JP2011055592A - Secondary cell and method for charging and discharging the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車やハイブリッド車等に用いられる充放電可能な二次電池、及びその充放電方法に関するものである。 The present invention relates to a chargeable / dischargeable secondary battery used for an electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like, and a charge / discharge method thereof.
従来の技術として、特許文献1に記載されたバッテリ装置が知られている。充放電可能な二次電池により構成されるバッテリ装置は、リチウムイオン電池などの単位セル(単電池)を複数個直列に接続して構成される。単位セルにはバラツキがあるため、同じ電流で充放電しても、各単位セルの充電率(SOC:State of Charge)が異なってくる。単位セルのSOCのバラツキが大きくなると、過放電あるいは過充電となる単位セルが生じ、セルの破損や容量低下などの不具合を生じる恐れがある。 As a conventional technique, a battery device described in Patent Document 1 is known. A battery device constituted by a chargeable / dischargeable secondary battery is constituted by connecting a plurality of unit cells (unit cells) such as lithium ion batteries in series. Since the unit cells vary, the charge rate (SOC: State of Charge) of each unit cell differs even when charging / discharging with the same current. When the variation in the SOC of the unit cell becomes large, a unit cell that is overdischarged or overcharged is generated, and there is a possibility that problems such as cell breakage or capacity reduction may occur.
そのため、特許文献1に示される技術では、単位セルの電圧をA/Dコンバータで測定し、SOCを推定する。そして、SOCのバラツキが大きい場合、SOCの高い単位セルに並列に接続された放電回路をONにして放電し、SOCのバラツキを補正するようにしている。 Therefore, in the technique disclosed in Patent Document 1, the voltage of the unit cell is measured by an A / D converter, and the SOC is estimated. When the SOC variation is large, the discharge circuit connected in parallel to the unit cell having a high SOC is turned on to discharge, thereby correcting the SOC variation.
なお、従来のバッテリシステムの全体は、図6に示されるように、バッテリ装置100の出力側にDC/DCコンバータ200を接続して、放電時は、このDC/DCコンバータ200により負荷80が必要とする一定の電圧に昇圧ないし降圧してバッテリ装置100より負荷80に電力を供給する。また、充電時は、DC/DCコンバータ200により負荷80側より供給される電圧を一定の電圧に昇圧ないし降圧してバッテリ装置100の充電を行う。
As shown in FIG. 6, the conventional battery system as a whole has a DC /
上述した従来の技術では、SOCの高い単位セルに蓄えられた電気エネルギを放電回路により放電することにより、SOCのバラツキを補正している。しかし、放電を行うということは、電気エネルギを熱として消費させるということであり、電気エネルギの無駄を生じ、ひいては電気エネルギの使用効率が低下するという問題が生じる。 In the above-described conventional technology, the variation in SOC is corrected by discharging electric energy stored in a unit cell having a high SOC by a discharge circuit. However, discharging means that electric energy is consumed as heat, resulting in a waste of electric energy and a problem that efficiency of using electric energy is lowered.
本発明は、電気エネルギを無駄にすることなく、SOCのバラツキを軽減して充放電を行うことができる二次電池およびその充放電方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a secondary battery and a charge / discharge method thereof that can charge / discharge while reducing variation in SOC without wasting electric energy.
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、単位セルと充放電回路からなるユニットを複数個、直列接続して構成される二次電池であって、各単位セルに対応して設けられ各単位セルから放電して所定の放電電圧を出力するか、または各単位セルに対して所定の充電電流で充電を行う充放電回路と、各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きく、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、前記充放電回路を動作させる制御部とを備えるものである。 In order to solve the above-described problem, one embodiment of the present invention is a secondary battery configured by connecting a plurality of units each including a unit cell and a charge / discharge circuit in series, and is provided corresponding to each unit cell. A charge / discharge circuit that discharges from each unit cell and outputs a predetermined discharge voltage or charges each unit cell with a predetermined charging current, and estimates the charging rate of each unit cell Based on the charged rate, the discharge power from the unit cell with a high charge rate is higher than the discharge power from the unit cell with a low charge rate during discharge, and the charge power to the unit cell with a high charge rate is higher during charge. And a control unit that operates the charge / discharge circuit so as to be smaller than the charge power to the unit cell having a low charge rate.
また、本発明の他の一態様は、単位セルと充放電回路からなるユニットを複数個、直列接続して構成される二次電池の充放電方法であって、各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きくなるように放電させ、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、各単位セルを充電させるようにしたものである。 Another aspect of the present invention is a secondary battery charge / discharge method configured by connecting a plurality of units each including a unit cell and a charge / discharge circuit in series, and estimating a charge rate of each unit cell. In addition, based on the estimated charging rate, discharging is performed such that the discharging power from the unit cell having a high charging rate is larger than the discharging power from the unit cell having a low charging rate. Each unit cell is charged so that the charging power to the unit cell with a high rate is smaller than the charging power to the unit cell with a low charging rate.
本発明によれば、電気エネルギを無駄にすることなく、SOCのバラツキを軽減して充放電を行うことができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that charging and discharging can be performed while reducing variation in SOC without wasting electric energy.
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態における二次電池により構成されるバッテリシステムを示すブロック図である。バッテリ装置100Aを構成する二次電池は、負荷80に対してリチウムイオン電池等の単位セル20をDC/DCコンバータである充放電回路30を介して複数(N個)直列に接続して構成される。負荷80とバッテリ装置100Aの間には、電流センサ90が導入され、電流センサ90で測定された負荷電流IGはMPU70に入力される。単位セル20の両端には電圧測定を行うために、スイッチ40を介して差動アンプ50が接続され、差動アンプ50により増幅された電圧がA/D変換回路60を介してMPU(Micro Processing Unit)70に接続されている。またMPU70は各充放電回路30と信号線SLで接続され、各充放電回路30の単位セル側の端子電流(各単位セルの充放電電流)I1、負荷側の端子間電圧V2の値が必要に応じて入力され記憶される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a battery system composed of secondary batteries in the embodiment of the present invention. The secondary battery constituting the
充放電回路30は、MPU70からの指示により、放電時は負荷側の出力電圧を定め、充電時は単位セル側の充電電流を定めるように構成されるものであればよく、その具体的構成は、例えば特開2005−295671号公報に示されているものが適用できる。
The charging /
図2は、上記公報に示される構成を適用した回路例を示している。この充放電回路30は、チョッパ回路1とその入出力端子に個別に配置された二つの平滑コンデンサC1,C2と、制御回路11とを備えている。
FIG. 2 shows a circuit example to which the configuration shown in the above publication is applied. The charge /
チョッパ回路1は、電源側ハーフブリッジ回路2と、負荷側ハーフブリッジ回路3と、
リアクトル4を備えている。
The chopper circuit 1 includes a power supply side half bridge circuit 2, a load side half bridge circuit 3,
A reactor 4 is provided.
電源側ハーフブリッジ回路2は、高電位側電極端子が単位セル20の正極端子に接続される上アームの電源側スイッチング素子6と、このスイッチング素子6に直列接続されて単位セル20の低電位側電極端子が単位セル20の負極端子に接続される下アームの電源側スイッチング素子7とを備える。
The power supply side half bridge circuit 2 includes a power supply side switching element 6 of the upper arm whose high potential side electrode terminal is connected to the positive terminal of the
負荷側ハーフブリッジ回路3は、高電位側主電極端子が負荷80の高電位側端子または直列接続される隣の単位セル20の負極端子に対応する充放電回路30の単位セル20とは反対側(負荷側)の端子である低電位側端子に接続される上アームの負荷側スイッチング素子9と、該スイッチング素子9に直列接続されて低電位側主電極端子が単位セル20の負極端子、及び負荷80の低電位側端子または直列接続される隣の単位セル20の正極端子に対応する充放電回路30の単位セル20とは反対側(負荷側)の端子である高電位側端子に接続される下アームの負荷側スイッチング素子10とを備える。
The load-side half-bridge circuit 3 has a high-potential side main electrode terminal opposite to the
そして、各スイッチング素子6,7,9,10は、制御回路11によりスイッチング制御される。制御回路11は、電流センサA1又は電圧センサV2からこれらの検出値を取得し、必要に応じてMPU70に送信するとともに、これらの値に応じてMPU70により演算され設定されたこれらのパラメータ値と各センサの検出値が一致するようチョッパ回路1を制御する。
Each
ここで、チョッパ回路1、二つの平滑コンデンサC1、C2および制御回路11は、本発明の充放電回路を構成しており、MPU70は本発明の制御部を構成している。
Here, the chopper circuit 1, the two smoothing capacitors C1 and C2, and the
以下、本実施の形態の動作について説明する。
まず、MPU70は、A/D変換回路60を介して検出した各単位セル20の電圧から各単位セル20の充電率(SOC)を推定する。そして、負荷を二次電池で駆動する放電時(放電モード)においては、MPU70は各単位セル20のSOCから最適な充放電回路30の出力電圧(負荷側出力)を求め、充放電回路30を構成する制御回路11に設定する。そして、N個の単位セル20のうちのi番目の単位セル20の充電率をSOCi、充放電回路30の負荷側の出力電圧(放電電圧)をV2i、負荷への供給電圧をVLとしたとき、
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described.
First, the
VL=ΣV2i
V2i/VL=SOCi/ΣSOCi
VL = ΣV2i
V2i / VL = SOCi / ΣSOCi
が成立するようにV2iを求め、各充放電回路30の制御回路11にその放電電圧を設定する。そして、制御回路11は、各充放電回路30の放電電圧が設定された放電電圧となるようにスイッチング素子6,7,9,10を制御する。
V2i is calculated so that the above holds, and the discharge voltage is set in the
かかる構成により、SOCの高い単位セル20に接続された充放電回路30の出力電圧がSOCの低い単位セル20よりも高く設定されるため、SOCの高い単位セル20が放電する電力の方がSOCの低い単位セル20が放電する電力よりも大きくなり、SOCのバラツキを小さくする方向に放電が行われる。
With this configuration, the output voltage of the charge /
一方、負荷を発電機とした充電時(充電モード)では、MPU70は電流センサ90を介して全充電電流IGを検出する。そして、N個の単位セル20の充電率をSOCi(i=1〜N)とし、外部から供給される充電電圧をVG、各充放電回路30の電池側への充電電流をI1i、各単位セル20の電圧をV1i、充放電回路30の平均変換効率をη(%)とすると、
On the other hand, at the time of charging using the load as a generator (charging mode), the MPU 70 detects the total charging current IG via the
VG×IG×η/100=Σ(V1i×I1i)
I1i/(ΣI1i/N)=2−SOCi/Σ(SOCi/N)
VG × IG × η / 100 = Σ (V1i × I1i)
I1i / (ΣI1i / N) = 2−SOCi / Σ (SOCi / N)
が成立するようにI1iを求め、各充放電回路30の制御回路11にその充電電流(I1i)を設定する。そして、制御回路11は、各単位セルへの充電電流が設定された充電電流となるようにスイッチング素子6,7,9,10を制御する。
I1i is obtained so that the following holds, and the charging current (I1i) is set in the
かかる構成により、SOCの高い単位セル20に接続された充放電回路30の出力電流はSOCの低い単位セル20よりも低く設定されることとなり、SOCの低い単位セル20の充電電流の方がSOCの高い単位セルよりも大きくなり、SOCのバラツキを小さくする方向で充電が行われる。
With this configuration, the output current of the charge /
なお、MPU70は単位セルの電圧を常時又は適宜測定し、充電時に電圧が所定の値を超えた場合、或いは放電時に電圧が所定の値を下回ったときは、その単位セル20をユニットの直列回路から切り離すように充放電回路30の設定を行う。これは例えば充放電回路30のスイッチング素子6,7を断状態とすると共に、スイッチング素子9,10を導通状態とすることにより行うことができる。これにより、異常電圧となった単位セル20を保護することもできる。
The
なお、図1では、単位セル20の電圧を測定するために、切替スイッチ40、差動アンプ50、A/D変換回路60をこの順に接続したが、本実施の形態の変形例1として、図3に示すように、差動アンプ50、切替スイッチ40、A/D変換回路60の順に接続するようにしてもよい。
In FIG. 1, the
さらに、変形例2として、図4に示すように、単位セル20の電圧を測定するために、各単位セル20毎にA/D変換回路60を設けるようにしても良い。
Furthermore, as a second modification, as shown in FIG. 4, an A /
また、変形例3として、図5に示すように、単位セル20の温度を検出する温度センサTHを単位セル20ごとに設け、単位セル20の電圧と温度を測定して電池容量の温度変化を考慮したSOCの推定や、単位セル20の温度に対する保護を行うようにしても良い。例えば、単位セル20の温度が所定温度を超えた場合は、その単位セル20をユニットの直列回路から切り離して保護するようにすることができる。なお、温度センサTHの検出信号はA/D変換回路61を介してディジタル値としてMPU70に取り込まれる。
Further, as a third modification, as shown in FIG. 5, a temperature sensor TH that detects the temperature of the
1 チョッパ回路(充放電回路)、6,7,9,10 スイッチング素子、11 制御回路(制御部)、20 単位セル、30 充放電回路、40 スイッチ、50 差動アンプ、60,61 A/D変換回路、70 MPU(制御部)、80 負荷、C1,C2 平滑コンデンサ、TH 温度センサ、A1,90 電流センサ、V2 電圧センサ。 1 chopper circuit (charge / discharge circuit), 6, 7, 9, 10 switching element, 11 control circuit (control unit), 20 unit cell, 30 charge / discharge circuit, 40 switch, 50 differential amplifier, 60, 61 A / D Conversion circuit, 70 MPU (control unit), 80 load, C1, C2 smoothing capacitor, TH temperature sensor, A1, 90 current sensor, V2 voltage sensor.
Claims (6)
各単位セルに対応して設けられ各単位セルから放電して所定の放電電圧を出力するか、または、各単位セルに対して所定の充電電流で充電を行う充放電回路と、
各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きく、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、前記充放電回路を動作させる制御部と
を備える二次電池。 A secondary battery configured by connecting units consisting of a unit cell and a charge / discharge circuit in series,
A charge / discharge circuit that is provided corresponding to each unit cell and discharges from each unit cell to output a predetermined discharge voltage, or charges each unit cell with a predetermined charging current,
In addition to estimating the charging rate of each unit cell, based on the estimated charging rate, the discharging power from the unit cell having a high charging rate is larger than the discharging power from the unit cell having a low charging rate during discharging. And a control unit that operates the charge / discharge circuit so that the charging power to the unit cell having a high charging rate is smaller than the charging power to the unit cell having a low charging rate.
VL=ΣV2i
V2i/VL=SOCi/ΣSOCi
が成立するようにV2iを求め、各充放電回路の放電電圧を制御することを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 The controller is configured such that, during discharging, the charging rate of N unit cells is SOCi (i = 1 to N), and the discharging voltage from each charging / discharging circuit is V2i.
VL = ΣV2i
V2i / VL = SOCi / ΣSOCi
2. The secondary battery according to claim 1, wherein V2i is calculated so as to hold and the discharge voltage of each charge / discharge circuit is controlled.
VG×IG×η/100=Σ(V1i×I1i)
I1i/(ΣI1i/N)=2−SOCi/(ΣSOCi/N)
が成立するI1iを求め、各充放電回路の充電電流I1iを制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の二次電池。 At the time of charging, the control unit sets the charging rate of the N unit cells to SOCi (i = 1 to N), the charging voltage supplied from the outside is VG, the total charging current supplied from the outside is IG, When the charging current to the battery side of the charging / discharging circuit is I1i, the voltage of each unit cell is V1i, and the average conversion efficiency of the charging / discharging circuit is η (%),
VG × IG × η / 100 = Σ (V1i × I1i)
I1i / (ΣI1i / N) = 2−SOCi / (ΣSOCi / N)
3. The secondary battery according to claim 1, wherein I1i that satisfies is obtained, and the charging current I1i of each charging / discharging circuit is controlled.
各単位セルの充電率を推定するとともに、該推定された充電率に基づいて、放電時は充電率の高い単位セルからの放電電力が充電率の低い単位セルからの放電電力よりも大きくなるように放電させ、充電時は充電率の高い単位セルへの充電電力が充電率の低い単位セルへの充電電力よりも小さくなるように、各単位セルを充電させるようにしたことを特徴とする
二次電池の充放電方法。 A charge / discharge method of a secondary battery configured by connecting a plurality of units each composed of a unit cell and a charge / discharge circuit in series,
In addition to estimating the charging rate of each unit cell, based on the estimated charging rate, the discharging power from the unit cell having a high charging rate is larger than the discharging power from the unit cell having a low charging rate during discharging. Each unit cell is charged so that the charging power to the unit cell with a high charging rate is smaller than the charging power to the unit cell with a low charging rate during charging. Secondary battery charge / discharge method.
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