JP2011072169A - 組電池用電圧均等化装置及び組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池に蓄えられた電気エネルギーを不必要に損失させてしまうのを極力回避しながら、単電池間の充電状態のばらつきを的確に小さくする。
【解決手段】単電池１ａを直列接続して構成した組電池１に対して、単電池１ａの夫々と並列に放電回路ＤＣが備えられ、最高電圧の単電池１ａと最低電圧の単電池１ａとの電圧差がΔＶｓｔ以上となったときに、最高電圧の単電池１ａを放電回路に放電させる組電池用電圧均等化装置において、放電させている単電池１ａの電圧と最低電圧の単電池１ａの電圧との電圧差がΔＶｅｎ（ΔＶｅｎ＜ΔＶｓｔ）以下となり、且つ、放電させている単電池１ａが満充電に近い充電状態となっているときに、放電を停止させると共に、放電させている単電池１ａの電圧が、その単電池１ａ以外の何れかの単電池１ａの電圧に一致する値に設定される放電停止電圧より低くなったときに放電を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、単電池を直列接続して構成した組電池に対して、前記各単電池の夫々と並列接続されて前記単電池を放電するための放電回路と、前記各単電池を前記放電回路に放電させるか否かを切換える切換手段と、その切換え手段を制御する均等化制御部とが備えられ、前記均等化制御部は、前記組電池における最高電圧の単電池の電圧と最低電圧の単電池の電圧との電圧差が均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となったときに、最高電圧の単電池を放電回路に放電させるように構成されている組電池用電圧均等化装置、及び、それを備えた組電池システムに関する。

単電池を直列接続して構成される組電池では、組電池の充電時や使用時等において個々の単電池間で自己放電の差や劣化速度の差があることで、各単電池の電圧レベルが単電池間でばらつき、ある単電池は満充電に近い状態であるが他の単電池はかなり放電が進行したのに相当する状態であるというような状況となる場合がある。
組電池用電圧均等化装置は、このような場合のために、各単電池の充電状態（ＳＯＣ）を均等化するためのものである。
組電池用電圧均等化装置の一般的な動作は、例えば下記特許文献１にも記載のように、放電がそれほど進行しておらずより高い電圧レベルの単電池を放電させて、放電が進んだ単電池の電圧レベルに近づけるというものであり、通常、組電池における最高電圧の単電池と最低電圧の単電池との電圧差が均等化開始用電圧差以上となったときに、最高電圧の単電池を放電回路に放電させるように制御する。

ちなみに、下記特許文献１では、放電回路へ放電させることによって均等化する動作を停止させる際の判断基準として、各単電池の電圧が電圧最小の単電池の電圧に低下するまで放電させているが、単電池を放電させるということは、組電池に蓄えられた電気エネルギーを損失させるということであり、電圧の均等化にはなるもののエネルギーの損失も大となってしまう。
このため、実際には、単電池間の電圧差がある程度小さくなったときに放電回路への放電を停止させるという手法が用いられることが多い。

特開２００７−０６０７９２号公報

しかしながら、近年、例えば鉄成分を含むリチウム化合物を正極活物質に使用したリチウムイオン電池のように、充電状態（ＳＯＣ）の変化に対する電池電圧の変化が極めて小さい電池が出現して来ており、このような電池からなる組電池に対して上述のような電圧均等化の手法をとると、均等化のための回路動作をさせても、いつまでも単電池間の容量ばらつきが均等化しないというようなケースが発生し得ることになってしまう。

すなわち、何らかの理由で単電池間の電圧ばらつきが大きくなって、出力電圧の高い単電池を放電回路に放電させると、電圧ばらつきが小さくなって行く。電圧ばらつきがある程度小さくなったときに放電回路への放電を停止させると、単電池間の電圧ばらつき自体はある程度小さくなっている。
ところが、上述のように充電状態（ＳＯＣ）の変化に対する電圧の変化が小さいために、電圧ばらつきがある程度小さくなっていても、電圧均等化の本質的な目的である充電状態の均等化はほとんど達成できていないという状況になり得るのである。
このような事態を回避するために、一律に上記引用文献１のような制御を行ったのでは、組電池に蓄えられた電気エネルギーを不必要に損失させてしまうのは上述の通りである。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、組電池に蓄えられた電気エネルギーを不必要に損失させてしまうのを極力回避しながら、単電池間の充電状態のばらつきを的確に小さくする点にある。

本出願の第１の発明は、単電池を直列接続して構成した組電池に対して、前記各単電池の夫々と並列接続されて前記単電池を放電するための放電回路と、前記各単電池を前記放電回路に放電させるか否かを切換える切換手段と、その切換え手段を制御する均等化制御部とが備えられ、前記均等化制御部は、前記組電池における最高電圧の単電池の電圧と最低電圧の単電池の電圧との電圧差が均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となったときに、最高電圧の単電池を放電回路に放電させるように構成されている組電池用電圧均等化装置において、前記均等化制御部は、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧と最低電圧の単電池の電圧との電圧差が均等化停止用電圧差ΔＶｅｎ（ΔＶｅｎ＜ΔＶｓｔ）以下となり、且つ、放電回路に接続して放電させている単電池が充電状態の変化量に対する電圧の変化量の割合が設定値以上となる満充電に近い充電状態となっているときに、放電回路への放電を停止させると共に、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧が、その単電池以外の何れかの単電池の電圧に一致する値に設定される放電停止電圧より低くなったときに放電回路への放電を停止させるように構成されている。

すなわち、何らかの理由で単電池間の電圧ばらつきが大きくなって、最高電圧の単電池と最低電圧の単電池とで電圧差が均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となったときに、その最高電圧の単電池を放電回路に放電させる。これに伴って最高電圧の単電池の電圧が低下し電圧ばらつきが小さくなって行く。
この最高電圧の単電池の放電回路への放電を停止させる条件として２つの条件があり、この２つの条件のうちの何れかを満たすと放電停止させる。

１つ目の条件は、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧と最低電圧の単電池との電圧差が均等化停止用電圧差ΔＶｅｎ（ΔＶｅｎ＜ΔＶｓｔ）以下となり、且つ、放電回路に接続して放電させている単電池が充電状態の変化量に対する電圧の変化量の割合が設定値以上となる満充電に近い充電状態となっているときである。
つまり、放電回路に放電させている単電池の電圧が低下して、最低電圧の単電池との電圧差がΔＶｅｎまで小さくなっただけでは放電を停止させず、更に、充電状態（ＳＯＣ）の変化量に対する電圧の変化量の割合が設定値以上となる満充電に近い充電状態となっているときという条件を加重する。

単電池の電圧−充電状態特性が、例えば図３に示すような特性を有する場合、充電状態（ＳＯＣ）の変化に対して電圧の変化が小さい領域（図３において「Ａ」で示す領域）では、ΔＶｅｎの値をある程度小さくしても、そのΔＶｅｎに対応する充電状態の差が大きく、必ずしも単電池間のばらつきを抑制したことにはならないものとなってしまう。
これに対して、単電池が満充電に近づくと、図３において「Ｂ」で示す領域では、充電状態の変化に対して電圧の変化が大きくなり、ΔＶｅｎの値がある程度小さければ、そのΔＶｅｎに対応する充電状態の差も小さくなる。
従って、放電回路への放電を停止させる条件にΔＶｅｎの余裕を持たせながらも、単電池間の充電状態のばらつきを十分小さくできる。

２つ目の条件は、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧が、その単電池以外の何れかの単電池の電圧に一致する値に設定される放電停止電圧より低くなったときに放電回路への放電を停止させる。
一般に、劣化等によって容量が他の単電池よりも少ない単電池は、放電終期における急激な電圧低下が他の単電池よりも早くなる（より高い電圧から急激な電圧低下が始まる）。このような容量の少ない単電池が放電回路へ接続する対象電池となった場合、組電池の放電を継続すると、放電終期において対象電池の電圧が早く低下する。この場合、容量の小さい当該単電池を放電回路で更に放電させることになるので、組電池の容量としては、放電回路の動作分だけ更に小さくなることを意味する。
そこで、放電回路へ接続する対象電池の電圧がその他の単電池の電圧よりも低くなる場合に放電回路への放電を停止させることとしたのである。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記放電停止電圧は、放電回路に接続して放電させている単電池以外の単電池の電圧のうちで最も高い電圧に設定されている。
すなわち、単電池を放電回路へ放電させる手法としては、他の単電池のうちで電池電圧がより低い単電池の電圧を下回るまで放電させて、より強力に充電状態の均等化を図ることも可能であるが、放電させている単電池以外の単電池の電圧のうちで最も高い電圧を下回るまで放電させることで、放電による電気エネルギーの損失を抑制して穏やかに充電状態を均等化させることができる。

又、本出願の第３の発明は、組電池システムを、単電池を直列接続して構成した組電池と、上記第１の発明又は上記第２の発明の組電池用電圧均等化装置とを備えて構成する。
従って、組電池システムに備えられる組電池の電気エネルギーの損失を抑制できる。

上記第１の発明によれば、充電状態の変化に対する電圧の変化が大きい領域では、放電回路への放電を停止させる条件にΔＶｅｎの余裕を持たせながらも、単電池間の充電状態のばらつきを十分小さくし、充電状態の変化に対する電圧の変化が小さい領域ではΔＶｅｎのような余裕を持たせずに放電させることで、組電池に蓄えられた電気エネルギーを不必要に損失させてしまうのを極力回避しながら、単電池間の充電状態のばらつきを的確に小さくできるものとなった。
又、上記第２の発明によれば、単電池の過度の放電を抑制して、放電による電気エネルギーの損失を更に抑制できる。
又、上記第３の発明によれば、組電池システムに備えられる組電池の電気エネルギーの損失を抑制でき、組電池システムを有効利用できる。

本発明の実施の形態にかかるブロック構成図 本発明の実施の形態にかかるフローチャート 電池電圧−充電状態の特性を示す図

以下、本発明の組電池用電圧均等化装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態の組電池用電圧均等化装置ＢＢ（以下、単に「電圧均等化装置ＢＢ」と称する）は、図１のブロック図に示すように、組電池１と接続されて使用され、電圧均等化装置ＢＢと組電池１とで組電池システムを構成している。
組電池１は複数個の単電池１ａを直列接続して構成されており、本実施の形態では、４つの単電池１ａを直列接続した場合を例示して説明する。
単電池１ａは、鉄成分を含むリチウム化合物（より厳密には、ＬｉＦｅＰＯ_４等のリチウム金属酸化物）を正極活物質として使用したいわゆる鉄系リチウムイオン電池であり、負極は一般的なグラファイト系のものを使用している。このような単電池１ａは、図３に例示する電池電圧−充電状態特性のような、充電状態の変化に対して電池電圧の変化が非常に小さい平坦領域（図３において「Ａ」で範囲を示す領域）を広い範囲で有するのを特徴としている。

〔電圧均等化装置ＢＢの構成〕
電圧均等化装置ＢＢは、組電池１を構成する各単電池１ａ毎に備えられて単電池１ａを放電するための放電回路ＤＣと、組電池１からの放電電流及び組電池１への充電電流を検出する電流センサ２と、各単電池１ａの電池電圧を検出する電圧検出部３と、電流センサ２の検出情報と電圧検出部３の検出情報とに基づいて各単電池１ａの充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出部４と、電圧検出部３の検出情報とＳＯＣ検出部４の検出情報とに基づいて各単電池１ａの充電状態を均等化する均等化制御部５とが備えられて構成されている。

放電回路ＤＣは、単電池１ａを放電回路ＤＣに放電させるか否かを切換える切換手段ＳＷであるＭＯＳＦＥＴのスイッチ装置１１と抵抗１２とを直列に接続して構成され、その放電回路ＤＣが各単電池１ａの夫々と並列接続されている。
スイッチ装置１１の開閉は、均等化制御部５によって制御される。
ＳＯＣ検出部４は、各単電池１ａについて、図３に示すような電池電圧−充電状態特性のデータを予め保持しており、そのデータから電圧検出部３の検出電圧に基づいて充電状態（ＳＯＣ）を検出する。但し、図３の電池電圧は開路電圧であるので、電流センサ２の検出情報から得られる電流値が十分小さいときの電圧検出部３の検出電圧を利用して充電状態を求めている。
充電状態（ＳＯＣ）のデータは、それを求めた時間情報とともに蓄積して行く。
尚、電流センサ２の検出情報から電流積算方式によって充電状態を求めるようにしても良い。

〔充電状態の均等化動作〕
次に、均等化制御部５の制御による、組電池１を構成する各単電池１ａの充電状態の均等化処理について、均等化制御部５が実行する図２のフローチャートに基づいて説明する。
図２に示す処理は、一定周期で高速に繰り返し実行されている。
図２の処理が開始されると、先ず、電圧検出部３から各単電池１ａの電圧値を取り込む（ステップ＃１）。取り込んだ電圧データは、後述の処理で電圧の変化量を求めるために、検出した時間情報と共に記憶保持されて行く。
その時点で既に放電回路ＤＣへ放電している最中の単電池１ａが存在しないときは（ステップ＃２）、各単電池１ａの電圧値で最高電圧の単電池１ａの電圧と最低電圧の単電池１ａの電圧との差をとり、その電圧差が予め設定している均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となっているかを判別し（ステップ＃３）、均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となっているときは、最大電圧の単電池１ａに対応している放電回路ＤＣにおいて、スイッチ装置１１を閉じ操作して、放電回路ＤＣへの放電を開始させる（ステップ＃４）。

このように、何れかの単電池１ａについて放電回路ＤＣへ放電させている状態で、図２の処理が実行されると、先ず、電圧検出部３から各単電池１ａの電圧値を取り込み（ステップ＃１）、ステップ＃５以降の放電を停止させるか否かの判断を行う処理へ移行する。 先ず、放電回路ＤＣへ放電している単電池１ａの電圧が、放電停止用電圧より低いか否か（放電停止用電圧を下回っているか否か）を判断する（ステップ＃５）。この放電停止用電圧は、放電回路ＤＣへ放電させている単電池１ａ以外の何れかの単電池１ａの電圧（電圧検出部３による測定電圧）に一致する値に設定する。本実施の形態では、放電回路ＤＣに接続して放電させている単電池１ａ以外の単電池１ａの電圧のうちで最も高い電圧に設定している。

放電回路ＤＣへ放電している単電池１ａの電圧が、前記放電停止用電圧より低くなっているときは（ステップ＃５）、放電回路ＤＣのスイッチ装置１１を開き操作して放電を停止させる（ステップ＃８）。
一方、前記放電停止用電圧より低くなっていないときは（ステップ＃５）、更に次ぎの条件で放電を停止させるか否かを判断する。
すなわち、先ず、放電回路ＤＣに接続して放電させている単電池１ａの電圧と最低電圧の単電池１ａの電圧との電圧差が均等化停止用電圧差ΔＶｅｎ（ΔＶｅｎ＜ΔＶｓｔ）以下となっており（ステップ＃６）、且つ、放電回路ＤＣに接続して放電させている単電池１ａが、充電状態（ＳＯＣ検出部４から取り込んたデータ）の変化量に対する電圧（電圧検出部３で検出した電圧）の変化量の割合が設定値以上となって満充電に近い充電状態となっている（ステップ＃７）場合に、放電回路ＤＣのスイッチ装置１１を開き操作して放電を停止させる（ステップ＃８）。上記の充電状態の変化量に対する電圧の変化量の割合は、図３の電圧−充電状態特性から、単電池１ａが満充電に近くなると、この傾きが急速に大となる。このステップ＃７での判断処理の基準となる「設定値」は、２０ｍＶ／％に設定しておくことが好ましい。
上記のステップ＃６及びステップ＃７の条件判断の何れか一方でも具備しない場合は、単電池１ａの放電を継続する。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、図２のステップ＃５の判断処理において、前記放電停止用電圧として、放電回路ＤＣに接続して放電させている単電池１ａ以外の単電池１ａの電圧のうちで最も高い電圧に設定しているが、２番目以降に高い電圧に設定しても良いし、放電回路ＤＣに接続して放電させている単電池１ａ以外の単電池１ａの電圧のうちで最も低い電圧に設定しても良い。
（２）上記実施の形態では、充電状態の均等化を行う対象の組電池１として、いわゆる鉄系のリチウムイオン電池を例示して説明しているが、同様の電池電圧−充電状態特性を有する電池であれば各種の電池の組電池に本発明を適用できる。

１ａ 単電池
１ 組電池
５ 均等化制御部
ＤＣ 放電回路
ＳＷ 切換手段

Claims (3)

1. 単電池を直列接続して構成した組電池に対して、前記各単電池の夫々と並列接続されて前記単電池を放電するための放電回路と、前記各単電池を前記放電回路に放電させるか否かを切換える切換手段と、その切換え手段を制御する均等化制御部とが備えられ、
   前記均等化制御部は、前記組電池における最高電圧の単電池の電圧と最低電圧の単電池の電圧との電圧差が均等化開始用電圧差ΔＶｓｔ以上となったときに、最高電圧の単電池を放電回路に放電させるように構成されている組電池用電圧均等化装置であって、
   前記均等化制御部は、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧と最低電圧の単電池の電圧との電圧差が均等化停止用電圧差ΔＶｅｎ（ΔＶｅｎ＜ΔＶｓｔ）以下となり、且つ、放電回路に接続して放電させている単電池が充電状態の変化量に対する電圧の変化量の割合が設定値以上となる満充電に近い充電状態となっているときに、放電回路への放電を停止させると共に、放電回路に接続して放電させている単電池の電圧が、その単電池以外の何れかの単電池の電圧に一致する値に設定される放電停止電圧より低くなったときに放電回路への放電を停止させるように構成されている組電池用電圧均等化装置。
2. 前記放電停止電圧は、放電回路に接続して放電させている単電池以外の単電池の電圧のうちで最も高い電圧に設定されている請求項１記載の組電池用電圧均等化装置。
3. 単電池を直列接続して構成した組電池と、請求項１又は２記載の組電池用電圧均等化装置とを備えた組電池システム。

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