組電池の出力均等化システム
【課題】ハイブリット車等の電気自動車用の組電池の単位セル毎の過放電防止と、走行距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる組電池の出力均等化システムを提供する。
【解決手段】監視制御部８０は、車両の加速時に組電池１０の出力が所定値を超えた場合（ステップ１００）、全てのセル１１のセル電圧を電圧監視回路６０に検出させる（ステップ１１０）。そして、セル電圧の電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超える場合（ステップ１２０）、検出させたセル電圧を記憶部９０に記憶させると共に、均等化を継続して行うための所定時間を設定する（ステップ１３０）。この後、記憶部９０に記憶させた各セル１１のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化回路７０に均等化を行わせる（ステップ１４０）。均等化は、設定した所定時間が経過するまで行う。
【解決手段】監視制御部８０は、車両の加速時に組電池１０の出力が所定値を超えた場合（ステップ１００）、全てのセル１１のセル電圧を電圧監視回路６０に検出させる（ステップ１１０）。そして、セル電圧の電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超える場合（ステップ１２０）、検出させたセル電圧を記憶部９０に記憶させると共に、均等化を継続して行うための所定時間を設定する（ステップ１３０）。この後、記憶部９０に記憶させた各セル１１のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化回路７０に均等化を行わせる（ステップ１４０）。均等化は、設定した所定時間が経過するまで行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する複数のセルの出力を均等化する組電池の出力均等化システムに関し、特にハイブリッド車等の電気自動車の走行距離を伸ばすことにおいて有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、単位セルが複数直列に接続されて構成された組電池の充電状態調整装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、各単位セルの両端電圧に応じた電圧信号を出力する電圧検出部と、コンデンサと、両端に接続された単位セルの両端電圧を昇圧してコンデンサに供給する電圧コンバータと、を備えた充電状態調整装置が提案されている。
【０００３】
このような構成では、複数の単位セルのうち、電圧検出部で検出された両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。そして、各単位セルの充電状態（State of Charge；ＳＯＣ）に基づく両端電圧にばらつきが生じた場合、コンデンサの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、電圧コンバータを介して最大単位セルからコンデンサに電荷を移動させる。さらに、コンデンサから最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。これにより、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）が均等化される。なお、充電状態とは、組電池に電流が流れていないときの開路電圧に相当する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２０８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
組電池を構成する各単位セルは、経時劣化に伴って内部抵抗が変化することが分かっている。しかしながら、上記従来の技術では、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）を均等化するように制御している。このため、組電池に大電流を流して各単位セルを充放電した場合、単位セルの内部抵抗による電圧上昇・電圧降下が生じ、内部抵抗が大きな電池程、充電状態（ＳＯＣ）が高くても、下限電圧以下になる可能性がある。したがって、内部抵抗が大きい単位セルの劣化が更に進むという問題があった。また、単位セルの劣化が進むと、車両の加速に必要な電力が得られず、通常走行ができなくなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池の単位セル毎の過放電防止と、走行距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる組電池の出力均等化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、セル（１１）が複数直列に接続されて構成されていると共に車両に搭載されて駆動源となる組電池（１０）において、セル（１１）の間で電力を移動させることにより複数のセル（１１）のセル電圧を均等化する均等化手段（７０）を備えた組電池の出力均等化システムであって、以下の点を特徴としている。
【０００８】
すなわち、複数のセル（１１）毎に設けられると共に、セル（１１）のセル電圧を検出する電圧監視手段（６０）を備えている。また、電圧監視手段（６０）にて検出されたセル（１１）のセル電圧を記憶する記憶手段（９０）を備えている。
【０００９】
さらに、車両の加速時に組電池（１０）の出力が所定値を超えたときの複数のセル（１１）のセル電圧を電圧監視手段（６０）に検出させ、当該検出させたセル電圧を記憶手段（９０）に記憶させ、記憶手段（９０）に記憶させた複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化手段（７０）に均等化を行わせる監視制御手段（８０）を備えていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、組電池（１０）に電流が流れていないときの充電状態を均等化するのではなく、車両の加速時に組電池（１０）の出力が所定値を超えたとき、すなわち組電池（１０）に所定の電流が流れるときの各セル（１１）のセル電圧に基づいて均等化を行っている。このため、劣化したセル（１１）のセル電圧が、組電池（１０）に所定の電流が流れるときに高くなるように均等化されるので、劣化したセル（１１）を高充電状態に維持することができる。したがって、劣化したセル（１１）のセル電圧が車両の加速の際に下限電圧を下回らずに済むので、劣化したセル（１１）の過放電を防止することができる。
【００１１】
そして、劣化したセル（１１）の過放電を防止でき、さらに過放電によるセル（１１）のさらなる劣化を防止できるので、組電池（１０）から車両の加速に必要な電力を得ることができ、組電池（１０）を用いた車両の走行可能時間すなわち走行距離を長くすることができる。
【００１２】
以上により、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池（１０）のセル（１１）毎の過放電防止と、車両の走行距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、電圧監視手段（６０）に検出させたセル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えた場合に電圧監視手段（６０）に検出させた複数のセル（１１）のセル電圧を記憶手段（９０）に記憶させ、記憶手段（９０）に記憶させた複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１４】
このように、セル電圧のばらつきが閾値を超えるほど大きい場合にセル電圧の均等化を行うことで、劣化したセル（１１）の充電状態を高く維持し、過放電にならないようにすることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、記憶手段（９０）にセル電圧を記憶させた際に所定時間を設定し、この所定時間が経過するまでは継続して均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１６】
これにより、劣化したセル（１１）のセル電圧を確実に底上げすることができる。したがって、劣化したセル（１１）の過放電を防止でき、組電池（１０）から車両の加速に必要な電力を得ることができるようにすることができる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明のように、監視制御手段（８０）は、電圧監視手段（６０）にて検出されたセル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えない場合、均等化手段（７０）に均等化を行わせないようにすることもできる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、組電池（１０）の出力が所定値を下回った場合、記憶手段（９０）に記憶させたセル電圧に基づいて均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１９】
これにより、各セル（１１）は車両の加速時に組電池（１０）で電力が消費される際のセル電圧に均等化されるので、劣化したセル（１１）を高充電状態に維持することができ、ひいてはセル（１１）の過放電防止と車両の走行距離を伸ばすこととの両立を図ることができる。
【００２０】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る出力均等化システムを含んだ組電池制御システムの全体構成図である。
【図２】均等化回路の一例を示した図である。
【図３】監視制御部の均等化処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】（ａ）は本発明による組電池の放電時におけるセル電圧の均等化を示した図であり、（ｂ）は従来の組電池の放電時における充電状態（開路電圧）に基づくセル電圧の均等化を示した図である。
【図５】組電池の充電時におけるセル電圧の均等化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る出力均等化システムを含んだ組電池制御システムの全体構成図である。この図に示されるように、組電池制御システムは、組電池１０と、インバータ２０（図１のＩＮＶ）と、モータジェネレータ３０（図１のＭＧ）と、出力均等化システム４０と、を備えて構成されている。
【００２３】
組電池１０は、最小単位であるセル１１が直列に複数接続されて構成された電池群である。セル１１として充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。組電池１０はハイブリッド車等の電気自動車に搭載されて駆動源となると共に、モータジェネレータ３０等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等に用いられる。「ハイブリッド車」には、組電池１０を搭載したハイブリッド車と、外部から充電可能なプラグインハイブリッド車と、の両方が含まれる。そして、組電池１０の正側出力端子１２および負側出力端子１３は、インバータ２０を介してモータジェネレータ３０に接続されている。
【００２４】
インバータ２０は、組電池１０から出力される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３０に供給する機能と、モータジェネレータ３０から出力される交流電力を直流電力に変換して組電池１０に供給する機能と、を有する電力変換装置である。
【００２５】
モータジェネレータ３０は上記の車両の車輪軸に連結されたモータであり、車両の走行の動力源となる機能と発電機となる機能とを備えている。すなわち、車輪軸の回生動力がモータジェネレータ３０で交流電力に変換され、インバータ２０で直流電力に変換されて組電池１０の各セル１１にエネルギーとして蓄えられる。また、組電池１０による車両走行中は、組電池１０の各セル１１のエネルギーがインバータ２０で交流電力に変換されてモータジェネレータ３０に供給され、車輪軸を駆動する。
【００２６】
出力均等化システム４０は、組電池１０の各セル１１を監視すると共に、各セル１１の出力（電力）を均等化するシステムである。このような出力均等化システム４０は、電流センサ５０と、電圧監視回路６０と、均等化回路７０と、監視制御部８０と、を備えている。
【００２７】
電流センサ５０は、組電池１０とインバータ２０との間に流れる電流の大きさを検出するセンサである。組電池１０とインバータ２０との間に流れる電流とは組電池１０を充放電する電流であり、組電池１０からインバータ２０への流出電流またはインバータ２０から組電池１０への流入電流である。
【００２８】
電圧監視回路６０はセル１１のセル電圧を検出する回路である。電圧監視回路６０はセル１１に対して並列に接続されていると共に、複数のセル１１毎に設けられている。このような電圧監視回路６０は、図示しないが、例えば分圧回路、選択回路、および比較回路を備えて構成されている。
【００２９】
分圧回路は、各セル１１の正極側と負極側との間に抵抗が複数直列に接続されて構成されている。各抵抗の接続点にはセル電圧に抵抗分圧比を乗じた分圧が発生する。
【００３０】
選択回路は、一端が各抵抗の接続点にそれぞれ接続され、他端が１つの接点に集約された複数のスイッチで構成されている。そして、各スイッチの切り替えにより各抵抗の分圧が比較回路に出力されるようになっている。各スイッチの切り換えは、監視制御部８０によって制御される。なお、各スイッチの切り替えは、選択回路側で自動的に切り換えて導通中のスイッチの番号を監視制御部８０に出力してもよい。
【００３１】
比較回路は、コンパレータと基準電源とにより構成されている。コンパレータの非反転入力端子には選択回路が接続されて分圧回路で得られた分圧が印加され、反転入力端子には基準電源で生成された基準電圧が印加される。これにより、コンパレータの非反転入力端子に印加される分圧が反転入力端子に印加される基準電圧を超える場合にはコンパレータの出力端子にハイレベルの比較結果が出力され、分圧が基準電圧を超えない場合にはローレベルの比較結果が出力される。この比較結果は、監視制御部８０に出力される。
【００３２】
このような電圧監視回路６０の構成では、分圧回路の分圧の最小値が過充電判定値に対応し、分圧の最大値が過放電判定値に対応するように設定されている。そして、スイッチの切り替えにより、通常はいずれかのスイッチのオンでコンパレータの比較結果が反転する。すなわち、どのスイッチでコンパレータの比較結果が反転したかを調べることによりセル電圧を取得することができる。このように、セル電圧は過充電判定値と過放電判定値との間で多段階に判定される。
【００３３】
均等化回路７０は、セル１１の間で電力を移動させることにより複数のセル１１のセル電圧を均等化する回路である。セル１１の間で電力を移動させるアクティブ均等化の方式はいくつか知られている。
【００３４】
例えば、セル１１とセル１１との間に図示しないコイルを設け、図示しないスイッチを操作することでコイルに接続するセル１１を切り替えることにより、一方のセル１１の電力を一時的にコイルに蓄積した後、他方のセル１１に移動させるコンバータ方式が知られている。また、コイルではなく図示しないコンデンサにセル１１の電力を蓄積する方式もある。
【００３５】
そして、本実施形態では、トランス方式を採用している。図２は、均等化回路７０の一例としてトランス方式を採用した場合の模式図である。この図に示されるように、組電池１０の正側出力端子１２と負側出力端子１３との間に１次巻線７１が接続され、各セル１１の両極に２次巻線７２がそれぞれ接続されている。１次巻線７１および各２次巻線７２は共通の鉄心７３にそれぞれ巻かれている。また、１次巻線７１および各２次巻線７２にはスイッチ７４がそれぞれ設けられており、このスイッチ７４が監視制御部８０によって制御されるようになっている。なお、図１に示される均等化回路７０には２次巻線７２が備えられており、図１には１次巻線７１は図示されていない。
【００３６】
このようなトランス方式の構成では、１次巻線７１に接続されたスイッチ７４をオンすると、組電池１０と１次巻線７１とによるループ回路が形成され、１次巻線７１に１次電流が流れて鉄心７３にエネルギーが蓄積される。そして、セル電圧が低いセル１１に対応するスイッチ７４をオンすることで、鉄心７３に蓄積されたエネルギーに基づいて、セル電圧が低いセル１１に２次電流が流れる。このようにして、電力が高いセル１１から電力が低いセル１１に電力が移動することでセル電圧の均等化が図られる。
【００３７】
もちろん、図２に示されるトランス方式の均等化回路７０の構成は一例であり、トランス方式であっても他の構成を採用しても良い。また、トランス方式だけでなく、各方式の組み合わせても良い。
【００３８】
監視制御部８０は、セル電圧を監視する電圧監視機能、セル１１の過充電または過放電を検出する過充放電検出機能、組電池１０に流れる電流を検出する電流検出機能、組電池１０の充電状態検出機能、各セル１１のセル電圧を均等化する均等化機能等の各機能を有する装置である。
【００３９】
電圧検出機能は、上述のように、監視制御部８０が電圧監視回路６０の選択回路の各スイッチを切り換えながら、電圧監視回路６０から比較回路のコンパレータの比較結果を取得する機能である。これにより、各セル１１の反転結果に基づいて各セル１１のセル電圧を取得することができる。また、過充放電検出機能は、コンパレータの比較結果に基づいてセル１１の過充電または過放電を判定する機能である。
【００４０】
電流検出機能は、電流センサ５０により組電池１０に流れる電流を検出する機能である。また、充電状態検出機能は、電圧監視回路６０によって取得された各セル１１のセル電圧と電流センサ５０によって取得された組電池１０に流れる電流とに基づいて組電池１０の充電状態（ＳＯＣ）を取得する機能である。
【００４１】
均等化機能は、電圧監視回路６０により取得された各セル１１のセル電圧に基づいて均等化回路７０のスイッチを切り替えることにより、セル電圧が高いセル１１からセル電圧が低いセル１１に電力を移動させ、各セル１１のセル電圧を均等化する機能である。例えば、監視制御部８０は、組電池１０の所定電力放電時は全てのセル１１のセル電圧が同時に下限電圧に当たるように制御する。下限電圧はセル１１の過放電を示す電圧である。
【００４２】
上記のような各機能を備えた監視制御部８０として、例えば、ＣＰＵ等により構成されたマイクロコンピュータが採用される。このような監視制御部８０は、電圧監視回路６０にて検出された各セル１１のセル電圧をそれぞれ記憶する記憶部９０を備えている。記憶部９０としては、例えばＲＡＭ等のメモリが採用される。
【００４３】
後で詳しく説明するが、監視制御部８０は車両の加速時に組電池１０から所定の電力が出力されたときの各セル１１のセル電圧を電圧監視回路６０にそれぞれ検出させ、電圧監視回路６０に検出させたセル電圧を記憶部９０に記憶させるようになっている。そして、監視制御部８０は、記憶部９０にセル電圧を記憶させた後にセル電圧の均等化を行う際には、記憶部９０に記憶させた各セル１１のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化回路７０に均等化放電を行わせるようになっている。
【００４４】
以上が、本実施形態に係る出力均等化システム４０および組電池制御システムの全体構成である。
【００４５】
次に、上記の出力均等化システム４０において、監視制御部８０の均等化機能について図３を参照して説明する。図３は、監視制御部８０の均等化処理の内容を示したフローチャートである。図３に示されるフローチャートは、車両の電源がオンされるとスタートする。これに伴い、均等化処理を継続するか否かを判定するための均等化継続判定定数がリセットされる。ここで、「均等化継続判定定数」とは、均等化を継続して行う所定時間であり、均等化継続判定定数をＫｅｅｐとするとＫｅｅｐ＝０とされる。
【００４６】
そして、ステップ１００では、車両の加速時に組電池１０の出力が所定値を超えたか否かが判定される。「組電池１０の出力」とは、車両が一定以上の加速を行うために必要な出力である。また、所定値は例えば１０ｋＷであり、車種等によって異なる値が設定されている。したがって、電流センサ５０により、現在の組電池１０に流れる電流が検出され、組電池１０の出力が演算され、その演算結果と所定値とが比較される。
【００４７】
なお、「組電池１０の出力」は上記のように通常は組電池１０の電圧と組電池１０に流れる電流との積で得られる電力である。しかしながら、「組電池１０の出力」は単に組電池１０に流れる電流を指しても良い。この場合、組電池１０に流れる電流が例えば２０Ａを超えるか否かが判定される。
【００４８】
ステップ１００で組電池１０の出力が所定値を超えると判定されるとステップ１１０に進む。ステップ１１０では、全てのセル１１のセル電圧がそれぞれ測定される。本実施形態では、ステップ１１０で測定された各セル電圧をＶＣとする。
【００４９】
続いて、ステップ１２０では、ステップ１１０で取得された全てのセル１１のセル電圧のうちの最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差（ＶＣｍａｘ−ＶＣｍｉｎ）が閾値（ΔＶ）を超えるか否かが判定される。「セル電圧のうちの最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差」は各セル１１の電圧バラツキであり、各セル１１のセル電圧の均等化が必要か否かが本ステップで判定される。
【００５０】
例えば、セル１１としてリチウムイオン電池が採用された場合のセル電圧は３．０Ｖ〜４．１Ｖ程度であり、電圧バラツキは例えば０．１Ｖ〜０．５Ｖ程度である。どれくらいの電圧差を電圧バラツキとするかにより、閾値（ΔＶ）の値が設定される。閾値（ΔＶ）が大きい値の場合には均等化の頻度は低くなるが、閾値（ΔＶ）が小さい値の場合には頻繁に均等化を行うこととなる。
【００５１】
ステップ１３０では、均等化継続判定定数ＫｅｅｐがＫｅｅｐ＝６０に設定される。図３に示される制御フロー周期を１秒とすると、Ｋｅｅｐ＝６０の「６０」は、６０秒の均等化継続時間を意味する。本実施形態では、均等化継続判定定数Ｋｅｅｐは固定値だが、可変値としても良い。例えば、均等化継続判定定数Ｋｅｅｐをセル電圧の電圧バラツキすなわち閾値（ΔＶ）に応じてマップ化して監視制御部８０に記憶することができる。具体的には、電圧バラツキが０．１Ｖの場合は均等化継続時間が６０秒に設定され、電圧バラツキが０．５Ｖの場合は均等化継続時間が１２０秒に設定される。このように、電圧バラツキが大きいほど均等化継続時間が長くなる。
【００５２】
また、ステップ１３０では、ステップ１１０で取得された全てのセル１１のセル電圧が記憶部９０にそれぞれ記憶される。すなわち、組電池１０の出力が１０ｋＷを超えたときの全てのセル１１のセル電圧ＶＣがＶＣｍとして記憶される（ＶＣｍ＝ＶＣ）。
【００５３】
このように、ステップ１３０では、記憶部９０にセル電圧ＶＣｍが記憶され、この際に均等化を継続して行うための均等化継続時間（一定時間）が設定される。
【００５４】
次に、ステップ１４０では、セル電圧ＶＣｍに基づく均等化処理が行われる。すなわち、ステップ１３０にて記憶部９０に記憶された各セル１１のセル電圧ＶＣｍがそれぞれ等しくなるように、均等化回路７０によってセル電圧の均等化が行われる。セル電圧の均等化は、記憶部９０に記憶されたセル電圧ＶＣｍに基づき、上述のように、セル電圧が高いセル１１からセル電圧が低いセル１１に電力を移動させるトランス方式によって行われる。
【００５５】
そして、ステップ１５０では、均等化継続判定定数ＫｅｅｐをＫｅｅｐ＝Ｋｅｅｐ−１とする。
【００５６】
この後、ステップ１６０では、車両の走行が終了したか否かが判定される。すなわち、車両の電源がオフされたか否かが判定される。車両の電源がオフされた場合は図３に示される監視制御部８０の均等化処理は終了する。一方、電源がオフされていない場合、ステップ１００に戻る。このようにして、図３に示される制御フローが１周する。上述のように、ステップ１００からステップ１６０までの制御フロー周期は１秒である。
【００５７】
上記のように、ステップ１００にて組電池１０の出力が所定値を超えたと判定され、ステップ１１０にて全てのセル１１のセル電圧が測定された後、ステップ１２０において各セル１１のセル電圧の最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差（ＶＣｍａｘ−ＶＣｍｉｎ）が閾値（ΔＶ）を超えない場合、ステップ１５０に進む。すなわち、セル電圧の電圧バラツキが小さい場合には均等化回路７０による均等化は行われず、この後のステップ１５０にて均等化継続判定定数Ｋｅｅｐの値が１つ減らされる。
【００５８】
また、上記ステップのうち、ステップ１００において組電池１０の出力が所定値を下回った場合、ステップ１７０に進む。ステップ１７０では、Ｋｅｅｐが０を超えているか否かが判定される。すなわち、均等化処理が継続中であるか否かが判定される。そして、Ｋｅｅｐが０を超えていると判定されるとステップ１４０に進み、均等化処理が行われる。この後、ステップ１５０にてＫｅｅｐの値が１つ減らされ、ステップ１６０にて車両の電源がオフされていないと判定されると、再びステップ１００に戻る。組電池１０の出力が所定値を下回っておらず、Ｋｅｅｐの値が０より大きな値であれば、Ｋｅｅｐの値が０になるまで、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１４０、ステップ１５０、ステップ１６０のループを繰り返す。このように、ステップ１３０で設定された均等化継続判定定数がカウントされるまで、すなわち所定時間が経過するまでは継続して均等化回路７０による均等化が行われる。
【００５９】
そして、Ｋｅｅｐの値が０になり、ステップ１７０にてＫｅｅｐが０を超えていないと判定されるとステップ１６０に進み、セル電圧の均等化処理は終了する。そして、再びステップ１００に戻り、組電池１０の出力が所定値を超えない限り、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返す。
【００６０】
一方、ステップ１２０にて電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超える場合はステップ１３０にて均等化継続判定定数であるＫｅｅｐが「６０」が設定されるので、ステップ１３０に進む度にＫｅｅｐには「６０」が設定される。したがって、Ｋｅｅｐの値は車両の加速が終了して組電池１０の出力が所定値を下回った後にステップ１５０にて減算されていくことになる。
【００６１】
また、Ｋｅｅｐ＝０に設定されると共に図３に示されるフローチャートがスタートし、ステップ１００にて組電池１０の出力が所定値を超えたとしても、その後のステップ１２０にて電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超えないと判定された場合は、ステップ１５０にてＫｅｅｐの値が「−１」とされる。この場合、再びステップ１００に戻って組電池１０の出力が所定値を下回ったと判定されれば、ステップ１７０にてＫｅｅｐが０を超えていないと判定される。このため、組電池１０の出力が所定値を超えるまで、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返すこととなり、均等化回路７０による均等化は行われない。
【００６２】
なお、車両の電源がオンされた後、ステップ１００で組電池１０の出力が所定値を超えないと判定された場合は、ステップ１３０でＫｅｅｐが設定されないので、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返すだけである。
【００６３】
上記の均等化処理による効果について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は本発明によるセル電圧の均等化を示した図であり、図４（ｂ）は従来の充電状態（開路電圧）に基づくセル電圧の均等化を示した図である。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は正の方向が組電池１０に流れる充電電流、負の方向が組電池１０に流れる放電電流を示しており、縦軸はセル電圧を示している。
【００６４】
また、図４では、セルＡ、セルＢ、セルＣの３つのセル１１のセル電圧を示している。これらの各セル１１は、それぞれ劣化にばらつきがあり、電流に対するセル電圧の傾きがそれぞれ異なる。劣化したセル１１は内部抵抗が高くなるので、電流に対するセル電圧の傾きが大きくなる。図４に示される３つのセル１１の中では、セルＡの劣化が最も進んでいる。
【００６５】
そして、組電池１０から電力が取り出されているとき、すなわち組電池１０に放電電流が流れると、図４（ａ）に示されるように等電力ライン１３が表れる。この等電力ライン１３の位置はドライバがアクセルを踏み込む量によって異なる。アクセルの踏み込み量が大きい場合、等電力ライン１３は図４（ａ）に示される等電力ライン１３の位置よりも左側に表れる。
【００６６】
また、均等化処理を行う前に３つのセル電圧に電圧バラツキがある場合、３つのセル１１のセル電圧は等電力ライン１３上にばらばらに位置している。したがって、図３に示される均等化処理では、等電力ライン１３上のセル電圧をそれぞれ測定し（ステップ１１０）、記憶部９０に記憶し（ステップ１３０）、記憶した各セル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化を行っている（ステップ１４０）。これにより、内部抵抗が大きいすなわち傾きが大きいセルＡについては、「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が高くなるように均等化される。例えば、セルＡは劣化が進んでいないセルＣから電力を受け取る。
【００６７】
このように、車両の加速を想定した組電池１０の電力使用時のセル電圧が均等になるように均等化処理を行っているので、均等化された各セル１１のセル電圧は、「組電池１０に放電電流が流れるとき」に、過放電を示す下限電圧よりも高くなる。言い換えると、劣化が進んだセル１１については、均等化処理によって「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が底上げされるので、車両の加速の際に下限電圧を下回りにくくなる。このため、「組電池１０に放電電流が流れるとき」に、劣化が進んだセルＡの過放電を防止することができる。過放電によるセル１１のさらなる劣化も防止することができる。また、図４（ａ）に示されるように、「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が均等化されることで、各セル１１のセル電圧が等電力ライン１３の同じ位置に揃うので、各セル１１の劣化にばらつきがあったとしても各セル１１の出力（電力）を均等化することができる。
【００６８】
一方、従来では、図４（ｂ）に示されるように、組電池１０に電流が流れていないときの開路電圧（ＳＯＣ）が均等になるように均等化処理を行っている。このため、「組電池１０に放電電流が流れるとき」には劣化が進んだ傾きが大きいセルＡのセル電圧は下限電圧を下回り、過放電となってしまう。このように過放電のセル１１が１つでも発生すると、監視回路等によって組電池１０から加速に必要な出力を出せなくなったと判定され、組電池１０に放電電流を流せなくなる。つまり、１つのセル１１が使用できなくなったことで組電池１０から加速に必要な出力を出せなくなり、車両の加速度が著しく低下する恐れがある。このため、車両の走行距離が伸びなくなるのである。
【００６９】
本実施形態では、車両の加速に必要な組電池１０の出力がある場合の各セル電圧を用いて均等化を実施しているため、従来のようにセル１１の充電状態（開路電圧）は均等化されない。しかしながら、図４（ａ）に示されるように、組電池１０に流れる電流が０のときのセル電圧すなわち開路電圧については、劣化が進んだセルＡの開路電圧を他のセルＢやセルＣよりも高くしているので、劣化したセルＡを長持ちさせることが可能となる。したがって、組電池１０から車両の加速に必要な電力を得ることができ、組電池１０を用いた車両の走行可能時間すなわち走行距離を伸ばすことができる。
【００７０】
以上により、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池１０のセル１１毎の過放電防止と、ハイブリット車等の電気自動車が組電池１０のみを使用して走行する距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、セル電圧の電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超えるほど大きい場合にセル電圧の均等化を行っているので、劣化したセル１１の充電状態を高く維持することができ、劣化が進んだセル１１が過放電にならないようにすることができる。また、劣化が進んだセル１１の出力を他のセル１１と同じにすることができる。さらに、均等化処理を所定時間継続して行い、組電池１０の出力が所定値を下回った後も所定時間が経過するまでは継続して均等化を行っているので、劣化したセル１１のセル電圧を確実に底上げすることができる。したがって、劣化したセル１１の過放電の防止がされ、車両の走行距離を伸ばすことができる。
【００７２】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、均等化回路７０が特許請求の範囲の「均等化手段」に対応し、電圧監視回路６０が特許請求の範囲の「電圧監視手段」に対応する。また、記憶部９０が特許請求の範囲の「記憶手段」に対応し、監視制御部８０が特許請求の範囲の「監視制御手段」に対応する。
【００７３】
（他の実施形態）
上記実施形態で示された出力均等化システム４０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構成とすることもできる。例えば、記憶部９０は監視制御部８０の一部とされていたが、監視制御部８０とは別体で設けられていても良い。また、電圧監視回路６０の構成や均等化回路７０の構成は上記実施形態で示された構成に限られず、他の構成でも構わない。
【００７４】
また、上記実施形態では、監視制御部８０は組電池１０の放電時における各セル１１のセル電圧を均等化する場合について説明したが、組電池１０を充電する場合についても同様のことが言える。図５は、組電池１０の充電時におけるセル電圧の均等化を示した図である。組電池１０の充電の場合は、監視制御部８０は、インバータ２０から組電池１０に例えば１０Ａの充電電流が流れたときの各セル１１のセル電圧を電圧監視回路６０に測定させ、記憶部９０に記憶させる。そして、セル電圧の均等化は、記憶部９０に記憶されたセル電圧ＶＣｍに基づき、上述のように、セル電圧が高いセルＡからセル電圧が低いセルＣに電力を移動させる。この場合、監視制御部８０は、例えば組電池１０の充電時に全てのセル１１のセル電圧が同時に上限電圧に当たるように均等化制御する。上限電圧はセル１１の過充電を示す電圧である。これにより、図５に示されるように、セル電圧が低いセルＣのセル電圧を底上げすることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 組電池
１１ セル
６０ 電圧監視回路（電圧監視手段）
７０ 均等化回路（均等化手段）
８０ 監視制御部（監視制御手段）
９０ 記憶部（記憶手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する複数のセルの出力を均等化する組電池の出力均等化システムに関し、特にハイブリッド車等の電気自動車の走行距離を伸ばすことにおいて有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、単位セルが複数直列に接続されて構成された組電池の充電状態調整装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、各単位セルの両端電圧に応じた電圧信号を出力する電圧検出部と、コンデンサと、両端に接続された単位セルの両端電圧を昇圧してコンデンサに供給する電圧コンバータと、を備えた充電状態調整装置が提案されている。
【０００３】
このような構成では、複数の単位セルのうち、電圧検出部で検出された両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとする。そして、各単位セルの充電状態（State of Charge；ＳＯＣ）に基づく両端電圧にばらつきが生じた場合、コンデンサの電圧が最大単位セルの両端電圧より高くなるように、電圧コンバータを介して最大単位セルからコンデンサに電荷を移動させる。さらに、コンデンサから最小単位セルに電荷を移動させて、各単位セルの両端電圧を均等化する。これにより、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）が均等化される。なお、充電状態とは、組電池に電流が流れていないときの開路電圧に相当する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２０８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
組電池を構成する各単位セルは、経時劣化に伴って内部抵抗が変化することが分かっている。しかしながら、上記従来の技術では、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）を均等化するように制御している。このため、組電池に大電流を流して各単位セルを充放電した場合、単位セルの内部抵抗による電圧上昇・電圧降下が生じ、内部抵抗が大きな電池程、充電状態（ＳＯＣ）が高くても、下限電圧以下になる可能性がある。したがって、内部抵抗が大きい単位セルの劣化が更に進むという問題があった。また、単位セルの劣化が進むと、車両の加速に必要な電力が得られず、通常走行ができなくなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池の単位セル毎の過放電防止と、走行距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる組電池の出力均等化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、セル（１１）が複数直列に接続されて構成されていると共に車両に搭載されて駆動源となる組電池（１０）において、セル（１１）の間で電力を移動させることにより複数のセル（１１）のセル電圧を均等化する均等化手段（７０）を備えた組電池の出力均等化システムであって、以下の点を特徴としている。
【０００８】
すなわち、複数のセル（１１）毎に設けられると共に、セル（１１）のセル電圧を検出する電圧監視手段（６０）を備えている。また、電圧監視手段（６０）にて検出されたセル（１１）のセル電圧を記憶する記憶手段（９０）を備えている。
【０００９】
さらに、車両の加速時に組電池（１０）の出力が所定値を超えたときの複数のセル（１１）のセル電圧を電圧監視手段（６０）に検出させ、当該検出させたセル電圧を記憶手段（９０）に記憶させ、記憶手段（９０）に記憶させた複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化手段（７０）に均等化を行わせる監視制御手段（８０）を備えていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、組電池（１０）に電流が流れていないときの充電状態を均等化するのではなく、車両の加速時に組電池（１０）の出力が所定値を超えたとき、すなわち組電池（１０）に所定の電流が流れるときの各セル（１１）のセル電圧に基づいて均等化を行っている。このため、劣化したセル（１１）のセル電圧が、組電池（１０）に所定の電流が流れるときに高くなるように均等化されるので、劣化したセル（１１）を高充電状態に維持することができる。したがって、劣化したセル（１１）のセル電圧が車両の加速の際に下限電圧を下回らずに済むので、劣化したセル（１１）の過放電を防止することができる。
【００１１】
そして、劣化したセル（１１）の過放電を防止でき、さらに過放電によるセル（１１）のさらなる劣化を防止できるので、組電池（１０）から車両の加速に必要な電力を得ることができ、組電池（１０）を用いた車両の走行可能時間すなわち走行距離を長くすることができる。
【００１２】
以上により、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池（１０）のセル（１１）毎の過放電防止と、車両の走行距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、電圧監視手段（６０）に検出させたセル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えた場合に電圧監視手段（６０）に検出させた複数のセル（１１）のセル電圧を記憶手段（９０）に記憶させ、記憶手段（９０）に記憶させた複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１４】
このように、セル電圧のばらつきが閾値を超えるほど大きい場合にセル電圧の均等化を行うことで、劣化したセル（１１）の充電状態を高く維持し、過放電にならないようにすることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、記憶手段（９０）にセル電圧を記憶させた際に所定時間を設定し、この所定時間が経過するまでは継続して均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１６】
これにより、劣化したセル（１１）のセル電圧を確実に底上げすることができる。したがって、劣化したセル（１１）の過放電を防止でき、組電池（１０）から車両の加速に必要な電力を得ることができるようにすることができる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明のように、監視制御手段（８０）は、電圧監視手段（６０）にて検出されたセル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えない場合、均等化手段（７０）に均等化を行わせないようにすることもできる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、監視制御手段（８０）は、組電池（１０）の出力が所定値を下回った場合、記憶手段（９０）に記憶させたセル電圧に基づいて均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする。
【００１９】
これにより、各セル（１１）は車両の加速時に組電池（１０）で電力が消費される際のセル電圧に均等化されるので、劣化したセル（１１）を高充電状態に維持することができ、ひいてはセル（１１）の過放電防止と車両の走行距離を伸ばすこととの両立を図ることができる。
【００２０】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る出力均等化システムを含んだ組電池制御システムの全体構成図である。
【図２】均等化回路の一例を示した図である。
【図３】監視制御部の均等化処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】（ａ）は本発明による組電池の放電時におけるセル電圧の均等化を示した図であり、（ｂ）は従来の組電池の放電時における充電状態（開路電圧）に基づくセル電圧の均等化を示した図である。
【図５】組電池の充電時におけるセル電圧の均等化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る出力均等化システムを含んだ組電池制御システムの全体構成図である。この図に示されるように、組電池制御システムは、組電池１０と、インバータ２０（図１のＩＮＶ）と、モータジェネレータ３０（図１のＭＧ）と、出力均等化システム４０と、を備えて構成されている。
【００２３】
組電池１０は、最小単位であるセル１１が直列に複数接続されて構成された電池群である。セル１１として充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。組電池１０はハイブリッド車等の電気自動車に搭載されて駆動源となると共に、モータジェネレータ３０等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等に用いられる。「ハイブリッド車」には、組電池１０を搭載したハイブリッド車と、外部から充電可能なプラグインハイブリッド車と、の両方が含まれる。そして、組電池１０の正側出力端子１２および負側出力端子１３は、インバータ２０を介してモータジェネレータ３０に接続されている。
【００２４】
インバータ２０は、組電池１０から出力される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３０に供給する機能と、モータジェネレータ３０から出力される交流電力を直流電力に変換して組電池１０に供給する機能と、を有する電力変換装置である。
【００２５】
モータジェネレータ３０は上記の車両の車輪軸に連結されたモータであり、車両の走行の動力源となる機能と発電機となる機能とを備えている。すなわち、車輪軸の回生動力がモータジェネレータ３０で交流電力に変換され、インバータ２０で直流電力に変換されて組電池１０の各セル１１にエネルギーとして蓄えられる。また、組電池１０による車両走行中は、組電池１０の各セル１１のエネルギーがインバータ２０で交流電力に変換されてモータジェネレータ３０に供給され、車輪軸を駆動する。
【００２６】
出力均等化システム４０は、組電池１０の各セル１１を監視すると共に、各セル１１の出力（電力）を均等化するシステムである。このような出力均等化システム４０は、電流センサ５０と、電圧監視回路６０と、均等化回路７０と、監視制御部８０と、を備えている。
【００２７】
電流センサ５０は、組電池１０とインバータ２０との間に流れる電流の大きさを検出するセンサである。組電池１０とインバータ２０との間に流れる電流とは組電池１０を充放電する電流であり、組電池１０からインバータ２０への流出電流またはインバータ２０から組電池１０への流入電流である。
【００２８】
電圧監視回路６０はセル１１のセル電圧を検出する回路である。電圧監視回路６０はセル１１に対して並列に接続されていると共に、複数のセル１１毎に設けられている。このような電圧監視回路６０は、図示しないが、例えば分圧回路、選択回路、および比較回路を備えて構成されている。
【００２９】
分圧回路は、各セル１１の正極側と負極側との間に抵抗が複数直列に接続されて構成されている。各抵抗の接続点にはセル電圧に抵抗分圧比を乗じた分圧が発生する。
【００３０】
選択回路は、一端が各抵抗の接続点にそれぞれ接続され、他端が１つの接点に集約された複数のスイッチで構成されている。そして、各スイッチの切り替えにより各抵抗の分圧が比較回路に出力されるようになっている。各スイッチの切り換えは、監視制御部８０によって制御される。なお、各スイッチの切り替えは、選択回路側で自動的に切り換えて導通中のスイッチの番号を監視制御部８０に出力してもよい。
【００３１】
比較回路は、コンパレータと基準電源とにより構成されている。コンパレータの非反転入力端子には選択回路が接続されて分圧回路で得られた分圧が印加され、反転入力端子には基準電源で生成された基準電圧が印加される。これにより、コンパレータの非反転入力端子に印加される分圧が反転入力端子に印加される基準電圧を超える場合にはコンパレータの出力端子にハイレベルの比較結果が出力され、分圧が基準電圧を超えない場合にはローレベルの比較結果が出力される。この比較結果は、監視制御部８０に出力される。
【００３２】
このような電圧監視回路６０の構成では、分圧回路の分圧の最小値が過充電判定値に対応し、分圧の最大値が過放電判定値に対応するように設定されている。そして、スイッチの切り替えにより、通常はいずれかのスイッチのオンでコンパレータの比較結果が反転する。すなわち、どのスイッチでコンパレータの比較結果が反転したかを調べることによりセル電圧を取得することができる。このように、セル電圧は過充電判定値と過放電判定値との間で多段階に判定される。
【００３３】
均等化回路７０は、セル１１の間で電力を移動させることにより複数のセル１１のセル電圧を均等化する回路である。セル１１の間で電力を移動させるアクティブ均等化の方式はいくつか知られている。
【００３４】
例えば、セル１１とセル１１との間に図示しないコイルを設け、図示しないスイッチを操作することでコイルに接続するセル１１を切り替えることにより、一方のセル１１の電力を一時的にコイルに蓄積した後、他方のセル１１に移動させるコンバータ方式が知られている。また、コイルではなく図示しないコンデンサにセル１１の電力を蓄積する方式もある。
【００３５】
そして、本実施形態では、トランス方式を採用している。図２は、均等化回路７０の一例としてトランス方式を採用した場合の模式図である。この図に示されるように、組電池１０の正側出力端子１２と負側出力端子１３との間に１次巻線７１が接続され、各セル１１の両極に２次巻線７２がそれぞれ接続されている。１次巻線７１および各２次巻線７２は共通の鉄心７３にそれぞれ巻かれている。また、１次巻線７１および各２次巻線７２にはスイッチ７４がそれぞれ設けられており、このスイッチ７４が監視制御部８０によって制御されるようになっている。なお、図１に示される均等化回路７０には２次巻線７２が備えられており、図１には１次巻線７１は図示されていない。
【００３６】
このようなトランス方式の構成では、１次巻線７１に接続されたスイッチ７４をオンすると、組電池１０と１次巻線７１とによるループ回路が形成され、１次巻線７１に１次電流が流れて鉄心７３にエネルギーが蓄積される。そして、セル電圧が低いセル１１に対応するスイッチ７４をオンすることで、鉄心７３に蓄積されたエネルギーに基づいて、セル電圧が低いセル１１に２次電流が流れる。このようにして、電力が高いセル１１から電力が低いセル１１に電力が移動することでセル電圧の均等化が図られる。
【００３７】
もちろん、図２に示されるトランス方式の均等化回路７０の構成は一例であり、トランス方式であっても他の構成を採用しても良い。また、トランス方式だけでなく、各方式の組み合わせても良い。
【００３８】
監視制御部８０は、セル電圧を監視する電圧監視機能、セル１１の過充電または過放電を検出する過充放電検出機能、組電池１０に流れる電流を検出する電流検出機能、組電池１０の充電状態検出機能、各セル１１のセル電圧を均等化する均等化機能等の各機能を有する装置である。
【００３９】
電圧検出機能は、上述のように、監視制御部８０が電圧監視回路６０の選択回路の各スイッチを切り換えながら、電圧監視回路６０から比較回路のコンパレータの比較結果を取得する機能である。これにより、各セル１１の反転結果に基づいて各セル１１のセル電圧を取得することができる。また、過充放電検出機能は、コンパレータの比較結果に基づいてセル１１の過充電または過放電を判定する機能である。
【００４０】
電流検出機能は、電流センサ５０により組電池１０に流れる電流を検出する機能である。また、充電状態検出機能は、電圧監視回路６０によって取得された各セル１１のセル電圧と電流センサ５０によって取得された組電池１０に流れる電流とに基づいて組電池１０の充電状態（ＳＯＣ）を取得する機能である。
【００４１】
均等化機能は、電圧監視回路６０により取得された各セル１１のセル電圧に基づいて均等化回路７０のスイッチを切り替えることにより、セル電圧が高いセル１１からセル電圧が低いセル１１に電力を移動させ、各セル１１のセル電圧を均等化する機能である。例えば、監視制御部８０は、組電池１０の所定電力放電時は全てのセル１１のセル電圧が同時に下限電圧に当たるように制御する。下限電圧はセル１１の過放電を示す電圧である。
【００４２】
上記のような各機能を備えた監視制御部８０として、例えば、ＣＰＵ等により構成されたマイクロコンピュータが採用される。このような監視制御部８０は、電圧監視回路６０にて検出された各セル１１のセル電圧をそれぞれ記憶する記憶部９０を備えている。記憶部９０としては、例えばＲＡＭ等のメモリが採用される。
【００４３】
後で詳しく説明するが、監視制御部８０は車両の加速時に組電池１０から所定の電力が出力されたときの各セル１１のセル電圧を電圧監視回路６０にそれぞれ検出させ、電圧監視回路６０に検出させたセル電圧を記憶部９０に記憶させるようになっている。そして、監視制御部８０は、記憶部９０にセル電圧を記憶させた後にセル電圧の均等化を行う際には、記憶部９０に記憶させた各セル１１のセル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化回路７０に均等化放電を行わせるようになっている。
【００４４】
以上が、本実施形態に係る出力均等化システム４０および組電池制御システムの全体構成である。
【００４５】
次に、上記の出力均等化システム４０において、監視制御部８０の均等化機能について図３を参照して説明する。図３は、監視制御部８０の均等化処理の内容を示したフローチャートである。図３に示されるフローチャートは、車両の電源がオンされるとスタートする。これに伴い、均等化処理を継続するか否かを判定するための均等化継続判定定数がリセットされる。ここで、「均等化継続判定定数」とは、均等化を継続して行う所定時間であり、均等化継続判定定数をＫｅｅｐとするとＫｅｅｐ＝０とされる。
【００４６】
そして、ステップ１００では、車両の加速時に組電池１０の出力が所定値を超えたか否かが判定される。「組電池１０の出力」とは、車両が一定以上の加速を行うために必要な出力である。また、所定値は例えば１０ｋＷであり、車種等によって異なる値が設定されている。したがって、電流センサ５０により、現在の組電池１０に流れる電流が検出され、組電池１０の出力が演算され、その演算結果と所定値とが比較される。
【００４７】
なお、「組電池１０の出力」は上記のように通常は組電池１０の電圧と組電池１０に流れる電流との積で得られる電力である。しかしながら、「組電池１０の出力」は単に組電池１０に流れる電流を指しても良い。この場合、組電池１０に流れる電流が例えば２０Ａを超えるか否かが判定される。
【００４８】
ステップ１００で組電池１０の出力が所定値を超えると判定されるとステップ１１０に進む。ステップ１１０では、全てのセル１１のセル電圧がそれぞれ測定される。本実施形態では、ステップ１１０で測定された各セル電圧をＶＣとする。
【００４９】
続いて、ステップ１２０では、ステップ１１０で取得された全てのセル１１のセル電圧のうちの最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差（ＶＣｍａｘ−ＶＣｍｉｎ）が閾値（ΔＶ）を超えるか否かが判定される。「セル電圧のうちの最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差」は各セル１１の電圧バラツキであり、各セル１１のセル電圧の均等化が必要か否かが本ステップで判定される。
【００５０】
例えば、セル１１としてリチウムイオン電池が採用された場合のセル電圧は３．０Ｖ〜４．１Ｖ程度であり、電圧バラツキは例えば０．１Ｖ〜０．５Ｖ程度である。どれくらいの電圧差を電圧バラツキとするかにより、閾値（ΔＶ）の値が設定される。閾値（ΔＶ）が大きい値の場合には均等化の頻度は低くなるが、閾値（ΔＶ）が小さい値の場合には頻繁に均等化を行うこととなる。
【００５１】
ステップ１３０では、均等化継続判定定数ＫｅｅｐがＫｅｅｐ＝６０に設定される。図３に示される制御フロー周期を１秒とすると、Ｋｅｅｐ＝６０の「６０」は、６０秒の均等化継続時間を意味する。本実施形態では、均等化継続判定定数Ｋｅｅｐは固定値だが、可変値としても良い。例えば、均等化継続判定定数Ｋｅｅｐをセル電圧の電圧バラツキすなわち閾値（ΔＶ）に応じてマップ化して監視制御部８０に記憶することができる。具体的には、電圧バラツキが０．１Ｖの場合は均等化継続時間が６０秒に設定され、電圧バラツキが０．５Ｖの場合は均等化継続時間が１２０秒に設定される。このように、電圧バラツキが大きいほど均等化継続時間が長くなる。
【００５２】
また、ステップ１３０では、ステップ１１０で取得された全てのセル１１のセル電圧が記憶部９０にそれぞれ記憶される。すなわち、組電池１０の出力が１０ｋＷを超えたときの全てのセル１１のセル電圧ＶＣがＶＣｍとして記憶される（ＶＣｍ＝ＶＣ）。
【００５３】
このように、ステップ１３０では、記憶部９０にセル電圧ＶＣｍが記憶され、この際に均等化を継続して行うための均等化継続時間（一定時間）が設定される。
【００５４】
次に、ステップ１４０では、セル電圧ＶＣｍに基づく均等化処理が行われる。すなわち、ステップ１３０にて記憶部９０に記憶された各セル１１のセル電圧ＶＣｍがそれぞれ等しくなるように、均等化回路７０によってセル電圧の均等化が行われる。セル電圧の均等化は、記憶部９０に記憶されたセル電圧ＶＣｍに基づき、上述のように、セル電圧が高いセル１１からセル電圧が低いセル１１に電力を移動させるトランス方式によって行われる。
【００５５】
そして、ステップ１５０では、均等化継続判定定数ＫｅｅｐをＫｅｅｐ＝Ｋｅｅｐ−１とする。
【００５６】
この後、ステップ１６０では、車両の走行が終了したか否かが判定される。すなわち、車両の電源がオフされたか否かが判定される。車両の電源がオフされた場合は図３に示される監視制御部８０の均等化処理は終了する。一方、電源がオフされていない場合、ステップ１００に戻る。このようにして、図３に示される制御フローが１周する。上述のように、ステップ１００からステップ１６０までの制御フロー周期は１秒である。
【００５７】
上記のように、ステップ１００にて組電池１０の出力が所定値を超えたと判定され、ステップ１１０にて全てのセル１１のセル電圧が測定された後、ステップ１２０において各セル１１のセル電圧の最大値（ＶＣｍａｘ）と最小値（ＶＣｍｉｎ）との差（ＶＣｍａｘ−ＶＣｍｉｎ）が閾値（ΔＶ）を超えない場合、ステップ１５０に進む。すなわち、セル電圧の電圧バラツキが小さい場合には均等化回路７０による均等化は行われず、この後のステップ１５０にて均等化継続判定定数Ｋｅｅｐの値が１つ減らされる。
【００５８】
また、上記ステップのうち、ステップ１００において組電池１０の出力が所定値を下回った場合、ステップ１７０に進む。ステップ１７０では、Ｋｅｅｐが０を超えているか否かが判定される。すなわち、均等化処理が継続中であるか否かが判定される。そして、Ｋｅｅｐが０を超えていると判定されるとステップ１４０に進み、均等化処理が行われる。この後、ステップ１５０にてＫｅｅｐの値が１つ減らされ、ステップ１６０にて車両の電源がオフされていないと判定されると、再びステップ１００に戻る。組電池１０の出力が所定値を下回っておらず、Ｋｅｅｐの値が０より大きな値であれば、Ｋｅｅｐの値が０になるまで、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１４０、ステップ１５０、ステップ１６０のループを繰り返す。このように、ステップ１３０で設定された均等化継続判定定数がカウントされるまで、すなわち所定時間が経過するまでは継続して均等化回路７０による均等化が行われる。
【００５９】
そして、Ｋｅｅｐの値が０になり、ステップ１７０にてＫｅｅｐが０を超えていないと判定されるとステップ１６０に進み、セル電圧の均等化処理は終了する。そして、再びステップ１００に戻り、組電池１０の出力が所定値を超えない限り、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返す。
【００６０】
一方、ステップ１２０にて電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超える場合はステップ１３０にて均等化継続判定定数であるＫｅｅｐが「６０」が設定されるので、ステップ１３０に進む度にＫｅｅｐには「６０」が設定される。したがって、Ｋｅｅｐの値は車両の加速が終了して組電池１０の出力が所定値を下回った後にステップ１５０にて減算されていくことになる。
【００６１】
また、Ｋｅｅｐ＝０に設定されると共に図３に示されるフローチャートがスタートし、ステップ１００にて組電池１０の出力が所定値を超えたとしても、その後のステップ１２０にて電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超えないと判定された場合は、ステップ１５０にてＫｅｅｐの値が「−１」とされる。この場合、再びステップ１００に戻って組電池１０の出力が所定値を下回ったと判定されれば、ステップ１７０にてＫｅｅｐが０を超えていないと判定される。このため、組電池１０の出力が所定値を超えるまで、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返すこととなり、均等化回路７０による均等化は行われない。
【００６２】
なお、車両の電源がオンされた後、ステップ１００で組電池１０の出力が所定値を超えないと判定された場合は、ステップ１３０でＫｅｅｐが設定されないので、ステップ１００、ステップ１７０、ステップ１６０のループを繰り返すだけである。
【００６３】
上記の均等化処理による効果について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は本発明によるセル電圧の均等化を示した図であり、図４（ｂ）は従来の充電状態（開路電圧）に基づくセル電圧の均等化を示した図である。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は正の方向が組電池１０に流れる充電電流、負の方向が組電池１０に流れる放電電流を示しており、縦軸はセル電圧を示している。
【００６４】
また、図４では、セルＡ、セルＢ、セルＣの３つのセル１１のセル電圧を示している。これらの各セル１１は、それぞれ劣化にばらつきがあり、電流に対するセル電圧の傾きがそれぞれ異なる。劣化したセル１１は内部抵抗が高くなるので、電流に対するセル電圧の傾きが大きくなる。図４に示される３つのセル１１の中では、セルＡの劣化が最も進んでいる。
【００６５】
そして、組電池１０から電力が取り出されているとき、すなわち組電池１０に放電電流が流れると、図４（ａ）に示されるように等電力ライン１３が表れる。この等電力ライン１３の位置はドライバがアクセルを踏み込む量によって異なる。アクセルの踏み込み量が大きい場合、等電力ライン１３は図４（ａ）に示される等電力ライン１３の位置よりも左側に表れる。
【００６６】
また、均等化処理を行う前に３つのセル電圧に電圧バラツキがある場合、３つのセル１１のセル電圧は等電力ライン１３上にばらばらに位置している。したがって、図３に示される均等化処理では、等電力ライン１３上のセル電圧をそれぞれ測定し（ステップ１１０）、記憶部９０に記憶し（ステップ１３０）、記憶した各セル電圧がそれぞれ等しくなるように均等化を行っている（ステップ１４０）。これにより、内部抵抗が大きいすなわち傾きが大きいセルＡについては、「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が高くなるように均等化される。例えば、セルＡは劣化が進んでいないセルＣから電力を受け取る。
【００６７】
このように、車両の加速を想定した組電池１０の電力使用時のセル電圧が均等になるように均等化処理を行っているので、均等化された各セル１１のセル電圧は、「組電池１０に放電電流が流れるとき」に、過放電を示す下限電圧よりも高くなる。言い換えると、劣化が進んだセル１１については、均等化処理によって「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が底上げされるので、車両の加速の際に下限電圧を下回りにくくなる。このため、「組電池１０に放電電流が流れるとき」に、劣化が進んだセルＡの過放電を防止することができる。過放電によるセル１１のさらなる劣化も防止することができる。また、図４（ａ）に示されるように、「組電池１０に放電電流が流れるとき」のセル電圧が均等化されることで、各セル１１のセル電圧が等電力ライン１３の同じ位置に揃うので、各セル１１の劣化にばらつきがあったとしても各セル１１の出力（電力）を均等化することができる。
【００６８】
一方、従来では、図４（ｂ）に示されるように、組電池１０に電流が流れていないときの開路電圧（ＳＯＣ）が均等になるように均等化処理を行っている。このため、「組電池１０に放電電流が流れるとき」には劣化が進んだ傾きが大きいセルＡのセル電圧は下限電圧を下回り、過放電となってしまう。このように過放電のセル１１が１つでも発生すると、監視回路等によって組電池１０から加速に必要な出力を出せなくなったと判定され、組電池１０に放電電流を流せなくなる。つまり、１つのセル１１が使用できなくなったことで組電池１０から加速に必要な出力を出せなくなり、車両の加速度が著しく低下する恐れがある。このため、車両の走行距離が伸びなくなるのである。
【００６９】
本実施形態では、車両の加速に必要な組電池１０の出力がある場合の各セル電圧を用いて均等化を実施しているため、従来のようにセル１１の充電状態（開路電圧）は均等化されない。しかしながら、図４（ａ）に示されるように、組電池１０に流れる電流が０のときのセル電圧すなわち開路電圧については、劣化が進んだセルＡの開路電圧を他のセルＢやセルＣよりも高くしているので、劣化したセルＡを長持ちさせることが可能となる。したがって、組電池１０から車両の加速に必要な電力を得ることができ、組電池１０を用いた車両の走行可能時間すなわち走行距離を伸ばすことができる。
【００７０】
以上により、ハイブリット車等の電気自動車用の組電池１０のセル１１毎の過放電防止と、ハイブリット車等の電気自動車が組電池１０のみを使用して走行する距離を伸ばすこと、との両立を図ることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、セル電圧の電圧バラツキが閾値（ΔＶ）を超えるほど大きい場合にセル電圧の均等化を行っているので、劣化したセル１１の充電状態を高く維持することができ、劣化が進んだセル１１が過放電にならないようにすることができる。また、劣化が進んだセル１１の出力を他のセル１１と同じにすることができる。さらに、均等化処理を所定時間継続して行い、組電池１０の出力が所定値を下回った後も所定時間が経過するまでは継続して均等化を行っているので、劣化したセル１１のセル電圧を確実に底上げすることができる。したがって、劣化したセル１１の過放電の防止がされ、車両の走行距離を伸ばすことができる。
【００７２】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、均等化回路７０が特許請求の範囲の「均等化手段」に対応し、電圧監視回路６０が特許請求の範囲の「電圧監視手段」に対応する。また、記憶部９０が特許請求の範囲の「記憶手段」に対応し、監視制御部８０が特許請求の範囲の「監視制御手段」に対応する。
【００７３】
（他の実施形態）
上記実施形態で示された出力均等化システム４０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構成とすることもできる。例えば、記憶部９０は監視制御部８０の一部とされていたが、監視制御部８０とは別体で設けられていても良い。また、電圧監視回路６０の構成や均等化回路７０の構成は上記実施形態で示された構成に限られず、他の構成でも構わない。
【００７４】
また、上記実施形態では、監視制御部８０は組電池１０の放電時における各セル１１のセル電圧を均等化する場合について説明したが、組電池１０を充電する場合についても同様のことが言える。図５は、組電池１０の充電時におけるセル電圧の均等化を示した図である。組電池１０の充電の場合は、監視制御部８０は、インバータ２０から組電池１０に例えば１０Ａの充電電流が流れたときの各セル１１のセル電圧を電圧監視回路６０に測定させ、記憶部９０に記憶させる。そして、セル電圧の均等化は、記憶部９０に記憶されたセル電圧ＶＣｍに基づき、上述のように、セル電圧が高いセルＡからセル電圧が低いセルＣに電力を移動させる。この場合、監視制御部８０は、例えば組電池１０の充電時に全てのセル１１のセル電圧が同時に上限電圧に当たるように均等化制御する。上限電圧はセル１１の過充電を示す電圧である。これにより、図５に示されるように、セル電圧が低いセルＣのセル電圧を底上げすることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 組電池
１１ セル
６０ 電圧監視回路（電圧監視手段）
７０ 均等化回路（均等化手段）
８０ 監視制御部（監視制御手段）
９０ 記憶部（記憶手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル（１１）が複数直列に接続されて構成されていると共に車両に搭載されて駆動源となる組電池（１０）において、前記セル（１１）の間で電力を移動させることにより前記複数のセル（１１）のセル電圧を均等化する均等化手段（７０）を備えた組電池の出力均等化システムであって、
前記複数のセル（１１）毎に設けられると共に、前記セル（１１）のセル電圧を検出する電圧監視手段（６０）と、
前記電圧監視手段（６０）にて検出された前記セル（１１）のセル電圧を記憶する記憶手段（９０）と、
前記車両の加速時に前記組電池（１０）の出力が所定値を超えたときの前記複数のセル（１１）のセル電圧を前記電圧監視手段（６０）に検出させ、当該検出させたセル電圧を前記記憶手段（９０）に記憶させ、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように前記均等化手段（７０）に均等化を行わせる監視制御手段（８０）と、を備えていることを特徴とする組電池の出力均等化システム。
【請求項２】
前記監視制御手段（８０）は、前記電圧監視手段（６０）に検出させた前記セル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えた場合に前記電圧監視手段（６０）に検出させた前記複数のセル（１１）のセル電圧を前記記憶手段（９０）に記憶させ、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１に記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項３】
前記監視制御手段（８０）は、前記記憶手段（９０）に前記セル電圧を記憶させた際に所定時間を設定し、この所定時間が経過するまでは継続して前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１または２に記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項４】
前記監視制御手段（８０）は、前記電圧監視手段（６０）にて検出された前記セル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えない場合、前記均等化手段（７０）に均等化を行わせないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項５】
前記監視制御手段（８０）は、前記組電池（１０）の出力が前記所定値を下回った場合、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記セル電圧に基づいて前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項１】
セル（１１）が複数直列に接続されて構成されていると共に車両に搭載されて駆動源となる組電池（１０）において、前記セル（１１）の間で電力を移動させることにより前記複数のセル（１１）のセル電圧を均等化する均等化手段（７０）を備えた組電池の出力均等化システムであって、
前記複数のセル（１１）毎に設けられると共に、前記セル（１１）のセル電圧を検出する電圧監視手段（６０）と、
前記電圧監視手段（６０）にて検出された前記セル（１１）のセル電圧を記憶する記憶手段（９０）と、
前記車両の加速時に前記組電池（１０）の出力が所定値を超えたときの前記複数のセル（１１）のセル電圧を前記電圧監視手段（６０）に検出させ、当該検出させたセル電圧を前記記憶手段（９０）に記憶させ、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように前記均等化手段（７０）に均等化を行わせる監視制御手段（８０）と、を備えていることを特徴とする組電池の出力均等化システム。
【請求項２】
前記監視制御手段（８０）は、前記電圧監視手段（６０）に検出させた前記セル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えた場合に前記電圧監視手段（６０）に検出させた前記複数のセル（１１）のセル電圧を前記記憶手段（９０）に記憶させ、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記複数のセル（１１）のセル電圧がそれぞれ等しくなるように前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１に記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項３】
前記監視制御手段（８０）は、前記記憶手段（９０）に前記セル電圧を記憶させた際に所定時間を設定し、この所定時間が経過するまでは継続して前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１または２に記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項４】
前記監視制御手段（８０）は、前記電圧監視手段（６０）にて検出された前記セル（１１）のセル電圧の最大値と最小値との差が閾値を超えない場合、前記均等化手段（７０）に均等化を行わせないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の組電池の出力均等化システム。
【請求項５】
前記監視制御手段（８０）は、前記組電池（１０）の出力が前記所定値を下回った場合、前記記憶手段（９０）に記憶させた前記セル電圧に基づいて前記均等化手段（７０）に均等化を行わせることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の組電池の出力均等化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１３８９７９（Ｐ２０１２−１３８９７９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７７４６（Ｐ２０１０−２８７７４６）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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