JP3716618B2

JP3716618B2 - 組電池の制御装置

Info

Publication number: JP3716618B2
Application number: JP13218198A
Authority: JP
Inventors: 英明堀江; 豊昭中川; 幹夫川合; 雄児丹上; 孝昭安部; 健岩井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: US6160375A; JPH11332115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池内の各セルの充電容量を均一にする組電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルから構成される組電池の各セルの端子電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）を検出し、セル電圧が所定の電圧を越えるとバイパス回路へ充電電流を流し、各セルの容量を均一にする組電池の制御装置が知られている（例えば、特願平７−２３６７７２号参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の組電池の制御装置では、複雑で高価な電圧検出回路とバイパス回路を用いており、多くのセルを直並列に構成する電気自動車やハイブリッド自動車に用いるとコストが高くなるという問題がある。
また、上述した従来の組電池の制御装置では、電圧検出回路に流れる動作電流（暗電流）が大きく、無駄な放電が行われるという問題もある。
【０００４】
本発明の目的は、組電池を構成する各セルの充電容量を均一にする簡単で安価な組電池の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図３に対応づけて本発明を説明すると、
（１）請求項１の発明は、正極がマンガン・スピネル系酸化物から成るリチウム・イオン電池を用いた組電池の制御装置であって、組電池１５を構成する各セルＣn（ｎ＝１，２，３，・・、以下同様）に、第１のツェナーダイオードＺn1と第１の抵抗器Ｒn1から成る直列回路を並列に接続し、第１のツェナーダイオードＺn1のツェナー電圧に、マンガン・スピネル系リチウム・イオン電池の正極結晶相転移が始まる直前のセル電圧と略同一の電圧を設定するとともに、
組電池１５を構成する各セルＣ n に、所定値以上の電流が流れたら信号を出力する信号発生器Ｄ n と第２のツェナーダイオードＺ n2 と第２の抵抗器Ｒ n2 から成る直列回路を並列に接続し、第２のツェナーダイオードＺ n2 のツェナー電圧に、マンガン・スピネル系リチウム・イオン電池の正極結晶相転移が終了した直後のセル電圧と略同一の電圧を設定することにより、上記目的を達成する。
（２）請求項２の組電池の制御装置は、第１のツェナーダイオードＺn1に流れる電流が第１のツェナーダイオードＺn1の最大定格電流を越えないように、第１の抵抗器Ｒn1の抵抗値を設定するとともに、第２のツェナーダイオードＺ n2 に流れる電流が第２のツェナーダイオードＺ n2 の最大定格電流を越えないように、第２の抵抗器Ｒ n2 の抵抗値を設定するようにしたものである。
（３）請求項３の組電池の制御装置は、信号発生器に発光ダイオードＤ n を用いるようにしたものである。
【０００６】
上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の構成図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】
（１）請求項１の発明によれば、簡単で安価なバイパス回路で充電時に各セルの充電容量を均一にすることができる。また、組電池を放電深度ＤＯＤ５０％以下で使用することになり、電池の劣化を最小限に抑制して長寿命化を図ることができる。さらに、ツェナー電圧以下ではツェナーダイオードの逆方向抵抗が大きいので動作電流（暗電流）が小さく、電池の無駄な放電が防止される。また、簡単で安価なセルの過電圧検出回路で過電圧状態のセルを表示することができる。また、動作電流（暗電流）が小さく、電池の無駄な放電が防止される。
（２）請求項２の発明によれば、第１のツェナーダイオードに流れる電流がその最大定格電流以下に制限され、第１のツェナーダイオードを保護することができる。また、第２のツェナーダイオードに流れる電流がその最大定格電流以下に制限され、第２のツェナーダイオードを保護することができる。
（３）請求項３の発明によれば、さらに安価なセルの過電圧検出回路を構成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明をハイブリッド車両に応用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す図である。図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。
この車両のパワートレインは、モーター１、エンジン２、クラッチ３、モーター４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モーター１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モーター４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【０００９】
クラッチ３締結時はエンジン２とモーター４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモーター４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモーター４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）はモーター１０により駆動される。
【００１０】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モーター１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モーター４は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モーター１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モーター１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モーター１を車両の推進と制動に用いることもでき、モーター４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００１１】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００１２】
モーター１，４，１０はそれぞれ、インバーター１１，１２，１３により駆動される。なお、モーター１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバーターの代わりにＤＣ／ＤＣコンバーターを用いる。インバーター１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリー１５に接続されており、メインバッテリー１５の直流充電電力を交流電力に変換してモーター１，４，１０へ供給するとともに、モーター１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリー１５を充電する。なお、インバーター１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモーターにより発電された電力をメインバッテリー１５を介さずに直接、力行運転中のモーターへ供給することができる。
【００１３】
コントローラー１６は、マイクロコンピューターとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度、出力およびトルク、クラッチ３の伝達トルク、モーター１，４，１０の回転速度およびトルク、無段変速機５の変速比、メインバッテリー１５の充放電などを制御する。
【００１４】
この実施の形態では、メインバッテリー１５に、正極がマンガン・スピネル系酸化物から成るリチウム・イオン電池（以下、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池と呼ぶ）を用いる。図２に、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池の放電深度ＤＯＤ（Depth Of Discharge）に対するセル電圧Ｖcの特性を示す。
図から明らかなように、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池は放電深度ＤＯＤがほぼ５０％（引き抜き度約０．５）で正極結晶相転移を起こし、この時、セル電圧ＶcがΔＶoだけ急変する。
【００１５】
なお、組電池の充電時において、正極結晶相転移によりセル電圧Ｖcが急に増加し始めるセル電圧、つまり正極結晶相転移が始まる直前のセル電圧を下限電圧ＶLと呼び、結晶相転移によるセル電圧Ｖcの急変が収束するセル電圧、つまり正極結晶相転移が終了した直後のセル電圧を上限電圧ＶHと呼ぶ。
【００１６】
マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池はまた、放電深度ＤＯＤを５０％以下（充電状態ＳＯＣ５０％以上）で使用する限りセルの劣化が小さく、放電深度ＤＯＤを５０％以上（充電状態ＳＯＣ５０％以下）で使用するとセルの劣化が大きくなる特性がある。この実施の形態では、このようなマンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池の特性を利用し、ツェナーダイオードを用いてセルのバイパス回路と過電圧検出回路を構成する。
【００１７】
図３はメインバッテリー１５の内部回路を示す図である。
マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池のメインバッテリー１５は、ｎ個のセルＣ1〜Ｃnが直列に接続されている。各セルＣn（ｎ＝１，２，３，・・、以下同様）にはそれぞれ、ツェナーダイオードＺn1と抵抗器Ｒn1を直列に接続したバイパス回路を並列に接続する。なお、ツェナーダイオードＺn1の接続は、ツェナーダイオードＺn1のカソードをセルＣnの正極側に、ツェナーダイオードＺn1のアノードをセルＣnの負極側にそれぞれ接続する。
【００１８】
また、この実施の形態では、バイパス回路のツェナーダイオードＺn1のツェナー電圧ＶZに正極結晶相転移の下限電圧ＶLと略同一の電圧を設定する。これにより、充電時にセル電圧Ｖcが下限電圧ＶLを越えると、図４に示すようにツェナーダイオードＺn1の逆方向電流−Ｉ、すなわちセルＣnをバイパスするバイパス電流が急激に増加する。ちなみに、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池では、ツェナーダイオードＺn1にツェナー電圧ＶZが３．８Ｖ近傍のものを選択する。
【００１９】
これにより、各セルＣnのセル電圧Ｖcはほぼ下限電圧ＶL以下になり、セルごとの充電容量をほぼ均一にすることができる。なお、抵抗器Ｒn1はバイパス回路の過電流保護用であり、バイパス回路に流れるバイパス電流がツェナーダイオードＺn1の最大定格電流を越えないように抵抗値を設定する。
【００２０】
このように、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池のメインバッテリー１５を構成する各セルＣnに、ツェナーダイオードＺn1と抵抗器Ｒn1の直列回路を並列に接続し、ツェナーダイオードＺn1のツェナー電圧ＶZにセルＣnの正極結晶相転移の下限電圧ＶLと略同一の電圧を設定したので、簡単で安価なバイパス回路で充電時に各セルＣnの充電容量を均一にすることができる。また、メインバッテリー１５を放電深度ＤＯＤ５０％以下で使用することになり、電池の劣化を最小限に抑制して長寿命化を図ることができる。さらに、ツェナー電圧以下ではツェナーダイオードＺ11〜Ｚn1の逆方向抵抗が大きいので動作電流（暗電流）が小さく、電池の無駄な放電が防止される。
【００２１】
さらに、この実施の形態では、各セルＣnにそれぞれ、発光ダイオードＤn、ツェナーダイオードＺn2および抵抗器Ｒn2を直列に接続した過電圧検出回路を並列に接続する。なお、バイパス回路と同様に、ツェナーダイオードＺn2の接続は、ツェナーダイオードＺn2のカソードをセルＣnの正極側に、セツェナーダイオードＺn2のアノードをセルＣnの負極側にそれぞれ接続する。
【００２２】
また、この実施の形態では、過電圧検出回路のツェナーダイオードＺn2のツェナー電圧ＶZに正極結晶相転移の上限電圧ＶHと略同一の電圧を設定する。これにより、充電時にセル電圧Ｖcが上限電圧ＶHを越えると、図４に示すようにツェナーダイオードＺn2の逆方向電流−Ｉ、すなわち発光ダイオードＤnに流れる電流が急激に増加し、発光ダイオードＤが発光する。なお、抵抗器Ｒn2は過電圧検出回路の過電流保護用であり、過電圧検出回路に流れる電流がツェナーダイオードＺn2の最大定格電流を越えないように抵抗値を設定する。
【００２３】
このように、マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池のメインバッテリー１５を構成する各セルＣnに、発光ダイオードＤn、ツェナーダイオードＺn2および抵抗器Ｒn2から成る直列回路を並列に接続し、ツェナーダイオードＺn2のツェナー電圧ＶZにセルＣnの正極結晶相転移の上限電圧ＶHと略同一の電圧を設定したので、簡単で安価な過電圧検出回路で過電圧状態のセルを表示することができる。また、ツェナー電圧以下ではツェナーダイオードＺ12〜Ｚn2の逆方向抵抗が大きいので動作電流（暗電流）が小さく、電池の無駄な放電が防止される。
【００２４】
なお、上述した一実施の形態の過電圧検出回路では、発光ダイオードＤnにより過電圧状態のセルを表示するようにしたが、発光ダイオードＤnの代わりに、過電圧検出回路に所定値以上の電流が流れたら信号を出力する信号発生回路を設け、その過電圧信号をコントローラー１６へ送って表示と警報を行うようにしてもよい。
【００２５】
以上の一実施の形態の構成において、メインバッテリー１５が組電池を、セルＣ1〜Ｃnがセルを、ツェナーダイオードＺ11〜Ｚn1が第１のツェナーダイオードを、ツェナーダイオードＺ12〜Ｚn2が第２のツェナーダイオードを、抵抗器Ｒ11〜Ｒn1が第１の抵抗器を、抵抗器Ｒ12〜Ｒn2が第２の抵抗器を、発光ダイオードＤ1〜Ｄnが信号発生器をそれぞれ構成する。
【００２６】
なお、上述した一実施の形態ではハイブリッド車両に本発明を適用した例を説明したが、本発明は上記以外の種類のハイブリッド車両を含む各種電気自動車の組電池に適用することができる。もちろん、電気自動車以外の組電池にも適用することができる。
【００２７】
また、上述した一実施の形態では、複数のセルが直列に接続された組電池の各セルに並列にバイパス回路と過電圧検出回路を接続する例を示したが、複数のセルから成るモジュール（複数のセルが直列または直並列に接続されている）が複数個直列に接続された組電池に対しても本発明を適用することができる。その場合には、バイパス回路と過電圧検出回路のツェナーダイオードのツェナー電圧をモジュール内のセルの直列個数に応じて設定し、各モジュールに並列にバイパス回路と過電圧検出回路を接続すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】マンガン・スピネル系Ｌｉイオン電池の放電深度ＤＯＤに対するセル電圧Ｖcの特性を示す図である。
【図３】一実施の形態のバッテリーの内部回路を示す図である。
【図４】ツェナーダイオードの電圧、電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１、４、１０モーター
２エンジン
３クラッチ
５無段変速機
６減速装置
７差動装置
８駆動輪
９油圧装置
１１〜１３インバーター
１４ＤＣリンク
１５メインバッテリー
１６コントローラー
Ｃ1〜Ｃn セル
Ｚ11〜Ｚn1、Ｚ12〜Ｚn2 ツェナーダイオード
Ｒ11〜Ｒn1、Ｒ12〜Ｒn2 抵抗器
Ｄ1〜Ｄn 発光ダイオード

Claims

正極がマンガン・スピネル系酸化物から成るリチウム・イオン電池を用いた組電池の制御装置であって、
前記組電池を構成する各セルに、第１のツェナーダイオードと第１の抵抗器から成る直列回路を並列に接続し、前記第１のツェナーダイオードのツェナー電圧に、前記マンガン・スピネル系リチウム・イオン電池の正極結晶相転移が始まる直前のセル電圧と略同一の電圧を設定するとともに、
前記組電池を構成する各セルに、所定値以上の電流が流れたら信号を出力する信号発生器と第２のツェナーダイオードと第２の抵抗器から成る直列回路を並列に接続し、前記第２のツェナーダイオードのツェナー電圧に、前記マンガン・スピネル系リチウム・イオン電池の正極結晶相転移が終了した直後のセル電圧と略同一の電圧を設定することを特徴とする組電池の制御装置。
請求項１に記載の組電池の制御装置において、
前記第１のツェナーダイオードに流れる電流が前記第１のツェナーダイオードの最大定格電流を越えないように、前記第１の抵抗器の抵抗値を設定するとともに、前記第２のツェナーダイオードに流れる電流が前記第２のツェナーダイオードの最大定格電流を越えないように、前記第２の抵抗器の抵抗値を設定することを特徴とする組電池の制御装置。
請求項１または請求項２に記載の組電池の制御装置において、
前記信号発生器に発光ダイオードを用いることを特徴とする組電池の制御装置。