JP4195026B2 - 組電池の充電状態調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池の充電状態調整装置に係わり、特に、二次電池から成る単位セルを複数直列に接続した組電池の充電状態を調整する組電池の充電状態調整装置に関するものである。

例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド電気自動車においては、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単位セルとして、この単位セルを複数直列接続した組電池が上記電動モータの電源として用いられている。

そして、上述した組電池は充放電を繰り返すうちに各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）に基づく両端電圧にばらつきが生じ、これを放置したまま充電や放電がさらに繰り返されると、一部の単位セルが過充電状態や過放電状態になりかねない、という問題があることが知られている。

そこで、複数の単位セルのうち両端電圧が最小となる最小単位セルを抽出し、最小単位セルを除いた単位セルを順次、放電抵抗に接続して、接続した単位セルの両端電圧が最小単位セルの両端電圧となるまでその蓄積電荷を放電させることで、各単位セルの両端電圧のばらつきを解消する放電式の充電状態調整装置が提案されている（例えば特許文献１）。

また、キャパシタを介して両端電圧の高い単位セルから両端電圧の低い単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧のばらつきを解消するチャージポンプ式の充電状態調整装置が提案されている。このチャージポンプ式の充電状態調整装置の一例としては、各単位セルをキャパシタに順次接続するものが知られている（特許文献２）。これにより、キャパシタの両端電圧よりも高い両端電圧を有する単位セルの電荷がキャパシタに移動し、逆に、キャパシタの両端電圧よりも低い両端電圧を有する単位セルにキャパシタから電荷が移動する。即ち、キャパシタを介して、両端電圧の高い方から低い方へ蓄積電荷の移動が行われるため、各単位セルの両端電圧のばらつきを解消することができる。

また、両端電圧が最大となる最大単位セルにキャパシタを接続した後、両端電圧が最小となる最小単位セルにキャパシタを接続することを繰り返すものも提案されている（特許文献３）。これによれば、キャパシタを介して、最大単位セルから最小単位セルへの電荷移動が繰り返し行われるため、均等化にかかる時間を短くすることができる。なお、キャパシタはその内部抵抗が非常に小さいため、単位セルとキャパシタとの接続は必ず電流制限抵抗を介して行われ、この電流制限抵抗により単位セルに流れる充放電電流が制限され、過電流が流れることを防止している。

しかしながら、従来の放電式の充電状態調整装置では、単位セルの両端電圧に大きさに関係なく、１種類の抵抗値の放電抵抗を接続している。この放電抵抗の抵抗値は、例えば、満充電状態の単位セルが放電抵抗に接続されたときに、許容電流以下の放電電流が流れるような値に定められている。なお、許容電流は、単位セルを構成する二次電池の特性に応じて定められるもので、この許容電流を越えた放電が行われると二次電池が劣化する恐れがある。

このため、単位セルの両端電圧が比較的高い間は、単位セルから放電抵抗に流れる放電電流が大きく、すぐに単位セルの両端電圧が最小単位セルの両端電圧に達する。これに対して、各単位セルの両端電圧が低くなると、単位セルから放電抵抗に流れる放電電流が小さくなり、単位セルの両端電圧が最小単位セルの両端電圧に達するまでの時間がかかる。このため、各単位セルの両端電圧が低くなるほど、複数の単位セルが均等化されるまでの時間がかかるという問題があった。

また、従来のチャージポンプ方式の充電状態調整装置では、単位セルとキャパシタとの電圧差に関係なく、１種類の抵抗値の電流制限抵抗を接続している。このため、単位セルとキャパシタとの電圧差が大きい間は、単位セル−キャパシタ間に流れる充放電電流が大きく、短時間に大量の電荷移動を行うことができる。これに対して、均等化が進み単位セルとキャパシタとの電圧差が小さくなると、単位セル−キャパシタ間に流れる充放電電流が小さくなり、電荷移動に時間がかかる。このため、単位セルとキャパシタとの電圧差が小さくなるほど、複数の単位セルが均等化されるまでの時間がかかるという問題があった。
特開２００２−１９９５１０号公報 特開平１０−２２５００５号公報 特開２００４−１２０８７１号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、短時間に均等化することができる組電池の充電状態調整装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、組電池を構成し直列接続された複数の単位セルを放電するための放電抵抗と、前記複数の単位セルの１つ以上を接続セルとして選択するセル選択手段を有し、該選択手段が選択した接続セルと前記放電抵抗とを接続して前記接続セルの蓄積電荷を放電することにより前記各単位セルの両端電圧を均等化する均等化手段とを備えた組電池の充電状態調整装置において、前記放電抵抗の抵抗値が複数種類設けられ、前記均等化手段が、前記複数種類の抵抗値のうち前記接続セルの両端電圧に応じた１つを選択する抵抗選択手段を有し、該抵抗選択手段が選択した抵抗値の放電抵抗と前記接続セルとを接続することを特徴とする組電池の充電状態調整装置に存する。

請求項１記載の発明によれば、放電抵抗の抵抗値が複数種類設けられる。抵抗選択手段が複数種類の抵抗値のうち接続セルの両端電圧に応じた１つを選択し、均等化手段が抵抗選択手段により選択した抵抗値の放電抵抗と接続セルとを接続して接続セルの蓄積電荷を放電させることにより各単位セルの両端電圧を均等化する。従って、複数種類の抵抗値のうち接続セルの両端電圧に応じた１つが選択されて接続セルに接続されるため、接続セルの両端電圧が低くても大きな放電電流で放電することができ、放電時間を短くすることができる。

請求項２記載の発明は、前記抵抗選択手段は、前記接続セルを予め定めた許容電流で放電させる抵抗値以上となる前記抵抗値のうち最小のものを選択することを特徴とする請求項１記載の組電池の充電状態調整装置に存する。

請求項２記載の発明によれば、抵抗選択手段は、接続セルを予め定めた許容電流で放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものを選択する。従って、許容電流で放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものが選択され接続セルに接続されるため、許容電流を越えた放電電流が流れることがない放電値のうち最も大きな放電電流が流れるような抵抗値を選択することができる。

請求項３記載の発明は、組電池を構成し直列接続された複数の単位セルの蓄積電荷が移動されるキャパシタと、前記複数の単位セルの１つ以上を接続セルとして選択する選択手段を有し、該選択手段により選択された前記接続セルと前記キャパシタとを接続して前記キャパシタを介して前記単位セル間で蓄積電荷を移動させることにより前記各単位セルの両端を均等化する均等化手段と、前記接続セルに流れる充放電電流を制限するための電流制限抵抗とを備えた組電池の充電状態調整装置において、前記電流制限抵抗の抵抗値が複数種類設けられ、前記均等化手段が、前記複数種類の抵抗値のうち前記キャパシタと前記接続セルとの両端電圧差に応じた１つを選択する抵抗選択手段を有し、該抵抗選択手段が選択した抵抗値の電流制限抵抗を介して前記接続セルと前記キャパシタとを接続することを特徴とする組電池の充電状態調整装置に存する。

請求項３記載の発明によれば、電流制御抵抗の抵抗値が複数種類設けられる。抵抗選択手段が複数種類の抵抗値のうちキャパシタと接続セルとの両端電圧差に応じた１つを選択し、均等化手段が抵抗選択手段により選択した抵抗値の電流制限抵抗を介して接続セルとキャパシタとを接続してキャパシタを介して単位セル間で蓄積電荷を移動させることにより各単位セルの両端を均等化する。従って、複数種類の抵抗値のうちキャパシタと接続セルとの両端電圧差に応じた１つが選択されてキャパシタ−接続セル間に介在される。このため、キャパシタと接続セルとの両端電圧差が小さくても大きな充放電電流で単位セルを充放電することができ、キャパシタ−接続セル間において短時間で大きな電荷移動を行うことができる。

請求項４記載の発明は、前記抵抗選択手段が、前記接続セルと前記キャパシタとを接続したとき前記接続セルを予め定めた許容電流で充放電させる抵抗値以上となる前記抵抗値のうち最小のものを選択することを特徴とする請求項３記載の組電池の充電状態調整装置に存する。

請求項４記載の発明によれば、抵抗選択手段が接続セルとキャパシタとを接続したとき接続セルを予め定めた許容電流で充放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものを選択する。従って、接続セルを予め定めた許容電流で充放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものが選択されキャパシタ−接続セル間に介在されるため、許容電流を越えた充放電電流が流れることがない抵抗値のうち最も大きな充放電電流が流れるような抵抗値を選択することができる。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、複数種類の抵抗値のうち接続セルの両端電圧に応じた１つが選択されて接続セルに接続されるため、接続セルの両端電圧が低くても大きな放電電流で放電することができ、放電時間を短くすることができるので、短時間に均等化することができる。

請求項２記載の発明によれば、許容電流で放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものが選択され接続セルに接続されるため、許容電流を越えた放電電流が流れることがない放電値のうち最も大きな放電電流が流れるような抵抗値を選択することができるので、より短時間に均等化することができる。

請求項３記載の発明によれば、複数種類の抵抗値のうちキャパシタと接続セルとの両端電圧差に応じた１つが選択されてキャパシタ−接続セル間に介在される。このため、キャパシタと接続セルとの両端電圧差が小さくても大きな充放電電流で単位セルを充放電することができ、キャパシタ−接続セル間において短時間で大きな電荷移動を行うことができるので、短時間に均等化することができる。

請求項４記載の発明によれば、接続セルを予め定めた許容電流で充放電させる抵抗値以上となる抵抗値のうち最小のものが選択されキャパシタ−接続セル間に介在されるため、許容電流を越えた充放電電流が流れることがない抵抗値のうち最も大きな充放電電流が流れるような抵抗値を選択することができるので、より短間に均等化することができる。

第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における本発明の組電池の充電状態調整装置（以下調整装置）１を示す回路図である。図中引用符号１で示す本実施形態の調整装置は、メインバッテリＢを構成し直列接続された例えば１６個の単位セルＢ1〜Ｂ16の１つを接続セルとして順次選択し、選択した接続セルと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの何れか１つとを接続して単位セルＢ1〜Ｂ16の蓄積電荷を放電させることにより各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を均等化する放電方式の装置である。なお、本実施形態において各単位セルＢ1〜Ｂ16は各々互いに直列接続された２つの二次電池から構成されている。

上記メインバッテリＢは、例えば、エンジンと電動モータ（何れも図示せず）を走行駆動源として併用するハイブリッド電気自動車において前記電動モータの電源として用いられ、その両端には、上記電動モータが必要に応じて負荷として接続されると共に、オルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。

本実施形態の調整装置１は、セル選択用スイッチ群２、極性反転用スイッチ群３、電圧検出用スイッチ群４、放電抵抗選択用スイッチ群５、バッファ回路６、コンデンサＣ、放電抵抗群Ｒｄ及びマイクロコンピュータ（以下μＣＯＭ７）７を備えている。

セル選択用スイッチ群２は、各単位セルＢ1〜Ｂ16とコンデンサＣ及び放電抵抗群Ｒｄとの間に設けられ単位セルＢ1〜Ｂ16の何れか１つ以上を選択的にコンデンサＣ及び放電抵抗群Ｒｄに接続するスイッチ群であり、メインバッテリＢの両端に一端が接続されたスイッチＳ20及びＳ216と単位セルＢ1〜Ｂ16間の接続点に一端が接続されたスイッチＳ21〜Ｓ215とから構成されている。上記スイッチＳ20、Ｓ22、Ｓ24…Ｓ214、Ｓ216の他端は共通ラインＬ１に共通接続され、上記スイッチＳ21、Ｓ23、Ｓ25…Ｓ215の他端は共通ラインＬ２に共通接続されている。

極性反転用スイッチ群３は、セル選択用スイッチ群２とコンデンサＣとの間に設けられセル選択用スイッチ群２により選択された単位セルＢ1〜Ｂnの正極をコンデンサＣの正極（図面上側）に接続し、単位セルＢ1〜Ｂnの負極をコンデンサＣの負極（図面下側）に接続するスイッチ群であり、スイッチＳ31〜Ｓ34から構成されている。上記スイッチＳ31は共通ラインＬ１とコンデンサＣの正極との間に接続されており、スイッチＳ32は共通ラインＬ１とコンデンサＣの負極との間に接続されている。また、スイッチＳ33は共通ラインＬ２とコンデンサＣの正極との間に接続され、スイッチＳ34は共通ラインＬ２とコンデンサＣの負極との間に接続されている。

以上の構成によれば、奇数番目の単位セルＢ1、Ｂ3、Ｂ5…Ｂ15をコンデンサＣに接続するときはスイッチＳ31及びＳ34をオフしてスイッチＳ32及びＳ33をオンすれば単位セルＢ1、Ｂ3…Ｂ15とコンデンサＣとの極性を合わせて接続することができる。また、偶数番目の単位セルＢ2、Ｂ4…Ｂ16をコンデンサＣに接続するときはスイッチＳ31及びＳ34をオンしてスイッチＳ32及びＳ33をオフすれば単位セルＢ2、Ｂ4…Ｂ16とコンデンサＣとの極性を合わせて接続することができる。

電圧検出用スイッチ群４は、コンデンサＣとμＣＯＭ７との間に設けられ、コンデンサＣの両端電圧をバッファ回路６を介してμＣＯＭ７に供給接続するスイッチ群であり、１対のスイッチＳ41及びＳ42から構成されている。上述したスイッチＳ41はコンデンサＣの正極とバッファ回路６との間に接続されており、スイッチＳ42はコンデンサＣの負極とアースとの間に接続されている。バッファ回路６としては、例えばオペアンプが用いられる。コンデンサＣの両端電圧は、このバッファ回路６を介してμＣＯＭ７のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換部７１に出力される。Ａ／Ｄ変換部７１としては、図１に示すようにμＣＯＭ７に内蔵するようにしてもよいし、μＣＯＭ７とは別体に構成してもよい。

上述したμＣＯＭ７は、上述したＡ／Ｄ変換部７１並びに予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央処理ユニット（ＣＰＵ７２）、ＣＰＵ７２のためのプログラム等を格納した読み出し専用メモリであるＲＯＭ７３及び各種データを格納すると共にＣＰＵ７２の処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ７４を内蔵している。

放電抵抗群Ｒｄは互いに並列接続され異なる抵抗値の複数種類の放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnから構成されている。放電抵抗選択用スイッチ群５は、セル選択用スイッチ群２と放電抵抗群Ｒｄとの間に設けられ、放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの何れかを選択的にセル選択用スイッチ２により選択された単位セルＢ1〜Ｂnと接続するスイッチ群であり、各放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnと直列接続されるｎ個のスイッチＳ51〜Ｓ5nから構成される。上述したセル選択用スイッチ群２、極性反転用スイッチ群３、電圧検出用スイッチ群４及び放電抵抗選択用スイッチ群５を構成するスイッチは各々ＣＰＵ７２によってオンオフが制御されるようになっている。

上述した構成の調整装置１の動作について図２〜４を参照して以下説明する。図２は、調整装置１を構成するＣＰＵ７２の充電状態調整処理手順を示すフローチャートである。図３は、ＣＰＵ７２の均等化処理手順を示すフローチャートである。図４はＣＰＵ７２の抵抗選択処理手順を示すフローチャートである。μＣＯＭ７内のＣＰＵ７２は、例えば、イグニッションスイッチのオンに応じて充電状態調整処理を開始する。図２に示すように、充電状態調整処理においてＣＰＵ７２は、先ず各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を検出する電圧検出処理を行う（ステップＳ１）。

上記電圧検出処理においてＣＰＵ７２はまず、単位セルＢ1の両端電圧を検出する。具体的にはＣＰＵ７２は電圧検出用スイッチ群４を構成するスイッチＳ41及びＳ42をオフ制御してコンデンサＣとμＣＯＭ７とを絶縁する。さらに、ＣＰＵ７２は、単位セルＢ1の両端に接続されたスイッチＳ20及びＳ21をオンすると共に、スイッチＳ33及びＳ32をオンする。これにより単位セルＢ1の正極がコンデンサＣの正極に、単位セルＢ1の負極をコンデンサＣの負極に接続される。この接続によって、コンデンサＣの両端電圧が単位セルＢ1の両端電圧と等しくなる。

次に、ＣＰＵ７２は、スイッチＳ20及びＳ21、スイッチＳ33及びＳ32をオフしてコンデンサＣとメインバッテリＢとを絶縁すると共に、電圧検出用スイッチ群４を構成するスイッチＳ41及びＳ42をオンする。これにより、単位セルＢ1の両端電圧と等しいコンデンサＣの両端電圧がバッファ回路６を介してＡ／Ｄ変換部７１に出力される。ＣＰＵ７２は、Ａ／Ｄ変換部７１から出力されるコンデンサＣの両端電圧のデジタル値を読み取って単位セルＢ1の両端電圧としてＲＡＭ７４内に記憶する。単位セルＢ2〜Ｂ16の両端電圧についても同様にコンデンサＣを用いて順次検出する。

次に、ＣＰＵ７２は、上記電圧検出処理にて検出した各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧に基づいて各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧にバラツキが生じているか否かを判断する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＣＰＵ７２は、例えば、単位セルＢ1〜Ｂ16のうち両端電圧が最小となる最小単位セルＢminと最大となる最大単位セルＢmaxとを抽出し、最大単位セルＢmaxと最小単位セルＢminとの両端電圧の差が閾値以上であればバラツキが生じていると判断し、閾値よりも小さければバラツキが生じていないと判断する。

ＣＰＵ７２は、バラツキが生じていないと判断したとき（ステップＳ２でＮ）、後述するステップＳ３０の均等化処理を行わずに充電状態調整処理を終了する。一方、バラツキが生じていると判断したとき（ステップＳ２でＹ）、各単位セルＢ1〜Ｂ16の１つを順次、接続セルとして選択し、選択した接続セルと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの何れか１つとを接続して単位セルＢ1〜Ｂ16の蓄積電荷を放電させることにより各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を均等化する均等化処理に進む（ステップＳ３０）。均等化処理においてＣＰＵ７２は、均等化手段として働き、複数の単位セルＢ1〜Ｂ16のうち両端電圧が最小となる最小単位セルＢminを除いた単位セルＢ1〜Ｂ16を順次接続セルとして選択し、選択した接続セルと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnとを接続して、接続セルの両端電圧が最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminに達するまで放電させることで、各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧のばらつきを解消する。

上述した均等化処理の詳細な動作について図３を参照して以下説明する。まず、ＣＰＵ７２は、セル選択手段として働き、カウント値ｎを１にセットして、単位セルＢ1を接続セルとして選択する（ステップＳ３００）。次に、接続セルＢnの両端電圧Ｖnが最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminと等しいか否かを判断する（ステップＳ３０１）。最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminと等しければ（ステップＳ３０１でＹ）、後述するステップＳ３０２〜Ｓ３０７を行うことなく直ちにステップＳ３０８に進む。一方、最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminと等しくなければ（ステップＳ３０１でＮ）、次にＣＰＵ７２は、抵抗選択手段として働き、複数種類の放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnのうち接続セルＢnの両端電圧Ｖnに応じた１つを選択する抵抗選択処理を行う（ステップＳ３０２）。この抵抗選択処理において、ＣＰＵ７２は接続セルＢnの両端電圧Ｖnが低いほど小さい抵抗値を選択する。

この抵抗選択処理における詳細な動作について図４を参照して以下説明する。まず、ＣＰＵ７２は、接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで放電させるような放電抵抗の抵抗値Ｖn／Ｉpを演算する抵抗演算処理を行う（ステップＳ３３０）。許容電流Ｉpは、単位セルＢ1〜Ｂ16を構成する二次電池の特性に応じて予め定められるもので、この許容電流Ｉpを越えた放電が行われると二次電池が劣化する恐れがある。次に、ＣＰＵ７２は、放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnのうち抵抗演算処理により演算した抵抗値Ｖn／Ｉp以上の放電抵抗を抽出する抵抗抽出処理を行う（ステップＳ３３１）。その後、ＣＰＵ７２は、抵抗抽出処理が抽出した放電抵抗のうち抵抗値が最小のものを選択して（ステップＳ３３２）、次のステップＳ３０３に進む。以下放電抵抗Ｒｄm（ｍは任意の整数）が選択されたものとして説明する。

次に、ＣＰＵ７２は、図３に示すように、接続セルＢnの両端電圧及び放電抵抗Ｒｄmの抵抗値に基づいて、接続セルＢnの両端を放電抵抗Ｒｄmに接続してから接続セルＢnの両端電圧Ｖnが最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminに達するまでの放電時間を推測する放電時間推測処理を行う（ステップＳ３０３）。

この放電時間推定処理の詳細について説明する。まず、接続セルＢnの両端電圧から接続セルＢnの平衡状態開回路電圧を求め現ＯＣＶとする。次に、最小単位セルＢminの両端電圧から最小単位セルＢminの平衡状態開回路電圧を求め目標ＯＣＶとする。具体的には、組電池の状態が平衡状態であれば接続セルＢnの両端電圧、最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminを各々そのまま現ＯＣＶ、目標ＯＣＶとし、平衡状態でなければ接続セルＢnの両端電圧、最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminから現ＯＣＶを推測する。

上記求めた現ＯＣＶ及び目標ＯＣＶを下記の式（１）に代入して放電時間（ｈ）を求める。
放電時間（ｈ）＝｛（現ＯＣＶ−目標ＯＣＶ）・満充電容量（Ａｈ）／（満充電電圧−放電終止電圧）｝／放電電流 …（１）
なお、放電電流は現ＯＣＶ／放電抵抗Ｒdmから求める。

例えば、満充電電圧＝４．５Ｖ、放電終止電圧＝３Ｖ、満充電容量＝１Ａｈ、現ＯＣＶ＝３．８Ｖ、目標ＯＣＶ＝３．７Ｖ、放電電流＝０．０５Ａとすると放電時間は式（２）に示すようになる。
放電時間（ｈ）＝｛（３．８Ｖ−３．７Ｖ）・１Ａｈ／（４．５Ｖ−３Ｖ）｝／０．０５Ａ
＝１．３３ｈ …（２）

その後、ＣＰＵ７２は、接続セルＢnの両端に接続されたスイッチＳ2n-1及びＳ2nをオンすると共に、上記抵抗選択処理で選択した放電抵抗Ｒｄmに接続されるスイッチＳ5mをオンすることにより、放電抵抗Ｒｄmに接続セルＢnを接続して、接続セルＢnの放電を開始させる（ステップＳ３０４）。

さらに、ＣＰＵ７２は、経過時間Ｔのカウントを開始し（ステップＳ３０５）、経過時間Ｔが上記放電時間推測処理で推定した放電時間に達すると（ステップＳ３０６でＹ）、接続セルＢnの両端電圧Ｖnが最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminに達したと判断する。そして、接続セルＢnの両端に接続されたスイッチＳ2n-1及びＳ2n、スイッチＳ5mをオフして、接続セルＢnと放電抵抗Ｒｄmとの接続を解除することにより、接続セルＢnの放電を終了する（ステップＳ３０７）。

次に、ＣＰＵ７２は、セル選択手段として働き、カウント値ｎをインクリメントして、単位セルＢn+1を接続セルとして選択する（ステップＳ３０８）。カウント値ｎをインクリメントした結果、カウント値ｎが１６に達すると（ステップＳ３０９でＹ）、ＣＰＵ７２は、最小単位セルＢminを除いた全ての単位セルＢ1〜Ｂ16の蓄積電荷が放電されて最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminと等しくなり均等化が終了したと判断して、充電状態調整処理を終了する。これに対して、カウント値ｎが１６に達していなければ（ステップＳ３０９でＮ）、再びステップＳ３０１に戻る。以上の動作から明らかなように、セル選択用スイッチ群２、極性反転用スイッチ群３、放電抵抗選択用スイッチ群５及びμＣＯＭ７が均等化手段を構成する。

上述した充電状態調整装置によれば、放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnが互いに異なる抵抗値の複数種類設けられる。ＣＰＵ７２が抵抗選択処理において複数種類の抵抗値のうち接続セルＢnの両端電圧に応じた１つが選択し、均等化処理において抵抗選択処理により選択した抵抗値を有する放電抵抗Ｒｄmと接続セルＢnとを接続して接続セルＢnの蓄積電荷を放電させることにより各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を均等化する。従って、複数種類の抵抗値のうち接続セルＢnの両端電圧に応じた１つが選択されて接続セルＢnに接続されるため、接続セルＢnの両端電圧が低くても大きな放電電流で放電することができ、最小単位セルＢminの両端電圧Ｖminに達するまでの放電時間を短くすることができ、短時間に均等化することができる。

また、ＣＰＵ７２が抵抗演算処理において接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで放電させる抵抗値Ｖn／Ｉpを演算し、抵抗抽出処理にて複数種類の抵抗値のうち抵抗演算処理により演算した抵抗値Ｖn／Ｉp以上の放電抵抗を抽出する。さらに抵抗抽出処理により抽出した放電抵抗のうち抵抗値が最小のものを選択する。従って、抵抗演算処理にて演算した抵抗値Ｖn／Ｉp以上となる放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnのうち最小のものが選択され接続セルＢnに接続されるため、許容電流Ｉpを越えた放電電流が流れることがない放電抵抗のうち最も大きな放電電流が流れるような抵抗値の放電抵抗を選択することができ、より短時間に均等化することができる。

なお、上述した第１実施形態では、抵抗演算処理にて接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで放電させる抵抗値Ｖn／Ｉpを演算し、抵抗抽出処理にて複数種類の抵抗値のうち抵抗演算処理により演算した抵抗値Ｖn／Ｉp以上の抵抗値を抽出し、抵抗抽出処理により抽出した抵抗値のうち最小のものを選択していた。しかしながら本発明はこれに限らず、例えば、接続セルＢnの両端電圧Ｖnが０．５Ｖ未満０．４Ｖ以上のときは抵抗値Ｒｄ1、０．４Ｖ未満０．３Ｖ以上のときは抵抗値Ｒｄ2…のように、接続セルＢnの両端電圧Ｖnと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの抵抗値との対応関係を示すテーブルを例えばＲＯＭ７３などの記憶手段に予め記憶させておき、この対応関係を示すテーブルに従って放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの抵抗値を選択するようにしてもよい。

上述した対応関係を示すテーブルとしては、接続セルＢnを許容電流Ｉpで放電させる抵抗値Ｖn／Ｉp以上となる放電値のうち最小のものが選択されるように、接続セルＢnの両端電圧Ｖnと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの抵抗値が対応付けられていても良いし、ただ単に接続セルＢnの両端電圧が低いほど小さい抵抗値を選択するように対応付けたものでもよい。

また、上述した第１実施形態では、最小単位セルＢminを除いた単位セルＢ1〜Ｂ16の１つ１つに対してそれぞれ放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnを選択していた。しかしながら、単位セルＢ1〜Ｂ16がバラツクといっても放電電流に大きな差がつくほどばらつかないことに着目し、例えば、単位セルＢ1〜Ｂ16のうち両端電圧が最大となる最大単位セルＢmaxの両端電圧Ｖmaxに応じた放電抵抗を選択し、選択した放電抵抗と最大単位セルを除いた単位セルＢ1〜Ｂ16を順次接続することも考えられる。

また、上述した第１実施形態では、複数の単位セルＢ1〜Ｂ16のうち１つを接続セルとして選択して放電抵抗と接続していたが、例えば、互いに直列接続された２つ以上単位セルＢn、Ｂn+1…の両端電圧Ｖn＝Ｖn+1…が等しく、さらにその２つ以上の単位セルＢn、Ｂn+1…が最小単位セルＢminでなかった場合（∵Ｖn＝Ｖn+1＝…≠Ｖmin）、その２つ以上の単位セルＢn、Ｂn+1…を接続セルとして選択し、２つ一緒に放電抵抗と接続してもよい。この場合は、接続セルを構成する単位セルＢn、n+1…の各両端電圧Ｖn、Ｖn+1…の和（Ｖn＋Ｖn+1…）に応じた抵抗値の放電抵抗を選択する。

また、上述した第１実施形態では、互いに異なる抵抗値の複数の放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnを設け、このｎ個の放電抵抗の一つを選択して接続セルＢnに接続していた。しかしながら、本発明はこれに限らず、放電抵抗としては、接続セルに複数種類の抵抗値が選択的に接続できるように、その抵抗値が複数種類設けられていればよく、例えば、抵抗値が同じ放電抵抗を並列に例えばｎ個設け、接続セルに接続する放電抵抗の数を選択することにより、複数種類の抵抗値が選択的に接続できるようになっていてもよい。また、互いに異なる抵抗値の放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの何れか２つ以上組み合わせた抵抗値を選択対象としてもよい。

第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。図５は、第２実施形態における本発明の組電池の充電状態調整装置（以下調整装置）１を示す回路図である。同図において、図１について上述したものと同一の部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図中引用符号１で示す本実施形態の調整装置は、メインバッテリＢを構成し直列接続された例えば１６個の単位セルＢ1〜Ｂ16の何れか１つを接続セルとして選択し、選択した接続セルとコンデンサＣ（キャパシタ）とを接続してコンデンサＣを介して単位セルＢ1〜Ｂ16間で蓄積電荷を移動させることにより各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を均等化するチャージポンプ方式の装置である。

本実施形態の調整装置１は、セル選択用スイッチ群２、極性反転用スイッチ群３、電圧検出用スイッチ群４、電流制限抵抗選択用スイッチ群８、バッファ回路６、コンデンサＣ、電流制限抵抗群ＲＬ及びμＣＯＭ７を備えている。

セル選択用スイッチ群２、極性反転用スイッチ群３、電圧検出用スイッチ群４、バッファ回路６、コンデンサＣ及びμＣＯＭ７については、図１と同一の構成であるため、詳細な説明は省略する。

電流制限抵抗群ＲＬは極性反転用スイッチ群３とコンデンサＣとの間に設けられ、互いに異なる抵抗値の複数種類の電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnから構成されている。電流制限抵抗選択用スイッチ群８は、電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnの何れかを選択的にセル選択用スイッチ群２により選択された単位セルＢ1〜ＢnとコンデンサＣとの間に介在させるスイッチ群であり、各電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnと直列接続されるｎ個のスイッチＳ81〜Ｓ8nから構成される。この電流制限抵抗選択用スイッチ群８を構成するスイッチＳ81〜Ｓ8nは各々ＣＰＵ７２によってオンオフが制御されるようになっている。

上述した構成の調整装置１の動作について図６〜図８を参照して以下説明する。図６は、図５に示す充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の充電状態調整処理手順を示すフローチャートである。図７は、図５に示す充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の均等化処理手順を示すフローチャートである。図８は、図５に示す充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の抵抗選択処理手順を示すフローチャートである。

μＣＯＭ７内のＣＰＵ７２は、例えば、イグニッションスイッチのオフに応じて充電状態調整処理を開始する。なお、同図において、図２について上述したものと同一のステップには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図６に示すように、充電状態調整処理においてＣＰＵ７２は、先ず各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧を検出する電圧検出処理を行う（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ７２は、上記電圧検出処理にて検出した各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧に基づいて各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端電圧にバラツキが生じているか否かを判断する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ７２は、バラツキが生じていないと判断したとき（ステップＳ２でＮ）、後述するステップＳ３１の均等化処理を行わずに充電状態調整処理を終了する。一方、バラツキが生じていると判断したとき（ステップＳ２でＹ）、各単位セルＢ1〜Ｂ16の１つを接続セルとして選択し、接続セルとコンデンサＣとを接続してコンデンサＣを介して単位セルＢ1〜Ｂ16間で蓄積電荷を移動させることにより各単位セルの両端電圧を均等化する均等化処理を行った後（ステップＳ３１）、再びステップＳ１に戻る。

上述した均等化処理の詳細な動作について図７を参照して以下説明する。まず、ＣＰＵ７２は、セル選択手段として働き、カウント値ｎを１にセットして、単位セルＢ1を接続セルとして選択する（ステップＳ３１１）。次に、複数種類の電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnのうちコンデンサＣと接続セルＢnとの両端電圧差に応じた１つを選択する抵抗選択処理を行う（ステップＳ３１２）。この抵抗選択処理において、ＣＰＵ７２は接続セルＢnとコンデンサＣとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が小さいほど小さい抵抗値を選択する。

この抵抗選択処理における詳細な動作について図８を参照して以下説明する。まず、ＣＰＵ７２は、電圧検出用スイッチ群４のスイッチＳ41及びＳ42をオンして、コンデンサＣの両端電圧Ｖcを検出すると共に、接続セルＢnとコンデンサＣとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|に基づいて接続セルＢnとコンデンサＣとを接続したとき接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで放電させる抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉpを演算する抵抗演算処理を行う（ステップＳ３４０）。許容電流Ｉpは、単位セルＢ1〜Ｂ16を構成する二次電池の特性に応じて予め定められるもので、この許容電流を越えた充放電が行われると二次電池が劣化する恐れがある。また、接続セルＢnの充電時の許容電流Ｉpcと放電時の許容電流Ｉpdとの大きさが異なる場合、接続セルＢnとコンデンサＣとの大きさを比較して、Ｖn＜Ｖcであれば抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉpcを演算し、Ｖn＞Ｖcであれば抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉpdを演算すればよい。

また、一般的にＲＣ回路では接続セルＢnとコンデンサＣとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が小さくなるに従って接続セルＢnの充放電が減少し、接続セルＢnとコンデンサＣとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が０になると充放電電流が０となる。抵抗演算処理では、過渡的に変化する充放電電流が最大となる接続セルＢnとコンデンサＣとを接続した直後において接続セルＢnを許容電流Ｉpで放電させる抵抗値を演算する。

次に、ＣＰＵ７２は、電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnのうち抵抗演算処理により演算した抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉp以上の電流制限抵抗を抽出する抵抗抽出処理を行う（ステップＳ３４１）。その後、ＣＰＵ７２は、抵抗抽出処理が抽出した電流制限抵抗のうち最小のものを選択して（ステップＳ３４２）、次の図７のステップＳ３１３に進む。以下電流制限抵抗ＲＬm（ｍは任意の整数）が選択されたものとして説明する。

次に、図７に示すように、接続セルＢnの両端に接続されたスイッチＳ2n-1及びＳ2nをオンすると共に、上記抵抗選択処理で選択した電流制限抵抗ＲＬmに接続されるスイッチＳ8mをオンする。また、接続セルＢnとコンデンサＣとの極性が一致するように極性反転用スイッチ群３のスイッチＳ31〜Ｓ34もオンオフ制御する。これにより、電流制限抵抗ＲＬmを介して接続セルＢnの両端をコンデンサＣに接続して、接続セルＢnからコンデンサＣに電荷を移動させる（ステップＳ３１３）。

次に、ＣＰＵ７２は、接続セルＢnからコンデンサＣへの電荷移動がなくなったり、また接続から所定時間経過した後、スイッチＳ2m-1、Ｓ2m、スイッチＳ8m及び極性反転用スイッチ群３をオフして接続セルＢnとコンデンサＣとの接続を解除する（ステップＳ３１４）。その後、ＣＰＵ７２は、セル選択手段として働き、カウント値ｎをインクリメントして、単位セルＢn+1を接続セルとして選択した後（ステップＳ３１５）、カウント値ｎが１６に達したか否かを判断する（ステップＳ３１６）。カウント値ｎが１６に達すると（ステップＳ３１６でＹ）、ＣＰＵ７２は、全ての単位セルＢ1〜Ｂ16が順番にコンデンサＣに接続されたと判断して、再び図６のステップＳ１に戻る。一方、カウント値が１６に達していなければ（ステップＳ３１６でＮ）、再びステップＳ３１１に戻る。

上述した充電状態調整装置によれば、電流制御抵抗ＲＬ1〜ＲＬnの抵抗値が複数種類設けられる。ＣＰＵ７２が抵抗選択処理にて複数種類の抵抗値のうちコンデンサＣと接続セルＢnとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が小さくほど小さい抵抗値を選択し、均等化処理において抵抗選択処理により選択した電流制御抵抗ＲＬmを介して接続セルＢnとコンデンサＣとを接続してコンデンサＣを介して単位セルＢ1〜Ｂ16間で蓄積電荷を移動させることにより各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端を均等化する。従って、コンデンサＣと接続セルＢnとの両端電圧差が小さいほど抵抗値の小さい電流制限抵抗がコンデンサＣ−接続セルＢn間に介在される。このため、コンデンサＣと接続セルＢnとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が小さくても大きな充放電電流で接続セルＢnを充放電することができ、コンデンサＣ−接続セルＢn間において短時間で大きな電荷移動を行うことができ、短時間に均等化することができる。

また、上述した充電状態調整装置によれば、ＣＰＵ７２が抵抗選択処理で接続セルＢnとコンデンサＣとを接続したとき接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで充放電させる抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉp以上となる抵抗値のうち最小のものを選択する。従って、接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで充放電させる抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉp以上となる抵抗値のうち最小のものが選択されコンデンサＣ−接続セルＢn間に介在されるため、許容電流Ｉpを越えた充放電電流が流れることがない抵抗値のうち最も大きな充放電電流が流れるような抵抗値を選択することができ、より短時間に均等化することができる。

なお、上述した第２実施形態では、抵抗演算処理にて接続セルＢnを予め定めた許容電流Ｉpで充放電させる抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉpを演算し、抵抗抽出処理にて複数種類の抵抗値のうち抵抗演算処理により演算した抵抗値Ｖn／Ｉp以上の抵抗値を抽出し、抵抗抽出処理により抽出した抵抗値のうち最小のものを選択していた。しかしながら本発明はこれに限らず、例えば、接続セルＢnの両端電圧Ｖnが０．５Ｖ未満０．４Ｖ以上のときは抵抗値ＲＬ1、０．４Ｖ未満０．３Ｖ以上のときは抵抗値ＲＬ2…のように、接続セルＢnの両端電圧Ｖnと電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnの抵抗値との対応関係を示すテーブルを例えばＲＯＭ７３などの記憶手段に予め記憶させておき、この対応関係を示すテーブルに従って電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnの抵抗値を選択するようにしてもよい。

上述した対応関係を示すテーブルとしては、接続セルＢnを許容電流Ｉpで充放電させる抵抗値|Ｖn−Ｖc|／Ｉp以上となる抵抗値のうち最小のものが選択されるように、接続セルＢnの両端電圧Ｖnと放電抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの抵抗値が対応付けられていても良いし、ただ単に接続セルＢnとコンデンサＣとの両端電圧差|Ｖn−Ｖc|が低いほど小さい抵抗値を選択するように対応付けたものでもよい。

また、上述した第２実施形態では、単位セルＢ1〜Ｂ16の１つを順次接続セルとして選択して、コンデンサＣに接続していた。しかしながら、本発明はこれに限らず、コンデンサＣを介して両端電圧の高い単位セルから両端電圧の低い単位セルに電荷移動できるように単位セルＢ1〜Ｂ16をコンデンサＣに接続すればよく、例えば、単位セルＢ1〜Ｂ16のうち両端電圧が最大の単位セルと最小の単位セルとを交互に接続セルとして選択することを繰り返すものに適用することも考えられる。さらには、単位セルＢ1〜Ｂ16のうち互いに直列接続された２つ以上の単位セルＢn、Ｂn+1…と、最小単位セルＢminとを交互に選択して接続することを繰り返すものに適用することも考えられる。２つ以上の単位セルＢn、Ｂn+1…を接続セルとして選択する場合は、接続セルを構成する単位セルＢn、Ｂn+1…の各両端電圧Ｖn、Ｖn+1…の和（Ｖn＋Ｖn+1…）に応じた抵抗値の電流制限抵抗を選択する。

また、上述した第２実施形態では、互いに異なる抵抗値の複数の電流制限抵抗ＲＬ1〜ＲＬnを設け、このｎ個の電流制限抵抗の一つを選択して接続セルＢnに接続していた。しかしながら、本発明はこれに限らず、電流制限抵抗としては、接続セルＢn−コンデンサＣ間に複数種類の抵抗値が選択的に介在できるように、その抵抗値が複数種類設けられていればよく、例えば、抵抗値が同じ電流制限抵抗を並列に例えばｎ個設け、介在させる電流制限抵抗の数を選択することにより、複数種類の抵抗値が選択的に接続できるようになっていてもよい。また、互いに異なる抵抗値の電流制限抵抗Ｒｄ1〜Ｒｄnの何れか２つ以上組み合わせた抵抗値を選択対象としてもよい。

また、上述した第１及び第２実施形態では、１６個の単位セルＢ1〜Ｂ16について説明していたが、単位セルの数はこれに限らず複数直列接続していればよい。また、上述した第１及び第２実施形態では、セル選択用スイッチ群２は、組電池Ｂの両端に設けたスイッチＳ20、Ｓ216と、単位セルＢ1〜Ｂ16間に１つづつ設けられたスイッチＳ21〜Ｓ215との１６個のスイッチから構成されていた。しかしながら、本発明としてはこれに限らず、例えば、各単位セルＢ1〜Ｂ16の両端に１対づつ設けた、合計３２個のスイッチからセル選択用スイッチ群２を構成することも考えられる。この場合、極性反転用スイッチ群３は不要となる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

第１実施形態における本発明の組電池の充電状態調整装置１を示す回路図である。 図１の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の充電状態調整処理手順を示すフローチャートである。 図１の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の均等化処理手順を示すフローチャートである。 図１の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の抵抗選択処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における本発明の組電池の充電状態調整装置１を示す回路図である。 図５の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の充電状態調整処理手順を示すフローチャートである。 図５の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の均等化処理手順を示すフローチャートである。 図５の充電状態調整装置１を構成するＣＰＵ７２の抵抗選択処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 充電状態調整装置
２ セル選択用スイッチ群（均等化手段）
３ 極性反転用スイッチ（均等化手段）
５ 放電抵抗選択用スイッチ（均等化手段）
７２ ＣＰＵ（セル選択手段、均等化手段、抵抗選択手段）
Ｂ メインバッテリ（組電池）
Ｂ1〜Ｂ16 単位セル

Claims (4)

1. 組電池を構成し直列接続された複数の単位セルを放電するための放電抵抗と、前記複数の単位セルの１つ以上を接続セルとして選択するセル選択手段を有し、該選択手段が選択した接続セルと前記放電抵抗とを接続して前記接続セルの蓄積電荷を放電することにより前記各単位セルの両端電圧を均等化する均等化手段とを備えた組電池の充電状態調整装置において、
   前記放電抵抗の抵抗値が複数種類設けられ、
   前記均等化手段が、前記複数種類の抵抗値のうち前記接続セルの両端電圧に応じた１つを選択する抵抗選択手段を有し、該抵抗選択手段が選択した抵抗値の放電抵抗と前記接続セルとを接続することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。
2. 前記抵抗選択手段は、前記接続セルを予め定めた許容電流で放電させる抵抗値以上となる前記抵抗値のうち最小のものを選択することを特徴とする請求項１記載の組電池の充電状態調整装置。
3. 組電池を構成し直列接続された複数の単位セルの蓄積電荷が移動されるキャパシタと、前記複数の単位セルの１つ以上を接続セルとして選択する選択手段を有し、該選択手段により選択された前記接続セルと前記キャパシタとを接続して前記キャパシタを介して前記単位セル間で蓄積電荷を移動させることにより前記各単位セルの両端を均等化する均等化手段と、前記接続セルに流れる充放電電流を制限するための電流制限抵抗とを備えた組電池の充電状態調整装置において、
   前記電流制限抵抗の抵抗値が複数種類設けられ、
   前記均等化手段が、前記複数種類の抵抗値のうち前記キャパシタと前記接続セルとの両端電圧差に応じた１つを選択する抵抗選択手段を有し、該抵抗選択手段が選択した抵抗値の電流制限抵抗を介して前記接続セルと前記キャパシタとを接続することを特徴とする組電池の充電状態調整装置。
4. 前記抵抗選択手段が、前記接続セルと前記キャパシタとを接続したとき前記接続セルを予め定めた許容電流で充放電させる抵抗値以上となる前記抵抗値のうち最小のものを選択することを特徴とする請求項３記載の組電池の充電状態調整装置。
   

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