JP3503414B2 - 組電池の単電池間充電率調整装置 - Google Patents
組電池の単電池間充電率調整装置Info
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
- H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
- H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、組電池における単
電池間の充電率調整装置に関する。
電池間の充電率調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数の単電池（以下、セルと呼ぶ）が直
列に接続された組電池に対して、セル間の充電率（ＳＯ
Ｃ State of Charge）が均一になるように調整する装
置が知られている（例えば、特開平７−３３６９０５号
公報参照）。この装置では、組電池を構成する各セルに
定電圧制御部と電流飽和検出部からなる定電圧回路を並
列に接続し、セル電圧と設定電圧との差分に応じて充電
電流の一部をバイパスさせ、セル電圧が設定電圧一定と
なるように制御するので、ＳＯＣの高いセルから順にセ
ルに流れ込む充電電流が抑制されていく。その間、他の
セルへは全電流で充電が継続され、セル間の充電量が調
整される。バイパス電流が飽和したら充電器に電流低減
信号を出力し、充電電流を低減させる。このような動作
を繰り返して充電電流をステップ状に低減していき、所
定の最低充電電流でバイパス飽和が発生したら充電を終
了している。
列に接続された組電池に対して、セル間の充電率（ＳＯ
Ｃ State of Charge）が均一になるように調整する装
置が知られている（例えば、特開平７−３３６９０５号
公報参照）。この装置では、組電池を構成する各セルに
定電圧制御部と電流飽和検出部からなる定電圧回路を並
列に接続し、セル電圧と設定電圧との差分に応じて充電
電流の一部をバイパスさせ、セル電圧が設定電圧一定と
なるように制御するので、ＳＯＣの高いセルから順にセ
ルに流れ込む充電電流が抑制されていく。その間、他の
セルへは全電流で充電が継続され、セル間の充電量が調
整される。バイパス電流が飽和したら充電器に電流低減
信号を出力し、充電電流を低減させる。このような動作
を繰り返して充電電流をステップ状に低減していき、所
定の最低充電電流でバイパス飽和が発生したら充電を終
了している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の組電
池の単電池間充電率調整装置では、充電により各セル電
圧が上昇して設定電圧に達するのは充電終了間際とな
り、充電終了間際に各セルの定電圧回路が動作して各セ
ル間の充電率を調整することになる。そのため、所定の
最低充電電流になるまで充電を行なわないと、セル間の
充電率を十分に調整できないという問題がある。
池の単電池間充電率調整装置では、充電により各セル電
圧が上昇して設定電圧に達するのは充電終了間際とな
り、充電終了間際に各セルの定電圧回路が動作して各セ
ル間の充電率を調整することになる。そのため、所定の
最低充電電流になるまで充電を行なわないと、セル間の
充電率を十分に調整できないという問題がある。
【０００４】また、充電終了間際の３０分程度の短時間
に最大１Ａ程度の大きな充電バイパス電流を流して高Ｓ
ＯＣセルの充電電流を低減させているため、定電圧回路
の発熱が大きくなって大きな放熱器を設置しなければな
らないという問題がある。
に最大１Ａ程度の大きな充電バイパス電流を流して高Ｓ
ＯＣセルの充電電流を低減させているため、定電圧回路
の発熱が大きくなって大きな放熱器を設置しなければな
らないという問題がある。
【０００５】さらに、バイパス作動中のセル以外のセル
ごとに充電電気量（Ａｈ）の大きさを変えられないた
め、目標充電率に対するセルごとの充電率の調整量を定
量的に制御することが困難であり、調整精度が悪いとい
う問題がある。
ごとに充電電気量（Ａｈ）の大きさを変えられないた
め、目標充電率に対するセルごとの充電率の調整量を定
量的に制御することが困難であり、調整精度が悪いとい
う問題がある。
【０００６】本発明の目的は、組電池を構成する各単電
池の充電率を簡単な構成で正確に調整する組電池の単電
池間充電率調整装置を提供することにある。
池の充電率を簡単な構成で正確に調整する組電池の単電
池間充電率調整装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】（１） 請求項１の発明
は、複数の単電池が直列に接続された組電池に対して、
各単電池の充電率が均一になるように調整する組電池の
単電池間充電率調整装置に適用される。そして、各単電
池の開放電圧を検出する検出回路と、各単電池に並列に
接続され、各単電池の充電電荷を放電する複数の放電回
路と、検出回路により検出された各単電池の開放電圧の
度数分布を定量化し、その統計値に基づいて各単電池の
放電必要容量を演算し、演算した放電必要容量に基づい
て各放電回路により各単電池の充電率を制御する制御回
路とを備える。 （２） 請求項２の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、組電池の放電時、充電時および
休止時に各単電池の充電率を制御するようにしたもので
ある。 （３） 請求項３の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、各単電池の開放電圧の度数分布
を正規分布とみなし、開放電圧平均値および標準偏差に
基づいて調整目標電圧を設定し、各単電池の端子電圧が
前記調整目標電圧になるように放電回路により各単電池
の放電を行なうようにしたものである。 （４） 請求項４の組電池の単電池間充電率調整装置
は、放電回路を抵抗器とスイッチの直列回路とし、制御
回路によって間欠的にスイッチを閉路して単電池の放電
を行なうようにしたものである。 （５） 請求項５の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、各単電池の開放電圧の度数分布
を定量化する第１の演算回路と、第１の演算回路による
統計値に基づいて各単電池の放電必要容量を演算する第
２の演算回路とを有し、検出回路、放電回路および第１
の演算回路を組電池と一体に形成するとともに、第２の
演算回路を組電池の外部に設置して両者の間を絶縁した
ものである。 （６） 請求項６の組電池の単電池間充電率調整装置
は、各単電池の開放電圧に基づいて異常判定しきい値を
設定し、異常判定しきい値を超える開放電圧の単電池を
容量調整対象から除外するようにしたものである。
は、複数の単電池が直列に接続された組電池に対して、
各単電池の充電率が均一になるように調整する組電池の
単電池間充電率調整装置に適用される。そして、各単電
池の開放電圧を検出する検出回路と、各単電池に並列に
接続され、各単電池の充電電荷を放電する複数の放電回
路と、検出回路により検出された各単電池の開放電圧の
度数分布を定量化し、その統計値に基づいて各単電池の
放電必要容量を演算し、演算した放電必要容量に基づい
て各放電回路により各単電池の充電率を制御する制御回
路とを備える。 （２） 請求項２の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、組電池の放電時、充電時および
休止時に各単電池の充電率を制御するようにしたもので
ある。 （３） 請求項３の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、各単電池の開放電圧の度数分布
を正規分布とみなし、開放電圧平均値および標準偏差に
基づいて調整目標電圧を設定し、各単電池の端子電圧が
前記調整目標電圧になるように放電回路により各単電池
の放電を行なうようにしたものである。 （４） 請求項４の組電池の単電池間充電率調整装置
は、放電回路を抵抗器とスイッチの直列回路とし、制御
回路によって間欠的にスイッチを閉路して単電池の放電
を行なうようにしたものである。 （５） 請求項５の組電池の単電池間充電率調整装置
は、制御回路によって、各単電池の開放電圧の度数分布
を定量化する第１の演算回路と、第１の演算回路による
統計値に基づいて各単電池の放電必要容量を演算する第
２の演算回路とを有し、検出回路、放電回路および第１
の演算回路を組電池と一体に形成するとともに、第２の
演算回路を組電池の外部に設置して両者の間を絶縁した
ものである。 （６） 請求項６の組電池の単電池間充電率調整装置
は、各単電池の開放電圧に基づいて異常判定しきい値を
設定し、異常判定しきい値を超える開放電圧の単電池を
容量調整対象から除外するようにしたものである。
【０００８】
【発明の効果】（１） 請求項１の発明によれば、単電
池ごとに充電電荷を放電する放電回路を設け、各単電池
の開放電圧を検出し、開放電圧に基づいて放電回路によ
り各単電池の充電率を制御し、各単電池の充電率が均一
になるように調整するようにした。上述した従来の充電
率調整装置では、充電終了間際の短時間の内に大きな充
電バイパス電流を流して充電率を調整するため、充電を
完了しないと充電率が十分に調整されない上に、充電時
に各単電池の端子電圧が所定値に達したら充電電流をバ
イパスする充電率調整方法であって、各単電池に同一の
充電電流を流すか遮断するかによって充電率の調整を行
なっているにすぎないから、各単電池ごとに充電率を正
確に調整することは困難である。また、大きなバイパス
電流による発熱を放熱するために大型の放熱器が必要と
なる。これに対し本発明では、放電回路の放電量を各単
電池ごとに制御することによって各単電池の開放電圧に
応じた木目細かな充電率の調整が可能となり、単電池間
の充電率を確実に正確に調整することができる。また、
長時間にわたって放電電流を流せるので、放電回路の充
電電荷の放電量を十分に小さな値にすることができ、放
電回路の発熱容量が小さく、放熱器を小型化することが
できる。 （２） 請求項２の発明では、組電池の放電時、充電時
および休止時に各単電池の充電率を制御するようにし
た。上述したように、本発明は、単電池ごとに充電電荷
を放電する放電回路を設け、各単電池の開放電圧に基づ
いて放電回路により各単電池の充電率を制御するもので
あるから、従来の装置のように充電終了間際の短時間の
間に限定されず、組電池の充電時、放電時、休止時を問
わず常に充電率の調整を行なうことができる。 （３） 請求項３の発明によれば、各単電池の開放電圧
の度数分布を正規分布とみなし、開放電圧平均値および
標準偏差に基づいて調整目標電圧を設定し、各単電池の
端子電圧が前記調整目標電圧になるように放電回路によ
り各単電池の放電を行なうようにしたので、各単電池の
充電率を正確に調整することができる。 （４） 請求項４の発明によれば、放電回路を抵抗器と
スイッチの直列回路とし、制御回路によって間欠的にス
イッチを閉路して単電池の放電を行なうようにしたの
で、簡単な放電回路で発熱の少ない正確な充電率調整動
作を行なうことができる。 （５） 請求項５の発明によれば、各単電池の開放電圧
の度数分布を定量化する第１の演算回路と、第１の演算
回路による統計値に基づいて各単電池の放電必要容量を
演算する第２の演算回路とを有し、検出回路、放電回路
および第１の演算回路を組電池と一体に形成するととも
に、第２の演算回路を組電池の外部に設置して両者の間
を絶縁したので、組電池側のパワー系と第２演算回路側
の信号系とを分離、絶縁でき、パワー系から信号系への
影響のない信頼性の高い、コンパクトな構成とすること
ができる。 （６） 請求項６の発明によれば、各単電池の開放電圧
に基づいて異常判定しきい値を設定し、異常判定しきい
値を超える開放電圧の単電池を容量調整対象から除外す
るようにしたので、異常判定しきい値を超える異常単電
池の開放電圧を考慮することによる各単電池の調整が必
要な放電量の増加を抑制でき、放電による充電率調整時
のエネルギーロスを最小限にすることができる。
池ごとに充電電荷を放電する放電回路を設け、各単電池
の開放電圧を検出し、開放電圧に基づいて放電回路によ
り各単電池の充電率を制御し、各単電池の充電率が均一
になるように調整するようにした。上述した従来の充電
率調整装置では、充電終了間際の短時間の内に大きな充
電バイパス電流を流して充電率を調整するため、充電を
完了しないと充電率が十分に調整されない上に、充電時
に各単電池の端子電圧が所定値に達したら充電電流をバ
イパスする充電率調整方法であって、各単電池に同一の
充電電流を流すか遮断するかによって充電率の調整を行
なっているにすぎないから、各単電池ごとに充電率を正
確に調整することは困難である。また、大きなバイパス
電流による発熱を放熱するために大型の放熱器が必要と
なる。これに対し本発明では、放電回路の放電量を各単
電池ごとに制御することによって各単電池の開放電圧に
応じた木目細かな充電率の調整が可能となり、単電池間
の充電率を確実に正確に調整することができる。また、
長時間にわたって放電電流を流せるので、放電回路の充
電電荷の放電量を十分に小さな値にすることができ、放
電回路の発熱容量が小さく、放熱器を小型化することが
できる。 （２） 請求項２の発明では、組電池の放電時、充電時
および休止時に各単電池の充電率を制御するようにし
た。上述したように、本発明は、単電池ごとに充電電荷
を放電する放電回路を設け、各単電池の開放電圧に基づ
いて放電回路により各単電池の充電率を制御するもので
あるから、従来の装置のように充電終了間際の短時間の
間に限定されず、組電池の充電時、放電時、休止時を問
わず常に充電率の調整を行なうことができる。 （３） 請求項３の発明によれば、各単電池の開放電圧
の度数分布を正規分布とみなし、開放電圧平均値および
標準偏差に基づいて調整目標電圧を設定し、各単電池の
端子電圧が前記調整目標電圧になるように放電回路によ
り各単電池の放電を行なうようにしたので、各単電池の
充電率を正確に調整することができる。 （４） 請求項４の発明によれば、放電回路を抵抗器と
スイッチの直列回路とし、制御回路によって間欠的にス
イッチを閉路して単電池の放電を行なうようにしたの
で、簡単な放電回路で発熱の少ない正確な充電率調整動
作を行なうことができる。 （５） 請求項５の発明によれば、各単電池の開放電圧
の度数分布を定量化する第１の演算回路と、第１の演算
回路による統計値に基づいて各単電池の放電必要容量を
演算する第２の演算回路とを有し、検出回路、放電回路
および第１の演算回路を組電池と一体に形成するととも
に、第２の演算回路を組電池の外部に設置して両者の間
を絶縁したので、組電池側のパワー系と第２演算回路側
の信号系とを分離、絶縁でき、パワー系から信号系への
影響のない信頼性の高い、コンパクトな構成とすること
ができる。 （６） 請求項６の発明によれば、各単電池の開放電圧
に基づいて異常判定しきい値を設定し、異常判定しきい
値を超える開放電圧の単電池を容量調整対象から除外す
るようにしたので、異常判定しきい値を超える異常単電
池の開放電圧を考慮することによる各単電池の調整が必
要な放電量の増加を抑制でき、放電による充電率調整時
のエネルギーロスを最小限にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は一実施の形態の構成を示す
図である。組電池Ｃはｎ個のセルＣ１，Ｃ２，・・，Ｃ
ｎが直列に接続される。セルＣ１〜Ｃｎは４個ずつにま
とめられ、モジュールＭ１，Ｍ２，・・を構成する。セ
ルコントローラーＣＣ１，ＣＣ２，・・は、モジュール
単位にセルを管理する。例えば、セルコントローラーＣ
Ｃ１はモジュールＭ１に含まれる４個のセルＣ１〜Ｃ４
の充放電を制御する。バッテリーコントローラーＢＣ
は、各セルコントローラーＣＣを制御し、組電池Ｃを管
理する。バッテリーコントローラーＢＣは、端子Ｖ，Ｃ
を介して各セルコントローラーＣＣに電源を供給すると
ともに、送信端子ＳＤと受信端子ＲＤを介してシリアル
通信により各セルコントローラーＣＣと通信を行なう。
図である。組電池Ｃはｎ個のセルＣ１，Ｃ２，・・，Ｃ
ｎが直列に接続される。セルＣ１〜Ｃｎは４個ずつにま
とめられ、モジュールＭ１，Ｍ２，・・を構成する。セ
ルコントローラーＣＣ１，ＣＣ２，・・は、モジュール
単位にセルを管理する。例えば、セルコントローラーＣ
Ｃ１はモジュールＭ１に含まれる４個のセルＣ１〜Ｃ４
の充放電を制御する。バッテリーコントローラーＢＣ
は、各セルコントローラーＣＣを制御し、組電池Ｃを管
理する。バッテリーコントローラーＢＣは、端子Ｖ，Ｃ
を介して各セルコントローラーＣＣに電源を供給すると
ともに、送信端子ＳＤと受信端子ＲＤを介してシリアル
通信により各セルコントローラーＣＣと通信を行なう。
【００１０】なお、組電池を構成するセルの個数、モジ
ュールを構成するセルの個数、各セルコントローラーが
管理するセルの個数はこの実施の形態に限定されない。
また、バッテリーコントローラーとセルコントローラー
を１個のコントローラーにまとめて各セルを管理するよ
うにしてもよい。
ュールを構成するセルの個数、各セルコントローラーが
管理するセルの個数はこの実施の形態に限定されない。
また、バッテリーコントローラーとセルコントローラー
を１個のコントローラーにまとめて各セルを管理するよ
うにしてもよい。
【００１１】図２はセルコントローラーの詳細回路図で
ある。なお、ここではセルコントローラーＣＣ１を例に
上げて説明するが、他のセルコントローラーも同様であ
る。セルコントローラーＣＣは組電池のモジュールＭと
一体に構成される。セルコントローラーＣＣ１は、ＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ、ＩＦ、抵抗器Ｒ１〜Ｒ
４、スイッチＳ１〜Ｓ４を備えている。Ａ／Ｄコンバー
ターは、各セルの端子電圧Ｖｃをディジタル信号に変換
してＣＰＵへ送る。インタフェースＩＦは、シリアル通
信によりバッテリーコントローラーＢＣと通信を行な
う。なお、インタフェースＩＦと電源Ｖｃｃはフォトカ
プラーＰｈにより絶縁される。また、組電池Ｃの内部回
路は最大４００Ｖ程度の高電圧であり、Ａ／Ｄコンバー
ターへの電圧検出回路の配線や、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，・
・とスイッチＳ１，Ｓ２，・・からなる容量調整回路は
セルコントローラーＣＣに内蔵し、高電圧回路の引き回
しを避ける。
ある。なお、ここではセルコントローラーＣＣ１を例に
上げて説明するが、他のセルコントローラーも同様であ
る。セルコントローラーＣＣは組電池のモジュールＭと
一体に構成される。セルコントローラーＣＣ１は、ＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ、ＩＦ、抵抗器Ｒ１〜Ｒ
４、スイッチＳ１〜Ｓ４を備えている。Ａ／Ｄコンバー
ターは、各セルの端子電圧Ｖｃをディジタル信号に変換
してＣＰＵへ送る。インタフェースＩＦは、シリアル通
信によりバッテリーコントローラーＢＣと通信を行な
う。なお、インタフェースＩＦと電源Ｖｃｃはフォトカ
プラーＰｈにより絶縁される。また、組電池Ｃの内部回
路は最大４００Ｖ程度の高電圧であり、Ａ／Ｄコンバー
ターへの電圧検出回路の配線や、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，・
・とスイッチＳ１，Ｓ２，・・からなる容量調整回路は
セルコントローラーＣＣに内蔵し、高電圧回路の引き回
しを避ける。
【００１２】各セルＣ１，Ｃ２，・・にはそれぞれ、抵
抗器ＲとスイッチＳの直列回路が並列に接続される。こ
の抵抗器ＲとスイッチＳからなる直列回路はそれぞれの
セルの容量調整回路であり、抵抗器Ｒを介してセルの充
電電荷を放電することによって各セルの充電容量を調整
することができる。スイッチＳ１，Ｓ２，・・はそれぞ
れＣＰＵにより開閉が制御される。例えば、スイッチＳ
１が閉じられると、セルＣ１が抵抗器Ｒ１を通して放電
する。他のセルも同様である。なお、各抵抗器Ｒ１，Ｒ
２，・・の抵抗値は同一であり、調整容量はスイッチＳ
の閉路時間に比例し、スイッチＳを間欠的に閉路して調
整容量を制御する。調整容量は、例えばＬｉ−ｉｏｎ電
池の場合、組電池Ｃの定格容量の例えば０．１％以下程
度で、セル間充電量はばらつきの拡大を十分に抑制でき
る。
抗器ＲとスイッチＳの直列回路が並列に接続される。こ
の抵抗器ＲとスイッチＳからなる直列回路はそれぞれの
セルの容量調整回路であり、抵抗器Ｒを介してセルの充
電電荷を放電することによって各セルの充電容量を調整
することができる。スイッチＳ１，Ｓ２，・・はそれぞ
れＣＰＵにより開閉が制御される。例えば、スイッチＳ
１が閉じられると、セルＣ１が抵抗器Ｒ１を通して放電
する。他のセルも同様である。なお、各抵抗器Ｒ１，Ｒ
２，・・の抵抗値は同一であり、調整容量はスイッチＳ
の閉路時間に比例し、スイッチＳを間欠的に閉路して調
整容量を制御する。調整容量は、例えばＬｉ−ｉｏｎ電
池の場合、組電池Ｃの定格容量の例えば０．１％以下程
度で、セル間充電量はばらつきの拡大を十分に抑制でき
る。
【００１３】まず、各セルの開放電圧Ｖｃの検出方法を
説明する。各セルＣ１，Ｃ２，・・，Ｃｎの開放電圧Ｖ
ｃは、セルコントローラーＣＣのＡ／Ｄコンバーターに
より検出され、ディジタル信号に変換されてセルコント
ローラーＣＣのＣＰＵへ送られ、さらにインタフェース
ＩＦを介してバッテリーコントローラーＢＣへ送られ
る。
説明する。各セルＣ１，Ｃ２，・・，Ｃｎの開放電圧Ｖ
ｃは、セルコントローラーＣＣのＡ／Ｄコンバーターに
より検出され、ディジタル信号に変換されてセルコント
ローラーＣＣのＣＰＵへ送られ、さらにインタフェース
ＩＦを介してバッテリーコントローラーＢＣへ送られ
る。
【００１４】セル開放電圧Ｖｃの検出タイミングは、
組電池Ｃの放電開始直前、満充電終了直前の電流減衰
域、放電中、などが考えられる。 放電開始直前では、開放電圧を検出できるが、各セル
コントローラーＣＣにおける検出動作と、各セルコント
ローラーＣＣからバッテリーコントローラーＢＣへの検
出結果の送信動作とが行なわれている間は、組電池Ｃか
ら負荷への放電を待たなければならないため、高速のＡ
／Ｄ変換と通信速度が要求されるが、検出タイミングに
制限が少ない。 満充電終了直前の電流減衰域では、充電電流が小さく
なっているので各セルの内部抵抗による電圧降下が小さ
く、開放電圧に近い電圧を検出できる。また、充電時で
あるから、高速のＡ／Ｄ変換と通信を行なう必要はない
が、検出タイミングが充電終了時に限定される。 放電中は、各セルの放電電圧Ｖと放電電流Ｉを測定し
てセルごとの電圧−電流特性（Ｖ＝Ｅ−ＩＲ）を直線回
帰し、セルの開放電圧Ｅを推定することができるが、各
セルごとに演算するため、マイコンの負荷が増大する。
組電池Ｃの放電開始直前、満充電終了直前の電流減衰
域、放電中、などが考えられる。 放電開始直前では、開放電圧を検出できるが、各セル
コントローラーＣＣにおける検出動作と、各セルコント
ローラーＣＣからバッテリーコントローラーＢＣへの検
出結果の送信動作とが行なわれている間は、組電池Ｃか
ら負荷への放電を待たなければならないため、高速のＡ
／Ｄ変換と通信速度が要求されるが、検出タイミングに
制限が少ない。 満充電終了直前の電流減衰域では、充電電流が小さく
なっているので各セルの内部抵抗による電圧降下が小さ
く、開放電圧に近い電圧を検出できる。また、充電時で
あるから、高速のＡ／Ｄ変換と通信を行なう必要はない
が、検出タイミングが充電終了時に限定される。 放電中は、各セルの放電電圧Ｖと放電電流Ｉを測定し
てセルごとの電圧−電流特性（Ｖ＝Ｅ−ＩＲ）を直線回
帰し、セルの開放電圧Ｅを推定することができるが、各
セルごとに演算するため、マイコンの負荷が増大する。
【００１５】なお、開放電圧Ｖｃの検出中にスイッチＳ
を閉じて抵抗器Ｒによるセルの放電を行なうと、開放電
圧Ｖｃの測定誤差が大きくなるのでスイッチＳの閉路を
禁止する。
を閉じて抵抗器Ｒによるセルの放電を行なうと、開放電
圧Ｖｃの測定誤差が大きくなるのでスイッチＳの閉路を
禁止する。
【００１６】各セルコントローラーＣＣは、各セルの開
放電圧ＶｃをＲＡＭに記憶するとともに、インタフェー
スＩＦを介してバッテリーコントローラーＢＣに送る。
バッテリーコントローラーＢＣは、各セルコントローラ
ーＣＣから収集した開放電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎに基づいて
平均値Ｖａと標準偏差σを演算し、それらを各セルコン
トローラーＣＣへ送る。各セルコントローラーＣＣは、
開放電圧平均値Ｖａと標準偏差σにより守備範囲の各セ
ルの位置づけを相対的に把握し、各セルごとの容量調整
の要否を判断する。セルコントローラーＣＣは、仮調整
目標電圧Ｖｖを設定して各セルの調整電気量を決定す
る。
放電圧ＶｃをＲＡＭに記憶するとともに、インタフェー
スＩＦを介してバッテリーコントローラーＢＣに送る。
バッテリーコントローラーＢＣは、各セルコントローラ
ーＣＣから収集した開放電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎに基づいて
平均値Ｖａと標準偏差σを演算し、それらを各セルコン
トローラーＣＣへ送る。各セルコントローラーＣＣは、
開放電圧平均値Ｖａと標準偏差σにより守備範囲の各セ
ルの位置づけを相対的に把握し、各セルごとの容量調整
の要否を判断する。セルコントローラーＣＣは、仮調整
目標電圧Ｖｖを設定して各セルの調整電気量を決定す
る。
【００１７】図３はセル開放電圧Ｖｃの分布を示す。こ
の実施の形態では、セル開放電圧Ｖｃの分布を正規分布
とし、開放電圧平均値Ｖａを中心にして±３σを超える
開放電圧のセルを異常セルと判定する。仮調整目標電圧
Ｖｖを、セル開放電圧Ｖｃの最低値とすると、異常セル
がある場合にほぼすべてのセルに対して極端な容量調整
が必要となり、エネルギーロスが大きくなる。そこで、
この実施の形態ではパラメータｎを３とし、異常判定し
きい値（Ｖａ±３σ）を超えるセル開放電圧のセルを異
常セルとして容量調整対象から除外する。なお、セル開
放電圧Ｖｃの上限値４．１５［Ｖ］は異常判定しきい値
（Ｖａ±３σ）の範囲内にある。
の実施の形態では、セル開放電圧Ｖｃの分布を正規分布
とし、開放電圧平均値Ｖａを中心にして±３σを超える
開放電圧のセルを異常セルと判定する。仮調整目標電圧
Ｖｖを、セル開放電圧Ｖｃの最低値とすると、異常セル
がある場合にほぼすべてのセルに対して極端な容量調整
が必要となり、エネルギーロスが大きくなる。そこで、
この実施の形態ではパラメータｎを３とし、異常判定し
きい値（Ｖａ±３σ）を超えるセル開放電圧のセルを異
常セルとして容量調整対象から除外する。なお、セル開
放電圧Ｖｃの上限値４．１５［Ｖ］は異常判定しきい値
（Ｖａ±３σ）の範囲内にある。
【００１８】このように、各セルの開放電圧に基づいて
統計演算により異常判定しきい値を設定し、異常判定し
きい値を超える開放電圧のセルを容量調整対象から除外
するようにしたので、異常判定しきい値を超える異常セ
ルの開放電圧を考慮することによる各セルの放電容量の
増加を抑制でき、放電による充電率調整時のエネルギー
ロスを最小限にすることができる。
統計演算により異常判定しきい値を設定し、異常判定し
きい値を超える開放電圧のセルを容量調整対象から除外
するようにしたので、異常判定しきい値を超える異常セ
ルの開放電圧を考慮することによる各セルの放電容量の
増加を抑制でき、放電による充電率調整時のエネルギー
ロスを最小限にすることができる。
【００１９】仮調整目標電圧Ｖｖは次式により求められ
る。
る。
【数１】Ｖｖ＝Ｖａ−ｎ・σ
ここで、仮調整目標電圧Ｖｖが異常判定しきい値（Ｖａ
±３σ）の範囲内となるようにパラメータｎを設定す
る。各セルの開放電圧Ｖｃと仮調整目標電圧Ｖｖとの偏
差Ｖｃｄは、
±３σ）の範囲内となるようにパラメータｎを設定す
る。各セルの開放電圧Ｖｃと仮調整目標電圧Ｖｖとの偏
差Ｖｃｄは、
【数２】Ｖｃｄ＝Ｖｃ−Ｖｖ
【００２０】開放電圧偏差Ｖｃｄに相当する最大調整容
量Ｃｔmax［Ａｈ］は、開放電圧偏差に対する最大調整
容量の変換テーブル（不図示）から補間演算により求め
る。ただし、組電池の容量と端子電圧との関係は、図４
に示すように充電率（ＳＯＣ）の広い範囲で直線的な相
関関係があるが、充電率が低い放電末期領域では電圧に
対する容量感度が高く、演算誤差が大きくなる。したが
って、開放電圧偏差Ｖｃｄから最大調整容量Ｃｔmaxを
求める場合に、組電池の充電率が極端に低い時は開放電
圧Ｖｃに基づく演算を行なわない。実際の調整容量Ｃｔ
は、調整ゲインをγとすると、
量Ｃｔmax［Ａｈ］は、開放電圧偏差に対する最大調整
容量の変換テーブル（不図示）から補間演算により求め
る。ただし、組電池の容量と端子電圧との関係は、図４
に示すように充電率（ＳＯＣ）の広い範囲で直線的な相
関関係があるが、充電率が低い放電末期領域では電圧に
対する容量感度が高く、演算誤差が大きくなる。したが
って、開放電圧偏差Ｖｃｄから最大調整容量Ｃｔmaxを
求める場合に、組電池の充電率が極端に低い時は開放電
圧Ｖｃに基づく演算を行なわない。実際の調整容量Ｃｔ
は、調整ゲインをγとすると、
【数３】Ｃｔ＝Ｃｔmax・γ
ただし、Ｃｔが規定値以下の場合はＣｔ＝０としてよ
い。
い。
【００２１】次に、調整容量に対する調整電流の変換テ
ーブル（不図示）から、補間演算によりセルごとの調整
必要容量Ｃｔに応じた調整電流Ｉｂを求める。そして、
調整完了時間と調整電流Ｉｂとにより容量調整回路のス
イッチＳの間欠閉路条件を決定し、その間欠閉路条件で
スイッチＳを開閉制御する。なお、この充電率調整動作
は組電池Ｃの放電時と充電時はもとより、休止時にも行
なうことができる。
ーブル（不図示）から、補間演算によりセルごとの調整
必要容量Ｃｔに応じた調整電流Ｉｂを求める。そして、
調整完了時間と調整電流Ｉｂとにより容量調整回路のス
イッチＳの間欠閉路条件を決定し、その間欠閉路条件で
スイッチＳを開閉制御する。なお、この充電率調整動作
は組電池Ｃの放電時と充電時はもとより、休止時にも行
なうことができる。
【００２２】図５は、セルコントローラーＣＣとバッテ
リーコントローラーＢＣの充電率調整動作を示すフロー
チャートである。このフローチャートにより、一実施の
形態の充電率調整動作を説明する。装置の電源が投入さ
れると、セルコントローラーＣＣとバッテリーコントロ
ーラーＢＣは図５に示す動作を開始する。ステップ１に
おいて、セルコントローラーＣＣはＡ／Ｄコンバーター
により各セルの開放電圧Ｖｃを検出し、ＲＡＭに記憶す
る。続くステップ２でバッテリーコントローラーＢＣに
各セルの開放電圧Ｖｃを送信する。
リーコントローラーＢＣの充電率調整動作を示すフロー
チャートである。このフローチャートにより、一実施の
形態の充電率調整動作を説明する。装置の電源が投入さ
れると、セルコントローラーＣＣとバッテリーコントロ
ーラーＢＣは図５に示す動作を開始する。ステップ１に
おいて、セルコントローラーＣＣはＡ／Ｄコンバーター
により各セルの開放電圧Ｖｃを検出し、ＲＡＭに記憶す
る。続くステップ２でバッテリーコントローラーＢＣに
各セルの開放電圧Ｖｃを送信する。
【００２３】バッテリーコントローラーＢＣは、ステッ
プ１１で各セルコントローラーＣＣから各セルのセル開
放電圧Ｖｃを収集し、続くステップ１２でセル開放電圧
Ｖｃの分布を定量化して平均値Ｖａ、標準偏差σを演算
する。そして、ステップ１３で、各セルコントローラー
ＣＣへ開放電圧平均値Ｖａ、標準偏差σ、パラメータｎ
などの統計値を送信する。
プ１１で各セルコントローラーＣＣから各セルのセル開
放電圧Ｖｃを収集し、続くステップ１２でセル開放電圧
Ｖｃの分布を定量化して平均値Ｖａ、標準偏差σを演算
する。そして、ステップ１３で、各セルコントローラー
ＣＣへ開放電圧平均値Ｖａ、標準偏差σ、パラメータｎ
などの統計値を送信する。
【００２４】セルコントローラーＣＣは、ステップ３で
バッテリーコントローラーＢＣから統計値を受信し、統
計値に基づいて仮調整目標電圧Ｖｖと異常判定しきい値
（Ｖａ±３σ）を決定する。続くステップ４でセル開放
電圧Ｖｃが異常判定しきい値（Ｖａ±３σ）を超える異
常セルを検出し、警報を行なう。ステップ５では調整電
流Ｉｂを演算する。ステップ６において任意の容量調整
完了時間を設定し、調整完了時間と調整電流Ｉｂに応じ
てスイッチＳの間欠閉路条件を決定する。ステップ７で
決定した間欠閉路条件でスイッチＳを開閉制御して容量
調整を開始し、ステップ８で調整完了時間が経過するま
で容量調整を行なう。
バッテリーコントローラーＢＣから統計値を受信し、統
計値に基づいて仮調整目標電圧Ｖｖと異常判定しきい値
（Ｖａ±３σ）を決定する。続くステップ４でセル開放
電圧Ｖｃが異常判定しきい値（Ｖａ±３σ）を超える異
常セルを検出し、警報を行なう。ステップ５では調整電
流Ｉｂを演算する。ステップ６において任意の容量調整
完了時間を設定し、調整完了時間と調整電流Ｉｂに応じ
てスイッチＳの間欠閉路条件を決定する。ステップ７で
決定した間欠閉路条件でスイッチＳを開閉制御して容量
調整を開始し、ステップ８で調整完了時間が経過するま
で容量調整を行なう。
【００２５】以上の一連の容量調整動作を行なうたび
に、組電池を構成するセル間の充電率が一定の値に収束
していく。
に、組電池を構成するセル間の充電率が一定の値に収束
していく。
【００２６】上述した従来の充電率調整では、上述した
ように３０分位の短時間に最大１Ａ程度のバイパス電流
を流し、容量（１Ａ×０．５ｈ＝０．５Ａｈ）の調整が
行なわれる。これに対し上記実施の形態では、同一容量
だけ調整する場合に、例えば０．１Ａ程度の小さい調整
電流を５時間流して充電率調整を行なうことができ、抵
抗器Ｒによる発熱が１／１０になる。したがって、この
実施の形態の抵抗器Ｒの放熱器は、従来の充電電流バイ
パス回路の放熱器に比べて十分に少容量にすることがで
きる。
ように３０分位の短時間に最大１Ａ程度のバイパス電流
を流し、容量（１Ａ×０．５ｈ＝０．５Ａｈ）の調整が
行なわれる。これに対し上記実施の形態では、同一容量
だけ調整する場合に、例えば０．１Ａ程度の小さい調整
電流を５時間流して充電率調整を行なうことができ、抵
抗器Ｒによる発熱が１／１０になる。したがって、この
実施の形態の抵抗器Ｒの放熱器は、従来の充電電流バイ
パス回路の放熱器に比べて十分に少容量にすることがで
きる。
【００２７】図６はこの実施の形態による容量調整結果
を示す図であり、（ａ）は容量調整前のセル開放電圧Ｖ
ｃのばらつきを表わし、（ｂ）は容量調整１回目のセル
開放電圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｃ）は容量調整２
回目のセル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わす。なお、こ
の容量調整は仮調整目標電圧Ｖｖを（Ｖａ−２σ）と
し、調整ゲインγを５０％として行なったものである。
この容量調整では、セル間の当初の電圧分布状態を保持
しながらばらつきを縮小するように調整が進行し、開放
電圧の分布が自然である。
を示す図であり、（ａ）は容量調整前のセル開放電圧Ｖ
ｃのばらつきを表わし、（ｂ）は容量調整１回目のセル
開放電圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｃ）は容量調整２
回目のセル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わす。なお、こ
の容量調整は仮調整目標電圧Ｖｖを（Ｖａ−２σ）と
し、調整ゲインγを５０％として行なったものである。
この容量調整では、セル間の当初の電圧分布状態を保持
しながらばらつきを縮小するように調整が進行し、開放
電圧の分布が自然である。
【００２８】図７はこの実施の形態による他の容量調整
結果を示す図であり、（ａ）は容量調整前のセル開放電
圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｂ）は容量調整１回目の
セル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｃ）は容量調
整２回目のセル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わす。な
お、この容量調整は仮調整目標電圧Ｖｖを平均電圧Ｖａ
とし、調整ゲインγを２００％として行なったものであ
る。この容量調整では、高開放電圧のセルを低開放電圧
側に順次折り返すので、セルの開放電圧分布がスクラン
ブルされる。
結果を示す図であり、（ａ）は容量調整前のセル開放電
圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｂ）は容量調整１回目の
セル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わし、（ｃ）は容量調
整２回目のセル開放電圧Ｖｃのばらつきを表わす。な
お、この容量調整は仮調整目標電圧Ｖｖを平均電圧Ｖａ
とし、調整ゲインγを２００％として行なったものであ
る。この容量調整では、高開放電圧のセルを低開放電圧
側に順次折り返すので、セルの開放電圧分布がスクラン
ブルされる。
【００２９】以上の一実施形態の構成において、セルＣ
１〜Ｃｎが単電池を、組電池Ｃが組電池を、Ａ／Ｄコン
バーターが検出回路を、抵抗器ＲとスイッチＳの直列回
路が放電回路を、セルコントローラーＣＣとバッテリー
コントローラーＢＣが制御回路を、セルコントローラー
ＣＣが第１の演算回路を、バッテリーコントローラーＢ
Ｃが第２の演算回路をそれぞれ構成する。
１〜Ｃｎが単電池を、組電池Ｃが組電池を、Ａ／Ｄコン
バーターが検出回路を、抵抗器ＲとスイッチＳの直列回
路が放電回路を、セルコントローラーＣＣとバッテリー
コントローラーＢＣが制御回路を、セルコントローラー
ＣＣが第１の演算回路を、バッテリーコントローラーＢ
Ｃが第２の演算回路をそれぞれ構成する。
【００３０】本発明は、例えば電気自動車の組電池のセ
ル間充電率調整装置として応用することができる。ま
た、本発明は、リチウム・イオン電池、ニッケル・水素
電池、鉛酸電池など、あらゆる種類の組電池に対して応
用することができる。特に、リチウム・イオン電池は充
電容量とセル開放電圧との関係の相関性がよいので、本
発明により充電率を正確に調整することができる。ま
た、リチウム・イオン電池では副反応によるエネルギー
ロスがほとんどなく、セル間の充電率のばらつきが生ず
ることがほとんどないが、長いサイクル寿命の経過とと
もに、温度分布などの諸要因により少しずつばらつきが
生ずることも想定される。副反応がない反面、副反応を
利用した均等充電を実施することができないが、本発明
のようなシステムを構築することで組電池の有効容量を
万全に保てる。なお、調整目標電圧および異常判定しき
い値は上述した実施の形態に限定されない。
ル間充電率調整装置として応用することができる。ま
た、本発明は、リチウム・イオン電池、ニッケル・水素
電池、鉛酸電池など、あらゆる種類の組電池に対して応
用することができる。特に、リチウム・イオン電池は充
電容量とセル開放電圧との関係の相関性がよいので、本
発明により充電率を正確に調整することができる。ま
た、リチウム・イオン電池では副反応によるエネルギー
ロスがほとんどなく、セル間の充電率のばらつきが生ず
ることがほとんどないが、長いサイクル寿命の経過とと
もに、温度分布などの諸要因により少しずつばらつきが
生ずることも想定される。副反応がない反面、副反応を
利用した均等充電を実施することができないが、本発明
のようなシステムを構築することで組電池の有効容量を
万全に保てる。なお、調整目標電圧および異常判定しき
い値は上述した実施の形態に限定されない。
【図１】 一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 セルコントローラーの回路図である。
【図３】 セルの開放電圧の度数分布を示す図である。
【図４】 セルの容量に対する端子電圧の関係を示す図
である。
である。
【図５】 セルコントローラーとバッテリーコントロー
ラーの動作を示すフローチャートである。
ラーの動作を示すフローチャートである。
【図６】 一実施の形態によるセル間の容量調整結果を
示す図である。
示す図である。
【図７】 一実施の形態によるセル間の他の容量調整結
果を示す図である。
果を示す図である。
Ｃ 組電池
Ｍ１，Ｍ２，・・ モジュール
Ｃ１，Ｃ２，・・ セル
ＣＣ１，ＣＣ２，・・ セルコントローラー
ＢＣ バッテリーコントローラー
Ａ／Ｄ Ａ／Ｄコンバーター
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗器
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平９−74689（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−253463（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−66270（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−19188（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−336905（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H02J 7/00 - 7/12
H02J 7/34 - 7/36
H01M 2/10
H01M 10/44
Claims (6)
- 【請求項１】 複数の単電池が直列に接続された組電池
に対して、各単電池の充電率が均一になるように調整す
る組電池の単電池間充電率調整装置において、 各単電池の開放電圧を検出する検出回路と、 各単電池に並列に接続され、各単電池の充電電荷を放電
する複数の放電回路と、 前記検出回路により検出された各単電池の開放電圧の度
数分布を定量化し、その統計値に基づいて各単電池の放
電必要容量を演算し、演算した放電必要容量に基づいて
前記各放電回路により各単電池の充電率を制御する制御
回路とを備えることを特徴とする組電池の単電池間充電
率調整装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の組電池の単電池間充電
率調整装置において、 前記制御回路は、組電池の放電時、充電時および休止時
に各単電池の充電率を制御することを特長とする組電池
の単電池間充電率調整装置。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の組電池
の単電池間充電率調整装置において、 前記制御回路は、各単電池の開放電圧の度数分布を正規
分布とみなし、開放電圧平均値および標準偏差に基づい
て調整目標電圧を設定し、各単電池の端子電圧が前記調
整目標電圧になるように前記放電回路により各単電池の
放電を行なうことを特徴とする組電池の単電池間充電率
調整装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの項に記載の組
電池の単電池間充電率調整装置において、前記放電回路は抵抗器とスイッチの直列回路であり、 前記制御回路は間欠的に前記スイッチを閉路して単電池
の放電を行なう ことを特徴とする組電池の単電池間充電
率調整装置。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかの項に記載の組
電池の単電池間充電率調整装置において、前記制御回路は、各単電池の開放電圧の度数分布を定量
化する第１の演算回路と、前記第１の演算回路による統
計値に基づいて各単電池の放電必要容量を演算する第２
の演算回路とを有し、 前記検出回路、前記放電回路および前記第１の演算回路
を組電池と一体に形成するとともに、前記第２の演算回
路を組電池の外部に設置して両者の間を絶縁する ことを
特長とする組電池の単電池間充電率調整装置。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかの項に記載の組
電池の単電池間充電率調整装置において、各単電池の開放電圧に基づいて異常判定しきい値を設定
し、前記異常判定しきい値を超える開放電圧の単電池を
容量調整対象から除外する ことを特徴とする組電池の単
電池間充電率調整装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12115997A JP3503414B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 組電池の単電池間充電率調整装置 |
| US09/076,106 US5998969A (en) | 1997-05-12 | 1998-05-12 | Apparatus for regulating state of charge of cells of battery set |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12115997A JP3503414B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 組電池の単電池間充電率調整装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10322925A JPH10322925A (ja) | 1998-12-04 |
| JP3503414B2 true JP3503414B2 (ja) | 2004-03-08 |
Family
ID=14804316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12115997A Expired - Fee Related JP3503414B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 組電池の単電池間充電率調整装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5998969A (ja) |
| JP (1) | JP3503414B2 (ja) |
Families Citing this family (87)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE19847648A1 (de) * | 1998-10-15 | 2000-04-20 | Vb Autobatterie Gmbh | Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes und der Hochstrombelastbarkeit von Batterien |
| JP4567109B2 (ja) * | 1998-11-24 | 2010-10-20 | パナソニック株式会社 | 二次電池の充放電制御方法 |
| JP3869585B2 (ja) * | 1999-07-30 | 2007-01-17 | 三洋電機株式会社 | 複数の二次電池の放電方法と組電池 |
| DE10100945B4 (de) * | 2001-01-10 | 2004-12-02 | Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH | Verfahren und Anordnung zum Laden von seriell geschalteten Batteriezellen |
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