JP3709766B2 - 組電池の容量調整方法 - Google Patents
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Description
【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 (4)
- 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。
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