(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続されている複数の電池セルを備えた電池を対象に、各電池セル間の充電状態の差を低減する均等化を行う均等化装置において、
複数のスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン／オフにより、隣接する２つの電池セル間別に、該２つの電池セル間でエネルギーを移動できる移動手段と、
前記移動手段に設けられたスイッチング素子を個別にオン／オフできる駆動手段と、
各電池セルの充電状態を表す状態情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報を基に、前記移動手段を用いた前記エネルギーの移動を行うべきか否か判定する判定手段と、
前記エネルギーの移動を行うべきと前記判定手段が判定した場合に、前記複数の電池セルを２つ以上のグループに分け、該グループ毎に、前記駆動手段を制御して、前記移動手段を用いた前記均等化を行う制御手段と、
を具備することを特徴とする均等化装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報から、前記複数の電池セル全体の平均の充電状態を求め、該平均の充電状態を基に、前記グループ毎の前記平均化を行う、
ことを特徴とする請求項１記載の均等化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報から、前記複数の電池セル全体の平均の充電状態を求め、該平均の充電状態を基に、該複数の電池セルを２つ以上のグループに分ける、
ことを特徴とする請求項１、または２記載の均等化装置。
【請求項４】
直列に接続されている複数の電池セルを備えた電池を対象に、各電池セル間の充電状態の差を低減する均等化を行う均等化装置において、
複数のスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン／オフにより、隣接する２つの電池セル間別に、該２つの電池セル間でエネルギーを移動できる移動手段と、
前記移動手段に設けられたスイッチング素子を個別にオン／オフできる駆動手段と、
各電池セルの充電状態を表す状態情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報を基に、前記移動手段を用いた前記エネルギーの移動を行うべきか否か判定する判定手段と、
前記エネルギーの移動を行うべきと前記判定手段が判定した場合に、前記情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報から、前記複数の電池セル全体の平均の充電状態を求め、該平均の充電状態を基に、前記駆動手段を制御して、前記移動手段を用いた前記均等化を行う制御手段と、
を具備することを特徴とする均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続されている複数の電池セルを備えた電池を対象に、各電池セル間の充電状態の差を低減する均等化を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電可能な電池（二次電池）は現在、広く用いられている。１つの電池の端子間に得られる電圧は、比較的に小さいのが実情である。このため、より高い電圧を発生さ電池セル必要のある電池には、構成要素となる電池である電池セルを複数、直列に接続した構成が採用される。
【０００３】
複数の電池セルを直列に接続した構成の電池では、充放電を繰り返すうちに、各電池セルの充電状態にばらつきが発生する。尚、充電状態とは、充電残容量や電池セル電圧等を意味しているが以下、便宜的に充電状態は充電残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を想定する。
【０００４】
このＳＯＣは、電池セルの充電容量に対する充電残量の比率として定義される状態量であり、そのばらつきは、電池セルの過充電、及び過放電を起こす原因となる他に、電池全体に蓄えられた電力のなかで利用できない分をより大きくする原因となる。過充電、及び過放電は、電池セルの性能の劣化を早める。電池セルの性能の劣化は、電池全体の充電容量の低下を招く。このようなことから、複数の電池セルを備えた電池では、各電池セルのＳＯＣ、つまり残量を管理することが行われている。その管理を行う方式の一つに、電池セル間のＳＯＣを動的に制御して均等化するアクティブ・セル・バランス方式がある（特許文献１）。
【０００５】
アクティブ・セル・バランス方式により、各電池セルのＳＯＣを均等化する従来の均等化装置は、隣接する２つの電池セル間でＳＯＣに差のある電池セル間を特定し、ＳＯＣが高い電池セルのエネルギー（電力）をＳＯＣが低い電池セルに移動させることで均等化を行っていた（特許文献１）。しかし、そのような２つの電池セル間でのエネルギーの移動では、電池セル全体での均等化を適切に行えるとは限らない。
【０００６】
均等化は、全ての電池セルのＳＯＣが同じになるように行うことが望まれる。しかし、ＳＯＣが異なる２つの電池セルの平均のＳＯＣは、全ての電池セルの平均のＳＯＣと同じであるとは限らない。このことから、ＳＯＣが異なる２つの電池セル間でエネルギーを移動させるだけでは、ＳＯＣのばらつきの程度をより小さくできても、電池セル全体での均等化は高精度に行うことはできない。以降、便宜的に、全ての電池セルの平均のＳＯＣは「全体平均ＳＯＣ」と呼び、２つの電池セルの平均のＳＯＣは「局所平均ＳＯＣ」と呼ぶことにする。
【０００７】
ＳＯＣが異なる２つの電池セル間の特定、及び特定した２つの電池セル間でのエネルギーの移動を繰り返し行う場合、電池セル全体での均等化の精度をより向上させることができる。しかし、２つの電池セル間でのエネルギーの移動は、２つの電池セルのＳＯＣを局所平均ＳＯＣに近づけるものである。そのため、局所平均ＳＯＣと全体平均ＳＯＣとが一致しない場合、２つの電池セル間でエネルギーを移動させても、ばらつきは残る。このようなこともあり、２つの電池セル間の特定、及び特定した２つの電池セル間でのエネルギーの移動を繰り返し行う方法では、均等化を効率的に行うことは期待できない。これは、その方法では、高精度な均等化には非常に長い時間が必要と見なさなければならないことを意味する。
【０００８】
電池に蓄えられるエネルギーのなかで有効利用できない分を抑えるうえで、各電池セルのＳＯＣのばらつきはより小さくする必要がある。そのばらつきは、放電中であっても発生する。それにより、アクティブ・セル・バランス方式を採用した均等化装置は、必要に応じて均等化を行うことが求められる。これは、例えばモータを動力源として搭載した車両では、停車中、或いはアイドリング中といった短い時間を想定する必要のある状態となっている間に均等化を行わなければならないことを意味する。そのような車両には、非常に多くの電池セルを備えた電池が搭載される。このようなことも考慮すれば、高精度な均等化をより短い時間で行えるようにすることも必要と云える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２２０３７３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４１６４５号公報
【特許文献３】特開平１１−２３４９１７号公報
【特許文献４】特開２００４−０８０９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、電池が有する各電池セルの間の充電状態の差を低減する均等化を高精度、且つ短時間に行うための技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１態様は、直列に接続されている複数の電池セルを備えた電池を対象に、各電池セル間の充電状態の差を低減する均等化を行う均等化装置であり、複数のスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン／オフにより、隣接する２つの電池セル間別に、該２つの電池セル間でエネルギーを移動できる移動手段と、移動手段に設けられたスイッチング素子を個別にオン／オフできる駆動手段と、各電池セルの充電状態を表す状態情報を取得する情報取得手段と、情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報を基に、移動手段を用いたエネルギーの移動を行うべきか否か判定する判定手段と、エネルギーの移動を行うべきと判定手段が判定した場合に、複数の電池セルを２つ以上のグループに分け、該グループ毎に、駆動手段を制御して、移動手段を用いた均等化を行う制御手段と、を具備する。
【００１２】
本発明の他の１態様は、直列に接続されている複数の電池セルを備えた電池を対象に、各電池セル間の充電状態の差を低減する均等化を行う均等化装置であり、複数のスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン／オフにより、隣接する２つの電池セル間別に、該２つの電池セル間でエネルギーを移動できる移動手段と、移動手段に設けられたスイッチング素子を個別にオン／オフできる駆動手段と、各電池セルの充電状態を表す状態情報を取得する情報取得手段と、情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報を基に、移動手段を用いたエネルギーの移動を行うべきか否か判定する判定手段と、エネルギーの移動を行うべきと判定手段が判定した場合に、情報取得手段が電池セル毎に取得した状態情報から、複数の電池セル全体の平均の充電状態を求め、該平均の充電状態を基に、駆動手段を制御して、移動手段を用いた均等化を行う制御手段と、を具備する。
【００１３】
尚、本発明の均等化の対象とする充電状態とは、具体的にはＳＯＣ（充電残容量）、電池セル電圧、放電容量、電荷量等の数値化できる状態である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、電池が有する各電池セルの間の充電状態の差を低減する均等化を高精度、且つ短時間に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態による均等化装置の構成を説明する図である。
【図２】電池の各電池セルの端子間電圧の例を表す図である。
【図３】電池セル監視処理のフローチャートである。
【図４】特許文献１に記載の手法を適用した場合のバランス制御処理のフローチャートである。
【図５】本実施形態による電源セルのグループ化方法を説明する図である。
【図６】グループで行われる均等化を説明する図である。
【図７】本実施形態によるバランス制御処理のフローチャートである。
【図８】グループ化方法の変形例とグループで行われる均等化を説明する図である。
【図９】本実施形態の変形例によるバランス制御処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による均等化装置の構成を説明する図である。
この均等化装置２は、不図示の充電機能により電池１を充電可能な車両、例えば自動車に搭載されたものであり、アクティブ・セル・バランス方式が採用されている。その電池１は、車両の動力源となるモータへの電力の供給に用いられる。そのために電池１は、直列に接続された複数の電池セル１１を備えている。このことから、均等化装置２は、電池１に備えられた電池セル１１間のＳＯＣを動的に制御して均等化（平滑化）するために車両に搭載されている。なお、均等化装置２を搭載する対象は、複数の電池セルを直列に接続した構成の電池１を電力の供給源として用いる物であれば良いことから、車両に限定されない。また、電池１が備えた電池セル１１として４つの電池セル１１ａ〜１１ｄを図１に表しているが、電池セル１１の数は４つに限定されない。実際には、電池１は多数の電池セル１１を備えている。本発明の均等化の対象はＳＯＣ（充電残容量）だけではなく、電池セル電圧、或いは放電容量等の他の充電状態であっても良い。
【００１７】
均等化装置２は、図１に表すように、隣接する２つの電池セル１１間、つまり直接、接続された２つの電池セル１１間でのエネルギーの移動を実現できる移動手段である移動回路２１を備えている。その移動回路２１は、４つの電池セル１１を備えた電池１を対象にする場合、計６つのスイッチング素子２５（２５ａ〜２５ｆ）、及び計３つのインダクタ２６（２６ａ〜２６ｃ）を備えている。それにより均等化装置２は、移動回路２１の他に、移動回路２１の６つのスイッチング素子２５のオン／オフを個別に行う駆動手段としてのスイッチ制御部２２、及びそのスイッチ制御部２２を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２３を備えている。
【００１８】
移動回路２１の各スイッチング素子２５は、１つの電池セル１１の端子間を接続する閉ループ回路を実現させる。各閉ループ回路は、１つのスイッチング素子２５の他に、１つのインダクタ２６を備える。各閉ループ回路のインダクタ２６は、２つの電池セル１１間で移動させるべきエネルギーの蓄積（蓄電）に用いられる。
【００１９】
移動回路２１による２つの電池セル１１間のエネルギーの移動は、以下のようにして行われる。
例えば電池セル１１ａから電池セル１１ｂにエネルギーを移動させる場合、先ず、スイッチング素子２５ａがオンされる。そのスイッチング素子２５ａのオンにより、電池セル１１ａの端子間に閉ループ回路が形成され、電池セル１１ａのプラス側端子からマイナス側端子に、スイッチング素子２５ａ、及びインダクタ２６ａを介して電流が流れる。そのように電流が流れることで、インダクタ２６ａにエネルギー（電力）が蓄えられる。
【００２０】
次に、スイッチング素子２５ａがオフされ、スイッチング素子２５ｂがオンされる。このため、電池セル１１ａの端子間に形成された閉ループ回路は解除され、電池セル１１ｂの端子間に閉ループ回路が新たに形成される。その結果、インダクタ２６ａのエネルギーは、電池セル１１ｂの端子間に形成された閉ループ回路によって、その電池セル１１ｂに蓄えられる。それにより、電池セル１１ａから電池セル１１ｂへのエネルギーの移動が実現される。電池セル１１ｂの端子間に形成された閉ループ回路は、エネルギーを移動させた後、解除される。
【００２１】
一方、電池セル１１ｂから電池セル１１ａにエネルギーを移動させる場合、スイッチング素子２５ａ及び２５ｂは上記とは逆の順序でオン／オフされる。つまり、先ず、スイッチング素子２５ｂがオンされて、電池セル１１ｂの端子間に閉ループ回路が形成され、電池セル１１ｂのエネルギーがインダクタ２６ａに蓄えられる。次に、スイッチング素子２５ｂがオフされ、スイッチング素子２５ａがオンされる。それにより、電池セル１１ｂの端子間に形成された閉ループ回路は解除され、電池セル１１ａの端子間に閉ループ回路が新たに形成される。そのため、インダクタ２６ａのエネルギーは、電池セル１１ａの端子間に形成された閉ループ回路によって、その電池セル１１ａに蓄えられる。この結果、電池セル１１ｂから電池セル１１ａへのエネルギーの移動が実現される。
【００２２】
このように、電池セル１１ａと電池セル１１ｂ間のエネルギーの移動は、スイッチング素子２５ａ、及び２５ｂのオン／オフによって行われる。電池セル１１ｂと電池セル１１ｃ間のエネルギーの移動は、スイッチング素子２５ｅ、及び２５ｆのオン／オフによって行われる。電池セル１１ｃと電池セル１１ｄ間のエネルギーの移動は、スイッチング素子２５ｃ、及び２５ｄのオン／オフによって行われる。そのように２つの電池セル１１間のエネルギーの移動を実現する電池セル移動回路２１は、電池セル１１間のＳＯＣのばらつきを低減する均等化に用いられる。
【００２３】
スイッチ制御部２２は、上記のような２つの電池セル間のエネルギーの移動を行うために、各スイッチング素子２５を個別にオン／オフする駆動手段として実現されている。各スイッチング素子２５のオン／オフは、ＣＰＵ２３の制御に従って行われる。それにより、ＣＰＵ２３は、スイッチ制御部２２を制御する制御手段として機能する。
【００２４】
ＣＰＵ２３は、不揮発性のメモリ２３ａを搭載し、そのメモリ２３ａに格納されたプログラムを実行することで、スイッチ制御部２２を制御する。電池１の各電池セル１１の電圧は、電圧監視部３によって監視され、その監視結果、つまり各電池セル１１の端子間電圧値はＣＰＵ２３に出力される。ＣＰＵ２３は、電圧監視部３から入力する各電池セル１１の端子間電圧値を参照して、均等化を行うべきか否かを判定する。それにより、均等化は、ＣＰＵ２３が均等化を行うべきと判定した場合に行われる。なお、均等化は以降「電池セルバランス」とも呼ぶことにする。
【００２５】
各電池セル１１の端子間電圧値は、ＳＯＣによって変化する。このことから、電圧監視部３から入力される各電池セル１１の端子間電圧値は、ＳＯＣを表す状態情報に相当する。ＣＰＵ２３は、各電池セル１１の端子間電圧値を入力し、２つの電池セル１１間でのエネルギーの移動を行うべきか否かを判定することから、状態情報を取得する情報取得手段、及び電池セルバランスを行うか否かを判定する判定手段としても機能する。
【００２６】
電圧監視部３は、電池１を充電する場合にも、各電池セル１１のＳＯＣを監視するために用いられる。このことから、本実施形態では、電圧監視部３は均等化装置２の構成要素となっていない。しかし、電圧監視部３のような状態情報を生成・出力する手段は、均等化装置２の構成要素としても良い。
【００２７】
図２は、電池の各電池セルの端子間電圧の例を表す図である。ここでは、横軸に電池セル、縦軸に端子間電圧をとっている。電池セル１１の個数を１６として、直列に接続された各電池セル１１を横軸上の位置で表し、各電池セル１１の端子間電圧を個別に棒グラフで表している。
【００２８】
電池１の各電池セル１１のＳＯＣには、充放電を繰り返すうちにばらつきが発生し、そのばらつきは、図２に表すように、各電池セル１１の端子間電圧値の違いとして現れる。このことから、ＣＰＵ２３は、電圧監視部３から入力した各電池セル１１の端子間電圧値を参照して、その端子間電圧値の最大値、最小値を抽出し、抽出した最大値と最小値の差が閾値以上か否かにより、均等化を行うか否か判定する。電圧監視部３は、各電池セル１１の端子間電圧値を、例えば予め定めた時間が経過する度に出力するか、或いはＣＰＵ２３からの要求によって出力する。ここでは便宜的に、ＣＰＵ２３は必要に応じて、電圧監視部３から各電池セル１１の端子間電圧値を取得すると想定する。
【００２９】
図３は、電池セル監視処理のフローチャートである。この電池セル監視処理は、電圧監視部３から各電池セル１１の端子間電圧値を取得し、取得した各電池セル１１の端子間電圧値から均等化を行うべきか否か判定し、その判定結果に応じて均等化を行うための処理である。この監視処理は、ＣＰＵ２３がメモリ２３ａに格納されたプログラムを実行することで実現される。この監視処理は、自動車等の車両では、アイドリング時、或いは停車時であることを前提に、予め定めた条件が満たされた場合に実行される。ここで図３を参照して、電池セル監視処理について詳細に説明する。なお、予め定めた条件が満たされるとは、例えば前回、電池セル監視処理を実行してからの経過時間、移動距離、及び消費電力量のうちの少なくとも１つが、設定された閾値以上となることである。
【００３０】
先ず、ＣＰＵ２３は、電圧監視部３が各電池セル１１の端子間電圧を測定することで得られる各電池セル１１の端子間電圧値を入力する（Ｓ１）。次にＣＰＵ２３は、入力した各電池セル１１の端子間電圧値から最大値、及び最小値を抽出し、その差を計算する（Ｓ２）。
【００３１】
最大値と最小値の差を計算した後、ＣＰＵ２３は、その差が閾値以上か否か判定する（Ｓ３）。その差が閾値未満であった場合、Ｓ３の判定はＮＯとなり、ここで電池セル監視処理が終了する。一方、その差が閾値以上であった場合、Ｓ３の判定はＹＥＳとなってＳ４に移行する。
【００３２】
Ｓ４では、ＣＰＵ２３は、均等化（電池セルバランス）を行うためのバランス制御処理を実行する。その実行後は、上記Ｓ１に戻る。
Ｓ４のバランス制御処理としては、以下のような処理が実行される。ここでは、本実施形態との相違をより理解できるように、特許文献１に記載の手法を適用した場合の処理も併せて説明する。
【００３３】
図４は、特許文献１に記載の手法を適用した場合のバランス制御処理のフローチャートである。始めに図４、及び図２を参照して、その場合のバランス制御処理について詳細に説明する。
【００３４】
先ず、ＣＰＵ２３は、各電池セル１１の端子間電圧値から、エネルギーを移動させる２つの電池セル間１１を選択し、選択した２つの電池セル１１間毎に、それらの端子間電圧値の差（電位差）から、対応するスイッチング素子２５のスイッチング制御を行ううえでのパルス周波数、及びその１周期のなかでスイッチング素子２５をオンさせる比率であるデューティ（Ｄｕｔｙ）比を計算し設定する（Ｓ１１）。
【００３５】
なお、２つの電池セル１１間で予め想定した量のエネルギーを移動させるような場合、パルス周波数、及びデューティ比のうちの一方を固定とし、他方を電池セル１１の内部抵抗の値、或いは温度から設定しても良い。電池１には、温度が高くなるほど、電解質の粘性は低くなって、電荷移動速度は大きくなり、内部抵抗の値は小さくなるという特性がある。このため、内部抵抗の値、及び温度は、パルス周波数、或いはデューティ比を設定するうえでの指標として用いることができる。
【００３６】
次に、ＣＰＵ２３は、選択した２つの電池セル１１間毎に、設定したパルス周波数、デューティ比でスイッチング制御を行い、２つのスイッチング素子２５のオン／オフによるエネルギーの移動を行う。その後、このバランス制御処理が終了する。
【００３７】
図２において、隣接する２つの電池セル１１間の間に表記の矢印は、実際に選択された２つの電池セル１１の間で行われるエネルギーの移動方向を表している。図２に表すように、２つの電池セル１１間の選択は、全体として、各電池セル１１の端子間電圧値のばらつきがより小さくなるように、つまりより狭い範囲内に各電池セル１１の端子間電圧値が収まるように行われる。
【００３８】
そのように２つの電池セル１１間を選択し、それらの間のエネルギーの移動を適切に行っても、各電池セル１１の端子間電圧値は高精度に一致するとは限らない。これは、２つの電池セル１１間でのエネルギーの移動は、その２つの電池セル１１の端子間電圧値を一致させるとしても、その端子間電圧値を他の電池セル１１の端子間電圧値と一致させるのを保証しないからである。エネルギー移動後の端子間電圧値は、選択される２つの電池セル１１に依存し、選択される２つの電池セル１１の各端子間電圧値は様々である。
【００３９】
図３に表す電池セル監視処理では、バランス制御処理の実行後、Ｓ１に戻ることから、各電池セル１１の端子間電圧値から抽出される最大値と最小値の差が閾値未満となるまで、バランス制御処理が繰り返し実行される。それにより、各電池セル１１の端子間電圧値は、その最大値と最小値の差が閾値未満となる範囲内に収めることができる。しかし、その最大値と最小値の差が閾値未満に収束するまでの繰り返し回数は、閾値の大きさ、各電池セル１１の端子間電圧値のばらつき状態に大きく依存する。
【００４０】
例えば閾値が小さくなるほど、繰り返し回数はより多くなる。また、例えば最大値の端子間電圧値となっている電池セル１１の周辺に高い端子間電圧値の電池セル１１が集中している場合、１回のバランス制御処理の実行による最大値の減少は僅かとなることから、繰り返し回数は多くなる傾向にある。このようなことから、特許文献１に記載の手法では、均等化を効率的に行うことは期待できない。それにより、本実施形態では、高精度の均等化を効率的に行うために、電池セル１１を複数のグループに分け、グループ単位で均等化を行うようにしている。
【００４１】
電池セル１１を複数のグループに分け、グループ単位で均等化を行うことは、より少ない数の電池セル１１を並行して均等化を行うことを意味する。そのようなグループ化により、電池１全体の均等化に要する時間は、グループのなかで最も均等化に要する時間と一致するか、或いは近いものとなる。そのため、単に２つの電池セル１１間でのエネルギーの移動を個別に行うような場合と比較して、均等化に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００４２】
均等化は、電池セル１１間の端子間電圧値のばらつきがより小さくなるように行うことが望まれる。このことから、グループ単位の均等化は、全ての電池セル１１の端子間電圧値の平均値を計算し、計算した平均値に各電池セル１１の端子間電圧値を一致させるように行うようにしている。
【００４３】
２つの電池セル１１間の端子間電圧値に着目した均等化では、電池セル１１の端子間電圧値のばらつき状態は考慮されないことから、均等化を行っている間に、同じ２つの電池セル１１を対象にしたエネルギーの移動が複数、行われる可能性は非常に高い。しかし、各電池セル１１の端子間電圧値の目標値（平均値）を設定し、その目標値に各電池セル１１の端子間電圧値を一致させるように行う均等化では、同じ２つの電池セル１１を対象にしたエネルギーの移動を複数、行うことは回避することができる。このことから、均等化は高精度に行えると共に、均等化を効率的に進めることができるようになる。効率的に均等化が行えることにより、その均等化に要する時間も大幅に短縮される。グループ化は、上記のように、均等化に要する時間をより短縮させる。これらのことから、本実施形態では、極めて短時間で均等化を行えるようにしつつ、高い精度も実現させている。
【００４４】
図５は、電源セルのグループ化方法を説明する図である。図５でも図２と同様に、横軸に電池セル、縦軸に端子間電圧をとっている。電源セル１１を分けるグループ６２は破線で囲った枠により表している。それにより、図５に表すグループ化の例は、電池１を構成する１６個の電源セル１１を４つのグループ６１ａ〜６２ｄに分けた場合のものとなっている。
【００４５】
図５に表すようなグループ化は、各電源セル１１の端子間電圧値から計算した端子間電圧値の平均値に着目して行われる。図５の直線６１は、端子間電圧値の平均値を表している。それにより、以降、直線６１は「平均値６１」と表記する。
【００４６】
平均値６１に着目したグループ化は、グループ６２に属する電源セル１１の端子間電圧値の平均値（以降、平均値６１との相違を明確にするために「グループ平均値」と表記）が平均値６１と許容範囲内で一致するように行う。これは、グループ６２単位の均等化の終了により、電池１全体の均等化が終了するようにするためである。それにより、均等化に要する時間は、グループ６２のなかで均等化に最も時間がかかるグループ６２の時間となる。
【００４７】
なお、エネルギーの移動は、局所的には隣接する２つの電池セル１１間で行われることから、グループ化は、同じグループ６２に属する電池セル１１の間に他のグループ６２に属する電池セル１１が直列に接続されることがないように行われる。それにより、図５に表すように、同じグループ６２に属する電池セル１１は連続して直列に接続された形となっている。
【００４８】
図６は、グループで行われる均等化を説明する図である。図６では、各電源セル１１の端子間電圧値のばらつきが異なる２つのグループ６２を例にとって、グループ６２毎に均等化の手順を表している。
【００４９】
図６（ａ）に表すグループ６２では、４つの電源セル１１ａ〜１１ｄのなかで端に位置に隣接する２つの電源セル１１ａ及び１１ｂの端子間電圧値は平均値６１と許容範囲内で一致している。そのため、図６（ａ）中の矢印で表すように、グループ６２の均等化では、電源セル１１ｄから電源セル１１ｃへのエネルギーの移動のみが行われる。そのエネルギーの移動により、グループ６２に属する全ての電源セル１１ａ〜１１ｄの端子間電圧値は平均値６１と許容範囲内で一致するように高精度に均等化される。
【００５０】
図６（ｂ）に表すグループ６２では、４つの電源セル１１ａ〜１１ｄのなかで中央に位置に隣接する２つの電源セル１１ｂ及び１１ｃの端子間電圧値は平均値６１と許容範囲内で一致している。しかし、その２つの電源セル１１ｂ、及び１１ｃの両側には、端子間電圧値が平均値６１と許容範囲内で一致しない電源セルａ及び１１ｄが存在する。そのため、図６（ｂ）中の矢印で表すように、グループ６２の均等化では、例えば電源セル１１ｄから電源セル１１ｃへのエネルギーの移動→電源セル１１ｃから電源セル１１ｂへのエネルギーの移動→電源セル１１ｂから電源セル１１ａへのエネルギーの移動、の順にエネルギーの移動が行われることとなる。そのような順序で行われるエネルギーの移動により、グループ６２に属する全ての電源セル１１ａ〜１１ｄの端子間電圧値は平均値６１と許容範囲内で一致するように高精度に均等化される。
【００５１】
図７は、本実施形態によるバランス制御処理のフローチャートである。次に図７を参照して、本実施形態によるバランス制御処理について詳細に説明する。
先ず、ＣＰＵ２３は、図３のＳ１で電圧監視部３から入力した各電池セル１１の端子間電圧値を用いて、端子間電圧値の平均値６１を計算する（Ｓ２１）。次にＣＰＵ２３は、計算した平均値６１を各電池セル１１の端子間電圧値と比較することにより、端子間電圧値が平均値６１と許容範囲内で一致しない電池セル１１（図７中「平均以上・以下のセル」と表記）を抽出する。その比較時には、抽出の対象となる電池セル１１毎に、端子間電圧値と平均値６１の差（電位差）を計算する（以上Ｓ２２）。
【００５２】
電池セル１１の抽出を行った後、ＣＰＵ２３は、電池１の全電池セル１１を対象に、連続して直列に接続された数電池セル１１（図７中「隣接した数セル」と表記）で計算した電位差の累計値が０になるように分けることでグループ化する（Ｓ２３）。グループ化を行った後、ＣＰＵ２３は、各グループを均等化の制御単位として、グループ毎に、エネルギーの移動を行うべき電池セル１１の範囲を決定する（Ｓ２４）。
【００５３】
連続して直列に接続された数電池セル１１の電位差の累計値が０、或いは０に近い値になるとは限らない。グループ６２に属する電池セル１１の上限数を大きくすれば、その電位差の累計値は０に近い値になる可能性が高くなる。しかし、均等化に要する時間は、グループ６２に属する電池セル１１の数が多くなるほど、より長くなる傾向にある。このことから、本実施形態では、上限数は比較的に小さい数に設定し、累計値をグループ６２に属する電池セル１１の数で割った値がより小さくなるように、言い換えればグループ平均値が平均値６１とより近くなるようにグループ化を行うようにしている。それにより、グループ６２で均等化を行う基準は、実際にはグループ平均値となる。平均値６１を実際に基準として用いるのは、平均値６１とグループ平均値が許容範囲内で一致するように理想的にグループ化を行えた場合となる。
【００５４】
グループ６２に属する電池セル１１のなかで何れかの端に位置する電池セル１１の端子間電圧値がグループ平均値に許容範囲内で一致する場合、その端に位置する電池セル１１はエネルギーの移動を行う対象から除外される。その端に位置する電池セル１１と隣接する電池セル１１の端子間電圧値がグループ平均値と許容範囲内で一致する場合には、その隣接する電池セル１１もエネルギーの移動を行う対象から除外される（図６（ａ））。エネルギーの移動を行うべき電池セル１１の範囲は、そのようにエネルギーの移動を行う対象から除外すべき電池セル１１を除外する形で設定される。
【００５５】
グループ６２毎に、エネルギーの移動を行うべき電池セル１１の範囲を決定すると、次にＣＰＵ２３は、グループ６２毎に、エネルギーを移動させる２つの電池セル１１（図７中「隣接セル対」と表記）の電位差から、対応するスイッチング素子２５のスイッチング制御を行ううえでのパルス周波数、及びその１周期におけるデューティ比を計算し設定する（Ｓ２５）。その後、ＣＰＵ２３は、グループ６２毎に、エネルギーの移動を行うべき電池セル１１の範囲を対象にしたスイッチング制御を実行し、複数のスイッチング素子２５を順次オン／オフさせることによるエネルギーの移動を行う（Ｓ２６）。全てのグループ６２のスイッチング制御を終了した後、このバランス制御処理が終了する。
【００５６】
グループ６２単位の均等化により、異なる２つの電池セル１１間のエネルギーの移動が順次、行われることから、２つの電池セル１１間の電位差はそれまでに行われたエネルギーの移動結果、及びその後に行うべきエネルギーの移動を考慮したものとなる。例えば図６（ｂ）に表すグループ６２では、電池セル１１ｃ、及び１１ｂの各端子間電圧値はほぼ等しいが、電池セル１１ｃ、及び１１ｂを介して、電池セル１１ｄのエネルギーを電池セル１１ａまで移動させなければならない。このことから、電池セル１１ｄ及び１１ｃ間のエネルギーの移動を最初に行う場合、電池セル１１ｄ及び１１ｃ間の電位差は、それらの間の電位差の他に、電池セル１１ｄから移動させるべきエネルギー量を考慮したものとなる。電池セル１１ｃ及び１１ｂ間の電位差は、エネルギーの移動後の電池セル１１ｃの端子間電圧値と、エネルギーの移動を行う前の電池セル１１ｂの端子間電圧値との差の他に、電池セル１１ｃから移動させるべきエネルギー量を考慮したものとなる。そのような電位差を想定して、２つの電池セル１１間のエネルギーの移動を行うことにより、各グループ６２に属する電池セル１１は、端子間電圧値が平均値６１、或いはグループ平均値と一致するように均等化される。
【００５７】
なお、本実施形態では、各電池セル１１の端子間電圧値を平均値６１に近づけるように均等化を行っていることから、均等化を行う指標として電池セル１１の端子間電圧を採用している。しかし、指標は、電圧以外の状態量であっても良い。つまり指標はＳＯＣであっても良く、充電残容量、放電容量、或いは電荷量であっても良い。電池セル１１の充電残容量、放電容量、及び電荷量は、電池セル１１からの電荷の流れ、及び電池セル１１への電荷の流れを監視することで特定できることから、それら電荷の流れの監視結果、或いはその監視結果を用いて得られる積算結果を状態情報として採用しても良い。
【００５８】
また、本実施形態では、グループ平均値が平均値６１と一致させるようにグループ化を行っているが、グループ化は予め定めた規則に沿って行うようにしても良い。つまりグループ化は、グループ平均値を平均値６１に近づけることを重視せずに行っても良い。
【００５９】
ここで、図８及び図９を参照し、予め定めた規則に沿ったグループ化の変形例について具体的に説明する。図８は、グループ化方法の変形例とグループで行われる均等化を説明する図である。図９は、グループ化方法の変形例が適用された場合のバランス制御処理のフローチャートである。
【００６０】
図８に表すグループ化方法の変形例は、電池１全体の電池セル１１を２つのグループ６２に分ける場合のものである。グループ６２で行われる均等化の手順を説明するために、図８では、時刻ｔ０〜ｔ３での電池１の状態を各電池セル１１の端子間電圧値により表している。時刻ｔ０の状態は均等化を開始する前の状態（初期状態）、時刻ｔ１の状態は均等化を開始した後の状態、時刻ｔ２の状態は時刻ｔ１より後の状態、時刻ｔ３の状態は均等化終了時の状態、をそれぞれ表している。その図８に表すように、変形例では、エネルギーの移動は電池１の両端に位置する電池セル１１からそれぞれ内側に向かって順次、行うことを想定している。
【００６１】
電池１全体の電池セル１１は、その数に応じて、同じ数、或いはほぼ同じ数で２つのグループ６２に分けられる。時刻ｔ１の状態で描いた破線は、２つのグループ６２の境界を表している。
【００６２】
そのように２つのグループに分ける場合、各グループ６２に属する電池セル１１の実際の数は比較的に大きくなる。そのため、各グループ６２のグループ平均値は平均値６１と高い精度で一致していると見なすことができる。それにより、電池１の電池セル１１の端子間電圧値は、時刻ｔ１及びｔ２の状態で表すように、電池１の両端から順次、平均値６１と一致するように均等化される。均等化終了時には、全ての電池セル１１の端子間電圧値は平均値６１と高い精度で一致している状態となる。時刻ｔ２の状態は、各グループ６２で２つの電池セル１１間の最後のエネルギーの移動を行う前の状態である。
【００６３】
図８に表すようにグループ化を行い、エネルギーの移動を行うようにした場合、図３のＳ４として、例えば以下のようなバランス制御処理を実行すれば良い。そのバランス制御処理について、図９を参照して詳細に説明する。
【００６４】
先ず、ＣＰＵ２３は、図３のＳ１で電圧監視部３から入力した各電池セル１１の端子間電圧値を用いて、端子間電圧値の平均値６１を計算する（Ｓ３１）。次にＣＰＵ２３は、エネルギーを移動させる２つの電池セル１１間を決定し、その２つの電池セル１１間の電位差から、対応するスイッチング素子２５のスイッチング制御を行ううえでのパルス周波数、及びその１周期におけるデューティ比を計算し設定する（Ｓ３２）。その後、ＣＰＵ２３は、設定したパルス周波数、及びデューティ比を用いて、決定した２つの電池セル１１間でエネルギーを移動させるためのスイッチング制御を実行する（Ｓ３３）。２つの電池セル１１間の電位差は、上記のように、それまでに行われたエネルギーの移動結果、及びその後に行うべきエネルギーの移動を考慮したものである。
【００６５】
スイッチング制御を実行したＣＰＵ２３は、次に、全ての２つの電池セル１１間（図９中「全てのセル対」と表記）がバランスしたか否か判定する（Ｓ３４）。エネルギーの移動は、電池１の両端に位置する電池セル１１をそれぞれ起点とし、グループ６２の境界に接する電池セル１１をそれぞれ終点とする。それにより、各グループ６２の均等化は、終点となる電池セル１１を含む２つの電池セル１１間のエネルギーの移動を行うことで終了する。このことから、Ｓ３４の判定は、直前にＳ３３で実行したスイッチング制御により２つのグループ６２で終点となる電池セル１１を含む２つの電池セル１１間のエネルギーの移動が終了していない場合、ＮＯとなる。その場合、上記Ｓ３２に戻り、エネルギーを移動させる２つの電池セル１１間の決定が行われる。
【００６６】
一方、直前にＳ３３で実行したスイッチング制御により２つのグループ６２で終点となる電池セル１１を含む２つの電池セル１１間のエネルギーの移動が終了した場合、Ｓ３４の判定はＹＥＳとなる。その場合、電池１の全ての電池セル１１を対象にした均等化が完了したとして、ここでバランス制御処理が終了する。
【００６７】
上記のように、図３に表す電池セル監視処理では、バランス制御処理の実行後、Ｓ１に戻ることから、各電池セル１１の端子間電圧値の測定結果を用いた均等化の結果の確認が行われることとなる。それにより、１回のバランス制御処理の実行により均等化が適切に行えなかった場合、再度、バランス制御処理が実行されることとなる。しかし、均等化は、図８に表すように高精度に行えることから、再度のバランス制御処理の実行は非常に高い確率で回避される。
【００６８】
上記変形例では、グループ６２の境界に接する電池セル１１を終点とするエネルギーの移動を行うようにしているが、その境界に接する電池セル１１を終点としなくとも良い。その境界に接する電池セル１１の端子間電圧値が平均値６１と許容範囲内で一致するような場合、その電池セル１１と直接、接続された電池セル１１を終点としても良い（図６（ａ））。境界に接する電池セル１１、及びそれに連なる１つ以上の電池セル１１の端子間電圧値が平均値６１と許容範囲内で一致するような場合、それらの電池セル１１を全てエネルギーの移動を行う対象から除外しても良い。
【００６９】
上記変形例を含む本実施形態では、各グループ６２内でエネルギーの移動を行っているが、グループ６２間でエネルギーの移動を必要に応じて行うようにしても良い。そのようなグループ６２間のエネルギーの移動を必要に応じて行うようにした場合、グループ６２間のグループ平均値のばらつきにも対応することができる。このため、平均値６１を考慮したグループ化を行うか否かに係わらず、各グループ６２の均等化を高精度に行えるようになる。
【符号の説明】
【００７０】
１    電池
２    均等化装置
３    電圧監視部
１１、１１ａ〜１１ｄ    電池セル
２１    移動回路
２２    スイッチ制御部
２３    ＣＰＵ
２３ａ    メモリ
２５、２５ａ〜２５ｆ    スイッチング素子
２６、２６ａ〜２６ｃ    インダクタ
６１    平均値
６２、６２ａ〜６２ｄ    グループ
【図１】
0005482809.tif 000002
【図３】
0005482809.tif 000003
【図４】
0005482809.tif 000004
【図７】
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【図９】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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