JP4961861B2 - 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、充放電を繰り返したり、長期間放置したりすると、各セルの自己放電、劣化等の差に基づいて各セルの容量（ＳＯＣ）にバラツキが発生する。そして各セル間に容量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。そのため容量（ＳＯＣ）と相関のある無負荷時の電圧（いわゆる開放電圧）を検出することによって容量バラツキを検出し、容量を均一に調整する処理を行っている。従来は、上記のように開放電圧を測定するため、特許文献１に記載のように、無負荷時にのみ計測するように構成していた。
特開平１１−２３４９１７号公報

上記のように、従来は、無負荷時にのみ計測していた。車両における無負荷時というのは、例えば下記のような状態である。
（１）車両走行前にキースイッチをオンにした時点から組電池と負荷（インバータや電動機）が接続（図１のリレー１０、１１がＯＮ）されるまでの間
（２）車両走行後にキースイッチをオフにした時点（組電池とインバータや電動機が遮断され電流が流れていない状態）から所定時間が経過して組電池の状態が安定した時点
しかし、上記（１）においては、全てのセルの計測を行うのに時間がかかり、計測が終了するまで車両を発進させることができないので、運転者に不満を与えるという問題があった。また、車両の停止から起動までの時間が非常に短い場合（例えば荷物の積み下ろしのため数秒〜数十秒停車した場合）には、電池が無負荷状態に戻りきっていない（電圧が安定せず変化している状態）ため容量バラツキを正確に検出することが出来ないという問題もある。
また、上記（２）においては、車両走行後に所定時間以上経過しないと計測出来ないので、例えばタクシーのように一台の車両を複数の運転者が交代で次々に運転するような使用状態（シェアリング運転）では、停止時間が短い（若しくは長時間停止することがない）ため容量バラツキを検出することが困難になり、そのため過充電や過放電になって電池の寿命を低下させるおそれがある、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を負荷時にも計測する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、負荷時において、組電池全体の電圧である総電圧と一つのセルの電圧とを同時に計測する処理を全てのセルについて順次行い、計測した各セル電圧と同時に計測した総電圧とをそれぞれ比較することにより、容量バラツキが所定値以上のセルを検知するように構成している。
組電池を構成する各セルの電圧（端子電圧：以下同じ）を順次計測する場合、負荷時では負荷の変動に応じて電圧、電流が変動するので、負荷時に計測すると、各セルの計測時点（読み込み時点）毎に負荷の変動に応じて電流、電圧が異なるため、全セルを同じ条件で計測することができず、したがって各セル間の容量バラツキを正確に検出することが出来ない。しかし、前記のように同時に計測したセル電圧と総電圧とを比較すれば各セル毎の計測時点が異なっても、総電圧によって標準化できる。すなわち、組電池の総電圧は、全セルの端子電圧の総和（すなわち組電池としての端子電圧）であり、負荷状態（電流）が変化して各セルの電圧が変化すれば、それに対応して総電圧も変化する。そのため総電圧と一つのセルの電圧とを同時に計測し、その計測時点における総電圧と当該セルの計測値とを比較すれば、各セルの読み込み時点における負荷状態（電流）の変化によって各セル毎の計測値が変動しても、比較する対象である総電圧も対応して変化しているので、各セル毎の計測時点が異なっても、総電圧によって標準化できる。そのため、負荷状態の変動に拘りなく大きな容量バラツキが発生しているセルを検知することが出来る。

本発明においては、負荷状態（電流）の変動に拘りなく容量バラツキを検出することが出来る。したがって負荷時においても容量バラツキの大きなセルを正確に検知することが可能になり、無負荷時に限定されていた従来技術における問題点を解決することが出来る。

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、本発明において、容量とは残容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を表す。また、バラツキとは容量のバラツキを意味する。

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、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、無負荷状態であると判断出来る。

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。そのため本発明においては、総電圧センサ７で検出した組電池１の総電圧と、一つのセル２の検出値とを同時に読み込み、この総電圧と一つのセルの電圧とを同時に計測する（読み込む）処理を全てのセルについて順次行い、計測した各セル電圧と同時に計測した総電圧とをそれぞれ比較することにより、バラツキが所定値以上のセルを検知する（詳細後述）。なお、２つ程度の電圧値を同時に読み込むことは可能である。

また、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に信号を送ってオンにし、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（詳細後述）。

なお、バラツキ調整は容量（充電率：ＳＯＣ）の大きなセルを放電させて平準化する場合と、容量（充電率：ＳＯＣ）の小さな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示している。そのためバラツキセルは平均的なセルよりも容量が所定値以上大きなセルを意味している。

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、バラツキ検知部８における処理内容の第１の実施例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、キースイッチが投入されることによって全体の装置が起動される。
ステップＳ２では無負荷時のバラツキ検知処理を行う。この状態はステップＳ３でリレーがＯＮされる前なので無負荷状態であることは問題ない。なお、電流センサ６における検出値が０の場合にも無負荷状態と判断出来る。

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（すなわち開放電圧）を順次検出し、全てのセルの電圧を検出した後に総電圧を検出し、総電圧をセル数で除算して総電圧のセル１個当たり平均値（セル１個当たりの値：以下、「総電圧の平均値」と記載）を算出し、算出した総電圧の平均値と各セルの電圧とを比較し、平均値よりも所定値以上大きいものを容量バラツキが発生しているバラツキセルとして検知する処理を行う。この場合には無負荷時なので従来のバラツキ検知方法を用いることが出来る。ただし、ステップＳ３でリレーがＯＮにされると負荷状態になるので、途中でバラツキ検知処理が中断する可能性があるが、キースイッチ投入時から車両をスタートさせるまでに時間的余裕のある場合には、ステップＳ２における無負荷時のバラツキ検知処理が完了する場合もある。このように無負荷時においてバラツキ検知処理が完了した場合には、二重に判定する必要はないので、ステップＳ３以下の負荷時におけるバラツキ検知処理を行わなくともよい。
上記のように、ステップＳ２における無負荷時のバラツキ検知処理は、起動からリレー１０、１１がＯＮになるまでの間にのみ行われるが、必ずしも完了する必要はないので、直ちに車両を発進させたい場合（例えば運転者がキースイッチ投入直後にアクセルを操作した場合等）には、バラツキ検知を中断して後述するステップ３に進んでリレー１０、１１をＯＮにして車両を発進させることが出来るので、従来のように運転者に不満を与えるおそれがない。

ステップＳ３では、リレー１０、１１をＯＮにして負荷（インバータおよび電動機）の駆動が可能な状態となる。この状態で電動機制御部９からの制御信号がインバータ１２へ送られれば、インバータ１２が動作して電動機１３を駆動することになる。

ステップＳ４では、最初にｎ＝０として計測するセルを設定する。なお、セルを計測する順番は任意に設定することが出来る。
ステップＳ５では、総電圧（組電池の端子電圧）を計測し、ステップＳ６では今回計測順番のセルの電圧（セルの端子電圧）を計測する。なお、この総電圧とセル電圧の計測、読み込みは同時に行う。
次に、ステップＳ７では、バラツキ検知条件が満足されているか否かを判断する。このバラツキ検知条件とは、バラツキ検知を行うのに適した状態か否かを判断するものであり、例えば、下記のような条件である。

（１）図１の電流センサ６で検出した入出力電流（充放電電流）が所定値以下（充放電電流を正、負で表す場合は、絶対値が所定値以下）の低負荷時であること。ただし、充電時と放電時の両方がある。つまり入出力電流があまり大きな場合には電流と電池の内部抵抗に端子電圧が影響され、正確なバラツキ計測が困難なので、低負荷時に行うことが望ましい。

（２）入出力電流が所定値以上の値から所定値以下に低下した後、所定時間を経過した状態。つまり、入出力電流が大きな高負荷時から電流が低下した場合には、しばらくの間、電池の状態が安定せず、正確なバラツキ検知が困難なので、負荷電流が所定値以上から所定値以下に低下してから所定時間の間は、前記バラツキ検知処理をしない。
ステップＳ７＝ＮＯの場合には、以後のバラツキ検知処理を行わず、直ちにステップＳ５へ戻る。

バラツキ検知条件がＯＫ（ステップＳ７＝ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ８で、セル電圧と同時に検出した総電圧の平均値（総電圧をセル数で除算した値、つまりセル１個当たりの平均値）との差が所定値以上か否かを判断する。この場合には平均値よりも電圧の高い（つまり平均値よりも容量が大きい）セルを容量バラツキが発生しているセル（バラツキセル）として検出しているので、ステップＳ８に記載のように、「セル電圧−総電圧平均値＞所定値」を判断しているが、平均値よりも電圧の低いセルをバラツキセルとして検出する場合には「総電圧平均値−セル電圧＞所定値」とすればよいし、両方に該当するセルを検出する場合には「｜セル電圧−総電圧平均値｜＞所定値」とすればよい。

ステップＳ８でＮＯの場合には、当該セルはバラツキセルではない、と判断し、ステップＳ１２へ行く。
ステップＳ８でＹＥＳの場合には、当該セルがバラツキセルであると判断し、ステップＳ９でバラツキ調整を行う。バラツキ調整は前記のように半導体スイッチ５に信号を送ってオンにし、抵抗４を介してセル２を放電させることにより、セル２の電圧を総電圧の平均値まで低下させる、あるいは予め定められた所定の電圧値まで低下させる等によって行う。なお、平均よりも電圧の低い（すなわち平均よりも容量が小さい）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。

また、バラツキ調整は、１回でもバラツキセルとして検出されたセルに対して直ちに行ってもよいが、予め定められた所定の複数回以上バラツキセルとして検知されたセルに対してのみ行うように構成すれば、検出誤差によってバラツキセルと誤検知されたセルが放電されてしまうのを防止することが出来る。

次に、ステップＳ１０ではバラツキ調整が完了したか否か（電圧のバラツキが所定値内になったか）によってバラツキ調整を終了するか否かを判断し、ＹＥＳの場合にはステップＳ１１でバラツキ調整を終了する。ステップＳ１０でＮＯの場合には、ステップＳ１２に行く。この場合にはバラツキ調整が継続しており、次の演算周期でバラツキ調整が完了したと判断された場合に終了する。
ステップＳ１２では、ｎ＝ｎ＋１としてセルの順番を１つインクリメントしてステップＳ５へ戻る。なお、ｎが全セル数の場合、つまり全てのセルについての処理が終了した場合には、ｎ＝０に戻る。

なお、上記の説明では、全てのセルを順次平等に判定する場合を例示したが、バラツキセルとして検知された回数が多いセルを注目セルとして記憶し、他のセルに優先して前記バラツキ検知処理を行うように構成してもよい。上記のようにバラツキセルとして検知された回数が多いセルは、劣化や初期バラツキのため内部抵抗が標準値よりも大きくなっている可能性があり、過充電や過放電になるおそれが大きいので、他のセルに優先して検査を行い、バラツキが大きい場合には直ちにバラツキ調整を行う必要がある。

次に、図３は、バラツキ検知部８における処理内容の第２の実施例を示すフローチャートである。
図３のフローチャートは、前記図２におけるステップＳ８をステップＳ１３と入れ替えたもの、つまりバラツキと判定する条件が異なるものであり、他の部分は同じである。
ステップＳ１３では、セル電圧にセル数を乗算した値と同時に検出した総電圧との差が所定値以上か否かを判断する。なお、この場合にも電圧の高いセルをバラツキセルとして検出しているので、ステップＳ１３に記載のように「セル電圧×セル数−総電圧＞所定値」を判断しているが、電圧の低いセルをバラツキセルとして検出する場合には「総電圧−セル電圧×セル数＞所定値」とすればよいし、両方を検出する場合には「｜セル電圧×セル数−総電圧｜＞所定値」とすればよい。

なお、上記ステップＳ８とステップＳ１３に示した例の他に、セル電圧と同時に検出した総電圧との差が所定値以下か否か、つまり「総電圧−セル電圧＜所定値」を判断してもよい。この場合、常に総電圧＞セル電圧なので、「総電圧−セル電圧＜所定値」ということは、セル電圧が標準よりも高いことを意味する。

図４は、図１における動作時の電圧、電流波形およびセル電圧のバラツキ（すなわち容量バラツキ）を示す図である。
図４において、Ｖａは総電圧のセル１個当たり平均値、棒グラフは各セル電圧、黒い棒グラフはバラツキが大きくバラツキセルと判断されたものを示す。
また、期間ｔ_１は充電電流が所定値以下の状態、期間ｔ_２は放電電流が所定値以下の状態、期間ｔ_３は充放電電流が非常に少ない状態である。このような状態では前記ステップＳ７のバラツキ検知条件が満足されており、バラツキ検知処理を行っている。
図４に示すように、負荷時には負荷状態（電流）の変動によってセル電圧が変動するが、それに応じて総電圧および総電圧の平均値も変動するので、負荷状態が変動してもセル電圧に基づいて容量バラツキを検出することが出来る。

本発明の一実施例を示す回路ブロック図。 バラツキ検知部８における処理内容の第１の実施例を示すフローチャート。 バラツキ検知部８における処理内容の第２の実施例を示すフローチャート。 図１における動作時の電圧、電流波形およびセル電圧のバラツキを示す図。

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 (11)

1. 充放電可能なセルを複数個直列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、
   各セルの端子電圧をそれぞれ計測する電圧センサと、
   組電池全体の端子電圧である総電圧を計測する総電圧センサと、
   組電池の入出力電流を検出する電流センサと、
   負荷時において、前記総電圧と一つのセルの電圧とを同時に計測する処理を全てのセルについて順次行い、計測した各セル電圧と同時に計測した総電圧とをそれぞれ比較することにより、容量バラツキが所定値以上のセルを検知する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. 前記バラツキ検知手段は、計測したセル電圧と同時に計測した総電圧とを比較し、両者の差が所定値以下のセルを容量バラツキが発生しているセルとして検知する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. 前記バラツキ検知手段は、計測したセル電圧を同時に計測した総電圧のセル１個当たり平均値と比較し、両者の差が所定値以上のセルを容量バラツキが発生しているセルとして検知する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。
4. 前記バラツキ検知手段は、計測したセル電圧にセル数を乗算した値を同時に計測した総電圧と比較し、両者の差が所定値以上のセルを容量バラツキが発生しているセルとして検知する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。
5. 前記バラツキ検知手段は、負荷状態が所定の検知条件を満たしている場合にのみ、前記バラツキ検知処理を行う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. 前記検知条件は、前記電流センサで検出した入出力電流が所定値以下の低負荷時であることを特徴とする請求項５に記載の組電池のバラツキ検知装置。
7. 前記検知条件は、前記電流センサで検出した入出力電流が所定値以上の値から所定値以下に低下した後、所定時間以上経過した時であり、負荷電流が所定値以上から所定値以下に低下してから所定時間の間は、前記バラツキ検知処理をしないことを特徴とする請求項５に記載の組電池のバラツキ検知装置。
8. 容量バラツキが発生しているセルとして検知された回数が多いセルを注目セルとして記憶し、他のセルに優先して前記バラツキ検知処理を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。
9. 無負荷時においてバラツキ検知処理が完了した場合には負荷時におけるバラツキ検知処理を行わないことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。
10. 前記バラツキ検知処理において容量バラツキが発生しているセルとして検知されたセルに対してバラツキ調整を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の組電池のバラツキ検知装置。
11. 予め定められた所定の複数回以上容量バラツキが発生しているセルとして検知されたセルに対してのみバラツキ調整を行うことを特徴とする請求項１０に記載の組電池のバラツキ検知装置。

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