JP2011234506A - 組電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池制御装置の構成を簡略にしてコストを低減する。
【解決手段】複数のセルＢＣ１〜ＢＣ４から成る組電池ＢＡＴのそれぞれのセルに並列に接続されるバイパス回路であって、スイッチング素子１０１〜１０４と抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを直列に接続したバイパス回路と、スイッチング素子１０１〜１０４を開閉してバイパス回路にセルをバイパスする電流を流す制御回路１００とを備え、バイパス回路に流れる電流を、セルＢＣ１〜ＢＣ４の自己放電にともなうＳＯＣ(State Of Charge)の低下をセルＢＣ１〜ＢＣ４の放電電流に換算した電流以下の電流とする。
【選択図】図２

Description

本発明は組電池の制御装置に関する。

複数のセル（単電池）を直列に接続したセルグループを複数接続してバッテリー（組電池）を構成し、セルグループごとにセルの状態を監視するセルコントローラーを設けた組電池の制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の組電池の制御装置には、充放電中あるいは放置中にセルのＳＯＣ（State Of Charge）に差が生じた場合、ＳＯＣが高いセルにバイパス電流を流してＳＯＣのばらつきを低減するバイパス電流通電回路が設けられており、無負荷電圧を測定して無負荷電圧が高いセルにバイパス電流を流し、すべてのセルのＳＯＣを均一にする制御を行っている。

特開２００５−３１８７５０号公報

しかしながら、上述した従来の組電池の制御装置では、信頼性を向上するためにセルの電圧を検出する検出回路を二系統備えているので、部品点数の増加により装置が複雑になり、コストが高いという問題がある。

(１) 請求項１の発明は、複数のセルから成る組電池のそれぞれのセルに並列に接続されるバイパス回路であって、スイッチング素子と抵抗とを直列に接続したバイパス回路と、スイッチング素子を開閉してバイパス回路にセルをバイパスする電流を流す制御回路とを備えた組電池の制御装置であって、バイパス回路に流れる電流を、セルの自己放電にともなうＳＯＣ(State Of Charge)の低下をセルの放電電流に換算した電流以下の電流とした組電池の制御装置である。
(２) 請求項２の発明は、請求項１に記載の組電池の制御装置において、セルの放電電流に換算した電流は、セルの定格容量とセルのＳＯＣの低下速度とに基づいて設定される。
(３) 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の組電池の制御装置において、セルの放電電流に換算した電流は、セルのガス排出弁が動作するＳＯＣよりも低いＳＯＣに基づいて設定される。
(４) 請求項４の発明は、請求項３に記載の組電池の制御装置において、セルの放電電流に換算した電流は、セルのガス排出弁が動作するＳＯＣから組電池のＳＯＣ制御幅を減じたＳＯＣに基づいて設定される。
(５) 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の組電池の制御装置において、制御回路は、スイッチング素子をデューティー制御してバイパス回路にセルをバイパスする電流を間欠的に流し、バイパス回路に間欠的に流れる電流の平均電流を、セルの自己放電にともなうＳＯＣ(State Of Charge)の低下をセルの放電電流に換算した電流以下の電流とした。
(６) 請求項６の発明は、請求項５に記載の組電池の制御装置において、組電池の温度を検出する検出器を備え、制御回路は、検出器により検出された温度に応じてバイパス回路に間欠的に流れる電流の平均電流を可変にする。

本発明によれば、組電池を構成する各セルの電圧を検出する電圧検出回路に故障が発生してもセルの過充電を防止できるため、電圧検出回路を一系統とすることができ、組電池の制御装置を簡略にしてコストを低減することができる。

一実施の形態の組電池の制御装置を含むハイブリッド自動車の電動駆動装置全体の構成を示す図 セルコントローラーとバイパス回路の詳細な回路を示す図 図２に示すセルコントローラーの詳細を示す回路図 図２に示すセルコントローラーの詳細を示す回路図 リチウムイオン電池のＳＯＣと電圧低下速度の特性例を示す図 図５に示す電圧低下速度をＳＯＣの低下速度に換算した特性図 リチウムイオン電池のＳＯＣに対する自己放電の電流換算値の関係を示す図 図２に示すセルコントローラーに過充電検出回路を加えたセルコントローラーの構成を示す図

本発明を、ハイブリッド自動車に搭載されるリチウムイオン電池に適用した発明の一実施の形態を説明する。なお、本発明はリチウムイオン電池に限定されず、リチウムイオン電池と同様な特性を有するすべての電池に適用することができる。また、本発明はハイブリッド自動車に搭載されるバッテリー（組電池）の制御装置に限定されず、電気自動車、電鉄用車両、建設用車両、一般産業用電動駆動装置のバッテリーの制御装置に適用することができる。

図１は、一実施の形態の組電池の制御装置を含むハイブリッド自動車の電動駆動装置全体の構成を示す。ハイブリッド自動車の電動駆動装置は、車両コントローラー４００、モーターコントローラー３００、バッテリーコントローラー２００、セルコントローラー１００、バッテリー（組電池）ＢＡＴ、インバーター３４０、モーター３５０などを備えている。これらの内、車両コントローラー４００、モーターコントローラー３００、バッテリーコントローラー２００、セルコントローラー１００およびインバーター３４０は、車両内に設置される通信回路を介して互いに情報の授受を行う。

バッテリーコントローラー２００と複数のセルコントローラー１００との間の通信回路はループ状に接続されており、バッテリーコントローラー２００から最上位のセルコントローラー１００へシグナルアイソレーター２０１を介して信号が伝送され、さらに最上位のセルコントローラー１００から最下位のセルコントローラー１００まで順に直列に信号が伝送され、最後に最下位のセルコントローラー１００からバッテリーコントローラー２００へシグナルアイソレーター２０２を介して信号が伝送される。バッテリーコントローラー２００は、ループ状の通信回路を介してすべてのセルコントローラー１００との間で情報の授受を行うことができる。なお、ここではループ状の通信回路を介して信号伝送を行う例を示すが、バッテリーコントローラー２００からすべてのセルコントローラー１００へ並列に通信回路を接続し、パラレルに信号伝送を行うことも可能である。

車両コントローラー４００は、ハイブリッド自動車の運転者が操作するアクセルペダルやブレーキペダル、あるいは変速レバーなどの車両運転操作装置からの操作信号に基づいて車両の走行速度や制駆動力などを制御する。モーターコントローラー３００は、車両コントローラー４００からの速度指令や制駆動力指令に基づいてバッテリーコントローラー２００およびインバーター３４０を制御し、車両走行駆動用モーター３５０の回転速度およびトルクを制御する。

バッテリーコントローラー２００は、電圧センサー２１０、電流センサー２２０、温度センサー２３０により検出されたバッテリーＢＡＴの電圧、電流、温度に基づいてバッテリーＢＡＴの充放電とＳＯＣ(State Of Charge)を制御するとともに、セルコントローラー１００を制御してバッテリーＢＡＴを構成する複数のリチウムイオン電池セル（以下、単にセルという）のＳＯＣを管理し、過充電状態とならないようにＳＯＣのばらつき補正（以下、セルバランスまたはバイパス電流通電制御という）を行う。

なお、図１に示す一実施の形態の組電池の制御装置では、４個のセルが直列に接続されたバッテリー（組電池）ＢＡＴを例示するが、ハイブリッド自動車に搭載されるバッテリーはさらに多くのセルが直並列に接続され、両端電圧が数１００Ｖの高圧、高容量のバッテリーが一般的である。もちろんこのような高圧、高容量のバッテリーに対しても本発明を適用することができる。

セルコントローラー１００は、バッテリーＢＡＴを構成する複数のセルを所定個数ごとにグループに分け、各セルグループごとに設けられる。例えば、１００個のセルが直列に接続されたバッテリーＢＡＴを、セル４個ごとにグループ分けする場合には、２５組のセルコントローラー１００が用いられる。各セルコントローラー１００は、各セルグループを構成するセルそれぞれの両端電圧を検出してバッテリーコントローラー２００へ送信し、バッテリーコントローラー２００からの指令にしたがってセルごとにバイパス電流通電制御を行う。抵抗Ｒは各セルをバイパスするバイパス電流を制限するための抵抗器であり、セルごとに設けられる。

なお、車両コントローラー４００、モーターコントローラー３００、バッテリーコントローラー２００およびモーター３５０については、本発明の組電池の制御装置のバイパス電流通電制御と直接、関係しないので、これらの詳細な説明を省略する。

バッテリーＢＡＴに充電された直流電力は開閉器３１０，３２０を介して平滑コンデンサー３３０およびインバーター３４０へ供給され、インバーター３４０により交流電力に変換されて交流モーター３５０に印加され、交流モーター３５０の駆動が行われる。一方、車両の制動時には、交流モーター３５０により発電された交流電力がインバーター３４０により直流電力に変換され、平滑用コンデンサー３３０により平滑されて開閉器３１０，３２０を介してバッテリーＢＡＴに印加され、バッテリーＢＡＴの充電が行われる。

図２は、セルコントローラー１００とバイパス回路の詳細な回路を示す。なお、この一実施の形態では４個のセルＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、ＢＣ４を一つのセルグループとし、各セルグループごとに１台のセルコントローラー１００で電池制御を行う例を示すが、セルグループを構成するセルの数は４個に限定されるものではない。また、各セルグループを制御するセルコントローラー１００はすべて同様な回路構成である。セルコントローラー１００は、スイッチング素子１０１〜１０４、マルチプレクサ１０５、差動増幅器１０６、ＡＤコンバーター１０７、制御部１０８、通信部１０９、診断部１１０などを備え、１枚のＩＣパッケージ（集積回路）に収納されている。

セルＢＣ１〜ＢＣ４にはそれぞれ、抵抗Ｒ１〜Ｒ４とスイッチング素子１０１〜１０４とが直列に接続されたバイパス回路が並列に接続され、スイッチング素子１０１〜１０４が閉路されると抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通してバイパス電流が流れる。また、各セルＢＣ１〜ＢＣ４の両端はセルコントローラー１００のマルチプレクサ１０５に接続されており、マルチプレクサ１０５は電圧を検出するセルを切り替える。マルチプレクサ１０５の出力は差動増幅器１０６とＡＤコンバーター１０７に接続されており、差動増幅器１０６により各セルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧が測定され、ＡＤコンバーター１０７によりデジタル値に変換される。

制御部１０８は、マルチプレクサ１０５とＡＤコンバーター１０７を制御して各セルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧を検出し、通信部１０９を介して上位の制御装置であるバッテリーコントローラー２００へ出力する。バッテリーコントローラー２００は、セル電圧の測定結果に基づいて過充電あるいは過放電といったセルの状態を判断し、充放電の制御を行う。また、バッテリーコントローラー２００はセル電圧の測定結果に基づいてバイパス通電指令をセルコントローラー１００へ送信する。

具体的には、バッテリーコントローラー２００は、電圧の高いセル（ＢＣ１〜ＢＣ４）のスイッチング素子（１０１〜１０４）を閉路する指令をセルコントローラー１００へ送信する。セルコントローラー１００の制御部１０８は、通信部１０９を介してバイパス通電指令を受信し、バイパス通電が必要として指定されたセル（ＢＣ１〜ＢＣ４）に対応するスイッチング素子（１０１〜１０４）を閉路する。

バイパス通電のためにスイッチング素子１０１〜１０４を閉路する時間は、例えば次のような方法で決められる。システム起動時の無負荷状態においてすべてのセル電圧を測定し、すべてのセル電圧をＳＯＣに変換して最小のＳＯＣを算出する。そして、セルバランスをとるために必要なバイパス放電量を次式により決定する。
バイパス放電量＝定格容量×（各セルのＳＯＣ−最小ＳＯＣ） ・・・(１)
次に、算出されたバイパス放電量に基づいてバイパス放電時間、すなわちスイッチング素子１０１〜１０４を閉路する時間を算出する。
バイパス放電時間＝バイパス放電量／（定格セル電圧／バイパス回路の抵抗）・・・(２)

上述したように、実際のハイブリッド自動車では相当数のセル、例えば１００個のセルが直列に接続されたバッテリーＢＡＴが用いられる。１００個のセルを例えば４個ごとにグループ分けしてそれぞれのセルグループにセルコントローラー１００を接続すると、２５台のセルコントローラー１００が必要となり、これらのセルコントローラー１００がバッテリーコントローラー２００に接続される。そして、バッテリーコントローラー２００は、すべてのセルコントローラー１００からすべてのセルの電圧を受信し、これらのセル電圧に基づいて過充電あるいは過放電を判定するとともに、すべてのセルのバイパス電流通電制御を行う。

診断部１１０は、セルコントローラー１００が正常に動作しているか否かを診断する。診断部１１０による診断動作を図３および図４を参照して説明する。図３および図４は、図２に示すセルコントローラー１００の詳細を示す回路図である。なお、図３および図４では図２に示すスイッチング素子１０１〜１０４と抵抗Ｒ１〜Ｒ４の図示を省略している。また、図１および図２に示す機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して説明する。

診断部１１０は、セルコントローラー１００のマルチプレクサ１０５が正常に動作するか否かを診断する。図３および図４において、差動増幅器１０６の出力は診断部１１０の入力に接続されている。診断部１１０は、電圧比較回路１６２、判断回路１６４、ＯＲ回路１６６および電圧源ＶＨ、ＶＬなどを備えている。一方、マルチプレクサ１０５は、定電流回路１１７、２組のスイッチ回路１１８と１２０、定電圧発生素子（ツェナー素子）Ｚ１〜Ｚ４などを備えている。なお、ツェナー素子Ｚ１〜Ｚ４はそれぞれ、セルＢＣ１〜ＢＣ４に対応している。マルチプレクサ１０５と診断部１１０にはバッテリーコントローラー２００から通信部１０９を介して送られたセル選択信号が入力され、このセル選択信号にしたがってマルチプレクサ１０５のスイッチＳＡ１〜ＳＡ４と診断部１１０のスイッチＳＣ１、ＳＤ１が切り換えられる。

マルチプレクサ１０５の診断動作では、各セルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧検出を行うのに先立ち、電圧検出対象のセルＢＣ１〜ＢＣ４が正しく選択されているか否かを判定する。バッテリーコントローラー２００は、セルＢＣ１の選択動作を診断するためのセル選択信号をセルコントローラー１００のマルチプレクサ１０５と診断部１１０へ送る。マルチプレクサ１０５は、図３に示すように、セル選択信号にしたがってスイッチＳＡ１を接点ＭＡ１に接続し、セルＢＣ１に対応するツェナー素子Ｚ１の両端を差動増幅器１０６の＋入力と−入力に接続する。これにより、セルＢＣ１に対応するツェナー素子Ｚ１のツェナー電圧Ｖｚがスイッチ回路１２０を介して差動増幅器１０６へ入力される。差動増幅器１０６はツェナー電圧Ｖｚを差動増幅し、ＡＤコンバーター１０７と診断部１１０へ出力する。

診断部１１０は、スイッチＳＣ１を閉路して差動増幅器１０６の出力電圧（Ｖｍとする）を電圧比較回路１６２の＋入力へ接続するとともに、スイッチＳＤ１を上限電圧源ＶＨに接続して上限電圧Ｖｈを電圧比較回路１６２の−入力へ接続する。上限電圧源ＶＨの上限電圧Ｖｈは、ツェナー電圧Ｖｚより高く設定されている。判断回路１６４は、電圧比較回路１６２における差動増幅器１０６の出力電圧Ｖｍと上限電圧Ｖｈとの比較結果に基づいて、Ｖｍ＞Ｖｈの場合、すなわち出力電圧Ｖｍが入力されたツェナー電圧Ｖｚと一致しなかった場合には、マルチプレクサ１０５のスイッチ回路１１８、１２０の接続状態が正しくないと判断して異常信号を出力する。

次に、診断部１１０は、スイッチＳＤ１を下限電圧源ＶＬに接続して下限電圧Ｖｌを電圧比較回路１６２の−入力へ接続する。下限電圧源ＶＬの下限電圧Ｖｌは、ツェナー電圧Ｖｚより低く設定されている。判断回路１６４は、電圧比較回路１６２における差動増幅器１０６の出力電圧Ｖｍと下限電圧Ｖｌとの比較結果に基づいて、Ｖｍ＜Ｖｌの場合、すなわち出力電圧Ｖｍが入力されたツェナー電圧Ｖｚと一致しなかった場合には、マルチプレクサ１０５のスイッチ回路１１８、１２０の接続状態が正しくないと判断して異常信号を出力する。

診断部１１０は、差動増幅器１０６の出力電圧Ｖｍを電圧比較回路１６２へ入力して診断しているので、マルチプレクサ１０５の異常だけでなく、差動増幅器１０６の異常も診断することができる。診断部１１０のＯＲ回路１６６は、判断回路１６４から異常信号が入力されると異常信号を異常フラグ記憶回路１６８へ出力し、異常フラグ記憶回路１６８に異常フラグをセットする。異常フラグ記憶回路１６８は、異常フラグがセットされると異常信号をＯＲ回路１６６と通信部１０９へ出力する。これにより、異常フラグ記憶回路１６８に異常フラグが保持されていると、判断回路１６４から正常信号が出力されてもＯＲ回路１６６からは異常信号が出力される。

バッテリーコントローラー２００は、セルコントローラー１００へ送信したセル選択信号と、セルコントローラー１００から受信した異常信号とに基づいてセルコントローラー１００の異常を認識する。なお、異常フラグ記憶回路１６８にセットされた異常フラグは、通信部１０９を介してバッテリーコントローラー２００から送られるコマンドによりリセットすることができる。

マルチプレクサ１０５によるセルＢＣ１の選択動作と、差動増幅器１０６の差動増幅動作の診断が終了したら、バッテリーコントローラー２００は、セルＢＣ１の電圧検出を行うためのセル選択信号をセルコントローラー１００のマルチプレクサ１０５と診断部１１０へ送る。マルチプレクサ１０５は、図４に示すように、セル選択信号にしたがってスイッチＳＡ１を接点ＭＡ２に接続し、セルＢＣ１の両端を差動増幅器１０６の＋入力と−入力に接続する。一方、診断部１１０は、電圧検出のためのセル選択信号にしたがってスイッチＳＣ１とＳＤ１を開路し、診断動作を停止する。

なお、セルＢＣ１の選択動作診断と電圧検出が終了したら、他のセルＢＣ２〜ＢＣ４の選択動作診断と電圧検出をセルＢＣ１に対する動作手順と同様な手順で順次、実行する。

《リチウムイオン電池の特性》
ここで、リチウムイオン電池の特性について説明する。電池のＳＯＣがばらつく原因としては、電池の自己放電速度のばらつき、充放電効率のばらつき、制御回路の動作時消費電流および停止時暗電流のばらつきなどのいろいろな要素があるが、乗用車に搭載される電池は比較的、放置期間が長いため、自己放電（自然放電）のばらつきが主となる。リチウムイオン電池の場合は、システム起動時にセルの無負荷電圧を測定し、この無負荷電圧が高いセルにバイパス電流を流してＳＯＣを低減する。

リチウムイオン電池は、ニッケル−水素やニッケル−カドミウム電池のように過充電状態において負極に発生した酸素を吸収する反応がないため、過充電でＳＯＣのばらつきを低減することはできない。したがって、リチウムイオン電池にとってバイパス電流通電機能は重要な機能であり、バイパス電流通電機能がないとＳＯＣのばらつきが発生するため、バッテリー（組電池）として用いるとＳＯＣが高いセルとＳＯＣが低いセルとが発生してしまう。バッテリーでは総電圧つまり平均のＳＯＣにより充放電を制御するため、充放電時にＳＯＣが低いセルは過放電状態になり、ＳＯＣが高いセルは過充電状態になる可能性がある。

リチウムイオン電池では、ＳＯＣが低いと負極の集電体である銅が溶出し、デンドライトとして析出して正極と負極との間の短絡を引き起こす可能性がある。また、リチウムイオン電池では、過充電状態となると電解液の分解、正極および負極活物質の分解などの反応が起こり、その反応は不可逆反応であるばかりでなく、電池内の温度と内圧が上昇する。このような過充電状態を避けるために、リチウムイオン電池では、セルにガス排出弁を設けて安全に内圧を逃がす構造を取り入れている。

多くのセルを直並列に接続したバッテリーでは、バッテリーの総電圧を総電圧検出回路で検出するとともに、すべてのセルの電圧をセル電圧検出回路で検出し、それらの検出値によりバッテリーの充放電制御を行っているので、バッテリー全体が過充電または過放電になる可能性は低い。しかし、セル電圧検出回路が故障した場合には、正常なバイパス電流通電機能が動作しなくなるため、故障部位のセルが過充電となる可能性がある。例えば、セル電圧検出回路であるセルの電圧を低く検出するような故障が発生したとすると、当該セルの無負荷電圧が低く検出されるので、当該セルがバイパス電流の通電対象外になり、他のセルがバイパス電流通電対象となる。そのため、バイパス通電終了後は、バイパス電流を通電した分だけ他のセルのＳＯＣが低くなり、逆に当該セルのＳＯＣがその分だけ高くなる。この動作が繰り返されると、総電圧は見かけ上、正常なままで、当該セルのみ過充電状態になる。

このようなセル電圧検出回路の故障にともなう過充電状態を防止するため、上述したように、従来の組電池の制御装置では、すべてのセルの電圧検出回路を二重系とし、一方の電圧検出回路が故障しても他方の電圧検出回路でセル電圧を確実に検出できるようにしている。

《リチウムイオン電池の過充電時の挙動例》
次に、リチウムイオン電池の過充電状態における挙動例を説明する。一般的に過充電時にも充電にともなって電池電圧は上昇し、あるリチウムイオン電池ではＳＯＣが２８０％程度で内圧が上昇してガス排出弁が動作した。このリチウムイオン電池では、ＳＯＣが２３０％以上でガス排出弁が動作する可能性があるため、ＳＯＣ２３０％以上をガス排出弁差動領域とする。ガス排出弁差動領域の下限のＳＯＣは、リチウムイオン電池の特性に大きく依存し、正極活物質、負極活物質、電解液組成などのいろいろな条件により異なる。ＳＯＣ２３０％以上というガス排出弁差動領域は一例を示したものである。

しかし、ＳＯＣが大きくなるとセル電圧が上昇してガス排出弁差動領域に近づくという特性は、すべてのリチウムイオン電池に共通の特性であり、そのため、従来の組電池の制御装置では、過充電とするセル電圧を、ＳＯＣ１００％におけるセル電圧から、ガス排出弁差動領域の下限ＳＯＣにおけるセル電圧までの間のセル電圧に設定し、冗長系の過充電検出回路の検出電圧も上記ＳＯＣ範囲内のセル電圧の値に設定している。

《リチウムイオン電池における自己放電と自己放電電流換算値》
リチウムイオン電池の自己放電とＳＯＣの関係について説明する。一般的に、電池はＳＯＣが高いほど自己放電が多くなる。自己放電が多くなるということは、放置時の電圧低下速度が大きくなることである。図５にリチウムイオン電池のＳＯＣと電圧低下速度の特性例を示す。これは、温度２５℃のリチウムイオン電池のＳＯＣを変えた場合の電圧低下速度(mV/day)をプロットした特性である。図から明らかなように、ＳＯＣが高いほど電圧低下速度が高くなる。このことは、ある電流で充電した場合、充電が進んでＳＯＣが高くなるほど自己放電によるＳＯＣ低下が大きくなるので、有効に充電される電流が少なくなることを意味する。

図６は、図５に示す電圧低下速度をＳＯＣの低下速度に換算した特性図である。この特性図から明らかなように、ＳＯＣが高いほどＳＯＣ低下速度が高くなる。ここで、ＳＯＣの低下速度は残存容量の低下速度であるから、次式により自己放電にともなうＳＯＣの低下をセルの放電電流に換算することができる。
自己放電の電流換算値(mA)＝定格容量（ｍAh）×ＳＯＣ低下速度（％/hr）／１００ ・・・(３)
図６の特性例の近似曲線から、この自己放電の電流換算値とＳＯＣの関係をプロットすると、図７に示すようなリチウムイオン電池のＳＯＣに対する自己放電の電流換算値の関係が求められる。図７に示すように、ＳＯＣが高いほど自己放電の電流換算値は大きくなる。この明細書では、セルの自己放電にともなうＳＯＣの低下をセルの放電電流に換算した物理量を“自己放電電流”と呼ぶ。

《過充電時の最大ＳＯＣとバイパス電流設定値》
以上説明したリチウムイオン電池におけるＳＯＣと自己放電電流の関係から、一定の電流でリチウムイオン電池を過充電した場合、ＳＯＣが高くなると自己放電電流が増加するために充電電流が自己放電電流と相殺されることになり、充電電流から自己放電電流を差し引いた電流分しか電池に充電されないことになる。さらにＳＯＣが高くなると、自己放電電流が増加して充電電流と等しくなり、この時点において充電電流が流れてもこれ以上は電池の充電が行われないことになる。このような特性は、リチウムイオン電池に限らず、同様な特性を有するすべての電池に共通の特性である。

図２において、例えばセルＢＣ２の電圧検出機能に不具合が発生し、実際よりも低い無負荷電圧が検出されたとすると、このセルＢＣ２の無負荷電圧を含むすべてのセルＢＣ１〜ＢＣ４の無負荷電圧に基づいてバイパス通電を実行するセルが決定される。当然、セルＢＣ２のＳＯＣ推定値は低いため、セルＢＣ２を除く他のセルＢＣ１、ＢＣ３、ＢＣ４のスイッチング素子１０１、１０３、１０４が閉路され、バイパス通電が開始される。このとき、セルＢＣ２にはバイパス電流が流れ込んで充電が行われ、ＳＯＣがますます増加して過充電状態になる。

この状態でセルＢＣ２の過充電が長時間継続されると、セルＢＣ２のＳＯＣの増加にともなって自己放電電流が増加し、ついには自己放電電流とバイパス電流とが等しくなる。そして、この時点からはセルＢＣ２にバイパス電流が流れ続けても、セルＢＣ２の充電は進まない。つまり、あるセルの電圧検出機能に故障が発生し、当該セルのバイパス通電が行われず、バイパス電流による充電が継続されたとしても、バイパス電流に等しい自己放電電流に応じたＳＯＣまでしか充電が進まず、それ以上の過充電を防止できる。

ＳＯＣに対する自己放電電流の特性を示す図７において、バイパス電流を自己放電電流Ｘ１(ｍＡ)と等しくすれば、自己放電電流Ｘ１に対応するＳＯＣ１６０％までしか過充電は進まない。換言すれば、ＳＯＣ１６０％以上の充電を防止するのであれば、バイパス電流をＸ１に制限すればよい。バイパス電流はセル電圧とバイパス回路の抵抗により決定できるので、ＳＯＣに対するセル電圧から求めたＳＯＣ１６０％に対応するセル電圧と、図７から求めたＳＯＣ１６０％に対応するバイパス電流Ｘ１から、次式によりバイパス回路の抵抗を求める。
バイパス回路の抵抗(Ω)＝セル電圧／バイパス電流 ・・・(４)

上述したように、従来の組電池の制御装置では、信頼性を向上させるためにセル電圧を検出する検出回路を二系統備えており、部品点数の増加により装置が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。一実施の形態の組電池の制御装置では、バイパス回路に流れる電流を、セルの自己放電にともなうＳＯＣの低下をセルの放電電流に換算した電流以下の電流としたので、組電池を構成する各セルの電圧を検出する電圧検出回路に故障が発生し、セルにバイパス電流が流れ続けてもセルが過充電となるのを防止できる。そのため、図２に示すようにセルコントローラー１００の電圧検出回路を一系統とすることができ、組電池の制御装置を簡略にしてコストを低減することができる。

また、上述したようにリチウムイオン電池は所定のＳＯＣを越える領域ではガス排出弁が作動する。前述の例では、ＳＯＣ２３０％以上の領域がガス排出弁差動領域になっている。したがって、これ以上の過充電を停止する最大ＳＯＣを２３０％に設定すれば、このリチウムイオン電池では過充電によるガス排出弁の動作を防止できる。図７において、ＳＯＣ２３０％に対応する自己放電電流はＸ２(ｍＡ)であるから、バイパス電流がＸ２となるようなバイパス回路の抵抗を(４)式により設定すればよい。

さらに、バイパス電流を設定する最大のＳＯＣを、セルのガス排出弁作動領域下限のＳＯＣ（図７に示す例では２３０％）から、バッテリー（組電池）が使用されるＳＯＣ制御幅を減じた値より小さい値とするのが望ましい。バッテリーとして充放電した場合、各セルのＳＯＣはバッテリーの充放電ＳＯＣ分だけ変動することになる。したがって、バイパス電流を設定する最大のＳＯＣを、バッテリー充放電時のＳＯＣ制御幅分だけ低くすれば、バッテリーの充放電を行なってもセルのＳＯＣは最大ＳＯＣ以下となり、安全性をさらに向上させることができる。

図１に示す一実施の形態のハイブリッド自動車では、電圧センサー２１０、電流センサー２２０、温度センサー２３０により検出された値に基づいてバッテリーＢＡＴのＳＯＣが例えば２０〜８０％の間に収まるようにバッテリーＢＡＴの充放電を制御している。この場合、ＳＯＣの制御幅は６０％となるため、バイパス電流を設定する最大ＳＯＣを、ガス排出弁作動領域下限のＳＯＣ２３０％からＳＯＣ制御幅６０％を減じた１７０％とすれば、６０％のＳＯＣ制御幅でバッテリーＢＡＴの充放電を行なっても、セルのガス排出弁が動作するＳＯＣ２３０％には達しないことになり、ハイブリッド自動車用バッテリーとしての安全性をさらに向上させることができる。図７に示す例では、バイパス電流がＳＯＣ１７０％に対応する自己放電電流Ｘ３(ｍＡ)と等しい値となるように、上記(４)式によりバイパス回路の抵抗を設定すればよい。

図２において、通常、スイッチング素子１０１〜１０４にはＩＧＢＴなどが用いられ、デューティー制御（またはＰＷＭ制御ともいう）によりスイッチング素子１０１〜１０４をオン、オフしてバイパス電流を通電する。このように、スイッチング素子１０１〜１０４をオン、オフしてバイパス通電を行う場合には、平均電流を求めてバイパス電流とする。スイッチング素子１０１〜１０４をデューティー制御によりオン、オフしてバイパス通電することにより、バイパス回路の抵抗Ｒ１〜Ｒ４の発熱を低減できる。なお、スイッチング素子１０１〜１０４をデューティー制御してバイパス電流を制御する場合には、バイパス回路の抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は必ずしも上記(４)式により決定する必要はない。

また、一般に、電池の自己放電は温度が高いほど大きく、低いほど小さくなる特性があるため、図２に示す温度センサー２３０により検出したバッテリーＢＡＴの温度に応じてバイパス電流を可変にする。具体的には、バッテリーＢＡＴの温度が高いほどバイパス電流を増加する。なお、この場合には、スイッチング素子１０１〜１０４を上述したデューティー制御してバイパス電流をバッテリー温度に応じて変えればよい。

《一実施の形態の変形例》
上述した一実施の形態では、単一の電圧検出回路を用いた組電池の制御装置を例に挙げて説明したが、二系統の電圧検出回路を備えた組電池の制御装置に対して本発明を適用してももちろん構わない。図８は、図２に示すセルコントローラー１００に過充電検出回路を加えたセルコントローラー１００Ａの構成を示す。なお、図１および図２に示す一実施の形態の組電池の制御装置と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。

セルコントローラー１００Ａは、図２に示すセルコントローラー１００に、コンパレータ１２１〜１２４とＯＲ回路１２５から構成される過充電検出回路を付加したものである。コンパレータ１２１〜１２４はそれぞれ、各セルＢＣ１〜ＢＣ４の両端電圧と過充電判定基準電圧とを比較し、セル電圧が過充電判定基準電圧を越えるとＯＲ回路１２５へ過充電信号を出力する。ＯＲ回路１２５は、いずれかのセルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧が過充電判定基準電圧を越えて当該コンパレータ１２１〜１２４から過充電信号が送出されると、通信部１０９を介してバッテリーコントローラー２００へバッテリーＢＡＴのセル過充電情報を送信する。

バッテリーコントローラー２００は、セルコントローラー１００Ａからセルの過充電情報を受信した場合には、上述した一実施の形態のマルチプレクサ１０５、差動増幅器１０６、ＡＤコンバーター１０７から成る電圧検出回路により検出されるセル電圧に関わらず、バッテリーＢＡＴの充放電を停止する。したがって、図２に示す電圧検出回路に故障が発生した場合でも、コンパレータ１２１〜１２４とＯＲ回路１２５から成る過充電検出回路により各セルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電状態を検出できるので、確実にバッテリーＢＡＴの充放電を停止してこれ以上のセルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電を防止できる。さらにその上、バイパス回路の抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、一実施の形態で説明したように所望の最大ＳＯＣ以上の過充電を防止できるバイパス電流に制限するので、セルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電防止回路は合計三系統になり、極めて信頼性の高い組電池の制御装置を構成することができる。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

ＢＡＴ；バッテリー（組電池）、ＢＣ１〜ＢＣ４；セル、Ｒ、Ｒ１〜Ｒ４；バイパス回路の抵抗、１００、１００Ａ；セルコントローラー、１０５；マルチプレクサ、１０６；差動増幅器、１０７；ＡＤコンバーター、１０８；制御部、１２１〜１２４；コンパレータ、１２５；ＯＲ回路、２００；バッテリーコントローラー、２３０；温度センサー

Claims (6)

1. 複数のセルから成る組電池のそれぞれの前記セルに並列に接続されるバイパス回路であって、スイッチング素子と抵抗とを直列に接続したバイパス回路と、
   前記スイッチング素子を開閉して前記バイパス回路に前記セルをバイパスする電流を流す制御回路とを備えた組電池の制御装置であって、
   前記バイパス回路に流れる電流を、前記セルの自己放電にともなうＳＯＣ(State Of Charge)の低下を前記セルの放電電流に換算した電流以下の電流としたことを特徴とする組電池の制御装置。
2. 請求項１に記載の組電池の制御装置において、
   前記セルの放電電流に換算した電流は、前記セルの定格容量と前記セルのＳＯＣの低下速度とに基づいて設定されることを特徴とする組電池の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の組電池の制御装置において、
   前記セルの放電電流に換算した電流は、前記セルのガス排出弁が動作するＳＯＣよりも低いＳＯＣに基づいて設定されることを特徴とする組電池の制御装置。
4. 請求項３に記載の組電池の制御装置において、
   前記セルの放電電流に換算した電流は、前記セルのガス排出弁が動作するＳＯＣから前記組電池のＳＯＣ制御幅を減じたＳＯＣに基づいて設定されることを特徴とする組電池の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の組電池の制御装置において、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子をデューティー制御して前記バイパス回路に前記セルをバイパスする電流を間欠的に流し、
   前記バイパス回路に間欠的に流れる電流の平均電流を、前記セルの自己放電にともなうＳＯＣ(State Of Charge)の低下を前記セルの放電電流に換算した電流以下の電流としたことを特徴とする組電池の制御装置。
6. 請求項５に記載の組電池の制御装置において、
   前記組電池の温度を検出する検出器を備え、
   前記制御回路は、前記検出器により検出された温度に応じて前記バイパス回路に間欠的に流れる電流の平均電流を可変にすることを特徴とする組電池の制御装置。

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