(57)【要約】【課題】電気エネルギを無駄にすることなくＳＯＣのバラツキを軽減して充放電を行う。【解決手段】単位セル２０と充放電回路３０を複数個、直列接続して構成される二次電池であって、各単位セル２０に対応して設けられ各単位セル２０から放電して所定の放電電圧を出力するか、または、各単位セルに対して所定の充電電流で充電を行う充放電回路（チョッパ回路,平滑コンデンサ，制御回路）と、各単位セル２０の充電率（ＳＯＣ）を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セル２０からの放電電力が充電率の低い単位セル２０からの放電電力よりも大きく、充電時は充電率の高い単位セル２０への充電電力が充電率の低い単位セル２０への充電電力よりも小さくなるように、前記充放電回路３０を動作させる制御部（スイッチ４０，作動アンプ５０，Ａ／Ｄ変換回路６０，ＭＰＵ７０）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルと充放電回路からなるユニットを直列接続して構成される二次電池であって、
各単位セルに対応して設けられ各単位セルから放電して所定の放電電圧を出力するか、または、各単位セルに対して所定の充電電流で充電を行う充放電回路と、
各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きく、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、前記充放電回路を動作させる制御部と
を備える二次電池。
【請求項２】
前記制御部は、放電時において、Ｎ個の単位セルの充電率をＳＯＣｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とし、各充放電回路からの放電電圧をＶ２ｉとしたとき、
ＶＬ＝ΣＶ２ｉ
Ｖ２ｉ／ＶＬ＝ＳＯＣｉ／ΣＳＯＣｉ
が成立するようにＶ２ｉを求め、各充放電回路の放電電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記制御部は、充電時において、Ｎ個の単位セルの充電率をＳＯＣｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とし、外部から供給される充電電圧をＶＧ、外部から供給される全充電電流をＩＧ、各充放電回路の電池側への充電電流をＩ１ｉ、各単位セルの電圧をＶ１ｉ、充放電回路の平均変換効率をη（％）としたとき、
ＶＧ×ＩＧ×η／１００＝Σ（Ｖ１ｉ×Ｉ１ｉ）
Ｉ１ｉ／（ΣＩ１ｉ／Ｎ）＝２−ＳＯＣｉ／（ΣＳＯＣｉ／Ｎ）
が成立するＩ１ｉを求め、各充放電回路の充電電流Ｉ１ｉを制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記制御部は、各単位セルの電圧を監視し、所定の電圧範囲の外となった単位セルを複数のユニットからなる直列回路から切り離すことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の二次電池。
【請求項５】
単位セルと充放電回路からなるユニットを複数個直列接続して構成される二次電池の充放電方法であって、
各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きくなるように放電させ、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、各単位セルを充電させるようにしたことを特徴とする
二次電池の充放電方法。
【請求項６】
各単位セルの電圧を監視し、所定の電圧範囲の外となった単位セルを複数のユニットからなる直列回路から切り離すことを特徴とする請求項５に記載の二次電池の充放電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド車等に用いられる充放電可能な二次電池、及びその充放電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、特許文献１に記載されたバッテリ装置が知られている。充放電可能な二次電池により構成されるバッテリ装置は、リチウムイオン電池などの単位セル（単電池）を複数個直列に接続して構成される。単位セルにはバラツキがあるため、同じ電流で充放電しても、各単位セルの充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が異なってくる。単位セルのＳＯＣのバラツキが大きくなると、過放電あるいは過充電となる単位セルが生じ、セルの破損や容量低下などの不具合を生じる恐れがある。
【０００３】
そのため、特許文献１に示される技術では、単位セルの電圧をＡ／Ｄコンバータで測定し、ＳＯＣを推定する。そして、ＳＯＣのバラツキが大きい場合、ＳＯＣの高い単位セルに並列に接続された放電回路をＯＮにして放電し、ＳＯＣのバラツキを補正するようにしている。
【０００４】
なお、従来のバッテリシステムの全体は、図６に示されるように、バッテリ装置１００の出力側にＤＣ／ＤＣコンバータ２００を接続して、放電時は、このＤＣ／ＤＣコンバータ２００により負荷８０が必要とする一定の電圧に昇圧ないし降圧してバッテリ装置１００より負荷８０に電力を供給する。また、充電時は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００により負荷８０側より供給される電圧を一定の電圧に昇圧ないし降圧してバッテリ装置１００の充電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９２７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の技術では、ＳＯＣの高い単位セルに蓄えられた電気エネルギを放電回路により放電することにより、ＳＯＣのバラツキを補正している。しかし、放電を行うということは、電気エネルギを熱として消費させるということであり、電気エネルギの無駄を生じ、ひいては電気エネルギの使用効率が低下するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、電気エネルギを無駄にすることなく、ＳＯＣのバラツキを軽減して充放電を行うことができる二次電池およびその充放電方法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】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、単位セルと充放電回路からなるユニットを複数個、直列接続して構成される二次電池であって、各単位セルに対応して設けられ各単位セルから放電して所定の放電電圧を出力するか、または各単位セルに対して所定の充電電流で充電を行う充放電回路と、各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きく、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、前記充放電回路を動作させる制御部とを備えるものである。
【０００９】
また、本発明の他の一態様は、単位セルと充放電回路からなるユニットを複数個、直列接続して構成される二次電池の充放電方法であって、各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きくなるように放電させ、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、各単位セルを充電させるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電気エネルギを無駄にすることなく、ＳＯＣのバラツキを軽減して充放電を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態におけるバッテリシステムを示すブロック図である。
【図２】本実施の形態における電力変換回路を示す回路図である。
【図３】本実施の形態の変形例１を示すブロック図である。
【図４】本実施の形態の変形例２を示すブロック図である。
【図５】本実施の形態の変形例３を示すブロック図である。
【図６】従来のバッテリシステムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態における二次電池により構成されるバッテリシステムを示すブロック図である。バッテリ装置１００Ａを構成する二次電池は、負荷８０に対してリチウムイオン電池等の単位セル２０をＤＣ／ＤＣコンバータである充放電回路３０を介して複数（Ｎ個）直列に接続して構成される。負荷８０とバッテリ装置１００Ａの間には、電流センサ９０が導入され、電流センサ９０で測定された負荷電流ＩＧはＭＰＵ７０に入力される。単位セル２０の両端には電圧測定を行うために、スイッチ４０を介して差動アンプ５０が接続され、差動アンプ５０により増幅された電圧がＡ／Ｄ変換回路６０を介してＭＰＵ（Micro Processing Unit）７０に接続されている。またＭＰＵ７０は各充放電回路３０と信号線ＳＬで接続され、各充放電回路３０の単位セル側の端子電流（各単位セルの充放電電流）Ｉ１、負荷側の端子間電圧Ｖ２の値が必要に応じて入力され記憶される。
【００１４】
充放電回路３０は、ＭＰＵ７０からの指示により、放電時は負荷側の出力電圧を定め、充電時は単位セル側の充電電流を定めるように構成されるものであればよく、その具体的構成は、例えば特開２００５−２９５６７１号公報に示されているものが適用できる。
【００１５】
図２は、上記公報に示される構成を適用した回路例を示している。この充放電回路３０は、チョッパ回路１とその入出力端子に個別に配置された二つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と、制御回路１１とを備えている。
【００１６】
チョッパ回路１は、電源側ハーフブリッジ回路２と、負荷側ハーフブリッジ回路３と、
リアクトル４を備えている。
【００１７】
電源側ハーフブリッジ回路２は、高電位側電極端子が単位セル２０の正極端子に接続される上アームの電源側スイッチング素子６と、このスイッチング素子６に直列接続されて単位セル２０の低電位側電極端子が単位セル２０の負極端子に接続される下アームの電源側スイッチング素子７とを備える。
【００１８】
負荷側ハーフブリッジ回路３は、高電位側主電極端子が負荷８０の高電位側端子または直列接続される隣の単位セル２０の負極端子に対応する充放電回路３０の単位セル２０とは反対側（負荷側）の端子である低電位側端子に接続される上アームの負荷側スイッチング素子９と、該スイッチング素子９に直列接続されて低電位側主電極端子が単位セル２０の負極端子、及び負荷８０の低電位側端子または直列接続される隣の単位セル２０の正極端子に対応する充放電回路３０の単位セル２０とは反対側（負荷側）の端子である高電位側端子に接続される下アームの負荷側スイッチング素子１０とを備える。
【００１９】
そして、各スイッチング素子６，７，９，１０は、制御回路１１によりスイッチング制御される。制御回路１１は、電流センサＡ１又は電圧センサＶ２からこれらの検出値を取得し、必要に応じてＭＰＵ７０に送信するとともに、これらの値に応じてＭＰＵ７０により演算され設定されたこれらのパラメータ値と各センサの検出値が一致するようチョッパ回路１を制御する。
【００２０】
ここで、チョッパ回路１、二つの平滑コンデンサＣ１、Ｃ２および制御回路１１は、本発明の充放電回路を構成しており、ＭＰＵ７０は本発明の制御部を構成している。
【００２１】
以下、本実施の形態の動作について説明する。
まず、ＭＰＵ７０は、Ａ／Ｄ変換回路６０を介して検出した各単位セル２０の電圧から各単位セル２０の充電率（ＳＯＣ）を推定する。そして、負荷を二次電池で駆動する放電時（放電モード）においては、ＭＰＵ７０は各単位セル２０のＳＯＣから最適な充放電回路３０の出力電圧（負荷側出力）を求め、充放電回路３０を構成する制御回路１１に設定する。そして、Ｎ個の単位セル２０のうちのｉ番目の単位セル２０の充電率をＳＯＣｉ、充放電回路３０の負荷側の出力電圧（放電電圧）をＶ２ｉ、負荷への供給電圧をＶＬとしたとき、
【００２２】
ＶＬ＝ΣＶ２ｉ
Ｖ２ｉ／ＶＬ＝ＳＯＣｉ／ΣＳＯＣｉ
【００２３】
が成立するようにＶ２ｉを求め、各充放電回路３０の制御回路１１にその放電電圧を設定する。そして、制御回路１１は、各充放電回路３０の放電電圧が設定された放電電圧となるようにスイッチング素子６，７，９，１０を制御する。
【００２４】
かかる構成により、ＳＯＣの高い単位セル２０に接続された充放電回路３０の出力電圧がＳＯＣの低い単位セル２０よりも高く設定されるため、ＳＯＣの高い単位セル２０が放電する電力の方がＳＯＣの低い単位セル２０が放電する電力よりも大きくなり、ＳＯＣのバラツキを小さくする方向に放電が行われる。
【００２５】
一方、負荷を発電機とした充電時（充電モード）では、ＭＰＵ７０は電流センサ９０を介して全充電電流ＩＧを検出する。そして、Ｎ個の単位セル２０の充電率をＳＯＣｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とし、外部から供給される充電電圧をＶＧ、各充放電回路３０の電池側への充電電流をＩ１ｉ、各単位セル２０の電圧をＶ１ｉ、充放電回路３０の平均変換効率をη（％）とすると、
【００２６】
ＶＧ×ＩＧ×η／１００＝Σ（Ｖ１ｉ×Ｉ１ｉ）
Ｉ１ｉ／（ΣＩ１ｉ／Ｎ）＝２−ＳＯＣｉ／Σ（ＳＯＣｉ／Ｎ）
【００２７】
が成立するようにＩ１ｉを求め、各充放電回路３０の制御回路１１にその充電電流（Ｉ１ｉ）を設定する。そして、制御回路１１は、各単位セルへの充電電流が設定された充電電流となるようにスイッチング素子６，７，９，１０を制御する。
【００２８】
かかる構成により、ＳＯＣの高い単位セル２０に接続された充放電回路３０の出力電流はＳＯＣの低い単位セル２０よりも低く設定されることとなり、ＳＯＣの低い単位セル２０の充電電流の方がＳＯＣの高い単位セルよりも大きくなり、ＳＯＣのバラツキを小さくする方向で充電が行われる。
【００２９】
なお、ＭＰＵ７０は単位セルの電圧を常時又は適宜測定し、充電時に電圧が所定の値を超えた場合、或いは放電時に電圧が所定の値を下回ったときは、その単位セル２０をユニットの直列回路から切り離すように充放電回路３０の設定を行う。これは例えば充放電回路３０のスイッチング素子６，７を断状態とすると共に、スイッチング素子９，１０を導通状態とすることにより行うことができる。これにより、異常電圧となった単位セル２０を保護することもできる。
【００３０】
なお、図１では、単位セル２０の電圧を測定するために、切替スイッチ４０、差動アンプ５０、Ａ／Ｄ変換回路６０をこの順に接続したが、本実施の形態の変形例１として、図３に示すように、差動アンプ５０、切替スイッチ４０、Ａ／Ｄ変換回路６０の順に接続するようにしてもよい。
【００３１】
さらに、変形例２として、図４に示すように、単位セル２０の電圧を測定するために、各単位セル２０毎にＡ／Ｄ変換回路６０を設けるようにしても良い。
【００３２】
また、変形例３として、図５に示すように、単位セル２０の温度を検出する温度センサＴＨを単位セル２０ごとに設け、単位セル２０の電圧と温度を測定して電池容量の温度変化を考慮したＳＯＣの推定や、単位セル２０の温度に対する保護を行うようにしても良い。例えば、単位セル２０の温度が所定温度を超えた場合は、その単位セル２０をユニットの直列回路から切り離して保護するようにすることができる。なお、温度センサＴＨの検出信号はＡ／Ｄ変換回路６１を介してディジタル値としてＭＰＵ７０に取り込まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１  チョッパ回路（充放電回路）、６，７，９，１０  スイッチング素子、１１  制御回路（制御部）、２０  単位セル、３０  充放電回路、４０  スイッチ、５０  差動アンプ、６０，６１  Ａ／Ｄ変換回路、７０  ＭＰＵ（制御部）、８０  負荷、Ｃ１，Ｃ２  平滑コンデンサ、ＴＨ  温度センサ、Ａ１，９０  電流センサ、Ｖ２  電圧センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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