JP3796918B2

JP3796918B2 - Battery device

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Publication number: JP3796918B2
Application number: JP26611597A
Authority: JP
Inventors: 博志田村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11113183A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等に用いられ、二次電池からなる複数個の単位セルを直列に接続してなる組電池を電源とするバッテリ装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境保護等の観点から電気自動車の性能の向上が要望されており、その走行性能を左右する電源に用いる電池としては、従来の鉛，ニッカドやニッケル水素電池などに代えて、それらの約３〜４倍もの高い重量エネルギ密度を有するリチウム二次電池を採用することが考えられている。このリチウム二次電池を電気自動車用の電源として使用することにより、最高速度や一充電走行距離などの走行性能の大幅な向上が期待される。
【０００３】
ところが、リチウム二次電池は、過充電や過放電に弱いといった事情があり、規定された電圧の範囲内で使用しないと、材料が分解して著しく容量が減少したり異常な発熱をしたりして、電池として使用できなくなる虞がある。そのため、リチウム二次電池を使用するに際しては、上限電圧及び下限電圧が明確に規定され、必ずその範囲内で使用されるように、定電圧充電制御をしたり保護回路とセットで用いたりすることが行われる。
【０００４】
ところで、電気自動車に使用される電池は、モータを駆動するために高い電圧が要求されるので、通常、複数個の電池（単位セル）を直列に接続した組電池として構成される。例えば３００Ｖの電圧を得るには、単位セルあたり２Ｖの鉛電池では１５０個を直列接続し、また単位セルあたり３．６Ｖのリチウム二次電池の場合には約８０個を直列接続することになる。このように多数の単位セルを直列接続してなる組電池を放電，充電する場合、従来では、組電池の両端の正，負極の端子間電圧を監視しながら充放電を制御していた。
【０００５】
この場合に問題となるのが、組電池を構成する各単位セルの容量や充電状態（ＳＯＣと称される）に起因する電圧のばらつきである。組電池を流れる電流はその単位セルにおいても等しいが、各単位セル毎の容量には必ずばらつきがあるため、各単位セル毎の電圧の変化は異なったものとなる。そのため、組電池の両端電圧を制御しただけでは、あくまでそれを構成する単位セルの平均電圧が制御されているに過ぎず、組電池が下限電圧となるまで放電すれば、平均電圧よりも低い単位セルは過放電となる。また、組電池が上限電圧となるまで充電した場合も、平均電圧よりも高い単位セルでは過充電となる。
【０００６】
従来の鉛電池やニッカド電池、ニッケル水素電池等においては、一部の単位セルが過放電、過充電となっても性能がやや劣化するだけで使用不能となるに至るものではなく、また、単位セル個々の電圧制御はコスト高を招くことから、組電池の両端電圧を制御するに止まっていたのが一般的であった。
【０００７】
しかしながら、リチウム二次電池を直列接続した組電池にあっては、単位セルのうち一つでも過放電（あるいは過充電）となった場合には、上述のように、電池として使用できなくなる虞がある。特に、組電池を電気自動車の電源として用いる場合には、１個の単位セルが使用不能となることにより、電気自動車が走らなくなってしまうことになるので、個々の単位セルにおける過放電（過充電）も避けなければならない。
【０００８】
そこで、従来では、その対策として、例えば実開平２−１３６４４５号公報に示される技術が考えられている。このものは、放電時には、各単位セルの端子電圧のうち最低値を検出してその最低電圧に基づいて制御を行うようにしている。また、充電時にも、同最高値を検出してその最高電圧に基づいて制御を行うようにしている。これによれば、確かに全ての単位セルが所定の電圧範囲を越えないようにしながら使用することが可能となる。
【０００９】
ところが、この技術は、最も電圧の低い単位セルを検出して、その単位セルの電圧が下限電圧まで下がったら放電を終了するものであり、その他の多数の単位セルでは、下限電圧まで未だ放電能力が十分に残っている状態で放電が終了されることになる。また、充電時は最も電圧の高い単位セルを検出して、その単位セルが満充電になったら充電を終了するものであり、その他の多数の単位セルは満充電に至らないまま充電が終了されることになる。つまり、組電池全体としての使用電圧の範囲が狭まってしまって個々の単位セルの容量を十分に活かしきっていないものとなる。特に、例えば１個の単位セルが劣化してその容量が減った場合には、他の単位セルの劣化がなくても、組電池全体としての放電容量が大幅に制限され、継続放電時間が大幅に減少してしまう不具合を招く。
【００１０】
また、それとは別の技術として、例えば特開平７−３３５２６６号公報には、各単位セルにバイパス回路を並列に接続し、そこに補助的な第２のセルを夫々接続することにより、満充電になった単位セルにおいては充電電流を第２のセルに流して充電させる構成が示されている。この構成によれば、全ての単位セルを満充電にすることが可能となり、また第２のセルに充電された電力を放電に利用することも可能となる。
【００１１】
しかしながら、この構成では、単位セルと同数の第２のセルが必要となるので、結局組電池を２セット並列に接続するものと大差のない構成となってしまう。しかも、第２のセルはあくまでも補助的なものに過ぎないため、その容量をシステム全体の容量に加えることは期待できない。このため、構成が複雑，大形となって重量が増加する割には、容量面での効果は十分に得ることができないものとなってしまう。従って、電気自動車に採用するには、大形化，重量増の分だけ走行性能の低下を招いてしまうものとなる。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、複数個の単位セルを直列接続した組電池を備えるものにあって、放電時における各単位セルの過放電を防止しながらも、各単位セル毎の容量のばらつきによる組電池全体としての容量の低下を抑えることができ、しかも比較的簡単な構成で済ませることができるバッテリ装置を提供するにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のバッテリ装置は、二次電池からなる複数個の単位セルを直列に接続してなる組電池と、前記各単位セルの端子電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池からなる補助電池と、この補助電池の電力を前記各単位セルに転送するための、直流，交流を変換する回路及び変圧器を組合せて構成される電力転送回路と、前記組電池の放電時において、前記電圧検出手段の検出に基づいて前記各単位セルの端子電圧が所定の下限値まで低下したかどうかを判断し、端子電圧が下限値まで低下した単位セルに対して前記補助電池の電力を前記電力転送回路を介して選択的に転送させる転送電流制御手段とを具備すると共に、前記補助電池は、前記電圧検出手段及び転送制御手段の駆動電源を兼用しているところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【００１４】
これによれば、組電池の放電時において、電圧検出手段によって各単位セルの端子電圧が監視され、いずれかの単位セルの端子電圧が所定の下限値まで低下したときには、その単位セルに対して、転送電流制御手段により、補助電池の電力が電力転送回路を介して選択的に転送されるようになる。この補助電池からの電力の転送によって、その単位セル自体からの放電電流を抑えてその電圧が過放電電圧まで低下することを未然に防止しながら、組電池全体としての放電を継続することができるようになる。
【００１５】
従って、本発明の請求項１のバッテリ装置によれば、放電時における補助電池からの電力転送によって、各単位セルの過放電を防止しながらも、各単位セル毎の容量のばらつきによる組電池全体としての容量の低下を抑えることができ、しかも、１個の補助電池により複数個の単位セルに対応させることができるので、比較的簡単な構成で済ませることができるという優れた効果を奏する。
【００１６】
しかも、前記補助電池を、電圧検出手段及び転送制御手段の駆動電源を兼用させる構成としたので、組電池を制御用の駆動電源として用いる場合と異なり組電池が使用不能となっても制御が可能となり、また、制御用の別途の駆動電源を設ける必要もなくなるので、補助電池を有効に使用することができると共に構成を簡単に済ませることができる。
【００１７】
さらにこのとき、補助電池の容量を、次の式により決定することができる（請求項２の発明）。
（補助電池容量）＝（各単位セルの公称容量に対する容量ばらつきの平均）×
（単位セルの個数）×（変換効率）＋（制御電力容量）
これにより、補助電池が電圧検出手段及び転送制御手段用の駆動電源としての機能、並びに組電池の単位セルの補助を行う機能を果たすに必要且つ十分な容量とすることができ、補助電池を徒に大きくせずに済ませることができる。
【００１８】
また、前記補助電池の電力がいずれかの単位セルに転送されているときに、その旨を使用者に報知する報知手段を設けても良い（請求項３の発明）。これによれば、使用者は、報知手段によって、補助電池の電力が使用されていること、つまり組電池として使用できる容量が残り少なくなっていることを知ることができ、速やかに充電するなどの対処を行うことができるようになる。
【００１９】
そして、前記電力転送回路は、各単位セルに対して電力の転送が可能なものであり、また補助電池にもつながっているものであるから、この電力転送回路に充電電源を接続することにより、その充電電源から前記組電池の各単位セル及び前記補助電池に対して給電する充電回路として機能させることができる（請求項４の発明）。これによれば、電力転送回路を、各単位セル及び補助電池に対する充電回路として兼用することができ、回路の複雑化を防止することができる。
【００２０】
さらに、このとき、前記転送電流制御手段は、各単位セルに対する電力転送の制御が可能であるから、転送電流制御手段を、組電池の充電時において電圧検出手段の検出に基づき、全ての単位セルを所定の上限値まで定電圧充電するように電力転送回路による各単位セルへの充電を制御するように構成することができる（請求項５の発明）。これにより、充電時においても、過充電を防止しながら、全ての単位セルを定電圧に充電することができ、各単位セル間での充電完了時の容量ばらつきを解消することができる。
【００２１】
また、前記組電池を構成する単位セルを、リチウムイオンを吸蔵，放出可能な物質からなる正極及び負極を有するリチウム系二次電池から構成することができ（請求項６の発明）、これにより、鉛，ニッカドやニッケル水素電池などに比べて３〜４倍もの高い重量エネルギ密度を有する組電池を得ることができる。そして、前記組電池を電気自動車の電源として使用すれば（請求項７の発明）、最高速度や一充電走行距離などの走行性能の優れた電気自動車の電源を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を電気自動車用のバッテリ装置に適用した一実施例について、図１ないし図６を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係るバッテリ装置１の全体の電気的構成を概略的に示している。ここで、このバッテリ装置１は、大きく分けて、複数個の単位セル２を直列接続してなり電気自動車の電源となる組電池３、この組電池３の各単位セル２の端子電圧を検出する電圧検出手段たる電圧検出回路４、補助電池５、この補助電池５の電力を前記各単位セル２に転送する電力転送回路６、組電池２の放電，充電などを制御するためのマイコン等からなる制御装置７を備えて構成されている。また、このバッテリ装置１（前記電力転送回路６）には、例えば充電スタンドにおいて、充電電源８が接続されて充電が行われるようになっている。
【００２３】
前記単位セル２は、この場合、リチウムイオンを吸蔵，放出可能な物質からなる正極及び負極を有するリチウム系二次電池から構成され、１個の標準電圧が例えば３．６Ｖとされている。組電池３は、この単位セル２を例えば８０個直列に接続して構成され、その両端に接続された正，負側の母線９，９´が、図示しないモータの駆動回路（インバータ回路）に接続されるようになっている。尚、前記単位セル２は、その電圧が上限値（例えば４．２Ｖ）と下限値（例えば３．０Ｖ）との所定範囲内で使用されるようになっている。
【００２４】
前記電圧検出回路４は、この場合、前記各単位セル２に対しそれらの端子電圧を検出するオペアンプ１０を夫々接続して構成されており、それらオペアンプ１０の出力端子が、後述する制御装置７のマルチプレクサ１１に接続され、もって各単位セル２の端子電圧が制御装置７に入力されるようになっている。
【００２５】
また、前記補助電池５は、例えばリチウム二次電池から構成されている。本実施例では、この補助電池５は、制御用の駆動電源を兼用しており、定電圧電源１２を介して前記制御装置７や電圧検出回路４等に電力を供給するようになっている。さらに、この補助電池５には、その端子電圧を検出するオペアンプ１３が接続され、その検出信号が前記制御装置７に入力されるようになっている。尚、この場合、補助電池５の容量は、次の式により決定されている。
（補助電池容量）＝（各単位セルの公称容量に対する容量ばらつきの平均）×（単位セルの個数）×（変換効率）＋（制御電力容量）●
さて、前記電力転送回路６は次のように構成されている。即ち、まず、前記補助電池５は、リレー１４を介してＤＣ／ＡＣインバータ１５に接続され、このＤＣ／ＡＣインバータ１５は、出力電圧の調整（昇圧）及び絶縁を目的とした補助電池用変圧器１６の一次側巻線１６ａに接続されている。前記ＤＣ／ＡＣインバータ１５は、前記制御装置７により制御され、また、前記リレー１４も、制御装置７によってオン，オフ制御されるようになっている。
【００２６】
そして、前記各単位セル２毎にセル用変圧器１７が夫々設けられており、前記補助電池用変圧器１６の二次側巻線１６ｂと、前記各セル用変圧器１７の一次側巻線１７ａとが直列に接続されている。この直列接続回路には、切替スイッチ１８が挿設されており、この切替スイッチ１８の切替接点が放電側（接点１８ａ）あるときには、その直列接続回路が閉ループ状に閉じており、一方、切替接点が充電側の接点１８ｂに切替えられると、その直列接続回路が前記充電電源８に接続されるようになっている。この切替スイッチ１８も、制御装置７により切替制御されるようになっている。
【００２７】
図２にも示すように、前記各セル用変圧器１７の二次側巻線１７ｂは、夫々整流回路１９の入力側に接続され、その出力側が平滑コンデンサ２０を介して前記各単位セル２に夫々接続されている。このとき、平滑コンデンサ２０と単位セル２の正側端子との間には、電流制御素子この場合ＦＥＴ２１が夫々挿設されている。これら各ＦＥＴ２１のゲート電圧は前記制御装置７のデコーダ２２により制御されるようになっている。尚、図２では、整流回路１９及び平滑コンデンサ２０を簡略化して示している。
【００２８】
これにて、電力転送回路６は、切替スイッチ１８の切替接点が放電側（接点１８ａ）にある状態つまり組電池３の放電時に、リレー１４がオンされると共に、いずれかの単位セル２に対応したＦＥＴ２１がオンされると、その単位セル２に対して次のようにして補助電池５の電力を転送させる。即ち、補助電池５の電力はＤＣ／ＡＣインバータ１５により交流に変換されて補助電池用変圧器１６の一次側に与えられ、昇圧されてその二次側から出力される。その補助電池用変圧器１６の二次側の電力が該当するセル用変圧器１７の一次側に与えられ、その二次側から出力された電力が、整流回路１９及び平滑コンデンサ２０により直流化され、ＦＥＴ２１を介して単位セル２の端子間に与えられるのである。
【００２９】
また、本実施例では、この電力転送回路６は、組電池３を構成する各単位セル２及び補助電池５に対して、充電電源８からの給電を行う充電回路としても機能するようになっている。即ち、電力転送回路６に充電電源８が接続され、切替スイッチ１８の切替接点が充電側（接点１８ｂ）に切替えられると、その充電電源８の交流電力が、各セル用変圧器１７の一次側に供給され、ＦＥＴ２１がオンされることにより、対応したセル用変圧器１７の二次側から出力された電力が、整流回路１９及び平滑コンデンサ２０により直流化され、対応する単位セル２の端子間に給電されて充電が行われるのである。
【００３０】
さらに、これと共に、リレー１４がオンされると共に、ＤＣ／ＡＣインバータ１５が整流器として使用されることにより、充電電源８の交流電力が補助電池用変圧器１６の二次側に供給され、一次側から出力された電力がＤＣ／ＡＣインバータ１５によって直流化され、補助電池５の端子間に給電されて充電が行われるのである。
【００３１】
そして、前記制御装置７は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）２３、制御プログラムやデータを記憶するメモリ２４、前記マルチプレクサ１１及びデコーダ２２等を備えて構成されている。前記ＭＰＵ２３には、前記電圧検出回路４の各オペアンプ１０からの電圧検出信号が、マルチプレクサ１１を介して与えられるようになっている。
【００３２】
また、ＭＰＵ２３は、前記リレー８、ＤＣ／ＡＣインバータ１５、切替スイッチ１８を制御すると共に、前記デコーダ２２を介して各ＦＥＴ２１のゲート電圧を制御するようになっている。このとき、前記切替スイッチ１８は組電池３の放電時には、放電側（接点１８ａ側）に切替えらえており、前記組電池３あるいは補助電池５の充電時には、充電側（接点１８ｂ側）に切替えられるようになっている。
【００３３】
さらに、本実施例では、ＭＰＵ２３は、前記補助電池５の電力がいずれかの単位セル２に転送されている旨を使用者（運転者）に報知する報知手段たる表示装置２５を制御するようになっている。この場合、表示装置２５の制御は、リレー８に対して与える制御信号によって併せて行われるようになっている。
【００３４】
このとき、後のフローチャート説明でも述べるように、制御装置７（ＭＰＵ２３）は、母線９，９´が負荷（モータ駆動回路）に接続されている組電池３の放電時においては、通常状態では、リレー１４及び全てのＦＥＴ２１をオフしている。そして、これと共に、電圧検出回路４の検出に基づいて各単位セル２の電圧が下限値（３．０Ｖ）まで低下したかどうかを常に監視し、電圧が下限値まで低下した単位セル２が検出された場合には、前記リレー１４をオンしＤＣ／ＡＣインバータ１５を駆動すると共に、その単位セル２に対応するＦＥＴ２１をオンさせてその単位セル２に補助電池５の電力を転送させるようになっている。従って、制御装置７が転送電流制御手段として機能するのである。更に、制御装置７はその電力転送の際に表示装置２５にその旨を表示させるようになっている。
【００３５】
また、制御装置７（ＭＰＵ２３）は、充電電源８が接続された組電池３の充電時においては、全てのＦＥＴ２１をオンすることによって、各単位セル２に対して充電を行うのであるが、この際も、電圧検出回路４の検出に基づいて各単位セル２の電圧が上限値（４．２Ｖ）に達したかどうかを監視し、電圧が上限値に達した単位セル２に関してはＦＥＴ２１により充電電流を制限することにより、全ての単位セル２が上限値まで定電圧充電されるように充電を制御するようになっている。
【００３６】
さらには、制御装置７は、リレー１４をオンすると共にＤＣ／ＡＣインバータ１５を作動させることにより、補助電池５の充電も併せて行うようになっているのであるが、この際、オペアンプ１３の検出に基づいて補助電池５の電圧を監視し、所定の上限値に達したところで、リレー１４をオフすると共にＤＣ／ＡＣインバータ１５を停止させて補助電池５に対する充電を終了させるようになっている。
【００３７】
次に、上記構成の作用について、図３ないし図６も参照して述べる。上記構成のバッテリ装置１の組電池３は、充電電源８に接続されて充電が行われ、負荷（モータ駆動回路）に接続されて放電が行われることが繰返されて使用されるのであるが、このとき、リチウム二次電池からなる単位セル２は、過充電や過放電に弱いといった事情があり、上述のように、規定された電圧の範囲（３．０〜４．２Ｖ）内で使用しないと、材料が分解して著しく容量が減少したり異常な発熱をしたりして、電池として使用できなくなりひいては電気自動車が走らなくなる虞がある。そこで、組電池３を構成する個々の単位セル２が必ずその電圧範囲内で使用されるように、制御装置７により放電，充電が制御される。
【００３８】
まず、図４のフローチャートは、母線９，９´が負荷（モータ駆動回路）に接続されて電力を供給している組電池３の放電時における、制御装置７の実行する制御手順を示している。即ち、上述のように、この放電時には、切替スイッチ１８の切替接点が放電側（接点１８ａ）に切替えられており（ステップＳ１）、またこのとき、リレー１４及びＤＣ／ＡＣインバータ１５並びに全てのＦＥＴ２１がオフされている。
【００３９】
そして、この放電時には、電圧検出回路４（各オペアンプ１０）の検出に基づき各単位セル２の電圧が常に監視され（ステップＳ２）、各単位セル２の電圧が下限値（３．０Ｖ）まで低下したかどうかが常に判断される（ステップＳ３）。ここで、組電池３を流れる電流は各単位セル２において等しい（図２に示す主電流ｉ）が、各単位セル２においてはその容量や充電状態（ＳＯＣ）に起因する電圧のばらつきがあり、各単位セル２毎の電圧の変化は異なったものとなり、各単位セル２間で電圧が下限値まで低下するタイミングが異なってくる。
【００４０】
そこで、下限電圧に達した単位セル２が検出された場合には（ステップＳ３にてＹｅｓ）、リレー１４がオンされる（ステップＳ４）と共にＤＣ／ＡＣインバータ１５が作動され（ステップＳ５）、もって補助電池５の電力が交流に変換されて補助電池用変圧器１６の二次側から出力されるようになる。そして、これと共に、下限電圧に達した単位セル２に対応したＦＥＴ２１がオンされることにより（ステップＳ６）、セル用変圧器１７を介して供給された電力が、整流回路１９及び平滑コンデンサ２０により直流化されてその単位セル２の端子間に給電されるのである。
【００４１】
また、このとき、いずれかの単位セル２に対して補助電池５から電力転送が行われている旨が表示装置２５に表示される（ステップＳ７）。この電力転送の間は、電力転送が行われている単位セル２の電圧が下限電圧と比較され（ステップＳ８）、下限電圧を下回らないようにＦＥＴ２１のゲート電圧が調整されて転送電流が制御されるのである（ステップＳ９）。
【００４２】
かかる電力転送は、車両が停止されるまで続行され（ステップＳ１０）、その間においても、各単位セル２の電圧が監視され（ステップＳ１１）、さらに下限電圧に達した別の単位セル２が検出された場合には、その単位セル２についても対応するＦＥＴ２１の制御により補助電池５の電力が転送されるのである。また、車両停止命令があれば（ステップＳ１０にてＹｅｓ）、組電池３及び補助電池５からの放電が停止される（ステップＳ１２）。
【００４３】
これにて、いずれかの単位セル２の電圧が所定の下限値まで低下したときには、その単位セル２に対して、補助電池５の電力が電力転送回路６を介して選択的に転送されるようになる。この補助電池５からの電力の転送によって、いずれかの単位セル２が早期に下限電圧に達しても、その単位セル２自体からの放電電流を抑えてその電圧が過放電電圧まで低下することを未然に防止しながら、組電池３全体としての放電を継続することができるようになり、組電池３としての放電時間の延長を図ることができるのである。尚、個々の単位セル２における過放電が避けられるので、組電池３としての過放電が避けられることは勿論である。
【００４４】
ちなみに、図３は、いずれかの単位セル２の電圧が下限値に達した際（時刻ｔ0 ）の、その単位セル２の電圧（ａ）、その単位セル２自体からの放電電流（ｂ）、補助電池５からの転送による電流（ｃ）の関係を示しており、下限電圧に達した時刻ｔ0 以降は、単位セル２自体からの放電に代えて補助電池５からの転送によって放電が行われ、主電流ｉが維持されるのである。
【００４５】
また、上述のような補助電池５からの電力の転送が行われているときには、表示装置２５により使用者（ドライバ）にその旨が報知されるので、使用者は、いずれかの単位セル２の電圧が下限値に達していることつまり組電池３として使用できる容量が残り少なくなっていることを容易に知ることができ、速やかに充電するなどの対処を行うことができるようになる。
【００４６】
次に、図５のフローチャートは、組電池３の充電時における、制御装置７の実行する制御手順を示している。この充電時においては、上述のように、電力転送回路６に充電電源８が接続され、切替スイッチ１８の切替接点が充電側（接点１８ｂ）に切替えられる（ステップＳ２１）。これにて、充電電源８の交流電力が、各セル用変圧器１７の一次側に供給されるようになり（ステップＳ２２）、この状態で、各ＦＥＴ２１がオンされることにより（ステップＳ２３）、各セル用変圧器１７の二次側から出力された電力が、整流回路１９及び平滑コンデンサ２０により直流化され、各単位セル２の端子間に給電されて充電が行われる。
【００４７】
この充電中には、やはり電圧検出回路４（各オペアンプ１０）の検出に基づき各単位セル２の電圧が常に監視され（ステップＳ２４）、各単位セル２の電圧が上限値（４．２Ｖ）つまり満充電に達したかどうかが判断される（ステップＳ２５）。電圧が上限値に達した単位セル２が検出されると（ステップＳ２５にてＮｏ）、その単位セル２に関してはＦＥＴ２１のゲート電圧の調整により充電電流が制限されるようになる（ステップＳ２６）。
【００４８】
このようにして、電圧が上限値に達した単位セル２についてはそれ以上の充電を禁止しながら各単位セル２に対する充電が行われ、充電時間が所定時間経過したところで（ステップＳ２７にてＹｅｓ）、全てのＦＥＴ２１がオフされて組電池３の充電が終了するのである（ステップＳ２８）。これにより、電力転送回路６による各単位セル２への給電を制御することにより、各単位セル２の過充電を未然に防止しながら、全ての単位セル２を所定の上限値まで定電圧充電することができ、各単位セル２間での充電完了時の容量ばらつきを解消することができるのである。
【００４９】
図６のフローチャートは、上記組電池３の充電と併せて行われる補助電池５の充電時における、制御装置７の実行する制御手順を示している。この充電時においては、電力転送回路６に充電電源８が接続され、切替スイッチ１８の切替接点が充電側（接点１８ｂ）に切替えられる（ステップＳ３１）。これにて、充電電源８の交流電力が、補助電池用変圧器１６の二次側にも供給されるようになり（ステップＳ３２）、この状態で、リレー１４がオンされると共に、ＤＣ／ＡＣインバータ１５が作動されることにより（ステップＳ３３）、補助電池用変圧器１６の一次側から出力された電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５により整流されて直流化され、補助電池５の端子間に給電されて充電が行われる。
【００５０】
この充電中には、オペアンプ１３の検出に基づき補助電池５の電圧が常に監視され（ステップＳ３４）、補助電池５の電圧が所定の上限値に達したかどうかが判断される（ステップＳ３５）、電圧が上限値に達すると（Ｙｅｓ）、ＤＣ／ＡＣインバータ１５が調整されて充電電流が制限されるようになる（ステップＳ３６）。
【００５１】
このようにして、補助電池５に対する充電が行われ、充電時間が所定時間経過したところで（ステップＳ３７にてＹｅｓ）、リレー１４がオフされると共にＤＣ／ＡＣインバータ１５が停止され（ステップＳ３８）、補助電池５の充電が終了するのである。この場合も、補助電池５の過充電を防止し適切な充電を行うことができるのである。このように、電力転送回路６の一部を各単位セル２に対する充電回路として利用することができると共に、電力転送回路６をいわば逆向きに使用することによって、補助電池５に対する充電回路としても利用することができるのである。
【００５２】
このように本実施例によれば、リチウム系二次電池からなる単位セル２を直列接続してなり高い重量エネルギ密度を有する組電池３を備え、電気自動車の電源として最高速度や一充電走行距離などの走行性能に優れるものにあって、補助電池５を設けてその電力を電力転送回路６を介して各単位セル２に選択的に転送させる構成としたので、放電時に最も電圧の低い単位セルを検出してその単位セルの電圧が下限電圧まで下がったら放電を終了することにより過放電を防止していた従来のものと異なり、各単位セル２の過放電を防止しながらも、各単位セル２毎の容量のばらつきによる組電池３全体としての容量の低下を抑えることができ、組電池３としての能力を十分に引出すことができて一充電における継続放電時間を長くすることができるものである。
【００５３】
しかも、各単位セルにバイパス回路を並列に接続しそれらバイパス回路に補助的な第２のセルを接続するようにしていた従来のものと異なり、１個の補助電池５により複数個の単位セル２に対応させることができるので、構成がさほど複雑，大形となることはなく、比較的簡単な構成で済ませることができ、電気自動車に採用するに好適するのである。
【００５４】
そして、特に本実施例では、電力転送回路６を、各単位セル２及び補助電池５に対する充電回路として兼用するようにしたので、充電回路を別途に付加する場合と異なり、回路を簡単に済ませることができる。しかも、その各単位セル２に対する充電時に、電圧検出回路４の検出に基づき、ＦＥＴ２１を利用して、全ての単位セル２を所定の上限値まで定電圧充電することができるので、充電時においても、過充電を防止しながら全ての単位セル２を定電圧に充電することができ、各単位セル２間での充電完了時の容量（ＳＯＣ）のばらつきを解消することができる利点を得ることができる。
【００５５】
さらに、本実施例では、上記補助電池５を、制御装置７等の駆動電源を兼用させるようにしたので、組電池３を制御用の駆動電源として用いる場合と異なり組電池３が使用不能となっても制御が可能となり、また制御用の別途の駆動電源を設ける必要もなくなるので、補助電池５を有効に使用することができると共に構成を簡単に済ませることができる。このとき、上記のように補助電池５の容量を決定したことにより、補助電池５が制御装置７等の駆動電源としての機能、及び組電池３の単位セル２の補助を行う機能を果たすに必要且つ十分な容量とすることができ、補助電池５を徒に大きくせずに済ませることができる。
【００５６】
尚、上記した実施例では、補助電池５についてもリチウム系二次電池から構成したが、鉛やニッケル系の二次電池を採用することも可能である。また、上記実施例では、単位セル２の充電を全て電力転送回路６を介して行うようにしたが、組電池３の充電時においては、例えば母線９，９´に充電回路を接続して母線９，９´を介して組電池３を満充電に近いところまで充電し、その後、電力転送回路６を用いてＦＥＴ２１の制御によって個々の単位セル２の定電圧まで充電させるといったように、電力転送回路６を充電時の各単位セル２間の容量ばらつきの補正程度に用いることもできる。これによれば、電力転送回路６の電流容量を小さく抑えることができ、変圧器１６，１７などの小形化ひいては回路全体としての小形化，軽量化も図ることができる。
【００６２】
その他、例えば組電池（単位セル）においても鉛やニッケル系の二次電池を採用するようにしても良く、また、制御装置７等の駆動電源を補助電池５とは別に設ける構成としたり、ＦＥＴ２１に代えてトランジスタを採用しても良い。さらには、電圧検出手段や報知手段の構成としても種々の変形例が考えられ、また電気自動車に限らず各種の電気機器に適用することができる等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、バッテリ装置の電気的構成を概略的に示す図
【図２】１個の単位セル部分の電気的構成を概略的に示す図
【図３】単位セルの電圧（ａ）、放電電流（ｂ）、補助電池からの転送電流（ｃ）の関係を示す図
【図４】放電時の制御手順を示すフローチャート
【図５】組電池の充電時の制御手順を示すフローチャート
【図６】補助電池の充電時の制御手順を示すフローチャート
【符号の説明】
図面中、１，３１はバッテリ装置、２は単位セル、３は組電池、４は電圧検出回路（電圧検出手段）、５は補助電池、６，３２は電力転送回路、７は制御装置（転送電流制御手段）、８は充電電源、１０はオペアンプ、１４はリレー、１５はＤＣ／ＡＣインバータ、１６は補助電池用変圧器、１７はセル用変圧器、１８は切替スイッチ、２１はＦＥＴ、２３はＭＰＵ、２５は表示装置（報知手段）、３３は接続切替スイッチ、３４は充電回路を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery device that is used in, for example, an electric vehicle or the like and uses a battery pack that is formed by connecting a plurality of unit cells made of secondary batteries in series.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been a demand for improvement in the performance of electric vehicles from the viewpoint of protecting the global environment. As a battery used as a power source that affects the running performance, instead of conventional lead, nickel cadmium, nickel metal hydride batteries, etc., those batteries are used. It is considered to employ a lithium secondary battery having a weight energy density as high as about 3 to 4 times. By using this lithium secondary battery as a power source for an electric vehicle, it is expected that the running performance such as the maximum speed and one charge running distance will be greatly improved.
[0003]
However, lithium secondary batteries are vulnerable to overcharge and overdischarge, and if they are not used within the specified voltage range, the material will decompose and the capacity will be significantly reduced or abnormal heat will be generated. Therefore, there is a possibility that the battery cannot be used. Therefore, when using a lithium secondary battery, the upper limit voltage and the lower limit voltage are clearly defined, and must be controlled with constant voltage or used in combination with a protection circuit so that it is always used within that range. Is done.
[0004]
By the way, since the battery used for an electric vehicle requires a high voltage in order to drive a motor, it is normally configured as an assembled battery in which a plurality of batteries (unit cells) are connected in series. For example, to obtain a voltage of 300V, 150 lead batteries are connected in series with a 2V lead battery per unit cell, and about 80 batteries are connected in series with a 3.6V lithium secondary battery per unit cell. . Thus, when discharging and charging an assembled battery formed by connecting a large number of unit cells in series, conventionally, charging / discharging is controlled while monitoring the voltage between the positive and negative terminals at both ends of the assembled battery.
[0005]
In this case, a problem is a variation in voltage caused by the capacity of each unit cell constituting the battery pack and the state of charge (referred to as SOC). Although the current flowing through the assembled battery is the same in the unit cell, the capacity of each unit cell always varies, so that the change in voltage for each unit cell is different. Therefore, just controlling the voltage at both ends of the assembled battery only controls the average voltage of the unit cells constituting the unit, and if the battery is discharged until it reaches the lower limit voltage, the unit is lower than the average voltage. The cell is overdischarged. Even when the assembled battery is charged until the upper limit voltage is reached, the unit cell is overcharged in a higher unit than the average voltage.
[0006]
In conventional lead batteries, nickel-cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, etc., even if some unit cells become overdischarged or overcharged, the performance is only slightly degraded and the unit is not usable. Since voltage control for each cell incurs high costs, it has generally been limited to controlling the voltage across the assembled battery.
[0007]
However, in an assembled battery in which lithium secondary batteries are connected in series, if any one of the unit cells is overdischarged (or overcharged), as described above, the battery may not be used as a battery. is there. In particular, when an assembled battery is used as a power source for an electric vehicle, since one unit cell becomes unusable and the electric vehicle cannot run, overdischarge (overcharge in each unit cell) ) Must also be avoided.
[0008]
Therefore, conventionally, as a countermeasure, for example, a technique disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 2-136445 is considered. In this case, at the time of discharging, the lowest value of the terminal voltages of each unit cell is detected, and control is performed based on the lowest voltage. Also during charging, the maximum value is detected and control is performed based on the maximum voltage. According to this, it is possible to use the unit cell while ensuring that all the unit cells do not exceed the predetermined voltage range.
[0009]
However, this technology detects the unit cell with the lowest voltage and terminates the discharge when the voltage of the unit cell drops to the lower limit voltage. In many other unit cells, the discharge capacity is still up to the lower limit voltage. The discharge is terminated in a state where there is sufficient remaining. When charging, the unit cell with the highest voltage is detected, and when the unit cell is fully charged, the charging is terminated. Many other unit cells are charged without reaching full charge. Will be. That is, the range of the operating voltage as the whole assembled battery is narrowed, and the capacity of each unit cell is not fully utilized. In particular, for example, when one unit cell deteriorates and its capacity decreases, the discharge capacity of the assembled battery as a whole is greatly limited even if there is no deterioration of other unit cells, and the continuous discharge time is greatly increased. This leads to a problem that decreases.
[0010]
Further, as another technique, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-335266, a bypass circuit is connected in parallel to each unit cell, and an auxiliary second cell is connected to each unit cell, so that full charge is achieved. In the unit cell, the charging current is supplied to the second cell to charge the unit cell. According to this configuration, all unit cells can be fully charged, and the power charged in the second cell can be used for discharging.
[0011]
However, in this configuration, the same number of second cells as the unit cells are required, so that the configuration is not much different from one in which two sets of assembled batteries are connected in parallel. Moreover, since the second cell is merely an auxiliary one, it is not possible to expect that capacity to be added to the capacity of the entire system. For this reason, although the configuration is complicated and large, and the weight increases, the capacity effect cannot be sufficiently obtained. Therefore, in order to employ it in an electric vehicle, the running performance is reduced by the increase in size and weight.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to include an assembled battery in which a plurality of unit cells are connected in series, while preventing overdischarge of each unit cell during discharge, It is an object of the present invention to provide a battery device that can suppress a decrease in the capacity of the assembled battery as a whole due to variations in capacity of each unit cell, and that can be completed with a relatively simple configuration.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The battery device of the present invention includes an assembled battery formed by connecting a plurality of unit cells made of a secondary battery in series, a voltage detecting means for detecting a terminal voltage of each unit cell, and an auxiliary battery made of a secondary battery. A power transfer circuit configured by combining a DC / AC conversion circuit and a transformer for transferring the power of the auxiliary battery to each unit cell, and the voltage detection at the time of discharging the battery pack Based on the detection of the means, it is determined whether the terminal voltage of each unit cell has decreased to a predetermined lower limit value, and the power transfer circuit supplies the power of the auxiliary battery to the unit cell whose terminal voltage has decreased to the lower limit value. And a transfer current control means for selectively transferring the data via The auxiliary battery also serves as a drive power source for the voltage detection means and the transfer control means. However, it has characteristics (the invention of claim 1).
[0014]
According to this, when the assembled battery is discharged, the terminal voltage of each unit cell is monitored by the voltage detecting means, and when the terminal voltage of any unit cell falls to a predetermined lower limit value, The power of the auxiliary battery is selectively transferred through the power transfer circuit by the transfer current control means. By transferring the power from the auxiliary battery, it is possible to continue the discharge of the assembled battery as a whole while suppressing the discharge current from the unit cell itself and preventing the voltage from dropping to the overdischarge voltage. It becomes like this.
[0015]
Therefore, according to the battery device of claim 1 of the present invention, the entire assembled battery due to the variation in capacity of each unit cell while preventing overdischarge of each unit cell by transferring power from the auxiliary battery at the time of discharge. In addition, since a single auxiliary battery can be used for a plurality of unit cells, a relatively simple configuration can be achieved.
[0016]
Moreover, The auxiliary battery is used as a driving power source for the voltage detection means and the transfer control means. Because it was configured Unlike the case where an assembled battery is used as a driving power source for control, control becomes possible even when the assembled battery becomes unusable, and there is no need to provide a separate driving power source for control, so the auxiliary battery is used effectively. And the configuration can be simplified.
[0017]
Furthermore, at this time, the capacity of the auxiliary battery can be determined by the following formula ( Claim 2 Invention).
(Auxiliary battery capacity) = (Average of capacity variation with respect to nominal capacity of each unit cell) ×
(Number of unit cells) x (Conversion efficiency) + (Control power capacity)
As a result, the auxiliary battery can have a capacity necessary and sufficient to fulfill the function as a driving power source for the voltage detection means and the transfer control means, and the function of assisting the unit cell of the assembled battery. It can be done without making it bigger.
[0018]
Moreover, you may provide the alerting | reporting means which alert | reports to that effect when the electric power of the said auxiliary | assistant battery is transferred to one of unit cells ( Claim 3 Invention). According to this, the user can know that the power of the auxiliary battery is being used by the notification means, that is, that the capacity that can be used as the assembled battery is low, and measures such as charging quickly. Will be able to do.
[0019]
And, since the power transfer circuit is capable of transferring power to each unit cell and also connected to an auxiliary battery, by connecting a charging power source to the power transfer circuit, The charging power supply can function as a charging circuit that supplies power to each unit cell of the assembled battery and the auxiliary battery ( Claim 4 Invention). According to this, the power transfer circuit can be used as a charging circuit for each unit cell and the auxiliary battery, and the complexity of the circuit can be prevented.
[0020]
Further, at this time, since the transfer current control means can control the power transfer to each unit cell, the transfer current control means is configured to detect all the unit cells based on the detection of the voltage detection means when charging the assembled battery. Can be configured to control charging of each unit cell by the power transfer circuit so as to be charged at a constant voltage to a predetermined upper limit value ( Claim 5 Invention). As a result, even during charging, all unit cells can be charged to a constant voltage while preventing overcharging, and capacity variations at the completion of charging among the unit cells can be eliminated.
[0021]
Further, the unit cell constituting the assembled battery can be composed of a lithium secondary battery having a positive electrode and a negative electrode made of a substance capable of inserting and extracting lithium ions ( Claim 6 Thus, it is possible to obtain an assembled battery having a weight energy density three to four times higher than that of a lead, nickel cadmium, nickel metal hydride battery, or the like. If the assembled battery is used as a power source for an electric vehicle ( Claim 7 The power source of the electric vehicle having excellent running performance such as the maximum speed and one charging mileage can be obtained.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a battery device for an electric vehicle will be described with reference to FIGS. FIG. 1 schematically shows the overall electrical configuration of the battery device 1 according to this embodiment. Here, the battery device 1 is broadly divided into a plurality of unit cells 2 connected in series and an assembled battery 3 serving as a power source for an electric vehicle, and a terminal voltage of each unit cell 2 of the assembled battery 3 is detected. A voltage detection circuit 4 serving as voltage detection means, an auxiliary battery 5, a power transfer circuit 6 for transferring the electric power of the auxiliary battery 5 to each unit cell 2, a microcomputer for controlling discharge and charging of the assembled battery 2, and the like. A control device 7 is provided. In addition, the battery device 1 (the power transfer circuit 6) is connected to a charging power source 8 at a charging stand, for example, so as to be charged.
[0023]
In this case, the unit cell 2 is composed of a lithium secondary battery having a positive electrode and a negative electrode made of a material capable of occluding and releasing lithium ions, and one standard voltage is set to 3.6 V, for example. The assembled battery 3 is configured by connecting 80 unit cells 2 in series, for example, and positive and negative buses 9 and 9 ′ connected to both ends thereof are connected to a motor drive circuit (inverter circuit) (not shown). Connected. The unit cell 2 is used within a predetermined range of a voltage between an upper limit value (for example, 4.2V) and a lower limit value (for example, 3.0V).
[0024]
In this case, the voltage detection circuit 4 is configured by connecting operational amplifiers 10 for detecting the terminal voltages to the unit cells 2, respectively, and the output terminals of the operational amplifiers 10 are connected to the control device 7 described later. Connected to the multiplexer 11, the terminal voltage of each unit cell 2 is input to the control device 7.
[0025]
The auxiliary battery 5 is composed of, for example, a lithium secondary battery. In this embodiment, the auxiliary battery 5 also serves as a driving power source for control, and supplies power to the control device 7 and the voltage detection circuit 4 through the constant voltage power source 12. Further, an operational amplifier 13 for detecting the terminal voltage is connected to the auxiliary battery 5, and the detection signal is input to the control device 7. In this case, the capacity of the auxiliary battery 5 is determined by the following equation.
(Auxiliary battery capacity) = (Average capacity variation with respect to nominal capacity of each unit cell) x (Number of unit cells) x (Conversion efficiency) + (Control power capacity)
The power transfer circuit 6 is configured as follows. That is, first, the auxiliary battery 5 is connected to a DC / AC inverter 15 via a relay 14, and this DC / AC inverter 15 is an auxiliary battery transformer for the purpose of adjusting (boosting) and insulating the output voltage. 16 is connected to the primary winding 16a. The DC / AC inverter 15 is controlled by the control device 7, and the relay 14 is also on / off controlled by the control device 7.
[0026]
A cell transformer 17 is provided for each unit cell 2, and a secondary side winding 16 b of the auxiliary battery transformer 16 and a primary side winding 17 a of each cell transformer 17. Are connected in series. In this series connection circuit, a changeover switch 18 is inserted, and when the changeover contact of the changeover switch 18 is on the discharge side (contact 18a), the series connection circuit is closed in a closed loop, while the changeover contact Is switched to the charging side contact 18b, the series connection circuit is connected to the charging power source 8. The changeover switch 18 is also controlled by the control device 7.
[0027]
As shown also in FIG. 2, the secondary winding 17 b of each cell transformer 17 is connected to the input side of the rectifier circuit 19, and its output side is connected to each unit cell 2 via the smoothing capacitor 20. Each is connected. At this time, a current control element, that is, an FET 21 is inserted between the smoothing capacitor 20 and the positive terminal of the unit cell 2. The gate voltage of each FET 21 is controlled by the decoder 22 of the control device 7. In FIG. 2, the rectifier circuit 19 and the smoothing capacitor 20 are shown in a simplified manner.
[0028]
As a result, the power transfer circuit 6 corresponds to one of the unit cells 2 while the relay 14 is turned on when the changeover contact of the changeover switch 18 is on the discharge side (contact 18a), that is, when the assembled battery 3 is discharged. When the FET 21 is turned on, the power of the auxiliary battery 5 is transferred to the unit cell 2 as follows. That is, the electric power of the auxiliary battery 5 is converted into an alternating current by the DC / AC inverter 15 and given to the primary side of the auxiliary battery transformer 16 to be boosted and outputted from the secondary side. The secondary side power of the auxiliary battery transformer 16 is applied to the primary side of the corresponding cell transformer 17, and the power output from the secondary side is converted into a direct current by the rectifier circuit 19 and the smoothing capacitor 20. The voltage is applied between the terminals of the unit cell 2 via the FET 21.
[0029]
In this embodiment, the power transfer circuit 6 also functions as a charging circuit that supplies power from the charging power supply 8 to each unit cell 2 and auxiliary battery 5 constituting the assembled battery 3. Yes. That is, when the charging power source 8 is connected to the power transfer circuit 6 and the switching contact of the changeover switch 18 is switched to the charging side (contact 18b), the AC power of the charging power source 8 is converted to the primary side of each cell transformer 17. When the FET 21 is turned on, the power output from the secondary side of the corresponding cell transformer 17 is converted into a direct current by the rectifier circuit 19 and the smoothing capacitor 20, and between the terminals of the corresponding unit cell 2. The power is supplied to the battery and charging is performed.
[0030]
Further, together with this, the relay 14 is turned on, and the DC / AC inverter 15 is used as a rectifier, whereby the AC power of the charging power supply 8 is supplied to the secondary side of the auxiliary battery transformer 16 and the primary side. The electric power output from the battery is converted into a direct current by the DC / AC inverter 15 and is fed between the terminals of the auxiliary battery 5 to be charged.
[0031]
The control device 7 includes an MPU (microprocessor) 23, a memory 24 for storing control programs and data, the multiplexer 11, a decoder 22, and the like. The MPU 23 is supplied with voltage detection signals from the respective operational amplifiers 10 of the voltage detection circuit 4 via the multiplexer 11.
[0032]
The MPU 23 controls the relay 8, the DC / AC inverter 15, and the changeover switch 18, and controls the gate voltage of each FET 21 through the decoder 22. At this time, the switch 18 is switched to the discharge side (contact 18a side) when the assembled battery 3 is discharged, and is switched to the charge side (contact 18b side) when the assembled battery 3 or the auxiliary battery 5 is charged. It is like that.
[0033]
Further, in the present embodiment, the MPU 23 controls the display device 25 which is a notification means for notifying the user (driver) that the power of the auxiliary battery 5 has been transferred to any one of the unit cells 2. It has become. In this case, the display device 25 is controlled by a control signal given to the relay 8.
[0034]
At this time, as will be described later in the flow chart description, the control device 7 (MPU 23) is in a normal state when discharging the assembled battery 3 in which the buses 9 and 9 'are connected to the load (motor drive circuit). The relay 14 and all the FETs 21 are turned off. At the same time, based on the detection of the voltage detection circuit 4, it is always monitored whether the voltage of each unit cell 2 has dropped to the lower limit (3.0V), and the unit cell 2 whose voltage has dropped to the lower limit is detected. If it is, the relay 14 is turned on to drive the DC / AC inverter 15, and the FET 21 corresponding to the unit cell 2 is turned on to transfer the power of the auxiliary battery 5 to the unit cell 2. ing. Therefore, the control device 7 functions as a transfer current control means. Further, the control device 7 displays the fact on the display device 25 during the power transfer.
[0035]
The control device 7 (MPU 23) charges each unit cell 2 by turning on all the FETs 21 when charging the assembled battery 3 to which the charging power source 8 is connected. Even when the voltage of each unit cell 2 has reached the upper limit (4.2V) based on the detection of the voltage detection circuit 4, the unit cell 2 whose voltage has reached the upper limit is charged by the FET 21. By limiting the current, charging is controlled so that all unit cells 2 are charged at a constant voltage up to the upper limit value.
[0036]
Further, the control device 7 turns on the relay 14 and operates the DC / AC inverter 15 to charge the auxiliary battery 5 together. At this time, the detection of the operational amplifier 13 is performed. Based on the above, the voltage of the auxiliary battery 5 is monitored, and when the predetermined upper limit value is reached, the relay 14 is turned off and the DC / AC inverter 15 is stopped to end the charging of the auxiliary battery 5.
[0037]
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIGS. The assembled battery 3 of the battery device 1 having the above configuration is used by being repeatedly connected to the charging power source 8 and charged, and connected to a load (motor drive circuit) and discharged. At this time, the unit cell 2 composed of a lithium secondary battery is vulnerable to overcharge and overdischarge, and as described above, it is not used within the specified voltage range (3.0 to 4.2 V). If the material is decomposed and the capacity is remarkably reduced or abnormal heat is generated, the battery cannot be used and the electric vehicle may not run. Therefore, discharging and charging are controlled by the control device 7 so that the individual unit cells 2 constituting the assembled battery 3 are always used within the voltage range.
[0038]
First, the flowchart of FIG. 4 shows a control procedure executed by the control device 7 when the assembled battery 3 is supplied with power by connecting the buses 9 and 9 ′ to a load (motor drive circuit). . That is, as described above, during this discharge, the switching contact of the changeover switch 18 is switched to the discharge side (contact 18a) (step S1). At this time, the relay 14, the DC / AC inverter 15 and all the FETs 21 are switched. Is turned off.
[0039]
During this discharge, the voltage of each unit cell 2 is constantly monitored based on the detection of the voltage detection circuit 4 (each operational amplifier 10) (step S2), and the voltage of each unit cell 2 decreases to the lower limit (3.0V). It is always determined whether or not it has been done (step S3). Here, the current flowing through the assembled battery 3 is equal in each unit cell 2 (main current i shown in FIG. 2), but in each unit cell 2, there is a variation in voltage due to its capacity and state of charge (SOC). The change in voltage for each unit cell 2 is different, and the timing at which the voltage drops to the lower limit value varies between unit cells 2.
[0040]
Therefore, when the unit cell 2 reaching the lower limit voltage is detected (Yes in step S3), the relay 14 is turned on (step S4) and the DC / AC inverter 15 is operated (step S5). The electric power of the auxiliary battery 5 is converted into alternating current and output from the secondary side of the auxiliary battery transformer 16. At the same time, when the FET 21 corresponding to the unit cell 2 that has reached the lower limit voltage is turned on (step S6), the power supplied through the cell transformer 17 is supplied by the rectifier circuit 19 and the smoothing capacitor 20. It is converted into a direct current and fed between the terminals of the unit cell 2.
[0041]
At this time, the display device 25 displays that power is being transferred from the auxiliary battery 5 to any one of the unit cells 2 (step S7). During this power transfer, the voltage of the unit cell 2 to which power transfer is being performed is compared with the lower limit voltage (step S8), and the gate voltage of the FET 21 is adjusted so as not to fall below the lower limit voltage to control the transfer current. (Step S9).
[0042]
Such power transfer is continued until the vehicle is stopped (step S10). During this time, the voltage of each unit cell 2 is monitored (step S11), and another unit cell 2 that has reached the lower limit voltage is detected. In such a case, the electric power of the auxiliary battery 5 is also transferred to the unit cell 2 by the control of the corresponding FET 21. Moreover, if there exists a vehicle stop command (it is Yes at step S10), the discharge from the assembled battery 3 and the auxiliary battery 5 will be stopped (step S12).
[0043]
Thus, when the voltage of any unit cell 2 drops to a predetermined lower limit value, the power of the auxiliary battery 5 is selectively transferred to the unit cell 2 via the power transfer circuit 6. become. Due to the transfer of power from the auxiliary battery 5, even if any unit cell 2 reaches the lower limit voltage early, the discharge current from the unit cell 2 itself is suppressed and the voltage drops to the overdischarge voltage. It becomes possible to continue the discharge of the assembled battery 3 as a whole while preventing it, and the discharge time of the assembled battery 3 can be extended. In addition, since the overdischarge in each unit cell 2 is avoided, it is needless to say that the overdischarge as the assembled battery 3 is avoided.
[0044]
Incidentally, FIG. 3 shows that when the voltage of any unit cell 2 reaches the lower limit (time t0), the voltage (a) of the unit cell 2, the discharge current (b) from the unit cell 2 itself, The relationship of current (c) due to transfer from the auxiliary battery 5 is shown, and after time t0 when the lower limit voltage is reached, discharge is performed by transfer from the auxiliary battery 5 instead of discharge from the unit cell 2 itself, The main current i is maintained.
[0045]
In addition, when power is transferred from the auxiliary battery 5 as described above, the display device 25 notifies the user (driver) of the fact, so that the user can select one of the unit cells 2. It is possible to easily know that the voltage has reached the lower limit value, that is, that the capacity that can be used as the assembled battery 3 is low, and it is possible to take measures such as charging quickly.
[0046]
Next, the flowchart of FIG. 5 shows a control procedure executed by the control device 7 when the assembled battery 3 is charged. At the time of charging, as described above, the charging power source 8 is connected to the power transfer circuit 6, and the switching contact of the changeover switch 18 is switched to the charging side (contact 18b) (step S21). As a result, the AC power of the charging power supply 8 is supplied to the primary side of each cell transformer 17 (step S22), and in this state, each FET 21 is turned on (step S23). The power output from the secondary side of each cell transformer 17 is converted into a direct current by the rectifier circuit 19 and the smoothing capacitor 20 and is fed between the terminals of each unit cell 2 to be charged.
[0047]
During this charging, the voltage of each unit cell 2 is always monitored based on the detection of the voltage detection circuit 4 (each operational amplifier 10) (step S24), and the voltage of each unit cell 2 is the upper limit (4.2V), that is, It is determined whether or not full charge has been reached (step S25). When the unit cell 2 whose voltage has reached the upper limit is detected (No in step S25), the charging current for the unit cell 2 is limited by adjusting the gate voltage of the FET 21 (step S26).
[0048]
In this way, for the unit cell 2 whose voltage has reached the upper limit value, charging for each unit cell 2 is performed while prohibiting further charging, and when a predetermined time has elapsed (Yes in step S27). Then, all the FETs 21 are turned off and the charging of the assembled battery 3 is finished (step S28). As a result, by controlling the power supply to each unit cell 2 by the power transfer circuit 6, all unit cells 2 are charged at a constant voltage to a predetermined upper limit value while preventing overcharging of each unit cell 2 in advance. Thus, the capacity variation at the time of completion of charging between the unit cells 2 can be eliminated.
[0049]
The flowchart of FIG. 6 shows a control procedure executed by the control device 7 when the auxiliary battery 5 is charged in conjunction with the charging of the assembled battery 3. At the time of charging, the charging power source 8 is connected to the power transfer circuit 6, and the switching contact of the changeover switch 18 is switched to the charging side (contact 18b) (step S31). As a result, the AC power of the charging power supply 8 is also supplied to the secondary side of the auxiliary battery transformer 16 (step S32). In this state, the relay 14 is turned on and the DC / AC When the inverter 15 is operated (step S33), the power output from the primary side of the auxiliary battery transformer 16 is rectified and converted into a direct current by the DC / AC inverter 15, and is fed between the terminals of the auxiliary battery 5. And charging is performed.
[0050]
During this charging, the voltage of the auxiliary battery 5 is constantly monitored based on the detection of the operational amplifier 13 (step S34), and it is determined whether or not the voltage of the auxiliary battery 5 has reached a predetermined upper limit value (step S35). When the voltage reaches the upper limit value (Yes), the DC / AC inverter 15 is adjusted to limit the charging current (step S36).
[0051]
Thus, the auxiliary battery 5 is charged, and when the predetermined charging time has elapsed (Yes in step S37), the relay 14 is turned off and the DC / AC inverter 15 is stopped (step S38). The charging of the auxiliary battery 5 ends. Also in this case, overcharging of the auxiliary battery 5 can be prevented and appropriate charging can be performed. In this way, a part of the power transfer circuit 6 can be used as a charging circuit for each unit cell 2 and can also be used as a charging circuit for the auxiliary battery 5 by using the power transfer circuit 6 in the opposite direction. It can be done.
[0052]
As described above, according to this embodiment, the unit cell 2 composed of lithium secondary batteries is connected in series, and the assembled battery 3 having a high weight energy density is provided. Since the auxiliary battery 5 is provided and the power is selectively transferred to each unit cell 2 via the power transfer circuit 6, the unit cell having the lowest voltage at the time of discharge is provided. Unlike the conventional one in which overdischarge is prevented by terminating discharge when the voltage of the unit cell falls to the lower limit voltage, each unit cell 2 is prevented from being overdischarged. It is possible to suppress a decrease in capacity of the assembled battery 3 as a whole due to variations in capacity every two, to fully draw out the capacity of the assembled battery 3, and to extend the continuous discharge time in one charge. Is shall.
[0053]
In addition, unlike the conventional one in which bypass cells are connected in parallel to each unit cell and an auxiliary second cell is connected to these bypass circuits, a plurality of unit cells 2 are provided by one auxiliary battery 5. Therefore, the configuration is not so complicated and large, and can be made with a relatively simple configuration, which is suitable for use in an electric vehicle.
[0054]
In particular, in this embodiment, the power transfer circuit 6 is also used as a charging circuit for each unit cell 2 and the auxiliary battery 5, so that the circuit can be simplified unlike the case where a charging circuit is added separately. Can do. In addition, when charging each unit cell 2, all unit cells 2 can be charged at a constant voltage up to a predetermined upper limit value using the FET 21 based on detection by the voltage detection circuit 4. It is possible to charge all unit cells 2 to a constant voltage while preventing overcharging, and to obtain the advantage of eliminating the variation in capacity (SOC) at the completion of charging between the unit cells 2 it can.
[0055]
Furthermore, in the present embodiment, the auxiliary battery 5 is also used as a drive power source for the control device 7 and the like, so that the assembled battery 3 becomes unusable unlike the case where the assembled battery 3 is used as a drive power source for control. However, the control is possible, and it is not necessary to provide a separate drive power source for control, so that the auxiliary battery 5 can be used effectively and the configuration can be simplified. At this time, since the capacity of the auxiliary battery 5 is determined as described above, it is necessary for the auxiliary battery 5 to perform a function as a drive power source for the control device 7 and the like and a function of assisting the unit cell 2 of the assembled battery 3. And it can be set as sufficient capacity | capacitance, and it does not need to make the auxiliary battery 5 large.
[0056]
In the above-described embodiment, the auxiliary battery 5 is also composed of a lithium secondary battery, but a lead or nickel secondary battery may be employed. In the above embodiment, the unit cells 2 are all charged via the power transfer circuit 6. However, when the battery pack 3 is charged, for example, a charging circuit is connected to the buses 9 and 9 '. The power transfer is performed such that the assembled battery 3 is charged to near full charge via 9, 9 ', and then charged to the constant voltage of each unit cell 2 by the control of the FET 21 using the power transfer circuit 6. The circuit 6 can also be used to correct the capacity variation between the unit cells 2 during charging. According to this, the current capacity of the power transfer circuit 6 can be kept small, and the transformers 16 and 17 and the like can be downsized and the circuit as a whole can be downsized and reduced in weight.
[0062]
In addition, for example, an assembled battery (unit cell) may be a lead or nickel-based secondary battery, and a drive power source for the control device 7 or the like may be provided separately from the auxiliary battery 5, or the FET 21 Instead of this, a transistor may be employed. Furthermore, various modifications can be considered for the configuration of the voltage detection means and the notification means, and the present invention can be applied to various electric devices as well as the electric vehicle. It can be implemented with modifications.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 schematically shows an electrical configuration of a battery device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an electrical configuration of one unit cell portion.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship among unit cell voltage (a), discharge current (b), and transfer current (c) from an auxiliary battery.
FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure during discharging.
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure when charging an assembled battery.
FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure when the auxiliary battery is charged.
[Explanation of symbols]
In the drawings, 1, 31 is a battery device, 2 is a unit cell, 3 is a battery pack, 4 is a voltage detection circuit (voltage detection means), 5 is an auxiliary battery, 6 and 32 are power transfer circuits, 7 is a control device (transfer (Current control means), 8 is a charging power source, 10 is an operational amplifier, 14 is a relay, 15 is a DC / AC inverter, 16 is a transformer for an auxiliary battery, 17 is a transformer for a cell, 18 is a changeover switch, 21 is a FET, 23 Denotes an MPU, 25 denotes a display device (notification means), 33 denotes a connection changeover switch, and 34 denotes a charging circuit.

Claims

An assembled battery formed by connecting a plurality of unit cells composed of secondary batteries in series;
Voltage detecting means for detecting a terminal voltage of each unit cell;
An auxiliary battery comprising a secondary battery;
A power transfer circuit configured by combining a circuit for converting direct current and alternating current and a transformer for transferring the power of the auxiliary battery to each unit cell;
At the time of discharging the assembled battery, it is determined whether the terminal voltage of each unit cell has decreased to a predetermined lower limit based on the detection of the voltage detection means, and for the unit cell whose terminal voltage has decreased to the lower limit A transfer current control means for selectively transferring the power of the auxiliary battery via the power transfer circuit ,
The auxiliary battery serves as a driving power source for the voltage detection means and the transfer control means .

The battery device according to claim 1 , wherein the capacity of the auxiliary battery is determined by the following equation .
(Auxiliary battery capacity) = (Average of capacity variation with respect to nominal capacity of each unit cell) ×
(Number of unit cells) x (Conversion efficiency) + (Control power capacity)

3. The battery device according to claim 1 , further comprising notification means for notifying a user when the power of the auxiliary battery is transferred to any one of the unit cells .

4. The power transfer circuit functions as a charging circuit that supplies power to each unit cell of the assembled battery and the auxiliary battery from the charging power source when a charging power source is connected thereto. The battery device according to any one of the above.

The transfer current control unit is configured to charge each unit cell by the power transfer circuit so as to charge all the unit cells at a constant voltage up to a predetermined upper limit value based on the detection of the voltage detection unit when charging the assembled battery. The battery device according to claim 4, wherein charging of the battery is controlled .

A unit cell of the battery pack is described lithium ion occlusion, to any one of claims 1, characterized in that consists of lithium secondary battery having a positive electrode and a negative electrode made of releasable material 5 Battery device.

7. The battery device according to claim 1 , wherein the battery pack is used as a power source for an electric vehicle .