JP2008309651A - 組電池用電池寿命計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池の寿命計測の精度を向上できる組電池寿命計測システムを提供する。
【解決手段】本発明のシステムは複数個のセル１０１が組み合わされた組電池１００、組電池を格納する格納容器１５０、電池寿命計測器２００から構成される。セル１０１には、鉛電池、ニッケル電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池やウルトラキャパシタ等が使用できる。セル１０１の冷却のため、冷媒のための穴や熱交換のための部品が適宜設置され得る。冷媒を用いる場合、冷媒を流すための機構が一個以上設置され得る。冷媒としては、空気、水、油等が用いられ、冷媒を流すための機構としては、ファン、ポンプ等が用いられる。冷媒の流入口１５１と流出口１５２が対抗した位置に設けられている。電池寿命計測器２００は、セルの蓄積可能な最大容量や内部抵抗等を計測することにより、セルの劣化の度合いを計測する装置である。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、組電池用電池寿命計測システムに関するものである。

セルを複数個接続して構成した組電池は、セルを単体で用いる場合に比べて、高電圧、大電流、大電力を得やすいという利点があるので、ハイブリッド自動車、電気自動車、ハイブリッド電車、無停電電源装置（ＵＰＳ）等の電力源として実用に供されている。

リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池、ウルトラキャパシタ等のセルを用いる際には、充放電時の電流の大きさとセルの充電量を、セルの特性によって定まる制限値を超えないように使用することに注意する必要があるが、これらを用いた組電池を用いる際にも、同様に各セルについて、充放電時の電流の大きさと充電量が制限値を超えないようにする必要がある。これらの制限値は、セルの劣化の度合いによって変化するので、セルの劣化の度合いを重要なパラメータとして知る必要ある。そこで、組電池全体を一つのセルとみなして劣化の度合いを計測することが考えられた。

しかし、セルの製造時のばらつきにより、セルの製造直後の時点でも個々のセルの劣化の度合いにばらつきがある。加えて、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の化学反応を用いた電池では、一般的に高温になるほど劣化が促進されるが、組電池を構成する各セルに対し完全に均一な冷却を行って各セルの温度を均一にすることは困難である。そのため、各セル間には劣化速度のばらつきが発生する。こうした事情により、個々のセルの劣化の度合いにはばらつきが生じる。

前記した組電池全体を一つのセルとみなす手法を用いた場合では、組電池における平均的な劣化の度合いを計測し、これに基づいて充放電制御を行うので、計測された平均の劣化の度合いよりも大きく劣化したセルが存在すると、この大きく劣化したセルに対しては制限値を超えた充放電を行ってしまうことになる。そのため、個々のセルに対して劣化の度合いを計測する手法が考えられた。しかし、この手法では、部品点数の増加や計測時間が増大化する。

そこで、特許文献１は、複数の直接に積層された組電池である２次電池の各セルの放電特性を予め計測し、最も容量の小さなセルを特定し、このセルの端子間電圧又は外表面温度の検出結果に基づき、組電池全体の充放電の続行の可否を決定する発明を開示している。また、特許文献２は、組電池を構成する複数の蓄電池のうち、１個の蓄電池のみを他の蓄電池より５％以上容量を小さくし、その蓄電池の充電終端を検出することにより、充電を終了する発明を開示している。

すなわち、これらの特許文献に開示された発明は、充放電時の電流の大きさと充電量について最も制限されるセルを特定し、それのみを監視することにより、部品点数の増加等を解決している。
特開平８−９８４１７号公報 特許第３１０７４０７号公報

特許文献１に記載の技術では、各セルの容量を予め計測して最も容量が小さいセルを特
定する必要があるので、セルの全数検査が必要となり、また、特許文献２に記載の技術では、予め容量を抑えたセルを用意するので、その準備負担がかかることと特定セルにより組電池の全体の容量も抑制される上、これらの技術では、組電池の使用開始後のセルの劣化の進行度合い、それに影響を与えるセルの温度については、全く考慮していないものでしかなかった。そのため、使用開始後の時間の経過と共に、特定のセルのみを監視する手法では、組電池全体の充放電を適切に行なうことができなくなることが考えられる。

本発明の代表的なものは、組電池の寿命計測の精度を向上できる組電池寿命計測システムを提供する。

ここに、本発明の代表的なものは、充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池において、組電池を格納する容器内に温度分布が発生することに着目し、組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を、セルの劣化度を促進又は抑制する高温又は低温となる位置に置かれた一個又は複数個の特定のセルの状態を検知するように、組電池に接続したことを特徴とする。

電池寿命計測器は、特定セルの状態、例えば内部抵抗、容量などを検知する。特定セルは、セルの容量ではなく、位置によって決定される。このため、セルの全数に対して容量を計測する負担はない。また、特定セルを決定する位置は蓄電装置の設計時に決定できる。このため、蓄電装置の製造時、定められた位置に電池寿命計測器を接続するだけでよい。定められた位置とは、特定セルの正極と負極との間である。さらに、特別なセルを用意する必要もないし、組電池全体の容量が抑制されることもない。

本発明の代表的なものによれば、上記特定セルの状態を検知するので、組電池の格納容器内の他のセルに対して比較的劣化の進行速度が速いセルの状態、すなわち組電池の寿命計測にとって必要とされる高精度な情報を取得でき、そのセルの状態情報に基づいて組電池の寿命を計測できる。

また、比較的劣化の進行速度が速いセルの状態の検知に加えて、比較的劣化の進行速度が遅いセルの状態を検知することにより、セルの状態の分布の程度などをより正確に把握でき、より高精度なセル状態情報に基づいて組電池の寿命を計測できることになる。

また、本発明の他の代表的なものは、組電池の寿命計測に最適な蓄電モジュールを提供する。

ここに、本発明の他の代表的なものは、組電池の寿命計測に必要な単電池の状態を検知するための検知回路を、組電池を構成する複数個の単電池の平均温度よりも高温となる位置又は組電池を構成する複数個の単電池のうち最高温度となる位置に設けられた一つ又は複数個の特定単電池の状態を検知するように、組電池に接続し、検知回路により得られた検知情報を、単電池の状態を管理する単電池用電子回路装置から、組電池の寿命計測用情報として出力することを特徴とする。

本発明の他の代表的なものによれば、上記特定単電池の状態を検知するので、組電池の格納容器内の他の単電池に対して比較的劣化の進行速度が速い単電池の状態、すなわち組電池の寿命計測にとって必要とされる高精度な情報を取得でき、組電池の寿命計測用情報としてその単電池の状態情報を出力できる。

さらに、本発明の他の代表的なものは、組電池の充放電の制御を最適に行える蓄電装置を提供する。

ここに、本発明の他の代表的なものは、組電池の寿命計測に必要な単電池の状態を検知するための検知回路を、組電池を構成する複数個の単電池の平均温度よりも高温となる位置又は組電池を構成する複数個の単電池のうち最高温度となる位置に設けられた一つ又は複数個の特定単電池の状態を検知するように、組電池に接続し、組電池の状態を管理する組電池用電子回路装置により、検知回路の検知情報に基づいて組電池の寿命を計測することを特徴とする。

本発明の他の代表的なものによれば、上記特定単電池の状態を検知し、その単電池状態情報に基づいて組電池の寿命を計測するので、組電池の格納容器内の他の単電池に対して比較的劣化の進行速度が速い単電池の状態、すなわち組電池の寿命計測にとって必要とされる高精度な情報を取得し、その単電池の状態情報に基づいて高精度に組電池の寿命を計測でき、その高精度な組電池寿命計測結果に基づいて組電池の充放電を制御できる。

本発明の代表的なものは、高精度なセル状態情報に基づいて組電池の寿命を計測できるので、組電池の寿命計測の精度を向上できる組電池寿命計測システムを提供できる。

また、本発明の他の代表的なものは、組電池の寿命計測用情報として、組電池の寿命計測の精度を向上させる高精度な単位電池状態情報を出力できるので、組電池の寿命計測に最適な蓄電モジュールを提供できる。

さらに、本発明の他の代表的なものは、高精度な組電池寿命計測結果に基づいて組電池の充放電を制御できるので、組電池の充放電を最適に行なうことができる蓄電装置を提供できる。

本発明の実施の形態について、以下、添付図面を参照して説明する。

図１−１は、本発明に係る実施例１のシステムを示す説明図である。このシステムは、複数個のセル１０１が組み合わされた組電池１００、組電池を格納する格納容器１５０、そしてセルの寿命を計測する電池寿命計測器２００から構成される。

セル１０１には、鉛電池、ニッケル電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池やウルトラキャパシタ等の単一の種類又は異なる種類のセルを使用することが可能であるが、実施例１はリチウムイオン電池を用いた場合である。

組電池の格納容器１５０は、プラスチック、金属、セラミック等を素材とするものであり、セル１０１の冷却のため、冷媒のための穴や熱交換のための部品が適宜設置され得る。冷媒を用いる場合、冷媒を流すための機構が一個以上設置され得る。冷媒としては、空気、水、油等が用いられ、冷媒を流すための機構としては、ファン、ポンプ等が用いられる。実施例１は、冷媒として空気を使用し、冷媒を流すための機構は本システムの外部に設置され、冷媒の流入口１５１と流出口１５２が対抗した位置に設けられているものである。

電池寿命計測器２００は、セルの蓄積可能な最大容量や内部抵抗等を計測することにより、セルの劣化の度合いを計測する装置である。図１−２は、組電池１００中の各セル１０１とその温度の関係を示すものである。電池寿命計測器２００は、各セルの温度、通例は外表面温度の平均温度１５４よりも高い温度となるセル（単電池）の両極間（正極と負極との間）に接続される。平均温度よりも高い温度のセルの中で、最高温度となるセルが特定できる場合では、図１−２が示すように、最高温度となるセル１０２に電池寿命計測器２００が接続される。実施例１で用いられるリチウムイオン電池等の化学電池の場合、高温環境下で電池の劣化速度が加速されるので、実施例１の組電池中の最も高い温度となる位置に設置されるセル１０２に対し電池寿命計測器２００を接続して監視することにより、組電池の各セル中で最も早く劣化するセル１０２に対する寿命計測を可能としている。そして、セル１０２の寿命計測結果を組電池１００の寿命値とする。組電池１００の寿命値は、組電池１００の充放電を制御するための制御値として用いられる。したがって、組電池１００の寿命値の精度が向上すれば、組電池１００の充放電制御を最適に行なうことができ、長寿命で信頼性の高い電池システムを実現できる。

なお、温度以外にセルの劣化速度にばらつきを発生させる要因がある場合には、その要因により組電池１００の各セルの平均劣化速度よりも早く劣化する位置に配置されるセルに対し電池寿命計測器２００を接続する。

図２−１は、本発明に係る実施例２のシステムを示す説明図である。このシステムは、実施例１において高温となるセルの中の２個のセル１０１に対してセルの寿命計測器を接続したものである。

セルの温度分布が一種類しかない組電池の場合には実施例１のシステムでよいが、多くの場合、セルの温度分布は組電池の使用時と非使用時で変化する。実施例２では、図２−２に示すように、条件１において組電池１００の平均温度１５４よりも高いセル１０２と、これとは別の条件２において組電池１００の平均温度１５５よりも高いセル１０３に対し、それぞれ電池寿命計測器２００を接続したものである。これにより、例えばセルの使用時と未使用時のような異なる条件下で、更に特定すればハイブリッド自動車に搭載されたシステムでは走行時と停止時で、一般的には温度分布が変化するため、それぞれ劣化が最も進行すると予想されるセルに対する寿命計測が可能となる。このようにすれば、寿命計測の精度がより向上する。

なお、実施例２ではセル寿命計測器の接続対象となるセルを、高温となるセル２個としたが、これを３個以上としてもよい。

図３−１は、本発明に係る実施例３のシステムを示す説明図である。このシステムは、実施例１において高温となる位置と低温となる位置に設置されるセルに対して、セルの寿命計測器を接続するものである。図３−１及び図３−２は、各セルの平均温度より高温となる位置と低温となる位置について、各１個の寿命計測器を接続したものを示す。

実施例３では、劣化が進行するセル１０２と劣化が遅いセル１０４の劣化の進行度合いを計測することができるので、劣化のアンバランスを知ることができる。このようにすれば、寿命計測の精度がより向上する。

なお、図３−１及び図３−２は、高温となる位置と低温となる位置について各１個のセル寿命計測器を接続したシステムを示しているが、それぞれ最高温度、最低温度となる位置が特定できれば、そこに置かれるセルに接続してもよいし、また、それぞれ複数個のセル寿命計測器を接続してもよい。

図４は、本発明に係る実施例４のシステムを示す説明図である。このシステムは、実施例２と実施例３における複数個のセルに接続されたセル電池寿命計測器を共通化したものである。

電池寿命の計測対象となるセルが複数ある場合、計測対象となる各セルに対して電池寿命計測器を設置すると部品点数が増加するので、実施例４では、２個以上のセル１０２の寿命を計測することが可能な電池寿命計測器を使用することにより、電池寿命計測器の個数を減らして部品点数の削減を実現している。

図５は、本発明に係る実施例５のシステムを示す説明図である。このシステムは、実施例１における組電池の格納容器１５０について、冷媒である空気の流路を変更したものである。

実施例５のシステムでは、冷媒の流入口１５１と冷媒の流出口１５２、１５３とがある角度、図５では直角を成すようにし、セル格納容器１５０内部の冷媒の流れを不均一にしてセル間の温度差を減らしている。実施例５は、冷媒の流れ方について実施例１とは大きく異なるため、組電池の格納容器中の温度分布も変化し、その結果、電池寿命計測器２００を接続するのに適しているセルの位置が一般的には実施例１と異なることになる。

セル格納容器の構造、冷媒の流路、冷媒を流すための機構、セルの個数や配置位置等は、組電池の格納容器１５０中の温度分布を決める要因となっており、これらが変化すると組電池の格納容器内の温度分布は変化する。そのため、これらの要因が変化した場合は、組電池の格納容器中の温度分布を再計測又は再計算して電池寿命計測器２００の接続先について再決定を行う。

なお、上記要因が変化しない場合には、電池寿命計測器２００の接続先を変更する必要は一般的にはない。このため、本発明に係るシステムの量産・組立・設置等の際に、上記した組電池の格納容器中の温度分布を決める要因に変更がない場合、組電池格納容器内の温度分布等を個別に計測することなく、電池寿命計測器２００の接続先を決定することができる。

次に、上記した本発明に係る実施例における電池寿命計測器についての具体例について、以下、説明する。

図６は、上記した本発明に係る実施例（ただし、実施例４を除く）に用いられる電池寿命計測器２００の具体例を示す説明図である。

図６の示す電池寿命計測器２００は、前処理回路２５１、アナログ／デジタル変換（Ａ／Ｄ）回路及び計算機２５４から構成されており、計測対象であるセル１０２に対し前処理回路２５１が接続されている。前処理回路２５１は、電池の内部抵抗、容量等の電池の劣化の度合いに関係する値を電圧値として出力し、出力された電圧値は、Ａ／Ｄ回路２５２によりデジタル値に変換されて計算機２５４へと送られる。計算機２５４によりセル１０２の劣化の度合いが計算され、この計算結果は、情報伝達線２５３を通じて上位システムへと伝達される。

図７は、図６が示す電池寿命計測器から計算機２５４を省き、その機能を該電池寿命計測器に接続された上位システム２５５に含まれた計算機に統合させた具体例を示し、部品点数を削減する上で有利である。

図８は、図７が示す電池寿命計測器から更にＡ／Ｄ回路２５２を省き、その機能を該電池寿命計測器に接続された上位システム２５５のＡ／Ｄ回路に統合させた具体例を示し、部品点数を削減する上で更に有利である。

図９は、図６に示す電池寿命計測器において、前処理回路２５１に切り離し機構が含まれて、これが制御信号線２５６を介して計算機２５４によって制御される具体例を示す。セル１０２に電池寿命計測器２００が接続されているとき、リーク電流などによりセルが放電してしまう場合があり、これを防止するには、前処理回路をセルから自在に切り離す機構２５７が電池寿命計測器２００に必要となる。この切り離し機構２５７は、前処理回路２５１、アナログ・デジタル変換回路２５２、上位システム等により制御される。これにより、セルの寿命計測がセルに対し与える影響を限定することができる。

図１０−１は、図６が示す電池寿命計測器の前処理回路の具体例を示す。

図１０−２は、図１０−１に示された具体例においてセル１０２に直流電流を流すことで内部抵抗を計測する際のフローチャートを示す。スイッチ２０３を開いて電池の開放端電圧（ＯＣＶ）を計測し、次にスイッチ２０３を閉じて抵抗２０１により生じる抵抗分圧を計測し、これらの計測結果から、図１０−２のブロック内に示した内部抵抗を求める式により、セル１０２の内部抵抗を計測する。抵抗２０２は、セル１０２の正極側とＡ／Ｄ回路２５２との間に接続されている。スイッチ２０３と抵抗２０１との直列回路は、セル１０２の正極と負極の間に接続されている。

図１０−１の具体例に示されたスイッチ２０３とＡ／Ｄ回路２５２は、リチウムイオン電池に付随する回路、例えば充電状態均一化回路及びその制御回路を構成する集積回路（ＩＣ）素子と部品の共用が可能であり、これにより部品点数の増加を抑えつつ既存回路への電池寿命計測機能付与を行うことが可能となる。

なお、内部抵抗やセルの容量を計測するのに交流を用いることも可能であり、前処理回路２５１として、交流を用いてインピーダンスを計測する内部抵抗計測回路やセルの容量計測回路を用いてもよい。また、図９に示された切り離し機構２５７として、前処理回路２５１と組電池１００との間や前処理回路２５１内の抵抗２０２の前後等にスイッチを設けてもよい。

図１１−１は、図１０−１が示す具体例の抵抗分圧を計測する回路に換わり、コンデンサが充電されるときのコンデンサ電圧の時間変化を計測する具体例を示す。

図１１−２は、図１１−１に示された具体例において電池寿命計測する際のフローチャートを示す。まず、スイッチ２０４と２０６を開いてセルの開放端電圧を計測し、次いで、スイッチ２０４を閉じてコンデンサ２０８の分圧の時間に対する変化を計測し、この変化から内部抵抗を計算し、その後にスイッチ２０４を開くと共にスイッチ２０６を閉じてコンデンサ２０８をセル１０２から切り離し、コンデンサを放電するための抵抗２０７を接続する。この具体例では、コンデンサに流れた電流の大きさを開放端電圧と分圧の時間変化から求まる時定数を使って計算するものである。これにより、Ａ／Ｄ回路２５２に要求される精度をゆるくすることができる。抵抗２０５は、セル１０２の正極側とＡ／Ｄ回路２５２との間に接続されている。スイッチ２０４とコンデンサ２０８との直列回路及びスイッチ２０６と抵抗２０７との直列回路は、セル１０２の正極と負極との間に接続されている。

なお、電池寿命計測の間隔が充分大きくてコンデンサ２０８が充分自然放電する場合は、スイッチ２０６及び抵抗２０７を省いてもよい。また、コンデンサ充電時に流れる電流量に問題がない場合には、抵抗２０５を省いてもよい。コンデンサの換わりに他の蓄電手段を用いてもよい。スイッチ２０４と抵抗２０５を入れ替えてもよい。図９に示された切り離し機構２５７として、前処理回路２５１と組電池１００との間や抵抗２０５の前後等
にスイッチを設けてもよい。

図１２−１は、図１１−１が示す具体例の回路の一部をリチウムイオン電池等で用いられるセルの充電状態均一化回路と共用した具体例を示す。ここでは、図１１―１におけるスイッチ２０４と抵抗２０５を、充電状態均一化回路３００内のスイッチ３０４及び抵抗３０３と統合している。セル１０２の負極側にはスイッチ４０１が接続されている。スイッチ４０１は、セル１０２に対して２つの回路を切替えて接続するものである。スイッチ３０４と抵抗３０３との直列回路は、セル１０２の正極とＡ／Ｄ回路２５２との接続線と、端子４０２とＡ／Ｄ回路２５２との接続線との間に接続されている。抵抗２０７とスイッチ２０６との直列回路と、コンデンサ２０８との並列回路は、端子４０３とＡ／Ｄ回路２５２との接続線に接続されている。

図１２−２は、図１２−１に示された具体例において電池寿命計測の際のフローチャートを示す。まず、スイッチ３０４と２０６を開き、スイッチ４０１を端子４０２に接続してコンデンサ２０８を含む回路を切り離し、セル１０２の開放端電圧を測定する。それから、スイッチ４０１を端子４０３に接続し、スイッチ３０４を閉じてコンデンサ２０８、抵抗３０３、セル１０２を直列に接続してコンデンサ２０８の分圧変化を計測し、分圧の時間変化を計測して、流れた電流を計算して内部抵抗を求める。そして、スイッチ３０４を開き、スイッチ２０６を閉じ、スイッチ４０１を端子４０２に接続してコンデンサ２０８をセル１０２から切り離すと共にコンデンサ２０８を放電させる。

図１２−３は、図１２−１が示す具体例の回路において、充電状態均一化回路を使用する際のフローチャートを示す。充電状態均一化を開始すると、まずスイッチ３０４を閉じ、スイッチ４０１を端子４０２に接続してコンデンサ２０８をセル１０２から切り離して抵抗３０３を電池と直列に接続する。セルの充電状態が均一化するか、又は所定の時間が経過すると、スイッチ３０４を開いて抵抗３０３を電池から切り離し、充電状態均一化処理を終了する。

なお、この具体例では、図１１−１に示された具体例と同様に、スイッチ２０６と抵抗２０７は省いてもよい。また、コンデンサの換わりに他の蓄電手段を用いてもよい。切り離し機構２５７として、前処理回路２５１と組電池１００との間や前処理回路２５１の内部にスイッチを設けてもよい。

この具体例の回路では、セルの充電状態均一化回路との部品の共用により、一般的には部品点数を削減できるという有利な効果がある。

図１３は、本発明に係る実施例６のシステムを示す説明図である。このシステムでは、組電池を構成する複数のセルに対し、その組立前に各セルの容量や内部抵抗等を計測し、製造時のばらつきにより最も劣化した状態となっているセルを特定し、かかる特定セルに電池寿命計測器を接続して、組電池の容器内で最も高温となる位置に設置する。そのため、組電池の組立時に組電池の性能を制限する特定セルの劣化状態を計測できると共に、特定セルはその後の使用において常に組電池内の最も劣化したセルとなるので、特定セルの状態を電池寿命計測器２００により計測することにより、組電池の性能の制限を常に把握することができる。

なお、特定セル１０５には、ある閾値以上劣化しているセルや、意図的に劣化させたセルを用いてもよい。また、特定セル１０５の配置される位置は、最も高温となる位置に限定されるものではなく、組電池の全セルの平均よりも劣化が進行する位置であれば、他の場所とすることもできる。

図１４−１は、本発明に係る実施例７のシステムを示す説明図である。このシステムでは、組電池を構成する複数のセルに対し、その組立前に各セルの容量や内部抵抗等を計測し、製造時のばらつきにより最も劣化した状態となっているセル１０５と最も劣化してい
ない状態のセル１０６を特定し、最も劣化した状態となっているセル１０５を劣化速度が最も遅くなる組電池の格納容器内の最も低温となる位置に配置し、最も劣化していない状態のセル１０６を劣化速度が最も早くなる組電池の格納容器内の最も高温となる位置に配置し、これらのセルに電池寿命計測器２００を接続してその状態を計測するものである。

実施例７では、上記のように構成することにより、組電池の性能を制限する最も劣化したセルが最も劣化速度の遅い位置に配置されているため、組電池全体の性能の低下速度を遅くすることができる。

図１４−２は、実施例７におけるセル１０５とセル１０６の劣化度の進行度合いと組電池の性能を制限するセルの劣化度を、実施例６の場合と対比して示した説明図である。

なお、セル１０５には、ある閾値以上劣化したセルや、意図的に劣化が進んだセルを使用してもよい。セル１０６には、ある閾値以下の劣化したセルや、意図的に劣化が進行していない状態で製造されたセルを使用することができる。また、セル１０５の配置される位置については、組電池の各セルの平均温度よりも低い温度となる位置でもよいし、セル１０６の配置される位置については、組電池の各セルの平均温度よりも高い温度となる位置でもよい。

以上の実施例１から７までの各実施例では、組電池、電池寿命計測器、上位システム、等の構成要素をすべて含む一体のユニットとする実施形態でもよいし、また、各構成要素を別体のパーツとして用意して組立てる実施形態でもよい。

以下、本発明の係る実施例のシステムを組み込んだ更に上位のシステムや装置について説明する。

図１５−１は、実施例１のシステムを他のシステムに組み込んだ説明図である。このシステムでは、セル格納容器１５０に格納された組電池１００は、組電池と他のシステムとを接続・切断する組電池断続器４０４を通して、電動機４０６を制御する電動機制御回路４０５に接続される。そして、セル格納容器１５０の中で最もセルの劣化が進行する位置に配置されたセル１０２に接続された電池寿命計測器２００、組電池断続機４０４と電動機制御回路４０５はこれらを制御する上位システム２５５に接続される。

図１５−２は、図１５−１が示すシステムにおいて、システム起動から電動機の駆動開始までのフローチャートを示す。システム起動前に、電動機制御回路４０５と組電池１００は、組電池断続器４０４により切断された状態となっている。この状態で、電池寿命計測器２００がセル１０２の劣化の度合いを計測する。このように、組電池１００が他のシステムに使用されていない状態で計測することにより、劣化の度合い計測の精度を向上することが可能となる。次に、電動機制御回路４０５と組電池１００とを組電池断続器４０４により接続する。これにより電動機制御回路４０５に電動機４０６を駆動するための電力が供給され、電動機の駆動を開始可能となる。

なお、上位システム２５５は、組電池断続器４０４や電動機制御回路４０５の一部に設けられたものでもよい。電動機４０６は、発電機能を有するものでもよい。電動機制御回路４０５は、組電池１００を充電する機能を持っていてもよい。

図１６は、図１５−１が示すシステムをハイブリッド自動車に組み込んだ具体例の説明図である。このシステムでは、組電池１００は、組電池断続器４０４を介して電動機・発電機制御回路４１２に接続され、自動車の駆動力の発生を助けたり運動エネルギーや位置エネルギーの回収を行う電動機・発電機４０７に対し電気エネルギーの供与や回収を行う。この電動機・発電機４０７は、変速機４０８を介してエンジン４０９と接続されている。

図１７は、図１５−１が示すシステムをハイブリッド自動車に組み込んだ別の具体例の説明図である。このシステムでは、電動機・発電機制御回路４１２は電動機４０６と発電機４１０に接続される。図１６が示すシステムの変速機４０８の換わりに、動力分割機構４１１を設け、電動機と発電機は、この動力分割機構４１１を介して相互に、かつエンジンと結合している。

次に、図１８を用いて、図１５から図１７の各種システムに搭載され、各種システムの電動機などの負荷駆動用電源を構成する電池システム（蓄電装置）の具体例を説明する。

なお、本例では、図１５から図１７の組電池断続器４０４の図示を省略している。また、本例では、図１７の発電機４１０、及び発電機側の制御回路の図示を省略している。

電池システムは、組電池１００、セルコントローラ１２０、バッテリコントローラ１３０、及びセンサなどから構成されている。実際の製品では、組電池１００及びセルコントローラ１２０は、１つの蓄電モジュールとして構成され、バッテリコントローラ１３０、センサ及び冷却装置などの他の構成部品と共に１つの筐体内に収納されている。

組電池１００は、電気エネルギーの（充放電）が可能な蓄電体であり、鉛電池，ニッケル水素電池、リチウムイオン電池，電気二重層キャパシタなどから構成されている。ハイブリッド自動車，電気自動車などの車載用電池システムでは、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池からなる複数個のセル（単電池）１１１を、直列又は並列に接続して組電池１００を構成している。本例では、リチウムイオン電池からなる４８個のセル１１１を備え、４個のセル１１１−１〜１１１−４を直列に接続したセル接続体を１つの蓄電ユニット（単電池群）として、１２個の蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を構成した上で、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を直列に接続して組電池１００を構成している。１個のセル１１１の公称電圧は約３．６Ｖであるので、組電池１００の公称電圧は約１７２．８Ｖになる。電動機の単独による駆動を可能としたハイブリッド自動車又は電気自動車では、バッテリに３００Ｖを超える公称電圧が要求されることから、組電池１００（第１組電池）と同じ構成の第２組電池を設け、第１組電池と第２組電池とを直列に接続して使用する。これにより、公称電圧を約３４５．６Ｖにできる。なお、本例では、１つの組電池１００により電池システムを構成した場合を例に挙げて説明する。

組電池１００（蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のうち、最高電位側に配置された蓄電ユニット１１０−１）の正極側（最高電位側）は、電動機制御回路４０５又は電動機・発電機制御回路４１２であるインバータ装置の直流正極側に接続されている。インバータ装置は、直流電力を交流電力に変換する（回生時などの発電時には交流電力を直流電力に変換できる）電力変換装置である。また、組電池１００（蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のうち、最低電位側に配置された蓄電ユニット１１０−１２）の負極側（最低電位側）は、インバータ装置の直流負極側に接続されている。これにより、電動機４０６の駆動時又は電動機・発電機４０７を電動機として作動させる時、組電池１００からインバータ装置に直流電力を供給できる。また、電動機・発電機４０７を発電機として作動させる時には、インバータ装置から出力された直流電力を組電池１００に充電できる。

組電池１００を収納したモジュールケースの内部には、組電池１００の温度を検出するための温度センサ１４２を取り付けている。本例では、４個の温度センサ１４２を備え、モジュールケースの内部の温度分布に応じて、比較的高温になる領域付近に２個の温度センサ１４２を配置し、比較的低温になる領域付近に更に２個の温度センサ１４２を配置している。４個の温度センサ１４２から出力された温度情報は、後述するバッテリコントローラ１３０に入力される。

セルコントローラ１２０は、セル１１１の状態を管理するための電子回路装置であり、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２に対応して設けられた１２個のセル管理用集積回路（ＩＣ）素子１２０−１〜１２０−１２、セル１１１の蓄電状態を均一化するための回路素子、セル１１１の電圧を検出するための回路、図１０から１２に示された前処理回路２５１（特定のセル１０２の状態を検知するための回路）を構成する回路素子、フォトカプラなどの絶縁素子、ノイズ除去回路を構成する回路素子及び保護回路を構成する回路素子などが、回路基板に実装されて構成されている。回路基板は別ケースに収納されて、蓄電モジュールに搭載されている。これにより、回路基板は組電池１００から隔てられる。

セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、セル１１１の状態を管理する主機能として、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２における４個のセル１１１−１〜１１１−４の電圧を検出するための検出機能、及び対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２における４個のセル１１１−１〜１１１−４の間の蓄電容量を均一化するための制御機能とを備えている。

また、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を動作電源として動作すると共に、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２の負極側（最低電位側）の電位を基準電位（グランド電位）としている。

さらに、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、基準電位の高いものから基準電位の低いものの順に直列に接続されている。すなわち、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、それぞれ入出力端子を備え、セル管理用集積回路素子１２０−１の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−２の入力端子に、セル管理用集積回路素子１２０−２の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−３の入力端子に、…、セル管理用集積回路素子１２０−１１の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−１２の入力端子にそれぞれ接続されるように構成されている。これにより、後述するバッテリコントローラ１３０からセルコントローラ１２０に入力された信号は、初めにセル管理用集積回路素子１２０−１の入力端子に入力され、基準電位の高いものから順番に基準電位の低いものの方に伝送され、最後にセル管理用集積回路素子１２０−１２の出力端子から出力され、再びバッテリコントローラ１３０に戻る。すなわち後述するバッテリコントローラ１３０、及び直列接続されたセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２がループ状に接続されて信号の通信路（伝送路）を形成している。なお、ループ状に接続された通信路は、デイジチェーン状に接続された通信路と呼ばれる場合もある。

セルコントローラ１２０とバッテリコントローラ１３０とを接続する接続回路にはフォトカプラなどの絶縁素子が設けられている。これは、セルコントローラ１２０とバッテリコントローラ１３０との動作電源の違いによって両者の基準電位が異なるからであり、両者間において信号を伝送する際、信号の基準電位を変位させる必要があるからである。

セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２と、これに対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２との間には、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のそれぞれにおけるセル１１１−１〜１１１−４のそれぞれの両端電圧（正極と負極との間の電圧）を検出するための電位入力回路が接続されている。セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２のそれぞれには、その電位入力回路を介して、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２におけるセル１１１−１〜１１１−４のそれぞれの両端（正極側及び負極側）の電位情報が入力される。セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２のそれぞれは、入力された電位情報に基づいて、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２におけるセル１１１−１〜１１１−４のそれぞれの両端電圧を検出する。

蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のそれぞれには、セル１１１の蓄電状態を均一化するための調整回路が設けられている。調整回路は、図１２に示すように、スイッチ及び抵抗からなる直列回路であり、セル１１１−１〜１１１−４のそれぞれの両極間（正極と負極との間）に接続されている。スイッチは、セル管理用集積回路素子１２０からの駆動信号によりオン・オフ制御される。これにより、各セル１１１の蓄電容量を調整できる。すなわち４個のセル１１１うち、１つのセル１１１の蓄電容量が他のセル１１１の蓄電容量よりも多い場合には、当該セル１１１に接続されたスイッチをオンし、当該セル１１１を放電状態にする。これにより、当該セル１１１から出力された電力は抵抗に供給され、熱として消費される。なお、セル１１１に接続されたスイッチはセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２に内蔵されていてもよい。

特定のセル１１１の状態を検知するための回路は、図１０−１、図１１−１、図１２−１に示された前処理回路２５１であり、抵抗、キャパシタ及びスイッチなどの回路素子から構成され、特定のセルに対して接続されている。特定のセルは、図１から３、５に示すとおり、選択された一つ又は複数のセルである。スイッチは、特定のセルが所属する蓄電ユニットを管理するセル管理用集積回路素子１２０からの駆動信号により、オン・オフ制御される。特定のセルが所属する蓄電ユニットを管理するセル管理用集積回路素子１２０は、図１０−１、図１１−１、図１２−１に示されたＡ／Ｄ回路２５２を備えている。検知回路から出力された検知情報は、特定のセル１１１が所属する蓄電ユニットを管理するセル管理用集積回路素子１２０のＡ／Ｄ回路２５２により、アナログ信号からデジタル信号に変換され、通信路を介してバッテリコントローラ１３０に入力される。すなわち検知情報に基づいて特定のセルの状態値（内部抵抗値や容量値など）が検出され、バッテリコントローラ１３０に入力される。なお、検知回路から出力された検知情報は、特定のセル１１１が所属する蓄電ユニットを管理するセル管理用集積回路素子１２０を介すことなく、バッテリコントローラ１３０に直接入力してもよい。この場合、図１０から１２に示すＡ／Ｄ回路２５２は、バッテリコントローラ１３０に備えられる。

組電池１００の正極側とインバータ装置の直流正極側との間には、組電池１００からインバータ装置に供給される電流又はインバータ装置から組電池１００に供給される電流を検出するための電流センサ１４０が設けられている。電流センサ１４０から出力された電流情報はバッテリコントローラ１３０に入力される。また、組電池１００の両極間（正極と負極との間）には、組電池１００の両端電圧を検出するための電圧センサ１４１が設けられている。電圧センサ１４１から出力された電圧情報は、バッテリコントローラ１３０に入力される。バッテリコントローラ１３０にはセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２によって検出されたセル電圧値も入力される。

バッテリコントローラ１３０は、組電池１００の状態を管理するセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２を制御して、組電池１００の充放電を制御するための電子回路装置であり、演算器１３１と入出力回路１３２などを備えている。演算器１３１及び入出力回路１３２を構成する回路素子などは、回路基板に実装されて蓄電装置の筐体内に収納されている。

演算器１３１は、マイクロコンピュータから構成されており、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２によって検出されたセル電圧値と特定のセルの状態値、電流センサ１４０によって検出された電流情報、電圧センサ１４１によって検出された組電池１００の端子間の電圧情報、温度センサ１４２によって検出された温度情報が入力される。そして、演算器１３１は、検出された電流値と電圧値と温度値に加えて、入力されたセル電圧値、特定のセル１１１の状態値、及び予めメモリ内に記憶された組電池１００の特性値に基づいて、組電池１００の状態（例えば組電池１００の寿命）を検知するための演算、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２を制御するための演算、及び組電池１００の状態検知結果に基づいて、組電池１００の充放電を制御するための演算を行うと共に、それらの演算結果に基づいて、組電池１００の状態値に関する信号、セル管理用集積回路素子１２０−１１〜１２０−１２を制御するための信号、及び組電池１００の充放電を制御するための信号などを出力する。

入出力回路１３２は、演算器１３１から出力された組電池１００の状態値に関する信号、及び組電池１００の充放電を制御するための信号を、上位システム２５５を出力すると共に、上位システム２５５からの信号を入力するための通信回路であって、上位システム２５５とはＬＡＮケーブルを介して接続されているものである。

上位システム２５５は、ハイブリッド自動車の場合、エンジン４０９を制御するエンジン制御装置２５５ｂ、インバータ装置を制御するモータ制御装置２５５ｃ、及びエンジン制御装置２５５ｂとモータ制御装置２２５ｃの上位制御装置であり、ハイブリッド自動車の全体を統合制御する制御装置２５５ａなどである。

本例では、前述のように、特定のセルが所属する蓄電ユニットを管理するセル管理用集積回路素子によって特定のセルの状態を検知すると共に、その検知された特定のセルの状態に基づいて、特定のセルの寿命をバッテリコントローラにより演算し、この演算の結果を組電池の寿命とする。そして、バッテリコントローラは、演算された組電池の寿命に基づいて組電池の充放電を制御するための信号を生成し、上位システム２５５（モータ制御装置２５５ｃ）に出力する。これにより、インバータ装置が制御され、組電池１００の充放電が制御される。

なお、本例では、図６に示す例を電池システムに適用した場合を例として説明したが、図７から９に示す例に適用してもよい。

本発明は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の交通手段用電源、電動工具、ノートパソコン等の携帯機器用電源、ＵＰＳなどのバックアップ電源等の組電池を利用する種々の機器に利用可能である。

本発明に係る実施例１のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例１における組電池中の各セルとその温度の関係を示す説明図 本発明に係る実施例２のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例２における組電池中の各セルとその温度の関係を示す説明図 本発明に係る実施例３のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例３における組電池中の各セルとその温度の関係を示す説明図 本発明に係る実施例４のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例５のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の具体例 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の別の具体例 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の更に別の具体例 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の図６に示された具体例において、前処理回路に含まれた切り離し機構が制御信号線を介して計算機により制御される変形具体例 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の前処理回路の具体例 図１０−１に示された前処理回路の具体例における計測手順のフローチャート 本発明に係る実施例に用いられる電池寿命計測器の前処理回路の別の具体例 図１１−１に示された前処理回路の具体例における計測手順のフローチャート 図１１−１が示す具体例の回路の一部をリチウムイオン電池等で用いられるセルの充電状態均一化回路と共用した具体例 図１２−１に示された具体例において電池寿命計測の際のフローチャート 図１２−１が示す具体例の回路において、充電状態均一化回路を使用する際のフローチャート 本発明に係る実施例６のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例７のシステムを示す説明図 本発明に係る実施例７におけるセル１０５とセル１０６の劣化度の進行度合いと組電池の性能を制限するセルの劣化度を、実施例６の場合と対比して示した説明図 実施例１のシステムを他のシステムに組み込んだ説明図 図１５−１が示すシステムにおけるシステム起動から電動機の駆動開始までのフローチャート 図１５−１が示すシステムをハイブリッド自動車に組み込んだ具体例の説明図 図１５−１が示すシステムをハイブリッド自動車に組み込んだ別の具体例の説明図 図１５〜１８に示す各種システムに搭載される電池システムの具体例

Claims (16)

1. 充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を有し、
   該電池寿命計測器は、
   前記複数個のセルの平均温度よりも高温となる位置又は前記複数個のセルの中の最高温となる位置に設けられた一個又は複数個の特定のセルの状態を、
   検知するように、前記組電池に接続されたことを特徴とする電池寿命計測システム。
2. 充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を有し、
   該電池寿命計測器は、
   第１条件下において、前記複数個のセルの中の最高温となる位置又は前記複数個のセルの平均温度よりも高温となる位置に設けられた特定のセルの状態、及び
   第２条件下において、前記複数個のセルの中の最高温となる位置又は前記複数個のセルの平均温度よりも高温となる位置に設けられた特定のセルの状態を、
   検知するように、前記組電池に接続されたことを特徴とする電池寿命計測システム。
3. 充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を有し、
   該電池寿命計測器は、
   前記複数個のセルの中の最高温となる位置又は前記複数個のセルの平均温度よりも高温となる位置に設けられた一個又は複数個の特定のセルの状態、及び
   前記複数個のセルの中の最低温となる位置又は前記複数個のセルの平均温度よりも低温となる位置に設けられた一個又は複数個の特定のセルの状態を、
   検知するように、前記組電池に接続されたことを特徴とする電池寿命計測システム。
4. 請求項１から３までのいずれかの請求項に記載された電池寿命計測システムにおいて、
   前記特定のセルの状態とは、セルの内部抵抗及び／又はセル容量であることを特徴とする電池寿命計測システム。
5. 請求項４に記載された電池寿命計測システムにおいて、
   前記電池寿命計測器は、前記特定のセルの内部抵抗を交流又は直流を用いて計測することを特徴とする電池寿命計測システム。
6. 請求項４に記載された電池寿命計測システムにおいて、
   前記電池寿命計測器は、前記特定のセルに並列に接続された電荷蓄積手段への充放電時における電圧の時間変化により、前記特定のセルの内部抵抗を計測することを特徴とする電池寿命計測システム。
7. 請求項１から６までのいずれかの請求項に記載された電池寿命計測システムにおいて、
   前記電池寿命計測器は、前記組電池とのその接続を切り離す機構を内蔵していることを特徴とする電池寿命計測システム。
8. 充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を有し、
   該電池寿命計測器は、
   予めの計測により前記複数個のセル中の最も劣化した状態にあると特定され、かつ、前記複数個のセルの中の最高温となる位置に設けられた特定のセルの状態を検知するように、前記組電池に接続されたことを特徴とする電池寿命計測システム。
9. 充電又は放電可能な蓄電手段であるセルを複数個接続して構成された組電池の寿命を計測するための電池寿命計測器を有し、
   該電池寿命計測器は、
   予めの計測により前記複数個のセル中の最も劣化した状態にあると特定され、かつ、前記複数個のセルの中の最低温となる位置に設けられた特定のセルの状態、及び
   予めの計測により前記複数個のセル中の最も劣化が小さい状態にあると特定され、かつ、前記複数個のセルの中の最高温となる位置に設けられた特定のセルの状態を、
   検知するように、前記組電池に接続されたことを特徴とする電池寿命計測システム。
10. 複数個の単電池が接続されて構成された組電池と、
    前記複数個の単電池の状態を管理する単電池用電子回路装置と、を有し、
    前記単電池用電子回路装置は、前記組電池の寿命計測に必要な前記単電池の状態を検知するための検知回路を備えており、
    前記検知回路は、前記複数個の単電池の平均温度よりも高温となる位置又は前記複数個の単電池のうち最高温度となる位置に設けられた一つ又は複数個の特定単電池の状態を検知するように、前記組電池に接続されており、
    前記単電池用電子回路装置は、前記検知回路により得られた検知情報を、前記組電池の寿命計測用情報として出力する
    ことを特徴とする蓄電モジュール。
11. 複数個の単電池を直列に接続して構成した複数個の単電池群が直列に接続されて構成された組電池と、
    前記複数個の単電池群のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記単電池群の複数個の単電池の状態を管理する複数個の集積回路素子が実装された回路基板を備えた単電池用電子回路装置と、を有し、
    前記回路基板には、前記組電池の寿命計測に必要な単電池の状態を検知するための検知回路が実装されており、
    前記検知回路は、前記複数個の単電池の平均温度よりも高温となる位置、或いは前記複数個の単電池のうち最高温度となる位置に設けられた一つ又は複数個の特定単電池の状態を検知するように、前記組電池に接続されており、
    前記単電池用電子回路装置は、前記検知回路により得られた検知情報を、前記組電池の寿命計測用情報として出力する
    ことを特徴とする蓄電モジュール。
12. 請求項１１に記載の蓄電モジュールにおいて、
    前記検知回路の検知によって得られた検知情報は、前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子に入力され、前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子から信号変換されて出力される
    ことを特徴とする蓄電モジュール。
13. 請求項１２に記載の蓄電モジュールにおいて、
    前記単電池用電子回路装置は入出力信号端子を備えており、
    前記入出力信号端子間には、前記複数個の集積回路素子が直列に接続されることにより構成された通信路が形成されており、
    前記検知情報は、前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子から前記通信路及び前記出力信号端子を介して出力される
    ことを特徴とする蓄電モジュール。
14. 複数個の単電池を直列に接続して構成した複数個の単電池群が直列に接続されて構成された組電池と、
    前記複数個の単電池群のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記単電池群の複数個の単電池の状態を管理する複数個の集積回路素子が実装された回路基板を備えた単電池用電子回路装置と、
    前記組電池の状態を管理する組電池用電子回路装置と、を有し、
    前記回路基板には、前記組電池の寿命計測に必要な単電池の状態を検知するための検知回路が実装されており、
    前記検知回路は、前記複数個の単電池の平均温度よりも高温となる位置又は前記複数個の単電池のうち最高温度となる位置に設けられた一つ又は複数個の特定単電池の状態を検知するように、前記組電池に接続されており、
    前記組電池用電子回路装置は、前記検知回路の検知情報に基づいて前記組電池の寿命を計測する
    ことを特徴とする蓄電装置。
15. 請求項１４に記載の蓄電装置において、
    前記検知回路の検知によって得られた検知情報は、前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子に入力され、前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子から信号変換されて出力される
    ことを特徴とする蓄電装置。
16. 請求項１５に記載の蓄電装置において、
    前記集積回路素子及び前記組電池用電子回路装置は、ループ状の通信路が形成されるように接続されており、
    前記特定単電池の状態を管理する集積回路素子から出力された検知情報は、前記通信路を介して前記組電池用電子回路装置に入力されている
    ことを特徴とする蓄電装置。

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