JP2005278248A - 組電池の容量調整装置および容量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量調整回路に用いるバイパス抵抗の熱容量を小さくする。
【解決手段】車両に搭載されて使用されるものであって、複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、走行している車両の停止が予測されると、組電池の目標充電率を第１の目標充電率から第２の目標充電率に上昇させて、セル間の容量調整を行う。これにより、車両停止後に容量調整回路による容量調整を行うことができるので、容量調整効率が向上する。すなわち、車両停止後に容量調整を行うことができるので、容量調整時間を短縮するためにバイパス抵抗の熱容量を大きくする必要が無くなるため、熱容量の小さいバイパス抵抗を用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルから構成される組電池の容量調整装置および容量調整方法に関し、特に、車両に搭載されて使用される組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。

組電池を構成するセルの電圧がバイパス作動電圧を越えると、バイパス抵抗を介してセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行う装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−３２２９２５号公報

しかしながら、従来の装置では、容量調整時間を短くする目的でバイパス電流を大きくするためには、バイパス抵抗の熱容量を大きくしなければならないという問題があった。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法は、車両に搭載されて使用されるものであって、複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、走行している車両の停止が予測されると、組電池の目標充電率を第１の目標充電率から第２の目標充電率に上昇させて、セル間の容量調整を行うことを特徴とする。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法によれば、複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、走行している車両の停止が予測されると、組電池の目標充電率を上昇させて、セル間の容量調整を行うので、車両停止後に容量調整回路による容量調整を行うことができる。従って、容量調整効率が向上し、容量調整回路に用いられるバイパス抵抗の熱容量を小さくすることができる。

図１は、本発明による組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した一実施の形態におけるシステム構成を示す図である。組電池１は、複数のセルＣ１〜Ｃｎを直列に接続して構成される。組電池１の直流電圧は、インバータ４にて交流電圧に変換されて、車両の走行駆動源である３相交流モータ５に印加される。コントロールユニット３は、CPU３ａ、ＲＯＭ３ｂ、ＲＡＭ３ｃを備え、インバータ４を制御することにより、組電池１の充電および放電を行う。

電圧センサ６は、組電池１の総電圧Ｖbatを検出して、コントロールユニット３に出力する。車速センサ７は、車両の速度を検出して、コントロールユニット３に出力する。

容量調整回路Ａ１〜Ａｎは、セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、対応するセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行う。セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎは、セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定の電圧低下判定電圧Ｖc1以下に低下したことを検知する。オア回路８は、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎから出力された電圧低下検知信号に対して論理和演算を行い、演算結果をコントロールユニット３に出力する。

図２は、図１に示す容量調整回路Ａ１〜Ａｎ、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、および、オア回路８を含む回路２の詳細な構成を示す図である。ここでは、説明を簡単にするために、組電池１が８個のセルＣ１〜Ｃ８により構成されているものとする。容量調整回路Ａ１〜Ａ８は、それぞれ、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ１〜ＩＣ８、および、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8を備える。

電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8により検出されるセル電圧と、所定のバイパス作動電圧とを比較し、比較結果を対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ８に出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、セル電圧がバイパス作動電圧よりも高いことを示す信号が電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８から入力された場合に、オンする。例えば、スイッチＳＷ１がオンすると、スイッチＳＷ１と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１を介して、充電電流の一部が流れる。すなわち、セル電圧がバイパス作動電圧を超えると、オンしたスイッチＳＷ１〜ＳＷ８と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して、セルの放電が行われる。これにより、各セル間の電圧バラツキが抑制される。

セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８は、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ９〜ＩＣ１６と、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8とを備える。電圧比較器ＩＣ９〜ＩＣ１６は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8により検出されるセル電圧と、所定の電圧低下判定電圧Ｖc1とを比較し、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下であれば、その旨の信号を出力する。オア回路８は、いずれか一つのセル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８から、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下になっていることを示す信号が入力されると、電圧低下信号をコントロールユニット３に出力する。

電圧低下判定電圧Ｖc1の設定方法について、図３を用いて説明する。図３は、セルのＳＯＣと、セルの開放電圧との関係を示す図である。後述する通常の充放電モードにおける組電池１の目標充電率（目標ＳＯＣ）が５０％の場合に、充電率４０％のセルを異常と判定する場合には、充電率４０％に相当する開放電圧（3.60Ｖ）を電圧低下判定電圧Ｖc1に設定する。

図４は、バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図である。図４に示すように、バイパス作動電圧を低い値に設定した場合、各セルの電圧が均一に調整されるが、放電される量が多くなり、エネルギーロスが大きくなる。

従って、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、バイパス作動電圧を高めの値に設定する。ここでは、通常の充放電モードにおける目標充電率（５０％）を基準として充電を行った場合のセル電圧（3.75Ｖ）より高い値（例えば、3.9Ｖ）とする。

図５は、一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、図示しないキースイッチがオンされることにより開始され、コントロールユニット３のＣＰＵ３ａにより行われる。

ステップＳ１０では、車両が起動直後で、組電池１が無負荷の状態において、オア回路８を介して、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下であることを示す信号が入力されたか否かを判定する。セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下であることを示す信号が入力されて、電圧が低下しているセルが存在すると判定するとステップＳ４０に進み、それ以外の場合には、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０〜ステップＳ３０の処理は、通常の充放電モードにおける処理である。ステップＳ２０では、目標充電率を５０％に設定して、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、図示しないキースイッチがオフされたか否かを判定する。キースイッチがオフされたと判定すると全ての処理を終了し、オフされていないと判定すると、通常の充放電モードにおける処理を継続する。

ステップＳ４０では、無負荷状態における組電池１の総電圧Ｖbatを電圧センサ６により検出する。無負荷状態における組電池１の総電圧Ｖbatを検出すると、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、セル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する。まず、次式（１）より、バラツキ電圧ΔＶを算出する。
ΔＶ＝（Ｖbat／ｎ）−Ｖc1 …（１）
このバラツキ電圧ΔＶは、式（１）に示すように、各セルＣ１〜Ｃｎの平均電圧と、電圧低下判定電圧Ｖc1との差である。なお、ｎは、セル数である。

式（１）により求めたバラツキ電圧ΔＶが所定値（例えば、0.1Ｖ）以上の場合に、電圧低下バラツキ異常が発生していると判定する。すなわち、ステップＳ１０で電圧低下判定電圧Ｖc1より低い電圧のセルが存在すると判定され、かつ、各セルの平均電圧と、電圧低下判定電圧Ｖc1との差が所定値以上の場合に、電圧バラツキ異常が発生していると判定する。電圧バラツキ異常が発生していると判定するとステップＳ６０に進み、電圧バラツキ異常が発生していないと判定すると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ６０〜ステップＳ９０の処理は、バラツキ調整準備モードにおける処理である。ステップＳ６０では、車速センサ７により検出された車速が４０ｋｍ／ｈ未満であるか否かを判定する。車速が４０ｋｍ／ｈ未満であると判定すると、車両停車時の容量調整に備えてステップＳ７０に進む。ステップＳ７０では、組電池１の目標充電率を通常の充放電モードにおける目標充電率（５０％）より高い６５％に設定する。この目標充電率は、組電池１の充放電時に、セル電圧がバイパス作動電圧（3.9Ｖ）を越えるように設定するため、セルの開放電圧が3.9Ｖの時の充電率を図３に示すＳＯＣ−開放電圧曲線から求める。

一方、ステップＳ６０の判定において、車速が４０ｋｍ／ｈ以上であると判定すると、ステップＳ８０に進む。ステップＳ８０では、通常の充放電制御を優先するために、組電池１の目標充電率を５０％に設定して、ステップＳ９０に進む。ステップＳ９０では、図示しないキースイッチがオフされたか否かを判定する。キースイッチがオフされたと判定すると全ての処理を終了し、オフされていないと判定すると、ステップＳ６０に戻る。

図６は、一実施の形態における組電池の容量調整装置によって容量調整を行った場合のセル間の電圧変化を示す図である。容量調整前に、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下になっているセルが存在し、かつ、式（１）により算出される電圧バラツキΔＶが所定値（0.1Ｖ）以上であるため、車速が４０ｋｍ／ｈ未満になると、目標充電率が通常の目標充電率より高い６５％に設定される（図５に示すフローチャートのステップＳ１０，Ｓ５０〜Ｓ７０）。これにより、各セルの電圧はバイパス作動電圧を超える。その後、容量調整回路Ａ１〜Ａｎにより、バイパス作動電圧を基準として、容量調整が行われるため、各セルの電圧はバイパス作動電圧の大きさに調整される。

図７は、組電池１の総電圧Ｖbatの時間変化、目標充電率、および、車速の関係を示す図である。図示しないキースイッチがオンされている間は、組電池１の充放電により、組電池１の総電圧Ｖbatは変動する。上述したように、バイパス作動電圧Ｖbpsを高めの値に設定しているため、通常の充放電モード時には、セル電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsを越えたセルについてのみ、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して放電が行われ、電圧が低いセルについては、容量調整は行われない。

図７に示す時刻Ｔ１において、セルの電圧低下バラツキ異常が検出されると、車速が４０ｋｍ／ｈ未満になった場合に、バラツキ調整準備モードに入る（時刻Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ３〜Ｔ４，Ｔ５以降）。すなわち、目標充電率が通常の充放電モード時の５０％より高い６５％に設定される。従って、図７に示すように、車両が４０ｋｍ／ｈ以上で走行している場合には通常の充放電モードによる制御が行われているが、４０ｋｍ／ｈ未満になると、目標充電率が６５％に設定される。図７の時刻Ｔ５以降において、車両が停止して図示しないキースイッチがオフされた後も、容量調整回路Ａ１〜Ａｎにより容量調整が行われて、セル電圧がバイパス作動電圧の大きさに調整される。

上述したように、一実施の形態における組電池の容量調整装置は、車両に搭載されて使用されるものであって、組電池を構成するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、対応するセルの放電を行うことにより容量調整を行う容量調整回路を備える。この容量調整装置において、複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、走行している車両の停止が予測されると、組電池の目標充電率を第１の目標充電率（５０％）から第２の目標充電率（６５％）に上昇させる。これにより、各セルの電圧が所定のバイパス作動電圧を越えるようになるため、車両の停止時に、容量調整回路による効率的な容量調整を行うことができる。すなわち、車両の停止時に容量調整を行うことができるので、容量調整回路に用いるバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を小型化（低熱容量化）することができる。

一般的に、車両の利用頻度が少ないほど、セル間の電圧バラツキが進行するが、一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、車両停止後の放置期間を利用して容量調整を行うことができるので、効果的に容量調整を行うことができる。また、車両の放置期間を利用して容量調整を行うことにより、車両の起動時に、各セルの電圧バラツキが解消された状態で組電池を使用することができる。

容量調整回路Ａ１〜Ａｎが容量調整を行うためのバイパス作動電圧は、通常の充放電モードにおける第１の目標充電率にて組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧より高く、容量調整モードにおける第２の目標充電率にて組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧よりも低いものとした。これにより、容量調整時の無駄な放電を抑制しつつ、確実にセル間の容量調整を行うことができる。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、セル電圧と所定の電圧低下判定電圧Ｖc1との比較結果、および、無負荷時の組電池１の総電圧から算出されるセルの平均電圧と電圧低下判定電圧Ｖc1との関係に基づいて、セル電圧低下バラツキ異常を検出するので、簡易な回路構成により、セル電圧のバラツキ異常を検出することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、車速が４０ｋｍ／ｈ未満になった場合に、車両が停止することを予測したが、他の方法により、車両の停止を予測してもよい。例えば、カーナビゲーション装置を用いて、予め設定された目的地に車両が近づいた時に、車両が停止すると予測することもできる。

また、上述した説明では、組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した例について説明したが、燃料電池車や電気自動車などの他の車両に適用することもできる。

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、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが容量調整回路を、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、オア回路８、電圧センサ６およびコントロールユニット３が電圧バラツキ異常検出手段を、車速センサ７が車両停止予測手段を、コントロールユニット３が充放電制御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。

本発明による組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した一実施の形態におけるシステム構成を示す図 容量調整回路Ａ１〜Ａｎ、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、および、オア回路８を含む回路２の詳細な構成を示す図 セルのＳＯＣと、セルの開放電圧との関係を示す図 バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図 一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャート 一実施の形態における組電池の容量調整装置によって容量調整を行った場合のセル間の電圧変化を示す図 組電池の総電圧Ｖbatの時間変化、目標充電率、および、車速の関係を示す図

符号の説明

１…組電池
３…コントロールユニット
４…インバータ
５…３相交流モータ
６…電圧センサ
７…車速センサ
８…オア回路
Ａ１〜Ａｎ…容量調整回路
Ｂ１〜Ｂｎ…セル電圧低下検知回路
ＩＣ１〜ＩＣ１６…電圧比較器
Ｖt1〜Ｖt8…電圧検知回路
ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチ
Ｒ１〜Ｒ８…抵抗

Claims (5)

1. 車両に搭載され、複数のセルを直列に接続して構成される組電池の容量調整装置において、
   前記複数のセルごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、前記対応するセルの放電を行うことにより容量調整を行う容量調整回路と、
   前記複数のセル間の電圧バラツキ異常を検出する電圧バラツキ異常検出手段と、
   走行している車両の停止を予測する車両停止予測手段と、
   前記電圧バラツキ異常検出手段により、前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、前記車両停止予測手段により、走行している車両の停止が予測されると、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を越えるように、前記組電池の充放電を制御する充放電制御手段を備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   車両の速度を検出する車速検出手段をさらに備え、
   前記車両停止予測手段は、前記車速検出手段により検出された車速が所定の車速以下になると、車両が停止すると予測することを特徴とする組電池の容量調整装置。
3. 請求項１または２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記充放電制御手段は、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を越えるようにするため、前記組電池の目標充電率を第１の目標充電率から第２の目標充電率に上昇させることを特徴とする組電池の容量調整装置。
4. 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記所定のバイパス作動電圧は、前記第１の目標充電率にて前記組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧より高い電圧値であり、かつ、前記第２の目標充電率にて前記組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧より低い電圧値であることを特徴とする組電池の容量調整装置。
5. 組電池を構成する複数のセルごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、前記対応するセルの放電を行う容量調整回路を用いて、各セル間の容量調整を行う組電池の容量調整方法において、
   前記複数のセル間の電圧バラツキ異常を検出し、
   前記組電池を搭載して走行している車両の停止を予測し、
   前記複数のセル間の電圧バラツキ異常が検出され、かつ、走行している車両の停止が予測されると、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を越えるように、前記組電池の充放電を制御することを特徴とする組電池の容量調整方法。

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