JP2012244812A - ２次電池の端子間電圧均等化装置及び均等化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、機器の稼働中に２次電池の端子間電圧の均等化処理を行うことが出来る２次電池の端子間電圧均等化装置及び均等化方法を提供することを課題とする。
【解決手段】直列に接続されて搭載された複数の２次電池１１−１〜１１−ｎのそれぞれに並列に可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲｎを設ける。制御部２０は、２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの内部抵抗ｒ１〜ｒｎを算出する。そして制御部２０は、この各内部抵抗ｒ１〜ｒｎの値に基づいて可変抵抗器ＶＲ１〜ＶＲｎそれぞれの抵抗値を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、機器に搭載される複数の２次電池の端子間電圧を均等化する技術に関する。
に関する。

現在、充電して繰り返し使用可能な２次電池は様々な機器に搭載されて、用いられている。特に電気自動車やハイブリッドカー等の普及に伴って、リチウムイオン電池等の大容量の２次電池を搭載する車両が多くなっている。

そして通常電気自動車やハイブリッドカー等用の大容量の２次電池は、大量の複数の２次電池セルを直列に繋ぐ形で車両に搭載されている。
２次電池は、その使用において、充放電が繰り返される。そして充放電によって劣化してゆき、蓄電容量が小さくなってゆく。そしてこの劣化の仕方は直列に接続した２次電池セルそれぞれでバラつきがある。したがって直列に接続された２次電池セルそれぞれの蓄電容量及びそれに伴う端子間電圧がそれぞれ異なってしまう状態が生じる。

これに対処する方法として２次電池の抵抗バイパス方式がある。抵抗バイパス方式では、電圧値の低い２次電池に電圧値の高い２次電池の電圧を合わせる。複数の２次電池それぞれの端子間電圧を計測し、電圧値の高いものを過充電になったものとして、抵抗とスイッチで過充電になった電池だけ放電して他の電池と電圧を揃える。

図５に抵抗バイパス方式の概略を示す。
抵抗バイパス方式では、直列に接続されている２次電池１０１−１、１０１−２、・・それぞれに対して並列に抵抗器１０２−１、１０２−２、・・及びスイッチ１０３−１、１０１−３、・・を設ける。また各２次電池１０１−１、１０１−２、・・の端子間電圧を測定出来るように、電圧計１０４−１、１０１−４、・・を設ける。そして制御部１０５は、電圧計１０４−１、１０４−２、・・で各２次電池１０１−１、１０１−２、・・の端子間電圧を測る。そして制御部は、イグニッションＯＦＦ時等機器が稼働停止して２次電池１０１に電流が流れないときに、端子間電圧が高かった２次電池１０１に並列に設けられているスイッチをＯＮにしてその２次電池１０１を放電し、端子間電圧が低かったものに電圧値を合わせる。

特許文献１には、車両が停止したときに電流バイパス回路を起動して行う抵抗バイパス方法の仕方の開示がある。
また特許文献２には、抵抗バイパスを行うための回路の故障を検出する構成が開示されている。

特開２００３−１８９４９０号公報 特開２０１０−８８１７９号公報

この抵抗バイパス方式では、機器が停止中、例えば機器が車両の場合イグニッションオフ時、の２次電池に電流が流れていないときにしか端子間電圧の均等化処理を行えない。そのため停止時間が短い場合各２次電池の端子間電圧の均等化が十分に行えないという問題がある。

そこで本発明は、機器の稼働中に２次電池の端子間電圧の均等化処理を行うことが出来き、停車時の時間が短い場合でも十分に均等化できる２次電池の端子間電圧均等化装置及び均等化方法を提供する。

本端子間電圧均等化装置は、直列に接続されて機器に搭載された複数の２次電池の端子間電圧を均等化する２次電池の端子間電圧均等化装置において、前記複数の２次電池対してそれぞれ並列に設けられた複数の可変抵抗器と、前記複数の２次電池それぞれの内部抵抗を算出し、当該各内部抵抗の値に基づいて前記可変抵抗器それぞれの抵抗値を変更する制御部とを備えることを特徴とする。

本端子間電圧均等化方法は、直列に接続されて機器に搭載された複数の２次電池の端子間電圧を均等化する２次電池の端子間電圧均等方法において、前記複数の２次電池それぞれの内部抵抗を算出し、当該各内部抵抗の値に基づいて、前記複数の２次電池それぞれに並列に設けられた可変抵抗器それぞれの抵抗値を変更する、ことを特徴とする。

本発明によれば、各２次電池の端子間電圧は全てほぼ等しくすることができる。またこの均等化処理は、機器が稼働中で２次電池に電流が流れている状態でも行うことができる。

また従来は劣化した２次電池に流れる電流の一部が、並列に設けた可変抵抗側に流れるので、劣化した２次電池に流れる電流量が減り、２次電池の劣化の速度を抑えることができる。

本実施形態の２次電池の端子間電圧均等化装置による２次電池の端子間電圧均等化処理の原理を説明する原理図である。 本実施形態の２次電池の端子間電圧均等化装置の構成例を示す図である。 電圧、電流検出部及び可変抵抗部の一構成例を示す図である。 端子間電圧の均等化処理を行う際の制御部の動作処理を示すフローチャートである。 従来の抵抗バイパス方式の概略を示す図である。

以下に図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の２次電池の端子間電圧均等化装置による２次電池の端子間電圧均等化処理の原理を説明する原理図である。

図１に示すように、機器に搭載された電池パック１０内に直列接続されて格納されている複数の２次電池１１−１、１１−２・・・、１１−ｎそれぞれに並列に可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２、・・・、ＶＲｎ及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２、・・・、ＳＷｎを設ける。

そしてまず各スイッチＳＷ１、ＳＷ２、・・・、ＳＷｎをＯＦＦにした後、電圧測定部４０ａのマルチプレクサ（ＭＵＸ）４１を制御して各２次電池１１−１、１１−２・・・１１−ｎの端子間電圧を電圧計４６で測定し、また電流測定部４０ｂによって各２次電池１１−１、１１−２・・・１１−ｎに流れる電流値を測定する。そしてこの電流値と各端子間電圧から制御部５０は、各２次電池１１−１、１１−２・・・１１−ｎの内部抵抗ｒ１、ｒ２、・・・、ｒｎを求める。そして内部抵抗ｒ１と可変抵抗Ｖｒ１、内部抵抗ｒ２と可変抵抗Ｖｒ１、・・・及び内部抵抗ｒｎと可変抵抗Ｖｒｎの合成抵抗の値が全て同じとなり、各２次電池１１−１、１１−２・・・、１１−ｎの端子間電圧が同じになるように電池１１可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２、・・・、ＶＲｎの抵抗値を調整したのちスイッチＳＷ１、ＳＷ２、・・・をＯＮにする。

これにより電池パック内１０の各２次電池１１−１、１１−２・・・１１−ｎが劣化しても、劣化に応じて設定をすることでその各端子間電圧は常に同じに保つことが出来る。
またこの端子間電圧を均等化処理は、機器が稼動して各２次電池１１−１、１１−２、・・・１１−ｎに電流が流れている状態でも行うことができるので、各２次電池１１−１、１１−２、・・・１１−ｎの劣化の具合に合わせて動的に端子間電圧を調整することができる。

なお図１において各可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２、・・・、ＶＲｎがその抵抗値を無限大まで大きくできるものであるのならば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、・・・、ＳＷｎは設けなくても良い。

次に本実施形態の２次電池の端子間電圧均等化装置１の構成例を図２示す。
同図において、２次電池の端子間電圧均等化装置１は、制御部２０、温度検出部３０、電圧検出部４０及び可変抵抗部５０を備えている。

制御部２０は、電池パック１０内に直列接続されて収められている複数の２次電池１１−１〜１１−ｎの電池温度、端子間電圧及び流れる電流から内部抵抗を求め、その内部抵抗それぞれとの合成抵抗の大きさがおなじになるように可変抵抗を制御するものである。

制御部２０は、温度監視モジュール２１、電圧監視モジュール２２、内部抵抗演算モジュール２３及び可変抵抗制御モジュール２４からなっている。
温度監視モジュール２２は、端子間電圧の均等化処理を行う際に温度検出部３０が測定した各２次電池１１−１〜１１−ｎの電池温度の値を読み取るものである。電圧監視モジュール２２は、端子間電圧の均等化処理を行う際に、電圧電流検出部４０のマルチプレクサ（ＭＵＸ）４１を制御して、各２次電池１１−１〜１１−ｎの端子間電圧を測定するものである。また電圧監視モジュール２２は、端子間電圧の均等化処理を行う際に、電圧、電流検出部４０から２次電池１１−１〜１１−ｎに流れる電流値を読み取る。内部抵抗演算モジュール２３は、温度監視モジュール２２から通知される各２次電池１１−１〜１１−ｎの電池温度及び各端子間電圧及び電流値から、各２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの内部抵抗を算出する。可変抵抗制御モジュール２４は、内部抵抗演算モジュール２３が算出した２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの内部抵抗ｒ１〜ｒｎとの合成抵抗が全ておなじになるような各可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎの抵抗値を求め、その値を可変抵抗部５０に設定する。

また温度検出部３０は、電池パック１０内の各２次電池１１−１〜１１−ｎに対応して設けられ、それぞれの電池温度を検出するｎ個の温度センサと各温度センサからの出力値をデジタル値に変換して制御部２０に通知するＡ／Ｄ変換器からなるものである。この温度検出部３０よって検出された、各２次電池１１−１の電池温度は、可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎの値の微調整に用いる。なお端子間電圧均等化装置１を小型、安価に構成する場合には、この温度検出部３０を備えない構成とすることもできる。

電圧、電流検出部４０は、電池パック１０内の２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの端子間電圧と流れる電流を計測して制御部２０に通知するものである。
可変抵抗部５０は、図１に示したように電池パック１０内の各２次電池１１−１〜１１−ｎに対して並列に、抵抗値を変化できる可変抵抗器及びスイッチを直列接続したものを備え、また制御部２０からの指示に基づいて各可変抵抗の抵抗値を変更したり、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチ制御部を備えている。

図３に電圧、電流検出部４０及び可変抵抗部５０の一構成例を示す。
同図では、電圧、電流検出部４０は、電池パック１０内の２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの端子間電圧を測定する電圧測定部４０ａと、２次電池１１−１〜１１−ｎを流れる電流を測定する電流測定部４０ｂよりなる。

電圧測定部４０ａは、マルチプレクサ（ＭＵＸ）４１及びＡ／Ｄ変換器４２からなり、マルチプレクサ（ＭＵＸ）４１は、制御部２０からの指示に基づいて２次電池１１−１〜１１−ｎの中から１つずつ順に選んで端子間電圧を測定する。この測定値はＡ／Ｄ変換器４２によってデジタル値に変換されて制御部２０の電圧監視モジュール２２に出力される。電流測定部４０ｂは、電池パック１０と直列に接続した抵抗器４３の両端電圧を差分増幅器４４で差分を増幅することによって、２次電池１１−１〜１１−ｎに流れる電流値を測定する。この電流値の測定結果は、Ａ／Ｄ変換器４５によってデジタル値に変換された後、制御部２０の電圧監視モジュール２２に通知される。

可変抵抗部５０は、２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれに対して、可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎとスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを直列接続したものを、並列接続した構成となっている。

また図４では、この可変抵抗部５０の各可変抵抗ＶＲｘとスイッチＳＷｘ（ｘは、１〜ｎ）を固定抵抗器Ｒｘ１とスイッチＳＷｘ１、Ｒｘ２とＳＷｘ２、及びＲｘ３とＳＷｘ３を直列接続したものを３つ並列に接続して実現している。また制御部２０からの指示に基づいて、各スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、・・・、ＳＷｎ３のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うスイッチ部５１を備えている。

この場合、３つの固定抵抗器Ｒｘ１〜Ｒｘ３の抵抗値を全てＲとすると、スイッチＳＷｘ１〜ＳＷｘ３の内、１つのみをＯＮとしたときはその合成抵抗はＲ、２つをＯＮとしてときはその合成抵抗はＲ／２、３つ全てをＯＮとしたときはその合成抵抗はＲ／３となる。したがってこのスイッチＳＷｘ１〜ＳＷｘ３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えで、可変抵抗と同じ効果を実現している。なおスイッチＳＷｘ１〜ＳＷｘ３の全てをＯＦＦとしたときは、図１の対応するＳＷｘをＯＦＦとしたのとおなじになる。

なお図３では、３つの固定抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ３を並列に設ける構成としたが並列に設ける固定抵抗は３つに限定されるものではなく、２つでも４つ以上でも良い。また固定抵抗器とスイッチを並列に設けて可変抵抗としていたが、複数の固定抵抗器を直列に設け、各固定抵抗器の両端を接続する形でスイッチを設ける構成で、可変抵抗を実現するようにしても良い。またこの固定抵抗器を並列に設ける構成と、直列に設ける構成を合わせた構成としても良い。また固定抵抗器によって可変抵抗を実現するのではなく、電圧信号等の電気信号で抵抗値を可変できる可変抵抗素子を用いても良い。

内部抵抗演算モジュール２３は、電圧監視モジュール２２から通知された各２次電池１１−１〜１１−ｎの端子間電圧と電流値から各２次電池１１−１の内部抵抗ｒ１〜ｒｎを求める。例えば２次電池１１−ｘの起電力をＥ０、流れる電流をＩ、端子間電圧をＥｘとすると、２次電池１１−ｘの内部抵抗ｒｘは、ｒｘ＝（Ｅ０−Ｅｘ）／Ｉと求まる。

このようにして求めた各内部抵抗ｒ１〜ｒｎに対して、可変抵抗制御モジュール２４は、可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎとの合成抵抗を求める。例えば内部抵抗ｒｙと可変抵抗Ｖｒｙとの合成抵抗ＶＣｙはＶＣｙ＝ｒｙ・Ｖｒｙ／（ｒｙ＋Ｖｒｙ）と求まる。そして可変抵抗制御モジュール２４は、この合成抵抗ＶＣ１〜ＶＣｎのうち最小の値のものとの差が、閾値以上のものを抽出し、その合成抵抗が最小もの以下になるように可変抵抗ＲＶ１〜ＲＶｎの大きさを調整する。なお可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎの値を調整するときは、温度監視モジュール２２から通達される各２次電池１１−１の電池温度を考慮して、温度による抵抗値の変化分を微調整する。

これにより２次電池１１−１〜１１−ｎそれぞれの端子間電圧は、ほぼ同じ値になる。
次にこの端子間電圧の均等化処理を行う際の制御部２０の動作処理を図４のフローチャートを参照しながら説明する。

同図の処理は、制御部２０が自己が備える不図示のメモリ内に記憶している制御プログラムを実行することによって実現する。
同図の処理は、本実施形態の端子間電圧均等化装置１を搭載している機器が起動されたときに実行されたり、２次電池１１−１〜１１−ｎに流れる電流や電池温度等が大きく変化した時や、機器が起動中に一定時間ごとに実行される。

同図の処理が開始されると、まずステップＳ１として、電圧監視モジュール２２が、各２次電池１１−１〜１１−ｎに流れる電流や各端子間電圧を電圧、電流検出部４０から読み取る。またこのとき温度監視モジュール２２も、温度検出部３０から各２次電池１１−１〜１１−ｎの電池温度を読み取る。

次にステップＳ２として内部抵抗演算モジュール２３は、ステップＳ１で読み取った情報より各２次電池１１−１〜１１−ｎの内部抵抗ｒ１〜ｒｎを算出する。そして内部抵抗演算モジュール２３は、この内部ｒ１〜ｒｎと現在の可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎの値から合成抵抗値ＶＣ１〜ＶＣｎを求める。

そして次に可変抵抗制御モジュール２４が、ステップＳ３として合成抵抗ＶＣ１〜ＶＣｎの最大値と最小値の差が閾値以上かどうかを調べる。そして閾値以上でなければ（ステップＳ３、ＮＯ）、本処理を終了する。

ステップＳ３において合成抵抗ＶＣ１〜ＶＣｎの最大値と最小値の差が閾値以上であった場合（ステップＳ３、ＹＥＳ）、端子間電圧の均等化処理が必要なので、可変抵抗制御モジュール２４は、ステップＳ４としてステップＳ３で閾値以上となった合成抵抗の値が最小値のもの以下になるように可変抵抗値ＶＲ１〜ＶＲｎを変更し、本処理を終了する。

なお上記説明では、ステップＳ４で合成抵抗ＶＲ１〜ＶＲｎのうち、最小値との差が閾値以上となったものを、最小値に合わせる処理を行っているが、本実施形態はこのような処理に限定されるものではなく、最大値と最小値の差が特定範囲内になるように行う処理であれば、他の仕方であっても良い。

これにより各２次電池１１−１〜１１−ｎの端子間電圧は全てほぼ等しくなる。またこの均等化処理は、機器が稼働中で２次電池に電流が流れている状態でも行うことができる。

さらに従来は劣化した２次電池に流れる電流の一部が、並列に設けた可変抵抗側に流れるので、劣化した２次電池に流れる電流量が減り、２次電池の劣化の速度を抑えることができる。

１ 端子間電圧均等化装置
１０ 電池パック
１１ ２次電池
２０ 制御部
２１ 温度監視モジュール
２２ 電圧監視モジュール
２３ 内部抵抗演算モジュール
２４ 可変抵抗制御モジュール
３０ 温度検出部
４０ 電圧、電流検出部
４１ マルチプレクサ（ＭＵＸ）
４２、４５ Ａ／Ｄ変換器
４３ 抵抗器
４４ 差分増幅器
５０ 可変抵抗部
５１ スイッチ部

Claims (5)

1. 直列に接続されて機器に搭載された複数の２次電池の端子間電圧を均等化する２次電池の端子間電圧均等化装置において、
   前記複数の２次電池それぞれに対して並列に設けられた複数の可変抵抗器と、
   前記複数の２次電池それぞれの内部抵抗を算出し、当該各内部抵抗の値に基づいて前記可変抵抗器それぞれの抵抗値を変更する制御部と、
   を備えることを特徴とする端子間電圧均等化装置。
2. 前記複数の２次電池それぞれの端子間電圧及び当該複数の２次電池に流れる電流を測定する電圧監視部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記電圧監視部が測定した端子間電圧及び電流から前記２次電池それぞれの内部抵抗を求めることを特徴とする請求項１に記載の端子間電圧均等化装置。
3. 前記制御部は、前記可変抵抗の抵抗値と前記内部抵抗値との合成抵抗をそれぞれ求め、当該合成抵抗の最大値と最小値の差が特定範囲内になるように前記可変抵抗の抵抗値を変更することを特徴とする請求項１に記載の端子間電圧均等化装置。
4. 前記２次電池それぞれの電池温度を検出する温度検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記電池温度をも考慮して前記可変抵抗器それぞれの抵抗値を変更することを特徴とする請求項１に記載の端子間電圧均等化装置。
5. 直列に接続されて機器に搭載された複数の２次電池の端子間電圧を均等化する２次電池の端子間電圧均等方法において、
   前記複数の２次電池それぞれの内部抵抗を算出し、
   当該各内部抵抗の値に基づいて、前記複数の２次電池対してそれぞれ並列に設けられた複数の可変抵抗器それぞれの抵抗値を変更する
   ことを特徴とする端子間電圧均等化方法。
   

Images