JP2009543539A

JP2009543539A - バッテリー装置の回路動作電流バランシング装置及び方法

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Publication number: JP2009543539A
Application number: JP2009519382A
Authority: JP
Inventors: イ、ダル−フン; 安仁江口; 正次谷名; キム、ジェ−ホ
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: KR100905663B1; EP2050178A4; EP2050178B1; US20090315514A1; EP2050178A1; CN101501955A; JP4663811B2; CN101501955B; US8283895B2; WO2008007924A1; KR20080006821A

Abstract

本発明は、バッテリー装置を構成する各ユニットの回路動作電流のバランシングを行うバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置及び方法を提供することをその目的とする。上述した本発明によれば、一つ以上のセルから構成されるセルスタックが多数備えられたバッテリー装置において、上記多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路である制御回路の回路動作電流をバランシングする装置であって、対応するセルスタックの出力電圧と対応するセルスタックに連結された上記制御回路の電圧との間の電圧差を演算し出力する比較部；及び上記比較部の出力に対応して上記制御回路の回路動作電流にダミー電流を加減する電流源；を含むことを特徴とする。

Description

本発明は、バッテリー装置に関するものであって、さらに詳しくは、上記バッテリー装置の各ユニット間回路動作電流のバランスを調節するバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置及び方法に関する。

一般のバッテリー装置の概略的な構成を図１を参照しながら説明する。

上記バッテリー装置は一つ以上の電池セルを直列に接続させた電池セルスタックＣ１〜ＣＮを多数備え、上記多数の電池セルスタックＣ１〜ＣＮそれぞれにはアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮが連結される。

上記多数のアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮは、電圧及び電流の検出、制御、レギュレーティング機能を行い、一つのアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮに連結される電池セルはアプリケーションの種類に応じて可変可能である。

上記アナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮには、各電池セルスタックＣ１〜ＣＮを制御する制御部Ｍ１〜ＭＮが連結される。

上述したアナログ前処理部Ａ１〜ＡＮは、上記各電池セルスタックＣ１〜ＣＮの電圧及び電流を検出して対応する制御部Ｍ１〜ＭＮに提供し、各制御部Ｍ１〜ＭＮは上記検出結果に応じて各電池セルの過電圧、過電流、過放電などの状態を認知し、スイッチング素子ＣＦＥＴ，ＤＦＥＴのオン／オフを制御することで、バッテリー装置を保護する。

上述したバッテリー装置において、一つの電池セルスタックと、当該電池セルスタックに連結された一つのアナログ前処理回路、当該アナログ前処理回路に連結された一つの制御部を一つのユニットと称する。

上記バッテリー装置に備えられる多数のユニットのうち何れか一つのユニットに流れる回路動作電流をＩｃｃとするとき、接地（ＧＮＤ）を基準としてＮ番目ユニットの回路動作電流をＩｃｃｎと称することができる。

上記バッテリー装置の外部負荷に流れる電流は、ＣＦＥＴ→ＤＦＥＴ→第ＮセルスタックＣＮ→…→第１セルスタック→電流検出抵抗（Ｒｓｈｕｎｔ）の経路で流れ、充電または放電などによって電流方向は反対になり得る。

上記バッテリー装置において、上記第１ないし第Ｎユニットの回路動作電流Ｉｃｃ１，Ｉｃｃ２，…，Ｉｃｃｎは、電池セル電圧の不均衡（ｕｎｅｖｅｎｎｅｓｓ）または電圧及び電流検出回路における電流の不均衡、温度特性による電圧及び電流検出回路の動作電流における不均衡などのため、常に一定には維持されない。

これを数式で表せば、下記式（１）のとおりである。

Ｉｃｃ１≠Ｉｃｃ２≠Ｉｃｃｎ（１）
このように第１ないし第Ｎユニットの回路動作電流は同一ではなく、このような回路動作電流の不均衡はセルスタックの放電電流に影響を及ぼして各ユニット間放電電流の不均衡を引き起こす。これは、上記回路動作電流が上記電池セルスタックの放電電流に加えられるからである。

このような状態が長期間維持されれば、時間の経過とともに各ユニット間残存容量に不均衡が引き起こされる。

例えば、第１電池セルスタックＣ１の残存容量が５０％、第２電池セルスタックＣ２の残存容量が３０％、第Ｎ電池セルスタックＣＮの残存容量が４０％であると仮定する。

このように各電池セルスタックの残存容量に不均衡が生じた状態でバッテリーパックを充電すれば、残存容量が最も大きい電池セルスタックである第１電池セルスタックＣ１が満充電になるときにバッテリー装置全体の充電が完了したと判断され、充電開始時の残存容量の不均衡がそのまま維持される。

このような状態で充電が終了すれば、第２電池セルスタックＣ２の残存容量は８０％、第Ｎ電池セルスタックＣＮの残存容量は９０％になるので、完全な満充電は不可能になってしまう。

また、各ユニット間の回路動作電流の不均衡、すなわち回路による放電電流の不均衡は、長期保存時に各ユニットが同時に過放電領域に入らずに、あるユニットは過放電領域に早めに入っていき、あるユニットは遅めに入っていくことにして、電池セルの劣化にも不均衡が発生する原因になった。

よって、従来バッテリー装置においては、各ユニットの回路動作電流のバランシングを行う技術の開発が切実に要望された。

本発明は、上述した従来の問題点を克服するためのものであって、バッテリー装置を構成する各ユニットの回路動作電流のバランシングを行うバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成し従来技術の問題点を解決するための本発明によるバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置は、一つ以上のセルから構成されるセルスタックが多数備えられたバッテリー装置において、上記多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路である制御回路の回路動作電流をバランシングする装置であって、対応するセルスタックの出力電圧と対応するセルスタックに連結された上記制御回路の電圧との間の電圧差を演算し出力する比較部；及び上記比較部の出力に対応して上記制御回路の回路動作電流にダミー電流を加減する電流源；を含む。

本発明の他の態様によるバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法は、一つ以上のセルから構成されるセルスタックが多数備えられたバッテリー装置において、上記多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路である制御回路の回路動作電流をバランシングする方法であって、対応するセルスタックの出力電圧と対応するセルスタックに連結された上記制御回路の電圧との間の電圧差を演算し出力する段階；及び上記出力に対応して上記制御回路の回路動作電流にダミー電流を加減する段階；を含む。

従来技術によるバッテリー装置の概略的な構成図本発明の望ましい実施例によるバッテリー装置の構成図本発明の望ましい実施例による回路動作電流バランシング装置の構成図電圧制御型電流源の構成を示す図電圧制御型電流源の構成を示す図本発明の望ましい実施例による回路動作電流バランシング装置の動作例を示す図

上述した本発明によるバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置の構成について、図２を参照しながら説明する。ここで、従来バッテリー装置の構成と同一の部分に対しては説明を省略する。

上記バッテリー装置に備えられる多数の電池セルは、一つ以上がグループ化された第１ないし第Ｎ電池セルスタックＣＥ１〜ＣＥＮから構成される。上記第１ないし第Ｎ電池セルスタックＣＥ１〜ＣＥＮにはそれぞれ、第１ないし第Ｎアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮが連結される。

上記アナログ前処理回路は上述したように、電流の検出、制御、レギュレーティング機能を行い、上記一つのアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮに連結される電池セルはアプリケーションの種類に応じて可変可能な回路であって、多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路を意味する。

本発明を説明するに際して上記制御回路とは、上記アナログ前処理回路を含む概念であって、セルスタックの電流、電圧、抵抗または電力などの状態に対するモニタリングだけでなく上記セルスタックの制御などを担当する回路を意味し、特に言及しなければ上記アナログ前処理回路は、本発明の説明において上記制御回路の一実施形態を意味すると解釈されるべきである。

上記第１ないし第Ｎアナログ前処理回路Ａ１〜ＡＮそれぞれには、本発明の望ましい実施例に従って回路動作電流バランシング装置が含まれる。上記回路動作電流バランシング装置は、比較器Ｓ１〜ＳＮ及び電流源Ｐ１〜ＰＮから構成される。

上記比較器Ｓ１〜ＳＮそれぞれは、対応する電池セルスタックの電圧出力端子と連結され、電池セルスタックの電圧出力端子のうち何れか一方の端子の電圧と自分が属するアナログ前処理回路の接地端子の電圧とを比較した結果、及び電池セルスタックの電圧出力端子のうち他方の端子の電圧と自分が属するアナログ前処理回路の電圧端子の電圧とを比較した結果を利用し、その比較結果に対応するダミー電流を生成するための制御電圧を出力する。

上記電流源Ｐ１〜ＰＮそれぞれは、上記比較器Ｓ１〜ＳＮが出力する制御電圧に対応するダミー電流を回路動作電流に加減する。

すなわち、上記電流源Ｐ１〜ＰＮそれぞれは下記式（２）のように、各ユニットの回路動作電流Ｉｃｃ１，Ｉｃｃ２，…，Ｉｃｃｎに、ダミー電流Ｉｄｕｍｍｙ１，Ｉｄｕｍｍｙ２，…，Ｉｄｕｍｍｙｎを加えて流し、各ユニットごとの回路動作電流が同一になるようにする。

Ｉｄｕｍｍｙ１＋Ｉｃｃ１＝Ｉｄｕｍｍｙ２＋Ｉｃｃ２＝Ｉｄｕｍｍｙｎ＋Ｉｃｃｎ＝Ｉｃｃｔｔｌ（全電流）（２）
上述した第１ないし第Ｎアナログ前処理部Ａ１〜ＡＮに備えられる回路動作電流バランシング装置の構成及び動作は同一であるので、以下第２アナログ前処理部Ａ２に備えられる回路動作電流バランシング装置の構成のみを詳しく説明する。

上記比較器Ｓ２は、図３に示すように、第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２、第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２から構成される。

上記第２比較器ＣＡ２は、回路接地電圧（ＧＮＤ２）と第２電池セルスタックＣＥ２の電圧（ＧＮＤ２Ｃｅｌｌ）とを比較して、回路接地電圧（ＧＮＤ２）が大きければマイナス電圧を発生し、第２電池セルスタックＣＥ２の電圧（ＧＮＤ２Ｃｅｌｌ）が大きければプラス電圧を発生する。

上記第１比較器ＣＡ１は、第２電池セルスタックＣＥ２の出力電圧（Ｖｃｓ２）と回路電圧（ＶＤＤ２）とを比較して、回路電圧（ＶＤＤ２）が大きければプラス電圧を発生し、第２電池セルスタックＣＥ２の出力電圧（Ｖｃｓ２）が大きければマイナス電圧を発生する。

第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２は、上記第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２の出力による電圧制御型電流源Ｐ１に対する動作点を制御するためのオフセット電圧を加算して出力する。

上記第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２の出力端子は互いに連結され、上記第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２の出力が重畳され電圧制御型電流源Ｐ１の制御電圧として上記電圧制御型電流源Ｐ１に入力される。

上記電圧制御型電流源Ｐ１は、上記第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２の出力を加算した制御電圧の提供を受け、上記制御電圧に対応する電流（Ｉｄｕｍｍｙ２）を出力する。上述した電圧制御型電流源Ｐ１は図４及び図５のように構成でき、上記図４及び図５に示す電圧制御型電流源Ｐ１の構成は公知された一般的な構成であるのでその詳細な説明は省略する。

上記第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２の出力は、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２を通して連結され、上記連結端子は抵抗Ｒを介して接地される。上記ダイオードＤ１，Ｄ２及び抵抗Ｒは上記第１及び第２加算器ＡＤ１，ＡＤ２の出力を安定化させるためのものである。

また、第２電池セルスタックＣＥ２と回路接地（ＧＮＤ２）との間に連結されたキャパシタＣ２は、フィードバックループの安全性と周波数特性を制限するために挿入される。

そして、第２電池セルスタックＣＥ２と回路接地（ＧＮＤ２）との間に連結されたダイオードＤ３は、ダミー電流を制御するとき、回路接地（ＧＮＤ２）が過度にマイナス電圧になる場合に、このマイナス電圧を制限するために挿入される。ここで、上記ダイオードＤ３はダミー電流を流す本発明の回路が正常に動作しているときには動作しない。

また、本発明による回路動作電流バランシング装置は、ダミー電流（Ｉｄｕｍｍｙ）が僅かである場合には、第１または第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２のうち何れか一つのみを実装するだけでも所望の機能を実現することができる。

上述した本発明の望ましい実施例による回路動作電流バランシング装置の動作について、図６を参照しながら詳しく説明する。ここで、便宜上第２電池セルスタックＣＥ２に連結されたアナログ前処理回路に備えられた回路動作電流バランシング装置の動作のみを例に挙げて説明する。

まず、第２電池セルスタックＣＥ２の接続点の電圧（Ｖｃｓ２）と電圧（ＧＮＤ２Ｃｅｌｌ）が変化しなかったときを仮定して説明する。

回路の初期状態として、Ｉｄｕｍｍｙ１＋Ｉｃｃ１＝Ｉｄｕｍｍｙ２＋Ｉｃｃ２＝Ｉｄｕｍｍｙｎ＋Ｉｃｃｎ＝Ｉｃｃｔｔｌであると仮定すれば、この場合Ｖｃｓ２とＶＤＤ２とは同一であり、ＧＮＤ２ＣｅｌｌとＧＮＤ２とも同一である。

ここで、第１ないし第３抵抗（Ｒｃｉｒｃｕｉｔ１，Ｒｃｉｒｃｕｉｔ２，Ｒｃｉｒｃｕｉｔ３）は、各ユニットのアナログ前処理回路の抵抗成分を示す。ここで、上記抵抗のうち第２抵抗（Ｒｃｉｒｃｕｉｔ２）のみが動作状態によって＋または−ΔＲｃｉｒｃｕｉｔ２だけ変化したと仮定し、残りの第１及び第３抵抗（Ｒｃｉｒｃｕｉｔ１，Ｒｃｉｒｃｕｉｔ３）は変化しない固定値であると仮定する。

このような状態で、第２抵抗（Ｒｃｉｒｃｕｉｔ２）が＋ΔＲｃｉｒｃｕｉｔ２だけ変化してＩｃｃ２が減少すれば、ＶＤＤ２電圧は＋ΔＶＤＤ２だけ変化し、ＧＮＤ２電圧は−ΔＧＮＤ２だけ変化できる。

このとき、第２セルスタックＣＥ２の電圧（Ｖｃｓ２）及び接地電圧（ＧＮＤ２Ｃｅｌｌ）は固定されているので、第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２は＋ｅｒｒｏｒ出力を発生する。

加算器ＡＤは、動作点を調整するためにオフセット電圧と上記第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２の出力を加算して出力する。ここで、上記加算器ＡＤは図３の例のように、第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２の出力それぞれに対してオフセット電圧を加算し、その結果を再び加算する方法を用いるか、上記オフセット電圧と第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２の出力を加算する方法を用いることができる。

上記加算器ＡＤから出力された制御電圧は、バッファーＢを通じて電圧制御型電流源Ｐ１に提供される。上記電圧制御型電流源Ｐ１は、加算器ＡＤの出力電圧が＋であればＩｄｕｍｍｙ２は増加してＶＤＤ２電圧が−（マイナス）方向に変化（低下）し、ＧＮＤ２電圧が＋（プラス）方向に変化（上昇）する。従って、ＶＤＤ２が一定に制御されるネガティブフィードバックループが構成される。

上記とは異なって第２抵抗（Ｒｃｉｒｃｕｉｔ２）が−ΔＲｃｉｒｃｕｉｔ２だけ変化してＩｃｃ２が減少し、ＶＤＤ２電圧は−ΔＶＤＤ２だけ変化し、ＧＮＤ２電圧は＋ΔＧＮＤ２だけ変化することもできる。

このとき第２セルスタックＣＥ２の電圧（Ｖｃｓ２）及び接地電圧（ＧＮＤ２Ｃｅｌｌ）は固定されているので、第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２は−ｅｒｒｏｒを出力する。加算器ＡＤは、オフセット電圧と上記第１及び第２比較器ＣＡ１，ＣＡ２の出力を加算して出力する。

上記加算器ＡＤの出力電圧は、バッファーＢを経由して電圧制御型電流源Ｐ１に供給される。上記電圧制御型電流源Ｐ１は、上記加算器ＡＤの出力が−であればＩｄｕｍｍｙ２は減少してＶＤＤ２電圧が＋方向に変化（上昇）し、ＧＮＤ２電圧が−方向に変化（低下）する。従って、ＶＤＤ２が一定に制御されるネガティブフィードバックループが構成される。

上述した本発明の電圧制御型電流源は、Ｉｃｃｎの回路消費電流が０ｍＡから５ｍＡまで変化するとすれば、上記変化範囲がカバーできるものを採用することが望ましい。

また、上記動作点を調整するために提供されるオフセット電圧の設定は次の二つの方法に設定できる。

そのうち一つは、小さいオフセット電圧に設定し、ある程度のΔＶＤＤ２の電圧とΔＧＮＤ２の電圧の変化を許容しながら電流をバランス制御する方法であり、これはＩｄｕｍｍｙが常には流れていないので、消費電流を低く抑制できる。

他の一つは、大きいオフセット電圧に設定し、ΔＶＤＤ２の電圧とΔＧＮＤ２の電圧を一定に維持しながらバランス制御する方法であり、これはＩｄｕｍｍｙが常に流れているので消費電流は増加するが、ＶＤＤ２＝Ｖｃｓ２，ＧＮＤ２＝ＧＮＤ２Ｃｅｌｌの条件が維持できる。

上述したように、本発明は、バッテリー装置を構成する各ユニットの回路動作電流のバランシングを行うことで、バッテリー装置に備えられる多数の電池セルの満充電を可能とすることは勿論、電池セルの劣化を予め防止し、バッテリー装置を構成する各ユニットごとに回路動作電流にダミー電流を加減することで、各ユニットの回路動作電流が同一になるようにバランシングする。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明は上記実施例によって限定されず、これは本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者によりこのような記載より多様な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明思想は以下に記載した特許請求の範囲によって把握されるべきであり、これの均等または等価的変形の全ては本発明思想の範疇に属すると言える。

Claims

一つ以上のセルから構成されるセルスタックが多数備えられたバッテリー装置において、上記多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路である制御回路の回路動作電流をバランシングする装置であって、
対応するセルスタックの出力電圧と対応するセルスタックに連結された上記制御回路の電圧との間の電圧差を演算し出力する比較部；及び
上記比較部の出力に対応して上記制御回路の回路動作電流にダミー電流を加減する電流源を含むことを特徴とするバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置。
上記比較部の出力に所定のオフセット電圧を加算して上記電流源に提供する加算器がさらに含まれる請求項１に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置。
上記比較部は、
上記セルスタックの両端の電圧のうち何れか一方の電圧と上記制御回路の両端の電圧のうち何れか一方の電圧とを比較する第１比較部；
上記セルスタックの両端の電圧のうち他方の電圧と上記制御回路の両端の電圧のうち他方の電圧とを比較する第２比較部；及び
上記第１及び第２比較部の出力を加算し上記電流源に提供する加算部を含む請求項１に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置。
上記加算部は、
上記第１比較部の出力と所定オフセット電圧とを加算し、
上記第２比較部の出力と所定オフセット電圧とを加算し、
上記加算結果を再び加算する請求項３に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置。
上記加算部は、
上記第１比較部の出力と上記第２比較部の出力と所定オフセット電圧とを加算する請求項３に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング装置。
一つ以上のセルから構成されるセルスタックが多数備えられたバッテリー装置において、上記多数のセルスタックそれぞれに連結された上記セルスタックの状態の制御またはモニタリングを行う回路である制御回路の回路動作電流をバランシングする方法であって、
対応するセルスタックの出力電圧と対応するセルスタックに連結された上記制御回路の電圧との間の電圧差を演算し出力する段階；及び
上記出力に対応して上記制御回路の回路動作電流にダミー電流を加減する段階を含むことを特徴とするバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法。
上記比較結果に所定のオフセット電圧を加算して上記ダミー電流生成の動作点を調整する請求項６に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法。
上記出力段階は、
上記セルスタックの両端の電圧のうち何れか一方の電圧と上記制御回路の両端の電圧のうち何れか一方の電圧とを比較する段階；
上記セルスタックの両端の電圧のうち他方の電圧と上記制御回路の両端の電圧のうち他方の電圧とを比較する段階；及び
上記二つの比較結果を加算して最終比較結果として出力する段階；を含む請求項６に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法。
上記比較段階は、
上記比較結果それぞれに所定オフセット電圧を加算した後、再びその加算結果を加算して最終比較結果として出力する請求項８に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法。
上記比較段階は、
上記二つの比較結果及び所定オフセット電圧を加算して最終比較結果として出力する請求項８に記載のバッテリー装置の回路動作電流バランシング方法。