JP3899700B2 - 組電池の電圧調整装置及び組電池の電圧調整方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の単位セルを直列に接続してなる組電池について、各単位セル間の端子電圧のばらつきを調整する組電池の電圧調整装置及び組電池の電圧調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、低公害性と高い走行性能との両立を目的として、電気自動車とガソリンエンジンとのメカニズムを組み合わせたハイブリッド電気自動車(以下、HEVと称す)が開発されている。HEVは、ガソリンエンジンを搭載しているため、電気自動車ほど大容量のバッテリを使用せずともガソリン車並みの走行性能が確保できる一方、エンジンの効率が低く二酸化炭素や窒素酸化物などの排出量が増加する低回転時にはバッテリによりモータを駆動して走行するため、低公害性をも達成し得るようになっている。
【0003】
斯様なHEVにおいても、発進時やフル加速時にはバッテリから供給される電力を使用するため、バッテリには高い出力が要求される。また、HEVは、エンジンやモータ/ジェネレータ,バッテリなど多くの構成部品を搭載しなければならず、自動車全体の重量が増加することから、バッテリに対しては、電気自動車と同様に高性能且つ軽量であることが要求されている。
【0004】
斯様な状況下で、鉛,ニッカドやニッケル水素電池などに代わるものとして、リチウム電池が注目されている。リチウム電池は、同容量の鉛やニッカド電池に比して約3〜4倍もの高い重量エネルギ密度を有しており、小形軽量化が要求されるHEVには好適であるとして応用が期待されている。
【0005】
ところが、リチウム電池は、過充電や過放電に弱く、定められた電圧範囲内で使用しないと材料が分解して著しく容量が減少したり、異常に発熱するなどして使用できなくなるおそれがある。そのため、リチウム電池を使用する場合は、上限電圧及び下限電圧を明確に規定して、端子電圧がその範囲内となるように充放電制御したり、或いは、電圧範囲を制限する保護回路とセットで使用するのが一般的である。
【0006】
ところで、電気自動車やHEVに使用されるバッテリは、モータを駆動するために高い電圧が要求されるので、通常、複数個の単位セルを直列に接続して構成されている。例えば、300Vのバッテリ電圧を得るには、単位セル当たり2Vの鉛電池では150個程度のセルを直列接続し、単位セル当たり3.6Vのリチウム電池では80個程度のセルを直列接続することになる。
【0007】
このように多数の単位セルを直列接続してなる組電池を充電する場合、従来は、組電池の正,負極の端子間電圧を監視することにより充電を制御していた。例えば、単位セル当たりの電圧範囲が1.8〜2.4Vで150個直列の鉛電池の場合は、組電池の電圧範囲が270〜360Vの範囲となるように充放電制御していた。
【0008】
この場合に問題となるのが、各単位セルの残存容量(State Of Charge,以下、SOCと称す)に基づく各単位セル間の端子電圧のばらつきである。直列接続された状態では各単位セルを流れる電流値は等しいが、各単位セル毎の残存容量には必ずばらつきがあるため、これに起因して各単位セルの端子電圧も異なったものとなる。この残存容量のばらつきは、主としてセルごとの自己放電や充放電効率の違いによって生じるもので、時間と共に蓄積され拡大していくものである。
【0009】
即ち、これらの総計たる組電池の端子間電圧を監視して充電制御しても、その構成要素たる各単位セルとしては、端子電圧が(組電池の端子間電圧)/(単位セル個数)で得られる平均電圧よりも高く、或いは低くなっているものが存在する。このため、上限電圧まで充電すれば過充電となり、下限電圧まで放電すれば過放電となる単位セルが存在することになる。
【0010】
しかし、ニッカド或いはニッケル水素電池は、過放電や過充電となっても性能の劣化が少なく、また、鉛電池は、性能が劣化しても特に安全性に問題は無く、何れも使用不能の状態にはならないことから、組電池の両端電圧のみを参照して制御すれば十分だが、リチウム電池を多直列組電池として使用する場合は、各単位セル夫々が過充電または過放電状態とならないように対策することは必須である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このような対策を考慮したものとして、例えば、実開平2−136445号公報においては、充電時には、各単位セルの端子電圧の内最高値を検出してその最高電圧に基づいて制御を行い、放電時には、同最低値を検出してその最低電圧に基づいて制御を行う技術が開示されている。この従来技術では、全ての単位セルを所定電圧範囲内で充放電制御することは可能だが、各単位セル毎のSOCがずれてしまった場合は、SOCが最高,最低である単位セルで充電,放電が制限され、SOCがずれた分だけ容量が少なくなるという問題がある。
【0012】
このような問題を解決するものとして、例えば、特開平6−253463号公報には、各単位セルに抵抗及びスイッチからなる放電回路(バイパス回路)を並列に接続し、単位セルの電圧にばらつきが生じると、電圧が高くなっている単位セルに対応する放電回路のスイッチを閉じて放電させたり、或いは、充電時における充電電流を分流させる所謂バランス充放電によって単位セル間の電圧差を縮小するという技術が開示されている。
【0013】
また、特開平8−213055号公報には、各単位セルの充電状態を監視することで、満充電状態に達した単位セルについてはバイパス回路に充電電流を分流することによって全ての単位セルを満充電状態に揃え、ばらつきを解消する技術が開示されている。
【0014】
これらの従来技術の具体構成例を図12に示す。組電池1は、複数(n)個の単位セル2(1),2(2),…,2(n)を直列接続して構成されており、それらの各単位セル2の両端には、放電用の抵抗3a及びトランジスタやFETなどからなるスイッチ3bを直列に接続して構成された放電回路3並びに電圧検出器4が夫々接続されている。電圧検出器4の出力信号は、マルチプレクサ5及びA/Dコンバータ6を介してMPU7に与えられる。
【0015】
MPU7は、一定時間毎に各単位セル2の端子電圧を参照してメモリ8に記憶させると共に、各単位セル2の内で端子電圧が高くなったものを放電させるため、或いは、充電電流をバイパスさせるために制御信号をデコーダ9に出力する。当該制御信号は、デコーダ9によりデコードされると、対応する単位セル2の放電回路3のスイッチ3bにフォトカプラ(またはアイソレーションアンプ)10を介して出力される。すると、その放電回路3のスイッチ3bは閉じられて、抵抗3aを介して単位セル2の放電或いは充電電流のバイパスが行われるようになっている。
【0016】
このような構成では、放電回路3,電圧検出器4やフォトカプラ10などが単位セル2の個数分必要となり、全体の部品数が多くなってしまうという問題がある。加えて、実際に、1つのMPU7によって制御することが可能な単位セル2の数は、絶縁(耐圧)性や制御性などの制限によって10〜20個程度が限度である。
【0017】
従って、HEVや電気自動車に適用するためには、図13に示すように、組電池1全体を10〜20個程度の単位セル2のグループに分けて、各グループの制御を図12の構成で夫々対応するMPU7に分担させるモジュール11を構成すると共に、更にそれらモジュール11の各MPU7を統括制御する上位MPU7Hを配置する、という構成にする必要がある。例えば、単位セル2に80個のリチウム電池を用いた場合には、10個×8グループ,または20個×4グループの構成となる。その結果、高価な部品であるMPUが5個または9個必要となり、コストアップすることが避けられない。
【0018】
そこで、特開平8−55643号公報には、MPUを用いることなく、充電制御することを可能とした技術が開示されている。これは、図14に示すように、直列接続された2つの単位セル12からなる組電池13に対して、抵抗値が等しい2つの抵抗14a及び14bの直列回路を並列に接続し、コンパレータ15により2つの単位セル12の共通接続点VCMと2つの抵抗14a及び14bの共通接続点VRMとの電位を比較する。
【0019】
コンパレータ15の出力端子には、ベース抵抗16aを介してnpn型のトランジスタ17aのベースが接続されていると共に、ベース抵抗16bを介してpnp型のトランジスタ17bのベースが接続されている。トランジスタ17a,17bのコレクタは、放電用の抵抗18a,18bを介して組電池13の正極,負極に夫々接続されており、両者のエミッタは、共通接続点VCMに共通に接続されている。以上が調整モジュール19を構成している。
【0020】
そして、単位セル12(1),12(2)の端子電圧を夫々VC1,VC2とすると、VC1>VC2であり電位VCM<電位VRMとなると、コンパレータ15の出力端子がハイレベルとなりトランジスタ17aがオンするので、単位セル12(1)は抵抗18aを介して放電される。また、VC1<VC2であり電位VCM>電位VRMとなると、コンパレータ15の出力端子がロウレベルとなりトランジスタ17bがオンするので、単位セル12(2)は抵抗18bを介して放電されるようになっている。
【0021】
しかしながら、これらの各調整モジュール19は、夫々に接続された2個の単位セルについて端子電圧のばらつきを調整する構成である。従って、この調整モジュール19を、数10個以上、例えばN(Nは自然数)直列組電池に適用した場合を想定すると、それに対応して調整モジュール19は(N−1)個用いなければならない。すると、各調整モジュール19間の調整誤差が累積されてしまうおそれがあり、全体として高精度の制御を達成することができるという保障はない。
【0022】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、各単位セルの過放電,過充電を防止すると共に、それらの各単位セルが直列に接続されて構成される組電池の充電容量が、各単位セル毎の容量のばらつきによる制限を極力受けないようにすることができる組電池の電圧調整装置を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の組電池の電圧調整装置または請求項7記載の組電池の電圧調整方法によれば、分圧手段は、組電池の端子電圧を単位セルの個数に応じて分圧し、電位比較手段は、単位セル間における複数の連結点の内、特定の連結点の電位と当該連結点に対応する分圧点の電位とを比較する。そして、放電制御手段は、電位比較手段による比較結果に基づいて、前記特定の連結点に対応する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断すると、当該単位セルを放電させるように制御する。
【0024】
従って、特定の連結点に対応する単位セルの端子電圧が平均電圧に等しくなるように調整して端子電圧のばらつき、即ち、残存容量のばらつきを調整することができ、過放電や過充電を防ぎながら組電池の使用効率を向上させることができる。
そして、電位比較手段及び放電制御手段を複数の連結点に対応して複数設けるので、複数の単位セルについて端子電圧のばらつきを調整することができる。
また、放電制御手段は、複数の内任意の単位セルについて、当該単位セルにおける正極側及び負極側の連結点に夫々対応する電位比較手段の比較結果に基づいて、当該単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いか否かを判断する。
具体的には、放電制御手段は、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高いか又は前記分圧点の電位に略等しく且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電位が高い場合、または、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高く且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電位が高いか又は両者が略等しい場合に、前記正極側及び負極側の連結点の間に存在する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断する。従って、単位セルの端子電圧と平均電圧との高低を確実に判断することができる。
【0025】
請求項2記載の組電池の電圧調整装置によれば、分圧手段を、組電池の両端子間に単位セルの個数分直列接続され、且つ各抵抗値が略等しい複数の分圧抵抗によって構成するので、これらの分圧抵抗によって、複数の単位セルの各端子電圧に基づく平均電圧を容易に得ることができる。
【0028】
請求項3記載の組電池の電圧調整装置によれば、電位比較手段及び放電制御手段は、組電池から動作用電源を得るように構成される。即ち、電位比較手段及び放電制御手段は、消費電力の大なる電気的構成要素を用いずとも構成することが可能であるから、組電池から動作用電源を得ることが可能となる。
【0029】
請求項4記載の組電池の電圧調整装置によれば、電位差増幅手段は、連結点と分圧点との電位差を増幅するので、電位比較手段は、前記電位差が増幅されることで単位セルの端子電圧と平均電圧との高低をより確実に判定することができ、動作の安定性を向上させることができる。
【0030】
請求項5記載の組電池の電圧調整装置によれば、高いエネルギ密度を有するが、より厳密な過充電,過放電対策が必要とされるリチウム電池を単位セルとする組電池に適用することによって、充放電を安全に制御した上でリチウム電池の性能を十分に引出して活用することができる。
【0031】
請求項6記載の組電池の電圧調整装置によれば、多数の単位セルが直列接続された組電池を駆動用バッテリとする電気自動車またはハイブリッド電気自動車に適用することで、駆動用バッテリの使用効率を十分向上させることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
(第1実施例)
以下、本発明を、3個の単位セルを直列接続してなる組電池に適用した場合の第1実施例について図1乃至図4を参照して説明する。電気的構成を示す図1において、リチウム二次電池で構成される3個の単位セル21(1),21(2),21(3)は、直列に接続されて組電池22を構成している。この組電池22には、抵抗23,24,25を直列に接続してなる分圧回路(分圧手段)26が並列に接続されている。
【0033】
この内、抵抗23,24については、夫々抵抗23a及び23b,24a及び24bの直列回路で構成されており、その抵抗比は、例えば4000:1程度に設定されている。そして、抵抗23a,24a及び25の抵抗値は、互いに等しくなるように設定されており、抵抗23b,24bの抵抗値は、これらの抵抗値に比較して無視できる程小さい。従って、実質的には、組電池22の端子電圧を、3つの抵抗23a,24a及び25により三等分に分圧していることになる。ここで、組電池22の負側端子をJc0,正側端子をJc3として、その間にある単位セル21(1)及び21(2)の連結点をJc1,単位セル21(2)及び21(3)の連結点をJc2とする。また、分圧回路26の負側端子をJr0,正側端子をJr3として、その間にある抵抗23a及び23b,24a及び24bの共通接続点を、夫々Jr1,Jr2とする。また、抵抗23b及び24aの共通接続点をJr1′,抵抗24b及び25の共通接続点をJr2′とする。以下で、上記各接続点は、端子と称する。
【0034】
コンパレータ27Hの反転入力端子及びコンパレータ27Lの非反転入力端子は、端子Jc1に共通に接続されている。また、コンパレータ27Hの非反転入力端子は、端子Jr1に接続され、コンパレータ27Lの反転入力端子は、端子Jr1′に接続されている。また、単位セル21(2)及び抵抗24に対して、2つのコンパレータ28H及び28Lが同様の接続を成している。尚、4つのコンパレータ27H,27L,28H及び28Lは、電位比較手段を構成している。
【0035】
そして、コンパレータ27Lの出力端子は、INV(インバータ)ゲート29を介してANDゲート30の一方の入力端子に接続されており、コンパレータ27Hの出力端子は、ANDゲート31の一方の入力端子に接続されている。また、コンパレータ28Lの出力端子は、ANDゲート30の他方の入力端子に接続されており、コンパレータ28Hの出力端子は、INVゲート32を介してANDゲート31の他方の入力端子に接続されている。
【0036】
放電回路33は、放電用の抵抗34及び常開型のスイッチ35を直列接続してなるものである。そして、3つの放電回路33(1)〜33(3)は、各単位セル21(1)〜21(3)に対応するように直列接続されて、組電池22の両端に並列に接続されている。また、放電回路33(1)及び33(2)の共通接続点は、端子Jc1に接続されており、放電回路33(2)及び33(3)の共通接続点は、端子Jc2に接続されている。
【0037】
スイッチ35(1)〜35(3)は、例えばトランジスタやFETなどで構成されており、制御信号端子にハイレベルの制御信号が与えられると接点を閉じる(導通する)ようになっている。そして、スイッチ35(1)及び35(3)の制御信号端子は、コンパレータ27L及び28Hの出力端子に夫々接続されている。また、スイッチ35(2)の制御信号端子は、ORゲート36の出力端子に接続されており、そのORゲート36の2つの入力端子は、ANDゲート30及び31の出力端子に夫々接続されている。
【0038】
尚、NOTゲート29及び32,ANDゲート30及び31並びにORゲート36は、論理回路部37を構成している。また、放電回路33及び論理回路部37は、放電制御手段を構成している。ところで、具体的には図示しないが、コンパレータ27H,27L,28H及び28L並びに論理回路部37の動作用電源は、組電池22から作成されて供給されるようになっている。
【0039】
次に、本発明の作用について図2乃至図4をも参照して説明する。ここで、単位セル21(1),21(2),21(3)の端子電圧を夫々V1,V2,V3とする。また、端子Jc0を基準とした各端子Jc1,Jc2,Jc3の電位を夫々Ec1,Ec2,Ec3とし、端子Jr0を基準とした各端子Jr1,Jr2,Jr3の電位を夫々Er1,Er2,Er3とする。すると、電位Ec1,Ec2,Ec3は、夫々(1)式のように表される。
Ec1=V1
Ec2=V1+V2 …(1)
Ec3=V1+V2+V3=Er3
【0040】
また、抵抗23a,24a,25の抵抗値は等しく、抵抗23b及び24bを無視すると、各抵抗23a,24a,25の両端には、単位セル21(1),21(2),21(3)の端子電圧の平均値が夫々印加される。従って、電位Er1,Er2,Er3は、夫々(2)式のように表される。
Er1= Ec3/3= (V1+V2+V3)/3
Er2=2・Ec3/3=2(V1+V2+V3)/3 …(2)
Er3=3・Ec3/3= V1+V2+V3
【0041】
ここで、4つのコンパレータ27H,27L,28H,28Lの出力レベルが、夫々どの様な入力条件でハイ“H”になるかを検討すると、以下のようになる。尚、抵抗23b及び24bの端子電圧をVαとする。
【0042】
即ち、コンパレータ27Hは、分圧電位Er1が、端子Jc1の電位Ec1よりも高い場合にハイレベルとなり、コンパレータ27Lは、分圧電位Er1が、電位Ec1から微小電圧Vαを減じたものよりも低くなった場合にハイレベルとなる。従って、分圧電位Er1が、Ec1−Vα≦Er1≦Ec1,の範囲にあり電位Ec1にほぼ等しいとみなされる場合には、コンパレータ27H,27Lは何れもロウレベルとなる。また、コンパレータ28H,28Lについても、分圧電位Er2,端子Jc2の電位Ec2に関して同様である。
【0043】
そして、これら4つのコンパレータ27H,27L,28H,28Lの出力レベルを論理合成することにより、3つのスイッチ35(1)乃至35(3)を夫々オン状態“1”とする条件は、図2に示す真理値表のようになる。但し、“×”は任意のレベルを示す。
【0044】
▲1▼V3>V2>V1
ここで、単位セル21(1)〜21(3)の各端子電圧が、V3>V2>V1となっている初期状態からの作用について図3も参照して説明する。
【0045】
[期間A]
この場合、
となることから、コンパレータ27H,28Hの出力信号は何れもハイレベル“H”となる。従って、図2に示す真理値表では、スイッチ35(3)がオン状態“1”となる条件が成立するので、放電回路33(3)により単位セル21(3)が放電される。
【0046】
単位セル21(3)が放電されることにより端子電圧V3が低下すると、組電池22の端子電圧Ec3(=Er3)が低下し、それに応じて分圧電位Er2も低下する。そして、V3<V2となり、Er2=Ec2となると、コンパレータ28Hの出力信号はロウレベル“L”となる。
【0047】
このとき、図3の時点Pに示すように、端子電圧V3は、組電池22の平均セル電圧となっているが、単位セル21(2)は放電されていないのでV2>V1の関係は維持されており、(4)式におけるEr1>Ec1、は変わらない。従って、コンパレータ27Hの出力信号は“H”のままである。すると、図2に示す真理値表では、スイッチ35(2)がオン状態“1”となる条件が成立するので、放電回路33(2)により単位セル21(2)が放電されると同時に、放電回路33(3)による単位セル21(3)の放電は停止する。
【0048】
ここで、コンパレータ27H,27Lについて、コンパレータ27Hの出力信号が“L”であり、コンパレータ27Lの出力信号レベルは問わないという条件は、少なくともEr2よりもEc2が高くないという条件であり、即ち、Er2がEc2にほぼ等しいかまたはEr2がEc2よりも低い、Er2≦Ec2という条件を意味している。
【0049】
[期間B]
単位セル21(2)が放電されることにより端子電圧V2が低下すると、電圧Ec2及びEr3が低下するので、それに伴って分圧電位Er2も低下する。ここで、Er2とEc2とを比較すると、(1)式及び(2)式から、
Ec2= V1+V2
Er2=2(V1+V2+V3)/3
であり、端子電圧V2の低下の影響はEc2の方が明らかに大きい。従って、両者の大小関係は、Er2=Ec2から再びEr2>Ec2となり、コンパレータ28Hの出力信号は再び“H”となる。すると、スイッチ35(3)がオン状態“1”となる条件が成立して、放電回路33(2)による放電は停止し、放電回路33(3)により単位セル21(3)が放電される。
【0050】
即ち、この場合、単位セル21(2)が放電されて端子電圧V2が低下することで、単位セル21の平均電圧も低下することになる。すると、端子電圧V3もまた、その電位が時点Pから維持されたままでは平均電圧とのずれが生じることになるので、単位セル21(3)が再び放電されて、端子電圧V3が平均電圧に略一致するように作用する。
【0051】
単位セル21(3)が放電されることにより端子電圧V3が低下して、再び平均電圧に略一致すると、前述のように分圧電位Er3,Er2が低下し、Er2=Ec2となってコンパレータ28Hの出力信号は“L”となる。また、単位セル21(2)は放電されないのでV2>V1であり、Er1>Ec1であるから、コンパレータ27Hの出力信号は“H”のままである。すると、スイッチ35(2)がオン状態“1”となる条件が成立するので、単位セル21(2)が放電されると同時に、単位セル21(3)の放電は停止する。
【0052】
即ち、期間Bにおいては、スイッチ35(2),35(3)が交互にオン状態となり、単位セル21(2),21(3)が交互に放電される。また、図3においては、端子電圧V2,V3は直線状に低下するように図示されているが、実際には、一方の電位が低下している場合に他方の電位は変化しないようになっており、その状態が短期間で交互に繰り返されるようになっている。
【0053】
そして、最終的に、Er1=Ec1,Er2=Ec2,即ち、V1=V2=V3になると、コンパレータ27H,27L,28H,28Lの出力レベルは何れも“L”となり、単位セル21(1)〜21(3)の放電は停止する。以上で端子電圧V1,V2,V3のばらつき調整作用は終了する。
【0054】
▲2▼V1>V2>V3
次に、初期状態としてV1>V2>V3である場合の作用について説明する。この場合、
となることから、コンパレータ27L,28Lの出力信号は何れも“H”となる。従って、図2に示す真理値表では、スイッチ35(1)がオン状態“1”となる条件が成立するので、放電回路33(1)により単位セル21(1)が放電される。
【0055】
単位セル21(1)が放電されることにより端子電圧V1が低下すると、端子電圧Ec1が低下し、それに応じて電圧Er3,Er1も低下する。ここで、Er1とEc1とを比較すると、(1)式及び(2)式から、
Ec1= V1
Er1=(V1+V2+V3)/3
であり、端子電圧V1の低下の影響はEc1の方が明らかに大きい。従って、Ec1はEr1に近付いてやがてEr1=Ec1となり、コンパレータ27Lの出力信号は“L”となる。すると、スイッチ35(2)がオン状態“1”となる条件が成立して、放電回路33(1)による放電は停止し、放電回路33(2)により単位セル21(2)が放電される。
【0056】
単位セル21(2)が放電されることにより端子電圧V2が低下すると、電圧Er3,Er1が低下する。また、単位セル21(1)は放電されないので、V1=Ec1は低下しない。その結果、再びEr1<Ec1となり、コンパレータ27Lの出力信号は再び“H”となる。すると、放電回路33(2)による放電は停止し、放電回路33(1)により単位セル21(1)が放電される。
【0057】
単位セル21(1)が放電されることにより端子電圧V1が低下すると、端子電圧Ec1が低下し、再びEr1=Ec1となり、放電回路33(1)による放電は停止し、放電回路33(2)により単位セル21(2)が放電される。以降、スイッチ35(1),35(2)が交互にオン状態となり、単位セル21(1),21(2)が交互に放電される。そして、最終的にEr1=Ec1,Er2=Ec2,即ち、V1=V2=V3になると、単位セル21(1)〜21(3)の放電は停止して、端子電圧V1,V2,V3のばらつき調整作用は終了する。この電圧変化は、図3におけるV1とV3とを入れ替えたものとなる。
【0058】
▲3▼V2>V3=V1
次に、初期状態がV2>V3=V1である場合の作用について図4をも参照して説明する。この場合、
となることから、コンパレータ27H,28Lの出力信号は何れも“H”となる。この時、コンパレータ27L,28Hの出力信号は何れも“L”であり、図2に示す真理値表では、スイッチ35(2)がオン状態“1”となる条件が成立するので、放電回路33(2)により単位セル21(2)が放電される。
【0059】
単位セル21(2)が放電されることにより端子電圧V2が低下すると、電圧Ec2及びEr3が低下するので、それに伴って分圧電位Er2,Er1も低下し、Er1はEc1に近付いて行く。また、前述のように、Er2,Ec2間では、端子電圧V2の低下の影響はEc2の方が明らかに大きいので、Ec2はEr2に近付いて行く。そして、最終的に、Er1=Ec1,Er2=Ec2,V1=V2=V3になると、端子電圧V1,V2,V3のばらつき調整動作は終了する。
【0060】
即ち、この場合過渡状態においては、単位セル21の平均電圧に対して端子電圧V2のみが常に高く、端子電圧V1及びV3は常に低いことから、単位セル21(2)のみが終始放電されることになる。
【0061】
以上のように本実施例によれば、3個の単位セル21(1)〜21(3)を直列接続してなる組電池22の端子電圧を、抵抗23,24,25を直列に接続してなる分圧回路26により分圧して、論理回路部37は、コンパレータ27H乃至28Lの出力信号に基づいて、単位セル21(1)〜21(3)の内端子電圧が平均電圧よりも高いものを自動的に放電させて、最終的に全ての単位セル21(1)〜21(3)の端子電圧を略等しくしてばらつきを解消するようにした。
【0062】
そして、例えば、単位セル21(2)については、論理回路部37は、正極側の連結点Jc2の電位Ec2が対応する分圧点Jr2の電位Er2よりも高いか又は略等しく(Ec2≧Er2)且つ負極側の連結点Jc1の電位Ec1よりも対応する分圧点Jr1の電位Er1が高い場合(Ec1<Er1)、または、電位Ec2が電位Er2よりも高く(Ec2>Er2)且つ電位Ec1よりも電位Er1が高いか又は両者が略等しい場合(Ec1≦Er1)に、端子電圧V2が平均電圧よりも高いと判断するようにした。
【0063】
従って、単位セル21の端子電圧と分圧回路26より得られる平均電圧との高低を確実に判断して、各単位セル間の端子電圧、即ち、残存容量のばらつきを解消することができるので、過充電や過放電を防止すると共に組電池22の使用効率を向上させることができる。
【0064】
また、本実施例によれば、高いエネルギ密度を有するが、より厳密な過充電,過放電対策が必要とされるリチウム電池を単位セル21とする組電池22に適用することによって、充放電を安全に制御した上でリチウム電池の性能を十分に引出して活用することができる。
【0065】
ところで、従来の電圧調整装置はMPUを使用する構成であり、そのMPUに対して安定したレベルの動作用電源を供給する必要があった。そのため、従来は、その動作用電源を駆動用電源のバッテリとは別個に設けられている制御用電源(12Vバッテリ,所謂ガソリン自動車のバッテリに相当する)から供給するようにしていた。
【0066】
これに対して、本実施例によれば、コンパレータ27H〜41L及び論理回路部37の動作用電源を駆動用電源たる組電池22から得るようにした。即ち、論理回路部37は、従来とは異なり、MPUなどを用いることなしに論理ゲートの組合わせで構成することができるので、その消費電力は、従来に比して極めて僅かとなっている。そして、組電池22は3直列構成であるから、その端子電圧は3.6×3=10.8(V)程度であり、3.3〜5V程度の動作用電源の作成にも適している。加えて、これらの回路はMPUとは異なり、電源電圧が多少低下しても動作が可能であることから、これらの動作用電源を組電池22から得ることができるようになっている。従って、前記動作用電源に対しては相対的に容量が小さい制御用電源の電力消費を抑制することができる。
【0067】
(第2実施例)
図5及び図6は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第2実施例では、組電池22に単位セル21(4)を加えて、直列接続数を4とした組電池38に適用した構成である。
【0068】
また、分圧回路26の抵抗25は、抵抗23及び24と同様に、抵抗比4000:1の抵抗25a及び25bで構成され、更に、単位セル21(4)に対応する抵抗39を直列に加えたものが分圧回路40を構成している。そして、単位セル21(3)及び21(4)の連結点Jc3と抵抗25bの両端とには、コンパレータ41H及び41L(電位比較手段)が、コンパレータ28H及び28Lなどと同様に接続されている。
【0069】
一方、コンパレータ28Lの出力端子は、NOTゲート42を介してANDゲート43の一方の入力端子に接続されており、そのANDゲート43の他方の入力端子は、コンパレータ41Lの出力端子に接続されている。また、コンパレータ28Hの出力端子は、スイッチ35(3)の制御端子に代えて、ANDゲート44の一方の入力端子に接続されており、そのANDゲート44の他方の入力端子は、NOTゲート45を介してコンパレータ41Hの出力端子に接続されている。
【0070】
そして、ANDゲート43及び44の出力端子は、ORゲート46の入力端子に夫々接続されており、そのORゲート46の出力端子は、スイッチ35(3)の制御端子に接続されている。また、単位セル21(4)に対応して設けられた放電回路33(4)を構成するスイッチ35(4)の制御端子は、コンパレータ41Hの出力端子に接続されている。
【0071】
尚、論理回路部37の構成要素に、NOTゲート42及び45,ANDゲート43及び44並びにORゲート46を加えたものが、論理回路部47を構成している。また、放電回路33に論理回路部47を加えたものが、放電制御手段を構成している。加えて、第1実施例と同様に、コンパレータ27H〜41L並びに論理回路部47の動作用電源は、組電池38から作成されて供給されるようになっている。
【0072】
次に、第2実施例の作用について図6をも参照して説明する。図6に示す論理回路部47の真理値表は、下から2〜4段目は、第1実施例の図2と同様にコンパレータ27H乃至28Lの論理で決定される。また、何れのスイッチ35もオフ状態となる最下段についても、コンパレータ41H,41Lが共にロウレベルである条件が加わっただけである。
【0073】
そして、下から5,6段目のスイッチ35(3)がオン状態“1”となる条件は、スイッチ35(2)がオン状態となるコンパレータ27H乃至28Lの論理を、コンパレータ28H乃至41Lに対して同様に適用したものとなっている。また、最上段のスイッチ35(4)がオン状態となる条件は、コンパレータ41Hがハイレベルである条件となる。
【0074】
即ち、組電池38の内、最も負側となる単位セル21(1)に対応するスイッチ35(1)のオン条件は、正側の連結点Jc1の電位が分圧点Jr1(Jr1′)の電位よりも高い時にハイレベルの信号を出力するコンパレータ27Lの出力論理のみで決定され、最も正側となる単位セル21(4)に対応するスイッチ35(4)のオン条件は、分圧点Jr3の電位が、負側の連結点Jc3の電位よりも高い時にハイレベルの信号を出力するコンパレータ41Hの出力論理のみで決定される。
【0075】
また、それらの中間に配置される例えば単位セル21(2)に対応するスイッチ35(2)のオン条件は、単位セル21(2)の正側に配置されたコンパレータ28H,28Lと、負側に配置されたコンパレータ27H,27Lとの出力論理で決定される。
【0076】
以上のように構成された第2実施例によれば、4直列構成の組電池38に適用した場合でも、第1実施例と同様の効果を得ることができる。また、従来とは異なり、多直列の組電池38に適用した場合でも、誤差が累積されることがなく、精密な電圧調整を行うことができる。
【0077】
ここで、第1及び第2実施例を普遍化して、n(nは自然数)直列構成の組電池に適用した場合を図7及び図8に示す。即ち、第i番目(1<i<n)の単位セルCi の正側,負側の連結点をJci,Jci-1,対応する分圧抵抗Ri ,Ri-1 の連結点をJri,Jri-1として、図示しない端子Jc0を基準とする連結点Jci,Jci-1の電位をEci,Eci-1,連結点Jri,Jri-1の電位をEri,Eri-1とする。
【0078】
そして、単位セルCi について、分圧点Jriの電位が連結点Jciの電位よりも高い時にハイレベルの信号を出力するコンパレータをCPi H,逆に、連結点Jciの電位が分圧点Jriの電位よりも高い時にハイレベルの信号を出力するコンパレータをCPi Lとする。また、分圧抵抗Rによって得られる単位セルCの平均電圧をVM ,単位セルCi の端子電圧をVi とすると、各値には(7)式の関係がある。
Vi =Eci−Eci-1
VM =Eri−Eri-1 …(7)
【0079】
従って、Vi >VM と判定するための条件、即ち、単位セルCi に対応する放電回路のスイッチSWi をオン状態にする条件は、
であり、上記(8)の条件を満たすコンパレータCPの出力条件は、図8に示すように、
となる。尚、(8)式において、シンボル“・”は論理ANDを、シンボル“+”は論理ORを示している。
【0080】
例えば、(8),(9)の第1式の対応を見ると、少なくともコンパレータCPi-1 Hが“H”である、ということは、条件(Eci-1<Eri-1)そのものであり、少なくともコンパレータCPi Hが“L”である、ということは、条件(Eci<Eri)の否定であるから、条件(Eci≧Eri)を意味している。尚、コンパレータCPi H及びCPi Lが共に“L”である、ということは、条件(Eci=Eri)を意味する。
【0081】
以上のように、nが例えば数10個であるような多直列構成の組電池であっても、第1番目,第n番目の単位セルC1 ,Cn については、コンパレータCP1 L,CPn Hの出力レベルが夫々“H”の時に対応する放電回路のスイッチSW1 ,SWn をオン状態にするように、また、それらの中間にある負側から第i番目の単位セルCi については、コンパレータCPの出力条件が(8)式のように成立した時に、対応する放電回路のスイッチSWi をオン状態にするように論理回路部を構成すれば良い。
【0082】
(第3実施例)
図9は本発明の第3実施例を示すものである。上述したように、本発明は、理論的には組電池の直列数が幾つのものであっても適用することが可能である。しかしながら、実際には、使用する素子の耐圧などの問題があるため、単位セルがセル電圧約3.6Vのリチウム電池の場合には、4〜5直列程度の組電池を1単位として構成するのが好ましいと考えられる。
【0083】
そこで、第3実施例は、第2実施例のように4直列構成の組電池38に、放電回路33,分圧回路40及び論理回路部47からなる電圧調整機構を加えたものを1つの電池モジュール48としている。そして、その電池モジュール48を20個直列に接続することにより、リチウム電池の単位セル21のセル電圧3.6V×80個で電圧約300VとなるHEVの駆動用バッテリ49を構成した。
【0084】
そして、その駆動用バッテリ49に対して、図12に示す従来構成の電圧調整装置を適用したものであり、図12における単位セル2が、電池モジュール48に置き換わっている。即ち、各電池モジュール48においては、内蔵された論理回路部47の作用により、4つの単位セル21間における端子電圧のばらつきは自動的に補正される。従って、MPU7は、電池モジュール48を1個のセルのように扱うことが可能である。
【0085】
以上のように構成された第3実施例によれば、MPU7が20個の電池モジュール48の端子電圧を夫々電圧検出器4で周期的に測定し、マルチプレクサ5及びA/Dコンバータ6を介して読み込むことにより、1個のMPU7により実質80個の単位セル21を直列接続してなる駆動用バッテリ49の電圧調整を行うことができる。従って、従来とは異なり、複数のMPUを使用する必要がないので、装置のコストを大幅に削減することができる。
【0086】
(第4実施例)
図10は本発明の第4実施例を示すものであり、第2実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第4実施例の分圧回路(分圧手段)40′は、第2実施例の分圧回路40から小分圧抵抗23b,24b及び25bを削除した構成となっている。
【0087】
そして、差動増幅器(電位差増幅手段,電位比較手段)50(1)の反転及び非反転入力端子は、端子Jc1及びJr1に夫々接続されており、出力端子は、(第2実施例の端子Jc1に代わって)コンパレータ27H及び27Lの非反転及び反転入力端子に接続されている。また、差動増幅器50(1)の反転入力端子に挿入されている抵抗57(1)と、当該反転入力端子と出力端子との間に接続されている抵抗58(1)とは、差動増幅器50(1)の増幅率を決定するために設けられている。
【0088】
また、端子Jc2,Jc0間には、抵抗51H,ダイオード52H及び52L,抵抗51Lの直列回路が接続されており、ダイオード52Hのカソード及び52Lのアノード(共通接続点)は、端子Jc1に接続されている。そして、コンパレータ27Hの反転入力端子はダイオード52Hのアノードに接続され、コンパレータ27Lの非反転入力端子はダイオード52Hのカソードに接続されている。
【0089】
同様にして、差動増幅器(電位差増幅手段,電位比較手段)50(2)が、端子Jc2及びJr2とコンパレータ28H及び28Lとの間に配置され、差動増幅器(電位差増幅手段,電位比較手段)50(3)が、端子Jc3及びJr3とコンパレータ41H及び41Lとの間に配置されている。そして、端子Jc3,Jc1間には、抵抗53H,ダイオード54H及び54L,抵抗53Lの直列回路が接続され、端子Jc4,Jc2間には、抵抗55H,ダイオード56H及び56L,抵抗55Lの直列回路が接続されている。その他の構成は第2実施例と同様である。
【0090】
次に、第4実施例の作用について説明する。例えば、差動増幅器50(1)は、端子Jr1における電位Er1と端子Jc1における電位Ec1との電位差Vd1(=Eri−Eci)を増幅して増幅信号α・Vd1をコンパレータ27H及び27Lに出力する。コンパレータ27Hは、増幅信号α・Vd1のレベルが、ダイオード52Hの順方向電圧VF よりも高い場合、即ち、
α・Vd1>VF
の時に“H”を出力する。
【0091】
また、コンパレータ27Lは、増幅信号α・Vd1のレベルが負(即ち、Eri<Eci)の場合において、その絶対値がダイオード52Lの順方向電圧VF よりも高い場合、即ち、
|α・Vd1|>VF (Vd1<0)
の時に“H”を出力する。また、差動増幅器50(2)、50(3)も夫々対応する電位について同様に動作して、論理回路部47(図10では図示せず)は、コンパレータ27H〜41Lの出力信号を第2実施例と同様に論理合成する。
【0092】
即ち、第2実施例のように小分圧抵抗23b,24b及び25bを用いてコンパレータ28H〜41Lが電位比較を行うと、実際には、動作環境の温度変化などによって抵抗値が変化することなどから、比較動作が安定し難いという問題がある。
【0093】
これに対して、第4実施例によれば、組電池38側の電位と分圧回路40′側の電位との差Vd を差動増幅器50により増幅してコンパレータ28H〜41Lに与え、コンパレータ28H〜41Lは、増幅信号α・Vd のレベルを、安定性の良いダイオード52,54,56の順方向電圧VF を利用して作成された基準電圧と比較するので、単位セル21の端子電圧Ec と平均電圧VM との高低をより確実に判定することができ、動作の安定性を向上させることができる。
【0094】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
第2実施例において、2個のNOTゲート32及び42を使用する代わりに、図11に示すように、負論理入力のANDゲート59を用いて、そのANDゲート59の出力端子をANDゲート31及び43の入力端子に共通に接続しても良い。斯様に構成した場合、当該変形部分にかかる単位セル21(2)の論理条件は、正極側の端子電圧Ec2が分圧電位Er2にほぼ等しい(Ec2=Er2)という条件が成立し、且つ、負極側の端子電圧Ec1よりも分圧電位Er1が高い場合(Ec1<Er1)に、端子電圧V2が平均電圧よりも高いと判断することになる。
また、単位セル21(3)については、負極側の端子電圧Ec2が分圧電位Er2にほぼ等しい(Ec2=Er2)という条件が成立し、且つ、正極側の端子電圧Ec3が分圧電位Er3よりも高い場合(Ec3>Er3)に、端子電圧V3が平均電圧よりも高いと判断することになる。更に、図7に示すn直列構成の場合のコンパレータCPi ,CPi-1 ,CPi+1 などの出力信号の論理合成についても同様である。斯様に構成すれば、特に多直列構成で論理回路部にディスクリートの素子を使用する場合などには、共通化によってゲート数を削減することができる。
【0095】
単位セルは、リチウム電池に限らず、鉛電池やニッケル系電池であっても同様に適用が可能である。
必ずしも組電池を構成する全ての単位セルについて電圧調整を行う必要はなく、その内の特定の1個のみについて、或いは特定の複数個について電圧調整を行っても良い。
電気自動車やHEVに限ることなく、複数の単位セルを直列に接続して構成されるバッテリを使用するものであれば適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を3直列構成の組電池に適用した場合の第1実施例を示す電気的構成図
【図2】論理回路部の真理値を示す図
【図3】単位セルの端子電圧のばらつき調整を行う場合の、各端子電圧の変化の一例を示す図(その1)
【図4】図3相当図(その2)
【図5】本発明を4直列構成の組電池に適用した場合の第2実施例を示す図1相当図
【図6】図2相当図
【図7】本発明をn直列構成の組電池に適用した場合の図1相当図
【図8】図2相当図
【図9】本発明をハイブリッド電気自動車の駆動用バッテリに適用した場合の第3実施例を示す図
【図10】本発明の第4実施例を示す図5相当図
【図11】変形例を示す図5相当図
【図12】従来技術を示す図9相当図
【図13】複数個の単位セルをモジュール化した場合の図12相当図
【図14】他の従来技術を示す図1相当図
【符号の説明】
21は単位セル(リチウム電池)、22は組電池、23,24,25は抵抗、26は分圧回路(分圧手段)、27H,27L,28H及び28Lはコンパレータ(電位比較手段)、33は放電回路(放電制御手段)、37は論理回路部(放電制御手段)、38は組電池、39は抵抗、40及び40′は分圧回路(分圧手段)、41H及び41Lはコンパレータ(電位比較手段)、47は論理回路部(放電制御手段)、49は駆動用バッテリ、50は差動増幅器(電位差増幅手段,電位比較手段)、Jc1,Jc2,Jc3,Jci-1,Jciは連結点、Jr1,Jr2,Jr3,Jci-1,Jciは分圧点を示す。
Claims (7)
- 二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成される組電池の端子電圧を、前記単位セルの個数に応じて分圧する分圧手段と、
前記複数の単位セル間における連結点の内、特定の連結点の電位と、当該連結点に対応する前記分圧手段により分圧された分圧点の電位とを比較する電位比較手段と、
この電位比較手段による比較結果に基づいて、前記特定の連結点に対応する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断すると、当該単位セルを放電させるように制御する放電制御手段とを備え、
前記電位比較手段及び前記放電制御手段は、複数の連結点に対応して複数設けられ、
前記放電制御手段は、前記複数の内任意の単位セルについて、当該単位セルにおける正極側及び負極側の連結点に夫々対応する電位比較手段の比較結果に基づいて、当該単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いか否かを判断するように構成されていると共に、前記正極側及び負極側の連結点に夫々対応する電位比較手段の比較結果が、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高いか又は前記分圧点の電位に略等しく且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電位が高い場合、または、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高く且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電位が高いか又は両者が略等しい場合に、前記正極側及び負極側の連結点の間に存在する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断することを特徴とする組電池の電圧調整装置。 - 前記分圧手段は、前記組電池の両端子間に前記単位セルの個数分直列接続され、且つ各抵抗値が略等しい複数の分圧抵抗によって構成されていることを特徴とする請求項1記載の組電池の電圧調整装置。
- 前記電位比較手段及び前記放電制御手段は、前記組電池から動作用電源を得るように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の組電池の電圧調整装置。
- 前記電位比較手段は、連結点と分圧点との電位差を増幅する電位差増幅手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。
- 前記単位セルは、リチウム電池であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。
- 前記組電池は、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の駆動用バッテリとして用いられることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。
- 二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成される組電池の端子電圧を、分圧手段により前記単位セルの個数に応じて分圧し、
前記複数の単位セル間における連結点の内、特定の連結点の電位と、当該連結点に対応する前記分圧手段により分圧された分圧点の電位とを電位比較手段によって比較し、
前記電位比較手段による比較結果に基づいて、放電制御手段が、前記特定の連結点に対応する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断すると、当該単位セルを放電させ、
前記電位比較手段及び前記放電制御手段を、複数の連結点に対応して複数設け、
各電位比較手段は、各連結点の電位と、当該連結点に対応する分圧点の電位とを夫々比較し、
各放電制御手段は、夫々対応する電位比較手段による比較結果に基づいて、各連結点に対応する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断すると、当該単位セルを放電させるとともに、前記複数の内任意の単位セルについて、当該単位セルにおける正極側及び負極側の連結点に夫々対応する電位比較手段の比較結果に基づいて、当該単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いか否かを判断し、前記正極側及び負極側の連結点に夫々対応する電位比較手段の比較結果が、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高いか又は前記分圧点の電位に略等しく且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電 位が高い場合、または、正極側の連結点の電位が対応する分圧点の電位よりも高く且つ負極側の連結点の電位よりも対応する分圧点の電位が高いか又は当該分圧点の電位が前記連結点の電位に略等しい場合に、前記正極側及び負極側の連結点の間に存在する単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断することを特徴とする組電池の電圧調整方法。
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