(57)【要約】【課題】組電池を構成する複数のセルに容量バラツキがある場合においても、最適な電圧均等化を可能とする。【解決手段】ＳＯＣ演算部２１で算出した組電池の容量ＳＯＣに基づいて、電圧均等化実施閾値演算部２５で、電圧均等化を実施する閾値である電圧均等化実施閾値ＶＤｄを演算する。そして、均等化実施判断部２６で、電圧均等化実施閾値ＶＤｄをセル間の最高電圧と最低電圧との電圧差ＶＤｒと比較して電圧均等化を実施するか否かを判断し、ＶＤｄ＜ＶＤｒのときには、電圧均等化回路１０を作動させ、ＶＤｄ≧ＶＤｒのときには、電圧均等化回路１０を停止させる。これにより、セル間に容量バラツキがある場合においても、満充電時のセルバランスを揃えて組電池としての使用可能な容量を最大になるようにすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池を構成する複数のセルの電圧を均等化する電圧均等化回路を有する電圧均等化システムであって、
上記組電池の容量に基づいて上記電圧均等化回路を動作させるか否かを判断するための閾値を演算し、該閾値に基づいて上記電圧均等化回路の作動を制御する制御部を備えたことを特徴とする組電池の電圧均等化システム。
【請求項２】
上記閾値を上記複数のセル間の電圧差と比較する電圧値として設定し、上記組電池の容量が小さい程、上記電圧均等化回路を作動させる上記電圧差を大きくすることを特徴とする請求項１記載の組電池の電圧均等化システム。
【請求項３】
上記閾値を上記組電池の容量の特定値として設定し、上記組電池の容量が該特定値以下のとき、上記電圧均等化回路の作動を禁止することを特徴とした請求項１記載の組電池の電圧均等化システム。
【請求項４】
上記電圧均等化回路を、上記組電池を一定条件での充電時のみ作動させることを特徴とする請求項１記載の組電池の電圧均等化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する複数のセルの電圧を均等化する組電池の電圧均等化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、複数のセルを直列接続する等して構成される組電池では、電池最大容量の活用、劣化による電池バラツキの発生防止等を目的として、各セルの電圧を均等化する電圧均等化回路を併用している。この電圧均等化装置としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されるように、各種の回路方式のものが知られている。
【０００３】
特許文献１に開示の均等化回路は、セル毎にバイパススイッチを備えるバイパス回路を設定し、満充電状態となったセルにおいては、バイパススイッチをオンして充電電流をバイパス回路に流すことにより、セルの過充電を回避するものである。
【０００４】
また、特許文献２に開示の均等化回路は、セル毎に巻線比の同じコイルを備えたトランスを用いて、各セルとコイルとの間に設けたスイッチを所定の周波数でスイッチングすることによりコイルを介したエネルギーの授受を繰り返し、各セルの電圧を均等化するものである。
【特許文献１】特開２００３−２８９６２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１６６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示されているような従来の技術では、個々の電池セルの初期特性（容量・内部抵抗）が均一であることを前提としており、実際のセルの容量バラツキは考慮されていないため、常に各セル間に電圧差が発生しないように電圧均等化回路を常時作動させるか、或いは、各セル間に所定の電圧差が発生したとき、電圧均等化回路を動作させるようにしている。
【０００６】
しかしながら、電池の使用可能な容量が最大になるのは、満充電のときにセルのバランスがとられているときであり、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等のように、電池容量が低下すると電圧が比較的急激に低下する特性を有するものでは、電池容量が少ない領域では、初期特性のバラツキによってセル間に電圧差が発生するため、一義的に均等化すると、却って満充電付近でセル電圧差を発生させ、電池としての使用可能容量が減少してしまうという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、組電池を構成する複数のセルに容量バラツキがある場合においても、最適な電圧均等化を行うことのできる組電池の電圧均等化システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明による組電池の電圧均等化システムは、組電池を構成する複数のセルの電圧を均等化する電圧均等化回路を有する電圧均等化システムであって、上記組電池の容量に基づいて上記電圧均等化回路を動作させるか否かを判断するための閾値を演算し、該閾値に基づいて上記電圧均等化回路の作動を制御する制御部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、組電池を構成する複数のセルに容量バラツキがある場合においても、最適な電圧均等化を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係り、図１は電圧均等化システムの全体構成図、図２はコントローラの機能ブロック図、図３は電池容量と開放電圧との関係を示す説明図、図４は電池容量と電圧均等化実施閾値との関係を示す説明図、図５はセルの充放電電圧バラツキを示す説明図、図６は電圧均等化結果を示す説明図である。
【００１１】
図１に示すように、電圧均等化システム１は、組電池を構成する複数のセルの電圧を均等化する電圧均等化回路１０と、この電圧均等化回路１０を制御する制御部としてのコントローラ２０とを備えて構成されている。ここで、電圧均等化の対象とする組電池は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等であり、複数個のセルを直列接続したもの、並列接続したもの、直列と並列とを組合わせて接続したものを電圧均等化の対象とする。
【００１２】
本実施の形態においては、電圧均等化回路１０は、ｎ個の複数のセルＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎを直列接続してなる組電池Ｄを対象として、各セルの電圧をトランスを用いて平衡させる回路であり、コイルの誘起電圧を利用した充放電によって各セル間のエネルギー授受を行い、各セルの電圧を均等化する。尚、電圧均等化回路１０は、コイルを利用するものに限定されるものではなく、その他、抵抗やコンデンサを利用した回路でも良い。
【００１３】
具体的には、電圧均等化回路１０は、一次側のコイルＬ０と、各セルＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎに対応する複数の二次側のコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎとを有するトランス１１を用いて構成されている。一次側のコイルＬ０には、スイッチＳ０を介してバッテリ１２が接続され、二次側のコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎには、それぞれ、スイッチＳ１，Ｓ２，…，Ｓｎを介してセルＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎが接続される。尚、コイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎは、同一巻数となるように設定されている。
【００１４】
各スイッチＳ０，Ｓ１，Ｓ２，…は、ＦＥＴ等の半導体スイッチ素子で構成され、マイクロコンピュータ等からなるコントローラ２０によって駆動制御される。コントローラ２０は、スイッチＳ０，Ｓ１，Ｓ２，…を所定の周波数で駆動し、スイッチＳ０がＯＦＦのときスイッチＳ１，Ｓ２，…がＯＮ、スイッチＳ０がＯＮのときスイッチＳ１，Ｓ２，…がＯＦＦするように、スイッチＳ１，Ｓ２，…をスイッチＳ０に反転同期させてＯＮ，ＯＦＦさせ、各セルの電圧を均等化させる。
【００１５】
この電圧均等化回路１０によるセル電圧の均等化制御において、コントローラ２０は、セル電圧が所定の閾値以下のときには、セル間に所定以上の電圧差が発生していても電圧均等化回路１０は動作させず、セル電圧差が所定の閾値以上のとき、電圧均等化回路１０を動作させることで、容量バラツキがあるセルに対しても最適な電圧均等化制御を実現する。均等化を実施する閾値は、本実施の形態においてはセル間の電圧差に応じて変化させ、最大限にセル容量を活用できるようにする。
【００１６】
このため、コントローラ２０は、図２に示すように、ＳＯＣ演算部２１、最高セル電圧演算部２２、最低セル電圧演算部２３、電圧差演算部２４、電圧均等化実施閾値演算部２５、均等化実施判断部２６、スイッチング駆動部２７を備えて構成されており、図示しないセンサによって検出された組電池Ｄ（ｎ個のセル）の総電圧ＶＰ、電流Ｉ、温度Ｔ、各セル毎の電圧ＶＣ１，ＶＣ２，…ＶＣｎが入力される。
【００１７】
ＳＯＣ演算部２１は、組電池Ｄの総電圧ＶＰ、電流Ｉ、温度Ｔを入力として、組電池Ｄの容量を充電状態（ＳＯＣ；State of Charge）として演算する。容量ＳＯＣは、温度Ｔによって補正した内部インピーダンスに基づく開放電圧ＶＯＣと、電流Ｉの積算に基づく容量ＳＯＣとの関係から演算される。
【００１８】
図３は、電池の容量ＳＯＣと無負荷時の電圧（開放電圧）ＯＣＶとの関係を示すものであり、同図においては、リチウムイオン電池の特性例を示している。一般的に、リチウムイオン電池では、満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）で４．２Ｖ、フル放電（ＳＯＣ＝０％）で２．５Ｖを示し、その電圧特性は、容量ＳＯＣが小さいほど傾きが急峻になっており、また、電池の総容量には依存性が無いことが知られている。
【００１９】
最高セル電圧演算部２２、最低セル電圧演算部２３は、各セルのセル電圧ＶＣ１，ＶＣ２，…，ＶＣｎを入力として、これらの電圧の中で最高電圧となる最高セル電圧ＶＣｍａｘ、最低電圧となる最低セル電圧ＶＣｍｉｎを演算する。この最高セル電圧ＶＣｍａｘと最低セル電圧ＶＣｍｉｎは電圧差演算部２４に入力され、電圧差演算部２４で最高セル電圧ＶＣｍａｘと最低セル電圧ＶＣｍｉｎとの電圧差ＶＤｒが演算される。
【００２０】
電圧均等化実施閾値演算部２５は、組電池の容量ＳＯＣに基づいて電圧均等化を実施する閾値（電圧均等化実施閾値）ＶＤｄを演算する。電圧均等化実施閾値ＶＤｄは、図４に示すように、セル間の電圧差に対応する電圧値として設定され、容量ＳＯＣが小さい程、電圧均等化実施閾値ＶＤｄの値を大きくするように設定されている。これは、以下に説明するように、容量ＳＯＣが小さい領域で電圧均等化回路１０を停止させることで、満充電時にセルバランスが崩れることを防止し、組電池としての使用可能な容量が最大になるようにするためである。
【００２１】
尚、電圧均等化実施閾値ＶＤｄは、特定の容量ＳＯＣの値として設定しても良く、この特定値よりも容量ＳＯＣが小さい領域で電圧均等化回路１０の作動を禁止（停止）することにより、同様に、満充電時のセルバランスの崩れを防止し、組電池としての使用可能な容量を最大にすることが可能となる。
【００２２】
均等化実施判断部２６は、セル間の最高・最低の電圧差ＶＤｒを電圧均等化実施閾値ＶＤｄと比較し、電圧均等化を実施するか否かを判断する。そして、ＶＤｄ＜ＶＤｒのときには、電圧均等化回路１０を作動させる制御指令をスイッチング駆動部２７に出力し、ＶＤｄ≧ＶＤｒのときには、電圧均等化回路１０を停止させる制御指令をスイッチング駆動部２７に出力する。
【００２３】
図５は、容量が概ねそろったセルを直列に接続し、満充電からフル放電を行い、さらに満充電を行った場合のデータ例を示している。当初、全てのセルは、４．２Ｖであるが、全てのセルから均等に電流を引き出すため、放電末期になるとセル容量の若干のバラツキから各セル間に電圧のバラツキが生じることがわかる。その後、満充電すると、全てのセルは、４．２Ｖに収束する。
【００２４】
従来の均等化制御では、各セルの電圧を均等化回路は、常に各セル間に電圧差が発生させないように常時作動させるか、或いは、各セル間に所定の電圧差が発生したときに動作させるようにしている。従って、最適なセルバランスがとられている図５の状態で電圧均等化回路を動作させると、容量ＳＯＣの小さい領域で初期特性のバラツキの影響によるセル間電圧差が生じるため、容量ＳＯＣの小さいところでセル電圧を均等化してしまい、逆に、満充電付近でセル間に電圧差を生じさせてしまう。
【００２５】
すなわち、均一容量のセルで組電池を構成した場合（容量ＳＯＣのどの領域でもセル電圧差が生じない理想的状態）を基準として考えると、図３に示す容量ＳＯＣと開放電圧ＯＣＶとの特性から、例えば容量ＳＯＣが０％近傍で５０ｍＶのセル間電圧差がある場合には、１％程度の使用可能容量の減少があるが、容量ＳＯＣが１００％近傍で同じ５０ｍＶの間電圧差が生じた場合、使用可能容量が１０％程度も減少してしまう。
【００２６】
従って、本システムでは、容量ＳＯＣが小さい程、電圧均等化を実施する閾値を大きくすることにより、満充電時のセルバランスを揃えて、組電池としての使用可能な容量が最大になるようにする。特に、電気自動車等においては、ＣＣ充電による一定電流での充電時等の一定条件の充電領域を電圧均等化の実施領域として限定することで、電池の正確な容量を把握して容量の小さい領域で電圧均等化回路１０を確実に停止させることができ、有効である。
【００２７】
尚、電圧均等化実施閾値ＶＤｄを、容量ＳＯＣの特定値として設定する場合には、均等化実施判断部２６では、セル間の最高・最低の電圧差ＶＤｒに代えて現在の組電池の容量ＳＯＣと電圧均等化実施閾値ＶＤｄとの比較を行い、ＶＤｄ＜ＳＯＣのとき、電圧均等化回路１０を作動させ、ＶＤｄ≧ＳＯＣのときには、電圧均等化回路１０の作動を禁止（停止）する。
【００２８】
次に、以上のコントローラ２０によって制御される電圧均等化システム１の動作について説明する。
【００２９】
先ず、コントローラ２０は、組電池Ｄを構成する各セルの現在の電圧のうち、最高セル電圧ＶＣｍａｘと最低セル電圧ＶＣｍｉｎとを求め、その電圧差Ｄｒを演算する。また、コントローラ２０は、組電池Ｄの総電圧ＶＰ、電流Ｉ、温度Ｔを入力として、現在の組電池Ｄの容量ＳＯＣを求め、マップ参照により電圧均等化実施閾値ＶＤｄを設定する。
【００３０】
そして、電圧均等化実施閾値ＶＤｄとセル間電圧差の最大値である電圧差ＶＤｒとを比較し、その比較結果に応じて電圧均等化回路１０を作動／停止させる。すなわち、ＶＤｄ＜ＶＤｒのときには、電圧均等化回路１０のスイッチＳ１，Ｓ２，…を所定の周波数で駆動し、ＶＤｄ≧のときには、スイッチＳ０，Ｓ１，Ｓ２，…をＯＦＦとして電圧均等化回路１０を停止させる。
【００３１】
電圧均等化回路１０の作動時は、スイッチＳ１，Ｓ２，…，ＳｎがＯＮされると、セルＤ１，Ｄ２，…の電圧Ｖ１，Ｖ２，…，ＶｎがコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎにそれぞれ印加される。次に、スイッチＳ１，Ｓ２，…，ＳｎがＯＦＦされると、コイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎに蓄えられたエネルギーがコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎの磁気回路を通じて巻き線比（１：１）に比例して分配され、各コイルの電圧が（Ｖ１＋Ｖ２＋…）／ｎに均等化される。
【００３２】
さらに、スイッチＳ１，Ｓ２，…，ＳｎがＯＮされると、コイル巻線の電圧（Ｖ１＋Ｖ２＋…）／ｎと各セル電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎとの電圧差により、コイルと各セル間でエネルギーの授受が行われる。尚、一次側のスイッチＳ１は、二次側のスイッチＳ１，Ｓ２，…，Ｓｎと反転同期してＯＮ，ＯＦＦされ、二次側のコイルＬ１，Ｌ２，…Ｌｎでの均等化の際に発生するスイッチ素子のエネルギーロスが一次側のコイルＬ１を介してバッテリ１２から補填される。
【００３３】
このような各セルとコイルとの間のエネルギーの蓄積・放出が繰り返されることにより、図６に示すように、最終的に、各セルの電圧が均等化されて均一になる。尚、図６は、意図的に電圧をばらつかせた複数のセルを対象として電圧均等化を実施したデータを示している。
【００３４】
以上のように、本実施の形態における電圧均等化システムは、組電池の各セルの電圧値を最適に制御することによって、組電池の持つエネルギーを最大限に引き出すことが可能になる。これにより、例えば電気自動車に適用する場合、同じ電池セル容量で走行距離を伸ばすことが可能となり、また、規定距離を走行可能な車両には、最低限の電池容量を搭載することにより、車両コストを低減することができるばかりでなく、充電回数を減らすことが可能となり、省エネルギーに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】電圧均等化システムの全体構成図
【図２】コントローラの機能ブロック図
【図３】電池容量と開放電圧との関係を示す説明図
【図４】電池容量と電圧均等化実施閾値との関係を示す説明図
【図５】セルの充放電電圧バラツキを示す説明図
【図６】電圧均等化結果を示す説明図
【符号の説明】
【００３６】
１  電圧均等化システム
１０  電圧均等化回路
２０  コントローラ
Ｄ  組電池
Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄｎ  セル
ＳＯＣ  容量
ＶＤｄ  電圧均等化実施閾値
ＶＤｒ  電圧差
【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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