JP3879598B2 - 組電池の容量調整装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセル（単電池）が直列または直並列に接続された組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルを直列に接続した組電池における容量調整方法が知られている（例えば特開２０００−０４０５３０号公報参照）。この種の容量調整方法では、セルの開放電圧に基づいて放電容量と容量調整時間（放電時間）、すなわち容量調整条件を決定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の組電池の容量調整方法では、組電池のＳＯＣ（充電状態または充電容量；State Of Charge）とは無関係に容量調整条件を決定しているので、ＳＯＣによっては容量調整条件の誤差が大きくなり、各セルの容量を充分に均一にできないという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、正確な容量調整条件を決定して組電池の容量調整を行い、各セルの容量を十分に均一にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のセルを直列に接続した組電池の各セルの充電容量SOCを検出してその平均値を求め、充電容量SOCの平均値が、セルの充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性における傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の範囲にある場合にのみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定し、この容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する際に、前記容量調整条件による容量調整が中断されたときは、前記容量調整条件による容量調整の残り情報を記憶し、容量調整が可能になったら容量調整残り情報にしたがって容量調整を再開する構成を備え、これにより上記目的を達成する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、各セルの容量を十分に均一にすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本願発明の組電池の容量調整装置を電気自動車（ＥＶ）のバッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の組電池の容量調整装置および方法は電気自動車のバッテリーに限定されず、ハイブリッド車両やエンジン車両のバッテリーや、車両以外の多くの装置に用いられるバッテリーに応用することができる。
【０００８】
図１は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態の組電池１は、一般にセルと呼ばれる単電池２を２個ずつ並列に接続して４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを構成し、さらにこれら４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを直列に接続したものである。この一実施の形態では、バッテリーコントローラー３および車両コントローラー４へ制御電源を供給する補助バッテリー５と区別するため、組電池１をメインバッテリーと呼ぶ。
【０００９】
なお、この一実施の形態では２個のセルを並列に接続して４組の並列ブロックを構成し、これら４組の並列ブロックを直列に接続した組電池を例に上げて説明するが、並列ブロック内のセルの並列接続数と並列ブロックの直列接続数はこの一実施の形態の数量に限定されない。本願発明は、例えば並列接続数が１で直列接続数がｎ（≧２）の組電池、すなわち複数のセルが単に直列に接続された組電池に対しても適用することができる。複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池に対しては、並列ブロック単位でセル開放電圧Ｖoおよび充電容量ＳＯＣを検出し、並列ブロック単位で容量調整を行う。一方、複数のセルが単に直列に接続された組電池では、セル単位でセル開放電圧Ｖoおよび充電容量ＳＯＣを検出し、セル単位で容量調整を行う。
【００１０】
このメインバッテリー１は電流センサー６とメインリレー７を介してインバーター８と補機システム１０へ接続され、インバーター８と補機システム１０へ直流電力を供給する。インバーター８は、メインバッテリー１の直流電力を交流電力に変換して走行駆動用交流モーター９に印加し、モーター９を駆動して車両を走行させる。インバーター８はまた、車両の制動時にモーター９で発生した交流回生電力を直流電力に変換し、メインバッテリー１を充電する。
【００１１】
バッテリーコントローラー３はＣＰＵ３ａ、メモリ３ｂ、タイマー３ｃ、セル電圧検出部３ｄ、容量調整部３ｅなどから構成され、メインバッテリー１の充放電と容量調整を制御する。セル電圧検出部３ｄは、メインバッテリー１の各並列ブロック１ａ〜１ｄに２個ずつ並列接続されたセル２の平均端子電圧を検出する。容量調整部３ｅは、セル電圧検出部３ｄで検出された各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル平均端子電圧に基づいて並列セルブロック間の容量バラツキを補正する。この容量調整部３ｅの詳細については後述する。
【００１２】
車両コントローラー４は、インバーター８と補機システム１０を制御して車両の走行と補機の作動を制御する。なお、補機システム１０には空調装置、灯火類、ワイパーなどが含まれる。電流センサー６は、バッテリー１からインバーター８へ流れる放電電流と、インバーター８からバッテリー１へ流れる充電電流とを検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインリレー７はＣＰＵ３ａにより開閉され、メインバッテリー１とその負荷（モーター９および補機システム１０）との間の接続と開放を行う。
【００１３】
電圧センサー１１はメインバッテリー１の両端電圧を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。また、温度センサー１２はメインバッテリー１の温度を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインスイッチ１３は、エンジンを走行駆動源とする従来の自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、電気自動車のメインキーが走行位置に設定されると閉路（オン）する。警告灯１４は、電気自動車に何らかの異常が発生したときに点灯して乗員に異常発生を報知する。
【００１４】
図２は容量調整部３ｅの詳細を示す。メインバッテリー１の並列ブロック１ａには、抵抗器Ｒ１とトランジスターＴｒ１の直列回路２５が並列に接続される。同様に、並列ブロック１ｂ〜１ｄにもそれぞれ、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４とトランジスターＴｒ２〜Ｔｒ４の直列回路２６〜２８が並列に接続される。この抵抗器Ｒ１〜Ｒ４とトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の直列回路２５〜２８は、各並列ブロック１ａ〜１ｄ内のセル２の充電容量ＳＯＣ（State Of Charge）を放電するための回路であり、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は放電抵抗、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４は放電と停止を行うスイッチである。なお、この一実施の形態では放電回路２５〜２８のスイッチにトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４を用いた例を示すが、トランジスター以外のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどを用いてもよい。
【００１５】
ＣＰＵ３ａは、各並列ブロック１ａ〜１ｄに接続される各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のベースへ信号を送り、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４ごとにオン（導通）とオフ（非導通）を制御する。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンすると、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル２の充電電力が抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を介して放電し、放電分だけ充電容量ＳＯＣが減少する。ＣＰＵ３ａは、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のオンとオフを繰り返してデューティー制御を行う。このデューティーは、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間（容量調整時間）とに基づいて決定する。
【００１６】
各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクターとエミッター間にはそれぞれ、電圧センサー２１〜２４が接続される。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンするとコレクター〜エミッター間電圧がほぼ０Ｖになり、オフするとコレクター〜エミッター間電圧が並列ブロック１ａ〜１ｄのセル両端電圧になる。ＣＰＵ３ａは、電圧センサー２１〜２４によりトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクター〜エミッター間電圧をモニターし、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の動作状況、つまり各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整状況を確認する。
【００１７】
容量調整部３ｅは、メインバッテリー１の並列ブロック１ａ〜１ｄ単位で容量調整を行い、いずれかの並列ブロックが過充電状態または過放電状態になってメインバッテリー１の容量を十分に利用できなくなるのを防止する。しかし、容量調整部３ｅでは各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどおしの容量バラツキを調整することはできない。各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどうしの容量バラツキは、容量自己調整により解消される。
【００１８】
ここで、各並列ブロック内の並列に接続されたセルどうしの容量自己調整について簡単に説明する。並列に接続された２個のセルの間に容量のバラツキがあると、容量が高い側すなわち端子電圧が高い側のセルの容量が、容量の低い側すなわち端子電圧が低い側のセルへ徐々に移動し、２個の並列セルは等容量になろうとする性質がある。この性質は容量自己調整と呼ばれ、容量差（セル開放電圧の差）が大きいほど等容量に近い状態になるまでの容量の変化速度が速く、容量差が小さくなって等容量に近い状態になると容量変化速度は遅くなる。
【００１９】
次に、セルの充電容量ＳＯＣ（残存容量または充電状態と呼ぶこともある）に対する開放電圧Ｖoの特性について説明する。図３は、リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ[％]に対する開放電圧Ｖo[ｖ]の特性を示す。セルの開放電圧Ｖoは充電容量ＳＯＣに応じて変化し、充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲とおよそ９５％以上の範囲では、充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜（または｜ΔＶo／ΔＡｈ｜）が大きく、およそ充電容量ＳＯＣが３０〜９５％の範囲では、充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜は小さい。
【００２０】
従来の組電池の容量調整方法では、セルの充電容量ＳＯＣに無関係に、組電池無負荷時のセル開放電圧の分布状況に基づいて放電容量と容量調整時間を決定していた。さらに具体的に説明すると、電気自動車起動時（メインスイッチオン時）の組電池無負荷状態におけるセルごとの開放電圧を測定し、それらの平均値と各セルの開放電圧との偏差に応じた放電容量を決定し、その放電容量分を放電させる構成となっていた。また、容量調整時間（放電時間）は、放電容量とセルごとの開放電圧偏差に応じて決定していた。
【００２１】
ところが、このような従来の容量調整条件の決定方法では、充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きい電池を用いると、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残ってしまう。例えば図３に示す充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きいリチウムイオン電池では、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が一定ではないため、セル開放電圧分布のバラツキが同じであっても放電容量が異なることがあり、したがって、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残る。
【００２２】
また、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が小さい範囲において容量調整条件を決定すると、例えばわずかなセル開放電圧Ｖoの測定誤差が大きな充電容量ＳＯＣの変化量になるため、セルごとの放電容量に過不足が生じやすい。
【００２３】
そこで、この一実施の形態では、従来の容量調整条件の決定方法の上記問題点を改善するために、組電池が無負荷状態にあるときにセル開放電圧を測定し、充電容量−開放電圧特性により換算した充電容量ＳＯＣが、充電容量ＳＯＣ−開放電圧変化量Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔＳＯＣ｜が所定値以上の大きい範囲にある場合にのみ、容量調整条件、すなわち放電容量と容量調整時間（放電時間）を決定する。
【００２４】
図３に示すリチウムイオン電池では、充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲とおよそ９５％以上の範囲で充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が大きいから、組電池が無負荷状態にあるときの充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲またはおよそ９５％以上の範囲にある場合にのみ、放電容量と容量調整時間を決定する。しかし、充電容量ＳＯＣがそれ以外の範囲、およそ３０〜９５％の範囲にある場合には、放電容量と容量調整時間の決定を行わない。
【００２５】
この一実施の形態の容量調整条件の決定方法によれば、セルの充電容量ＳＯＣが、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい範囲にある場合にのみ、放電容量を決定するようにしたので、各セルの放電容量を正確に決定することができ、したがって、各セルの調整後の充電容量ＳＯＣが目標値へ収束する確率が高くなり、各セルの調整後の充電容量ＳＯＣを均一にすることができる。さらにその結果、組電池全体として放電可能な容量を増加させることになり、電気自動車の走行距離を延ばすことができる。
【００２６】
次に、従来の容量調整方法では、容量調整時間が経過する前に電気自動車のメインスイッチがオフされると容量調整を強制的に終了させていた。この従来の容量調整方法によれば、電気自動車のメインスイッチがふたたびオンされて起動されたときに、容量調整条件を決定し直して新たに容量調整を開始することになるから、短時間の車両運行が繰り返される場合には組電池の容量調整がいつまでも終了しないことになる。
【００２７】
そこでこの一実施の形態では、電気自動車起動後の組電池が無負荷状態において容量調整条件を決定したら、その容量調整条件による容量調整が終了するまでは、電気自動車のメインスイッチがオフされて運行が停止されても容量調整を終了せず、電気自動車の再起動後に容量調整を再開して、いったん決定した容量調整条件による容量調整を完了することにする。
【００２８】
なお、電気自動車など車両以外の装置に用いられる組電池においても、いったん容量調整条件を決定して容量調整を開始したら、装置の電源がオフされて容量調整が中断されても容量調整を終了せず、容量調整残り情報を記憶装置に記憶しておく。そして、装置の電源がオンされて容量調整が可能な状態になったら、記憶装置から容量調整残り情報を読み出して容量調整を再開し、いったん決定した容量調整条件による容量調整を完了させる。
【００２９】
この一実施の形態の上記容量調整方法によれば、いったん容量調整条件を決定したら確実にその条件による容量調整を完了することになるから、短時間の車両運行が繰り返される場合でも短期間で確実に容量調整を終了させることができ、組電池全体の放電可能容量を常に最大に保つことができる。
【００３０】
図４〜図５は、一実施の形態のセル容量調整プログラムを示すフローチャートである。これらのフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。バッテリーコントローラー３のＣＰＵ３ａは、メインスイッチ１３がオンして電気自動車が起動されたとき、あるいは充電装置（不図示）によりメインバッテリー１の充電が開始されたときに、このセル容量調整プログラムの実行を開始する。
【００３１】
ステップ１において、メモリ３ｂに各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整残り情報が記憶されているか否かを確認する。容量調整残り情報が記憶されている場合は、以前に決定した容量調整条件による容量調整が完了していないと判断し、容量調整残り情報が記憶されていない場合は、前回の容量調整が完了していると判断する。なお、容量調整残り情報には各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量、容量調整残り時間などの情報が含まれる。
【００３２】
以前に決定した容量調整条件による容量調整が完了している場合はステップ２へ進み、メインスイッチ１３がオンしてからメインリレー７がオン（閉路）するまでの間、すなわちメインバッテリー１が無負荷状態にある間に、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoを測定し、すべての並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoの総和を求める。上述したように、セル電圧検出部３ｄにより測定されるセル電圧は、各並列ブロック１ａ〜１ｄに並列接続されているセル２の平均端子電圧である。
【００３３】
メモリ３ｂには、図６に示すようなセル開放電圧Ｖoの総和[ｖ]に対する並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣの平均値[％]のデータテーブルが予め記憶されている。このデータテーブルにより、セル開放電圧Ｖoの測定値の総和に対応する充電容量ＳＯＣの平均値を補間演算する。なお、メモリ３ｂには、図７に示すようなセル開放電圧Ｖo[ｖ]に対する並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣの平均値[％]のデータテーブルが予め記憶されており、このデータテーブルから並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoの平均値に対応する充電容量ＳＯＣの平均値を補間演算してもよい。
【００３４】
ステップ３で各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣ平均値が予め設定した所定範囲内にあるか否かを判定する。ここで、充電容量ＳＯＣの所定範囲とは、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい範囲として予め定めた範囲であり、例えば図３に示すリチウムイオン電池ではＳＯＣ３０％以下またはＳＯＣ９５％以上の範囲である。
【００３５】
一般に、電気自動車（ＥＶ）は充電時に満充電まで充電されることが多く、セル間に充電容量差があると一部のセルが過充電になりやすい。このため、電気自動車では、過充電によるセル故障を避けるために、セル間に充電容量差がある場合は組電池全体の充電容量を制限する必要がある。しかし、そうすると電気自動車の１回の充電当たりの航続距離が低下してしまう。そこでこの一実施の形態では、電気自動車（ＥＶ）に対しては、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい充電容量範囲の内の、満充電容量近傍の充電容量範囲においてのみ、容量調整条件を決定する。例えば図３に示すリチウムイオン電池では、セルの充電容量ＳＯＣの平均値がＳＯＣ９５％以上の範囲にある場合にのみ、容量調整条件を決定する。
【００３６】
一方、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、満充電まで充電すると回生制動によるエネルギーの回収ができなくなり、逆に放電深度ＤＯＤ（Depth Of Discharge）が大きくなり過ぎると効率の悪いエンジン運転領域での運転を余儀なくされるため、セルの充電容量ＳＯＣがおよそ３０〜７０％の範囲に入るように充放電を制御することが多い。したがって、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）に対しては、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい充電容量範囲の内の、放電可能範囲下限近傍の充電容量範囲においてのみ、容量調整条件を決定する。例えば図３に示すリチウムイオン電池では、セルの充電容量ＳＯＣの平均値がＳＯＣ３０％以下の範囲にある場合にのみ、容量調整条件を決定する。
【００３７】
このように、容量調整条件を決定するセルの充電容量ＳＯＣの範囲を、電気自動車（ＥＶ）では満充電近傍の充電容量範囲とし、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）では放電可能範囲下限近傍の充電容量範囲とすることによって、電気自動車では一部のセルが過充電になるのを防止しながら航続距離を伸ばすことができ、ハイブリッド車両では使用頻度が高い充電容量範囲で各セルの充電容量ＳＯＣを均一にすることができる。
【００３８】
セルの充電容量ＳＯＣの平均値がこのような所定範囲内にない場合にはステップ４へ進み、容量調整条件の決定を行わず、警告灯１４を点灯して容量調整制御を終了する。一方、セルの充電容量ＳＯＣの平均値が所定範囲内にある場合はステップ５へ進み、温度センサー１２によりメインバッテリー１の無負荷状態における温度ｔｈを測定し、容量調整条件を決定するための温度係数ｋTを決定する。電池の種々の特性は温度により大きく変化するため、無負荷状態における電池温度を測定して容量調整条件を決定する。
【００３９】
図８に、電池温度[度Ｃ]に対する電池容量[Ａｈ]の特性例を示す。２０度Ｃのときの電池容量を基準とし、電池温度が変化したときの電池容量と２０度Ｃのときの電池容量との比を温度係数ｋTとしてメモリ３ｂに記憶しておき、この温度係数ｋTのデータテーブルから測定温度ｔｈに対応する係数を補間演算により求める。この温度係数ｋTは後述する容量調整条件の決定に用いる。
【００４０】
ステップ６においてメインリレー７を閉路して空調装置などの補機を駆動し、所定容量λ[Ａｈ]だけ放電する。続くステップ７では、セル電圧検出部３ｄにより所定容量λ[Ａｈ]放電後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoを検出する。さらにステップ８で、メモリ３ｂに記憶されているセル開放電圧Ｖoに対応する充電容量ＳＯＣのデータテーブル（図７参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoに対応する充電容量ＳＯＣを補間演算により求める。
【００４１】
ステップ９において、所定容量λ放電前後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧変化量に基づいて各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量fullＳＯＣを推定する。この満充電容量とは、セルに充電することができる最大の容量である。
【００４２】
図９は、所定容量λ放電前後のセル開放電圧変化量[ｍｖ]に対するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣのデータテーブルを示す。一般に電池は経年変化により満充電容量が減少し、満充電容量の減少度合いは電池の劣化度を示す。例えば図３に示すように、新品のときに１００Ａｈの満充電容量であった電池でも、経年変化により劣化してある時点では７０Ａｈになってしまう。また、経年変化以外の原因により劣化することもある。
【００４３】
この一実施の形態では、所定容量λ放電前後のセル開放電圧変化量に対するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣを予めデータテーブル化してメモリ３ｂに記憶しておき、実際に所定容量λの放電を行って放電前後のセル開放電圧変化量を検出し、開放電圧変化量に対応するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣを補間演算により求める。
【００４４】
ステップ１０では、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの中に異常に劣化したセルがあるか否かを判定する。この一実施の形態では、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量推定値fullＳＯＣから平均値を求め、満充電容量推定値fullＳＯＣがこの平均値から所定量以上低いセルを異常劣化セルと判定する。異常劣化セルがある場合はステップ１１へ進み、容量調整を禁止して警告灯１４を点灯し、容量調整制御を終了する。
【００４５】
一方、異常劣化セルがない場合はステップ１２へ進み、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの容量調整条件、すなわち放電容量と容量調整時間（放電時間）とを演算する。放電容量については、所定容量放電後の上記ステップ８で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの中で、最小の充電容量ＳＯＣを調整後の充電容量目標値とし、この最小充電容量と各並列ブロックセルの充電容量との差を放電容量として容量調整部３ｅにより放電する。
【００４６】
ここで、ステップ８で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量をＳＯＣ(ｉ)（ｉ＝１〜４）とし、最大の充電容量をＳＯＣmax、最小の充電容量をＳＯＣminとする。また、ステップ９で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量推定値をfullＳＯＣ(ｉ)（ｉ＝１〜４）とし、それらの内の最大のものをfullＳＯＣmaxとする。各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)を次式により演算する。
【数１】
Ｄuty(ｉ)＝〔（ＳＯＣ(ｉ)−ＳＯＣmin）／（ＳＯＣmax−ＳＯＣmin）〕×（fullＳＯＣ(ｉ)／fullＳＯＣmax）×ｋT
数式１において、ｋTは上記ステップ５で決定した温度係数である。また、（ＳＯＣ(ｉ)−ＳＯＣmin）は、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量である。
【００４７】
次に、容量調整時間（放電時間）は次のようにして求める。容量調整部３ｅの各放電回路２５〜２８の放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は同一の抵抗値としており、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧、すなわちセル電圧が等しければ各放電回路２５〜２８には同一の放電電流が流れる。この放電電流をＩdとし、この一実施の形態では０．１Ａとする。放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、所定のセル電圧のときに０．１Ａの放電電流Ｉdが流れる抵抗値とする。容量調整時間Ｔdは、並列ブロック１ａ〜１ｄの内の最大充電容量ＳＯＣmaxのセルが最小充電容量ＳＯＣminになるまで、放電電流Ｉdを流して放電する時間であるから、次式により算出する。
【数２】
Ｔd[ｈr]＝（ＳＯＣmax−ＳＯＣmin）／Ｉd
【００４８】
数式１により算出した各並列ブロック１ａ〜１ｄのデューティーＤuty(ｉ)にしたがって、各並列ブロック１ａ〜１ｄに対応する放電回路２５〜２８のトランジスターＴr１〜Ｔr４をデューティー駆動すれば、容量調整目標となる最小充電容量ＳＯＣminの並列ブロック以外のすべての並列ブロックの充電容量ＳＯＣが、容量調整時間Ｔd後には最小充電容量ＳＯＣminになる。
【００４９】
図１０は容量調整途中の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの変化を示す。(ａ)は、容量調整開始前の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの状態を示す。容量調整開始前において、各並列ブロック１ａ〜１ｄに例えば２０、３０、２５、３５Ａｈの容量が充電されていたとする。この状態から最小の充電容量ＳＯＣminの並列ブロック１ａを容量調整目標として容量調整を開始し、一実施の形態の容量調整方法によって容量調整対称の並列ブロック１ｂ、１ｃ、１ｄの放電容量（図中のハッチング部分で、最小容量ＳＯＣminとの差）１０、５、１５Ａｈを同一の容量調整時間で放電させる。
【００５０】
図１０(ｂ)は、一実施の形態の容量調整方法により容量調整を開始してから所定時間後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣを示す。この図から明らかなように、一実施の形態の容量調整方法によれば、容量調整途中においても当初から容量差が大きい並列ブロック１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが突出して容量差が拡大するようなことがなく、容量調整対称の並列ブロック１ｂ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが同じ割合で減少し、容量調整途中においても各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキを低減することができる。
【００５１】
図１０(ｃ)は、従来の容量調整方法により容量調整を開始してから所定時間後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣを示す。従来の容量調整方法によれば、容量調整途中において当初から容量差が大きい並列ブロック１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが突出しており、各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキは充分に低減されていない。
【００５２】
このように一実施の形態によれば、容量調整目標となる最小充電容量ＳＯＣminの並列ブロック以外の各並列ブロックにおいて、容量調整時間が同一になるように容量調整条件、すなわち各放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)と容量調整時間Ｔdを決定するようにした。つまり、組電池の全並列ブロックセルの容量調整を同時刻に開始したら全並列ブロックセルの容量調整が同時刻に終了するように、各放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)と容量調整時間Ｔdを決定するようにしたので、容量調整途中においても当初から容量差が大きい並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣが突出して容量差が拡大するようなことがなく、容量調整対称の並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣが同じ割合で減少し、容量調整途中においても各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキを低減することができる。その結果、セルの内部短絡などの異常を容易に検出することができる。
【００５３】
また、一実施の形態によれば、放電対称の並列ブロックセルの容量調整時間（放電時間）を同一にするとともに、デューティーＤuty(ｉ)の算出式（数式１）に示すように、最大満充電容量推定値fullＳＯＣmaxに対する各並列ブロックセルの満充電容量推定値fullＳＯＣ(ｉ)の比fullＳＯＣ(ｉ)／fullＳＯＣmaxに応じたデューティーを演算するようにしたので、並列ブロックセル間に劣化のバラツキがあったり、異常により新品に交換したセルが混在していても、並列ブロックセルの劣化程度に応じた過不足のない放電容量を決定することができ、容量調整後の組電池全体としての放電可能容量を増加させることができる。
【００５４】
さらに、一実施の形態によれば、電池温度が２０度Ｃのときの電池容量に対する電池温度が変化したときの電池容量の比を温度係数ｋTとし、各並列ブロックセルの放電回路のデューティー演算に用いるようにしたので、電池温度に応じた正確な放電容量を算出することができる。
【００５５】
ステップ１３において、容量調整部３ｅのトランジスターＴr１〜Ｔr４をそれぞれ、デューティーＤuty(ｉ)で駆動して容量調整を開始する。ステップ１４で容量調整時間Ｔdが経過したか否かを確認し、容量調整時間Ｔdが経過して容量調整が完了した場合はステップ１５へ進み、次回の電気自動車起動時に容量調整を継続する必要がないのでメモリ３ｂの容量調整残り情報を消去する。
【００５６】
一方、容量調整時間Ｔdが経過していないときはステップ１６へ進み、メインスイッチ１３がオフされたか否かを確認する。メインスイッチ１３がオン状態のままであればステップ１４へ戻り、ふたたび容量調整時間Ｔdの経過を確認する。メインスイッチ１３がオフされた場合はステップ１７へ進む。容量調整時間Ｔdが経過しない内にメインスイッチ１３がオフされたのであるから、これまで行ってきた容量調整は完了していない。ステップ１７で、次回のメインスイッチ１３のオン時、あるいはメインバッテリー１の充電開始時に、これまで行ってきた容量調整を再開して継続するために、メモリ３ｂに容量調整残り情報を記憶する。
【００５７】
なお、ステップ１においてメモリ３ｂに各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整残り情報が記憶されているか否かを確認し、容量調整残り情報が記憶されている場合はステップ１４以降へ進み、容量調整残り情報にしたがって以前に決定した容量調整条件による容量調整を再開する。
【００５８】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、メインバッテリー１が組電池を、ＣＰＵ３ａおよびセル電圧検出部３ｄが容量検出手段を、ＣＰＵ３ａが条件決定手段および容量推定手段を、ＣＰＵ３ａおよび容量調整部３ｅが容量調整手段を、メモリ３ｂが記憶手段を、温度センサー１２が温度検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００５９】
なお、上述した一実施の形態では、容量調整対称のすべての並列ブロックセルの容量調整時間を同一とするように、各並列ブロックの放電回路のデューティーを決定する例を示したが、各並列ブロックセルの放電容量を所定の放電電流で除して各並列ブロックセルの放電時間を求め、最大放電時間を組電池全体の容量調整時間とするとともに、すべての並列ブロックセルが同時刻に放電終了（容量調整終了）となるように、最大放電時間の並列ブロックセル以外の並列ブロックセルの放電開始時刻（容量調整開始時刻）を最大放電時間の並列ブロックセルの放電開始時刻から遅らせるようにしてもよい。
【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】 容量調整部の詳細を示す図である。
【図３】 リチウムイオン電池の充電容量に対する開放電圧特性を示す図である。
【図４】 一実施の形態のセル容量調整制御プログラムを示すフローチャートである。
【図５】 図４に続く、一実施の形態のセル容量調整制御プログラムを示すフローチャートである。
【図６】 セル開放電圧Ｖoの総和に対する充電容量ＳＯＣのテーブルを示す図である。
【図７】 セル開放電圧Ｖoに対する充電容量ＳＯＣのテーブルを示す図である。
【図８】 電池温度に対する電池容量の特性例を示す図である。
【図９】 所定容量放電前後のセル開放電圧変化量に対するセル満充電容量推定値のテーブルを示す図である。
【図１０】 容量調整過程の各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを示す図である。
【符号の説明】
１ メインバッテリー
１ａ〜１ｄ 並列ブロック
２ セル
３ バッテリーコントローラー
３ａ ＣＰＵ
３ｂ メモリ
３ｃ タイマー
３ｄ セル電圧検出部
３ｅ 容量調整部
４ 車両コントローラー
５ 補助バッテリー
６ 電流センサー
７ メインリレー
８ インバーター
９ モーター
１０ 補機システム
１１，２１〜２４ 電圧センサー
１２ 温度センサー
１３ メインスイッチ
１４ 警告灯
２５〜２８ 放電回路
Ｒ１〜Ｒ４ 放電抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ２ トランジスター
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセル（単電池）が直列または直並列に接続された組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルを直列に接続した組電池における容量調整方法が知られている（例えば特開２０００−０４０５３０号公報参照）。この種の容量調整方法では、セルの開放電圧に基づいて放電容量と容量調整時間（放電時間）、すなわち容量調整条件を決定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の組電池の容量調整方法では、組電池のＳＯＣ（充電状態または充電容量；State Of Charge）とは無関係に容量調整条件を決定しているので、ＳＯＣによっては容量調整条件の誤差が大きくなり、各セルの容量を充分に均一にできないという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、正確な容量調整条件を決定して組電池の容量調整を行い、各セルの容量を十分に均一にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のセルを直列に接続した組電池の各セルの充電容量SOCを検出してその平均値を求め、充電容量SOCの平均値が、セルの充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性における傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の範囲にある場合にのみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定し、この容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する際に、前記容量調整条件による容量調整が中断されたときは、前記容量調整条件による容量調整の残り情報を記憶し、容量調整が可能になったら容量調整残り情報にしたがって容量調整を再開する構成を備え、これにより上記目的を達成する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、各セルの容量を十分に均一にすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本願発明の組電池の容量調整装置を電気自動車（ＥＶ）のバッテリーに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明の組電池の容量調整装置および方法は電気自動車のバッテリーに限定されず、ハイブリッド車両やエンジン車両のバッテリーや、車両以外の多くの装置に用いられるバッテリーに応用することができる。
【０００８】
図１は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態の組電池１は、一般にセルと呼ばれる単電池２を２個ずつ並列に接続して４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを構成し、さらにこれら４組の並列ブロック１ａ〜１ｄを直列に接続したものである。この一実施の形態では、バッテリーコントローラー３および車両コントローラー４へ制御電源を供給する補助バッテリー５と区別するため、組電池１をメインバッテリーと呼ぶ。
【０００９】
なお、この一実施の形態では２個のセルを並列に接続して４組の並列ブロックを構成し、これら４組の並列ブロックを直列に接続した組電池を例に上げて説明するが、並列ブロック内のセルの並列接続数と並列ブロックの直列接続数はこの一実施の形態の数量に限定されない。本願発明は、例えば並列接続数が１で直列接続数がｎ（≧２）の組電池、すなわち複数のセルが単に直列に接続された組電池に対しても適用することができる。複数のセルを並列に接続した並列ブロックを複数組直列に接続した組電池に対しては、並列ブロック単位でセル開放電圧Ｖoおよび充電容量ＳＯＣを検出し、並列ブロック単位で容量調整を行う。一方、複数のセルが単に直列に接続された組電池では、セル単位でセル開放電圧Ｖoおよび充電容量ＳＯＣを検出し、セル単位で容量調整を行う。
【００１０】
このメインバッテリー１は電流センサー６とメインリレー７を介してインバーター８と補機システム１０へ接続され、インバーター８と補機システム１０へ直流電力を供給する。インバーター８は、メインバッテリー１の直流電力を交流電力に変換して走行駆動用交流モーター９に印加し、モーター９を駆動して車両を走行させる。インバーター８はまた、車両の制動時にモーター９で発生した交流回生電力を直流電力に変換し、メインバッテリー１を充電する。
【００１１】
バッテリーコントローラー３はＣＰＵ３ａ、メモリ３ｂ、タイマー３ｃ、セル電圧検出部３ｄ、容量調整部３ｅなどから構成され、メインバッテリー１の充放電と容量調整を制御する。セル電圧検出部３ｄは、メインバッテリー１の各並列ブロック１ａ〜１ｄに２個ずつ並列接続されたセル２の平均端子電圧を検出する。容量調整部３ｅは、セル電圧検出部３ｄで検出された各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル平均端子電圧に基づいて並列セルブロック間の容量バラツキを補正する。この容量調整部３ｅの詳細については後述する。
【００１２】
車両コントローラー４は、インバーター８と補機システム１０を制御して車両の走行と補機の作動を制御する。なお、補機システム１０には空調装置、灯火類、ワイパーなどが含まれる。電流センサー６は、バッテリー１からインバーター８へ流れる放電電流と、インバーター８からバッテリー１へ流れる充電電流とを検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインリレー７はＣＰＵ３ａにより開閉され、メインバッテリー１とその負荷（モーター９および補機システム１０）との間の接続と開放を行う。
【００１３】
電圧センサー１１はメインバッテリー１の両端電圧を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。また、温度センサー１２はメインバッテリー１の温度を検出し、ＣＰＵ３ａへ出力する。メインスイッチ１３は、エンジンを走行駆動源とする従来の自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、電気自動車のメインキーが走行位置に設定されると閉路（オン）する。警告灯１４は、電気自動車に何らかの異常が発生したときに点灯して乗員に異常発生を報知する。
【００１４】
図２は容量調整部３ｅの詳細を示す。メインバッテリー１の並列ブロック１ａには、抵抗器Ｒ１とトランジスターＴｒ１の直列回路２５が並列に接続される。同様に、並列ブロック１ｂ〜１ｄにもそれぞれ、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４とトランジスターＴｒ２〜Ｔｒ４の直列回路２６〜２８が並列に接続される。この抵抗器Ｒ１〜Ｒ４とトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の直列回路２５〜２８は、各並列ブロック１ａ〜１ｄ内のセル２の充電容量ＳＯＣ（State Of Charge）を放電するための回路であり、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は放電抵抗、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４は放電と停止を行うスイッチである。なお、この一実施の形態では放電回路２５〜２８のスイッチにトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４を用いた例を示すが、トランジスター以外のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどを用いてもよい。
【００１５】
ＣＰＵ３ａは、各並列ブロック１ａ〜１ｄに接続される各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のベースへ信号を送り、トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４ごとにオン（導通）とオフ（非導通）を制御する。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンすると、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル２の充電電力が抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を介して放電し、放電分だけ充電容量ＳＯＣが減少する。ＣＰＵ３ａは、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のオンとオフを繰り返してデューティー制御を行う。このデューティーは、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量と放電時間（容量調整時間）とに基づいて決定する。
【００１６】
各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクターとエミッター間にはそれぞれ、電圧センサー２１〜２４が接続される。トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４がオンするとコレクター〜エミッター間電圧がほぼ０Ｖになり、オフするとコレクター〜エミッター間電圧が並列ブロック１ａ〜１ｄのセル両端電圧になる。ＣＰＵ３ａは、電圧センサー２１〜２４によりトランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４のコレクター〜エミッター間電圧をモニターし、各トランジスターＴｒ１〜Ｔｒ４の動作状況、つまり各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整状況を確認する。
【００１７】
容量調整部３ｅは、メインバッテリー１の並列ブロック１ａ〜１ｄ単位で容量調整を行い、いずれかの並列ブロックが過充電状態または過放電状態になってメインバッテリー１の容量を十分に利用できなくなるのを防止する。しかし、容量調整部３ｅでは各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどおしの容量バラツキを調整することはできない。各並列ブロック１ａ〜１ｄ内の並列接続セルどうしの容量バラツキは、容量自己調整により解消される。
【００１８】
ここで、各並列ブロック内の並列に接続されたセルどうしの容量自己調整について簡単に説明する。並列に接続された２個のセルの間に容量のバラツキがあると、容量が高い側すなわち端子電圧が高い側のセルの容量が、容量の低い側すなわち端子電圧が低い側のセルへ徐々に移動し、２個の並列セルは等容量になろうとする性質がある。この性質は容量自己調整と呼ばれ、容量差（セル開放電圧の差）が大きいほど等容量に近い状態になるまでの容量の変化速度が速く、容量差が小さくなって等容量に近い状態になると容量変化速度は遅くなる。
【００１９】
次に、セルの充電容量ＳＯＣ（残存容量または充電状態と呼ぶこともある）に対する開放電圧Ｖoの特性について説明する。図３は、リチウムイオン電池の充電容量ＳＯＣ[％]に対する開放電圧Ｖo[ｖ]の特性を示す。セルの開放電圧Ｖoは充電容量ＳＯＣに応じて変化し、充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲とおよそ９５％以上の範囲では、充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜（または｜ΔＶo／ΔＡｈ｜）が大きく、およそ充電容量ＳＯＣが３０〜９５％の範囲では、充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜は小さい。
【００２０】
従来の組電池の容量調整方法では、セルの充電容量ＳＯＣに無関係に、組電池無負荷時のセル開放電圧の分布状況に基づいて放電容量と容量調整時間を決定していた。さらに具体的に説明すると、電気自動車起動時（メインスイッチオン時）の組電池無負荷状態におけるセルごとの開放電圧を測定し、それらの平均値と各セルの開放電圧との偏差に応じた放電容量を決定し、その放電容量分を放電させる構成となっていた。また、容量調整時間（放電時間）は、放電容量とセルごとの開放電圧偏差に応じて決定していた。
【００２１】
ところが、このような従来の容量調整条件の決定方法では、充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きい電池を用いると、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残ってしまう。例えば図３に示す充電容量−開放電圧特性の非線形性が大きいリチウムイオン電池では、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が一定ではないため、セル開放電圧分布のバラツキが同じであっても放電容量が異なることがあり、したがって、容量調整後の全セルの充電容量ＳＯＣが均一にならず、容量差が残る。
【００２２】
また、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が小さい範囲において容量調整条件を決定すると、例えばわずかなセル開放電圧Ｖoの測定誤差が大きな充電容量ＳＯＣの変化量になるため、セルごとの放電容量に過不足が生じやすい。
【００２３】
そこで、この一実施の形態では、従来の容量調整条件の決定方法の上記問題点を改善するために、組電池が無負荷状態にあるときにセル開放電圧を測定し、充電容量−開放電圧特性により換算した充電容量ＳＯＣが、充電容量ＳＯＣ−開放電圧変化量Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔＳＯＣ｜が所定値以上の大きい範囲にある場合にのみ、容量調整条件、すなわち放電容量と容量調整時間（放電時間）を決定する。
【００２４】
図３に示すリチウムイオン電池では、充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲とおよそ９５％以上の範囲で充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖo特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が大きいから、組電池が無負荷状態にあるときの充電容量ＳＯＣがおよそ３０％以下の範囲またはおよそ９５％以上の範囲にある場合にのみ、放電容量と容量調整時間を決定する。しかし、充電容量ＳＯＣがそれ以外の範囲、およそ３０〜９５％の範囲にある場合には、放電容量と容量調整時間の決定を行わない。
【００２５】
この一実施の形態の容量調整条件の決定方法によれば、セルの充電容量ＳＯＣが、充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい範囲にある場合にのみ、放電容量を決定するようにしたので、各セルの放電容量を正確に決定することができ、したがって、各セルの調整後の充電容量ＳＯＣが目標値へ収束する確率が高くなり、各セルの調整後の充電容量ＳＯＣを均一にすることができる。さらにその結果、組電池全体として放電可能な容量を増加させることになり、電気自動車の走行距離を延ばすことができる。
【００２６】
次に、従来の容量調整方法では、容量調整時間が経過する前に電気自動車のメインスイッチがオフされると容量調整を強制的に終了させていた。この従来の容量調整方法によれば、電気自動車のメインスイッチがふたたびオンされて起動されたときに、容量調整条件を決定し直して新たに容量調整を開始することになるから、短時間の車両運行が繰り返される場合には組電池の容量調整がいつまでも終了しないことになる。
【００２７】
そこでこの一実施の形態では、電気自動車起動後の組電池が無負荷状態において容量調整条件を決定したら、その容量調整条件による容量調整が終了するまでは、電気自動車のメインスイッチがオフされて運行が停止されても容量調整を終了せず、電気自動車の再起動後に容量調整を再開して、いったん決定した容量調整条件による容量調整を完了することにする。
【００２８】
なお、電気自動車など車両以外の装置に用いられる組電池においても、いったん容量調整条件を決定して容量調整を開始したら、装置の電源がオフされて容量調整が中断されても容量調整を終了せず、容量調整残り情報を記憶装置に記憶しておく。そして、装置の電源がオンされて容量調整が可能な状態になったら、記憶装置から容量調整残り情報を読み出して容量調整を再開し、いったん決定した容量調整条件による容量調整を完了させる。
【００２９】
この一実施の形態の上記容量調整方法によれば、いったん容量調整条件を決定したら確実にその条件による容量調整を完了することになるから、短時間の車両運行が繰り返される場合でも短期間で確実に容量調整を終了させることができ、組電池全体の放電可能容量を常に最大に保つことができる。
【００３０】
図４〜図５は、一実施の形態のセル容量調整プログラムを示すフローチャートである。これらのフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。バッテリーコントローラー３のＣＰＵ３ａは、メインスイッチ１３がオンして電気自動車が起動されたとき、あるいは充電装置（不図示）によりメインバッテリー１の充電が開始されたときに、このセル容量調整プログラムの実行を開始する。
【００３１】
ステップ１において、メモリ３ｂに各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整残り情報が記憶されているか否かを確認する。容量調整残り情報が記憶されている場合は、以前に決定した容量調整条件による容量調整が完了していないと判断し、容量調整残り情報が記憶されていない場合は、前回の容量調整が完了していると判断する。なお、容量調整残り情報には各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量、容量調整残り時間などの情報が含まれる。
【００３２】
以前に決定した容量調整条件による容量調整が完了している場合はステップ２へ進み、メインスイッチ１３がオンしてからメインリレー７がオン（閉路）するまでの間、すなわちメインバッテリー１が無負荷状態にある間に、セル電圧検出部３ｄにより各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoを測定し、すべての並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoの総和を求める。上述したように、セル電圧検出部３ｄにより測定されるセル電圧は、各並列ブロック１ａ〜１ｄに並列接続されているセル２の平均端子電圧である。
【００３３】
メモリ３ｂには、図６に示すようなセル開放電圧Ｖoの総和[ｖ]に対する並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣの平均値[％]のデータテーブルが予め記憶されている。このデータテーブルにより、セル開放電圧Ｖoの測定値の総和に対応する充電容量ＳＯＣの平均値を補間演算する。なお、メモリ３ｂには、図７に示すようなセル開放電圧Ｖo[ｖ]に対する並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣの平均値[％]のデータテーブルが予め記憶されており、このデータテーブルから並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoの平均値に対応する充電容量ＳＯＣの平均値を補間演算してもよい。
【００３４】
ステップ３で各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量ＳＯＣ平均値が予め設定した所定範囲内にあるか否かを判定する。ここで、充電容量ＳＯＣの所定範囲とは、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい範囲として予め定めた範囲であり、例えば図３に示すリチウムイオン電池ではＳＯＣ３０％以下またはＳＯＣ９５％以上の範囲である。
【００３５】
一般に、電気自動車（ＥＶ）は充電時に満充電まで充電されることが多く、セル間に充電容量差があると一部のセルが過充電になりやすい。このため、電気自動車では、過充電によるセル故障を避けるために、セル間に充電容量差がある場合は組電池全体の充電容量を制限する必要がある。しかし、そうすると電気自動車の１回の充電当たりの航続距離が低下してしまう。そこでこの一実施の形態では、電気自動車（ＥＶ）に対しては、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい充電容量範囲の内の、満充電容量近傍の充電容量範囲においてのみ、容量調整条件を決定する。例えば図３に示すリチウムイオン電池では、セルの充電容量ＳＯＣの平均値がＳＯＣ９５％以上の範囲にある場合にのみ、容量調整条件を決定する。
【００３６】
一方、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、満充電まで充電すると回生制動によるエネルギーの回収ができなくなり、逆に放電深度ＤＯＤ（Depth Of Discharge）が大きくなり過ぎると効率の悪いエンジン運転領域での運転を余儀なくされるため、セルの充電容量ＳＯＣがおよそ３０〜７０％の範囲に入るように充放電を制御することが多い。したがって、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）に対しては、セルの充電容量−開放電圧特性の傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の大きい充電容量範囲の内の、放電可能範囲下限近傍の充電容量範囲においてのみ、容量調整条件を決定する。例えば図３に示すリチウムイオン電池では、セルの充電容量ＳＯＣの平均値がＳＯＣ３０％以下の範囲にある場合にのみ、容量調整条件を決定する。
【００３７】
このように、容量調整条件を決定するセルの充電容量ＳＯＣの範囲を、電気自動車（ＥＶ）では満充電近傍の充電容量範囲とし、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）では放電可能範囲下限近傍の充電容量範囲とすることによって、電気自動車では一部のセルが過充電になるのを防止しながら航続距離を伸ばすことができ、ハイブリッド車両では使用頻度が高い充電容量範囲で各セルの充電容量ＳＯＣを均一にすることができる。
【００３８】
セルの充電容量ＳＯＣの平均値がこのような所定範囲内にない場合にはステップ４へ進み、容量調整条件の決定を行わず、警告灯１４を点灯して容量調整制御を終了する。一方、セルの充電容量ＳＯＣの平均値が所定範囲内にある場合はステップ５へ進み、温度センサー１２によりメインバッテリー１の無負荷状態における温度ｔｈを測定し、容量調整条件を決定するための温度係数ｋTを決定する。電池の種々の特性は温度により大きく変化するため、無負荷状態における電池温度を測定して容量調整条件を決定する。
【００３９】
図８に、電池温度[度Ｃ]に対する電池容量[Ａｈ]の特性例を示す。２０度Ｃのときの電池容量を基準とし、電池温度が変化したときの電池容量と２０度Ｃのときの電池容量との比を温度係数ｋTとしてメモリ３ｂに記憶しておき、この温度係数ｋTのデータテーブルから測定温度ｔｈに対応する係数を補間演算により求める。この温度係数ｋTは後述する容量調整条件の決定に用いる。
【００４０】
ステップ６においてメインリレー７を閉路して空調装置などの補機を駆動し、所定容量λ[Ａｈ]だけ放電する。続くステップ７では、セル電圧検出部３ｄにより所定容量λ[Ａｈ]放電後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoを検出する。さらにステップ８で、メモリ３ｂに記憶されているセル開放電圧Ｖoに対応する充電容量ＳＯＣのデータテーブル（図７参照）から、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧Ｖoに対応する充電容量ＳＯＣを補間演算により求める。
【００４１】
ステップ９において、所定容量λ放電前後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセル開放電圧変化量に基づいて各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量fullＳＯＣを推定する。この満充電容量とは、セルに充電することができる最大の容量である。
【００４２】
図９は、所定容量λ放電前後のセル開放電圧変化量[ｍｖ]に対するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣのデータテーブルを示す。一般に電池は経年変化により満充電容量が減少し、満充電容量の減少度合いは電池の劣化度を示す。例えば図３に示すように、新品のときに１００Ａｈの満充電容量であった電池でも、経年変化により劣化してある時点では７０Ａｈになってしまう。また、経年変化以外の原因により劣化することもある。
【００４３】
この一実施の形態では、所定容量λ放電前後のセル開放電圧変化量に対するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣを予めデータテーブル化してメモリ３ｂに記憶しておき、実際に所定容量λの放電を行って放電前後のセル開放電圧変化量を検出し、開放電圧変化量に対応するセルの満充電容量推定値fullＳＯＣを補間演算により求める。
【００４４】
ステップ１０では、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの中に異常に劣化したセルがあるか否かを判定する。この一実施の形態では、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量推定値fullＳＯＣから平均値を求め、満充電容量推定値fullＳＯＣがこの平均値から所定量以上低いセルを異常劣化セルと判定する。異常劣化セルがある場合はステップ１１へ進み、容量調整を禁止して警告灯１４を点灯し、容量調整制御を終了する。
【００４５】
一方、異常劣化セルがない場合はステップ１２へ進み、各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの容量調整条件、すなわち放電容量と容量調整時間（放電時間）とを演算する。放電容量については、所定容量放電後の上記ステップ８で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの中で、最小の充電容量ＳＯＣを調整後の充電容量目標値とし、この最小充電容量と各並列ブロックセルの充電容量との差を放電容量として容量調整部３ｅにより放電する。
【００４６】
ここで、ステップ８で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄの充電容量をＳＯＣ(ｉ)（ｉ＝１〜４）とし、最大の充電容量をＳＯＣmax、最小の充電容量をＳＯＣminとする。また、ステップ９で求めた各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの満充電容量推定値をfullＳＯＣ(ｉ)（ｉ＝１〜４）とし、それらの内の最大のものをfullＳＯＣmaxとする。各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)を次式により演算する。
【数１】
Ｄuty(ｉ)＝〔（ＳＯＣ(ｉ)−ＳＯＣmin）／（ＳＯＣmax−ＳＯＣmin）〕×（fullＳＯＣ(ｉ)／fullＳＯＣmax）×ｋT
数式１において、ｋTは上記ステップ５で決定した温度係数である。また、（ＳＯＣ(ｉ)−ＳＯＣmin）は、各並列ブロック１ａ〜１ｄの放電容量である。
【００４７】
次に、容量調整時間（放電時間）は次のようにして求める。容量調整部３ｅの各放電回路２５〜２８の放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は同一の抵抗値としており、各並列ブロック１ａ〜１ｄの電圧、すなわちセル電圧が等しければ各放電回路２５〜２８には同一の放電電流が流れる。この放電電流をＩdとし、この一実施の形態では０．１Ａとする。放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、所定のセル電圧のときに０．１Ａの放電電流Ｉdが流れる抵抗値とする。容量調整時間Ｔdは、並列ブロック１ａ〜１ｄの内の最大充電容量ＳＯＣmaxのセルが最小充電容量ＳＯＣminになるまで、放電電流Ｉdを流して放電する時間であるから、次式により算出する。
【数２】
Ｔd[ｈr]＝（ＳＯＣmax−ＳＯＣmin）／Ｉd
【００４８】
数式１により算出した各並列ブロック１ａ〜１ｄのデューティーＤuty(ｉ)にしたがって、各並列ブロック１ａ〜１ｄに対応する放電回路２５〜２８のトランジスターＴr１〜Ｔr４をデューティー駆動すれば、容量調整目標となる最小充電容量ＳＯＣminの並列ブロック以外のすべての並列ブロックの充電容量ＳＯＣが、容量調整時間Ｔd後には最小充電容量ＳＯＣminになる。
【００４９】
図１０は容量調整途中の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの変化を示す。(ａ)は、容量調整開始前の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣの状態を示す。容量調整開始前において、各並列ブロック１ａ〜１ｄに例えば２０、３０、２５、３５Ａｈの容量が充電されていたとする。この状態から最小の充電容量ＳＯＣminの並列ブロック１ａを容量調整目標として容量調整を開始し、一実施の形態の容量調整方法によって容量調整対称の並列ブロック１ｂ、１ｃ、１ｄの放電容量（図中のハッチング部分で、最小容量ＳＯＣminとの差）１０、５、１５Ａｈを同一の容量調整時間で放電させる。
【００５０】
図１０(ｂ)は、一実施の形態の容量調整方法により容量調整を開始してから所定時間後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣを示す。この図から明らかなように、一実施の形態の容量調整方法によれば、容量調整途中においても当初から容量差が大きい並列ブロック１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが突出して容量差が拡大するようなことがなく、容量調整対称の並列ブロック１ｂ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが同じ割合で減少し、容量調整途中においても各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキを低減することができる。
【００５１】
図１０(ｃ)は、従来の容量調整方法により容量調整を開始してから所定時間後の各並列ブロック１ａ〜１ｄのセルの充電容量ＳＯＣを示す。従来の容量調整方法によれば、容量調整途中において当初から容量差が大きい並列ブロック１ｄのセルの充電容量ＳＯＣが突出しており、各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキは充分に低減されていない。
【００５２】
このように一実施の形態によれば、容量調整目標となる最小充電容量ＳＯＣminの並列ブロック以外の各並列ブロックにおいて、容量調整時間が同一になるように容量調整条件、すなわち各放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)と容量調整時間Ｔdを決定するようにした。つまり、組電池の全並列ブロックセルの容量調整を同時刻に開始したら全並列ブロックセルの容量調整が同時刻に終了するように、各放電回路２５〜２８のデューティーＤuty(ｉ)と容量調整時間Ｔdを決定するようにしたので、容量調整途中においても当初から容量差が大きい並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣが突出して容量差が拡大するようなことがなく、容量調整対称の並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣが同じ割合で減少し、容量調整途中においても各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣのバラツキを低減することができる。その結果、セルの内部短絡などの異常を容易に検出することができる。
【００５３】
また、一実施の形態によれば、放電対称の並列ブロックセルの容量調整時間（放電時間）を同一にするとともに、デューティーＤuty(ｉ)の算出式（数式１）に示すように、最大満充電容量推定値fullＳＯＣmaxに対する各並列ブロックセルの満充電容量推定値fullＳＯＣ(ｉ)の比fullＳＯＣ(ｉ)／fullＳＯＣmaxに応じたデューティーを演算するようにしたので、並列ブロックセル間に劣化のバラツキがあったり、異常により新品に交換したセルが混在していても、並列ブロックセルの劣化程度に応じた過不足のない放電容量を決定することができ、容量調整後の組電池全体としての放電可能容量を増加させることができる。
【００５４】
さらに、一実施の形態によれば、電池温度が２０度Ｃのときの電池容量に対する電池温度が変化したときの電池容量の比を温度係数ｋTとし、各並列ブロックセルの放電回路のデューティー演算に用いるようにしたので、電池温度に応じた正確な放電容量を算出することができる。
【００５５】
ステップ１３において、容量調整部３ｅのトランジスターＴr１〜Ｔr４をそれぞれ、デューティーＤuty(ｉ)で駆動して容量調整を開始する。ステップ１４で容量調整時間Ｔdが経過したか否かを確認し、容量調整時間Ｔdが経過して容量調整が完了した場合はステップ１５へ進み、次回の電気自動車起動時に容量調整を継続する必要がないのでメモリ３ｂの容量調整残り情報を消去する。
【００５６】
一方、容量調整時間Ｔdが経過していないときはステップ１６へ進み、メインスイッチ１３がオフされたか否かを確認する。メインスイッチ１３がオン状態のままであればステップ１４へ戻り、ふたたび容量調整時間Ｔdの経過を確認する。メインスイッチ１３がオフされた場合はステップ１７へ進む。容量調整時間Ｔdが経過しない内にメインスイッチ１３がオフされたのであるから、これまで行ってきた容量調整は完了していない。ステップ１７で、次回のメインスイッチ１３のオン時、あるいはメインバッテリー１の充電開始時に、これまで行ってきた容量調整を再開して継続するために、メモリ３ｂに容量調整残り情報を記憶する。
【００５７】
なお、ステップ１においてメモリ３ｂに各並列ブロック１ａ〜１ｄの容量調整残り情報が記憶されているか否かを確認し、容量調整残り情報が記憶されている場合はステップ１４以降へ進み、容量調整残り情報にしたがって以前に決定した容量調整条件による容量調整を再開する。
【００５８】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、メインバッテリー１が組電池を、ＣＰＵ３ａおよびセル電圧検出部３ｄが容量検出手段を、ＣＰＵ３ａが条件決定手段および容量推定手段を、ＣＰＵ３ａおよび容量調整部３ｅが容量調整手段を、メモリ３ｂが記憶手段を、温度センサー１２が温度検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００５９】
なお、上述した一実施の形態では、容量調整対称のすべての並列ブロックセルの容量調整時間を同一とするように、各並列ブロックの放電回路のデューティーを決定する例を示したが、各並列ブロックセルの放電容量を所定の放電電流で除して各並列ブロックセルの放電時間を求め、最大放電時間を組電池全体の容量調整時間とするとともに、すべての並列ブロックセルが同時刻に放電終了（容量調整終了）となるように、最大放電時間の並列ブロックセル以外の並列ブロックセルの放電開始時刻（容量調整開始時刻）を最大放電時間の並列ブロックセルの放電開始時刻から遅らせるようにしてもよい。
【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】 容量調整部の詳細を示す図である。
【図３】 リチウムイオン電池の充電容量に対する開放電圧特性を示す図である。
【図４】 一実施の形態のセル容量調整制御プログラムを示すフローチャートである。
【図５】 図４に続く、一実施の形態のセル容量調整制御プログラムを示すフローチャートである。
【図６】 セル開放電圧Ｖoの総和に対する充電容量ＳＯＣのテーブルを示す図である。
【図７】 セル開放電圧Ｖoに対する充電容量ＳＯＣのテーブルを示す図である。
【図８】 電池温度に対する電池容量の特性例を示す図である。
【図９】 所定容量放電前後のセル開放電圧変化量に対するセル満充電容量推定値のテーブルを示す図である。
【図１０】 容量調整過程の各並列ブロックセルの充電容量ＳＯＣを示す図である。
【符号の説明】
１ メインバッテリー
１ａ〜１ｄ 並列ブロック
２ セル
３ バッテリーコントローラー
３ａ ＣＰＵ
３ｂ メモリ
３ｃ タイマー
３ｄ セル電圧検出部
３ｅ 容量調整部
４ 車両コントローラー
５ 補助バッテリー
６ 電流センサー
７ メインリレー
８ インバーター
９ モーター
１０ 補機システム
１１，２１〜２４ 電圧センサー
１２ 温度センサー
１３ メインスイッチ
１４ 警告灯
２５〜２８ 放電回路
Ｒ１〜Ｒ４ 放電抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ２ トランジスター
Claims (10)
- 複数のセルを直列に接続した組電池と、
前記組電池の各セルの充電容量SOCを検出する容量検出手段と、
前記組電池の全セルの充電容量SOCの平均値が、セルの充電容量SOC−開放電圧Ｖo特性における傾き｜ΔＶo／ΔSOC｜が所定値以上の範囲にある場合のみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定する条件決定手段と、
前記容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する容量調整手段とを備え、
前記容量調整手段は、前記条件決定手段により決定された容量調整条件による容量調整が中断されたときは、前記容量調整条件による容量調整の残り情報を記憶手段に記憶し、容量調整が可能になったら前記記憶手段から容量調整残り情報を読み出し、容量調整残り情報にしたがって容量調整を再開することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
前記条件決定手段は、前記組電池の全セルの容量調整を同時刻に開始したら全セルの容量調整が同時刻に終了するように、各セルの放電回路の作動デューティーを決定することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池を所定容量放電させたときの放電前後の各セルの端子電圧変化量を測定して各セルの満充電容量を推定する容量推定手段を備え、
前記条件決定手段は、最大の満充電容量推定値と各セルの満充電容量推定値との比により、各セルの放電回路の作動デューティーを補正することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
前記容量調整手段は、前記組電池の各セルの満充電容量推定値の平均値からの偏差が所定量以上のセルがある場合には、容量調整を行わないことを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項２〜４のいずれかの項に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記条件決定手段は、前記組電池の温度検出値に基づいて各セルの放電回路の作動デューティーを補正することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
前記容量調整手段は、前記組電池の全セルの容量調整が同時刻に終了するように、各セルの放電容量に応じて容量調整開始時刻をずらすことを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項１〜６のいずれかの項に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池は電気自動車に搭載され、
前記条件決定手段は、前記組電池の全セルの充電容量 SOC の平均値が、セルの充電容量 SOC −開放電圧Ｖ o 特性における傾き｜ΔＶ o ／Δ SOC ｜が所定値以上で、かつ満充電容量近傍の範囲にある場合のみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項１〜６のいずれかの項に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池はハイブリッド車両に搭載され、
前記条件決定手段は、前記組電池の全セルの充電容量 SOC の平均値が、セルの充電容量 SOC −開放電圧Ｖ o 特性における傾き｜ΔＶ o ／Δ SOC ｜が所定値以上で、かつ放電可能範囲下限近傍の範囲にある場合のみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定することを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 複数のセルを直列に接続した組電池の各セルの充電容量 SOC を検出してその平均値を求め、充電容量 SOC の平均値が、セルの充電容量 SOC −開放電圧Ｖ o 特性における傾き｜ΔＶ o ／Δ SOC ｜が所定値以上の範囲にある場合にのみ、前記組電池の各セルの容量調整条件を決定し、この容量調整条件にしたがって前記組電池の各セルの充電容量を調整する組電池の容量調整方法において、
前記容量調整条件による容量調整が中断されたときは、前記容量調整条件による容量調整の残り情報を記憶し、容量調整が可能になったら容量調整残り情報にしたがって容量調整を再開することを特徴とする組電池の容量調整方法。 - 請求項９に記載の組電池の容量調整方法において、
前記組電池の全セルの容量調整を同時刻に開始したら全セルの容量調整が同時刻に終了するように、各セルの放電回路の作動デューティーを決定することを特徴とする組電池の容量調整方法。
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