JP2013116008A - セルバランス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池の電圧均等化にかかる時間の短縮化を図る。
【解決手段】電圧検出部１１−１、１１−２で検出される電圧Ｖ１、Ｖ２により計算される二次電池３−１、３−２のそれぞれのＳＯＣが互いに等しくなるときに、二次電池３−１、３−２の間をインダクタ９を介して移動する移動電荷量Ｌを予め計算し、その計算した移動電荷量Ｌ分、二次電池３−１、３−２の間で電荷が移動するまで、二次電池３−１に並列接続されるスイッチ１０−１及び二次電池３−２に並列接続される１０−２をそれぞれオン、オフさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池の電圧を均等化させるセルバランス装置に関する。

複数の電池を直列に接続して高電圧の電池を実現する技術が実用化されてきている。この種の電池は、近年では、例えば、電気自動車又はエンジンとモータを併用するハイブリッド自動車への実装において注目されている。

ところが、多数の電池を直列に接続した状態でそれら電池の充電を行うと、各電池の電圧（又は、各電池の充電容量）が不均一になることがある。また、上述の電池が電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と回生時の充電が繰り返されるので、この充放電の繰り返しによっても各電池の電圧が不均一になることがある。そして、各電池の電圧の不均一は、充電器に備えられる過放電保護機能や過充電保護機能などにより、電池全体の充電容量低下を引き起こすおそれがある。なお、各電池の電圧の不均一は、各電池の製造ばらつきや、経年劣化等により生じ得る。

各電池の電圧を均等化させるセルバランス装置として、例えば、電圧が低い電池の放電エネルギーをインダクタを介して電圧が高い電池に供給することにより、それら電池の電圧の均等化を図るセルバランス装置がある（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献２〜５には、関連する技術が記載されている。

このようなセルバランス装置は、電圧均等化処理を一定時間行った後、各電池の電圧がまだ不均一であると、再度電圧均等化処理を行うため、電圧均等化処理が完了するまでに時間がかかるおそれがある。そして、長時間の電圧均等化処理は、各電池の放電エネルギーがインダクタにより長時間無駄に消費させてしまうため、電池全体の充電容量低下につながってしまう。

特開２００６−１６６６１５号公報 特開２００４−０４０８６９号公報 特開平１１−２９９１２２号公報 特開２００９−０８１９８１号公報 特開２０１１−０４１４５２号公報

本発明は、複数の電池の電圧均等化処理にかかる時間の短縮化を図る。

本発明のセルバランス装置は、第１の電池に並列接続される第１のスイッチと、第２の電池に並列接続される第２のスイッチと、前記第１及び第２の電池の接続点と前記第１及び第２のスイッチの接続点との間に設けられるインダクタと、前記第１の電池の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、前記第２の電池の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、前記第１及び第２の電圧検出手段で検出される各電圧により計算される前記第１及び第２の電池のそれぞれのＳＯＣが互いに等しくなるときに、前記第１及び第２の電池の間を前記インダクタを介して移動する移動電荷量を予め計算し、その計算した移動電荷量分、前記第１及び第２の電池の間で電荷が移動するまで、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせる制御手段とを備える。

これにより、一度の電圧均等化処理で第１及び第２の電池のそれぞれの電圧をそろえることができるため、電圧均等化処理にかかる時間の短縮化を図ることができる。

本発明によれば、複数の電池の電圧均等化処理にかかる時間の短縮化を図ることができる。

本発明の実施形態のセルバランス装置を示す図である。 制御回路の動作を示すフローチャートである。 ＯＣＶとＳＯＣとの関係を示すデータの一例を示す図である。 電圧均等化処理時における各二次電池の電圧の変化の一例を示す図である。 本実施形態のセルバランス装置の変形例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態のセルバランス装置を示す図である。
図１に示すセルバランス装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載の組電池２を構成する二次電池３−１、３−２（第１及び第２の電池）のそれぞれの電圧を均等化する。なお、二次電池３−１、３−２は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッカド水素電池などの充電可能な電池であって、互いに直列接続されている。また、二次電池３−１、３−２は、走行用モータなどの負荷４へリレー５を介して電力を供給する。また、二次電池３−１、３−２は、充電設備６から充電器７及びリレー５を介して供給される電力により充電される。充電器７は、充電ＥＣＵ８により動作が制御される。

また、セルバランス装置１は、インダクタ９と、スイッチ１０−１（第１のスイッチ）及びスイッチ１０−２（第２のスイッチ）と、電圧検出部１１−１（第１の電圧検出手段）及び電圧検出部１１−２（第２の電圧検出手段）と、制御回路１２（制御手段）と、記録部１３とを備える。

スイッチ１０−１、１０−２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子やリレーなどにより構成され、互いに直列接続される。スイッチ１０−１は二次電池３−１に並列接続され、スイッチ１０−２は二次電池３−２に並列接続される。また、インダクタ９は二次電池３−１、３−２の接続点とスイッチ１０−１、１０−２の接続点との間に設けられる。また、スイッチ１０−２はグランド（例えば、車両のボディなどに接続される仮想的なグランド）に接続される。

電圧検出部１１−１は二次電池３−１の電圧Ｖ１を検出し、電圧検出部１１−２は二次電池３−２の電圧Ｖ２を検出する。
制御回路１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、電圧検出部１１−１、１１−２により検出される電圧Ｖ１、Ｖ２に基づいて、スイッチ１０−１、１０−２をオン、オフさせて電圧Ｖ１、Ｖ２を均等化させる。例えば、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも高い場合、制御回路１２は、まず、スイッチ１０−１をオン、スイッチ１０−２をオフさせて二次電池３−１とインダクタ９とを接続させることにより二次電池３−１からの放電エネルギーをインダクタ９に蓄積させる。次に、制御回路１２は、スイッチ１０−１をオフ、スイッチ１０−２をオンさせてインダクタ９と二次電池３−２とを接続させることによりインダクタ９に蓄積されているエネルギーを二次電池３−２へ供給させて二次電池３−２を充電させる。そして、制御回路１２は、電圧Ｖ１が下降するとともに、電圧Ｖ２が上昇していき、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とが互いに同じ値又は略同じ値になるまで、スイッチ１０−１、１０−２を繰り返しオン、オフさせる。

記録部１３は、制御回路１２が実行するプログラムやデータが記録されている。記録部１３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリやハードディスクなどが考えられる。

図２は、制御回路１２の動作を示すフローチャートである。
まず、制御回路１２は、二次電池３−１、３−２の充電前において、二次電池３−１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）１−０及び二次電池３−２のＳＯＣ２−０を求める（Ｓ１）。なお、ＳＯＣ１−０は、満充電時の二次電池３−１の充電容量［Ａｈ］を基準とする現在の二次電池３−１の充電容量［Ａｈ］の比率［％］を示す。また、ＳＯＣ２−０は、満充電時の二次電池３−２の充電容量［Ａｈ］を基準とする現在の二次電池３−２の充電容量［Ａｈ］の比率［％］を示す。

図３は、二次電池３−１に電流が流れていないときの電圧Ｖ１であるＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）と二次電池３−１のＳＯＣとの対応関係を示すデータ（以下、ＯＣＶ−ＳＯＣマップという）の一例である。なお、ＯＣＶ−ＳＯＣマップは、記録部１３に記録されているものとする。また、二次電池３−２のＯＣＶ−ＳＯＣマップは、二次電池３−１のＯＣＶ−ＳＯＣマップと同じものとする。

まず、制御回路１２は、組電池２の充電を開始する旨の信号を充電ＥＣＵ８から受け取ると、リレー５をオフさせて組電池２を開放状態にさせた後、電圧検出部１１−１により検出される電圧Ｖ１をＯＣＶ１とするとともに、電圧検出部１１−２により検出される電圧Ｖ２をＯＣＶ２とする。

次に、制御回路１２は、ＯＣＶ１に対応するＳＯＣをＯＣＶ−ＳＯＣマップから取り出して、その取り出したＳＯＣをＳＯＣ１−０とするとともに、ＯＣＶ２に対応するＳＯＣをＯＣＶ−ＳＯＣマップから取り出して、その取り出したＳＯＣをＳＯＣ２−０とし、それらＳＯＣ１−０、２−０を記録部１３に記録する。

そして、制御回路１２は、充電開始許可信号を充電ＥＣＵ８に送るとともに、リレー５をオンさせる。充電ＥＣＵ８は、充電開始許可信号を受け取ると、充電器７の動作を制御することにより、組電池２の充電を開始する。

また、図２に示すフローチャートにおいて、制御回路１２は、組電池２の充電が終了すると（Ｓ２がＹｅｓ）、二次電池３−１のＳＯＣ１−１及び二次電池３−２のＳＯＣ２−１を求め、それらＳＯＣ１−１、２−１を記憶部１３に記録する（Ｓ３）。例えば、制御回路１２は、組電池２の充電が終了した旨の信号を充電ＥＣＵ８から受け取ると、リレー５をオフさせることにより、組電池２を開放状態にさせた後、ＯＣＶ１に対応するＳＯＣをＯＣＶ−ＳＯＣマップから取り出して、その取り出したＳＯＣをＳＯＣ１−１とするとともに、ＯＣＶ２に対応するＳＯＣをＯＣＶ−ＳＯＣマップから取り出して、その取り出したＳＯＣをＳＯＣ２−１とする。

また、制御回路１２は、組電池２の充電開始から充電終了までの期間において、二次電池３−１に供給される電流の積算値Ｗ１［Ａｈ］及び二次電池３−２に供給される電流の積算値Ｗ２［Ａｈ］を求め、それら積算値Ｗ１、Ｗ２を記録部１３に記録する（Ｓ１〜Ｓ３）。例えば、制御回路１２は、組電池２の充電開始から充電終了までの期間において、一定時間毎に、今回の積算値Ｗ１＝（電圧Ｖ１／二次電池３−１の内部抵抗）＋前回の積算値Ｗ１及び今回の積算値Ｗ２＝（電圧Ｖ２／二次電池３−２の内部抵抗）＋前回の積算値Ｗ２を計算し、充電が終了して最後に計算した今回の積算値Ｗ１、Ｗ２を記録部１３に記録する。

次に、制御回路１２は、記録部１３に記録されるＳＯＣ１−０、２−０、１−１、２−１を用いて、ΔＳＯＣ１＝（ＳＯＣ１−１）−（ＳＯＣ１−０）及びΔＳＯＣ２＝（ＳＯＣ２−１）−（ＳＯＣ２−０）を計算し（Ｓ４）、それらΔＳＯＣ１、２及び記録部１３に記録される積算値Ｗ１、Ｗ２を用いて、二次電池３−１の満充電容量Ｘ０［Ａｈ］＝積算値Ｗ１／ΔＳＯＣ１及び二次電池３−２の満充電容量Ｙ０［Ａｈ］＝積算値Ｗ２／ΔＳＯＣ２を計算し（Ｓ５）、それら計算結果を記録部１３に記録する。

次に、制御回路１２は、記録部１３に記録されるΔＳＯＣ１、２及び満充電容量Ｘ０、Ｙ０などを用いて、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも高い場合、移動電荷量（：二次電池３−１からインダクタ９を介して二次電池３−２へ移動する電荷量）Ｌ［Ａｈ］＝（（ＳＯＣ１−１）−（ＳＯＣ２−１））×（Ｘ０×Ｙ０）／（Ｘ０×α＋Ｙ０）・・・（１）を計算し、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１よりも高い場合、移動電荷量（：二次電池３−２からインダクタ９を介して二次電池３−１へ移動する電荷量）Ｌ［Ａｈ］＝（（ＳＯＣ２−１）−（ＳＯＣ１−１））×（Ｘ０×Ｙ０）／（Ｘ０×α＋Ｙ０）・・・（２）を計算する（Ｓ６）。

二次電池３−１、３−２のそれぞれのＳＯＣが互いに同じ値になるとき、電圧Ｖ１、Ｖ２も互いに同じ値になるため、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも高い場合、（ＳＯＣ１−１）−（移動電荷量Ｌ／Ｘ０）＝（ＳＯＣ２−１）＋（（移動電荷量Ｌ×α）／Ｙ０）・・・（３）が成り立つ。すなわち、上記（１）式は、上記（３）式を移動電荷量Ｌについて解いたものである。また、上記（１）式又は（３）式の回路効率を示すαは、（二次電池３−１から出力される電荷量[Ａｈ]）／（二次電池３−２に入力される電荷量[Ａｈ]）を示すものであって、省略することが可能である。なお、αを考慮して移動電荷量Ｌを計算する場合、電圧均等化の精度をより高めることができる。

また、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１よりも高い場合、（ＳＯＣ２−１）−（移動電荷量Ｌ／Ｘ０）＝（ＳＯＣ１−１）＋（（移動電荷量Ｌ×α）／Ｙ０）・・・（４）が成り立つ。すなわち、上記（２）式は、上記（４）式を移動電荷量Ｌについて解いたものである。また、上記（２）式又は（４）式の回路効率を示すαは、（二次電池３−２から出力される電荷量[Ａｈ]）／（二次電池３−１に入力される電荷量[Ａｈ]）を示すものであって、省略することが可能である。なお、αを考慮して移動電荷量Ｌを計算する場合、電圧均等化の精度をより高めることができる。

そして、制御回路１２は、スイッチ１０−１、１０−２をオン、オフさせて電圧均等化処理を開始させた後（Ｓ７）、所定時間Ｔ経過すると（Ｓ８がＹｅｓ）、スイッチ１０−１、１０−２のオン、オフを停止させて電圧均等化処理を終了させる（Ｓ９）。

例えば、スイッチ１０−１をオン、スイッチ１０−２をオフさせた後、スイッチ１０−１をオフ、スイッチ１０−２をオンさせる（又は、スイッチ１０−１をオフ、スイッチ１０−２をオンさせた後、スイッチ１０−１をオン、スイッチ１０−２をオフさせる）ことにより、二次電池３−１からインダクタ９を介して二次電池３−２へ出力される単位電荷量[Ａｈ]（又は、二次電池３−２からインダクタ９を介して二次電池３−１へ出力される単位電荷量[Ａｈ]）を実験的に求めておく。また、スイッチ１０−１をオン、スイッチ１０−２をオフさせた後、スイッチ１０−１をオフ、スイッチ１０−２をオンさせるためにかかる単位時間（又は、スイッチ１０−１をオフ、スイッチ１０−２をオンさせた後、スイッチ１０−１をオン、スイッチ１０−２をオフさせるためにかかる単位時間）を実験的に求めておく。制御回路１２は、回数Ｎ＝移動電荷量Ｌ／単位電荷量を計算するとともに、所定時間Ｔ＝回数Ｎ×単位時間を計算し、その計算した所定時間Ｔ経過するまで、スイッチ１０−１、１０−２をオン、オフさせる。すなわち、制御回路１２は、例えば、図４に示すように、時刻ｔ０において電圧均等化処理を開始させてから所定時間Ｔ経過後の時刻ｔ１において電圧均等化処理を終了させる。本実施形態のセルバランス装置１では、満充電容量Ｘ０、Ｙ０を計算する際、二次電池３−１、３−２のそれぞれのＯＣＶ１、２を使用しているため、電圧均等化処理後、二次電池３−１、３−２のそれぞれの分極（例えば、電解質や電極の電気抵抗に起因する分極、活性化エネルギーに起因する分極、又は電極表面の反応物の濃度減少に起因する分極）の影響により電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ変動しても、電圧Ｖ１、Ｖ２の変動後の時刻ｔ２において、電圧Ｖ１、Ｖ２をそろえることができる。

なお、制御回路１２は、スイッチ１０−１、１０−２をオン、オフさせて電圧均等化処理を開始させた後（Ｓ７）、スイッチ１０−１、１０−２のオン、オフの回数が上記回数Ｎになると（Ｓ８がＹｅｓ）、スイッチ１０−１、１０−２のオン、オフを停止させて電圧均等化処理を終了させるように構成してもよい。

このように、本実施形態のセルバランス装置１では、電圧均等化処理前において、電圧検出部１１−１、１１−２で検出される電圧Ｖ１、Ｖ２により計算される二次電池３−１、３−２のそれぞれのＳＯＣが互いに等しくなるときに、二次電池３−１からインダクタ９を介して二次電池３−２へ移動する移動電荷量Ｌ又は二次電池３−２からインダクタ９を介して二次電池３−１へ移動する移動電荷量Ｌを予め計算し、その計算した移動電荷量分、二次電池３−１、３−２の間で電荷が移動するまで、スイッチ１０−１、１０−２をそれぞれオン、オフさせている。これにより、一度の電圧均等化処理で二次電池３−１、３−２のそれぞれの電圧をそろえることができるため、電圧均等化処理にかかる時間の短縮化を図ることができる。

また、本実施形態のセルバランス装置１では、二次電池３−１、３−２のそれぞれの分極の影響を考慮して移動電荷量Ｌを計算しているため、二次電池３−１、３−２のそれぞれの分極により電圧均等化後に電圧Ｖ１、Ｖ２がそれぞれ変動しても、変動後の電圧Ｖ１、Ｖ２をそろえることができる。

なお、上記実施形態のセルバランス装置１では、２つの二次電池３−１、３−２のそれぞれの電圧を均等化させる構成であるが、複数の二次電池が互いに直列接続されて構成される一方電池モジュール（第１の電池）の全体の電圧と、複数の二次電池が互いに直列接続されて構成される他方の電池モジュール（第２の電池）の全体の電圧とを均等化させるように構成してもよい。このように構成する場合、スイッチ１０−１は一方の電池モジュールに並列接続され、スイッチ１０−２は他方の電池モジュールに並列接続される。また、インダクタ９は各電池モジュールの接続点とスイッチ１０−１、１０−２の接続点との間に設けられる。また、電圧検出部１１−１は一方の電池モジュールの電圧Ｖ１を検出し、電圧検出部１１−２は他方の電池モジュールの電圧Ｖ２を検出する。

また、上記実施形態のセルバランス装置１では、２つの二次電池３−１、３−２又は２つの電池モジュールのそれぞれの電圧を均等化させる構成であるが、３つ以上の二次電池のそれぞれの電圧又は３つ以上の電池モジュールのそれぞれの全体電圧を均等化させるように構成してもよい。例えば、図５に示すセルバランス装置５０のように、３つの二次電池３−１〜３−３に対して、２つのインダクタ９−１、９−２と、４つのスイッチ１０−１〜１０−４と、３つの電圧検出部１１−１〜１１−３と、制御回路１２と、記録部１３とを備えてもよい。図５に示す制御回路１２（制御手段）は、電圧検出部１１−１及び電圧検出部１１−２により検出される電圧Ｖ１、Ｖ２を使用して計算される移動電荷量Ｌに基づいて、スイッチ１０−１及びスイッチ１０−２をオン、オフさせて二次電池３−１及び二次電池３−２のそれぞれの電圧を均等化させた後、電圧検出部１１−２（第１の電圧検出手段）及び電圧検出部１１−３（第２の電圧検出手段）により検出される電圧Ｖ２、Ｖ３を使用して計算される移動電荷量Ｌに基づいて、スイッチ１０−３（第１のスイッチ）及びスイッチ１０−４（第２のスイッチ）をオン、オフさせて二次電池３−２、３−３（第１及び第２の電池）のそれぞれの電圧を均等化させる。

１ セルバランス装置
２ 組電池
３−１ 二次電池
３−２ 二次電池
４ 負荷
５ リレー
６ 充電設備
７ 充電器
８ 充電ＥＣＵ
９ インダクタ
１０−１ スイッチ
１０−２ スイッチ
１１−１ 電圧検出部
１１−２ 電圧検出部
１２ 制御回路
１３ 記録部

Claims (4)

1. 第１の電池に並列接続される第１のスイッチと、
   第２の電池に並列接続される第２のスイッチと、
   前記第１及び第２の電池の接続点と前記第１及び第２のスイッチの接続点との間に設けられるインダクタと、
   前記第１の電池の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
   前記第２の電池の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
   前記第１及び第２の電圧検出手段で検出される各電圧により計算される前記第１及び第２の電池のそれぞれのＳＯＣが互いに等しくなるときに、前記第１及び第２の電池の間を前記インダクタを介して移動する移動電荷量を予め計算し、その計算した移動電荷量分、前記第１及び第２の電池の間で電荷が移動するまで、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせる制御手段と、
   を備えることを特徴とするセルバランス装置。
2. 請求項１に記載のセルバランス装置であって、
   前記制御回路は、前記移動電荷量＝（前記第１の電池のＳＯＣ−前記第２の電池のＳＯＣ）×（前記第１の電池の満充電容量×前記第２の電池の満充電容量）／（前記第１の電池の満充電容量＋前記第２の電池の満充電容量）を計算する
   ことを特徴とするセルバランス装置。
3. 請求項１に記載のセルバランス装置であって、
   前記制御回路は、前記移動電荷量＝（前記第１の電池のＳＯＣ−前記第２の電池のＳＯＣ）×（前記第１の電池の満充電容量×前記第２の電池の満充電容量）／（前記第１の電池の満充電容量×（前記第１の電池から出力される充電容量／前記第２の電池に入力される充電容量）＋前記第２の電池の満充電容量）を計算する
   ことを特徴とするセルバランス装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載のセルバランス装置であって、
   前記制御回路は、前記第１の電池のＯＣＶに対応する充電前の前記第１の電池のＳＯＣと前記第１の電池のＯＣＶに対応する充電後の前記第１の電池のＳＯＣとの差分と、充電中に前記第１の電池に供給される電流の積算値とにより前記第１の電池の満充電容量を計算するとともに、前記第２の電池のＯＣＶに対応する充電前の前記第２の電池のＳＯＣと前記第２の電池のＯＣＶに対応する充電後の前記第２の電池のＳＯＣとの差分と、充電中に前記第２の電池に供給される電流の積算値とにより前記第２の電池の満充電容量を計算する
   ことを特徴とするセルバランス装置。
   

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