JP2009050085A - Secondary battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の二次電池を直列に接続した二次電池ブロックと制御回路から構成される二次電池パックに関し、特に二次電池のブロック毎の電圧バランス調整機能を有する二次電池パックに関する。 The present invention relates to a secondary battery pack including a secondary battery block in which a plurality of secondary batteries are connected in series and a control circuit, and more particularly to a secondary battery pack having a voltage balance adjustment function for each block of the secondary battery. .
リチウムイオン電池等の二次電池では、近年、電動機器や蓄電等の分野に用途が拡大してきており、高電圧対応のための多直化の要求が増えている。また、同時に長期信頼性、安全性の確保や長寿命化などへの高い要求がある。電池パックを単電池を複数個直列に接続して構成する際、信頼性、安全性、寿命の観点からも、理想的にはすべての各構成電池が寿命に至るまで、充放電動作や保存において均一に電圧が推移し、均一に性能が劣化することが望まれるが、現実的には電池単体の性能や劣化のバラツキ等があるため、電圧のバランスが崩れる場合がある。この対策の一つとして、一般的には各構成電池の電圧をモニタし、充電途中に各構成電池間の電圧バランス調整を行う方法がとられている。また、特許文献1には各電池の電圧を検出して、充電途中あるいは充電完了後に電圧の高い電池だけを放電するバランス放電を行い、電圧の低い電池に他の電池より多い充電電流を供給してバランス充電を行う充電方法が示されている。 In recent years, secondary batteries such as lithium-ion batteries have been used in fields such as electric devices and power storage, and demands for multiplicity for high voltage are increasing. At the same time, there is a high demand for ensuring long-term reliability, safety and extending the service life. When configuring a battery pack by connecting multiple cells in series, from the viewpoint of reliability, safety, and life, ideally, in each charge / discharge operation and storage until each component battery reaches the end of its life. Although it is desired that the voltage changes uniformly and the performance deteriorates uniformly, in reality, there is a case where the balance of the voltage is lost due to variations in the performance of the battery alone or the deterioration. As one of countermeasures, generally, a method is adopted in which the voltage of each constituent battery is monitored and the voltage balance between the constituent batteries is adjusted during charging. Further, Patent Document 1 detects the voltage of each battery, performs balance discharge in which only a battery having a high voltage is discharged during or after charging, and supplies a charging current higher than that of other batteries to a battery having a low voltage. A charging method for performing balanced charging is shown.
しかし、上記電圧バランス調整回路による多直化への対応においては、回路の高集積化や電子部品の定格電圧等の都合により、パソコン用電池パック向け等に開発された一般的なアナログICやカスタム開発された専用IC等をベースとして複数の電池からなるブロック単位で調整・制御回路が構成される場合があり、この場合、ブロック内の構成電池間の電圧バランス調整がなされても、回路構成部品の消費電流のバラツキにより、ブロック間の電圧バランスが崩れるという問題がある。 However, in response to the increase in the number of voltage balance adjustment circuits described above, general analog ICs developed for personal computer battery packs, etc. due to the high integration of circuits and the rated voltages of electronic components, etc. The adjustment / control circuit may be configured in units of blocks consisting of multiple batteries based on the developed dedicated IC, etc. In this case, even if the voltage balance between the constituent batteries in the block is adjusted, the circuit components There is a problem that the voltage balance between the blocks is lost due to the variation in current consumption.
図2は、一般的な3〜4直対応のアナログICにより構成された従来の二次電池パックの構成例を示す回路構成図である。図2において、3〜4個の二次電池1を直列に接続して構成された単位ブロック2を複数個直列に接続してなる二次電池ブロック3と、二次電池ブロック3の充放電電流を監視する電流検出部5と、単位ブロック2毎に配置され単位ブロック2内の各々の二次電池1に接続され二次電池1の電圧を監視する機能および二次電池1間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部4と、電池調整部4の制御を行う制御部6とにより構成され、制御部6は電池調整部4からの電圧情報と電流検出部5からの電流情報を元に電池調整部4に接続された二次電池1間の電池調整部4による電圧のバランス調整の動作を制御する。また、制御部6の制御によりON/OFF動作を行う充電SW7および放電SW8と、二次電池ブロック3の温度を監視する温度検出部9を備える。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing a configuration example of a conventional secondary battery pack configured by a general analog IC corresponding to 3-4 direct. In FIG. 2, a
このような従来の電池パックにおいては、単位ブロック2毎に接続されたアナログICや周辺回路の消費電流のばらつきにより単位ブロック2間の消費電流のばらつきが生じ、電池調整部4の電圧バランス調整により単位ブロック2内の二次電池1間の電圧バランスがとれていても、単位ブロック2間での消費電流のばらつきに起因してブロック単位で電圧バランスの崩れが生じてしまうという問題があった。
In such a conventional battery pack, variations in current consumption between
そこで、本発明の課題は、複数の二次電池を直列に接続した単位ブロックを複数個直列に接続して構成される二次電池パックにおいて、各ブロック内の二次電池間のバランス調整を行うと共に、各ブロック毎に電圧を監視して各ブロック間の電圧のバランス調整を行うことを可能とし、二次電池ブロック全体の電圧のバランス調整を可能にした二次電池パックを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to perform a balance adjustment between secondary batteries in each block in a secondary battery pack configured by connecting a plurality of unit blocks in which a plurality of secondary batteries are connected in series. The present invention also provides a secondary battery pack capable of adjusting the voltage balance between the respective blocks by monitoring the voltage for each block and enabling the voltage balance adjustment of the entire secondary battery block. .
上記課題を解決するため、本発明の二次電池パックは、複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、該二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能および該二次電池間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する単位ブロックバランス部と、前記電池調整部および前記単位ブロックバランス部を制御するスレーブ制御部と、前記スレーブ制御部を制御して前記二次電池ブロック全体を制御するマスタ制御部とからなり、充電時に前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧のバランス調整を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a secondary battery pack according to the present invention includes a secondary battery block formed by connecting a plurality of unit blocks configured by connecting a plurality of secondary batteries in series, and the secondary battery block. A current detector for monitoring the charge / discharge current of the battery block, a function of being arranged for each unit block, connected to each secondary battery in the unit block and monitoring the voltage of the secondary battery, and between the secondary batteries A battery adjustment unit having a function of adjusting the voltage balance of the unit, a unit block balance unit arranged for each unit block and having a function of adjusting a voltage balance between the unit blocks, the battery adjustment unit, and the unit block A slave control unit that controls the balance unit and a master control unit that controls the slave control unit to control the entire secondary battery block. Perform balance adjustment of the voltage, and performs the balance adjustment of the voltage between the secondary battery of the unit block after completion of charging.
また、前記二次電池ブロックは前記単位ブロックの複数個を直列に接続して構成された複合ブロックを複数個直列に接続してなり、前記複合ブロック毎に配置され前記マスタ制御部による制御により前記複合ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する複合ブロックバランス部を有し、充電時に前記複合ブロック間の電圧のバランス調整及び前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧バランス調整を行ってもよい。 Further, the secondary battery block is formed by connecting a plurality of composite blocks configured by connecting a plurality of the unit blocks in series, and is arranged for each composite block and controlled by the master control unit. A composite block balance unit having a function of adjusting a voltage balance between the composite blocks, performing a voltage balance adjustment between the composite blocks and a voltage balance between the unit blocks at the time of charging; The voltage balance between the secondary batteries in the block may be adjusted.
また、前記マスタ制御部の制御により、前記複合ブロックバランス部及びスレーブ制御部は、それぞれ前記複合ブロック間の電圧のバランス調整又は前記単位ブロック間の電圧のバランス調整の同期制御を行ってもよい。 Further, the composite block balance unit and the slave control unit may perform synchronous control of voltage balance adjustment between the composite blocks or voltage balance adjustment between the unit blocks, respectively, under the control of the master control unit.
また、規定された電圧モニタ期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧を検知し、規定された電圧調整期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧のバランス調整を行い、該電圧のバランス調整が不要となるまでの間または該電圧のバランス調整が停止されるまでの間、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を繰返してもよい。 Further, the voltage of the secondary battery, the unit block, or the composite block is detected during a specified voltage monitoring period, and the voltage of the secondary battery, the unit block, or the composite block is balanced during a specified voltage adjustment period. The voltage adjustment period and the voltage monitoring period may be repeated until the voltage balance adjustment becomes unnecessary or until the voltage balance adjustment is stopped.
また、前記マスタ制御部または前記スレーブ制御部は、前記二次電池の温度の監視機能を有し、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を前記二次電池の温度により調整し制御してもよい。 The master control unit or the slave control unit may have a monitoring function of the temperature of the secondary battery, and may adjust and control the voltage adjustment period and the voltage monitoring period according to the temperature of the secondary battery. .
また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、充電時の単位ブロック間または複合ブロック間の電圧のバランス調整を、当該ブロックの電圧、電流、または積算容量の値のいずれか1つの値、又は複数の値が予め規定された充電状態を示す値に達するまで行うように制御してもよい。 In addition, the master control unit or the slave control unit adjusts the voltage balance between unit blocks or composite blocks during charging by any one of the voltage, current, or integrated capacity value of the block, or a plurality of values. Control may be performed until the value reaches a value indicating a predetermined state of charge.
また、前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部から得られた前記二次電池の各々の電圧情報を元に該二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行ってもよい。 The master control unit may control balance adjustment of the voltage between the secondary batteries based on the voltage information of each of the secondary batteries obtained from the slave control unit after the charging is completed.
また、前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部に前記二次電池間の電圧のバランス調整を行う期間の指示のみを行い、前記スレーブ制御部は前記指示されている期間、前記二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行ってもよい。 In addition, the master control unit only instructs the slave control unit of a period during which the voltage balance between the secondary batteries is adjusted after the charging is completed, and the slave control unit performs the instruction period, Control of voltage balance adjustment between secondary batteries may be performed.
また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロック間または当該二次電池間の電圧のバランス調整を開始し、前記規定の電圧を下回った場合、前記バランス調整を停止する制御を行ってもよい。 In addition, when the difference between the minimum voltage and the maximum voltage between the composite blocks or between the unit blocks or between the secondary batteries exceeds a specified voltage value, the master control unit or the slave control unit Control may be performed to start the balance adjustment of the voltage between the secondary batteries and stop the balance adjustment when the voltage falls below the specified voltage.
また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロックまたは当該二次電池のうち最大電圧を保有するブロックまたは二次電池のみ電圧調整を行うよう制御してもよい。 In addition, the master control unit or the slave control unit, when the difference between the minimum voltage and the maximum voltage between the composite blocks or between the unit blocks or between the secondary batteries exceeds a specified voltage value, You may control to perform voltage adjustment only for the block or secondary battery which holds the maximum voltage among secondary batteries.
また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロックまたは前記単位ブロックまたは前記二次電池のうち最小電圧を有するブロックまたは二次電池に対して規定の電圧値を超える電圧差を有するブロックまたは二次電池の全てに対して電圧調整を行うよう制御してもよい。 The master control unit or the slave control unit is a block having a voltage difference exceeding a specified voltage value with respect to the composite block, the unit block, the block having the minimum voltage or the secondary battery, or the secondary battery, or You may control to perform voltage adjustment with respect to all the secondary batteries.
また、前記複合ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVf、前記単位ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVu、前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVdとしたとき、Vd≦Vu≦Vfの関係で設定してもよい。 In addition, a voltage value defining a difference between the minimum voltage and the maximum voltage between the composite blocks is Vf, a voltage value defining a difference between the minimum voltage and the maximum voltage between the unit blocks is Vu, and between the secondary batteries. When the voltage value that defines the difference between the minimum voltage and the maximum voltage is Vd, it may be set in a relationship of Vd ≦ Vu ≦ Vf.
以上のように、本発明は、二次電池パックの電圧のバランス調整において、充電中は二次電池のブロック毎に電圧を監視して各ブロック間の電圧のバランス調整を行うことを可能とし、充電完了後は各ブロック内の二次電池間の電圧のバランスを調整することにより、二次電池ブロック全体の電圧のバランス調整を可能にした二次電池パックが得られる。 As described above, according to the present invention, in the voltage balance adjustment of the secondary battery pack, during charging, it is possible to monitor the voltage for each block of the secondary battery and adjust the voltage balance between the blocks. After the charging is completed, a secondary battery pack that can adjust the voltage balance of the entire secondary battery block is obtained by adjusting the voltage balance between the secondary batteries in each block.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明による二次電池パックの一つの実施の形態の構成を示す回路構成図である。図1において、複数の二次電池11を直列に接続して構成された単位ブロック12を複数個直列に接続してなる二次電池ブロック14と、二次電池ブロック14の充放電電流を監視する電流検出部21と、単位ブロック12毎に配置され単位ブロック12内の各々の二次電池11に接続され二次電池11の電圧を監視する機能および二次電池11間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部23と、単位ブロック12毎に配置され単位ブロック12間の電圧のバランスを調整する機能を有する単位ブロックバランス部24と、電池調整部23および単位ブロックバランス部24を制御するスレーブ制御部25と、スレーブ制御部25を制御して二次電池ブロック14全体を制御するマスタ制御部27とからなり、さらに、本実施の形態においては、二次電池ブロック14は単位ブロック12の複数個を直列に接続して構成された複合ブロック13を複数個直列に接続してなり、複合ブロック13毎に配置されマスタ制御部27による制御により複合ブロック13間の電圧のバランスを調整する機能を有する複合ブロックバランス部26を有している。また、二次電池ブロック14の温度をモニタする温度検出部22と、マスタ制御部27の制御によりON/OFF動作を行う充電SW31と放電SW32を備える。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing the configuration of one embodiment of a secondary battery pack according to the present invention. In FIG. 1, the
本実施の形態において、スレーブ制御部25は電池調整部23からの二次電池の電圧情報及びマスタ制御部27からの制御情報により電圧調整部23及び単位ブロックバランス部24の制御を行い、当該複合ブロック内の二次電池11の電圧情報をマスタ制御部27に出力する機能を有し、マスタ制御部27は電流検出部21、温度検出部22及びスレーブ制御部25からの電流、温度、電圧情報を元に複合ブロックバランス部26及びスレーブ制御部25を制御する機能を有する。
In the present embodiment, the
次に、本実施の形態の二次電池パックにおける動作モードについて説明する。 Next, an operation mode in the secondary battery pack of the present embodiment will be described.
図1に示される二次電池パックにおいて、まず、第1の動作モードにおいては、充電中に電池調整部23によりモニタされる電圧情報がスレーブ制御部25を経由しマスタ制御部27に伝えられる。マスタ制御部27は電流検出部21より伝えられる電流情報を元に充電状態と判定した場合、スレーブ制御部25からの電圧情報を元に単位ブロック12間及び複合ブロック13間の電圧バランス状態を検証し、単位または複合ブロック単位での電圧の最小値と最大値の電圧差が規定の電圧範囲以上となると当該ブロック単位での電圧バランス調整が必要と判断し、該当するスレーブ制御部25を介して単位ブロックバランス部24を制御し、又は複合ブロックバランス部26を制御し、単位ブロック間又は複合ブロック間の電圧バランス調整を開始する。
In the secondary battery pack shown in FIG. 1, first, in the first operation mode, voltage information monitored by the
上記電圧バランス調整はマスタ制御部27により同期制御が行われる。すなわち、規定された電圧調整期間に電圧バランスを調整し、規定された電圧モニタ期間に電圧を監視する動作を繰り返し、マスタ制御部27がブロック単位での電圧調整を不要と判断するまで、または、電圧、電流、積算容量のいずれか1つの値、又は複数の値が予め規定された充電状態を示す値に達するまで上記の電圧調整動作を継続する。マスタ制御部27により判断される上記のブロック単位での電圧バランス調整要否判定の最小値と最大値の電圧差の規定値レベルとしては例えば数十〜数百mVに設定することができる。また、マスタ制御部27により同期制御が行われる電圧調整期間と電圧モニタ期間の規定値としては例えば数十〜数百secに設定することができる。また、ブロック間電圧バランス調整を停止する判定条件の一つとなる規定の充電状態を示す値としては、例えば満充電到達前で70%〜90%の充電量の領域に相当する電圧、電流又は容量の値を設定することができる。
The voltage balance adjustment is controlled synchronously by the
次に、第2の動作モードにおいては、マスタ制御部27が前記電圧情報や電流情報をもとに満充電と判断し充電SW31をOFFし充電動作を停止すると、マスタ制御部27はスレーブ制御部25からの電圧情報を元に単位ブロック12内の二次電池11間の電圧バランス状態を検証し、二次電池11間の電圧の最小値と最大値の電圧差が規定の電圧範囲以上となると二次電池11間の電圧バランス調整が必要と判断し、スレーブ制御部25へ電圧バランス調整を指示する。スレーブ制御部25はマスタ制御部27からの電圧バランス調整指示を受けると電池調整部23を制御し、該当する二次電池11の電圧調整を開始する。
Next, in the second operation mode, when the
スレーブ制御部25による電圧バランス調整は、規定された電圧調整期間に電圧バランスを調整し、規定された電圧モニタ期間に電圧を監視する動作を繰り返し、マスタ制御部27が二次電池11間の電圧調整を不要と判断するまで、または、電流検出部21からの電流情報により放電状態と判断するまで上記の電圧調整動作を継続する。マスタ制御部27により判断される二次電池11間の電圧バランス調整要否判定の電圧差の規定値レベルとしては例えば数十mVに設定することができる。また、スレーブ制御部25により制御が行われる電圧調整期間と電圧モニタ期間の規定値としては例えば数十〜数百secに設定することができる。
The voltage balance adjustment by the
ここで、マスタ制御部27やスレーブ制御部25は温度検出部22からの二次電池ブロック14の温度情報を元に前記電圧調整期間と電圧モニタ期間を調整制御してもよい。また、マスタ制御部27とスレーブ制御部25の制御範囲としては、マスタ制御部27が全ての判定制御を行う形でも、スレーブ制御部25がマスタ制御部27の指示により単位ブロック12の範囲内での制御を分担した制御形態でもよい。また、電圧バランスの調整の対象となる二次電池は比較対象の最大電圧を保有する二次電池のみを調整する制御でも、規定値を越えたもの全てを対象とする制御でもよい。
Here, the
また、マスタ制御部27及びスレーブ制御部25は、対象ブロック又は二次電池11間の電圧バランス調整要否の判断を行う電圧差の規定値レベルを、複合ブロック13間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVf、単位ブロック12間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVu、二次電池11間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をVd、としたとき、Vd≦Vu≦Vfの関係で設定して制御してもよい。
In addition, the
以上のように、充電中に単位ブロックまたは複合ブロック単位での電圧バランス調整を行い、満充電による充電停止後に単位ブロック内の二次電池間の電圧バランス調整を行うことにより、単位ブロックや複合ブロック単位での電圧バランス及び二次電池単位での電圧バランス、および二次電池ブロック全体での電圧バランスが得られる。 As described above, the voltage balance is adjusted for each unit block or compound block during charging, and the voltage balance is adjusted between the secondary batteries in the unit block after charging is stopped due to full charge. A voltage balance in units, a voltage balance in units of secondary batteries, and a voltage balance in the entire secondary battery block are obtained.
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、例えば二次電池ブロックは単位ブロックのみから構成し、複合ブロックを設けなくても良い。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the secondary battery block is composed of only unit blocks, and the composite block may not be provided.
1、11 二次電池
2、12 単位ブロック
13 複合ブロック
3、14 二次電池ブロック
4、23 電池調整部
5、21 電流検出部
6 制御部
7、31 充電SW
8、32 放電SW
9、22 温度検出部
24 単位ブロックバランス部
25 スレーブ制御部
26 複合ブロックバランス部
27 マスタ制御部
1, 11
8, 32 Discharge SW
9, 22
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