JP2012135140A - 電池制御装置およびこれを備えた蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
本発明に係る電池制御装置は、直列に接続した複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第1のスイッチを有し、この第1のスイッチで選択された単電池セルを放電する放電回路と、当該複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第2のスイッチを有し、この第2のスイッチで選択された単電池セルを充電する充電回路と、当該複数個の単電池セルの正極と負極に各々が接続された電圧検出線を介してそれぞれの単電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、この電圧検出線に高周波を照射する発振器と、電圧検出部で検出した当該単電池セルの電圧に基づいて、第1のスイッチの開閉を制御して当該単電池セルの放電を行う放電制御部と、第2のスイッチの開閉を制御して当該単電池セルの充電を行う充電制御部とを備える。
【選択図】 図6
Description
(2)請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電池制御装置において、電圧検出回路で検出した単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルについて、放電制御部は単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルに対応する第1のスイッチを閉じて放電を行い、電圧検出回路で検出した単電池セルの電圧が目標値未満の単電池セルがある時は、発振器を駆動するとともに、充電制御部は単電池セルの電圧が目標値未満の単電池セルに対応する第1のスイッチを開き、当該単電池に対応する第2のスイッチを閉じて当該単電池を充電することを特徴とする。
(3)請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の電池制御装置において、複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第3のスイッチを有し、この第3のスイッチで選択された単電池セルを保護する保護回路を更に備え、充電制御部が当該単電池セルを充電する時は、第3のスイッチを開けて充電を行うことを特徴とする。
(4)請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電池制御装置において、電子制御装置は、電圧検出部と放電制御部とを有し、電圧検出部と放電制御部とを制御するセルコントローラを更に備え、充電部制御部が単電池セルの充電を行う時は、セルコントローラは当該単電池セルに対応する第1のスイッチを開けて充電を行うことを特徴とする。
(5)請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の電池制御装置において、セルコントローラは、充電制御部を制御することを特徴とする。
(6)請求項6に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電池制御装置において、電池制御装置は、電圧検出部と放電制御部とを有し、当該電圧検出部と当該放電制御部とを制御するセルコントローラを備え、充電制御部はセルコントローラの上位制御装置によって制御され、充電制御部が当該単電池セルの充電を行う時は、セルコントローラは停止されることを特徴とする。
(7)請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電池制御装置において、放電制御部による単電池セルの放電と、充電制御部による当該単電池セルの充電とは、電池制御装置を搭載した車両の停止時(キーオフ時)に行うことを特徴とする。
(8)請求項8に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電池制御装置において、放電制御部による単電池セルの放電は、電池制御装置を搭載した車両の停止時にキーオン状態で行うことを特徴とする。
(9)請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電池制御装置において、複数個の単電池セルの全ての単電池セルの電圧を検出し、単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルの内で、電圧値の大きいものから放電を行うことを特徴とする。
(10)請求項10に記載の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電池制御装置と、直列に接続した複数個の単電池セルとを金属ケース内に収容したことを特徴とする蓄電装置である。
(11)請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の蓄電装置と、この蓄電装置で制御される電力で駆動される走行用電動機とを備えたことを特徴とする電動走行可能な車両である。
なお、ここでは二次電池セル(単電池)を複数個直列に接続した電池群をセルグループと呼称する。一般的にセルグループを複数個直列または並列または直並列に接続したものを電池モジュールと呼び、蓄電装置はこの電池モジュールを複数個備えることで更に大容量化を図っている。なお、単電池が複数個接続されている、セルグループ、電池モジュール等を総称して組電池と呼んでいる。
また、図3から図5に示す回路図は、本発明による電池制御装置および蓄電装置と共通な従来技術の回路であり、これらを用いて従来技術と共通な動作の説明を行う。
まず、図1を用いて、ハイブリッド自動車用駆動システムについて説明する。図1に示すハイブリッド自動車1の駆動システムは、駆動輪2に機械的に接続された車軸3がデファレンシャルギア4と接続され、デファレンシャルギア4の入力軸が変速機5と接続されている。そして、駆動源として、内燃機関であるエンジン6と電動発電機7の駆動力を切替える駆動力切替装置8を介して変速機5の入力となっている。
次に図2を参照して、本発明による電池制御装置を含む蓄電装置11を備えた、電気自動車およびハイブリッド型自動車に適用可能な、モータの駆動装置について説明する。
図2は車両用回転電機の駆動システムを示すブロック図である。図2に示す駆動システムは、電池モジュール20、電池モジュール20を監視する電池制御装置100、電池モジュール20からの直流電力を3相交流電力に変換するインバータ装置220、車両駆動用の電動発電機7を備えている。電動発電機7は、インバータ装置220からの3相交流電力により駆動される。インバータ装置220と電池制御装置100とはCAN通信で結ばれており、インバータ装置220は電池制御装置100に対して上位コントローラとして機能する。また、インバータ装置220は、さらに制御装置10(図1参照)からの指令情報に基づいて動作する。
これらの電圧検出線は、通常セルコントローラ毎にまとめて1つのコネクタにより上記の接続端子で接続されている。
また電気自動車やハイブリッド自動車で必要とされる電圧および電流を得るために、上記のように各電池モジュールブロックはセルグループを複数個直列または直並列に接続してもよく、更に複数の電池モジュールブロックを直列または直並列に接続してよい。
すなわちマイコン30はセルコントローラIC1〜IC6の上位制御装置として機能している。
なお各電池モジュールグループを構成する単電池セルの個数は16個に限定されない。また各セルグループを構成する単電池セルの数も4個あるいは6個に限定されない。電池モジュールグループを構成する単電池セルの数は、この電池モジュールに要求される出力に基づいて設計により変更可能である。また各セルグループを制御するセルコントローラIC1〜IC3はここで示す例では、6個までの単電池セルを制御できるようになっているが、セルグループを構成する単電池セルの数が6個より多い場合はこれに合わせて設計されたセルコントローラを用いることにより、6個より多い数の単電池セルを含むセルグループとすることができる。
図4は電池制御用ICである、図3に示すセルコントローラIC1の内部ブロックの概略を示す図であり、セルグループ20A1の4つの単電池セルBC1〜BC4が接続されるセルコントローラIC1を例に示した。なお、説明は省略するが、他のICに関しても同様の構成となっている。また上述したように、各セルグループに含まれる単電池セルは4個に限定されない。セルコントローラICはセルグループに含まれる単電池セルの個数に対応できるように設計されている。例えば、図4に示すセルコントローラICでは6個の単電池セルに対応できるように既に6個のバランシングスイッチを備えているが、セルグループに含まれる単電池セルの個数が4個の場合は、6個のバランシングスイッチの内4個のみ使用する。
電圧検出線SL1〜SL5は単電池セルBC1〜BC4の正負極と電池制御装置100の基板に設けられた接続端子(コネクタ)CN1〜CN5とをそれぞれ接続している。電圧検出線は、電池制御装置内でさらに接続端子CN1〜CN5とセルコントローラIC1の接続端子CV3〜CV7との間をそれぞれ接続する電圧検出線SLB1〜SLB5となっている。
この電圧検出線SL1〜SL5とSLB1〜SLB5、および電圧検出線SLB1〜SLB5のそれぞれの間に設けられた抵抗によって構成される回路を介して、各単電池のセル電圧が検出され、またこれらの電圧検出線を介して上述のように、各単電池の放電(バランシング)が行われる。
図6は本発明による電池制御装置の回路の概略を示す。図5では、接続端子CN1〜CN5の近くで、電圧検出線SLB1〜SLB5のそれぞれの間にノイズ対策用のコンデンサCvが設けられていた。これに対し、図6で示す本発明による電池制御装置の回路では、ノイズ対策用のコンデンサCvの各々に直列にスイッチSC1〜SC4が設けられている。またこのコンデンサCvとスイッチSC1〜SC4との各々の直列回路に対し並列に、ダイオードDcとスイッチSD1〜SD4の各々からなる直列回路が電圧検出線SLB1〜SLB5のそれぞれの間に設けられている。
スイッチSC1〜SC4とスイッチSD1〜SD4は充電制御部313によりOn/Offが制御され、充電制御部313はIC制御回路123により制御される。
電池モジュールと電池制御装置100のコネクタブロック318との間を接続する電圧検出線は、束ねられてハーネスとなっており、ここに発振器317から高周波電波が照射される。
なお、この通常の動作と本発明による動作の切換え、充電制御部の制御、および発振器の制御は上位制御装置であるマイコン30から直接行うような構成とすることも可能である。また充電制御部313は、セルコントローラIC1の中に回路の一部として設けることも可能である。
なお、
単電池にリチウムイオン電池を採用した場合でも、その電極材質によって出力電圧が異なるが、上記の目標値はリチウムイオン電池の定格出力電圧となるように、おおよそ3.3〜4.0V程度で設定する。
目標値の電圧を上回る電圧の単電池(単電池1、2、8)に対しては、それぞれ放電を行い、目標値の電圧になるようにする。また目標値の電圧より低い電圧の単電池(単電池5、6、10)に対しては、本発明の方法により各単電池毎に充電を行う。既に目標電圧値に近い単電池(単電池3、4、7、9)に対しては充放電は行わない。
図15〜図17を参照して、本発明による電池制御装置を用いたN個の単電池からなるセルグループでの充放電の方法を説明する。なお、以下の説明では図6、図7、図13、図14を適宜参照して行う。なお、図6に示すセルグループの例では4個の単電池から構成されており、図7、図13、図14の例ではセルグループはそれぞれ10個の単電池から構成されている。
すなわち本発明においては、本発明による電池制御装置を用いて車両の停車時に充電と放電を各単電池に対し個別に行っている。
図15は本発明による電池制御装置を用いた、N個の単電池からなるセルグループの各単電池(i=1〜N、i番目の単電池をBC(i)とする)で過充電の状態の単電池を放電する方法を示すフロー図である。
車両停止後、セルグループの各単電池のSOC(電圧)を1個ずつ測定し、過充電となっている単電池を目標値の電圧VTとなるように放電する。
なお、この放電動作開始時(車両のキーオフ時)には、図6に示すスイッチSC1〜SC4は全て閉(On)状態であり、スイッチSD1〜SD4は全て開(Off)状態である。なお、上述のとおり図6はセルグループが4個の単電池から構成されている場合であり、図7〜図14ではこれらのスイッチはそれぞれ単電池の数だけ、すなわち10個備えられている。
また上記の放電の所定時間は、この放電によって単電池のSOC(電圧)が目標電圧値VT+ΔV以下となる程度の時間で設定される。このような所定時間は各単電池の内部抵抗(SOH)と測定電圧(SOC)とで容易に予測できる。各単電池の内部抵抗は、このセルグループの出力電流と各単電池の測定電圧から求められるが、ここではこれらの説明を省略する。
したがって、上記の放電時間の所定値は各単電池毎に予測される値を各単電池毎に設定してもよく、またはたとえば、最も速く放電される単電池でVT+ΔVからΔVだけ放電するまでにかかる時間を求めておき、この時間以下の長さの時間を各単電池の放電時間として用いてもよい。
もし、上記の例で、放電開始より10分でセルグループの全単電池セルの放電が終了しない場合は、この状態をセルコントーラIC1あるいはマイコン30のメモリに記憶しておき、次回の放電時に過充電状態の単電池セルから放電を行うようにすることも可能であるが、説明は省略する。
図16は本発明による電池制御装置を用いた、N個の単電池からなるセルグループの各単電池(i=1〜N、i番目の単電池セルをBC(i)とする)で過放電の状態の単電池セルを充電する方法を示すフロー図である。
車両停止後、セルグループの各単電池のSOC(電圧)を1個ずつ測定し、過放電となっている単電池セルを目標値の電圧VTとなるように充電する。
なお、この充電動作開始時(車両のキーオフ時)には、上述の放電開始時と同様、図6に示すスイッチSC1〜SC4は全て閉(On)状態であり、スイッチSD1〜SD4は全て開(Off)状態である。また、上述のとおり図6はセルグループが4個の単電池から構成されている場合であり、図7〜図14ではこれらのスイッチはそれぞれ単電池の数だけ、すなわち10個備えられている。
なお、図6では、BC1を充電するように、スイッチSC1をOffとし、スイッチSD1をOnにしている。同様に単電池セルBC(i)を充電する場合は、この単電池セルBC(i)に対応するスイッチSC(i)をOffにし、さらにスイッチSD(i)をOffにする。
ここではN個の単電池セルから構成されるセルグループを想定しているので、それぞれの単電池セルに接続される電圧検出線は合計してN+1本となる。これらの電圧検出線をSL(i)、i=1〜N+1とする。単電池セルBC(i)の正極側の電圧検出線はSL(i)、負極側電圧検出線はSL(i+1)となる。
ステップS232で所定時間充電した後、発振器317をOffとし、スイッチSD(i)をOffとし、スイッチSC(i)をOnとして、ステップ233に進む。
また上記の充電の所定時間は、高周波電波の照射によって単電池のSOC(電圧)が目標電圧値VT−ΔV以上となる程度の時間で設定される。上述のように、この所定時間は各単電池の内部抵抗(SOH)と測定電圧(SOC)とで容易に予測できるが、ここでは説明を省略する。
したがって、上記の充電時間の所定値は各単電池毎に予測される値を各単電池毎に設定してもよく、またはたとえば、最も速く充電される単電池でVT−ΔVからΔVだけ充電するまでにかかる時間を求めておき、この時間以下の長さの時間を各単電池の放電時間として用いてもよい。
もし、上記の例で、充電開始より10分でセルグループの全単電池の充電が終了しない場合は、この状態をセルコントーラIC1あるいはマイコン30のメモリに記憶しておき、次回の放電時に過充電状態の単電池セルから放電を行うようにすることも可能であるが、説明は省略する。
また上述の放電と上記の充電は続けて実行してもよく、また別々に実行してもよい。
上記の本発明による電池制御装置を用いた充電方法では、セルグループを構成するN個の単電池セルを順番に(図6の例では上位のBC1から)、1個ずつ電圧を測定し、その測定電圧V(i)が目標電圧VTと比較して、所定の値ΔVより小さい場合は充電要と判断して充電を行っていた。
図17に示す例では、先ずこの充電の要/不要の判断をセルグループを構成するN個の単電池セル全部に対し行い、充電対象とされた単電池セルの中で、もっともSOC(電圧)の低い単電池セルから充電を行うようにしたものである。上記の図16で示す充電の場合と同様な動作の記載は簡略化して記載する。
これに続いてステップS332でj=j+1として、ステップS34に進む。以上のステップS31からステップS35で作成されるリストはL(k)、k=1〜jで表される。
ステップS361〜ステップS369は上記で作成された、充電が必要な単電池セルのリストL(n)、n=1〜jに基づいて、単電池セルBC(i),i=1〜Nで充電が必要と判断される単電池の充電を行う。
続いてステップS362でix=1としてステップS363に進む。
充電対象となっている単電池セルBC(L(ix))に対応するスイッチSC(L(ix))はOffとなっており、また更にスイッチSD(L(ix))はOnとされる。これにより、電圧検出線SL(L(ix))とSL(L(ix)+1)に吸収された高周波は、ダイオードSD(L(ix))により整流され、単電池セルBC(L(ix))を充電する。
ステップS364で所定時間充電した後、発振器317をOffとし、スイッチSD(L(ix))をOffとし、スイッチSC(L(ix))をOnとして、ステップ365に進む。
また上記の充電の所定時間の設定は、図16のフローの充電の場合と同様である。
なお、図16の充電フローの場合と同様に、充電開始より10分でセルグループの全単電池の充電が終了しない場合は、この状態をセルコントーラIC1あるいはマイコン30のメモリに記憶しておき、次回の放電時に過充電状態の単電池セルから放電を行うようにすることも可能であるが、説明は省略する。
また上述の放電と上記の充電は続けて実行してもよく、また別々に実行してもよい。
この動作も上記に説明した、単電池セル1個毎の電圧測定および充放電動作と同様に行えるが、動作フローが複雑になるのでここでは割愛する。
この場合、図17のフロー図で説明したように、先ず各単電池のSOC(電圧)を測定し、この測定情報を上位制御装置であるマイコン30に送信してする。マイコン30は、この各単電池の電圧測定情報に基づき、上記の充電方法と同様に、充電制御部313と発振器317を制御して充電を行う。
マイコン30が充電を行う場合は、各セルコントローラは停止状態であっても良いので、電力消費が少なくなるという利点がある。
また、各単電池の放電はキーオン後で車両の駆動前の状態で行うことも可能であるが、この場合は上記で説明した本発明による放電方法によらず、例えば図7〜図9で説明した従来方法による放電が行われる。
1:ハイブリッド自動車、2:駆動輪、3:車軸、4:デファレンシャルギア、5:変速機、6:エンジン、7:電動発電機、8:駆動力切替装置、9:電力変換装置、10:制御装置、11:蓄電装置、HV+およびHV−:強電ライン、RL:リレー,RP:抵抗、RLP:プリチャージリレー、BDU:電池ディスコネクトユニット、
<図2>
20:電池モジュール、20A、20B:電池モジュールブロック、30:マイコン、100:電池制御装置、220:インバータ装置、602,604:通信系、IC1〜IC6:セルコントローラIC、SD−SW:サービスディスコネクト(スイッチ)
<図3、4>
20A1、20A2、20A3:セルグループ
IC1〜IC3:セルコントローラ
120:マルチプレクサ、
122A:アナログデジタル変換器、
123:IC制御回路、
125:データ保持回路、
126:タイミング制御回路、
128:診断フラグ保持回路、
130:診断回路、
138および142:伝送入力回路、
140および143:伝送出力回路、
147:起動回路、
150:タイマ回路、
160:制御信号検出回路、
262差動増幅器、
288:OR回路、
BC1〜BC6:単電池セル、
BR1〜BR6:バランシング用端子、
CV1〜CV6:電圧入力端子、
GND:GND端子(CV7)、
SL1〜SL5:電圧検出線、
VCCおよびVDD:電源電圧、
CvおよびCin:コンデンサ、
RCVおよびRB:抵抗、
BS1〜BS6:バランシングスイッチ、
PH:フォトカプラ、
LIN1:通信系602の入力端子、
LIN2:通信系602の入力端子、
FFI:通信系604の入力端子、
FFO:通信系604の出力端子、
<図5、6>
311:電圧検出部
312:放電制御部
313:充電制御部
314:高周波電流充電回路
317:発振器
Cv、Cbr、Cin:コンデンサ
RCV、RB1、RB2、RBB1、RBB2:抵抗
Dc:ダイオード
SC1〜SC5、SD1〜SD5:スイッチ
Claims (11)
- 直列に接続した複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第1のスイッチを有し、前記第1のスイッチで選択された単電池セルを放電する放電回路と、
前記複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第2のスイッチを有し、前記第2のスイッチで選択された単電池セルを充電する充電回路と、
前記複数個の単電池セルの正極と負極に各々が接続された電圧検出線を介してそれぞれの単電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出線に高周波を照射する発振器と、
前記電圧検出部で検出した前記単電池セルの電圧に基づいて、前記第1のスイッチの開閉を制御して前記単電池セルの放電を行う放電制御部と、前記第2のスイッチの開閉を制御して前記単電池セルの充電を行う充電制御部とを備えることを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1に記載の電池制御装置において、
前記電圧検出回路で検出した前記単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルについて、前記放電制御部は前記単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルに対応する第1のスイッチを閉じて放電を行い、前記電圧検出回路で検出した前記単電池セルの電圧が目標値未満の単電池セルがある時は、前記発振器を駆動するとともに、前記充電制御部は前記単電池セルの電圧が目標値未満の単電池セルに対応する前記第1のスイッチを開き、当該単電池に対応する前記第2のスイッチを閉じて当該単電池を充電することを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1または2に記載の電池制御装置において、
前記複数個の単電池セルのそれぞれを選択する第3のスイッチを有し、前記第3のスイッチで選択された単電池セルを保護する保護回路を更に備え、
前記充電制御部が前記単電池セルを充電する時は、前記第3のスイッチを開けて充電を行うことを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記電子制御装置は、前記電圧検出部と前記放電制御部とを有し、当該電圧検出部と当該放電制御部とを制御するセルコントローラを更に備え、
前記充電部制御部が前記単電池セルの充電を行う時は、前記セルコントローラは当該単電池セルに対応する前記第1のスイッチを開けて充電を行うことを特徴とする電池制御装置。 - 請求項4に記載の電池制御装置において、
前記セルコントローラは、前記充電制御部を制御することを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記電子制御装置は、前記電圧検出部と前記放電制御部とを有し、当該電圧検出部と当該放電制御部とを制御するセルコントローラを備え、
前記充電制御部は前記セルコントローラの上位制御装置によって制御され、
前記充電制御部が前記単電池セルの充電を行う時は、前記セルコントローラは停止されることを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記放電制御部による前記単電池セルの放電と、前記充電制御部による前記単電池セルの充電とは、前記電池制御装置を搭載した車両の停止時(キーオフ時)に行うことを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記放電制御部による前記単電池セルの放電は、前記電池制御装置を搭載した車両の停止時にキーオン状態で行うことを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電池制御装置において、
前記複数個の単電池セルの全ての単電池セルの電圧を検出し、
前記単電池セルの電圧が目標値以上の単電池セルの内で、電圧値の大きいものから放電を行うことを特徴とする電池制御装置。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電池制御装置と、前記直列に接続した複数個の単電池セルとを金属ケース内に収容したことを特徴とする蓄電装置。
- 請求項10に記載の蓄電装置と、前記蓄電装置で制御される電力で駆動される走行用電動機とを備えたことを特徴とする電動走行可能な車両。
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