電池劣化均等化システムおよび方法
【課題】電動車両などの車両において電池を使い切った状態で電池交換を行うことを可能とした電池劣化均等化システムを提供することである。
【解決手段】提案する電池劣化均等化システムは、複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる。このシステムは、前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部１６と、前記電池監視部１６からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部１８と、を有する。
【解決手段】提案する電池劣化均等化システムは、複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる。このシステムは、前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部１６と、前記電池監視部１６からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部１８と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両などの車両に搭載される電池システムに関し、特に、その電池システムにおける電池劣化均等化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両などの車両では組電池（電池パック）が電源として使用されている。
以下では、電池セル（単電池）を複数個集めて電池ブロックとし、電池ブロックを複数個集めて電池パックと定義する。
【０００３】
電池パックの一部である電池ブロックが充放電を繰り返すことで劣化すると、その劣化した電池ブロックを取り替えることになる。このとき、その電池ブロックを構成するそれぞれの電池セルに注目すると、全ての電池セルが劣化している訳ではなく、一部の電池セルの劣化が電池パック全体の劣化として表出する。したがって、取り替える電池ブロック内には、１個１個ではまだ使用可能な電池セルがいくつも含まれていることになり、非常に不経済である。
【０００４】
関連技術として、特許文献１には、電池交換に先立って、新しい電池モジュールを、交換対象の電池モジュール以外の電池モジュールの充電電気量よりも低く充電することで、組電池の電池モジュールの交換後に、均等処理などの特別な処理を施すことなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法が示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、組電池のＳＯＣ（充電状態）検出値を求め、これを所定のＳＯＣ目標値に収束させるＳＯＣ一定制御を行なうとともに、容量バラツキが所定値を超えた場合には、ＳＯＣ検出値を所定のレートで減少させて均等充電を行なうことで、車両走行時でも組電池の容量バラツキの解消が可能なハイブリッド車の電池制御装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８５９１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電動車両などの車両において電池を使い切った状態で電池交換を行うことを可能とした電池劣化均等化システムおよび方法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】
【０００８】
提案する第１の電池劣化均等化システムは、複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる。この第１のシステムは、前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部と、前記電池監視部からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部と、を有する。そして、内部抵抗の低い（劣化度の低い）前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロック部を構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むように制御する。
【０００９】
提案する第２の電池劣化均等化システムは、第１の電池劣化均等化システムにおいて、前記電池制御部が、前記電池監視部で取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集部と、収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出部と、充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定部と、設定された充放電の目標とする各電圧値で、前記電池ブロック部の各電池セルに対する充放電を制御する充放電部と、を有するものである。
【００１０】
なお、以下の実施形態において、電池監視部は、図２の電池監視部１６に対応する。抵抗算出部は、図４のＣＰＵ６１、電池セル情報テーブル７２、および電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６の組み合わせに対応する。目標電圧設定部は、ＣＰＵ６１、および電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６の組み合わせに対応する。充放電部は、図４の充電制御部６７と放電制御部６８の組み合わせに対応する。
【発明の効果】
【００１１】
提案する第１の電池劣化均等化システムでは、内部抵抗の低い（劣化度の低い）電池セルを選択して劣化を進ませ、電池ブロック部を構成する各電池セルが均一に劣化が進むように制御している。よって、交換予定の電池ブロックにおいて、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【００１２】
提案する第２の電池劣化均等化システムでは、電池セル間で劣化バラツキがある交換予定の電池ブロックにおいて、内部抵抗値が平均値以下で劣化が進んでいない電池セルについて、目標とする電圧値の範囲を広げることで、その内部抵抗値が平均値以下の電池セルの劣化を進ませている。よって、交換予定の電池ブロックにおいて、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電池パックを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池劣化均等化システムを示す図である。
【図３】図２の電池部を示す図である。
【図４】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部を示す図である。
【図５】電池ブロック情報テーブルのデータ構造を示す図である。
【図６】電池セル情報テーブルのデータ構造を示す図である。
【図７】電池セル毎のＳＯＣ（充電状態）の目標値の設定処理のフローチャートである。
【図８】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充電時の関連部分を示す図である。
【図９】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の放電時の関連部分を示す図である。
【図１０】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充放電時の関連部分（変形例）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、電池パックを示す図である。
図１に示すように、電池セル（単電池）複数個（ここでは、４個）を直列（あるいは並列）に接続して電池ブロックが構成され、その電池ブロックが複数個（ここでは２個の電池ブロック４、８）が集まって電池パック１が構成される。この電池パック１内の電池セルの劣化が進んだ場合、電池ブロック毎に交換可能となっている。
【００１５】
電池ブロック４は、４個の電池セル５−１、５−２、５−３、５−４が直列に接続されて構成され、電池ブロック８は、４個の電池セル９−１、９−２、９−３、９−４が直列に接続されて構成される。
【００１６】
各電池セルは使用するほど劣化が進むが、図１では、電池セル９−１、９−２、９−４が劣化が進んだ電池セルであり、残りが劣化が進んでない通常の電池セルである。
本実施形態では、複数の電池ブロックのうちから所定のロジックに基づいて、交換予定の電池ブロックを指定し、その交換予定の電池ブロック内の各電池セルについて必要な調整を行うものである。例えば図１では、劣化が進んでいる電池セルを多く含んでいるので、電池ブロック８が交換予定の電池ブロックとして指定される（指定方法の詳細は後述する）。
【００１７】
図２は、電動車両などの車両に搭載される、本発明の一実施形態に係る電池劣化均等化システムを示す図である。
図２に示すように、電池劣化均等化システムは、負荷１１、充電装置１２、電池パック１３、電池部１５、電池監視部１６、電池制御部１８、走行制御部１９、充電か放電かに応じて切り替わるリレー等のスイッチ２１、を有する。
【００１８】
電池部１５は、複数の電池ブロックを含み、それぞれの電池ブロックは複数の電池セルが例えば直列（並列でもよい）に接続されて構成される。電池監視部１６は、電池部１５内の各電池セルの電流、電圧を監視（測定）し、一定間隔で、測定結果の電流、電圧を電池制御部１８に通知する。
【００１９】
電池制御部１８は、電池パック１３を制御する。具体的には、充放電のために、電池パック１３の各電池セルの電圧を収集して、関連ユニット（図４の電池セル情報テーブル７２、図８、図９の測定電圧発生回路１３４、１５４）に設定し、充電や放電の目標とする電圧値設定のために、電池パック１３の各電池セルの電流・電圧を収集して、各電池セルの内部抵抗を求め、充電装置１２による電池パック１３への充電を実行し、電池パック１３から負荷１１への放電を実行する。
【００２０】
図３は、図２の電池部を示す図である。
図３では、電池部１５は、４個の電池ブロック２５−１、２５−２、２５−３、２５−４を有する。各電池ブロックは、スイッチ２７−１、２７−２、２７−３、２７−４と、６個の電池セルを有している。
【００２１】
各スイッチは、電池に異常が生じた場合や車両整備時に切断される。
図４は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部を示す図である。図２で分けられていた電池部と電池監視部はこの図４では一体化されている。
【００２２】
図４に示すように、電池ブロック３０は、スイッチ３１と、直列に接続された複数の電池セル（ここでは、６個の電池セル３４、３５、３６、３７、３８、３９）を有する。
また、電池制御部１８は、ＣＰＵ６１と、セル電圧・電流収集部６２と、メモリ６４と、充電制御部６７と、放電制御部６８と、を有する。
【００２３】
メモリ６４には、電池ブロック情報テーブル７１、電池セル情報テーブル７２、ＯＣＶ（open circuit voltage:開回路電圧）−ＣＣＶ（closed circuit voltage:閉回路電圧）対応表データ７３、ＳＯＣ（state of charge:充電状態）−ＯＣＶ対応表データ７４、交換予定ブロック設定プログラム７５、電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６が格納されている。
【００２４】
交換予定ブロック設定プログラム７５と、電池セル目標ＳＯＣ範囲設定プログラム７６とは、同時には動作しない。
一方、電池セル目標ＳＯＣ範囲設定プログラム７６と、セル電圧・電流収集部６２とは非同期で動作する。
【００２５】
ＳＯＣ（充電状態）は、電池セルの残容量／全容量×１００（単位：％）で定義される。ＳＯＣの上限値は、それ以上充電すると過充電になる値であり、ＳＯＣの下限値はそれ以下まで放電すると過放電になる値である。この下限値と上限値の間の範囲を電池セルの使用範囲と呼ぶ。一般に知られているように、電池セルは充放電を繰り返し、劣化度合いが進むと、過充電になる上限値が小さくなるとともに、過放電になる下限値が大きくなる。すなわち、使用範囲が狭まる。劣化が進むと、電池セルの内部抵抗が大きくなる。
【００２６】
すなわち、閾値（固定値）を予め定めておいて、電池セルの内部抵抗を求め、それが閾値より大きいかどうかによって、電池セルの劣化度合いを判断することができる。
電池セルの内部抵抗Ｒを求めるために、電池セルを流れる電流Ｉと電池セルの電圧Ｖを測定する（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）。
【００２７】
図４では、電池セル３４、３５、３６、３７、３８、３９の電圧を求めるのに、電圧センサ５１、５２、５３、５４、５５、５６をそれぞれ用いる。
１度には１つの電池セルについて電圧を求める。例えば、電池セル３４の電圧を求める場合、セル電圧・電流収集部６２は、スイッチ４１−１、４１−２のみを導通させ、残りのスイッチ４２−１、・・・、４６−２を非導通させるような信号を出力する。
【００２８】
電流については、電流センサ３３での測定値を各電池セルで兼用する。
測定結果の電流、電圧については、電池セル情報テーブル７２の該当する項目に設定される。また、測定結果の電圧については、充電制御部６７や放電制御部６８のセル毎に設けられた測定電圧発生回路（後述）にもそれぞれ設定される。
【００２９】
交換予定ブロック設定プログラム７５は、電池パック１３が備える複数の電池ブロックのうちで、交換予定の電池ブロックを１つだけ決める処理を実行するプログラムである。電池ブロック情報テーブル７１は、図５に示すように、電池ブロックを識別するための電池ブロック番号と、交換予定フラグとの項目を有するテーブルである。ここでは、交換予定フラグは、交換予定である電池ブロックに対しオン（値“１”）に設定され、交換予定でない電池ブロックに対しオフ（値“０”）に設定される。
【００３０】
交換予定ブロック設定プログラム７５は、各電池ブロックについて、その電池ブロック内の各電池セルの内部抵抗のバラツキ（内部抵抗の最大値と最小値の差）を算出し、それが予め定められた閾値以上の電池ブロックのうちから、交換予定の電池ブロックを算出（決定）する。すなわち、バラツキが閾値以上の電池ブロックに対しては、後述するように、電池セル毎に目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行い、バラツキが閾値より小さい電池ブロックに対しては、電池セル毎に目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行わない。
【００３１】
電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６は、交換予定の電池ブロックに対し、その交換予定の電池ブロック内の各電池セルの目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行い、その結果を、電池セル情報テーブル７２に格納する。
【００３２】
図６に示すように、電池セル情報テーブル７２は、電池ブロック番号、電池セル番号、測定電流、測定電圧、内部抵抗、目標ＳＯＣ（下限）、目標ＳＯＣ（上限）、目標電圧（下限）、目標電圧（上限）、の各項目を有する。
【００３３】
測定電流、測定電圧は、セル電圧・電流収集部６２が収集した該当行の電池セルに対する電流、電圧の測定値である。
内部抵抗は、測定電圧／測定電流、である。
【００３４】
目標ＳＯＣ（下限）は、それ以下が使用しない領域となる値を示している。目標ＳＯＣ（上限）は、それ以上が使用しない領域となる値を示している。
目標電圧（下限）は、目標ＳＯＣ（下限）に対応する放電時の目標電圧値である。目標電圧（上限）は目標ＳＯＣ（上限）に対応する充電時の目標電圧値である。
【００３５】
例えば、後述の図７のステップＳ１、Ｓ４、および、Ｓ６で、ＳＯＣ範囲を設定またはリセットした後に、その設定またはリセットされたＳＯＣ範囲に対応する目標電圧範囲を求める方法を以下に説明する。
【００３６】
車両走行中には、電池セルに対する電圧を測定した場合、ＣＣＶ（閉回路電圧）が測定される。ＳＯＣとＯＣＶ（開回路電圧）との関係を測定して、ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ７３として、メモリ６４に格納し、ＯＣＶとＣＣＶの関係との関係を測定して、ＯＣＶ−ＣＣＶ対応表データ７４として、メモリ６４に格納しておくことで、ＳＯＣから対応するＣＣＶを求めることができる。
【００３７】
もっとも、走行中でない場合は、ＯＣＶが測定できるので、ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ７３のみで、目標電圧（下限、上限）は求められる。また、本実施形態のように、目標ＳＯＣ（下限、上限）の基準値、目標ＳＯＣを広げた場合の値（下限、上限）が固定値として既知の場合は、予め、それぞれの目標ＳＯＣに対応するＯＣＶやＣＣＶを事前に求めておき、メモリ６４に格納しておいてもよい。
【００３８】
図７は、電池セル毎のＳＯＣ（充電状態）の目標値の設定処理のフローチャートである。
このフローチャートの処理は、電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６がＣＰＵ６１により実行される（一定周期で起動される）ことで、実行される。
【００３９】
図７のステップＳ１で、ＣＰＵ６１は、図５の電池ブロック情報テーブル７１を参照して、交換予定の電池ブロックの電池ブロック番号を取得する。そして、ＣＰＵ６１は、電池セル情報テーブル７２を参照して、電池ブロック番号の項目に設定された値が、取得した電池ブロック番号（ここでは、“１”）に一致するレコード（行）について、ＳＯＣ（充電状態）の範囲（下限、上限）を広げる。ここでは、ＳＯＣ範囲の基準値を（１０％、９０％）とし、１回広げる毎に範囲が５％（下限値が−２．５％、上限値が＋２．５％）広げるものとする。また、目標とする電圧範囲も広げる。
【００４０】
このステップＳ１の処理結果としては、１０％−９０％であったＳＯＣ範囲が、７．５％−９２．５％に広げられることになる。
続く、ステップＳ２では、交換予定の電池ブロック内の各電池セル劣化状態を推定すべく、各電池セルの内部抵抗を算出する。具体的には、ＣＰＵ６１は、電池セル情報テーブル７２を参照して、電池ブロック番号の項目に設定された値が、取得した電池ブロック番号（ここでは、“１”）に一致するレコード（行）について、測定電流の項目に設定された電流値で、測定電圧の項目に設定された電圧値を割ることで、内部抵抗を求め、同じ行の内部抵抗の項目に設定する。
【００４１】
そして、ステップＳ３で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の各電池セルについて、内部抵抗の最大値と最小値の差を求め、この差が予め定められた閾値以上であるかどうかを判定する。
【００４２】
ステップＳ３で差が予め定められた閾値より小さいと判定された場合、ステップＳ４で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の電池セル毎に設定していた目標とするＳＯＣ範囲をリセット（基準のＳＯＣ範囲（ここでは、１０％−９０％））に戻し、（目標とする電圧範囲もリセットし、）一連の処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ３で差が予め定められた閾値以上であると判定された場合、ステップＳ５で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の各電池セルの内部抵抗の平均値を算出する。
【００４４】
そして、ステップＳ６で、ＣＰＵ６１は、内部抵抗が平均値以下の電池セルについて、ＳＯＣ範囲の下限、上限をさらに広げる。ここでは、ＳＯＣ範囲が７．５％−９２．５％から５％−９５％に広げ、目標とする電圧範囲も広げる。そして、一連の処理を終了する。
【００４５】
このようにすることで、電池セル間で劣化バラツキがある交換予定の電池ブロックにおいて、目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）を一律に広げることで、各電池セルの劣化を進ませるとともに、内部抵抗値が平均値以下で劣化が進んでいない電池セルについて、目標とするＳＯＣ範囲をさらに一定量広げることで、その内部抵抗値が平均値以下の電池セルの劣化をさらに進ませている。
【００４６】
よって、交換予定の電池ブロックにおいて、一律に電池セルの劣化を進ませるとともに、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【００４７】
続いて、図８および図９を参照して、電池セル毎の充放電動作を説明する。
図８は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充電時の関連部分を示す図である。
【００４８】
電池ブロック３０に対し図４で示されていた、電流センサ３３、電圧センサ５１、・・・、５６や、スイッチ４１−１、・・・、４６−２を含む電流・電圧測定関連ユニットは、図８では省略され、代わりに、電池セル３４、・・・、３７、・・・のより詳細な構成がスイッチ８１、・・・、８４、・・・、１０１、・・・、１０４、・・・、抵抗９１、９２、９３、９４、・・・を追加することで示されている。また、充電制御部６７の構成がより詳細に示されている。
【００４９】
充電時には、図２のスイッチ２１が充電装置１２と導通する側に切り替わり、充電装置１２から電池パック１３への充電が行われる。
図８では、電池ブロック３０の内部には、充電時に過充電になった電池セルをバイパスし過充電でない電池セルを充電し、放電時に過放電となった電池セルをバイパスし過放電でない電池セルを放電するために、通り道（パス）を決めるためのスイッチと抵抗が設けられている。
【００５０】
図８に示すように、充電時には、充電制御部６７からの信号により、電池セル３４、３５、３６、３７、・・・に対し、スイッチ１０１、１０２、１０３、１０４、・・・の導通／非導通を制御する。
【００５１】
充電制御部６７は、電池パック１３が含む電池セルの数だけ、セル充電制御部を有する。すべてのセル充電制御部は同じ構成をしているので、ここでは、電池セル３４に対する充電を制御するセル充電制御部１２１についてのみ説明する。
【００５２】
セル充電制御部１２１は、コンパレータ１３６と、充電目標電圧発生回路１３２と、測定電圧発生回路１３４と、を有する。
充電目標電圧発生回路１３２は、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ６で、電池セル３４に対し求められた目標電圧（上限）に相当する電圧を発生している。交換予定の電池ブロックに変更がなく、図７のフローチャートが実行される度に、ステップＳ６で、求められた目標電圧（上限）に相当する電圧がこの回路１３２に設定され、出力される。
【００５３】
測定電圧発生回路１３４は、セル電圧・電流収集部６２により最後に（直近の収集タイミングで）電池セル３４に対し収集された電圧を発生している。
コンパレータ１３６は、充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧と、測定電圧発生回路１３４の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル３４に対する充電電流をバイパスさせるかどうかを決めるスイッチ１０１に出力する。
【００５４】
すなわち、コンパレータ１３６は、測定電圧発生回路１３４の出力電圧が充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧以上となったときに、スイッチ１０１を導通させる信号を出力して電池セル３４への充電をバイパスさせて過充電を回避し、測定電圧発生回路１３４の出力電圧が充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧より低いときに、スイッチ１０１を非導通にさせる信号を出力して電池セルへの充電を実行する。
【００５５】
これにより、互いに直列に接続された電池セル毎の充電を可能としている。
図９は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の放電時の関連部分を示す図である。
【００５６】
電池ブロック３０に対し図４で示されていた、電流センサ３３、電圧センサ５１、・・・、５６や、スイッチ４１−１、・・・、４６−２を含む電流・電圧測定関連ユニットは、図９では省略され、代わりに、電池セル３４、・・・、３７、・・・のより詳細な構成がスイッチ８１、・・・、８４、・・・、１０１、・・・、１０４、・・・、抵抗９１、９２、９３、９４、・・・、を追加することで示されている。また、放電制御部６８の構成がより詳細に示されている。
【００５７】
放電時には、図２のスイッチ２１が負荷１１と導通する側に切り替わり、電池パック１３から負荷１１への放電が行われる。
図９では、電池ブロック３０の内部には、充電時に過充電になった電池セルをバイパスし過充電でない電池セルを充電し、放電時に過放電となった電池セルをバイパスし過放電でない電池セルを放電するために、通り道（パス）を決めるためのスイッチと抵抗が設けられている。
【００５８】
図９に示すように、放電時には、放電制御部６８からの信号により、電池セル３４、３５、３６、３７、・・・に対し、スイッチ８１、８２、８３、８４、・・・、の導通／非導通を制御する。
【００５９】
放電制御部６８は、電池パック１３が含む電池セルの数だけ、セル放電制御部を有する。すべてのセル放電制御部は同じ構成をしているので、ここでは、電池セル３４に対する放電を制御するセル放電制御部１４１についてのみ説明する。
【００６０】
セル放電制御部１４１は、コンパレータ１５６と、放電目標電圧発生回路１５２と、測定電圧発生回路１５４と、を有する。
放電目標電圧発生回路１５２は、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ６で、電池セル３４に対し求められた目標電圧（下限）に相当する電圧を発生している。交換予定の電池ブロックに変更がなく、図７のフローチャートが実行される度に、ステップＳ６で、求められた目標電圧（下限）に相当する電圧がこの回路１５２に設定され、出力される。
【００６１】
測定電圧発生回路１５４には、セル電圧・電流収集部６２により最後に（直近の収集タイミングで）電池セル３４に対し収集された電圧を発生している。
コンパレータ１５６は、放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧と、測定電圧発生回路１５４の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル３４に対する放電をバイパスさせるかどうかを決めるスイッチ８１に出力する。
【００６２】
すなわち、コンパレータ１５６は、測定電圧発生回路１５４の出力電圧が放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧より低くなったときに、スイッチ８１を導通させる信号を出力して電池セル３４からの放電をバイパスさせて過放電を回避し、測定電圧発生回路１５４の出力電圧が放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧以上となったときに、スイッチ８１を非導通にさせる信号を出力して電池セル３４からの放電を実行する。
【００６３】
これにより、互いに直列に接続された電池セル毎の放電を可能としている。
そして、交換予定の電池ブロックにおいて、充電時にセル充電制御部により導通させる必要があるスイッチ数（充電をバイパスする電池セルの数）が所定数以上（例えば６個の電池セルのうちの４個以上）になったときや、放電時にセル放電制御部により導通させる必要があるスイッチ数（放電をバイパスする電池セルの数）が所定数以上（例えば６個の電池セルのうちの４個以上）になったときなどに、不図示のユニットにより、車両の運転者に、該当の電池ブロックの交換が必要である旨を示す情報がランプ点灯、音声などで報知される。
【００６４】
なお、以上の説明では、電池ブロック内において、複数の電池セルが直列に接続されていたが、複数の電池セルを並列に接続することも可能である。この場合、図４、図８、図９において、別個に設けられていた充電制御部６７と放電制御部６８は、図１０に示すように、充放電制御部２３０として一体化する。
【００６５】
充放電制御部２３０は、電池ブロック内の並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・の充放電をそれぞれ制御するセル充放電制御部２３１、２３２、・・・を備えている。
【００６６】
電池ブロック内の並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・には、電池セルに対する電流の流れを遮断するかどうかを決めるためのスイッチ１９１、１９２、・・・がそれぞれ設けられている。
【００６７】
充電を行なうか放電を行なうかに応じて、セル充放電制御部２３１、２３２、・・・からの出力信号に基づいて、導通／非導通となるように、それらのスイッチ１９１、１９２、・・・は制御される。
【００６８】
電圧センサ２２１は、電池ブロック内の複数の電池セルのうちの１つ（ここでは、電池セル１８１）の両端の電圧を測定する。各電池セルが並列接続である関係から、残りの電池セル（電池セル１８２、・・・）の測定電圧も、電圧センサ２２１の測定値で代表する。
【００６９】
また、並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・に直列に電流センサ２１１、２１２、・・・が設けられる。電池セル１８１、１８２、・・・の内部抵抗Ｒ１、Ｒ２、・・・は、電圧センサ２２１の測定電圧Ｖを、電流センサ２１１、２１２、・・・の測定電流Ｉ１、Ｉ２、・・・で割って求める（Ｒ１＝Ｖ／Ｉ１、Ｒ２＝Ｖ／Ｉ２、・・・）。
【００７０】
続いて、図１０における充電時と放電時の動作について説明する。
図１０において、充電時には、スイッチ２１が充電装置１２側に切り替わるとともに、各セル充放電制御部内のスイッチ（ここでは、代表して、セル充放電制御部２３１について詳細を示している。セル充放電制御部２３１ではスイッチ２４８）が充電時の制御を行なうコンパレータ（セル充放電制御部２３１ではコンパレータ２４７）側に切り替わる。
【００７１】
コンパレータ２４７は、充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧と、測定電圧発生回路２４５の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル１８１に対する充電電流を遮断するかどうかを決めるスイッチ１９１に出力する。
【００７２】
すなわち、コンパレータ２４７は、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧以上となったときに、スイッチ１９１を非導通させる信号を出力して電池セル１８１への充電を遮断して過充電を回避し、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧より低いときに、スイッチ１９１を導通させる信号を出力して電池セル１８１への充電を実行する。
【００７３】
これにより、互いに並列に接続された電池セル毎の充電を可能としている。
図１０において、放電時には、スイッチ２１が負荷１１側に切り替わるとともに、各セル充放電制御部内のスイッチ（ここでは、代表して、セル充放電制御部２３１について詳細を示している。セル充放電制御部２３１ではスイッチ２４８）が放電時の制御を行なうコンパレータ（セル充放電制御部２３１ではコンパレータ２４９）側に切り替わる。
【００７４】
コンパレータ２４９は、放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧と、測定電圧発生回路２４５の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル１８１からの放電電流を遮断するかどうかを決めるスイッチ１９１に出力する。
【００７５】
すなわち、コンパレータ２４９は、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧より低くなったときに、スイッチ１９１を非導通させる信号を出力して電池セル１８１からの放電を遮断して過放電を回避し、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧以上となったときに、スイッチ１９１を導通させる信号を出力して電池セル１８１からの放電を実行する。
【００７６】
これにより、互いに並列に接続された電池セル毎の放電を可能としている。
【符号の説明】
【００７７】
１、１３ 電池パック
４、８、２５−１、２５−２、２５−３、２５−４、３０ 電池ブロック
５−１、５−２、５−３、５−４、９−１、９−２、９−３、９−４、３４、３５、３６、３７、３８、３９、１８１、１８２ 電池セル
１１ 負荷
１２ 充電装置
１５ 電池部
１６ 電池監視部
１８ 電池制御部
１９ 走行制御部
２１、２７−１、２７−２、２７−３、２７−４、３１、４１−１、４１−２、４２−１、４２−２、４３−１、４３−２、４４−１、４４−２、４５−１、４５−２、４６−１、４６−２、８１、８２、８３、８４、１０１、１０２、１０３、１０４、１９１、１９２、２４８ スイッチ
３３、２１１、２１２ 電流センサ
５１、５２、５３、５４、５５、５６、２２１ 電圧センサ
６１ ＣＰＵ
６２ セル電圧・電流収集部
６４ メモリ
６７ 充電制御部
６８ 放電制御部
７１ 電池ブロック情報テーブル
７２ 電池セル情報テーブル
７３ ＯＣＶ−ＣＣＶ対応表データ
７４ ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ
７５ 交換予定ブロック設定プログラム
７６ 電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム
９１、９２、９３、９４ 抵抗
１２１、１２２、１２３、１２４ セル充電制御部
１３６、１５６、２４７、２４９ コンパレータ
１３２、２４１ 充電目標電圧発生回路
１３４、１５４、２４５ 測定電圧発生回路
１５６、２４３ 放電目標電圧発生回路
２３０ 充放電制御部
２３１、２３２ セル充放電制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両などの車両に搭載される電池システムに関し、特に、その電池システムにおける電池劣化均等化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両などの車両では組電池（電池パック）が電源として使用されている。
以下では、電池セル（単電池）を複数個集めて電池ブロックとし、電池ブロックを複数個集めて電池パックと定義する。
【０００３】
電池パックの一部である電池ブロックが充放電を繰り返すことで劣化すると、その劣化した電池ブロックを取り替えることになる。このとき、その電池ブロックを構成するそれぞれの電池セルに注目すると、全ての電池セルが劣化している訳ではなく、一部の電池セルの劣化が電池パック全体の劣化として表出する。したがって、取り替える電池ブロック内には、１個１個ではまだ使用可能な電池セルがいくつも含まれていることになり、非常に不経済である。
【０００４】
関連技術として、特許文献１には、電池交換に先立って、新しい電池モジュールを、交換対象の電池モジュール以外の電池モジュールの充電電気量よりも低く充電することで、組電池の電池モジュールの交換後に、均等処理などの特別な処理を施すことなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法が示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、組電池のＳＯＣ（充電状態）検出値を求め、これを所定のＳＯＣ目標値に収束させるＳＯＣ一定制御を行なうとともに、容量バラツキが所定値を超えた場合には、ＳＯＣ検出値を所定のレートで減少させて均等充電を行なうことで、車両走行時でも組電池の容量バラツキの解消が可能なハイブリッド車の電池制御装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８５９１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電動車両などの車両において電池を使い切った状態で電池交換を行うことを可能とした電池劣化均等化システムおよび方法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】
【０００８】
提案する第１の電池劣化均等化システムは、複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる。この第１のシステムは、前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部と、前記電池監視部からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部と、を有する。そして、内部抵抗の低い（劣化度の低い）前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロック部を構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むように制御する。
【０００９】
提案する第２の電池劣化均等化システムは、第１の電池劣化均等化システムにおいて、前記電池制御部が、前記電池監視部で取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集部と、収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出部と、充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定部と、設定された充放電の目標とする各電圧値で、前記電池ブロック部の各電池セルに対する充放電を制御する充放電部と、を有するものである。
【００１０】
なお、以下の実施形態において、電池監視部は、図２の電池監視部１６に対応する。抵抗算出部は、図４のＣＰＵ６１、電池セル情報テーブル７２、および電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６の組み合わせに対応する。目標電圧設定部は、ＣＰＵ６１、および電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６の組み合わせに対応する。充放電部は、図４の充電制御部６７と放電制御部６８の組み合わせに対応する。
【発明の効果】
【００１１】
提案する第１の電池劣化均等化システムでは、内部抵抗の低い（劣化度の低い）電池セルを選択して劣化を進ませ、電池ブロック部を構成する各電池セルが均一に劣化が進むように制御している。よって、交換予定の電池ブロックにおいて、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【００１２】
提案する第２の電池劣化均等化システムでは、電池セル間で劣化バラツキがある交換予定の電池ブロックにおいて、内部抵抗値が平均値以下で劣化が進んでいない電池セルについて、目標とする電圧値の範囲を広げることで、その内部抵抗値が平均値以下の電池セルの劣化を進ませている。よって、交換予定の電池ブロックにおいて、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電池パックを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池劣化均等化システムを示す図である。
【図３】図２の電池部を示す図である。
【図４】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部を示す図である。
【図５】電池ブロック情報テーブルのデータ構造を示す図である。
【図６】電池セル情報テーブルのデータ構造を示す図である。
【図７】電池セル毎のＳＯＣ（充電状態）の目標値の設定処理のフローチャートである。
【図８】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充電時の関連部分を示す図である。
【図９】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の放電時の関連部分を示す図である。
【図１０】図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充放電時の関連部分（変形例）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、電池パックを示す図である。
図１に示すように、電池セル（単電池）複数個（ここでは、４個）を直列（あるいは並列）に接続して電池ブロックが構成され、その電池ブロックが複数個（ここでは２個の電池ブロック４、８）が集まって電池パック１が構成される。この電池パック１内の電池セルの劣化が進んだ場合、電池ブロック毎に交換可能となっている。
【００１５】
電池ブロック４は、４個の電池セル５−１、５−２、５−３、５−４が直列に接続されて構成され、電池ブロック８は、４個の電池セル９−１、９−２、９−３、９−４が直列に接続されて構成される。
【００１６】
各電池セルは使用するほど劣化が進むが、図１では、電池セル９−１、９−２、９−４が劣化が進んだ電池セルであり、残りが劣化が進んでない通常の電池セルである。
本実施形態では、複数の電池ブロックのうちから所定のロジックに基づいて、交換予定の電池ブロックを指定し、その交換予定の電池ブロック内の各電池セルについて必要な調整を行うものである。例えば図１では、劣化が進んでいる電池セルを多く含んでいるので、電池ブロック８が交換予定の電池ブロックとして指定される（指定方法の詳細は後述する）。
【００１７】
図２は、電動車両などの車両に搭載される、本発明の一実施形態に係る電池劣化均等化システムを示す図である。
図２に示すように、電池劣化均等化システムは、負荷１１、充電装置１２、電池パック１３、電池部１５、電池監視部１６、電池制御部１８、走行制御部１９、充電か放電かに応じて切り替わるリレー等のスイッチ２１、を有する。
【００１８】
電池部１５は、複数の電池ブロックを含み、それぞれの電池ブロックは複数の電池セルが例えば直列（並列でもよい）に接続されて構成される。電池監視部１６は、電池部１５内の各電池セルの電流、電圧を監視（測定）し、一定間隔で、測定結果の電流、電圧を電池制御部１８に通知する。
【００１９】
電池制御部１８は、電池パック１３を制御する。具体的には、充放電のために、電池パック１３の各電池セルの電圧を収集して、関連ユニット（図４の電池セル情報テーブル７２、図８、図９の測定電圧発生回路１３４、１５４）に設定し、充電や放電の目標とする電圧値設定のために、電池パック１３の各電池セルの電流・電圧を収集して、各電池セルの内部抵抗を求め、充電装置１２による電池パック１３への充電を実行し、電池パック１３から負荷１１への放電を実行する。
【００２０】
図３は、図２の電池部を示す図である。
図３では、電池部１５は、４個の電池ブロック２５−１、２５−２、２５−３、２５−４を有する。各電池ブロックは、スイッチ２７−１、２７−２、２７−３、２７−４と、６個の電池セルを有している。
【００２１】
各スイッチは、電池に異常が生じた場合や車両整備時に切断される。
図４は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部を示す図である。図２で分けられていた電池部と電池監視部はこの図４では一体化されている。
【００２２】
図４に示すように、電池ブロック３０は、スイッチ３１と、直列に接続された複数の電池セル（ここでは、６個の電池セル３４、３５、３６、３７、３８、３９）を有する。
また、電池制御部１８は、ＣＰＵ６１と、セル電圧・電流収集部６２と、メモリ６４と、充電制御部６７と、放電制御部６８と、を有する。
【００２３】
メモリ６４には、電池ブロック情報テーブル７１、電池セル情報テーブル７２、ＯＣＶ（open circuit voltage:開回路電圧）−ＣＣＶ（closed circuit voltage:閉回路電圧）対応表データ７３、ＳＯＣ（state of charge:充電状態）−ＯＣＶ対応表データ７４、交換予定ブロック設定プログラム７５、電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６が格納されている。
【００２４】
交換予定ブロック設定プログラム７５と、電池セル目標ＳＯＣ範囲設定プログラム７６とは、同時には動作しない。
一方、電池セル目標ＳＯＣ範囲設定プログラム７６と、セル電圧・電流収集部６２とは非同期で動作する。
【００２５】
ＳＯＣ（充電状態）は、電池セルの残容量／全容量×１００（単位：％）で定義される。ＳＯＣの上限値は、それ以上充電すると過充電になる値であり、ＳＯＣの下限値はそれ以下まで放電すると過放電になる値である。この下限値と上限値の間の範囲を電池セルの使用範囲と呼ぶ。一般に知られているように、電池セルは充放電を繰り返し、劣化度合いが進むと、過充電になる上限値が小さくなるとともに、過放電になる下限値が大きくなる。すなわち、使用範囲が狭まる。劣化が進むと、電池セルの内部抵抗が大きくなる。
【００２６】
すなわち、閾値（固定値）を予め定めておいて、電池セルの内部抵抗を求め、それが閾値より大きいかどうかによって、電池セルの劣化度合いを判断することができる。
電池セルの内部抵抗Ｒを求めるために、電池セルを流れる電流Ｉと電池セルの電圧Ｖを測定する（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）。
【００２７】
図４では、電池セル３４、３５、３６、３７、３８、３９の電圧を求めるのに、電圧センサ５１、５２、５３、５４、５５、５６をそれぞれ用いる。
１度には１つの電池セルについて電圧を求める。例えば、電池セル３４の電圧を求める場合、セル電圧・電流収集部６２は、スイッチ４１−１、４１−２のみを導通させ、残りのスイッチ４２−１、・・・、４６−２を非導通させるような信号を出力する。
【００２８】
電流については、電流センサ３３での測定値を各電池セルで兼用する。
測定結果の電流、電圧については、電池セル情報テーブル７２の該当する項目に設定される。また、測定結果の電圧については、充電制御部６７や放電制御部６８のセル毎に設けられた測定電圧発生回路（後述）にもそれぞれ設定される。
【００２９】
交換予定ブロック設定プログラム７５は、電池パック１３が備える複数の電池ブロックのうちで、交換予定の電池ブロックを１つだけ決める処理を実行するプログラムである。電池ブロック情報テーブル７１は、図５に示すように、電池ブロックを識別するための電池ブロック番号と、交換予定フラグとの項目を有するテーブルである。ここでは、交換予定フラグは、交換予定である電池ブロックに対しオン（値“１”）に設定され、交換予定でない電池ブロックに対しオフ（値“０”）に設定される。
【００３０】
交換予定ブロック設定プログラム７５は、各電池ブロックについて、その電池ブロック内の各電池セルの内部抵抗のバラツキ（内部抵抗の最大値と最小値の差）を算出し、それが予め定められた閾値以上の電池ブロックのうちから、交換予定の電池ブロックを算出（決定）する。すなわち、バラツキが閾値以上の電池ブロックに対しては、後述するように、電池セル毎に目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行い、バラツキが閾値より小さい電池ブロックに対しては、電池セル毎に目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行わない。
【００３１】
電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６は、交換予定の電池ブロックに対し、その交換予定の電池ブロック内の各電池セルの目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）の調整を行い、その結果を、電池セル情報テーブル７２に格納する。
【００３２】
図６に示すように、電池セル情報テーブル７２は、電池ブロック番号、電池セル番号、測定電流、測定電圧、内部抵抗、目標ＳＯＣ（下限）、目標ＳＯＣ（上限）、目標電圧（下限）、目標電圧（上限）、の各項目を有する。
【００３３】
測定電流、測定電圧は、セル電圧・電流収集部６２が収集した該当行の電池セルに対する電流、電圧の測定値である。
内部抵抗は、測定電圧／測定電流、である。
【００３４】
目標ＳＯＣ（下限）は、それ以下が使用しない領域となる値を示している。目標ＳＯＣ（上限）は、それ以上が使用しない領域となる値を示している。
目標電圧（下限）は、目標ＳＯＣ（下限）に対応する放電時の目標電圧値である。目標電圧（上限）は目標ＳＯＣ（上限）に対応する充電時の目標電圧値である。
【００３５】
例えば、後述の図７のステップＳ１、Ｓ４、および、Ｓ６で、ＳＯＣ範囲を設定またはリセットした後に、その設定またはリセットされたＳＯＣ範囲に対応する目標電圧範囲を求める方法を以下に説明する。
【００３６】
車両走行中には、電池セルに対する電圧を測定した場合、ＣＣＶ（閉回路電圧）が測定される。ＳＯＣとＯＣＶ（開回路電圧）との関係を測定して、ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ７３として、メモリ６４に格納し、ＯＣＶとＣＣＶの関係との関係を測定して、ＯＣＶ−ＣＣＶ対応表データ７４として、メモリ６４に格納しておくことで、ＳＯＣから対応するＣＣＶを求めることができる。
【００３７】
もっとも、走行中でない場合は、ＯＣＶが測定できるので、ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ７３のみで、目標電圧（下限、上限）は求められる。また、本実施形態のように、目標ＳＯＣ（下限、上限）の基準値、目標ＳＯＣを広げた場合の値（下限、上限）が固定値として既知の場合は、予め、それぞれの目標ＳＯＣに対応するＯＣＶやＣＣＶを事前に求めておき、メモリ６４に格納しておいてもよい。
【００３８】
図７は、電池セル毎のＳＯＣ（充電状態）の目標値の設定処理のフローチャートである。
このフローチャートの処理は、電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム７６がＣＰＵ６１により実行される（一定周期で起動される）ことで、実行される。
【００３９】
図７のステップＳ１で、ＣＰＵ６１は、図５の電池ブロック情報テーブル７１を参照して、交換予定の電池ブロックの電池ブロック番号を取得する。そして、ＣＰＵ６１は、電池セル情報テーブル７２を参照して、電池ブロック番号の項目に設定された値が、取得した電池ブロック番号（ここでは、“１”）に一致するレコード（行）について、ＳＯＣ（充電状態）の範囲（下限、上限）を広げる。ここでは、ＳＯＣ範囲の基準値を（１０％、９０％）とし、１回広げる毎に範囲が５％（下限値が−２．５％、上限値が＋２．５％）広げるものとする。また、目標とする電圧範囲も広げる。
【００４０】
このステップＳ１の処理結果としては、１０％−９０％であったＳＯＣ範囲が、７．５％−９２．５％に広げられることになる。
続く、ステップＳ２では、交換予定の電池ブロック内の各電池セル劣化状態を推定すべく、各電池セルの内部抵抗を算出する。具体的には、ＣＰＵ６１は、電池セル情報テーブル７２を参照して、電池ブロック番号の項目に設定された値が、取得した電池ブロック番号（ここでは、“１”）に一致するレコード（行）について、測定電流の項目に設定された電流値で、測定電圧の項目に設定された電圧値を割ることで、内部抵抗を求め、同じ行の内部抵抗の項目に設定する。
【００４１】
そして、ステップＳ３で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の各電池セルについて、内部抵抗の最大値と最小値の差を求め、この差が予め定められた閾値以上であるかどうかを判定する。
【００４２】
ステップＳ３で差が予め定められた閾値より小さいと判定された場合、ステップＳ４で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の電池セル毎に設定していた目標とするＳＯＣ範囲をリセット（基準のＳＯＣ範囲（ここでは、１０％−９０％））に戻し、（目標とする電圧範囲もリセットし、）一連の処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ３で差が予め定められた閾値以上であると判定された場合、ステップＳ５で、ＣＰＵ６１は、交換予定の電池ブロック内の各電池セルの内部抵抗の平均値を算出する。
【００４４】
そして、ステップＳ６で、ＣＰＵ６１は、内部抵抗が平均値以下の電池セルについて、ＳＯＣ範囲の下限、上限をさらに広げる。ここでは、ＳＯＣ範囲が７．５％−９２．５％から５％−９５％に広げ、目標とする電圧範囲も広げる。そして、一連の処理を終了する。
【００４５】
このようにすることで、電池セル間で劣化バラツキがある交換予定の電池ブロックにおいて、目標とするＳＯＣ範囲（電圧範囲）を一律に広げることで、各電池セルの劣化を進ませるとともに、内部抵抗値が平均値以下で劣化が進んでいない電池セルについて、目標とするＳＯＣ範囲をさらに一定量広げることで、その内部抵抗値が平均値以下の電池セルの劣化をさらに進ませている。
【００４６】
よって、交換予定の電池ブロックにおいて、一律に電池セルの劣化を進ませるとともに、劣化が進んでいない電池セルの劣化度合いを、劣化が進んでいる電池セルに追いつかせて、交換予定の電池ブロックにおいて、ほぼ全ての電池セルが劣化した状態での電池ブロックの交換が可能となり、使い切っていない電池セルをいくつか含む形での不経済な電池ブロックの交換を回避することができる。
【００４７】
続いて、図８および図９を参照して、電池セル毎の充放電動作を説明する。
図８は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の充電時の関連部分を示す図である。
【００４８】
電池ブロック３０に対し図４で示されていた、電流センサ３３、電圧センサ５１、・・・、５６や、スイッチ４１−１、・・・、４６−２を含む電流・電圧測定関連ユニットは、図８では省略され、代わりに、電池セル３４、・・・、３７、・・・のより詳細な構成がスイッチ８１、・・・、８４、・・・、１０１、・・・、１０４、・・・、抵抗９１、９２、９３、９４、・・・を追加することで示されている。また、充電制御部６７の構成がより詳細に示されている。
【００４９】
充電時には、図２のスイッチ２１が充電装置１２と導通する側に切り替わり、充電装置１２から電池パック１３への充電が行われる。
図８では、電池ブロック３０の内部には、充電時に過充電になった電池セルをバイパスし過充電でない電池セルを充電し、放電時に過放電となった電池セルをバイパスし過放電でない電池セルを放電するために、通り道（パス）を決めるためのスイッチと抵抗が設けられている。
【００５０】
図８に示すように、充電時には、充電制御部６７からの信号により、電池セル３４、３５、３６、３７、・・・に対し、スイッチ１０１、１０２、１０３、１０４、・・・の導通／非導通を制御する。
【００５１】
充電制御部６７は、電池パック１３が含む電池セルの数だけ、セル充電制御部を有する。すべてのセル充電制御部は同じ構成をしているので、ここでは、電池セル３４に対する充電を制御するセル充電制御部１２１についてのみ説明する。
【００５２】
セル充電制御部１２１は、コンパレータ１３６と、充電目標電圧発生回路１３２と、測定電圧発生回路１３４と、を有する。
充電目標電圧発生回路１３２は、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ６で、電池セル３４に対し求められた目標電圧（上限）に相当する電圧を発生している。交換予定の電池ブロックに変更がなく、図７のフローチャートが実行される度に、ステップＳ６で、求められた目標電圧（上限）に相当する電圧がこの回路１３２に設定され、出力される。
【００５３】
測定電圧発生回路１３４は、セル電圧・電流収集部６２により最後に（直近の収集タイミングで）電池セル３４に対し収集された電圧を発生している。
コンパレータ１３６は、充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧と、測定電圧発生回路１３４の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル３４に対する充電電流をバイパスさせるかどうかを決めるスイッチ１０１に出力する。
【００５４】
すなわち、コンパレータ１３６は、測定電圧発生回路１３４の出力電圧が充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧以上となったときに、スイッチ１０１を導通させる信号を出力して電池セル３４への充電をバイパスさせて過充電を回避し、測定電圧発生回路１３４の出力電圧が充電目標電圧発生回路１３２の出力電圧より低いときに、スイッチ１０１を非導通にさせる信号を出力して電池セルへの充電を実行する。
【００５５】
これにより、互いに直列に接続された電池セル毎の充電を可能としている。
図９は、図２の電池部、電池監視部、および、電池制御部の放電時の関連部分を示す図である。
【００５６】
電池ブロック３０に対し図４で示されていた、電流センサ３３、電圧センサ５１、・・・、５６や、スイッチ４１−１、・・・、４６−２を含む電流・電圧測定関連ユニットは、図９では省略され、代わりに、電池セル３４、・・・、３７、・・・のより詳細な構成がスイッチ８１、・・・、８４、・・・、１０１、・・・、１０４、・・・、抵抗９１、９２、９３、９４、・・・、を追加することで示されている。また、放電制御部６８の構成がより詳細に示されている。
【００５７】
放電時には、図２のスイッチ２１が負荷１１と導通する側に切り替わり、電池パック１３から負荷１１への放電が行われる。
図９では、電池ブロック３０の内部には、充電時に過充電になった電池セルをバイパスし過充電でない電池セルを充電し、放電時に過放電となった電池セルをバイパスし過放電でない電池セルを放電するために、通り道（パス）を決めるためのスイッチと抵抗が設けられている。
【００５８】
図９に示すように、放電時には、放電制御部６８からの信号により、電池セル３４、３５、３６、３７、・・・に対し、スイッチ８１、８２、８３、８４、・・・、の導通／非導通を制御する。
【００５９】
放電制御部６８は、電池パック１３が含む電池セルの数だけ、セル放電制御部を有する。すべてのセル放電制御部は同じ構成をしているので、ここでは、電池セル３４に対する放電を制御するセル放電制御部１４１についてのみ説明する。
【００６０】
セル放電制御部１４１は、コンパレータ１５６と、放電目標電圧発生回路１５２と、測定電圧発生回路１５４と、を有する。
放電目標電圧発生回路１５２は、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ６で、電池セル３４に対し求められた目標電圧（下限）に相当する電圧を発生している。交換予定の電池ブロックに変更がなく、図７のフローチャートが実行される度に、ステップＳ６で、求められた目標電圧（下限）に相当する電圧がこの回路１５２に設定され、出力される。
【００６１】
測定電圧発生回路１５４には、セル電圧・電流収集部６２により最後に（直近の収集タイミングで）電池セル３４に対し収集された電圧を発生している。
コンパレータ１５６は、放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧と、測定電圧発生回路１５４の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル３４に対する放電をバイパスさせるかどうかを決めるスイッチ８１に出力する。
【００６２】
すなわち、コンパレータ１５６は、測定電圧発生回路１５４の出力電圧が放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧より低くなったときに、スイッチ８１を導通させる信号を出力して電池セル３４からの放電をバイパスさせて過放電を回避し、測定電圧発生回路１５４の出力電圧が放電目標電圧発生回路１５２の出力電圧以上となったときに、スイッチ８１を非導通にさせる信号を出力して電池セル３４からの放電を実行する。
【００６３】
これにより、互いに直列に接続された電池セル毎の放電を可能としている。
そして、交換予定の電池ブロックにおいて、充電時にセル充電制御部により導通させる必要があるスイッチ数（充電をバイパスする電池セルの数）が所定数以上（例えば６個の電池セルのうちの４個以上）になったときや、放電時にセル放電制御部により導通させる必要があるスイッチ数（放電をバイパスする電池セルの数）が所定数以上（例えば６個の電池セルのうちの４個以上）になったときなどに、不図示のユニットにより、車両の運転者に、該当の電池ブロックの交換が必要である旨を示す情報がランプ点灯、音声などで報知される。
【００６４】
なお、以上の説明では、電池ブロック内において、複数の電池セルが直列に接続されていたが、複数の電池セルを並列に接続することも可能である。この場合、図４、図８、図９において、別個に設けられていた充電制御部６７と放電制御部６８は、図１０に示すように、充放電制御部２３０として一体化する。
【００６５】
充放電制御部２３０は、電池ブロック内の並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・の充放電をそれぞれ制御するセル充放電制御部２３１、２３２、・・・を備えている。
【００６６】
電池ブロック内の並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・には、電池セルに対する電流の流れを遮断するかどうかを決めるためのスイッチ１９１、１９２、・・・がそれぞれ設けられている。
【００６７】
充電を行なうか放電を行なうかに応じて、セル充放電制御部２３１、２３２、・・・からの出力信号に基づいて、導通／非導通となるように、それらのスイッチ１９１、１９２、・・・は制御される。
【００６８】
電圧センサ２２１は、電池ブロック内の複数の電池セルのうちの１つ（ここでは、電池セル１８１）の両端の電圧を測定する。各電池セルが並列接続である関係から、残りの電池セル（電池セル１８２、・・・）の測定電圧も、電圧センサ２２１の測定値で代表する。
【００６９】
また、並列に接続された電池セル１８１、１８２、・・・に直列に電流センサ２１１、２１２、・・・が設けられる。電池セル１８１、１８２、・・・の内部抵抗Ｒ１、Ｒ２、・・・は、電圧センサ２２１の測定電圧Ｖを、電流センサ２１１、２１２、・・・の測定電流Ｉ１、Ｉ２、・・・で割って求める（Ｒ１＝Ｖ／Ｉ１、Ｒ２＝Ｖ／Ｉ２、・・・）。
【００７０】
続いて、図１０における充電時と放電時の動作について説明する。
図１０において、充電時には、スイッチ２１が充電装置１２側に切り替わるとともに、各セル充放電制御部内のスイッチ（ここでは、代表して、セル充放電制御部２３１について詳細を示している。セル充放電制御部２３１ではスイッチ２４８）が充電時の制御を行なうコンパレータ（セル充放電制御部２３１ではコンパレータ２４７）側に切り替わる。
【００７１】
コンパレータ２４７は、充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧と、測定電圧発生回路２４５の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル１８１に対する充電電流を遮断するかどうかを決めるスイッチ１９１に出力する。
【００７２】
すなわち、コンパレータ２４７は、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧以上となったときに、スイッチ１９１を非導通させる信号を出力して電池セル１８１への充電を遮断して過充電を回避し、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が充電目標電圧発生回路２４１の出力電圧より低いときに、スイッチ１９１を導通させる信号を出力して電池セル１８１への充電を実行する。
【００７３】
これにより、互いに並列に接続された電池セル毎の充電を可能としている。
図１０において、放電時には、スイッチ２１が負荷１１側に切り替わるとともに、各セル充放電制御部内のスイッチ（ここでは、代表して、セル充放電制御部２３１について詳細を示している。セル充放電制御部２３１ではスイッチ２４８）が放電時の制御を行なうコンパレータ（セル充放電制御部２３１ではコンパレータ２４９）側に切り替わる。
【００７４】
コンパレータ２４９は、放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧と、測定電圧発生回路２４５の出力電圧とを比較し、比較結果の信号を、電池セル１８１からの放電電流を遮断するかどうかを決めるスイッチ１９１に出力する。
【００７５】
すなわち、コンパレータ２４９は、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧より低くなったときに、スイッチ１９１を非導通させる信号を出力して電池セル１８１からの放電を遮断して過放電を回避し、測定電圧発生回路２４５の出力電圧が放電目標電圧発生回路２４３の出力電圧以上となったときに、スイッチ１９１を導通させる信号を出力して電池セル１８１からの放電を実行する。
【００７６】
これにより、互いに並列に接続された電池セル毎の放電を可能としている。
【符号の説明】
【００７７】
１、１３ 電池パック
４、８、２５−１、２５−２、２５−３、２５−４、３０ 電池ブロック
５−１、５−２、５−３、５−４、９−１、９−２、９−３、９−４、３４、３５、３６、３７、３８、３９、１８１、１８２ 電池セル
１１ 負荷
１２ 充電装置
１５ 電池部
１６ 電池監視部
１８ 電池制御部
１９ 走行制御部
２１、２７−１、２７−２、２７−３、２７−４、３１、４１−１、４１−２、４２−１、４２−２、４３−１、４３−２、４４−１、４４−２、４５−１、４５−２、４６−１、４６−２、８１、８２、８３、８４、１０１、１０２、１０３、１０４、１９１、１９２、２４８ スイッチ
３３、２１１、２１２ 電流センサ
５１、５２、５３、５４、５５、５６、２２１ 電圧センサ
６１ ＣＰＵ
６２ セル電圧・電流収集部
６４ メモリ
６７ 充電制御部
６８ 放電制御部
７１ 電池ブロック情報テーブル
７２ 電池セル情報テーブル
７３ ＯＣＶ−ＣＣＶ対応表データ
７４ ＳＯＣ−ＯＣＶ対応表データ
７５ 交換予定ブロック設定プログラム
７６ 電池セル目標ＳＯＣ範囲（電圧範囲）設定プログラム
９１、９２、９３、９４ 抵抗
１２１、１２２、１２３、１２４ セル充電制御部
１３６、１５６、２４７、２４９ コンパレータ
１３２、２４１ 充電目標電圧発生回路
１３４、１５４、２４５ 測定電圧発生回路
１５６、２４３ 放電目標電圧発生回路
２３０ 充放電制御部
２３１、２３２ セル充放電制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる電池劣化均等化システムにおいて、
前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部と、
前記電池監視部からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部と、
を有し、内部抵抗の低い前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロックを構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むようにすることを特徴とする電池劣化均等化システム。
【請求項２】
前記電池制御部は、
前記電池監視部で取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集部と、収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出部と、充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定部と、設定された充放電の目標とする各電圧値で前記電池ブロックの各電池セルに対する充放電を実行する充放電部と、
から成る、ことを特徴とする請求項１に記載の電池劣化均等化システム。
【請求項３】
前記目標電圧設定部は、充電の目標とする電圧値を設定するに際し、充電状態の上限値を基準値から一定量上げて、充電状態と電圧との関係を基に、一定量上げた充電状態の上限値に対応する電圧を求め、
放電の目標とする電圧値を設定するに際し、充電状態の下限値を基準値から一定量下げて、充電状態と電圧との関係を基に、一定量下げた充電状態の下限値に対応する電圧を求める、ことを特徴とする請求項２記載の電池劣化均等化システム。
【請求項４】
複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる電池システムにおける電池劣化均等化方法において、
前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する監視ステップと、
前記監視ステップにおいて監視された各電池セルの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出ステップと、
算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップにおいて、内部抵抗の低い前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロック部を構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むようにすることを特徴とする電池劣化均等化方法。
【請求項５】
前記制御ステップは、
前記監視ステップで取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集ステップと、
収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出ステップと、
充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定ステップと、
設定された充放電の目標とする各電圧値で、前記電池ブロック部の各電池セルに対する充放電を制御する充放電ステップと、を含むことを特徴とする請求項４記載の電池劣化均等化方法。
【請求項１】
複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる電池劣化均等化システムにおいて、
前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する電池監視部と、
前記電池監視部からの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出し、算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する電池制御部と、
を有し、内部抵抗の低い前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロックを構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むようにすることを特徴とする電池劣化均等化システム。
【請求項２】
前記電池制御部は、
前記電池監視部で取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集部と、収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出部と、充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定部と、設定された充放電の目標とする各電圧値で前記電池ブロックの各電池セルに対する充放電を実行する充放電部と、
から成る、ことを特徴とする請求項１に記載の電池劣化均等化システム。
【請求項３】
前記目標電圧設定部は、充電の目標とする電圧値を設定するに際し、充電状態の上限値を基準値から一定量上げて、充電状態と電圧との関係を基に、一定量上げた充電状態の上限値に対応する電圧を求め、
放電の目標とする電圧値を設定するに際し、充電状態の下限値を基準値から一定量下げて、充電状態と電圧との関係を基に、一定量下げた充電状態の下限値に対応する電圧を求める、ことを特徴とする請求項２記載の電池劣化均等化システム。
【請求項４】
複数個の電池セルが直列または直並列に接続された電池ブロック部が着脱可能に備えられる電池システムにおける電池劣化均等化方法において、
前記電池ブロック部の各電池セルの電流および電圧を監視する監視ステップと、
前記監視ステップにおいて監視された各電池セルの電流および電圧を基に、前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出ステップと、
算出された各電池セルの内部抵抗値を基に前記各電池セルが目標とする電圧値を設定し、前記設定された電圧値に向けて充放電を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップにおいて、内部抵抗の低い前記電池セルを選択して劣化を進ませ、前記電池ブロック部を構成する前記各電池セルが均一に劣化が進むようにすることを特徴とする電池劣化均等化方法。
【請求項５】
前記制御ステップは、
前記監視ステップで取得した前記各電池セルの電流および電圧を収集するセル電圧電流収集ステップと、
収集された前記電流および電圧を基に前記各電池セルの内部抵抗値を算出する抵抗算出ステップと、
充放電の電圧値の目標値のバラツキ範囲を示す値が所定の閾値以上であったときに、前記各電池セルの内部抵抗値の平均値以下の内部抵抗値を持つ電池セルに対し、充電の目標とする電圧値を基準値から上げて設定するとともに、放電の目標とする電圧値を基準値から下げて設定する目標電圧設定ステップと、
設定された充放電の目標とする各電圧値で、前記電池ブロック部の各電池セルに対する充放電を制御する充放電ステップと、を含むことを特徴とする請求項４記載の電池劣化均等化方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【公開番号】特開２０１３−８５３１５（Ｐ２０１３−８５３１５Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１４８０（Ｐ２０１１−２２１４８０）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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