(57)【要約】  【課題】複数のセルから構成される組電池の容量調整時に、エネルギーロスを抑えた容量調整を行う。  【解決手段】電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８は、対応するＣ１〜Ｃ８の電圧と、所定のバイパス作動電圧とを比較し、比較結果を出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８から、セル電圧が所定のバイパス作動電圧より高い旨の信号が出力されるとオンする。これにより、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、充電電流の一部が流れる。このような回路において、バイパス作動電圧を高めに設定しておくとともに、組電池１の容量調整を行う場合に、組電池の目標充電率を通常の充放電モード時の目標充電率より高く設定する。  【選択図】図２
2005278249.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、
前記組電池の容量調整が必要か否かを判断する容量調整判断手段と、
前記容量調整判断手段により、前記組電池の容量調整が必要であると判断されると、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目標充電率変更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、
前記容量調整判断手段は、前記組電池を使用している時間に対して、前記容量調整回路による容量調整時間の割合が所定の割合以下である場合に、前記組電池の容量調整が必要であると判断することを特徴とする組電池の容量調整装置。
【請求項４】
組電池を構成する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容量調整回路を用いて、各セル間の容量調整を行う組電池の容量調整方法において、
前記組電池の容量調整が必要か否かを判断し、
前記組電池の容量調整が必要であると判断されると、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、従来の装置では、電圧が最も低いセルの電圧を基準として、他のセルの放電を行うので、電圧ばらつきが大きいほど、電圧が低下していない他のセルの電荷が無駄に放電され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、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、対応するセルの放電を行う容量調整回路を用いて各セル間の容量調整を行うものであって、組電池の容量調整が必要であると判断した場合に、組電池の目標充電率を上昇させることを特徴とする。
【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、容量調整が必要であると判断された場合に、組電池の目標充電率を上昇させてセル間の容量調整を行うので、容量調整時のエネルギーロスを低減させることができる。
【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、ｎ個のセル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、タイマ３ｄ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行う。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】
図２は、容量調整回路（バイパス回路）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２は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8と、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ１〜ＩＣ８と、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８とを備える。各セルごとに設けられている電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8は、対応するセルＣ１〜Ｃ８の電圧を検出する。
【０００９】
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Ｖbps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Ｖbps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Ｖbpsを超えると、抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して充電電流の一部が流れるので、各セルの電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsの大きさに保たれる。
【００１０】
図３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。図３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、容量調整が行われることにより、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。
【００１１】
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Ｖbpsを高めの値に設定する。ここでは、通常の目標充電率（５０％）を基準として充電を行った場合の各セルの平均電圧より高い値（例えば、3.9Ｖ）とする。
【００１２】
図４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、コントロールユニット３のＣＰＵ３ａにより行われる。
【００１３】
ステップＳ１０では、一実施の形態における組電池の容量調整装置を適用したハイブリッド自動車の利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上になったか否かを判定する。所定時間Ｔ１の設定方法について、図５および図６を用いて説明する。図５は、組電池１を放置しておいた場合のセル電圧の変化を示す図である。図５に示すように、自己放電速度が小さいセルと、自己放電速度が大きいセルとの間の電圧差ΔＶは、放置時間とともに拡大していく。
【００１４】
図６は、放置日数と電圧ばらつきΔＶとの関係、および、１ヶ月（３０日）に車両を利用する利用頻度を示す図である。図５を用いて説明したように、組電池１を構成するセル間の電圧ばらつきΔＶは、組電池１を利用しない放置日数とともに、大きくなっていく。また、車両の利用頻度は、複数の利用者の利用頻度を統計にとったものであり、図６に示すように、正規分布に近い形となる。すなわち、３０日のうちの約１５日、車を利用する人が最も多く、１５日を越えると、利用頻度が減少していく。セル間の電圧ばらつきΔＶが最大となるのは、車の利用頻度、すなわち、組電池の利用頻度が最低（放置頻度が最大）となる時であるから、図６に示す統計結果から、利用頻度が最低となる放置日数を求める。この放置日数を３０日から減算した時間を利用時間Ｔ１とし、予め算出してＲＡＭ３ｃに格納しておく。
【００１５】
また、車両の利用時間Ｔonは、ハイブリッド自動車を起動していた時間を積算した時間であり、後述するように、図示しないキースイッチがオフされた時に、ＲＡＭ３ｃに格納される。従って、ＣＰＵ３ａは、ＲＡＭ３ｃに格納されている利用時間ＴonおよびＴ１を読み出して、Ｔon≧Ｔ１が成り立つか否かを判定する。利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上であると判定するとステップＳ２０に進み、所定時間Ｔ１未満であると判定すると、ステップＳ３０に進む。
【００１６】
ステップＳ２０では、バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２を越えたか否かを判定する。所定時間Ｔ２の設定方法について、図７を用いて説明する。図７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、図６に示す利用頻度最低値に基づいて、電圧バラツキΔＶが最大となる時のΔＶmax（Ｖmax−Vmin）を求める。なお、Ｖmaxは、セル電圧が最大のセルの電圧値であり、Ｖminは、セル電圧が最小のセルの電圧値である。このΔＶmaxと、図７に示す開放電圧−容量曲線とに基づいて、必要調整容量ＣＡＰＡＨを求める。
【００１７】
バイパス抵抗をＲとすると、バイパス電流Ｉbpsは、次式（２）により算出される。
Ｉbps［Ａ］＝Ｖbps［Ｖ］／Ｒ［Ω］      …（２）
式（２）により求めたバイパス電流Ｉbpsと、上述した必要調整容量ＣＡＰＡＨとに基づいて、次式（３）から所定時間Ｔ２を算出する。
Ｔ２［min］＝ＣＡＰＡＨ［Ah］／Ｉbps［Ａ］×６０［min］        …（３）
すなわち、所定時間Ｔ２は、１ヶ月（３０日）のうちの利用時間が最低となる時の電圧バラツキΔＶmaxを解消するために必要な調整時間である。
【００１８】
バイパス作動時間Ｔbpsは、容量調整回路（バイパス回路）２が作動していた時間の積算時間であり、後述するように、図示しないキースイッチがオフされた時に、ＲＡＭ３ｃに格納される。従って、ＣＰＵ３ａは、ＲＡＭ３ｃに格納されているバイパス作動時間Ｔbpsを読み出して、バイパス作動時間Ｔbps≧Ｔ２が成り立つか否かを判定する。バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２以上であると判定するとステップＳ３０に進み、所定時間Ｔ２未満であると判定すると、ステップＳ８０に進む。
【００１９】
ステップＳ３０〜ステップＳ７０の処理は、通常の充放電モードにおける処理である。すなわち、車両の利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１未満の場合、および、バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２以上の場合には、セル電圧のばらつきは小さく、後述する容量調整モードによる容量調整を行う必要はないと判断して、通常の充放電モードによる充放電を行う。
【００２０】
ステップＳ３０では、目標充電率（目標ＳＯＣ）を５０％に設定して、ステップＳ４０に進む。ステップＳ４０では、タイマ３ｄにより、車両の利用時間Ｔonの積算カウントを開始する。このカウントは、ＲＡＭ３ｃに格納されていた利用時間Ｔonに加算していく形で行う。
【００２１】
ステップＳ４０に続くステップＳ５０では、容量調整回路２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（１）の関係が成り立つ場合には、容量調整回路２が作動していると判定し、式（１）の関係が成り立たない場合には、容量調整回路２が作動していないと判定する。
Ｖbat≧Ｖbps×ｎ（ｎ：セル数）            …（１）
容量調整回路２が作動していると判定するとステップＳ６０に進み、作動していないと判定するとステップＳ７０に進む。
【００２２】
ステップＳ６０では、タイマ３ｄにより、バイパス作動時間Ｔbpsの積算カウントを開始する。このカウントは、ＲＡＭ３ｃに格納されていたバイパス作動時間Ｔbpsに加算していく形で行う。バイパス作動時間Ｔbpsの積算カウントを開始すると、ステップＳ７０に進む。ステップＳ７０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Ｓ１５０に進み、オフされていないと判定すると、ステップＳ４０に戻る。
【００２３】
一方、ステップＳ８０〜ステップＳ１４０の処理は、容量調整モードによる処理である。ステップＳ８０では、目標充電率を６５％に設定する。上述したように、バイパス作動電圧は、通常の目標充電率（５０％）を基準として充電を行った場合のセル電圧より高い値（3.9Ｖ）に設定されている。容量調整モードでは、セル電圧がバイパス作動電圧（3.9Ｖ）を越えるように充電を行うため、セルの開放電圧が3.9Ｖとなる充電率（ＳＯＣ＝６５％）を目標充電率に設定する。目標充電率を６５％に設定すると、ステップＳ９０に進む。
【００２４】
ステップＳ９０では、タイマ３ｄにより、車両の利用時間Ｔonの積算カウントを開始して、ステップＳ１００に進む。ステップＳ１００では、容量調整回路２が作動しているか否かを判定する。容量調整回路２が作動しているか否かの判定方法は、ステップＳ５０における判定方法と同じである。容量調整回路２が作動していると判定するとステップＳ１１０に進み、作動していないと判定するとステップＳ１２０に進む。
【００２５】
ステップＳ１１０では、タイマ３ｄにより、バイパス作動時間Ｔbpsの積算カウントを開始して、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０では、バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２以上になったか否かを判定する。バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２以上になったと判定すると、容量調整が完了したと判断して、ステップＳ１４０に進み、所定時間Ｔ２未満であると判定すると、容量調整不足であると判断して、ステップＳ１３０に進む。
【００２６】
ステップＳ１３０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Ｓ１５０に進み、オフされていないと判定すると、ステップＳ９０に戻る。一方、ステップＳ１４０では、利用時間Ｔonおよびバイパス作動時間Ｔbpsをリセットして、ステップＳ３０に進み、通常の充放電モードによる処理を行う。ステップＳ１５０では、利用時間Ｔonおよびバイパス作動時間ＴbpsをＲＡＭ３ｃに格納して、全ての処理を終了する。
【００２７】
図８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。図８（ａ）は、容量調整を行う前のセル間の電圧バラツキを示す図である。電圧が最も低いセルと、電圧が最も高いセルとの間の電圧差は、ΔＶになっている。図８（ｂ）は、容量調整モードにより、目標充電率を６５％に設定して充電を行った場合のセル電圧を示す図である。通常充放電モードにおける目標充電率より高い目標充電率を設定して充電を行うことにより、各セルの電圧はバイパス作動電圧よりも高くなる。この状態で、容量調整を行うことにより、図８（ｃ）に示すように、各セルの電圧がバイパス作動電圧の大きさに保たれる。
【００２８】
図９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４に示すフローチャートを用いて説明したように、利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上であり、かつ、バイパス作動時間Ｔbpsが所定時間Ｔ２未満となった場合には、容量調整が必要と判断して、容量調整モードによ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。すなわち、各セルＣ１〜Ｃ８の電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsを越えるため、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、組電池の容量調整が必要であると判断された時に、組電池の目標充電率を第１の目標充電率である５０％から第２の目標充電率である６５％に上昇させて容量調整を行うことにより、容量調整時の無駄な放電を抑制させることができる。また、セル電圧がバイパス作動電圧を超えたセルの放電を行う容量調整回路を用いるので、マイコンを用いて各セルごとの放電を制御する装置に比べて、低コストにて装置を構成することができる。
【００３１】
容量調整回路２が容量調整を行うためのバイパス作動電圧は、通常の充放電モードにおける第１の目標充電率にて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く、容量調整モードにおける第２の目標充電率にて組電池の充放電を行った場合の各セルの平均電圧よりも低いものとした。これにより、容量調整時の無駄な放電を抑制しつつ、確実にセル間の容量調整を行うことができる。例えば、バイパス作動電圧を低く設定した場合には、図３を用いて説明したように、電圧が高いセルの電荷が無駄に放電されることになる。
【００３２】
また、バイパス作動電圧を単に高く設定しただけで、容量調整時に目標充電率を変化させない場合には、セル電圧がバイパス作動電圧に到達しないセルが存在するため、バイパス作動電圧に基づいた容量調整が行われた後も、セル間に電圧バラツキが存在する可能性がある。しかし、一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、バイパス作動電圧を高めの値に設定するとともに、容量調整時に目標充電率を高くするので、確実にセル間の電圧バラツキを抑制することができる。
【００３３】
一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池を使用している時間が第１の所定時間以上であり、かつ、容量調整回路による容量調整時間が第２の所定時間未満である場合、すなわち、組電池を使用している時間に対して、容量調整回路による容量調整時間の割合が所定の割合以下である場合に、容量調整不足のために、組電池の容量調整が必要であると判断する。これにより、容量調整が必要とされる状況において容量調整を行うことができるので、組電池の電力を効果的に使用することができる。
【００３４】
また、一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、必要と考えられる調整容量ＣＡＰＡＨを求め、求めた調整容量ＣＡＰＡＨに基づいて、容量調整時間Ｔ２を算出して容量調整を行うので、容量調整時間Ｔ２の間だけ目標充電率を上昇させて容量調整を行うことができる。
【００３５】
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、通常の充放電モードにおける目標充電率を５０％、容量調整モードにおける目標充電率を６５％に設定したが、本発明がこれらの値に限定されることはない。また、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。
【００３６】
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、容量調整回路２が容量調整回路を、コントロールユニット３が容量調整判断手段および目標充電率変更手段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】
【００３７】
【図１】本発明による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（バイパス回路）の詳細な構成を示す図
【図３】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４】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５】組電池を放置しておいた場合のセル電圧の変化を示す図
【図６】放置日数と電圧ばらつきΔＶとの関係、および、１ヶ月（３０日）に車両を利用する利用頻度を示す図
【図７】セルの開放電圧と、セルの容量との関係を示す図
【図８】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９】組電池の総電圧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】
【００３８】
１…組電池
２…容量調整回路
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
Ｃ１〜Ｃ８…セル
ＩＣ１〜ＩＣ８…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】
2005278249.tif 000003
【図２】
2005278249.tif 000004
【図３】
2005278249.tif 000005
【図４】
2005278249.tif 000006
【図５】
2005278249.tif 000007
【図６】
2005278249.tif 000008
【図７】
2005278249.tif 000009
【図８】
2005278249.tif 000010
【図９】
2005278249.tif 000011