JP5279261B2 - 充電状態均等化装置及びこれを具えた組電池システム - Google Patents

充電状態均等化装置及びこれを具えた組電池システム Download PDF

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Description

本発明は、組電池を構成する複数のセルの充電状態を均等化する装置、及び該装置を具えた組電池システムに関するものである。
近年、ハイブリッド自動車において複数のリチウムイオン二次電池(セル)を直列に接続してなる組電池が電源として利用される等、組電池の利用が拡がっている。組電池の放電出力は、組電池を構成する複数のセルの中で充電状態(SOC:State Of Charge)の最も低いセルによって制限されるため、組電池を構成する複数のセルのSOCのばらつきによって組電池としての性能が低下してしまう。
そこで、組電池を構成する複数のセルのSOCのばらつきを一定範囲内に収めるための均等化処理が必要となる(特許文献1及び2参照)。
図9は、従来の充電状態均等化装置の要部を表わしている。組電池を構成する各セル(4)の両端には、抵抗器R及びスイッチSWを互いに直列に接続してなる放電回路(51)が各セル(4)に対して並列に接続されており、各放電回路(51)の両端には、各セル(4)の両端電圧(開放電圧)を測定する電圧測定回路(52)が接続されている。尚、複数の放電回路(51)及び複数の電圧測定回路(52)は1枚の基板に搭載されており、電圧測定ユニット(5)を構成している。
該充電状態均等化装置においては、各電圧測定回路(52)によって各セル(4)の開放電圧が測定され、測定されたセル電圧に基づいて均等化目標電圧が算出される。例えば、測定されたセル電圧の最低値或いは平均値に所定値を加算することによって均等化目標電圧が算出される。そして、開放電圧が該均等化目標電圧を超えるセルについてそれぞれ、放電回路(51)による放電が開始され、その後、電圧測定回路(52)によって測定された電圧が均等化目標電圧に達した時点で放電が停止される。これによって、組電池を構成する複数のセルのSOCが均等化される。
しかしながら、上記従来の充電状態均等化装置においては、図示の如く放電回路(51)の両端に電圧測定回路(52)が接続されているため、各セル(4)の放電時には、セル(4)及び放電回路(51)を含む各放電ループに図中に矢印で示す如く放電電流I、Iが流れてセル(4)の内部抵抗、セル端子から電圧検出点までに存在する端子の抵抗成分及び端子間接触抵抗、並びにセル端子から電圧検出点まで伸びる電圧検出線の抵抗成分により大きな電圧降下が生じ、この結果、電圧測定回路(52)によって測定される電圧が実際のセル電圧を下回ることになる。
図10に示す如くセルB1の電圧をV、セルB1及び放電回路(51)を含む放電ループを流れる放電電流をI、セルB1の内部抵抗をRbat1、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分をRLとすると、セルB1に接続されている電圧測定回路(52)によって測定される電圧VB1は、下記数1によって表わされる。
(数1)
VB1=V−I(Rbat1+RL)
上述の如く電圧測定回路(52)による測定電圧は実際のセル電圧を下回るため、電圧測定回路(52)による測定電圧が均等化目標電圧に達した時点でセル(4)の放電を終了したとしても、実際のセル電圧は該均等化目標電圧を上回ることになる。又、図11に示す如く組電池(40)を構成する複数のセル(4)から電圧測定ユニット(5)へ伸びる電圧検出線(41)の長さはセル毎に異なるため、電圧検出線(41)の抵抗成分による電圧降下量はセル毎に異なり、電圧測定回路による測定電圧と実際のセル電圧との誤差はセル毎に異なることになる。従って、均等化処理後、実際のセル電圧が均等化目標電圧を上回る量はセル毎に区々となり、均等化処理について高い精度が得られない問題があった。
そこで、図12に示す如く各セル(4)の両端に放電回路(51)を接続するための端子(53)(53)とは別に電圧測定回路(52)を接続するための端子(54)(54)を設けて、該端子(54)(54)に電圧測定回路(52)を接続する構成が考えられる。該構成によれば、セル端子から電圧検出点までに存在する端子の抵抗成分及び端子間接触抵抗、並びにセル端子から電圧検出点まで伸びる電圧検出線の抵抗成分による電圧降下量を減少させることが出来る。
又、セルの内部抵抗による電圧降下量を演算により求めて、該電圧降下量に基づき均等化目標電圧を補正する方法が提案されている(特許文献3及び4参照)。
特開2001−218376号公報 特開2001−231178号公報 特開平11−234917号公報 特開平8−19188号公報
しかしながら、図12に示す如くセル(4)の両端に電圧測定回路(52)を接続する構成においては、セル両端への接続端子数、及びセル(4)から電圧測定ユニット(5)へ伸びる接続線の数が2倍に増大して、構成が複雑になると共に製造コストが上昇する問題がある。又、上述の如く端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分による電圧降下量は減少するものの、セル(4)の内部抵抗による電圧降下は依然として大きなものとなるので、十分に高い精度で均等化処理を行なうことが出来ない問題がある。
一方、セルの内部抵抗による電圧降下量を演算により求めて該電圧降下量に基づき均等化目標電圧を補正する従来の方法においても、十分に高い精度で均等化処理を行なうことが出来ない問題がある。これは、実際のセル電圧と電圧測定回路による測定電圧との誤差の原因となる電圧降下には、上述の如く、セルの内部抵抗によるものだけでなく、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分によるものも含まれるため、セルの内部抵抗による電圧降下量に基づいて均等化目標電圧を補正したとしても、その補正は不十分であるからである。
そこで本発明の目的は、回路構成を変更することなく、従来よりも高い精度で均等化処理を行なうことが出来る充電状態均等化装置、及び該装置を具えた組電池システムを提供することである。
本発明に係る充電状態均等化装置は、複数のセルを直列に接続してなる組電池を対象として各セルの充電状態を均等化する装置であって、各セルに対して並列に接続されて各セルの放電及び/又は充電を行なう複数の充放電回路と、各充放電回路に接続されて各セルの両端電圧を測定する複数の電圧測定回路と、各電圧測定回路の測定結果に基づいて各充放電回路の動作を制御する制御回路とを具えている。そして、該制御回路は、
前記複数の充放電回路による放電或いは充電が開始される前に前記複数の電圧測定回路によって測定された電圧に基づいて均等化目標電圧を算出する均等化目標電圧算出手段と、
両端電圧が前記均等化目標電圧算出手段によって算出された均等化目標電圧と異なるセルについて夫々、充放電回路による放電或いは充電を開始する充放電開始手段と、
前記セルについて夫々、充放電回路による放電或いは充電が開始される前に電圧測定回路によって測定された電圧と充放電回路による放電或いは充電が開始されてから一定時間経過後に電圧測定回路によって測定された電圧との電圧差に基づいて前記均等化目標電圧に補正を施すことにより補正後均等化目標電圧を算出する補正処理手段と、
前記セルについて夫々、電圧測定回路によって測定された電圧が前記補正処理手段によって算出された補正後均等化目標電圧に達したときに充放電回路による放電或いは充電を終了する充放電終了手段
とを具えている。
上記充電状態均等化装置による均等化処理においては、先ず、複数の充放電回路による放電或いは充電が開始される前に複数の電圧測定回路によって測定された電圧に基づいて均等化目標電圧が算出され、その後、両端電圧が該均等化目標電圧と異なるセルについて夫々、充放電回路による放電或いは充電が開始される。これによって、セル及び充放電回路を含む充放電ループに電流が流れて、セルの内部抵抗、セル端子から電圧検出点までに存在する端子の抵抗成分及び端子間接触抵抗、並びにセル端子から電圧検出点まで伸びる電圧検出線の抵抗成分により大きな電圧降下(以下、セルの内部抵抗等による電圧降下という)が生じることとなり、その後に電圧測定回路によって測定される電圧と実際のセル電圧との間に誤差が生じることになる。
本発明の均等化処理においては、上述の如く放電或いは充電が開始されたセルについて夫々、前記均等化目標電圧に補正を施すことによって補正後均等化目標電圧が算出される。該補正は、充放電回路による放電或いは充電が開始される前に電圧測定回路によって測定された電圧と充放電回路による放電或いは充電が開始されてから一定時間経過後に電圧測定回路によって測定された電圧との電圧差に基づいて行なわれる。ここで、一定時間は、セルの両端電圧が安定し、且つ充放電回路による放電或いは充電によってセルの両端電圧が変化し始めるまでの時間に設定されており、前記電圧差は、上述のセルの内部抵抗等による電圧降下量として把握することが出来、均等化目標電圧は、上記補正によって、該電圧降下量が加味された均等化目標電圧に補正されることになる。従って、電圧測定回路によって測定された電圧が補正後の均等化目標電圧に達したときにセルに対する放電或いは充電を終了すれば、実際のセル電圧は補正前の均等化目標電圧に一致することになり、組電池を構成する複数のセルの電圧は補正前の均等化目標電圧で揃うこととなる。
本発明の充電状態均等化装置においては、上述の如く均等化目標電圧をセルの内部抵抗、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分による電圧降下量が加味された均等化目標電圧に補正することによって、セルの両端に電圧測定回路を接続する構成、及びセルの内部抵抗のみによる電圧降下量に基づき均等化目標電圧を補正する構成に比べて、均等化処理について高い精度を得ることが出来る。
具体的には、各充放電回路は各セルの放電を行なうものであって、前記補正処理手段は、前記均等化目標電圧算出手段によって算出された均等化目標電圧から前記電圧差を減算することにより補正後均等化目標電圧を算出する。
上記具体的構成においては、各セルから各充放電回路に向かって電流が流れるので、電圧測定回路によって測定される電圧は実際のセル電圧を下回ることになる。従って、電圧測定回路によって測定された電圧が補正前の均等化目標電圧よりも前記電圧差だけ低い補正後均等化目標電圧に達したときに放電を終了すれば、実際のセル電圧は補正前の均等化目標電圧に一致することになる。
又、具体的には、前記充放電開始手段は、充放電回路による放電が開始される前に前記複数の電圧測定回路によって測定された電圧が高いセルから順番に充放電回路による放電を開始し、前記補正処理手段は、セルの放電が開始される度に該セルについての補正後均等化目標電圧を算出する。
例えば図6に示す如く3つのセルB1〜B3によって組電池が構成されており、3つの放電回路(21)(21)(21)をそれぞれ構成する抵抗器Rの抵抗値が等しく、セルB2、セルB1、セルB3の順にセル電圧が高い場合、これらのセルの放電を同時に開始すると、セルB3、セルB1、セルB2の順で放電が終了することになる。従って、セルB2について放電が開始されて補正後均等化目標電圧が算出される時点では、該セルに隣接するセルB1及びセルB3は放電状態であるのに対して、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達して放電が終了する時点では、セルB1及びセルB3は放電停止状態となる。セルB1が放電状態であるときには、セルB1の負極とセルB2の正極との間に接続されている電圧検出端子からセルB1に接続されている放電回路(21)のスイッチSWとセルB2に接続されている放電回路(21)の抵抗器Rとの連結点への第1電流線路(23)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(23)を流れる電流の大きさは略ゼロであるのに対して、セルB1の放電が終了すると、該電流線路(23)には放電電流Iのみが流れることになるため、セルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量だけ増大する。又、セルB3が放電状態であるときには、セルB2の負極とセルB3の正極との間に接続されている電圧検出端子からセルB2に接続されている放電回路(21)のスイッチSWとセルB3に接続されている放電回路(21)の抵抗器Rとの連結点への第2電流線路(24)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(24)を流れる電流の大きさは略ゼロであるのに対して、セルB3の放電が終了すると、該電流線路(24)には放電電流Iのみが流れることになるため、セルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量だけ増大する。従って、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達する時点でのセルB2の内部抵抗等による電圧降下量は、セルB2の放電が開始された時点でのセルB2の内部抵抗等による電圧降下量よりも大きくなり、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達した時点でセルB2の放電を終了したとしても、セルB2の実際の電圧は補正前の均等化目標電圧を僅かに上回ることになる。
そこで、上記具体的構成においては、両端電圧の高いセルから順番に充放電回路による放電が開始され、1つのセルの放電が開始される度に該セルについての補正後均等化目標電圧が算出される。
上記例においては、セルB2、セルB1、セルB3の順に放電が開始されることとなり、セルB2について放電が開始されて補正後均等化目標電圧が算出される時点ではセルB1及びセルB3は放電停止状態である。又、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達して放電が終了する時点においても、セルB1及びセルB3の放電は既に終了しており、セルB1及びセルB3は放電停止状態となる。従って、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達する時点でのセルB2の内部抵抗等による電圧降下量は、セルB2の放電が開始された時点でのセルB2の内部抵抗等による電圧降下量と等しくなり、セルB2の測定電圧が補正後の均等化目標電圧に達した時点でセルB2の放電を終了すれば、該セルB2の実際の電圧は補正前の均等化目標電圧に一致することになる。
上記具体的構成によれば、各セルの実際の電圧は補正前の均等化目標電圧に一致することになるので、セルの放電を同時或いは略同時に開始する構成に比べて、均等化処理について高い精度を得ることが出来る。
本発明に係る組電池システムは、複数のセルを直列に接続してなる組電池と、該組電池を構成する各セルの充電状態を均等化する充電状態均等化装置とを具え、該充電状態均等化装置として、上記本発明の充電状態均等化装置を採用したものである。
本発明に係る充電状態均等化装置及びこれを具えた組電池システムによれば、従来と同じ回路構成で、均等化処理について従来よりも高い精度を得ることが出来る。
以下、本発明をハイブリッド自動車のバッテリシステムに実施した形態につき、2つの実施例に基づいて具体的に説明する。
第1実施例
図1に示す如く、本発明に係るバッテリシステムは、リチウムイオン二次電池からなる複数(図示する例では3つ)のセル(1)を直列に接続してなる組電池と、該組電池の充電状態を均等化する充電状態均等化装置(2)とから構成され、該組電池から負荷(3)へ電力の供給が可能となっている。
組電池から負荷(3)への電力供給経路には開閉スイッチ(31)が介在し、図示省略する電源スイッチをユーザがオン操作することによって、開閉スイッチ(31)が閉じて、組電池から負荷(3)への電力供給が開始され、或いは該電源スイッチをユーザがオフ操作することによって、開閉スイッチ(31)が開いて、組電池から負荷(3)への電力供給が停止される。
組電池を構成する各セル(1)の両端には、抵抗器R及びスイッチSWを互いに直列に接続してなる放電回路(21)が各セル(1)に対して並列に接続されており、各放電回路(21)の両端には、各セルの両端電圧(開放電圧)を測定する電圧測定回路(22)が接続されている。
各電圧測定回路(22)による測定結果は、制御回路(20)に供給され、該制御回路(20)は、それらの測定結果に基づいて後述の如く均等化目標電圧を算出し、算出された均等化目標電圧と電圧測定回路(22)による測定結果とに基づいて、各放電回路(21)のスイッチSWのスイッチング動作を制御する。
図2は、ハイブリッド自動車のイグニッションスイッチがオフに設定されたときに上記充電状態均等化装置(2)の制御回路(20)によって実行される均等化処理の手続きを表わしている。イグニッションスイッチがオフに設定されると、先ずステップS1にて、一定時間、例えば1時間が経過した後に組電池を構成する複数のセルの開放電圧を測定し、次にステップS2では、測定の結果得られた複数の開放電圧の中から最大値Vmax及び最小値Vminを特定する。続いてステップS3では、特定した最大値Vmaxと最小値Vminとの差が所定値Xを上回るか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップS1に戻る。
特定した最大値Vmaxと最小値Vminとの差が所定値Xを上回ってステップS3にてイエスと判断された場合は、ステップS4に移行して、均等化目標電圧を算出する処理を行なう。尚、ステップS4の均等化目標電圧算出処理の具体的手続きについては後述する。
次にステップS5では、一定時間、例えば30分が経過した後に、組電池を構成する複数のセルの開放電圧を測定し、続いてステップS6では、測定の結果得られた開放電圧がステップS4にて算出された均等化目標電圧に達したセルについて放電を終了する。最後にステップS7では、ステップS4にて算出された均等化目標電圧を超える全てのセルについて放電が終了したか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップS5に戻る。その後、前記全てのセルについて放電が終了したときに、ステップS7にてイエスと判断されて、上記手続きを終了する。
図3は、上記ステップS4の均等化目標電圧算出処理の具体的手続きを表わしている。先ずステップS11にて、組電池を構成する複数のセルの開放電圧V1[0]〜V1[N−1](N:セル数)を測定した後、ステップS12では、測定の結果得られた複数の開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出する。本実施例では、測定の結果得られた複数の開放電圧の中から最小値Vminを特定して、該最小値Vminに所定値αを加算することにより均等化目標電圧Vd(=Vmin+α)を算出する。ここで、該所定値αは、電圧測定回路自体の測定誤差と同程度の値に設定される。又、算出された均等化目標電圧Vdが所定の下限値を下回る場合には、均等化目標電圧Vdは該下限値に設定される。尚、ステップS12では、ステップS11にて測定された開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出しているが、ステップS11の測定処理を省略して、図2のステップS1にて測定された開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出することも可能である。
続いて図3のステップS13では、セル番号iを0に初期化した後、ステップS14では、セル番号iのセルの開放電圧V1[i]が前記均等化目標電圧Vdを上回るか否かを判断し、イエスと判断された場合はステップS15に移行して、該セルに接続されている放電回路のスイッチをオンに設定して放電を開始した後、ステップS16にてセル番号iを1だけカウントアップする。次にステップS17では、セル番号iが組電池を構成するセル数Nと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップS14に戻って上記手続きを繰り返す。尚、上記手続きが繰り返される過程で、セルの開放電圧V1[i]が前記均等化目標電圧Vd以下であってステップS14にてノーと判断された場合は、ステップS15を迂回してステップS16に移行する。
その後、組電池を構成する全てのセルについて開放電圧V1[i]が前記均等化目標電圧Vdを上回るか否かが判断されて、開放電圧V1[i]が前記均等化目標電圧Vdを上回る全てのセルの放電が開始されると、ステップS17にてイエスと判断されてステップS18に移行し、一定時間だけ待機する。ここで、該一定時間は、セルの両端電圧が安定し、且つ放電によってセルの両端電圧が低下し始めるまでの時間、例えば100msecに設定される。
次にステップS19では、組電池を構成する複数のセルの開放電圧V2[0]〜V2[N−1](N:セル数)を測定した後、ステップS20では、セル番号iを0に初期化する。続いてステップS21では、セル番号iのセルに接続されている放電回路のスイッチがオンであるか否かを判断し、イエスと判断された場合はステップS22に移行して、放電開始前にステップS11にて測定された開放電圧V1[i]及び放電開始後にステップS19にて測定された開放電圧V2[i]に基づき、下記数2を用いて、上記ステップS12にて算出された均等化目標電圧Vdに補正を施す。
(数2)
補正後の均等化目標電圧Vd´[i]=Vd−(V1[i]−V2[i])
続いてステップS23では、セル番号iを1だけカウントアップし、次にステップS24では、セル番号iが組電池を構成するセル数Nと一致するか否かを判断し、ノーと判断された場合はステップS21に戻って上記手続きを繰り返す。尚、上記手続きが繰り返される過程で、放電回路のスイッチがオフであってステップS21にてノーと判断された場合は、ステップS22を迂回してステップS23に移行する。
その後、組電池を構成する全てのセルについて放電回路のスイッチがオンであるか否かが判断されて、放電回路のスイッチがオンの全てのセルについて補正後の均等化目標電圧が算出されると、ステップS24にてイエスと判断されて、上記均等化目標電圧算出手続きを終了する。
上記手続きによって、開放電圧が補正前の均等化目標電圧Vdを越える全てのセルの放電が開始された後、それらのセルについて夫々、補正後の均等化目標電圧Vd´が算出されることになる。その後、各電圧測定回路によって測定された電圧が補正後の均等化目標電圧に達したときに、各セルに対する放電が停止される。
図4は、上記制御回路による均等化処理において電圧測定回路によって測定されるセル電圧の変化を表わしている。図示の如く、放電回路のスイッチSWがオンに設定されて放電が開始されると、セル及び放電回路を含む放電ループに放電電流が流れてセルの内部抵抗等により大きな電圧降下が生じるため、セルの測定電圧は急激に低下する。従って、放電が開始されてから前記一定時間が経過した時点での測定電圧V2と放電開始前の測定電圧V1との電圧差△Vは、セルの内部抵抗等による電圧降下量として把握することが出来、均等化目標電圧Vdは、上記補正によって該電圧降下量だけ低い均等化目標電圧Vd´(=Vd−△V)に補正されることになる。
セルの測定電圧は上述の如く急激に低下した後、放電によって徐々に低下することになり、その後、該測定電圧が補正後の均等化目標電圧Vd´まで低下して放電回路のスイッチがオフに設定されると、放電ループに放電電流が流れなくなるので、該測定電圧は上記電圧降下量だけ上昇して補正前の均等化目標電圧Vdに略一致することになる。従って、組電池を構成する複数のセルの電圧は、補正前の均等化目標電圧Vdで略揃うことになる。
本実施例の充電状態均等化装置においては、上述の如くセル毎に均等化目標電圧をセルの内部抵抗、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分による電圧降下量だけ低い均等化目標電圧に補正することによって、図11に示す如くセル(4)の両端に電圧測定回路(52)を接続する構成、及びセルの内部抵抗のみによる電圧降下量に基づき均等化目標電圧を補正する構成に比べて、均等化処理について高い精度を得ることが出来る。
第2実施例
第1実施例の充電状態均等化装置は、放電の必要なセルに接続されている全ての放電回路のスイッチをオンに設定した後、均等化目標電圧に補正を施すものであるのに対し、本実施例の充電状態均等化装置は、放電の必要なセルに接続されている放電回路のスイッチをセルの開放電圧が高い順にオンに設定し、1つの放電回路のスイッチがオンに設定される度に均等化目標電圧に補正を施すものである。
尚、本実施例の充電状態均等化装置の構成は、制御回路を除いて図1に示す第1実施例の充電状態均等化装置と同じであるので説明を省略する。又、本実施例の制御回路によって実行される均等化処理の全体の手続きは、図2に示す第1実施例の手続きと同じであるので説明を省略する。
図5は、第1実施例の均等化処理においてセルB1〜B3の電圧がセルB2、セルB1、セルB3の順に高い場合に各電圧測定回路によって測定される各セル電圧の変化を表わしている。尚、セルB1〜B3にそれぞれ接続されている放電回路の抵抗器の抵抗値は等しいものとする。又、図6に示す如く、各放電ループを流れる放電電流をI、I、I、各セルの内部抵抗をRbat1、Rbat2、Rbat3、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分をRL、RL、RL、RLとし、放電電流I、I、Iの大きさは略等しいものとする。
該均等化処理においては、先ずセルB1〜B3に接続されている放電回路のスイッチがオフの状態で各セルの開放電圧が測定され(図5に示すa時点)、その後、それらの放電回路のスイッチが略同時にオンに設定されて、セルB1〜B3の放電が開始される(図5に示すb時点)。これによって、各セルを含む各放電ループに放電電流が流れてセルの内部抵抗等により大きな電圧降下が生じ、各セルの測定電圧VB1、VB2、VB3は急激に低下する。このときの電圧降下量△VB1、△VB2、△VB3がそれぞれ各セルについての均等化目標電圧Vdの補正量として算出される。尚、図6に示す如く、セルB1の負極とセルB2の正極との間に接続されている電圧検出端子からセルB1に接続されている放電回路(21)のスイッチSWとセルB2に接続されている放電回路(21)の抵抗器Rとの連結点への第1電流線路(23)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(23)を流れる電流の大きさが略ゼロとなると共に、セルB2の負極とセルB3の正極との間に接続されている電圧検出端子からセルB2に接続されている放電回路(21)のスイッチSWとセルB3に接続されている放電回路(21)の抵抗器Rとの連結点への第2電流線路(24)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(24)を流れる電流の大きさが略ゼロとなるので、セルB2の測定電圧VB2は、セルB2の内部抵抗による電圧降下量(△VB2=I・Rbat2)だけ低下することになる。
その後、セルB1〜B3の電圧は徐々に低下して、先ず開放電圧の最も低かったセルB3の測定電圧VB3が補正後の均等化目標電圧Vd3´に達したときに、該セルB3に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルの放電が終了する(図5に示すc時点)。このとき、該セルB3の測定電圧VB3は、補正前の均等化目標電圧Vdを僅かに上回ることになる。この理由は、次のように考えられる。
即ち、セルB3に接続されている放電回路のスイッチがオンの状態では、図6に示す第2電流線路(24)において放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(24)を流れる電流の大きさは略ゼロであるのに対して、セルB3に接続されている放電回路(21)のスイッチSWがオフに設定されると、該電流線路(24)に放電電流Iのみが流れることになる。このため、セルB3の測定電圧VB3は、放電回路(21)のスイッチSWがオンに設定されたときに生じた電圧降下量△VB3だけでなく、該電圧降下量△VB3と前記電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量△VB3c(=I・RL)との和だけ上昇して、補正前の均等化目標電圧Vdを該電圧降下量△VB3cだけ上回ることになるのである。
又、セルB3に接続されている放電回路(21)のスイッチSWがオフに設定されたとき、上述の如く前記電流線路(24)に放電電流Iのみが流れることになるため、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(=I・RL)だけ大きくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分(△VB2c=I・RL)だけ低下することになる。
その後、セルB2及びセルB1の電圧が徐々に低下して、セルB3の次に開放電圧の低かったセルB1の測定電圧VB1が補正後の均等化目標電圧Vd1´に達したときに、該セルB1に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルB1の放電が終了する(図5に示すd時点)。このとき、セルB3に接続されている放電回路(21)のスイッチSWがオフに設定されたときと同様に、図6に示す第1電流線路(23)に放電電流Iのみが流れることになるため、セルB1の測定電圧VB1は、放電回路(21)のスイッチSWがオンに設定されたときに生じた電圧降下量△VB1と該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量△VB1d(=I・RL)との和だけ上昇して、補正前の均等化目標電圧Vdを該電圧降下量△VB1dだけ上回ることになる。又、このとき、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(=I・RL)だけ大きくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分(△VB2d=I・RL)だけ低下することになる。
更にその後、セルB2の電圧が徐々に低下して、セルB2の測定電圧VB2が補正後の均等化目標電圧Vd2´に達したときに、該セルB2に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルB2の放電が終了する(図5に示すe時点)。このとき、セルB2の測定電圧VB2は、補正前の均等化目標電圧Vdを僅かに上回ることになる。この理由は、次のように考えられる。
即ち、セルB2について均等化目標電圧Vdに補正が施される時点(図5に示すb時点)では、該セルに隣接するセルB1及びセルB3は放電状態であるのに対して、セルB2の測定電圧VB2が補正後の均等化目標電圧Vd2´に達して放電が終了する時点(図5に示すe時点)ではセルB1及びセルB3は放電停止状態となる。上述の如く、セルB1及びセルB3の放電が終了した時点で夫々(図5に示すc時点及びd時点)、セルB2の内部抵抗等による電圧降下量が僅かに大きくなるため、セルB2の測定電圧VB2が補正後の均等化目標電圧Vd2´に達した時点(図5に示すe時点)でのセルB2の内部抵抗等による電圧降下量は、放電回路のスイッチがオンに設定されたときに生じた電圧降下量△VB2と、セルB3及びセルB1の放電が終了したときにそれぞれ生じた電圧降下量△VB2c、△VB2dとを加算したものとなり、前記時点でセルB2の放電を終了したとしても、セルB2の測定電圧VB2は、セルB3及びセルB1の放電が終了したときにそれぞれ生じた電圧降下量△VB2c、△VB2dの和だけ補正前の均等化目標電圧Vdを上回ることになるのである。
又、セルB2の放電が終了したとき、図6に示す第1電流線路(23)に流れていた放電電流Iが流れなくなるので、セルB1の測定電圧VB1は、上述の如く該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって補正前の均等化目標電圧Vdを上回っていた分(△VB1d=I・RL)だけ低下して、補正前の均等化目標電圧Vdに一致することになる。セルB3の測定電圧VB3についても、セルB1と同様に、第2電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって補正前の均等化目標電圧Vdを上回っていた分(△VB3c=I・RL)だけ低下して、補正前の均等化目標電圧Vdに一致することになる。
上述の如く、第1実施例の均等化処理によれば、均等化処理後、組電池を構成する複数のセルの中に補正前の均等化目標電圧Vdを上回るセルが含まれることとなって、それら複数のセルの電圧が僅かにばらつくことになる。尚、このばらつきは、均等化処理の精度として問題のない範囲内のばらつきである。
そこで、本実施例の均等化処理においては、セルの両端電圧の高い順に放電回路のスイッチがオンに設定され、1つの放電回路のスイッチがオンに設定される度に均等化目標電圧に補正が施される。
図7は、本実施例の制御回路による均等化目標電圧算出処理の具体的手続きを表わしている。先ずステップS31にて、組電池を構成する複数のセルの開放電圧V1[0]〜V1[N−1](N:セル数)を測定した後、ステップS32では、測定の結果得られた複数の開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出する。本実施例では、測定の結果得られた複数の開放電圧の中から最小値Vminを特定して、該最小値Vminに所定値αを加算することにより均等化目標電圧Vd(=Vmin+α)を算出する。ここで、該所定値αは、電圧測定回路自体の測定誤差と同程度の値に設定される。又、算出された均等化目標電圧Vdが所定の下限値を下回る場合には、均等化目標電圧Vdは該下限値に設定される。尚、ステップS32では、ステップS31にて測定された開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出しているが、ステップS31の測定処理を省略して、図2のステップS1にて測定された開放電圧から均等化目標電圧Vdを算出することも可能である。
続いて図7のステップS33では、ステップS31にて測定された複数の開放電圧V1[0]〜V1[N−1]を降順にソートし、ステップS34では、開放電圧V1の高い順に後述の処理を実行して、上記手続きを終了する。
ステップS34の処理においては、先ずステップS41にて、セル番号iのセルの開放電圧V1[i]が前記均等化目標電圧Vdを上回るか否かを判断し、イエスと判断された場合は、ステップS42に移行して、該セルに接続されている放電回路のスイッチをオンに設定して放電を開始した後、ステップS43にて一定時間だけ待機する。ここで、該一定時間は、セルの両端電圧が安定し、且つ放電によってセルの両端電圧が低下し始めるまでの時間、例えば100msecに設定される。
次にステップS44では、前記セルの開放電圧V2[i]を測定し、ステップS45では、放電開始前にステップS31にて測定された開放電圧V1[i]及び放電開始後にステップS44にて測定された開放電圧V2[i]に基づき、上記数2を用いて、上記ステップS32にて算出された均等化目標電圧に補正を施した後、ステップS41に戻る。尚、セルの開放電圧が前記均等化目標電圧Vd以下であってステップS41にてノーと判断された場合は、放電を行なう必要がないので上記手続きを終了する。
図7に示す手続きによって、開放電圧が均等化目標電圧Vdを超えるセルの放電が開放電圧の高い順に開始され、1つのセルの放電が開始される度に該セルについて補正後の均等化目標電圧Vd´が算出されることになる。
図8は、本実施例の均等化処理においてセルB1〜B3の電圧がセルB2、セルB1、セルB3の順に高い場合に各電圧測定回路によって測定される各セル電圧の変化を表わしている。尚、セルB1〜B3にそれぞれ接続されている放電回路の抵抗器Rの抵抗値は等しいものとする。又、図6に示す如く、各放電ループを流れる放電電流をI、I、I、各セルの内部抵抗をRbat1、Rbat2、Rbat3、端子の抵抗成分、端子間接触抵抗及び電圧検出線の抵抗成分をRL、RL、RL、RLとし、放電電流I、I、Iの大きさは略等しいものとする。
該均等化処理においては、先ずセルB1〜B3に接続されている放電回路のスイッチがオフの状態で各セルの開放電圧が測定され(図8に示すa時点)、その後、開放電圧の最も高いセルB2に接続されている放電回路のスイッチがオンに設定されて該セルB2の放電が開始される(図8に示すb時点)。これによって、セルB2を含む放電ループに放電電流が流れて該セルB2の内部抵抗等により大きな電圧降下が生じ、該セルB2の測定電圧VB2は急激に低下する。該電圧降下量△VB2が該セルB2についての均等化目標電圧Vdの補正量として算出される。又、このとき、図6に示す第1電流線路(23)に放電電流Iが流れることになるため、セルB1の測定電圧VB1が該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(=I・RL)だけ上昇することになる。セルB3の測定電圧VB3についても、セルB1と同様に、第2電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(=I・RL)だけ上昇することになる。
次にセルB1に接続されている放電回路のスイッチがオンに設定されて該セルB1の放電が開始される(図8に示すc時点)。これによって、セルB1を含む放電ループに放電電流が流れてセルB1の内部抵抗等により大きな電圧降下が生じ、該セルB1の測定電圧VB1は急激に低下する。このときの電圧降下量△VB1とセルB2の放電が開始されたとき(図8に示すb時点)の電圧上昇量との差がセルB1についての均等化目標電圧Vdの補正量HB1として算出される。又、このとき、図6に示す第1電流線路(23)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(23)を流れる電流の大きさが略ゼロに減小することになるため、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じていた電圧降下量(=I・RL)だけ小さくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分だけ上昇することになる。
続いてセルB3に接続されている放電回路のスイッチがオンに設定されて該セルB3の放電が開始される(図8に示すd時点)。これによって、セルB3を含む放電ループに放電電流が流れて該セルB3の内部抵抗等により大きな電圧降下が生じ、該セルB3の測定電圧VB3は急激に低下する。このときの電圧降下量△VB3とセルB2の放電が開始されたとき(図8に示すb点)の電圧上昇量との差がセルB3についての均等化目標電圧Vdの補正量HB3として算出される。又、このとき、図6に示す第2電流線路(24)では放電電流Iと放電電流Iとが互いに相殺されて該電流線路(24)を流れる電流の大きさが略ゼロに減小することとなるため、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じていた電圧降下量(=I・RL)だけ小さくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分だけ上昇することになる。
その後、セルB1〜B3の電圧は徐々に低下して、先ず開放電圧の最も低かったセルB3の測定電圧VB3が補正後の均等化目標電圧Vd3´に達したときに、該セルB3に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルB3の放電が終了する(図8に示すe時点)。このとき、隣接するセルB2は、セルB3の放電が開始されたとき(図8に示すd時点)と同じ放電状態であるので、セルB3の測定電圧VB3は、放電が開始されたときに生じた電圧降下量△VB3だけ上昇して、セルB2の放電が開始されたとき(図8に示すb時点)に生じた電圧上昇量(=I・RL)だけ補正前の均等化目標電圧Vdを上回ることになる。又、このとき、図6に示す第2電流線路(24)に放電電流Iのみが流れることとなるため、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(△VB2e=I・RL)だけ大きくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分△VB2eだけ低下することになる。
その後、セルB2及びセルB1の電圧が徐々に低下して、セルB3の次に開放電圧の低かったセルB1の測定電圧VB1が補正後の均等化目標電圧Vd1´に達したときに、該セルB1に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルB1の放電が終了する(図8に示すf時点)。このとき、隣接するセルB2は、セルB1の放電が開始されたとき(図8に示すc時点)と同じ放電状態であるので、セルB1の測定電圧VB1は、放電が開始されたときに生じた電圧降下分△VB1だけ上昇して、セルB2の放電が開始されたとき(図8に示すb時点)に生じた電圧上昇量(=I・RL)だけ補正前の均等化目標電圧Vdを上回ることになる。又、このとき、図6に示す第1電流線路(23)に放電電流Iのみが流れることとなるため、セルB2を含む放電ループにおいてセルB2の内部抵抗等による電圧降下量が該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって生じる電圧降下量(△VB2f=I・RL)だけ大きくなって、セルB2の測定電圧VB2がその分△VB2fだけ低下することになる。
更にその後、セルB2の電圧が徐々に低下して、セルB2の測定電圧VB2が補正後の均等化目標電圧Vd2´に達したときに、該セルB2に接続されている放電回路のスイッチがオフに設定されて該セルB2の放電が終了する(図8に示すg時点)。このとき、隣接するセルB1及びセルB3は共に、セルB2の放電が開始されたとき(図8に示すb時点)と同じ放電停止状態であるので、セルB2の測定電圧VB2は、放電が開始されたときに生じた電圧降下分△VB2だけ上昇して、補正前の均等化目標電圧Vdに一致することになる。
又、セルB2の放電が終了したとき、図6に示す第1電流線路(23)を流れていた放電電流Iが流れなくなるため、セルB1の測定電圧VB1は、該電流線路(23)に放電電流Iが流れることによって補正前の均等化目標電圧Vdを上回っていた分(=I・RL)だけ低下して、補正前の均等化目標電圧Vdに一致することになる。セルB3の測定電圧VB3についても、セルB1と同様に、第2電流線路(24)に放電電流Iが流れることによって補正前の均等化目標電圧Vdを上回っていた分(=I・RL)だけ低下して、補正前の均等化目標電圧Vdに一致することになる。
本実施例の充電状態均等化装置においては、上述の如く開放電圧が均等化目標電圧Vdを超えるセルの放電を開放電圧の高い順に開始し、1つのセルの放電が開始される度に該セルについての補正後均等化目標電圧を算出することによって、各セルの電圧を補正前の均等化目標電圧Vdに一致させることが出来、第1実施例よりも高い精度で均等化処理を行なうことが出来る。
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、均等化目標電圧を算出する方法として、組電池を構成する複数のセルのセル電圧の内、最も低いセル電圧に基づいて均等化目標電圧を算出する方法を採用しているが、これに限らず、それらのセル電圧の平均値に基づいて均等化目標電圧を算出する方法等、種々の公知の方法を採用することが可能である。
又、上記実施の形態においては、放電のみを実施することによって均等化処理を行なっているが、充電のみを実施することによって均等化処理を行なう構成や放電及び充電を実施することによって均等化処理を行なう構成を採用することも可能である。第2実施例においては、放電回路のスイッチをセルの開放電圧が高い順にオンに設定しているが、充電のみを実施することによって均等化処理を行なう構成においては、セルの開放電圧が低い順にオンに設定することによってより高い精度で均等化処理を行なうことが可能となる。又、放電及び充電を実施することによって均等化処理を行なう構成においては、均等化目標電圧との差の大きい順にオンに設定することによってより高い精度で均等化処理を行なうことが可能となる。
又、第1実施例の充電状態均等化装置においては、放電の必要なセルに接続されている全ての放電回路のスイッチをオンに設定した後、均等化目標電圧の補正を行なっているが、放電回路のスイッチがオンに設定される度に均等化目標電圧の補正を行なう構成を採用することも可能である。
更に、セルと放電回路とを互いに接続する接続線が故障により短絡した場合の回路素子の異常発熱等を防止するべく、該接続線として比較的大きな抵抗成分を有する接続線を採用する構成や、該接続線の途中に抵抗器を介在させる構成が考えられるが、本発明によれば、これらの構成においても高い精度で均等化処理を行なうことが出来る。
更に又、上記実施の形態においては、イグニッションスイッチがオフに設定されているときに均等化処理を行なっているが、イグニッションスイッチがオンに設定されている場合であってもセルの充放電が行なわれていないとき、即ちエンジンのみによる走行中に均等化処理を行なう構成を採用することも可能である。
本発明に係るバッテリシステムの構成を表わすブロック図である。 本発明の均等化処理の手続きを表わすフローチャートである。 第1実施例の均等化目標電圧算出処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 本発明の均等化処理において電圧測定回路によって測定されるセル電圧の変化を表わすグラフである。 第1実施例の均等化処理において各電圧測定回路によって測定される各セル電圧の変化を表わすグラフである。 本発明の充電状態均等化装置の要部を表わす回路図である。 第2実施例の均等化目標電圧算出処理の具体的手続きを表わすフローチャートである。 第2実施例の均等化処理において各電圧測定回路によって測定される各セル電圧の変化を表わすグラフである。 従来の充電状態均等化装置の要部を表わす回路図である。 従来の問題点を説明するための回路図である。 組電池の構成を表わす図である。 従来の充電状態均等化装置の変形例を表わす回路図である。
符号の説明
(1) セル
(2) 充電状態均等化装置
(21) 放電回路
(22) 電圧測定回路
(3) 負荷
(31) 開閉スイッチ

Claims (2)

  1. 複数のセルを直列に接続してなる組電池を対象として各セルの充電状態を均等化する装置であって、各セルに対して並列に接続されて各セルの放電及び/又は充電を行なう複数の充放電回路と、各充放電回路に接続されて各セルの両端電圧を測定する複数の電圧測定回路と、各電圧測定回路の測定結果に基づいて各充放電回路の動作を制御する制御回路とを具えた充電状態均等化装置において、該制御回路は、
    前記複数の充放電回路による放電或いは充電が開始される前に前記複数の電圧測定回路によって測定された電圧に基づいて均等化目標電圧を算出する均等化目標電圧算出手段と、
    両端電圧が前記均等化目標電圧算出手段によって算出された均等化目標電圧と異なるセルについて夫々、充放電回路による放電或いは充電を開始する充放電開始手段と、
    前記セルについて夫々、充放電回路による放電或いは充電が開始される前に電圧測定回路によって測定された電圧と充放電回路による放電或いは充電が開始されてから一定時間経過後に電圧測定回路によって測定された電圧との電圧差に基づいて前記均等化目標電圧に補正を施すことにより補正後均等化目標電圧を算出する補正処理手段と、
    前記セルについて夫々、電圧測定回路によって測定された電圧が前記補正処理手段によって算出された補正後均等化目標電圧に達したときに充放電回路による放電或いは充電を終了する充放電終了手段
    とを具え、
    前記一定時間は、セルの両端電圧が安定し、且つ充放電回路による放電或いは充電によってセルの両端電圧が変化し始めるまでの時間に設定され、
    各充放電回路は各セルの放電を行なうものであって、前記補正処理手段は、前記均等化目標電圧算出手段によって算出された均等化目標電圧から前記電圧差を減算することにより補正後均等化目標電圧を算出し、
    前記充放電開始手段は、充放電回路による放電が開始される前に前記複数の電圧測定回路によって測定された電圧が高いセルから順番に充放電回路による放電を開始し、前記補正処理手段は、セルの放電が開始される度に該セルについての補正後均等化目標電圧を算出する充電状態均等化装置。
  2. 複数のセルを直列に接続してなる組電池と、請求項1に記載の充電状態均等化装置とを具えている組電池システム。
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