(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に単電池が複数個接続され、前記単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法であって、所定時間毎に前記スイッチの全てをオフとした状態で前記電圧測定回路により前記単電池電圧を測定し、
前記単電池電圧と前記組電池の平均単電池電圧との電圧差及び前記単電池電圧と前記組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして前記各スイッチをオンとするオン時間の時間幅を演算し、
前記演算された時間幅の間、前記スイッチをオンとして前記単電池を前記容量調整用抵抗に放電させて容量を調整する、
ステップを含むことを特徴とする組電池の容量調整方法。
【請求項２】
前記オン時間の時間幅を演算する演算式が下記演算式（１）乃至演算式（４）の何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載の組電池の容量調整方法。
【数１】
0003684998.tif 000004
【請求項３】
前記演算された時間幅が負の値をとるときに該時間幅の値を０に補正し、前記演算された時間幅の値が予め設定され前記所定時間より短い設定時間の値より大きいときに該設定時間の値に補正する補正ステップを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の組電池の容量調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は組電池の容量調整方法に係り、特に直列に単電池が複数個接続され、単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、単電池を直列に複数個接続した組電池では、充放電において単電池の充電レベルが何らかの原因で平均値からずれた場合に、平均値からずれた単電池が過充電又は過放電となり、組電池の放電性の低下や過放電での寿命低下といった組電池固有の問題を招く。
【０００３】
これらの問題を防止するために、組電池を構成する各単電池には、単電池の電池電圧を測定（検出）する単電池電圧測定（検出）回路と、スイッチを介して単電池の容量を調整する容量調整用抵抗と、が並列に接続されている。そして、単電池電圧測定回路で単電池の電池電圧を測定した後、電池電圧が高い単電池に接続されたスイッチをオンとすることで、容量調整用抵抗に当該電池電圧が高い単電池の電流を流して放電させ、組電池を構成する各単電池間の電圧差を少なくする容量調整方法が用いられている。この容量調整方法は上述した組電池固有の問題を防止することが可能なことから、従来から組電池の容量調整方法として一般に用いられてきた。
【０００４】
また、開路電圧と充電レベルとの相関性が高い非晶質系炭素を負極活物質に用いたリチウムイオン電池を単電池とした組電池では、各リチウムイオン電池の電池電圧を組電池を構成するリチウムイオン電池の平均電池電圧に近づける制御が行われている。すなわち、組電池を構成するリチウムイオン電池の平均電池電圧より高いリチウムイオン電池のスイッチを一定時間の間オンとし、平均電池電圧より低いリチウムイオン電池のスイッチをオフとすることにより各リチウムイオン電池の容量を調整する容量調整方法が用いられている。
【０００５】
更に、リチウムイオン電池を単電池とした組電池では、過充電により単電池が異常発熱等の電池異常状態に陥るので、単電池の異常状態を招かないためにも過充電状態を検出する過充電検出機能が更に付加されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池の電圧を組電池の平均単電池電圧に近づけるようにスイッチをオンオフ制御する従来の容量調整方法では、単電池の電圧のバラツキがまだ大きい、という課題を有している。
【０００７】
また、リチウムイオン電池を単電池とした組電池では、いずれかのリチウムイオン電池の充電レベルが平均値からずれたときに電池異常状態と判断し、電池の安全性を確保するために過充電検出機能が早期に作動して、満充電前にリチウムイオン電池の充電を停止させてしまう場合があった。
【０００８】
本発明は上記事案に鑑み、組電池を構成する単電池の電圧バラツキを少なくして容量差を小さくすることができる組電池の容量調整方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、直列に単電池が複数個接続され、前記単電池に該単電池の電圧を測定する電圧測定回路とスイッチを介して該単電池の容量を調整するための容量調整用抵抗とがそれぞれ並列に接続された組電池の容量調整方法であって、所定時間毎に前記スイッチの全てをオフとした状態で前記電圧測定回路により前記単電池電圧を測定し、前記単電池電圧と前記組電池の平均単電池電圧との電圧差及び前記単電池電圧と前記組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして前記各スイッチをオンとするオン時間の時間幅を演算し、前記演算された時間幅の間、前記スイッチをオンとして前記単電池を前記容量調整用抵抗に放電させて容量を調整する、ステップを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、所定時間毎にスイッチの全てをオフとした状態で電圧測定回路により単電池電圧を測定し、スイッチをオンとして単電池を容量調整用抵抗に放電させるオン時間の時間幅を、単電池電圧と組電池の平均単電池電圧との電圧差及び単電池電圧と組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を制御パラメータとして比例制御及び積分制御するので、単電池の電圧を組電池の単電池平均電圧に近づけるようにスイッチを単純にオンオフ制御する容量調整方法に比べ、組電池を構成する各単電池電圧のバラツキを小さくすることができると共に、単電池の容量調整精度を向上させることができる。
【００１１】
このようなオン時間の時間幅は、下記演算式（１）〜（４）の何れかに示す演算式により求めることができる。
【００１２】
【数２】
0003684998.tif 000002
【００１３】
このとき、演算された時間幅の値が負となるときに該時間幅の値を０に補正し、演算された時間幅の値が予め設定され前記所定時間より短い設定時間の値より大きいときに該設定時間の値に補正するようにすれば、現実に容量調整可能なオン時間の時間幅を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能なバッテリパックの実施の形態について説明する。
【００１５】
（構成）
図１に示すように、本実施形態のバッテリパック１０は、単電池としてのリチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍが複数個直列に接続された組電池１を備えている。
【００１６】
リチウムイオン電池１１のプラス側にはスイッチＳＷの一端が接続されており、スイッチＳＷの他端にはリチウムイオン電池１１の容量を調整するための容量調整用抵抗Ｒの一端が接続されている。容量調整用抵抗Ｒの他端はリチウムイオン電池１１のマイナス側に接続されている。従って、容量調整用抵抗ＲはスイッチＳＷを介してリチウムイオン電池１１に並列に接続されている。
【００１７】
スイッチＳＷは図示しない抵抗及びＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含むハードウエア回路で構成されている。すなわち、ＦＥＴのゲートに微弱な２値ハイレベル信号が入力されている状態では、ＦＥＴのドレイン側からソース側に電流が流れるのでスイッチＳＷはオンとなり、ＦＥＴのゲートに２値ローレベル信号が入力されている状態では、ドレイン側からソース側には電流が流れないのでスイッチＳＷはオフとなる回路構成である。
【００１８】
また、リチウムイオン電池１１には、リチウムイオン電池１１の両端電圧（単電池電圧）を検出・計測する電圧検出回路３１がリチウムイオン電池１１と並列に接続されている。この電圧検出回路３１は、リチウムイオン電池１１の両端電圧を検出する検出回路部とこの検出回路部で検出した両端電圧のアナログ値をデジタル値に変換するＡＤ変換部とで構成されている。検出回路部はオペアンプ及び抵抗で構成されており、増幅率が１の差動増幅回路である。ＡＤ変換部は比較器、Ｄ／Ａ及びコントロールロジックで構成されており、検出回路部から出力されたリチウムイオン電池１１の電圧をサンプルホールドし、量子化及び符号化を実行する回路である。
【００１９】
そして、リチウムイオン電池１２・・・１ｍにも、リチウムイオン電池１１と同様に、スイッチＳＷを介して容量調整用抵抗Ｒ及び電圧検出回路３２・・・３ｍがそれぞれ並列に接続されている。なお、各リチウムイオン電池１２・・・１ｍに並列接続されたスイッチＳＷ、電圧検出回路３２・・・３ｍは、リチウムイオン電池１１に並列接続されたスイッチＳＷ、電圧検出回路３１とそれぞれ同一回路構成であり、これらのスイッチＳＷに各々直列接続された容量調整用抵抗Ｒの抵抗値を含む公称抵抗特性もリチウムイオン電池１１のスイッチＳＷに直列接続された容量調整用抵抗Ｒと同一である。
【００２０】
また、バッテリパック１０は、バッテリパック１０を制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）４を備えている。マイコン４は、演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び種々の設定値等を格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ及び外部との入出力信号のポートとなる入出力インターフェース等を含んで構成されている。
【００２１】
上述した電圧検出回路３１、３２・・・３ｍはマイコン４のＡＤ変換入力ポートに接続されている。従って、電圧検出回路３１、３２・・・３ｍは並列に接続されたリチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍの両端電圧を検出しＡＤ変換してマイコン４に出力する。このため、マイコン４は組電池を構成する各リチウムイオン電池の各々の電圧値を取り込むことが可能な構成とされている。また、各スイッチＳＷはマイコン４の出力ポートに接続されている。従って、マイコン４から微弱電流の２値ハイレベル信号が出力されたスイッチＳＷはオン状態となり、２値ローレベル信号が出力されたスイッチＳＷはオフ状態となる。
【００２２】
また、バッテリパック１０は、リチウムイオン電池１１のプラス側と組電池１のプラス端子との間に挿入され、組電池１の充電、放電及び休止状態を検出して組電池１の状態をマイコン４に出力する充放電判別部２を備えている。充放電判別部２はマイコン４に接続されており、シャント（分路）抵抗により組電池１を流れる電流方向を検出し、組電池１が充電、放電、休止のいずれの状態にあるかをマイコン４へ出力する構成である。なお、単電池１ｍのマイナス側はバッテリパック１０のマイナス端子に接続されており、バッテリパック１０のプラス端子及びマイナス端子は充電器又は負荷に接続される。
【００２３】
（動作）
次に、フローチャートを参照して本実施形態のバッテリパック１０の動作について、組電池１が充電状態にある場合を想定して説明する。なお、初期状態においてマイコン４に電源が投入されると、ＲＯＭに格納された種々の設定値はＲＡＭに移行されルーチン処理が可能な状態となり、充放電判別部２から出力された組電池１が充電状態にある場合に、以下の充電制御ルーチンが実行される。
【００２４】
図２に示すように、充電制御ルーチンでは、まずステップ１０２において、マイコン４の出力ポートから出力する２値信号の出力レベルをすべてローレベルとする。これによりリチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍに接続されたスイッチＳＷはすべてオフとなる（図１に示す状態）。
【００２５】
次のステップ１０４では、全てのスイッチＳＷをオフとするオフ設定時間（例えば、全スイッチＳＷをオフとした後の１秒間）が経過するまで待機し、ステップ１０６において、電圧検出回路３１、３２・・・３ｍから出力された電圧値をリチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍのそれぞれの両端電圧値として取り込む。これにより、スイッチＳＷによる過渡現象を排除して各リチウムイオン電池の正確な電圧を検出することができる。なお、オフ設定時間は、マイコン４内の図示しない内部時計で計測することができる。
【００２６】
次にステップ１０８では、全てのスイッチＳＷのオン時間の時間幅を下記演算式（１）〜（４）のうちいずれか１つの演算式で演算してＲＡＭに格納する。すなわち、例えば演算式（２）を使用する場合には、全てのスイッチＳＷのオン時間の時間幅を演算式（２）で演算して、ＲＡＭに格納する。
【００２７】
【数３】
0003684998.tif 000003
【００２８】
これらの演算式は、スイッチＳＷのオン時間の時間幅を、各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池１を構成する平均のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、あるいは各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池１を構成するリチウムイオン電池のうち最小のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、の一方又は両方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとしてスイッチＳＷのオン時間をそれぞれ演算するものである。これらの演算式（１）〜（４）で定数１及び定数２は、リチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍの電池容量、電池特性、電圧検出時間の間隔及び容量調整用抵抗Ｒの抵抗値により最適値が変化するので、これらの条件に合わせて最適値を選定するようにすればよい。
【００２９】
ステップ１１０では、演算されたオン時間が負の値をとることがあるため負の値を採る場合にはリチウムイオン電池の容量調整が実現不能なことから、ステップ１０８でＲＡＭに格納したオン時間が負の値をとるときに、オン時間を０とする補正を行う。
【００３０】
次のステップ１１２では、オン時間が正の値を採るスイッチＳＷ（以下、対象スイッチという。）をオン時間の間オン状態として対象スイッチに接続されたリチウムイオン電池の容量を調整するために、対象スイッチに接続された出力ポートから２値ハイレベル信号を出力する。次にステップ１１４において、オン設定時間（例えば、対象スイッチＳＷをオンとした後の９秒間）が経過したか否かを判断し、否定判断のときは、次のステップ１１６においてオン時間が経過したか否かを判断し、否定判断されたときはステップ１１２へ戻る。一方、ステップ１１６で肯定判断されたときは、調整すべきリチウムイオン電池の容量調整が完了したので、次のステップ１１８において対象スイッチＳＷをオフとしてステップ１０２へ戻る。
【００３１】
これにより、例えば、リチウムイオン電池１１では、スイッチＳＷがオンとなるので、リチウムイオン電池１１、スイッチＳＷ、容量調整用抵抗Ｒの間で閉回路が形成される。従って、リチウムイオン電池１１の容量はオン時間の間容量調整用抵抗Ｒで熱消費され、リチウムイオン電池１１の容量が調整される。なお、他の容量調整が必要なリチウムイオン電池でも同様にオン時間の間出力ポートからスイッチＳＷに２値ハイレベル信号が出力され、容量の調整がなされる。
【００３２】
一方、ステップ１１４で肯定判断されたときは、ステップ１０２へ戻る。このステップ１１４及びステップ１０２では、上述した演算式によるオン時間がオン設定時間を越える場合に、オン時間をオン設定時間に制限するものである。
【００３３】
従って、図２に示した充電制御ルーチンでは、各リチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍは（オフ設定時間＋オン設定時間）の一定時間（例えば、１０秒）毎に電圧が測定され、容量調整用抵抗Ｒで容量がほぼ均等に調整される。
【００３４】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例のバッテリパック１０について詳述する。なお、実施例の効果を確認するために作製した比較例のバッテリパックについても併記する。
【００３５】
（実施例）
本実施例では、上述した実施形態に従ってリチウムイオン電池を８直列として組電池１を構成し、容量調整用抵抗Ｒの抵抗値を３９Ωとした。これらのリチウムイオン電池には意図的に１２２８ｍＡｈから１４７７ｍＡｈまで容量にバラツキを与えた。また、オフ設定時間を１秒、オン設定時間を９秒とし、上述した演算式（２）を使用して、定数１を０．４８(sec/mV）、定数２を１(sec/mV)とした。
【００３６】
（比較例）
本比較例では、リチウムイオン電池のバラツキを含め実施例と同一の構成とした。ただし、動作においては、制御の間隔を１０秒毎に行い、全リチウムイオン電池のスイッチをオフとして１秒後に電圧を測定する点では実施例と同じであるが、本比較例では、組電池の平均のリチウムイオン電池の電池電圧を演算して、リチウムイオン電池の電圧が平均電圧より大きい場合にはスイッチを４秒間オンとし、リチウムイオン電池の電圧が平均電圧より小さい場合にはスイッチをオフとする従来例の制御を行う点で実施例とは異なっている。
【００３７】
（試験）
次に、実施例及び比較例の組電池を容量調整を行いながら充電したときの各リチウムイオン電池の電圧を測定した。この測定結果を図３及び図４に示す。
【００３８】
図４に示すように、比較例の各リチウムイオン電池は充電末期の電圧差は小さくなっているが、最大のリチウムイオン電池１１の電圧と最小のリチウムイオン電池１４の電圧とでは約７０ｍＶの電圧差が生じている。この値は容量にして１８％の容量差に相当する。これに対し実施例では、図３に示すように、充電末期に最大のリチウムイオン電池１７の電圧と最小のリチウムイオン電池１４の電圧とには約１０ｍＶしか電圧差がない。この値は容量にして約２．８％の違いでしかなく、比較例に対して、バラツキが極めて小さいことが分かる。
【００３９】
このように、実施例と比較例で異なるのはスイッチＳＷのオン時間の計算方法だけであるが、オン時間の時間幅を各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池１を構成する平均のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、あるいは各リチウムイオン電池の両端電圧と組電池１を構成するリチウムイオン電池のうち最小のリチウムイオン電池の両端電圧との電圧差、の一方又は両方を比例制御及び積分制御の制御パラメータとして演算するようにすると、各リチウムイオン電池の両端電圧のバラツキを極めて小さくすることができ、各リチウムイオン電池の容量調整の精度を向上させることができることが分かる。従って、充電中に過充電検出機能が誤って作動し充電が早期に停止することがないので、各リチウムイオン電池がほぼ均一にかつ満充電となるまで充電することができる。
【００４０】
なお、上記実施例では演算式（２）を用いた場合について説明したが、定数１及び定数２を演算式（２）の場合と同様にそれぞれ０．４８(sec/mV）、１(sec/mV)として演算式（１）、（３）及び（４）を用いても、図５に示すように、各リチウムイオン電池の電圧の標準偏差の変化は異なるものの、演算式（２）を用いた場合と同様に、充電末期の電圧のバラツキ、充電完了時の容量差を極めて小さくすることができる。
【００４１】
また、上記実施例ではステップ１１４でオン時間がオン設定時間を越える場合にステップ１０２へ戻りオン時間をオン設定時間に制限するようにしたが、ステップ１１０においてオン時間がオン設定時間を越えるか否かを判断し、越えると判断したときにオン時間をオン設定時間とするようにすれば、ステップ１１４での判断を省略することができる。
【００４２】
更に、本実施形態では、説明を簡単にするために組電池１が充電状態にある場合の充電制御ルーチンについて説明したが、各リチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍの内部抵抗にはバラツキがあるので、放電中及び休止中にも図２に示したフローチャートと同様に、所定時間毎に各リチウムイオン電池の電圧を測定し、演算式（１）〜（４）のいずれかでオン時間を演算して各リチウムイオン電池の容量を調整することが好ましい。このようにすれば、放電、休止のいずれの状態においても各リチウムイオン電池の両端電圧の電圧差が極めて小さくなるので、特定のリチウムイオン電池が他のリチウムイオン電池の負荷となることもなく組電池の定格電圧を確実に出力でき、また、各リチウムイオン電池がほぼ均一の電圧を保持するので、組電池１全体の寿命の点からも好ましい。
【００４３】
また、本実施形態では、ＡＤ変換部を電圧検出回路３１、３２・・・３ｍ内に配置した例を示したが、ＡＤ変換部はマイコン４内に配置するようにしてもよい。また、本実施形態のバッテリパック１０では電圧検出回路３１、３２・・・３ｍをリチウムイオン電池１１、１２・・・１ｍと同数個備えた例を示したが、これらの電圧検出回路をまとめて１つの電圧検出回路とするようにしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定時間毎にスイッチの全てをオフとした状態で電圧測定回路により単電池電圧を測定し、スイッチをオンとして単電池を容量調整用抵抗に放電させるオン時間の時間幅を、単電池電圧と組電池の平均単電池電圧との電圧差及び単電池電圧と組電池の最小単電池電圧との電圧差の少なくとも一方を制御パラメータとして比例制御及び積分制御するので、単電池の電圧を組電池の単電池平均電圧に近づけるようにスイッチを単純にオンオフ制御する容量調整方法に比べ、組電池を構成する各単電池電圧のバラツキを小さくすることができると共に、単電池の容量調整精度を向上させることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施の形態のバッテリパックのブロック回路図である。
【図２】実施形態のバッテリパックの充電制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】横軸に時間、縦軸に電圧をとったときの実施例の各リチウムイオン電池の充電特性を示す特性線図である。
【図４】横軸に時間、縦軸に電圧をとったときの比較例の各リチウムイオン電池の充電特性を示す特性線図である。
【図５】演算式（１）〜（４）を用いた場合の各リチウムイオン電池の電圧のバラツキの変化を示す特性線図である。
【符号の説明】
１  組電池
１１、１２・・・１ｍ  リチウムイオン電池（組電池）
３１、３２・・・３ｍ  電圧検出回路（電圧測定回路）
４  マイコン
Ｒ  抵抗
ＳＷ  スイッチ
【図１】
0003684998.tif 000005
【図２】
0003684998.tif 000006
【図３】
0003684998.tif 000007
【図４】
0003684998.tif 000008
【図５】
0003684998.tif 000009