JP4187942B2

JP4187942B2 - Charge state control device

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Publication number: JP4187942B2
Application number: JP2001080672A
Authority: JP
Inventors: 博志田村; 晴義山下
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002281687A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池を構成するため直列接続された多数の単位セルの充電状態を制御する充電状態制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地球環境保護の目的から、排気ガスを排出しない電気自動車（ＥＶ）や排気ガスの排出を大幅に低減可能なハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の研究，開発が行われており、このうちＨＥＶは既に実用化の段階にある。
【０００３】
これらＨＥＶやＥＶの動力源に使用される２次電池（バッテリー）として、鉛電池，ニッカド電池，ニッケル水素電池等が知られている他、近年では、高い重量エネルギ密度（同容量の鉛電池の約４倍，ニッケル水素電池の約２倍）を有し小型軽量化を期待できるリチウム電池が注目されている。
【０００４】
また、ＨＥＶやＥＶにおいて、モータを駆動して自動車を走行させるには約３００Ｖの電圧が必要であるため、上述の電池は、その単体（単位セル）を多数直列接続してなる組電池として使用される。例えば、鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０、ニッケル水素電池（約１．２Ｖ／セル）では２５０、リチウム二次電池（約３．６Ｖ／セル）では８０もの単位セルを直列接続する必要がある。
【０００５】
なお、これらの単位セルは、過充電や過放電に弱く、定められた使用範囲内の電圧で使用しなければ、材料の分解による著しい容量の低下や異常発熱を引き起こして使用不能となるおそれがある。
そして、組電池を構成する各単位セルでは、性能の個体差や周囲温度および漏れ電流の違い等によって充電可能容量がばらつき、組電池の充放電時に各単位セルを流れる電流がどの単位セルも等しいにも関わらず、各単位セルの残存容量（ＳＯＣ）、ひいては各単位セルの両端電圧がばらついてしまうことが知られている。
【０００６】
つまり、組電池として使用する場合には、組電池を構成する各単位セルが過充電や過放電となることのないように、各単位セル間の残存容量のばらつきに起因するセル電圧のばらつきを十分に抑えなければならない。
従来の鉛電池，ニッカド電池，ニッケル水素電池等を単位セルとする組電池では、組電池の両端電圧を監視して、この両端電圧（ひいては組電池を構成する各単位セルの平均セル電圧）が所定の電圧範囲に収まるように充放電制御することで単位セルの過放電や過充電を防止できたが、リチウム電池を単位セルとする組電池では、そのような制御では、単位セルの過充電や過放電が進行してしまい、使用不可能な状態に到るほどの性能劣化を引き起こしてしまうという問題があった。
【０００７】
即ち、水溶性の電解液を用いて構成された鉛電池，ニッカド電池，ニッケル水素電池二次電池等では、過充電時に生じる水の電気分解と置換反応（密閉化反応）によって、単位セル間のばらつきがある程度解消（均等充電）されるため、組電池の両端電圧（組電池を構成する各単位セルの平均セル電圧）を制御することで、過放電や過充電を防止できたのであるが、有機系の電解液を用いて構成されたリチウム電池では、密閉化反応が起こらないため上述の均等充電がされず、組電池の両端電圧（平均セル電圧）を制御する方法では、ばらつきは拡大する一方であり、過充電や過放電が進行してしまうのである。
【０００８】
これに対して、組電池を構成する単位セル間のセル電圧のばらつきを、密閉化反応によらずに解消する方法として、例えば、各単位セルに対してそれぞれ並列にツェナーダイオードを接続し、このツェナーダイオードの逆降伏電圧をしきい値として、セル電圧がしきい値を超えて充電されることのないようにしたもの（特開昭６１−２０６１７９号公報）や、外部からの指令に従って作動するバイパス回路を各単位セルと並列に接続し、セル電圧にばらつきが生じると、セル電圧の高い単位セルのバイパス回路を作動させ、このバイパス回路に充電電流を分流（バイパス）させることにより、単位セル間の電圧のばらつきが小さくなるように調整するもの（特開平８−１９１８８号公報）等が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各単位セルにツェナーダイオードを並列接続した前者の場合、組電池を充放電する装置の負荷変動によって大きな回生電流、即ち組電池を充電する電流が発生した時にも、ツェナーダイオードが作動してしまうため、このような大電流に耐える大容量の特殊なツェナーダイオードを使用しなければならなかった。また、この場合、単位セルのばらつきを抑えるには、全てのツェナーダイオードが作動するまで充電電流を流さなければならないため、単位セルのばらつき調整を行うと無駄に消費される電流が多いだけでなく、このようなばらつき調整を行った直後では、各単位セルは更なる充電ができない状態になっているため、回生電流が生じたとしても、全てバイパス回路にバイパスされてしまい、回生電流を有効利用することができないという問題があった。更に、ツェナーダイオードのしきい値電圧が低いと、バイパス回路が頻繁に作動することになるため、しきい値は、単位セルの使用電圧範囲の上限にほぼ均しくなるように設定しなければならず、設計の自由度が低いという問題もあった。
【００１０】
一方、外部から動作を制御可能なバイパス回路を各単位セルに並列接続した後者の場合、これを実施しようとすると、図７の参考図に示すように、各単位セルＣ11〜Ｃmn毎にセル電圧検出回路（ＶＳＣ）や抵抗，スイッチからなるバイパス回路ＢＰを設けると共に、ＣＰＵを中心に構成され、各ＶＳＣにて検出されたセル電圧に基づいて、単位セル間のばらつき状態を判定したり、その判定結果に従ってバイパス回路を制御する等の処理を実行する制御装置が必要となる。
【００１１】
そして、耐電圧や絶縁性，制御性の問題から、一つのＣＰＵで受け持つことのできるセル数は、１０〜２０セル程度が限度である。このため、ＨＥＶやＥＶに動力源として使用する組電池等、数十から数百もの単位セルを直列接続する組電池に適用するには、組電池全体をｎ個（例えばｎ＝１０）の単位セルからなる複数セルグループＣＧ１〜ＣＧｍに分割して、各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に電圧検出とばらつき調整とを分担させた下位制御装置ＢＣＵ＿Ｌ１〜ＢＣＵ＿Ｌｍを設けると共に、これら下位制御装置ＢＣＵ＿Ｌ１〜ＢＣＵ＿Ｌｍを統括する上位制御装置ＢＣＵ＿Ｈを設けて、組電池全体を調整するという構成にしなければならない。
【００１２】
例えば、比較的セル数を少なくできるリチウム電池でも、４〜８個ものセルグループ、即ち制御装置を設ける必要があり、これら制御装置を構成するＣＰＵやＣＰＵ間の通信を行う通信Ｉ／Ｆ等の高価な電子部品が多数必要となるため、装置が複雑で高価なものとなり、また大型化してしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記問題点を解決するために、充放電可能な二次電池を単位セルとして複数個直列に接続してなる組電池の充電状態を制御する制御装置において、簡易な構成にて単位セル間のばらつきを調整できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の充電状態装置では、充電制御手段が、組電池を貫流する主回路電流を一定の状態に制御することが可能な静止期間中に主回路電流を流すことにより、組電池の充電を行わせ、この充電制御手段による充電が開始された後、充電状態判定手段により組電池を構成する全ての単位セルの充電状態が調整電圧以上になっていると判定された場合に、放電起動手段が、充電制御手段による充電を終了させ、セル放電手段を起動する。
すると、組電池を構成する単位セル毎に設けられたセル放電手段は、単位セルのセル電圧が予め設定された調整電圧に達するまで単位セルを放電する。そして、単位セルのセル電圧が調整電圧になり、セル放電手段が放電を終了すると、これをセル放電手段が検出して、セル電圧が調整電圧以上になってもセル放電手段が作動しないようにセル放電手段を停止させる。
【００１５】
このように、本発明の充電状態制御装置によれば、静止期間中にセル電圧の調整を行っているため、調整中に主回路電流が不規則に変動して、放電回路に大きな主回路電流が流れ込んでしまうことがなく、放電回路を電流容量の小さい部品を用いて小型かつ安価に構成することができる。
【００１６】
また、放電回路による放電は、自動的に終了するため、単位セルを必要以上に放電してしまうことがなく確実にセル電圧を調整することができる。しかも、放電期間中に、単位セルのセル電圧を常時監視する必要がないため、そのような監視のための構成を設ける必要がなく、簡易な装置構成にて実現することができる。
【００１７】
また、本発明の充電状態制御装置において、充電状態判定手段は、セルグループ毎にその両端電圧であるグループ電圧を検出する電圧検出手段での検出結果から、セルグループ毎にそのセルグループを構成する各単位セルの充電状態を判定するように構成され、更に、放電起動手段は、電圧検出手段での検出結果から、グループ電圧が最低となる最低セルグループを抽出し、この最低セルグループを構成する単位セルの平均セル電圧が、調整電圧に各単位セル間の電圧ばらつき量の予測値を加えた目標電圧以上となった場合に、組電池を構成する全ての単位セルの充電状態が調整電圧以上になっていると判定すると共に、セル放電手段をセルグループ毎に一括して制御するように構成されている。
【００１８】
このように、セルグループ単位で制御を行うことにより、単位セル単位で制御を行う従来装置と比較して、これら充電状態判定手段や放電起動手段の構成が、大幅に簡易化されるため、装置をより小型かつ安価に構成することができる。
なお、この場合、先に説明した起動許可手段で使用される待機時間は、その待機時間の間に各単位セル間の電圧ばらつき量が予測値を越えてしまうことのないような長さに設定する必要がある。
【００１９】
但し、各単位セル間の電圧ばらつき量が予測値を越えてしまうことにより、充電制御手段による充電後に調整電圧を越えていない単位セルが仮にあったとしても、その単位セルではセル放電手段による放電が行われないため、当該充電状態制御装置の動作によって、単位セル間の電圧ばららつきは、確実に圧縮されることになる。
また、組電池が一つのセルグループからなる場合とは、セルグループが組電池そのものであり、グループ電圧とは組電池の両端電圧のことであるとして考えればよい。
また、本発明の充電状態制御装置では、セル放電手段は、セル電圧を調整する時にのみ起動され、それ以外の時には作動しないように停止させているため、調整電圧をセル電圧の使用可能範囲内の任意の値に設定できる。
【００２０】
なお、セル放電手段は、例えば、請求項２記載のように、逆降伏電圧が調整電圧に設定されたツェナーダイオード、このツェナーダイオードに流れる電流を制限する抵抗、これら抵抗及びツェナーダイオードが直列接続された電流経路を断続するスイッチ素子を単位セルに並列接続することにより構成することができる。このように構成されたセル放電手段は、スイッチ素子を閉成することで起動し、スイッチ素子を開放することで停止させることができる。
【００２１】
また、充電制御手段による充電が行われる静止期間、即ち主回路電流を一定の状態に制御することが可能な静止期間とは、例えば、組電池がＨＥＶやＥＶの駆動用バッテリである場合、負荷変動が生じたり回生電流による大きな充電電流が流れることのない期間のことである。
【００２２】
また、放電停止手段は、請求項３記載のように、組電池の両端電圧の時間変化を検出し、その時間変化が予め設定された下限値を下回ると、全てのセル放電手段を一斉に停止させるようにしてもよい。つまり、いずれか一つの単位セルでもセル放電手段による放電が継続していれば、組電池の両端電圧は時間と共に変化するため、この時間変化が十分に小さくなった場合に、全ての単位セルでセル放電手段による放電が終了したものとみなすことができるのである。
【００２３】
この場合、セル放電手段を停止させるタイミングを検出するための構成や、その検出結果に基づいてセル放電手段を停止させるための構成を、単位セル毎に設ける必要がないため、装置構成を簡易化できる。
なお、組電池の両端電圧の代わりに、組電池を構成する全ての単位セルの平均セル電圧や、組電池が複数のセルグループに分割されている場合には、組電池を構成する全てのセルグループの平均グループ電圧を用いても全く同等である。
【００２４】
次に、請求項４記載の充電状態制御装置では、セル放電手段を停止させた後、予め設定された待機時間が経過すると、起動許可手段が、充電制御手段及びセル放電手段の起動を許可するようにされている。
従って、本発明の充電状態制御装置によれば、待機時間経過後の最初の静止状態の時にセル電圧の調整が行われ、ほぼ定期的に調整が行われることになり、充電状態（セル電圧）のばらつきを確実に解消することができる。
【００２９】
次に、請求項５記載の充電状態制御装置では、セルグループ毎に主回路電流をバイパスするバイパス手段が設けられており、バイパス制御手段は、充電制御手段による充電中に、電圧検出手段にて検出されるグループ電圧が予め設定された上限値以上となったセルグループに対応するバイパス手段を作動させる。なお、上限値は、グループ電圧が上限値に等しくなった時に、そのセルグループを構成する各単位セルのセル電圧が、使用範囲の上限電圧を越えてしまうことのないような値に設定する必要がある。
【００３０】
この場合、充電制御手段による充電によって、単位セルが過充電になってしまうことを確実に防止でき、装置の信頼性を向上させることができる。
ところで、組電池を構成する単位セルとしては、鉛電池，ニッケル系電池等様々なものを用いることができるが、請求項６に記載のように、リチウムイオンを吸蔵放出する材料からなる電極によって構成されるリチウム電池を用いることが望ましい。
【００３１】
即ち、リチウム電池は、エネルギー密度が高く、しかも出力電圧が高いため、同じ高電圧を得るにしても、少ないセル数で、容量の大きな組電池を構成することができ、組電池自体や当該充電状態制御装置を小型軽量化することができる。
また、当該充電状態制御装置は、いかなる用途に使用される組電池に適用してもよいが、例えば請求項７に記載のように、電気自動車（ＥＶ）或いはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の動力源として実装される車載用のものに適用すれば、ＥＶやＨＥＶの信頼性、耐久性を向上させることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用された実施形態の組電池システムの全体構成を表す回路図であり、ここでは、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の駆動系に組み込んだ状態を表している。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態の組電池システム２は、主電源ラインＬ，インバータ（ＩＮＶ）６を介してモータ及び発電機を兼ねる電動機（ＭＧ）８に接続されており、更に車両の走行状態や当該組電池システム２の状態等に応じて、電動機８の始動，停止や、インバータ６の動作方向等を制御するＨＥＶコントローラ（ＶＣＵ）４を備えている。
【００３４】
そして、ＶＣＵ４は、エンジンの運転効率のよい定速走行時等には、エンジンの駆動力を用いて走行する設定とし、この時、組電池システム２の充電量が不十分であれば、エンジンからの駆動力が電動機８に伝達され、且つ電動機８が発電機として動作し、電動機８にて発電された電力がインバータ６を介して組電池システム２に供給されるように設定して、組電池システム２に充電を行わせる。
【００３５】
一方、エンジンの運転効率の悪い始動時やフル加速時等には、組電池システム２からの電力がインバータ６を介して電動機８に供給され、電動機８がこの組電池システム２からの供給電力によりモータとして動作するように設定し、電動機８からの駆動力を利用して走行するようにされている。
【００３６】
次に、本実施例の組電池システム２は、充放電自在な二次電池であるリチウム電池を単位セルとして、この単位セルを多数直列接続してなる組電池１０を備えている。組電池１０は、それぞれが複数個の単位セルＣi1〜Ｃin（本実施形態ではｎ＝６）からなる複数のセルグループＣＧ１〜ＣＧｍに分割されており、このセルグループＣＧｉ（ｉ＝１〜ｍ）毎に、セルグループＣＧｉを構成する各単位セルＣi1〜Ｃinのセル電圧のばらつきを解消するセルばらつき調整回路ＣＥＵｉが設けられている。
【００３７】
また、組電池システム２は、組電池１０の充放電時に主電源ラインＬを流れる主回路電流を検出する電流センサ（ＣＳ）１４と、電流センサ１４からの検出信号ＩＢや、組電池１０の両端及びセルグループＣＧｉの境界にて主電源ラインＬから分岐させたセルグループ電圧検出線ＬＳ１〜ＬＳm+1 を介して得られる電圧信号ＶＳ１〜ＶＳm+1 に基づき、各セルばらつき調整回路ＣＥＵｉに制御信号ＢＣis，ＢＣirを出力したり、ＶＣＵ４に各種指令ＣＭＤを出力する等の処理を実行する組電池コントローラ（ＢＣＵ）１２を備えている。なお、ＢＣＵ１２は、各セルばらつき調整回路ＣＥＵｉに対して、制御用電源ラインＬＤを介して電源供給も行うようにされている。
【００３８】
そして、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉは、図２に示すように、セルグループＣＧｉを構成する各単位セルＣi1〜Ｃin毎に、これら単位セルＣij（ｊ＝１〜ｎ）に並列接続された放電回路Ｐij（ｊ＝１〜ｎ）をそれぞれ備えている。
この放電回路Ｐijは、後述する調整電圧Ｖｚと同じ大きさの逆降伏電圧を有するツェナーダイオードＤｐと、ツェナーダイオードＤｐに流れる電流を制限する抵抗Ｒｐと、これらツェナーダイオードＤｐ及び抵抗Ｒｐへの電流経路を開閉するトランジスタＴｐと、抵抗及びダイオードからなりトランジスタＴｐをオン，オフ駆動するためのバイアス回路Ｂｐとからなる。なお、各放電回路Ｐijのバイアス回路Ｂｐは、いずれもトランジスタＴｄを介してセルグループ電圧検出線ＬＳi+1 に接続されている。
【００３９】
また、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉでは、ＢＣＵ１２から供給される制御信号（以下「セットパルス」という）ＢＣis，ＢＣirは、それぞれフォトカプラ２０，２２を介して、ＲＳフリップフロップ回路２４に供給され、このＲＳフリップフロップ回路２４の出力により、トランジスタＴｄがオンオフ制御されるように構成されている。
【００４０】
但し、ＲＳフリップフロップ回路２４は、制御信号（以下「セットパルス」という）ＢＣisにより、出力Ｑがハイレベルとなるようセットされ、制御信号（以下「リセットパルス」という）ＢＣirにより、出力Ｑがロウレベルとなるようリセットされる。また、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉ内において、ＲＳフリップフロップ回路２４は、セルグループＣＧｉから電源供給を受けて動作し、また、フォトカプラ２０，２２は、入力側がＢＣＵ１２からの制御用電源ラインＬＤを介して電源供給を受け、出力側がセルグループＣＧｉから電源供給を受けて動作するように構成されている。
【００４１】
このように構成されたセルばらつき調整回路ＣＥＵｉでは、セットパルスＢＣisが入力されると、トランジスタＴｄがオンして、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉを構成する全ての放電回路Ｐi1〜Ｐinのバイアス回路Ｂｐに電流が流れて、トランジスタＴｐがオンするため、各放電回路Ｐi1〜Ｐinでは、抵抗Ｒｐ，ツェナーダイオードＤｐを介した単位セルＣi1〜Ｃinの放電が可能となる。但し、各放電回路Ｐijは、単位セルＣijのセル電圧が調整電圧Ｖｚ以上である場合にのみ放電を行う。一方、リセットパルスＢＣirが入力されるとトランジスタＴｄがオフし、その結果、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉを構成する全ての放電回路Ｐi1〜Ｐinでは、抵抗Ｒｐ，ツェナーダイオードＤｐを介した単位セルＣi1〜Ｃinの放電が停止される。
【００４２】
つまり、セットパルスＢＣis，リセットパルスＢＣirを用いて、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉ（放電回路Ｐi1〜Ｐin）を起動，停止することにより、各単位セルＣ11〜Ｃmnの放電を、セルグループＣＧｉ（Ｃi1〜Ｃin）毎に一括して制御できるようにされている。
【００４３】
一方、ＢＣＵ１２は、セルグループ電圧検出線ＬＳｉ，ＬＳi+1 間の電圧、即ちセルグループＣＧｉのグループ電圧ＶＧｉ（＝ＶＳｉ−ＶＳi+1 ）を検出する電圧検出回路ＶＳＣｉと、抵抗Ｒgp、トランジスタＴgpからなり、セルグループ電圧検出線ＬＳｉ，ＬＳi+1 間を導通させるグループバイパス回路ＧＢｉと、ＣＥＵｉへのセットパルスＢＣisを供給する制御線に接続されたトランジスタＴsiと、ＣＥＵｉへのリセットパルスＢＣirを供給する制御線に接続されたトランジスタＴriとを、各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に有している。
【００４４】
また、ＢＣＵ１２は、各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に設けられた電圧検出回路ＶＳＣ１〜ＶＳＣｍのいずれか一つを選択して、選択された電圧検出回路ＶＳＣｉにて検出されたグループ電圧ＶＧｉを取り込むためのマルチプレクサ（ＭＰＸ）３０と、各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍのいずれかを選択して、選択されたセルグループＣＧｉに対応するグループバイパス回路ＧＢｉ，及びトランジスタＴsi，Ｔriをそれぞれオン，オフするための制御信号を出力するデコーダ（ＤＥＣ１〜ＤＥＣ３）３２，３４，３６と、マルチプレクサ３０を介して得られるグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍや、イグニションスイッチの操作状態を表す信号ＩＧ、電流センサ１４からの検出信号ＩＢに基づいて、セルばらつき調整装置ＣＥＵｉに対する制御信号ＢＣis，ＢＣirや、ＶＣＵ４への各種指令ＣＭＤを生成する等の処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）３８と、その処理に必要なデータ等を記憶するメモリ４０とを備えている。
【００４５】
このように構成された組電池システム２では、電動機８がモータとして使用されている時には、組電池１０の両端に接続された主電源ラインＬを介して、組電池１０に蓄積された電力を電動機８に供給し、逆に、電動機８が発電機として使用されている時には、主電源ラインＬを介して電動機８から供給される電力が組電池１０に充電される。
【００４６】
また、組電池１０の充放電を繰り返すことにより、単位セル間のセル電圧のばらつきが拡大すると、セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に単位セルＣ11〜Ｃmnの放電を制御するセルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍを用いて、全ての単位セルＣ11〜Ｃmnのセル電圧を調整電圧Ｖｚに揃えることにより、単位セルＣij間のセル電圧のばらつきを解消する制御が行われる。
【００４７】
なお、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉを起動するセットパルスＢＣisは、デコーダ３４を介してトランジスタＴsiを一瞬閉じることにより生成され、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉを停止させるリセットパルスＢＣirは、同様にデコーダ３６を介してトランジスタＴriを一瞬閉じることにより生成される。
【００４８】
以下、各単位セルＣ11〜Ｃmn間のセル電圧のばらつきを解消するためにＣＰＵ３８が実行する均等化処理を、図３〜５に示すフローチャートに沿って詳しく説明する。
なお、ＣＰＵ３８は、ＢＣＵ１２の電源をオフするとスリープ状態に遷移すると共に、スリープ状態でも作動するタイマーを備えており、このタイマーを用いて、スリープ状態からＣＰＵ３８自身を起床できるように構成されている。
【００４９】
図３に示すように、本処理では、最後に均等化フラグのリセット（後述のＳ４７０での処理）が行われてから、予め設定された待機時間（本実施形態では例えば７２〜１６８時間）が経過したか否かを判断し（Ｓ１１０）、待機時間を経過していれば均等化フラグをセット（Ｓ１２０）する。この待機時間は、自己放電のばらつき等に基づく単位セルＣ11〜Ｃmn間のセル電圧のばらつきが、後述する所定値Δに達するまでの時間を予測し、その予測時間に安全係数α（０＜α≦１）を乗じた時間に設定すればよい。
【００５０】
次に、信号ＩＧに基づいてイグニションスイッチがオフされたか否かを判断し（Ｓ１３０）、オフされていなければＳ１１０に戻る。一方、Ｓ１３０にて、イグニションスイッチがオフされていると判定された場合には、均等化フラグがセットされているか否かを判断し（Ｓ１４０）、セットされていなければ、ＢＣＵ１２の電源をオフし（Ｓ１５０）、監視処理（Ｓ１７０：詳細は後述）を実行した後、本処理を終了する。
【００５１】
一方、Ｓ１４０にて、均等化フラグがセットされていると判定された場合には、単位セルＣ11〜Ｃmn間のセル電圧のばらつきを解消する動作を開始するものとして、予備充電処理を実行し（Ｓ１６０）、本処理を終了する。
ここで、予備充電処理の詳細を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。
【００５２】
即ち、本処理では、図４に示すように、まずマルチプレクサ３０を介して各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍのグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍを読み込むと共に、読み込んだグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍに基づいて、グループ電圧が最低となる最低セルグループＣＧmin を抽出し、この最低セルグループＣＧmin を構成する単位セルの平均電圧である最低グループ平均セル電圧ＬＶＣav（＝ＶＧmin ／ｎ）を算出する（Ｓ２１０）。
【００５３】
次に、調整電圧（ツェナーダイオードＤｐの逆降伏電圧）Ｖｚに、単位セルＣ11〜Ｃmn間のセル電圧のばらつき量の予測値Δを加えたものを判定しきい値Ｖth（＝Ｖｚ＋Δ）とし、先のＳ２１０にて算出した最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、判定しきい値Ｖth以上であるか否かを判断する（Ｓ２２０）。なお、予測値Δは、例えばセルグループ内の平均セル電圧をＶＣav、最低セル電圧をＶＣmin とした場合に、Δ≧ＶＣav−ＶＣmin となるように設定する。
【００５４】
そして、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、判定しきい値Ｖthより小さいと判定された場合には、先のＳ２１０にて取得したグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍが、予め設定された上限値ＶＨ以上となっているセルグループＣＧｉがあれば、そのセルグループＣＧｉに対応するグループバイパス回路ＧＢｉを導通させることにより、これらのセルグループＣＧｉへの充電が回避されるように設定した後（Ｓ２３０）、ＶＣＵ４に対して充電指令を出力する（Ｓ２４０）。
【００５５】
なお、上限値ＶＨは、グループ電圧ＶＧｉが上限値ＶＨに等しくなった時に、そのセルグループＣＧｉを構成する各単位セルＣi1〜Ｃinのセル電圧が、使用範囲の上限電圧を越えてしまうことのないような値に設定する必要がある。例えば、セルグループＣＧｉを構成する全ての単位セルＣi1〜Ｃinのセル電圧が、その使用範囲の上限電圧になっていると仮定した場合の上限グループ電圧から、単位セルＣ11〜Ｃmn間の電圧ばらつき量の予測値を減じて、更に安全係数β（０＜β≦１）を乗じた値を、上限値ＶＨとして設定すればよい。
【００５６】
また、ＶＣＵ４は、イグニションスイッチがオフされても、ＢＣＵ１２から充電指令が入力された場合には、組電池システム２への充電電流の供給を可能とするためにエンジンの動作を継続させ、その後、ＢＣＵ１２から充電停止指令（後述する）が入力された時点でエンジンを停止させる。一方、イグニションスイッチがオフされ、且つＢＣＵ１２からの充電指令が入力されなかった場合には、そのままエンジンを停止させるように動作する。
【００５７】
更に、充電指令が入力されたＶＣＵ４は、電動機８を発電機として使用する設定にして、予め決められた大きさの主回路電流Ｉｃを流すことにより、組電池１０の充電を開始する。但し、主回路電流Ｉｃの大きさは、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、予め設定された充電電流切替判定値（本実施形態では調整電圧Ｖｚ）より小さい場合には第１電流値Ｉc1となり、所定電圧以上である場合には第１電流値より小さい第２電流値Ｉc2（＜Ｉc1）となるように設定する。
【００５８】
次に、イグニションスイッチがオンされたか否かを判断し（Ｓ２５０）、オンされていれば、ＶＣＵ４に対して充電停止指令を出力すると共に、Ｓ２３０，Ｓ２８０にてオンされたグループバイパス回路ＧＢｉをオフした後（Ｓ３００）、Ｓ１１０に戻る。
【００５９】
一方、Ｓ２５０にて、イグニションスイッチがオフされたままであると判定された場合、先のＳ２１０と同様に、グループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍの取得と、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavの算出を行い（Ｓ２６０）、先のＳ２２０と同様に、この最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが判定しきい値Ｖth以上であるか否かを判断する（Ｓ２７０）。
【００６０】
その結果、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが判定しきい値Ｖthより小さければ、先のＳ２３０と同様に、グループ電圧ＶＧｉが上限値ＶＨ以上であるセルグループＣＧｉに対応するグループバイパス回路ＧＢｉを導通させた後（Ｓ２８０）、Ｓ２５０に戻る。
【００６１】
なお、Ｓ２８０では、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが充電電流切替判定値Ｖｚに達した時点で、主回路電流をＩc1からＩc2（＜Ｉc1）に減少させるための指令をＶＣＵ４に対して出力する。
一方、Ｓ２７０にて最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが判定しきい値Ｖth以上であると判定された場合には、Ｓ３００と同様に、ＶＣＵ４に対して充電停止指令を出力すると共に、Ｓ２３０，Ｓ２８０にてオンされたグループバイパス回路ＧＢｉをオフする（Ｓ２９０）。
【００６２】
このＳ２９０が実行されるか、或いは先のＳ２２０にて最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが判定しきい値Ｖth以上であると判定された場合には、順次セットパルスＴs1〜Ｔsmを出力することにより、全てのセルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ、即ち全ての放電回路Ｐ11〜Ｐmnを起動した後（Ｓ３１０）、先のＳ１５０と同様に、ＢＣＵ１２の電源をオフして（Ｓ３２０）、本処理を終了する。
【００６３】
つまり、本処理では、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが判定しきい値Ｖthに達するまで組電池１０の充電を行っており、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、充電電流切替判定値Ｖｚに達するまでは、主回路電流Ｉｃを第１の電流値Ｉc1にして高速な充電を行い、その後、判定しきい値Ｖthに達するまでは、主回路電流Ｉｃを第２の電流値Ｉc2に下げて充電を行っている。また、この時、グループ電圧ＶＧｉが上限値ＶＨを越えて必要以上に充電されてしまうことのないように、セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ単位で、主回路電流（充電電流）Ｉｃのバイパス制御を行っている。
【００６４】
ところで、先のＳ１５０及びＳ３２０により、ＢＣＵ１２の電源がオフされると、次にイグニションスイッチがオンされるまでの間、ＣＰＵ３８はスリープ状態となり、この間、常時作動しているタイマーによって周期的（本実施形態では１５〜６０分）に、ＢＣＵ１２の電源をオンすることによりＣＰＵ３８が起動され、監視処理（Ｓ１７０）を実行する。
【００６５】
この監視処理の詳細を、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理が起動されると、まず、信号ＩＧに基づいてイグニションスイッチがオンされているか否かを判断し（Ｓ４１０）、オンされていれば、ＢＣＵ１２の電源をオンし、また、均等化フラグがセットされていれば、デコーダ３４を介してセットパルスＢＣ1s〜ＢＣmsを出力することにより、セルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ，即ち放電回路Ｐ11〜Ｐmnを全て停止させて（Ｓ４２０）、本処理を終了する。
【００６６】
一方、イグニションスイッチがオフされたままであれば、均等化フラグがセットされているかを判断し（Ｓ４３０）、セットされていなければ、そのまま本処理を終了する。一方、均等化フラグがセットされていれば、今度は、処理実行タイミングであるか否かを判断し（Ｓ４４０）、処理実行タイミングでなければ、そのまま本処理を終了する。なお、ＣＰＵ３８の起床毎に、以下に説明する処理（Ｓ４５０〜Ｓ５１０）を実行するのであれば、Ｓ４４０は省略してもよい。
【００６７】
Ｓ４４０にて、処理実行タイミングであると判定された場合、ＢＣＵ１２の電源をオンし（Ｓ４５０）、マルチプレクサ３０を介して各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍのグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍを検出し（Ｓ４６０）、その検出結果から、グループ電圧平均値ＶＧav（＝（ＣＧ１＋ＣＧ２＋…＋ＣＧｍ）／ｍ）を算出する（Ｓ４７０）。
【００６８】
そして、予め設定されている比較値ＣＶＧから、グループ電圧平均値ＶＧavを減算した値が、終了判定値δ以下であるか否かを判断し（Ｓ４８０）、終了判定値δ以下であれば、デコーダ３４を介してセットパルスＢＣ1s〜ＢＣmsを出力することにより、セルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ，即ち放電回路Ｐ11〜Ｐmnを全て停止させると共に、均等化フラグをリセットした後（Ｓ４９０）、ＢＣＵ１２の電源をオフして（Ｓ５１０）、本処理を終了する。
【００６９】
一方、Ｓ４８０にて、減算値ＣＶＧ−ＶＧavが終了判定値δより大きいと判定された場合には、Ｓ４７０にて算出されたグループ電圧平均値ＶＧavにて比較値ＣＶＧを更新（Ｓ５００）した後、同様に、ＢＣＵ１２の電源をオフして（Ｓ５１０）、本処理を終了する。
【００７０】
つまり、本処理では、均等化フラグがオンであれば、処理実行タイミング毎に、グループ電圧平均値ＶＧavを求め、その算出値が、前回の算出値ＣＶＧと比較してほとんど変化していないようであれば、全ての放電回路Ｐ11〜Ｐmnが放電が終了したものとして、放電回路Ｐ11〜Ｐmnを停止させ、均等化フラグをオフする。また、放電が終了する前に、イグニションスイッチがオンした場合には、次回イグニションスイッチがオフした時に、セル電圧の調整が行われるように、均等化フラグをオンのまま保持するようにされている。
【００７１】
ここで、本実施形態の組電池システム２の動作を、図６に示すグラフに沿って説明する。なお、ここでは、セルグループＣＧｉが、４個の単位セルＣi1〜Ｃi4からなり、図中のセル電圧及び放電電流は、最低セルグループについてのものを示した。また、時刻ｔ１の時点では、均等化フラグがセットされているものとする。
【００７２】
図６に示すように、イグニションスイッチがオンである間（時刻ｔ０〜ｔ１）、主回路電流Ｉｃは、ＨＥＶの運転状態に応じた充放電を繰り返し、イグニションスイッチがオフされると（時刻ｔ１）、一定の主回路電流Ｉｃによる組電池１０への充電が開始される。この時、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、充電電流切替判定値Ｖｚより小さいため、主回路電流Ｉｃの大きさは、第１の電流値Ｉc1に設定され、急速に充電が進行する。
【００７３】
これにより、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、充電電流切替判定値Ｖｚに達すると（時刻ｔ１１）、組電池１０を充電する主回路電流Ｉｃは、第２の電流値Ｉc2に低下し、緩やかに充電が進む。
その後、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavが、判定しきい値Ｖthに達すると（時刻ｔ２）、主回路電流Ｉｃの供給が停止され、セルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ、即ち放電回路Ｐ11〜Ｐmnによる単位セルＣ11〜Ｃmnの放電が開始されると共に、ＢＣＵ１２の電源がオフされる。
【００７４】
これにより、各単位セルＣijのセル電圧は徐々に低下し、これに伴って放電回路Ｐijを流れる電流も徐々に低下する。なお、全ての単位セルＣ11〜Ｃmnのセル電圧は、少なくとも調整電圧Ｖｚを上回っているので、各単位セルＣijはセル電圧が調整電圧Ｖｚに等しくなるまで放電回路Ｐijを介した放電が行われ、調整電圧Ｖｚに等しくなると、トランジスタＴｐがＯＮしていても、抵抗Ｒｐの両端の電位差がなくなるため、自動的に放電が終了する。
【００７５】
また、ＢＣＵ１２の電源オフ後、周期的に起床するＣＰＵ３８によって、処理実行タイミング毎にＢＣＵ１２の電源が投入され、グループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍの監視が行われる。
先に説明したように、調整電圧Ｖｚに達したセルから放電を順次終了（図では、単位セルＣi4（時刻ｔ２１），Ｃi3（時刻ｔ２２），Ｃi2（時刻ｔ２３），Ｃi1（時刻ｔ２４）の順）するため、周期的に検出されるグループ電圧平均値ＶＧavの変化率も、これに伴って小さくなり、全ての単位セルＣ11〜Ｃmnが放電を終了すると（時刻ｔ２４以降）、グループ電圧平均値ＶＧavの変化率はほぼゼロとなる。これが検出されると（時刻ｔ３）、セルグループ内の全てのセル電圧はＶｚに均しく調整されたものとして、セルばらつき調整装置ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ、即ち放電回路Ｐ11〜Ｐmnがオフにされ、均等化フラグもリセットされる。以後、待機時間を経過する毎に、イグニションスイッチがオフされると同様の処理が実行される。
【００７６】
なお、図示しないが、全ての単位セルＣ11〜Ｃmnが放電を終了する前（時刻ｔ２４以前）に、イグニションスイッチがオンした場合には、放電回路は直ちに停止されるが、均等化が完了したわけではないので、均等化フラグはセットしたままとされ、次回ののＩＧオフ時に、同様の処理が再度実行されることになる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態の組電池システム２では、放電回路Ｐijを任意に起動，停止させることができ、しかもツェナーダイオードＤｐの逆降伏電圧Ｖｚを利用して、各単位セルＣ11〜Ｃmnのセル電圧を、一定に調整（均等化）するようにされている。
【００７８】
従って、本実施形態の組電池システム２によれば、単位セルＣijが調整電圧Ｖｚに達すると放電回路Ｐijによる放電が自動的に終了するため、各単位セル毎にそのセル電圧を検出する必要がなく、システム構成を大幅に簡素化できる。
また、本実施形態では、セル電圧の調整動作を行っていない時には、放電回路Ｐijに主回路電流が流れ込まないようにできるため、調整電圧（即ち、ツェナーダイオードの逆降伏電圧）Ｖｚを、単位セルＣijの電圧使用範囲内の任意の値に設定することができる。
【００７９】
その結果、例えば、調整電圧Ｖｚを、単位セルＣijの電圧使用範囲の中間に設定すれば、ばらつき調整を行った直後であっても、単位セルＣ11〜Ｃmn（即ち組電池１０）の満充電までの空容量に余裕があり、回生電流を受け入れることが可能なため、回生電流を有効利用することができる。
【００８０】
更に、本実施形態では、イグニションスイッチがオフされている期間、即ち、負荷変動がなく安定した主回路電流を流すことができる期間にセル電圧のばらつき調整（均等化）を行っているため、予期できない大きな電流が放電回路Ｐ11〜Ｐmnに流れ込むことがなく、しかも、比較的長い時間をかけて調整することが可能であるため、放電回路Ｐ11〜Ｐmnを構成する部品（ツェナーダイオード等）の電流容量を小さくすることができ、システムの小型化，低コスト化を図ることができる。
【００８１】
また、本実施形態では、放電回路Ｐ11〜Ｐmnの起動／停止（オン／オフ）を、セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に、一括して行うように構成されているため、単位セル毎に、制御を行う従来装置と比較して、単位セル間のセル電圧のばらつきを調整するために必要な構成を大幅に削減することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、放電回路Ｐ11〜Ｐmnでの放電の終了を、各セルグループＣＧ１〜ＣＧｍのグループ電圧ＶＧ１〜ＶＧｍのみに基づいて判定しているため、簡易な構成にて簡単かつ速やかに判定できる。
また、本実施形態では、セル電圧のばらつき調整のための充電中に、グループ電圧ＶＧｉが上限値ＶＨに達したセルグループＣＧｉについては、対応するグループバイパス回路ＧＢｉを導通させて、それ以上充電が進むことのないようにされているので、この充電による、単位セルＣ11〜Ｃmnの過充電を確実に防止でき、装置の信頼性を向上させることができる。
【００８３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
例えば、上記実施形態では、放電回路Ｐ11〜Ｐmnでの放電の終了を、グループ電圧平均値ＶＧavを用いて判定しているが、組電池の両端電圧を用いて判定するようにしてもよい。
【００８４】
また、上記実施形態では、全ての放電回路Ｐ11〜Ｐmnが放電を終了してから、これら放電回路Ｐ11〜Ｐmnを一括して停止させるようにしているが、セルグループＣＧ１〜ＣＧｍ毎に、グループ電圧の変化率に基づいて放電終了の判定を行い、放電が終了したと判定されたものから順番に、セルグループ単位で放電回路Ｐi1〜Ｐinを停止させるようにしてもよい。
【００８５】
更に、上記実施形態では、最低グループ平均セル電圧ＬＶＣavの大きさにより、主回路電流（充電電流）Ｉｃの大きさを変化させているが、グループパイパス回路ＧＢ１〜ＧＢｍのうち、いずれか一つでも導通した時に、主回路電流Ｉｃを小さくするようにしてもよい。この場合、グループバイパス回路ＧＢ１〜ＧＢｍを流れる電流値の上限が制限されるため、構成部品の電流容量を小さくすることができる。
【００８６】
また、上記実施形態では、セル電圧のばらつきを直接検出することなく、待機時間が経過する毎に、セル電圧の均等化を行うようにされているが、例えば、充電量（ＳＯＣ）に対する電圧勾配が通常使用範囲と過充電または過放電範囲とで大きく異なる電池を使用している場合には、特開２０００−１３４８０５号公報に開示されているように、単位セルの電圧特性を利用してセルグループ電圧からセルばらつきを判定し、単位セルのばらつきが検出されてからセル電圧の均等化を行うようにしてもよい。この場合、均等化が無駄に実施されることを確実に防止することができる。
【００８７】
また更に、上記実施形態では、セルばらつき調整回路ＣＥＵｉにおいて、放電回路Ｐi1〜Ｐinの起動／停止を制御するトランジスタＴｄのオン／オフ状態を、ＲＳフリップフロップ回路２４で保持するようにされているが、トランジスタＴｄの代わりに、フォトカプラを設けて、フォトカプラ２０，２２、ＲＳフリップフロップ回路２４を省略した構成としてもよい。この場合、セルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍの構成を簡易化できる。
【００８８】
また、上記実施形態では、各セルグループＣＧｉを構成する単位セルの個数ｎをｎ＝６としているが、これに限定されるものではなく、使用する単位セルの耐電圧や制御性、組電池全体の構成との兼ね合い等から、適当なセル数を設定すればよい。但し、セルばらつき調整回路ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍをＩＣ化する場合は、ＩＣ回路の耐電圧とリチウム電池の平均電圧とを考慮すると、６個以内にすることが望ましい。
【００８９】
また、上記実施形態では、単位セルとしてリチウム電池を用いているが、これに限らず、鉛電池，ニッケル系電池等、任意の二次電池を単位セルとして用いることができる。
なお、水溶性の電解液を用いて構成された二次電池の場合、均等充電によるばらつきの調整が可能ではあるが、本発明を適用することにより、組電池１０を構成する各単位セルＣ11〜Ｃmnのセル電圧をより一層均一に調整することが可能となり、単位セルＣ11〜Ｃmnの過充電や過放電を防ぎながら組電池１０として持てるエネルギーを十分に引き出すことができるので、組電池１０の性能や寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の組電池システムの全体構成、及び組電池システムが組み込まれたハイブリッド自動車の駆動系の要部を表すブロック図である。
【図２】セルばらつき調整回路、及び組電池コントローラの構成を表す回路図である。
【図３】均等化処理の内容を表すフローチャートである。
【図４】予備充電処理の内容を表すフローチャートである。
【図５】監視処理の内容を表すフローチャートである。
【図６】組電池システム各部の動作や状態を表す説明図である。
【図７】従来装置の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
２…組電池システム４…ＨＥＶコントローラ（ＶＣＵ）
６…インバータ８…電動機１０…組電池
１２…組電池コントローラ（ＢＣＵ）１４…電流センサ
２０，２２…フォトカプラ２４…ＲＳフリップフロップ回路
３０…マルチプレクサ３２，３４，３６…デコーダ４０…メモリ
ＣＧ１〜ＣＧｍ…セルグループＣ11〜Ｃmn…単位セルＬ…主電源ライン
ＬＤ…制御用電源ラインＬＳ1〜ＬＳm+1…セルグループ電圧検出線
ＣＥＵ１〜ＣＥＵｍ…セルばらつき調整回路Ｐ11〜Ｐmn…放電回路
Ｂｐ…バイアス回路Ｄｐ…ツェナーダイオードＲｐ…抵抗
Ｔｐ，Ｔｄ，Ｔs1〜Ｔsm，Ｔr1〜Ｔrm…トランジスタ
ＧＢ１〜ＧＢｍ…グループバイパス回路ＶＳＣ１〜ＶＳＣｍ…電圧検出回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is a charge state control that controls the charge states of a large number of unit cells connected in series to form an assembled battery.DressRelated to the position.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for the purpose of protecting the global environment, research and development of electric vehicles (EV) that do not emit exhaust gas and hybrid electric vehicles (HEV) that can greatly reduce exhaust gas emissions have been conducted. Is already in practical use.
[0003]
As secondary batteries (batteries) used for these HEV and EV power sources, lead batteries, nickel-cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and the like are known, and in recent years, high weight energy density (lead batteries of the same capacity) Lithium batteries, which are about 4 times the size of nickel-metal hydride batteries and about 2 times smaller and lighter, are drawing attention.
[0004]
In HEV and EV, a voltage of about 300V is required to drive a motor by driving a motor. Therefore, the above battery is used as an assembled battery in which a large number of single cells (unit cells) are connected in series. Is done. For example, 150 unit cells need to be connected in series for lead batteries (about 2 V / cell), 150 for nickel metal hydride batteries (about 1.2 V / cell), and 80 for lithium secondary batteries (about 3.6 V / cell). is there.
[0005]
These unit cells are vulnerable to overcharge and overdischarge, and unless they are used at a voltage within the specified usage range, they may become unusable due to a significant decrease in capacity or abnormal heat generation due to material decomposition. is there.
In each unit cell constituting the assembled battery, chargeable capacity varies depending on individual differences in performance, ambient temperature, and leakage current, and the current flowing through each unit cell during charge / discharge of the assembled battery is the same for all unit cells. Nevertheless, it is known that the remaining capacity (SOC) of each unit cell and thus the voltage across each unit cell varies.
[0006]
In other words, when used as an assembled battery, the cell voltage variation caused by the variation in the remaining capacity between the unit cells is prevented so that the unit cells constituting the assembled battery are not overcharged or overdischarged. It must be suppressed sufficiently.
In a battery pack including a conventional lead battery, nickel cadmium battery, nickel metal hydride battery, etc. as a unit cell, the voltage across the battery pack is monitored, and the voltage across the battery (and thus the average cell voltage of each unit cell constituting the battery pack) Although charging / discharging control so as to be within a predetermined voltage range could prevent over-discharge and over-charging of the unit cell, in an assembled battery using a lithium battery as a unit cell, such control would result in over-charging of the unit cell. In addition, there is a problem in that overdischarge progresses and the performance deteriorates to the point where it cannot be used.
[0007]
That is, in a lead battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery secondary battery, etc. that are constructed using a water-soluble electrolyte, water is electrolyzed and substituted (sealed) between the unit cells. Since the variation is eliminated to some extent (equal charge), over-discharge and overcharge can be prevented by controlling the voltage across the assembled battery (average cell voltage of each unit cell constituting the assembled battery) In a lithium battery configured using an organic electrolyte, the above-described equal charge is not performed because a sealing reaction does not occur, and the method of controlling the voltage across both ends (average cell voltage) of the assembled battery increases the variation. On the other hand, overcharge and overdischarge will proceed.
[0008]
On the other hand, as a method for eliminating the cell voltage variation between the unit cells constituting the assembled battery without using the sealing reaction, for example, a zener diode is connected in parallel to each unit cell. The reverse breakdown voltage of the Zener diode is used as a threshold value so that the cell voltage is not charged exceeding the threshold value (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 61-206179), or operated in accordance with an external command. When a bypass circuit is connected in parallel with each unit cell and the cell voltage varies, the bypass circuit of the unit cell having a high cell voltage is activated and the charging current is divided (bypassed) into the unit cell. There has been proposed a device (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-19188) or the like that is adjusted so as to reduce the variation in voltage between them.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the former case where a Zener diode is connected in parallel to each unit cell, the Zener diode is activated even when a large regenerative current, that is, a current for charging the assembled battery is generated due to a load fluctuation of the device for charging and discharging the assembled battery. Therefore, a large-capacity special Zener diode that can withstand such a large current has to be used. Further, in this case, in order to suppress the variation of the unit cells, it is necessary to flow the charging current until all the Zener diodes are operated. Therefore, when the variation of the unit cells is adjusted, not only a large amount of current is wasted. Immediately after performing such variation adjustment, each unit cell is in a state where it cannot be further charged, so even if a regenerative current occurs, it is all bypassed to the bypass circuit, and the regenerative current is effectively used. There was a problem that could not be done. Furthermore, since the bypass circuit operates frequently when the threshold voltage of the Zener diode is low, the threshold value should be set to be approximately equal to the upper limit of the operating voltage range of the unit cell. There was also a problem that the degree of freedom in design was low.
[0010]
On the other hand, in the latter case where a bypass circuit capable of controlling the operation from the outside is connected in parallel to each unit cell, if this is attempted, as shown in the reference diagram of FIG. A bypass circuit BP including a detection circuit (VSC), a resistor, and a switch is provided, and the CPU is mainly configured to determine a variation state between unit cells based on a cell voltage detected by each VSC. A control device that executes processing such as controlling the bypass circuit according to the determination result is required.
[0011]
And from the problem of withstand voltage, insulation, and controllability, the number of cells that can be handled by one CPU is limited to about 10 to 20 cells. For this reason, in order to apply to an assembled battery in which several tens to several hundreds of unit cells are connected in series, such as an assembled battery used as a power source for HEV and EV, the unit of the entire assembled battery is n units (for example, n = 10). Subordinate control units BCU_L1 to BCU_Lm that are divided into a plurality of cell groups CG1 to CGm composed of cells and share voltage detection and variation adjustment for each cell group CG1 to CGm are provided, and these subordinate control units BCU_L1 to BCU_Lm are provided A superordinate control device BCU_H must be provided to adjust the entire assembled battery.
[0012]
For example, even a lithium battery capable of relatively reducing the number of cells needs to be provided with as many as 4 to 8 cell groups, that is, a control device, such as a CPU constituting the control device and a communication I / F that performs communication between the CPUs. Since a large number of expensive electronic components are required, there is a problem that the apparatus becomes complicated and expensive, and becomes large.
[0013]
  In order to solve the above problems, the present invention controls the charge state of an assembled battery comprising a plurality of rechargeable secondary batteries connected in series as unit cells.DressIt is an object of the present invention to make it possible to adjust variations between unit cells with a simple configuration.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The state of charge according to claim 1, which is an invention for achieving the above object.apparatusThenThe charging control means allows the assembled battery to be charged by flowing the main circuit current during a quiescent period in which the main circuit current flowing through the assembled battery can be controlled to a constant state. When the charging state determining means determines that the charging state of all unit cells constituting the assembled battery is equal to or higher than the adjustment voltage, the discharge starting means ends the charging by the charging control means. And the cell discharge means is activated.
Then, the cell discharge means provided for each unit cell constituting the assembled battery discharges the unit cell until the cell voltage of the unit cell reaches a preset adjustment voltage. When the cell voltage of the unit cell becomes the adjustment voltage and the cell discharge means finishes discharging, the cell discharge means detects this so that the cell discharge means does not operate even if the cell voltage exceeds the adjustment voltage. The cell discharge means is stopped.
[0015]
  Thus, the state of charge control of the present inventionapparatusAccording to the above, since the cell voltage is adjusted during the quiescent period, the main circuit current does not fluctuate irregularly during the adjustment, and a large main circuit current does not flow into the discharge circuit. A small and low-cost configuration can be achieved by using a component having a small current capacity.
[0016]
In addition, since the discharge by the discharge circuit is automatically terminated, the cell voltage can be reliably adjusted without discharging the unit cell more than necessary. In addition, since it is not necessary to constantly monitor the cell voltage of the unit cell during the discharge period, it is not necessary to provide a configuration for such monitoring, and a simple device configuration can be realized.
[0017]
In the state of charge control device of the present invention, the state of charge determination means configures the cell group for each cell group from the detection result of the voltage detection means for detecting the group voltage that is the voltage across the cell group. The unit is configured to determine the state of charge of each unit cell. Further, the discharge activation unit extracts the lowest cell group having the lowest group voltage from the detection result of the voltage detection unit, and configures the lowest cell group. When the average cell voltage of a unit cell is equal to or higher than the target voltage obtained by adding the predicted value of the amount of voltage variation between each unit cell to the adjustment voltage, the charge state of all unit cells constituting the assembled battery is equal to or higher than the adjustment voltage. The cell discharge means is collectively controlled for each cell group.
[0018]
In this way, by performing control in units of cell groups, the configuration of these charge state determination means and discharge activation means is greatly simplified compared to conventional devices that perform control in units of cell units. Can be made smaller and cheaper.
In this case, the standby time used by the activation permission unit described above is set to such a length that the amount of voltage variation between the unit cells does not exceed the predicted value during the standby time. There is a need to.
[0019]
However, even if there is a unit cell that does not exceed the adjustment voltage after charging by the charge control means because the amount of voltage variation between each unit cell exceeds the predicted value, the unit cell does not discharge by the cell discharge means. Therefore, the voltage variation between the unit cells is reliably compressed by the operation of the charge state control device.
Further, the case where the assembled battery is composed of one cell group may be considered as the cell group being the assembled battery itself, and the group voltage being the voltage across the assembled battery.
  In the state of charge control device of the present invention, the cell discharge means is activated only when adjusting the cell voltage, and is stopped so as not to operate at other times, so that the adjustment voltage is within the usable range of the cell voltage. Can be set to any value.
[0020]
  The cell discharge means is, for example,Claim 2As described, a unit cell includes a Zener diode whose reverse breakdown voltage is set to an adjustment voltage, a resistor that limits a current flowing through the Zener diode, and a switching element that interrupts a current path in which the resistor and the Zener diode are connected in series. It can be configured by connecting in parallel. The cell discharge means configured as described above can be started by closing the switch element and stopped by opening the switch element.
[0021]
  Further, the quiescent period in which charging by the charge control means is performed, that is, the quiescent period in which the main circuit current can be controlled to a constant state is, for example, when the assembled battery is an HEV or EV drive battery, This is a period in which fluctuation does not occur or a large charging current due to regenerative current does not flow.The
[0022]
  Moreover, the discharge stopping means isClaim 3As described, when the time change of the voltage across the assembled battery is detected and the time change falls below a preset lower limit value, all the cell discharge means may be stopped simultaneously. In other words, if the discharge by the cell discharge means continues in any one unit cell, the voltage across the assembled battery changes with time, so when this time change becomes sufficiently small, all unit cells It can be considered that the discharge by the cell discharge means has been completed.
[0023]
In this case, it is not necessary to provide a configuration for detecting the timing for stopping the cell discharge means and a configuration for stopping the cell discharge means based on the detection result for each unit cell, thus simplifying the apparatus configuration. it can.
In addition, instead of the voltage across the assembled battery, the average cell voltage of all unit cells constituting the assembled battery, or if the assembled battery is divided into a plurality of cell groups, all cells constituting the assembled battery Using the group average group voltage is exactly the same.
[0024]
  next,Claim 4In the state-of-charge control apparatus described above, the activation permission unit permits activation of the charge control unit and the cell discharge unit when a preset standby time has elapsed after the cell discharge unit is stopped.
  Therefore, according to the charging state control apparatus of the present invention, the cell voltage is adjusted in the first stationary state after the standby time has elapsed, and the adjustment is performed almost regularly. Can be reliably eliminated.
[0029]
Next, claim 5In the state-of-charge control device described above, bypass means for bypassing the main circuit current is provided for each cell group, and the bypass control means is configured such that the group voltage detected by the voltage detection means during charging by the charge control means. The bypass means corresponding to the cell group that is equal to or higher than the preset upper limit value is activated. The upper limit value needs to be set to a value such that when the group voltage becomes equal to the upper limit value, the cell voltage of each unit cell constituting the cell group does not exceed the upper limit voltage of the use range. There is.
[0030]
  In this case, it is possible to reliably prevent the unit cell from being overcharged by charging by the charge control means, and to improve the reliability of the device.
  By the way, as a unit cell constituting the assembled battery, various types of batteries such as a lead battery and a nickel battery can be used.Claim 6As described above, it is desirable to use a lithium battery including an electrode made of a material that occludes and releases lithium ions.
[0031]
  That is, since the lithium battery has a high energy density and a high output voltage, even if the same high voltage is obtained, an assembled battery having a large capacity can be formed with a small number of cells. The state control device can be reduced in size and weight.
  In addition, the charge state control device may be applied to an assembled battery used for any purpose.Claim 7If it applies to the thing for vehicle-mounted mounted as a motive power source of an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) as described in (1), the reliability and durability of EV or HEV can be improved.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing an overall configuration of an assembled battery system according to an embodiment to which the present invention is applied. Here, the battery pack system is incorporated in a drive system of a hybrid vehicle (HEV).
[0033]
As shown in FIG. 1, the assembled battery system 2 of the present embodiment is connected to an electric motor (MG) 8 that also serves as a motor and a generator via a main power line L and an inverter (INV) 6. A HEV controller (VCU) 4 that controls the start and stop of the electric motor 8 and the operation direction of the inverter 6 according to the running state and the state of the assembled battery system 2 is provided.
[0034]
The VCU 4 is set to travel using the driving force of the engine when the engine is driven at a constant speed with good driving efficiency. At this time, if the charge amount of the battery pack system 2 is insufficient, the VCU 4 Is set to be transmitted to the electric motor 8, the electric motor 8 operates as a generator, and the electric power generated by the electric motor 8 is supplied to the assembled battery system 2 via the inverter 6. The system 2 is charged.
[0035]
On the other hand, at the time of start-up or full acceleration when the engine operation efficiency is low, the electric power from the assembled battery system 2 is supplied to the electric motor 8 via the inverter 6, and the electric motor 8 is supplied with the electric power supplied from the assembled battery system 2. It is set to operate as a motor and travels using the driving force from the electric motor 8.
[0036]
Next, the assembled battery system 2 of the present embodiment includes an assembled battery 10 in which a number of unit cells are connected in series with a lithium battery, which is a chargeable / dischargeable secondary battery, as a unit cell. The assembled battery 10 is divided into a plurality of cell groups CG1 to CGm each consisting of a plurality of unit cells Ci1 to Cin (n = 6 in this embodiment), and this cell group CGi (i = 1 to m). A cell variation adjustment circuit CEUi that eliminates variations in cell voltages of the unit cells Ci1 to Cin constituting the cell group CGi is provided for each.
[0037]
The assembled battery system 2 includes a current sensor (CS) 14 that detects a main circuit current flowing through the main power supply line L when the assembled battery 10 is charged and discharged, a detection signal IB from the current sensor 14, and both ends of the assembled battery 10. And a control signal to each cell variation adjustment circuit CEUi based on voltage signals VS1 to VSm + 1 obtained via cell group voltage detection lines LS1 to LSm + 1 branched from the main power supply line L at the boundary of the cell group CGi. A battery pack controller (BCU) 12 is provided for executing processes such as outputting BCis and BCir and outputting various commands CMD to the VCU 4. The BCU 12 also supplies power to each cell variation adjustment circuit CEUi via the control power line LD.
[0038]
Then, as shown in FIG. 2, the cell variation adjusting circuit CEUi has a discharge circuit Pij connected in parallel to each unit cell Cij (j = 1 to n) for each unit cell Ci1 to Cin constituting the cell group CGi. (J = 1 to n).
The discharge circuit Pij includes a Zener diode Dp having a reverse breakdown voltage having the same magnitude as the adjustment voltage Vz, which will be described later, a resistor Rp that limits a current flowing through the Zener diode Dp, and a current path to the Zener diode Dp and the resistor Rp. And a bias circuit Bp, which is composed of a resistor and a diode, and drives the transistor Tp on and off. Each of the bias circuits Bp of each discharge circuit Pij is connected to the cell group voltage detection line LSi + 1 via the transistor Td.
[0039]
In the cell variation adjustment circuit CEUi, control signals (hereinafter referred to as “set pulses”) BCis and BCir supplied from the BCU 12 are supplied to the RS flip-flop circuit 24 via the photocouplers 20 and 22, respectively. The transistor Td is controlled to be turned on / off by the output of the flip-flop circuit 24.
[0040]
However, the RS flip-flop circuit 24 is set so that the output Q becomes high level by a control signal (hereinafter referred to as “set pulse”) BCis, and the output Q is set to low level by a control signal (hereinafter referred to as “reset pulse”) BCir. Is reset to Further, in the cell variation adjustment circuit CEUi, the RS flip-flop circuit 24 operates by receiving power supply from the cell group CGi, and the photocouplers 20 and 22 have the input side via the control power line LD from the BCU 12. The output side is configured to operate by receiving power supply from the cell group CGi.
[0041]
In the cell variation adjustment circuit CEUi configured as described above, when the set pulse BCis is input, the transistor Td is turned on, and a current is supplied to the bias circuits Bp of all the discharge circuits Pi1 to Pin constituting the cell variation adjustment circuit CEUi. Since the transistor Tp is turned on, the discharge cells Pi1 to Pin can discharge the unit cells Ci1 to Cin via the resistor Rp and the Zener diode Dp. However, each discharge circuit Pij discharges only when the cell voltage of the unit cell Cij is equal to or higher than the adjustment voltage Vz. On the other hand, when the reset pulse BCir is input, the transistor Td is turned off. As a result, in all the discharge circuits Pi1 to Pin constituting the cell variation adjusting circuit CEUi, the unit cells Ci1 to Cin via the resistor Rp and the Zener diode Dp are used. Is stopped.
[0042]
That is, by using the set pulse BCis and the reset pulse BCir to start and stop the cell variation adjustment circuit CEUi (discharge circuits Pi1 to Pin), the discharge of the unit cells C11 to Cmn is performed in the cell group CGi (Ci1 to Cin). ) Can be controlled collectively at every time.
[0043]
On the other hand, the BCU 12 includes a voltage detection circuit VSCi that detects a voltage between the cell group voltage detection lines LSi and LSi + 1, that is, a group voltage VGi (= VSi−VSi + 1) of the cell group CGi, a resistor Rgp, and a transistor Tgp. Thus, a group bypass circuit GBi for conducting the cell group voltage detection lines LSi and LSi + 1, a transistor Tsi connected to a control line for supplying a set pulse BCis to CEUi, and a reset pulse BCir to CEUi are supplied. A transistor Tri connected to the control line is provided for each cell group CG1 to CGm.
[0044]
Further, the BCU 12 selects any one of the voltage detection circuits VSC1 to VSCm provided for each of the cell groups CG1 to CGm, and takes in the group voltage VGi detected by the selected voltage detection circuit VSCi. Multiplexer (MPX) 30 and any one of the cell groups CG1 to CGm, and control for turning on and off the group bypass circuit GBi and the transistors Tsi and Tri corresponding to the selected cell group CGi, respectively. Decoders (DEC1 to DEC3) 32, 34, and 36 that output signals, group voltages VG1 to VGm obtained through the multiplexer 30, a signal IG that represents the operation state of the ignition switch, and a detection signal IB from the current sensor 14 On the basis of the control signal B for the cell variation adjusting device CEUi. An arithmetic processing unit (CPU) 38 that executes processing such as generation of various commands CMD to Cis, BCir and VCU 4 and a memory 40 that stores data necessary for the processing are provided.
[0045]
In the assembled battery system 2 configured as described above, when the electric motor 8 is used as a motor, the electric power stored in the assembled battery 10 is supplied to the electric motor via the main power supply line L connected to both ends of the assembled battery 10. When the electric motor 8 is used as a generator, the electric power supplied from the electric motor 8 through the main power line L is charged to the assembled battery 10.
[0046]
Further, when the variation of the cell voltage between the unit cells is expanded by repeating the charging and discharging of the assembled battery 10, cell variation adjustment circuits CEU1 to CEUm for controlling the discharge of the unit cells C11 to Cmn for each cell group CG1 to CGm are provided. By using the same, the cell voltages of all the unit cells C11 to Cmn are made equal to the adjustment voltage Vz, thereby controlling the cell voltage variation among the unit cells Cij.
[0047]
The set pulse BCis for starting the cell variation adjustment circuit CEUi is generated by momentarily closing the transistor Tsi via the decoder 34, and the reset pulse BCir for stopping the cell variation adjustment circuit CEUi is also transmitted via the decoder 36. It is generated by momentarily closing the transistor Tri.
[0048]
Hereinafter, the equalization process executed by the CPU 38 in order to eliminate the cell voltage variation between the unit cells C11 to Cmn will be described in detail with reference to the flowcharts shown in FIGS.
The CPU 38 includes a timer that shifts to the sleep state when the power of the BCU 12 is turned off and operates in the sleep state. The CPU 38 is configured to wake up the CPU 38 from the sleep state by using this timer.
[0049]
As shown in FIG. 3, in this process, a preset standby time (for example, 72 to 168 hours in the present embodiment) has been set after the equalization flag is finally reset (process in S470 described later). It is determined whether or not the time has elapsed (S110). If the standby time has elapsed, the equalization flag is set (S120). The standby time is estimated as a time until the cell voltage variation between the unit cells C11 to Cmn reaches a predetermined value Δ, which will be described later, based on the self-discharge variation, and the safety factor α (0 <α It may be set to the time multiplied by ≦ 1).
[0050]
Next, it is determined whether or not the ignition switch is turned off based on the signal IG (S130). If not, the process returns to S110. On the other hand, if it is determined in S130 that the ignition switch is turned off, it is determined whether or not the equalization flag is set (S140). If not, the power of the BCU 12 is turned off. After executing (S150) and the monitoring process (S170: details will be described later), this process ends.
[0051]
On the other hand, if it is determined in S140 that the equalization flag is set, the precharging process is executed on the assumption that the operation of eliminating the cell voltage variation between the unit cells C11 to Cmn is started ( S160), this process is terminated.
Here, the details of the preliminary charging process will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0052]
That is, in this process, as shown in FIG. 4, first, the group voltages VG1 to VGm of each cell group CG1 to CGm are read via the multiplexer 30, and the group voltage is the lowest based on the read group voltages VG1 to VGm. The lowest cell group CGmin is extracted, and the lowest group average cell voltage LVCav (= VGmin / n), which is the average voltage of the unit cells constituting the lowest cell group CGmin, is calculated (S210).
[0053]
Next, an adjustment voltage (reverse breakdown voltage of the Zener diode Dp) Vz plus a predicted value Δ of the variation amount of the cell voltage between the unit cells C11 to Cmn is used as a determination threshold value Vth (= Vz + Δ). It is determined whether or not the lowest group average cell voltage LVCav calculated in S210 is equal to or higher than a determination threshold value Vth (S220). Note that the predicted value Δ is set so that Δ ≧ VCav−VCmin, for example, when the average cell voltage in the cell group is VCav and the minimum cell voltage is VCmin.
[0054]
When it is determined that the lowest group average cell voltage LVCav is smaller than the determination threshold value Vth, the group voltages VG1 to VGm acquired in S210 are equal to or higher than a preset upper limit value VH. If there is a cell group CGi, the group bypass circuit GBi corresponding to the cell group CGi is set to be conductive, so that charging to these cell groups CGi is avoided (S230). A charge command is output (S240).
[0055]
The upper limit value VH is such that when the group voltage VGi becomes equal to the upper limit value VH, the cell voltage of each of the unit cells Ci1 to Cin constituting the cell group CGi does not exceed the upper limit voltage in the use range. It is necessary to set a value like this. For example, the voltage variation amount between the unit cells C11 to Cmn from the upper limit group voltage when it is assumed that the cell voltages of all the unit cells Ci1 to Cin constituting the cell group CGi are the upper limit voltage of the use range. A value obtained by subtracting the predicted value and multiplying by the safety coefficient β (0 <β ≦ 1) may be set as the upper limit value VH.
[0056]
In addition, even when the ignition switch is turned off, the VCU 4 continues the operation of the engine to enable the supply of the charging current to the assembled battery system 2 when the charging command is input from the BCU 12, and then The engine is stopped when a charge stop command (described later) is input from the BCU 12. On the other hand, when the ignition switch is turned off and the charging command from the BCU 12 is not input, the engine is operated to stop as it is.
[0057]
Further, the VCU 4 to which the charging command is input starts charging the assembled battery 10 by flowing the main circuit current Ic having a predetermined magnitude by setting the electric motor 8 to be used as a generator. However, the magnitude of the main circuit current Ic becomes the first current value Ic1 when the lowest group average cell voltage LVCav is smaller than a preset charging current switching determination value (adjusted voltage Vz in the present embodiment). When the voltage is equal to or higher than the voltage, the second current value Ic2 (<Ic1) smaller than the first current value is set.
[0058]
Next, it is determined whether or not the ignition switch is turned on (S250). If it is turned on, a charge stop command is output to the VCU 4, and the group bypass circuit GBi turned on in S230 and S280 is turned off. (S300), the process returns to S110.
[0059]
On the other hand, if it is determined in S250 that the ignition switch remains off, the group voltages VG1 to VGm are obtained and the lowest group average cell voltage LVCav is calculated (S260), as in S210 above. Similarly to the previous S220, it is determined whether or not the lowest group average cell voltage LVCav is equal to or higher than the determination threshold value Vth (S270).
[0060]
As a result, if the lowest group average cell voltage LVCav is smaller than the determination threshold value Vth, the group bypass circuit GBi corresponding to the cell group CGi whose group voltage VGi is equal to or higher than the upper limit value VH is made conductive as in the previous S230. After (S280), the process returns to S250.
[0061]
In S280, when the lowest group average cell voltage LVCav reaches the charging current switching determination value Vz, a command for reducing the main circuit current from Ic1 to Ic2 (<Ic1) is output to the VCU4.
On the other hand, if it is determined in S270 that the lowest group average cell voltage LVCav is equal to or higher than the determination threshold value Vth, a charge stop command is output to VCU4 as in S300, and in S230 and S280. The turned on group bypass circuit GBi is turned off (S290).
[0062]
When this S290 is executed, or when it is determined in the previous S220 that the lowest group average cell voltage LVCav is equal to or higher than the determination threshold value Vth, the set pulses Ts1 to Tsm are output in sequence. After starting the cell variation adjustment circuits CEU1 to CEUm, that is, all the discharge circuits P11 to Pmn (S310), the power supply of the BCU 12 is turned off (S320) as in the previous S150, and this process ends.
[0063]
That is, in this process, the assembled battery 10 is charged until the lowest group average cell voltage LVCav reaches the determination threshold value Vth, and until the lowest group average cell voltage LVCav reaches the charging current switching determination value Vz, The main circuit current Ic is set to the first current value Ic1, and high-speed charging is performed. Thereafter, the main circuit current Ic is decreased to the second current value Ic2 until the determination threshold value Vth is reached. . At this time, bypass control of the main circuit current (charging current) Ic is performed in units of cell groups CG1 to CGm so that the group voltage VGi does not exceed the upper limit value VH and is not charged more than necessary. Yes.
[0064]
By the way, when the power of the BCU 12 is turned off by the previous S150 and S320, the CPU 38 is in a sleep state until the ignition switch is turned on next time. In the embodiment, when the power of the BCU 12 is turned on at 15 to 60 minutes), the CPU 38 is activated and the monitoring process (S170) is executed.
[0065]
Details of this monitoring process will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
When this process is started, it is first determined whether or not the ignition switch is turned on based on the signal IG (S410). If it is turned on, the power of the BCU 12 is turned on, and the equalization flag is set. If set, the set pulses BC1s to BCms are output via the decoder 34 to stop all the cell variation adjustment circuits CEU1 to CEUm, that is, the discharge circuits P11 to Pmn (S420), and the process is terminated. .
[0066]
On the other hand, if the ignition switch remains off, it is determined whether the equalization flag is set (S430). If not, the process is terminated. On the other hand, if the equalization flag is set, it is determined whether or not it is the process execution timing (S440). If it is not the process execution timing, this process is terminated as it is. In addition, if the process (S450-S510) demonstrated below is performed for every wake-up of CPU38, S440 may be abbreviate | omitted.
[0067]
If it is determined in S440 that the processing execution timing is reached, the power of the BCU 12 is turned on (S450), and the group voltages VG1 to VGm of the cell groups CG1 to CGm are detected via the multiplexer 30 (S460). From the detection result, a group voltage average value VGav (= (CG1 + CG2 +... + CGm) / m) is calculated (S470).
[0068]
Then, it is determined whether or not the value obtained by subtracting the group voltage average value VGav from the preset comparison value CVG is equal to or smaller than the end determination value δ (S480). 34, by outputting set pulses BC1s to BCms, the cell variation adjusting circuits CEU1 to CEUm, that is, the discharge circuits P11 to Pmn are all stopped and the equalization flag is reset (S490). It is turned off (S510), and this process ends.
[0069]
On the other hand, if it is determined in S480 that the subtraction value CVG-VGav is larger than the end determination value δ, the comparison value CVG is updated with the group voltage average value VGav calculated in S470 (S500), Similarly, the power of the BCU 12 is turned off (S510), and this process is terminated.
[0070]
That is, in this process, if the equalization flag is on, the group voltage average value VGav is obtained at each process execution timing, and the calculated value does not seem to change much compared to the previous calculated value CVG. If there is, it is determined that all the discharge circuits P11 to Pmn have finished discharging, and the discharge circuits P11 to Pmn are stopped and the equalization flag is turned off. Further, when the ignition switch is turned on before the discharge is finished, the equalization flag is kept on so that the cell voltage is adjusted when the ignition switch is turned off next time. .
[0071]
Here, operation | movement of the assembled battery system 2 of this embodiment is demonstrated along the graph shown in FIG. Here, the cell group CGi is composed of four unit cells Ci1 to Ci4, and the cell voltage and discharge current in the figure are those for the lowest cell group. It is assumed that the equalization flag is set at the time t1.
[0072]
As shown in FIG. 6, while the ignition switch is on (time t0 to t1), the main circuit current Ic is repeatedly charged and discharged according to the operating state of the HEV, and when the ignition switch is turned off (time t1). Then, charging of the assembled battery 10 with a constant main circuit current Ic is started. At this time, since the lowest group average cell voltage LVCav is smaller than the charging current switching determination value Vz, the magnitude of the main circuit current Ic is set to the first current value Ic1, and charging proceeds rapidly.
[0073]
As a result, when the lowest group average cell voltage LVCav reaches the charging current switching determination value Vz (time t11), the main circuit current Ic for charging the assembled battery 10 decreases to the second current value Ic2, and is charged slowly. Advances.
Thereafter, when the lowest group average cell voltage LVCav reaches the determination threshold value Vth (time t2), the supply of the main circuit current Ic is stopped, and the unit cell by the cell variation adjustment circuits CEU1 to CEUm, that is, the discharge circuits P11 to Pmn. The discharge of C11 to Cmn is started and the power supply of the BCU 12 is turned off.
[0074]
As a result, the cell voltage of each unit cell Cij gradually decreases, and accordingly, the current flowing through the discharge circuit Pij also gradually decreases. Since the cell voltages of all the unit cells C11 to Cmn are at least higher than the adjustment voltage Vz, each unit cell Cij is discharged through the discharge circuit Pij until the cell voltage becomes equal to the adjustment voltage Vz. When the voltage becomes equal to the adjustment voltage Vz, even if the transistor Tp is ON, the potential difference between both ends of the resistor Rp disappears, so that the discharge automatically ends.
[0075]
Further, after the power of the BCU 12 is turned off, the CPU 38 that wakes up periodically turns on the power of the BCU 12 at each processing execution timing, and monitors the group voltages VG1 to VGm.
As described above, the discharge is sequentially terminated from the cells that have reached the adjustment voltage Vz (in the figure, the order of the unit cells Ci4 (time t21), Ci3 (time t22), Ci2 (time t23), Ci1 (time t24). Therefore, the rate of change of the group voltage average value VGav detected periodically decreases accordingly, and when all the unit cells C11 to Cmn finish discharging (after time t24), the group voltage average value VGav The rate of change of is almost zero. When this is detected (time t3), it is assumed that all the cell voltages in the cell group have been uniformly adjusted to Vz, and the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm, that is, the discharge circuits P11 to Pmn are turned off and equalized. The flag is also reset. Thereafter, every time the standby time elapses, the same processing is executed when the ignition switch is turned off.
[0076]
Although not shown, if the ignition switch is turned on before all the unit cells C11 to Cmn finish discharging (before time t24), the discharge circuit is immediately stopped, but the equalization is completed. Therefore, the equalization flag remains set, and the same processing is executed again at the next IG OFF.
[0077]
As described above, in the assembled battery system 2 of the present embodiment, the discharge circuit Pij can be arbitrarily started and stopped, and each of the unit cells C11 to Cmn is utilized using the reverse breakdown voltage Vz of the Zener diode Dp. The cell voltage is adjusted to be constant (equalized).
[0078]
Therefore, according to the assembled battery system 2 of the present embodiment, when the unit cell Cij reaches the adjustment voltage Vz, the discharge by the discharge circuit Pij is automatically terminated. Therefore, it is necessary to detect the cell voltage for each unit cell. The system configuration can be greatly simplified.
In the present embodiment, when the cell voltage adjustment operation is not performed, the main circuit current can be prevented from flowing into the discharge circuit Pij, so that the adjustment voltage (that is, the reverse breakdown voltage of the Zener diode) Vz is set to the unit cell. It can be set to any value within the voltage usage range of Cij.
[0079]
As a result, for example, if the adjustment voltage Vz is set in the middle of the voltage usage range of the unit cell Cij, even after the variation adjustment, the unit cells C11 to Cmn (that is, the assembled battery 10) are fully charged. Therefore, the regenerative current can be used effectively.
[0080]
Furthermore, in this embodiment, since the cell voltage variation adjustment (equalization) is performed during the period when the ignition switch is turned off, that is, the period in which a stable main circuit current can flow without load fluctuation, Since a large current that cannot be performed does not flow into the discharge circuits P11 to Pmn and can be adjusted over a relatively long time, the current capacity of components (such as Zener diodes) constituting the discharge circuits P11 to Pmn Therefore, the system can be reduced in size and cost.
[0081]
In this embodiment, since the activation / stop (on / off) of the discharge circuits P11 to Pmn is performed collectively for each cell group CG1 to CGm, control is performed for each unit cell. Compared with the conventional apparatus which performs, the structure required in order to adjust the dispersion | variation in the cell voltage between unit cells can be reduced significantly.
[0082]
In the present embodiment, the end of the discharge in the discharge circuits P11 to Pmn is determined based only on the group voltages VG1 to VGm of the cell groups CG1 to CGm. Therefore, the configuration is simple and quick. Can be judged.
Further, in the present embodiment, during the charging for adjusting the variation in the cell voltage, for the cell group CGi in which the group voltage VGi has reached the upper limit value VH, the corresponding group bypass circuit GBi is made conductive and further charging is performed. Since it does not proceed, overcharging of the unit cells C11 to Cmn due to this charging can be reliably prevented, and the reliability of the device can be improved.
[0083]
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.
For example, in the above embodiment, the end of discharge in the discharge circuits P11 to Pmn is determined using the group voltage average value VGav, but may be determined using the voltage across the assembled battery.
[0084]
In the above embodiment, after all the discharge circuits P11 to Pmn have finished discharging, the discharge circuits P11 to Pmn are collectively stopped. However, for each cell group CG1 to CGm, a group voltage is set. The discharge end may be determined based on the change rate of the discharge circuit, and the discharge circuits Pi1 to Pin may be stopped for each cell group in order from the determination that the discharge has ended.
[0085]
Furthermore, in the above embodiment, the magnitude of the main circuit current (charging current) Ic is changed according to the magnitude of the lowest group average cell voltage LVCav, but any one of the group bypass circuits GB1 to GBm can be used. When conducting, the main circuit current Ic may be reduced. In this case, since the upper limit of the current value flowing through the group bypass circuits GB1 to GBm is limited, the current capacity of the component can be reduced.
[0086]
In the above embodiment, the cell voltage is equalized every time the standby time elapses without directly detecting the variation in the cell voltage. For example, the voltage gradient with respect to the charge amount (SOC) However, when using batteries that are significantly different between the normal use range and the overcharge or overdischarge range, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-134805, the cell characteristics of the unit cell are utilized. The cell variation may be determined from the group voltage, and the cell voltage may be equalized after the unit cell variation is detected. In this case, it is possible to reliably prevent the equalization from being performed wastefully.
[0087]
In the above embodiment, the RS flip-flop circuit 24 holds the on / off state of the transistor Td that controls the start / stop of the discharge circuits Pi1 to Pin in the cell variation adjustment circuit CEUi. Instead of the transistor Td, a photocoupler may be provided, and the photocouplers 20 and 22 and the RS flip-flop circuit 24 may be omitted. In this case, the configuration of the cell variation adjustment circuits CEU1 to CEUm can be simplified.
[0088]
Moreover, in the said embodiment, although the number n of unit cells which comprise each cell group CGi is set to n = 6, it is not limited to this, The withstand voltage and controllability of the unit cell to be used, the whole assembled battery An appropriate number of cells may be set in consideration of the above configuration. However, in the case where the cell variation adjusting circuits CEU1 to CEUm are integrated, it is desirable that the cell variation adjusting circuits CEU1 to CEUm be within six in consideration of the withstand voltage of the IC circuit and the average voltage of the lithium battery.
[0089]
Moreover, in the said embodiment, although the lithium battery is used as a unit cell, not only this but arbitrary secondary batteries, such as a lead battery and a nickel-type battery, can be used as a unit cell.
Note that, in the case of a secondary battery configured using a water-soluble electrolytic solution, it is possible to adjust variation due to uniform charging, but by applying the present invention, each unit cell C11˜ The cell voltage of Cmn can be adjusted more uniformly, and the energy that can be held as the assembled battery 10 can be sufficiently extracted while preventing overcharge and overdischarge of the unit cells C11 to Cmn. And can improve the service life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of an assembled battery system according to an embodiment and a main part of a drive system of a hybrid vehicle in which the assembled battery system is incorporated.
FIG. 2 is a circuit diagram showing configurations of a cell variation adjustment circuit and an assembled battery controller.
FIG. 3 is a flowchart showing the content of equalization processing.
FIG. 4 is a flowchart showing the contents of a preliminary charging process.
FIG. 5 is a flowchart showing the contents of monitoring processing.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing operations and states of each part of the assembled battery system.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
2 ... Battery system 4 ... HEV controller (VCU)
6 ... Inverter 8 ... Electric motor 10 ... Battery pack
12 ... Battery controller (BCU) 14 ... Current sensor
20, 22 ... Photocoupler 24 ... RS flip-flop circuit
30 ... Multiplexer 32, 34, 36 ... Decoder 40 ... Memory
CG1 to CGm ... cell group C11 to Cmn ... unit cell L ... main power supply line
LD ... Power line for control LS1 to LSm + 1 ... Cell group voltage detection line
CEU1 to CEUm: Cell variation adjustment circuit P11 to Pmn: Discharge circuit
Bp: Bias circuit Dp: Zener diode Rp: Resistance
Tp, Td, Ts1 to Tsm, Tr1 to Trm ... transistors
GB1 to GBm: Group bypass circuit VSC1 to VSCm: Voltage detection circuit

Claims

The rechargeable secondary battery as a unit cell, Ri Na by connecting the unit cells in series a plurality, and the charging of the battery, each having one or a plurality of cell groups comprising a plurality of unit cells A state of charge control device for controlling the state,
Charge state determination means for determining a charge state of each unit cell constituting the assembled battery;
Cell discharge means provided for each unit cell constituting the assembled battery and discharging the unit cell until the cell voltage of the unit cell reaches a preset adjustment voltage when activated,
Charging control means for charging the assembled battery by flowing the main circuit current during a quiescent period in which the main circuit current flowing through the assembled battery can be controlled in a constant state;
After the charging control means starts charging, when the charging state determination means determines that the charging state of all unit cells constituting the assembled battery is equal to or higher than the adjustment voltage, the charging control Discharge starting means for ending charging by the means and starting the cell discharging means;
A discharge stop means for detecting the end of discharge of the cell discharge means and stopping the cell discharge means;
With
The charging state determination unit includes a voltage detection unit that detects a group voltage that is a voltage across the cell group for each cell group, and the cell group is determined for each cell group based on a detection result of the voltage detection unit. Determine the state of charge of each unit cell that constitutes,
The discharge activation means extracts the lowest cell group having the lowest group voltage from the detection result of the voltage detection means, and the average cell voltage of the unit cells constituting the lowest cell group corresponds to each of the adjustment voltages. When it is equal to or higher than the target voltage obtained by adding the predicted value of the amount of voltage variation between unit cells, it is determined that the charging state of all unit cells constituting the assembled battery is equal to or higher than the adjustment voltage, and A state-of-charge control device for controlling cell discharge means collectively for each cell group .

The cell discharge means includes a Zener diode whose reverse breakdown voltage is set to the adjustment voltage, a resistor that limits a current flowing through the Zener diode, and a switching element that intermittently connects a current path in which the resistor and the Zener diode are connected in series. 2. The state-of-charge control device according to claim 1 , wherein the charge state control device is connected in parallel to the unit cell, and is started by closing the switch element and stopped by opening the switch element.

The charge state control device according to claim 1 , wherein the charge control unit sets an off period of an ignition switch as the stationary period.

After stopping of the cell discharge means, when the elapse of a preset waiting time, claims 1 to 3, characterized in that a start permission means for permitting the start of the charging control means and the cell discharge means The charge state control apparatus in any one.

Bypass means provided for each cell group and bypassing the main circuit current;
Bypass control means for operating the bypass means corresponding to a cell group in which the group voltage detected by the voltage detection means is equal to or higher than a preset upper limit value during charging by the charge control means;
The charge state control device according to claim 1 , wherein the charge state control device is provided.

6. The state-of-charge control device according to claim 1 , wherein the unit cell is a lithium battery including an electrode made of a material that occludes and releases lithium ions.

The charge state control device according to any one of claims 1 to 6 , wherein the assembled battery is a vehicle-mounted device mounted as a power source of an electric vehicle or a hybrid electric vehicle.