车辆控制部5、发动机控制部13等等，由于这些元件与图14中的那些元件 相似。将不再描述这些元件。在图1中，作为蓄电装置的电池组100包括多个电池块Bl Bn， 并且电池块Bl Bn串联连接。每个电池块包括一个或多个串联连接的单个电 池。例如，每个电池是镍金属氢化物电池或锂离子电池。电压传感器120-1 120-n分别检测电池组100的电池块Bl Bn 的电池块电压VBl VBn。检测到的电池块电压VBl VBn分别供给到比较器 140-1 140-n。比较器140-1 140-n将输入的电池块电压VBl VBn与预定电压 相比较，并且判定电池块电压VBl VBn是否已经达到了预定电压。当电池块 电压VBl VBn与预定电压相匹配时，比较器140-1 140-0n将匹配信号供给 到判定单元160。用于在每个比较器140_1 140-n中进行判定的预定电压具 有相同的值。因此，当电池块电压VBl VBn大约相等时，匹配信号在大约相 同的时间从比较器140-1 140-n输出。另一方面，当电池块电压VBl VBn 彼此不同时，匹配信号在与电池块电压的值相对应的时间从比较器140-1 140-n输出。从比较器140-1 140-n输出的匹配信号用作限定电池组的电流 的取样时间的取样信号。电流传感器180检测电池组100的电流IB。检测到的电流IB供 给到判定单元160。判定单元160在从比较器140-l 140-n供给匹配信号的时候对从 电流传感器180供给的电流IB进行取样，并在存储器中存储电流值。因此， 存储器存储当电池块B1的电池块电压VB1已达到预定电压的时候的电流值、 当电池块B2的电池块电压VB2已达到预定电压的时候的电流值、…当电池块 Bn的电池块电压VBn已达到预定电压的时候的电流值。判定单元160为每个 电池块对存储在存储器中的取样电流执行统计过程，并且设定每个电池块的 代表电流值。例如，平均值可以被判定为统计过程，以便计算电池块B1的取 样电流的平均值并将其设定为电池块B1的代表电流值II，计算电池块B2的 取样电流的平均值并将其设定为电池块B2的代表电流值12，以及计算电池 块Bn的取样电流的平均值并将其设定为电池块Bn的代表电流值In。基于以 上述方式计算的电池块的代表电流值11 In，判定单元160还根据代表电流 值11 In的变化判定在电池组100中是否发生了异常，并且输出判定结果。注意到的是虽然在现有技术中检测到电池块电压和电池块电流的 成对数据，通过最小二乘法或回归分析来计算每个电池块的IR，并且确定异 常的存在与否，但在本实施例中，基于电池块的代表电流值Il In来判定异 常的存在与否。判定单元160可以由微型计算机形成，并且可以在包括比较器 140—1 140—n的IC中形成。
图2是本实施例的异常判定处理的流程图。首先，设定将与比较
器140-1 140-n中的电池块电压VBl VBn进行比较的且作为预定电压的阈 值电压Vth (SIOI)。设定阈值电压Vth的方法是任意的，但为了在短时间内 允许大量的电流取样，理想的是当电池组IOO在车辆行驶过程中重复充电和 放电的时候将阈值电压Vth设定为电压变化范围内的预定值。阈值电压Vth 可以被设定为绝对值或可以基于相对于电池组100的基准SOC (充电状态) 的比率设定。作为预定电压的阈值电压Vth可以被预先供给到比较器140-1 140-n，或可以采用阈值电压Vth记录在寄存器中然后被供给到比较器 140_1 140-n的结构，从而可以通过替换寄存器的内容来适当地调节阈值电 压Vth。在设定了阈值电压Vth (S101)之后，比较器140-1 140-n将电
池块电压VBl VBn与阈值电压Vth相比较，并且获得了当电池块电压VB1 VBn己达到阈值电压Vth吋的电流值(S102)。获得的电流值顺序地存储在用 于每个电池块的存储器中。然后，为每个电池块计算电流的代表值(S103)。 待获得的电流的样本数是任意的，并且可以固定在预定值。选择性地，可以 固定取样时间。当取样时间固定时，可能存在电池块之中的样本数不同的情 况。样本数至少是两个，也可以是几十个。通常，每个电池块的代表值是上 述平均值，但选择性地可以是中间值、最大值或最小值。然而，理想的是为 全部电池块基于同一标准计算代表值。在为每个电池块计算了代表电流值之后，基于每个电池块的代表 电流值的变化程度来判定是否发生了异常(S104)。与现有技术相似，判定结 果被供给到车辆控制部，并且车辆控制部控制电池组100的电力输入和输出 部或通知车辆的乘员电池组的异常。
图2的处理可以由作为判定单元160的一部分的微型计算机或判 定单元160的一部分实现，并且比较器140-1 140-n顺序地执行存储在ROM 中的异常诊断程序。异常诊断程序可以存储在诸如CD-ROM的记录介质中并被 安装在计算机中。可以使用任意种类的存储异常诊断程序的记录介质，并且 记录介质可以是诸如CD-R0M、 DVD-R0M、闪存等的任意介质。在步骤S102中
获得的每个电池块的电流值顺序地存储在微型计算机的工作存储器中。在步 骤S103中，微型计算机的处理器读取存储在存储器中的每个电池块的多个电 流值，应用预定的统计过程，例如，平均值计算过程，并且计算每个电池块 的代表电流值。计算出的代表电流值再次被存储在工作存储器中。在步骤 S104中，微型计算机的处理器读取存储在工作存储器中的每个电池块的代表 电流值并且计算偏差。存在多种计算所述偏差的方法。例如，提取代表电流 值的最小值和最大值，并且计算差值或计算变量o2。选择性地，可以计算代 表电流值的平均值，并且可以从该平均值中计算出最大差分值。将算出的偏 差在大小上与存储在工作存储器中的阈值进行比较，判定在具有超过阈值的 代表电流值的电池块中发生了异常，并且通过输入和输出接口将判定结果输 出到外部。在有或无异常发生的情况下，可以将用于识别其中发生了异常的 电池块的信息作为判定结果输出。图3示出了作为电池组100的一部分的任意电池块Bi的电流取样 时间。图3 (a)示出了由电压传感器120-i检测到的电池块电压相对于时间 的变化。橫轴表示时间(s)，而纵轴表示电压值(V)。随着重复充电和放电， 电池块电压也在约6V和约10V之间变化。图3还示出了设定阈值电压Vth。 在图3中，将阈值电压Vth设定大约为7V。在图3中，黑点表示的是电池块 电压和阈值电压Vth匹配的时间。
图3 (b)示出了在比较器140-i中的电池块电压和阈值电压Vth 的比较结果的信号波形。如果采用了比较器140-1 140-n将电池块电压和阈 值电压进行比较的结构，并且当电池块电压^阈值电压Vth的时候输出高电 平的电压信号，当电池块电压<阈值电压Vth的时候输出低电平的电压信号， 则输出如图3所示的矩形波信号。矩形信号的升降次数表示当电池块电压和 阈值电压Vth相等的时候的次数。因此，当输入如图3 (b)所示的矩形波信 号时，判定单元160在与矩形波信号的升降同步的时间对电流IB进行取样， 从而能够获得当电池块电压已经达到阈值电压Vth的时候的电流。图3 (c)示出了由电流传感器180检测到的电流相对于时间的变 化。随着重复充电和放电，电流也变化到正侧和负侧(当正侧被设定为充电 时，负侧表示放电)。判定单元160在来自比较器140-i的矩形波信号的升降 的时间对电流IB进行取样并获得I1 I8。获得的电流值顺序地存储在存储 器中，并且计算电流值I1 I8的代表值。在下文中将电池块Bi的代表电流 值称为IBi。图4为表示为每个电池块计算的代表电流值的图，纵轴表示电池 块电压，而横轴表示电流。应注意的是，在现有技术中使用电流-电压特性计 算每个电池块的IR，而在本实施例中，标出了在作为特定电压的阈值电压Vth 处的电流值为代表值。在图4中，示例出电池块B1的代表电流值IB1，电池 块B2的代表电流值IB2，电池块B3的代表电流值IB3，以及电池块Bi的代 表电流值IBi。电流-电压特性的斜率是IR，并且由于每个电池块具有唯一的 IR，因此可以考虑穿过为每个电池块绘制的代表电流值的直线(或曲线)。在 图4中，示出了穿过所绘制的代表电流值的直线。在现有技术中，如图12 所示，检测并绘制出了多组电流和电压，并且使用回归分析来计算直线50， 并且将直线50的斜率计算作为IR。然而，本实施例仅考虑了穿过代表电流值的直线。所考虑的直线的斜率将表示IR，但所考虑的直线被认为是具有预 定斜率的直线。然后，基本上，基于所考虑的直线的变化以及在电池块的代 表电流值中的变化，判定有无异常。例如，电池组100的异常模式可以包括以下内容
(1) 自身短路(短路)；
(2) 微小短路(自身放电和内部放电的增加)；
(3) IR的增加(由于使用时间的增加和漏气)；
(4) 电容量减小；以及
(5) 温度上升。其中，在(1)自身短路中，在电池块中的单个电池(单电池)内 部的极板互相接触并短路，因此OCV (开路电压)也减小。在电流-电压特性 中，对应于OCV的截距(也就是当电流为O时的电压值)减小。在图4中， 直线150和直线200具有相同的斜率，但是直线150的截距和直线200的截 距彼此明显地不同。这是由于在代表电流值工B1、 IB2，以及IB2和代表电流 值IBi之间的大的变化。在这种情况中，判定很可能在对应于代表电流值IBi 的电池块Bi中已经发生了自身短路并且己发生了异常。更具体地，将变化(偏 差)在大小上与预定值相比较，并且当变化小于或等于预定值时，判定为正 常，而当变化大于预定值时，判定已发生了异常。代表电流值的变化程度可 以由任意的评价公式进行评价。例如，变化程度可以通过将变量02与预定 值比较大小来进行评价，或可以通过将代表电流值的最大值和最小值之间的 差和预定值比较大小来进行评价。
在(2)微小短路中，金属沉积在电池内部增加并且在正、负极间 形成导电路径，并且自身放电和内部放电增加。图5示出微小短路情况中的 电流-电压特性。由于在放电过程中电压减小，所以与正常直线150相比，直 线300所示的电压减小。同样在这种情况中，这种减小是由于代表电流值IB1、 IB2和IB3与代表电流值IBi之间的大的变化引起的，并且判定很可能在与 代表电流值IBi相对应的电池块Bi中发生微小短路并且已经发生了异常。在(3) IR增加的情况中，电流-电压特性的斜率增加。图6表示 IR增加的情况中的电流-电压特性。相对于正常直线150，直线400所示的斜 率增加。这也是由代表电流值IB1、 IB2和IB3与代表电流值IBi之间的大的 变化引起的，并且判定很可能在与代表电流值IBi相对应的电池块Bi中发生 了由于使用时间的增加和漏气引起的IR增加并且己发生了异常。与(2)微小短路的情况相似，(4)电容量减小是由重复充、放电 引起的，如图5所示观察到相对于正常直线150的直线300。这种情况还可 以理解为代表电流值IBi相对于代表电流值IB1、 IB2和工B3具有大的变化， 并且判定很可能在对应于代表电流值IBi的电池块Bi中发生了电容量减小并 且已经发生了异常。作为(3) IR增加的结果发生了 (5)温度上升，并且如图6所示， 与正常直线150相比，直线400所示的斜率增加。这种情况也可以理解为代 表电流值IBi相对于代表电流值IB1、 IB2和IB3具有大的变化，并且判定很 可能在对应于代表电流值IBi的电池块Bi中发生了温度上升并且己经发生了 异常。如上所述，能够由电池块的代表电流值IBl IBn的变化(偏差) 的大小评价全部异常模式(1) (5)，并且当代表电流值IBl IBn的变化在预定范围内时，没有异常发生，而当代表电流值IBl IBn的变化超过预定
范围时，可能判定在对应于代表电流值超过所述范围的电池块中发生了(1)
(5)任一项中的异常。在本实施例中，正常/异常不是通过将每个电池块的
代表电流值本身与阈值相比较判定的，而是基于代表电流值的变化来判定正 常/异常。这是由于难以适当地设定用于判定异常的阈值，因为电池组的每个 电池块的电化学反应容易受到温度的影响并且由于记忆效应在电池块中可能 发生从初始状态的变化，但是难以完全预测所述变化。在本实施例中，能够基于电池块的代表电流值Bl Bn的变化程度 简便并快速地判定发生了 (1) (5)任一项中的异常，并且判定电池组100 的电池块Bl Bn中发生了异常的电池块，但是不能够识别发生了哪种异常模 式。因此，能够采用以下结构在判定发生了一些异常之后，使用其它参数 识别异常的种类。此外，在本实施例中，电池被用作蓄电装置，但是本实施例也可 应用于电容器作为蓄电装置。作为上述异常模式(1) (5)中电容器的异 常模式，可能发生(4)电容量减小。能够将形成电容器的一部分的每个电池 块的代表电流值的变化(偏差)的大小与预定范围相比较，并且当变化较大 并且超过预定范围时，判定已经发生了异常。已经对本发明的优选实施例进行了说明。然而，本发明不局限于 这种结构和可能做出的多种变化。本发明主要的一点在于不是使用为每个电 池块测量的一对电流和电压来检测异常，而是基于在每个电池块的预定时间 的电池块之中的电流变化程度(也就是当电压达到预定电压时的时间)，并且 包括广泛地使用除在每个电池块的预定时间的电池块之中的电流变化之外的 其它参数的任意的异常检测技术。在本实施例中，作为每个电池块在预定时 间的电流，在电压达到特定电压的时间测量电流，但是选择性地，也能够采用提供了两个或多个阈值电压的结构，基于当电压达到每个电池块的第一阈 值电压时电池块中电流的变化，并且基于当电压达到每个电池块的第二阈值 电压时电池块中电流的变化广泛地检测异常。换句话说，当电压已经达到每 个电池块的第一阈值时电池块中电流的变化和当电压已经达到每个电池块的 第二阈值时电池块中电流的变化二者都超过阈值时，判定已经发生了异常。 选择性地，当在电压己经达到每个电池块的第一阈值电压时电池块中电流的 变化和在电压已经达到每个电池块的第二阈值电压时电池块中电流的变化中 的至少一个超过阈值的时候，能够判定异常。可以任意地设定第一和第二阈 值电压，例如，可以将第一阈值电压设定为放电侧的阈值，并且可以将第二 阈值电压设定为充电侧的阈值。现在将描述提供了两个阈值电压并且检测到异常的结构的实例。
当通过一个设定的阈值电压检测异常时，不能够识别发生了异常模式(1)
(5)中的哪一个。通过提供两个阈值电压，变得能够识别发生了哪种模式的
异常更具体地，除在放电侧的阈值电压之外，设定了在充电侧的阈值 电压。在放电侧的阈值电压被设定为Vthl，而在充电侧的阈值电压被设定为 Vth2。检测到当电压达到阈值电压V'thl和Vth2的时候的电流，并且评价放 电侧和充电侧的变化程度。使用电池块的代表电流中的变化大小的最大值A I，以及在从电池块中的平均值开始变化最大的电池块Bi的变化AIdif二E IBj/n-IBi作为变量。对应于放电侧的阈值电压Vthl的变量被设定为AIl 和AIdifl，并且对应于充电侧的阈值电压Vth2的变量被设定为AI2和A Idif2。在放电侧和充电侧二者上，将AI和A工dif与阈值比较大小，并且识 别有无异常和异常模式。
图7表示在(1)短路情况中的电流-电压特性。图7与图4相似， 但与图4的区别在于在充电侧(正电流侧)还设定了阈值电压Vth2，并且在 充电侧检测每个电池块的电流。当考虑放电侧时，如果IBl IBn中的IBi 和IB3之间的差的绝对值为最大，则AIl为I IB3-IBi I ，这是在大小上与 阈值相比，并且当AI1超过阈值时判定发生了异常。这在充电侧是类似的， 并且在大小上与阈值相比八12= I IB3-IBi I ，当AI2超过阈值时判定发生了 异常。当考虑AIdif时，从AIdif的定义来看，当异常电池块Bi的代表电 流值大于全部电池块的平均电流值时A Idif具有负值，并且当异常电池块Bi 的代表电流值小于平均电流值时AIdif具有正值。在图7中，异常电池块的 代表电流值IBi相对于在放电测的异常电池块处于更正侧的位置，因此，A Idifl具有负值。相似地，在充电侧上AIdif2具有负值。图8示出在(2)微小短路和(4)电容量减小的情况中过放电时 的电流-电压特性。除在充电侧还设定了阈值电压Vth2并且在充电侧检测每 个电池块的电流之外，图8与图5相似。当考虑到放电侧时，AI1超过阈值 并且检测到电池块Bi的异常，但AI2小于或等于该阈值。此外，AIdifl 具有与图7相似的负值，但由于AI2小于或等于该阈值，所以AIdif2在正 常范围内。图9示出(3) IR增加、(5)温度上升以及电容器的电容量减小 的情况中的电流-电压特性。除在充电侧还设定了阈值电压Vth2并且在充电 侧检测每个电池块的电流之外，图9与图6相似。在放电侧上，AI1超过阈 值并且检测到电池块Bi的异常，AIdifl具有负值。另一方面，在充电侧上， AI2也超过阈值并且检测到电池块Bi中的异常，并且由于IBi变换到负侧， 所以A工dif2具有负值。换句话说，A Idif 1和A Idif2的信号具有相反的极 性。
图10示出电容量减小和过充电的情况中的电流-电压特性。与图 7-9相似，除阈值电压Vthl设定在放电侧上之外，阈值电压Vth2也设定在 充电侧上。附图标记500表示电池块Bi的特性。在放电侧上，AI1小于或 等于阈值并且是正常的，但AI2超过阈值并且检测到电池块Bi中的异常。 此外，在充电侧上，由于IBi变换到负侧，所以Aldif2具有正值。由于A Idifl和A Idif2的符号根据异常模式变化，所以可以基于 符号中的变化识别异常模式。图ll对AIl、 AI2、 Aldifl和AIdif2与阈 值A的比较结果进行了概括。在图11中，例如，当AI1超过阈值A (是)并 且AI2也超过阈值A (是)时，如果AIdifl的符号为负，也就是说，AIdif 〈-A并且AIdif2的符号为负，也就是说，AIdif2<-A，则判定发生了图7 中所示的短路。另一方面，当AIl和AI2超过阈值但AIdifl的符号为负而 Aldif2的符号为正时，也就是说，AIdif>A，则判定发生了图9中所示的 IR增加、温度上升或电容器的电容量减小。另一方面，当只有AI1超过阈值 而A 12在正常范围内时，判定由于图8所示的微小短路或电容量减小而发生 了过放电。当只有AI2超过阈值并且AIl在正常范围内时，判定由于图10 所示的电容量减小发生了过充电状态。尽管AIl、 AI2、 AIdifl和Aldif2 的阈值使用了相同的值A,也可以基于待检测的故障使用不同的值。本领域中的普通技术人员能够通过参考图11想到用于识别异常 模式的多种算法。本实施例包括通过组合AIl、 A 12、 A Idifl和AIdif2 用于识别异常模式的任意算法。从图ll可清楚地看出，能够仅基于AIdifl 和△ Idif2而不使用A II和A 12来识别异常模式。在本实施例中，在电池块的电压变得等于预定电压的时候获得每 个电池块的电流值。更具体地，在电池块电压VBl VBn己达到阈值电压Vth 的时候在图2的歩骤S102中获得电流值。在达到阈值电压Vth的时候的电流值不需要严格的同时性，并且可以在特定的可允许的时间范围内获得。在
100msec内的同时性对用于判定蓄电电池的异常所需的同时性将是充足的。 将根据对蓄电电池的异常判定所需的精确度判定同时性的允许范围。当蓄电 电池装备在混合动力车辆中时，混合动力发动机的驱动载波频率大约为KHz， 并且根据尼奎斯特定理，理论上期望lmsec或更小的同时性。然而，基于本 发明人的经验，不需要这种程度的同时性，而如上所述大约100msec的同时 性是充足的。也能够从确保在蓄电电池的多种异常模式中可靠地确定具有最 高优先权的异常模式的必要精确度的观点出发设定同时性的允许范围。例如， 当在异常模式中工R增加的优先权特别高时，能够设定可靠地检测预定量或更 大(例如，与正常值相比变化量AIR4090的IR增加所需的同时性。此外，在本实施例中，在图2的步S103中计算每个电池块的代
表值，但也能够在计算每个电池块的代表值时除去具有低精确度的电流值样 本的同时计算代表值，来提高同时性的精确度。更具体地，使用每个电池块 的电流值的分布来判定是否要包括电流值样本。更具体地，可以采用以下结 构，其中(a)将具有比电流值的分布大预定值或更大的电流值的偏差的电流 值样本从计算代表值的样本中除去，(b)当电流值分布的偏差本身大时不计 算代表值本身等等。换句话表述条件(b)为只有当电流值分布的偏差本身 小于或等于预定值时计算代表值。图15示出表示同时性的精确度和电流值分 布之间的关系的模拟结果。图16表示在模拟中使用的电流分布图。在图15 中，示出了相对于当电池块电压已达到阈值电压Vth时不存在延迟(无延迟) 时的电流分布，其中延迟为10msec，延迟为50msec，延迟为100msec以及延 迟为1秒。没有延迟的时间分布具有为1. 83的标准偏差和为3. 35的分散度 (variance),而延迟为1秒的分布具有为13. 00的标准偏差和为168. 88分 散度，因此随着同时性的精确度减小分布度增加。通过使用上述(a)或(b)中的一个除去电流值样本，能够改进每个电池块的代表值的精确度，也就是 同时性的精确度，也就是说通过简单的方式而不增加硬件的处理能力。通过 这种结构，可以提高异常判定的精确度。具体地，通过将来自图1中的比较器140-1等的输出提供给判定
单元160，将判定单元160处的比较器输出和来自电流传感器180的电流值 记录在寄存器中，以及在比较器输出变化的时候传送存储在寄存器中的电流 值到存储器，而可以顺序地存储当电压值已达到阈值电压Vth的时候的电流。 例如，比较器输出可以具有8比特，并且判定先前值和当前值是否一致。当 先前值和当前值不一致时，判定比较器的输出变化，也就是说，电池块电压 己达到阈值电压Vth。严格来讲，比较器的输出变化时的电流值可以刚好在 比较器的输出变化之前或刚好在比较器的输出变化之后的任何时间，或可以 是刚好在比较器的输出变化之前或刚好在比较器的输出变化之后时电流值的 平均值。在任何情况中，如上所述确保在允许范围内的同时性是足够的。在本实施例中，基于当电池块电压已达到阈值电压Vth时的电流 来检测电池组100的异常。选择性地，也能够基于相邻电池块之间的电压差 而不是每个电池块的电池块电压来检测电池组100的异常。图17表示基于相邻电池块之间的电压差检测到电池组100的异常 时的结构。来自检测电池块B1的电压的电压传感器120-1的检测到的电压 VB1和来自检测邻近电池块B1的电池块B2的电压的电压传感器120-2的检 测到的电压VB2 二者都被供给到减法器130-1。减法器130-1计算电池块Bl 和电池块B2之间的电压差VB1-VB2，并且将该电压差供给到比较器140-1。 减法器130-1可以将VB2-VB1作为邻近电池块之间的电压差计算，或可以选 择性地计算VB1-VB2或VB2-VB1的绝对值。比较器140-1将从减法器130-1 供给的电压差与预定阈值VTH相比较，并且判定电压差是否与预定阈值VTH
23匹配。然后，在电压差与预定阈值VTH匹配的时候比较器140-1将匹配信号 供给到判定单元160。设置了多个减法器130-1和比较器140-1。从比较器 140-1供给到判定单元160的匹配信号用作限定对电池组100的电流进行取 样的时间的取样信号。图18示出当基于邻近电池块之间的电压差检测电池组100的异常 时的另一个结构。来自检测电池块B1的电压的电压传感器120-1的检测到的 电压和来自检测邻近电池块B1的电池块B2的电压的电压传感器120-2的检 测到的电压VB2二者都被供给到减法器130-1。此外，来自检测电池块B2的 电压的电压传感器120-2的检测到的电压VB2也分支并且被供给到减法器 130-2。此外，来自检测邻近电池块B2的电池块B3的电压的电压传感器120-3 的检测到的电压VB3被供给到减法器130-2。减法器130-1计算电压VB1和 电压VB2之间的电压差，并且将该电压差供给到比较器140-1。减法器130-2 计算电压VB2和电压VB3之间的电压差，并且将该电压差供给到比较器 140-2。比较器140-1将从减法器130-1供给的电压差与预定阈值VTH相比较， 并且判定该电压差是否与预定阈值VTH匹配。然后，当电压差与预定阈值VTH 匹配的时候，比较器140-1将匹配信号供给到判定单元160。相似地，比较 器140-2将从减法器130-2供给的电压差与预定阈值VTH相比较，并且判定 该电压差是否与预定阈值VTH匹配。然后，当电压差与预定阈值VTH匹配的 时候，比较器140-2将匹配信号供给到判定单元160。在所述结构中，如果 在电池块B2中发生了异常，例如，异常不仅影响通过减法器130-1计算的电 压差，也影响通过减法器130-2计算的电压差。图19示出了当邻近电池块之间的电压差已达到预定阈值VTH时对 电流值进行取样的结果(表示电流和电压差之间的关系的特性图)。在图19 中，横轴代表电流值而纵轴代表电压差。如图19所示，当电池组100正常时，电压差是通过O的直线，并且当电压差与阈值VTH匹配时电流值II和12的 值(绝对值)大于基准电流值Iref。图20表示当在电池组100中发生了自身短路时的特性图。如图4 所示，当发生了自身短路时，由于直线150和直线200具有相同的倾斜度， 所以电压差变得接近恒定，测得当电压差与阈值VTH匹配时的电流值为II、 12、 13、 14、 15等，并且检测到比基准电流值Iref的绝对值小的电流值。图21表示当在电池组100中发生了微小短路时的特性图。如图5 所示，但发生了微小短路时，由于在放电过程中的电压减小，所以电压差具 有逐渐增加到放电侧的特性。测得当电压差与阈值VTH匹配时的电流值为II (放电侧)，并且检测到比基准电流值Iref的绝对值小的电流值II。图22表示当在电池组100中发生了 IR增加时的特性图。如图6 所示，当发生了IR增加时，斜率增加，诸如直线400与正常直线150相比。 与正常情况相似，电压差是通过O的直线，但由于IR增加斜率也增加。因此， 当电压差与阈值VTH匹配时电流值II和12的绝对值逐渐减小。换句话说， 可以基于电流值II和12的绝对值来评价IR增加的程度。图23示出当在电池组100中发生了电容量减小(过充电)时的特 性图。如图10所示，当发生了电容量减小(过充电)时，在充电侧上电压增 大，因此在特性图中，在充电侧上电压差逐渐增加。检测到当电压差与阈值 VTH匹配时的电流值为II (充电侧)，并且检测到具有比基准电流值Iref的 绝对值小的电流值Il。如上所述，将当电压差与阈值VTH匹配时的电流值的大小(绝对 值)与基准电流值Iref在大小上进行比较，并且当检测到的电流值的绝对值 大于基准电流值Iref时，判定电池组100正常，当检测到的电流值的绝对值小于基准电流值Iref时，判定在电池组100中发生了异常。此外，即使当检 测到的电流值的绝对值大于基准电流值Iref时，如果该值较小(也就是说， 该值接近基准电流值)，则能够判定内阻在增加。例如，通过图17的电路结构，即使当在电池块B2中出现了异常 时，也不能够判定在电池块B1和B2的哪一个中发生了异常。然而，通过图 18的结构，由于除电压差VB1-VB2之外还计算了电压差VB2-VB3，所以能够 判定在电池块B2而不是电池块B1中发生了异常。如上所述，能够通过检测当邻近电池块之间的电压差已达到预定 阈值VTH时的电流值来检测电池组100的异常，并且将该电流值与基准电流 值Iref在大小上进行比较。在图19-23中，VB1-VB2等被用作电压差，但也 能够使用绝对值。当使用邻近电池块之间的电压差时，新加了对用于检测电 压差的电路的需要。然而，当将电池组IOO作为锂离子电池装备在混合动力 汽车中时，使用了由单个IC管理多个电池块的结构，因此能够在IC内部提 供电压差检测电路。
权利要求
1、一种检测蓄电装置的异常的检测装置，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多个蓄电单元，所述检测装置包括测量单元，其为每个电池块测量在所述电池块的电压变得等于预定电压时的电流值；以及检测单元，其基于每个电池块的测量到的电流值的偏差来检测蓄电装置的异常。
2、 根据权利要求l所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中所述检测单元包括计算单元，其基于每个电池块的多个测量到的电流值通过预定的统计过 程来计算每个电池块的代表电流值；以及比较单元，其将每个电池块的经计算的代表电流值的偏差与预定值进行 比较以检测所述蓄电装置的异常。
3、 根据权利要求2所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中代表值是每个电池块的多个电流值的平均值、屮间值、最小值和最大值 中的一个。
4、 根据权利要求l所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中所述检测单元检测短路、内阻的增加和电容量的减小中的至少一个作为异常。
5、 根据权利要求l所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中 所述蓄电装置是电池和电容器中的一个。
6、 一种检测蓄电装置的异常的方法，所述蓄电装置具有串联连接的多个 电池块，每个电池块具有一个或多个蓄电单元，所述方法包括以下步骤为每个电池块测量在电池块的电压变得等于预定电压时的电流值；以及通过将每个电池块的测量到的电流值的偏差与阈值相比较来检测所述蓄 电装置的异常。
7、 一种存储用于检测蓄电装置的异常的计算机程序的计算机可读记录介质，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多个蓄电单元，当所述计算机程序执行时使得计算机执行以下过程为每个电池块测量在所述电池块的电压变得等于预定电压时的电流值；顺序地将每个电池块的测量到的电流值存储在存储器中；基于存储在所述存储器中的每个电池块的多个电流值通过预定的统计过 程来使得计算装置计算每个电池块的代表电流值；使得所述计算装置计算通过所述计算获得的每个电池块的代表电流值的 偏差；以及通过将通过所述计算获得的偏差与阈值比较大小来检测所述蓄电装置的 异常。
8、 根据权利要求l所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中将包括第一预定电压和第二预定电压在内的至少两个预定电压设定为预 定电压；以及所述检测单元基于当所述电压变得等于所述第一预定电压时每个电池块 的电流值的偏差和当所述电压变得等于所述第二预定电压时每个电池块的电 流值的偏差来检测所述蓄电装置的异常。
9、 根据权利要求l所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中所述测量单元测量具有在100毫秒内的时滞的电流值作为当所述电池块 的所述电压变得等于所述预定电压时的电流值。
10、 根据权利要求2所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中所述计算单元从每个电池块的多个测量到的电流值中仅提取在预定范围 内的电流值，并且通过所述预定的统计过程来计算每个电池块的代表值。
11、 根据权利要求2所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中在每个电池块的多个测量到的电流值之中，所述计算单元仅为具有预定 值或以下的分布度的多个电流值计算代表电流值。
12、 一种检测蓄电装置的异常的检测装置，所述蓄电装置具有串联连接的多个电池块，每个电池块具有一个或多个蓄电单元，所述检测装置包括测量单元，其测量在所述多个电池块之中的相邻电池块之间的电压差变得等于预定电压时的电流值；以及检测单元，其基于测量到的电流值的大小来检测所述蓄电装置的异常。
13、 根据权利要求12所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中 所述检测单元检测短路、内阻的增加和电容量的减小中的至少一个作为巳々 升吊。
14、根据权利要求12所述的用于蓄电装置的异常检测装置，其中所述蓄电装置是电池和电容器中的一个。
全文摘要
提供了一种用于检测诸如电池组的蓄电装置的异常的异常检测装置。比较器(140-1)至(140-n)为电池组(100)的每个电池块检测电压达到规定电压的定时。判定部(160)检测所述电压达到所述规定电压的时候的电流，并且为每个电池块计算代表电流值。将每个电池块的代表电流值的偏差与阈值相比较，当所述偏差较大时，判定存在诸如短路、微小短路、IR(内阻)增加、电容量减小等等的异常。
文档编号G01R31/36GK101622547SQ20088000439
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月6日 优先权日2007年2月8日
发明者中西利明 申请人:松下电动车辆能源股份有限公司