JP2004120871A - 組電池の充電状態調整方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】短時間に、組電池を構成する各単位セルの均等化を行う組電池の充電状態調整方法及びその装置を提供する。
【解決手段】複数の単位セルＢ１〜Ｂ４…のうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。コンデンサＣＢの両端電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからコンデンサＣＢに電荷を移動させる。その後、コンデンサＣＢから、最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の単位セルＢ１〜Ｂ４…のうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。コンデンサＣＢの両端電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからコンデンサＣＢに電荷を移動させる。その後、コンデンサＣＢから、最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、充電状態調整方法及びその装置に係わり、特に、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド電気自動車においては、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単位セルとして、これらを複数個直列接続した組電池が、電動モータの電源として用いられている。
【０００３】
そして、上述した組電池には、充放電を繰り返すうちに、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）に基づく両端電圧にばらつきが生じ、これを放置したまま充電や放電を行うと、一部の単位セルが過充電状態や過放電状態になりかねない、という問題があることが知られている。
【０００４】
そこで、特許文献１では、各単位セルを、所定のキャパシタ電圧を有するキャパシタに接続するものが提案されている。これにより、キャパシタ電圧より高い両端電圧を持つ単位セルの電荷が、キャパシタに移動され、逆に、キャパシタ電圧より低い両端電圧を持つ単位セルに、キャパシタの電荷が移動される。即ち、キャパシタを介して、両端電圧の高い方から低い方への蓄積電荷の移動が行われるため、各単位セルの両端電圧のばらつきを解消することができる。
【０００５】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のようなものがある。
【特許文献１】
特開平１０−２２５００５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１により提案された解消法では、各単位セルの両端電圧の均等化がすすみ各単位セルの両端電圧のばらつきが小さくなると、キャパシタ電圧と各単位セルの両端電圧との電圧差の減少に伴い電荷の移動量が減少するため、完全に均一になるまで時間がかかるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、短時間に、組電池を構成する各単位セルの均等化を行う組電池の充電状態調整方法及びその装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整方法であって、キャパシタの両端電圧が、前記複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となる最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化することを特徴とする充電状態調整方法に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。キャパシタの両端電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させる。その後、キャパシタから、最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【００１０】
従って、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整装置であって、前記各単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、両端電圧が最大となる最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化する均等化手段とを備え、前記均等化手段は、前記キャパシタの電圧が、前記最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させることを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。電圧検出手段が、各単位セルの両端電圧を検出する。キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、均等化手段が、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させる。その後、均等化手段が、キャパシタから最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【００１３】
従って、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の充電状態調整装置であって、前記均等化手段は、前記最大単位セルを、電圧コンバータを介して、前記キャパシタに接続することを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、均等化手段が、最大単位セルを、電圧コンバータを介して、キャパシタに接続する。従って、電圧コンバータを用いて、最大単位セルの両端電圧を昇圧すれば、簡単に、キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の充電調整装置であって、前記昇圧型電圧コンバータは、前記最大単位セルの両端電圧を、前記単位セルの最大動作電圧まで昇圧することを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、昇圧型電圧コンバータが、最大単位セルの両端電圧を、単位セルの最大動作電圧まで昇圧する。従って、最大単位セルの両端電圧はその単位セルの最大動作電圧より高くなることがないため、確実に、キャパシタの電圧が、最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の組電池の充電状態調整方法を実施した組電池の充電状態調整装置（以下、調整装置）の一実施の形態を示す回路図である。
図１中引用符号１で示す本実施形態の調整装置は、エンジンと電動モータ（いずれも図示せず。）を走行駆動源として併用するハイブリッド電気自動車（以下、車両）において、前記電動モータの電源として用いられるメインバッテリＢ（＝組電池）に接続して使用されるものである。
【００１９】
前記メインバッテリＢは、二次電池からなる単位セルＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４…をｎ個直列に接続して構成されており、メインバッテリＢの両端には、電動モータなどが必要に応じて負荷として接続される他、オルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。
【００２０】
本実施形態の調整装置１は、またスイッチ郡２を備えている。スイッチ郡２は、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のプラス端子に一端が接続されているスイッチＳ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａ…と、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のマイナス端子に一端が接続されているスイッチＳ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂ、Ｓ４ｂ…とを備えている。上述したスイッチＳ１ａ〜Ｓ４ａ…の他端は、互いに接続され、スイッチＳ１ｂ〜Ｓ４ｂ…の他端も、互いに接続されている。
【００２１】
また、調整装置１は、上記スイッチＳ１ａ〜Ｓ４ａ…の他端の接続点Ｐ２−スイッチＳ１ｂ〜Ｓ４ｂ…の他端の接続点Ｐ１間に設けられた、コンデンサＣＢ（＝キャパシタ）、昇圧型の電圧コンバータ３、スイッチ郡４とを備えている。電圧コンバータ３は、両端に接続された単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧を、例えば、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧して、コンデンサＣＢに供給するコンバータである。
【００２２】
スイッチ郡４は、オンにより、コンデンサＣＢの一端を直接、接続点Ｐ２に接続させるスイッチＳｄと、オンにより、コンデンサＣＢの一端を、電圧コンバータ３を介して、接続点Ｐ１に接続させるスイッチＳｅとを有している。
【００２３】
また、調整装置１は、接続点Ｐ１−接続点Ｐ２間に、上記コンデンサＣＢ、電圧コンバータ３及びスイッチ郡４とは並列に設けられた電圧検出部５（＝電圧検出手段）を備えている。この電圧検出部５は、その両端、すなわち、接続点Ｐ１−接続点Ｐ２間に接続された各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧に応じた電圧信号を出力する。
【００２４】
さらに、調整装置１は、スイッチ郡２及び４内のスイッチの制御端子が接続されるマイクロコンピュータ（以下、μＣＯＭ）６を備えている。上記μＣＯＭ６は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵ）６ａ、ＣＰＵ６ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ６ｂ、ＣＰＵ６ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６ｃ及び上記電圧検出部５から供給されるアナログの電圧信号をデジタル信号に変換して、ＣＰＵ６ａに出力するＡ／Ｄ変換器６ｄを有し、これらがバスラインによって接続される。
【００２５】
上述した構成の調整装置１の動作を、図２のＣＰＵ６ａの処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。
ＣＰＵ６ａは、例えば、車両が走行している可能性のないイグニッションスイッチのオフによって動作を開始し、図示しない初期ステップにおいて、μＣＯＭ６内のＲＡＭ６ｃに形成した各種のエリアの初期設定を行ってからその最初のステップＳ１に進む。
【００２６】
上記ステップＳ１において、ＣＰＵ６ａは、電圧検出手段として働き、全単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧を各々検出する電圧検出処理を行う。具体的には、ＣＰＵ６ａは、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂ〜Ｓ４ａ及びＳ４ｂ…を順次オンして、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端を順次、電圧検出部５に接続する。
【００２７】
これにより、ＣＰＵ６ａには、スイッチ郡４内のスイッチのオンオフに同期して、電圧検出部５から、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧に応じた電気信号が供給される。なお、上記電気信号は、Ａ／Ｄ変換器６ｄによってデジタル信号に変換されている。そして、ＣＰＵ６ａは、上記供給された電気信号を読み取ることにより、電圧検出を行う。
【００２８】
次に、ＣＰＵ６ａは、上記電圧検出処理の検出結果に基づき、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のうち、両端電圧が最大となる最大単位セルＢｍａｘと、両端電圧が最小となる最小単位セルＢｍｉｎとを抽出する（ステップＳ２）。
【００２９】
その後、ＣＰＵ６ａは、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきが所定範囲内であれば（ステップＳ３でＹ）、処理を終了する。一方、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきが所定範囲外であれば（ステップＳ３でＮ）、次のステップＳ４に進む。ステップＳ３において、ＣＰＵ６ａは、具体的には、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧と最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧との差が所定電圧を越えているとき、ばらつきが所定範囲外であると判断する。
【００３０】
ステップＳ４において、ＣＰＵ６ａは、最大単位セルＢｍａｘの両端スイッチ及びスイッチＳｅをオンする（ステップＳ４）。これにより、最大単位セルＢｍａｘの両端が、電圧コンバータ３を介してコンデンサＣＢに接続される。
【００３１】
上記接続により、電圧コンバータ３は、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧を、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧する。また、コンデンサＣＢの両端電圧は、最大動作電圧より小さく設定されているため、上記接続により、最大単位セルＢｍａｘから電圧コンバータ３を介してコンデンサＣＢに電荷が移動し、コンデンサＣＢが最大動作電圧に充電される。
【００３２】
電圧コンバータ３を介して最大単位セルＢｍａｘからコンデンサＣＢへの電荷の移動が終了すると、ＣＰＵ６ａは、最大単位セルＢｍａｘの両端スイッチ及びスイッチＳｅをオフする（ステップＳ５）。そして、次に、最小単位セルＢｍｉｎの両端スイッチ及びスイッチＳｄをオンする（ステップＳ６）。
【００３３】
これにより、最小単位セルＢｍｉｎの両端が、電圧コンバータ３を介すことなく、直接コンデンサＣＢに接続される。このとき、上記接続により、コンデンサＣＢの両端電圧（＝最大動作電圧）と最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧との差に応じた量の電荷が、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎに流れる。
【００３４】
コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎへの電荷の移動が終了すると、ＣＰＵ６ａは、最小単位セルＢｍｉｎの両端スイッチ及びスイッチＳｄをオフし（ステップＳ７）、再びステップＳ１に戻る。以上の動作により、コンデンサＣＢを介して、最大単位セルＢｍａｘから最小単位セルＢｍｉｎへの電荷の移動が行われ、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきを解消することができる。
【００３５】
次に、上述した調整装置１の効果について説明する。まず、従来のように、電圧コンバータ３を介さずに最大単位セルＢｍａｘの両端とコンデンサＣＢの両端とを直接、接続した場合の電荷の移動量について説明する。今、最大単位セルＢｍａｘによりコンデンサＣＢを充電した結果、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧が３．７８（Ｖ）、最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧が３．７３（Ｖ）、コンデンサＣＢの両端電圧が３．７８（Ｖ）となったとする。電圧コンバータ３を介していないので、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧は、コンデンサＣＢの両端電圧と等しい。
【００３６】
次に、最小単位セルＢｍｉｎの両端とコンデンサＣＢの両端とを接続すると、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎには、（３．７８（Ｖ）−３．７３（Ｖ））／Ｒ（ただし、Ｒは回路抵抗）＝０．０５／Ｒの充電電流が流れる。従来では、均等化が進み、最大単位セルＢｍａｘと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧の差が小さくなると、充電電流はさらに小さくなる。
【００３７】
つまり、従来は、充電電流が最大単位セルＢｍａｘと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧差に依存している。このため、均等化が進むほど、単位時間当たりの電荷移動量が減少し、最大単位セルＢｍａｘから最小単位セルＢｍｉｎへの一回の電荷移動にかかる時間が長くなる。また、一回の電荷移動で移動する電荷移動量も減少し、単位電荷当たりの移動回数が増加し、これに起因して均等化時間が遅くなる。
【００３８】
次に、本実施の形態の調整装置１のように、電圧コンバータ３を介して、最大単位セルＢｍａｘの両端とコンデンサＣＢの両端とを接続して、コンデンサＣＢを電圧コンバータ３で単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧（ここでは、リチウム電池の最大動作電圧である４．２Ｖとする。）に充電する場合の電荷の移動量について説明する。
【００３９】
今、電圧コンバータ３を介して最大単位セルＢｍａｘによりコンデンサＣＢを充電した結果、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧が３．７８（Ｖ）、最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧が３．７３（Ｖ）、コンデンサＣＢの両端電圧が４．２（Ｖ）となったとする。電圧コンバータ３を介しているため、コンデンサＣＢの両端電圧は、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くなる。
【００４０】
次に、最小単位セルＢｍｉｎとコンデンサＣＢとの両端を接続すると、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎには、（４．２−３．７３）／Ｒ＝０．４７／Ｒの充電電流が流れる。このことから明らかなように、充電電流が最大動作電圧４．２Ｖと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧差に依存している。このため、コンデンサＣＢの両端電圧を、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くした分、単位時間当たりの電荷移動量や、一回の電荷移動で移動する電荷移動量が増加し、従来に比べて均等化時間が速くなる。このため、本実施の形態によれば、短時間に、バッテリＢを構成する各単位セルの均等化を行うことができる。
【００４１】
なお、上述した実施形態によれば、電圧コンバータ３によって、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧を、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧していた。しかしながら、この場合に限らず、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧以上の値であればよい。最大単位セルＢｍａｘの両端電圧は、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧より高くなることがないため、確実に、コンデンサＣＢの電圧が、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くなるように、最大単位セルＢｍａｘからコンデンサＣＢに電荷を移動させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２記載の発明によれば、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができるので、短時間に、組電池を構成する各単位セルの均等化を行う組電池の充電状態調整方法及びその装置を得ることができる。
【００４３】
請求項３記載の発明によれば、電圧コンバータを用いて、最大単位セルの両端電圧を昇圧すれば、簡単に、キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができるので、簡単な構成の充電状態調整装置を得ることができる。
【００４４】
請求項４記載の発明によれば、確実に、キャパシタの電圧が、最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる充電状態調整装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の充電状態調整方法を実施した組電池の充電状態調整装置の一実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１の調整装置１を構成するＣＰＵ６ａの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｂ メインバッテリ（組電池）
Ｂ１〜Ｂ４ 単位セル
Ｂｍａｘ 最大単位セル
Ｂｍｉｎ 最小単位セル
ＣＢ コンデンサ（キャパシタ）
２ 均等化部（均等化手段）
３ 電圧コンバータ
５ 電圧検出部（電圧検出手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、充電状態調整方法及びその装置に係わり、特に、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド電気自動車においては、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単位セルとして、これらを複数個直列接続した組電池が、電動モータの電源として用いられている。
【０００３】
そして、上述した組電池には、充放電を繰り返すうちに、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）に基づく両端電圧にばらつきが生じ、これを放置したまま充電や放電を行うと、一部の単位セルが過充電状態や過放電状態になりかねない、という問題があることが知られている。
【０００４】
そこで、特許文献１では、各単位セルを、所定のキャパシタ電圧を有するキャパシタに接続するものが提案されている。これにより、キャパシタ電圧より高い両端電圧を持つ単位セルの電荷が、キャパシタに移動され、逆に、キャパシタ電圧より低い両端電圧を持つ単位セルに、キャパシタの電荷が移動される。即ち、キャパシタを介して、両端電圧の高い方から低い方への蓄積電荷の移動が行われるため、各単位セルの両端電圧のばらつきを解消することができる。
【０００５】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のようなものがある。
【特許文献１】
特開平１０−２２５００５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１により提案された解消法では、各単位セルの両端電圧の均等化がすすみ各単位セルの両端電圧のばらつきが小さくなると、キャパシタ電圧と各単位セルの両端電圧との電圧差の減少に伴い電荷の移動量が減少するため、完全に均一になるまで時間がかかるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、短時間に、組電池を構成する各単位セルの均等化を行う組電池の充電状態調整方法及びその装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整方法であって、キャパシタの両端電圧が、前記複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となる最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化することを特徴とする充電状態調整方法に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。キャパシタの両端電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させる。その後、キャパシタから、最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【００１０】
従って、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整装置であって、前記各単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、両端電圧が最大となる最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化する均等化手段とを備え、前記均等化手段は、前記キャパシタの電圧が、前記最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させることを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。電圧検出手段が、各単位セルの両端電圧を検出する。キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、均等化手段が、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させる。その後、均等化手段が、キャパシタから最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。
【００１３】
従って、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の充電状態調整装置であって、前記均等化手段は、前記最大単位セルを、電圧コンバータを介して、前記キャパシタに接続することを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、均等化手段が、最大単位セルを、電圧コンバータを介して、キャパシタに接続する。従って、電圧コンバータを用いて、最大単位セルの両端電圧を昇圧すれば、簡単に、キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の充電調整装置であって、前記昇圧型電圧コンバータは、前記最大単位セルの両端電圧を、前記単位セルの最大動作電圧まで昇圧することを特徴とする充電状態調整装置に存する。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、昇圧型電圧コンバータが、最大単位セルの両端電圧を、単位セルの最大動作電圧まで昇圧する。従って、最大単位セルの両端電圧はその単位セルの最大動作電圧より高くなることがないため、確実に、キャパシタの電圧が、最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の組電池の充電状態調整方法を実施した組電池の充電状態調整装置（以下、調整装置）の一実施の形態を示す回路図である。
図１中引用符号１で示す本実施形態の調整装置は、エンジンと電動モータ（いずれも図示せず。）を走行駆動源として併用するハイブリッド電気自動車（以下、車両）において、前記電動モータの電源として用いられるメインバッテリＢ（＝組電池）に接続して使用されるものである。
【００１９】
前記メインバッテリＢは、二次電池からなる単位セルＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４…をｎ個直列に接続して構成されており、メインバッテリＢの両端には、電動モータなどが必要に応じて負荷として接続される他、オルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。
【００２０】
本実施形態の調整装置１は、またスイッチ郡２を備えている。スイッチ郡２は、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のプラス端子に一端が接続されているスイッチＳ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａ…と、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のマイナス端子に一端が接続されているスイッチＳ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂ、Ｓ４ｂ…とを備えている。上述したスイッチＳ１ａ〜Ｓ４ａ…の他端は、互いに接続され、スイッチＳ１ｂ〜Ｓ４ｂ…の他端も、互いに接続されている。
【００２１】
また、調整装置１は、上記スイッチＳ１ａ〜Ｓ４ａ…の他端の接続点Ｐ２−スイッチＳ１ｂ〜Ｓ４ｂ…の他端の接続点Ｐ１間に設けられた、コンデンサＣＢ（＝キャパシタ）、昇圧型の電圧コンバータ３、スイッチ郡４とを備えている。電圧コンバータ３は、両端に接続された単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧を、例えば、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧して、コンデンサＣＢに供給するコンバータである。
【００２２】
スイッチ郡４は、オンにより、コンデンサＣＢの一端を直接、接続点Ｐ２に接続させるスイッチＳｄと、オンにより、コンデンサＣＢの一端を、電圧コンバータ３を介して、接続点Ｐ１に接続させるスイッチＳｅとを有している。
【００２３】
また、調整装置１は、接続点Ｐ１−接続点Ｐ２間に、上記コンデンサＣＢ、電圧コンバータ３及びスイッチ郡４とは並列に設けられた電圧検出部５（＝電圧検出手段）を備えている。この電圧検出部５は、その両端、すなわち、接続点Ｐ１−接続点Ｐ２間に接続された各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧に応じた電圧信号を出力する。
【００２４】
さらに、調整装置１は、スイッチ郡２及び４内のスイッチの制御端子が接続されるマイクロコンピュータ（以下、μＣＯＭ）６を備えている。上記μＣＯＭ６は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵ）６ａ、ＣＰＵ６ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ６ｂ、ＣＰＵ６ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６ｃ及び上記電圧検出部５から供給されるアナログの電圧信号をデジタル信号に変換して、ＣＰＵ６ａに出力するＡ／Ｄ変換器６ｄを有し、これらがバスラインによって接続される。
【００２５】
上述した構成の調整装置１の動作を、図２のＣＰＵ６ａの処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。
ＣＰＵ６ａは、例えば、車両が走行している可能性のないイグニッションスイッチのオフによって動作を開始し、図示しない初期ステップにおいて、μＣＯＭ６内のＲＡＭ６ｃに形成した各種のエリアの初期設定を行ってからその最初のステップＳ１に進む。
【００２６】
上記ステップＳ１において、ＣＰＵ６ａは、電圧検出手段として働き、全単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧を各々検出する電圧検出処理を行う。具体的には、ＣＰＵ６ａは、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂ〜Ｓ４ａ及びＳ４ｂ…を順次オンして、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端を順次、電圧検出部５に接続する。
【００２７】
これにより、ＣＰＵ６ａには、スイッチ郡４内のスイッチのオンオフに同期して、電圧検出部５から、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧に応じた電気信号が供給される。なお、上記電気信号は、Ａ／Ｄ変換器６ｄによってデジタル信号に変換されている。そして、ＣＰＵ６ａは、上記供給された電気信号を読み取ることにより、電圧検出を行う。
【００２８】
次に、ＣＰＵ６ａは、上記電圧検出処理の検出結果に基づき、各単位セルＢ１〜Ｂ４…のうち、両端電圧が最大となる最大単位セルＢｍａｘと、両端電圧が最小となる最小単位セルＢｍｉｎとを抽出する（ステップＳ２）。
【００２９】
その後、ＣＰＵ６ａは、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきが所定範囲内であれば（ステップＳ３でＹ）、処理を終了する。一方、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきが所定範囲外であれば（ステップＳ３でＮ）、次のステップＳ４に進む。ステップＳ３において、ＣＰＵ６ａは、具体的には、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧と最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧との差が所定電圧を越えているとき、ばらつきが所定範囲外であると判断する。
【００３０】
ステップＳ４において、ＣＰＵ６ａは、最大単位セルＢｍａｘの両端スイッチ及びスイッチＳｅをオンする（ステップＳ４）。これにより、最大単位セルＢｍａｘの両端が、電圧コンバータ３を介してコンデンサＣＢに接続される。
【００３１】
上記接続により、電圧コンバータ３は、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧を、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧する。また、コンデンサＣＢの両端電圧は、最大動作電圧より小さく設定されているため、上記接続により、最大単位セルＢｍａｘから電圧コンバータ３を介してコンデンサＣＢに電荷が移動し、コンデンサＣＢが最大動作電圧に充電される。
【００３２】
電圧コンバータ３を介して最大単位セルＢｍａｘからコンデンサＣＢへの電荷の移動が終了すると、ＣＰＵ６ａは、最大単位セルＢｍａｘの両端スイッチ及びスイッチＳｅをオフする（ステップＳ５）。そして、次に、最小単位セルＢｍｉｎの両端スイッチ及びスイッチＳｄをオンする（ステップＳ６）。
【００３３】
これにより、最小単位セルＢｍｉｎの両端が、電圧コンバータ３を介すことなく、直接コンデンサＣＢに接続される。このとき、上記接続により、コンデンサＣＢの両端電圧（＝最大動作電圧）と最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧との差に応じた量の電荷が、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎに流れる。
【００３４】
コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎへの電荷の移動が終了すると、ＣＰＵ６ａは、最小単位セルＢｍｉｎの両端スイッチ及びスイッチＳｄをオフし（ステップＳ７）、再びステップＳ１に戻る。以上の動作により、コンデンサＣＢを介して、最大単位セルＢｍａｘから最小単位セルＢｍｉｎへの電荷の移動が行われ、各単位セルＢ１〜Ｂ４…の両端電圧のばらつきを解消することができる。
【００３５】
次に、上述した調整装置１の効果について説明する。まず、従来のように、電圧コンバータ３を介さずに最大単位セルＢｍａｘの両端とコンデンサＣＢの両端とを直接、接続した場合の電荷の移動量について説明する。今、最大単位セルＢｍａｘによりコンデンサＣＢを充電した結果、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧が３．７８（Ｖ）、最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧が３．７３（Ｖ）、コンデンサＣＢの両端電圧が３．７８（Ｖ）となったとする。電圧コンバータ３を介していないので、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧は、コンデンサＣＢの両端電圧と等しい。
【００３６】
次に、最小単位セルＢｍｉｎの両端とコンデンサＣＢの両端とを接続すると、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎには、（３．７８（Ｖ）−３．７３（Ｖ））／Ｒ（ただし、Ｒは回路抵抗）＝０．０５／Ｒの充電電流が流れる。従来では、均等化が進み、最大単位セルＢｍａｘと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧の差が小さくなると、充電電流はさらに小さくなる。
【００３７】
つまり、従来は、充電電流が最大単位セルＢｍａｘと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧差に依存している。このため、均等化が進むほど、単位時間当たりの電荷移動量が減少し、最大単位セルＢｍａｘから最小単位セルＢｍｉｎへの一回の電荷移動にかかる時間が長くなる。また、一回の電荷移動で移動する電荷移動量も減少し、単位電荷当たりの移動回数が増加し、これに起因して均等化時間が遅くなる。
【００３８】
次に、本実施の形態の調整装置１のように、電圧コンバータ３を介して、最大単位セルＢｍａｘの両端とコンデンサＣＢの両端とを接続して、コンデンサＣＢを電圧コンバータ３で単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧（ここでは、リチウム電池の最大動作電圧である４．２Ｖとする。）に充電する場合の電荷の移動量について説明する。
【００３９】
今、電圧コンバータ３を介して最大単位セルＢｍａｘによりコンデンサＣＢを充電した結果、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧が３．７８（Ｖ）、最小単位セルＢｍｉｎの両端電圧が３．７３（Ｖ）、コンデンサＣＢの両端電圧が４．２（Ｖ）となったとする。電圧コンバータ３を介しているため、コンデンサＣＢの両端電圧は、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くなる。
【００４０】
次に、最小単位セルＢｍｉｎとコンデンサＣＢとの両端を接続すると、コンデンサＣＢから最小単位セルＢｍｉｎには、（４．２−３．７３）／Ｒ＝０．４７／Ｒの充電電流が流れる。このことから明らかなように、充電電流が最大動作電圧４．２Ｖと最小単位セルＢｍｉｎとの両端電圧差に依存している。このため、コンデンサＣＢの両端電圧を、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くした分、単位時間当たりの電荷移動量や、一回の電荷移動で移動する電荷移動量が増加し、従来に比べて均等化時間が速くなる。このため、本実施の形態によれば、短時間に、バッテリＢを構成する各単位セルの均等化を行うことができる。
【００４１】
なお、上述した実施形態によれば、電圧コンバータ３によって、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧を、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧まで昇圧していた。しかしながら、この場合に限らず、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧以上の値であればよい。最大単位セルＢｍａｘの両端電圧は、単位セルＢ１〜Ｂ４…の最大動作電圧より高くなることがないため、確実に、コンデンサＣＢの電圧が、最大単位セルＢｍａｘの両端電圧より高くなるように、最大単位セルＢｍａｘからコンデンサＣＢに電荷を移動させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２記載の発明によれば、キャパシタの両端電圧及び最大単位セルの両端電圧の差に応じた分しか、最大単位セルから最小単位セルに移動できなかった従来に比べて、最大単位セルの両端電圧より高くした分、キャパシタから最小単位セルへの単位時間当たりの電荷移動量や、１回の充電で移動する電荷移動量を増加することができるので、短時間に、組電池を構成する各単位セルの均等化を行う組電池の充電状態調整方法及びその装置を得ることができる。
【００４３】
請求項３記載の発明によれば、電圧コンバータを用いて、最大単位セルの両端電圧を昇圧すれば、簡単に、キャパシタの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができるので、簡単な構成の充電状態調整装置を得ることができる。
【００４４】
請求項４記載の発明によれば、確実に、キャパシタの電圧が、最大単位セルの両端電圧より高くなるように、最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させることができる充電状態調整装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の充電状態調整方法を実施した組電池の充電状態調整装置の一実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１の調整装置１を構成するＣＰＵ６ａの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｂ メインバッテリ（組電池）
Ｂ１〜Ｂ４ 単位セル
Ｂｍａｘ 最大単位セル
Ｂｍｉｎ 最小単位セル
ＣＢ コンデンサ（キャパシタ）
２ 均等化部（均等化手段）
３ 電圧コンバータ
５ 電圧検出部（電圧検出手段）
Claims (4)
- 二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整方法であって、
キャパシタの両端電圧が、前記複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となる最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化する
ことを特徴とする充電状態調整方法。 - 二次電池からなる単位セルを複数個直列に接続して構成された組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整装置であって、
前記各単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、
両端電圧が最大となる最大単位セルからキャパシタに電荷を移動させた後、前記キャパシタから前記両端電圧が最小となる最小単位セルに電荷を移動させて、前記各単位セルの両端電圧を均等化する均等化手段とを備え、
前記均等化手段は、前記キャパシタの電圧が、前記最大単位セルの両端電圧より高くなるように、前記最大単位セルから前記キャパシタに電荷を移動させる
ことを特徴とする充電状態調整装置。 - 請求項２記載の充電状態調整装置であって、
前記均等化手段は、前記最大単位セルを、電圧コンバータを介して、前記キャパシタに接続する
ことを特徴とする充電状態調整装置。 - 請求項３記載の充電調整装置であって、
前記昇圧型電圧コンバータは、前記最大単位セルの両端電圧を、前記単位セルの最大動作電圧まで昇圧する
ことを特徴とする充電状態調整装置。
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