JP2013188100A

JP2013188100A - 組電池の充放電制御装置

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Publication number: JP2013188100A
Application number: JP2012054095A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Umetani; 龍彦梅谷; Ichiro Tanaka; 一郎田中
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP5880162B2

Abstract

【課題】各電池セルの性能バラつきを低減させ、組電池全体としての電池性能を向上させること。
【解決手段】充放電制御装置１００は、複数の電池セル１，２，３，４が直列接続されて構成される組電池の充放電を制御する。決定手段１３２は、電池セルの使用限界値に所定の余裕値を含めた値を充放電制御電圧値とする。余裕値は組電池の履歴情報に基づいて決定される。履歴情報とは、組電池の使用開始後における電池容量または満充電時における電圧値の変化履歴や、組電池の使用期間における電池温度の履歴情報、組電池の保存期間における電池温度および保存期間における電池セルの残存電力量の履歴情報などである。
【選択図】図７

Description

本発明は、複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池の充放電制御装置に関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）やハイブリット電気自動車（ＨＥＶ）などの電動車では、動力源となる電力を蓄電するために、複数の電池セルを直列に接続した組電池が使用されている。たとえば、下記特許文献１では、複数の単電池（電池セル）の容量の均等化を図る均等化回路と、各単電池の容量が均等化された状態から、均等化回路を用いて各単電池を同じ量だけ放電した後に測定した各単電池の電圧が低いほど満充電容量が低下した単電池であると判定したり、組電池に大電流を流した時に測定した各単電池の電圧が高いほど単電池の内部抵抗値が上昇した単電池であると判定したりするＣＰＵとを含んだ組電池を構成する単電池の異常検出装置が開示されている。

特開２００３−２８２１５６号公報

組電池を構成する電池セルには、製造工程における製造バラつきや経年劣化等による容量バラつきがある。従来技術にかかる充放電制御では、充電容量は電池容量が最大の電池セルに合わせて決定し、放電容量は電池容量が最小の電池セルに合わせて決定している。このため、組電池全体としての性能は、バラつきの下限品（最も性能が悪い電池セル）に制限される、すなわち、組電池全体としてその性能を最大限利用することができないという問題点がある。

図１０は、従来技術にかかる充電制御の概要を模式的に示す説明図である。図１０は複数の電池セル（セルＡ〜セルＥ）のそれぞれの電池電圧を示し、（ａ）は充電時、（ｂ）は放電時の制御を示す。各電池セルの使用電圧範囲を１．０Ｖ〜３．０Ｖとすると、図１０（ａ）に示す充電時には、セルＡ〜セルＥのうち最も電圧が高いセルＢが使用上限電圧（３．０Ｖ）となった時点で充電を終了させる。このため、他のセルは空き容量があるにもかかわらず充電をおこなうことができない。また、図１０（ｂ）に示す放電時には、最も電圧が低いセルＡが使用下限電圧（１．０Ｖ）となった時点で放電を終了させる。このため、他のセルは空き容量があるにもかかわらず放電をおこなうことができない。

図１１は、図１０に示す従来技術にかかる方法で充電した電池セルの充放電カーブである。図１１の（ａ）は充電カーブ、（ｂ）は放電カーブを示し、それぞれ縦軸は電池電圧、横軸は時間である。図１１に示すように、充電時および放電時のいずれにおいても電圧差が大きく、制御が困難になるとともに、各セルの電池容量をフルに活用することができない。このように、従来技術にかかる充放電制御では、セル数が多く各セルの性能バラつき（たとえば製造バラツキや経年劣化バラつき）も大きい組電池において、電池性能を十分に活用することができない。

本発明は、上述した従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、複数の電池セルによって構成される組電池において、各電池セルの性能バラつきを低減させ、組電池全体として電池性能を向上させることができる充放電制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる組電池の充放電制御装置は、複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池の充放電制御装置であって、前記組電池の履歴情報を取得する履歴情報取得手段と、前記履歴取得手段によって取得された前記履歴情報を用いて、前記組電池の充放電制御値を決定する決定手段と、前記決定手段によって決定された前記充放電制御値に基づいて、前記組電池の充放電を制御する制御手段と、を備え、前記決定手段は、前記組電池の使用限界値に前記履歴情報に基づく所定の余裕値を含めた値を前記充放電制御値とすることを特徴とする。

本発明によれば、組電池の履歴情報を用いて決定した所定の余裕値を含めた値を充放電制御電圧値とするので、して組電池の充放電を制御するとともに、充電時には最小電圧電池セル、放電時には最大電圧電池セルを基準として制御をおこなうので、どのような状態の電池セルに対しても適当な充放電制御をおこなうことができ、各電池セルの性能バラつきを低減させ、組電池全体として電池性能を向上させることができる。

実施の形態にかかる充放電制御装置１００の構成を示すブロック図である。決定手段１３２によって決定される充放電制御電圧値の概要を示す説明図である。電池特性の変化に伴う余裕値の設定変更の一例を示すグラフである。電池温度と電池特性の変化との関係を示すグラフである。温度に依存する加算値の一例を示すグラフである。組電池の保存期間と電池特性の変化との関係を示すグラフである。制御手段１３３による充放電制御の概要を示す説明図である。充放電制御装置１００を用いて充電した電池セルの充電カーブである。充放電制御装置１００の動作を示すフローチャートである。従来技術にかかる充電制御の概要を模式的に示す説明図である。従来技術にかかる方法で充電した電池セルの充放電カーブである。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる組電池の充放電制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる充放電制御装置１００の構成を示すブロック図である。実施の形態の電池セルの充放電制御装置１００では、複数の電池セル１，２，３，４が直列接続された組電池の充放電を制御する。充放電制御装置１００は、電池セル１，２，３，４のそれぞれの電圧をモニタする電圧計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、電池セル１，２，３，４のそれぞれの電流をモニタする電流計２１，２２，２３，２４と、電池セル１，２，３，４の充放電を制御するＢＭＵ１１とを備えている。また、図示しないがそれぞれの電池セル１，２，３，４には温度センサが設けられおり、温度センサによる検出値はＢＭＵ１１に出力される。

ＢＭＵ１１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。ＢＭＵ１１は、複数の電池セル１，２，３，４からたとえば電動車の電動モータへ供給される電力を制御する制御ＢＭＵ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、ＢＭＵ１１は、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することによって、履歴情報取得手段１３１、決定手段１３２、制御手段１３３を実現する。

履歴情報取得手段１３１は、組電池の履歴情報を取得する。履歴情報とは、たとえば、組電池の使用開始後における電池容量または満充電時における電圧値の変化履歴や、組電池の使用期間における電池温度の履歴情報、組電池の保存期間における電池温度および保存期間における電池セルの残存電力量の履歴情報などである。履歴情報取得手段１３１は上述した温度センサの検出値を取得・保存することによって電池温度の履歴情報を取得する。また、履歴情報取得手段１３１は、上述した電流計や電圧計の検出値から電池セルの残存電力量を推定し、残存電力量の履歴情報を取得する。

決定手段１３２は、履歴情報取得手段１３１によって取得された履歴情報を用いて、組電池の充放電制御値を決定する。このとき、決定手段１３２は、電池セルの使用限界値から所定の余裕値を含めた値を充放電制御値とする。充放電制御値とは、たとえば、充電時における上限電圧値（充電時上限電圧値）および放電時における下限電圧値（放電時下限電圧値）である。以下、充電時上限電圧値および放電時下限電圧値を合わせて充放電制御電圧値という。たとえば、充放電制御値として充放電制御電圧値を決定する場合、決定手段１３２は、組電池の使用限界電圧から所定の余裕値を含めた電圧値を充放電制御電圧値とする。

図２は、決定手段１３２によって決定される充放電制御電圧値の概要を示す説明図である。図２の縦軸は電池電圧、横軸は電池容量を示す。電池セルの使用電圧範囲（使用限界電圧）が１．０Ｖ〜３．０Ｖとすると、図２中点線で示す従来技術にかかる充放電制御では、充電時上限電圧を２．７Ｖ、放電時下限電圧を１．０Ｖ、すなわち、使用限界電圧そのものとしていた。

一方、一点破線で示す本実施の形態にかかる充放電制御装置１００（決定手段１３２）では、使用限界電圧から所定の余裕値を含めた値を充電時上限電圧値および放電時下限電圧値とする。たとえば、図２の例では、充電時上限電圧値を２．９Ｖ（余裕値０．１Ｖ）、放電時下限電圧を１．１Ｖ（余裕値０．１Ｖ）とする。このような余裕値を設けるのは、後述する制御手段１３３における制御が従来技術にかかる充放電制御と異なるためである。

つづいて、決定手段１３２による余裕値の決定方法について説明する。電池セルは、使用開始からの経過期間によって経年劣化が生じ、その性能が変化する。さらに、経年劣化には使用（充放電サイクル）をくり返すことによる使用劣化と、単に保存をしていただけでも生じる保存劣化とがある。決定手段１３２では、このような電池セルの劣化を考慮して、その時々における電池セルの性能を最大限発揮できるような余裕値を設定する。具体的には、決定手段は、電池セルの性能変化に基づくベース余裕値を決定するとともに、使用時の温度および保存劣化を考慮した加算値をベース余裕値に加算することによって、余裕値を決定する。

図３は、電池特性の変化に伴う余裕値の設定変更の一例を示すグラフである。図３において、（ａ）は経年期間による電池特性の変化を示し、縦軸は容量維持率または満充電時における電圧値、横軸は経年日数である。また、（ｂ）は電池特性の変化に対応する余裕値の設定例を示し、縦軸は余裕値（初期の余裕値Ｐとする）、横軸は経年日数である。

図３（ａ）に示すように、組電池には、使用開始後一度電池特性が向上した後に劣化していくタイプ（タイプＡ）、使用開始直後から一定の割合で劣化していくタイプ（タイプＢ）、使用開始直後に急激に劣化した後は劣化度合いが緩慢になるタイプ（タイプＣ）、使用開始後しばらくは劣化せずに後から劣化するタイプ（タイプＤ）など、様々なタイプがある。このため、決定手段１３２は、電池セルの使用開始からの経年日数と、容量維持率または満充電時の電池電圧値とを用いて、電池セルの劣化状態を推定し、劣化状態に合わせてベース余裕値を図３（ｂ）のように設定する。

なお、組電池がどのような特性変化（電池容量の変化または満充電時における電圧値の変化）をするか、すなわち図３（ａ）のタイプＡ〜Ｄのいずれのタイプであるかは、たとえば、電池セルの使用開始後から電池容量または満充電時における電圧値を記録して予測してもよいし、あらかじめ組電池の特性変化を予測したテーブルをあらかじめ記録しておき、経年日数に基づいて当該テーブルから特性変化の予測値を読み出してもよい。

つづいて、組電池の電池温度と劣化との関係について説明する。
図４は、電池温度と電池特性の変化との関係を示すグラフである。図４は、所定の温度条件の下組電池を使用した場合の電池特性の変化を示し、（ａ）は容量維持率、（ｂ）は内部抵抗の増加率を示す。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、容量維持率および内部抵抗のいずれにおいても、高温状態であるほど組電池の劣化が進むことがわかる。このため、決定手段１３２は、図５で示すよう温度に依存する加算値をベース余裕値に加算する。

図５は、温度に依存する加算値の一例を示すグラフであり、縦軸はベース余裕値への加算値、横軸は温度を示す。図５に示すように、決定手段１３２は、温度（たとえば、電池の使用期間中における平均電池温度）が所定温度以上である場合には、温度に比例する加算値をベース余裕値に加えるようにする。なお、電池温度は、たとえば各電池セルに温度センサを設けて測定して平均温度を算出してもよいし、所定数の電池セルで構成されるユニットごと、または組電池全体で１つの温度センサを設けて測定してもよい。

また、図６は、組電池の保存期間と電池特性の変化との関係（保存期間特性）を示すグラフである。図６は、所定の条件の下組電池を保存した場合の電池特性の変化を示し、（ａ）は容量維持率、（ｂ）は内部抵抗の増加率を示す。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、容量維持率および内部抵抗のいずれにおいても、高温状態であるほど電池セルの劣化が進むことがわかる。また、保存期間特性は、電池セルの充電率（ＳＯＣ）にも関連し、充電率が高い状態で保存するほど組電池の劣化が進むことがわかる。このため、決定手段１３２は、組電池が使用されずに保存されている場合は、保存中の電池温度および充電率（ＳＯＣ）に依存する加算値を設けてベース余裕値に加算する。この加算値は、保存中の電池温度および充電率（ＳＯＣ）に比例して大きくなるように設定される。

図１の説明に戻り、制御手段１３３は、決定手段１３２によって決定された充放電制御電圧値に基づいて、組電池の充放電を制御する。具体的には、充放電制御値が充放電電圧値である場合、制御手段１３３は、充電時には複数の電池セルのうち最も電圧が低い最小電圧電池セルが充放電制御電圧値（充電時上限電圧）で示される状態となった場合に充電を停止し、放電時には複数の電池セルのうち最も電圧が高い最大電圧電池セルが充放電制御電圧値（放電時下限電圧）で示される状態となった場合に放電を停止する。

図７は、制御手段１３３による充放電制御の概要を示す説明図である。図７は複数の電池セル（セルＡ〜セルＥ）のそれぞれの電池電圧を示し、（ａ）は充電時、（ｂ）は放電時の制御を示す。図７（ａ）については、決定手段１３２によって使用上限電圧が２．９Ｖ（余裕値Ｘ１＝０．１Ｖ）と決定されている。また、図７（ｂ）については、決定手段１３２によって使用下限電圧が１．１Ｖ（余裕値Ｘ２＝０．１Ｖ）と決定されている。

制御手段１３３は、図７（ａ）に示す充電時には、複数の電池セルのうち最も電圧が低いセルＡ（最小電圧電池セル）が使用上限電圧である２．９Ｖとなった場合に充電を停止する。また、図７（ｂ）に示す放電時には、複数の電池セルのうち最も電圧が高いセルＢ（最大電圧電池セル）が使用下限電圧である１．１Ｖとなった場合に放電を停止する。これにより、すべてのセルにおいて無効領域が縮小し、使用可能領域を増加させることができる。なお、制御手段１３３は、充電時および放電時のいずれにおいても、他の電池セルの電圧を監視して、危険電圧とならないように制御をおこなう。

このように、使用限界電圧から所定の余裕値を持たせて使用電圧範囲を設定することによって、理論上のモジュール容量は小さくなるものの、電池セルの電圧のバラつきが小さくなって制御がおこない易くなる、充放電効率（放電容量／充電容量）が高くなる、出力のバラつきが小さくなる、特定の電池セルが劣化した場合でも組電池全体の性能の低下につながりにくい、電池セルが劣化しにくくなる、などの利点がある。

なお、図７では、上限側の余裕値（Ｘ１）と下限側の余裕値（Ｘ２）とを同一の値としたが、これに限らず、上限側の余裕値と下限側の余裕値とを異なる値としてもよい。上限側の余裕値と下限側の余裕値とを異なる値とする場合、組電池の履歴情報に基づいて、それぞれの値や配分を決定してもよい。

図８は、充放電制御装置１００を用いて充電した電池セルの充電カーブである。図８において、縦軸は電池電圧、横軸は時間を示す。図８に示すように、各電池セルの電圧差が小さくなり、制御がおこないない易くなるともに、各電池セルの電池容量をフルに活用することができる。

つぎに、充放電制御装置１００の動作について説明する。
図９は、充放電制御装置１００の動作を示すフローチャートである。この動作は、図９に示すフローチャートをＢＭＵ１１が実行することで実現される。充放電制御装置１００の決定手段１３２は、組電池を使用開始してからの経過期間情報を取得して（ステップＳ９０１）、組電池の劣化状態を推定する（ステップＳ９０２）。すなわち、電池セルが図３（ａ）のどの状態にあるかを推定する。そして、推定した劣化状態に基づいて、図３（ｂ）のように対応する加算値を選択して、ベース余裕値を決定する（ステップＳ９０３）。

つぎに、決定手段１３２は、組電池が使用されているか否かを判断し（ステップＳ９０４）、使用されている場合には（ステップＳ９０４：Ｙｅｓ）、電池温度情報を取得して（ステップＳ９０５）、電池温度に依存する加算値をベース余裕値に加算する（ステップＳ９０６）。一方、使用されていない場合には（ステップＳ９０６：Ｎｏ）、電池温度情報および充電率（ＳＯＣ）情報を取得して（ステップＳ９０７）、電池温度および充電率（ＳＯＣ）に依存するベース加算値を余裕値に加算する（ステップＳ９０８）。

そして、決定手段１３２は、決定した余裕値に基づいて充放電制御値を決定する（ステップＳ９０９）。制御手段１３３は、ステップＳ９０９で決定された充放電制御値に基づいて組電池の充放電制御をおこなって（ステップＳ１０１３）、本フローチャートによる処理を終了する。

以上説明したように、実施の形態にかかる充放電制御装置１００によれば、組電池の履歴情報に基づいて充放電制御値の余裕値を決定し、当該充放電制御値を用いて組電池の充放電を制御する。これにより、どのような状態の電池セルに対しても適当な充放電制御をおこなうことができ、各電池セルの性能バラつきを低減させ、組電池全体として電池性能を向上させることができる。

充放電制御装置１００のように、使用限界電圧から所定の余裕値を持たせて使用電圧範囲を設定することによって、理論上のモジュール容量は小さくなるものの、電池セルの電圧のバラつきが小さくなって制御がおこない易くなる、充放電効率（放電容量／充電容量）が高くなる、出力のバラつきが小さくなる、特定の電池セルが劣化した場合でも組電池全体の性能の低下につながりにくい、電池セルが劣化しにくくなる、などの利点がある。

なお、本実施の形態では、組電池全体の履歴情報を取得して、これに基づいて余裕値を決定するものとしたが、これに限らず、たとえば、個々の電池セルごと（またはいくつかの電池セルの組であるセルモジュールごと）に履歴情報を取得して、余裕値を設定してもよい。この場合、たとえば、個々の電池セルごと（またはセルモジュールごと）に余裕値の候補値を算出し、このうち最も大きい値、すなわち、最も容量が小さい電池セル（セルモジュール）の履歴情報に基づく余裕値を組電池全体の余裕値とする。すなわち、決定手段１３２は、複数の電池セルのうち最も容量が小さい電池セルの履歴情報に基づく余裕値を用いて、充放電制御値を決定する。

１，２，３，４……電池セル、６，７，８，９……電圧計、１０……充電用電源、１１……ＢＭＵ、２１，２２，２３，２４……電流計、１００……充放電制御装置、１３１……履歴情報取得手段、１３２……決定手段……１３３……制御手段。

Claims

複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池の充放電制御装置であって、
前記組電池の履歴情報を取得する履歴情報取得手段と、
前記履歴取得手段によって取得された前記履歴情報を用いて、前記組電池の充放電制御値を決定する決定手段と、
前記決定手段によって決定された前記充放電制御値に基づいて、前記組電池の充放電を制御する制御手段と、を備え、
前記決定手段は、前記組電池の使用限界値に前記履歴情報に基づく所定の余裕値を含めた値を前記充放電制御値とすることを特徴とする組電池の充放電制御装置。
前記履歴情報取得手段は、前記組電池の使用開始後における電池容量または満充電時における電圧値の変化履歴を取得し、
前記決定手段は、前記電池容量または前記満充電時における電圧値の変化履歴に基づいて前記余裕値を決定することを特徴とする請求項１に記載の組電池の充放電制御装置。
前記履歴情報取得手段は、前記組電池の使用期間における電池温度の履歴情報を取得し、
前記決定手段は、前記電池温度の履歴情報に基づいて前記余裕値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の組電池の充放電制御装置。
前記履歴情報取得手段は、前記組電池の保存期間における電池温度および前記保存期間における残存電力量の履歴情報を取得し、
前記決定手段は、前記保存期間における前記電池温度と前記残存電力量とに基づいて前記余裕値を決定することを特徴とする請求項３に記載の組電池の充放電制御装置。
前記履歴情報取得手段は、複数の前記電池セルのそれぞれの前記履歴情報を取得し、
前記決定手段は、複数の前記電池セルのうち最も容量が小さい前記電池セルの前記履歴情報に基づく前記余裕値を用いて、前記充放電制御値を決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の組電池の充放電制御装置。
前記決定手段は、前記充放電制御値として充電時における上限電圧値および放電時における下限電圧値を決定し、
前記制御手段は、充電時には複数の前記電池セルのうち最も電圧が低い最小電圧電池セルの電圧が前記上限電圧値で示される状態となった場合に充電を停止し、放電時には複数の前記電池セルのうち最も電圧が高い最大電圧電池セルが前記下限電圧値で示される状態となった場合に放電を停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の充放電制御装置。