JP2014093857A - 電池電圧均等化装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の電圧均等化において、電池の分極抵抗を含む内部抵抗による目標電圧とのずれを縮減し、迅速にかつ効率よく各電池を目標電圧に到達させる。
【解決手段】複数の電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧の平均電圧を求める平均電圧算出部１２と、電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ３２及びインダクタＬ１〜Ｌ３を介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる均等化開始部１４と、電池の電圧均等化の開始直後の、電池の内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する変動電圧観測部１３と、均等化の開始時の初期電圧と平均電圧との電圧差が最も大きい電池の電圧を観測し、該電池の電圧が平均電圧に達した後、更に均等化を継続させ、該電池の電圧が、平均電圧から初期電圧の変動電圧に相当する電圧分変化した時点で、複数の電池の電圧均等化を停止させる均等化停止部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された充電可能な複数の電池を備えた組電池を対象に、各電池の電圧又は充電状態を均等化するための電池電圧均等化装置及び方法に関する。

複数の充電可能な電池を直列に接続して高電圧の組電池を実現する技術が実用化されている。この種の組電池は、近年では、例えば、電気自動車又はエンジンとモータを併用するハイブリッド車への実装において注目されている。ところが、多数の電池を直列に接続した状態で充電を行うと、各電池の電圧（又は、電池の残容量即ち充電状態）が不均一になることがある。

また、組電池が電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と減速時の回生電流による充電とが繰り返され、この充放電の繰り返しによっても電池の電圧が不均一になることがある。

そして、電池の電圧の不均一化は、一部の電池の劣化を促進させるおそれがあり、また、組電池全体として効率の低下を引き起こすことがある。電池の電圧の不均一化は、各電池の製造時のばらつきや、経年劣化等により生じ得る。このため、複数の電池の電圧を均等化する技術が提案されている。

図４は、アクティブバランスと称される電池電圧均等化回路の構成例を示す。この構成例では、組電池１００は、２つの電池Ｅ１，Ｅ２を有し、各電池Ｅ１，Ｅ２は、互いに直列に接続されている。そして、組電池１００には、負荷２００が接続されている。電池電圧均等化回路は、図３に示すように、インダクタＬ１、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、ドライバ回路Ｄ１，Ｄ２、及び電池コントローラ１０を有する。

電池コントローラ１０は、各電池Ｅ１，Ｅ２の電圧をモニタしている。以下の説明では、電池Ｅ１の電圧が電池Ｅ２の電圧よりも高いものとする。そして、電池コントローラ１０は、電池Ｅ１，Ｅ２の電圧（又は充電状態)の均等化（バランス)を行うときは、所定のデューティ比及び所定の周波数を有するパルス列信号を出力する。

ドライバ回路Ｄ１は反転ドライバであり、ドライバ回路Ｄ２は非反転ドライバである。よって、電池コントローラ１０がパルス列信号を出力すると、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、交互にオン／オフ状態が切り替わる。即ち、スイッチＳＷ１がオン状態のときにスイッチＳＷ２はオフ状態に、スイッチＳＷ１がオフ状態のときにスイッチＳＷ２はオン状態となるよう制御される。

スイッチＳＷ１がオン状態に、スイッチＳＷ２がオフ状態に制御されると、電池Ｅ１の正極からスイッチＳＷ１及びインダクタＬ１を介して電池Ｅ１の負極へ向かう電流が流れる。この電流によってインダクタＬ１に電気エネルギーが蓄積される。

続いて、スイッチＳＷ１がオフ状態に、スイッチＳＷ２がオン状態に制御されると、インダクタＬ１に蓄積された電気エネルギーにより、スイッチＳＷ２及びインダクタＬ１を介して電池Ｅ２を充電する方向に電流が流れる。上述のスイッチング動作を繰り返すことにより、電池Ｅ１から電流が電池Ｅ２へ流れ、電池Ｅ１と電池Ｅ２の電圧（充電状態）が徐々に均等化される。

ただし、各電池は分極抵抗を含む内部抵抗を有し、各電池の特性のばらつきや劣化度によって、それぞれの内部抵抗が異なる。そして、各電池に対して或る終了電圧を目標値として電圧の均等化を行う場合に、放電又は充電の動作によって観測される各電池の電圧は、各電池の内部抵抗の影響を受け、各電池が本来出力する電圧からずれた電圧となる。

図５は、上述の電圧均等化を行った場合の電池の電圧変化の一例を示している。図５において、横軸は時間を表し、縦軸は各電池の電圧を表している。Ｖ１及びＶ２は、均等化を行う直前の電池Ｅ１及びＥ２のそれぞれの初期電圧である。また、Ｖａｖは、電池Ｅ１及びＥ２の平均電圧である。曲線４１は電池Ｅ１の電圧の変化を表し、曲線４２は電池Ｅ２の電圧の変化を表している。

図５に示すように、平均電圧Ｖａｖを均等化の終了の目標電圧として、電池Ｅ１及びＥ２に対して均等化を行うと、電池間で充放電電流が流れることにより、放電する電池Ｅ１では内部抵抗による初期電圧降下ΔＶ１が生じ、充電される電池Ｅ２では内部抵抗による初期電圧上昇ΔＶ２が生じる。

その後、均等化を継続して行うことにより、電池Ｅ１及びＥ２の電圧が、均等化の終了の目標電圧である平均電圧Ｖａｖに達する。電池Ｅ１及びＥ２の電圧が、該平均電圧Ｖａｖに達した時点ｔ１で均等化を終了する。すると、均等化の終了後、分極及び内部抵抗による電圧降下及び電圧上昇が解消し、電池Ｅ１の電圧は、約初期電圧降下ΔＶ１の電圧分、上昇し、電池Ｅ２の電圧は、初期電圧上昇ΔＶ２の電圧分、下降する。

即ち、各電池Ｅ１，Ｅ２に対して電圧を監視しながら、或る終了電圧を目標として均等化を行ったとしても、各電池Ｅ１，Ｅ２が実際に到達する電圧は、それぞれの内部抵抗の影響を受けて目標電圧にはならずにずれてしまう。電池の分極による影響を低減させて均等化を行う手法は種々提案され、例えば下記の特許文献１等には、電池の分極が解消されるのを待って、電池の電圧均等化を行う技術等について記載されている。

特開２００６−２４６６４６号公報

電池は、分極抵抗を含む内部抵抗を有する。そのため、各電池に対して或る終了電圧を目標として電池間で充放電させて均等化を行う場合、観測される各電池の電圧値は、各電池の内部抵抗の影響を受けた電圧となる。従って、各電池に対して、電圧を監視しながら終了電圧を目標として電圧の均等化を行っても、各電池が実際に到達する電圧は、目標電圧と異なるものとなる。

また、目標電圧とのずれを補正するために、分極の解消を待って繰り返し均等化を行う手法では、最終的に目標電圧に近い電圧に均等化されるまでに長時間掛かってしまう。また、目標電圧に近づくにつれて均等化の電流が小さくなり、均等化の効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、電池の電圧均等化において、電池の分極抵抗を含む内部抵抗による目標電圧とのずれを縮減し、迅速にかつ効率よく各電池を目標電圧に到達させることができる電池電圧均等化装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する一形態としての電池電圧均等化装置は、直列に接続された充電可能な３個以上の複数の電池の各電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化装置であって、前記複数の電池の電圧を観測し、該複数の電池の平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、前記直列に接続された複数の電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる均等化開始手段と、前記均等化開始手段による電池の電圧均等化の開始直後の、前記電池の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する変動電圧観測手段と、前記電池の電圧均等化の開始時の初期電圧と前記平均電圧との電圧差が最も大きい電池の電圧を観測し、該電池の電圧が前記平均電圧に達した後、更に前記均等化を継続させ、該電池の電圧が、前記平均電圧から前記初期電圧の変動電圧に相当する電圧分変化した時点で、前記複数の電池の電圧均等化を停止させる均等化停止手段と、を備えたものである。

また、他の形態としての電池電圧均等化方法は、直列に接続された充電可能な３個以上の複数の電池の各電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化方法であって、前記複数の電池の電圧を観測し、該複数の電池の平均電圧を算出する第１のステップと、前記直列に接続された複数の電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる第２のステップと、前記第２のステップによる電池の電圧均等化の開始直後の、前記電池の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する第３のステップと、前記電池の電圧均等化の開始時の初期電圧と前記平均電圧との電圧差が最も大きい電池の電圧を観測し、該電池の電圧が前記平均電圧に達した後、更に前記均等化を継続させ、該電池の電圧が、前記平均電圧から前記初期電圧の変動電圧に相当する電圧分変化した時点で、前記複数の電池の電圧均等化を停止させる第４のステップと、を含むものである。

本発明によれば、複数の電池の電圧均等化において、電池の分極抵抗を含む内部抵抗による目標電圧とのずれを縮減し、迅速にかつ効率よく各電池を目標電圧に到達させることができる。

本発明による電池電圧均等化装置の構成例を示す図である。 本発明による電圧均等化の各電池の電圧の変化の一例を示す図である。 本発明による電圧均等化の動作例のフローを示す図である。 従来の電池電圧均等化回路の構成例を示す図である。 従来の電圧均等化の各電池の電圧の変化の一例を示す図である。

図１は、本発明による電池電圧均等化装置の構成例を示す。図１において、電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、直列に接続され、組電池１００を構成する。なお、図１には４個の電池の組電池の例を示しているが、本発明は、電池が４個のものに限定されるものではなく、少なくとも３個の電池を有する組電池に対して適用可能である。

この直列に接続された各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４と並列に、それぞれスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２が接続される。即ち、電池Ｅ１にはスイッチＳＷ１１が、電池Ｅ２にはスイッチＳＷ１２，ＳＷ２１が、電池Ｅ３にはスイッチＳＷ２２，ＳＷ３１が、電池Ｅ４にはスイッチＳＷ３２が接続される。

そして、インダクタＬ１は一端が電池Ｅ１，Ｅ２の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２の接続点に接続される。インダクタＬ２は一端が電池Ｅ２，Ｅ３の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２の接続点に接続される。インダクタＬ３は一端が電池Ｅ３，Ｅ４の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２の接続点に接続される。

このような電池電圧均等化回路において、各隣接する２個ずつの電池Ｅ１とＥ２、Ｅ２とＥ３、Ｅ３とＥ４でそれぞれ一対のペアを組み、各ペアの電池同士で電荷を移動し合うスイッチングコンバータをスイッチ及びインダクタにより構成する。

このスイッチングコンバータにより、各ペアの電池に対して、一方の電池に並列接続されたスイッチをオンにし、他方の電池に並列接続されたスイッチをオフにしてインダクタに電気エネルギーを蓄積させる。次に、該蓄積した電気エネルギーにより、一方の電池に並列接続されたスイッチをオフにし、他方の電池に並列接続されたスイッチをオンにして、他方の電池を充電する。こうすることにより、各電池の電圧が均等化される。

例えば、電池Ｅ１と電池Ｅ２のペアにおいて、電池Ｅ１から電池Ｅ２へ電荷を移動させる場合、スイッチＳＷ１１をオンにし、スイッチＳＷ１２をオフにする。スイッチＳＷ１１がオンになると、電池Ｅ１→スイッチＳＷ１１→インダクタＬ１→電池Ｅ１の閉ループが形成され、電池Ｅ１からインダクタＬ１に電気エネルギーが移動する。

その後、スイッチＳＷ１１をオフにし、スイッチＳＷ１２をオンにすると、インダクタＬ１に移動した電気エネルギーは、インダクタＬ１→電池Ｅ２→スイッチＳＷ１２→インダクタＬ１の閉ループにより、電池Ｅ２に移動する。このような動作を繰り返すことにより、電池Ｅ１から電池Ｅ２に電流が流れ、電池Ｅ１と電池Ｅ２とが徐々に均等化される。

逆に、電池Ｅ２から電池Ｅ１へ電荷を移動させる場合には、スイッチＳＷ１２をオンにし、スイッチＳＷ１１をオフにする。すると、電池Ｅ２→インダクタＬ１→スイッチＳＷ１２→電池Ｅ２の閉ループが形成され、電池Ｅ２からインダクタＬ１に電気エネルギーが移動する。

その後、スイッチＳＷ１２をオフにし、スイッチＳＷ１１をオンにすると、インダクタＬ１に移動した電気エネルギーは、インダクタＬ１→スイッチＳＷ１１→電池Ｅ１→インダクタＬ１の閉ループにより、電池Ｅ１に移動する。このような動作を繰り返すことにより、電池Ｅ２から電池Ｅ１に電流が流れ、電池Ｅ１と電池Ｅ２とが徐々に均等化される。

他の隣接する電池Ｅ２と電池Ｅ３のペア、及び電池Ｅ３と電池Ｅ４のペアにおいても、それぞれ上述の動作と同様に、各ペアの２個の電池の間で充放電を行わせ、各電池の電圧（充電状態）が等しくなるよう均等化することができる。

なお、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２は、図４に示したように、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチ素子を用いることができる。そして、該スイッチのオン／オフを、電池コントローラ１０から出力されるパルス列信号により、反転ドライバ回路Ｄ１及び非反転ドライバ回路Ｄ２を介して制御する構成とすることができる。

上述の電池電圧均等化回路により均等化を行う場合、まず、電池コントローラ１０は、電圧観測部１１により、電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を観測し、平均電圧算出部１２により該複数の電池の平均電圧Ｖａｖを求める。平均電圧Ｖａｖは、Ｖａｖ＝（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）÷４により算出する。

そして、電池コントローラ１０は、均等化開始部１４により均等化制御部１６に対して均等化を開始させる。均等化制御部１６は、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のオン／オフを制御して、各隣接する２つ電池間で、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して充放電電流を流し、各電池の電圧均等化を実施する。均等化制御部１６は、電池Ｅ１とＥ２間の電圧均等化と、電池Ｅ２とＥ３間の電圧均等化と、電池Ｅ３とＥ４間の電圧均等化を同時に実施するのがより好ましい。

電池コントローラ１０は、初期観測部１３により、均等化の開始直後の、各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶ４を観測する。

電池コントローラ１０は、その後、均等化制御部１６により均等化を実施させながら、均等化の開始時の初期電圧と前述の平均電圧Ｖａｖとの電圧差が最も大きい電池の電圧を電圧観測部１１により観測する。そして、該電池の電圧が該平均電圧Ｖａｖに達した後も、更に均等化を継続して実施させる。

ここで、均等化の開始時の初期電圧と平均電圧Ｖａｖとの電圧差が最も大きい電池がＥ１であるとする。電池コントローラ１０は、初期電圧と平均電圧Ｖａｖとの電圧差が最も大きい電池Ｅ１の電圧を、電圧観測部１１により観測する。そして、図２に示すように、該電池Ｅ１の電圧が平均電圧Ｖａｖに達した時点ｔ１の後も、目標とする平均電圧Ｖａｖから更に初期電圧の変動電圧ΔＶ１に相当する電圧分変化した時点ｔ２で、電池の電圧均等化を均等化停止部１５により停止させる。即ち、電池Ｅ１の電圧と平均電圧Ｖａｖの大小関係が逆転（クロス）した後も均等化を継続させ、｜Ｖａｖ−電池Ｅ１の電圧｜＝ΔＶ１になった時点で電池の電圧均等化を均等化停止部１５により停止させる。電池Ｅ１の初期電圧Ｖ１＞平均電圧Ｖａｖの場合は電池Ｅ１の電圧がＶａｖ−ΔＶ１になった時点で、また、電池Ｅ１の初期電圧Ｖ１＜平均電圧Ｖａｖの場合は電池Ｅ１の電圧がＶａｖ＋ΔＶ１になった時点で、電圧均等化を停止させる。なお、図２において、曲線２１は電池Ｅ１の電圧を、曲線２２は電池Ｅ２の電圧を、曲線２３は電池Ｅ３の電圧を、曲線２４は電池Ｅ４の電圧を表している。

電池の電圧均等化を停止させた時点ｔ２以降は、分極及び内部抵抗による電圧降下及び電圧上昇の解消により、各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電圧は、略初期の変動電圧ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶ４の分、徐々に上昇又は下降する。分極解消の時点ｔ３以降は、各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電圧は、それぞれ平均電圧Ｖａｖに近い電圧となる。

分極の大きさは、電池の容量、即ち電圧に依存するため、初期電圧と平均電圧Ｖａｖとの電圧差が最も大きい電池が、他の電池に比べて分極が最も大きい。従って、初期電圧と平均電圧Ｖａｖとの電圧差が最も大きい電池Ｅ１の分極の解消時間内に、他の電池Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の分極の解消時間は収まることとなる。

そこで、図２に示すように、電池Ｅ１の電圧が、均等化の目標電圧である平均電圧Ｖａｖに達した後、更に該平均電圧Ｖａｖから初期電圧の変動電圧ΔＶ１に相当する電圧分変化した時点ｔ２まで均等化を行う。そして、該時点ｔ２で均等化を停止することにより、電池Ｅ１の分極の解消の時点ｔ３までの間に、他の電池の分極は解消され、各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電圧は、それぞれ平均電圧Ｖａｖに近い電圧となる。

図３に、上述の電池電圧均等化の動作フローを示す。電池コントローラは、複数の電池の電圧を測定し、該複数の電池の平均電圧を算出する（ステップＳ１）。次に直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる（ステップＳ２）。

上記ステップＳ２による電池の電圧均等化の開始直後の、電池の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する（ステップＳ３）。このステップＳ３による初期電圧の変動電圧の観測の後、電池の電圧均等化の開始時の初期電圧と平均電圧との電圧差が最も大きい電池Ｅ１の電圧を観測する（ステップＳ４）。

該電池Ｅ１の電圧が平均電圧に達した後、更に該均等化を継続して実施させ、該電池Ｅ１の電圧が、平均電圧を横切って平均電圧から初期の変動電圧に相当する電圧分変化したか否かを監視する（ステップＳ５）。該電池Ｅ１の電圧が初期の変動電圧に相当する電圧分変化したことが観測されると、各電池の電圧均等化を停止させる（ステップＳ６）。

このように、分極の最も大きい電池の電圧を監視し、該電池の電圧が目標電圧を横切って、初期の変動電圧ΔＶ１に相当する電圧分まで変化する時点まで均等化を行う。こうすることにより、均等化停止後に１回の分極解消を待つ時間で、電池の分極抵抗を含む内部抵抗による目標電圧とのずれを縮減し、各電池の電圧を目標電圧に迅速にかつ効率よく到達させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または実施形態を採ることができる。

例えば、平均電圧は電圧均等化を実施している間、随時更新しても良い。この場合、ステップＳ５において、随時更新した平均電圧を用いて、該電池Ｅ１の電圧が平均電圧を横切って平均電圧から初期の変動電圧に相当する電圧分変化したか否かを監視する。

１０ 電池コントローラ
１１ 電圧観測部
１２ 平均電圧算出部
１３ 変動電圧観測部
１４ 均等化開始部
１５ 均等化停止部
１６ 均等化制御部
１００ 組電池
Ｄ１ 反転ドライバ回路
Ｄ２ 非反転ドライバ回路
Ｅ１〜Ｅ４ 電池
Ｌ１〜Ｌ３ インダクタ
ＳＷ１１〜ＳＷ３２ スイッチ

Claims (2)

1. 直列に接続された充電可能な３個以上の複数の電池の各電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化装置であって、
   前記複数の電池の電圧を観測し、該複数の電池の平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、
   前記直列に接続された複数の電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる均等化開始手段と、
   前記均等化開始手段による電池の電圧均等化の開始直後の、前記電池の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する変動電圧観測手段と、
   前記電池の電圧均等化の開始時の初期電圧と前記平均電圧との電圧差が最も大きい電池の電圧を観測し、該電池の電圧が前記平均電圧に達した後、更に前記均等化を継続させ、該電池の電圧が、前記平均電圧から前記初期電圧の変動電圧に相当する電圧分変化した時点で、前記複数の電池の電圧均等化を停止させる均等化停止手段と、
   を備えたことを特徴とする電池電圧均等化装置。
2. 直列に接続された充電可能な３個以上の複数の電池の各電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化方法であって、
   前記複数の電池の電圧を観測し、該複数の電池の平均電圧を算出する第１のステップと、
   前記直列に接続された複数の電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して電流を流し、各電池の電圧均等化を開始させる第２のステップと、
   前記第２のステップによる電池の電圧均等化の開始直後の、前記電池の分極抵抗を含む内部抵抗による初期電圧の変動電圧を観測する第３のステップと、
   前記電池の電圧均等化の開始時の初期電圧と前記平均電圧との電圧差が最も大きい電池の電圧を観測し、該電池の電圧が前記平均電圧に達した後、更に前記均等化を継続させ、該電池の電圧が、前記平均電圧から前記初期電圧の変動電圧に相当する電圧分変化した時点で、前記複数の電池の電圧均等化を停止させる第４のステップと、
   を含むことを特徴とする電池電圧均等化方法。