JP2013013292A - Cell balancing circuit based on energy transfer via inductor - Google Patents

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亮三 吉野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To equalize cell voltages in a battery module in a short time without wasting energy stored in cells by transferring energy between arbitrary cells.SOLUTION: A cell balancing circuit includes: a voltage detection section 2 for detecting each cell voltage of a battery module 1; an inductor L for energy transfer; a single cell connection switch group 4 capable of connecting the inductor between positive and negative electrodes of a selected single cell of the battery module; and a switch control section 3 for controlling the single cell connection switch group so as to connect the inductor between positive and negative electrodes of a predetermined single cell on the basis of each cell voltage detected by the voltage detection section. The switch control section controls the single cell connection switch group so as to make a charging path for a flow of current from a high voltage cell to the inductor, break the charging path in a predetermined time, make a discharging path for a flow of current from the inductor to a low voltage cell in parallel to breaking the charging path, and then break the discharging path in the predetermined time.

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した組電池のセルバランスの調整、すなわちセル電圧間の均一化を制御するためのセルバランス回路に関し、特に、高効率で短時間に、各セル間の電圧差を解消するための改良に関する。   The present invention relates to a cell balance circuit for controlling the cell balance of a battery pack in which a plurality of secondary batteries are connected in series, that is, to control the equalization between cell voltages, and in particular, to each cell with high efficiency and in a short time. It is related with the improvement for eliminating the voltage difference between.

一般的に、複数の二次電池を直列に接続した組電池を使用した電池パックでは、セル電圧を監視してセルバランスを調整することで、各セルの電圧を均一に維持するように構成されている。セルバランスの調整が必要な理由は、以下のとおりである。   In general, a battery pack using an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series is configured to maintain the voltage of each cell uniformly by monitoring the cell voltage and adjusting the cell balance. ing. The reason why the cell balance needs to be adjusted is as follows.

すなわち、サイクル劣化や経年劣化などにより、組電池中の一セルが他のセルと比較して劣化の度合いが大きくなる可能性がある。そのような劣化セルは、他のセルと比較すると電池容量が小さくなることがある。そのため、劣化セルは他セルと比較すると、充電時は電圧上昇が早くなり、放電時は電圧降下が早くなる。その結果、組電池の各セル電圧は均一でなくなり、劣化セルの電圧が充放電制御に対して支配的に働き、電池パックの電池容量が見かけ上小さくなってしまう。加えて、この状況で充放電を続けると、劣化セルに負荷が集中するので加速的に劣化が進み、電池パックとしての寿命が短くなる可能性がある。   That is, there is a possibility that one cell in the assembled battery has a higher degree of deterioration than other cells due to cycle deterioration or aging deterioration. Such a deteriorated cell may have a smaller battery capacity than other cells. Therefore, compared with other cells, the degraded cell has a faster voltage rise during charging and a faster voltage drop during discharge. As a result, each cell voltage of the assembled battery is not uniform, the voltage of the deteriorated cell works dominantly on the charge / discharge control, and the battery capacity of the battery pack is apparently reduced. In addition, if charging / discharging is continued in this situation, the load concentrates on the deteriorated cell, so that the deterioration progresses at an accelerated rate, and the life of the battery pack may be shortened.

この問題を解決するために、電圧の高いセルのエネルギを抵抗器を通して放電し、電圧の高いセルの電圧値を電圧の低いセルの電圧値に概ね一致させることで、各セル電圧を均一にする手法が知られている。(特許文献1)
また、非特許文献1には、エネルギー転送手段としてインダクタンスによるエネルギの蓄積及び放電を利用して、セルバランスを調整する技術が示されている。
In order to solve this problem, the cell voltage is made uniform by discharging the energy of the high voltage cell through the resistor and making the voltage value of the high voltage cell approximately match the voltage value of the low voltage cell. Techniques are known. (Patent Document 1)
Non-Patent Document 1 discloses a technique for adjusting cell balance using energy storage and discharge by an inductance as energy transfer means.

特開平9−28042号公報JP-A-9-28042

PowerLAN Dual-Cell Li-Ion Battery Monitor With Power Pump Cell Balancing. 11-12頁. Datasheet. [online]. Texas Instruments Incorporated. SLUS887A-DECEMBER 2008-REVISED OCTOBER 2009. インターネットから検索: <URL:http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/bq76pl102.html>11-12. Datasheet. [Online]. Texas Instruments Incorporated. SLUS887A-DECEMBER 2008-REVISED OCTOBER 2009. Search from the Internet: <URL: http: // focus.ti.com/docs/prod/folders/print/bq76pl102.html>

しかしながら、特許文献1の抵抗器を通して放電することによりセルバランスを制御する方法では、セルに蓄積されたエネルギを無駄に廃棄することになる。   However, in the method of controlling the cell balance by discharging through the resistor of Patent Document 1, energy stored in the cell is wasted.

また、非特許文献1のインダクタンスを使う技術では、エネルギの転送先が隣接したセルに限られているため、隣接していないセル間の電圧のアンバランスを解消するためには、繰り返し循環するように動作させなければならず、調整に長時間を要するという問題があった。   In the technique using the inductance of Non-Patent Document 1, the energy transfer destination is limited to adjacent cells. Therefore, in order to eliminate the voltage imbalance between cells not adjacent to each other, the circuit is repeatedly circulated. Therefore, there is a problem that adjustment takes a long time.

本発明は、上記問題点を解決し、任意のセル間でエネルギを移送することで、セルに蓄積されたエネルギを無駄にすることなく、かつ短時間で、組電池における各セル電圧を均一にするセルバランス回路を提供することを目的とする。   The present invention solves the above problems and transfers energy between arbitrary cells, so that the energy stored in the cells is not wasted and each cell voltage in the assembled battery is made uniform in a short time. An object of the present invention is to provide a cell balance circuit.

上記目的を達成するために、本発明のセルバランス回路は、複数の二次電池を直列に接続した組電池におけるセルバランスを調整する回路であって、前記組電池の各セル電圧を検出する電圧検出部と、エネルギ移送用のインダクタと、前記組電池の単セルを選択してその正負電極間に前記インダクタを接続することが可能な複数のスイッチにより構成された単セル接続スイッチ群と、前記電圧検出部が検出する各セル電圧のデータに基づいて、前記組電池の所定の単セルの正負電極間に前記インダクタを接続するように前記単セル接続スイッチ群を制御するスイッチ制御部とを備え、前記スイッチ制御部は、高電圧セルから前記インダクタに電流が流れる充電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記充電経路を切断し、前記充電経路の切断と同時に、前記インダクタから前記高電圧セルよりも電圧の低い低電圧セルに電流が流れる放電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記放電経路を切断するように前記単セル接続スイッチ群を制御する。   In order to achieve the above object, a cell balance circuit of the present invention is a circuit for adjusting cell balance in an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series, and a voltage for detecting each cell voltage of the assembled battery. A detection unit, an energy transfer inductor, a single cell connection switch group including a plurality of switches capable of selecting a single cell of the assembled battery and connecting the inductor between positive and negative electrodes; A switch control unit that controls the single cell connection switch group so as to connect the inductor between positive and negative electrodes of a predetermined single cell of the assembled battery based on data of each cell voltage detected by the voltage detection unit. The switch control unit configures a charging path through which a current flows from a high voltage cell to the inductor, then disconnects the charging path after a predetermined time has elapsed, and disconnects the charging path. At the same time, after forming a discharge path through which current flows from the inductor to a low voltage cell having a lower voltage than the high voltage cell, the single cell connection switch group is controlled so that the discharge path is disconnected after a predetermined time has elapsed. To do.

上記構成によれば、電圧検出部が検出する各セル電圧に基づいて、単セル接続スイッチ群により、任意の単セルを選択的にインダクタに接続し、高い電圧のセルのエネルギをインダクタに蓄電し、インダクタに蓄電したエネルギを電圧の低いセルに移送することにより、セルに溜められたエネルギを無駄にすることなく、効率良く各セル電圧を均一にすることが可能である。   According to the above configuration, an arbitrary single cell is selectively connected to the inductor by the single cell connection switch group based on each cell voltage detected by the voltage detection unit, and the energy of the high voltage cell is stored in the inductor. By transferring the energy stored in the inductor to a low voltage cell, it is possible to make each cell voltage uniform efficiently without wasting energy stored in the cell.

実施の形態1におけるセルバランス回路のブロック図Block diagram of a cell balance circuit in the first embodiment 同セルバランス回路の動作を示すフロー図Flow chart showing operation of the cell balance circuit 同セルバランス回路の動作を示す動作タイミング図Operation timing diagram showing operation of the cell balance circuit 実施の形態1におけるセルバランス回路のブロック図Block diagram of a cell balance circuit in the first embodiment 同セルバランス回路の動作を示す動作タイミング図Operation timing diagram showing operation of the cell balance circuit

本発明のセルバランス回路は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。   The cell balance circuit of the present invention can take the following modes based on the above configuration.

すなわち、前記単セル接続スイッチ群は、選択された前記セルのプラス電極及びマイナス電極を選択するための単セル選択スイッチ群と、選択されたプラス電極及びマイナス電極を接続する前記インダクタの端子を選択する極性選択スイッチ群とを組み合わせて構成することができる。   That is, the single cell connection switch group selects the single cell selection switch group for selecting the positive electrode and the negative electrode of the selected cell, and the terminal of the inductor that connects the selected positive electrode and the negative electrode. And a polarity selection switch group to be configured.

また、前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部が検出した各セル電圧を比較して、各セル間の電圧が均一であるか否かを判定し、各セル間の電圧が均一でない場合に、前記高電圧セルと前記低電圧セルを抽出し、前記充電経路の構成とそれに続く前記放電経路の構成を1回の充放電サイクルとして、前記高電圧セルと前記低電圧セルの電圧差が所定の範囲内になるまで前記充放電サイクルを繰り返す構成とすることができる。   Further, the switch control unit compares each cell voltage detected by the voltage detection unit to determine whether the voltage between the cells is uniform, and when the voltage between the cells is not uniform, The high voltage cell and the low voltage cell are extracted, and the charge path configuration and the subsequent discharge path configuration are defined as one charge / discharge cycle, and a voltage difference between the high voltage cell and the low voltage cell is predetermined. It can be set as the structure which repeats the said charging / discharging cycle until it becomes in the range.

なお、電圧検出部は、組電池の充放電を制御する一般的な充放電制御部に設けられた構成とし、検出されるセル電圧を充放電制御部からスイッチ制御部に出力する構成とすることができる。あるいは、充放電制御部が電圧検出部及びスイッチ制御部を有する構成としてもよい。   The voltage detection unit is configured in a general charge / discharge control unit that controls charging / discharging of the assembled battery, and the detected cell voltage is output from the charge / discharge control unit to the switch control unit. Can do. Alternatively, the charge / discharge control unit may include a voltage detection unit and a switch control unit.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<実施の形態1>
図1は、実施の形態1におけるセルバランス回路の構成を示すブロック図である。図2は、このセルバランス回路の動作を表わすフロー図、図3は動作波形図である。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the cell balance circuit according to the first embodiment. FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the cell balance circuit, and FIG. 3 is an operation waveform diagram.

図1において、組電池1は、複数のセルB1〜B4を直列に接続して構成されている。セルB1〜B4はそれぞれ電圧検出部2に接続され、各セルの電圧が検出される。電圧検出部2で検出されたセル電圧のデータはスイッチ制御部3に供給される。スイッチ制御部3は、マイクロコンピュータなどにより構成され、単セル接続スイッチ群4を駆動制御するように接続されている。すなわち、単セル接続スイッチ群4は、FETなどの半導体スイッチ素子などから成るスイッチSW1〜SW10を備え、それらのオン/オフがスイッチ制御部3により制御される。   In FIG. 1, the assembled battery 1 is configured by connecting a plurality of cells B1 to B4 in series. Each of the cells B1 to B4 is connected to the voltage detection unit 2, and the voltage of each cell is detected. The cell voltage data detected by the voltage detection unit 2 is supplied to the switch control unit 3. The switch control unit 3 is constituted by a microcomputer or the like and is connected so as to drive and control the single cell connection switch group 4. That is, the single cell connection switch group 4 includes switches SW <b> 1 to SW <b> 10 including semiconductor switch elements such as FETs, and ON / OFF of these switches is controlled by the switch control unit 3.

単セル接続スイッチ群4は、セルB1〜B4のいずれかを選択して、その正負電極をそれぞれインダクタLの端子NaまたはNbに接続する。そのため、スイッチSW1〜SW10の一端は、セルB1〜B4のプラス電極またはマイナス電極に接続されている。一方、スイッチSW1、SW3、SW5、SW7、SW9の他端は、端子Naに接続され、スイッチSW2、SW4、SW6、SW8、SW10の他端は、端子Nbに接続されている。これらのスイッチは充放電タイミングに合わせて、スイッチ制御部3によりオン/オフ動作が制御される。   The single cell connection switch group 4 selects one of the cells B1 to B4 and connects the positive and negative electrodes to the terminal Na or Nb of the inductor L, respectively. Therefore, one end of the switches SW1 to SW10 is connected to the plus electrode or the minus electrode of the cells B1 to B4. On the other hand, the other ends of the switches SW1, SW3, SW5, SW7, and SW9 are connected to the terminal Na, and the other ends of the switches SW2, SW4, SW6, SW8, and SW10 are connected to the terminal Nb. The on / off operation of these switches is controlled by the switch control unit 3 in accordance with the charge / discharge timing.

上記構成を有するセルバランス回路の動作の一例について、組電池1のセルB1の電圧が高く、セルB4の電圧が低い場合を例として、図1〜図3を参照して説明する。図3において、(a)はスイッチSW7、SW10のON/OFFのタイミング、(b)は、セルB1からインダクタLへの充電電流の波形を示す。(c)は、スイッチSW2、SW3のON/OFFのタイミング、(d)は、インダクタLからセルB4への放電電流の波形を示す。(e)は、インダクタLを流れる電流の波形を示す。   An example of the operation of the cell balance circuit having the above configuration will be described with reference to FIGS. 1 to 3 by taking as an example the case where the voltage of the cell B1 of the assembled battery 1 is high and the voltage of the cell B4 is low. 3A shows the ON / OFF timing of the switches SW7 and SW10, and FIG. 3B shows the waveform of the charging current from the cell B1 to the inductor L. FIG. (C) shows the ON / OFF timing of the switches SW2 and SW3, and (d) shows the waveform of the discharge current from the inductor L to the cell B4. (E) shows the waveform of the current flowing through the inductor L.

図2のフロー図において、動作が開始すると、スイッチ制御部3は、電圧検出部2から伝達される組電池1の各セルB1〜B4の電圧を比較する(ステップS1)。その結果に基づき、全てのセルの電圧が均一か否かを判定する(ステップS2)。判定方法は、どのような方法を用いることもできる。すなわち、セル電圧を均一と判定する条件は適宜設定すればよいが、例えば、全てのセルの平均電圧に対する各セル電圧の差が、所定の許容範囲内にあることを条件として均一と判定することができる。   In the flowchart of FIG. 2, when the operation starts, the switch control unit 3 compares the voltages of the cells B1 to B4 of the assembled battery 1 transmitted from the voltage detection unit 2 (step S1). Based on the result, it is determined whether or not the voltages of all the cells are uniform (step S2). Any method can be used as the determination method. In other words, the condition for determining that the cell voltage is uniform may be set as appropriate. For example, it is determined that the difference between the cell voltages with respect to the average voltage of all the cells is within a predetermined allowable range. Can do.

判定結果において全てのセルの電圧が均一であれば(Yes)、動作を終了する(ステップS8)。セル電圧が不均一である場合(No)、電圧の高いセルBH、および電圧の低いセルBLを抽出する(ステップS3)。セルBH、セルBLの抽出方法は適宜設定可能であるが、例えば、セルBHとしては組電池1中で最も電圧の高いセルを、セルBLとしては最も電圧の低いセルを抽出すればよい。この説明では、BHをセルB1、BLをセルB4としている。   If the voltages of all the cells are uniform in the determination result (Yes), the operation is terminated (step S8). When the cell voltages are not uniform (No), the high voltage cell BH and the low voltage cell BL are extracted (step S3). The extraction method of the cell BH and the cell BL can be set as appropriate. For example, the cell BH may be a cell having the highest voltage in the assembled battery 1, and the cell BL may be the cell having the lowest voltage. In this description, BH is the cell B1, and BL is the cell B4.

以下のフローでは、スイッチ制御部3により、単セル接続スイッチ群4のSW1〜SW10のON/OFFを制御することで、インダクタLにセルB1のエネルギを充電する経路を構成し(ステップS4)、次にインダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路を構成する(ステップS5)。   In the following flow, the switch control unit 3 controls the ON / OFF of SW1 to SW10 of the single cell connection switch group 4, thereby configuring a path for charging the energy of the cell B1 to the inductor L (step S4). Next, a path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4 is formed (step S5).

インダクタLにセルB1のエネルギを充電する経路は、図1において、単セル接続スイッチ群4のスイッチSW7とSW10をONにしたときに構成される。このときの電流経路は、<セルB1の正極>→<インダクタLの端子Na>→<インダクタL端子Nb>→<セルB1の負極>となり、その結果、インダクタLにセルB1のエネルギが充電される。図3では、(a)におけるON期間に相当し、(b)に示す充電電流IcがセルB1から流れ、インダクタLでは(e)に示す前半(期間t)の電流が流れる。   The path for charging the energy of the cell B1 to the inductor L is configured when the switches SW7 and SW10 of the single cell connection switch group 4 are turned on in FIG. The current path at this time is <positive electrode of cell B1> → <terminal Na of inductor L> → <inductor L terminal Nb> → <negative electrode of cell B1>. As a result, the energy of cell B1 is charged in inductor L. The In FIG. 3, it corresponds to the ON period in (a), the charging current Ic shown in (b) flows from the cell B1, and the current in the first half (period t) shown in (e) flows in the inductor L.

インダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路は、図1において、単セル接続スイッチ群4からスイッチSW2とSW3をONにしたときに構成される。このときの電流経路は、<インダクタLの端子Nb>→<セルB4の正極>→<セルB4の負極>→<インダクタLの端子Na>となり、その結果、インダクタLに充電したエネルギがセルB4に放電される。図3では、(c)におけるON期間に相当し、(d)に示す充電電流IdがセルB4に流れ、インダクタLでは(e)に示す後半の電流が流れる。   The path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4 is configured when the switches SW2 and SW3 are turned on from the single cell connection switch group 4 in FIG. The current path at this time is <terminal Nb of the inductor L> → <positive electrode of the cell B4> → <negative electrode of the cell B4> → <terminal Na of the inductor L>. As a result, the energy charged in the inductor L is the cell B4. Discharged. In FIG. 3, it corresponds to the ON period in (c), the charging current Id shown in (d) flows in the cell B4, and in the inductor L, the latter half current shown in (e) flows.

以上のように、セルB1のエネルギがインダクタLに充電される経路形成のために、スイッチ制御部3は、SW7、SW10を同時に一定時間ONとし、セルB1のエネルギをインダクタLに充電する。エネルギ移送時の対象セル間の移送エネルギ、エネルギ移送時間、対象セルからインダクタLに流す電流値等の設定に応じて、インダクタLのインダクタンスを設定する必要がある。   As described above, in order to form a path through which the energy of the cell B1 is charged to the inductor L, the switch control unit 3 turns on SW7 and SW10 simultaneously for a certain time, and charges the inductor L with the energy of the cell B1. It is necessary to set the inductance of the inductor L according to the settings of the transfer energy between the target cells at the time of energy transfer, the energy transfer time, the current value flowing from the target cell to the inductor L, and the like.

一定時間(期間t)後、スイッチ制御部3は、SW7、SW10を切断すると同時に、インダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路形成のために、SW2、SW3を一定時間ONとし、インダクタLに蓄電されたエネルギをセルB4に放電する。さらに一定時間後、スイッチ制御部3は、SW2、SW3をOFFとする。   After a certain time (period t), the switch control unit 3 disconnects SW7 and SW10, and at the same time turns SW2 and SW3 ON for a certain time to form a path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4. The energy stored in the inductor L is discharged to the cell B4. Further, after a predetermined time, the switch control unit 3 turns off SW2 and SW3.

以上の1サイクルの充放電を終了する毎に、セルB1(BH)の電圧とセルB4(BL)の電圧を比較する(ステップS6)。セルB1の電圧とセルB4の電圧が同等でなければ(ステップS7、No)、ステップS4に戻って、上述の動作を繰り返す。それにより、電圧の高いセルB1から電圧の低いセルB4に向かって再度エネルギの移送が行われる。なお、2つのセル電圧が同等とは、例えば、電圧の差が所定の許容範囲内にあることとして設定することができるが、上述した、全ての電池電圧が均等である状態の定義に応じて設定することが望ましい。   Each time the above charge / discharge cycle is completed, the voltage of the cell B1 (BH) is compared with the voltage of the cell B4 (BL) (step S6). If the voltage of the cell B1 is not equal to the voltage of the cell B4 (No in step S7), the process returns to step S4 and the above operation is repeated. As a result, energy is transferred again from the high voltage cell B1 toward the low voltage cell B4. Note that two cell voltages are equivalent, for example, can be set as the voltage difference is within a predetermined tolerance, but according to the definition of the state in which all the battery voltages are equal, as described above. It is desirable to set.

この動作を繰り返すことにより、充電時に接続されたセルB1はエネルギが減り続け、放電時に接続されたセルB4はエネルギが増え続ける。したがってセル電圧を監視して二つのセルの電圧が同等になった時点で動作を停止する。すなわち、ステップS7でYesであれば、ステップS1に戻る。   By repeating this operation, the energy of the cell B1 connected at the time of charging continues to decrease, and the energy of the cell B4 connected at the time of discharging continues to increase. Accordingly, the cell voltage is monitored, and the operation is stopped when the voltages of the two cells become equal. That is, if Yes in step S7, the process returns to step S1.

ステップS1では、再度、全てのセルの電圧を比較してステップS2に移り、全てのセルの電圧が均一か否かを判断する。全てのセルの電圧が均一であれば(Yes)、動作を終了する(ステップS8)。均一でなければ(No)、再度、最高電圧のセルBH、および最低電圧のセルBLを抽出する(ステップS3)。そして、ステップS4に移り、ステップS7までの動作を、上述のとおり繰り返す。   In step S1, the voltages of all the cells are compared again, and the process proceeds to step S2, where it is determined whether or not the voltages of all the cells are uniform. If the voltages of all the cells are uniform (Yes), the operation is terminated (step S8). If it is not uniform (No), the highest voltage cell BH and the lowest voltage cell BL are extracted again (step S3). Then, the process proceeds to step S4, and the operations up to step S7 are repeated as described above.

以上のように、本実施の形態におけるセルバランス回路は、任意のセル間で、インダクタを介して電圧の高いセルから電圧の低いセルにエネルギを移送するので、エネルギを無駄にすることなく効率良くセル電圧を均一にすることが可能である。   As described above, the cell balance circuit in the present embodiment transfers energy from a cell having a high voltage to a cell having a low voltage via an inductor between arbitrary cells, so that energy is not efficiently wasted. It is possible to make the cell voltage uniform.

<実施の形態2>
図4は、実施の形態2におけるセルバランス回路の構成を示すブロック回路図である。図5は、このセルバランス回路の動作を表わす動作波形図である。本実施の形態は、図1における単セル接続スイッチ群4を、単セル選択スイッチ群5及び極性選択スイッチ群6の組合わせで置き換えた構成を有する。スイッチ切替動作の全体のフローは、図2を参照して説明した実施の形態1の場合と同様である。
<Embodiment 2>
FIG. 4 is a block circuit diagram showing a configuration of the cell balance circuit according to the second embodiment. FIG. 5 is an operation waveform diagram representing the operation of this cell balance circuit. The present embodiment has a configuration in which the single cell connection switch group 4 in FIG. 1 is replaced with a combination of a single cell selection switch group 5 and a polarity selection switch group 6. The overall flow of the switch switching operation is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG.

単セル選択スイッチ群5と極性選択スイッチ群6はFETなどの半導体スイッチ素子などから成り、電圧検出部2の出力に基づいて、マイクロコンピュータなどから成るスイッチ制御部7によって駆動制御される。この構成では、単セル選択スイッチ群5のスイッチSW11〜SW15により組電池1中のいずれかのセルのプラス電極またはマイナス電極が選択され、極性選択スイッチ群6のスイッチSW16〜SW19により、選択された電極が端子NaまたはNbに接続される。   The single cell selection switch group 5 and the polarity selection switch group 6 are composed of semiconductor switch elements such as FETs, and are driven and controlled by a switch control unit 7 including a microcomputer based on the output of the voltage detection unit 2. In this configuration, the positive electrode or the negative electrode of any cell in the assembled battery 1 is selected by the switches SW11 to SW15 of the single cell selection switch group 5, and is selected by the switches SW16 to SW19 of the polarity selection switch group 6 The electrode is connected to the terminal Na or Nb.

この構成によるセルバランス調整の動作の一例について、セルB1の電圧が高く、セルB4の電圧が低い場合を例として、図5を参照して説明する。図5において、(a)はスイッチSW14、SW15、SW16、SW19のON/OFFのタイミング、(b)は、セルB1からインダクタLへの充電電流の波形を示す。(c)は、スイッチSW11、SW12、SW19、SW16のON/OFFのタイミング、(d)は、インダクタLからセルB4への放電電流の波形を示す。(e)は、インダクタLを流れる電流の波形を示す。   An example of the operation of the cell balance adjustment with this configuration will be described with reference to FIG. 5, taking as an example the case where the voltage of the cell B1 is high and the voltage of the cell B4 is low. In FIG. 5, (a) shows the ON / OFF timing of the switches SW14, SW15, SW16, and SW19, and (b) shows the waveform of the charging current from the cell B1 to the inductor L. (C) shows the ON / OFF timing of the switches SW11, SW12, SW19, and SW16, and (d) shows the waveform of the discharge current from the inductor L to the cell B4. (E) shows the waveform of the current flowing through the inductor L.

スイッチ制御部7は、電圧検出部2から伝達された組電池1の各セル電圧に基づき、セル電圧が均一であるか判定する。判定方法は、どのような方法を用いてもよい。判定結果においてセル電圧が不均一である場合、電圧の高いセルと電圧の低いセルが選出される。本実施の形態では、組電池1のセルB1を電圧の高いセルとして選出し、セルB4を電圧が低いセルとして選出されたものとする。   The switch control unit 7 determines whether the cell voltage is uniform based on each cell voltage of the assembled battery 1 transmitted from the voltage detection unit 2. Any method may be used as the determination method. When the cell voltage is not uniform in the determination result, a cell having a high voltage and a cell having a low voltage are selected. In the present embodiment, it is assumed that the cell B1 of the assembled battery 1 is selected as a high voltage cell, and the cell B4 is selected as a low voltage cell.

次に、スイッチ制御部7にて、単セル選択スイッチ群5と極性選択スイッチ群6のスイッチを選択的にONとすることで、インダクタLにセルB1のエネルギを充電する経路を構成し、次にインダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路を構成する。   Next, the switch control unit 7 selectively turns on the switches of the single cell selection switch group 5 and the polarity selection switch group 6 to form a path for charging the energy of the cell B1 to the inductor L. A path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4 is formed.

インダクタLにセルB1のエネルギを充電する経路は、図4において、単セル選択スイッチ群5のスイッチSW14とSW15、極性選択スイッチ群6のSW16とSW19を選択的にONとしたときに構成される。このときの電流経路は、<セルB1の正極>→<インダクタLの端子Na>→<インダクタL端子Nb>→<セルB1の負極>となり、その結果、インダクタLにセルB1のエネルギが充電される。図5では、(a)におけるON期間に相当し、(b)に示す充電電流IcがセルB1から流れ、インダクタLでは(e)に示す前半(期間t)の電流が流れる。   In FIG. 4, the path for charging the energy of the cell B1 to the inductor L is configured when the switches SW14 and SW15 of the single cell selection switch group 5 and the SW16 and SW19 of the polarity selection switch group 6 are selectively turned on. . The current path at this time is <positive electrode of cell B1> → <terminal Na of inductor L> → <inductor L terminal Nb> → <negative electrode of cell B1>. As a result, the energy of cell B1 is charged in inductor L. The In FIG. 5, it corresponds to the ON period in (a), the charging current Ic shown in (b) flows from the cell B1, and in the inductor L, the current in the first half (period t) shown in (e) flows.

インダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路は、図4において、単セル選択スイッチ群5のSW11とSW12、極性選択スイッチ群6のSW16とSW19を選択的にONとしたときに構成される。このときの電流経路は、<インダクタLの端子Nb>→<セルB4の正極>→<セルB4の負極>→<インダクタLの端子Na>となり、その結果、インダクタLに充電したエネルギがセルB4に放電される。図5では、(c)におけるON期間に相当し、(d)に示す充電電流IdがセルB4に流れ、インダクタLでは(e)に示す後半の電流が流れる。   The path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4 is configured when the SW11 and SW12 of the single cell selection switch group 5 and the SW16 and SW19 of the polarity selection switch group 6 are selectively turned on in FIG. Is done. The current path at this time is <terminal Nb of the inductor L> → <positive electrode of the cell B4> → <negative electrode of the cell B4> → <terminal Na of the inductor L>. As a result, the energy charged in the inductor L is the cell B4. Discharged. In FIG. 5, it corresponds to the ON period in (c), the charging current Id shown in (d) flows to the cell B4, and in the inductor L, the latter half current shown in (e) flows.

以上のように、セルB1のエネルギがインダクタLに充電される経路形成のために、スイッチ制御部7は、SW14、SW15、SW16、SW19を同時に一定時間ONとし、セルB1のエネルギをインダクタLに充電する。エネルギ移送時の対象セル間の移送エネルギ、エネルギ移送時間、対象セルからインダクタLに流す電流値等の設定に応じて、インダクタLのインダクタンスを設定する必要がある。   As described above, in order to form a path through which the energy of the cell B1 is charged in the inductor L, the switch control unit 7 simultaneously turns on SW14, SW15, SW16, and SW19 for a certain period of time and turns the energy of the cell B1 into the inductor L. Charge. It is necessary to set the inductance of the inductor L according to the settings of the transfer energy between the target cells at the time of energy transfer, the energy transfer time, the current value flowing from the target cell to the inductor L, and the like.

一定時間(期間t)後、スイッチ制御部7は、SW14、SW15、SW16、SW19を切断すると同時に、インダクタLに充電されたエネルギをセルB4に放電する経路形成のために、SW11、SW12、SW16、SW19を一定時間ONとし、インダクタLに蓄電されたエネルギをセルB4に放電する。さらに一定時間後、スイッチ制御部7は、SW11、SW12、SW16、SW19をOFFとする。   After a certain time (period t), the switch control unit 7 disconnects SW14, SW15, SW16, and SW19, and at the same time, forms a path for discharging the energy charged in the inductor L to the cell B4, SW11, SW12, SW16. , SW19 is turned on for a certain time, and the energy stored in the inductor L is discharged to the cell B4. Further, after a predetermined time, the switch control unit 7 turns off SW11, SW12, SW16, and SW19.

以上の1サイクルの充放電を終了する毎に、セルB1の電圧とセルB4の電圧を比較する。セルB1の電圧とセルB4の電圧が同等でなければ、上述の充放電動作を繰り返す。それにより、電圧の高いセルB1から電圧の低いセルB4に向かって再度エネルギの移送が行われる。   Every time the above charge / discharge of one cycle is completed, the voltage of the cell B1 is compared with the voltage of the cell B4. If the voltage of the cell B1 is not equal to the voltage of the cell B4, the above charge / discharge operation is repeated. As a result, energy is transferred again from the high voltage cell B1 toward the low voltage cell B4.

この動作を繰り返すことにより、充電時に接続されたセルB1はエネルギが減り続け、放電時に接続されたセルB4はエネルギが増え続ける。したがってセル電圧を監視して二つのセルの電圧が同等になった時点で動作を停止する。次の動作では、残りのセルの中で再度電圧の高いセルと低いセルを選択して、電圧の高いセルから電圧の低いセルに電荷を移送する動作を繰り返す。動作の停止は、図2に示したフローと同様に、電圧の監視結果に基づいて行う。   By repeating this operation, the energy of the cell B1 connected at the time of charging continues to decrease, and the energy of the cell B4 connected at the time of discharging continues to increase. Accordingly, the cell voltage is monitored, and the operation is stopped when the voltages of the two cells become equal. In the next operation, a cell having a high voltage and a cell having a low voltage are selected again from the remaining cells, and the operation of transferring charges from the cell having a high voltage to the cell having a low voltage is repeated. The operation is stopped based on the voltage monitoring result as in the flow shown in FIG.

以上のように、本実施の形態におけるセルバランス回路は、任意のセル間で、インダクタを介して電圧の高いセルから電圧の低いセルにエネルギを移送するので、エネルギを無駄にすることなく効率良くセル電圧を均一にすることが可能である。   As described above, the cell balance circuit in the present embodiment transfers energy from a cell having a high voltage to a cell having a low voltage via an inductor between arbitrary cells, so that energy is not efficiently wasted. It is possible to make the cell voltage uniform.

本発明のセルバランス回路は、エネルギを無駄にすることなく効率良くセル電圧を均一にすることが可能であり、民生用二次電池パック、業務用二次電池パック、などの二次電池を使用した充放電システムに有用である。   The cell balance circuit of the present invention can efficiently equalize cell voltages without wasting energy, and uses secondary batteries such as consumer secondary battery packs and commercial secondary battery packs. This is useful for charging and discharging systems.

1 組電池
2 電圧検出部
3、7 スイッチ制御部
4 単セル接続スイッチ群
5 単セル選択スイッチ群
6 極性選択スイッチ群
B1〜B4 セル
SW1〜SW19 スイッチ
L インダクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 assembled battery 2 voltage detection part 3, 7 switch control part 4 single cell connection switch group 5 single cell selection switch group 6 polarity selection switch group B1-B4 cell SW1-SW19 switch L inductor

Claims (3)

複数の二次電池を直列に接続した組電池におけるセルバランスを調整するセルバランス回路であって、
前記組電池の各セル電圧を検出する電圧検出部と、
エネルギ移送用のインダクタと、
前記組電池の単セルを選択してその正負電極間に前記インダクタを接続することが可能な複数のスイッチにより構成された単セル接続スイッチ群と、
前記電圧検出部が検出する各セル電圧のデータに基づいて、前記組電池の所定の単セルの正負電極間に前記インダクタを接続するように前記単セル接続スイッチ群を制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、
高電圧セルから前記インダクタに電流が流れる充電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記充電経路を切断し、
前記充電経路の切断と同時に、前記インダクタから前記高電圧セルよりも電圧の低い低電圧セルに電流が流れる放電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記放電経路を切断するように前記単セル接続スイッチ群を制御することを特徴とするセルバランス回路。
A cell balance circuit for adjusting cell balance in an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series,
A voltage detector for detecting each cell voltage of the assembled battery;
An inductor for energy transfer;
A single cell connection switch group composed of a plurality of switches capable of selecting a single cell of the assembled battery and connecting the inductor between positive and negative electrodes;
A switch control unit that controls the single cell connection switch group to connect the inductor between positive and negative electrodes of a predetermined single cell of the assembled battery based on data of each cell voltage detected by the voltage detection unit; Prepared,
The switch control unit
After configuring a charging path through which current flows from the high voltage cell to the inductor, the charging path is disconnected after a predetermined time has elapsed,
The single cell is configured to disconnect the discharge path after a predetermined time has elapsed after forming a discharge path through which current flows from the inductor to a low voltage cell having a voltage lower than that of the high voltage cell at the same time as disconnecting the charging path. A cell balance circuit for controlling a connection switch group.
前記単セル接続スイッチ群は、選択された前記セルのプラス電極及びマイナス電極を選択するための単セル選択スイッチ群と、選択されたプラス電極及びマイナス電極を接続する前記インダクタの端子を選択する極性選択スイッチ群とを組み合わせて構成されている請求項1に記載のセルバランス回路。   The single cell connection switch group includes a single cell selection switch group for selecting a positive electrode and a negative electrode of the selected cell, and a polarity for selecting a terminal of the inductor that connects the selected positive electrode and the negative electrode. The cell balance circuit according to claim 1, wherein the cell balance circuit is configured in combination with a selection switch group. 前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部が検出した各セル電圧を比較して、各セル間の電圧が均一であるか否かを判定し、各セル間の電圧が均一でない場合に、前記高電圧セルと前記低電圧セルを抽出し、前記充電経路の構成とそれに続く前記放電経路の構成を1回の充放電サイクルとして、前記高電圧セルと前記低電圧セルの電圧差が所定の範囲内になるまで前記充放電サイクルを繰り返す請求項1または2に記載のセルバランス回路。   The switch control unit compares each cell voltage detected by the voltage detection unit to determine whether the voltage between the cells is uniform. When the voltage between the cells is not uniform, The voltage cell and the low voltage cell are extracted, and the voltage path difference between the high voltage cell and the low voltage cell is within a predetermined range, with the configuration of the charging path and the configuration of the subsequent discharging path as one charge / discharge cycle. The cell balance circuit according to claim 1, wherein the charge and discharge cycle is repeated until
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