JP3684998B2 - 組電池の容量調整方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は組電池の容量調整方法に係り、特に直列に単電池が複数個接続され、単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、単電池を直列に複数個接続した組電池では、充放電において単電池の充電レベルが何らかの原因で平均値からずれた場合に、平均値からずれた単電池が過充電又は過放電となり、組電池の放電性の低下や過放電での寿命低下といった組電池固有の問題を招く。
【0003】
これらの問題を防止するために、組電池を構成する各単電池には、単電池の電池電圧を測定(検出)する単電池電圧測定(検出)回路と、スイッチを介して単電池の容量を調整する容量調整用抵抗と、が並列に接続されている。そして、単電池電圧測定回路で単電池の電池電圧を測定した後、電池電圧が高い単電池に接続されたスイッチをオンとすることで、容量調整用抵抗に当該電池電圧が高い単電池の電流を流して放電させ、組電池を構成する各単電池間の電圧差を少なくする容量調整方法が用いられている。この容量調整方法は上述した組電池固有の問題を防止することが可能なことから、従来から組電池の容量調整方法として一般に用いられてきた。
【0004】
また、開路電圧と充電レベルとの相関性が高い非晶質系炭素を負極活物質に用いたリチウムイオン電池を単電池とした組電池では、各リチウムイオン電池の電池電圧を組電池を構成するリチウムイオン電池の平均電池電圧に近づける制御が行われている。すなわち、組電池を構成するリチウムイオン電池の平均電池電圧より高いリチウムイオン電池のスイッチを一定時間の間オンとし、平均電池電圧より低いリチウムイオン電池のスイッチをオフとすることにより各リチウムイオン電池の容量を調整する容量調整方法が用いられている。
【0005】
更に、リチウムイオン電池を単電池とした組電池では、過充電により単電池が異常発熱等の電池異常状態に陥るので、単電池の異常状態を招かないためにも過充電状態を検出する過充電検出機能が更に付加されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池の電圧を組電池の平均単電池電圧に近づけるようにスイッチをオンオフ制御する従来の容量調整方法では、単電池の電圧のバラツキがまだ大きい、という課題を有している。
【0007】
また、リチウムイオン電池を単電池とした組電池では、いずれかのリチウムイオン電池の充電レベルが平均値からずれたときに電池異常状態と判断し、電池の安全性を確保するために過充電検出機能が早期に作動して、満充電前にリチウムイオン電池の充電を停止させてしまう場合があった。
【0008】
本発明は上記事案に鑑み、組電池を構成する単電池の電圧バラツキを少なくして容量差を小さくすることができる組電池の容量調整方法を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、直列に単電池が複数個接続され、前記単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法であって、所定時間毎に前記スイッチの全てをオフとした状態で前記電圧測定回路により前記単電池電圧を測定し、前記単電池電圧と前記組電池の平均単電池電圧との電圧差及び前記単電池電圧と前記組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして前記各スイッチをオンとするオン時間の時間幅を演算し、前記演算された時間幅の間、前記スイッチをオンとして前記単電池を前記容量調整用抵抗に放電させて容量を調整する、ステップを含むことを特徴とする。
【0010】
本発明では、所定時間毎にスイッチの全てをオフとした状態で電圧測定回路により単電池電圧を測定し、スイッチをオンとして単電池を容量調整用抵抗に放電させるオン時間の時間幅を、単電池電圧と組電池の平均単電池電圧との電圧差及び単電池電圧と組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を制御パラメータとして比例制御及び積分制御するので、単電池の電圧を組電池の単電池平均電圧に近づけるようにスイッチを単純にオンオフ制御する容量調整方法に比べ、組電池を構成する各単電池電圧のバラツキを小さくすることができると共に、単電池の容量調整精度を向上させることができる。
【0011】
このようなオン時間の時間幅は、下記演算式(1)〜(4)の何れかに示す演算式により求めることができる。
【0012】
【数2】
【0013】
このとき、演算された時間幅の値が負となるときに該時間幅の値を0に補正し、演算された時間幅の値が予め設定され前記所定時間より短い設定時間の値より大きいときに該設定時間の値に補正するようにすれば、現実に容量調整可能なオン時間の時間幅を得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能なバッテリパックの実施の形態について説明する。
【0015】
(構成)
図1に示すように、本実施形態のバッテリパック10は、単電池としてのリチウムイオン電池11、12・・・1mが複数個直列に接続された組電池1を備えている。
【0016】
リチウムイオン電池11のプラス側にはスイッチSWの一端が接続されており、スイッチSWの他端にはリチウムイオン電池11の容量を調整するための容量調整用抵抗Rの一端が接続されている。容量調整用抵抗Rの他端はリチウムイオン電池11のマイナス側に接続されている。従って、容量調整用抵抗RはスイッチSWを介してリチウムイオン電池11に並列に接続されている。
【0017】
スイッチSWは図示しない抵抗及びFET(電界効果トランジスタ)を含むハードウエア回路で構成されている。すなわち、FETのゲートに微弱な2値ハイレベル信号が入力されている状態では、FETのドレイン側からソース側に電流が流れるのでスイッチSWはオンとなり、FETのゲートに2値ローレベル信号が入力されている状態では、ドレイン側からソース側には電流が流れないのでスイッチSWはオフとなる回路構成である。
【0018】
また、リチウムイオン電池11には、リチウムイオン電池11の両端電圧(単電池電圧)を検出・計測する電圧検出回路31がリチウムイオン電池11と並列に接続されている。この電圧検出回路31は、リチウムイオン電池11の両端電圧を検出する検出回路部とこの検出回路部で検出した両端電圧のアナログ値をデジタル値に変換するAD変換部とで構成されている。検出回路部はオペアンプ及び抵抗で構成されており、増幅率が1の差動増幅回路である。AD変換部は比較器、D/A及びコントロールロジックで構成されており、検出回路部から出力されたリチウムイオン電池11の電圧をサンプルホールドし、量子化及び符号化を実行する回路である。
【0019】
そして、リチウムイオン電池12・・・1mにも、リチウムイオン電池11と同様に、スイッチSWを介して容量調整用抵抗R及び電圧検出回路32・・・3mがそれぞれ並列に接続されている。なお、各リチウムイオン電池12・・・1mに並列接続されたスイッチSW、電圧検出回路32・・・3mは、リチウムイオン電池11に並列接続されたスイッチSW、電圧検出回路31とそれぞれ同一回路構成であり、これらのスイッチSWに各々直列接続された容量調整用抵抗Rの抵抗値を含む公称抵抗特性もリチウムイオン電池11のスイッチSWに直列接続された容量調整用抵抗Rと同一である。
【0020】
また、バッテリパック10は、バッテリパック10を制御するマイクロコンピュータ(以下、マイコンという。)4を備えている。マイコン4は、演算処理を行うCPU、CPUが実行するプログラム及び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。
【0021】
上述した電圧検出回路31、32・・・3mはマイコン4のAD変換入力ポートに接続されている。従って、電圧検出回路31、32・・・3mは並列に接続されたリチウムイオン電池11、12・・・1mの両端電圧を検出しAD変換してマイコン4に出力する。このため、マイコン4は組電池を構成する各リチウムイオン電池の各々の電圧値を取り込むことが可能な構成とされている。また、各スイッチSWはマイコン4の出力ポートに接続されている。従って、マイコン4から微弱電流の2値ハイレベル信号が出力されたスイッチSWはオン状態となり、2値ローレベル信号が出力されたスイッチSWはオフ状態となる。
【0022】
また、バッテリパック10は、リチウムイオン電池11のプラス側と組電池1のプラス端子との間に挿入され、組電池1の充電、放電及び休止状態を検出して組電池1の状態をマイコン4に出力する充放電判別部2を備えている。充放電判別部2はマイコン4に接続されており、シャント(分路)抵抗により組電池1を流れる電流方向を検出し、組電池1が充電、放電、休止のいずれの状態にあるかをマイコン4へ出力する構成である。なお、単電池1mのマイナス側はバッテリパック10のマイナス端子に接続されており、バッテリパック10のプラス端子及びマイナス端子は充電器又は負荷に接続される。
【0023】
(動作)
次に、フローチャートを参照して本実施形態のバッテリパック10の動作について、組電池1が充電状態にある場合を想定して説明する。なお、初期状態においてマイコン4に電源が投入されると、ROMに格納された種々の設定値はRAMに移行されルーチン処理が可能な状態となり、充放電判別部2から出力された組電池1が充電状態にある場合に、以下の充電制御ルーチンが実行される。
【0024】
図2に示すように、充電制御ルーチンでは、まずステップ102において、マイコン4の出力ポートから出力する2値信号の出力レベルをすべてローレベルとする。これによりリチウムイオン電池11、12・・・1mに接続されたスイッチSWはすべてオフとなる(図1に示す状態)。
【0025】
次のステップ104では、全てのスイッチSWをオフとするオフ設定時間(例えば、全スイッチSWをオフとした後の1秒間)が経過するまで待機し、ステップ106において、電圧検出回路31、32・・・3mから出力された電圧値をリチウムイオン電池11、12・・・1mのそれぞれの両端電圧値として取り込む。これにより、スイッチSWによる過渡現象を排除して各リチウムイオン電池の正確な電圧を検出することができる。なお、オフ設定時間は、マイコン4内の図示しない内部時計で計測することができる。
【0026】
次にステップ108では、全てのスイッチSWのオン時間の時間幅を下記演算式(1)〜(4)のうちいずれか1つの演算式で演算してRAMに格納する。すなわち、例えば演算式(2)を使用する場合には、全てのスイッチSWのオン時間の時間幅を演算式(2)で演算して、RAMに格納する。
【0027】
【数3】
【0028】
これらの演算式は、スイッチSWのオン時間の時間幅を、各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池1を構成する平均のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、あるいは各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池1を構成するリチウムイオン電池のうち最小のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、の一方又は両方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとしてスイッチSWのオン時間をそれぞれ演算するものである。これらの演算式(1)〜(4)で定数1及び定数2は、リチウムイオン電池11、12・・・1mの電池容量、電池特性、電圧検出時間の間隔及び容量調整用抵抗Rの抵抗値により最適値が変化するので、これらの条件に合わせて最適値を選定するようにすればよい。
【0029】
ステップ110では、演算されたオン時間が負の値をとることがあるため負の値を採る場合にはリチウムイオン電池の容量調整が実現不能なことから、ステップ108でRAMに格納したオン時間が負の値をとるときに、オン時間を0とする補正を行う。
【0030】
次のステップ112では、オン時間が正の値を採るスイッチSW(以下、対象スイッチという。)をオン時間の間オン状態として対象スイッチに接続されたリチウムイオン電池の容量を調整するために、対象スイッチに接続された出力ポートから2値ハイレベル信号を出力する。次にステップ114において、オン設定時間(例えば、対象スイッチSWをオンとした後の9秒間)が経過したか否かを判断し、否定判断のときは、次のステップ116においてオン時間が経過したか否かを判断し、否定判断されたときはステップ112へ戻る。一方、ステップ116で肯定判断されたときは、調整すべきリチウムイオン電池の容量調整が完了したので、次のステップ118において対象スイッチSWをオフとしてステップ102へ戻る。
【0031】
これにより、例えば、リチウムイオン電池11では、スイッチSWがオンとなるので、リチウムイオン電池11、スイッチSW、容量調整用抵抗Rの間で閉回路が形成される。従って、リチウムイオン電池11の容量はオン時間の間容量調整用抵抗Rで熱消費され、リチウムイオン電池11の容量が調整される。なお、他の容量調整が必要なリチウムイオン電池でも同様にオン時間の間出力ポートからスイッチSWに2値ハイレベル信号が出力され、容量の調整がなされる。
【0032】
一方、ステップ114で肯定判断されたときは、ステップ102へ戻る。このステップ114及びステップ102では、上述した演算式によるオン時間がオン設定時間を越える場合に、オン時間をオン設定時間に制限するものである。
【0033】
従って、図2に示した充電制御ルーチンでは、各リチウムイオン電池11、12・・・1mは(オフ設定時間+オン設定時間)の一定時間(例えば、10秒)毎に電圧が測定され、容量調整用抵抗Rで容量がほぼ均等に調整される。
【0034】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例のバッテリパック10について詳述する。なお、実施例の効果を確認するために作製した比較例のバッテリパックについても併記する。
【0035】
(実施例)
本実施例では、上述した実施形態に従ってリチウムイオン電池を8直列として組電池1を構成し、容量調整用抵抗Rの抵抗値を39Ωとした。これらのリチウムイオン電池には意図的に1228mAhから1477mAhまで容量にバラツキを与えた。また、オフ設定時間を1秒、オン設定時間を9秒とし、上述した演算式(2)を使用して、定数1を0.48(sec/mV)、定数2を1(sec/mV)とした。
【0036】
(比較例)
本比較例では、リチウムイオン電池のバラツキを含め実施例と同一の構成とした。ただし、動作においては、制御の間隔を10秒毎に行い、全リチウムイオン電池のスイッチをオフとして1秒後に電圧を測定する点では実施例と同じであるが、本比較例では、組電池の平均のリチウムイオン電池の電池電圧を演算して、リチウムイオン電池の電圧が平均電圧より大きい場合にはスイッチを4秒間オンとし、リチウムイオン電池の電圧が平均電圧より小さい場合にはスイッチをオフとする従来例の制御を行う点で実施例とは異なっている。
【0037】
(試験)
次に、実施例及び比較例の組電池を容量調整を行いながら充電したときの各リチウムイオン電池の電圧を測定した。この測定結果を図3及び図4に示す。
【0038】
図4に示すように、比較例の各リチウムイオン電池は充電末期の電圧差は小さくなっているが、最大のリチウムイオン電池11の電圧と最小のリチウムイオン電池14の電圧とでは約70mVの電圧差が生じている。この値は容量にして18%の容量差に相当する。これに対し実施例では、図3に示すように、充電末期に最大のリチウムイオン電池17の電圧と最小のリチウムイオン電池14の電圧とには約10mVしか電圧差がない。この値は容量にして約2.8%の違いでしかなく、比較例に対して、バラツキが極めて小さいことが分かる。
【0039】
このように、実施例と比較例で異なるのはスイッチSWのオン時間の計算方法だけであるが、オン時間の時間幅を各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池1を構成する平均のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、あるいは各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池1を構成するリチウムイオン電池のうち最小のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、の一方又は両方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして演算するようにすると、各リチウムイオン電池の両端電圧のバラツキを極めて小さくすることができ、各リチウムイオン電池の容量調整の精度を向上させることができることが分かる。従って、充電中に過充電検出機能が誤って作動し充電が早期に停止することがないので、各リチウムイオン電池がほぼ均一にかつ満充電となるまで充電することができる。
【0040】
なお、上記実施例では演算式(2)を用いた場合について説明したが、定数1及び定数2を演算式(2)の場合と同様にそれぞれ0.48(sec/mV)、1(sec/mV)として演算式(1)、(3)及び(4)を用いても、図5に示すように、各リチウムイオン電池の電圧の標準偏差の変化は異なるものの、演算式(2)を用いた場合と同様に、充電末期の電圧のバラツキ、充電完了時の容量差を極めて小さくすることができる。
【0041】
また、上記実施例ではステップ114でオン時間がオン設定時間を越える場合にステップ102へ戻りオン時間をオン設定時間に制限するようにしたが、ステップ110においてオン時間がオン設定時間を越えるか否かを判断し、越えると判断したときにオン時間をオン設定時間とするようにすれば、ステップ114での判断を省略することができる。
【0042】
更に、本実施形態では、説明を簡単にするために組電池1が充電状態にある場合の充電制御ルーチンについて説明したが、各リチウムイオン電池11、12・・・1mの内部抵抗にはバラツキがあるので、放電中及び休止中にも図2に示したフローチャートと同様に、所定時間毎に各リチウムイオン電池の電圧を測定し、演算式(1)〜(4)のいずれかでオン時間を演算して各リチウムイオン電池の容量を調整することが好ましい。このようにすれば、放電、休止のいずれの状態においても各リチウムイオン電池の両端電圧の電圧差が極めて小さくなるので、特定のリチウムイオン電池が他のリチウムイオン電池の負荷となることもなく組電池の定格電圧を確実に出力でき、また、各リチウムイオン電池がほぼ均一の電圧を保持するので、組電池1全体の寿命の点からも好ましい。
【0043】
また、本実施形態では、AD変換部を電圧検出回路31、32・・・3m内に配置した例を示したが、AD変換部はマイコン4内に配置するようにしてもよい。また、本実施形態のバッテリパック10では電圧検出回路31、32・・・3mをリチウムイオン電池11、12・・・1mと同数個備えた例を示したが、これらの電圧検出回路をまとめて1つの電圧検出回路とするようにしてもよい。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定時間毎にスイッチの全てをオフとした状態で電圧測定回路により単電池電圧を測定し、スイッチをオンとして単電池を容量調整用抵抗に放電させるオン時間の時間幅を、単電池電圧と組電池の平均単電池電圧との電圧差及び単電池電圧と組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を制御パラメータとして比例制御及び積分制御するので、単電池の電圧を組電池の単電池平均電圧に近づけるようにスイッチを単純にオンオフ制御する容量調整方法に比べ、組電池を構成する各単電池電圧のバラツキを小さくすることができると共に、単電池の容量調整精度を向上させることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用可能な実施の形態のバッテリパックのブロック回路図である。
【図2】実施形態のバッテリパックの充電制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図3】横軸に時間、縦軸に電圧をとったときの実施例の各リチウムイオン電池の充電特性を示す特性線図である。
【図4】横軸に時間、縦軸に電圧をとったときの比較例の各リチウムイオン電池の充電特性を示す特性線図である。
【図5】演算式(1)〜(4)を用いた場合の各リチウムイオン電池の電圧のバラツキの変化を示す特性線図である。
【符号の説明】
1 組電池
11、12・・・1m リチウムイオン電池(組電池)
31、32・・・3m 電圧検出回路(電圧測定回路)
4 マイコン
R 抵抗
SW スイッチ
Claims (3)
- 直列に単電池が複数個接続され、前記単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法であって、所定時間毎に前記スイッチの全てをオフとした状態で前記電圧測定回路により前記単電池電圧を測定し、
前記単電池電圧と前記組電池の平均単電池電圧との電圧差及び前記単電池電圧と前記組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして前記各スイッチをオンとするオン時間の時間幅を演算し、
前記演算された時間幅の間、前記スイッチをオンとして前記単電池を前記容量調整用抵抗に放電させて容量を調整する、
ステップを含むことを特徴とする組電池の容量調整方法。 - 前記演算された時間幅が負の値をとるときに該時間幅の値を0に補正し、前記演算された時間幅の値が予め設定され前記所定時間より短い設定時間の値より大きいときに該設定時間の値に補正する補正ステップを更に含むことを特徴とする請求項2に記載の組電池の容量調整方法。
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