JP2011041452A - 組電池装置及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの分解能を高めることなく、充電量が均等化に近づくよう調整することを可能とする。
【解決手段】直列接続された複数のセルのそれぞれについて、充電終止電圧近辺にある特定電圧に到達した時刻を検出し、もっとも充電量の少ないセルとの特定電圧到達時間の差を測定する。この時間差を用いて、複数のセル間の充電量の差（ＳＯＣの差）を求め、この充電量差に基づいてそれぞれのセルの放電時間を算出する。差を縮めるために均等化放電の実施を繰り返し行う。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池による組電池装置及びこの組電池装置を搭載する車両に関し、組電池装置を構成する複数の単位セル間の充電量の調整に関する。

単位セルの出力電圧はセルを構成する材料系によって決定されるが、単位セルの交換を前提としない二次電池においては、電圧出力装置として高電圧を得られるよう複数の単位セルを電気的に直列に接続して、分離不能に組みあげて一体化した組電池装置が提供されている。
このような組電池装置は単独で用いられることもあるが、複数の組電池装置が目的に応じてさらに多様に組み合わされて、たとえばフォークリフト、電気自動車などの車両のモータ駆動用電力供給源として、あるいは太陽光発電システムのパワーコンディショナーの一部として、幅広く使用される。
組電池装置では、二次電池の充放電や温度のばらつきなどにより、組み合わされた単位セルの内部の状態がそれぞれ不均等となってくることが知られている。単位セルに蓄えられている電荷の量が不均等である場合、すなわちＳＯＣ（セルの充電容量に対する充電率：State Of Charge）が不均等である場合、組電池装置内のいかなる単位セルにおいても過充電や過放電をさせないように充放電制御を行うことが前提にあるため、最初に充電限界や放電限界に達するセルにあわせた充放電しか行わないこととなり、組電池装置としての理想的な充電容量にはるかに達しない状態となる。
またこのような問題から、一般論として直列接続の組電池において組み合わされる単位セルは同じ程度の電池容量を有するセルだけが選択されて組み合わされることとなる。

さて、このような組電池装置において、不均等となった各セルの充電量を均等化する方法として、抵抗放電方法（例えば特許文献１）が知られている。また、どの二次電池を放電するかを決める方法として、電池間の電圧差を検出し、この電圧差に基づいて放電すべきセルを決める方法（例えば特許文献２、３）が知られている。

特開平11−150877号公報 特開2001-218376号公報 特開2003-219572号公報

特許文献１（特開平11−150877号公報）は、電池の電圧あるいは容量のばらつきを判定して、高いエネルギーの電池は、抵抗を介して放電するものである。
特許文献２（特開2001-218376号公報）は、電圧差のばらつきが許容範囲となるように単位電池を放電する方法である。最小単位電池電圧を基準として、それ以外の単位電池の電圧が閾値を越えたものを放電する方法である。
特許文献３（特開2003-219572号公報）では、SOCの差を求めて、高い順から放電する方法が記載されているが、電池電圧の差からSOC差を求めている。

いずれの方法も処理の前提として各セルのＳＯＣを揃えようとしているが、このＳＯＣの推定は、そのセルのＳＯＣと電圧値に密接な相関性があることを利用して、ここのセルの絶対的なＳＯＣや絶対的な電圧を計測するステップを含むものである。
すなわちＳＯＣ推定に電圧値を用いているが、このような推定方法においてはＳＯＣ変化に追従して電圧変化が大きく現れる系に対してはそれなりに有効であるものの、電圧変化がない領域があったり全体的に小さい系に対しては推定精度が期待できず、十分な均等化処理を行うことが難しい場合がある。

そういった特性のセルでなかったとしても、一般論としてセルの出力電圧カーブや、電圧とＳＯＣとの相関カーブは、モジュール内の温度ムラなど他律的な環境因子によっても変化するため、そのセルの出力電圧だけをみていたところで絶対的なＳＯＣ値への換算を約束できるものではない。
したがって、従来の均等化処理においては、均等化処理されたあとのＳＯＣが十分に均等になっていない場合があった。

そこで本発明では、センサの精度や分解能を高めることなく多様なセルに対応可能とし、充電量の調整が可能な組電池装置を提供することおよびこの組電池装置から駆動力を得る車両を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、電気的に直列に接続される複数のセルの各々について最も充電量の小さい基準セルの充電量からみた他のセルの充電量との差の分を前記セルの各々について放電させて前記複数のセルの充電量を調整する際に、前記基準セルの充電量と前記他のセルの充電量との差を、前記複数のセルに所定の電流を与えた期間に所定の電圧値に到達した時間の差に基づいて前記電流を積算して求める組電池装置を提供する。
また本発明は、電気的に直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々の電圧値を計測する電圧検出部と、前記セルの各々の両極に接続される放電抵抗と、前記セルのうちのひとつによって一端が電気的に接続されている前記放電抵抗の組において、前記放電抵抗の組の他端に接続されておりこの接続を電気的に開閉可能に設けられた放電スイッチと、前記放電スイッチの前記開閉を制御するスイッチ制御部と、を有する組電池装置において、前記二次電池群に充電もしくは放電電流が印可されているときに、前記セルのうちもっとも充電量が少ない基準セルからみて、他のセルの前記充電量を越える分の充電量差を、前記基準セルとの前記特定電圧到達時間の差に相当する期間の前記充電もしくは放電電流を積算して特定し、前記充電量差に基づいて、前記スイッチ制御部により、前記放電スイッチの各々の前記開閉を制御して、前記セルの充電量の調整を行う組電池装置を提供する。
これらの組電池装置においては、充電もしくは放電電流を印可していた期間について複数のセルのうちいずれかひとつでも所定の特定電圧に到達していない場合は、前記所定の特定電圧に到達していないセルをのぞいた他のセルの各々について、前記充電もしくは放電電流の印可を止めたときから前記所定の特定電圧に到達したときまでの前記充電もしくは放電電流の積算値に基づいて、前記他のセルの各々について充電量の調整を行うことが好ましい。
また、複数のセルの充電量を調整する際に、前記複数のセルを互いに隣り合わないセルのみで構成された群にグルーピングし、所定の放電機会においては前記群のうちいずれかひとつの群についてのみ選択的に放電させることが好ましい。
また本発明は、これらの組電池装置と、この組電池から電力が供給され駆動される駆動輪と、前記組電池装置及び前記駆動輪を支持する車体と、を具備する車両を提供する。

本発明によれば、組電池装置を構成する各々のセルが有する電池容量を有効に活用することを可能とする。また車輌においては航続距離をより長くすることを可能とする。

この発明の実施形態を示す構成図である。 セル電圧と充電率（ＳＯＣ)との関係を示す図である。 二次電池群の充電における各単位セルのセル電圧変化と時間の関係の例を示す図である。 実施形態の装置がセルに蓄えられたエネルギーを放出するときの動作を説明する回路図である。 実施形態の装置が均等化しているときの他の機能との協調動作の例を説明する模式図である。 充電時のセル電圧変化と時間の関係の他の例を示す図である。 放電時のセル電圧変化と時間の関係の例を示す図である。 この発明の装置の他の実施形態を示す模式図である。 図８の装置の動作例を説明する図である。 本発明の組電池装置を駆動用電力出力装置として搭載した車輌の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１にこの発明の実施形態の組電池装置の機能ブロック構成を示す。
二次電池群１０は、ｘ個の単位セル１１（１）〜１１（ｘ）（以下単位セルは単にセルと称する）が、電気的に直列に接続されて形成されている。この二次電池群１０の正極は、外部正極端子２１に接続され、負極は、電流検出用抵抗Ｒを介して外部負極端子２２に接続されている。

均等化回路３０は、放電抵抗３１ｒ(1)〜３１ｒ(x+1)および放電スイッチSW(1)〜SW(x+1)が、ひとつの配線基板上に実装されて形成されている。
セル１１(1)〜１１(x)の負極端子と正極端子は、それぞれ、放電抵抗３１ｒ(1)〜３１ｒ(x+1)を介して電圧検出部４０に接続されている。電気的に直列にとなりあうセル間で、同じひとつの放電抵抗を共用する。すなわち放電抵抗はセルの数の２倍ではなく、セルの数よりひとつ多い数だけ存在する。
放電抵抗３１ｒ(1)および放電抵抗３１ｒ(2)の一端をセル１１(1)が電気的に接続しており、他端を放電スイッチSW(1)が電気的に接続している。
同様にして放電抵抗３１ｒ(n)と放電抵抗３１ｒ(n+1)の一端をセル１１(n)が電気的に接続しており、他端を放電スイッチＳＷ(n)が電気的に接続している。すなわち、並列にとなりあう２つの放電抵抗は、一端を単位セルによって、他端を放電スイッチによって、それぞれ電気的に接続されている。
放電スイッチＳＷ(n)は、放電抵抗とセル電圧によって定まる放電電流に耐える電流容量を有しており、かつ電気的な接続を開閉する作用を有していれば足りる。放電スイッチＳＷ(n)の構造は適宜選択しうる。物理的な接点を開閉する構造であってもよいし、トランジスタを組み合わせた電気的作用による開閉をおこなう構造であってもよい。

電圧検出部４０は、所定時刻における各セルの電圧を計測する。所定時刻における各セルを、各セルと対にして設けられたフライングキャパシタと並列に接続してチャージし、フライングキャパシタを各セルと電気的に切り離した後にこのフライングキャパシタの電圧を順次計測する。計測後はフライングキャパシタをグランド電位に接続して電荷を解放し、次の測定に備える。

電流検出回路５０は、二次電池群１０の負極に直列に接続されている電流検出用抵抗Ｒに電気的に並列に接続されている。ほぼ電流が分流しないように選択された巨大な抵抗値を有する抵抗器が所定のキャパシタンスを有するコンデンサを介して接地されている。このコンデンサには電流検出用抵抗Ｒによる電圧降下分の電荷がチャージされるから、コンデンサの両極の電位差を計測すると電流検出用抵抗Ｒに流れている電流値が分かる。この電流値を所定時間ごとに取得してＡ／Ｄ変換して発信し続けている。
二次電池群１０は直列接続された複数のセルであるから、その各セルにおける電流は、電流検出回路５０における電流値と同じである。

充電量差検出部７０は、電圧検出部４０による電圧値と、電流検出回路５０による電流値とが入力され、二次電池群１０を構成する各セル１１(n)の充電量差を検出している。
充電量差検出部７０は、電圧検出部４０から所定時間間隔ごとに入力されている各セル１１(n)の電圧計測値を所定の特定電圧値と比較している。比較の結果、所定の特定電圧値と同じか超えた電圧計測値を示したセル１１(n)があった場合は、そのセル１１(n)について、電流値の積算を開始し継続する。積算される電流値は、電流検出回路５０から所定時間間隔で発信されている電流値である。この積算は、所定の加算終止タイミングまで継続される。すなわち積算は、いずれかのセルが所定の充電終止電圧に到達するまで、もしくは、所定の放電終止電圧に到達するまで、もしくは、すべてのセルが所定の特定電圧に達するまで、継続して実行される。この電流積算処理が終了したときの積算値が、セル各々の充電量を示す指標となる。

充電量差検出部７０は、いずれかのセルが充電終止電圧もしくは放電終止電圧に到達したとき、あるいはすべてのセルが特定電圧に到達したときに、それまでに積算された各セルについての電流積算値を用いて、各セルの充電量差を算出する。
充電モードにおける充電量差検出の場合、この算出において充電量差検出部７０では、最も遅く特定電圧に到達したセルに関して、組電池内の他のセル各々との特定電圧値からの充電量の差を計算する。すなわち、各セル１１(n)に関する電流積算値から、最も遅く特定電圧に到達したセルの電流積算値を差し引いて、各セル１１(n)における充電量差ΔＣ(n)を算出する。
したがって、基準セルにおける充電量差ΔＣは、定義上いつもゼロとなる。

放電時間換算部８０は、充電量差検出部７０により求められた各セルの充電量差が入力され、所定の演算を行い、各セルの均等化処理に対応する各放電スイッチを閉じておく時間的長さを算出する。この時間的長さはスイッチ制御回路９０に入力され、放電スイッチの開閉制御に利用される。
この放電時間算出部８０は、同一組電池装置内の各セル間の充電量の差を解消するためには、エネルギーの高いセルをどの程度放電したらよいかを放電時間または所定の制御量に換算する。

スイッチ制御回路９０は、放電スイッチSW(1)〜SW(x+1)と接続され、放電スイッチ各々の開閉状態の切り替えを制御する。放電時間算出部８０で算出された各セルの放電時間情報は、スイッチ制御回路９０に入力される。放電対象となるセルに対応する放電スイッチが放電時間情報に基づいた長さでオンされ、当該セルの放電、つまり電荷の放出が行われる。
以上の構成により、充電量の大きいセルの充電量が最も充電量が小さいセルにあわせられ、均等化が達せられる。

図２に電圧対ＳＯＣのグラフを示す。
本実施形態の装置は、均等化処理を行うにあたり、セル間の電圧偏差に依拠しない。これは、電池の種類によっては、図２に示すように、ＳＯＣに大きな差ΔＣが存在しても電圧の差ΔＶが非常に小さく、検出に対する許容誤差が著しく小さくなるおそれがあるところに起因する。
図２の特性のようなセルの場合、電圧測定には、充電終止電圧に近い領域（図２内に点線で囲む領域）Ｗ１、或いは放電終止電圧に近い領域（図２内に点線で囲む領域）Ｗ２のように、比較的相関が大きく現れる領域を利用したい。
通常のセルにおいてはＳＯＣ増加に対して電圧は単調に増加している。仮に電圧が単調増加とならない区間を有する系に適用する場合は、そのなかでも単調な傾向の区間を選んで同様の処理を適用すればよい。
そのため本実施形態では、このように所定の限定的なＳＯＣ領域において電圧差が計測しやすい領域に測定点を設定可能な系を実現しようとする。またこの際、個別のＳＯＣを推定しなくても均等化が可能な系を実現しようとする。

図３に、３セルを直列に接続した二次電池群に充電電流Ｉを印可した際の各セルの電圧変化のグラフの例を示す。
図３の充電例では、直列接続された二次電池群に対して定電流充電が行われたとき、セルAX,BX,CXが時間差をもって順次所定の特定電圧に達し、セルAXが充電終止電圧に到達したときに定電流充電を停止した際の各セルの電圧変化の様子を示している。
「特定電圧」とは、セルが充電終止電圧に到達する手前の任意の通過しうる電圧値から選択された電圧値を示す定数である。特定電圧の選び方は任意であるが、なるべく充電量に対する電圧変化量が比較的大きい区間から選択することが、計測精度向上の観点から好ましい。
「充電終止電圧」とは、セルが過充電状態になる前の満充電を示す電圧値を示す定数である。セルやこの組電池装置が組み込まれる製品の仕様に応じて任意に設定される。

図３では、セルAXが最初に特定電圧に到達している。このときの時間をｔ２とおく。セルBX,CXが順次特定電圧に到達しているので、各到達時間をｔ１、ｔ０とおく。
このモデルにおける基準時間を、充電開始時刻から最後に特定電圧に達したセルの特定電圧到達時刻までの所要時間ｔ０に定める。またこの基準時間を要したセルを基準セルとおく。

「基準時間」とは、複数のセル１１（１）〜１１（ｘ）のうち最後に特定電圧に到達したセルの所定の測定開始時刻からの到達時間である。なお、他のセルの特定電圧到達時間も、同じ測定開始時刻からの経過時間を測定している。
「所定の測定開始時刻」は、最初に特定電圧に達するセルが現れる以前の時刻に設定される。
なお、測定開始時刻は任意の時刻からカウントが可能であるが、電流の状態が安定しているときにあわせた開始時刻とすると電流値の積算精度を高めやすいのでデータが安定しやすく好ましい。すなわち充電や放電などの開始時期や中途の任意の時期に設定しておくことが好ましい。

本発明においては各セルが所定の特定電圧へと到達する時間の差が、充電量の差を示す指標となる。
図３の例では基準時間を要したセルは、測定開始時刻時点の充電量が最も少なかったセルである。これを基準セルとし、基準セルの充電量からみたときの他のセルの充電量超過分の電荷を放出させることができれば、個別のＳＯＣを調べることなく均等化を実現することが可能となる。
セルAX-CX間、セルBX-CX間のＳＯＣの差は特定電圧への到達時間の差で把握される。充電過程において特定電圧に早く到達した順に、現在ＳＯＣが高い順となるので、この例では、ＳＯＣもセルAX、BX、CXの順に高い。
すなわちＳＯＣの差の程度は、セルBX-CX間においては（ｔ０−ｔ１）と、セルAX-CX間においては（ｔ０−ｔ２）と、それぞれ直接的な相関がある。したがって、この期間内のセル電流の様子を知っていれば、セルAX-CX間の充電量差ΔＣ(1)、セルBX-CX間の充電量差ΔＣ(2)が計算できる。すなわち、基準セルからみて余分に充電されている各セル内の電荷量が分かる。
すなわち図３の例では、充電量差ΔＣ(n)は次式の計算によって求まる。

充電量差検出部７０は、この計算をソフトウエア及びシーケンサにより実行する。
充電量差検出部７０では、電圧検出部４０によって全セルについて取得され送信されている電圧値について、都度所定の特定電圧値との比較を行っており、この比較の結果、所定の特定電圧値と同じか越えた場合にそのセル１１(n)についての電流値の積算を開始し、所定の終止タイミングまでそのときの電流値を加算し続ける。
図３の例では、時刻t2にセルAXが特定電圧に達しているので、この時刻t2における電流値Ｉ(t2)が積算の初期値としてセルAXに対応する所定の配列に入力される。以降、電流検出回路５０のサンプリング時間をtsとしたとき、サンプリング時間ごとの電流値Ｉ(t2+ts・n)（ｎは正数）が同じ配列に対して加算し続けられる。
この加算は所定の終止タイミングまで続けられる。図３の例ではすくなくとも基準時間となる時刻t0まで加算が続けられている。他の系の都合に応じて充電終止電圧に至る時間まで加算し続けてもかまわない。積算は、全セルについて同時に終結する。
各セルに関して配列に加算される電流値は、同時刻においては同じ値である。積算が開始されるタイミングのみが異なる。
積算が終了すると、各セルに関する電流積算値から、最後に特定電圧に達したセル（基準セル）に関する電流積算値を差し引き、各セル１１(n)に関する充電量差ΔＣ(n)が算出される。

放電時間換算部８０は、充電量差検出部７０において算出された、セル１１（ｎ）における基準セルとの充電量差ΔＣ（ｎ）を、全セル分受信して、各セルにおける放電時間もしくはその放電時間に相当する制御量を計算する。
図４に、１つのセルの放電回路の例を示す。スイッチSW(n)をオンすると、セルｎが放電抵抗r(n+1),r(n)を介して短絡する回路を形成する。各放電抵抗には放電電流Ｉbが流れ、セル内のエネルギーがジュール熱に変換されて消費される。このとき、充電量差ΔＣ(n)分のエネルギーを消費するために必要となる放電時間は ΔＣ(n)/Ｉb に相当する。

放電電流Ｉbはセルｎの電圧と放電抵抗ｒの値によって定まる。放電が進むとセルｎの電圧も変動するので定数にならず、完全に理想的な均等化にはいたらないが、これは電池において抵抗放電法を用いたときは必ず生じるのであって、実用上は問題ない範囲であり、繰り返し均等化処理を実行すると均等度も上がってくる。
充電状態の均等化に必要な放電時間長は、放電抵抗の抵抗値を小さくして電流量を大きくすれば短縮できる。しかし電流量が大きいと、発熱量が大きくなるので、装置としては別の問題を生じてしまい好ましくない。そこで放電抵抗の抵抗値は比較的大きな値が選択され、均等化処理にかけることが可能な時間の長さとのトレードオフにより決められる。

ところで本実施形態の組電池装置においては、二次電池群を構成する各セルの電圧値を一定時間ごとに取得し種々の管理に用いている。放電処理中においてもこの電圧監視動作は行われるが、電圧検出部４０と放電スイッチＳＷ(n)の動作は排他的であるため、お互いに機能する連続時間が決まっており、切り替わりながら実行している。
したがって本実施形態におけるセル１１(n)についての放電時間は、対応するセルｎの放電スイッチSW(n)をオン状態（閉じた状態）に切り替えるべき回数に相当する。この回数が本実施形態における制御量となる。放電スイッチSW(n)がオン状態を維持できる時間は定まっており、一定時間経過後はオフ状態（開いた状態）を維持している。

本実施形態においてはセル１１(n)に関する放電時間を放電スイッチSW(n)をオン状態に切り替える回数に換算するために、放電時間換算部８０内にさらに制御回数管理部８１が設けられる。
図５に、本実施形態における電圧監視と放電スイッチ制御との関係を表す模式図を示す。
図５の例では、二次電池群１０を構成するｘ個のセルについて、負極端子側から電気的に接続されている順番に番号を振るときに奇数番号に相当するグループと偶数番号に相当するグループとに分けて、グループ単位で放電制御している。これは、隣あうセルについて同時に放電スイッチがオン状態になった場合、放電回数の違いによって放電回路が変化し、放電回路構成が一意に定めにくくなるためであり、放電時間の計算が複雑化することを避けることができる。

図５において、ひと単位の制御サンプル時間は、電圧検出部４０による全セル電圧取り出し期間と、放電抵抗オン期間との合計である。放電抵抗はオン期間以外では必ずオフ状態であり、オン期間であっても制御対象に該当していなければオフ状態である。
隣合う制御サンプル時間において、その放電抵抗オン時間における処理は、奇数番号グループ内の処理対象セルに対する放電処理と、偶数番号グループ内の処理対象セルに対する放電処理とが、交互に行われる。
電圧取り出しに要する時間が１０ｍｓ程度で、これが１００ｍｓおきに実行されるとすると、放電処理にかけることができる時間は１回につき９０ｍｓであり、同一セルに対する放電処理を続けて行いたい場合は１２０ｍｓのインターバルを要することになる。
制御回数管理部８１は、各セルに要する各々の放電時間を９０ｍｓで除し、各セルに対応する放電スイッチのオン状態にする回数を求め、この回数をスイッチ制御回路９０に送信する。
スイッチ制御回路９０は、電圧検出部４０と同期してコンフリクトを起こさないように協調して動作する。所定の制御サンプル時間のなかで、電圧取り出し期間以外の時間を利用して、制御回数管理部８１にて求められた所定のセルに対する所定のオン回数に達するまで、所定のセルに対応する放電スイッチをオン状態に切り替える。

本実施形態の組電池装置は、以上の動作により、二次電池群を構成する各セルの充電量を同程度に保つよう放電し調整する。調整が進めば均等化された状態に近づく。

図６は、二次電池群に対する充電を行った他の例を示す説明図である。
図６ではセルAX充電終止電圧に達したことを受けて充電電流Iが遮断されたときまでに、セルCXが所定の特定電圧に達しなかった例を示している。
二次電池群を構成する各セルの充電状態によっては、１つのセルのみが時間ｔｘに特定電圧に到達し、このセルが充電終止電圧に達した時点においても、他の全てのセルが特定電圧に到達しない場合がある。
このような状態で、全セルに関する均等化を行おうとすると、充電量が低いセルにおいて過放電状態が発生する懸念がある。したがってひとつでも特定電圧に達しないセルがあった場合は、所定のセルの充電終止電圧到達時刻ｔｅを基準時間とおき、特定電圧に達したセルのみについて均等化処理を行う。
特定電圧に到達したセルｎの各々の特定電圧到達時刻をｔｎとすれば、各セルの充電量差は（ｔｅ−ｔｎ）に基づくものとして検出される。

すなわち、充電量差検出部７０は、通常通り電流値の積算処理を実行しているが、電流値の積算処理が開始していないセルがある場合は、その特定電圧に到達しないセルについての充電量差を出力しない。好ましくは放電時間換算部８０に対しては積極的に積算しなかったことを示す所定の情報を伝達する。
放電時間換算部８０は、充電量差検出部７０から充電量差を検出しなかったことを示す値が送信された場合は、充電量差が算出されていないセルに関する放電時間を０とおく。 このように充電量差算出を行う際に条件分岐処理を行うことにより、その余の回路やロジックを変更することなく安全に均等化処理を行うことが可能となる。

これまでの実施形態では、均等化のためのセル放電処理情報を得る場合、充電モードにおいて検出する例を説明した。しかしこれに限らず、放電モードにおいて均等化のためのセル放電処理情報を得ることも可能である。すなわち、放電終止電圧を特定電圧より低い電圧値に設定し、全セルを特定電圧よりも高い電圧値に充電した後に放電を開始させる。この際充電終止電圧を放電終止電圧に読み変えて同様の処理を行う。この際基準セルは最も早く特定電圧に達したセルとなり、そのセルの特定電圧到達時刻が基準時間となる。
また上記実施形態では、セルのＳＯＣ特性とし、図２に示す領域Ｗ１の特性を利用したが、充電量が小さい場合は充電に要する時間を省略するために図２に示す領域Ｗ２の特性を利用してもよい。

次に第２の実施形態として充電量が低い領域において放電モードを利用する実施形態を詳細に説明する。

図７に、セルAX,BX,CXが直列に接続された二次電池群を電流Iで放電させ、いずれかのセルが放電終止電圧に達したときに放電を止めたときの各セルの電圧変化のグラフを示す。
図７の放電例では、直列接続された二次電池群に対して定電流放電が行われたとき、セルAX,BX,CXが時間差をもって順次所定の特定電圧に達し、セルAXが放電終止電圧に到達したときに定電流放電を停止した際の各セルの電圧変化の様子を示している。
ここで「放電終止電圧」とは、セルが過放電状態に達しない程度に設計者が任意に定める電圧値である。
「特定電圧」とは、セルが放電終止電圧に到達する手前の任意の通過しうる電圧値から選択された電圧である。特定電圧の選び方は任意であるが、なるべく充電量に対する電圧変化量が比較的大きい区間から選択することが、計測精度向上の観点から好ましい。

図７の例では、時刻t0にセルAXが特定電圧に達しているので、この時刻t0における電流値Ｉ(t0)が積算の初期値としてセルAXについての配列に入力される。以降、電流検出回路５０のサンプリング時間をtsとしたとき、サンプリング時間ごとの電流値Ｉ(t0+ts・n)（ｎは正数）が同じ配列に対して加算し続けられる。
この加算は所定の終止タイミングまで続けられる。図７の例ではすくなくとも最後に特定電圧に達したセルCXの特定電圧到達時刻t2まで加算が続けられている。他の系の都合に応じて放電終止電圧に至る時間まで加算し続けてもかまわない。積算は、全セルについて同時に終結する。
積算が終了すると、最初に特定電圧に達したセルに関する電流積算値から、各セルに関する電流積算値を差し引き、各セル１１(n)に関する充電量差ΔＣ(n)が算出される。
すなわち、放電モードにおける基準セルは、最初に特定電圧に達したセルとなる。

図７では、セルAXが最初に特定電圧に到達している。このときの時間をｔ０とおく。セルBX,CXが順次特定電圧に到達しているので、各到達時間をｔ１、ｔ２とおく。
このモデルにおける基準時間を、最初に特定電圧に達したセルの放電開始時刻から特定電圧到達時刻までの所要時間ｔ０に定める。

図７の例においても基準セルは、最も充電量が少なかったセルである。放電終止電圧を利用する場合は、最初に特定電圧に到達するセルが基準セルとなる。基準セル特定に関するその余の議論は放電利用時と同じである。

セルAX-CX間、セルAX-BX間のＳＯＣの差は特定電圧への到達時間の差で把握される。充電過程において特定電圧に早く到達したセルが現在のＳＯＣが高いセルとなるので、この例では、ＳＯＣもセルCX、BX、AXの順に高い。
すなわちＳＯＣの差の程度は、セルAX-BX間においては（ｔ０−ｔ１）と、セルAX-CX間においては（ｔ０−ｔ２）と、それぞれ直接的な相関がある。したがって、この期間内のセル電流の様子を知っていれば、セル間の充電量差が検出できる。

充電量差検出部７０は、電圧検出部４０によって全セルについて取得され送信されている電圧値について、都度所定の特定電圧値との比較を行っており、この比較の結果、所定の特定電圧値と同じか越えた場合にそのセル１１(n)についての電流値の積算を開始し、所定の終止タイミングまでそのときの電流値を加算し続ける。
図７の例では、時刻t0にセルAXが特定電圧に達しているので、この時刻t0における電流値Ｉ(t0)が積算の初期値として配列に入力される。以降、電流検出回路５０のサンプリング時間をtsとしたとき、サンプリング時間ごとの電流値Ｉ(t0+ts・n)（ｎは正数）が同じ配列に対して加算し続けられる。
この加算は所定の終止タイミングまで続けられる。図７の例ではすくなくとも最後に特定電圧に到達したセルの特定電圧到達時刻t2まで加算が続けられている。他の系の都合に応じて放電終止電圧に至る時間まで加算し続けてもかまわない。積算は、全セルについて同時に終結する。
各セルに関して配列に加算される電流値は、同時刻においては同じ値である。積算が開始されるタイミングのみが異なる。
放電モードにおける充電量差検出の場合、積算が終了すると、最初に特定電圧に達したセル（基準セル）に関する電流積算値から、各セル１１(n)に関する電流積算値を差し引くことで、各セル１１(n)に関する充電量差ΔＣ(n)が算出される。

各セルにおける充電量差が特定されてしまえば、あとの処理は充電モードを利用した均等化処理と全く同じロジックで実施することができる。

本発明は上記の実施形態の個々に限定されるものではなく、これらの実施形態が組み合わせられて実施されてもよい。すなわちセル間の充電量の差の測定が充電モードで実行可能であるとともに放電モードでも実行可能な装置としてもよい。

この発明は上記した実施例に限定されるものではなく、各種の変形実施が可能である。

図８はこの発明のさらに他の実施の形態を示す図である。この実施例では、複数のセル１１(1)〜１１(x)を所定の数のまとまりで複数のブロック１０B（1）〜１０B（n）にグルーピングしてモジュール化している。そしてブロック（モジュール）１０B（1）〜１０B（n）毎に均等化回路３０(1)〜３０（n）を設けている。ここで均等化回路３０(1)〜３０（n）は、単位ブロックを単セルに見立てたときに先の実施例で述べたように放電スイッチSW(1)〜SW(x+1)を含むセル間均等化処理回路３０１２、３０ｎ２を含む。また電圧検出部４０は、先の実施例のように各セルの端子電圧を検出するセル電圧検出部４２を含む。

充電量差検出部７０では、各セルの特定電圧到達時間情報が用いられ、全セルの充電量が求められる。次にどのセルがどのブロック内に所属するかは予め分かっているので、ブロック毎の最小充電量のセルが判定される。そしてブロック毎の最小充電量のセルの充電量が比較され（ブロック間の最小充電量セル検出部７１）、ブロック間の充電量の差が検出される（ブロック間充電量差検出部７２）。

ブロック間の充電量の差が分かり、各ブロック内におけるセル間の充電量の差が分かれば、全セルの充電量を均等化するために、制御対象となるセルとこのセルについての放電量を決めることができる。
放電時間換算部８０は、制御対象となる各セルの放電時間を計算する。

制御対象となるセル情報と、該当セルの放電時間情報（放電回数情報）とはスイッチ制御回路９０に与えられる。以後は、図１で説明した実施例と同様に各ブロックにおけるセルの均等化処理が行われる。

上記した実施例の場合、次のような利点がある。図９（A),図９（B)を参照して説明する。ブロック１０B（1）〜１０B（n）は、それぞれセルA1、B1、セルAn、Bnを有するものとする。

いま、全ブロック１０B（1）〜１０B（n）内のセルの充電量状態が検出されたものとする。ブロック１０B（1）内では、セルA1の充電量が最小であり、セルB1は、セルA1に対してBV1だけ充電量が高いものとする。またブロック１０B（n）内では、セルAnの充電量が最小であり、セルBnは、セルAnに対してBVnだけ充電量が高いものとする。

ここでブロック１０B（1）〜１０B（n）の中の各最小充電量のセルが判定される。そしてブロック間の最小充電量セル（この例ではセルA1とAn）の充電量が比較され、最小充電量のセルを有するブロックが特定される。この例ではブロック１０B（1）のセルA1の充電量が１０B（n）のセルAnの充電量よりもAV1高いものとする。

すると、全ブロック間の全セルの均等化処理を行うためには、ブロック１０B（1）のセルA1は、充電量AV1を放出（放電）する必要があり、セルB1は、充電量（AV1+BV1)を放出（放電）する必要がある。またブロック１０B（n）のセルAnは、エネルギーを放出（放電）する必要はなく、セルBnは、エネルギーBVnを放出（放電）する必要がある。

このようにエネルギー放出（放電）を行うセル、つまり制御対象となるセル及び充電量の差などは、先の充電量差検出部７０において特定される。

上記の実施例の場合には、ブロック１０B（1）、１０B（n）毎に電流検出回路を設けて、ブロック毎にセル電圧を検出するようにしてもよい。しかし、図６（A)或いは（B)で説明したように、セルの電圧検出期間は、均等化処理時間に比べて非常に短い期間であるから、電流検出回路をブロック毎に特に設ける必要はない。均等化処理の期間は、単純にセルのエネルギー放出であるから、単位ブロック毎に独立させて、それぞれのブロック内でセル毎の均等化処理が実行可能である。このために、本実施例によれば、ブロック分割をせず、セルを１個ずつ順番に放電処理するのに比べて全体の均等化処理時間を短縮することも可能である。この効果は、セル数が多くなり、かつブロック分割数が多くなるほど、顕著となる。その代わり回路規模も大きくなるので、設計制約に応じて選択する。

以上説明したようにこの発明によれば、複数のセル間の残量差（充電量の差）の検出精度が向上し、複数のセルの充電率の均等化を正確に実施できる。これにより、各セルの電池容量を最大限に活用することが可能となるため、組電池の並列化などの高容量化設計を回避することができる。またモータで駆動されるフォークリフト、電気自動車（ハイブリッド車も含む）などの車両に適用した場合、搭載する電池の量が最小化されるので軽量に設計することが可能であるし、同量の電池を搭載している場合には、航続可能距離を延伸することが可能になる。

上記の装置は、電圧検出部４０、充電量差検出部７０、放電時間換算部８０、スイッチ制御回路９０などが１つのシステム制御部内にまとめられ、プロセッサを用いて統括制御される。
車両に対する運転者の操作情報、或いは車両の各部センサからの検出信号を利用した応用制御も可能である。これによって、充電や放電のタイミングを利用して均等化処理の実行開始や実行終了を制御することができる。

例えば均等化処理を行う時期としては、各種の設定が可能である。例えば、車両の駐車期間、一時停止期間、或いは下り坂などのような自走状態の期間があり、これらの期間を選択的に或いは組み合わせて設定できるようにしてもよい。車両の状態は、各部の状態検出器或いはセンサからの信号により判断できる。さらには、運転者が意識的に操作信号を送り、充電量均等化処理が実施されるようにしてもよい。

またメンテナンスや試験のために利用者による強制的な操作により、特定のセルに対する放電、充電、あるいは均等化処理が実施される機能を設けて設けても良い。また本装置の動作状況、つまり均等化処理の実施状態、均等化処理を完了している状態を識別できるような表示信号を表示部に出力する機能が設けられてもよい。

図１０に示す車両は、上記した実施形態に示したの組電池装置４００と、組電池装置４００の動作を制御する電池管理基板３００と、インバータを含み複数の二次電池セルから供給された電圧を変換し、出力電流・電圧のレベル制御及び位相制御等を行なう電圧変換及びドライブ制御部５００と、電圧変換及びドライブ制御部５００の出力が駆動電力として供給されるモータ６００と、を備えている。モータ６００の回転は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪ＷＲ、ＷＬに伝達される。
電池管理基板３００は、組電池装置４００および電装用電池７００から給電されている。電装用電池７００は例えば定格１２Ｖの鉛蓄電池である。組電池装置の定格電圧は８０セルを直列接続した３００Ｖ程度となる。モータ６００の回転は、図示しないキャビンに乗車した人間の操作に応じて、例えば差動ギアユニットなどの伝達機構を介して、駆動輪ＷＲ、ＷＬに伝達される。
上記したように構成される本願発明の組電池装置をエネルギー源として利用する電動車両は、セルの特性に関して電圧変化の少ないセルを選択することが可能になるので、自動車の特性に適合するセルを利用した電源の提供を可能とする。また選択されたセルの使用において、航続距離を長めに得ることを可能とする。

１１（１）〜１１（ｘ）…セル、SW(1)〜SW(x+1)…放電スイッチ、
２１…正極端子、２２…負極端子、３０…均等化回路、４０…電圧検出部、
５０…電流検出回路、７０…充電量差検出部、
８０…放電時間換算部、８１…制御回数管理部、９０…スイッチ制御回路、
３１ｒ（１）〜３１ｒ（ｘ＋１）…放電抵抗。

Claims (5)

1. 電気的に直列に接続される複数のセルの各々について最も充電量の小さい基準セルの充電量からみた他のセルの充電量との差の分を前記セルの各々について放電させて前記複数のセルの充電量を調整する際に、
   前記基準セルの充電量と前記他のセルの充電量との差を、前記複数のセルに所定の電流を与えた期間に所定の電圧値に到達した時間の差に基づいて前記電流を積算して求めたことを特徴とする組電池装置。
2. 電気的に直列に接続された複数のセルと、
   前記セルの各々の電圧値を計測する電圧検出部と、
   前記セルの各々の両極に接続される放電抵抗と、
   前記セルのうちのひとつによって一端が電気的に接続されている前記放電抵抗の組において、前記放電抵抗の組の他端に接続されておりこの接続を電気的に開閉可能に設けられた放電スイッチと、
   前記放電スイッチの前記開閉を制御するスイッチ制御部と、を有する組電池装置において、
   前記二次電池群に充電もしくは放電電流が印可されているときに、前記セルのうちもっとも充電量が少ない基準セルからみて、他のセルの前記充電量を越える分の充電量差を、前記基準セルとの前記特定電圧到達時間の差に相当する期間の前記充電もしくは放電電流を積算して特定し、
   前記充電量差に基づいて、前記スイッチ制御部により、前記放電スイッチの各々の前記開閉を制御して、
   前記セルの充電量の調整を行うこと、を特徴とする組電池装置。
3. 充電もしくは放電電流を印可していた期間について複数のセルのうちいずれかひとつでも所定の特定電圧に到達していない場合は、前記所定の特定電圧に到達していないセルをのぞいた他のセルの各々について、前記充電もしくは放電電流の印可を止めたときから前記所定の特定電圧に到達したときまでの前記充電もしくは放電電流の積算値に基づいて、前記他のセルの各々について充電量の調整を行うことを特徴とする請求項１または２記載の組電池装置。
4. 複数のセルの充電量を調整する際に、前記複数のセルを互いに隣り合わないセルのみで構成された群にグルーピングし、所定の放電機会においては前記群のうちいずれかひとつの群についてのみ選択的に放電させることを特徴とする請求項１または２記載の組電池装置。
5. 請求項１ないし４いずれかに記載の組電池装置と、
   この組電池から電力が供給され駆動される駆動輪と、
   前記組電池装置及び前記駆動輪を支持する車体と、
   を具備することを特徴とする車両。

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