JP4645514B2

JP4645514B2 - 二次電池の容量調整方法及び装置

Info

Publication number: JP4645514B2
Application number: JP2006112021A
Authority: JP
Inventors: 剛森田; 篤史川瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: US20070247116A1; JP2007288883A; US7612533B2

Description

本発明は、二次電池の容量調整方法及び装置に関する。

複数の単電池（二次電池）を接続してなる組電池では、充放電を繰り返したり放置したりすると、各単電池の特性のばらつきにより容量に差が生じてくる。こうした容量差が生じた状態で組電池を使用すると、過充電や過放電となる単電池が発生し、組電池全体の寿命が短くなる。このため、所定の頻度で各単電池の容量を均一化することが行われている。

ところで、正極にコバルト酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池や、正極にコバルト酸リチウム、負極にリチウムメタルを使用したリチウム二次電池（以下、これらを総称してリチウム系二次電池ともいう。）では、電解質に炭酸エチレンなどの有機溶媒を使用するため、過充電すると、この有機溶媒が分解して気化し、二次電池の筐体が異常に膨張したり、電解質である有機溶媒が気化してしまうので次の充電時には充電容量が極端に低下したりする。

このため、リチウム系二次電池の組電池では、他より容量の大きい単電池を放電させることにより各単電池の容量を均一にする方法が採用されている。たとえば、特許文献１には、単電池の個々の開放電圧値と、この開放電圧値のうち最大電圧値Ａに最小電圧値Ｂを加えた電圧値の１／ｘとの偏差から、調整量を演算する方法が開示されている。なお、単電池の容量調整は、各単電池に並列接続された容量調整用バイパス抵抗に調整容量に相当する時間だけ放電させることにより行われる。

ところが、多数の容量調整用バイパス抵抗に放電させると放電による発熱量が過大となり、バイパス抵抗に隣接して制御基板に実装されたＣＰＵなどの電子部品に悪影響を及ぼすおそれがある。

特開２００３−２８４２５３号公報

本発明は、容量調整時の発熱量を適切に制御して制御基板を過熱することなく短時間で容量調整を実行できる方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の二次電池の容量調整方法は、複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、前記制御基板の放熱量に応じて、同時に容量調整すべき二次電池の個数を、前記各二次電池の容量を調整する前に決定するステップと、前記複数の二次電池の中から前記ステップで決定された個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するステップと、全ての二次電池の容量調整が終了していない場合は、容量調整が終了していない二次電池の中から前記個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するとともに、全ての二次電池の容量調整が終了するまでこれを繰り返すステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明の二次電池の容量調整装置は、複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整装置であって、前記制御基板の放熱量に応じて、同時に容量調整すべき二次電池の個数を、前記各二次電池の容量を調整する前に決定する手段と、前記複数の二次電池の中から前記決定された個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するとともに、全ての二次電池の容量調整が終了していない場合は、容量調整が終了していない二次電池の中から前記個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整し、全ての二次電池の容量調整が終了するまでこれを繰り返す手段と、を有することを特徴とする。

本発明では、組電池を構成する各二次電池の容量を調整するにあたり、発熱源である容量調整手段が実装された制御基板の放熱量に応じて同時に容量調整すべき二次電池の個数を決定する。これにより、制御基板の冷却能に応じた効率的な容量調整、すなわち制御基板の冷却能が大きい場合には多数の二次電池に対して同時に容量調整を行う一方で、冷却能が小さい場合にはそれに応じた少数の二次電池に対して同時に容量調整を行うこととなり、制御基板を過熱することなく短時間で効率的に容量調整を実行できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の容量調整装置の実施形態を示すブロック図、図２は本発明の容量調整装置の動作を示すフローチャート、図４は実施形態に係る制御マップ、図６は本発明に係る組電池の車載例を示す概念図、図７は本発明に係る組電池の構成例を示す断面図、図８は本発明に係る制御基板の一例を示す斜視図である。

まず、本発明に係る組電池の構成例と車載例について説明すると、本例に係る組電池ユニット１は、図６に示すように車両ＢのトランクルームＢ１内に搭載される。同図に示す例は、組電池ユニット１内に冷風を導入するために、車両のリヤパーセルパネルＢ２に開口部Ｂ３を形成し、ここからダクト１９を介して車室内の空気がユニット１内へ導入される。なお、本発明において、組電池ユニット１の搭載位置は同図に示す例にのみ限定される趣旨ではなく、車室内、床裏、エンジンルーム内等々に搭載することができる。

図７に示すように、本例の組電池ユニット１は、複数枚の薄型二次電池を積み重ねるとともに正負極端子を直列接続したものを電池パック１１とし、これをさらに複数個（同図では４個）積み重ねるとともに両端の正負極端子を直列接続する。そして、こうして積み重ねた電池パック１１を複数列（同図では３列）に並べ、さらにそれぞれの両端の正負極端子を直列接続し、上下に端板１２，１２を設けてボルト１３などで固定する。

また、上の端板１２には、組電池を構成する各二次電池１４（二次電池１４自体は図１に示す。）を制御するための制御基板１５がケース１６に収納された状態で取り付けられている。この制御基板１５は、組電池を構成する各二次電池１４を制御する集積回路などの電子部品１５１や容量調整するための抵抗１５２などが実装されたプリント基板である。

制御基板１５の概観を図８に示すが、配線パターンが形成されたプリント基板１５３の表裏それぞれに、各二次電池１４を制御するための集積回路（ＩＣチップ）１５１と、各二次電池１４の容量調整を行うための抵抗１５２がマトリックス状に実装されている。図８には便宜的に１２個の集積回路１５１と１２個の抵抗１５２を示すが、組電池ユニット１が、たとえば６０個の薄型二次電池１４から構成される場合には、それぞれの二次電池１４の容量調整を行うための６０個の抵抗１５２と６０個の集積回路がプリント基板１５３に実装される。この様子を図１に示す。なお、同図において１５４は入出力端子が設けられたコネクタ、１５５は組電池全体の制御を司るための集積回路（ＩＣチップ）である。

図７に戻り、上下の端板１２,１２で把持された複数の電池パック１１は組電池ケース１７に収納されている。この組電池ケース１７には、車室内の空気を取り入れるための取入口１７１と、組電池ケース１７内に取り入れた空気を排出するための排出口１７２が形成され、取入口１７１には、吸込みファン１８が設けられたダクト１９が接続されている。このダクト１９の上端は、上述した車両ＢのリヤパーセルパネルＢ２の開口部Ｂ３に接続されている。

二次電池は充電時などに発熱することから、電池パック１１に収納された各二次電池１４を冷却するために、吸込みファン１８を作動して車室内の空気（冷却風）を組電池ケース１７に取り込む。組電池ケース１７の取入口１７１から取り入れられた空気は、主として電池パック１１の隙間を通過しながら二次電池１４を冷却し、排出口１７２から排出されるが、一部の空気は上の端板１２に設けられた制御基板１５の冷却にも機能する。この場合、制御基板１５を収納するケース１６の空気流通方向の両端に開口部１６１を形成することでケース１６内に空気を取り込む。この空気によって制御基板１５に実装された容量調整用の抵抗１５２も冷却されることになるが、ケース１６に廻り込む空気量は成り行きであって期待できないことから、本例では容量調整用の抵抗１５２による各二次電池１４の容量調整を、以下のようにしている。

まず、図１を参照しながら本発明に係る容量調整方法及び装置の対象となる組電池ユニット１の電気的構成例を説明する。

本例の組電池ユニット１は、複数の二次電池１４が直列に接続されてなり、その両端に、たとえばスタータモータ、電気自動車の駆動モータなどの車両負荷２が接続されている。

一方、各二次電池１４には、それぞれの二次電池１４の電圧値を検出してこれを制御回路１５５へ送出する電圧検出回路１５１ａと、それぞれの二次電池１４の容量を調整するための抵抗である容量調整回路１５２が接続されている。電圧検出回路１５１ａはたとえば図８に示す集積回路１５１に組み込まれている。なお、図１に示すアイソレーション回路１５５ａは複数の二次電池１４のそれぞれに設けられた電圧検出回路１５１ａ及び容量調整回路１５２と、制御回路１５５との間の信号の伝送を、たとえばフォトカプラなどを用いて電気的に絶縁しながら行う絶縁伝送回路であって、たとえば図８に示す集積回路１５５に組み込まれている。また、図１に示す制御回路１５５も図８に示す集積回路１５５に組み込まれている。

本例では、車室内に室内温度センサ３Ａを設けるとともに、吸込みファン１８の回転数を検出するセンサ３Ｂを設け、室内温度センサ３Ａにより検出された車室内温度と、吸込みファン回転数センサ３Ｂにより検出された回転数を制御回路１５５に送出する。なお、室内温度センサ３Ａに代えて制御基板１５の温度を検出する温度センサを設けることもでき、こうすると容量調整時の冷却能の把握がより正確になる。

図１において符号４は、組電池１の全体の電圧値を検出する総電圧センサ、符号５は組電池１の全体に流れる電流を検出する電流センサである。

特に本例では、制御基板１５に流れる冷却風の温度と風量、換言すれば制御基板１５の放熱量に応じて、同時に容量調整すべき二次電池１４の個数を決定する。すなわち、容量調整によって抵抗１５２に余剰電流が流される結果、その抵抗１５２が発熱し、これによって制御基板１５に実装された電子部品１５１，１５５が限界温度を超えるおそれがあるが、制御基板１５の放熱量が大きい（換言すれば制御基板１５に対する冷却エネルギが大きい）ときは同時に多数の二次電池の容量調整を行っても抵抗１５２からの発熱を吸収できるので、電子部品１５１，１５５が過熱されることなく効率的に容量調整を行うことができる。また、制御基板１５の放熱量が小さい（換言すれば制御基板１５に対する冷却エネルギが小さい）ときは、その冷却能に応じた個数の同時調整数とすることで、電子部品１５１，１５５の過熱を防止することができる。

この冷却エネルギに基づく同時容量調整個数の設定の一例を図４に示す。ここでは、制御基板１５に対して流れる冷却風は室内から取り込まれるので、冷却風の温度を室内温度とし、また制御基板１５に対して流れる冷却風の風量は吸込みファン１８の回転数に相関するので、吸込みファン１８の回転数とする。そして、これら室内温度と吸込みファン１８の回転数の組み合わせ状態によって、同時に容量調整する二次電池１４の個数を同図に示すように設定する。なお、同図においてＡ〜Ｅは、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ≦二次電池総数、を満たす自然数である。たとえば、同図において、室内温度が高温で吸込みファン１８が低回転であるときは、制御基板１５の冷却能が最も小さいので、同時に容量調整する二次電池１４の個数を少数Ａにする。これに対して、室内温度が低温で吸込みファン１８が高回転であるときは、制御基板１５の冷却能が最も大きいので、同時に容量調整する二次電池１４の個数を多数Ｅにする。この制御マップは制御回路１５５のメモリに記憶させておく。

また、制御基板１５に対する冷却能のほか、その二次電池１４の容量調整時間によって全体の容量調整時間が影響されるので、最終的に容量調整すべき二次電池１４を選択するにあたっては、それぞれの二次電池の容量調整時間が長いものから優先的に選択する。

次に、本例の容量調整方法を説明する。

図２に示すように、ステップＳＴ１０にて容量調整モードかどうかを判断する。この容量調整のタイミングは特に限定されないが、たとえば車両の起動時や停止時などを挙げることができる。勿論、車両の走行時であっても容量調整を行うことは可能である。

ステップＳＴ２０にて、組電池１を構成する各二次電池１４の各電圧検出回路１５１ａを用いて各二次電池１４の容量を電圧値で求め、次のステップＳＴ３０にて、この電圧値と抵抗１５２の値とに基づいて各二次電池１４が必要とされる容量調整時間を演算する。ここで演算される各二次電池１４の容量調整量について、その演算手法は特に限定されず全ての二次電池の平均値との偏差から決定したり、上述した特許文献１に記載のように最大値と最小値とを用いた偏差から決定したりすることができる。

次に、ステップＳＴ４０にて吸込みファン回転数センサ３Ｂにより吸込みファン１８の回転数を計測するとともに、ステップＳＴ５０にて室内温度センサ３Ａにより室内温度、つまり制御基板１５に流される冷却風の温度を計測する。そして、ステップＳＴ６０にて図４に示す制御マップを参照して同時に容量調整できる二次電池の個数を決定する。

次のステップＳＴ７０では、ステップＳＴ６０で決定された個数において、ステップＳＴ３０にて演算された各二次電池１４の容量調整時間の長いものから優先的に選択する。

容量調整すべき二次電池１４の同時調整個数と順序を決定したら、ステップＳＴ８０にて、選択された二次電池１４の容量調整を開始する。この操作は、図１に示す制御回路１５５から容量調整回路１５２に容量調整用信号を送出し、抵抗１５２に電流を所定時間流すことにより実行される。

次いで、ステップＳＴ９０にて、容量調整を終了した二次電池１４があるかどうかを監視し、終了した二次電池１４があるとステップＳＴ１００へ進んで全ての二次電池１４の容量調整を終了したかどうかを判断し、残っている二次電池１４があるときはステップＳＴ１１０へ進んで次の順番（優先度）の二次電池１４を選択したのち、ステップＳＴ８０へ戻ってその二次電池１４の容量調整を開始する。そしてこのルーチンを繰り返し、ステップＳＴ１００にて全ての二次電池１４の容量調整が終了したら、この処理を終了する。

このように、本例では発熱源である抵抗１５２が実装された制御基板１５に対して供給される冷却媒体の温度と風量、すなわち冷却エネルギ（放熱量）に応じて同時に容量調整すべき二次電池１４の個数を決定するので、制御基板１５を過熱することなく短時間で効率的に容量調整を実行できる。

ところで、図４に示すように制御基板１５に流れる冷却風の冷却エネルギが大きいと同時に容量調整できる二次電池１４の個数も多数となり、容量調整を短時間で終了することができるが、冷却エネルギを大きくするために室内温度を低くすると乗員の意思に反した室内温度になることもあり、また吸込みファン１８の回転数を高回転にすると、その騒音で乗員に不快感を与えることもある。そこで、室内温度は成り行きにする一方で、室内の騒音が大きいときは吸込みファン１８の回転数を多少大きくしても乗員に不快感を与えない点に着目し、室内の騒音状態に応じて吸込みファン１８の回転数を制御しても良い。

この制御例を図３に示す。同図に示すように、ステップＳＴ１０にて容量調整モードかどうかを判断する。この容量調整のタイミングは特に限定されないが、たとえば車両の起動時や停止時などを挙げることができる。勿論、車両の走行時であっても容量調整を行うことは可能である。

ステップＳＴ２０にて、組電池１を構成する各二次電池１４の各電圧検出回路１５１ａを用いて各二次電池１４の容量を電圧値で求め、次のステップＳＴ３０にて、この電圧値と抵抗１５２の値とに基づいて各二次電池１４が必要とされる容量調整時間と容量調整が必要な二次電池１４の個数を演算する。ここで演算される各二次電池１４の容量調整量について、その演算手法は特に限定されず全ての二次電池の平均値との偏差から決定したり、上述した特許文献１に記載のように最大値と最小値とを用いた偏差から決定したりすることができる。

次に、ステップＳＴ３５にて、エンジン回転数、車両の走行速度、あるいは駆動トルクなどのように室内騒音に相関する特性値を取り込み、室内の騒音状態を計測する。なお、騒音状態は室内にセンサを設けて検出しても良い。

ステップＳＴ４０では、ステップＳＴ３０及びステップＳＴ３５で計測された容量調整が必要な二次電池１４の個数と室内の騒音状態から、吸込みファン１８の回転数を決定する。この決定にあたっては、たとえば図５に示すような制御マップを用いる。同図に示す制御マップは、容量調整が必要な二次電池１４の個数と室内の騒音状態との組み合わせに応じて吸込みファン１８の回転数を予め定めたもので、同図に示す回転数Ａ〜Ｅは、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ≦最大回転数、を満たす自然数である。たとえば、同図において、容量調整必要数が少なく室内の騒音が小さいときは、発熱量も小さく、また吸込みファン１８の回転数を高くすると乗員に不快感を与えるので、吸込みファン１８の回転数を最も低回転Ａにする。これに対して、容量調整必要数が多く室内の騒音が大きいときは、発熱量も大きく、また吸込みファン１８の回転数を高くしても他の騒音にかき消されるので、吸込みファン１８の回転数を最も高回転Ｅにする。この制御マップは制御回路１５５のメモリに記憶させておく。

ステップＳＴ４０にて吸込みファン１８の回転数を吸込みファン１８の制御装置に送出したら、ステップＳＴ５０にて室内温度センサ３Ａにより室内温度、つまり制御基板１５に流される冷却風の温度を計測する。そして、ステップＳＴ６０にて図４に示す制御マップを参照して同時に容量調整できる二次電池の個数を決定する。

このように、本例では、室内の騒音状態に応じて吸込みファン１８の回転数を制御し、さらに発熱源である抵抗１５２が実装された制御基板１５に対して供給される冷却媒体の温度と風量、すなわち冷却エネルギ（放熱量）に応じて同時に容量調整すべき二次電池１４の個数を決定するので、制御基板１５を過熱することなく短時間で効率的に容量調整を実行できる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

本発明の容量調整装置の実施形態を示すブロック図である。本発明の容量調整装置の動作を示すフローチャートである。本発明の容量調整装置の他例の動作を示すフローチャートである。本発明に係る室内温度と吸込みファン回転数に対する同時調整個数の一例を示す制御マップである。本発明に係る容量調整必要数と室内騒音に対する吸込みファンの回転数の一例を示す制御マップである。本発明に係る組電池の車載例を示す概念図である。本発明に係る組電池の構成例を示す断面図である。本発明に係る制御基板の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…組電池
１１…電池パック
１４…二次電池
１５…制御基板
１５１…集積回路（電子部品）
１５２…抵抗（容量調整手段）
１５３…プリント基板
１５４…コネクタ
１５５…集積回路（電子部品）
１６…ケース
１７…ケース
１８…吸込みファン
１９…ダクト
２…車両負荷
３Ａ…室内温度センサ
３Ｂ…吸込みファン回転数センサ
４…総電圧センサ
５…電流センサ

Claims

複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整方法であって、
前記制御基板の放熱量に応じて、同時に容量調整すべき二次電池の個数を、前記各二次電池の容量を調整する前に決定するステップと、
前記複数の二次電池の中から前記ステップで決定された個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するステップと、
全ての二次電池の容量調整が終了していない場合は、容量調整が終了していない二次電池の中から前記個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するとともに、全ての二次電池の容量調整が終了するまでこれを繰り返すステップと、
を有することを特徴とする二次電池の容量調整方法。
前記放熱量は、前記制御基板に対して流れる冷却媒体の温度及び流量に応じて検出されることを特徴とする請求項１記載の二次電池の容量調整方法。
前記二次電池及び制御基板が搭載される車両の騒音状態に応じて、前記制御基板に流れる冷却媒体の流量を制御するステップを有することを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の容量調整方法。
前記電子部品と容量調整手段は、前記制御基板の主面にほぼマトリックス状に実装されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の二次電池の容量調整方法。
複数の二次電池と、前記複数の二次電池を制御する電子部品および前記各二次電池の容量調整手段とが実装された制御基板とを有する組電池の、前記各二次電池の容量を電圧値により調整する容量調整装置であって、
前記制御基板の放熱量に応じて、同時に容量調整すべき二次電池の個数を、前記各二次電池の容量を調整する前に決定する手段と、
前記複数の二次電池の中から前記決定された個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整するとともに、全ての二次電池の容量調整が終了していない場合は、容量調整が終了していない二次電池の中から前記個数の二次電池を選択し、当該選択された二次電池に対して前記容量調整手段を制御して当該二次電池の容量を調整し、全ての二次電池の容量調整が終了するまでこれを繰り返す手段と、を有することを特徴とする二次電池の容量調整装置。
前記放熱量は、前記制御基板に対して流れる冷却媒体の温度及び流量に応じて検出されることを特徴とする請求項５記載の二次電池の容量調整装置。
前記二次電池及び制御基板が搭載される車両の騒音状態を検出する手段と、前記車両の騒音状態に応じて前記制御基板に流れる冷却媒体の流量を制御する手段とを有することを特徴とする請求項５又は６記載の二次電池の容量調整装置。
前記電子部品と容量調整手段は、前記制御基板の主面にほぼマトリックス状に実装されていることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の二次電池の容量調整装置。