JP2007037227A - 組電池の制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池（セル）を直列に接続した組電池において、特に電圧の低いセルにおいてはセル間の容量ばらつきを調整する際、バイパス抵抗に電流が流れず、このため長期間通電されることのないセルの電圧検出端子に酸化膜が形成され、セルの正確な特性特性制御が出来なくなる問題があった。本発明は、自動的にこの酸化膜の除去または酸化膜形成を防ぐ組電池の制御回路の実現を目的とした。
【解決手段】前回車両停止時またはバイパス回路オフ時のセル電圧と、今回起動時のセル電圧との差電圧からセルの自己放電量を求め、一方、自己放電量とセルの放置期間との関係を予め取得しておき、この関係と上記の自己放電量戸から車両の停止期間を求め、この停止期間の積算値が所定の時間を越えたところで強制的にバイパス回路に電流を流し、酸化膜の除去、または酸化膜形成の防止を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は複数の単電池で構成された組電池における単電池間の充電状態（以下、ＳＯＣと略記；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を管理のための制御回路に関する。

複数の単電池（以下、セルと略記）を直列に接続した組電池において、各セルは電圧検出用のセル電圧検出端子を有しており、このセル電圧検出端子を介して各セルには、これら各セルの電圧を検出するための電圧検出手段と、各セルからの放電電流を流すための放電抵抗（バイパス回路）とがそれぞれ並列に接続されている。さらに、上記の各電圧検出手段によって検出された電池の電圧に基づいて、各放電抵抗にセルから電流を流してセルの電力をそれぞれ適宜放電することによって複数のセル間におけるセル容量のばらつきを補正する組電池の制御回路が下記「特許文献１」において開示されている。

このような組電池の制御回路においては、例えば複数のセルのうち最も電圧が低いセルの電圧（以下、最低電圧）を検出して、この最低電圧を目標電圧として、最低電圧以外のセルの電力を放電抵抗を介して放電し、複数のセルのセル容量のばらつきを調整する装置（下記特許文献２）、あるいは、最も電圧の高いセルの電力を放電抵抗を介して放電してセル容量のばらつきを調整する組電池（下記特許文献３）の制御回路が開示されている。

ところで、このような組電池の制御回路においては、例えば電池の劣化や特性のばらつき等によって常に最低電圧となるセルが存在した場合には、そのセルに接続されている放電抵抗に対しては電流が流れず、セル電圧検出端子に酸化膜が発生し、電圧検出手段においてセルの電圧が正確に検出し得ない、あるいは、セルから放電抵抗への放電電流が減少するという問題があった。
特開２００２−３４３１７１号公報 特開２００２−１０５１２号公報 特開２００２−３５４６８４号公報

上記のように、従来の組電池充電制御装置においては、常に最低電圧となるセルが存在する場合、このセルに対しては充電に際しても電流がほとんど流れず、このためセル電圧検出端子に酸化膜が形成されることになり、電圧測定の精度が低下する、あるいは、放電に際して放電電流が減少する等の問題があった。また、この酸化膜形成を防止するためセルの各端子に金メッキを施す方法もあり得るが、内燃機関と電動機とを原動機として搭載しているハイブリッド車両においてはセルの数が多く、その全ての端子に金メッキを施すことはコスト増加の点で問題となる。

このため本発明においては、組電池において特定のセルのセル電圧検出端子に酸化膜が発生することを防止する組電池の制御回路の提供を目的としている。

上記目的を達成するために本発明においては、組電池における各セルの容量ばらつきを補正し揃えるために、各セルに接続されて、各セルの電圧を検出する電圧検出手段と、各セルに選択的に接続されて、各セルからの放電電流が流れるバイパス回路と、前記電圧検出手段により検出された電圧値に基づいてバイパス回路と各セルとの接続を制御して、バイパス回路に流す電流を制御するセルコントローラＣＰＵとを有する回路構成を用い、各セルについて当該セルのバイパス回路との接続を最後にオフ状態にした時点からの経過時間が、予め設定された時間以上セルとバイパス回路との接続がオンされない状態が継続した場合は、当該セルのバイパス回路に強制的に放電電流を流すようにする回路構成とした。

本発明により、長時間通電されることがなく電池端子に酸化膜が形成されたりあるいは形成される可能性がある場合に、自動的に酸化膜を除去あるいは酸化膜形成抑止の処理を、ソフトウエアの変更で容易に実行出来、コスト増を抑え、簡単な構造で実現可能としている。

（実施の形態１）
図１に本発明において使用する組電池の制御回路のブロック図を示す。セル（単電池）Ｃ１〜Ｃｎで構成された組電池１の電力は車両負荷２に供給される。各セルのセル電圧検出端子３にはそれぞれセルコントローラ４１〜４ｎが接続されている。各セルＣ１〜Ｃｎにおいては、セル放電用の抵抗で構成されたバイパス回路５と電圧検出手段６とが並列接続されている。電圧検出手段６で検出された電圧値はセルコントローラＣＰＵ（処理装置）７に入力され、セルコントローラＣＰＵ７では入力された電圧値が予め設定された電圧値よりも低い状態が長時間継続すると、バイパス回路５とセルとを接続（バイパス回路をオン）を介して当該セルの強制放電を行わせ、セル電圧検出端子３の酸化膜対策処理を行う。また、セルコントローラＣＰＵ７の動作はメインＣＰＵ８により制御されている。

以下、セルコントローラ４１〜４ｎにおける処理の内容をセルコントローラ４１を例に具体的に説明する。いま、図１において、セルＣ１のセル電圧がセルＣ１〜Ｃｎのセルのうちで最も低いためにセルコントローラ４１のバイパス回路５に電流が流れない状態が続いているとする。この状態が継続している間、セルコントローラＣＰＵ７においては電圧検出手段６により計測した「前回車両停止時のセル電圧（Ｖ１）」と「今回起動時のセル電圧（Ｖ２）」とを用いて、電池の自己放電量ΔＶを次式で求めることが出来る。

Ｖ１−Ｖ２＝ΔＶ （１）
ここで、図示しないが、それぞれのセルＣ１〜Ｃｎに対する「放置期間に対する自己放電量」の関係を予め測定しマップ化して、セルコントローラ７またはメインＣＰＵ８に登録しておく。式（１）により得られた自己放電量ΔＶと、このマップのデータとからセルコントローラＣＰＵ７により「車両を停止していた時間」を求めることが出来る。一方、メインＣＰＵ８においては毎回の「車両を起動していた時間」を記録しておき、セルコントローラＣＰＵ７に送信する。セルコントローラＣＰＵ７においては、先にセルコントローラＣＰＵ７で求めた「車両を停止していた時間」と、メインＣＰＵ８から受信した「車両を起動していた時間」とをそれぞれ積算しておき、バイパス回路５に前回車両起動以前で、且つ最後にバイパス電流を流した時点からの車両停止時間の総計を推定し、バイパス回路とセルとの接続を切断（バイパス回路をオフ）にしていた時間の総計が予め定められた時間を超えている場合、バイパス回路５をオンにしてセル電圧検出端子３にバイパス電流を強制的に流すことで酸化膜の除去および酸化膜発生の防止を行っている。

すなわち、本発明においては、各セルについての当該セルのバイパス回路５を最後にオフ状態にした時点から経過した時間が、予め設定された時間以上バイパス回路５がオンされない状態が継続する場合は、当該セルのバイパス回路５を強制的にオンとしてバイパス電流を流すことによりセル電圧検出端子３の酸化膜対策を行うことを特徴としているものである。以下、図２にこの処理手順をフロー図として示す。

まず、組電池１を構成している各セルＣ１〜Ｃｎの電圧検出を、各セルコントローラ４１〜４ｎに搭載されている電圧検出手段６により行う（ステップＳ０１）。セル電圧検出後、前記式（１）の計算を実行してセルの自己放電量ΔＶを算出する（ステップＳ０２）。この自己放電量ΔＶとマップ化された「車両放置時間に対する自己放電量」のデータとから車両の停止していた時間を求める（ステップＳ０３）。続いて、メインＣＰＵ８から前回車両を起動していた時間を受信する（ステップＳ０４）。次に、前回の車両起動以前において、バイパス回路５を最後にオフにしてから前回車両起動までの経過時間Ｔ_１と、上記ステップＳ０３で得られた「車両を停止していた時間Ｔ_２」と、前回車両を起動していた時間Ｔ_３との３者の和を求め、前回以前を含め、最後にバイパス回路５をオフにしてからセルＣ１に通電していなかった経過時間Ｔ_４を求める（ステップＳ０５）。

次に、セル電圧検出端子３に通電がなかった場合に酸化膜が形成すると推定される時間Ｔ_５と、この電極に通電しなかった時間Ｔ_４とを比較し、無通電時間Ｔ_４が上記時間Ｔ_５よりも大きい時、すなわち、酸化膜が形成される可能性がある時間に達すると（ステップＳ０６／ＹＥＳ）、バイパス回路５をオンにし（ステップＳ０７）、このバイパス回路５がオンになっている時間を計測する（ステップＳ０８）。この計測した時間が酸化膜除去用または酸化膜形成防止用として設定された所定時間Ｔ_６を経過したか否かを判定する。ここで所定時間経過した場合（ステップＳ０９／ＹＥＳ）は、バイパス回路５をオフ（ステップＳ１０）し、通常制御に戻る（ステップＳ１１）。また、所定時間経過していない場合（ステップＳ０９／ＮＯ）は、ステップＳ０８に戻り時間計測を所定時間に達するまで継続する。また、上記の無通電時間Ｔ_４が、セル電圧検出端子３に酸化膜が形成すると推定される時間Ｔ_５に達していない場合（ステップＳ０６／ＮＯ）はバイパス回路５を外し、通常制御に戻る。

なお、本回路において、例えば、バッテリを取り外す等の要因により、電気系統全体が遮断され、これによりバイパス回路５をオフしてから経過した積算時間の記録がリセットされた場合には、次に車両の起動を行う時に全セルのバイパス回路５を強制的に所定の時間オンにし、このオン処理終了時点から改めてバイパス回路５のオフ時間の計測を行う。これにより、酸化膜対策として実施されるべき通電処理の時期が、本来実施されるべき時間以上に経過し、遅延してしまうのを防ぐことが出来る。なお、バイパス回路４をオンにして通電する場合に、車両での充電以外の余剰電力である回生電力の発生時にバイパス回路５に通電することも可能である。これにより、車両で発生する電力の利用効率を向上することが出来る。

（実施の形態２）
実施の形態１に記載の組電池の制御回路おいて、車両の停止していた時間を算出するため前記マップ化された「車両放置時間に対する自己放電量」の関係において、自己放電量として各セル毎に求められている自己放電量の平均値を用いることも出来る。図３にこの場合のフロー図を示す。図３は図２におけるＳ０１〜Ｓ０３をＳ１２〜Ｓ１５の処理に置き換えたものである。本実施の形態２においては全セルに対して自己放電量を求め、さらにその平均値を求め（Ｓ１４）、この平均値を用いて車両の停止していた時間を算出している。この方法によれば、各セルの自己放電量を平均値からの偏差分内に収めることが出来るため、算出された「車両の停止していた時間」のばらつきを小さくすることが出来、より精度よく車両の停止していた時間を求めることが可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態１に記載の組電池の制御回路おいて、各セル毎に各セル電圧の自己放電量から求めた「車両の停止していた時間」の平均値を求め、この平均値を「車両の停止していた時間」として使用することも出来る。図４にこの場合のフロー図を示す。この場合は、図２におけるＳ０１〜Ｓ０３の処理をＳ１６〜Ｓ１９に置き換えたもので、この手順で車両の停止していた時間およびその平均値を求めている（Ｓ１８およびＳ１９）。これにより、各セル毎の自己放電量のばらつきによる影響を抑制することが出来る。

（実施の形態４）
実施の形態１に記載の組電池の制御回路おいて、「車両の停止していた時間」を求めるためのセル電圧として組電池の総電圧を使用することも出来る。この方法によっても、個々のセルにおける自己放電量のばらつきの影響を抑制することが出来る。

（実施の形態５）
セル電圧検出端子６における酸化膜形成を抑制するための通電を、車両の毎起動時に行う、すなわち酸化膜対策として十分な時間として予め設定されている時間だけバイパス回路５を強制的に通電することも有効である。図５にこの場合の処理手順のフロー図を示す。図５において、車両起動直後に、バイパス回路５を先ずオンにする（Ｓ２１）。ここでバイパス回路５のオンしている時間（通電時間）の計測を開始する（Ｓ２２）。次に、この通電時間が予め設定した時間（酸化膜対策として十分な時間）経過したか否かを判定する。予め設定した時間に達するまではＳ２３／ＮＯのループを循環し、予め設定した時間に達したところ（Ｓ２３／ＹＥＳ）でバイパス回路をオフにして通常制御に移行する（Ｓ２４）。この強制的な通電処理により、セル電圧低下により長期間に渉ってバイパス回路５がオフ状態を持続し、これによりセル電圧検出端子３における酸化膜が形成されるのを防止し得る。

本発明における組電池の制御装置構成のブロック図。 本発明における処理過程フロー図。 実施の形態２における処理を説明するフロー図。 実施の形態３における処理を説明するフロー図。 実施の形態５における処理を説明するフロー図。

符号の説明

１：メインＣＰＵ ２：セルコントローラＣＰＵ ３：電圧検出手段
４：バイパス回路 ５：セル電圧検出端子
６：車両負荷 ７：組電池

Claims (8)

1. 単電池を直列に接続して形成されている組電池の各単電池の容量ばらつきを補正するため、前記各単電池に接続されて、各単電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記各単電池に選択的に接続されて、各単電池からの放電電流が流れるバイパス回路と、前記電圧検出手段により検出された電圧値に基づいて前記バイパス回路と各単電池との接続を制御して、バイパス回路に流す電流を制御するセルコントローラＣＰＵとを有する組電池の制御回路において、
   各単電池について当該単電池と前記バイパス回路との接続を最後にオフ状態にした時点から経過した時間が、予め設定された時間以上単電池と該バイパス回路との接続がオンされない状態が継続した場合は、当該単電池の該バイパス回路に強制的に放電電流を流すことを特徴とする組電池制御回路。
2. 請求項１に記載の組電池制御回路は、
   単電池の自己放電量と単電池放置期間との関係を示すデータを予めマップとして有しており、
   前記バイパス回路と前記単電池との接続を最後にオフ状態にした時点での単電池電圧と今回起動時の単電池電圧との差電圧と、前記マップに記載の前記データとから前記車両の停止していた時間を算出する計算手段を有することを特徴とする組電池制御回路。
3. 請求項１に記載の組電池制御回路において、
   電源部が取り外され、当該時刻以前の前記バイパス回路と前記単電池との接続がオフ状態にされた時点からの経過時間の記録がリセットされた場合、次に車両の起動を行う時に全単電池の前記バイパス回路との接続を強制的に所定の時間オンにした後に再度オフとし、このオフ処理終了時点から改めてバイパス回路と単電池との接続がオフとされている時間の計測を行うことを特徴とする組電池制御回路。
4. 請求項１に記載の組電池制御回路において、
   車両での回生電力、すなわち充電以外の余剰電力が前記組電池に充電される際に前記バイパス回路に対して強制的に通電することを特徴とする組電池制御回路。
5. 請求項１または請求項２に記載の組電池制御回路において、
   前記車両の停止していた時間を算出するための自己放電量として、前記全単電池の自己放電量の平均値を使用することを特徴とする組電池制御回路。
6. 請求項１または請求項２に記載の組電池制御回路において、
   前記車両の停止していた時間として、前記各単電池毎に求めた単電池電圧の前記自己放電から算出した前記車両の停止していた時間の平均値を用いることを特徴とする組電池制御回路。
7. 請求項１または請求項２に記載の組電池制御回路において、
   前記車両の停止していた時間を求めるための前記単電池電圧として前記組電池の総電圧を使用することを特徴とする組電池制御回路。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の組電池制御回路において、
   前記バイパス回路と単電池との接続をオンして通電する時間は、前記単電池の電圧検出端子に形成された酸化膜の除去あるいは酸化膜形成抑止を行うに十分な所定の時間であることを特徴とする組電池制御回路。

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