JP2000040530A - 組電池セル容量調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セルの開放電圧がどのような領域にある場合で
も、それに適合した容量調整を実施できる組電池セル容
量調整方法を提供する。 【解決手段】各セルの開放電圧を検出し、全セルの平均
開放電圧を算出し、各セルの開放電圧と平均開放電圧と
の偏差を求め、偏差が所定値以上のセルについて、予め
設定された複数の調整容量演算式のうち、平均開放電圧
と各セルの開放電圧との少なくとも一方に対応して選択
される演算式を用いて偏差に応じた調整容量を演算し、
各セルごとに調整容量分を放電させることにより、各セ
ルの容量のばらつきを調整する。リチウムイオン二次電
池では、容量対開放電圧の特性が使用範囲で３つの直線
で近似できるので、それぞれの直線の領域に対応する調
整容量演算式を設定し、対応する演算式を用いて偏差に
応じた調整容量を演算することにより、セルの開放電圧
がどんな領域にあっても正確な容量調整が出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車等に用
いられる組電池において、組電池を構成する各セルの容
量のバラツキを補正し、常に組電池全体として電池の容
量を十分に使用することが出来るように制御する組電池
セル容量調整方法に関する。なお、この場合における電
気自動車とは、二次電池のみで走行するものに限らず、
電池の電力を車両駆動用に用いるものであれば、いわゆ
るハイブリッド形式の自動車等でもよい。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車用の電池は、一般にセルと呼
ばれる単電池を複数個（例えば６〜８個）直列接続して
１ブロックにしたモジュールを、必要な電圧になる個数
だけ直列に接続した組電池が用いられる。このような組
電池においては、充放電を繰り返すと、各セルの特性に
応じて各セルごとの容量（その時点で使用できる残存容
量）に差が生じる。これを放置しておくと組電池全体と
して使用できる容量が減少するので、適当な時期（例え
ば車両起動時など）毎に容量の大きなセルの電力を放電
させ、全体の均衡を保つように制御する必要がある。

【０００３】従来の電気自動車においては、図６（Ａ）
に示す容量と開放電圧（電流零時の端子電圧）との関係
がリニアな領域（容量の大きな範囲）について、各セル
ごとの調整容量（調整のために放電させる容量）を平均
セル開放電圧からの偏差に対応させた一つのテーブル
〔図６（Ｂ）〕として記憶しておき、それに応じて調整
容量分の放電を行なわせていた。例えば、車両起動時や
充電開始時等のようにセルコントローラが起動した際
に、各セルの開放電圧を検出し、それらの値から平均セ
ル開放電圧を算出し、平均セル開放電圧のからの偏差が
規定値以上に大きなセルに対しては、上記の調整容量テ
ーブルを参照して、偏差に応じた調整容量を求め、その
値分の容量を放電させることによって全体の均衡を図る
ように制御している。上記の方法によれば、容量と開放
電圧との関係が直線的な領域でのみ使用するため、調整
容量テーブルが簡単に作成でき、かつテーブルを参照す
るという簡便な形で調整容量を演算することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のごとき
従来の方法では、容量と開放電圧との直線関係の傾きが
変化する領域（容量の少ない領域）では調整容量を演算
できないため、仮に放電末期付近で繰り返し充放電する
ような使用状態においては、各セルの容量のバラツキを
抑制できないことになる。そのため、組電池全体として
電池の容量を十分に使用することが出来ないばかりか、
電圧バラツキの拡大によって各セルの劣化状態のバラツ
キをも助長する可能性がある、という問題があった。

【０００５】本発明は、上記のごとき従来技術の問題を
解決するためになされたものであり、検出されたセルの
開放電圧がどのような領域にある場合でも、それに適合
した容量調整を実施することが可能な組電池セル容量調
整方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１に記載の発明にお
いては、組電池に入出力がなされていないときに組電池
の各セルの開放電圧を検出し、全セルの平均開放電圧を
算出し、各セルの開放電圧と上記平均開放電圧との偏差
を求め、上記偏差が所定値以上のセルについて、セル容
量と開放電圧との関係に応じて予め設定された複数の調
整容量演算式のうち、上記平均開放電圧と上記各セルの
開放電圧との少なくとも一方に対応して選択される調整
容量演算式を用いて上記偏差に応じた調整容量を演算
し、各セルごとに上記調整容量分の電力を放電させるこ
とにより、各セルの容量のばらつきを調整するように構
成している。

【０００７】例えば、リチウムイオン二次電池において
は、その容量対開放電圧の特性が、使用範囲において３
つの直線で近似することが出来る。したがってそれぞれ
の直線の領域に対応する調整容量演算式を設定し、対応
する調整容量演算式を用いて、各セルの開放電圧と上記
平均開放電圧との偏差に応じて調整容量を演算すること
により、検出されたセルの開放電圧がどんな領域にあっ
ても正確な容量調整を実施することが出来る。なお、他
の２次電池の場合にも、それに対応した特性を用いて調
整容量テーブルを設定することにより同様に制御可能で
ある。

【０００８】また、請求項２に記載の発明においては、
上記複数の調整容量演算式を用いて演算する場合に、調
整を実行しようとするセルの開放電圧が特性の変化する
領域近傍にあり、二つの領域に股がって放電しなければ
ならない場合に、その二つの領域に対応する調整容量演
算式のそれぞれから調整容量を算出し、二つの演算値の
和を調整容量とするように構成している。すなわち、単
純に特性の異なる複数の演算式を用いて演算した場合に
は、特性の変化する境界では傾きの急峻な方の特性によ
って調整容量が決まり、調整容量の値が実際に必要な値
よりも小さくなる可能性がある。そのため平均開放電圧
のみから参照する演算式を選定するのではなく、セルの
開放電圧に応じて同時に二つの演算式を参照して調整容
量を演算することにより、演算精度を上げ、調整の頻度
を減らし、可能な限り充放電をさせずに劣化を抑制する
方向へ制御することが出来る。

【０００９】

【発明の効果】本発明によれば、電池特性の変化に応じ
た複数の調整容量演算式を設定することで、これまで作
動不可であった放電末期領域においてもそれに適合した
容量調整が実施することが出来る。そのため、容量バラ
ツキが速やかに解消され、常に組電池全体として電池の
容量を十分に使用することが出来る、という効果が得ら
れる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明においては、
電池特性の変化する領域にまたがって容量調整をしなけ
ればならないようなセル開放電圧の場合であっても、そ
れぞれ調整容量演算式から調整容量を演算してその和を
調整容量とすることにより、精度よく容量調整を行なう
ことが出来る。そのため、一つの特性で演算して調整容
量を小さく見積もってしまうことがなくなるので、容量
調整を行なう頻度が減少し、電池の充放電回数に対応し
た劣化の進行を遅らせることが出来るという効果があ
る。また、従来のように、放電末期領域で繰り返し充放
電されるような状態では容量調整ができず、セルの電圧
バラツキが拡大してその電圧バラツキによって劣化の不
均一な進行が助長される、という状況を防止することが
出来る、という効果がある。

【００１１】また、請求項３に記載の発明においては、
通常の組電池に付属している容量放電回路を用いて上記
各セル毎の放電を行なわせ、かつ電池制御装置として設
けられているセルコントローラおよびバッテリコントロ
ーラを用いて上記各数値の計測および演算を行なわせる
ことにより、新規なハードウエアを追加することなく、
ソフトウエアの変更のみで本発明を実現することができ
るので、安価に実施することが出来る。

【００１２】なお、本発明は、組電池に限らず、モジュ
ール単位の電池システムにおいても同様に適用可能であ
り、同様の効果が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の容量調整方法に
用いるコントローラの構成の一例を示す模式図である。
図１の構成は電気自動車の組電池の充放電等を制御する
コントローラであり、この実施の形態では電気自動車の
組電池制御用として既設のコントローラを用いて、各セ
ルの容量調整を行なうものである。

【００１４】図１において、１はセル（単電池）、２は
抵抗、３はトランジスタ、４はモジュール毎に一つ設置
された電池温度センサ、５は入力された各種信号に応じ
た演算を行なって制御信号を出力する制御部、破線で囲
まれた部分６はモジュール内の各セルを制御するセルコ
ントローラ、７は組電池全体を制御するバッテリコント
ローラ、８はモジュール内の各セルへ接続される電圧計
測線、９はモジュール内の各トランジスタヘの信号線、
１０はバッテリコントローラと各セルコントローラとの
通信線、破線で囲まれた部分１１は容量放電回路、１２
は容量放電回路１１を流れる電流を検出するための信号
線である。なお、バッテリコントローラ７内には、後述
する調整容量テーブルが記憶されている。

【００１５】セル１の両端の矢印Ａ、Ｂは、この部分で
前後のセル（図示せず）に直列に接続され、複数のセル
で一つのモジュールを形成し、一つのモジュールごとに
一つのセルコントローラ６が設けられている。そして全
てのモジュールのセルコントローラ６がバッテリコント
ローラ７と通信線１０を介して接続され、各セルの充放
電が制御される。また、容量放電回路１１は抵抗２とト
ランジスタ３との直列回路で構成される。そして、各セ
ルの電圧計測線８を介して検出した各セルの端子電圧な
どに基づいて、例えば電池充電時に当該セルが過充電に
なった場合や他のセルに対して過電圧である場合などを
制御部５が判断し、信号線９を介して当該セルのトラン
ジスタ３をオンにすることにより、抵抗２を介して当該
セルから電流を流し、電荷を放電する。本実施の形態に
おいては、この容量放電回路１１を用いて調整容量を放
電させることにより、各セルの容量を均衡させるように
制御するものである。また、開放電圧や放電電流等の各
値は前記電圧計測線８や信号線１２を介してセルコント
ローラ６で計測し、それに応じた調整容量をバッテリコ
ントローラ７で演算する。

【００１６】なお、本実施の形態で示した電池特性は、
リチウムイオン二次電池のものを用いているが、他の２
次電池の場合にはそれに対応した特性を用いて調整容量
テーブルを設定することにより同様に制御可能である。

【００１７】まず、本実施の形態における調整容量の演
算について説明する。図４はリチウムイオン二次電池に
おける電池の容量と開放電圧の特性を示す特性図であ
る。図４に示すように、容量と開放電圧の特性は３つの
直線からなる折線グラフで近似される。この特性が変化
する点の開放電圧をＶ１、Ｖ２とする。

【００１８】図５は、図４に示した各電池特性の領域と
それに応じたそれぞれの調整容量演算式を示す図であ
る。すなわち、セル開放電圧の高いほうから Ｃｃ＝ａ１・△Ｖ …式 Ｃｃ＝ａ２・△Ｖ …式 Ｃｃ＝ａ３・△Ｖ …式 と表される。ただしＣｃは調整容量（Ａｈ）、△Ｖは各
セル開放電圧と平均開放電圧（各セルの開放電圧の平均
値）との偏差（Ｖ）である。また、ａ１、ａ２、ａ３は
それぞれ定数であり、電池特性から定まる値であって容
量に対する電圧の傾きを表す。

【００１９】次に、上記の各調整容量演算式の適用につ
いて説明する。セルコントローラ（Ｃ／Ｃ）起動時（例
えば電気自動車のイグニッションスイッチがオンにされ
た時）に各セルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）（ただしｎはセル
Ｎｏ）が検出されると、まず全セルの平均開放電圧Ｖｃ
ａｖｅが算出される。そして各セルのＶｃ(ｎ）と平均
開放電圧Ｖｃ ａｖｅとの偏差△Ｖｃ(ｎ）を下式で算出
する。 △Ｖｃ(ｎ）＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖｃ ａｖｅ 検出されたＶｃ(ｎ）の値が予め設定された偏差の許容
値△Ｖｃｍａｘ以下の場合、すなわち △Ｖｃ(ｎ）≦△Ｖｃｍａｘ であった場合には、そのセルのバラツキは許容値以下で
あると判断して容量調整は行わない。一方、 △Ｖｃ(ｎ）＞△Ｖｃｍａｘ となるセルが存在する場合には、そのセルに対して、さ
らに以下の条件に応じて調整容量Ｃｃが演算され、容量
調整が行われる。

【００２０】（１） Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ１の場合 これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ１よりも大
きい範囲にある場合であり、この場合には、調整容量演
算式は式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して
調整容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電
回路１１を用いて放電する。

【００２１】（２） Ｖ１＞Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ２であ
り、かつＶ１≧Ｖｃ(ｎ）の場合 これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ１とＶ２の
間にある場合であって、かつセルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）
がＶ１以下の場合である。この場合には、調整容量演算
式は式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して調
整容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電回
路１１を用いて放電する。

【００２２】（３） Ｖ２＞Ｖｃ ａｖｅであり、かつ
Ｖ２≧Ｖｃ(ｎ）の場合 これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ２より小さ
い場合であって、かつかつセルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）が
Ｖ２以下の場合である。この場合には、調整容量演算式
は式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して調整
容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電回路
１１を用いて放電する。

【００２３】（４） Ｖ１＞Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ２であ
り、かつＶｃ(ｎ）＞Ｖ１の場合 これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅの範囲は前記（２）と
同じであるが、セルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）がＶ１よりも
大きい場合、すなわち、Ｖ１の屈曲点付近が動作点の場
合である。この場合には、まず、 △Ｖｃ(ｎ)１＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖ１ に応じた調整容量Ｃｃ１を前記式から算出し、さらに △Ｖｃ(ｎ)２＝Ｖ１−Ｖｃ ａｖｅ に応じた調整容量Ｃｃ２を前記式から算出し、 Ｃｃ＝Ｃｃ１＋Ｃｃ２ を調整容量とし、それを容量放電回路１１を用いて放電
させる。

【００２４】（５） Ｖ２＞Ｖｃ ａｖｅであり、かつ
Ｖｃ(ｎ）＞Ｖ２の場合 これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅは前記（３）と同じで
あるが、開放電圧Ｖｃ（ｎ）がＶ２よりも大きい場合、
すなわち、Ｖ２の屈曲点付近が動作点の場合である。こ
の場合には、まず、 △Ｖｃ（ｎ)３＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖ２ に応じた調整容量Ｃｃ３を前記式から算出し、さら
に、 △Ｖｃ(ｎ)４＝Ｖ２−Ｖｃ ａｖｅ に応じた調整容量Ｃｃ４を前記式から算出し、 Ｃｃ＝Ｃｃ３＋Ｃｃ４ を調整容量とし、それを容量放電回路１１を用いて放電
させる。

【００２５】なお、△Ｖｃ(ｎ）の絶対値が予め定めた
所定値△Ｖｃ failよりも大きかつた場合、すなわち、
或るセルの開放電圧と平均開放電圧との偏差が異常に大
きかった場合には、当該セルが異常と判断し、そのセル
に対しては容量調整を禁止するとともに交換を促す警告
を出力する。

【００２６】また、上記の各演算式と偏差との関係を調
整容量テーブルとして予めバッテリコントローラ７に記
憶しておくことにより、偏差に対応した調整容量値を直
ちに読み出せるようにすることが出来る。また、上記の
開放電圧や平均開放電圧等は、電池温度に応じて補正し
た値を用いるように構成してもよい。図２および図３
は、上記の演算経過を示すフローチャートであり、両図
は（Ａ）および（Ｂ）の個所で接続される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の容量調整方法に用いるコントローラの
構成の一例を示す模式図。

【図２】調整容量の演算過程を示すフローチャートの一
部。

【図３】調整容量の演算過程を示すフローチャートの他
の一部。

【図４】リチウムイオン二次電池における電池の容量と
開放電圧の特性を示す特性図。

【図５】図４に示した各電池特性の領域とそれに応じた
それぞれの調整容量演算式を示す図。

【図６】従来の調整方法を説明するための図であり、
（Ａ）は容量と開放電圧との関係を示す特性図、（Ｂ）
は各セルごとの調整容量を平均セル開放電圧からの偏差
に対応させたテーブルを示す図。

【符号の説明】

１…セル（単電池） ２…抵抗 ３…トランジスタ ４…電池温度セン
サ ５…は制御部 ６…セルコントロ
ーラ ７…バッテリコントローラ ８…電圧計測線 ９…信号線 １０…通信線 １１…容量放電回路 １２…電流を検出
するための信号線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個のセルからなるモジュールを複数個
   接続した組電池における上記セルの容量調整方法であっ
   て、 組電池に入出力がなされていないときに組電池の各セル
   の開放電圧を検出し、全セルの平均開放電圧を算出し、 各セルの開放電圧と上記平均開放電圧との偏差を求め、 上記偏差が所定値以上のセルについて、セル容量と開放
   電圧との関係に応じて予め設定された複数の調整容量演
   算式のうち、上記平均開放電圧と上記各セルの開放電圧
   との少なくとも一方に対応して選択される調整容量演算
   式を用いて上記偏差に応じた調整容量を演算し、 各セルごとに上記調整容量分の電力を放電させることに
   より、各セルの容量のばらつきを調整することを特徴と
   する組電池セル容量調整方法。
2. 【請求項２】上記複数の調整容量演算式を用いて演算す
   る場合に、調整を実行しようとするセルの開放電圧が特
   性の変化する領域近傍にあり、二つの領域に股がって放
   電しなければならない場合に、その二つの領域に対応す
   る調整容量演算式のそれぞれから調整容量を算出し、二
   つの演算値の和を調整容量とすることを特徴とする請求
   項１に記載の組電池セル容量調整方法。
3. 【請求項３】組電池の各セル毎に設けられている容量放
   電回路を用いて上記各セル毎の放電を行なわせ、かつ電
   池制御装置として設けられているセルコントローラおよ
   びバッテリコントローラを用いて上記各数値の計測およ
   び演算を行なわせることを特徴とする請求項１または請
   求項２に記載の組電池セル容量調整方法。