JP2015119605A

JP2015119605A - 電池間電圧バランス補正回路

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Publication number: JP2015119605A
Application number: JP2013263237A
Authority: JP
Inventors: 祐一今村; Yuichi Imamura; 和久須永; Kazuhisa Sunaga
Original assignee: Automotive Energy Supply Corp
Current assignee: Automotive Energy Supply Corp
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

【課題】発熱を十分に抑えることができる電池間電圧バランス補正回路を提供する。【解決手段】複数の電池１０を直列に接続した電池システムにおいて、各電池１０に発熱の少ないファン２１を並列に接続し、電池１０の電力をファン２１によって放電させる。電池１０の電圧を検出する電圧モニタＩＣ３１とマイコン３２によって、ファン２１の回転数を変えてファン２１に流れる電流を制御し、極めて短時間での電圧バランシングを可能とした。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池を直列に接続した電池システムにおける電池間電圧バランス補正回路に関する。

複数の電池を直列に接続した電池システムにおいて、電池毎の電圧を揃える際、従来、例えば図７のようにセルバランス回路の放電抵抗を用いて、電圧の高い電池を放電させる方法が採用されていた（特許文献１参照）。

図７は、直列接続された複数の電池１０，１０，…のうち、一つの電池１０のセルバランス回路を示している。一つの電池１０は、１個の電池、又は２個以上の電池の直列体もしくは並列体により構成されている。

電池１０の正極端と負極端の間には、放電スイッチ１１および放電抵抗１２が直列に接続されている。１３は、電池１０の端子電圧を検出し、例えば電池毎の電圧を揃えるための設定電圧よりも検出電圧が高いときに放電スイッチ１１をオン制御する電圧モニタＩＣであり、１３Ｐは電圧検出ライン、１３Ｃは放電制御ラインを示している。

特開２０１０−４１８５８号公報

しかしながら特許文献１に記載の方法は、放電抵抗自身が発熱し、基板の耐熱温度を超えてしまうことから、大電流で連続的な放電ができないという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、発熱を抑えることができる電池間電圧バランス補正回路を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明の電池間電圧バランス補正回路は、複数の電池を直列に接続した電池システムにおいて、前記電池の放電経路に介挿されたアクチュエータと、前記電池からアクチュエータへの放電電力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、アクチュエータ自身の発熱は小さいので、発熱を抑制した電池間電圧バランス補正回路を得ることができる。

本発明の一実施形態例を表し、アクチュエータにファンを用いた場合の回路図。本発明の一実施形態例を表し、アクチュエータにファンを用いた場合のフローチャート。本発明の一実施形態例で用いるマップを表し、（ａ）はファンの電力−回転数マップの説明図、（ｂ）はファンの回転数−ファンのＰＷＭデューティ比マップの説明図。本発明の他の実施形態例を表し、アクチュエータにペルチェ素子を用いた場合の回路図。本発明の他の実施形態例を表し、アクチュエータにペルチェ素子を用いた場合のフローチャート。本発明の他の実施形態例における、ファンとペルチェ素子を用いて電池パックを冷却する装置の例を表し、（ａ）は平面構成図、（ｂ）は正面構成図。従来の電池間電圧バランス補正回路の一例を示す回路図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例では、電池を放電させる手段として、従来用いられていた放電抵抗に代えて、アクチュエータ（電気エネルギー−運動変換手段）、例えばファンを用いる。ファンは電気エネルギーを回転運動に変換するものであり、発熱は少ない。

図１は本発明の一実施形態例を表し、直列接続された複数の電池１０，１０，…のうち、一つの電池１０の電池間電圧バランス補正回路を示している。一つの電池１０は、１個の電池、又は２個以上の電池の直列体もしくは並列体から成り、複数個の場合は複数の電池から成る電池モジュールや電池モジュールを複数個備えた電池パックで構成されている。

電池１０の正極端と負極端の間にはファン２１が接続されている。３１は電池１０の端子電圧を検出する電圧モニタＩＣであり、３１Ｐは電圧検出ラインを示している。

３２は、電圧モニタＩＣ３１の検出電圧と後述するその他のパラメータとに基づいてファン２１の回転数に対応するＰＷＭデューティ比を算出し、算出したＰＷＭデューティ比によってファン２１を駆動制御するマイコンであり、３２Ｃはファン制御ラインを示している。

ファン２１は直列接続された複数の電池１０各々に並列に接続されるものであり、電圧モニタＩＣ３１およびマイコン３２は各ファン２１毎に設けてもよく、また複数のファン２１に対して共通に１個設けてもよい。

尚、図１の実施例では、電圧モニタＩＣ３１およびマイコン３２によって本発明の制御手段を構成している。

次に、図１の回路の動作フロー（マイコン３２が行う処理フロー）を図２のフローチャートとともに説明する。

ステップＳ１；まず電圧モニタＩＣ３１から電池１０の検出電圧のデータを取得する。

ステップＳ２；放電する電池の放電量容量を計算する。マイコン３２は、少なくとも電圧−ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）マップ、各電池１０の満充電容量のパラメータを有し、電圧モニタＩＣ３１の検出電圧から電圧−ＳＯＣマップによってＳＯＣを求め、放電対象電池のＳＯＣおよび放電非対象電池のＳＯＣの差分と満充電容量とによって、放電対象電池の放電量容量を演算する。

ステップＳ３；ステップＳ２により算出された放電量容量とファン２１の回転数から算出される放電量容量に相当する電力によって、放電時間を決定する。

ステップＳ４；ステップＳ２により算出された放電量容量とステップＳ３により決定された放電時間に基づいて放電時の定電流値を算出する。

ステップＳ５；放電対象電池の検出電圧とステップＳ４により算出された放電時の定電流値から、放電時のファン２１の電力を計算する。

ステップＳ６；マイコン３２は図３（ａ）に示すファンの電力−回転数マップを有しており、ステップＳ５で算出されたファン２１の電力に対応する回転数を算出する。

ステップＳ７；マイコン３２は図３（ｂ）に示すファンの回転数−ファンのＰＷＭデューティ比マップを有しており、ステップＳ６で算出されたファン２１の回転数に対応するＰＷＭデューティ比を算出する。

ステップＳ８；ステップＳ７で算出されたデューティ比のＰＷＭ信号をファン制御ライン３２Ｃに印加してファン２１を駆動制御する（電池１０の放電を開始する）。

ステップＳ９；電池１０の放電時間をカウントする。

ステップＳ１０；電池１０の放電時間が終了したか否かを判定する。

ステップＳ１１；ステップＳ１０において放電時間が終了していないと判定された場合に、マイコン３２は電圧モニタＩＣ３１から放電対象電池１０の検出電圧を取得した後、ステップＳ５に戻る。

ステップＳ１２；ステップＳ１０において放電時間が終了したと判定された場合にファン２１を停止させ、処理を終了する。

尚電池１０の電力を放電させるファン２１は、電池システムにおいて設けられている既存のファンを兼用してもよく、また新たに専用に設けてもよい。

上記実施例によれば、放電媒体としてのファン２１は発熱が少ないため、従来の放電抵抗を用いた場合のように基板の耐熱温度を超えるようなことはなく、このため大電流で連続的な放電を実施することができる。

また、従来の放電抵抗を用いる場合は、一度基板に実装してしまうと変更ができない為、例えば短時間で放電を行いたい場合などに、流れる電流を増やすなどの制御が不可能であった。

これに対して本実施例によれば、マイコン３２によってファン２１に流れる電流を制御し、短時間で放電を行って電池間電圧のバランスをとることが可能である。

次に、本発明のアクチュエータとしてペルチェ素子を用いた実施形態例を図４とともに説明する。ペルチェ素子は電気エネルギーを熱輸送運動に変換するものであり、発熱は少ない。

図４は、直列接続された複数の電池１０，１０，…のうち、一つの電池１０の電池間電圧バランス補正回路を示している。一つの電池１０は、１個の電池、又は２個以上の電池の直列体もしくは並列体から成り、複数個の場合は複数の電池から成る電池モジュールや電池モジュールを複数個備えた電池パックで構成されている。

電池１０の正極端と負極端の間には、冷却層側が電池１０に配設されたペルチェ素子２２およびコントロールスイッチ４３の直列回路が接続されている。４１は電池１０の端子電圧を検出する電圧モニタＩＣであり、４１Ｐは電圧検出ラインを示している。

４２は、電圧モニタＩＣ４１の検出電圧と、電池１０の温度を検出するサーミスタ４４の検出温度に基づいて、電池１０からペルチェ素子２２への通電を制御するマイコンであり、４２Ｃはペルチェ素子制御ラインを示している。

ペルチェ素子２２、コントロールスイッチ４３およびサーミスタ４４は直列接続された複数の電池１０各々に設けられるものであり、電圧モニタＩＣ４１およびマイコン４２は各ペルチェ素子２２毎に設けてもよく、また複数のペルチェ素子２２に対して共通に１個設けてもよい。

尚、図４の実施例では、電圧モニタＩＣ４１、マイコン４２およびサーミスタ４４によって本発明の制御手段を構成している。

ペルチェ素子２２は、その吸熱側（冷却層）が電池１０に接触されており、電池１０から電流を流すことにより熱を吸熱側から発熱側（発熱層）へ輸送する（ペルチェ効果）。

次に、図４の回路の動作フロー（マイコン４２が行う処理フロー）を図５のフローチャートとともに説明する。

ステップＳ２１；まず電圧モニタＩＣ４１から電池１０の検出電圧のデータを取得する。

ステップＳ２２；ステップＳ２１により取得した検出電圧から放電終了電圧を算出する。

ステップＳ２３；サーミスタ４４の検出温度からターゲット温度（電池１０の冷却目標温度）を決定する。

ステップＳ２４；マイコン４２からペルチェ素子制御ライン４２Ｃを介してコントロールスイッチ４３にオン制御信号を送信してコントロールスイッチ４３をオン制御する。これによって、電池１０からペルチェ素子２２に通電が行われ、電池１０の電力が放電されるとともに、ペルチェ素子２２のペルチェ効果によって電池１０が冷却される。

ステップＳ２５；マイコン４２は、サーミスタ４４の検出温度に基づいて電池１０の温度がターゲット温度になったか否かを判定する。

ステップＳ２６；ステップＳ２５においてターゲット温度になっていないと判定された場合に、電池１０の検出電圧が放電終了電圧になったか否かを判定する。

ステップＳ２７；ステップＳ２６において放電終了電圧になっていないと判定された場合に、電圧モニタＩＣ４１から電池１０の検出電圧を取得した後、ステップＳ２５に戻る。

ステップＳ２８；ステップＳ２５においてターゲット温度になったと判定された場合か、又はステップＳ２６において放電終了電圧になったと判定された場合に、マイコン４２からペルチェ素子制御ライン４２Ｃを介してコントロールスイッチ４３にオフ制御信号を送信してコントロールスイッチ４３をオフ制御し、処理を終了する。

上記実施例によれば、放電媒体としてのペルチェ素子２２は発熱が少ないため、電池間電圧バランス補正回路全体の発熱を抑制することができる。

また、ペルチェ素子２２のペルチェ効果を利用しているので、バランシングの放電電力によって電池１０を冷却する機能が実現可能となった。

次に、本発明のアクチュエータとしてファンとペルチェ素子の両方を用いた実施形態例を図６とともに説明する。

図６は、図１又は図４の電池間電圧バランス補正回路が適用される電池の電池パックを収納して電池の放電および冷却を行う装置を表し、（ａ）は平面構成図、（ｂ）は正面構成図である。

図６において、電池パック１００は、電池セル（１０）を複数個備えた電池モジュール５０を複数個配設して構成され、パック筺体１１０内に収納されている。またパック筺体１１０内には、図１、図４の電圧モニタＩＣ３１、４１、マイコン３２、４２を備えたコントローラー５２が収納されている。

電池パック１００の上部表面にはペルチェ素子２２の冷却層２２ａ（吸熱側）が密着され、発熱層２２ｂにはヒートシンク層２２ｃが配設されている。

パック筺体１１０の、例えば左側面板の上部には外部の冷風を取り込むための吸気ダクト１２０が設けられ、例えば右側面板の上部には排気ダクト１３０およびファン２１が設けられている。

尚、図４のサーミスタ４４は、図６では図示省略しているが、電池モジュール５０と、吸気ダクト１２０又は排気ダクト１３０に各々設けられ、各々の部位の温度を検出する。

また、各電池１０の両端間には、ファン２１とペルチェ素子２２を直列接続しても、並列接続してもよい。

上記のように構成された装置において、ファン２１の駆動は例えば図２のフローチャートに沿って制御され、ペルチェ素子２２の通電制御は例えば図５のフローチャートに沿ってなされる。

この場合、図５のステップＳ２３におけるターゲット温度決定処理は、サーミスタ４４により検出された、電池モジュール５０の温度と、吸気ダクト１２０又は排気ダクト１３０の温度とに基づいて決定を行うものである。

上記実施例によれば、バランシングの放電電力によってペルチェ素子２２への通電とファン２１の駆動を行うことで、外部の冷風が吸気ダクト１２０からパック筺体１１０内に取り込まれ排気ダクト１３０を介して排出されるため、電池パック１００を冷却することができる。

尚、図６の装置はファン２１とペルチェ素子２２の両方を設けた構成であるが、これに限らず例えばファン２１のみを設ける構成としてもよい。

すなわち、図６の装置から、ペルチェ素子２２の冷却層２２ａ、発熱層２２ｂ、ヒートシンク層２２ｃを除去してもよい。

このように構成した場合も前記と同様に、外部の冷風を取り込んで電池パック１００を冷却することができる。

１０…電池
２１…ファン
２２…ペルチェ素子
２２ａ…ペルチェ素子の冷却層
２２ｂ…ペルチェ素子の発熱層
２２ｃ…ペルチェ素子のヒートシンク層
３１、４１…電圧モニタＩＣ
３２、４２…マイコン
４３…コントロールスイッチ
５０…電池モジュール
５２…コントローラー
１００…電池パック
１１０…パック筺体
１２０…吸気ダクト
１３０…排気ダクト

Claims

複数の電池を直列に接続した電池システムにおいて、
前記電池の放電経路に介挿されたアクチュエータと、
前記電池からアクチュエータへの放電電力を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電池間電圧バランス補正回路。
前記アクチュエータはファンによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記アクチュエータはペルチェ素子によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記制御手段は、
前記電池の電圧を検出した検出電圧から、電圧−ＳＯＣマップによってＳＯＣを求め、放電対象電池のＳＯＣおよび放電非対象電池のＳＯＣの差分と満充電容量とによって、放電対象電池の放電量容量を演算する処理と、前記演算された放電量容量および前記ファンの回転数から算出される電力によって放電時間を決定する処理と、前記演算された放電量容量および前記決定された放電時間に基づいて放電時の定電流値を算出する処理と、を実行し、
前記決定された放電時間の期間中、放電対象電池の電圧を検出した電圧と前記算出した放電時の定電流値によって放電時のファンの電力を算出し、ファンの電力−回転数マップによって前記放電時のファンの電力に対応する回転数を算出し、ファンの回転数−ファンのＰＷＭデューティ比マップによってファンの回転数に対応するＰＷＭデューティ比を算出し、当該算出したＰＷＭデューティ比によってファンを駆動制御することを特徴とする請求項２に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記電池は外部の冷風を取り込む吸気部および排気部を有した収納装置内に収納され、前記ファンは前記収納装置に設けられていることを特徴とする請求項２又は４に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記電池にはペルチェ素子の冷却層側が配設されていることを特徴とする請求項３に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記制御手段は、前記電池の電圧を検出した検出電圧から放電終了電圧を算出する処理と、前記電池の温度を検出した検出温度からターゲット温度を決定する処理と、を実行し、前記電池の電圧が放電終了電圧になるか、又は温度がターゲット温度に達するまでの期間中、電池からペルチェ素子へ通電させることを特徴とする請求項６に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記電池およびペルチェ素子は外部の冷風を取り込む吸気部および排気部を有した収納装置内に収納され、前記ファンは前記収納装置に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の電池間電圧バランス補正回路。
前記電池およびペルチェ素子は外部の冷風を取り込む吸気部および排気部を有した収納装置内に収納され、前記ファンは前記収納装置に設けられ、前記ターゲット温度を決定する処理は、前記吸気部又は排気部の温度および電池の温度を検出した検出温度から決定することを特徴とする請求項７に記載の電池間電圧バランス補正回路。