JP5386872B2

JP5386872B2 - 組電池監視制御装置

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Publication number: JP5386872B2
Application number: JP2008195111A
Authority: JP
Inventors: 美緒久木; 朝道溝口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP2010035337A

Description

本発明は組電池の監視制御装置に関し、より詳細には、車載されるリチウム二次電池などの組電池を監視制御対象として各セル電圧を均等化する制御を行うとともに各セルの状態を監視する監視制御装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車に搭載される走行駆動用の二次電池には従来ニッケル水素電池が用いられ、複数のセル（単電池とも言う）を数１０個程度直列接続して組電池を構成し出力電圧を高めることが一般的に行われてきた。このような組電池では、充放電を繰り返して反復使用するために良好な特性を維持することが必要とされ、各セルの過充電や過放電を判定することが重要となっている。このため、各セル電圧が許容電圧範囲にあるか否かを監視し、加えて電池温度や充放電時の電流値も検出する監視装置を設けることが一般的になっている。本願出願人は、この種の監視装置の一例を特許文献１の電池用過充電過放電検出回路に開示している。この検出回路は、過充電及び過放電を判定する複数の判定回路と最終判定回路とを備え、回路の複雑化に耐えつつ実用性に優れた判定信頼性を得るようにしている。

近年、ハイブリッド車を一層小形軽量化するために、リチウム二次電池適用のニーズが急速に高まっている。リチウム二次電池は、ニッケル水素電池と比較してエネルギ密度が高く、さらには高出力を得やすく、サイクル寿命も長いという特長を有している。反面、過充電や過放電による故障だけでなく、セル電圧の不揃いによる特性の低下も懸念される。したがって、リチウム二次電池には各セル電圧を均等化する均等化回路が設けられ、監視装置には各セル電圧を監視しながら均等化回路の作動を制御する機能が求められている。
特許２００５−３２３４５９号公報

ところで、特許文献１の過充電過放電検出回路は、各セルの過充電及び過放電を判定するものであり、セル電圧の不揃いを検出して均等化回路の作動を制御するものではなかった。また、判定の信頼性を向上するために判定回路を多重化して冗長性をもたせており、回路の大規模化による搭載スペースの制約と、回路部品点数の増加によるコストアップの２点で問題であった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、均等化回路の作動を制御するとともに均等化の成否を高精度に監視し、かつ過充電及び過放電も検出可能であって、最小回路規模の低廉な組電池監視制御装置を提供する。

本発明の組電池監視制御装置は、互いに直列接続されて組電池を構成する複数のセルの各セル電圧を監視する電圧監視回路と、各前記セル電圧を調整して均等化する均等化回路と、前記電圧監視回路から監視結果を受け取るとともに前記均等化回路の作動を制御する監視制御部と、を備える組電池監視制御装置であって、前記監視制御部は、前記電圧監視回路から受け取った前記監視結果に基づいて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し、次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取り、各前記セル電圧中の最大値と最小値との電圧差が一定値以内に収まる均等化条件が満たされている場合に正常と判定し、かつ、前記均等化回路を作動した次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取ったとき、前記電圧差が前記一定値から逸脱して前記均等化条件が満たされていない場合に、改めて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取るリトライ操作を繰り返して行い、リトライ回数が所定の限度回数に達するまでに前記均等化条件が満たされれば正常と判定し、前記リトライ回数が前記限度回数に達しても前記均等化条件が満たされなければ異常と判定し、さらに、前記電圧監視回路から前記監視結果を受け取ったとき、いずれかの前記セル電圧が所定の過充電判定値を超過している場合に異常と判定する過充電判定、または、いずれかの前記セル電圧が所定の過放電判定値に達していない場合に異常と判定する過放電判定、のうち少なくとも一方の判定を行い、前記電圧監視回路は前記セルごとに設けられ、かつ前記セルに並列接続されて前記セル電圧の分圧を出力する複数の中間端子をもつ分圧回路と、前記複数の中間端子を順次選択する選択回路と、選択された前記中間端子の前記分圧を基準電圧と比較して比較結果を出力する比較回路とを有し、前記監視制御部は、前記分圧と前記基準電圧との大小関係が逆転して前記比較結果が反転したときの前記中間端子を反転端子として各前記セルで求め、前記セル間で前記反転端子を比較照合することにより前記均等化条件が満たされたか否かを判定する、ことを特徴とする。

本発明では、例えば、監視制御部に内蔵されたタイマを利用して一定時間間隔で各セル電圧を均等化する。このとき、電圧監視回路で監視している各セルの正極と負極との間の電圧、すなわちセル電圧を参考にして均等化を実施する。そして、均等化実施後に各セル電圧中の最大値と最小値との電圧差が一定値以内に収まっている場合は、均等化が正常に行われたと判定する。いずれかのセル電圧が一定値の幅から逸脱している場合は、均等化は不十分と判定でき、直ちに異常と判定することもできるが、後述のようにリトライ操作を行うことが好ましい。また、電圧監視回路や均等化回路に不具合が発生した場合にも、これを検出することができる。

なお、均等化の実施タイミング及び正常判定のタイミングは一定時間間隔に限定されず、他に充電や放電の操作が終了したときに随時行うようにしてもよい。また、組電池の作動状況によらず実施することができ、車載組電池にあっては走行中も実施可能である。

均等化に際してリトライ操作を許容することにより、均等化の成否を判定する電圧の幅を十分に狭くすることができる。つまり、均等化の精度を向上することができ、さらには組電池の信頼性を向上することができる。

当然ながら、監視制御部は均等化の成否判定だけでなく、従来実施していた過充電及び過放電の判定をも行う。

セル電圧を異なる分圧比で分圧する複数の中間端子を設け、各分圧を順番に基準電圧と比較することにより、セル電圧の大小を多段階で監視することができる。なぜなら、比較回路の比較結果が反転したときの中間端子、すなわち反転端子がセル電圧の大小を意味するからである。監視制御部は、各セルの反転端子を比較照合することでセル電圧の不揃いを判定して均等化条件の成否を判定することができ、また、セル電圧の高いセルを選択して均等化回路を作動することができる。さらには、分圧比及び基準電圧を適切に設計することにより、多段階の最上段及び最下段でそれぞれ過充電及び過放電を監視するように構成することができる。

また、本発明の組電池監視制御装置は、互いに直列接続されて組電池を構成する複数のセルの各セル電圧を監視する電圧監視回路と、各前記セル電圧を調整して均等化する均等化回路と、前記電圧監視回路から監視結果を受け取るとともに前記均等化回路の作動を制御する監視制御部と、を備える組電池監視制御装置であって、前記監視制御部は、前記電圧監視回路から受け取った前記監視結果に基づいて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し、次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取り、各前記セル電圧中の最大値と最小値との電圧差が一定値以内に収まる均等化条件が満たされている場合に正常と判定し、かつ、前記均等化回路を作動した次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取ったとき、前記電圧差が前記一定値から逸脱して前記均等化条件が満たされていない場合に、改めて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取るリトライ操作を繰り返して行い、リトライ回数が所定の限度回数に達するまでに前記均等化条件が満たされれば正常と判定し、前記リトライ回数が前記限度回数に達しても前記均等化条件が満たされなければ異常と判定し、さらに、前記電圧監視回路から前記監視結果を受け取ったとき、いずれかの前記セル電圧が所定の過充電判定値を超過している場合に異常と判定する過充電判定、または、いずれかの前記セル電圧が所定の過放電判定値に達していない場合に異常と判定する過放電判定、のうち少なくとも一方の判定を行い、前記電圧監視回路は前記セルごとに設けられ、かつ前記セルに並列接続されて前記セル電圧の分圧を分圧比可変に出力する可変抵抗及び固定抵抗からなる可変分圧回路と、前記分圧を基準電圧と比較して比較結果を出力する比較回路とを有し、前記監視制御部は、前記分圧と前記基準電圧との大小関係が入れ替わって前記比較結果が反転したときの前記可変抵抗の抵抗値を求め、前記セル間で前記抵抗値を比較照合することにより前記均等化条件が満たされたか否かを判定する、ように構成してもよい。

上記のように、可変抵抗及び固定抵抗によりセル電圧の分圧を可変として基準電圧と比較する比較回路を設けた態様では、各セルの比較回路の比較結果が反転変化したときの可変抵抗の抵抗値から均等化条件が満たされたか否かを判定することができる。

前記基準電圧は、基準電圧発生器から出力された一定電圧とされる、ように構成してもよい。

一定電圧を基にして基準電圧を設定した場合、各セルの比較回路の比較結果は、ある固定電圧に対する大小判定となる。つまり、各セルを、固定電圧よりも高いものと低いものとに分類することができる。

前記均等化回路は前記セルごとに設けられ、かつ、前記監視制御部から制御されるスイッチを介して前記セルの正極と負極とを接続する放電回路からなる、ように構成してもよい。

均等化回路として、スイッチを介した放電回路を例示することができる。つまり、セル電圧が不揃いの場合に、セル電圧が高いセルを放電して低いセル電圧に揃えて均等化することができる。このとき、放電継続時間とセル電圧の低減量との関係を前以て確認しておき、監視制御部はスイッチを閉じる時間幅を制御するように構成することができる。なお、放電回路には、適当な抵抗を挿入して放電速度を調整することができる。また、放電によるセル電圧の低減量をフィードバックする制御により、所望のセル電圧に達した時点でスイッチを開くように構成してもよい。

さらに、前記監視制御部は、前記セル電圧が最小値以外の前記セルまたは前記セル電圧が前記平均セル電圧以上の前記セルを選択し、前記スイッチを閉じて放電を行う、ように構成してもよい。

セル電圧が最小値以外の残りの全セルで放電を行えば、均等化の収束性は迅速でかつ均等化の精度も高くなるが、反面放出されるエネルギが大きくなる。一方、セル電圧が平均セル電圧以上の約半数のセルで放電を行えば、均等化の収束性は遅くなりかつ均等化の精度も低下するが、反面放出されるエネルギは小さくなる。

さらに、前記監視制御部は、各前記セル電圧に基づく前記セルの選択と、前記スイッチを閉じる制御とを自動的に行う均等化制御回路を有する、ように構成してもよい。

なお、上記以外のセル選択方法を用いることもできる。結局、組電池におけるセル電圧の不揃いの程度及び必要とされる均一化の精度、車両中におけるエネルギ効率の要求、などを勘案して、セル選択方法を定めることが好ましい。

本発明は、ハイブリッド車または電気自動車に搭載されるリチウム二次電池を監視制御対象とする、ことが好ましい。リチウム二次電池は車両の小形軽量化に好適であり、本発明の組電池監視制御装置はリチウム二次電池を高度に監視制御して、その信頼性を維持するのに効果的である。

本発明の組電池監視制御装置では、セル電圧を調整して均等化する前後に電圧監視回路で複数のセルの各セル電圧を監視するようにしているので、均等化回路の作動を制御してその成否を高精度に監視することができる。また、均等化に際してリトライ操作を許容するので、均等化の精度を向上することができ、さらには組電池の信頼性を向上することができる。

各セル電圧を監視する電圧監視回路は、簡易な分圧回路と比較回路とを用いて構成することができる。また、均等化実施後の各セル電圧はほぼ等しいのでセル間で監視結果を比較すれば電圧監視回路相互の特性を比較することとなり、電圧監視回路内部の故障を検出することができる。したがって、従来のように１つのセル電圧を複数の回路で監視する多重化の必要はなくなる。また、電圧監視回路は、従来の過充電検出及び過放電検出を行う回路と兼用することができる。以上述べた総合的な効果により、電圧監視回路を最小回路規模とし、低廉な組電池監視制御装置を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図５を参考にして説明する。図１は本発明の実施例の組電池監視制御装置を模式的に説明する図である。実施例の組電池監視制御装置１は、ハイブリッド車に搭載されるリチウム二次電池９１を監視制御対象としている。リチウム二次電池９１は、多数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３……、が直列接続された組電池であり、正側出力端子９１Ｐ及び負側出力端子９１Ｎはインバータ９２を介してモータジェネレータ９３に接続されている。モータジェネレータ９３は、図略のエンジン及び車輪軸に連結されている。そして、エンジン駆動による車両走行中は、エンジンの動力または車輪軸の回生動力がモータジェネレータ９３で交流電力に変換され、インバータ９２で直流電力に変換されてリチウム二次電池９１にエネルギとして蓄えられる。また、電池駆動による車両走行中は、リチウム二次電池９１のエネルギがインバータ９２で交流電力に変換されてモータジェネレータ９３に供給され、車輪軸を駆動する。

実施例の組電池監視制御装置１は、セルごとに設けられ各セルに対して並列に接続される電圧監視回路２及び均等化回路３と、各電圧監視回路２から監視結果を受け取るとともに各均等化回路３の作動を制御する監視制御部４、とで構成されている。図２は、電圧監視回路２及び均等化回路３の回路構成を説明する図である。図２には、第１セルＣ１及び第２セルＣ２に設けられる回路のみが図示されており、第３セルＣ３以降に設けられる同一の回路は省略されている。

電圧監視回路２は、分圧回路２１と選択回路２２と比較回路２３とで構成されている。分圧回路２１は、各セルＣ１、Ｃ２の正極Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｐに接続される正側主抵抗ＲＰと、負極Ｃ１Ｎ、Ｃ２Ｎに接続される負側主抵抗ＲＮと、正側主抵抗ＲＰと負側主抵抗ＲＮとの間を直列に接続する８個のタップ抵抗ｒと、で構成されている。各抵抗ＲＰ、ｒ、ＲＮの接続点９箇所にはそれぞれ第１〜第９中間端子Ｔ１〜Ｔ９が設けられている。したがって、各中間端子Ｔ１〜Ｔ９には、セル電圧ＶＣ１、ＶＣ２に抵抗分圧比を乗じた分圧Ｖ１〜Ｖ９が生起する。そして、正極Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｐに最も近い第１中間端子Ｔ１の分圧Ｖ１は最も大きく、負極Ｃ１Ｎ、Ｃ２Ｎに向かうにつれて分圧Ｖ２〜Ｖ８は徐々に減少し、負極Ｃ１Ｎ、Ｃ２Ｎに最も近い第９中間端子Ｔ９の分圧Ｖ９は最も小さくなっている（Ｖ１＞Ｖ２＞……＞Ｖ８＞Ｖ９）。

選択回路２２は、一端が各中間端子Ｔ１〜Ｔ９に接続され、他端が集約されて比較回路２３に接続される９個のスイッチＳ１〜Ｓ９で構成されている。各スイッチＳ１〜Ｓ９は、正極Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｐに近い側から順番に切り換え操作されて、順次分圧Ｖ１〜Ｖ９が比較回路２３に出力されるようになっている。スイッチＳ１〜Ｓ９の切り換え操作は、監視制御部４から制御するようになっているが、選択回路２２側で自動的に切り換えて導通中のスイッチの番号を監視制御部４に送出するようにしてもよい。

比較回路２３は、コンパレータ２４と基準電圧発生器２５により構成されている。コンパレータ２４の正側入力端子２４Ｐには選択回路２２が接続されて分圧Ｖ１〜Ｖ９が順番に入力され、負側入力端子２４Ｎには基準電圧発生器２５で生起された基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。そして、正側入力端子２４Ｐが負側入力端子２４Ｐ以上の電圧であるときにコンパレータ２４の出力端子２４Ｏにハイレベルの比較結果が出力され、そうでないときにローレベルの比較結果が出力されるようになっている。この比較結果は、監視制御部４が受け取る監視結果に相当するものである。

また、分圧回路２１の各抵抗ＲＰ、ｒ、ＲＮの抵抗値と、比較回路２３の基準電圧Ｖｒｅｆとは、次のように設定されている。すなわち、セル電圧ＶＣ１、ＶＣ２が過充電判定値に一致したとき、第９中間端子Ｔ９の分圧Ｖ９が基準電圧Ｖｒｅｆに一致し、セル電圧ＶＣ１、ＶＣ２が過放電判定値に一致したとき、第１中間端子Ｔ１の分圧Ｖ１が基準電圧Ｖｒｅｆに一致するようになっている。このように設定することで、セル電圧ＶＣ１、ＶＣ２を過充電判定値と過放電判定値の間で多段階に判定することができ、通常はいずれかの中間端子でコンパレータ２４の比較結果がハイレベルからローレベルへと反転する。本発明では、この中間端子を反転端子と呼称する。また、反転が生じないことから過充電及び過放電を検出することができる（詳細後述）。

なお、中間端子の設置数は上記の例に限定されず、適宜加減することができる。例えば、均等化の要求レベルが厳しく、セル電圧の不揃いを小さくするためには、中間端子の設置数を増やすことになる。また、分圧を得る方法も抵抗分圧回路に限定されず、他の回路素子を用いてもよい。

均等化回路３は、図２に示されるように、セルＣ１、Ｃ２ごとに正極Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｐと負極Ｃ１Ｎ、Ｃ２Ｎとを放電スイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して接続した放電回路により構成されている。また、放電スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、監視制御部４から開閉制御されるようになっている。この構成では、監視制御部４が放電スイッチＳＷ１、ＳＷ２を閉じている間、セルＣ１、Ｃ２の正極Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｐと負極Ｃ１Ｎ、Ｃ２Ｎとが短絡されて放電し、セル電圧ＶＣ１、ＶＣ２が徐々に減少する。

監視制御部４は、電圧監視回路２を制御しつつ比較結果を受け取る電圧監視機能、比較結果から過充電及び過放電の有無を判定する過充電過放電判定機能、比較結果を基にセルを選択して均等化回路３を作動する均等化制御機能、再度比較結果を受け取り均等化の成否を判別する均等化判定機能、を備えている。電圧監視機能では、前述のように選択回路２２の各スイッチＳ１〜Ｓ９を順番に切り換えながら、比較回路２３のコンパレータ２４の比較結果を受け取る。これにより、各セルでの反転端子を求めることができる。なお、この電圧監視機能の操作は、全てのセルで一斉に行うようにしてもよく、順番に行うようにしてもよい。過充電過放電判定機能では、コンパレータ２４の比較結果が常にハイレベルであるセルを過充電と判定し、比較結果が常にローレベルであるセルを過放電と判定する。

均等化制御機能では、セル電圧の高いセルを選択して放電スイッチＳＷ１、ＳＷ２を閉じ放電する。このとき、セル電圧が高いほど放電継続時間を長くして電圧低減量を大きくする必要があるので、放電継続時間と電圧低減量との関係を前以て確認し、監視制御部内に保持しておく。放電を行う対象セルは、平均セル電圧よりも高いセル電圧を有する約半数のセルを選択する。他に、セル電圧が最小値以外の残りの全セルを選択して一斉に放電するようにしてもよい。また、セル電圧の高いセルから順番に放電するようにしてもよい。

均等化判定機能では、放電による均等化を実施した後に再度各セルでの反転端子を求め、セル間で比較照合する。本実施例では、全セルの反転端子が中間端子３個分の幅に収まっていれば正常と判定している。もし、反転端子が中間端子４個分以上の幅に拡がっているときには、再度セルを選択して放電するリトライ操作を行う。

監視制御部４は、演算部、記憶部、入出力部を備える電子制御装置で構成され、ソフトウェアによる制御で上記機能を行うようになっている。

次に、上述のように構成された実施例の組電池監視制御装置１の操作、作用について説明する。まず、図２中の電圧監視回路２の作用を、図３を参考にして説明する。図３は、セルが正常な充電状態のときに選択回路２２を作動させたときの比較回路２３の入力及び出力を示す図であり，（１）はセル電圧ＶＣが中程度の場合、（２）はセル電圧ＶＣが低めの場合を示している。図中の縦軸は電圧を示し、横軸は時間的経過により順番に中間端子Ｔ１〜Ｔ９が切り換えられていることを示している。図３の（１）及び（２）に共通に示されるように、コンパレータ２４の負側入力端子２４Ｎには一定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている、また、正側入力端子２４Ｐには、中間端子Ｔ１〜Ｔ９が順番に接続されて下降する階段状波形の分圧Ｖ１〜Ｖ９が入力される。ただし、分圧Ｖ１〜Ｖ９の大きさはセル電圧ＶＣに比例するので、階段状波形の位置は上下に変化する。

図３（１）で、正側入力端子２４Ｐに第１中間端子Ｔ１が接続されたとき、分圧Ｖ１は基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いのでコンパレータ２４の出力条件が満たされて、出力端子２４ＯにはハイレベルＨが出力される。この状態は第３中間端子Ｔ３まで続く。正側入力端子２４Ｐに第４中間端子Ｔ４が接続されると、分圧Ｖ４は基準電圧Ｖｒｅｆを下回るので、コンパレータ２４の出力条件が満たされなくなって、出力端子２４Ｏは反転してローレベルＬが出力される。つまり、第４中間端子Ｔ４が反転端子となっている。これに対し、図３（２）はセル電圧ＶＣが低めの場合であり、階段状波形が相対的に下方にシフトしている。そして、第２中間端子Ｔ２が接続されたときに出力端子２４Ｏが反転し、第２中間端子Ｔ２が反転端子となっている。

次に、セルが異常な充電状態のときについて、図４を参考にして説明する。図４はセルが異常な充電状態のときに選択回路２２を作動させたときの比較回路２３の入力及び出力を示す図であり，（１）は過充電状態、（２）は過放電状態を示している。図４(１)の過充電状態では、セル電圧ＶＣが過充電許容値を超えて階段状波形が大きく上方にシフトするので、第９中間端子Ｔ９が接続されても分圧Ｖ９は基準電圧Ｖｒｅｆを超えている。したがって、出力端子２４Ｏは反転せず常にハイレベルＨとなる。逆に、(２)の過放電状態では、セル電圧ＶＣが過放電許容値に達しておらず階段状波形が大きく下方にシフトするので、第１中間端子Ｔ１が接続されても分圧Ｖ１は基準電圧Ｖｒｅｆを超えない。したがって、出力端子２４Ｏは常にローレベルＬとなる。

次に、組電池監視制御装置１の操作、作用について、図５を参考にして説明する。図５は、組電池監視制御装置１の監視制御フローを説明する図である。均等化開始条件が成立すると、装置１が作動を開始する（ステップＳ１）。均等化開始条件は、監視制御部４に内蔵されるタイマにより一定の時間間隔とすることができ、他に充電や放電の操作が終了したときに随時行うようにしてもよい。監視制御部は、まず、セル電圧ＶＣの大小を確認するために、電圧監視回路２の比較回路２３から比較結果を受け取る（ステップＳ２）。ここで、図４に示されるように、過充電状態または過放電状態により反転端子が求められなかったセルが存在するか否かを確認し（ステップＳ３）、存在すれば直ちに過充電異常または過放電異常と判定して操作を終了する（ステップＳ４）。

続いて、各セルの反転端子を比較照合して全セルの反転端子が中間端子３個分の幅に収まっている否かを確認し（ステップＳ５）、収まっていれば均等化条件が満たされたので以降の操作は行わず、正常と判定して操作を終了する（ステップＳ６）。均等化条件が満たされていないときには、リトライ回数が限度回数に達していないか判定する（ステップＳ７）。初回の均等化を行うときリトライ回数はもちろんゼロであるが、フローに示されるように均等化は繰り返して行われ得るので、限度回数までリトライ操作しても均等化条件が満たされない場合に均等化異常として操作を打ち切り終了する（ステップＳ８）。

リトライ回数が限度回数に達していなければ、セル電圧の高い約半数のセルを均等化の対象として選択する（ステップＳ９）。次に、選択したセルの放電スイッチＳＷを閉じて放電し、セル電圧を低減して均等化する（ステップＳ１０）。ここで、リトライ回数をカウントアップする（ステップＳ１１）。次に均等化の効果を確認するため、再度電圧監視回路３の比較回路２３から比較結果を受け取る操作に戻る（ステップＳ２）。

なお、均等化異常が発生したとき、その原因はセル側の充放電特性の低下と考えられるが、他に監視制御装置１側に原因がある場合も皆無ではない。つまり、電圧監視回路２内のスイッチＳ１〜Ｓ９の切り換え制御不良やコンパレータ２４及び基準電圧発生器２５の特性変化や、均等化回路３の放電スイッチＳＷの切り換え制御不良などが原因となる場合もありえる。原因がセル側にあるか監視制御装置１側にあるかの判断は、均等化異常発生後に、人間系で判別することができる。

次に、図１及び図２の実施形態を変形した本発明の別の実施例を、図６を参考にして説明する。図６は、可変分圧回路を有する本発明の別の実施例の電圧監視回路を模式的に説明する図である。別の実施例では、図３の電圧監視回路２に替えて可変分圧回路６１と比較回路６３とで構成された電圧監視回路６を備え、均等化回路３及び監視制御部４は同様とされている。

可変分圧回路６１は、セルＣの正極ＣＰに一端が接続される可変抵抗ＲＶと、可変抵抗ＲＶの他端とセルＣの負極ＣＮとの間に接続される固定抵抗ＲＳとで構成され、可変抵抗ＲＶと固定抵抗ＲＳとの接続点には可変中間端子ＴＶが設けられている。可変抵抗ＲＶは実際にはトランジスタ回路などを組み合わせて構成され、監視制御部４から抵抗値が制御されるようになっている。そして、可変抵抗ＲＶがゼロから無限大まで変化するとき、可変中間端子ＴＶの分圧ＶＶはセル電圧ＶＣからゼロまで変化する。

比較回路６３は、コンパレータ６４と基準電圧発生器６５により構成されている。コンパレータ６４の正側入力端子６４Ｐには可変中間端子ＴＶが接続されて分圧ＶＶが可変に入力され、負側入力端子６４Ｎには基準電圧発生器６５で生起された基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。そして、正側入力端子６４Ｐが負側入力端子６４Ｐ以上の電圧であるときにコンパレータ６４の出力端子６４Ｏにハイレベルの比較結果が出力され、そうでないときにローレベルの比較結果が出力されるようになっている。この比較結果は、監視制御部４が受け取る監視結果に相当するものである。なお、コンパレータ６４の正負の電源端子６４Ｘ、６４Ｙには、セル電圧ＶＣが入力されて駆動されるようになっている。

次に、図６の電圧監視回路６の作用を、図７を参考にして説明する。図７は、可変抵抗ＲＶの抵抗値をゼロから増加させたときのコンパレータ６４の入力及び出力を示す図である。図示されるように、負側入力端子６４Ｎの一定の基準電圧Ｖｒｅｆに対し、正側入力端子６４Ｐには徐々に減少する傾斜した分圧ＶＶが入力される。そして、時刻ｔ以前では分圧ＶＶが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きく、コンパレータ６４の出力条件が満たされて出力端子６４Ｏにハイレベルの比較結果が出力される。時刻ｔで分圧ＶＶが基準電圧Ｖｒｅｆまで減少すると、以降はコンパレータ６４の出力条件が満たされなくなり出力端子６４Ｏにローレベルの比較結果が出力される。したがって、監視制御部は、比較結果がハイレベルからローレベルに反転した時刻ｔにおける可変抵抗ＶＲの抵抗値を求め、セル間で抵抗値を比較照合することにより均等化条件が満たされたか否かを判定することができる。

次に、本発明のさらに別の実施例を、図８を参考にして説明する。図８は、セルの選択及び放電回路の制御を自動的に行う均等化制御回路を説明する図である。均等化制御回路７は本発明の監視制御部の一部を構成し、図１及び図２に示される均等化回路３の放電スイッチＳＷ１、ＳＷ２を自動的に制御するものである。均等化制御回路７は、全電圧分圧回路７１とセルＣごとのコンパレータ７３と論理回路７４とで構成されている。

全電圧分圧回路７１は、組電池９１の端子９１Ｐ、９１Ｎ間の全電圧ＶＢをセル数に等分してセル平均電圧を出力する回路である。全電圧分圧回路７１は、端子９１Ｐ、９１Ｎ間にセル数と同じ個数の抵抗が直列接続され、抵抗間の各接続点が引出線で引き出されて構成されている。したがって、各引出線の電圧の絶対値は、組電池９１の負側端子９１Ｎまでの抵抗数（すなわちセル数）とセル平均電圧とを乗じた平均側電圧の値となっている。

セルＣごとに設けられる各コンパレータ７３は、正側入力端子７３Ｐに対応するセルＣの正側端子ＣＰが接続されてセル側電圧が入力され、負側入力端子７３Ｐに対応する引出線が接続されて平均側電圧が入力されている。各コンパレータ７３に入力されるセル側電圧及び平均側電圧の絶対値は、セルＣの位置により大きく異なるが、その大小は容易に比較することができる。なぜなら、均等化が良好に行われていれば、各セルＣは同じセル電圧となって、各コンパレータの正側入力端子７３Ｐのセル側電圧と負側入力端子７３Ｐの平均側電圧とが一致するようになっているからである。ところが、セル電圧に不揃いがあると、あるコンパレータ７３ではセル側電圧が大きくなって出力端子７３Ｏがハイレベルとなり、他のコンパレータ７３では平均側電圧が大きくなって出力端子７３Ｏがローレベルとなる。

論理回路７４は、各コンパレータ７３の出力端子７３Ｏが接続されるとともに、各放電スイッチＳＷを自動的に開閉制御するように構成されている。前述のコンパレータ７３の比較結果は、セル電圧そのものを平均セル電圧と比較したものではなく、したがって、並列接続された他のセルの影響を受ける。論理回路７４の内部では、他のセルの影響を取り除いて、実際のセルの端子間ＣＰ、ＣＮ電圧の大小を判定する論理演算が行われる。これにより、論理回路７４は放電を行うセルＣを選択し、放電スイッチＳＷを閉じる制御を行う。論理回路７４の作動は、基になる監視制御部４から制御する方式とすることができる。また、均等化成否の判定や過充電及び過放電の判定は、基になる監視制御部４で行うことができる。

なお、図２や図６及び図８に記載したコンパレータ２４、６４、７３を用いずに、Ａ／Ｄ変換部を設けて各セル電圧ＶＣをディジタル計測し、監視制御部４でディジタル電圧値を加工して異常判定及び均等化制御に利用するようにしてもよい。その他、本発明は、様々に応用することができる。

本発明の実施例の組電池監視制御装置を模式的に説明する図である。図１の実施例において、電圧監視回路及び均等化回路の回路構成を説明する図である。図２中の電圧監視回路の作用を説明する図であり、（１）はセル電圧ＶＣが中程度の場合、（２）はセル電圧ＶＣが低めの場合を示している。図２中の電圧監視回路の作用を説明する図であり、（１）は過充電状態、（２）は過放電状態を示している。図１及び図２の組電池監視制御装置の監視制御フローを説明する図である。本発明の別の実施例であり、可変分圧回路を有する電圧監視回路を模式的に説明する図である。図６の別の実施例において、電圧監視回路の作用を説明する図である。本発明のさらに別の実施例である均等化制御回路を説明する図である。

符号の説明

１：組電池監視制御装置
２：電圧監視回路
２１：分圧回路
ＲＰ：正側主抵抗ＲＮ：負側主抵抗ｒ：タップ抵抗
Ｔ１〜Ｔ９：中間端子
２２：選択回路Ｓ１〜Ｓ９：スイッチ
２３：比較回路２４：コンパレータ２５：基準電圧発生器
３：均等化回路ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２：放電スイッチ
４：監視制御部
６：電圧監視回路
６１：可変分圧回路
ＲＶ：可変抵抗ＲＳ：固定抵抗ＴＶ：可変中間端子
６３：比較回路６４：コンパレータ６５：基準電圧発生器
７：均等化制御回路
７１：全電圧分圧回路７３：コンパレータ７４：論理回路
９１：組電池９１Ｐ：正側出力端子９１Ｎ：負側出力端子
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：セルＶＣ、ＶＣ１、ＶＣ２：セル電圧

Claims

互いに直列接続されて組電池を構成する複数のセルの各セル電圧を監視する電圧監視回路と、各前記セル電圧を調整して均等化する均等化回路と、前記電圧監視回路から監視結果を受け取るとともに前記均等化回路の作動を制御する監視制御部と、を備える組電池監視制御装置であって、
前記監視制御部は、
前記電圧監視回路から受け取った前記監視結果に基づいて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し、次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取り、各前記セル電圧中の最大値と最小値との電圧差が一定値以内に収まる均等化条件が満たされている場合に正常と判定し、かつ、
前記均等化回路を作動した次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取ったとき、前記電圧差が前記一定値から逸脱して前記均等化条件が満たされていない場合に、改めて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取るリトライ操作を繰り返して行い、リトライ回数が所定の限度回数に達するまでに前記均等化条件が満たされれば正常と判定し、前記リトライ回数が前記限度回数に達しても前記均等化条件が満たされなければ異常と判定し、さらに、
前記電圧監視回路から前記監視結果を受け取ったとき、いずれかの前記セル電圧が所定の過充電判定値を超過している場合に異常と判定する過充電判定、または、いずれかの前記セル電圧が所定の過放電判定値に達していない場合に異常と判定する過放電判定、のうち少なくとも一方の判定を行い、
前記電圧監視回路は前記セルごとに設けられ、かつ前記セルに並列接続されて前記セル電圧の分圧を出力する複数の中間端子をもつ分圧回路と、前記複数の中間端子を順次選択する選択回路と、選択された前記中間端子の前記分圧を基準電圧と比較して比較結果を出力する比較回路とを有し、前記監視制御部は、前記分圧と前記基準電圧との大小関係が逆転して前記比較結果が反転したときの前記中間端子を反転端子として各前記セルで求め、前記セル間で前記反転端子を比較照合することにより前記均等化条件が満たされたか否かを判定する、ことを特徴とする組電池監視制御装置。
互いに直列接続されて組電池を構成する複数のセルの各セル電圧を監視する電圧監視回路と、各前記セル電圧を調整して均等化する均等化回路と、前記電圧監視回路から監視結果を受け取るとともに前記均等化回路の作動を制御する監視制御部と、を備える組電池監視制御装置であって、
前記監視制御部は、
前記電圧監視回路から受け取った前記監視結果に基づいて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し、次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取り、各前記セル電圧中の最大値と最小値との電圧差が一定値以内に収まる均等化条件が満たされている場合に正常と判定し、かつ、
前記均等化回路を作動した次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取ったとき、前記電圧差が前記一定値から逸脱して前記均等化条件が満たされていない場合に、改めて前記セル電圧を調整する前記セルを選択して前記均等化回路を作動し次に前記電圧監視回路から再度前記監視結果を受け取るリトライ操作を繰り返して行い、リトライ回数が所定の限度回数に達するまでに前記均等化条件が満たされれば正常と判定し、前記リトライ回数が前記限度回数に達しても前記均等化条件が満たされなければ異常と判定し、さらに、
前記電圧監視回路から前記監視結果を受け取ったとき、いずれかの前記セル電圧が所定の過充電判定値を超過している場合に異常と判定する過充電判定、または、いずれかの前記セル電圧が所定の過放電判定値に達していない場合に異常と判定する過放電判定、のうち少なくとも一方の判定を行い、
前記電圧監視回路は前記セルごとに設けられ、かつ前記セルに並列接続されて前記セル電圧の分圧を分圧比可変に出力する可変抵抗及び固定抵抗からなる可変分圧回路と、前記分圧を基準電圧と比較して比較結果を出力する比較回路とを有し、前記監視制御部は、前記分圧と前記基準電圧との大小関係が入れ替わって前記比較結果が反転したときの前記可変抵抗の抵抗値を求め、前記セル間で前記抵抗値を比較照合することにより前記均等化条件が満たされたか否かを判定する、ことを特徴とする組電池監視制御装置。
前記基準電圧は、基準電圧発生器から出力された一定電圧とされる請求項１または２に記載の組電池監視制御装置。
前記均等化回路は前記セルごとに設けられ、かつ、前記監視制御部から制御されるスイッチを介して前記セルの正極と負極とを接続する放電回路からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の組電池監視制御装置。
前記監視制御部は、前記セル電圧が最小値以外の前記セルまたは前記セル電圧が前記平均セル電圧以上の前記セルを選択し、前記スイッチを閉じて放電を行う請求項４に記載の組電池監視制御装置。
前記監視制御部は、各前記セル電圧に基づく前記セルの選択と、前記スイッチを閉じる制御とを自動的に行う均等化制御回路を有する請求項５に記載の組電池監視制御装置。
ハイブリッド車または電気自動車に搭載されるリチウム二次電池を監視制御対象とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の組電池監視制御装置。