JP5507289B2 - バッテリー制御システム - Google Patents

Description

本発明はバッテリー制御システムに関する。

複数の二次電池（単電池またはセル）が直列に接続された組電池（バッテリー）において、各単電池と並列にバイパス抵抗を接続してバイパス放電を行い、各単電池の充電状態を揃える、つまりセルバランス（ばらつき補正）を行うようにしたバッテリー装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この装置では、単電池を４個直列に接続した組電池において、バイパス抵抗器とスイッチング素子の直列体を各単電池に並列に接続するとともに、各単電池に差動増幅器を接続し、差動増幅器の出力をマルチプレクサとＡ／Ｄコンバーターを介してマイコンに接続している。そして、各単電池の開放電圧を検出して各単電池の残存容量を演算し、最少の残存容量を示す単電池以外の単電池のスイッチング素子を閉路してバイパス抵抗器を介して放電を行っている。

特開２０００−０９２７３２号公報

しかしながら、上述した従来のバッテリー装置では、バイパス放電を行うすべての単電池のバイパス抵抗器が発熱するため、放熱対策が難しく、バイパス放電回路部が大型になってバッテリー装置への組み込みに難点がある。

本発明に係るバッテリー制御システムは、複数の二次電池が直列に接続された組電池における前記二次電池間の充電状態のばらつきを補正するバッテリー制御システムにおいて、それぞれの前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出回路と、前記充電状態検出回路により検出された前記二次電池の充電状態に基づいて、それぞれの前記二次電池の放電の要否を判定する判定回路と、前記二次電池に一定の電流を流す定電流回路と、前記定電流回路の前記一定電流を１または複数の前記二次電池に流すために回路を切り換える切換回路と、前記判定回路により放電要と判定された前記二次電池に前記定電流回路の前記一定電流が流れるように前記切換回路により回路を切り換える制御回路とを備え、前記制御回路は、前記判定回路により放電要と判定された前記組電池における前記二次電池の位置と個数に応じた所定の手順で、前記切換回路による回路の切り換えと前記定電流回路の電流値の切り換えとを段階的に行うことを特徴とする。

本発明によれば、従来のバイパス放電抵抗器による発熱に代えて、定電流回路のトランジスターによる発熱に置き換わることになり、ヒートシンクなどの放熱部材を用いることによって容易に放熱処理することができる。そして、発熱源となる定電流回路をセルコントローラーと別置きにすることによって、セルコントローラーから放熱体を除外することが可能になり、セルコントローラーを１枚のＩＣパッケージに収納することが可能になって、機器を小型化することができ、バッテリー制御システムの製造とバッテリー装置への組み込みが容易になる。

一実施の形態のバイパス放電回路部の概要を示す図 組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内のいずれか１個をバイパス放電する場合の、スイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図 単電池１１と１３をバイパス放電する場合のスイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図 ３個の単電池１１，１３，１４をバイパス放電する場合のスイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図 電気自動車に搭載した一実施の形態のバッテリー制御システムの全体構成を示すブロック図 スイッチ回路３０の一実施例を示す回路図 定電流回路２１の一実施例を示す回路図 定電流回路２２の一実施例を示す回路図 電圧検出回路５０の一実施例とマルチプレクサ６０および制御回路７０を示す回路図 一実施の形態のセルバランス（充電容量のばらつき補正）制御を示すフローチャート 複数の単電池の開放電圧ＯＣＶの分布度数の一例を示す図 ８個の単電池１１〜１８を直列に接続したバッテリー（組電池）１０Ａに一実施の形態のセルコントローラー１００を適用した変形例の構成を示す図 ８個の単電池１１〜１８を直列に接続したバッテリー（組電池）１０Ａに一実施の形態のセルコントローラー１００を適用した他の変形例の構成を示す図

まず、一実施の形態のバッテリー制御システムにおけるバイパス放電回路部の構成と動作について説明する。図１は、一実施の形態のバイパス放電回路部の概要を示す図である。ここでは、４個の二次電池（以下、単電池またはセルという）１１〜１４が直列に接続された組電池（以下、バッテリーともいう）１０を例に挙げて説明するが、単電池の直列数は４個に限定されるものではない。

一実施の形態のバイパス放電回路部は、２個の定電流回路２１，２２、４個のスイッチ３１〜３４および選択回路４０から構成される。定電流回路２１，２２は、単電池１１〜１４の内の放電が必要な１個または複数の単電池に一定の電流を流し、それらの単電池に充電されている電荷を放電させる回路である。組電池１０の正極側に接続された定電流回路２１は、組電池１０の正極側からスイッチ３１〜３４のいずれかを介して単電池１１〜１４のいずれかへ電流を流す方向に接続される。一方、組電池１０の負極側に接続された定電流回路２２は、単電池１１〜１４のいずれかからスイッチ３１〜３４のいずれかを介して組電池１０の負極側へ電流を流す方向に接続される。

スイッチ３１〜３４は単電池１１〜１４と定電流回路２１，２２との間に設けられ、定電流回路２１，２２の電流を放電が必要な１個または複数の単電池へ流す切り換え回路を構成する。この一実施の形態では、各スイッチ３１〜３４に２回路１接点構成のスイッチを用いる。スイッチ３１は接点３１−１，３１−２を、スイッチ３２は接点３２−１，３２−２を，スイッチ３３は接点３３−１，３３−２を、スイッチ３４は接点３４−１，３４−２をそれぞれ備えており、各スイッチ３１〜３４の２個の接点は同時にオン（閉路）またはオフ（開路）する。

なお、ここではスイッチ３１〜３４に２回路１接点のものを例示するが、１回路１接点のスイッチを２個用いて各スイッチ３１〜３４を構成しても構わない。また、ここでは有接点のスイッチ３１〜３４を用いた例を示すが、定電流回路２１，２２の電流を放電が必要な１個または複数の単電池へ流すための回路切り換え用部材であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの無接点の回路切り換え部材や他の部材を用いることができる。

選択回路４０は、単電池１１〜１４の内の放電が必要な単電池に対応するスイッチ（３１〜３４）をオンするための駆動回路であり、詳細を後述するセルコントローラーの制御回路（ＣＰＵ）からの単電池選択信号にしたがって対応するスイッチ（３１〜３４）をオンし、そのスイッチを構成する２個の接点を同時に閉路する。

一実施の形態では、詳細を後述するが図１に破線で示すようにスイッチ３１〜３４と選択回路４０を一つのＩＣパッケージに収納する。ＩＣパッケージ内のスイッチ３１〜３４と外部の単電池１１〜１４および定電流回路２１，２２とはＩＣパッケージの端子ＣＣＨ，Ｃ１〜Ｃ５，ＣＣＬを介して接続される。

次に、図１に示す一実施の形態のバイパス放電回路部の動作を説明する。一実施の形態のバイパス放電回路部では、組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の中で、放電させる必要がある単電池の個数と位置に応じてスイッチ３１〜３４を選択駆動する、すなわち回路を切り換えるとともに、２個の定電流回路２１，２２の電流値を切り換える。

図２は、組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内のいずれか１個をバイパス放電する場合の、スイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図である。まず、単電池１１の充電容量が他の単電池１２〜１４よりも多く、単電池１１のみをバイパス放電させる場合には、図２(ａ)に示すように、定電流回路２１，２２の電流値を所定値ｉに設定し、スイッチ３１を選択して所定時間ｔの間オンする。

これにより、所定時間ｔの間、単電池１１→定電流回路２１→スイッチ接点３１−２→単電池１１の経路で電流ｉが流れると同時に、単電池１１→スイッチ接点３１−１→定電流回路２２→単電池１４→単電池１３→単電池１２→単電池１１の経路で電流ｉが流れる。この結果、図２(ａ)に示すように、放電が不要な単電池１２〜１４には所定時間ｔの間に電流ｉが流れ、放電が必要な単電池１１には所定時間ｔの間に２倍の電流２ｉが流れるから、単電池１１，１２，１３，１４の放電割合は２：１：１：１となり、放電電流の差により単電池１１の充電容量を減らして他の単電池１２〜１４と均等にすることができる。

同様に、単電池１２の充電容量が他の単電池１１，１３，１４よりも多く、単電池１２のみをバイパス放電させる場合には、図２(ｂ)に示すように、定電流回路２１，２２の電流値を所定値ｉに設定し、スイッチ３２を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、単電池１１→定電流回路２１→スイッチ接点３２−２→単電池１２→単電池１１の経路で電流ｉが流れると同時に、単電池１２→スイッチ接点３２−１→定電流回路２２→単電池１４→単電池１３→単電池１２の経路で電流ｉが流れる。

この結果、図２(ｂ)に示すように、放電が不要な単電池１１，１３，１４には所定時間ｔの間に電流ｉが流れ、放電が必要な単電池１２には所定時間ｔの間に２倍の電流２ｉが流れるから、単電池１１，１２，１３，１４の放電割合は１：２：１：１となり、放電電流の差により単電池１２の充電容量を減らして他の単電池１１，１３，１４と均等にすることができる。

また、単電池１３の充電容量が他の単電池１１，１２，１４よりも多く、単電池１３のみをバイパス放電させる場合には、図２(ｃ)に示すように、定電流回路２１，２２の電流値を所定値ｉに設定し、スイッチ３３を選択して所定時間ｔの間オンする。さらに、単電池１４の充電容量が他の単電池１１〜１３よりも多く、単電池１４のみをバイパス放電させる場合には、図２(ｄ)に示すように、定電流回路２１，２２の電流値を所定値ｉに設定し、スイッチ３４を選択して所定時間ｔの間オンする。

これらの単電池１３または単電池１４のバイパス放電時の電流の流れについては、上述した単電池１１,１２の場合と同様であり説明を省略するが、いずれも放電電流の差により単電池１３または単電池１４の充電容量を減らして他の単電池と均等にすることができる。

なお、図２において、定電流回路２１，２２の電流値（バイパス放電電流値）ｉと、スイッチ３１〜３４をオンする時間（バイパス放電時間）ｔは、バイパス放電容量、バイパス放電回路の許容電流、放熱容量、組電池１０の充放電電流との関係などにより，適宜決定する。

次に、組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内の２個の単電池をバイパス放電する場合の、スイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を説明する。図３は、単電池１１と１３をバイパス放電する場合のスイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図である。単電池１１と１３の充電容量が他の単電池１２，１４よりも多く、単電池１１と１３をバイパス放電する場合には、第１から第３の３段階にわたって順次、スイッチ３１〜３４を切り換えるとともに、定電流回路２１，２２の電流値を切り換える。

まず、図３(ａ)に示す第１段階において、定電流回路２１の電流値を所定値ｉに、定電流回路２２の電流値を０にそれぞれ設定し、スイッチ３１を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、定電流回路２１→スイッチ接点３１−２→単電池１１→定電流回路２１の経路で電流ｉが流れる。次に、図３(ｂ)に示す第２段階では、定電流回路２１の電流値を所定値ｉに、定電流回路２２の電流値を０にそれぞれ設定し、スイッチ３３を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、定電流回路２１→スイッチ接点３３−２→単電池１３→単電池１２→単電池１１→定電流回路２１の経路で電流ｉが流れる。

さらに、図３(ｃ)に示す第３段階において、定電流回路２１の電流値を０に、定電流回路２２の電流値を所定値ｉにそれぞれ設定し、スイッチ３３を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、定電流回路２２→単電池１４→単電池１３→スイッチ接点３３−１→定電流回路２２の経路で電流ｉが流れる。

第１段階から第３段階までの段階的なバイパス放電動作を行った結果、図３に示すように、放電が不要な単電池１２と１４には所定時間ｔの間に電流ｉが流れ、放電が必要な単電池１１と１３には２倍の時間２ｔの間に電流ｉが流れるから、単電池１１，１２，１３，１４の放電割合は２：１：２：１となり、放電時間の差により単電池１１と１３の充電容量を減らして他の単電池１２，１４と均等にすることができる。

組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内の単電池１１と１３をバイパス放電する場合を例に挙げて説明したが、単電池１１と１３以外の２個の単電池をバイパス放電する場合にも、放電が必要な２個の単電池の組電池１０内の位置に応じた手順で３段階にわたって順次、スイッチ３１〜３４を切り換えるとともに、定電流回路２１，２２の電流値を切り換える。単電池１１と１３以外の２個の単電池のバイパス放電動作については図示と説明を省略する。

なお、図３において、定電流回路２１，２２の電流値（バイパス放電電流値）ｉと、スイッチ３１〜３４をオンする時間（バイパス放電時間）ｔは、バイパス放電容量、バイパス放電回路の許容電流、放熱容量、組電池１０の充放電電流との関係などにより，適宜決定する。

次に、組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内の３個の単電池をバイパス放電する場合の、スイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を説明する。図４は、３個の単電池１１，１３，１４をバイパス放電する場合のスイッチ３１〜３４と定電流回路２１，２２の電流値の切り換え方法を示す図である。単電池１１，１３，１４の充電容量が他の単電池１２よりも多く、単電池１１，１３，１４をバイパス放電する場合には、第１と第２の２段階にわたって順次、スイッチ３１〜３４を切り換えるとともに、定電流回路２１，２２の電流値を切り換える。

まず、図４(ａ)に示す第１段階において、定電流回路２１の電流値を所定値ｉに、定電流回路２２の電流値を０にそれぞれ設定し、スイッチ３１を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、定電流回路２１→スイッチ接点３１−２→単電池１１→定電流回路２１の経路で電流ｉが流れる。次に、図４(ｂ)に示す第２段階では、定電流回路２１の電流値を０に、定電流回路２２の電流値を所定値ｉにそれぞれ設定し、スイッチ３３を選択して所定時間ｔの間オンする。これにより、所定時間ｔの間、定電流回路２２→単電池１４→単電池１３→スイッチ接点３３−１→定電流回路２２の経路で電流ｉが流れる。

第１段階から第２段階までの段階的なバイパス放電動作を行った結果、図４に示すように、放電が不要な単電池１２はバイパス放電が行われず、放電が必要な単電池１１，１３，１４には所定時間ｔの間に電流ｉが流れるから、単電池１１，１２，１３，１４の放電割合は１：０：１：１となり、放電電流の差により単電池１１，１３，１４の充電容量を減らして他の単電池１２と均等にすることができる。

組電池１０を構成する４個の単電池１１〜１４の内の３個の単電池１１，１３，１４をバイパス放電する場合を例に挙げて説明したが、単電池１１，１３，１４以外の３個の単電池をバイパス放電する場合にも、放電が必要な単電池の組電池１０内の位置に応じた手順で第１段階と第２段階にわたって順次、スイッチ３１〜３４を切り換えるとともに、定電流回路２１，２２の電流値を切り換える。単電池１１，１３，１４以外の３個の単電池のバイパス放電動作については図示と説明を省略する。

なお、図４において、定電流回路２１，２２の電流値（バイパス放電電流値）ｉと、スイッチ３１〜３４をオンする時間（バイパス放電時間）ｔは、バイパス放電容量、バイパス放電回路の許容電流、放熱容量、組電池１０の充放電電流との関係などにより，適宜決定する。

次に、本願発明に係わるバッテリー制御システムを電気自動車やハイブリッド電気自動車に適用した一実施の形態を説明する。図５は、電気自動車に搭載した一実施の形態のバッテリー制御システムの全体構成を示すブロック図である。図５において、図１に示すバイパス放電回路の機器および回路と同様な機器および回路に対しては同一の符号を付して説明する。また、図５では、本願発明に係わるバッテリー制御システムと直接関係のない車載機器および車載装置の図示と説明を省略する。

車両コントローラー４００、モーターコントローラー３００、バッテリーコントローラー２００およびセルコントローラー１００は、車両内に設置される通信回路を介して互いに情報の授受を行う。

車両コントローラー４００は、電気自動車の運転者が操作するアクセルペダルやブレーキペダル、あるいは変速レバー等の車両運転操作装置からの操作信号に基づいて車両の走行速度や制駆動力などを制御する。モーターコントローラー３００は、車両コントローラー４００からの速度指令や制駆動力指令に基づいてバッテリーコントローラー２００およびインバーター３４０を制御し、車両走行駆動用モーター３５０の回転速度およびトルクを制御する。

バッテリーコントローラー２００は、電圧センサー２１０、電流センサー２２０、温度センサー２３０により検出されたバッテリー（組電池）１０の電圧、電流、温度に基づいてバッテリー１０の充放電とＳＯＣ(State Of Charge；以下では“充電状態”ともいう)を制御するとともに、セルコントローラー１００を制御してバッテリー１０を構成する複数の単電池(セル）１１〜１４の充電容量を管理し、充電容量のばらつき補正（セルバランス）を行う。

なお、車両コントローラー４００、モーターコントローラー３００、バッテリーコントローラー２００およびモーター３５０については、本願発明に関わる単電池１１〜１４の充電容量のばらつき補正制御、すなわち上述したバイパス放電制御と直接、関係しないので、これらの詳細な説明を省略する。

セルコントローラー１００は、図１に示すスイッチ回路３０と選択回路４０の他に、電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０、制御回路（ＣＰＵ）７０などを備え、バッテリー１０を構成する複数の単電池１１〜１４の電圧を検出して各単電池の充電容量を調べ、選択回路４０によりスイッチ回路３０を駆動して充電容量の高い単電池１１〜１４を定電流回路２０に接続し、定電流回路２０により充電容量の高い単電池１１〜１４に一定の電流を流して放電させる。

一実施の形態のセルコントローラー１００には、従来のバイパス放電回路の放電用抵抗器のような高温の発熱体がないため、セルコントローラー１００は１枚のＩＣパッケージに収納される。

バッテリー１０に充電された直流電力は開閉器３１０，３２０を介して平滑コンデンサー３３０およびインバーター３４０へ供給され、インバーター３４０により交流電力に変換されて交流モーター３５０に印加され、交流モーター３５０の駆動が行われる。一方、車両の制動時には、交流モーター３５０により発電された交流電力がインバーター３４０により直流電力に変換され、平滑用コンデンサー３３０により平滑されて開閉器３１０，３２０を介してバッテリー１０に印加され、バッテリー１０の充電が行われる。

なお、図５に示す一実施の形態のバッテリー制御システムでは、４個の単電池（セル）１１〜１４が直列に接続されたバッテリー（組電池）１０を例に挙げて説明するが、電気自動車に搭載されるバッテリーはさらに多くの単電池が直並列に接続され、両端電圧が数１００Ｖの高圧、高容量のバッテリーが一般的であるが、もちろんこのような高圧、高容量のバッテリーに対しても本願発明を適用することができる。

図６はスイッチ回路３０の一実施例を示す回路図である。図６において、図１に示す機器および回路と同様な機器および回路に対しては同一の符号を付して説明する。このスイッチ回路３０では、図１に示すスイッチ接点３１−１，３１−２，３２−１，３２−２，３３−１，３３−２，３４−１，３４−２の代わりに、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１１，３１２，３２１，３２２，３３１，３３２，３４１，３４２を用い、これらの各ＭＯＳ−ＦＥＴと直列に逆流防止用ダイオードＤ１〜Ｄ８を接続する。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１２，３２２，３３２，３４２はレベルシフタ（インバータ）ＩＮＶ１〜ＩＮＶ４を介して選択回路４０に接続される。

図６に示すスイッチ回路３０においても、図１に示すスイッチ３１〜３４と同様に、選択回路４０によりＭＯＳ−ＦＥＴ３１１，３１２，３２１，３２２，３３１，３３２，３４１，３４２をオンまたはオフし、定電流回路２１，２２により放電が必要な１個または複数の単電池１１〜１４へ一定の電流を流す。

図７は定電流回路２１の一実施例を示す回路図である。なお、図１に示す機器および回路と同様な機器および回路に対しては同一の符号を付して説明する。オペアンプＡ１１のバイアス端子（＋端子）に定電流回路２１の電流設定値に相当する電圧信号が印加されると、オペアンプＡ１１により増幅されバイアス抵抗Ｒ１１を介してトランジスターＴｒ１１に入力される。これにより、組電池（バッテリー）１０の＋端子からトランジスターＴｒ１２、トランジスターＴｒ１１およびバイパス電流検出用抵抗Ｒ１２を介して組電池１０の−端子へ電流が流れる。このとき、抵抗Ｒ１２の両端にはバイパス電流に応じた電圧が発生し、この電圧はオペアンプＡ１１の−端子へフィードバックされ、オペアンプＡ１１によりトランジスターＴｒ１１に定電流回路２１の電流設定値に応じた一定のコレクタ電流が流れる。

トランジスターＴｒ１２とＴｒ１３はカレントミラー回路になっており、トランジスターＴｒ１２に定電流回路２１の電流設定値に応じた一定の電流が流れると、組電池１０の＋端子からトランジスターＴｒ１３を介してスイッチ回路３０の端子ＣＣＨへ定電流回路２１の電流設定値に応じた一定の電流が流れる。つまり、この定電流回路２１は、バイアス端子（オペアンプＡ１１の＋端子）に定電流回路２１の電流設定値に応じた電圧信号が印加されると、組電池１０の＋端子からスイッチ回路３０の端子ＣＣＨへ定電流回路２１の電流設定値に等しい一定電流を流す。

図８は定電流回路２２の一実施例を示す回路図である。なお、図１に示す機器および回路と同様な機器および回路に対しては同一の符号を付して説明する。バイアス端子（オペアンプＡ２１の＋端子）に定電流回路２２の電流設定値に相当する電圧信号が印加されると、オペアンプＡ２１により増幅されバイアス抵抗Ｒ２１を介してトランジスターＴｒ２１に入力される。これにより、スイッチ回路３０の端子ＣＣＬからトランジスターＴｒ２１およびバイパス電流検出用抵抗Ｒ２２を介して組電池１０の−端子へ電流が流れる。このとき、抵抗Ｒ２２の両端にはバイパス電流に応じた電圧が発生し、この電圧はオペアンプＡ２１の−端子へフィードバックされ、オペアンプＡ２１によりトランジスターＴｒ２１に定電流回路２２の電流設定値に応じた一定のコレクタ電流が流れる。

つまり、この定電流回路２２は、オペアンプＡ２１のバイアス端子（＋端子）に定電流回路２２の電流設定値に応じた電圧信号が印加されると、スイッチ回路３０の端子ＣＣＬから組電池１０の−端子へ定電流回路２２の電流設定値に等しい一定電流を流す。

なお、定電流回路２１と２２の構成については図７および図８に示す実施例に限定されない。

ここで、一実施の形態のバイパス放電回路部における発熱と、従来のバイパス放電回路部における発熱とを比較する。上述したように、従来のバイパス放電回路部では、バイパス抵抗器とスイッチング素子の直列体を各単電池に並列に接続し、バイパス放電を行うすべての単電池のスイッチング素子をオンしてバイパス抵抗器に放電電流を流すので、バイパス放電を行うすべての単電池に並列に接続されたバイパス抵抗器が発熱する。そのため、放熱対策が難しく、バイパス放電回路部が大型になってバッテリー装置への組み込みに難点がある。

この一実施の形態のバイパス放電回路部では、バイパス抵抗器を用いていないのでバイパス抵抗器による発熱はないが、定電流回路２１、２２の損失による発熱がある。図７に示す定電流回路２１では、カレントミラー回路を構成するトランジスターＴｒ１２，Ｔｒ１３の発熱は比較的少ないが、トランジスターＴｒ１１の発熱がある。また、図８に示す定電流回路２２では、トランジスターＴｒ２１の発熱がある。これらトランジスターＴｒ１１とＴｒ２１の発熱容量は、放電対象の１または複数の単電池の放電容量に相当し、従来のバイパス放電抵抗器による放熱容量と同じである。

しかし、発熱が大きなトランジスターＴｒ１１，Ｔｒ２１は、ヒートシンクなどの放熱部材を用いることによって、従来の不特定多数のバイパス放電抵抗器による発熱と比べ、比較的容易に放熱処理することができる。また、図５で説明したように、定電流回路２０（２１，２２）をセルコントローラー１００と別置きにすることによって、セルコントローラー１００から放熱体を除外することが可能になり、セルコントローラー１００を１枚のＩＣパッケージに収納することが可能になり、機器を小型化することができ、バッテリー制御システムの製造と車載バッテリー装置への組み込みが容易になる。

図９は、電圧検出回路５０の一実施例とマルチプレクサ６０および制御回路７０を示す回路図である。組電池（バッテリー）１０の各単電池１１〜１４の両端は差動増幅器Ａ５１〜Ａ５４の＋端子と−端子に接続され、各差動増幅器Ａ５１〜Ａ５４は各単電池１１〜１４の両端電圧(セル電圧）に応じた電圧信号を出力する。

マルチプレクサ６０は、制御回路（ＣＰＵ）７０のポートから出力されるマルチプレクサ入力切替信号にしたがって差動増幅器Ａ５１〜Ａ５４の出力電圧信号を順次切り替え、制御回路７０のＡＤ入力端子へ接続する。制御回路７０は、マルチプレクサ６０からＡＤ入力端子へ入力される差動増幅器Ａ５１〜Ａ５４の出力電圧信号をＡＤ変換し、各単電池１１〜１４の両端電圧(セル電圧）を検出する。

図１０は、一実施の形態のセルバランス（充電容量のばらつき補正）制御を示すフローチャートである。セルコントローラー１００の制御回路（ＣＰＵ）７０は、バッテリーコントローラー２００からのセルバランス開始指令にしたがってセルバランス制御を開始する。なお、ここでは図５〜図９に示す一実施の形態のバッテリー（組電池）１０、定電流回路２１，２２、セルコントローラー１００およびバッテリーコントローラー２００のセルバランス制御を例に挙げて説明する。

ステップ１において、各単電池１１〜１４のＯＣＶ(Open Circuit Voltage；開回路電圧または開放電圧）を測定する。具体的には、図９に示す電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０および制御回路７０により検出された各単電池１１〜１４の電圧、電流センサー２２０により検出された電流に基づいて、制御回路７０のメモリ(不図示)に予め記憶されている単電池１１〜１４の充放電電流と電圧との関数から、電流が０Ａのときの電圧をＯＣＶとして算出する。

ステップ２では、各単電池１１〜１４のＯＣＶが予め設定された規定範囲内に分布しているかを調べる。図１１は複数の単電池の開放電圧ＯＣＶの分布度数の一例を示す。すべての単電池１１〜１４のＯＣＶが規定範囲内に分布している場合は、このセルバランス制御を終了する。ＯＣＶが規定範囲よりも高い単電池がある場合にはステップ３へ進み、ＯＣＶが平均値を示す単電池とＯＣＶが規定範囲より高い単電池のＳＯＣを算出する。なお、ＳＯＣの検出方法はこの一実施の形態の算出方法に限定されない。

続くステップ４では、ＯＣＶが平均値を示す単電池のＳＯＣとＯＣＶが規定範囲より高い単電池のＳＯＣとの差、単電池の公称容量および周囲温度に基づいて、放電時間すなわちスイッチ回路３０のオン時間と、バイパス放電電流すなわち定電流回路２１，２２の電流設定値を決定する。例えば、ＳＯＣの差がＡ％、単電池１１〜１４の公称容量がＫ(Ａｈ)の場合には、ＯＣＶが規定範囲より高い単電池の放電容量Ｚ(Ａｈ)は、
Ｚ＝Ｋ・（Ａ／１００） (Ａｈ) ・・・（１）
となる。

ここで、バイパス放電電流（定電流回路２１，２２の電流設定値）は、バッテリー１０の周囲温度に応じて決定する。例えば、バッテリー１０の周囲温度が所定値のときのバイパス放電電流をｉＡとし、周囲温度が所定値より高い場合は周囲温度が高くなるほどバイパス放電電流を小さくする。一方、周囲温度が所定値より低い場合は周囲温度が低くなるほどバイパス放電電流を大きくする。周囲温度に応じてバイパス放電電流を決定した後、(１)式で求めた放電容量Ｚ(Ａｈ)から放電時間を決定する。

バッテリー１０の周囲温度が高い場合は、定電流回路２１，２２の電流設定値を低くするため、放電時間は長くなるが、定電流回路２１，２２のトランジスターＴｒ１１，Ｔｒ２１（図７、図８参照）の単位時間当たりの発熱が抑制される。逆に、バッテリー１０の周囲温度が低い場合には、定電流回路２１，２２の電流設定値を高くするため、放電時間が短くなり、短時間でセルバランスをとることができる。

ステップ５において、ＯＣＶが規定範囲より高くバイパス放電をしなければならない単電池に対応するスイッチ回路３０のＭＯＳ−ＦＥＴ（図６参照）をオンして定電流放電を開始する。ステップ６で、上記ステップ４で決定したバイパス放電時間が経過したか否かを確認し、放電時間が経過したらステップ７へ進み、放電対象の単電池に対応するスイッチ回路３０のＭＯＳ−ＦＥＴをオフして定電流放電を終了する。

なお、放電対象の単電池の個数と位置に応じて適宜、上述したようにスイッチ回路３０の切り換え、定電流回路２１，２２の電流設定値の切り換え、あるいは段階的なスイッチ回路３０の切り換えと定電流回路２１，２２の電流設定値の切り換えを行う。

上述した一実施の形態では４個の単電池１１〜１４を直列に接続したバッテリー（組電池）１０を例に挙げて説明したが、一般に電気自動車には端子電圧が高く、かつ充電容量の大きなバッテリーが必要になるため、さらに多くの単電池を直並列に接続したバッテリーが用いられる。そのような高圧、大容量のバッテリーに対しても本願発明のバッテリー制御システムを適用することができる。

図１２は、８個の単電池１１〜１８を直列に接続したバッテリー（組電池）１０Ａに一実施の形態のセルコントローラー１００を適用した変形例の構成を示す。図１２において、単電池１１〜１４に対してセルコントローラー１０１が、単電池１５〜１８に対してセルコントローラー１０２がそれぞれ用いられる。これらのセルコントローラー１０１，１０２は、図５〜図９に示すセルコントローラー１００と同じものであり、それぞれＩＣパッケージに収納されている。

セルコントローラー１０１の端子ＣＣＨ−１は定電流回路２１を介して単電池１１の＋端子に接続され、セルコントローラー１０２の端子ＣＣＬ−２は定電流回路２３を介して単電池１８の−端子に接続されている。また、セルコントローラー１０１の端子ＣＣＬ−１は定電流回路２２を介してセルコントローラー１０２の端子ＣＣＨ−２に接続されている。

セルコントローラー１０１のスイッチ３１〜３４は選択回路４１により駆動され、セルコントローラー１０２のスイッチ３５〜３８は選択回路４２により駆動される。これらの選択回路４１，４２は図５および図６に示す選択回路４０と同じものである。スイッチ３１〜３４の代わりに、図６に示すようなＭＯＳ−ＦＥＴを用いた切り換え回路を用いてもよい。なお、セルコントローラー１０１とセルコントローラー１０２の電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０および制御回路７０の図示を省略する。

図１３は、８個の単電池１１〜１８を直列に接続したバッテリー（組電池）１０Ａに一実施の形態のセルコントローラー１００を適用した他の変形例の構成を示す。図１３において、単電池１１〜１４に対してセルコントローラー１０３が、単電池１５〜１８に対してセルコントローラー１０４がそれぞれ用いられる。これらのセルコントローラー１０３，１０４には、それぞれ端子ＣＣＬとＣＣＨが２個ずつ設けられているが、それ以外は図５〜図９に示すセルコントローラー１００と同じものであり、それぞれＩＣパッケージに収納されている。

セルコントローラー１０３の端子ＣＣＨ−１は定電流回路２１を介して単電池１１の＋端子に接続され、セルコントローラー１０３の端子ＣＣＬ−１はセルコントローラー１０４の端子ＣＣＬ−２へ、セルコントローラー１０３の端子ＣＣＨ−１はセルコントローラー１０４の端子ＣＣＨ−２へそれぞれ接続されている。また、セルコントローラー１０４の端子ＣＣＬ−２は定電流回路２２を介して単電池１８の−端子に接続されている。図１３に示す例では、セルコントローラー１０３と１０４の間の定電流回路（図１２に示す定電流回路２２に相当）を省略することができる。

単電池の個数に応じてセルコントローラーを図１２または図１３に示すように縦続接続することによって、さらに多くの単電池を直並列に接続したバッテリーに対しても本願発明のバッテリー制御システムを適用することができる。

上述した一実施の形態とその変形例では、一つのセルコントローラーが直列に接続された４個の単電池をセルバランス制御する例を示したが、一つのセルコントローラーが直列接続された２個〜３個あるいは５個以上の単電池のセルバランス制御を行う場合についても同様である。なお、直列接続された単電池の個数が多くなるほど、スイッチ回路の切り換えと定電流回路の電流設定値の切り換えの段階数が多くなるので、バッテリー全体のセルバランス制御における所要時間と放熱との関係から、一つのセルコントローラー当たりの最適な単電池個数を決定するのが望ましい。

上述した一実施の形態とその変形例において、バッテリー（組電池）を構成する二次電池（単電池またはセル）にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などあらゆる種類の二次電池を適用することができる。

特に、エネルギー密度が高く過充電に注意を要するリチウムイオン電池では、安全性を確保するために単電池の電圧検出が不可欠である。また、リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池のように過充電により充電容量のばらつきを補正することができないため、二次電池間の充電容量にばらつきが生じると、バッテリーとしての充放電可能な容量が少なくなる上に、二次電池の劣化状態が異なるためにバッテリーとしての寿命が短くなり、二次電池間の充電容量のばらつきを補正することが重要になる。

したがって、本願発明に係わるバッテリー制御システムを複数のリチウムイオン電池が直列に接続されたバッテリー装置に適用することによって、バイパス放電回路部の放熱処理が容易になり、バッテリー装置への組み込みが容易になる顕著な効果が得られる。

上述した一実施の形態とその変形例では、本願発明に係わるバッテリー制御システムを電気自動車またはハイブリッド電気自動車のバッテリー装置に適用した例を示したが、本願発明のバッテリー制御システムは、電気自動車以外のあらゆる用途のバッテリー装置に適用することができる。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

上述した一実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、複数の二次電池１１〜１４が直列に接続された組電池１０における二次電池間の充電状態ＳＯＣのばらつきを補正するバッテリー制御システムにおいて、電圧検出回路５０，マルチプレクサ６０および制御回路７０により各二次電池１１〜１４の充電状態を検出するとともに、制御回路７０により各二次電池１１〜１４の充電状態に基づいて各二次電池１１〜１４の放電の要否を判定し、スイッチ回路３０、選択回路４０および制御回路７０により放電を要する二次電池に定電流回路２１，２２の一定電流が流れるように回路を切り換えるようにしたので、従来のバイパス放電抵抗器による発熱がなくなり、定電流回路２１，２２のトランジスターによる発熱に置き換わることになり、この定電流回路２１，２２のトランジスターの発熱は、ヒートシンクなどの放熱部材を用いることによって容易に放熱処理することができる。

その上さらに、発熱源となる定電流回路２１，２２を、スイッチ回路３０、選択回路４０、電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０および制御回路７０から構成されるセルコントローラー１００と別置きにすることによって、セルコントローラー１００から放熱体を除外することが可能になり、セルコントローラー１００を１枚のＩＣパッケージに収納することが可能になって、機器を小型化することができ、バッテリー制御システムの製造とバッテリー装置への組み込みが容易になる。

また、一実施の形態とその変形例によれば、放電要と判定された二次電池の組電池１０内での位置に応じて、スイッチ回路３０、選択回路４０および制御回路７０によって放電を要する二次電池に定電流回路２１，２２の一定電流が流れるように回路を切り換えるようにしたので、放電を要する二次電池が組電池１０内のどの位置にあっても、当該二次電池に一定電流を流して放電させることができる。

一実施の形態とその変形例によれば、制御回路７０によって、放電要と判定された二次電池の個数に応じて、スイッチ回路３０、選択回路４０および制御回路７０によって放電を要する二次電池に定電流回路２１，２２の一定電流が流れるように回路を切り換えるようにしたので、組電池１０内の放電を要する二次電池の個数に関わらず、それらの二次電池に一定電流を流して放電させることができる。

一実施の形態とその変形例によれば、放電要と判定された組電池における二次電池の位置と個数に応じた所定の手順で、スイッチ回路３０による回路の切り換えと定電流回路２１，２２の電流値の切り換えとを段階的に行うようにしたので、組電池１０内の放電を要する二次電池の個数と位置に関わらず、それらの二次電池に一定電流を流して放電させることができる。

一実施の形態とその変形例によれば、制御回路７０によって、温度センサー２３０により検出された組電池１０の周囲温度に応じて定電流回路２１，２２の電流値、すなわちバイパス放電電流値を変更するようにしたので、定電流回路２１，２２の発熱量を周囲温度に応じて調節することができ、定電流回路２１，２２の温度を適正に保つことができる。

一実施の形態とその変形例によれば、スイッチ回路３０、選択回路４０、電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０、制御回路７０をＩＣパッケージ内に収納するようにしたので、機器を小型化することができ、バッテリー制御システムの製造と車載バッテリー装置への組み込みが容易になる。

一実施の形態とその変形例によれば、組電池を構成する複数の二次電池を所定個数ごとにグループ化し、それぞれのグループに属する所定個数の二次電池に対応するスイッチ回路３０、選択回路４０、電圧検出回路５０、マルチプレクサ６０、制御回路７０をそれぞれ別個のＩＣパッケージに収納するようにしたので、多数の二次電池が直列に接続された組電池に対しても、機器を小型化することができ、バッテリー制御システムの製造と車載バッテリー装置への組み込みが容易になる。

１０；組電池（バッテリー）、１１〜１８；二次電池（単電池、セル）、２０，２１，２２，２３；定電流回路、３０；スイッチ回路、３１〜３４；スイッチ、４０；選択回路、５０；電圧検出回路、６０；マルチプレクサ、７０；制御回路、１００；セルコントローラー、２３０；温度センサー、３１１，３１２，３２１，３２２，３３１，３３２，３４１，３４２；ＭＯＳ−ＦＥＴ

Claims (4)

1. 複数の二次電池が直列に接続された組電池における前記二次電池間の充電状態のばらつきを補正するバッテリー制御システムにおいて、
   それぞれの前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出回路と、
   前記充電状態検出回路により検出された前記二次電池の充電状態に基づいて、それぞれの前記二次電池の放電の要否を判定する判定回路と、
   前記二次電池に一定の電流を流す定電流回路と、
   前記定電流回路の前記一定電流を１または複数の前記二次電池に流すために回路を切り換える切換回路と、
   前記判定回路により放電要と判定された前記二次電池に前記定電流回路の前記一定電流が流れるように前記切換回路により回路を切り換える制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記判定回路により放電要と判定された前記組電池における前記二次電池の位置と個数に応じた所定の手順で、前記切換回路による回路の切り換えと前記定電流回路の電流値の切り換えとを段階的に行うことを特徴とするバッテリー制御システム。
2. 請求項１に記載のバッテリー制御システムにおいて、
   前記組電池の周囲温度を検出する温度検出回路を備え、
   前記制御回路は、前記温度検出回路により検出された前記組電池の周囲温度に応じて前記定電流回路の電流値を変更することを特徴とするバッテリー制御システム。
3. 請求項１または２に記載のバッテリー制御システムにおいて、
   前記充電状態検出回路、前記判定回路、前記切換回路および前記制御回路をＩＣパッケージ内に収納することを特徴とするバッテリー制御システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のバッテリー制御システムにおいて、
   前記組電池を構成する前記複数の二次電池を所定個数ごとにグループ化し、それぞれの前記グループに属する所定個数の前記二次電池に対応する前記充電状態検出回路、前記判定回路、前記切換回路および前記制御回路をそれぞれ別個のＩＣパッケージに収納することを特徴とするバッテリー制御システム。
   

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