JP3924996B2

JP3924996B2 - 組電池の電圧調整装置

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Publication number: JP3924996B2
Application number: JP19739599A
Authority: JP
Inventors: 敦志今井; 博志田村; 哲也永田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP2001028839A

Description

【０００１】
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車や、或いは、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）のモータを駆動するためのバッテリとして、二次電池の単位セルを複数個直列に接続してなる組電池を用いるものが知られている。このような組電池では、各単位セル間において容量，内部抵抗，自己放電特性などにばらつきを生じることが避けられず、その結果、各単位セル間の端子電圧もばらつくことになる。
【０００３】
また、斯様な組電池を使用する場合には、過充電状態や過放電状態に至ることを防止するため、各単位セルの端子電圧を一定の使用範囲内に維持するように制御する必要がある。従って、各単位セルの端子電圧にばらつきがあると、組電池全体としての使用電圧範囲が狭められてしまい、電池本来の性能を十分に発揮することができなくなるという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決する従来技術として、例えば、特開平１０−８４６２７号公報や、特開平１１−９８６９８号公報に開示されているものがある。これらの従来技術では、各単位セルの端子電圧を検出して端子電圧が比較的高い単位セルに電圧調整用のコンデンサを並列に接続して電荷を放電させた後、端子電圧が比較的低い単位セルに前記コンデンサを並列に接続して電荷を充電させるように接続を切り替えることを繰り返して、各単位セルの端子電圧を均等に調整するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術では、電圧調整用のコンデンサに接続する単位セルを選択するために、組電池を構成する各単位セルの端子電圧を、ＣＰＵを内蔵してなる制御回路などによって全て検出するようにしている。例えば、電気自動車やＨＥＶに使用される駆動用バッテリを想定すると、そのバッテリ電圧は３００Ｖ程度が必要とされる。例えば、平均電圧が３．６Ｖ程度のリチウム電池を用いた場合には、８０個程度のセルを直列接続することでバッテリ電圧は２８８Ｖになる。
【０００６】
そして、上記従来技術をＨＥＶ等の駆動用バッテリに適用する場合には、８０個の電圧検出回路が必要であり、また、それらからの電圧検出信号をＣＰＵが読み込むために、Ａ／Ｄコンバータや複数のマルチプレクサなどが必要となる。従って、実際に装置全体を構成するためのコストがかなり高価となってしまう。
【０００７】
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、組電池を構成する各単位セルの端子電圧のばらつきを、極力低コストの構成によって調整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。
【０００８】
【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によれば、電位比較手段は、組電池を構成する複数の単位セル間における連結点の内、任意の連結点の電位と、当該連結点に対応する分圧手段により分圧された分圧点の電位とを比較する。そして、電圧制御手段は、電位比較手段による比較結果に基づいて、端子電圧が平均電圧よりも高いと判断される単位セルを単位セル選択手段によって蓄電手段に並列に接続する第１の接続状態と、端子電圧が平均電圧よりも低いと判断される単位セルを単位セル選択手段によって蓄電手段に並列に接続する第２の接続状態とを交互に切り替えるように制御する。
【０００９】
即ち、各単位セルの端子電圧の総和である組電池の出力電圧を単位セルの個数に応じて分圧した各分圧点間の電位差は、各単位セルの平均電圧に相当するので、各単位セルの端子電圧のばらつきを調整するために従来のように各端子電圧の絶対値を検出する必要はなく、組電池の連結点の電位と分圧点の電位とを相対的に比較することで、単位セルの端子電圧の平均電圧に対する大小を判定することができる。従って、上記装置は、ＣＰＵなどを用いることなくコンパレータや論理ゲート等のハードウエアによって低コストで構成することができる。
【００１０】
そして、第１，第２の接続状態を交互に切替えることより、端子電圧が平均電圧よりも高い単位セルの電荷を、蓄電手段を介して端子電圧が平均電圧よりも低い単位セルに移動させ、各単位セル間の端子電圧のばらつきを調整して組電池の使用効率を向上させることができる。
また、電圧制御手段は、複数の内任意の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、第１の接続状態と第２の接続状態とを切り替えるための判断を行う。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。
【００１１】
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。
【００１３】
請求項３記載の組電池の電圧調整装置によれば、電圧制御手段は、正極側の連結点の電位をＥcp，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥmp，負極側の連結点の電位をＥcn，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥmnとすると、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、
Ｅcp≧Ｅmp且つＥcn＜Ｅmn，または、Ｅcp＞Ｅmp且つＥcn≦Ｅmn
である場合に単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断し、電位比較手段の比較結果が、
Ｅcp≦Ｅmp且つＥcn＞Ｅmn，または、Ｅcp＜Ｅmp且つＥcn≧Ｅmn
である場合に、単位セルの端子電圧が平均電圧よりも低いと判断する。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。
【００１４】
請求項４記載の組電池の電圧制御装置によれば、電圧制御手段は、第１及び第２の接続状態において蓄電手段に並列に接続する単位セルを、単位セル選択手段によって夫々１個のみ選択するので、構成がシンプルになり蓄電手段に対する接続切替え制御を簡単に行うことができる。
【００１５】
請求項５記載の組電池の電圧制御装置によれば、電圧制御手段は、端子電圧が平均電圧よりも高い単位セルが複数あると判断した場合、または、端子電圧が平均電圧よりも低い単位セルが複数あると判断した場合は、何れも予め定められた優先順位に応じて単位セル選択手段によりそれらの内１個の単位セルを選択する。従って、ばらつきが生じた単位セルを、優先順位に基づいて全て確実に調整することができる。
【００１６】
請求項６記載の組電池の電圧制御装置によれば、電位比較手段及び電圧制御手段を、組電池から動作用電源を得るように構成する。即ち、電位比較手段及び電圧制御手段は、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。
【００１７】
請求項７記載の組電池の電圧制御装置によれば、蓄電手段を複数設け、直並列切替え手段は、第１の接続状態においては複数の蓄電手段を並列に接続し、第２の接続状態においては複数の蓄電手段を直列に接続するように切替えを行う。即ち、第１の接続状態において単位セルから蓄電手段に対して充電する時には充電容量を大きくし、第２の接続状態において蓄電手段から単位セルに対して充電する時には充電電圧を高くすることになるので、端子電圧のばらつき調整時間を短縮することができる。或いは、同じ調整時間に設定するならば、蓄電手段の容量をトータルで小さくすることができる。
【００１８】
請求項８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。
【００１９】
請求項９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。
【００２０】
この内、抵抗３，４，５については、夫々抵抗３ａ及び３ｂ，４ａ及び４ｂ，５ａ及び５ｂ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３ａ，４ａ，５ａ及び６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３ｂ，４ｂ，５ｂ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、セルグループ２の端子電圧を、４つの抵抗３ａ，４ａ，５ａ及び６により四等分に分圧していることになる。
【００２１】
ここで、セルグループ２の負側端子をＪc0，正側端子をＪc4として、その間にある単位セル１（１）及び１（２）の連結点をＪc1，単位セル１（２）及び１（３）の連結点をＪc2，単位セル１（３）及び１（４）の連結点をＪc3とする。また、分圧回路７の負側端子をＪr0，正側端子をＪr4として、その間にある抵抗３ａ及び３ｂ，４ａ及び４ｂ，５ａ及び５ｂの共通接続点を、夫々Ｊr1，Ｊr2，Ｊr3とする。また、抵抗３ｂ及び４ａの共通接続点をＪr1′，抵抗４ｂ及び５ｂの共通接続点をＪr2′，抵抗５ｂ及び６の共通接続点をＪr3′とする。以下で、上記各接続点は、端子と称する。
【００２２】
コンパレータ８Ｈの反転入力端子及びコンパレータ８Ｌ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８Ｈの非反転入力端子は、端子Ｊr1に接続され、コンパレータ８Ｌ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１（２）及び抵抗４に対して、２つのコンパレータ９Ｈ及び９Ｌが同様の接続を成しており、単位セル１（３）及び抵抗５に対して、２つのコンパレータ１０Ｈ及び１０Ｌが同様の接続を成している。尚、６つのコンパレータ８Ｈ，８Ｌ，９Ｈ，９Ｌ，１０Ｈ及び１０Ｌは、電位比較手段を構成している。
【００２３】
これらのコンパレータ８Ｈ〜１０Ｌの出力信号は、論理回路部（電圧制御手段）１１に入力されるようになっている。論理回路部１１の内部は、８つの論理ブロック１２Ｈ，１２Ｌ，１３Ｈ，１３Ｌ，１４Ｈ，１４Ｌ，１５Ｈ，１５Ｌを中心として構成されている。但し、論理ブロック１２Ｈ，１２Ｌ及び１５Ｈ，１５Ｌは、夫々実質的にＡＮＤゲート１個のみからなっている。
【００２４】
そして、コンパレータ８Ｈの出力端子は、ＡＮＤゲート１２Ｌ，１３Ｈａの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶ（インバータ）ゲート１６を介してＡＮＤゲート１３Ｌａ，１３Ｌｂ，１４Ｈｃ，１４Ｌａ，１４Ｌｂ，１４Ｌｃ及び１５Ｌの入力端子に接続されている。コンパレータ８Ｌの出力端子は、ＡＮＤゲート１２Ｈ，１３Ｌａの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶゲート１７を介してＡＮＤゲート１３Ｈａ，１３Ｈｂ，１４Ｈａ，１４Ｈｂ，１４Ｈｃ，１４Ｌｃ及び１５Ｈの入力端子に接続されている。
【００２５】
コンパレータ９Ｈの出力端子は、ＡＮＤゲート１３Ｌｂ，１４Ｈａ及び１４Ｈｂの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶゲート１８を介してＡＮＤゲート１３Ｈａ，１４Ｌａ，１４Ｌｂ及び１４Ｌｃの入力端子に接続されている。コンパレータ９Ｌの出力端子は、ＡＮＤゲート１３Ｈｂ，１４Ｌａ，１４Ｌｂの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶゲート１９を介してＡＮＤゲート１３Ｌａ，１４Ｈａ，１４Ｈｂ及び１４Ｈｃの入力端子に接続されている。
【００２６】
コンパレータ１０Ｈの出力端子は、ＡＮＤゲート１４Ｌｂ，１４Ｌｃ及び１５Ｈの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶゲート２０を介してＡＮＤゲート１３Ｈａ，１３Ｈｂ，１４Ｈａ，１４Ｈｂ及び１４Ｈｃの入力端子に接続されている。コンパレータ１０Ｌの出力端子は、ＡＮＤゲート１４Ｈｂ，１４Ｈｃ及び１５Ｌの入力端子に接続されており、また、ＩＮＶゲート２１を介してＡＮＤゲート１３Ｌａ，１３Ｌｂ，１４Ｌａ，１４Ｌｂ及び１４Ｌｃの入力端子に接続されている。
【００２７】
クロック回路２２によって出力されるクロック信号は、ＡＮＤゲート１２Ｈ，１３Ｈａ〜１３Ｈｃ，１４Ｈａ〜１４Ｈｃ及び１５Ｈの入力端子に与えられていると共に、ＩＮＶゲート２３を介して１２Ｌ，１３Ｌａ，１３Ｌｂ，１４Ｌａ〜１４Ｌｃ及び１５Ｌの入力端子に与えられている。クロック信号の周波数は、例えば数ｋＨｚ程度である。
【００２８】
論理ブロック１３ＬのＡＮＤゲート１３Ｌａ，１３Ｌｂの出力端子は、ＯＲゲート１３Ｌｃの入力端子に夫々接続されており、論理ブロック１３ＨのＡＮＤゲート１３Ｈａ，１３Ｈｂの出力端子は、ＯＲゲート１３Ｈｃの入力端子に夫々接続されている。また、論理ブロック１４ＬのＡＮＤゲート１４Ｌａ〜１４Ｌｃの出力端子は、ＯＲゲート１４Ｌｄの入力端子に夫々接続されており、論理ブロック１４ＨのＡＮＤゲート１４Ｈａ〜１４Ｈｃの出力端子は、ＯＲゲート１４Ｈｄの入力端子に夫々接続されている。
【００２９】
論理回路部１１の出力段には、４つのＯＲゲート２４（１），２４（２），２４（３），２４（４）が配置されている。そして、ＡＮＤゲート１２Ｈ，１２Ｌの出力端子は、ＯＲゲート２４（１）の入力端子に夫々接続されている。また、論理ブロック１３Ｈ，１３ＬのＯＲゲート１３Ｈｃ，１３Ｌｃの出力端子は、ＯＲゲート２４（２）の入力端子に夫々接続されており、論理ブロック１４Ｈ，１４ＬのＯＲゲート１４Ｈｄ，１４Ｌｄの出力端子は、ＯＲゲート２４（３）の入力端子に夫々接続されている。そして、ＡＮＤゲート１５Ｈ，１５Ｌの出力端子は、ＯＲゲート２４（４）の入力端子に夫々接続されている。以上が論理回路部１１を構成している。また、具体的には図示しないが、コンパレータ８Ｈ，８Ｌ，９Ｈ，９Ｌ，１０Ｈ及び１０Ｌ並びに論理回路部１１の動作用電源は、セルグループ２から作成されて供給されるようになっている。
【００３０】
各単位セル１（１）〜１（４）夫々の両端子には、常開型のスイッチ２５Ｐ（１）及び２５Ｎ（１）〜２５Ｐ（４）及び２５Ｎ（４）（単位セル選択手段）を介して接続切替えを行うことにより、コンデンサ（蓄電手段）２６が並列に接続可能となっている。即ち、単位セル１（１）〜１（４）の正側端子１Ｐ（１）〜１Ｐ（４）とコンデンサ２６の正側端子２６Ｐとの間には、スイッチ２５Ｐ（１）〜２５Ｐ（４）が夫々介挿されており、単位セル１（１）〜１（４）の負側端子１Ｎ（１）〜１Ｎ（４）とコンデンサ２６の負側端子２６Ｎとの間には、スイッチ２５Ｎ（１）〜２５Ｎ（４）が夫々介挿されている。尚、コンデンサ２６の容量は、例えば０．０１Ｆ程度である。
【００３１】
論理回路部１１のＯＲゲート２４（１）〜２４（４）の出力端子は、スイッチ２５Ｐ（１）及び２５Ｎ（１）〜２５Ｐ（４）及び２５Ｎ（４）の制御端子に夫々接続されている。各スイッチ２５は、例えばトランジスタやＦＥＴなどで構成されており、制御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。
【００３２】
以上のように構成されているセルグループ２が例えば２０個直列に接続されることで、ＨＥＶの駆動用バッテリたる組電池が構成されている。また、論理回路部１１やスイッチ２５，コンデンサ２６などは、各セルグループ２毎に設けられている。そして、組電池の正，負両端子は、ＨＥＶの走行用モータを駆動するインバータの駆動用電源として供給されるようになっている。
【００３３】
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。ＨＥＶが走行する場合には、その走行状態に応じて組電池から供給される電源によって走行用モータが駆動されたり、制動時に回生電力が発生した場合やガソリンエンジンが動作している場合には、組電池に対して充電が行われる。
【００３４】
ここで、単位セル１（１），１（２），１（３），１（４）の端子電圧を夫々Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とする。また、端子Ｊc0を基準とした各端子Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，Ｊc4の電位を夫々Ｅc1，Ｅc2，Ｅc3，Ｅc4とし、端子Ｊr0を基準とした各端子Ｊr1，Ｊr2，Ｊr3，Ｊr4の電位を夫々Ｅr1，Ｅr2，Ｅr3，Ｅr4とする。すると、電位Ｅc1，Ｅc2，Ｅc3，Ｅc4は、夫々（１）式のように表される。
Ｅc1＝Ｖ１
Ｅc2＝Ｖ１＋Ｖ２ …（１）
Ｅc3＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３
Ｅc4＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４＝Ｅr4
【００３５】
また、抵抗３ａ，４ａ，５ａ，６の抵抗値は等しく、抵抗３ｂ，４ｂ及び５ｂを無視すると、各抵抗３ａ，４ａ，５ａ，６の両端には、単位セル１（１），１（２），１（３），１（４）の端子電圧の平均値Ｖm 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＝Ｅc4／４＝（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）／４＝Ｖm
Ｅr2＝２・Ｅc4／４＝２・Ｖm
Ｅr3＝３・Ｅc4／４＝３・Ｖm …（２）
Ｅr4＝４・Ｅc4／４＝４・Ｖm ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４
【００３６】
ここで、例えば、コンパレータ８Ｈ，８Ｌの出力レベルが、夫々どの様な入力条件でハイレベル“Ｈ”になるかを検討すると、以下のようになる。尚、抵抗３ｂ，４ｂ及び５ｂの端子電圧をＶαとする。

【００３７】
即ち、コンパレータ８Ｈは、分圧電位Ｅr1が、端子Ｊc1の電位Ｅc1よりも高い場合に“Ｈ”となり、コンパレータ８Ｌ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“Ｈ”となる。また、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８Ｈ，８Ｌは何れもロウレベル“Ｌ”となる。そして、コンパレータ９Ｈ，９Ｌ，１０Ｈ，１０Ｌについても、分圧電位Ｅr2，Ｅr3，端子Ｊc2，Ｊc3の電位Ｅc2，Ｅc3に関して同様の関係となる。
【００３８】
ここで、図３に示すように、以上の構成について一般化した回路について考える。単位セルＣi に対応するコンパレータＣｐＨi ，ＣｐＬi の出力レベルが “Ｈ”，“Ｌ”となる条件を以下に示す（但し、電圧Ｖαは無視する）。
ＣｐＨi ：Ｈ → Ｅci＜Ｅri
ＣｐＨi ：Ｌ → Ｅci≧Ｅri
ＣｐＬi ：Ｈ → Ｅci＞Ｅri
ＣｐＬi ：Ｌ → Ｅci≦Ｅri …（４）
【００３９】
ここで、単位セルＣi の端子電圧をＶi とすると、
Ｖi ＝Ｅci−Ｅci-1
Ｖm ＝Ｅri−Ｅri-1 …（５）
となるので、端子電圧Ｖi と平均電圧Ｖm との差は、

となる。
【００４０】
従って、端子電圧Ｖi と平均電圧Ｖm との大小関係を判定するための条件は、以下のようになる。
▲１▼Ｖi ＞Ｖm
｛（Ｅci≧Ｅri）ＡＮＤ（Ｅri-1＞Ｅci-1）｝
ＯＲ｛（Ｅci＞Ｅri）ＡＮＤ（Ｅri-1≧Ｅci-1）｝
▲２▼Ｖi ＜Ｖm
｛（Ｅci≦Ｅri）ＡＮＤ（Ｅri-1＜Ｅci-1）｝ …（７）
ＯＲ｛（Ｅci＜Ｅri）ＡＮＤ（Ｅri-1≦Ｅci-1）｝
▲３▼Ｖi ＝Ｖm
（Ｅci＝Ｅri）ＡＮＤ（Ｅri-1＝Ｅci-1）
【００４１】
コンパレータＣｐＨi ，ＣｐＬi の出力レベルによって（７）の条件を表すと、以下のようになる。
▲１▼Ｖi ＞Ｖm
｛（ＣｐＨi ：Ｌ）ＡＮＤ（ＣｐＨi-1 ：Ｈ）｝
ＯＲ｛（ＣｐＬi ：Ｈ）ＡＮＤ（ＣｐＬi-1 ：Ｌ）｝
▲２▼Ｖi ＜Ｖm
｛（ＣｐＬi ：Ｌ）ＡＮＤ（ＣｐＬi-1 ：Ｈ）｝ …（８）
ＯＲ｛（ＣｐＨi ：Ｈ）ＡＮＤ（ＣｐＨi-1 ：Ｌ）｝
▲３▼Ｖi ＝Ｖm
｛（ＣｐＨi ：Ｌ）ＡＮＤ（ＣｐＬi ：Ｌ）｝
ＡＮＤ｛（ＣｐＨi-1 ：Ｌ）ＡＮＤ（ＣｐＬi-1 ：Ｌ）｝
【００４２】
本実施例では、単位セルＣi の端子電圧Ｖi が平均電圧Ｖm よりも高いと判定されると、ＳＷＰi 及びＳＷＮi を介してコンデンサＣreg を並列に接続して（第１の接続状態）放電させる。また、単位セルＣi の端子電圧Ｖi が平均電圧Ｖm よりも低いと判定されると、ＳＷＰi 及びＳＷＮi を介してコンデンサＣreg を並列に接続して（第２の接続状態）放電させるように切替えを行う。その接続切替えを行うための論理回路部ＬＣi （ここでは単位セルＣi のみに対応するもの）の論理は、上記（８）より図４に示すものとなる（“Ｘ”は任意のレベル）。
【００４３】
尚、“クロック”はクロック信号のレベルが“Ｈ”の場合に端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも高いものを検出し、レベルが“Ｌ”の場合に端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも低いものを検出するように切替えを行うために用いられる。
【００４４】
次に、図５に示す回路において、単位セルＣj の端子電圧Ｖj が平均電圧Ｖm よりも高く、単位セルＣk の端子電圧Ｖk が平均電圧Ｖm よりも低いという初期条件において、コンデンサＣreg により電荷を移動させて端子電圧Ｖj ，Ｖk のばらつきを調整する動作について説明する。尚、コンデンサＣreg は、その端子電圧ＶC が平均電圧Ｖm に等しくなるように予め充電されているものとする。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、ｔ≦０において初期条件Ｖj ＞Ｖm ＞Ｖk であり、０＜ｔで論理回路部ＬＣの動作が開始する。先ず、０＜ｔ≦Ｔ／２（Ｔはクロック信号周期）ではクロック信号が“Ｈ”であり、単位セルＣj に対応する論理回路部出力ＢＳj が“Ｈ”となってＳＷＰj 及びＳＷＮj がＯＮとなり、単位セルＣj にコンデンサＣreg が並列に接続される。すると、図６（ｂ）に示すように、単位セルＣj からコンデンサＣreg に充電電流Ｉj が流れて電荷が移動し、電圧Ｖj が下降して電圧ＶC が上昇する。
【００４６】
次に、Ｔ／２＜ｔ≦Ｔではクロック信号が“Ｌ”であり、単位セルＣk に対応する論理回路部出力ＢＳk が“Ｈ”となってＳＷＰk 及びＳＷＮk がＯＮとなり、単位セルＣj にコンデンサＣreg が並列に接続される。すると、コンデンサＣreg から単位セルＣk からに充電電流Ｉk が流れて電荷が移動し、電圧Ｖk が上昇して電圧ＶC が下降する。
【００４７】
以降、上記動作をクロック信号レベルの変化に応じて交互に繰り返すことで電圧Ｖj ，Ｖk の電位差は次第に小さくなって行く。そして、８Ｔ＜ｔでは、電圧Ｖj ，Ｖk は平均電圧Ｖm にほぼ等しいと判断されるので、クロック信号レベルにかかわらず論理回路部出力ＢＳj ，ＢＳk は何れも“Ｌ”となり、単位セルＣj ，Ｃk とコンデンサＣreg との間の充放電は行われなくなる。
【００４８】
以上に基づいて、図１に示す６つのコンパレータ８Ｈ，８Ｌ，９Ｈ，９Ｌ，１０Ｈ，１０Ｌの出力レベルを論理合成することにより、４つのスイッチ２５（１）〜２５（４）を夫々ＯＮ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、“Ｘ”は任意のレベルを示す。
【００４９】
また、この真理値表は、基本的には図４と同様であるが、４つの単位セル１（１）〜１（４）の内で同時に２つ以上の単位セル１が平均電圧Ｖm を上回るか若しくは下回るかした場合に、常に１つの単位セル１のみを選択してコンデンサ２６に接続するように優先順位を設定する論理も組み込まれている。その優先順位は、ここでは１（１）→１（４）→１（２）→１（３）に設定されている。
【００５０】
優先順位の設定は、図４に示す単位セルＣi 及びＣi-1 に対応する４つのコンパレータＣｐＨi ，ＣｐＬi 及びＣｐＨi-1 ，ＣｐＬi-1 の出力レベルによって決定される基本条件に、他の単位セルに対応するコンパレータＣｐＨ，ＣｐＬの出力レベルを任意“Ｘ”ではなく“Ｈ”または“Ｌ”に限定する条件を付加するか否かによって行う。
【００５１】
即ち、図２においては、クロック信号レベルが“Ｈ”の場合にスイッチ２５（１）がＯＮになる条件は、コンパレータ８Ｌのレベルが“Ｈ”であるだけで、他のコンパレータのレベルは全て“Ｘ”であるから優先順位が最も高く設定されている。スイッチ２５（４）がＯＮになる条件は、コンパレータ１０Ｈのレベルが“Ｈ”であると共に、コンパレータ８Ｌのレベルが“Ｌ”であることが要求されるので、単位セル１（１）に次ぐ優先順位が設定されている。
【００５２】
スイッチ２５（２）がＯＮになる条件は、コンパレータ９Ｈ，８Ｈのレベルが“Ｌ”，“Ｈ”である条件と共にコンパレータ１０Ｈ，８Ｌのレベルが“Ｌ”であることが要求され、また、コンパレータ９Ｌ，８Ｌのレベルが“Ｈ”，“Ｌ”である条件と共にコンパレータ１０Ｈのレベルが“Ｌ”であることが要求されており、単位セル１（４）に次ぐ優先順位が設定されている。
【００５３】
スイッチ２５（３）がＯＮになる条件は、コンパレータ１０Ｈ，９Ｈのレベルが“Ｌ”，“Ｈ”である条件と共にコンパレータ９Ｌ，８Ｌのレベルが何れも “Ｌ”であることが要求され、また、コンパレータ１０Ｌ，９Ｌのレベルが“Ｈ”，“Ｌ”である条件と共にコンパレータ９Ｈ，８Ｌのレベルが“Ｈ”，“Ｌ”であること，またはコンパレータ１０Ｈ，８Ｌのレベルが“Ｌ”，“Ｌ”であることが要求されており、単位セル１（２）に次ぐ優先順位が設定されている。尚、この場合、最後の２つのコンパレータ９Ｈ，８Ｈについて付加されている条件は、スイッチ２５（２）のＯＮ条件の否定である。
【００５４】
また、図２下段のクロック信号レベルが“Ｌ”である場合の条件は、コンパレータ８Ｈ・８Ｌ，９Ｈ・９Ｌ，１０Ｈ・１０Ｌのレベルの組み合わせで見ると、上段の組み合わせを以下のように入れ替えることによって論理合成されている。
“Ｈ”・“Ｌ”→“Ｌ”・“Ｈ”
“Ｈ”・“Ｘ”→“Ｘ”・“Ｈ”
“Ｌ”・“Ｘ”→“Ｘ”・“Ｌ”
【００５５】
即ち、ＨＥＶが走行することにより、組電池を構成している何れかのセルグループ２において、各単位セル１の間に端子電圧のばらつきが発生すると、コンパレータ８Ｈ〜１０Ｌにより各端子電圧Ｖがその時のセルグループ２の平均電圧Ｖm と比較され、その比較結果が論理回路部１１において論理合成されることでコンデンサ２６が第１，第２の接続状態に交互に切り替わり、各単位セル間で電荷の移動が行われて、夫々の端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm に近付くようにばらつきが調整されることになる。
【００５６】
ここで、図７は、図１に示すように４直列の単位セルについて端子電圧のばらつき調整を行った場合のシミュレーション結果を示すものである。初期条件として、単位セル１（１）〜１（４）の端子電圧を、夫々以下のように設定した。
単位セル１（１）：４．０２０Ｖ
単位セル１（２）：４．０１０Ｖ
単位セル１（３）：４．０００Ｖ
単位セル１（４）：３．９９０Ｖ
従って、この時点での平均電圧Ｖm は、４．００５Ｖである。
【００５７】
先ず、設定された優先順位に従って、単位セル１（１），１（４）の間で調整が行われ、端子電圧Ｖ1 が低下して行き端子電圧Ｖ4 が上昇して行く。そして、７時間半程度経過した時点Ａにおいて端子電圧Ｖ1 がＶm に達すると、端子電圧Ｖ1 の下降は停止し、次に単位セル１（２），１（４）の間で調整が行われる。すると、端子電圧Ｖ2 が下降を開始する。
【００５８】
そして、９時間半程度経過した時点Ｂにおいて、端子電圧Ｖ4 が時点Ａにおける平均電圧Ｖm （約４．００３Ｖ）に達すると端子電圧Ｖ4 の上昇は停止し、次に単位セル１（２），１（３）の間で調整が行われる。そして、１５時間程度経過した時点Ｃにおいて、単位セル１（１）〜１（４）の各端子電圧Ｖ1 〜Ｖ4 のばらつきは、±１ｍＶ以内に収束している。
【００５９】
以上のように本実施例によれば、コンパレータ８Ｈ〜１０Ｌによって、セルグループ２を構成する単位セル１（１）〜１（４）の間における連結点Ｊc1〜Ｊc3の電位と、当該連結点に対応する分圧回路７により分圧された分圧点Ｊr1′〜Ｊr3′の電位とを比較する。そして、論理回路部１１は、コンパレータ８Ｈ〜１０Ｌによる比較結果に基づいて、端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも高いと判断される単位セル１１をスイッチ２５Ｐ（１）及び２５Ｎ（１）〜２５Ｐ（４）及び２５Ｎ（４）によってコンデンサ２６に並列に接続する第１の接続状態と、端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも低いと判断される単位セル１をコンデンサ２６に並列に接続する第２の接続状態とを交互に切り替えるように制御する。
【００６０】
即ち、各端子電圧Ｖの総和であるセルグループ２の出力電圧を単位セル１の個数に応じて分圧した各分圧点Ｊr1′〜Ｊr3′間の電位差は平均電圧Ｖm に相当するので、ばらつきを調整するため従来のように各端子電圧Ｖの絶対値を検出する必要はなく、連結点Ｊc1〜Ｊc3の電位と分圧点Ｊr1′〜Ｊr3′の電位とを相対的に比較すれば、各端子電圧Ｖの平均電圧Ｖm に対する大小を判定することができる。従って、電圧調整装置を、ＣＰＵなどを用いることなくコンパレータ８Ｈ〜１０Ｌや論理回路部１１等のハードウエアによって低コストで構成することができる。
【００６１】
そして、第１，第２の接続状態を交互に切替えることで、端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも高い単位セル１の電荷を、コンデンサ２６を介して平均電圧Ｖm よりも低い単位セル１に移動させ、各端子電圧Ｖのばらつきを調整してセルグループ２の使用効率を向上させることができる。特に、高い電圧を得るために多数の単位セル１を直列接続する必要のある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。また、分圧回路７を分圧抵抗３〜６で構成することで、単位セル１の各端子電圧Ｖに基づく平均電圧Ｖm を容易に得ることができる。
【００６２】
更に、本実施例によれば、論理回路部１１は、単位セル１の正極側の連結点の電位をＥcp，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥmp，負極側の連結点の電位をＥcn，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥmnとすると、正極側及び負極側の連結点に夫々対応するコンパレータ８Ｈ〜１０Ｌの比較結果が、Ｅcp≧Ｅmp且つＥcn＜Ｅmn，または、Ｅcp＞Ｅmp且つＥcn≦Ｅmnである場合に単位セル１の端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも高いと判断し、コンパレータ８Ｈ〜１０Ｌの比較結果が、Ｅcp≦Ｅmp且つＥcn＞Ｅmn，または、Ｅcp＜Ｅmp且つＥcn≧Ｅmnである場合に、単位セル１の端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも低いと判断するので、単位セル１の端子電圧Ｖと平均電圧Ｖm との高低を確実に判断することができる。
【００６３】
また、論理回路部１１は、第１及び第２の接続状態においてコンデンサ２６に並列に接続する単位セル１を、スイッチ２５Ｐ（１）及び２５Ｎ（１）〜２５Ｐ（４）及び２５Ｎ（４）によって夫々１個のみ選択するので、構成がシンプルになりコンデンサ２６に対する接続切替え制御を簡単に行うことができる。
【００６４】
更に、論理回路部１１は、端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも高い単位セル１が複数ある場合、または、端子電圧Ｖが平均電圧Ｖm よりも低い単位セルが複数ある場合に、何れも予め定められた優先順位に応じてそれらの内１個の単位セル１を選択するので、ばらつきが生じた単位セル１を、優先順位に基づいて全て確実に調整することができる。
【００６５】
加えて、本実施例によれば、コンパレータ８Ｈ〜１０Ｌ及び論理回路部１１は、セルグループ２から動作用電源を得るようにした。即ち、これらは消費電力が比較的少ない電気的構成要素からなるので、セルグループ２から動作用電源を得ることが可能となる。
【００６６】
また、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１とするセルグループ２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。
【００６７】
（第２実施例）
図８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、第１実施例のコンデンサ２６に代えて、容量が１／２であるコンデンサ（蓄電手段）２７ａ，２７ｂを２個使用している。そして、コンデンサ２７ａ，２７ｂの正側端子間には、スイッチ２５と同様のスイッチ２８Ｐ1 が介挿されており、コンデンサ２７ａの負側端子とスイッチ２５Ｎとの間には、スイッチ２８Ｐ2 が介挿されている。また、コンデンサ２７ａの負側端子とコンデンサ２７ｂの正側端子との間には、スイッチ２８Ｓが接続されている。尚、スイッチ２８は、直並列切替え手段を構成している。
【００６８】
そして、クロック回路２２の出力端子は、スイッチ２８Ｐ1 及び２８Ｐ2 の制御端子に接続されており、ＩＮＶゲート２３の出力端子は、スイッチ２８Ｓの制御端子に接続されている。
【００６９】
次に、第２実施例の作用について説明する。スイッチ２８Ｐ1 及び２８Ｐ2 は、クロック回路２２によって出力されるクロック信号レベルが“Ｈ”の場合にＯＮとなるので、その時、コンデンサ２７ａ，２７ｂは、端子電圧が平均電圧Ｖm よりも高いと判定された単位セル１に対して何れも並列に接続される（第１の接続状態）。従って、蓄電手段としての容量は、第１実施例の場合と同様になる。
【００７０】
また、スイッチ２８Ｓは、クロック信号レベルが“Ｌ”の場合にＯＮとなるので、その時、コンデンサ２７ａ，２７ｂは、端子電圧が平均電圧Ｖm よりも低いと判定された単位セル１に対して直列に接続される（第２の接続状態）。従って、単位セル１に放電する場合には蓄電手段の端子電圧が２倍になる。以上の動作をクロック信号周期で繰り返すことにより、端子電圧のばらつきが調整される。
【００７１】
ここで、１回の充放電によって単位セルＡから単位セルＢに移動させる電荷Ｑについて考える。単位セルＡの電圧Ｖ１＝４．１（Ｖ），単位セルＢの電圧Ｖ２＝４．０（Ｖ）とすると、第１実施例のように、容量Ｃのコンデンサを１個使用する場合の移動電荷Ｑ１は、
Ｑ１＝Ｃ（Ｖ１−Ｖ２）＝０．１Ｃ
となる。また、第２実施例のように、容量Ｃ／２のコンデンサを２個使用して直並列接続切替えする場合の移動電荷Ｑ２は、
Ｑ２＝Ｃ／２（２Ｖ１−Ｖ２）＝２．１Ｃ
となる。従って、
Ｑ２／Ｑ１＝２．１Ｃ／０．１Ｃ＝２１
となる。即ち、上記条件では電荷の移動量が理論的には２１倍となるので、電荷の移動を効率良く行うことが可能となる。
【００７２】
以上のように第２実施例によれば、２つのコンデンサ２７ａ，２７ｂを設け、スイッチ２８により第１の接続状態においてはコンデンサ２７ａ，２７ｂを並列に接続し、第２の接続状態においてはコンデンサ２７ａ，２７ｂを直列に接続するように切替えを行う。従って、単位セル１からコンデンサ２７に対して充電する時には充電容量を大きくし、コンデンサ２７から単位セル１に対して充電する時には充電電圧を高くすることになるので、端子電圧のばらつき調整時間を短縮することができる。或いは、同じ調整時間に設定するならば、コンデンサ２７の容量をトータルで小さくすることができる。
【００７３】
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１実施例において、複数の蓄電手段を設けて、それら複数の蓄電手段を、ばらつきが生じた単位セルに対して別個に接続するようにしても良い。
優先順位は、適宜変更して良い。
第２実施例のように直並列接続切替えを行う場合、３つ以上の蓄電手段を用いて行っても良い。
【００７４】
単位セルの直列接続数は、“４”に限ることはない。
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。
電気自動車やＨＥＶに限ることなく、その他、ノート型パーソナルコンピュータや携帯用ＶＴＲ等の小形民生機器や電力貯蔵用の二次電池設備などのように、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】本発明をハイブリッド電気自動車に適用した場合の第１実施例であり、電気的構成を示す図
【図２】論理回路部の真理値を示す図
【図３】図１の構成を一般化した図
【図４】図３における論理回路部の真理値を示す図
【図５】図３のように一般化した回路において、単位セルとコンデンサとの間における充放電動作を説明する図
【図６】タイミングチャート
【図７】発明者らが行ったシミュレーションの一例を示す図
【図８】本発明の第２実施例を示す図１相当図
【符号の説明】
１は単位セル（リチウム二次電池）、２はセルグループ（組電池）、７は分圧回路（分圧手段）、８Ｈ，８Ｌ，９Ｈ，９Ｌ，１０Ｈ及び１０Ｌはコンパレータ（電位比較手段）、１１は論理回路部（電圧制御手段）、２５Ｐ及び２５Ｎはスイッチ（単位セル選択手段）、２６はコンデンサ（蓄電手段）、２７ａ，２７ｂはコンデンサ（蓄電手段）、２８はスイッチ（直並列切替え手段）を示す。

Claims

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、任意の連結点の電位と、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、
前記単位セルの夫々に対して接続可能に構成され、単位セルとの間で電荷を充放電するための蓄電手段と、
この蓄電手段に接続される単位セルを選択する単位セル選択手段と、
前記電位比較手段による比較結果に基づいて、端子電圧が平均電圧よりも高いと判断される単位セルを前記単位セル選択手段によって前記蓄電手段に並列に接続する第１の接続状態と、端子電圧が平均電圧よりも低いと判断される単位セルを前記単位セル選択手段によって前記蓄電手段に並列に接続する第２の接続状態とを交互に切り替えるように制御する電圧制御手段とを備え、
前記電圧制御手段は、前記複数の内任意の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、前記第１の接続状態と前記第２の接続状態とを切り替えるための判断を行うように構成されてい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。
前記電圧制御手段は、正極側の連結点の電位をＥ cp ，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥ mp ，負極側の連結点の電位をＥ cn ，前記連結点に対応する分圧点の電位をＥ mn とすると、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、
Ｅ cp ≧Ｅ mp 且つＥ cn ＜Ｅ mn ，または、Ｅ cp ＞Ｅ mp 且つＥ cn ≦Ｅ mn
である場合に、単位セルの端子電圧が平均電圧よりも高いと判断し、
前記電位比較手段の比較結果が、
Ｅ cp ≦Ｅ mp 且つＥ cn ＞Ｅ mn ，または、Ｅ cp ＜Ｅ mp 且つＥ cn ≧Ｅ mn
である場合に、単位セルの端子電圧が平均電圧よりも低いと判断することを特徴とする請求項１又は２記載の組電池の電圧調整装置。
前記電圧制御手段は、前記第１及び第２の接続状態において前記蓄電手段に並列に接続する単位セルを、前記単位セル選択手段によって夫々１個のみ選択す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。
前記電圧制御手段は、端子電圧が平均電圧よりも高い単位セルが複数あると判断した場合、または、端子電圧が平均電圧よりも低い単位セルが複数あると判断した場合は、何れも予め定められた優先順位に応じて前記単位セル選択手段によってそれらの内１個の単位セルを選択することを特徴とする請求項４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電圧制御手段は、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乃至５の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。
前記蓄電手段は、複数設けられ、
前記第１の接続状態においては前記複数の蓄電手段を並列に接続し、前記第２の接続状態においては前記複数の蓄電手段を直列に接続するように切替えを行う直並列切替え手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６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７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８の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。