JP2005151679A - 組電池の電圧調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型でコスト高の専用保護回路を備えた充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整する方法を提供する。
【解決手段】組電池は、単電池を８直列としたモジュールを１２直列として構成されている。組電池制御部は、各モジュール１の開放電圧を測定し、各モジュール１に電圧調整用抵抗２を直列に挿入して各モジュール１を並列接続し、各モジュール１の端子電圧の偏差が±０．１Ｖ内となるまで並列接続を行う。各モジュール１に流れる充放電電流は、並列接続するモジュール１の開放電圧の最大偏差値を、電圧調整用抵抗２、配線抵抗及びモジュール１を構成する全単電池の内部抵抗の抵抗値の和で除算した値未満となるため、許容される電流値未満になるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池の電圧調整方法に係り、特に、単電池又は単電池を直列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法に関する。

従来、組電池は、所望の電圧、容量を得るため、単電池又は単電池を直列及び／又は並列にしたモジュールを複数個直列及び／又は並列に接続されている。このような組電池を構成する単電池又はモジュール（以下、「単電池等」という。）のいずれかに異常が生じた場合には、新たな単電池等を、正常な（非交換対象の）単電池等とほぼ同一の残存容量としてから、交換する必要がある。すなわち、残存容量の異なる新たな単電池等をそのまま交換・接続すると、充放電を行った際に、新たな単電池等が過充電乃至過放電状態となり、当該新たな単電池等が劣化してしまう可能性がある。特に、最近実用化されているリチウムイオン電池では、過充電状態となると電池内圧が極端に上昇する現象が現れ、過放電状態となると劣化を促進するため、リチウムイオン電池を単電池として用いたモジュール又は組電池は、単電池等が過充電・過放電状態となるのを防止する過充電・過放電防止回路を備えている。

また、残存容量が異なる単電池等が組電池中に存在すると、組電池としての容量が確保できなくなってしまう。このため、モジュール又は組電池には、単電池の残存容量を均一化するセルバランス回路が組み込まれている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、セルバランス回路は基本的に単電池の残存容量の差が小さい場合に有効であり、単電池を交換する場合など残存容量の差が大きいときには、セルバランス回路の機能が正常に作動しても、単電池間の残存容量が均一化されるまでに長時間を費やすため、実質的には組電池を構成する単電池等の残存容量を揃えてから、新たな単電池等に交換するしか方法がなかった。

リチウムイオン電池のうち、負極材料に非晶質系黒鉛を用いたリチウムイオン電池は、残存容量と開回路電圧（開放電圧）との相関が高いため、開回路電圧を揃えることで残存容量を揃えることができる。その具体的な方法としては、新たな単電池等の開回路電圧を、組電池の平均開回路電圧なるように、充電器又は電子負荷装置（例えば、特許文献２参照）などを用いて充放電して調整する方法が用いられている。

特開２００２−１０１５６５号公報 特開２００１−１３４３２６号公報

ところが、新たな単電池等の開回路電圧を調整するには、上述したように、充電器又は電子負荷装置などの充放電装置が必要であり、特に、電気自動車（ＥＶ、ＨＥＶ）用電池や据置用電池では、電池容量が大きいため、大型、大容量の充放電装置が必要となるか、少なくとも、小容量の充放電装置を用いた場合には残存容量の調整に相当の時間を要する、という問題がある。また、リチウムイオン電池では、安全性を考慮して複数の専用の保護回路を備えた充放電装置で充放電する必要があり、充放電装置がコスト高となる、という問題もある。

本発明は上記事案に鑑み、大型でコスト高の専用保護回路を備えた充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整する方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入して前記各単電池又はモジュールを並列接続し、前記各単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が予め設定された設定範囲内となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする。

第１の態様では、組電池を構成する単電池又はモジュールを並列接続するので、端子電圧の高い（残存容量の大きい）単電池又はモジュールから端子電圧の低い（残存容量の小さい）単電池又はモジュールに電流が流れ込むため、各単電池又はモジュールの端子電圧（残存容量）は全体の平均電圧（平均残存容量）に徐々に揃っていき、各単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が予め設定された設定範囲内となるまで並列接続するので、組電池を構成する各単電池又はモジュールの端子電圧の差が設定範囲内となるため、別途専用の充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限することができ、並列接続用の配線の許容電流を小さくできるため、本態様を具現乃至適用した装置の小型化を図ることができる。

また、本発明の第２の態様は、単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入して前記各単電池又はモジュールを並列接続し、前記各単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする。

第２の態様では、組電池を構成する単電池又はモジュールを並列接続するので、端子電圧の高い単電池又はモジュールから端子電圧の低い単電池又はモジュールに電流が流れ込むため、各単電池又はモジュールの端子電圧は全体の平均電圧に徐々に揃っていき、各単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで並列接続するので、各単電池又はモジュールの端子電圧（残存容量）の差が設定値で定まる範囲内となるため、充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、第１の態様と同様に、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限でき、装置の小型化を図ることができる。

更に、第３の態様では、単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールの開放電圧を測定し、該測定された開放電圧の偏差が予め設定された設定範囲を越える単電池又はモジュールと、前記設定範囲を下回る単電池又はモジュールとを複数個、それぞれ抵抗を直列に挿入して並列接続することを特徴とする。

第３の態様では、組電池を構成する各単電池又はモジュールの開放電圧を測定し、該測定された開放電圧の偏差が予め設定された設定範囲を越える単電池又はモジュールと、設定範囲を下回る単電池又はモジュールとを複数個並列接続するので、設定範囲を越える（開放電圧の高い）単電池又はモジュールから放電電流が、設定範囲を下回る（開放電圧の低い）単電池又はモジュールに流れ込むため、並列接続した単電池又はモジュールの電圧は、設定範囲内にある（並列接続しない）単電池又はモジュールの電圧（残存容量）に揃っていくため、充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、並列接続した単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限でき、より装置の小型化を図ることができる。

第３の態様において、並列接続した単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が設定範囲内となるまで、又は、並列接続した単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで、並列接続を行うようにすれば、設定範囲又設定値が並列接続した単電池又はモジュールの電圧が揃ったか否かの判定基準となるので、電圧調整の終了の目安とすることができる。また、並列接続した単電池又はモジュールの充放電電流は、並列接続を行う単電池又はモジュールの開放電圧の最大偏差値を、直列に挿入される抵抗、配線抵抗及び単電池又はモジュールの内部抵抗の抵抗値の和で除算した値となるので、単電池又はモジュールの最大充放電電流値未満となるように直列に挿入される抵抗の抵抗値を設定すれば、並列接続した単電池又はモジュールに流れる充放電電流を許容される範囲で大きくすることができるため、短時間で電圧調整を行うことが可能となる。

本発明の第１の態様によれば、組電池を構成する各単電池又はモジュールを並列接続し、各単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が予め設定された設定範囲内となるまで並列接続を行うので、端子電圧の高い単電池又はモジュールから端子電圧の低い単電池又はモジュールに電流が流れ込み、各単電池又はモジュールの端子電圧の差が設定範囲内となるため、充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限でき、並列接続用の配線の許容電流を小さくできる、という効果を得ることができる。

本発明の第２の態様によれば、組電池を構成する各単電池又はモジュールを並列接続し、各単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで並列接続を行うので、端子電圧の高い単電池又はモジュールから端子電圧の低い単電池又はモジュールに電流が流れ込み、各単電池又はモジュールの端子電圧の差が設定値で定まる範囲内となるため、充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限でき、並列接続用の配線の許容電流を小さくできる、という効果を得ることができる。

本発明の第３の態様によれば、組電池を構成する各単電池又はモジュールの開放電圧を測定し、該測定された開放電圧の偏差が予め設定された設定範囲を越える単電池又はモジュールと、設定範囲を下回る単電池又はモジュールとを複数個並列接続するので、設定範囲を越える単電池又はモジュールから放電電流が、設定範囲を下回る単電池又はモジュールに流れ込み、並列接続した単電池又はモジュールの電圧は、設定範囲内にある単電池又はモジュールの電圧に揃っていくため、充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができると共に、並列接続した単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入するので、各単電池又はモジュールに流れる充放電電流を制限でき、並列接続用の配線の許容電流を小さくでき、上記第１、第２態様より抵抗数を少なくできるため、本態様を具現乃至適用した装置をより小型化することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電圧調整方法を、組電池を構成するモジュールの１つを交換する場合に適用した実施の形態について説明する。

本実施形態の（電圧調整の対象となる）組電池は、負極材料に非晶質系黒鉛を用い定格９０Ａｈ、３．６Ｖのリチウムイオン電池（以下、単電池という。）を８直列としたモジュールを１２直列とした構成であり、充放電状態を検出するホール素子、Ａ／Ｄコンバータを内蔵しマイコン等で構成された組電池制御部及びモジュールとデータの通信を行うためのインターフェース等を備えている。各モジュールは、モジュールを構成する各単電池の端子電圧を検出する電圧検出回路やＡ／Ｄコンバータを内蔵したマイコン等で構成された制御部を備えている。このため、電圧検出回路で各単電池の端子電圧を検出して制御部に出力し、制御部はＡ／Ｄコンバータを介して各単電池の端子電圧のデジタル値を取り込み、取り込んだ各単電池の端子電圧のデータを、上述したインターフェースを介して、組電池制御部に通信することが可能である。

次に、組電池の電圧の調整を行うために、組電池制御部（マイコンのＣＰＵ）が実行する電圧調整ルーチンについて説明する。なお、電圧調整ルーチンは、組電池に内蔵された所定のスイッチが押下されたときに実行される。電圧調整ルーチンでは、まず、組電池制御部が、ホール素子からの電圧をＡ／Ｄコンバータを介してデジタル値として取り込み、組電池が充放電休止中か否かを判断する。否定判断のときは充放電休止状態となるまで待機し、肯定判断のときは、各モジュールの制御部に各単電池の端子電圧のデータを通信するように指示する。この指示を受けた各モジュールの制御部は、上述したように、Ａ／Ｄコンバータを介して各単電池の端子電圧のデジタル値を取り込み、取り込んだ各単電池の端子電圧のデータを、組電池制御部に通信する。組電池制御部は、順次、各モジュールの制御部から通信された各単電池の端子電圧のデータを取り込んで、モジュール毎に単電池の端子電圧を加算し、各モジュールの端子電圧を算出する。なお、算出された各モジュールの端子電圧は、組電池が充放電休止中の各単電池の端子電圧の加算値のため、開放電圧（開回路電圧）である。

次に、組電池制御部は、図１に示すように、組電池を構成する各モジュール１を、電圧調整用抵抗２を介して、並列接続する。このような並列接続は、例えば、組電池に、ＦＥＴ及び抵抗で構成されるスイッチ、電圧調整用抵抗２、並びに、並列接続用配線を内蔵しておき、スイッチをオン状態として直列から並列に切り替えればよい。

モジュール１に流れる充放電電流は、並列接続されるモジュール１の開放電圧の最大偏差値を、電圧調整用抵抗２、配線抵抗（並列接続用配線及びモジュール１の単電池間の配線の抵抗の合計）及びモジュール１を構成する全単電池の内部抵抗の抵抗値の和で除算した値となる。このため、本実施形態では、短時間で電圧調整を行うために、電圧調整用抵抗２の抵抗値を、モジュール１の最大充放電電流値未満、かつ、最大充放電電流値に近い同一値に設定している。

次いで、組電池制御部は、所定時間（例えば、５分）毎に、各モジュールの制御部に各単電池の端子電圧のデータを送信するように指示する。この指示を受けた各モジュールの制御部は各単電池の端子電圧のデータを組電池制御部に通信し、組電池制御部は各単電池の端子電圧のデータを取り込んで、モジュール毎に単電池の端子電圧を加算し、各モジュールの端子電圧を算出する。

続いて、組電池制御部は、各モジュールの端子電圧の偏差（各モジュールの端子電圧と各モジュールの平均端子電圧との差）を算出し、各モジュールの端子電圧の偏差が、予め設定された設定範囲（例えば、±０．１Ｖ）内か否かを判断する。否定判断のときは、再度、各モジュールの制御部に各単電池の端子電圧のデータを送信するように指示して、設定範囲内か否かを判断するステップを繰り返し、肯定判断のときは、各モジュールの端子電圧が設定範囲内に揃った（バラツキがなくなった）ので、上述したスイッチをオフ状態として並列から直列に切り替え、電圧調整の終了を報知するために組電池のケース外に露出したＬＥＤを所定時間点滅させて、電圧調整ルーチンを終了する。

本実施形態において、各モジュール２に流れる電流の最大値を１５Ａ程度とするため電圧調整用抵抗２の抵抗値を８２．５ｍΩとした場合（本例）の、各電池モジュール２の充放電電圧（端子電圧）の推移を図２に示す。図２に示すように、本例では、当初、総電圧の最大−最小値が１２個のモジュール１で３．５Ｖ以上あったが、電圧調整開始後、約２時間で０．２Ｖに達し、４時間後には、各電池モジュールの電圧が揃った（設定範囲内となった）。

また、図２には、図１において、各モジュール１に、電圧調整用抵抗２に加えホール素子を直列に挿入して、組電池制御部にホール素子の電圧をアナログ値に変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵した場合の各モジュール１に流れる充放電電流の推移も示している。図２から明らかなように、各モジュール１に流れる充放電電流も端子電圧が揃うに従って０Ａに近づく。従って、各モジュール１に流れる電流が、設定値（例えば、１０ｍＡ）未満となったときに、各モジュール１の端子電圧が揃ったと判断し、上述した電圧調整ルーチンを終了するようにしてもよい。

次に、本実施形態の電圧調整方法の作用効果について説明する。
本実施形態では、組電池制御部により、組電池を構成するモジュール１が並列接続されるので、開放電圧（端子電圧）の高い、換言すれば、残存容量の大きいモジュール１から、開放電圧（端子電圧）の低い、換言すれば、残存容量の小さいモジュール１に電流が流れ込む。このため、各モジュール１の端子電圧（残存容量）は、モジュール全体の平均電圧（平均残存容量）に徐々に揃っていく。組電池制御部は、各モジュール１の端子電圧の偏差が、予め設定された設定範囲（±０．１Ｖ）内となるまで並列接続するので、組電池を構成する各モジュール１の端子電圧の差が設定範囲内となる。従って、本実施形態の電圧調整方法によれば、別途専用の充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができる。また、本実施形態では、各モジュール１に電圧調整用抵抗２を直列に挿入するので、各モジュール１に流れる充放電電流を制限することができ、並列接続用の配線の許容電流を小さくすることができる。従って、本実施形態の電圧調整方法によれば、組電池内に電圧調整を行う回路等を組見込んでも大型化を防止することができる。

なお、本実施形態では、組電池を構成する全てのモジュールについて電圧調整を行う例を示したが、組電池を構成する各モジュール１の開放電圧を測定し、該測定された開放電圧の偏差が予め設定された設定範囲を越えるモジュール１（例えば、開放電圧の偏差が０．１Ｖを越えるモジュール１）と、設定範囲を下回るモジュール１（例えば、開放電圧の偏差が−０．１Ｖより小さいモジュール１）とを、複数個並列接続するにようにしてもよい。このようにすれば、放電電流が、設定範囲を越えるモジュール１から設定範囲を下回るモジュール１に流れ込み、並列接続したモジュール１の電圧は、設定範囲内にあるモジュール１（並列接続をしないモジュール１）の電圧に揃っていく。このような形態においても、別途専用の充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整することができる。このような形態では、１２個の電圧調整用抵抗２を減少させることができるので、電圧調整回路を組み込んだ組電池の低コスト化、小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、単電池を直列接続したモジュール１を１２個直列接続した組電池を例示したが、本発明はこれに限定されず、モジュール１が単電池を並列接続又は直並列接続したものでも、組電池がモジュールを並列接続又は直並列接続したものでも適用が可能である。更に、本発明は、組電池が単電池を直列接続して構成されたもの、単電池を並列接続して構成されたもの、単電池を直並列接続して構成されたもの、のいずれにも適用可能であることは論を待たない。

更に、本実施形態では、電圧調整ルーチンで、各単電池又はモジュールの電圧について過放電とならないことを前提として説明したが、各単電池及び／又はモジュールを並列接続して充放電を行う前に、過放電とならない電圧以上か否かを判断し、所定電圧以下のときに充電を行ってから電圧調整を開始するステップを設けるようにしてもよい。このようなステップを設けることにより、組電池の充放電が長期間放置（長期間休止状態と）された場合でも、組電池を構成する各単電池の過放電による劣化を防止することができる。

また、本実施形態では、電圧調整を行う回路を組電池内に設け、組電池制御部が電圧調整を実行する例を示したが、本発明はこれに限らず、上述した特許請求の範囲に従い、マニュアルで並列接続としたり、組電池とは別の電圧調整装置で組電池を構成するモジュール１の電圧調整を行うようにしてもよい。更に、本実施形態では、電流を電圧に変換する素子としてホール素子を例示したが、ホール素子に代えて、シャント抵抗等を用いるようにしてもよい。

そして、本実施形態では、単電池に負極材料に非晶質系炭素を用い残存容量と開放電圧との相関の高いリチウムイオン電池を用いたため、モジュール１の開放電圧を直接測定せず、モジュール１を構成する各単電池の開放電圧からモジュール１の開放電圧を算出する（間接的に測定する）例を示したが、各モジュール１の開放電圧を直接測定するようにしてもよい。

本発明に係る電圧調整方法は、大型でコスト高の専用保護回路を備えた充放電装置を用いることなく、組電池の電圧を調整するものであり、本発明が具現乃至適用される装置の製造、販売に寄与するため、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の組電池を構成するモジュールの並列接続状態を示すブロック回路図である。 実施形態の電圧調整方法を行ったときの各モジュールの充放電電圧と充放電電流の推移を示す特性線図である。

符号の説明

１ モジュール
２ 電圧調整用抵抗（抵抗）

Claims (6)

1. 単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入して前記各単電池又はモジュールを並列接続し、前記各単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が予め設定された設定範囲内となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする電圧調整方法。
2. 単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールに抵抗を直列に挿入して前記各単電池又はモジュールを並列接続し、前記各単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする電圧調整方法。
3. 単電池又は単電池を直列及び／又は並列接続したモジュールを複数個直列及び／又は並列接続した組電池の電圧調整方法であって、前記組電池を構成する各単電池又はモジュールの開放電圧を測定し、該測定された開放電圧の偏差が予め設定された設定範囲を越える単電池又はモジュールと、前記設定範囲を下回る単電池又はモジュールとを複数個、それぞれ抵抗を直列に挿入して並列接続することを特徴とする電圧調整方法。
4. 前記単電池又はモジュールの端子電圧の偏差が前記設定範囲内となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする請求項３に記載の電圧調整方法。
5. 前記単電池又はモジュールに流れる電流が予め設定された設定値未満となるまで前記並列接続を行うことを特徴とする請求項３に記載の電圧調整方法。
6. 前記並列接続を行う単電池又はモジュールの開放電圧の最大偏差値を、前記直列に挿入される抵抗、配線抵抗及び前記単電池又はモジュールの内部抵抗の抵抗値の和で除算した値が、前記単電池又はモジュールの最大充放電電流値未満となるように、前記直列に挿入される抵抗の抵抗値が設定されることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の電圧調整方法。