JP3635760B2

JP3635760B2 - 組電池の充電制御装置

Info

Publication number: JP3635760B2
Application number: JP00584096A
Authority: JP
Inventors: 隆志今関
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: JPH09200969A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の二次電池を直列接続または直並列接続して用いる組電池の充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等においては、複数個の二次電池を直列または直並列に接続した組電池が用いられる。このような組電池の場合には、放電容量（放電可能な電気量）の減少程度が各電池によって異なっている。例えば各電池間には製造バラツキがあり、また組電池で使用した場合の温度分布が均一でない等の理由により、自己放電量や充電受入率（充放電効率）に差があるので、放電容量の減少程度が各電池によって異なっている。そのためＤＯＤ（放電深度：全放電で１００％、満充電で０％）＝０％からの放電容量には各電池にバラツキが生じ、それによって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電池は早く放電終了して過放電状態となり、この過放電になっている電池が他の電池の負荷となって、全ての電池がＤＯＤ＝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になってしまう。
また、電池の放電末期には、▲１▼内部抵抗が増大して内部発熱が大きくなることによる劣化、▲２▼電池系物質が不安定になるための劣化、▲３▼局所的に大きな電流が流れることによる劣化、等の原因で電池の劣化が進むので、上記の過放電状態となった電池は、寿命の劣化の程度が大きくなる。
【０００３】
一方、充電時には、放電時にＤＯＤ＝１００％にならなかった電池が先にＤＯＤ＝０％に達して電圧が上昇し、充電が終了してしまうが、放電時に過放電になった電池はＤＯＤ＝０％にならないままで充電が終了するので、ＤＯＤの差は広がり、各電池の放電容量の差も広がる。したがって、充放電を繰り返すと、放電容量の小さかった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。
なお、一般に二次電池の場合には、充電終止電圧を越えて過充電したり、放電終止電圧を過ぎて過放電すると、寿命が低下するので、組電池中の１個でも充電終止電圧や放電終止電圧に達した場合には、組電池としての充電、放電を終了するのが普通であった。
上記のように、複数の二次電池を直列接続した組電池においては、放電容量やＤＯＤがばらついて、組電池全体としての放電容量が低下するという問題や特定の電池が特に劣化するという問題があった。
【０００４】
上記の問題に対処するための第１の従来例としては、特開昭６１−２０６１７９号公報に記載されたものがある。この装置は、組電池を構成する各電池に並列にバイパス回路を接続し、端子電圧が一定の上限値に達した電池（満充電状態）はバイパス回路を導通させて充電電流を低下させ、充電終了していない電池は充電を継続することによってバラツキを減少させるものである。
また、第２の従来例としては、特開平５−６４３７７号公報に記載されたものがある。この従来例には、組電池を構成する各電池のうち、１個でも満充電に達したら充電を停止させるもの、および満充電に達した電池は充電電流をバイパスさせる回路を設けるものが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来装置においては、過充電保護のため、端子電圧が一定の上限値（充電終止電圧）に達した電池のバイパス回路を導通させて当該電池の充電電流を低下させるようになっているが、このように上限電圧に達した電池を過充電させないためには即時にバイパス回路を導通させる必要があり、そのため制御ゲインが高い値に設定されている。しかし、バイパス回路にはバイパスできる容量に制限があるため、このように高い制御ゲインで急速にバイパス電流を増加させると、直ぐにバイパス容量が限界に達し、それ以上充電を継続すると満充電になった電池が過充電されるので、充電を終了しなければならなくなる。そのためバイパス回路の実質的な作動時間が短くなるので、各電池間の充電量のバラツキを十分に減少させることが出来なくなってしまう、という問題があった。なお、バイパス回路の電流容量を大きく設計すれば、上記の問題は解決できるが、バイパス回路の電流容量を大きくするためには、スイッチング素子（トランジスタ等の電流制御手段）とバイパス抵抗器の容量を大きくする必要が生じ、かつスイッチング素子とバイパス抵抗器は各電池（例えば各セル）ごとに設ける必要があるので、電気自動車用組電池のように数百個ものセルを有する装置では、装置全体が大型になり、コストも上昇するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、バイパス回路の実質的な作動時間を長くし、各電池間の充電量のバラツキを十分に減少させることが出来る組電池の充電制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、セルまたはモジュールの充電の上限電圧よりも所定値だけ低い値に設定された目標電圧にセルまたはモジュールの端子電圧が到達した時点から上記バイパス回路を導通させ、かつ、このときのバイパス電流の増加特性を、バイパス電流に応じた抑制量だけ緩くした特性とし、セルまたはモジュールの端子電圧が上記上限電圧に到達するまで充電するように構成している。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の具体的な回路構成を示したものである。
上記のように、請求項１、請求項２の発明においては、セルまたはモジュールの端子電圧が上限値よりも所定値だけ低く設定された目標値に到達した時点からバイパス回路が導通する。そしてこの時点では、端子電圧がまだ充電の上限値に達していないので、緩い傾斜でバイパス電流を増加させても支障を生じない。そこで、抑制量分を減算した緩い傾斜（低い制御ゲイン）でバイパス電流を増加させることにより、端子電圧が上限値に達するまでの時間を延長することが出来る。このように、バイパス回路の実質的な作動時間が長くなると、その期間中に、他の充電遅れのセルに十分な充電が行なわれるので、各セルの充電量のバラツキを十分に解消することが出来る。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明においては、各セルまたはモジュールの端子電圧のうち最大値と最小値との差をバラツキ量とし、各セルまたはモジュール間の端子電圧のバラツキ量を測定し、それに応じて上記充電の上限電圧から減算する所定値の値を、上記バラツキ量が大きいほど大きな値に設定するように構成している。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３の具体例を示したものであり、端子電圧のうち最大値と最小値との差を上記バラツキ量とし、その値に比例した上記所定値を出力するように構成している。
上記のように、請求項３、請求項４の発明においては、組電池内の各セル間のバラツキが大きい場合には、上限電圧から減算する所定値が大きくなるので、目標電圧が低く設定され、したがってバイパス回路の動作時間が長くなって各セル間のバラツキが有効に低減される。また、バラツキが小さい場合には、バイパス回路の動作時間が短くなり、充電終了までの時間が短縮されるので、充電効率が向上する。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１、請求項２の発明においては、バイパス回路の実質的な作動時間が長くなり、その期間中に、他の充電遅れのセルに十分な充電が行なわれるので、各セルの充電量のバラツキを十分に解消することが出来る、という効果が得られる。
また、請求項３、請求項４の発明においては、各電池間のバラツキが大きい場合には、バイパス回路の動作時間が長くなって各セル間のバラツキが有効に低減され、バラツキが小さい場合には、バイパス回路の動作時間が短くなり、充電終了までの時間が短縮されるので、充電効率が向上する、という効果が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
図１において、１は組電池であり、１ａ〜１ｎは組電池１を構成する電池である。この電池としては、単一の電池からなるセルまたは複数のセルからなるモジュールを用いることが出来る。モジュールの例としては、鉛蓄電池のセルを６個直列に接続して一つのパッケージに収めたものがある。なお、電気自動車の場合には、数十個〜数百個のセルまたはモジュールを接続して用いる。以下、セルの場合を例として説明する。また、１Ｘ、１Ｙは組電池１の端子であり、この端子にはコネクタ１９を介して充電器１５が接続され、充電が行なわれる。なお、組電池からの出力電力も上記端子１Ｘ、１Ｙから外部へ取り出され、例えば電気自動車のモータに接続されるが、出力系統については表示を省略している。
【００１１】
各セル１ａ〜１ｎには、それぞれ充電制御回路２ａ〜２ｎが接続されている。これらの充電制御回路において、セル電圧検出器３はセルの端子電圧Ｖcを検出する。そして差分演算器４は、目標電圧（Ｖs−ε₀）を設定する電圧設定器５の出力と上記端子電圧Ｖcとの差分電圧ΔＶ〔ΔＶ＝Ｖc−（Ｖs−ε₀）〕を出力する。なお、Ｖsは充電の上限電圧（充電終止電圧）であり、ε₀はＶsより小さな値の所定値である。また、差分演算器６は、上記差分電圧ΔＶと抑制量演算器７から与えられるバイパス量の抑制量ε(ｉ）との差〔ΔＶ−ε(ｉ）〕を出力する。また、増幅器８は上記の値〔ΔＶ−ε(ｉ）〕を所定のゲインで増幅した制御値を出力し、その出力でトランジスタ９を制御する。このトランジスタ９が導通すると、バイパス抵抗１０にバイパス電流ｉが流れ、当該セルに対する充電電流をバイパスして当該セルの電圧上昇を抑制する。
上記バイパス抵抗１０の端子電圧、すなわちバイパス電流ｉに相当する信号は、前記の抑制量演算器７に与えられ、抑制量ε(ｉ）の演算に用いられる。
【００１２】
一方、セル電圧検出器３から出力された端子電圧Ｖcは、比較器１２で、電圧設定器１１から与えられた充電の上限電圧Ｖsと比較され、Ｖc≧Ｖsになると、比較器１２の出力が“１”になる。
各充電制御回路２ａ〜２ｎの比較器１２の出力は、オア回路１３に集められる。したがって各充電制御回路２ａ〜２ｎの比較器１２の出力のうち何れか一つでも“１”になると、オア回路１３の出力が“１”になる。この出力をフリップフロップ回路１４で保持する。なお、フリップフロップ回路１４は充電開始前にリセットされる（リセット回路は図示を省略）。
【００１３】
一方、充電器１５は、ＡＣ電源を変圧する変圧器１６と整流器１７等からなるが、その他に、出力電流を開閉するスイッチング回路１８を備えている。そしてスイッチング回路１８は、上記フリップフロップ回路１４から“１”信号が与えられるとオフになり、充電電流を遮断する。したがって充電が終了することになる。
【００１４】
以下、充電時の作用について説明する。
まず、通常充電時には、フリップフロップ回路１４の出力は“０”であり、スイッチング回路１８がオンになって充電器１５は充電電流を出力し、組電池１を充電している。そしてセルの端子電圧Ｖcが目標電圧（Ｖs−ε₀）よりも低いときは、差分ΔＶ＜０である。この場合には増幅器８の出力は０になるように設定され、したがってトランジスタ９は導通せず、バイパス電流ｉは０である。そのため抑制量演算器７から与えられる抑制量ε(ｉ）も０になり、結果として何らの補正も加えられない。
【００１５】
上記の充電に伴って各セルの端子電圧は次第に上昇する。そして端子電圧ＶcがＶc≧（Ｖs−ε₀）になると、差分ΔＶはΔＶ≧０になる。すなわち、上限電圧Ｖsよりも所定値ε₀だけ低く設定された目標電圧に端子電圧Ｖcが達すると、このときε(ｉ）＝０であるため、ΔＶ−ε(ｉ）≧０となる。そのため増幅器８の出力が正になり、トランジスタ９が導通してバイパス抵抗１０にバイパス電流ｉが流れる。抑制量演算器７は、検出したバイパス電流ｉに応じた抑制量ε(ｉ）を出力し、差分演算器６は、ΔＶからε(ｉ）を減算した値を出力する。したがってバイパス量はε(ｉ）だけ減少し、バイパス制御のゲインが減少することになり、バイパス電流ｉの増加速度が抑制される。
充電に伴ってさらにセルの端子電圧Ｖcが上昇し、Ｖc≧Ｖsになると、比較器１２の出力が“１”になり、前記のように、充電器１５のスイッチング回路１８がオフになって充電が終了する。
【００１６】
図２は、上記の状態を示す特性図であり、（Ａ）は従来装置の動作特性、（Ｂ）は本実施の形態の動作特性を示す。
図２（Ａ）に示す従来装置の特性においては、時点ｔ₂でセルの端子電圧Ｖcが上限値Ｖsに達すると、バイパス回路がオンになってバイパス電流が流れるが、この時点では既に端子電圧Ｖcが上限値Ｖsに達しているため、大きなゲインで急速にバイパス電流を増加させる必要があり、そのため短い時間後のｔ₃でバイパス電流の限界値ｉ₀に到達し、その時点で充電を終了しなければならなくなる。そのため、バイパス回路が作動して他の充電遅れのセルに充電がなされている期間はｔ₂〜ｔ₃間の短い期間となり、十分に充電のバラツキを解消することが困難であった。
【００１７】
一方、図２（Ｂ）に示す本実施の形態の特性においては、時点ｔ₁において、端子電圧Ｖcが上限値Ｖsよりも所定値ε₀だけ低く設定された目標電圧（Ｖs−ε₀）に到達した時点からバイパス回路が導通する。そしてこの時点では、端子電圧Ｖcがまだ上限値Ｖsに達していないので、緩い傾斜でバイパス電流を増加させても支障を生じない。そのため、時点ｔ₁以後は、ΔＶ−ε(ｉ）で設定された緩い傾斜（低い制御ゲイン）でバイパス電流が増加するので、長い時間後に時点ｔ₄で端子電圧Ｖcが上限値Ｖsに達し、充電が終了する。このように、バイパス回路の実質的な作動時間が長くなると、その期間中に、他の充電遅れのセルに十分な充電が行なわれるので、各セルの充電量のバラツキを十分に解消することが出来る。
【００１８】
なお、抑制量演算器７から出力される抑制量ε(ｉ）は、例えば図３に示すように、バイパス電流ｉに応じて変化し、最終的にはｉ＝ｉ₀の点で、ε(ｉ）＝ε₀に固定される。この状態では、
ΔＶ−ε(ｉ）＝Ｖc−（Ｖs−ε₀）−ε(ｉ）＝Ｖc−Ｖs＝０
すなわちＶc＝Ｖsとなって端子電圧Ｖcは上限値Ｖsに到達し、かつバイパス電流ｉは限界値ｉ₀に達することになる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す回路図である。この実施の形態は、各セルの電圧のバラツキ量を測定し、それに応じてε₀の値（充電の上限電圧Ｖsから減算する所定値）を変えることにより、バイパス回路の作動時間を調節し、充電のバラツキを効率よく低減するものである。
【００２０】
図４において、２０は例えばＣＰＵ等で構成された演算器である。また、５’は信号に応じて設定電圧を調節する機能を備えた電圧設定器であり、７’はε₀の値が可変の抑制量演算器である。その他、図１と同符号は同一物を示す。
【００２１】
演算器２０は、各充電制御回路２ａ〜２ｎ内のセル電圧検出器３からセルの端子電圧Ｖcを入力し、図５に示すフローに従った演算を行ない、そのときの各セルのバラツキの応じたε₀を演算し、それを各充電制御回路２ａ〜２ｎ内の電圧設定器５’と抑制量演算器７’へ送る。
【００２２】
以下、図５に基づいて演算器２０の作用を説明する。
まず、ステップＳ１では、各セルの端子電圧Ｖcを読み込み、ステップＳ２では、各セルの電圧のうちの最大値Ｖmaxと最小値Ｖminを求める。
次に、ステップＳ３では、最大値Ｖmaxと最小値Ｖminとの差ΔＶm（ΔＶm＝Ｖmax−Ｖmin）を計算する。なお、上記の演算の代わりに、統計処理によって分散を求め、それをΔＶmとしてもよい。
次に、ステップＳ４では、予め設定してあるΔＶmとε₀との関係（例えば比例特性）のマップから、ステップＳ３で求めたΔＶmに対応したε₀を読み出し、ステップＳ５で、その値を当該充電時におけるε₀として各充電制御回路２ａ〜２ｎ内の電圧設定器５’と抑制量演算器７’へ送る。
【００２３】
上記のように構成したことにより、組電池内の各セル間のバラツキが大きい場合には、ε₀が大きくなるので、目標電圧（Ｖs−ε₀）が低く設定され、したがってバイパス回路の動作時間が長くなって各セル間のバラツキが有効に低減される。また、バラツキが小さい場合には、バイパス回路の動作時間が短くなり、充電終了までの時間が短縮されるので、充電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図。
【図２】セル電圧、バイパス電流および充電器電流の変化を示す特性図。
【図３】抑制量演算器７から出力される抑制量ε(ｉ）の特性を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す回路図。
【図５】第２の実施の形態における演算処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…組電池
１ａ〜１ｎ…組電池１を構成する電池（セルまたはモジュール）
１Ｘ、１Ｙ…組電池１の端子１５…充電器
２ａ〜２ｎ…充電制御回路１１…電圧設定器
３…セル電圧検出器１２…比較器
４…差分演算器１３…オア回路
５、５’…電圧設定器１４…フリップフロップ回路
６…差分演算器１６…変圧器
７、７’…抑制量演算器１７…整流器
８…増幅器１８…スイッチング回路
９…トランジスタ１９…コネクタ
１０…バイパス抵抗２０…演算器

Claims

一つの二次電池からなるセルまたは複数のセルからなるモジュールを、複数個直列または直並列に接続した組電池と、
上記セルまたはモジュール毎に並列に接続されたバイパス回路とを備え、
上記バイパス回路を流れる電流を制御することによって上記セルまたはモジュールに対する充電量を制御する組電池の充電制御装置であって、
セルまたはモジュールの充電の上限電圧よりも所定値だけ低い値に設定された目標電圧にセルまたはモジュールの端子電圧が到達した時点から上記バイパス回路を導通させ、かつ、このときのバイパス電流の増加特性を、バイパス電流に応じた抑制量だけ緩くした特性とし、セルまたはモジュールの端子電圧が上記上限電圧に到達するまで充電することにより、バイパス回路の動作時間を延長させたことを特徴とする組電池の充電制御装置。
セルまたはモジュールの端子電圧を検出する手段と、
充電の上限電圧から所定値を減算した目標電圧を出力する手段と、
上記端子電圧と上記目標電圧との差の電圧を検出する手段と、
上記差の電圧から抑制量を減算した制御値を出力する手段と、
上記制御値に応じたバイパス電流を流す電流制御手段と、
上記バイパス電流値に応じて増加し、かつバイパス電流がその回路定数で定まる上限値に達したときに上記所定値と同じ値になるように上記抑制量を演算する手段と、
上記端子電圧が上記上限値に達した場合に充電終了信号を出力する手段と、からなる充電制御手段を各セルまたはモジュールごとに設け、
また、少なくとも一つの上記充電制御回路から充電終了信号が出力された場合に充電器による充電を終了させる手段を備えた請求項１に記載の組電池の充電制御装置。
各セルまたはモジュールの端子電圧のうち最大値と最小値との差をバラツキ量とし、上記各セルまたはモジュール間の端子電圧のバラツキ量を測定し、それに応じて上記充電の上限電圧から減算する所定値の値を、上記バラツキ量が大きいほど大きな値に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の組電池の充電制御装置。
各セルまたはモジュールの端子電圧のうち最大値と最小値との差を上記バラツキ量とし、その値に比例した上記所定値を出力する手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の組電池の充電制御装置。