JP2013179766A - 放電方式の電池管理システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電方式の電池管理システム及びその方法を提供する。
【解決手段】モニタユニットによって、複数の電池セルを監視し、いずれの電池セルの電位、電流及び温度が変化したとき、制御ユニットによって、隔離式の複数のエネルギー貯蔵ユニットを制御し、バッテリパックを充電すると共に、相対的に高電位の少なくとも一つの電池セルを放電させ、バッテリパック全体の電位の均等化を取り、装置のエネルギー変換効率を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は電気エネルギー変換調整回路技術に関し、特に制御ユニットによって、放電スイッチを制御し、独立のエネルギー貯蔵ユニットを介して、同時に少なくとも一つの高電位の電池セルを放電させ、各電池セルの電位を均等化する放電方式の電池管理システム及びその方法に関する。

現在、電気自動車またはハイブリッドカーなどグリーン交通器具は、リチウムイオン電池を繰り返し充放電に対応する運動エネルギーのバッテリパックとして大量に使用されている。さらに、一つのリチウムイオン電池セルは一般として、電圧が３〜４ボルトに低いため、電気自動車またはハイブリッドカーなどに要求された１００ボルト以上の駆動電圧はるかに及ばない。よって、運動エネルギーに供給するバッテリパックは、複数のリチウムイオン電池セルを直列接続して仕上げる必要がある。
しかし、常識からいうと、各電池セルは特性上、もともと微妙な違いが存在している。例えば内部抵抗の違いに加えて、充放電時に貯蔵及び出力できる電気エネルギーが異なっていて、その後、繰り返し充放電が複数回行った後、各電池セルに電位差を形成し、各電池セルの電圧の不均衡を引き起して、電気エネルギーの性能と効率が低下する。仮に、電池セルの電位が高すぎると、電気の劣化を加速するかまたは焼損する。逆に、電位が低すぎるときは、電池セルが劣化し破損する恐れがある。

前述問題を解決するため、公知技術はバイパス抵抗器（Ｂｙｐａｓｓ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）を高い電気エネルギーの電池セルに並列接続する方式で余分な電気エネルギーを消費することによって、各電池セルの電位を均等化させる。しかし、この種の受動式による電池の均等化は、抵抗器が電気を消費して熱を形成するため、電池セルの温度上昇によって、寿命を短縮し、エネルギー変換効率が低下するほか、拡張が難しい。

公知技術の問題について、本発明の目的は、放電方式の電池管理システム及びその方法を提供する。モニタユニットによって、複数電池セルの電位、電流及び温度を監視するとともに、モニタユニットによって電池セルの電位のバランス状態を照合する。そのうち、少なくとも一つの電池セルが相対的高電位のとき、モニタユニットより放電信号を制御ユニットに出力される。制御ユニットが前記充電信号を受信したとき、ただちに対応の第１スイッチを導通させ、対応の電池セルが充電すると同時に、電気エネルギーを対応のエネルギー貯蔵ユニットの第２コイル放出する。第２コイルと対応の第１コイルとの相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイルに伝送した後、対応のエネルギー貯蔵ユニットに貯蔵しておき、システムにフィードバックする。このように、隔離式のエネルギー貯蔵ユニットを介して、電池セルを同時または単独に放電し各電池セルの電位を均等化することによって、バッテリパックの変換効率を向上させ、電池セルの劣化を遅延する効果を達成できる。

さらに、本発明の放電方式の電池管理システム及びその方法は過充電によるバッテリパックの損傷を避けるため、モニタユニットよりバッテリパックの過大な充電電流または電気一エネルギーの飽和を検出し停電信号を制御ユニットに出力されたとき、制御ユニットを介して、電源と、制御ユニットと、エネルギー貯蔵ユニットの間に結合された第２スイッチをオフにし、電源の供給を中止する。

電池セルの過放電による電池セルの劣化を避けるため、本発明の放電方式の電池管理システム及びその方法は、モニタユニットが電池セルの電位が低すぎることを検出し、異常信号を制御ユニットに出力させ、制御ユニットが放電抑止ユニットを介して、バッテリパックの放電を停止する。
さらに、バッテリパックの電気貯蔵効率を向上するため、各第１コイルは第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、エネルギー貯蔵ユニットが同期して、電流と電圧を整流した上、電池セルに充電する。

本発明の好ましい実施例１の電気回路態様図である。 本発明の好ましい実施例２の電気回路態様図である。 本発明の好ましい実施例のフロー図である。

本発明の内容のさらなる理解を図るため、下記の説明に図式を組み合わせて説明する。

図１と図２の本発明の好ましい実施例の第１実施態様と第２実施態様の電気回路図を参照する。図に示すように、バッテリパック４の複数電池セル４０に充電及び監視する放電式の電池管理システム３は、複数のエネルギー貯蔵ユニット３０と、一つのモニタユニット３１と、制御ユニット３２と、第２スイッチ３３と放電抑止ユニット３４と、を備える。エネルギー貯蔵ユニット３０は、第１コイル３０１と、磁気コア３０２と、第２コイル３０３と、を有する。各第１コイル３０１は、磁気コア３０２を介して、第２コイル３０３に結合され、各第２コイル３０３は、第１スイッチ３０４を介して電池セル４０に結合される。モニタユニット３１は電池セル４０と、制御ユニット３２に接続されている。
制御ユニット３２は第１スイッチ３０４に結合され、かつ待機時の電気消費を節約するため、通常は待機状態に置き、モニタユニット３１が異常を検出し信号を出力したときのみ起動される。第２スイッチ３３は電源と、エネルギー貯蔵ユニット３０と、制御ユニット３２との間に結合され、放電抑止ユニット３４は、制御ユニット３２とバッテリパック４に結合されている。

制御ユニット３２によって、電池セル４０の電位、電流及び温度を監視し、電池セル４０の温度が高すぎないか、電流が高すぎないか、または電位が低すぎないか、放電電流を出力できる状態かを検出する。適合値にある場合は、制御ユニット３２によって、電池セル４０の放電機能を起動させ、そうでない場合は、放電機能を停止させる。引き続き、バッテリパック４の充電電流が大きすぎるあるいは温度が高すぎるとき、モニタユニット３１がバッテリパック４０の電位状態が飽和状態になっているかを照合する。そのうち一つの電池セル４０_-1が貯蔵した電気エネルギーが最大の電気エネルギー値、例えば３．６５ボルトを超えたときは、電気休止信号及び放電信号を制御ユニット３２に出力し、制御ユニット３２によって、第２スイッチ３３をオフにし、入力端の異常エラーによって、過充電またはバッテリパック４の焼損を防止する。
同時に、制御ユニット３２によって第１スイッチ３０４−１を導通し、対応の電池セル４０_-1が充電すると同時に余分な電気エネルギーを対応の第２コイル３０３_-1に出力させ、第２コイル３０３と第１コイル３０１との相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイル３０１_-1に伝送して、対応のエネルギー貯蔵ユニット３０_-1に一時貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。特に注意すべきことは、第２スイッチ３３は、低消費電力、かつ２００アンペア異常の稼働電流に堪えられる電子スイッチを使用しており、システムのオン・オフ瞬間の火花によって電気回路の焼損を防止でき、かつ、全負荷ときの合計電気消費が５０ワット以下であり、省電力に貢献し環境保護の要求に適合できる。

これに対して、３．６５ボルトを超える電池セル４０がないとき、モニタユニット３１はさらに、各電池セル４０の電位の誤差が所定の誤差値、例えば０．０５ボルトより小さいかを確認する。そうであれば、再び電池セル４０が充電中または放電中であることを確認して、電池セル４０の監視を継続するかまたは監視作業を終了して待機状態に入る。もし、各電池セル４０の電位の差がプラスマイナス０．０５ボルトを超えたときは、放電信号を制御ユニット３２に発信し、対応の第１スイッチ３０４−２、３０４−ｎを起動させ、バッテリパック４の電位平均値を上回る２つの電池セル４０−２、４０−ｎを対応の２つのコイル３０３−２、３０３−ｎに放出した後、対応の２つの第１コイル３０１_-2、３０１_-nを介して、放出された電気エネルギーを対応の２つのエネルギー貯蔵ユニット３０_-2、３０_-nに一時貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。
このように、電気エネルギーの浪費はなく、かつ電池セル４０間の電位を素早く均等化でき、バッテリパック４の充電効率を向上させ、大電流の場合は、例えば電池セル４０を３８４ボルトに直列接続して、高電圧バッテリパック４の充放電設備の主動電位の均等化システムを形成する。

さらに、モニタユニット３１によって、電池セル４０の電位が低すぎることを検出されたとき、異常信号を制御ユニット３２に出力し、制御ユニット３２が放電抑止ユニット３４を介して、バッテリパック４の放電を中止し電池セル４０の過度な放電による劣化や損傷を避ける。このように、放電式の電池管理システム３はモニタユニット３１と、第２スイッチ３３と、放電抑止ユニット３４によって、バッテリパック４に完全な保護を提供できる。

さらに、各第１コイル３０１は、例えばダイオードを非同期整流器として、充電電流のフィルタリング及び整流と同時に、充電周期の調節ができる。または、さらに各第２コイル３０１を酸化金属半導体電界効果トランジスターの第３スイッチ３０５に直列接続した後、同期整流器３５に結合して置き、第３スイッチ３０１を導通されたとき、エネルギー貯蔵ユニット３０は電源電圧を同期に整流した上、電池セル４０に充電し、電気エネルギーの変換効率を７０％以上に向上させることができる。

図３の本考案の好ましい実施例のフロー図を参照する。図に示すように、放電式の電池の管理方法は、前述放電式の電池管理システム３によって管理し、電池セル４０の電位を均等化する稼働方式である。主に以下のステップを含める。

まず、バッテリパック４の充電作業を開始する。ステップＳ１において、モニタユニット３１によって、電池セル４０の電位、電流及び温度を監視し、ステップＳ１０に進み、電池セル４０ハ放電電流を出力できる状態にあるかを確認する。出力可能な場合は、ステップＳ１１に進み、制御ユニット３２を介して放電機能を起動する。そうでない場合は、ステップＳ１２に進み、放電機能を停止する。

引き続き、ステップＳ２に進み、モニタユニット３１によって、電池セル４０の電位状態を照合して、電池セル４０の貯蔵された電気エネルギーが最大の電気エネルギー値を上回るかを確認し、上回っていれば、ステップＳ２０に進み、そうでない場合は、ステップＳ３を実行する。

ステップＳ２０において、電気休止信号を制御ユニット元３２に出力し、第２スイッチ３３をオフにし電源入力を中止すると同時に、放電信号を制御ユニット３２に出力して、対応の第１スイッチ３０４を導通させ、電池セル４０の余分な電気エネルギーを対応の第２コイル３０３に放出する。引き続きステップＳ２１において、第２コイル３０３と第１コイル３０１の相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイル３０１に伝送して、対応のエネルギー貯蔵ユニット３０に一時貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。

ステップＳ３において、モニタユニット３１がさらに各電池セル４０の電位差が所定の誤差値より小さいかを確認する。そうであれば、ステップＳ４に進み、そうでない場合は、ステップＳ３０に進む。放電信号を制御ユニット３２に発信し、対応の第１スイッチ３０４を導通させ、バッテリパック４の電位平均値を上回る少なくとも一つの電池セル４０が充電すると同時に電気エネルギーを対応の第２コイル３０３放出するとともに、対応の第１コイル３０１を介して放出された電気エネルギーを対応のエネルギー貯蔵ユニット３０に貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。

ステップＳ４において、電池セル４０の充電または放電状態を再度確認する。そうであれば、電池セル４０の監視を続ける。そうでない場合は、監視作業を終了して待機状態に入る。

３：放電式の電池管理システム
３０：エネルギー貯蔵ユニット
３０１：第１コイル
３０２：磁気コア
３０３：第２コイル
３０４：第１スイッチ
３０５：第３スイッチ
３１：モニタユニット
３２：制御ユニット
３３：第２スイッチ
３４：放電抑止ユニット
３５：同期整流器
４：バッテリパック
４０：複数の電池セル
Ｓ１〜Ｓ４：ステップ

Claims (5)

1. 電源を利用してバッテリパックに備える複数の電池セルの充電を監視し、かつ独立充電の方式により、各前記電池セルの電気エネルギー貯蔵量を均等化させる放電式の電池管理システムであって、
   電源とバッテリパックに結合され、第１コイルと、磁気コアと、第２コイルと、を有する、各前記第１コイルは、前記磁気コアを介して前記第２コイルに結合され、前記第２コイルは前記第１スイッチを介して、前記電池セルに直列接続する、複数のエネルギー貯蔵ユニットと、
   複数の前記電池セルに電気接続され、前記電池セルの電位、電流及び温度を監視すると共に、前記電池セルの電位の均等化状態を照合し、少なくとも一つの前記電池セルが低い電位を示されたときに放電信号を出力する、モニタユニットと、
   エネルギー貯蔵ユニットと、前記モニタユニットに結合され、放電信号を受信し、対応の第１スイッチを導通することによって、対応の電池セルが充電すると同時に電気エネルギーを対応の第２コイルに放出し、前記第２コイルと前記第１コイルの相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイルに伝送した後、対応のエネルギー貯蔵ユニットに貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる制御ユニットと、を備える、
   放電方式の電池管理システム。
2. 電源と、前記エネルギー貯蔵ユニットと、前記制御ユニットに結合される第２スイッチをさらに有する、前記モニタユニットによって、前記バッテリパックの充電電流が大きすぎるや電位が飽和に達しているか、または温度が高すぎることが検出されたときに、電気休止信号を前記制御ユニットに出力させ、前記制御ユニットによって、前記第２スイッチをオフにし、電源供給を中止することを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理システム。
3. 前記制御ユニットと、前記バッテリパックに結合する放電抑止ユニットをさらに有し、前記モニタユニットによって、前記電池セルの電位状態が低すぎることを検出されたときに、異常信号を前記制御ユニットに出力し、前記制御ユニットが前記放電抑止ユニットを介して、前記バッテリパックへの放電を中止することを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理システム。
4. 前記第１コイルが第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、前記エネルギー貯蔵ユニットが同期して、電流及び電圧を整流し前記電池セルに充電できることを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理システム。
5. 請求項１記載の放電方式の電池管理システムにおいて、電源によって、バッテリパックの複数の電池セルに充電し、かつ独立に放電する方式によって、各前記電池セルに貯蔵された電気エネルギーを均等化させる稼働方式の放電方式の電池管理方法であって、
   電池セルの電位、電流及び温度を監視するステップと、
   前記電池セルの電位の均等化状態を照合するステップと、
   前記電池セルのうち、少なくとも一つが比較的高電位を示されたとき、モニタユニットより放電信号を制御ユニットに出力するステップと、
   前記制御ユニットが放電信号を受信した後、ただちに前記第１スイッチを導通するステップと、
   対応の前記電池セルが充電すると同時に、電気エネルギーを対応の前記第２コイルに放出し、前記第２コイルと前記第１コイルとの相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイルに伝送して、対応の前記エネルギー貯蔵ユニットに貯蔵して置き、システムにフィードバックさせるステップと、を備える、
   放電方式の電池管理方法。

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