JP3702575B2 - 組電池の充放電制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池に接続して使用し、組電池が充放電されるときに各単電池の容量バラツキに起因する組電池劣化を無くし、かつ容量を最大利用することが可能な組電池の充放電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池を充放電する際充放電量を規制する必要がある。その規制は殆ど充電量に応じて変動する端子電圧を利用して行なう。すなわち二次電池に充電終了電圧および放電終了電圧として予め所定の基準値を設定し、端子電圧が基準値を越えないように充放電制御が行なわれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の充放電制御を組電池に用いると、単電池のバラツキから、組電池の端子電圧では各単電池の充放電量を規制できないため、各単電池の端子電圧を用いて充放電制御が行なわれる。しかし単電池の充放電進行にバラツキがあり、容量の小さいものが早く進行してしまうため、組電池全体が容量の最も小さい単電池の充放電進行に応じて充放電制御されることになる。この結果組電池は容量の最も小さい単電池に一致した充放電しかできず各単電池の容量を最大利用できないという問題があった。
【０００４】
また、二次電池は充放電の進行にしたがって、単電池の内部抵抗が変化する。新型の非水系二次電池の場合、図５の（ａ）に示すように放電深度ＤＯＤ７０％付近までは抵抗値が小さく大電流放電に適した特性を示すが、それを超すと抵抗が急激に上昇し始めるので、放電深度７０％を超す領域での放電は、抵抗熱の発生が多く、電池が劣化し易い状態となる。
また、充電する場合、充電の進行にしたがって内部抵抗が徐々に小さくなるが、図５の（ｂ）に示すように容量が５０％以上に回復すると、内部抵抗が逆に増大する性質を有する。このため、充放電深度の浅い単電池は内部抵抗による充電流消費が少なく、温度上昇が少ないのに対して、充電深度の深い単電池は充電流を多く消費し、温度上昇をもたらして劣化し易い状態になっている。
【０００５】
組電池の充放電において、各単電池に一様な充放電電流を流す場合、容量の小さい単電池は常に先に深い充放電状態に入り、劣化し易くなっているが、この劣化がさらに組電池を繰り返して充放電を行なうなかで進み、内部抵抗がさらに増大し、やがて組電池全体が容量小となり、サイクル寿命に達するまでに早期劣化してしまう問題がある。
【０００６】
一方、各単電池のバラツキによる充電深度の不揃いで組電池が劣化するのを防ぐ目的で、各単電池にバイパス回路を設置して単電池の容量に応じて進行の早いものに充電電流をバイパスして単電池の充電進行を調整することが行なわれている。この方法では単電池の容量に応じた充電はできるものの、バイパスされた電流は殆ど抵抗熱となって放散するため、熱放散対策やエネルギーロスといった問題を有するとともに、放電時の劣化あるいは最小容量の単電池に一致した電気量しか出せない従来の問題は依然として残る。
本発明は、上記の問題点に鑑み、各単電池の容量に応じて充放電量を制御し、各単電池の容量を最大利用できる組電池の充放電制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、図１に示すように複数の単電池を直列に接続して構成される組電池１００を充放電する際に使用される組電池の充放電制御装置であって、
各単電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段１０と、
前記単電池に並列に接続して使用され、単電池に対して充放電を行なうバッファ電池１７と、
前記バッファ電池の端子電圧を検出するバッファ電池端子電圧検出手段１８と、
前記バッファ電池と接続される前記単電池との電圧差を調整する電圧調整手段１４と、
前記バッファ電池を前記単電池間に切り替えて接続可能なスイッチ手段１３と、
前記バッファ電池端子電圧検出手段の検出値により、バッファ電池内の充電量を判断し、充電量が所定値以下の場合は、バッファ電池を端子電圧の最も高い単電池に接続してバッファ電池が充電されるよう、バッファ電池の充電量が所定値になった場合は、バッファ電池を端子電圧の最も低い単電池に接続してバッファ電池が単電池に放電できるように前記電圧調整手段１４、スイッチ手段１３を制御し単電池間の電気量を調整するコントローラ１２とを有するものとした。そして、コントローラ１２は、前記単電池の端子電圧から組電池の充放電深度を判断し、所定の深度に達してから、前記スイッチ手段及び前記電圧調整手段を制御し前記バッファ電池の充放電による単電池間の電気量調整を行なう。
【０００８】
また、前記組電池の充放電回路内に電流検出手段１９を設け、前記コントローラ１２は前記電流検出手段と前記端子電圧検出手段の検出値を用いて単電池の内部抵抗を算出し、前記端子電圧検出手段１０の検出値に内部抵抗による電圧降下分を補正して前記単電池間の電気量調整を行なうことが望ましい。
【０００９】
【作用】
本発明では、各単電池に並列に接続して使用されるバッファ電池１７が設けられる。バッファ電池１７はその充電量に応じて、コントローラ１２に制御されるスイッチ手段１３の切り替えにより、充電が必要な場合、端子電圧の最も高い単電池に接続し、放電が必要な場合端子電圧の最も低い単電池に接続される。コントローラ１２は単電池の端子電圧に対応してバッファ電池１７の端子電圧を調整し、バッファ電池が充電または放電可能に電圧調整手段を制御するようにしたので、端子電圧の高い単電池から端子電圧の低い単電池に電気量が調整される。このように、充電進行の早い単電池あるいは放電進行の遅い単電池はバッファ電池に充電をし、充電進行の遅い単電池あるいは放電進行の早い単電池はバッファ電池から電気をとるので、単電池間の電気量が充放電の深度に応じて配分され、各単電池が容量に応じて均等な充放電深度に向かうことになる。
【００１０】
そして、前記コントローラは、前記単電池の端子電圧から組電池の充放電深度を判断し、所定の深度に達してから、前記スイッチ手段及び前記電圧調整手段を制御し前記バッファ電池の充放電による単電池間の電気量調整を行なうから、組電池に早期劣化をもたらさない常用の充放電深度では通常の充放電を行なう設定ができ、バッファ電池の充放電によるエネルギーのロスが減少し、効率の高い制御となる。またこのときバッファ電池が作動しないため、バッファ電池の充放電時間を考慮しない組電池の充放電も可能となる。
【００１１】
さらに、前記組電池の充放電回路内に電流検出手段を設け、前記コントローラは前記電流検出手段と前記端子電圧検出手段の検出値を用いて単電池の内部抵抗を算出し、前記端子電圧検出手段の検出値に内部抵抗による電圧降下分を補正して前記単電池間の電気量調整を行なうことにより、より正確な電気量調整を行なうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず、図２を用いて、第１の実施例の基礎とする基本構成について説明する。
組電池１００は単電池ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが直列に接続して構成され、Ａ、Ｂ端子は正負の出力端子として充電器あるいはモータなどに接続して充放電が行なわれる。各単電池ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは新型非水二次電池を使用し、端子にはそれぞれ端子電圧を検出する端子電圧検出器１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ）が接続される。端子電圧検出器１は共通の信号線によってコントローラ２に接続され、コントローラ２は時分割で各端子電圧検出器にアクセスすることによって検出値を入力する。
【００１３】
各単電池はさらにスイッチ５（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ）とスイッチ６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ）によってバッファ電池７の正負端子に接続することが可能となっている。すなわち、単電池ａはスイッチ５ａ、スイッチ６ａ、単電池ｂはスイッチ５ｂ、スイッチ６ｂ、単電池ｃはスイッチ５ｃ、スイッチ６ｃ、単電池ｄはスイッチ５ｄ、スイッチ６ｄ、単電池ｅはスイッチ５ｅ、スイッチ６ｅの閉じによってバッファ電池７の正負端子に接続されるようになっている。スイッチ５、スイッチ６はドライブ３を介してコントローラ２に制御される。
【００１４】
また、スイッチ５とスイッチ６の組み合わせによって隣り合う複数の単電池をバッファ電池７に接続することも可能である。例えばスイッチ５ａとスイッチ６ｂを閉じることによって単電池ａ、単電池ｂを直列のままにバッファ電池７に接続できる。バッファ電池７としては快速充電、放電可能な二次電池を選ぶ。
バッファ電池７に接続されるインバータ４は、コントローラから指令を受けてバッファ電池７と接続される単電池との電圧差を調整し、電流の流れ方向や大きさを調整する。その電流の流れ方向によってバッファ電池７が充電あるいは放電される。電圧検出器８はバッファ電池の端子電圧を検出し、コントローラ２はその検出値をもとにインバータ４に電圧調整指令を出力する。インバータ４としては双方向に電流が流れるものを用いる。
【００１５】
組電池を構成する単電池の個数ｎ、各単電池の容量Ｃｉから組電池の平均容量Ｃを算出することができ、その平均容量Ｃに対する単電池Ｃｊの容量差に対応して式（１）に示すように補正量Ｑｊを決定すれば各単電池を均一な充放電深度に向かわせ、組電池の容量を最大利用できる。すなわち容量差が負となれば、容量が平均値より小さく、充放電進行が早く進むので、容量差に対応して充放電量を減少させる方向に補正し、容量差が正となれば、容量が平均値以上にあり、充放電進行が遅くなるので、容量差に対応して充放電量を増加させる方向に補正するようにすれば、各単電池を容量に応じて平均的な充放電深度に調整しながら充放電を進むことができる。
【数１】

【００１６】
単電池の端子電圧は充放電深度を表わし、単電池の容量と対応関係を持っている。単電池の端子から電圧高いことは充電深度が深いあるいは放電深度が浅いことを意味し、充電深度浅いあるいは放電深度深いことは単電池に高い端子電圧で表現される。したがって、コントローラ２には、まず、端子電圧検出器１の検出値を入力し、各単電池の端子電圧の平均値を演算して、単電池の平均充放電深度を求める。単電池の端子電圧平均値に対しての各単電池の電圧差を演算して、充放電深度差を求めて、充放電深度の最も深い単電池と浅い単電池を検出する。
【００１７】
入力される端子電圧検出器１の検出値がバッファ電池７の充電状況判断に用いられる。バッファ電池７が充電を必要とするときに、バッファ電池７を端子電圧の最も高い単電池に、バッファ電池７が放電を必要とするときに、バッファ電池を端子電圧の最も低い単電池に接続するよう、スイッチ５、スイッチ６はコントローラ２に制御される。インバータ４はすぐには電流を流さず、コントローラ２からの制御指令を待つ。
【００１８】
コントローラ２は、バッファ電池７が充電を必要とする場合は、接続される単電池の端子電圧に応じて所定の充電電流をバッファ電池７に流れるようにバッファ電池７と接続される単電池との電圧差を調整する制御指令を出力し、インバータ４を制御する。
またバッファ電池が満充電になった場合は、接続される単電池とバッファ電池との電圧差に応じてバッファ電池が所定の電流で放電するように電圧調整を行なう制御指令を出力しインバータ４を制御する。
【００１９】
これによって、図３の（ａ）に示すように充電時には、容量小の単電池ａは端子電圧が早く上昇するので、充電量の一部（ハッチング部分）を容量大の単電池ｅに回される。また放電時には（ｂ）に示すように容量小の単電池ａは充電量が少なく端子電圧早く低下するので、高い端子電圧を維持している容量大の単電池ｅから充電量を回されて出力するので、各単電池の容量に充放電進行が調整され、各単電池が均一な充放電深度に向かうことになる。
図３において端子電圧４．２Ｖは充電終了電圧で、４．０Ｖは充電上限電圧を示し、端子電圧３．０Ｖは放電下限電圧で、２．５Ｖは放電終了電圧を示す。充放電量の調整は充電時に４．２Ｖ、放電時には２．５Ｖを越えない範囲内で行なう。
【００２０】
本実施例の基礎とする基本構成は以上のように構成され、組電池の充放電進行にしたがって、バッファ電池７を充電進行が早く、放電進行が遅い高い端子電圧の単電池から電流をとらせ、充電進行が遅い単電池あるいは放電進行が早い端子電圧の低い単電池に放電させるようにしたので、各単電池を容量の大小に係わらず充放電進行が平均値に向かうことになる。これによって各単電池の容量に応じて充放電進行が一様に揃った均等な充放電を行なうことができるとともに、放電時には各単電池をその容量いっぱい利用できる効果が得られる。
【００２１】
次に本発明の第１の実施例について説明する。
この実施例は、コントローラ２が組電池の充放電全過程において単電池間の電気量調整を行なう上述の基本構成に対し、コントローラ１２を用いて、組電池が放電する場合、電気量調整を放電末期から行なう点が異なる。その他は基本構成と同じである。
【００２２】
電気自動車の場合、電池が切れても、ある程度距離の走行が継続できることは望ましいが、予備電池を設けることは、車両の重量増につながり、１充電走行距離が短くなるという電気自動車にとっての基本性能が損なわれる恐れがあるとともに、通常使わない電池のため、日常的なメンテナンスも不可欠で、使い勝手がよくないという問題がある。
【００２３】
そこで、本実施例では、組電池に均一な放電をさせ、所定の放電深度に達する単電池が現われると、組電池全体の放電を停止する。その後各単電池内の充電残量を各単電池に均等に調整して予備電池として働かせる。充電の時には、コントローラ１２は基本構成におけると同様に充電進行に伴ない電気量調整をし単電池の容量に応じた充電制御を行なう。放電の時には、図示しない組電池の出力制御スイッチと連携して組電池の放電制御を行なう。
【００２４】
まず入力される端子電圧検出器１の検出結果から、各単電池の放電深度を判断し、一個でも所定の深度に達した単電池を検出すると、組電池全体の放電を終了とし出力制御スイッチを作動させ、組電池の出力を停止する。これによって過放電による組電池の劣化が防止される。次に各単電池の放電残量を基本構成におけると同様に各単電池の端子電圧から放電残量の平均値を算出する。その平均値に対して残量の最も多い単電池から最も少ない単電池にバッファ電池７が電気量を運搬し、各単電池の放電残量を均等させてから出力制御スイッチを閉じ放電を許可する。
【００２５】
本実施例は、所定の放電深度まで電気量調整をせずに組電池の放電を許し、その後は、単電池内の充電残量を各単電池に均等化して使用するので、すべての充電量を利用することができるとともに、バッファ電池の作動を最小限に抑さえ、効率のよい制御となる。これにより電気自動車の組電池を制御する場合、別途に予備電池を設ける必要がなく、メンテナンスの軽減と一充電走行距離の延長が図られ、実用度の高い充放電制御となる。
また、組電池の製造において、単電池の容量を均一に揃える必要が無くなるため、その工程を省略あるいは選別精度を落として処理することができるので、製造コストが低下する効果が得られる。
【００２６】
次は、第２の実施例について説明する。 この実施例は、図２に示すように組電池１００に充放電電流を検出するための電流検出器９を取り付け、その検出値をコントローラ２２に出力する。コントローラ２２はその充放電電流の検出値をもとに各単電池の内部抵抗を演算し、各単電池の端子電池に内部抵抗による電圧降下分を補正して充放電深度の判断を行なう。その他は第１の実施例と同様である。
【００２７】
すなわち、単電池の端子電圧の検出値には内部抵抗による電圧降下分が含まれるので、その端子電圧から検出した充放電深度に電圧降下による誤差が含まれる。この誤差は充放電電流の変動によって異なる値をとるので、端子電圧が同じでも、充放電深度が異なる場合があり、電気量調整あるいは放電終了は誤差を含むものとなる。
【００２８】
放電終了する場合、一般に下限電圧（２．５Ｖ）によって行なうので、すべての単電池を同じ時点で下限電圧に到達することが必要となるが、単電池の内部抵抗が異なれば、下限電圧に到達する時間が異なり、すべての単電池が同じ条件で終了するには単電池の放電深度判断に使用する端子電圧を内部抵抗に左右されない開放電圧に補正する必要もある。
【００２９】
そこで、本実施例では、図４に示すように異なった内部抵抗について端子電圧と放電量の変化関係を示す曲線マップをコントローラ２２に記憶させる。Ｈは内部抵抗を補正した曲線であり、Ｉ、Ｊ、Ｋは順次に抵抗値が大きくなっていくときの曲線である。第１の実施例と同様に、端子電圧に基づいて調整する電気量を演算する。また充放電時の電圧と電流の変動から、単電池の内部抵抗を算出する。
【００３０】
電流検出器９の検出値を用いて図４のように内部抵抗による電圧降下分をマップ上にスライトさせて欠損分を補正する。その補正量は、式（２）に基づいて、求めることも可能である。すなわち各単電池の放電量Ｃから平均放電量を求める。その平均放電量に対して各単電池の放電量差Ｑｊ’を算出する。その放電量差を符号を含めて各単電池に充電時にはプラス補正し、放電時にはマイナス補正する。
【数２】

【００３１】
これによって、バッファ電池に調整される電気量が正確なものとなり、充放電電流が異なっても各単電池を容量に応じた均等な充放電制御が可能で、質の高い充放電制御が得られる。放電の終了制御は各単電池が均一な放電深度に行なうことができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、バッファ電池が各単電池の充放電深度に応じて充電量を調整し、各単電池を均一な充放電深度に向かわせるようにしたので、各単電池がそのバラツキにより異なる充放電深度に入ることに起因して、劣化が早期に起きることが防止される。また、放電時は単電池の容量を最大限に出力することができる。これによって組電池の使用寿命が伸び、組電池を使用する電気自動車の場合、一充電走行距離が延長しランニングコストが低下するという効果が得られる。
【００３３】
そして、コントローラは、単電池の端子電圧から組電池の充放電深度を判断し、所定の深度に達してから、バッファ電池の充放電による単電池間の電気量調整を行なうから、組電池に早期劣化をもたらさない常用の充放電深度では通常の充放電を行なう設定ができ、バッファ電池の充放電によるエネルギーのロスが減少し、効率の高い制御となる。またこのときバッファ電池が作動しないため、バッファ電池の充放電時間を考慮しない組電池の充放電も可能となる。
【００３４】
また、組電池の充放電回路内に電流検出手段を設け、コントローラは電流検出手段と電圧検出手段の検出値を用いて単電池の内部抵抗を算出し、端子電圧検出手段及びバッファ電池端子電圧検出手段の検出値に内部抵抗による電圧降下分を補正して単電池間の電気量調整を行なうときには、より正確な電気量調整を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例の構成図である。
【図３】単電池容量の大小に応じた電気量調整前後の端子電圧変化を示す図である。
【図４】内部抵抗による充電終了時の誤差を示す図である。
【図５】放電深度とその内部抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 電圧検出器（端子電圧検出手段）
８ 電圧検出器（バッファ電池端子電圧検出手段）
２、１１、１２、２２ コントローラ
３ ドライバ
４ インバータ（電圧調整手段）
５、６ スイッチ（スイッチ手段）
９ 電流検出器
１０ 端子電圧検出手段
１３ スイッチ手段
１４ 電圧調整手段
１７ バッファ電池
１８ バッファ電池端子電圧検出手段
１９ 電流検出器
１００ 組電池
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ 単電池

Claims (2)

1. 複数の単電池を直列に接続して構成される組電池を充放電する際に使用される組電池の充放電制御装置であって、
   各単電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
   前記単電池に並列に接続して使用され、単電池に対して充放電を行なうバッファ電池と、
   前記バッファ電池の端子電圧を検出するバッファ電池端子電圧検出手段と、
   前記バッファ電池と接続される前記単電池との電圧差を調整する電圧調整手段と、
   前記バッファ電池を前記単電池間に切り替えて接続可能なスイッチ手段と、
   前記バッファ電池端子電圧検出手段の検出値により、バッファ電池内の充電量を判断し、充電量が所定値以下の場合は、バッファ電池を端子電圧の最も高い単電池に接続してバッファ電池が充電されるよう、バッファ電池の充電量が満充電になった場合は、バッファ電池を端子電圧の最も低い単電池に接続してバッファ電池が単電池に放電できるように前記電圧調整手段、スイッチ手段を制御し単電池間の電気量を調整するコントローラとを有し、
   前記コントローラは、前記単電池の端子電圧から組電池の充放電深度を判断し、所定の深度に達してから、前記スイッチ手段及び前記電圧調整手段を制御し前記バッファ電池の充放電による単電池間の電気量調整を行なうことを特徴とする組電池の充放電制御装置。
2. 前記組電池の充放電回路内に電流検出手段を設け、前記コントローラは前記電流検出手段と前記端子電圧検出手段の検出値を用いて単電池の内部抵抗を算出し、前記端子電圧検出手段の検出値に内部抵抗による電圧降下分を補正して前記単電池間の電気量調整を行なうことを特徴とする請求項１記載の組電池の充放電制御装置。

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