JP2006166615A - 蓄電デバイスの電圧均等化制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の蓄電デバイスによって構成される組電池に対する長時間の電圧均等化動作による残存エネルギーの減少を抑制し、組電池としての性能を維持する。
【解決手段】最大最小電圧検出部４で複数の蓄電デバイスＣＬ，…のうちの最大端子電圧及び最小端子電圧を検出し、電圧差演算部５で最大端子電圧と最小端子電圧との電圧差を算出する。そして、タイマ設定部６で、この電圧差に基づいてタイマの限時動作時間を設定し、限時動作制御部７で、タイマに限時動作時間をプリセットして電圧平衡回路３を限時動作させることにより、電圧平衡回路３の長時間動作による必要以上のエネルギーの損失を防止し、組電池としての性能を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成する複数の蓄電デバイスの電圧を均等化する蓄電デバイスの電圧均等化制御システムに関する。

近年、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等のエネルギー密度の高いコンパクトな蓄電デバイスが実用化されており、例えば、モータにより走行する電気自動車或いはエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車等の電源として有力視されている。このような蓄電デバイスは、複数個のセルを直列接続して組電池として構成することにより所望の電圧を得ることができるが、充放電を繰り返すと、各セルの静電容量や内部抵抗のバラつきにより各セルの電圧にバラつきが発生し、セルに過大電圧や極性反転が生じてセルが劣化する可能性がある。このため、セルの劣化を抑えて充放電性能を維持するには、各セルの電圧を均等化する電圧均等化装置が必要となる。

この種の電圧均等化装置としては、既に本出願人が提案した特開２００２−２２３５２８号公報に開示の電圧均等化装置が知られている。この電圧均等化装置は、直列接続された一方の複数の蓄電素子群の各々蓄電素子と、互いに磁気結合された複数の２次巻線の各々と、複数の一方のスイッチング素子の各々とでそれぞれ閉回路を構成し、他方の蓄電素子と２次巻線と共通に磁気結合されている１次巻線と他方のスイッチング素子とで閉回路を構成し、一方の複数のスイッチング素子と他方のスイッチング素子を交互にＯＮ・ＯＦＦすることによりセル間のエネルギー授受を行い、直列接続された一方の複数の蓄電素子の出力電圧を均等化するものである。
特開２００２−２２３５２８号公報

一般に、組電池を構成する蓄電デバイスに対する電圧均等化動作は、負荷の少ない安定した状態で行う必要があり、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等では、キースイッチをＯＦＦして車両を停止した後に、電圧均等化装置を作動させて電圧均等化を実施するようにしている。

しかしながら、電圧均等化を実施するためには、電圧均等化装置を作動させる電源が必要であり、別の電源を用意できない場合には、電圧均等化装置の電源を、電圧均等化の対象とする組電池自身から供給しなければならない。従って、セル間の電圧差が比較的大きく、長時間の電圧均等化動作を要する場合等には、電圧均等化装置で消費するエネルギーに加えて、電圧均等化の際のセル間のエネルギー授受における損失が無視できないレベルとなり、組電池全体としての残存エネルギーが減少してしまい、組電池として性能を維持する上での支障となる。

特に、キャパシタのような蓄電デバイスを用いて組電池を構成する場合、キャパシタは、一般的な二次電池よりも電気容量が小さいため、電圧均等化装置を長時間動作させると、キャパシタの残存エネルギーが減少し、端子電圧が低下してしまう。キャパシタは、その特性上、高い電圧を保持して残存エネルギーが大きい程、一時的に大電力を放出可能であり、車両の始動時等に有効であるものの、電圧均等化を長時間行うと、その特性を十分に発揮できなくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の蓄電デバイスによって構成される組電池に対する長時間の電圧均等化動作による残存エネルギーの減少を抑制し、組電池としての性能を維持することのできる蓄電デバイスの電圧均等化制御システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による第１のシステムとしての蓄電デバイスの電圧均等化制御システムは、組電池を構成する複数の蓄電デバイスの電圧を均等化する電圧均等化手段と、上記複数の蓄電デバイスのうちの最大電圧と最小電圧とを検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段で検出した最大電圧と最小電圧との電圧差を算出する電圧差算出手段と、上記電圧差算出手段で算出した電圧差に基づいて、上記電圧均等化手段を作動させる限時時間を設定する限時設定手段と、上記限時設定手段で設定した限時時間内で上記電圧均等化手段を作動させて上記複数の蓄電デバイスの電圧均等化動作を実行させ、上記限時時間を越えたとき、上記電圧均等化手段を停止させる限時動作制御手段とを備えたことを特徴とする。

第１のシステムでは、限時時間を電圧均等化動作によって変化する電圧差の最新の値に応じて随時再設定し、この再設定された限時時間に応じて電圧均等化手段を停止させるまでの時間を再設定することが望ましい。また、限時時間内で電圧差が予め設定した目標値内に収束したときには、電圧均等化手段を停止させることが望ましい。限時時間は、組電池における最大電圧の蓄電デバイスの数と最小電圧の蓄電デバイスの数とを半々に偏らせたパターンでの平均電圧への収束時間に基づいて設定することができる。

本発明による第２のシステムとしての蓄電デバイスの電圧均等化制御システムは、組電池を構成する複数の電池モジュール毎に、該電池モジュールを構成する複数の蓄電デバイスの電圧を均等化する複数のモジュール電圧均等化手段と、上記組電池の全ての蓄電デバイスのうちの最大電圧と最小電圧とを検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段で検出した最大電圧と最小電圧との電圧差を算出する電圧差算出手段と、上記電圧差算出手段で算出した電圧差に基づいて、上記複数のモジュール電圧均等化手段を動作させる限時時間を設定する限時設定手段と、上記限時時間設定手段で設定した限時時間内で上記複数のモジュール電圧均等化手段を作動させて上記複数の蓄電デバイスの電圧均等化動作を実行させ、上記限時時間を越えたとき、上記複数のモジュール電圧均等化手段を停止させる限時動作制御手段とを備えたことを特徴とする。

第２のシステムでは、組電池における最大電圧の蓄電デバイスの数と最小電圧の蓄電デバイスの数とを半々に偏らせたパターンでの平均電圧への収束時間に基づいて、限時時間を設定することが望ましい。この場合においても、限時時間を電圧均等化動作によって変化する電圧差の最新の値に応じて随時再設定し、この再設定された限時時間に応じてモジュール電圧均等化手段を停止させるまでの時間を再設定することが望ましい。

本発明による蓄電デバイスの電圧均等化制御システムは、複数の蓄電デバイスによって構成される組電池に対する長時間の電圧均等化動作を回避して残存エネルギーの減少を抑制し、組電池としての性能を維持することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の第１形態に係り、図１は電圧均等化制御システムの構成図、図２は電圧平衡回路の回路図、図３はタイマセレクションマップの説明図であり、図３（ａ）は電圧差に基づくタイマセレクションマップの説明図、図３（ｂ）は最大端子電圧と電圧差とに基づくタイマセレクションマップの説明図、図４は電圧均等化制御システムの拡張機能を示す説明図である。

図１に示す電圧均等化制御システム１は、主として低電圧系統の電源（例えば自動車等の１２Ｖ系の電源等）に適用されるものであり、比較的少ない数の蓄電デバイスＣＬ，…を直列接続して低電圧系統の電源として使用される組電池２を対象としている。本実施の形態においては、蓄電デバイスＣＬとして、例えば、リチウムイオン２次電池や電気二重層キャパシタ等を想定し、これらの単一のセル、複数個のセルを直列接続したもの、並列接続したもの、直列と並列とを組合わせて接続したものを蓄電デバイスＣＬとして表記する。

電圧均等化制御システム１は、複数の蓄電デバイスＣＬ，…間のエネルギー授受によって複数の蓄電デバイスＣＬ，…の端子電圧を均等化する電圧平衡回路（電圧均等化手段）３、個々の蓄電デバイスＣＬ毎の端子電圧（セル電圧）を検出して比較演算し、これらのセル電圧のうちの最大端子電圧及び最小端子電圧を検出する最大最小電圧検出部（電圧検出手段）４、最大最小電圧検出部４で検出した最大端子電圧と最小端子電圧との電圧差を演算する電圧差演算部（電圧差算出手段）５、電圧差演算部５で演算した電圧差に基づいてタイマの限時動作時間を設定するタイマ設定部（限時設定手段）６、タイマ設定部６で設定した限時動作時間をタイマにプリセットして電圧平衡回路３を限時動作させる限時動作制御部（限時動作制御手段）７を備えて構成されている。

本形態においては、電圧平衡回路３を制御するための各機能部（最大最小電圧検出部４、電圧差演算部５、タイマ設定部６、限時動作制御部７）を、個々の蓄電デバイスＣＬの電圧を検出するアンプ及び周辺回路を含むマイクロコンピュータのファームウェアによって構成するようにしている。電圧平衡回路３としては、トランスを利用する回路や電源ＩＣを絶縁して利用する回路等を採用することができる。尚、電圧均等化制御システム１全体を、電圧平衡回路３の機能をも含めたファームウェアとして構成することも可能である。

図２はトランスを用いた電圧平衡回路３の一例を示し、鉄心を有するトランス１０の誘電電圧を利用した充放電によってセル電圧を均等化する。具体的には、トランス１０は、各蓄電デバイスＣＬ，…に対応して設けた複数の基本巻線１０ｍ，…を有し、各基本巻線１０ｍは、センタタップ１０ｍｔにより分けた第１巻線１０ｍａと第２巻線１０ｍｂとを有している。尚、各基本巻線１０ｍ，…の巻数は同数となるように設定され、第１巻線１０ｍａと第２巻線ｍｂとは同一巻数とする。

センタタップ１０ｍｔは、第１巻線１０ｍａの巻始端子と第２巻線１０ｍｂの巻終端子とを兼ねており、対応する蓄電デバイスＣＬの負極側に接続される。また、第１巻線１０ｍａの巻終端子と対応する蓄電デバイスＣＬの正極側との間に、スイッチング素子ＳＷと第１ダイオードＤ１とが接続され、第２巻線１０ｍｂの巻始端子に第２ダイオードＤ２を介して対応する蓄電デバイスＣＬの正極側が接続されている。

スイッチング素子ＳＷは、ＦＥＴ等の半導体スイッチを用い、制御回路１１から出力されるパルス制御信号によりＯＮ／ＯＦＦされる。制御回路１１は、パルス発振器を内蔵しており、このパルス発振器を例えば百ＫＨｚ程度の周波数で発振させてパルス制御信号を出力し、各スイッチング素子ＳＷ，…を同期させてＯＮ／ＯＦＦ制御する。

これにより、各スイッチング素子ＳＷが同期してＯＮすると、各蓄電デバイスＣＬから対応する各第１ダイオードＤ１を介して各基本巻線１０ｍの第１巻線１０ｍａに通電可能な直列回路が形成され、各基本巻線１０ｍの直列回路がそれぞれ並列接続されることになる。従って、各基本巻線１０ｍの巻数が同一であれば、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電デバイスＣＬから基本巻線１０ｍに対して、トランス１０へのエネルギー蓄積に伴う蓄積電流が流れる。

一方、この後、各スイッチング素子ＳＷが同期してＯＦＦしたときには、各基本巻線１０ｍの第２巻線１０ｍｂから各第２ダイオードＤ２を介して各蓄電デバイスＣＬに通電可能な直列回路が形成され、各基本巻線１０ｍの直列回路がそれぞれ並列接続されることになる。従って、基本巻線１０ｍから最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電デバイスＣＬに対して、トランス１０からのエネルギー放出に伴う放出電流が流れる。

すなわち、各スイッチング素子ＳＷのＯＮ時には、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電デバイスＣＬから基本巻線１０ｍに対してトランス１０へのエネルギー蓄積に伴う蓄積電流が流れ、各スイッチング素子ＳＷのＯＦＦ時には、基本巻線１０ｍから最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電デバイスＣＬに対して、トランス１０からのエネルギー放出に伴う放出電流が流れるため、トランス１０へのエネルギー蓄積時及びトランス１０からのエネルギー放出時の双方において各セルの電圧均等化動作が行われる。

以上の電圧平衡回路３は、最大端子電圧と最小端子電圧との電圧差に基づいて設定された時限内で動作するよう制御される。すなわち、電圧平衡回路３を動作させる別電源を用意できない場合には、組電池２自身から回路電源を供給しなければならず、また、電圧均等化の際の蓄電デバイスＣＬ間のエネルギー移送には損失が伴うことから、電圧平衡回路３を長時間動作させると、組電池２自身のエネルギー消費が無視できないレベルに達し、全体としての残存エネルギーが減少してしまう。

特に、蓄電デバイスＣＬとしてキャパシタを用いて組電池２を構成し、車両の電源装置に適用する場合には、キャパシタの特性上、高い電圧を保持して残存エネルギーが大きい程、一時的に大電力を放出可能であり、良好な始動性が得られるが、キャパシタは一般的な二次電池よりも電気容量が小さいため、電圧平衡回路３を長時間動作させて電圧均等化を行うと、キャパシタの残存エネルギーが減少して端子電圧が低下してしまい、良好な始動性が得られなくなる虞がある。

従って、最大最小電圧検出部４、電圧差演算部５、タイマ設定部６、及び限時動作制御部７により、個々の蓄電デバイスＣＬ毎のセル電圧のうちの最大端子電圧と最小端子電圧との電圧差に応じて設定した時間だけ電圧平衡回路３を電圧均等化動作させ、電圧平衡回路３の電圧均等化動作による必要以上のエネルギーの損失を防止する。

最大最小電圧検出部４は、個々の蓄電デバイスＣＬ毎に、端子電圧を検出するアンプを備え、多段構成のコンパレータ等を用いて個々のアンプの出力電圧を比較し、最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとを検出する。検出された最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶは電圧差演算部５で演算され、タイマ設定部６に送られる。

タイマ設定部６は、電圧差ΔＶをパラメータとして、電圧平衡回路３の電圧均等化動作時間を定めるタイマ（本形態においては、カウントダウンタイマ）のプリセット値を、予め保有するタイマセレクションマップを参照して設定する。電圧平衡回路３による組電池２の電圧均等化動作は、各蓄電デバイスＣＬ毎の端子電圧の総和を平均した平均電圧への収束動作となり、各蓄電デバイスＣＬの端子電圧を均等化するに要する時間は、蓄電デバイスＣＬの特性、組電池２を構成する蓄電デバイスＣＬの数、電圧平衡回路３の制御方式及び電圧均等化能力等の要因に依存し、複雑なエネルギー計算を要するが、電圧均等化のエネルギー移送量が最大のとき、電圧均等化の時間が最も長くなる。

電圧均等化のエネルギー移送量は、リチウムイオン電池やキャパシタ等の蓄電デバイスＣＬでは、その端子電圧によって蓄電デバイスの持つエネルギー量を評価することができることから、複数の蓄電デバイスＣＬ，…の間の電圧差が大きい程、電圧均等化のためのエネルギー移送量が大きくなり、同じ電圧差では、蓄電デバイスＣＬの端子電圧が高い程、電圧均等化のためのエネルギー移送量が大きくなる。従って、過充電や過放電とならない正常の電圧範囲での電圧均等化について考えると、この正常電圧範囲内での最大端子電圧のセルの数と最小端子電圧のセルの数とが半々に偏ったパターンのとき、電圧均等化のためのエネルギー移送量が最大となり、図３（ａ）に示すように、最大端子電圧と最小端子電圧との中間の収束電圧（最大端子電圧と最小端子電圧との平均電圧）に収束させるまでの時間が最も長くなる。

具体的には、蓄電デバイスＣＬの特性を保証する上限電圧（正常に充電することのできる最大電圧）及び下限電圧（正常に放電させることのできる最小電圧）を考慮し、上限電圧を最大端子電圧とするセルの数と下限電圧を最小端子電圧とするセルの数とが半々に偏ったパターンで、図３（ａ）に示すような特性のタイマセレクションマップを作成する。このタイマセレクションマップには、蓄電デバイスＣＬの特性、組電池２を構成する蓄電デバイスＣＬの数、電圧平衡回路３の制御方式及び電圧均等化能力等を考慮し、各セルの電圧を設定範囲内に収束させて均等化させるに要する時間を、電圧差ΔＶをパラメータとして予めシミュレーション或いは実験等により求めてタイマのプリセット値として格納しておく。

この蓄電デバイスの上限電圧を基準とするタイマセレクションマップは、蓄電デバイスＣＬの端子電圧が正常範囲で最も高い場合に電圧差ΔＶをパラメータとして電圧平衡回路３の動作時間を決定するものであり、蓄電デバイスＣＬの実際の最大端子電圧Ｖｍａｘが上限電圧より低い場合には、電圧均等化に要する時間はマップから決定した動作時間より短くなるため、実際の最大端子電圧Ｖｍａｘが異なる様々な状況に一律に適用することができる。これにより、比較的簡素なマップ構成としながら、実用上十分な精度での電圧均等化を行うことができ、長時間の電圧均等化動作を回避して不要なエネルギー損失を抑えることができる。

この場合、より厳密に電圧均等化の限時時間を決定するには、図３（ｂ）に示すように、最大端子電圧Ｖｍａｘと電圧差ΔＶとをパラメータとするタイマセレクションマップを作成しておき、このタイマセレクションマップを用いるようにしても良い。この最大端子電圧Ｖｍａｘと電圧差ΔＶとに基づくタイマセレクションマップは、マップ内の最大端子電圧Ｖｍａｘの値が上限電圧に該当する領域では、電圧差ΔＶと限時時間との関係が図３（ａ）と同様の特性となり、電圧差ΔＶが大きくなる程、電圧均等化の時間が長くなる。また、同じ電圧差ΔＶでは、マップ内の最大端子電圧Ｖｍａｘの値が高くなる程、電圧均等化の時間が長くなる。

以上のタイマセレクションマップを用いて設定した時間は、限時動作制御部７にてタイマにプリセットされる。限時動作制御部７は、組電池２が安息状態となった所定のタイミング、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電源として組電池２が使用される場合にはキースイッチＯＦＦの車両停止後のタイミングで、電圧平衡回路３の制御回路１１に発振パルスを出力させる制御信号を出力して電圧均等化動作を開始させると共に、タイマを動作させてプリセット値からのカウントダウンを開始させる。

タイマがカウントダウン中は、電圧平衡回路３の作動によるセル電圧のフィードバックにより、電圧平衡回路３の動作時間が随時修正される。すなわち、タイマがスタートして、電圧平衡回路３による各セルの電圧均等化動作が開始されると、最大最小電圧検出部４によって各セルの電圧が随時モニタされ、電圧差演算部５で算出される最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶも随時更新される。この電圧差ΔＶが更新される毎に、タイマ設定部６ではタイマセレクションマップを用いてタイマのプリセット値を再設定し、限時動作制御部７に出力する。

タイマ設定部６から入力される最新のタイマプリセット値に対し、限時動作制御部７では、タイマの現在のカウント値による電圧平衡回路３を停止させるまでの残り時間Ｔｏｌｄと、新たなプリセット値による電圧平衡回路３の作動時間Ｔｎｅｗとを比較する。そして、電圧均等化動作の進行に伴ってＴｏｌｄ＞Ｔｎｅｗの条件が成立したときには、新たなプリセット値をタイマに再セットし、電圧平衡回路３の動作時間を修正する。

その後、タイマのカウント値が０となってプリセット値からのカウントダウンが終了すると、限時動作制御部７から電圧平衡回路３に停止信号を出力し、電圧均等化動作を停止させる。この電圧平衡回路３の電圧均等化動作の停止は、限時動作制御部７から制御回路１１にパルス発振停止の制御信号を出力する、或いは電圧平衡回路３の回路電源を遮断する等して行う。

以上のタイマによる電圧均等化の限時制御は、制御項目や制御パラメータを追加し、機能を拡張することができる。図４は、収束電圧や最長時間等の制限を設けた電圧均等化制御システム１Ａの構成を示しており、電圧均等化制御システム１の各機能部、すなわち、電圧平衡回路３、最大最小電圧検出部４、電圧差演算部５、タイマ設定部６、限時動作制御部７に加えて、電圧平衡目標値設定部８、電圧比較部９を付加的に備えている。

電圧平衡目標値設定部８は、タイマにより電圧平衡回路３を限時作動させて複数の蓄電デバイスＣＬ，…の電圧を均等化する際の収束電圧の目標値（電圧幅）を設定するものであり、電圧比較部９で電圧差ΔＶと目標値とを比較し、その比較結果に応じて電圧平衡回路３をタイマによる限時動作或いは強制停止によるＯＦＦ状態とする。また、電圧均等化制御システム１Ａでは、限時動作制御部７への外部操作ＯＮ信号の入力により、電圧平衡回路３をＯＮさせて均等化動作を実施させることが可能である。

すなわち、電圧差ΔＶが目標値以下の条件が成立したときには、タイマのスタート前であれば、電圧平衡回路３を動作させずにＯＦＦ状態に維持し、タイマのカウントダウンがスタートして電圧平衡回路３が動作しているときには、タイマがカウントダウン中であっても、電圧平衡回路３を強制的にＯＦＦとする。この場合、電圧平衡回路３を動作させても電圧差ΔＶが予め設定した目標値以下に収束しない場合には、タイマによる電圧差ΔＶに応じた限時動作により、電圧平衡回路３の最長動作時間が制限される。

限時動作制御部７では、タイマの時限内で電圧差ΔＶが目標値以下となる条件が成立しない場合には、例えば、所定回数の条件不成立の後、蓄電デバイスＣＬの劣化と判定する等して、電圧平衡回路３を強制的にＯＦＦ状態にロックする。この場合には、外部操作ＯＮ信号が入力されても電圧平衡回路３を作動させず、ＯＦＦ状態にロックすることで安全を確保する。

また、限時動作制御部７は、電圧平衡回路３の均等化動作におけるスイッチング素子ＳＷのスイッチング周波数を、電圧差ΔＶに応じて可変するように制御しても良い。具体的には、電圧差ΔＶが大きいときは、スイッチング周波数を低く設定することで、スイッチング素子ＳＷのＯＮ時間を長くして均等化処理能力を高め、電圧差ΔＶが小さいときは、スイッチング周波数を高く設定することで、スイッチング素子ＳＷ，…のＯＮ時間を短くし、トランス１０に対する蓄積及び放出エネルギーを少なくして無駄な損失を低減することができる。

以上のように、本形態においては、組電池２を構成する個々の蓄電デバイスＣＬの状態に応じた最適な時間で電圧平衡回路３による電圧均等化を実施するようにしており、長時間の電圧均等化動作を回避して残存エネルギーの減少を抑制し、電池品質を維持することができる。

しかも、タイマの設定時間内に目標値に収束しない場合には、組電池の不良或いは劣化と判定することができ、常に、最適な状態に電池品質を維持することができる。

図５及び図６は本発明の実施の第２形態に係り、図５は電圧均等化制御システムの構成図、図６は電圧平衡回路の回路図である。

第２形態は、ハイブリッド自動車や電気自動車の電源等のように、複数の蓄電デバイスＣＬ，…を多数直列に接続して高電圧系統の電源を構成する場合に応用展開したものである。

図５に示すように、第２形態では、第１形態の組電池２に相当する比較的少ない数の蓄電デバイスＣＬ，…を直列接続した電池モジュール２０ａを、複数個直列に接続して構成される組電池２０を対象として、マイクロコンピュータ５０を中心として構成される電圧均等化制御システム１００により、各電池モジュール２０ａ毎の複数の蓄電デバイスＣＬ，…の電圧を均等化制御する。

第２形態の電圧均等化制御システム１００は、第１形態の電圧均等化制御システム１における電圧差演算部（電圧差算出手段）５及びタイマ設定部（限時設定手段）６の機能をマイクロコンピュータ５０に集約し、処理系の簡素化を図っている。すなわち、電圧均等化制御システム１００は、各電池モジュール２０ａ毎に、電圧平衡回路（モジュール電圧均等化手段）２１と限時動作制御部（限時動作制御手段）２２とからなる電圧均等化制御部２３を備え、各電池モジュール２０ａ毎の電圧均等化制御部２３をマイクロコンピュータ５０によって統括的に制御するようにしている。

また、電圧平衡回路２１は、個々の蓄電デバイスＣＬ，…毎の電圧を検出するアンプの増加によるコスト上昇を回避するため、各電池モジュール２０ａ内の複数の蓄電デバイスＣＬ，…の電圧を均等化する機能に加え、複数の蓄電デバイスＣＬ，…のうちの最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとを検出する機能を備えている。

図６は、電圧平衡回路２１の回路例を示すものであり、第１形態の電圧平衡回路３に対し、複数の蓄電デバイスＣＬ，…のうちの最大端子電圧Ｖｍａｘを検出する最大電圧検出部１２と最小端子電圧Ｖｍｉｎを検出する最小電圧検出部１３とを追加した回路構成を有している。最大電圧検出部１２で検出した最大端子電圧Ｖｍａｘと最小電圧検出部１３で検出した最小端子電圧Ｖｍｉｎは、マイクロコンピュータ５０に入力され、マイクロコンピュータ５０内で電圧差ΔＶが演算処理される。

最大電圧検出部１２は、２つの入力ポートを有し、一方の入力ポートが任意の基本巻線１０ｍの第１巻線１０ｍａに結合されるコンデンサＣ１に接続され、他方の入力ポートが当該基本巻線１０ｍのセンタタップ１０ｍｔに接続されている。コンデンサＣ１は、スイッチング素子ＳＷのＯＮ時に基本巻線１０ｍの第１巻線１０ｍａに発生する電圧を保持（記憶）する電圧保持用コンデンサであり、任意の基本巻線１０ｍにおける第１巻線１０ｍａの巻終端子に接続されるダイオードＤ３の出力側と、当該基本巻線１０ｍのセンタタップ１０ｍｔとの間に接続されている。

同様に、最小電圧検出部１３も２つの入力ポートを有し、一方の入力ポートが任意の基本巻線１０ｍの第２巻線１０ｍｂに結合されるコンデンサＣ２に接続され、他方の入力ポートが当該基本巻線１０ｍのセンタタップ１０ｍｔに接続されている。コンデンサＣ２は、スイッチング素子ＳＷのＯＦＦ時に基本巻線１０ｍの第２巻線１０ｍｂに発生する電圧を保持（記憶）する電圧保持用コンデンサであり、任意の基本巻線１０ｍにおける第２巻線１０ｍｂの巻始端子に接続されるダイオードＤ４の出力側と、当該基本巻線１０ｍのセンタタップ１０ｍｔとの間に接続されている。

以上の電圧平衡回路２１の電圧均等化動作は、第１形態の電圧平衡回路３と同じであり、各スイッチング素子ＳＷのＯＮ時には、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電デバイスＣＬから基本巻線１０ｍに対してトランス１０へのエネルギー蓄積に伴う蓄積電流が流れ、各スイッチング素子ＳＷのＯＦＦ時には、基本巻線１０ｍから最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電デバイスＣＬに対して、トランス１０からのエネルギー放出に伴う放出電流が流れる。そして、トランス１０へのエネルギー蓄積時及びトランス１０からのエネルギー放出時の双方において、各セルの電圧均等化動作が行われる。

この均等化動作においては、各スイッチング素子ＳＷのＯＮ時には、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電デバイスＣＬからの蓄積電流により、基本巻線１０ｍの第１巻線１０ｍａに最大端子電圧Ｖｍａｘに対応する電圧が発生し、ダイオードＤ３を介して充電されるコンデンサＣ１の端子電圧が蓄電デバイスＣＬの最大端子電圧Ｖｍａｘとして保持される。

また、各スイッチング素子ＳＷのＯＦＦ時には、最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電デバイスＣＬに対する放出電流により、基本巻線１０ｍの第２巻線１０ｍｂに最小端子電圧Ｖｍｉｎに対応する電圧が発生し、ダイオードＤ４を介して充電されるコンデンサＣ２の端子電圧が蓄電デバイスＣＬの最小端子電圧Ｖｍｉｎとして保持される。

コンデンサＣ１に保持された最大端子電圧Ｖｍａｘ、及びコンデンサＣ２に保持された最小端子電圧Ｖｍｉｎは、それぞれ、所定のサンプリング周期で、最大電圧検出部１２、最小電圧検出部１３に読み取られ、マイクロコンピュータ５０に出力される。

マイクロコンピュータ５０による組電池２０の電圧均等化制御は、組電池２０が安息状態となった当初に電圧平衡回路２１が停止している場合には、正確な最大端子電圧Ｖｍａｘ及び最小端子電圧Ｖｍｉｎが得られないため、先ず、電圧平衡回路２１の制御回路１１に発振パルスを出力させる制御信号を出力して電圧均等化動作を開始させることから始まる。

そして、電圧平衡回路２１の作動によって最大電圧検出部１２及び最小電圧検出部１３から最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとがマイクロコンピュータ５０に入力されると、マイクロコンピュータ５０では、これらのデータから直ちに電圧差ΔＶを演算し、この電圧差ΔＶに基づいて各電圧平衡回路２１の電圧均等化動作に対する限時制御を行う。

マイクロコンピュータ５０による各電圧平衡回路２１の限時制御は、基本的には、第１形態と同様であるが、主として、以下に示すように、細部の処理が若干異なる。

第２形態における限時制御の制御形態は、組電池２０内の複数の蓄電デバイスＣＬ，…のうちの最大端子電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶに基づいて全ての電圧平衡回路２１の限時動作を制御する制御形態であり、電池モジュール２０ａ毎の最大端子電圧Ｖｍａｘ1，Ｖｍａｘ2，…のうちの最大値と、電池モジュール２０ａ毎の最小端子電圧Ｖｍｉｎ1，Ｖｍｉｎ2，…のうちの最小値との差、すなわち、組電池２０を構成する全ての蓄電デバイスＣＬ，…のうちの最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶに基づいて、第１形態と同様のタイマセレクションマップを参照し、全ての電圧平衡回路２１の限時動作時間を一律に設定する。タイマセレクションマップは、組電池２０全体に適用される単一のマップを用いる。

タイマがカウントダウン中は、電圧フィードバックにより電圧差ΔＶが随時更新され、タイマのプリセット値が再設定される。そして、タイマのカウント値が０にとなってプリセット値からのカウントダウンが終了したとき、電圧平衡回路２１の制御回路１１にパルス発振停止の制御信号を出力する、或いは回路電源を遮断する等して、全ての電圧平衡回路２１による電圧均等化動作を停止させる。

更に、各電池モジュール２０ａに対する電圧均等化制御を行った後、複数の電池モジュール２０ａ，…間の電圧バラツキが無視できない場合には、例えば、各電池モジュール２０ａを代表する電圧値のうちの最大電圧と最小電圧との電圧差に基づいて限時時間を設定し、この限時時間で組電池２０内の全ての電圧平衡回路２１による電圧均等化動作のタイマ制御を行う。この場合には、第１の限時制御におけるタイマセレクションマップを適用することができる。

第２形態においても、第１形態と同様、長時間の電圧均等化動作を回避して組電池の残存エネルギーの減少を抑制することができ、電池品質を確保することができる。

本発明の実施の第１形態に係り、電圧均等化制御システムの構成図 同上、電圧平衡回路の回路図 同上、タイマセレクションマップの説明図 同上、電圧均等化制御システムの拡張機能を示す説明図 本発明の実施の第２形態に係り、電圧均等化制御システムの構成図 同上、電圧平衡回路の回路図

符号の説明

１，１Ａ，１００ 電圧均等化制御システム
２ 組電池
３ 電圧平衡回路（電圧均等化手段）
４ 最大最小電圧検出部（電圧検出手段）
５ 電圧差演算部（電圧差算出手段）
６ タイマ設定部（限時設定手段）
７ 限時動作制御部（限時動作制御手段）
１２ 最大電圧検出部（電圧検出手段）
１３ 最小電圧検出部（電圧検出手段）
２０ 組電池
２０ａ 電池モジュール
２１ 電圧平衡回路（モジュール電圧均等化手段）
２２ 限時動作制御部（限時動作制御手段）
５０ マイクロコンピュータ（電圧差算出手段、限時設定手段、限時時間選択手段）
Ｖｍａｘ 最大端子電圧
Ｖｍｉｎ 最小端子電圧
ΔＶ 電圧差
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (7)

1. 組電池を構成する複数の蓄電デバイスの電圧を均等化する電圧均等化手段と、
   上記複数の蓄電デバイスのうちの最大電圧と最小電圧とを検出する電圧検出手段と、
   上記電圧検出手段で検出した最大電圧と最小電圧との電圧差を算出する電圧差算出手段と、
   上記電圧差算出手段で算出した電圧差に基づいて、上記電圧均等化手段を作動させる限時時間を設定する限時設定手段と、
   上記限時設定手段で設定した限時時間内で上記電圧均等化手段を作動させて上記複数の蓄電デバイスの電圧均等化動作を実行させ、上記限時時間を越えたとき、上記電圧均等化手段を停止させる限時動作制御手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
2. 上記限時設定手段は、
   上記電圧均等化手段の電圧均等化動作によって変化する上記電圧差の最新の値に応じて、上記限時時間を随時再設定し、
   上記限時動作制御手段は、
   上記限時設定手段で再設定された限時時間に応じて、上記電圧均等化手段を停止させるまでの時間を再設定することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
3. 上記限時設定手段は、
   上記組電池における最大電圧の蓄電デバイスの数と最小電圧の蓄電デバイスの数とを半々に偏らせたパターンでの平均電圧への収束時間に基づいて、上記限時時間を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
4. 上記限時動作制御手段は、
   上記限時時間内で上記電圧差が予め設定した目標値内に収束したときには、上記電圧均等化手段を停止させることを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
5. 組電池を構成する複数の電池モジュール毎に、該電池モジュールを構成する複数の蓄電デバイスの電圧を均等化する複数のモジュール電圧均等化手段と、
   上記組電池の全ての蓄電デバイスのうちの最大電圧と最小電圧とを検出する電圧検出手段と、
   上記電圧検出手段で検出した最大電圧と最小電圧との電圧差を算出する電圧差算出手段と、
   上記電圧差算出手段で算出した電圧差に基づいて、上記複数のモジュール電圧均等化手段を動作させる限時時間を設定する限時設定手段と、
   上記限時時間設定手段で設定した限時時間内で上記複数のモジュール電圧均等化手段を作動させて上記複数の蓄電デバイスの電圧均等化動作を実行させ、上記限時時間を越えたとき、上記複数のモジュール電圧均等化手段を停止させる限時動作制御手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
6. 上記限時設定手段は、
   上記組電池における最大電圧の蓄電デバイスの数と最小電圧の蓄電デバイスの数とを半々に偏らせたパターンでの平均電圧への収束時間に基づいて、上記限時時間を設定することを特徴とする請求項５記載の蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。
7. 上記限時設定手段は、
   上記モジュール電圧均等化手段の電圧均等化動作によって変化する上記電圧差の最新の値に応じて、上記限時時間を随時再設定し、
   上記限時動作制御手段は、
   上記限時設定手段で再設定された限時時間に応じて、上記モジュール電圧均等化手段を停止させるまでの時間を再設定することを特徴とする請求項５又は６に記載の蓄電デバイスの電圧均等化制御システム。

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