組電池の充電制御装置および充電制御方法
【課題】定格電力の大きな抵抗を用いなくても、各電池の電圧を短時間で均衡させることを可能にする。
【解決手段】組電池の充電制御装置１は、組電池２の各電池２１にそれぞれ並列に接続される放電回路１０と、各電池２１の電圧を検出する電圧検出回路１３と、電圧検出回路１３の出力に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、放電回路１０を制御する制御部１４とを備える。放電回路１０は、抵抗１１とトランジスタ１２との直列回路からなり、トランジスタ１２がＯＮすることで、当該トランジスタ１２に対応する電池２１を放電させる。制御部１４は、充電の抑制が必要な電池の電圧が基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するトランジスタ１２を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するトランジスタ１２を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【解決手段】組電池の充電制御装置１は、組電池２の各電池２１にそれぞれ並列に接続される放電回路１０と、各電池２１の電圧を検出する電圧検出回路１３と、電圧検出回路１３の出力に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、放電回路１０を制御する制御部１４とを備える。放電回路１０は、抵抗１１とトランジスタ１２との直列回路からなり、トランジスタ１２がＯＮすることで、当該トランジスタ１２に対応する電池２１を放電させる。制御部１４は、充電の抑制が必要な電池の電圧が基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するトランジスタ１２を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するトランジスタ１２を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する各電池の電圧のばらつきを少なくするための充電制御の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車においては、走行用モータや車載機器の電源となる高電圧バッテリが搭載される。この高電圧バッテリは、一般に、リチウムイオン電池などの二次電池を複数個直列に接続した、いわゆる組電池から構成される。このような組電池にあっては、各電池の特性のばらつきに起因して、放電可能な電気エネルギー（以下、「放電容量」という。）が電池間で異なる。また、二次電池の場合、過充電や過放電によって電池寿命が低下することから、組電池を構成する電池のうちの１つが充電完了状態や放電完了状態になれば、組電池全体として充電動作や放電動作を停止する必要がある。
【０００３】
このため、放電時に、最も放電容量の小さい電池が放電を完了すると、他の電池の放電が完了しない状態で、組電池全体の放電動作が停止する。一方、充電時には、放電時に完全に放電した電池が充電完了状態にならないうちに、放電時に完全に放電しなかった電池が先に充電完了状態となり、この時点で組電池全体の充電動作が停止する。このような動作が繰り返されると、放電容量の小さい電池は常に充電不足となり、組電池全体としての放電容量が低下する。
【０００４】
この対策として、例えば特許文献１〜５に記載されているように、組電池を構成する各電池と並列に、スイッチング素子と抵抗の直列回路からなる放電回路を接続し、各電池の充電状態に応じて、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する方法が知られている。この方法によれば、電圧の高い電池については、スイッチング素子がＯＮして充電が抑制され、電圧の低い電池については、スイッチング素子がＯＦＦとなって充電が優先的に行われる。これにより、各電池をバランスよく充電することができ、組電池全体の放電容量が低下するのを抑制することができる。
【０００５】
また、特許文献６には、組電池を構成する各電池ごとにコンバータを設け、このコンバータのスイッチング素子を、各電池の電圧に応じて、ＰＷＭ信号によりＯＮ・ＯＦＦさせる充放電制御の技術が記載されている。これによれば、ＰＷＭ信号のデューティを調整することにより、各電池の出力を均等化することができる。
【０００６】
図５は、組電池の充電制御を模式的に示した図である。（ａ）は充電前の状態、（ｂ）は充電中の状態、（ｃ）は充電が完了した状態をそれぞれ表している。（ａ）のように、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧がばらついている状態から充電が開始されると、（ｂ）のように各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧が上昇してゆく。このとき、破線で示す目標電圧（ここでは、最も低い電池Ｂ３の電圧）より電圧が高い電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ４については、スイッチング素子をＯＮさせて放電を行うことで、充電を抑制する。一方、電池Ｂ３については、スイッチング素子をＯＦＦ状態とする。このため、電池Ｂ３が優先的に充電される。そして、最終的には（ｃ）のように、最も電圧の高い電池Ｂ２が満充電に達すると、他の電池の充電も終了する。この状態では、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧のばらつきは小さくなっている。
【０００７】
ところで、スイッチング素子をＯＮさせて放電を行う場合、スイッチング素子と直列に接続された抵抗に放電電流が流れるため、当該抵抗が発熱する。このため、放電電流が多く流れると、抵抗が高温となって焼損することがある。そこで、温度の高い領域では、抵抗に定格電力を１００％かけずに、温度が高くなるほど抵抗に印加する電力を小さくするような使い方がされている。
【０００８】
具体的に説明すると、図６は、抵抗の負荷軽減曲線の一例であって、横軸は温度、縦軸は定格電力比を示している。定格電力比は、抵抗の定格電力を１００％としたときの、当該抵抗に印加できる電力の割合である。この例では、温度が７０℃までは、定格電力の１００％を抵抗に印加できるが、温度が７０℃を超えると、温度上昇に応じて、抵抗に印加できる電力が減少する。例えば、温度が１００℃では、定格電力比は５０％となり、印加可能電力は定格電力の半分となる。
【０００９】
このように、抵抗に印加できる電力が温度によって制限を受けることから、抵抗に流す電流も制限されることになる。その一方で、組電池の各電池の電圧を短時間で均衡させる点からは、抵抗にできるだけ多くの放電電流を流すことが好ましい。しかし、そのためには、定格電力の大きな抵抗を用いる必要がある。図６の例では、１００℃において定格電力使用時と同じだけの電流を流すには、２倍の定格電力をもった抵抗が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２５３４６３号公報
【特許文献２】特開平８−１９１８８号公報
【特許文献３】特開２０００−８３３２７号公報
【特許文献４】特開平７−２６４７８０号公報
【特許文献５】特開２００２−２３３０６９号公報
【特許文献６】特開２０１０−１４８２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、定格電力の大きな抵抗を用いなくても、各電池の電圧を短時間で均衡させることが可能な組電池の充電制御装置および充電制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る組電池の充電制御装置は、組電池の各電池にそれぞれ並列に接続される、抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、スイッチング素子がＯＮすることで、当該スイッチング素子に対応する電池を放電させる放電回路と、組電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、当該電池に対応するスイッチング素子をＯＮさせる制御手段とを備える。制御手段は、充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が、基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【００１３】
このようにすると、充電が開始された直後は、各電池の電圧は基準電圧未満であるため、スイッチング素子のＯＮ期間が長くなって、抵抗に放電電流が多く流れる。これにより、電圧の高い電池の充電が抑制され、電圧の低い電池に優先的に充電が行われるので、電池間の電圧のばらつきを早い段階で是正することができる。一方、充電が開始されて時間が経つと、各電池の電圧が基準電圧以上となるため、スイッチング素子のＯＮ期間が短くなって、抵抗に流れる放電電流が少なくなる。この結果、抵抗での消費電力が小さくなり、抵抗の発熱が抑制される。このように、電池の電圧に応じてスイッチング素子のＯＮ期間を切り替えることで、充電開始直後は抵抗に放電電流が多く流れ、充電が進むと放電電流が減少するので、定格電力の小さな抵抗を使用して、電池間の電圧を短時間で均衡させることが可能となる。
【００１４】
本発明では、制御手段は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御してもよい。この場合、ＰＷＭ信号のデューティを変化させることによって、第１の期間および第２の期間が切り替えられる。
【００１５】
また、本発明では、制御手段は、電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、目標電圧を設定し、各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っていない状態で、いずれかの電池の電圧が、目標電圧に一定値を加算した電圧以上となった場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１または第２の期間だけＯＮさせ、各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っている状態で、第１または第２の期間だけＯＮするスイッチング素子に対応する電池の電圧が、目標電圧未満となった場合は、当該電池に対応するスイッチング素子をＯＦＦにするようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明では、基準電圧が、第１の基準電圧と、この第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧とからなり、制御手段は、ＯＮ期間が第１の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、第１の基準電圧以上となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を第２の期間に切り替え、ＯＮ期間が第２の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、第２の基準電圧未満となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を第１の期間に切り替えるようにしてもよい。
【００１７】
本発明に係る組電池の充電制御方法では、組電池の各電池の電圧を検出し、検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が、基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、充電開始直後は抵抗に放電電流が多く流れ、充電が進むと放電電流が減少するので、定格電力の大きな抵抗を用いなくても、各電池の電圧を短時間で均衡させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示したブロック図である。
【図２】充電制御の手順を表したフローチャートである。
【図３】デューティ切り替えの手順を表したフローチャートである。
【図４】ＰＷＭ信号の波形図である。
【図５】組電池の充電制御を模式的に示した図である。
【図６】抵抗の負荷軽減曲線を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を電気自動車に搭載される組電池に適用した場合を例に挙げる。
【００２１】
まず、図１を参照して、実施形態の構成について説明する。図１において、充電制御装置１は、組電池２と充電回路３との間に設けられ、組電池２の充電を制御する。組電池２は、直列に接続された複数の電池２１から構成される。各電池２１は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池からなる。充電制御装置１と充電回路３との間には、コンタクタ４が設けられている。
【００２２】
充電制御装置１には、組電池２の各電池２１ごとに、抵抗１１とトランジスタ１２との直列回路からなる放電回路１０、および、電池２１の電圧を検出する電圧検出回路１３が備わっている。また、各放電回路１０と各電圧検出回路１３に共通な制御部１４が設けられている。制御部１４は、ＣＰＵやメモリ等から構成される。トランジスタ１２は、本発明における「スイッチング素子」の一例であり、電圧検出回路１３は、本発明における「電圧検出手段」の一例である。制御部１４は、本発明における「制御手段」の一例である。
【００２３】
放電回路１０は、電池２１に並列に接続されており、トランジスタ１２がＯＮすることで、当該トランジスタ１２に対応する電池２１を放電させる。抵抗１１の一端は、電池２１の正極に接続され、抵抗１１の他端は、トランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ１２のエミッタは、電池２１の負極に接続され、トランジスタ１２のベースは、制御部１４に接続されている。電圧検出回路１３は、電池２１の正極と負極の間に接続されている。電圧検出回路１３の出力は、制御部１４に与えられる。
【００２４】
制御部１４は、後述するように、電圧検出回路１３の検出電圧に基づいてトランジスタ１２を制御する。また、制御部１４は、充電回路３に対して充電開始または充電停止の指令を与えるとともに、充電開始時にはコンタクタ４をＯＮ（閉状態）にし、充電停止時にはコンタクタ４をＯＦＦ（開状態）にする制御を行う。さらに、制御部１４は、図示しない上位装置との間で通信を行う。
【００２５】
次に、充電制御装置１による充電制御の概要について説明する。制御部１４は、上位装置からの指令に基づき、充電回路３に対して充電開始指令を出力するとともに、コンタクタ４をＯＮにする。これにより、充電回路３からコンタクタ４を介して、組電池２に充電が行われる。充電開始後、各電池２１の電圧が上昇してゆくが、前述の通り、電池間で電圧のばらつきがある。制御部１４は、各電圧検出回路１３の出力に基づいて、各電池２１の電圧を監視し、充電の抑制が必要な電池を判別する。例えば、電圧検出回路１３で検出された電圧のうちの最小電圧よりも電圧が高い電池は、充電抑制が必要な電池と判別される。
【００２６】
そして、制御部１４は、充電抑制が必要と判別した電池２１に対応する放電回路１０のトランジスタ１２を、所定時間だけＯＮさせる。この場合、制御部１４からトランジスタ１２のベースにＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号が与えられ、この信号がＨ（High）レベルとなる期間は、トランジスタ１２がＯＮ状態となる。トランジスタ１２がＯＮすると、抵抗１１とトランジスタ１２による放電経路が形成されるので、電池２１の充電が抑制される。一方、充電抑制が不要な電池２１については、トランジスタ１２はＯＦＦしているため、優先的に充電が行われる。
【００２７】
ところで、本実施形態では、制御部１４は、トランジスタ１２をＯＮするにあたり、ＰＷＭ信号のデューティを変化させることにより、トランジスタ１２のＯＮ期間を２段階で切り替える。すなわち、充電が開始されて電池電圧がある基準値に達するまでは、ＰＷＭ信号のデューティを例えば７０％にして、トランジスタ１２のＯＮ期間を長くする。そして、充電が進んで電池電圧がある基準値に達すると、ＰＷＭ信号のデューティを例えば３０％に変更して、トランジスタ１２のＯＮ期間を短くする。
【００２８】
このようにすると、充電が開始されて間もない、電池の電圧が低い段階では、トランジスタ１２のＯＮ期間が長いため、抵抗１１を介して放電電流が多く流れる。この結果、電圧の高い電池の充電が抑制され、電圧の低い電池に優先的に充電が行われるので、電池間の電圧のばらつきを早い段階で是正して、各電池２１の電圧の均等化を図ることができる。一方、充電が開始されてから時間が経って、電池の電圧が高くなった段階では、トランジスタ１２のＯＮ期間が短くなって、抵抗１１を流れる放電電流が減少する（この段階では、電圧が均等化しているので、放電電流が減少しても問題はない）。この結果、抵抗１１における消費電力が小さくなり、抵抗１１の発熱が抑制される。したがって、抵抗１１は定格電力の小さな抵抗で済む。
【００２９】
以上のように、本実施形態においては、電池２１の電圧が低い間は、抵抗１１に多くの放電電流を流し、電池２１の電圧が高くなると、抵抗１１に流す放電電流を減少させる。これによって、定格電力の小さな抵抗１１を使用しつつ、各電池２１の電圧を短時間で均等化することが可能となる。
【００３０】
抵抗１１の定格電力に関し、以下に具体例を挙げて説明する。まず、放電電流を変化させない場合（従来方式）について考える。いま、周囲温度を８５℃、抵抗１１の自己発熱による温度を１５℃とし、簡単のために、８５℃＋１５℃＝１００℃を抵抗１１の温度とする。また、抵抗１１に流れる放電電流を、電池２１の電圧（以下、「セル電圧」という。）にかかわらず、０．１〔Ａ〕とする。
【００３１】
上記条件の下で、例えばセル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、２．５〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．２５〔Ｗ〕である。抵抗１１の負荷軽減曲線が図６に示したものであれば、抵抗温度が１００℃のときの定格電力比は５０％である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２５〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．５〔Ｗ〕のものが必要となる。
【００３２】
また、例えばセル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、４．０〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．４〔Ｗ〕である。すなわち、定格電力×５０％＝０．４〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．８〔Ｗ〕以上の１．０〔Ｗ〕の抵抗が必要となる。
【００３３】
したがって、従来方式では、結果的に定格電力が１．０〔Ｗ〕の抵抗１１を選定することが必要となる。
【００３４】
次に、放電電流を変化させる場合（本発明）について考える。いま、周囲温度を８５℃、抵抗１１の自己発熱による温度を１５℃とし、簡単のために、８５℃＋１５℃＝１００℃を抵抗１１の温度とする。また、抵抗１１に流れる放電電流を、セル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合には０．１〔Ａ〕、セル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合には０．０６〔Ａ〕とする。
【００３５】
上記条件の下で、セル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、２．５〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．２５〔Ｗ〕である。また、図６の負荷軽減曲線より、抵抗温度が１００℃のときの定格電力比は５０％である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２５〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．５〔Ｗ〕のものが必要となる（これについては、従来方式と変わりはない）。
【００３６】
一方、セル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、４．０〔Ｖ〕×０．０６〔Ａ〕＝０．２４〔Ｗ〕である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２４〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．４８〔Ｗ〕以上の０．５〔Ｗ〕の抵抗が必要となる。
【００３７】
したがって、本発明の場合は、結果的に定格電力が０．５〔Ｗ〕の抵抗１１を選定すればよいことになる。このように、定格電力の小さい抵抗を使用することで、コストを低減することができる。
【００３８】
次に、充電制御装置１による充電制御の詳細を、フローチャートに従って説明する。
【００３９】
図２は、充電制御の手順を表したフローチャートである。各ステップは、制御部１４を構成するＣＰＵによって実行される。以下では、制御部１４が各トランジスタ１２に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行って、各電池２１間で電圧を均等化することを「電圧バランス動作」という。
【００４０】
ステップＳ１では、各電池２１のセル電圧に基づいて、目標電圧が設定される。目標電圧は、例えば、電圧検出回路１３で検出されたセル電圧のうち、最も低いセル電圧に設定される。但し、目標電圧の設定方法はこれに限らない。例えば、特許文献３に記載されているように、セル電圧の平均値を目標電圧として設定してもよい。
【００４１】
ステップＳ２では、電池２１ごとに、セル電圧が異常電圧以下であるか否かが判定される。異常電圧とは、電池２１が過充電された場合の電圧（満充電時の電圧よりも高い電圧）に相当する高電圧をいう。判定の結果、セル電圧が異常電圧を超えておれば（ステップＳ２；ＮＯ）、当該電池２１が異常であると判断し、ステップＳ８へ移行して、当該電池２１に対応する放電回路１０を非駆動とする。この場合、当該放電回路１０におけるトランジスタ１２は、ＯＦＦ状態に維持される。一方、セル電圧が異常電圧以下であれば（ステップＳ２；ＹＥＳ）、当該電池２１は正常であると判断し、ステップＳ３へ進む。
【００４２】
ステップＳ３では、電圧バランス動作が許可されているか否かが判定される。この判定は、上位装置からの許可指令の有無に基づいて行われる。例えば、自動車の走行中は、電圧バランス動作が禁止され、自動車の停止中に組電池２に充電が行われるときは、電圧バランス動作が許可される。判定の結果、電圧バランス動作が許可されていなければ（ステップＳ３；ＮＯ）、ステップＳ８へ移行して、放電回路１０を非駆動とする。一方、電圧バランス動作が許可されていれば（ステップＳ３；ＹＥＳ）、ステップＳ４へ進む。
【００４３】
ステップＳ４では、電圧バランス動作が停止中か否かが判定される。判定の結果、電圧バランス動作が停止中であれば（ステップＳ４；ＹＥＳ）、ステップＳ５へ進む。
【００４４】
ステップＳ５では、電池２１ごとに、セル電圧と目標電圧＋αとを比較する。ここで、αは一定値である。そして、セル電圧≧目標電圧＋αの電池については（ステップＳ５；ＹＥＳ）、充電の抑制が必要と判断して、ステップＳ６へ進む。また、セル電圧＜目標電圧＋αの電池については（ステップＳ５；ＮＯ）、充電の抑制が不要と判断して、ステップＳ８へ進む。
【００４５】
ステップＳ６では、充電の抑制が必要な電池２１に対応する放電回路１０を駆動して、電圧バランス動作を実行する。すなわち、当該放電回路１０のトランジスタ１２に、制御部１４からＰＷＭ信号が与えられ、ＰＷＭ信号のデューティで決まる期間だけ、トランジスタ１２がＯＮとなる。このＯＮ期間に、電池２１が放電回路１０を介して放電する。なお、トランジスタ１２のＯＮ期間は、セル電圧に応じて切り替えられるが、これについては後で説明する。
【００４６】
一方、ステップＳ４での判定の結果、電圧バランス動作が実行中であれば（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ７へ進む。
【００４７】
ステップＳ７では、電池２１ごとに、セル電圧と目標電圧とを比較する。そして、セル電圧≧目標電圧の電池については（ステップＳ７；ＹＥＳ）、充電抑制が必要と判断して、ステップＳ６へ進む。また、セル電圧＜目標電圧の電池については（ステップＳ７；ＮＯ）、充電抑制が不要と判断して、ステップＳ８へ進む。
【００４８】
以上により、電圧バランス動作が行われていない状態で（ステップＳ４；ＹＥＳ）、いずれかの電池２１の電圧が、目標電圧＋α以上となった場合は（ステップＳ５；ＹＥＳ）、当該電池２１に対応するトランジスタ１２が所定期間ＯＮとなり、当該電池２１が放電する（ステップＳ６）。また、電圧バランス動作が行われている状態で（ステップＳ４；ＮＯ）、所定期間ＯＮするトランジスタ１２に対応する電池２１の電圧が、目標電圧未満となった場合は（ステップＳ７；ＮＯ）、当該電池２１に対応するトランジスタ１２がＯＦＦとなり、当該電池２１の放電が停止する（ステップＳ８）。このような動作が繰り返されることで、各電池２１の電圧が均等化される。
【００４９】
ところで、本実施形態では、ステップＳ６において放電回路１０を駆動する場合、セル電圧に応じて、ＰＷＭ信号のデューティを７０％と３０％に切り替える。但し、このデューティの値は一例であって、他の値を採用してもよい。
【００５０】
図４（ａ）は、デューティが７０％のＰＷＭ信号の波形を示している。信号の１周期をＴとし、ＯＮ期間（信号がＨレベルの期間）をＴ１としたとき、Ｔ１／Ｔ＝７０％である。ＯＮ期間Ｔ１は、本発明における「第１の期間」に相当する。図４（ｂ）は、デューティが３０％のＰＷＭ信号の波形を示している。信号の１周期をＴとし、ＯＮ期間をＴ２としたとき、Ｔ２＜Ｔ１であって、Ｔ２／Ｔ＝３０％である。ＯＮ期間Ｔ２は、本発明における「第２の期間」に相当する。これらのＰＷＭ信号のＯＮ期間Ｔ１、Ｔ２において、トランジスタ１２はＯＮ状態となる。
【００５１】
図３は、図２のステップＳ６において放電回路１０を駆動する場合の、ＰＷＭ信号のデューティ切替手順を表したフローチャートである。各ステップは、制御部１４を構成するＣＰＵによって実行される。
【００５２】
ステップＳ１１では、ＰＷＭ信号のデューティが３０％か否かが判定される。充電開始直後は、ＰＷＭ信号のデューティが７０％に設定されるので（ステップＳ１１；ＮＯ）、ステップＳ１４へ進む。
【００５３】
ステップＳ１４では、セル電圧を可変電圧と比較する。ここでいう可変電圧とは、例えば、満充電状態での電圧の８０％程度の電圧である。セル電圧が可変電圧付近の高い電圧である場合に、抵抗１１に大きな放電電流を流すと、抵抗１１に許容値を超える消費電力が発生し、抵抗１１が焼損するおそれがある。しかし、充電開始後、暫くの間はセル電圧が低いので、セル電圧＜可変電圧となる（ステップＳ１４；ＹＥＳ）。したがって、ステップＳ１３へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを７０％に維持する。なお、ステップＳ１４における可変電圧は、本発明における「第１の基準電圧」に相当する。
【００５４】
一方、充電が進んでセル電圧が高くなり、セル電圧≧可変電圧になると（ステップＳ１４；ＮＯ）、抵抗１１に流す放電電流を制限する必要があるので、ステップＳ１５へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを３０％に切り替える。これにより、トランジスタ１２のＯＮ期間が短くなって、抵抗１１に流れる放電電流が減少する。このため、抵抗１１の消費電力も抑制される。
【００５５】
また、ステップＳ１１において、ＰＷＭ信号のデューティが３０％の場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、ステップＳ１２へ進む。
【００５６】
ステップＳ１２では、セル電圧を、可変電圧−α（αは前述の一定値）と比較する。比較の結果、セル電圧≧可変電圧−αであれば（ステップＳ１２；ＮＯ）、抵抗１１に流す放電電流を引き続き制限する必要があると判断し、ステップＳ１５へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを３０％に維持する。一方、セル電圧＜可変電圧−αであれば（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、抵抗１１に流す放電電流を制限する必要がないと判断し、ステップＳ１３へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを７０％に切り替える。なお、ステップＳ１２における可変電圧−αは、本発明における「第２の基準電圧」に相当する。
【００５７】
本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図２の手順では、ステップＳ２〜Ｓ８において、電池２１ごとに処理を行うステップ（Ｓ２、Ｓ５、Ｓ７）を含んでいるが、１つの電池につきステップＳ２〜Ｓ８を実行した後、次の電池につき改めてステップＳ２〜Ｓ８を実行する手順としてもよい。
【００５８】
また、前記の実施形態では、放電回路１０のスイッチング素子としてトランジスタ１２を用いているが、トランジスタに代えてＦＥＴを用いてもよい。
【００５９】
また、前記の実施形態では、電圧検出回路１３を制御部１４と別に設けているが、電圧検出回路１３を制御部１４に組み込んでもよい。
【００６０】
さらに、前記の実施形態では、本発明を電気自動車に搭載される組電池に適用した例を挙げたが、本発明は、電気自動車以外の用途に用いられる組電池にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 充電制御装置
２ 組電池
３ 充電回路
１０ 放電回路
１１ 抵抗
１２ トランジスタ
１３ 電圧検出回路
１４ 制御部
２１ 電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する各電池の電圧のばらつきを少なくするための充電制御の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車においては、走行用モータや車載機器の電源となる高電圧バッテリが搭載される。この高電圧バッテリは、一般に、リチウムイオン電池などの二次電池を複数個直列に接続した、いわゆる組電池から構成される。このような組電池にあっては、各電池の特性のばらつきに起因して、放電可能な電気エネルギー（以下、「放電容量」という。）が電池間で異なる。また、二次電池の場合、過充電や過放電によって電池寿命が低下することから、組電池を構成する電池のうちの１つが充電完了状態や放電完了状態になれば、組電池全体として充電動作や放電動作を停止する必要がある。
【０００３】
このため、放電時に、最も放電容量の小さい電池が放電を完了すると、他の電池の放電が完了しない状態で、組電池全体の放電動作が停止する。一方、充電時には、放電時に完全に放電した電池が充電完了状態にならないうちに、放電時に完全に放電しなかった電池が先に充電完了状態となり、この時点で組電池全体の充電動作が停止する。このような動作が繰り返されると、放電容量の小さい電池は常に充電不足となり、組電池全体としての放電容量が低下する。
【０００４】
この対策として、例えば特許文献１〜５に記載されているように、組電池を構成する各電池と並列に、スイッチング素子と抵抗の直列回路からなる放電回路を接続し、各電池の充電状態に応じて、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する方法が知られている。この方法によれば、電圧の高い電池については、スイッチング素子がＯＮして充電が抑制され、電圧の低い電池については、スイッチング素子がＯＦＦとなって充電が優先的に行われる。これにより、各電池をバランスよく充電することができ、組電池全体の放電容量が低下するのを抑制することができる。
【０００５】
また、特許文献６には、組電池を構成する各電池ごとにコンバータを設け、このコンバータのスイッチング素子を、各電池の電圧に応じて、ＰＷＭ信号によりＯＮ・ＯＦＦさせる充放電制御の技術が記載されている。これによれば、ＰＷＭ信号のデューティを調整することにより、各電池の出力を均等化することができる。
【０００６】
図５は、組電池の充電制御を模式的に示した図である。（ａ）は充電前の状態、（ｂ）は充電中の状態、（ｃ）は充電が完了した状態をそれぞれ表している。（ａ）のように、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧がばらついている状態から充電が開始されると、（ｂ）のように各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧が上昇してゆく。このとき、破線で示す目標電圧（ここでは、最も低い電池Ｂ３の電圧）より電圧が高い電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ４については、スイッチング素子をＯＮさせて放電を行うことで、充電を抑制する。一方、電池Ｂ３については、スイッチング素子をＯＦＦ状態とする。このため、電池Ｂ３が優先的に充電される。そして、最終的には（ｃ）のように、最も電圧の高い電池Ｂ２が満充電に達すると、他の電池の充電も終了する。この状態では、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧のばらつきは小さくなっている。
【０００７】
ところで、スイッチング素子をＯＮさせて放電を行う場合、スイッチング素子と直列に接続された抵抗に放電電流が流れるため、当該抵抗が発熱する。このため、放電電流が多く流れると、抵抗が高温となって焼損することがある。そこで、温度の高い領域では、抵抗に定格電力を１００％かけずに、温度が高くなるほど抵抗に印加する電力を小さくするような使い方がされている。
【０００８】
具体的に説明すると、図６は、抵抗の負荷軽減曲線の一例であって、横軸は温度、縦軸は定格電力比を示している。定格電力比は、抵抗の定格電力を１００％としたときの、当該抵抗に印加できる電力の割合である。この例では、温度が７０℃までは、定格電力の１００％を抵抗に印加できるが、温度が７０℃を超えると、温度上昇に応じて、抵抗に印加できる電力が減少する。例えば、温度が１００℃では、定格電力比は５０％となり、印加可能電力は定格電力の半分となる。
【０００９】
このように、抵抗に印加できる電力が温度によって制限を受けることから、抵抗に流す電流も制限されることになる。その一方で、組電池の各電池の電圧を短時間で均衡させる点からは、抵抗にできるだけ多くの放電電流を流すことが好ましい。しかし、そのためには、定格電力の大きな抵抗を用いる必要がある。図６の例では、１００℃において定格電力使用時と同じだけの電流を流すには、２倍の定格電力をもった抵抗が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２５３４６３号公報
【特許文献２】特開平８−１９１８８号公報
【特許文献３】特開２０００−８３３２７号公報
【特許文献４】特開平７−２６４７８０号公報
【特許文献５】特開２００２−２３３０６９号公報
【特許文献６】特開２０１０−１４８２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、定格電力の大きな抵抗を用いなくても、各電池の電圧を短時間で均衡させることが可能な組電池の充電制御装置および充電制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る組電池の充電制御装置は、組電池の各電池にそれぞれ並列に接続される、抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、スイッチング素子がＯＮすることで、当該スイッチング素子に対応する電池を放電させる放電回路と、組電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、当該電池に対応するスイッチング素子をＯＮさせる制御手段とを備える。制御手段は、充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が、基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【００１３】
このようにすると、充電が開始された直後は、各電池の電圧は基準電圧未満であるため、スイッチング素子のＯＮ期間が長くなって、抵抗に放電電流が多く流れる。これにより、電圧の高い電池の充電が抑制され、電圧の低い電池に優先的に充電が行われるので、電池間の電圧のばらつきを早い段階で是正することができる。一方、充電が開始されて時間が経つと、各電池の電圧が基準電圧以上となるため、スイッチング素子のＯＮ期間が短くなって、抵抗に流れる放電電流が少なくなる。この結果、抵抗での消費電力が小さくなり、抵抗の発熱が抑制される。このように、電池の電圧に応じてスイッチング素子のＯＮ期間を切り替えることで、充電開始直後は抵抗に放電電流が多く流れ、充電が進むと放電電流が減少するので、定格電力の小さな抵抗を使用して、電池間の電圧を短時間で均衡させることが可能となる。
【００１４】
本発明では、制御手段は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御してもよい。この場合、ＰＷＭ信号のデューティを変化させることによって、第１の期間および第２の期間が切り替えられる。
【００１５】
また、本発明では、制御手段は、電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、目標電圧を設定し、各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っていない状態で、いずれかの電池の電圧が、目標電圧に一定値を加算した電圧以上となった場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１または第２の期間だけＯＮさせ、各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っている状態で、第１または第２の期間だけＯＮするスイッチング素子に対応する電池の電圧が、目標電圧未満となった場合は、当該電池に対応するスイッチング素子をＯＦＦにするようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明では、基準電圧が、第１の基準電圧と、この第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧とからなり、制御手段は、ＯＮ期間が第１の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、第１の基準電圧以上となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を第２の期間に切り替え、ＯＮ期間が第２の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、第２の基準電圧未満となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を第１の期間に切り替えるようにしてもよい。
【００１７】
本発明に係る組電池の充電制御方法では、組電池の各電池の電圧を検出し、検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、充電の抑制が必要な電池の電圧が、基準電圧以上である場合は、当該電池に対応するスイッチング素子を第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、充電開始直後は抵抗に放電電流が多く流れ、充電が進むと放電電流が減少するので、定格電力の大きな抵抗を用いなくても、各電池の電圧を短時間で均衡させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示したブロック図である。
【図２】充電制御の手順を表したフローチャートである。
【図３】デューティ切り替えの手順を表したフローチャートである。
【図４】ＰＷＭ信号の波形図である。
【図５】組電池の充電制御を模式的に示した図である。
【図６】抵抗の負荷軽減曲線を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を電気自動車に搭載される組電池に適用した場合を例に挙げる。
【００２１】
まず、図１を参照して、実施形態の構成について説明する。図１において、充電制御装置１は、組電池２と充電回路３との間に設けられ、組電池２の充電を制御する。組電池２は、直列に接続された複数の電池２１から構成される。各電池２１は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池からなる。充電制御装置１と充電回路３との間には、コンタクタ４が設けられている。
【００２２】
充電制御装置１には、組電池２の各電池２１ごとに、抵抗１１とトランジスタ１２との直列回路からなる放電回路１０、および、電池２１の電圧を検出する電圧検出回路１３が備わっている。また、各放電回路１０と各電圧検出回路１３に共通な制御部１４が設けられている。制御部１４は、ＣＰＵやメモリ等から構成される。トランジスタ１２は、本発明における「スイッチング素子」の一例であり、電圧検出回路１３は、本発明における「電圧検出手段」の一例である。制御部１４は、本発明における「制御手段」の一例である。
【００２３】
放電回路１０は、電池２１に並列に接続されており、トランジスタ１２がＯＮすることで、当該トランジスタ１２に対応する電池２１を放電させる。抵抗１１の一端は、電池２１の正極に接続され、抵抗１１の他端は、トランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ１２のエミッタは、電池２１の負極に接続され、トランジスタ１２のベースは、制御部１４に接続されている。電圧検出回路１３は、電池２１の正極と負極の間に接続されている。電圧検出回路１３の出力は、制御部１４に与えられる。
【００２４】
制御部１４は、後述するように、電圧検出回路１３の検出電圧に基づいてトランジスタ１２を制御する。また、制御部１４は、充電回路３に対して充電開始または充電停止の指令を与えるとともに、充電開始時にはコンタクタ４をＯＮ（閉状態）にし、充電停止時にはコンタクタ４をＯＦＦ（開状態）にする制御を行う。さらに、制御部１４は、図示しない上位装置との間で通信を行う。
【００２５】
次に、充電制御装置１による充電制御の概要について説明する。制御部１４は、上位装置からの指令に基づき、充電回路３に対して充電開始指令を出力するとともに、コンタクタ４をＯＮにする。これにより、充電回路３からコンタクタ４を介して、組電池２に充電が行われる。充電開始後、各電池２１の電圧が上昇してゆくが、前述の通り、電池間で電圧のばらつきがある。制御部１４は、各電圧検出回路１３の出力に基づいて、各電池２１の電圧を監視し、充電の抑制が必要な電池を判別する。例えば、電圧検出回路１３で検出された電圧のうちの最小電圧よりも電圧が高い電池は、充電抑制が必要な電池と判別される。
【００２６】
そして、制御部１４は、充電抑制が必要と判別した電池２１に対応する放電回路１０のトランジスタ１２を、所定時間だけＯＮさせる。この場合、制御部１４からトランジスタ１２のベースにＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号が与えられ、この信号がＨ（High）レベルとなる期間は、トランジスタ１２がＯＮ状態となる。トランジスタ１２がＯＮすると、抵抗１１とトランジスタ１２による放電経路が形成されるので、電池２１の充電が抑制される。一方、充電抑制が不要な電池２１については、トランジスタ１２はＯＦＦしているため、優先的に充電が行われる。
【００２７】
ところで、本実施形態では、制御部１４は、トランジスタ１２をＯＮするにあたり、ＰＷＭ信号のデューティを変化させることにより、トランジスタ１２のＯＮ期間を２段階で切り替える。すなわち、充電が開始されて電池電圧がある基準値に達するまでは、ＰＷＭ信号のデューティを例えば７０％にして、トランジスタ１２のＯＮ期間を長くする。そして、充電が進んで電池電圧がある基準値に達すると、ＰＷＭ信号のデューティを例えば３０％に変更して、トランジスタ１２のＯＮ期間を短くする。
【００２８】
このようにすると、充電が開始されて間もない、電池の電圧が低い段階では、トランジスタ１２のＯＮ期間が長いため、抵抗１１を介して放電電流が多く流れる。この結果、電圧の高い電池の充電が抑制され、電圧の低い電池に優先的に充電が行われるので、電池間の電圧のばらつきを早い段階で是正して、各電池２１の電圧の均等化を図ることができる。一方、充電が開始されてから時間が経って、電池の電圧が高くなった段階では、トランジスタ１２のＯＮ期間が短くなって、抵抗１１を流れる放電電流が減少する（この段階では、電圧が均等化しているので、放電電流が減少しても問題はない）。この結果、抵抗１１における消費電力が小さくなり、抵抗１１の発熱が抑制される。したがって、抵抗１１は定格電力の小さな抵抗で済む。
【００２９】
以上のように、本実施形態においては、電池２１の電圧が低い間は、抵抗１１に多くの放電電流を流し、電池２１の電圧が高くなると、抵抗１１に流す放電電流を減少させる。これによって、定格電力の小さな抵抗１１を使用しつつ、各電池２１の電圧を短時間で均等化することが可能となる。
【００３０】
抵抗１１の定格電力に関し、以下に具体例を挙げて説明する。まず、放電電流を変化させない場合（従来方式）について考える。いま、周囲温度を８５℃、抵抗１１の自己発熱による温度を１５℃とし、簡単のために、８５℃＋１５℃＝１００℃を抵抗１１の温度とする。また、抵抗１１に流れる放電電流を、電池２１の電圧（以下、「セル電圧」という。）にかかわらず、０．１〔Ａ〕とする。
【００３１】
上記条件の下で、例えばセル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、２．５〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．２５〔Ｗ〕である。抵抗１１の負荷軽減曲線が図６に示したものであれば、抵抗温度が１００℃のときの定格電力比は５０％である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２５〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．５〔Ｗ〕のものが必要となる。
【００３２】
また、例えばセル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、４．０〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．４〔Ｗ〕である。すなわち、定格電力×５０％＝０．４〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．８〔Ｗ〕以上の１．０〔Ｗ〕の抵抗が必要となる。
【００３３】
したがって、従来方式では、結果的に定格電力が１．０〔Ｗ〕の抵抗１１を選定することが必要となる。
【００３４】
次に、放電電流を変化させる場合（本発明）について考える。いま、周囲温度を８５℃、抵抗１１の自己発熱による温度を１５℃とし、簡単のために、８５℃＋１５℃＝１００℃を抵抗１１の温度とする。また、抵抗１１に流れる放電電流を、セル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合には０．１〔Ａ〕、セル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合には０．０６〔Ａ〕とする。
【００３５】
上記条件の下で、セル電圧が２．５〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、２．５〔Ｖ〕×０．１〔Ａ〕＝０．２５〔Ｗ〕である。また、図６の負荷軽減曲線より、抵抗温度が１００℃のときの定格電力比は５０％である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２５〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．５〔Ｗ〕のものが必要となる（これについては、従来方式と変わりはない）。
【００３６】
一方、セル電圧が４．０〔Ｖ〕の場合、抵抗１１での消費電力は、４．０〔Ｖ〕×０．０６〔Ａ〕＝０．２４〔Ｗ〕である。すなわち、定格電力×５０％＝０．２４〔Ｗ〕となるから、抵抗１１としては、定格電力が０．４８〔Ｗ〕以上の０．５〔Ｗ〕の抵抗が必要となる。
【００３７】
したがって、本発明の場合は、結果的に定格電力が０．５〔Ｗ〕の抵抗１１を選定すればよいことになる。このように、定格電力の小さい抵抗を使用することで、コストを低減することができる。
【００３８】
次に、充電制御装置１による充電制御の詳細を、フローチャートに従って説明する。
【００３９】
図２は、充電制御の手順を表したフローチャートである。各ステップは、制御部１４を構成するＣＰＵによって実行される。以下では、制御部１４が各トランジスタ１２に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行って、各電池２１間で電圧を均等化することを「電圧バランス動作」という。
【００４０】
ステップＳ１では、各電池２１のセル電圧に基づいて、目標電圧が設定される。目標電圧は、例えば、電圧検出回路１３で検出されたセル電圧のうち、最も低いセル電圧に設定される。但し、目標電圧の設定方法はこれに限らない。例えば、特許文献３に記載されているように、セル電圧の平均値を目標電圧として設定してもよい。
【００４１】
ステップＳ２では、電池２１ごとに、セル電圧が異常電圧以下であるか否かが判定される。異常電圧とは、電池２１が過充電された場合の電圧（満充電時の電圧よりも高い電圧）に相当する高電圧をいう。判定の結果、セル電圧が異常電圧を超えておれば（ステップＳ２；ＮＯ）、当該電池２１が異常であると判断し、ステップＳ８へ移行して、当該電池２１に対応する放電回路１０を非駆動とする。この場合、当該放電回路１０におけるトランジスタ１２は、ＯＦＦ状態に維持される。一方、セル電圧が異常電圧以下であれば（ステップＳ２；ＹＥＳ）、当該電池２１は正常であると判断し、ステップＳ３へ進む。
【００４２】
ステップＳ３では、電圧バランス動作が許可されているか否かが判定される。この判定は、上位装置からの許可指令の有無に基づいて行われる。例えば、自動車の走行中は、電圧バランス動作が禁止され、自動車の停止中に組電池２に充電が行われるときは、電圧バランス動作が許可される。判定の結果、電圧バランス動作が許可されていなければ（ステップＳ３；ＮＯ）、ステップＳ８へ移行して、放電回路１０を非駆動とする。一方、電圧バランス動作が許可されていれば（ステップＳ３；ＹＥＳ）、ステップＳ４へ進む。
【００４３】
ステップＳ４では、電圧バランス動作が停止中か否かが判定される。判定の結果、電圧バランス動作が停止中であれば（ステップＳ４；ＹＥＳ）、ステップＳ５へ進む。
【００４４】
ステップＳ５では、電池２１ごとに、セル電圧と目標電圧＋αとを比較する。ここで、αは一定値である。そして、セル電圧≧目標電圧＋αの電池については（ステップＳ５；ＹＥＳ）、充電の抑制が必要と判断して、ステップＳ６へ進む。また、セル電圧＜目標電圧＋αの電池については（ステップＳ５；ＮＯ）、充電の抑制が不要と判断して、ステップＳ８へ進む。
【００４５】
ステップＳ６では、充電の抑制が必要な電池２１に対応する放電回路１０を駆動して、電圧バランス動作を実行する。すなわち、当該放電回路１０のトランジスタ１２に、制御部１４からＰＷＭ信号が与えられ、ＰＷＭ信号のデューティで決まる期間だけ、トランジスタ１２がＯＮとなる。このＯＮ期間に、電池２１が放電回路１０を介して放電する。なお、トランジスタ１２のＯＮ期間は、セル電圧に応じて切り替えられるが、これについては後で説明する。
【００４６】
一方、ステップＳ４での判定の結果、電圧バランス動作が実行中であれば（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ７へ進む。
【００４７】
ステップＳ７では、電池２１ごとに、セル電圧と目標電圧とを比較する。そして、セル電圧≧目標電圧の電池については（ステップＳ７；ＹＥＳ）、充電抑制が必要と判断して、ステップＳ６へ進む。また、セル電圧＜目標電圧の電池については（ステップＳ７；ＮＯ）、充電抑制が不要と判断して、ステップＳ８へ進む。
【００４８】
以上により、電圧バランス動作が行われていない状態で（ステップＳ４；ＹＥＳ）、いずれかの電池２１の電圧が、目標電圧＋α以上となった場合は（ステップＳ５；ＹＥＳ）、当該電池２１に対応するトランジスタ１２が所定期間ＯＮとなり、当該電池２１が放電する（ステップＳ６）。また、電圧バランス動作が行われている状態で（ステップＳ４；ＮＯ）、所定期間ＯＮするトランジスタ１２に対応する電池２１の電圧が、目標電圧未満となった場合は（ステップＳ７；ＮＯ）、当該電池２１に対応するトランジスタ１２がＯＦＦとなり、当該電池２１の放電が停止する（ステップＳ８）。このような動作が繰り返されることで、各電池２１の電圧が均等化される。
【００４９】
ところで、本実施形態では、ステップＳ６において放電回路１０を駆動する場合、セル電圧に応じて、ＰＷＭ信号のデューティを７０％と３０％に切り替える。但し、このデューティの値は一例であって、他の値を採用してもよい。
【００５０】
図４（ａ）は、デューティが７０％のＰＷＭ信号の波形を示している。信号の１周期をＴとし、ＯＮ期間（信号がＨレベルの期間）をＴ１としたとき、Ｔ１／Ｔ＝７０％である。ＯＮ期間Ｔ１は、本発明における「第１の期間」に相当する。図４（ｂ）は、デューティが３０％のＰＷＭ信号の波形を示している。信号の１周期をＴとし、ＯＮ期間をＴ２としたとき、Ｔ２＜Ｔ１であって、Ｔ２／Ｔ＝３０％である。ＯＮ期間Ｔ２は、本発明における「第２の期間」に相当する。これらのＰＷＭ信号のＯＮ期間Ｔ１、Ｔ２において、トランジスタ１２はＯＮ状態となる。
【００５１】
図３は、図２のステップＳ６において放電回路１０を駆動する場合の、ＰＷＭ信号のデューティ切替手順を表したフローチャートである。各ステップは、制御部１４を構成するＣＰＵによって実行される。
【００５２】
ステップＳ１１では、ＰＷＭ信号のデューティが３０％か否かが判定される。充電開始直後は、ＰＷＭ信号のデューティが７０％に設定されるので（ステップＳ１１；ＮＯ）、ステップＳ１４へ進む。
【００５３】
ステップＳ１４では、セル電圧を可変電圧と比較する。ここでいう可変電圧とは、例えば、満充電状態での電圧の８０％程度の電圧である。セル電圧が可変電圧付近の高い電圧である場合に、抵抗１１に大きな放電電流を流すと、抵抗１１に許容値を超える消費電力が発生し、抵抗１１が焼損するおそれがある。しかし、充電開始後、暫くの間はセル電圧が低いので、セル電圧＜可変電圧となる（ステップＳ１４；ＹＥＳ）。したがって、ステップＳ１３へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを７０％に維持する。なお、ステップＳ１４における可変電圧は、本発明における「第１の基準電圧」に相当する。
【００５４】
一方、充電が進んでセル電圧が高くなり、セル電圧≧可変電圧になると（ステップＳ１４；ＮＯ）、抵抗１１に流す放電電流を制限する必要があるので、ステップＳ１５へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを３０％に切り替える。これにより、トランジスタ１２のＯＮ期間が短くなって、抵抗１１に流れる放電電流が減少する。このため、抵抗１１の消費電力も抑制される。
【００５５】
また、ステップＳ１１において、ＰＷＭ信号のデューティが３０％の場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、ステップＳ１２へ進む。
【００５６】
ステップＳ１２では、セル電圧を、可変電圧−α（αは前述の一定値）と比較する。比較の結果、セル電圧≧可変電圧−αであれば（ステップＳ１２；ＮＯ）、抵抗１１に流す放電電流を引き続き制限する必要があると判断し、ステップＳ１５へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを３０％に維持する。一方、セル電圧＜可変電圧−αであれば（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、抵抗１１に流す放電電流を制限する必要がないと判断し、ステップＳ１３へ進んで、ＰＷＭ信号のデューティを７０％に切り替える。なお、ステップＳ１２における可変電圧−αは、本発明における「第２の基準電圧」に相当する。
【００５７】
本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図２の手順では、ステップＳ２〜Ｓ８において、電池２１ごとに処理を行うステップ（Ｓ２、Ｓ５、Ｓ７）を含んでいるが、１つの電池につきステップＳ２〜Ｓ８を実行した後、次の電池につき改めてステップＳ２〜Ｓ８を実行する手順としてもよい。
【００５８】
また、前記の実施形態では、放電回路１０のスイッチング素子としてトランジスタ１２を用いているが、トランジスタに代えてＦＥＴを用いてもよい。
【００５９】
また、前記の実施形態では、電圧検出回路１３を制御部１４と別に設けているが、電圧検出回路１３を制御部１４に組み込んでもよい。
【００６０】
さらに、前記の実施形態では、本発明を電気自動車に搭載される組電池に適用した例を挙げたが、本発明は、電気自動車以外の用途に用いられる組電池にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 充電制御装置
２ 組電池
３ 充電回路
１０ 放電回路
１１ 抵抗
１２ トランジスタ
１３ 電圧検出回路
１４ 制御部
２１ 電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の二次電池から構成される組電池の充電を制御する装置であって、
前記組電池の各電池にそれぞれ並列に接続される、抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、前記スイッチング素子がＯＮすることで、当該スイッチング素子に対応する前記電池を放電させる放電回路と、
前記組電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、当該電池に対応する前記スイッチング素子をＯＮさせる制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、前記基準電圧以上である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、ＰＷＭ信号により前記スイッチング素子を制御し、
前記ＰＷＭ信号のデューティを変化させることによって、前記第１の期間および前記第２の期間を切り替えることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、目標電圧を設定し、
前記各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っていない状態で、いずれかの電池の電圧が、前記目標電圧に一定値を加算した電圧以上となった場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１または第２の期間だけＯＮさせ、
前記各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っている状態で、前記第１または第２の期間だけＯＮするスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記目標電圧未満となった場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子をＯＦＦにすることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記基準電圧は、第１の基準電圧と、この第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧とからなり、
前記制御手段は、
ＯＮ期間が前記第１の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記第１の基準電圧以上となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を前記第２の期間に切り替え、
ＯＮ期間が前記第２の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記第２の基準電圧未満となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を前記第１の期間に切り替えることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項５】
直列に接続された複数の二次電池から構成され、各電池にそれぞれ並列に抵抗とスイッチング素子との直列回路からなる放電回路が接続される組電池の充電を制御する方法であって、
前記組電池の各電池の電圧を検出し、
前記検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、前記基準電圧以上である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせることを特徴とする組電池の充電制御方法。
【請求項１】
直列に接続された複数の二次電池から構成される組電池の充電を制御する装置であって、
前記組電池の各電池にそれぞれ並列に接続される、抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、前記スイッチング素子がＯＮすることで、当該スイッチング素子に対応する前記電池を放電させる放電回路と、
前記組電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、当該電池に対応する前記スイッチング素子をＯＮさせる制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、前記基準電圧以上である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、ＰＷＭ信号により前記スイッチング素子を制御し、
前記ＰＷＭ信号のデューティを変化させることによって、前記第１の期間および前記第２の期間を切り替えることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づいて、目標電圧を設定し、
前記各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っていない状態で、いずれかの電池の電圧が、前記目標電圧に一定値を加算した電圧以上となった場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１または第２の期間だけＯＮさせ、
前記各スイッチング素子に対してＯＮ・ＯＦＦ制御を行っている状態で、前記第１または第２の期間だけＯＮするスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記目標電圧未満となった場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子をＯＦＦにすることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の組電池の充電制御装置において、
前記基準電圧は、第１の基準電圧と、この第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧とからなり、
前記制御手段は、
ＯＮ期間が前記第１の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記第１の基準電圧以上となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を前記第２の期間に切り替え、
ＯＮ期間が前記第２の期間であるスイッチング素子に対応する電池の電圧が、前記第２の基準電圧未満となった場合は、当該スイッチング素子のＯＮ期間を前記第１の期間に切り替えることを特徴とする組電池の充電制御装置。
【請求項５】
直列に接続された複数の二次電池から構成され、各電池にそれぞれ並列に抵抗とスイッチング素子との直列回路からなる放電回路が接続される組電池の充電を制御する方法であって、
前記組電池の各電池の電圧を検出し、
前記検出された各電池の電圧に基づいて、充電の抑制が必要な電池を判別し、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、予め決められた基準電圧未満である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を第１の期間だけＯＮさせ、
充電の抑制が必要な電池の電圧が、前記基準電圧以上である場合は、当該電池に対応する前記スイッチング素子を前記第１の期間よりも短い第２の期間だけＯＮさせ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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５５７１９（Ｐ２０１３−５５７１９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０２６９（Ｐ２０１１−１９０２６９）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１０１２３８３９）オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１０１２３８３９）オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社 (110)
【Ｆターム（参考）】
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