JP4077136B2

JP4077136B2 - 組電池の電圧調整装置及び組電池の電圧調整方法

Info

Publication number: JP4077136B2
Application number: JP2000172024A
Authority: JP
Inventors: 博志田村; 敏宏勝田; 徹也小林; 晴義山下
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JP2001352688A

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、バッテリについ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】
そこで、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】
しかし、リチウム二次電池は過充電や過放電に弱く、一定の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不能となるおそれがある。従って、リチウム二次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、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ため、通常、複数個の単位セルを直列に接続して構成される。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のリチウム二次電池では８０個程度のセルを直列接続することになる。
【０００７】
この場合に、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が問題となる。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が異なる。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行く。
【０００８】
即ち、組電池の端子間電圧を監視して充放電制御しても、各単位セルでは、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とは異なるものが存在するため、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発生することになる。
【０００９】
しかし、鉛電池やニッカド電池或いはニッケル水素電池のような水溶性電解液を使用するものは、過放電や過充電となっても多少性能が劣化するだけで使用不能の状態にはならない。また、過充電の場合は、水の電気分解と置換反応（密閉化反応）とを利用してセル毎のばらつきを解消することができるので（均等充電）、コストの上昇を抑制するため組電池の両端電圧のみを参照して制御することが一般に行われている。
【００１０】
一方、リチウム二次電池を多直列組電池として使用する場合は、前述のように使用不能となるおそれがあるため、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しなければならない。例えば、実開平２−１３６４４５号公報には、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できるが、各単位セル毎のＳＯＣにずれが生じると、ＳＯＣが最高，最低である単位セルで充電，放電が制限されるため、ＳＯＣがずれた分だけ容量が少なくなるという問題がある。
【００１１】
また、リチウム二次電池は電解液が有機系であることから、電解液が水溶性の場合のような密閉化反応がなく、均等充電ができない。従って、上記従来技術をリチウム二次電池に適用すると、各単位セル間のばらつきは解消せずに次第に拡大して行き、最終的には使用不能の状態に陥るおそれがある。
【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を放電回路を介して放電させ、或いは、充電時における充電電流を分流させるバランス充放電を行い単位セル間の電圧差を調整する技術が開示されている。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し、満充電状態に達した単位セルの充電電流をバイパス回路に分流させ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。
【００１３】
これらの従来技術の具体構成例を図７に示す。組電池１は、複数（ｎ）個の単位セル２（１），…，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ＣＰＵ７に与えられる。
【００１４】
ＣＰＵ７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、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、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（図示せず）などを介して出力される。すると、そのスイッチ３ｂは閉じられ、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。
【００１５】
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ＣＰＵ７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り１０〜２０個程度が限度である。従って、ＨＥＶ等に適用するには、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夫々対応するＣＰＵ７に分担させるように構成し、更にそれら複数のＣＰＵ７を統括制御するための上位ＣＰＵ７Ｈを配置する、という構成にする必要がある。
【００１６】
例えば、組電池１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ＣＰＵ７が５個または９個必要となり、加えて、各ＣＰＵ７と上位ＣＰＵ７Ｈとの間で通信を行うために通信インターフェイス１０，１０Ｈも必要となって、コストアップすることが避けられない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＣＰＵのような高価な電子部品を使用することなく、各単位セルの電圧ばらつきを調整する技術が、例えば、特開平１１−２６２１８８号公報や特開２０００−８３３２７号公報などに開示されている。これらの従来技術では、電圧ばらつきの調整回路をハードウエアのみで構成して各単位セルに常時接続することによって、調整時に流れる単位セルの放電電流を小さくすることが可能になる。従って、安価で小形の電子部品で構成することができる。
【００１８】
しかしながら、これらの従来技術では、調整回路が故障した場合の対策が何ら取られていないため、故障などの原因によって端子電圧のばらつきが調整しきれなくなると、その状態が放置されてしまうという問題があった。
【００１９】
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、電圧調整手段が故障した場合でも、安全を確保することができる組電池の電圧調整装置及び組電池の電圧調整方法を提供することにある。
【００２０】
【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、複数の電圧調整手段は、組電池を構成する各単位セルの端子電圧のばらつきを、夫々異なる範囲内で調整するように構成されている。即ち、複数の電圧調整手段夫々の調整範囲が異なっていると、その調整範囲が最も狭く設定されている電圧調整手段（１）が最初に動作して各単位セルの端子電圧のばらつきを調整する。
【００２１】
そして、動作中の電圧調整手段（１）が何らかの原因によって故障して動作不能となった場合には、各単位セルの端子電圧のばらつきは、電圧調整手段（１）の調整範囲を超えるようになる。すると、電圧調整手段（１）の次に調整範囲が広く設定されている電圧調整手段（２）が代わって動作するようになる。従って、１つの電圧調整手段が機能しなくなっても他の電圧調整手段が自動的に切り替わって動作するので、単位セルが過充電状態や過放電状態となって使用不能になることを防止して、組電池を保護することができる。
【００２２】
また、例えば、組電池を構成する単位セルの一部を交換した直後の状態では、端子電圧のばらつきは最初から広い範囲で発生することになる。そのような場合には、調整範囲がそのばらつきの範囲内となる複数の電圧調整手段が同時に動作する。従って、何れの電圧調整手段にも故障が発生していない通常の動作状態においても、大きなばらつきをより速く収束させるように調整できるという効果を奏する。
【００２３】
請求項２記載の組電池の電圧調整装置によれば、報知手段は、複数の電圧調整手段の内、実際に動作しているものが切り替わったことを検出して報知するので、ユーザは、何れかの電圧調整手段が機能しなくなったことを知ることによって、該電圧調整手段を交換するなどの措置を取ることができる。
【００２４】
請求項３記載の組電池の電圧調整装置によれば、複数の電圧調整手段は、調整範囲の大きさに応じて端子電圧のばらつきを調整する能力の大きさが夫々設定される。ここで、ばらつきを調整する能力とは、例えば、その調整を行うために単位セルを充放電させる電流の容量などを意味する。従って、実際に動作している電圧調整手段が切り替わり調整範囲が広くなることに伴ない、ばらつきを調整するのに要する時間がより多く必要となることを防止して、調整時間が常に同等となる。
【００２５】
請求項４記載の組電池の電圧調整装置によれば、電圧調整手段は各単位セルに常時電気的に接続されるので、ばらつきの調整を迅速に行うことができる。また、調整に要する時間が限定されないため、調整能力（電流容量）を小さくすることができ、低コストの部品を使用することができる。
【００２６】
請求項５記載の組電池の電圧調整装置によれば、電圧調整手段は、何れかの単位セルの端子電圧が、複数の単位セルの端子電圧について求めた平均電圧よりも高いと判定すると、その単位セルを放電させてその端子電圧が平均電圧にほぼ等しくなるように調整する。従って、各単位セルの端子電圧が平均電圧に近付くように調整することができる。
【００２７】
請求項６記載の組電池の電圧調整装置によれば、電圧調整手段は、何れかの単位セルの端子電圧が複数の単位セルの端子電圧の最低電圧よりも高いと判定すると、該単位セルを放電させてその端子電圧が最低電圧にほぼ等しくなるように調整する。従って、各単位セルの端子電圧が最低電圧に近付くように調整することができる。
【００２８】
請求項７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。
【００２９】
請求項８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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
以下、本発明を、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の駆動用バッテリに適用した場合の第１実施例について図１乃至図３を参照して説明する。電気的構成の概略を示す図１において、リチウム二次電池で構成される単位セル１１は、直列接続された４個毎にセルグループ１２を構成している。また、単位セル１１の正極には、リチウムニッケル酸化物が活物質として使用されている。そして、各セルグループ１２の正極１２ｐ，負極１２ｎ間には、電圧調整装置１３及び電圧検出器１４が並列に接続されている。各電圧検出器１４の検出信号は、マルチプレクサ（ＭＰＸ）１５及びＡ／Ｄコンバータ１６を介してＣＰＵ（報知手段）１７に与えられるようになっている。
【００３１】
ＣＰＵ１７は、各マルチプレクサ１５に切り替え制御信号を与えて、電圧検出器１４が検出する各セルグループ１２の端子電圧ＶG を順次参照するようになっている。また、ＣＰＵ１７は、ＲＡＭなどで構成されるメモリ１８にデータを書き込んで記憶させ、必要に応じて読み出すようになっている。
【００３２】
セルグループ１２は、２０個が直列に接続されて組電池１９を構成しており、その組電池１９は、ＨＥＶの駆動用バッテリとして、正極１９ｐ，負極１９ｎが主電流路Ｌ＋，Ｌ−を介して充電器やＨＥＶのモータを駆動するインバータ（何れも図示せず）等に接続されるようになっている。
【００３３】
また、各セルグループ１２の電圧検出線Ｗ＋，Ｗ−間には、抵抗２０ａとＣＰＵ１７よりデコーダ２１を介して与えられる制御信号によって開閉制御されるスイッチ２０ｂとの直列回路で構成される放電回路２０が接続されている。そして、ＣＰＵ１７は、各セルグループ１２間における出力電圧のばらつきは、夫々に対応する電圧検出器１４より得た値に基づいて放電回路２０のスイッチ２０ｂを閉じることで、セルグループ１２を放電させたり、或いは充電電流をバイパスさせることで調整するようになっている。
【００３４】
そして、各電圧調整装置１３より出力される信号ＳC は、各電圧調整装置１３毎に設けられているインターフェイス回路２２に与えられており、各電圧検出器２２の出力信号は、マルチプレクサ２３及びＡ／Ｄコンバータ２４を介してＣＰＵ１７の入力ポートに与えられている。インターフェイス回路２２は、ＣＰＵ１７に対して信号を伝達するために、入出力間の電気的絶縁及び信号レベルの変換を行う回路である。
【００３５】
図２は、電圧調整装置１３の詳細な電気的構成を示すものである。本実施例の電圧調整装置１３は、特開２０００−８３３２７号公報に開示されているものを用いているが、説明を簡単にするため図２では簡略化して示している。
【００３６】
即ち、セルグループ１２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１１（１）及び１１（２）の連結点をＪc1，単位セル１１（２）及び１１（３）の連結点をＪc2，単位セル１１（３）及び１１（４）の連結点をＪc3とする。また、セルグループ１２には、抵抗２５，２６，２７及び２８を直列に接続してなる分圧回路２９が並列に接続されている。そして、分圧回路２９の負側端子をＪr0，正側端子をＪr4として、その間にある抵抗２５及び２６，２６及び２７，２７及び２８の共通接続点を夫々Ｊr1，Ｊr2，Ｊr3とする。
【００３７】
尚、電圧調整装置１３は、２組の電圧調整回路（電圧調整手段）１３Ａ，１３Ｂを備えており、これら２組の電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂは、セルグループ１２及び分圧回路２９に対して夫々並列に接続されている。そして、図２においては、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂの各構成要素には、夫々符号に“Ａ”，“Ｂ”を付して図示しているが、以降の説明において両者を区別する必要がない場合には、符号に“Ａ”，“Ｂ”を付さずに記述する。
【００３８】
電圧調整回路１３を構成する差動増幅器３０，３１，３２の反転入力端子は、セルグループ１２の連結点Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3に夫々接続されており、非反転入力端子は、分圧回路２９の共通接続点Ｊr1，Ｊr2，Ｊr3に夫々接続されている。また、差動増幅器３０，３１，３２の出力端子は、論理回路部３３の入力端子Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に夫々接続されている。
【００３９】
放電回路３４は、放電用の抵抗３４ａ及び常開型のスイッチ３４ｂを直列接続してなるものである。そして、４つの放電回路３４（１）〜３４（４）は、各単位セル１１（１）〜１１（４）に対応するように直列接続されて、セルグループ１２の両端に並列に接続されている。また、放電回路３４（１）及び３４（２）の共通接続点は端子Ｊc1に接続され、放電回路３４（２）及び３４（３）の共通接続点は端子Ｊc2に接続され、放電回路３４（３）及び３４（４）の共通接続点は端子Ｊc3に接続されている。
【００４０】
スイッチ３４ｂ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、各スイッチ３４ｂ（１）〜３４ｂ（４）の制御信号端子は、論理回路部３３の入力端子Ｏ１〜Ｏ４に夫々接続されている。
【００４１】
ここで、図３は、論理回路部３３の入力段について、実際に特開２０００−８３３２７号公報に開示されているものと同様の構成を示すものである。例えば、差動増幅器３０の出力端子は、２つのコンパレータ３５Ｈの非反転入力端子及びコンパレータ３５Ｌの反転入力端子に接続されている。
【００４２】
また、端子Ｊc2，Ｊc0間には、抵抗３６Ｈ，定電圧源３７Ｈ及び３７Ｌ，抵抗３６Ｌの直列回路が接続されており、定電圧源３７Ｈの負側端子及び３７Ｌの正側端子（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３５Ｈの反転入力端子は定電圧源３７Ｈの正側端子に接続され、コンパレータ３５Ｌの非反転入力端子は定電圧源３７Ｈの負側端子に接続されている。他の差動増幅器３１，３２についても同様である。定電圧源３７Ｈ，３７Ｌは、例えばダイオードやバンドギャップリファレンスなどで構成される。
【００４３】
例えば、差動増幅器３０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３５Ｈ及び３５Ｌに出力する。コンパレータ３５Ｈは、増幅信号α・Ｖd1のレベルが、定電圧源３７Ｈの電圧ＶL よりも高い場合、即ち、
α・Ｖd1＞ＶL
の時に“Ｈ”を出力する。
【００４４】
また、コンパレータ３５Ｌは、増幅信号α・Ｖd1のレベルが負（即ち、Ｅri＜Ｅci）の場合において、その負の電位が、端子Ｊc1の基準電位から定電圧源３７Ｌの電圧−ＶL を下回った電位よりも小となる場合、即ち、
α・Ｖd1＜−ＶL （Ｖd1＜０）
の時に“Ｈ”を出力する（絶対値では、｜α・Ｖd1｜＞ＶL ）。尚、差動増幅器３１，３２に対応して配置されたコンパレータについても、夫々対応する電位について同様に動作する。そして、コンパレータ３５Ｈ及び３５Ｌ等の出力信号はＡＮＤゲートやＯＲゲートなどで構成される図示しない論理回路に与えられ、図４に示す真理値表に従うように論理合成される（尚、これらの動作の詳細については、特開２０００−８３３２７号公報を参照）。
【００４５】
ここで、本実施例では、Ｖop＝α・Ｖd1，端子Ｊc1における電位Ｅc1を基準として電圧ＶL 分だけ高い電位を＋ＶL ，電位Ｅc1を基準として電圧ＶL 分だけ低い電位を−ＶL として表している。また、図４に示す真理値表では、差動増幅器２８，２９，３０によって３つの入力端子Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に出力される信号レベルを“＋”，“０”，“−”で表記している。これらの信号レベルは、論理回路部３１の内部では以下のような電位の大小関係に対応すると共に、その電位の大小関係によって、各コンパレータ××Ｈ，××Ｌの出力レベルは以下のように定まる。

【００４６】
図４の真理値表における出力端子Ｏ１〜Ｏ４には、差動増幅器２８〜３０の出力レベルに基づき、夫々に対応して配置されたコンパレータが出力するハイレベル（Ｈ），ロウレベル（Ｌ）の信号を論理合成した信号が出力される。そして、出力端子Ｏ１〜Ｏ４の何れかがハイレベルになると、対応する放電回路３４（１）〜３４（４）のスイッチ３４ｂがＯＮとなり、単位セル１１は抵抗３４ａにより放電されて電位が低下するようになる。
【００４７】
即ち、論理回路部３３においては、差動増幅器２８〜３０の出力レベルの組み合わせによって、各単位セル１１の端子電圧が平均電圧よりも高いか否かを判定し、高いと判定された単位セル１１を放電させる。図４の真理値表に示すように、セルグループ１２において端子電圧が平均電圧よりも高いと判定される単位セル１１は、４つの内１つ或いは２つまでである。そして、最終的に、セルグループ１２の全ての単位セル１１の端子電圧が平均電圧にほぼ等しくなると、差動増幅器２８〜３０の出力レベルは何れも“０”となり、コンパレータ××Ｈ，××Ｌの出力レベルは何れも“Ｌ”となって、全てのスイッチ３４ｂがＯＦＦとなった状態で電圧調整動作は終了する。
【００４８】
従って、“−ＶL ≦Ｖop≦＋ＶL ”が端子電圧の調整範囲に対応する。そして、電圧調整回路１３Ａの調整範囲（例えば、±１０ｍＶ）に対して、電圧調整回路１３Ｂの調整範囲は２〜５倍程度広くなるように設定されている。調整範囲の設定は、差動増幅器２８〜３０の増幅率や定電圧源３７の電圧を変化させて行う。また、電圧調整回路１３Ｂの電圧調整能力（ここでは、放電回路３４に流すことができるバイパス電流の大きさとする）は、電圧調整回路１３Ａの調整能力（例えば、１０ｍＡ）よりも大きくなるように設定されている。電圧調整能力は，放電回路３４における抵抗３４ａの抵抗値によって設定される。
【００４９】
再び図２を参照して、電圧調整回路１３Ｂにおける論理回路部３３Ｂの出力端子Ｏ１〜Ｏ４は、４入力のＯＲゲート３８の入力端子に夫々接続されている。そして、ＯＲゲート（報知手段）３８の出力信号ＳC は、インターフェイス回路２２を介してＣＰＵ１７に与えられている。
【００５０】
次に、本実施例の作用について図５及び図６をも参照して説明する。例えば、ＨＥＶが走行中であり、組電池１９は、主電流路Ｌ＋，Ｌ−を介して小刻みに充放電が繰り返し行われており、その端子電圧は変動している状態にあるとする。簡単のため、セルグループ１２の単位セル１１（１），１１（２）のみについて考え、単位セル１１（２）の端子電圧が最低電圧となっている（自己放電が最も大きい）状態を想定する。
【００５１】
この時、単位セル１１（２）の端子電圧ＶC2を基準として、調整範囲が狭く設定されている電圧調整回路１３Ａが調整動作を行う。即ち、単位セル１１（１）の端子電圧ＶC1が、単位セル１１（２）の端子電圧ＶC2（この場合、平均電圧）に対して１０ｍＶを超えて大きくなると、放電回路３４（１）のスイッチ３４ｂ（１）がＯＮとなり、単位セル１１（１）は抵抗３４ａを介して放電されて電圧が低下する。調整範囲がより広く設定されている電圧調整回路１３Ｂは、電圧調整回路１３Ａが調整動作を行っている間は動作しない。
【００５２】
そして、図５に示す時刻ｔx において異常が発生したとする。発生が想定される異常としては、例えば、電圧調整回路１３Ａの故障や単位セル１１の内部において微短絡が生じて自己放電が大きくなった場合などがある。ここでは、電圧調整回路１３Ａに故障が発生して、単位セル１１（１）を放電回路３４（１）によってバイパス電流を流すことができなくなった場合を考える。
【００５３】
すると、単位セル１１（１）の端子電圧が１１（２）に対して相対的に上昇し、電圧調整回路１３Ａの調整範囲を超えて、更に、電圧調整回路１３Ｂの調整範囲を超えるようになると電圧調整回路１３Ｂが調整動作を開始する。電圧調整回路１３Ｂの調整範囲は、前述のように電圧調整回路１３Ａの調整範囲よりも２倍〜５倍程度に広く設定されているため各単位セル１１間の電圧のばらつきは大きくなるが、異常の発生による電圧ばらつきの拡大に一定の歯止めを掛けることができる。
【００５４】
電圧調整回路１３Ｂが調整動作を開始することにより、論理回路部３３Ｂの何れかの出力端子Ｏ１〜Ｏ４のレベルがハイレベル“Ｈ”になるとＯＲゲート３８の出力端子のレベルが“Ｈ”となり、ＣＰＵ１７は、インターフェイス回路２２を介して異常が発生したセルグループ１２を検出することができる。
【００５５】
そして、例えば、ＣＰＵ１７が、車内ＬＡＮなどを介してＨＥＶのボディＥＣＵ（図示せず）などに異常が発生したことを示す情報を送信し、ボディＥＣＵがその情報をインストルメントパネルに反映させるようにすれば、ＨＥＶの乗員は、組電池１９に異常が発生したことを知ることができるので、ＨＥＶを整備工場などに持ち込んで点検修理を行うことが可能となる。
【００５６】
また、図６は、例えば、セルグループ１２の単位セル１１を１本だけ交換した直後の状態において、各単位セル１１間の電圧ばらつきが最初から大きく、電圧調整回路１３Ｂの調整範囲を超えている場合を想定した調整動作の例である。図５と同様に、２つの単位セル１１（１），１１（２）において、単位セル１１（２）の端子電圧が最低電圧となっており、また、ＨＥＶは停車中で、ＨＥＶの運転に伴う組電池１９の充放電はないものとする。
【００５７】
この場合、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂが同時に調整動作を行うことになるので（図６の期間▲１▼）、単位セル１１（１）は、放電回路３４Ａ（１），３４Ｂ（１）によって放電される。即ち、電圧ばらつきの調整能力は両者の和となるため、単位セル１１（１）は急速に放電され、単位セル１１（２）との電圧差がより速く収束する。そして、両者の電圧差が電圧調整回路１３Ａの調整範囲内となると（図６の期間▲２▼）電圧調整回路１３Ａのみが動作するので、狭い調整範囲で高精度の調整を行うことができる。
【００５８】
以上のように本実施例によれば、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂを、組電池１９を構成する各単位セル１１の端子電圧のばらつきを夫々異なる範囲内で調整するように構成した。従って、例えば、動作中の電圧調整回路１３Ａが何らかの原因によって故障し動作不能となった場合でも、電圧調整範囲がより広く設定されている電圧調整回路１３Ｂが自動的に切り替わって動作するので、単位セル１１が過充電状態や過放電状態となって使用不能になることを防止して、組電池１９を保護することができる。
【００５９】
そして、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１１とする組電池１９に適用することで、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。また、組電池１９をＨＥＶ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。
【００６０】
更に、本実施例によれば、組電池１９を構成する単位セル１１の一部を交換した直後の状態のように、端子電圧のばらつきが最初から広い範囲で発生する場合には、調整範囲がそのばらつきの範囲内に含まれる電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂが同時に動作するので、大きな電圧ばらつきをより速く収束させるように調整できる。
【００６１】
また、ＣＰＵ１７は、電圧調整回路１３Ａに代わって、電圧調整回路１３Ｂが動作を開始したことを検出して報知するので、ユーザは、電圧調整回路１３Ａが機能しなくなったことを知ることによって、その電圧調整回路１３Ａを交換するなどの措置を取ることができる。
【００６２】
そして、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂは、その調整範囲の大きさに応じて放電回路３４Ａ，３４Ｂにおけるバイパス電流の大きさが夫々設定されているので、電圧調整回路１３が切り替わり調整範囲が広くなることに伴ないばらつきを調整するのに要する時間がより多く必要となることを防止して、調整時間が常に同等となるようにできる。また、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂは各単位セル１１に常時電気的に接続されるので、ばらつきの調整を迅速に行うことができる。また、調整に要する時間が限定されないため、調整能力（電流容量）を小さく設定することができ、低コストの部品を使用することができる。
【００６３】
加えて、電圧調整回路１３Ａ，１３Ｂは、何れかの単位セル１１の端子電圧が、複数の単位セル１１の端子電圧について求めた平均電圧よりも高いと判定すると、その単位セル１１を放電させ、或いは充電電流をバイパスさせて端子電圧が平均電圧にほぼ等しくなるように調整するので、各単位セル１１の端子電圧が平均電圧に近付くように調整することができる。
【００６４】
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。
セルグループを構成する単位セルの直列接続数は４個に限ることなく、設計条件に応じて適宜変更して良い。
電圧調整手段を、３つ以上設けても良い。
電圧調整手段を単位セルに一定周期毎に接続して、端子電圧のばらつき調整を間欠的に行うようにしても良い。
端子電圧が平均電圧よりも高いと判定した単位セルにコンデンサのような蓄電手段を接続して放電させ、その蓄電手段を端子電圧が平均電圧よりも低いと判定した単位セルに接続することで、前記放電によって充電された電荷を該単位セルに対して充電させるように構成しても良い。
【００６５】
電圧調整手段を、複数の単位セルの内から、端子電圧が最低となっているものを検出して、端子電圧が前記最低電圧よりも高いと判定した単位セルを放電させて、最低電圧にほぼ等しくなるように調整する構成としても良い。
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の駆動用バッテリに適用した場合の一実施例であり、電気的構成を示す機能ブロック図
【図２】電圧調整回路の詳細な電気的構成を示す図
【図３】論理回路部の入力段の詳細な電気的構成を示す図
【図４】論理回路部の真理値を示す図
【図５】組電池の１つのセルグループ内における２つの単位セルについて、端子電圧のばらつき調整動作の一例であり、（ａ）は単位セルの端子電圧、（ｂ）は単位セルのバイパス電流を示す図
【図６】各単位セル間の電圧ばらつきが最初から大きい場合を想定した調整動作の一例であり、（ａ）は単位セルの端子電圧、（ｂ）は単位セルのバイパス電流を示す図
【図７】従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
１１は単位セル、１２はセルグループ、１３Ａ，１３Ｂは電圧調整器（電圧調整手段）、１７はＣＰＵ（報知手段）、１９は組電池、２０は放電回路、３８はＯＲゲート（報知手段）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について、各単位セルの端子電圧のばらつきを調整するための電圧調整手段を備えてなる組電池の電圧調整装置において、
前記電圧調整手段を複数備え、
これら複数の電圧調整手段は、前記端子電圧のばらつきを夫々異なる範囲内で調整する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。
前記複数の電圧調整手段の内、実際に動作しているものが切り替わったことを検出して報知するための報知手段を備えた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。
前記複数の電圧調整手段は、前記端子電圧のばらつきを調整する範囲の大きさに応じて、前記端子電圧のばらつきを調整する能力の大きさが夫々設定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。
前記電圧調整手段は、各単位セルに常時電気的に接続され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。
前記電圧調整手段は、複数の単位セルの端子電圧について平均電圧を求め、何れかの単位セルの端子電圧が前記平均電圧よりも高いと判定すると、該単位セルを放電させてその端子電圧が前記平均電圧にほぼ等しくなるように調整す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。
前記電圧調整手段は、複数の単位セルの端子電圧の内から最低電圧を検出し、何れかの単位セルの端子電圧が前記最低電圧よりも高いと判定すると、該単位セルを放電させてその端子電圧が前記最低電圧にほぼ等しくなるように調整す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６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７の何れかに記
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について、各単位セルの端子電圧のばらつきを電圧調整手段によって調整する組電池の電圧調整方法において、
前記電圧調整手段を複数備えて、これら複数の電圧調整手段が、前記端子電圧のばらつきを夫々異なる範囲内で調整することを特徴とする組電池の電圧調整方法。