(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のセルからなるモジュールを複数個接続した組電池における上記セルの容量調整方法であって、
組電池に入出力がなされていないときに組電池の各セルの開放電圧を検出し、
次にその検出値から全セルの平均開放電圧を算出し、
次いで各セルの開放電圧から上記平均開放電圧を引いた偏差が予め定めた所定値を越えていて放電させることで容量調整が必要なセルを特定し、
その特定したセルのセル容量に対する開放電圧の傾きが近似的に一定となる容量範囲毎に、予め設定した近似式からなり上記開放電圧から平均開放電圧を引いた偏差を当てはめる調整容量演算式によって必要な調整容量を求め、
上記特定したセル毎に上記調整容量に相当する電力を放電させることにより、各セルの容量のばらつきを調整することを特徴とする組電池セル容量調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載の組電池セル容量調整方法において、
セル容量に対する開放電圧の傾きが近似的に一定となる容量範囲毎に予め設定した近似式からなる調整容量演算式のうち、上記平均開放電圧と上記特定したセルの開放電圧が属する容量範囲の調整容量演算式を選択し、その調整容量演算式に上記開放電圧から平均開放電圧を引いた偏差を当てはめるよって必要な調整容量を求め、
上記特定したセル毎に上記調整容量に相当する電力を放電させることにより、各セルの容量のばらつきを調整することを特徴とする組電池セル容量調整方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の組電池セル容量調整方法において、
上記特定したセルの開放電圧が属するセル容量に対する開放電圧の傾きが近似的に一定となる容量範囲と、平均開放電圧をその特定したセルの電圧とみなしたときに属する容量範囲とが異なっていて、その間に近似的に一定な開放電圧の傾きが変化する電圧値があり、かつ特定したセルの電圧が平均開放電圧よりも大きい場合には、
特定したセルの電圧から傾きが変化する電圧を引いた偏差を、特定したセルの開放電圧が属する容量範囲の調整容量演算式にあてはめて第１の調整容量を算出し、かつ平均開放電圧を特定したセルの電圧とみなしたときに平均開放電圧の属する容量範囲の調整容量演算式に、傾きが変化する電圧から平均開放電圧を引いた偏差をあてはめて第２の調整容量を算出し、上記第１と第２の調整容量の和を特定したセルにとって必要な調整容量とし、
上記特定したセル毎に上記調整容量に相当する電力を放電させることにより、各セルの容量のばらつきを調整することを特徴とする組電池セル容量調整方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組電池セル容量調整方法において、
各セルの開放電圧から上記平均開放電圧を引いた偏差の絶対値が予め定めた所定値を越えているセルが検出された場合、そのセルの容量調整を禁止し、交換を促す警告を出力することを特徴とする組電池セル容量調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車等に用いられる組電池において、組電池を構成する各セルの容量のバラツキを補正し、常に組電池全体として電池の容量を十分に使用することが出来るように制御する組電池セル容量調整方法に関する。なお、この場合における電気自動車とは、二次電池のみで走行するものに限らず、電池の電力を車両駆動用に用いるものであれば、いわゆるハイブリッド形式の自動車等でもよい。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車用の電池は、一般にセルと呼ばれる単電池を複数個（例えば６〜８個）直列接続して１ブロックにしたモジュールを、必要な電圧になる個数だけ直列に接続した組電池が用いられる。このような組電池においては、充放電を繰り返すと、各セルの特性に応じて各セルごとの容量（その時点で使用できる残存容量）に差が生じる。これを放置しておくと組電池全体として使用できる容量が減少するので、適当な時期（例えば車両起動時など）毎に容量の大きなセルの電力を放電させ、全体の均衡を保つように制御する必要がある。
【０００３】
従来の電気自動車においては、図６（Ａ）に示す容量と開放電圧（電流零時の端子電圧）との関係がリニアな領域（容量の大きな範囲）について、各セルごとの調整容量（調整のために放電させる容量）を平均セル開放電圧からの偏差に対応させた一つのテーブル〔図６（Ｂ）〕として記憶しておき、それに応じて調整容量分の放電を行なわせていた。例えば、車両起動時や充電開始時等のようにセルコントローラが起動した際に、各セルの開放電圧を検出し、それらの値から平均セル開放電圧を算出し、平均セル開放電圧のからの偏差が規定値以上に大きなセルに対しては、上記の調整容量テーブルを参照して、偏差に応じた調整容量を求め、その値分の容量を放電させることによって全体の均衡を図るように制御している。上記の方法によれば、容量と開放電圧との関係が直線的な領域でのみ使用するため、調整容量テーブルが簡単に作成でき、かつテーブルを参照するという簡便な形で調整容量を演算することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のごとき従来の方法では、容量と開放電圧との直線関係の傾きが変化する領域（容量の少ない領域）では調整容量を演算できないため、仮に放電末期付近で繰り返し充放電するような使用状態においては、各セルの容量のバラツキを抑制できないことになる。そのため、組電池全体として電池の容量を十分に使用することが出来ないばかりか、電圧バラツキの拡大によって各セルの劣化状態のバラツキをも助長する可能性がある、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、検出されたセルの開放電圧がどのような領域にある場合でも、それに適合した容量調整を実施することが可能な組電池セル容量調整方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、組電池に入出力がなされていないときに組電池の各セルの開放電圧を検出し、全セルの平均開放電圧を算出し、次いで各セルの開放電圧から上記平均開放電圧を引いた偏差が予め定めた所定値を越えていて放電させることで容量調整が必要なセルを特定し、その特定したセルのセル容量に対する開放電圧の傾きが近似的に一定となる容量範囲毎に、予め設定した近似式からなり上記開放電圧から平均開放電圧を引いた偏差を当てはめる調整容量演算式によって必要な調整容量を求め、上記特定したセル毎に上記調整容量に相当する電力を放電させることにより、各セルの容量のばらつきを調整するように構成している。
【０００７】
例えば、リチウムイオン二次電池においては、その容量対開放電圧の特性が、使用範囲において３つの直線で近似することが出来る。したがってそれぞれの直線の領域に対応する調整容量演算式を設定し、対応する調整容量演算式を用いて、各セルの開放電圧と上記平均開放電圧との偏差に応じて調整容量を演算することにより、検出されたセルの開放電圧がどんな領域にあっても正確な容量調整を実施することが出来る。なお、他の２次電池の場合にも、それに対応した特性を用いて調整容量テーブルを設定することにより同様に制御可能である。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明においては、請求項１に記載の組電池セル容量調整方法において、セル容量に対する開放電圧の傾きが近似的に一定となる容量範囲毎に予め設定した近似式からなる調整容量演算式のうち、上記平均開放電圧と上記特定したセルの開放電圧が属する容量範囲の調整容量演算式を選択し、その調整容量演算式に上記開放電圧から平均開放電圧を引いた偏差を当てはめるよって必要な調整容量を求めるように構成している。
また、請求項３に記載の発明においては、上記複数の調整容量演算式を用いて演算する場合に、調整を実行しようとするセルの開放電圧が特性の変化する領域近傍にあり、二つの領域に股がって放電しなければならない場合に、その二つの領域に対応する調整容量演算式のそれぞれから調整容量を算出し、二つの演算値の和を調整容量とするように構成している。すなわち、単純に特性の異なる複数の演算式を用いて演算した場合には、特性の変化する境界では傾きの急峻な方の特性によって調整容量が決まり、調整容量の値が実際に必要な値よりも小さくなる可能性がある。そのため平均開放電圧のみから参照する演算式を選定するのではなく、セルの開放電圧に応じて同時に二つの演算式を参照して調整容量を演算することにより、演算精度を上げ、調整の頻度を減らし、可能な限り充放電をさせずに劣化を抑制する方向へ制御することが出来る。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、電池特性の変化に応じた複数の調整容量演算式を設定することで、これまで作動不可であった放電末期領域においてもそれに適合した容量調整が実施することが出来る。そのため、容量バラツキが速やかに解消され、常に組電池全体として電池の容量を十分に使用することが出来る、という効果が得られる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明においては、電池特性の変化する領域にまたがって容量調整をしなければならないようなセル開放電圧の場合であっても、それぞれ調整容量演算式から調整容量を演算してその和を調整容量とすることにより、精度よく容量調整を行なうことが出来る。そのため、一つの特性で演算して調整容量を小さく見積もってしまうことがなくなるので、容量調整を行なう頻度が減少し、電池の充放電回数に対応した劣化の進行を遅らせることが出来るという効果がある。
また、従来のように、放電末期領域で繰り返し充放電されるような状態では容量調整ができず、セルの電圧バラツキが拡大してその電圧バラツキによって劣化の不均一な進行が助長される、という状況を防止することが出来る、という効果がある。
【００１１】
また、通常の組電池に付属している容量放電回路を用いて上記各セル毎の放電を行なわせ、かつ電池制御装置として設けられているセルコントローラおよびバッテリコントローラを用いて上記各数値の計測および演算を行なわせることにより、新規なハードウエアを追加することなく、ソフトウエアの変更のみで本発明を実現することができるので、安価に実施することが出来る。
【００１２】
なお、本発明は、組電池に限らず、モジュール単位の電池システムにおいても同様に適用可能であり、同様の効果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の容量調整方法に用いるコントローラの構成の一例を示す模式図である。図１の構成は電気自動車の組電池の充放電等を制御するコントローラであり、この実施の形態では電気自動車の組電池制御用として既設のコントローラを用いて、各セルの容量調整を行なうものである。
【００１４】
図１において、１はセル（単電池）、２は抵抗、３はトランジスタ、４はモジュール毎に一つ設置された電池温度センサ、５は入力された各種信号に応じた演算を行なって制御信号を出力する制御部、破線で囲まれた部分６はモジュール内の各セルを制御するセルコントローラ、７は組電池全体を制御するバッテリコントローラ、８はモジュール内の各セルへ接続される電圧計測線、９はモジュール内の各トランジスタヘの信号線、１０はバッテリコントローラと各セルコントローラとの通信線、破線で囲まれた部分１１は容量放電回路、１２は容量放電回路１１を流れる電流を検出するための信号線である。なお、バッテリコントローラ７内には、後述する調整容量テーブルが記憶されている。
【００１５】
セル１の両端の矢印Ａ、Ｂは、この部分で前後のセル（図示せず）に直列に接続され、複数のセルで一つのモジュールを形成し、一つのモジュールごとに一つのセルコントローラ６が設けられている。そして全てのモジュールのセルコントローラ６がバッテリコントローラ７と通信線１０を介して接続され、各セルの充放電が制御される。また、容量放電回路１１は抵抗２とトランジスタ３との直列回路で構成される。そして、各セルの電圧計測線８を介して検出した各セルの端子電圧などに基づいて、例えば電池充電時に当該セルが過充電になった場合や他のセルに対して過電圧である場合などを制御部５が判断し、信号線９を介して当該セルのトランジスタ３をオンにすることにより、抵抗２を介して当該セルから電流を流し、電荷を放電する。本実施の形態においては、この容量放電回路１１を用いて調整容量を放電させることにより、各セルの容量を均衡させるように制御するものである。また、開放電圧や放電電流等の各値は前記電圧計測線８や信号線１２を介してセルコントローラ６で計測し、それに応じた調整容量をバッテリコントローラ７で演算する。
【００１６】
なお、本実施の形態で示した電池特性は、リチウムイオン二次電池のものを用いているが、他の２次電池の場合にはそれに対応した特性を用いて調整容量テーブルを設定することにより同様に制御可能である。
【００１７】
まず、本実施の形態における調整容量の演算について説明する。
図４はリチウムイオン二次電池における電池の容量と開放電圧の特性を示す特性図である。図４に示すように、容量と開放電圧の特性は３つの直線からなる折線グラフで近似される。この特性が変化する点の開放電圧をＶ１、Ｖ２とする。
【００１８】
図５は、図４に示した各電池特性の領域とそれに応じたそれぞれの調整容量演算式を示す図である。すなわち、セル開放電圧の高いほうから
Ｃｃ＝ａ１・△Ｖ    …▲１▼式
Ｃｃ＝ａ２・△Ｖ    …▲２▼式
Ｃｃ＝ａ３・△Ｖ    …▲３▼式
と表される。ただしＣｃは調整容量（Ａｈ）、△Ｖは各セル開放電圧と平均開放電圧（各セルの開放電圧の平均値）との偏差（Ｖ）である。また、ａ１、ａ２、ａ３はそれぞれ定数であり、電池特性から定まる値であって容量に対する電圧の傾きを表す。
【００１９】
次に、上記の各調整容量演算式の適用について説明する。
セルコントローラ（Ｃ／Ｃ）起動時（例えば電気自動車のイグニッションスイッチがオンにされた時）に各セルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）（ただしｎはセルＮｏ）が検出されると、まず全セルの平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが算出される。そして各セルのＶｃ(ｎ）と平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅとの偏差△Ｖｃ(ｎ）を下式で算出する。
△Ｖｃ(ｎ）＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖｃ ａｖｅ
検出されたＶｃ(ｎ）の値が予め設定された偏差の許容値△Ｖｃｍａｘ以下の場合、すなわち
△Ｖｃ(ｎ）≦△Ｖｃｍａｘ
であった場合には、そのセルのバラツキは許容値以下であると判断して容量調整は行わない。一方、
△Ｖｃ(ｎ）＞△Ｖｃｍａｘ
となるセルが存在する場合には、そのセルに対して、さらに以下の条件に応じて調整容量Ｃｃが演算され、容量調整が行われる。
【００２０】
（１）  Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ１の場合
これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ１よりも大きい範囲にある場合であり、この場合には、調整容量演算式は▲１▼式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して調整容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電回路１１を用いて放電する。
【００２１】
（２）  Ｖ１＞Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ２であり、かつＶ１≧Ｖｃ(ｎ）の場合
これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ１とＶ２の間にある場合であって、かつセルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）がＶ１以下の場合である。この場合には、調整容量演算式は▲２▼式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して調整容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電回路１１を用いて放電する。
【００２２】
（３）  Ｖ２＞Ｖｃ ａｖｅであり、かつＶ２≧Ｖｃ(ｎ）の場合
これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅが図５のＶ２より小さい場合であって、かつかつセルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）がＶ２以下の場合である。この場合には、調整容量演算式は▲３▼式を用い、その△Ｖに△Ｖｃ(ｎ）を代入して調整容量を算出し、算出された調整容量Ｃｃを容量放電回路１１を用いて放電する。
【００２３】
（４）  Ｖ１＞Ｖｃ ａｖｅ≧Ｖ２であり、かつＶｃ(ｎ）＞Ｖ１の場合
これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅの範囲は前記（２）と同じであるが、セルの開放電圧Ｖｃ(ｎ）がＶ１よりも大きい場合、すなわち、Ｖ１の屈曲点付近が動作点の場合である。この場合には、まず、
△Ｖｃ(ｎ)１＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖ１
に応じた調整容量Ｃｃ１を前記▲１▼式から算出し、さらに
△Ｖｃ(ｎ)２＝Ｖ１−Ｖｃ ａｖｅ
に応じた調整容量Ｃｃ２を前記▲２▼式から算出し、
Ｃｃ＝Ｃｃ１＋Ｃｃ２
を調整容量とし、それを容量放電回路１１を用いて放電させる。
【００２４】
（５）  Ｖ２＞Ｖｃ ａｖｅであり、かつＶｃ(ｎ）＞Ｖ２の場合
これは平均開放電圧Ｖｃ ａｖｅは前記（３）と同じであるが、開放電圧Ｖｃ(ｎ）がＶ２よりも大きい場合、すなわち、Ｖ２の屈曲点付近が動作点の場合である。この場合には、まず、
△Ｖｃ(ｎ)３＝Ｖｃ(ｎ）−Ｖ２
に応じた調整容量Ｃｃ３を前記▲２▼式から算出し、さらに、
△Ｖｃ(ｎ)４＝Ｖ２−Ｖｃ ａｖｅ
に応じた調整容量Ｃｃ４を前記▲３▼式から算出し、
Ｃｃ＝Ｃｃ３＋Ｃｃ４
を調整容量とし、それを容量放電回路１１を用いて放電させる。
【００２５】
なお、△Ｖｃ(ｎ）の絶対値が予め定めた所定値△Ｖｃ failよりも大きかつた場合、すなわち、或るセルの開放電圧と平均開放電圧との偏差が異常に大きかった場合には、当該セルが異常と判断し、そのセルに対しては容量調整を禁止するとともに交換を促す警告を出力する。
【００２６】
また、上記の各演算式と偏差との関係を調整容量テーブルとして予めバッテリコントローラ７に記憶しておくことにより、偏差に対応した調整容量値を直ちに読み出せるようにすることが出来る。
また、上記の開放電圧や平均開放電圧等は、電池温度に応じて補正した値を用いるように構成してもよい。
図２および図３は、上記の演算経過を示すフローチャートであり、両図は（Ａ）および（Ｂ）の個所で接続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量調整方法に用いるコントローラの構成の一例を示す模式図。
【図２】調整容量の演算過程を示すフローチャートの一部。
【図３】調整容量の演算過程を示すフローチャートの他の一部。
【図４】リチウムイオン二次電池における電池の容量と開放電圧の特性を示す特性図。
【図５】図４に示した各電池特性の領域とそれに応じたそれぞれの調整容量演算式を示す図。
【図６】従来の調整方法を説明するための図であり、（Ａ）は容量と開放電圧との関係を示す特性図、（Ｂ）は各セルごとの調整容量を平均セル開放電圧からの偏差に対応させたテーブルを示す図。
【符号の説明】
１…セル（単電池）                ２…抵抗
３…トランジスタ                  ４…電池温度センサ
５…は制御部                      ６…セルコントローラ
７…バッテリコントローラ          ８…電圧計測線
９…信号線                      １０…通信線
１１…容量放電回路                １２…電流を検出するための信号線
【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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