CN102969748A - 电池组的充电控制装置以及充电控制方法 - Google Patents

Abstract

电池组的充电控制装置以及充电控制方法。即便不使用额定功率较大的电阻也能够在短时间内使各电池的电压均衡。电池组的充电控制装置具有：放电电路，其分别与电池组的各电池并联连接；电压检测电路，其检测各电池的电压；以及控制部，其根据电压检测电路的输出，判别需要抑制充电的电池，并控制放电电路。放电电路由电阻和晶体管的串联电路构成，晶体管设为导通，由此使与该晶体管对应的电池放电。控制部进行以下控制：在需要抑制充电的电池的电压低于基准电压的情况下，使与该电池对应的晶体管在第1期间导通，在需要抑制充电的电池的电压为基准电压以上的情况下，使与该电池对应的晶体管在比第1期间短的第2期间导通。

Description

电池组的充电控制装置以及充电控制方法

技术领域

本发明涉及用于减小构成电池组的各电池的电压的偏差的充电控制技术。

背景技术

例如在电动汽车中安装有作为行驶用电动机或车载设备的电源的高电压电池。该高电压电池一般由串联连接了多个锂离子电池等二次电池的所谓电池组构成。在这种电池组中，由于各电池特性的偏差，各电池之间可以放电的电量（以下称为“放电容量”）不同。此外，在二次电池的情况下，过充电或过放电会导致电池寿命下降，因此，如果构成电池组的电池中的1个成为充电完成状态或放电完成状态，则作为电池组整体，需要停止充电动作或放电动作。

因此，在放电时，当放电容量最小的电池完成放电时，在其他的电池的放电未完成的状态下，电池组整体的放电动作停止。另一方面，在充电时，在放电时完全放电的电池还未成为充电完成状态时，放电时未完全放电的电池先成为充电完成状态，在该时刻电池组整体的充电动作停止。如果这样的动作反复，则放电容量较小的电池总是充电不足，电池组整体的放电容量下降。

作为该对策，例如专利文献1～5中记载的那样，公知有以下方法：将由开关元件和电阻的串联电路构成的放电电路与构成电池组的各电池并联连接，根据各电池的充电状态，控制开关元件的导通/截止（ON/OFF）。根据该方法，对于电压较高的电池，开关元件被设为导通，充电被抑制，对于电压较低的电池，开关元件成为截止，优先进行充电。由此，能够均衡地对各电池充电，能够抑制电池组整体的放电容量下降。

此外，在专利文献6中记载了以下充放电控制技术：为构成电池组的各电池设置转换器，根据各电池的电压，通过PWM信号使该转换器的开关元件导通/截止。据此，通过调整PWM信号的占空比，能够使各电池的输出均等。

图5是示意地示出了电池组的充电控制的图。（a）表示充电前的状态，（b）表示充电中的状态，（c）表示充电完成后的状态。如（a）所示，当从各电池B1～B4的电压各不相同的状态下开始充电时，如（b）所示，各电池B1～B4的电压逐渐上升。此时，对于电压比由虚线示出的目标电压（此处为最低的电池B3的电压）高的电池B1、B2、B4，将开关元件设为导通进行放电，由此抑制充电。另一方面，对于电池B3，将开关元件设为截止状态。因此，电池B3优先被充电。然后，最终如（c）所示，当电压最高的电池B2充满电时，其他电池的充电也结束。在该状态下，各电池B1～B4的电压的偏差较小。

此外，在使开关元件为导通而进行放电的情况下，在与开关元件串联连接的电阻中流过放电电流，因此该电阻发热。因此，当流过过多的放电电流时，有时电阻成为高温而烧损。因此，在温度较高的区域中，不对电阻施加100%的额定功率，而是以温度越高越减小向电阻施加的功率的方式进行使用。

具体而言，图6是电阻的负载减轻曲线的一例，横轴示出温度，纵轴示出额定功率比。额定功率比是电阻的额定功率为100%时的可以向该电阻施加的功率的比例。在该例中，到温度为70℃为止，可以向电阻施加100%的额定功率，但当温度超过70℃时，随着温度上升，可以向电阻施加的功率减少。例如，当温度为100℃时，额定功率比为50%，可以施加的功率为额定功率的一半。

由此，可以施加到电阻的功率由于温度而受到限制，因此，电阻中流过的电流也被限制。另一方面，从在短时间内使电池组的各电池的电压均衡的观点来看，优选尽量多地在电阻中流过放电电流。但是，为此需要使用额定功率较大的电阻。在图6的例中，为了在100℃时流过与使用额定功率时相同的电流，需要具有2倍的额定功率的电阻。

专利文献1：日本特开平6-253463号公报

专利文献2：日本特开平8-19188号公报

专利文献3：日本特开2000-83327号公报

专利文献4：日本特开平7-264780号公报

专利文献5：日本特开2002-233069号公报

专利文献6：日本特开2010-148242号公报

发明内容

本发明的课题在于提供一种电池组的充电控制装置以及充电控制方法，即便不使用额定功率较大的电阻也能够在短时间内使各电池的电压均衡。

本发明的电池组的充电控制装置具有：放电电路，其由分别与电池组的各电池并联连接的、电阻和开关元件的串联电路构成，该放电电路通过将开关元件设为导通，使与该开关元件对应的电池放电；电压检测单元，其检测电池组的各电池的电压；以及控制单元，其根据由电压检测单元检测到的各电池的电压，判别需要抑制充电的电池，使与该电池对应开关元件导通。控制单元进行以下控制：在需要抑制充电的电池的电压低于预先决定的基准电压的情况下，使与该电池对应的开关元件在第1期间导通，在需要抑制充电的电池的电压为基准电压以上的情况下，使与该电池对应的开关元件在比第1期间短的第2期间导通。

由此，在充电开始之后，各电池的电压低于基准电压，因此开关元件的导通期间变长，电阻中流过大量放电电流。由此，抑制电压较高的电池的充电，电压较低的电池优先进行充电，因此，能够在较早的阶段纠正电池间的电压的偏差。另一方面，当充电开始并经过一段时间后，各电池的电压变为基准电压以上，开关元件的导通期间缩短，电阻中流过的放电电流减少。结果，电阻中的消耗功率变小，抑制了电阻的发热。由此，根据电池的电压来切换开关元件的导通期间，在充电刚开始后电阻中流过大量放电电流，继续充电后放电电流减少，因此，可以使用额定功率较小的电阻，在短时间内使电池间的电压均衡。

在本发明中，控制单元可以通过脉冲宽度调制信号控制开关元件。该情况下，通过使脉冲宽度调制信号的占空比变化，来切换第1期间和第2期间。

此外，在本发明中，控制单元可以进行以下控制：根据由电压检测单元检测到的各电池的电压，设定目标电压，在未对各开关元件进行导通/截止控制的状态下，当任意一个电池的电压为目标电压加上一定值得到的电压以上时，使与该电池对应的开关元件在第1期间或第2期间导通，在对各开关元件进行导通/截止控制的状态下，当与在第1期间或第2期间导通的开关元件对应的电池的电压低于目标电压时，将与该电池对应的开关元件设为截止。

此外，在本发明中，基准电压由第1基准电压和比该第1基准电压低的第2基准电压构成，控制单元可以进行以下控制：当与导通期间为第1期间的开关元件对应的电池的电压为第1基准电压以上时，将该开关元件的导通期间切换为第2期间，当与导通期间为第2期间的开关元件对应的电池的电压低于第2基准电压时，将该开关元件的导通期间切换为第1期间。

在本发明的电池组的充电控制方法中，检测电池组的各电池的电压，根据检测到的各电池的电压，判别需要抑制充电的电池，在需要抑制充电的电池的电压低于预先决定的基准电压的情况下，使与该电池对应的开关元件在第1期间导通，在需要抑制充电的电池的电压为基准电压以上的情况下，仅使与该电池对应的开关元件在比第1期间短的第2期间导通。

根据本发明，充电刚开始后电阻中流过大量放电电流，继续充电后放电电流减少，因此，即便不使用额定功率较大的电阻，也可以在短时间内使各电池的电压均衡。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的框图。

图2是表示充电控制的步骤的流程图。

图3是表示占空比切换的步骤的流程图。

图4是PWM信号的波形图。

图5是示意地示出电池组的充电控制的图。

图6是示出电阻的负载减轻曲线的图。

标号说明

1：充电控制装置

2：电池组

3：充电电路

10：放电电路

11：电阻

12：晶体管

13：电压检测电路

14：控制部

21：电池

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下，以将本发明应用于安装在电动汽车上的电池组的情况为例进行说明。

首先，参照图1，对实施方式的结构进行说明。在图1中，充电控制装置1设置在电池组2与充电电路3之间，控制电池组2的充电。电池组2由串联连接的多个电池21构成。各电池21由例如锂离子电池那样的二次电池构成。在充电控制装置1与充电电路3之间设置有接触器4。

充电控制装置1对应电池组2的各电池21，具有：放电电路10，其由电阻11和晶体管12的串联电路构成；以及电压检测电路13，其检测电池21的电压。此外，在各放电电路10和各电压检测电路13中设置有通用的控制部14。控制部14由CPU和存储器等构成。晶体管12是本发明中的“开关元件”的一例，电压检测电路13是本发明中的“电压检测单元”的一例。控制部14是本发明中的“控制单元”的一例。

放电电路10与电池21并联连接，通过将晶体管12设为导通，来使与该晶体管12对应的电池21放电。电阻11的一端与电池21的正极连接，电阻11的另一端与晶体管12的集电极连接。晶体管12的发射极与电池21的负极连接，晶体管12的基极与控制部14连接。电压检测电路13连接在电池21的正极与负极的之间。电压检测电路13的输出被提供给控制部14。

如后所述，控制部14根据电压检测电路13的检测电压来控制晶体管12。此外，控制部14向充电电路3提供充电开始或充电停止的指令，并且，进行在充电开始时将接触器4设为导通（闭状态）、在充电停止时将接触器4设为截止（开状态）的控制。进而，控制部14与未图示的上位装置之间进行通信。

接着，对充电控制装置1进行的充电控制的概要进行说明。控制部14根据来自上位装置的指令，对充电电路3输出充电开始指令，并且，将接触器4设为导通。由此，从充电电路3经由接触器4对电池组2进行充电。充电开始后，各电池21的电压逐渐上升，但如前面所述，在电池间存在电压的偏差。控制部14根据各电压检测电路13的输出，监视各电池21的电压，判别需要抑制充电的电池。例如，将电压比由电压检测电路13检测到的电压中的最小电压高的电池判别为需要抑制充电的电池。

而且，控制部14使与被判别为需要抑制充电的电池21对应的放电电路10的晶体管12在规定时间为导通。该情况下，从控制部14向晶体管12的基极提供PWM（Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制）信号，在该信号为H（High）电平期间，晶体管12为导通状态。当晶体管12导通时，形成基于电阻11和晶体管12的放电路径，因此，电池21的充电被抑制。另一方面，对不需要抑制充电的电池21，晶体管12设为截止，因此优先进行充电。

此外，在本实施方式中，控制部14在将晶体管12设为导通时，使PWM信号的占空比变化，由此将晶体管12的导通期间在2个阶段切换。即，从开始充电到电池电压达到某个基准值为止，将PWM信号的占空比设为例如70%，晶体管12的导通期间变长。然后，继续充电，当电池电压达到某个基准值时，将PWM信号的占空比变更为例如30%，晶体管12的导通期间缩短。

由此，在刚开始充电不久而电池电压较低的阶段中，晶体管12的导通期间较长，经由电阻11流过大量放电电流。结果，抑制了电压较高的电池的充电，电压较低的电池优先进行充电，因此，能够在较早的阶段纠正电池间电压的偏差，实现各电池21的电压的均等化。另一方面，在开始充电并经过一段时间后，在电池的电压变高的阶段中，晶体管12的导通期间缩短，流过电阻11的放电电流减少（在该阶段中，电压均等化，因此即便放电电流减少也没有问题）。结果，电阻11中的消耗功率减小，抑制了电阻11的发热。因此，电阻11是额定功率较小的电阻即可。

如上所述，在本实施方式中，当电池21的电压较低时，电阻11中流过大量的放电电流，当电池21的电压变高时，使电阻11中流过的放电电流减少。由此，即使使用额定功率较小的电阻11，也可以在短时间内使各电池21的电压均等。

下面，列举具体例子对电阻11的额定功率进行说明。首先，考虑不使放电电流变化的情况（以往方式）。现在，将周围温度设为85℃，将电阻11的自发热产生的温度设为15℃，为了简单起见，将85℃+15℃=100℃设为电阻11的温度。此外，将电阻11中流过的放电电流与电池21的电压（以下称为“电池单元电压”。）无关地设为0.1〔A〕。

在上述条件下，在例如电池单元电压为2.5〔V〕的情况下，电阻11中的消耗功率为2.5〔V〕×0.1〔A〕=0.25〔W〕。如果电阻11的负载减轻曲线为图6所示那样的话，则电阻温度为100℃时的额定功率比为50%。即，额定功率×50%=0.25〔W〕，因此，作为电阻11，需要额定功率为0.5〔W〕的电阻。

此外，在例如电池单元电压为4.0〔V〕的情况下，电阻11中的消耗功率为4.0〔V〕×0.1〔A〕=0.4〔W〕。即，额定功率×50%=0.4〔W〕，因此，作为电阻11，需要额定功率为0.8〔W〕以上的1.0〔W〕的电阻。

因此，在以往方式中，其结果为，需要选定额定功率为1.0〔W〕的电阻11。

接着，考虑使放电电流发生变化的情况（本发明）。现在，将周围温度设为85℃，将电阻11自发热产生的温度设为15℃，为了简单起见，将85℃+15℃=100℃设为电阻11的温度。此外，在电池单元电压为2.5〔V〕的情况下，将电阻11中流过的放电电流设为0.1〔A〕，在电池单元电压为4.0〔V〕的情况下，将电阻11中流过的放电电流设为0.06〔A〕。

在上述条件下，在电池单元电压为2.5〔V〕的情况下，电阻11中的消耗功率为2.5〔V〕×0.1〔A〕=0.25〔W〕。此外，根据图6的负载减轻曲线，电阻温度为100℃时的额定功率比为50%。即，额定功率×50%=0.25〔W〕，因此，作为电阻11，需要额定功率为0.5〔W〕的电阻（这与以往方式相同）。

另一方面，在电池单元电压为4.0〔V〕的情况下，电阻11中的消耗功率为4.0〔V〕×0.06〔A〕=0.24〔W〕。即，额定功率×50%=0.24〔W〕，因此，作为电阻11，需要额定功率为0.48〔W〕以上的0.5〔W〕的电阻。

因此，在本发明的情况下，结果为只要选定额定功率为0.5〔W〕的电阻11即可。由此，通过使用额定功率较小的电阻，能够降低成本。

接着，根据流程图详细地说明充电控制装置1的充电控制。

图2是表示充电控制步骤的流程图。通过构成控制部14的CPU来执行各步骤。以下，将控制部14对各晶体管12进行导通/截止控制而使各电池21间电压均等的情况称为“电压平衡动作”。

在步骤S1中，根据各电池21的电池单元电压，设定目标电压。将目标电压设定为例如由电压检测电路13检测到的电池单元电压中的最低的电池单元电压。但是，目标电压的设定方法不仅限于此。例如，也可以像专利文献3中记载的那样，将电池单元电压的平均值设定为目标电压。

在步骤S2中，针对每个电池21判定电池单元电压是否为异常电压以下。异常电压是指相当于电池21被过充电的情况下的电压（比充满电时的电压高的电压）的高电压。判定的结果，如果电池单元电压超过异常电压（步骤S2：否），则判断为该电池21为异常，向步骤S8转移，将与该电池21对应的放电电路10设为不驱动。该情况下，该放电电路10中的晶体管12维持为截止状态。另一方面，如果电池单元电压为异常电压以下（步骤S2：是），则判定为该电池21为正常，进入步骤S3。

在步骤S3中，判定是否允许电压平衡动作。根据有无来自上位装置的许可指令来进行该判定。例如，在汽车的行驶中禁止电压平衡动作，当汽车的停止中对电池组2进行充电时，允许电压平衡动作。判定的结果，如果不允许电压平衡动作（步骤S3：否），则向步骤S8转移，将放电电路10设为非驱动。另一方面，如果允许电压平衡动作（步骤S3：是），则进入步骤S4。

在步骤S4中，判定电压平衡动作是否为停止中。判定的结果，如果电压平衡动作为停止中（步骤S4：是），则进入步骤S5。

在步骤S5中，对于每个电池21将电池单元电压与目标电压+α进行比较。此处，α为固定值。而且，对于电池单元电压≧目标电压+α的电池（步骤S5：是），判断为需要抑制充电，进入步骤S6。此外，对于电池单元电压<目标电压+α的电池（步骤S5：否），判断为不需要抑制充电，进入步骤S8。

在步骤S6中，驱动与需要抑制充电的电池21对应的放电电路10，执行电压平衡动作。即，从控制部14向该放电电路10的晶体管12提供PWM信号，晶体管12仅在由PWM信号的占空比决定的期间成为导通。在该导通期间内，电池21经由放电电路10放电。另外，关于根据电池单元电压切换晶体管12的导通期间，将在后面进行说明。

另一方面，步骤S4中的判定的结果，如果电压平衡动作正在执行中（步骤S4：否），则进入步骤S7。

在步骤S7中，对于每个电池21将电池单元电压与目标电压进行比较。然后，对于电池单元电压≧目标电压的电池（步骤S7：是），判断为需要抑制充电，进入步骤S6。此外，对于电池单元电压<目标电压的电池（步骤S7：否），判断为不需要抑制充电，进入步骤S8。

如上所述，在未进行电压平衡动作的状态下（步骤S4：是），当任意一个电池21的电压成为目标电压+α以上时（步骤S5：是），与该电池21对应的晶体管12在规定期间导通（ON），该电池21放电（步骤S6）。此外，在进行电压平衡动作的状态下（步骤S4：否），当与在规定期间导通的晶体管12对应的电池21的电压低于目标电压时（步骤S7：否），与该电池21对应的晶体管12成为截止（OFF），该电池21的放电停止（步骤S8）。通过重复这样的动作，使各电池21的电压均等化。

此外，在本实施方式中，当在步骤S6中驱动放电电路10时，根据电池单元电压，将PWM信号的占空比在70%和30%中切换。但是，该占空比的值仅仅是一例，也可以采用其他的值。

图4（a）示出占空比为70%的PWM信号的波形。当将信号的1个周期设为T，将导通期间（信号为H电平的期间）设为T1时，T1/T=70%。导通期间T1相当于本发明中的“第1期间”。图4（b）示出占空比为30%的PWM信号的波形。当将信号的1个周期设为T，将导通期间设为T2时，T2<T1，T2/T=30%。导通期间T2相当于本发明中的“第2期间”。在这些PWM信号的导通期间T1、T2中，晶体管12成为导通状态。

图3是示出在图2的步骤S6中驱动放电电路10的情况下的、PWM信号的占空比切换步骤的流程图。通过构成控制部14的CPU执行各步骤。

在步骤S11中，判定PWM信号的占空比是否为30%。充电刚开始后，将PWM信号的占空比设定为70%（步骤S11：否），因此进入步骤S14。

在步骤S14中，将电池单元电压与可变电压进行比较。此处所指的可变电压是例如充满电状态下的电压的80%左右的电压。在电池单元电压是可变电压付近的高电压的情况下，如果电阻11中流过较大的放电电流，则电阻11中产生超过容许值的消耗功率，电阻11可能被烧损。但是，充电开始后，在短暂的时间内，电池单元电压较低，电池单元电压<可变电压（步骤S14：是）。因此，进入步骤S13，将PWM信号的占空比维持在70%。另外，步骤S14中的可变电压相当于本发明中的“第1基准电压”。

另一方面，当继续充电，电池单元电压升高，电池单元电压≧可变电压时（步骤S14：否），需要限制电阻11中流过的放电电流，因此进入步骤S15，将PWM信号的占空比切换为30%。由此，晶体管12的导通期间缩短，电阻11中流过的放电电流减少。因此，也抑制了电阻11的消耗功率。

此外，在步骤S11中，当PWM信号的占空比为30%时（步骤S11：是），进入步骤S12。

在步骤S12中，将电池单元电压与可变电压-α（α为上述的固定值）进行比较。比较的结果，如果电池单元电压≧可变电压-α（步骤S12：否），则判断为需要继续限制电阻11中流过的放电电流，进入步骤S15，将PWM信号的占空比维持在30%。另一方面，如果电池单元电压<可变电压-α（步骤S12：是），则判断为不需要限制电阻11中流过的放电电流，进入步骤S13，将PWM信号的占空比切换为70%。另外，步骤S12中的可变电压-α相当于本发明中的“第2基准电压”。

在本发明中，可以采用上述以外的各种实施方式。例如，在图2的步骤中，在步骤S2～S8中，包含对每个电池21进行处理的步骤（S2、S5、S7），但也可以在对1个电池执行了步骤S2～S8后，再重新对下一个电池执行步骤S2～S8。

此外，在上述实施方式中，使用晶体管12作为放电电路10的开关元件，但也可以使用FET来代替晶体管。

此外，在上述实施方式中，将电压检测电路13独立于控制部14设置，但也可以将电压检测电路13嵌入控制部14。

进而，在上述实施方式中，列举了将本发明应用于安装在电动汽车中的电池组的例子，但是，本发明也可以应用于在电动汽车以外的用途中使用的电池组。

Claims (5)

1.一种电池组的充电控制装置，其控制由串联连接的多个二次电池构成的电池组的充电，其特征在于，该电池组的充电控制装置具有：

放电电路，其由分别与所述电池组的各电池并联连接的、电阻及开关元件的串联电路构成，该放电电路通过将所述开关元件设为导通，使与该开关元件对应的所述电池放电；

电压检测单元，其检测所述电池组的各电池的电压；以及

控制单元，其根据由所述电压检测单元检测到的各电池的电压，判别需要抑制充电的电池，并使与该电池对应的所述开关元件导通，

所述控制单元进行以下控制：

在需要抑制充电的电池的电压低于预定的基准电压的情况下，使与该电池对应的所述开关元件在第1期间导通，

在需要抑制充电的电池的电压为所述基准电压以上的情况下，使与该电池对应的所述开关元件在比所述第1期间短的第2期间导通。

2.根据权利要求1所述的电池组的充电控制装置，其特征在于，

所述控制单元通过脉冲宽度调制信号控制所述开关元件，

通过使所述脉冲宽度调制信号的占空比变化来切换所述第1期间和所述第2期间。

3.根据权利要求1所述的电池组的充电控制装置，其特征在于，

所述控制单元根据由所述电压检测单元检测到的各电池的电压，设定目标电压，

在未对各所述开关元件进行导通/截止控制的状态下，当任意一个电池的电压成为所述目标电压加上固定值得到的电压以上时，使与该电池对应的所述开关元件在所述第1期间或第2期间导通，

在对各所述开关元件进行导通/截止控制的状态下，当与在所述第1期间或第2期间导通的开关元件对应的电池的电压低于所述目标电压时，将与该电池对应的所述开关元件设为截止。

4.根据权利要求1所述的电池组的充电控制装置，其特征在于，

所述基准电压由第1基准电压和比该第1基准电压低的第2基准电压构成，

所述控制单元进行以下控制，

当与导通期间为所述第1期间的开关元件对应的电池的电压为所述第1基准电压以上时，将该开关元件的导通期间切换为所述第2期间，

当与导通期间为所述第2期间的开关元件对应的电池的电压低于所述第2基准电压时，将该开关元件的导通期间切换为所述第1期间。

5.一种电池组的充电控制方法，其中，该电池组由串联连接的多个二次电池构成，并且与放电电路连接，该放电电路由分别与各电池并联的、电阻和开关元件的串联电路构成，该电池组的充电控制方法的特征在于，包括以下步骤：

检测所述电池组的各电池的电压，

根据由所述检测到的各电池的电压，判别需要抑制充电的电池，

在需要抑制充电的电池的电压低于预定的基准电压的情况下，使与该电池对应的所述开关元件在第1期间导通，

在需要抑制充电的电池的电压为所述基准电压以上时，使与该电池对应的所述开关元件在比所述第1期间短的第2期间导通。

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