JP2013135579A - 電圧バランス制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不必要な電力消費の発生を抑制し、これによる電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にする電池セルの電圧バランス制御装置１００を提供する。
【解決手段】電圧バランス制御装置１００は、それぞれの電池セルの電池電圧・放電容量特性を示す充放電特性マップを用いて、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧が高充電状態において一致するようにそれぞれの電池セルに対する充放電量を決定する。充放電量は、各電池セルに対応する充放電特性マップが高充電状態において交差するまでの移動量によって決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルが、直列に接続されてなる組電池の性能を最大限に発揮させることを可能にする電池セルの電圧バランス制御装置に関する。

近年、電池に蓄えた電気エネルギーを利用しモータ駆動により走行する電気自動車の普及する兆しが目に見えて顕著になってきている。この電気自動車では充電可能なバッテリに電気エネルギーを蓄え、この電気エネルギーを利用し電動モータを駆動源として走行する。このような電気自動車においては、複数の電池セルが直列に接続されてなる組電池が前記電動モータの電源として用いられており、この組電池では充放電を繰り返すことで劣化の進み具合も異なり各電池セルの放電特性が微妙に異なることになる。しかしながら、このような組電池に対し効率よく充電を行い、電池の性能を最大限発揮できるようにする必要があることから、セル電圧バランス技術により電池セル間の充放電量の違いを修正することで、組電池に対し効率よく充電を行い、電池の性能を最大限発揮できるようにしている。このようなセル電圧バランス技術としては、充電可能な複数の電池の電圧をそれぞれＧＮＤ基準に変換する電圧変換回路と、変換された複数の変換電圧のうちの最低の電圧値を出力する出力回路とを備え、各電池には、対応する電池の放電ループを構成する回路と、前記最低の電圧値と対応する電池の前記変換電圧とを比較して前記変換電圧が前記最低の電圧値に対して設定値以上になると前記放電ループをオンとする回路とを設けたセルバランス回路がある（特許文献１参照）。

特開平１０−５０３５２号公報

したがって、従来の電池セルの電圧バランス制御装置では、電池セルのうちで最も低い電圧値を示す電池セルに、他の電池セルの電圧値を合致させるように放電ループをオンにして抵抗を含む放電回路で前記他の電池セルを放電させる結果、不必要な電力消費が発生し、また不必要な電力消費が発生することによる電池温度の上昇と電池の劣化、出力の低下の増進が加速され、さらにバランス時間が長時間化するなどの課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、不必要な電力消費の発生を抑制し、これにより電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、組電池を構成する直列接続された複数の電池セルの電池電圧のバラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、それぞれの前記電池セルの電池電圧・放電容量特性を示す充放電特性情報を取得する特性情報取得手段と、前記特性情報取得手段によって取得された前記充放電特性情報を用いて、劣化度合いの異なる複数の前記電池セル間の前記電圧が前記高充電状態において一致するようにそれぞれの前記電池セルに対する前記充放電量を決定し、それぞれの前記電池セルに対する前記充放電量を制御して前記高充電状態において前記電池セル間の電圧バランスを確立させる電圧バランス制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、充放電特性情報を用いて充放電量を制御して高充電状態における電池セル間の電圧バランスを確立するので、従来技術にかかる電圧バランス制御をおこなう場合と比較して、不必要な電力消費の発生を抑制し、これにより電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮させることができる。また、請求項１記載の発明によれば、それぞれの電池セルの充放電特性情報を用いてそれぞれの電池セルに対する充放電量を制御するので、電池セルの充電状態がどのような状態であっても電圧バランス制御を開始することができる。また、請求項１記載の発明によれば、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧が高充電状態において一致するようにそれぞれの電池セルに対する充放電量を決定し、それぞれの電池セルに対する充放電量を制御するので、より精度よく電池セル間の電圧バランスを確立することができる。

請求項２記載の発明によれば、電池セルの蓄電量が少ない低充電状態において充放電量を決定し、制御を開始するので、低充電状態から高充電状態へと充電している間に電圧バランスを確立させることができ、高充電状態で制御を開始するのと比較して短時間で電圧バランスを確立させることができる。また、低充電状態では、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧差が大きいのでより精度よく電圧バランスを確立させることができる。

請求項３記載の発明によれば、電池セルから放電された電流を他の電池セルに供給することによって、他の電池セルを充電するので、電圧バランスの制御に必要な電力を低減させることができ、より効率的に電池セル間の電圧バランスを確立させることができる。

請求項４記載の発明によれば、電池セルの放電と他の電池セルの充電とを同時におこなうので、電圧バランスの制御を短時間におこなうことができる。

請求項５記載の発明によれば、イグニッションスイッチがオフ状態となってからあらかじめ定められた一定期間の経過をもとに判定する電池セル安定状態判定手段を備えるので、電池セルが安定した状態で電池セルの状態を判断することができ、より精度よく電池セル間の電圧バランスを確立することができる。

本発明の第１の実施の形態である電池セルの電圧バランス制御装置１００の構成を示すブロック図である。 図１に示したセル制御ユニット６，７，８，９の構成を示す回路図である。 充放電特性マップＭＰの一例を示す説明図である。 制御部１３２による電圧バランス制御の概要を示す説明図である。 電圧バランス制御装置１００の動作を示すフローチャートである。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である電池セルの電圧バランス制御装置１００の構成を示すブロック図である。
この実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置１００では、複数の電池セル１，２，３，４が直列接続されて１つの組電池を構成している。
また、組電池を構成する複数の電池セル１，２，３，４のそれぞれに対し電圧をモニタし、また、電池セル１，２，３，４のセル充電電流とセル放電電流を制御するセル制御ユニット６，７，８，９と、電池セル１，２，３，４から構成された組電池を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ機能を備えた充電用電源１０と、セル制御ユニット６，７，８，９においてモニタされたモニタ電圧値、セル充電電流、セル放電電流をもとに電池セル１，２，３，４の充電を制御するＥＣＵ１１とを備えている。

ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。ＥＣＵ１１は、複数の電池セル１，２，３，４から例えば電気自動車の電動モータへ供給される電力を制御する制御ＥＣＵであり、各種データを受信し、受信したデータを解析し、各種指令を送信する。

さらに、ＥＣＵ１１は、充放電特性情報の一例である充放電特性マップＭＰを保存するとともに、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することによって、選択部（特性情報取得手段）１３１、制御部（電圧バランス制御手段）１３２、判定部（電池セル安定状態判定手段）１３３を実現する。

充放電特性マップＭＰは、電池セルの充放電特性、電池セルの劣化に伴う充放電特性の変化（電池電圧・放電容量特性）をマップデータとして保存している。図３は、充放電特性マップＭＰの一例を示す説明図である。図３の縦軸は電池電圧（Ｖ）、横軸は電池放電容量（Ａｈ）を示している。また、図３において、符号１１１は劣化していない正常な電池セル（容量５０Ａｈ）の充放電特性マップを示す。また、符号１１２は、劣化が進んだ電池セル（容量約３２Ａｈ）の充放電特性マップを示しており、電池電圧が３．４ボルトを下回ると急激に下降する充放電特性を示している。

また、図３において、符号１１３は、符号１１１で示した充放電特性を有する電池セルの正極側端子と負極側端子とを放電回路で接続し放電させて、電池電圧を低下させた場合の充放電特性を示している。図３に示すように、所定の状態にある電池セルを放電させると、充放電特性マップが左方向に平行移動する。反対に、この電池セルを充電すると、充放電特性マップが右方向に平行移動する。

充放電特性マップＭＰは、図３に図示したものの他、電池セルの劣化度合いに応じて、複数の充放電特性を記録している。具体的には、たとえば、０．２Ａｈきざみで電池放電容量が低下した電池セルの充放電特性マップを記録している。このように、様々な状態の充放電特性マップを記録することによって、任意の劣化状態にある電池セルの充放電特性を把握することができる。

図１の説明に戻り、選択部１３１は、充放電特性マップＭＰ内の複数の充放電特性マップの中から、複数の電池セル１，２，３，４のそれぞれに対応する充放電特性マップを選択する。すなわち、特性情報取得手段は、選択部１３１によって充放電特性マップＭＰ内からそれぞれの電池セルの電池電圧・放電容量特性を示す充放電特性マップを選択する（読み出す）ことによって、充放電特性マップを取得する。選択部１３１は、周知の技術であるＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）測定法を利用して電池セルの容量を測定し、そのとき電池セルの電池電圧から、当該電池セルに対応する充放電特性マップを選択する。

制御部１３２は、選択部１３１によって選択（取得）された充放電特性マップを用いてそれぞれの電池セルに対する充放電量を制御して、電池セルの蓄電量が満充電に近い高充電状態において電池セル間の電圧バランスを確立させる。より詳細には、制御部１３２は、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧が高充電状態において一致するようにそれぞれの電池セルに対する充放電量を決定し、それぞれの電池セルに対する充放電量を制御する。

制御部１３２は、充電完了時において劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧が一致するように充放電特性マップの移動量、すなわち、各電池セルの充放電量を決める。図４は、制御部１３２による電圧バランス制御の概要を示す説明図である。図４の縦軸および横軸は、図３と同様に、それぞれ電池電圧（Ｖ）および電池放電容量（Ａｈ）を示している。また、図４において、符号１１１は劣化していない正常な電池セル（容量５０Ａｈ）符号１１２は劣化が進んだ電池セル（容量約３２Ａｈ）の充放電特性マップを示している。

これらのような劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧を、充電完了時を含む高充電状態（たとえば、符号Ｈで示すＳＯＣ８０％以上の範囲）において一致させるには、符号１１１で示す正常な電池セルを充電して、充放電特性マップを右方向にシフトさせ符号１１４の位置にするとともに、符号１１２で示す劣化が進んだ電池セルから放電させて、充放電特性マップを左方向にシフトさせ符号１１５の位置にすればよい。これにより、高容量状態の劣化電池セルの電池電圧と劣化していない電池セルの電池電圧とが合致した状態になる。この状態で劣化電池セルを含む組電池を充電すると、組電池の劣化電池セルと劣化していない電池セルとをともにＳＯＣ１００％まで充電可能である。

制御部１３２では、図４に示すような充放電特性の移動量を各電池セルの充放電量に変換して、充電完了時において劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧が一致するように各電池セルの充放電量を決める。

図１の説明に戻り、判定部１３３は、電池セルの安定した状態を、イグニッションスイッチがオフ状態となってからあらかじめ定められた一定期間の経過をもとに判定する。制御部１３２は、判定部１３３によって電池セルが安定したと判定された後に前記電圧バランスを確立させる。このように、電池セルが安定した状態で電池セルの充電状態や電圧を判断することで、より精度よく電池セルの状態を把握することができ、電圧バランスの精度を向上させることができる。

図２は、図１に示したセル制御ユニット６，７，８，９の構成を示す回路図である。図２においてセル制御ユニット６は、スイッチ回路６１，６４、負荷抵抗回路６２、セル電圧モニタ６３、サブバッテリ１２１を備えている。なお、図２では、便宜上スイッチ回路６１，７１，８１，９１，６４，７４，８４，９４，１０１）、負荷抵抗回路（６２，７２，８２，９２）、電流計（６５，７５，８５，９５）とＥＣＵ１１との接続の図示を省略している。

スイッチ回路６１，６４は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。負荷抵抗回路６２は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。セル電圧モニタ６３は、電池セル１の正極側出力端子と負極側出力端子とへパラレルに接続されており、電池セル１の電池電圧を検出する。セル電圧モニタ６３により検出された電池セル１の電池電圧はＥＣＵ１１へ出力される。

スイッチ回路６１と負荷抵抗回路６２とは直列に接続され電池セル１のセル放電回路を構成し、スイッチ回路６１の負荷抵抗回路６２と接続されていない他方の端子は電池セル１の正極側出力端子へ接続され、また、負荷抵抗回路６２のスイッチ回路６１と接続されていない他方の端子は電池セル１の負極側出力端子へ接続されている。

サブバッテリ１２１は、電池セル１を充電可能する。サブバッテリ１２１の正極側出力端子はスイッチ回路６４を介して電池セル１の正極側出力端子と接続され、サブバッテリ１２１の負極側出力端子は電池セル１の負極側出力端子と接続されている。スイッチ回路６４を閉成することでサブバッテリ１２１により電池セル１を充電する。なお、サブバッテリ１２１により電池セル１を充電する時の電圧は、電池セル１の電池電圧より大きい。

以下、セル制御ユニット７，８，９は、それらに接続される電池セルが電池セル２，３，４である点以外は、セル制御ユニット６と同様の構成であるため、重複する説明は省略する。なお、セル制御ユニット７，８，９におけるスイッチ回路、負荷抵抗回路、セル電圧モニタを符号を変えて区別した。具体的には、スイッチ回路７１，８１，９１，７４，８４，９４、負荷抵抗回路７２，８２，９２、セル電圧モニタ７３，８３，９３、サブバッテリ１２２，１２３，１２４とした。

また、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２とは直列接続され、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は充電用電源１０に直列に接続されている。そして、充電用電源１０の正極側出力端子がスイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路を介して、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池の正極側出力端子へ接続され、また充電用電源１０の負極側出力端子が前記組電池の負極側出力端子へ接続されている。スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池に対し充電用電源１０により充電をおこなう充電回路を構成している。

スイッチ回路１０１は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。また、電流制限回路１０２は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。

また、各電池セル１，２，３，４には電流計６５，７５，８５，９５がそれぞれ接続されており、各電池セル１，２，３，４に対する充放電量（電流量）を測定する。電流計６５，７５，８５，９５で測定された電流量は、ＥＣＵ１１へと出力される。

つぎに、電圧バランス制御装置１００の動作について説明する。
図５は、電圧バランス制御装置１００の動作を示すフローチャートである。この動作は、図５に示すフローチャートをＥＣＵ１１が実行することで実現される。まず、判定部１３３は、イグニッションスイッチをオフにした状態で一定時間が経過したことを判定する（ステップＳ１）。イグニッションスイッチをオフにした状態では、各電池セルは負荷との接続は遮断されている。また、一定時間の経過は、イグニッションスイッチをオフにした状態から電池セルの状態が安定した状態に落ち着くまでの経過時間に対応している。

一定時間が経過すると、選択部１３１は、各電池セルの電池電圧およびＳＯＣを検出する（ステップＳ２）。選択部１３１は、電池セル１の電池電圧をセル電圧モニタ６３によって、電池セル２の電池電圧をセル電圧モニタ７３によって、電池セル３の電池電圧をセル電圧モニタ８３によって、電池セル４の電池電圧をセル電圧モニタ９３によって、それぞれ検出するとともに、周知のＳＯＣ測定方法により各電池セルの容量を測定する。

つぎに、選択部１３１は、ステップＳ２で検出した電池電圧およびＳＯＣを用いて、充放電特性マップＭＰから。それぞれの電池セル１，２，３，４に対応する充放電特性マップを選択する（ステップＳ３）。つづいて、制御部１３２は、充電完了時において劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧が一致するように充放電特性マップの移動量、すなわち、各電池セルの充放電量を決定する（ステップＳ４）。そして、制御部１３２は、ステップＳ４で決定した充放電量に基づいて充放電制御をおこなって（ステップＳ５）、本フローチャートの処理を終了する。

なお、本実施の形態では、電圧バランス制御装置１００によって電圧バランス制御をおこなうタイムミングは限定しないが、たとえば、図４の符号Ｌに示すような電池セルの蓄電量が少ない低充電状態（たとえば、ＳＯＣ３０％以下）において制御を開始してもよい。低充電状態では、高充電状態と比較して、劣化度合いが異なる電池セル間の電圧差が大きくなるので、より精度よく制御をおこなうことができ、同じ量のＳＯＣ差であれば、より短い時間でＳＯＣの差分を解消することができる。たとえば、セル電圧モニタの精度が１０ｍＶ程度のバラツキを判定するのは誤差が大きく難しいが、１００ｍＶ程度のバラツキであれば十分に判定できることによる。この精度向上は、特に組電池の電池セル数の多い場合に有効である。

また、低充電状態から電圧バランス制御を開始すれば、低充電状態から高充電状態へと充電している間に電圧バランスを確立させることができ、高充電状態から電圧バランス制御を開始するのと比較して短時間で電圧バランスを確立させることができる。

また、電圧バランス制御装置１００は、各電池セルに対して、それぞれ充電または放電を同時におこなうので、ある電池セルから放電された電流を他の電池セルに供給することによって、他の電池セルを充電することも可能である。これにより、電圧バランスの制御に必要な電力を低減させることができ、より効率的に電池セル間の電圧バランスを確立させることができる。

以上説明したように、実施の形態にかかる電圧バランス制御装置１００によれば、電圧バランスをとるのに必要な充放電量を決めて、どのような電圧状態においても電圧バランス制御をおこなうことができる。通常の電圧バランサーでは満充電のとき以外は１回では電圧バラツキが解消しないのに対して、電圧バランス制御装置１００では、充放電量を決めて制御をおこなうので、どのような電圧状態においても１回の処理で完了し、効率よく電圧バランスを制御することができる。

より詳細には、電圧バランス制御装置１００によれば、充放電特性マップを用いて充放電量を制御して高充電状態における電池セル間の電圧バランスを確立するので、従来技術にかかる電圧バランス制御をおこなう場合と比較して、不必要な電力消費の発生を抑制し、これにより電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮させることができる。また、電圧バランス制御装置１００によれば、それぞれの電池セルの充放電特性マップを用いてそれぞれの電池セルに対する充放電量を制御するので、電池セルの充電状態がどのような状態であっても電圧バランス制御を開始することができる。

また、電圧バランス制御装置１００によれば、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧が高充電状態において一致するようにそれぞれの電池セルに対する充放電量を決定し、それぞれの電池セルに対する充放電量を制御するので、より精度よく電池セル間の電圧バランスを確立することができる。また、電圧バランス制御装置１００によれば、電池セルの蓄電量が少ない低充電状態において充放電量を決定し、制御を開始するので、低充電状態から高充電状態へと充電している間に電圧バランスを確立させることができ、高充電状態で制御を開始するのと比較して短時間で電圧バランスを確立させることができる。また、低充電状態では、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電圧差が大きいのでより精度よく電圧バランスを確立させることができる。

１，２，３，４……電池セル、５……負荷、６，７，８，９……セル制御ユニット、１０……充電用電源、１１……ＥＣＵ（特性情報取得手段、電圧バランス制御手段、電池セル安定状態判定手段）、１００……電圧バランス制御装置、ＭＰ……充放電特性マップ、１３１……選択部（特性情報取得手段）、１３２……制御部（電圧バランス制御手段）、１３３……判定部（電池セル安定状態判定手段）。

Claims (5)

1. 組電池を構成する直列接続された複数の電池セルの電池電圧のバラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、
   それぞれの前記電池セルの電池電圧・放電容量特性を示す充放電特性情報を取得する特性情報取得手段と、
   前記特性情報取得手段によって取得された前記充放電特性情報を用いて、劣化度合いの異なる複数の前記電池セル間の前記電圧が前記高充電状態において一致するようにそれぞれの前記電池セルに対する前記充放電量を決定し、それぞれの前記電池セルに対する前記充放電量を制御して前記高充電状態において前記電池セル間の電圧バランスを確立させる電圧バランス制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電池セルの電圧バランス制御装置。
2. 前記電圧バランス制御手段は、前記電池セルの蓄電量が少ない低充電状態において前記充放電量を決定し、前記制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の電圧バランス制御装置。
3. 前記電圧バランス制御手段は、前記電池セルから放電された電流を他の前記電池セルに供給することによって、前記他の電池セルを充電することを特徴とする請求項２に記載の電圧バランス制御装置。
4. 前記電圧バランス制御手段は、前記電池セルの放電と前記他の電池セルの充電とを同時におこなうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電圧バランス制御装置。
5. 前記電池セルの安定した状態を、イグニッションスイッチがオフ状態となってからあらかじめ定められた一定期間の経過をもとに判定する電池セル安定状態判定手段を備え、
   前記電圧バランス制御手段は、前記電池セル安定状態判定手段によって前記電池セルが安定したと判定された後に前記電圧バランスを確立させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電圧バランス制御装置。

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