JP2014226031A - 直列接続された複数の2次電池の充放電のための能動バランス回路とアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法 - Google Patents

直列接続された複数の2次電池の充放電のための能動バランス回路とアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の2次電池を直列に接続して同時に充電及び放電する。【解決手段】本発明は、複数の2次電池を直列に接続して同時に充電及び放電する装置で、直列接続された各電池が互いに異なる充電及び放電特性を有し、互いに異なる充放電特性を有する各電池を最終的に全て最大電圧に充電できるように個別電池のバランスのために能動バランス回路とスイッチング回路を用いて複数の電池を同時に充電及び放電できるように設計製作された直列接続された複数の電池充放電のための能動バランシングアルゴリズムを備える能動バランス制御装置及び方法に関する。【選択図】図1

Description

本発明は、複数の2次電池を直列に接続して同時に充放電する装置において、直列接続された各電池の容量及び内部抵抗が完全に一致せず互いに異なる充放電特性を有し、互いに異なる充放電特性を有する各電池を定電圧(Constant Voltage)充電モードに設定された最大電圧に充電できるように個別電池のバランスのために能動バランス回路とリレーを用いて複数の電池を同時に充放電する、直列接続された複数の2次電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法に関する。
電気自動車に使用する大容量リチウム2次電池の場合、電池一つの動作電圧は2V〜4.7Vの前後と低い一方、動作電流は25A〜50A以上であり大きな電流が流れる。
電気自動車においてはこのような電池を数十個から数百個を連結して使用するが、電池集合体を製造する過程で単位モジュールの電池(1つあるいは少数個の電池を直列あるいは並列に接続した構成)を最大容量に充放電しなければならない。よって、電気エネルギーを交流に変換してリサイクルする際に、その変換効率が低くなり技術的な困難が生じる。
スイッチモード方式で大容量の2次電池を同時に充電及び放電する装置においては、放電の場合には動作電圧が2V〜4.7V前後であるリチウム2次電池1つを放電し、その電気を熱に変換して消耗するか交流電気に変換して国家交流電力網に回生させなければならない。
このような電力を回生させるための直流−交流コンバータにおいては、電池1つの電圧が常用交流電力網の電圧(220Vあるいは380V)に比べて極めて低く、変換効率が通常40%前後として極めて低く、変換される過程で残る電気は変換装置で発熱して消費される。
したがって、従来の2次電池充放電装置を用いる工程においては電池製造工場が冷却用空調装置を備えており、電力使用が最も多い場所と知られている。
本発明においては、容量及び内部抵抗が互いに異なる2次電池を直列に接続して1つの双方向定電流(Constant Current)電源装置で充放電するとき、前記2次電池の特性差によって個別電池の定電圧充放電が困難になり、過充電あるいは過放電となる結果を招く。
関連する従来技術において、韓国公開特許公報第10−2012−0103337号には、複数のリチウム2次電池またはリチウム2次電池のグループをバランスさせるためのバッテリパック制御モジュール及びその利用方法に関する技術的な構成が開示されている。しかし、当該技術は、複数の2次電池の充放電において、各電池が互いに異なる充電及び放電特性を有する電池を同時に最大電圧と同じ電流を保持する状態で充電を終了させる技術的な構成である本発明とは著しい差がある。
関連する更なる従来技術において、韓国公開特許公報第10−2010−0122911には、直列に接続した各2次電池ごとに放電ルート回路を備え過充電に備える技術的な構成が開示されているが、各2次電池ごとに放電ルート回路を構成するための別途の放電抵抗とスイッチング素子を備えているため、電力消耗が増加して製造コストが増加するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、容量及び内部抵抗が互いに異なる電池を直列に接続して1つの双方向定電流源で充放電するとき、個別に2次電池の両端に印加した所定の電流を増加又は低減させる能動バランス回路を付加して電池の特性差を克服し、直列回路で定電圧充放電を可能にする。
本発明が解決しようとする他の課題は、通常、同一の工程で生産される電池間の特性(内部抵抗及び容量など)の差が5%以内と小さい値であり、この程度の値はユーザが電池の良不判定のために設定する値であり、同じ工程で生産される電池の間の容量散布はそれほど大きくないことから、各2次電池充放電回路に極めて小さい容量の能動バランス回路を設けて各トレー内の全体電池を定電圧充電することでバランス可能にする。
本発明が解決しようとする更なる課題は、1つのトレー内にある複数の2次電池を直列に接続して同時に充放電するが、1つの双方向DC−DCコンバータと1つの双方向リニア定電流源、及び1つのコントローラを用いて装置を構成することで製造コストを節減し、放電する電気を直流状態でそのまま充電に使用して電力転換の効率を高めると共に大きさ及び重さを大きく減少させることで設置空間を大きく減らし得る。
本発明の課題を解決するための手段は、1つのトレー内に複数の2次電池を直列に接続して同時に充放電するが、各電池が容量及び内部抵抗などの互いに異なる充電及び放電特性を有し、互いに異なる充放電特性を有する各電池を最終的に全て設定電圧で定電圧充放電されるよう各電池バランスのために能動バランス回路とスイッチング回路を用いて複数の電池を同時に充放電できるよう設計製作された能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法を提供する。
本発明の他の課題を解決するための手段は、各2次電池が直列接続された直列回路を構成する回路構成品には当然同じ電流が流れるものの、電池の容量及び内部抵抗のような特性が少しずつ異なる場合は定電圧を保持するために互いに異なる特性を能動的に調節することで、結果的には、直列接続された2次電池の特性が異なっても定電流及び定電圧充放電することができる。また、容量や内部抵抗が5%前後で小さい範囲で分布すれば当然能動バランス回路で調節する容量も全体容量の5%前後の小容量であれば十分である。従って、小容量のバランス回路が各2次電池充放電回路に接続して設けられた能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法を提供する。
本発明の更なる課題を解決するための手段は、1つのトレー内にある直列接続された複数の2次電池を1つの双方向DC−DCコンバータと双方向リニア定電流源で同時に充放電するように構成するが、充放電のための前半部では定電流モードとして動作し、充放電のための後半部では能動バランス回路を用いた定電圧モードとして充放電を行い、1つのトレー内にある全ての電池が最大電圧で同じ電流になるとき充放電を終了し充電できるように構成された、直列接続された複数の電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置及び方法を提供する。
本発明は、複数の2次電池を直列に接続して同時に充放電するが、定電流モードと定電圧モードを併行して互いに異なる充電及び放電特性を有する電池を最終的に全て設定された最大電圧に同じ電流状態で充放電を終了できるという有利な効果がある。
また、本発明は、電池の容量及び内部抵抗などの特性が互いに異なる場合であっても能動バランス回路がその特性を補正し、等価的に完全に同じ特性の2次電池を直列に接続して充放電できるという有利な効果を有する。
本発明の更なる効果は、1つのトレー内にある複数の2次電池を直列に接続して同時に充放電するが、1つの双方向DC−DCコンバータ、1つの双方向リニア定電流源、及び1つのコントローラを用いて装置を構成することで製造コストを節減し、大きさ及び重さを大きく減らすと共に、設置空間を大きく減らし得る。
従来の個別式2次電池充放電装置を示す図である。 本発明に係る直列接続された複数の電池を充放電するための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置を示す図である。 本発明に係る各トレーに電源を供給するための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置を示す図である。 本発明に係る数十ないし数百個2次電池を充放電する1つのトレーで各2次電池を充放電する回路を具体的に示す図である。 充放電に用いられる各2次電池の内部抵抗及び容量散布を示す図である。 容量及び/または内部抵抗が互いに異なる2次電池をリレー及び能動バランス回路を用いて充放電を行うアルゴリズムを示す図である。 本発明に係る各2次電池の充放電のための能動バランス回路を示す図である。 図3及び図4を合わせて1つの回路を示す図であり、1つのトレー内に存在する直列接続された2次電池を定電流モードと定電圧モードを用いて充放電するように構成された装置を示す図である。 図8と同じ充放電回路として電流の流れを用いて具体的に充放電原理を説明するための回路図である。
本発明の実施のための具体的な内容について説明する。
本発明は、各電池が直列接続された直列回路を構成する回路構成品に同一の電流が流れるものの、電池の容量及び内部抵抗のような特性が異なる場合に定電圧を保持するために互いに異なる特性を能動的に調節する能動バランス回路を用いて、直列接続された複数の2次電池の特性が異なる場合でも特性を補正することで、等価的に完全に同一の特性を有する2次電池を直列に接続して充放電することができる技術的な構成及び作用効果を含む。
また、通常同一の工程で生産される2次電池の間の特性(内部抵抗及び容量など)の差異は5%以内と小さい値であり、容量や内部抵抗値が5%前後と小さい範囲で分布すれば、能動バランス回路で調節する容量も全体容量の5%前後の小容量であれば十分であり、従って、小容量の能動バランス回路を各2次電池充放電回路に接続して設けることができる。本発明の具体的な実施形態について説明する。
<実施形態1>
本発明の具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態1は、直列接続された複数の電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置に関する。
図1は、従来の個別式2次電池充放電装置を示す図である。このような構成においては、各電池を各DC−AC電源装置に充放電するために、高い設置費用と広い空間が必要とされ、電力回収率が低くなるという問題がある。
図2は、本発明に係る直列接続された複数の電池を充放電するための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置を示す図である。
本発明の明細書では「充電及び放電」と「充放電」とを同じ意味を有する用語として混用して記載する。
本発明の明細書では「リチウム2次電池」、「2次電池」及び「電池」を同じ意味を有する用語として混用して記載する。
本発明の明細書及び図面における「CPU」、「CPUを含む制御部」及び「制御部」の用語は同じ意味であり、これは本発明に係る制御プログラムを搭載し、搭載された制御プログラムにより充放電するように構成されている。
本発明の明細書上の互いに異なる図面は、同一の構成に対しても互いに異なる図面符号を付与する。
本発明に係る各2次電池を充放電する装置は、1つの電池電圧が2V〜4.7Vの間と低いものを直列に数十ないし数百個を接続することで高められた電圧を双方向DC−DCコンバータに変換して電力転換効率を上げ、直流充放電装置の電圧を電池列の最大電圧の2倍前後に設定して電力制御時における効率及び分解能を高めることで、放電する電池電力の損失なく充電にリサイクルできるように構成されている。
図2に示すように、常用電源が配電盤21を介して入力され、配電盤21を介して供給される電源を双方向AC−DCコンバータ22を経て直流電気格納装置23に格納する。
直流電気格納装置23は、電解コンデンサ及び/またはスーパーコンデンサ(1つの容量が数百ファラデー(Faraday)である)などを直列または並列に接続して必要な電圧及び容量で構成したものである。
直流電気格納装置23を経た電源は、各トレー26、27に1つずつ設けられている双方向DC−DCコンバータ24と電気的に接続されている。
次の端にはリニア定電流源25と電気的に接続して直列接続された複数の各電池を充放電するように構成されている。
直流電気格納装置23は、電気を安定的に双方向DC−DCコンバータ24に供給する役割を果たすと同時に、停電時にも所定時間の間に安定に双方向DC−DCコンバータ24に電気を供給して続けて充放電できるように構成されている。
前記双方向DC−DCコンバータ24とリニア定電流源25はそれぞれのトレー27、28、29ごとに1つずつ設けられ、直列接続された複数の電池C〜Cそれぞれを充放電するように構成されている。
本発明は、リニア定電流源25で充放電するように構成されるため、直列に接続される電池C〜Cの数と関係なく、より効率よく充放電できる。
すなわち、直列に接続される電池C〜Cの数に応じて変わる電池列の両端間の電圧変動に関係なく、数十ないし数百個の電池C〜Cを効率よく充放電することができる。
また、本発明は、直列に接続される複数の電池数だけ電圧を高めて使用するため、双方向DC−DCコンバータ24の電力転換効率を著しく上昇させる作用効果がある。
すなわち、本発明においては、数多くの電池C〜Cを同時に充放電するように構成された装置において、数多くの電池C〜Cを直列に接続して電池列の両端の電圧が高められた状態で電力を変換するため、エネルギー効率(80%以上)を向上させ得ると同時に省エネを図る有利な効果を得ることができる。
本発明に係る能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置は、電力制御時に分解能を高めるため直流充放電装置の適正電圧を直列接続した電池列の両端にかかる最大電圧の2倍程度に設定することが好ましいが、これは変更設定してもよい。
図3は、本発明に係る各トレーに供給される電源を供給するための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置を示す図である。
図2を参照して説明した双方向AC−DCコンバータ22は図3に示す双方向AC−DCコンバータ31に当該し、図2に示す電気格納装置23は図3に示す電気格納装置32に該当する。
図2及び図3に示すように、図3の双方向AC−DCコンバータ31及び電気格納装置32は、2次電池を充放電するため複数のトレーに電気的に接続して同時に電力を供給する電源である。
図3に示す双方向DC−DCコンバータ33及び電流を精密に制御する双方向リニア定電流源34は、複数(数十ないし数百個)の2次電池を直列に接続して充放電する各トレー35、36、37ごとに1つずつ接続している。
図3において、双方向リニア定電流源34からのVB1 、VB1 は図4に示すVB1 、VB1 と同じものである。
図3に示すように、各端の電圧または電圧制御の範囲が上部に表示されている。これは1つの例示に過ぎず、その数値は限定されることはない。
図4は、本発明に係る数十ないし数百個の電池を充放電する1つのトレーで各電池を充放電する回路をより具体的に示す図である。
図4において、2次電池の両端の電圧を測定するため、電池の両端に電池プローブ42が設けられ、電池の両端に設けられる電池プローブ42と接続して電圧、電流、及び温度を測定し、制御部に送信するための電池計測A/Dコンバータ41が設けられている。
電池計測A/Dコンバータ41は、電池の両端に設けられた電池プローブ42の間で測定されたアナログ電圧をデジタル信号に変更し、測定された2次電池の両端の電圧を用いて充放電制御に使用するよう構成されている。
各2次電池には各電池状態を示す電圧、電流、及び温度などを測定するために相互絶縁された状態でも精密に計測可能な絶縁型電池計測部(Isolated Battery Management System「BMS」)がそれぞれ設けられ、設けられた絶縁型電池計測部で測定したアナログ値をA/Dコンバータからデジタル信号に変換するよう構成されている。
電池計測A/Dコンバータ41は、絶縁型電池計測部とA/Dコンバータとを結合して測定されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
図4において、リレードライバ44は、1つのトレーに設けられた1つのCPUを含む制御部から入力される制御信号によってリレー45を駆動するように構成されている。
各トレーには各2次電池を充放電するための制御部が備えられ、制御部はCPUとメモリが内蔵され、本発明に係る2次電池充放電に必要な制御プログラムが搭載されている。
制御プログラムには、本発明により2次電池充放電に必要なPWM信号制御、直列接続された複数の電池を充放電するために必要なCCモード及びCVモードを制御するための手段が含まれている。
1つのトレーには、直列接続された各電池43の充電及び放電を制御するための制御部(またはコントローラ)と、制御部(コントローラ)と通常の通信手段に接続して制御信号を生成するマイクロプロセッサー(CPU)が1つずつ設けられている。
また、制御部には、直列接続された各電池43を安全かつ効率的に充放電するために必要な位置に温度、電圧、及び電流などを測定することのできるセンサが設けられ、各センサから測定された値が入力されるように構成されている。
各トレーに設けられた制御部は、ホストPCと接続して有線または無線通信手段で信号のやりとりできるように構成されている。
図4において、リレー両端間にはリレースナバ(relay snubber)46が設けられている。リレースナバ46は、リレーが1つの接点から他の接点に移動する瞬間、瞬間的な回路の開放による電流の切れを防止し、接点が付着されるとき発生するスパークによる接点損傷を防止することでリレーの耐久性を高める。
すなわち、リレースナバ46は、リレーが開放される瞬間にリレー間の電流をバイパスさせ、回路が開放される現象と接点の損傷を防止することで安定に回路が動作することを可能にし、その耐久性を高める。
能動バランス回路は、CPUが含まれた制御部からPWM信号を受信して電流レギュレータで電流を制御できるように構成されている。
図4に示すように、具体的な1つの実施形態として、能動バランス回路はCPUが含まれた制御部からPWM信号を入力するPWM信号入力部49、50、低域通過フィルタ(LPF)48、及び電流レギュレータ47から構成されている。
図5は、充放電のため各2次電池の内部抵抗及び容量散布を示す図である。
1つのトレー内に各2次電池が直列接続された直列回路を構成する回路構成品には同じ電流が流れることは当然であるが、各電池容量及び内部抵抗などの特性は少しずつ異なる場合がある。
図5において、最初に充電が完了した後、設定された値よりも多く放電が発生した最初の電池は内部抵抗が大きいため不良電池として処理される。
図5に示すように、充放電するとき2番目、3番目及び4番目の電池は設定された値以内に放電が発生したため良好な状態として判断され定常状態で充放電する。
図5に示すように、本発明は、2次電池の容量及び内部抵抗を含む、直列接続された2次電池の特性が互いに異なっても、本発明に係る能動バランス回路を用いて定電流及び定電圧充放電ができるように構成されている。
本発明は、電池の容量及び内部抵抗などの特性が互いに異なる場合でも、能動バランス回路がその特性を補正して等価的に同じ特性を有する2次電池を直列に接続して充放電するような作用及び効果を有する。
また、2次電池の容量及び/または内部抵抗値の差が5%前後と小さい範囲で分布すれば、能動バランス回路で調節するバランス回路の容量も全体容量の5%前後の小容量であればよい。
本発明に係る能動バランス回路は、電池の容量及び/または内部抵抗値の差が5%よりも大きくても収容できるように設計製作してもよい。
図6は、容量及び/または内部抵抗値の差が存在する2つの2次電池をリレーオン/オフと能動バランス回路を用いて充放電するアルゴリズムを示す図である。
本発明は、容量及び内部抵抗が互いに異なる電池を直列に接続し、1つの双方向定電流源で充放電するとき、各電池の両端に印加する所定の電流を増加又は低減させる能動バランス回路を付加して電池の特性差を克服し、直列回路において定電圧充放電できるように構成されている。
図6は、本発明に係る2次電池充放電アルゴリズムを説明する。図6は、互いに異なる特性を有する充放電対象である2つの2次電池の充放電過程を示す図であり、2つの電池C、Cのうち、Cの容量がCの容量よりも大きい。
1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を充放電するとき、各2次電池は最初のVmaxに達するまで定電流モード(constant current mode:CC)で充放電するように構成されている。
1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を充放電するとき、電池のうち最も遅く最初のVmaxに達した時点以後からは定電圧モード(constant voltage mode:CV)で充放電するように構成されている。
1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を充放電するとき、Vmaxに先に達した電池は定電流モードでリレーをオンまたはオフしつつ、電池のうち最も遅く最初のVmaxに達した時点に合わせてVmaxに達するように制御する手段を含む。
前記定電圧モードでは、カットオフ(cut−off)電流点まで能動バランス回路を用いて全ての2次電池に対して充放電を継続する。
より具体的に、定電圧モードでは、能動バランス回路により、規格に合格した状態にある最も容量の大きい電池に対して電流を適切に減らすことで、全ての電池が同じ電圧を保持するように制御する。
充電された電圧の偏差は2mV以下であることが好ましい。
本発明に係る定電流モードと能動バランス回路を用いる場合、定電圧モードで直列接続された容量散布が互いに異なる複数の2次電池を同じ電圧に充電することができる。
図7は、各2次電池の両端間に設けられた可変抵抗R、R、...R値を、CPUを含む制御部で生成するPWM信号により可変し、各電池の両端の電圧を同一に保持するように構成されている。
図8は、図3及び図4を合わせて1つの回路図として示す図であり、1つのトレー内に存在する直列接続された2次電池を定電流モードと定電圧モードを用いた充放電装置を示す図である。
図9は、充放電回路で電流の流れを用いて具体的に説明するための回路図である。
制御部は、それぞれのセンサから入力された電流、温度及び電圧などに基づいて安全かつ迅速に2次電池の充電及び放電が成されるように制御する。
図9において、本発明に係る充放電を安全かつ効率的に制御するために、Vb、ib、ibb1−45、電池の両端間の電圧、電池の温度などが測定対象となる。
本発明の充放電のための主回路は図9に示す太い線に沿って形成され、リニア定電流源で供給される定電流が直列接続された各電池を通過しながら直列接続された各2次電池を充放電するように構成されている。
直列接続された各電池94は、製造会社ごとに内部抵抗を含む充放電の特性及び容量が異なることもあり、同一の製造会社の電池であってもその特性及び容量において差が存在し得る。
互いに異なる特性を有する電池を直列かつ同時に充放電する場合、同じ条件で充電されることはない。その理由は、容量の小さい電池と容量が大きい電池を同じ条件で充電する場合には、容量の小さい電池が先に所望する充電条件に達し、続けて充電する場合に充電のための最大電圧を超過して2次電池が爆発する場合があるからである。
これを防止すると同時に、1つのトレー内に直列接続された複数の電池の容量及び内部抵抗を含む特性差を考慮して、各電池特性に合わせて同時に設定した最大電圧(図6のVmax)に充電する技術的な構成は極めて重要である。
本発明は、容量及び内部抵抗が互いに異なる電池を直列に接続して1つの双方向定電流源に充放電するとき、定電圧モードで各電池の両端に印加した所定の電流を増加又は低減させることで能動バランス回路を付加し、各電池が有する内部抵抗と特性差を克服することによって設定された条件で充放電できるように構成されている。
図6を参照して説明したように、1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を充放電するとき、各2次電池は最初のVmax(3.65Vに該当)に達するまで定電流モードで充放電する。
1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を充放電するとき、電池のうち最も遅く最初のVmaxに達した時点以後からは定電圧モードで充放電するように構成されている。
本発明は、1つのトレー内で容量が互いに異なる2次電池を直列充放電するとき、Vmaxに先に達した電池は定電流モードでリレーをオンまたはオフしながら、電池のうち最も遅く最初のVmaxに達した時点に合わせてVmaxに達するように制御する。
前記定電圧モードでは、最も遅く最初のVmaxに達した時点からカットオフ電流点までの全ての2次電池それぞれに設けられた能動バランス回路を用いて充放電を継続する(図6参照)。
能動バランス回路は、図7に示すように、CPUを含む制御部で供給されるPWM信号の周波数とデューティ比を制御してスイッチング素子(例えば、FET、これと均等な素子)をオンまたはオフし、電流ibb1(図9参照)を制御して各電池に流れる電流ic1(図9参照)値を制御するように構成されている。
本発明において核心技術的となる構成のリレー(または、スイッチング回路)と能動バランス回路を用いて、互いに異なる内部抵抗と容量を有する2次電池を最大電圧(図6の3.65V(=Vmaxに該当))で同一の電流状態で充電を終了させるためのアルゴリズムについて説明する。
図6を参照して説明したように、本発明は、CPUを含む制御部に搭載された制御プログラムによって1つのトレーで充放電される数十ないし数百個の直列接続された2次電池を定電流モード(CCmode)と定電圧モード(CVmode)を用いて同時に設定した最大電圧に充放電するアルゴリズムである。
本発明に係る充放電アルゴリズムは、CPUを含む制御部で充放電が行われる間に直列接続された各電池から両端の電圧を測定し、測定された電圧が最大電圧Vmaxに達すると、当該電池に電流が流れることを防止するためリレーをオフし、これ以上充電が行われないように構成している。
直列接続された各2次電池電圧は続けて測定され、放電によって設定された電圧まで落ちるとリレーをオフさせて放電を中止し、1つのトレー内で直列接続された複数の電池のうち最も遅く最大電圧Vmax(図6の3.65Vカットオフ電圧)に達する時点まで繰り返しリレーをオンまたはオフするように制御する。
すなわち、1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池のうち、最も遅く最初に最大電圧に達した時点まで定電流モードで充放電を制御し、以後から定電圧モードに変更して微細に充放電を制御するように構成されている。
能動バランス回路を用いて微細に充放電を制御する定電圧モード(CVmode)における定電圧は、図6に示す最大電圧(Vmax=3.65V)に該当する。
定電圧モードでは、図8及び図9に示す能動バランス回路によって制御され、2次電池1(図9の#1)に流れる電流ic1は電流iから電流ibb1を引いた値である。
図9は図8と同じ回路であるが、図9に示す場合は直列接続された複数の電池を充放電するとき、各電池に流れる電流の流れを表示することで容易に理解できるように示す図である。
2次電池2(図2の#2)に流れる電流ic2は電流iから電流ibb2を引いた値である。このようにして2次電池45(図2の#45)に流れる電流ic45は電流iから電流ibb45を引いた値である。
1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池の充放電は、定電圧モードで能動バランス回路を用いてic1、ic2、...ic45がカットオフ電流に同一にic1=ic2...=ic45の条件を満たす場合に終了する。
すなわち、1つのトレーに直列接続して充電される全ての電池が図6に示す最大電圧を有しながら、カットオフ電流で同一の電流を有する場合に充放電が終了する。
充放電するときリレーが当該の電池でオフされる場合には下段の電池に電流が直接流れるように構成されている。
能動バランス回路98はスイッチング素子を備え、CPUを含む制御部の制御下で動作し、制御部でスイッチング素子をオンまたはオフしてリレー両端に流れる電流(図2のibb1−45)を制御するように構成されている。
図9において、定電圧モードで各電池に流れる電流ic1−45を制御するためにPWM信号の周波数とデューティ比を制御供給し、スイッチング回路両端に流れる電流(図3のibb1−45)を制御し、1つのトレー内に直列接続された全ての電池に流れる電流(図2のibb1−45)が同一である場合に充電を終了する。
電流ibb1−45及び電流ic1−45は直列接続された電池の数が45個であることを意味するが、ic1−45において45という数値は変更され得るため、nとして表現してic1−nのように記載してもよい。
より具体的に、リレースナバは容量の大きい双方向ツェナーダイオードまたはダイオード、コンデンサ及び抵抗などで構成してもよい。
また、各2次電池の充放電のために設けられるリレーは、これと均等な機能を果たすスイッチ素子を用いて充放電してもよく、このような変形も本発明の保護範囲に属する。
<実施形態2>
本発明の実施形態2は、直列接続された複数の電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御方法に関する。
実施形態2は、前述した実施形態1で記載の直列接続された複数の電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置を使用するものである。
実施形態2に係る直列接続された複数の2次電池の充放電のための能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御方法は、高い電圧でDC−DCコンバータが動作するように構成し、高い電力転換の効率に充放電するように電気的に直列接続された複数の2次電池と、直列接続された複数の2次電池列の両端間の電圧変動に関わらず安定に充放電するように電流を供給するためのリニア定電流源と、直列接続された各2次電池に流れる電流を制御するためのリレーと、直列接続された各2次電池に流れる電流を微細制御するための能動バランス回路及び制御プログラムを搭載し、内部抵抗及び容量が互いに異なる直列接続された複数の2次電池を同時に充放電するために1つのトレーで充放電される数十ないし数百個の直列接続された2次電池を定電流モードと定電圧モードを用いて設定された最大電圧に同時に充放電するステップを含んでいる。
より具体的には、本発明に係る能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御方法は、CPUを含む制御部で充放電が行われる間に直列接続された各電池から電池の両端の電圧を測定するための絶縁型電池計測部で電圧を測定し、測定された電圧が制御部に設定された最大電圧に達すると、当該電池に電流が流れることを防止するためリレーをオフし、これ以上充電を行わないステップを含む。
直列接続された各電池の電圧は、各電池の両端の電圧を測定するために設けられた絶縁型電池計測部によって続けて測定され、放電によって設定された電圧まで落ちるとリレーをオフして放電を中止させ、1つのトレー内で直列接続された複数の電池のうち最も遅く最大電圧(図6の3.65Vカットオフ電圧)に達する時点まで繰り返しリレーをオンまたはオフして制御するステップを含む。
すなわち、1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池のうち、最も遅く最初に最大電圧に達した時点まで定電流モードに充放電を制御し、その以後から定電圧モードに切り替えてカットオフ電流で同一なように制御するステップを含む。
また、1つのトレーに直列に接続して充電される全ての電池が図6に示す最大電圧を有しながら、カットオフ電流で同一の電流を有するとき充放電を終了するステップを含む。
実施形態2の能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御方法と前記実施形態1の能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御装置とでは技術的な構成が相互類似しており、後者における、能動バランス回路及びアルゴリズムを備える2次電池充放電制御方法に適用できる構成は全て前者において使用できる。
このような技術的な構成は重複記載を避けるために省略する。
産業上利用の可能性
本発明は、複数の2次電池を直列に接続して同時に充電及び放電する装置で、直列接続された各電池が容量及び内部抵抗が完全に一致しなくて互いに異なる充電及び放電特性を有し、互いに異なる充放電特性を有する各電池を定電圧(Constant Voltage)モードで設定された最大電圧に充電できるように個別の電池のバランスをために能動バランス回路とリレーを用いて複数の電池を同時に充放電できるように設計製作された直列接続した複数の電池の充放電のための能動バランシングアルゴリズムを備える能動バランス制御装置及び方法を提供する。ここで、直列接続された複数の電池を最大電力に同時に充放電できるため、産業上利用の可能性が極めて高い。

Claims (13)

  1. 直列接続された複数の2次電池の充放電のための能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置において、
    高い電圧で双方向DC−DCコンバータが動作するように構成し、高い電力転換率で充放電するよう電気的に直列接続された複数の2次電池と、
    直列接続された各2次電池を充放電するために各2次電池に流れる電流を制御するためのリレーと、
    制御プログラムを搭載し、リレー及び能動バランス回路を制御するための制御部と、
    を備え、
    内部抵抗及び容量が互いに異なる直列接続された複数の2次電池を同時に設定した最大電圧に充放電するため、定電流モードで各2次電池の充放電を制御した後、能動バランス回路を用いて定電圧モードで充放電するように構成された能動バランス回路を有することを特徴とする2次電池充放電制御装置。
  2. 2次電池充放電制御装置は、1つのトレー内に直列に接続される全ての2次電池を安定かつ精密に充放電するように制御するため、双方向DC−DCコンバータの次の端に電気的に接続された双方向リニア定電流源をさらに加えることを特徴とする請求項1に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  3. 前記2次電池充放電制御装置は、CPUを含む制御部で充放電が行われる間に直列接続された各2次電池の両端の電圧を測定し、
    測定された電圧が最大電圧に達すると、2次電池に電流が流れることを防止するためにリレーをオフし、充電が行われないように構成することを特徴とする請求項1に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  4. 前記2次電池充放電制御装置は、1つのトレー内で複数の直列接続された2次電池のうち最後に最大電圧に達した時点まで定電流モードで充放電を制御し、その後から定電圧モードに切り替えて複数の直列接続された2次電池それぞれに設けられた能動バランス回路を用いて全てカットオフ電流に達するとき充放電を終了することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  5. 前記2次電池充放電制御装置は、直列接続された各2次電池の両端の電圧を電池計測A/Dコンバータで続けて測定し、放電によって設定された電圧まで落ちると再びリレーをオンさせて定電流源で充電し、1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池のうち最も遅く最大電圧に達する時点まで繰り返してリレーをオンまたはオフしながら充放電を制御することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  6. 前記能動バランス回路は、定電圧モードを保持するためにCPUを含む制御部で生成するPWM信号に各2次電池の両端に設けられた可変抵抗の抵抗値を変化させ、各電池の両端の電圧を同一に保持させることを特徴とする請求項1に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  7. 前記2次電池充放電制御装置は、2次電池の両端の電圧を測定するために2次電池の両端に設けられる2次電池プローブが設けられ、
    2次電池の両端に設けられる2次電池プローブと接続して電圧を含む充放電制御に必要な信号を測定するための電池計測A/Dコンバータが設けられることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  8. 前記定電圧モードでは1つのトレー内に直列接続された内部抵抗及び容量が互いに異なる複数の2次電池それぞれに流れる電流(ic1−n)の全てがカットオフ電流に達するように制御するため、制御部で生成するPWM信号を供給して2次電池に流れる電流を制御するように構成することを特徴とする請求項6に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  9. 前記2次電池充放電制御装置は、直列接続された各2次電池を充放電するために各2次電池間に設けられたリレーを開放するときと開放後の接点に付着されるときとで安定に動作し、リレーの耐久性を高めるためのリレースナバをさらに加えて設けることを特徴とする請求項5に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御装置。
  10. 直列接続された複数の2次電池充放電のための能動バランシングアルゴリズムを備える能動バランス回路を有する2次電池充放電制御方法において、
    高い電圧で双方向DC−DCコンバータが動作するように構成し、高い電力転換効率で充電放電するよう電気的に直列接続された複数の2次電池と、直列接続された複数の2次電池列の両端間の電圧変動に関わらず安定に電流を供給するためのリニア定電流源と、直列接続された各2次電池に流れる電流を制御するためのリレーと、直列接続された各2次電池に流れる電流を微細に制御するための能動バランス回路を備え、
    内部抵抗及び容量が互いに異なる直列接続された複数の2次電池を同時に充放電するために1つのトレーで充放電される数十ないし数百個の直列接続された2次電池を定電流モードに充放電するステップと、
    定電流モードに充放電した後、定電圧モードで能動バランス回路を用いて設定された最大電圧に同時に充放電して終了するステップと、
    を含むことを特徴とする能動バランス回路を有する2次電池充放電制御方法。
  11. 前記2次電池充放電制御方法は、CPUを含む制御部で充放電が行われる間に直列接続された各2次電池から2次電池の両端の電圧を含む信号を計測するための電池計測A/Dコンバータで電圧を測定するステップと、
    測定された電圧が制御部に設定された最大電圧に達すると、当該2次電池に電流が流れることを防止するためリレーをオフし、これ以上充電が行われないようにするステップと、
    を含むことを特徴とする請求項10に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御方法。
  12. 前記2次電池充放電制御方法は、1つのトレー内の直列接続された各2次電池の両端の電圧を計測する電池計測A/Dコンバータによって続けて電圧が測定され、
    放電によって設定された電圧まで落ちるとリレーをオフして放電を中止させ、1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池のうち最も遅く最大(カットオフ)電圧に達する時点まで繰り返してリレーをオンまたはオフして制御するステップを含むことを特徴とする請求項10に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御方法。
  13. 前記2次電池充放電制御方法は、1つのトレー内で直列接続された複数の2次電池のうち最後に最大電圧に達した時点まで定電流モードで充放電を制御し、その後から定電圧モードに変更して制御するステップを含み、
    定電圧モードでは能動バランス回路を用いて1つのトレーに直列接続された全ての2次電池が最大電圧を有しながら、カットオフ電流に同一になるとき充放電を終了するステップを含むことを特徴とする請求項10に記載の能動バランス回路を有する2次電池充放電制御方法。
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