JP2009017630A - バッテリの容量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリの容量調整時の温度上昇を抑制することができ、コントローラの制御特性を損ねることをなくすことができ、回路素子の熱劣化を緩和することができるバッテリの容量制御方法を提供すること。
【解決手段】 第１セル〜第９６セルを直列に接続して電池セル２を構成し、セル電圧検出回路８で各セルの充電容量を検出し、バッテリコントローラ４及び処理回路９でデューティ制御により各セルの充電容量を調整するバッテリの容量制御方法であって、バッテリコントローラ４及び処理回路９は、容量調整が必要なセル数を判断し、容量調整が必要なセル数に応じて、容量調整のデューティ比を変更するステップＳ４，Ｓ５の処理を行うようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バッテリの容量制御方法の技術分野に属する。

従来では、複数のセルを直列に接続した組電池の各セルの充電容量ＳＯＣを検出してその平均値を求め、充電容量ＳＯＣの平均値が、セルの充電容量ＳＯＣ−開放電圧Ｖｏ特性における傾き｜ΔＶｏ／ΔＳＯＣ｜が所定値以上の範囲にある場合にのみ、組電池の各セルの容量調整条件を決定し、この容量調整条件にしたがって組電池の各セルの充電容量を調整している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３１０１２号公報（第２−１２頁、全図）

しかしながら、従来にあっては、容量調整の際の発熱が大きく、制御特性やＩＣ等の回路素子へ影響するため、好ましいものではなかった。

この点について詳しく説明する。
従来では、２個の電池セルを並列に接続して４組の並列ブロックを構成し、これを直列に接続した組電池を例としている。そして、各並列ブロックに接続した各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４をオンオフが繰り返すデューティ制御を行うようにして、各抵抗器を介して放電する。

これに対して、例えば、車両の走行駆動に用いる規模の電池では、電池セルの数が例えば１００個に近い数を必要としている。このような場合に、一斉に容量調整を行うとすれば、例えば流れる電流を２０ｍＡとし、バイパス抵抗を１００Ωとすると、電力Ｗ＝Ｖ×Ｉ＝Ｉ^２×Ｒ＝０．０４(W)となり、これが例えば９５セルあるとすると、約４(W)の電力となり、発熱してコントローラの基板やケース内の温度が上昇し、制御機能や特性、ＩＣ等の素子へ影響を与えてしまう。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、バッテリの容量調整時の温度上昇を抑制することができ、コントローラの制御特性を損ねることをなくすことができ、回路素子の熱劣化を緩和することができるバッテリの容量制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、複数のセルを直列に接続して組電池を構成し、充電容量検出手段で各セルの充電容量を検出し、充電容量調整手段でデューティ制御により各セルの充電容量を調整する、バッテリの容量制御方法であって、前記充電容量調整手段は、容量調整が必要なセル数を判断し、容量調整が必要なセル数に応じて、容量調整のデューティ比を変更する、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、バッテリの容量調整時の温度上昇を抑制することができ、コントローラの制御特性を損ねることをなくすことができ、回路素子の熱劣化を緩和することができる。

以下、本発明のバッテリの容量制御方法を実現する実施の形態を、請求項１，３，４，５に係る発明に対応する実施例１と、請求項１，２，３，４，５に係る発明に対応する実施例２とに基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のバッテリの容量制御方法を用いたバッテリ装置のシステム構成を示す図である。
バッテリ装置１は、電池セル２、セルＩＣ３、バッテリコントローラ４、負荷５、バイパススイッチ６、バイパス抵抗７、セル電圧検出回路８、処理回路９、フォトカプラ１０を主要な構成としている。

電池セル２は、単位電池であり、第１電池セル〜第９６電池セルを直列に接続したものである（以下、電池セル２と総称する）。例としてリチウムイオンバッテリを挙げておく。
セルＩＣ３は、４つのセル単位で電池セル２の監視を行うＩＣである。そのため第１セルＩＣ〜第２４セルＩＣで構成される（以下、セルＩＣ３と総称する）。例えば、過電圧、過放電の監視、セル電圧収集、容量調整等を行う。
バッテリコントローラ４は、バッテリ装置１を制御するものである。
負荷５は、モータやインバータ等の電池セル２に接続される負荷である。

バイパススイッチ６は、セル電圧を調整するためにオンオフの切り替えを行うスイッチであり、第１バイパススイッチ〜第９６バイパススイッチで構成する（以下、バイパススイッチ６と総称する）。そして、４つのスイッチごとに一つのセルＩＣ３に内蔵される。
バイパス抵抗７は、第１バイパススイッチ〜第９６バイパススイッチにそれぞれ接続した抵抗で、第１バイパス抵抗〜第９６バイパス抵抗で構成している（以下、バイパス抵抗７と総称する）。

セル電圧検出回路８は、電池セル２の各セルの電圧を検出する回路で、セルＩＣ３にそれぞれ内蔵される。つまり、４つのセルごとに一つの割合で配置する（以下、セル電圧検出回路８と総称する）。
処理回路９は、バッテリコントローラ４からの指令、セル電圧の検出、バイパススイッチ６のオンオフ等の処理を行う。また、処理回路９は、セルＩＣ３にそれぞれ内蔵される。つまり、４つのセルごとに一つの割合で配置する（以下、処理回路９と総称する）。
フォトカプラ１０は、バッテリコントローラ４とセルＩＣ３を通信で接続し、高電圧なセルＩＣ側と、低電圧なバッテリコントローラ側の間を絶縁する。

作用を説明する。
[バッテリの容量調整処理]
図２に示すのは、実施例１のバッテリ装置１で実行されるバッテリの容量調整処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１では、バッテリコントローラ４から指令（コマンド）をセルＩＣ３へ送信し、全セル電圧ＶＣｎ（ＶＣ１〜ＶＣ９６）の収集を行う。

ステップＳ２では、目標セル電圧（ＶＲ）との差（ＶＤｎ）を演算する。
つまり、数式で表すと以下のようになる。
ＶＤ１＝ＶＣ１−ＶＲ・・・ＶＤ９６

ステップＳ３では、目標セル電圧との差ＶＤｎと所定の閾値ＶＳ１との差を比較し、ＶＤｎ−ＶＳ１≧０であれば、そのセル番号ｎを記憶する。

ステップＳ４では、ステップＳ３の条件を満たしたセル数をカウントしカウント数Ｃとする。

ステップＳ５では、カウント数Ｃの値に応じたデューティ比Ｄｍを選択する。

ステップＳ６では、所定周期で容量調整を実施する。

ステップＳ７では、全セルのバイパススイッチ６をオフにし、セル番号を初期値ｎ＝１にする。

ステップＳ８では、セル番号ｎで容量調整を行うかどうかを判断し、調整を行うならばステップＳ９へ進み、調整を行わないならばステップＳ１５へ進む。

ステップＳ９では、デューティ比ＤｍでセルＩＣ番号ｎのバイパススイッチ６をオンにする。

ステップＳ１０では、セル番号ｎ＝ｎ＋１となるようインクリメントする。

ステップＳ１１では、セル番号ｎが９７以上となったかどうかを判断し、９７以上ならばステップＳ１２へ進み、９６以下ならばステップＳ８へ戻る。

ステップＳ１２では、セル番号ｎ＝１とする。

ステップＳ１３では、全セルの容量調整が終了したかどうかを判断し、調整終了したならばステップＳ１４へ進み、調整が終了していないならばステップＳ８へ戻る。

ステップＳ１４では、全セルのバイパススイッチ６をオフにし、処理を終了する。

ステップＳ１５では、セル番号ｎのバイパススイッチ６をオフにする。

[バッテリの容量調整作用]
図３は実施例１のバッテリ装置におけるセル数とコントローラ温度上昇の関係を示すグラフ図である。図４は実施例１のバッテリ装置におけるセル数と容量調整のために設定されるデューティ比の関係示すグラフ図である。図５は実施例１のバッテリ容量制御方法に説明するセル数とコントローラ温度上昇の関係を示すグラフ図である。

実施例１のバッテリ容量制御方法を用いたバッテリ装置１では、容量調整の発熱によって発生するバッテリコントローラ４の温度上昇ΔＴとのその時のセル数の関係（図３参照）をあらかじめ求めておき、許容される温度上昇ΔＴまでのセル数に対しては、デューティ１００％で容量調整し、ΔＴを超えるセル数に対してはデューティ比を減らして容量調整を行う。

図６はセル目標電圧とデューティ比の説明図である。図７は目標電圧との差ＶＤｎとデューティ比の設定例を示す図である。
バッテリ装置１の容量調整としては、セル毎の電圧値を測定し、目標電圧ＶＲとの差ＶＤｎからバイパススイッチ６のオン時間を変更するものが考えられる。
例えば、図７に示すように目標電圧ＶＲとの差ＶＤｎに応じてデューティ比をセル毎に設定し、同じ時間に容量調整を終了するような制御を考えることができる。この制御では、目標電圧との差が大きいセルほどデューティ比が大きく、目標電圧との差が小さいほどデューティ比が小さい。

容量調整による発熱とバッテリコントローラ４の温度上昇の関係を考えると、一般的に容量調整によって生じる電力（消費）と発熱（温度上昇）は比例する。また、総電力は、調整するセル数の合計に比例するため、横軸に時間、縦軸にバッテリコントローラ４の温度を取ると図３のようになる。

バッテリコントローラ４のケース等での放熱効果により、発熱量と放熱量が平衡状態になると、温度上昇は止まり、一定の温度になるか、また容量調整が終了したセルがある場合、発熱量が減少するため、温度は低下する。なお、調整するセル数が多いほど、コントローラ温度は上昇する。

このように、セル毎の電圧値を測定し、目標電圧との差からバイパススイッチのオン時間をセル毎に制御し、同じ時間に終了する容量調整を考えることができるが、容量調整するセルの数を考慮していないため、セル数が多いと発熱量が多いため温度上昇でバッテリコントローラ４やセルＩＣ３の特性を損ねたり、熱による寿命の低下などの問題が生じることになる。また、セル単位でデューティ比を変えるなどの制御によってＣＰＵの負荷が高くなるという問題が生じることになる。

実施例１のバッテリ容量制御方法を用いたバッテリ装置１では、図３においてバッテリコントローラ４の温度上昇許容温度ΔＴｂのセル数（カウント数Ｃ）をセル数ｂとすると、図４で示すセル数ｂ以下のセル数まではデューティ１００％で容量調整を行う（ステップＳ４、Ｓ５）。
そのため、セル数ｂよりセル数が少ないセル数ａでは、デューティ１００％で容量調整を行う（図３、図４参照）。

セル数がセル数ｂより多いセル数ｃの場合には、許容温度ΔＴｂを超えることになる（図３参照）。この場合には、ステップＳ４，Ｓ５の処理で、デューティ比を下げる。これにより、図５に示すように、許容温度範囲内に温度上昇を抑制することができる。

例えば、容量調整セル数ｃが許容セル数ｂの２倍の場合、デューティ比を５０％にすれば、電力は１／２になるので発熱は許容温度内に抑制される。
図３に示す容量調整を行うセル数とバッテリコントローラ４の温度上昇ΔＴの関係、及び図４に示すセル数とデューティ比の関係については、実際のバッテリコントローラ４を用いて実測すればよく、またはシミュレーションを用いて求めてもよい。

実際のバッテリコントローラ４を用いて実測する場合は、容量調整するセル数と温度上昇の関係を、デューティ比を１００％でセル数を変えて測定し、許容温度値に対するセル数を規定する。また、セル数とデューティ比の関係を、例えば全セルを容量調整した場合に許容温度値になるデューティ比を最小のデューティ比として設定し、許容温度値でのセル数ｂでのデューティ比を１００％とする。そうすれば、実施例１のバッテリの容量調整では調整するセルの数に応じてデューティ比を変えているため、所定数以上のセル数では発熱量が減少する。これによりバッテリコントローラ４の温度上昇が抑制され、バッテリコントローラ４やＩＣ等回路素子の特性を損ねることなく制御することが可能になる。

次に、効果を説明する。
実施例１のバッテリの容量制御方法にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)第１セル〜第９６セルを直列に接続して電池セル２を構成し、セル電圧検出回路８で各セルの充電容量を検出し、バッテリコントローラ４及び処理回路９でデューティ制御により各セルの充電容量を調整するバッテリの容量制御方法であって、バッテリコントローラ４及び処理回路９は、容量調整が必要なセル数を判断し、容量調整が必要なセル数に応じて、容量調整のデューティ比を変更するステップＳ４，Ｓ５の処理を行うため、バッテリの容量調整時の温度上昇を抑制することができ、コントローラの制御特性を損ねることをなくすことができ、回路素子の熱劣化を緩和することができる。
また、個々のセルに対してデューティ比が同じになるため、ＣＰＵの負荷も低減することができる。

(3)バッテリコントローラ４及び処理回路９は、セル電圧検出回路８で各セルの電圧を検出し、ステップＳ１〜Ｓ３の処理でセル電圧検出値ＶＣｎと目標セル電圧ＶＲを比較して、その差ＶＤｎを算出し、閾値ＶＳ１とＶＤｎとのさらなる比較で充電容量を判断するため、セル電圧の検出により確実に９６個に及ぶ各セルを良好に使用できる状態に維持できる。

(4)バッテリコントローラ４及び処理回路９は、各セルにバイパススイッチ６を介してバイパス抵抗７へ接続したバイパス路を構成し、バイパススイッチ６をデューティ比でオンオフして、放電させることで容量調整を行うため、バイパス抵抗７を介する放電により、発熱に有利なデューティ制御により放電を行い容量調整をおこなうことができる。

(5)バッテリコントローラ４及び処理回路９は、電池セル２の制御系の温度上昇量ΔＴを所定の値ΔＴｂ以下に抑制するよう、容量調整が必要なセル数Ｃが許容数ｂ以下の場合には、デューティ比を１００％にし、容量調整が必要なセル数Ｃが許容数ｂを超えると、セル数Ｃが多くなるに従ってデューティ比Ｄｍを小さくするため、発熱量を一定量以下に抑制するとともに、容量調整するセル数が少なく発熱量が少ない場合には、速く容量調整を行うことができる。

実施例２は、容量調整中に、容量調整が終了したセルがあると、容量調整のデューティ比を再設定する例である。
構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
作用を説明する。
[バッテリの容量調整処理]
図８に示すのは、実施例２のバッテリ装置１で実行されるバッテリの容量調整処理の流れを示すフローチャートである。なお、図２のフローチャートと同様の処理については、同じ符号を付し、説明を省略する。

ステップＳ１６では、容量調整が終了したセルがあるかどうかを判断し、あるならばステップＳ１７へ進み、ないならばステップＳ８へ戻る。

ステップＳ１７では、セル数のカウント値Ｃを更新する。

ステップＳ１８では、全セルの容量調整を終了したかどうかを判断し、全セル終了したならばステップＳ１４に進み、終了していないならばステップＳ５へ戻る。

[バッテリの容量調整作用]
図９は実施例２におけるセル数とバッテリコントローラの温度上昇の状態を示すタイムチャート図である。
実施例２では、最初に容量調整が必要なセル数に応じて、バイパススイッチ６のデューティ比を制御する（ステップＳ４，Ｓ５）。
すると、セル電圧ＶＣｎが、目標電圧ＶＲに到達した電池セル２から容量調整が終了する。

ここで、許容温度に相当するセル数ｂよりもセル数の多い、セル数ｃだとすると、容量調整を終了したセルがあることにより、バッテリコントローラ４の温度が下がることになる（図９の線１００に対する線２００参照）。
実施例２では、容量調整を終了したセルがあると、残りのセル数に応じてデューティ比を再設定する（ステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ５）。
これにより、デューティ比を大きくすることによって、許容温度内の範囲で温度を上昇するが、より早く容量調整が終了する。

効果を説明する。
実施例２のバッテリの容量制御方法にあっては、上記(1),(3),(4),(5)に加えて、以下の効果を有する。
(2)バッテリコントローラ４及び処理回路９は、ステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ５の処理により、容量調整中に、容量調整が終了したセルがあると、容量調整のデューティ比を再設定するため、バッテリの容量調整時の温度上昇を抑制しつつ、容量調整を早く終了させることができ、コントローラの制御特性を損ねることをなくすことができ、回路素子の熱劣化を緩和することができる。

以上、本発明のバッテリの容量制御方法を実施例１、実施例２に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１では、第１電池セル〜第９６電池セルにそれぞれバイパス抵抗７、バイパススイッチ６を設け、４つのセルを一つ載せるセルＩＣ３で監視、制御したが、セル数やセルＩＣの数、また、直列、並列のセル構成については、実施例と異なるものであってもよい。

実施例１のバッテリの容量制御方法を用いたバッテリ装置のシステム構成を示す図である。 実施例１のバッテリ装置１で実行されるバッテリの容量調整処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１のバッテリ装置におけるセル数とコントローラ温度上昇の関係を示すグラフ図である。 実施例１のバッテリ装置におけるセル数と容量調整のために設定されるデューティ比の関係示すグラフ図である。 実施例１のバッテリ容量制御方法に説明するセル数とコントローラ温度上昇の関係を示すグラフ図である。 セル目標電圧とデューティ比の説明図である。 目標電圧との差ＶＤｎとデューティ比の設定例を示す図である。 実施例２のバッテリ装置１で実行されるバッテリの容量調整処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２におけるセル数とバッテリコントローラの温度上昇の状態を示すタイムチャート図である。

符号の説明

１ バッテリ装置
２ 電池セル
３ セルＩＣ
４ バッテリコントローラ
５ 負荷
６ バイパススイッチ
７ バイパス抵抗
８ セル電圧検出回路
９ 処理回路
１０ フォトカプラ

Claims (5)

1. 複数のセルを直列に接続して組電池を構成し、
   充電容量検出手段で各セルの充電容量を検出し、
   充電容量調整手段でデューティ制御により各セルの充電容量を調整する、
   バッテリの容量制御方法であって、
   前記充電容量調整手段は、
   容量調整が必要なセル数を判断し、
   容量調整が必要なセル数に応じて、容量調整のデューティ比を変更する、
   ことを特徴とするバッテリの容量制御方法。
2. 請求項１に記載のバッテリの容量制御方法において、
   前記充電容量調整手段は、
   容量調整中に、容量調整が終了したセルがあると、容量調整のデューティ比を再設定する、
   ことを特徴とするバッテリの容量制御方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のバッテリの容量制御方法において、
   前記充電容量検出手段は、
   セル電圧検出手段で各セルの電圧を検出し、
   セル電圧比較手段でセル電圧検出値と目標セル電圧を比較して充電容量を判断する、
   ことを特徴とするバッテリの容量制御方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のバッテリの容量制御方法において、
   充電容量調整手段は、
   各セルにスイッチ素子を介して抵抗へ接続したバイパス路を構成し、
   スイッチ素子をデューティ比でオンオフして、放電させることで容量調整を行う、
   ことを特徴とするバッテリの容量制御方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のバッテリの容量制御方法において、
   充電容量調整手段は、
   前記組電池の制御系の温度上昇量を所定の値以下に抑制するよう、容量調整が必要なセル数が許容数以下の場合には、デューティ比を１００％にし、容量調整が必要なセル数が許容数を超えると、セル数が多くなるに従ってデューティ比を小さくする、
   ことを特徴とするバッテリの容量制御方法。

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