JP4081970B2

JP4081970B2 - 組電池の電圧調整装置及び組電池の電圧調整方法

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Publication number: JP4081970B2
Application number: JP2000288767A
Authority: JP
Inventors: 博志田村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: JP2002101565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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のモータを駆動するためのバッテリとして高電圧の二次電池が必要であるが、小型軽量化のニーズから、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。
【０００３】
しかしながら、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容量が著しく減少したり、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。
【０００４】
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、単位セル当たり１．２Ｖのニッケル水素電池では２５０個程度、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必要がある。
【０００５】
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。そのような状態において組電池の端子間電圧を監視して充電制御しても、あくまでも組電池を構成する単位セルの平均電圧を制御しているに過ぎず、平均電圧よりも端子電圧が高い単位セルは過充電気味となり、平均電圧よりも端子電圧が低い単位セルは過放電気味となる。
【０００６】
そして、鉛電池やニッカド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電池では、過放電や過充電となっても電池の性能が多少劣化するだけで使用不能の状態には至らず、また、過充電での水の電気分解と置換反応（密閉化反応）を利用することで単位セル毎の電圧ばらつきをある程度解消できることや（均等充電）、単位セル毎の電圧制御はコストの増加につながることから組電池の両端電圧のみを参照して制御することが一般的であった。
【０００７】
しかしながら、リチウム電池を多直列組電池として使用する場合は、過充電や過放電になると前述したように電池として使用できなくなるおそれがあることから、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必要がある。更に、リチウム電池は、電解液が有機系であり水溶性ではないことから密閉化反応が生ぜず、均等充電を促す作用が働かない。従って、単位セル間の電圧ばらつきは解消することなく次第に拡大して、最終的には全く使用できなくなってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上述の問題を解決する技術として、例えば特開平７−３３６９０５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を並列に接続し、単位セルの端子電圧にばらつきが生じると、組電池に対する充電中に充電電流を分流させることで電圧ばらつきを調整するものが開示されている。
【０００９】
図７はこの従来技術の具体構成例を示すものである。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、組電池を構成する端子電圧のばらつきを制御する装置または方法を、より低コストで構成または実施することにある。
【００１４】
【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、充放電制御手段は、上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した場合は、組電池からの放電が優先して行われるように負荷の駆動を制御する。そして、充放電制御手段は、セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定すると、該セルグループの平均単位セル電圧が上限電圧を所定電圧だけ上回るまで充電することで端子電圧のばらつきを調整する。
【００１５】
即ち、端子電圧のばらつきが拡大しているセルグループについて、その平均単位セル電圧が上限電圧を上回るまで充電を行うと、その状態で端子電圧が上限電圧を上回っている単位セルは、放電手段が作用することで上限電圧を下回るまで放電されるようになる。その結果、前記セルグループを構成する各単位セルの端子電圧は何れも上限電圧付近となるように揃えられ、端子電圧のばらつきは確実に解消される。
【００１６】
そして、電圧検出手段は、電圧検出を単位セルの幾つかよりなるセルグループ毎に行い、充放電制御手段は、電圧ばらつきが拡大したことを、上限電圧検出手段による検出結果と、電圧検出手段により検出される電圧より求めるセルグループの平均単位セル電圧とに基づいて判定するので、従来とは異なり、各単位セル毎に電圧を検出する必要がない。また、上限電圧検出手段は、例えば安価なコンパレータ等を用いて構成することができるので、装置全体を小規模に且つ低コストで構成することが可能となる。
【００１７】
請求項２記載の組電池の電圧調整装置によれば、上限電圧検出手段の検出信号を、セルグループ毎に各単位セルについての論理和信号として充放電制御手段に出力するので、充放電制御手段に対する出力信号数が１セルグループにつき１つとなり、信号線の数を削減することができる。
【００１８】
請求項３記載の組電池の電圧調整装置によれば、上限電圧検出手段及び放電手段を各単位セルに常時接続し、上限電圧検出手段に、その電圧検出対象たる単位セルやセルグループまたは組電池の何れかより動作用電源を供給するので、電源供給用の配線を極力短くすることができる。また、外部からの電源供給が不用なので、そのための給電用配線や電源部品が不用であり、構成を簡単にできコストを低減させることができる。
【００１９】
請求項４記載の組電池の電圧調整装置によれば、充放電制御手段は、下限電圧検出手段が下限電圧を下回った単位セルを検出した場合は、組電池からの放電が優先して行われるように負荷の駆動を制御する。そして、充放電制御手段は、セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定した場合にも、該セルグループの平均単位セル電圧が上限電圧を所定電圧だけ上回るまで充電することで端子電圧のばらつきを調整する。
【００２０】
即ち、端子電圧のばらつきが拡大している状態が下限電圧側において検出された場合でも、請求項１と同様に、そのセルグループについて平均単位セル電圧が上限電圧を上回るまで充電を行えば、同様の作用によって前記セルグループを構成する各単位セルの端子電圧は何れも上限電圧付近となるように揃えられる。従って、この場合にも端子電圧のばらつきを確実に解消することができる。
【００２１】
請求項５記載の組電池の電圧調整装置によれば、下限電圧検出手段の検出信号を、セルグループ毎に各単位セルについての論理和信号として充放電制御手段に出力するので、下限電圧側の検出信号の出力数も１セルグループにつき１つとなって信号線の数を削減することができる。
【００２２】
請求項６記載の組電池の電圧調整装置によれば、下限電圧検出手段は、各単位セルに常時接続されて、単位セル，セルグループまたは組電池の何れかより動作用電源が供給されるので、請求項３と同様に電源供給用の配線を極力短くすることができる。
【００２３】
請求項７記載の組電池の電圧調整装置によれば、充放電制御手段は、端子電圧のばらつきを調整する場合は、所定電圧を、充電の過程において上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した時点での平均単位セル電圧から求めた電圧ばらつきに基づいて設定する。
【００２４】
即ち、ばらつきの調整動作において平均単位セル電圧が上限電圧を上回るまで充電した後は、端子電圧が上限電圧を上回っている単位セルが放電されることで端子電圧のばらつきが解消される。従って、後で放電される分のマージンを考慮して、最初の充電においては平均単位セル電圧が上限電圧を所定電圧だけ上回るようにしている。
【００２５】
そして、調整動作における充電の過程で何れかの単位セルが上限電圧に達すれば、その時点における上限電圧と平均単位セル電圧との差によって電圧のばらつき度合いを正確に把握することが可能である。従って、前記所定電圧を上記時点で求めた電圧ばらつきに基づいて設定すれば、各単位セルの端子電圧ばらつきを極力均等化するように充電を行うことができるので、電圧ばらつきの調整を一層確実に行うことが可能となる。
【００２６】
請求項８記載の組電池の電圧調整装置によれば、充放電制御手段は、端子電圧のばらつき調整制御を、負荷の駆動が停止している場合に行う。即ち、負荷が駆動されている場合は、組電池と負荷との間で大電流による充放電が行われることになり、単位セルの電圧変動が大きい。従って、充放電制御手段が、負荷の駆動が停止している場合にばらつきの調整制御を行うようにすれば、電圧変動が生じないので正確なばらつきの調整が可能となる。また、調整の時間を長く取ることができるので、放電手段の電流容量を小さく設定することが可能となりコストをより削減することができる。
【００２７】
請求項９記載の組電池の電圧調整装置によれば、充放電制御手段は、負荷の駆動が開始される場合に、セルグループの平均単位セル電圧が上限電圧と下限電圧との間にある制御中心電圧の近傍となるように調整制御を行う。即ち、負荷の駆動が開始される場合の初期状態として、セルグループの平均単位セル電圧は、上限電圧や下限電圧よりある程度離れたレベルにある（例えば、両者の略中間のレベル）方がその後の充放電制御が行い易く有利となる。従って、斯様に制御することで、組電池の充放電制御をより行い易くすることができる。
【００２８】
請求項１０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、リチウム電池の電圧ばらつきを調整して安全に制御した上で、その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１１記載の組電池の電圧調整装置によれば、組電池を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るので、高い電圧出力を得るために多くの単位セルを直列接続して構成される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】
請求項１２記載の組電池の電圧調整装置によれば、充放電制御手段は、自動車のイグニッションスイッチがＯＦＦとなった場合に端子電圧のばらつき調整制御を行うので、請求項８と同様に、負荷たる自動車の走行用モータの駆動が停止され、組電池との間で大電流による充放電が行われない期間にばらつきの調整制御を行うことで精度良く調整することが可能となり、また、放電手段の電流容量を小さく設定することが可能となる。
【００３１】
そして、大半の車両は走行している期間よりも停止している期間が長いため、その停止期間にばらつき調整を十分に行うことが可能であるから、車両の走行に影響を与えることを防止できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＨＥＶの駆動用バッテリに使用される組電池に適用した一実施例について、図１乃至図６を参照して説明する。図２は、ＨＥＶの走行用モータ２１を駆動するための電気的構成を概略的に示す機能ブロック図である。この場合、組電池２２を構成する複数の単位セル２３の内、６個の単位セル２３を１つのセルグループ２４としており、各セルグループ２４毎にセル状態監視回路部２５を並列に接続している。尚、単位セル２３は、リチウム二次電池で構成されている。
【００３３】
セル状態監視回路部２５は、対応するセルグループ２４内の何れかの単位セル２３が過充電または過放電状態になったことだけを検出して、その検出信号を組電池制御回路部２６に出力するようになっている。即ち、過充電検出信号は、信号線２７Ｕを介して組電池制御回路部２６に出力され、過放電検出信号は、信号線２７Ｌを介して組電池制御回路部２６に出力される。また、組電池２２の負極側主電源線Ｌ（−）には電流センサ２８が介挿されており、その電流検出信号は組電池制御回路部（充放電制御手段）２６に与えられている。
【００３４】
組電池制御回路部２６は、これらの検出信号から組電池２２の状態を把握して、車両制御回路部２９に充放電制御指令を出力する。車両制御回路部２９は、その充放電制御指令と、各種センサ等によって与えられる車両走行情報（車速、エンジントルク、アクセル開度等）とに基づいて、組電池２２を駆動用電源として走行用モータ２１を回転駆動するためのインバータ３０に駆動用信号を出力するようになっている。組電池２２とインバータ３０とは、正極側，負極側の電源線Ｌ（＋），Ｌ（−）によって接続されている。
【００３５】
図１は、セル状態監視回路部２５を中心とする詳細な電気的構成を示すものであり、組電池２２の内、第ｉ番目のセルグループ２４（ｉ）に対応する部分である。各単位セル２３当たり２組のコンパレータ３１Ｕ，３１Ｌが配置されている。コンパレータ３１Ｕ（上限電圧検出手段）は、抵抗３２ａ，３２ｂにより分圧した単位セル２３の端子電圧を基準電圧Ｖｕ（上限電圧，例えば端子電圧３．９Ｖ相当）と比較するようになっている。尚、単位セル２３は、後述のように上限電圧を超えるように充電される場合があることから、上限電圧は、リチウム二次電池の満充電電圧（ＳＯＣ１００％）よりも少し低い電圧（例えば、ＳＯＣ８０％に相当する電圧）に設定する。
【００３６】
また、コンパレータ３１Ｌ（下限電圧検出手段）は、抵抗３３ａ，３３ｂにより分圧した単位セル２３の端子電圧を基準電圧Ｖｌ（下限電圧，例えば端子電圧３．５Ｖ相当）と比較するようになっている。この場合、下限電圧は、リチウム二次電池のＳＯＣ０％〜２０％程度の適当な電圧に設定すれば良い。
そして、コンパレータ３１Ｕ，３１Ｌは、夫々対応する単位セル２３より動作用電源を得るようになっている。
【００３７】
各コンパレータ３１Ｕ，３１Ｌの出力信号は、ＯＲゲート３４，ＮＡＮＤゲート（負論理入力のＯＲ）３５の入力端子に夫々与えられており、ＯＲゲート３４，ＮＡＮＤゲート３５の出力信号は、信号線２７Ｕ，２７Ｌを介して組電池制御回路部２６に上限電圧検出信号，下限電圧検出信号として与えられている。組電池制御回路部２６の内部において、信号線２７Ｕ，２７Ｌはフォトカプラ３６Ｕ，３６Ｌの入力側に接続されており、フォトカプラ３６Ｕ，３６Ｌの出力側は、マルチプレクサ３７を介してＣＰＵ３８の入力ポートに接続されている。
【００３８】
即ち、ＯＲゲート３４は、何れかの１つ以上の単位セル２３の端子電圧が上限電圧Ｖｕを超えて対応するコンパレータ３１Ｕがハイレベルになると、出力端子がハイレベルとなりフォトカプラ３６Ｕを介して上限電圧検出信号を出力するようになっている。また、ＮＡＮＤゲート３５は、何れかの１つ以上の単位セル２３の端子電圧が下限電圧Ｖｌを下回り対応するコンパレータ３１Ｌがロウレベルになると出力端子がハイレベルとなり、フォトカプラ３６Ｌを介して下限電圧検出信号を出力すようになっている。
【００３９】
また、セルグループ２４の各単位セル２３の両端子には、抵抗３９と、その抵抗３９にコレクタが接続されたＮＰＮトランジスタ４０との直列回路が並列に接続されている。そして、各トランジスタ４０のベースには、各コンパレータ３１Ｕの出力信号が与えられている。これらの抵抗３９とトランジスタ４０との直列回路は、バイパス回路（放電手段）４１を構成しており、コンパレータ３１Ｕの出力信号がハイレベルになるとトランジスタ４０がＯＮとなり、対応する単位セル２３は、抵抗３９を介して放電されるようになっている。
【００４０】
組電池制御回路部２６において、セルグループ２４の両端子には電圧検出器（電圧検出手段）４２が接続されており、電圧検出器４２の出力信号は、マルチプレクサ４３を介してＣＰＵ３８の入力ポートに接続されている。
【００４１】
組電池制御回路部２６のＣＰＵ３８は、セル状態監視回路部２５より出力される上限電圧検出信号，下限電圧検出信号によって各セルグループ２４を構成する単位セル２３の状態（全てが通常の端子電圧範囲にあるか、また、何れかが上限電圧を超過した状態となったり，下限電圧を下回る状態となったか）を認識することができる。ＣＰＵ３８は、ＲＡＭ４４をワークエリアとして使用し、処理に必要なデータ等を記憶させるようになっている。
【００４２】
次に、本実施例の作用について図３乃至図６をも参照して説明する。
図５は、ＨＥＶの走行時において、１つのセルグループ２４の単位セル２３の電圧が変化する状態の一例であり、最高セル電圧ＶCH，最低セル電圧ＶCL及び平均セル電圧ＶCMの変化を示す。ＨＥＶが走行する場合、組電池２２は、走行用モータ２１がガソリンエンジン（図示せず）の駆動力をアシストするため駆動される時に放電されて電圧が低下し、逆に、ガソリンエンジンの駆動力のみで走行している場合に走行用モータ２１が発生した回生電力を受け入れる時に充電されて電圧が上昇する。そのため、平均セル電圧ＶCMが、上限電圧Ｖｕと下限電圧Ｖｌとの間において制御中心電圧Ｖｍに収束するように充放電を制御する。
【００４３】
しかし、各単位セル２３には端子電圧のばらつきがあることから、最高セル電圧ＶCHと最低セル電圧ＶCLとは、概ね平均セル電圧ＶCMにばらつき分がオフセットした状態で推移する。本実施例では、組電池制御回路部２６は、電圧検出器４２によって検出されるセルグループ２４の端子電圧から平均セル電圧ＶCMを求めることはできるが、最高セル電圧ＶCH，最低セル電圧ＶCLを直接測定することはできない。
【００４４】
そこで、組電池制御回路部２６のＣＰＵ３８は、予め所定の電圧ばらつきＶｄが生じているものと想定し、平均セル電圧ＶCMが以下の範囲に収まるように充放電を制御する。
Ｖｌ＋Ｖｄ≦ＶCM≦Ｖｕ−Ｖｄ …（１）
【００４５】
ここで、図３及び図４は、組電池制御回路部２６のＣＰＵ３８による制御内容を示すフローチャートである。ＣＰＵ３８は、実際には以下に述べる処理をマルチプレクサ４３，３７を介して各セルグループ２４毎に行うが、以降は１つのセルグループ２４のみを対象として説明する。
【００４６】
先ず、ＣＰＵ３８は、電圧検出器４２が検出するセルグループ２４の端子電圧を読込み、その端子電圧を単位セル２３の直列接続数“６”で除すことで平均セル電圧ＶCMを検出する（ステップＳ１）。そして、続くステップＳ２，Ｓ３において、平均セル電圧ＶCMが（１）式の範囲内にあるか否かを判定する。
【００４７】
平均セル電圧ＶCMが下限電圧Ｖｌに電圧ばらつきＶｄを加えたレベルを下回りステップＳ２において「ＮＯ」と判定した場合（図５▲１▼参照）、ＣＰＵ３８は、車両制御回路部２９に出力制限指令を出力する（ステップＳ２０）。すると、車両制御回路部２９は走行用モータ２１の駆動を抑制するように制御するので、組電池２２の放電が抑制され、充電が優勢となってセルグループ２４の平均セル電圧ＶCMは上昇する。
【００４８】
一方、平均セル電圧ＶCMが上限電圧Ｖｕより電圧ばらつきＶｄを減じたレベルを上回りステップＳ３において「ＮＯ」と判定した場合（図５▲２▼参照）、ＣＰＵ３８は、車両制御回路部２９に回生制限指令を出力する（ステップＳ２１）。すると、車両制御回路部２９は走行用モータ２１によって発電された電力が組電池２２側に回生されないように制御する（例えば、インバータ３０において回生電力の短絡ループを形成する等）ので、組電池２２の充電が抑制されて放電が優勢となりセルグループ２４の平均セル電圧ＶCMは下降する。
【００４９】
平均セル電圧ＶCMが（１）式の範囲内にある場合（ステップＳ２，Ｓ３で何れも「ＹＥＳ」）、ＣＰＵ３８は、セル状態監視回路部２５より下限電圧検出信号、または上限電圧検出信号が出力されたか否かを判断する（ステップＳ４，Ｓ５）。
【００５０】
前述のように、リチウム二次電池を単位セル２３に用いると、電圧ばらつきが生じた場合は自然に解消せず徐々に拡大する傾向を示し、最高セル電圧ＶCH，最低セル電圧ＶCLと平均セル電圧ＶCMとの差が次第に大きくなる。すると、平均セル電圧ＶCMが（１）式の範囲内にあっても、図５▲３▼に示すように最低セル電圧ＶCLが下限電圧Ｖｌを下回ったり、図５▲４▼に示すように最高セル電圧ＶCHが上限電圧Ｖｕを上回る場合がある。
【００５１】
図５▲３▼に示す場合には、セル状態監視回路部２５が下限電圧検出信号を出力するので、ＣＰＵ３８はステップＳ４において「ＹＥＳ」と判断してステップＳ２０に移行し、車両制御回路部２９に出力制限指令を出力して図５▲１▼に示す場合と同様の調整を行う。また、図５▲４▼に示す場合には、セル状態監視回路部２５が上限電圧検出信号を出力するので、ＣＰＵ３８はステップＳ５において「ＹＥＳ」と判断してステップＳ２１に移行し、車両制御回路部２９に回生制限指令を出力して図５▲２▼に示す場合と同様の調整を行う。
【００５２】
尚、ＨＥＶが運転中である場合には、組電池２２に対する充放電電流は大きく変動する。そして、単位セル２３は内部抵抗を有しているので、その内部抵抗による電圧上昇分が無視できない大きさで現れて、端子電圧が大きく変動している場合がある。従って、下限，上限電圧検出信号の出力判定は、単位セル２３の一時的な電圧変化だけで直ちに判定することがないように、例えば、検出信号出力を複数回サンプリングして、所定の確率で検出信号の出力が得られた場合に有意と判定する。
【００５３】
以上のように調整することで、各単位セル２３の端子電圧は下限電圧Ｖｌと上限電圧Ｖｕとの間に維持されるが、電圧ばらつきが拡大して行くと、充放電できる範囲が次第に狭くなってしまう。
【００５４】
そこで、ＣＰＵ３８は、ステップＳ２０，Ｓ２１の実行後に再び平均セル電圧ＶCMを検出し（ステップＳ２２）、単位セル２３間の端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大しているか否かを判断する（ステップＳ２３）。ここでの判定は、セル状態監視回路部２５が下限または上限電圧検出信号を出力した場合の出力確率（一定観測時間内の出力頻度）と、その時の平均セル電圧ＶCMとに基づいて行う。
【００５５】
即ち、下限または上限電圧検出信号の出力確率が所定の割合を超えた場合、最低セル電圧はＶｌに、または最高セル電圧はＶｕに達したものと見なせるので、その時の平均セル電圧ＶCMとＶｌまたはＶｕとの差から電圧ばらつきを把握することができる。また、平均セル電圧ＶCMがＶｌ＋ＶｄとＶｕ−Ｖｄとの範囲内であるにもかかわらず、上限または下限電圧検出の出力確率が所定割合を超えたということからばらつきはＶｄを上回ったと見なすことができるので、そのような場合にばらつき拡大と判定する。
【００５６】
また、ここでのばらつき拡大の判定も、上述したように単位セル２３の内部抵抗による電圧変動の影響を極力排除することが好ましい。従って、ＣＰＵ３８は、電流センサ２８によって組電池２２に流れる充放電電流をモニタし、予め把握できる内部抵抗値をデータとして保持しておくことで内部抵抗による電圧上昇分を計算して差し引き、単位セル２３の純粋な起電力だけによって正確にばらつき拡大を判定するようにする。
【００５７】
ステップＳ２３において、ＣＰＵ３８は、電圧ばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定すると（「ＹＥＳ」）ＲＡＭ４４のフラグ格納領域に調整フラグをセットして（ステップＳ２４）、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、ＨＥＶのイグニッションスイッチがＯＦＦか否かを判断し、ＯＦＦではなく運転中であると判断される場合は（「ＮＯ」）ステップＳ１に戻る。
【００５８】
また、ステップＳ４，Ｓ５において下限，上限検出信号が何れも出力されていない場合（何れも「ＮＯ」）、ＣＰＵ３８は、その時点で出力制限指令，回生制御指令を車両制御回路部２９に出力していた場合はその指令を解除してから（ステップＳ６）ステップＳ７に移行する。
【００５９】
即ち、ＣＰＵ３８は、ステップＳ２３において電圧ばらつきが拡大したと判定しても、ＨＥＶが運転中である場合にはフラグをセットするだけで直ちに調整動作は行わない。そして、ＨＥＶのイグニッションスイッチがＯＦＦとなり（ステップＳ７，「ＹＥＳ」）ＨＥＶの運転が停止されると、ＣＰＵ３８は、ＲＡＭ４４のフラグ格納領域を参照し調整フラグがセットされているか否かを判断する（ステップＳ８）。調整フラグがセットされていなければ（「ＮＯ」）、イグニッションスイッチが再びＯＮされるまで待機して（ステップＳ９，「ＹＥＳ」）、ステップＳ１に戻る。
【００６０】
次に、電圧ばらつきの調整制御について図６も参照して説明する。図６（ａ）において、時刻ｔ01〜ｔ02の期間に最低セル電圧ＶCL（単位セル２３（Ｃ４））が下限電圧Ｖｌを下回った場合に電圧ばらつき拡大の判定が行われ、ステップＳ８において調整フラグがセットされたとする（「ＹＥＳ」）。すると、ＣＰＵ３８はステップＳ１０に移行して電圧ばらつきの調整制御を行う。尚、イグニッションスイッチがＯＦＦされた場合でも、組電池監視回路部２６が以降の調整制御を行うことができるようにするため、イグニッションスイッチがＯＦＦされても一定期間は各部に電源が供給されるように、タイマなどが動作するようにＨＥＶが構成されている。
【００６１】
先ず、ＣＰＵ３８は、車両制御回路部２９に充電指令を出力して走行用モータ２１に回生電力を発生させて、組電池２２を充電させる（ステップＳ１０）。ここで、図６を参照する。図６（ａ）に示すように、最高セル電圧ＶCHは単位セル２３（Ｃ１）であり、２３（Ｃ２），２３（Ｃ３），２３（Ｃ４）の順に端子電圧が低くなっている。
【００６２】
時刻ｔ１において、ステップＳ１０における充電が開始されると、セルグループ２４の平均セル電圧ＶCMは上昇する。そして、ＣＰＵ３８は、平均セル電圧ＶCMを検出すると（ステップＳ１１）ステップＳ１１ａに移行して、所定電圧Δが確定していれば（「ＹＥＳ」）ステップＳ１２に移行し、所定電圧Δが確定していなければ（「ＮＯ」）ステップＳ１１ｂに移行する。
【００６３】
ステップＳ１１ｂ，Ｓ１１ｃでは、上記充電の過程において最高セル電圧ＶCHが上限電圧Ｖｕに達した時点での平均セル電圧ＶCMから所定電圧Δを設定する。即ち、図６に示す時刻ｔ11において、最高セル電圧ＶCHが上限電圧Ｖｕに達すると、その時点での電圧ばらつきＶｘは、上限電圧Ｖｕと平均セル電圧ＶCMとの差によって求めることができる。
Ｖｘ＝Ｖｕ−ＶCM …（２）
そして、所定電圧Δは、例えば電圧ばらつきＶｘの１／２に設定する。
Δ＝Ｖｘ／２＝（Ｖｕ−ＶCM）／２ …（３）
【００６４】
以上のようにステップＳ１１ｃにおいて所定電圧Δが設定されると、以降、ＣＰＵ３８はステップＳ１１ａで「ＹＥＳ」と判断してステップＳ１２に移行し、平均セル電圧ＶCMが上限電圧Ｖｌに所定電圧Δを加えた電圧以上となるまで（「ＹＥＳ」）ステップＳ１０に戻り充電を継続する。
【００６５】
そして、図６に示す時刻ｔ２において、ステップＳ１２で「ＹＥＳ」と判断すると、ＣＰＵ３８は、車両制御回路部２９に充電停止指令を出力して組電池２２に対する充電を停止させる（ステップＳ１３）。それから、ステップＳ９と同様にＨＥＶのイグニッションスイッチがＯＮされるまで待機する（ステップＳ１４）。
【００６６】
上記のように充電が行われた結果、セルグループ２４の単位セル２３の内端子電圧が上限電圧Ｖｕを超えているもの２３（Ｃ１）〜２３（Ｃ３）は、対応するバイパス回路４１が作用して放電が行われるので（図６（ｃ），時刻ｔ11〜ｔ23）端子電圧のばらつきは次第に収束し、それに伴って平均セル電圧ＶCMも下降して行く。そして、時刻ｔ23において、全ての単位セル２３の端子電圧が上限電圧Ｖｕを下回った時点で電圧ばらつきの調整動作は終了する。
【００６７】
ばらつき調整動作が終了した後、図６に示す時刻ｔ３において、イグニッションスイッチがＯＮされＨＥＶの運転が再度開始された場合（ステップＳ１４，「ＹＥＳ」）、ＣＰＵ３８は、その時点でまた平均セル電圧ＶCMを検出する（ステップＳ１５）。そして、平均セル電圧ＶCMが制御中心電圧Ｖｍにほぼ等しいか否かを判断する（ステップＳ１６）。即ち、ＨＥＶの運転開始時には、平均セル電圧ＶCMが制御中心電圧Ｖｍ付近にある方が、後の充放電制御が行い易くなり望ましいからである。
【００６８】
ステップＳ１６において、平均セル電圧ＶCMと制御中心電圧Ｖｍとの差が大きい場合（ＶCM＞＞Ｖｍ，「ＮＯ」）、ＣＰＵ３８は車両制御回路部２９に放電指令を出力して走行用モータ２１を駆動させ組電池２２を放電させると（ステップＳ１７）ステップＳ１５に移行し、両者がほぼ等しくなった時点で（ステップＳ１６，「ＹＥＳ」）車両制御回路部２９に放電停止指令を出力する（ステップＳ１８）。そして、調整フラグをリセットすると（ステップＳ１９）ステップＳ１に戻る。
【００６９】
尚、本実施例では、端子電圧のばらつき拡大判定を下限電圧側で行ったが、上限電圧側でばらつき拡大判定を行った場合も電圧ばらつきの調整制御は全く同様に行われる。
【００７０】
以上のように本実施例によれば、リチウム二次電池からなる単位セル２３を複数個直列に接続した組電池２２を、ＨＥＶの走行用モータ２１を駆動するための駆動用バッテリに適用し、組電池監視回路部２６のＣＰＵ３８は、セル状態監視回路部２５のコンパレータ３１Ｕ，３１Ｌが上限電圧Ｖｕを上回った単位セル２３、または、下限電圧Ｖｌを下回った単位セル２３を検出した場合に、組電池２２からの放電，または充電が優先して行われるように車両制御回路部２９を介して走行用モータ２１の駆動を制御し、セルグループ２４を構成する各単位セル２３の端子電圧ばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定すると、その平均単位セル電圧ＶCMが上限電圧Ｖｕを所定電圧Δだけ上回るまで充電して端子電圧のばらつきを調整するようにした。
【００７１】
そして、端子電圧が上限電圧Ｖｕを上回っている単位セル２３は、バイパス回路４１により上限電圧Ｖｕを下回るまで放電されるようになり、その結果、前記セルグループ２４を構成する各単位セル２３の端子電圧は何れも上限電圧Ｖｕ付近となるように揃えられる、従って、端子電圧のばらつきを確実に解消することができる。
【００７２】
また、電圧検出器４２は、電圧検出をセルグループ２４毎に行い、ＣＰＵ３８は、電圧ばらつきが拡大したことをコンパレータ３１Ｕ，３１Ｌによる検出結果とセルグループ２４の平均単位セル電圧ＶCMとに基づいて判定するので、従来とは異なり、各単位セル２３毎に電圧を検出する必要がなく装置の規模が大型化することを防止できる。
【００７３】
更に、本実施例によれば、組電池２２をＨＥＶの駆動用バッテリとして用いたので、高い電圧出力を得るために多くの単位セル２３を直列接続して構成される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。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２３とする組電池２２に適用したので、リチウム電池の電圧ばらつきを調整して安全に制御した上で、その電池の性能を十分に引出して活用することができる。
【００７４】
加えて、本実施例によれば、コンパレータ３１Ｕ，３１Ｌの検出信号を、セルグループ２４毎に各単位セル２３についての論理和信号としてＣＰＵ３８に出力するので、ＣＰＵ３８に対する出力信号数が１セルグループ２４につき２つとなり、信号線の数を削減することができる。そして、コンパレータ３１Ｕ，３１Ｌ及びバイパス回路４１を各単位セル２３に常時接続し、コンパレータ３１Ｕ，３１Ｌに、単位セル２３より動作用電源を供給するようにした。更に、セル状態監視回路部２５を、コンパレータ，基準電圧源，論理回路素子やトランジスタなどで構成したので、動作時の消費電流が小さく、動作用電源をセルグループ２４から十分に得ることが可能である。従って、電源線を外部から長く引回す必要がなく配線を簡略化することができる。また、通電電流の容量が比較的大であるバイパス回路４１以外はＩＣ化が可能な部品によって構成したので、ＩＣ化することで装置全体の構成を小さくできコストも削減できる。
【００７５】
また、ＣＰＵ３８は、所定電圧Δを、充電の過程においてコンパレータ３１Ｕが上限電圧Ｖｕを上回った単位セル２３を検出した時点での平均単位セル電圧ＶCMから求めた電圧ばらつきＶｘに基づいて設定するので、電圧のばらつき度合いを正確に把握して単位セル２３の端子電圧ばらつきを極力均等化するように充電を行うことができ、電圧ばらつきの調整を一層確実に行うことが可能となる。
【００７６】
そして、本実施例によれば、ＣＰＵ３８は、端子電圧のばらつき調整制御を、ＨＥＶのイグニッションスイッチがＯＦＦとなり走行用モータ２１の駆動が停止している場合に行うようにした。即ち、大半の車両は走行している期間よりも停止している期間が長いため、その停止期間にばらつき調整を十分に行うことができ、バイパス回路４１の電流容量を小さく設定することが可能となってコストをより削減することができる。また、組電池２２と走行用モータ２１との間で大電流による充放電が行われない期間にばらつき調整制御を行うことで、組電池２２の電圧変動がない状態で正確な調整を行うことができる。更に、ばらつき調整制御がＨＥＶの走行に影響を与えることを防止できる。
【００７７】
更にまた、ＣＰＵ３８は、走行用モータ２１の駆動が開始される場合に、セルグループ２４の平均単位セル電圧ＶCMが上限電圧Ｖｕと下限電圧Ｖｌとの間にある制御中心電圧Ｖｍの近傍となるように調整制御を行う。即ち、走行用モータ２１の駆動が開始される場合の初期状態として、セルグループ２４の平均セル電圧ＶCMは、上限電圧Ｖｕや下限電圧Ｖｌよりある程度離れたレベルにある（例えば、両者の略中間のレベル）方がその後の充放電制御が行い易く有利となる。従って、斯様に制御することで、組電池２２の充放電制御をより行い易くすることができる。
【００７８】
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。
１セルグループ当たりの単位セルの直列接続数は“６”に限ることはなく、組電池を構成する全ての単位セルを含むものであっても良い。但し、セル状態監視回路部２５に使用される素子の耐圧などの問題から、単位セル２３が平均電圧３．６Ｖのリチウム電池の場合は、４〜６直列が適当であると考えられる。また、低コスト化や小型化などを目的としてセル情報監視回路部２５等をＩＣ化する場合には、耐圧の点から６直列が限度であると考えられる。
一般に、過充電に比較して過放電は問題が大きくないので、コストとのトレードオフによって過放電に対するコンパレータ３１Ｌ側の構成を省略しても良い。この場合でも、ばらつき調整制御は同様に行うことが可能であり、過放電については、セルグループ電圧のみによってもある程度制御することができる。
【００７９】
上限検出信号，下限検出信号の論理レベルは、例えば、通常状態ではハイレベル，検出時にロウレベルとしても良い。但し、ハイレベルの場合は動作電流が流れて単位セルを僅かに放電させることになるので、残存容量が少ない状態にある下限検出の場合は、論理レベルをロウとするのが好ましい。
所定電圧Δの設定は（３）式に限らず、電圧ばらつきＶｘの範囲内で適宜設定したり、或いは、電圧ばらつきＶｘを超える電圧に設定しても良い。
ステップＳ９において「ＹＥＳ」と判断した場合も、ステップＳ１５に移行するようにしても良い。その際、平均セル電圧ＶCMが制御中心電圧Ｖｍを下回っている可能性が想定される場合には、ステップＳ１６以降で充電指令を出力する処理を追加すれば良い。
【００８０】
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。これらの二次電池は、前述したように過充電や過放電に対して強いためリチウム電池ほど厳密な電圧制御は不要であるが、本発明を適用することで組電池としての性能や寿命を向上させることが期待できる。また、複数の単位セルをの直列接続したグループを複数並列に接続してなるセルモジュールに適用しても良い。
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ＨＥＶの駆動用バッテリに使用される組電池に適用した一実施例であり、セル状態監視回路部を中心とする詳細な電気的構成を示す図
【図２】ＨＥＶの走行用モータを駆動するための電気的構成を概略的に示す機能ブロック図
【図３】組電池制御回路部のＣＰＵによる制御内容を示すフローチャート（その１）
【図４】組電池制御回路部のＣＰＵによる制御内容を示すフローチャート（その２）
【図５】ＨＥＶの走行時において、１つのセルグループにおける単位セルの電圧が変化する状態の一例を示す図
【図６】セルグループに対して端子電圧のばらつき調整制御を行う場合における、各単位セルの端子電圧変化を示す図
【図７】従来技術を示す図２相当図
【符号の説明】
２１は走行用モータ（負荷）、２２は組電池、２３は単位セル、２４はセルグループ、２６は組電池制御回路部（充放電制御手段）、２７Ｕ，２７Ｌは信号線、３１Ｕはコンパレータ（上限電圧検出手段）、３１Ｌはコンパレータ（下限電圧検出手段）、３８はＣＰＵ、４１はバイパス回路（放電手段）、４２は電圧検出器（電圧検出手段）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が上限電圧を上回ったことを検出するための上限電圧検出手段と、
この上限電圧検出手段が上限電圧を上回ったことを検出した単位セルを放電させるように構成される放電手段と、
前記組電池を構成する単位セルの幾つかよりなるセルグループの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記組電池と負荷との間で行われる充放電を制御する充放電制御手段とを備え、
前記充放電制御手段は、前記上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した場合は、前記組電池からの放電が優先して行われるように前記負荷の駆動を制御すると共に、前記上限電圧検出手段による検出結果と前記電圧検出手段によって検出される電圧より求められる前記セルグループの平均単位セル電圧とに基づいて、該セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定した場合は、該セルグループの平均単位セル電圧が前記上限電圧を所定電圧だけ上回るまで充電することで前記端子電圧のばらつきを調整するように制御することを特徴とする組電池の電圧調整装置。
前記上限電圧検出手段の検出信号は、前記セルグループ毎に、各単位セルについての論理和信号として前記充放電制御手段に出力され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。
前記上限電圧検出手段及び前記放電手段は、各単位セルに常時接続されており、
前記上限電圧検出手段は、単位セル，セルグループまたは組電池の何れかより動作用電源が供給され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。
各単位セルの端子電圧が下限電圧を下回ったことを検出するための下限電圧検出手段を備え、
前記充放電制御手段は、前記下限電圧検出手段が下限電圧を下回った単位セルを検出した場合は、前記組電池に対する充電が優先して行われるように前記負荷の駆動を制御すると共に、前記下限電圧検出手段による検出結果と前記電圧検出手段によって検出される電圧より求められる前記セルグループの平均単位セル電圧とに基づいて、該セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定した場合にも、前記端子電圧のばらつきを調整するように制御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。
前記下限電圧検出手段の検出信号は、前記セルグループ毎に、各単位セルについての論理和信号として前記充放電制御手段に出力され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。
前記下限電圧検出手段は、各単位セルに常時接続されており、単位セル，セルグループまたは組電池の何れかより動作用電源が供給されることを特徴とする請求項５または６記載の組電池の電圧調整装置。
前記充放電制御手段は、前記端子電圧のばらつきを調整する場合は、前記所定電圧を、充電の過程において上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した時点での平均単位セル電圧から求めた電圧ばらつきに基づいて設定す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。
前記充放電制御手段は、前記端子電圧のばらつき調整制御を、前記負荷の駆動が停止している場合に行うことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに組電池の電圧調整装置。
前記充放電制御手段は、前記負荷の駆動が開始される場合に、前記セルグループの平均単位セル電圧が前記上限電圧と前記下限電圧との間にある制御中心電圧の近傍となるように調整制御を行うことを特徴とする請求項８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９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１０の何れかに記載の組電池の電圧調整装置。
前記充放電制御手段は、自動車のイグニッションスイッチがＯＦＦとなった場合に、前記端子電圧のばらつき調整制御を行うことを特徴とする請求項１１記載の電圧調整装置。
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について、端子電圧が上限電圧を上回ったことを上限電圧検出手段が検出した単位セルを放電手段により放電させ、
前記組電池を構成する単位セルの幾つかよりなるセルグループの電圧を電圧検出手段によって検出し、
前記上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した場合は、充放電制御手段が前記組電池からの放電が優先して行われるように該組電池に接続されている負荷の駆動を制御し、
前記上限電圧検出手段による検出結果と前記電圧検出手段によって検出される電圧より求められる前記セルグループの平均単位セル電圧とに基づいて、該セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと前記充放電制御手段が判定した場合は、該セルグループの平均単位セル電圧が前記上限電圧を所定電圧だけ上回るまで充電することで前記端子電圧のばらつきを調整することを特徴とする組電池の電圧調整方法。
各単位セルの端子電圧が下限電圧を下回ったことを下限電圧検出手段によって検出し、
前記下限電圧検出手段が下限電圧を下回った単位セルを検出した場合は、前記充放電制御手段が前記組電池に対する充電が優先して行われるように前記負荷の駆動を制御し、
前記下限電圧検出手段による検出結果と前記電圧検出手段によって検出される電圧より求められる前記セルグループの平均単位セル電圧とに基づいて、前記充放電制御手段が該セルグループを構成する各単位セルの端子電圧のばらつきが所定レベル以上に拡大したと判定した場合にも、前記端子電圧のばらつきを調整することを特徴とする請求項１３記載の組電池の電圧調整方法。
前記充放電制御手段は、前記端子電圧のばらつきを調整する場合は、前記所定電圧を、充電の過程において上限電圧検出手段が上限電圧を上回った単位セルを検出した時点での平均単位セル電圧から求めた電圧ばらつきに基づいて設定することを特徴とする請求項１３または１４記載の組電池の電圧調整方法。
前記充放電制御手段は、前記端子電圧のばらつき調整制御を、前記負荷の駆動が停止している場合に行うことを特徴とする請求項１３乃至１５の何れかに組電池の電圧調整方法。
前記充放電制御手段は、前記負荷の駆動が開始される場合に、平均単位セル電圧が前記上限電圧と前記下限電圧との間にある制御中心電圧の近傍となるように調整制御を行うことを特徴とする請求項１６記載の組電池の電圧調整方法。