JP2013099160A - セル均等化制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池を構成する電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムに関し、アクティブ均等化制御方式における過電流を防止する。
【解決手段】組電池を構成する各電池セル１０１に並列に、インダクタ１０２とパルス列信号によりオンオフ制御されるスイッチ素子１０３とからなるバランス回路が接続される。電圧計１０４は、各スイッチ素子１０３のオン抵抗に関連する物理量を測定することによりバランス回路に流れるバランス電流を測定する。制御部１０５は、上記バランス電流が所定の閾値を超えた場合に、パルス列信号を停止またはそのパルスのデューティー比を制御して、スイッチ素子１０３に流れるバランス電流を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成する電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムに関する。

いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両等」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池や電池パック（以下、個々の電池や電池パックを「セル」、それらが複数接続された一部を「ブロック」などと呼ぶ）が相互に接続された組電池として供給される場合が多い。

この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の残存容量や充電効率も大きく変化する。自動車のような使用環境ではなおさらである。この結果、組電池を構成する電池セル等において、各セル等の残存容量および出力電圧にばらつきが生じる。各セル等が発生する電圧にばらつきが発生すると、１つのセルの電圧が駆動可能な閾値を下回ったような場合に、全体の電源供給を止めたり抑制したりする必要が生じ、電力効率が低下してしまう。このため、各セルの電圧または容量の均等化を行う制御が必要となる。

セル均等化制御の従来技術として、従来技術として、過充電（過放電）になった電池を電池と並列に接続した抵抗にバイパスさせ放電させることで各電池の電圧をそろえる、いわゆるパッシブ均等化制御方式が知られている。さらに、セル均等化制御の効率を向上させるために、いわゆるアクティブ均等化制御方式が知られている。

図９は、アクティブ均等化制御方式による従来技術の構成例を示した図である。この図は、組電池が例えば＃１および＃２の２つの電池セル９０１で構成されている例である。＃１および＃２の各電池に並列にＳＷ１およびＳＷ２の半導体スイッチ素子９０３（以下単に「スイッチＳＷ１またはスイッチＳＷ２」などと称する）が接続され、＃１および＃２の２つの電池セル９０１の接続点とスイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続点の間にインダクタ（コイル）９０２が接続される。

図９において仮に、＃１の電池セル９０１の電圧が＃２の電池セル９０１の電圧よりも高い状態で、両者のセルバランスをとる場合を考える。この場合まず、パルス列である第１のスイッチ制御信号によりＳＷ１をオンさせることにより、＃１の電池セル９０１の電荷をインダクタ９０２に蓄電させる。そして、同じくパルス列で第１のスイッチ制御信号よりも１パルスの立ち上がり分だけ位相が遅れた第２のスイッチ制御信号によりＳＷ２をオンさせることにより、インダクタ９０２に蓄電された電荷を＃２の電池セル９０１に移動させる。＃１および＃２の電池セル９０１のそれぞれの電圧を測定しながらこの動作を繰り返すことにより、＃１および＃２の電池セル９０１のセルバランスをとることができる。

しかし、従来のアクティブ均等化制御方式では、均等化制御での電力の回生動作において、ＳＷ１とＳＷ２の切替タイミングや回生電力の変化等によって、電池や素子に流れる電流が大きくなると、それらが破壊される可能性があるといった問題点を有していた。

本発明は、アクティブ均等化制御方式における過電流を防止することを目的とする。

本発明は、組電池を構成する各電池セルに並列に、インダクタとパルス列信号によりオンオフ制御されるスイッチ素子とからなるバランス回路を接続することにより、各電池セルの電圧を均等化するセル均等化制御システムにおいて、各スイッチ素子のオン抵抗に関連する物理量を測定することによりバランス回路に流れるバランス電流を測定するバランス電流測定部と、バランス電流測定回路が測定するバランス電流が所定の閾値を超えた場合に、パルス列信号を停止してスイッチ素子をオフするパルス列信号制御部とを備える。

あるいは、パルス列信号制御部は、バランス電流測定回路が測定するバランス電流が所定の閾値を超えた場合に、パルス列信号におけるパルスのデューティー比を制御してスイッチ素子に流れるバランス電流を制御するように構成される。

本発明によれば、実装が容易で、過電流を防止できるセル均等化制御システムを実現することが可能となる。

実施形態の構成図である。 実施形態の通常動作の説明図である。 第１の実施形態のタイミングチャートである。 第１の実施形態のフローチャートである。 第２の実施形態のタイミングチャートである。 第１の実施形態のフローチャートである。 実施形態が適用されるシステムの構成例を示した図（その１）である。 実施形態が適用されるシステムの構成例を示した図（その２）である。 従来技術の構成例を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成図である。本実施形態は、車両に搭載される組電池の電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムとして実施される。

この図は、組電池が例えばＥ１およびＥ２の２つの電池セル１０１で構成されている例である。Ｅ１およびＥ２の各電池に並列にＳＷ１およびＳＷ２の半導体スイッチ素子１０３（以下単に「スイッチＳＷ１またはスイッチＳＷ２」などと称する）が接続され、＃１および＃２の２つの電池セル１０１の接続点とスイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続点の間にインダクタＬを有するインダクタ（コイル）１０２が接続される。また、制御部１０５は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）とメモリおよびインタフェース回路を搭載するマイクロコンピュータである。この制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２のスイッチングをパルス列信号によって制御すると共に、＃１および＃２の電圧計１０４を介して、ＳＷ１およびＳＷ２のオン抵抗電圧を測定する。

図１において仮に、Ｅ２の電池セル１０１の電圧がＥ１の電池セル１０１の電圧よりも高い状態で、両者のセルバランスをとる場合を考える。この場合まず、制御部１０５は、第１のパルス列信号によりＳＷ１をオンすることにより、Ｅ２の電池セル１０１の電荷をインダクタ１０２に蓄電させる。そして、同じくパルス列信号で第１のパルス列信号よりも１パルスの立ち上がり分だけ位相が遅れた第２のパルス列信号によりＳＷ２をオンすることにより、インダクタ１０２に蓄電されたエネルギーをＥ１の電池セル１０１に移動させる。この動作を繰り返すことにより、Ｅ１およびＥ２の電池セル１０１のセルバランスをとることができる。

また、本実施形態では、＃１および＃２の電圧計１０４と共にバランス電流測定部として機能する制御部１０５が、ＳＷ１およびＳＷ２の各スイッチ素子のオン抵抗に関連する物理量である電圧を測定することにより、ＳＷ１、ＳＷ２、インダクタ１０２で構成されるバランス回路に流れるバランス電流を間接的に測定する。そして、さらにパルス列信号制御部として機能する制御部１０５が、その測定されたバランス電流が所定の閾値を超えた場合に、ＳＷ１およびＳＷ２にそれぞれ供給する第１および第２のパルス列信号を停止して、ＳＷ１およびＳＷ２をオフする。あるいは、制御部１０５は、上記バランス電流が所定の閾値を超えた場合に、ＳＷ１およびＳＷ２にそれぞれ供給する第１および第２のパルス列信号におけるパルスのデューティー比を制御してＳＷ１およびＳＷ２に流れるバランス電流を制御する。

このように本実施形態では、ＳＷ１およびＳＷ２のオン抵抗に関連する物理量を測定しその測定結果に基づいてＳＷ１およびＳＷ２を制御することにより、バランス回路に流れる過電流を防止することが可能となる。

以下に図１の構成を有する実施形態の詳細な動作について説明する。
図２は、本実施形態の通常のセル均等化制御の動作説明図である。
電池セルＥ１およびＥ２、スイッチ素子ＳＷ１およびＳＷ２、インダクタＬからなるバランス回路２００の部分は、第１の実施形態の構成と同じである。

本実施形態では、図１の制御部１０５が、ＳＷ１およびＳＷ２に対して、図２の（ａ）および（ｂ）に示されるタイミング関係で、第１のパルス列信号２０１（＃１）および第２のパルス列信号２０１（＃２）を供給する。それぞれ信号周期ＰＴおよびパルス周波数Ｆｒｅｑ＝１／ＰＴ、ならびにパルスのデューティー比は、２つのパルス列信号で同一であるが、図２（ａ）および（ｂ）に示されるように、位相が異なる。第１のパルス列信号２０１（＃１）の１つのパルスが立ち下がるタイミングで、第２のパルス列信号２０１（＃２）の１つのパルスが立ち上がる。

この結果、電池セルＥ２のプラス極からＳＷ１を介してインダクタＬの方向に流れる回生放電電流は、図２（ｃ）に示されるように、図２（ａ）のタイミングで立ち上がる第１のパルス列信号２０１（＃１）のパルスに同期して、急速に増加する。

一方、ＳＷ２を介してインダクタＬから電池セルＥ１のプラス極の方向に流れる充電電流は、図２（ｄ）に示されるように、図２（ｂ）のタイミングで立ち上がる第２のパルス列信号２０１（＃２）のパルスに同期して、急速に減少する。

これらの回生放電電流と回生充電電流に基づいて、電池セルＥ２からＥ１に回生充電を行うことができ、セル均等化制御が実現される。
次に、回生放電電流または回生充電電流が過電流となったときの制御動作の第１の実施形態について説明する。

図３は、第１の実施形態のタイミングチャートである。
図１の制御部１０５は、＃１および＃２の電圧計１０４により、ＳＷ１およびＳＷ２のオン抵抗電圧を測定している。ここで、例えばＳＷ１について、図２の第１のパルス列信号２０１（＃１）に基づいてオンとなって、ＳＷ１を流れるバランス電流が図３（ａ）に示されるように立ち上がると、＃１の電圧計１０４が測定する電圧もバランス電流に比例して図３（ｂ）に示されるように立ち上がる。そこで、制御部１０５は、通常は図３（ｃ）および（ｄ）（図２の（ａ）および（ｂ）に対応）のように動作する第１および第２のパルス列信号２０１（図２参照）において、図３（ｅ）および（ｆ）に示されるように、＃１の電圧計１０４の測定電圧値が図３（ｂ）の破線で示される所定の電圧閾値を超えた時点３０１以降、パルスの出力を停止する。このようにして第１の実施形態では、ＳＷ１を流れるバランス電流が、図３（ａ）の破線で示される電流閾値を超えることがないように制御がなされ、過電流が防止される。

ＳＷ２については、ＳＷ１に同期するため、ＳＷ１に対する上述の制御のみでもよいが、ＳＷ２についても同様な制御が実施されてもよい。
図４は、上述の制御動作の第１の実施形態を実現するフローチャートである。このフローチャートで示される制御動作は、図１の制御部１０５において、内部の特には図示しないＣＰＵが、内部の特には図示しないメモリに記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。なお、このフローチャートの制御動作は、組電池を構成する複数ある電池セルのうち別の制御処理によってセル均等化制御を行うと決定された電池セルに対応するバランス回路に対して実施される。

まず、制御部１０５は、例えばＳＷ１のオン抵抗電圧であるＳＷ１の両端の電位差を、＃１の電圧計１０４を使って測定する（ステップＳ４０１）。なお、ＳＷ２についても＃２の電圧計１０４を使って同様の測定がなされてもよい。

次に、制御部１０５は、ステップＳ４０１で測定した電位差が図３（ｂ）に示される所定の電圧閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。
測定した電位差が電圧閾値以上となっておらずステップＳ４０２の判定がＮＯならば、制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２への第１および第２のパルス列信号２０１の各パルス出力を継続する（ステップＳ４０３）。その後、ステップＳ４０１のＳＷ１の新たな電位差の測定動作に戻る。これにより、ＳＷ１およびＳＷ２では、スイッチングによる回生動作が継続される。

ステップＳ４０１で測定した電位差が電圧閾値以上となってステップＳ４０２の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２にそれぞれ出力していた第１および第２のパルス列信号２０１のパルス出力を停止する（ステップＳ４０２）。その後、ステップＳ４０１のＳＷ１の新たな電位差の測定動作に戻る。この第１の実施形態の制御処理により、ＳＷ１およびＳＷ２では、スイッチング動作が停止され、過電流が防止される。

ステップＳ４０２での判定処理により、測定した電位差が再び電圧閾値未満となってステップＳ４０２の判定がＮＯになると、制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２への第１および第２のパルス列信号２０１の各パルス出力を再開する（ステップＳ４０３）。これにより、ＳＷ１およびＳＷ２では、スイッチングによる回生動作が再開される。

続いて、回生放電電流または回生充電電流が過電流となったときの制御動作の第２の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態のタイミングチャートである。このタイミングチャートの見方は、基本的には図３の第２の実施形態の場合と同様である。

第２の実施形態では、制御部１０５は、通常は図５（ｃ）および（ｄ）のように動作する第１および第２のパルス列信号２０１に対して、＃１の電圧計１０４の測定電圧値が図５（ｂ）の破線で示される所定の電圧閾値を超えた時点３０１以降、次の制御を行う。前述した第１の実施形態では、図３（ｅ）および（ｆ）に示されるように、時点３０１以降、第１および第２のパルス列信号２０１のパルスの出力を停止した。これに対して、第２の実施形態では、図５（ｅ）および（ｆ）に示されるように、時点３０１以降、その時点で第１のパルス列信号２０１（＃１）のパルスを打ち切った場合のパルス幅になるように、第１および第２のパルス列信号２０１のデューティー比を制御し出力する。すなわち、制御部１０５は、時点３０１以降、パルス幅を制御するＰＷＭ（パルス幅変調）制御を実施する。このようにして、第２の実施形態では、ＳＷ１を流れるバランス電流が、図３（ａ）の破線で示される電流閾値を超えることがないように制御がなされて過電流が防止されると共に、回生動作を継続することができる。

ＳＷ２については、ＳＷ１に同期するため、ＳＷ１に対する上述の制御のみでもよいが、ＳＷ２についても同様な制御が実施されてもよい。
図６は、上述の制御動作の第２の実施形態を実現するフローチャートである。このフローチャートで示される制御動作は、図４のフローチャートの場合と同様に、図１の制御部１０５において、内部のＣＰＵが、内部のメモリに記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。なお、この制御動作は、図４の場合と同様に、セル均等化制御を行うと決定された電池セルに対応するバランス回路に対して実施される。図６のフローチャートにおいて、図４の場合と同じ処理を行うステップには、同じステップ番号が付してある。

まず、制御部１０５は、例えばＳＷ１のオン抵抗電圧であるＳＷ１の両端の電位差を、＃１の電圧計１０４を使って測定する（ステップＳ４０１）。この処理は、図４の場合と同様である。なお、ＳＷ２についても＃２の電圧計１０４を使って同様の測定がなされてもよい。

次に、制御部１０５は、ステップＳ４０１で測定した電位差が図５（ｂ）に示される所定の電圧閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。この処理も、図４の場合と同様である。

測定した電位差が電圧閾値以上となっておらずステップＳ４０２の判定がＮＯならば、制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２への第１および第２のパルス列信号２０１の各パルス出力を継続する（ステップＳ６０１）。その後、ステップＳ４０１のＳＷ１の新たな電位差の測定動作に戻る。これにより、ＳＷ１およびＳＷ２では、スイッチングによる回生動作が継続される。

ステップＳ４０１で測定した電位差が電圧閾値以上となってステップＳ４０２の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、その時点（図５の時点３０１）で第１のパルス列信号２０１（＃１）のパルスを打ち切った場合のパルス幅になるように、第１および第２のパルス列信号２０１のデューティー比を制御し出力する（ステップＳ６０２）。その後、ステップＳ４０１のＳＷ１の新たな電位差の測定動作に戻る。この第２の実施形態の制御処理により、ＳＷ１を流れるバランス電流が、図５（ａ）の破線で示される電流閾値を超えることがないように制御がなされて過電流が防止されると共に、回生動作が継続される。

ステップＳ４０２での判定処理により、測定した電位差が再び電圧閾値未満となってステップＳ４０２の判定がＮＯになると、制御部１０５は、ＳＷ１およびＳＷ２への第１および第２のパルス列信号２０１の各デューティー比を初期状態に戻す（ステップＳ４０３）。これにより、ＳＷ１およびＳＷ２では、初期状態の回生動作が回復される。

図７および図８は、図１の基本構成を有する実施形態が適用されるシステムの構成例を示した図である。
図７（ａ）に示されるように、電池部分は組電池７０１および電池監視部７０２を含む電池パック７００として構成される。電池監視部７０２には、電池制御部７０３と、車両の走行系を制御する走行制御部７０４が相互に通信可能なように接続される。電池制御部７０３は、図１の本実施形態の制御部１０５に対応する。

図７（ａ）の電池は、図７（ｂ）に示される構成を有する。組電池７０１は、複数の電池ブロック７０５を備える。各電池ブロック７０５は、複数の電池セル７０６が直列に接続された構成を有する。この電池セル７０６が、図１の電池セル１０１に対応する。

図７（ｂ）の電池ブロック７０５は、図８（ａ）に示されるように、電池セル７０６に対してセル均等化制御を行うバランス回路８０１と、バランス回路８０１内のスイッチ素子の接続関係を制御するスイッチ制御部８０２と、各電池セル７０６の両端の電圧値を、マルチプレクサ８０４およびＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器８０５を介してデジタル値として検出する電圧測定部８０３とを備える。

バランス回路８０１は、図８（ｂ）に示されるように、図１と同様のスイッチ素子とインダクタとからなるバランス回路が、各電池セル７０６に対応して接続された構成を有する。スイッチ制御部８０２は、図８の電圧測定部８０３からの各電池セル７０６ごとの電圧測定結果に基づいて図７の電池制御部７０３がセル均等化制御が必要と判定した電池セル７０６のペアに対応するバランス回路部分を動作させる。すなわち、スイッチ制御部８０２は、必要なバランス回路部分に対して、その内部のスイッチ素子に対して順次パルス列信号を出力することにより、セル均等化処理を実施させる。

このとき、本実施形態が適用される場合には、バランス回路８０１内の各スイッチ素子に対応して、オン抵抗電圧を測定する図１の電圧計１０４と同様の電圧測定手段が設置される。そして、この電圧測定手段の出力を判定することにより、図７の電池制御部７０３が、前述した第１または第２の実施形態の制御動作を実行する。この結果、スイッチ制御部８０２を介してバランス回路８０１内の各スイッチ素子に供給されるパルス列信号の継続／停止またはデューティー比の制御が行われる。

以上のようして本実施形態が適用されるシステムにおいて、セル均等化処理に伴う過電流を防止することが可能となる。

１０１、９０１ 電池
１０２、９０２ インダクタ（コイル）
１０３、９０３ スイッチ素子、
１０４ 電圧計
１０５ 制御部
２００ バランス回路
２０１（＃１） 第１のパルス列信号
２０２（＃２） 第２のパルス列信号
７００ 電池パック
７０１ 組電池
７０２ 電池監視部
７０３ 電池制御部
７０４ 走行制御部
７０５ 電池ブロック
７０６ 電池セル
８０１ バランス回路
８０２ スイッチ制御部
８０３ 電圧測定部
８０４ マルチプレクサ
８０５ Ａ／Ｄ変換器

Claims (2)

1. 組電池を構成する各電池セルに並列に、インダクタとパルス列信号によりオンオフ制御されるスイッチ素子とからなるバランス回路を接続することにより、前記各電池セルの電圧を均等化するセル均等化制御システムにおいて、
   前記各スイッチ素子のオン抵抗に関連する物理量を測定することにより前記バランス回路に流れるバランス電流を測定するバランス電流測定部と、
   前記バランス電流測定回路が測定する前記バランス電流が所定の閾値を超えた場合に、前記パルス列信号を停止して前記スイッチ素子をオフするパルス列信号制御部と、
   を備えることを特徴とするセル均等化制御システム。
2. 組電池を構成する各電池セルに並列に、インダクタとパルス列信号によりオンオフ制御されるスイッチ素子とからなるバランス回路を接続することにより、前記各電池セルの電圧を均等化するセル均等化制御システムにおいて、
   前記各スイッチ素子のオン抵抗に関連する物理量を測定することにより前記バランス回路に流れるバランス電流を測定するバランス電流測定部と、
   前記バランス電流測定回路が測定する前記バランス電流が所定の閾値を超えた場合に、前記パルス列信号におけるパルスのデューティー比を制御して前記スイッチ素子に流れるバランス電流を制御するパルス列信号制御部と、
   を備えることを特徴とするセル均等化制御システム。

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