DE112018001902T5

DE112018001902T5 - Energiespeicherapparatur und steuerverfahren für energiespeichervorrichtungen

Info

Publication number: DE112018001902T5
Application number: DE112018001902.0T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Fukushima
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-12-19
Also published as: WO2018186465A1; US11251629B2; US20200059107A1; JPWO2018186465A1; JP6997955B2; CN110462968A; US11728660B2; US20220140631A1; CN110462968B

Abstract

Eine hierin offenbarte Energiespeicherapparatur 10 umfasst eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21, die in Reihe geschaltet sind, eine Spannungserfassungsschaltung 31, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 erfasst, und eine Entladeschaltung 44, die die Energiespeichervorrichtungen 21 einzeln entlädt, und eine BMU 30 mit einer Steuereinheit 32, in der die Steuereinheit 32 nur eine Energiespeichervorrichtung 21 mit einer höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 entlädt. Des Weiteren wird das Laden gestoppt, wenn eine erste Dauer in einem Zustand vergeht, in dem eine Zellenspannung der Energiespeichervorrichtung 21 mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, oder das Laden wird gestoppt, wenn eine zweite Dauer in einem Zustand vergeht, in dem die Zellenspannung der Energiespeichervorrichtung 21 mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technologie bezieht sich auf eine Energiespeicherapparatur und ein Steuerverfahren für Energiespeichervorrichtungen.
HINTERGRUND
Ursprünglich gab es eine Energiespeicherapparatur, in der eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen in Reihe geschaltet sind, um eine vorgegebene Spannung zu erhalten. Die Vielzahl der in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen erzeugt aufgrund eines Ungleichgewichts der elektrischen Eigenschaften Schwankungen der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen. Ein Batterieladegerät, das im Folgenden in Patentdokument 1 beschrieben wird, weist parallel zu den Energiespeichervorrichtungen eine Entladeschaltung (Bypass-Schaltung) auf. Das Batterieladegerät vergleicht die Spannungen der jeweiligen Energiespeichervorrichtungen und verwendet die Entladeschaltung zum Entladen einer Energiespeichervorrichtung, deren Spannungsdifferenz zur niedrigsten Spannung einen ersten vorgegebenen Wert überschreitet, wodurch Schwankungen der Ladekapazität unterdrückt werden.
STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: JP-A-8-19188
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
Wenn es Schwankungen der Ladekapazität zwischen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen gibt, ist es wahrscheinlich, dass die Spannung einer Energiespeichervorrichtung mit einer hohen Laderate einen Schwellenwert überschreitet, bei dem eine Fehlfunktion während des Ladevorgangs auftreten kann. Überschreitet die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit hoher Laderate den Schwellenwert, bei dem eine Fehlfunktion auftreten kann, wird der Ladestrom durch eine Stromunterbrechungsvorrichtung oder dergleichen unterbrochen und das Laden kann nicht fortgesetzt werden. Wenn das Laden durch die Stromunterbrechungsvorrichtung plötzlich unterbrochen wird, steigt die an die Energiespeicherapparatur angelegte Spannung durch den Einfluss einer gegenelektromotorischen Kraft durch eine Induktivitätskomponente stark an. Somit kann eine Verwaltungsvorrichtung, die die Energiespeicherapparatur verwaltet, beschädigt werden.
In der vorliegenden Beschreibung wird eine Technik zum Fortsetzen des Ladevorgangs offenbart, um eine Fehlfunktion in Energiespeichervorrichtungen nicht zu verursachen.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Eine Energiespeicherapparatur umfasst eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen, die in Reihe geschaltet sind, eine Spannungserfassungseinheit, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen erfasst, eine Entladeschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen entlastet, und eine Steuereinheit, in der die Steuereinheit einen Entladevorgang durchführt, bei dem nur eine Energiespeichervorrichtung mit einer höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch die Entladeschaltung entladen wird, und einen Stoppvorgang zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine erste Dauer in einem Zustand vergeht, in dem eine Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, oder zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine zweite Dauer, die kürzer als die erste Dauer ist, in einem Zustand vergeht, in dem die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, der größer als der erste Spannungsschwellenwert ist.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Wenn mehrere Energiespeicher in Reihe geschaltet sind, ist die Gesamtsumme der Spannungen der jeweiligen Energiespeicher und eine Ladespannung identisch. Eine Steuereinheit entlädt nur eine Energiespeichervorrichtung mit einer höchsten Spannung und setzt das Laden der anderen Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen fort, wodurch die Ladestromwerte der anderen Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen relativ erhöht werden. Dann werden die Spannungen der anderen Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen leicht erhöht, und somit wird eine Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung leicht verringert. Auf diese Weise kann die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung schnell reduziert und das Laden der Energiespeichervorrichtung fortgesetzt werden.
Wenn ein Entladezustand nicht rechtzeitig eintritt und die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, wird die Steuereinheit für eine erste Zeitdauer unterbrochen. Alternativ kann, wenn ein Zustand, in dem die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, eine zweite Dauer vergeht, die Steuereinheit das Laden der Energiespeichervorrichtung einstellen und somit das Auftreten einer Fehlfunktion in den Energiespeichervorrichtungen verhindert werden.
So kann das Laden fortgesetzt werden, so dass bei einem Energiespeicher mit der höchsten Spannung keine Fehlfunktion auftritt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das ein Fahrzeug in einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Energiespeicherapparatur.
3 ist eine explodierte perspektivische Ansicht der Energiespeicherapparatur.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration der Energiespeicherapparatur veranschaulicht.
5 ist ein Schaltplan einer Entladeschaltung.
6 ist ein Flussdiagramm eines Ladungssteuerungsprozesses.
7 ist ein Diagramm, das einen ladungszulässigen Bereich und einen ladungsunzulässigen Bereich in Bezug auf Zellenspannung und -zeit darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die Zeitübergänge der jeweiligen Zellspannungen während des Ladevorgangs in der Energiespeicherapparatur der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
9 ist ein Diagramm, das die Zeitübergänge der jeweiligen Zellspannungen während des Ladevorgangs in einer vergleichenden Energiespeicherapparatur veranschaulicht.
10 ist ein Flussdiagramm eines Ladungssteuerungsprozesses in einer zweiten Ausführungsform.

MODUS ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
(Überblick über die vorliegende Ausführungsform)
Zunächst wird eine Übersicht einer Energiespeicherapparatur, die in der vorliegenden Ausführungsform offenbart ist, beschrieben.
Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen, eine Spannungserfassungseinheit, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen erfasst, eine Entladeschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen entlastet, und eine Steuereinheit, in der die Steuereinheit einen Entladevorgang durchführt, bei dem nur eine Energiespeichervorrichtung mit einer höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch die Entladeschaltung entladen wird, und einen Stoppvorgang zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine erste Dauer in einem Zustand vergeht, in dem eine Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, oder zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine zweite Dauer, die kürzer als die erste Dauer ist, in einem Zustand vergeht, in dem die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, der größer als der erste Spannungsschwellenwert ist.
Bei der Konstantspannungsladung, bei der das Ladungsmanagement unter Verwendung einer Gesamtspannung von einer Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen als Index durchgeführt wird, wird das Laden nur unter der Bedingung gestoppt, dass die Spannung einer Energiespeichervorrichtung einen Schwellenwert überschreitet. Obwohl die Laderaten anderer Energiespeicher unzureichend sind, wird das Laden gestoppt, wenn die Spannungen eines Teils der Energiespeicher den Schwellenwert überschreiten.
Die Erfinder haben intensiv untersucht, ob das Laden fortgesetzt werden kann, ohne eine Fehlfunktion der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung zu verursachen. Konventionell wird bei der Durchführung der Konstantspannungsladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen gesteuert, um alle Energiespeichervorrichtungen zu entladen, die eine bestimmte Spannung oder Energiespeichervorrichtungen überschreiten, mit Ausnahme einer Energiespeichervorrichtung mit einer Niederspannung. In diesem Fall ist die Gesamtsumme der Spannungen der jeweiligen Energiespeicher und der Ladespannung identisch, so dass eine Absenkung der Spannung der Zelle mit der höchsten Spannung langsam wird.
Als Ergebnis intensiver Studien haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Entladung nur der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung erreicht. Wenn nur die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung entladen wird, steigen die Ladestromwerte der anderen Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen, und die Spannungen der anderen Energiespeichervorrichtungen steigen. Es wurde festgestellt, dass die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung leicht abnehmen kann.
Die Erfinder sind zu dem Schluss gekommen, dass die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung nur durch eine Entladeschaltung während des Ladevorgangs entladen wird. Auf diese Weise kann die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung schnell reduziert und das Laden der Energiespeicher fortgesetzt werden.
Wenn nur die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung entladen wird, aber die Entladung nicht rechtzeitig erfolgt und der Zustand, dass die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung den ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, für die erste Zeitdauer anhält, stoppt die Steuereinheit das Laden der Energiespeichervorrichtungen. Alternativ, wenn die zweite Dauer in einem Zustand vergeht, in dem die Entladung nicht rechtzeitig erfolgt und die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung den zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, beendet die Steuereinheit das Laden der Energiespeichervorrichtungen.
Somit kann das Laden fortgesetzt werden, während das Auftreten einer Fehlfunktion in der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung unterdrückt wird.
Die Steuereinheit kann den Entladevorgang durchführen, wenn die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen den ersten Spannungsschwellenwert überschreitet.
Die Steuereinheit kann eine dritte Dauer, die kürzer als die erste Dauer ist, als die erste Dauer einstellen, wenn eine Spannungsdifferenz aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen größer als ein Spannungsdifferenzschwellenwert ist.
Wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen größer als der Spannungsdifferenzschwellenwert ist, sind die Schwankungen der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen zu groß, und die Entladeschaltung kann die Schwankungen der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen nicht beseitigen. Daher bestimmt die Steuereinheit, dass die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung nicht unter den ersten Spannungsschwellenwert gesenkt werden kann. Anschließend stellt die Steuereinheit die dritte Dauer als erste Dauer ein, so dass der Ladevorgang nach Ablauf der dritten Dauer gestoppt wird, ohne auf das Ablaufen der ersten, ursprünglich eingestellten Dauer zu warten. Wird festgestellt, dass es lange dauert, bis die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung auch bei Betrieb der Entladeschaltung sinkt, wartet die Steuereinheit nicht darauf, dass die ursprünglich eingestellte erste Dauer vergeht, bevor sie auflädt. Auf diese Weise kann eine Fehlfunktion, wie beispielsweise eine Verschlechterung, in den Energiespeichervorrichtungen unterdrückt werden.
Die Energiespeichervorrichtung kann eine Lithium-Ionen-Zelle sein, und die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen kann durch ein externes Ladegerät für eine Bleibatterie aufladbar sein.
Selbst wenn das Laden mit einem externen Ladegerät für eine Blei-Säure-Batterie erfolgt, die eine Ladespannung aufweist, die höher ist als die Gesamtspannung einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen, wenn die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung den ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, entlädt die Steuereinheit nur die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung. Auf diese Weise kann die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung schnell reduziert werden. Wenn festgestellt wird, dass die Entladung nicht rechtzeitig erfolgt und die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion der Energiespeichervorrichtung hoch ist, stoppt die Steuereinheit das Laden der Energiespeicher. Selbst wenn das Laden mit dem externen Ladegerät für einen Blei-Säure-Akku durchgeführt wird, kann so das Laden von Lithium-Ionen-Zellen durchgeführt werden, ohne dass eine Fehlfunktion in den Lithium-Ionen-Zellen auftritt.
Die Energiespeicherapparatur umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen, eine Spannungserfassungseinheit, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen erfasst, eine Entladeschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen entlastet, und eine Steuereinheit, in der die Steuereinheit durch die Entladeschaltung nur eine Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen entlädt, wenn die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch ein Ladegerät geladen wird.
Wenn die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen mit einem Ladegerät geladen wird, entlädt die Steuereinheit nur die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung und lädt die anderen Energiespeichervorrichtungen weiter. Die Ladeströme der anderen Energiespeichervorrichtungen werden relativ hoch, die Spannungen der anderen Energiespeichervorrichtungen können leicht erhöht werden, und die Spannung der Energiespeichervorrichtungen mit der höchsten Spannung kann leicht verringert werden. Auf diese Weise kann die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung schnell reduziert und das Laden der Energiespeichervorrichtungen fortgesetzt werden.
Die vorliegende Technologie kann auf ein Steuerungsverfahren von Energiespeichervorrichtungen und ein Steuerprogramm von Energiespeichervorrichtungen angewendet werden.
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 bis 9 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, wird eine Energiespeicherapparatur 10 zum Starten eines in einem Fahrzeug 1 installierten Motors, wie beispielsweise einem Automobil, dargestellt. Die Energiespeicherapparatur 10 ist mit einer Fahrzeuglast 3 verbunden, wie beispielsweise einem Motorstarter und elektrischen Komponenten, die am Fahrzeug 1 montiert sind, einem Fahrzeuggenerator 4, wie beispielsweise einer Lichtmaschine, einer elektronischen Fahrzeugsteuereinheit (ECU) 5 und dergleichen.
Die Energiespeicherapparatur 10 weist ein blockförmiges Batteriegehäuse 11 auf, wie in 2 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, enthält das Batteriegehäuse 11 eine montierte Batterie 20, eine Steuerplatine 18 und dergleichen. Die montierte Batterie 20 umfasst eine Vielzahl (vier in dieser Ausführungsform) von Energiespeichervorrichtungen 21, die in Reihe geschaltet sind.
In der folgenden Beschreibung basiert unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eine vertikale Richtung auf einer vertikalen Richtung des Batteriegehäuses 11, wenn das Batteriegehäuse 11 horizontal platziert wird, ohne auf einer Montagefläche geneigt zu sein. Eine vordere und hintere Richtung bedeutet, dass eine vordere linke Seite in der Ansicht in Bezug auf eine Richtung entlang einer kurzen Seite des Batteriegehäuses 11 (eine Tiefenrichtung) eine Vorderseite ist. Eine linke und rechte Richtung wird beschrieben, wobei eine vordere rechte Seite in der Ansicht eine rechte Richtung in Bezug auf eine Richtung entlang einer langen Seite des Batteriegehäuses 11 ist.
Das Batteriegehäuse 11 besteht aus einem Kunstharz, und wie in 3 dargestellt, sind ein kastenförmiger Gehäusehauptkörper 13, der sich nach oben öffnet, ein Positionierungselement 14, das eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 positioniert, ein Innendeckel 15, der an einem oberen Abschnitt des Gehäusehauptkörpers 13 montiert ist, und ein Oberdeckel 16, der an einem oberen Abschnitt des Innendeckels 15 montiert ist, vorgesehen.
Im Falle des Hauptkörpers 13 sind vier Zellkammern 13A, in denen eine Vielzahl (vier in dieser Ausführungsform) von Energiespeichervorrichtungen 21 individuell untergebracht sind, in linker und rechter Richtung nebeneinander vorgesehen.
Die Energiespeichervorrichtung 21 ist eine Lithium-Ionen-Zelle unter Verwendung eines negativen aktiven Materials aus graphithaltigen Materialien wie Graphit, leicht graphisierbarem Kohlenstoff oder schwer graphisierbarem Kohlenstoff und eines positiven aktiven Materials auf Eisenphosphatbasis wie Lithium-Eisenphosphat, und eine obere Grenzspannung im Normalbetrieb ist auf 3,5[V] eingestellt.
Wie in 3 dargestellt, weist das Positionierelement 14 eine Vielzahl von auf einer Oberseite angeordneten Sammelschienen 17 auf. Das Positionierelement 14 ist auf der Vielzahl der im Gehäusehauptkörper 13 angeordneten Energiespeichervorrichtungen 21 angeordnet, um dadurch die jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 zu positionieren. Als die jeweiligen Energiespeicher 21 sind vier Energiespeicher 21 durch die Vielzahl der Sammelschienen 17 in Reihe geschaltet. Die vier Energiespeicher 21 bilden eine montierte Batterie 20. Eine obere Grenzspannung der montierten Batterie 20, in der die vier Energiespeicher 21 in Reihe geschaltet sind, beträgt 14,0 [V].
Der Innendeckel 15 hat in der Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Form. Im Innendeckel 15 kann eine Steuerplatine 18 untergebracht werden. Wenn der Innendeckel 15 am Gehäusehauptkörper 13 befestigt ist, werden die montierte Batterie 20 und die Steuerplatine 18 angeschlossen.
An beiden Enden in der linken und rechten Richtung des Innendeckels 15, wie in den 2 und 3 dargestellt, sind im Fahrzeug 1 vorgesehene Batterieklemmen (nicht dargestellt) angeschlossen und ein Paar externe Anschlussteile 12 darin vorgesehen. Das Paar der externen Anschlussteile 12 ist im Zustand der Einbettung in den Innendeckel 15 vorgesehen. Das Paar der externen Anschlussteile 12 besteht aus einem Metall, wie beispielsweise einer Bleilegierung. Eines der beiden externen Anschlussteile 12 ist ein positiver Elektrodenanschlussteil 12P und das andere ein negativer Elektrodenanschlussteil 12N.
Ein externes Ladegerät CH mit einer handelsüblichen Stromquelle kann an das Paar externer Anschlussteile 12 angeschlossen werden. Das externe Ladegerät CH wird zu Beginn des Ladevorgangs mit einem konstanten Strom geladen. Wenn die Batteriespannung der montierten Batterie 20 auf eine vorgegebene Spannung ansteigt, führt das externe Ladegerät CH eine so genannte Konstantstrom-Konstantspannungsladung durch, um den Ladevorgang unter Beibehaltung der Batteriespannung fortzusetzen. Somit lädt das externe Ladegerät CH die montierte Batterie 20 durch Konstantstrom-Konstantspannungsladung.
Anschließend wird eine elektrische Konfiguration der Energiespeicherapparatur 10 mit Bezug auf 4 beschrieben.
Wie in 4 dargestellt, umfasst die Energiespeicherapparatur 10 eine montierte Batterie 20, eine Batterieverwaltungsvorrichtung (nachfolgend „BMU“ („battery management device“) genannt) 30, einen Stromsensor 41, eine Stromunterbrechungsvorrichtung 42, einen Temperatursensor 43 und Entladeschaltungen 44. Im Batteriegehäuse 11 sind die montierte Batterie 20, die BMU 30, der Stromsensor 41, die Stromunterbrechungsvorrichtung 42, der Temperatursensor 43 und die Entladeschaltungen 44 angeordnet.
Die montierte Batterie 20, der Stromsensor 41 und die Stromunterbrechung 42 sind über einen Strompfad L in Reihe geschaltet. Eine positive Elektrode der montierten Batterie 20 ist über die Stromunterbrechung 42 mit dem positiven Elektrodenanschlussteil 12P und eine negative Elektrode mit dem negativen Elektrodenanschlussteil 12N über den Stromsensor 41 verbunden. Wenn die Energiespeicherapparatur 10 am Fahrzeug 1 montiert ist, sind das positive Elektrodenanschlussteil 12P und das negative Elektrodenanschlussteil 12N über Stromkabel oder dergleichen elektrisch mit der Fahrzeuglast 3, dem Fahrzeuggenerator 4, dem Fahrzeug ECU 5 und dergleichen verbunden.
Der Stromsensor 41 ist ein Sensor, der einen Strom misst, der durch den Strompfad L fließt. Der Stromsensor 41 ist über eine Signalleitung L1 mit der BMU 30 verbunden. Ein vom Stromsensor 41 gemessener Strommesswert wird über die Signalleitung L1 in die BMU 30 übernommen.
Die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 ist ein Halbleiterschalter wie ein FET oder ein Relais. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 unterbricht den Strom zwischen der montierten Batterie 20 und dem positiven Elektrodenanschlussteil 12P als Reaktion auf ein Steuersignal der BMU 30.
Der Temperatursensor 43 ist ein kontaktbehafteter oder berührungsloser Typ und misst die Temperatur der montierten Batterie 20. Der Temperatursensor 43 ist über eine Signalleitung L2 mit der BMU 30 verbunden, und ein vom Temperatursensor 43 gemessener Temperaturmesswert wird über die Signalleitung L2 in die BMU 30 übernommen.
Wie in 4 und 5 dargestellt, ist die Entladeschaltung 44 in jeder Energiespeichervorrichtung 21 so vorgesehen, dass sie parallel zur Energiespeichervorrichtung 21 geschaltet ist. Die Entladeschaltung 44 ist eine Schaltung, in der ein Entladewiderstand R und ein Entladeschalter S in Reihe geschaltet sind. Die Entladeschaltung 44 entlädt die Energiespeicher 21 einzeln, indem er den Entladeschalter S gemäß einem Befehl der BMU 30 schließt.
Die BMU 30 umfasst eine Spannungserkennungsschaltung 31 und eine Steuereinheit 32. Die Stromerkennungsschaltung 31 und die Steuereinheit 32 sind auf der Steuerplatine 18 montiert. Die BMU 30 wird aus der montierten Batterie 20 durch Anschluss an den Strompfad L mit Strom versorgt.
Die Spannungserfassungsschaltung 31 ist über eine Spannungserfassungsleitung L4 mit beiden Enden jeder Energiespeichervorrichtung 21 verbunden. Als Reaktion auf eine Anweisung der CPU 33 erkennt die Spannungserfassungsschaltung 31 eine Zellenspannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 und eine Batteriespannung der montierten Batterie 20 (die Gesamtspannung der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21).
Die Steuereinheit 32 umfasst eine CPU 33, die eine zentrale Verarbeitungseinheit ist, einen Speicher 34 und eine Kommunikationseinheit 35.
Der Speicher 34 ist ein nichtflüchtiger Speicher, wie beispielsweise ein Flash-Speicher oder ein EEPROM. Der Speicher 34 speichert verschiedene Programme, wie beispielsweise ein Onboard-Steuerprogramm, das die Ladezustände der jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 oder der montierten Batterie 20 verwaltet, wenn die Energiespeicherapparatur 10 am Fahrzeug 1 montiert ist, ein Ausgleichsprogramm, das Spannungen zwischen den Energiespeichervorrichtungen ausgleicht, und ein Ladesteuerungsprogramm, wenn die Energiespeicherapparatur 10 durch ein externes Ladegerät CH geladen wird, Daten, die für die Ausführung der verschiedenen Programme erforderlich sind (zulässige Potentialdifferenz, erste Spannungsschwelle, erste Dauer, zweite Spannungsschwelle, zweite Dauer und Spannungsdifferenzschwelle), und dergleichen.
Die Kommunikationseinheit 35 kann über einen im Batteriegehäuse 11 vorgesehenen Stecker (nicht dargestellt) mit der Fahrzeugsteuereinheit 5 verbunden werden. Die Kommunikationseinheit 35 und die Fahrzeugsteuereinheit 5 können über LIN-Kommunikation oder CAN-Kommunikation miteinander kommunizieren.
Die CPU 33 führt verschiedene Programme aus, wie beispielsweise das Onboard-Steuerprogramm, das Ausgleichsprogramm und das im Speicher 34 gespeicherte Ladesteuerungsprogramm.
Das Onboard-Steuerprogramm umfasst Überwachungsprozesse zur ständigen oder periodischen Überwachung von Strömen, Spannungen und dergleichen der Energiespeichervorrichtungen 21 aus Ausgangssignalen des Stromsensors 41, der Spannungserfassungsschaltung 31, des Temperatursensors 43 und dergleichen, wenn die Energiespeicherapparatur 10 am Fahrzeug 1 montiert ist. Das Onboard-Steuerprogramm umfasst einen Prozess zur Verhinderung des Auftretens einer Fehlfunktion in der montierten Batterie 20 bei Feststellung von Anomalien durch Ausgabe eines Steuersignals an die Stromunterbrechungsvorrichtung 42, um den Strom zwischen der montierten Batterie 20 und dem positiven Elektrodenanschlussteil 12P durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 zu unterbrechen.
Das Ausgleichsprogramm umfasst einen Prozess der ständigen oder periodischen Überwachung von Schwankungen der Ladekapazität zwischen den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 der Energiespeicherapparatur 10 aus den Zellspannungen der jeweiligen Energiespeicher 21. Das Ausgleichsprogramm umfasst einen Prozess des Entladens, wenn Spannungsdifferenzen zwischen den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 einen vorbestimmten Wert überschreiten, wobei die Energiespeichervorrichtung 21 eine relativ große Ladungsmenge durch die Entladeschaltung 44 aufweist, und des Beseitigens von Variationen der Ladungskapazität zwischen den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21.
Das Ladesteuerungsprogramm wird ständig oder periodisch ausgeführt und umfasst einen Prozess zur Überwachung der Zellspannungen der jeweiligen Energiespeicher 21. Das Ladesteuerungsprogramm umfasst einen Prozess zum Steuern der Ladezustände der jeweiligen Energiespeicher 21 oder der montierten Batterie 20, wenn die Zellspannungen der Energiespeicher 21 durch das Laden durch das externe Ladegerät CH mit einer handelsüblichen Stromquelle ansteigen (Ladesteuerungsprozess).
Da in den letzten Jahren Blei-Säure-Batterien, die für eine Motorstartbatterie verwendet werden, durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt werden, ist das Laden der Lithium-Ionen-Batterie durch das externe Ladegerät CH für eine Bleibatterie erforderlich. Das externe Ladegerät CH für einen Blei-Säure-Akku lädt ca. 14,8[V] (als Beispiel). Wenn die Energiespeicherapparatur 10 mit der maximalen Spannung durch das externe Ladegerät CH für eine Blei-Säure-Batterie geladen wird, beträgt die Zellenspannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 gleich 3,7[V], wenn die Ladekapazitäten der jeweiligen Energiespeichervorrichtung 21 gleich sind. Es ist kein Problem, wenn der Energiespeicher aus einer Lithium-Ionen-Zelle mit Eisenphosphat als positivem Aktivmaterial eine Ladespannung von etwa 4,0 [V] pro Zelle aufweist. Wenn es Schwankungen in der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen gibt, kann die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung 4,0 [V] überschreiten und eine Spannung erreichen, bei der eine Fehlfunktion in der Energiespeichervorrichtung auftritt.
Als Ergebnis intensiver Studien konzentrierten sich die Erfinder darauf, dass, wenn eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 wie in der montierten Batterie 20 der Energiespeicherapparatur 10 in Reihe geschaltet sind, die Summe der Zellspannungen der jeweiligen Energiespeicher 21 und die Ladespannungen identisch sind. Dann haben die Erfinder festgestellt, dass durch das Entladen nur der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung (im Folgenden auch als „Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung“ bezeichnet) 21U und das Fortsetzen des Ladens anderer Energiespeichervorrichtungen 21 außer der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U die Spannung der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U tendenziell leicht zu verringern ist. So kann beim Entladen aller Energiespeichervorrichtungen, die den ersten Spannungsschwellenwert überschreiten, die Spannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U leicht verringert werden, verglichen mit dem Fall, dass alle Energiespeichervorrichtungen mit einer höheren Spannung als die Energiespeichervorrichtung mit der niedrigsten Spannung um einen vorbestimmten Wert oder mehr entladen werden.
Dies wird mit Bezug auf 6 beschrieben.
Der Ladesteuerungsprozess wird von der CPU 33 konstant oder periodisch durchgeführt, wenn die montierte Batterie 20 der Energiespeicherapparatur 10 durch das externe Ladegerät CH oder dergleichen mit konstanter Strom-Konstantspannung geladen wird. Im Ladesteuerungsprozess bestimmt die CPU 33, ob die Zellenspannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 den ersten im Speicher 34 gespeicherten Spannungsschwellenwert überschritten hat (S11). Der „erste Spannungsschwellenwert“ ist ein Spannungswert, bei dem eine Fehlfunktion in der Energiespeichervorrichtung 21 auftreten kann, wenn sie über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise zwei Stunden oder mehr, fortgesetzt wird.
Wenn keine der Zellenspannungen der Energiespeichervorrichtungen 21 den ersten Spannungsschwellenwert überschreitet (NEIN in S11), beendet die CPU 33 den Ladesteuerungsprozess. Wenn die Zellenspannung einer der Energiespeichervorrichtungen 21 den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat (JA in S11), entladen die CPU 33 nur die Energiespeichervorrichtung 21U mit der höchsten Spannung, die den ersten Spannungsschwellenwert durch die Entladeschaltung 44 überschreitet (S12). Insbesondere, wenn die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 durch die Entladeschaltung 44 gemäß dem Ausgleichsprogramm entladen wird, schaltet die CPU 33 von einem Zustand des Entladens der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21 auf das Entladen nur der Energiespeichervorrichtung 21U mit der höchsten Spannung um. Wenn die Entladung aller Energiespeicher 21 nicht gestartet wurde, beginnt die CPU 33 nur mit der Entladung des Hochspannungs-Energiespeichers 21U. Die Entladung nur des Hochspannungs-Energiespeichers 21U in S12 entspricht einem Entladevorgang.
Des Weiteren bestimmt die CPU 33 fast gleichzeitig mit dem Start der Entladung in S12, ob die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U den zweiten im Speicher 34 gespeicherten Spannungsschwellenwert überschritten hat (S13).
Als Ergebnis der Bestimmung in S13 führt die CPU 33 einen Prozess von S14 aus, wenn die Zellenspannung der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U den zweiten Spannungsschwellenwert nicht überschritten hat (NEIN in S13). In S14 berechnet (misst) die CPU 33 eine Zeit, in der die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U in den Bereich von der ersten Spannungsschwelle bis zur zweiten Spannungsschwelle fällt. Die CPU 33 bestimmt, ob die berechnete Zeit die erste Dauer weiterhin überschritten hat (S14).
Als Ergebnis der Bestimmung in S14 beendet die CPU 33 den Ladesteuerungsprozess, wenn eine Zeit, in der die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U in den Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert bis zum zweiten Spannungsschwellenwert fällt, die erste Dauer nicht überschritten hat (NEIN in S14). Wenn die Zeit, in der die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U zum Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert bis zum zweiten Spannungsschwellenwert gehört, weiterhin die erste Dauer überschritten hat (JA in S14), gibt die CPU 33 ein Steuersignal an die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 aus. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 42, in die das Steuersignal eingegeben wurde, unterbricht den Strom zwischen der montierten Batterie 20 und dem positiven Elektrodenanschlussteil 12P (S15). Dadurch wird der Ladevorgang gestoppt und der Ladevorgang beendet. Der Prozess von S15 (die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 stoppt das Laden, wenn die Zeit, in der die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U zum Bereich von der ersten Spannungsschwelle bis zur zweiten Spannungsschwelle gehört, die erste Dauer überschritten hat, das Laden wird durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 gestoppt) entspricht einem Stoppvorgang.
Als Ergebnis der Bestimmung in S13, wenn die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U den zweiten Spannungsschwellenwert überschritten hat (JA in S11), bestimmt die CPU 33, ob die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U weiterhin die zweite Dauer überschreitet (S16).
Wenn die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U die zweite Dauer nicht weiter überschreitet (NEIN in S16), bestimmt die CPU 33, ob die Zeit, in der die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U zum Bereich von der ersten Spannungsschwelle bis zur zweiten Spannungsschwelle gehört, die erste Dauer in S14 überschritten hat.
Als Ergebnis der Bestimmung in S16, wenn die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U weiterhin die zweite Dauer überschreitet (JA in S16), gibt die CPU 33 ein Steuersignal an die Stromunterbrechungsvorrichtung 42 aus. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 42, in die das Steuersignal eingegeben wird, unterbricht den Strom zwischen der montierten Batterie 20 und dem positiven Elektrodenanschlussteil 12P. Dadurch wird der Ladevorgang gestoppt und der Ladevorgang beendet.
7 ist ein Diagramm, das einen ladungszulässigen Bereich A1, in dem das Laden erlaubt ist, und einen ladungsunzulässigen Bereich A2 darstellt, in dem das Laden im Verhältnis zwischen der Zellenspannung und der Zeit nicht erlaubt ist. In 7 stellt die X-Achse die Zellenspannung [V] der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U und die Y-Achse die Zeit [min] dar. Die Zeit [min] auf der Y-Achse gibt die Zeit ab Beginn der Entladung an.
In 7 ist ein Bereich, in dem die Zellenspannung den ersten Spannungsschwellenwert von 4,0 [V] nicht überschreitet, als erster zulässiger Bereich A11 definiert. Ein Bereich, in dem die Zellenspannung 4,0 [V] überschreitet, was der erste Spannungsschwellenwert ist, und die Entladezeit 2 Stunden überschreitet, was die erste Dauer ist, ist als ein zweiter zulässiger Bereich A12 definiert. Der ladefähige Bereich A1, in dem eine Ladung zugelassen werden kann, ist ein Bereich, der durch Kombination des ersten zulässigen Bereichs A11 und des zweiten zulässigen Bereichs A12 erhalten wird. Ein Bereich, in dem die Zellenspannung 4,6 [V] überschreitet, was der zweite Spannungsschwellenwert ist, und die Entladezeit 2 Sekunden überschreitet, was die zweite Dauer ist, ist ebenfalls in dem ladefähigen Bereich A1 enthalten, in dem das Laden erlaubt ist. Der Bereich, in dem die Zellenspannung den zweiten Spannungsschwellenwert von 4,6 [V] überschreitet und die Entladezeit 2 Sekunden überschreitet, was die zweite Dauer ist, ist ein sehr kleiner Bereich und wird daher in 7 weggelassen. Ein Bereich, in dem die Zellenspannung 4,6 [V] überschreitet, was der zweite Spannungsschwellenwert ist, und die Entladezeit 2 Sekunden überschreitet, was die zweite Dauer ist, ist definiert als ein erster nicht zulässiger Bereich A21. Ein Bereich, in dem die Zellenspannung 4,0 [V] überschreitet, was der erste Spannungsschwellenwert ist, und die Entladezeit 2 Stunden überschreitet, was die erste Dauer ist, ist als ein zweiter nicht zulässiger Bereich A22 definiert. Der nicht zulässige Ladebereich A2, in dem das Laden nicht zulässig ist, ist ein Bereich, der durch Kombination des ersten nicht zulässigen Bereichs A21 und des zweiten nicht zulässigen Bereichs A22 erhalten wird.
8 veranschaulicht Zeitübergänge der Zellenspannungen (Batteriespannung der montierten Batterie 20) der jeweiligen Energiespeicher 21, wenn die Energiespeicherapparatur 10 durch das externe Ladegerät CH für eine Bleisäurebatterie geladen wird. In 8 stellt die X-Achse die Zeit [min] dar, und die Y-Achse stellt die Zellenspannungen [V] der Energiespeicher 21 und die Batteriespannung der montierten Batterie 20 (Gesamtspannung der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21) dar. Die Zeit auf der X-Achse gibt die Zeit ab Beginn des Ladevorgangs an.
Wie in 8 dargestellt, steigt beim Starten des Ladevorgangs der montierten Batterie 20 der Energiespeicherapparatur 10 die Zellenspannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 und die Batteriespannung der montierten Batterie 20 an, und es treten Unterschiede in der Ladekapazität zwischen den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 auf. Nach etwa 3 Minuten nach Beginn des Ladevorgangs werden die Spannungsdifferenzen zwischen der Spannung der ersten Energiespeichervorrichtung α, der Energiespeichervorrichtung mit der niedrigsten Spannung (im Folgenden auch „Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung“ genannt) 21L, und den anderen drei Energiespeichervorrichtungen 21 groß. Wenn die Spannungsdifferenzen durch das Ausgleichsprogramm ansteigen, startet die CPU 33 den Prozess der Entladung der Energiespeicher 21 mit Ausnahme der ersten Energiespeichervorrichtung α, die die niederspannungsstärkste Energiespeichervorrichtung 21L ist, durch die entsprechenden Entladeschaltungen 44.
Wenn die Schwankungen der Zellspannung zwischen der vierten Energiespeichervorrichtung β, die die höchstspannungsfähige Energiespeichervorrichtung 21U ist, und den anderen Energiespeichervorrichtungen 21 gleich oder mehr als ein vorbestimmter Wert sind, wie in 8 dargestellt, erhöhen sich die Schwankungen der Zellspannung zwischen der vierten Energiespeichervorrichtung β und den anderen Energiespeichervorrichtungen 21. Dadurch steigt die Zellspannung des vierten Energiespeichers β, dem höchstspannungsführenden Energiespeicher 21U, schnell an.
In S11 bestimmt die CPU 33, ob die Zellenspannungen der Energiespeicher 21 den ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) überschritten haben. Nach etwa 4 Minuten nach dem Laden beträgt die Zellenspannung des vierten Energiespeichers β etwa 4,3 [V], der den ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) überschritten hat (siehe 8). In S12 stoppt die CPU 33 die Entladung der Energiespeichervorrichtungen 21 mit Ausnahme der vierten Energiespeichervorrichtung β und schaltet auf die Entladung nur der vierten Energiespeichervorrichtung β um.
Gleichzeitig bestimmt die CPU 33 in S13, ob die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β den zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) überschritten hat. Da die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β den zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) nicht überschritten hat, berechnet (misst) die CPU 33 in S14 eine Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β in den Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert von (4,0 [V]) bis zum zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) fällt. Das heißt, die CPU 33 misst die Zeit, in der die Zellenspannung als Spannung zwischen dem ersten Spannungsschwellenwert und dem zweiten Spannungsschwellenwert gehalten wird, nachdem die Zellenspannung den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat. Anschließend bestimmt die CPU 33, ob die berechnete Zeit die erste Dauer (2 Stunden) überschritten hat.
Als Ergebnis der Bestimmung, wenn die Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β zum Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) bis zum zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) gehört, die erste Dauer (2 Stunden) überschritten hat, unterbricht die CPU 33 den Ladestrom durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42.
Wenn die Zellenspannung der Energiespeichervorrichtung 21 den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat, schaltet die CPU 33 in S12 von einem Zustand, in dem die gesamte zweite Energiespeichervorrichtung auf die vierte Energiespeichervorrichtung mit Ausnahme der ersten Energiespeichervorrichtung α, die die niederspannungsstärkste Energiespeichervorrichtung ist, in einen Zustand entladen wird, in dem nur die vierte Energiespeichervorrichtung β entladen wird. Daher ist, wie in 8 dargestellt, die Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β in den Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) bis zum zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) gehört, etwa eine Dauer. Da also die Spannungsschwankungen der jeweiligen Energiespeicher 21 innerhalb der ersten Zeitspanne eliminiert werden, kann das nachfolgende Laden fortgesetzt werden.
9 veranschaulicht Zeitübergänge der jeweiligen Energiespeicherapparatur in einer vergleichenden Energiespeichervorrichtung, die die Entladung der Energiespeichervorrichtungen 21 mit Ausnahme der vierten Energiespeichervorrichtung β1 nicht stoppt. In 9 stellt die X-Achse die Zeit [min] dar, und die Y-Achse stellt die Zellenspannungen [V] der Energiespeicher 21 und die Batteriespannung der montierten Batterie 20 (Gesamtspannung der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 21) dar.
Wenn die gesamte zweite Energiespeichervorrichtung für die vierte Energiespeichervorrichtung mit Ausnahme der ersten Energiespeichervorrichtung α, die die Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung ist, entladen wird, wie in 9 dargestellt, zu einem Zeitpunkt, zu dem Spannungsunterschiede zwischen der Spannung der ersten Energiespeichervorrichtung α1, die die Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung 21L ist, und den anderen drei Energiespeichervorrichtungen 21 groß werden, führt die CPU 33 den folgenden Prozess durch. Die CPU 33 startet den Prozess der Entladung der Energiespeichervorrichtungen 21 mit Ausnahme der ersten Energiespeichervorrichtung α1 durch die jeweiligen Entladeschaltungen 44 gemäß dem Ausgleichsprogramm. Nach Beginn der Entladung, auch wenn die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β1, der höchstspannungsgeladenen Energiespeichervorrichtung 21U, den ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) überschritten hat, wird die Entladung aller Energiespeichervorrichtungen 21 mit Ausnahme der ersten Energiespeichervorrichtung α1, der niederspannungsgeladensten Energiespeichervorrichtung 21L, fortgesetzt.
Wenn die Entladung aller Energiespeicher 21 mit Ausnahme des ersten Energiespeichers α1, dem niederspannungsstärksten Energiespeicher 21L, fortgesetzt wird, ist der vierte Energiespeicher β schwer zu entladen. Dementsprechend überschreitet, wie in 9 dargestellt, die Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β1 in den Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) bis zum zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) fällt, die erste Dauer (2 Stunden). Wenn die Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β1 zum Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert bis zum zweiten Spannungsschwellenwert gehört, die erste Dauer (2 Stunden) überschreitet, unterbricht die CPU 33 den Ladestrom durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42, da die Energiespeichervorrichtung 21 möglicherweise nicht richtig funktioniert.
In der Energiespeicherapparatur 10, wenn die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β, die die höchstspannungsfähige Energiespeichervorrichtung 21U ist, den ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) überschritten hat, stoppt die CPU 33 die Entladung der Energiespeichervorrichtungen 21, die nicht die vierte Energiespeichervorrichtung β sind, und schaltet auf die Entladung nur der vierten Energiespeichervorrichtung β um, die die höchstspannungsfähige Energiespeichervorrichtung 21U ist. Auf diese Weise wird der vierte Energiespeicher β leicht entladbar und die Zellenspannung des vierten Energiespeichers β, dem höchstspannungsführenden Energiespeicher 21U, kann schnell reduziert werden.
Durch Umschalten auf das Entladen nur der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U kann die Zellenspannung der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U im Vergleich zu dem Fall gesenkt werden, in dem alle Energiespeichervorrichtungen, die den ersten Spannungsschwellenwert überschritten haben, entladen werden, oder alle Energiespeichervorrichtungen, die eine um einen vorbestimmten Wert höhere Spannung haben als die Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung mit der niedrigsten Spannung, werden entladen. Es ist möglich, das Laden der Energiespeicherapparatur 10 fortzusetzen und gleichzeitig das Auftreten einer Fehlfunktion in den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 21 zu unterdrücken.
Wenn die Zeit, in der die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β zum Bereich vom ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) bis zum zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) gehört, die erste Dauer (2 Stunden) überschritten hat, unterbricht die CPU 33 den Ladestrom durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42. Wenn die Zellenspannung der vierten Energiespeichervorrichtung β den zweiten Spannungsschwellenwert (4,6 [V]) überschritten hat, unterbricht die CPU 33 zusätzlich den Ladestrom durch die Stromunterbrechungsvorrichtung 42. Durch Unterbrechen des Ladestroms ist es möglich, das Auftreten einer Fehlfunktion in der vierten Energiespeichervorrichtung β, den Hochspannungs-Energiespeichervorrichtungen 21U, der montierten Batterie 20 und der Energiespeicherapparatur 10 zu unterdrücken.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform wird mit Bezug auf 10 beschrieben.
Ein Ladungssteuerungsprozess der zweiten Ausführungsform wird teilweise aus dem Ladungssteuerungsprozess der ersten Ausführungsform geändert. Da Konfigurationen, Operationen und Effekte, die der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, redundant sind, entfallen in der folgenden Beschreibung deren Beschreibungen. Des Weiteren werden die gleichen Referenzzeichen für die gleichen Konfigurationen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet.
Im Ladungssteuerungsprozess der zweiten Ausführungsform, wie in 10 dargestellt, bestimmt die CPU 33, ob die Zellenspannungen der Energiespeicher 21 den ersten Spannungsschwellenwert (4,0 [V]) (S11) überschreiten. Wenn im Prozess von S11 die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat (JA in S11), berechnet die CPU 33 eine Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U und der Zellenspannung der Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung 21L. Die CPU 33 bestimmt, ob die berechneten Potentialdifferenzen den im Speicher 34 (S21) gespeicherten Spannungsdifferenzschwellenwert überschritten haben. Der „Spannungsdifferenzschwellenwert“ ist ein zulässiger Wert für Spannungsdifferenzen und beträgt beispielsweise 600 [mV]. Der „Spannungsdifferenzschwellenwert“ ist eine Spannungsdifferenz, die bewirkt, dass die Zeit zum Beseitigen von Schwankungen der Ladekapazität (Zellenspannung) zwischen den Energiespeichervorrichtungen 21 auch bei Betrieb der Entladeschaltung 44 lang wird und einen Bereich überschreitet, in dem eine Fehlfunktion wie beispielsweise eine Verschlechterung in den Energiespeichervorrichtungen 21 nicht auftritt.
Als Ergebnis von S21 führt die CPU 33 S12 und nachfolgende Schritte aus, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung der Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U und der Zellenspannung der Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung 21L den Spannungsdifferenzschwellenwert (NO in S21) nicht überschritten hat. Wenn die Spannungsdifferenz den Schwellenwert der Spannungsdifferenz (JA in S21) überschritten hat, setzt die CPU 33 eine dritte Dauer (10 Sekunden), die kürzer ist als die erste Dauer (2 Stunden) als die erste Dauer (S22), und führt S12 und nachfolgende Schritte aus.
Wenn die Differenz der Zellenspannung zwischen den Energiespeichervorrichtungen 21 größer ist als der Spannungsdifferenzschwellenwert, bestimmt die CPU 33, dass die Schwankungen der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen 21 zu groß sind. Selbst wenn die Entladung durch den Entladekreis 44 erfolgt, dauert es lange, bis die Schwankungen der Ladekapazität zwischen den Energiespeichervorrichtungen 21 beseitigt sind. Dementsprechend wird die dritte Dauer als erste Dauer festgelegt. Somit kann der Ladevorgang nach Ablauf der dritten Dauer gestoppt werden, ohne auf den Ablauf der ursprünglich eingestellten ersten Dauer zu warten.
Im Falle der Spannungsdifferenz, die dazu führt, dass die Zeit zur Beseitigung der Schwankungen der Ladekapazität (Zellenspannung) zwischen den Energiespeichervorrichtungen 21 auch bei Betrieb der Entladeschaltung 44 lang wird, wird die erste Dauer verkürzt. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass das Laden des Hochspannungs-Energiespeichers 21U und der montierten Batterie 20 mit einer hohen Last durchgeführt wird.
(Andere Ausführungsformen)
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technologie beschränkt sich nicht nur auf die mit Bezug auf die obige Beschreibung und die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen und umfasst beispielsweise verschiedene Aspekte wie folgt.

(1) In den vorstehenden Ausführungsformen wird der Ladesteuerungsprozess durchgeführt, wenn die Energiespeicherapparatur 10 durch das externe Ladegerät CH für eine Bleibatterie geladen wird. Der Ladesteuerungsprozess kann ausgeführt werden, wenn die Energiespeicherapparatur 10 durch ein externes Ladegerät für eine Lithium-Ionen-Batterie geladen wird.
(2) In den obigen Ausführungsformen wird der erste Spannungsschwellenwert auf 4,0 [V], der zweite Spannungsschwellenwert auf 4,6 [V], die erste auf 2 Stunden, die zweite auf 2 Sekunden, die dritte auf 10 Sekunden und der Spannungsdifferenzschwellenwert auf 600 [mV] eingestellt. Der erste Spannungsschwellenwert, der zweite Spannungsschwellenwert, die erste Dauer, die zweite Dauer, die dritte Dauer und der Spannungsdifferenzschwellenwert sind nicht auf die numerischen Beispiele der Ausführungsformen beschränkt, sondern können entsprechend den Eigenschaften der Energiespeichervorrichtung entsprechend geändert werden.
(3) In den vorgenannten Ausführungsformen führt die CPU 33 den Ladungssteuerungsprozess ständig oder periodisch durch. Der Ladesteuerungsprozess kann durchgeführt werden, wenn der Ladevorgang über das externe Ladegerät gestartet wird. Wenn das BMU beispielsweise einen Ladestrom in einem Zustand erkennt, in dem die LIN-Kommunikation mit dem Fahrzeug nicht durchgeführt wird, kann festgestellt werden, dass der Ladevorgang durch das externe Ladegerät gestartet wurde und der Ladesteuerungsprozess durchgeführt werden kann.
(4) Wenn in der zweiten Ausführungsform bestimmt wird, dass die Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat, berechnet die CPU 33 die Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung der Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U und der Zellenspannung der Niederspannungs-Energiespeichervorrichtung 21L. Des Weiteren bestimmt die CPU 33 basierend auf der berechneten Spannungsdifferenz Schwankungen der Ladekapazität (Zellenspannung) zwischen den Energiespeichervorrichtungen. Die CPU 33 kann die Schwankungen der Ladekapazität (Zellenspannung) basierend auf der Zeit aus dem vorherigen Betrieb der Entladeschaltung bestimmen. Die Schwankungen der Ladekapazität (Zellspannung) können basierend auf den Schwankungen der Ladekapazität beim Versand der Energiespeicherapparatur bestimmt werden.
(5) In den vorstehenden Ausführungsformen sind die Energiespeicher 21 Lithium-Ionen-Zellen. Die Energiespeichervorrichtungen können Batteriezellen oder Kondensatoren mit Ausnahme der Lithium-Ionen-Zellen sein.
(6) In den vorstehenden Ausführungsformen wird die am Fahrzeug 1 angebrachte Energiespeicherapparatur 10 durch das externe Ladegerät CH geladen. Nach dem Laden mit einem konstanten Strom schaltet das externe Ladegerät CH auf Konstantspannungsladung um, wenn die Gesamtspannung der montierten Batterie 20 eine vorbestimmte Spannung erreicht. So stoppt beispielsweise das externe Ladegerät CH das Laden, wenn der Ladestrom gleich oder kleiner als ein Schwellenwert wird. Im Falle eines Ladeverfahrens zum Steuern des Ladevorgangs der Energiespeicherapparatur 10 unter Überwachung nur der Gesamtspannung und des Ladestroms der montierten Batterie 20 ohne Überwachung der Spannung jeder Energiespeichervorrichtung 21, auch wenn es einen Unterschied in der Zellspannung zwischen den Energiespeichervorrichtungen gibt, wird das Laden fortgesetzt, solange die Gesamtspannung die vorgegebene Spannung beibehält. Da das Laden nicht entsprechend der Zellenspannung jeder Energiespeichervorrichtung gesteuert werden kann, steigt bei einem Unterschied der Zellenspannung zwischen den Energiespeichervorrichtungen ein Teil der Zellenspannung tendenziell an. Wenn eine Vorrichtung zum Laden einer Energiespeicherapparatur das Laden durchführt und dabei nur die Gesamtspannung oder den Ladestrom der montierten Batterie 20 überwacht, kann die vorliegende Erfindung umfassend auf die Energiespeicherapparatur angewendet werden. Die Vorrichtung zum Laden der Energiespeicherapparatur ist nicht auf das externe Ladegerät CH beschränkt und kann eine am Fahrzeug 1 montierte Lichtmaschine sein, solange es sich um eine Vorrichtung handelt, die das Laden durchführt und dabei nur die Gesamtspannung und den Ladestrom der montierten Batterie 20 überwacht. Wenn die BM 30 keine Kommunikationsfunktion mit dem Fahrzeug 1 hat, auch wenn die BM 30 die Spannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 überwacht, wird diese Information nicht an das Fahrzeug 1 übertragen. Somit lädt die Lichtmaschine des Fahrzeugs 1 die Energiespeicherapparatur 10 auf und überwacht dabei nur die Gesamtspannung und den Ladestrom der montierten Batterie 20, ohne die Spannung jeder Energiespeichervorrichtung 21 zu überwachen. Daher kann die vorliegende Erfindung auch auf die Energiespeicherapparatur 10 am Fahrzeug 1 angewendet werden, der keine Kommunikationsfunktion mit der BM 30 hat.
(7) In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Energiespeicherapparatur 10 an einem Allradfahrzeug montiert, kann aber auch an einem Motorrad montiert werden. Eine auf einem Motorrad montierte Lichtmaschine lädt im Allgemeinen die Energiespeicherapparatur 10 auf, während sie nur die Gesamtspannung und den Ladestrom der montierten Batterie 20 überwacht. Durch die Anwendung der vorliegenden Technologie auf die am Motorrad montierte Energiespeicherapparatur 10 kann das Laden fortgesetzt werden, während der Spannungsanstieg der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung unterdrückt wird.
(8) In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Energiespeicherapparatur 10 am Fahrzeug 1 montiert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Energiespeicherapparatur 10 für ein Fahrzeug beschränkt, sondern kann auf eine Energiespeicherapparatur für den industriellen Einsatz angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise auf eine Energiespeicherapparatur für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, eine Energiespeicherapparatur für ein solares Stromerzeugungssystem oder eine Energiespeicherapparatur zur Bedarfssteuerung in einer Bedarfsanlage (Lasteinrichtung) eines Energiesystems angewendet werden (zur Steuerung zur Unterdrückung des Spitzenwertes des Stromverbrauchs). In industriellen Energiespeicherapparaturen ist die Gesamtspannung der montierten Batterie 20 hoch und die Anzahl der in Reihe geschalteten Energiespeicher 21 ist im Vergleich zu denen eines Fahrzeugs groß. Wenn die Anzahl der in Reihe geschalteten Energiespeicher 21 groß ist, summieren sich die Spannungsänderungen der jeweiligen Energiespeicher. Da die akkumulierten Spannungsänderungen an die Zelle mit der höchsten Laderate angelegt werden, kann die Zelle mit der höchsten Laderate eine abnormale Spannung erreichen, auch wenn die Spannungsschwankungen der jeweiligen Energiespeicher gering sind. Durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine industrielle Energiespeicherapparatur kann das Laden fortgesetzt werden, während eine Spannungserhöhung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung unterdrückt wird.
(9) Wenn in den obigen Ausführungsformen die Zellenspannung einer der Energiespeichervorrichtungen 21 während des Ladevorgangs den ersten Spannungsschwellenwert überschritten hat (JA in S11), entladet die CPU 33 nur die Energiespeichervorrichtung 21U mit der höchsten Spannung, nachdem sie den ersten Spannungsschwellenwert durch die Entladeschaltung 44 überschritten hat. Die CPU 33 kann nur die Energiespeichervorrichtung 21U mit der höchsten Spannung durch die Entladeschaltung 44 entladen, wenn die Zellenspannung einer der Energiespeichervorrichtungen 21 während des Ladens einen beliebigen Spannungsschwellenwert überschritten hat. So kann beispielsweise die CPU 33 nur die Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U durch die Entladeschaltung 44 entladen, wenn die Zellenspannung einer der Energiespeichervorrichtungen 21 einen Spannungsschwellenwert (beispielsweise 3,5 V) überschreitet, der kleiner als der erste Spannungsschwellenwert 4 V ist. Des Weiteren kann die CPU 33 nur die Höchstspannungs-Energiespeichervorrichtung 21U durch die Entladeschaltung 44 entladen, wenn die Zellenspannung einer der Energiespeichervorrichtungen 21 einen Spannungsschwellenwert (beispielsweise 4,1 V) überschreitet, der größer als der erste Spannungsschwellenwert 4 V und kleiner als der zweite Spannungsschwellenwert 4,6 V ist.

Bezugszeichenliste

10:: Energiespeicherapparatur
21:: Energiespeichervorrichtung
30:: BMU (Beispiel für „Steuereinheit“)
31:: Spannungserfassungsschaltung (Beispiel einer „Spannungserfassungseinheit“)
32:: Steuereinheit
44:: Entladeschaltung
CH:: Externes Ladegerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 8019188 A [0003]

Claims

Energiespeicherapparatur, umfassend: eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen, die in Reihe geschaltet sind; eine Spannungserfassungseinheit, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen erfasst; eine Entladeschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen entlädt; und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit folgendes ausführt: einen Entladevorgang zum Entladen nur einer Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch die Entladeschaltung; und einen Stoppvorgang zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine erste Dauer in einem Zustand vergeht, in dem eine Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, oder zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine zweite Dauer, die kürzer als die erste Dauer ist, in einem Zustand vergeht, in dem die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, der größer als der erste Spannungsschwellenwert ist.
Energiespeicherapparatur nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Entladevorgang durchführt, wenn die Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen den ersten Spannungsschwellenwert überschreitet.
Energiespeicherapparatur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit eine dritte Dauer kürzer als die erste Dauer als die erste Dauer einstellt, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen größer als ein Spannungsdifferenzschwellenwert ist.
Energiespeicherapparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energiespeichervorrichtungen Lithium-Ionen-Zellen sind und die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch ein externes Ladegerät für eine Blei-Säure-Batterie aufladbar ist.
Energiespeicherapparatur, die umfasst: eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen, die in Reihe geschaltet sind; eine Spannungserfassungseinheit, die Spannungen der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen erfasst; eine Entladeschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen entladen; und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit nur eine Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen entlädt, wenn die Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen durch ein Ladegerät geladen wird.
Steuerverfahren für Energiespeichervorrichtungen, umfassend: einen Entladevorgang zum Entladen nur einer Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung unter einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen; und einen Stoppvorgang zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine erste Dauer in einem Zustand vergeht, in dem eine Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen ersten Spannungsschwellenwert überschreitet, oder zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn eine zweite Dauer, die kürzer als die erste Dauer ist, in einem Zustand vergeht, in dem die Spannung der Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung einen zweiten Spannungsschwellenwert überschreitet, der größer als der erste Spannungsschwellenwert ist.
Steuerverfahren für Energiespeichervorrichtungen, umfassend, wenn eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichervorrichtungen durch ein Ladegerät geladen werden, das Entladen nur einer Energiespeichervorrichtung mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen.