JP2014003759A

JP2014003759A - 電源の制御装置

Info

Publication number: JP2014003759A
Application number: JP2012136067A
Authority: JP
Inventors: Shinji Aso; 真司麻生
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】電池の電圧を均等化して電池毎の電圧乖離を容易に調整することが可能な電源の制御装置を提供する。
【解決手段】複数の電池１３が並列接続された電源１２の制御装置１１であって、電池１３の電圧を個別に計測し、計測した電圧から電圧差が少ない電池１３を選択し、これらの電池１３の少なくとも一方に外部抵抗２３を接続した後に、選択した電池１３同士を接続して電圧を均等化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池を備えた電源の制御装置に関する。

例えば、電動車両などでは、高容量化や高出力化のために、複数の電池を備えた電源システムが用いられている。このような電源システムにおいて、各電池間で充放電を行うことで各電池の電圧を均等化させることが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−１４１９７０号公報特開２０１０−１０４１７９号公報特開２００５−１９２２９９号公報

ところで、電池毎の電圧乖離が大きいと、電流のやり取りを電池間で行うには、循環電流値が大きくなってしまう。このような場合、外部デバイスに能動的に電流の出し入れを要求する必要があるが、負荷の変動が実施可能な状況でなければ電圧の調整を行うことは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電池の電圧を均等化して電池毎の電圧乖離を容易に調整することが可能な電源の制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の電源の制御装置は、複数の電池が並列接続された電源の制御装置であって、前記電池の電圧を個別に計測し、計測した電圧から電圧差が少ない電池を選択し、これらの電池の少なくとも一方に外部抵抗を接続した後に、選択した電池同士を接続して電圧を均等化させる。

この構成によれば、外部抵抗を接続することができる構成において、電圧差が少ない電池間でのやりとりを外部抵抗を接続することで可能とし、よって、外部デバイスを用いることなく循環電流による影響を抑制しながら各電池の電圧を均等化することができる。

本発明の電源の制御装置において、前記外部抵抗が、前記電池の全てに接続されても良い。

本発明の電源の制御装置において、前記外部抵抗を冷却する冷却手段を備えても良い。

本発明の電源の制御装置において、前記外部抵抗が過熱又は過電流の状態であることを検知した場合に前記選択した電池同士の接続を遮断する遮断手段を備えても良い。

本発明の電源の制御装置において、前記外部抵抗が可変抵抗器でも良い。

本発明の電源の制御装置によれば、電池の電圧を均等化して電池毎の電圧乖離を容易に調整することができる。

第１実施形態に係る電源の制御装置の概略構成図である。第１実施形態に係る電源の制御装置による電池の電圧の均等化制御の手順を示す図であって、（ａ）から（ｃ）は、それぞれ電源の概略構成図である。第２実施形態に係る電源の制御装置の概略構成図である。第２実施形態に係る電源の制御装置による電池の電圧の均等化制御の手順を示す図であって、（ａ）から（ｅ）は、それぞれ電源の概略構成図である。変形例１に係る電源の制御装置の概略構成図である。変形例２に係る電源の制御装置の概略構成図である。変形例３に係る電源の制御装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る電源の制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る電源の制御装置について説明する。
図１は、第１実施形態に係る電源の制御装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る電源の制御装置１１は、電源１２に組み込まれている。

電源１２は、充放電可能な二次電池からなる複数の電池１３を備えており、これらの電池１３が電源ライン１４ａ，１４ｂに並列接続されている。この電源１２は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車あるいは燃料電池車などに搭載され、これらの車両を駆動させる電源として用いられる。

この電源１２を構成する電池１３は、着脱可能とされており、それぞれ個別に交換可能とされている。また、電池１３は、制御装置１１によって監視され、電池１３の一部が異常と判断された際に、その電池１３が電源１２の回路から切り離されるようになっている。

各電池１３には、それぞれ電圧センサ２１が並列に設けられており、これらの電圧センサ２１は、それぞれの電池１３の電圧を計測する。
また、各電池１３には、それぞれ電流センサ２２が直列に接続されており、これらの電流センサ２２は、各電池１３に流れる電流を計測する。

さらに、各電池１３には、外部抵抗２３が直列に接続されている。これらの外部抵抗２３は、着脱可能とされており、必要に応じて装着される。
また、各電池１３と電源ライン１４ａとの間には、電池接続デバイス２４が設けられている。これらの電池接続デバイス２４としては、例えば、リレーなどが用いられる。

電圧センサ２１及び電流センサ２２は、制御装置１１に接続されており、これらの電圧センサ２１及び電流センサ２２で計測された各電池１３の電圧値及び電流値が制御装置１１へ送信される。
また、制御装置１１は、電池接続デバイス２４に接続されており、これらの電池接続デバイス２４は、制御装置１１からの制御信号で駆動し、電池１３と電源ライン１４ａとの間の回路を開閉する。

ところで、複数の電池１３を備えた電源１２では、一つの電池１３だけを交換した場合などに、他の電池１３との間で電圧差が生じることがある。
そこで、上記のように電池１３間で電圧差が生じた場合における本実施形態に係る制御装置１１での電池１３毎の電圧の均等化制御の仕方について説明する。

図２は第１実施形態に係る電源の制御装置による電池の電圧の均等化制御の手順を示す図であって、（ａ）から（ｃ）は、それぞれ電源の概略構成図である。
（１）まず、図２（ａ）に示すように、それぞれの電池１３に外部抵抗２３を直列に接続する。

なお、電池１３間の電圧差が数十Ｖならば、循環電流を数Ａ程度に抑えるために、外部抵抗２３は数Ω〜数十Ω程度のものを用いるのが好ましい。これにより、外部抵抗２３での発熱を抑制することができる。

（２）外部抵抗２３を接続したら、電池接続デバイス２４を駆動させ、図２（ｂ）に示すように、それぞれの電池１３の全てを接続する。
すると、各外部抵抗２３によって抑制された循環電流が各電池１３の電圧に応じて流れる。具体的には、電圧の高い電池１３から電圧の低い電池１３へ外部抵抗２３で抑制されて循環電流が流れる。

（３）電流センサ２２で計測される各電池１３毎の循環電流に基づいて、全ての循環電流が０となった時点で、図２（ｃ）に示すように、各電池１３の電圧が均等になったと判断し、電池１３の電圧の均等化制御を終了する。
なお、電圧センサ２１で計測される外部抵抗２３を除いた各電池１３の電圧値に基づき、各電池１３の電圧値が一致した時点で電圧の均等化制御を終了しても良い。

このように、上記第１実施形態に係る電源の制御装置によれば、外部抵抗２３を接続することができる構成において、電圧差が少ない電池１３間でのやりとりを、外部抵抗２３を接続することで可能とし、よって、外部デバイスを用いることなく循環電流による影響を抑制しながら各電池１３の電圧を均等化することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る電源の制御装置について説明する。
なお、上記の第１実施形態に係る電源の制御装置と同一構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

図３は、第２実施形態に係る電源の制御装置の概略構成図である。
図３に示すように、この電源の制御装置１１が組み込まれる電源１２では、一つの電圧センサ２１が電源ライン１４ａ，１４ｂに接続されている。また、この電源１２では、一つの電池１３に電流センサ２２及び外部抵抗２３を直列に設ける。
なお、この電源１２においても、各電池１３と電源ライン１４ａとの間には、電池接続デバイス２４が設けられている。

次に、電池１３間で電圧差が生じた場合における制御装置１１での電池１３毎の電圧の均等化制御の仕方について説明する。
図４は、第２実施形態に係る電源の制御装置による電池の電圧の均等化制御の手順を示す図であって、（ａ）から（ｅ）は、それぞれ電源の概略構成図である。

（１）まず、図４（ａ）に示すように、電池接続デバイス２４を個別に接続することで、それぞれの電池１３毎の電圧値を電圧センサ２１で計測する。
（２）電圧の計測結果に基づいて、電圧差の小さい電池１３を抽出し、図４（ｂ）に示すように、抽出した対象の電池１３のうちの片方に外部抵抗２３を接続し、これらの対象の電池１３に電池接続デバイス２４を接続する。

すると、各外部抵抗２３によって抑制された循環電流が電圧の高い電池１３から電圧の低い電池１３へ流れる。

ここで、循環電流を流す対象の電池１３として電圧差の小さいものを選択すれば、電圧調整に時間がかかるが、循環電流を抑制して外部抵抗２３での発熱や電池１３へのダメージを抑制することができる。なお、循環電流を流す対象の電池１３として電圧差の大きいものを選択すれば、循環電流を大きくして迅速に電圧調整して電圧差を解消できる。

（３）電流センサ２２の計測結果に基づいて、循環電流が０となった時点で、図４（ｃ）に示すように、対象の電池１３の電圧が均等になったと判断する。

なお、電池接続デバイス２４による接続を切り替えて対象の電池１３の電圧を電圧センサ２１で個別に計測し、電池１３の電圧値が一致したことを判定しても良い。この場合、電圧が不一致であった場合は、対象の電池１３を再度接続して循環電流を流す。また、各電池１３に電圧センサ２１を設けておけば、電池接続デバイス２４による接続を切り替えることなく、各電池１３の電圧値を計測して電圧が一致したことを判定することができる。

（４）電池接続デバイス２４による電池１３の接続を解除して外部抵抗２３を取り外し、図４（ｄ）に示すように、次に電圧差の小さい電池１３に外部抵抗２３を取り付け、この電池１３及び電圧を一致させた電池１３群を電池接続デバイス２４で接続する。
すると、各外部抵抗２３によって抑制された循環電流が電圧の高い電池１３から電圧の低い電池１３群へ流れる。

（５）電流センサ２２の計測結果に基づいて、循環電流が０となった時点で、図４（ｅ）に示すように、各電池１３の電圧が均等になったと判断し、電池１３の電圧の均等化制御を終了する。

このように、電圧差が小さい電池を選択し、外部抵抗２３で抑制された循環電流を流す作業を繰り返すことで、複数の電池１３同士の電圧の均等化を行うことができる。

そして、上記第２実施形態に係る電源の制御装置の場合も、外部抵抗２３を接続することができる構成において、電圧差が少ない電池１３間でのやりとりを、外部抵抗２３を接続することで可能とし、よって、外部デバイスを用いることなく循環電流による影響を抑制しながら各電池１３の電圧を均等化することができる。

特に、第２実施形態では、使用する外部抵抗２３が一つであるので、コスト低減を図ることができる。また、電流センサ２２をそれぞれの電池１３毎ではなく、外部抵抗２３を接続する電池１３だけに用いることが可能となり、よって、電流センサ２２を外部抵抗２３に一体化させて共用させることで構造の簡略化を図ることができる。

次に、変形例に係る電源の制御装置について説明する。
（変形例１）
電池１３の電圧の均等化を行うために外部抵抗２３を接続し、そこに循環電流を流すと、外部抵抗２３が発熱する。このため、外部抵抗２３を大きくして発熱を抑える必要があり、結果として循環電流を抑制しなければならず、電圧の均等化のための調整に時間がかかってしまう。

このため、変形例１では、図５に示すように、外部抵抗２３を冷却して発熱を抑える冷却装置３１と、外部抵抗２３の温度を検出する温度センサ３２とを備え、制御装置１１は、温度センサ３２からの検出結果に基づいて冷却装置３１の駆動を制御する構成としている。これら冷却装置３１、温度センサ３２、及び制御装置１１は、本発明の冷却手段に相当する。冷却装置３１は、駆動モータ３１ａとファン３１ｂとから構成されており、外部抵抗２３は、駆動モータ３１ａが駆動されてファン３１ｂが回転されることで冷却される。

そして、この変形例１では、制御装置１１が温度センサ３２からの検出結果を監視して冷却装置３１を駆動させ、外部抵抗２３の過熱を抑制する。
これにより、外部抵抗２３として、冷却装置３１を設けない場合よりも小さい抵抗値のものを用いて電池１３の電圧の均等化制御にかかる時間を短縮させることができる。

なお、制御装置１１は、温度センサ３２からの検出結果を監視して冷却装置３１を駆動させたが、電流センサ２２からの計測結果を監視して冷却装置３１を駆動させても良い。

また、冷却装置３１による外部抵抗２３の冷却は、外部抵抗２３の温度または循環電流値により可変させても良いし、常に一定の冷却でも良い。温度または循環電流値により可変させれば、外部抵抗２３を効率良く冷却することができ、また、一定の冷却を行えば、制御装置１１による温度や循環電流の監視に基づく冷却装置３１の制御を不要にできる。

（変形例２）
電池１３の電圧の均等化を行う際に、循環電流の電流量のコントロールができずに外部抵抗２３が異常に発熱した場合や大電流が流れた場合、均等化制御を安全に停止させる必要がある。
このため、変形例２では、外部抵抗２３の温度または循環電流の監視による保護を実施する。

具体的には、温度センサ３２または電流センサ２２を監視し、外部抵抗２３の温度が閾値を超えた場合、または循環電流の電流値が閾値を超えた場合に、制御装置１１が電池接続デバイス２４を制御して電池１３の接続を遮断する。つまり、外部抵抗２３の温度が耐熱温度の上限を超える前、または外部抵抗２３を流れる循環電流が耐電流値の上限を超える前に、電池接続デバイス２４によって接続を遮断し、外部抵抗２３の過熱または過電流を防ぐ。これら温度センサ３２または電流センサ２２、制御装置１１、及び電池接続デバイス２４は、本発明の遮断手段に相当する。

また、変形例２では、図６に示すように、制御装置１１に警報装置３３を接続し、外部抵抗２３の過熱または過電流を警報装置３３で警告を発生させることで知らせるようになっている。

（変形例３）
外部抵抗２３の抵抗値が一定であると、電池１３の電圧の均等化制御過程において、電圧差が大きいうちは循環電流も大きく、電圧差を小さくさせやすいが、電圧差が小さくなってくると循環電流が小さくなり、電圧を一致させるまでに時間がかかってしまう。

このため、変形例３では、図７に示すように、外部抵抗２３として可変抵抗器を用い、制御装置１１によって外部抵抗２３の抵抗値を制御可能としている。
そして、電池１３間の電圧差が小さいときには制御装置１１によって外部抵抗２３の抵抗値が小さくされて循環電流の減少が抑えられ、結果として電圧調整時間の増加を抑制する。

なお、電池１３間の電圧差が小さいときに手動で外部抵抗２３の抵抗値を小さくし、循環電流の減少を抑えても良い。
また、電池１３の電圧値、循環電流の電流値あるいは外部抵抗２３の温度のいずれかまたは複数を用いて、外部抵抗２３の発熱を抑制できている範囲内で最大の循環電流が流せるように外部抵抗２３の抵抗値を制御するのが好ましい。

１１制御装置
１２電源
１３電池
２２電流センサ
２３外部抵抗
２４電池接続デバイス
３１冷却装置
３２温度センサ

Claims

複数の電池が並列接続された電源の制御装置であって、
前記電池の電圧を個別に計測し、計測した電圧から電圧差が少ない電池を選択し、これらの電池の少なくとも一方に外部抵抗を接続した後に、選択した電池同士を接続して電圧を均等化させる電源の制御装置。
前記外部抵抗が、前記電池の全てに接続される請求項１に記載の電源の制御装置。
前記外部抵抗を冷却する冷却手段を備える請求項１又は２に記載の電源の制御装置。
前記外部抵抗が過熱又は過電流の状態であることを検知した場合に前記選択した電池同士の接続を遮断する遮断手段を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源の制御装置。
前記外部抵抗が可変抵抗器である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源の制御装置。