JP4258133B2 - Charge state control device - Google Patents

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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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複数個直列に接続された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、外部からの指令に従って作動するバイパス回路(放電回路)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に接続されたバイパス回路を作動させて、単位セルの放電を行わせたり(特開平6−253463号公報)、単位セルが充電されないよう充電電流の分流(バイパス)行わせる(特開平8−19188号公報)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等が提案されている。
【0009】
しかし、これら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を設ける必要があると共に、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を設ける必要がある。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
これに対して、CPUのような高価な電子部品を使用せず、自律的にセル電圧間のばらつきを検出して単位セルの放電を行い、組電池を構成する各単位セル間の電圧ばらつきを解消する簡易均等化回路も提案されている。
この種の簡易均等化回路として、例えば、単位セルと同数の抵抗からなる分圧回路により組電池の両端電圧を均等に分圧し、オペアンプを利用したフィードバック回路により、単位セルの連結点の電位と、これに対応する分圧抵抗の連結点の電位とが一致するように各単位セルの放電を行うもの(特開平11−262188号公報)や、単位セルや分圧回路の各連結点の電位の大小関係をオペアンプを用いて判定し、その判定結果から平均電圧より高い単位セルを論理演算を用いて特定し、この特定された単位セルの放電を、単位セル毎に設けられた放電回路を用いて行うもの(特開2000−83327号公報)等が知られている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら簡易均等化回路は、常時動作しているため、単位セルの両端電圧(セル電圧)が充電状態を正しく反映していない時には、却って電圧ばらつきを広げてしまうことになり、各単位セルの充電状態を効率良く均等化することができない場合があるという問題があった。
【0014】
即ち、単位セルは、内部インピーダンスを有しているため、そのセル電圧は、組電池を貫流する主電流の大きさによって変化する。しかも、内部インピーダンスは単位セル毎にばらつきがあるため、主電流の大きさによっては、セル電圧の大小関係が入れ替わってしまい、セル電圧がセルの充電状態(残存容量)を正しく反映しなくなってしまうのである。
【0015】
特に、組電池がHEVの動力源として使用されている場合には、加減速時に大きな主電流が流れ、しかも加減速の状態に応じて主電流が大きく変動するため、このような問題が顕著なものとなる。
なお、電圧調整時に流れる放電電流を小さく設定し、主電流の変動による影響を小さくすることが考えられるが、例えばタクシー等のように、1日あたりの車両の走行時間が長く、主電流が流れない停止時間が短い車両の場合は、電圧調整が正しく行われる時間を充分に確保できず、各単位セルの充電状態を充分に均等化することができないおそれがあった。
【0016】
本発明は、上記問題点を解決するために、組電池を構成する各単位セルの充電状態の均等化を簡易な構成で効率良く行うことができる充電状態制御装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の充電状態制御装置では、組電池の状態が調整可能状態にある場合にのみ、調整制御手段が、セルグループ毎に設けられたセル電圧調整手段を動作させ、そのセル電圧調整手段は、調整対象となるセルグループを構成する各単位セル間で、単位セルの両端電圧であるセル電圧のばらつきが解消されるように該単位セルの充電状態を個別に調整する。これと共に、グループ電圧調整手段は、組電池を構成する各セルグループの両端電圧であるグループ電圧のばらつきが解消されるように該セルグループの充電状態を個別に調整する。
【0018】
従って、本発明によれば、単位セルの充電状態を正しく反映していないセル電圧に基づいて、誤った電圧調整が行われてしまうことがなく、単位セルの充電状態を効率良く均等化することができる。
なお、組電池が一つのセルグループからなる場合、セルグループとは組電池そのもののことを指す。
【0019】
また、本発明の充電状態制御装置では、セルグループ毎に設けられたセル電圧監視手段により、監視対象となるセルグループを構成する各単位セルのセル電圧が、予め設定された電圧範囲内にあるか否かを監視し、このセル電圧監視手段での監視結果に従い、信号生成手段が、セルグループを構成する単位セルのうち、全てのセル電圧が前記電圧範囲内であれば通常状態を表す第1の信号レベル、いずれか一つでもセル電圧が前記電圧範囲を上回れば過充電状態を表す第2の信号レベル、いずれか一つでもセル電圧が前記電圧範囲を下回れば過放電状態を表す第3の信号レベルとなるセル状態信号を生成する。
なお、信号生成手段は、常時導通して一定電流を流す第1の電流経路と、過充電状態の時に導通して一定電流を流す第2の電流経路と、過放電状態以外の時に導通して一定電流を流す第3の電流経路とを用いて、各電流経路を流れる電流を合成した電流信号を、セル状態信号として生成する。
このように構成された本発明の充電状態制御装置では、単位セルの充電状態を自動的に均等化するだけでなく、セルグループを構成する単位セルの状態を、セル状態信号によって外部装置に通知することができ、外部装置は、このセル状態信号を監視することにより、セル電圧調整手段による調整動作では回復させることのできない異常事態の発生等を検出することが可能となる。
また、本発明の充電状態制御装置では、セル状態信号が、過放電状態の時には、通常状態の時より信号レベルが低く、即ち、セル状態信号の生成のために使用される消費電流が小さくなり、一方、過充電の時には、通常状態の時より信号レベルが高く、即ち、セル状態信号の生成のために使用される消費電流が大きくなる。
【0020】
なお、セル電圧調整手段は、例えば、セルグループを構成する単位セルの中から、セル電圧が最低であるものを抽出し、その抽出された単位セルのセル電圧に、他の単位セルのセル電圧が一致するまで放電するように構成してもよいし、請求項7記載のように、セルグループを構成する単位セルの平均電圧より高いセル電圧を有する単位セルを、平均電圧に等しくなるまで放電するように構成してもよい。
【0021】
ころで、セル電圧に単位セルの充電状態が正しく反映されている調整可能状態とは、より具体的には、組電池を貫流する主電流が流れていないか、或いは、内部インピーダンスによるセル電圧の変動を無視できる程度に主電流が小さい場合のことである。
【0022】
そして、例えば、組電池を充放電する接続機器が停止していれば、主電流は流れないため、請求項8記載のように、この接続機器の作動状態を検出する機器作動状態検出手段を設け、機器作動状態検出手段にて検出される作動状態が前記接続機器の停止を表している場合に、調整動作制御手段は、組電池が調整可能状態にあるものとして制御を行うようにしてもよい。
【0023】
また、請求項9記載のように、組電池を貫流する主電流の大きさを検出する電流検出手段を設け、調整動作制御手段は、この電流検出手段にて検出される主電流が予め設定された上限値以下である場合に、組電池が調整可能状態にあるものとして制御を行うようにしてもよい。
【0024】
更に、請求項10記載のように、組電池を構成する各セルグループの両端電圧であるグループ電圧を検出するグループ電圧検出手段を設け、グループ電圧検出手段にて検出されるグループ電圧の時間変化率が予め設定された上限値以下である場合に、調整動作制御手段は、組電池が調整可能状態にあるものとして制御を行うようにしてもよい。即ち、主電流の大きさに応じて、グループ電圧の時間変化率も変動するため、このグループ電圧の時間変化率が小さければ、主電流も小さいものと推定できるのである。
【0025】
ここで、組電池が複数のセルグループからなる場合、セルグループ毎に設けられた各電圧調整手段は、その調整対象となるセルグループ内の各単位セルについては、充電状態を均等化できるが、異なるセルグループ間では充電状態が異なったものとなってしまう可能性がある。
【0026】
そこで、組電池が複数のセルグループからなる場合には、請求項6記載のように、組電池を構成する各セルグループの両端電圧であるグループ電圧のばらつきが解消されるように該セルグループの充電状態を個別に調整するグループ電圧調整手段を備えることが望ましい。
【0029】
なお、装置構成を簡易なものとするため、セル電圧監視手段及び信号生成手段は、請求項2記載のように、セル電圧監視手段の監視対象となるセルグループからの電源供給により動作するように構成することが望ましい
【0031】
従って、本発明によれば、過放電状態の時には、監視対象セルグループから信号生成手段への電源供給が減少するため、監視対象セルグループにおける過放電状態の進行を抑制することができ、また、過充電状態の時には、監視対象セルグループから信号生成手段への電源供給が増加するため、監視対象セルグループにおける過充電状態の解消を促進することができる。
【0032】
また、本発明では、多値レベルのセル状態信号を使用しているため、セル状態信号を一方の伝送線で伝送することができ、セル状態信号を利用する装置との間の接続を簡単に行うことができる。
次に、請求項3記載の充電状態制御装置では、セル状態信号を伝送するセル状態信号伝送線に、このセル状態信号伝送線を断続するスイッチを備えており、信号生成手段は、スイッチがオンの時に、セル電圧調整手段の動作を禁止するための禁止信号を生成し、この信号生成手段からの禁止信号によって、セル電圧調整手段は動作を停止する。
【0033】
つまり、本発明によれば、セル状態信号伝送線を用いて、セル状態信号の出力だけでなく、セル電圧調整手段の起動停止も行うことができ、セル状態信号の監視やセル電圧調整手段の制御を行う制御装置との間の配線を簡素化することができる。
【0034】
そして、特に、組電池が車両に搭載されるものである場合、請求項4記載のように、車両のイグニションスイッチがオフの時に、セル状態信号伝送線上のスイッチがオフするように構成してもよい。
即ち、イグニションスイッチがオフの時には、組電池を充放電する接続機器も停止しており、主電流が流れることがなく組電池は調整可能状態にあるため、これと連動して、自動的にセル電圧調整手段が動作可能となるようにすることができるのである。
【0035】
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11記載のように、リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な物質からなる電極を用いて構成されたリチウム系二次電池を用いることが望ましい。
【0036】
即ち、リチウム系二次電池は、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。
【0037】
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12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。
【0038】
【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。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態の組電池システムの全体構成を表すブロック図であり、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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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4個の単位セルCi1〜Ci4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〜Ci4間のセル電圧のばらつきを解消するセル電圧調整手段としてのセルばらつき調整装置CEUiが設けられている。
【0043】
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を流れる主電流を検出する電流センサ(CS)14と、電流センサ14からの電流検出信号IB、イグニションスイッチ(図示せず)の操作状態を表すイグニション信号IG、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 等に基づき、端子CCP,CCN間に直列接続されるフォトカプラPC(後述する)に電源供給を行うことにより各セルばらつき調整装置CEUiを一括して起動,停止させたり、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。
【0044】
セルばらつき調整装置CEUiは、図2に示すように、抵抗及びスイッチを直列接続してなり、セルグループCGiを構成する各単位セルCi1〜Ci4のそれぞれに対して個別に並列接続された放電回路P1〜P4と、セルグループCGi内の単位セル数と同数の抵抗R1〜R4を直列接続してなり、セルグループCGiに対して並列接続された分圧回路20とを備えている。
【0045】
以下では、セルグループCGiの正極側端の電位をセル側電位Ec0,負極側端をセル側電位Ec4とし、その間にある単位セルCijとCij+1 (j=1〜3)との連結点の電位をセル側電位Ecjとする。また、分圧回路20の正極側端の電位を抵抗側電位Er0(=Ec0),負極側端の電位を抵抗側電位Er4(=Ec4)とし、その間にある抵抗RijとRij+1との連結点の電位を抵抗側電位Erjとする。
【0046】
そして、セルばらつき調整装置CEUiは、セル側電位Ec1と抵抗側電位Er1とに基づいて、判定信号S1L,S1Hを生成する比較回路21と、セル側電位Ec2と抵抗側電位Er2とに基づいて、判定信号S2L,S2Hを生成する比較回路22と、同様に、セル側電位Ec3と抵抗側電位Er3とに基づいて、判定信号S3L,S3Hを生成する比較回路23と、比較回路21からの判定信号S1L,S1H及び比較回路22からの判定信号S2L,S2Hに基づいて、放電回路P2のスイッチを操作する操作信号SD2を生成する論理回路24と、比較回路22からの判定信号S2L,S2H及び比較回路23からの判定信号S3L,S3Hに基づいて、放電回路P3のスイッチを操作する操作信号SD3を生成する論理回路25と、操作信号SD1,SD4として使用される判定信号S1L,S3H、及び操作信号SD2,SD3を強制的にロウレベルにして、放電回路P1〜P4が作動しないように設定する放電禁止回路26とを備えている。
【0047】
このうち、放電禁止回路26は、操作信号SD1〜SD4を伝送する各信号線毎に、ダイオード及び抵抗を直列接続してなる接地回路が設けられ、各接地回路はいずれも、BCU12による端子CCP,CCN間への電源供給によって導通する共通のフォトカプラPCを介してセルグループCGiの負極側端に接続されている。
【0048】
つまり、フォトカプラPCがオンの時には、操作信号SD1〜SD4が強制的にロウレベルとなり、放電回路P1〜P4を構成する各スイッチはオフ状態に保持されるため、放電回路P1〜P4による放電が禁止され、一方、フォトカプラPCがオフの時には、放電回路P1〜P4による放電、即ち、セルばらつき調整装置CEUiによるセル電圧のばらつき調整が可能となる。また、各セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmのフォトカプラPCの入力側は、端子CCP,CCN間に直列接続されており、BCU12からの操作により、一括してオン,オフするようにされている。
【0049】
次に、比較回路21〜23は、いずれも同様の構成を有しており、図3(a)に示すように、非反転入力に抵抗側電位Erj、反転入力にセル側電位Ecjが印加されたオペアンプからなる周知の差動増幅回路AMPと、セル側電位Ecjより規定値VFだけ大きい第1しきい値TH1(=Ecj+VF)及びセル側電位Ecjより規定値VFだけ小さい第2しきい値TH2(=Ecj−VF)を発生させる基準電圧源DENと、非反転入力に差動増幅回路AMPの出力、反転入力に第1しきい値TH1が印加されたオペアンプからなるコンパレータCP1と、反転入力に差動増幅回路AMPの出力、非反転入力に第2しきい値TH2が印加されたオペアンプからなるコンパレータCP2とにより構成され、コンパレータCP1の出力が判定信号SjL、コンパレータCP2の出力が判定信号SjHとなるようにされている。なお、規定値VFは、例えば、ダイオードの順方向電圧、ツェナーダイオードの降伏電圧などを利用して生成することができる。
【0050】
つまり、各比較回路21〜23にて生成される判定信号SjLは、図3(b)に示すように、抵抗側電位Erjの電位を中心とした±VFの範囲を電圧許容範囲Wjとし、セル側電位Ecjが電圧許容範囲Wjの下限(Erj−VF)より小さい場合にハイレベルとなり、また、判定信号SjHは、セル側電位Ecjが電圧許容範囲Wjの上限(Erj−VF)より大きい場合にハイレベルとなる。
【0051】
また、論理回路24,25は、図3(c)に示すように、判定信号SjLを反転させる反転回路NOT1と、判定信号Sj+1Hを反転させる反転回路NOT2と、反転回路NOT1の出力及び判定信号Sj+1Lがいずれもハイレベルの時に出力がハイレベルとなる論理積回路AND1と、判定信号SjH及び反転回路NOT2の出力がいずれもハイレベルの時に出力がハイレベルとなる論理積回路AND2と、論理積回路AND1,AND2の少なくとも一方がハイレベルの時に出力がハイレベルとなる論理和回路ORとにより構成され、論理和回路ORの出力が操作信号SDj+1 となるようにされている。
【0052】
つまり、論理回路24,25にて生成される操作信号SDj+1 は、セル側電位Ecjの電位が電圧許容範囲Wjの下限(Erj−VF)以上であり、且つセル側電位Ecj+1が電圧許容範囲Wj+1 下限(Erj+1−VF)より小さい場合、或いは、セル側電位Ecjが電圧許容範囲Wjの上限(Erj+VF)より大きく、且つセル側電位Ecj+1が電圧許容範囲Wj+1 上限(Erj+1+VF)以下である場合にハイレベルとなる。
【0053】
このように構成されたセルばらつき調整装置CEUiでは、単位セルCijのセル電圧が、分圧回路20により得られるセルグループCGiの平均セル電圧より大きい場合に操作信号SDjがハイレベルとなる。この操作信号SD1〜4に従って放電回路P1〜P4が動作し、セル側電位Ec1〜Ec3の各電位がいずれも電圧許容範囲W1〜W3内の大きさとなるまで、セルグループCGiの平均セル電圧より大きいセル電圧を有する単位セルが放電される。その結果、各単位セルCi1〜Ci4のセル電圧は、いずれもセルグループCGiの平均セル電圧にほぼ等しい大きさとなる。
【0054】
また、BCU12が、端子CCP,CCN間に電源供給を行うことにより、フォトカプラPCがオンすると、放電禁止回路26によって、放電回路P1〜P4による放電が強制的に禁止されることになる。なお、比較回路21〜23及び論理回路24,25の動作は、特開2000−83327号公報に詳述されている。
【0055】
次に、BCU12は、図2に示すように、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 )を検出するグループ電圧検出回路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とを、各セルグループCG1〜CGm毎に有している。
【0056】
また、BCU12は、各セルグループCG1〜CGm毎に設けられたグループ電圧検出回路VSC1〜VSCmのいずれか一つを選択して、選択されたグループ電圧検出回路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のトランジスタTgpをオン,オフするための制御信号を出力するデコーダ(DEC)32と、端子CCP,CCN間に直列接続された各セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmのフォトカプラPCへの電源供給ラインを導通,遮断するトランジスタTd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の動作を禁止する禁止信号や、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。なお、デコーダ32からの制御信号は、フォトカプラ36を介してトランジスタTgpに供給されるように構成されている。
【0057】
そして、CPU38は、イグニション信号IGにより、イグニションスイッチがオンされたことを検出するとトランジスタTdをオンして、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmによるばらつき調整動作を禁止し、一方、イグニションスイッチがオフされたことを検出するとトランジスタTdをオフして、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmによるばらつき調整動作を可能とする制御を実行する。なお、この制御が、本発明における機器作動状態検出手段、及び調整動作制御手段に相当する。
【0058】
また、CPU38は、イグニションスイッチがオンされている間、グループ電圧VG1〜VGmを監視し、予め設定された上限値を越えるグループ電圧VGiを有したセルグループCGiが検出されると、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、そのセルグループCGiへの充電を制限する等の制御を行う。この制御、及びグループバイパス回路GBiが本発明におけるグループ電圧調整手段に相当する。
【0059】
このように構成された組電池システム2では、イグニションスイッチがオンになると、VCU4が車両の走行状態に応じて電動機8の使用状態(モータ或いは発電機)を適宜切り替えることにより、組電池10が充放電される。
また、イグニションスイッチがオフになると、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmが動作して、セルグループCGi毎に単位セルCi1〜Ci4のセル電圧を均一化することにより、組電池10の充放電を繰り返すことで生じた単位セルCij間のセル電圧のばらつきを解消する。
【0060】
以上説明したように、本実施形態の組電池システム2においては、セルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4のセル電圧を自動的に均一化するセルばらつき調整装置CEUiがセルグループCGi毎に設けられており、これらセルばらつき調整装置CEU1〜CEUmは、組電池10を貫流する主電流が流れないイグニションスイッチがオフの時にのみ動作させるように構成されている。
【0061】
従って、本実施形態の組電池システム2によれば、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmは、単位セルCijのセル電圧が単位セルCijの持つ内部インピーダンスの影響を受けることなく、単位セルCijのセル電圧に単位セルの充電状態(残存容量)が正しく反映された状態(これを調整可能状態という)にある時にのみ動作するため、セル電圧を揃えることで、単位セルCijの充電状態を正しく均等化することができる。
【0062】
また、本実施形態の組電池システム2によれば、主電流が流れるイグニションスイッチがオンの時には、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmの動作が禁止されていることにより、充電状態を正しく反映していないセル電圧に基づく誤ったばらつき調整の実行が確実に防止されるため、ばらつき調整を効率よく行うことができるだけでなく、当該組電池システム2を搭載した車両の稼動状態(調整可能状態となる期間の長短)に応じて、放電回路P1〜P4に流す電流の大きさを任意に設定することができる。
【0063】
なお、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時にのみ、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmを動作させるように構成されているが、イグニションスイッチがオンされている時でも、主電流が充分に小さければ、セル電圧は充電状態を正しく反映しているものとみなすことができるため、例えば、電流センサ14(電流検出手段に相当)にて検出される主電流の大きさが予め設定された規定値以下である場合、或いは各グループ電圧検出回路VSC1〜VSCm(グループ電圧検出手段に相当)にて検出されるグループ電圧VG1〜VGmの時間変化率がいずれも予め設定された規定値以下である場合にも、セルばらつき調整装置CEU1〜CEUmを動作させるように構成してもよい。これらを実現するためにCPU38が実行する制御が調整動作制御手段に相当する。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。
【0064】
図4は、第2実施形態の組電池システムの全体構成を表すブロック図であり、第1実施形態と同様に、HEVの駆動系に組み込んだ状態を表している。
なお、本実施形態の組電池システムは、第1実施形態のものとは、構成の一部が異なっているだけであるため、同一構成については同一符号を付して説明を省略し、構成の異なる部分を中心に説明する。
【0065】
図4に示すように、本実施形態の組電池システム2aでは、第1実施形態の組電池システム2におけるセルばらつき調整装置CEU1〜CEUmが、セル監視調整装置CMU1〜CMUmに置き換えられ、BCU12aは、端子CCP,CCNの代わりに、各セル監視調整装置CMU1〜CMUmとBCU12aとの間には、セル状態信号伝送線LC1〜LCmが配線されている。
【0066】
そして、BCU12aは、図5に示すように、トランジスタTdが省略され、代わりに、セル状態信号伝送線LCiを介して伝送されるセル状態信号の信号レベルを識別する信号レベル識別回路VSLiと、イグニションスイッチの操作状態と連動し、イグニションスイッチがオンの時にセル状態信号伝送線LCiを導通させるスイッチSWとがセルグループCG1〜CGm毎に設けられ、更に、信号レベル識別回路VSL1〜VSLmのいずれか一つを選択して、選択された信号レベル識別回路から信号レベルの識別結果を取り込むためのマルチプレクサ34とを備えている。
【0067】
また、セル監視調整装置CMUiは、セルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4の充電状態を監視してセル状態信号を生成するセル監視制御部CMCと、セルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4のセル電圧を均一化するセルばらつき調整部CECとからなる。
【0068】
このうち、セルばらつき調整部CECは、放電禁止回路26を構成するスイッチ回路が、フォトカプラPCの代わりに、トランジスタTpを用いて構成されている以外は、第1実施形態におけるセルばらつき調整装置CEUiと全く同様に構成されている。具体的には、トランジスタTpのコレクタ,エミッタは、フォトカプラPCの出力側と同様に接続され、トランジスタTpのベースは、セル監視制御部CMCからの放電禁止信号(後述する)が印加され、この放電禁止信号が入力されると、放電回路P1〜P4による放電、即ちセルばらつき調整部CECによるばらつき調整動作が禁止されるように構成されている。
【0069】
一方、セル監視制御部CMCは、セルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4毎に、個々の単位セルCi1〜Ci4の充電状態を判定する充電状態判定回路41〜44を備えている。
なお、充電状態判定回路41〜44は、いずれも同様の構成を有しており、図6に示すように、非反転入力に、抵抗からなる分圧回路を介して単位セルCijの両端電圧(Ecj−Ecj+1)に応じた電圧が印加され、反転入力に、抵抗及び電圧発生源からなる定電圧回路を介して単位セルCijの上限電圧に対応した上限基準電圧が印加されたオペアンプからなるコンパレータCPHと、非反転入力に、抵抗からなる分圧回路を介して単位セルCijの両端電圧に応じた電圧が印加され、反転入力に、抵抗及び電圧発生源からなる定電圧回路を介して単位セルCijの下限電圧に対応した下限基準電圧が印加されたオペアンプからなるコンパレータCPLとにより構成されている。なお、上限基準電圧や下限基準電圧は、例えば、ダイオードの順方向電圧、ツェナーダイオードの降伏電圧などを利用して生成することができる。
【0070】
つまり、コンパレータCPHの出力である過充電判定信号JjHは、単位セルCijのセル電圧が上限電圧を越えた場合にのみハイレベルとなり、コンパレータCPLの出力である過放電判定信号JjLは、単位セルCijのセル電圧が下限電圧を下回った場合にのみロウレベルとなるようにされている。
【0071】
また、セル監視制御部CMCは、セルグループCGiの正極側端とセル状態信号伝送線LCiとの間に、並列接続された3本の電流経路D1〜D3を備えている。
このうち、第1電流経路D1は、直列接続された一対の抵抗を備えており、セル状態信号伝送線LCi上のスイッチSWiが閉成の時に、セル状態信号伝送線LCiに一定電流I1を供給すると共に、セルばらつき調整部CECへの放電禁止信号を伝送する伝送線D4を断続するトランジスタのバイアス回路としても動作する。即ち、スイッチSWiが閉じている時に、伝送線D4上のトランジスタがオンして、セルばらつき調整部CECに放電禁止信号を供給するように構成されている。
【0072】
次に、第2電流経路D2は、トランジスタと抵抗とを備えており、セル状態信号伝送線LCi上のスイッチSWiが閉成、且つ当該第2電流経路D2上のトランジスタがオンの時に、セル状態信号伝送線LCiに一定電流I2を供給する。但し、第2電流経路D2上のトランジスタを駆動するバイアス回路は、充電状態判定回路41〜44からの過充電判定信号J1H〜J4Hのうち、いずれか一つでもハイレベルのものがある時に、バイアス電流を流すように構成されている。
【0073】
つまり、第2電流経路D2は、単位セルCi1〜Ci4がいずれも過充電状態ではない時には遮断状態となり、単位セルCi1〜Ci4のうちいずれか一つでも過充電状態になると、導通状態となってセル状態信号伝送線LCiに一定電流I2を供給するようにされている。
【0074】
また、第3電流経路D3は、第2電流経路D2と同様に、トランジスタと抵抗とを備えており、セル状態信号伝送線LCi上のスイッチSWiが閉成、且つ当該第3電流経路D3上のトランジスタがオンの時に、セル状態信号伝送線LCiに一定電流I3を供給する。但し、第3電流経路D3上のトランジスタを駆動するバイアス回路は、充電状態判定回路41〜44からの過放電判定信号J1L〜J4Lのうち、いずれか一つでもロウレベルのものがある時に、バイアス電流を遮断するように構成されている。
【0075】
つまり、第3電流経路D3は、単位セルCi1〜Ci4がいずれも過放電状態ではない時には、導通状態となってセル状態信号伝送線LCiに一定電流I3を供給し、単位セルCi1〜Ci4のうちいずれか一つでも過放電状態のものがあると、遮断状態となってセル状態信号伝送線LCiへの一定電流I3の供給を停止するようにされている。
【0076】
従って、これら第1〜第3電流経路D1〜D3からの供給電流を合成してなるセル状態信号OCDiの信号レベル(電流の大きさ)は、セルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4の中に、過充電状態或いは過放電状態のものが一つもない時には、第1及び第3電流経路D1,D3からの供給電流に基づく大きさI1+I3(第1の信号レベル)となり、過充電状態のものが一つでも存在する時には、全電流経路D1〜D3からの供給電流に基づく大きさI1+I2+I3(第2の信号レベル)となり、過放電状態のものが一つでも存在する時には、第1電流経路D1からの供給電流に基づく大きさI1(第3の信号レベル)となる。
【0077】
このため、信号レベル識別回路VSLiでは、これら第1〜第3の信号レベルに、スイッチSWiが開放されている時の第4の信号レベル(電流0)を加えた、4段階の信号レベルを識別するようにされている。
なお、セル監視制御部において、充電状態判定回路41〜44がセル電圧監視手段に相当し、それ以外の部分が信号生成手段に相当する。
【0078】
このように構成された本実施形態の組電池システム2aにおいては、イグニションスイッチがオンすることによりセル状態信号伝送線LCi上のスイッチSWiが閉成されると、単位セルCi1〜Ci4の充電状態を表すセル状態信号OCDiがセル状態信号伝送線LCiを介してBCU12aに供給されると共に、セルばらつき調整部CECによるばらつき調整動作が禁止される。
【0079】
一方、イグニションスイッチがオフすることによりスイッチSWiが開放されると、信号レベル識別回路VSLiにて識別されるセル状態信号OCDiの信号レベルは第4の信号レベルになると共に、セルばらつき調整部CECによるばらつき調整動作が可能となる。
【0080】
以上説明したように、本実施形態の組電池システム2aによれば、イグニションスイッチがオフされている時にのみ、セルばらつき調整装置CEUと同等の機能を有するセルばらつき調整部CECを動作させるようにされているので、第1実施形態の組電池システム2と同様の効果を得ることができる。
【0081】
また、本実施形態の組電池システム2aでは、セル監視制御部CMCが、セルグループCG1〜CGm毎に、そのセルグループCGiを構成する単位セルCi1〜Ci4の中に過充電状態のもの或いは過放電状態のものがあるか否かを判定した結果をセル状態信号OCDiとして出力するようにされている。つまり、このセル状態信号OCDiに基づいて、セルばらつき調整部CECの動作では解消できない単位セルCijの異常を検出することが可能なため、装置の信頼性を向上させることができる。
【0082】
しかも、スイッチSWiがセル状態信号伝送線LCiを導通,遮断することにより生じるセル監視制御部CMC内の変化を利用して、セルばらつき調整部CECの起動,停止を制御するようにされているので、セルばらつき調整部CECの制御用に、別途、専用の制御線を設ける必要がなく、セル監視調整装置CMU1〜CMUmとBCU12aとの間の配線を簡素化することができる。
【0083】
また、本実施形態の組電池システム2aでは、セル状態信号OCDiは、スイッチSWiが開放された時には、電流0に対応する第4の信号レベルが検出されるようにされているので、スイッチSWiが閉成されている時に、第4の信号レベルが検出された場合には、セル状態信号伝送線LCiの断線、又はセル監視調整装置CMUiの故障と判断することができる。更に、スイッチSWiがオフの時には、セルグループCGiからBCU12aに向けて電流が流れないため、イグニションスイッチがオフにされたいわゆる車両の非稼動状態でのリーク電流(暗電流)を小さくすることができる。
【0084】
なお、本実施形態では、スイッチSWiをイグニションスイッチに連動させて開閉するようにされているが、組電池10を貫流する主電流の大きさや、当該装置が実装された車両の状態等に基づいて、CPU38がスイッチSWiの開閉を制御するように構成してもよい。
【0085】
以上本発明の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、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、セルグループCGiを4個の単位セルCi1〜Ci4にて構成しているが、これに限らず3個以下でも5個以上でもよい。なお、セルグループCGiを構成する単位セルの個数を増加させるほど、セルグループCGiの数が減少するため、BCU12aの構成を簡略化することができるが、セルばらつき調整装置CEUiやセル監視調整装置CMUiは、使用する素子の耐電圧等の問題から装置構成が複雑になる。従って、平均セル電圧が3.6Vのリチウム電池の場合は、4〜6個の単位セルにてセルグループを構成することが望ましく、特に、これらの装置CEUi,CMUiをIC化する場合には、耐電圧の関係から6個以内とすることが望ましい。
【0086】
また、上記実施形態では、単位セルCi1〜Ci4間の電圧ばらつきを解消するために、放電回路P1〜P4を用いているが、二次電池やコンデンサ等からなる蓄電手段を設け、この蓄電手段を介して残存容量の多いセルから少ないセルにエネルギーを移動させるように構成してもよい。
【0087】
上記実施形態では、単位セルとしてリチウム電池を用いたが、例えば鉛電池やニッケル系電池等でもよく、任意の二次電池を単位セルとして使用することができる。なお、密閉化反応による均等充電が行われる二次電池では、必ずしも過充放電検出を行う必要はないが、このような二次電池からなる組電池システムに対して本発明を適用した場合には、組電池の性能を最大限に引き出すことができると共に、単位セルの劣化を抑制することができる。
【0088】
また、上記実施形態では、単位セルを単純に直列接続したセルグループCGiからなる組電池10に対して本発明を適用した場合を説明したが、これに限らず、単位セルを複数個直並列に接続した任意のセルグループに対して適用可能である。
【0089】
更に、上記実施形態において、セルばらつき調整装置CEUi,セルばらつき調整部CECは、セルグループCGi内の平均セル電圧より高いセル電圧を有する単位セルを放電するように構成されているが、例えば、セルグループCGi内の最低セル電圧を検出し、セルグループCGiを構成するすべての単位セルのセル電圧が最低セル電圧に等しくなるまで、各単位セルを放電するように構成してもよい。
【0090】
また、比較回路21〜23や充電状態判定回路41〜44における各判定信号の論理は、上記実施形態に示したものに必ずしも従う必要はない。但し、過放電を検出した時の信号レベルは、できるだけセルグループCGiからの電力持ち出しが少なくなるように設定することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施形態の組電池システムの全体構成を表すブロック図である。
【図2】 セルばらつき調整装置、及びBCUの詳細な構成を表すブロック図である。
【図3】 (a)は比較回路の構成を表す回路図、(b)は比較回路の動作を表す説明図、(c)は論理回路の構成を表す回路図である。
【図4】 第2実施形態の組電池システムの全体構成を表すブロック図である。
【図5】 セル監視調整装置、及びBCUの詳細な構成を表すブロック図である。
【図6】 充電状態判定回路の構成を表す回路図である。
【図7】 従来装置の構成を表す参考図である。
【符号の説明】
2,2a…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、12,12a…組電池コントローラ(BCU)、14…電流センサ、20…分圧回路、21〜23…比較回路、24,25…論理回路、26…放電禁止回路、30,34…マルチプレクサ、40…メモリ、41〜44…充電状態判定回路、Cij…単位セル、CGi…セルグループ、CEUi…セルばらつき調整装置、CMUi…セル監視調整装置、CEC…セルばらつき調整部、CMC…セル監視制御部、AMP…差動増幅回路、CP1,CP2,CPH,CPL…コンパレータ、DEN…基準電圧源、D1〜D3…第1〜第3電流経路、D4…伝送線、GBi…グループバイパス回路、L…主電源ライン、LSi…セルグループ電圧検出線、LCi…セル状態信号伝送線、P1〜P4…放電回路、PC…フォトカプラ、SWi…スイッチ、VSCi…グループ電圧検出回路、VSLi…信号レベル識別回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a charge state control for controlling the charge state of a plurality 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, etc. 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 of eliminating the cell voltage variation between unit cells constituting the assembled battery without using a sealing reaction, for example, each unit includes a bypass circuit (discharge circuit) that operates according to an external command. If the cell voltage varies in parallel with the cell, the bypass circuit connected to the unit cell having a high cell voltage is operated to discharge the unit cell (Japanese Patent Laid-Open No. 6-253463), There has been proposed a method of adjusting the voltage variation between unit cells to be small by causing the charging current to be shunted (bypassed) so that the unit cell is not charged (Japanese Patent Laid-Open No. 8-19188).
[0009]
However, in order to implement these, as shown in the reference diagram of FIG. 7, it is necessary to provide a cell voltage detection circuit (VSC), a bypass circuit BP including a resistor and a switch for each of the unit cells C11 to Cmn, Provided is a control device that is configured around a CPU and that performs processing such as determining a variation state between unit cells based on the cell voltage detected by each VSC and controlling the bypass circuit according to the determination result. There is a need.
[0010]
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.
[0011]
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.
[0012]
On the other hand, without using expensive electronic parts such as CPU, the unit cells are discharged by detecting the variation between the cell voltages autonomously, and the voltage variation between the unit cells constituting the assembled battery is reduced. A simple equalization circuit that eliminates the problem has also been proposed.
As this type of simple equalization circuit, for example, the voltage across the assembled battery is equally divided by a voltage dividing circuit composed of the same number of resistors as the unit cell, and the potential at the connection point of the unit cell is determined by a feedback circuit using an operational amplifier. In addition, the discharge of each unit cell so that the potential at the connection point of the voltage dividing resistor corresponding thereto (JP-A-11-262188), the potential at each connection point of the unit cell and the voltage dividing circuit Is determined using an operational amplifier, a unit cell higher than the average voltage is specified by a logical operation from the determination result, and the discharge of the specified unit cell is determined by a discharge circuit provided for each unit cell. What is used (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-83327) is known.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, since these simple equalization circuits are always operating, when the voltage across the unit cell (cell voltage) does not correctly reflect the state of charge, the voltage variation is widened. There is a problem that the state of charge of the battery may not be equalized efficiently.
[0014]
That is, since the unit cell has an internal impedance, the cell voltage varies depending on the magnitude of the main current flowing through the assembled battery. Moreover, since the internal impedance varies from unit cell to unit cell, the magnitude relationship between the cell voltages is switched depending on the magnitude of the main current, and the cell voltage does not correctly reflect the state of charge (remaining capacity) of the cell. It is.
[0015]
In particular, when an assembled battery is used as a HEV power source, a large main current flows during acceleration / deceleration, and the main current varies greatly depending on the acceleration / deceleration state. It will be a thing.
Although it is conceivable to set the discharge current flowing at the time of voltage adjustment to be small and to reduce the influence of fluctuations in the main current, the driving time of the vehicle per day is long and the main current flows, for example, like a taxi. In the case of a vehicle with no short stop time, there is a possibility that a sufficient time for correct voltage adjustment cannot be secured and the charge state of each unit cell cannot be equalized sufficiently.
[0016]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a charge state control that can efficiently perform equalization of the charge state of each unit cell constituting the assembled battery with a simple configuration.DressThe purpose is to provide a device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above purposeThe present invention madeCharge state controlapparatusIn the state of the assembled batteryIsOnly when it is in an adjustable stateThe adjustment control meansFor each cell groupThe provided cell voltage adjusting means is operated, and the cell voltage adjusting means is the voltage across the unit cells between the unit cells constituting the cell group to be adjusted.The state of charge of the unit cell is individually adjusted so that the cell voltage variation is eliminated.At the same time, the group voltage adjusting means individually adjusts the charge state of the cell group so that the variation in the group voltage, which is the voltage across the cell groups constituting the assembled battery, is eliminated.
[0018]
Therefore, according to the present invention, it is possible to efficiently equalize the charging state of the unit cell without erroneous voltage adjustment based on the cell voltage that does not correctly reflect the charging state of the unit cell. Can do.
In addition, when an assembled battery consists of one cell group, a cell group points out the assembled battery itself.
[0019]
In the state of charge control device of the present invention, the cell voltage of each unit cell constituting the cell group to be monitored is within a preset voltage range by the cell voltage monitoring means provided for each cell group. In accordance with the monitoring result of the cell voltage monitoring means, the signal generating means indicates a normal state if all the cell voltages among the unit cells constituting the cell group are within the voltage range. A second signal level indicating an overcharged state if any one of the signal levels is above the voltage range, and indicating an overdischarged state if any one of the cell voltages is below the voltage range. A cell state signal having a signal level of 3 is generated.
The signal generating means is electrically connected to the first current path that always conducts and flows a constant current, the second current path that conducts and flows a constant current when in an overcharge state, and the current generation path when not in an overdischarge state. A current signal obtained by synthesizing the current flowing through each current path is generated as a cell state signal using the third current path through which a constant current flows.
In the state of charge control device of the present invention configured as described above, not only the state of charge of the unit cells is automatically equalized, but also the state of the unit cells constituting the cell group is notified to an external device by a cell state signal. By monitoring this cell state signal, the external device can detect the occurrence of an abnormal situation that cannot be recovered by the adjustment operation by the cell voltage adjusting means.
In the charge state control device of the present invention, when the cell state signal is in the overdischarge state, the signal level is lower than that in the normal state, that is, the current consumption used for generating the cell state signal is reduced. On the other hand, in overcharge, the signal level is higher than in the normal state, that is, the current consumption used for generating the cell state signal is increased.
[0020]
  The cell voltage adjusting means extracts, for example, the unit cell having the lowest cell voltage from the unit cells constituting the cell group, and the cell voltage of the other unit cell is extracted as the cell voltage of the extracted unit cell. May be configured to discharge until they match,Claim 7As described, the unit cell having a cell voltage higher than the average voltage of the unit cells constituting the cell group may be configured to discharge until it becomes equal to the average voltage.
[0021]
WhenOn the other hand, the adjustable state in which the charging state of the unit cell is correctly reflected in the cell voltage is more specifically, the main current flowing through the assembled battery is not flowing, or the cell voltage due to the internal impedance is This is the case when the main current is small enough to ignore the fluctuation.
[0022]
  And, for example, if the connected device that charges and discharges the assembled battery is stopped, the main current does not flow,Claim 8As described, the device operating state detecting means for detecting the operating state of the connected device is provided, and the adjustment operation control is performed when the operating state detected by the device operating state detecting means represents the stop of the connected device. The means may be controlled so that the assembled battery is in an adjustable state.
[0023]
  Also,Claim 9As described, current detection means for detecting the magnitude of the main current flowing through the assembled battery is provided, and the adjustment operation control means is configured such that the main current detected by the current detection means is less than or equal to a preset upper limit value. In some cases, the control may be performed assuming that the assembled battery is in an adjustable state.
[0024]
  Furthermore,Claim 10As described, group voltage detection means for detecting a group voltage which is a voltage across each cell group constituting the assembled battery is provided, and a time change rate of the group voltage detected by the group voltage detection means is set in advance. When the value is equal to or lower than the upper limit value, the adjustment operation control means may perform control assuming that the assembled battery is in an adjustable state. That is, since the time change rate of the group voltage varies according to the magnitude of the main current, if the time change rate of the group voltage is small, it can be estimated that the main current is also small.
[0025]
Here, when the assembled battery is composed of a plurality of cell groups, each voltage adjustment means provided for each cell group can equalize the charge state for each unit cell in the cell group to be adjusted, The charge state may be different between different cell groups.
[0026]
  Therefore, when the assembled battery is composed of a plurality of cell groups,Claim 6As described, it is desirable to provide group voltage adjusting means for individually adjusting the charge state of the cell group so as to eliminate the variation in the group voltage, which is the voltage across the cell groups constituting the assembled battery.
[0029]
  In order to simplify the device configuration, the cell voltage monitoring means and the signal generation means are operated by supplying power from a cell group to be monitored by the cell voltage monitoring means, as described in claim 2. Desirable to configure.
[0031]
Therefore, according to the present invention, in the overdischarge state, the power supply from the monitoring target cell group to the signal generation unit decreases, so that the progress of the overdischarge state in the monitoring target cell group can be suppressed, In the overcharged state, the power supply from the monitoring target cell group to the signal generating unit increases, so that the overcharging state in the monitoring target cell group can be promoted.
[0032]
  In the present invention, since the cell state signal of multi-level is used, the cell state signal can be transmitted through one transmission line, and the connection with the device using the cell state signal can be easily performed. It can be carried out.
next,Claim 3In the described charging state control device, the cell state signal transmission line for transmitting the cell state signal is provided with a switch for connecting and disconnecting the cell state signal transmission line, and the signal generating means adjusts the cell voltage when the switch is on. A prohibiting signal for prohibiting the operation of the means is generated, and the cell voltage adjusting means stops the operation by the prohibiting signal from the signal generating means.
[0033]
In other words, according to the present invention, the cell state signal transmission line can be used not only to output the cell state signal but also to start and stop the cell voltage adjustment unit. Wiring to and from the control device that performs control can be simplified.
[0034]
  And especially when the assembled battery is mounted on a vehicle,Claim 4As described, the switch on the cell state signal transmission line may be turned off when the ignition switch of the vehicle is turned off.
  In other words, when the ignition switch is off, the connected device that charges and discharges the assembled battery is also stopped, and the assembled battery is in an adjustable state without flowing the main current. The voltage adjusting means can be made operable.
[0035]
  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 11As described, it is desirable to use a lithium secondary battery configured using an electrode made of a material capable of occluding and releasing lithium ions.
[0036]
That is, since the lithium secondary battery has high energy density and 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. And the said charge condition control apparatus can be reduced in size and weight.
[0037]
  In addition, the charge state control device may be applied to an assembled battery used for any purpose.Claim 12As described, when applied to an on-vehicle device mounted as a power source of an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV), the reliability and durability of the EV or HEV can be improved.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram illustrating the overall configuration of the assembled battery system according to the first embodiment. Here, the battery pack system is incorporated in a drive system of a hybrid vehicle (HEV).
[0039]
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.
[0040]
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.
[0041]
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.
[0042]
The assembled battery system 2 of this 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 four unit cells Ci1 to Ci4, and each cell group CGi (i = 1 to m) constitutes a cell group CGi. A cell variation adjusting device CEUi is provided as cell voltage adjusting means for eliminating cell voltage variations between the unit cells Ci1 to Ci4.
[0043]
The assembled battery system 2 includes a current sensor (CS) 14 that detects a main current flowing through the main power supply line L when the assembled battery 10 is charged / discharged, a current detection signal IB from the current sensor 14, an ignition switch (not shown). ), The voltage signals VS1 to VS1 obtained via cell group voltage detection lines LS1 to LSm + 1 branched from the main power supply line L at both ends of the assembled battery 10 and the boundary of the cell group CGi. Based on VSm + 1, etc., each cell variation adjusting device CEUi is started and stopped collectively by supplying power to a photocoupler PC (described later) connected in series between the terminals CCP and CCN, and various types of VCU 4 An assembled battery controller (BCU) 12 that executes processing such as outputting a command CMD is provided.
[0044]
As shown in FIG. 2, the cell variation adjusting device CEUi is composed of a resistor and a switch connected in series, and a discharge circuit P1 individually connected in parallel to each of the unit cells Ci1 to Ci4 constituting the cell group CGi. To P4 and a voltage dividing circuit 20 formed by serially connecting resistors R1 to R4 as many as the number of unit cells in the cell group CGi and connected in parallel to the cell group CGi.
[0045]
In the following, the potential at the positive side of the cell group CGi is the cell side potential Ec0, the negative side is the cell side potential Ec4, and the connection point between the unit cells Cij and Cij + 1 (j = 1 to 3) between them. The potential is set to the cell side potential Ecj. Further, the potential at the positive side of the voltage dividing circuit 20 is set to the resistance side potential Er0 (= Ec0), the potential at the negative side is set to the resistance side potential Er4 (= Ec4), and the resistors Rij and Rij + 1 between them are connected. The potential at the point is defined as a resistance side potential Erj.
[0046]
The cell variation adjusting device CEUi is based on the comparison circuit 21 that generates the determination signals S1L and S1H based on the cell side potential Ec1 and the resistance side potential Er1, and on the basis of the cell side potential Ec2 and the resistance side potential Er2. Similarly, the comparison circuit 22 that generates the determination signals S2L and S2H, the comparison circuit 23 that generates the determination signals S3L and S3H based on the cell side potential Ec3 and the resistance side potential Er3, and the determination signal from the comparison circuit 21 Based on the determination signals S2L and S2H from S1L and S1H and the comparison circuit 22, the logic circuit 24 generates the operation signal SD2 for operating the switch of the discharge circuit P2, and the determination signals S2L and S2H from the comparison circuit 22 and the comparison circuit 23, a logic circuit 25 for generating an operation signal SD3 for operating the switch of the discharge circuit P3 based on the determination signals S3L and S3H from the control circuit 23, and a determination signal S used as the operation signals SD1 and SD4. 1L, S3H, and operation signals SD2 and SD3 are forcibly set to a low level, and a discharge inhibition circuit 26 is set so that the discharge circuits P1 to P4 do not operate.
[0047]
Among these, the discharge prohibition circuit 26 is provided with a ground circuit in which a diode and a resistor are connected in series for each signal line that transmits the operation signals SD1 to SD4, and each of the ground circuits has a terminal CCP, It is connected to the negative electrode side end of the cell group CGi through a common photocoupler PC that is turned on by power supply between the CCNs.
[0048]
That is, when the photocoupler PC is on, the operation signals SD1 to SD4 are forcibly set to a low level, and the switches constituting the discharge circuits P1 to P4 are held in an off state, so that discharge by the discharge circuits P1 to P4 is prohibited. On the other hand, when the photocoupler PC is off, the discharge by the discharge circuits P1 to P4, that is, the cell voltage variation adjustment by the cell variation adjustment device CEUi can be performed. In addition, the input side of the photocoupler PC of each of the cell variation adjustment devices CEU1 to CEUm is connected in series between the terminals CCP and CCN, and is turned on and off collectively by an operation from the BCU12.
[0049]
Next, the comparison circuits 21 to 23 all have the same configuration, and as shown in FIG. 3A, the resistance side potential Erj is applied to the non-inverting input and the cell side potential Ecj is applied to the inverting input. A known differential amplifier circuit AMP comprising operational amplifiers, a first threshold value TH1 (= Ecj + VF) that is larger than the cell side potential Ecj by a specified value VF, and a second threshold value TH2 that is smaller than the cell side potential Ecj by a specified value VF. A reference voltage source DEN for generating (= Ecj−VF), a comparator CP1 composed of an operational amplifier in which the output of the differential amplifier circuit AMP is applied to the non-inverting input, the first threshold value TH1 is applied to the inverting input, and the inverting input An output of the differential amplifier circuit AMP and a comparator CP2 composed of an operational amplifier in which the second threshold value TH2 is applied to the non-inverting input, and the output of the comparator CP1 is the determination signal SjL, the comparator The output of the chromatography data CP2 is such that a determination signal Sjh. The specified value VF can be generated using, for example, a forward voltage of a diode, a breakdown voltage of a Zener diode, and the like.
[0050]
That is, as shown in FIG. 3B, the determination signal SjL generated by each of the comparison circuits 21 to 23 has a range of ± VF centered on the resistance-side potential Erj as the voltage allowable range Wj, and the cell When the side potential Ecj is smaller than the lower limit (Erj−VF) of the allowable voltage range Wj, the determination signal SjH is high. When the cell side potential Ecj is larger than the upper limit (Erj−VF) of the allowable voltage range Wj. Become high level.
[0051]
Further, as shown in FIG. 3C, the logic circuits 24 and 25 are an inversion circuit NOT1 that inverts the determination signal SjL, an inversion circuit NOT2 that inverts the determination signal Sj + 1H, and the output and determination of the inversion circuit NOT1. An AND circuit AND1 whose output is at a high level when both the signals Sj + 1L are at a high level, and an AND circuit AND2 whose output is at a high level when both the determination signal SjH and the output of the inverting circuit NOT2 are at a high level. The OR circuit OR is composed of an OR circuit OR whose output is at a high level when at least one of the AND circuits AND1 and AND2 is at a high level, and the output of the OR circuit OR is an operation signal SDj + 1.
[0052]
That is, the operation signal SDj + 1 generated by the logic circuits 24 and 25 is such that the potential of the cell side potential Ecj is not less than the lower limit (Erj−VF) of the voltage allowable range Wj and the cell side potential Ecj + 1 is a voltage. When the allowable range Wj + 1 is smaller than the lower limit (Erj + 1−VF), or the cell side potential Ecj is larger than the upper limit (Erj + VF) of the voltage allowable range Wj, and the cell side potential Ecj + 1 is the allowable voltage range Wj + 1. It becomes a high level when it is below the upper limit (Erj + 1 + VF).
[0053]
In the cell variation adjusting device CEUi configured as described above, when the cell voltage of the unit cell Cij is larger than the average cell voltage of the cell group CGi obtained by the voltage dividing circuit 20, the operation signal SDj becomes high level. The discharge circuits P1 to P4 operate in accordance with the operation signals SD1 to SD4, and the cell side potentials Ec1 to Ec3 are larger than the average cell voltage of the cell group CGi until all the potentials of the cell side potentials Ec1 to Ec3 are within the voltage allowable range W1 to W3. A unit cell having a cell voltage is discharged. As a result, the cell voltages of the unit cells Ci1 to Ci4 are all substantially equal to the average cell voltage of the cell group CGi.
[0054]
Further, when the photocoupler PC is turned on by supplying power between the terminals CCP and CCN by the BCU 12, discharge by the discharge circuits P1 to P4 is forcibly prohibited by the discharge inhibition circuit 26. The operations of the comparison circuits 21 to 23 and the logic circuits 24 and 25 are described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-83327.
[0055]
Next, as shown in FIG. 2, the BCU 12 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. Each cell group CG1 to CGm includes a VSCi, a resistor Rgp, and a transistor Tgp, and a group bypass circuit GBi that conducts between the cell group voltage detection lines LSi and LSi + 1.
[0056]
Further, the BCU 12 selects any one of the group voltage detection circuits VSC1 to VSCm provided for each of the cell groups CG1 to CGm, and sets the group voltage VGi detected by the selected group voltage detection circuit VSCi. A multiplexer (MPX) 30 for capturing and a control signal for selecting one of the cell groups CG1 to CGm and turning on and off the transistor Tgp of the group bypass circuit GBi corresponding to the selected cell group CGi. An output decoder (DEC) 32, a transistor Td for connecting and disconnecting a power supply line to the photocoupler PC of each of the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm connected in series between the terminals CCP and CCN, and a multiplexer 30 The resulting group voltages VG1 to VGm and ignition Based on the signal IG indicating the operation state of the switch and the detection signal IB from the current sensor 14, processing such as generation of a prohibition signal for prohibiting the operation of the cell variation adjusting device CEUi and various commands CMD to the VCU 4 is executed. An arithmetic processing unit (CPU) 38 and a memory 40 for storing data necessary for the processing are provided. The control signal from the decoder 32 is configured to be supplied to the transistor Tgp via the photocoupler 36.
[0057]
Then, when the CPU 38 detects that the ignition switch is turned on by the ignition signal IG, the CPU 38 turns on the transistor Td to prohibit the variation adjusting operation by the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm, while the ignition switch is turned off. When this is detected, the transistor Td is turned off, and the control for enabling the variation adjusting operation by the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm is executed. This control corresponds to the device operating state detection means and the adjustment operation control means in the present invention.
[0058]
Further, the CPU 38 monitors the group voltages VG1 to VGm while the ignition switch is turned on. When a cell group CGi having a group voltage VGi exceeding the preset upper limit value is detected, the cell group CGi is detected. By conducting the group bypass circuit GBi corresponding to, the control such as limiting charging to the cell group CGi is performed. This control and the group bypass circuit GBi correspond to the group voltage adjusting means in the present invention.
[0059]
In the assembled battery system 2 configured as described above, when the ignition switch is turned on, the VCU 4 appropriately switches the usage state (motor or generator) of the electric motor 8 according to the traveling state of the vehicle, whereby the assembled battery 10 is charged. Discharged.
Further, when the ignition switch is turned off, the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm operate, and the cell voltages of the unit cells Ci1 to Ci4 are made uniform for each cell group CGi, thereby repeatedly charging and discharging the assembled battery 10. The cell voltage variation between the unit cells Cij caused by the above is eliminated.
[0060]
As described above, in the assembled battery system 2 of the present embodiment, the cell variation adjusting device CEUi that automatically equalizes the cell voltages of the unit cells Ci1 to Ci4 that constitute the cell group CGi is provided for each cell group CGi. The cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm are configured to operate only when the ignition switch through which the main current flowing through the assembled battery 10 does not flow is off.
[0061]
Therefore, according to the assembled battery system 2 of the present embodiment, the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm are configured such that the cell voltage of the unit cell Cij is not affected by the internal impedance of the unit cell Cij. Since the operation is performed only when the state of charge (remaining capacity) of the unit cell is correctly reflected (this is called an adjustable state), the state of charge of the unit cell Cij is equalized correctly by aligning the cell voltages. be able to.
[0062]
Further, according to the assembled battery system 2 of the present embodiment, when the ignition switch through which the main current flows is on, the operation of the cell variation adjustment devices CEU1 to CEUm is prohibited, and thus the state of charge is not correctly reflected. Since the erroneous variation adjustment based on the cell voltage is reliably prevented, not only the variation adjustment can be performed efficiently, but also the operating state of the vehicle on which the assembled battery system 2 is mounted (the period during which the adjustment is possible). The magnitude of the current flowing through the discharge circuits P1 to P4 can be arbitrarily set according to the length.
[0063]
In this embodiment, the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm are configured to operate only when the ignition switch is turned off. However, even when the ignition switch is turned on, the main current is sufficiently large. If it is small, the cell voltage can be regarded as correctly reflecting the state of charge, so that, for example, the prescription in which the magnitude of the main current detected by the current sensor 14 (corresponding to current detection means) is set in advance. When the time change rate of the group voltages VG1 to VGm detected by each of the group voltage detection circuits VSC1 to VSCm (corresponding to the group voltage detection means) is less than a preset specified value In addition, the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm may be configured to operate. The control executed by the CPU 38 to realize these corresponds to the adjustment operation control means.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
[0064]
FIG. 4 is a block diagram illustrating the overall configuration of the assembled battery system according to the second embodiment, and illustrates a state in which the assembled battery system is incorporated into a HEV drive system, as in the first embodiment.
The assembled battery system of the present embodiment is different from that of the first embodiment only in a part of the configuration, and therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The description will focus on the different parts.
[0065]
As shown in FIG. 4, in the assembled battery system 2a of the present embodiment, the cell variation adjusting devices CEU1 to CEUm in the assembled battery system 2 of the first embodiment are replaced with cell monitoring and adjusting devices CMU1 to CMUm, and the BCU 12a is Instead of the terminals CCP and CCN, cell state signal transmission lines LC1 to LCm are wired between the cell monitoring and adjusting devices CMU1 to CMUm and the BCU 12a.
[0066]
As shown in FIG. 5, the BCU 12a omits the transistor Td. Instead, the BCU 12a includes a signal level identification circuit VSLi for identifying the signal level of the cell state signal transmitted via the cell state signal transmission line LCi, and an ignition. A switch SW that conducts the cell state signal transmission line LCi when the ignition switch is on is provided for each of the cell groups CG1 to CGm in conjunction with the operation state of the switch, and any one of the signal level identification circuits VSL1 to VSLm. And a multiplexer 34 for picking up a signal level identification result from the selected signal level identification circuit.
[0067]
Further, the cell monitoring and coordinating device CMUi monitors a charging state of the unit cells Ci1 to Ci4 constituting the cell group CGi and generates a cell state signal, and unit cells Ci1 to C1 constituting the cell group CGi. The cell variation adjustment unit CEC that equalizes the cell voltage of Ci4.
[0068]
Among these, the cell variation adjustment unit CEC includes the cell variation adjustment device CEUi according to the first embodiment, except that the switch circuit configuring the discharge inhibition circuit 26 is configured using the transistor Tp instead of the photocoupler PC. It is configured in exactly the same way. Specifically, the collector and emitter of the transistor Tp are connected in the same manner as the output side of the photocoupler PC, and a discharge inhibition signal (described later) from the cell monitoring controller CMC is applied to the base of the transistor Tp. When the discharge inhibition signal is input, the discharge by the discharge circuits P1 to P4, that is, the variation adjustment operation by the cell variation adjustment unit CEC is prohibited.
[0069]
On the other hand, the cell monitoring control unit CMC includes charge state determination circuits 41 to 44 for determining the charge states of the individual unit cells Ci1 to Ci4 for each of the unit cells Ci1 to Ci4 constituting the cell group CGi.
The charge state determination circuits 41 to 44 all have the same configuration. As shown in FIG. 6, the voltage across the unit cell Cij (a voltage across the unit cell Cij is connected to a non-inverting input via a voltage dividing circuit). A voltage corresponding to Ecj−Ecj + 1) is applied, and an inverting input is composed of an operational amplifier to which an upper limit reference voltage corresponding to the upper limit voltage of the unit cell Cij is applied via a constant voltage circuit composed of a resistor and a voltage generation source. A voltage corresponding to the voltage across the unit cell Cij is applied to the comparator CPH and the non-inverting input via a voltage dividing circuit consisting of a resistor, and the unit is connected to the inverting input via a constant voltage circuit consisting of a resistor and a voltage source. The comparator CPL is composed of an operational amplifier to which a lower limit reference voltage corresponding to the lower limit voltage of the cell Cij is applied. The upper limit reference voltage and the lower limit reference voltage can be generated using, for example, a forward voltage of a diode, a breakdown voltage of a Zener diode, and the like.
[0070]
That is, the overcharge determination signal JjH that is the output of the comparator CPH is at a high level only when the cell voltage of the unit cell Cij exceeds the upper limit voltage, and the overdischarge determination signal JjL that is the output of the comparator CPL is the unit cell Cij. The cell voltage is set to the low level only when the cell voltage falls below the lower limit voltage.
[0071]
The cell monitoring control unit CMC includes three current paths D1 to D3 connected in parallel between the positive electrode side end of the cell group CGi and the cell state signal transmission line LCi.
Among these, the first current path D1 includes a pair of resistors connected in series, and supplies a constant current I1 to the cell state signal transmission line LCi when the switch SWi on the cell state signal transmission line LCi is closed. At the same time, the transistor operates as a transistor bias circuit for intermittently connecting the transmission line D4 for transmitting the discharge inhibition signal to the cell variation adjusting unit CEC. That is, when the switch SWi is closed, the transistor on the transmission line D4 is turned on to supply a discharge inhibition signal to the cell variation adjustment unit CEC.
[0072]
Next, the second current path D2 includes a transistor and a resistor. When the switch SWi on the cell state signal transmission line LCi is closed and the transistor on the second current path D2 is on, the cell state A constant current I2 is supplied to the signal transmission line LCi. However, the bias circuit for driving the transistor on the second current path D2 is biased when any one of the overcharge determination signals J1H to J4H from the charge state determination circuits 41 to 44 has a high level. It is comprised so that an electric current may be sent.
[0073]
That is, the second current path D2 is cut off when none of the unit cells Ci1 to Ci4 is in an overcharged state, and becomes conductive when any one of the unit cells Ci1 to Ci4 is overcharged. A constant current I2 is supplied to the cell state signal transmission line LCi.
[0074]
Similarly to the second current path D2, the third current path D3 includes a transistor and a resistor, the switch SWi on the cell state signal transmission line LCi is closed, and the third current path D3 is on the third current path D3. When the transistor is on, a constant current I3 is supplied to the cell state signal transmission line LCi. However, when any one of the overdischarge determination signals J1L to J4L from the charge state determination circuits 41 to 44 has a low level, the bias circuit that drives the transistor on the third current path D3 is bias current. Is configured to shut off.
[0075]
That is, when the unit cells Ci1 to Ci4 are not in an overdischarged state, the third current path D3 is in a conductive state and supplies a constant current I3 to the cell state signal transmission line LCi, and among the unit cells Ci1 to Ci4. If any one of them is in an overdischarged state, it becomes a cut-off state and stops supplying the constant current I3 to the cell state signal transmission line LCi.
[0076]
Therefore, the signal level (current magnitude) of the cell state signal OCDi obtained by synthesizing the supply currents from the first to third current paths D1 to D3 is set in the unit cells Ci1 to Ci4 constituting the cell group CGi. When there is no overcharged state or overdischarged state, the magnitude is I1 + I3 (first signal level) based on the supply currents from the first and third current paths D1 and D3, and the overcharged state When there is at least one, the magnitude is I1 + I2 + I3 (second signal level) based on the supply current from all the current paths D1 to D3, and when there is at least one overdischarged state, the first current path D1 It becomes a magnitude I1 (third signal level) based on the supply current from.
[0077]
For this reason, the signal level identification circuit VSLi identifies four levels of signal levels by adding the fourth signal level (current 0) when the switch SWi is opened to these first to third signal levels. Have been to.
In the cell monitoring control unit, the charging state determination circuits 41 to 44 correspond to cell voltage monitoring means, and the other portions correspond to signal generation means.
[0078]
In the assembled battery system 2a of the present embodiment configured as described above, when the switch SWi on the cell state signal transmission line LCi is closed by turning on the ignition switch, the charging states of the unit cells Ci1 to Ci4 are changed. The cell state signal OCDi represented is supplied to the BCU 12a via the cell state signal transmission line LCi, and the variation adjustment operation by the cell variation adjustment unit CEC is prohibited.
[0079]
On the other hand, when the switch SWi is opened by turning off the ignition switch, the signal level of the cell state signal OCDi identified by the signal level identification circuit VSLi becomes the fourth signal level, and the cell variation adjustment unit CEC Variation adjustment operation is possible.
[0080]
As described above, according to the assembled battery system 2a of the present embodiment, the cell variation adjustment unit CEC having the same function as the cell variation adjustment device CEU is operated only when the ignition switch is turned off. Therefore, the same effect as the assembled battery system 2 of 1st Embodiment can be acquired.
[0081]
Further, in the assembled battery system 2a of the present embodiment, the cell monitoring control unit CMC is overcharged or overdischarged in the unit cells Ci1 to Ci4 constituting the cell group CGi for each cell group CG1 to CGm. The result of determining whether there is a state is output as the cell state signal OCDi. That is, since the abnormality of the unit cell Cij that cannot be solved by the operation of the cell variation adjustment unit CEC can be detected based on the cell state signal OCDi, the reliability of the apparatus can be improved.
[0082]
In addition, since the switch SWi is used to control the start and stop of the cell variation adjustment unit CEC by using the change in the cell monitoring control unit CMC that occurs when the cell state signal transmission line LCi is turned on and off. In addition, it is not necessary to separately provide a dedicated control line for controlling the cell variation adjusting unit CEC, and the wiring between the cell monitoring and adjusting apparatuses CMU1 to CMUm and the BCU 12a can be simplified.
[0083]
Further, in the assembled battery system 2a of the present embodiment, the cell state signal OCDi is configured such that when the switch SWi is opened, the fourth signal level corresponding to the current 0 is detected. If the fourth signal level is detected while the circuit is closed, it can be determined that the cell state signal transmission line LCi is disconnected or the cell monitoring and adjusting device CMUi is faulty. Furthermore, when the switch SWi is off, no current flows from the cell group CGi to the BCU 12a, so that the leakage current (dark current) in a so-called non-operating state of the vehicle with the ignition switch turned off can be reduced. .
[0084]
In this embodiment, the switch SWi is opened and closed in conjunction with the ignition switch. However, based on the magnitude of the main current flowing through the assembled battery 10, the state of the vehicle on which the device is mounted, and the like. The CPU 38 may be configured to control opening and closing of the switch SWi.
[0085]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes.
For example, in the above embodiment, the cell group CGi is configured by the four unit cells Ci1 to Ci4, but is not limited thereto, and may be three or less or five or more. As the number of unit cells constituting the cell group CGi is increased, the number of cell groups CGi is decreased, so that the configuration of the BCU 12a can be simplified. However, the cell variation adjustment device CEUi and the cell monitoring adjustment device CMUi can be simplified. This complicates the device configuration due to problems such as withstand voltage of the elements used. Therefore, in the case of a lithium battery with an average cell voltage of 3.6 V, it is desirable to form a cell group with 4 to 6 unit cells. Particularly, when these devices CEUi and CMUi are integrated into an IC, It is desirable that the number be within 6 in terms of withstand voltage.
[0086]
In the above embodiment, the discharge circuits P1 to P4 are used in order to eliminate the voltage variation between the unit cells Ci1 to Ci4. However, the storage means including a secondary battery or a capacitor is provided. Alternatively, energy may be transferred from a cell having a large remaining capacity to a cell having a small remaining capacity.
[0087]
In the above embodiment, a lithium battery is used as the unit cell. However, for example, a lead battery or a nickel battery may be used, and any secondary battery can be used as the unit cell. In addition, in a secondary battery in which equal charge is performed by a sealing reaction, it is not always necessary to perform overcharge / discharge detection, but when the present invention is applied to an assembled battery system including such a secondary battery, Thus, the performance of the assembled battery can be maximized and the deterioration of the unit cell can be suppressed.
[0088]
Moreover, although the case where this invention was applied with respect to the assembled battery 10 which consists of the cell group CGi which connected the unit cell simply in series was demonstrated in the said embodiment, it is not restricted to this, A plurality of unit cells are connected in series and parallel. Applicable to any connected cell group.
[0089]
Further, in the above embodiment, the cell variation adjusting device CEUi and the cell variation adjusting unit CEC are configured to discharge unit cells having a cell voltage higher than the average cell voltage in the cell group CGi. The lowest cell voltage in the group CGi may be detected, and each unit cell may be discharged until the cell voltages of all the unit cells constituting the cell group CGi are equal to the lowest cell voltage.
[0090]
Further, the logic of each determination signal in the comparison circuits 21 to 23 and the charge state determination circuits 41 to 44 does not necessarily follow that shown in the above embodiment. However, it is desirable to set the signal level when overdischarge is detected so that the power carry out from the cell group CGi is as small as possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an assembled battery system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of a cell variation adjusting device and a BCU.
3A is a circuit diagram illustrating a configuration of a comparison circuit, FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating an operation of the comparison circuit, and FIG. 3C is a circuit diagram illustrating a configuration of a logic circuit;
FIG. 4 is a block diagram illustrating an overall configuration of an assembled battery system according to a second embodiment.
FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of a cell monitoring and adjusting apparatus and a BCU.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration of a charge state determination circuit.
FIG. 7 is a reference diagram showing a configuration of a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
2, 2a ... assembled battery system, 4 ... HEV controller (VCU), 6 ... inverter, 8 ... electric motor, 10 ... assembled battery, 12, 12a ... assembled battery controller (BCU), 14 ... current sensor, 20 ... voltage divider circuit 21-23 ... comparison circuit, 24,25 ... logic circuit, 26 ... discharge prohibition circuit, 30,34 ... multiplexer, 40 ... memory, 41-44 ... charge state determination circuit, Cij ... unit cell, CGi ... cell group, CEUi ... cell variation adjusting device, CMUi ... cell monitoring adjusting device, CEC ... cell variation adjusting unit, CMC ... cell monitoring control unit, AMP ... differential amplifier circuit, CP1, CP2, CPH, CPL ... comparator, DEN ... reference voltage source , D1 to D3, first to third current paths, D4, transmission line, GBi, group bypass circuit, L, main power supply line, LSi, cell group. Voltage detecting lines, LCi ... cell state signal transmission line, P1 to P4 ... discharge circuit, PC ... photo coupler, SWi ... switch, VSCi ... Group voltage detection circuit, VSLI ... signal level discriminator

Claims (12)

  1. 充放電可能な二次電池を単位セル、該単位セルを複数個直列に接続したものをセルグループとし、1個或いは直列接続された複数個のセルグループからなる組電池の充電状態を制御する充電状態制御装置であって、
    前記セルグループ毎に設けられ、該セルグループを構成する各単位セル間で、単位セルの両端電圧であるセル電圧のばらつきが解消されるように該単位セルの充電状態を個別に調整するセル電圧調整手段と、
    前記組電池の状態が、前記セル電圧に単位セルの充電状態が正しく反映されている調整可能状態にある場合にのみ前記セル電圧調整手段を動作させる調整動作制御手段と、
    前記セルグループ毎に設けられ、該セルグループを構成する各単位セルのセル電圧が、予め設定された電圧範囲内にあるか否かを監視するセル電圧監視手段と、
    該セル電圧監視手段での監視結果に従い、前記セルグループを構成する単位セルのうち、全てのセル電圧が前記電圧範囲内であれば通常状態を表す第1の信号レベル、いずれか一つでもセル電圧が前記電圧範囲を上回れば過充電状態を表す第2の信号レベル、いずれか一つでもセル電圧が前記電圧範囲を下回れば過放電状態を表す第3の信号レベルとなるセル状態信号を生成する信号生成手段と、
    を備え
    前記信号生成手段は、
    常時導通して一定電流を流す第1の電流経路と、
    前記過充電状態の時に導通して一定電流を流す第2の電流経路と、
    前記過放電状態以外の時に導通して一定電流を流す第3の電流経路と、
    を備え、前記各電流経路を流れる電流を合成した電流信号を、前記セル状態信号として生成することを特徴とする充電状態制御装置。
    Charging for controlling the charging state of an assembled battery composed of one or a plurality of cell groups connected in series, wherein a rechargeable secondary battery is a unit cell and a plurality of unit cells connected in series is a cell group A state control device,
    A cell voltage that is provided for each cell group and individually adjusts the state of charge of the unit cell so as to eliminate the variation in the cell voltage that is the voltage across the unit cell between the unit cells constituting the cell group. Adjusting means;
    An adjustment operation control means for operating the cell voltage adjustment means only when the state of the assembled battery is in an adjustable state in which the charge state of the unit cell is correctly reflected in the cell voltage;
    Cell voltage monitoring means provided for each cell group, for monitoring whether the cell voltage of each unit cell constituting the cell group is within a preset voltage range;
    According to the monitoring result of the cell voltage monitoring means, if all the cell voltages are within the voltage range among the unit cells constituting the cell group, the first signal level indicating the normal state, any one of the cells If the voltage exceeds the voltage range, a second signal level indicating an overcharge state is generated. If any one of the cell voltages falls below the voltage range, a cell state signal indicating a third signal level indicating an overdischarge state is generated. Signal generating means for
    With
    The signal generating means includes
    A first current path that conducts constantly and allows a constant current to flow;
    A second current path that conducts and flows a constant current in the overcharge state;
    A third current path that conducts at a time other than the overdischarge state and flows a constant current;
    And generating a current signal, which is a combination of currents flowing through the current paths, as the cell state signal .
  2. 前記セル電圧監視手段及び前記信号生成手段は、該セル電圧監視手段の監視対象となるセルグループからの電源供給により動作することを特徴とする請求項1記載の充電状態制御装置。2. The charge state control device according to claim 1, wherein the cell voltage monitoring unit and the signal generation unit are operated by power supply from a cell group to be monitored by the cell voltage monitoring unit.
  3. 前記セル状態信号を伝送するセル状態信号伝送線に、該セル状態信号伝送線を断続するスイッチを設け、
    前記信号生成手段は、前記スイッチがオンの時に、前記セル電圧調整手段の動作を禁止するための禁止信号を生成し、
    前記セル電圧調整手段は、前記信号生成手段からの禁止信号によって動作を停止することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の充電状態制御装置。
    The cell state signal transmission line for transmitting the cell state signal is provided with a switch for interrupting the cell state signal transmission line,
    The signal generating means generates a prohibition signal for prohibiting the operation of the cell voltage adjusting means when the switch is on;
    3. The state-of-charge control device according to claim 1, wherein the cell voltage adjusting unit stops operation in response to a prohibition signal from the signal generating unit.
  4. 前記組電池は車両に搭載され、該車両のイグニションスイッチがオフの時に、前記スイッチがオフすることを特徴とする請求項3記載の充電状態制御装置。4. The state-of-charge control device according to claim 3 , wherein the assembled battery is mounted on a vehicle, and the switch is turned off when an ignition switch of the vehicle is turned off.
  5. 前記セル電圧調整手段は、該セル電圧調整手段の調整対象となるセルグループからの電源供給により動作することを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか記載の充電状態制御装置。The cell voltage adjusting means, charge state control device as set forth in any one of claims 1 to claim 4, characterized in that operates by power supplied from the cell group to be adjusted of the cell voltage adjusting means.
  6. 前記組電池を構成する各セルグループの両端電圧であるグループ電圧のばらつきが解消されるように該セルグループの充電状態を個別に調整するグループ電圧調整手段を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5いずれか記載の充電状態制御装置。2. The apparatus according to claim 1, further comprising group voltage adjusting means for individually adjusting a charging state of the cell group so as to eliminate a variation in a group voltage that is a voltage between both ends of each cell group constituting the assembled battery. The state-of-charge control device according to claim 5 .
  7. 前記セル電圧調整手段は、前記セルグループを構成する各単位セルの平均電圧より高いセル電圧を有する単位セルを、前記平均電圧に等しくなるまで放電することを特徴とする請求項1ないし請求項6いずれか記載の充電状態制御装置。The cell voltage adjusting means, said unit cells having a higher cell voltage than the average voltage of each unit cell constituting the cell group, claims 1 to claim, characterized in that the discharge until it is equal to the average voltage 6 The charge state control apparatus in any one.
  8. 前記組電池を充放電する接続機器の作動状態を検出する機器作動状態検出手段を備え、
    前記調整動作制御手段は、該機器作動状態検出手段にて検出される作動状態が前記接続機器の停止を表している場合に、前記組電池が調整可能状態にあるものとすることを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか記載の充電状態制御装置。
    Device operating state detection means for detecting the operating state of the connected device for charging and discharging the assembled battery,
    The adjustment operation control means is characterized in that the assembled battery is in an adjustable state when the operation state detected by the device operation state detection means represents a stop of the connected device. The state-of-charge control device according to claim 1 .
  9. 前記組電池を貫流する主電流の大きさを検出する電流検出手段を備え、
    前記調整動作制御手段は、該電流検出手段にて検出される主電流が予め設定された上限値以下である場合に、前記組電池が調整可能状態にあるものとすることを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか記載の充電状態制御装置。
    Current detection means for detecting the magnitude of the main current flowing through the assembled battery;
    The adjustment operation control means is characterized in that the assembled battery is in an adjustable state when a main current detected by the current detection means is equal to or less than a preset upper limit value. The charge state control apparatus according to any one of claims 1 to 7 .
  10. 前記組電池を構成する各セルグループの両端電圧であるグループ電圧を検出するグループ電圧検出手段を備え、
    前記調整動作制御手段は、該グループ電圧検出手段にて検出されるグループ電圧の時間変化率が予め設定された上限値以下である場合に、前記組電池が調整可能状態にあるものとすることを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか記載の充電状態制御装置。
    A group voltage detecting means for detecting a group voltage which is a voltage between both ends of each cell group constituting the assembled battery;
    The adjustment operation control means is such that the assembled battery is in an adjustable state when the time change rate of the group voltage detected by the group voltage detection means is equal to or less than a preset upper limit value. The state-of-charge control device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
  11. 前記単位セルは、リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な物質からなる電極を用いて構成されたリチウム系二次電池であることを特徴とする請求項1ないし請求項10いずれか記載の充電状態制御装置。The state of charge according to any one of claims 1 to 10 , wherein the unit cell is a lithium secondary battery configured using an electrode made of a material capable of occluding and releasing lithium ions. Control device.
  12. 前記組電池は、電気自動車或いはハイブリッド電気自動車の動力源として実装されることを特徴とする請求項1ないし請求項11いずれか記載の充電状態制御装置。The battery pack is charged state control apparatus of claims 1, characterized in that it is implemented as a power source for electric vehicles or hybrid electric vehicle according to any one of claims 11.
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