(57)【要約】【課題】各電池の充電時の電圧上昇や放電時の電圧降下の均一化を図った電圧バランス回路、電池ユニットおよび電池ユニット制御方法を提供する。【解決手段】電圧バランス回路４は、複数の二次電池２を直列接続して構成される直流電圧源において、各二次電池２の電圧を検知する電圧検知部１０と、電圧検知部１０が検知した各二次電池２の電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理部１１と、検出電圧値演算処理部１１の出力値と電圧検知部１０が検知した各二次電池２の電圧値とに基づいて各二次電池２の温度を個別に調整することによって各二次電池２の内部抵抗値を調整する比較器１２および温度調整部１３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】
複数の二次電池を直列接続して構成される直流電圧源において、
前記二次電池の各二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
この電圧検知手段が検知した各二次電池の電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理手段と、
この検出電圧値演算処理手段の出力値と前記電圧検知手段が検知した各二次電池の電圧値とに基づいて各二次電池の温度を個別に調整することによって前記各二次電池の内部抵抗値を調整する内部抵抗値調整手段とを備えることを特徴とする電圧バランス回路。
【請求項２】
前記複数の二次電池を直列接続して放電および充電の何れかを行う場合、
前記内部抵抗値調整手段は、前記検出電圧値演算処理手段の出力値と前記電圧検知手段が検知した各二次電池の電圧値とが一致するように各二次電池の温度を個別に調整するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電圧バランス回路。
【請求項３】
前記複数の二次電池を直列接続して放電する場合、
前記検出電圧値演算処理手段は、前記複数の二次電池のうち、前記電圧検知手段が検知した電圧値の最大値を出力し、
前記内部抵抗値調整手段は、前記検出電圧値演算処理手段から入力された前記電圧検知手段が検知した電圧値の最大値に一致させるように各二次電池の温度を個別に調整するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の電圧バランス回路。
【請求項４】
前記複数の二次電池を直列接続して充電する場合、
前記検出電圧値演算処理手段は、前記複数の二次電池のうち、前記電圧検知手段が検知した電圧値の最小値を出力し、
前記内部抵抗値調整手段は、前記検出電圧値演算処理手段から入力された前記電圧検知手段が検知した電圧値の最小値に一致させるように各二次電池の温度を個別に調整するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の電圧バランス回路。
【請求項５】
前記複数の二次電池を直列接続して放電および充電の何れかを行う場合、
前記検出電圧値演算処理手段は、前記複数の二次電池のうち、前記電圧検知手段が検知した全電圧値の平均値を出力し、
前記内部抵抗値調整手段は、前記検出電圧値演算処理手段から入力された前記電圧検知手段が検知した全電圧値の平均値に一致させるように各二次電池の温度を個別に調整するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の電圧バランス回路。
【請求項６】
前記検出電圧値演算処理手段は、入力値に対して行う演算を定義した演算則の情報を複数有しており、前記複数の演算則のうち選択された一つの演算則に基づいて演算を行うように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電圧バランス回路。
【請求項７】
複数の二次電池を直列接続して構成される二次電池モジュールと、
請求項１ないし６の何れか一項に記載の電圧バランス回路と、
を具備することを特徴とする電池ユニット。
【請求項８】
複数の二次電池を直列接続して構成される直流電圧源の放電および充電の何れかを行う場合、
前記二次電池の各二次電池の電圧を検知する電圧検知ステップと、
この電圧検知ステップで検知された各二次電池の電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理ステップと、
この検出電圧値演算処理ステップでの出力値と前記電圧検知ステップで検知された各二次電池の電圧値とに基づいて各二次電池の温度を個別に調整することによって前記各二次電池の内部抵抗値を調整する内部抵抗値調整ステップとを備えることを特徴とする電池ユニット制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の電池の充放電を制御する技術に係り、特に、電池ユニットの温度制御によって電池の内部抵抗を制御して当該電池の充放電特性を制御する電圧バランス回路、電池ユニットおよび電池ユニット制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電システムの高圧化には二次電池を多数直列に接続することが必要になる。二次電池、特にリチウムイオン電池の場合、二次電池を多数直列したうちの一部の電池だけが寿命・劣化で内部抵抗が大きくなると、他の多くの二次電池の性能には問題がなくても劣化した電池の影響で全体の性能としては悪くなってしまう。
【０００３】
また、電池が劣化していなくても、化学反応の応答速度のばらつきで各電池の電圧にばらつきが生じて、各電池の持つ性能を十分に発揮できなくなる。かかる事態を回避するため、例えば、特許文献１に開示される発明がなされている。
【特許文献１】特開２００１−２３１１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電池には、寿命・安全性の点から充電禁止電圧、放電禁止電圧が設定されていることが多い。この電圧は電流が流れているときの電圧であり、内部抵抗に依存する。高電圧を得るために二次電池を多数直列接続して使用する場合、内部抵抗値のばらつきにより、同電流値でも最も早く充電禁止電圧に達するのも、放電禁止電圧に達するのも内部抵抗値が最も大きい電池になる。すなわち、複数の電池が直列接続されていた場合、充電禁止電圧および放電禁止電圧は、内部抵抗値の最も大きい電池に依存することになる。同様に、電池容量も内部抵抗値の最も大きい電池に依存することになる。
【０００５】
そのため、多数直列接続したうちの一部の電池の内部抵抗が大きいと、他の多くの二次電池の性能には問題がなくても劣化した電池の影響を受け全体の性能が悪化しまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、二次電池の内部抵抗値が温度によって変化することに着目し、各電池の温度を制御することで各電池の内部抵抗を揃え、充電時の電圧上昇や放電時の電圧降下の均一化を図ることにより、充電禁止電圧や放電禁止電圧を全電池で一致させることを実現した電圧バランス回路、電池ユニットおよび電池ユニット制御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】
【０００７】
本発明に係る電圧バランス回路は、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、複数の二次電池を直列接続して構成される直流電圧源において、前記二次電池の各二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、この電圧検知手段が検知した各二次電池の電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理手段と、この検出電圧値演算処理手段の出力値と前記電圧検知手段が検知した各二次電池の電圧値とに基づいて各二次電池の温度を個別に調整することによって前記各二次電池の内部抵抗値を調整する内部抵抗値調整手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る電池ユニットは、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、複数の二次電池を直列接続して構成される二次電池モジュールと、請求項１ないし６の何れか一項に記載の電圧バランス回路とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る電池ユニット制御方法は、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、複数の二次電池を直列接続して構成される直流電圧源の放電および充電の何れかを行う場合、前記二次電池の各二次電池の電圧を検知する電圧検知ステップと、この電圧検知ステップで検知された各二次電池の電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理ステップと、この検出電圧値演算処理ステップでの出力値と前記電圧検知ステップで検知された各二次電池の電圧値とに基づいて各二次電池の温度を個別に調整することによって前記各二次電池の内部抵抗値を調整する内部抵抗値調整ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各電池の温度を制御することで各電池の内部抵抗を揃えることができ、充電時の電圧上昇や放電時の電圧降下を調整することができる。従って、充電禁止電圧、放電禁止電圧または電池容量を全電池で一致させることができるので、電圧特性の悪い一の電池が他の電池に及ぼす悪影響を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る電圧バランス回路、電池ユニットおよび電池ユニット制御方法について添付の図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る電池ユニットの一実施例である電池ユニット１の構成を概略的に示した概略図である。
【００１３】
図１によれば、電池ユニット１は、例えば、３個等の複数の充放電可能な電池（二次電池）２（図１に示される２ａ，２ｂ，２ｃ）を直列接続して構成される二次電池モジュール３と、二次電池モジュール３の各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度制御を行うことで内部抵抗の均一化を図り各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧を調整する電圧バランス回路４とを具備する。
【００１４】
二次電池モジュール３は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池２（２ａ，２ｂ，２ｃ）を複数直列接続して構成されるモジュールである。尚、符号６は、二次電池モジュール３の正極端子であり、符号７は、二次電池モジュール３の負極端子である。
【００１５】
電圧バランス回路４は、二次電池モジュール３の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの各々に電圧を検知する電圧検知部１０と、各電圧検知部１０が検知した電圧値を演算処理する検出電圧値演算処理部１１と、この検出電圧値演算処理部１１の出力値と各電圧検知部１０が検知した電圧値とを比較する比較器１２と、比較器１２の比較結果に応じて各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度調整を行う温度調整部１３とを備える。
【００１６】
電圧検知部１０は、二次電池モジュール３が充電時には充電電圧を検知し、放電時には放電電圧を検知する機能を有する。この機能を使い、電圧検知部１０は、二次電池モジュール３が充電時には二次電池モジュール３の各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの充電電圧を検知し、放電時には各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの放電電圧を検知する（電圧検知ステップ）。電圧検知部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの各々の電圧値は、検出電圧値演算処理部１１に入力される。
【００１７】
検出電圧値演算処理部１１は、多数の電圧値の入力に対して一の値を出力する。より具体的には、電圧検知部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値が入力されると、予め設定され記憶された演算モードに従って演算を行い、演算結果を出力する（検出電圧値演算処理ステップ）。演算モードとは、入力値に対して行う演算を定義した演算則に則って演算を行う様式をいう。
【００１８】
検出電圧値演算処理部１１の演算モードは、ユーザーによって選択可能なように、例えば、全部の入力値の中から最大値を抽出する演算を行う演算モード、全部の入力値の中から最小値を抽出する演算を行う演算モード、全部の入力値の平均値を求める演算モード、および、全部の入力値のうち最大値と最小値を抽出してその中央値を求める演算モード等の複数の演算モードが予め設定される。これらの演算モードは、例えば、図１において図を省略した切替スイッチを切り替えることで演算モードを切り替える（選択する）ことができる。
【００１９】
比較器１２は、電圧検知部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの各電圧値と検出電圧値演算処理部１１の出力値とを比較する。そして、比較結果に応じたデジタル信号（０または１）を出力する。具体的には、基準値となる検出電圧値演算処理部１１の出力値よりも小さい場合には１（Ｈ）を出力し、大きい場合には０（Ｌ）を出力する。
【００２０】
温度調整部１３は、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度を調整する機能を有する。温度調整部１３は、比較器１２から送信される信号に応じて、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの加熱または冷却を実施または停止（入／切）することによって各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度調整を行う。
【００２１】
図２は、電池ユニット１が具備する二次電池モジュール３の二次電池２の等価回路図である。
【００２２】
図２に示されるように、二次電池２は、等価的には、内部起電力Ｅ（損失０時の理想的な起電力）を発生される電源部１５と、抵抗値Ｒiを有する内部抵抗Ｒiとを直列接続して構成され、最終的に負荷側へ供給される電圧Ｖ、すなわち、正極端子１７と負極端子１８との電位差Ｖは、二次電池内を流れる電流値をＩとすると、Ｅ−ＩＲiである。各二次電池２とも同じ種類である限り理想的な内部起電力Ｅは同じなので、出力電圧Ｖを均一化させるには、Ｒiを制御することが重要となる。
【００２３】
一方、二次電池２の内部抵抗値はその温度によって、抵抗値が変化する。例えばリチウムイオン二次電池は、温度が高いほど内部抵抗値が小さくなり、温度が低いほど内部抵抗値が大きくなることが知られている。そこで、図１に示される電圧バランス回路４では、二次電池２の特性を考慮しつつ、電圧検知部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの各電圧値と検出電圧値演算処理部１１の出力値に基づいて、温度調整（加熱または冷却）を行うことで、内部抵抗値Ｒiを制御して各二次電池２の充電電圧または放電電圧の均一化を図っている（内部抵抗値調整ステップ）。
【００２４】
図３は、図１に示される電池ユニット１が具備する二次電池モジュール３の各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの放電特性を説明する図であり、図３（ａ）は温度調整前の放電特性を示す説明図、図３（ｂ）は温度調整後の放電特性を示す説明図である。
【００２５】
図３（ａ）に示されるように、放電中に各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの間に個体差による電圧差が生じたとする。放電電圧は内部抵抗値Ｒiが低いほど高くなるので、図３に示される例では、内部抵抗値Ｒｉの大小関係は、二次電池２ａ＜二次電池２ｂ＜二次電池２ｃとなる。電池ユニット１では、電圧バランス回路４が内部抵抗値Ｒiを調整する、すなわち、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度調整を行うことで放電電圧の差を縮める。
【００２６】
例えば、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃがリチウムイオン電池の場合、温度が高いほど内部抵抗が小さくなる傾向にあるので、二次電池２ａに比べ放電電圧が低い、すなわち、内部抵抗の大きい二次電池２ｂ，２ｃの温度を高くする（加熱する）。
【００２７】
電池ユニット１が具備する電圧バランス回路４が二次電池２ｂ，２ｃの温度が高くなるように温度調整（加熱する）と、図３（ｂ）に示されるように、二次電池２ｂ，２ｃの内部抵抗Ｒiが小さくなり、電圧降下が減少する結果、二次電池２ｂ，２ｃの放電電圧を二次電池２ａと同レベルにすることができる。すなわち、二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電池のバランスを保つことができる。従って、二次電池ユニット３に特性の悪い二次電池２ｂ，２ｃが幾つか含まれる場合であっても、最も特性の良い二次電池２ａに合わせることができ、他の電池に影響を及ぼさずに利用することができる。
【００２８】
図４は、図１に示される電池ユニット１が具備する二次電池モジュール３の各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの充電特性を説明する図であり、図４（ａ）は温度調整前の充電特性を示す説明図、図４（ｂ）は温度調整後の充電特性を示す説明図である。
【００２９】
図４（ａ）に示されるように、充電中に各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの間に個体差による電圧差が生じたとする。充電電圧は内部抵抗値Ｒiが低いほど低くなるので、図４に示される例では、内部抵抗値Ｒｉの大小関係は、図３に示される場合と同様に、二次電池２ａ＜二次電池２ｂ＜二次電池２ｃとなる。電池ユニット１では、電圧バランス回路４が内部抵抗値Ｒiを調整する、すなわち、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度調整を行うことで充電電圧の差を縮める。
【００３０】
例えば、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃがリチウムイオン電池の場合、温度が高いほど内部抵抗が小さくなる傾向にあるので、二次電池２ａに比べ充電電圧が高い、すなわち、内部抵抗の大きい二次電池２ｂ，２ｃの温度を高くする（加熱する）。
【００３１】
電池ユニット１が具備する電圧バランス回路４が二次電池２ｂ，２ｃの温度が高くなるように温度調整（加熱する）と、図４（ｂ）に示されるように、二次電池２ｂ，２ｃの内部抵抗Ｒiが小さくなり、電圧上昇が減少する結果、二次電池２ｂ，２ｃの充電電圧を二次電池２ａと同レベルにすることができる。すなわち、二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電池のバランスを保つことができる。従って、二次電池ユニット３に特性の悪い二次電池２ｂ，２ｃが幾つか含まれる場合であっても、最も特性の良い二次電池２ａに合わせることができ、他の電池に影響を及ぼさずに利用することができる。
【００３２】
以上、本発明に係る電圧バランス回路４は、例えば、図１に示される電池モジュール３のような複数の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃを直列接続して構成される直流電圧源において、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧を検知する電圧検知手段としての電圧検知部１０と、この電圧検知部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値を演算処理する検出電圧値演算処理手段としての検出電圧値演算処理部１１と、この検出電圧値演算処理部１１の出力値と電圧検知部１０が検知した各二次電池２の電圧値とに基づいて各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度を調整することによって内部抵抗値を調整する内部抵抗値調整手段としての比較器１２および温度調整部１３を備える。
【００３３】
また、電圧バランス回路４では、例えば、図１に示される電池モジュール３のように複数の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃを直列接続して放電および充電の何れかを行う場合、内部抵抗値調整手段としての比較器１２および温度調整部１３が、検出電圧値演算処理手段としての検出電圧値演算処理部１１の出力値と電圧検知手段としての電圧検出部１０が検知した各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値とが一致するように各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度を個別に調整する。
【００３４】
さらに、電圧バランス回路４では、検出電圧値演算処理手段としての検出電圧値演算処理部１１に予め設定または事後的に追加設定した複数の演算則（例えば、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値のうち最大値を出力する、最小値を出力する、および、全電圧値の平均値を出力する等）の情報を持たせ、これらの何れか一つを選択することで各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度を個別に調整して内部抵抗値Ｒiを効果的に減少させて電圧値の均一化を図っている。
【００３５】
一方、本発明に係る電池ユニットは、上述したような本発明に係る電圧バランス回路４と、例えば、図１に示されるような、複数の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃを直列接続して構成される二次電池モジュール３とを具備して構成される。
【００３６】
このように構成された電池ユニット１によれば、電池モジュール３の各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの内部抵抗値Ｒiを揃えることができるので、図３および図４に示されるように、充電時の電圧上昇や放電時の電圧降下を調整することができる。この結果、充電禁止電圧、放電禁止電圧または電池容量を全電池で一致させることができ、電圧特性の悪い一の電池が他の電池に及ぼす悪影響を回避することができる。
【００３７】
本発明に係る電池ユニット制御方法は、例えば、図１に示される電池ユニット１等の複数の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃを直列接続して構成される直流電圧源の放電および充電の何れかを行う場合、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧を検知する電圧検知ステップと、この電圧検知ステップで検知された各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの電圧値を予め設定された演算則に則って演算処理する検出電圧値演算処理ステップと、この検出電圧値演算処理ステップでの出力値と電圧検知ステップで検知された各二次電池の電圧値とに基づいて各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの温度を個別に調整することによって内部抵抗値Ｒiを調整する内部抵抗値調整ステップとを備える。
【００３８】
このような本発明に係る電池ユニット制御方法によれば、各二次電池２ａ，２ｂ，２ｃの内部抵抗値Ｒiを揃えることができるので、充電時の電圧上昇や放電時の電圧降下を調整することができる。この結果、充電禁止電圧、放電禁止電圧または電池容量を全電池で一致させることができ、電圧特性の悪い一の電池が他の電池に及ぼす悪影響を回避することができる。
【００３９】
尚、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化しても良い。例えば、図１に示される二次電池モジュール３の二次電池２ａ，２ｂ，２ｃは、単電池であっても、複数の二次電池を組み合わせたものでも構わない。また、二次電池２の種類は、リチウムイオン電池に限らず、他の種類の二次電池であっても構わない。さらに、図１に示される電池ユニット１および電圧アシスト回路４において、比較器１２は、検出電圧値演算処理部１１と一体的に構成される場合もある。
【００４０】
また、二次電池２の温度を調整することで当該二次電池２の内部抵抗を調整する内部抵抗値調整手段は、上述した例以外にも、公知技術を組み合わせることで多数のバリエーションで実現可能である。例えば、比較器１２の代わりに、差動増幅器を適用して入力される二つの値の差に比例する信号を出力することで、温度調整部１３の温度調整、すなわち、加熱または冷却の加減を調整するように構成することもできる。他にも温度調整部１３にペルチェ冷温装置を適用し加熱および冷却を行うこともできる。
【００４１】
さらに、演算モードの設定または変更の方法についても、上述した例に限定されない。実施可能な各種方法から適宜選択して行うことができる。他の例として、演算則の設定または変更可能な入力装置（図は省略）を接続して演算モードの設定または変更を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る電池ユニットの構成を概略的に示した概略図。
【図２】本発明に係る電池ユニットが具備する二次電池モジュールの二次電池の等価回路図。
【図３】本発明に係る電池ユニットが具備する二次電池モジュールの各二次電池の放電特性を説明する図であり、（ａ）は温度調整前の放電特性を示す説明図、（ｂ）は温度調整後の放電特性を示す説明図。
【図４】本発明に係る電池ユニットが具備する二次電池モジュールの各二次電池の充電特性を説明する図であり、（ａ）は温度調整前の充電特性を示す説明図、（ｂ）は温度調整後の充電特性を示す説明図。
【符号の説明】
【００４３】
１  電池ユニット
２（２ａ，２ｂ，２ｃ）  二次電池
３  電池モジュール
４  電圧バランス回路
６  電池モジュールの正極端子
７  電池モジュールの負極端子
１０  電圧検知部
１１  検出電圧値演算処理部
１２  比較器
１３  温度調整部
１５  電源部
１６  内部抵抗
１７  二次電池の正極端子
１８  二次電池の負極端子
【図１】
2008236991.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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