JP3610823B2

JP3610823B2 - モジュール電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池制御方法

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Publication number: JP3610823B2
Application number: JP11907799A
Authority: JP
Inventors: 健司高橋
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000312443A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモジュール電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池制御方法に係り、特に複数個の二次電池を直列に接続したモジュール電池を制御するモジュール電池制御装置、該モジュール電池制御装置を備えたモジュール電池ユニット及び該モジュール電池制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車等には、二次電池（単電池）を必要な容量に相当する分だけ複数個直列に接続したモジュール電池（組電池）が使用されている。このようなモジュール電池は、多数の電池を用いるので信頼性を確保することが重要である。すなわち、モジュール電池を構成している二次電池のうちの何れかが過充電や過放電等になると、その二次電池の機能が低下すると共にモジュール電池全体としての機能も低下することになる。
【０００３】
特に充電中に二次電池の電圧が高くなりすぎると、安全性が損なわれるので、充電器側で所定値以上の電圧が発生しないようにしている。また、モジュール電池を構成する各二次電池には製造時のバラツキがあり、更に、モジュール電池として二次電池を使用した場合、温度分布が均一でないこと等により、充電受入性や放電容量が異なってくる。
【０００４】
このため、放電深度０％（満充電）からの放電容量には各二次電池にバラツキが生じ、モジュール電池としての放電容量が減少する。すなわち、放電時には放電容量の小さくなった二次電池は早く放電を終了して過放電状態となり、この過放電になっている二次電池が他の二次電池の負荷となって、すべての二次電池の放電深度が１００％にならないうちに電圧が低下し、モジュール電池としては放電終了となってしまう。逆に充電時には、放電時に放電深度１００％にならなかった二次電池が先に放電深度０％に達して電圧が上昇し充電が終了してしまうが、放電時に過放電となった二次電池は放電深度０％にならないままで充電が終了するので、各二次電池の放電容量の差が広がる。従って、充放電を繰り返すと過放電となった二次電池は常に充電不足になるので、バラツキが大きくなってモジュール電池全体としての放電容量が減少する。
【０００５】
このように複数個の二次電池を直列に接続したモジュール電池では、箇々の二次電池間にバラツキがあり、モジュール電池全体として放電容量が低下するという問題や特定の二次電池が特に劣化するという問題があり、また過充電や過放電によって発熱する場合がある。
【０００６】
上記問題に対処するため、モジュール電池を構成する箇々の二次電池毎に電圧検出手段を設け、検出した電圧が充電終止電圧になると充電を終了するようにしたものがある。また、モジュール電池を構成する各二次電池毎に並列に電圧検出手段と二次電池を迂回して充電電流を流すためのバイパス回路を設け、検出した電圧が充電終止電圧となった二次電池に対し、その二次電池のバイパス回路に充電電流をバイパスさせるようにしたものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例前者では、モジュール電池を構成する複数個の二次電池うち充電終止電圧に達した二次電池があると充電を停止させるので、過充電になるおそれはなくなるが、各二次電池間の電池電圧のバラツキを解消させることはできない。
【０００８】
また後者の例では、二次電池電圧によってのみ充電電流をバイパスさせているが、実際には、各二次電池で内部抵抗のバラツキがあり、特に充電電流が大きい場合には充電状態が小さくても内部抵抗が大きい二次電池では、その内部抵抗に依存して端子電圧が上昇して充電終止電圧に達し、内部抵抗の小さい電池に対して高い充電状態が得られない。これは内部抵抗の大きい二次電池の充電状態にバラツキを生じさせ、各二次電池が一様に充分に充電されること、すなわち、モジュール電池全体がフル充電されることを阻害する。
【０００９】
このように二次電池間にバラツキが生じた電池を充電する方法として、直列接続された二次電池の充電方法が従来例として知られている。この充電方法によれば、直列に接続された各二次電池の電池電圧を検討する手段を持ち、二次電池を迂回して充電電流を供給するためのバイパス回路が形成され、迂回された二次電池には充電電流が流れず、バイパス回路を介して他の二次電池に対して充電がなされる。
【００１０】
しかしながら上記方法においては、充電停止電圧に達した時点で充電が箇々に停止するため、直列接続された電池間で充電停止の時間が異なってくる。また、内部抵抗の高い二次電池は、早く充電停止電圧に達するので、充電が早く停止され、満充電にならない場合も考えられる。
【００１１】
本発明は上記問題点に着目し、モジュール電池を構成する二次電池を効率よく均等に充放電させると共に、過充電や過放電から確実に二次電池を保護することができるモジュール電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数個の二次電池を直列に接続したモジュール電池を制御するモジュール電池制御装置において、前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段と、前記複数個の二次電池の各々に並列に接続された容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記スイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、を備え、前記容量調整手段は、前記状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電休止状態及び放電休止状態の少なくとも一方を含む休止状態時において、前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する容量を算出し、該算出した容量分の電流を前記スイッチをオン状態として放電させ、前記状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電状態時において、前回の放電終止時に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量を算出し、該算出した放電可能容量相当分の前記他の二次電池の充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせ、かつ、前回の充電末期に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせることにより、前記二次電池の各々の容量調整を行うことを特徴する。
【００１３】
本発明の第１の態様では、電池電圧検出手段により前記複数個の二次電池の各々の電池電圧が検出され、状態検出手段により前記モジュール電池の充放電状態が検出され、複数個の二次電池の各々に並列に接続された容量調整用の抵抗及びスイッチを有する容量調整手段によりスイッチをオン状態として二次電池の各々の容量調整が行われる。すなわち、容量調整手段は、状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電休止状態及び放電休止状態の少なくとも一方を含む休止状態時において、電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する容量を算出し、該算出した容量分の電流をスイッチをオン状態として放電させ、状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電状態時において、前回の放電終止時に電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量を算出し、該算出した放電可能容量相当分の他の二次電池の充電電流をスイッチをオン状態としてバイパスさせ、かつ、前回の充電末期に電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する充電電流をスイッチをオン状態としてバイパスさせることにより、二次電池の各々の容量調整を行う。本発明の第１の態様によれば、容量調整手段が、休止状態時に、二次電池の各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する容量を算出し、その容量分の電流をスイッチをオン状態として放電させるので、各二次電池の電池電圧を均等にすることができ、充各二次電池間の電圧差が最も大きくなる電状態時に、前回の放電終止時の各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量相当分の充電電流をバイパスさせ、かつ、前回の充電末期の各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する充電電流をバイパスさせるので、各二次電池の電池電圧を更に均等にすることができると共に、電圧差が予め設定された設定値を越えたときに、電圧差に相当する容量分の電流を放電ないしバイパスさせるようにしたので、二次電池の充電容量の消費を節約することができる。
【００１４】
この場合において、前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧が予め設定された設定値を越えたときに、前記モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を更に備えるようにすれば、各々の電池電圧に異常がある場合や過充電、過放電の場合に遮断手段で充放電を遮断することができるので、各二次電池の劣化を防止することができ、ひいては、モジュール電池全体としての放電容量低下を防止することができる。また、前記モジュール電池のモジュール電圧を検出するモジュール電圧検出手段及び前記複数個の二次電池のうち少なくとも１個の二次電池の電池温度を検出する電池温度検出手段の少なくともいずれか一方を更に備え、前記遮断手段は前記モジュール電圧及び前記電池温度の少なくともいずれか一方がそれぞれ予め設定された設定値を越えたときに、前記モジュール電池の充放電を遮断するようにすれば、モジュール電圧に電圧異常がある場合や二次電池に温度異常がある場合に各二次電池及びモジュール電池全体の性能を劣化させることなく、かつ、安全に充放電を行うことができる。更に、前記容量調整手段が、充電状態時において、放電末期電圧から演算した調整容量から休止状態時に行った容量調整分を差し引く補正をするようにすれば、前記容量調整手段による容量調整を正確に行うことができる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、モジュール電池制御装置を備えたモジュール電池ユニットであり、上述したように前記モジュール電池制御装置はモジュール電池を効率よく均等に充放電でき、異常状態、過充電や過放電から二次電池を保護することができるので、優れたモジュール電池ユニットを実現することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、容量調整用の抵抗及びスイッチが並列に接続された二次電池を複数個直列に接続したモジュール電池を制御するモジュール電池制御方法であって、充電休止時及び放電休止時の少なくとも一方を含む休止状態時において、前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出し、該検出された各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する容量を算出し、該算出された容量分の電流を前記スイッチをオン状態として放電させ、充電状態時において、前回の放電終止時に検出された各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量を算出し、該算出した放電可能容量相当分の前記他の二次電池の充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせ、かつ、前回の充電末期に検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせる、ステップを含む。この場合において、バイパスさせるステップにおいて、放電可能容量を算出するときに、放電末期電圧から演算した調整容量から前記休止状態時に行った容量調整分を差し引く補正を行うようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用されるモジュール電池ユニットの実施の形態について説明する。
【００１８】
（構成）
図１に示すように、本実施形態のモジュール電池ユニット１０は複数の二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎが直列に接続されたモジュール電池とこのモジュール電池を制御するモジュール電池制御装置とで構成されている。
【００１９】
モジュール電池制御装置はマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）１を備えている。マイコン１は演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び後述する種々の設定値等を格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ及び外部との入出力信号のポートとなる入出力インターフェース等を含んで構成されている。
【００２０】
また、モジュール電池制御装置は、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの表面に接触して配置され、各二次電池の温度を計測するサーミスタ７１、７２、・・・７ｎを有している。サーミスタ７１、７２、・・・７ｎは、これらのサーミスタで計測した抵抗（電圧）値を温度値に変換してマイコン１へ出力する電池温度検出回路３に各々接続されている。
【００２１】
更に、モジュール電池制御装置は、各二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出回路２を備えている。図２に示すように、この電池電圧検出回路２はオペアンプＩＣ１と抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５とで構成された作動増幅回路を二次電池の個数と同数個有して構成されている。各作動増幅回路のオペアンプＩＣ１の正相入力端子は抵抗Ｒ１２を介して各二次電池のプラス端子に、逆相入力端子は抵抗Ｒ１１を介して各二次電池のマイナス端子にそれぞれ接続されており、出力端子はマイコン１に接続されている。従って、二次電池Ｂ１を例にとれば、オペアンプＩＣ１の出力端子から出力される電圧は、二次電池Ｂ１の電位Ｖ１と二次電池Ｂ２の電位Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち、二次電池Ｂ１の電圧となる。
【００２２】
また、図１に示すように、モジュール電池制御装置は、二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎと各々並列に接続され、各二次電池の電池容量を調整し同一回路構成の容量調整回路６１、６２、・・・６ｎを備えている。図３に示すように、例えば、容量調整回路６１はＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１、ＮＰＮ型トランジスタＱ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ６で構成されており、ＦＥＴＱ１のドレインは抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｂ１のプラス端子に、ソースは二次電池Ｂ１のマイナス端子に、トランジスタＱ２のベースは抵抗４を介してマイコン１に、それぞれ接続されている。従って、容量調整回路６１はマイコン１から所定電圧の微少電流（調整信号）が出力されると、ＦＥＴＱ１のゲートに電流が流れるので、ＦＥＴＱ１のドレインからソースに向けて電流が流れる回路構成である。
【００２３】
更に、モジュール電池制御装置は、図１に示すように、モジュール電池の電圧値を検出してマイコン１へ出力するモジュール電圧検出回路４、シャント（分路）抵抗をセンサとして充放電電流を電圧値として計測する電流センサ８、電流センサ８で計測したシャント抵抗両端の電圧値を電流値に変換しモジュール電池が充電中の場合にはデフォルト値−１を、放電中の場合にはデフォルト値１を、充電休止中又は放電休止中の場合にはデフォルト値０を、それぞれマイコン１へ出力する充放電電流検出回路５及び充放電電流を遮断するための遮断スイッチ９を備えている。
【００２４】
なお、遮断スイッチ９にはＦＥＴ、リレー等を用いることができ、遮断スイッチ９はマイコン１からの遮断信号によりスイッチをオンオフすることができると共に、モジュール電池の放電終止後の充電等に備えてスイッチをオフからオンに手動で解除できる構成となっている。
【００２５】
（作用）
次に、フローチャートを参照して本実施形態のモジュール電池ユニット１０の作用について説明する。マイコン１に電源が投入されると、マイコン１のＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムに従って、ＲＡＭのワークエリアを初期化しＲＯＭに格納された後述する各種の設定値を読み出してＲＡＭに移行する初期処理を行い、図４に示すモジュール電池制御処理ルーチンの実行を開始する。
【００２６】
図４のステップ１００では、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎを電圧異常等から保護するために図５に示す保護処理サブルーチンを実行する。まず、ステップ１０２でモジュール電圧検出回路４から出力されるモジュール電圧値を取り込んで、次のステップ１０４において、取り込んだモジュール電圧値がＲＯＭからＲＡＭワークエリア内に移行されたモジュール電圧上限設定値よりも大きいか否か、モジュール電圧値がモジュール電圧下限設定値より小さいか否か、及びセルショート等を検出するために、前回（図６のステップ２７２参照）ＲＡＭに格納した電圧値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された電圧設定値）と今回検出した電圧値との時間当たりの電圧変化量ΔＶ／Δｔを演算し、演算した電圧変化量ΔＶ／Δｔの絶対値が電圧変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、モジュール電池の電圧に異常があるか否かを判断する。従って、ステップ１０４では、上限、下限及び電圧変化量ΔＶ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、モジュール電池全体の電圧には異常がないので、次のステップ１０６において電池温度検出回路３から出力される各二次電池の各温度値を取り込む。
【００２７】
次にステップ１０８では、取り込んだ各温度値が電池温度上限設定値よりも大いか否か、各温度値が電池温度下限設定値より小さいか否か、及び急激な温度上昇を検出するために、前回（図６のステップ２７４参照）ＲＡＭに格納した各温度値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された温度設定値）と今回検出した各温度値との時間当たりの温度変化量ΔＴ／Δｔを演算し、演算した温度変化量ΔＴ／Δｔの絶対値が温度変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、各二次電池に温度異常があるか否かを判断する。従って、本ステップでは、上限、下限及び温度変化量ΔＶ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、全ての二次電池に温度異常がないので、次のステップ１１０で電池電圧検出回路２から出力される各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの各電池電圧Ｖ_Ｂを取り込んでＲＡＭに格納し、ステップ１１２において、取り込んだ各電池電圧Ｖ_Ｂが二次電池上限電圧設定値よりも大いか否か及び二次電池下限電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、各二次電池に電圧異常があるか否かを判断する。
【００２８】
否定判断の場合には、全部の二次電池の電池電圧に電圧異常がないので、次のステップ１１４において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各電池電圧Ｖ_Ｂが過充電設定値よりも大きいか否かを判断することにより、各二次電池が過充電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、いずれの二次電池も過充電状態にはないので、次のステップ１１６において、各電池電圧Ｖ_Ｂが過放電設定値よりも小さいか否かを判断することにより、各二次電池が過放電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、各二次電池保護に必要なモジュール電圧、電池温度、各二次電池電圧に異常がなく、かつ、各二次電池は過充電又は過放電状態にはないので、次のステップ１１８において、遮断スイッチ９にハイレベルの２値出力信号を出力して、保護処理サブルーチンを終了して図４のステップ２００へ進む。これにより、遮断スイッチ９がオフのときはオンとなり遮断状態が解除され、遮断スイッチ９がオンのときはオンが維持されるので、モジュール電池ユニット１０は電源として使用可能状態となるか、使用可能状態が維持される。
【００２９】
一方、ステップ１０４、１０８、１１２、１１４、１１６で肯定判断された場合には、モジュール電圧、各二次電池温度、各二次電池電圧のいずれかに異常があるか、又は、過充電、過放電状態にあるので、ステップ１２０において遮断スイッチ９をオフとさせるために遮断スイッチ９へローレベルの２値出力信号（遮断信号）を出力して保護処理サブルーチンを終了しステップ２００へ進む。これにより、モジュール電池ユニット１０は電源として一時使用不能状態となる。なお、ステップ１０８、１１２、１１４、１１６では一つの二次電池でも異常と判断された場合には、全ての二次電池を保護するためにステップ１２０へ進む。
【００３０】
次に、図４のステップ２００では、モジュール電池の充放電状態を検出してモジュール電池の状態に応じて各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの容量を調整するために、図６に示す容量調整処理サブルーチンが実行される。
【００３１】
図６のステップ２０２では、充放電電流検出回路５から出力されるデフォルト値を取り込んでＲＡＭに格納し、このデフォルト値が１であるか否かを判断することにより、モジュール電池ユニット１０が放電中か否かを判断する。肯定判断の場合には、次のステップ２０４において、各二次電池の電池電圧Ｖ_Ｂが放電終止電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、放電を終止させるか否かを判断する。否定判断の場合には、次のステップ２７２へ進む。これにより、モジュール電池ユニット１０は放電状態を続行することとなる。一方、ステップ２０４で肯定判断された場合には、過放電による二次電池の性能劣化を防止すると共に、後述する充電時の調整容量補正の基礎値を算出ために次のステップ２１０へ進む。
【００３２】
ステップ２１０では、図７に示す放電終止処理サブルーチンが実行される。この放電終止処理サブルーチンでは、ステップ２１２において遮断スイッチ９に遮断信号を出力し、次のステップ２１４で各二次電池の電池電圧Ｖ_Ｂを検出する。次にステップ２１６では、各二次電池の電池電圧Ｖ_Ｂの中で最も低い電池電圧（放電終止電圧に最初に達した電池電圧）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を個々に演算し、次のステップ２１８において演算結果をＲＡＭの所定領域に格納して放電終止処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００３３】
一方、図６のステップ２０２で否定判断された場合には、次のステップ２０６において、ステップ２０２でＲＡＭに格納したデフォルト値が−１であるか否かを判断することによって、充電中か否かを判断する。否定判断の場合には、放電中でも充電中でもないので、放電休止時又は充電休止時と判定して、次のステップ２２０に進む。一方、肯定判断の場合には、ステップ２０８において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各二次電池の電池電圧Ｖ_Ｂを読み出して、各二次電池の電池電圧Ｖ_ＢがＲＡＭに移行した充電末期電圧設定値より大きいか否かを判断することにより、充電末期か否かを判断する。肯定判断の場合にはステップ２０６で否定判断された場合と同様、次のステップ２２０おいて図８に示す容量調整Ａ処理サブルーチンを実行する。
【００３４】
図８のステップ２２２では、各二次電池の電池電圧Ｖ_Ｂを読み出して最も小さい電池電圧をＶｍｉｎとして、各二次電池の電池電圧Ｖ_ＢからＶｍｉｎを減じた電圧差Ｖ_Ｄを演算し（Ｖ_Ｄ＝Ｖ_Ｂ−Ｖｍｉｎ）、次のステップ２２４で各電圧差Ｖ_ＤからＲＡＭに移行した電圧差設定値を読み出して両者の差Ｄ＝電圧差Ｖ_Ｄ−（電圧差設定値）を演算する。
【００３５】
次のステップ２２６では、差Ｄが正の各二次電池についてのみ次に説明する調整容量Ｑ（又はＱ’）を演算して演算結果の調整容量Ｑ’のみＲＡＭに格納し、次のステップ２２８でこの調整容量Ｑ（又はＱ’）に対応する調整時間ｔ（又はｔ’）を演算して、ステップ２３０において調整が必要な二次電池に並列に接続された容量調整回路６に調整信号の出力を開始する。
【００３６】
これにより、容量調整回路６は容量調整を開始するが、この容量調整回路６による容量調整は充電末期（後述する充電時も同じ）と充電休止時又は放電休止時とでは異なる態様を採る。すなわち、充電末期に、例えば、図３に示した容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、二次電池Ｂ１には充電電流Ｉが流れており、ＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１がオンとなると、電流Ｉａがドレインからソースへ向けて流れる。これによって、二次電池Ｂ１には電流（Ｉ−Ｉａ）が流れることになり、電流Ｉａに相当する充電量が調整される。電流Ｉａは抵抗Ｒ１によって決まり、調整される調整容量Ｑは電流Ｉａと調整時間ｔとの積となる。一方、充電休止時又は放電休止時に容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、図１０に示すように、ＦＥＴＱ１がオンとなると、図３の場合とは異なって二次電池Ｂ１には充電電流が流れておらず、二次電池Ｂ１、抵抗Ｒ１、ＦＥＴＱ１で構成される閉回路において二次電池Ｂ１は放電状態となる。このとき、閉回路を流れる電流をＩｂとし二次電池Ｂ１の内部抵抗を無視すると、抵抗Ｒ１の抵抗値は既知であるので、電流Ｉｂは二次電池Ｂ１の電池電圧Ｖ_Ｂによって決まり、調整される調整容量Ｑ’は電流Ｉｂと調整時間ｔ’との積となる。
【００３７】
ステップ２３２では、ステップ２２８で演算した調整時間ｔ（又はｔ’）が経過したか否かを判断する。この調整時間ｔ（又はｔ’）はマイコン１の図示しない内部時計により計測することができる。肯定判断の場合には、次のステップ２３３で該当二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。これにより、例えば、図３（又は図１０）に示したＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１のドレイン、ソース間には電流Ｉａ（又はＩｂ）が流れなくなるので、容量調整回路６１による二次電池Ｂ１の容量調整は終了する。
【００３８】
次のステップ２３４では、ステップ２０２でＲＡＭに格納したデフォルト値を読み出して充放電休止時か否かを判断し、否定判断のときはステップ２３６へ進み、肯定判断のときは、次のステップ２３５でステップ２２８でＲＡＭに格納した調整容量Ｑ’を読み出して今回の充放電休止中に調整した調整容量Ｑ’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納する。従って、充放電休止時の場合のみ調整した容量分をＲＡＭに格納することとなる。次にステップ２３６では、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断する。肯定判断の場合には、他に調整が必要な二次電池を継続して容量調整を行うために、ステップ２３０へ戻り、否定判断の場合には容量調整Ａ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００３９】
一方、ステップ２３２において否定判断された場合には、ステップ２３８で充電末期か否かを判断して、肯定判断のときは充電を完了させるためにステップ２３０へ戻り、否定判断のときは次のステップ２４０において充放電電流検出回路５から出力されるデフォルト値を取り込んでデフォルト値が１（放電）又は−１（充電）か否かを判断することにより、充電休止状態又は放電休止状態が強制的に終了させられたか否かを判断する。否定判断（デフォルト値０）のときは、休止状態が継続しているので、ステップ２３０へ戻り容量調整を続行し、肯定判断のときには、次のステップ２４２において、全ての二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次のステップ２４４では、調整した時間ｔ’’から各二次電池について調整済の容量Ｑ’’を逆算して演算し、ステップ２４６において今回の休止中に調整した容量分Ｑ’’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納して容量調整Ａ処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００４０】
次に、図６のステップ２０８で否定判断された場合には、ステップ２５０へ進み、図９に示す容量調整Ｂ処理サブルーチンを実行する。ステップ２５２では、調整容量の補正を実行する。この調整容量の補正は、ステップ２１８でＲＡＭに格納した放電末期電圧より演算した調整容量からステップ２３５又はステップ２４６でＲＡＭに格納した充放電休止時に既に調整済の累計調整容量分を差し引くことによって行なわれる。次のステップ２５４では補正後の調整容量がＲＡＭに移行した調整容量設定値より大きいか否かを判断することによって容量調整が必要か否かを判断し、否定判断のときは、容量調整が不要と判定して容量調整Ｂ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進み、肯定判断のときは、ステップ２５６において調整時間を演算して、ステップ２６０で調整時間が経過するまでステップ２５８において調整信号を該当する容量調整回路６へ出力し続ける。これにより該当する二次電池の容量調整が充放電休止後の次の充電時に実行されることとなる。なお、ステップ２５６では、次回の補正に備えるために、調整時間を演算した後にＲＡＭに格納されている累計調整量をクリアして０とする。
【００４１】
次のステップ２６２では、該当二次電池の容量調整を解除するためにその二次電池の容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次にステップ２６４で、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断して必要がある場合には容量調整を続行して、調整が必要な最後の二次電池の調整時間が経過すると容量調整処理Ｂサブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００４２】
次に、図６のステップ２７２では、上述したステップ１０４での電圧変化量ΔＢ／Δｔの演算を可能とするために、モジュール電圧を取り込みＲＡＭに格納し、次のステップ２７４において、上述したステップ１０８での温度変化量の演算を可能とするために、各二次電池の各温度値を取り込みＲＡＭに格納して、ステップ１００へ戻る。
【００４３】
（効果等）
次に、８個の二次電池Ｂ１、Ｂ２・・・Ｂ８を直列に接続した本実施形態のモジュール電池ユニット１０の実施例と、実施例の効果を確認するために同じく８個の二次電池を直列に接続した従来例の（本実施形態のモジュール電池制御装置を備えない）モジュール電池ユニットの比較例とを作製し、充放電を行い放電終止電圧を測定して本実施形態のモジュール電池ユニット１０の効果を確認した。なお、本実施例のモジュール電池ユニット１０では故意に電圧にバラツキを設けた二次電池を使用した。
【００４４】
実施例及び比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果をそれぞれ図１１、図１２に示す。
【００４５】
図１１に示すように、本実施例のモジュール電池ユニット１０では、初期、二次電池（セル１〜セル８）間に電圧差があったが容量調整回路６１〜６８による容量調整により電圧差が少なくなっており、途中、差が生じた場合にも容量調整がされ約５０ｍＶ以内におさまろうとしている。
【００４６】
これに対し比較例のモジュール電池ユニットでは、図１２に示すように、初期、ほぼ電圧が一致していたが、サイクルが進むにつれて電圧差が増加しているので、本実施例のモジュール電池ユニット１０のモジュール電池制御装置により直列に接続された二次電池が均等に調整されていることがわかる。
【００４７】
本実施形態では、容量調整Ａ処理サブルーチンで、充電末期に電池電圧検出回路５で検出された各二次電池の電池電圧が設定値を越えてバラツキがあるときに容量調整回路６で充電電流をバイパスさせる（図３参照）と共に、充放電休止時に二次電池箇々の内部抵抗、充電電流の違いにより生じた開放電圧のバラツキを容量調整回路６で開放電圧の高い二次電池を放電させ各二次電池の電池電圧をバランスさせるので（図１０参照）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。また、設定値以上バラツキがあるときに容量調整を行うので、各二次電池に充電された容量の消費を節約することができる。
【００４８】
また、放電終止処理サブルーチンで、放電終止時に検出した箇々の二次電池の電池電圧の中で最も低い電圧の二次電池（放電終止電圧に最初に達した二次電池）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を箇々に算出して（ステップ２１６）、容量調整Ｂ処理サブルーチンで、充電中に箇々の二次電池の容量を、次の充電時、充電電流をバイパスさせ容量調整を行うので（ステップ２５８、２６０）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。
【００４９】
更に、容量調整Ｂ処理サブルーチンでは、放電末期電圧から演算した調整容量より放電休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので（ステップ２５２）、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる。
【００５０】
また、保護処理サブルーチンで、モジュール電池のモジュール電圧、各二次電池の温度、各二次電池の電圧の異常、及び、過充電又は過放電を検出すると、充放電電流を遮断してモジュール電池ユニット１０の充放電を停止させるようにしたので、二次電池の性能を劣化させることなく保護することができる。
【００５１】
従って、本実施形態のモジュール電池ユニット１０のモジュール電池制御装置は、各二次電池を効率よく均等に充放電させることができ、このことは実施例の評価からも明らかである。
【００５２】
なお、本実施形態のモジュール電池ユニット１０では、全ての二次電池を保護するために、サーミスタ７を各二次電池に接触させて配置したが、このサーミスタ７は、例えば、二次電池１個おきに配置する等任意の二次電池に対して少なくとも１個以上あればよい。この場合には二次電池保護の観点からは劣ることとなるが、コストを節約することができるという利点がある。また、本実施形態ではサーミスタ７を温度センサとして使用した例について説明したが、サーミスタ以外に温度センサとして機能する種々のセンサを使用することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、図２に示した電池電圧検出回路２を複数個備えた例について説明したが、スイッチ等により切り換えて、１つの差動増幅回路により各二次電池の電池電圧を検出するようにしてもよい。
【００５４】
更に、本実施形態では、図３に容量調整手段としての容量調整回路６１の例を示したが、図３に示した回路構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の回路構成が可能であることは当業者にとって明らかである。
【００５５】
また、本実施形態では、状態検出手段としてシャント抵抗及び充放電電流検出回路５を例示したが、充放電状態の検出ができる他の種々のセンシング回路を構成することができることも当業者にとって明らかである。更に、本実施形態の充放電電流検出回路５では説明を簡単にするために充電休止中又は放電休止中のデフォルト値を０としたが、シャント抵抗からの両端電圧にはノイズ等による誤差が生ずる場合があるので、この誤差が考慮された充放電電流検出回路とすることが好ましい。
【００５６】
そして、本実施形態のフローチャートでは、マイコン１による制御の一形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形適用が可能であることも明らかである。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、容量調整手段が、休止状態時に、二次電池の各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する容量を算出し、その容量分の電流をスイッチをオン状態として放電させるので、各二次電池の電池電圧を均等にすることができ、充各二次電池間の電圧差が最も大きくなる電状態時に、前回の放電終止時の各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量相当分の充電電流をバイパスさせ、かつ、前回の充電末期の各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに電圧差に相当する充電電流をバイパスさせるので、各二次電池の電池電圧を更に均等にすることができると共に、電圧差が予め設定された設定値を越えたときに、電圧差に相当する容量分の電流を放電ないしバイパスさせるようにしたので、二次電池の充電容量の消費を節約することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したモジュール電池ユニットの実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態のモジュール電池制御装置の電池電圧検出回路を示す回路図である。
【図３】実施形態のモジュール電池制御装置の容量調整回路を示す回路図である。
【図４】実施形態のモジュール電池制御装置のモジュール電池制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】モジュール電池制御処理ルーチンの保護処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図６】モジュール電池制御処理ルーチンの容量調整処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図７】容量調整処理サブルーチンにおける放電終止処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図８】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ａ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図９】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ｂ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図１０】充放電休止時の容量調整回路の容量調整の作用を示す説明回路図である。
【図１１】本実施形態を適用した実施例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示す説明図である。
【図１２】比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１マイコン（電池温度検出手段の一部、遮断手段の一部）
２電池電圧検出回路（電池電圧検出手段の一部）
３電池温度検出回路（電池温度検出手段の一部）
４モジュール電圧検出回路（モジュール電圧検出手段の一部）
５充放電電流検出回路（状態検出手段の一部）
６１、６２、６ｎ容量調整回路（状態検出手段の一部）
７１、７２、７ｎサーミスタ（電池温度検出手段の一部）
８電流センサ（状態検出手段の一部）
９遮断スイッチ（遮断手段の一部）
１０モジュール電池ユニット
Ｂ１、Ｂ２、Ｂｎ二次電池

Claims

複数個の二次電池を直列に接続したモジュール電池を制御するモジュール電池制御装置において、
前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段と、
前記複数個の二次電池の各々に並列に接続された容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記スイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、
を備え、前記容量調整手段は、
前記状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電休止状態及び放電休止状態の少なくとも一方を含む休止状態時において、前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する容量を算出し、該算出した容量分の電流を前記スイッチをオン状態として放電させ、
前記状態検出手段で検出された充放電状態のうち充電状態時において、前回の放電終止時に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量を算出し、該算出した放電可能容量相当分の前記他の二次電池の充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせ、かつ、前回の充電末期に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせることにより、前記二次電池の各々の容量調整を行うことを特徴するモジュール電池制御装置。
前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧が予め設定された設定値を越えたときに、前記モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のモジュール電池制御装置。
前記モジュール電池のモジュール電圧を検出するモジュール電圧検出手段及び前記複数個の二次電池のうち少なくとも１個の二次電池の電池温度を検出する電池温度検出手段の少なくともいずれか一方を更に備え、前記遮断手段は前記モジュール電圧及び前記電池温度の少なくともいずれか一方がそれぞれ予め設定された設定値を越えたときに、前記モジュール電池の充放電を遮断することを特徴とする請求項２に記載のモジュール電池制御装置。
前記容量調整手段は、前記充電状態時において、放電末期電圧から演算した調整容量から前記休止状態時に行った容量調整分を差し引く補正をすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のモジュール電池制御装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のモジュール電池制御装置を備えたモジュール電池ユニット。
容量調整用の抵抗及びスイッチが並列に接続された二次電池を複数個直列に接続したモジュール電池を制御するモジュール電池制御方法であって、
充電休止時及び放電休止時の少なくとも一方を含む休止状態時において、前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出し、該検出された各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する容量を算出し、該算出された容量分の電流を前記スイッチをオン状態として放電させ、
充電状態時において、前回の放電終止時に検出された各々の電池電圧のうち最小の電池電圧を基準に他の二次電池の各々の放電可能容量を算出し、該算出した放電可能容量相当分の前記他の二次電池の充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせ、かつ、前回の充電末期に検出された各々の電池電圧に基づいて、該各々の電池電圧の電圧差が予め設定された設定値を越えたときに前記電圧差に相当する充電電流を前記スイッチをオン状態としてバイパスさせる、
ステップを含むモジュール電池制御方法。
前記バイパスさせるステップにおいて、放電可能容量を算出するときに、放電末期電圧から演算した調整容量から前記休止状態時に行った容量調整分を差し引く補正を行うことを特徴とする請求項６に記載のモジュール電池制御方法。