JP4930434B2 - 二次電池モジュール制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池セルが直列接続された二次電池モジュールの制御装置に係り、特に、各二次電池セルの過放電または過充電を防止して二次電池モジュールの性能劣化を抑制する制御装置に関する。

従来より、複数回の充放電が可能な二次電池として、複数個の二次電池セルを直列に接続することにより電池モジュールを構成したものが知られている。なお、電池セルはセル、単電池、素電池等とも呼ばれ、電池モジュールは組電池等とも呼ばれる。一般に、二次電池は、過放電の状態になると電池性能が劣化してしまうため、過放電を防止する技術が種々提案されている。また、過充電についても同様である。

例えば特許文献１には、二次電池が本来備える電気量の全体で充放電を行うのではなく、余裕をもった範囲、例えば３０％〜９０％の範囲で充放電を行う充放電制御が開示され、これにより過充電および過放電が防止されると述べられている。より具体的には、当該充放電制御装置では、充電電流および放電電流を積算処理して二次電池の電気量を算出し、算出した電気量が二次電池の充電上限電気量よりも小さい充電許容電気量（上記の９０％に対応する）に達した場合には二次電池の充電を停止させ、また、上記算出電気量が二次電池の放電下限電気量よりも大きい放電許容電気量（上記の３０％に対応する）に達した場合には二次電池の放電を停止させる。

また、特許文献１の充放電制御では、二次電池の充放電を繰り返し行うと二次電池の個々の素電池の自己放電、素電池の電気量のばらつき等により上記算出電気量と実際の電気量との間に誤差が生じてくることに鑑み、二次電池の電池電圧や電池温度に基づいて算出電気量を適宜に補正する。これによれば、上記誤差に伴う過充電および過放電が防止されるとしている。より具体的には、電流積算により算出した電気量が３０％以下でないにもかかわらず電池電圧が正常でない場合は、二次電池が既に過放電状態になっていると判定し、算出電気量を１０％にリセットする。また、上記算出電気量が９０％以上でないにもかかわらず電池温度が正常の範囲を越えている場合には、二次電池が既に満充電状態になっていると判定し、算出電気量を１００％にリセットする。

また、例えば特許文献２には、組電池を構成するセルを複数のグループに分け、各セルグループに簡易セル過充放電検出装置が設けられた制御装置が開示されている。簡易セル過充放電検出装置は、各セルの電圧を検出して各セルの過充電を検出する過充電検出回路と、各セル間の電圧ばらつきを補償する簡易均等化回路と、各セルの満充電を検出する満充電検出回路とを内蔵している。当該制御装置では、各セルの電圧がすべて満充電電圧値と過充電電圧値との範囲内になるように各セル電圧を均等化した後に、満充電容量計測のための放電を開始し、どれか１つのセルの電圧が過放電電圧値に達したら放電を終了し、その間の電流積算値を満充電容量として取得する。このとき、各セル電圧の均等化は、いずれか１つセル電圧が過充電電圧値に到達するたびに充電電流を減らしていき、充電電流が０（ゼロ）になった後、すなわち充電を停止させた後に行われる。

また、特許文献２には、満充電容量の計測について、空充電（ＳＯＣ＝０％）側に均等化してから少なくとも１つのセルが過充電となるまで充電し、その間の電流積算値を満充電容量としてもよいと述べられている。

特開平８−３３１７７０号公報 特開２００３−７９０５９号公報

特許文献１の充放電制御では、素電池の特性ばらつき（特性差）に起因して生じる算出電気量と実際の電気量との間の誤差を補正する。このとき、算出電気量が３０％以下でないにもかかわらず電池電圧が正常でない場合には二次電池が既に過放電状態になっていると判定し、また、算出電気量が９０％以上でないにもかかわらず電池温度が正常の範囲を越えている場合には二次電池が既に満充電状態になっていると判定する。このため、当該充放電制御は過放電状態および満充電状態を未然に検出しているとは考えにくい。

また、特許文献２の制御装置は各セル電圧を検出して各セルの過充電または過放電を検出する回路を内蔵しているが、各セル電圧を検出するための構成は装置の複雑化、大型化を招きかねない。

本発明は、二次電池モジュールを構成する各二次電池セルの過放電または過充電を防止して二次電池モジュールの性能劣化を抑制可能な制御装置を提供することを目的とする。また、当該制御装置を簡略化、小型化が図られた構成で提供することを目的とする。

本発明に係る二次電池モジュール制御装置は、複数の二次電池セルが直列接続された二次電池モジュールのモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池モジュールの電流を検出する電流検出手段と、電圧検出手段によるモジュール電圧の検出値が、予め設定されたモジュール電圧下限値よりも高い下限監視値以下であることを判定する下限監視判定手段と、モジュール電圧が下限監視値まで低下した二次電池モジュールについて放電が許容される残り時間を、二次電池セルの放電特性の差と、電流検出手段による放電電流の検出値とに基づいて推定する放電許容残り時間推定手段と、下限監視判定手段による判定結果と放電許容残り時間推定手段による推定結果とを用いることにより、モジュール電圧が下限監視値まで低下した後、推定された放電許容残り時間が経過した時点から二次電池モジュールの放電の制限を開始する放電制限手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、放電許容残り時間推定手段は、二次電池モジュールの放電電流について複数の検出値を平均し、算出された平均値に基づいて放電許容残り時間を推定することが好ましい。

また、二次電池モジュールのモジュール温度を検出する温度検出手段を備え、放電許容残り時間推定手段は、二次電池セルの放電特性の差と、電流検出手段による放電電流の検出値と、温度検出手段によるモジュール温度の検出値とに基づいて、放電許容残り時間を推定することが好ましい。

また、放電許容残り時間推定手段は、モジュール温度について複数の検出値を平均し、算出された平均値に基づいて放電許容残り時間を推定することが好ましい。

本発明に係る他の二次電池モジュール制御装置は、複数の二次電池セルが直列接続された二次電池モジュールのモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池モジュールの電流を検出する電流検出手段と、電圧検出手段によるモジュール電圧の検出値が、予め設定されたモジュール電圧上限値よりも低い上限監視値以上であることを判定する上限監視判定手段と、モジュール電圧が上限監視値まで上昇した二次電池モジュールについて充電が許容される残り時間を、二次電池セルの充電特性の差と、電流検出手段による充電電流の検出値とに基づいて推定する充電許容残り時間推定手段と、上限監視判定手段による判定結果と充電許容残り時間推定手段による推定結果とを用いることにより、モジュール電圧が上限監視値まで上昇した後、推定された充電許容残り時間が経過した時点から二次電池モジュールの充電の制限を開始する充電制限手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、各二次電池セルの過放電または過充電を防止して二次電池モジュールの性能劣化を抑制することができる。また、上記構成によれば、各二次電池セルについてセル電圧等を検出する必要がないので、装置の簡略化、小型化等を図ることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

図１に、第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置（以下、単に制御装置とも呼ぶ）２１を説明する構成図を示す。

まず、制御装置２１の制御対象となる二次電池モジュール１０ｍについて説明する。二次電池モジュール１０ｍは複数個の二次電池セル１０ｃが直列接続されたものであり、このため二次電池モジュール１０ｍの正極端子と負極端子との間の出力電圧であるモジュール電圧（値）Ｖｍは各電池セル１０ｃの出力電圧であるセル電圧（値）Ｖｃの合算値になる。二次電池モジュール１０ｍ、換言すれば二次電池セル１０ｃは、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池等で構成可能である。

なお、二次電池モジュール１０ｍを電池モジュール１０ｍまたはモジュール１０ｍとも呼び、二次電池セル１０ｃを電池セル１０ｃまたはセル１０ｃとも呼ぶことにする。

図１には電池モジュール１０ｍおよびこれの制御装置２１がハイブリッド電気車両（hybrid electrical vehicle：以下、ＨＥＶとも呼ぶ）１００に適用される場合を例示している。しかし、二次電池モジュール１０ｍおよび制御装置２１の用途は、ＨＥＶに限定されるものではないし、また、車両に限定されるものでもない。

ここで、ＨＥＶ１００について説明する。図１には、ＨＥＶ１００の駆動装置とその動力源の概略構成を示している。ＨＥＶ１００は、当該ＨＥＶ１００を駆動する原動機として、エンジン１０２と、モータ・ジェネレータ（以下、Ｍ／Ｇとも呼ぶ）１０４，１０６とを有している。これらの原動機は、動力分配統合機構１０８を構成する遊星歯車機構に接続されている。また、動力分配統合機構１０８は、減速機構１１０と差動機構１１２とを介して駆動輪１１４に接続されている。これにより、各原動機の動力が動力分配統合機構１０８によって統合され、駆動輪１１４へ伝達される。

ＨＥＶ１００は、エンジン１０２とＭ／Ｇ１０４，１０６の各出力を制御することによって、各種のモードによる走行を行う。例えば、エンジン１０２で走行するモード、ＭＧ１０６で走行するモード、エンジン１０２とＭ／Ｇ１０６とが協調して走行するモード、エンジン１０２の動力でＭ／Ｇ１０４による発電を行うモード等、各種のモードによる走行を行う。

Ｍ／Ｇ１０４，１０６は、インバータ１２０を介して二次電池モジュール１０ｍに接続されている。Ｍ／Ｇ１０４，１０６は、電力が供給されるときはモータとして機能し、例えば制動時（減速時）には発電機として機能する回転電機である。インバータ１２０は、Ｍ／Ｇ１０４，１０６がモータとして機能するときには二次電池モジュール１０ｍからの電力をＭ／Ｇ１０４，１０６に供給し、Ｍ／Ｇ１０４，１０６が発電機として機能するときは回生電力を受け取って二次電池モジュール１０ｍを充電する。なお、Ｍ／Ｇ１０４，１０６の一方を主にモータとして利用し他方を主に発電機として利用する場合があり、また、１個または３個以上のＭ／Ｇを利用する場合もある。

次に、二次電池モジュール制御装置２１について説明する。当該制御装置２１は、電圧検出手段３２と、電流検出手段３４と、温度検出手段３６と、制御手段４１と、記憶手段８０とを含んでいる。

上記各検出手段３２，３４，３６は、例えば一般的なセンサ、測定器等で構成することが可能である。電圧検出手段３２は、図１の例では電池モジュール１０ｍの正極端子と負極端子との間に接続されており、モジュール電圧Ｖｍを検出する。

電流検出手段３４は、図１の例では電池モジュール１０ｍの正極端子とインバータ１２０との間に接続されており、電池モジュール１０ｍの電流Ｉを検出する。上記のように電池モジュール１０ｍは電池セル１０ｃが直列接続されて構成されているのでモジュール１０ｍの端子を流出入する電流（値）と各セル１０ｃの端子を流出入する電流（値）とは等しく、このため両電流については同じ符号Ｉを用いることにする。

ここで、電流Ｉの向き、換言すれば電流値Ｉの符号（正負）から、当該電流Ｉがモジュール１０ｍから流出する電流（放電電流）であるか、モジュール１０ｍへ流入する電流（充電電流）であるかを判別することが可能である。なお、電流値Ｉの符号と放電電流／充電電流との対応関係は、電流検出手段３４を構成するセンサ等の端子極性の設定によって異なる。また、モジュール１０ｍが負荷へ電力供給しつつ充電される場合もあり、その場合において負荷への電力供給による電流の方が大きければ電流Ｉは放電電流として検出され、逆に充電による電流の方が大きければ電流Ｉは充電電流として検出される。以下では、電流（値）Ｉについて、必要に応じて、放電電流（値）には符号Ｉ１を用い、充電電流（値）には符号Ｉ５を用いることにする。

温度検出手段３６は、例えば温度検知部が電池モジュール１０ｍの外面に取り付けられることにより、電池モジュール１０ｍの温度（以下、モジュール温度とも呼ぶ）Ｔｍを検出する。ここで、電池モジュール１０ｍの動作中は各電池セル１０ｃ間で温度差が生じる場合がある。このため、例えば、温度検出手段３６の温度検知部を複数個のセル１０ｃにわたって設けたり、複数の温度検知部によってモジュール１０ｍの複数箇所の温度を検出して平均温度を得るように温度検出手段３６を構成するのが好ましい。

検出手段３２，３４，３６は、制御手段４１に接続されており、当該制御手段４１へ検出値Ｖｍ，Ｉ，Ｔｍを送出する。

制御手段４１は、受信した検出値Ｖｍ，Ｉ，Ｔｍに基づいて、電池モジュール１０ｍの放電動作を制御する。制御手段４１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のコンピュータで構成することが可能であり、また、例えばＨＥＶ１００に搭載される各種ＥＣＵ（Electric Control Unit）の一つまたは複数を利用して構成することも可能である。なお、図１には制御手段４１がエンジン１０２と、Ｍ／Ｇ１０４，１０６と、インバータ１２０とを制御することによって電池モジュール１０ｍの放電動作を制御する場合を例示しているが、この制御体系に限定されるものではない。制御手段４１については後にさらに説明する。

記憶手段８０は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）等）、ハードディスク装置、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の１つまたは複数で構成可能である。記憶手段８０は、各種のデータ、情報、プログラム等を格納するとともに、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、図１では制御手段４１が記憶手段８０へアクセスする構成を例示しているが、例えば検出手段３２，３４，３６が制御手段４１を介さずに直接、記憶手段８０へ検出値Ｖｍ，Ｉ，Ｔｍを格納する構成等であってもよい。

制御手段４１の構成等を詳述する前に、制御装置２１による制御の基本的な概念を図２を参照して説明する。なお、図２には、電池モジュール１０ｍを一定電流値で放電させた場合の特性図を例示しており、放電時間とモジュール電圧Ｖｍとの関係（上段）および放電時間とセル電圧Ｖｃとの関係（下段）について示している。なお、セル電圧Ｖｃの特性線の本数はモジュール１０ｍ中のセル１０ｃの個数を限定するものではない。

図２に示すように、放電時間が長くなると、モジュール電圧値Ｖｍおよびセル電圧値Ｖｃは低下していく。また、セル電圧Ｖｃが低いほど、各電池セル１０ｃの放電特性の差（特性のばらつき）が大きくなる。

このため、モジュール電圧Ｖｍがモジュール電圧下限値Ｖｍ１まで低下したことを検出して放電を停止するだけでは、その時点で既にいくつかのセル１０ｃのセル電圧Ｖｃがセル電圧下限値Ｖｃ１を下回ってしまう、すなわち過放電状態になってしまう場合がある。その結果、セル電圧下限値Ｖｃ１を下回ったセル１０ｃだけでなく、モジュール１０ｍ全体として、電池性能が劣化してしまう。

なお、モジュール電圧下限値Ｖｍ１およびセル電圧下限値Ｖｃ１は、モジュール１０ｍおよびセル１０ｃに対して予め設定される値であり、正常状態と過放電状態との境界に対応して設定される。

ここで、モジュール１０ｍ中の全てのセル１０ｃの放電特性を均一に揃えることができれば好ましいが、上記放電特性差は各電池セル１０ｃの個体間ばらつき（個体差）や動作時の温度ばらつき等に起因するため、均一な放電特性を得ることは難しいと考えられる。

これに対し、制御装置２１は、次に概説する処理および制御によって、モジュール１０ｍ中の全てのセル１０ｃについてセル電圧Ｖｃがセル電圧下限値Ｖｃ１を下回るのを防止する。

具体的には、制御装置２１では、モジュール電圧下限値Ｖｍ１よりも高い電圧Ｖｍ２（以下、下限監視値Ｖｍ２とも呼ぶ）を予め設定し、モジュール電圧Ｖｍが低下して下限監視値Ｖｍ２に到達したことが判定されたならば、当該到達時点ｔａからその後に放電が許容される残り時間ｔ１を推定する。

ここで、放電許容残り時間ｔ１は、例えば、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２である状態のモジュール１０ｍについて、全てのセル１０ｃがセル電圧下限値Ｖｃ１よりも高い電圧を保持した状態で放電が許容される最長時間として規定される。または、放電許容残り時間ｔ１は、例えば、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２である状態のモジュール１０ｍについて、いずれかのセル１０ｃのセル電圧Ｖｃがセル電圧下限値Ｖｃ１に到達するまでの最短時間として規定される。

また、制御装置２１は、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２に到達した時刻ｔａから放電許容残り時間ｔ１が経過した時刻ｔｂにおいて、モジュール１０ｍの放電動作の制限を開始する。

これにより、モジュール１０ｍ中のいずれのセル１０ｃについてもセル電圧Ｖｃがセル電圧下限値Ｖｃ１を下回らないようにすることができ、すなわちいずれのセル１０ｃも過放電状態にならないようにすることができる。その結果、電池モジュール１０ｍ全体としての性能劣化を抑制することができる。

放電許容残り時間ｔ１は例えば放電電流Ｉ１やモジュール温度Ｔｍに依存し、これらｔ１，Ｉ１，Ｔｍの相関関係は実験やシミュレーション等によって予め求めておくことが可能である。かかる相関関係を図３および図４を参照して説明する。図３と図４は、特性図の横軸の物理量および特性線の本数が異なるが、実質的に同じ特性を現している。なお、図３に例示したモジュール温度ＴｍはＴｍ１＜Ｔｍ２＜Ｔｍ３なる大小関係にあり、図４に例示した放電電流Ｉ１はＩ１１＜Ｉ１２＜Ｉ１３＜Ｉ１４なる大小関係にある。これらの特性図によれば、放電電流Ｉ１が大きいほど放電許容残り時間ｔ１は短くなり、また、モジュール温度Ｔｍが高いほど放電許容残り時間ｔ１は長くなることが分かる。

このような制御を実現しうる具体的な構成例として、図１には、制御装置２１の制御手段４１が下限監視判定手段５１と、放電許容残り時間推定手段６１と、放電制限手段７１とを含む場合を例示している。なお、各手段５１，６１，７１はソフトウェアによって実現可能である。具体的には、制御手段４１をＣＰＵ等のコンピュータで構成し、そのコンピュータを各手段５１，６１，７１として機能させることによって実現できる。この場合、各手段５１，６１，７１に対応する各機能は、所定のプログラムを実行することで実現される。当該プログラムは例えば記憶手段８０に格納される。なお、各手段５１，６１，７１の一部または全部をハードウェアによって実現することも可能である。

下限監視判定手段５１は、電圧検出手段３２が検出したモジュール電圧Ｖｍの検出値を取得し、例えばモジュール電圧Ｖｍの検出値と下限監視値Ｖｍ２（図２参照）とを比較することによって、取得した検出値Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２以下であるか否かを判定する。なお、上記のように下限監視値Ｖｍ２はモジュール電圧下限値Ｖｍ１よりも高い値に設定されており（Ｖｍ２＞Ｖｍ１）、これらの値Ｖｍ１，Ｖｍ２は、例えば、制御手段４１が実行するプログラム中に予め組み込んでおいてもよいし、記憶手段８０内に格納しておきプログラムの実行時に読み出すようにしてもよい。

放電許容残り時間推定手段６１は、電流検出手段３４が検出した放電電流Ｉ１の検出値と、温度検出手段３６が検出したモジュール温度Ｔｍの検出値とを取得し、これらの検出値Ｉ１，Ｔｍと電池セル１０ｃの放電特性の差（図２参照）とに基づいて、放電許容残り時間ｔ１（図２〜図４参照）を推定する。電池セル１０ｃの放電特性の差が考慮された放電許容残り時間ｔ１は、当該残り時間ｔ１と放電電流Ｉ１とモジュール温度Ｔｍとの間の上記相関関係（図３および図４参照）から取得することができる。

例えば当該相関関係をマップ形式、ルックアップテーブル形式等で記憶手段８０内に予め格納しておく構成によれば、放電許容残り時間推定手段６１は、放電電流Ｉ１およびモジュール温度Ｔｍの検出値を検索キーとして用いて記憶手段８０内を検索し、対応する放電許容残り時間ｔ１を抽出することによって、放電許容残り時間ｔ１を推定することが可能である。また、例えば上記相関関係を関数式としてプログラム中に組み込んでおく構成によれば、放電許容残り時間推定手段６１は、当該関数式に放電電流Ｉ１およびモジュール温度Ｔｍの検出値を代入して放電許容残り時間ｔ１を算出することによって、当該残り時間ｔ１を推定することが可能である。

放電制限手段７１は、下限監視判定手段５１による判定結果と放電許容残り時間推定手段６１による推定結果とを取得し、これらの結果に基づいて、モジュール１０ｍの放電の制限を開始する指示信号を例えばＭ／Ｇ１０４，１０６およびインバータ１２０へ送出する。より具体的には、放電制限手段７１は、モジュール電圧Ｖｍが低下して下限監視値Ｖｍ２に到達した時点ｔａから計時して放電許容残り時間ｔ１が経過したならば、例えばＭ／Ｇ１０４，１０６およびインバータ１２０を制御して電池モジュール１０ｍの放電動作を制限する。なお、放電許容残り時間ｔ１の計時機能は例えば放電制限手段７１に付与することが可能である。また、計時中か否かを、制御手段４１を構成するＣＰＵ内または記憶手段８０内の特定のフラグの状態に対応させて記録するようにしてもよい。

また、放電制限手段７１は、上記の放電制限ととともに、例えばエンジン１０２の動力によってＭ／Ｇ１０４，１０６の一方または両方を発電機として機能させることにより電池モジュール１０ｍを充電する制御を行うのが好ましい。

また、放電制限手段７１は、放電制限中にモジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２よりも高い値に回復した場合には、放電制限の解除処理または終了処理、例えば放電制限指示を与えていたＭ／Ｇ１０４，１０６、インバータ１２０等に対して放電動作を許可する指示を行うようにしてもよい。このとき、放電制限手段７１は、例えば放電制限中に下限監視判定手段５１による判定結果を取得することにより、モジュール電圧Ｖｍの回復を知ることが可能である。

上記構成を有する制御装置２１の動作の一例を図５のフローチャートも参照して説明する。但し、制御装置２１の動作は当該例示に限定されるものではない。

図５の例では、ステップＳ１０において、電圧検出手段３２がモジュール電圧Ｖｍを検出して制御手段４１へ送出する。モジュール電圧Ｖｍの検出値を受信した制御手段４１では、ステップＳ１２において、下限監視判定手段５１が、モジュール電圧Ｖｍの検出値が下限監視値Ｖｍ２以下であるという条件（Ｖｍ≦Ｖｍ２）を満足するか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ＞Ｖｍ２であれば放電の制限は必要ないと判断され制御装置２１の処理はステップＳ１０へ戻り、一方、Ｖｍ≦Ｖｍ２であれば制御装置２１の処理はステップＳ１４へ移行する。

ステップＳ１４では、電流検出手段３４が電流Ｉ（放電電流Ｉ１）を検出して制御手段４１へ送出するとともに、温度検出手段３６がモジュール温度Ｔｍを検出して制御手段４１へ送出する。なお、モジュール１０ｍの電流Ｉが放電電流Ｉ１であるか充電電流Ｉ５であるかの判別は、電流検出手段３４が行ってもよいし、制御手段４１、例えば放電許容残り時間推定手段６１が行ってもよい。

そして、ステップＳ１６において、放電許容残り時間推定手段６１が、取得した検出値Ｉ１，Ｔｍを用いて上記のようにして放電許容残り時間ｔ１を推定する。放電制限手段７１は、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２に到達した時刻ｔａと、推定された放電許容残り時間ｔ１とを取得し、ステップＳ１８において、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２まで低下してから当該残り時間ｔ１が経過したか否かを判定する。判定の結果、放電許容残り時間ｔ１が経過していない場合、制御装置２１の処理はステップＳ１０へ戻る。一方、ステップＳ１８において放電許容残り時間ｔ１が経過したと判定された場合、ステップＳ２０において、放電制限手段７１がモジュール１０ｍの放電の制限を開始する。

図５の例では、放電制限中にモジュール電圧Ｖｍがチェックされ、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２よりも高い値に回復した場合には、放電の制限が解除される（Ｓ２２〜Ｓ２６）。例えば、ステップＳ２２において電圧検出手段３２がモジュール電圧Ｖｍを検出し、ステップＳ２４において下限監視判定手段５１がモジュール電圧Ｖｍの検出値が下限監視値Ｖｍ２以下であるか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ＞Ｖｍ２であればステップＳ２６において放電制限手段７１は放電制限を解除し（終了し）、一方、Ｖｍ≦Ｖｍ２であればステップＳ２２へ戻りモジュール電圧Ｖｍのチェックが継続される。図５の例では、放電制限解除ステップＳ２６の後、制御装置２１の処理は上記ステップＳ１０へ戻る。

ここで、上記のように、ステップＳ１８において放電許容残り時間ｔ１が経過していないと判定された場合、制御装置２１の処理はステップＳ１０へ戻る。これにより、放電許容残り時間ｔ１の計時中に、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６が実行される。

このため、ステップＳ１０，Ｓ１２の実行により、放電許容残り時間ｔ１の計時中にモジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２よりも高い値に回復した場合には、例えば放電制限手段７１が放電許容残り時間ｔ１の計時を終了することによって、放電を制限しないようにすることができる。

また、放電許容残り時間ｔ１の計時中にステップＳ１４，Ｓ１６を実行することにより、放電許容残り時間ｔ１を新たに推定し（更新し）、更新された放電許容残り時間ｔ１を用いて計時を継続する。

このとき、放電許容残り時間推定手段６１を、検出ステップＳ１４による新たな検出値Ｉ１，Ｔｍのみを用いて放電許容残り時間ｔ１を推定するように構成してもよいし、または、新たな検出値Ｉ１，Ｔｍと以前に検出された検出値Ｉ１，Ｔｍとを用いて、すなわち複数回分の検出値Ｉ１，Ｔｍを用いて放電許容残り時間ｔ１を推定するように構成してもよい。

放電電流Ｉ１の複数の検出値を利用する場合、例えば、新たに検出された放電電流値Ｉ１と以前に検出された放電電流値Ｉ１との平均値を算出し、当該平均値を上記相関関係（図３および図４参照）の放電電流値Ｉ１として適用することによって、放電許容残り時間ｔ１を推定することが可能である。モジュール温度Ｔｍについても同様である。この場合、上記の以前の検出値Ｉ１，Ｔｍは、例えば、直近の１回分だけでもよいし、直近の複数回分でもよいし、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２に到達した後に検出した全ての検出値であってもよい。

複数回分の検出値Ｉ１，Ｔｍを用いることにより、二次電池モジュール１０ｍの使用状況に応じた放電許容残り時間ｔ１の変動が考慮され、当該残り時間ｔ１の推定精度を向上させることができる。

以上のように、制御装置２１によれば、いずれの電池セル１０ｃについてもセル電圧Ｖｃがセル電圧下限値Ｖｃ１を下回る、すなわち過放電状態になるのを防止することができる。これにより、電池モジュール１０ｍ全体の性能劣化を抑制することができる。また、制御装置２１によれば、各セル１０ｃについてセル電圧Ｖｃ等を検出する必要がないので、当該装置２１の簡略化、小型化等を図ることができる。

ここで、放電許容残り時間ｔ１の推定にモジュール温度Ｔｍを利用せずに放電電流Ｉ１だけを利用することも可能である。これに対し、上記のように放電電流Ｉ１とモジュール温度Ｔｍの両方を利用して放電許容残り時間ｔ１を推定することにより、当該残り時間ｔ１について高い推定精度を得ることができる。

上記の実施の形態１では電池モジュール１０ｍおよび電池セル１０ｃの過放電を防止する場合を例示したが、以下に説明する実施の形態２ではこれらの過充電を防止するための制御装置を例示する。実施の形態２に係る二次電池モジュール制御装置２５について、図６の構成図と図７の特性図と図８のフローチャートを示す。図６、図７および図８は、図１、図２および図５にそれぞれ対応する。なお、図６には制御装置２５が実施の形態１と同様のＨＥＶ１００に適用される場合を例示しており、このためここではＨＥＶ１００についての説明は省略する。

図６に例示するように、制御装置２５は、電圧検出手段３２と、電流検出手段３４と、温度検出手段３６と、制御手段４５と、記憶手段８０とを含んでいる。図６の例では制御手段４５以外の要素は実施の形態１に係る制御装置２１（図１参照）中の対応要素と同様であり、このためそれらの要素についてはここでは説明を省略する。

制御手段４５は、検出手段３２，３４，３６が検出した検出値Ｖｍ，Ｉ，Ｔｍを受信し、当該検出値Ｖｍ，Ｉ，Ｔｍに基づいて、電池モジュール１０ｍの充電動作を制御する。制御手段４５は、例えばＣＰＵ等のコンピュータで構成することが可能であり、また、例えばＨＥＶ１００に搭載される各種ＥＣＵの一つまたは複数を利用して構成することも可能である。

ここで、図７の特性図に示すように、充電時間が長くなると、モジュール電圧値Ｖｍおよびセル電圧値Ｖｃは上昇する。また、セル電圧Ｖｃが高いほど、各電池セル１０ｃの充電特性の差（特性のばらつき）が大きくなる。そこで、制御装置２５は、モジュール１０ｍ中の全てのセル１０ｃについてセル電圧Ｖｃがセル電圧上限値Ｖｃ５を上回るのを防止する。

具体例は後述するが、制御装置２５では、モジュール電圧上限値Ｖｍ５よりも低い電圧Ｖｍ６（以下、上限監視値Ｖｍ６とも呼ぶ）を予め設定し、モジュール電圧Ｖｍが上昇して上限監視値Ｖｍ６に到達したことが判定されたならば、当該到達時点ｔｅからその後に充電が許容される残り時間ｔ５を推定する。

充電許容残り時間ｔ５は、例えば、モジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６である状態のモジュール１０ｍについて、全てのセル１０ｃがセル電圧上限値Ｖｃ５よりも低い電圧を保持した状態で充電が許容される最長時間として規定される。または、充電許容残り時間ｔ５は、例えば、モジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６である状態のモジュール１０ｍについて、いずれかのセル１０ｃのセル電圧Ｖｃがセル電圧上限値Ｖｃ５に到達するまでの最短時間として規定される。

また、制御装置２５は、モジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６に到達した時刻ｔｅから充電許容残り時間ｔ５が経過した時刻ｔｆにおいて、モジュール１０ｍの充電動作の制限を開始する。

これにより、モジュール１０ｍ中のいずれのセル１０ｃについてもセル電圧Ｖｃがセル電圧上限値Ｖｃ５を上回らないようにすることができ、すなわちいずれのセル１０ｃも過充電状態にならないようにすることができる。その結果、電池モジュール１０ｍ全体としての性能劣化を抑制することができる。

充電許容残り時間ｔ５は例えば充電電流Ｉ５やモジュール温度Ｔｍに依存し、これらｔ５，Ｉ５，Ｔｍの相関関係は実験やシミュレーション等によって予め求めておくことが可能である。かかる相関関係は上記の図３および図４と同様の傾向を示し、充電電流Ｉ５が大きいほど充電許容残り時間ｔ５は短くなり、また、モジュール温度Ｔｍが高いほど充電許容残り時間ｔ５は長くなる。

なお、モジュール電圧上限値Ｖｍ５およびセル電圧上限値Ｖｃ５は、モジュール１０ｍおよびセル１０ｃに対して予め設定される値であり、正常状態と過充電状態との境界に対応して設定される。なお、実施の形態１で説明した値Ｖｍ１，Ｖｍ２，Ｖｃ１との間には、Ｖｍ１＜Ｖｍ２＜Ｖｍ６＜Ｖｍ５、Ｖｃ１＜Ｖｃ５なる関係がある。

図６には、制御手段４５が、上限監視判定手段５５と、充電許容残り時間推定手段６５と、充電制限手段７５とを含む場合を例示している。なお、手段５５，６５，７５は、実施の形態１に係る手段５１，６１，７１（図１参照）と同様に、ソフトウェアによって実現可能であり、また、その一部または全部をハードウェアによって実現することも可能である。

上限監視判定手段５５は、電圧検出手段３２が検出したモジュール電圧Ｖｍの検出値を取得し、例えばモジュール電圧Ｖｍの検出値と上限監視値Ｖｍ６（図７参照）とを比較することによって、取得した検出値Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６以下であるか否かを判定する。なお、上記のように上限監視値Ｖｍ６はモジュール電圧上限値Ｖｍ５よりも低い値に設定されており（Ｖｍ６＜Ｖｍ５）、これらの値Ｖｍ５，Ｖｍ６は、例えば、制御手段４５が実行するプログラム中に予め組み込んでおいてもよいし、記憶手段８０内に格納しておきプログラムの実行時に読み出すようにしてもよい。

充電許容残り時間推定手段６５は、電流検出手段３４が検出した放電電流Ｉ５の検出値と、温度検出手段３６が検出したモジュール温度Ｔｍの検出値とを取得し、これらの検出値Ｉ５，Ｔｍと電池セル１０ｃの充電特性の差（図７参照）とに基づいて、充電許容残り時間ｔ５（図７参照）を推定する。電池セル１０ｃの充電特性の差が考慮された充電許容残り時間ｔ５は、当該残り時間ｔ５と充電電流Ｉ５とモジュール温度Ｔｍとの間の上記相関関係から取得することができる。充電許容残り時間ｔ５についての当該相関関係は、上記の放電許容残り時間ｔ１についての相関関係と同様に、マップ形式、ルックアップテーブル形式等で記憶手段８０内に予め格納しておいて利用してもよいし、関数式としてプログラム中に組み込んで利用してもよい。

充電制限手段７５は、上限監視判定手段５５による判定結果と充電許容残り時間推定手段６５による推定結果とを取得し、これらの結果に基づいて、モジュール１０ｍの充電の制限を開始する指示信号を例えばＭ／Ｇ１０４，１０６およびインバータ１２０へ送出する。より具体的には、充電制限手段７５は、モジュール電圧Ｖｍが上昇して上限監視値Ｖｍ６に到達した時点ｔｅから計時して充電許容残り時間ｔ５が経過したならば、例えばＭ／Ｇ１０４，１０６およびインバータ１２０を制御して電池モジュール１０ｍの充電を制限する。なお、充電許容残り時間ｔ５の計時機能は例えば充電制限手段７５に付与することが可能である。

また、充電制限手段７５は、上記の充電制限ととともに、例えばＭ／Ｇ１０４，１０６の一方または両方をモータとして機能させることにより、電池モジュール１０ｍを放電する制御を行うのが好ましい。かかる放電は、例えば不図示の各種車載装置を動作させることによって行ってもよい。

また、充電制限手段７５は、充電制限中にモジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６よりも低い値に回復した場合には、充電制限の解除処理または終了処理、例えば充電制限指示を与えていたＭ／Ｇ１０４，１０６、インバータ１２０等に対して充電動作を許可する指示を行うようにしてもよい。このとき、充電制限手段７５は、例えば充電制限中に上限監視判定手段５５による判定結果を取得することにより、モジュール電圧Ｖｍの回復を知ることが可能である。

図８を参照して、制御装置２５の動作の一例を説明する。但し、制御装置２５の動作は当該例示に限定されるものではない。

図８の例では、ステップＳ３０において、電圧検出手段３２がモジュール電圧Ｖｍを検出して制御手段４５へ送出する。モジュール電圧Ｖｍの検出値を受信した制御手段４５では、ステップＳ３２において、上限監視判定手段５５が、モジュール電圧Ｖｍの検出値が上限監視値Ｖｍ６以上であるという条件（Ｖｍ≧Ｖｍ６）を満足するか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ＜Ｖｍ６であれば充電の制限は必要ないと判断され制御装置２５の処理はステップＳ３０へ戻り、一方、Ｖｍ≧Ｖｍ６であれば制御装置２５の処理はステップＳ３４へ移行する。

ステップＳ３４では、電流検出手段３４が電流Ｉ（充電電流Ｉ５）を検出して制御手段４５へ送出するとともに、温度検出手段３６がモジュール温度Ｔｍを検出して制御手段４５へ送出する。なお、モジュール１０ｍの電流Ｉが放電電流Ｉ１であるか充電電流Ｉ５であるかの判別は、電流検出手段３４が行ってもよいし、制御手段４５、例えば放電許容残り時間推定手段６５が行ってもよい。

そして、ステップＳ３６において、充電許容残り時間推定手段６５が、取得した検出値Ｉ５，Ｔｍを、Ｉ５とＴｍとｔ５との上記相関関係に適応することによって、充電許容残り時間ｔ５を推定する。充電制限手段７５は、モジュール電圧Ｖｍが下限監視値Ｖｍ２に到達した時刻ｔａと、推定された充電許容残り時間ｔ５とを取得し、ステップＳ３８において、モジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６まで上昇してから当該残り時間ｔ５が経過したか否かを判定する。判定の結果、充電許容残り時間ｔ５が経過していない場合、制御装置２５の処理はステップＳ３０へ戻る。一方、ステップＳ３８において充電許容残り時間ｔ５が経過したと判定された場合、ステップＳ４０において、充電制限手段７５がモジュール１０ｍの充電の制限を開始する。

図８の例では、充電制限中にモジュール電圧Ｖｍがチェックされ、モジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６よりも低い値に回復した場合には、充電の制限が解除される（Ｓ４２〜Ｓ４６）。例えば、ステップＳ４２において電圧検出手段３２がモジュール電圧Ｖｍを検出し、ステップＳ４４において上限監視判定手段５５がモジュール電圧Ｖｍの検出値が上限監視値Ｖｍ６以上であるか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ＜Ｖｍ６であればステップＳ４６において充電制限手段７５は充電制限を解除し（終了し）、一方、Ｖｍ≧Ｖｍ６であればステップＳ４２へ戻りモジュール電圧Ｖｍのチェックが継続される。図８の例では、充電制限解除ステップＳ４６の後、制御装置２５の処理は上記ステップＳ３０へ戻る。

ここで、上記のように、ステップＳ３８において充電許容残り時間ｔ５が経過していないと判定された場合、制御装置２５の処理はステップＳ３０へ戻る。これにより、充電許容残り時間ｔ５の計時中に、ステップＳ３０，Ｓ３２，Ｓ３４，Ｓ３６が実行される。

このため、ステップＳ３０，Ｓ３２の実行により、充電許容残り時間ｔ５の計時中にモジュール電圧Ｖｍが上限監視値Ｖｍ６よりも低い値に回復した場合には、例えば充電制限手段７５が充電許容残り時間ｔ５の計時を終了することによって、充電を制限しないようにすることができる。

また、充電許容残り時間ｔ５の計時中にステップＳ３４，Ｓ３６を実行することにより、充電許容残り時間ｔ５を新たに推定し（更新し）、更新された充電許容残り時間ｔ５を用いて計時を継続する。充電許容残り時間ｔ５の更新は、例えば実施の形態１での放電許容残り時間ｔ１の更新と同様に、新たな検出値Ｉ５，Ｔｍのみを用いてもよいし、複数回分の検出値Ｉ５，Ｔｍを用いてもよい。複数回分の検出値Ｉ５，Ｔｍは例えば平均値を算出して利用することが可能である。複数回分の検出値Ｉ５，Ｔｍを用いることにより、電池モジュール１０ｍの使用状況に応じた充電許容残り時間ｔ５の変動が考慮され、当該残り時間ｔ５の推定精度を向上させることができる。

以上のように、制御装置２５によれば、いずれの電池セル１０ｃについてもセル電圧Ｖｃがセル電圧上限値Ｖｃ５を上回る、すなわち過充電状態になるのを防止することができる。これにより、電池モジュール１０ｍ全体の性能劣化を抑制することができる。また、制御装置２５によれば、各セル１０ｃについてセル電圧Ｖｃ等を検出する必要がないので、当該装置２５の簡略化、小型化等を図ることができる。

ここで、放電許容残り時間ｔ１の推定と同様に、充電許容残り時間ｔ５の推定にモジュール温度Ｔｍを利用せずに充電電流Ｉ１だけを利用することも可能である。これに対し、上記のようにモジュール温度Ｔｍも利用すれば、充電許容残り時間ｔ５について高い推定精度が得られる。

図９に、実施の形態３に係る二次電池モジュール制御装置２９を説明する構成を例示する。図９には制御装置２９が、実施の形態１と同様のＨＥＶ１００に適用される場合を例示しており、このためここではＨＥＶ１００についての説明は省略する。

図９の例示では、制御装置２９は、電圧検出手段３２と、電流検出手段３４と、温度検出手段３６と、制御手段４９と、記憶手段８０とを含んでおり、制御手段４９以外の要素は実施の形態１に係る制御装置２１（図１参照）中の対応要素と同様であり、このためそれらの要素についてはここでは説明を省略する。

制御手段４９は、上記の制御手段４１，４５（図１および図６参照）の機能を組み合わせた構成を有している。図９の例示では、制御手段４９は、制御手段４１と同様に機能する下限監視判定手段５１と放電許容残り時間推定手段６１と放電制限手段７１を含むとともに、制御手段４５と同様に機能する上限監視判定手段５５と充電許容残り時間推定手段６５と充電制限手段７５を含んでいる。

かかる構成を有する制御装置２９の動作の一例を図１０のフローチャートを参照して説明する。但し、制御装置２９の動作は当該例示に限定されるものではない。

図１０の例では、ステップＳ５０において、電圧検出手段３２がモジュール電圧Ｖｍを検出して制御手段４９へ送出する。モジュール電圧Ｖｍの検出値を受信した制御手段４９では、ステップＳ５２において、下限監視判定手段５１が、モジュール電圧Ｖｍの検出値が下限監視値Ｖｍ２以下（Ｖｍ≦Ｖｍ２）であるか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ≦Ｖｍ２であれば、制御装置２９はステップＳ５４として上記ステップＳ１４〜Ｓ２６（図５参照）を実行し、その後、ステップＳ５０へ戻る。

一方、ステップＳ５２においてＶｍ＞Ｖｍ２と判定された場合、ステップＳ５６において、上限監視判定手段５５が、モジュール電圧Ｖｍの検出値が上限監視値Ｖｍ６以上（Ｖｍ≧Ｖｍ６）であるか否かを判定する。判定の結果、Ｖｍ≧Ｖｍ６であれば、制御装置２９はステップＳ５８として上記ステップＳ３４〜Ｓ４６（図８参照）を実行し、その後、ステップＳ５０へ戻る。これに対し、ステップＳ５６での判定結果がＶｍ＜Ｖｍ６であれば、制御装置２９の処理は上記ステップＳ５０へ戻る。

なお、上記とは逆に、ステップＳ５２よりも先にステップＳ５６を実行することも可能である。

かかる制御装置２９によれば、いずれの電池セル１０ｃについても過充電状態および過充電状態になるのを防止して、電池モジュール１０ｍ全体の性能劣化を抑制することができる。また、制御装置２９によれば、各セル１０ｃについてセル電圧Ｖｃ等を検出する必要がないので、当該装置２９の簡略化、小型化等を図ることができる。

ここで、放電許容残り時間ｔ１の推定と充電許容残り時間ｔ５の推定の一方または両方についてモジュール温度Ｔｍを利用せずに充電電流Ｉ１または充電電流Ｉ５だけを利用することも可能である。これに対し、上記のようにモジュール温度Ｔｍも利用すれば残り時間ｔ１，ｔ５について高い推定精度が得られる。

第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する構成図である。 第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する特性図である。 第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する特性図である。 第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する特性図である。 第１の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置の動作を説明するフローチャートである。 第２の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する構成図である。 第２の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する特性図である。 第２の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置の動作を説明するフローチャートである。 第３の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置を説明する構成図である。 第３の実施の形態に係る二次電池モジュール制御装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ｃ 二次電池セル、１０ｍ 二次電池モジュール、２１，２５，２９ 二次電池モジュール制御装置、３２ 電圧検出手段、３４ 電流検出手段、３６ 温度検出手段、４１，４５，４９ 制御手段、５１ 下限監視判定手段、５５ 上限監視判定手段、６１ 放電許容残り時間推定手段、６５ 充電許容残り時間推定手段、７１ 放電制限手段、７５ 充電制限手段、８０ 記憶手段、Ｉ 電流、Ｉ１ 放電電流、Ｉ５ 充電電流、Ｔｍ モジュール温度、Ｖｃ セル電圧、Ｖｃ１ セル電圧下限値、Ｖｃ５ セル電圧上限値、Ｖｍ モジュール電圧、Ｖｍ１ モジュール電圧下限値、Ｖｍ２ 下限監視値、Ｖｍ５ モジュール電圧上限値、Ｖｍ６ 上限監視値、ｔ１ 放電許容残り時間、ｔ５ 充電許容残り時間。

Claims (5)

1. 複数の二次電池セルが直列接続された二次電池モジュールのモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、
   二次電池モジュールの電流を検出する電流検出手段と、
   電圧検出手段によるモジュール電圧の検出値が、予め設定されたモジュール電圧下限値よりも高い下限監視値以下であることを判定する下限監視判定手段と、
   モジュール電圧が下限監視値まで低下した二次電池モジュールについて放電が許容される残り時間を、二次電池セルの放電特性の差と、電流検出手段による放電電流の検出値とに基づいて推定する放電許容残り時間推定手段と、
   下限監視判定手段による判定結果と放電許容残り時間推定手段による推定結果とを用いることにより、モジュール電圧が下限監視値まで低下した後、推定された放電許容残り時間が経過した時点から二次電池モジュールの放電の制限を開始する放電制限手段と、
   を備えることを特徴とする二次電池モジュール制御装置。
2. 請求項１に記載の二次電池モジュール制御装置であって、
   放電許容残り時間推定手段は、二次電池モジュールの放電電流について複数の検出値を平均し、算出された平均値に基づいて放電許容残り時間を推定することを特徴とする二次電池モジュール制御装置。
3. 請求項１または２に記載の二次電池モジュール制御装置であって、
   二次電池モジュールのモジュール温度を検出する温度検出手段を備え、
   放電許容残り時間推定手段は、二次電池セルの放電特性の差と、電流検出手段による放電電流の検出値と、温度検出手段によるモジュール温度の検出値とに基づいて、放電許容残り時間を推定することを特徴とする二次電池モジュール制御装置。
4. 請求項３に記載の二次電池モジュール制御装置であって、
   放電許容残り時間推定手段は、モジュール温度について複数の検出値を平均し、算出された平均値に基づいて放電許容残り時間を推定することを特徴とする二次電池モジュール制御装置。
5. 複数の二次電池セルが直列接続された二次電池モジュールのモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、
   二次電池モジュールの電流を検出する電流検出手段と、
   電圧検出手段によるモジュール電圧の検出値が、予め設定されたモジュール電圧上限値よりも低い上限監視値以上であることを判定する上限監視判定手段と、
   モジュール電圧が上限監視値まで上昇した二次電池モジュールについて充電が許容される残り時間を、二次電池セルの充電特性の差と、電流検出手段による充電電流の検出値とに基づいて推定する充電許容残り時間推定手段と、
   上限監視判定手段による判定結果と充電許容残り時間推定手段による推定結果とを用いることにより、モジュール電圧が上限監視値まで上昇した後、推定された充電許容残り時間が経過した時点から二次電池モジュールの充電の制限を開始する充電制限手段と、
   を備えることを特徴とする二次電池モジュール制御装置。

Images