JP4218587B2 - 組電池の容量調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルから構成される組電池の容量を調整する装置に関する。

組電池を構成する各セルの電圧を検出し、全セル電圧のうち、最も電圧値が低いセルを基準として、容量調整を行う技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−６１２５７号公報

しかしながら、従来の容量調整装置では、全セルの電圧を検出するために、各セルごとに電圧検出回路を備える必要があるという問題があった。

本発明による組電池の容量調整装置は、組電池の総電圧の値に基づいて算出されるセルの平均電圧の値と所定のしきい値電圧の値とを比較し、電圧比較結果に基づいて、容量調整基準電圧を複数の容量調整基準電圧の中で切り換えて、容量調整を行うことを特徴とする。

本発明による組電池の容量調整装置によれば、組電池の総電圧に基づいて算出されるセルの平均電圧に基づいて、容量調整を行うための容量調整基準電圧を切り換えるので、各セルごとに電圧検出回路を設けずに、適切な容量調整を行うことができる。

図１は、本発明による組電池の容量調整装置の一実施の形態の構成を示す図である。以下では、一実施の形態における組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した例について説明する。一実施の形態における組電池の容量調整装置は、容量調整回路１０と、電圧センサ２と、バッテリコントローラ３とを備える。容量調整回路１０は、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と、コンパレータ（電圧比較器）１１と、スイッチ１２と、基準電圧生成回路１３と、異常判定部１４とを備える。なお、図１では、セルＳ１に対応する容量調整回路１０しか示していないが、全てのセルＳ１〜Ｓｎに対して、図１に示す容量調整回路１０と同様の構成の容量調整回路が設けられている。

組電池１は、例えば、リチウムイオンバッテリであり、複数のセルＳ１〜Ｓｎを直列に接続して構成される。電圧センサ２は、組電池１の総電圧Ｖtを検出して、バッテリコントローラ３に出力する。

容量調整抵抗である抵抗Ｒ１の一端は、セルＳ１の正極端子と接続され、他端は、コンパレータ１１の出力端子と接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、セルＳ１の正極端子と接続され、他端は抵抗Ｒ３の一端と接続されている。抵抗Ｒ３の他端は、セルＳ１の負極端子と接続されている。抵抗Ｒ４の一端は、セルＳ１の負極端子と接続され、他端は、コンパレータ１１のプラス端子（非反転入力端子）と接続されている。抵抗Ｒ６は、コンパレータ１１のプラス端子と基準電圧生成回路１３との間に設けられている。容量調整電圧可変抵抗である抵抗Ｒ５およびスイッチ１２からなる直列回路は、抵抗Ｒ４と並列に接続されている。

コンパレータ１１のマイナス端子（反転入力端子）には、セルＳ１の電圧を抵抗Ｒ２およびＲ３で分割された電圧が入力される。また、コンパレータ１１のプラス端子には、セルの容量調整を行う際の基準電圧が入力される。この基準電圧は、スイッチ１２のオン／オフの状態に応じて、値が変わる。すなわち、スイッチ１２がオフしている状態に対して、スイッチ１２がオンすると、コンパレータ１１のプラス端子に入力される基準電圧は上昇する。

容量調整回路１０では、コンパレータ１１のマイナス端子に入力される電圧がプラス端子に入力される電圧より高くなると、容量調整抵抗Ｒ１に電流が流れて、容量調整が行われる。上述したように、コンパレータ１１のマイナス端子には、セルＳ１の電圧を抵抗Ｒ２およびＲ３で分割された電圧が入力されるが、以下では、説明を容易にするために、セルＳ１の電圧が容量調整時の基準電圧である容量調整基準電圧より高くなった時に、容量調整抵抗Ｒ１に電流が流れて、容量調整が行われるものとして説明する。また、スイッチ１２がオンした状態における容量調整基準電圧をＶ１とし、スイッチ１２がオフした状態における容量調整基準電圧をＶ２として説明する。

バッテリコントローラ３は、電圧センサ２により検出された組電池１の総電圧Ｖtに基づいて、セルの平均電圧Ｖave（＝Ｖt／ｎ）を算出する。また、算出した平均電圧Ｖaveと、所定の設定電圧Ｖsetとを比較することにより、スイッチ１２のオン／オフを決定する。すなわち、平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖsetより高い場合には、スイッチ１２をオンし、平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖset以下であれば、スイッチ１２をオフする。なお、設定電圧Ｖsetと、容量調整基準電圧Ｖ１およびＶ２との間には、次式（１）の関係が成り立つものとする。
Ｖset＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２ （１）

図２は、セルの平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖsetより高い場合に、セルの容量調整を行う前後の電圧バラツキを示す図である。図２（ａ）は、容量調整前の各セルの電圧バラツキを示し、図２（ｂ）は、容量調整後の各セルの電圧バラツキを示している。上述したように、平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖsetより高い場合には、スイッチ１２がオンされるので、容量調整基準電圧は、Ｖ１に設定される。従って、各セルＳ１〜Ｓｎの電圧のうち、容量調整基準電圧Ｖ１より高い電圧は、各セルに対応して設けられている容量調整抵抗を介して放電が行われる（図２（ｂ）参照）。

図３は、セルの平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖset以下である場合に、セルの容量調整を行う前後の電圧バラツキを示す図である。図３（ａ）は、容量調整前の各セルの電圧バラツキを示し、図３（ｂ）は、容量調整後の各セルの電圧バラツキを示している。上述したように、平均電圧Ｖaveが設定電圧Ｖset以下の場合には、スイッチ１２がオフされるので、容量調整基準電圧は、Ｖ１より低いＶ２に設定される。従って、各セルＳ１〜Ｓｎの電圧のうち、容量調整基準電圧Ｖ２より高い電圧は、容量調整抵抗を介して放電が行われる（図３（ｂ）参照）。

このように、組電池１の総電圧Ｖtに基づいて算出されるセルの平均電圧Ｖaveに基づいて、容量調整基準電圧を切り換えることにより、組電池１の充電状態に応じた適切な容量調整を行うことができる。また、各セルの電圧を検出するためのセル電圧検出回路を設ける必要がないので、装置全体を小型化することができる。

異常判定部１４は、図示しないコンパレータを備え、セルＳ１の電圧と所定の過充電判定電圧とを比較して、セル電圧が過充電判定電圧より高いと判定すると、セルＳ１が過充電異常であることを示す信号をバッテリコントローラ３に出力する。また、異常判定部１４は、セルＳ１の電圧と所定の過放電判定電圧とを比較し、セル電圧が過放電判定電圧より低いと判定すると、セルＳ１が過放電異常であることを示す信号をバッテリコントローラ３に出力する。なお、図示しないコンパレータには、過充電判定電圧と過放電判定電圧とが切り換えて入力される。

バッテリコントローラ３は、各セルＳ１〜Ｓｎに対応して設けられている異常判定部のうち、いずれかの異常判定部からセルの過充電異常または過放電異常を示す信号が入力されると、後述する方法によって、組電池１の充放電を制御するとともに、スイッチ１２のオン／オフを制御する。

図４は、過充電異常のセルが存在する場合に、セルの容量調整を行って、過充電異常のセルの電圧を低下させる様子を示す図である。図４（ａ）は、容量調整前の各セルの電圧バラツキを示し、図４（ｂ）は、容量調整中の各セルの電圧バラツキを示している。異常判定部から過充電異常のセルが存在する旨の信号を受信したバッテリコントローラ３は、スイッチ１２をオフするとともに、所定時間だけ組電池１全体の放電を行う。これにより、各セルＳ１〜Ｓｎの電圧のうち、容量調整基準電圧Ｖ２より高い電圧は、各セルに対応して設けられている容量調整抵抗を介して放電が行われる。特に、組電池１全体の放電を行うので、過充電異常のセルをより早く正常な状態にすることができる。

図５は、過放電異常のセルが存在する場合に、セルの容量調整を行って、過放電異常のセルの電圧を上昇させる様子を示す図である。図５（ａ）は、容量調整前の各セルの電圧バラツキを示し、図５（ｂ）は、容量調整中の各セルの電圧バラツキを示している。この場合、バッテリコントローラ３は、スイッチ１２をオンするとともに、所定時間だけ組電池１全体の充電を行う。これにより、各セルＳ１〜Ｓｎの電圧が上昇するが、容量調整基準電圧Ｖ１より高くなったセル電圧は、各セルに対応して設けられている容量調整抵抗を介して放電が行われる。これにより、過放電異常のセルをより早く正常な状態にするとともに、各セル間の容量調整を行うことができる。

なお、組電池１の充電時に、バッテリコントローラ３は、図示しないハイブリッドコントロールシステムに対して、組電池１の充電指令を出力する。充電指令を受けたハイブリッドコントロールシステムは、図示しないエンジンを駆動させて図示しないモータを回転させる。このモータの回転によって発生する回生電力を用いて、組電池１の充電を行う。

また、組電池１の放電時に、バッテリコントローラ３は、図示しないハイブリッドコントロールシステムに対して、組電池１の放電指令を出力する。放電指令を受けたハイブリッドコントロールシステムは、組電池１の蓄電電力を用いて図示しないモータを回転させることにより、組電池１の放電を行う。

図６は、一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる処理内容を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、バッテリコントローラ３により行われる。ステップＳ１０では、電圧センサ２によって、組電池１の総電圧Ｖtを検出する。組電池１の総電圧Ｖtが電圧センサ２からバッテリコントローラ３に入力されると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で検出された総電圧Ｖtに基づいて、セルＳ１〜Ｓｎの平均電圧Ｖaveを算出する。平均電圧Ｖaveを算出すると、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、平均電圧Ｖaveと所定の設定電圧Ｖsetとを比較することにより、スイッチ１２のオン／オフを制御して、容量調整基準電圧を設定する。すなわち、Ｖave＞Ｖsetの関係が成り立つ場合には、スイッチ１２をオンして、容量調整基準電圧をＶ１に設定し、Ｖave≦Ｖsetの関係が成り立つ場合には、スイッチ１２をオフして、容量調整基準電圧をＶ２に設定する。スイッチ１２のオン／オフを制御することにより、容量調整基準電圧を設定すると、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、異常判定部１４から入力される信号に基づいて、過充電状態または過放電状態となっているセルが存在するか否かを判定する。過充電状態または過放電状態となっているセルが存在すると判定するとステップＳ５０に進み、全てのセルＳ１〜Ｓｎが正常であると判定すると、ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ５０では、異常が発生しているセルが過充電状態であるか否かを判定する。異常が発生しているセルが過充電状態であると判定するとステップＳ６０に進み、過充電状態ではなく過放電状態であると判定すると、ステップＳ９０に進む。ステップＳ６０〜ステップＳ８０では、過充電異常のセルが存在する場合の処理を行う。ステップＳ６０では、スイッチ１２をオフする。これにより、容量調整基準電圧がＶ２に設定される。

ステップＳ６０に続くステップＳ７０では、組電池１の放電を開始して、ステップＳ８０に進む。ステップＳ８０では、組電池１の放電を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していないと判定すると所定時間が経過するまで組電池１の放電を継続して行い、所定時間を経過したと判定すると、組電池１の放電を停止して、ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ９０〜ステップＳ１１０では、過放電異常のセルが存在する場合の処理を行う。ステップＳ９０では、スイッチ１２をオンする。これにより、容量調整基準電圧がＶ１に設定される。ステップＳ９０に続くステップＳ１００では、組電池１の充電を開始して、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、組電池１の充電を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していないと判定すると所定時間が経過するまで組電池１の充電を継続して行い、所定時間を経過したと判定すると、組電池１の放電を停止して、ステップＳ１０に戻る。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池１の総電圧Ｖtに基づいてセルの平均電圧Ｖaveを算出し、平均電圧Ｖaveと所定のしきい値電圧Ｖsetとを比較して、比較した結果に基づいて、容量調整基準電圧を切り換えるので、各セルごとに電圧検出回路を設けることなく、セル間の容量調整を行うことができる。特に、平均電圧Ｖaveが所定のしきい値電圧Ｖsetより高い場合には、第１の容量調整基準電圧Ｖ１を選択し、平均電圧Ｖaveが所定のしきい値電圧Ｖset以下の場合には、第１の容量調整基準電圧Ｖ１より低い第２の容量調整基準電圧Ｖ２を選択するので、組電池１の充電状態に応じた容量調整基準電圧を選択して、適切な容量調整を行うことができる。

また、一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、過充電状態にあるセルが検出されると、第２の容量調整基準電圧Ｖ２を選択するとともに、組電池１の放電を行うので、過充電異常のセルをより早く正常な状態にするとともに、各セル間の容量調整を行うことができる。また、過放電状態にあるセルが検出されると、第１の容量調整基準電圧Ｖ１を選択するとともに、組電池１の充電を行うので、過放電異常のセルをより早く正常な状態にするとともに、各セル間の容量調整を行うことができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、容量調整を行うための容量調整基準電圧として、第１の容量調整基準電圧Ｖ１と第２の容量調整基準電圧Ｖ２とを切り換えるようにしたが、３つ以上の容量調整基準電圧を切り換えるようにしてもよい。図７は、３つの容量調整基準電圧を切り換えることができる組電池の容量調整装置の構成図である。

図７に示すように、容量調整回路１０ａには、抵抗Ｒ５およびスイッチ１２により構成される直列回路と並列に、抵抗Ｒ７およびスイッチ２０により構成される直列回路が接続されている。バッテリコントローラ３は、セルの平均電圧Ｖaveと第１のしきい値電圧Ｖset1とを比較し、平均電圧Ｖaveが第１のしきい値電圧Ｖset1より高いと判定すると、スイッチ１２およびスイッチ２０をオンして、容量調整基準電圧をＶ３に設定する。

また、平均電圧Ｖaveが第１のしきい値電圧Ｖset1以下であり、かつ、第２のしきい値電圧Ｖset2（Ｖset2＜Ｖset1）より高いと判定すると、スイッチ１２をオン、かつ、スイッチ２０をオフして、容量調整基準電圧をＶ４（Ｖ４＜Ｖ３）に設定する。さらに、平均電圧Ｖaveが第２のしきい値電圧Ｖset2以下であると判定すると、スイッチ１２およびスイッチ２０を共にオフにして、容量調整基準電圧をＶ５（Ｖ５＜Ｖ４）に設定する。

すなわち、セルの平均電圧Ｖaveが低いほど、低い容量調整基準電圧に切り換えるようにする。このように、切り換える容量調整基準電圧の数を増やすほど、容量調整後のセル間の電圧差を小さくすることができる。なお、４つ以上の容量調整基準電圧を切り換える構成にする場合には、３つの容量調整基準電圧を切り換える構成にした際と同様に、抵抗Ｒ５およびスイッチ１２の直列回路と並列に接続する、抵抗およびスイッチから構成される直列回路の数を増やしていけばよい。

３以上の複数の容量調整基準電圧の中から１つの容量調整基準電圧を設定する構成において、過充電異常セルが検出された場合には、全セルの平均電圧Ｖaveより低い容量調整基準電圧（例えば、最も低い容量調整基準電圧）に設定するとともに、組電池１の放電を行うようにすればよい。また、過放電異常セルが検出された場合には、全セルの平均電圧Ｖaveより高い容量調整基準電圧（例えば、最も高い容量調整基準電圧）に設定するとともに、組電池１の充電を行うようにすればよい。

上述した説明では、本発明による組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した例を挙げたが、電気自動車に適用することもできるし、車両以外の他のシステムに適用することもできる。

また、上述した一実施の形態では、抵抗Ｒ５およびスイッチ１２からなる直列回路を抵抗Ｒ４と並列に接続し、スイッチ１２のオン／オフによって、容量調整基準電圧を切り換えるようにしたが、容量調整基準電圧を切り換えるための構成は、このような構成に限定されることはない。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電圧センサ２が総電圧検出手段を、バッテリコントローラ３が平均電圧算出手段、充放電制御手段および電圧比較手段を、コンパレータ１１がセル電圧比較手段を、抵抗Ｒ５、スイッチ１２およびバッテリコントローラ３が容量調整基準電圧切り換え手段を、電圧比較手段および抵抗Ｒ１が容量調整手段を、異常判定部１４が過充電異常検出部および過放電異常検出部をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明による組電池の容量調整装置の一実施の形態の構成を示す図 図２（ａ）は、セルの平均電圧が設定電圧Ｖsetより高い場合の容量調整前の各セルの電圧のバラツキを示す図であり、図２（ｂ）は、容量調整後の各セルの電圧のバラツキを示す図 図３（ａ）は、セルの平均電圧が設定電圧Ｖset以下の場合の容量調整前の各セルの電圧のバラツキを示す図であり、図３（ｂ）は、容量調整後の各セルの電圧のバラツキを示す図 図４（ａ）は、過充電異常のセルが存在する場合の容量調整前の各セルの電圧のバラツキを示す図であり、図４（ｂ）は、容量調整中の各セルの電圧のバラツキを示す図 図５（ａ）は、過放電異常のセルが存在する場合の容量調整前の各セルの電圧のバラツキを示す図であり、図５（ｂ）は、容量調整中の各セルの電圧のバラツキを示す図 一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる処理内容を示すフローチャート ３つの容量調整基準電圧を切り換えることができる組電池の容量調整装置の構成図

符号の説明

１…組電池
２…電圧センサ
３…バッテリコントローラ
１０…容量調整回路
１１…コンパレータ
１２，２０…スイッチ
１３…基準電圧生成回路
１４…異常判定部
Ｓ１〜Ｓｎ…セル
Ｒ１〜Ｒ７…抵抗

Claims (9)

1. 複数のセルを直列に接続して構成される組電池の容量調整装置において、
   前記組電池を構成する全セルの総電圧の値を検出する総電圧検出手段と、
   前記総電圧検出手段により検出された総電圧の値に基づいて、全セルの平均電圧の値を算出する平均電圧算出手段と、
   前記平均電圧算出手段により算出された平均電圧の値と、所定のしきい値電圧の値とを比較する電圧比較手段と、
   前記電圧比較手段による電圧比較結果に基づいて、容量調整基準電圧を複数の容量調整基準電圧の中で切り換える容量調整基準電圧切り換え手段と、
   前記容量調整基準電圧と、セル電圧とを相対的に比較するセル電圧比較手段と、
   前記セル電圧比較手段による比較の結果、前記容量調整基準電圧よりも、高いセル電圧を有するセルの放電を行うことにより、各セル間の容量調整を行う容量調整手段とを備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記電圧比較手段により、前記平均電圧の値が所定のしきい値電圧の値より高いと判定されると、第１の容量調整基準電圧に切り換え、前記電圧比較手段により、前記平均電圧の値が所定のしきい値電圧の値以下であると判定されると、前記第１の容量調整基準電圧より低い第２の容量調整基準電圧に切り換えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
3. 請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の上限電圧より高い過充電異常を検出する過充電異常検出手段と、
   前記組電池全体の充電および放電を制御する充放電制御手段とをさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過充電異常が検出されると、前記第２の容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過充電異常が検出されると、前記組電池全体を放電することを特徴とする組電池の容量調整装置。
4. 請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の下限電圧より低い過放電異常を検出する過放電異常検出手段と、
   前記組電池全体の充電および放電を制御する充放電制御手段とをさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記第１の容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記組電池全体を充電することを特徴とする組電池の容量調整装置。
5. 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の下限電圧より低い過放電異常を検出する過放電異常検出手段をさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記第１の容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記組電池全体を充電することを特徴とする組電池の容量調整装置。
6. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、複数の容量調整基準電圧の中から１つの容量調整基準電圧を設定するものであって、前記平均電圧の値が低いほど、低い容量調整基準電圧に切り換えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
7. 請求項６に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の上限電圧より高い過充電異常を検出する過充電異常検出手段と、
   前記組電池全体の充電および放電を制御する充放電制御手段とをさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過充電異常が検出されると、前記平均電圧の値より低い容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過充電異常が検出されると、前記組電池全体を放電することを特徴とする組電池の容量調整装置。
8. 請求項６に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の下限電圧より低い過放電異常を検出する過放電異常検出手段と、
   前記組電池全体の充電および放電を制御する充放電制御手段とをさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記平均電圧より高い容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記組電池全体を充電することを特徴とする組電池の容量調整装置。
9. 請求項７に記載の組電池の容量調整装置において、
   セルの電圧が所定の下限電圧より低い過放電異常を検出する過放電異常検出手段をさらに備え、
   前記容量調整基準電圧切り換え手段は、前記過放電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記平均電圧より高い容量調整基準電圧に切り換え、
   前記充放電制御手段は、前記過充電異常検出手段によりセルの過放電異常が検出されると、前記組電池全体を充電することを特徴とする組電池の容量調整装置。

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