JP3615507B2 - 組電池の充電率調整回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車等の電気自動車における走行用モータの電源等として用いられる高電圧の組電池を対象として、組電池を構成する複数の電池モジュールの充電率を調整する回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車等の電気自動車においては、走行用モータの電源として、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池が搭載されている。この様な組電池においては、通常、200〜300Vの高電圧を発生する必要があるため、例えば1セル当りの出力が約3.6Vのリチウム系の二次電池では60〜80セルが直列に接続され、1セル当りの出力が約1.2VのNiMH系の二次電池では200セル程度が直列に接続されて、組電池が構成される。
【0003】
この様な組電池においては、全ての二次電池の充電状態が均等であることが望ましい。例えば1本の二次電池が70%の充電率であり、他の二次電池が50%の充電率である場合、充電可能な電気量は、充電率70%の二次電池が満充電になるまでの30%相当であるため、仮に30%相当を超えて充電を行なうと、充電率が70%であった二次電池は、充電率が100%を超えることとなって、寿命が大幅に短くなる。その結果、組電池としての寿命も短くなる。
【0004】
組電池の残量のばらつきは、各二次電池の効率(充放電効率)のばらつきに依存する。例えば組電池を構成する二次電池の充電効率を一律に100%、放電効率を99.0%〜99.5%と仮定した場合、10Ahの電荷を充電すると、全ての二次電池に10Ahの電荷が蓄積される。次いで10Ahの電荷の放電を行なうと、放電効率が99.0%のセルでは10.1Ah(=10Ah/0.990)、99.5%のセルでは10.05Ah(=10Ah/0.995)の電荷の放電が行なわれたことになる。この場合、放電効率の良い99.5%の二次電池には0.05Ahだけ多くの電荷が残ることになる。従って、充放電が繰り返されることにより、次第に二次電池間で残量がばらついてくる。特に充放電効率が極めて高いリチウムイオン二次電池では、僅かな充放電効率のばらつきによって、残量のばらつきが蓄積される傾向が著しい。
【0005】
そこで、図9に示す如き充電率調整回路(6)を構成して、電荷の多い二次電池から放電を行なって、電荷の少ない二次電池に残量を合わせることが行なわれている。該回路においては、1或いは複数個の二次電池を電池モジュール(70)として、4個の電池モジュールを直列に接続して電池ブロック(71)が構成され、更に2個の電池ブロック(71)を直列に接続して組電池が構成されている。
各電池ブロック(71)の両端及び電池モジュール(70)どうしの連結点からはそれぞれ、電圧検出線(61)が引き出され、これらの電圧検出線(61)は電圧計測回路(62)に接続されている。又、各電池モジュール(70)の両端には、後述の放電回路(63)が接続されている。
電圧計測回路(62)(62)及び放電回路1〜8は、図示省略する制御回路に接続されており、該制御回路は、電圧計測回路(62)(62)によって計測された各電池モジュール(70)の両端電圧に基づいて放電回路1〜8の放電動作を制御する。
【0006】
図10は、上記放電回路(63)の回路構成例を表わしており、フォトカプラー(64)をオンにすると、MOSFETからなる開閉スイッチ(65)が閉じて、放電抵抗(66)に電池モジュール(70)からの電流が流れる。これによって、電池モジュール(70)の充電率を下げることが出来る。
【0007】
図9に示す充電率調整回路(6)において、制御回路は、電圧計測回路(62)(62)から得られる電圧計測結果に基づいて、充電率の高い電池モジュール(70)を特定し、該電池モジュール(70)に接続された放電回路(63)のフォトカプラーをオンとする。この結果、該電池モジュール(70)の充電率が低下して、全ての電池モジュールの充電率を均一化することが出来る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充電率調整回路(6)においては、図9に示す如く、組電池を構成する電池モジュール(70)毎に放電回路(63)を装備する必要があり、これによって回路規模が大きくなるため、回路動作について信頼性が低下すると共にコストアップとなる問題があった。
そこで、本発明の目的は、部品点数の削減が可能な組電池の充電率調整回路を提供することである。
【0009】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る第1の組電池の充電率調整回路は、複数の電池モジュールを互いに直列に接続して電池ブロックを構成し、該電池ブロックを複数具えた組電池を対象として、前記複数の電池モジュールの充電率若しくは電圧を均一化する回路である。そして、該充電率調整回路は、
前記複数の電池ブロックを互いに直列に接続し、或いは該接続を切り離すための第1接続/切離し手段と、
前記複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを互いに並列に接続し、或いは該接続を切り離すための第2接続/切離し手段と、
少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両極に接続され、放電指令を受けて放電動作を実行する複数の放電回路と、
少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両端電圧を検出する電圧検出回路と、
組電池を電力供給源として動作させる通常動作時には、第1接続/切離し手段を接続状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を切離し状態に設定する一方、電池モジュールの充電率を調整する充電率調整時には、第1接続/切離し手段を切離し状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を接続状態に設定し、その状態で電圧検出回路の検出結果に基づいて1或いは複数の放電回路に対して放電指令を発する制御回路
とを具えている。
【0010】
上記本発明に係る第1の充電率調整回路においては、通常動作時には、第1接続/切離し手段が接続状態に設定されると共に、第2接続/切離し手段が切離し状態に設定される。これによって、複数の電池ブロックが互いに直列に接続されて、組電池全体が電力供給源として動作することになる。
これに対し、充電率調整時には、第1接続/切離し手段が切離し状態に設定されると共に、第2接続/切離し手段が接続状態に設定される。これによって、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールが互いに並列に接続されて、充電率の高い電池モジュールから充電率の低い電池モジュールへ電荷が移動する。この様にして、電池モジュール相互間で充放電が行なわれ、この結果、複数の電池ブロック間で互いに並列に接続された複数の電池モジュールの充電率が均一化されることになる。但し、各電池ブロックを構成する複数の電池モジュール間の充電率のばらつきは残存している。
【0011】
電池モジュールの充電率は高い相関関係を伴って両端電圧値に反映される。特にリチウムイオン二次電池では、かかる傾向が著しい。
そこで、仮に1つの電池ブロックを構成する1つの電池モジュールの両端電圧が該電池ブロックを構成する他の電池モジュールに比べて高い場合、該1つの電池モジュールの両極、或いは該1つの電池モジュールと並列に接続された電池モジュールの両極に接続された放電回路に対して、制御回路から放電指令が発せられる。
該放電回路に放電指令が入力されると、放電動作が実行されて、前記両端電圧の高い電池モジュールと、該電池モジュールに並列接続された1或いは複数の電池モジュールから放電回路に電荷が移動して、これらの電池モジュールの放電が行なわれ、この結果、これらの電池モジュールの充電率が前記他の電池モジュールの充電率と揃うことになる。
この様にして、全ての電池ブロックを構成する全ての電池モジュールの充電率が均一化されることになる。
【0012】
上記本発明に係る第1の充電率調整回路によれば、電池モジュールの充電率を調整する際、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを並列に接続することにより、1つの放電回路でこれら複数の電池モジュールを放電させることが出来る。従って、1つの電池ブロックを構成する電池モジュールと同一個数の放電回路を装備すればよく、組電池を構成する電池モジュール毎に放電回路を装備する必要のあった従来の充電率調整回路に比べて、放電回路の数が減少する。ここで、本発明に係る充電率調整回路においては、第1接続/切離し手段及び第2接続/切離し手段を装備しなければならないが、放電回路は多数の電子部品から構成されるため、放電回路の減少による部品点数の減少量は、第1接続/切離し手段及び第2接続/切離し手段の装備による部品点数の増大量に比べて多い。従って、充電率調整回路全体の部品点数は、従来の充電率調整回路に比べて削減される。
【0013】
又、本発明に係る第1の充電率調整回路においては、複数の電池ブロック間で互いに並列に接続された複数の電池モジュールの充電率が電池モジュール相互間の充放電により均一化され、これによって、組電池を構成する全ての電池モジュールの充電率のばらつきが減小する。そして、各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールの充電率が放電回路の放電動作により均一化される。従って、組電池を構成する全ての電池モジュールの充電率を放電回路の放電動作のみにより均一化する従来の充電率調整回路に比べて、放電回路の放電動作により廃棄するエネルギー量を減少させることが出来、これによってエネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0014】
第1の具体的構成において、前記第1接続/切離し手段は、複数の電池ブロックを互いに直列に接続する1或いは複数の直列線路と、各直列線路に介在する第1スイッチとから構成され、前記第2接続/切離し手段は、各電池ブロックの両端及び各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールどうしの連結点に設けられた複数の並列接続点と、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の並列接続点を互いに接続する複数の並列線路と、各並列線路に介在する第2スイッチとから構成される。
【0015】
上記第1の具体的構成においては、通常動作時には、全ての第1スイッチがオンに設定されると共に全ての第2スイッチがオフに設定されることによって、複数の電池ブロックが互いに直列に接続されることになる。
これに対し、充電率調整時には、全ての第1スイッチがオフに設定されると共に全ての第2スイッチがオンに設定されることによって、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールが互いに並列に接続されることになる。
ここで、第1スイッチ及び第2スイッチは夫々、電池モジュールの短絡を防止するため、オン期間が重ならない様にオン/オフ制御される。即ち、第1スイッチがオンに設定されているときは、第2スイッチは常にオフに設定され、第2スイッチがオンに設定されているときは、第1スイッチは常にオフに設定される。
【0016】
又、具体的には、前記各並列線路には、第2スイッチに流れ込む電流の大きさを所定値以下に制限するための電流制限素子が介在している。電流制限素子としては、例えば、抵抗や定電流ダイオードが採用される。
【0017】
上記具体的構成によれば、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュール間で充電率に大きな差が生じている場合であっても、第2スイッチがオンに設定されたときに該第2スイッチに所定値よりも大きな電流が流れ込むことはなく、過電流によって第2スイッチが焼損することを防止することが出来る。
【0018】
第2の具体的構成において、前記第1接続/切離し手段は、複数の電池ブロックを互いに接続する1或いは複数の直列線路と、各直列線路に介在する第1スイッチとから構成され、前記第2接続/切離し手段は、各電池ブロックの両端及び各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールどうしの連結点に設けられた複数の並列接続点と、各電池ブロックの各並列接続点から引き出された並列線路と、1つの電池ブロックを除く他の電池ブロック、或いは全ての電池ブロックから伸びる各並列線路に介在する第2スイッチとから構成され、各放電回路の正負一対の入力端子は夫々、前記並列線路を介して、全ての電池ブロックの互いに対応づけられた全ての電池モジュールの正極及び負極に接続され、前記各並列線路には、第2スイッチに流れ込む電流の大きさを所定値以下に制限するための電流制限素子が介在している。電流制限素子としては、例えば、抵抗や定電流ダイオードが採用される。
【0019】
上記第2の具体的構成においては、通常動作時には、全ての第1スイッチがオンに設定されると共に全ての第2スイッチがオフに設定されることによって、複数の電池ブロックが互いに直列に接続されることになる。
これに対し、充電率調整時には、全ての第1スイッチがオフに設定されると共に全ての第2スイッチがオンに設定されることによって、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールが互いに並列に接続されることになる。
ここで、第1スイッチ及び第2スイッチは夫々、電池モジュールの短絡を防止するため、オン期間が重ならない様にオン/オフ制御される。即ち、第1スイッチがオンに設定されているときは、第2スイッチは常にオフに設定され、第2スイッチがオンに設定されているときは、第1スイッチは常にオフに設定される。
【0020】
上記第2の具体的構成によれば、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュール間で充電率に大きな差が生じている場合であっても、第2スイッチがオンに設定されたときに該第2スイッチに所定値よりも大きな電流が流れ込むことはなく、過電流によって第2スイッチが焼損することを防止することが出来る。
又、上記第2の具体的構成においては、放電回路の放電動作により各電池モジュールが放電する際に該放電電流が通過する経路には2つの電流制限素子が介在するに過ぎない。従って、2つの電流制限素子によって電池モジュールの電力が消費されるに過ぎず、電流制限素子によるエネルギー損失が抑制されて、エネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0021】
本発明に係る第2の充電率調整回路は、複数の電池モジュールを互いに直列に接続して電池ブロックを構成し、該電池ブロックを複数具えた組電池を対象とする回路である。そして、該充電率調整回路は、
前記複数の電池ブロックを互いに直列に接続し、或いは該接続を切り離すための第1接続/切離し手段と、
前記複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを互いに並列に接続し、或いは該接続を切り離すための第2接続/切離し手段と、
少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両極に接続され、充電指令を受けて充電動作を実行する複数の充電回路と、
少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両端電圧を検出する電圧検出回路と、
組電池を電力供給源として動作させる通常動作時には、第1接続/切離し手段を接続状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を切離し状態に設定する一方、電池モジュールの充電率を調整する充電率調整時には、第1接続/切離し手段を切離し状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を接続状態に設定し、電圧検出回路の検出結果に基づいて1或いは複数の充電回路に対して充電指令を発する制御回路
とを具えている。
【0022】
上記本発明に係る第2の組電池の充電率調整回路は、上記第1の充電率調整回路の放電回路に代えて、充電回路を装備したものである。
充電率調整時には、第1接続/切離し手段が切離し状態に設定されると共に、第2接続/切離し手段が接続状態に設定される。これによって、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールが互いに並列に接続されて、これら複数の電池モジュールの充電率が均一化される。
そして、仮に1つの電池ブロックを構成する1つの電池モジュールの両端電圧が該電池ブロックを構成する他の電池モジュールに比べて低い場合、該1つの電池モジュールの両極、或いは該1つの電池モジュールと並列に接続された電池モジュールの両極に接続された充電回路に対して、制御回路から充電指令が発せられる。
該充電回路に充電指令が入力されると、充電動作が実行されて、充電回路から前記両端電圧の低い電池モジュールと、該電池モジュールに並列接続された1或いは複数の電池モジュールに電荷が移動して、これらの電池モジュールの充電が行なわれ、この結果、これらの電池モジュールの充電率が前記他の電池モジュールの充電率と揃うことになる。
この様にして、全ての電池ブロックを構成する全ての電池モジュールの充電率が均一化されることになる。
【0023】
上記本発明に係る第2の充電率調整回路によれば、電池モジュールの充電率を調整する際、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを並列に接続することにより、1つの充電回路でこれら複数の電池モジュールを充電することが出来る。従って、1つの電池ブロックを構成する電池モジュールと同一個数の充電回路を装備すればよく、組電池を構成する電池モジュール毎に充電回路を装備する充電率調整回路に比べて充電回路の数が減少する。
又、本発明に係る第2の充電率調整回路においては、充電率の低い電池モジュールを充電することによって充電率を調整するので、廃棄するエネルギー量はゼロであり、エネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0024】
具体的には、前記複数の充電回路に電力を供給する充電用電池を具えており、充電用電池から得られる電力が電池モジュールに供給されて、該電池モジュールが充電される。
【0025】
或いは、具体的には、複数の電池ブロックの内、何れか1つの電池ブロックの両端に前記複数の充電回路の電力入力端子が接続されており、複数の電池ブロックの内、何れか1つの電池ブロックから得られる電力が電池モジュールに供給されて、該電池モジュールが充電される。
【0026】
【発明の効果】
本発明に係る組電池の充電率調整回路によれば、部品点数を削減することが出来る。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、ハイブリッド車の電源として用いる組電池の充電率調整回路に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
第1実施例
図1は、2つの電池ブロック(11)(12)からなる組電池の充電率調整回路(2)の構成を表わしている。該回路(2)において、第1電池ブロック(11)及び第2電池ブロック(12)は夫々、1或いは複数個の二次電池を電池モジュールとして、4つの電池モジュールを直列に接続して構成されている。
【0028】
前記第1ブロック(11)の負極から1本の直列線路(21)が引き出され、該直列線路(21)の先端は第2電池ブロック(12)の正極に接続されている。直列線路(21)には、第1スイッチ(22)が介在し、第1スイッチ(22)がオンとなることによって両電池ブロック(11)(12)は互いに直列に接続される一方、第1スイッチ(22)がオフとなることによって両電池ブロック(11)(12)の接続は切り離される。
【0029】
第1電池ブロック(11)の両端及び電池モジュールM1〜M4どうしの連結点には、5つの並列接続点P1が設けられる一方、第2電池ブロック(12)の電池モジュールM5〜M8の両端には、8つの並列接続点P2が設けられている。第1電池ブロック(11)の5つの並列接続点P1から5本の並列線路(23)が引き出され、これら5本の並列線路(23)の先端は、第2電池ブロック(12)の対応する並列接続点P2に接続されている。5本の並列線路(23)には夫々、第2スイッチ(24)が介在している。全ての第2スイッチ(24)がオンとなることによって、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールどうし、即ち、電池モジュールM1とM5、電池モジュールM2とM6、電池モジュールM3とM7、電池モジュールM4とM8が互いに並列に接続される一方、全ての第2スイッチ(24)がオフとなることによって、前記対応する2つの電池モジュールどうしの接続が切り離される。
【0030】
又、第1電池ブロック(11)の5つの並列接続点P1から5本の電圧検出線(25)が引き出され、これらの電圧検出線(25)は第1電圧計測回路(26)に接続されている。第1電圧計測回路(26)によって、第1電池ブロック(11)を構成する4つの電池モジュールM1〜M4の両端電圧が計測される。
又、前記5本の並列線路(23)には、第2電圧計測回路(27)が接続され、第2電圧計測回路(27)によって、第2電池ブロック(12)を構成する4つの電池モジュールM5〜M8の両端電圧が計測される。
【0031】
第2電池ブロック(12)の電池モジュールM5〜M8の両端に設けられた8つの並列接続点P2には、4つの放電回路(28)が接続されている。放電回路としては、例えば図10に示す従来の放電回路と同一の構成の放電回路を採用することが可能である。
【0032】
図1に示す1つの第1スイッチ(22)、5つの第2スイッチ(24)、第1及び第2電圧計測回路(26)(27)、及び4つの放電回路(28)には、図示省略する制御回路が接続されている。
制御回路は、イグニッションスイッチ(図示省略)のオン/オフ状態に応じて、第1スイッチ(22)及び第2スイッチ(24)のオン/オフ状態を切り換える。
又、制御回路は、イグニッションスイッチがオンに設定されている状態では、第1及び第2電圧計測回路(26)(27)によって計測される電池モジュールM1〜M8の両端電圧に基づいて、各電池モジュールに異常が発生していないかを監視する。
更に、制御回路は、イグニッションスイッチがオフに設定されている状態では、後述の如く、第1電圧計測回路(26)によって計測される電池モジュールM1〜M4の両端電圧に応じて、4つの放電回路(28)の放電動作を制御する。
【0033】
図2は、イグニッションスイッチがオンに設定されたときに上記制御回路によって実行されるスイッチ切換え手続を表わしている。尚、制御回路には、割込みタイマやリアルタイムクロック等の計時素子によって構成される均等化タイマが内蔵されており、該均等化タイマは、所定の時間間隔、例えば10分毎にパルスを出力する。
イグニッションスイッチのオン状態が検出されると、図示の如く、先ずステップS1にて、均等化タイマを停止させた後、ステップS2では、4つの放電回路1〜4の放電動作を停止させる。
続いて、ステップS3では、全ての第2スイッチ(24)をオフに設定した後、ステップS4では、第1スイッチ(22)をオンに設定して、手続を終了する。この様に、第2スイッチ(24)をオフに設定した後に第1スイッチ(22)をオンに設定する理由は、電池モジュールが短絡する経路が形成されることによって電池モジュールや回路が焼損することを防止するためである。
【0034】
上記手続によって、図1に示す第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールどうし、即ち、電池モジュールM1とM5、電池モジュールM2とM6、電池モジュールM3とM7、電池モジュールM4とM8の接続が切り離される一方、第1電池ブロック(11)と第2電池ブロック(12)とが互いに直列に接続されて、組電池全体が電力供給源として動作可能となる。
【0035】
図3は、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制御回路によって実行されるスイッチ切換え手続を表わしている。
イグニッションスイッチのオフ状態が検出されると、図示の如く、先ずステップS11にて、第1スイッチ(22)をオフに設定した後、ステップS12では、全ての第2スイッチ(24)をオンに設定する。この様に、第1スイッチ(22)をオフに設定した後に第2スイッチ(24)をオンに設定する理由は、電池モジュールが短絡する経路が形成されることによって電池モジュールや回路が焼損することを防止するためである。
最後にステップS13にて、均等化タイマの計時動作を開始させて、手続を終了する。
【0036】
上記手続によって、図1に示す第1電池ブロック(11)と第2電池ブロック(12)の接続が切り離される一方、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールどうし、即ち、電池モジュールM1とM5、電池モジュールM2とM6、電池モジュールM3とM7、電池モジュールM4とM8が互いに並列に接続される。
この様にして、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールが互いに並列に接続されると、両端電圧の高い電池モジュールから低い電池モジュールへ電荷の移動が開始されて両電池モジュール相互間で充放電が開始される。
又、所定の時間間隔で均等化タイマからパルスが出力されることになる。
【0037】
次に、各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールの充電率を均一化するために、両端電圧の高い電池モジュールの放電を行なって両端電圧の低い電池モジュールに充電率を合わせる後述の放電制御手続が行なわれる。ここで、電池モジュールの充電率は高い相関関係を伴って両端電圧値に反映されるので、両端電圧値を充電率の指標とすることが出来る。
【0038】
図4は、イグニッションスイッチがオフに設定されている状態で、上記制御回路によって実行される放電制御手続を表わしている。
均等化タイマからパルスが出力されると、図示の如く、先ずステップS21にて、第1電圧計測回路(26)から4つの電池モジュールM1〜M4の両端電圧値V1〜V4を取得し、ステップS22では、4つの両端電圧値の中から最も小さな電圧値Vminを決定する。次にステップS23では、下記数1を用いて、前記電圧値Vminから基準電圧値Vthを算出する。
【0039】
【数1】
Vth=Vmin+Vo
【0040】
ここで、Voは定数であり、第1電圧計測回路(26)の測定誤差を加味して、例えば50mVに設定される。
【0041】
続いてステップS24では、カウンタ変数nを1に初期化した後、ステップS25では、電池モジュールM1の両端電圧値V1が前記基準電圧値Vthよりも大きいか否かを判断し、イエスと判断された場合は、ステップS26にて放電回路1の放電動作をオンに設定した後、ステップS28に移行する一方、ノーと判断された場合は、ステップS27にて放電回路1の放電動作をオフに設定した後、ステップS28に移行する。
【0042】
ステップS28では、カウンタ変数nをカウントアップした後、ステップS29にて、カウンタ変数nが4より大きいか否かを判断し、ノーと判断されてステップS25に戻る。
以下、同様にして、電池モジュールM2〜M4の両端電圧値V2〜V4と基準電圧値Vthとの各比較結果に基づいて、放電回路2〜4の放電動作を順次、オン/オフ設定する。
【0043】
放電回路4の放電動作がオン/オフ設定されると、ステップS29にてイエスと判断され、ステップS30に移行して、全ての放電回路1〜4の放電動作がオフであるか否かを判断する。
電池モジュールM1〜M4の両端電圧値V1〜V4の内、何れかの両端電圧値が基準電圧値Vthよりも大きい場合は、放電回路1〜4の内、何れかの放電回路の放電動作がオンに設定されており、ステップS30にてノーと判断されて上記手続を終了する。その後、均等化タイマからパルスが出力されると、再度、上記手続が実行される。
上記手続は、電池モジュールM1〜M4の全ての両端電圧値V1〜V4が基準電圧値Vth以下となるまで繰り返し実行され、これらの両端電圧値V1〜V4が基準電圧値Vth以下となって全ての放電回路1〜4の放電動作がオフに設定されると、ステップS30にてイエスと判断され、ステップS31にて均等化タイマの計時動作を停止させて、上記手続を終了する。
【0044】
例えば電池モジュールM3の両端電圧値V3が最も小さく、電池モジュールM1の両端電圧値V1のみが電池モジュールM3の両端電圧値V3よりも50mV以上大きな値である場合、上記手続によれば、ステップS23にて電池モジュールM3の両端電圧値V3に50mVを加算した値が基準電圧値Vthとして算出されて、ステップS26にて放電回路1の放電動作がオンに設定され、ステップS27にて他の放電回路2〜4の放電動作はオフに設定される。放電回路1の放電動作がオンに設定されると、電池モジュールM1及び電池モジュールM5から放電回路1に電荷が移動して両電池モジュールM1、M5の放電が行なわれ、両電池モジュールM1、M5の両端電圧が低下する。
その後、上記手続が繰り返される過程で、電池モジュールM1の両端電圧値V1が基準電圧値Vth以下になると、ステップS27にて放電回路1の放電動作がオフに設定されて、上記手続が終了する。
この様にして、電池モジュールM1の両端電圧値V1が電池モジュールM3の両端電圧値V3に合わせられて、第1電池ブロック(11)を構成する4つの電池モジュールM1〜M4の充電率が略等しくなる。
【0045】
又、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュール間では、上述の如く充放電が行なわれ、この結果、これら2つの電池モジュールの充電率が均一化される。即ち、電池モジュールM1とM5の充電率、電池モジュールM2とM6の充電率、電池モジュールM3とM7の充電率、電池モジュールM4とM8の充電率が略等しくなる。
この様にして、第1及び第2ブロック(11)(12)を構成する全ての電池モジュールM1〜M8の充電率が均一化されることになる。
【0046】
本実施例の充電率調整回路(2)においては、電池モジュールの充電率を調整する際、第1及び第2の電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールを互いに並列に接続することにより、1つの放電回路でこれら2つの電池モジュールを放電させることが出来る。従って、1つの電池ブロックを構成する電池モジュールと同一個数、即ち4つの放電回路1〜4を装備すればよく、図9に示す如く8個の放電回路1〜8を装備する必要のあった従来の充電率調整回路に比べて、放電回路の数が減少する。ここで、本実施例の充電率調整回路においては、1つの第1スイッチ(22)及び5つの第2スイッチ(24)を装備しなければならないが、放電回路(28)は多数の電子部品から構成されるため、放電回路(28)の減少による部品点数の減少量は、第1スイッチ(22)及び第2スイッチ(24)の装備による部品点数の増大量に比べて多い。従って、充電率調整回路全体の部品点数は、従来の充電率調整回路に比べて削減され、これによって、回路規模が小さくなる。この結果、回路動作について信頼性が向上すると共にコストが低減する。
【0047】
本実施例の充電率調整回路(2)においては、イグニッションスイッチがオフに設定されている状態では、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールが互いに並列に接続されて、両電池モジュールの両端電圧値は同一値となるため、上述の如く、第1電圧計測回路(26)のみの電圧計測結果に基づいて充電率の調整が行なわれる。かかる充電率の調整の際には、電圧計測結果について高い精度が要求されるため、第1電圧計測回路(26)としては、例えば±10mV程度の精度の高い回路が採用される。
一方、第2電圧計測回路(27)としては、イグニッションスイッチがオンに設定されている状態で電池モジュールM5〜M8に異常が発生していないかを監視するために必要な最低限の精度、例えば±100mV程度の精度の低い回路が採用される。
この様に、第2電圧計測回路(27)として精度の低い回路を採用することによって、コストが更に低減する。
【0048】
更に、本実施例の充電率調整回路(2)においては、第1及び第2電池ブロック(11)(12)間で互いに並列に接続された2つの電池モジュールの充電率が電池モジュール相互間の充放電により均一化され、これによって、組電池を構成する全ての電池モジュールM1〜M8の充電率のばらつきが減小する。そして、各電池ブロックを構成する4つの電池モジュールの充電率が放電回路(28)の放電動作により均一化される。従って、組電池を構成する全ての電池モジュールの充電率を放電回路の放電動作のみにより均一化する従来の充電率調整回路に比べて、放電回路(28)の放電動作により廃棄するエネルギー量を減少させることが出来、これによってエネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0049】
第2実施例
本実施例の充電率調整回路(3)は、第1実施例の充電率調整回路に抵抗を装備したものであって、図5に示す如く5本の並列線路(23)にそれぞれ、抵抗(30)が介在している。
例えば、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュール間で生じる最大の電位差が1.2V、第2スイッチ(24)の許容電流値が2Aである場合、抵抗(30)の抵抗値は0.6Ωに設定される。
【0050】
本実施例の充電率調整回路(3)においては、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュール間で充電率に大きな差が生じている場合であっても、全ての第2スイッチ(24)がオンに設定されたときに、第2スイッチ(24)に許容電流値よりも大きな電流が流れ込むことはなく、過電流による第2スイッチ(24)の焼損を防止することが出来る。
【0051】
本実施例の充電率調整回路(3)においては、イグニッションスイッチがオンに設定されたとき、図2に示す第1実施例と同一のスイッチ切換え手続が実行される。これによって、第1電池ブロック(11)と第2電池ブロック(12)とが互いに直列に接続されて、組電池全体が電力供給源として動作可能となる。
又、イグニッションスイッチがオフに設定されたとき、図3に示す第1実施例と同一のスイッチ切換え手続が実行される。これによって、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールが互いに並列に接続されて、両電池モジュール相互間で充放電が開始される。
【0052】
図6は、イグニッションスイッチがオフに設定されている状態で、本実施例の制御回路によって実行される放電制御手続を表わしている。
均等化タイマからパルスが出力されると、図示の如く、先ずステップS31にて、第1電圧計測回路(26)から電池モジュールM1〜M4の両端電圧値V1〜V4を取得すると共に、第2電圧計測回路(27)から電池モジュールM5〜M8の両端電圧値V5〜V8を取得する。
【0053】
次にステップS32では、電池モジュールM1〜M8の両端電圧値V1〜V8に基づいて、各電池モジュールの残量値SOCを推定する。ここで、残量値SOCは、満充電状態であるときの電池容量に対する残量の百分率を表わす値である。
続いてステップS33にて、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の対応する2つの電池モジュールの平均残量値SOCav、即ち電池モジュールM1とM5の平均残量値SOCav1、電池モジュールM2とM6の平均残量値SOCav2、電池モジュールM3とM7の平均残量値SOCav3、電池モジュールM4とM8の平均残量値SOCav4を算出した後、ステップS34では、これらの平均残量値SOCav1〜SOCav4から最も小さな平均残量値SOCminを決定する。
【0054】
更にステップS35では、下記数2を用いて、前記平均残量値SOCminから基準残量値SOCthを算出する。
【0055】
【数2】
SOCth=SOCmin+SOCo
【0056】
ここで、SOCoは定数であり、第1電圧計測回路(26)及び第2計測回路(27)の測定誤差を加味して、例えば5%の値に設定される。
【0057】
続いてステップS36にて、カウンタ変数nを1に初期化した後、ステップS37では、残量値SOCav1が前記基準残量値SOCthよりも大きいか否かを判断し、イエスと判断された場合は、ステップS38にて放電回路1の放電動作をオンに設定した後、ステップS40に移行する一方、ノーと判断された場合は、ステップS39にて放電回路1の放電動作をオフに設定した後、ステップS40に移行する。
【0058】
ステップS40では、カウンタ変数nをカウントアップした後、ステップS41にて、カウンタ変数nが4より大きいか否かを判断し、ノーと判断されてステップS37に戻る。
以下、同様にして、平均残量値SOCav2〜SOCav4と基準残量値SOCminとの各比較結果に基づいて、放電回路2〜4の放電動作を順次、オン/オフ設定する。
【0059】
放電回路4の放電動作がオン/オフ設定されると、ステップS41にてイエスと判断され、ステップS42に移行して、電池モジュールM1〜M8の残量値SOC1〜SOC8のばらつきが5%以内であるか否かを判断し、ノーと判断された場合は上記手続を終了する。その後、均等化タイマからパルスが出力されると、再度、上記手続が実行される。
上記手続は、電池モジュールM1〜M8の残量値SOC1〜SOC8のばらつきが5%以内になるまで繰り返し実行され、ばらつきが5%以内になると、ステップS42にてイエスと判断され、ステップS43にて均等化タイマの計時動作を停止させて、上記手続を終了する。
【0060】
本実施例の充電率調整回路(3)においては、上記手続が繰り返されることにより、第1及び第2電池ブロック(11)(12)を構成する8つの電池モジュールM1〜M8の残量のばらつきが5%以内に減小して、各電池ブロックを構成する4つの電池モジュールの充電率が略等しくなると共に、第1及び第2電池ブロック(11)(12)の2つの対応する電池モジュール間で充放電が行なわれて、両電池モジュールの充電率が略等しくなり、第1及び第2ブロック(11)(12)を構成する全ての電池モジュールM1〜M8の充電率が均一化されることになる。
【0061】
第3実施例
図7は、本実施例の充電率調整回路の構成を表わしている。
図7に示す充電率調整回路(4)は、3つの電池ブロック(11)(12)(13)からなる組電池を対象とするものであって、第1電池ブロック(11)及び第2電池ブロック(12)の負極から夫々、直列線路(41)が引き出され、第1電池ブロック(11)の負極から引き出された直列線路(41)の先端は第2ブロック(12)の正極に接続される一方、第2電池ブロック(12)の負極から引き出された直列線路(41)の先端は、第3電池ブロック(13)の正極に接続されている。各直列線路(41)には、第1スイッチ(42)が介在している。2つの第1スイッチ(42)(42)がオンとなることによって第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)は互いに直列に接続される一方、第1スイッチ(42)(42)がオフとなることによって第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)の接続は切り離される。
【0062】
各電池ブロックの両端及び電池モジュールどうしの連結点には、5つの並列接続点Pが設けられて、各電池ブロックの5つの並列接続点Pから5本の並列線路(43)が引き出されている。第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)の対応する3つの並列接続点Pから引き出された3本の並列線路(43)は先端部にて互いに連結されており、これらの線路連結点に4つの放電回路(48)が接続されている。
【0063】
第1電池ブロック(11)及び第2電池ブロック(12)の並列接続点Pから引き出された各並列線路(43)には、第2スイッチ(44)が介在している。
全ての第2スイッチ(44)がオンとなることによって、第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)の対応する3つの電池モジュール、即ち、電池モジュールM1とM5とM9、電池モジュールM2とM6とM10、電池モジュールM3とM7とM11、電池モジュールM4とM8とM12が互いに並列に接続される一方、全ての第2スイッチ(44)がオフとなることによって、前記対応する3つの電池モジュールの接続が切り離される。
又、第1電池ブロック(11)及び第2電池ブロック(12)の並列接続点Pから引き出された各並列線路(43)には、抵抗(46)が介在している。
各電池ブロックの並列接続点Pから5本の電圧検出線(45)が引き出され、これらの電圧検出線は電圧計測回路(47)に接続されている。
【0064】
本実施例の充電率調整回路(4)においては、イグニッションスイッチがオンに設定されると、2つの第1スイッチ(42)(42)がオンに設定されると共に全ての第2スイッチ(44)がオフに設定される。これによって、第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)が互いに直列に接続されて、組電池全体が電力供給源として動作可能となる。
【0065】
イグニッションスイッチがオフに設定されると、2つの第1スイッチ(42)(42)がオンに設定されると共に全ての第2スイッチ(44)がオフに設定される。これによって、第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)の接続が切り離される一方、第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)の対応する3つの電池モジュールが互いに並列に接続されて、これらの電池モジュール相互間で充放電が開始され、最終的に、これらの電池モジュールの充電率は略等しくなる。
又、放電回路1〜4は、第1実施例或いは第2実施例と同様の手順でオン/オフ制御され、放電回路1〜4の放電動作によって、各電池ブロックを構成する4つの電池モジュールの充電率が略等しくなる。
この様にして、第1乃至第3電池ブロック(11)(12)(13)を構成する全ての電池モジュールM1〜M12の充電率が均一化されることになる。
【0066】
本実施例の充電率調整回路(4)においては、放電回路(48)の放電動作により第1及び第2電池ブロック(11)(12)の電池モジュールが放電する際に放電電流が通過する経路には、2つの抵抗(46)(46)が介在する。例えば、第1電池ブロック(11)の電池モジュールM1が放電する際には、放電電流は、図中に矢印で示す如く、電池モジュールM1の正極から第2スイッチ(44)、抵抗(46)、放電回路1、抵抗(46)及び第2スイッチ(44)を経て電池モジュールM1の負極に至る経路を流れることとなる。
これに対し、図5に示す第2実施例の充電率調整回路に基づいて3つの電池ブロックからなる組電池を対象とする充電率調整回路を構成した場合、第1電池ブロック(11)の各電池モジュールが放電する際に放電電流が通過する経路には、4つの抵抗が介在することになる。
本実施例の充電率調整回路(4)においては、放電電流が通過する抵抗の数は2つに過ぎず、4つの抵抗を通過する上記充電率調整回路に比べて、抵抗によるエネルギー損失を減小させることが出来、これによって、エネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0067】
尚、第3実施例においては、放電回路を装備して、放電によって電池モジュールM1〜M12の充電率を均一化する構成を採用しているが、放電回路に代えて、図8に示す如く、絶縁型のDC/DCコンバータ(50)を装備する構成を採用することも可能である。
電気自動車においては、走行用モータの電源としての組電池以外に鉛蓄電池が搭載されており、DC/DCコンバータ(50)の電力入力端子は、例えばかかる鉛蓄電池に接続される。かかる鉛蓄電池から得られる電力を両端電圧の低い電池モジュールに供給して該電池モジュールを充電することによって、電池モジュールM1〜M12の充電率を均一化することが出来る。
DC/DCコンバータを装備した上記構成においては、廃棄するエネルギー量はゼロであり、エネルギーの有効利用を図ることが出来る。
【0068】
又、図8に示す充電率調整回路(5)において、DC/DCコンバータの電力入力端子を第3電池ブロック(13)の両端A、Bに接続することも可能である。かかる構成においては、第3電池ブロック(13)から得られる電力が各電池ブロックを構成する電池モジュールに供給されて、該電池モジュールが充電される。
【0069】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、第1実施例においては、図3に示すスイッチ切換え手続を実行した後に図4に示す放電制御手続を実行する構成を採用しているが、これに拘わらず、これらの手続を同時に実行する構成を採用することも可能である。
又、第2及び第3実施例においては、図5及び図7に示す如く、電流制限素子として抵抗を採用しているが、抵抗に限らず、定電流ダイオード等、その他の周知の電流制限素子を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の充電率調整回路の構成を表わすブロック図である。
【図2】イグニッションスイッチがオンに設定されたときに実行されるスイッチ切換え手続を表わすフローチャートである。
【図3】イグニッションスイッチがオフに設定されたときに実行されるスイッチ切換え手続を表わすフローチャートである。
【図4】第1実施例の放電制御手続を表わすフローチャートである。
【図5】第2実施例の充電率調整回路の構成を表わすブロック図である。
【図6】第2実施例の放電制御手続を表わすフローチャートである。
【図7】第3実施例の充電率調整回路の構成を表わすブロック図である。
【図8】他の実施例の充電率調整回路の構成を表わすブロック図である。
【図9】従来の充電率調整回路の構成を表わすブロック図である。
【図10】放電回路の構成を表わす回路図である。
【符号の説明】
(11) 第1電池ブロック
(12) 第2電池ブロック
(2) 充電率調整回路
(21) 直列線路
(22) 第1スイッチ
(23) 並列線路
(24) 第2スイッチ
(25) 電圧検出線
(26) 第1電圧計測回路
(27) 第2電圧計測回路
(28) 放電回路

Claims (7)

  1. 複数の電池モジュールを互いに直列に接続して電池ブロックを構成し、該電池ブロックを複数具えた組電池において、前記複数の電池モジュールの充電率若しくは電圧を均一化する充電率調整回路であって、
    前記複数の電池ブロックを互いに直列に接続し、或いは該接続を切り離すための第1接続/切離し手段と、
    前記複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを互いに並列に接続し、或いは該接続を切り離すための第2接続/切離し手段と、
    少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両極に接続され、放電指令を受けて放電動作を実行する複数の放電回路と、
    少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両端電圧を検出する電圧検出回路と、
    組電池を電力供給源として動作させる通常動作時には、第1接続/切離し手段を接続状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を切離し状態に設定する一方、電池モジュールの充電率を調整する充電率調整時には、第1接続/切離し手段を切離し状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を接続状態に設定し、その状態で電圧検出回路の検出結果に基づいて1或いは複数の放電回路に対して放電指令を発する制御回路
    とを具えていることを特徴とする組電池の充電率調整回路。
  2. 前記第1接続/切離し手段は、複数の電池ブロックを互いに直列に接続する1或いは複数の直列線路と、各直列線路に介在する第1スイッチとから構成され、前記第2接続/切離し手段は、各電池ブロックの両端及び各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールどうしの連結点に設けられた複数の並列接続点と、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の並列接続点を互いに接続する複数の並列線路と、各並列線路に介在する第2スイッチとから構成される請求項1に記載の充電率調整回路。
  3. 前記各並列線路には、第2スイッチに流れ込む電流の大きさを所定値以下に制限するための電流制限素子が介在している請求項2に記載の充電率調整回路。
  4. 前記第1接続/切離し手段は、複数の電池ブロックを互いに接続する1或いは複数の直列線路と、各直列線路に介在する第1スイッチとから構成され、前記第2接続/切離し手段は、各電池ブロックの両端及び各電池ブロックを構成する複数の電池モジュールどうしの連結点に設けられた複数の並列接続点と、各電池ブロックの各並列接続点から引き出された並列線路と、1つの電池ブロックを除く他の電池ブロック、或いは全ての電池ブロックから伸びる各並列線路に介在する第2スイッチとから構成され、各放電回路の正負一対の入力端子は夫々、前記並列線路を介して、全ての電池ブロックの互いに対応づけられた全ての電池モジュールの正極及び負極に接続され、前記各並列線路には、第2スイッチに流れ込む電流の大きさを所定値以下に制限するための電流制限素子が介在している請求項1に記載の充電率調整回路。
  5. 複数の電池モジュールを互いに直列に接続して電池ブロックを構成し、該電池ブロックを複数具えた組電池において、前記複数の電池モジュールの充電率若しくは電圧を均一化する充電率調整回路であって、
    前記複数の電池ブロックを互いに直列に接続し、或いは該接続を切り離すための第1接続/切離し手段と、
    前記複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを互いに並列に接続し、或いは該接続を切り離すための第2接続/切離し手段と、
    少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両極に接続され、充電指令を受けて充電動作を実行する複数の充電回路と、
    少なくとも1つの電池ブロックを構成する各電池モジュールの両端電圧を検出する電圧検出回路と、
    組電池を電力供給源として動作させる通常動作時には、第1接続/切離し手段を接続状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を切離し状態に設定する一方、電池モジュールの充電率を調整する充電率調整時には、第1接続/切離し手段を切離し状態に設定すると共に第2接続/切離し手段を接続状態に設定し、電圧検出回路の検出結果に基づいて1或いは複数の充電回路に対して充電指令を発する制御回路
    とを具えていることを特徴とする充電率調整回路。
  6. 前記複数の充電回路に電力を供給する充電用電池を具えている請求項5に記載の充電率調整回路。
  7. 複数の電池ブロックの内、何れか1つの電池ブロックの両端に前記複数の充電回路の電力入力端子が接続されている請求項5に記載の充電率調整回路。
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