JP4388094B2

JP4388094B2 - 組電池の保護装置及び電池パック装置

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Publication number: JP4388094B2
Application number: JP2007086020A
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: 2009-12-24
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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。

このような問題に対し、ニッケル水素電池の組電池においては、均等化充電と呼ばれる充電を適宜行うことにより、充電電圧のばらつきを解消するという方法が一般にとられている。ニッケル水素電池は、満充電に近い状態でさらに充電を継続しようとすると、電極材料の充電反応と、電解液中の水の分解・再結合反応とが競争反応となり、充電反応が進まなくなるという特徴がある。そのため、満充電を超えた領域での充電を電池の劣化が起こらないように適切な充電条件で行えば、電池内部での電気化学的な電流バイパス機能を利用し、各単電池の充電電圧を揃えることができる。このような均等化充電の方法については、例えば特許文献１に記載されている。

一方、非水電解質を用いた二次電池やキャパシタにおいては、一般に充放電のクーロン効率はほぼ１００％であるため、ニッケル水素電池のような電池内部での電流バイパス機能は期待できない。このような場合については、組電池の外部に各単電池をバイパスする平均化回路を設け、一定電圧を超えた単電池に対しては充電電流をバイパスすることにより、単電池間の電圧ばらつきを抑える方法が提案されている。例えば、特許文献２には組電池の各単電池に並列にツェナーダイオードを接続し、ツェナー電圧を超えた単電池の充電電流をバイパスするという技術が開示されている。
特開２００１−３１４０４６号公報特開２００２−２３８１７９号公報

特許文献２に開示されたような方法をとったとしても、次のような問題から効果的に単電池間の電圧ばらつきを解消することは困難である。まず、ツェナーダイオードのような単一の素子によるバイパスによって電圧ばらつきを抑制しようとした場合、充電電圧はツェナー電圧のばらつきに支配される。ツェナー電圧のばらつきを抑えることは、ばらつきの小さい電池を製造することと同様、技術的に困難である。

さらに、ツェナー電圧に達したときのツェナー電流の立ち上がりは決して急峻でない。このようなツェナー電流の立ち上がり特性により、必要な充電電圧よりも低い電圧からバイパス電流が流れてしまうため、数十ｍＶのオーダーで電圧制御が必要な二次電池には適用が困難という問題があった。

本発明は、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可能とし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組電池の保護装置は、組電池の複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする。

本発明の他の態様による組電池の保護装置は、組電池の複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧及び前記二次電池間の充電状態偏差を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；予め定められた充電状態偏差検出イベントの発生時に前記充電状態偏差を記憶するメモリと；前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差に応じて増加する回数だけオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差に応じて増加する回数だけオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする組電池の保護装置。

本発明のさらに別の態様による組電池の保護装置は、組電池の複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを予め定められた充電状態偏差検出イベントが発生する度に繰り返しオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差検出イベントが発生する度に繰り返しオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする。

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。
（第１の実施形態）
図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る保護装置は、直列接続された複数（ｎ）の二次電池（以下、単電池という）Ｂ１〜Ｂｎを有する組電池１に適用される。単電池の個数ｎを直列数ともいう。保護装置はサンプリング部２、ホールド部３、マルチプレクサ４、増幅器５及びマイクロコントローラ６を有する。また、組電池の充放電電流測定用のシャント抵抗Ｒｓが接続される場合がある。保護装置は組電池１とは別の筐体に収容される場合もあるが、組電池１と共に一つの筐体内に収容され、組電池１と共に電池パック装置として使用される場合もある。

保護装置は、基本的に組電池の各単電池の電圧（セル電圧）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、ここでは当該基本機能に関わる説明を省略する。

サンプリング部２、ホールド部３及びマルチプレクサ４は、いわゆるフライングキャパシタ式電圧検出回路を構成している。サンプリング部２は、単電池Ｂ１〜Ｂｎの正極端子に一端が接続されたｎ個の第１サンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ、単電池Ｂ２〜Ｂｎの負極端子に一端が接続されたｎ個の第２サンプリングスイッチＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬ、及びｎ個の放電用スイッチＳ１１Ｄ〜Ｓ１ｎＤを有する。単電池Ｂ１の負極端子はグラウンドに接続されている。

サンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬは、後述するようにマイクロコントローラ６内の制御部により制御され、同時にオン状態とされる。従って、サンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１２Ｌ〜Ｓ１ｎＬにより単電池Ｂ１〜Ｂｎの個々の電圧（充電電圧）がサンプリングされる。２系統のサンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬが設けられている理由は、単電池Ｂ１〜Ｂｎの対グラウンド電圧でなく、それぞれの両端電圧をサンプリングするためである。

ホールド部３は、ｎ個のキャパシタ（フライングキャパシタともいう）Ｃ１〜Ｃｎを含み、サンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１２Ｌ〜Ｓ１ｎＬによってサンプリングされた単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧（サンプリング電圧）をホールドする。この後、サンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１２Ｌ〜Ｓ１ｎＬは、オフ状態とされる。キャパシタＣ１〜Ｃｎにそれぞれ並列に接続された、サンプリング部２の放電用スイッチＳ１１Ｄ〜Ｓ１ｎＤは、キャパシタＣ〜Ｃｎの充電電荷を放電するために設けられている。

ホールド部３においてキャパシタＣ１〜Ｃｎによりホールドされた電圧（ホールド電圧）は、マルチプレクサ４に入力される。マルチプレクサ４は、キャパシタＣ１〜Ｃｎの高電位側の一端に接続されたｎ個の読み出しスイッチＳ３１〜Ｓ３ｎと、キャパシタＣ１〜Ｃｎの低電位側の他端とグラウンド間に接続されたスイッチＳ２１〜Ｓ２ｎ、及びスイッチＳ２１〜Ｓ２ｎの各々に並列に接続されたダイオードを有する。読み出しスイッチＳ３１〜Ｓ３ｎの他端は、マルチプレクサ４の共通出力ノードに接続される。

マルチプレクサ４では、マイクロコントローラ６からの制御によって読み出しスイッチＳ３１〜Ｓ３ｎ及びＳ２１〜Ｓ２ｎが順次オン状態とされることにより、キャパシタＣ１〜Ｃｎのホールド電圧が順次読み出され、読み出しスイッチＳ３１〜Ｓ３ｎの他端の共通出力ノードから出力される。

マルチプレクサ４の共通出力端子からの出力電圧は、増幅器５により増幅された後、マイクロコントローラ６に入力される。電流測定用シャント抵抗Ｒｓの端子電圧は、増幅器７により増幅された後、マイクロコントローラ６に入力される。マイクロコントローラ６は、図２に示されるようにアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１１、メモリ１２、電池状態測定部１３及び制御部１４を有し、制御部１４からサンプリング部２及びマルチプレクサ４へ供給する制御信号２１及び２２を出力する。

増幅器５及び７からの出力電圧は、ＡＤＣ１１により適当なビット数のデジタル信号に変換された後、メモリ１２及び制御部１４に与えられる。ＡＤＣ１１の変換タイミングを与えるタイミング信号及び変換クロックは、制御部１４から供給される。メモリ１２の書き込み及び読み出しは、制御部１４からの制御により行われる。すなわち、ＡＤＣ１１から出力されるデジタル信号は、制御部１４の制御の下でメモリ１２に書き込まれ、メモリ１２から読み出される。メモリ１２から読み出されるデジタル信号は、電池状態測定部１３に入力される。

本実施形態の保護装置は、動作モードとしてＳＯＣ測定モードとＳＯＣバランスモードを有する。ＳＯＣ測定モードでは、制御部１４は一定の周期でサンプリング部２、マルチプレクサ４、メモリ１２及び電池状態測定部１３を同期して動作するように制御する。この制御によって、前述したように組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧はサンプリング部２により順次サンプリングされてホールド部３によりホールドされ、マルチプレクサ４により多重化されて共通出力ノードから出力される。マルチプレクサ４から出力される電圧は、増幅器５を介してマイクロコントローラ６に取り込まれ、ＡＤＣ１１及びメモリ１２を介して電池状態測定部１３に与えられる。

電池状態測定部１３は組電池１の充電状態（ＳＯＣ）、具体的には組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧バランス、最大電圧、最小電圧及び合計電圧を計算により測定し、結果として過充電や過放電の判定及び単電池Ｂ１〜Ｂｎ間のアンバランスの検出を行う。

ＳＯＣ測定モードでは、サンプリング部２によりサンプリングされた電圧が一旦ホールド部３のキャパシタＣ１〜Ｃｎに蓄えられる。この後キャパシタＣ１〜Ｃｎの電圧がマルチプレクサ４によってサンプリングされる。キャパシタＣ１〜Ｃｎの充電電荷は、次回のサンプリングの前に放電用スイッチＳ１１Ｄ〜Ｓ１ｎＤを介して放電してもよいし、電荷を残したまま次回のサンプリングをおこなってもよいが、、ＳＯＣ測定モードでは全ての単電池Ｂ１〜Ｂｎが同様に放電される。

ＳＯＣ測定モードでは組電池１の放電量は小さいほど好ましいため、一般にはサンプリング部２のサンプリング動作及びホールド部３のキャパシタＣ１〜Ｃｎの放電動作による組電池１の放電は、必要最小限に抑えられる。

一方、本実施形態ではＳＯＣ測定モードで単電池Ｂ１〜ＢｎのＳＯＣがばらついたと判断される場合、ＳＯＣ測定期間以外の期間をＳＯＣバランスモードとして、ＳＯＣ測定期間以外の期間内にＳＯＣが相対的に大きい単電池（充電過剰電池）のみサンプリング部２の対応するサンプリングスイッチのサンプリング回数（オン／オフ回数）を増加させる。この結果、単電池Ｂ１〜ＢｎをＳＯＣ測定時より多く放電させることによって、ＳＯＣばらつきが解消される。

次に、図３に示すフローチャートを用いて本実施形態に係る保護装置の詳細な動作手順を説明する。図３の処理は、大きく前述したＳＯＣ測定モードの処理を行うＳＯＣ測定ルーチンと、ＳＯＣバランスモードの処理を行うＳＯＣバランスルーチンからなる。処理は保護装置の起動により開始され、制御部１４の制御の下で行われる。

（ＳＯＣ測定ルーチン）
まず、ＳＯＣ測定ルーチンにおいては、サンプリング部２の全てのサンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬがオン状態とされ（ステップＳ１０１）、次にサンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬがオフ状態とされる（ステップＳ１０２）。このサンプリング部２の動作によって組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧が同時にサンプリングされ、サンプリングされた電圧はホールド部３のキャパシタＣ１〜Ｃｎにホールドされる。

次に、マルチプレクサ３の読み出しスイッチＳ３１〜Ｓ３ｎ及びＳ２１〜Ｓ２ｎが順次１組ずつオン／オフされる（ステップＳ１０３〜Ｓ１０８）。これによりキャパシタＣ１〜Ｃｎにホールドされた電圧が読み出され、共通出力ノードより取り出される。ＳＯＣ測定ルーチンでは、ＳＯＣである組電池１の充電状態、例えば組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧バランス、最大電圧、最小電圧及び合計電圧が測定され、過充電や過放電の判定及び単電池Ｂ１〜Ｂｎ間のアンバランスの検出が行われる。

（ＳＯＣバランスルーチン）
上述したＳＯＣ測定ルーチンが終わると、処理は次にＳＯＣバランスルーチンに移る。ＳＯＣバランスルーチンでは、ＳＯＣ測定ルーチンで得られた単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧バランス、最大電圧、最小電圧及び合計電圧等の測定結果に基づき、単電池Ｂ１〜Ｂｎ間の電圧ばらつきが許容値以内か否かが判定される（Ｓ１０９）。この結果、電圧ばらつきが許容値以内にあれば、処理はステップＳ１０１に戻ってＳＯＣ測定ルーチンが繰り返される。

電圧ばらつきが許容値以内になければ、例えば電圧が最大の単電池を含めて、電圧が予め定められた閾値を越える単電池が充電過剰電池（充電過剰セル）と判定される(ステップＳ１１０)。ここで、単電池Ｂｘが充電過剰電池と判定されたと仮定すると、次に単電池Ｂｘに対応するサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬとＳ１ｘＤが順次オン／オフされる（ステップＳ１１１〜Ｓ１１４）。

サンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬとＳ１ｘＤのが順次オン／オフされると、ステップＳ１１５で図４に示すデッドタイムＴｄが０であるかどうかが判定され、Ｔｄが０になるまでＳ１１１〜Ｓ１１４がループされ、Ｓ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤのオン／オフは繰り返される。Ｔｄが０になると、処理はステップＳ１０１に戻りＳＯＣ測定ルーチンが再び開始される。

図４において、ｔ１及びｔ２はＳＯＣ測定ルーチンの開始時刻及び終了時刻であり、すなわちｔ１〜ｔ２がＳＯＣ測定期間である。ＳＯＣバランスルーチンは、時刻ｔ２から開始される。Ｔ０はＳＯＣ測定周期であり、デッドタイムＴｄはサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤの繰り返しオン／オフの現在の終了時刻から次のＳＯＣ測定期間までの時間である。図３の処理例では、図４に示されるようにＴｄ＞０の間にわたってサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤの繰り返しオン／オフが行われる。

このように本実施形態によれば、ＳＯＣバランスモードにおいてサンプリング部２における、例えば充電過剰電池に対応するサンプリングスイッチのみをオン／オフさせることによって、組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎ間の充電電圧のばらつき、すなわちＳＯＣばらつきを精度よく解消することができる。この場合、ＳＯＣバランスモードではサンプリング部２を主な要素とするＳＯＣ測定のための回路要素を用いるため、ＳＯＣバランスのための余分な付加回路が不要であり、保護装置全体の消費電流も小さくすることができる。

図５に示すフローチャートは、保護装置の別の動作手順を示しており、ＳＯＣバランスルーチンの最後のステップＳ１１５の処理が図３と異なっている。すなわち、図５のステップＳ１１５では、サンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤの繰り返しオン／オフの間に、図６に示すように図４で説明したデッドタイムＴｄがＴ０＞Ｔｄ＞０．５Ｔ０かどうかかが判定され、Ｔｄが０．５Ｔ０になるまでＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤのオン／オフは繰り返される。Ｔｄが０．５Ｔ０になると、処理はステップＳ１０１に戻りＳＯＣ測定ルーチンが再び開始される。

ＳＯＣ測定周期Ｔ０は、用途にもよるがおよそ０．１秒〜数秒程度が適当である。キャパシタＣ１〜Ｃｎは、ＳＯＣ測定用であるため一般に容量は比較的小さい。このような小容量のキャパシタＣ１〜ＣｎでＳＯＣばらつきを調整するためには、上述したサンプリングスイッチのオン／オフによる充電過剰電池の放電動作を多数回、継続的に行う必要がある。この場合上述したＴ０＞Ｔｄ＞０．５Ｔ０の条件を満たすようにすると、充電過剰電池に対応するサンプリングスイッチの繰り返しオン／オフの回数をできるだけ多くとることでＳＯＣバランス動作を効果的に行いつつ、過剰な放電によるＳＯＣ測定への影響を最小限に抑えることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態における保護装置全体の構成は図１に示した通りであり、マイクロコントローラ６の内部構成及び動作が第１の実施形態と異なっている。

図７は、第２の実施形態におけるマイクロコントローラ６の詳細を示しており、ＡＤＣ１１、メモリ１２、充電状態測定部１３、制御部１４、ＲＯＭ１５、サンプリング回数設定部１６及びカウンタ１７を有する。本実施形態において、ＳＯＣ測定期間内にサンプリング部２のサンプリングスイッチＳ１１Ｈ〜Ｓ１ｎＨ及びＳ１１Ｌ〜Ｓ１ｎＬを同時にオン／オフさせることは第１の実施形態と同様である。ＲＯＭ１５は、例えば後述する電圧・温度・電流対ＳＯＣテーブルを格納している。

ＳＯＣばらつきは、一般には単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧を比較することで求められる。しかし、電池の種類や状態によっては、ＳＯＣばらつきに対する電圧変化が非常に小さく、温度差や測定誤差など他の要因の影響の方が大きくなるので、ＳＯＣばらつきを正確に測定できない場合がある。そこで、本実施形態ではＳＯＣ測定期間以外の期間において、電池状態測定部１３が組電池の単電池Ｂ１〜ＢｎのＳＯＣばらつきを測定し得る状態を充電状態偏差検出イベント（以下、ＳＯＣ偏差検出イベントという）とし、このＳＯＣ偏差検出イベントを利用してＳＯＣばらつきを補正する。

すなわち、ＳＯＣ偏差検出イベントが発生すると、ＳＯＣ測定期間以外の期間内にＳＯＣが相対的に大きい単電池（充電過剰電池）のみサンプリング部２の対応するサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせる。これにより充電過剰電池をＳＯＣ測定時より多く放電させ、ＳＯＣばらつきを解消させる。

この場合、ＳＯＣ偏差検出イベント発生時の単電池Ｂ１〜ＢｎのＳＯＣ偏差をメモリ１２により記憶し、ＳＯＣ偏差に応じた回数に達するまで、あるいは次のＳＯＣ偏差検出イベントが発生するまで、サンプリング部２の充電過剰電池に対応するサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせる。これによって、小さな放電電流でも効果的かつ精度よくＳＯＣばらつきを補正することが可能である。

以下、ＳＯＣ偏差検出イベントについて詳細に説明する。
ＳＯＣの揃え方は電池の種類によって異なるが、一般的に非水電解質二次電池では満充電状態で揃えることが好ましい場合が多い。これは充電状態での電圧ばらつきにより、充電過剰電池が不安全状態になることを防ぐ必要があること、また、抵抗値の上昇などの電池の劣化は充電電位が高いほど大きいのが一般的であり、充電状態で電圧がばらついていると劣化度合いがその影響でばらつく可能性があること、などの理由による。

一方、測定される単電池間の電圧差からＳＯＣばらつきを算出する場合、電池容量に対する電圧変化率が大きい程、算出されるＳＯＣの精度を高くすることができる。電池を構成する電極材料によっては、特に満充電付近の領域で電池容量に対する電圧変化率を高くすることができるので、電圧差からＳＯＣばらつきを算出する方法は、満充電付近で精度よくＳＯＣを揃えるには特に好適である。

電圧測定精度以外でＳＯＣ算出に影響を与える大きな要因として、充放電電流がある。同じＳＯＣであっても、電池に充電あるいは放電電流が流れていると、電池の内部インピーダンスのばらつきに応じて電圧が変化するのは自明である。従って、電流が全く流れていない状態で測定された開回路電圧からＳＯＣを算出する方法が最も高精度である。ところが、例えばハイブリッド自動車などのように、電池が満充電状態で放置状態になる機会が殆んどないような用途も存在する。このような場合には、充電電流が流れている場合であっても電池電圧からＳＯＣ算出した方がＳＯＣ算出の機会を増やすことができる。

以上の点を鑑みて、充放電電流がＩ≦Ｉ0かつ単電池の電圧最大値がＶcmax＞Ｖ0という２つの条件を満たした場合を充電状態偏差検出イベントとしてとらえると、ＳＯＣ算出精度とＳＯＣ算出機会の両方を満足することが可能となる。但し、Ｉは充放電電流、Ｖcmaxは単電池の電圧最大値、Ｉ0は２５℃における単電池のＤＣインピーダンスをＲdc（ｍΩ）としたとき、Ｉ0≦２０（ｍＶ）／Ｒdc（ｍΩ）の条件を満たす任意の電流値、Ｖ0は単電池の２５℃環境下で１Ｃの定電流充電を行った場合の電池容量に対する電圧変化率Ａ（Ｖ／％ＳＯＣ）がＡ＜２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）からＡ＝２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）に達するときの電池電圧をＶ1、単電池の満充電電圧をＶHとしてＶ1≦Ｖ0≦ＶHの範囲内の任意の電圧である。

図８は、このときの単電池の充電曲線の例を示している。図示した範囲（Ｖ0設定可能範囲）内でＶ0を設定すると、Ｖcmax＞Ｖ0となった場合には充電曲線が立ち上がり、ＳＯＣばらつきの検出感度が高くなる。更に、電池のインピーダンスばらつきが大きい（例えば±５０％）場合でも、電池のインピーダンスばらつき×充電電流によるＳＯＣ算出誤差は十分小さく、精度よくＳＯＣばらつきを検出することが可能である。

このように満充電付近での電圧変化率が大きくなる電極材料としては、以下が挙げられる。正極材料としては、リチウムマンガン複合酸化物（Ｌｉ_ｘＭｎ₂Ｏ₄（0≦x≦1））、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（Ｌｉ_xＭｎ_2-yＮｉ_yＯ₄（0≦x≦1、0≦y≦1））などが挙げられる。負極材料としては、例えばスピネル構造を有するチタン酸リチウム（例えばＬｉ_4+xＴｉ₅Ｏ₁₂（0≦x≦3））、ラムステライド型のチタン酸リチウム（例えばＬｉ_2+yＴｉ₃Ｏ₇（0≦x≦3））などをはじめとする多くの複合金属酸化物が挙げられる。

これらは正極・負極両方に適用してもよいし、片方だけ適用してもよい。中でも負極活物質としてスピネル構造のチタン酸リチウムが大電流性能や急速充電性能に優れ、かつ満充電状態での電圧変化率Ａが２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）より十分大きく、１００〜２００（ｍＶ／％ＳＯＣ）の値が得られやすいので好ましい。

次に、図９に示すフローチャートを用いて本実施形態に係る保護装置の詳細な動作手順を説明する。図９の処理は、大きくＳＯＣ測定モードの処理を行うＳＯＣ測定ルーチンと、ＳＯＣバランスモードの処理を行うＳＯＣバランスルーチンからなる。処理は保護装置の起動により開始され、制御部１４の制御の下で行われる。

（ＳＯＣ測定ルーチン）
ＳＯＣ測定ルーチンは、第１の実施形態の図５に示したＳＯＣ測定ルーチンと同様であり、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８は図５中のステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理と同じである。ＳＯＣ測定ルーチンでは、ＳＯＣである組電池１の充電状態、例えば組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧バランス、最大電圧、最小電圧及び合計電圧が測定され、過充電や過放電の判定及び単電池Ｂ１〜Ｂｎ間のアンバランスの検出が行われる。

（ＳＯＣバランスルーチン）
上述したＳＯＣ測定ルーチンの後、処理は次にＳＯＣバランスルーチンに移る。本実施形態におけるＳＯＣバランスルーチンでは、まずＳＯＣ偏差検出イベントの発生の有無が調べられる（ステップＳ２０９）。

ＳＯＣ偏差検出イベントが発生すると、充電過剰電池の判定とサンプリング回数の設定が行われる（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０では、図５のステップＳ１０９と同様にＳＯＣ測定ルーチンで検出された単電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧バランス、最大電圧、最小電圧及び合計電圧等の測定結果に基づき、単電池Ｂ１〜Ｂｎ間の電圧ばらつきが許容値以内か否かが判定され、電圧ばらつきが許容値以内になければ、例えば電圧が最大の単電池を含めて、電圧が予め定められた閾値を越える単電池が充電過剰電池（充電過剰セル）と判定される。さらに、ステップＳ２１０においてはＳＯＣ偏差に応じてＳＯＣ偏差が大きいほど多くなるようにサンプリング回数が設定される。

ここで、単電池Ｂｘが充電過剰電池と判定されたと仮定すると、次に単電池Ｂｘに対応するサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤが繰り返しオン／オフされる（ステップＳ２１１〜Ｓ２１４）。サンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤの繰り返しオン／オフの間に、ステップＳ２１５で図６に示すデッドタイムＴｄがＴ０＞Ｔｄ＞０．５Ｔ０かどうかかが判定され、Ｔｄが０．５Ｔ０になるまでステップＳ２１１〜Ｓ２１４によるサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤのオン／オフは繰り返される。Ｔｄが０．５Ｔ０になると、処理は最初のステップＳ２０１に戻り、ＳＯＣ測定ルーチンが再び開始される。

一方、ステップＳ２０９においてＳＯＣ偏差検出イベントが発生しなければ、ステップＳ２１６においてサンプリング回数が設定値（ステップＳ２１０で設定されたサンプリング回数）以上か否かの判定が行われる。サンプリング回数が設定値以上であれば、処理はステップＳ２０１に戻ってＳＯＣ測定ルーチンが開始され、設定値に達していなければ処理はステップＳ２１１に移り、上述した充電過剰電池に対応するサンプリングスイッチＳ１ｘＨ及びＳ１ｘＬ、Ｓ１ｘＤのオン／オフが繰り返し行われる。

なお、図９のフローチャートにおいてステップＳ２１０の処理のうちサンプリング回数の設定処理及びステップＳ２１６のサンプリング回数の判定処理を省略してもよい。すなわち、ステップＳ２０９においてＳＯＣ偏差検出イベントが発生したら、次に再びＳＯＣ偏差検出イベントが発生するまで、ステップＳ２１０において判定された充電過剰電池に対して、ステップＳ２１１〜Ｓ２１５のサンプリングスイッチの繰り返しオン／オフを行うようにしてもよい。

このように本実施形態によれば、ＳＯＣバランスモードにおいてＳＯＣ偏差検出イベントが発生したとき、ＳＯＣ偏差検出に応じたサンプリング回数だけ、あるいはＳＯＣ偏差検出イベントが発生する都度、サンプリング部２における充電過剰電池に対応するサンプリングスイッチをオン／オフさせることによって、組電池１の各単電池Ｂ１〜Ｂｎ間の充電電圧のばらつき、すなわちＳＯＣばらつきを精度よく解消することができる。

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及び具体例２は第１の実施形態に対応し、具体例３は第２の実施形態に対応するものとする。

（具体例１）
負極活物質としてスピネル型チタン酸リチウムを用い、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いて放電容量３Ａｈの非水電解質二次電池を作製した。この非水電解質二次電池を図１のように単電池Ｂ１〜Ｂｎとして１０個直列（ｎ＝１０）にして組電池１とし、各単電池Ｂ１〜Ｂｎの端子を電圧測定用のリード線を介して図１のようにサンプリング部２に接続した。電圧測定（ＳＯＣ測定）間隔は１秒とした。測定された各単電池の電圧差が１００ｍＶ以上となったとき、最も高い電圧を示した単電池（充電過剰電池）に対してサンプリングスイッチのオン／オフを約１００ｋＨｚの周波数で繰り返して行い、ホールド部３の該当するキャパシタを放電させるようにした。キャパシタの放電は、次の電圧検出タイミングまで継続させた。このときの保護装置の動作フローは、図３に示した通りである。

（具体例２）
具体例１と同様に組電池を作製した。電圧検出間隔は１秒間隔とした。測定された各単電池の電圧差が１００ｍＶ以上となったとき、最も高い電圧を示した電池（充電過剰電池）に対してサンプリングスイッチのオン／オフを約１００ｋＨｚの周波数で繰り返して行い、ホールド部３の該当するキャパシタを放電させるようにした。キャパシタの放電は、電圧測定開始から電圧測定間隔ｔ０の１／２が経過した時点で終了するようにし、次の電圧測定まで休止した。このときの保護装置の動作フローは、図５に示した通りである。

、キャパシタのスイッチ開閉を約１００ｋＨｚの頻度で繰り返して放電するようにした。放電は、電圧測定開始から電圧測定間隔ｔ０の１／２が経過した時点で終了するようにし、次の電圧測定まで休止した。このときの保護装置の動作フローは図５に示した通りである。

（具体例３）
具体例１と同様に組電池を作製した。用いた非水電解質二次電池は２５℃におけるＤＣインピーダンスが６ｍΩ、電池容量に対する電圧変化率Ａ（Ｖ／％ＳＯＣ）がＡ＜２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）からＡ＝２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）に達する時の単電池電圧がＶ1＝２．６２Ｖ、満充電電圧ＶH＝２．８（Ｖ）であった。Ｉ0≦３．３（Ａ）＝２０（ｍＶ）／Ｒdc（ｍΩ）となるようＩ0＝３（Ａ）と設定し、Ｖ1≦Ｖ0≦ＶHとなるようＶ0＝２．６５Ｖと設定し、充放電電流Ｉ≦Ｉ0かつ単セル電圧最大値Ｖcmax＞Ｖ0を満たす場合を充電状態検出イベントと定めた。

電圧測定間隔は１秒とし、同時測定された各単電池の電圧データをメモリ１２に記憶させ、ＲＯＭ１５に予め格納した電圧・温度・電流対ＳＯＣテーブルによってＳＯＣ偏差を算出し、次いで単電池の中で最もＳＯＣが小さいものに合わせるための放電電気量を単電池毎に算出し、必要なサンプリング回数を算出した。電圧測定終了時から、電圧測定開始後０．５秒経過する時点までの間のみ、充電過剰電池に対してサンプリングスイッチのオン／オフを約１００ｋＨｚの周波数で繰り返して行い、ホールド部３の該当するキャパシタを放電させるようにした。この動作は、次に充電状態検出イベントが発生するまで、あるいは全ての単電池で必要なサンプリング回数に達するまで継続するように設定した。このときの保護装置の動作フローは図９に示した通りである。

（比較例）
具体例１と同様に組電池を作製し、１秒間隔の電圧検出時のみホールド部のキャパシタに接続されたスイッチが開閉するようにした。作製した組電池は、４５℃環境下で、２８Ｖ・１０Ａの定電圧定電流充電を１時間行い、１０Ａ定電流放電を単電池の電圧最小値が２．０Ｖ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２．９Ｖ、放電禁止電圧は１．５Ｖとし、単電池電圧がその範囲を超えた場合には試験を終了するようにした。

３０００サイクル後の容量維持率及び、充電終了時の単電池間の電圧ばらつき（最大値−最小値）を表に示す。

本発明の実施形態に基づく具体例１〜３においては、３０００サイクルの試験終了まで単電池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、比較例においては単電池電圧のばらつきが拡大し、２４００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、試験が途中終了した。

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。

本発明の第１の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を示す回路図図１中のマイクロコントローラの詳細を示すブロック図第１の実施形態における動作手順の一例を示すフローチャート図３中のＳＯＣ測定ルーチンとＳＯＣバランスルーチンのタイミング関係を説明するための図第１の実施形態における動作手順の他の例を示すフローチャート図５中のＳＯＣ測定ルーチンとＳＯＣバランスルーチンのタイミング関係を説明するための図本発明の第２の実施形態に係るマイクロコントローラの詳細を示すブロック図第２の実施形態における充電状態偏差検出イベントの発生条件を説明するための単電池の充電曲線を示す図第２の実施形態における動作手順を示すフローチャート

符号の説明

１・・・組電池
２・・・サンプリング部
３・・・ホールド部
４・・・マルチプレクサ
５・・・増幅器
６・・・マイクロコントローラ
１１・・・アナログ−デジタル変換器
１２・・・メモリ
１３・・・電池状態測定部
１４・・・制御部
１５・・・ＲＯＭ
１６・・・サンプリング回数設定部
１７・・・カウンタ

Claims

直列接続された複数の二次電池を有する組電池の保護装置において、
前記複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；
前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；
前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；
一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；
前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、
前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、
前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを繰り返しオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする組電池の保護装置。
前記測定周期をＴ０、前記繰り返しオン／オフの現在の終了時刻から次の測定期間までの時間をＴｄとしたとき、Ｔ０＞Ｔｄ＞０．５Ｔ０に設定されていることを特徴とする請求項１記載の組電池の保護装置。
直列接続された複数の二次電池を有する組電池の保護装置において、
前記複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；
前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；
前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；
一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧及び前記二次電池間の充電状態偏差を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；
予め定められた充電状態偏差検出イベントの発生時に前記充電状態偏差を記憶するメモリと；
前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差に応じて増加する回数だけオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、
前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、
前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差に応じて増加する回数だけオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする組電池の保護装置。
直列接続された複数の二次電池を有する組電池の保護装置において、
前記複数の二次電池の電圧を個別にサンプリング可能な複数対のサンプリングスイッチを含み、前記二次電池にそれぞれ対応した複数のサンプリング電圧を出力するサンプリング部と；
前記複数のサンプリング電圧をホールドして複数のホールド電圧を出力する、複数のキャパシタを含むホールド部と；
前記複数のホールド電圧を順次読み出して共通出力ノードから出力するマルチプレクサと；
一定の測定周期内の測定期間に前記共通出力ノードの電圧から前記二次電池の個々の電圧を含む前記組電池の充電状態を測定する測定部と；
前記二次電池の個々の電圧から前記二次電池のうちの充電過剰電池を判定する機能を有し、前記測定期間内に前記複数対のサンプリングスイッチを同時にオン／オフさせ、前記測定期間以外の期間内に前記複数対のサンプリングスイッチのうち前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを予め定められた充電状態偏差検出イベントが発生する度に繰り返しオン／オフさせ、前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させる制御部と；を具備し、
前記サンプリング部は、前記複数のキャパシタの電荷を放電させるための複数の放電用スイッチをさらに含み、
前記制御部は、前記測定期間以外の期間内に前記充電過剰電池に対応する少なくとも一対のサンプリングスイッチを前記充電状態偏差検出イベントが発生する度に繰り返しオン／オフさせると共に前記放電用スイッチをオンにして前記充電過剰電池に対応する前記キャパシタの電荷を放電させるように構成されることを特徴とする組電池の保護装置。
充電状態偏差検出イベントは、充放電電流がＩ≦Ｉ0、かつ前記二次電池の電圧最大値がＶcmax＞Ｖ0であることを特徴とする請求項３または４記載の組電池の保護装置。
但し、Ｉは前記充放電電流、Ｖcmaxは前記電圧最大値、Ｉ0は２５℃における前記二次電池のＤＣインピーダンスをＲdc（ｍΩ）としたとき、Ｉ0≦２０（ｍＶ）／Ｒdc（ｍΩ）の条件を満たす任意の電流値、Ｖ0は前記二次電池の２５℃環境下で１Ｃの定電流充電を行った場合の電池容量に対する電圧変化率Ａ（Ｖ／％ＳＯＣ）がＡ＜２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）からＡ＝２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）に達するときの電池電圧をＶ1、前記二次電池の満充電電圧をＶHとしてＶ1≦Ｖ0≦ＶHの範囲内の任意の電圧である。
直列接続された複数の二次電池を有する組電池と、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。