(57)【要約】【課題】本発明では電圧検出精度を低下させない、管理機能稼動中に時間がなくてエネルギー均等化が不足とならないような状態を回避できることを課題としている。【解決手段】本発明では、複数セル又はそれぞれ複数セルをブロック化して有する複数のモジュールと、エネルギーバラツキを均等化するための実行ブロック１００と、制御情報を与える管理ブロック２００とを制御し、前記実行ブロックでは前記各セルの各電圧情報と各温度に相当する情報を含むエネルギー状態検出信号を生成し、前記管理ブロックでは前記エネルギー状態検出信号に基づいて、ばらつきを制御すべきセル指定情報及び制御時間を決め、前記実行ブロックでは送られてきた前記セル指定情報及び前記制御時間情報を用い前記管理ブロックが動作停止しているときにセルのエネルギー均等化処理を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数セル又はそれぞれ複数セルをブロック化して有する複数のモジュールと、前記複数セルのエネルギーバラツキを均等化するための実行ブロックと、前記実行ブロックに制御情報を与える管理ブロックと、を有し、
前記実行ブロックが前記管理ブロックから送られてきたセル指定情報及び制御時間情報を保存しており、前記管理ブロックが動作停止しているとき、前記セル指定情報及び制御時間情報に基づいてスイッチ群を制御し、セルのエネルギー均等化処理を実行することを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記管理ブロックは、
前記エネルギー状態検出信号に基づいて、前記各セル間のエネルギーばらつきを検出し、ばらつきを制御するために短絡すべきセルを決め、前記セル指定情報及び前記制御時間情報を得る決定部を有し、
前記実行ブロックは、
前記複数のセルに個別に設けられ、同一のセルの両端子間を開放状態と充放電抵抗を介した短絡状態とに切り替えるスイッチ群と、
前記各セル又は前記各モジュールの各電圧情報と各温度に相当する情報を含むエネルギー状態検出信号を生成する電池状態検出部とを有することを特徴とする二次電池装置。
【請求項３】
前記実行ブロックは、前記管理ブロックのシャットダウン信号又は通信用のクロック信号の停止のいずれかを検知し、前記管理ブロックが動作停止したとすることを特徴とする請求項２記載の二次電池装置。
【請求項４】
前記充放電抵抗は、
当該各単位セル電池の正極と対応するスイッチの一方の端部との間に設置された第１抵抗と、当該各単位セル電池の負極と対応する前記スイッチのもう一方の端部との間に設置された第２抵抗とを有することを特徴とする請求項２記載の二次電池装置。
【請求項５】
さらに前記複数セルの系路の電流を検出するする電流検出部が設けられ、
動作セル指定情報及び制御時間情報を得る決定部は、
無電流状態でのセル電圧と温度と残エネルギー容量の相関をもつデータベースと、
前記電流検出部が検出した無電流状態を判定し、前記データベースを用いて、セル電圧とセル温度または前記複数セルをブロック化して有する複数のモジュールの温度から単位セルの残エネルギー容量を推定する推定部と、
最小残エネルギー容量のセルに対して、各単位セルの残エネルギー容量の偏差を算出し、前記容量の偏差があらかじめ定めた設定値を超えたものを動作セルと決定し、動作セルの残エネルギー容量偏差からバランス制御時間を算出する動作セル決定及び制御時間算出部を具備したことを特徴とする請求項２記載の二次電池装置。
【請求項６】
請求項1乃至５の二次電池装置のいずれかを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池装置及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、二次電池（セル）を直列に組み合わせて使用する組電池パックにおいては、二次電池の充放電や温度のばらつきなどにより、組み合わされた二次電池の内部の状態がそれぞれ不均等となってくることが知られている。二次電池に蓄えられているエネルギーが不均等となることにより、電池パックとしての機能を最大に利用できるような効率のよい充放電を行うことができなくなってくる。このようなエネルギーの均等化を行う回路として抵抗放電方式（特許文献１、特許文献２、特許文献３）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平11−150877号公報「二次電池の電圧補正回路」
【特許文献２】登録3331201号公報「組電池の電池電圧補正装置」
【特許文献３】特開2007-244142号公報「電池群制御装置および電池電源システム」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１：この二次電池の電圧補正回路では、電池の電圧あるいは容量のばらつきを判定して、高いエネルギーの電池を抵抗に接続して放電させている。しかしながら、これらは電圧検出回路とバランス回路の併用にもかかわらず、バランス回路の動作によって電池電圧の検出値が変動してしまうことが考慮されておらず、正確に電圧を検出しているとはいえない。
【０００５】
特許文献２：この組電池の電池電圧補正装置は、充電前のレベル合わせのための放電処理を行う。電池パックとして放電終了のタイミングがあり、その電圧に向かって放電していくものであり、電池エネルギーを空にする必要があるため限定的な使い方しかできない。
【０００６】
特許文献３：この電池群制御装置および電池電源システムでは、各単位セル間のエネルギーを無負荷電圧で測定し、各単位セル間の残存容量を算出し、単位セル間の平均残容量に対して設定値以上の偏差のあるセルに対して、充放電電流をバイパスする方法が提案されている。残存容量の算出はすでに公知であるが、充放電電流が流れている場合にのみバランス制御が動作するため、バランス時間が長く必要である。すると管理機能が動作しているときに時間不足となり、バランス制御が不十分となる。
【０００７】
本発明では、電圧検出精度を低下させないこと、管理機能稼動中に時間がなくてエネルギー均等化が不足とならないような状態を回避できることを目的に、電池管理機能が停止しているときに、高いエネルギーのセルの放電を行うことでセル間のエネルギー均等化をとることができるようにした二次電池装置を提供することを目的とする。また前記二次電池装置を搭載した車両を提供することを目的とする。また前記二次電池を搭載した車両のメインスイッチがオフになっており、前記電池管理機能が停止しているときに、良好なエネルギー均等化処理を行う装置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】
上記の課題を解決するために、本発明は、電池管理機能が動作している間に各単位のセルの残エネルギー容量の推定を行い、最小単位セルの残エネルギー容量と各単位セル間の残エネルギー容量の差を算出する。その残エネルギー容量の差に応じた放電時間を算出し、放電動作セルと、放電時間の情報を予めエネルギー均等化部に送信する。次に電池管理機能が停止した時に、電池管理機能が停止したことを認識できる機能を均等化部に持たせ、電池管理機能が停止したとき、エネルギー均等化部がエネルギー均等化のための制御を実施する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、エネルギー均等化動作中は、電池管理機能は停止中であり、電圧検出精度を低下させず、また管理機能稼動中に時間がなくてセルのエネルギー均等化が不足とならないような状態を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係る構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例に係る構成説明図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例に係る構成説明図である。
【図４】本発明のさらにまた他の実施例に係る構成説明図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例に係る構成説明図である。
【図６】図５の装置の動作を説明するために示した動作説明図である。
【図７】本発明の装置の使用状態の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１を参照して第1の実施例を説明する。二次電池パックは、単位セルをｘ個直列に接続した組電池部と、二次電池の状態を検出する二次電池状態検出部３０と、各セルのエネルギーを均等化するエネルギー均等化部３１と、二次電池の状態を管理する二次電池管理部４０と、エネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１と、二次電池状態検出部３０と二次電池管理部４０との間の相互通信を行うための双方向通信部５０とを基本的に有する。
【００１２】
ここで、機能的な分類から、二次電池状態検出部３０と、各セルのエネルギーを均等化するエネルギー均等化部３１を含むブロックを実行ブロック１００と称し、二次電池の状態を管理する二次電池管理部４０と、エネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１を含むブロックを管理ブロック２００と称することにする。この実行ブロック１００、管理ブロック２００は、他の実施例においても同様に分類されている。
【００１３】
上記したｘ個のセル１１−１〜１１−ｘの両端には、プラス電極端子２１、マイナス電極端子２２がそれぞれ設けられている。
【００１４】
各セルの両端は、エネルギー均等化部３１に接続されており、このエネルギー均等化部３１は、セル個々に対する充放電を行い、後述するエネルギー均等化情報に基づいて、各セルのエネルギーを均等化することができる。エネルギー均等化部３１は、各セルのプラスとマイナス電極間を充放電抵抗を介して短絡状態にするための充放電スイッチを有する。例えばセル１１−ｘのプラス端子とマイナス端子に対しては、抵抗３１−ｒｘ、抵抗３１−ｒ（ｘ−１）の一端が接続され、これらの抵抗３１−ｒｘ、抵抗３１−ｒ（ｘ−１）の他方の端子間を充放電スイッチ３１−ｓｘにより短絡又は開放することができる。他のセルに対しても同様な充放電スイッチが関連されている。スイッチはFET（電界効果型トランジスタ）などの半導体素子を含む。
【００１５】
このように抵抗がセルの正極と負極側に設けられている構成では、接続線をセル電圧の検出線と兼用の線として利用することができる。エネルギーの高いセルに対して充放電スイッチを閉とすることで、抵抗放電を行うことができる。抵抗には、電圧検出線の短絡防止の効果と、セル均等化放電用途の効果を持たせることができる。この放電時間は後述するエネルギー差に応じて設定されており、比較的長い時間（例えば２時間程度）を要する場合がある。
【００１６】
エネルギー均等化部３１には、均等化を実行するための制御情報を格納するための均等化制御部３１−１が含まれる。この均等化制御部３１−１に格納される均等化制御情報に基づいて、充放電スイッチが制御され、均等化が行われる。均等化制御情報は後述する二次電池管理部４０から送られてくる。
【００１７】
上記の二次電池状態検出部３０は、セルのエネルギー状態を検出することができる。これによりセルのエネルギー状態検出信号が生成される。エネルギー状態検出信号は、全てのセルの各電圧情報と、全てのセルの各温度に相当する情報またはセルを２個以上１０個以下にまとめたモジュールの温度に相当する情報を含む。セルの各電圧情報を取得する場合には、１つ１つのセルの両端子の接続線がエネルギー状態検出制御部３０−１に検出スイッチを介して接続される。
【００１８】
またエネルギー状態の検出は、エネルギー状態検出制御部３０−１に格納されている制御情報に基づいて検出スイッチの制御が行われる。このエネルギー状態検出制御部３０−１は、先の均等化制御部３１−１と一体化されたマイクロプロセッサであってもよい。
【００１９】
セルのエネルギー状態検出信号は、双方向通信部５０を介して二次電池管理部４０内のエネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１に送られる。このエネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１は、エネルギー状態検出信号に基づいて、二次電池のセル毎のエネルギーのバラツキを検出し、バラツキを制御する動作セルを決定する。そのために例えば、エネルギー状態検出信号としての全てのセルの各セル電圧情報と、全てのセルの各温度に相当するセル温度情報を用いて、全てのセルのエネルギー残容量を推定する。セル温度に相当する情報は、全てのセルの温度情報または単位セルを複数個まとめたモジュールの温度情報を意味する。
【００２０】
次に、全てのセルのエネルギー残容量を元に、均等化が必要と判断されたセル、すなわち、バラツキを制御対象となる動作セルを決定する。この動作セルの決定に当たっては、最小エネルギー残容量に対して所定の閾値以上の差を持つセルを選択する。
【００２１】
そして、二次電池管理部４０は、バラツキを均等化するための均等化制御情報を生成する。また後述するシャットダウン信号を生成することができる。均等化制御情報は、均等化のために調整すべきセルを特定した動作セル指定情報と、均等化制御時間情報を含む。均等化制御時間情報は、指定されたセルのエネルギー残容量と最小エネルギー残容量に対する差から計算される。この均等化制御情報は、先に述べた対応するセルの放電時間に対応する。
【００２２】
シャットダウン信号は、二次電池管理部４０の動作が停止したことを示すもので、エネルギー均等化部３１へ送信される。シャットダウン信号は、特別のものでなくてもよく、二次電池管理部４０で用いられる例えば、I2C通信のクロックが停止したこともシャットダウン信号の出力と判断してよい。また、車両に搭載された二次電池装置であれば、車のメインキーがオフされたときに生じる信号を利用してもよい。
【００２３】
上記した装置によると、二次電池管理部４０が停止しているときに、均等化制御が行われる。従って二次電池管理部４０が停止している時間が長い場合は、均等化のための制御時間が長くても有効に均等化が実効される。均等化制御には非常に長い時間が必要な場合もある。例えば、２乃至３時間から十数時間の時間が必要な場合もある。これは、発熱等の影響により均等化に必要な電流を大きくすることができないためである。しかもセルが多いことも要因である。
【００２４】
よって、均等化制御が行われる時間中に二次電池管理部４０が消費するエネルギーを均等化制御中は抑制できることになる。また均等化制御の動作に対して、二次電池管理部４０の動作が影響せず、精度の高い均等化制御を行うことができる。つまり均等化制御を行っているときにも二次電池管理部４０が動作すると、電力消耗が同時進行しているために、二次電池状態検出精度が悪化するが、本装置であるとこのようなことがない。
【００２５】
図２はこの発明の他の実施例である。この発明は上記した構成に限定されるものではなく、直列接続されたセル列が、複数並列接続されてもよい。即ち、ｘ個のセル１１−１〜１１−ｘの列にｘ個のセル２１−１〜２１−ｘの列が並列に接続される。セル１１−１〜１１−ｘの列には、二次電池状態検出部３０及びエネルギー均等化部３１が対応し、セル１２−１〜１２−ｘの列には、二次電池状態検出部３０B及びエネルギー均等化部３１Bが対応する。二次電池状態検出部３０、３０B及びエネルギー均等化部３１、３１Bは、双方向通信部５０を介して二次電池管理部４０に接続される。二次電池状態検出部３０B、エネルギー均等化部３１Bにも制御部３０−１、３１−１がそれぞれ設けられている。この実施例においても、二次電池管理部４０が停止しているときに、セルの均等化処理が実行される。上記のように実行ブロック１００の複数が並列接続され、それぞれの実行ブロックが、セルのエネルギー均等化処理を実行する。なお先の実施例と対応する構成部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００２６】
図３はこの発明のさらに他の実施例である。この実施例の場合は、例えばセル2個以上10個以下をひとつのモジュールとしてとしている。この実施例の場合、セル１１−１からセル１１−（N)までのN個セルが１つのモジュールとして取り扱われている。この例では３つのモジュールM1,M2,M3が例示されている。各モジュールは、複数のセルと、二次電池状態検出部と、エネルギー均等化部が組みとなっている。そして各二次電池状態検出部３０a，３０b，３０c、エネルギー均等化部３１a，３１b，３１cには、それぞれ、制御部３０−１，３１−１が設けられている。
【００２７】
ここで、各モジュールM1とM2間、及びモジュールM2とM3間には、モジュール間双方向通信部５０a、５０bが設けられている。双方向通信部５０は、最終段通信部であり、二次電池管理部４０と最端部のモジュールM1との間に設けられている。
【００２８】
モジュールM3のセルのエネルギー状態検出信号は、双方向通信部５０b、５０a、５０を介して二次電池管理部４０に送信され、モジュールM２のセルのエネルギー状態検出信号は、双方向通信部５０a、５０を介して二次電池管理部４０に送信され、モジュールM１のセルのエネルギー状態検出信号は、双方向通信部５０を介して二次電池管理部４０に送信される。また、モジュールM3に対する均等化制御情報は、二次電池管理部４０から双方向通信部５０、５０a、５０bを介して伝送され、モジュールM２に対する均等化制御情報は、二次電池管理部４０から双方向通信部５０、５０aを介して伝送され、モジュールM１に対する均等化制御情報は、二次電池管理部４０から双方向通信部５０を介して伝送される。各モジュールにおける均等化処理は、先の実施例と同様に実行される。つまりシャットダウン信号を受けたとき、クロックが停止したときに、均等化処理がスタートする。
【００２９】
この実施例では、直並列数の多い電池パックにおいて、モジュールごとに個別に検出機能を持たせ、また通信機能を持たせることで、状態検出のタイミングの同時性を高めることが可能となり、電池状態制御の精度を向上させることができる。なお具体的には説明していないがどのセルが何処に位置することを示す各セルのアドレス情報は、制御部３１−１，３０−１及び二次電池管理部４０でテーブルデータとして管理されている。セルのアドレス管理は他の実施例でも同様である、例えば動作セル指定情報はセルアドレスを含む。
【００３０】
図４はこの発明のさらに他の実施例である。この実施例の場合は、双方向通信部５０で伝送される情報の種類を明確にしている。つまり、二次電圧検出部３０から二次電池管理部４０へ向けて出力される検出情報の種類としては、全ての単位セルのセル電圧情報６１と、全ての単位セルの温度情報または、単位セルを2個以上10個以下にまとめたモジュールのセル温度情報６２とがある。また二次電池管理部４０から二次電圧検出部３０へ向けて出力される制御情報の種類としては、動作セル指定情報５２と、均等化制御時間情報５３が存在する。
【００３１】
二次電池管理部４０は二次電池検出部３０から送信された、すべての単位セルの電圧情報６１と、その単位セルの温度に相当する情報６２を用いて、すべての単位セルのエネルギー残容量を推定する。単位セルの温度に相当する情報は、すべての単位セルの温度情報または単位セルをまとめたモジュールの温度情報を意味する。
【００３２】
すべての単位セルのエネルギー残容量を元に、均等化を行うセルすなわち動作指定セルを決定する。動作指定セルは、最小エネルギー残容量に対して、所定のしきい値以上の差を持ったセルとする。最小エネルギー残容量に対するエネルギー差に対して、たとえば、均等化部の抵抗値と、均等化のスイッチが投入可能な時間を元に、動作指定セルの均等化制御時間を算出する。例えば図１の単位セル１１−１に対して、抵抗値は、抵抗３１−ｒ１と抵抗３１−ｒ２の和が均等化回路の抵抗値となる。
【００３３】
均等化のスイッチが投入可能な時間とは、電圧検出線と、均等化回路を兼用する回路において、電圧を検出している間に均等化のためのスイッチを投入すると、電圧検出精度の低下を引き起こすため、電圧検出時以外の時間を意味する。
【００３４】
セル指定情報と制御時間情報を均等化部へと送信することで、管理部４０が停止していても、均等化部３１では送信されたセル指定情報と制御時間情報をもとに均等化制御を実施することができる。管理部４０を駆動せずに均等化制御を行うと、管理部が消費するエネルギーを抑制できるのに有効である。
【００３５】
図５はさらにこの発明の他の実施例である。この実施例では、二次電池管理部４０内のエネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１の内部を詳しく示している。ここには、直列接続された例えばセル全体（ユニット毎でもよい）に流れる電流検出部８０が設けられており、この検出情報は、通信部７０を介してエネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１に送信される。
【００３６】
エネルギーばらつき検出・動作セル決定部４１は、電流判定部２１１、各単位セル残エネルギー容量推定部２１２、データベース２１３、動作セル決定及び制御時間算出部２１４を有する。
【００３７】
この装置では、二次電池パックの単位セル間のエネルギーのばらつきの度合いを検出し、単位セル間のばらつきを均等化させるための動作セルを決定する。
【００３８】
無電流状態が無電流判定部２１１で判定される。データベース２１３は、セル電圧と温度と残エネルギー容量の相関を持つデータベースである。このデータベースを用いて、各単位セル残エネルギー容量推定部２１２は、セル電圧とセル温度または、単位セルを2個以上10個以下にまとめたモジュールの温度から単位セルの残エネルギー容量を推定する。
【００３９】
次に、動作セル決定及び制御時間算出部２１４は、二次電池パック内の最小残エネルギー容量のセルに対して、各単位セルの残エネルギー容量の偏差を算出し、前記容量の偏差があらかじめ定めた設定値を超えたものを動作セルと決定し、動作セルの残エネルギー容量偏差から均等化制御時間を算出する。
【００４０】
図６には、上記の動作をフローチャートで示している。電流判定部２１１により電池パックの電流データを用いて無電流状態かどうかを判定する（ステップSA0）。無電流状態であると判定された場合、無電流状態でのセル電圧と温度と残エネルギー容量の相関をもつデータベース２１３を用いて、各単位セル電圧と温度から各単位セルの残エネルギー容量を推定する（ステップSA1-SA6）。各単位セルの残エネルギー容量の中から、最小残エネルギー容量を算出し、各単位セルの残エネルギー容量と最小残エネルギー容量の差がΔSOC以上あるセルを動作セルと決定する（ステップSA7-SA12）。
【００４１】
データベースを用いることで、単位セルと温度から各単位セルの残エネルギー容量を算出することができる。均等化部では送信された動作セル指定情報と制御時間情報をもとに均等化制御を実施することができる。
【００４２】
上記したようにこの発明は、電圧検出精度を低下させず、管理機能稼動中に時間がなくてセルのエネルギー均等化が不足とならないような状態を回避することができる。
【００４３】
上記したエネルギー状態検出信号を生成するタイミングと、動作セル指定情報及び制御時間情報を得るタイミングは各種の設定が可能である。この発明が適用される例えば電動車装置の利用形態に応じて、実行ブロック１００と管理ブロック２００に対する動作タイミング設定データを外部から入力したり調整したりできるようにしてもよい。あるいは、動作タイミングアプリケーションをROMに格納して、ROMを交換できるようにしてもよい。また、実行ブロック１００は、管理ブロック２００が停止中に動作するが、均等化処理中に管理ブロック２００が起動することも想定される。このような場合は、均等化処理を中断し、次のタイミング（管理ブロック２００が停止したとき）に、残りのセルに対して均等化処理を続けて行うようにしてもよい、または、新たに取得した動作セル指定情報及び制御時間情報に基づいて実行してもよい。
【００４４】
図７には本発明の二次電池装置が電気自動車、あるいはハイブリッド車に搭載された場合の系統例を示している。１０００は自動車のシャーシである。電池管理基板３００に本発明に係る実行ブロック１００、管理ブロック２００が搭載されている。組電池パック４００内に複数のセルあるいは複数のモジュールが組み込まれている。この電池パック４００のプラス、マイナス電極は、インバータを含み電圧を変換するとともに、運転指令を受けて出力電流・電圧のレベル制御及び位相制御などを行う電圧変換及び運転制御部５００に接続されている。この電圧変換及び運転制御部５００の出力は、モータ６００に駆動電力として供給される。モータ６００の回転は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪WR,WLに伝達される。
【００４５】
なおこの発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施可能である。また各種の実施例を組み合わせて実施してもよいし、また実施例から一部を省略して実施しても本発明の範疇であればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１１−１〜１１−ｘ・・・セル、２１，２２・・・電極端子、３０・・・二次電池状態検出部、３１・・・エネルギー均等化部、３１−ｓ１〜３１−ｓｘ・・・スイッチ、３１−ｒ１〜３１−ｒｘ・・・抵抗、４０・・・二次電池管理部、４１・・・エネルギーばらつき検出・動作セル決定部、５０・・・双方向通信部。
【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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【図７】
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