JP2015080334A - 蓄電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 満充電容量のバラツキによって蓄電素子の電圧曲線が異なってしまうと、複数の蓄電素子の電圧値を揃えても、蓄電素子の充放電によって、電圧差が広がってしまう。【解決手段】 蓄電グループは、直列に接続された複数の蓄電素子を含む。蓄電素子の電圧曲線に関して、下限電圧値における電圧曲線の傾きは、他の電圧値における電圧曲線の傾きよりも大きい。蓄電素子の充放電は、上述した下限電圧値および上限電圧値の間で行われる。コントローラは、複数の蓄電素子の電圧値から、最低電圧値を示す第1基準電圧値を特定する。コントローラは、第1基準電圧値および他の電圧値の間の電圧差が第1閾値よりも大きいとき、他の電圧値を示す蓄電素子を放電する。ここで、第1基準電圧値が低くなるほど、第1閾値が小さくなる。これにより、互いに異なる電圧曲線を近づけることができ、電圧差が広がることを抑制できる。【選択図】 図7

Description

本発明は、複数の蓄電素子の電圧値をそれぞれ検出し、複数の蓄電素子における電圧値のバラツキを抑制するために、蓄電素子を放電させる技術に関する。
特許文献1では、複数の単電池を直列に接続することによって、組電池を構成している。ここで、複数の単電池の電圧値をそれぞれ検出し、複数の単電池における電圧値が揃うように、特定の単電池を放電させている。各単電池には、放電抵抗器および放電スイッチが並列に接続されており、特定の放電スイッチをオンにすることにより、特定の単電池だけを放電させることができる。
特開2001−218376号公報
直列に接続された複数の単電池では、劣化のバラツキが発生することがあり、劣化のバラツキに伴い、単電池の満充電容量にバラツキが発生することがある。ここで、図20には、初期状態にある単電池(初期電池)の電圧曲線と、劣化状態にある単電池(劣化電池)の電圧曲線とを示す。初期状態とは、単電池が劣化していない状態である。初期状態には、例えば、単電池を製造した直後の新品の状態が含まれる。
図20において、縦軸は単電池の電圧値であり、横軸は単電池の充電量である。電圧曲線とは、電圧値および充電量の関係を示す曲線である。図20に示す実線は、初期電池の電圧曲線であり、図20に示す一点鎖線は、劣化電池の電圧曲線である。単電池が劣化して、単電池の満充電容量が低下すると、実線で示す電圧曲線から、一点鎖線で示す電圧曲線に変化する。ここで、劣化電池の電圧曲線は、充電量に関して、初期電池の電圧曲線を縮小した状態となる。言い換えれば、初期電池の電圧曲線は、充電量に関して、劣化電池の電圧曲線を拡大した状態となる。
劣化電池および初期電池が組電池に含まれているとき、これらの単電池の電圧値を揃えたとしても、組電池の充放電に応じて、劣化電池および初期電池における電圧値の差が広がってしまうことがある。例えば、劣化電池および初期電池における電圧値を所定値V_tagに揃えたとき、劣化電池および初期電池における電圧曲線は、図21に示す状態となる。
ここで、劣化電池および初期電池における充電量は、図20に示す関係のままとなる。このため、図21において、劣化電池の電圧曲線を規定する充電量(図21の横軸)は、初期電池の電圧曲線を規定する充電量(図21の横軸)と異なる。図21では、劣化電池および初期電池における充電量を対応させずに、劣化電池および初期電池における電圧曲線が、所定値V_tagにおいて交差する状態を示している。
図21から分かるように、所定値V_tagよりも低い電圧値の範囲において、劣化電池および初期電池の電圧値が所定値V_tagに近づくほど、劣化電池および初期電池における電圧曲線が近づきやすくなる。一方、所定値V_tagよりも低い電圧値の範囲において、劣化電池および初期電池の電圧値が所定値V_tagから離れるほど、劣化電池および初期電池における電圧曲線が離れやすくなる。
劣化電池および初期電池における電圧値を所定値V_tagに揃えた後に、組電池を放電すると、図21に示すように、劣化電池の電圧値は、初期電池の電圧値よりも低下しやすくなる。そして、組電池の放電が進むほど、劣化電池および初期電池における電圧値の差(電圧差ΔV)が広がってしまう。電圧差ΔVが広がった状態において、劣化電池を放電せずに、初期電池だけを放電すれば、劣化電池および初期電池における電圧値を再び揃えることができる。
しかし、電圧値を再び揃えたとしても、劣化電池および初期電池における電圧曲線が異なっているため、組電池の充放電に応じて、劣化電池および初期電池における電圧差ΔVが再び広がってしまうことがある。このように、複数の単電池において、満充電容量の差が発生したときには、電圧値を揃えるための単電池の放電が繰り返されてしまう。
本発明の蓄電システムは、蓄電グループと、電圧検出回路と、放電回路と、コントローラとを有する。蓄電グループは、直列に接続された複数の蓄電素子を含む。電圧検出回路は、各蓄電素子の電圧値を検出する。放電回路は、各蓄電素子を放電させる。蓄電素子の電圧曲線に関して、下限電圧値における電圧曲線の傾きは、他の電圧値における電圧曲線の傾きよりも大きい。電圧曲線は、蓄電素子に関して、充電量および電圧値の関係を示す。蓄電素子の充放電は、上述した下限電圧値および上限電圧値の間で行われる。
コントローラは、電圧検出回路によって検出された電圧値に基づいて、放電回路の動作を制御する。コントローラは、複数の蓄電素子の電圧値から、最低電圧値を示す第1基準電圧値を特定する。コントローラは、第1基準電圧値および他の電圧値の間の電圧差が第1閾値よりも大きいとき、他の電圧値を示す蓄電素子を放電する。ここで、第1基準電圧値が低くなるほど、第1閾値が小さくなる。
第1閾値を小さくすると、電圧差が小さくなっても、電圧差が第1閾値よりも大きい限り、蓄電素子が放電される。したがって、第1閾値を小さくするほど、複数の蓄電素子における電圧値を揃えやすくなる。本発明では、第1基準電圧値が低くなるほど、第1閾値を小さくしているため、蓄電素子の電圧値が低下するほど、電圧値が揃いやすくなる。
満充電容量が異なる2つの蓄電素子では、図20に示すように、電圧曲線が異なってしまう。ここで、図20を用いて説明したように、2つの異なる電圧曲線は、充電量に関して、拡大又は縮小した関係を有する。このため、電圧曲線が異なっていても、下限電圧値における電圧曲線の傾きは、他の電圧値における電圧曲線の傾きよりも大きいままである。上述したように、蓄電素子の電圧値が低下するほど、電圧値を揃えやすくすれば、傾きが大きくなりやすい電圧曲線の領域において、2つの異なる電圧曲線を互いに重なる方向に近づけることができる。具体的には、図21に示す状態が発生すること、言い換えれば、電圧値が低下するほど、2つの異なる電圧曲線が離れてしまうことを抑制できる。
満充電容量が低下した蓄電素子の電圧曲線は、充電量に関して、満充電容量が低下していない蓄電素子の電圧曲線を縮小した状態となる。このため、傾きが大きくなりやすい電圧曲線の領域において、2つの異なる電圧曲線を近づけておけば、蓄電素子を充放電することができる範囲(使用範囲という)の全体において、2つの異なる電圧曲線を近づけることができる。
2つの異なる電圧曲線は、充電量に関して、拡大又は縮小した関係を有するため、傾きが小さくなりやすい電圧曲線の領域では、2つの異なる電圧曲線が近づきやすい。したがって、傾きが大きくなりやすい電圧曲線の領域において、2つの異なる電圧曲線を近づけておけば、使用範囲の全体において、2つの異なる電圧曲線を近づけることができる。
これにより、蓄電素子の充放電によって電圧値が変化したとしても、満充電容量が異なる2つの蓄電素子における電圧値の差(電圧差)が広がってしまうことを抑制できる。すなわち、使用範囲において、電圧差の広がりを抑制し続けることができる。これに伴い、電圧差の広がりを抑制するために、蓄電素子の放電が繰り返して行われてしまうことを抑制できる。
第1基準電圧値が下限電圧値であるとき、第1閾値を最も小さくすることができる。これにより、複数の蓄電素子における電圧値を、下限電圧値で揃えることができ、満充電容量が異なる2つの蓄電素子における電圧曲線が重なりやすくなる。電圧曲線が重なりやすくなれば、電圧差が発生しにくくなる。
また、第1基準電圧値が上限電圧値であるとき、第1閾値を最も大きくすることができる。第1閾値を大きくすると、電圧差が第1閾値よりも大きくなりにくくなり、蓄電素子が放電されにくくなる。複数の蓄電素子における電圧値を上限電圧値に揃えてしまうと、上述したように、蓄電素子の放電に伴って電圧差が広がってしまう。本発明では、複数の蓄電素子における電圧値を上限電圧値で揃えにくくしており、蓄電素子の放電に伴って、電圧差が広がってしまうことを抑制できる。
複数の蓄電グループを用いて、これらの蓄電グループを直列に接続することができる。ここで、第1閾値を用いた放電の判別を行ったとき、少なくとも2つの蓄電グループでは、すべての蓄電素子が放電されないことがある。この場合には、これらの蓄電グループに含まれる蓄電素子の電圧値に基づいて、第2基準電圧値(最低電圧値)を示す蓄電素子を含む蓄電グループと、他の蓄電グループとを特定することができる。他の蓄電グループとは、第2基準電圧値を示す蓄電素子を含まない蓄電グループである。
第2基準電圧値と、他の蓄電グループに含まれる蓄電素子の電圧値との間の電圧差が第2閾値よりも大きいとき、他の蓄電グループに含まれる蓄電素子を放電することができる。ここで、第2基準電圧値が高くなるほど、第2閾値を小さくすることができる。第2閾値を小さくするほど、電圧差が小さくなっても、電圧差が第2閾値よりも大きい限り、蓄電素子が放電される。したがって、第2閾値を小さくするほど、複数の蓄電グループにおいて、蓄電素子の電圧値を揃えやすくなる。
本発明では、第2基準電圧値が高くなるほど、第2閾値を小さくしているため、蓄電素子の電圧値が高くなるほど、蓄電素子の電圧値が揃いやすくなる。これに伴い、蓄電素子を放電するときのエネルギ量(電力量)を確保しやすくなる。ここで、電圧値が高い側で電圧値を揃いやすくすると、電圧値が低い側で電圧値を揃いやすくしたときに比べて、使用範囲内において、蓄電素子の電圧値を高い状態に維持しやすくなる。
蓄電素子の電圧値が高くなるほど、エネルギ量が増加しやすいため、使用範囲内で高い電圧値を維持することにより、エネルギ量を確保しやすくなる。すなわち、各蓄電グループでは、上述したように電圧差の広がり抑制しつつ、複数の蓄電グループでは、エネルギ量を確保することができる。
第2基準電圧値が上限電圧値であるとき、第2閾値を最も小さくすることができる。これにより、複数の蓄電グループにおいて、蓄電素子の電圧値を上限電圧値で揃えやすくなり、蓄電素子を放電するときのエネルギ量を増加させやすくなる。
第2基準電圧値が下限電圧値であるとき、第2閾値を最も大きくすることができる。第2閾値を大きくすると、電圧差が第2閾値よりも大きくなりにくくなり、蓄電素子が放電されにくくなる。複数の蓄電グループにおいて、蓄電素子の電圧値を下限電圧値に揃えてしまうと、蓄電素子のエネルギ量を確保しにくくなる。本発明では、蓄電素子の電圧値を下限電圧値で揃いにくくしており、蓄電素子のエネルギ量が確保されにくい状態が発生することを抑制できる。
第1閾値を用いた放電の判別を行ったとき、少なくとも2つの蓄電グループでは、すべての蓄電素子が放電されないことがある。この場合には、これらの蓄電グループを充電した後における各蓄電グループ内の蓄電素子のSOCを推定することができる。ここで、蓄電素子の満充電容量および現在のSOCから、充電後のSOCを推定できる。推定したSOCのうちの最低値と、推定した他のSOCとの間の差が第3閾値よりも大きいとき、他のSOCを示す蓄電素子を放電することができる。
充電後のSOCを推定することにより、充電後におけるSOCのバラツキを把握することができる。SOCの差が第3閾値よりも大きく、SOCのバラツキが発生しているときには、予め蓄電素子を放電させておくことができる。これにより、複数の蓄電グループを実際に充電したときには、蓄電素子のSOCを揃えることができる。言い換えれば、電圧値が高い側において、蓄電素子の電圧値を揃えることができる。これにより、上述した場合と同様に、蓄電素子のエネルギ量を確保しやすくなる。
各蓄電素子および電圧検出回路を接続するラインを介して、蓄電素子にツェナーダイオードを接続することができる。ここで、ツェナーダイオードのカソードが蓄電素子の正極端子に接続され、ツェナーダイオードのアノードが蓄電素子の負極端子に接続されている。ツェナーダイオードを用いることにより、蓄電素子から電圧検出回路に過電圧が印加されることを抑制できる。
第1閾値を用いた蓄電素子の放電によって、蓄電グループに含まれる複数の蓄電素子の電圧値を所定範囲内にしておけば、ツェナーダイオードの故障を判別できる。ツェナーダイオードの故障とは、ツェナーダイオードにリーク電流が流れていることである。特定の蓄電素子に対応したツェナーダイオードにリーク電流が流れると、特定の蓄電素子の電圧値が所定範囲の下限値よりも低くなる。また、特定の蓄電素子と直列に接続された蓄電素子の電圧値が、所定範囲の上限値よりも高くなる。このような電圧値の挙動を把握することにより、ツェナーダイオードが故障していることを判別できる。
電池システムの構成を示す図である。 組電池および監視ユニットの構成を示す図である。 監視ユニット内の一部の回路構成を示す図である。 均等化処理を示すフローチャートである。 放電判定を示すフローチャートである。 第1段階の放電判定を示すフローチャートである。 第1不感帯量および第1基準電圧値の関係を示す図である。 第1段階の放電判定において、放電対象の単電池を特定したときの説明図である。 劣化電池および初期電池における電圧曲線を示す図である。 ツェナーダイオードにリーク電流が流れている状態を示す図である。 ツェナーダイオードにリーク電流が流れているときにおいて、各単電池の電圧値の関係を示す図である。 第2段階の放電判定を示すフローチャートである。 第2不感帯量および第2基準電圧値の関係を示す図である。 第2段階の放電判定において、放電対象の単電池を特定したときの説明図である。 エネルギ量を説明する図である。 エネルギ量を説明する図である。 第3段階の放電判定を示すフローチャートである。 第3段階の放電判定を説明する図である。 組電池および監視ユニットの構成(変形例)を示す図である。 劣化電池および初期電池における電圧曲線を示す図である。 劣化電池および初期電池において、電圧差が広がる状態を示す図である。
以下、本発明の実施例について説明する。
図1は、本実施例における電池システム(本発明の蓄電システムに相当する)の構成を示す図である。組電池10は、正極ラインPLおよび負極ラインNLを介して、負荷20と接続されている。ここで、正極ラインPLは、組電池10の正極端子と接続され、負極ラインNLは、組電池10の負極端子と接続されている。
正極ラインPLには、システムメインリレーSMR−Bが設けられており、負極ラインNLには、システムメインリレーSMR−Gが設けられている。システムメインリレーSMR−B,SMR−Gがオンであるとき、組電池10が負荷20と接続され、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gがオフであるとき、組電池10および負荷20の接続が遮断される。
図1に示す電池システムは、例えば、車両に搭載することができ、この場合には、負荷20として、モータ・ジェネレータを用いることができる。モータ・ジェネレータは、組電池10から出力された電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。また、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電力に変換し、この電力を組電池10に出力することができる。
次に、組電池10の構成について、図2を用いて説明する。組電池10は、直列に接続された3つの電池グループ(本発明の蓄電グループに相当する)11(11A,11B,11C)を有する。本実施例において、組電池10を構成する電池グループ11の数は、複数であればよい。各電池グループ11は、1つのユニットとして構成することができ、この場合には、各電池グループ11を個別に交換することができる。
各電池グループ11A〜11Cは、直列に接続された複数の単電池(本発明の蓄電素子に相当する)12を有する。各電池グループ11を構成する単電池12の数は、適宜設定することができる。なお、電池グループ11には、並列に接続された複数の単電池12が含まれていてもよい。単電池12としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることもできる。
各単電池12の正極端子および負極端子は、検出ラインDLを介して監視ユニット30(30A,30B,30C)に接続されている。監視ユニット30は、各単電池12の電圧値Vbを検出するために用いられ、監視ユニット30の出力信号は、コントローラ40に入力される。監視ユニット30Aは、電池グループ11Aに含まれる各単電池12の電圧値Vbを検出する。監視ユニット30Bは、電池グループ11Bに含まれる各単電池12の電圧値Vbを検出する。監視ユニット30Cは、電池グループ11Cに含まれる各単電池12の電圧値Vbを検出する。
コントローラ40は、メモリ41を有しており、メモリ41は、各種の情報を記憶している。なお、メモリ41は、コントローラ40の外部に設けることもできる。ここで、コントローラ40は、図1に示すシステムメインリレーSMR−B,SMR−Gをオンおよびオフの間で切り替えるための制御信号を出力することができる。タイマ42は、時間t1を計測し、計測結果をコントローラ40に出力する。タイマ43は、時間t2を計測し、計測結果をコントローラ40に出力する。時間t1,t2の詳細については、後述する。
次に、監視ユニット30(30A〜30C)の回路構成について、図3を用いて説明する。図3は、監視ユニット30における一部の回路構成を示す。
各検出ラインDLには、抵抗素子R11が設けられている。許容電流値よりも大きな電流が抵抗素子R11に流れたとき、抵抗素子R11が溶断することにより、監視ユニット30および組電池10の接続を遮断することができる。これにより、組電池10から監視ユニット30に過大な電流が流れてしまうことを抑制できる。
各単電池12には、2つの検出ラインDLを介してツェナーダイオードDが並列に接続されている。ここで、ツェナーダイオードDのカソードは、単電池12の正極端子と接続されており、ツェナーダイオードDのアノードは、単電池12の負極端子と接続されている。ツェナーダイオードDは、組電池10から監視ユニット30に過電圧が印加することを抑制するために用いられる。すなわち、組電池10から監視ユニット30に過電圧が印加されるときには、ツェナーダイオードDのカソードからアノードに電流が流れることにより、監視ユニット30に過電圧が印加されることを抑制する。ここで、複数のツェナーダイオードDは、直列に接続されている。
検出ラインDLは、2つに分岐しており、これらの分岐ラインBL1,BL2には、抵抗素子R21,R22がそれぞれ設けられている。ここで、各抵抗素子R21,R22および抵抗素子R11の接続点にツェナーダイオードDが接続されている。単電池12と接続される2つの検出ラインDLにおいて、一方の検出ラインDLの分岐ラインBL1と、他方の検出ラインDLの分岐ラインBL2とには、キャパシタ(フライングキャパシタ)CおよびスイッチSW1が接続されている。
具体的には、キャパシタCおよびスイッチSW1は、抵抗素子R21およびサンプリングスイッチSW21の間の分岐ラインBL1と、抵抗素子R22およびサンプリングスイッチSW22の間の分岐ラインBL2とに接続されている。サンプリングスイッチSW21,SW22は、コントローラ40からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。
スイッチSW1は、コントローラ40からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。各スイッチSW1は、検出ラインDLを介して各単電池12と並列に接続されており、スイッチSW1がオンであるとき、スイッチSW1、単電池12および検出ラインDLによって閉回路が構成され、単電池12を放電させることができる。単電池12の放電電流が抵抗素子R11,R21,R22に流れることにより、単電池12の電圧値Vbを低下させることができる。
各キャパシタCは、検出ラインDLを介して各単電池12と並列に接続されているため、キャパシタCには、単電池12に蓄えられた電荷がチャージされる。これにより、キャパシタCの電圧値Vcは、単電池12の電圧値Vbと等しくなる。
特定の単電池12に対応したサンプリングスイッチSW21,SW22をオンにすることにより、特定の単電池12の電圧値Vb(ここでは、キャパシタCの電圧値Vc)を検出することができる。ここで、サンプリングスイッチSW21は、コンパレータCOMの一方の入力端子と接続され、サンプリングスイッチSW22は、コンパレータCOMの他方の入力端子と接続されている。コンパレータCOMの出力信号は、AD変換された後に、コントローラ40に入力される。これにより、コントローラ40は、各単電池12の電圧値Vb(電圧値Vc)を検出することができる。
コントローラ40は、各単電池12に対応したサンプリングスイッチSW21,SW22を順次オンにすることにより、各単電池12の電圧値Vb(電圧値Vc)を順次検出することができる。なお、複数のサンプリングスイッチSW21,SW22は、マルチプレクサによって構成することができる。
上述したように、スイッチSW1をオンにして単電池12を放電させることにより、複数の単電池12において、電圧値Vb(電圧値Vc)のバラツキを抑制することができる。ここで、電圧値Vbのバラツキを抑制する処理を均等化処理という。
本実施例の監視ユニット30は、上述したように、各単電池12の電圧値Vbを検出する機能(電圧検出回路)と、各単電池12を放電させる機能(放電回路)とを有している。ここで、電圧検出回路および放電回路を別々に構成することもできる。具体的には、電圧検出回路を各単電池12に接続するとともに、電圧検出回路および各単電池12の接続ラインとは異なる接続ラインを用いて、放電回路を各単電池12に接続することができる。
次に、均等化処理について、図4に示すフローチャートを用いて説明する。図4に示す処理は、コントローラ40によって実行され、例えば、組電池10が負荷20と接続されていない間、図4に示す処理を行うことができる。なお、コントローラ40は、組電池10とは異なる電源からの電力供給を受けて動作することができる。
ステップS101において、コントローラ40は、均等化処理において、放電対象となる単電池12を特定するとともに、タイマ42を用いて、時間t1の計測を開始する。ここで、ステップS101の処理を行うときには、放電対象の単電池12が存在していないこともあり、この場合には、放電対象の単電池12が特定されない。なお、放電対象の単電池12を特定する処理の詳細については、後述する。
ステップS102において、コントローラ40は、ステップS101の処理の結果に基づいて、放電対象の単電池12が存在しているか否かを判別する。ここで、放電対象の単電池12が特定されているとき、コントローラ40は、ステップS103の処理を行い、放電対象の単電池12が特定されていないとき、コントローラ40は、ステップS106の処理を行う。
ステップS103において、コントローラ40は、ステップS101の処理で特定された単電池12について、放電を開始させる。具体的には、コントローラ40は、特定された単電池12に対応するスイッチSW1(図3参照)をオフからオンに切り替えることにより、単電池12を放電させる。なお、放電させない単電池12に対応するスイッチSW1はオフのままである。コントローラ40は、単電池12の放電を開始したとき、タイマ43を用いた時間t2の計測を開始する。計測時間t2は、スイッチSW1のオンによって、単電池12を放電し続けている時間を示す。
ステップS104において、コントローラ40は、計測時間t2が所定時間t_th2以上であるか否かを判別する。所定時間t_th2は、適宜設定することができ、所定時間t_th2を特定する情報は、メモリ41に記憶しておくことができる。コントローラ40は、単電池12の放電を開始した後、計測時間t2が所定時間t_th2以上になるまで待機する。すなわち、所定時間t_th2の間、単電池12が放電され続ける。
計測時間t2が所定時間t_th2以上であるとき、コントローラ40は、ステップS105において、単電池12の放電を終了させる。具体的には、コントローラ40は、ステップS103の処理によって、オンとなっているスイッチSW1をオフに切り替える。ここで、単電池12の放電を終了させるとき、コントローラ40は、計測時間t2をリセットする。
ステップS106において、コントローラ40は、ステップS101の処理によって計測を開始した時間t1が所定時間t_th1以上であるか否かを判別する。所定時間t_th1は、図4に示す処理を行う周期を特定する時間であり、上述した所定時間t_th2以上の時間である。所定時間t_th1を特定する情報は、メモリ41に記憶しておくことができる。
コントローラ40は、計測時間t1が所定時間t_th1以上となるまで待機し、計測時間t1が所定時間t_th1以上であるとき、コントローラ40は、計測時間t1をリセットした後、ステップS101の処理を再び行う。
次に、図4に示すステップS101の処理、すなわち、放電対象の単電池12を特定する処理の詳細について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。図5に示す処理は、コントローラ40によって実行される。
ステップS201において、コントローラ40は、第1段階の放電判定として、各電池グループ11A〜11C内において、放電対象の単電池12を特定する。具体的には、後述するように、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbを互いに比較して、放電対象の単電池12を特定する。第1段階の放電判定では、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbを揃えるために、放電対象の単電池12が特定される。
ステップS202において、コントローラ40は、第2段階の放電判定として、電池グループ11A〜11Cにおいて、放電対象の単電池12を特定する。放電対象の単電池12は、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12となる。
ここで、第1段階の放電判定によって放電対象に特定された単電池12を含まない電池グループ11に対して、第2段階の放電判定が行われる。具体的には、後述するように、放電判定の対象となる複数の電池グループ11において、すべての単電池12の電圧値Vbを比較して、放電対象の単電池12を特定する。第2段階の放電判定では、単電池12の電圧値Vbを揃えつつ、組電池10を放電したときのエネルギ量(電力量)を確保するために、放電対象の単電池12が特定される。
ステップS203において、コントローラ40は、第3段階の放電判定として、電池グループ11A〜11Cにおいて、放電対象の単電池12を特定する。放電対象の単電池12は、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12となる。
ここで、第1段階の放電判定によって放電対象に特定された単電池12を含まない電池グループ11に対して、第3段階の放電判定が行われる。第3段階の放電判定では、組電池10を充電したときに単電池12の電圧値Vbが揃うようにしつつ、組電池10を放電したときのエネルギ量(電力量)を確保するために、放電対象の単電池12が特定される。
次に、図5に示すステップS201の処理(第1段階の放電判定)の詳細について、図6に示すフローチャートを用いて説明する。図6に示す処理は、電池グループ11毎に行われ、コントローラ40によって実行される。
ステップS301において、コントローラ40は、各監視ユニット30A〜30Cの出力信号に基づいて、各電池グループ11A〜11Cに含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbを検出する。ここで、電圧値Vbとしては、OCV(Open Circuit Voltage)を用いることが好ましい。これにより、単電池12の充放電に伴って発生する分極成分などを無視した上で、単電池12の電圧値Vbのバラツキを把握することができる。
ステップS302において、コントローラ40は、第1基準電圧値Vb_tag1および第1不感帯量(本発明の第1閾値に相当する)ΔVdb1を特定する。第1基準電圧値Vb_tag1とは、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbのうち、最も低い電圧値Vbである。図6に示す処理は、電池グループ11毎に行われるため、第1基準電圧値Vb_tag1は、電池グループ11毎に特定される。第1基準電圧値Vb_tag1は、ステップS301の検出結果に基づいて特定することができる。
第1不感帯量ΔVdb1とは、第1段階の放電判定において、単電池12を放電するか否かを判別するための値(正の値)である。第1基準電圧値Vb_tag1よりも高い電圧値Vbを示す単電池12については、放電することができる。ここで、単電池12を放電するか否かの判別は、第1不感帯量ΔVdb1に基づいて行われる。具体的には、単電池12の電圧値Vbおよび第1基準電圧値Vb_tag1の間の電圧差ΔVが、第1不感帯量ΔVdb1以下であるときには、単電池12を放電しないと判別する。一方、電圧差ΔVが第1不感帯量ΔVdb1よりも大きいときには、単電池12を放電すると判別する。
第1基準電圧値Vb_tag1および第1不感帯量ΔVdb1は、図7に示す対応関係(一例)を有する。図7に示す対応関係は、予め特定されており、この対応関係を示す情報(マップ又は演算式)は、メモリ41に記憶されている。図7に示すように、第1基準電圧値Vb_tag1が変化することに応じて、第1不感帯量ΔVdb1が変化する。図7に示す対応関係を用いれば、第1基準電圧値Vb_tag1を特定することにより、この第1基準電圧値Vb_tag1に対応する第1不感帯量ΔVdb1を特定することができる。
図7において、第1基準電圧値Vb_tag1が下限電圧値Vlim_minであるとき、第1不感帯量ΔVdb1は最小量ΔVdb1_minに設定される。下限電圧値Vlim_minとは、単電池12を放電するときに、電圧低下を許容する下限の電圧値である。下限電圧値Vlim_minは、単電池12の充放電特性などに基づいて、予め設定される。
単電池12の放電制御では、単電池12の電圧値Vbが下限電圧値Vlim_minよりも低くならないように、単電池12の放電が行われる。このため、第1基準電圧値Vb_tag1が下限電圧値Vlim_minよりも低い範囲については、第1不感帯量ΔVdb1が設定されていない。また、第1基準電圧値Vb_tag1が下限電圧値Vlim_minよりも低い範囲では、後述するステップS303以降の処理を行わないことができる。
最小量ΔVdb1_minは、電圧値Vbのバラツキを最も抑制する観点に基づいて、適宜設定される値である。例えば、最小量ΔVdb1_minを0に設定することができる。また、監視ユニット30において、各単電池12の電圧値Vbを検出するときの誤差などを考慮して、最小量ΔVdb1_minを0よりも大きな値とすることもできる。
図7に示す例では、第1基準電圧値Vb_tag1が、下限電圧値Vlim_minおよび第1所定値Vb_1の間にあるとき、第1不感帯量ΔVdb1が最小量ΔVdb1_minに設定される。第1所定値Vb_1は、下限電圧値Vlim_minよりも高い電圧値であり、適宜設定することができる。第1基準電圧値Vb_tag1が第1所定値Vb_1よりも高くなるほど、第1不感帯量ΔVdb1は、最小量ΔVdb1_minよりも大きくなる。なお、第1基準電圧値Vb_tag1が下限電圧値Vlim_minよりも高くなったときに、第1不感帯量ΔVdb1を最小量ΔVdb1_minよりも大きくすることもできる。
第1基準電圧値Vb_tag1が第2所定値Vb_2に到達したとき、第1不感帯量ΔVdb1は最大量ΔVdb1_maxに設定される。第2所定値Vb_2は、第1所定値Vb_1よりも高い電圧値であり、適宜設定することができる。最大量ΔVdb1_maxは、電圧値Vbのバラツキを維持する観点に基づいて、適宜設定される値である。本実施例では、最大量ΔVdb1_maxを設定することにより、単電池12の電圧値Vbおよび第1基準電圧値Vb_tag1の間の電圧差ΔVにかかわらず、単電池12が放電されないようにしている。
第1基準電圧値Vb_tag1が、第2所定値Vb_2および上限電圧値Vlim_maxの間にあるとき、第1不感帯量ΔVdb1は、最大量ΔVdb1_maxに設定される。第2所定値Vb_2は、上限電圧値Vlim_maxよりも低い電圧値である。上限電圧値Vlim_maxとは、単電池12を充電するときに、電圧上昇を許容する上限の電圧値である。上限電圧値Vlim_maxは、単電池12の充放電特性などに基づいて、予め設定される。
単電池12の充電制御では、単電池12の電圧値Vbが上限電圧値Vlim_maxよりも高くならないように、単電池12の充電が行われる。このため、第1基準電圧値Vb_tag1が上限電圧値Vlim_maxよりも高い範囲については、第1不感帯量ΔVdb1が設定されていない。また、第1基準電圧値Vb_tag1が上限電圧値Vlim_maxよりも高い範囲では、後述するステップS303以降の処理を行わないことができる。
なお、第1基準電圧値Vb_tag1が上限電圧値Vlim_maxに到達したときに、第1不感帯量ΔVdb1を最大量ΔVdb1_maxに設定することもできる。電池グループ11に含まれる複数の単電池12の電圧値Vbは、上限電圧値Vlim_maxよりも高くなることもあり、この場合において、第1基準電圧値Vb_tag1が上限電圧値Vlim_maxとなる。ここで、単電池12の電圧値Vbが上限電圧値Vlim_maxよりも高くなっても、単電池12が過充電状態とならないように、上限電圧値Vlim_maxが設定されている。
ステップS303において、コントローラ40は、各単電池12の電圧値Vbおよび第1基準電圧値Vb_tag1の間の電圧差ΔVが、ステップS302の処理で特定された第1不感帯量ΔVdb1よりも大きいか否かを判別する。電圧差ΔVが第1不感帯量ΔVdb1よりも大きいとき、コントローラ40は、ステップS304において、単電池12を放電対象に特定する。ここで、放電対象に特定される単電池12は、電圧差ΔVが第1不感帯量ΔVdb1よりも大きい単電池12である。一方、電圧差ΔVが第1不感帯量ΔVdb1以下であるとき、コントローラ40は、単電池12を放電対象に特定せずに、ステップS305の処理に進む。
コントローラ40は、放電対象に特定された単電池12に対して、放電実行フラグを設定する。ここで、組電池10を構成する、すべての単電池12に対して識別情報(番号など)を設けておけば、コントローラ40は、識別情報および放電実行フラグを対応づけた状態でメモリ41に記憶することができる。これにより、コントローラ40は、識別情報および放電実行フラグを確認することにより、放電対象の単電池12を把握することができる。
ステップS305において、コントローラ40は、各電池グループ11内のすべての単電池12について、放電対象の判定を行ったか否かを判別する。放電対象の判定を行っていない単電池12が残っているとき、この単電池12に対して、コントローラ40は、ステップS303の処理を行う。
各電池グループ11内のすべての単電池12について、放電対象の判定を行ったとき、コントローラ40は、ステップS306において、放電対象に特定された単電池12を含む電池グループ11を第2段階の放電判定から除外する。第2段階の放電判定から除外される電池グループ11には、少なくとも1つの放電対象の単電池12が含まれる。ここで、すべての単電池12が放電対象に特定されていない電池グループ11は、第2段階の放電判定の対象になる。
図4に示すステップS103の処理において、コントローラ40は、図6に示す処理によって、放電実行フラグが設定された単電池12を放電させる。これにより、放電対象に特定された単電池12の電圧値Vbを低下させて、電圧値Vbおよび第1基準電圧値Vb_tag1の間の電圧差ΔVを、第1不感帯量ΔVdb1以下とすることができる。なお、図4に示す処理を行うとき、所定時間t_th2の間における単電池12の放電量によっては、電圧差ΔVが第1不感帯量ΔVdb1以下とならないこともある。ただし、図4に示す処理を繰り返して行うことにより、電圧差ΔVを第1不感帯量ΔVdb1以下とすることができる。
図8には、各電池グループ11A〜11Cにおける単電池12の電圧値Vb(一例)を示す。図8において、縦軸は電圧値Vbを示し、横軸は単電池12を示す。
図8に示す例では、電池グループ11Cにおいて、星印を示した単電池12が放電対象に特定される。ここで、放電対象に特定された単電池12の電圧値Vbと、第1基準電圧値Vb_tag1との間の電圧差ΔVは、第1基準電圧値Vb_tag1から特定される第1不感帯量ΔVdb1よりも大きい。また、電池グループ11Cは、放電対象に特定された単電池12を含んでいるため、第2段階の放電判定からは除外される。なお、各電池グループ11A,11Bでは、第1段階の放電判定によって、すべての単電池12が放電対象に特定されていない。このため、電池グループ11A,11Bは、第2段階の放電判定の対象となる。
第1段階の放電判定によれば、図7を用いて説明したように、第1基準電圧値Vb_tag1が低くなるほど、第1不感帯量ΔVdb1が小さくなり、単電池12が放電対象に特定されやすくなる。したがって、第1基準電圧値Vb_tag1が低くなるほど、各電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbが揃いやすくなる。ここで、第1不感帯量ΔVdb1が最小量ΔVdb1_minであるとき、単電池12の電圧値Vbのバラツキが最も抑制される。
一方、図7に示す第1不感帯量ΔVdb1の設定によれば、第1基準電圧値Vb_tag1が高くなるほど、第1不感帯量ΔVdb1が大きくなり、単電池12が放電対象に特定されにくくなる。したがって、第1基準電圧値Vb_tag1が高くなるほど、各電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbがばらついたままとなりやすい。ここで、第1不感帯量ΔVdb1が最大量ΔVdb1_maxであるとき、単電池12の電圧値Vbのバラツキが発生したままとなる。
1つの電池グループ11には、単電池12の劣化のバラツキに伴って、満充電容量が異なる複数の単電池12が含まれることがある。これらの単電池12の電圧曲線は、図20に示す関係となる。ここで、第1段階の放電判定によれば、第1基準電圧値Vb_tag1が下限電圧値Vlim_minに近づくほど、劣化状態の単電池12の電圧値Vbと、初期状態の単電池12の電圧値Vbとが揃いやすくなる。
したがって、劣化状態の単電池12の電圧曲線と、初期状態の単電池12の電圧曲線とは、図9に示す関係となる。図9において、縦軸は電圧値Vbを示し、横軸は充電量を示す。また、図9において、実線は、初期状態の単電池(初期電池)12の電圧曲線を示し、一点鎖線は、劣化状態の単電池(劣化電池)12の電圧曲線を示す。
単電池12を充放電することができる充電量の範囲(使用範囲という)Wは、下限電圧値Vlim_minおよび上限電圧値Vlim_maxによって規定される。本実施例の単電池(初期電池や劣化電池を含む)12では、使用範囲W内において、下限電圧値Vlim_minにおける電圧曲線の傾きは、他の電圧値における電圧曲線の傾きよりも大きい。ここで、電圧曲線の傾きとは、電圧曲線の接線における傾きである。下限電圧値Vlim_minにおける電圧曲線の傾きとは、下限電圧値Vlim_minに対応した電圧曲線上の点を接点としたときの接線の傾きである。他の電圧値とは、下限電圧値Vlim_minおよび上限電圧値Vlim_maxの間の電圧値であって、下限電圧値Vlim_minを除く電圧値である。
上述した電圧曲線を示す単電池12では、初期状態および劣化状態における単電池12の電圧曲線を図9に示す状態とすることにより、劣化状態の単電池12の電圧曲線と、初期状態の単電池12の電圧曲線とを、互いに近づけることができる。使用範囲W内においては、図9に示すように、劣化状態および初期状態の単電池12における電圧値Vbの差ΔVが広がりにくくなる。すなわち、使用範囲Wの全体において、電圧差ΔVが広がることを抑制できる。
なお、満充電容量が等しい複数の単電池12では、電圧曲線が等しくなるため、電圧差ΔVが広がっているときには、電圧値Vbが大きい側の単電池12を放電させればよい。具体的には、図7において、第1基準電圧値Vb_tag1にかかわらず、第1不感帯量ΔVdb1を最小量ΔVdb1_minに設定することができる。
使用範囲Wの全体において、電圧差ΔVが広がることを抑制すれば、使用範囲W内において、単電池12を充放電しても、電圧差ΔVの広がりを抑制し続けることができる。したがって、単電池12を放電して、電圧差ΔVの広がりを抑制する必要が無くなり、単電池12を放電させる回数も減らすことができる。
単電池12を放電させるときには、上述したように、単電池12の放電電流を抵抗素子R11,R21,R22に流すだけである。すなわち、単電池12を無駄に放電しているだけとなる。ここで、単電池12を放電させる回数が減少すれば、単電池12の無駄な放電を抑制することができる。
また、単電池12を放電させるときには、図3に示すスイッチSW1をオンおよびオフの間で切り替えなければならない。単電池12を放電させる回数が増えれば、スイッチSW1をオンおよびオフの間で切り替える回数も増えてしまう。本実施例のように、単電池12を放電させる回数を減らすことにより、スイッチSW1をオンおよびオフの間で切り替える回数を減らすことができる。これに伴い、スイッチSW1の摩耗を抑制することができる。
一方、使用範囲Wの全体において、電圧差ΔVの広がりを抑制することにより、以下に説明する異常状態が各電池グループ11で発生しているか否かを、使用範囲Wの全体において判別することができる。この異常状態としては、単電池12の内部における微小な短絡や、図3に示すツェナーダイオードDの故障が挙げられる。
単電池12において、正極および負極の間で微小な短絡が発生すると、単電池12が放電し続けてしまう。ここで、複数の単電池12における電圧値Vbのバラツキを抑制した状態であれば、微小な短絡に伴う電圧値Vbの低下(電圧変動)を把握しやすくなる。すなわち、特定の単電池12において、微小な短絡が発生していれば、特定の単電池12の電圧値Vbだけが、他の単電池12の揃えられた電圧値Vbよりも低下するため、微小な短絡といった異常状態が発生していることを判別しやすくなる。
一方、図3に示す回路構成において、ツェナーダイオードDが故障すると、図10の矢印で示すように、ツェナーダイオードDにリーク電流が流れることがある。このとき、図10の太い点線で示す電流経路上に位置するキャパシタCの電圧値Vcは、単電池12Aの電圧値Vbよりも低くなる。なお、ツェナーダイオードDにリーク電流が流れていなければ、電圧値Vcは、電圧値Vbと等しくなる。
コンパレータCOMから出力される電圧値Vcは、下記式(1)で表される。
上記式(1)において、I_leakは、ツェナーダイオードDに流れるリーク電流の値である。Rは、抵抗素子R11の抵抗値である。「I_leak×R」は、抵抗素子R11にリーク電流が流れることに伴う電圧降下量を示す。ここで、図10の矢印で示す、リーク電流が流れる経路では、2つの抵抗素子R11が設けられているため、電圧降下量は、「I_leak×R」の2倍となる。
上記式(1)に示すように、電圧値Vcは、単電池12Aの実際の電圧値Vbよりも低くなってしまう。このため、電圧値Vcに基づいて、単電池12(組電池10)の充放電を制御すると、単電池12Aの実際の電圧値Vbが上限電圧値Vlim_maxよりも高くなり、単電池12Aが過充電状態となってしまうおそれがある。
図10に示すように、単電池12Aに対応するツェナーダイオードDにリーク電流が流れたとき、各単電池12B,12Cに対応するキャパシタCの電圧値Vcは、「I_leak×R」の分だけ上昇する。このため、「2×I_leak×R」の電圧降下(電圧変動)と、「I_leak×R」の電圧上昇(電圧変動)との関係を特定できれば、ツェナーダイオードDが故障していることを判別できる。なお、各単電池12B,12Cは、単電池12Aと直列に接続された単電池12である。言い換えれば、単電池12Bの正極端子は、単電池12Aの負極端子と接続され、単電池12Cの負極端子は、単電池12Aの正極端子と接続されている。
上述したように、ツェナーダイオードDの故障を判別するためには、複数の単電池12において、電圧値Vbのバラツキを予め抑制しておく必要がある。ここで、複数の単電池12の電圧値Vbを揃えておけば、この後に、ツェナーダイオードDが故障したときに、監視ユニット30によって検出される電圧値Vcは、図11に示す関係となる。図11において、縦軸は電圧値Vcであり、横軸は単電池12である。図11に示す電圧値Vrefは、複数の単電池12の電圧値Vbを揃えたときの電圧値である。ここで、複数の単電池12の電圧値Vbを揃えようとしても、これらの電圧値Vbにバラツキが発生することもある。この場合において、複数の単電池12の電圧値Vbは、電圧値Vrefを含む所定範囲内に含まれる。
図11に示すように、故障したツェナーダイオードDに対応する単電池12Aの電圧値Vcは、「2×I_leak×R」の分だけ、電圧値Vrefよりも低くなる。また、単電池12B,12Cの電圧値Vcは、「I_leak×R」の分だけ、電圧値Vrefよりも高くなる。このため、単電池12Aの電圧値Vcおよび電圧値Vrefの電圧差と、単電池12B,12Cの少なくとも一方の電圧値Vcおよび電圧値Vrefの電圧差とが、図11に示す関係を有するときには、単電池12Aに対応したツェナーダイオードDが故障していることを判別できる。
ここで、電圧値Vrefに対する電圧差を確認しなくても、ツェナーダイオードDの故障を判別することもできる。具体的には、単電池12Aの電圧値Vcが電圧値Vrefよりも低いことと、単電池12B,12Cの少なくとも一方の電圧値Vcが電圧値Vrefよりも高いことを確認するだけでもよい。または、単電池12Aの電圧値Vcが、電圧値Vrefを含む所定範囲の下限値よりも低いことと、単電池12B,12Cの少なくとも一方の電圧値Vcが、電圧値Vrefを含む所定範囲の上限値よりも高いことを確認するだけでもよい。この場合であっても、単電池12Aに対応したツェナーダイオードDが故障していることを判別できる。ただし、上述したように、電圧値Vrefに対する電圧差を確認することにより、ツェナーダイオードDの故障を精度良く判別することができる。
複数の単電池12において、電圧値Vb(電圧値Vc)のバラツキを抑制しておかなければ、図11に示す電圧値Vcの関係を把握することができず、ツェナーダイオードDの故障を判別することもできない。そこで、ツェナーダイオードDの故障を判別するためには、上述したように、複数の単電池12において、電圧値Vb(電圧値Vc)のバラツキを抑制しておく必要がある。
次に、図5に示すステップS202の処理(第2段階の放電判定)の詳細について、図12に示すフローチャートを用いて説明する。図12に示す処理は、コントローラ40によって実行される。第2段階の放電判定の対象となる電池グループ11が複数であるときに、図12に示す処理が行われる。すなわち、第2段階の放電判定の対象となる電池グループ11が1つだけであるときには、図12に示す処理が行われない。
ステップS401において、コントローラ40は、第2基準電圧値Vb_tag2および第2不感帯量(本発明の第2閾値に相当する)ΔVdb2を特定する。第2段階の放電判定で用いられる第2基準電圧値Vb_tag2とは、複数の電池グループ11に含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbのうち、最も低い電圧値Vbである。ここで、各単電池12の電圧値Vbとしては、図6に示すステップS301の処理で検出された電圧値Vbを用いることができる。第2不感帯量ΔVdb2は、第2段階の放電判定において、単電池12を放電するか否かを判別するための値(正の値)である。
第2不感帯量ΔVdb2は、第1不感帯量ΔVdb1とは異なっている。第2段階の放電判定において、第2基準電圧値Vb_tag2および第2不感帯量ΔVdb2は、図13に示す対応関係(一例)を有する。図13に示す対応関係は、予め特定されており、この対応関係を示す情報(マップ又は演算式)は、メモリ41に記憶されている。図13に示すように、第2基準電圧値Vb_tag2が変化することに応じて、第2不感帯量ΔVdb2が変化する。図13に示す対応関係を用いれば、第2基準電圧値Vb_tag2を特定することにより、この第2基準電圧値Vb_tag2に対応する第2不感帯量ΔVdb2を特定することができる。
図13において、第2基準電圧値Vb_tag2が下限電圧値Vlim_minであるとき、第2不感帯量ΔVdb2は、最大量ΔVdb2_maxに設定される。最大量ΔVdb2_maxは、最大量ΔVdb1_maxと同じであってもよいし、異なっていても良い。第2基準電圧値Vb_tag2が下限電圧値Vlim_minよりも低い範囲については、第2不感帯量ΔVdb2が設定されていない。また、第2基準電圧値Vb_tag2が下限電圧値Vlim_minよりも低い範囲では、後述するステップS402以降の処理を行わないことができる。
図13に示す例では、第2基準電圧値Vb_tag2が、下限電圧値Vlim_minおよび第3所定値Vb_3の間にあるとき、第2不感帯量ΔVdb2は、最大量ΔVdb2_maxに設定される。第3所定値Vb_3は、下限電圧値Vlim_minよりも高い電圧値であり、適宜設定することができる。第2基準電圧値Vb_tag2が第3所定値Vb_3よりも高くなるほど、第2不感帯量ΔVdb2は、最大量ΔVdb2_maxよりも小さくなる。
第2基準電圧値Vb_tag2が第4所定値Vb_4に到達したとき、第2不感帯量ΔVdb2は、最小量ΔVdb2_minに設定される。最小量ΔVdb2_minは、最小量ΔVdb1_minと同じであってもよいし、異なっていてもよい。第4所定値Vb_4は、第3所定値Vb_3よりも高い電圧値であり、適宜設定することができる。第2基準電圧値Vb_tag2が、第4所定値Vb_4および上限電圧値Vlim_maxの間にあるとき、第2不感帯量ΔVdb2は、最小量ΔVdb2_minに設定される。第4所定値Vb_4は、上限電圧値Vlim_maxよりも低い電圧値である。なお、第2基準電圧値Vb_tag2が上限電圧値Vlim_maxに到達したときに、第2不感帯量ΔVdb2を最小量ΔVdb2_minに設定することもできる。
ステップS402において、コントローラ40は、各電池グループ11に含まれる、すべての単電池12の電圧値Vbのうち、最も高い電圧値Vb_maxを特定する。電圧値Vb_maxの特定は、各電池グループ11において行われる。ただし、第2基準電圧値Vb_tag2を示す単電池12が含まれる電池グループ11については、電圧値Vb_maxが特定されない。
コントローラ40は、電圧値Vb_maxと、ステップS401の処理で特定された第2基準電圧値Vb_tag2との間の電圧差ΔVを算出する。すなわち、第2基準電圧値Vb_tag2を示す単電池12を含む電池グループ11と、他の電池グループ11との間において、電圧差ΔVが算出される。なお、電圧差ΔVを算出するときには、電圧値Vb_maxではなく、他の電圧値Vbを用いることもできる。すなわち、上述したように、2つの電池グループ11の間において、電圧差ΔVを算出できればよい。
コントローラ40は、電圧差ΔVが、ステップS401の処理で特定された第2不感帯量ΔVdb2よりも大きいか否かを判別する。電圧差ΔVが第2不感帯量ΔVdb2よりも大きいとき、コントローラ40は、ステップS403において、単電池12を放電対象に特定する。ここで、電圧値Vb_maxを示す単電池12が特定の電池グループ11に含まれるとき、特定の電池グループ11に含まれる、すべての単電池12が放電対象に特定される。一方、電圧差ΔVが第2不感帯量ΔVdb2以下であるとき、コントローラ40は、単電池12を放電対象に特定せずに、ステップS404の処理に進む。コントローラ40は、第1段階の放電判定と同様に、放電対象に特定された単電池12に対して、放電実行フラグを設定する。
ステップS404において、コントローラ40は、第2段階の放電判定の対象となる、すべての電池グループ11について、放電対象の判定を行ったか否かを判別する。放電対象の判定を行っていない電池グループ11が残っているとき、この電池グループ11に対して、コントローラ40は、ステップS402の処理を行う。
図4に示すステップS103の処理において、コントローラ40は、図12に示す処理によって、放電実行フラグが設定された単電池12を放電させる。これにより、放電対象に特定された単電池12の電圧値Vbを低下させて、電圧値Vbおよび第2基準電圧値Vb_tag2の間の電圧差ΔVを、第2不感帯量ΔVdb2以下とすることができる。なお、図4に示す処理を行うとき、所定時間t_th2の間における単電池12の放電量によっては、電圧差ΔVが第2不感帯量ΔVdb2以下とならないこともある。ただし、図4に示す処理を繰り返して行うことにより、電圧差ΔVを第2不感帯量ΔVdb2以下とすることができる。
図14には、各電池グループ11A〜11Cにおける単電池12の電圧値Vb(一例)を示す。図14において、縦軸は電圧値Vbを示し、横軸は単電池12を示す。
図14に示す例では、電池グループ11Bに含まれる単電池12の電圧値Vbが第2基準電圧値Vb_tag2として特定される。そして、電池グループ11Aに含まれる、すべての単電池12が放電対象として特定される。図14の星印は、第2段階の放電判定において、放電対象に特定された単電池12を示している。放電対象に特定された単電池12の電圧値Vbと、第2基準電圧値Vb_tag2との間の電圧差ΔVは、第2基準電圧値Vb_tag2から特定される第2不感帯量ΔVdb2よりも大きい。
第2段階の放電判定によれば、図13を用いて説明したように、第2基準電圧値Vb_tag2が高くなるほど、第2不感帯量ΔVdb2が小さくなり、単電池12が放電対象に特定されやすくなる。したがって、第2基準電圧値Vb_tag2が高くなるほど、複数の電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbが揃いやすくなる。ここで、第2不感帯量ΔVdb2が最小量ΔVdb2_minであるとき、複数の電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbのバラツキが最も抑制される。
一方、図13に示す第2不感帯量ΔVdb2の設定によれば、第2基準電圧値Vb_tag2が低くなるほど、第2不感帯量ΔVdb2が大きくなり、単電池12が放電対象に特定されにくくなる。したがって、第2基準電圧値Vb_tag2が低くなるほど、複数の電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbがばらついたままとなりやすい。ここで、第2不感帯量ΔVdb2が最大量ΔVdb2_maxであるとき、複数の電池グループ11において、単電池12の電圧値Vbのバラツキが発生したままとなる。
複数の電池グループ11には、単電池12の劣化のバラツキに伴って、満充電容量が異なる単電池12が含まれることがある。また、電池グループ11を交換したとき、交換されていない電池グループ11に含まれる単電池12の満充電容量は、交換された電池グループ11に含まれる単電池12の満充電容量と異なることがある。満充電容量が異なる2つの単電池12の電圧曲線は、図20に示す関係となる。
ここで、第2段階の放電判定によれば、第2基準電圧値Vb_tag2が上限電圧値Vlim_maxに近づくほど、劣化状態の単電池12の電圧値Vbと、初期状態の単電池12の電圧値Vbとが揃いやすくなる。したがって、劣化状態の単電池12の電圧曲線と、初期状態の単電池12の電圧曲線とは、図15に示す関係となる。
図15において、縦軸は電圧値Vbを示し、横軸は充電量を示す。また、図15において、実線は、初期状態の単電池(初期電池)12の電圧曲線を示し、一点鎖線は、劣化状態の単電池(劣化電池)12の電圧曲線を示す。初期状態の単電池12および劣化状態の単電池12は、互いに異なる電池グループ11に含まれる。図15では、初期状態および劣化状態における単電池12の電圧値Vbが、上限電圧値Vlim_maxとなっている。
図15に示す状態では、組電池10を放電したときのエネルギ量(電力量)E1を確保しやすくなる。エネルギ量E1は、使用範囲Wに対応した放電量ΔAhに電圧値Vbを乗算した値となる。エネルギ量E1は、劣化状態の単電池12の電圧値Vbが、上限電圧値Vlim_maxから下限電圧値Vlim_minに低下するまでのエネルギ量である。
第1段階の放電判定に基づいて、劣化状態および初期状態における単電池12の電圧曲線を図16に示す状態にすると、組電池10を放電したときのエネルギ量E2は、エネルギ量E1よりも少なくなる。図16は、図9に対応している。図15および図16を比較すると、劣化状態の単電池12から得られるエネルギ量は同一である。
図15に示す状態において、初期状態の単電池12の電圧値Vbは、劣化状態の単電池12の電圧値Vbよりも高くなる。一方、図16に示す状態において、初期状態の単電池12の電圧値Vbは、劣化状態の単電池12の電圧値Vbよりも低くなる。したがって、初期状態の単電池12から得られるエネルギ量に関して、図15に示す状態のエネルギ量は、図16に示す状態のエネルギ量よりも多くなる。したがって、劣化状態および初期状態の単電池12を含めたエネルギ量E1,E2に関して、エネルギ量E1は、エネルギ量E2よりも多くなる。
このように、第2段階の放電判定によれば、組電池10のエネルギ量を確保しやすくなる。これにより、組電池10から負荷20(モータ・ジェネレータなど)に電力を供給するときには、より多くの電力量を負荷20に供給することができる。
一方、劣化状態の単電池12の満充電容量は、初期状態の単電池12の満充電容量よりも小さいため、単電池12を充電したとき、劣化状態の単電池12の電圧上昇量は、初期状態の単電池12の電圧上昇量よりも大きくなる。このため、単電池12の電圧値Vbが上限電圧値Vlim_maxに近づいたときには、劣化状態の単電池12の電圧値Vbは、初期状態の単電池12の電圧値Vbよりも高くなりやすい。
そこで、単電池12の電圧値Vbを揃えるためには、劣化状態の単電池12を放電させることになる。単電池12の電圧値Vbを所定量だけ低下させるとき、劣化状態の単電池12の放電量は、初期状態の単電池12の放電量よりも少なくなる。放電量が少なくなるほど、放電時間が短くなるため、第2段階の放電判定によれば、単電池12の電圧値Vbを揃えるまでの時間を短縮することができる。
次に、図5に示すステップS203の処理(第3段階の放電判定)の詳細について、図17に示すフローチャートを用いて説明する。図17に示す処理は、コントローラ40によって実行される。第3段階の放電判定の対象となる電池グループ11が複数であるときに、図17に示す処理が行われる。ここで、第3段階の放電判定の対象となる電池グループ11が1つだけであるときには、図17に示す処理が行われない。
ステップS501において、コントローラ40は、各電池グループ11において、充電量Ah_cur,Ah_refを算出する。充電量Ah_curは、電池グループ11に含まれる単電池12の現在の充電量である。充電量Ah_curは、現在の単電池12における満充電容量およびSOC(State of Charge)から算出することができる。SOCは、満充電容量に対する現在の充電量の割合である。
満充電容量に対して現在のSOCを乗算することにより、充電量Ah_curを算出することができる。満充電容量およびSOCは、予め算出しておけばよい。満充電容量およびSOCを算出する方法は、公知の方法を適宜採用することができるため、詳細な説明は省略する。電池グループ11は、複数の単電池12を含んでいるため、充電量Ah_curは、電池グループ11に含まれる単電池12毎に算出できる。
充電量Ah_refは、単電池12のSOCが、現在のSOCよりも高い目標SOCであるときの充電量である。ここで、第2段階の放電判定において、第2不感帯量ΔVdb2が最小量ΔVdb2_minとなるときの第2基準電圧値V_tag2を考慮して、目標SOCを設定することができる。例えば、図15に示すように、単電池12の電圧値Vbを上限電圧値Vlim_maxで揃えるときには、上限電圧値Vlim_maxに対応したSOCを目標SOCとして設定できる。目標SOCを設定しておけば、単電池12の満充電容量に目標SOCを乗算することにより、充電量Ah_refを算出することができる。
本実施例では、各電池グループ11において、代表値としての1つの充電量Ah_curを算出するようにしている。具体的には、電池グループ11に含まれるすべての単電池12の満充電容量を特定し、これらの満充電容量の平均値を算出する。また、電池グループ11に含まれるすべての単電池12のSOCを特定し、これらのSOCの平均値を算出する。満充電容量(平均値)およびSOC(平均値)に基づいて、各電池グループ11の充電量Ah_curを算出できる。
また、各電池グループ11において、代表値としての1つの充電量Ah_refが算出される。具体的には、上述した満充電容量(平均値)に目標SOCを乗算することにより、充電量Ah_refを算出することができる。ステップS502以降の処理では、各電池グループ11において、代表値としての充電量Ah_cur,Ah_refを算出した場合について説明する。なお、各単電池12において、充電量Ah_cur,Ah_refを算出する場合であっても、同様の処理を行うことができる。
ステップS502において、コントローラ40は、電流積算量ΔAhを算出する。電流積算量ΔAhは、充電量Ah_refから充電量Ah_curを減算した値である。電流積算量ΔAhは、電池グループ11毎に算出される。ステップS503において、コントローラ40は、複数の電池グループ11で算出された電流積算量ΔAhに基づいて、最大値を示す電流積算量ΔAh_maxを特定する。
ステップS504において、コントローラ40は、電流積算量ΔAh_maxの分だけ、各電池グループ11を充電したときの各電池グループ11のSOCを算出する。具体的には、各電池グループ11の充電量Ah_curに電流積算量ΔAh_maxを加算すれば、充電後における各電池グループ11の充電量を算出できる。この充電量と、各電池グループ11の満充電容量(平均値)とに基づいて、各電池グループ11のSOCを算出できる。
ステップS505において、コントローラ40は、ステップS504の処理で算出されたSOCのうち、最低のSOC(SOC_min)を特定する。そして、コントローラ40は、SOC_minと、他の電池グループ11のSOC(SOC_min以外のSOC)との間の差ΔSOCを算出する。コントローラ40は、差ΔSOCが閾値(本発明の第3閾値に相当する)ΔSOC_thよりも大きいか否かを判別する。
閾値ΔSOC_thは、図13に示す最小量ΔVdb2_minを考慮して設定される。閾値ΔSOC_thは、予め定めておくことができ、閾値ΔSOC_thを特定する情報は、メモリ41に記憶しておくことができる。差ΔSOCが閾値ΔSOC_thよりも大きいとき、コントローラ40は、ステップS506において、単電池12を放電対象に特定する。放電対象に特定される単電池12は、電池グループ11に含まれる、すべての単電池12となる。コントローラ40は、第1段階の放電判定と同様に、放電対象に特定された単電池12に対して、放電実行フラグを設定する。
差ΔSOCが閾値ΔSOC_th以下であるとき、コントローラ40は、単電池12を放電対象に特定せずに、ステップS507の処理を行う。ステップS507において、コントローラ40は、すべての電池グループ11について、放電対象の判定を行ったか否かを判別する。放電対象の判定を行っていない電池グループ11が残っているとき、この電池グループ11に対して、コントローラ40は、ステップS505の処理を行う。
図4に示すステップS103の処理において、コントローラ40は、図17に示す処理によって、放電実行フラグが設定された単電池12を放電させる。これにより、放電対象に特定された単電池12の電圧値Vbを予め低下させておくことができ、組電池10を充電したときに、複数の単電池12の充電量を、充電量Ah_refに揃えることができる。すなわち、電流積算量ΔAh_maxの分だけ、複数の単電池12を充電したときには、複数の単電池12の充電量が充電量Ah_refに到達する。
上述したように、充電量Ah_refが、上限電圧値Vlim_maxに対応した充電量であるときには、複数の単電池12の電圧値Vbを上限電圧値Vref_maxで揃えることができる。第3段階の放電判定においても、第2段階の放電判定と同様に、組電池10を放電するときのエネルギ量を確保しやすくなる。
図18の左側には、2つの電池グループ11A,11Bにおける現在の充電量Ah_cur1,Ah_cur2と、充電量Ah_refとの関係を示す。電池グループ11Aに含まれる単電池12の満充電容量は、電池グループ11Bに含まれる単電池12の満充電容量よりも大きい。電流積算量ΔAh_maxは、充電量Ah_refから充電量Ah_cur1を減算した値とする。電池グループ11Aにおいて、電流積算量ΔAh_maxを加算すると、電池グループ11Aの充電量は、充電量Ah_cur1から充電量Ah_refに変化する。
一方、電池グループ11Bにおいて、電流積算量ΔAh_maxを加算すると、電池グループ11Bの充電量は、充電量Ah_refよりも大きくなることがある。ここで、電池グループ11Bの充電量および充電量Ah_refの間の差は、差ΔSOCに相当する。上述したように、差ΔSOCが閾値ΔSOC_thよりも大きいときには、電池グループ11Bに含まれる単電池12が放電対象に特定される。
第3段階の放電判定では、図18の左側に示す状態において、電池グループ11Bに含まれる単電池12を放電させることになる。すなわち、第3段階の放電判定によれば、電池グループ11Bの充電量Ah_cur2が電池グループ11Aの充電量Ah_cur1よりも小さいにもかかわらず、電池グループ11Bに含まれる単電池12を放電させることになる。
図13において、第2基準電圧値Vb_tag2が、第3所定値Vb_3よりも低い範囲内で変化し続けると、第2段階の放電判定では、放電対象の単電池12が特定されないことがある。そこで、第3段階の放電判定では、第2基準電圧値Vb_tag2が第3所定値Vb_3よりも低くても、組電池10が充電されたときには、第2段階の放電判定が行われたときと同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は、図2に示す構成だけに適用されるものではない。例えば、図19に示す構成であっても、本発明を適用することができる。図19において、組電池10は、直列に接続された3つの電池スタック11S(11S1,11S2,11S3)によって構成されている。各電池スタック11S1〜11S3は、1つのユニットとして構成されており、各電池スタック11S1〜11S3は、個別に交換することができる。
ここで、監視ユニット30Aは、2つの電池スタック11S1,11S2に含まれる単電池12と接続されている。具体的には、監視ユニット30Aは、電池スタック11S1に含まれる、すべての単電池12と接続されている。また、監視ユニット30Aは、電池スタック11S2に含まれる一部の単電池12と接続されている。監視ユニット30Bは、2つの電池スタック11S2,11S3に含まれる単電池12と接続されている。具体的には、監視ユニット30Bは、電池スタック11S3に含まれる、すべての単電池12と接続されている。また、監視ユニット30Bは、電池スタック11S2に含まれる一部の単電池12と接続されている。
この場合には、図19に示すように、組電池10を4つの電池グループ(本発明の蓄電グループに相当する)11A〜11Dに分けることができる。そして、電池グループ11A〜11Dにおいて、第1段階から第3段階までの放電判定を行うことができる。ここで、電池グループ11A〜11Dは、同一の電池スタック11Sに含まれ、同一の監視ユニット30に接続されていることを条件として、グループ分けされている。
一方、1つの電池スタック11Sに複数の監視ユニット30が接続された構成であっても、本発明を適用することができる。この場合には、複数の監視ユニット30に応じて、1つの電池スタック11Sを複数の電池グループに分ければよい。ここで、電池グループの数は、監視ユニット30の数と等しくなる。また、1つの監視ユニット30が複数の電池スタック11Sに接続された構成であっても、本発明を適用することができる。この場合には、複数の電池スタック11Sに応じて、複数の電池グループに分ければよい。ここで、電池グループの数は、電池スタック11Sの数と等しくなる。
また、本実施例において、監視ユニット30は、各単電池12の電圧値Vbを検出しているが、これに限るものではない。例えば、直列に接続された複数の単電池12によって、1つの電池モジュール(本発明の蓄電素子に相当する)を構成したとき、監視ユニット30は、各電池モジュールの電圧値を検出することができる。
10:組電池(蓄電装置)、12:単電池(蓄電素子)、
11,11A,11B,11C:電池グループ(蓄電グループ)、20:負荷、
30,30A,30B,30C:監視ユニット、40:コントローラ、41:メモリ、
42,43:タイマ

Claims (6)

  1. 直列に接続された複数の蓄電素子を含む蓄電グループと、
    前記各蓄電素子の電圧値を検出する電圧検出回路と、
    前記各蓄電素子を放電させる放電回路と、
    前記電圧検出回路によって検出された前記電圧値に基づいて、前記放電回路の動作を制御するコントローラと、を有し、
    前記蓄電素子における充電量および電圧値の関係を示す電圧曲線に関して、前記蓄電素子の充放電を許容する上限電圧値および下限電圧値の範囲内において、前記下限電圧値における前記電圧曲線の傾きは、他の電圧値における前記電圧曲線の傾きよりも大きく、
    前記コントローラは、前記複数の蓄電素子の電圧値から、最低電圧値を示す第1基準電圧値を特定し、前記第1基準電圧値および他の電圧値の間の電圧差が第1閾値よりも大きいとき、前記他の電圧値を示す前記蓄電素子を放電し、
    前記第1基準電圧値が低くなるほど、前記第1閾値が小さいことを特徴とする蓄電システム。
  2. 前記第1基準電圧値が前記下限電圧値であるとき、前記第1閾値が最も小さく、
    前記第1基準電圧値が前記上限電圧値であるとき、前記第1閾値が最も大きい、
    ことを特徴とする請求項1に記載の蓄電システム。
  3. 複数の前記蓄電グループが直列に接続されており、
    前記コントローラは、
    前記第1閾値を用いて放電対象に特定された前記蓄電素子を含まない前記蓄電グループが複数あるとき、これらの蓄電グループに含まれる前記蓄電素子の電圧値に基づいて、最低電圧値となる第2基準電圧値を示す前記蓄電素子を含む前記蓄電グループと、他の前記蓄電グループとを特定し、
    前記第2基準電圧値と、前記他の蓄電グループに含まれる前記蓄電素子の電圧値との間の電圧差が第2閾値よりも大きいとき、前記他の蓄電グループに含まれる前記蓄電素子を放電し、
    前記第2基準電圧値が高くなるほど、前記第2閾値が小さいことを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電システム。
  4. 前記第2基準電圧値が前記下限電圧値であるとき、前記第2閾値が最も大きく、
    前記第2基準電圧値が前記上限電圧値であるとき、前記第2閾値が最も小さい、
    ことを特徴とする請求項3に記載の蓄電システム。
  5. 複数の前記蓄電グループが直列に接続されており、
    前記コントローラは、
    前記第1閾値を用いて放電対象に特定された前記蓄電素子を含まない前記蓄電グループが複数あるとき、これらの蓄電グループを充電した後における前記各蓄電グループ内の前記蓄電素子のSOCを、前記蓄電素子の満充電容量および現在のSOCから推定し、
    推定したSOCのうちの最低値と、推定した他のSOCとの間の差が第3閾値よりも大きいとき、前記他のSOCを示す前記蓄電素子を放電する、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の蓄電システム。
  6. 前記各蓄電素子および前記電圧検出回路を接続するラインを介して、カソードが前記各蓄電素子の正極端子に接続され、アノードが前記各蓄電素子の負極端子に接続されたツェナーダイオードを有しており、
    前記コントローラは、
    前記第1閾値を用いた前記蓄電素子の放電によって、前記蓄電グループに含まれる前記複数の蓄電素子の電圧値を所定範囲内とした後において、特定の前記蓄電素子の電圧値が前記所定範囲の下限値よりも低く、前記特定の蓄電素子と直列に接続された前記蓄電素子の電圧値が前記所定範囲の上限値よりも高いとき、
    前記特定の蓄電素子に対応した前記ツェナーダイオードにリーク電流が流れていることを判別することを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の蓄電システム。
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