JP2013192389A - Discharge control system and discharge control method for battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、二次電池を複数直列に接続した組電池の放電を制御する、組電池の放電制御システムおよび放電制御方法に関する。 The present invention relates to an assembled battery discharge control system and a discharge control method for controlling discharge of an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series.
二次電池として、リチウムイオン二次電池(リチウムイオンセル)や鉛蓄電池が知られている。例えば、リチウムイオンセルは、エネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有し、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。ここで、使用目的に応じた電圧を得るために、リチウムイオンセル(以下単に「セル」という)を複数直列に接続してリチウムイオン組電池(以下単に「組電池」という)を構成し、使用する場合がある。このようにして組電池として使用する場合、充電は組電池全体に対して行われ、各セルの充電電圧を制御することができないため、直列セル間(同一組電池内のセル間)において充電電圧のバラツキが生じ、電圧が高いセル、すなわちSOC(充電状態:State Of Charge)が高いセルと、電圧が低いセル、すなわち、SOCが低いセルとが混在してしまう。また、セルの製造上のバラツキや、運用時の設置環境などによっても、直列セル間において劣化状態にバラツキが生じて、SOCの上限値に差が生じてしまうことがある。 As secondary batteries, lithium ion secondary batteries (lithium ion cells) and lead acid batteries are known. For example, lithium ion cells have advantages such as high energy density and low self-discharge amount, and are widely used as automobile storage batteries, storage batteries for electric / electronic devices, and the like. Here, in order to obtain a voltage according to the purpose of use, a plurality of lithium ion cells (hereinafter simply referred to as “cells”) are connected in series to form a lithium ion assembled battery (hereinafter simply referred to as “assembled battery”). There is a case. When used as an assembled battery in this way, charging is performed on the entire assembled battery, and the charging voltage of each cell cannot be controlled, so the charging voltage between series cells (between cells in the same assembled battery) Variation, a cell having a high voltage, that is, a cell having a high SOC (state of charge) and a cell having a low voltage, that is, a cell having a low SOC are mixed. In addition, due to variations in manufacturing of the cells, installation environment during operation, etc., the deterioration state may vary between the series cells, and the upper limit value of the SOC may be different.
また、セルによって構成された組電池では、組電池を構成するセルが1セルでも放電終止電圧に到達した場合には、安全性を維持するために組電池全体の放電を停止する必要がある。具体的には、例えば図8に示すように、セル210を複数接続して構成された組電池220の放電時には、コントローラ230が各セル210のセル電圧を監視しており、セル電圧が所定電圧より低いセル210がある場合は、スイッチ240をオフ(開)状態として、組電池220からの放電を停止するように制御している。
Moreover, in the assembled battery comprised by the cell, when the cell which comprises an assembled battery reaches even a discharge end voltage, it is necessary to stop discharge of the whole assembled battery in order to maintain safety | security. Specifically, for example, as shown in FIG. 8, at the time of discharging a
このために、放電時は、SOCの低いセルが他のセルより早く放電終止電圧に到達することで、組電池全体が放電を停止する。すなわち、SOCの低いセルがボトルネックになり、他のセルは放電可能であるにも関わらず組電池全体が放電を停止してしまうので、組電池の放電容量が低下する。このようにバラツキが生じたセルの使用を放置すると、組電池の放電容量が低下してしまい非効率となり、エネルギーの利用が非効率になるという問題がある。 For this reason, at the time of discharge, the cell with low SOC reaches the discharge end voltage earlier than the other cells, so that the entire assembled battery stops discharging. That is, a cell with a low SOC becomes a bottleneck, and the entire battery pack stops discharging even though other cells can be discharged, so the discharge capacity of the battery pack decreases. If the use of the cells with such variations is left unattended, there is a problem that the discharge capacity of the assembled battery is lowered and becomes inefficient, and the use of energy becomes inefficient.
こうした問題は、多数のセル(約100個)を接続して構成される高電圧直流(HVDC:High Voltage Direct Current)や無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)などにおいて特に顕著となる。 Such a problem is particularly noticeable in a high voltage direct current (HVDC) configured by connecting a large number of cells (about 100), an uninterruptible power supply (UPS), and the like.
上記の問題を解決するために、電圧にバラツキを有する組電池の充電に際し、例えば、組電池の充電を安全に行うと共に組電池の軽量化に応えるリチウムイオン二次電池の組電池および組電池の充電方法に関する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この技術では、複数個の単セルが直列に接続されて構成された組電池に、負荷に放電する放電線内にスイッチを設置するとともに、組電池内の各セルの電圧をモニタし、セルの電圧に応じて前記のスイッチを開閉する制御信号を送出する機能を有する電池監視制御部を設け、各セルの正・負極端子に接続された充電用配線により充電を各セルごとに独立に行う、というものである。 In order to solve the above problems, when charging an assembled battery having a variation in voltage, for example, an assembled battery of a lithium ion secondary battery and an assembled battery that can safely charge the assembled battery and reduce the weight of the assembled battery. A technique related to a charging method is known (for example, see Patent Document 1). In this technology, a switch is installed in a discharge line that discharges to a load in an assembled battery configured by connecting a plurality of single cells in series, and the voltage of each cell in the assembled battery is monitored. A battery monitoring control unit having a function of sending a control signal for opening and closing the switch according to the voltage is provided, and charging is performed independently for each cell by the charging wiring connected to the positive and negative terminals of each cell. That's it.
しかし、特許文献1の技術では、各セルごとに充電することにより各セルを満充電状態(SOCの上限値)まで均一に充電することはできるものの、セルの製造上のバラツキや、運用時の設置環境の差などによって、直列セル間において劣化状態にバラツキが生じて、SOCの上限値に差が生じてしまう。そのために、放電時は、劣化が進行したセルのSOCが他よりも早く枯渇することよって、組電池全体の放電容量が制約を受け、エネルギーの利用が非効率となる。 However, in the technique of Patent Document 1, although each cell can be charged uniformly to the fully charged state (upper limit value of SOC) by charging each cell, there are variations in manufacturing of the cell, Due to differences in installation environment, etc., the degradation state varies among the series cells, and a difference occurs in the upper limit value of the SOC. For this reason, at the time of discharging, the SOC of the cell whose deterioration has progressed is depleted earlier than the others, so that the discharge capacity of the entire assembled battery is restricted and the use of energy becomes inefficient.
そこでこの発明は、複数のセルを直列接続した組電池として使用する場合に、充電電圧のバラツキに起因するSOCのバラツキを解消するとともに、組電池内のセルに劣化状態(SOCの上限値)にバラツキが生じた場合であっても、劣化が進行したセルによる組電池全体の放電容量の低下を回避して、組電池をより効率よく放電することを可能にする組電池の放電制御システムおよび放電制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention eliminates the variation in SOC caused by the variation in charging voltage when using a plurality of cells in series as an assembled battery, and causes the cells in the assembled battery to be in a deteriorated state (upper limit value of SOC). Even when variation occurs, the battery pack discharge control system and the discharge enable to discharge the battery pack more efficiently by avoiding a decrease in the discharge capacity of the battery pack as a whole due to the progress of deterioration. An object is to provide a control method.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する、組電池の放電制御システムであって、前記各二次電池の電圧を監視する監視手段と、前記各二次電池に配設され、前記二次電池の電圧を個別に降圧可能な降圧手段と、前記各二次電池の電圧に基づいて前記各降圧手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、一部の二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧が降圧されるように前記降圧手段を制御する、ことを特徴とする組電池の放電制御システムである。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is an assembled battery discharge control system for controlling discharge of an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series, wherein each of the secondary batteries Monitoring means for monitoring the voltage; voltage reducing means disposed in each secondary battery and capable of individually lowering the voltage of the secondary battery; and controlling each voltage reducing means based on the voltage of each secondary battery And a control unit configured to reduce the voltage of the part of the secondary batteries when the voltage of the part of the secondary batteries is lower than the first predetermined voltage. The battery pack discharge control system is characterized by controlling the means.
この発明によれば、制御手段によって、一部の二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧が降圧するように降圧手段が制御される。 According to the present invention, when the voltage of some of the secondary batteries is lower than the first predetermined voltage, the step-down means is controlled by the control means so as to step down the voltage of the some secondary batteries. .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の組電池の充電制御システムにおいて、前記制御手段は、前記他の二次電池の電圧が、前記一部の二次電池の電圧よりも低い場合に、前記他の二次電池の電圧を降圧するように前記降圧手段を制御する、ことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the assembled battery charge control system according to the first aspect, the control means is configured such that the voltage of the other secondary battery is lower than the voltage of the partial secondary battery. In this case, the step-down means is controlled to step down the voltage of the other secondary battery.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2のいずれか1項に記載の組電池の放電制御システムにおいて、前記第1の所定電圧は、前記二次電池の放電末期状態で電圧低下が早くなる電圧領域において、放電終止電圧以上の値に設定されている、ことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the battery pack discharge control system according to the first or second aspect, the first predetermined voltage is a voltage drop in a final discharge state of the secondary battery. It is characterized in that it is set to a value equal to or higher than the discharge end voltage in the early voltage range.
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の組電池の充電制御システムにおいて、前記制御手段は、少なくともいずれか1つの前記二次電池の電圧が、放電終止電圧よりも低い場合に、すべての二次電池の電圧の降圧を停止するように前記降圧手段を制御し、前記降圧手段の出力を切り離す、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the assembled battery charge control system according to any one of the first to third aspects, the control means is configured such that the voltage of at least one of the secondary batteries is the end of discharge. When the voltage is lower than the voltage, the step-down unit is controlled so as to stop the step-down of the voltage of all the secondary batteries, and the output of the step-down unit is disconnected.
請求項5に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する、組電池の放電制御方法であって、前記二次電池の電圧を個別に降圧可能な降圧手段を前記各二次電池に配設し、前記各二次電池の電圧を監視し、一部の前記二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧が降圧されるように前記降圧手段を制御する、ことを特徴とする組電池の放電制御方法である。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の組電池の充電制御方法において、前記他の二次電池の電圧が、前記一部の二次電池の電圧よりも低い場合に、前記他の二次電池の電圧を降圧するように前記降圧手段を制御する、ことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the battery pack charging control method according to the fifth aspect, when the voltage of the other secondary battery is lower than the voltage of the partial secondary battery, The step-down means is controlled to step down the voltage of the secondary battery.
請求項7に記載の発明は、請求項5または6のいずれか1項に記載の組電池の放電制御方法において、前記第1の所定電圧を、前記二次電池の放電末期状態で電圧低下が早くなる電圧領域において、放電終止電圧以上の値に設定する、ことを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the battery pack discharge control method according to any one of the fifth and sixth aspects, wherein the first predetermined voltage is reduced in the final discharge state of the secondary battery. In the early voltage range, it is set to a value equal to or higher than the discharge end voltage.
請求項8に記載の発明は、請求項4または5のいずれか1項に記載の組電池の充電制御方法において、前記少なくともいずれか1つの前記二次電池の電圧が、放電終止電圧よりも低い場合に、すべての二次電池の電圧の降圧を停止するように前記降圧手段を制御し、前記降圧手段の出力を切り離す、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項1または5に記載の発明によれば、負荷は定電力であるので、一部の二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧を降圧することによって、他の二次電池の放電電流が該一部の二次電池の放電電流よりも相対的に大きくなる。これにより、一部の二次電池の放電電流が減少し、一部の二次電池の電圧降下が緩やかになる。したがって、放電終止電圧に到達するまでの時間が長くなるので、組電池全体が放電終止電圧に到達するまでの時間をも長くすることができる。このため、電圧が低い一部の二次電池の放電が抑制されたり、電圧が高い他の二次電池の放電が促進されて電圧が適正値まで降下したり、各二次電池の電圧のバラツキが収束したりして、各二次電池をより適正に放電することが可能となる。この結果、充電電圧のバラツキに起因するSOCのバラツキを解消するとともに、組電池内のセルに劣化状態(SOCの上限値)のバラツキが生じた場合であっても、劣化が進行したセルによる組電池全体の放電容量の低下を回避して、組電池をより効率よく放電することが可能となる。 According to the first or fifth aspect of the present invention, since the load is constant power, when the voltage of some of the secondary batteries is lower than the first predetermined voltage, the voltage of the some of the secondary batteries By reducing the voltage, the discharge currents of the other secondary batteries become relatively larger than the discharge currents of the partial secondary batteries. Thereby, the discharge current of some secondary batteries decreases, and the voltage drop of some secondary batteries becomes gentle. Therefore, since the time until the discharge end voltage is reached is increased, the time until the entire assembled battery reaches the discharge end voltage can also be increased. For this reason, the discharge of some secondary batteries with a low voltage is suppressed, the discharge of other secondary batteries with a high voltage is promoted, the voltage drops to an appropriate value, or the voltage of each secondary battery varies. Or the secondary battery can be discharged more appropriately. As a result, the variation in the SOC due to the variation in the charging voltage is eliminated, and even if the variation in the deterioration state (the upper limit value of the SOC) occurs in the cells in the assembled battery, the combination of the cells in which the deterioration has progressed. A reduction in the discharge capacity of the entire battery can be avoided, and the assembled battery can be discharged more efficiently.
請求項2または6に記載の発明によれば、他の二次電池の電圧が、一部の二次電池の電圧よりも低い場合に、他の二次電池の電圧を降圧するので、電圧のバラツキが解消されたタイミングで他の二次電池の電圧の降圧を停止することができる。したがって、電圧のバラツキが解消されて電圧が低くなった他の二次電池は、放電電流を大きくした状態で放電させる必要がないため、降圧により放電電流を抑制することが可能となり、組電池全体が放電終止電圧に到達するまでの時間を長くすることができる。また、無駄な放電電流が削減されて経済的となる。この結果、他の二次電池の電圧を降圧して電圧のバラツキを解消する場合であっても、電圧のバラツキが解消されると降圧を停止することで、組電池をより効率よく放電することが可能となる。 According to the invention of claim 2 or 6, when the voltage of the other secondary battery is lower than the voltage of some of the secondary batteries, the voltage of the other secondary battery is stepped down. The voltage step-down of the other secondary battery can be stopped at the timing when the variation is eliminated. Therefore, since it is not necessary to discharge other secondary batteries whose voltage variation has been reduced by eliminating the voltage variation, it is possible to suppress the discharge current by stepping down, and the entire assembled battery can be suppressed. It is possible to lengthen the time until the discharge end voltage is reached. Moreover, useless discharge current is reduced, which is economical. As a result, even when the voltage of another secondary battery is stepped down to eliminate the voltage variation, the battery pack can be discharged more efficiently by stopping the step-down when the voltage variation is resolved. Is possible.
請求項3または7に記載の発明によれば、第1の所定電圧が、二次電池の放電末期状態で電圧低下が早くなる電圧領域に設定されているので、SOCの差が電圧の差となって明確に現れる放電末期の電圧を検知することによりSOCの調整を容易に行うことができる。
According to the invention described in
請求項4または8に記載の発明によれば、いずれか1つの二次電池の電圧が放電終止電圧となった場合に、すべての二次電池の電圧の降圧を停止し、前記降圧手段の出力を切り離す、すなわち、組電池からの放電を停止させることができるので、二次電池の過放電による劣化を防止し、安全に保つことが可能となる。
According to the invention described in
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 The present invention will be described below based on the illustrated embodiments.
図1は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池の放電制御システム(以下、単に「放電制御システム」という)1を直流電源システムに適用した状態を示す概略構成図の一例である。この放電制御システム1は、単電池であるセル2が複数(例えば12セル)直列に接続された組電池20の放電を制御するシステムである。この実施の形態では、セル2は定格電圧3.7[V](満充電電圧4.1[V])であり、このセル2を12個直列接続して定格電圧48[V]の組電池20を構成している。
FIG. 1 is an example of a schematic configuration diagram showing a state in which a discharge control system (hereinafter simply referred to as “discharge control system”) 1 for a lithium ion battery pack according to an embodiment of the present invention is applied to a DC power supply system. The discharge control system 1 is a system that controls the discharge of a
ここで、交流直流変換器101と負荷設備102とは接続され、通常時においては、商用電源(図示略)からの電力が、交流直流変換器101で直流に変換されて、負荷設備102に供給されるようになっている。停電時などにおいては、組電池20から負荷設備102へ電力が供給されるようになっている。この実施の形態では、負荷設備102はQ[W]の定電力であるものとする。
Here, the AC /
この放電制御システム1は、主として、各セル2に設けられた降圧コンバータ(降圧手段)3および電圧計(監視手段)4と、コントローラ(制御手段)5とを備えている。また、各降圧コンバータ3と各電圧計4は、それぞれコントローラ5と通信(データ伝送)可能に接続されている。
The discharge control system 1 mainly includes a step-down converter (step-down means) 3 and a voltmeter (monitoring means) 4 provided in each cell 2 and a controller (control means) 5. Each step-down
降圧コンバータ3は、対応するセル2に並列に接続され、セル2の出力電圧を個別に降圧可能なDC/DCコンバータであり、後述するコントローラ5によって制御されるようになっている。降圧コンバータ3は、コントローラ5から降圧信号を受信すると、対応するセル2の出力電圧を降圧回路によって降圧して出力する。また、通常状態(コントローラ5から降圧信号を受信していない状態)では、該コンバータの入力と出力とが直結状態となって、降圧回路が動作しないようになっており、対応するセル2の出力電圧をそのまま出力する。さらに、充電状態においては、該コンバータの入力と出力とが直結状態となって、降圧回路が動作しないようになっている。
The step-down
電圧計4は、対応するセル2に並列に接続され、充電中や放電中に限らず常時、セル2の電圧を計測、監視し、計測結果をリアルタイムにコントローラ5に送信するものである。また、図示していないが、組電池20の総電圧や放電電流、および各セル2の温度を測定する測定器をそれぞれ備え、これらの測定器からの測定結果が、リアルタイムにコントローラ5に送信されるようになっている。
The voltmeter 4 is connected in parallel to the corresponding cell 2, and always measures and monitors the voltage of the cell 2, not only during charging or discharging, and transmits the measurement result to the
コントローラ5は、各電圧計4からの計測結果に基づいて、各降圧コンバータ3を制御する装置であり、図2に示す作用、動作が得られるように処理を行うものである。コントローラ5は、放電状態において、一部のセル2の出力電圧が第1の所定電圧V1よりも低い場合に、該セル2(一部のセル2)の出力電圧が降圧されるように降圧コンバータ3を制御する。これにより、降圧コンバータ3によって一部のセル2は、出力電圧が降圧されて降圧コンバータ3から出力される。一方、他のセル2は、出力電圧が降圧されずにそのまま降圧コンバータ3から出力される。ここで、第1の所定電圧V1は、この実施の形態では例えば3.2[V]とする。また、一部のセル2は1または複数である。
The
コントローラ5は、具体的には図2に示すように、まず、放電終止電圧VE未満のセル2が存在するか否か、すなわち、出力電圧(セル電圧)が放電終止電圧VE以下のセル2が存在するか否かを判断する(ステップS1)。この場合、組電池20は放電を停止する必要があるためである。ここで、放電終止電圧VEは、この実施の形態では例えば3.0[V]とする。そして、放電終止電圧VE未満のセル2が存在すると判断した場合(「YES」の場合)は、ステップS10に進む。放電終止電圧VE未満のセル2が存在していないと判断した場合(「NO」の場合)は、セル2の出力電圧が第1の所定電圧V1以下のセル2が存在するか否かを判断する(ステップS2)。
The
ステップS2において、第1の所定電圧V1以下のセル2が存在していないと判断した場合(「NO」の場合)は、ステップS3に進んで整流器101の出力が回復したか否か、すなわち、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断する(ステップS3)。整流器101の出力が回復したと判断した場合(「YES」の場合)は、このタスクの処理を終了する。整流器101の出力が回復していないと判断した場合(「NO」の場合)は、ステップS1に戻って処理を繰り返す。
When it is determined in step S2 that the cell 2 having the first predetermined voltage V1 or less does not exist (in the case of “NO”), the process proceeds to step S3, whether or not the output of the
ステップS2において、第1の所定電圧V1以下のセル2が存在すると判断した場合(「YES」の場合)は、ステップS4に進む。そして、第1の所定電圧V1以下のセル2の降圧コンバータ3が降圧動作するように制御する(ステップS4)。
If it is determined in step S2 that the cell 2 having the first predetermined voltage V1 or less exists ("YES"), the process proceeds to step S4. Then, the step-down
そして、降圧動作の開始条件を満たすか否かを判断する(ステップS5)。ここで、降圧動作の開始条件は、降圧されていないセル(他のセル)2のセル電圧が、降圧されているセル(一部のセル)2のセル電圧の最小値以下となった場合、この降圧されていないセル(他のセル)2を「降圧動作開始」と判断する。この場合、セル電圧が一部のセル2よりも低くなった他のセル2において、降圧を行わないとすると、他のセル2は放電電流が増加した状態が継続して、早く放電終止電圧に到達してしまうおそれがあるため、最小値以下となった時点で降圧を開始するものである。 Then, it is determined whether or not the step-down operation start condition is satisfied (step S5). Here, the start condition of the step-down operation is that the cell voltage of the cells (other cells) 2 that are not stepped down is equal to or less than the minimum value of the cell voltages of the cells that are stepped down (some cells) 2. It is determined that the cell (other cells) 2 that has not been stepped down is “step-down operation start”. In this case, if other cells 2 whose cell voltages are lower than some of the cells 2 are not stepped down, the other cells 2 continue to have an increased discharge current and quickly reach the discharge end voltage. Since there is a risk of reaching, the step-down is started when the value becomes the minimum value or less.
ステップS5において、降圧動作の開始条件を満たしていないと判断した場合(「NO」の場合)は、降圧動作の開始条件を満たすまで待機する。このとき、他のセル2は、依然として放電余力が高く、放電を促進するためである。また、このとき、放電終止電圧VE未満のセル2が存在するか否か、整流器101の出力が回復したか否かを常時判断しており、放電終止電圧VE未満のセル2が存在すると判断した場合はステップS10に進み、整流器101の出力が回復したと判断した場合は、ステップS8に進むようになっている。セル2の過放電を防ぎ、整流器101の回復時に充電を再開するためである。
If it is determined in step S5 that the step-down operation start condition is not satisfied (in the case of “NO”), the process waits until the step-down operation start condition is satisfied. At this time, the other cells 2 still have a high discharge surplus and promote discharge. At this time, whether the discharge end voltage V E less than the cell 2 exists, the output of the
ステップS5において、降圧動作の開始条件を満たすと判断した場合(「YES」の場合)は、他のセル2の中から対象のセル2、すなわち、一部のセル2のセル電圧の最小値以下となったセル2を検出し、このセル2の降圧動作を開始するように降圧コンバータ3を制御する(ステップS6)。
In step S5, when it is determined that the step-down operation start condition is satisfied (in the case of “YES”), the target cell 2 from among other cells 2, that is, the cell voltage of some cells 2 or less The detected cell 2 is detected, and the step-down
そして、整流器101の出力が回復したか否か、すなわち、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断する(ステップS7)。整流器101の出力が回復したと判断した場合(「YES」の場合)は、すべてのセル2の降圧コンバータ3の降圧動作を停止し「直結」とするように降圧コンバータ3を制御し(ステップS8)、このタスクの処理を終了する。整流器101の出力が回復していないと判断した場合(「NO」の場合)は、放電終止電圧VE未満のセル2が存在するか否かを判断する(ステップS9)。放電終止電圧VE未満のセル2が存在していないと判断した場合(「NO」の場合)は、ステップS5に戻って処理を繰り返す。放電終止電圧VE未満のセル2が存在すると判断した場合(「YES」の場合)は、すべてのセル2の降圧コンバータ3の降圧動作を停止し「出力切離」とする(ステップS10)。ここで、「出力切離」は、降圧コンバータ3の出力を切り離してもよいし、組電池20のスイッチ(例えば、図8に示す組電池220のスイッチ240に相当)を開状態としてもよい。
Then, it is determined whether or not the output of the
そして、整流器101の出力が回復したか否か、すなわち、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断する(ステップS11)。整流器101の出力が回復していないと判断した場合(「NO」の場合)は、整流器101の出力が回復するまで待機する。整流器101の出力が回復したと判断した場合(「YES」の場合)は、「出力切離」を解除し(ステップS12)、このタスクの処理を終了する。
Then, it is determined whether or not the output of the
このように処理することで、所定のセル2を降圧させて、電圧のバラツキが解消された場合には、降圧を停止する。ここで、降圧を所定時間行っても、電圧のバラツキが解消されない場合は、警報を出力するとともに放電を停止するように設定してもよい。ここで、警報の出力は、コントローラ5の警報ランプ(図示略)を点灯させたり、管理センタのコンピュータに通報したりすることで行う。また、所定時間は、降圧コンバータ3の異常やセル2の内部異常、セル2間の接続異常などのおそれがあると推定される時間であり、セル2の特性、容量などによって設定される。
By performing the processing in this manner, when the predetermined cell 2 is stepped down and the voltage variation is eliminated, the step-down is stopped. Here, if the voltage variation is not eliminated even after the voltage is lowered for a predetermined time, an alarm may be output and the discharge may be stopped. Here, the alarm is output by turning on an alarm lamp (not shown) of the
次に、このような構成の放電制御システム1の作用や、この放電制御システム1による放電制御方法などについて説明する。ここで、充電状態においては、各降圧コンバータ3の入力と出力とが直結状態となって、降圧回路が動作しないように制御されている。そして、停電などによって商用電源からの電力の供給が停止されると、組電池20から負荷設備102へ電力が供給されるとともに、放電制御システム1が起動される。
Next, an operation of the discharge control system 1 having such a configuration, a discharge control method by the discharge control system 1 and the like will be described. Here, in the charging state, the input and output of each step-down
まず、電圧計4によって各セル2の電圧が常時監視され、その計測結果がリアルタイムにコントローラ5に送信される。そして、各セル2の電圧に基づいて、上記のような制御が行われる。
First, the voltage of each cell 2 is constantly monitored by the voltmeter 4 and the measurement result is transmitted to the
具体的には例えば、まず、図3ないし図5に示すように、セル21〜212の中でセル21の電圧が第1の所定電圧V1(3.2[V])に低下した場合について説明する。 Specifically, for example, first, reduced to 3 to 5 as shown in the cell 2 1 voltage of the cell 2 1 in the ~ 2 12 a first predetermined voltage V 1 (3.2 [V]) The case will be described.
図3は、組電池20の充電時における降圧コンバータ3の降圧動作開始前(時刻t1前)を示している。このとき、セル21の出力電圧は3.2[V]であり、他のセル22〜212の出力電圧は3.5[V]であり、各降圧コンバータ31〜312はいずれも動作していないため、各セル21〜212の出力電圧がそのまま出力される。この場合、組電池20の総電圧は41.7[V]であり、放電電流はI1T[A]である。ここで、放電電流I1T[A]は、Q[W]÷41.7[V]で算出される。
Figure 3 shows the step-down operation before the start of the step-down
そして、コントローラ5によって、図5に示す時刻t1において、セル21の電圧が第1の所定電圧V1(3.2[V])よりも低いと判定され(ステップS2)、セル21の電圧が降圧されるように降圧コンバータ31が制御される(ステップS4)。具体的には、降圧コンバータ31に降圧信号が送信される。
Then, the
図4は降圧コンバータ3の降圧動作開始直後(時刻t1直後)を示している。このとき、他のセル22〜212は降圧コンバータ32〜312が動作されないため、出力電圧3.4[V]がそのまま出力される。一方、一部のセル21は出力電圧が3.3[V]であり、降圧コンバータ3によって降圧されて3.0[V]となる。ここで、セル21の電圧が降圧コンバータ3の降圧動作開始前より上昇しているのは、セル放電電流I21[A]が減少(I11<I21)しているためである。また、他のセル22〜212のセル放電電流I22〜I212[A]は、セル22〜212が直結であり降圧されていないので放電電流I2T[A]と等しくなる。すなわち、他のセル22〜212は、放電電流I2T[A]が増加することにより電圧がわずかに下降(3.4V)するが、降圧コンバータ3に直結であるため、放電電流I2T[A]と等しくなる。この場合、組電池20の総電圧は40.4[V]であり、放電電流I2T[A]は、Q[W]÷40.4[V]で算出される。さらに、一部のセル21のセル放電電流I21[A]は、セル電圧、出力電圧、放電電流から、3.0[V]×I2T[A]÷3.3[V]÷(降圧コンバータ3の効率)で算出され、降圧されているのでI21<I2nとなっている。
Figure 4 shows the immediately following step-down operation start of the step-down converter 3 (immediately after time t 1). At this time, since the step-down
その後、組電池20からの放電状態が継続している間においては、セル放電電流がI21<I2nであることから、セル21の放電が抑制されるとともに、他のセル22〜212の放電が促進される。その結果、セル21のセル放電電流I21よりも、他のセル22〜212のセル放電電流I2nが大となることで、セル21の放電が抑制されるとともに、他のセル22〜212の放電が促進される。これにより、セル21の電圧の降下が抑制されるとともに、他のセル22〜212の電圧の降下が促進されるので、各セル21〜212の電圧のバラツキが抑制される。
Thereafter, in a while the discharge state from the assembled
ここで、降圧コンバータ31の降圧動作時における各セル21〜212の電圧の変化を説明する。まず、図5に示すのは、降圧したセル21の電圧がセル22〜212の電圧よりも早く放電終止電圧VEに到達する場合である。この場合は、時刻t2において、セル21の電圧が放電終止電圧VE(3.0[V])に到達していると判定され(ステップS9)、セル21の電圧の降圧動作を停止して「出力切離」するように降圧コンバータ31が制御される(ステップS10)。そして、時刻t3において、整流器101の出力が回復し充電可能状態であると判定され(ステップS11)、「出力切離」が解除される(ステップS12)。
Here, explaining the changes of the cells 2 1 to 2 12 of the voltage in the step-down operation of the step-down converter 3 1. First, to indicate the 5, a case where step-down the cell 2 1 voltage reaches the early discharge end voltage V E than the voltage of the cell 2 2-2 12. In this case, at time t 2, the it is determined that the voltage of the cell 2 1 reaches the discharge end voltage V E (3.0 [V]) ( step S9), and the step-down operation of the cell 2 1
つぎに、図6および図7に示すのは、降圧コンバータ31の降圧動作時(時刻t1後)において、セル22の電圧が急激に降下してセル21の電圧以下となる場合である。この場合は、時刻t4において、セル22の電圧がセル21の電圧よりも低い、すなわち、電圧が逆転したと判定され(ステップS5)、セル22の電圧を「降圧」となるように降圧コンバータ32が制御される(ステップS6)。このとき、セル21の電圧は降圧が継続されている。そして、時刻t5において、セル21の電圧が放電終止電圧VEに到達していると判定され(ステップS9)、すべてのセル21〜212のうち降圧した電圧の降圧動作を停止して「出力切離」するように降圧コンバータ31〜312が制御される(ステップS10)。そして、時刻t6において、整流器101の出力が回復し充電可能状態であると判定され(ステップS11)、「出力切離」が解除される(ステップS12)。
Next, the 6 and 7, at the time of step-down operation of the step-down converter 3 1 (after time t 1), when the voltage of the cell 2 2 is the cell 2 1 voltage below with drops sharply is there. In this case At time t 4, the cell 2 2 voltage is lower than the voltage of the cell 2 1, i.e., it is determined that the voltage has reversed (step S5), and to the cell 2 2 voltage becomes "buck" buck converter 3 2 is controlled (step S6). At this time, the voltage of the cell 2 1 is continued step-down is. Then, at time t 5, the cells 2 1 voltage is determined to reach the discharge end voltage V E (step S9), and stops the step-down operation of the voltage step-down of all the cells 2 1 to 2 12 Thus, step-down
つづいて、セル21〜212の中で複数のセル211、212の電圧が第1の所定電圧V1に低下した場合について説明する。この場合は、コントローラ5によって、複数のセル2、セル211、212の電圧が第1の所定電圧V1よりも低いと判定され(ステップS2)、セル211、212の電圧が降圧されるように降圧コンバータ311、312が制御される(ステップS4)。この場合は、ステップS5において、降圧されていないセル21〜210のうち電圧が、降圧されているセル211、212の電圧の最小値以下となったセルが「降圧」と判断される。例えば、セル210の電圧が、セル211、212の電圧の最小値(セル212の電圧)以下と判定された場合は、セル210の電圧を「降圧」となるように降圧コンバータ310が制御される(ステップS6)。
Next, the case where the voltages of the plurality of cells 2 11 and 2 12 among the cells 2 1 to 2 12 are reduced to the first predetermined voltage V 1 will be described. In this case, the
以上のように、この放電制御システム1および放電制御方法によれば、負荷設備102は定電力(Q[W])であるので、一部のセル2の電圧が第1の所定電圧V1よりも低い場合に、一部のセル2の電圧が降圧されることによって、他のセル2の放電電流が一部のセル2の放電電流よりも相対的に大きくなる。これにより、一部のセル2の放電電流が減少し、一部のセル2の電圧降下が緩やかになる。したがって、放電終止電圧に到達するまでの時間を長くすることができるので、組電池20全体が放電終止電圧に到達するまでの時間をも長くすることができる。このため、電圧が低い一部のセル2の放電が抑制されたり、電圧が高い他のセル2の放電が促進されて電圧が適正値まで降下したり、各セル2の電圧のバラツキが収束したりして、各セル2をより適正に放電することが可能となる。この結果、劣化状態のバラツキに起因してSOCの上限値に差が生じたり、劣化状態(SOCの上限値)にバラツキが生じたりする場合であっても、劣化が進行したリチウムイオンセルによる組電池20全体の放電容量の低下を回避して、組電池20をより効率よく放電することが可能となる。つまり、バックアップ時間の延伸が可能となるので、組電池20の安定性、品質を向上することが可能である。
As described above, according to the discharge control system 1 and the discharge control method, since the
また、他のセル2の電圧が、一部のセル2の電圧よりも低い場合に、他のセル2の電圧を降圧するので、電圧のバラツキが解消されたタイミングで他のセル2の電圧の降圧を停止することができる。したがって、電圧のバラツキが解消されて電圧が低くなった他のセル2は、放電電流を大きくした状態で放電させる必要がないため、降圧により放電電流を抑制することが可能となり、組電池20全体が放電終止電圧に到達するまでの時間を長くすることができる。また、無駄な放電電流が削減されて経済的となる。この結果、他のセル2の電圧を降圧して電圧のバラツキを解消する場合であっても、電圧のバラツキが解消されると降圧を停止することで、組電池20をより効率よく放電することが可能となる。
In addition, when the voltages of other cells 2 are lower than the voltages of some of the cells 2, the voltages of the other cells 2 are stepped down. Therefore, the voltage of the other cells 2 is reduced at the timing when the voltage variation is eliminated. The step-down can be stopped. Therefore, since it is not necessary to discharge the other cells 2 in which the voltage variation is eliminated and the voltage is reduced, it is possible to suppress the discharge current by stepping down, and the assembled
また、第1の所定電圧V1が、セル2の放電末期状態で電圧低下が早くなる電圧領域に設定されているので、SOCの差が電圧の差となって明確に現れる放電末期の電圧を検知することによりSOCの調整を容易に行うことができる。 In addition, since the first predetermined voltage V1 is set in a voltage region in which the voltage drop is early in the end-of-discharge state of the cell 2, the end-of-discharge voltage that clearly shows the difference in SOC as the voltage difference is detected. By doing so, the SOC can be adjusted easily.
さらに、いずれか1つのセル2の電圧が放電終止電圧となった場合に、すべての他のセル2の電圧の降圧を停止し、降圧コンバータ3の出力を切り離す、すなわち、組電池20からの放電を停止させることができるので、二次電池の過放電による劣化を防止し、安全に保つことが可能となる。
Further, when the voltage of any one of the cells 2 becomes the discharge end voltage, the voltage step-down of all the other cells 2 is stopped and the output of the step-down
さらにまた、他のセル2の放電電流を増加させた状態の放電を所定時間行っても、セル2の異常電圧や、各セル2間の電圧の異常なバラツキなどが解消されない場合には、警報が出力されて放電が停止されるため、迅速かつ適正な対応が可能となる。すなわち、このような場合には、セル2に内部短絡や接続不良などの異常が存在するおそれがあり、警報出力や放電停止が行われることで、迅速かつ適正な点検、セル交換などが可能となるとともに、セル2の損傷や異常昇温などを回避することが可能となる。一方、所定時間内にセル2の異常電圧や、各セル2間の電圧の異常なバラツキなどが解消された場合には、降圧動作が終了されるため、セル2の無駄な放電を防止して、組電池20全体の充電状態を適正に維持することが可能となる。
Furthermore, if the abnormal voltage of the cell 2 or the abnormal variation of the voltage between the cells 2 is not solved even after the discharge in the state where the discharge current of the other cells 2 is increased for a predetermined time, an alarm is issued. Is output and the discharge is stopped, so that a prompt and appropriate response can be made. That is, in such a case, there is a possibility that an abnormality such as an internal short circuit or connection failure may exist in the cell 2, and an alarm output or discharge stop is performed, so that quick and proper inspection, cell replacement, etc. are possible. At the same time, it becomes possible to avoid damage to the cell 2 or abnormal temperature rise. On the other hand, when the abnormal voltage of the cell 2 or the abnormal variation of the voltage between the cells 2 is resolved within a predetermined time, the step-down operation is terminated, so that unnecessary discharge of the cell 2 is prevented. Thus, it is possible to properly maintain the state of charge of the entire assembled
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、1組の組電池20を有する場合について説明したが、複数の組電池20を並列接続した場合にも適用することができる。この場合、上記のような放電制御システム1を組電池20ごとに配設する。また、リチウムイオンセル2に限らず、直列セル間の放電状態のバラツキを解消するために、広く二次電池一般に適用することができる。さらに、放電制御システム1を直流電源システムに適用した場合について説明したが、無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)や自動車用蓄電池などにも適用することができる。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the above embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, Included in the invention. For example, in the above-described embodiment, the case of having one set of assembled
また、リチウムイオンセルの数は12個に限定されないことはもちろんであり、多数のリチウムイオンセル(約100個)を接続して構成される高電圧直流や無停電電源装置などにも放電制御システム1を適用することができる。 Of course, the number of lithium ion cells is not limited to twelve, and a discharge control system is also used for high-voltage direct current or uninterruptible power supply devices configured by connecting a large number of lithium ion cells (about 100). 1 can be applied.
さらに、上記の実施の形態では第1の所定電圧V1を3.2[V]としたが、第1の所定電圧V1を、セル2の電圧のバラツキが生じるしきい値VXに設定してもよい。ここで、しきい値VXは、セル2や組電池20の特性、容量などによって設定される値で、放電末期においてセル2の電圧低下が早まる傾向が認められる電圧であり、例えば3.5[V]未満かつ放電終止電圧3.0[V]以上に設定する。
Further, in the above embodiment, the first predetermined voltage V 1 is set to 3.2 [V]. However, the first predetermined voltage V 1 is set to the threshold value V X at which the voltage variation of the cell 2 occurs. May be. Here, the threshold value V X is a value set according to the characteristics, capacity, etc. of the cell 2 or the assembled
1 リチウムイオン組電池の放電制御システム
2 リチウムイオンセル(セル、二次電池)
20 リチウムイオン組電池(組電池)
3 降圧コンバータ(降圧手段)
4 電圧計(監視手段)
5 コントローラ(制御手段)
V1 第1の所定電圧
V2 第2の所定電圧
VE 放電終止電圧
VA 平均電圧
1 Lithium ion battery discharge control system 2 Lithium ion cell (cell, secondary battery)
20 Lithium ion battery pack (battery pack)
3 Step-down converter (step-down means)
4 Voltmeter (monitoring means)
5 Controller (control means)
V 1 first predetermined voltage V 2 second predetermined voltage V E discharge end voltage V A average voltage
Claims (8)
前記各二次電池の電圧を監視する監視手段と、
前記各二次電池に配設され、前記二次電池の電圧を個別に降圧可能な降圧手段と、
前記各二次電池の電圧に基づいて前記各降圧手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、一部の二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧が降圧されるように前記降圧手段を制御する、
ことを特徴とする組電池の放電制御システム。 A discharge control system for an assembled battery that controls the discharge of the assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series,
Monitoring means for monitoring the voltage of each secondary battery;
Step-down means arranged in each secondary battery and capable of stepping down the voltage of the secondary battery individually;
Control means for controlling each step-down means based on the voltage of each secondary battery;
With
The control means controls the step-down means so that the voltages of some of the secondary batteries are stepped down when the voltages of some of the secondary batteries are lower than a first predetermined voltage;
A discharge control system for an assembled battery.
ことを特徴とする請求項1に記載の組電池の放電制御システム。 The control means controls the step-down means so as to step down the voltage of the other secondary battery when the voltage of the other secondary battery is lower than the voltage of the partial secondary battery.
The discharge control system for an assembled battery according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の組電池の放電制御システム。 The first predetermined voltage is set to a value equal to or higher than a discharge end voltage in a voltage region in which a voltage drop is early in the end-of-discharge state of the secondary battery.
The assembled battery discharge control system according to any one of claims 1 and 2.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の組電池の放電制御システム。 The control means controls the step-down means to stop stepping down to all the secondary batteries when the voltage of at least one of the secondary batteries is lower than a discharge end voltage, and the step-down means The output of
The discharge control system for an assembled battery according to any one of claims 1 to 3.
前記二次電池の電圧を個別に降圧可能な降圧手段を前記各二次電池に配設し、
前記各二次電池の電圧を監視し、
一部の前記二次電池の電圧が第1の所定電圧よりも低い場合に、該一部の二次電池の電圧が降圧されるように前記降圧手段を制御する、
ことを特徴とする組電池の放電制御方法。 A discharge control method for an assembled battery for controlling discharge of the assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series,
A step-down means capable of individually lowering the voltage of the secondary battery is disposed in each secondary battery,
Monitoring the voltage of each secondary battery,
When the voltage of some of the secondary batteries is lower than the first predetermined voltage, the step-down means is controlled so as to step down the voltage of the some secondary batteries;
A discharge control method for an assembled battery.
ことを特徴とする請求項5に記載の組電池の放電制御方法。 When the voltage of the other secondary battery is lower than the voltage of the partial secondary battery, the step-down means is controlled to step down the voltage of the other secondary battery;
The discharge control method for an assembled battery according to claim 5.
ことを特徴とする請求項5または6のいずれか1項に記載の組電池の放電制御方法。 The first predetermined voltage is set to a value equal to or higher than a discharge end voltage in a voltage region in which a voltage drop is early in the end-of-discharge state of the secondary battery;
The discharge control method for an assembled battery according to any one of claims 5 and 6.
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の組電池の放電制御方法。 When the voltage of the at least one secondary battery is lower than the end-of-discharge voltage, the step-down means is controlled to stop the step-down of the voltages of all the secondary batteries, and the output of the step-down means is Disconnect,
The discharge control method for an assembled battery according to any one of claims 5 to 7,
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