JP2009081981A - 充電状態最適化装置及びこれを具えた組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】満充電容量の異なる複数のセル１からなる組電池の性能を十分に引き出すことの出来る充電状態最適化装置２を提供する。
【解決手段】本発明に係る充電状態最適化装置２は、複数のセル１を直列に接続してなる組電池を対象として各セル１の充電状態を最適化するものであって、各セル１に接続された放電回路21を具えており、制御回路20は、最適化後の蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差が等しくなるよう前記複数のセル１の一部或いは全てのセル１に対して放電回路21による放電を実施することによって最適化を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成する複数のセルの充電状態を最適化する装置、及び該装置を具えた組電池システムに関するものである。

近年、ハイブリッド自動車において複数のリチウムイオン二次電池(セル)を直列に接続してなる組電池が電源として利用される等、組電池の利用が拡がっている。組電池の放電出力は、組電池を構成する複数のセルの中で充電状態(ＳＯＣ:State Of Charge)の最も低いセルによって制限されるため、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣのばらつきによって組電池としての性能が低下してしまう。
そこで、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣを均等化する処理が必要となる(特許文献１及び２参照)。

従来の均等化処理においては、組電池を構成する各セルの両端電圧(開放電圧)が検出され、検出されたセル電圧の最低値、或いは検出されたセル電圧の平均値を均等化目標値として、セル電圧が該均等化目標値を超えるセルについて放電が行なわれる。これによって、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣが均等化される。
例えば図１０に示す如く３つのセル１〜３によって組電池が構成されており、均等化処理前にはセル１のＳＯＣが最も低かった場合、セル２及びセル３をそれぞれセル１のＳＯＣまで放電させることによって、セル１〜３のＳＯＣが均等化される。

特開２００１−２１８３７６号公報 特開２００１−２３１１７８号公報

しかしながら、本発明者による研究の結果、組電池を構成する複数のセルの満充電容量には、製造時のばらつきや使用時の温度分布によるばらつきによってばらつきが生じるため、従来の均等化処理によっては組電池の性能を十分に引き出せないことが判明した。
例えば図１１に示す如く満充電容量の異なる３つのセル１〜３によって組電池が構成されており、セル１〜３のＳＯＣが７０％程度のときにこれらのセルのＳＯＣが均等化された場合、セル１〜３の単位時間当たりの放電量は同じであるため、均等化後に組電池が放電してセル１のＳＯＣが５０％に達したときにはセル１〜３のＳＯＣにばらつきが生じることになる。
又、セル１〜３のＳＯＣが３０％程度のときにこれらのセルのＳＯＣが均等化された場合には、セル１〜３の単位時間当たりの充電量は同じであるため、均等化後に組電池が充電されてセル１のＳＯＣが５０％に達したときにはセル１〜３のＳＯＣにばらつきが生じることになる。

組電池の放電特性は、図１２に示す如くＳＯＣが低くなるにつれて低下し、充電特性はＳＯＣが高くなるにつれて低下する。従って、ＳＯＣが高いときや低いときに複数のセルのＳＯＣを揃えるよりも、放電特性及び充電特性が共に良好で両特性のバランスの良いＳＯＣ、例えば５０％程度のＳＯＣで複数のセルのＳＯＣを揃える方が、組電池の性能を高めることが出来る。
従来の均等化処理によっては、上述の如く例えば複数のセルのＳＯＣが７０％程度のときに均等化された場合、均等化後に組電池が放電して複数のセルのＳＯＣが５０％程度まで低下したときにはこれらのセルのＳＯＣにばらつきが生じることになるため、組電池の性能を十分に引き出せないことになる。

そこで、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣが５０％程度のときに均等化処理を行なうことが考えられる。しかし、ハイブリッド自動車等の組電池の均等化処理は、正確に蓄電量の測定を行なうために充放電が行なわれない停車状態で行なうことが望ましく、均等化処理を停車状態で行なう構成においては、組電池のＳＯＣが５０％程度のときにハイブリッド自動車等が停車されるとは限らないため、均等化処理が実行される頻度が極めて低くなる問題がある。
本発明の目的は、満充電容量の異なる複数のセルからなる組電池の性能を十分に引き出すことの出来る充電状態最適化装置及びこれを具えた組電池システムを提供することである。

本発明に係る充電状態最適化装置は、複数のセルを直列に接続してなる組電池を対象として各セルの充電状態を最適化する装置であって、前記複数のセルの一部或いは全てのセルに対して夫々、満充電容量を加味した最適化目標値を設定し、設定した最適化目標値に応じて放電或いは充電を実施することによって最適化を行なう。

具体的には、前記最適化目標値は、前記複数のセルの間で最適化後の蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差が等しくなる蓄電量或いは該蓄電量に応じた値に設定される。

本発明に係る充電状態最適化装置によれば、最適化処理後、組電池を構成する複数のセルの間で、そのときの蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差が等しくなるので、その後に組電池が放電し或いは充電されると、所定の充電状態で複数のセルの充電状態が揃うことになる。ここで、所定の充電状態を組電池の放電特性及び充電特性が共に良好で両特性のバランスの良い充電状態、例えば４０〜６０％の値に設定することによって、組電池の性能を十分に引き出すことが出来る。

又、具体的には、
各セルに対して放電及び／又は充電を行なうことが可能な充放電手段と、
前記複数のセルの内、少なくとも１つのセルについて現在の蓄電量と前記所定の充電状態での蓄電量との差を算出する蓄電量差算出手段と、
前記複数のセルの一部或いは全てのセルについて夫々、前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差に応じて最適化目標値を設定する最適化目標値設定手段と、
最適化目標値が設定されたとき、前記複数のセルの一部或いは全てのセルに対して夫々、設定された最適化目標値に応じて前記充放電手段による放電或いは充電を実施する最適化処理手段
とを具えている。
上記具体的構成によれば、各セルについて設定される最適化目標値はそのときの蓄電量に近い蓄電量或いは該蓄電量に応じた値となるので、最適化の際の放電量或いは充電量を少なく抑えることが出来る。

又、具体的には、前記最適化目標値設定手段は、前記複数のセルの内、前記少なくとも１つのセルを基準セルとして、該基準セル以外の各セルについて最適化目標値を設定するものであって、
前記基準セル以外の各セルについて、前記所定の充電状態での蓄電量に基準セルについて前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差を加算する第１処理手段と、
前記基準セル以外の各セルについて、前記第１処理手段によって算出された蓄電量或いは該蓄電量に応じた値を最適化目標値として設定する第２処理手段
とを具えている。

上記具体的構成においては、組電池を構成する複数のセルの内、基準セル以外の各セルについて、所定の充電状態での蓄電量に基準セルのそのときの蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差を加算した蓄電量或いは該蓄電量に応じた値が最適化目標値として設定され、基準セル以外の各セルに対して、最適化目標値に応じて放電或いは充電が実施される。この結果、基準セル以外の各セルの最適化後の蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差が、基準セルの蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差と等しくなり、その後に組電池が放電し或いは充電されると、所定の充電状態で複数のセルの充電状態が揃うことになる。

又、具体的には、蓄電量に応じた値は充電状態或いはセル電圧であって、前記最適化目標値設定手段の第２処理手段は、前記第１処理手段によって算出された蓄電量を充電状態或いはセル電圧に換算し、換算の結果得られる充電状態或いはセル電圧を最適化目標値として設定する。

上記具体的構成においては、第１処理手段によって算出された目標蓄電量が充電状態或いはセル電圧に換算される。ここで、充電状態は、蓄電量を満充電容量で除算して１００の値を乗算することによって算出することが出来る。又、セル電圧と充電状態は一定の関係を有しており、セル電圧と充電状態の関係を予め規定しておけば、該関係に従って充電状態からセル電圧を導出することが出来る。その後、上記換算の結果得られた充電状態或いはセル電圧が最適化目標値として設定される。

更に具体的には、前記蓄電量差算出手段は、組電池を構成する各セルについて現在の蓄電量から前記所定の充電状態での蓄電量を減算することにより蓄電量差を算出するものであって、前記最適化目標値設定手段は、組電池を構成する複数のセルの内、該蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差が最も小さいセルを基準セルとして特定する。

上記具体的構成によれば、基準セル以外の各セルについて設定される最適化目標値はそのときの蓄電量を下回る蓄電量或いは該蓄電量に応じた値となるので、放電のみを実施することによって最適化を行なうことが出来る。従って、放電手段のみを装備すればよく、放電手段及び充電手段の両手段を具えた充電状態最適化装置に比べて構成が簡易となる。

更に又、具体的には、前記蓄電量差算出手段は、組電池を構成する各セルについて現在の蓄電量と前記所定の充電状態での蓄電量との差を算出するものであって、
前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差から最大値及び最小値を特定する特定手段と、
前記特定手段によって特定された最大値と最小値との差を算出する算出手段と、
前記算出手段による算出結果が所定の閾値を上回るか否かを判断する判断手段
とを具えており、前記最適化目標値設定手段は、前記判断手段によって前記算出結果が前記所定の閾値を上回ると判断されたときに最適化目標値を設定する。

上記具体的構成においては、組電池を構成する複数のセルの間で現在の蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差のばらつき幅が所定の閾値を上回ったときに、最適化目標値が設定されて最適化処理が行なわれることになる。

本発明に係る組電池システムは、複数のセルを直列に接続してなる組電池と、該組電池を構成する各セルの充電状態を最適化する充電状態最適化装置とを具え、該充電状態最適化装置として、上記本発明の充電状態最適化装置を採用したものである。

本発明に係る充電状態最適化装置及びこれを具えた組電池システムによれば、満充電容量の異なる複数のセルからなる組電池の性能を十分に引き出すことが出来る。

以下、本発明をハイブリッド自動車のバッテリシステムに実施した形態につき、２つの実施例に基づいて具体的に説明する。
第１実施例
図１に示す如く、本発明に係るバッテリシステムは、リチウムイオン二次電池からなる複数(図示する例では３つ)のセル(１)を直列に接続してなる組電池と、該組電池の充電状態を最適化する充電状態最適化装置(２)とから構成され、該組電池から負荷(３)へ電力の供給が可能となっている。

組電池を構成する各セル(１)の両端には、抵抗器Ｒ及びスイッチＳＷを互いに直列に接続してなる放電回路(21)が接続されると共に、各セルの両端電圧(開放電圧)を計測する電圧計測回路(22)が接続されている。
各電圧計測回路(22)による計測結果は、制御回路(20)に供給され、該制御回路(20)は、それらの計測結果に基づいて後述の如く最適化目標電圧値を算出し、算出された最適化目標電圧値に基づいて、各放電回路(21)のスイッチＳＷに対するスイッチング信号を作成して各放電回路(21)のスイッチＳＷに供給する。

上記充電状態最適化装置(２)による最適化処理においては、組電池を構成する複数のセルの内、そのときの蓄電量から所定のＳＯＣでの蓄電量を減算して得られる蓄電量差の最も小さいセルを基準セルとして、該基準セル以外の各セルについて前記所定のＳＯＣでの蓄電量に基準セルについての前記蓄電量差を加算した値が目標蓄電量として設定され、基準セル以外の各セルに対して放電回路(21)による放電を実施することによって最適化が行なわれる。尚、前記所定のＳＯＣは、組電池の放電特性及び充電特性が共に良好で両特性のバランスの良いＳＯＣ、本実施例においては５０％に設定される。

例えば図２に示す如く満充電容量の異なる３つのセル１〜３によって組電池が構成されており、セル１〜３についての前記蓄電量差ΔＡｈ１、ΔＡｈ２、ΔＡｈ３の内、セル３についての前記蓄電量差ΔＡｈ３が最も小さい場合には、図３に示す如く、セル３を基準セルとして、セル１及びセル２の目標蓄電量がそれぞれＳＯＣが５０％のときの蓄電量に前記蓄電量差ΔＡｈ３を加算した値ＤＡｈ１、ＤＡｈ２に設定され、セル１及び２をそれぞれ目標蓄電量まで放電させることによって最適化が行なわれる。この結果、セル１〜３の間で最適化処理後の蓄電量とＳＯＣが５０％のときの蓄電量との差が等しくなり、その後に組電池が放電すると、セル１〜３のＳＯＣが５０％で揃うことになる。更にその後に組電池が放電し或いは充電されると、これらのセル１〜３の内、満充電容量の最も少ないセル３のＳＯＣが最初に０％或いは１００％に達することになる。

図４は、ハイブリッド自動車のイグニッションスイッチがオフに設定されたときに上記充電状態最適化装置(２)の制御回路(20)によって実行される最適化処理の手続きを表わしている。イグニッションスイッチがオフに設定されると、先ずステップＳ１にて、一定時間、例えば１時間が経過した後に組電池を構成する各セルの開放電圧を測定し、次にステップＳ２では最適化処理を実行する必要があるか否かを判定する。尚、ステップＳ２の判定処理の具体的手続きについては後述する。続いてステップＳ３では、ステップＳ２にて最適化処理を実行する必要があると判定されたか否かを判断し、ノーと判断された場合には、ステップＳ１に戻る。

これに対し、最適化処理を実行する必要があると判定されてステップＳ３にてイエスと判断された場合には、ステップＳ４にて最適化目標電圧値を算出した後、ステップＳ５では、ステップＳ４にて算出された最適化目標電圧値を超えるセルについて放電を開始する。尚、ステップＳ４の最適化目標電圧値算出処理の具体的手続きについては後述する。
続いてステップＳ６では、一定時間、例えば３０分が経過した後に組電池を構成する各セルの開放電圧を測定し、ステップＳ７では、開放電圧値がステップＳ４にて算出された最適化目標電圧値に達したセルについて放電を終了する。次にステップＳ８では、ステップＳ４にて算出された最適化目標電圧値を超える全てのセルについて放電が終了したか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ６に戻る。その後、前記全てのセルについて放電が終了したときに、ステップＳ８にてイエスと判断されて、上記手続きを終了する。

図５は、上記ステップＳ２の最適化要否判定処理の具体的手続きを表わしている。尚、以下の説明では、前記所定のＳＯＣをＮ％で表わし、基準ＳＯＣという。
該判定処理においては、先ずステップＳ１１にてセル番号ｉを０に初期化した後、ステップＳ１２では、セル番号ｉのセルの開放電圧から該セルの現在のＳＯＣ[ｉ]を推定する。ここで、開放電圧とＳＯＣの関係をテーブル化してメモリに格納しておき、該テーブルを参照することによって開放電圧からＳＯＣを推定することが出来る。

次にステップＳ１３では、セル番号ｉのセルについて、満充電容量Ｑ[ｉ]及びステップＳ１２にて推定されたＳＯＣ[ｉ]から現在の蓄電量と基準ＳＯＣ(＝Ｎ％)での蓄電量との蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]を下記数１を用いて算出する。

(数１)
ΔＡｈ[ｉ]＝Ｑ[ｉ]×(ＳＯＣ[ｉ]−Ｎ)

続いてステップＳ１４では、セル番号ｉを１だけカウントアップした後、ステップＳ１５にて、セル番号ｉが組電池を構成するセル数ｎと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ１２に戻って上記手続きを繰り返す。

その後、組電池を構成する全てのセルについて、現在の蓄電量と基準ＳＯＣ(＝Ｎ％)での蓄電量との蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]が算出されると、ステップＳ１５にてイエスと判断されてステップＳ１６に移行し、組電池を構成する全てのセルについて算出された蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]の中から、最小値minΔＡｈと最大値maxΔＡｈを特定する。

続いてステップＳ１７では、ステップＳ１６にて特定した最大値maxΔＡｈと最小値minΔＡｈの差が所定の閾値Ｘを上回るか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ１８にて最適化処理を実行する必要がないと判定して上記手続きを終了するのに対し、イエスと判断された場合にはステップＳ１９にて最適化処理を実行する必要があると判定して上記手続きを終了する。

上記手続きによれば、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣのばらつきが大きくなって、これら複数のセルについて算出された上記蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]の最大値と最小値の差が所定の閾値Ｘを上回っている場合に、最適化処理を実行する必要があると判定されることになる。

図６は、図４のステップＳ４の最適化目標電圧値算出処理の具体的手続きを表わしている。該算出処理においては、先ずステップＳ２１にて、組電池を構成する複数のセルの中から１つのセルを基準セルとして特定し、該基準セルのセル番号を基準セル番号Ｋに設定する。ここで、図５のステップＳ１３にて算出された蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]の最も小さいセルが基準セルとして特定される。

次に図６のステップＳ２２では、セル番号ｉを０に初期化した後、ステップＳ２３では、セル番号ｉが前記基準セル番号Ｋと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合には、ステップＳ２４に移行して、セル番号ｉのセルについて、満充電容量Ｑ[ｉ]と基準ＳＯＣ(＝Ｎ％)と基準セルについての前記蓄電量差ΔＡｈ[Ｋ]とから最適化目標蓄電量ＤＡｈ[ｉ]を下記数２を用いて算出する。尚、下記数２において(Ｑ[ｉ]×Ｎ÷１００)は基準ＳＯＣでの蓄電量を表わしている。

(数２)
ＤＡｈ[ｉ]＝Ｑ[ｉ]×Ｎ÷１００＋ΔＡｈ[Ｋ]

続いてステップＳ２５では、セル番号ｉのセルについて前記ステップＳ２４にて算出された最適化目標蓄電量ＤＡｈ[ｉ]を下記数３を用いてＳＯＣに換算する。

(数３)
ＤＳＯＣ[ｉ]＝ＤＡｈ[ｉ]÷Ｑ[ｉ]

次にステップＳ２６では、セル番号ｉのセルについて前記ステップＳ２５にて算出された最適化目標ＳＯＣを電圧値に換算した後、ステップＳ２７に移行する。ここで、ＳＯＣと電圧値との関係をテーブル化してメモリに格納しておき、該テーブルを参照することによってＳＯＣを電圧値に換算することが出来る。
尚、セル番号ｉが前記基準セル番号Ｋと一致して上記ステップＳ２３にてイエスと判断された場合には、上記ステップＳ２４乃至ステップＳ２６を迂回してステップＳ２７に移行する。

ステップＳ２７では、セル番号ｉを１だけカウントアップした後、ステップＳ２８では、セル番号ｉが組電池を構成するセル数ｎと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ２３に戻って上記手続きを繰り返す。
その後、組電池を構成する複数のセルの内、基準セル以外の全てのセルについて最適化目標電圧値が算出されると、ステップＳ２８にてイエスと判断されて上記手続きを終了する。

本実施例の充電状態最適化装置(２)によれば、上述の如く最適化処理後に組電池が放電し或いは充電されると、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣが組電池の放電特性及び充電特性が共に良好で両特性のバランスの良い５０％で揃うこととなる。又、更にその後に組電池が放電し或いは充電されると、それら複数のセルの内、満充電容量の最も少ないセルのＳＯＣが最初に０％或いは１００％に達することとなるので、組電池として最大の充放電容量が得られることになる。従って、満充電容量の異なる複数のセルからなる組電池の性能が最大限に引き出されることになる。
又、本実施例の充電状態最適化装置(２)によれば、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣに拘わらず最適化処理を行なうことが出来る。
更に、組電池を構成する複数のセルの内、そのときの蓄電量からＳＯＣが５０％のときの蓄電量を減算して得られる蓄電量差の最も小さいセルが基準セルとして特定されるので、基準セル以外の各セルについて算出される最適化目標蓄電量はそのときの蓄電量を下回る蓄電量となり、放電のみを実施することによって最適化処理を行なうことが出来る。従って、放電回路(21)のみを装備すればよく、放電回路及び充電回路の両回路を具えた充電状態最適化装置に比べて構成が簡易となる。

第２実施例
第１実施例の充電状態最適化装置は、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣのばらつきが大きくなったときに最適化処理を行なうものであるのに対し、本実施例の充電状態最適化装置は、組電池を構成する複数のセルの内、何れかのセルの蓄電量が満充電容量の最も少ないセルの蓄電量によって決まる下限値を下回ったとき或いは上限値を上回ったときに最適化処理を行なうものである。
尚、本実施例の充電状態最適化装置の構成は、制御回路を除いて図１に示す第１実施例の充電状態最適化装置と同じであるので説明を省略する。又、本実施例の制御回路によって実行される最適化処理の全体の手続きは、図４に示す第１実施例の手続きと同じであるので説明を省略する。

組電池の充放電容量は、組電池を構成する複数のセルの中で満充電容量の最も少ないセルによって決定される。即ち、充電時には、満充電容量の最も少ないセルのＳＯＣが最初に１００％に達したときに最大の充電容量が得られ、放電時には、満充電容量の最も少ないセルのＳＯＣが最初に０％に達したときに最大の放電容量が得られる。
満充電容量の最も少ないセルのＳＯＣが最初に０％に達すると共に１００％に達するためには、該セル以外の各セルの蓄電量が、満充電容量の最も少ないセルの蓄電量を下限値とし、満充電容量の最も少ないセルの蓄電量に該セルとの満充電容量の差を加算して得られる蓄電量を上限値とする範囲に収まっている必要がある。
例えば図７に示す如く３つのセル１〜３によって組電池が構成されている場合、セル１の蓄電量は、満充電容量の最も少ないセル３の蓄電量Ａｈ３以上であってセル３の蓄電量Ａｈ３に該セルとの満充電容量の差ａ１を加算して得られる蓄電量Ａｈｏ１以下の範囲、セル２の蓄電量は、セル３の蓄電量Ａｈ３以上であってセル３の蓄電量Ａｈ３に該セルとの満充電容量の差ａ２を加算して得られる蓄電量Ａｈｏ２以下の範囲に収まっている必要がある。

そこで、本実施例の充電状態最適化装置においては、組電池を構成する複数のセルの内、何れかのセルの蓄電量が上記範囲を逸脱したときに最適化処理が行なわれる。
図８は、本実施例の制御回路による最適化要否判定処理の具体的手続きを表わしている。該判定処理においては、先ずステップＳ３１にてセル番号ｉを０に初期化した後、ステップＳ３２では、セル番号ｉのセルの開放電圧から該セルの現在のＳＯＣ[ｉ]を推定する。ここで、開放電圧とＳＯＣの関係をテーブル化してメモリに格納しておき、該テーブルを参照することによって開放電圧からＳＯＣを推定することが出来る。

次にステップＳ３３では、セル番号ｉのセルについて、満充電容量Ｑ[ｉ]及びステップＳ３２にて推定されたＳＯＣ[ｉ]から現在の蓄電量Ａｈ[ｉ]を下記数４を用いて算出する。

(数４)
Ａｈ[ｉ]＝Ｑ[ｉ]×ＳＯＣ[ｉ]／１００

続いてステップＳ３４では、セル番号ｉを１だけカウントアップした後、ステップＳ３５にて、セル番号ｉが組電池を構成するセル数ｎと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ３２に戻って上記手続きを繰り返す。

その後、組電池を構成する全てのセルについて現在の蓄電量Ａｈ[ｉ]が算出されると、ステップＳ３５にてイエスと判断されてステップＳ３６に移行し、組電池を構成する全てのセルについて算出された現在蓄電量Ａｈ[ｉ]の中から、最小値minｑを特定する。

続いてステップＳ３７では、ステップＳ３６にて特定した最小値minｑが満充電容量の最も少ないセルの現在蓄電量Ａｈ[Ｊ](Ｊ：満充電容量の最も少ないセルのセル番号)を下回るか否かを判断し、イエスと判断された場合はステップＳ３８にて最適化処理を実行する必要があると判定して上記手続きを終了する。

現在蓄電量の最小値minｑが満充電容量の最も少ないセルの現在蓄電量Ａｈ[Ｊ]以上であってステップＳ３７にてノーと判断された場合には、ステップＳ３９にてセル番号ｉを０に初期化した後、ステップＳ４０にて、セル番号ｉのセルの現在蓄電量Ａｈ[ｉ]が、満充電容量の最も小さいセルの現在蓄電量Ａｈ[Ｊ]にセル番号ｉのセルと満充電容量の最も少ないセルの満充電容量差(Ｑ[ｉ]−Ｑ[Ｊ])を加算して得られる上限値を上回るか否かを判断する。ここでノーと判断された場合は、ステップＳ４２にてセル番号ｉを１だけカウントアップした後、ステップＳ４３にて、セル番号ｉが組電池を構成するセル数ｎと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ４０に戻って上記手続きを繰り返す。

上記手続きが繰り返される過程でステップＳ４０にてイエスと判断された場合は、ステップＳ４１にて最適化処理を実行する必要があると判定して上記手続きを終了する。
これに対し、組電池を構成する全てのセルについて上記ステップＳ４０にてノーと判断された場合には、最終的にステップＳ４３にてイエスと判断されてステップＳ４４に移行し、最適化処理を実行する必要はないと判定して上記手続きを終了する。

上記手続きによれば、組電池を構成する複数のセルの中に蓄電量が上記下限値を下回るセルが含まれている場合、及び蓄電量が上記上限値を上回るセルが含まれている場合に、最適化処理を実行する必要があると判定されることになる。
これに対し、組電池を構成する複数のセルの中に蓄電量が上記下限値を下回るセルも上記上限値を上回るセルも含まれていない場合には、最適化処理を実行する必要がないと判定されることになる。

図９は、本実施例の制御回路による最適化目標電圧値算出処理の具体的手続きを表わしている。該算出処理においては、先ずステップＳ５１にてセル番号ｉを０に初期化した後、ステップＳ５２では、セル番号ｉのセルについて、満充電容量Ｑ[ｉ]及び図８のステップＳ３２にて推定されたＳＯＣ[ｉ]から現在の蓄電量と基準ＳＯＣ(＝Ｎ％)での蓄電量との蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]を上記数１を用いて算出する。

続いてステップＳ５３では、セル番号ｉを１だけカウントアップした後、ステップＳ５４にて、セル番号ｉが組電池を構成するセル数ｎと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップＳ５２に戻って上記手続きを繰り返す。
その後、組電池を構成する全てのセルについて、現在の蓄電量と基準ＳＯＣ(＝Ｎ％)での蓄電量との蓄電量差ΔＡｈ[ｉ]が算出されると、ステップＳ５４にてイエスと判断されてステップＳ５５に移行する。

その後、ステップＳ５５乃至ステップＳ６２の手続きを実行することによって、組電池を構成する複数のセルの内、基準セル以外の全てのセルについて最適化目標電圧値を算出する。尚、ステップＳ５５乃至ステップＳ６２の手続きは、第１実施例の制御回路によって実行される図６に示すステップＳ２１乃至ステップＳ２８と同じであるので説明を省略する。

本実施例の充電状態最適化装置によれば、上記タイミングで最適化処理が実行されるので組電池を構成する複数のセルの内、満充電容量が最も少ないセル以外のセルのＳＯＣが最初に０％或いは１００％に達することを防止することが出来る。又、第１実施例と同様に、最適化処理後に組電池が放電し或いは充電されると、複数のセルのＳＯＣが５０％で揃うこととなり、更にその後に組電池が放電し或いは充電されると、満充電容量の最も少ないセルのＳＯＣが最初に０％或いは１００％に達することになるので、組電池の性能を最大限に引き出すことが出来る。

尚、上記実施の形態においては、最適化目標蓄電量を最適化目標電圧値に換算して該最適化目標電圧値に基づいて最適化処理を行なっているが、最適化目標蓄電量に基づいて最適化処理を行なう構成や最適化目標ＳＯＣに基づいて最適化処理を行なう構成の採用も可能である。

又、上記実施の形態においては、ハイブリッド自動車のイグニッションスイッチがオフに設定されている休止状態で各セルのセル電圧が最適化目標電圧値と等しくなるまで放電を実施することにより最適化を行なっているが、組電池の充放電中に最適化を行なう構成を採用することも可能である。かかる構成においては、最適化目標値設定時からの充放電量の積算値をＰ(充電のときはＰ＞０、放電のときはＰ＜０)として、最適化目標蓄電量ＤＡｈを(ＤＡｈ＋Ｐ)と修正しながら各セルの蓄電量或いは蓄電量に応じた値が最適化目標蓄電量或いは該最適化目標蓄電量に応じた値と等しくなるまで放電或いは充電が実施される。

又、上記実施の形態においては、組電池を構成する複数のセルの内、そのときの蓄電量からＳＯＣが５０％のときの蓄電量を減算した値の最も小さいセルを基準セルとして放電のみを実施することにより最適化を行なっているが、前記減算値の最も大きいセルを基準として充電のみを実施することにより最適化を行なう構成や、前記減算値の最も小さいセル及び最も大きいセル以外のセルを基準として放電及び充電を実施することにより最適化を行なう構成の採用も可能である。

又、上記実施の形態においては、組電池を構成する複数のセルの内、基準セル以外の各セルについて、所定のＳＯＣでの蓄電量に基準セルの現在の蓄電量と所定のＳＯＣでの蓄電量との差を加算して最適化目標蓄電量を算出しているが、組電池を構成する全てのセルについて現在の蓄電量と所定のＳＯＣでの蓄電量との差を算出した後、算出した蓄電量差の平均値を算出し、前記全てのセルについて所定のＳＯＣでの蓄電量に該平均値を加算して最適化目標蓄電量を算出することも可能である。

又、上記実施の形態においては、所定のＳＯＣを５０％に設定しているが、これに限らず、組電池の構成や特性に応じて組電池の性能を十分に引き出すことの出来る任意の値に設定することが可能である。例えば、放電をＸ１％(Ｘ１＞０)、充電をＸ２％(Ｘ２＜１００)で停止しなければならない組電池の充電状態最適化装置においては、所定のＳＯＣ(＝Ｎ％)は下記数５を用いて算出される値に設定される。

(数５)
Ｎ＝(Ｘ１＋Ｘ２)／２

更に、上記実施の形態においては、各セルに対して個別に放電を実施しているが、複数のセルを１つのモジュールとしてモジュール単位で最適化目標値を設定し、モジュール単位で充電及び／又は放電を実施することにより最適化を行なう構成を採用することも可能である。多数のセルからなる組電池を対象とする充電状態最適化装置においては、かかる構成を採用することによって回路規模を小さくすることが出来る。

更に又、本発明に係る充電状態最適化装置は、リチウムイオン二次電池からなる組電池に限らず、種々の組電池の充電状態最適化装置に実施することが可能である。

本発明に係るバッテリシステムの構成を表わすブロック図である。 本発明の最適化処理を説明するためのグラフである。 本発明の最適化処理による効果を説明するためのグラフである。 本発明の最適化処理の手続きを表わすフローチャートである。 第１実施例の充電状態最適化装置による最適化要否判定処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 上記充電状態最適化装置による最適化目標電圧値算出処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 第２実施例の充電状態最適化装置において最適化処理を行なうタイミングを説明するためのグラフである。 上記充電状態最適化装置による最適化要否判定処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 上記充電状態最適化装置による最適化目標電圧値算出処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 従来の均等化処理を説明するためのグラフである。 従来の均等化処理の問題点を説明するためのグラフである。 組電池の充放電特性を表わすグラフである。

符号の説明

(１) セル
(２) 充電状態最適化装置
(20) 制御回路
(21) 放電回路
(22) 電圧計測回路
(３) 負荷

Claims (9)

1. 複数のセルを直列に接続してなる組電池を対象として各セルの充電状態を最適化する装置であって、前記複数のセルの一部或いは全てのセルに対して夫々、満充電容量を加味した最適化目標値を設定し、設定した最適化目標値に応じて放電或いは充電を実施することによって最適化を行なう充電状態最適化装置。
2. 前記最適化目標値は、前記複数のセルの間で最適化後の蓄電量と所定の充電状態での蓄電量との差が等しくなる蓄電量或いは該蓄電量に応じた値に設定される請求項１に記載の充電状態最適化装置。
3. 各セルに対して放電及び／又は充電を行なうことが可能な充放電手段と、
   前記複数のセルの内、少なくとも１つのセルについて現在の蓄電量と前記所定の充電状態での蓄電量との差を算出する蓄電量差算出手段と、
   前記複数のセルの一部或いは全てのセルについて夫々、前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差に応じて最適化目標値を設定する最適化目標値設定手段と、
   最適化目標値が設定されたとき、前記複数のセルの一部或いは全てのセルに対して夫々、設定された最適化目標値に応じて前記充放電手段による放電或いは充電を実施する最適化処理手段
   とを具えている請求項２に記載の充電状態最適化装置。
4. 前記最適化目標値設定手段は、前記複数のセルの内、前記少なくとも１つのセルを基準セルとして、該基準セル以外の各セルについて最適化目標値を設定するものであって、
   前記基準セル以外の各セルについて、前記所定の充電状態での蓄電量に基準セルについて前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差を加算する第１処理手段と、
   前記基準セル以外の各セルについて、前記第１処理手段によって算出された蓄電量或いは該蓄電量に応じた値を最適化目標値として設定する第２処理手段
   とを具えている請求項３に記載の充電状態最適化装置。
5. 蓄電量に応じた値は充電状態或いはセル電圧であって、前記最適化目標値設定手段の第２処理手段は、前記第１処理手段によって算出された蓄電量を充電状態或いはセル電圧に換算し、換算の結果得られる充電状態或いはセル電圧を最適化目標値として設定する請求項４に記載の充電状態最適化装置。
6. 前記蓄電量差算出手段は、組電池を構成する各セルについて現在の蓄電量から前記所定の充電状態での蓄電量を減算することにより蓄電量差を算出するものであって、前記最適化目標値設定手段は、組電池を構成する複数のセルの内、該蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差が最も小さいセルを基準セルとして特定する請求項４又は請求項５に記載の充電状態最適化装置。
7. 前記所定の充電状態は、組電池の放電特性及び充電特性が共に良好で両特性のバランスの良い充電状態に設定される請求項２乃至請求項６の何れかに記載の充電状態最適化装置。
8. 前記蓄電量差算出手段は、組電池を構成する各セルについて現在の蓄電量と前記所定の充電状態での蓄電量との差を算出するものであって、
   前記蓄電量差算出手段によって算出された蓄電量差から最大値及び最小値を特定する特定手段と、
   前記特定手段によって特定された最大値と最小値との差を算出する算出手段と、
   前記算出手段による算出結果が所定の閾値を上回るか否かを判断する判断手段
   とを具えており、前記最適化目標値設定手段は、前記判断手段によって前記算出結果が前記所定の閾値を上回ると判断されたときに最適化目標値を設定する請求項３乃至請求項７の何れかに記載の充電状態最適化装置。
9. 複数のセルを直列に接続してなる組電池と、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の充電状態最適化装置とを具えている組電池システム。

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