CN102738856A - 电池电压控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电池电压控制装置包括：电压检测电路，在通过各个电池单元对电压检测用电容器进行充电之后，输出该电压检测用电容器的端子间电压；电压控制部，获取各个电压检测电路的输出电压作为各个电池单元的电压检测结果，并基于所述电压检测结果，进行各个电池单元的电压平衡控制；以及电荷移动电路，根据所述电压控制部的控制，使电荷从一个电压检测用电容器移动至电荷移动用电容器，并使电荷从所述电荷移动用电容器移动至其他的电压检测用电容器。

Description

电池电压控制装置
本申请基于在2011年3月30日、在日本申请的特愿2011-074933号主张优先权，将其内容援用于此。
技术领域
本发明涉及电池电压控制装置。
背景技术
以往已知，在电动汽车或混合动力汽车等的车辆中，搭载了成为动力源的电动机和对该电动机提供电力的高电压/大容量的电池。该电池将由锂离子电池或者氢镍电池等构成的电池单元(cell)串联连接多个而构成。以往，为了维持电池的性能，监视各个电池单元的单元电压而进行用于将各个单元电压均匀化的电压平衡控制。
以往，已知如下技术：将由旁路电阻和开关元件的串联连接构成的放电电路与各个电池单元并联连接，将连接到过充电状态的电池单元的放电电路的开关元件控制为导通状态，从而将上述过充电状态的电池单元放电而实现单元电压的均匀化(例如，参照日本特开2008-21589号公报以及日本特开2010-88179号公报)。
但是，在以往技术中，为了实现单元电压的均匀化，将储存在过充电状态的电池单元的电荷的一部分通过放电电路来放电。即，在以往技术中，在电池单元中储存的电能的一部分作为热能而白白地消耗，从能量效率的观点出发，需要改善。
发明内容
本发明是鉴于上述的情况而完成的，其目的在于，提供一种电池电压控制装置，其能够实现在电压平衡控制时的能量效率的提高。
为了解决上述目的，本发明的一个方式的电池电压控制装置的特征在于，包括：电压检测电路，具有电压检测用电容器，在通过各个电池单元对该电压检测用电容器进行充电之后，输出该电压检测用电容器的端子间电压；电压控制部，获取各个电压检测电路的输出电压作为各个电池单元的电压检测结果，并基于所述电压检测结果，进行各个电池单元的电压平衡控制；以及电荷移动电路，根据所述电压控制部的控制，使电荷从一个电压检测用电容器移动至电荷移动用电容器，并使电荷从所述电荷移动用电容器移动至其他的电压检测用电容器。
所述电压控制部也可以是如下结构：在基于所述电压检测结果，具有单元电压比其他的电池单元高的第一电池单元的情况下，将通过所述单元电压高的电池单元进行了充电的第一电压检测用电容器决定为电荷的移动源，并控制所述电荷移动电路，使得电荷从该第一电压检测用电容器移动至所述电荷移动用电容器。
所述电压控制部也可以是如下结构：监视所述电荷移动用电容器的端子间电压，在所述第一电压检测用电容器的端子间电压高于所述电荷移动用电容器的端子间电压的情况下，控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述第一电压检测用电容器移动至所述电荷移动用电容器。
所述电压控制部也可以是如下结构：在基于所述电压检测结果，具有单元电压比其他的电池单元低的第二电池单元的情况下，将通过所述第二电池单元进行了充电的第二电压检测用电容器决定为电荷的移动目的地，并控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述电荷移动用电容器移动至所述第二电压检测用电容器。
所述电压控制部也可以是如下结构：监视所述电荷移动用电容器的端子间电压，在所述第二电压检测用电容器的端子间电压低于所述电荷移动用电容器的端子间电压的情况下，控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述电荷移动用电容器移动至所述第二电压检测用电容器。
所述电荷移动用电容器的高电位侧端子也可以经由恢复用开关连接到电源电压线，所述电压控制部也可以是如下结构：在基于所述电压检测结果而判断为全部电池单元处于满充电状态的情况下，将所述恢复用开关控制为导通状态。
根据本发明，由于能够将以往作为热能而白白地消耗的电池单元的电能的一部分、即在电池单元中储存的电荷，使用电压检测用电容器和电荷移动用电容器，从单元电压高(SOC高)的电池单元移动至单元电压低(SOC低)的电池单元而实现单元电压的均匀化，从而能够实现在电压平衡控制时的能量效率的提高。
附图说明
图1是本实施方式的电池电压控制装置1的结构概略图。
图2A是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
图2B是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
图3A是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
图3B是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
图4A是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
图4B是有关电池电压控制装置1的动作的说明图。
标号说明
1电池电压控制装置
B1～BN电池单元
D1～DN单元电压检测电路
M微型计算机(电压控制部)
E电荷移动电路
FC悬浮(フラィング)电容器(电压检测用电容器)
MC电荷移动用电容器
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一实施方式。
图1是本实施方式的电池电压控制装置1的结构概略图。如图1所示，电池电压控制装置1是检测串联连接的N个(例如N＝12)电池单元B1～BN的各个单元电压，并基于该单元电压检测结果而进行各个电池单元B1～BN的电压平衡控制的ECU(电子控制单元)，包括在每个电池单元B1～BN中分别设置的单元电压检测电路D1～DN、电荷移动电路E、微型计算机(电压控制部)M。
各个单元电压检测电路D1～DN全部成为共同的电路结构。即，若将第n个(n为1至N的整数)单元电压检测电路的符号设为Dn，则单元电压检测电路Dn由悬浮电容器(电压检测用电容器)FCn、第一输入开关Sna、第二输入开关Snb、第一输出开关Snc以及第二输出开关Snd构成。
悬浮电容器FCn是用于暂时储存第n个电池单元Bn的端子间电压(单元电压)的电荷的电容器。第一输入开关Sna、第二输入开关Snb、第一输出开关Snc以及第二输出开关Snd例如是MOS-FET(金属氧化物半导体场效应管)等的、由微型计算机M控制其导通/截止状态的开关元件。
电荷移动电路E由电荷移动用电容器MC、N个第一电荷移动用开关SX1～SXN、2个第二电荷移动用开关SY1、SY2、恢复用开关SZ以及2个分压电阻R1、R2构成。电荷移动用电容器MC是用于悬浮电容器之间的电荷的移动的电容器。第一电荷移动用开关SX1～SXN、第二电荷移动用开关SY1、SY2以及恢复用开关SZ例如是MOS-FET等的、由微型计算机M控制其导通/截止状态的开关元件。
悬浮电容器FCn的一个端子经由第一输入开关Sna而连接到电池单元Bn的正极端子，且经由第一输出开关Snc而连接到微型计算机M的第n个单元电压输入端口Pn。此外，该悬浮电容器FCn的一个端子经由第一输出开关Snc和第n个第一电荷移动用开关SXn而连接到电荷移动用电容器MC的一个端子。
悬浮电容器FCn的另一个端子经由第二输入开关Snb而连接到电池单元Bn的负极端子，且经由第二输出开关Snd以及第二电荷移动用开关SY1而连接到电池电压控制装置1内的电源电压线(例如，5V的Vcc线)。此外，该悬浮电容器FCn的另一个端子经由第二输出开关Snd和第二电荷移动用开关SY2而连接到电池电压控制装置1内的公共电位线(例如，地线)。
电荷移动用电容器MC的一个端子除了连接到第一电荷移动用开关SX1～SXN之外，还经由恢复用开关SZ而连接到Vcc线，且连接到分压电阻R1的一端，另一个端子连接到地线。分压电阻R1和分压电阻R2串联连接，分压电阻R2的一端连接到地线。此外，分压电阻R2的高电位侧端子(连接到分压电阻R1的端子)连接到微型计算机M的监视电压输入端口Pm。
以上，着眼于第n个单元电压检测电路Dn而说明了与电荷移动电路E的连接状态，但该连接状态对于全部单元电压检测电路D1～DN来说是共同的。例如，若着眼于第1个(n＝1)单元电压检测电路D1，则悬浮电容器FC1的一个端子经由第一输入开关S1a而连接到电池单元B1的正极端子，且经由第一输出开关S1c而连接到微型计算机M的单元电压输入端口P1。此外，该悬浮电容器FC1的一个端子经由第一输出开关S1c和第一电荷移动用开关SX1而连接到电荷移动用电容器MC的一个端子。
悬浮电容器FC1的另一个端子经由第二输入开关S1b而连接到电池单元B1的负极端子，且经由第二输出开关S1d和第二电荷移动用开关SY1而连接到Vcc线。此外，该悬浮电容器FC1的另一个端子经由第二输出开关S1d和第二电荷移动用开关SY2而连接到地线。由于关于其他的单元电压检测电路D2～DN也是相同的(n代表适用的数字即可)，所以省略说明。
详细地叙述，如上所述那样构成的单元电压检测电路Dn在微型计算机M的开关控制之下，通过电池单元Bn对悬浮电容器FCn充电之后，将该悬浮电容器FCn的端子间电压V_FCn输出到微型计算机M的单元电压输入端口Pn(对于全部单元电压检测电路D1～DN来说相同)。此外，电荷移动电路E在微型计算机M的开关控制之下，使电荷从成为电荷的移动源的悬浮电容器移动至电荷移动用电容器MC，并使电荷从电荷移动用电容器MC移动至成为电荷的移动目的地的悬浮电容器。
微型计算机M是ROM以及RAM等的存储器、CPU(中央处理单元)、A/D变换电路、输入输出接口等一体地组装的微型控制器。该微型计算机M通过控制各个开关的导通/截止状态，从而获取各个单元电压检测电路D1～DN的输出电压(悬浮电容器FC1～FCN的端子间电压)作为各个电池单元B1～BN的电压检测结果，并基于该电压检测结果而进行各个电池单元B1～BN的电压平衡控制。
接着，详细说明如上构成的电池电压控制装置1的动作。
<单元电压检测动作>
首先，说明电池电压控制装置1的单元电压检测动作。图2A和图2B是表示在各个电池单元B1～BN的单元电压检测时的各个开关的导通/截止状态的图。另外，在图2A和图2B中，为了便于说明，仅从图1提取出第一个电池单元B1、单元电压检测电路D1、第二电荷移动用开关SY1、SY2以及微型计算机M，但在单元电压检测时的各个单元电压检测电路D1～DN的开关状态全部相同。
首先，如图2A所示，微型计算机M将单元电压检测电路D1的第一输入开关S1a和第二输入开关S1b控制为导通状态(其他的开关全部为截止状态)。由此，单元电压检测电路D1的悬浮电容器FC1并联连接到电池单元B1，悬浮电容器FC1通过按照图示的路径流过的充电电流I_B1而被充电。然后，若悬浮电容器FC1的端子间电压V_FC1等于电池单元B1的端子间电压(单元电压)V_B1，则悬浮电容器FC1成为满充电状态而完成充电。
微型计算机M若如上所述那样通过电池单元B1对悬浮电容器FC1的充电完成，则如图2B所示，将单元电压检测电路D1的第一输入开关S1a和第二输入开关S1b控制为截止状态，并将第一输出开关S1c、第二输出开关S1d以及第二电荷移动用开关SY2控制为导通状态。由此，悬浮电容器FC1的一个端子连接到微型计算机M的单元电压输入端口P1且另一个端子连接到地线，悬浮电容器FC1的端子间电压V_FC1输出到微型计算机M的单元电压输入端口P1。
微型计算机M获取单元电压输入端口P1的输入电压(悬浮电容器FC1的端子间电压V_FC1)作为第一个电池单元B1的单元电压V_B1，并将该单元电压V_B1通过A/D变换电路而变换为CPU可处理的数字数据之后，作为电池单元B1的单元电压检测结果而存储在内部存储器(例如RAM)中。微型计算机M通过对各个单元电压检测电路D1～DN的全部进行上述的开关控制和信号处理，从而获得各个电池单元B1～BN的单元电压检测结果(V_B1～V_BN)。
<电压平衡控制动作>
接着，说明电池电压控制装置1的电压平衡控制动作。微型计算机M在基于如上所述那样存储在内部存储器中的各个电池单元B1～BN的单元电压检测结果(V_B1～V_BN)，具有单元电压比其他的电池单元高(SOC高)的电池单元的情况下，将通过该单元电压高的电池单元而被充电的悬浮电容器决定作为电荷的移动源。以下，假设悬浮电容器FC1被决定作为电荷的移动源而进行说明。
并且，微型计算机M获取监视电压输入端口Pm的输入电压(分压电阻R2的端子间电压Vm)作为监视电压，并将该监视电压Vm通过A/D变换电路而变换为CPU可处理的数字数据之后，使用下述(1)式，从监视电压Vm计算出电荷移动用电容器MC的端子间电压V_MC。另外，在下述(1)式中，r1是分压电阻R1的电阻值，r2是分压电阻R2的电阻值。
V_MC＝(r1+r2)·Vm/r2......(1)
微型计算机M对如上所述那样计算出的电荷移动用电容器MC的端子间电压V_MC与决定作为电荷的移动源的悬浮电容器FC1的端子间电压V_FC1(即，单元电压V_B1)进行比较，且在V_FC1高于V_MC的情况下，控制电荷移动电路E，使得电荷从决定作为电荷的移动源的悬浮电容器FC1移动至电荷移动用电容器MC。
具体地说，如图3A所示，微型计算机M在V_FC1高于V_MC的情况下，将电荷移动电路E的第一电荷移动用开关SX1和第二电荷移动用开关SY1控制为导通状态，且将第二电荷移动用开关SY2控制为截止状态。由此，悬浮电容器FC1的一个端子连接到电荷移动用电容器MC，另一个端子连接到Vcc线。此时，储存在悬浮电容器FC1中的电荷移动至电荷移动用电容器MC，电荷移动用电容器MC通过按照图示的路径流过的充电电流Ic而被充电。
另一方面，微型计算机M在基于如上所述那样在内部存储器中存储的各个电池单元B1～BN的单元电压检测结果(V_B1～V_BN)，具有单元电压比其他的电池单元低(SOC低)的电池单元的情况下，将通过该单元电压低的电池单元而被充电的悬浮电容器决定作为电荷的移动目的地。以下，假设悬浮电容器FC3被决定作为电荷的移动目的地而进行说明。
微型计算机M对如上所述那样计算出的电荷移动用电容器MC的端子间电压V_MC与决定作为电荷的移动目的地的悬浮电容器FC3的端子间电压V_FC3(即，单元电压V_B3)进行比较，且在V_FC3低于V_MC的情况下，控制电荷移动电路E，使得电荷从电荷移动用电容器MC移动至决定作为电荷的移动目的地的悬浮电容器FC3。
具体地说，如图3B所示，微型计算机M在V_FC3低于V_MC的情况下，将电荷移动电路E的第一电荷移动用开关SX3和第二电荷移动用开关SY2控制为导通状态，且将第二电荷移动用开关SY1控制为截止状态。由此，悬浮电容器FC3的一个端子连接到电荷移动用电容器MC，另一个端子连接到地线。此时，储存在电荷移动用电容器MC中的电荷移动至悬浮电容器FC3，悬浮电容器FC3通过按照图示的路径流过的充电电流Irc而被充电。
充电后的悬浮电容器FC3的端子间电压V_FC3高于电池单元B3的单元电压V_B3。因此，如图4A所示，若下一次实施单元电压检测动作，从而单元电压检测电路D3的第一输入开关S3a和第二输入开关S3b控制为导通状态(其他的开关为截止状态)，则电池单元B3通过按照图示的路径流过的充电电流I_FC3而被充电，电池单元B3的单元电压V_B3上升(即，实现单元电压的均匀化)。
由此，在本实施方式中，由于能够将以往作为热能而白白地消耗的电池单元的电能的一部分、即在电池单元中储存的电荷，使用悬浮电容器FC1～FCN和电荷移动用电容器MC，从单元电压高(SOC高)的电池单元移动至单元电压低(SOC低)的电池单元而实现单元电压的均匀化，从而能够实现在电压平衡控制时的能量效率的提高。
此外，微型计算机M在基于如上所述那样在内部存储器中存储的各个电池单元B1～BN的单元电压检测结果(V_B1～V_BN)，判断为全部电池单元B1～BN成为满充电状态的情况下(即，在不需要进行电压平衡控制的情况下)，将恢复用开关SZ控制为导通状态。由此，如图4B所示，电荷移动用电容器MC的一个端子连接到Vcc线，恢复电流Irg按照图示的路径而流过微型计算机M。即，在不需要进行电压平衡控制的情况下，通过将在电荷移动用电容器MC中储存的电荷、即电能在Vcc中恢复，从而能够实现电池电压控制装置1的省电化。
以上，说明了本发明的一实施方式，但本实施方式到底是一例，在不脱离本发明的意旨的范围内，能够对实施方式的细节进行各种变更是不言而喻的。例如，在上述实施方式中，例示了如图1所示的电路结构的电荷移动电路E，但只要能够使电荷从成为电荷的移动源的悬浮电容器移动至电荷移动用电容器，并使电荷从电荷移动用电容器移动至成为电荷的移动目的地的悬浮电容器，则可以采用任何电路结构。

Claims (6)

1.一种电池电压控制装置，其特征在于，包括：
电压检测电路，具有电压检测用电容器，在通过各个电池单元对该电压检测用电容器进行充电之后，输出该电压检测用电容器的端子间电压；
电压控制部，获取各个电压检测电路的输出电压作为各个电池单元的电压检测结果，并基于所述电压检测结果，进行各个电池单元的电压平衡控制；以及
电荷移动电路，根据所述电压控制部的控制，使电荷从一个电压检测用电容器移动至电荷移动用电容器，并使电荷从所述电荷移动用电容器移动至其他的电压检测用电容器。
2.如权利要求1所述的电池电压控制装置，其特征在于，
在基于所述电压检测结果，具有单元电压比其他的电池单元高的第一电池单元的情况下，所述电压控制部将通过所述第一电池单元进行了充电的第一电压检测用电容器决定为电荷的移动源，并控制所述电荷移动电路，使得电荷从该第一电压检测用电容器移动至所述电荷移动用电容器。
3.如权利要求2所述的电池电压控制装置，其特征在于，
所述电压控制部监视所述电荷移动用电容器的端子间电压，在所述第一电压检测用电容器的端子间电压高于所述电荷移动用电容器的端子间电压的情况下，控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述第一电压检测用电容器移动至所述电荷移动用电容器。
4.如权利要求1所述的电池电压控制装置，其特征在于，
在基于所述电压检测结果，具有单元电压比其他的电池单元低的第二电池单元的情况下，所述电压控制部将通过所述第二电池单元进行了充电的第二电压检测用电容器决定为电荷的移动目的地，并控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述电荷移动用电容器移动至所述第二电压检测用电容器。
5.如权利要求4所述的电池电压控制装置，其特征在于，
所述电压控制部监视所述电荷移动用电容器的端子间电压，在所述第二电压检测用电容器的端子间电压低于所述电荷移动用电容器的端子间电压的情况下，控制所述电荷移动电路，使得电荷从所述电荷移动用电容器移动至所述第二电压检测用电容器。
6.如权利要求1至5的任一项所述的电池电压控制装置，其特征在于，
所述电荷移动用电容器的高电位侧端子经由恢复用开关连接到电源电压线，
所述电压控制部在基于所述电压检测结果而判断为全部电池单元处于满充电状态的情况下，将所述恢复用开关控制为导通状态。
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