JP3676154B2

JP3676154B2 - 組電池の充放電制御方法

Info

Publication number: JP3676154B2
Application number: JP33767599A
Authority: JP
Inventors: 徹水田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: JP2001157366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列に接続している複数の電池モジュールの相対残存容量を演算しながら充放電させる方法に関する。
【０００２】
本明細書において「相対残存容量」は、電池モジュールに充電できる最大の充電容量である最大充電容量に対して、放電できる容量である残存容量の割合を示す値を意味する。
【０００３】
【従来の技術】
複数の電池モジュールを直列に接続している組電池は、各々の電池モジュールの過充電と過放電を防止しながら充放電して、電池の劣化を有効に防止できる。このことを実現するには、各々の電池モジュールの相対残存容量を演算する必要がある。全ての電池モジュールの相対残存容量が、０〜１００％となる範囲で充放電して、過充電と過放電を防止できる。さらに、相対残存容量が、たとえば、２０〜８０％の範囲で使用して、電池性能の低下を極めて少なくできる。
【０００４】
複数の電池モジュールを直列に接続している組電池は、全ての電池モジュールの相対残存容量が同じになるようには充放電できない。充放電させるにしたがって、各々の電池モジュールの最大充電容量と演算された残存容量とにばらつきができるからである。最大充電容量が大きい電池モジュールは、同じ放電量であっても残存容量が大きくなる。全ての電池モジュールを所定の相対残存容量の範囲で充放電させるには、各々の電池モジュールの相対残存容量を正確に検出し、組電池の充放電を制御する必要がある。
【０００５】
各々の電池モジュールの相対残存容量は、各々の電池モジュールの電圧と電流を検出して演算できる。また、電池電圧を検出して、電池が満充電され、あるいは完全に放電されたことも検出できる。完全に放電した電池モジュールを満充電されるまで充電するとき、充電電流の積算値に充電効率をかけて最大充電容量を検出できる。また、満充電した電池を完全に放電するときの放電電流の積算値で電池モジュールの最大充電容量を検出できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方法で各々の電池モジュールの相対残存容量を検出する方法は、全ての電池モジュールの過充電と過放電を防止しながら、各々の電池モジュールの最大充電容量を正確に検出できない欠点がある。それは、最大充電容量に差がある電池モジュールを直列に接続して充電すると、最大充電容量が小さい電池モジュールが先に満充電されるので、最大充電容量が大きい電池モジュールが満充電されるまで充電すると、最大充電容量の小さい電池モジュールが過充電されるからである。
【０００７】
反対に、最大充電容量に差がある電池モジュールを直列に接続して放電すると、最大充電容量が小さい電池モジュールが先に完全に放電されるので、最大充電容量が大きい電池モジュールが完全に放電されるまで放電すると、最大充電容量の小さい電池モジュールが過放電される。
【０００８】
本発明は、従来のこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、各々の電池モジュールの過充電と過放電を防止して、各々の電池モジュールの相対残存容量を正確に校正できる組電池の充放電制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の充放電制御方法は、直列に接続された複数の電池モジュールの相対残存容量を演算しながら充放電する。さらに、充放電制御方法は、充放電しているいずれかひとつの電池モジュールが校正ポイントに達するときに、該ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を、校正ポイントの標準容量に校正する。さらに、他の電池モジュールの演算された相対残存容量も、標準容量から前記ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を減算した校正値を加算して校正する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための組電池の充放電制御方法を例示するものであって、本発明は充放電制御方法を以下のものに特定しない。
【００１３】
図１は、本発明の充放電制御方法に使用する回路を示している。この図の装置は、組電池１と、この組電池１の相対残存容量を検出すると共に、組電池１の充放電を制御する充放電制御装置３と、充放電制御装置３で検出した相対残存容量を表示する残存容量表示器４とを備える。
【００１４】
本発明の充放電制御方法は、電気自動車に使用される。ただ、電気自動車以外の用途にも使用できる。電気自動車に使用される組電池は、多数の二次電池を直列に接続している。二次電池は、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、またはリチウムイオン二次電池等である。
【００１５】
充放電制御装置３は、演算回路５と制御回路６と劣化情報記憶回路７を内蔵している。演算回路５は、電池の電圧と、電流と、温度を検出して相対残存容量を演算する。相対残存容量は、各々の電池モジュール２に充電できる最大の容量である最大充電容量に対する残存容量で演算される。電池の温度は温度センサーで検出される。この温度センサーは、各々の電池モジュール２に接近して配設され、あるいは各々の電池モジュール２に接触して設けられる。電池に流れる電流は、電池と直列に接続している電流検出抵抗（図示せず）に発生する電圧を増幅して検出する。充電電流と放電電流は、電流検出抵抗に発生する＋−が逆になるので、＋−の極性で充電と放電を識別できる。複数の二次電池を直列に接続している組電池は、各々の二次電池の電圧と温度とを別々に検出し、あるいは、複数の二次電池を直列に接続した電池モジュール２を１ユニットとして、電圧と温度を検出する。
【００１６】
演算回路５は、劣化情報記憶回路７に記憶される劣化情報から、あるいは、所定の時間間隔で、満充電した電池モジュール２を完全に放電し、あるいは、完全に放電した電池モジュール２を満充電して、電池の最大充電容量を演算する。劣化情報から最大充電容量を演算する方法は、電池モジュール２を満充電する必要がなく、また、完全に放電する必要もなく、速やかに最大充電容量を演算できる。
【００１７】
劣化情報から最大充電容量を演算するには、たとえば、電池モジュール２の内部抵抗を検出して、内部抵抗から最大充電容量を演算する。電池モジュール２は劣化すると内部抵抗が大きくなると共に、最大充電容量が減少する。電池モジュール２の内部抵抗は、劣化する状態と関連しているので、内部抵抗から最大充電容量を演算することができる。内部抵抗に対する劣化情報は劣化情報記憶回路７に記憶させる。演算回路５は、電池モジュール２の内部抵抗を検出し、この内部抵抗を劣化情報に比較して、最大充電容量を演算する。
【００１８】
電池モジュール２の内部抵抗は、電池モジュール２に流れる電流と電圧から検出できる。内部抵抗による電圧降下が、電池モジュール２の出力電圧を低下させるからである。内部抵抗による電圧降下は、電池モジュール２に電流を流さないときの出力電圧と、電池モジュール２に所定の電流を流す状態での出力電圧との差から演算できる。電圧降下を電流で割ると内部抵抗が演算される。
【００１９】
さらに、演算回路５は、所定のタイミングになると、全ての電池モジュール２を満充電した状態から完全に放電されるまで放電して最大充電容量を演算することもできる。この方法で最大充電容量を演算する方法は、たとえば、メモリ効果で一時的に最大充電容量が減少する電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池に適している。満充電した電池を完全に放電して最大充電容量を演算するときに、メモリ効果による容量の一時的な減少を回復できるからである。電池を満充電して完全に放電させる演算回路５は、充放電制御装置３を制御して、電池を満充電した後、完全に放電する。そして、満充電された電池が完全に放電されるまでの放電電流を積算して最大充電容量を演算する。
【００２０】
満充電した電池を完全に放電させて最大充電容量を演算する演算回路５は、タイマーで最大充電容量を検出するタイミング、すなわち、最大容量検出タイミングを設定している。タイマーが、最大容量検出タイミングになると、電池を満充電し、その後完全に放電して最大充電容量を演算する。
【００２１】
以上の方法で最大充電容量を検出する方法は、最大充電容量の小さい電池モジュール２を過充電し、あるいは過放電させる可能性がある。ただし、この方法は、実際には、電池モジュール２を相対残存容量が１００％となるまで満充電することなく、また、相対残存容量が０％になるまでは完全に放電しないで、最大充電容量を演算できるので、必ずしも最大充電容量の小さい電池モジュール２を過充電し、あるいは過放電するとは限らない。それは、たとえば、電池モジュール２の相対残存容量が８０％程度となり、あるいは２０％程度となったことが、電池電圧を検出して比較的正確に検出できるからである。
【００２２】
たとえば、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池を急速充電すると、充電電流により変化するが、相対残存容量が約８０〜９０％となったときに、電池電圧がピーク電圧となる。このため、電池モジュール２の相対残存容量が８０〜９０％となったことは正確に検出できる。また、相対残存容量が１０〜２０％に減少したことも、放電電流によって変化するが比較的正確に検出できる。このため、電池モジュールを満充電に近い状態まで充電して、完全放電に近い状態まで放電して、最大充電容量を検出できるので、この方法によっても、必ずしも最大充電容量の小さい電池モジュールを過充電し、あるいは過放電することはない。ただ、この方法は、最大充電容量の小さい電池モジュールを、深く充放電するので、電池を極めて長寿命に使用することからすると、決して好ましくないので、誤差が問題にならないかぎり、長い時間間隔で検出するのがよい。
【００２３】
さらに、満充電した電池を完全に放電して最大充電容量を演算する演算回路５は、相対残存容量が放電上限値となる回数が設定された回数となり、あるいは、充電下限値となる回数が設定された回数となるタイミングに、最大充電容量を演算することもできる。この方法は、電池の相対残存容量が設定された回数だけ充電下限値になったときに、充電下限値を越えて電池を満充電し、その後に完全に放電して最大充電容量を検出することができる。また、電池の相対残存容量が充電下限値に達する回数が設定された値になるときに、放電上限値を越えて電池を完全に放電させて、最大充電容量を演算し、また、演算している相対残存容量を補正することもできる。
【００２４】
さらに、図に示す演算回路５は、充電容量から放電容量を減算して、残存容量を演算する。充電容量は、充電電流の積算値と充電効率との積で演算される。放電容量は放電電流の積算値で演算できる。残存容量が演算されると、残存容量／最大充電容量で相対残存容量を演算する。
【００２５】
以上の方法で、演算回路５は相対残存容量を演算するが、演算された相対残存容量は、時間が経過すると誤差が累積して大きくなる。相対残存容量の誤差は、たとえば、電池モジュール２のばらつきによる充電効率の変動等が原因で発生する。充電効率は常に一定の値ではなく、たとえば、電池モジュール２の温度や、満充電に近くなった電池の発熱量等で変化する。
【００２６】
演算回路５は、各々の電池モジュール２の相対残存容量を校正して、累積誤差を少なくする。演算回路５は、組電池１を充電するときと、放電するときに相対残存容量を校正する。ただ、充電するときのみ、あるいは放電するときのみに相対残存容量を校正することもできる。
【００２７】
組電池１を充電して電池モジュール２の相対残存容量を校正する方法は、組電池１を充電しているときに、いずれかひとつの特定電池モジュールが充電校正ポイントに達すると、特定電池モジュールの相対残存容量を充電校正ポイントの容量に校正する。充電校正ポイントの容量は、たとえば８０〜９０％とする。ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池は、急速充電されると、相対残存容量が８０〜９０％となるときに、電池電圧がピーク電圧となってこの状態を正確に検出できる。また、リチウムイオン二次電池は、相対残存容量の増加と共に電池電圧が上昇するので、電池電圧を検出して、充電校正ポイントの容量を正確に特定できる。
【００２８】
特定電池モジュールが充電校正ポイントに達すると、この電池モジュールの相対残存容量を充電校正ポイントの標準容量に校正すると共に、他の電池モジュールの相対残存容量も、同じ校正値で校正する。たとえば、特定電池モジュールが８０％の充電校正ポイントに達したとき、演算された相対残存容量が７５％であると、校正値である＋５％加算して８０％に校正される。したがって、他の電池モジュールも、演算した相対残存容量に同じ校正値の＋５％を加算して校正する。たとえば、他の電池モジュールの演算した相対残存容量が７３％、７２％、７１％であったとすると、これ等の電池モジュールの相対残存容量は、順番に７８％、７７％、７６％に校正する。ただし、校正された相対残存容量が１００％を越えるときは、１００％に校正する。
【００２９】
組電池１を放電して電池モジュール２の相対残存容量を校正する方法は、組電池１を放電しているときに、いずれかひとつの特定電池モジュールが放電校正ポイントに達すると、特定電池モジュールの相対残存容量を放電校正ポイントの標準容量に校正する。放電校正ポイントの標準容量は、たとえば１０〜２０％とする。放電校正ポイントに達したことは、電池モジュールの電圧を検出して判定する。
【００３０】
特定電池モジュールが放電校正ポイントに達すると、この電池モジュールの相対残存容量を放電校正ポイントの標準容量に校正すると共に、他の電池モジュールの相対残存容量も、同じ校正値で校正する。たとえば、特定電池モジュールが２０％の放電校正ポイントに達したとき、演算された相対残存容量が２３％であると、校正値である−３％を加算して２０％に校正される。したがって、他の電池モジュールも、演算した相対残存容量に同じ校正値の−３％を加算して校正する。たとえば、他の電池モジュールの演算した相対残存容量が２２％、２１％であったとすると、これ等の電池モジュールの相対残存容量は、順番に１９％、１８％と校正する。ただし、校正された相対残存容量が０％未満のときは、０％に校正する。
【００３１】
図２は、演算回路５が最大充電容量を校正するフローチャートを示している。このフローチャートは以下のステップで、演算された相対残存容量を校正する。
［Ｓ１のステップ］
このステップで、演算回路５は各々の電池モジュール２の電流と電圧と温度を検出する。
［Ｓ２のステップ］
このステップで、演算回路５は、いずれかの電池モジュール２が校正ポイントに達したかどうかを判定する。いずれかの電池モジュール２が校正ポイントに達するまでＳ１とＳ２のステップをループする。
［Ｓ３のステップ］
特定電池モジュールが校正ポイントに達すると、校正ポイントの標準容量（校正ＳＯＣ）から、特定電池モジュールの演算された相対残存容量（検出モジュールのＳＯＣ）を減算して、校正ポイントの容量との差である校正値（ＳＯＣ差分値）を演算する。
［Ｓ４、５のステップ］
全ての電池モジュール２の演算された相対残存容量に、校正値を加算して校正する。
［Ｓ６、７のステップ］
校正した修正ＳＯＣが１００％を越えると、１００％に修正する。
［Ｓ８、９のステップ］
校正した修正ＳＯＣが０％以下になると、０％に修正する。
［Ｓ１０のステップ］
以上のステップを繰り返し処理して終了する。
【００３２】
以上のフローチャートは、全ての電池モジュール２の演算された相対残存容量に校正値を加算して校正している。ただし、演算回路５は、かならずしも全て電池モジュール２の演算された相対残存容量に校正値を加算して校正する必要はない。たとえば、充電するときに、相対残存容量が大きい順に半分の電池モジュールの相対残存容量を校正し、放電するときに相対残存容量が小さい半分の電池モジュールの相対残存容量を校正することもできる。
【００３３】
演算回路５は、制御回路６を制御して組電池１を充放電させる。演算回路５は制御回路６を制御して、全ての電池モジュール２の相対残存容量が、放電上限値よりも大きく、充電下限値よりも小さくなる範囲、すなわち、充放電許容範囲となるように充放電させる。放電上限値と充電下限値は演算回路５に内蔵される半導体メモリ等の記憶素子（図示せず）に記憶している。
【００３４】
放電上限値は、電池モジュール２を放電させるときに、電池の劣化を最小にできる値、たとえば、最大充電容量の１０〜４０％、さらに好ましくは２０〜３０％に設定する。放電上限値を低く設定するほど、実際に電池を放電できる容量が増加する。反対に放電上限値を高くすると、電池の実質放電容量は少なくなるが、電池の劣化を少なくできる。
【００３５】
充電下限値は、満充電された状態よりも相対残存容量が小さくなる状態であって、電池を充電するときの劣化を最小にできる値、たとえば、最大充電容量の６０〜９０％、好ましくは７０〜８０％に設定する。充電下限値を高く設定するほど、実際に電池を充電できる容量は増加する。反対に充電下限値を低くすると、電池の実質放電容量は少なくなるが、電池の劣化を少なくできる。
【００３６】
放電上限値と充電下限値は、電池に要求される寿命と要求される放電容量とを考慮して前述の範囲で最適に設定される。さらに、演算回路５は、放電上限値と充電下限値を一定の値とはしないで、電池の最大充電容量によって、放電上限値と充電下限値を変更することもできる。この方法は、電池の実質的に放電できる容量を大きく保持しながら、電池の劣化を少なくするためである。
【００３７】
図３は、最大充電容量によって放電上限値と充電下限値を変更する状態を示している。この図に示すように、電池の最大充電容量が矢印で示すように減少すると、演算回路５は、放電上限値を小さく、充電下限値を大きくして、充放電許容範囲を広げる。この図において、演算回路５は、最大充電容量が減少すると、放電上限値を最大充電容量の３０％から２０％に変更して、充電下限値を７０％から８０％に変更する。
【００３８】
以上のように、放電上限値と充電下限値を変更すると、電池の最大充電容量が２／３に減少しても、実質的に充放電できる容量は減少しない。最大充電容量が減少したときに、どの程度に放電上限値と充電下限値を変更するかは、電池の用途、電池の種類、最大充電容量、放電電流、充電電流等を考慮して最適値とする。ただし、いかなる用途においても、放電上限値は完全に電池が放電されず、また充電下限値は最大充電容量の１００％よりも小さく設定される。電池の急激な劣化を防止するためである。
【００３９】
残存容量表示器４は、演算回路５から出力される相対残存容量を、液晶等のモニタに表示し、あるいは、発光ダイオードの点数や発光色で表示する。残存容量表示器４は、最大充電容量に対する相対値として相対残存容量を表示する。
【００４０】
制御回路６は、演算回路５に制御されて電池の充放電を制御する。制御回路６は、電池の相対残存容量が充放電許容範囲にあるときは、放電スイッチと充電スイッチの両方をオンにして、充電と放電を許容する。相対残存容量が放電上限値以下になると、放電スイッチをオフにして放電を禁止し、充電スイッチをオンにして充電を許容する。また、電池の相対残存容量が充電下限値以上になると、放電スイッチをオンにして放電を許容し、充電スイッチをオフにして充電を禁止する。
【００４１】
放電上限値と充電下限値は、最大充電容量によって変化するので、制御回路６は、演算回路５からの信号に制御されて、電池を充放電許容範囲で充放電させる。
【００４２】
以上詳述したように、図の回路は、電池モジュール２の最大充電容量を演算回路５で検出し、電池モジュール２の最大充電容量によって放電上限値と充電下限値とを変更し、電池の相対残存容量が充放電許容範囲になるように、制御回路６で組電池１の充放電を制御する。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の組電池の充放電制御方法は、各々の電池モジュールの過充電と過放電を防止しながら、各々の電池モジュールの相対残存容量を正確に校正できる特長がある。それは、本発明の充放電制御方法が、充放電しているいずれかひとつの電池モジュールが校正ポイントに達すると、該ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を校正ポイントの標準容量に校正して、他の電池モジュールの演算された相対残存容量も、標準容量から前記ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を減算した校正値を加算して校正するからである。この方法で各々の電池モジュールの相対残存容量を校正する方法は、いずれかひとつの電池モジュールが校正ポイントまで充電され、あるいは放電されると、充電や放電を停止するので、最大充電容量の小さい電池モジュールが過充電されたり、あるいは過放電されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の組電池の充放電制御方法に使用する回路を示す回路図
【図２】演算回路が最大充電容量を校正する工程を示すフローチャート図
【図３】最大充電容量によって放電上限値と充電下限値を変更する状態を示すグラフ
【符号の説明】
１…組電池
２…電池モジュール
３…充放電制御装置
４…残存容量表示器
５…演算回路
６…制御回路
７…劣化情報記憶回路

Claims

直列に接続された複数の電池モジュールを、相対残存容量を演算しながら充放電し、校正ポイントにて電池モジュールの電圧に対応した標準容量に校正する方法において、
充放電しているいずれかひとつの電池モジュールの電圧が校正ポイントに達すると、該ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を校正ポイントの標準容量に校正すると共に、他の電池モジュールの演算された相対残存容量を、標準容量から前記ひとつの電池モジュールの演算された相対残存容量を減算した校正値を加算して校正することを特徴とする組電池の充放電制御方法。