JP2011254662A - 給電制御システム及び組電池搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】均等化手段における電力消費の抑制を図る。
【解決手段】組電池１１を構成する電池セル１２それぞれと、組電池１１から電力の供給を受けて電池セル１２間の電池容量を均等化する均等化回路７０と、の間に設けられたスイッチ１４と、電圧検出回路８０により検出された各電池セル１２の電圧に基づいて、均等化回路７０によって電池セル１２間の電池容量が均等化されるまでに要する時間を算出すると共に、算出した時間に達したときにスイッチ１４をオフに切り替えることで、組電池１１を均等化回路７０から切り離すマイコン９０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電制御システム及び組電池搭載車両、特に組電池を構成する電池セル間の電池容量を均等化する均等化手段への電力の供給制御に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車では、複数のリチウムイオン電池セルを組み合わせた組電池を動力源として搭載される。各電池セルの容量や内部抵抗、自己放電率等から各電池セルの電圧にばらつきが発生しうるが、各電池セルの電圧にばらつきが発生すると、電池セルの劣化が加速的に進行したり、利用可能なエネルギー量が低下したりする。そこで、各電池セルの電圧のばらつきを解消するために、電池セル間の電池特性を均等化する均等化回路が提案されている。

均等化回路は、各電池セルからの出力電圧を監視し、所定値以上に電圧の高い電池セルを検出すると、その電池セルから放電させて電池セル間の電池特性の均等化を図る。均等化回路は、組電池からの電力の供給を受けて動作する。

特開２００８−５４４１６号公報 特開２００２−３２５３７０号公報

しかしながら、電池セル間の電池特性の均等化が終了した後においても均等化回路が組電池からの電力の供給を受け続けてしまうと組電池の電力を無駄に消費してしまうことになる。

本発明は、均等化手段における電力消費の抑制を図ることを目的とする。

本発明に係る給電制御システムは、複数の電池セルを含む組電池から電力の供給を受けて前記電池セル間の電池容量を均等化する均等化手段と、前記電池セルそれぞれと前記均等化手段との間に設けられたスイッチ手段と、前記各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出された前記各電池セルの電圧に基づいて、前記均等化手段によって前記電池セル間の電池容量が均等化されるまでに要する時間を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された時間に達したときに前記スイッチ手段をオフに切り替えることで、前記組電池を前記均等化手段から切り離すスイッチ切替手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る組電池搭載車両は、上記発明の給電制御システムと、前記組電池と、を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、均等化手段における電池セル間の電池容量の均等化が終了した時点で組電池から均等化手段への電力の供給を停止することができるので、均等化手段に組電池の電力を無駄に消費させることから防止することができる。

本発明に係る給電制御システムの一実施形態を示した全体構成図である。 本実施の形態における給電制御システムの要部を示した図である。 本実施の形態における比較器の入出力のタイミングチャートの一例を示した図である。 本実施の形態における給電制御システムを搭載した自動車の概念図である。 先行出願に記載された電圧監視システムの全体構成図である。

以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る給電制御システムの一実施形態を示した全体構成図である。図１には、組電池１１、スイッチ１４、均等化回路７０、電圧検出回路８０、論理回路１５、論理和回路１６及びマイコン（マイクロコンピュータ）９０が示されている。なお、本実施の形態においては、例えば電池セル１２−１，１２−２，．．．，１２−ｎのように、同等の構成を複数有している場合において、他の構成要素との対応関係を示す必要がない場合には、「電池セル１２」のように符号を省略して記載する場合もある。

図２は、図１に示した給電制御システムの要部を示した図であり、特に１つの電池セル１２に対応して設けられた電圧検出回路８０及び組電池１１の給電制御を行うマイコン９０の各内部構成を示した図である。図２では、図１に図示した均等化回路７０の構成を省略している。本実施の形態における給電制御システムは、均等化回路７０に対して組電池１１から供給される電力の供給制御を行うものである。

組電池１１は、リチウムイオン電池の電池セル１２−１，１２−２，．．．，１２−ｎを直列に接続して形成された電池である。組電池１１は、充電と放電を繰り返して使用される電池である。組電池１１は、負荷（例えば電気自動車の場合はモータ）に電力を供給してその残存容量を減少させる。また、充電が行われることで、その残存容量を回復させる。

スイッチ１４−０，１４−１，．．．，１４−ｎは、電池セル１２−１，１２−２，．．．，１２−ｎそれぞれと、電池セル１２−１，１２−２，．．．，１２−ｎそれぞれに対応付けして設けられた電気抵抗７１―１，７１−２，．．．，７１−ｎ及びスイッチ７２―１，７２−２，．．．，７２−ｎの組とを接続する配線１３−０，１３−１，．．．，１３−ｎ上に設けられる。

均等化回路７０は、給電制御システムにおいて、組電池１１に含まれる各電池セル１２の電池特性を検出し、電池セル１２間の電池特性の均等化を行う回路である。電池特性は、典型的には、電圧あるいは電池容量（残存容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ））などによって表される。電池セル１２−１，１２−２，．．．，１２−ｎの各極には、配線１３−０，１３−１，．．．，１３−ｎが接続されている。例えば、配線１３−０は電池セル１２−１の正極に接続され、配線１３−１は電池セル１２−１の負極と電池セル１２−２の正極の間に接続され、配線１３−２は電池セル１２−２の負極と電池セル１２−３の正極の間に接続されている。

均等化回路７０において、配線１３−１と配線１３−２との組などのように隣り合う配線１３の間には、直列配置された電気抵抗７１及びスイッチ７２が放電用回路として接続されている。さらに、隣り合う配線１３の間には、直列配置された電気抵抗７３及びオペレーションアンプ７４が、電気抵抗７１及びスイッチ７２と並列に接続されている。１つのオペレーションアンプ７４、例えば、オペレーションアンプ７４−１の一方の入力端子は電気抵抗７３−１を介して配線１３−０に接続され、オペレーションアンプ７４−１の他方の入力端子は配線１３−１に直接接続されている。

オペレーションアンプ７４は、入力端子に入力された電圧の差分を算出し、均等化制御部７５に出力する。均等化制御部７５は、論理回路によって実現され、組電池１１から電力供給を受けて均等化回路７０における電池セル１２間の均等化制御を行う。なお、均等化回路７０は、従前からある回路をそのまま利用してもよい。

さらに、隣り合う配線１３の間には、電圧検出回路８０が接続されている。電圧検出回路８０は、図２に示したように接続された配線１８，１９を両極に接続された電池セル１２の電圧を検出する。なお、図２における配線１８と配線１９は、図１における配線１３−０と配線１３−１、配線１３−１と配線１３−２などのように隣り合う１組の配線に相当する。

電圧検出回路８０は、同じ配線１８及び配線１９の組に接続された、対応する電池セル１２の電圧を検出するための電圧検出手段として設けられている。電圧検出回路８０は、ＩＣ（集積回路）として形成され、複数のスイッチ８１及び抵抗８２と、基準電圧源８３と比較器８４とを有している。抵抗８２ａ〜８２ｇは、配線１８と配線１９との間に直列に接続される。スイッチａ〜ｆで表されたスイッチ８１は、例えば抵抗素子やトランジスタ等により構成されたものである。そして、各スイッチａ〜ｆは、各抵抗８２の接続点にそれぞれ接続されると共に並列接続される。各スイッチａ〜ｆが並列接続された接続点は、スイッチａ〜ｆを介して比較器８４の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。

基準電圧源８３は、一定の基準電圧を発生させる電圧源である。この基準電圧源８３は、比較器８４の反転入力端子(−端子)と配線１９とに接続される。

スイッチａ〜ｆは、基本的にはある時点では１つのスイッチのみがオンとなるよう制御される。スイッチａがオンされると、電池セル１２からの電流は、配線１８，抵抗８２ａ、スイッチａを介して比較器８４の非反転入力端子に入力される。また、スイッチｂがオンされると、電池セル１２からの電流は、配線１８，抵抗８２ａ、抵抗８２ｂ，スイッチｂを介して比較器８４の非反転入力端子に入力される。このように、オンにするスイッチ８１を切り替えることによって電池セル１２からの電流が流れる抵抗８２の数を変えることができ、比較器８４の非反転入力端子に入力される電圧を変えることができる。つまり、抵抗８２ａ〜８２ｇの抵抗値に設定によって、基準電圧と比較される電圧を所定の電圧範囲内で段階的に一定値、例えば０．１Ｖ刻みなどに調整することができる。等間隔の刻みで電圧を調整したい場合、少なくとも抵抗８２ｂ〜８２ｆは、同じ抵抗値の抵抗を用いればよい。本実施の形態では、等間隔の刻みに設定する。図２には、７個の抵抗８２ａ〜８２ｇが直列に接続され、６個のスイッチａ〜ｆが各抵抗８２ａ〜８２ｇの接続点にそれぞれ接続された例を示したので、本実施の形態では、電池セル１２の電圧を６段階に変更できるが、スイッチの数はこれに限定されない。抵抗８２の数はスイッチの数より１つ多い数になる。電圧検出回路８０は、全て同一に構成される。

切替部１５は、論理回路により実現され、マイコン９０からの指示に従い電池セル１２それぞれに対応付けして設けられた電圧検出回路８０に含まれるスイッチ８１のオン／オフを切り替える。本実施の形態では、切替部１５を論理回路により実現することを想定しているが、切替部１５の機能をソフトウェアにより実現してもよい。この場合、切替部１５をマイコン９０に含めるようにしてもよい。

論理和回路１６は、電池セル１２それぞれに対応付けして設けられた電圧検出回路８０からの出力電圧を入力し、論理和をとってからその結果をマイコン９０へ出力する。

マイコン９０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って電圧検出回路８０に含まれるスイッチ８１の切替制御、スイッチ１４の切替制御等を行う。マイコン９０は、切替指示部９１、セル電圧取得部９２、スリープ開始時間算出部９３、スイッチ切替部９４及び制御部９５を有している。切替指示部９１は、制御部９５からの指示に従い、切替部１５に対してスイッチａ〜ｆの切替指示を出す。セル電圧取得部９２は、各電圧検出回路８０において検出された各電池セル１２の電圧（以下、「セル電圧」ともいう）を論理和回路１６を介して取得する。スリープ開始時間算出部９３は、各電圧検出回路８０から取得されたセル電圧に基づいて均等化回路７０による放電によって電池セル間の電池容量が均等化されるまでに要する時間を算出する算出手段として設けられている。スイッチ切替部９４は、制御部９５からの指示に従い、算出された時間に達したときに信号線１７を介してオフ切替信号をスイッチ１４に送信することによりスイッチ１４をオフに切り替えることで、組電池１１を均等化回路７０から切り離す。制御部９５は、各構成要素６１〜６４の動作制御を行うことで、マイコン９０における処理全体の制御を行う。

マイコン９０における各構成要素６１〜６５は、マイコン９０と、マイコン９０に搭載されたＣＰＵで動作するプログラムとの協調動作により実現される。また、本実施の形態で用いるプログラムは、通信手段により提供することはもちろん、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。通信手段や記録媒体から提供されたプログラムはマイコン９０のＲＯＭ等にインストールされ、コンピュータのＣＰＵがインストールプログラムを順次実行することで各種処理が実現される。

次に、本実施の形態における動作について説明する。まずはじめに、均等化回路７０の動作から説明する。

均等化回路７０の動作中、均等化回路７０における各オペレーションアンプ７４は、対応する電池セル１２の両極間電圧を均等化制御部７５に出力する。均等化制御部７５は、各オペレーションアンプ７４から出力された各電圧を比較することによって電圧のばらつきの度合いを算出する。ばらつきの度合いは、例えば、各電圧が、最小の電圧と比較してどの程度差分があるかを求め、その差分の大小比較により求めてもよい。そして、均等化制御部７５は、所定値以上に大きな電圧をもつ電池セル１２に対しては、対応するスイッチ７２をオンにして、その電池セル１２に充電されている電力を電気抵抗７１にて消費させることで電池セル１２の電圧を低下させる。一般に電気抵抗７１の値は大きく設定され、長時間（例えば、数時間〜１日程度）かけて、ゆっくりと電力消費が行われる。そして、均等化制御部７５は、均等化すべき目標電圧に低下した場合などにスイッチ７２をオフに切り替えて電力の消費を停止させる。このようにして、所定値以上に大きな電圧をもつ電池セル１２から放電させて各電池セル１２間の電池容量の均等化を図る。なお、電池容量の均等化が終了した後も組電池１１からの電力は、スイッチ１４をオフにして非通電状態にしない限り、配線１３を介して均等化回路７０に供給され続ける。

次に、電圧検出回路８０の動作及び電圧検出回路８０により検出された電圧に基づくスイッチ１４の切替制御について説明する。

切替部１５は、マイコン９０の切替指示部９１からの指示に従い、１つの電圧検出回路８０に含まれるスイッチａからスイッチｆまで順番にオンになるようスイッチ８１の切替えを行う。まず、スイッチａがオンでそれ以外のスイッチｂ〜ｆがオフのとき、電池セル１２からの電流は、配線１８，抵抗８２ａ、スイッチａを介して比較器８４の非反転入力端子に入力される。すると、比較器８４は、非反転入力端子に入力されたセル電圧と、基準電圧源８３から入力された基準電圧とを比較する。ここで、比較器８４は、セル電圧が基準電圧以上のときにはハイレベルの信号を出力する。一方、セル電圧が基準電圧より小さいときにはローレベルの信号を出力する。

続いて、切替部１５がスイッチｂをオンに切り替え、それ以外のスイッチａ，ｃ〜ｆをオフにすると、電池セル１２からの電流は、配線１８，抵抗８２ａ、抵抗８２ｂ，スイッチｂを介して比較器８４の非反転入力端子に入力される。比較器８４は、上記と同様に、入力されたセル電圧と基準電圧とを比較し、セル電圧が基準電圧以上のときにはハイレベルの信号を、セル電圧が基準電圧より小さいときにはローレベルの信号を出力する。

以上の処理を全てのスイッチａ〜ｆに対して行う。この動作による比較器８４の入出力のタイミングチャートの一例を図３に示す。図３に示した例では、スイッチｄに切り替えたタイミングで比較器８４からの出力信号がハイからローに切り替わったのがわかる。この比較器８４からの出力電圧は、論理和回路１６に入力されるが、スイッチ８１の切替制御対象となっている電圧検出回路８０以外の電圧検出回路８０からの出力信号を全てローとなるように制御しておけば、切替制御対象となっている電圧検出回路８０からの出力信号の値は、そのままセル電圧取得部９２に入力されることになる。マイコン９０は、制御部９５による制御のもと、複数設けられた電圧検出回路８０のうち、どの電圧検出回路８０に含まれる、どのスイッチａ〜ｆがオンされているのかを把握しているので、セル電圧取得部９２は、入力されたセル電圧がどの電圧検出回路８０のどのスイッチａ〜ｆを介して入力されてきたのかを特定できる。また、抵抗８２の抵抗値及び基準電圧も既知の値であることから、セル電圧取得部９２は、電池セル１２の出力電圧が少なくともどの範囲に含まれているかを特定できる。以上の処理を、他の電圧検出回路８０に対しても行うことで、セル電圧取得部９２は、全ての電池セル１２の出力電圧が少なくともどの範囲に含まれているかを特定できる。

以上のようにして、各電池セル１２の出力電圧を取得すると、制御部９５は、電池セル１２の出力電圧にばらつきがあるかないかを判定する。ばらつきの発生の有無は、例えば、取得した電池セル１２の出力電圧の最大値と最小値との差分と、予め設定された所定の閾値と、を比較し、差分が閾値より大きい場合にばらつきが発生していると判断するようにしてもよい。

ばらつきが発生していると判断した場合、スリープ開始時間算出部９３は、制御部９５からの指示に従いスリープ開始時間を算出する。「スリープ開始時間」というのは、均等化回路７０によって電池セル１２間の電池容量が均等化されるまでに要する時間である。具体的には、出力電圧が最大であった電池セル１２の電池容量が、出力電圧が最小であった電池セル１２の電池容量と均等になるまでに要する時間であり、均等化回路７０の放電用回路による放電に要する時間である。電池セル１２の容量、抵抗７１の抵抗値からどれくらいの電流が電池セル１２から流れるかは計算できる。電流が計算できれば、どれくらいの時間で電池セル１２のＳＯＣが何％下がるかを計算できる。これにより、スリープ開始時間を算出することができる。

スリープ開始時間が算出されると、制御部９５は、その時間が経過するまで待機する。そして、スリープ開始時間が経過すると、制御部９５は、スイッチ１４の切替えをスイッチ切替部９４に指示する。スイッチ切替部９４は、制御部９５からの指示に従い、スイッチ１４をオフに切り替えることで、組電池１１を均等化回路７０から切り離す。これにより、組電池１１から均等化回路７０への電力の供給は停止される。このようにして、均等化回路７０を動作している状態のモードからスリープモードに切り替える。なお、切替時点では、均等化回路７０における均等化処理は終了しているはずなので、電力の供給を停止しても問題はない。

均等化回路７０は、負荷を用いるときまでスリープモードのまま維持してよい。本実施の形態における給電制御システムを電気自動車に適用した場合において、自動車の停止中にスリープモードに切り替わった場合、電気自動車が起動されるまでスリープモードのままでよい。あるいは、制御部９５は、所定時間毎にスイッチ１４をオンに切り替えて均等化回路７０を動作可能な状態にしてセル電圧の検査を行えるようにしてもよい。

また、セル電圧にばらつきが発生していない場合には、その時点でスリープモードに切り替え、所定時間毎にスイッチ１４をオンに切り替えて均等化回路７０を動作可能な状態にしてセル電圧の検査を行えるようにしてもよい。

本発明によれば、以上のようにして、均等化回路７０における均等化処理が終了した時点で組電池１１から均等化回路７０への電力の供給を停止することができるので、組電池１１の電力を無駄に消費することから防止できる。

なお、本実施の形態では、リチウムイオン電池セルから成る組電池を対象にした給電制御システムを例にしたが、これに限ることはなく、電池セル間のばらつきにより問題が発生しうるその他の種類の二次電池や一次電池に適用してもよい。

また、本実施の形態を、電気自動車に利用される組電池の給電制御に適用した場合を想定して説明した。この電気自動車のように組電池１１及び給電制御システム２を搭載した車両４の概念図を図４に示すが、他に利用される組電池の給電制御に適用してもよい。

ところで、本願と同一の特許出願人を含む先行出願（特願２００９−２２４９５４号）では、電池の過充電や過放電の検出用の閾値が変化したことを検出するための電池の電圧監視装置が提案されている。この先行出願に示された電圧監視装置を含む電圧監視システムの全体構成図を図５に示す。この先行出願では、過充放電検出機能に加え、過充放電検出の閾値の特性ずれを診断するための自己診断機能を有しており、この自己診断機能を実現するために同じ回路構成の監視回路５０，６０を二重化して搭載している。各監視回路５０，６０は、実施の形態として個数は異なるものの本実施の形態のスイッチ８１及び抵抗８２に相当するスイッチ５６，６６及び抵抗５５，６５、更に本実施の形態の基準電圧源８３及び比較器８４に相当する基準電圧源５２，６２及び比較器５３，６３を有している。つまり、監視回路５０，６０は、本実施の形態の電圧検出回路８０と同一の回路構成を有している。従って、先行出願に記載されたシステムに本発明を組み合わせて実施する場合、図１に示した電圧検出回路８０を別個に設けることなく、先行出願の二重化された監視回路５０，６０のうち一方を電圧検出回路８０として有効利用してもよい。

更に、先行出願に記載された電圧監視装置はマイコン４０を有している。従って、先行出願に記載されたシステムに本発明を組み合わせて実施する場合、図１に示したマイコン９０を別個に設けることなく、先行出願に記載されたマイコン４０をマイコン９０として有効利用してもよい。

すなわち、本実施の形態の切替部１５の機能をマイコン４０で動作可能なソフトウェアで実現し、先行出願の電池１０と監視回路部３０との間に本実施の形態のスイッチ１４を配設し、本発明の機能を実現するソフトウェアをマイコン４０にインストールすれば、先行出願に記載された電圧監視装置２０を利用して本発明を実施することが可能になる。

２ 給電制御システム、４ 車両、１１ 組電池、１２ 電池セル、１３，１８，１９ 配線、１４ スイッチ、１５ 切替部（論理回路）、１６ 論理和回路、１７ 信号線、７０ 均等化回路、７１，７３ 電気抵抗、７２，８１ スイッチ、７４ オペレーションアンプ、７５ 均等化制御部、８０ 電圧検出回路、８２ 抵抗、８３ 基準電圧源、８４ 比較器、９０ マイコン、９１ 切替指示部、９２ セル電圧取得部、９３ スリープ開始時間算出部、９４ スイッチ切替部、９５ 制御部。

Claims (2)

1. 複数の電池セルを含む組電池から電力の供給を受けて前記電池セル間の電池容量を均等化する均等化手段と、
   前記電池セルそれぞれと前記均等化手段との間に設けられたスイッチ手段と、
   前記各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された前記各電池セルの電圧に基づいて、前記均等化手段によって前記電池セル間の電池容量が均等化されるまでに要する時間を算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出された時間に達したときに前記スイッチ手段をオフに切り替えることで、前記組電池を前記均等化手段から切り離すスイッチ切替手段と、
   を有することを特徴とする給電制御システム。
2. 請求項１記載の給電制御システムと、
   前記組電池と、
   を搭載したことを特徴とする組電池搭載車両。

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