JP2007226992A - 組電池制御装置および組電池制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単電池で構成された組電池において、単電池の特性のばらつきにより１個でも過放電状態になることを出来るだけ簡単な回路構成で、かつ実時間で検出する組電池制御装置の実現を目的とした。
【解決手段】組電池を構成している単電池のうちで最も低い電圧値を有する単電池が過放電電圧としての閾値電圧に迄低下した時の、組電池の総電圧を総閾値電圧として推定し設定し、組電池の総電圧が上記の推定して設定された総閾値電圧以下となった場合に組電池からの電力供給を制限または停止する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池を構成する単電池の何れかが大電力出力時に過負荷となることを防止する装置に係る。

エンジン始動用電動機等の大電力を必要とする負荷に接続されて、この負荷に電力を供給する、複数の単電池を接続して成る組電池においては、負荷の起動時に、組電池を構成する単電池の特性ばらつきにより負荷への大電力供給によって一部の単電池が過放電となる可能性がある。これを防止するために、組電池を構成する各電池の電圧が所定の電圧（過放電状態となる恐れの有る電圧）以下に迄低下したことを検出する検出回路を全単電池にそれぞれ設け、これら各検出回路の何れかが過放電電圧以下となったことが検出された場合に、組電池から負荷へ供給する電力を制限する組電池の制御装置が下記特許文献１に記載されている。

このような構成の組電池制御装置においては、全ての単電池毎に上記の電圧低下を検出する検出回路が必要となり、回路規模の大型化、あるいはコストアップ等が問題となっていた。またこの解決策として、例えば、上記検出回路を１系統のみとし、この検出回路を各単電池毎に順次切り換えて電池電圧を測定する方法が考えられる。しかし、この方法では過放電電圧以下となった単電池を見出すまでに、組電池を構成している全単電池を順次走査する時間が必要となり、即応性に問題がある。すなわち、エンジン始動時の場合のように急激な大電力供給が短時間に要求される場合には単電池の過放電検出に対応しきれない問題があった。
特開２００４−１６６３６７号公報

以上述べたように、従来公知の方法では、組電池を構成している単電池毎に過放電状態を検出する回路を設けるために、回路規模の大型化、コストアップの問題があり、あるいはこの問題を解決するために１回路で構成し各単電池を順次切り換える方式では検出動作の即応性に問題があった。このため本発明においては、各単電池を走査することなく、短時間で過放電状態が発生していることを検出可能な組電池制御装置の提供を目的とした。

上記目的を達成するために、本発明においては以下の構成とした。すなわち、
複数の単電池を組み合わせて構成した組電池を用いて負荷を起動した場合、この複数の単電池のうちで最も低い電圧値を有する単電池の電圧が過放電電圧としての閾値電圧にまで低下した時の組電圧の総電圧を総閾値電圧設定手段において推定して設定し、組電池出力の総電圧を検出する電圧検出手段により検出した組電池総電圧が前記の総閾値電圧設定手段によって設定された総閾値電圧以下となった場合に、供給電力制限手段によって組電池から負荷への電力供給を制限または停止する構成とした。

ここで総閾値電圧とは何れか一つの単電池が過放電状態になる可能性のある時の組電池の総電圧であり、この総閾値電圧データを総閾値電圧設定手段で設定し、この設定された総閾値電圧データを供給電力制限手段に入力する構成としている。

本発明により、組電池を構成する各単電池それぞれに監視回路を設ける必要が無く、事前に各単電池の特性（ＳＯＣ、内部抵抗等）をデータとして取得しておき、このデータと組電池全体の総電圧とを用いて組電池が過放電状態になったことを、回路規模の大型化を抑制し、且つ実時間で容易に検出することが出来るようになった。

組電池を構成している個々の単電池の性能を示すパラメータ、例えばＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；開放電圧）が低い単電池は、大電力の供給が要求される重い負荷に対して耐力が小さく、エンジン始動等短時間に大出力が要求される事態においてはこのような単電池が最初に過放電状態となってしまう。組電池を構成する複数の単電池のうちで最も低い電圧を示す単電池の電圧が過放電状態になる可能性の有るときの単電池電圧を閾値電圧とし、負荷起動時に何れかの単電池電圧がこの閾値電圧以下になる時の組電池全体の総電圧を総閾値電圧として、推定してメモリに登録しておく。本発明においては、負荷起動時の組電池の総電圧（出力電圧）が総閾値電圧迄低下した時点をもって負荷への供給電力を制限あるいは停止する構成としている。電力供給の停止後は、例えば組電池の充電等の電池保護処理を行う。

先ず、図２により本発明の基本事項を説明する。上記総閾値電圧を求める手順を以下に述べる。負荷起動時の組電池の総閾値電圧をＶ１、組電池の開放総電圧（無負荷時電圧）をＶｏ、出力電池電流をＩ、組電池内部抵抗をＲとすれば総閾値電圧Ｖ１は
Ｖ１＝Ｖo−Ｉ×Ｒ （数１）
で求められる。ここで、組電池内部抵抗Ｒは、例えば、使用中に実測するか、あるいは組電池製造時のデータを本発明による組電池制御装置内蔵のメモリ（図１におけるメモリ２０８）に登録されている制御マップに予め記録しておく。この制御マップから読み込んだ内部抵抗を経時変化や温度に基づいて補正しても良い。

組電池を構成する複数の単電池の中で、特性のばらつきの最大値（単電池の負荷起動前の開放電圧および内部抵抗値が組電池を構成している単電池の平均値から特性が劣る方向に最も離れているもの、つまり複数の単電池の開放電圧の最も低い開放電圧、複数の単電池の内部抵抗のうち最も高い内部抵抗）を開放電圧Ｖocell’、内部抵抗Ｒcell’とすると、単電池の閾値電圧Ｖcellは
Ｖcell＝Ｖocell’−Ｉ×Ｒcell’ （数２）
で表すことが出来るから、仮に開放電圧が最小で、内部抵抗が最も高い単電池が同一の単電池であった場合、その単電池の出力可能な電流Ｉは
Ｉ＝（Ｖocell’−Ｖcell）／Ｒcell’ （数３）
で求められる。すなわち、最も開放電圧が低く、且つ内部抵抗が最も大きい単電池が存在した場合、この単電池が負荷起動時に最も出力電圧が低くなる単電池であるので、このような単電池が存在すると仮定して、単電池の出力可能な電流値を算出する。

ここで内部抵抗Ｒcell’は単電池製造時のデータから予め内部抵抗のばらつきのデータを求めておき、その最大のばらつきデータからばらつきが最大の単電池の内部抵抗を推定することが出来る。なお、この内部抵抗Ｒcell’は温度変化あるいは経時変化を伴うことがあり、これについては実働時に測定して求めても良いし、温度に応じた内部抵抗の変化を実験等によって予め求めておき、温度を検出して、検出した温度によって補正して求めることが出来る。以上のようにして求めた出力電流Ｉから（数１）式の関係を用いて組電池の総閾値電圧Ｖ１を算出することが出来る。

図２（ａ）は単電池における上記各電圧の関係を示すもので、組電池を形成している複数の単電池の無負荷電圧（開放電圧）は単電池平均開放電圧Ｖocellの上下に分布しており、このばらつきにおいて最も低い電圧を示す単電池開放電圧をＶocell’で示している。この無負荷時電圧Ｖocell’の単電池の負荷起動時における放電時電圧である単電池閾値電圧Ｖcellと無負荷時電圧Ｖocell’との差電圧ΔＶmaxは
ΔＶmax＝Ｉ×Ｒcell’ （数４）
であるから、負荷起動の有無による単電池電圧の変化分ΔＶmaxと単電池内部抵抗Ｒcell’とからこの時の電流値Ｉを求めることが出来、この電流値Ｉは組電池の出力電流に対応している（組電池を構成している単電池が全て直列接続である場合は略等しい）ため、この電流値Ｉを用いて図２（ｂ）に示す総閾値電圧Ｖ１を求めることが出来る。すなわち、組電池の開放総電圧Ｖoから負荷起動による電圧低下分ΔＶ＝Ｉ×Ｒを差し引くことにより組電池における総閾値電圧Ｖ１を求めることができる。このようにして、負荷起動時に最も低い電圧値となる単電池の電圧は、負荷起動前すなわち単電池の無負荷時における内部抵抗およびＳＯＣ（すなわち開放電圧）に基づいて、負荷起動時の単電池電圧を推定することから求めることが出来る。

（実施の形態１）
図１は、上記により得られた総閾値電圧Ｖ１により、負荷起動時において組電池内でＳＯＣが最も低い単電池が負荷起動時においても過放電状態になることがないようにする組電池制御装置の系統図を示すものである。図１において、組電池２０１の出力はメインスイッチ２０２および供給電力制限部２０３を介して負荷２０４に接続されている。例えば自動車等においては、メインスイッチ２０２はエンジン始動用のイグニッションスイッチに相当しており、負荷２０４はセルモータ（スタータモータとも言う）に相当している。このメインスイッチ２０２は負荷２０４への供給電力の制限値、すなわち（数１）式乃至（数２）式および図２において求めた総閾値電圧Ｖ１を供給電力制限部２０３入力後にオン状態として負荷２０４に電力供給を行うものである。

なお、前記制御装置における負荷２０４駆動用の組電池２０１は高電圧であり、このため本制御装置の回路部用として低電圧電源部２０５が別途装備されており、この低電圧電源部２０５は外部操作（例えば手動）によってオン／オフが制御される。この回路用電源部２０５の出力は組電池２０１および負荷２０４を除く各回路部に接続されているものであるが、図１においてはこれら各回路の電源接続線の記載を省略している。

メインスイッチ２０２からはオン／オフの状態を示す制御信号を接続線２０９（図１で点線部）を介して総閾値電圧設定部２０６および組電池２０１に設置されている電圧センサ２０７に供給し、組電池２０１が無負荷状態であることを確認してから電圧センサ２０７において組電池２０１の無負荷電圧を測定し、この測定結果の電圧値を総閾値電圧設定部２０６に入力して総閾値電圧Ｖ１を求める。これにより得られた総閾値電圧Ｖ１の値を供給電力制限部２０３に入力する。供給電力制限部２０３は、組電池２０１の出力電圧が総閾値電圧Ｖ１以下となった場合に組電池２０１からなる負荷２０４へ供給される供給電力を制限、あるいは停止する。この総閾値電圧Ｖ１を供給電力制限部２０３に入力完了したことを示すタイミング信号をメインスイッチ２０２に入力して、メインスイッチ２０２は、このタイミング信号に基づいてオンして負荷２０４を組電池２０１に接続する。なお、総閾値電圧Ｖ１の設定に際しては前記（数１）式乃至（数４）式において述べたように組電池２０１を構成する単電池個々の特性が必要となり、これら個々の単電池特性のばらつきデータは本制御装置の使用時に実測するか、あるいは負荷起動前の開放電圧あるいは内部抵抗のデータをメモリ２０８に登録しておき、これらデータを用いる。

図３は図１に示す構成における処理手順を示すフロー図である。本発明による組電池制御装置の回路用電源部２０５を外部操作によりオン状態とし（ステップＳ３０１）、本制御装置の回路部分を動作状態に立ち上げる。この段階ではメインスイッチ２０２のオン動作は実行されていないため組電池２０１は無負荷の状態にある。この状態で無負荷時の組電池出力端子における電圧である開放総電圧Ｖoを測定する（ステップＳ３０２）。この開放総電圧Ｖoおよび図１におけるメモリ２０８に記録されている単電池のデータを用いて前記（数１）式乃至（数４）式の関係から総閾値電圧Ｖ１を算出する。これらの処理は図１における総閾値電圧設定部２０６において実行され、総閾値電圧Ｖ１の値が設定される（ステップＳ３０３）。この設定値が供給電力制限部２０３に入力され、負荷２０４への供給電力制限値の設定が行われる。これら各処理が終了後メインスイッチ２０２をオン状態とし（ステップＳ３０４）、負荷２０４への電力供給を許可して本組電池制御装置の始動設定を終了する。

（実施の形態２）
以上の説明においては、負荷が許容できる電流が組電池から供給されているものとしているが、負荷の許容限界以上の電流が組電池から負荷へ供給される可能性があり、これを防止する場合について以下に述べる。
図１の構成の組電池制御装置において、供給電力制限部２０３が組電池から負荷が許容できる電流の最大値である許容最大電流値Ｉmaxの電流を出力した場合の組電池の電圧である最大電力出力時電圧Ｖ２を下記（数５）式から算出し、この最大電流出力時電圧Ｖ２を内蔵のメモリに記録しておき、この記録した最大電流出力時電圧Ｖ２と総閾値電圧Ｖ１とを比較し、最大電流出力時電圧Ｖ２と総閾値電圧Ｖ１とのうち何れか大きい方と組電池の出力電圧とを比較する。

Ｖ２＝Ｖ_Ｏ−Ｉmax×Ｒ （数５）
Ｖ_Ｏは前述した組電池の開放総電圧であり、Ｒは同様に組電池の内部抵抗であり、Ｉmaxは負荷が許容できる電流の最大値としての許容最大電流値である。供給電力制限部２０３は組電池の出力電圧が最大電力出力時電圧Ｖ２と総閾値電圧Ｖ１とのうち何れか大きい方の電圧以下となった時には、前記組電池から前記負荷へ出力する電力を制限または停止する。この構成により、負荷への過剰電力供給を防ぐと共に単電池の過放電を防止することが出来る。

（実施の形態３）
以上の説明において、組電池の内部抵抗は温度依存性を有しており、特に夏季と冬季で温度変化が大きい自動車等で使用される場合、実働時における電池の内部抵抗変化を無視することが出来ない。この場合の温度は図示していないが組電池２０１に温度センサを設置しておき、この温度センサの出力により温度ｔにおける組電池の最大電流出力時電圧Ｖ２を以下の（数６）式により、
Ｖ２＝Ｖo−Ｉmax×Ｒ(ｔ) （数６）
で求めることが出来る。ここで、Ｒ(ｔ)は温度ｔにおける組電池内部抵抗である。尚、内部抵抗Ｒ（ｔ）は、例えば予め実験等によって温度と内部抵抗Ｒ(ｔ)との関係を記憶しておき、温度センサによって検出した温度に基づいて求めることが出来る。以上のようにして、温度に応じて精度よく負荷の許容電流値を越えることのないように組電池の出力電流を制限または停止することが出来る。

図４は内部抵抗Ｒの温度依存性を考慮した場合の総閾値電圧Ｖ２を設定する手順を示すフロー図である。図４において、ステップＳ４０１からステップＳ４０３までの処理は本発明よる組電池制御装置の回路系立ち上げ処理を行う部分で、図３におけるステップＳ３０１乃至ステップＳ３０３までの処理と同じ処理の流れである。ステップＳ４０２で測定された開放総電圧値Ｖoと、組電池の温度センサから入力された温度データに基づいて求められた内部抵抗Ｒ(ｔ)と図１におけるメモリ２０８に予め登録されている許容最大電流値Ｉmaxとから、供給可能な最大電流値を越えることのないようにする最大電流出力時電圧Ｖ２を算出する（ステップＳ４０４）。以上のようにして得られた総閾値電圧Ｖ１と、組電池の温度に応じた最大電流出力時電圧Ｖ２とを比較して、図２（ｂ）に示したように、電圧値の高い方を図１に示した供給電力制限手段２０３に設定する（ステップＳ４０５）。この設定処理を実行した後、メインスイッチ２０２をオン状態として負荷への電力供給を開始する（ステップＳ４０６）。

（実施の形態４）
図５は本発明による組電池制御装置を、負荷として自動車のエンジン始動用電動機に適用した場合の電力供給制御の処理手順を示すフロー図である。先ず、外部操作（イグニッションスイッチのオン操作）により本組電池制御装置の回路用電源部２０５をオン状態とし（ステップＳ５０１）、回路部分を動作状態に立ち上げる。次いで、メインスイッチ２０２がオフ状態でエンジンが停止していることを確認する（ステップＳ５０２）。エンジン停止確認後は図３におけるステップＳ３０２およびステップＳ３０３の各処理と同様にして総閾値電圧Ｖ１を図２における供給電力制限部２０３に設定する（ステップＳ５０３およびステップＳ５０４）。

供給電力設定終了後にメインスイッチをオン状態として負荷であるエンジン始動電動機への電力供給を開始する（ステップＳ５０５）。電力供給開始後、エンジンが始動したことを確認して（ステップＳ５０６）総閾値電圧Ｖ１の設定値を長時間の連続出力可能な範囲である通常設定値Ｖ３（Ｖ３＞Ｖ１）に復帰する構成としている。これにより、過放電ぎりぎりの状態で通電する時間を必要限度一杯に抑えて組電池の過放電状態になるのを抑え電池寿命を確保することを可能にしている。

本発明による組電池制御装置のブロック図。 （ａ）単電池の特性を評価するための各種電圧関係と負荷に供給する電流を算出する説明図、（ｂ）総閾値電圧と開放総電圧との関係を示す電圧関係図。 本発明における基本動作を示すフロー図。 本発明において電池温度の影響を考慮した制御フロー図。 本発明を自動車のエンジン始動電動機の駆動用に適用した場合の動作フロー図。

符号の説明

２０１：組電池 ２０２：メインスイッチ
２０３：供給電力制限手段 ２０４：負荷
２０５：回路部用電源部 ２０６：相閾値設定手段
２０７：電圧検出手段 ２０８：メモリ
２０９：接続線

Claims (7)

1. 負荷へ電力を供給する電源である複数の単電池を組み合わせて構成した組電池と、
   前記組電池から前記負荷への供給電力を制限する供給電力制限手段と、
   前記組電池の出力電圧である総電圧を検出する電圧検出手段と、
   負荷起動時に前記組電池を構成している前記複数の単電池のうちで最も低い電圧値を有する単電池の電圧が過放電電圧としての閾値電圧に迄低下した時の前記組電池の総電圧を推定して設定する総閾値電圧設定手段と、を有し、
   前記供給電力制限手段においては、前記電圧検出手段によって検出された組電池の総電圧が前記総閾値電圧設定手段によって設定された総閾値電圧以下となった場合に、前記組電池から負荷への電力供給を制限または停止することを特徴とする組電池制御装置。
2. 請求項１に記載の組電池制御装置において、
   前記総閾値電圧設定手段は前記負荷起動時に、前記組電池を構成している前記複数の単電池のうちで最も低い電圧値となる単電池の電圧を、負荷起動前の各単電池の開放電圧および内部抵抗に基づいて推定し、該推定した最も低い電圧となる電池の電圧から前記負荷起動時の総閾値電圧を推定することを特徴とする組電池制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の組電池制御装置において、
   前記組電池に温度検出手段が設置されており、該温度検出手段の出力により前記負荷起動前の単電池の内部抵抗の抵抗値を補正する補正手段を有していることを特徴とする組電池制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組電池制御装置において、
   前記負荷はエンジン始動用電動機であって、前記総閾値電圧はエンジン始動時のみ設定され、エンジン始動後は前記総閾値電圧をエンジン始動時よりも大きい予め定められた通常設定値に復帰させることを特徴とする組電池制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の組電池制御装置において、
   前記組電池から前記負荷が許容できる最大電流を出力した場合における前記組電池の総電圧を最大電流出力時電圧として算出する算出手段と、
   前記最大電流出力時電圧と前記総閾値電圧とを比較し、いずれか大きい方の電圧を選択する選択手段と、
   前記選択手段によって選択された電圧と前記組電池の総電圧とを比較し、前記組電池の総電圧が前記選択手段によって選択された電圧以下となった場合には、前記組電池から前記負荷へ出力する電力を制限または停止することを特徴とする組電池制御装置。
6. 複数の単電池を組み合わせて構成した組電池により負荷へ電力を供給し、
   前記組電池の出力電圧である総電圧を検出し、
   負荷起動時に前記組電池を構成している前記複数の単電池のうちで最も低い電圧値を有する単電池の電圧が過放電電圧としての閾値電圧に迄低下した時の前記組電池の総電圧を推定して設定し、
   前記検出された組電池の総電圧が前記設定された総閾値電圧以下となった場合に、前記組電池から負荷への電力供給を制限または停止することを特徴とする組電池制御方法。
7. 請求項６に記載の組電池制御方法において、
   前記組電池から前記負荷が許容できる最大電流を出力した場合における前記組電池の総電圧を最大電流出力時電圧として算出し、
   前記最大電流出力時電圧と前記総閾値電圧とを比較し、いずれか大きい方の電圧を選択し、
   前記選択された電圧と前記組電池の総電圧とを比較し、前記組電池の総電圧が前記選択された電圧以下となった場合には、前記組電池から前記負荷へ出力する電力を制限または停止することを特徴とする組電池制御方法。

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