JP3767300B2 - 組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池 - Google Patents
組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池に係り、特に、複数個の二次電池を直列に接続した組電池を制御する組電池制御装置、該組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニット及び該モジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車等には、二次電池（単電池）を必要な容量に相当する分だけ複数個直列に接続した組電池が使用されている。このような組電池は、多数の電池を用いるので信頼性を確保することが重要である。すなわち、組電池を構成している二次電池のうちのいずれかが過充電や過放電等になると、その二次電池の機能が低下すると共に組電池全体としての機能も低下することになる。
【０００３】
特に充電中に二次電池の電圧が高くなりすぎると、安全性が損なわれるので、充電器側で所定値以上の電圧が発生しないようにしている。また、組電池を構成する各二次電池には製造時のバラツキがあり、更に、組電池として二次電池を使用した場合、温度分布が均一でないこと等により、充電受入性や放電容量が異なってくる。
【０００４】
このため、放電深度０％（満充電）からの放電容量には各二次電池にバラツキが生じ、組電池としての放電容量が減少する。すなわち、放電時には放電容量の小さくなった二次電池は早く放電を終了して過放電状態となり、この過放電になっている二次電池が他の二次電池の負荷となって、すべての二次電池の放電深度が１００％にならないうちに電圧が低下し、組電池としては放電終了となってしまう。逆に充電時には、放電時に放電深度１００％にならなかった二次電池が先に放電深度０％に達して電圧が上昇し充電が終了してしまうが、放電時に過放電となった二次電池は放電深度０％にならないままで充電が終了するので、各二次電池の放電容量の差が広がる。従って、充放電を繰り返すと過放電となった二次電池は常に充電不足になるので、バラツキが大きくなって組電池全体としての放電容量が減少する。
【０００５】
このように複数個の二次電池を直列に接続した組電池では、箇々の二次電池間にバラツキがあり、組電池全体として放電容量が低下するという問題や特定の二次電池が特に劣化するという問題があり、また過充電や過放電によって発熱する場合がある。
【０００６】
上記問題に対処するため、組電池を構成する箇々の二次電池毎に電圧検出手段を設け、検出した電圧が充電終止電圧になると充電を終了するようにしたものがある。また、組電池を構成する各二次電池毎に並列に電圧検出手段と二次電池を迂回して充電電流を流すためのバイパス回路を設け、検出した電圧が充電終止電圧となった二次電池に対し、その二次電池のバイパス回路に充電電流をバイパスさせるようにしたものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例前者では、組電池を構成する複数個の二次電池うち充電終止電圧に達した二次電池があると充電を停止させるので、過充電になるおそれはなくなるが、各二次電池間の電池電圧のバラツキを解消させることはできない。
【０００８】
また後者の例では、二次電池電圧によってのみ充電電流をバイパスさせているが、実際には、各二次電池で内部抵抗のバラツキがあり、特に充電電流が大きい場合には充電状態が小さくても内部抵抗が大きい二次電池では、その内部抵抗に依存して端子電圧が上昇して充電終止電圧に達し、内部抵抗の小さい電池に対して高い充電状態が得られない。これは内部抵抗の大きい二次電池の充電状態にバラツキを生じさせ、各二次電池が一様に充分に充電されること、すなわち、組電池全体がフル充電されることを阻害する。
【０００９】
このように二次電池間にバラツキが生じた電池を充電する方法として、直列接続された二次電池の充電方法が従来例として知られている。この充電方法によれば、直列に接続された各二次電池の電池電圧を検討する手段を持ち、二次電池を迂回して充電電流を供給するためのバイパス回路が形成され、迂回された二次電池には充電電流が流れず、バイパス回路を介して他の二次電池に対して充電がなされる。
【００１０】
しかしながら上記方法においては、充電停止電圧に達した時点で充電が箇々に停止するため、直列接続された電池間で充電停止の時間が異なってくる。また、内部抵抗の高い二次電池は、早く充電停止電圧に達するので、充電が早く停止され、満充電にならない場合も考えられる。
【００１１】
本発明は上記問題点に着目し、組電池を構成する二次電池を効率よく均等に充放電させると共に、過充電や過放電から確実に二次電池を保護することができる組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数個の二次電池を直列に接続した組電池を制御する組電池制御装置において、前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記複数個の二次電池の各々に並列に接続されたバイパス回路と、前記組電池制御装置の外部から通知される前記組電池の充放電状態情報及び前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、休止時に、該各々の電池電圧の電圧差が小さくなるように、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、を備え、前記容量調整手段は、放電末期に前記二次電池の中で最も低い電池電圧を基準に前記二次電池について該最も低い電池電圧までの放電可能な放電容量を調整容量として個々に演算しておき、休止後の次の充電時に、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量を前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々について調整することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の態様では、複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、これらの二次電池の各々に並列に接続されたバイパス回路と、バイパス回路のスイッチをオン状態として二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、を備えている。容量調整手段は、放電末期に二次電池の中で最も低い電池電圧を基準に二次電池の個々について該最も低い電池電圧までの放電可能な放電容量を調整容量として演算しておき、組電池制御装置の外部から通知される組電池の充放電状態情報及び電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、休止時に、該各々の電池電圧の電圧差が小さくなるように、二次電池の各々の容量調整を行い、休止後の次の充電時に、二次電池の個々について演算した調整容量から休止時に二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量をバイパス回路のスイッチをオン状態として二次電池の各々について調整する。本態様によれば、複数個の二次電池の内部抵抗及び充電時の充電電流の違いにより生ずる休止時の複数個の二次電池の電圧差（開放電圧差）が小さくなるように容量調整手段で調整するので、複数個の二次電池の電池電圧を均等にすることができると共に、放電末期電圧から演算した調整容量から休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる。
【００１４】
この場合において、前記容量調整手段による休止時の容量調整を、前記電圧差が予め設定された設定値を越えたときに、該電圧差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗に放電させて調整するようにすれば、二次電池の充電容量の消費を節約することができる。また、前記容量調整手段は、放電終止時に前記二次電池の中で最初に放電終止電圧に到達した電池電圧を基準に前記二次電池について該放電終止電圧までの放電可能な放電容量を前記調整容量として個々に演算するようにしてもよい。前記容量調整手段による充電時の容量調整は、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量に相当する充電電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することが好ましい。前記容量調整手段が、更に、充電末期に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧と、該充電末期の各々の電池電圧のうち最も小さい電池電圧との電圧差を演算し、該演算した電圧差と予め設定された設定値との差を演算して、該電圧差と設定値との差が正となる二次電池について、当該差に相当する容量を、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行うようにすれば、充電時に最も大きくなる各二次電池間の電圧差が小さくなるので、前記複数個の二次電池の電池電圧を更に均等にすることができる。前記容量調整手段による充電末期の容量調整は、前記電圧差と前記設定値との差が正となる二次電池にいて、当該差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することが好ましい。また、前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧が予め設定された設定電圧値を越えたときに、前記組電池の充放電を遮断するための遮断信号出力手段を更に備えるようにすれば、各々の電池電圧に異常がある場合や過充電、過放電の場合に充放電を遮断することができるようになるので、各二次電池の劣化を防止することができ、ひいては、組電池全体としての放電容量低下を防止することができる。更に、前記組電池の組電池電圧を検出する組電池電圧検出手段及び前記複数個の二次電池のうち少なくとも１個の二次電池の電池温度を検出する電池温度検出手段の少なくともいずれか一方を更に備え、前記遮断信号出力手段は前記組電池電圧及び前記電池温度の少なくともいずれか一方がそれぞれ予め設定された設定値を越えたときに、前記遮断信号を出力するようにすれば、組電池電圧に電圧異常がある場合や二次電池に温度異常がある場合に各二次電池及び組電池全体の性能を劣化させることなく、かつ、安全に充放電を行うことができるようになる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、上記第１態様の組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニットであり、上述したように前記組電池制御装置は組電池を効率よく均等に充放電でき、異常状態、過充電や過放電から二次電池を保護することができるので、優れたモジュール電池ユニットを実現することができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第２の態様のモジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池であり、前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を備え、該状態検出手段で検出したモジュール電池の充放電状態を前記充放電状態情報として前記組電池制御装置の各々に通知する。本態様のモジュール電池は、モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を備えている。状態検出手段は検出したモジュール電池の充放電状態を充放電状態情報として組電池制御装置の各々に通知する。本態様によれば、複数個のモジュール電池ユニットは直列に接続されていることから、充放電状態を検出する状態検出手段はモジュール電池に少なくとも１つあればよいので、状態検出手段が各組電池制御装置に充放電状態情報を通知すれば、各組電池制御装置が充放電状態を検出する必要がないので、各組電池制御装置を簡素化することができる。
【００１７】
この場合において、上述したようにモジュール電池は複数個のモジュール電池ユニットが直列に接続されているので、モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を少なくとも１つ備えれば、遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときにモジュール電池の充放電を遮断することができる。従って、モジュール電池ユニットのうちいずれか一つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置に、モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を更に有し、該状態検出手段で検出した充放電状態を前記充放電状態情報として他の組電池制御装置に通知し、モジュール電池ユニットのうち少なくともいずれか１つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置は、遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときにモジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を有するようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用されるモジュール電池の実施の形態について説明する。
【００２０】
（構成）
図１に示すように、本実施形態のモジュール電池１００は、複数のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍが直列に接続されたモジュール電池ユニット部と、モジュール電池１００全体を制御する上位制御マイクロコンピュータ（以下、上位制御マイコンという。）１０１と、最上位のモジュール電池ユニット１０に直列に接続されモジュール電池１００の充放電状態を検出する充放電電流検出回路１０２と、充放電電流検出回路１００に直列に接続され充放電電流を遮断するための遮断スイッチ１０３と、で構成されている。
【００２１】
上位制御マイコン１０１は演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ及び外部との入出力信号のポートとなる入出力インターフェース等を含んで構成されている。
【００２２】
充放電電流検出回路１０２は、シャント（分路）抵抗をセンサとして充放電電流を電圧値として計測する電流センサを内蔵し、電流センサで計測したシャント抵抗両端の電圧値を電流値に変換して、上位制御マイコン１０１に接続された信号線により、モジュール電池ユニット部が充電中の場合にはデフォルト値−１を、放電中の場合にはデフォルト値１を、休止中（充電休止中又は放電休止中）の場合にはデフォルト値０を、それぞれ上位制御マイコン１０１へ出力する。遮断スイッチ１０３には、ＦＥＴ、リレー等を用いることができ、上位制御マイコン１０１に接続された信号線により上位制御マイコン１０１からの遮断制御信号に従って、スイッチをオン（ハイレベル信号のとき）又はオフ（ローレベル信号のとき）することができると共に、モジュール電池１００の充電完了後の使用等に備えてスイッチをオフからオンに手動で解除できる構成となっている。
【００２３】
上位制御マイコン１０１と各モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍとには、上述したモジュール電池１００が充電、放電又は休止中を表す状態値（デフォルト値）を出力する信号線及び各モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍ内の各二次電池が後述する異常事態に陥ったときに上位制御マイコン１０１に異常事態を通知するための信号線で接続されている。遮断スイッチ１０３はプラス外部出力端子に接続されており、最下位のモジュール電池ユニット１ｍのマイナス側はマイナス外部出力端子に接続されている。従って、モジュール電池１００は、例えば、プラス外部出力端子に図示しないフューズ等を介して、負荷又は充電器に接続可能な構成とされている。
【００２４】
図２に示すように、モジュール電池ユニット１０は、複数の二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎが直列に接続された組電池Ｂとこの組電池Ｂを制御する組電池制御装置５とで構成されている。
【００２５】
組電池制御装置５はマイコン１を備えている。マイコン１は、上述した上位制御マイコン１０１と同様の構成とされており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェース等を含んで構成されている。なお、ＲＯＭには後述する種々の設定値等も格納されている。
【００２６】
また、組電池制御装置５は、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの表面に接触して配置され、各二次電池の温度を計測するサーミスタ７１、７２、・・・７ｎを有している。サーミスタ７１、７２、・・・７ｎは、これらのサーミスタで計測した抵抗（電圧）値を温度値に変換してマイコン１へ出力する電池温度検出回路３に各々接続されている。
【００２７】
更に、組電池制御装置５は、各二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出回路２を備えている。図３に示すように、この電池電圧検出回路２はオペアンプＩＣ１と抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５とで構成された作動増幅回路を二次電池の個数と同数個有して構成されている。各作動増幅回路のオペアンプＩＣ１の正相入力端子は抵抗Ｒ１２を介して各二次電池のプラス端子に、逆相入力端子は抵抗Ｒ１１を介して各二次電池のマイナス端子にそれぞれ接続されており、出力端子はマイコン１に接続されている。従って、二次電池Ｂ１を例にとれば、オペアンプＩＣ１の出力端子から出力される電圧は、二次電池Ｂ１の電位Ｖ１と二次電池Ｂ２の電位Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち、二次電池Ｂ１の電圧となる。
【００２８】
また、図２に示すように、組電池制御装置５は、二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎと各々並列に接続され、各二次電池の電池容量を調整し同一回路構成の容量調整回路６１、６２、・・・６ｎを備えている。図４に示すように、例えば、容量調整回路６１はＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１、ＮＰＮ型トランジスタＱ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ６で構成されており、ＦＥＴＱ１のドレインは抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｂ１のプラス端子に、ソースは二次電池Ｂ１のマイナス端子に、トランジスタＱ２のベースは抵抗４を介してマイコン１に、それぞれ接続されている。従って、容量調整回路６１はマイコン１から所定電圧の微少電流（調整信号）が出力されると、ＦＥＴＱ１のゲートに電流が流れるので、ＦＥＴＱ１のドレインからソースに向けて電流が流れる回路構成である。
【００２９】
更に、組電池制御装置５は、図２に示すように、モジュール電池ユニット１０の電圧値を検出してマイコン１へ出力する組電池電圧検出手段の一部としてのユニット電圧検出回路４を備えている。このユニット電圧検出回路４は、抵抗及びオペアンプで構成された作動増幅器、フィルタ用の抵抗及びコンデンサ並びに電圧を検出するための検出抵抗等で構成されている。
【００３０】
（動作）
次に、フローチャート及び作用説明回路図を参照して、本実施形態のモジュール電池１００の動作について説明する。マイコン１に電源が投入されると、マイコン１のＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムに従って、ＲＡＭのワークエリアを初期化しＲＯＭに格納された各種の設定値を読み出してＲＡＭに移行する初期処理を行い、図５に示すモジュール電池ユニット制御処理ルーチンの実行を開始する。
【００３１】
図５のステップ１００では、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎを電圧異常等から保護するために図６に示す保護処理サブルーチンを実行する。まず、ステップ１０２でユニット電圧検出回路４から出力される組電池電圧値を取り込んで、次のステップ１０４において、取り込んだ組電池電圧値がＲＯＭからＲＡＭワークエリア内に移行された組電池電圧上限設定値よりも大きいか否か、組電池電圧値が組電池電圧下限設定値より小さいか否か、及びセルショート等を検出するために、前回（図７のステップ２７２参照）ＲＡＭに格納した電圧値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された電圧設定値）と今回検出した電圧値との時間当たりの電圧変化量ΔＶ／Δｔを演算し、演算した電圧変化量ΔＶ／Δｔの絶対値が電圧変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、組電池の電圧に異常があるか否かを判断する。従って、ステップ１０４では、上限、下限及び電圧変化量ΔＶ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、モジュール電池ユニット全体の電圧には異常がないので、次のステップ１０６において電池温度検出回路３から出力される各二次電池の各温度値を取り込む。
【００３２】
次にステップ１０８では、取り込んだ各温度値が電池温度上限設定値よりも大いか否か、各温度値が電池温度下限設定値より小さいか否か、及び急激な温度上昇を検出するために、前回（図２７４のステップ２７４参照）ＲＡＭに格納した各温度値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された温度設定値）と今回検出した各温度値との時間当たりの温度変化量ΔＴ／Δｔを演算し、演算した温度変化量ΔＴ／Δｔの絶対値が温度変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、各二次電池に温度異常があるか否かを判断する。従って、本ステップでは、上限、下限及び温度変化量ΔＴ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、全ての二次電池に温度異常がないので、次のステップ１１０で電池電圧検出回路２から出力される各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの各電池電圧ＶＢを取り込んでＲＡＭに格納し、ステップ１１２において、取り込んだ各電池電圧ＶＢが二次電池上限電圧設定値よりも大いか否か及び二次電池下限電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、各二次電池に電圧異常があるか否かを判断する。
【００３３】
否定判断の場合には、全部の二次電池の電池電圧に電圧異常がないので、次のステップ１１４において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各電池電圧ＶＢが過充電設定値よりも大きいか否かを判断することにより、各二次電池が過充電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、いずれの二次電池も過充電状態にはないので、次のステップ１１６において、各電池電圧ＶＢが過放電設定値よりも小さいか否かを判断することにより、各二次電池が過放電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、各二次電池保護に必要なモジュール電圧、電池温度、各二次電池電圧に異常がなく、かつ、各二次電池は過充電又は過放電状態にはないので、次のステップ１１８において、上位制御マイコン１０１にローレベルの２値出力信号を出力して、保護処理サブルーチンを終了して図５のステップ２００へ進む。
【００３４】
一方、上位制御マイコン１０１でも電源が投入されると、上位制御マイコン１０１のＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムに従って、ＲＡＭのワークエリアを初期化しＲＯＭに格納された設定値（デフォルト値）等を読み出してＲＡＭに移行する初期処理を行い、図１１に示すモジュール電池制御処理ルーチンの実行を開始している。上位制御マイコン１０１は、ステップ３０２において、いずれかのモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍのマイコン１からハイレベル信号が出力されたか否かを判断し、否定判断されたとき、すなわち、モジュール電池１００内の全ての二次電池に異常がないときには、ステップ３０４で遮断スイッチ１０３にハイレベル信号を出力する。これにより、遮断スイッチ１０３がオフのときはオンとなり遮断状態が解除され、遮断スイッチ１０３がオンのときはオンが維持されるので、モジュール電池１００は電源として使用可能状態となるか、使用可能状態が維持される。
【００３５】
次に、図６のステップ１０４、１０８、１１２、１１４、１１６で肯定判断された場合には、組電池電圧、各二次電池温度、各二次電池電圧のいずれかに異常があるか、又は、過充電、過放電状態にあるので、ステップ１２０において上位制御マイコン１０１にハイレベル信号を出力して保護処理サブルーチンを終了しステップ２００へ進む。なお、ステップ１０８、１１２、１１４、１１６では一つの二次電池でも異常と判断された場合には、全ての二次電池を保護するためにステップ１２０へ進む。
【００３６】
このハイレベル信号の出力により、図１１に示したステップ３０２での判断は肯定される。従って、上位制御マイコン１０１は、次のステップ３０６において、遮断スイッチ１０３にローレベル信号を出力して、ステップ３０２へ戻る。これにより、遮断スイッチ１０３はオフ（遮断状態）となり、モジュール電池１００は電源として一次使用不能状態となる。上述したように、遮断スイッチ１０３は手動でも解除できるので、モジュール電池１００の使用者は、モジュール電池１００を点検して異常がなければ、再度使用可能状態へ移行させることができる。なお、再度異常が生じた場合には、どのモジュール電池ユニットが問題となっているのか、また、対象となる二次電池はどれか、更に、その理由は上述した電圧、温度、過充電、過放電のどの理由か等を上位制御マイコン１０１と通信（対話）可能な点検冶具を有するサービスステーションで確認することができる。
【００３７】
また、図１１に示すように、モジュール電池制御処理ルーチンでは、充放電電流検出回路１０２から出力されるデフォルト値を取り込んで、ステップ３０８において放電中か否かを判断して肯定判断のときは次のステップ３１０でモジュール電池ユニット１０、１１・・・１ｍの各マイコン１に放電状態を表すデフォルト値１を出力し、ステップ３０８の判断が否定のときは次のステップ３１２において充電中か否かを判断して肯定判断のときはステップ３１４で各マイコン１に充電状態を表すデフォルト値−１を出力し、ステップ３１２で否定判断されたときは各マイコン１に休止中を表すデフォルト値０を出力して、ステップ３０２へ戻る。このため、各マイコン１は常時モジュール電池１００が充電中か、放電中か、又は休止中かの充放電状態情報を上位制御マイコン１０１から通知される。
【００３８】
次に、図５のステップ２００では、通知された組電池の充放電状態に応じて各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの容量を調整するために、図７に示す容量調整処理サブルーチンが実行される。
【００３９】
図７のステップ２０２では、上位制御マイコン１０１から出力されるデフォルト値を取り込んでＲＡＭに格納し、このデフォルト値が１であるか否かを判断することにより、モジュール電池ユニットが放電中か否かを判断する。肯定判断の場合には、次のステップ２０４において、各二次電池の電池電圧ＶＢが放電終止電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、放電を終止させるか否かを判断する。否定判断の場合には、次のステップ２７２へ進む。これにより、各モジュール電池ユニットは放電状態を続行することとなる。一方、ステップ２０４で肯定判断された場合には、過放電による二次電池の性能劣化を防止すると共に、後述する充電時の調整容量補正の基礎値を算出ために次のステップ２１０へ進む。
【００４０】
ステップ２１０では、図８に示す放電終止処理サブルーチンが実行される。この放電終止処理サブルーチンでは、ステップ２１２において上位制御マイコン１０１にハイレベル信号を出力する。これにより、上位制御マイコン１０１は遮断スイッチ１０３に遮断信号（ローレベル信号）を出力するので、遮断スイッチ１０３はオフとなる。次のステップ２１４では各二次電池の電池電圧ＶＢを検出する。次にステップ２１６では、各二次電池の電池電圧ＶＢの中で最も低い電池電圧（放電終止電圧に最初に達した電池電圧）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を個々に演算し、次のステップ２１８において演算結果をＲＡＭの所定領域に格納して放電終止処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００４１】
一方、図７のステップ２０２で否定判断された場合には、次のステップ２０６において、ステップ２０２でＲＡＭに格納したデフォルト値が−１であるか否かを判断することによって、充電中か否かを判断する。否定判断の場合には、放電中でも充電中でもないので、休止時（放電休止時又は充電休止時）と判定して、次のステップ２２０に進む。一方、肯定判断の場合には、ステップ２０８において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各二次電池の電池電圧ＶＢを読み出して、各二次電池の電池電圧ＶＢがＲＡＭに移行した充電末期電圧設定値より大きいか否かを判断することにより、充電末期か否かを判断する。肯定判断の場合にはステップ２０６で否定判断された場合と同様、次のステップ２２０おいて図９に示す容量調整Ａ処理サブルーチンを実行する。
【００４２】
図９のステップ２２２では、各二次電池の電池電圧ＶＢを読み出して最も小さい電池電圧をＶｍｉｎとして、各二次電池の電池電圧ＶＢからＶｍｉｎを減じた電圧差ＶＤを演算し（ＶＤ＝ＶＢ−Ｖｍｉｎ）、次のステップ２２４で各電圧差ＶＤからＲＡＭに移行した電圧差設定値を読み出して両者の差Ｄ＝電圧差ＶＤ−（電圧差設定値）を演算する。
【００４３】
次のステップ２２６では、差Ｄが正の各二次電池についてのみ次に説明する調整容量Ｑ（又はＱ’）を演算して演算結果の調整容量Ｑ’のみＲＡＭに格納し、次のステップ２２８でこの調整容量Ｑ（又はＱ’）に対応する調整時間ｔ（又はｔ’）を演算して、ステップ２３０において調整が必要な二次電池に並列に接続された容量調整回路６に調整信号の出力を開始する。
【００４４】
これにより、容量調整回路６は容量調整を開始するが、この容量調整回路６による容量調整は充電末期（後述する充電時も同じ）と充電休止時又は放電休止時とでは異なる態様を採る。すなわち、充電末期に、例えば、図４に示した容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、図１２（Ａ）に示すように、二次電池Ｂ１には充電電流Ｉが流れており、ＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１がオンとなると、電流Ｉａがドレインからソースへ向けて流れる。これによって、二次電池Ｂ１には電流（Ｉ−Ｉａ）が流れることになり、電流Ｉａに相当する充電量が調整される。電流Ｉａは抵抗Ｒ１によって決まり、調整される調整容量Ｑは電流Ｉａと調整時間ｔとの積となる。一方、充電休止時又は放電休止時に容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、図１２（Ｂ）に示すように、ＦＥＴＱ１がオンとなると、図１２（Ａ）の場合とは異なって二次電池Ｂ１には充電電流が流れておらず、二次電池Ｂ１、抵抗Ｒ１、ＦＥＴＱ１で構成される閉回路において二次電池Ｂ１は放電状態となる。このとき、閉回路を流れる電流をＩｂとし二次電池Ｂ１の内部抵抗を無視すると、抵抗Ｒ１の抵抗値は既知であるので、電流Ｉｂは二次電池Ｂ１の電池電圧ＶＢによって決まり、調整される調整容量Ｑ’は電流Ｉｂと調整時間ｔ’との積となる。
【００４５】
ステップ２３２では、ステップ２２８で演算した調整時間ｔ（又はｔ’）が経過したか否かを判断する。この調整時間ｔ（又はｔ’）はマイコン１の図示しない内部時計により計測することができる。肯定判断の場合には、次のステップ２３３で該当二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。これにより、例えば、図４（又は図１２）に示したＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１のドレイン、ソース間には電流Ｉａ（又はＩｂ）が流れなくなるので、容量調整回路６１による二次電池Ｂ１の容量調整は終了する。
【００４６】
次のステップ２３４では、ＲＡＭに格納したデフォルト値（０）とそのデフォルト値（０）をとる前のデフォルト値（１又は−１）を読み出して充放電休止時か否かを判断し、否定判断のときはステップ２３６へ進み、肯定判断のときは、次のステップ２３５において、ステップ２２８でＲＡＭに格納した調整容量Ｑ’を読み出して今回の充放電休止中に調整した調整容量Ｑ’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納する。従って、充放電休止時の場合のみ調整した容量分をＲＡＭに格納することとなる。次にステップ２３６では、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断する。肯定判断の場合には、他に調整が必要な二次電池を継続して容量調整を行うために、ステップ２３０へ戻り、否定判断の場合には容量調整Ａ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００４７】
一方、ステップ２３２において否定判断された場合には、ステップ２３８で充電末期か否かを判断して、肯定判断のときは充電を完了させるためにステップ２３０へ戻り、否定判断のときは次のステップ２４０において上位制御マイコン１０１から出力されるデフォルト値を取り込んでデフォルト値が１（放電）又は−１（充電）か否かを判断することにより、充電休止状態又は放電休止状態が強制的に終了させられたか否かを判断する。否定判断（デフォルト値０）のときは、休止状態が継続しているので、ステップ２３０へ戻り容量調整を続行し、肯定判断のときには、次のステップ２４２において、全ての二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次のステップ２４４では、調整した時間ｔ’’から各二次電池について調整済の容量Ｑ’’を逆算して演算し、ステップ２４６において今回の休止中に調整した容量分Ｑ’’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納して容量調整Ａ処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００４８】
次に、図７のステップ２０８で否定判断された場合には、ステップ２５０へ進み、図１０に示す容量調整Ｂ処理サブルーチンを実行する。ステップ２５２では、調整容量の補正を実行する。この調整容量の補正は、ステップ２１８でＲＡＭに格納した放電末期電圧より演算した調整容量からステップ２３５又はステップ２４６でＲＡＭに格納した充放電休止時に既に調整済の累計調整容量分を差し引くことによって行なわれる。次のステップ２５４では補正後の調整容量がＲＡＭに移行した調整容量設定値より大きいか否かを判断することによって容量調整が必要か否かを判断し、否定判断のときは、容量調整が不要と判定して容量調整Ｂ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進み、肯定判断のときは、ステップ２５６において調整時間を演算して、ステップ２６０で調整時間が経過するまでステップ２５８において調整信号を該当する容量調整回路６へ出力し続ける。これにより該当する二次電池の容量調整が充放電休止後の次の充電時に実行されることとなる。なお、ステップ２５６では、次回の補正に備えるために、調整時間を演算した後にＲＡＭに格納されている累計調整量をクリアして０とする。
【００４９】
次のステップ２６２では、該当二次電池の容量調整を解除するためにその二次電池の容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次にステップ２６４で、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断して必要がある場合には容量調整を続行して、調整が必要な最後の二次電池の調整時間が経過すると容量調整処理Ｂサブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００５０】
次に、図７のステップ２７２では、上述したステップ１０４での電圧変化量ΔＶ／Δｔの演算を可能とするために、モジュール電圧を取り込みＲＡＭに格納し、次のステップ２７４において、上述したステップ１０８での温度変化量の演算を可能とするために、各二次電池の各温度値を取り込みＲＡＭに格納して、ステップ１００へ戻る。
【００５１】
（試験・評価）
次に、以上の実施形態に従って、８個の二次電池Ｂ１、Ｂ２・・・Ｂ８を直列に接続したモジュール電池ユニット１０、１１、１ｍを有するモジュール電池１００の実施例と、実施例の効果を確認するために同じく８個の二次電池を直列に接続した従来例の（本実施形態の組電池制御装置を備えない）モジュール電池ユニットを４個備えた比較例のモジュール電池とを作製し、充放電を行い放電終止電圧を測定して本実施形態のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍの効果を確認した。なお、本実施例のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍでは故意に電圧にバラツキを設けた二次電池を使用した。
【００５２】
実施例及び比較例のモジュール電池のうち最も温度・電圧等の影響を受けやすい最上位のモジュール電池ユニット１０及び対応する最上位の比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果をそれぞれ図１３、図１４に示す。なお、実施例、比較例共に他のモジュール電池ユニットでも同様の結果であった。
【００５３】
図１３に示すように、本実施例のモジュール電池ユニット１０では、初期、二次電池（セル１〜セル８）間に電圧差があったが容量調整回路６１〜６８による容量調整により電圧差が少なくなっており、途中、差が生じた場合にも容量調整がされ約５０ｍＶ以内におさまろうとしている。
【００５４】
これに対し比較例のモジュール電池ユニットでは、図１４に示すように、初期、ほぼ電圧が一致していたが、サイクルが進むにつれて電圧差が増加しているので、本実施例のモジュール電池ユニット１０のユニット電池制御装置により直列に接続された二次電池が均等に調整されていることがわかる。従って、本実施例のようなモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍを複数個直列に接続したモジュール電池１００の各二次電池の電圧は均等に調整される。
【００５５】
（作用等）
本実施形態では、容量調整Ａ処理サブルーチンで、充電末期にユニット電圧検出回路４で検出された各二次電池の電池電圧が設定値を越えてバラツキがあるときに容量調整回路６で充電電流をバイパスさせる（図１２（Ａ）参照）と共に、充放電休止時に二次電池箇々の内部抵抗、充電電流の違いにより生じた開放電圧のバラツキを容量調整回路６で開放電圧の高い二次電池を放電させ各二次電池の電池電圧をバランスさせるので（図１２（Ｂ）参照）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。また、設定値以上バラツキがあるときに容量調整を行うので、各二次電池に充電された容量の消費を節約することができる。
【００５６】
また、放電終止処理サブルーチンで、放電終止時に検出した箇々の二次電池の電池電圧の中で最も低い電圧の二次電池（放電終止電圧に最初に達した二次電池）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を箇々に算出して（ステップ２１６）、容量調整Ｂ処理サブルーチンで、充電中に箇々の二次電池の容量を、次の充電時、充電電流をバイパスさせ容量調整を行うので（ステップ２５８、２６０）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。
【００５７】
更に、容量調整Ｂ処理サブルーチンでは、放電末期電圧から演算した調整容量より放電休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので（ステップ２５２）、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる。
【００５８】
また、保護処理サブルーチンで、組電池の電圧、各二次電池の温度、各二次電池の電圧の異常、及び、過充電又は過放電を検出すると、遮断信号を上位制御マイコン１０１に出力してモジュール電池１００の充放電を停止させるようにしたので、二次電池の性能を劣化させることなく保護することができる。
【００５９】
従って、本実施形態のモジュール電池１００の各組電池制御装置５は、各二次電池を効率よく均等に充放電させることができ、このことは実施例の評価からも明らかである。
【００６０】
また、充放電電流検出回路１０２及び遮断スイッチ１０３は、モジュール電池１００に１つあればよいので、これらを上位制御マイコン１０１を介して制御させ、各マイコン１とは通信可能としたので、モジュール電池ユニット１０、１１・・・１ｍを簡素化することができると共に、モジュール電池１００の小型化を図ることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では上位制御マイコン１０１を使用したが、上位制御マイコン１０１に代えていずれか一つのモジュール電池ユニット内に、又は、モジュール電池ユニットと直列に充放電電流検出回路を設けマイコン１に上位制御マイコン１０１が行う充放電状態の検出を実行させ、他のモジュール電池ユニットのマイコンに充放電状態情報（デフォルト値）を通知させるようにしてもよい。また、モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍは直列に接続されているので、いずれか１つのモジュール電池ユニット内に遮断スイッチ１０３を内蔵させるか又は直列に接続して、このモジュール電池ユニットのマイコン１に上位制御マイコン１０１が行う遮断スイッチ１０３への遮断信号の出力を行わせるようにしてもよい。この遮断スイッチ１０３を制御するマイコン１は、マイコンの負荷を少なくするために上述したモジュール電池ユニット１０のマイコン１以外のマイコンとすることが好ましい。このようにすれば、上位制御マイコン１０１は不要になるので、モジュール電池１００を更に小型化することができる。
【００６２】
また、本実施形態のモジュール電池ユニット１０では、全ての二次電池を保護するために、サーミスタ７を各二次電池に接触させて配置したが、このサーミスタ７は、例えば、二次電池１個おきに配置する等任意の二次電池に対して少なくとも１個以上あればよい。この場合には二次電池保護の観点からは劣ることとなるが、コストを節約することができるという利点がある。また、本実施形態ではサーミスタ７を温度センサとして使用した例について説明したが、サーミスタ以外に温度センサとして機能する種々のセンサを使用することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、図３に示した電池電圧検出回路２を複数個備えた例について説明したが、スイッチ等により切り換えて、１つの差動増幅回路により各二次電池の電池電圧を検出するようにしてもよい。
【００６４】
更に、本実施形態では、図４に容量調整手段としての容量調整回路６１の例を示したが、図４に示した回路構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の回路構成が可能であることは当業者にとって明らかである。
【００６５】
また、本実施形態では、状態検出手段としてシャント抵抗及び充放電電流検出回路１０２を例示したが、充放電状態の検出ができる他の種々のセンシング回路を構成することができることも当業者にとって明らかである。更に、本実施形態の充放電電流検出回路１０２では説明を簡単にするためにデフォルト値により説明したが、このようなデフォルト値に本発明が限定されるものではない。なお、シャント抵抗からの両端電圧にはノイズ等による誤差が生ずる場合があるので、この誤差が考慮された充放電電流検出回路とすることが好ましい。
【００６６】
更に、本実施形態では、図１に示したように、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１とを信号線で接続した例を示したが、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１との通信を行うための通信線を、例えば、上位制御マイコン１０１−モジュールユニット１０−モジュールユニット１１−・・・モジュールユニット１ｍ−上位制御マイコン１０１の順にループ状に接続するようにしてもよい。このようにすれば、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１との間の配線を少なくすることができると共に配線の長さも短くすることができるので、ノイズを拾う可能性が減少すると共に配線引き回しが容易となる。またこの場合には、各モジュールユニットと上位制御マイコン１０１との間では通信線を介して各モジュールユニットへの充放電状態の通知や上位制御マイコンへの異常状態の報知が通信によって行われる。従って、充放電状態の通知や異常信号の出力は通信によって行うようにしてもよい。
【００６７】
そして、本実施形態のフローチャートでは、マイコン１及び上位制御マイコン１０１による制御の一形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、上述した特許請求の範囲内で種々の変形適用が可能であることも論を待たない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の二次電池の内部抵抗及び充電時の充電電流の違いにより生ずる休止時の複数個の二次電池の電圧差が小さくなるように容量調整手段で調整するので、複数個の二次電池の電池電圧を均等にすることができると共に、放電末期電圧から演算した調整容量から休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のモジュール電池の概略ブロック回路図である。
【図２】実施形態のモジュール電池のモジュール電池ユニットのブロック回路図である。
【図３】実施形態の組電池制御装置の電池電圧検出回路を示す回路図である。
【図４】実施形態の組電池制御装置の容量調整回路を示す回路図である。
【図５】実施形態の組電池制御装置のモジュール電池ユニット制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】モジュール電池ユニット制御処理ルーチンの保護処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図７】モジュール電池ユニット制御処理ルーチンの容量調整処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図８】容量調整処理サブルーチンにおける放電終止処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図９】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ａ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図１０】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ｂ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図１１】上位制御マイコンのモジュール電池制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】（Ａ）は充電時の容量調整回路の容量調整の作用を示す作用説明回路図であり、（Ｂ）は充放電休止時の容量調整回路の容量調整の作用を示す作用説明回路図である。
【図１３】本実施形態を適用した実施例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示すグラフである。
【図１４】比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ マイコン（電池温度検出手段の一部、組電池電圧検出手段の一部、容量調整手段、遮断信号出力手段）
２ 電池電圧検出回路（電池電圧検出手段の一部）
３ 電池温度検出回路（電池温度検出手段の一部）
４ ユニット電圧検出回路（組電池電圧検出手段の一部）
５ 組電池制御装置
１０、１１、１ｍ モジュール電池ユニット
６１、６２、６ｎ 容量調整回路（バイパス回路）
７１、７２、７ｎ サーミスタ（電池温度検出手段の一部）
１００ モジュール電池
１０１ 上位制御マイコン（状態検出手段の一部、遮断手段の一部）
１０２ 充放電電流検出回路（状態検出手段の一部）
１０３ 遮断スイッチ（遮断手段の一部）
Ｂ１、Ｂ２、Ｂｎ 二次電池
【発明の属する技術分野】
本発明は組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池に係り、特に、複数個の二次電池を直列に接続した組電池を制御する組電池制御装置、該組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニット及び該モジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車等には、二次電池（単電池）を必要な容量に相当する分だけ複数個直列に接続した組電池が使用されている。このような組電池は、多数の電池を用いるので信頼性を確保することが重要である。すなわち、組電池を構成している二次電池のうちのいずれかが過充電や過放電等になると、その二次電池の機能が低下すると共に組電池全体としての機能も低下することになる。
【０００３】
特に充電中に二次電池の電圧が高くなりすぎると、安全性が損なわれるので、充電器側で所定値以上の電圧が発生しないようにしている。また、組電池を構成する各二次電池には製造時のバラツキがあり、更に、組電池として二次電池を使用した場合、温度分布が均一でないこと等により、充電受入性や放電容量が異なってくる。
【０００４】
このため、放電深度０％（満充電）からの放電容量には各二次電池にバラツキが生じ、組電池としての放電容量が減少する。すなわち、放電時には放電容量の小さくなった二次電池は早く放電を終了して過放電状態となり、この過放電になっている二次電池が他の二次電池の負荷となって、すべての二次電池の放電深度が１００％にならないうちに電圧が低下し、組電池としては放電終了となってしまう。逆に充電時には、放電時に放電深度１００％にならなかった二次電池が先に放電深度０％に達して電圧が上昇し充電が終了してしまうが、放電時に過放電となった二次電池は放電深度０％にならないままで充電が終了するので、各二次電池の放電容量の差が広がる。従って、充放電を繰り返すと過放電となった二次電池は常に充電不足になるので、バラツキが大きくなって組電池全体としての放電容量が減少する。
【０００５】
このように複数個の二次電池を直列に接続した組電池では、箇々の二次電池間にバラツキがあり、組電池全体として放電容量が低下するという問題や特定の二次電池が特に劣化するという問題があり、また過充電や過放電によって発熱する場合がある。
【０００６】
上記問題に対処するため、組電池を構成する箇々の二次電池毎に電圧検出手段を設け、検出した電圧が充電終止電圧になると充電を終了するようにしたものがある。また、組電池を構成する各二次電池毎に並列に電圧検出手段と二次電池を迂回して充電電流を流すためのバイパス回路を設け、検出した電圧が充電終止電圧となった二次電池に対し、その二次電池のバイパス回路に充電電流をバイパスさせるようにしたものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例前者では、組電池を構成する複数個の二次電池うち充電終止電圧に達した二次電池があると充電を停止させるので、過充電になるおそれはなくなるが、各二次電池間の電池電圧のバラツキを解消させることはできない。
【０００８】
また後者の例では、二次電池電圧によってのみ充電電流をバイパスさせているが、実際には、各二次電池で内部抵抗のバラツキがあり、特に充電電流が大きい場合には充電状態が小さくても内部抵抗が大きい二次電池では、その内部抵抗に依存して端子電圧が上昇して充電終止電圧に達し、内部抵抗の小さい電池に対して高い充電状態が得られない。これは内部抵抗の大きい二次電池の充電状態にバラツキを生じさせ、各二次電池が一様に充分に充電されること、すなわち、組電池全体がフル充電されることを阻害する。
【０００９】
このように二次電池間にバラツキが生じた電池を充電する方法として、直列接続された二次電池の充電方法が従来例として知られている。この充電方法によれば、直列に接続された各二次電池の電池電圧を検討する手段を持ち、二次電池を迂回して充電電流を供給するためのバイパス回路が形成され、迂回された二次電池には充電電流が流れず、バイパス回路を介して他の二次電池に対して充電がなされる。
【００１０】
しかしながら上記方法においては、充電停止電圧に達した時点で充電が箇々に停止するため、直列接続された電池間で充電停止の時間が異なってくる。また、内部抵抗の高い二次電池は、早く充電停止電圧に達するので、充電が早く停止され、満充電にならない場合も考えられる。
【００１１】
本発明は上記問題点に着目し、組電池を構成する二次電池を効率よく均等に充放電させると共に、過充電や過放電から確実に二次電池を保護することができる組電池制御装置、モジュール電池ユニット及びモジュール電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数個の二次電池を直列に接続した組電池を制御する組電池制御装置において、前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記複数個の二次電池の各々に並列に接続されたバイパス回路と、前記組電池制御装置の外部から通知される前記組電池の充放電状態情報及び前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、休止時に、該各々の電池電圧の電圧差が小さくなるように、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、を備え、前記容量調整手段は、放電末期に前記二次電池の中で最も低い電池電圧を基準に前記二次電池について該最も低い電池電圧までの放電可能な放電容量を調整容量として個々に演算しておき、休止後の次の充電時に、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量を前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々について調整することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の態様では、複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、これらの二次電池の各々に並列に接続されたバイパス回路と、バイパス回路のスイッチをオン状態として二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、を備えている。容量調整手段は、放電末期に二次電池の中で最も低い電池電圧を基準に二次電池の個々について該最も低い電池電圧までの放電可能な放電容量を調整容量として演算しておき、組電池制御装置の外部から通知される組電池の充放電状態情報及び電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、休止時に、該各々の電池電圧の電圧差が小さくなるように、二次電池の各々の容量調整を行い、休止後の次の充電時に、二次電池の個々について演算した調整容量から休止時に二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量をバイパス回路のスイッチをオン状態として二次電池の各々について調整する。本態様によれば、複数個の二次電池の内部抵抗及び充電時の充電電流の違いにより生ずる休止時の複数個の二次電池の電圧差（開放電圧差）が小さくなるように容量調整手段で調整するので、複数個の二次電池の電池電圧を均等にすることができると共に、放電末期電圧から演算した調整容量から休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる。
【００１４】
この場合において、前記容量調整手段による休止時の容量調整を、前記電圧差が予め設定された設定値を越えたときに、該電圧差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗に放電させて調整するようにすれば、二次電池の充電容量の消費を節約することができる。また、前記容量調整手段は、放電終止時に前記二次電池の中で最初に放電終止電圧に到達した電池電圧を基準に前記二次電池について該放電終止電圧までの放電可能な放電容量を前記調整容量として個々に演算するようにしてもよい。前記容量調整手段による充電時の容量調整は、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量に相当する充電電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することが好ましい。前記容量調整手段が、更に、充電末期に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧と、該充電末期の各々の電池電圧のうち最も小さい電池電圧との電圧差を演算し、該演算した電圧差と予め設定された設定値との差を演算して、該電圧差と設定値との差が正となる二次電池について、当該差に相当する容量を、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行うようにすれば、充電時に最も大きくなる各二次電池間の電圧差が小さくなるので、前記複数個の二次電池の電池電圧を更に均等にすることができる。前記容量調整手段による充電末期の容量調整は、前記電圧差と前記設定値との差が正となる二次電池にいて、当該差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することが好ましい。また、前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧が予め設定された設定電圧値を越えたときに、前記組電池の充放電を遮断するための遮断信号出力手段を更に備えるようにすれば、各々の電池電圧に異常がある場合や過充電、過放電の場合に充放電を遮断することができるようになるので、各二次電池の劣化を防止することができ、ひいては、組電池全体としての放電容量低下を防止することができる。更に、前記組電池の組電池電圧を検出する組電池電圧検出手段及び前記複数個の二次電池のうち少なくとも１個の二次電池の電池温度を検出する電池温度検出手段の少なくともいずれか一方を更に備え、前記遮断信号出力手段は前記組電池電圧及び前記電池温度の少なくともいずれか一方がそれぞれ予め設定された設定値を越えたときに、前記遮断信号を出力するようにすれば、組電池電圧に電圧異常がある場合や二次電池に温度異常がある場合に各二次電池及び組電池全体の性能を劣化させることなく、かつ、安全に充放電を行うことができるようになる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、上記第１態様の組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニットであり、上述したように前記組電池制御装置は組電池を効率よく均等に充放電でき、異常状態、過充電や過放電から二次電池を保護することができるので、優れたモジュール電池ユニットを実現することができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第２の態様のモジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池であり、前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を備え、該状態検出手段で検出したモジュール電池の充放電状態を前記充放電状態情報として前記組電池制御装置の各々に通知する。本態様のモジュール電池は、モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を備えている。状態検出手段は検出したモジュール電池の充放電状態を充放電状態情報として組電池制御装置の各々に通知する。本態様によれば、複数個のモジュール電池ユニットは直列に接続されていることから、充放電状態を検出する状態検出手段はモジュール電池に少なくとも１つあればよいので、状態検出手段が各組電池制御装置に充放電状態情報を通知すれば、各組電池制御装置が充放電状態を検出する必要がないので、各組電池制御装置を簡素化することができる。
【００１７】
この場合において、上述したようにモジュール電池は複数個のモジュール電池ユニットが直列に接続されているので、モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を少なくとも１つ備えれば、遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときにモジュール電池の充放電を遮断することができる。従って、モジュール電池ユニットのうちいずれか一つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置に、モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を更に有し、該状態検出手段で検出した充放電状態を前記充放電状態情報として他の組電池制御装置に通知し、モジュール電池ユニットのうち少なくともいずれか１つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置は、遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときにモジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を有するようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用されるモジュール電池の実施の形態について説明する。
【００２０】
（構成）
図１に示すように、本実施形態のモジュール電池１００は、複数のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍが直列に接続されたモジュール電池ユニット部と、モジュール電池１００全体を制御する上位制御マイクロコンピュータ（以下、上位制御マイコンという。）１０１と、最上位のモジュール電池ユニット１０に直列に接続されモジュール電池１００の充放電状態を検出する充放電電流検出回路１０２と、充放電電流検出回路１００に直列に接続され充放電電流を遮断するための遮断スイッチ１０３と、で構成されている。
【００２１】
上位制御マイコン１０１は演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ及び外部との入出力信号のポートとなる入出力インターフェース等を含んで構成されている。
【００２２】
充放電電流検出回路１０２は、シャント（分路）抵抗をセンサとして充放電電流を電圧値として計測する電流センサを内蔵し、電流センサで計測したシャント抵抗両端の電圧値を電流値に変換して、上位制御マイコン１０１に接続された信号線により、モジュール電池ユニット部が充電中の場合にはデフォルト値−１を、放電中の場合にはデフォルト値１を、休止中（充電休止中又は放電休止中）の場合にはデフォルト値０を、それぞれ上位制御マイコン１０１へ出力する。遮断スイッチ１０３には、ＦＥＴ、リレー等を用いることができ、上位制御マイコン１０１に接続された信号線により上位制御マイコン１０１からの遮断制御信号に従って、スイッチをオン（ハイレベル信号のとき）又はオフ（ローレベル信号のとき）することができると共に、モジュール電池１００の充電完了後の使用等に備えてスイッチをオフからオンに手動で解除できる構成となっている。
【００２３】
上位制御マイコン１０１と各モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍとには、上述したモジュール電池１００が充電、放電又は休止中を表す状態値（デフォルト値）を出力する信号線及び各モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍ内の各二次電池が後述する異常事態に陥ったときに上位制御マイコン１０１に異常事態を通知するための信号線で接続されている。遮断スイッチ１０３はプラス外部出力端子に接続されており、最下位のモジュール電池ユニット１ｍのマイナス側はマイナス外部出力端子に接続されている。従って、モジュール電池１００は、例えば、プラス外部出力端子に図示しないフューズ等を介して、負荷又は充電器に接続可能な構成とされている。
【００２４】
図２に示すように、モジュール電池ユニット１０は、複数の二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎが直列に接続された組電池Ｂとこの組電池Ｂを制御する組電池制御装置５とで構成されている。
【００２５】
組電池制御装置５はマイコン１を備えている。マイコン１は、上述した上位制御マイコン１０１と同様の構成とされており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェース等を含んで構成されている。なお、ＲＯＭには後述する種々の設定値等も格納されている。
【００２６】
また、組電池制御装置５は、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの表面に接触して配置され、各二次電池の温度を計測するサーミスタ７１、７２、・・・７ｎを有している。サーミスタ７１、７２、・・・７ｎは、これらのサーミスタで計測した抵抗（電圧）値を温度値に変換してマイコン１へ出力する電池温度検出回路３に各々接続されている。
【００２７】
更に、組電池制御装置５は、各二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出回路２を備えている。図３に示すように、この電池電圧検出回路２はオペアンプＩＣ１と抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５とで構成された作動増幅回路を二次電池の個数と同数個有して構成されている。各作動増幅回路のオペアンプＩＣ１の正相入力端子は抵抗Ｒ１２を介して各二次電池のプラス端子に、逆相入力端子は抵抗Ｒ１１を介して各二次電池のマイナス端子にそれぞれ接続されており、出力端子はマイコン１に接続されている。従って、二次電池Ｂ１を例にとれば、オペアンプＩＣ１の出力端子から出力される電圧は、二次電池Ｂ１の電位Ｖ１と二次電池Ｂ２の電位Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち、二次電池Ｂ１の電圧となる。
【００２８】
また、図２に示すように、組電池制御装置５は、二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎと各々並列に接続され、各二次電池の電池容量を調整し同一回路構成の容量調整回路６１、６２、・・・６ｎを備えている。図４に示すように、例えば、容量調整回路６１はＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１、ＮＰＮ型トランジスタＱ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ６で構成されており、ＦＥＴＱ１のドレインは抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｂ１のプラス端子に、ソースは二次電池Ｂ１のマイナス端子に、トランジスタＱ２のベースは抵抗４を介してマイコン１に、それぞれ接続されている。従って、容量調整回路６１はマイコン１から所定電圧の微少電流（調整信号）が出力されると、ＦＥＴＱ１のゲートに電流が流れるので、ＦＥＴＱ１のドレインからソースに向けて電流が流れる回路構成である。
【００２９】
更に、組電池制御装置５は、図２に示すように、モジュール電池ユニット１０の電圧値を検出してマイコン１へ出力する組電池電圧検出手段の一部としてのユニット電圧検出回路４を備えている。このユニット電圧検出回路４は、抵抗及びオペアンプで構成された作動増幅器、フィルタ用の抵抗及びコンデンサ並びに電圧を検出するための検出抵抗等で構成されている。
【００３０】
（動作）
次に、フローチャート及び作用説明回路図を参照して、本実施形態のモジュール電池１００の動作について説明する。マイコン１に電源が投入されると、マイコン１のＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムに従って、ＲＡＭのワークエリアを初期化しＲＯＭに格納された各種の設定値を読み出してＲＡＭに移行する初期処理を行い、図５に示すモジュール電池ユニット制御処理ルーチンの実行を開始する。
【００３１】
図５のステップ１００では、各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎを電圧異常等から保護するために図６に示す保護処理サブルーチンを実行する。まず、ステップ１０２でユニット電圧検出回路４から出力される組電池電圧値を取り込んで、次のステップ１０４において、取り込んだ組電池電圧値がＲＯＭからＲＡＭワークエリア内に移行された組電池電圧上限設定値よりも大きいか否か、組電池電圧値が組電池電圧下限設定値より小さいか否か、及びセルショート等を検出するために、前回（図７のステップ２７２参照）ＲＡＭに格納した電圧値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された電圧設定値）と今回検出した電圧値との時間当たりの電圧変化量ΔＶ／Δｔを演算し、演算した電圧変化量ΔＶ／Δｔの絶対値が電圧変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、組電池の電圧に異常があるか否かを判断する。従って、ステップ１０４では、上限、下限及び電圧変化量ΔＶ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、モジュール電池ユニット全体の電圧には異常がないので、次のステップ１０６において電池温度検出回路３から出力される各二次電池の各温度値を取り込む。
【００３２】
次にステップ１０８では、取り込んだ各温度値が電池温度上限設定値よりも大いか否か、各温度値が電池温度下限設定値より小さいか否か、及び急激な温度上昇を検出するために、前回（図２７４のステップ２７４参照）ＲＡＭに格納した各温度値（本ステップが最初に実行される場合のみＲＡＭに移行された温度設定値）と今回検出した各温度値との時間当たりの温度変化量ΔＴ／Δｔを演算し、演算した温度変化量ΔＴ／Δｔの絶対値が温度変化量設定値より大きいか否かを判断することにより、各二次電池に温度異常があるか否かを判断する。従って、本ステップでは、上限、下限及び温度変化量ΔＴ／Δｔのうちいずれか一つでも設定範囲を外れると肯定判断されることとなる。否定判断の場合には、全ての二次電池に温度異常がないので、次のステップ１１０で電池電圧検出回路２から出力される各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの各電池電圧ＶＢを取り込んでＲＡＭに格納し、ステップ１１２において、取り込んだ各電池電圧ＶＢが二次電池上限電圧設定値よりも大いか否か及び二次電池下限電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、各二次電池に電圧異常があるか否かを判断する。
【００３３】
否定判断の場合には、全部の二次電池の電池電圧に電圧異常がないので、次のステップ１１４において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各電池電圧ＶＢが過充電設定値よりも大きいか否かを判断することにより、各二次電池が過充電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、いずれの二次電池も過充電状態にはないので、次のステップ１１６において、各電池電圧ＶＢが過放電設定値よりも小さいか否かを判断することにより、各二次電池が過放電状態にあるか否かを判断する。否定判断の場合には、各二次電池保護に必要なモジュール電圧、電池温度、各二次電池電圧に異常がなく、かつ、各二次電池は過充電又は過放電状態にはないので、次のステップ１１８において、上位制御マイコン１０１にローレベルの２値出力信号を出力して、保護処理サブルーチンを終了して図５のステップ２００へ進む。
【００３４】
一方、上位制御マイコン１０１でも電源が投入されると、上位制御マイコン１０１のＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムに従って、ＲＡＭのワークエリアを初期化しＲＯＭに格納された設定値（デフォルト値）等を読み出してＲＡＭに移行する初期処理を行い、図１１に示すモジュール電池制御処理ルーチンの実行を開始している。上位制御マイコン１０１は、ステップ３０２において、いずれかのモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍのマイコン１からハイレベル信号が出力されたか否かを判断し、否定判断されたとき、すなわち、モジュール電池１００内の全ての二次電池に異常がないときには、ステップ３０４で遮断スイッチ１０３にハイレベル信号を出力する。これにより、遮断スイッチ１０３がオフのときはオンとなり遮断状態が解除され、遮断スイッチ１０３がオンのときはオンが維持されるので、モジュール電池１００は電源として使用可能状態となるか、使用可能状態が維持される。
【００３５】
次に、図６のステップ１０４、１０８、１１２、１１４、１１６で肯定判断された場合には、組電池電圧、各二次電池温度、各二次電池電圧のいずれかに異常があるか、又は、過充電、過放電状態にあるので、ステップ１２０において上位制御マイコン１０１にハイレベル信号を出力して保護処理サブルーチンを終了しステップ２００へ進む。なお、ステップ１０８、１１２、１１４、１１６では一つの二次電池でも異常と判断された場合には、全ての二次電池を保護するためにステップ１２０へ進む。
【００３６】
このハイレベル信号の出力により、図１１に示したステップ３０２での判断は肯定される。従って、上位制御マイコン１０１は、次のステップ３０６において、遮断スイッチ１０３にローレベル信号を出力して、ステップ３０２へ戻る。これにより、遮断スイッチ１０３はオフ（遮断状態）となり、モジュール電池１００は電源として一次使用不能状態となる。上述したように、遮断スイッチ１０３は手動でも解除できるので、モジュール電池１００の使用者は、モジュール電池１００を点検して異常がなければ、再度使用可能状態へ移行させることができる。なお、再度異常が生じた場合には、どのモジュール電池ユニットが問題となっているのか、また、対象となる二次電池はどれか、更に、その理由は上述した電圧、温度、過充電、過放電のどの理由か等を上位制御マイコン１０１と通信（対話）可能な点検冶具を有するサービスステーションで確認することができる。
【００３７】
また、図１１に示すように、モジュール電池制御処理ルーチンでは、充放電電流検出回路１０２から出力されるデフォルト値を取り込んで、ステップ３０８において放電中か否かを判断して肯定判断のときは次のステップ３１０でモジュール電池ユニット１０、１１・・・１ｍの各マイコン１に放電状態を表すデフォルト値１を出力し、ステップ３０８の判断が否定のときは次のステップ３１２において充電中か否かを判断して肯定判断のときはステップ３１４で各マイコン１に充電状態を表すデフォルト値−１を出力し、ステップ３１２で否定判断されたときは各マイコン１に休止中を表すデフォルト値０を出力して、ステップ３０２へ戻る。このため、各マイコン１は常時モジュール電池１００が充電中か、放電中か、又は休止中かの充放電状態情報を上位制御マイコン１０１から通知される。
【００３８】
次に、図５のステップ２００では、通知された組電池の充放電状態に応じて各二次電池Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎの容量を調整するために、図７に示す容量調整処理サブルーチンが実行される。
【００３９】
図７のステップ２０２では、上位制御マイコン１０１から出力されるデフォルト値を取り込んでＲＡＭに格納し、このデフォルト値が１であるか否かを判断することにより、モジュール電池ユニットが放電中か否かを判断する。肯定判断の場合には、次のステップ２０４において、各二次電池の電池電圧ＶＢが放電終止電圧設定値より小さいか否かを判断することにより、放電を終止させるか否かを判断する。否定判断の場合には、次のステップ２７２へ進む。これにより、各モジュール電池ユニットは放電状態を続行することとなる。一方、ステップ２０４で肯定判断された場合には、過放電による二次電池の性能劣化を防止すると共に、後述する充電時の調整容量補正の基礎値を算出ために次のステップ２１０へ進む。
【００４０】
ステップ２１０では、図８に示す放電終止処理サブルーチンが実行される。この放電終止処理サブルーチンでは、ステップ２１２において上位制御マイコン１０１にハイレベル信号を出力する。これにより、上位制御マイコン１０１は遮断スイッチ１０３に遮断信号（ローレベル信号）を出力するので、遮断スイッチ１０３はオフとなる。次のステップ２１４では各二次電池の電池電圧ＶＢを検出する。次にステップ２１６では、各二次電池の電池電圧ＶＢの中で最も低い電池電圧（放電終止電圧に最初に達した電池電圧）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を個々に演算し、次のステップ２１８において演算結果をＲＡＭの所定領域に格納して放電終止処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００４１】
一方、図７のステップ２０２で否定判断された場合には、次のステップ２０６において、ステップ２０２でＲＡＭに格納したデフォルト値が−１であるか否かを判断することによって、充電中か否かを判断する。否定判断の場合には、放電中でも充電中でもないので、休止時（放電休止時又は充電休止時）と判定して、次のステップ２２０に進む。一方、肯定判断の場合には、ステップ２０８において、ステップ１１０でＲＡＭに格納した各二次電池の電池電圧ＶＢを読み出して、各二次電池の電池電圧ＶＢがＲＡＭに移行した充電末期電圧設定値より大きいか否かを判断することにより、充電末期か否かを判断する。肯定判断の場合にはステップ２０６で否定判断された場合と同様、次のステップ２２０おいて図９に示す容量調整Ａ処理サブルーチンを実行する。
【００４２】
図９のステップ２２２では、各二次電池の電池電圧ＶＢを読み出して最も小さい電池電圧をＶｍｉｎとして、各二次電池の電池電圧ＶＢからＶｍｉｎを減じた電圧差ＶＤを演算し（ＶＤ＝ＶＢ−Ｖｍｉｎ）、次のステップ２２４で各電圧差ＶＤからＲＡＭに移行した電圧差設定値を読み出して両者の差Ｄ＝電圧差ＶＤ−（電圧差設定値）を演算する。
【００４３】
次のステップ２２６では、差Ｄが正の各二次電池についてのみ次に説明する調整容量Ｑ（又はＱ’）を演算して演算結果の調整容量Ｑ’のみＲＡＭに格納し、次のステップ２２８でこの調整容量Ｑ（又はＱ’）に対応する調整時間ｔ（又はｔ’）を演算して、ステップ２３０において調整が必要な二次電池に並列に接続された容量調整回路６に調整信号の出力を開始する。
【００４４】
これにより、容量調整回路６は容量調整を開始するが、この容量調整回路６による容量調整は充電末期（後述する充電時も同じ）と充電休止時又は放電休止時とでは異なる態様を採る。すなわち、充電末期に、例えば、図４に示した容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、図１２（Ａ）に示すように、二次電池Ｂ１には充電電流Ｉが流れており、ＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１がオンとなると、電流Ｉａがドレインからソースへ向けて流れる。これによって、二次電池Ｂ１には電流（Ｉ−Ｉａ）が流れることになり、電流Ｉａに相当する充電量が調整される。電流Ｉａは抵抗Ｒ１によって決まり、調整される調整容量Ｑは電流Ｉａと調整時間ｔとの積となる。一方、充電休止時又は放電休止時に容量調整回路６１に調整信号が出力された場合、図１２（Ｂ）に示すように、ＦＥＴＱ１がオンとなると、図１２（Ａ）の場合とは異なって二次電池Ｂ１には充電電流が流れておらず、二次電池Ｂ１、抵抗Ｒ１、ＦＥＴＱ１で構成される閉回路において二次電池Ｂ１は放電状態となる。このとき、閉回路を流れる電流をＩｂとし二次電池Ｂ１の内部抵抗を無視すると、抵抗Ｒ１の抵抗値は既知であるので、電流Ｉｂは二次電池Ｂ１の電池電圧ＶＢによって決まり、調整される調整容量Ｑ’は電流Ｉｂと調整時間ｔ’との積となる。
【００４５】
ステップ２３２では、ステップ２２８で演算した調整時間ｔ（又はｔ’）が経過したか否かを判断する。この調整時間ｔ（又はｔ’）はマイコン１の図示しない内部時計により計測することができる。肯定判断の場合には、次のステップ２３３で該当二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。これにより、例えば、図４（又は図１２）に示したＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴＱ１のドレイン、ソース間には電流Ｉａ（又はＩｂ）が流れなくなるので、容量調整回路６１による二次電池Ｂ１の容量調整は終了する。
【００４６】
次のステップ２３４では、ＲＡＭに格納したデフォルト値（０）とそのデフォルト値（０）をとる前のデフォルト値（１又は−１）を読み出して充放電休止時か否かを判断し、否定判断のときはステップ２３６へ進み、肯定判断のときは、次のステップ２３５において、ステップ２２８でＲＡＭに格納した調整容量Ｑ’を読み出して今回の充放電休止中に調整した調整容量Ｑ’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納する。従って、充放電休止時の場合のみ調整した容量分をＲＡＭに格納することとなる。次にステップ２３６では、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断する。肯定判断の場合には、他に調整が必要な二次電池を継続して容量調整を行うために、ステップ２３０へ戻り、否定判断の場合には容量調整Ａ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００４７】
一方、ステップ２３２において否定判断された場合には、ステップ２３８で充電末期か否かを判断して、肯定判断のときは充電を完了させるためにステップ２３０へ戻り、否定判断のときは次のステップ２４０において上位制御マイコン１０１から出力されるデフォルト値を取り込んでデフォルト値が１（放電）又は−１（充電）か否かを判断することにより、充電休止状態又は放電休止状態が強制的に終了させられたか否かを判断する。否定判断（デフォルト値０）のときは、休止状態が継続しているので、ステップ２３０へ戻り容量調整を続行し、肯定判断のときには、次のステップ２４２において、全ての二次電池の容量調整を解除するために容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次のステップ２４４では、調整した時間ｔ’’から各二次電池について調整済の容量Ｑ’’を逆算して演算し、ステップ２４６において今回の休止中に調整した容量分Ｑ’’を前回までの充放電休止中に調整した容量分に加算累計してＲＡＭに格納して容量調整Ａ処理サブルーチンを終了しステップ２７２へ進む。
【００４８】
次に、図７のステップ２０８で否定判断された場合には、ステップ２５０へ進み、図１０に示す容量調整Ｂ処理サブルーチンを実行する。ステップ２５２では、調整容量の補正を実行する。この調整容量の補正は、ステップ２１８でＲＡＭに格納した放電末期電圧より演算した調整容量からステップ２３５又はステップ２４６でＲＡＭに格納した充放電休止時に既に調整済の累計調整容量分を差し引くことによって行なわれる。次のステップ２５４では補正後の調整容量がＲＡＭに移行した調整容量設定値より大きいか否かを判断することによって容量調整が必要か否かを判断し、否定判断のときは、容量調整が不要と判定して容量調整Ｂ処理サブルーチンを終了してステップ２７２へ進み、肯定判断のときは、ステップ２５６において調整時間を演算して、ステップ２６０で調整時間が経過するまでステップ２５８において調整信号を該当する容量調整回路６へ出力し続ける。これにより該当する二次電池の容量調整が充放電休止後の次の充電時に実行されることとなる。なお、ステップ２５６では、次回の補正に備えるために、調整時間を演算した後にＲＡＭに格納されている累計調整量をクリアして０とする。
【００４９】
次のステップ２６２では、該当二次電池の容量調整を解除するためにその二次電池の容量調整回路６に出力していた調整信号をオフとする。次にステップ２６４で、他に調整が必要な二次電池があるか否かを判断して必要がある場合には容量調整を続行して、調整が必要な最後の二次電池の調整時間が経過すると容量調整処理Ｂサブルーチンを終了してステップ２７２へ進む。
【００５０】
次に、図７のステップ２７２では、上述したステップ１０４での電圧変化量ΔＶ／Δｔの演算を可能とするために、モジュール電圧を取り込みＲＡＭに格納し、次のステップ２７４において、上述したステップ１０８での温度変化量の演算を可能とするために、各二次電池の各温度値を取り込みＲＡＭに格納して、ステップ１００へ戻る。
【００５１】
（試験・評価）
次に、以上の実施形態に従って、８個の二次電池Ｂ１、Ｂ２・・・Ｂ８を直列に接続したモジュール電池ユニット１０、１１、１ｍを有するモジュール電池１００の実施例と、実施例の効果を確認するために同じく８個の二次電池を直列に接続した従来例の（本実施形態の組電池制御装置を備えない）モジュール電池ユニットを４個備えた比較例のモジュール電池とを作製し、充放電を行い放電終止電圧を測定して本実施形態のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍの効果を確認した。なお、本実施例のモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍでは故意に電圧にバラツキを設けた二次電池を使用した。
【００５２】
実施例及び比較例のモジュール電池のうち最も温度・電圧等の影響を受けやすい最上位のモジュール電池ユニット１０及び対応する最上位の比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果をそれぞれ図１３、図１４に示す。なお、実施例、比較例共に他のモジュール電池ユニットでも同様の結果であった。
【００５３】
図１３に示すように、本実施例のモジュール電池ユニット１０では、初期、二次電池（セル１〜セル８）間に電圧差があったが容量調整回路６１〜６８による容量調整により電圧差が少なくなっており、途中、差が生じた場合にも容量調整がされ約５０ｍＶ以内におさまろうとしている。
【００５４】
これに対し比較例のモジュール電池ユニットでは、図１４に示すように、初期、ほぼ電圧が一致していたが、サイクルが進むにつれて電圧差が増加しているので、本実施例のモジュール電池ユニット１０のユニット電池制御装置により直列に接続された二次電池が均等に調整されていることがわかる。従って、本実施例のようなモジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍを複数個直列に接続したモジュール電池１００の各二次電池の電圧は均等に調整される。
【００５５】
（作用等）
本実施形態では、容量調整Ａ処理サブルーチンで、充電末期にユニット電圧検出回路４で検出された各二次電池の電池電圧が設定値を越えてバラツキがあるときに容量調整回路６で充電電流をバイパスさせる（図１２（Ａ）参照）と共に、充放電休止時に二次電池箇々の内部抵抗、充電電流の違いにより生じた開放電圧のバラツキを容量調整回路６で開放電圧の高い二次電池を放電させ各二次電池の電池電圧をバランスさせるので（図１２（Ｂ）参照）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。また、設定値以上バラツキがあるときに容量調整を行うので、各二次電池に充電された容量の消費を節約することができる。
【００５６】
また、放電終止処理サブルーチンで、放電終止時に検出した箇々の二次電池の電池電圧の中で最も低い電圧の二次電池（放電終止電圧に最初に達した二次電池）を基準とし、その他の二次電池の放電終止電圧までの放電可能な放電容量を箇々に算出して（ステップ２１６）、容量調整Ｂ処理サブルーチンで、充電中に箇々の二次電池の容量を、次の充電時、充電電流をバイパスさせ容量調整を行うので（ステップ２５８、２６０）、各二次電池の電池電圧を均等にすることができる。
【００５７】
更に、容量調整Ｂ処理サブルーチンでは、放電末期電圧から演算した調整容量より放電休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので（ステップ２５２）、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる。
【００５８】
また、保護処理サブルーチンで、組電池の電圧、各二次電池の温度、各二次電池の電圧の異常、及び、過充電又は過放電を検出すると、遮断信号を上位制御マイコン１０１に出力してモジュール電池１００の充放電を停止させるようにしたので、二次電池の性能を劣化させることなく保護することができる。
【００５９】
従って、本実施形態のモジュール電池１００の各組電池制御装置５は、各二次電池を効率よく均等に充放電させることができ、このことは実施例の評価からも明らかである。
【００６０】
また、充放電電流検出回路１０２及び遮断スイッチ１０３は、モジュール電池１００に１つあればよいので、これらを上位制御マイコン１０１を介して制御させ、各マイコン１とは通信可能としたので、モジュール電池ユニット１０、１１・・・１ｍを簡素化することができると共に、モジュール電池１００の小型化を図ることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では上位制御マイコン１０１を使用したが、上位制御マイコン１０１に代えていずれか一つのモジュール電池ユニット内に、又は、モジュール電池ユニットと直列に充放電電流検出回路を設けマイコン１に上位制御マイコン１０１が行う充放電状態の検出を実行させ、他のモジュール電池ユニットのマイコンに充放電状態情報（デフォルト値）を通知させるようにしてもよい。また、モジュール電池ユニット１０、１１、・・・１ｍは直列に接続されているので、いずれか１つのモジュール電池ユニット内に遮断スイッチ１０３を内蔵させるか又は直列に接続して、このモジュール電池ユニットのマイコン１に上位制御マイコン１０１が行う遮断スイッチ１０３への遮断信号の出力を行わせるようにしてもよい。この遮断スイッチ１０３を制御するマイコン１は、マイコンの負荷を少なくするために上述したモジュール電池ユニット１０のマイコン１以外のマイコンとすることが好ましい。このようにすれば、上位制御マイコン１０１は不要になるので、モジュール電池１００を更に小型化することができる。
【００６２】
また、本実施形態のモジュール電池ユニット１０では、全ての二次電池を保護するために、サーミスタ７を各二次電池に接触させて配置したが、このサーミスタ７は、例えば、二次電池１個おきに配置する等任意の二次電池に対して少なくとも１個以上あればよい。この場合には二次電池保護の観点からは劣ることとなるが、コストを節約することができるという利点がある。また、本実施形態ではサーミスタ７を温度センサとして使用した例について説明したが、サーミスタ以外に温度センサとして機能する種々のセンサを使用することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、図３に示した電池電圧検出回路２を複数個備えた例について説明したが、スイッチ等により切り換えて、１つの差動増幅回路により各二次電池の電池電圧を検出するようにしてもよい。
【００６４】
更に、本実施形態では、図４に容量調整手段としての容量調整回路６１の例を示したが、図４に示した回路構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の回路構成が可能であることは当業者にとって明らかである。
【００６５】
また、本実施形態では、状態検出手段としてシャント抵抗及び充放電電流検出回路１０２を例示したが、充放電状態の検出ができる他の種々のセンシング回路を構成することができることも当業者にとって明らかである。更に、本実施形態の充放電電流検出回路１０２では説明を簡単にするためにデフォルト値により説明したが、このようなデフォルト値に本発明が限定されるものではない。なお、シャント抵抗からの両端電圧にはノイズ等による誤差が生ずる場合があるので、この誤差が考慮された充放電電流検出回路とすることが好ましい。
【００６６】
更に、本実施形態では、図１に示したように、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１とを信号線で接続した例を示したが、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１との通信を行うための通信線を、例えば、上位制御マイコン１０１−モジュールユニット１０−モジュールユニット１１−・・・モジュールユニット１ｍ−上位制御マイコン１０１の順にループ状に接続するようにしてもよい。このようにすれば、各モジュールユニット１０、１１、・・・１ｍと上位制御マイコン１０１との間の配線を少なくすることができると共に配線の長さも短くすることができるので、ノイズを拾う可能性が減少すると共に配線引き回しが容易となる。またこの場合には、各モジュールユニットと上位制御マイコン１０１との間では通信線を介して各モジュールユニットへの充放電状態の通知や上位制御マイコンへの異常状態の報知が通信によって行われる。従って、充放電状態の通知や異常信号の出力は通信によって行うようにしてもよい。
【００６７】
そして、本実施形態のフローチャートでは、マイコン１及び上位制御マイコン１０１による制御の一形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、上述した特許請求の範囲内で種々の変形適用が可能であることも論を待たない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の二次電池の内部抵抗及び充電時の充電電流の違いにより生ずる休止時の複数個の二次電池の電圧差が小さくなるように容量調整手段で調整するので、複数個の二次電池の電池電圧を均等にすることができると共に、放電末期電圧から演算した調整容量から休止時に調整した容量分を差し引くことによって補正を行っているので、補正をしない場合と比較してより正確な容量調整を行うことができ、過大に調整されることを防ぐことができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のモジュール電池の概略ブロック回路図である。
【図２】実施形態のモジュール電池のモジュール電池ユニットのブロック回路図である。
【図３】実施形態の組電池制御装置の電池電圧検出回路を示す回路図である。
【図４】実施形態の組電池制御装置の容量調整回路を示す回路図である。
【図５】実施形態の組電池制御装置のモジュール電池ユニット制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】モジュール電池ユニット制御処理ルーチンの保護処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図７】モジュール電池ユニット制御処理ルーチンの容量調整処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図８】容量調整処理サブルーチンにおける放電終止処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図９】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ａ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図１０】容量調整処理サブルーチンにおける容量調整Ｂ処理サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図１１】上位制御マイコンのモジュール電池制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】（Ａ）は充電時の容量調整回路の容量調整の作用を示す作用説明回路図であり、（Ｂ）は充放電休止時の容量調整回路の容量調整の作用を示す作用説明回路図である。
【図１３】本実施形態を適用した実施例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示すグラフである。
【図１４】比較例のモジュール電池ユニットの放電終止電圧の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ マイコン（電池温度検出手段の一部、組電池電圧検出手段の一部、容量調整手段、遮断信号出力手段）
２ 電池電圧検出回路（電池電圧検出手段の一部）
３ 電池温度検出回路（電池温度検出手段の一部）
４ ユニット電圧検出回路（組電池電圧検出手段の一部）
５ 組電池制御装置
１０、１１、１ｍ モジュール電池ユニット
６１、６２、６ｎ 容量調整回路（バイパス回路）
７１、７２、７ｎ サーミスタ（電池温度検出手段の一部）
１００ モジュール電池
１０１ 上位制御マイコン（状態検出手段の一部、遮断手段の一部）
１０２ 充放電電流検出回路（状態検出手段の一部）
１０３ 遮断スイッチ（遮断手段の一部）
Ｂ１、Ｂ２、Ｂｎ 二次電池
Claims (12)
- 複数個の二次電池を直列に接続した組電池を制御する組電池制御装置において、
前記複数個の二次電池の各々の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記複数個の二次電池の各々に並列に接続されたバイパス回路と、
前記組電池制御装置の外部から通知される前記組電池の充放電状態情報及び前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧に基づいて、休止時に、該各々の電池電圧の電圧差が小さくなるように、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行う容量調整手段と、
を備え、前記容量調整手段は、放電末期に前記二次電池の中で最も低い電池電圧を基準に前記二次電池について該最も低い電池電圧までの放電可能な放電容量を調整容量として個々に演算しておき、休止後の次の充電時に、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量を前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々について調整することを特徴とする組電池制御装置。 - 前記容量調整手段による休止時の容量調整は、前記電圧差が予め設定された設定値を越えたときに、該電圧差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗に放電させて調整することを特徴とする請求項１に記載の組電池制御装置。
- 前記容量調整手段は、放電終止時に前記二次電池の中で最初に放電終止電圧に到達した電池電圧を基準に前記二次電池について該放電終止電圧までの放電可能な放電容量を前記調整容量として個々に演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組電池制御装置。
- 前記容量調整手段による充電時の容量調整は、前記二次電池の個々について演算した調整容量から前記休止時に前記二次電池の各々に行った容量調整分を差し引いた容量に相当する充電電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することを特徴とする請求項３に記載の組電池制御装置。
- 前記容量調整手段は、更に、充電末期に前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧と、該充電末期の各々の電池電圧のうち最も小さい電池電圧との電圧差を演算し、該演算した電圧差と予め設定された設定値との差を演算して、該電圧差と設定値との差が正となる二次電池について、当該差に相当する容量を、前記バイパス回路のスイッチをオン状態として前記二次電池の各々の容量調整を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の組電池制御装置。
- 前記容量調整手段による充電末期の容量調整は、前記電圧差と前記設定値との差が正となる二次電池について、当該差に相当する容量分の電流を前記バイパス回路の抵抗にバイパスさせて調整することを特徴とする請求項５に記載の組電池制御装置。
- 前記電池電圧検出手段で検出された各々の電池電圧が予め設定された設定電圧値を越えたときに、前記組電池の充放電を遮断するための遮断信号を出力する遮断信号出力手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の組電池制御装置。
- 前記組電池の組電池電圧を検出する組電池電圧検出手段及び前記複数個の二次電池のうち少なくとも１個の二次電池の電池温度を検出する電池温度検出手段の少なくともいずれか一方を更に備え、
前記遮断信号出力手段は前記組電池電圧及び前記電池温度の少なくともいずれか一方がそれぞれ予め設定された設定値を越えたときに、前記遮断信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の組電池制御装置。 - 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニット。
- 請求項９に記載のモジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池において、前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を備え、該状態検出手段で検出したモジュール電池の充放電状態を前記充放電状態情報として前記組電池制御装置の各々に通知することを特徴とするモジュール電池。
- 請求項７又は請求項８に記載の組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池において、前記モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を備え、前記遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときに前記モジュール電池の充放電を遮断することを特徴とするモジュール電池。
- 請求項７又は請求項８に記載の組電池制御装置を備えたモジュール電池ユニットを複数個直列に接続したモジュール電池において、
前記モジュール電池ユニットのうちいずれか一つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置は、前記モジュール電池の充放電状態を検出する状態検出手段を更に有し、該状態検出手段で検出した充放電状態を前記充放電状態情報として他の組電池制御装置に通知し、
前記モジュール電池ユニットのうち少なくともいずれか１つのモジュール電池ユニットの組電池制御装置は、前記遮断信号出力手段のいずれかから遮断信号が出力されたときに前記モジュール電池の充放電を遮断する遮断手段を有する、
ことを特徴とするモジュール電池。
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