JP2014180080A - 制御装置及び方法並びにプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】簡便、かつ、安全に組電池を並列接続させること。
【解決手段】1以上の二次電池セル13を備えた複数の組電池50をそれぞれ並列接続させる制御装置であって、各組電池50の電圧値を算出するアーム電圧算出部22と、各組電池50の推定された内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定部23と、組電池50の電圧値と、組電池50の推定された内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の組電池50間に流れる還流電流値を推定する還流電流値推定部24と、並列接続される複数の組電池50間の還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する判定部25とを具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、制御装置及び方法並びにプログラムに関するものである。
従来、リチウム電池等の二次電池を複数個並列又は複数個直列に接続して構成される組電池が複数設けられる電池システムにおいて、各組電池間を接続させる場合には、組電池の過電流印加による故障や、コンタクタやヒューズ、配線などの損傷に繋がる恐れがあるため、組電池間の電圧差を有識者が十分に確認する必要がある。
例えば、下記特許文献1では、並列接続される複数の二次電池を備える電源システムにおいて、切り離した二次電池の電圧と、切り離されていない他の二次電圧の電圧差が閾値未満の場合に、切り離した二次電池を他の二次電池と接続する技術が開示されている。
特開2010−252566号公報
しかしながら、有識者によって電池やシステム構成を把握し、現品の確認を行うことは有識者の負担が大きく、また、人為的なミスによる機器破損の恐れがあった。
また、並列接続した組電池間に生じる電圧差が所定値未満であっても、電池の内部抵抗の差や温度差等に起因して流れる還流電流が大きくなることが推定されるにも関わらず、上記特許文献1の方法では、組電池間を接続する際の還流電流については一切考慮されていなかった。そのため、上記特許文献1の方法では、実際には並列接続しない方が良いと考えられる場合であっても、電圧差が条件を満たしていることから並列接続してしまい、大きな還流電流が流れてしまうという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡便、かつ、安全に組電池を並列接続させることのできる制御装置及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御装置であって、各前記組電池の電圧値を算出する電圧値算出手段と、各前記組電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、前記組電池の電圧値と、前記組電池の推定された前記内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定する還流電流値推定手段と、並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する判定手段とを具備する制御装置を提供する。
このような構成によれば、1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御装置において、組電池がそれぞれ並列接続される場合に、各組電池の電圧値と、推定された各組電池の内部抵抗値とに基づいて、並列接続させる複数の組電池間の還流電流値が推定され、推定された還流電流値と所定の閾値とが比較され、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かが判定される。
このように、各組電池から得られる情報に基づいて、並列接続時に接続する組電池間に流れ得る還流電流値を推定し、還流電流値が閾値より小さいか否かに応じて並列接続の可否が判定されるので、有識者が直接現品を確認する手間を削減でき、作業工数の削減や安全性の向上に繋がる。
上記制御装置の前記還流電流値推定手段は、全前記組電池のそれぞれの組み合わせを並列接続した場合の還流電流値を推定することが好ましい。
これにより、還流電流値が閾値より小さい組電池の組み合わせを確実に選定することができる。
上記制御装置の各前記組電池は、接続非接続を切り替える接続切替手段を介して接続されることとしてもよい。
接続切替手段を設けることにより、簡便に組電池の接続非接続が切り替えられる。
上記制御装置の前記判定手段は、前記組電池の電圧値に基づいて、並列接続させる前記組電池の接続順序を決定することとしてもよい。
組電池の電圧値に基づいて接続順序を決定することにより、例えば、還流電流値が小さくなる組電池の組み合わせを確実に選定することができる。また、最適な接続順序を決定することで最大数の接続組み合わせが期待できる。なお、最大数の接続組み合わせとは、例えば、接続対象の組電池が4個で、還流電流値が閾値以上流れてしまう組電池の組み合わせがあった場合に、その組み合わせを除いた他の接続可の組電池の組み合わせの数である。すなわち、接続順序が決まっていないと接続不可となるが、接続順序を決定することにより、接続可の組電池を最大3個並列接続することが期待できる。
上記制御装置の前記判定手段は、前記還流電流値が前記閾値以上であると判定する場合に、接続不可であることを判定結果として出力し、前記還流電流値が前記閾値以上とされた前記組電池間を接続させないようにすることとしてもよい。
還流電流値が閾値以上となる組電池間を並列接続させることを防ぎ、接続不可である旨を関係者に知らせることができる。組電池間を接続させないようにするには、例えば接続切替手段を非接続状態にする等の方法がある。
上記制御装置の前記判定手段は、前記還流電流値が前記閾値以上であると判定する場合に、前記組電池に外部抵抗素子を接続させ、前記組電池の電圧を低下させることとしてもよい。
外部抵抗素子を組電池と接続することにより、組電池の電圧が放電でき、積極的に組電池の電圧を低下させることができる。
本発明は、1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御方法であって、各前記組電池の電圧値と、推定された各前記組電池の内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定し、並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する制御方法を提供する。
本発明は、1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御プログラムであって、各前記組電池の電圧値を算出する算出処理と、各前記組電池の内部抵抗値を推定する第1推定処理と、前記組電池の電圧値と、前記組電池の推定された前記内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定する第2推定処理と、並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する判定処理とをコンピュータに実行させるための制御プログラムを提供する。
本発明は、簡便、かつ、安全に組電池を並列接続できるという効果を奏する。
本発明の第1の実施形態に係る電池監視システムの概略構成を示した図である。 第1の実施形態に係る電池監視システムの動作フローである。
以下に、本発明に係る制御装置及び方法並びにプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電池監視システム100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池監視システム100は、複数のCMU10a,10b、電池管理装置(以下「BMU:Battery Management Unit」という)20、複数の組電池(以下「アーム」という)50a,50b、及び接続切替部(接続切替手段)60a,60bを主な構成として備えている。なお、以下特に明記しない場合には、CMUはCMU10、アームはアーム50、及び接続切替部は接続切替部60として記載する。また、本実施形態においては、BMU20に制御装置21が設けられていることとして説明する。また、本実施形態に係る電池監視システムにおいて、アーム(組電池)は並列に2つ接続したものを例に挙げて説明するが、並列接続数はこれに限られず、特に上限を設定しない。
電池監視システム100は、1つ以上の二次電池セル13が直列接続されて構成される複数のアーム50が並列に接続され、負荷41に電力を供給できるようになっている。
各二次電池セル13には、二次電池セル13の電圧を検出する電圧センサ(図示略)、温度を検出する温度センサ(図示略)がそれぞれ設けられている。電圧センサ及び温度センサの検出結果(以下、「電池電圧情報」という)は、各アーム50に対応して設けられたCMU10に出力される。なお、図1に示すように本実施形態においてアーム50は、4つの二次電池セル13を1つのアームとしているが、セル数はこれに限定されるものではない。また、上記二次電池は、例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池である。
各アーム50には、それぞれ外部放電回路(外部抵抗素子)40がスイッチSWを介して並列接続されるようになっている。スイッチSWがオン状態になると、対応するアーム50に外部放電回路が並列接続され、オフ状態になると、対応するアーム50から外部放電回路が非接続状態にされる。
また、各アーム50は、接続非接続を切り替える接続切替部60を介してそれぞれ並列接続される。接続切替部60は、例えば、コンタクタなどである。接続切替部60が接続状態にされると、接続切替部60が接続状態にされたアーム50間が並列接続され、オン状態にされた接続切替部60に対応するアーム50が負荷41と接続される。
CMU10は、対応付けられるアーム50から取得した電池電圧情報を、BMU20に出力する。
BMU20は、制御装置21を備えている。制御装置21は、図1に示されるように、アーム電圧算出部(電圧値算出手段)22と、内部抵抗値推定部(内部抵抗値推定手段)23と、還流電流値推定部(還流電流値推定手段)24と、判定部(判定手段)25と、制御部26と、記憶部27とを備えている。
アーム電圧算出部22は、各アーム50の電圧値を算出する。具体的には、CMU10から取得した各二次電池セル13の電池電圧情報に基づいて、アーム50毎の電圧値を算出する。例えば、アーム電圧算出部22は、第1アーム50aの各二次電池セル13から取得した電池電圧情報に基づいて第1アーム50aの電圧値V1を算出し、第2アーム50bの各二次電池セル13から取得した電池電圧情報に基づいて第2アーム50bの電圧値V2を算出する。なお、本実施形態では、アーム電圧算出部22が、各二次電池セルの電池電圧情報から各アームの電圧値を算出する場合を例に挙げて説明するが、各二次電池セルの電池電圧情報を用いる場合に限られない。例えば、アームの電圧を検出する電圧センサを備え、BMUが、その電圧センサから取得したアームの電圧電池情報を取得して、アーム電圧算出部22が該電圧電池情報を用いて各アームの電圧値を算出してもよい。
内部抵抗値推定部23は、各アーム50の内部抵抗値を推定する。具体的には、内部抵抗値推定部23は、電圧値、温度値、SOC(State Of Charge;電池残容量)、及び劣化程度等の情報に基づいて、各二次電池セル13の内部抵抗値を推定する。例えば、内部抵抗値は、電圧値と温度値との少なくともいずれか一方に対応付けられた内部抵抗値のテーブルが事前に記憶部27に格納されており、電圧値と温度値とに基づいて対応する内部抵抗値が読み出されてもよいし、二次電池セル13の経過年数に基づいて算出しても良い。また、内部抵抗値は、二次電池セル13を充放電する場合の電圧変化量からSOH(State Of Health)を計算して内部抵抗値を逆算したり、メンテナンス時に測定したりするものであってもよい。
還流電流値推定部24は、アーム電圧算出部22で算出された各アーム50の電圧値V1,V2と、内部抵抗値推定部23で推定されたアーム50の内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数のアーム50間に流れる還流電流値を推定する。具体的には、還流電流値推定部24は、以下(1)式に基づいて還流電流値を推定する。ここで、Iは還流電流値とし、V1は第1アーム50aの電圧とし、V2は第2アーム50bの電圧とし、αは計測誤差及び安全マージとし、R1は各二次電池セル13の内部抵抗値として示す。
I=(V1−V2+α)/ΣR1 (1)
判定部25は、並列接続される複数のアーム50間の還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する。具体的には、判定部25は、還流電流値が、所定の閾値より小さい場合に接続可であることを判定結果として出力し、還流電流値が、閾値以上である場合に接続不可であることを判定結果として出力し、還流電流値が閾値以上とされたアーム50間を接続させないようにする。
ここで、閾値は、予め設定された電池の許容電流値、システム及び周辺部品の耐電流、耐電圧によって決定されることが好ましい。例えば、コンタクタ許容電流を100〔A〕、50〔V〕とし、電池許容電流を300〔A〕としてそれぞれ閾値が設定されている場合に、推定された還流電流値Iが250〔A〕であれば、電池は許容範囲内であってもコンタクタが許容範囲外で閾値以上であるため、判定部25は「接続不可」として判定する。また、温度等の周辺状況に応じて判定結果が変動する(異なる)場合には、それら変動条件に応じた閾値を持たせることとしてもよい。なお、本実施形態においては、閾値は記憶部27に記憶されていることとして説明する。
制御部26は、還流電流値が閾値より小さく接続可の判定結果を取得した場合に、複数のアーム50を並列接続させる。具体的には、制御部26は、接続可の判定結果を取得した場合に、接続させるアーム50間と対応付けられる接続切替部60を接続状態にして並列接続させる。また、制御部26は、還流電流値が閾値以上であり接続不可である旨を取得した場合には、接続切替部60を非接続状態にし、かつ、閾値判定をしたアーム50に対応する外部放電回路40と直列に接続されるスイッチSWを、還流電流値が閾値より小さくなるまでオン状態にし、アーム50の電圧を低下させる。
記憶部27は、判定部25による判定に必要とされる情報が含まれている。具体的には、閾値或いは閾値を決定するための情報、及び内部抵抗値を決定するための情報が含まれる。例えば、記憶部27は、内部抵抗値を決定するための情報として、温度に対する内部抵抗値の対応情報(テーブル、関数等)、SOCに対する内部抵抗値の対応情報、及び電圧値とSOCとの対応情報等を備えている。
次に、本実施形態に係る電池監視システム100の作用について図1及び図2を用いて説明する。
電池監視システム100の始動時、BMU20の電源が投入され、BMU20が起動する。第1アーム50a,第2アーム50bの各二次電池セル13から計測される、電圧値、温度値、及び劣化程度を含む電池電圧情報が、それぞれ対応するCMU10a,10bに出力される。CMU10a,10bからBMU20に各電池電圧情報が出力され、BMU20の制御装置21が電池電圧情報を取得すると、アーム50毎の電圧値が算出される(図2のステップSA1)。電池電圧情報に基づいて、二次電池セル13の内部抵抗値が推定される(図2のステップSA2)。算出されたアーム毎の電圧値、及び推定された内部抵抗値に基づいて、還流電流値が推定される(図2のステップSA3)。
還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かが判定され(図2のステップSA4)、所定の閾値以上である場合には、閾値以上と判定されたアーム50の外部放電回路40と接続されるスイッチSWがオン状態にされ、外部放電回路40と接続されたアーム50の電圧が放電され(図2のステップSA6)、ステップSA1に戻り、本処理を繰り返す。また、還流電流値が所定の閾値より小さいと判定された場合には、閾値より小さいと判定されたアーム50に対応付けられる接続切替部60が接続状態にされ、複数のアーム50を並列接続させる(図2のステップSA5)。
なお、本実施形態においては、BMU20の制御装置21は、始動時に動作フローが開始することとして説明していたがこれに限定されず、例えば、メンテナンス後の起動時等であってもよいこととする。
本実施形態に係る制御装置21においては、上記処理の全て或いは一部を別途ソフトウェアを用いて処理する構成としてもよい。この場合、制御装置21は、CPU、RAM等の主記憶装置、及び上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、CPUが上記記憶媒体に記録されているプログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の制御装置21と同様の処理を実現させる。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
以上説明してきたように、本実施形態に係る制御装置21及び方法並びにプログラムによれば、複数のアーム50がそれぞれ並列接続される場合に、推定された各アーム50の電圧値と、推定された各アーム50の内部抵抗値とに基づいて、並列接続させる複数のアーム50間の還流電流値が推定され、推定された還流電流値が所定の閾値より小さいと判定された場合に、還流電流値を閾値と比較した複数のアーム50を並列接続させる。
このように、各アーム50から得られる情報に基づいて、並列接続時に接続するアーム50間に流れ得る還流電流値を推定し、還流電流値が閾値より小さいか否かを判定し、判定結果に応じて並列接続を制御できるので、有識者が直接現品を確認して接続可否を判定する手間を削減でき、作業工数の削減や安全性の向上に繋がる。また、従来のように(状況に応じて変動してしまう)電圧値だけを検討するのでなく、本発明は、内部抵抗値などを勘案して算出される還流電流値に基づいてアーム50の接続可否を判定するので、信頼性が向上する。
〔変形例〕
上記実施形態に置いては、アーム(組電池)が2つの場合を例に挙げて説明していたが、3つ以上の場合には、還流電流値推定部24は以下のような還流電流値の推定を行うこととしてもよい。
還流電流値推定部24は、全アーム50のそれぞれの組み合わせを並列接続した場合(全通りの場合)の還流電流値を推定する。また、還流電流値推定部24は、並列接続済みのアームと、接続されていない残りのアームとのそれぞれの組み合わせを並列接続した場合の還流電流値を繰り返し推定する。
このように、並列接続済みのアームと、残りのアームとの間に流れ得る還流電流値をも推定することにより、3つ以上のアームを有する電池監視システムであっても、簡便かつ安全にアームの並列接続ができる。
また、本実施形態に係る電池監視システム100では、還流電流値が所定の閾値以上となり接続不可の判定結果が出力された場合に、アーム50と外部放電回路40とを接続することとして説明していたが、外部放電回路40は省略してもよく、例えば、制御部26は、接続不可の情報に基づいて、図示しない出力手段等に通知(出力)することとしてもよい。このように通知する場合には、判定結果に基づいて、有識者など人手によって確認、接続非接続の制御等が簡便に行える。具体的には、制御部26は、例えば、第1アームの接続先として、第2アーム及び第3アームがあった場合に、判定した結果、「接続先:第2アーム、還流電流値:150A、判定:NG」という情報、および「接続先:第3アーム、還流電流値:30A、判定:OK」という情報をユーザに対して通知する。その通知に基づいてユーザは組電池同士を接続することで、還流電流値による電池の損傷を防止することができる。
なお、本実施形態に係る電池監視システム100では、アーム50の電圧を低下させるための外部抵抗素子として、外部放電回路をアーム50毎に接続することとして説明していたがこれに限定されず、例えば、アーム50の各二次電池セル13に対応付けて設けられるセルバランス回路によりセルバランスさせることにより電圧低下させてもよい。
また、接続不可の情報に基づいて、アーム50個々に充放電を行い、接続対象の各アーム50の電圧が所定の範囲内に収まった場合に、再度、還流電流値を推定し、接続対象の各アーム50を並列接続させるか否かを判定してもよい。
〔第2の実施形態〕
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。本第2の実施形態に係る電池監視システムは、組電池(アーム)を3つ以上備える点で第1の実施形態と異なる。以下、本実施形態の電池監視システムについて、組電池(アーム)を3つ備える場合を例にとって説明することとし、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
判定部は、全アーム(第1アーム、第2アーム、第3アーム)の各電圧値に基づいて、並列接続させるアームの接続順序を決定する。具体的には、判定部は、推定されたアーム毎の電圧値の近いものから順に所定数接続させ、最終的に全てのアームを並列接続するように接続順序を決定する。
例えば、第1アームの電圧値V1、第2アームの電圧値V2、第3アームの電圧値V3の順に電圧値が大きいとする場合に、還流電流値推定部は、電圧値V1と電圧値V2とを並列接続する場合の還流電流値を推定し、判定部は、推定した還流電流値が閾値より小さいと判定した場合に第1アームと第2アームとを並列接続することとする。一方、判定部は、推定した還流電流値が閾値以上と判定した場合には、第1アームと第2アームとを並列接続させず、第2アームと第3アームとを並列接続させる新たな対象として選定する。
還流電流値推定部は、第2アーム(電圧値V2)と第3アーム(電圧値V3)とを並列接続する場合の還流電流値を推定し、判定部は、推定した還流電流値が閾値より小さいと判定した場合に第2アームと第3アームとを並列接続することとする。また、判定部は、推定した還流電流値が閾値以上と判定した場合には、第2アームと第3アームとを並列接続させず、第1アームと第3アームとを並列接続させる新たな対象として選定し、上記同様に判定する。
また、判定部は、例えば、極端に大きい電圧値Vxのアームがあり、還流電流値が大きくなる等の理由により他の残りのアームと接続不可と判定する場合には、極端に大きい電圧値Vxのアームは並列接続せずに、他の残りのアームのみを並列接続させるようにし、順序を決定してもよいことする。
これにより、アームの電圧値の大きさに基づいて接続順序を決定することにより、例えば、還流電流値が小さくなるアームの組み合わせを確実に選定することができる。
以上のように本発明の電池監視システムの好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想及び範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、及び省略が当業者によって可能である。
10a,10b CMU
20 BMU(電池管理装置)
21 制御装置
22 アーム電圧算出部(電圧値算出手段)
23 内部抵抗値推定部(内部抵抗値推定手段)
24 還流電流値推定部(還流電流値推定手段)
25 判定部(判定手段)
26 制御部
27 記憶部
50a,50b アーム(組電池)
60a,60b 接続切替部(接続切替手段)

Claims (8)

  1. 1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御装置であって、
    各前記組電池の電圧値を算出する電圧値算出手段と、
    各前記組電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、
    前記組電池の電圧値と、前記組電池の推定された前記内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定する還流電流値推定手段と、
    並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する判定手段と
    を具備する制御装置。
  2. 前記還流電流値推定手段は、全前記組電池のそれぞれの組み合わせを並列接続した場合の還流電流値を推定する請求項1に記載の制御装置。
  3. 各前記組電池は、接続非接続を切り替える接続切替手段を介して接続される請求項1または請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記判定手段は、前記組電池の電圧値に基づいて、並列接続させる前記組電池の接続順序を決定する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の制御装置。
  5. 前記判定手段は、前記還流電流値が前記閾値以上であると判定する場合に、接続不可であることを判定結果として出力し、前記還流電流値が前記閾値以上とされた前記組電池間を接続させないようにする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。
  6. 前記判定手段は、前記還流電流値が前記閾値以上であると判定する場合に、前記組電池に外部抵抗素子を接続させ、前記組電池の電圧を低下させる請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御装置。
  7. 1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御方法であって、
    各前記組電池の電圧値と、推定された各前記組電池の内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定し、並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定させる制御方法。
  8. 1以上の二次電池セルを備えた複数の組電池をそれぞれ並列接続させる制御プログラムであって、
    各前記組電池の電圧値を算出する算出処理と、
    各前記組電池の内部抵抗値を推定する第1推定処理と、
    前記組電池の電圧値と、前記組電池の推定された前記内部抵抗値とに基づいて、並列接続される複数の前記組電池間に流れる還流電流値を推定する第2推定処理と、
    並列接続される複数の前記組電池間の前記還流電流値が、所定の閾値より小さいか否かに基づいて、並列接続させるか否かを判定する判定処理と
    をコンピュータに実行させるための制御プログラム。
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