JP2015115980A - 電圧均等化装置および電圧均等化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧均等化制御中に電池の電圧が過充電電圧以上または過放電電圧以下にならないようにすることで、電池の劣化を抑止することができる電圧均等化装置および電圧均等化方法を提供する。【解決手段】電荷の移動方向を決定し、電池の電圧が、上限電圧より低くかつ下限電圧より高いと判定された場合、電池を制御するスイッチングコンバータに定電流制御部を用いて定電流制御させ、また、電池の電圧が、上限電圧以上または下限電圧以下であると判定された場合、電池を制御するスイッチングコンバータに、電池の電圧が上限電圧または下限電圧を維持するように定電圧制御部を用いて定電圧制御させる、電圧均等化装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、電池の劣化を抑止する電圧均等化装置および電圧均等化方法に関する。

アクティブセルバランス方式を採用した電圧均等化装置では、直列に接続された電池それぞれの電圧が平均電圧に達すると、電圧均等化制御を停止させている。しかし、この方法では電圧均等化制御を停止したのち電池の内部抵抗の影響により、電池それぞれの電圧が平均電圧からずれてしまう。そこで、電池の内部抵抗などの状態を推定し、電池の内部抵抗などの影響を見越して電圧均等化制御を停止させる目標電圧を決め、電池それぞれの電圧が目標電圧に達すると、電圧均等化制御を停止させる方法が知られている。特許文献１を参照。

しかしながら、電池の過充電電圧または過放電電圧付近で上記方法により電圧均等化制御を行うと、電池の電圧が過充電電圧以上または過放電電圧以下になり、その結果電池を劣化させてしまうことがある。

特開２０１３−１０２５９２号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、電圧均等化制御中に電池の電圧が過充電電圧以上または過放電電圧以下にならないようにすることで、電池の劣化を抑止することができる電圧均等化装置および電圧均等化方法を提供することを目的とする。

本発明の態様のひとつである電圧均等化装置は、スイッチングコンバータ、決定部、判定部を備える。
スイッチングコンバータは、直列に接続された複数の電池において、電池の負極端子と電池に隣接する電池の正極端子との接続点に一方の端子が接続されるインダクタと、電池の正極端子とインダクタの他方の端子との間に設けられる一方のスイッチと、隣接する電池の負極端子とインダクタの他方の端子との間に設けられる他方のスイッチと、を有する。

決定部は、直列に接続された複数の電池を、接続点を境に２つのグループに分け、接続点ごとにグループそれぞれの平均電圧を算出し、接続点ごとに、平均電圧の高いグループの電池から平均電圧の低いグループの電池へ電荷を移動させる方向を決定する。

判定部は、電池の電圧が、過充電電圧より低く設定された上限電圧より低く、かつ過放電電圧より高く設定された下限電圧より高いと判定された場合、電池を制御するスイッチングコンバータに定電流制御部を用いて定電流制御させる。また、判定部は、電池の電圧が、上限電圧以上または下限電圧以下であると判定された電池がある場合、電池を制御するスイッチングコンバータに、電池の電圧が上限電圧または下限電圧を維持するように定電圧制御部を用いて定電圧制御させる。

本実施の形態によれば、電圧均等化制御中に電池の電圧が過充電電圧以上または過放電電圧以下にならないようにすることで、電池の劣化を抑止することができるという効果を奏する。

図１は、電圧均等化装置の一実施例を示す図である。 図２は、電池のグループ分けと電荷の移動方向の一例を示した図である。 図３は、スイッチングコンバータの制御動作の一実施例を示すフロー図である。 図４は、スイッチングコンバータの制御動作の一実施例を示すフロー図である。 図５は、ＣＣ制御とＣＶ制御の動作の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、電圧均等化装置の一実施例を示す図である。図１の電圧均等化装置はアクティブセルバランス方式を採用した電圧均等化装置で、スイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４と制御部１を備え、電池Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ３、Ｃｅ４の電圧を、電圧均等化制御を用いて均等にする。

スイッチングコンバータＳＣ１２は、インダクタＬ１２を介して電池Ｃｅ１、Ｃｅ２間の電荷移動を行う。スイッチングコンバータＳＣ１２は、電池Ｃｅ１の負極端子とその電池Ｃｅ１に隣接する電池Ｃｅ２の正極端子との接続点Ｐ１に一方の端子が接続されるインダクタＬ１２と、電池Ｃｅ１の正極端子とインダクタＬ１２の他方の端子との間に設けられる一方のスイッチＳＷ１２と、隣接する電池Ｃｅ２の負極端子とインダクタＬ１２の他方の端子との間に設けられる他方のスイッチＳＷ２１と、を有する。

スイッチングコンバータＳＣ２３は、インダクタＬ２３を介して電池Ｃｅ２、Ｃｅ３間の電荷移動を行う。スイッチングコンバータＳＣ２３は、電池Ｃｅ２の負極端子とその電池Ｃｅ２に隣接する電池Ｃｅ３の正極端子との接続点Ｐ２に一方の端子が接続されるインダクタＬ２３と、電池Ｃｅ２の正極端子とインダクタＬ２３の他方の端子との間に設けられる一方のスイッチＳＷ２３と、隣接する電池Ｃｅ３の負極端子とインダクタＬ２３の他方の端子との間に設けられる他方のスイッチＳＷ３２と、を有する。

スイッチングコンバータＳＣ３４は、インダクタＬ３４を介して電池Ｃｅ３、Ｃｅ４間の電荷移動を行う。スイッチングコンバータＳＣ３４は、電池Ｃｅ３の負極端子とその電池Ｃｅ３に隣接する電池Ｃｅ４の正極端子との接続点Ｐ３に一方の端子が接続されるインダクタＬ３４と、電池Ｃｅ３の正極端子とインダクタＬ３４の他方の端子との間に設けられる一方のスイッチＳＷ３４と、隣接する電池Ｃｅ４の負極端子とインダクタＬ３４の他方の端子との間に設けられる他方のスイッチＳＷ４３と、を有する。

以下の実施の形態では４個の直列接続された電池に対する電圧均等化制御の動作例について説明をするが、電池は４個に限定されるものではなく、少なくとも３個以上の直列接続された電池に対する電圧均等化制御に適用可能である。

制御部１は、決定部２、判定部３、定電流（ＣＣ）制御部４、定電圧（ＣＶ）制御部５を有する。制御部１は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（Field Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）、Programmable Logic Device（ＰＬＤ）など）を用いることが考えられる。制御部１は記憶部を備えていてもよいし、あるいは、制御部１と別に記憶部を設けてもよい。該記憶部はRead Only Memory（ＲＯＭ）、Random Access Memory（ＲＡＭ）などのメモリで、パラメータ値、変数値などのデータを記憶してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。

制御部について説明する。
決定部２は、各電池Ｃｅ１〜Ｃｅ４の電圧を計測する電圧計測部（図示省略）から各電池Ｃｅ１〜Ｃｅ４の電池電圧を取得する。続いて、決定部２は直列に接続された複数の電池Ｃｅ１〜Ｃｅ４を、上記接続点Ｐ１〜Ｐ３ごとに、接続点Ｐ１〜Ｐ３を境に２つのグループに分ける。

図２は、電池のグループ分けと電荷の移動方向の一実施例を示した図である。図２の例ではスイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４のインダクタＬ１２、Ｌ２３、Ｌ３４の一方の端子が接続されている接続点Ｐ１〜Ｐ３を境にして、接続点Ｐ１〜Ｐ３ごとに、全電池をグループ１〜６に分けている。なお、グループ分けについては予め記憶部に記憶しておいてもよい。

続いて、決定部２はグループ１〜６それぞれの電池の平均電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ６を算出する。すなわち、電池Ｃｅ１（グループ１）の平均電圧Ｖｇ１と電池Ｃｅ２〜Ｃｅ４（グループ２）の平均電圧Ｖｇ２と、電池Ｃｅ１、Ｃｅ２（グループ３）の平均電圧Ｖｇ３と電池Ｃｅ３、Ｃｅ４（グループ４）の平均電圧Ｖｇ４と、電池Ｃｅ１〜Ｃｅ３（グループ５）の平均電圧Ｖｇ５と電池Ｃｅ４（グループ６）の平均電圧Ｖｇ６と、を求める。

続いて、決定部２は接続点Ｐ１〜Ｐ３を境に分けられた２つのグループの平均電圧の大小関係に基づいて、接続点Ｐ１〜Ｐ３ごとに、電荷の移動方向を決定する。電荷の移動方向は、平均電圧の高いグループの接続点に接続されている電池から、平均電圧の低いグループの接続点に接続されている電池へ電荷を移動させる。

図２の例では、電池電圧の大小関係は、電池Ｃｅ２、Ｃｅ４、Ｃｅ１、Ｃｅ３の順に高くなっている。グループごとの電圧の関係は、接続点Ｐ１を境にした図２のＡではグループ１の平均電圧Ｖｇ１＜グループ２の平均電圧Ｖｇ２、接続点Ｐ２を境にした図２のＢではグループ３の平均電圧Ｖｇ３＞グループ４の平均電圧Ｖｇ４、接続点Ｐ３を境にした図２のＣではグループ５の平均電圧Ｖｇ５＜グループ６の平均電圧Ｖｇ６となっている。従って、グループ１とグループ２に対応するスイッチングコンバータＳＣ１２は電池Ｃｅ２から電池Ｃｅ１に電荷を移動させる。グループ３とグループ４に対応するスイッチングコンバータＳＣ２３は電池Ｃｅ２から電池Ｃｅ３に電荷を移動させる。グループ５とグループ６に対応するスイッチングコンバータＳＣ３４は電池Ｃｅ４から電池Ｃｅ３に電荷を移動させる。

判定部３は、電池それぞれの電圧が、上限電圧Ｖｕｐ以上であるかまたは下限電圧Ｖｌｏ以下であるかを判定し、判定結果により定電流制御（ＣＣ制御）をするのか定電圧制御（ＣＶ制御）をするのかを判定する。上限電圧Ｖｕｐは過充電による電池の劣化を抑止するために決められた閾値で、過充電電圧より低く設定されている。下限電圧Ｖｌｏは過放電による電池の劣化を抑止するために決められた閾値で、過放電電圧より高く設定されている。

なお、電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下になるのは、電圧均等化制御時に、電池の内部抵抗（ＩＲドロップ分）や分極（化学成分）などを考慮して、目標電圧を決定するためである。

定電流制御の判定について説明する。
判定部３は、電池の電圧が、過充電電圧より低く設定された上限電圧より低く、かつ過放電電圧より高く設定された下限電圧より高いと判定された場合、電池を制御するスイッチングコンバータにＣＣ制御部４を用いてＣＣ制御させる。すなわち、同じ電池を制御する隣接したスイッチングコンバータそれぞれにより制御される電池の電圧が、上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合、隣接したスイッチングコンバータそれぞれにＣＣ制御をさせるために、判定部３はＣＣ制御部４に指示をする。言い換えれば、スイッチングコンバータが制御する両方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合には、そのスイッチングコンバータをＣＣ制御する。なお、同じ電池を制御する隣接したスイッチングコンバータとは、例えば、同じ電池が図１のＣｅ２とすると、スイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３が隣接したスイッチングコンバータになる。

また、電池電圧がＣＣ制御中に後述する目標電圧になると、その電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＣ制御を停止させる指示を、判定部３がＣＣ制御部４にする。判定部３は、電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下になった電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＣ制御を停止させる指示を、ＣＣ制御部４にする。

目標電圧は、直列接続された電池すべての平均電圧Ｖａｖｅと電池のオフセット電圧Ｖｏｆｓｎにより決まる値である。充電をしている電池の目標電圧Ｖｄｓｔｎは、平均電圧Ｖａｖｅにオフセット電圧Ｖｏｆｓｎを加算した値（Ｖｄｓｔｎ＝Ｖａｖｅ＋Ｖｏｆｓｎ）になる。また、放電をしている電池の目標電圧Ｖｄｓｔｎは、平均電圧Ｖａｖｅからオフセット電圧Ｖｏｆｓｎを減算した値（Ｖｄｓｔｎ＝Ｖａｖｅ−Ｖｏｆｓｎ）になる。

ここで、オフセット電圧Ｖｏｆｓｎは電池の内部抵抗Ｒｎとその電池に流れる電流Ｉｎとを乗算した値（Ｖｏｆｓｎ＝Ｒｎ×Ｉｎ）である。
なお、オフセット電圧Ｖｏｆｓｎには分極などの影響を含めてもよい。また、ＣＣ制御中の電池に流れる電流Ｉｎは定電流Ｉｏとする。電池に流れる電流Ｉｎは電流計測部（図示省略）により計測する。また、オフセット電圧Ｖｏｆｓｎは、電圧均等化制御時間と電池に流れる電流との関係により求めてもよい。例えば、実験またはシミュレーションなどにより予めオフセット電圧を求めて電圧均等化制御時間と電池に流れる電流とに対応付けて記憶し、現在のＣＣ制御時間とＣＣ制御中の電池に流れる電流Ｉｏとを用いて求めることが考えられる。

内部抵抗Ｒｎは、例えば、電圧均等化制御を開始する前の電池電圧と、定電流Ｉｏを決められた時間流した時点における電池電圧と、の差を求め、その差を定電流Ｉｏで除算した値を内部抵抗Ｒｎとして用いてもよい。

また、電圧均等化制御を開始する前の電池電圧と、ＣＣ制御による電圧均等化制御を開始してから決められた時間経過した時点の電池電圧と、の差を求め、その差を定電流Ｉｏで除算した値を内部抵抗Ｒｎとしてもよい。決められた時間は、例えば、０.１秒から数秒程度である。なお、この差をオフセット電圧Ｖｏｆｓｎとして用いてもよい。

また、スイッチングコンバータが停止した直前の電池電圧と、停止した時間から決められた時間経過した時点の電池電圧と、の差を求め、その差を定電流Ｉｏで除算した値を内部抵抗Ｒｎとしてもよい。

また、内部抵抗Ｒｎを実験またはシミュレーションにより予め求めて記憶部に記憶させておいてもよい。
定電圧制御の判定について説明する。
電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であると判定された電池がある場合、判定された電池を制御するスイッチングコンバータそれぞれに、判定された電池電圧を上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持するようにＣＶ制御をさせるため指示を、判定部３はＣＶ制御部５にする。言い換えれば、スイッチングコンバータが制御する電池のうち、どちらか一方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下である場合、そのスイッチングコンバータをＣＶ制御する。

例えば、電池Ｃｅ３の電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であると判定された場合には、スイッチングコンバータＳＣ２３、ＳＣ３４に対して電池Ｃｅ３の電圧を上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持するＣＶ制御をさせるための指示を、判定部３はＣＶ制御部５にする。その場合には、判定部３はＣＣ制御を停止させるための指示をＣＣ制御部４にする。判定部３は、ＣＶ制御中に後述するＣＶ制御停止条件になった電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＶ制御を停止させる指示を、ＣＶ制御部５にする。

ＣＶ制御停止条件について説明をする。上限電圧Ｖｕｐを維持している電池に流れる電流Ｉｎが式１の条件を満たしている場合、または下限電圧Ｖｌｏを維持している電池に流れる電流Ｉｎが式２の条件を満たしている場合にＣＶ制御を停止させる。

Ｉｎ≦（Ｖｕｐ−Ｖａｖｅ）／Ｒｎ 式１
Ｉｎ≦（Ｖａｖｅ−Ｖｌｏ）／Ｒｎ 式２
即ち、上限電圧を維持している電池に流れる電流が、上限電圧からすべての電池の平均電圧を減算した電圧を、電池の内部抵抗で除算した電流以下の場合、または、下限電圧を維持している電池に流れる電流が、すべての電池の平均電圧から下限電圧を減算した電圧を、電池の内部抵抗で除算して求めた電流以下の場合、ＣＶ制御を停止させる。

なお、式１、２の代わりに式３、４を用いてもよい。その場合には、上限電圧Ｖｕｐを維持している電池の推定分極オフセット電圧Ｖｂｏｆｓｎが式３の条件を満たしている場合、または下限電圧Ｖｌｏを維持している電池の推定分極オフセット電圧Ｖｂｏｆｓｎが式４の条件を満たしている場合にＣＶ制御を停止させる。

Ｖｂｏｆｓｎ≦（Ｖｕｐ−Ｖａｖｅ） 式３
Ｖｂｏｆｓｎ≦（Ｖａｖｅ−Ｖｌｏ） 式４
推定分極オフセット電圧Ｖｂｏｆｓｎは分極を考慮したオフセット電圧で、電圧均等化制御時間と電池に流れる電流との関係により決めることができる。例えば、実験またはシミュレーションなどにより予め推定分極オフセット電圧を求めて電圧均等化制御時間と電池に流れる電流とに対応付けて記憶し、現在の電圧均等化制御時間と電池に流れる電流とを用いて求めることが考えられる。また、推定分極オフセット電圧Ｖｂｏｆｓｎは、Ｉｎ×Ｒｎで求めてもよい。ＩｎはＣＶ制御中に電池に流れる電流であり、ＲｎはＣＣ制御で説明した方法と同じ方法で求めることができる。

また、他のＣＶ制御停止条件として、ＣＶ制御により動作しているスイッチングコンバータに対応する電池のうち、上限電圧Ｖｕｐを維持していない電池の電圧が目標電圧である式５の電圧に達した場合、または下限電圧Ｖｌｏを維持していない電池の電圧が目標電圧である式６の電圧に達した場合にはＣＶ制御を停止する。式５、６のＶｄｓｔｎは電池の目標電圧を示している。

Ｖｄｓｔｎ＝（Ｖａｖｅ−Ｖｏｆｓｎ´） 式５
Ｖｄｓｔｎ＝（Ｖａｖｅ＋Ｖｏｆｓｎ´） 式６
Ｖｏｆｓｎ´はＣＶ制御時に用いるオフセット電圧で、ＣＣ制御の説明に記載された方法で算出したオフセット電圧Ｖｏｓｆｎと、ＣＶ制御をしているスイッチングコンバータの電池に流れている電流Ｉｃｖ（＝Ｉｎ）をＣＣ制御中に電池に流れる定電流Ｉｃｃ（＝Ｉｏ）で除算した値（比）と、を用いて表すことができる。すなわち式７を用いて表すことができる。

Ｖｏｆｓｎ´＝Ｖｏｆｓｎ×（Ｉｃｖ／Ｉｃｃ） 式７
即ち、上限電圧を維持していない電池の電圧が、ＣＣ制御のときに求めたオフセット電圧に、ＣＶ制御中の電池に流れる電流をＣＣ制御中の電池に流れる電流で除算した比を乗算した値を、すべての電池の平均電圧から減算した値に達した場合、または、下限電圧を維持していない電池の電圧が、ＣＣ制御のときに求めたオフセット電圧に、ＣＶ制御中の電池に流れる電流をＣＣ制御中の電池に流れる電流で除算した比を乗算した値を、すべての電池の平均電圧に加算した値に達した場合、ＣＶ制御を停止させる。

ＣＣ制御部４は、電池をＣＣ制御するスイッチングコンバータのスイッチに対してオン／オフ制御（パルス幅変調制御）を行う。例えば、スイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４それぞれに対して、電荷の移動方向と移動量に基づいてパルス幅を決定し、スイッチＳＷ１２、２１、２３、３２、３４、４３のオン／オフを制御する。ＣＣ制御部４は、判定部３からの指示によりＣＣ制御をしているスイッチングコンバータの制御を停止させる。

ＣＶ制御部５は、上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持している電池をＣＶ制御するスイッチングコンバータのスイッチに対してオン／オフ制御（パルス幅変調制御）を行う。例えば、上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下に電池Ｃｅ３の電圧がなった場合、上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏになるようにパルス幅を決定し、スイッチのオン／オフを制御する。ＣＶ制御部５は、判定部３からの指示（ＣＶ制御停止条件を満たしたことによるＣＶ制御を停止するための指示）によりＣＶ制御をしているスイッチングコンバータの制御を停止させる。

制御部１の動作について説明する。
図３、図４は、スイッチングコンバータの制御動作の一実施例を示すフロー図である。図１の例の場合、図３に示す制御がスイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４ごとに実行される。

ステップＳ１、Ｓ２では制御部１の決定部２が電荷の移動方向を決定する。ステップＳ１で決定部２は、接続点を境に２つのグループに分けられたグループｍとグループｍ＋１の平均電圧Ｖｇｍ、Ｖｇｍ＋１を求める。ステップＳ２で決定部２は電荷の移動方向を決定する。平均電圧がＶｇｍ＞Ｖｇｍ＋１の場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ３に移行し、Ｖｇｍ≦Ｖｇｍ＋１の場合（Ｎｏ）には図４のステップＳ４１に移行する。

ステップＳ３では、Ｖｇｍ＞Ｖｇｍ＋１の場合（グループｍの電池からグループｍ＋１の電池へ電荷移動）に、制御部１の判定部３がスイッチングコンバータの制御する２つの電池それぞれの電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であるかを判定する。スイッチングコンバータが制御する電池のうち、どちらか一方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下である場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６に移行し、両方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合（Ｎｏ）にはステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、制御部１の判定部３がＣＣ制御を開始する指示をＣＣ制御部４にして、ＣＣ制御部４にＣＣ制御を開始させる。同じ電池を制御する隣接したスイッチングコンバータそれぞれにより制御される電池の電圧が、上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合、隣接したスイッチングコンバータそれぞれにＣＣ制御をさせるために、判定部３はＣＣ制御部４に指示をする。ここで、ＣＶ制御からＣＣ制御に切り替わる場合には、そのＣＶ制御を停止させる指示を、判定部３はＣＶ制御部５にする。

ステップＳ５では、制御部１の判定部３が電池それぞれの電圧を取得し、どちらかの電池の電圧が目標電圧であるか否かを判定し、目標電圧である場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８に移行し、ステップＳ８で電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＣ制御を停止させるための指示を、判定部３がＣＣ制御部４にする。電池電圧が目標電圧でない場合（Ｎｏ）にはステップＳ３に移行する。

ステップＳ６で制御部１の判定部３は、電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であると判定された電池を制御するスイッチングコンバータに、判定された電池の電圧を上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏに維持するようにＣＶ制御をさせるための指示を、ＣＶ制御部５にする。ここで、ＣＣ制御からＣＶ制御に切り替わる場合には、そのＣＣ制御を停止させる指示を、判定部３はＣＣ制御部４にする。

ステップＳ７では、判定部３が上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持している電池に流れる電流Ｉｎを取得し、上限電圧Ｖｕｐの場合にはＣＶ制御停止条件のうち式１を満たしているか否かを判定する。下限電圧Ｖｌｏの場合にはＣＶ制御停止条件のうち式２を満たしているか否かを判定する。なお、ＣＶ制御停止条件として式１、２の替わりに式３、４を用いてもよい。

また、ＣＶ制御により動作しているスイッチングコンバータに対応する電池のうち、上限電圧Ｖｕｐを維持していない電池の電圧が目標電圧である式５の電圧に達したか、または下限電圧Ｖｌｏを維持していない電池の電圧が目標電圧である式６の電圧に達したかを判定する。

ＣＶ制御停止条件のうち上記式１〜式６のいずれかと判定された場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８に移行し、ステップＳ８で電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＶ制御を停止させるための指示を、判定部３がＣＶ制御部５にする。

なお、ＣＶ制御停止条件のうち上記式１〜式６のいずれも満たしていない場合（Ｎｏ）にはステップＳ３に移行する。
図４のステップＳ４１は、Ｖｇｍ≦Ｖｇｍ＋１の場合（グループｍ＋１の電池からグループｍの電池へ電荷移動）に、制御部１の判定部３がスイッチングコンバータの制御する２つの電池それぞれの電圧が、上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であるかを判定する。スイッチングコンバータが制御する電池のうち、どちらか一方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下である場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４４に移行し、両方の電池電圧が上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合（Ｎｏ）にはステップＳ４２に移行する。

ステップＳ４２では、制御部１の判定部３がＣＣ制御を開始する指示をＣＣ制御部４にして、ＣＣ制御部４にＣＣ制御を開始させる。同じ電池を制御する隣接したスイッチングコンバータそれぞれにより制御される電池の電圧が、上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高い場合、隣接したスイッチングコンバータそれぞれにＣＣ制御をさせるために、判定部３はＣＣ制御部４に指示をする。ここで、ＣＶ制御からＣＣ制御に切り替わる場合には、そのＣＶ制御を停止させる指示を、判定部３はＣＶ制御部５にする。

ステップ４３では、制御部１の判定部３が電池それぞれの電圧を取得し、どちらかの電池の電圧が目標電圧であるか否かを判定し、目標電圧である場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８に移行し、ステップＳ８で電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＣ制御を停止させるための指示を、判定部３がＣＣ制御部４にする。電池電圧が目標電圧でない場合（Ｎｏ）にはステップＳ４１に移行する。

ステップＳ４４で制御部１の判定部３は、上限電圧Ｖｕｐ以上または下限電圧Ｖｌｏ以下であると判定された電池を制御するスイッチングコンバータに、判定された電池電圧が上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持するようにＣＶ制御をさせるための指示を、ＣＶ制御部５にする。ここで、ＣＣ制御からＣＶ制御に切り替わる場合には、そのＣＣ制御を停止させる指示を、判定部３はＣＣ制御部４にする。

ステップＳ４５では、判定部３が上限電圧Ｖｕｐまたは下限電圧Ｖｌｏを維持している電池に流れる電流Ｉｎを取得し、上限電圧Ｖｕｐの場合にはＣＶ制御停止条件のうち式１を満たしているか否かを判定する。下限電圧Ｖｌｏの場合にはＣＶ制御停止条件のうち式２を満たしているか否かを判定する。なお、ＣＶ制御停止条件として式１、２の替わりに式３、４を用いてもよい。

また、ＣＶ制御により動作しているスイッチングコンバータに対応する電池のうち、上限電圧Ｖｕｐを維持していない電池の電圧が目標電圧である式５の電圧に達した場合、または下限電圧Ｖｌｏを維持していない電池の電圧が目標電圧である式６に達したかを判定する。

ＣＶ制御停止条件のうち上記式１〜式６のいずれかと判定された場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８に移行し、ステップＳ８で電池を制御しているスイッチングコンバータに対してＣＶ制御を停止させるための指示を、判定部３がＣＶ制御部５にする。ＣＶ制御停止条件のうち上記式１〜式６のいずれも満たしていない場合（Ｎｏ）にはステップＳ４１に移行する。

なお、図３、４に示した処理を行っても、平均電圧Ｖａｖｅに電池電圧がすべて収束しない場合には再度図３、４に示した処理を行う。
図５を用いてＣＣ制御とＣＶ制御について説明をする。

図５は、ＣＣ制御とＣＶ制御の動作の一実施例を示す図である。図５は図１に示した電圧均等化装置の動作に対応している。図５の縦軸には電圧が示され、横軸には時間が示されている。

時間ｔ０はセルバランスの開始時間で、電池Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ３、Ｃｅ４それぞれの電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高いので、すべてのスイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４はＣＣ制御を開始する。すると電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、各電池の内部抵抗の影響によりＩＲドロップ分の変動をする。

時間ｔ１では、電池Ｃｅ１の電圧Ｖ１が電池Ｃｅ１の目標電圧Ｖｄｓｔ１になったため、スイッチングコンバータＳＣ１２を停止する。本例では、電池Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ３、Ｃｅ４それぞれの目標電圧Ｖｄｓｔ１、Ｖｄｓｔ２、Ｖｄｓｔ３、Ｖｄｓｔ４は内部抵抗（ＩＲドロップ分）と分極（化学成分）により決まるオフセット電圧である。

電池Ｃｅ２はスイッチングコンバータＳＣ１２、ＳＣ２３により、電池Ｃｅ１、Ｃｅ３に電荷移動をしたが、電池Ｃｅ２の電圧Ｖ２は目標電圧Ｖｄｓｔ２に達していないため、スイッチングコンバータＳＣ２３はＣＣ制御を続ける。また、電池Ｃｅ３、Ｃｅ４も目標電圧Ｖｄｓｔ３、４に達していないため、スイッチングコンバータＳＣ３４もＣＣ制御を続ける。なお、時間ｔ１でスイッチングコンバータＳＣ１２を停止すると、内部抵抗などの影響により電池Ｃｅ２の電圧Ｖ２は上昇する。また、スイッチングコンバータＳＣ１２を停止したため電池Ｃｅ２から電池Ｃｅ１への電荷移動がなくなる。

時間ｔ２では、電池Ｃｅ３の電圧Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐに達したので、電池Ｃｅ３をＣＣ制御しているスイッチングコンバータＳＣ２３、ＳＣ３４それぞれのＣＣ制御をＣＶ制御にする。電圧Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐに達するのは、電池Ｃｅ３の目標電圧Ｖｄｓｔ３が内部抵抗や分極の影響により上限電圧Ｖｕｐより高い値になった場合である。

時間ｔ２〜ｔ３の期間（点線の期間）では電圧Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐを維持するようにＣＶ制御をしている。
時間ｔ３では、電池Ｃｅ４の目標電圧Ｖｄｓｔｎ４がＣＶ制御停止条件のうち式５を満たしたので、電池Ｃｅ４を制御しているスイッチングコンバータＳＣ３４を停止する。時間ｔ３でスイッチングコンバータＳＣ３４を停止すると、電池Ｃｅ３の電圧Ｖ３は低下する。その結果、電圧Ｖ２、Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐより低くかつ下限電圧Ｖｌｏより高くなるのでスイッチングコンバータＳＣ２３はＣＣ制御を開始する。

時間ｔ４では、電池Ｃｅ３の電圧Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐに再度達したので、電池Ｃｅ３をＣＣ制御しているスイッチングコンバータＳＣ２３のＣＣ制御をＣＶ制御にする。
時間ｔ４〜ｔ５の期間（点線の期間）では電圧Ｖ３が上限電圧Ｖｕｐを維持するようにＣＶ制御をしている。

時間ｔ５では、スイッチングコンバータＳＣ２３の電池Ｃｅ２、Ｃｅ３に流れる電流がＣＶ制御停止条件のうちＣｅ３が式１、もしくは、Ｃｅ２が式５を満たしたので、電池Ｃｅ３を制御しているスイッチングコンバータＳＣ２３を停止する。その結果、電圧Ｖ３は低下して平均電圧Ｖａｖｅに近づき、電圧Ｖ２は上昇して平均電圧Ｖａｖｅに近づいていく。

上記実施形態によれば、アクティブセルバランス方式の電圧均等化装置により、直列に接続された複数の電池に対して同時に電圧均等化制御を実行した場合でも、過充電または過放電にならないようにできるため、電池の劣化を抑止できる。

また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 制御部、
２ 決定部、
３ 判定部、
４ 定電流制御部、
５ 定電圧制御部、
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 接続点、
Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ３、Ｃｅ４ 電池、
Ｄ２１、Ｄ１２、Ｄ３２、Ｄ２３、Ｄ４３、Ｄ３４ ダイオード、
Ｌ１２、Ｌ２３、Ｌ３４ インダクタ、
ＳＣ１２、ＳＣ２３、ＳＣ３４ スイッチングコンバータ、
ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ３２、ＳＷ３４、ＳＷ４３ スイッチ、

Claims (4)

1. 直列に接続された複数の電池において、前記電池の負極端子と前記電池に隣接する電池の正極端子との接続点に一方の端子が接続されるインダクタと、前記電池の正極端子と前記インダクタの他方の端子との間に設けられる一方のスイッチと、前記隣接する電池の負極端子と前記インダクタの他方の端子との間に設けられる他方のスイッチと、を有するスイッチングコンバータと、
   前記直列に接続された複数の電池を、前記接続点を境に２つのグループに分け、前記接続点ごとに前記グループそれぞれの平均電圧を算出し、前記接続点ごとに、前記平均電圧の高いグループの電池から前記平均電圧の低いグループの電池へ電荷を移動させる方向を決定する決定部と、
   前記電池の電圧が、過充電電圧より低く設定された上限電圧より低く、かつ過放電電圧より高く設定された下限電圧より高いと判定された場合、前記電池を制御する前記スイッチングコンバータに定電流制御部を用いて定電流制御させ、
   前記電池の電圧が、前記上限電圧以上または前記下限電圧以下であると判定された場合、前記電池を制御する前記スイッチングコンバータに、前記電池の電圧が前記上限電圧または前記下限電圧を維持するように定電圧制御部を用いて定電圧制御させる、判定部と、
   を備えることを特徴とする電圧均等化装置。
2. 請求項１に記載の電圧均等化装置であって、
   定電圧制御中の前記上限電圧を維持している電池に流れる電流が、
   前記上限電圧からすべての電池の平均電圧を減算した電圧を、前記電池の内部抵抗で除算した電流以下の場合、または、
   定電圧制御中の前記下限電圧を維持している電池に流れる電流が、
   前記すべての電池の平均電圧から前記下限電圧を減算した電圧を、前記電池の内部抵抗で除算して求めた電流以下の場合、前記定電圧制御を停止させる、
   ことを特徴とする電圧均等化装置。
3. 請求項１に記載の電圧均等化装置であって、
   定電圧制御中の前記上限電圧を維持していない電池の電圧が、
   前記定電流制御のときに求めたオフセット電圧に、前記定電圧制御中の前記電池に流れる電流を前記定電流制御中の前記電池に流れる電流で除算した比を乗算した値を、前記すべての電池の平均電圧から減算した値に達した場合、または、
   定電圧制御中の前記下限電圧を維持していない電池の電圧が、
   前記定電流制御のときに求めたオフセット電圧に、前記比を乗算した値を、前記すべての電池の平均電圧に加算した値に達した場合、に前記定電圧制御を停止させる、
   ことを特徴とする電圧均等化装置。
4. 直列に接続された複数の電池において、前記電池の負極端子と前記電池に隣接する電池の正極端子との接続点に一方の端子が接続されるインダクタと、前記電池の正極端子と前記インダクタの他方の端子との間に設けられる一方のスイッチと、前記隣接する電池の負極端子と前記インダクタの他方の端子との間に設けられる他方のスイッチと、を有するスイッチングコンバータと、制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   直列に接続された複数の前記電池を、前記接続点を境に２つのグループに分け、前記接続点ごとに前記グループそれぞれの平均電圧を算出し、前記接続点ごとに、前記平均電圧の高いグループの電池から前記平均電圧の低いグループの電池へ電荷を移動させる方向を決定し、
   前記電池の電圧が、過充電電圧より低く設定された上限電圧より低く、かつ過放電電圧より高く設定された下限電圧より高いと判定された場合、前記電池を制御する前記スイッチングコンバータに定電流制御させ、
   前記電池の電圧が、前記上限電圧以上または前記下限電圧以下であると判定された場合、前記電池を制御する前記スイッチングコンバータに、前記電池の電圧が前記上限電圧または前記下限電圧を維持するように定電圧制御させる、
   ことを特徴とする電圧均等化方法。
   

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