JP2004031191A

JP2004031191A - 組電池の容量調整装置および方法

Info

Publication number: JP2004031191A
Application number: JP2002187438A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sakai; 酒井　健一
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】複数のセルが直並列に接続された組電池における各セルの容量を常に均一にする。
【解決手段】組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ組電池の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、組電池の各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直す。また、組電池が充電装置により充電されているときは、組電池の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、充電装置の充電電流を０にするとともに、組電池の各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直した後、充電装置による充電を再開する。
【選択図】　図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセル（単電池）が直並列に接続された組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルを直列に接続した組電池における容量調整方法が知られている（例えば特開２０００−０４０５３０号公報参照）。この種の容量調整方法では、セルの開放電圧に基づいて放電容量と容量調整時間（放電時間）、すなわち容量調整条件を決定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の組電池の容量調整方法では、組電池の充電容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ；充電状態ともいう）とは無関係に、組電池の使用開始時または充電開始時の各セルの開放電圧に基づいて容量調整条件を決定しているので、充電容量ＳＯＣによっては容量調整条件の誤差が大きくなり、各セルの容量を常に、かつ充分に均一にできないという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、複数のセルが直並列に接続された組電池における各セルの容量を常に均一にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のセルを直列に接続した組電池、または複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池において、各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を検出して各セルまたは各並列ブロックセルの容量調整条件を設定し、容量調整条件にしたがって組電池の各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を調整する組電池の容量調整装置および方法において、組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ組電池の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、組電池の各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直す。また、組電池が充電装置により充電されているときは、組電池の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルまたは全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、充電装置の充電電流を０にするとともに、組電池の各セルまたは各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直した後、充電装置による充電を再開する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のセルが直並列に接続された組電池において、各セルの容量を常に均一な状態に保つことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本願発明の組電池の容量調整装置および方法を、電気自動車（ＥＶ）のバッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の組電池の容量調整装置および方法は電気自動車のバッテリーに限定されず、ハイブリッド車両やエンジン車両のバッテリーや、車両以外の多くの装置に用いられるバッテリーに応用することができる。
【０００８】
図１は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態の組電池１は、一般にセルと呼ばれる単電池２を２個ずつ並列に接続して４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを構成し、さらにこれら４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを直列に接続したものである。この一実施の形態では、バッテリーコントローラー３および車両コントローラー４へ制御電源を供給する補助バッテリー５と区別するため、組電池１をメインバッテリーと呼ぶ。
【０００９】
なお、この一実施の形態では２個のセルを並列に接続して４組の並列ブロックを構成し、これら４組の並列ブロックを直列に接続した組電池を例に上げて説明するが、並列ブロック内のセルの並列接続数と並列ブロックの直列接続数はこの一実施の形態の数量に限定されない。本願発明は、例えば並列接続数が１で直列接続数がｎ（≧２）の組電池、すなわち複数のセルが単に直列に接続された組電池に対しても適用することができる。複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池に対しては、並列ブロック単位でセル開放電圧Ｖｏおよび充電容量ＳＯＣを検出し、並列ブロック単位で容量調整を行う。一方、複数のセルが単に直列に接続された組電池では、セル単位でセル開放電圧Ｖｏおよび充電容量ＳＯＣを検出し、セル単位で容量調整を行う。
【００１０】
このメインバッテリー１は電流センサー６とメインリレー７を介してインバーター８と補機システム１０へ接続され、インバーター８と補機システム１０へ直流電力を供給する。インバーター８は、メインバッテリー１の直流電力を交流電力に変換して走行駆動用交流モーター９に印加し、モーター９を駆動して車両を走行させる。インバーター８はまた、車両の制動時にモーター９で発生した交流回生電力を直流電力に変換し、メインバッテリー１を充電する。
【００１１】
バッテリーコントローラー３はＣＰＵ３ａ、メモリ３ｂ、タイマー３ｃ、セル電圧検出部３ｄ、容量調整部３ｅなどから構成され、メインバッテリー１の充放電と容量調整を制御する。セル電圧検出部３ｄは、メインバッテリー１の各並列ブロック１ａ〜１ｄに２個ずつ並列接続されたセル２の平均端子電圧を検出する。容量調整部３ｅは、セル電圧検出部３ｄで検出された各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル平均端子電圧に基づいて並列セルブロック間の容量バラツキを補正する。この容量調整部３ｅの詳細については後述する。
【００１２】
車両コントローラー４は、インバーター８と補機システム１０を制御して車両の走行と補機の作動を制御する。なお、補機システム１０には空調装置、灯火類、ワイパーなどが含まれる。電流センサー６は、バッテリー１からインバーター８へ流れる放電電流と、インバーター８からバッテリー１へ流れる充電電流とを検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインリレー７はＣＰＵ３ａにより開閉され、メインバッテリー１とその負荷（モーター９および補機システム１０）との間の接続と開放を行う。
【００１３】
電圧センサー１１はメインバッテリー１の両端電圧（以下、総電圧という）を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。また、温度センサー１２はメインバッテリー１の温度を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインスイッチ１３は、エンジンを走行駆動源とする従来の自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、電気自動車のメインキーが走行位置に設定されると閉路（オン）する。警告灯１４は、電気自動車に何らかの異常が発生したときに点灯して乗員に異常発生を報知する。
【００１４】
一実施の形態の電気自動車のメインバッテリー１を充電する場合は、図２に示すように、充電装置１５が車両の端子１６、１７へ接続され、充電装置１５からメインバッテリー１へ充電電流を流してメインバッテリー１が充電される。このとき、充電装置１５の制御ケーブル１８が車両の端子１９へ接続され、充電装置１５と車両側のバッテリーコントローラー３とが通信を行い、充電開始と終了指令、充電電流指令などの情報の授受を行う。
【００１５】
なお、ハイブリッド車両では、通常、エンジンにより発電機を駆動して発電し、この発電電力でメインバッテリーの充電を行うのため、特別な場合の除き、充電装置を車両に接続してメインバッテリーの充電を行うことはない。
【００１６】
図３は容量調整部３ｅの詳細を示す。メインバッテリー１の並列ブロック１ａには、抵抗器Ｒ１とトランジスターＴｒ１の直列回路２５が並列に接続される。同様に、並列ブロック１ｂ〜１ｄにもそれぞれ、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４とトランジスターＴｒ２〜Ｔｒ４の直列回路２６〜２８が並列に接続される。この抵抗器Ｒ１〜Ｒ４とトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の直列回路２５〜２８は、各並列ブロック１ａ〜１ｄ内のセル２の充電容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を放電するための回路であり、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は放電抵抗、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４は放電と停止を行うスイッチである。なお、この一実施の形態では放電回路２５〜２８のスイッチにトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４を用いた例を示すが、トランジスター以外のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどを用いてもよい。
【００１７】
ＣＰＵ３ａは、各並列ブロック１ａ〜１ｄに接続される各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のベースへ信号を送り、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４ごとにオン（導通）とオフ（非導通）を制御する。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンすると、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル２の充電電力が抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を介して放電し、放電分だけ充電容量ＳＯＣが減少する。ＣＰＵ３ａは、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のオンとオフを繰り返してデューティー制御を行う。このデューティーは、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間（容量調整時間）とに基づいて決定する。
【００１８】
各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクターとエミッター間にはそれぞれ、電圧センサー２１〜２４が接続される。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンするとコレクター〜エミッター間電圧がほぼ０Ｖになり、オフするとコレクター〜エミッター間電圧が並列ブロック１ａ〜１ｄのセル両端電圧になる。ＣＰＵ３ａは、電圧センサー２１〜２４によりトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクター〜エミッター間電圧をモニターし、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の動作状況、つまり各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整状況を確認する。
【００１９】
容量調整部３ｅは、メインバッテリー１の並列ブロック１ａ〜１ｄ単位で容量調整を行い、いずれかの並列ブロックが過充電状態または過放電状態になってメインバッテリー１の容量を十分に利用できなくなるのを防止する。しかし、容量調整部３ｅでは各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどおしの容量バラツキを調整することはできない。各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどうしの容量バラツキは、容量自己調整により解消される。
【００２０】
ここで、各並列ブロック内の並列に接続されたセルどうしの容量自己調整について簡単に説明する。並列に接続された２個のセルの間に容量のバラツキがあると、容量が高い側すなわち端子電圧が高い側のセルの容量が、容量の低い側すなわち端子電圧が低い側のセルへ徐々に移動し、２個の並列セルは等容量になろうとする性質がある。この性質は容量自己調整と呼ばれ、容量差（セル開放電圧の差）が大きいほど等容量に近い状態になるまでの容量の変化速度が速く、容量差が小さくなって等容量に近い状態になると容量変化速度は遅くなる。
【００２１】
次に、セルの充電容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ；残存容量または充電状態ともいう）に対する開放電圧Ｖｏの特性について説明する。図４は、リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ［％］に対する開放電圧Ｖｏ［ｖ］の特性を示す。セルの開放電圧Ｖｏは充電容量ＳＯＣに応じて変化し、充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲とおよそ９５％以上の範囲では、充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖｏ特性の傾き｜ΔＶｏ／ΔＳＯＣ｜（または｜ΔＶｏ／ΔＡｈ｜）が大きく、およそ充電容量ＳＯＣが３０〜９５％の範囲では、充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖｏ特性の傾き｜ΔＶｏ／ΔＳＯＣ｜は小さい。
【００２２】
従来の組電池の容量調整方法では、セルの充電容量ＳＯＣに無関係に、組電池無負荷時のセル開放電圧の分布状況に基づいて放電容量と容量調整時間を決定していた。さらに具体的に説明すると、電気自動車起動時（メインスイッチオン時）の組電池無負荷状態におけるセルごとの開放電圧を測定し、それらの平均値と各セルの開放電圧との偏差に応じた放電容量を決定し、その放電容量分を放電させる構成となっていた。また、容量調整時間（放電時間）は、放電容量とセルごとの開放電圧偏差に応じて決定していた。
【００２３】
ところが、このような従来の容量調整条件の決定方法では、充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きい電池を用いると、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残ってしまう。例えば図４に示す充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きいリチウムイオン電池では、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶｏ／ΔＳＯＣ｜が一定ではないため、セル開放電圧分布のバラツキが同じであっても放電容量が異なることがあり、したがって、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残る。
【００２４】
また、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶｏ／ΔＳＯＣ｜が小さい範囲において容量調整条件を決定すると、わずかなセル開放電圧Ｖｏの測定誤差が大きな充電容量ＳＯＣの変化量になるため、セルごとの放電容量に過不足が生じやすい。
【００２５】
そこで、この一実施の形態では、組電池の使用開始時または充電開始時の各セルの開放電圧に基づいて容量調整条件を決定するのではなく、組電池の使用中または充電中に常に容量調整条件を更新することによって、従来の容量調整条件の決定方法の上述した問題を解決する。
【００２６】
まず、メインバッテリー１の使用中には、▲１▼メインバッテリー１に流れる電流（放電電流または充電電流）が所定値以下で、メインバッテリー１が無負荷状態（開放状態）にあると見なせる状態が所定時間Ｘｓｅｃ継続し、かつ、▲２▼前回、容量調整条件を更新したときの充電容量ＳＯＣ［％］から所定量±Ｙ％以上、充電容量ＳＯＣが変化した場合に、容量調整条件を演算し更新する。
【００２７】
なお、メインバッテリー１の使用中とは、メインリレー７がオン（閉路）してメインバッテリー１が負荷（モーター９および補機システム１０）に接続されている状態であり、いつでもメインバッテリー１の放電により負荷を駆動したり、モーター９からの回生電力によりメインバッテリー１の充電が可能な状態である。つまり、組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態である。
【００２８】
次に、メインバッテリー１の充電中には、前回、容量調整条件を更新したときの充電容量ＳＯＣ［％］から所定量Ｙ％変化したら充電を中断して無負荷状態にし、容量調整条件を演算し更新する。
【００２９】
容量調整条件を更新するための上記▲１▼の条件における所定時間Ｘｓｅｃには、一定時間を設定する方法があるが、この一実施の形態では、並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルの容量自己調整時間を推定し、その推定時間を設定する。並列接続セルの容量自己調整時間中は、並列接続セルの正確な無負荷電圧を検出することができないので、容量自己調整時間が経過するまで待つことによって、正確な無負荷時のセル電圧を検出することができる。
【００３０】
ここで、並列接続セルの容量自己調整時間の推定方法について説明する。並列に接続されたセル間の容量自己調整時間は、セルの劣化状態の差とＳＯＣに依存する。そこで、出力（内部抵抗）劣化係数Γ（ガンマ）と容量劣化係数Β（ベータ）という二つの係数を算出して並列接続セルの劣化状態の差を求める。
【００３１】
まず、並列接続セルの出力（内部抵抗）劣化係数Γ（ガンマ）の算出方法を説明する。セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧Ｖｎ（ｎ＝１〜４）をサンプリングするとともに、電流センサー６によりメインバッテリー１に流れる電流Ｉをサンプリングする。そして、各並列ブロック１ａ〜１ｄごとに、サンプリング結果を図５に示すように電圧Ｖ−電流Ｉグラフにプロットする。例えばリチウムイオン電池では充放電時の内部抵抗がほぼ一致し、かつＶ−Ｉ特性の直線性がよいので、サンプリング結果のＶ−Ｉ特性を直線回帰することができ、さらに回帰直線を充電側および放電側に延長することができる。
【００３２】
図５において、回帰直線のＶ軸切片Ｅｏｎ（ｎ＝１〜４）は電池の開放電圧を表わし、回帰直線の傾きは並列接続セルの内部抵抗Ｒｎ（ｎ＝１〜４）を表わす。回帰直線は、
【数１】
Ｖｎ＝Ｅｏｎ−Ｉ・Ｒｎ
と表わすことができる。回帰直線と充電時の許容最大電圧Ｖｍａｘとの交点Ａの電流ＩＣｍａｘは充電許容値を与え、交点Ａでは次式が成立する。
【数２】
Ｖｍａｘ＝Ｅｏｎ−ＩＣｍａｘ・Ｒｎ
同様に、回帰直線と放電時の放電終止電圧Ｖｍｉｎとの交点Ｂの電流ＩＤｍａｘは放電許容値を与え、交点Ｂでは次式が成立する。
【数３】
Ｖｍｉｎ＝Ｅｏｎ−ＩＤｍａｘ・Ｒｎ
【００３３】
各並列ブロック１ａ〜１ｄの最大充電電力ＰＣｎ（ｎ＝１〜４）は、上記数式２により、
【数４】
ＰＣｎ＝Ｖｍａｘ・ＩＣｍａｘ＝Ｖｍａｘ・（Ｅｏｎ−Ｖｍａｘ）／Ｒｎ
また、各並列ブロック１ａ〜１ｄの最大放電電力ＰＤｎは、数式３により、
【数５】
ＰＤｎ＝Ｖｍｉｎ・ＩＤｍａｘ＝Ｖｍｉｎ・（Ｅｏｎ−Ｖｍｉｎ）／Ｒｎ
となる。
【００３４】
ここで、各並列ブロック１ａ〜１ｄの並列接続セルの内部抵抗Ｒｎは、２個の並列接続セル２の合成抵抗値であり、それぞれのセル２の内部抵抗値ではない。
【００３５】
次に、内部抵抗が最大のセルの抵抗値を算出する。並列ブロック内に内部抵抗の大きなセルが含まれていると、並列ブロックの並列接続セルの合成抵抗値も大きくなり、図５に示すセルのＶ−Ｉ特性から明らかなように、ＩＤｍａｘが小さくなって最大放電電力ＰＤも小さくなる。したがって、内部抵抗が最大のセルは、最大放電電力ＰＤｎが最小の並列ブロックに含まれていることになる。今、並列ブロック１ａの最大放電電力ＰＤｎが最小であり、並列ブロック１ａの並列接続セルの内の１個のみが、劣化により内部抵抗が大きいと仮定する。
【００３６】
次式により、並列ブロック１ａ内の内部抵抗が大きいセルの抵抗値を演算する。
【数６】
ｍａｘ｛Ｒｎ｝＝（Ｒｍａｘ・Ｒａｖｅ^{（ｎ−１）}）／｛Ｒｍａｘ＋（ｎ−１）Ｒａｖｅ｝
数式６において、ｍａｘ｛Ｒｎ｝は最大放電電力ＰＤｎが最小の並列ブロック１ａの合成抵抗値、Ｒｍａｘはその並列ブロック１ａに含まれる内部抵抗が最大のセルの抵抗値である。また、Ｒａｖｅは、最大放電電力ＰＤｎが最小の並列ブロック１ａ以外の並列ブロック１ｂ〜１ｄに含まれるセルの内部抵抗平均値であり、それらの並列ブロック１ｂ〜１ｄの合成抵抗平均値をＲａｖｅ’としたとき、
【数７】
Ｒａｖｅ’＝（Ｒａｖｅ^ｎ）／（ｎ・Ｒａｖｅ）
により求める。
【００３７】
以上の演算結果に基づいて、出力（内部抵抗）劣化係数Γ［％］を次式により求める。
【数８】
Γ＝（Ｒｍａｘ／Ｒａｖｅ）・１００
【００３８】
次に、並列接続セルの容量劣化係数Β（ベータ）の算出方法を説明する。メインバッテリー１の放電を行い、電流センサー６により放電電流を測定しながらタイマー３ｃにより放電時間を計時し、実際の放電容量ΔＡｈを放電電流の時間積算により求める。同時に放電容量ΔＡｈの放電開始前と放電終了後において、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄの並列接続セルの電圧Ｖｏ１ｎ（放電開始前）とＶｏ２（放電開始後）（ｎ＝１〜４）を求める。
【００３９】
図６に示すメインバッテリー１のセル２の充電容量ＳＯＣ−セル開放電圧Ｖｏ特性マップから、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電前後のセル電圧Ｖｏ１ｎ、Ｖｏ２ｎに対応する充電容量ＳＯＣ１ｎ、ＳＯＣ２ｎを表引き演算し、放電容量ΔＳＯＣｎ（＝ＳＯＣ１ｎ−ＳＯＣ２ｎ）を算出する。
【００４０】
次に、各並列ブロック１ａ〜１ｄごとに、特性マップから演算により求めた放電容量ΔＳＯＣｎに対する実際の放電容量ΔＡｈの比Ｋｎ（ｎ＝１〜４）を求める。
【数９】
Ｋｎ＝ΔＡｈ／ΔＳＯＣｎ
並列ブロック１ａ〜１ｄの中で、容量劣化が大きいほど放電前後の電圧差ΔＶｏｎ（＝Ｖｏ１ｎ−Ｖｏ２ｎ）が大きくなり、したがって放電容量ΔＳＯＣｎが大きくなる。つまり、容量劣化が大きい並列ブロックセルほど比Ｋｎが小さくなるから、比Ｋｎが最小の並列ブロックセルが最大の容量劣化ブロック（この一実施の形態では並列ブロック１ａ）である。
【００４１】
以上の演算結果に基づいて、容量劣化係数Βを次式により求める。
【数１０】
Β＝｛Ｋａｖｅ−（Ｋａｖｅ−Ｋｍｉｎ）・ｎ｝／Ｋａｖｅ
数式１０において、Ｋａｖｅは比Ｋｎ（ｎ＝１〜４）の平均値、Ｋｍｉｎは比Ｋｎ（ｎ＝１〜４）の内の最小値である。
【００４２】
次に、算出した出力（内部抵抗）劣化係数Γと容量劣化係数Βに基づいて、最大容量劣化ブロック１ａのセルと他の並列接続ブロック１ｂ〜１ｄのセルの出力特性を作成する。図７にこれらの並列ブロックセルの出力特性を示す。図において、▲１▼は最大容量劣化ブロック１ａの並列接続セルの出力特性を示し、▲２▼は他の並列ブロック１ｂ〜１ｄの並列接続セルの平均出力特性を示す。これらの特性曲線から現在の充電容量ＳＯＣ＝Ｘ［％］における劣化ブロックセルの出力Ｐ１と他のブロックセルの出力Ｐ２との比ηを求める。
【数１１】
η＝Ｐ１／Ｐ２
【００４３】
一方、劣化ブロックセルと他のブロックセルとの出力比ηに対する容量自己調整時間Ｚ［ｓｅｃ］を予め設定し、図８に示すようなデータテーブルとしてメモリ３ｂに記憶しておく。そして、このデータテーブルから、数式１１により算出した出力比ηに対する容量自己調整時間Ｚ［ｓｅｃ］を補間演算により求め、容量調整条件を更新するときのメインバッテリー１の無負荷状態の継続時間Ｘ［ｓｅｃ］とする。
【００４４】
容量調整条件を更新するときに、メインバッテリー１の無負荷状態が少なくともＸ［ｓｅｃ］継続したら、各並列ブロック１ａ〜１ｄの並列接続セルどうしの容量自己調整が完了していると考えられ、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧を計測しても正確な値を検出することができ、したがって正確なセル電圧の計測結果に基づいて正確な容量調整条件を演算することができる。
【００４５】
図９は走行時容量調整プログラムを示すフローチャートである。バッテリーコントローラー３のＣＰＵ３ａは、メインスイッチ１３がオン（閉路）するとこの走行時容量調整プログラムを繰り返し実行する。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。なお、バッテリーコントローラー３は、メインスイッチ１３がオフされると容量調整処理を停止してこの走行時容量調整プログラムの実行を終了する。
【００４６】
ステップ１において、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄの並列接続セルの電圧を検出し、メモリ３ｂに記憶されているセル２の充電容量ＳＯＣ−セル開放電圧Ｖｏ特性マップ（図６参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧に対応する充電容量ＳＯＣを表引き演算する。続くステップ２では、各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整条件を演算し、演算結果の容量調整条件にしたがって容量調整を開始する。
【００４７】
この一実施の形態では、並列ブロック１ａ〜１ｄの中で、セル電圧が最も低い並列ブロックの充電容量ＳＯＣを目標容量とし、他の並列ブロックの充電容量ＳＯＣと目標容量との差を他の並列ブロックの放電容量とする。また、放電時間（容量調整時間）は、容量調整部３ｅの各放電回路２５〜２８の抵抗器Ｒ１〜Ｒ４で決まる放電電流Ｉｄで、最大の放電容量の並列ブロックセルを放電した場合の所要時間として決定する。次に、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間とに基づいて、各放電回路２５〜２８のトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４をオン、オフするデューティーを決定する。そして、決定したデューティーにしたがって放電回路２５〜２８のトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４をデューティー駆動し、容量調整を開始する。
【００４８】
ステップ３において、各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整条件を決定したときの各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣに基づいて、メインバッテリー１としての平均充電容量ＳＯＣを演算し、演算結果をメモリ３ｂに記憶する。
【００４９】
ステップ４で、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧を検出し、メモリ３ｂに記憶されているセル２の充電容量ＳＯＣ−セル開放電圧Ｖｏ特性マップ（図６参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧に対応する充電容量ＳＯＣを表引き演算する。そして、メインバッテリー１としての平均充電容量ＳＯＣを演算し、メモリ３ｂに記憶されている前回の容量調整条件決定時の充電容量ＳＯＣと比較する。
【００５０】
充電容量ＳＯＣが±Ｙ［％］以上変化していたらステップ５へ進み、上述した手順にしたがって容量自己調整時間Ｚ［ｓｅｃ］を演算する。なお、この容量自己調整時間Ｚ［ｓｅｃ］の演算は、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池の場合にのみ実施し、複数のセルを単に直列に接続しただけの組電池に対しては実施しない。
【００５１】
ステップ６において、メインバッテリー１が無負荷状態（開放状態）にあると見なせる状態が所定時間Ｘ［ｓｅｃ］継続したかどうかを確認する。なお、メインバッテリー１が無負荷状態（開放状態）にあると見なせる状態とは、電流センサー６により検出された充放電電流｜Ｉ｜が０［Ａ］近傍の所定値Ｉｏ以下の状態である。
【００５２】
また、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数ブロック直列に接続した組電池に対しては所定時間Ｘに容量自己調整時間Ｚを設定する。一方、複数のセルを単に直列に接続しただけの組電池に対しては、所定時間Ｘに、メインバッテリー１が無負荷状態にあると判断できる最少限の一定時間を設定する。
【００５３】
メインバッテリー１の無負荷状態が所定時間Ｘ［ｓｅｃ］継続したらステップ１へ戻り、上述した処理を繰り返して容量調整条件を演算し、更新する。
【００５４】
このように、複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池（メインバッテリー１）において、各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを検出して各並列ブロックセルの容量調整条件を設定し、容量調整条件にしたがって組電池の各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを調整する際に、組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、組電池の無負荷状態が所定時間Ｘ以上継続し、かつ組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量ＳＯＣが前回の容量調整条件設定時の全並列ブロックセルの平均充電容量ＳＯＣから所定量Ｙ以上変化した場合に、組電池の各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを検出して容量調整条件を設定し直すようにしたので、複数のセルが直並列に接続された組電池において、各セルの容量を常に均一な状態に保つことができる。
【００５５】
図１０は、充電時容量調整プログラムを示すフローチャートである。バッテリーコントローラー３は、充電装置１５によるメインバッテリー１の充電が開始されるとこの充電時容量調整プログラムを繰り返し実行する。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。なお、バッテリーコントローラー３は、充電装置１５によるメインバッテリー１の充電が終了すると、容量調整処理を停止してこの充電時容量調整プログラムの実行を終了する。
【００５６】
ステップ１１において、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄの並列接続セルの電圧を検出し、メモリ３ｂに記憶されているセル２の充電容量ＳＯＣ−セル開放電圧Ｖｏ特性マップ（図６参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧に対応する充電容量ＳＯＣを表引き演算する。続くステップ１２では、各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整条件を演算し、演算結果の容量調整条件にしたがって容量調整を開始する。
【００５７】
この一実施の形態では、並列ブロック１ａ〜１ｄの中で、セル電圧が最も低い並列ブロックの充電容量ＳＯＣを目標容量とし、他の並列ブロックの充電容量ＳＯＣと目標容量との差を他の並列ブロックの放電容量とする。また、放電時間（容量調整時間）は、容量調整部３ｅの各放電回路２５〜２８の抵抗器Ｒ１〜Ｒ４で決まる放電電流Ｉｄで、最大の放電容量の並列ブロックセルを放電した場合の所要時間として決定する。次に、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間とに基づいて、各放電回路２５〜２８のトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４をオン、オフするデューティーを決定する。そして、決定したデューティーにしたがって放電回路２５〜２８のトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４をデューティー駆動し、容量調整を開始する。
【００５８】
ステップ１３において、各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整条件を決定したときの各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣに基づいて、メインバッテリー１としての平均充電容量ＳＯＣを演算し、演算結果をメモリ３ｂに記憶する。
【００５９】
ステップ１４で、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧を検出し、メモリ３ｂに記憶されているセル２の充電容量ＳＯＣ−セル開放電圧Ｖｏ特性マップ（図６参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル電圧に対応する充電容量ＳＯＣを表引き演算する。そして、メインバッテリー１としての平均充電容量ＳＯＣを演算し、メモリ３ｂに記憶されている前回の容量調整条件決定時の充電容量ＳＯＣと比較する。
【００６０】
充電容量ＳＯＣがＹ［％］以上変化していたらステップ１５へ進み、充電装置１５へ０［Ａ］の充電電流指令を送り、充電電流を０にする。その後、ステップ１１へ戻り、上述した処理を繰り返して容量調整条件を演算し、更新する。
【００６１】
このように、組電池（メインバッテリー１）が充電装置１５により充電されているときは、組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量ＳＯＣが前回の容量調整条件設定時の全並列ブロックセルの平均充電容量ＳＯＣから所定量Ｙ以上変化した場合に、充電装置１５の充電電流を０にするとともに、組電池の各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを検出して容量調整条件を設定し直した後、充電装置１５による充電を再開するようにしたので、複数のセルが直並列に接続された組電池において、各セルの容量を常に均一な状態に保つことができる。
【００６２】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、メインバッテリー１が組電池を、セル電圧検出部３ｄが容量検出手段を、ＣＰＵ３ａが調整条件設定手段、制御手段および時間推定手段を、容量調整部３ｅが容量調整手段を、電流センサー６およびＣＰＵ３ａが無負荷状態検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】図１に続く、一実施の形態の構成を示す図である。
【図３】容量調整部の詳細を示す図である。
【図４】リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣに対するセル開放電圧の特性を示す図である。
【図５】電池の電圧−電流特性例を示す図である。
【図６】セルの充電容量ＳＯＣに対する開放電圧のマップ例を示す図である。
【図７】並列ブロックセルの出力特性を示す図である。
【図８】劣化ブロックセルと平均ブロックセルとの出力比に対する容量自己調整時間のデータテーブル例を示す図である。
【図９】一実施の形態の走行時容量調整プログラムを示すフローチャートである。
【図１０】一実施の形態の充電時容量調整プログラムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　メインバッテリー
１ａ〜１ｄ　並列ブロック
２　セル
３　バッテリーコントローラー
３ａ　ＣＰＵ
３ｂ　メモリ
３ｃ　タイマー
３ｄ　セル電圧検出部
３ｅ　容量調整部
４　車両コントローラー
５　補助バッテリー
６　電流センサー
７　メインリレー
８　インバーター
９　モーター
１０　補機システム
１１，２１〜２４　電圧センサー
１２　温度センサー
１３　メインスイッチ
１４　警告灯
１５　充電装置
１６、１７、１９　端子
１８　制御ケーブル
２５〜２８　放電回路
Ｒ１〜Ｒ４　放電抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ２　トランジスター

Claims

複数のセルを直列に接続した組電池と、
前記組電池の各セルの充電容量を検出する容量検出手段と、
前記組電池の各セルの充電容量に基づいて各セルの容量調整条件を設定する調整条件設定手段と、
前記容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する容量調整手段とを備えた組電池の容量調整装置において、
前記組電池の無負荷状態を検出する無負荷状態検出手段と、
前記組電池の容量調整を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、前記組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ前記組電池の全セルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記容量検出手段により各セルの充電容量を検出して前記調整条件設定手段により容量調整条件を設定し直すことを特徴とする組電池の容量調整装置。
請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
前記制御手段は、前記組電池が充電装置により充電されているときは、前記組電池の全セルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記充電装置の充電電流を０にするとともに、前記容量検出手段により各セルの充電容量を検出して前記調整条件設定手段により容量調整条件を設定し直した後、前記充電装置による充電を再開することを特徴とする組電池の容量調整装置。
複数のセルを直列に接続した組電池の各セルの充電容量を検出して各セルの容量調整条件を設定し、容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する組電池の容量調整方法において、
前記組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、前記組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ前記組電池の全セルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記組電池の各セルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直すことを特徴とする組電池の容量調整方法。
請求項３に記載の組電池の容量調整方法において、
前記組電池が充電装置により充電されているときは、前記組電池の全セルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記充電装置の充電電流を０にするとともに、前記組電池の各セルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直した後、前記充電装置による充電を再開することを特徴とする組電池の容量調整方法。
複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池と、
前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量を検出する容量検出手段と、
前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量に基づいて各並列ブロックセルの容量調整条件を設定する調整条件設定手段と、
前記容量調整条件にしたがって前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量を調整する容量調整手段とを備えた組電池の容量調整装置であって、
前記組電池の無負荷状態を検出する無負荷状態検出手段と、
前記組電池の容量調整を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、前記組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ前記組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記容量検出手段により各並列ブロックセルの充電容量を検出して前記調整条件設定手段により容量調整条件を設定し直すことを特徴とする組電池の容量調整装置。
請求項５に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池の全並列ブロックにおける並列接続セルの最大容量自己調整時間を推定する時間推定手段を備え、
前記所定時間に前記最大容量自己調整時間の推定値を設定することを特徴とする組電池の容量調整装置。
請求項５または請求項６に記載の組電池の容量調整装置において、
前記制御手段は、前記組電池が充電装置により充電されているときは、前記組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全セルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記充電装置の充電電流を０にするとともに、前記容量検出手段により各並列ブロックセルの充電容量を検出して前記調整条件設定手段により容量調整条件を設定し直した後、前記充電装置による充電を再開することを特徴とする組電池の容量調整装置。
複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池の各並列ブロックセルの充電容量を検出して各並列ブロックセルの容量調整条件を設定し、容量調整条件にしたがって前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量を調整する組電池の容量調整方法であって、
前記組電池が負荷に接続されて充放電が可能な状態にあるときは、前記組電池の無負荷状態が所定時間以上継続し、かつ前記組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直すことを特徴とする組電池の容量調整方法。
請求項８に記載の組電池の容量調整方法において、
前記組電池の全並列ブロックにおける並列接続セルの最大容量自己調整時間を推定し、前記所定時間に前記最大容量自己調整時間の推定値を設定することを特徴とする組電池の容量調整方法。
請求項８または請求項９に記載の組電池の容量調整方法において、
前記組電池が充電装置により充電されているときは、前記組電池の全並列ブロックセルの平均充電容量が前回の容量調整条件設定時の全並列ブロックセルの平均充電容量から所定量以上変化した場合に、前記充電装置の充電電流を０にするとともに、前記組電池の各並列ブロックセルの充電容量を検出して容量調整条件を設定し直した後、前記充電装置による充電を再開することを特徴とする組電池の容量調整方法。