JP4180251B2 - 組電池の充電状態調整装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池の充電状態調整装置に関する。本発明の装置は、リチウム二次電池を直列にした組電池を搭載するハイブリッド電気自動車または電気自動車に装備されることができる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境保護の目的から、電気自動車（以下、ＥＶと略す）や、ハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶと略す）が注目されており、すでにＨＥＶは実用化されている。ＨＥＶの動力源として高電圧の２次電池（バッテリー）が必要であるが、小型軽量化のニーズから鉛やニッカド、ニッケル水素に代わる新しい二次電池として、リチウム二次電池が注目を集めている。これは、同容量の鉛電池に比べ約４倍、ニッケル水素電池の約２倍の高い重量エネルギ密度を持つため、ＨＥＶに好適なものとして期待される。
【０００３】
しかしながら、この電池は過充電や過放電に弱いので、定められた電圧の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な発熱をしたりする不具合があった。そのため、リチウム二次電池の使用に際しては、上限電圧および下限電圧を明確に規定し、必ずその範囲内となるように定電圧充電制御を行ったり、電圧が電圧範囲外へ逸脱するのを規制する保護回路を用いている。
【０００４】
ところで、ＨＥＶやＥＶでは、モータを回して自動車を動かすのに約３００Ｖの高い電圧が要求されるため、例えば鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０セル、ニッケル水素電池（１．２Ｖ／セル）では２５０セル、リチウム二次電池（３．６Ｖ／セル）では約８０セルという具合に多数のセルを直列接続した組電池を用いている。
【０００５】
このとき、組電池を構成する各単位セル間の残存容量（ＳＯＣ）のばらつきに起因するセル電圧（単位セルの電圧）のばらつきが問題となる。組電池では、単位セル毎の容量の個体差や自己放電特性の差等によって各単位セルのＳＯＣがばらつくので、各セル電圧がばらつく。
【０００６】
したがって、組電池の両端間の電圧（組電池電圧）を用いた充放電制御では、各単位セル間の平均電圧を制御するに過ぎず、この平均電圧よりもセル電圧が高いセルは過充電気味となり、平均電圧よりもセル電圧が低いセルは過放電気味となってしまう。
【０００７】
既述したように、リチウム二次電池の過充電耐性及び過放電耐性は他の種類の二次電池に比べて格段に弱く、かつ、リチウム二次電池の有機系電解液が水溶性ではないため密閉化反応がなく均等充電ができないので、各セル間の容量ばらつきは進行して逐には全く使用できなくなってしまう。
【０００８】
そこで、この問題を解決する従来技術として、特開昭６１ー２０６１７９号公報等は、各セルに並列にツェナーダイオードを接続し、その逆降伏電圧を超えた分の容量をツェナーダイオードを通して放電（バイパス）することを提案している。
【０００９】
この方法は、回路構成が簡素であるものの、電池の上限電圧に逆降伏電圧を合わせる必要があり、かつ、組電池を貫流する主電流をバイパス可能な大型のツェナーダイオードが各セルごとに必要となるため、コストが掛かり過ぎて実用的ではなかった。
【００１０】
上記問題を解決する他の従来技術として、特開平７ー３３６９０５公報等は、抵抗とスイッチからなる放電回路（バイパス回路）を各セルごとに並列接続し、充電中にセル電圧にばらつきが生じると充電電流を分流（バイパス）させてセル間の電圧ばらつきを低減する技術（以下、抵抗・スイッチバイパス方式ともいう）ことを提案している。
【００１１】
しかし、この抵抗・スイッチバイパス方式は、充電中にバイパス放電を行うので短時間に大電流を放電しなければならず、放電抵抗やスイッチの体格やコストが大きくなるという問題があった。
【００１２】
このため、特開２０００ー９２７３３号公報は、上記バイパス放電を充電中以外でも実施することにより、バイパス回路の放電電流を低減して、放電抵抗やスイッチの体格やコストを低減することを提案している。
【００１３】
この抵抗・スイッチバイパス方式の全体構成を図１に、抵抗・スイッチバイパス回路の１セル分を図２に示す。
【００１４】
各単位セル１は、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとを直列接続してなる抵抗・スイッチバイパス回路１０によりそれぞれバイパス放電可能となっている。バイパススイッチ１０aは、図２に示すＲＳフリップフロップと同様の動作機能を有するバイパススイッチ保持回路１１により、システム非稼働時（制御回路ＯＦＦ時）でもバイパススイッチ１０ａがＯＮ状態を保持できるようになっている。
【００１５】
制御回路は、タイマー１３がシステム非稼働時でも一定時間間隔で所定時間だけスイッチ１７をＯＮすることにより起動される。その結果、ＭＰＵ５は、各セル電圧の大小をそれぞれ判定し、電圧（または残存容量（ＳＯＣ））が大きいセルを放電すべきセルと判定し、放電すべきセルをバイパスする抵抗・スイッチバイパス回路１０のバイパススイッチ１０aをオンする。
【００１６】
その後、タイマ１３によりスイッチ１７がＯＦＦされて制御回路が停止するが、バイパススイッチ１０ａはバイパススイッチ保持回路１１によってＯＮ状態を保持し、バイパス放電を継続する。その後の次回起動時に、全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦした後、各セルの電圧を測定して大小関係を判定し、次の周期にバイパス放電すべきセルを判定し、放電すべきセルのバイパススイッチ１０aをＯＮする。
【００１７】
以後、上記動作を繰り返すことにより、電圧またはＳＯＣが判定基準値より大きいセルを小電流で徐々に放電して最も電圧の低いセルに少しずつ近づけていくことで、ばらつきを均一にする。
【００１８】
図２に示すバイパススイッチ保持回路１１について更に説明する。図１に示すＭＰＵ５がデコーダ１２を通じて所定のセルのバイパススイッチ保持回路１１のＳ端子にセット信号パルスを入力すると、フォトカプラＰＣ１がＯＮになり、電流が、セル１の正極、バイパススイッチ１０aをなすトランジスタＴr１のエミッタ、同ベース、抵抗Ｒ２、フォトカプラＰＣ１、セル１の負極の順に流れて、バイパススイッチ１０aがＯＮする。その結果、電流が、セル１の正極、トランジスタＴr１のエミッタ、同コレクタ、バイパス抵抗Ｒ３、セル１の負極の順に流れて、セル１が放電される。すると、バイパス抵抗１０ｂをなす抵抗素子Ｒ３、並びに、この抵抗素子Ｒ３と並列接続された抵抗分圧回路をなす抵抗素子Ｒ５、Ｒ６に電流が流れ、トランジスタＴｒ２がＯＮする。
【００１９】
これにより、電流が、抵抗素子Ｒ１又はトランジスタＴｒ１のエミッタ、ベース間、抵抗素子Ｒ４、トランジスタＴｒ２のコレクタ、同エミッタと流れるため、セットパルスがＯＦＦになりフォトカプラＰＣ１がＯＦＦになっても、トランジスタＴｒ１のＯＮ状態は保持される。
【００２０】
ＭＰＵ５がバイパススイッチ保持回路１１の入力端子Ｒにリセットパルスを入力すると、フォトカプラＰＣ２がＯＮし、トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとが短絡されて同電位となり、トランジスタＴｒ２はＯＦＦする。その結果、抵抗素子Ｒ３の電圧降下が０となり、トランジスタＴｒ２がＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持される。
【００２１】
しかし、上記した図１、図２に示す抵抗・スイッチバイパス方式では、制御回路の故障や電源の異常等何らかの原因によりバイパススイッチ１０aのリセットができなくなると、バイパススイッチ１０aのＯＮ状態がロックされてしまい、その結果、セルの放電を止められなくなって、セルの過放電が発生する可能性があることがわかった。
【００２２】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、バイパス放電を開閉するバイパススイッチのＯＮロックなどのセル間電圧(又は容量などの充電状態）のばらつき解消のためになされるセル放電の過剰を回路構成の複雑化を抑止しつつ防止可能な組電池の充電状態調整装置を提供することをその目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の組電池の充電状態調整装置は、二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されて充電器により充電され負荷に放電する組電池に装備され、検出された前記各単位セルの電圧又は残存容量の最低値に対する前記各単位セルの電圧又は残存容量のばらつきを演算し、前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを個別に放電して前記ばらつきを前記所定値以下に低減するばらつき低減部を備える組電池の充電状態調整装置において、
前記ばらつき低減回路の前記ばらつき低減動作の継続に不適な所定の放電不適状態の発生時（周期的な動作を含む）に前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電を禁止する放電禁止部と、予め設定された時刻または時間間隔で前記充電状態調整装置各部を起動させる起動部とを有し、
前記ばらつき低減部は、前記各単位セルの電圧を検出する電圧検出部と、前記起動部により起動されて前記各単位セルの前記電圧に基づいて演算した前記各単位セルの残存容量又は前記電圧から最低値を抽出し、各単位セルの残存容量又は前記電圧と前記最低値との差であるばらつきを前記各単位セルごとに演算し、前記ばらつきが所定値を超えたかどうかを判定する演算判定部と、直列に接続された抵抗素子及びスイッチを有して前記各単位セルを個別に放電可能な放電部と、前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを前記放電部に指令して放電させる放電指令部とを有し、前記放電禁止部は、前記所定の放電不適状態を検出した場合に前記放電指令部による前記指令に優先して前記スイッチを開放し、前記放電不適状態は、前記単位セルの電圧が所定値未満となった状態と、前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電継続時間が所定値を超えた状態との両方を少なくとも含むことを特徴としている。
【００２４】
すなわち、本構成は、たとえばスイッチ付きバイパス放電回路からなるばらつき低減部を各セルごとに有する組電池の充電状態調整装置に適用されて、ばらつき低減制御に異常が生じても放電禁止を行うことができるので、電池の過放電防止を確保しつつセル間の電圧ばらつきを解消することができ、放電による電圧ばらつき低減の実用性を格段に向上することができる。
また、本構成によれば、セルはスイッチ付きバイパス放電回路を含むばらつき低減部によりばらつき低減のための放電を実施される。更に、適宜又は周期的に各セル間の電圧ばらつきが演算され、このばらつきが基準を超えるセルの上記スイッチ付きバイパス放電回路のスイッチがＯＮされ、放電不適状態の発生時に、このスイッチが優先してＯＦＦされる。
このようにすれば、既存のスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチのオフによりセル過放電防止用の放電禁止動作を実行するので、回路構成を簡素化することができる。
【００２５】
なお、セルは、一対の正、負極をもつ単電池一個で構成してもよく、複数の単電池を直列接続して構成してもよい。また、上記で言う「放電禁止部が、ばらつき低減回路のばらつき低減動作の継続に不適な所定の放電不適状態の発生時に、ばらつき低減部による単位セルの放電を禁止する」とは、少なくとも上記放電不適状態の発生時の一部期間において、ばらつき低減部による単位セルの放電を禁止する」という意味であり、放電不適状態の発生時の全ての期間にわたって放電を禁止することは好適であるが必須ではない。また、放電不適状態の非発生時の一部期間において放電を禁止することを含んでもよい。
【００２６】
本発明では更に、前記放電不適状態が、前記単位セルの電圧が所定値未満となった状態であることを特徴とするので、放電不適状態の判定が容易となる。また、放電不適状態の判定及び放電禁止制御に複雑な回路を必要としないので、たとえばこの回路への電源電力給電が不調となっても動作を維持することができ、放電不適状態における放電禁止動作の確実な動作を容易に実現することができる。更に、この放電禁止制御は、各セルごとに設けられたばらつき低減部に内蔵させることが容易であるので、このばらつき低減部へ放電及び放電禁止を指令する外部制御回路が、その制御不調により適切な放電禁止を指令できなくなっても、確実に動作することができる。
【００２７】
本発明ではまた更に、前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電継続時間が所定値を超えた状態であることを特徴とするので、簡素な回路でセルの放電禁止を実現することができる。
【００２８】
上記した本発明は特に、上記ばらつき低減部が、外部よりの放電オフ指令が入力するまで自己のバイパス放電状態を自己保持する方式のばらつき低減部に有効である。この自己保持型バイパス放電回路からなるばらつき低減部では、このばらつき低減部へ放電及び放電禁止を指令する外部制御回路が、その制御不調により適切な放電禁止を指令できなくなっても、確実に動作することができる。
【００２９】
たとえば、外部制御回路がその制御不調によりばらつき低減部に必要な放電禁止指令を出力できなくなっても、ばらつき低減部は、放電禁止部により定期的に放電禁止されることにより上記自己保持が解除されるので、その後、外部制御回路から再度放電指令が入力されるまで放電が再開されることはなく、セルの過放電が防止される。
【００３０】
請求項２記載の構成は、前記放電不適状態が、前記充電状態調整装置に印加される電源電圧が所定値未満となった状態であることを特徴とするので、充電状態調整装置に印加される電源電圧（制御用電源電圧）の低下に起因する制御不調によるセル過放電を良好に防止することができる。
【００３１】
特に、この実施態様は、請求項３の実施態様と同じく、外部制御回路の指令によりセルのバイパス放電が禁止される自己保持型バイパス放電回路からなるばらつき低減部に好適である。
【００３５】
請求項３記載の構成は、前記放電禁止部が、所定の基準電圧を発生するとともに、前記単位セルの電圧が前記基準電圧を下回る際に前記スイッチを開放することを特徴としている。
【００３６】
本構成によれば、セル電圧が基準電圧を下回る場合にスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチのオフを行うといういわゆる電圧スイッチング制御を行うので、回路構成が簡素となる。
【００３７】
たとえば、ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）にセル電圧に連動する電圧を印加し、その電流をたとえば抵抗電圧降下の形で取り出せばきわめて簡単にセル電圧を基準電圧（ツェナーダイオードの降伏電圧）と比較することができる。
【００３８】
請求項４記載の構成は、前記放電部の放電開始時点以降の放電時間をカウントし、前記放電時間が所定値を上回った場合に前記スイッチを開放することを特徴としている。
【００３９】
本構成によれば、制御不調によるスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチの開放不良によるセル過放電を、このスイッチのＯＮ時間を一定値未満に制限することにより確実に防止することができる。
【００４０】
請求項５記載の構成は、電力を蓄電する蓄電部と、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記基準電圧と制御回路用の電源電圧とを比較する電圧比較部と、前記電源電圧が前記基準電圧を下回った場合に形成した単発のパルス電圧により前記スイッチを開放するパルス発生部とを有し、前記蓄電部が、前記制御回路用の電源電圧の急低下時に前記基準電圧発生部、電圧比較部及び前記パルス発生部に電源電力を給電することを特徴としている。
【００４１】
本構成によれば、蓄電部の電力により放電禁止動作に必要な回路の動作を確保することができるので、制御回路用の電源電圧が急激に低下した場合にもセルの過放電を防止することができる。
【００４２】
請求項６記載の構成は、前記ばらつき低減部が、前記組電池が前記充電器から充電されず、かつ、前記負荷に放電しない期間にも前記ばらつき低減を実施するので、ばらつき低減のための放電を長期にわたって実施することができ、放電抵抗やスイッチの小型化やコストダウンを図ることができる。
【００４３】
請求項７記載の構成は、前記組電池が、電気自動車又はハイブリッド車に搭載されることを特徴としている。
【００４４】
請求項８記載の構成は、前記ばらつき低減部が、前記電気自動車又はハイブリッド車のイグニッションスイッチのオフ期間にも前記ばらつき低減を実施することを特徴とするので、ばらつき低減のための放電を長期にわたって実施することができ、放電抵抗やスイッチの小型化やコストダウンを図ることができる。
【００４５】
請求項９記載の構成は、前記スイッチが、前記イグニッションスイッチのオフ時でも前記イグニッションスイッチのオフ直前の開閉状態を保持することを特徴とするので、簡素な回路構成で請求項１１記載の構成を実現することができる。
【００４６】
請求項１０記載の構成は請求項１〜９項のいずれか記載の組電池の充電状態調整装置において更に、前記組電池が、リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な物質から成る正極と及び負極によって構成されるリチウム系二次電池により構成されていることを特徴とする。
【００４７】
本構成によれば、過充放電耐性に劣るリチウム系二次電池の安全性を従来より格段に向上することができる。
【００４８】
なお、本発明は、充放電電流が流れていない時にだけ採用可能なものではない。
【００４９】
【発明の実施の形態】
本発明における組電池の充電状態調整装置の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。本装置は、リチウム電池を用いた組電池の充電状態調整装置に特に好適である。
【００５０】
（回路構成）
この実施態様の全体回路を図１を参照して説明する。
【００５１】
１は必要個数のリチウム二次電池からなるセルであって、互いに直列接続されてハイブリッド車の組電池をなしている。
２は各セル１の電圧を個別に検出する必要個数の電圧検出器、３は各電圧検出器２が出力する各セル電圧信号を時間順次に選択するマルチプレクサ、４はマルチプレクサ３が出力する各セル電圧信号をＡＤ変換するＡＤコンバータ、５はＡＤコンバータ４からセル電圧信号を受け取るマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、６はＭＰＵ５のアルゴリズムおよびデータを記憶するメモリ、７は組電池の充放電電流（主電流）を検出する電流センサ、８は電流センサ７が出力するアナログ電流信号を増幅する増幅器、９は増幅器８からの電流信号をＡＤ変換するＡＤコンバータ、１０は互いに直列接続されたバイパススイッチ１０a及びバイパス抵抗１０ｂからなる抵抗・スイッチバイパス回路、１１はバイパス抵抗１０ｂの開閉状態を保持するためのＲＳフリップフロップ等のバイパススイッチ保持回路、１２はＭＰＵ５からのデジタル選択指令信号をデコードしてバイパススイッチ保持回路１１にＳＥＴ信号として送出するデコーダ、１３はばらつき判定のタイミングを管理するタイマー、１４はＯＲ素子、１５は、セル１、抵抗・スイッチバイパス回路１０及びバイパススイッチ保持回路１１以外の各回路に電源電力を給電する電池（補助電池）、１６は定電圧電源（レギュレータ）、１７はレギュレータ１６への電源電力給電を開閉するスイッチ（リレー）である。
【００５２】
図１におけるバイパススイッチ保持回路１１の回路図を図２に示す。
【００５３】
Ｔｒ１〜２はトランジスタ、ＰＣ１、ＰＣ２はフォトカプラ、Ｒ１〜Ｒ６は抵抗素子、Ｓはバイパススイッチ保持回路１１のセット入力端子、Ｒはバイパススイッチ保持回路１１のリセット入力端子、Ｑはバイパススイッチ回路１１の制御出力端子である。
【００５４】
各単位セル１は、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとを直列接続してなる抵抗・スイッチバイパス回路１０によりそれぞれバイパス放電可能となっている。バイパススイッチ１０aは、図２に示すＲＳフリップフロップと同様の動作機能を有するバイパススイッチ保持回路１１により、システム非稼働時（制御回路ＯＦＦ時）でもバイパススイッチ１０ａがＯＮ状態を保持できるようになっている。
（電源電力給電時の動作説明）
スイッチ１７は、ＯＲ回路１４を通じて、イグニッションスイッチのＯＮ時にＯＮされる他、イグニッションスイッチのＯＦＦ時でもタイマー１３がハイレベル信号を出力する一定期間だけＯＮされる。タイマー１３は、所定期間ごとに入力されるクロックパルスをカウントするデジタルカウンタと、このデジタルカウンタの最上位桁出力信号が入力されるモノマルチバイブレータからなり、一定時間ごとに一定時間だけ上記ハイレベル信号を出力してスイッチ１７をＯＮする。
【００５５】
スイッチ１７がＯＮして制御バッテリ１５がレギュレータ１６に電源電圧を印加すると、レギュレータ１６は所定の定電源電圧を各部に給電し、図１に示す制御回路（本発明でいう組電池の充電状態調整装置）が通常の動作状態となる。
【００５６】
セル１の個数と等しい個数設けられ、それぞれが各セルのアナログ電圧を検出する電圧検出器２は検出電圧をマルチプレクサ３に入力する。マルチプレクサ３は入力されたセル電圧信号を時間順次にＡＤコンバータ４を通じてマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５に入力する。
【００５７】
ＭＰＵ５は、入力される各セル電圧のうち、最小の値と各セル電圧との差を演算し、この差が所定しきい値以上となるセルを過大電圧セルと判定し、この過大電圧セルの番号を示す放電セル選択情報をデコーダ１２に出力し、デコーダ１２は放電セル選択情報により選択されたセル１のバイパススイッチ保持回路１１にセット信号を出力する。セット信号が入力されたバイパススイッチ保持回路１１はバイパススイッチ１０aをＯＮして、そのセル１のバイパス放電を実施する。
【００５８】
その後、タイマ１３によりスイッチ１７がＯＦＦされて制御回路が停止するが、バイパススイッチ１０ａはバイパススイッチ保持回路１１によってＯＮ状態を保持し、バイパス放電を継続する。その後のタイマ１３のＯＮによる次回起動直後に、ＭＰＵ５は全てのバイパススイッチ保持回路１１にリセット信号を出力して全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦする。また、イグニッションキーのＯＮ時には、ＭＰＵ５は一定インタバルで全てのバイパススイッチ保持回路１１にリセット信号を出力して全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦする。これらのリセット動作の後で、再び過大電圧セルが判定されてセット信号によりバイパススイッチ１０aがＯＮされてバイパス放電が再開される。
【００５９】
以後、上記動作を繰り返すことにより、電圧またはＳＯＣが判定基準値より大きいセルを小電流で徐々に放電して最も電圧の低いセルに少しずつ近づけていくことで、各セルの電圧ばらつきが低減される。
【００６０】
この実施例のバイパススイッチ保持回路１１を図３を参照して以下に説明する。図３に示すバイパススイッチ保持回路１１は図２に示すバイパススイッチ保持回路１１にツェナーダイオードＺＤ１を付加したものである。
【００６１】
ＭＰＵ５がデコーダ１２を通じて所定のセルのバイパススイッチ保持回路１１のＳ端子にセット信号パルスを入力すると、フォトカプラＰＣ１がＯＮになり、電流が、セル１の正極、バイパススイッチ１０aをなすトランジスタＴr１のエミッタ、同ベース、抵抗Ｒ２、フォトカプラＰＣ１、セル１の負極の順に流れて、バイパススイッチ１０aがＯＮする。その結果、電流が、セル１の正極、トランジスタＴr１のエミッタ、同コレクタ、バイパス抵抗Ｒ３、セル１の負極の順に流れて、セル１が放電される。すると、バイパス抵抗１０ｂをなす抵抗素子Ｒ３、並びに、この抵抗素子Ｒ３と並列接続された抵抗分圧回路をなす抵抗素子Ｒ５、Ｒ６に電流が流れ、自己保持用の帰還トランジスタＴｒ２がＯＮする。
【００６２】
これにより、電流が、抵抗素子Ｒ１又はトランジスタＴｒ１のエミッタ、ベース間、抵抗素子Ｒ４、ツェナーダイオードＺＤ１、トランジスタＴｒ２のコレクタ、同エミッタと流れるため、セットパルスがＯＦＦになり、フォトカプラＰＣ１がＯＦＦになっても、トランジスタＴｒ１のＯＮ状態が保持される。
【００６３】
ＭＰＵ５がバイパススイッチ保持回路１１の入力端子Ｒにリセットパルスを入力すると、フォトカプラＰＣ２がＯＮし、トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとが短絡されて同電位となり、トランジスタＴｒ２はＯＦＦする。その結果、抵抗素子Ｒ３の電圧降下が０となり、トランジスタＴｒ２がＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持される。
【００６４】
次に、図３に示す回路の特徴をなすツェナーダイオードＺＤ１の機能を以下に説明する。
【００６５】
もし、回路故障等でリセット信号が入らず、トランジスタＴｒ１がＯＮのままロックされた場合、セル１はバイパス抵抗Ｒ３を通じて放電され、電圧が低下していく。一方ツェナーダイオードＺＤ１によってＴｒ１のベースとＧＮＤ（セル１負極）との間の電圧は所定値に保持されている。その結果、トランジスタＴｒ１のエミッタ・ベース間の電圧が徐々に低下し、ついにはトランジスタＴｒ１はＯＦＦする。これにより、トランジスタＴｒ２もＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持され、セル１の過放電が防止される。
【００６６】
なお、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧は、リチウム電池セル１の下限電圧からトランジスタＴｒ１のベース・エミッタ間ターンオン電圧Ｖbe（約０．６Ｖ）を引いた値に等しいかそれに近いものを選択する。すなわち、リチウム電池セル１の下限電圧を３．０Ｖとした場合、ツェナー電圧２．４Ｖ前後のツェナーダイオードを選択すればよい。
【００６７】
この実施例によれば、なんらかの制御異常の発生により、バイパススイッチ１０aのリセットができなくなっても、ツェナーダイオードＺＤがバイパススイッチ１０aのＯＮロックを禁止するので、セル１が所定の最小電圧以下にまで過放電することが防止される。
【００６８】
（変形態様）
変形態様を図４に示す。
【００６９】
この態様は、図２に示す従来のバイパススイッチ保持回路１１において、抵抗素子Ｒ５と直列にツェナーダイオードＺＤ２を接続したものである。このようにすれば、セル電圧の低下により、トランジスタＴr２がオフし、バイパススイッチ１０aをオフするので、実施例１の回路と同効果を奏することができる。
【００７０】
（変形態様）
図３、図４の実施例において、回路の集積容易化の観点からツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２を所定数の接合ダイオード直列接続体に置換することができる。
【００７１】
【実施例２】
他の実施例を図５を参照して説明する。
【００７２】
この実施例は、図２に示す従来のバイパススイッチ保持回路１１において、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６を直列接続してなる抵抗分圧回路をタイマーＴＭに置換したものである。
【００７３】
タイマーＴＭは、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとの接続点電位が入力されるＶＤＤ端子と、バイパス抵抗１０ｂの低位端に接続されるＧＮＤ端子、出力端子Ｏｕｔとを有し、出力端子Ｏｕｔからの出力信号をトランジスタＴＲ２のベース電極に出力している。
【００７４】
タイマーＴＭは、ＶＤＤ端子とＧＮＤ端子との間の電圧が所定値以上となった場合にハイレベル（Ｈ）を出力し、その後、所定時間経過するか、又は、ＶＤＤ端子とＧＮＤ端子との間の電圧が所定値未満となる場合にローレベル（Ｌ）を出力する。
【００７５】
この結果、トランジスタＴｒ２はリセット信号が入力されなくても、セル電圧が所定値以下に低下するか、又は、タイマーＴＭが規定する所定時間後にＯＦＦとなり、バイパススイッチ１０aであるトランジスタＴｒ１がＯＦＦする。
【００７６】
これにより、制御回路の故障等によってリセット信号が入力されなくても、所定時間後に強制的にバイパスをＯＦＦすることができ、セル１を過放電に至らしめるのを防ぐことができる。
【００７７】
【実施例３】
他の実施例を図６を参照して説明する。
【００７８】
この実施例は、図１に示す回路において、強制リセット回路１８とＯＲ回路２４とを追加したものである。
【００７９】
強制リセット回路１８は、互いに直列接続された抵抗素子１９ａ、１９ｂによ構成されて補助バッテリ１５の電圧を分圧する抵抗分圧回路と、ダイオードＤと、コンデンサ２２と、基準電圧発生回路２５と、コンパレータ２０と、ワンショットマルチバイブレータ２３とからなり、基準電圧発生回路２５は抵抗素子２６とツェナーダイオードＺＤ２１とを直列接続してなる。
【００８０】
コンパレータ２０は、基準電圧発生回路２５が発生する基準電圧と、抵抗分圧回路が発生する補助バッテリ１７の電圧の分圧とを比較し、分圧が、所定の下限電圧である基準電圧を下回った瞬間に、ワンショットマルチバイブレータ２３にハイレベル電位を出力し、ワンショットマルチバイブレータ２３がハイレベルのワンショットパルス電圧をＯＲ回路２４を通じて各バイパススイッチ保持回路１１のリセット端子Ｒにリセット信号として出力し、各バイパススイッチ保持回路１１のバイパススイッチ１０aをオフし、バイパス放電を中断させる。ＯＲ回路２４はＭＰＵ５からのリセット信号も同様にバイパススイッチ保持回路１１に送られる。
【００８１】
強制リセット回路１８のコンデンサ２２は、スイッチ１７の異常解放などによりＭＰＵ５等が一瞬のうちに動作不能になっても、コンデンサ２２の蓄電電力によってワンショットマルチバイブレータ２３などの必要な回路部分が動作可能となるようにしている。
【００８２】
これにより、補助バッテリ１５が急激に不能になって制御回路がリセット信号を発生させることができなくなっても、その瞬間に強制リセット回路１８からのリセットパルスによりバイパスがＯＦＦになることで、セル１を過放電に至らしめるのを防ぐことができる。
【００８３】
（変形態様）
なお、図６に示す回路において、ワンショットマルチバイブレータ２３を省略することも可能である。このようにすれば、制御バッテリ１５の電圧が所定値以下に低下している間は、バイパススイッチ保持回路１１はバイパススイッチ１０aのＯＮを停止させて各セルの放電をオフすることができる。
【００８４】
なお、本発明は、要するに、制御回路異常検出時にバイパス放電の中断を行う点をその要旨とするものであり、この趣旨を実現する回路であれば、上記実施例回路に限定される物ではないことは明白である。
【００８５】
また、組電池を構成する各セル１は、リチウム電池以外の鉛電池やニッケル系電池等でもよい。また、バイパス放電するセルは、二次電池一個からなる単電池に限られる物ではなく、複数の単電池を直列接続して構成されることもできる。更に、負荷については電気自動車やその他の電力貯蔵用二次電池設備等、直列組電池を電源とするあらゆるものに応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１，２及び従来技術に用いられる組電池の充電状態調整装置を示すブロック回路図である。
【図２】従来のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図３】実施例１のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図４】図３の変形態様を示す回路図である。
【図５】実施例２のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図６】実施例３に用いられる組電池の充電状態調整装置を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１ セル（単位セル）
ばらつき低減部
放電禁止部
２ 電圧検出器（電圧検出部、ばらつき低減部の一部）
５ ＭＰＵ（演算判定部）
１０ 抵抗・スイッチバイパス回路（放電部）
１０ａ バイパススイッチ（放電部のスイッチ）
１０ｂ バイパス抵抗（放電部の抵抗素子）
１１ バイパススイッチ保持回路（放電禁止部）
１２ デコーダ（放電指令部）
１７ スイッチ（起動部）
１８ 強制リセット回路（放電禁止部）
２０ コンパレータ（強制リセット回路の電圧比較部）
２２ コンデンサ（強制リセット回路の蓄電部）
２３ ワンショットマルチバイブレータ（強制リセット回路のパルス発生部）
２５ 基準電圧発生回路（強制リセット回路の基準電圧発生部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池の充電状態調整装置に関する。本発明の装置は、リチウム二次電池を直列にした組電池を搭載するハイブリッド電気自動車または電気自動車に装備されることができる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境保護の目的から、電気自動車（以下、ＥＶと略す）や、ハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶと略す）が注目されており、すでにＨＥＶは実用化されている。ＨＥＶの動力源として高電圧の２次電池（バッテリー）が必要であるが、小型軽量化のニーズから鉛やニッカド、ニッケル水素に代わる新しい二次電池として、リチウム二次電池が注目を集めている。これは、同容量の鉛電池に比べ約４倍、ニッケル水素電池の約２倍の高い重量エネルギ密度を持つため、ＨＥＶに好適なものとして期待される。
【０００３】
しかしながら、この電池は過充電や過放電に弱いので、定められた電圧の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な発熱をしたりする不具合があった。そのため、リチウム二次電池の使用に際しては、上限電圧および下限電圧を明確に規定し、必ずその範囲内となるように定電圧充電制御を行ったり、電圧が電圧範囲外へ逸脱するのを規制する保護回路を用いている。
【０００４】
ところで、ＨＥＶやＥＶでは、モータを回して自動車を動かすのに約３００Ｖの高い電圧が要求されるため、例えば鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０セル、ニッケル水素電池（１．２Ｖ／セル）では２５０セル、リチウム二次電池（３．６Ｖ／セル）では約８０セルという具合に多数のセルを直列接続した組電池を用いている。
【０００５】
このとき、組電池を構成する各単位セル間の残存容量（ＳＯＣ）のばらつきに起因するセル電圧（単位セルの電圧）のばらつきが問題となる。組電池では、単位セル毎の容量の個体差や自己放電特性の差等によって各単位セルのＳＯＣがばらつくので、各セル電圧がばらつく。
【０００６】
したがって、組電池の両端間の電圧（組電池電圧）を用いた充放電制御では、各単位セル間の平均電圧を制御するに過ぎず、この平均電圧よりもセル電圧が高いセルは過充電気味となり、平均電圧よりもセル電圧が低いセルは過放電気味となってしまう。
【０００７】
既述したように、リチウム二次電池の過充電耐性及び過放電耐性は他の種類の二次電池に比べて格段に弱く、かつ、リチウム二次電池の有機系電解液が水溶性ではないため密閉化反応がなく均等充電ができないので、各セル間の容量ばらつきは進行して逐には全く使用できなくなってしまう。
【０００８】
そこで、この問題を解決する従来技術として、特開昭６１ー２０６１７９号公報等は、各セルに並列にツェナーダイオードを接続し、その逆降伏電圧を超えた分の容量をツェナーダイオードを通して放電（バイパス）することを提案している。
【０００９】
この方法は、回路構成が簡素であるものの、電池の上限電圧に逆降伏電圧を合わせる必要があり、かつ、組電池を貫流する主電流をバイパス可能な大型のツェナーダイオードが各セルごとに必要となるため、コストが掛かり過ぎて実用的ではなかった。
【００１０】
上記問題を解決する他の従来技術として、特開平７ー３３６９０５公報等は、抵抗とスイッチからなる放電回路（バイパス回路）を各セルごとに並列接続し、充電中にセル電圧にばらつきが生じると充電電流を分流（バイパス）させてセル間の電圧ばらつきを低減する技術（以下、抵抗・スイッチバイパス方式ともいう）ことを提案している。
【００１１】
しかし、この抵抗・スイッチバイパス方式は、充電中にバイパス放電を行うので短時間に大電流を放電しなければならず、放電抵抗やスイッチの体格やコストが大きくなるという問題があった。
【００１２】
このため、特開２０００ー９２７３３号公報は、上記バイパス放電を充電中以外でも実施することにより、バイパス回路の放電電流を低減して、放電抵抗やスイッチの体格やコストを低減することを提案している。
【００１３】
この抵抗・スイッチバイパス方式の全体構成を図１に、抵抗・スイッチバイパス回路の１セル分を図２に示す。
【００１４】
各単位セル１は、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとを直列接続してなる抵抗・スイッチバイパス回路１０によりそれぞれバイパス放電可能となっている。バイパススイッチ１０aは、図２に示すＲＳフリップフロップと同様の動作機能を有するバイパススイッチ保持回路１１により、システム非稼働時（制御回路ＯＦＦ時）でもバイパススイッチ１０ａがＯＮ状態を保持できるようになっている。
【００１５】
制御回路は、タイマー１３がシステム非稼働時でも一定時間間隔で所定時間だけスイッチ１７をＯＮすることにより起動される。その結果、ＭＰＵ５は、各セル電圧の大小をそれぞれ判定し、電圧（または残存容量（ＳＯＣ））が大きいセルを放電すべきセルと判定し、放電すべきセルをバイパスする抵抗・スイッチバイパス回路１０のバイパススイッチ１０aをオンする。
【００１６】
その後、タイマ１３によりスイッチ１７がＯＦＦされて制御回路が停止するが、バイパススイッチ１０ａはバイパススイッチ保持回路１１によってＯＮ状態を保持し、バイパス放電を継続する。その後の次回起動時に、全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦした後、各セルの電圧を測定して大小関係を判定し、次の周期にバイパス放電すべきセルを判定し、放電すべきセルのバイパススイッチ１０aをＯＮする。
【００１７】
以後、上記動作を繰り返すことにより、電圧またはＳＯＣが判定基準値より大きいセルを小電流で徐々に放電して最も電圧の低いセルに少しずつ近づけていくことで、ばらつきを均一にする。
【００１８】
図２に示すバイパススイッチ保持回路１１について更に説明する。図１に示すＭＰＵ５がデコーダ１２を通じて所定のセルのバイパススイッチ保持回路１１のＳ端子にセット信号パルスを入力すると、フォトカプラＰＣ１がＯＮになり、電流が、セル１の正極、バイパススイッチ１０aをなすトランジスタＴr１のエミッタ、同ベース、抵抗Ｒ２、フォトカプラＰＣ１、セル１の負極の順に流れて、バイパススイッチ１０aがＯＮする。その結果、電流が、セル１の正極、トランジスタＴr１のエミッタ、同コレクタ、バイパス抵抗Ｒ３、セル１の負極の順に流れて、セル１が放電される。すると、バイパス抵抗１０ｂをなす抵抗素子Ｒ３、並びに、この抵抗素子Ｒ３と並列接続された抵抗分圧回路をなす抵抗素子Ｒ５、Ｒ６に電流が流れ、トランジスタＴｒ２がＯＮする。
【００１９】
これにより、電流が、抵抗素子Ｒ１又はトランジスタＴｒ１のエミッタ、ベース間、抵抗素子Ｒ４、トランジスタＴｒ２のコレクタ、同エミッタと流れるため、セットパルスがＯＦＦになりフォトカプラＰＣ１がＯＦＦになっても、トランジスタＴｒ１のＯＮ状態は保持される。
【００２０】
ＭＰＵ５がバイパススイッチ保持回路１１の入力端子Ｒにリセットパルスを入力すると、フォトカプラＰＣ２がＯＮし、トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとが短絡されて同電位となり、トランジスタＴｒ２はＯＦＦする。その結果、抵抗素子Ｒ３の電圧降下が０となり、トランジスタＴｒ２がＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持される。
【００２１】
しかし、上記した図１、図２に示す抵抗・スイッチバイパス方式では、制御回路の故障や電源の異常等何らかの原因によりバイパススイッチ１０aのリセットができなくなると、バイパススイッチ１０aのＯＮ状態がロックされてしまい、その結果、セルの放電を止められなくなって、セルの過放電が発生する可能性があることがわかった。
【００２２】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、バイパス放電を開閉するバイパススイッチのＯＮロックなどのセル間電圧(又は容量などの充電状態）のばらつき解消のためになされるセル放電の過剰を回路構成の複雑化を抑止しつつ防止可能な組電池の充電状態調整装置を提供することをその目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の組電池の充電状態調整装置は、二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されて充電器により充電され負荷に放電する組電池に装備され、検出された前記各単位セルの電圧又は残存容量の最低値に対する前記各単位セルの電圧又は残存容量のばらつきを演算し、前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを個別に放電して前記ばらつきを前記所定値以下に低減するばらつき低減部を備える組電池の充電状態調整装置において、
前記ばらつき低減回路の前記ばらつき低減動作の継続に不適な所定の放電不適状態の発生時（周期的な動作を含む）に前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電を禁止する放電禁止部と、予め設定された時刻または時間間隔で前記充電状態調整装置各部を起動させる起動部とを有し、
前記ばらつき低減部は、前記各単位セルの電圧を検出する電圧検出部と、前記起動部により起動されて前記各単位セルの前記電圧に基づいて演算した前記各単位セルの残存容量又は前記電圧から最低値を抽出し、各単位セルの残存容量又は前記電圧と前記最低値との差であるばらつきを前記各単位セルごとに演算し、前記ばらつきが所定値を超えたかどうかを判定する演算判定部と、直列に接続された抵抗素子及びスイッチを有して前記各単位セルを個別に放電可能な放電部と、前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを前記放電部に指令して放電させる放電指令部とを有し、前記放電禁止部は、前記所定の放電不適状態を検出した場合に前記放電指令部による前記指令に優先して前記スイッチを開放し、前記放電不適状態は、前記単位セルの電圧が所定値未満となった状態と、前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電継続時間が所定値を超えた状態との両方を少なくとも含むことを特徴としている。
【００２４】
すなわち、本構成は、たとえばスイッチ付きバイパス放電回路からなるばらつき低減部を各セルごとに有する組電池の充電状態調整装置に適用されて、ばらつき低減制御に異常が生じても放電禁止を行うことができるので、電池の過放電防止を確保しつつセル間の電圧ばらつきを解消することができ、放電による電圧ばらつき低減の実用性を格段に向上することができる。
また、本構成によれば、セルはスイッチ付きバイパス放電回路を含むばらつき低減部によりばらつき低減のための放電を実施される。更に、適宜又は周期的に各セル間の電圧ばらつきが演算され、このばらつきが基準を超えるセルの上記スイッチ付きバイパス放電回路のスイッチがＯＮされ、放電不適状態の発生時に、このスイッチが優先してＯＦＦされる。
このようにすれば、既存のスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチのオフによりセル過放電防止用の放電禁止動作を実行するので、回路構成を簡素化することができる。
【００２５】
なお、セルは、一対の正、負極をもつ単電池一個で構成してもよく、複数の単電池を直列接続して構成してもよい。また、上記で言う「放電禁止部が、ばらつき低減回路のばらつき低減動作の継続に不適な所定の放電不適状態の発生時に、ばらつき低減部による単位セルの放電を禁止する」とは、少なくとも上記放電不適状態の発生時の一部期間において、ばらつき低減部による単位セルの放電を禁止する」という意味であり、放電不適状態の発生時の全ての期間にわたって放電を禁止することは好適であるが必須ではない。また、放電不適状態の非発生時の一部期間において放電を禁止することを含んでもよい。
【００２６】
本発明では更に、前記放電不適状態が、前記単位セルの電圧が所定値未満となった状態であることを特徴とするので、放電不適状態の判定が容易となる。また、放電不適状態の判定及び放電禁止制御に複雑な回路を必要としないので、たとえばこの回路への電源電力給電が不調となっても動作を維持することができ、放電不適状態における放電禁止動作の確実な動作を容易に実現することができる。更に、この放電禁止制御は、各セルごとに設けられたばらつき低減部に内蔵させることが容易であるので、このばらつき低減部へ放電及び放電禁止を指令する外部制御回路が、その制御不調により適切な放電禁止を指令できなくなっても、確実に動作することができる。
【００２７】
本発明ではまた更に、前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電継続時間が所定値を超えた状態であることを特徴とするので、簡素な回路でセルの放電禁止を実現することができる。
【００２８】
上記した本発明は特に、上記ばらつき低減部が、外部よりの放電オフ指令が入力するまで自己のバイパス放電状態を自己保持する方式のばらつき低減部に有効である。この自己保持型バイパス放電回路からなるばらつき低減部では、このばらつき低減部へ放電及び放電禁止を指令する外部制御回路が、その制御不調により適切な放電禁止を指令できなくなっても、確実に動作することができる。
【００２９】
たとえば、外部制御回路がその制御不調によりばらつき低減部に必要な放電禁止指令を出力できなくなっても、ばらつき低減部は、放電禁止部により定期的に放電禁止されることにより上記自己保持が解除されるので、その後、外部制御回路から再度放電指令が入力されるまで放電が再開されることはなく、セルの過放電が防止される。
【００３０】
請求項２記載の構成は、前記放電不適状態が、前記充電状態調整装置に印加される電源電圧が所定値未満となった状態であることを特徴とするので、充電状態調整装置に印加される電源電圧（制御用電源電圧）の低下に起因する制御不調によるセル過放電を良好に防止することができる。
【００３１】
特に、この実施態様は、請求項３の実施態様と同じく、外部制御回路の指令によりセルのバイパス放電が禁止される自己保持型バイパス放電回路からなるばらつき低減部に好適である。
【００３５】
請求項３記載の構成は、前記放電禁止部が、所定の基準電圧を発生するとともに、前記単位セルの電圧が前記基準電圧を下回る際に前記スイッチを開放することを特徴としている。
【００３６】
本構成によれば、セル電圧が基準電圧を下回る場合にスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチのオフを行うといういわゆる電圧スイッチング制御を行うので、回路構成が簡素となる。
【００３７】
たとえば、ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）にセル電圧に連動する電圧を印加し、その電流をたとえば抵抗電圧降下の形で取り出せばきわめて簡単にセル電圧を基準電圧（ツェナーダイオードの降伏電圧）と比較することができる。
【００３８】
請求項４記載の構成は、前記放電部の放電開始時点以降の放電時間をカウントし、前記放電時間が所定値を上回った場合に前記スイッチを開放することを特徴としている。
【００３９】
本構成によれば、制御不調によるスイッチ付きバイパス放電回路のスイッチの開放不良によるセル過放電を、このスイッチのＯＮ時間を一定値未満に制限することにより確実に防止することができる。
【００４０】
請求項５記載の構成は、電力を蓄電する蓄電部と、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記基準電圧と制御回路用の電源電圧とを比較する電圧比較部と、前記電源電圧が前記基準電圧を下回った場合に形成した単発のパルス電圧により前記スイッチを開放するパルス発生部とを有し、前記蓄電部が、前記制御回路用の電源電圧の急低下時に前記基準電圧発生部、電圧比較部及び前記パルス発生部に電源電力を給電することを特徴としている。
【００４１】
本構成によれば、蓄電部の電力により放電禁止動作に必要な回路の動作を確保することができるので、制御回路用の電源電圧が急激に低下した場合にもセルの過放電を防止することができる。
【００４２】
請求項６記載の構成は、前記ばらつき低減部が、前記組電池が前記充電器から充電されず、かつ、前記負荷に放電しない期間にも前記ばらつき低減を実施するので、ばらつき低減のための放電を長期にわたって実施することができ、放電抵抗やスイッチの小型化やコストダウンを図ることができる。
【００４３】
請求項７記載の構成は、前記組電池が、電気自動車又はハイブリッド車に搭載されることを特徴としている。
【００４４】
請求項８記載の構成は、前記ばらつき低減部が、前記電気自動車又はハイブリッド車のイグニッションスイッチのオフ期間にも前記ばらつき低減を実施することを特徴とするので、ばらつき低減のための放電を長期にわたって実施することができ、放電抵抗やスイッチの小型化やコストダウンを図ることができる。
【００４５】
請求項９記載の構成は、前記スイッチが、前記イグニッションスイッチのオフ時でも前記イグニッションスイッチのオフ直前の開閉状態を保持することを特徴とするので、簡素な回路構成で請求項１１記載の構成を実現することができる。
【００４６】
請求項１０記載の構成は請求項１〜９項のいずれか記載の組電池の充電状態調整装置において更に、前記組電池が、リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な物質から成る正極と及び負極によって構成されるリチウム系二次電池により構成されていることを特徴とする。
【００４７】
本構成によれば、過充放電耐性に劣るリチウム系二次電池の安全性を従来より格段に向上することができる。
【００４８】
なお、本発明は、充放電電流が流れていない時にだけ採用可能なものではない。
【００４９】
【発明の実施の形態】
本発明における組電池の充電状態調整装置の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。本装置は、リチウム電池を用いた組電池の充電状態調整装置に特に好適である。
【００５０】
（回路構成）
この実施態様の全体回路を図１を参照して説明する。
【００５１】
１は必要個数のリチウム二次電池からなるセルであって、互いに直列接続されてハイブリッド車の組電池をなしている。
２は各セル１の電圧を個別に検出する必要個数の電圧検出器、３は各電圧検出器２が出力する各セル電圧信号を時間順次に選択するマルチプレクサ、４はマルチプレクサ３が出力する各セル電圧信号をＡＤ変換するＡＤコンバータ、５はＡＤコンバータ４からセル電圧信号を受け取るマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、６はＭＰＵ５のアルゴリズムおよびデータを記憶するメモリ、７は組電池の充放電電流（主電流）を検出する電流センサ、８は電流センサ７が出力するアナログ電流信号を増幅する増幅器、９は増幅器８からの電流信号をＡＤ変換するＡＤコンバータ、１０は互いに直列接続されたバイパススイッチ１０a及びバイパス抵抗１０ｂからなる抵抗・スイッチバイパス回路、１１はバイパス抵抗１０ｂの開閉状態を保持するためのＲＳフリップフロップ等のバイパススイッチ保持回路、１２はＭＰＵ５からのデジタル選択指令信号をデコードしてバイパススイッチ保持回路１１にＳＥＴ信号として送出するデコーダ、１３はばらつき判定のタイミングを管理するタイマー、１４はＯＲ素子、１５は、セル１、抵抗・スイッチバイパス回路１０及びバイパススイッチ保持回路１１以外の各回路に電源電力を給電する電池（補助電池）、１６は定電圧電源（レギュレータ）、１７はレギュレータ１６への電源電力給電を開閉するスイッチ（リレー）である。
【００５２】
図１におけるバイパススイッチ保持回路１１の回路図を図２に示す。
【００５３】
Ｔｒ１〜２はトランジスタ、ＰＣ１、ＰＣ２はフォトカプラ、Ｒ１〜Ｒ６は抵抗素子、Ｓはバイパススイッチ保持回路１１のセット入力端子、Ｒはバイパススイッチ保持回路１１のリセット入力端子、Ｑはバイパススイッチ回路１１の制御出力端子である。
【００５４】
各単位セル１は、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとを直列接続してなる抵抗・スイッチバイパス回路１０によりそれぞれバイパス放電可能となっている。バイパススイッチ１０aは、図２に示すＲＳフリップフロップと同様の動作機能を有するバイパススイッチ保持回路１１により、システム非稼働時（制御回路ＯＦＦ時）でもバイパススイッチ１０ａがＯＮ状態を保持できるようになっている。
（電源電力給電時の動作説明）
スイッチ１７は、ＯＲ回路１４を通じて、イグニッションスイッチのＯＮ時にＯＮされる他、イグニッションスイッチのＯＦＦ時でもタイマー１３がハイレベル信号を出力する一定期間だけＯＮされる。タイマー１３は、所定期間ごとに入力されるクロックパルスをカウントするデジタルカウンタと、このデジタルカウンタの最上位桁出力信号が入力されるモノマルチバイブレータからなり、一定時間ごとに一定時間だけ上記ハイレベル信号を出力してスイッチ１７をＯＮする。
【００５５】
スイッチ１７がＯＮして制御バッテリ１５がレギュレータ１６に電源電圧を印加すると、レギュレータ１６は所定の定電源電圧を各部に給電し、図１に示す制御回路（本発明でいう組電池の充電状態調整装置）が通常の動作状態となる。
【００５６】
セル１の個数と等しい個数設けられ、それぞれが各セルのアナログ電圧を検出する電圧検出器２は検出電圧をマルチプレクサ３に入力する。マルチプレクサ３は入力されたセル電圧信号を時間順次にＡＤコンバータ４を通じてマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５に入力する。
【００５７】
ＭＰＵ５は、入力される各セル電圧のうち、最小の値と各セル電圧との差を演算し、この差が所定しきい値以上となるセルを過大電圧セルと判定し、この過大電圧セルの番号を示す放電セル選択情報をデコーダ１２に出力し、デコーダ１２は放電セル選択情報により選択されたセル１のバイパススイッチ保持回路１１にセット信号を出力する。セット信号が入力されたバイパススイッチ保持回路１１はバイパススイッチ１０aをＯＮして、そのセル１のバイパス放電を実施する。
【００５８】
その後、タイマ１３によりスイッチ１７がＯＦＦされて制御回路が停止するが、バイパススイッチ１０ａはバイパススイッチ保持回路１１によってＯＮ状態を保持し、バイパス放電を継続する。その後のタイマ１３のＯＮによる次回起動直後に、ＭＰＵ５は全てのバイパススイッチ保持回路１１にリセット信号を出力して全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦする。また、イグニッションキーのＯＮ時には、ＭＰＵ５は一定インタバルで全てのバイパススイッチ保持回路１１にリセット信号を出力して全てのバイパススイッチ１０ａをＯＦＦする。これらのリセット動作の後で、再び過大電圧セルが判定されてセット信号によりバイパススイッチ１０aがＯＮされてバイパス放電が再開される。
【００５９】
以後、上記動作を繰り返すことにより、電圧またはＳＯＣが判定基準値より大きいセルを小電流で徐々に放電して最も電圧の低いセルに少しずつ近づけていくことで、各セルの電圧ばらつきが低減される。
【００６０】
この実施例のバイパススイッチ保持回路１１を図３を参照して以下に説明する。図３に示すバイパススイッチ保持回路１１は図２に示すバイパススイッチ保持回路１１にツェナーダイオードＺＤ１を付加したものである。
【００６１】
ＭＰＵ５がデコーダ１２を通じて所定のセルのバイパススイッチ保持回路１１のＳ端子にセット信号パルスを入力すると、フォトカプラＰＣ１がＯＮになり、電流が、セル１の正極、バイパススイッチ１０aをなすトランジスタＴr１のエミッタ、同ベース、抵抗Ｒ２、フォトカプラＰＣ１、セル１の負極の順に流れて、バイパススイッチ１０aがＯＮする。その結果、電流が、セル１の正極、トランジスタＴr１のエミッタ、同コレクタ、バイパス抵抗Ｒ３、セル１の負極の順に流れて、セル１が放電される。すると、バイパス抵抗１０ｂをなす抵抗素子Ｒ３、並びに、この抵抗素子Ｒ３と並列接続された抵抗分圧回路をなす抵抗素子Ｒ５、Ｒ６に電流が流れ、自己保持用の帰還トランジスタＴｒ２がＯＮする。
【００６２】
これにより、電流が、抵抗素子Ｒ１又はトランジスタＴｒ１のエミッタ、ベース間、抵抗素子Ｒ４、ツェナーダイオードＺＤ１、トランジスタＴｒ２のコレクタ、同エミッタと流れるため、セットパルスがＯＦＦになり、フォトカプラＰＣ１がＯＦＦになっても、トランジスタＴｒ１のＯＮ状態が保持される。
【００６３】
ＭＰＵ５がバイパススイッチ保持回路１１の入力端子Ｒにリセットパルスを入力すると、フォトカプラＰＣ２がＯＮし、トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとが短絡されて同電位となり、トランジスタＴｒ２はＯＦＦする。その結果、抵抗素子Ｒ３の電圧降下が０となり、トランジスタＴｒ２がＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持される。
【００６４】
次に、図３に示す回路の特徴をなすツェナーダイオードＺＤ１の機能を以下に説明する。
【００６５】
もし、回路故障等でリセット信号が入らず、トランジスタＴｒ１がＯＮのままロックされた場合、セル１はバイパス抵抗Ｒ３を通じて放電され、電圧が低下していく。一方ツェナーダイオードＺＤ１によってＴｒ１のベースとＧＮＤ（セル１負極）との間の電圧は所定値に保持されている。その結果、トランジスタＴｒ１のエミッタ・ベース間の電圧が徐々に低下し、ついにはトランジスタＴｒ１はＯＦＦする。これにより、トランジスタＴｒ２もＯＦＦし、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ状態が保持され、セル１の過放電が防止される。
【００６６】
なお、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧は、リチウム電池セル１の下限電圧からトランジスタＴｒ１のベース・エミッタ間ターンオン電圧Ｖbe（約０．６Ｖ）を引いた値に等しいかそれに近いものを選択する。すなわち、リチウム電池セル１の下限電圧を３．０Ｖとした場合、ツェナー電圧２．４Ｖ前後のツェナーダイオードを選択すればよい。
【００６７】
この実施例によれば、なんらかの制御異常の発生により、バイパススイッチ１０aのリセットができなくなっても、ツェナーダイオードＺＤがバイパススイッチ１０aのＯＮロックを禁止するので、セル１が所定の最小電圧以下にまで過放電することが防止される。
【００６８】
（変形態様）
変形態様を図４に示す。
【００６９】
この態様は、図２に示す従来のバイパススイッチ保持回路１１において、抵抗素子Ｒ５と直列にツェナーダイオードＺＤ２を接続したものである。このようにすれば、セル電圧の低下により、トランジスタＴr２がオフし、バイパススイッチ１０aをオフするので、実施例１の回路と同効果を奏することができる。
【００７０】
（変形態様）
図３、図４の実施例において、回路の集積容易化の観点からツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２を所定数の接合ダイオード直列接続体に置換することができる。
【００７１】
【実施例２】
他の実施例を図５を参照して説明する。
【００７２】
この実施例は、図２に示す従来のバイパススイッチ保持回路１１において、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６を直列接続してなる抵抗分圧回路をタイマーＴＭに置換したものである。
【００７３】
タイマーＴＭは、バイパススイッチ１０aとバイパス抵抗１０ｂとの接続点電位が入力されるＶＤＤ端子と、バイパス抵抗１０ｂの低位端に接続されるＧＮＤ端子、出力端子Ｏｕｔとを有し、出力端子Ｏｕｔからの出力信号をトランジスタＴＲ２のベース電極に出力している。
【００７４】
タイマーＴＭは、ＶＤＤ端子とＧＮＤ端子との間の電圧が所定値以上となった場合にハイレベル（Ｈ）を出力し、その後、所定時間経過するか、又は、ＶＤＤ端子とＧＮＤ端子との間の電圧が所定値未満となる場合にローレベル（Ｌ）を出力する。
【００７５】
この結果、トランジスタＴｒ２はリセット信号が入力されなくても、セル電圧が所定値以下に低下するか、又は、タイマーＴＭが規定する所定時間後にＯＦＦとなり、バイパススイッチ１０aであるトランジスタＴｒ１がＯＦＦする。
【００７６】
これにより、制御回路の故障等によってリセット信号が入力されなくても、所定時間後に強制的にバイパスをＯＦＦすることができ、セル１を過放電に至らしめるのを防ぐことができる。
【００７７】
【実施例３】
他の実施例を図６を参照して説明する。
【００７８】
この実施例は、図１に示す回路において、強制リセット回路１８とＯＲ回路２４とを追加したものである。
【００７９】
強制リセット回路１８は、互いに直列接続された抵抗素子１９ａ、１９ｂによ構成されて補助バッテリ１５の電圧を分圧する抵抗分圧回路と、ダイオードＤと、コンデンサ２２と、基準電圧発生回路２５と、コンパレータ２０と、ワンショットマルチバイブレータ２３とからなり、基準電圧発生回路２５は抵抗素子２６とツェナーダイオードＺＤ２１とを直列接続してなる。
【００８０】
コンパレータ２０は、基準電圧発生回路２５が発生する基準電圧と、抵抗分圧回路が発生する補助バッテリ１７の電圧の分圧とを比較し、分圧が、所定の下限電圧である基準電圧を下回った瞬間に、ワンショットマルチバイブレータ２３にハイレベル電位を出力し、ワンショットマルチバイブレータ２３がハイレベルのワンショットパルス電圧をＯＲ回路２４を通じて各バイパススイッチ保持回路１１のリセット端子Ｒにリセット信号として出力し、各バイパススイッチ保持回路１１のバイパススイッチ１０aをオフし、バイパス放電を中断させる。ＯＲ回路２４はＭＰＵ５からのリセット信号も同様にバイパススイッチ保持回路１１に送られる。
【００８１】
強制リセット回路１８のコンデンサ２２は、スイッチ１７の異常解放などによりＭＰＵ５等が一瞬のうちに動作不能になっても、コンデンサ２２の蓄電電力によってワンショットマルチバイブレータ２３などの必要な回路部分が動作可能となるようにしている。
【００８２】
これにより、補助バッテリ１５が急激に不能になって制御回路がリセット信号を発生させることができなくなっても、その瞬間に強制リセット回路１８からのリセットパルスによりバイパスがＯＦＦになることで、セル１を過放電に至らしめるのを防ぐことができる。
【００８３】
（変形態様）
なお、図６に示す回路において、ワンショットマルチバイブレータ２３を省略することも可能である。このようにすれば、制御バッテリ１５の電圧が所定値以下に低下している間は、バイパススイッチ保持回路１１はバイパススイッチ１０aのＯＮを停止させて各セルの放電をオフすることができる。
【００８４】
なお、本発明は、要するに、制御回路異常検出時にバイパス放電の中断を行う点をその要旨とするものであり、この趣旨を実現する回路であれば、上記実施例回路に限定される物ではないことは明白である。
【００８５】
また、組電池を構成する各セル１は、リチウム電池以外の鉛電池やニッケル系電池等でもよい。また、バイパス放電するセルは、二次電池一個からなる単電池に限られる物ではなく、複数の単電池を直列接続して構成されることもできる。更に、負荷については電気自動車やその他の電力貯蔵用二次電池設備等、直列組電池を電源とするあらゆるものに応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１，２及び従来技術に用いられる組電池の充電状態調整装置を示すブロック回路図である。
【図２】従来のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図３】実施例１のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図４】図３の変形態様を示す回路図である。
【図５】実施例２のバイパススイッチ保持回路を示す回路図である。
【図６】実施例３に用いられる組電池の充電状態調整装置を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１ セル（単位セル）
ばらつき低減部
放電禁止部
２ 電圧検出器（電圧検出部、ばらつき低減部の一部）
５ ＭＰＵ（演算判定部）
１０ 抵抗・スイッチバイパス回路（放電部）
１０ａ バイパススイッチ（放電部のスイッチ）
１０ｂ バイパス抵抗（放電部の抵抗素子）
１１ バイパススイッチ保持回路（放電禁止部）
１２ デコーダ（放電指令部）
１７ スイッチ（起動部）
１８ 強制リセット回路（放電禁止部）
２０ コンパレータ（強制リセット回路の電圧比較部）
２２ コンデンサ（強制リセット回路の蓄電部）
２３ ワンショットマルチバイブレータ（強制リセット回路のパルス発生部）
２５ 基準電圧発生回路（強制リセット回路の基準電圧発生部）
Claims (10)
- 二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されて充電器により充電され負荷に放電する組電池に装備され、検出された前記各単位セルの電圧又は残存容量の最低値に対する前記各単位セルの電圧又は残存容量のばらつきを演算し、前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを個別に放電して前記ばらつきを前記所定値以下に低減するばらつき低減部を備える組電池の充電状態調整装置において、
前記ばらつき低減回路の前記ばらつき低減動作の継続に不適な所定の放電不適状態の発生時に前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電を禁止する放電禁止部と、予め設定された時刻または時間間隔で前記充電状態調整装置各部を起動させる起動部とを有し、
前記ばらつき低減部は、
前記各単位セルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記起動部により起動されて前記各単位セルの前記電圧に基づいて演算した前記各単位セルの残存容量又は前記電圧から最低値を抽出し、各単位セルの残存容量又は前記電圧と前記最低値との差であるばらつきを前記各単位セルごとに演算し、前記ばらつきが所定値を超えたかどうかを判定する演算判定部と、
直列に接続された抵抗素子及びスイッチを有して前記各単位セルを個別に放電可能な放電部と、
前記ばらつきが所定値を超えた前記単位セルを前記放電部に指令して放電させる放電指令部と、
を有し、
前記放電禁止部は、前記所定の放電不適状態の発生を検出した場合に前記放電指令部による前記指令に優先して前記スイッチを開放し、
前記放電不適状態は、前記単位セルの電圧が所定値未満となった状態と、前記ばらつき低減部による前記単位セルの放電継続時間が所定値を超えた状態との両方を少なくとも含むことを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記放電不適状態は、前記充電状態調整装置に印加される電源電圧が所定値未満となった状態であることを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記放電禁止部は、所定の基準電圧を発生するとともに、前記単位セルの電圧が前記基準電圧を下回る際に前記スイッチを開放することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記放電禁止部は、前記放電部の放電開始時点以降の放電時間をカウントし、前記放電時間が所定値を上回った場合に前記スイッチを開放することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記放電禁止部は、
電力を蓄電する蓄電部と、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記基準電圧と前記調整装置の電源電圧とを比較する電圧比較部と、前記電源電圧が前記基準電圧を下回った場合に形成した単発のパルス電圧により前記スイッチを開放するパルス発生部とを有し、
前記蓄電部は、
前記調整装置用の電源電圧の急低下時に前記基準電圧発生部、電圧比較部及び前記パルス発生部に電源電力を給電することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１〜５項のいずれか記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記ばらつき低減部は、少なくとも前記組電池が前記充電器から充電されず、かつ、前記負荷に放電しない期間に前記ばらつき低減を実施することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１〜６項のいずれか記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記組電池は、電気自動車又はハイブリッド車に搭載されることを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項７項記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記ばらつき低減部は、少なくとも前記電気自動車又はハイブリッド車のイグニッションスイッチのオフ期間に前記ばらつき低減を実施することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項８項記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記スイッチは、前記イグニッションスイッチのオフ時でも前記イグニッションスイッチのオフ直前の開閉状態を保持することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。 - 請求項１〜９項のいずれか記載の組電池の充電状態調整装置において、
前記組電池は、リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な物質から成る正極と及び極によって構成されるリチウム系二次電池により構成されていることを特徴とする組電池の充電状態調整装置。
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