JP4237804B2

JP4237804B2 - 組電池の保護装置及び電池パック装置

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Publication number: JP4237804B2
Application number: JP2007086021A
Authority: JP
Inventors: 義直舘林; 康宏原田; 則雄高見; 信男渋谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: US20090224725A1; EP1990889A3; EP1990889B1; JP2008245481A; EP1990889A2; US8212523B2; CN101277021B; CN101277021A

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した組電池を保護する保護装置及び保護装置を内蔵する電池パック装置に関する。

携帯電話やノートＰＣなどの小型情報機器用の電源として、高エネルギー密度の二次電池が開発され、広く利用されている。二次電池は、対象の機器に必要な電圧及び電流に応じて複数の二次電池を直列または並列に接続した組電池として利用される場合が多い。上記のような小型情報機器は、電源電圧が数Ｖから１０Ｖ程度であるため、組電池の直列接続数は１から３直列程度でよい。

一方、近年では情報機器用の電源にとどまらず、家電機器、パワーツール、アシスト自転車、ハイブリッド自動車などの高出力化及び高電圧化が要求される用途への二次電池の適用が急速に広がりを見せている。これに伴い、組電池の直列接続数も増加し、１０本以上直列接続される場合も珍しくなっている。

電池を直列接続した場合に問題になるのは、個々の電池（単電池という）間のばらつきである。ばらつきには、容量ばらつき、インピーダンスばらつき、及び充電状態（state of charge:ＳＯＣ）のばらつき（以下、ＳＯＣばらつきという）など種々ある。これらのうち特に不具合につながりやすいのは、ＳＯＣばらつきの中の電圧ばらつきである。

容量の異なる電池を直列接続したり、複数の電池をＳＯＣが異なる状態で接続したりすると、組電池の満充電状態において電圧が平均より高い単電池と低い単電池が生じる。電圧が高い単電池は過充電状態となって、劣化が大きくなってしまう。このような充電を繰り返すと、過充電により劣化が大きくなった単電池は容量が低下するため、さらに過充電が進み、加速度的に劣化が進行してしまう。結果として、組電池のサイクル寿命は単電池の寿命より著しく短くなる。

ＳＯＣばらつきが生じる要因としては、初期の単電池の電圧ばらつきだけでなく、組電池の使用中に生じる要因もある。例えば、単電池間に温度差があったり、単電池毎に放電される電流が異なったりする場合があり、これらもＳＯＣばらつきの要因となる。特に直列数が多い高電圧出力の組電池においては、保護装置が複雑になるため、保護装置による放電電流がばらつきやすい。

ところで、直列数の多い高電圧出力の組電池においては、一般に保護装置に用いるＩＣの耐圧の制約から、保護装置は組電池の数セル〜十数セル程度の電池モジュール毎に設けられた保護ユニットによって構成される。個々の保護ユニットは、対応する電池モジュール内の単電池の電圧や温度の測定を行い、その測定結果と他の保護ユニットの測定結果に従って対応する電池モジュールの放電制御を行う。さらに、保護ユニットは電池モジュールを電源として動作し、互いに上位及び下位の保護ユニットと通信を行って全体の監視を行うことができる。

一方、特許文献１（特開２００４−２８２９６０号公報）には、電圧検出線の引き込み電流により、電圧検出線を境として組電池が複数のブロックに分かれた場合に、各ブロック間の消費電流の差による電圧ばらつきを補正する技術が開示されている。具体的には、組電池のブロックのうち電流値が最大のブロックの消費電流に他のブロックの消費電流を合わせるように予め計算された回路または素子を上記他のブロックの正負極間に挿入することによって、電圧ばらつきを補正している。
特開２００４−２８２９６０号公報

組電池のモジュール毎に保護ユニットを設ける方式では、保護ユニットの電気回路のばらつきや通信データ量のばらつきによって、保護ユニット自体の消費電流に差が生じてしまう。このような保護ユニット間の消費電流の差があると、モジュール間のＳＯＣばらつきが発生するという問題がある。

一方、特許文献１の技術では電圧検出の引き込み電流による組電池のブロック間の電圧ばらつきを補正することはできるが、保護ユニット自体の動作によるユニット間の消費電流の差については考慮されていないため、やはりＳＯＣばらつきが発生してしまう。

本発明は、保護ユニットの消費電流の差による単電池の充電状態ばらつきを抑制して長寿命化を図った組電池の保護装置及び電池パック装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、前記保護ユニットに共通に接続された管理ユニットと、を備え、前記保護ユニットは、（ａ）自身の消費電流を測定して測定データを出力する測定部と、（ｂ）前記測定データを前記管理ユニットへ送信し、前記管理ユニットからの設定データを受信する通信部と、（ｃ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、（ｄ）前記測定データ及び前記設定データに基づいて前記消費電流と前記放電部による放電電流の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する制御部と、を有する組電池の保護装置を提供する。

本発明の他の態様によると、直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、前記保護ユニットに共通に接続された管理ユニットと、を備え、前記保護ユニットは、（ａ）自身の消費電流を測定する測定部と、（ｂ）前記消費電流を一定時間積算して消費電気量の測定データを求める演算部と、（ｃ）前記測定データを前記管理ユニットへ送信し、前記管理ユニットからの設定データを受信する通信部と、（ｄ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、（ｅ）前記測定データ及び前記設定データに基づいて前記消費電気量と前記放電部による放電電気量の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する制御部と、を有する組電池の保護装置を提供する。

本発明によれば、単電池間の充電状態のばらつきを抑制して組電池の長寿命化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る保護装置は直列接続された複数の二次電池３−ｎｍ（図１の例では、ｎ＝１〜４、ｍ＝１〜５）をそれぞれ有する、直列接続された複数の電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄにより構成される組電池１に適用される。組電池１の一端は外部接続端子７に接続され、他端は管理ユニット６を介して外部端子８に接続される。以下、二次電池３−ｎｍの各々を単電池と称する。

保護装置４は、電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄにそれぞれ接続された保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄと、電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄに共通の管理ユニット６を有する。保護装置４は組電池１とは別の筐体に収容される場合もあるが、組電池１と共に一つの筐体９内に収容され、組電池１と共に電池パック装置１０として使用される場合もある。

図２は、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの一つ５ｉ（ｉ＝Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を示している。保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは、基本的に電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄの各単電池の電圧（以下、セル電圧という）が充電時に充電禁止電圧に達すると充電禁止動作を行い、セル電圧が放電時に放電禁止電圧に達すると放電禁止動作を行う機能を有するが、ここでは当該機本機能に関わる説明を省略する。

図２に示されるように、保護ユニット５ｉは対応する電池モジュール（以下、対応電池モジュールという）２ｉ（ｉ＝Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に接続され、対応電池モジュール５ｉを電源として動作する。保護ユニット５ｉはマイクロコントローラ２０を主体として構成されている。マイクロコントローラ２０及びレベルシフタ２６には、外部素子である電流検出用抵抗Ｒ１を介して対応電池モジュール２ｉから電源が供給される。また、放電用スイッチＳＷ、及び放電用抵抗Ｒ２も対応電池モジュール２ｉに接続されている。

マイクロコントローラ２０は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２１、電圧測定部２２、消費電流測定部２３、演算部２４、通信部２５及び放電制御部２７を有する。ＡＤＣ１１では、電池モジュール２ｉの各セル電圧がデジタル値に変換され、このデジタル値に基づいて電圧測定部２２において電圧が測定される。さらに、ＡＤＣ１１では電流検出用抵抗Ｒ１の電圧降下がデジタル値に変換され、このデジタル値に基づき消費電流測定部２３において保護ユニット５ｉの消費電流（実質的にはマイクコントローラ２０の消費電流）が測定される。

電圧測定部２２により得られる電圧測定データは、演算部２４を経てあるいは直接に通信部２５に与えられる。消費電流測定部２３により得られる電流測定データは、演算部２４及び通信部２５に与えられる。演算部２４では、主として消費電流測定部２３により得られる電流測定データと、管理ユニット６から通信部２５を経て送られてくる電流あるいは電気量に関する設定データから、ＳＯＣばらつき補正に必要な対応電池モジュール２ｉの放電電流あるいは放電電気量が計算により求められる。

通信部２５は、レベルシフタ２６を介して上位及び下位の他の保護ユニットと接続され、それら他の保護ユニットと相互にデータの授受を行う。ここでは、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄのうち管理ユニット２５に近い方を上位とする。この場合、最下位の保護ユニット５Ａは直ぐ上位の保護ユニット５Ｂのみと接続され、また最上位の保護ユニット５Ｄは直ぐ下位の保護ユニット５Ｃ及び管理ユニット６と接続される。

通信部２５は、具体的には消費電流測定部２３からの電流測定データを上位の保護ユニットを経由して管理ユニット６へ送信したり、逆に管理ユニット６から送信される設定データ、具体的には保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流または放電電流、あるいは放電電気量に関する設定データを上位の保護ユニットを経由して受信したりする。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは、組電池１の直列接続された電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄをそれぞれ電源として用いているため、回路の基準電位は異なっている。すなわち、上位の保護ユニットほど基準電位が高い。レベルシフタ２６は、このような保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ間の基準電位の違いを越えて相互にあるいは管理ユニット６と通信を行うことを可能とするため、通信信号の基準電位を揃える役割を果たしている。

放電制御部２７は、演算部２４からの指令に基づき放電用スイッチＳＷを制御することにより、電池モジュール５ｉを放電させる。放電用スイッチＳＷは、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）またはバイポーラトランジスタが用いられる。放電制御部２７は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御によりＦＥＴまたはバイポーラトランジスタのオン時間またはオン間隔を制御するか、あるいはトランジスタのオン抵抗を制御することによって、制御された放電電流で放電用スイッチＳＷに放電を行わせる。

このように放電用スイッチＳＷは放電制御部２７によって制御されることにより、管理ユニット６からの設定データで与えられる消費電流設定値と消費電流測定部２３で測定された消費電流値などの値に応じて、放電電流の大小あるいは放電時間を変えて対応電池モジュールを放電させる。

一方、管理ユニット６もマイクロコントローラを用いて実現され、例えば図３に示されるように通信部３１、全体管理部３２、演算部３３及び記憶部３４を含んで構成される。通信部３１は、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄとの間でデータの授受を行うために設けられている。全体管理部３２は、通信部３１を通じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ全体の制御を行う。具体的には、全体管理部３２は通信部３１を介して受信される電圧測定データに基づき、セル電圧などに応じて組電池１全体の充電及び放電を制御する。

演算部３３は、主として保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに対して前述した電流あるいは電気量に関する設定データを求めるための演算を行う。すなわち、演算部３３は消費電流測定部２３で得られた消費電流に応じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに対する放電電流あるいは放電電気量の設定データを求める。こうして求められた設定データは、通信部３１を通じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに与えられる。記憶部３４は、演算部３３の演算に必要なデータを記憶するために設けられている。

本実施形態のように直列数の多い高電圧出力の組電池１においては、保護装置４に用いるＩＣの耐圧の制約から、保護装置４は図１に示したように組電池１の数セル〜十数セル程度の電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ毎に設けられた保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄによって構成される。

個々の保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは、対応する電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄのセル電圧や温度の測定を行い、その測定結果と他の保護ユニットの測定結果に従って対応する電池モジュールの放電制御を行う。さらに、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄを電源として動作し、互いに上位及び下位の保護ユニットと通信を行って全体の監視を行う。

このような構成の場合、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの電気回路のばらつきや、通信データ量のばらつきによって、それぞれの消費電流に違いが出てきてしまう。このような問題を解決するため、本実施形態では保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄにそれ自身の消費電流を測定する消費電流測定部２３と、電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ毎に個別に放電させることが可能な放電部（スイッチＳＷ及び放電制御部２７）を備える。これによって、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄのそれぞれの消費電流を一定に揃えることができ、もって電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ間のＳＯＣばらつきを抑制することが可能となる。

ＳＯＣの幅として５０％付近で使用することの多いＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）のような用途では、セル電圧のＳＯＣ依存性が小さいために、ＳＯＣばらつきを正確に検知するのは困難である。従って、消費電流の違いなどのような、元々ばらつきを生じる原因がわかっている場合は、あらかじめそれを補正する手段を備えておくのが有効である。

次に、本実施形態における保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ及び管理部６のそれぞれの処理と、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ及び管理部６間の相互のやりとりを含めた保護装置の処理手順について説明する。なお、以下の処理手順は保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄのマイクロコントローラ２０、及び管理ユニット６のマイクロコントローラにそれぞれ格納されたプログラムに従って実行される。

（第１の処理手順）
図４を用いて第１の処理手順について説明する。管理ユニット６は、組電池１とは異なる外部電源によって動作する。管理ユニット６が外部電源から電源の供給を受けていない状態では、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは休止状態にある。管理ユニット６が外部電源により動作を開始すると、管理ユニット６から全ての保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに起動命令が出される（ステップＳ１００）。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは起動命令を受けて動作を開始し、電圧測定部２２及び消費電流測定部２３により組電池１の電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄのセル電圧と消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４を測定する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３及びＳ１０４）。管理ユニット６は、測定開始から一定時間経過してデータ送信要求を保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄへ送信する（ステップＳ１０５）。データ送信要求は一定時間、例えば１００msec毎に送信される。データ送信要求を受けた保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは、起動後例えば５秒程度経過して保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ間及び管理ユニット６との間の通信状態が安定してから、以下のように測定データの送信を行う。

最上位の保護ユニット５Ｄは、電池モジュール２Ｄのセル電圧と自身の消費電流の測定データを送信データＤ４として、直ぐ下位の保護ユニット５Ｃへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ１０６）。

保護ユニット５Ｃは、電池モジュール２Ｃのセル電圧と自身の消費電流の測定データＤ３を保護ユニット５Ａからの送信データＤ４と合わせて、送信データ（Ｄ４＋Ｄ３とする）を直ぐ下位の保護ユニット５Ｂへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ１０７）。

同様に保護ユニット５Ｂは、電池モジュール２Ｂのセル電圧と自身の消費電流の測定データＤ２を保護ユニット５Ｃからの送信データＤ４＋Ｄ３と合わせて、送信データ（Ｄ４＋Ｄ３＋Ｄ２とする）を最下位の保護ユニット５Ａへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ１０８）。

最後に、保護ユニット５Ａは電池モジュール２Ａのセル電圧と自身の消費電流の測定データＤ１を保護ユニット５Ｂからの送信データＤ４＋Ｄ３＋Ｄ２と合わせて、送信データ（Ｄ４＋Ｄ３＋Ｄ２＋Ｄ１とする）を管理ユニット６へ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ１０９）。

管理ユニット６は、保護ユニット５Ａからの送信データＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４中の各電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄのセル電圧の測定データを用いて、組電池１全体の充電状態の管理を全体管理部３２から通信部３１を経て行う（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０の処理は本実施形態の趣旨ではないため、詳細な説明を省く。

次に、管理ユニット６では通信部３１を介して取り込んだ送信データＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４中の消費電流測定データから、演算部３３により保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４を比較して最大値を記憶部３４に記憶する（ステップＳ１１１）。この後、記憶した最大値を消費電流設定値Ｉ０として通信部３１を通じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄへ送信する（ステップＳ１１２）。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄでは、レベルシフタ２６及び通信部２５を介して取り込んだ消費電流設定値Ｉ０を演算部２４で記憶すると共に、消費電流測定部２３で測定されるそれぞれの消費電流Ｉ１〜Ｉ４との比較を一定時間、例えば１００mse毎に行う（ステップＳ１１３〜Ｓ１１６）。演算部２４は、この比較結果に基づき電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２ＤにおいてＩ０−Ｉ１，Ｉ０−Ｉ１，Ｉ０−Ｉ１及びＩ０−Ｉ１に相当する電流が放電されるように、放電制御部２７を制御する（ステップＳ１１７，Ｓ１１８，Ｓ１１９及びＳ１２０）。この結果、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの全ての消費電流は一致してＩ０となる。

このように図４に示した第１の処理手順によれば、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４のうちの最大値を管理ユニット６において求め、これを消費電流設定値Ｉ０として保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄにおいて放電制御を行う。従って、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流は一致してＩ０となるため、消費電流の差による電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ間のＳＯＣばらつきを抑制することができる。

（第２の処理手順）
次に、図５を用いて第２の処理手順について説明する。図５に示す手順は、ステップＳ１００〜Ｓ１１１の処理は図４と同一である。管理ユニット６では、ステップＳ１１１において演算部３３により保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４を比較して最大値を記憶部３４に記憶した後、記憶した最大値と各消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４との差分を放電電流設定値Ｉｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３及びＩｓ４として通信部３１を通じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄへ送信する（ステップＳ２１２）。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄでは、レベルシフタ２６及び通信部２５を介して取り込んだ放電電流設定値Ｉｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３及びＩｓ４を演算部２４で記憶し、電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２ＤにおいてＩｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３及びＩｓ４に相当する電流が放電されるように、放電制御部２７を制御する（ステップＳ２１３，Ｓ２１４，Ｓ２１５及びＳ２１６）。この結果、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの全ての消費電流は、一致して消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４の当初の最大値と等しくなる。

このように図５に示した第２の処理手順によれば、管理ユニット６において保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３及びＩ４とその最大値との差分を放電電流設定値Ｉｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３及びＩｓ４として求め、これを用いて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄにおいて放電制御を行う。従って、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流は第１の処理手順と同様に、一致して最大値と等しくとなるため、消費電流の差による電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ間のＳＯＣばらつきを抑制することができる。

（第３の処理手順）
次に、図６を用いて第３の処理手順について説明する。第３の処理手順では、消費電流に代えて、消費電流を積算して得られる消費電気量が用いられる。

管理ユニット６が外部電源により動作を開始すると、管理ユニット６から全ての保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄに起動命令が出される（ステップＳ３００）。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは起動命令を受けて動作を開始し、電圧測定部２２、消費電流測定部２３及び演算部２４により組電池１の電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄのセル電圧と消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４を測定する（ステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０３及びＳ３０４）。消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４は、消費電流測定部２３により測定された消費電流を演算部２４が一定時間、例えば１００msec毎に積算することによって求められる。

管理ユニット６は、測定開始から一定時間経過してデータ送信要求を保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄへ送信する（ステップＳ３０５）。データ送信要求は一定時間、例えば１００msec毎に送信される。データ送信要求を受けた保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄは、起動後例えば５秒程度経過して保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ間及び管理ユニット６との間の通信状態が安定してから、以下のように測定データの送信を行う。

最上位の保護ユニット５Ｄは、電池モジュール２Ｄのセル電圧と自身の消費電気量の測定データを送信データＧ４として、直ぐ下位の保護ユニット５Ｃへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ３０６）。

保護ユニット５Ｃは、電池モジュール２Ｃのセル電圧と自身の消費電気量の測定データＧ３を保護ユニット５Ｄからの送信データＧ４と合わせて、送信データ（Ｇ４＋Ｇ３とする）を直ぐ下位の保護ユニット５Ｂへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ３０７）。

同様に保護ユニット５Ｂは、電池モジュール２Ｂのセル電圧と自身の消費電気量の測定データＧ２を保護ユニット５Ｃからの送信データＧ４＋Ｇ３と合わせて、送信データ（Ｇ４＋Ｇ３＋Ｇ２とする）を最下位の保護ユニット５Ａへ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ３０８）。

最後に、保護ユニット５Ａは電池モジュール２Ａのセル電圧と自身の消費電気量の測定データＤ１を保護ユニット５Ｂからの送信データＧ４＋Ｇ３＋Ｇ２と合わせて、送信データ（Ｇ４＋Ｇ３＋Ｇ２＋Ｇ１とする）を管理ユニット６へ通信部２５及びレベルシフタ２６を介して送信する（ステップＳ３０９）。

管理ユニット６は、保護ユニット５Ｄからの送信データＧ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４中の各電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄのセル電圧の測定データを用いて、組電池１全体の充電状態の管理を全体管理部３２から通信部３１を経て行う（ステップＳ３１０）。

次に、管理ユニット６では通信部３１を介して取り込んだ送信データＧ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４中の消費電気量測定データから、演算部３３により保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４を比較して最大値を一定時間、例えば１００msec毎に記憶部３４に記憶する（ステップＳ３１１）。そして、記憶した最大値と各消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４との差分を放電電気量設定値Ｑｓ１，Ｑｓ２，Ｑｓ３及びＱｓ４として通信部３１を通じて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄへ送信する（ステップＳ３１２）。

保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄでは、レベルシフタ２６及び通信部２５を介して取り込んだ放電電気量設定値Ｑｓ１，Ｑｓ２，Ｑｓ３及びＱｓ４を演算部２４で記憶し、電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２ＤにおいてＱｓ１，Ｑｓ２，Ｑｓ３及びＱｓ４に相当する電気量が一定時間、例えば１００msecの間に放電されるように、放電制御部２７を制御する（ステップＳ３１３，Ｓ３１４，Ｓ３１５及びＳ３１６）。この結果、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの全ての消費電気量は、一致して消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４の当初の最大値と等しくなる。

このように図６に示した第２の処理手順によれば、管理ユニット６において保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電気量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４とその最大値との差分を放電電気量設定値Ｑｓ１，Ｑｓ２，Ｑｓ３及びＱｓ４として求め、これを用いて保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄにおいて放電制御を行う。従って、保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電気量は一致して最大値と等しくとなるため、消費電気量の差による電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄ間のＳＯＣばらつきを抑制することができる。

次に、上述した本発明の実施形態について、さらに具体的に説明する。以下に示す具体例１、具体例２及び第３の具体例は、それぞれ第１の処理手順、第２の処理手順及び第３の処理手順に対応するものとする。

（具体例１）
放電容量３Ａｈの非水電解質二次電池を５個直列にして電池モジュールとし、図１に示されるように４個の電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄを直列に接続して組電池１とした。この組電池１に対して、図１、図２及び図３で説明した保護装置４を接続し、図４で説明した第１の処理手順に従って保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流の最大値を消費電流設定値として電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄの放電制御を行うことにより、ＳＯＣばらつきの補正を行った。

（具体例２）
具体例１で挙げたと同様の組電池１に対して、図１、図２及び図３で説明した保護装置４を接続し、図５で説明した第２の処理手順に従って保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電流とその最大値との差分を放電電流設定値として電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄの放電制御を行うことにより、ＳＯＣばらつきの補正を行った。

（具体例３）
具体例１で挙げたと同様の組電池１に対して、図１、図２及び図３で説明した保護装置４を接続し、図６で説明した第２の処理手順に従って保護ユニット５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄの消費電気量とその最大値との差分を放電電気量設定値として電池モジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ及び２Ｄの放電制御を行うことにより、ＳＯＣばらつきの補正を行った。

（比較例）
具体例１で挙げたと同じ組電池に対して、消費電流または消費電気量の測定機能及び放電機能を持たない保護装置を接続した。組電池に対して４５℃環境下で、８４Ｖ・１０Ａの定電圧定電流充電を１時間行い、１０Ａ定電流放電を単セル電圧の最小値が３．０Ｖになるまで行うという充放電方法でサイクル試験を行った。保護装置の充電禁止電圧は４．３５Ｖ、放電禁止電圧は２．５Ｖとし、単セル電圧がそれを超えた場合には試験を終了するようにした。

以上述べた具体例１〜３及び比較例における２０００サイクル後の容量維持率、及び充電終了時のセル電圧のばらつき（最大値−最小値）を表１に示す。

具体例１〜３においては、２０００サイクルの試験終了までセル電圧のばらつきが小さく抑えられ、高い容量維持率を示している。これに対し、比較例においてはセル電圧のばらつきが拡大し、１２５０サイクルで充電禁止電圧を超える単電池が出てきてしまったため、試験が途中終了している。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る組電池の保護装置及び保護装置を内蔵した電池パック装置の概略を示すブロック図図１中の保護ユニットの一例を示すブロック図図１中の管理ユニットの一例を示すブロック図同実施形態における第１の処理手順を示すフローチャート同実施形態における第２の処理手順を示すフローチャート同実施形態における第３の処理手順を示すフローチャート

符号の説明

１・・・組電池
２Ａ〜２Ｄ・・・電池モジュール
３−１１〜３−４５・・・二次電池（単電池）
４・・・保護装置
５Ａ〜５Ｄ・・・保護ユニット
６・・・管理ユニット
７，８・・・外部接続端子
９・・・筐体
１０・・・電池パック装置
２１・・・アナログ−デジタル変換器
２２・・・電圧測定部
２３・・・消費電流測定部
２４・・・演算部
２５・・・通信部
２６・・・レベルシフタ
２７・・・放電制御部
３１・・・通信部
３２・・・全体管理部
３３・・・演算部
３４・・・記憶部

Claims

直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにより構成される組電池の保護装置において、
前記電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、
前記保護ユニットに共通に接続された管理ユニットと、を備え、
前記保護ユニットは、
（ａ）自身の消費電流を測定して測定データを出力する測定部と、
（ｂ）前記測定データを前記管理ユニットへ送信し、前記管理ユニットからの設定データを受信する通信部と、
（ｃ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、
（ｄ）前記測定データ及び前記設定データに基づいて前記消費電流と前記放電部による放電電流の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する制御部と、を有することを特徴とする組電池の保護装置。
前記管理ユニットは、
（ｅ）前記測定データから前記複数の保護ユニットの各消費電流の最大値を求める演算部と、
（ｆ）前記測定データを受信して前記演算部に与え、前記最大値を前記設定データとして前記保護ユニットに送信する通信部とを有し、
前記制御部は、前記自身の消費電流と前記放電電流の合計が前記最大値と等しくなるように前記放電部を制御することを特徴とする請求項１記載の保護装置。
第２の具体例：消費電流と最大値との差分を放電電流設定値
前記管理ユニットは、
（ｇ）前記測定データから前記複数の保護ユニットの各消費電流の最大値と前記各消費電流との差分を求める演算部と、
（ｈ）前記測定データを受信して前記演算部に与え、また前記差分を前記設定データとして前記保護ユニットに送信する通信部とを有し、
前記制御部は、前記放電電流が前記差分に相当する電流となるように前記放電部を制御することを特徴とする請求項１記載の保護装置。
直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにより構成される組電池の保護装置において、
前記電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、
前記保護ユニットに共通に接続された管理ユニットと、を備え、
前記保護ユニットは、
（ａ）自身の消費電流を測定する測定部と、
（ｂ）前記消費電流を一定時間積算して消費電気量の測定データを求める演算部と、
（ｃ）前記測定データを前記管理ユニットへ送信し、前記管理ユニットからの設定データを受信する通信部と、
（ｄ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、
（ｅ）前記測定データ及び前記設定データに基づいて前記消費電気量と前記放電部による放電電気量の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する制御部と、を有することを特徴とする組電池の保護装置。
前記管理ユニットは、
（ｆ）前記測定データから前記複数の保護ユニットの各消費電気量の最大値と前記各消費電気量との差分を求める演算部と、
（ｇ）前記測定データを受信して前記演算部に与え、また前記差分を前記設定データとして前記保護ユニットに送信する通信部とを有し、
前記制御部は、前記放電電気量が前記差分に相当する電気量となるように前記放電部を制御することを特徴とする請求項４記載の保護装置。
直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにより構成される組電池と、請求項１乃至５のいずれか１項記載の保護装置とを具備することを特徴とする電池パック装置。
直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにより構成される組電池と、
前記電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、を備え、
前記保護ユニットは、
（ａ）自身の消費電流を測定する測定部と、
（ｂ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、
（ｃ）前記消費電流と前記放電部による放電電流の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する制御部と、を有することを特徴とする電池パック装置。
直列接続された複数の二次電池をそれぞれ有する直列接続された複数の電池モジュールにより構成される組電池と、
前記電池モジュールにそれぞれ対応して設けられ、対応する電池モジュールを電源として動作するように構成された複数の保護ユニットと、を備え、
前記保護ユニットは、
（ａ）自身の消費電気量を測定する電気量測定部と、
（ｂ）前記対応する電池モジュールを放電させる放電部と、
（ｃ）前記消費電気量と前記放電部による放電電気量の合計が前記保護ユニット間で一定値となるように前記放電部を制御する放電制御部と、を有することを特徴とする電池パック装置。