JP2014171323A - セルバランス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールの長寿命化を図ること。
【解決手段】セルバランス装置は、制御部及びセルバランス回路２３を有している。セルバランス回路２３の各抵抗２５は、各電池セル１１〜１５に並列接続されている。そして、各抵抗２５と電池セル１１〜１５の間には、スイッチング素子２６が設けられている。電池セル１１〜１５の充電量を調整する場合、制御部は、スイッチング素子２６をオンさせて、電池セル１１〜１５に並列接続される抵抗２５と、各電池セル１１〜１５を電気的に接続する。このとき、温度の高い電池セル１１〜１５ほどスイッチング素子２６のオン時間を長くすることで、温度の高い電池セル１１〜１５ほど放電量を多くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のリチウムイオン二次電池を有する電池モジュールに接続されるセルバランス装置に関する。

温度に応じて二次電池の充電状態を変化させるセルバランス装置としては、例えば、特許文献１に記載の車両用電池制御装置が知られている。
特許文献１では、車両に電池が搭載されている。電池には、リレーを介してモータジェネレータが接続されている。また、モータジェネレータには、モータジェネレータの動作を制御するＥＣＵが設けられている。ＥＣＵは、電池の充電率や電池温度に基づいてモータジェネレータの動作を制御して充電を行う。ＥＣＵは、電池温度が高くなるほど充電率が小さくなるようにモータジェネレータを制御する。

特開２００２−３４５１６５号公報

ところで、リチウムイオン二次電池は、高温になるほど劣化しやすく、また、充電量が多いほど劣化しやすい特性がある。複数のリチウムイオン二次電池を有する電池モジュールにおいて、充放電が繰り返されると、各リチウムイオン二次電池の充電量（充電率）に差が生じる。また、リチウムイオン二次電池の放熱環境などによって、リチウムイオン二次電池間に温度差が生じる。そして、リチウムイオン二次電池間の充電量及び温度にばらつきが生じると、一部のリチウムイオン二次電池の劣化が促進されるおそれがあり、電池モジュールの寿命が短くなるおそれがある。

本発明の目的は、電池モジュールの長寿命化を図ることができるセルバランス装置を提供することにある。

上記課題を解決するセルバランス装置は、複数のリチウムイオン二次電池を有する電池モジュールに接続されるセルバランス装置であって、複数のリチウムイオン二次電池それぞれの充電量を計測する充電量計測部材と、前記複数のリチウムイオン二次電池それぞれの充電量を調整するセルバランス部材と、前記セルバランス部材を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数のリチウムイオン二次電池のうち、温度の高い前記リチウムイオン二次電池ほど充電量が少なくなるように前記セルバランス部材を制御することを要旨とする。

これによれば、複数のリチウムイオン二次電池のうち、温度の高いリチウムイオン二次電池ほど充電量を少なくすることができる。温度の高いリチウムイオン二次電池の充電量を少なくして、温度の低いリチウムイオン二次電池の充電量を多くすることで、リチウムイオン二次電池間での劣化のばらつきが少なくなり、電池モジュールの長寿命化が図られる。

上記セルバランス装置について、複数の前記リチウムイオン二次電池には、前記リチウムイオン二次電池の温度を計測する温度センサが設けられることが好ましい。
これによれば、制御部は、温度センサによって計測されるリチウムイオン二次電池の温度を比較して、温度が高いリチウムイオン二次電池の充電量を、温度が低いリチウムイオン二次電池の充電量よりも少なくすることができる。

上記セルバランス装置について、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充放電が停止されたときに前記セルバランス部材を制御することが好ましい。
リチウムイオン二次電池が充放電されているときには、セルバランス部材によってリチウムイオン二次電池の充電量を調整しにくい。このため、充放電が行われていないときにリチウムイオン二次電池の充電量を調整することで、適切にリチウムイオン二次電池の充電量の調整を行うことができる。

上記セルバランス装置について、前記電池モジュールは、車両に搭載され、前記制御部は、前記車両のキースイッチがオフ操作された後に前記セルバランス部材を制御することが好ましい。

これによれば、車両のキースイッチがオフ操作されたときには、リチウムイオン二次電池が放電されていない状態とみなすことができる。このため、リチウムイオン二次電池の充電量を適切に調整することができる。

上記セルバランス装置について、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池に電力を供給する外部充電器と、前記リチウムイオン二次電池との電気的な接続が遮断された後に前記セルバランス部材を制御することが好ましい。

これによれば、外部充電器とリチウムイオン二次電池の電気的な接続が遮断されたときには、リチウムイオン二次電池の充電が完了したとみなしてリチウムイオン二次電池の充電量が調整される。このため、リチウムイオン二次電池の充電量を適切に調整することができる。

本発明によれば、電池モジュールの長寿命化を図ることができる。

実施形態の車両のブロック図。 実施形態の電池モジュール及びセルバランス回路の電気的構成を示す回路図。 実施形態の制御部が行う処理を示すフローチャート。 実施形態の制御部が行う処理を示すフローチャート。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態のセルバランス装置の作用図。

以下、セルバランス装置の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、車両１０には、複数の電池セル１１〜１５を有する電池モジュール１６が搭載されている。各電池セル１１〜１５は、直列接続されている。また、車両１０には、電池モジュール１６の電池セル１１〜１５を電力源として駆動するモータ１７が搭載されている。本実施形態の車両１０は、モータ１７が駆動することで走行する電気自動車である。なお、電池セル１１〜１５は、リチウムイオン二次電池である。

電池モジュール１６には、セルバランス装置２０が接続されている。セルバランス装置２０は、制御部２１及びセルバランス部材としてのセルバランス回路２３を有している。制御部２１は、電池モジュール１６やセルバランス回路２３を制御するためのプログラムなどが記憶された記憶部２２を有している。制御部２１には、キースイッチ２４が接続されている。キースイッチ２４は、オン操作されると、オン信号を制御部２１に出力し、オフ操作されると、オフ信号を制御部２１に出力する。また、制御部２１には、バッテリ３０が接続されている。

図２に示すように、本実施形態のセルバランス回路２３は、抵抗２５及びスイッチング素子２６を有している。各抵抗２５は、各電池セル１１〜１５に並列接続されている。そして、各抵抗２５と電池セル１１〜１５の間には、スイッチング素子２６が設けられている。本実施形態のセルバランス回路２３は、電池セル１１〜１５の電力を抵抗２５によって熱に変換して充電量の調整を行うパッシブ式のセルバランス部材である。また、各電池セル１１〜１５には、各電池セル１１〜１５の電圧を計測する電圧センサ２７が並列接続されている。

図１に示すように、電池モジュール１６の各電池セル１１〜１５には、各電池セル１１〜１５の温度を計測する温度センサ２８が設けられている。電圧センサ２７及び温度センサ２８は、制御部２１に接続されている。

車両１０には、電池モジュール１６と接続される充電器２９が搭載されている。充電器２９は、各電池セル１１〜１５に外部から電力を供給する外部充電器（充電プラグなど）が接続される接続部や、外部充電器から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータなどからなる。

次に、セルバランス装置２０の作用について制御部２１が行う制御とともに説明を行う。
制御部２１は、キースイッチ２４がオン操作されると（オン信号を受信すると）、電池モジュール１６（電池セル１１〜１５）とモータ１７を電気的に接続させて、モータ１７を駆動させる。そして、制御部２１は、以下の制御を行う。

図３に示すように、制御部２１は、キースイッチ２４がオフ操作されたか（オフ信号を受信したか）否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０の判定結果が否定の場合、制御部２１はステップＳ１０の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１０の判定結果が肯定の場合、制御部２１は、ステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０において、制御部２１は、キースイッチ２４がオフ操作されてから一定時間が経過したか否かを判定する。キースイッチ２４がオフされた場合には、運転者が車両１０を停止させている（電池セル１１〜１５が放電されていない）と推定することができる。しかしながら、短時間の停止の場合であれば、電池セル１１〜１５の充電量を調整するのに十分な時間を確保できない。一定時間が経過した場合には、短時間の停止ではなく、長時間（電池セル１１〜１５の充電量の調整を行える時間）の停止と推定することができる。なお、「一定時間」とは、短時間の停止の場合に、運転者がキースイッチ２４をオフ操作してからオン操作するまでの時間であり、統計などから任意に設定可能な時間である。なお、制御部２１は、バッテリ３０から供給される電力によって駆動している。ステップＳ２０の判定結果が肯定の場合、制御部２１はステップＳ３０に移行する。一方、ステップＳ２０の判定結果が否定の場合、すなわち、一定時間内にキースイッチ２４がオン操作された場合、制御部２１はステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０の処理を繰り返す。

ステップＳ３０において、制御部２１は、各電池セル１１〜１５の充電量（充電率）及び温度を計測し、ステップＳ４０に移行する。制御部２１は、温度センサ２８の情報から電池セル１１〜１５の温度を取得する。また、制御部２１は、電圧センサ２７の情報から、電圧に対応付けられた充電量（充電率）を計測する。したがって、本実施形態では、電圧センサ２７が電池セル１１〜１５の充電量を計測する充電量計測部材となる。

ステップＳ４０において、制御部２１は、各電池セル１１〜１５の充電量を調整する必要があるか否かを判定する。リチウムイオン二次電池は、高温になるほど劣化しやすい。また、リチウムイオン二次電池は、充電量が多いほど劣化しやすい。電池セル１１〜１５の放電後（又は充電後）には、電池セル１１〜１５の温度がジュール熱によって上昇している。電池セル１１〜１５の配置位置や、電池セル１１〜１５の周囲の環境、製造上の誤差に起因する内部抵抗の差異などによって、電池セル１１〜１５の放熱性は異なり、これにより、各電池セル１１〜１５間に温度差が生じる場合がある。同様に、電池セル１１〜１５の経年劣化や電池セル１１〜１５の温度の差異などによって電池セル１１〜１５の充電量も異なるおそれがある。電池セル１１〜１５の放電後に、温度が高い電池セル１１〜１５の充電量が多く、温度が低い電池セル１１〜１５の充電量が低い場合には、電池セル１１〜１５に劣化のばらつきが生じる。複数のリチウムイオン二次電池を有する電池モジュール１６においては、各リチウムイオン二次電池の劣化のばらつきを少なくすることで電池モジュール１６の長寿命化が図られる。このため、電池モジュール１６においては、温度の高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少ないことが好ましく、温度の高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなっていない場合には、各電池セル１１〜１５の充電量を調整（セルバランスを調整）することが必要になる。ステップＳ４０の判定結果が肯定の場合、制御部２１は、ステップＳ５０に移行する。一方、ステップＳ４０の判定結果が否定の場合、制御部２１は、処理を終了する。

ステップＳ５０において、制御部２１は、電池セル１１〜１５の充電量を調整し、処理を終了する。具体的にいえば、制御部２１は、温度が高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなるようにセルバランス回路２３を制御する。以下、詳細に説明を行う。

図５（ａ）に示すように、各電池セル１１〜１５の温度は、電池セル１１＜電池セル１２＜電池セル１３＜電池セル１４＜電池セル１５の順に高くなっている。また、実際には、各電池セル１１〜１５の充電量にばらつきが生じているが、説明の便宜上、各電池セル１１〜１５の充電量は全て同一とみなして説明を行う。

電池セル１１〜１５の充電量を調整する場合、制御部２１は、セルバランス回路２３のスイッチング素子２６をオンさせて、電池セル１２〜１５に並列接続される抵抗２５と、各電池セル１２〜１５を電気的に接続する。各電池セル１２〜１５と抵抗２５が電気的に接続されると、各電池セル１２〜１５の放電が行われ、電池セル１２〜１５の充電量が少なくなる。このとき、温度の高い電池セル１２〜１５ほどスイッチング素子２６のオン時間を長くすることで、温度の高い電池セル１２〜１５ほど放電量を多くする。これにより、図５（ｂ）に示すように、温度の高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなる。なお、電池セル１１〜１５の充電量を調整した後の各電池セル１１〜１５の充電量の差は、各電池セル１１〜１５の温度差に比例させてもよいし、電池セル１１〜１５の温度差の大きさに関わらず充電量の差が一定になるようにしてもよい。すなわち、充電量の差は、電池セル１１〜１５の特性（温度特性や、充放電特性など）や、使用環境、電池セル１１〜１５の劣化具合などから任意に設定することができる。なお、制御部２１は、図３に示す処理の間にキースイッチ２４がオン操作された場合には、処理を中断して、モータ１７と電池セル１１〜１５を電気的に接続する。

次に、電池セル１１〜１５が充電された後に行われる電池セル１１〜１５の充電量の調整について説明する。
制御部２１は、充電器２９に外部充電器（充電プラグ）が接続されたことを検出すると、電池セル１１〜１５の充電を行う。そして、制御部２１は、以下の制御を行う。

図４に示すように、制御部２１は、電池セル１１〜１５と外部接続器との電気的な接続が遮断されたか否かを判定する（ステップＳ１１）。電池セル１１〜１５が満充電になると、制御部２１は、電池セル１１〜１５と外部充電器との電気的な接続を遮断する。また、電池セル１１〜１５が満充電されていない場合であっても、外部充電器が充電器２９から取り外された場合には、電池セル１１〜１５と外部充電器との電気的な接続が遮断される。そして、電池セル１１〜１５と外部充電器との電気的な接続が遮断されると、制御部２１は、電池セル１１〜１５の充電が完了したとみなしてステップＳ３０に移行する。一方、電池セル１１〜１５と外部充電器の電気的な接続が遮断されない場合には、ステップＳ１１の処理を繰り返す。なお、ステップＳ３０以降では、先述した処理と同様の処理を行う。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）制御部２１は、温度が高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなるようにセルバランス回路２３を制御する。このため、電池セル１１〜１５の劣化のばらつきが少なくなり、電池モジュール１６の長寿命化が図られる。

（２）温度センサ２８によって計測された電池セル１１〜１５の温度を比較して、温度の高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなるように制御している。このため、温度の高い電池セル１１〜１５の充電量を温度の低い電池セル１１〜１５の充電量よりも少なくすることができる。

（３）制御部２１は、キースイッチ２４がオフ操作された後に、電池セル１１〜１５の充電量の調整を行う。電池セル１１〜１５の充電量の調整は、電池セル１１〜１５が充放電されていない状態で行われる。キースイッチ２４がオフ操作された後には、電池セル１１〜１５とモータ１７との電気的な接続が遮断されており、また、その他の機器との電気的な接続も遮断されている。このため、キースイッチ２４がオフ操作された後に電池セル１１〜１５の充電量の調整を行うことで、電池セル１１〜１５の充電量の調整を適切に行うことができる。

（４）また、キースイッチ２４がオフ操作された後、更に一定時間が経過した後に、電池セル１１〜１５の充電量の調整を行っている。電池セル１１〜１５の充電量の調整には、長時間を要する。このため、車両１０を短時間停止させる場合など、電池セル１１〜１５の放電が短時間のみしか遮断されていない場合には、電池セル１１〜１５の充電量を調整することが困難である。キースイッチ２４がオフされた後に、一定時間内に再度電池セル１１〜１５の放電が行われる場合には、電池セル１１〜１５の充電量を調整するのに十分な時間を確保できないとみなすことで、電池セル１１〜１５の充電量の調整が中断されることが抑制される。

（５）制御部２１は、外部充電器と電池セル１１〜１５との電気的な接続が遮断された後に電池セル１１〜１５の充電量の調整を行う。外部充電器と電池セル１１〜１５との電気的な接続が遮断された後には、電池セル１１〜１５の充電が完了したとみなすことができる。このため、電池セル１１〜１５の充電量の調整を適切に行うことができる。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、セルバランス回路２３として、パッシブ式のセルバランス回路２３を用いたが、充電量の多い電池セル１１〜１５から充電量の少ない電池セル１１〜１５に電力を供給するアクティブ式のセルバランス部材を用いてもよい。

○ 実施形態において、温度センサ２８が設けられていなくてもよい。この場合、各電池セル１１〜１５の放熱性などから各電池セル１１〜１５間に生じる温度差を推測して、温度が高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなるように制御を行う。例えば、電池セルが並設されている場合、中央に配置される電池セルほど熱が篭りやすく、温度が高くなる傾向にある。この場合、中央に近い位置に配置される電池セルほど充電量が少なくなるように制御を行う。

○ 実施形態において、全ての電池セル１１〜１５にセルバランス回路２３を設けたが、これに限られない。例えば、複数の電池セル１１〜１５のうちから、いくつかの電池セル１１〜１５（例えば、最も温度差の付きやすい２つの電池セル１１〜１５）を選択し、選択した電池セル１１〜１５のうちで温度の高い電池セル１１〜１５ほど充電量が少なくなるようにしてもよい。

○ 実施形態において、制御部２１は、ステップＳ２０の処理を行わず、キースイッチ２４がオフ操作された後にステップＳ３０の処理を行ってもよい。
○ 実施形態において、電池セル１１〜１５の温度に閾値を設けて、電池セル１１〜１５の温度が閾値以上の場合にのみ、電池セル１１〜１５の充電量の調整を行うようにしてもよい。

○ 実施形態において、電池モジュール１６は、車両１０に搭載される電池モジュール１６以外であってもよい。
○ 実施形態において、車両として、ハイブリッド自動車や、産業車両など、電池モジュール１６（電池セル１１〜１５）を電力源として駆動する車両であれば、どのような車両を採用してもよい。

○ 実施形態において、充電量計測部材として電圧センサ２７を用いたが、電流センサを電池セル１１〜１５に直列接続して、電圧及び電流から電池セル１１〜１５の充電量を推測してもよい。

○ 実施形態において、キースイッチ２４は、オン操作されると、オン信号を制御部２１に出力し、オフ操作されると、オフ信号を制御部２１に出力するようにしたが、これに限られない。例えば、キースイッチ２４がオン操作されたときの電圧とキースイッチ２４がオフされたときの電圧からキースイッチ２４がオン操作されたか否かを判断してもよい。

○ 実施形態において、制御部２１がセルバランス回路２３を制御するときに、電池モジュール１６の電力によって制御部２１を駆動させてもよい。この場合、電池モジュール１６（電池セル１１〜１５）が放電された状態で、セルバランス回路２３の制御が行われるが、電池セル１１〜１５が放電する電力は、制御部２１を駆動できる程度の微少な電力であるため、各電池セル１１〜１５の充電量の調整に影響を与えないとみなすことができる。

○ 実施形態において、電池セル１１〜１５の個数は、２個以上であれば適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（イ）複数のリチウムイオン二次電池を電力源として走行する車両であって、請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載のセルバランス装置を搭載したことを特徴とする車両。

１０…車両、１１〜１５…電池セル、１６…電池モジュール、２０…セルバランス装置、２１…制御部、２３…セルバランス回路、２７…電圧センサ、２８…温度センサ。

Claims (5)

1. 複数のリチウムイオン二次電池を有する電池モジュールに接続されるセルバランス装置であって、
   複数のリチウムイオン二次電池それぞれの充電量を計測する充電量計測部材と、
   前記複数のリチウムイオン二次電池それぞれの充電量を調整するセルバランス部材と、
   前記セルバランス部材を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記複数のリチウムイオン二次電池のうち、温度の高い前記リチウムイオン二次電池ほど充電量が少なくなるように前記セルバランス部材を制御することを特徴とするセルバランス装置。
2. 複数の前記リチウムイオン二次電池には、前記リチウムイオン二次電池の温度を計測する温度センサが設けられることを特徴とする請求項１に記載のセルバランス装置。
3. 前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充放電が停止されたときに前記セルバランス部材を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセルバランス装置。
4. 前記電池モジュールは、車両に搭載され、
   前記制御部は、前記車両のキースイッチがオフ操作された後に前記セルバランス部材を制御することを特徴とする請求項３に記載のセルバランス装置。
5. 前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池に電力を供給する外部充電器と、前記リチウムイオン二次電池との電気的な接続が遮断された後に前記セルバランス部材を制御することを特徴とする請求項３に記載のセルバランス装置。