JP2004031254A

JP2004031254A - 組電池の容量調整装置および方法

Info

Publication number: JP2004031254A
Application number: JP2002189190A
Authority: JP
Inventors: Shinya Ogata; 緒方　慎也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】正確な放電容量を決定して組電池の容量調整を行い、各セルの充電容量ＳＯＣを十分に均一にする。
【解決手段】複数のセルを並列に接続した並列回路を複数組直列に接続した組電池に対して、各並列回路の電圧を検出してセルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性から各並列回路の検出電圧Ｖに対応する充電容量ＳＯＣを検索し、各並列回路の充電容量ＳＯＣの内の最小充電容量を容量調整目標値とし、各並列回路の充電容量と容量調整目標値との偏差に基づいて各並列回路の放電容量を演算するとともに、セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数ｆ”（ＳＯＣ）を求め、各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２に基づいて各並列回路の放電容量を補正し、各並列回路の補正後の放電容量にしたがって各並列回路の充電容量を調節する。
【選択図】　図５

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（または充電状態；Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）とは無関係に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、各セルの充電容量ＳＯＣを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、正確な放電容量を決定して組電池の容量調整を行い、各セルの充電容量ＳＯＣを十分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、複数のセルを並列に接続した並列回路を複数組直列に接続した組電池に対して、各並列回路の電圧を検出してセルの充電容量−開放電圧特性から各並列回路の検出電圧に対応する充電容量を検索し、各並列回路の充電容量の内の最小充電容量を容量調整目標値とし、各並列回路の充電容量と容量調整目標値との偏差に基づいて各並列回路の放電容量を演算するとともに、セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数を求め、各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数に基づいて各並列回路の放電容量を補正し、各並列回路の補正後の放電容量にしたがって各並列回路の充電容量を調節する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のセルを並列に接続した並列回路を複数組直列に接続した組電池に対して、セルの充電容量−開放電圧特性から並列回路の検出電圧に対応する充電容量として求めた各並列回路の充電容量と、各並列回路の実際の充電容量との誤差を抑制して正確な放電容量を算出することができ、組電池の各並列回路の充電容量を均一にすることができる。
【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。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。
【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】
図２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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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３は、リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ［％］に対する開放電圧Ｖ［ｖ］の特性を示す。セルの開放電圧Ｖは充電容量ＳＯＣに応じて変化し、充電容量ＳＯＣに対する開放電圧Ｖの変化がほぼ直線で近似できる領域１および３と、その中間の充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖの傾き｜ΔＶ／ΔＳＯＣ｜（または｜ΔＶ／ΔＡｈ｜）が変化する領域２とに分けられる。
【００２０】
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放電時間（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、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。
【００２１】
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３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。
【００２２】
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。
【００２３】
この問題をさらに詳しく説明する。各並列ブロックのセル電圧は、各並列ブロック内の並列接続セルの電圧平均値である。同様に、各並列ブロックの充電容量ＳＯＣは、各並列ブロック内の並列接続セルの充電容量ＳＯＣの平均値である。並列ブロック内の並列接続セルのすべてが図３に示す領域１または領域３の範囲にあれば、充電容量ＳＯＣに対するセル電圧Ｖの変化率がほぼ一定であるから、並列接続セルのセル電圧平均値に対応する充電容量ＳＯＣと、実際の並列接続セルの充電容量ＳＯＣの平均値とがほぼ等しくなる。
【００２４】
しかし、並列に接続された複数のセルが異なるＳＯＣ領域にまたがって存在するか、あるいは領域２の範囲にある場合には、充電容量ＳＯＣに対するセル電圧Ｖの変化率が変化するので、並列接続セルのセル電圧平均値に対応する充電容量ＳＯＣと、実際の並列接続セルの充電容量ＳＯＣの平均値とが異なる値になる。
【００２５】
この問題を、２個のセルが並列に接続された並列ブロックＸとＹとが直列に接続された組電池を例に上げて説明する。図４に示すように、並列ブロックＸの並列接続セルの充電容量ＳＯＣをｘ１、ｘ２とし、並列ブロックＹの並列接続セルの充電容量ＳＯＣをｙ１、ｙ２とすると、各並列ブロックＸ、Ｙの並列接続セルの充電容量ＳＯＣの平均値ＳＯＣＸ、ＳＯＣＹは、
【数１】
ＳＯＣＸ＝（ｘ１＋ｘ２）／２，
ＳＯＣＹ＝（ｙ１＋ｙ２）／２
である。
【００２６】
一方、各並列ブロックＸ、Ｙの並列接続セルのセル電圧をＶｘ１、Ｖｘ２、ｖｙ１、Ｖｙ２とすると、各並列ブロックＸ、Ｙのセル電圧平均値Ｖｘ、Ｖｙは、
【数２】
Ｖｘ＝（Ｖｘ１＋Ｖｘ２）／２，
Ｖｙ＝（Ｖｙ１＋Ｖｙ２）／２
セルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性において、並列ブロックＸ、Ｙのセル電圧平均値Ｖｘ、Ｖｙに対応する充電容量ＳＯＣを求め、それらをＳＯＣＸ’、ＳＯＣＹ’とする。図４から明らかなように、
【数３】
ＳＯＣＸ≠ＳＯＣＸ’，
ＳＯＣＹ≠ＳＯＣＹ’
となり、いずれも真の充電容量ＳＯＣより小さくなる。これは、並列接続セルのセル電圧分布が、充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性上の電圧変化率の異なる複数のＳＯＣ領域にまたがっているためである。
【００２７】
並列ブロックＹの充電容量が並列ブロックＸの充電容量よりも大きいから、容量調整により放電されるべき放電容量はΔＳＯＣ（＝ＳＯＣＹ−ＳＯＣＸ）である。一方、セルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性上の各並列ブロックＸ、Ｙのセル電圧平均値Ｖｘ、Ｖｙに対応する充電容量ＳＯＣＸ’、ＳＯＣＹ’から放電容量を求めると、ΔＳＯＣ’（＝ＳＯＣＹ’−ＳＯＣＸ’）になる。図４から明らかなように、セル電圧検出結果から得られた放電容量ΔＳＯＣ’は正しい放電容量ΔＳＯＣよりも多い。これは、並列ブロックＸの並列接続セルの電圧分布が電圧変化率の異なる３領域にまたがっているのに対し、並列ブロックＹの並列接続セルの電圧分布は２領域にまたがっているから、並列ブロックＸの方が放電容量の演算誤差が大きくなるためである。
【００２８】
図５（ａ）は、図３に示すセルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性を、横軸（Ｘ軸）の正方向がＳＯＣの増加方向になるように表した図である。ここで、セルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性が関数Ｖ＝ｆ（ＳＯＣ）で表されるとする。図５（ｂ）は、（ａ）に示す充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性の充電容量ＳＯＣに対する電圧変化率（微分係数）ｄＶ／ｄＳＯＣを表したグラフであり、ＳＯＣ−Ｖ特性関数ｆ（ＳＯＣ）の導関数ｆ’（ＳＯＣ）である。また、図５（ｃ）は、（ａ）に示す充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性の充電容量ＳＯＣに対する電圧変化率ｄＶ／ｄＳＯＣの変化率ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２（第二階微分係数）を表したグラフであり、（ａ）に示すＳＯＣ−Ｖ特性関数ｆ（ＳＯＣ）の第二階導関数ｆ”（ＳＯＣ）である。
【００２９】
図４で説明した放電容量の演算誤差は、図５から明らかなように、セルの充電容量ＳＯＣが、充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性の第二階微分係数ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２（電圧変化率の変化率）が大きい領域（図３の領域２）にあるほど大きく、また、二つの並列ブロックの充電容量ＳＯＣ平均値に対する充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性の第二階微分係数ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２（電圧変化率の変化率）の差が大きいほど大きい。
【００３０】
そこでこの一実施の形態では、放電容量の演算に、充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性の第二階微分係数ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２（電圧変化率の変化率）に相関のある係数を導入することによって、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ける、並列ブロック単位での容量調整の精度を向上させることができる。
【００３１】
この一実施の形態の放電容量の演算手順を説明する。まず、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧（並列接続セルの電圧の平均値）Ｖｎ（ｎは並列ブロック１ａ〜１ｄの識別番号で、この一実施の形態ではｎ＝１，２，３，４）を検出し、図５（ａ）に示す充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性から電圧Ｖｎに対応する各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量（並列接続セルの充電容量ＳＯＣの平均値）ＳＯＣｎ（ｎ＝１〜４）を求める。そして、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの充電容量ＳＯＣｍｉｎを容量調整目標値とし、他の並列ブロックの充電容量ＳＯＣとの偏差に基づいて各並列ブロックの放電容量ΔＳＯＣｎを求める。
【００３２】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す充電容量ＳＯＣに対する開放電圧Ｖの特性曲線の微分係数（電圧変化率）ｄＶ／ｄＳＯＣを、充電容量ＳＯＣに対して表した特性図である。この図５（ｂ）に示す充電容量ＳＯＣに対する微分係数ｄＶ／ｄＳＯＣの特性から、各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣｎに対する電圧変化率ｄＶｎ／ｄＳＯＣｎを求める。ここで、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの電圧変化率を（ｄＶｍｉｎ／ｄＳＯＣ）とする。
【００３３】
図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す充電容量ＳＯＣに対する開放電圧Ｖの特性曲線の第二階微分係数（電圧変化率の変化率）ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２を、充電容量ＳＯＣに対して表した特性図である。この図５（ｃ）に示す充電容量ＳＯＣに対する第二階微分係数ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２の特性から、各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣｎに対する第二階微分係数ｄ^２Ｖｎ／ｄＳＯＣｎ^２を求める。ここで、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの第二階微分係数を（ｄ^２Ｖｍｉｎ／ｄＳＯＣ^２）とする。
【００３４】
そして、各並列ブロック１ａ〜１ｄの最終的な放電電気量ΔＳＯＣ’ｎ［Ａｈ］を次式により算出する。
【数４】
ΔＳＯＣ’ｎ＝〔ΔＳＯＣｎ−｛（ｄ^２Ｖｎ／ｄＳＯＣｎ^２）−（ｄ^２Ｖｍｉｎ／ｄＳＯＣ^２）｝・Ｋ〕・Ｎ・Ｃ　（ただし、（ｄＶｎ／ｄＳＯＣｎ）−（ｄＶｍｉｎ／ｄＳＯＣ）＜０の場合）
【数５】
ΔＳＯＣ’ｎ＝〔ΔＳＯＣｎ＋｛（ｄ^２Ｖｎ／ｄＳＯＣｎ^２）−（ｄ^２Ｖｍｉｎ／ｄＳＯＣ^２）｝・Ｋ〕・Ｎ・Ｃ　（ただし、（ｄＶｎ／ｄＳＯＣｎ）−（ｄＶｍｉｎ／ｄＳＯＣ）≧０の場合）
数式４、５において、Ｋは定数、Ｎは各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの並列接続数、Ｃはセル（単電池）の容量である。
【００３５】
なお、図３および図５（ａ）に示すリチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性では、充電容量ＳＯＣが増加するほど電圧変化率（ｄＶ／ｄＳＯＣ）が低下する例を示したが、リチウムイオン電池は厳密には充電容量ＳＯＣがおよそ９５％以上になると、電圧変化率（ｄＶ／ｄＳＯＣ）が増加に転ずる。したがって、充電容量ＳＯＣの増加に対して電圧変化率（ｄＶ／ｄＳＯＣ）が低下するＳＯＣ範囲では、数式４により最終的な放電電気量ΔＳＯＣ’ｎ［Ａｈ］を算出し、充電容量ＳＯＣの増加に対して電圧変化率（ｄＶ／ｄＳＯＣ）が増加するＳＯＣ範囲では、数式５により最終的な放電電気量ΔＳＯＣ’ｎ［Ａｈ］を算出する。
【００３６】
図６〜図７は、一実施の形態の容量調整プログラムを示すフローチャートである。これら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。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）して電気自動車が起動されたとき、あるいは充電装置（不図示）によりメインバッテリー１の充電が開始されたときに、この容量調整プログラムの実行を開始する。
【００３７】
なお、この一実施の形態では、複数のセルを並列に接続した並列ブロックセルを複数組直列に接続した組電池を電気自動車のメインバッテリーとして用いた例を説明しているので、電気自動車の起動または充電開始から容量調整プログラムの実行を開始するようにしているが、組電池を他の用途に用いる場合には、組電池がその負荷または充電装置に接続されて充放電が可能な状態になったらこの容量調整プログラムの実行を開始すればよい。
【００３８】
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の電圧（並列接続セルの電圧の平均値）Ｖｎを検出する。なお、この電圧検出は、メインリレー７の投入前のメインバッテリー１が開放状態にあるとき、あるいはメインリレー７の投入後の充放電電流が０もしくは０に近い状態、すなわちメインバッテリー１が無負荷状態にあるときの電圧を検出するのが望ましい。セルの開放状態または無負荷状態におけるセル電圧は、セルが最も安定な状態にあるときの電圧であり、そのようなセル電圧を用いることによって正確な充電容量ＳＯＣを求めることができる。
【００３９】
続くステップ２で、図５（ａ）に示す充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性から電圧Ｖｎに対応する各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量（並列接続セルの充電容量の平均値）ＳＯＣｎ（ｎ＝１〜４）を求める。ステップ３では、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの充電容量ＳＯＣｍｉｎを容量調整目標値とし、他の並列ブロックの充電容量ＳＯＣとの偏差を求めて各並列ブロックの放電容量（並列接続セルの放電容量の平均値）ΔＳＯＣｎを演算する。
【００４０】
ステップ４において、図５（ｂ）に示す充電容量ＳＯＣに対する微分係数（電圧変化率）ｄＶ／ｄＳＯＣの特性から、各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣｎに対する電圧変化率ｄＶｎ／ｄＳＯＣｎを求める。ここで、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの電圧変化率を（ｄＶｍｉｎ／ｄＳＯＣ）とする。
【００４１】
続くステップ５では、図５（ｃ）に示す充電容量ＳＯＣに対する第二階微分係数（電圧変化率の変化率）ｄ^２Ｖ／ｄＳＯＣ^２の特性から、各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣｎに対する第二階微分係数ｄ^２Ｖｎ／ｄＳＯＣｎ^２を求める。ここで、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの第二階微分係数を（ｄ^２Ｖｍｉｎ／ｄＳＯＣ^２）とする。
【００４２】
ステップ６で、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧変化率（ｄＶｎ／ｄＳＯＣｎ）と、最も電圧Ｖｎが低い並列ブロックの電圧変化率（ｄＶｍｉｎ／ｄＳＯＣ）との差が０または正か否かを判定する。差が０または正の場合はステップ７へ進み、上記数式５により各並列ブロック１ａ〜１ｄの最終的な放電電気量ΔＳＯＣ’ｎを求める。一方、差が負の場合はステップ８へ進み、上記数式４により各並列ブロック１ａ〜１ｄの最終的な放電電気量ΔＳＯＣ’ｎを求める。
【００４３】
ステップ９において、放電時間（容量調整時間）を決定する。容量調整部３ｅの各放電回路２５〜２８の放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は同一の抵抗値としており、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧、すなわちセル電圧が等しければ各放電回路２５〜２８には同一の放電電流が流れる。この放電電流をＩｄとすると、放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は所定のセル電圧のときに放電電流Ｉｄが流れる抵抗値とする。放電時間（容量調整時間）は、並列ブロック１ａ〜１ｄの内の最大放電容量の並列ブロックが最小充電容量になるまで放電電流Ｉｄを流して放電する時間として求める。
【００４４】
ステップ１０で、各並列ブロック１ａ〜１ｄの最終放電電気量ΔＳＯＣ’ｎを放電時間の間に放電するための、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電回路２５〜２８のデューティーを演算する。ステップ１１で、算出した各並列部ブロック１ａ〜１ｄのデューティーにしたがって各並列ブロック１ａ〜１ｄに対応する放電回路２５〜２８のトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４をデューティー駆動し、並列ブロック単位での容量調整を開始する。このとき、タイマー３ｃによる放電時間の計時を開始する。ステップ１２でタイマー３ｃの計時時間を確認し、容量調整時間Ｔｄが経過したらステップ１３へ進み、容量調整部３ｅによる容量調整を終了する。
【００４５】
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に対し、各並列ブロックの電圧を検出してセルの充電容量−開放電圧特性から各並列ブロックの検出電圧に対応する充電容量を検索し、各並列ブロックの充電容量の内の最小充電容量を容量調整目標値とし、各並列ブロックの充電容量と容量調整目標値との偏差に基づいて各並列ブロックの放電容量を演算するとともに、セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数を求め、各並列ブロックの充電容量に対する第二階微分係数に基づいて各並列ブロックの放電容量を補正し、各並列ブロックの補正後の放電容量にしたがって各並列ブロックの充電容量を調節するようにしたので、セルの充電容量−開放電圧特性から並列回路の検出電圧に対応する充電容量として求めた各並列回路の充電容量と、各並列回路の実際の充電容量との誤差を抑制して正確な放電容量を算出することができ、組電池の各並列回路の充電容量を均一にすることができる。
【００４６】
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、セル電圧検出部３ｄが電圧検出手段および充電容量検索手段を、ＣＰＵ３ａが放電容量演算手段および放電容量補正手段を、容量調整部３ｅが充電容量調節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。
【００４７】
なお、セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数における各並列ブロックの充電容量の平均値、すなわち組電池としての充電容量に対する第二階微分係数が所定値以上の場合は、演算結果の放電容量に演算誤差が含まれる可能性があり、この場合には容量調整を実施しないようにしてもよい。
【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】容量調整部の詳細を示す図である。
【図３】リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖ特性を示す図である。
【図４】充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きい電池における容量調整誤差を説明するための図である。
【図５】セルの充電容量−開放電圧特性とその導関数および第二階導関数を示す図である。
【図６】一実施の形態の容量調整プログラムを示すフローチャートである。
【図７】図６に続く、一実施の形態の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
２５〜２８　放電回路
Ｒ１〜Ｒ４　放電抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ２　トランジスター

Claims

複数のセルを並列に接続した並列回路を複数組直列に接続した組電池と、
前記組電池の各並列回路の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記セルの充電容量−開放電圧特性に基づいて前記各並列回路の検出電圧に対応する充電容量を検索する充電容量検索手段と、
前記各並列回路の充電容量の内の最小充電容量を容量調整目標値とし、前記各並列回路の充電容量と前記容量調整目標値との偏差に基づいて前記各並列回路の放電容量を演算する放電容量演算手段と、
前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数を求め、前記各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数に基づいて前記各並列回路の放電容量を補正する放電容量補正手段と、
前記各並列回路の前記補正後の放電容量にしたがって前記各並列回路の充電容量を調節する充電容量調節手段とを備える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、
前記放電容量補正手段は、前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数の、前記各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数と、前記容量調整目標値に対する第二階微分係数との差に比例した補正量を算出し、この補正量により前記各並列回路の放電容量を補正することを特徴とする組電池の容量調整装置。
請求項１または請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
前記容量調節手段は、前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数における前記各並列回路の充電容量平均値に対する第二階微分係数が所定値以上の場合は、容量調整を実施しない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回路を複数組直列に接続した組電池の容量調整方法であって、
前記各並列回路の電圧を検出して前記セルの充電容量−開放電圧特性から前記各並列回路の検出電圧に対応する充電容量を検索し、前記各並列回路の充電容量の内の最小充電容量を容量調整目標値とし、前記各並列回路の充電容量と前記容量調整目標値との偏差に基づいて前記各並列回路の放電容量を演算するとともに、前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数を求め、前記各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数に基づいて前記各並列回路の放電容量を補正し、前記各並列回路の前記補正後の放電容量にしたがって前記各並列回路の充電容量を調節することを特徴とする組電池の容量調整方法。
請求項４に記載の組電池の容量調整方法において、前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数における、前記各並列回路の充電容量に対する第二階微分係数と、前記容量調整目標値に対する第二階微分係数との差に比例した補正量を算出し、この補正量により前記各並列回路の放電容量を補正することを特徴とする組電池の容量調整方法。
請求項４または請求項５に記載の組電池の容量調整方法において、
前記セルの充電容量−開放電圧特性曲線の第二階導関数における前記各並列回路の充電容量平均値に対する第二階微分係数が所定値以上の場合は、容量調整を実施しないことを特徴とする組電池の容量調整方法。