JP3797254B2

JP3797254B2 - 二次電池の容量調整方式

Info

Publication number: JP3797254B2
Application number: JP2002079886A
Authority: JP
Inventors: 憲一朗水流; 彰彦工藤; 正樹長岡
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003284253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池の容量調整方式に係り、特に、複数の二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池等の単電池が複数個直列に接続された組電池では、充放電を繰り返したり放置すると、各単電池の特性により容量に差が生じてくる。この状態で組電池を使用すると、過放電、過充電となる単電池が発生し、組電池全体の寿命が短くなってしまう。このため、各単電池の容量を調整し、均一化することが必要となっている。各単電池の容量を均一化するには、他より容量の大きい単電池を放電させる方法があり、その調整量は、例えば、特開平１１−２３４９１７号公報に開示されているように、単電池の個々の開放電圧値と全単電池の平均値との偏差から決定する方式が一般的であった。
【０００３】
具体的には、組電池に充放電電流が流れていない休止状態で全単電池の開放電圧値を測定してその値から全単電池の平均電圧値を演算し、平均電圧値より高い単電池についてその開放電圧値から残存容量を演算して単電池の残存容量と全単電池の平均電圧値で定められる残存容量との偏差の電気量を調整量として、当該調整量に相当する時間の間、単電池を容量調整用のバイパス抵抗に放電させる容量調整方式が採られている。充電時にバイパス抵抗に放電させると、バイパス抵抗に流れる電流分単電池に流れる充電電流が少なくなり、放電時にバイパス抵抗に放電させると、バイパス抵抗に流れる電流分単電池に流れる放電電流が多くなるだけであり、充放電中でも各単電池の残存容量の偏差を少なくする容量調整を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した単電池の個々の開放電圧値と全単電池の平均電圧値との偏差から調整量を決定する方式では、組電池を構成する単電池の個数が増えると、図６に示すように、全単電池のうち最大電圧値Ａと最小電圧値Ｂとの電圧差が大きくなると共に、平均電圧値が（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／２から最大電圧値Ａ側又は最小電圧値Ｂ側に偏ることで、最大電圧値Ａ又は最小電圧値Ｂと平均電圧値との電圧差が単電池の調整の可能な調整量の範囲を越えてしまうため、それらの単電池の容量が調整されず、結果として特定の単電池の容量が他の単電池の容量と異なって行く、という問題がある。
【０００５】
本発明は上記事案に鑑み、組電池を構成する二次電池の個数が多く、一つの二次電池の電圧が低い場合でも各二次電池の容量を略均一に調整することができる容量調整方式を提供することを課題とする。
【０００６】
【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、複数の二次電池の各々に並列に接続された容量調整用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を前記二次電池毎に測定された開放電圧値により調整する容量調整方式において、前記二次電池の個々の開放電圧値と、前記開放電圧値のうち最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／２との偏差を演算し、該演算した偏差が予め設定された所定値より大きい二次電池に対して容量を調整する。
【０００７】
本発明では、複数の二次電池の各々に容量調整用抵抗及びスイッチが並列に接続されている。二次電池の個々の開放電圧値が測定され、各二次電池について、測定された当該二次電池の開放電圧値と、各二次電池の開放電圧値のうち最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／２との偏差が演算され、該演算された偏差が予め設定された所定値より大きい二次電池に対してスイッチをオン状態として容量の調整がなされる。本発明によれば、各二次電池の調整量が当該二次電池の開放電圧値と最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／２との偏差が演算されるので、平均電圧値が最大電圧値Ａ側又は最小電圧値Ｂ側に偏った場合でも最大偏差を小さくすることができ（図６も参照）、容量調整の可能な範囲とすることができるため、組電池を構成する二次電池の個数が多く、一つの二次電池の電圧が低い場合でも、各二次電池の容量をほぼ均一に調整することができると共に、偏差が予め設定された所定値より大きい二次電池に対して容量調整が行われるので、偏差が所定値内の二次電池は容量調整が行われず、放置時（充放電休止時）の二次電池の残存容量の低下を防止することができる。
【０００８】
【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電池モジュールの実施の形態について説明する。
【０００９】
（構成）
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール１０は、二次電池としてのリチウムイオン電池（以下、単電池という。）１１、１２・・・１ｍが３２個（ｍ＝３２）直列に接続された組電池１を備えている。
【００１０】
各単電池の＋端子には容量調整用のバイパス抵抗Ｒの一端が接続されており、バイパス抵抗Ｒの他端にはスイッチとして機能するＦＥＴのドレインが接続されている。一方、各単電池の−端子にはＦＥＴのソースが接続されており、ＦＥＴのゲートは後述するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）４の出力ポートに接続されている。従って、マイコン４の出力ポートからＦＥＴのゲートに微弱な２値ハイレベル信号が入力されると、ＦＥＴのドレイン側（単電池の＋端子側）からソース側（単電池の−端子側）に電流が流れることで、電流がバイパス抵抗Ｒにより熱消費され各単電池の容量調整が可能である。
【００１１】
また、電池モジュール１０は、組電池１の充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、各単電池の開放電圧を測定する電圧測定回路３、電池モジュール１０を制御するマイコン４、並びに、電圧測定回路３及びマイコン４に作動電源を供給する電源部５を備えている。
【００１２】
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、及び電圧測定回路３からのアナログ電圧をデジタル化するＡ／Ｄ変換部とを含んで構成されている。また、マイコン４は、上述した各ＦＥＴにハイレベル信号を出力する出力ポートの他に、電圧測定回路３に測定対象の単電池を指定するための単電池指定ポート、電圧測定回路３から指定した単電池の開放電圧が入力されるＡＤ入力ポート、インターフェース（Ｉ／Ｆ）を介して電池モジュール１０を制御する上位システムとの通信を行うためのシリアルポートを有している。
【００１３】
電圧測定回路３は、各単電池の開放電圧を個別に測定する回路であり、各単電池の開放電圧を各単電池の−端子を基準とした電圧に変換する差動増幅回路や、増幅率１の差動増幅回路とマルチプレクサとを含む回路等により構成することができる。電圧測定回路３の入力側は各単電池の＋端子に接続されており、電圧測定回路３の出力側はマイコン４のＡＤ入力ポートに接続されている。また、電圧測定回路３は、マイコン４から測定対象の単電池の指定を受けるためにマイコン４の単電池指定ポートに接続されている。
【００１４】
従って、マイコン４は、単電池指定ポートから電圧測定回路３に測定対象の単電池を指定することで、ＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路３から測定対象の単電池の開放電圧を取り込み、かつ、Ａ／Ｄ変換することで、指定した単電池の開放電圧値を取得することが可能である。
【００１５】
充放電判別部２は、最上位側の単電池１１の＋端子と組電池１の＋外部出力端子との間に挿入されており、マイコン４に接続されている。充放電判別部２は、例えば、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可能に構成することができ、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へ出力するものである。
【００１６】
なお、単電池１ｍの−端子は電池モジュール１０の−外部出力端子に接続されており、電池モジュール１０の＋外部出力端子及び−外部出力端子は充電器又は負荷に接続される。
【００１７】
（動作）
次に、フローチャートを参照して、本実施形態の電池モジュール１０の動作について、各単電池の容量調整を中心に説明する。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、以下の容量調整ルーチンが実行される。
【００１８】
図２に示すように、容量調整ルーチンでは、まずステップ１０２において、充放電判別部２からの状態を取り込み、組電池１が休止中か否かを判断する。否定判断のときは、各単電池の開放電圧値を取得することができないので、ステップ１０６へ進み、肯定判断のときは、次のステップ１０４で各単電池の調整量を演算するための調整量演算処理サブルーチンを実行する。
【００１９】
図３に示すように、調整量演算処理サブルーチンでは、ステップ２０１で１個目の単電池を電圧測定回路３に指定して指定単電池の開放電圧値を取得し、次のステップ２０２において、測定が終了したか（３２個の全ての単電池の開放電圧値を取得したか）否かを判断する。否定判断のときは、全ての単電池の開放電圧値を取得するために、ステップ２０４で次の（２個目の）単電池を指定してステップ２０１に戻る。
【００２０】
一方、肯定判断のときは、ステップ２０６で、全ての単電池の開放電圧値のうち、最大電圧値Ａ及び最小電圧値Ｂを検索して取得し、次のステップ２０８において、目標電圧値＝（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／２を演算する。次にステップ２１０では、１個目の単電池について、偏差＝（当該単電池の開放電圧値−目標電圧値）を演算し、次のステップ２１２で偏差が所定範囲内（例えば、±５０ｍＶ以内）か否かを判断する。
【００２１】
ステップ２１２での判断が肯定のときは、当該単電池の偏差が所定範囲内であり容量調整の必要はないので、ステップ２１８へ進み、ステップ２１２での判断が否定のときは、次のステップ２１４において、予めＲＡＭに展開されている、単電池の偏差と調整量とのテーブルを参照して、又は、単電池の偏差と調整量との関係式に偏差を代入して、当該（指定）単電池の調整量を演算する。
【００２２】
次いでステップ２１６では、ステップ２１４で演算した調整量からＦＥＴをオンとする調整時間を演算し、当該単電池を調整の必要がある調整対象単電池として当該単電池のＩＤ番号及び調整時間をＲＡＭに記憶する。すなわち、当該単電池及びバイパス抵抗Ｒで構成される閉回路について、該閉回路に流れる電流をＩとし、当該単電池の直流内部抵抗（抵抗Ｒの抵抗値に比べて極めて小さい）及びＦＥＴによる電圧降下を無視すると、抵抗Ｒの抵抗値は既知であるので、調整量は電流Ｉと調整時間（ＦＥＴをオン状態とする時間）ｔとの積となる。このため、当該単電池の調整量から調整時間ｔを演算することができる。
【００２３】
次のステップ２１８では、演算が終了したか（３２個の全ての単電池についてステップ２１０〜ステップ２１６の処理が終了したか）否かを判断する。否定判断のときは、全ての単電池について処理を行うために、ステップ２２０で次の（２個目の）単電池を指定してステップ２１０に戻り、肯定判断のときは、調整量演算処理サブルーチンを終了して、図２のステップ１０６へ進む。
【００２４】
ステップ１０６では、組電池１を構成する単電池の容量調整のタイミングか否かを判断する。本実施形態では、内部時計の容量調整のタイミングが６時間に設定されており、単電池は６時間毎に調整がなされる。否定判断のときは、ステップ１０２へ戻り、肯定判断のときは、次のステップ１０８において、ステップ２１６でＲＡＭに記憶した調整対象単電池のＩＤ番号及び調整時間を読み出し、ステップ１１０で調整対象単電池のＦＥＴ（スイッチ）をオン状態とするために、調整対象単電池に対応する出力ポートをハイレベルとする。これにより、調整対象単電池の容量調整が同時に開始される。
【００２５】
次にステップ１１２では、調整対象単電池のいずれかの調整時間が経過したが否かを判断し、否定判断のときは、ステップ１１０へ戻り容量調整を続行し、肯定判断のときは、ステップ１１４で調整時間が終了した単電池のＦＥＴ（スイッチ）をオフ状態とするために、当該調整対象単電池に対応する出力ポートをローレベルとする。これにより、調整時間が経過した単電池の容量調整が終了する。
【００２６】
次のステップ１１６では、調整対象の全単電池の容量調整が終了したか否かを判断し、否定判断ときは、残りの調整対象の単電池の容量調整を続行するためにステップ１１０へ戻り、肯定判断のときはステップ１０２へ戻る。なお、組電池１の充電中に調整対象の単電池に対応するＦＥＴがオン状態となると充電量が抑えられ、放電中に調整対象の単電池に対応するＦＥＴがオン状態となると放電量が多くなり、充放電いずれの場合にも調整対象の単電池の容量が調整されることになる。
【００２７】
（作用）
次に、本実施形態の電池モジュール１０の作用等について説明する。
【００２８】
図６に示すように、組電池を構成する単電池の個数が増えると、バラツキが大きくなるので、最大電圧値Ａと最小電圧値Ｂとの電圧差Ｖｄが大きくなる。この場合に、従来の容量調整方式では、単電池の個々の開放電圧値と全単電池の平均電圧値との偏差から調整量を決定するため、平均電圧値が最大電圧値Ａ側又は最小電圧値Ｂ側に偏ると、少数の単電池が最小電圧値Ｂ側又は最大電圧値Ａに存在することになる。従来の容量調整方式では、調整が特に必要な当該少数の単電池の開放電圧値と平均電圧値との電圧差Ｖａが大きくなるので、容量調整が可能な範囲を越えてしまい、当該少数の単電池の容量調整がなされなくなる。従って、従来の容量調整方式では、組電池を構成する単電池の個数が多くなると、組電池の寿命が短くなる。これに対し、本実施形態の電池モジュール１０では、調整量が単電池の開放電圧値と（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／２との偏差の電圧値Ｖｃを目標電圧値として調整するので、電圧値Ｖｃは電圧差Ｖａより小さく対象単電池の調整可能範囲となる。このため、本実施形態の電池モジュール１０によれば、単電池の数が多くても各単電池の残存容量をほぼ均一に調整することがことができ、組電池１の寿命を本来の設計寿命とほぼ同じとすることができる。
【００２９】
図４に、本実施形態に従って３２個の単電池を使用し６時間毎に対象単電池の調整を行った実施例の試験結果を示す。また、図５に、目標電圧値を全単電池の平均電圧値とし、３２個の単電池を使用して６時間毎に対象単電池の調整を行った従来の容量調整方式による比較例の試験結果を示す。実施例の電池モジュールでは各単電池が５０時間程度で均一化されたのに対し、比較例の電池モジュールでは５０時間以降調整されず、容量を均一化することができない。なお、これらの試験では、実施例及び比較例の組電池を構成する単電池の開放電圧を意図的にばらつかせたものを用いた。
【００３０】
また、本実施形態では、ステップ２１２において、偏差が所定範囲内の単電池を容量調整の必要のない非調整対象単電池とし、ステップ１１０で当該単電池に対応するＦＥＴをオフ状態のままとしたので、各単電池の開放電圧は所定範囲（±５０ｍＶ）内の略均一な電圧が維持されると共に、容量調整がなされないので、放置時の単電池の容量の低下を防止することができ、組電池１の長期放置を許容することが可能となる。
【００３１】
なお、本実施形態では、ステップ２０８、２１０において、目標電圧値を（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／２とし（ｘ＝２）、偏差＝（当該単電池の開放電圧値−目標電圧値）として演算する例を示したが、本発明はこのｘ＝２に限定されるものではなく、所定の範囲内とすることができる。すなわち、図６に示すように、目標電圧値は、最小電圧値Ｂ≦｛（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／ｘ｝≦最大電圧値Ａの範囲にあり、この式をｘについて変形すれば、｛（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／最大電圧値Ａ｝≦ｘ≦｛（最大電圧値Ａ＋最小電圧値Ｂ）／最小電圧値Ｂ｝となるので、本発明はこの範囲で適用可能である。
【００３２】
また、本実施形態では、充放電中に単電池の容量を調整する例を中心に説明したが、電池モジュール１０は、休止中に単電池の容量調整が可能であることは論を待たない（ステップ１０２〜ステップ１０６）。
【００３３】
更に、本実施形態では、所定タイミングとなるまでステップ１０２〜ステップ１０６を繰り返して演算している。組電池１の消費電流をより小さくするには、ステップ１０４の演算時間を予め測定しておき、該測定時間に対して余裕のある時間前に（例えば、ステップ１０４の処理時間に３０分掛かる場合を想定すると、４０分前に）、又は、所定時間毎に（例えば、１時間毎に）ステップ１０２の判断をするようにすればよい。更に、電源部５を上位システムで制御して６時間毎にオンオフ可能に構成すれば、電圧測定回路３、マイコン４での消費電流を抑えることができるので、長期間の組電池１の放置が許容される。
【００３４】
そして、本実施形態では、全ての単電池の開放電圧値を取得した後に、ステップ２０６で最大電圧値Ａと最小電圧値Ｂとを取得する例を示したが、ステップ２０１において、取得した開放電圧値とそれまでの最大電圧値Ａ及び最小電圧値Ｂとを比較し、逐次最大電圧値Ａ又は最小電圧値Ｂを変更するようにしてもよい。また、本実施形態では、ステップ１１０〜ステップ１１６で並行して（パラレルに）単電池の容量を調整する例を示したが、本例に示した６時間毎のタイミングを考慮すると、１個ずつ（シリアルに）単電池の容量を調整するようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各二次電池の調整量が当該二次電池の開放電圧値と最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／２との偏差が演算されるので、平均電圧値が最大電圧値Ａ側又は最小電圧値Ｂ側に偏った場合でも最大偏差を小さくすることができ、容量調整の可能な範囲とすることができるため、組電池を構成する二次電池の個数が多く、一つの二次電池の電圧が低い場合でも、各二次電池の容量をほぼ均一に調整することができると共に、偏差が予め設定された所定値より大きい二次電池に対して容量調整が行われるので、偏差が所定値内の二次電池は容量調整が行われず、放置時（充放電休止時）の二次電池の残存容量の低下を防止することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールのブロック回路図である。
【図２】実施形態の電池モジュールのＣＰＵが実行する容量調整ルーチンのフローチャートである。
【図３】容量調整ルーチンのステップ１０４の詳細を示す調整量演算処理サブルーチンのフローチャートである。
【図４】実施例の電池モジュールの各単電池（セル）電圧を時間経過に沿って示したグラフである。
【図５】比較例の電池モジュールの各単電池電圧を時間経過に沿って示したグラフである。
【図６】実施形態の電池モジュールの容量調整原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１１、１２、１ｍリチウムイオン電池（二次電池）
Ｒバイパス抵抗（容量調整用抵抗）
ＦＥＴＦＥＴ（スイッチ）
Ｖｃ電圧値（偏差）

Claims

複数の二次電池の各々に並列に接続された容量調整用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を前記二次電池毎に測定された開放電圧値により調整する容量調整方式において、前記二次電池の個々の開放電圧値と、前記開放電圧値のうち最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／２との偏差を演算し、該演算した偏差が予め設定された所定値より大きい二次電池に対して容量を調整することを特徴とする二次電池の容量調整方式。