組電池の充放電制御装置及び充放電制御方法
【課題】組電池を充電する場合の消費電力量を低減しつつ、安全に組電池を充放電可能とすることを目的とする。
【解決手段】組電池１を制御するコントローラ１０であって、組電池１に電力を充電する時には、コントローラ１０はヒータ５が設けられた電池モジュール３ｂを第１の閾値まで昇温した後に、全ての電池モジュール３ａ及び３ｂが第２の閾値まで充電されるようリレー６ａ及び６ｂを制御する。組電池１から電力を放電する時には、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂのうち電圧値が高い電池モジュール３ａ及び３ｂから電力が出力されるようリレー６ａまたは６ｂを制御し、他方の電池モジュールの電圧値が放電されている電池の電圧値と等しくなった場合に、他方の電池モジュールが放電されている電池モジュールと並列に接続されるようリレー６ａまたは６ｂを制御する。
【解決手段】組電池１を制御するコントローラ１０であって、組電池１に電力を充電する時には、コントローラ１０はヒータ５が設けられた電池モジュール３ｂを第１の閾値まで昇温した後に、全ての電池モジュール３ａ及び３ｂが第２の閾値まで充電されるようリレー６ａ及び６ｂを制御する。組電池１から電力を放電する時には、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂのうち電圧値が高い電池モジュール３ａ及び３ｂから電力が出力されるようリレー６ａまたは６ｂを制御し、他方の電池モジュールの電圧値が放電されている電池の電圧値と等しくなった場合に、他方の電池モジュールが放電されている電池モジュールと並列に接続されるようリレー６ａまたは６ｂを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を充電する場合に用いられる電力量を低減しつつ、安全に組電池を充放電することが可能な組電池の充放電制御装置及び充電制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池などの複数の単電池からなるバッテリを動力源として用いたハイブリッド自動車、電気自動車などが知られている。単電池は、温度によって内部抵抗が変動する。図７は、単電池の電池温度と内部抵抗との関係を示した内部抵抗―温度特性図である。図７を参照してわかるように、内部抵抗及び電池温度には相関関係があり、電池温度が低くなると内部抵抗は大きくなる。特に、極低温領域では、単電池の内部抵抗が極めて高くなる。
【０００３】
単電池の内部抵抗が高くなると、充放電時の電圧値の変動幅が大きくなる。そのため、単電池の電圧値を所定の範囲内に抑えるためには、単電池の内部抵抗が高くなった場合には入出力の電流値を制限する必要がある。このため、極低温時に単電池を充電する場合に、大電流を単電池に流すことが出来ず、単電池を満足に充電することが出来なくなるおそれがある。
【０００４】
特許文献１は、並列接続させた第１の二次電池及び第２の二次電池を充電する場合に、まず第１の二次電池の温度が所定の温度になるまで予備加熱を行い、第１の二次電池の電圧値が所定の電圧値になるまで充電を行った後に、第２の二次電池の温度が所定の温度になるまで予備加熱を行い、その後第２の二次電池の電圧値が所定の電圧値になるまで充電を行う二次電池の充電方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１４２０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に開示された二次電池の充電方法のように、二次電池を充電する前に二次電池の予備加熱を行い、二次電池の内部抵抗を低減させることで、入出力の電流値を制限することなく二次電池を充電することが可能となる。
【０００７】
しかし、二次電池を充電する場合に全ての二次電池を予備加熱しようとすると、二次電池を充電する場合に用いられる電力量が大きくなり、ユーザへの負担となる。
【０００８】
また、充放電を繰り返すと、劣化等が原因で二次電池の満充電容量が低下していくことが知られている。図８（ａ）は、直列に接続した複数の二次電池３２から成る電池モジュール３３及び３４を並列に接続した組電池を表している。このような組電池は、高出力かつ高容量な電源を必要とするハイブリッド車両及び電気自動車に主に適用される。
【０００９】
この組電池の一方の電池モジュール３３に、劣化等が原因で満充電容量が低下している二次電池３１が存在していると仮定する。この組電池に特許文献１の技術を適用すると、電池モジュール３４は昇温と充電とを繰り返せば、それぞれの二次電池３２が満充電容量となるまで素早く充電することが可能である。しかし、電池モジュール３３は、上記の通り劣化した二次電池３１が存在するため、劣化した二次電池３１を過充電状態にしないためにも劣化した二次電池３１の充電容量が充電完了容量に達した時点で充電を終了する必要がある。よって、電池モジュール３３内のその他の二次電池３２を満充電容量まで充電することが出来ず、それぞれの二次電池３１及び３２の充電状態は図８（ｂ）に表されているようになる。電池モジュール３３及び３４の充電容量を二次電池３１及び３２の充電容量の和と考えると、電池モジュール３４の充電容量が電池モジュール３３の充電容量より高い状態となる。電池モジュール３３及び３４の電圧値も、充電容量と同じように二次電池３１及び３２の電圧値の和と考えられるため、電池モジュール３４の電圧値は、電池モジュール３３の電圧値より高くなる。故に、この組電池を負荷等に接続せず、それぞれの電池モジュール３３及び３４を並列に接続した状態で放置していると、図８（ｃ）に表されているように、電圧差によって電池モジュール３４から電池モジュール３３へ循環電流が流れてしまう。その結果、電池モジュール３３が充電されてしまい、劣化した二次電池３１が過充電状態になってしまう可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、組電池を充電する場合に用いられる電力量を低減することでユーザへの負担を低減しつつ、直列に接続した複数の二次電池から成る電池モジュールを並列接続した組電池内で循環電流を発生させることなく組電池を安全に充放電することが可能な組電池の充放電制御装置及び充電制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る組電池の充放電制御装置は、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールがリレーを介して２組以上並列に接続され、前記電池モジュールのうち、少なくとも１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装置であって、前記組電池に電力を充電する時には、前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温した後に、全ての前記電池モジュールが所定の電圧値となるまで充電されるようリレーを制御し、前記組電池から電力を放電する時には、前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い電池モジュールから電力が放電され、残りの電池モジュールは、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に、放電されている前記電池モジュールと並列に接続されるよう前記リレーを制御することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第１の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記組電池を構成する前記電池モジュールのうちいずれか１つに設けられた前記昇温手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
第３の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第２の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成するいずれかの前記電池セルの電圧値が所定の電圧値まで充電された場合に、前記電池モジュールの充電が終了するようリレーを制御することを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第３の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成する前記電池セルの電圧値を足し合わせることで前記電池モジュールの電圧値を算出することを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係る組電池の充放電制御方法は、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールが、リレーを介して２組以上並列に接続され、前記電池モジュールのうち、いずれか１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装方法であって、前記組電池に電力を充電する時には、前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温するステップと、全ての前記電池モジュールが充電されるようリレーを制御するステップとを有し、前記組電池から電力を放電する時には、前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い前記電池モジュールから電力が出力されるようリレーを制御するステップと、残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順に、放電されている前記電池モジュールに並列に接続されるよう前記リレーを制御するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記発明によれば、組電池を充電する場合に、並列に接続された複数の電池モジュールのうち１つを昇温するので、充電時に消費される電力を低減することが出来る。また、組電池に電力を充電する場合は組電池の充電が完了した電池モジュールから順に並列接続から切り離されるようリレーを制御し、組電池より電力を放電する場合は最も電圧値が高い電池モジュールから電力を放電し、残りの電池モジュールは、電圧値が放電されている電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に放電されている電池モジュールと並列に接続されるようリレーを制御するので、循環電流を流すことなく、安全に組電池を充放電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】組電池及び充放電制御装置のブロック図である。
【図２】電池を昇温する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図３】組電池を充電する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図４】組電池より電力を放電する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図５】組電池に電力を充電する場合のリレーの作動状態を表した図である。
【図６】組電池より電力を放電する場合のリレーの作動状態を表した図である。
【図７】電池温度と内部抵抗の関係を示す内部抵抗―温度特性図である。
【図８】複数の二次電池を直列接続して構成された２つの電池モジュールを並列接続した組電池に従来技術を適用した場合の各二次電池の充電容量を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例】
【００１９】
図１を参照して、本発明の実施形態に係る組電池とそれを制御する充放電制御装置について説明する。
【００２０】
まず組電池１は、並列に接続された電池モジュール３ａ及び３ｂと、一方の電池モジュール３ｂに設けられたヒータ５と、電池モジュール３ａ及び３ｂを並列接続から切り離したり並列に接続したりするリレー６ａ及び６ｂとを有する。また、電池モジュール３ａ及び３ｂは直列接続された複数の電池セル２ａ及び２ｂから成る。また、組電池１はそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出するための電圧センサ４を有する。電圧センサは各電池セル２ａ及び２ｂに対して１つずつ設けても良いが、本実施例では簡素化のために、切換回路７を介して電池セル２ａ及び２ｂに接続されている。また組電池１は、充電される場合は外部電源８に、外部に電力を供給する場合は負荷９に接続される。
【００２１】
電池セル２ａ及び２ｂは例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の充放電可能な二次電池である。直列に接続される電池セル２ａの個数については特に限定されるものではないが、本実施例では電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧値がそれぞれ略同一となるよう電池セル２ａ及び２ｂの数が設定されている。尚、本実施例の組電池１には、１つの電池に対してｎ個の電池セルが接続されているので、計２ｎ個の電池セルにより形成されている。
【００２２】
ヒータ５は、後述するコントローラ１０からの指令を受け、電池モジュール３ｂを加熱するために作動する。ヒータ５は、セメント型の抵抗体から成る。セメント型の抵抗体は、抵抗体収容ケースと、抵抗体収容ケースの中に収容される抵抗体とを含む。抵抗体収容ケースの内部には、セメント材が充填される。抵抗体は、折り曲げられた金属板であってもよい。金属板は、銅及びニッケルを含む合金であってもよい。抵抗体収容ケースは、セラミックであってもよい。セラミックは、熱伝導性を高めるためにアルミナをふくんでもよい。セメント材は、アルミナ粉末やシリカ粉末を含むペースト状の絶縁封止材であってもよい。ヒータは、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ、或いはペルチェ素子を用いたペルチェヒータであってもよい。
【００２３】
電圧センサ４は、それぞれの電池モジュール３ａ及び３ｂに設けられ、切換回路７を介してそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂに接続されている。そして、電圧センサ４はそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出し、後述するコントローラ１０へ送信する。切換回路７は、後述するコントローラ１０の指令を受け、電圧センサ４を接続する電池セル２ａ及び２ｂを切り換える。
【００２４】
そしてコントローラ１０は、電圧センサ４や、電池モジュール３ｂの表面温度を検出する図示しない温度センサ等の情報を基にヒータ５やリレー６ａ及び６ｂを操作して、組電池１の充電及び放電を制御する。
【００２５】
次に、コントローラ１０がどのように組電池１の制御を行うかを説明する。
【００２６】
（組電池１の昇温制御）
図２のフローチャートは、組電池１を昇温する場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００２７】
前述の通り、電池の内部抵抗は電池温度が低くなる程大きくなり、そのため電池の入出力電流値が制限されてしまうことが知られている。そのため、コントローラ１０は組電池１の充電を行う前に、ヒータ５を用いて電池モジュール３ｂを昇温することで、電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの内部抵抗値を小さくし、電池モジュール３ｂの入出力電流値が制限されることを防止している。
【００２８】
Ｓ１では、まずコントローラ１０は電池モジュール３ｂの昇温が必要か否かを判断するために、図示しない温度センサを用いて電池モジュール３ｂの電池温度Ｔｂを検出する。その後、Ｓ２を実行する。
【００２９】
Ｓ２では、コントローラ１０はＳ２で検出した電池温度Ｔｂが第１の閾値以下か否かを判断する。電池温度Ｔｂが第１の閾値以下の場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの温度が低いため内部抵抗値が低く、電池モジュール３ｂの昇温が必要と判断し、Ｓ３を実行する。電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの温度が充分に高く、昇温は必要ないと判断し、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。
【００３０】
Ｓ３では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂを昇温するためにヒータ５を作動させる。その後、Ｓ４を実行する。
【００３１】
Ｓ４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの昇温を継続するか否かを判断するために、再度図示しない温度センサを用いて電池モジュール３ｂの電池温度Ｔｂを検出する。その後、Ｓ５を実行する。
【００３２】
Ｓ５では、コントローラ１０はＳ４で検出した電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きいか否かを判断する。電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂが充分昇温され、また内部抵抗値も充分に小さくなったと判断し、Ｓ６を実行する。電池温度Ｔｂが第１の閾値以下の場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂがまだ充分に昇温されてなく、また内部抵抗値も高いと判断し、引き続き電池モジュール３ｂの昇温を行うために再びＳ４を実行する。
【００３３】
Ｓ６では、コントローラ１０はヒータ５の作動を停止させ、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。
【００３４】
前述の通り、組電池１にはヒータ５が一方の電池モジュール３ｂにのみ設けられている。そのため、組電池１の充電時にヒータ５によって消費される電力を低減することが出来る。尚、昇温する電池が一方のみでも、組電池１より充分に電力を供給することが可能である。この点について、具体例を示して詳細に説明する。
【００３５】
電池モジュール３ａを構成する電池セル２ａの数を１０セル、電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの数を１０セルとする。また、−１０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を０．１ｋｗ、２０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を５ｋｗ、３０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を１０ｋｗとする。個々の電池セル２ａ及び２ｂの温度を１℃上昇させるのに必要な熱量（熱容量）を５０Ｊ／ｋとする。電池モジュール３ａ及び３ｂの全体を−１０℃から２０℃に昇温させるためには、５０Ｊ／ｋ×２０セル×３０℃＝３０００Ｊのエネルギが必要となる。一方の電池、例えば電池モジュール３ｂを−１０℃から３０℃に昇温させるためには、５０Ｊ／ｋ×１０セル×４０℃＝２０００Ｊのエネルギが必要となる。したがって、電池モジュール３ｂのみを昇温する場合、電池モジュール３ａ及び３ｂの双方を昇温する場合と比較して、昇温に必要なエネルギを２／３に削減することが出来る。昇温に用いるエネルギの削減は、ヒータ５によって消費される電力の低減にも繋がる。
【００３６】
一方、−１０℃から２０℃に昇温した電池モジュール３ａ及び３ｂの総電池出力は、２０セル×５ｋｗ＝１００ｋｗであり、−１０℃から３０℃に昇温した電池モジュール３ｂの電池出力は、１０セル×１０ｋｗ＝１００ｋｗである。従って、昇温に必要なエネルギを２／３に抑えながら、同等の出力を得ることが出来る。尚、これらの数字は例示であり、本発明はこれらに限られるものではない。
【００３７】
（組電池１の充電制御）
図３のフローチャートは、組電池１が外部電源８に接続されて充電される場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００３８】
まずＳ１１では、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを充電するために、リレー６ａ及び６ｂをＯＮ状態にする。その後、Ｓ１２を実行する。尚、リレー６ａ及び６ｂを共にＯＮ状態にすると、図５（ａ）で表されているように電池モジュール３ａ及び３ｂが並列接続状態となるので、電池モジュール３ａ及び３ｂの双方が充電される。
【００３９】
Ｓ１２では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて、まず電池モジュール３ｂのいずれかの電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋを検出し、Ｓ１３を実行する。尚、ｋは自然数であり、１から電池モジュール３ｂに接続されているセル数を表す数ｎの範囲で任意で選ばれる。前述の通り、電圧センサ４は切換回路７を介して電池モジュール３ｂを形成する電池セル２ｂに接続されている。コントローラ１０は、電池セルの電圧値を検出する度に切換回路を制御し電圧センサ４を接続する電池セルを切り換える。例えば、前回の制御サイクルで電池セル２ｂ１の電圧値を検出した場合、次の制御サイクルでは電池セル２ｂ２の電圧値を検出する。
【００４０】
前述の通り、電池温度が上昇すると内部抵抗値も低くなるため、より多くの電流を電池に流すことが可能となる。従って、昇温をしていない電池モジュール３ａより、昇温をしている電池モジュール３ｂの方が早く充電が完了する。よって本実施例では、コントローラ１０はまず電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの電圧値を検出して電池モジュール３ｂの充電を続けるか否かを判断し、その後電池セル２ａの電圧値を検出して電池モジュール３ａの充電を続けるか否かを判断している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、電池セル２ａ及び電池セル２ｂの電圧値をそれぞれ交互に検出し、充電が完了した電池モジュール３ａ及び３ｂから順に充電を終了するようにしてもよい。
【００４１】
また、コントローラ１０は切換回路７を用いて各電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出し、いずれかの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値が閾値以上となった場合に電池モジュール３ａ及び３ｂの充電を停止する。よって、いずれかの電池セル２ａ及び２ｂが過充電状態となることを防止することが出来る。
【００４２】
図３のフローチャートの説明に戻る。Ｓ１３では、コントローラ１０はＳ１２で検出した電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが、電池セルが満充電状態になったか否かを判断するために設けられた第２の閾値より大きいか否かを判断する。電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが第２の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂが満充電状態になったと判断し、電池モジュール３ｂの充電を終了させるべくＳ１４を実行する。電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが第２の閾値未満の場合は、引き続き電池モジュール３ｂを充電させるべく再びＳ１２を実行する。
【００４３】
Ｓ１４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂのみ充電を終了させるためにリレー６ｂのみＯＦＦ状態にする。その後、Ｓ１５を実行する。尚、リレー６ｂをＯＦＦ状態にすると、図５（ｂ）で表されているように電池モジュール３ｂが並列接続より切り離されるので、電池モジュール３ａのみが充電されるようになる。
【００４４】
Ｓ１５では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａのいずれかの電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋを検出し、Ｓ１６を実行する。尚、ｋは自然数であり、１から電池モジュール３ａに接続されているセル数を表す数ｎの範囲で任意で選ばれる。前述の通り、電圧センサ４は切換回路７を介して電池モジュール３ａを形成する電池セル２ａに接続されている。コントローラ１０は、電池セルの電圧値を検出する度に切換回路を制御し電圧センサ４を接続する電池セルを切り換える。例えば、前回の制御サイクルで電池セル２ａ１の電圧値を検出した場合、次の制御サイクルでは電池セル２ａ２の電圧値を検出する。
【００４５】
Ｓ１６では、コントローラ１０はＳ１５で検出した電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが、前述の第２の閾値より大きいか否かを判断する。電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが第２の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池セル２ａｋが満充電状態になったと判断し、電池モジュール３ａの充電を終了させるべくＳ１７を実行する。電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが第２の閾値未満の場合は、引き続き電池モジュール３ａを充電させるべく再びＳ１５を実行する。
【００４６】
Ｓ１７では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの充電を終了させるためにリレー６ａをＯＦＦ状態にし、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。尚、リレー６ａをＯＦＦ状態とすると、図５（ｃ）で表されているように電池モジュール３ａが充電電流を供給している電源から切り離されるので、電池モジュール３ａに充電電流は流れなくなる。
【００４７】
図５（ｃ）で表されているように、組電池１の充電が完了したらリレー６ａ及び６ｂはＯＦＦ状態となり、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとが切り離される。よって、例え劣化等が原因の電池モジュール３ａの満充電電圧値と電池モジュール３ｂの満充電電圧値との間に差が生じていても、電圧値が高い方から低い方へ循環電流が流れることがない。よって、満充電状態にあるにも係らず、電圧値が低い方の電池が充電されてしまい過充電状態になってしまうおそれがなく、組電池１を安全に充電することが出来る。
【００４８】
（充電完了後の組電池１の放電制御）
図４のフローチャートは、充電完了後に組電池１が負荷９に接続されて外部に電力を放電する場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００４９】
まずＳ２１では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔ及び電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとを検出し、その後Ｓ２２を実行する。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔは、電池モジュール３ａを構成する全ての電池セル２ａの電圧Ｖａを足し合わせた和であり、電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔは、電池モジュール３ｂを構成する全ての電池セル２ｂの電圧Ｖｂを足し合わせた和である。
【００５０】
Ｓ２２では、コントローラ１０はＳ２１で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、コントローラ１０はＳ２２の判断を肯定しＳ２３を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、コントローラ１０はＳ２２の判断を否定しＳ２４を実行する。
【００５１】
Ｓ２３では、Ｓ２２にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断されたので、コントローラ１０は図６（ｃ）に表されているようにリレー６ａ及びリレー６ｂとをＯＮ状態することで電池モジュール３ａ及び３ｂを並列接続状態にして、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００５２】
Ｓ２４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きいか否かを判断する。電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きい場合は、Ｓ２４の判断を肯定し、電池モジュール３ｂから負荷９へ電力を供給すべくＳ２５を実行する。電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより小さい場合はＳ２４の判断を否定し、電池モジュール３ａから負荷９へ電力を供給すべくＳ２９を実行する。
【００５３】
Ｓ２５では、Ｓ２４にて電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きいと判断したため、コントローラ１０は図６（ａ）に表されているようにリレー６ｂをＯＮ状態にし、電池モジュール３ｂの電力を放電する。その後、Ｓ２６を実行する。
【００５４】
Ｓ２６では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくなったかを確認するために、電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔを検出する。その後、Ｓ２７を実行する。
【００５５】
Ｓ２７では、コントローラ１０はＳ２６で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、Ｓ２７の判断を肯定し、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にするべくＳ２８を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、再びＳ２６を実行する。
【００５６】
Ｓ２８では、コントローラ１０はＳ２７にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断したため、リレー６ａをＯＮ状態にして図６（ｃ）に表されているように電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にする。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００５７】
Ｓ２９では、Ｓ２４にて電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより小さいと判断したため、コントローラ１０は図６（ｂ）に表されているようにリレー６ａをＯＮ状態にし、電池モジュール３ａの電力を放電する。その後、Ｓ３０を実行する。
【００５８】
Ｓ３０では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくなったかを確認するために、電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔを検出する。その後、Ｓ３１を実行する。
【００５９】
Ｓ３１では、コントローラ１０はＳ３０で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、Ｓ３１の判断を肯定し、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にするべくＳ３２を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、再びＳ３０を実行する。
【００６０】
Ｓ３２では、コントローラ１０はＳ３１にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断したため、リレー６ａをＯＮ状態にして図６（ｃ）に表されているように電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にする。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００６１】
以上のように、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、コントローラ１０は組電池１に電力を充電する時には、ヒータ５が設けられた電池モジュール３ｂの温度がを第１の閾値となるまで昇温した後に、全ての電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧が第２の閾値となるまで充電されるようリレー６ａ及び６ｂを制御し、組電池１から電力を放電する時には、電池モジュール３ａ及び３ｂのうち電圧値が高い電池モジュールから電力が放電されるようリレー６ａまたは６ｂを制御し、他方の電池モジュールが電圧値が放電している電池モジュールの電圧値と等しくなった場合に、放電している電池モジュールと並列に接続されるようリレー６ａまたは６ｂを制御するので、組電池１を充電する場合に用いられる電力量を低減しつつ、安全に組電池１を充放電することが出来る。
【００６２】
また、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、組電池１には電池モジュール３ｂにのみヒータ５が設けられており、コントローラ１０はヒータ５を用いて電池モジュール３ｂのみを昇温するため、組電池１を充電する場合に用いられる電力量を低減することが出来る。
【００６３】
また、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを構成するいずれかの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値Ｖａ及びＶｂが第２の閾値まで充電された場合に、電池モジュール３ａ及び３ｂの充電が終了するようリレー６ａ及び６ｂを制御するので、循環電流を組電池１内に流すことなく安全に充電することが出来る。
【００６４】
また、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを構成する電池セル２ａ及び２ｂの電圧値Ｖａ及びＶｂを足し合わせることで電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧値Ｖａｔ及びＶｂｔを算出するので、循環電流を組電池１内に流すことなく安全に放電することが出来る。
【００６５】
尚、本発明の実施形態では２つの電池モジュールを並列に接続した組電池を用いて説明したが、３つや４つの電池モジュールを並列に接続した組電池に適用することも可能である。この場合は、組電池を昇温する場合は並列に接続された電池モジュールのうち１つに昇温手段が設けられ昇温されるので、消費電力を最小限に抑えることが出来る。そして、組電池に電力を充電する時には全ての電池モジュールを並列に接続して充電し、満充電状態になった電池モジュールから順にリレーがＯＦＦ状態となり並列接続から切り離され、また組電池より電力を放電する時には最も電圧値が高い電池モジュールから放電が開始され、電圧値が放電している電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順にリレーがＯＮ状態となり並列に接続されていくので、循環電流を流すことなく安全に充放電することが可能となる。
【符号の説明】
【００６６】
１：組電池 ２ａ、２ｂ：電池セル ３ａ、３ｂ：電池モジュール ４：電圧センサ ５：ヒータ ６ａ、６ｂ：リレー ７：切換回路 １０：コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を充電する場合に用いられる電力量を低減しつつ、安全に組電池を充放電することが可能な組電池の充放電制御装置及び充電制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池などの複数の単電池からなるバッテリを動力源として用いたハイブリッド自動車、電気自動車などが知られている。単電池は、温度によって内部抵抗が変動する。図７は、単電池の電池温度と内部抵抗との関係を示した内部抵抗―温度特性図である。図７を参照してわかるように、内部抵抗及び電池温度には相関関係があり、電池温度が低くなると内部抵抗は大きくなる。特に、極低温領域では、単電池の内部抵抗が極めて高くなる。
【０００３】
単電池の内部抵抗が高くなると、充放電時の電圧値の変動幅が大きくなる。そのため、単電池の電圧値を所定の範囲内に抑えるためには、単電池の内部抵抗が高くなった場合には入出力の電流値を制限する必要がある。このため、極低温時に単電池を充電する場合に、大電流を単電池に流すことが出来ず、単電池を満足に充電することが出来なくなるおそれがある。
【０００４】
特許文献１は、並列接続させた第１の二次電池及び第２の二次電池を充電する場合に、まず第１の二次電池の温度が所定の温度になるまで予備加熱を行い、第１の二次電池の電圧値が所定の電圧値になるまで充電を行った後に、第２の二次電池の温度が所定の温度になるまで予備加熱を行い、その後第２の二次電池の電圧値が所定の電圧値になるまで充電を行う二次電池の充電方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１４２０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に開示された二次電池の充電方法のように、二次電池を充電する前に二次電池の予備加熱を行い、二次電池の内部抵抗を低減させることで、入出力の電流値を制限することなく二次電池を充電することが可能となる。
【０００７】
しかし、二次電池を充電する場合に全ての二次電池を予備加熱しようとすると、二次電池を充電する場合に用いられる電力量が大きくなり、ユーザへの負担となる。
【０００８】
また、充放電を繰り返すと、劣化等が原因で二次電池の満充電容量が低下していくことが知られている。図８（ａ）は、直列に接続した複数の二次電池３２から成る電池モジュール３３及び３４を並列に接続した組電池を表している。このような組電池は、高出力かつ高容量な電源を必要とするハイブリッド車両及び電気自動車に主に適用される。
【０００９】
この組電池の一方の電池モジュール３３に、劣化等が原因で満充電容量が低下している二次電池３１が存在していると仮定する。この組電池に特許文献１の技術を適用すると、電池モジュール３４は昇温と充電とを繰り返せば、それぞれの二次電池３２が満充電容量となるまで素早く充電することが可能である。しかし、電池モジュール３３は、上記の通り劣化した二次電池３１が存在するため、劣化した二次電池３１を過充電状態にしないためにも劣化した二次電池３１の充電容量が充電完了容量に達した時点で充電を終了する必要がある。よって、電池モジュール３３内のその他の二次電池３２を満充電容量まで充電することが出来ず、それぞれの二次電池３１及び３２の充電状態は図８（ｂ）に表されているようになる。電池モジュール３３及び３４の充電容量を二次電池３１及び３２の充電容量の和と考えると、電池モジュール３４の充電容量が電池モジュール３３の充電容量より高い状態となる。電池モジュール３３及び３４の電圧値も、充電容量と同じように二次電池３１及び３２の電圧値の和と考えられるため、電池モジュール３４の電圧値は、電池モジュール３３の電圧値より高くなる。故に、この組電池を負荷等に接続せず、それぞれの電池モジュール３３及び３４を並列に接続した状態で放置していると、図８（ｃ）に表されているように、電圧差によって電池モジュール３４から電池モジュール３３へ循環電流が流れてしまう。その結果、電池モジュール３３が充電されてしまい、劣化した二次電池３１が過充電状態になってしまう可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、組電池を充電する場合に用いられる電力量を低減することでユーザへの負担を低減しつつ、直列に接続した複数の二次電池から成る電池モジュールを並列接続した組電池内で循環電流を発生させることなく組電池を安全に充放電することが可能な組電池の充放電制御装置及び充電制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る組電池の充放電制御装置は、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールがリレーを介して２組以上並列に接続され、前記電池モジュールのうち、少なくとも１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装置であって、前記組電池に電力を充電する時には、前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温した後に、全ての前記電池モジュールが所定の電圧値となるまで充電されるようリレーを制御し、前記組電池から電力を放電する時には、前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い電池モジュールから電力が放電され、残りの電池モジュールは、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に、放電されている前記電池モジュールと並列に接続されるよう前記リレーを制御することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第１の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記組電池を構成する前記電池モジュールのうちいずれか１つに設けられた前記昇温手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
第３の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第２の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成するいずれかの前記電池セルの電圧値が所定の電圧値まで充電された場合に、前記電池モジュールの充電が終了するようリレーを制御することを特徴とする。
【００１４】
第４の発明に係る組電池の充放電制御装置は、第３の発明の構成に加え、充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成する前記電池セルの電圧値を足し合わせることで前記電池モジュールの電圧値を算出することを特徴とする。
【００１５】
第５の発明に係る組電池の充放電制御方法は、複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールが、リレーを介して２組以上並列に接続され、前記電池モジュールのうち、いずれか１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装方法であって、前記組電池に電力を充電する時には、前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温するステップと、全ての前記電池モジュールが充電されるようリレーを制御するステップとを有し、前記組電池から電力を放電する時には、前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い前記電池モジュールから電力が出力されるようリレーを制御するステップと、残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順に、放電されている前記電池モジュールに並列に接続されるよう前記リレーを制御するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記発明によれば、組電池を充電する場合に、並列に接続された複数の電池モジュールのうち１つを昇温するので、充電時に消費される電力を低減することが出来る。また、組電池に電力を充電する場合は組電池の充電が完了した電池モジュールから順に並列接続から切り離されるようリレーを制御し、組電池より電力を放電する場合は最も電圧値が高い電池モジュールから電力を放電し、残りの電池モジュールは、電圧値が放電されている電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に放電されている電池モジュールと並列に接続されるようリレーを制御するので、循環電流を流すことなく、安全に組電池を充放電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】組電池及び充放電制御装置のブロック図である。
【図２】電池を昇温する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図３】組電池を充電する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図４】組電池より電力を放電する場合にコントローラが実行するフローチャートである。
【図５】組電池に電力を充電する場合のリレーの作動状態を表した図である。
【図６】組電池より電力を放電する場合のリレーの作動状態を表した図である。
【図７】電池温度と内部抵抗の関係を示す内部抵抗―温度特性図である。
【図８】複数の二次電池を直列接続して構成された２つの電池モジュールを並列接続した組電池に従来技術を適用した場合の各二次電池の充電容量を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例】
【００１９】
図１を参照して、本発明の実施形態に係る組電池とそれを制御する充放電制御装置について説明する。
【００２０】
まず組電池１は、並列に接続された電池モジュール３ａ及び３ｂと、一方の電池モジュール３ｂに設けられたヒータ５と、電池モジュール３ａ及び３ｂを並列接続から切り離したり並列に接続したりするリレー６ａ及び６ｂとを有する。また、電池モジュール３ａ及び３ｂは直列接続された複数の電池セル２ａ及び２ｂから成る。また、組電池１はそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出するための電圧センサ４を有する。電圧センサは各電池セル２ａ及び２ｂに対して１つずつ設けても良いが、本実施例では簡素化のために、切換回路７を介して電池セル２ａ及び２ｂに接続されている。また組電池１は、充電される場合は外部電源８に、外部に電力を供給する場合は負荷９に接続される。
【００２１】
電池セル２ａ及び２ｂは例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の充放電可能な二次電池である。直列に接続される電池セル２ａの個数については特に限定されるものではないが、本実施例では電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧値がそれぞれ略同一となるよう電池セル２ａ及び２ｂの数が設定されている。尚、本実施例の組電池１には、１つの電池に対してｎ個の電池セルが接続されているので、計２ｎ個の電池セルにより形成されている。
【００２２】
ヒータ５は、後述するコントローラ１０からの指令を受け、電池モジュール３ｂを加熱するために作動する。ヒータ５は、セメント型の抵抗体から成る。セメント型の抵抗体は、抵抗体収容ケースと、抵抗体収容ケースの中に収容される抵抗体とを含む。抵抗体収容ケースの内部には、セメント材が充填される。抵抗体は、折り曲げられた金属板であってもよい。金属板は、銅及びニッケルを含む合金であってもよい。抵抗体収容ケースは、セラミックであってもよい。セラミックは、熱伝導性を高めるためにアルミナをふくんでもよい。セメント材は、アルミナ粉末やシリカ粉末を含むペースト状の絶縁封止材であってもよい。ヒータは、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ、或いはペルチェ素子を用いたペルチェヒータであってもよい。
【００２３】
電圧センサ４は、それぞれの電池モジュール３ａ及び３ｂに設けられ、切換回路７を介してそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂに接続されている。そして、電圧センサ４はそれぞれの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出し、後述するコントローラ１０へ送信する。切換回路７は、後述するコントローラ１０の指令を受け、電圧センサ４を接続する電池セル２ａ及び２ｂを切り換える。
【００２４】
そしてコントローラ１０は、電圧センサ４や、電池モジュール３ｂの表面温度を検出する図示しない温度センサ等の情報を基にヒータ５やリレー６ａ及び６ｂを操作して、組電池１の充電及び放電を制御する。
【００２５】
次に、コントローラ１０がどのように組電池１の制御を行うかを説明する。
【００２６】
（組電池１の昇温制御）
図２のフローチャートは、組電池１を昇温する場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００２７】
前述の通り、電池の内部抵抗は電池温度が低くなる程大きくなり、そのため電池の入出力電流値が制限されてしまうことが知られている。そのため、コントローラ１０は組電池１の充電を行う前に、ヒータ５を用いて電池モジュール３ｂを昇温することで、電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの内部抵抗値を小さくし、電池モジュール３ｂの入出力電流値が制限されることを防止している。
【００２８】
Ｓ１では、まずコントローラ１０は電池モジュール３ｂの昇温が必要か否かを判断するために、図示しない温度センサを用いて電池モジュール３ｂの電池温度Ｔｂを検出する。その後、Ｓ２を実行する。
【００２９】
Ｓ２では、コントローラ１０はＳ２で検出した電池温度Ｔｂが第１の閾値以下か否かを判断する。電池温度Ｔｂが第１の閾値以下の場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの温度が低いため内部抵抗値が低く、電池モジュール３ｂの昇温が必要と判断し、Ｓ３を実行する。電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの温度が充分に高く、昇温は必要ないと判断し、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。
【００３０】
Ｓ３では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂを昇温するためにヒータ５を作動させる。その後、Ｓ４を実行する。
【００３１】
Ｓ４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの昇温を継続するか否かを判断するために、再度図示しない温度センサを用いて電池モジュール３ｂの電池温度Ｔｂを検出する。その後、Ｓ５を実行する。
【００３２】
Ｓ５では、コントローラ１０はＳ４で検出した電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きいか否かを判断する。電池温度Ｔｂが第１の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂが充分昇温され、また内部抵抗値も充分に小さくなったと判断し、Ｓ６を実行する。電池温度Ｔｂが第１の閾値以下の場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂがまだ充分に昇温されてなく、また内部抵抗値も高いと判断し、引き続き電池モジュール３ｂの昇温を行うために再びＳ４を実行する。
【００３３】
Ｓ６では、コントローラ１０はヒータ５の作動を停止させ、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。
【００３４】
前述の通り、組電池１にはヒータ５が一方の電池モジュール３ｂにのみ設けられている。そのため、組電池１の充電時にヒータ５によって消費される電力を低減することが出来る。尚、昇温する電池が一方のみでも、組電池１より充分に電力を供給することが可能である。この点について、具体例を示して詳細に説明する。
【００３５】
電池モジュール３ａを構成する電池セル２ａの数を１０セル、電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの数を１０セルとする。また、−１０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を０．１ｋｗ、２０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を５ｋｗ、３０℃における電池セル２ａ及び２ｂの出力を１０ｋｗとする。個々の電池セル２ａ及び２ｂの温度を１℃上昇させるのに必要な熱量（熱容量）を５０Ｊ／ｋとする。電池モジュール３ａ及び３ｂの全体を−１０℃から２０℃に昇温させるためには、５０Ｊ／ｋ×２０セル×３０℃＝３０００Ｊのエネルギが必要となる。一方の電池、例えば電池モジュール３ｂを−１０℃から３０℃に昇温させるためには、５０Ｊ／ｋ×１０セル×４０℃＝２０００Ｊのエネルギが必要となる。したがって、電池モジュール３ｂのみを昇温する場合、電池モジュール３ａ及び３ｂの双方を昇温する場合と比較して、昇温に必要なエネルギを２／３に削減することが出来る。昇温に用いるエネルギの削減は、ヒータ５によって消費される電力の低減にも繋がる。
【００３６】
一方、−１０℃から２０℃に昇温した電池モジュール３ａ及び３ｂの総電池出力は、２０セル×５ｋｗ＝１００ｋｗであり、−１０℃から３０℃に昇温した電池モジュール３ｂの電池出力は、１０セル×１０ｋｗ＝１００ｋｗである。従って、昇温に必要なエネルギを２／３に抑えながら、同等の出力を得ることが出来る。尚、これらの数字は例示であり、本発明はこれらに限られるものではない。
【００３７】
（組電池１の充電制御）
図３のフローチャートは、組電池１が外部電源８に接続されて充電される場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００３８】
まずＳ１１では、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを充電するために、リレー６ａ及び６ｂをＯＮ状態にする。その後、Ｓ１２を実行する。尚、リレー６ａ及び６ｂを共にＯＮ状態にすると、図５（ａ）で表されているように電池モジュール３ａ及び３ｂが並列接続状態となるので、電池モジュール３ａ及び３ｂの双方が充電される。
【００３９】
Ｓ１２では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて、まず電池モジュール３ｂのいずれかの電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋを検出し、Ｓ１３を実行する。尚、ｋは自然数であり、１から電池モジュール３ｂに接続されているセル数を表す数ｎの範囲で任意で選ばれる。前述の通り、電圧センサ４は切換回路７を介して電池モジュール３ｂを形成する電池セル２ｂに接続されている。コントローラ１０は、電池セルの電圧値を検出する度に切換回路を制御し電圧センサ４を接続する電池セルを切り換える。例えば、前回の制御サイクルで電池セル２ｂ１の電圧値を検出した場合、次の制御サイクルでは電池セル２ｂ２の電圧値を検出する。
【００４０】
前述の通り、電池温度が上昇すると内部抵抗値も低くなるため、より多くの電流を電池に流すことが可能となる。従って、昇温をしていない電池モジュール３ａより、昇温をしている電池モジュール３ｂの方が早く充電が完了する。よって本実施例では、コントローラ１０はまず電池モジュール３ｂを構成する電池セル２ｂの電圧値を検出して電池モジュール３ｂの充電を続けるか否かを判断し、その後電池セル２ａの電圧値を検出して電池モジュール３ａの充電を続けるか否かを判断している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、電池セル２ａ及び電池セル２ｂの電圧値をそれぞれ交互に検出し、充電が完了した電池モジュール３ａ及び３ｂから順に充電を終了するようにしてもよい。
【００４１】
また、コントローラ１０は切換回路７を用いて各電池セル２ａ及び２ｂの電圧値を検出し、いずれかの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値が閾値以上となった場合に電池モジュール３ａ及び３ｂの充電を停止する。よって、いずれかの電池セル２ａ及び２ｂが過充電状態となることを防止することが出来る。
【００４２】
図３のフローチャートの説明に戻る。Ｓ１３では、コントローラ１０はＳ１２で検出した電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが、電池セルが満充電状態になったか否かを判断するために設けられた第２の閾値より大きいか否かを判断する。電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが第２の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池モジュール３ｂが満充電状態になったと判断し、電池モジュール３ｂの充電を終了させるべくＳ１４を実行する。電池セル２ｂｋの電圧値Ｖｂｋが第２の閾値未満の場合は、引き続き電池モジュール３ｂを充電させるべく再びＳ１２を実行する。
【００４３】
Ｓ１４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂのみ充電を終了させるためにリレー６ｂのみＯＦＦ状態にする。その後、Ｓ１５を実行する。尚、リレー６ｂをＯＦＦ状態にすると、図５（ｂ）で表されているように電池モジュール３ｂが並列接続より切り離されるので、電池モジュール３ａのみが充電されるようになる。
【００４４】
Ｓ１５では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａのいずれかの電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋを検出し、Ｓ１６を実行する。尚、ｋは自然数であり、１から電池モジュール３ａに接続されているセル数を表す数ｎの範囲で任意で選ばれる。前述の通り、電圧センサ４は切換回路７を介して電池モジュール３ａを形成する電池セル２ａに接続されている。コントローラ１０は、電池セルの電圧値を検出する度に切換回路を制御し電圧センサ４を接続する電池セルを切り換える。例えば、前回の制御サイクルで電池セル２ａ１の電圧値を検出した場合、次の制御サイクルでは電池セル２ａ２の電圧値を検出する。
【００４５】
Ｓ１６では、コントローラ１０はＳ１５で検出した電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが、前述の第２の閾値より大きいか否かを判断する。電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが第２の閾値より大きい場合は、コントローラ１０は電池セル２ａｋが満充電状態になったと判断し、電池モジュール３ａの充電を終了させるべくＳ１７を実行する。電池セル２ａｋの電圧値Ｖａｋが第２の閾値未満の場合は、引き続き電池モジュール３ａを充電させるべく再びＳ１５を実行する。
【００４６】
Ｓ１７では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの充電を終了させるためにリレー６ａをＯＦＦ状態にし、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。尚、リレー６ａをＯＦＦ状態とすると、図５（ｃ）で表されているように電池モジュール３ａが充電電流を供給している電源から切り離されるので、電池モジュール３ａに充電電流は流れなくなる。
【００４７】
図５（ｃ）で表されているように、組電池１の充電が完了したらリレー６ａ及び６ｂはＯＦＦ状態となり、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとが切り離される。よって、例え劣化等が原因の電池モジュール３ａの満充電電圧値と電池モジュール３ｂの満充電電圧値との間に差が生じていても、電圧値が高い方から低い方へ循環電流が流れることがない。よって、満充電状態にあるにも係らず、電圧値が低い方の電池が充電されてしまい過充電状態になってしまうおそれがなく、組電池１を安全に充電することが出来る。
【００４８】
（充電完了後の組電池１の放電制御）
図４のフローチャートは、充電完了後に組電池１が負荷９に接続されて外部に電力を放電する場合に、コントローラ１０が実行する制御作動を表している。
【００４９】
まずＳ２１では、コントローラ１０は電圧センサ４を用いて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔ及び電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとを検出し、その後Ｓ２２を実行する。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔは、電池モジュール３ａを構成する全ての電池セル２ａの電圧Ｖａを足し合わせた和であり、電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔは、電池モジュール３ｂを構成する全ての電池セル２ｂの電圧Ｖｂを足し合わせた和である。
【００５０】
Ｓ２２では、コントローラ１０はＳ２１で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、コントローラ１０はＳ２２の判断を肯定しＳ２３を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、コントローラ１０はＳ２２の判断を否定しＳ２４を実行する。
【００５１】
Ｓ２３では、Ｓ２２にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断されたので、コントローラ１０は図６（ｃ）に表されているようにリレー６ａ及びリレー６ｂとをＯＮ状態することで電池モジュール３ａ及び３ｂを並列接続状態にして、本制御ルーチンを終了して次の制御サイクルを実行する。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００５２】
Ｓ２４では、コントローラ１０は電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きいか否かを判断する。電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きい場合は、Ｓ２４の判断を肯定し、電池モジュール３ｂから負荷９へ電力を供給すべくＳ２５を実行する。電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより小さい場合はＳ２４の判断を否定し、電池モジュール３ａから負荷９へ電力を供給すべくＳ２９を実行する。
【００５３】
Ｓ２５では、Ｓ２４にて電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより大きいと判断したため、コントローラ１０は図６（ａ）に表されているようにリレー６ｂをＯＮ状態にし、電池モジュール３ｂの電力を放電する。その後、Ｓ２６を実行する。
【００５４】
Ｓ２６では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくなったかを確認するために、電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔを検出する。その後、Ｓ２７を実行する。
【００５５】
Ｓ２７では、コントローラ１０はＳ２６で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、Ｓ２７の判断を肯定し、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にするべくＳ２８を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、再びＳ２６を実行する。
【００５６】
Ｓ２８では、コントローラ１０はＳ２７にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断したため、リレー６ａをＯＮ状態にして図６（ｃ）に表されているように電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にする。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００５７】
Ｓ２９では、Ｓ２４にて電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔが電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔより小さいと判断したため、コントローラ１０は図６（ｂ）に表されているようにリレー６ａをＯＮ状態にし、電池モジュール３ａの電力を放電する。その後、Ｓ３０を実行する。
【００５８】
Ｓ３０では、コントローラ１０は電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくなったかを確認するために、電圧センサ４を用いて、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔを検出する。その後、Ｓ３１を実行する。
【００５９】
Ｓ３１では、コントローラ１０はＳ３０で検出した電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいか否かを判断する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しい場合は、Ｓ３１の判断を肯定し、電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にするべくＳ３２を実行する。電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しくない場合は、再びＳ３０を実行する。
【００６０】
Ｓ３２では、コントローラ１０はＳ３１にて電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとが等しいと判断したため、リレー６ａをＯＮ状態にして図６（ｃ）に表されているように電池モジュール３ａと電池モジュール３ｂとを並列接続状態にする。尚、電池モジュール３ａの電圧値Ｖａｔと電池モジュール３ｂの電圧値Ｖｂｔとは等しいため、リレー６ａ及び６ｂがＯＮ状態のままで負荷９への電力供給を中断している場合でも、循環電流が流れることはない。従って、組電池１より電力を安全に放電することが出来る。
【００６１】
以上のように、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、コントローラ１０は組電池１に電力を充電する時には、ヒータ５が設けられた電池モジュール３ｂの温度がを第１の閾値となるまで昇温した後に、全ての電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧が第２の閾値となるまで充電されるようリレー６ａ及び６ｂを制御し、組電池１から電力を放電する時には、電池モジュール３ａ及び３ｂのうち電圧値が高い電池モジュールから電力が放電されるようリレー６ａまたは６ｂを制御し、他方の電池モジュールが電圧値が放電している電池モジュールの電圧値と等しくなった場合に、放電している電池モジュールと並列に接続されるようリレー６ａまたは６ｂを制御するので、組電池１を充電する場合に用いられる電力量を低減しつつ、安全に組電池１を充放電することが出来る。
【００６２】
また、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、組電池１には電池モジュール３ｂにのみヒータ５が設けられており、コントローラ１０はヒータ５を用いて電池モジュール３ｂのみを昇温するため、組電池１を充電する場合に用いられる電力量を低減することが出来る。
【００６３】
また、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを構成するいずれかの電池セル２ａ及び２ｂの電圧値Ｖａ及びＶｂが第２の閾値まで充電された場合に、電池モジュール３ａ及び３ｂの充電が終了するようリレー６ａ及び６ｂを制御するので、循環電流を組電池１内に流すことなく安全に充電することが出来る。
【００６４】
また、本発明の実施形態に係る組電池の充放電制御装置によれば、コントローラ１０は電池モジュール３ａ及び３ｂを構成する電池セル２ａ及び２ｂの電圧値Ｖａ及びＶｂを足し合わせることで電池モジュール３ａ及び３ｂの電圧値Ｖａｔ及びＶｂｔを算出するので、循環電流を組電池１内に流すことなく安全に放電することが出来る。
【００６５】
尚、本発明の実施形態では２つの電池モジュールを並列に接続した組電池を用いて説明したが、３つや４つの電池モジュールを並列に接続した組電池に適用することも可能である。この場合は、組電池を昇温する場合は並列に接続された電池モジュールのうち１つに昇温手段が設けられ昇温されるので、消費電力を最小限に抑えることが出来る。そして、組電池に電力を充電する時には全ての電池モジュールを並列に接続して充電し、満充電状態になった電池モジュールから順にリレーがＯＦＦ状態となり並列接続から切り離され、また組電池より電力を放電する時には最も電圧値が高い電池モジュールから放電が開始され、電圧値が放電している電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順にリレーがＯＮ状態となり並列に接続されていくので、循環電流を流すことなく安全に充放電することが可能となる。
【符号の説明】
【００６６】
１：組電池 ２ａ、２ｂ：電池セル ３ａ、３ｂ：電池モジュール ４：電圧センサ ５：ヒータ ６ａ、６ｂ：リレー ７：切換回路 １０：コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールがリレーを介して２組以上並列に接続され、
前記電池モジュールのうち、少なくとも１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装置であって、
前記組電池に電力を充電する時には、
前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温した後に、
全ての前記電池モジュールが所定の電圧値となるまで充電されるようリレーが制御され、
前記組電池から電力を放電する時には、
前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い電池モジュールから電力が出力され、
残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に、放電されている前記電池モジュールと並列に接続されるよう前記リレーが制御されることを特徴とする、
組電池の充放電制御装置。
【請求項２】
第１の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記組電池を構成する前記電池モジュールのうちいずれか１つに設けられた前記昇温手段を制御することを特徴とする。
【請求項３】
第２の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成するいずれかの前記電池セルの電圧値が所定の電圧値まで充電された場合に、前記電池モジュールの充電が終了するようリレーを制御することを特徴とする。
【請求項４】
第３の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成する前記電池セルの電圧値を足し合わせることで前記電池モジュールの電圧値を算出することを特徴とする。
【請求項５】
複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールが、リレーを介して２組以上並列に接続され、
前記電池モジュールのうち、いずれか１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装方法であって、
前記組電池に電力を充電する時には、
前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温するステップと、
全ての前記電池モジュールが充電されるようリレーを制御するステップとを有し、
前記組電池から電力を放電する時には、
前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い前記電池モジュールから電力が出力されるようリレーを制御するステップと、
残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順に、放電されている前記電池モジュールに並列に接続されるよう前記リレーを制御するステップとを有することを特徴とする、
組電池の充電制御方法。
【請求項１】
複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールがリレーを介して２組以上並列に接続され、
前記電池モジュールのうち、少なくとも１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装置であって、
前記組電池に電力を充電する時には、
前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温した後に、
全ての前記電池モジュールが所定の電圧値となるまで充電されるようリレーが制御され、
前記組電池から電力を放電する時には、
前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い電池モジュールから電力が出力され、
残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなったものから順に、放電されている前記電池モジュールと並列に接続されるよう前記リレーが制御されることを特徴とする、
組電池の充放電制御装置。
【請求項２】
第１の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記組電池を構成する前記電池モジュールのうちいずれか１つに設けられた前記昇温手段を制御することを特徴とする。
【請求項３】
第２の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成するいずれかの前記電池セルの電圧値が所定の電圧値まで充電された場合に、前記電池モジュールの充電が終了するようリレーを制御することを特徴とする。
【請求項４】
第３の請求項に記載の組電池の充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、前記電池モジュールを構成する前記電池セルの電圧値を足し合わせることで前記電池モジュールの電圧値を算出することを特徴とする。
【請求項５】
複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールが、リレーを介して２組以上並列に接続され、
前記電池モジュールのうち、いずれか１つに前記電池モジュールに前記電池モジュールを昇温する昇温手段が設けられた組電池の充放電制御装方法であって、
前記組電池に電力を充電する時には、
前記昇温手段が設けられた前記電池モジュールを所定温度まで昇温するステップと、
全ての前記電池モジュールが充電されるようリレーを制御するステップとを有し、
前記組電池から電力を放電する時には、
前記電池モジュールのうち電圧値が最も高い前記電池モジュールから電力が出力されるようリレーを制御するステップと、
残りの電池モジュールのうち、電圧値が放電されている前記電池モジュールの電圧値と等しくなった電池モジュールから順に、放電されている前記電池モジュールに並列に接続されるよう前記リレーを制御するステップとを有することを特徴とする、
組電池の充電制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３７７８５（Ｐ２０１３−３７７８５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７０４９０（Ｐ２０１１−１７０４９０）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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