(57)【要約】  【課題】簡易な構成により、セル間の電圧バラツキを判定する。  【解決手段】セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎは、各セルの電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下になっていないか判定し、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下となっていれば、その旨の信号をコントロールユニット３に出力する。コントロールユニット３は、オア回路８を介して、いずれか一つのセル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎから、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下に低下していることを示す信号が入力され、かつ、電圧センサ６により検出される組電池１の総電圧に基づいて算出されるセルの平均電圧が所定の電圧より高い場合に、セルの電圧バラツキが生じており、容量調整が必要であると判定する。  【選択図】図１
2005278241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを直列に接続して構成される組電池の容量調整装置において、
前記複数のセルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セル電圧検出手段により検出されたセル電圧のうち、所定の電圧低下判定電圧より低いセルが存在するか否かを判定する電圧低下判定手段と、
前記複数のセルの平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、
前記平均電圧算出手段により算出されるセルの平均電圧が所定のしきい値より高いか否かを判定する平均電圧判定手段と、
前記電圧低下判定手段により、所定の電圧低下判定電圧より低い電圧のセルが存在すると判定され、かつ、前記平均電圧判定手段により、セルの平均電圧が所定のしきい値より高いと判定されると、前記複数のセルの容量調整が必要であると判定する容量調整判定手段とを備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項２】
請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
前記組電池が無負荷の状態における総電圧を検出する総電圧検出手段をさらに備え、
前記平均電圧判定手段は、前記総電圧検出手段により検出された組電池の総電圧に基づいて、前記複数のセルの平均電圧を算出することを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の組電池の容量調整装置において、
前記複数のセルごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、前記対応するセルの放電を行うことにより容量調整を行う容量調整回路と、
前記容量調整判定手段により、容量調整が必要であると判定された場合に、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を超えるように、前記組電池の充放電を制御する充放電制御手段とをさらに備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項４】
請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
前記所定の電圧低下判定電圧と、前記セルの平均電圧とに基づいて、容量調整が必要な時間を算出する容量調整時間算出手段をさらに備え、
前記充放電制御手段は、少なくとも前記容量調整時間算出手段により算出された容量調整時間の間は、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を超えるように、前記組電池の充放電を制御することを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の組電池の容量調整装置において、
前記充放電制御手段は、前記複数のセルの電圧が前記所定のバイパス作動電圧を超えるようにするために、前記組電池の目標充電率を第１の目標充電率から第２の目標充電率に上昇させることを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項６】
請求項５に記載の組電池の容量調整装置において、
前記所定のバイパス作動電圧は、前記第１の目標充電率にて前記組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧より高い電圧値であり、かつ、前記第２の目標充電率にて前記組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧より低い電圧値であることを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項７】
複数のセルを直列に接続して構成される組電池の容量調整方法において、
前記複数のセルの電圧を検出し、
前記検出されたセル電圧のうち、所定の電圧低下判定電圧より低いセルが存在するか否かを判定し、
前記複数のセルの平均電圧を算出し、
前記算出されたセルの平均電圧が所定のしきい値より高いか否かを判定し、
前記所定の電圧低下判定電圧より低い電圧のセルが存在すると判定され、かつ、前記セルの平均電圧が所定のしきい値より高いと判定されると、前記複数のセルの容量調整が必要であると判定することを特徴とする組電池の容量調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルから構成される組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、組電池を構成する複数のセルの開放電圧を検出し、検出した開放電圧の電圧分布に基づいて、各セルごとに放電を行い、セル間の容量調整を行う装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３２２９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の容量調整装置では、各セルの電圧分布を求める必要があったため、電圧分布を演算するマイコンが必要となり、容量調整装置のコストが増大するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法は、所定の電圧低下判定電圧より低い電圧のセルが存在し、かつ、セルの平均電圧が所定のしきい値より高い場合に、セルの容量調整が必要であると判定して、複数のセルの電圧が均一になるように容量調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法によれば、所定の電圧低下判定電圧より低い電圧のセルが存在し、かつ、セルの平均電圧が所定のしきい値より高い場合に、セルの容量調整が必要であると判定するので、簡易な構成により、セル間の容量調整の有無を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明による組電池の容量調整装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図である。組電池１は、複数のセルＣ１〜Ｃｎを直列に接続して構成される。組電池１の直流電圧は、インバータ４にて交流電圧に変換されて、車両の走行駆動源である３相交流モータ５に印加される。コントロールユニット３は、CPU３ａ、ＲＯＭ３ｂ、ＲＡＭ３ｃを備え、インバータ４を制御することにより、組電池１の充電および放電を制御する。電圧センサ６は、組電池１の総電圧Ｖbatを検出して、コントロールユニット３に出力する。
【０００８】
容量調整回路Ａ１〜Ａｎは、セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、対応するセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行う。セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎは、セルＣ１〜Ｃｎごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定の電圧低下判定電圧Ｖc1より低下したことを検知する。オア回路８は、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎから出力された電圧低下検知信号に対して論理和演算を行い、演算結果をコントロールユニット３に出力する。
【０００９】
図２は、図１に示す容量調整回路Ａ１〜Ａｎ、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、および、オア回路８を含む回路２の詳細な構成を示す図である。ここでは、説明を簡単にするために、組電池１が８個のセルＣ１〜Ｃ８により構成されているものとする。容量調整回路Ａ１〜Ａ８は、それぞれ、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ１〜ＩＣ８、および、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8を備える。
【００１０】
電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8により検出されるセル電圧と、所定のバイパス作動電圧とを比較し、比較結果を対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ８に出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、セル電圧がバイパス作動電圧よりも高いことを示す信号が電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８から入力された場合に、オンする。例えば、スイッチＳＷ１がオンすると、スイッチＳＷ１と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１を介して、充電電流の一部が流れる。すなわち、セル電圧がバイパス作動電圧を超えると、オンしたスイッチＳＷ１〜ＳＷ８と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して、セルの放電が行われる。これにより、各セル間の電圧バラツキが抑制される。
【００１１】
セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８は、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ９〜ＩＣ１６と、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8とを備える。電圧比較器ＩＣ９〜ＩＣ１６は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8により検出されるセル電圧と、所定の電圧低下判定電圧Ｖc1とを比較し、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1より低い場合に、その旨の信号を出力する。オア回路８は、いずれか一つのセル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂ８から、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1より低いことを示す信号が入力されると、電圧低下信号をコントロールユニット３に出力する。
【００１２】
電圧低下判定電圧Ｖc1の設定方法について、図３を用いて説明する。図３は、セルのＳＯＣと、セルの開放電圧との関係を示す図である。後述する通常の充放電モードにおける組電池１の目標充電率（目標ＳＯＣ）が５０％の場合に、充電率４０％のセルを異常と判定する場合には、充電率４０％に相当する開放電圧（3.60Ｖ）を電圧低下判定電圧Ｖc1に設定する。
【００１３】
図４は、バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図である。通常の充放電モード時の目標充電率５０％にて、組電池１の充放電を行った場合のセルの開放電圧は3.75Ｖ（図３参照）であるから、全てのセルの電圧はバイパス作動電圧を超える。従って、図４に示すように、バイパス作動電圧を低い値に設定した場合、各セルの電圧が均一に調整されるが、放電される量が多くなり、エネルギーロスが大きくなる。
【００１４】
従って、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、バイパス作動電圧を高めの値に設定する。ここでは、通常の充放電モードにおける目標充電率（５０％）を基準として充電を行った場合のセル電圧（3.75Ｖ）より高い値（例えば、3.9Ｖ）とする。
【００１５】
図５は、一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、図示しないキースイッチがオンされることにより開始され、コントロールユニット３のＣＰＵ３ａにより行われる。
【００１６】
ステップＳ１０では、車両の起動直後で、組電池１が無負荷の状態において、オア回路８を介して、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下であることを示す信号が入力されたか否かを判定する。セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下であることを示す信号が入力されて、電圧が低下しているセルが存在すると判定するとステップＳ４０に進み、それ以外の場合には、ステップＳ２０に進む。
【００１７】
ステップＳ２０〜ステップＳ３０の処理は、通常の充放電モードにおける処理である。ステップＳ２０では、組電池１の目標充電率を５０％に設定して、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、図示しないキースイッチがオフされたか否かを判定する。キースイッチがオフされたと判定すると全ての処理を終了し、オフされていないと判定すると、通常の充放電モードにおける処理を継続する。
【００１８】
ステップＳ４０では、無負荷状態における組電池１の総電圧Ｖbatを電圧センサ６により検出する。無負荷状態における組電池１の総電圧Ｖbatを検出すると、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、セル間の電圧バラツキ異常が発生しているか否かを判定する。まず、次式（１）より、電圧バラツキΔＶを算出する。
ΔＶ＝（Ｖbat／ｎ）−Ｖc1            …（１）
この電圧バラツキΔＶは、式（１）に示すように、各セルＣ１〜Ｃｎの平均電圧と、電圧低下判定電圧Ｖc1との差である。なお、ｎは、セル数である。
【００１９】
式（１）により求めた電圧バラツキΔＶが所定値（例えば、0.1Ｖ）以上の場合に、電圧バラツキ異常が発生していると判定する。換言すると、セルの平均電圧（Ｖbat／ｎ）が所定のしきい値（Ｖc1＋0.1）以上の場合に、電圧バラツキ異常が発生していると判定する。
【００２０】
すなわち、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1以下となっているセルが存在し、かつ、セルの平均電圧が所定のしきい値以上の場合に、電圧バラツキ異常が発生していると判定する。電圧バラツキ異常が発生していると判定するとステップＳ６０に進み、電圧バラツキ異常が発生していないと判定すると、ステップＳ２０に進む。
【００２１】
ステップＳ６０では、容量調整を行うために必要な時間Ｔｘを算出する。容量調整時間Ｔｘの算出方法について、図６を用いて説明する。図６は、セルの開放電圧（Ｖ）と、セルの容量（Ａｈ）との関係を示す図である。まず、次式（２）より、バイパス電流Ｉbpsを求める。ただし、Ｒは、バイパス抵抗、Ｖbpsは、バイパス作動電圧である。
Ｉbps［Ａ］＝Ｖbps［Ｖ］／Ｒ［Ω］      …（２）
【００２２】
次に、ステップＳ４０で求めた電圧バラツキΔＶと、図６に示す開放電圧−容量特性とに基づいて、必要調整容量ＣＡＰＡＨを求める。この必要調整容量ＣＡＰＡＨと、式（２）より求めたバイパス電流Ｉbpsとに基づいて、次式（３）より、容量調整時間Ｔｘを算出する。
Ｔｘ［min］＝ＣＡＰＡＨ［Ah］／Ｉbps［Ａ］×６０［min］        …（３）
【００２３】
ステップＳ７０〜ステップＳ１３０の処理は、容量調整モードによる処理である。ステップＳ７０では、組電池１の目標充電率を通常の充放電モードにおける目標充電率（５０％）より高い６５％に設定する。この目標充電率は、組電池１の充放電時に、セル電圧がバイパス作動電圧（3.9Ｖ）を越えるように設定するため、セルの開放電圧が3.9Ｖの時の充電率を図３に示すＳＯＣ−開放電圧曲線から求める。
【００２４】
ステップＳ８０では、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが作動しているか否かを判定する。この判定は、電圧センサ６により検出される組電池１の総電圧Ｖbatに基づいて行う。すなわち、次式（４）の関係が成り立つ場合には、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが作動していると判定し、式（４）の関係が成り立たない場合には、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが作動していないと判定する。
Ｖbat≧Ｖbps×ｎ（ｎ：セル数）            …（４）
容量調整回路Ａ１〜Ａｎが作動していると判定するとステップＳ９０に進み、作動していないと判定するとステップＳ１００に進む。
【００２５】
ステップＳ９０では、タイマ３ｄにより、バイパス作動時間Ｔbpsの計測を開始する。バイパス作動時間Ｔbpsの計測を開始すると、ステップＳ１００に進む。ステップＳ１００では、ステップＳ９０で計測を開始したバイパス作動時間ＴbpsがステップＳ６０で算出した容量調整時間Ｔx以上になったか否かを判定する。Ｔbps≧Ｔｘが成り立つと判定すると、組電池１の容量調整が完了したと判定して、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、バイパス作動時間Ｔbpsをリセットして、ステップＳ２０に進み、通常の充放電モードにおける処理を行う。
【００２６】
一方、ステップＳ１００において、バイパス作動時間Ｔbpsが容量調整時間Ｔx未満であると判定すると、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０では、図示しないキースイッチがオフされたか否かを判定する。キースイッチがオフされたと判定するとステップＳ１３０に進み、オフされていないと判定すると、ステップＳ８０に戻る。ステップＳ１３０では、バイパス作動時間Ｔbpsをリセットして、全ての処理を終了する。
【００２７】
図７は、一実施の形態における組電池の容量調整装置によって容量調整を行った場合のセル間の電圧変化を示す図である。容量調整前に、セル電圧が電圧低下判定電圧Ｖc1（3.6Ｖ）以下になっているセルが存在し、かつ、式（１）により算出される電圧バラツキΔＶが所定値（0.1Ｖ）以上であるため、組電池１の目標充電率が通常の目標充電率より高い６５％に設定される（図５に示すフローチャートのステップＳ１０，Ｓ４０〜Ｓ７０）。これにより、各セルの電圧は、バイパス作動電圧（3.9Ｖ）を超える。その後、容量調整回路Ａ１〜Ａｎにより、バイパス作動電圧を基準として、各セルの容量調整が行われる。
【００２８】
図８は、組電池１の総電圧Ｖbatの時間変化と目標充電率との関係を示す図である。図示しないキースイッチがオンされている間は、組電池１の充放電により、組電池１の総電圧Ｖbatは変動する。上述したように、バイパス作動電圧Ｖbpsを高めの値に設定しているため、通常の充放電モード時には、セル電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsを越えたセルについてのみ、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して放電が行われ、電圧が低いセルについては、容量調整は行われない。
【００２９】
図５に示すフローチャートを用いて説明したように、セル電圧が所定の電圧低下判定電圧Ｖc1より低いセルが存在し、かつ、セル間の電圧バラツキΔＶが所定値以上の場合には、容量調整が必要と判断して、容量調整モードにおける容量調整が行われる。すなわち、通常の充放電モード時に５０％であった目標充電率を６５％に上昇させる。これにより、組電池１の総電圧Ｖbatがバイパス作動電圧領域に到達する割合が増える。従って、各セルＣ１〜Ｃｎの電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsを越えるため、容量調整回路Ａ１〜Ａｎにより、全てのセルの電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsの大きさに調整される。
【００３０】
一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、所定の電圧低下判定電圧より低い電圧のセルが存在すると判定され、かつ、全セルの平均電圧が所定のしきい値より高いと判定されると、セル間の容量調整が必要であると判定し、セル間の電圧が均一になるように容量調整を行う。これにより、簡易な構成により、セルの容量調整が必要であるか否かを確実に判定することができる。
【００３１】
また、容量調整が必要であると判定された場合に、目標充電率を通常の充放電モード時の目標充電率（５０％）より高い値に設定して、各セルの電圧がバイパス作動電圧を超えるようにするので、セル間の容量調整を確実に行うことができる。
【００３２】
さらに、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、所定の電圧低下判定電圧と、セルの平均電圧とに基づいて、容量調整が必要な時間を算出し、算出した容量調整時間の間は、複数のセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えるように、組電池の目標充電率を上昇させる。これにより、必要な時間だけ目標充電率を上昇させることができるので、容量調整に伴う発電エネルギーロスを抑制することができる。
【００３３】
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、上述した説明では、組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した例について説明したが、電気自動車に適用することもできるし、車両以外の他のシステムに適用することもできる。
【００３４】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8がセル電圧検出手段を、電圧比較器ＩＣ９〜ＩＣ１６が電圧低下判定手段を、電圧センサ６およびコントロールユニット３が平均電圧算出手段を、コントロールユニット３が平均電圧判定手段、容量調整判定手段、充放電制御手段および容量調整時間算出手段を、電圧センサ６が総電圧検出手段を、容量調整回路Ａ１〜Ａｎが容量調整回路をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による組電池の容量調整装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図
【図２】容量調整回路Ａ１〜Ａｎ、セル電圧低下検知回路Ｂ１〜Ｂｎ、および、オア回路８を含む回路の詳細な構成を示す図
【図３】セルのＳＯＣと、セルの開放電圧との関係を示す図
【図４】バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図
【図５】一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャート
【図６】セルの開放電圧（Ｖ）と、セルの容量（Ａｈ）との関係を示す図
【図７】一実施の形態における組電池の容量調整装置によって容量調整を行った場合のセル間の電圧変化を示す図
【図８】組電池１の総電圧Ｖbatの時間変化と目標充電率との関係を示す図
【符号の説明】
【００３６】
１…組電池
３…コントロールユニット
４…インバータ
５…３相交流モータ
６…電圧センサ
８…オア回路
Ａ１〜Ａｎ…容量調整回路
Ｂ１〜Ｂｎ…セル電圧低下検知回路
ＩＣ１〜ＩＣ１６…電圧比較器
Ｖt1〜Ｖt8…電圧検知回路
ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチ
Ｒ１〜Ｒ８…バイパス抵抗
【図１】
2005278241.tif 000003
【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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【図８】
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