JP5525199B2 - 組電池の電池容量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を直列接続してなる組電池の充電や放電を制御する組電池の電池容量制御装置に関する。

リチウムイオン電池等の二次電池セルを多数直列接続した組電池については、最初から個々の電池セルの電池容量にばらつきあり、さらに組電池の経年変化によって電池セル間で電池容量のばらつきが生じることが知られている。組電池におけるこのような個々の電池セルの電池容量のばらつきにより、充電時には過充電になる電池セルが生じ、放電時には過放電になる電池セルが生じるが、過充電、過放電共に電池性能を劣化させるため、これを避ける必要がある。そのため、電池セルを接続して組電池を製造する際に、通常は多数の電池セルの電池特性を個々に計測して、特性の揃った電池セルを組み合わせることにより、組電池の製造が行われていた。しかし、このように多数の電池セルの計測を行うのは非常な手間でコストも高く、そのため組電池のコストアップの原因にもなっていた。

また、組電池の充放電において、過充電や過放電を防止するための種々の対応が提案されている。例えば、特許文献１に示すように、組電池の充電時において、その端子電圧が所定値以上になったときに、電池セルの過充電を防止するために充電経路を遮断する回路を設けたものが開示されている。しかし、この場合、組電池の内の特定の電池セルは満充電状態にされるが、他の電池セルについては充電不足となり、その結果、組電池全体の充電容量が低下するという問題がある。また、特許文献２などに示すように、個々の電池セルの電圧を検出し、放電終了電圧以上の電池セルについて、電池セルに接続された放電抵抗を介して放電終了電圧まで放電させて各電池セルの電池性能を揃えておき、充電により電池セルのいずれか１つが満充電に達したら充電を完了させるようにした直列接続回路が知られている。しかし、この場合、抵抗器により無駄な電力が消費されるため、結果として、組電池の効率が低下するという問題がある。

特開２００４−８８８７８号公報

特開平７−２５５１３４号公報

また、組電池の放電時においては、一つの電池セルが放電終了電圧に達すると、他の電池セルが放電終了電圧に達していない場合でも、放電を終了させて過放電を避ける方法が行われていた。しかし、これでは全ての電池セルが電池容量いっぱいまで放電されることがないため、組電池全体の放電性能を有効に活用できず、また放電時間も短くなるという問題がある。また、上記文献１に示すように、電池セルのばらつきにより、特定の電池セルが放電終了電圧に達すると、他の電池セルが放電終了電圧に達していない場合でも放電を停止終了し、放電終了後に組電池の電力を用いて電池セルの再充電を行うようにしたものがある。しかし、再充電により電池セルの容量は平均化されるが、全ての電池セルが放電終了電圧に達していないのに放電が停止されるため、組電池としての放電性能が十分に発揮されないという問題がある。

本発明は、組電池の放電時において、個々の電池セルの性能に合わせた満充電状態を実現し、放電時において、個々の電池セルの放電特性を有効に発揮させる組電池の電池容量制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明の構成上の特徴は、所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の負荷への放電時に、個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定し、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して、放電状態にある組電池の放電出力の一部を用いて再充電を行わせる組電池の電池容量制御装置であって、最も電池容量の小さい電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１，…，（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する各電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより式（Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎに示す放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の電池セルｋに対して順次行うことにある。本発明によれば、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して、組電池において放電終了電圧になっていない電池セルの放電出力の一部を用いて再充電が行われるため、組電池の電池容量が電池セル全体に分散される。その結果、本発明においては、組電池全体の電池容量が有効に活用される。また、一部の電池セルが放電終了電圧になっても組電池の放電状態が継続して行われるため、組電池の放電時間が長く保たれる。

また、請求項２の発明の特徴は、所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の電池容量を制御する電池容量制御装置であって、充電入力を受けて複数の電池セルを個々に充電する電池充電回路と、個々の電池セルの電圧を計測する電池電圧計測回路と、個々の電池セルの電池容量を記憶する電池容量記憶部と、組電池の負荷への放電時において、電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定する放電判定手段と、放電判定手段からの放電終了電圧であるとの結果を受けて、放電終了電圧になった電池セルに対して、放電状態にある組電池の放電出力の一部を充電入力として電池充電回路を通して充電を行わせる充電制御装置とを設け、充電制御装置が、最も電池容量の小さい電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１，…，（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、電池容量記憶部に記憶された値を読み込んで式（Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎにより放電量Ｒ _ｋ を算出し、放電終了電圧になった電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の電池セルｋに対して順次行わせるように制御することにある。なお、放電終了電圧としては、実際に放電が終了した時点での電圧とする他に、その電圧に一定の閾値を加えた高めの電圧とする取り扱いも可能であり、以下同様である。

本発明によれば、複数の電池セルが直列接続されてなる組電池の放電時には、電池電圧計測回路により個々の電池セルの電圧が計測され、電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて放電判定手段により、複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かが判定される。充電制御装置は、放電判定手段から電池セルが放電終了電圧であるとの結果を受けると、放電終了電圧になった電池セルについて組電池の放電出力の一部を用いて電池充電回路を通して充電を行わせる。そのため、電池容量の小さい電池セルが含まれていても、電池容量の大きい他の電池セルにより充電されるため、電池容量の大きな電池セルの放電能力を損なわずに利用することができる。また、電池セルの再充電は、組電池の放電状態において行われるため、組電池の放電時間が長くされる。その結果、本発明においては、組電池を構成する個々の電池セルの電池容量にばらつきがあっても、組電池全体として、最大の能力の放電が確保される。

詳しくは、電池セル１が放電終了電圧になると電池セル２と電池セル１の電池容量の差が（Ｃ _２ −Ｃ _１ ）あるので、電池セル２〜ｎから放電量としてＲ _１ ＝（Ｃ _２ −Ｃ _１ ）×（ｎ−１）／ｎ、の再充電が行われる。電池セル２〜ｎから電池セル１に再充電されることにより、電池セル２〜ｎの電力で電池セル１の電力を補いながら組電池１としての放電が継続される。これにより、組電池全体としてみると、各電池セルの放電量はＣ _１ ＋（Ｃ _２ −Ｃ _１ ）×（ｎ−１）／ｎとなる。

つぎに、電池セル２が放電終了電圧になると、電池セル３は電池セル２と放電容量の差が（Ｃ _３ −Ｃ _２ ）あるので、電池セル３〜ｎからの放電により電池セル１、２に再充電が行われる。各電池セルの放電量は、Ｒ _２ ＝（Ｃ _３ −Ｃ _２ ）×（ｎ−２）／ｎである。組電池全体としてみると、各電池セルの放電量は均されて平均Ｃ _１ ＋（Ｃ _２ −Ｃ _１ ）×（ｎ−１）／ｎ＋（Ｃ _３ −Ｃ _２ ）×（ｎ−２）／ｎとなる。さらに、電池セル３、…、（ｎ−１）が放電終了電圧になると順次上記式Ｉに基づく再充電が行われる。その結果、従来のように電池セル１が放電終了電圧になり、電池容量Ｃ _１ で放電が終了する場合に比べて、放電量が（Ｃ _２ −Ｃ _１ ）×（ｎ−１）／ｎ＋…＋（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎ＋…＋（Ｃ _ｎ −Ｃ _ｎ−１ ）×１／ｎ、高められたと同等の効果が得られる。

例えば、動作例１として図５に示すように、組電池が４個の電池セルで構成され、各電池セル(ｉ)〜(iv)の電池容量が８０，８０，８０，５０の場合、電池セル(iv)が放電終了電圧になる時点で、各電池セルで５０の放電が行われたことになる。さらに、電池セル(ｉ)〜(iii)から電池セル(iv)に再充電されることにより、電池セル(ｉ)〜(iii)の電力で電池セル(iv)の電力を補いながら組電池としての放電が継続される。これにより、各電池セルの放電量としては、（３０＋３０＋３０）／４＝２２．５が確保され、組電池全体としてみると、各電池セルの放電量は均されて平均５０＋２２．５＝７２．５となり、従来のように電池セル(iv)が放電終了電圧になると放電が終了する場合に比べて放電量が２２．５高められたと同等の効果が得られる。

例えば、動作例２として図６に示すように、組電池が４個の電池セルで構成され、各電池セル(ｉ)〜(iv)の電池容量が８０，８０，４０，２０の場合、電池セル(iv)が放電終了電圧になると、各電池セルで２０の放電が行われる。続いて、電池セル(ｉ)〜(iii)から電池セル(iv)に再充電Ｉが行われることにより、電池セル(ｉ)〜(iii)の電力で電池セル(iv)の電力を補いながら組電池としての放電が継続される。電池セル(iv)が放電終了電圧になると、電池セル(iii)と電池セル(iv)の電池容量の差が２０あるので、電池セル(ｉ)〜(iii)から２０の放電が行われる。これにより、各電池セルの放電量としては、（２０＋２０＋２０）／４＝１５が確保され、組電池全体としてみると、各電池セルの放電量は平均２０＋１５＝３５となる。さらに、電池セル(ｉ)，（ii），(iii)から電池セル(iv)に再充電されることにより、電池セル(ｉ)，（ii），(iii)の電力で電池セル(iv)の電力を補いながら組電池１としての放電が継続される。

つぎに、電池セル(iii)が放電終了電圧になると、電池セル(ｉ)、（ii）は電池セル(iii)と電池容量の差が４０あるので、電池セル(ｉ)，（ii）から電池セル(iii)、(iv)に再充電ＩＩが行われる。これにより、各電池セルの放電量としては、（４０＋４０）／４＝２０が確保される。組電池全体としてみると、各電池セルの放電量は均されて平均２０＋１５＋２０＝５５となる。その結果、従来のように電池セル(iii)が放電終了電圧になると放電が終了する場合に比べて１５高められ、電池セル(iv)が放電終了電圧になると放電が終了する場合に比べて３５高められたと同等の効果が得られる。また、再充電Ｉ，ＩＩが行われることにより、組電池の放電時間が長くされる。

また、請求項３の発明の特徴は、所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の充電時において、個々の電池セルを充電電源からの入力により充電させると共に個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて個々の電池セルが満充電状態になったか否かを判定し、満充電状態になった電池セルについて順次充電を停止させるようにし、組電池の負荷への放電時において、個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定し、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して放電状態にある組電池の放電出力の一部を用いて再充電を行わせる組電池の電池容量制御装置であって、放電時においては、最も電池容量の小さい電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１〜（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより式（Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎに示す放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の電池セルｋに対して順次行うことにある。これにより、本発明によれば、組電池を構成する個々の電池セルが、それぞれ満充電状態になるまで充電が行われるため、組電池全体として最大の電池容量が確保される。また、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して、組電池の放電出力の一部を用いて再充電が行われるため、組電池の電池容量が電池セル全体に分散され、その結果、組電池全体の電池容量が有効に活用される。また、一部の電池セルが放電終了電圧になっても組電池の放電状態が継続して行われるため、組電池の放電時間が長く保たれる。

また、請求項４の発明の特徴は、所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の電池容量を制御する電池容量制御装置であって、充電入力を受けて複数の電池セルを個々に充電する電池充電回路と、電池充電回路への充電入力として、充電電源と組電池の放電出力の一部のいずれか一方に切り替える充電入力切替手段と、個々の電池セルの電圧を計測する電池電圧計測回路と、個々の電池セルの電池容量を記憶する電池容量記憶部と、組電池の充電時において、電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて電池セルが満充電状態になったか否かを判定する充電判定手段と、組電池の放電時において、電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定する放電判定手段と、組電池の充電時には、充電入力切替手段により充電入力として充電電源に切り替えさせ、充電判定手段からの満充電状態であるとの結果を受けて、満充電状態になった電池セルについて順次電池充電回路による充電を停止させ、組電池の放電時には、放電判定手段からの放電終了電圧であるとの結果を受けて、放電終了電圧になった電池セルに対して、充電入力切替手段により充電入力として放電状態にある組電池の放電出力の一部に切り替えさせて電池充電回路を通して再充電を行わせる充電制御装置とを設け、放電時においては、充電制御装置が、最も電池容量の小さい電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１〜（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、電池容量記憶部に記憶された値を読み込んで式（Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎにより放電量Ｒ _ｋ を算出し、放電終了電圧になった電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の電池セルｋに対して順次行わせるように制御することにある。

本発明においては、複数の電池セルが直列接続されてなる組電池による充電時には、充電制御装置の制御に基づいて、充電入力切替手段により切り替えられた充電電源を通して電池充電回路により、個々の電池セル毎に充電され、満充電状態になった電池セルの充電が停止される。その結果、個々の電池セルが最大限に充電され、組電池全体として最大の能力の電池容量が確保される。また組電池の放電時には、電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて放電判定手段により、複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かが判定され、充電制御装置は、放電終了電圧であるとの結果を受けると、充電入力切替手段に充電入力を組電池の放電出力に切り替えさせ、電池充電回路により放電終了電圧になった電池セルについて組電池の放電出力の一部を用いて電池充電回路を通して再充電を行わせる。そのため、電池容量の小さい電池セルが含まれていても、電池容量の大きい他の電池セルにより再充電されるため、電池容量の大きな電池セルの放電能力を損なわずに利用することができ、また、電池セルの再充電は、組電池の放電状態において行われるため、組電池の放電時間を長くすることができる。

その結果、請求項４の発明においては、組電池を構成する個々の電池セルの電池容量に初期的なあるいは経時変化によるばらつきがあっても、組電池全体として、充電放電を合わせて個々の電池セルの電池容量を有効に活用でき、また放電時間を長くすることができる。また、本発明によれば、個々の電池セルの電池容量の当初及び経時変化による多少のばらつきは許容されるため、組電池を製造する際に、多数の電池セルの電池特性を個々に計測して、特性の揃った電池セルを組み合わせる必要もなく、そのため組電池の製造の工程が簡略になり、その製造コストが低減する。

本発明においては、組電池を構成する個々の電池セルが、充電時においてそれぞれ満充電状態になるまで充電が行われるため、組電池全体として最大の電池容量が確保される。また、放電時においては、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して組電池の他の電池セルの放電出力の一部を用いて再充電が行われるため、全体として電池容量が均されて全ての電池セルの電池容量を有効に活用でき、また、組電池の放電状態が継続して行われるため、組電池の放電時間が長くなる。

本発明の一実施例である組電池の電池容量制御装置の概略構成を示すブロック図である。 電池容量制御装置を構成する電池電圧計測部の概略構成を示すブロック図である。 実施例の参考例である組電池の電池容量制御装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例の変形例である組電池の電池容量制御装置の概略構成を示すブロック図である。 組電池の放電時の動作例１を説明する説明図である。 組電池の放電時の動作例２を説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、実施例であるリチウムイオン電池を多数直列接続した組電池の電池容量制御装置の概略構成をブロック図により示し、図２は電池容量制御装置の電池電圧測定部をブロック図により示したものである。組電池の電池容量制御装置（以下、電池容量制御装置と記す）１０は、多数の単一のリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎ（以下、電池セルＢ１〜Ｂｎと記す。）を直列接続した組電池１の各電池セルＢ１〜Ｂｎの電池電圧を計測処理する電池電圧計測部１１と、各電池セルＢ１〜Ｂｎに対する充電動作を制御する充電制御部１７とにより構成されている。組電池１は、電池容量制御装置１０を通して充電され、ハイブリッド車等の駆動回路等の負荷３に接続されて、負荷３に放電が行われる。

電池電圧計測部１１は、各電池セルＢ１〜Ｂｎ毎に接続されるセル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）と、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）に接続されて組電池１の状態の監視を行う監視用コンピュータ１４とを備えている。セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）は、監視用コンピュータの指令により、各電池セルＢ１〜Ｂｎ毎に出力電圧を計測して、計測信号を監視用コンピュータ１４に送信するものである。監視用コンピュータ１４は、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）に計測開始信号を送信する送信端子１４ａと、各電池セルＢ１〜Ｂｎからの計測結果である電圧計測信号を受信する受信端子１４ｂと、各電池セルＢ１〜Ｂｎからの電圧計測信号を充電制御部１７に送信する送信端子１４ｃと、組電池１の動作を指令するコントロール部（図示しない）へ電圧計測信号を送信する送信端子１４ｄと、コントロール部からの指令信号等を受信する受信端子１４ｅを設けている。組電池１の放電線４ａには、組電池１の放電時の電流を検出する放電電流センサ１５が接続されており、放電電流センサ１５の出力は監視用コンピュータ１４の放電入力端子１４ｆに接続されている。

充電制御部１７は、組電池１の各電池セルＢ１〜Ｂｎ毎に接続されるセル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）を設けており、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）の入力側には充電制御装置２１と、充電電源切替回路２３が接続されている。セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）は、充電制御装置２１の制御により充電電源２から電池セルＢ１〜Ｂｎへの接続経路をオンオフさせるスイッチ部を備えている。充電制御装置２１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ等からなるマイクロコンピュータを備えており、電池セルの充電終了電圧値と放電終了電圧よりわずかに高めに設定された放電制御開始電圧値を記憶しており、また各電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量Ｃ _１ 〜Ｃ _ｎ を記憶している。充電制御装置２１は、電池電圧計測部１１からの電圧計測信号を受信する受信端子２１ａと、組電池１の動作を指令するコントロール部（図示しない）からの充電開始信号を受信する受信端子２１ｂと、コントロール部へ放電停止信号を送信する送信端子２１ｃと、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）へ充電開始信号を送信する送信端子２１ｄと、充電電源切替回路２３に切替制御信号を送信する送信端子２１ｅを設けている。

充電電源切替回路２３は、充電電源２が接続される充電端子２３ａと、組電池１の出力線４ａから分岐した放電時電源入力線４ｂが接続される放電入力端子２３ｂと、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）に充電電源を供給する端子２３ｃと、充電制御装置２１からの切り替え信号が受信される受信端子２３ｄとを備えており、充電制御装置２１の制御により充電電源２と組電池１からの放電時電源入力のいずれかに切り替えるようになっている。充電制御装置２１は、電池電圧計測部１１と、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）と、充電電源切替回路２３、コントロール部との協働により組電池１の充電制御を行うようになっている。

詳しくは、充電制御装置２１は、組電池１の充電時において、監視用コンピュータ１４から受けた電池電圧計測値とＲＡＭに記憶した充電終了電圧値とを比較し、電池電圧計測値が充電終了電圧値に達したか否かを判定する充電判定手段を含んでおり、電池電圧計測値が充電終了電圧値に達したと判定したときは、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）に停止信号を送って、充電を停止させる制御を行う。また、充電制御装置２１は、組電池１の放電時において、監視用コンピュータ１４から受けた電池電圧計測値とＲＡＭに記憶した放電制御開始電圧値とを比較し、電池セルＢ１〜Ｂｎの電池電圧計測値が放電制御開始電圧値に達したか否かを判定する放電判定手段を含んでおり、電池電圧計測値が放電制御開始電圧値に達したと判定したときは、充電電源切替回路２３に放電時電源入力に切り替えるように指令信号を送信すると共に、該当する電池セルＢのセル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）に放電開始信号を送って、充電を開始させる制御を行う。

次に、電池容量制御装置１０による充電時と放電時の動作について説明する。
（１）充電時
コントロール部から監視用コンピュータ１４と充電制御装置２１に充電開始信号が入力され、充電電源２から充電電源切替回路２３に充電電圧が給電される。充電制御装置２１は、充電電源切替回路２３に充電電源２への切り替え指令が出力され、これに応じて充電電源切替回路２３は充電電源２に接続を切り替え、これにより各セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）に給電が開始され、セル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）を通して各電池セルＢ１〜Ｂｎへの充電が開始される。一方、監視用コンピュータ１４は、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）に計測開始信号を出力し、これによりセル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）によって各電池セルの充電電圧が計測される。監視用コンピュータ１４は、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）からの電圧計測信号を受けて、充電制御装置２１に送信する。

充電状態においては、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）からの電圧計測結果を受けて充電制御装置２１により、各電池セルＢ１〜Ｂｎが満充電状態になったか否かが判定される。一つの電池セルＢｘが満充電状態になると、充電制御装置２１が満充電状態になったと判定して、該当する電池セルＢｘのセル充電回路１８（ｘ）に充電停止信号を出力し、それにより、セル充電回路１８（ｘ）による充電が停止される。以下、同様に各電池セルＢ１〜Ｂｎが満充電状態になると、充電制御装置２１の制御により、該当する電池セルＢの充電が順次停止させられる。その結果、組電池１を構成する個々の電池Ｂ１〜Ｂｎが、それぞれ満充電状態になるまで充電が行われるため、組電池１全体として最大の電池容量が確保され、１個が満充電になると充電が停止される場合に比べて組電池の充電効率が大幅に高められる。

（２）放電時
コントロール部の制御により組電池１と負荷３の接続が行われると、組電池１から負荷３への放電が開始される。コントロール部から監視用コンピュータ１４と充電制御装置２１に放電開始信号が入力され、監視用コンピュータ１４は、セル計測回路１２（１）〜１２（ｎ）に計測開始信号を出力し、これにより電圧計測回路１２（１）〜１２（ｎ）によって各電池セルＢ１〜Ｂｎの放電電圧が計測される。監視用コンピュータ１４は、電圧計測回路１２（１）〜１２（ｎ）からの電圧計測信号を受けて、電圧計測信号を充電制御装置２１に出力し、また放電電流センサ１５からの放電電流信号を受けて、放電電流値を充電制御装置２１に出力する。充電制御装置２１は、電池電圧計測回路１２（１）〜１２（ｎ）から電圧計測結果を受けて、いずれかの電池セルＢ１〜Ｂｎの電圧計測値が放電制御開始電圧値になったか否かを判定し続ける。

一つの電池セルＢｋの電圧計測値が放電制御開始電圧値になると、充電制御装置２１がその電池セルＢｋが放電限界になったと判定して、充電電源切替回路２３に充電切替信号を送り、充電電源切替回路２３に充電電源から放電時電源入力に切り替えさせる。同時に、該当する電池セルＢｋに対応するセル充電回路１８（ｋ）に充電開始信号を送ると共に、監視用コンピュータ１４からの放電電流値を読み込んで、それよりわずかに大きな放電電流とする指令を該当するセル充電回路１８に送信する。充電制御装置２１は、記憶した電池容量値を読み込んで式（Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎにより放電量Ｒ _ｋ を算出し、放電終了電圧になった電池セルＢｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セルＢ１，…，Ｂｋに対して、電池セルＢｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セルＢ（ｋ＋１），…，Ｂｎにより放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる。これにより、該当するセル充電回路１８（ｋ）に放電出力の一部が給電され、セル充電回路１８（ｋ）を通して該当する電池セルＢｋに放電電流よりわずかに大きい電流で充電が開始される。

その後、他のいずれかの電池Ｂｙの電圧計測値が放電制御開始電圧値になると、充電制御装置２１の制御により、該当する電池セルＢｙに対応するセル充電回路１８（ｙ）に充電開始信号を送ると共に、監視用コンピュータ１４からの放電電流値を読み込んで、それよりわずかに大きな放電電流とする指令をセル充電回路１８（ｙ）に送信する。これにより、電池Ｂｋに加えて同様に該当する電池Ｂｙについても放電出力の一部を用いて充電が行われる。全ての電池セルＢ１〜Ｂｎが放電制御開始電圧になったとき、充電制御装置２１からコントロール部に放電停止信号が発信され、コントロール部によって組電池１の放電が停止される。

以上に説明したように、本実施例においては、組電池全体として、充電と放電を合わせて個々の電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量を無駄なく活用でき、また放電時間を長くすることができる。また、本実施例によれば、個々の電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量の当初及び経時変化による多少のばらつきは許容されるため、組電池１を製造する際に、多数の電池の電池特性を個々に計測して、特性の揃った電池を組み合わせる必要もなく、そのため組電池の製造の工程が簡略になり、その製造コストが低減する。

次に、上記実施例の参考例について説明する。
図３に示すように、参考例においては、上記実施例において充電制御のみとして、放電制御部分を省いたものである。すなわち、図１において、充電電源切替回路２３を省き放電時電源入力線４ｂを省いたものである。これにより、組電池１の充電時には、充電電源２からセル充電回路１８（１）〜１８（ｎ）に直ちに給電され、上述したように、個々の電池セルＢ１〜Ｂｎが満充電状態になるように制御される。放電については、従来例あるいは他の放電制御を用いることができる。これにより参考例においては、上述したように、充電時において組電池１の各電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量にばらつきがあっても、全ての電池セルＢ１〜Ｂｎが満充電状態にされるため、組電池１として最適な充電性能が得られる。

次に、上記実施例の変形例につい説明する。
図４に示すように、変形例においては、上記実施例において放電時制御のみとして、充電制御部分を省いたものである。すなわち、図１において、充電電源２を充電電源切替回路２３に接続することなく直接組電池１に接続するようにしたものである。充電電源切替回路２３については、充電オフの状態と放電時電源入力とを切り替えるようにした。これにより、組電池１の放電時において、一つの電池セルＢｋの電圧計測値が放電制御開始電圧値になると、充電制御装置２１の制御により充電電源切替回路２３が充電オフ状態から放電時電源入力に切り替え、該当するセル充電回路１８（ｋ）に放電出力の一部が給電され、セル充電回路１８（ｋ）を通して該当する電池セルＢｋに放電電流よりわずかに大きい電流で充電が行われる。充電については、従来例あるいは他の充電制御を用いることができる。これにより、変形例においては、上述したように、組電池１の放電時において各電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量にばらつきがあっても、組電池全体として個々の電池セルＢ１〜Ｂｎの電池容量を無駄なく活用でき、また放電時間を長くすることができる等、実施例に示した放電時制御と同様の効果が得られる。

なお、上記実施例及び変形例においては、再充電開始の基準となる電圧値として、放電終了電圧よりわずかに高めに設定された放電制御開始電圧値が用いられているが、これに代えて放電終了電圧を用いることも可能である。また、各実施例においては、電池セルとしてリチウムイオン電池を用いているが、これに代えて他の二次電池、あるいは電気二重層コンデンサ等を用いることができる。その他、上記各実施例に示したものは一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することも可能である。

本発明は、組電池を構成する個々の電池セルが、充電時においてそれぞれ満充電状態になるまで充電が行われるため、組電池全体として最大の電池容量が確保され、また、放電時においていずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して、組電池の放電出力の一部を用いて再充電が行われるため、電池全体の電池容量を有効に活用でき、また、組電池の放電状態が長時間継続して行われるため、有用である。

１０…組電池の電池容量制御装置、１１…電池電圧計測部、１２（１）〜１２（ｎ）…セル計測回路、１４…監視用コンピュータ、１７…充電制御部、１８（１）〜１８（ｎ）…セル充電回路、２１…充電制御装置、２３…充電電源切替回路、Ｂ１〜Ｂｎ…電池セル。

Claims (4)

1. 所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の負荷への放電時に、個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて前記複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定し、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった電池セルに対して、放電状態にある前記組電池の放電出力の一部を用いて再充電を行わせる組電池の電池容量制御装置であって、
   最も電池容量の小さい前記電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１，…，（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する各電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより下記式（Ｉ）に示す放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の前記電池セルｋに対して順次行うことを特徴とする組電池の電池容量制御装置。
   （Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎ
2. 所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の電池容量を制御する電池容量制御装置であって、
   充電入力を受けて該複数の電池セルを個々に充電する電池充電回路と、
   前記個々の電池セルの電圧を計測する電池電圧計測回路と、
   前記個々の電池セルの電池容量を記憶する電池容量記憶部と、
   前記組電池の負荷への放電時において、前記電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて前記複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定する放電判定手段と、
   該放電判定手段からの放電終了電圧であるとの結果を受けて、該放電終了電圧になった電池セルに対して、放電状態にある前記組電池の放電出力の一部を充電入力として前記電池充電回路を通して充電を行わせる充電制御装置と
   を設け、
   前記充電制御装置が、最も電池容量の小さい前記電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１，…，（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、前記電池容量記憶部に記憶された値を読み込んで下記式（Ｉ）に基づいて放電量Ｒ _ｋ を算出し、放電終了電圧になった該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより前記放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の前記電池セルｋに対して順次行わせるように制御することを特徴とする組電池の電池容量制御装置。
   （Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎ
3. 所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の充電時において、個々の電池セルを充電電源からの入力により充電させると共に個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて個々の電池セルが満充電状態になったか否かを判定し、満充電状態になった電池セルについて順次充電を停止させるようにし、前記組電池の負荷への放電時において、個々の電池セルの電圧を計測し、その電圧計測結果を受けて前記複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定し、いずれかの電池セルが放電終了電圧になったとき、該放電終了電圧になった電池セルに対して放電状態にある前記組電池の放電出力の一部を用いて再充電を行わせる組電池の電池容量制御装置であって、
   前記放電時においては、最も電池容量の小さい前記電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１〜（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、放電終了電圧になった該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより下記式（Ｉ）に示す放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の前記電池セルｋに対して順次行うことを特徴とする組電池の電池容量制御装置。
   （Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎ
4. 所定の電池容量Ｃ _１ ，…，Ｃ _ｎ （Ｃ _１ ≦Ｃ _２ ≦・・・≦Ｃ _ｋ ≦・・・≦Ｃ _ｎ−１ ≦Ｃ _ｎ ）を有する複数の電池セル１，…，ｎが直列接続されてなる組電池の電池容量を制御する電池容量制御装置であって、
   充電入力を受けて前記複数の電池セルを個々に充電する電池充電回路と、
   該電池充電回路への充電入力として、充電電源と前記組電池の放電出力の一部のいずれか一方に切り替える充電入力切替手段と、
   前記個々の電池セルの電圧を計測する電池電圧計測回路と、
   前記個々の電池セルの電池容量を記憶する電池容量記憶部と、
   前記組電池の充電時において、前記電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて前記電池セルが満充電状態になったか否かを判定する充電判定手段と、
   前記組電池の放電時において、前記電池電圧計測回路からの電圧計測結果を受けて前記複数の電池セルのいずれかが放電終了電圧になったか否かを判定する放電判定手段と、
   前記組電池の充電時には、前記充電入力切替手段により充電入力として充電電源に切り替えさせ、前記充電判定手段からの満充電状態であるとの結果を受けて、該満充電状態になった電池セルについて順次前記電池充電回路による充電を停止させ、前記組電池の放電時には、前記放電判定手段からの放電終了電圧であるとの結果を受けて、該放電終了電圧になった電池セルに対して、前記充電入力切替手段により充電入力として放電状態にある前記組電池の放電出力の一部に切り替えさせて前記電池充電回路を通して再充電を行わせる充電制御装置と
   を設け、
   前記放電時においては、前記充電制御装置が、最も電池容量の小さい前記電池セル１から順に電池セルｋ（ｋ＝１〜（ｎ−１））が放電終了電圧になったとき、前記電池容量記憶部に記憶された値を読み込んで下記式（Ｉ）に基づいて放電量Ｒ _ｋ を算出し、放電終了電圧になった該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ 以下の電池容量を有する各電池セル１，…，ｋに対して、該電池セルｋの電池容量Ｃ _ｋ より大きい電池容量を有する電池セル（ｋ＋１），…，ｎにより前記放電量Ｒ _ｋ で再充電を行わせる再充電処理を、複数の前記電池セルｋに対して順次行わせるように制御することを特徴とする組電池の電池容量制御装置。
   （Ｉ）：Ｒ _ｋ ＝（Ｃ _ｋ＋１ −Ｃ _ｋ ）×（ｎ−ｋ）／ｎ

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