JP4872496B2 - 組電池のバラツキ検知装置 - Google Patents

Description

本発明は組電池を構成する各セル間の容量のバラツキ状態を検知する装置に関する。

電池で駆動する電気自動車や電動機と内燃機関を組み合わせたハイブリッド自動車においては、多数のセル（単電池やキャパシタ）を直列や直並列に接続した組電池が用いられている。なお、本発明においては、多数のキャパシタを直列や直並列に接続したものも組電池に含めている。
このような組電池においては、長期間（例えば数か月程度）放置すると、各セルの自己放電、劣化、内部抵抗の差に基づいて各セルの容量（充電率：ＳＯＣとも云う）電圧にバラツキが発生する。そして各セル間にバラツキが発生すると、組電池の使用可能電力が制限されるため、できるだけバラツキを抑制する必要がある。そのためバラツキを検知してバラツキを調整（充電率ＳＯＣを均等に）する処理を行っている。
上記のバラツキを検知する場合に、負荷時に行うと負荷の変動に応じて電圧、電流が変動するので、各セル間のバラツキを正確に検知することが出来ない。そのため、従来は、特許文献１に記載のように、起動時（無負荷時）の電圧（すなわち開放電圧）に基づいてバラツキ検知処理を行うように構成している。
特開２００４−２９７８５２号公報

しかし、電気自動車用の組電池のように数百個程度のセルからなる場合には、全てのセルの電圧を検出（読み込む）するのに時間（例えば数秒）がかかるので、起動する度にバラツキ検知を行うと、発進可能になるまでに時間がかかって運転者に不満を抱かせるおそれがある。そのため、前記特許文献１においては、エンジンの冷却水温と外気温に基づいて経過時間を推定したり、電動機を駆動する電力系（例えば数百Ｖ程度の組電池）を制御するために設けられている制御装置（１２Ｖバッテリ系）で経過時間を記憶しておき、経過時間が短い場合にはバラツキ検知を省略する方法を用いている。

しかし、長期間（数か月）放置した場合には、冷却水温を用いることはできず、組電池の長期間放置を確実に判断することは出来なかった。そのため起動時でも必要のないときにバラツキ検知処理を行って運転者に不満感を与えたり、バラツキ検知処理が必要なときに行わなかったりするという問題があった。
本発明は上記の問題を解決するため、組電池の各セル間の容量バラツキ検知処理を適確に行うことの出来る組電池のバラツキ検知装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、前回停止時の総電圧を記憶手段（不揮発性メモリ：ＥＥＰＲＯＭ等）に記憶しておき、今回の起動時には、まず総電圧のみを計測し、前回の値と今回の値とを比較して、その差が所定値以上の場合に、各セルのバラツキ検知処理を行うように構成している。
総電圧は各セル電圧の総和であるから、今回の総電圧が前回記憶した値と所定値以上離れていた場合には、各セルの電圧も大きく変わっており、バラツキが発生している可能性が大きいと予想されるので、このような場合にはバラツキ検知処理を行う。また、総電圧の検出は１回の読み込みで済むので、多数のセルの電圧を検出（読み込み）するのに比べて極めて短時間に行うことが出来る。

本発明においては、総電圧のみを記憶しておき、起動時に、まず総電圧のみを検出して記憶した値と比較することによって組電池の変化の程度を判断するものであり、総電圧を検出して読み込むのは１回の処理で済むため、全体のセルのバラツキ検知処理を行うのに比較して大幅に短時間で済む。そのため、起動時に総電圧の検出を毎回行っても運転者に不満を抱かせるおそれはない。
そして上記の処理で総電圧の変化が所定値より大きく、組電池の状態が大幅に変化していると判断された場合にのみ、全体のセルのバラツキ検知処理を行うので、組電池の状態が大幅に変化している場合には確実にバラツキ検知処理を行うことが出来る。また、その結果に応じてバラツキ調整処理を行うことにより、長期間放置におけるバラツキ調整も可能になり、過充電や過放電を防止することが出来る。

図１は本発明の一実施例を示す回路図であり、電気自動車等の電動機を駆動制御する装置に本発明を適用した場合を例示する。
図１において、１は組電池であり、複数のセル２（二次電池ユニットまたはキャパシタ）が直列または直並列に接続されている。セル２の数は例えば電気自動車用の組電池では数百個である。３はセル２の端子電圧を検出する電圧センサ、４は放電用の抵抗、５は半導体スイッチであり、抵抗３と半導体スイッチ５はバラツキ調整のための放電回路を形成している。なお、本発明におけるバラツキとは容量（充電率：ＳＯＣ）のバラツキを意味し、以下では単にバラツキと記載する。

６は組電池１の入出力電流（充放電電流）を計測する電流センサ、７は組電池１の総電圧、つまり組電池１の全体の端子電圧を計測する総電圧センサ、８はバラツキ検知部（詳細後述）である。９は電動機制御部、１０、１１はリレー、１２はインバータ、１３は電動機である。なお、電流センサ６で充放電電流が検出された場合は負荷時（放電時または充電時）、充放電電流が無の場合は無負荷時である。

電動機制御部９は、例えばＣＰＵやメモリ等からなるコンピュータおよび電子回路等で構成されており、図示しないアクセルペダルや車速等の外部信号に基づいてインバータ１２を制御する駆動信号（例えばＰＷＭ信号）を発生する。インバータ１２は上記の駆動信号に応じて開閉動作し、組電池１の電力を交流電力に変換して電動機１３を駆動し、あるいは回生動作時には電動機１３で発生した電力で組電池１を充電する。
また、リレー１０、１１は組電池１と負荷であるインバータ１２と間の導通／遮断を行うものであり、図示しないキースイッチによって制御される。なお、リレー１０、１１がＯＦＦの場合には、組電池１は無負荷状態であると判断出来る。なお、キースイッチは、１段目をＯＮにすると車両の各部（制御系装置を含む）が起動され、後述するバラツキ検知処理が行われた後に、リレー１０、１１がＯＮになるように動作する。

以下、本発明の要旨であるバラツキ検知部８について説明する。
バラツキ検知部８は例えばＣＰＵやメモリ等からなるコンピュータで構成されており、各セル２毎に設けられている電圧センサ３の値を読み込む。この際、Ａ／Ｄ変換器の個数や入力ポート数の制約から多数の電圧値を一度に読み込むことは出来ず、順次読み込むことになるので、セル数が数百個の場合には数秒程度の時間がかかる。
上記のようにして計測した各セル電圧を比較し、平均値よりも所定値以上離れたセルをバラツキセルとして検知する。なお、セルの無負荷時の端子電圧（すなわち開放電圧）は、セルの容量（充電率：ＳＯＣ）と相関があることが知られており、電圧を比較することにより、容量のバラツキを検知することが出来る。

そして、所定値以上の大きなバラツキを検知したバラツキセルについては、バラツキ調整のための放電回路を形成している半導体スイッチ５に信号を送ってＯＮにし、抵抗４を介してセル２を放電させることにより、バラツキ調整を行う。
なお、バラツキ調整は容量（充電率ＳＯＣ）の大きな（端子電圧の高い）セルを放電させて平準化する場合と、容量の小さな（端子電圧の低い）セルを充電して平準化する場合とがあるが、本実施例においては、容量の大きなセルを放電させる場合を例として説明する。

以下、バラツキ検知部８における処理内容についてフローチャートに基づいて説明する。図２は、車両が動作状態から停止状態になった場合の処理内容を示すフローチャートである。
図２において、ステップＳ１では、動作状態から停止状態になったことを検知する。この判断は、キースイッチがＯＮからＯＦＦになった場合やリレー１０、１１がＯＮからＯＦＦになった場合が該当する。

ステップＳ２では、総電圧センサ７で組電池全体の端子電圧（この場合はリレー１０、１１がＯＦＦしているので開放電圧）である総電圧（全セルの端子電圧の総和）を検出する。なお、総電圧センサ７の故障時には、例えばインバータ１２や電動機１３に備えられた電圧センサで検出した総電圧相当値を用いることも出来る。このように総電圧センサ７以外の方法でも総電圧を検出することにより、総電圧センサ７の故障時にも対処することが出来る。

ステップＳ３では、計測した総電圧データを記憶装置に記憶する。この記憶装置としてＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリを用いれば、制御系の電力を供給する１２Ｖバッテリ（電力系の組電池１とは別個に装備）が過放電になったり、あるいは交換された場合でも総電圧データを保存することが出来る。

次に、図３は、起動時における処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ４で起動する。これはキースイッチをＯＮにすることによって行うが、起動時の判断として車両のドアスイッチの開閉信号を用いれば、ドアが開閉した場合にも図３の処理が行われ、バラツキ検知処理が早くスタートするので、運転者が乗り込んでからの待ち時間を短縮することが出来る。

ステップＳ５では、起動時（無負荷時）の総電圧を計測する。
ステップＳ６では、前記ステップＳ３で記憶した前回の総電圧を読み出す。
ステップＳ７では、読み出した前回の総電圧と計測した今回の総電圧とを比較し、両者の差が所定値以上か否かを判断する。なお、前回記憶した時点から今回計測するまでには、自己放電等により経過時間に応じて総電圧は低下しているものと予想されるので、ステップＳ７では、「記憶値−今回の総電圧＞所定値」としているが、差の絶対値で判断してもよい。図５は長期間（例えば３か月）放置したことによる総電圧の低下状況を示したグラフである。図５の総電圧差が上記の「記憶値−今回の総電圧」である。

ステップＳ７でＹＥＳの場合は、総電圧の変化が所定値より大きく、組電池の状態が大幅に変化していると判断されるので、ステップＳ８でバラツキ検知処理を行う。なお、この場合のバラツキ検知処理は、起動時からリレー１０、１１がＯＮされる前の無負荷状態で行う。
無負荷時におけるバラツキ検知処理は、例えば各セルの電圧を全セルの平均値とそれぞれ比較し、平均値よりも所定値以上大きいものをバラツキセルとして検知する処理を行う。この無負荷時おけるバラツキ検知方法としては、従来用いられている他の方法を用いることが出来る。

ステップＳ７でＮＯの場合は、総電圧の変化が所定値より小さく、組電池の状態が余り変化していないと判断されるので、バラツキ検知処理を行わず、直ちにステップＳ９へ行く。
ステップＳ９では、通常処理、つまりリレー１０、１１をＯＮにして電動機１３を駆動可能にし、電動機制御部９によってインバータ１２を制御することにより、電動機１３が駆動される。

なお、ステップＳ６で、前回記憶した総電圧を読み出す場合に、例えば新車の工場出荷時やバラツキ検知部８の交換後で前回の総電圧が保存されていなかった場合には、今回の総電圧の値に拘らず必ずバラツキ検知処理を行うように設定する。このように前回の総電圧が保存されていなかった場合には必ずバラツキ検知処理を行うことにより、過充電や過放電を防止することが出来る。

また、ステップＳ８とステップＳ９の間に、バラツキ調整処理のステップを設けてもよい。バラツキ調整処理は前記のように半導体スイッチ５に信号を送ってＯＮにし、抵抗４を介して容量の大きなセル２を放電させることにより行う。なお、平均よりも電圧の低い（すなわち容量の小さな）セルをバラツキセルとして検出する場合には、当該セルに充電する回路を設ける。

次に、図４は、起動時における他の処理内容を示すフローチャートである。
図４において、ステップＳ４〜ステップＳ６は図３と同じである。
次に、ステップＳ１０では、前回の記憶値と今回の測定値との差を第１の所定値と比較する。この第１の所定値は図３のステップＳ７における所定値と同じである。
ステップＳ１０でＮＯの場合には、図３と同様に、直ちにステップＳ１４へ行き、通常処理に移行する。

ステップＳ１０でＹＥＳの場合には、ステップＳ１１で、前回の記憶値と今回の測定値との差を第２の所定値と比較する。この第２の所定値は第１の所定値よりも大きな値であり、上記の差が第２の所定値よりも大きい場合、つまり前回の総電圧よりも今回の総電圧の低下が非常に大きい場合には、組電池に異常が生じたものと判断出来る。そのためステップＳ１１でＹＥＳの場合には、ステップＳ１２へ行き、組電池に異常が生じたとの判断を行う。この場合には、例えばランプ点灯によって異常発生を表示し、組電池交換を促したり、組電池からの放電を停止する等の処理を行う。

ステップＳ１１でＮＯの場合、つまり前回の記憶値と今回の測定値との差が第１の所定値よりは大きく、第２の所定値よりは小さい場合には、ステップＳ１３でバラツキ検知処理を行い、その後、ステップＳ１４の通常処理へ移行する。
なお、前記図３で説明したのと同様に、ステップＳ１３とステップＳ１４との間に、バラツキ調整処理のステップを設けてもよい。

本発明の一実施例を示す回路ブロック図。 動作状態から停止状態になった場合のバラツキ検知部８における処理内容を示すフローチャート。 バラツキ検知部８の起動時における処理内容の一例を示すフローチャート。 バラツキ検知部８の起動時における処理内容の他の例を示すフローチャート。 長期放置による総電圧の変化を示す図。

符号の説明

１…組電池 ２…セル
３…電圧センサ ４…抵抗
５…半導体スイッチ ６…電流センサ
７…総電圧センサ ８…バラツキ検知部
９…電動機制御部 １０、１１…リレー
１２…インバータ １３…電動機

Claims (6)

1. 充放電可能なセルを複数個接続した組電池における各セル間の容量のバラツキを検知する装置であって、
   組電池全体の端子電圧である総電圧を検出する総電圧検出手段と、
   組電池が負荷状態から無負荷状態になった際に、前記総電圧を記憶する記憶手段と、
   次の起動時に、負荷状態になる前の無負荷時に総電圧を検出し、前回記憶した総電圧と今回検出した総電圧とを比較し、両者の差が予め定めた所定値以上の場合にのみバラツキ検知処理を行うバラツキ検知手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池のバラツキ検知装置。
2. 前記記憶手段に総電圧が記憶されていなかった場合には、今回検出した総電圧に拘らずバラツキ検知処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の組電池のバラツキ検知装置。
3. 前記記憶手段に記憶されている総電圧と今回検出した総電圧とを比較する際に用いる前記所定値として、バラツキ検知処理の判断に用いる第１の所定値と、前記第１の所定値よりも大きな第２の所定値とを有し、記憶している総電圧と今回検出した総電圧との差が前記第２の所定値以上の場合には、組電池の異常と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の組電池のバラツキ検知装置。
4. 前記総電圧検出手段は、組電池全体の端子電圧を計測する総電圧センサであるか、または負荷に設けられた電圧センサの計測値から総電圧を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。
5. 前記記憶手段として、不揮発性メモリを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。
6. 前記バラツキ検知処理を行う起動時と判断する条件として、車両のキースイッチのＯＮ信号またはドアの開閉信号を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。

Images