JP2007288886A - 二次電池の容量調整方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容量調整時の発熱量を適切に制御して制御基板を過熱することなく短時間で容量調整を実行できる方法を提供する。
【解決手段】複数の二次電池１４と、複数の二次電池を制御する電子部品１５１，１５５および各二次電池の容量調整用抵抗１５２とが実装された制御基板１５とを有する組電池１の、各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、制御基板１５の容量調整前の実温度Ｔｒと限界温度Ｔｍとの温度差を求めるステップと、各二次電池の容量調整量の総和を求めるステップと、温度差及び容量調整量の総和に基づいて容量調整用抵抗を制御し、各二次電池の容量を調整するステップとを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池の容量調整方法及び装置に関する。

複数の単電池を接続してなる組電池では、充放電を繰り返したり放置したりすると、各単電池の特性のばらつきにより容量に差が生じてくる。こうした容量差が生じた状態で組電池を使用すると、過充電や過放電となる単電池が発生し、組電池全体の寿命が短くなる。このため、所定の頻度で各単電池の容量を均一化することが行われている。

ところで、正極にコバルト酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池や、正極にコバルト酸リチウム、負極にリチウムメタルを使用したリチウム二次電池（以下、これらを総称してリチウム系二次電池ともいう。）では、電解質に炭酸エチレンなどの有機溶媒を使用するため、過充電すると、この有機溶媒が分解して気化し、二次電池の筐体が異常に膨張したり、電解質である有機溶媒が気化してしまうので次の充電時には充電容量が極端に低下したりする。

このため、リチウム系二次電池の組電池では、他より容量の大きい単電池を放電させることにより各単電池の容量を均一にする方法が採用されている。たとえば、特許文献１には、単電池の個々の開放電圧値と、この開放電圧値のうち最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／ｘとの偏差から、調整量を演算する方法が開示されている。なお、単電池の容量調整は、各単電池に並列接続された容量調整用バイパス抵抗に調整容量に相当する時間だけ放電させることにより行われる。

ところが、多数の容量調整用バイパス抵抗に放電させると放電による発熱量が過大となり、バイパス抵抗に隣接して制御基板に実装されたＣＰＵなどの電子部品に悪影響を及ぼすおそれがある。

特開２００３−２８４２５３号公報

本発明は、容量調整時の発熱量を適切に制御して制御基板を過熱することなく短時間で容量調整を実行できる方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の二次電池の容量調整方法は、複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、前記制御基板の容量調整前の実温度と限界温度との温度差を求めるステップと、前記各二次電池の容量調整量の総和を求めるステップと、前記温度差及び前記容量調整量の総和に基づいて前記容量調整手段を制御し、前記各二次電池の容量を調整するステップとを有することを特徴とする。

また、本発明の二次電池の容量調整装置は、複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整装置であって、前記制御基板の容量調整前の実温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段で検出した実温度と予め決められた制御基板の限界温度との温度差を求める手段と、前記各二次電池の容量調整量の総和を求める手段と、前記温度差及び前記容量調整量の総和に基づいて前記容量調整手段を制御し、前記各二次電池の容量を調整する手段とを有することを特徴とする。

本発明では、組電池を構成する各二次電池の容量を調整するにあたり、問題となる制御基板の実温度が限界温度に対してどの程度の余裕があるのかという点と、容量調整すべきトータル量がどの程度あるのかという点とに基づいて、各二次電池の容量調整を実行する。すなわち、制御基板の限界温度までの余裕代の範囲内で容量調整すべきトータル量を割り付けて容量調整を実行する。これにより、制御基板を過熱することなく短時間で効率的に容量調整を実行できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の容量調整装置の実施形態を示すブロック図、図２は本発明の容量調整装置の動作を示すフローチャート、図３は本発明の容量調整装置及び方法による容量調整と実温度との関係を示すグラフ、図４は本発明に係る組電池の車載例を示す概念図、図５は本発明に係る組電池の構成例を示す断面図、図６は本発明に係る制御基板の一例を示す斜視図である。

まず、本発明に係る組電池の構成例と車載例について説明すると、本例に係る組電池ユニット１は、図４に示すように車両ＢのトランクルームＢ１内に搭載される。同図に示す例は、組電池ユニット１内に冷風を導入するために、車両のリヤパーセルパネルＢ２に開口部Ｂ３を形成し、ここからダクト１９を介して車室内の空気がユニット１内へ導入される。なお、本発明において、組電池ユニット１の搭載位置は同図に示す例にのみ限定される趣旨ではなく、車室内、床裏、エンジンルーム内等々に搭載することができる。

図５に示すように、本例の組電池ユニット１は、複数枚の薄型二次電池を積み重ねるとともに正負極端子を直列接続したものを電池パック１１とし、これをさらに複数個（同図では４個）積み重ねるとともに両端の正負極端子を直列接続する。そして、こうして積み重ねた電池パック１１を複数列（同図では３列）に並べ、さらにそれぞれの両端の正負極端子を直列接続し、上下に端板１２，１２を設けてボルト１３などで固定する。

また、上の端板１２には、組電池を構成する各二次電池１４（二次電池１４自体は図１に示す。）を制御するための制御基板１５がケース１６に収納された状態で取り付けられている。この制御基板１５は、組電池を構成する各二次電池１４を制御する集積回路などの電子部品１５１や容量調整するための抵抗１５２などが実装されたプリント基板である。

制御基板１５の概観を図６に示すが、配線パターンが形成されたプリント基板１５３の表裏それぞれに、各二次電池１４を制御するための集積回路（ＩＣチップ）１５１と、各二次電池１４の容量調整を行うための抵抗１５２がマトリックス状に実装されている。図６には便宜的に１２個の集積回路１５１と１２個の抵抗１５２を示すが、組電池ユニット１が、たとえば６０個の薄型二次電池１４から構成される場合には、集積回路１５１及び抵抗１５２もそれぞれ６０個がプリント基板１５３に実装される。なお、同図において１５４は入出力端子が設けられたコネクタ、１５５は組電池全体の制御を司るための集積回路（ＩＣチップ）である。

図５に戻り、上下の端板１２,１２で把持された複数の電池パック１１は組電池ケース１７に収納されている。この組電池ケース１７には、車室内の空気を取り入れるための取入口１７１と、組電池ケース１７内に取り入れた空気を排出するための排出口１７２が形成され、取入口１７１には、吸込みファン１８が設けられたダクト１９が接続されている。このダクト１９の上端は、上述した車両ＢのリヤパーセルパネルＢ２の開口部Ｂ３に接続されている。

二次電池は充電時などに発熱することから、電池パック１１に収納された各二次電池１４を冷却するために、吸込みファン１８を作動して車室内の空気を組電池ケース１７に取り込む。組電池ケース１７の取入口１７１から取り入れられた空気は、主として電池パック１１の隙間を通過しながら二次電池１４を冷却し、排出口１７２から排出されるが、一部の空気は上の端板１２に設けられた制御基板１５の冷却にも機能する。この場合、制御基板１５を収納するケース１６の空気流通方向の両端に開口部１６１を形成することでケース１６内に空気を取り込む。この空気によって制御基板１５に実装された容量調整用の抵抗１５２も冷却されることになるが、ケース１６に廻り込む空気量は成り行きであって期待できないことから、本例では容量調整用の抵抗１５２による各二次電池１４の容量調整を、以下のようにしている。

まず、図１を参照しながら本発明に係る容量調整方法及び装置の対象となる組電池ユニット１の電気的構成例を説明する。

本例の組電池ユニット１は、複数の二次電池１４が直列に接続されてなり、その両端に、たとえばスタータモータ、電気自動車の駆動モータなどの車両負荷２が接続されている。

一方、各二次電池１４には、それぞれの二次電池１４の電圧値を検出してこれを制御回路１５５へ送出する電圧検出回路１５１ａと、それぞれの二次電池１４の容量を調整するための抵抗である容量調整回路１５２が接続されている。電圧検出回路１５１ａはたとえば図６に示す集積回路１５１に組み込まれている。なお、図１に示すアイソレーション回路１５５ａは複数の二次電池１４のそれぞれに設けられた電圧検出回路１５１ａ及び容量調整回路１５２と、制御回路１５５との間の信号の伝送を、たとえばフォトカプラなどを用いて電気的に絶縁しながら行う絶縁伝送回路であって、たとえば図６に示す集積回路１５５に組み込まれている。また、図１に示す制御回路１５５も図６に示す集積回路１５５に組み込まれている。

特に本例では、図６に示す制御基板１５の集積回路１５１の近傍に、これら複数実装された集積回路１５１の実温度を検出するための温度センサ３が制御基板１５に設けられ、この温度センサ３により検出された実温度Ｔｒは制御回路１５５に送出される。

温度センサ３の個数、配置は特に限定されず、図６に示す複数の集積回路１５１の中央Ｘに１個、または所定間隔の位置Ｙに複数個設けることができる。複数の温度センサを設ける方が後述する容量調整時の実温度Ｔｒの把握がより正確になる。

なお、図１において符号４は、組電池１の全体の電圧値を検出する総電圧センサ、符号５は組電池１の全体に流れる電流を検出する電流センサである。

次に、本例の容量調整方法を説明する。

制御基板１５に実装された集積回路１５１，１５５などの電子部品は高温に晒されると誤作動したり破損したりするため、電子部品のグレードによって限界温度Ｔｍが定められている。以下の説明ではこの限界温度Ｔｍを７０℃として、予め制御回路１５５に記憶させる。限界温度Ｔｍは、その電子部品が晒されると好ましくない温度を示すもの、換言すれば限界温度を超えない限りその電子部品の動作品質が保証されるといったものである。ここでは、集積回路１５１，１５５が容量調整用抵抗１５２からの熱影響によって限界温度７０℃を超えないように容量調整を実行するものとする。

図２に示すように、ステップＳＴ１０にて容量調整モードかどうかを判断する。この容量調整のタイミングは特に限定されないが、たとえば車両の起動時や停止時などを挙げることができる。勿論、車両の走行時であっても容量調整を行うことは可能である。

ステップＳＴ１０にて容量調整モードであると判断されたときはステップＳＴ２０へ進み、温度センサ３により制御基板１５の実温度Ｔｒを検出する。制御回路１５５には、上述した限界温度Ｔｍである７０℃という値が記憶されているので、次のステップＳＴ３０にて実温度Ｔｒと限界温度Ｔｍとの差を演算する。

次に、ステップＳＴ４０にて、組電池１を構成する各二次電池１４の各電圧検出回路１５１ａを用いて各二次電池１４の容量を電圧値で求め、この電圧値に基づいて各二次電池１４が必要とされる容量調整量を演算する。ここで演算される各二次電池１４の容量調整量について、その演算手法は特に限定されず全ての二次電池の平均値との偏差から決定したり、上述した特許文献１に記載のように最大値と最小値とを用いた偏差から決定したりすることができる。

ステップＳＴ４０にて各二次電池１４の容量調整量が求められたら、次のステップＳＴ５０にてこれらを総和し、組電池１の全体で必要とされる容量調整量の総和を演算する。なお、ステップＳＴ２０及びＳＴ３０とステップＳＴ４０及びＳＴ５０は並行して実行することができる。

制御基板１５の実温度Ｔｒと限界温度Ｔｍとの温度差は、容量調整に許容された熱量を温度で示した値であり、一方、容量調整量の総和は容量調整によって生じる熱量を電力で示した値であるが、これらの次元を合わせることで、その温度差の範囲で行える容量調整量を予測することができる。具体的には、ある二次電池１４に必要とされる容量調整量がＷであるとき、これを容量調整用抵抗１５２に電流を流すことでそのエネルギーＷを消費することができ、その二次電池１４の容量を目標とする電圧値まで下げることができるが、このときの抵抗１５２の抵抗値は既知であることから、抵抗１５２による発熱量が求められる。また、抵抗１５２からの発熱によって制御基板１５がどの程度温度上昇するか（すなわち上昇温度がどの程度であるか）も、演算又は実験的に予め求めることができる。したがって、制御基板１５の実温度Ｔｒと限界温度Ｔｍとの温度差が求まれば、この温度差範囲内でどのような順序や同時調整個数で容量調整を行うことができるかを決定することができる。

ステップＳＴ６０では、上述したステップで求められた温度差Ｔｍ−Ｔｒと容量調整量の総和に基づいて、同時に容量調整できる二次電池１４の個数を決定する。温度差が大きい場合や容量調整量の総和が小さい場合などは、全ての二次電池１４を同時に容量調整できるが、温度差が小さい場合や容量調整量の総和が大きい場合には全ての二次電池１４を同時に容量調整すると制御基板１５の限界温度Ｔｍを超えてしまうおそれがあるので、このような場合は二次電池１４の個数を制限して容量調整を開始し、幾つかの二次電池１４の容量調整が終わったら残りの二次電池１４の容量調整を順次行うようにする。

また、次のステップＳＴ７０では、容量調整すべき二次電池１４に順番を付与する。このとき、たとえば容量調整に最も時間がかかる二次電池１４を優先的に選定する。容量調整時間は、容量調整量と抵抗１５２の抵抗値によって求められ、全ての抵抗１５２の抵抗値が等しければ、容量調整量が大きいものから順番に容量調整を実施する。なお、ステップＳＴ６０とＳＴ７０の処理順序を逆にしても良い。

容量調整すべき二次電池１４の同時調整個数と順序を決定したら、ステップＳＴ８０にて、選択された二次電池１４の容量調整を開始する。この操作は、図１に示す制御回路１５５から容量調整回路１５２に容量調整用信号を送出し、抵抗１５２に電流を所定時間流すことにより実行される。

ステップＳＴ９０〜ＳＴ１３０は後述するが、ステップＳＴ１４０にて、容量調整を終了した二次電池１４があるかどうかを監視し、終了した二次電池１４があるとステップＳＴ１５０へ進んで次の順番の二次電池１４を選択したのち、ステップＳＴ８０へ戻ってその二次電池１４の容量調整を開始する。そしてこのルーチンを繰り返し、ステップＳＴ１６０にて全ての二次電池１４の容量調整が終了したら、この処理を終了する。

以上説明したルーチンによって実行された容量調整につき、容量調整時間と調整が必要な残容量及び制御基板１５の実温度Ｔｒとの関係を図３の上図に示す。この例は、ステップＳＴ６０で決定された同時調整個数及びステップＳＴ７０で選択された順序で容量調整を行った結果、当初の予定通り制御基板１５の実温度Ｔｒが限界温度Ｔｍを超えなかった場合を示す。

これに対して、容量調整の過程でも制御基板１５の実温度Ｔｒを検出して、この実温度Ｔｒが限界温度Ｔｍを超えた場合又は超えそうになった場合にはその対策をすることもできる。図２に示すステップＳＴ９０及びＳＴ１００がその処理であり、ステップＳＴ９０にて温度センサ３により検出した制御基板１５の実温度Ｔｒが第１の所定温度に到達したかどうかを判断し、第１の所定温度に到達した場合にはステップＳＴ１００へ進んで、現在容量調整を行っている二次電池１４のうちから１個選択して容量調整を中止する。これにより、その中止された二次電池１４に対応する容量調整用抵抗１５２からの発熱がなくなるので、容量調整が必要な残容量の減少速度は遅くなるものの、制御基板１５の実温度Ｔｒを降下させることができる。

ここで、第１の所定温度は、制御基板１５の限界温度Ｔｍとしても良いし、あるいは限界温度Ｔｍよりも低い温度にしても良い。上述したとおり、電子部品が限界温度Ｔｍに達したからといって必ずしも故障する訳ではないので第１の所定温度として限界温度Ｔｍを設定することができる。ただし、第１の所定温度を限界温度Ｔｍよりも低い温度に設定することで、実温度Ｔｒが限界温度Ｔｍを超えるのを防止することができるので電子部品の動作保証の点から好ましい。

なお、１回目のステップＳＴ９０→ＳＴ１００→ＳＴ８０の処理によって、１個の二次電池１４を減らしてもなお実温度Ｔｒが第１の所定温度を超える場合には、再びステップＳＴ９０→ＳＴ１００の処理を実行し、さらに１個の二次電池１４を減少させて容量調整を行う。

このように、容量調整中に制御基板１５の実温度Ｔｒを監視し、この実温度Ｔｒが第１の所定温度を超えたら容量調整中の二次電池の個数を減少させることにより、図３の中図に示すように限界温度Ｔｍを超えることなく容量調整を完了することができる。

ところで、ステップＳＴ９０〜ＳＴ１００では容量調整途中で制御基板１５の実温度Ｔｒが上昇しすぎた場合を想定してこれを防止する処理を追加したが、これとは逆に、容量調整途中で制御基板１５の実温度Ｔｒが予想したより上昇せず、容量調整に余裕がある場合も考えられる。図２のステップＳＴ１１０〜ＳＴ１３０がこの処理であり、まずステップＳＴ１１０にて容量調整の進捗状況がたとえば５０％終了するタイミングを監視する。この容量調整の進捗は調整すべき残容量を総容量で除した値である。ここで、容量調整の進捗状況を監視するのは、容量調整の開始直後では、殆どの場合、制御基板１５の実温度Ｔｒは上昇していないからである。したがって、本発明では進捗状況の５０％という数字は何ら限定されず、単なる一例である。

ステップＳＴ１１０にて容量調整が５０％まで進んだことが確認されたらステップＳＴ１２０へ進み、そのときの制御基板１５の実温度Ｔｒを温度センサ３により検出し、これと第２の所定温度とを比較する。ここで、第２の所定温度とは、上述した限界温度Ｔｍ及び第１の所定温度より低い温度であれば、特に数値には限定されない。本例では、たとえば４０℃とする。

ステップＳＴ１２０にて制御基板１５の実温度Ｔｒが４０℃を超える場合は次のステップＳＴ１３０をジャンプしてステップＳＴ１４０へ進むが、制御基板１５の実温度Ｔｒが４０℃以下である場合（４０℃自体は何れに含ませても良い。）には、ステップＳＴ１３０にて、容量調整すべき二次電池１４を待機中のなかから１つ選択し、容量調整を開始する。このとき追加する二次電池１４はステップＳＴ７０にて決定した順番で選択する。

このように、容量調整の途中で、制御基板１５の実温度Ｔｍが、それ以上に容量調整すべき個数を増加させるだけの余裕があるときは、容量調整する二次電池１４の個数を増加させることにより、図３の下図に示すように、より短時間で容量調整を終了することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

本発明の容量調整装置の実施形態を示すブロック図である。 本発明の容量調整装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の容量調整装置及び方法による容量調整と実温度との関係を示すグラフである。 本発明に係る組電池の車載例を示す概念図である。 本発明に係る組電池の構成例を示す断面図である。 本発明に係る制御基板の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…組電池
１１…電池パック
１４…二次電池
１５…制御基板
１５１…集積回路（電子部品）
１５２…抵抗（容量調整手段）
１５３…プリント基板
１５４…コネクタ
１５５…集積回路（電子部品）
１６…ケース
１７…ケース
１８…吸込みファン
１９…ダクト
２…車両負荷
３…温度センサ（温度検出手段）
４…総電圧センサ
５…電流センサ

Claims (12)

1. 複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、
   前記制御基板の容量調整前の実温度と限界温度との温度差を求めるステップと、
   前記各二次電池の容量調整量の総和を求めるステップと、
   前記温度差及び前記容量調整量の総和に基づいて前記容量調整手段を制御し、前記各二次電池の容量を調整するステップとを有することを特徴とする二次電池の容量調整方法。
2. 前記各二次電池の容量を調整するステップにおいて、前記容量調整量の総和に基づいて、容量調整前の基板の温度に対する容量調整後の基板の上昇温度を求め、前記温度差と前記上昇温度とに基づいて前記容量調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の二次電池の容量調整方法。
3. 前記各二次電池の容量を調整するステップにおいて、同時に調整する二次電池の個数を制限することを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の容量調整方法。
4. 前記各二次電池の容量を調整するステップにおいて、容量を調整すべき前記二次電池のうち、容量調整にかかる時間が長い二次電池を優先して容量調整することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の二次電池の容量調整方法。
5. 前記各二次電池の容量を調整するステップにおいて、このステップの途中で前記制御基板の実温度が限界温度以下の第１の所定温度に達したら、容量調整中の二次電池の個数を減ずることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の二次電池の容量調整方法。
6. 前記各二次電池の容量を調整するステップにおいて、容量調整の進捗割合が所定割合に達したときの前記制御基板の実温度が限界温度未満の第２の所定温度に達していなかったら、容量調整する二次電池の個数を増やすことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の二次電池の容量調整方法。
7. 複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整装置であって、
   前記制御基板の容量調整前の実温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出した実温度と予め決められた制御基板の限界温度との温度差を求める手段と、
   前記各二次電池の容量調整量の総和を求める手段と、
   前記温度差及び前記容量調整量の総和に基づいて前記容量調整手段を制御し、前記各二次電池の容量を調整する手段とを有することを特徴とする二次電池の容量調整装置。
8. 前記各二次電池の容量を調整する手段は、前記容量調整量の総和に基づいて、容量調整前の基板の温度に対する容量調整後の基板の上昇温度を求め、前記温度差と前記上昇温度とに基づいて容量調整することを特徴とする請求項７記載の二次電池の容量調整装置。
9. 前記各二次電池の容量を調整する手段は、同時に調整する二次電池の個数を制限することを特徴とする請求項７又は８記載の二次電池の容量調整装置。
10. 前記各二次電池の容量を調整する手段は、容量を調整すべき前記二次電池のうち、容量調整にかかる時間が長い二次電池を優先して容量調整することを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の二次電池の容量調整装置。
11. 前記各二次電池の容量を調整する手段は、容量調整の途中で前記制御基板の実温度が限界温度以下の第１の所定温度に達したら、容量調整中の二次電池の個数を減ずることを特徴とする請求項７〜１０の何れかに記載の二次電池の容量調整装置。
12. 前記各二次電池の容量を調整する手段は、容量調整の進捗割合が所定割合に達したときの前記制御基板の実温度が限界温度未満の第２の所定温度に達していなかったら、容量調整する二次電池の個数を増やすことを特徴とする請求項７〜１１の何れかに記載の二次電池の容量調整装置。

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