JP3709766B2

JP3709766B2 - 組電池の容量調整方法

Info

Publication number: JP3709766B2
Application number: JP2000194122A
Authority: JP
Inventors: 康平鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: JP2002010512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池のセル容量のばらつきを補正する組電池の容量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルで構成される組電池では、各セルの電圧がその使用の経過に伴って当該セルの自己放電電流のばらつきやセルに付設されるセル電圧検出回路の消費電流のばらつきなどに起因して個々にばらついてくる。そして、電池容量が開放電圧と一定の比例関係にある組電池では、開放電圧のばらつき自体が各セルの容量のばらつきとなる。
組電池を充電する際には、上記のような各セルのばらつきに応じて容量調整を行ない、容量を均一化する必要がある。
【０００３】
この容量調整として、従来、各セルごとに容量調整放電回路を設けて、組電池の全セルの平均電圧を容量調整目標値とし、組電池の充放電の間に容量調整目標値より電圧の高いセルについて容量調整目標値との偏差に応じて放電させることにより、組電池の平均電圧に近づけるようにするものがある。
そして、容量調整の間には、上記の容量調整目標値を基準にしてそれから所定値だけ上下に異常判定レベルを設定し、異常判定レベルを越えているかどうかによって個別セルの異常判定を行うようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような容量調整方法では、異常ではないけれども他の多数のセルより相対的に電圧低下量の大きいセルがある場合、この相対的に電圧低下量の大きいセルが異常と誤判定されてしまうという問題がある。
すなわち、容量調整目標値の全セル平均電圧より電圧が高いセルだけを放電させるものとしているので、図８に示すように、全セルの平均電圧が高めに推移し、相対的に電圧低下量の大きい図中塗りつぶしのセルＣｘが、いずれ容量調整目標値から下Ｖｄに設定された異常判定レベルを下方へ越えてしまうのである。
【０００５】
図８は各セルの電圧位置を○で表わしており、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は時間経過にそったセル電圧の変化を示す。（ａ）において容量調整目標値より高いセルＣａ、Ｃｂ、Ｃｄが放電されて（ｂ）の状態となり、（ｃ）はさらに時間経過した状態を示している。セルＣｘは他のセルよりも相対的に大きく低下するので、全セルの平均電圧から離れていく。
【０００６】
さらに、いずれかのセルで、容量調整目標値より電圧が高いセルを放電させるための容量調整放電回路がオフのままとなる故障などにより容量調整機能異常が発生した場合には、そのセルの電圧値は全セルの平均電圧との間に所定の偏差を保持したまま推移することがあるので、その偏差が異常判定レベル幅のＶｄ以内のときには異常が検知できないという問題がある。
【０００７】
すなわち、容量調整目標値の全セル平均電圧より電圧が高いセルだけを放電させるものとしているので、図９に示すように、（ａ）の状態から、容量調整機能異常のセルＣｙを残して、容量調整目標値より高いセルＣａ、Ｃｂが放電されて（ｂ）の状態となり、その後（ｃ）のようにセルＣｙを残して他のセルが容量調整目標値に調整されたあとは、容量調整機能異常のセルＣｙは全セルの平均電圧との間に所定の偏差を保持したまま推移することとなる。
そのため、容量調整放電回路のオン／オフ故障等を判定するための別途の検出系統が必要となる。
【０００８】
したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑み、セル異常の誤判定が防止され、また容量調整機能の異常検出を別途の検出系統なしに可能とした組電池の容量調整方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の本発明は、複数個のセルを直列に接続して構成し、各セルごとに放電回路を備えた組電池の容量調整方法であって、所定時間ごとに、各セルの開放電圧を検出し、セルの開放電圧の最低電圧値を容量調整目標値とし、容量調整目標値とセルの開放電圧とに基づいて調整放電時間を決定し、当該調整放電時間だけ当該セルを放電させることを繰り返す。
【００１０】
そして、さらにセルの開放電圧の最低電圧値と最高電圧値を除いて求めた平均値をセル異常判定基準値とし、セル異常判定基準値と開放電圧の差が所定のしきい値を越えるセルを異常であると判断するものとした。
【００１１】
請求項２の発明は、より具体的に、上記のしきい値がセル異常判定基準値より低い開放電圧のセルに適用される第１のしきい値であり、セル異常判定基準値と開放電圧の差が第１のしきい値を越えたとき当該セルが電圧低下量異常であると判断するものであり、
請求項３の発明は、しきい値がセル異常判定基準値より高い開放電圧のセルに適用される第２のしきい値であり、セル異常判定基準値と開放電圧の差が第２のしきい値を越えたとき当該セルが容量調整機能異常であると判断するものである。
【００１２】
請求項４の発明は、セルが異常であると判断されたとき、当該異常のセルを除くセルの開放電圧の最低電圧値を次回の容量調整目標値とするものとした。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、セルの開放電圧の最低電圧値を容量調整目標値とし、各セルを容量調整目標値との偏差に対応した時間だけ放電させるので、その放電のみによって容量調整目標値へ近づけることができ、充電時か放電時かにかかわらず、各セルの電圧が速やかに均一化されるという効果を有する。
【００１４】
そしてさらに、セル異常判定基準値としきい値によりセルの異常を判断できる。
例えば、他の多数のセルよりも相対的に電圧低下量が大きいけれども異常ではないセルの電圧は、最低電圧値を全体の容量調整目標値とすることにより他の多数のセルの電圧と同レベルへ近づいていくので、請求項２のように、多数のセルのレベルへ近づかないでむしろセル異常判定基準値から第１のしきい値を越えるほどに開放電圧が低下する場合は、電圧低下量が異常であると判断でき、正常な電圧低下量にあるセルと電圧低下量異常のセルとを明確に識別できる。
【００１５】
また、請求項３のように、多数のセルが容量調整目標値のレベルに集まるなかでセル異常判定基準値から第２のしきい値を越えるほどに開放電圧が高くなる場合は、容量調整機能が異常であると判断でき、容量調整の放電回路故障等を判定するための別途の検出系統を備えなくても、正常に容量調整が機能しているセルと容量調整機能が異常状態にあるセルとを明確に識別できる。これにより、上記別途の検出系統の削減とともに、故障診断プログラムも簡単化される。
【００１６】
請求項４の発明では、異常のセルを除いた他のセルの開放電圧のうちの最低電圧値を次回の容量調整目標値とするので、電圧低下量異常のセルの開放電圧を容量調整目標値としてほぼすべてのセルに対して極端な容量調整を行なってしまうということが回避され、大きなエネルギーロスが防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は実施例の容量調整方法が適用される組電池の制御装置の構成を示す図である。組電池１０はｎ個のセル１２を直列に接続して構成され、各セル１２の両端子間に容量調整放電回路１４が接続されている。容量調整放電回路１４は放電用抵抗１５とスイッチング回路１６で構成されている。
なお、図中、セル１２（）の（）内はセル番号を示している。
【００１８】
各セル１２の両端子はさらにセルコントローラ１８に接続されている。セルコントローラ１８は図示しないセル電圧検出回路を含み、セルコントローラ１８にはさらに内部に充電部を備えるバッテリコントローラ２０が通信線で接続されている。バッテリコントローラ２０は組電池の充放電情報など組電池にかかわる種々の情報を管理する。組電池の両端子はバッテリコントローラ２０に接続されている。
なお、図にはセル両端子のセルコントローラ１８との接続は１つのみを示し、他の接続は矢印で簡略に示している。
【００１９】
セルコントローラ１８はバッテリコントローラ２０による充電の間ならびに放電の間、逐次に各セル１２の開放電圧を求め、組電池１０を構成する全セルのなかの最低電圧値ＶＭＩＮを算出し、これを容量調整目標値Ｖｇとする。そして、この容量調整目標値Ｖｇと各セル１２の電圧との偏差に対応した調整放電時間Ｔｃを算出し、容量調整放電回路１４を上記調整放電時間Ｔｃだけオンさせて、容量調整目標値Ｖｇより大きい電圧のセルを放電させる。
なお、以下において、個別のセル等を示すため、必要に応じて添字ｉ（ｉ＝１、２、−−−、ｎ）を付して説明する。
【００２０】
図２、図３は主としてセルコントローラにおける容量調整の制御の流れを示すフローチャートである。
まずステップ１０１では、組電池１０内のセル１２を順次に数えるための変数ｉを１にセットして、次のステップ１０２へ進む。
ステップ１０２では、変数ｉがセル１２の総個数に該当するｎ以下であるかどうかをチェックする。変数ｉがｎ以下であるときは、ステップ１０３において、第ｉ番目のセル１２ｉの開放電圧Ｖｃｉを検出するとともに、ステップ１０４で変数ｉを１だけ増加させる。
【００２１】
変数ｉがｎ以下の間上記を繰り返し、全セルのＶｃｉ検出が終わって変数ｉがｎを越えると、ステップ１０２からステップ１０５へ進む。
ステップ１０５では、検出した開放電圧Ｖｃｉのなかの最大電圧値ＶＭＡＸと最低電圧値ＶＭＩＮを求めて、最低電圧値ＶＭＩＮを容量調整目標値Ｖｇとする。
つぎのステップ１０６において、上記の最大電圧値ＶＭＡＸおよび最低電圧値ＶＭＩＮを除いた全セルの平均値をセル異常判定基準値Ｖｍａとして算出する。
このあと、ステップ１０７で変数ｉを１にリセットするとともに、ステップ１０８で変数ｉがｎ以下であるかどうかをチェックする。
【００２２】
変数ｉがｎ以下であるときは、ステップ１０９において、第ｉ番目のセル１２ｉの開放電圧Ｖｃｉとセル異常判定基準値Ｖｍａの差が０以下であるかどうかをチェックする。
差が０以下であるときは、ステップ１１０へ進んで、その差分を反転した値が予め設定された第１のしきい値としての電圧低下量異常判定しきい値Ｖｄより小さいかどうかをチェックし、電圧低下量異常判定しきい値Ｖｄ内であれば、ステップ１１５で変数ｉを１だけ増加させたうえでステップ１０８へ戻る。
【００２３】
セル異常判定基準値Ｖｍａと開放電圧Ｖｃｉとの差が電圧低下量異常判定しきい値Ｖｄ以上であれば、ステップ１１１で当該セル１２ｉが電圧低下量異常である旨の判定出力をバッテリコントローラ２０へ行うとともに、続いて、ステップ１１２において、当該異常セル１２ｉを除いたなかでの最低電圧値ＶＭＩＮｄを求めて、容量調整目標値Ｖｇの内容をこの最低電圧値ＶＭＩＮｄに置き換えたうえで、ステップ１１５へ進む。
なお、バッテリコントローラ２０では必要に応じて異常セルの発生を表示する。
【００２４】
先のステップ１０９のチェックにおいて、セルの開放電圧Ｖｃｉとセル異常判定基準値Ｖｍａの差が０以下でない場合は、ステップ１１３へ進む。
ステップ１１３では、上記の差が予め設定された第２のしきい値としての容量調整機能異常判定しきい値Ｖｅより小さいかどうかをチェックし、容量調整機能異常判定しきい値Ｖｅ内であれば、そのままステップ１１５へ進む。
【００２５】
セルの開放電圧Ｖｃｉとセル異常判定基準値Ｖｍａの差が容量調整機能異常判定しきい値Ｖｅ以上であれば、ステップ１１４で当該セル１２ｉが容量調整機能異常である旨の判定出力をバッテリコントローラ２０へ行って、その後、ステップ１１５へ進む。
ステップ１１５のあとはステップ１０８へ戻り、変数ｉがｎを越えるまで上記のステップを繰り返す。
【００２６】
変数ｉがｎを越えると、ステップ１０８からステップ１１６へ進む。ステップ１１６では再び変数ｉを１にリセットするとともに、ステップ１１７で変数ｉがｎ以下であるかどうかをチェックする。
変数ｉがｎ以下であるときは、ステップ１１８において、第ｉ番目のセル１２ｉの開放電圧Ｖｃｉと容量調整目標値Ｖｇの差を当該セルの容量調整電圧量Ｖａｉとして算出し、続いて、ステップ１１９で、図４に示すようなあらかじめ用意された変換テーブルを用いて、容量調整電圧量Ｖａｉを調整容量Ｃｉ（Ａｈ）に変換演算する。
【００２７】
つぎのステップ１２０においては、調整容量Ｃｉに対応する調整時間Ｔｃｉ（ｈ）を算出する。調整時間は次式で求められる。
Ｔｃｉ＝Ｃｉ／Ｉｄ
なお、Ｉｄは当該セルの容量調整放電回路１４ｉを流れる電流値であり、当該セルの開放電圧と容量調整放電回路のインピーダンスによって決定される。
ステップ１２１では、当該セルの容量調整放電回路１４ｉを上記調整時間Ｔｃｉだけオンさせて、セル電圧（開放電圧Ｖｃｉ）を容量調整目標値Ｖｇに一致させる。それから、ステップ１２２で変数ｉを１だけ増加させたうえで、ステップ１１７へ戻る。
ステップ１１７以降を繰り返して、変数ｉがｎを越えると制御は終了する。
【００２８】
以上の容量調整制御による各セルの電圧の推移は、例えば図５に示される。
まず、制御開始時点において（ａ）のようにセル電圧が分布していたとすれば、セル異常判定基準値Ｖｍａが全体の平均値付近に設定されるとともに、最低の位置にあるセル１２ａの電圧値ＶＭＩＮを容量調整目標値Ｖｇとして、他のセルがそれぞれ容量調整目標値Ｖｇとの電圧差に応じた調整時間で放電される。
これにより、放電による調整後は、（ｂ）のように、ほとんどのセル電圧が
Ｖｍａに近い略同レベルに揃うことになる。
【００２９】
ここで、先の（ａ）における最低電圧値ＶＭＩＮを示す塗りつぶしのセル１２ａが、異常ではないけれども他の多数のセルよりも相対的に電圧低下量が大きいものであったとすると、（ｂ）に示すように当該塗りつぶしのセル１２ａだけは他の多数のセルよりも低い電圧へ低下していることになる。しかし、元来異常ではないから、セル異常判定基準値Ｖｍａとの差は小さくなっている。
【００３０】
次回の調整も同様に最低電圧値ＶＭＩＮを新たな容量調整目標値Ｖｇ’とするが、この最低電圧値を示しているのは他のセルよりも低く最低の位置にある塗りつぶしのセル１２ａである。これより高い電圧のセルがこの最低電圧値ＶＭＩＮになるように放電されるから、（ｃ）のように調整を重ねるごとに塗りつぶしのセル１２ａの電圧は他の多数のセルと同レベルへ近づいていくことになる。したがって、他の多数のセルよりも相対的に電圧低下量が大きいものの異常ではないセル１２ａが誤って異常と判断されることが回避される。
【００３１】
他方、図６の（ａ）に示す最低電圧値ＶＭＩＮを示す塗りつぶしのセル１２ｂの電圧低下量が異常である場合は、当該最低電圧値ＶＭＩＮを容量調整目標値Ｖｇとして、他のセルをそれぞれ所定の調整時間で放電しても、（ｂ）に示すように塗りつぶしのセル１２ｂは他の多数のセルのレベルから一層離れて低い電圧へ低下する。
このため、調整を重ねるごとに異常セルである塗りつぶしのセル１２ｂの電圧はセル異常判定基準値Ｖｍａから離れていき、いずれは（ｃ）に示されるように、電圧低下量異常判定しきい値Ｖｄを下方へ越えて電圧低下量が異常であることが検出される。
なお、（ｃ）には異常セル１２ｂを除いたなかでの新たな最低電圧値ＶＭＩＮｄが示されている。このＶＭＩＮｄが新たな容量調整目標値Ｖｇ”となる。
【００３２】
つぎに、図７の（ａ）に示すように、塗りつぶしのセル１２ｃに例えば容量調整放電回路１４の故障が発生して容量調整機能異常となった場合には、全セル中の最低電圧値ＶＭＩＮを容量調整目標値Ｖｇとして、他のセルをそれぞれ所定の調整時間で放電すると、（ｂ）に示すように多数のセルの電圧はＶｍａ付近の略同レベルに揃うが、塗りつぶしのセル１２ｃだけは放電されないために上方に取り残される。
【００３３】
同様にして（ｂ）の状態における最低電圧値ＶＭＩＮを新たな容量調整目標値Ｖｇ’としてさらに調整を重ねると、塗りつぶしのセル１２ｃを除く他のセルの平均電圧は低下していき、当該塗りつぶしのセル１２ｃとセル異常判定基準値Ｖｍａの差が拡大していく。こうして（ｃ）に示されるように、容量調整機能異常判定しきい値Ｖｅを上方へ越えて容量調整機能が異常であることが検出される。
【００３４】
本実施例は以上のように構成され、複数個のセル１２を直列に接続して構成した組電池１０において、セル開放電圧の最低電圧値ＶＭＩＮを容量調整目標値Ｖｇとし、各セルの容量調整放電回路１４を容量調整目標値Ｖｇとセルの開放電圧との偏差に対応した調整放電時間Ｔｃだけオンさせることにより、容量調整目標値Ｖｇより大きい電圧のセルを放電させるものとしたので、充電時、放電時にかかわらず、各セルの電圧が速やかに均一化される。
【００３５】
そして、最大電圧値ＶＭＡＸおよび最低電圧値ＶＭＩＮを除いた全セルの平均をセル異常判定基準値Ｖｍａとして、これと各セルの電圧の偏差が所定のしきい値を越えた場合を異常と判断することにより、他の多数のセルよりも相対的に電圧低下量が大きいものの異常ではないセルが誤って異常と判断されることが回避され、また、容量調整放電回路の故障等により容量調整機能異常となったセルは確実に検出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる組電池の制御装置の構成を示す図である。
【図２】実施例による容量調整の制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】実施例による容量調整の制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】容量調整電圧量と調整容量間の変換テーブルを示す図である。
【図５】容量調整制御による各セルの電圧の推移を示す図である。
【図６】電圧低下量異常がある場合のセルの電圧の推移を示す図である。
【図７】容量調整機能異常がある場合のセルの電圧の推移を示す図である。
【図８】従来例におけるセルの電圧の推移を示す図である。
【図９】従来例において容量調整機能異常がある場合のセルの電圧の推移を示す図である。
【符号の説明】
１０組電池
１２セル
１４容量調整放電回路（放電回路）
１５放電用抵抗
１６トランジスタ
１８セルコントローラ
２０バッテリコントローラ

Claims

複数個のセルを直列に接続して構成し、各セルごとに放電回路を備えた組電池の容量調整方法であって、
所定時間ごとに、
各セルの開放電圧を検出し、
セルの開放電圧の最低電圧値を容量調整目標値とし、
セルの開放電圧の最低電圧値と最高電圧値を除いて求めた平均値をセル異常判定基準値とし、
容量調整目標値とセルの開放電圧とに基づいて調整放電時間を決定し、当該調整放電時間だけ当該セルを放電させることを繰り返すとともに、
前記セル異常判定基準値と開放電圧の差が所定のしきい値を越えるセルを異常であると判断することを特徴とする組電池の容量調整方法。
前記しきい値が前記セル異常判定基準値より低い開放電圧のセルに適用される第１のしきい値であり、前記セル異常判定基準値と開放電圧の差が第１のしきい値を越えたとき当該セルが電圧低下量異常であると判断することを特徴とする請求項１記載の組電池の容量調整方法。
前記しきい値が前記セル異常判定基準値より高い開放電圧のセルに適用される第２のしきい値であり、前記セル異常判定基準値と開放電圧の差が第２のしきい値を越えたとき当該セルが容量調整機能異常であると判断することを特徴とする請求項１または２記載の組電池の容量調整方法。
セルが異常であると判断されたときは、当該異常のセルを除くセルの開放電圧の最低電圧値を次回の容量調整目標値とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の組電池の容量調整方法。