JPH11262188A - 直列組電池のばらつき補正装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 直列組電池を構成するセルの残存容量のばらつきを簡単
な回路構成で解消する。 【課題】 直列組電池１０を構成する複数のリチウム二
次電池セル１０１、１０２…、直列組電池１０と並列に
接続された二次電池セルと同数の分圧抵抗２０１、２０
２…、オペアンプ３０１…、負帰還抵抗３１１…から構
成される。二次電池セル１０１、１０２の連結点の電位
と、分圧抵抗２０１、２０２の連結点の分圧電位とをオ
ペアンプ３０１により比較し、比較した結果、分圧電位
の方が高いと判別した場合は連結点より高電位側の全二
次電池セルを放電し、分圧電位の方が低いと判別した場
合は低電位側の全二次電池セルを放電する。各二次電池
セル１０１、１０２相互間の連結点電位とそれに対応す
る分圧抵抗２０１、２０２相互間の連結点電位が等しく
なれば、各二次電池セルの残存容量のばらつきは小さく
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、充放電可能な二次
電池の単位電池（セルまたは複数のセルを直列または並
列にしたセルモジュール）を複数個直列に接続した直列
組電池のばらつき補正装置及び方法に関するものであ
り、その用途としては、例えば、電気自動車やハイブリ
ッド電気自動車等に用いられる多数のリチウム二次電池
を直列にした直列組電池のばらつき補正装置及び方法が
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の目的から、排気ガ
スを出さない電気自動車が注目されているが、電源とな
る電池の性能が十分でないことから、走行性能がガソリ
ン車に比べ大きく劣り、このため普及がなかなか進んで
いない。その中で、低公害と走行性能の両立を目的とし
たハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶと略す）が注
目されている。この自動車は、エンジンを搭載している
ため、電気自動車（以下、ＥＶと略す）ほど大容量の電
池を用意しなくてもガソリン車なみの走行性能が確保で
き、一方でエンジンの効率が低く二酸化炭素や窒素酸化
物の排出量が多い低回転時に電池からの電力で駆動する
ため、低公害であるという特長がある。

【０００３】ここで、ＨＥＶにおいては発進時やフル加
速時には電池からの電力を使用するため、電池には高い
出力が要求されており、その一方でエンジンやモータジ
ェネレータ、電池等の多くの構成部品を搭載することに
より自動車全体の重量が増すことから、電池に対しては
電気自動車と同様に高性能かつ軽量であることが要求さ
れている。

【０００４】そのような中で鉛やニッカド、ニッケル水
素に代る新しい二次電池として、リチウム二次電池が注
目を集めている。これは、同容量の鉛電池に比べ約４
倍、ニッケル水素電池の約２倍の高い重量エネルギー密
度を持つため、小型軽量化のニーズの多いＨＥＶに好適
なものとして期待される。しかしながら、この電池は過
充電や過放電に弱く、定められた電圧の範囲内で使用し
ないと、材料が分解して著しく容量が減少したり異常な
発熱をしたりして、電池として使用できなくなるおそれ
がある。そのため、本電池の使用方法は、上限電圧およ
び下限電圧が明確に規定され、必ずその範囲内となるよ
うに定電圧充電制御をしたり、電圧範囲を制限する保護
回路とセットで用いたりするのが一般的である。

【０００５】ところで、ＨＥＶに使用される電池は、モ
ータを回して自動車を動かすのに高い電圧が要求される
ため、多くの単電池（セル）を直列にするのが普通であ
る。例えば、３００Ｖの電圧を得るには、セルあたり約
２Ｖの鉛電池では１５０セル、セルあたり１．２Ｖのニ
ッケル水素電池では２５０セル、セルあたり３．６Ｖの
リチウム二次電池の場合は約８０セルを直列にする必要
がある。そのような多直列の組電池を充放電する場合、
従来は、直列組電池の両端の正極と負極の間の電圧を監
視し、その電圧をもとに充放電制御を行っていた。例え
ば、セルあたりの電圧範囲が１．８〜２．４Ｖで１５０
直列の鉛電池の場合は、１．８〜２．４×１５０＝２７
０〜３６０Ｖの範囲で、組電池の両端の正負極間電圧を
制御しながら充放電していた。

【０００６】このような方法において問題となるのが、
直列組電池を構成する各セル間の残存容量（ＳＯＣ）の
ばらつきに起因するセル電圧のばらつきである。直列組
電池を流れる電流はどのセルにおいても等しいが、セル
毎の性能の個体差や温度の違いによってばらつきが生じ
るため、各セル毎の電圧の変化は異なったものとなる。
そのような中で、直列組電池の両端電圧を制御しただけ
では、あくまでそれを構成するセルの平均電圧が制御さ
れているのにすぎないため、それを上限電圧まで充電す
れば、平均電圧よりも高いセルは過充電となり、下限電
圧まで放電すれば、平均電圧よりも低いセルは過放電と
なる。

【０００７】しかしながら、従来の鉛電池やニッカド電
池、ニッケル水素電池の場合は、過充電や過放電になっ
ても電池の性能が多少劣化するだけで使用不可能な状態
には至らないことと、セル毎の電圧制御はコスト増につ
ながることから、組電池の両端電圧のみの制御で済ます
のが一般的であった。しかし、リチウム二次電池の多直
列組電池においては、組電池の両端電圧のみの制御で
は、セル毎に過充電や過放電になった場合、先述のよう
に電池として使用できなくなるおそれがあるので、それ
らを避けなければならない。そこで、例えば実開平２−
１３６４４５号公報には、各セルの電圧の中から最も高
い電圧を検出してそれが上限電圧を超えないように充電
制御を行い、また各セルの電圧の中から最も低い電圧を
検出してそれが下限電圧まで下がったら放電を終了する
構成が開示されている。本構成によれば、確かにすべて
のセルを所定の電圧範囲で充放電することが可能であ
る。

【０００８】しかし、実開平２−１３６４４５号公報の
構成によれば、直列組電池の充放電は、充電時は最初に
上限電圧に達したセルに制限され、放電時は最初に下限
電圧まで下がったセルに制限される。このため、セル間
のばらつきが大きいと、その分だけ直列組電池全体とし
て使用する範囲が狭くなり、その結果組電池としての容
量が低下してしまうという問題がある。

【０００９】そこで、前述の問題を解決するために、例
えば特開平６−２５３４６３号公報には、各セルに抵抗
とスイッチからなる放電回路（バイパス回路）を並列に
接続し、セルの電圧にばらつきが生じると、電圧の高い
方のセルに並列に接続された放電回路を閉じて電圧の高
いセルの電圧を放電させたり、あるいは充電中に充電電
流を分流（バイパス）させたりする、いわゆるバランス
充放電により、セル間の電圧差を小さくし、ばらつきを
小さくするとい構成が開示されている。また、特開平５
−６４３７７号公報には、各セルの充電状態を監視し、
満充電に達したセルはバイパス回路に充電電流を分流す
ることによって、セルを全て満充電の状態にそろえ、ば
らつきを解消するという構成が開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の前述の構成を実施しようとすると、例えば参考図であ
る図８に示すような複雑な回路構成と多くの電子部品が
必要になってくる。図８のばらつき補正回路は電圧検出
器７１、マルチプレクサ７２、ＡＤコンバータ７３、マ
イクロプロセッサ７４、メモリ７５、セル個別放電回路
の抵抗７６、リレーまたはＦＥＴ等のセル個別放電回路
のＯＮ／ＯＦＦ手段７７、フォトカプラ等の信号絶縁手
段７８及びデコーダ７９よりなる。

【００１１】このように、図８に示すように少なくと
も、差動増幅回路やアイソレーションアンプ等のセル電
圧検出回路、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）やマルチプ
レクサ，ＡＤ変換器等からなるばらつき判定回路、抵抗
やＦＥＴ、デコーダ、フォトカプラまたはアイソレーシ
ョンアンプ等からなるばらつき補正（バイパス）回路の
構成がセル数に応じて必要であるが、これらは耐電圧や
絶縁性、制御性の問題から直列セル数が多いほど使用で
きる部品が限定されたり構成が複雑となったりして、コ
ストが高くついてしまう。その結果、ＨＥＶやＥＶ用の
リチウム電池装置全体のコストアップの大きな要因とな
るという問題がある。

【００１２】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的は、直列組電池を構成するセルの残存容量
のばらつきを簡単な回路構成で解消できる直列組電池の
ばらつき補正装置及び方法を得ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１、８の何れかに
記載の発明によれば、組電池の電圧をそれを構成する単
位電池の数に対応する数に分圧し、組電池を構成する単
位電池の複数の連結点のうちの特定の連結点の電位と、
分圧手段によって得られる複数の分圧電位のうちの特定
の連結点に相当する分圧電位とを比較し、比較した結
果、分圧電位の方が高いと判別した場合は特定の連結点
より高電位側の単位電池を放電し、分圧電位の方が低い
と判別した場合は特定の連結点より低電位側の単位電池
を放電する。このようにして、各単位電池相互間の電位
とそれに対応する分圧抵抗相互間の電位が等しくなれ
ば、各単位電池の電圧も等しくなり、残存容量のばらつ
きを小さくすることができる。このように本発明におい
ては、簡単な回路で部品数も少なく、しかも全て安価な
汎用の量産電子部品で構成できるので、ばらつき補正回
路の大幅なコストダウンが可能である。

【００１４】請求項５に記載の発明によれば、組電池を
構成する単位電池のうちの特定の複数の単位電池に接続
され、当該複数の単位電池の何れか一つと並列接続可能
な第１の蓄電手段、及び前記第１の蓄電手段が並列接続
する単位電池を制御信号に応じて切り換える第１の並列
接続切換手段を有する第１の補正回路と、組電池を構成
する単位電池のうちの前記第１の補正回路に接続される
単位電池の一部を含む特定の複数の単位電池に接続さ
れ、当該複数の単位電池の何れか一つと並列接続可能な
第２の蓄電手段、及び前記第２の蓄電手段が並列接続す
る単位電池を制御信号に応じて切り換える第２の並列接
続切換手段を有する第２の補正回路とを有する。

【００１５】これにより、組電池を構成する単位電池の
うちの特定の複数の単位電池相互間の電位差を第１の蓄
電手段を介して低減させ、組電池を構成する単位電池の
うちの特定の複数の単位電池の一部を含む複数の単位電
池相互間の電位差を第２の蓄電手段を介して低減させ
る。これを繰り返すことにより、複数の単位電池相互間
で電圧差を低減できる。よって本発明においても、簡単
な回路で部品数も少なく、しかも全て安価な汎用の量産
電子部品で構成できるので、ばらつき補正回路の大幅な
コストダウンが可能である。

【００１６】請求項９記載の発明においても、組電池を
構成する単位電池のうちの特定の複数の単位電池相互間
の電位差を第１の蓄電手段を介して低減させ、組電池を
構成する単位電池のうちの特定の複数の単位電池の一部
を含む複数の単位電池相互間の電位差を第２の蓄電手段
を介して低減させ、これを繰り返すことにより、複数の
単位電池相互間で電圧差を低減できる。よって、上記請
求項５記載の発明と同様な効果を奏することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明のばらつき補正回路の一実施の形態を示す概略回路図
であり、図２は図１の動作を説明するための概略回路図
である。本実施の形態のばらつき補正回路は、直列組電
池１０を構成する複数の単位電池としてのリチウム二次
電池セル（以下、単に二次電池セルという）１０１、１
０２…１０ｎ、直列組電池１０と並列に接続されて分圧
手段としての分圧回路２０を構成する複数の分圧抵抗２
０１、２０２…２０ｎ、電位比較回路又は複数の演算増
幅器としてのオペアンプ３０１、３０２…３０（ｎ−
１）、負帰還回路を構成する負帰還抵抗３１１、３１２
…３１（ｎ−１）から構成される。

【００１８】直列組電池１０は、多数の二次電池セル１
０１、１０２…１０ｎを直列に接続したものであり、低
電位側と高電位側の各端子が、例えば、電気自動車やハ
イブリッド電気自動車等のモータを駆動するインバータ
等の負荷、または直列組電池１を充電可能な充電器等に
接続されている。なお、本発明でいう単位電池とは、１
つの二次電池セル、もしくは複数の二次電池セルを直列
又は並列に接続してなるセルモジュール等を指し、本実
施の形態では簡単化のため各単位電池が１つの二次電池
セルからなる場合を想定して説明する。

【００１９】分圧回路２０は、直列組電池１０と並列接
続され、二次電池セル１０１、１０２…１０ｎの直列数
ｎと同数の分圧抵抗２０１、２０２…２０ｎが直列接続
されてなる。また、各分圧抵抗は夫々抵抗値が等しく設
定される。オペアンプ３０１は、反転入力が二次電池セ
ル１０１と二次電池セル１０２との接続点ａに接続さ
れ、非反転入力が分圧抵抗２０１と分圧抵抗２０２との
接続点ｂに接続され、また出力は負帰還抵抗３１１を介
して反転入力に接続されている。そして、オペアンプ３
０１の駆動電圧は直列組電池１０の両端から供給されて
いる。同様に、オペアンプ３０ｉ（ｉ＝２〜ｎ−１）
は、反転入力が二次電池セル１０ｉと二次電池セル１０
（ｉ＋１）との接続点に接続され、非反転入力が分圧抵
抗２０ｉと分圧抵抗２０（ｉ＋１）との接続点に接続さ
れ、また出力は負帰還抵抗３１ｉを介して反転入力に接
続されている。そしてオペアンプ３０ｉの駆動電圧は直
列組電池１０の両端から供給されている。なお、ｉは１
〜（ｎ−１）であり、図１における各構成の符号を特定
するために便宜上用いる整数である。ここで、オペアン
プ３０ｉは反転入力と非反転入力との電位差に相当する
出力が得られるが、本実施の形態においてはオペアンプ
３０ｉと帰還抵抗３１ｉとが電位比較手段を構成すると
ともに放電手段を構成する。

【００２０】以下、図２を用いて図１に示したばらつき
補正回路の動作原理を説明する。図２において、隣接し
て接続された二つの二次電池セルＢ₁ およびＢ₂ の電圧
が各々Ｖ₁ およびＶ₂ であるとする。また、Ｂ₂ の負極
側の電位Ｖ_L は０であるとする。この場合、Ｂ₁ の正極
側の電位Ｖ_H はＶ_H ＝Ｖ₁ ＋Ｖ₂ である。分圧抵抗Ｒ_M1
およびＲ_M2の抵抗値を等しいとすると、Ｒ_M1とＲ_M2の中
間の電位Ｖ_M は、Ｖ_M ＝Ｖ_H ／２＝（Ｖ₁ ＋Ｖ₂ ）／２
となる。

【００２１】いま、二次電池セルＢ₁ およびＢ₂ の特性
がばらつき、Ｖ₁ ＜Ｖ_M ＜Ｖ₂ であるとすると、オペア
ンプＯＰ₁ の反転入力のＶ₂ の方が高いため、出力Ｖ
_OUT は低電位側の電源電圧Ｖ_L （＝０）にほぼ等しくな
る。このため負帰還抵抗Ｒ_FB1の両端にＶ₂ にほぼ等し
い電圧がかかり、図２のＹの経路（Ｂ₂ の正極→Ｒ_FB1
→ＯＰ₁ の出力→ＯＰ₁ の負電源入力Ｖ_OP- →Ｂ₂ の負
極）で電流Ｉ₂ （≒Ｖ₂／Ｒ_FB1 ）が放電しＶ₂ が徐々
に下がる。一方、Ｂ₁ からはほとんど放電しないので、
いずれＶ₂ はＶ₁ に等しくなり、Ｖ₂ ＝Ｖ_M となる。す
ると、ＯＰ₁ の反転入力、非反転入力の間で電位差がな
くなるので、Ｖ_OUT ＝Ｖ_M となり、Ｒ_FB1には電流が流
れなくなる。

【００２２】また、Ｖ₁ ＞Ｖ_M ＞Ｖ₂ であるとすると、
オペアンプＯＰ₁ の反転入力のＶ₂の方が低いため、出
力Ｖ_OUT は高電位側の電源電圧Ｖ_H （＝Ｖ₁ ＋Ｖ₂ ）に
ほぼ等しくなる。このため負帰還抵抗Ｒ_FB1 の両端にＶ
₁ にほぼ等しい電圧がかかり、図２のＸの経路（Ｂ₁ の
正極→ＯＰ₁ の正電源入力Ｖ_OP+ →ＯＰ₁ の出力→Ｒ
_FB1 →Ｂ₁ の負極）で電流Ｉ₁ （≒Ｖ₁ ／Ｒ_FB1 ）が放
電しＶ₁ が徐々に下がる。一方、Ｂ₂ からはほとんど放
電しないので、いずれＶ₁ はＶ₂ に等しくなり、Ｖ₁ ＝
Ｖ_M となる。すると、ＯＰ₁ の反転入力、非反転入力の
間で電位差がなくなるので、Ｖ_OUT ＝Ｖ_M となり、Ｒ
_FB1 には電流が流れなくなる。

【００２３】以上の結果、直列セルＢ₁ とＢ₂ の電圧が
等しくなり、残存容量のばらつきをそろえることができ
る。図１は図２の動作原理を多直列二次電池セルに拡張
したものである。直列を構成する複数の二次電池セルに
ついて、隣接する２つの二次電池セル１０ｉ、１０（ｉ
＋１）の接続点ａの電位と、その２つの二次電池セルに
対応する位置の２つの分圧抵抗２０ｉ、２０（ｉ＋１）
の接続点ｂの電位とを比較し、分圧抵抗の接続点電位を
基準にそれに対応する二次電池セルの接続点電位の高低
から残存容量のばらつきを判定する。

【００２４】すなわち、二次電池セルの接続点ａの電位
の方が分圧抵抗の接続点ｂの電位よりも高い場合（上述
のＶ₁ ＜Ｖ_M ＜Ｖ₂ の場合）は、二次電池セルの接続点
ａより低電位側（Ｖ_L に近い側）の二次電池セル１０
（ｉ＋１）〜１０ｎの電圧が大きい、すなわち残存容量
が多いと考えられるので、出力Ｖ_OUT は低電位側の電源
電圧Ｖ_L （＝０）にほぼ等しくなる。この場合、低電位
側二次電池セル１０（ｉ＋１）〜１０ｎを放電する経路
（低電位側二次電池セル１０（ｉ＋１）の正極→Ｒ_FBi
→ＯＰ_i の出力→ＯＰ_i の負電源入力Ｖ_OP- →低電位側
二次電池セル１０ｎの負極）で放電し、低電位側二次電
池セル１０（ｉ＋１）〜１０ｎの電圧を下げる。

【００２５】逆に、二次電池セルの接続点ａの電位の方
が分圧抵抗の接続点ｂの電位よりも低い場合（上述のＶ
₁ ＞Ｖ_M ＞Ｖ₂ の場合）は、二次電池セルの接続点ａよ
り高電位側の二次電池セル１０１〜１０ｉの電圧が大き
く残存容量が多いと考えられるので、出力Ｖ_OUT は高電
位側の電源電圧Ｖ_H （＝直列二次電池セル電圧の総和）
にほぼ等しくなる。この場合、高電位側二次電池セル１
０１〜１０ｉを放電する経路（高電位側二次電池セル１
０１の正極→ＯＰ_i の正電源入力Ｖ_OP+ →ＯＰ _i の出力
→Ｒ_FBi →高電位側二次電池セル１０ｉの負極）で放電
し、高電位側二次電池セル１０１〜１０ｉの電圧を下げ
る。

【００２６】このようにして、隣接する２つの二次電池
セル１０ｉ、１０（ｉ＋１）の接続点電位と、その２つ
の二次電池セルに対応する位置の２つの分圧抵抗２０
ｉ、２０（ｉ＋１）の接続点電位とを等しくする。これ
をすべての二次電池セル相互間において実施し、各二次
電池セル相互間の電位とそれに対応する分圧抵抗相互間
の電位がすべて等しくなれば、各二次電池セルの電圧も
すべて等しくなり、残存容量のばらつきを小さくするこ
とができる。

【００２７】このように本実施の形態においては、簡単
な回路で部品数も少なく、しかも全て安価な汎用の量産
電子部品で構成できるので、ばらつき補正回路の大幅な
コストダウンが可能である。 （第２の実施の形態）図３は本発明のばらつき補正回路
の第２の実施の形態を示す概略回路図である。第１の実
施の形態と同一の構成には同一の符号を付しその説明を
省略する。

【００２８】本実施の形態のばらつき補正回路は、直列
組電池１０を構成する複数のリチウム二次電池セル（以
下、単に二次電池セルという）１０１、１０２…１０
ｎ、直列組電池１０と並列に接続されて分圧回路を構成
する複数の分圧抵抗２０１、２０２…２０ｎ、複数のオ
ペアンプ３０１、３０２…３０（ｎ−１）、負帰還回路
を構成する負帰還抵抗３１１、３１２…３１（ｎ−
１）、相補型トランジスタを成すＮＰＮトランジスタ３
２１、３２２…３２（ｎ−１）及びＰＮＰトランジスタ
３３１、３３２…３３（ｎ−１）、並びにスイッチ２１
１、２１２から構成される。

【００２９】分圧回路２０は、リレーからなるスイッチ
２１１、２１２を介して直列組電池１０と並列接続され
ている点を除き図１の分圧回路と同一である。スイッチ
２１１、２１２はＥＶやＨＥＶの車両コントローラのよ
うな、負荷側のコントローラからの制御信号ＣＮＴ１、
ＣＮＴ２によりＯＮ／ＯＦＦ可能である。オペアンプ３
０１は、自身の駆動電圧がスイッチ２１１、２１２を介
して直列組電池１０の両端から供給されている。反転入
力が二次電池セル１０１と二次電池セル１０２との接続
点ａに接続され、非反転入力が分圧抵抗２０１と分圧抵
抗２０２との接続点ｂに接続されている。また、出力は
ＮＰＮトランジスタ３２１及びＰＮＰトランジスタ３３
１のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタ３２
１のコレクタはスイッチ２１１を介して直列組電池１０
の高電位側に接続され、エミッタはＰＮＰトランジスタ
３３１のエミッタに接続される。そして、ＰＮＰトラン
ジスタ３２２のコレクタはスイッチ２１２を介して直列
組電池１０の低電位側に接続される。ＮＰＮトランジス
タ３２１のコレクタとＰＮＰトランジスタ３３１のエミ
ッタとの接続点は、負帰還抵抗３１１を介してオペアン
プ３０１の反転入力に接続されている。なお、オペアン
プ３０ｉ、負帰還抵抗３１ｉ、ＮＰＮトランジスタ３２
ｉ及びＰＮＰトランジスタ３３ｉ（ｉ＝２〜ｎ−１）に
ついても同様な接続関係となっている。

【００３０】本実施の形態においても、第１の実施の形
態と同様に、直列を構成する複数の二次電池セルについ
て、隣接する２つの二次電池セル１０ｉ、１０（ｉ＋
１）の接続点ａの電位と、その２つの二次電池セルに対
応する位置の２つの分圧抵抗２０ｉ、２０（ｉ＋１）の
接続点ｂの電位とを比較し、分圧抵抗の接続点電位を基
準にそれに対応する二次電池セルの接続点電位の高低か
ら残存容量のばらつきを判定する。

【００３１】以下、作動を説明する。二次電池セルの接
続点ａの電位の方が分圧抵抗の接続点ｂの電位よりも高
い場合（上述のＶ₁ ＜Ｖ_M ＜Ｖ₂ の場合）は、二次電池
セルの接続点ａより低電位側（Ｖ_L に近い側）の二次電
池セル１０（ｉ＋１）〜１０ｎの電圧が大きい、すなわ
ち残存容量が多いと考えられる。この場合、オペアンプ
３０１の出力は低電位側の電源電圧（＝０）にほぼ等し
くなる。そして、ＰＮＰトランジスタ３３１はベースが
低電位となってベース電流が流れＯＮする。一方、ＮＰ
Ｎトランジスタ３２１はベースが低電位なのでベース電
流が流れずＯＦＦのままである。こうして、低電位側二
次電池セル１０（ｉ＋１）〜１０ｎを放電する経路（低
電位側二次電池セル１０（ｉ＋１）の正極→負帰還抵抗
３１１→ＰＮＰトランジスタ３３１のエミッタ→ＰＮＰ
トランジスタ３３１のコレクタ→低電位側二次電池セル
１０ｎの負極）で放電し、低電位側二次電池セル１０
（ｉ＋１）〜１０ｎの電圧を下げる。

【００３２】逆に、二次電池セルの接続点ａの電位の方
が分圧抵抗の接続点ｂの電位よりも低い場合（上述のＶ
₁ ＞Ｖ_M ＞Ｖ₂ の場合）は、二次電池セルの接続点ａよ
り高電位側の二次電池セル１０１〜１０ｉの電圧が大き
く残存容量が多いと考えられる。この場合、オペアンプ
３０１の出力は高電位側の電源電圧（＝直列二次電池セ
ル電圧の総和）にほぼ等しくなる。この場合、高電位側
二次電池セル１０１〜１０ｉを放電する経路（高電位側
二次電池セル１０１の正極→ＮＰＮトランジスタ３２１
のコレクタ→ＮＰＮトランジスタ３２１のエミッタ→負
帰還抵抗３１１→高電位側二次電池セル１０ｉの負極）
で放電し、高電位側二次電池セル１０１〜１０ｉの電圧
を下げる。

【００３３】このようにして、隣接する２つの二次電池
セル１０ｉ、１０（ｉ＋１）の接続点電位と、その２つ
の二次電池セルに対応する位置の２つの分圧抵抗２０
ｉ、２０（ｉ＋１）の接続点電位とを等しくする。これ
をすべての二次電池セル相互間において実施し、各二次
電池セル相互間の電位とそれに対応する分圧抵抗相互間
の電位がすべて等しくなれば、各二次電池セルの電圧も
すべて等しくなり、残存容量のばらつきを小さくするこ
とができる。

【００３４】このように本実施の形態においても、簡単
な回路で部品数も少なく、しかも全て安価な汎用の量産
電子部品で構成できるので、ばらつき補正回路の大幅な
コストダウンが可能である。また、第２の実施の形態に
おいては、放電電流路にオペアンプ３０ｉを用いていな
いため、放電電流の大きさがオペアンプに制限されるこ
となく、第１の実施の形態に比較して放電電流を大きく
できる。結果、ばらつきを補正するのに要する時間を短
くできる。更に、制御信号ＣＮＴ１、ＣＮＴ２を、直列
組電池１０の残存容量がある値よりも多いときにスイッ
チ２１１、２１２がＯＮするように制御することで、二
次電池セルが過放電に至ることを防止できる。 （第３の実施の形態）図４は本発明のばらつき補正回路
の第３の実施の形態を示す概略回路図、図５は補正回路
の一構成例を示す回路図、図６は図５の各構成要素の動
作タイミングを説明するためのタイムチャートである。

【００３５】本実施の形態のばらつき補正回路は、直列
組電池１０を構成する複数のリチウム二次電池セル（以
下、単に二次電池セルという）１０１、１０２…１０
ｎ、複数の二次電池セルのうちの隣接する２つの二次電
池セルに接続された補正回路４１、４２…４（ｎ−１）
から構成される。補正回路４１、４２…４（ｎ−１）
は、連動する２つのスイッチ４１１、４１２、４２１、
４２２…、この２つの切換スイッチに両端子が接続され
た蓄電手段としてのコンデンサ４１３、４２３…、２つ
の切換スイッチの動作タイミングを制御する発振回路４
１４、４２４…、から構成される。

【００３６】直列組電池１０は、多数の二次電池セル１
０１、１０２…１０ｎを直列に接続したものであり、例
えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車等のモータ
を駆動するインバータ等の負荷、または直列組電池１を
充電可能な充電器等に接続されている。補正回路４１に
おける切換スイッチ４１１は、二次電池セル１０１の両
端子の何れか一方に切換可能であり、切換スイッチ４１
２は、二次電池セル１０１と隣接した二次電池セル１０
２の両端子の何れか一方に切換可能である。この切換ス
イッチ４１１、４１２は連動しており、切換スイッチ４
１１が二次電池セル１０１の高電位側（正極側）端子に
切換られている時は、切換スイッチ４１２も二次電池セ
ル１０１の低電位側（負極側）端子に切換られ、逆に切
換スイッチ４１１が二次電池セル１０２の高電位側（正
極側）端子に切換られている時は、切換スイッチ４１２
も二次電池セル１０２の低電位側（負極側）端子に切換
られる。これにより、コンデンサ４１３を並列接続する
二次電池セルを選択する。

【００３７】第１の補正回路としての補正回路４１にお
ける、第１の蓄電手段としてのコンデンサ４１３は、２
つの切換スイッチ４１１、４１２に両端子が接続され、
切換スイッチ４１１、４１２を介して二次電池セル１０
１もしくは二次電池セル１０２の何れか一方に並列接続
される（第１の並列接続切換手段）。これにより二次電
池セル１０１もしくは二次電池セル１０２から電荷を充
電したり、逆に充電した電荷を二次電池セル１０１もし
くは二次電池セル１０２へ電荷を放電する。

【００３８】補正回路４１における発振回路４１４（第
１の並列接続切換手段）は、２つの切換スイッチ４１
１、４１２の動作タイミングを制御するものである。本
実施の形態では発振回路４１４からハイレベルの信号が
出力されたときは切換スイッチ４１１、４１２は共に高
電位側端子に接続されて、コンデンサ４１３が高電位側
の二次電池セル１０１に並列接続され、ローレベルの信
号が出力されたときは切換スイッチ４１１、４１２は共
に低電位側端子に接続されて、コンデンサ４１３が低電
位側の二次電池セル１０２に並列接続される。

【００３９】補正回路４２は二次電池セル１０２と二次
電池セル１０３とに接続され、同様に他の補正回路４ｉ
は、二次電池セル１０ｉと二次電池セル１０（ｉ＋１）
とに接続されている（夫々第２の蓄電手段、第２の並列
接続切換手段を有する第２の補正回路に相当）。なお、
補正回路４２、４３、…４ｉ…の構成は、上記補正回路
４１の構成と同一であるため、その説明を省略するが、
発振回路４１４は各補正回路毎に有していても良いし、
全部または一部の補正回路で共有して有していても良
い。しかしながら、隣接する補正回路相互間での切換ス
イッチの動作タイミングは同期させた方が好ましい。す
なわち、特定の補正回路のコンデンサが高電位側の二次
電池セルに並列接続されている時は、隣接する補正回路
のコンデンサも高電位側の二次電池セルに並列接続させ
ることで、各補正回路のコンデンサが隣接する補正回路
のコンデンサと閉回路を構成することを防止できる。ま
た、補正回路４２、４３、…４ｉ…の夫々が接続される
二次電池セルの一部は、他の補正回路４２、４３、…４
ｉ…と共有して接続されている。

【００４０】図５に補正回路４１、４２…４（ｎ−１）
の一構成例を示す。ここでは、補正回路４２を例にとっ
て説明する。発振回路４２４は、低電位側二次電池セル
Ｂ２の負極側端子に接続されたコンデンサ４２４ａ、こ
のコンデンサ４２４ａの他端子に接続された抵抗４２４
ｂ、この抵抗４２４ｂに並列接続された抵抗４２４ｃ及
びインバータ４２４ｄ、並びに抵抗４２４ｂの反コンデ
ンサ４２４ａ側に接続されたインバータ４２４ｅからな
る。発振周波数はコンデンサ４２４ａ及び抵抗４２４ｂ
によって決定され、コンデンサ４２４ａ、抵抗４２４
ｂ、抵抗４２４ｃ及びインバータ４２４ｄを含む回路に
より発振させられて、抵抗４２４ｂの反コンデンサ４２
４ａ側端子から発振信号が出力される。そして、インバ
ータ４２４ｅからは当該発振信号が反転された信号（以
下、反転信号という）が出力される。

【００４１】切換スイッチ４２１は、高電位側である二
次電池セル１０２の正極側端子とコンデンサ４２３の一
端子との間に抵抗４２５ａを介して接続され、発振信号
により二次電池セル１０２の正極側端子とコンデンサ４
２３の一端子との間を断続可能なスイッチ素子４２１
ａ、二次電池セル１０２の負極側端子とコンデンサ４２
３の一端子との間に抵抗４２５ｂを介して接続され、反
転信号により二次電池セル１０２の負極側端子とコンデ
ンサ４２３の一端子との間を断続可能なスイッチ素子４
２１ｂからなる。スイッチ素子４２１ａは発振信号がハ
イレベルの時にオンし、ローレベルの時にオフする。一
方、スイッチ素子４２１ｂは反転信号がハイレベルの時
にオフし、ローレベルの時にオンする。これにより、何
れか一方のスイッチ素子がオンし、他方はオフにでき
る。

【００４２】同様に、切換スイッチ４２２は、低電位側
である二次電池セル１０３の正極側端子とコンデンサ４
２３の他端子との間に抵抗４２５ｃを介して接続され、
発振信号により二次電池セル１０２の正極側端子とコン
デンサ４２３の他端子との間を断続可能なスイッチ素子
４２２ａ、二次電池セル１０３の負極側端子とコンデン
サ４２３の他端子との間に抵抗４２５ｄを介して接続さ
れ、反転信号により二次電池セル１０３の負極側端子と
コンデンサ４２３の他端子との間を断続可能なスイッチ
素子４２２ｂからなる。スイッチ素子４２２ａは発振信
号がハイレベルの時にオンし、ローレベルの時にオフす
る。一方、スイッチ素子４２２ｂは反転信号がハイレベ
ルの時にオフし、ローレベルの時にオンする。これによ
り、何れか一方のスイッチ素子がオンし、他方はオフに
できる。

【００４３】また、補正回路４２には、高電位側である
二次電池セルＢ₁ の正極側端子と低電位側である二次電
池セルＢ₂ の負極側端子との間に並列接続された、保護
回路としての抵抗４２６及びツェナーダイオード４２７
を備える。以下、図５に示す補正回路４２の動作を図６
のタイムチャートを用いて説明する。

【００４４】図６において（ａ）は発振回路４２４の抵
抗４２４ｂとインバータ４２４ｄとの接続点から出力さ
れる発振パルスを表すものである。また、インバータ４
２４ｅからの反転パルスは図６に図示されないが（ａ）
の発振パルスと逆位相のパルスとして出力される。
（ｂ）はコンデンサ４２３が並列接続されている二次電
池セルを表しており、（ｃ）はセル電圧（実線は二次電
池セルＢ₁ の電圧Ｖ₁ 、一点鎖線は二次電池セルＢ₂ の
電圧Ｖ₂ 、点線はコンデンサ４２３の端子電圧）を示し
ている。また、（ｄ）はコンデンサ４２３に流れる電流
（図中正側の実線は端子電圧の高い二次電池セルからコ
ンデンサ４２３へ流れる電流、負側の一点鎖線はコンデ
ンサ４２３から端子電圧の低い二次電池セルへ流れる電
流）を示している。

【００４５】説明の簡単化のため、隣接して直列接続さ
れる２つの二次電池セルＢ₁ （例えば二次電池セル１０
２）および二次電池セルＢ₂ （例えば二次電池セル１０
３）の初期電圧がそれぞれＶ₁₀およびＶ₂₀とする。い
ま、Ｖ₁₀＞Ｖ₂₀であり、また、コンデンサの初期電圧Ｖ
_C0はＶ₁₀＞Ｖ_C0＞Ｖ ₂₀の関係になっているものとする。
ｔ１のタイミングで発振パルスがハイレベルＨ（反転パ
ルスはローレベルＬ）となると、スイッチ素子４２１ａ
及びスイッチ素子４２２ａがオンになり、二次電池セル
Ｂ₁ がコンデンサ４２３に並列接続される。すると、Ｖ
₁₀＞Ｖ_C0なので二次電池セルＢ₁ がコンデンサ４２３を
充電し、両者は等しい電圧Ｖ₁₁（＜Ｖ₁₀，＞Ｖ_C0）にな
る。次にｔ２のタイミングで発振パルスがローレベルＬ
（反転パルスはハイレベルＨ）となると、スイッチ素子
４２１ｂ及びスイッチ素子４２２ｂがオンになり、二次
電池セルＢ₂ がコンデンサ４２３に並列接続される。す
ると、Ｖ₂₀＜Ｖ₁₁なのでコンデンサ４２３が二次電池セ
ルＢ₂ を充電し、両者は等しい電圧Ｖ₂₁（＞Ｖ₂₀，＜Ｖ
₁₁）になる。この結果、二次電池セルＢ₁ と二次電池セ
ルＢ₂ の電圧の差は小さくなり、残存容量のばらつきも
小さくなる。これを、以後自励の発振回路４２４の発振
パルス及び反転パルスに応じて繰り返し続ければ（ｔ
３、ｔ４…）、最終的にＢ₁ とＢ₂ の電圧はほとんど等
しくなり、したがって、残存容量のばらつきを小さくす
ることができる。

【００４６】なお、発振パルスの周波数はコンデンサ４
２３のステップ応答を考慮し、コンデンサ４２３への充
放電電流が０に収束するのを見計らって、発振パルスの
ハイ・ローの切り換えるように設定する。また、発振パ
ルスはデューティ比１：１のパルスであることが好まし
い。また、補正回路４１と補正回路４２は、各スイッチ
素子によって切り換えられる二次電池セルが複数の補正
回路相互間で一致しないように制御することが好まし
い。

【００４７】この補正回路４２を、図４に示すように補
正対象の二次電池セルが重なるように交互に複数接続す
ることにより、多直列の組電池の二次電池セルのばらつ
きを全て小さくすることが可能である。 （第４の実施の形態）図７は本発明の第４の実施の形態
を示す概略回路図である。ばらつき補正回路が隣接する
３直列の二次電池セル相互間のばらつきを小さくするこ
と以外は基本的には第３の実施の形態の２直列回路と同
様の原理でばらつき補正動作を行う。第３の実施の形態
と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

【００４８】本実施の形態のばらつき補正回路は、直列
組電池１０を構成する複数のリチウム二次電池セル（以
下、単に二次電池セルという）１０１、１０２…１０
ｎ、複数の二次電池セルのうちの隣接する３つの二次電
池セルに接続された補正回路５１、５２…から構成され
る。補正回路５１、５２…は、連動する２つのスイッチ
５１１、５１２、５２１、５２２…、この２つの切換ス
イッチに両端子が接続された蓄電手段としてのコンデン
サ４１３、４２３…、２つの切換スイッチの動作タイミ
ングを制御する制御回路５１４、５２４…から構成され
る。

【００４９】補正回路５１における切換スイッチ５１１
は、二次電池セル１０１、１０２、１０３の何れかの正
極側端子の何れか一つに切換可能であり、切換スイッチ
４１２は、二次電池セル１０１、１０２、１０３の何れ
かの負極側端子の何れか一つに切換可能である。この切
換スイッチ５１１、５１２は連動しており、切換スイッ
チ５１１が二次電池セル１０１の正極側端子に切換られ
ている時は、切換スイッチ５１２も二次電池セル１０１
の負極側端子に切換られ、切換スイッチ５１１が二次電
池セル１０２の正極側端子に切換られている時は、切換
スイッチ５１２も二次電池セル１０２の負極側端子に切
換られ、切換スイッチ５１１が二次電池セル１０３の正
極側端子に切換られている時は、切換スイッチ５１２も
二次電池セル１０３の負極側端子に切換られる。これに
より、コンデンサ４１３を並列接続する二次電池セルを
順次選択する。

【００５０】なお、切換スイッチ５１１及び切換スイッ
チ５１２の切換制御は、例えば、制御回路５１４内に発
振回路を設け、発振回路からの発振パルスをカウントし
てカウント値に応じてハイレベルの信号位置が変化する
ことで達成できる。また、遅延回路を３の倍数の奇数個
だけリング状に連結し、複数の遅延回路連結点のうちの
隣接する連結点間に夫々排他的論理和を接続し反転回路
内で遅延信号を周回させることで、遅延信号の周回位置
に相当する排他的論理和のみからハイレベルのパルス信
号を得ることができ、このパルス信号を切換スイッチ５
１１、５１２の制御信号としても達成できる。

【００５１】本実施の形態のばらつき補正回路において
も、各補正回路５１、５２…を補正対象の二次電池セル
が重なるように順々に並列接続する。そして、切換スイ
ッチのオン・オフの繰り返しにより、電圧の高い二次電
池セルからコンデンサ４１３、４２３を介して電圧の低
い二次電池セルに充電されるので、最終的に１０１〜１
０ｎの電圧をほとんど等しくすることができ、残存容量
のばらつきを小さくすることができる。

【００５２】同様の考え方で一つの補正回路で４直列や
５直列・・というように対象二次電池二次電池セルを増
やしたばらつき補正回路を考えることも可能である。こ
の場合、一つの補正回路で多くの二次電池セルを補正す
る方が、トータルの回路数を少なくできるメリットがあ
るが、一つの補正回路の構成が複雑になったり、回路内
部の電位差が大きくなることにより使用できる部品が限
られてコストアップにつながったり絶縁性に問題が生じ
たりするデメリットが考えられるので、これらを考慮し
て構成を決める必要がある。

【００５３】なお、以上の実施の形態に使用する蓄電手
段として、コンデンサ４１３、４２３…の他に二次電池
を用いてもよい。さらに、本発明について直列リチウム
二次電池における実施の形態を示したが、本発明の適用
範囲は前述のようにそれに限定されるものではない。す
なわち、電池については鉛電池やニッケル系電池等の他
の二次電池セルを複数個直並列にした二次電池セルモジ
ュールのような任意の単位電池において、本発明を適用
することにより、それらの残存容量のばらつきを解消
し、その結果過充電や過放電を防ぎながら組電池として
持てるエネルギを十分に引き出すことを可能とすること
ができ、組電池の性能や電池寿命の向上等の効果が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のばらつき補正回路の第１の実施の形態
を示す概略回路図である。

【図２】図１の動作を説明するための概略回路図であ
る。

【図３】本発明のばらつき補正回路の第２の実施の形態
を示す概略回路図である。

【図４】本発明のばらつき補正回路の第３の実施の形態
を示す概略回路図である。

【図５】図４における補正回路の一構成例を示す回路図
である。

【図６】図５の各構成要素の動作タイミングを説明する
タイムチャートである。

【図７】本発明のばらつき補正回路の第４の実施の形態
を示す概略回路図である。

【図８】従来の問題点を説明するための参考図である。

【符号の説明】

１０ 直列組電池 １０１、１０２ １０ｎ リチウム二次電池セル ２０ 分圧回路 ２０１、２０２ ２０ｎ 分圧抵抗 ２１１、２１２ スイッチ ３０１、３０２ ３０（ｎ−１） オペアンプ ３１１、３１２ ３１（ｎ−１） 負帰還抵抗 ３２１、３２２ ３２（ｎ−１） ＮＰＮトランジスタ ３３１、３３２ ３３（ｎ−１） ＰＮＰトランジスタ ４１、４２ ４（ｎ−１） 補正回路 ４１１、４１２、４２１、４２２ スイッチ ４１３、４２３ コンデンサ ４１４、４２４ 発振回路 ４２４ａ コンデンサ ４２４ｂ、４２４ｃ 抵抗 ４２４ｄ、４２４ｅ インバータ ４２５ａ、４２５ｂ、４２５ｃ、４２５ｄ 抵抗 ４２６ 抵抗 ４２７ ツェナーダイオード ５１、５２ 補正回路 ５１１、５１２、５２１、５２２ 切換スイッチ ５１４、５２４ 制御回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電可能な二次電池の単位電池を複数
   個直列に接続して構成され低電位側と高電位側を有する
   組電池、に接続される直列組電池のばらつき補正装置で
   あって、 組電池の電圧をそれを構成する前記単位電池の数に対応
   する数に分圧する分圧手段と、 前記組電池を構成する単位電池の複数の連結点のうちの
   特定の連結点の電位と、前記分圧手段によって得られる
   複数の分圧電位のうちの前記特定の連結点に相当する分
   圧電位とを比較する電位比較手段と、 前記電位比較手段によって比較した結果、分圧電位の方
   が高いと判別した場合は前記特定の連結点より高電位側
   の前記単位電池を放電し、分圧電位の方が低いと判別し
   た場合は前記特定の連結点より低電位側の前記単位電池
   を放電する放電手段とを備えることを特徴とする直列組
   電池のばらつき補正装置。
2. 【請求項２】 前記分圧手段は、前記組電池に並列に接
   続されるとともに、夫々の抵抗値が等しく前記単位電池
   の数と同数の分圧抵抗からなり、各分圧抵抗の複数の連
   結点のうちの特定の連結点の電位が前記電位比較手段に
   よって前記単位電池の特定の連結点と比較されることを
   特徴とする請求項１記載の直列組電池のばらつき補正装
   置。
3. 【請求項３】 前記分圧抵抗の特定の連結点が一方の入
   力に、前記単位電池の特定の連結点が他方の入力に夫々
   接続され、自身の駆動電圧を前記組電池の低電位側及び
   高電位側から得るとともに、自身の出力が前記単位電池
   の特定の連結点に接続された演算増幅器を有し、前記電
   位比較手段および放電手段は夫々前記演算増幅器を共有
   して構成されることを特徴とする請求項２記載の直列組
   電池のばらつき補正装置。
4. 【請求項４】 前記単位電池の特定の連結点は複数あ
   り、前記電位比較手段は、前記複数の特定の連結点に付
   いて、夫々特定の連結点の電位と前記分圧手段によって
   得られる複数の分圧電位のうちの相当する分圧電位とを
   比較することを特徴とする請求項１記載の直列組電池の
   ばらつき補正装置。
5. 【請求項５】 充放電可能な二次電池の単位電池を複数
   個直列に接続して構成され組電池に接続される直列組電
   池のばらつき補正装置であって、 組電池を構成する単位電池のうちの特定の複数の単位電
   池に接続され、当該複数の単位電池の何れか一つと並列
   接続可能な第１の蓄電手段、及び前記第１の蓄電手段が
   並列接続する単位電池を制御信号に応じて切り換える第
   １の並列接続切換手段を有する第１の補正回路と、 組電池を構成する単位電池のうちの前記第１の補正回路
   に接続される単位電池の一部を含む特定の複数の単位電
   池に接続され、当該複数の単位電池の何れか一つと並列
   接続可能な第２の蓄電手段、及び前記第２の蓄電手段が
   並列接続する単位電池を制御信号に応じて切り換える第
   ２の並列接続切換手段を有する第２の補正回路とを有
   し、前記第１の補正回路及び前記第２の補正回路に接続
   された複数の単位電池相互間で電圧差を低減することを
   特徴とする直列組電池のばらつき補正装置。
6. 【請求項６】 前記第１の補正回路と前記第２の補正回
   路は、前記第１の並列接続切換手段によって切り換えら
   れる単位電池と前記第２の並列接続切換手段によって切
   り換えられる単位電池とが一致しないように制御するこ
   とを特徴とする請求項５記載の直列組電池のばらつき補
   正装置。
7. 【請求項７】 前記組電池を構成する前記単位電池は、
   正極及び負極がリチウムイオンを吸蔵放出することが可
   能な物質からなるリチウム系二次電池であることを特徴
   とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の直列組
   電池のばらつき補正装置。
8. 【請求項８】 充放電可能な二次電池の単位電池を複数
   個直列に接続して構成され低電位側と高電位側を有する
   組電池の単位電池間のばらつきを補正する直列組電池の
   ばらつき補正方法であって、 組電池の電圧をそれを構成する前記単位電池の数に対応
   する数に分圧し、前記組電池を構成する単位電池の複数
   の連結点のうちの特定の連結点の電位と、前記分圧手段
   によって得られる複数の分圧電位のうちの前記特定の連
   結点に相当する分圧電位とを比較し、比較した結果、分
   圧電位の方が高いと判別した場合は前記特定の連結点よ
   り高電位側の前記単位電池を放電し、分圧電位の方が低
   いと判別した場合は前記特定の連結点より低電位側の前
   記単位電池を放電することを特徴とする直列組電池のば
   らつき補正方法。
9. 【請求項９】 充放電可能な二次電池の単位電池を複数
   個直列に接続して構成され組電池の単位電池間のばらつ
   きを補正する直列組電池のばらつき補正方法であって、
   組電池を構成する単位電池のうちの特定の複数の単位電
   池相互間の電位差を第１の蓄電手段を介して低減させる
   第１の行程と、前記組電池を構成する単位電池のうちの
   前記特定の複数の単位電池の一部を含む複数の単位電池
   相互間の電位差を第２の蓄電手段を介して低減させる第
   ２の行程とを有し、前記第１の行程と前記第２の行程と
   を繰り返すことにより、複数の単位電池相互間で電圧差
   を低減することを特徴とする直列組電池のばらつき補正
   方法。