(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源として、複数個の電池要素が直列接続されてなる組電池を持つ電源装置の制御システムであって、前記各電池要素の残存容量の検出を個別に行う残存容量検出手段、前記各電池要素の充電と放電を個別に行う充電切換手段および放電切換手段、前記残存容量検出手段による検出結果を取り込み、前記各電池要素の残存容量の差が小さくなるように前記電池要素切換手段に前記各電池要素の充電と放電を個別に行わせる制御手段、前記各電池要素の個別の充電と放電を行う直流／直流変換器、
を含み、
前記放電切換手段の負荷側の両端子が直流／直流変換器の入力端子に接続されており、残存容量の多い電池要素の放電による電力は、熱に変換されることなく、残存容量の少ない電池要素の充電に供されることを特徴とする電源装置の制御システム。
【請求項２】
電源として、複数個の電池要素が直列接続されてなる組電池を持つ電源装置の制御方法であって、前記各電池要素の残存容量の検出を個別に行い、前記の残存容量の検出結果に基づき、前記各電池要素の残存容量の差が小さくなるように前記各電池要素の充電と放電を、前記各電池要素からの電力を直流／直流変換して個別に行い、
残存容量の多い電池要素の放電による電力は、熱に変換されることなく、残存容量の少ない電池要素の充電に供される、
ことを特徴とする電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源として、複数の電池要素により構成した組電池を持つ電源装置の制御システムおよび制御方法に関し、特に、電気自動車等に搭載される組電池を構成する各電池要素の残存容量に差がある場合に、各電池要素の残存容量の差を小さくすることで、前記組電池の全容量を有効に利用することができ、各電池要素の過充電や過放電を防止することができる上記制御システムおよび制御方法に関する。
【０００２】
【技術背景】
たとえば、電気自動車（電動機により駆動される、ビークル、スクータ、フォークリフト、ゴルフカート等の車両）では、必要な高電圧を得るために、電源として、組電池と呼ばれる複数の電池要素（単電池または、複数の単電池の直列接続の組）を直列に接続した電池群が使用される。これらの電池要素は、仕様が同一であったとしても、製造の際の品質のばらつきにより、同一条件で充電や放電を行った場合の、残存容量の増加や減少の特性が必ずしも同じではない。また、各電池要素は、このような製造の際の品質のばらつきの他、使用雰囲気（温度，湿度等）の微妙な差異等によっても、上記残存容量の増加や減少の特性が異なってしまう。
【０００３】
各電池要素により残存容量に差があると、以下に述べるように、組電池の全容量を有効に利用できなかったり、充・放電を繰り返すうちに、組電池が短命化する。
【０００４】
たとえば、組電池全体の充電に際して、特定の電池要素が、他の電池要素よりも早期に満充電となることがある。この場合に、組電池の充電を継続して行うと、既に満充電となった電池要素が過充電となり、その電池要素の短命化を招く。この過充電を防止するためには、ある電池要素が満充電となったと判断されるときに、組電池の充電を終了すれば、上記の過充電は防止できる。しかし、この場合、電池要素の中には未だ満充電とはなっていないものもあるため、充電を終了してしまうと、未だ満充電とはなっていない電池要素の、未充電容量部分を利用することができない。
【０００５】
また、もともと充電終了時において各電池要素の残存容量に差がある組電池では、その放電により、特定の電池要素が他の電池要素よりも早期に残存容量がなくなる。この場合に、組電池の放電（負荷への電力供給）を継続して行うと、既に残存容量がなくなった電池要素が過放電となり、その電池要素の短命化を招く。この過放電を防止するためには、ある電池要素の残存容量がなくなったと判断されるときに、組電池の放電（電気自動車の走行）を中止して充電を行うようにすれば、上記の過放電は防止できる。しかし、この場合、電池要素の中には未だ残存容量があるものもあるため、放電を中止してしまうと未だ残存容量がある電池要素の当該残存容量を利用することができない。
【０００６】
現在の電気自動車では、１回の充電で走行できる距離をできるだけ長くしなければならない要請がある。現状では特定の電池要素の寿命を犠牲にしても、組電池全体の容量をできるだけ利用するようにしている。このため、特定の電池要素に、上記の過放電や過充電が繰り返して行われることは避けられず、当該電池要素に集中してストレスが加わり、その短命化が助長される。
【０００７】
また、各電池要素の寿命は、組電池の管理（たとえば、組電池の交換）等の観点から同時期に終了することが好ましい。しかし、上記のような特定の電池要素の短命化により、上記各電池要素の寿命にばらつきが生じ、組電池の管理等に支障が生じる。なお、組電池を構成する電池要素のうち、特定の電池要素の残存容量が、常に他の電池要素と比較して少なかったり多かったりする場合にも、各電池要素の寿命にばらつきを生じさせる原因となる。
【０００８】
従来、組電池の充電に関しては、上述のような不都合を解消するための技術として、次のような方式が知られている。
（１）充電末期に組電池全体に微弱電流を流す方式この方式では、図５に示すように、複数の電池要素ｅ１〜ｅｎからなる組電池Ｅの両端に、組電池充電器１を接続する。そして、一部の電池要素は満充電となっているが、他の電池要素は満充電とはなっていない程度まで、当該組電池Ｅ全体の充電を一括して行う。この後、さらに組電池Ｅ全体に微弱電流を流し、未だ満充電となっていないであろう電池要素が満充電となるように充電し、各電池要素の残存容量の差を小さくする（以下、この残存容量の差を小さくする処理を「残存容量の均等化」と言う）。微弱電流の値としては、既に満充電に達している電池要素に短命化等の影響を与えず、かつ未だ満充電に達していない電池要素を効率よく充電できるような、最適の大きさが選ばれる。
【０００９】
しかし、この方式による場合には、既に満充電となっている電池要素が必要以上に発熱し、充電の効率が低下する。また、充電に際して先に満充電となる電池要素は、通常、特定の電池要素であるため、上記の発熱により当該電池要素が短命化する危険性が高くなる。特定の電池要素が短命化すると、上述したように、各電池要素の寿命にばらつきが生じ、組電池の管理が容易ではなくなる。また、残存容量の均等化が行われるのは、少なくとも、特定の電池要素が満充電となった後（すなわち、通常、充電の末期）である。このため、残存容量の均等化が行われるまでには、充電開始から長時間を要する。充電を途中で終了すると、残存容量の均等化は行われないことになり、その後に組電池全体の放電（電気自動車の走行）を行うと、前述したように特定の電池が短命化したり、放電に際して組電池全体の容量を有効に利用できなくなる等の不都合が生じる。
【００１０】
（２）電池要素ごとに個別充電器を設ける方式この方式では、図６に示すように、電池要素ｅ１〜ｅｎごとに専用の個別充電器１′（１）〜１′（ｎ）を設け、独立した充電を行う。充電の際には、これらの個別充電器を同時に動作させ、満充電に達した電池要素から順に充電を終了する。しかし、この方式では電池要素ｅ１〜ｅｎと個別充電器１′（１）〜１′（ｎ）との間の接続ケーブル数が増加し、特に、個別充電器を別置きタイプ（電気自動車には搭載しないタイプ）とする場合には、電池要素と個別充電器との間のケーブルの接続が複雑となる。また、上記接続ケーブル数の増加に伴い、個別充電器の接続端子数も増加するため、汎用の充電器を用いることができず、また電気自動車に設ける充電器との接続端子部分を専用に設計しなければならない。さらに、（１）の場合と同様、充電開始から残存容量の均等化までには長時間を要し、充電を途中で終了すると、残存容量の均等化は行われないことになり、特定の電池が短命化したり、放電に際して組電池全体の容量を有効に利用できなくなる等の不都合が生じる。
【００１１】
【発明の目的】
本発明の目的は、電気自動車等に搭載される組電池を構成する各電池要素の残存容量の均等化を適時に行うことができる、電源装置の制御システムおよび制御方法を提供することである。本発明の他の目的は、上記残存容量の均等化により上記各電池要素の過充電や過放電を防止して当該電池要素の短命化を防止し、さらには上記組電池全体の容量を有効に利用することができる、電源装置の制御システムおよび制御方法を提供することである。
【００１２】
【発明の概要】
本発明の制御システムは、電源として、複数個の電池要素が直列接続されてなる組電池を持つ電源装置に適用される。
【００１３】
本発明の電源装置の制御システムは、残存容量検出手段、電池要素切換手段、制御手段および直流／直流変換器を含んで構成される。組電池は、複数個の電池要素が直列接続されて構成されるものであり、電池要素は、単電池であることもあるし、複数の単電池の組であることもある。
【００１４】
残存容量検出手段は、各電池要素の残存容量の検出を個別に行う。この残存容量の個別の検出には、たとえば、各電池要素の電力を積算する手法、電池要素の内部抵抗を求める手法等、種々の方法が採用される。また、残存容量の検出に際して、必要に応じて補正（温度補正等）を行うこともできる。残存容量検出手段は、各電池要素それぞれに対応する数の検出部を持つこともできる。また、たとえば残存容量の個別の検出方法として、各電池要素の内部抵抗を求める手法を採用する場合には、検出部を１つとし、切換器により順次各電池要素を選択して、その残存容量を検出するようにしてもよい。
【００１５】
充電切換手段および放電切換手段は、各電池要素の充電と放電を個別に行う。電池要素切換手段は、少なくとも１つ（通常は、１つであるが、同時に２つ以上とすることもできる）の電池要素を切換器により選択して、その充電と放電を個別に行うことができる。
【００１６】
本発明の制御システムは、典型的には、組電池の充電や放電に際して、組電池充電器等からの外部電力により、選択された電池要素の充電を行う。また、この充電は、上記組電池充電器等と電池要素切換手段との間に設けられた直流／直流変換器を介して行うこともできる。電気自動車では、その電源装置を、組電池とこれに並列に接続した副電源とにより構成することがあるが、この場合には副電源により電池要素の充電を行うこともできる。本発明の制御システムは、組電池の充電時のみならず、組電池の放電時や、これら以外の時にも稼働できる。すなわち、組電池の充電時等の適時に、選択された電池要素からの電力により、放電や上記副電源の充電等を行うことができる。この放電や、副電源の充電等は、電池要素切換手段と負荷との間に設けられた直流／直流変換器を介して行う。
【００１７】
電池要素切換手段は、少なくとも１つ（通常は、１つであるが、同時に２つ以上とすることもできる）の電池要素を切換器により選択して、その充電と放電を個別に行うことができる。また、電池要素切換手段は、２つ以上の電池要素を切換器により選択して、その充電および放電を個別に行うことができる。さらに、電池要素切換手段は、充電を個別に行うための電池要素と、放電を個別に行うための電池要素を同時に選択し、放電を行う電池要素からの電力により、充電を行う電池要素を充電するようにすることもできる。
【００１８】
制御手段は、残存容量検出手段による検出結果を取り込み、各電池要素の残存容量の差が小さくなるように（すなわち、残存容量の均等化が行われるように）、電池要素切換手段に、上述した各電池要素の充電と放電を個別に行わせる。残存容量の少ない電池要素をどの程度まで充電するか、または残存容量の多い電池要素をどの程度まで放電するかは、組電池を構成する電池要素の個数、各組電池の容量等により異なる。残存容量が少ない電池要素を、たとえば一番残存容量が多い電池要素の当該残存容量の値まで充電することもできるし、残存容量が多い電池要素を、たとえば残存容量が最も少ない電池要素の当該残存容量の値まで放電することもできる。
前記直流／直流変換器は各電池要素の個別の充電と放電を行う。
本発明では、前記放電切換手段の負荷側の両端子が直流／直流変換器の入力端子に接続されており、残存容量の多い電池要素の放電による電力は、熱に変換されることなく、残存容量の少ない電池要素の充電に供される。
【００１９】
なお、たとえば、各電池要素の個別の充電と、従来の組電池の一括充電とを併用することができる。すなわち、組電池の一括充電を行いつつ、各電池要素の個別の充電や放電を行う（すなわち、残存容量の均等化を行う）こともできるし、全充電期間のうち一部の期間（たとえば、充電開始後、残存容量の均等化がなされるまでの期間）に各電池要素の個別の充電や放電を行い、残りの期間（たとえば、上記残存容量の均等化がなされた後、充電を終えるまで）に組電池の一括充電を行うこともできる。
【００２０】
以上のようにして、本発明の制御システムでは、残存容量が少ない電池要素を、所定の残存容量になるまで充電することもできるし、残存容量が多い電池要素を、所定の残存容量となるまで放電することもできる。したがって、各電池要素の過充電や過放電が防止され、当該電池要素の短命化が防止され、さらには上記組電池全体の容量が有効に利用される。
【００２１】
本発明の組電池の制御方法は、上記のような制御システムに適用することができる。すなわち、本発明の制御方法は、電源として、複数個の電池要素が直列接続されてなる組電池を持つ電源装置の制御に関するものであり、前記各電池要素の残存容量の検出を個別に行い、前記残存容量の検出結果に基づき、前記各電池要素の残存容量の差が小さくなるように前記各電池要素の充電と放電を、外部電力を直流／直流変換して前記各電池要素の個別の充電を行い、残存容量の多い電池要素の放電による電力は、熱に変換されることなく、残存容量の少ない電池要素の充電に供される、ことを特徴とする。
【００２２】
【実施例】
図１は、本発明の制御システムの、電池要素の充電と放電により残存容量の均等化を行う実施例を示す説明図である。図１において、電源装置である組電池Ｅは、複数個の電池要素ｅ1〜ｅnが直列接続されて構成され、組電池Ｅ全体には、組電池充電器１が接続されている。各電池要素ｅ1〜ｅnには残存容量検出手段２、および電池要素切換手段（ここでは、充電切換手段３１および放電切換手段３２）が接続されている。また、制御手段４３が、残存容量検出手段２に接続されている。また、負荷６が組電池Ｅの端子間に接続され、この負荷（図示はしないが、インバータおよびこれを介して接続された電動機等）６と充電切換手段３１との間には直流／直流変換器５１が接続されている。これらの組電池Ｅ、組電池充電器１、残存容量検出手段２、充電切換手段３１、放電切換手段３２、制御手段４３、直流／直流変換器５３により制御システムが構成される。
【００２３】
残存容量検出手段２は、各電池要素ｅ１〜ｅｎの端子電圧Ｖ１〜Ｖｎの変化と、該電池要素を流れる電流Ｉ１〜Ｉｎの変化とを測定し、電池要素ｅ１〜ｅｎの内部抵抗ｒ１〜ｒｎを求めることができる。図１では残存容量検出手段２は、電池要素ｅ１〜ｅｎを流れる電流Ｉ１〜Ｉｎを個別に測定しているが、組電池の充電や放電を個別に行っていないときには、残存容量検出手段２は、組電池の端子間を流れる電流Ｉを測定する。しがたって、必ずしも電流Ｉ１〜Ｉｎを個別に測定しなくても、電池要素ｅ１〜ｅｎの内部抵抗ｒ１〜ｒｎを順次求めることができる。電流Ｉ１〜Ｉｎは、電池要素ｅ１〜ｅｎの充電や放電を個別に行っているときには、上記Ｉとは異なった値となる。このため、図１では、電池要素ｅ１〜ｅｎの内部抵抗ｒ１〜ｒｎを順次個別に求めることにしている。
【００２４】
また、図１では、残存容量検出手段２に検出部２１を１つだけ設け、切換器２２により電池要素ｅ１〜ｅｎを順次選択して、上記内部抵抗ｒ１〜ｒｎを順次求めるようにしているが、切換器２２を設けずに、電池要素ｅ１〜ｅｎについて１つずつ検出部を設けるようにもできる。
【００２５】
図１では、残存容量Ｑ１〜Ｑｎの算出は、図示しない残存容量検出用テーブルを参照して、図示しないプロセッサにより行われる。残存容量検出用テーブルは、電池要素ｅ１
〜ｅｎと同一仕様の電池要素ｅｓについての、放電や充電時の内部抵抗ｒｓと残存容量Ｑｓとを関係づけるもので、各電池要素ｅ１〜ｅｎの放電や充電時の内部抵抗ｒ１〜ｒｎから、その残存容量Ｑ１〜Ｑｎをそれぞれ算出することができる。
【００２６】
充電切換手段３１や放電切換手段３２は、後述するように制御手段４３により指示された、電池要素ｅ１〜ｅｎの何れかを選択することができる。
【００２７】
また、直流／直流変換器５３は、組電池充電器１の電圧を降圧して、充電切換手段３１の端子間に印加できるように構成されている。これにより、直流／直流変換器５３は、組電池充電器１からの電力を、充電切換手段３１を介して、該充電切換手段３１により選択された電池要素１からの電力を、充電切換手段３１を介して、該充電切換手段３１により選択された電池要素に供給することができる。直流／直流変換器５３に記載した矢印により、電力の変換方向を示す。
【００２８】
制御手段４３は、残存容量検出手段２の検出結果（残存容量Ｑ１〜Ｑｎ）を取り込み、これらの差が小さくなるように、充電切換手段３１に電池要素ｅ１〜ｅｎの充電を個別に行わせ、放電切換手段３２に電池要素ｅ１〜ｅｎの放電を個別に行わせることができる。電池要素ｅＭの放電による電力は、放電切換手段３２を介して抵抗負荷７に供給され熱に変換される。
【００２９】
第１実施例では、組電池Ｅの充電に際し、まず、組電池Ｅ全体の一括充電を行い、各電池要素ｅ１〜ｅｎに充電電流Ｉを流す。残存容量検出手段２は、端子電圧Ｖ１〜Ｖｎと、電流Ｉ１〜Ｉｎ（＝Ｉ）とを測定し、内部抵抗ｒ１〜ｒｎを求め、残存容量Ｑ１〜Ｑｎの検出を順次行う。
【００３０】
制御手段４３は、残存容量検出手段２の検出結果を取込み、残存容量Ｑ１〜Ｑｎが最も少ない電池要素ｅｍを特定し、充電切換手段３１が電池要素ｅｍを充電するように、当該充電切換手段３１に制御信号を送出することができる。電池要素ｅｍの個別充電を行っているときにも、その残存容量Ｑｍは、残存容量検出手段２により検出され、制御手段４３がこの検出値に基づく制御信号を充電切換手段３１に送出し、充電切換手段３１がこの検出値に基づき、電池要素ｅｍを「所定容量」まで充電する。この「所定容量」は、他の電池要素の残存容量を超えない範囲で設定することが好ましい。たとえば電池要素ｅｍのみの残存容量Ｑｍが、他の電池要素の残存容量よりも少なく、他の電池要素の残存容量がほぼ同一であるときには、電池要素ｅｍの残存容量は、他の電池要素の残存容量と等しくなるまで充電される。
【００３１】
上記のようにして、充電開始の際に電池要素ｅｍの残存容量のみが少なく、他の電池要素ｅｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ、ただしｎ≠ｍ）の残存容量が同一である場合において、均等化を行ったときの様子を図２（Ａ）に、また対比のために、図６に示した従来技術による充電の様子を図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、残存容量の均等化は、従来の充電技術では充電期間の末期に行われるのに対して、第１実施例では、充電期間の比較的早期に行われる。したがって、全ての電池要素ｅ１〜ｅｎは、ほぼ同時期に満充電となるので、特定の電池要素が過充電となることはない。
【００３３】
また、直流／直流変換器５２は、放電切換手段３２の端子間に現れる電圧を昇圧して、直流／直流変換器５２の端子間に印加できるように構成されている。これにより、直流／直流変換器５２は、放電切換手段３２により選択された電池要素からの電力を、該放電切換手段３２を介して、負荷６に供給することができる。
【００３４】
制御手段４３は、残存容量検出手段２の検出結果（残存容量Ｑ１〜Ｑｎ）を取り込み、これらの差が小さくなるように、放電切換手段３２に電池要素ｅ１〜ｅｎの放電を個別に行わせることができる。
【００３５】
組電池Ｅの充電に際し、まず、組電池Ｅ全体の一括放充電を行う。これにより、各電池要素ｅ１〜ｅｎには、放電電流Ｉが流される。残存容量検出手段２は、残存容量Ｑ１〜Ｑｎの検出を順次行う。
【００３６】
制御手段４３は、残存容量検出手段２の検出結果を取込み、残存容量Ｑ１〜Ｑｎが最も多い電池要素ｅMを特定し、当該放電切換手段３２に制御信号を送出する。電池要素ｅMの個別放電を行っているときにも、その残存容量ＱMは、残存容量検出手段２により検出され、制御手段４２がこの検出値に基づく制御信号を放電切換手段３２に送出し、放電切換手段３２がこの検出値に基づき、電池要素ｅMを放電する。この「所定容量」は、他の電池要素の残存容量以下とならない範囲で設定することが好ましい。たとえば電池要素ｅMのみの残存容量ＱMが、他の電池要素の残存容量よりも多く、当該他の電池要素の残存容量がほぼ同一であるときには、電池要素ｅMの残存容量は、他の電池要素の残存容量と等しくなるまで放電される。
【００３７】
上記のようにして、放電開始の際に電池要素ｅMの残存容量のみが多く、他の電池要素ｅi（ｉ＝１，２，・・・，ｎ、ただしｎ≠ｍ）の残存容量が同一である場合において、均等化を行ったときの様子を図３（Ａ）に、また対比のために、図６に示した従来技術による放電の様子を図３（Ｂ）に示す。図３（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、残存容量の均等化は、放電期間の比較的早期に行われる。したがって、全ての電池要素ｅ1〜ｅnは、ほぼ同時に少なくなるので、特定の電池要素が過放電となることはない。
【００３９】
放電切換手段３２は、制御手段４３からの制御信号に基づき、電池要素ｅMを「所定容量」まで放電し、放電切換手段３２は、制御手段４３からの制御信号に基づき、電池要素ｅMを「所定容量」（ｅmについての「所定容量」とは異なっていてもよいし、同じであってもよい）まで放電する。なお、図１においては、電池要素ｅMの放電は、組電池充電器１からの電力により直流／直流変換器５３を介して行われる。また、電池要素ｅMの放電による電力は、熱に変換されることなく、残存容量の少ない電池要素ｅmの充電に供される。
【００４１】
なお、本発明では、残存容量が少ない電池要素を、適宜の手段に記憶しておくことで、電池要素の不良や寿命を検出することもできる。上記実施例においては、残存容量検出手段２や制御手段４３は、機能的に示したものであり、たとえば残存容量検出手段２における検出器２１の機能や制御手段４３の機能は、適宜の部位に設けたマイクロプロセッサや記憶手段により一括して実現できることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
組電池の充電や放電に際し、各電池要素の残存容量の均等化を、適宜の時期（たとえば充電や放電の初期）に行うことができる。これにより、各電池要素の過充電や過放電を防止し、電池要素の短命化を防止でき、さらには組電池全体の容量を有効に利用することができる。また、図６に示したような従来のシステムと比較して、組電池用充電器の構成が簡略化され、ケーブル数も少なくて済むので、既存の組電池用充電器を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池要素の充電や放電を行うことで残存容量の均等化を行う、本発明の制御システムの第１実施例を示す説明図である。
【図２】残存容量が少ない電池要素が含まれる組電池の充電の様子を示す図であり、（Ａ）は、図１の制御システムによる各電池要素の充電の様子を示す図、（Ｂ）は図６に示した従来技術による充電の様子を示す図である。
【図３】残存容量が多い電池要素が含まれる組電池の放電の様子を示す図であり、（Ａ）は、図１の制御システムによる各電池要素の充電の様子を示す図、（Ｂ）は残存容量の均等化を充電の末期に行う従来の充電方法による放電の様子を示す図である。
【図４】図１に示した実施例を変形させた、本発明の制御システムの第２実施例を示す説明図である。
【図５】充電末期に組電池全体に微弱電流を流す方式の従来技術の説明図である。
【図６】電池要素ごとに個別の充電器を設ける方式の従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１ 組電池充電器
２ 残存容量検出手段
２１ 検出部
２２ 切換器
３１ 充電切換手段
３２ 放電切換手段
４３ 制御手段
５１〜５３ 直流／直流変換器
６ 負荷
７ 抵抗負荷
Ｅ 組電池
ｅ１〜ｅｎ 電池要素
Ｖ１〜Ｖｎ 電池要素の端子電圧
Ｉ１〜Ｉｎ 電池要素の電流
ｒ１〜ｒｎ 電池要素の内部抵抗
Ｑ１〜Ｑｎ 電池要素の残存容量
【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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