JPH09203773A - 組電池の残存容量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】組電池を構成する単電池の電圧にバラツキが生
じた場合でも実際に使用可能な残存容量に対応した表示
を行なえる組電池の残存容量計を提供する。 【解決手段】複数個の単電池１を直列または直並列に接
続した組電池と、上記単電池の電圧が所定の放電終止電
圧に達した場合に放電を制限するバッテリコントローラ
１１と、を備えた装置において、各単電池間の電圧のバ
ラツキの程度に応じた係数を演算し、上記組電池全体の
総電圧と放電量から理論上の残存容量を演算し、上記理
論上の残存容量に上記係数を乗算することによって実際
に使用可能な残存容量を演算する残存容量演算器１４
と、上記実際に使用可能な残存容量を表示する表示器１
５と、を備えた組電池の残存容量計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数個の二次電池
を直列接続または直並列接続して用いる組電池の残存容
量を表示する残存容量計に関し、例えば電気自動車の電
源電池の残存容量を表示する装置に利用する技術であ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の残存容量計としては、組電池の総
電圧（組電池全体の起電力：無負荷電圧）から放電開始
前の容量を求め、その値から放電量の積算値（使用した
容量）を減算することによって残存容量を算出し、それ
を表示するものがある。その公知例としては、例えば特
開平４−２５９８７１号公報や特開平４−３６８４０１
号公報に公知技術として記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の残存容量計では、演算で求めた容量と実際に使用
できる残存容量との間に差が生じ、実用上支障を生じる
おそれがある、という問題があった。以下、詳細に説明
する。電気自動車等においては、複数個の二次電池を直
列または直並列に接続した組電池が用いられる。このよ
うな組電池の場合には、放電容量（放電可能な電気量）
の減少程度が各電池によって異なっている。例えば各電
池間には製造バラツキがあり、また組電池で使用した場
合の温度分布が均一でない等の理由により、自己放電量
や充電受入率（充放電効率）に差があるので、放電容量
の減少程度が各電池によって異なっている。そのためＤ
ＯＤ（放電深度：全放電で１００％、満充電で０％）＝
０％からの放電容量には各電池にバラツキが生じ、それ
によって組電池としての放電容量が減少する。すなわ
ち、放電時には、放電容量の小さくなった電池は早く放
電終了して過放電状態となり、この過放電になっている
電池が他の電池の負荷となって、全ての電池がＤＯＤ＝
１００％にならないうちに電圧が低下し、組電池として
は放電終了になってしまう。また、一般に二次電池の場
合には、放電終止電圧を過ぎて過放電すると、劣化して
寿命が低下する。そのため、組電池中の１個でも放電終
止電圧に達した場合には、組電池としての放電を制限
（例えば当該単電池は放電を停止させるようにバイパス
回路を作動させたり、或いは組電池全体の放電を停止さ
せる）するような制御を行なう放電制御装置を備えるの
が通常である。

【０００４】このような放電制御を行なう装置において
は、上記のように電池間にバラツキが生じると、組電池
全体としての残存容量がかなり残っていても、放電容量
の低下した電池が放電終止電圧に達した時点で放電が制
限されるため、その時点で実用的な残存容量は急激に低
下する。したがって前記従来技術のような残存容量計で
は十分な残存容量を表示しているのに、実際には電力を
取り出すことが出来なくなり、残存容量計の表示と実際
に使用可能な残存容量との間に差が生じてしまう、とい
う問題があった。

【０００５】本発明は、上記のごとき従来技術の問題を
解決するためになされたものであり、組電池を構成する
単電池の電圧にバラツキが生じた場合でも実際に使用可
能な残存容量に対応した表示を行なうことの出来る組電
池の残存容量計を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１に記載の発明にお
いては、各単電池間の電圧のバラツキの程度に応じた係
数を演算する係数演算手段と、組電池全体の総電圧と放
電量から理論上の残存容量を演算する手段と、上記理論
上の残存容量に上記係数を乗算することによって実際に
使用可能な残存容量を演算する手段と、上記実際に使用
可能な残存容量を表示する手段と、を備えるように構成
している。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、上記係数
演算手段の詳細な構成を示したものであり、全ての単電
池の電圧が予め定めた上限電圧と下限電圧との間にある
場合における正味の放電量Ｃと、上記上限電圧と下限電
圧との電圧幅に等しい起電力に相当する容量Ｃmaxと、
を演算し、上記ＣとＣmaxとの比η＝Ｃ／Ｃmaxを上記係
数とするものである。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は、上記各単
電池の電圧が予め定めた上限電圧と下限電圧との間にあ
るか否かを検出する手段としてウインドコンパレータを
用いたものである。

【０００９】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
乃至請求項３の発明に、上記係数の値が所定値以下の場
合に当該組電池の電圧バラツキが規定値以上で電池の状
態が良くないことを警告する手段を付加したものであ
る。

【００１０】上記のように本発明においては、各単電池
間の電圧のバラツキの程度に応じた係数を演算し、組電
池全体の総電圧と放電量から求めた理論上の残存容量に
上記係数を乗算することによって実際に使用可能な残存
容量を演算するように構成しているので、単電池間のバ
ラツキが大きいため実際に使用可能な残存容量が小さい
場合に、それによく対応した残存容量の表示を行なうこ
とができる。

【００１１】

【発明の効果】本発明においては、単電池間のバラツキ
が大きいため実際に使用可能な残存容量が小さい場合
に、それによく対応した残存容量の表示を行なうことが
できるので、従来のように、残存容量計の指示が残って
いるのに実際には電力を取りだすことが出来ないという
事態を防止することが出来る、という効果が得られる。

【００１２】また、請求項２に記載の発明は、正味の放
電量Ｃと容量Ｃmaxとの比ηを係数とするように構成し
たことにより、比較的簡単な構成で、実際に使用可能な
残存容量を演算することが出来る、という効果が得られ
る。

【００１３】また、請求項３においては、各単電池間の
バラツキを検出するのに直接個々の電池電圧を検出する
ことなく、ウインドコンパレータの上限電圧と下限電圧
の範囲内にあるか否かで判断するので、構成を簡単にす
ることが出来る、という効果が得られる。

【００１４】また、請求項４においては、残存容量演算
用の係数を用いてバッテリの状態を判断し、それが不良
の場合には使用者に警告するので、バッテリの保守管理
がしやすくなる、という効果が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の第１の実施の
形態を示す回路図である。図１において、ＸとＹは組電
池全体の端子であり、外部の充電器および放電回路（コ
ンバータ等の放電制御回路とモータ等の負荷）がこの端
子に接続される。なお、充電器や放電回路については図
示を省略している。また、組電池は、複数の単電池（１
個の二次電池からなるセルまたは複数のセルからなるモ
ジュール）を直列に接続したものであり、各単電池ごと
に接続される回路は同一であるため、単電池１に関する
ブロックについてのみ説明する。また、組電池において
は、各単電池のグランド電位（低電位側の端子電位）が
異なっているので、各ブロック内の回路の電源系統は各
ブロックごとに独立しており、信号はフォトカプラ９、
１０を介して各ブロックとは電気的に絶縁した状態で取
り出すようになっている。したがって各ブロックに記載
した接地の記号は各ブロックごとに接地する意味であ
り、全体の回路が同じ接地電位になるものではない。

【００１６】基準電圧発生器２、３、４は、それぞれ抵
抗とツェナダイオードとの直列回路で構成され、単電池
１の電圧を分圧することによって基準電圧を造り出す。
そして基準電圧発生器２は放電終止電圧に相当する基準
電圧Ｖsを、基準電圧発生器３はバラツキの上限電圧に
相当する基準電圧Ｖ１を、基準電圧発生器４はバラツキ
の下限電圧に相当する基準電圧Ｖ２を、それぞれ発生す
る。

【００１７】また、コンパレー夕５は、単電池１の端子
電圧Ｖが基準電圧Ｖs以上か否かを判断し、Ｖ≧Ｖsのと
き低レベルの信号を出力する。また、ウインドコンパレ
ータ６と７は単電池１の端子電圧がバラツキの上限電圧
Ｖ１と下限電圧Ｖ２との間の範囲にあるか否かを判断
し、Ｖ１＞Ｖ＞Ｖ２のとき、すなわち範囲内にあるとき
高レベルの信号を出力する。インバータ８はウインドコ
ンパレータ６、７の信号を反転して出力する。なお、基
準電圧Ｖs、上限電圧Ｖ１および下限電圧Ｖ２は単電池
１の端子電圧を分圧して作るため、単電池１の端子電圧
よりは必ず低い値になる。したがって実際には、コンパ
レータ５、６、７で比較する単電池１の端子電圧は、端
子電圧を所定の割合で分圧（例えば抵抗分圧）した値を
用いる必要があるが、図１においては分圧回路を省略し
て端子電圧をそのまま与えるように表示している。

【００１８】また、フォトカプラ９は、コンパレータ５
の出力が低レベルのときにオンになり、フォトカプラ１
０は、インバータ８の出力が低レベルのときにオンにな
る。各ブロックのフォトカプラ９はそれぞれ直列に接続
され、電位の最上位ブロックのフォトカプラ９は外部電
源Ｖccに接続され、電位の最下位ブロックのフォトカプ
ラ９はバッテリコントローラ１１に接続される。このバ
ッテリコントローラ１１は、組電池の充放電を制御する
装置であり、例えば、充電時に単電池の端子電圧が充電
終止電圧に達すると充電を終了させたり、放電時に単電
池の端子電圧が放電終止電圧に達すると放電を制限（例
えば当該単電池は放電を停止させるようにバイパス回路
を作動させたり、或いは組電池全体の放電を停止させ
る）させる機能を有するが、図１においては内容を省略
して示している。

【００１９】また、各ブロックのフォトカプラ１０はそ
れぞれ直列に接続され、電位の最上位ブロックのフォト
カプラ１０は外部電源Ｖccに接続され、電位の最下位ブ
ロックのフォトカプラ１０は残存容量演算器１４に接続
される。残存容量演算器１４は、組電池の総電圧を検出
する電圧センサ１２の出力と、組電池の電流（放電電流
および充電電流）を検出する電流センサ１３の出力も入
力し、組電池の残存容量を演算（詳細後述）し、その結
果を表示器１５に表示する。表示器１５は、例えば可動
針型や液晶表示型の表示装置であり、残存容量の値ある
いは満充電時との比率等をアナログ値もしくはディジタ
ル値で表示する。

【００２０】次に作用を説明する。充電後、組電池を使
用すると放電が進むにつれて電池電圧が低下していく。
そして何れかの単電池の端子電圧が放電終止電圧に相当
する基準電圧Ｖs以下になると、コンパレータ５の出力
が高レベルになり、そのブロックのフォトカプラ９はオ
フになる。全てのブロックのフォトカプラ９は直列に接
続されているので、１個でもフォトカプラ９がオフにな
ると、バッテリコントローラ１１の入力は低レベルにな
る。そのためバッテリコントローラ１１は図示しない制
御回路に信号を送って組電池の放電を制限する。例えば
放電を停止させる。

【００２１】一方、残存容量演算器１４は次の様にして
残存容量を演算する。或るブロック内の単電池の電圧が
ウインドコンパレー夕６、７のウインド電圧内（Ｖ１＞
Ｖ＞Ｖ２）であればウインドコンパレータ６、７は高レ
ベルを出力し、インバー夕８の出力は低レベルとなるの
で、フォトカプラ１０はオンになる。フォトカプラ１０
同士は全て直列に接続されているので、全てのブロック
のフォトカプラ１０がオンにならないと残存容量演算器
１４内の論理回路の入力は高レベルにはならない。すな
わち、全ての単電池の端子電圧がウインド電圧内にない
と残存容量演算器１４の入力は高レベルにはならない。
例えば、図２ののように電圧が高い方にばらついた
り、に示すように低い方にばらついて、各単電池の電
圧のバラツキ幅がウインド電圧幅からはみ出している場
合には、残存容量演算器１４の入力は高レベルにはなら
ない。そして図２のに示すように、全ての単電池の電
圧のバラツキ幅がウインド電圧内にある場合には残存容
量演算器１４の入力が高レベルになる。なお、図２の
「Ｌレベル」は残存容量演算器１４の入力が低レベルに
なることを示し、「Ｈレベル」は高レベルになることを
示す。

【００２２】残存容量演算器１４は入力が高レベルのと
きの正味の放電量Ｃ、すなわち「Ｃ＝力行量−回生量」
を演算する。なお、力行量とは電力消費量であり、回生
量とは電気自動車の制動時における回生充電量である。
この力行量や回生量は電流センサ１３から求めた瞬時電
流量を積分することによって求める。上記のＣの演算は
残存容量演算器１４の入力が高レベルの間を通して行な
われる。したがってＣは、電池放電過程で全ての単電池
の電圧がＶ１とＶ２のあいだに入っている間全体の正味
の放電量となる。

【００２３】また、残存容量演算器１４にはウインド電
圧幅（Ｖ１−Ｖ２）と等しい起電力に相当する容量Ｃma
xを予め記憶させておく。このＣmaxの値は、上限電圧Ｖ
１から下限電圧Ｖ２まで電圧が低下する間の容量に相当
する。図３は上記の関係を示す特性図であり、実線ａは
各単電池のバラツキが全くない場合の特性、一点鎖線
ｂ、ｃはバラツキがある場合の特性であり、ｂは最も電
圧の高い単電池の特性、ｃは最も低い電圧の単電池の特
性を示す。なお、実際には線ａ、ｂ、ｃが平行になると
は限らないが、図３では傾向を判り易く示すため、平行
線で表示している。

【００２４】図３において、電圧バラツキが全くない場
合には、実線ａに示すように、上限電圧Ｖ１から下限電
圧Ｖ２まで電圧が低下する間の正味の放電量はＣmaxに
一致するから、Ｃmax＝Ｃである。しかし、電圧バラツ
キが存在すると、電圧の高い単電池（一点鎖線ａの特
性）がＶ１より大になる範囲および電圧の低い単電池
（一点鎖線ｂの特性）がＶ２より小になる範囲ではＣの
値が積算されないので、Ｃmax＞Ｃとなる。すなわち、
単電池間のバラツキが大きいほどＣmaxとＣの差は大き
くなる。

【００２５】上記のように、各単電池の電圧値にバラツ
キがある場合には、組電池全体としての残存容量がかな
り残っていても、放電容量の低下した電池が放電終止電
圧に達した時点で放電が制限されるため、実際には使用
できない分が生じるが、上記のＣmaxとＣとの比は、組
電池全体の理論的な残存容量と実際に使用可能な残存容
量との比にほぼ対応する。そのため、ΔＣ＝Ｃmax−Ｃ
を残存容量演算器１４で演算させ、ΔＣに応じた下記
（数１）式で示される係数ηを求める。

【００２６】

【数１】

【００２７】一方、残存容量演算器１４は、組電池の総
電圧（組電池全体の起電力：無負荷電圧）から放電開始
前の容量を求め、その値から放電量の積算値（使用した
容量）を減算することによって理論上の残存容量を算出
する。なお、上記の総電圧は電圧センサ１２で検出し、
放電量は電流センサ１３から求めた瞬時電流値を積分す
ることによって求める。そして上記の理論上の残存容量
に上記の係数ηを乗算することにより、実際に使用可能
な残存容量を演算する。

【００２８】上記ηの値は、組電池全体の理論的な残存
容量と実際に使用可能な残存容量との比にほぼ対応する
ので、上記の総電圧と放電量積算値から求めた残存容量
に係数ηを乗算した値は、実際に使用可能な残存容量に
よく対応した値になる。なお、上記の上限電圧Ｖ１、下
限電圧Ｖ２の値は、実用上、理論的な残存容量と実際に
使用可能な残存容量とがよく対応するような値に設定す
るが、例えばＤＯＤ＝６０％程度の値に設定する。

【００２９】図４は、実際の動作状態における状況を示
す図であり、曲線ａは組電池を構成する単電池のうち最
も高い電圧の単電池の電圧値、曲線ｂは同じく最も低い
電圧の単電池の電圧値の変化を示す。また、折線ｃは電
流の変化を示すものであり、力行側は放電電流、回生側
は充電電流となる。図４の例では、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の
部分のみが全ての単電池の電圧がＶ１とＶ２の範囲内で
あって、電流が積算される範囲である。そして正味の放
電量Ｃは、Ｃ＝Ｓ１−Ｓ２＋Ｓ３である。

【００３０】上記のように図１に示した実施の形態にお
いては、各単電池間の電圧のバラツキの程度に応じた係
数を演算し、組電池全体の総電圧と放電量から求めた理
論上の残存容量に上記係数を乗算することによって実際
に使用可能な残存容量を演算するように構成しているの
で、単電池間のバラツキが大きいため実際に使用可能な
残存容量が小さい場合に、それによく対応した残存容量
の表示を行なうことができる。また、各単電池間のバラ
ツキを検出するのに直接個々の電池電圧を検出すること
なく、ウインドコンパレータの上限電圧と下限電圧の範
囲内にあるか否かで判断するので、構成を簡単にするこ
とが出来る。

【００３１】次に、図５は、第２の実施の形態を示す回
路図である。図５において、１６はバッテリ警告灯であ
り、残存容量演算器１４は係数ηの値が予め定めた所定
値以下になった場合にバッテリ警告灯１６を点灯させる
機能を備えている。その他、図１と同符号は同等のもの
を示す。この実施の形態は、係数ηの値が所定値以下に
なる、すなわち単電池間のバラツキが規定値より大きく
なった場合にバッテリ警告灯１６を点灯させ、使用者に
バッテリの状態が良くないことを知らせるものである。
その他の作用、効果は図１と同様である。上記のように
図５に示した実施の形態においては、残存容量演算用の
係数ηを用いてバッテリの状態を判断し、それが不良の
場合には使用者に警告するので、バッテリの保守管理が
しやすくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図。

【図２】組電池を構成する各単電池の端子電圧のバラツ
キと上限電圧Ｖ１、下限電圧Ｖ２との関係を示す図。

【図３】各単電池の端子電圧のバラツキと正味の放電量
ＣおよびＣmaxとの関係を示す特性図。

【図４】実際の動作状態における電圧変動と正味の放電
量Ｃの値との関係を示す図。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す回路図。

【符号の説明】

１…単電池 ２…放電終止電圧に相当する基準電圧Ｖsを発生する基
準電圧発生器 ３…上限電圧に相当する基準電圧Ｖ１を発生する基準電
圧発生器 ４…下限電圧に相当する基準電圧Ｖ２を発生する基準電
圧発生器 ５…コンパレー夕 ６、７…ウインドコ
ンパレータ ８…インバータ ９、１０…フォトカプ
ラ １１…バッテリコントローラ １２…電圧セン
サ １３…電流センサ １４…残存容量
演算器 １５…表示器 １６…バッテリ
警告灯 Ｘ、Ｙ…組電池全体の端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一の二次電池からなるセルまたは複数の
   セルからなるモジュールを単電池とし、複数個の単電池
   を直列または直並列に接続した組電池と、上記単電池の
   電圧が所定の放電終止電圧に達した場合に放電を制限す
   るバッテリコントローラと、を備えた装置において、 上記各単電池間の電圧のバラツキの程度に応じた係数を
   演算する係数演算手段と、 上記組電池全体の総電圧と放電量から理論上の残存容量
   を演算する手段と、 上記理論上の残存容量に上記係数を乗算することによっ
   て実際に使用可能な残存容量を演算する手段と、 上記実際に使用可能な残存容量を表示する手段と、 を備えたことを特徴とする組電池の残存容量計。
2. 【請求項２】上記係数演算手段は、全ての単電池の電圧
   が予め定めた上限電圧と下限電圧との間にある場合にお
   ける正味の放電量Ｃと、上記上限電圧と下限電圧との電
   圧幅に等しい起電力に相当する容量Ｃmaxと、を演算
   し、上記ＣとＣmaxとの比η＝Ｃ／Ｃmaxを上記係数とす
   るものである、ことを特徴とする請求項１に記載の組電
   池の残存容量計。
3. 【請求項３】各単電池の電圧が予め定めた上限電圧と下
   限電圧との間にあるか否かを検出するウインドコンパレ
   ータを備え、その検出結果に応じて全ての単電池の電圧
   が上限電圧と下限電圧との間にある場合にのみ上記放電
   量Ｃの演算を行なうことを特徴とする請求項２に記載の
   組電池の残存容量計。
4. 【請求項４】上記係数の値が所定値以下の場合に、当該
   組電池の電圧バラツキが規定値以上で電池の状態が良く
   ないことを警告する手段を備えたこと特徴とする請求項
   １乃至請求項３の何れかに記載の組電池の残存容量計。