JP2016158333A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の単位電池を放電により均等化する際のエネルギー損失を低減する。
【解決手段】複数の単位電池が直列接続されて複数の直列電池群が形成される。複数の放電回路は複数の単位電池に、それぞれ並列に接続される。電圧検出回路10は、複数の単位電池のそれぞれの電圧を検出する。制御部20は、電圧検出回路10により検出された電圧をもとに、複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する。制御部20は、1つの直列電池群において最も電圧が低い単位電池の放電回路をオフ状態に、当該直列電池群における他の単位電池の放電回路をオン状態に、他の直列電池群に含まれる放電回路をオフ状態に制御する。
【選択図】図2
【解決手段】複数の単位電池が直列接続されて複数の直列電池群が形成される。複数の放電回路は複数の単位電池に、それぞれ並列に接続される。電圧検出回路10は、複数の単位電池のそれぞれの電圧を検出する。制御部20は、電圧検出回路10により検出された電圧をもとに、複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する。制御部20は、1つの直列電池群において最も電圧が低い単位電池の放電回路をオフ状態に、当該直列電池群における他の単位電池の放電回路をオン状態に、他の直列電池群に含まれる放電回路をオフ状態に制御する。
【選択図】図2
Description
本発明は、主に車両に搭載されて使用される電源システムに関する。
近年、ハイブリッドカーやEV(Electric Vehicle)が普及している。これらの電動車両には、二次電池が搭載されており、車載用の二次電池には主に、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の電池セルが使用されている。走行用モータの駆動電圧は高圧であるため、複数の電池セルが直列接続されて使用される。電池セルは、外装缶内に電解液等を含む発電要素を封入し、外装缶に設けられた出力端子から電池セルの電力を取り出すことが可能となるように構成される。複数の電池セルを直列接続して使用する場合、セル電圧のばらつきを抑えるための均等化制御が必要になる(例えば、特許文献1参照)。セル電圧のばらつきを放置すると、電池セルの利用効率の低下や電池セルの劣化を加速させる。
また、電気走行距離を長くするためには大容量の二次電池が必要である。特にBEV(Battery Electric Vehicle)、PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)では、大容量の二次電池が求められる。二次電池を構成する各々の電池セルの容量を増加させることは、容易ではないため、並列接続した複数の電池セルを直列に接続して二次電池を構成することもある。この構成の場合、並列接続された複数の電池セルの電圧は、基本的には同じ電圧となるため、並列接続された複数の電池セルを単位電池とし、均等化回路を用いて単位電池の電圧のばらつきを抑えるように構成される。
一般に均等化回路は、抵抗とスイッチを含む放電回路を各単位電池と並列に接続して構成される。均等化回路のコントローラは複数の単位電池の各電圧を検出し、最も低い電圧の単位電池の電圧に、他の単位電池の電圧を合わせるように当該他の単位電池の放電回路をオン状態に制御して放電させる。
上述したように均等化回路は放電回路で構成されることが一般的である。電圧が低い単位電池を充電して均等化することも考えられるが、各単位電池を絶縁された電源で個別に充電することが必要となり、回路規模およびコストが増大する。一方、放電回路を使用して電圧が高い単位電池を放電する場合、エネルギーを無駄にロスしていることになる。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の単位電池を放電により均等化する際のエネルギー損失を低減する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、複数の単位電池が直列接続された直列電池群を、複数並列に接続した二次電池と、前記複数の単位電池に、それぞれ並列に接続される複数の放電回路と、前記複数の単位電池のそれぞれの電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路により検出された電圧をもとに、前記複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する制御部と、を備える。前記制御部は、1つの直列電池群において最も電圧が低い単位電池の放電回路をオフ状態に、当該直列電池群における他の単位電池の放電回路をオン状態に、他の直列電池群に含まれる放電回路をオフ状態に制御する。
本発明によれば、複数の単位電池を放電により均等化する際のエネルギー損失を低減できる。
図1は、比較例に係る電源システム1の構成を示す図である。高出力および大容量を実現するために複数の電池セルを直並列するシステムでは、先に複数の電池セル(以下、リチウムイオン電池セルを想定する)を並列接続してから、複数の並列段を直列接続する構成が一般的である。図1に示す例では2並列の電池セルを6直列して構成されている。なお、さらに容量を増強するために電池セルを3並列以上接続してもよい。また出力電圧を調整するために直列数を増減してもよい。
並列接続された電池セルV1aと電池セルV1bと、並列に放電回路が接続される。この放電回路は均等化制御に使用される。放電回路はスイッチsw1と抵抗R1を含む。スイッチsw1と抵抗R1は直列接続され、当該直列回路は、並列接続された電池セルV1aと電池セルV1bの両端に接続される。従ってスイッチsw1がオンすると抵抗R1を介して、並列接続された電池セルV1aと電池セルV1bの正極端子から負極端子に電流が流れ、電池セルV1a及び電池セルV1bに蓄えられたエネルギーが消費される。従って本電源システム1から外部に電流を放出しなくても電池セルV1a及び電池セルV1bのSOC(State Of Charge)を低下させることができる。
他の並列段にも同様に放電回路がそれぞれ接続される。本電源システム1は、各並列段の電圧を検出するための電圧検出回路10を備える。電圧検出回路10は、検出した各並列段の電圧を制御部20に出力する。制御部20は、電圧検出回路10により検出された各並列段の電圧をもとに、複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する。電圧検出回路10は例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成でき、制御部20は例えば、マイクロコントローラで構成できる。
同じ仕様の電池セルでも、設置場所による温度の違いによりSOCがばらつく場合がある。また製造プロセスのばらつき、自己放電量のばらつき、周辺の制御回路の消費電力のばらつき等によって、SOCがばらつく場合もある。直列接続された複数の電池セル間でSOCのばらつきが発生すると、電池セルの利用効率が低下してくる。二次電池では過充電や過放電を防止するための制御が働いており、それらの制御によりSOCが相対的に低い電池セルでは、満充電状態になる前に充電が終了してしまい、SOCが相対的に高い電池セルでは、まだ正常に放電できる状態でも放電が終了してしまう。
そこで直列接続された電池セル間のSOCをできるだけ一致した状態に維持することが求められる。上述のようにSOCが低い電池セルに充電してSOCを合わせる手法は回路規模およびコストが増大するため、一般にSOCが高い電池セルを放電させて電池セル間のSOCを合わせる手法が使用される。SOCは電池セルのOCV(Open Circuit Voltage)を検出することにより推定できる。特にリチウムイオン電池ではSOCとOCVとの間に安定的な関係がある。従って電池セルに電流が流れていない状態で当該電池セルの両端電圧を検出することにより、当該電池セルのSOCを推定できる。
電源システム1は車両に搭載されて使用される場合、基本的に走行中およびプラグイン充電中以外の期間に均等化制御が実行される。ただし走行中であっても電源システム1からモータへの力行電流(放電)、又はモータから電源システム1への回生電流(充電)が流れていない期間に各電池セルのOCVを検出することにより均等化制御を実行できる。外部充電装置から充電している場合も、充電を一時中断する期間を設け、その期間に各電池セルのOCVを検出することにより均等化制御を実行できる。
図1に示す例では、制御部20は各並列段の電圧の内、最も電圧が低い並列段を特定し、その並列段に接続されたスイッチをオフ状態に維持し、他の並列段に接続されたスイッチをターンオンする。これにより他の並列段の電池セルから放電が開始される。制御部20は、最も電圧が低い並列段の電圧まで他の並列段の電圧が低下すると、当該他の並列段の電池セルに接続されたスイッチをターンオフする。これにより当該他の並列段の放電が停止する。
図2は、本発明の実施の形態に係る電源システム1の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源システム1は、並列に接続される複数の直列電池群と、複数の放電回路とを備えている。直列電池群は、直列に接続される複数の単位電池を有する。各々の放電回路は、複数の単位電池のうち対応する単位電池に並列接続される。単位電池は、少なくとも一つの二次電池セルで構成される。また、単位電池を複数の二次電池セルで構成する場合、単位電池を構成する複数の二次電池セルは並列に接続される。図2に示す例では6個の電池セルV1a〜V6aを直列接続した組電池Vaと、6個の電池セルV1b〜V6bを直列接続した組電池Vbを用意し、2つの組電池Va、Vbを並列に接続した構成である。図2に例示する電源システム1は、単位電池を一つの電池セルで構成する実施の形態に相当し、図1の比較例と同等のスペック(電圧や容量等)の組電池を備える構成となる。以下、便宜上、図2に基づいて、単位電池が一つの電池セルで構成される実施の形態について説明する。
例えば組電池Vaはスタックに収納され、当該スタックには電圧検出回路10a等を搭載した回路基板も収納される。この場合、組電池ごとに電圧検出回路が設けられることになる。通常、制御部20もそれぞれのスタックの制御基板に実装されるが、図2では代表して1つの制御部20を描いている。当該制御部20は、複数のスタック内の各制御部の内、マスタとなる制御部であってもよいし、スタックの外に実装された電源システム1を統括する制御部であってもよい。制御部20は、電源システム1の電池部に含まれる全ての電池セルV1a〜V6a、V1b〜V6bの各電圧を取得し、電源システム1の放電回路に含まれる全てのスイッチsw1a〜sw6a、sw1b〜sw6bのオン/オフを制御する。制御部20は1つのICで実装されてもよいし、連携して動作する複数のICで実装されてもよい。
電源システム1の電池部に含まれる複数の電池セルV1a〜V6a、V1b〜V6bとそれぞれ並列に複数の放電回路が接続される。各放電回路は図1と同様にスイッチと抵抗を含む。電圧検出回路10aは、組電池Vaを構成する複数の電池セルV1a〜V6aのそれぞれの電圧を検出して制御部20に出力する。同様に電圧検出回路10bは、組電池Vbを構成する複数の電池セルV1b〜V6bのそれぞれの電圧を検出して制御部20に出力する。
制御部20は、電圧検出回路10a、10bにより検出された各電池セルV1a〜V6a、V1b〜V6bの電圧をもとに、上記複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する。具体的には制御部20は、1つの組電池において最も電圧が低い電池セルの放電回路のスイッチをオフ状態に、当該組電池における他の電池セルの放電回路のスイッチを全てオン状態に、他の組電池に含まれる放電回路のスイッチを全てオフ状態に制御する。
このように本実施の形態では並列接続された複数の組電池の均等化制御を同時に行わず、1つずつ順番に行う。例えば制御部20は、電源システム1内で最も電圧が低い電池セルを含む組電池の均等化制御を優先的に実行する。即ち最も電圧が低い電池セルを含む組電池の均等化制御を1番先に行い、その組電池の均等化制御が終了後、次に電圧が低い電池セルを含む組電池の均等化制御を行う。
図1に示す比較例に係る回路構成では放電回路は各並列段に1つであり、電圧検出回路10は電源システム1に1つである。一方、図2に示す実施の形態に係る回路構成では放電回路は各電池セルに1つであり、電圧検出回路10は組電池に1つである。このように比較例では回路素子を少なくできるが、均等化のための放電電力が大きくなる。従って大容量の放電抵抗を使用するか、長時間かけて放電する必要がある。小容量の放電抵抗に大電流を流すと発熱が大きくなるため、抵抗の容量を増やすか放電電流を小さくする必要がある。
以下、図1の電源システム1において、電池セルV1aと電池セルV1bの並列段の容量が何らかの理由で1.0Ah、他の並列段の容量より低下した場合を考える、制御部20はスイッチsw2〜sw6をターンオンして他の5組の並列段から放電させる。均等化制御により放電される電力量は下記式(1)となる。下記式(1)では電池セルの電圧を、一般的なリチウムイオン電池セルの公称電圧である3.7Vとしている。
3.7V×1.0Ah×5=18.5Wh …式(1)
5組の各並列段から0.1Aずつ放電させた場合、10時間かかって18.5Whを放電させることになる。
5組の各並列段から0.1Aずつ放電させた場合、10時間かかって18.5Whを放電させることになる。
これに対して図2の電源システム1では、均等化制御時における電力ロスを削減できる。上記と同様に電池セルV1aの容量が何らかの理由で1.0Ah、他の電池セルV2a〜6a、V1b〜V6bの容量より低下した場合を考える。制御部20はスイッチsw2a〜sw6aをターンオンする。スイッチsw1a、sw1b〜sw6bはオフ状態を維持する。スイッチsw2a〜sw6aがオン状態になると抵抗R2a〜R6aに0.1Aずつ電流が流れる。これにより組電池Vaの電圧が低下し、組電池Vbから組電池Vaに電流が流れる。電池セルV1aはこの電流により充電されるためSOCが上昇する。電池セルV1aのSOCと、電池セルV2a〜V6aのSOCが等しくなった時点で均等化動作は終了する。実際には電池セルV1aのOCVと、電池セルV2a〜V6aのOCVが等しくなった時点で終了する。仮に組電池Vbから電池セルV1aに、1.0Ahの半分の0.5Ahが充電された場合、電池セルV2a〜V6aの放電により廃棄される電力量は差分の0.5Ahで済む。従って均等化制御において放電される電力量は下記式(2)となる。
3.7V×0.5Ah×5=9.25Wh …式(2)
放電容量が1/2となるため放電電力量も1/2となる。また放電容量が0.5Ahでよいため、放電時間も1/2でよい。
放電容量が1/2となるため放電電力量も1/2となる。また放電容量が0.5Ahでよいため、放電時間も1/2でよい。
なお上記の例は単純化して説明したものであり、実際はSOCとOCVとの関係はリニアな比例関係ではなく曲線的な特性となるため、均等化開始時の電池セルのSOCの水準によって放電量が変わってくる。
図3(a)−(b)は、図1の比較例に係る電源システム1における均等化制御例を模式的に説明するための図である。図4(a)−(b)は、図2の実施の形態に係る電源システム1における均等化制御例を模式的に説明するための図である。各棒状の矩形は、各並列段または電池セルの蓄電量を表している。
図3(a)は、上述した例のように図1の電源システム1において、電池セルV1aと電池セルV1bの並列段の容量が他の並列段の容量より低下している状態を示している。制御部20は、電池セルV1aと電池セルV1bの並列段の容量に、他の5つの並列段の容量を合わせるためにスイッチsw2〜sw6をターンオンする。これにより他の5つの並列段の放電が開始する。図3(b)は、他の5つの並列段の容量が、電池セルV1aと電池セルV1bの並列段の容量まで低下した状態を示している。全ての並列段の容量が一致すると制御部20は、スイッチsw2〜sw6をターンオフする。
図4(a)は、上述した例のように図2の電源システム1において、組電池Vaにおいて電池セルV1aの容量が他の電池セルV2a〜V6aの容量より低下している状態を示している。制御部20は電池セルV1aの容量に、他の5つの電池セルV2a〜V6aの容量を合わせるためにスイッチsw2a〜sw6aをターンオンする。これにより他の5つの電池セルV2a〜V6aの放電が開始する。放電が開始すると組電池Vaの電圧が低下し、組電池Vbから電池セル1aに充電される。図4(b)は組電池Vaを構成する6つの電池セルV1a〜V6aの容量が揃った状態を示している。6つの電池セルV1a〜V6aの容量が全て揃うと制御部20は、スイッチsw2〜sw6をターンオフする。
図3(b)と図4(b)を比較すると、後者のほうが均等化制御時の放電量が少なくて済むことが分かる。後者ではSOCが高い電池セルから放電すると共に、SOCが低い電池セルに他の組電池から充電される。従ってSOCが高い電池とSOCが低い電池セルの電圧が一致するまでの時間が短縮される。
図4(a)−(b)では組電池Va内において電池セルV1aのSOCが低下しており、他の電池セルV2a〜V6aのSOCは同じ水準を維持している例を説明したが、以下、組電池Vaを構成する複数の電池セルV1a〜V6aのSOCがさらに、ばらついている例を説明する。
図5(a)−(c)は、図2の実施の形態に係る電源システム1における別の均等化制御例を模式的に説明するための図である。図5(a)は、組電池Va内において電池セルV1aのSOCが最も低く、電池セルV2aのSOCが次に低く、他の電池セルV3a〜V6aのSOCが同じ水準を維持している状態を示している。制御部20は電池セルV1aの容量に、他の5つの電池セルV2a〜V6aの容量を合わせるためにスイッチsw2a〜sw6aをターンオンする。これにより他の5つの電池セルV2a〜V6aの放電が開始する。放電が開始すると組電池Vaの電圧が低下し、組電池Vbから電池セル1aに充電される。
図5(b)は、電池セルV2aの容量が電池セルV1aの容量まで低下した状態を示している。電池セルV3a〜V6aの容量は、まだ電池セルV1aの容量まで低下していない。制御部20は、スイッチsw2をターンオフして電池セルV2aの放電を終了する。スイッチsw2がターンオフすると組電池Vbから電池セルV2aにも充電されるようになる。図5(c)は、組電池Vaを構成する6つの電池セルV1a〜V6aの容量が全て揃った状態を示している。6つの電池セルV1a〜V6aの容量が全て揃うと制御部20は、スイッチsw3〜sw6をターンオフする。
このように制御部20は、均等化制御中の組電池において、前回の電圧検出時に最も電圧が低かった電池セルの電圧と、次に電圧が低かった電池セルの電圧が一致したとき、当該次に電圧が低かった電池セルの放電回路のスイッチをオフに制御する。この制御により、図5(a)−(c)に示したように組電池内に3種類のSOCを持つ電池セルが発生した場合に限らず、4種類以上のSOCを持つ電池セルが発生した場合も同様のアルゴリズムで処理できる。
また、図5(a)−(c)の均等化制御例では、制御部20は電池セルV1aの容量に、他の5つの電池セルV2a〜V6aの容量を合わせるためにスイッチsw2a〜sw6aをターンオンするように構成されているが、他の変形例も可能である。具体的には、まず、電池セルV2aの容量に、他の4つの電池セルV3a〜V6aの容量を合わせるためにスイッチsw3a〜sw6aをターンオンする。そして、電池セルV2a〜V6aの容量が揃った後、制御部20は電池セルV1aの容量に、他の5つの電池セルV2a〜V6aの容量を合わせるためにスイッチsw2a〜sw6aをターンオンするように構成することもできる。
このように、変形例では、均等化制御中の組電池において、前回の電圧検出時に最も電圧が高かった電池セルに対応する放電回路のスイッチをオンに制御し、この電池セルを放電させる。均等化制御が進むうちに、放電される電池セルの電圧と、電圧が一致する電池セルから順次、対応する放電回路のスイッチをオンに制御する。この制御により、図5(a)−(c)の均等化制御例と同様に、組電池内に3種類のSOCを持つ電池セルが発生した場合に限らず、4種類以上のSOCを持つ電池セルが発生した場合も同様のアルゴリズムで処理できる。
上述の説明では、単位電池が一つの電池セルで構成される実施の形態について説明したが、単位電池は、必ずしも一つの電池セルで構成される必要はない。具体的には、図6に示すように、直列電池群に、並列接続される複数の電池セルを含む構成とすることもできる。この構成では、並列接続される複数の電池セルを単位電池として上述の制御を行うことで、複数の単位電池V1ap〜V6ap、V1bp〜V6bpを均等化する際のエネルギー損失を低減できる。
以上説明したように本実施の形態によれば、複数の単位電池を直並列接続された二次電池において、複数の単位電池を均等化する際のエネルギー損失を低減できる。即ち、直列電池群ごとに均等化制御を実行することにより、その直列電池群内において放電対象とならない最も低い電圧の単位電池は他の直列電池群から充電されることになる。従って、最も低い電圧の単位電池の容量が嵩上げされるため、放電される他の単位電池の容量と早く一致することになる。従って当該他の単位電池から放電されて消費されるエネルギーを低減できる。また均等化終了までの時間を短縮できる。
これに対して、直並列接続された複数の単位電池を一括して均等化制御する場合、最も電圧が低い単位電池以外の全ての単位電池を放電することになる。その場合、全ての直列電池群で放電が発生する。最も電圧が低い単位電池を含む直列電池群より、他の直列電池群の方が電圧が先に低下していく。従って最も電圧が低い単位電池に、他の直列電池群から充電されないため、上述した放電量の削減および時間短縮の効果が得られない。
また、最も電圧が低い単位電池を含む直列電池群から順番に均等化制御を実行することにより、均等化制御が終了する前に負荷が稼働した場合において、できるだけ直並列接続された複数の単位電池のばらつきが小さい状態から通常の充放電を開始できる。従って複数の単位電池の利用効率の低下をできるだけ抑えることができる。
なお上記の説明では制御部20は、最も電圧が低い単位電池を含む直列電池群から順番に均等化制御を実行する例を説明したが、複数の単位電池のばらつきが大きい直列電池群から順番に均等化制御を実行してもよい。ばらつきの大きさは、1つの直列電池群を構成する複数の単位電池の電圧の分散または標準偏差を算出することにより特定できる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上記の実施の形態では複数の組電池を並列接続し、組電池ごとに均等化制御を実行する例を説明した。この点、直並列接続された複数の単位電池のそれぞれに放電回路を接続し、各単位電池の電圧を個別に検出できる構成であれば組電池の並列接続である必要はない。組電池で構成されていなくても直列接続された複数の単位電池ごとに均等化制御を実行できれば、本発明に係る技術を適用できる。
1 電源システム、 10 電圧検出回路、 20 制御部、 V1a〜V6b 電池セル、 Va,Vb 組電池、 R1a〜R6b 抵抗、 sw1a〜sw6b スイッチ。
Claims (4)
- 並列に接続される複数の直列電池群であって、各々の直列電池群が直列接続される複数の単位電池を含んでいる、当該複数の直列電池群と、
前記複数の単位電池に、それぞれ並列に接続される複数の放電回路と、
前記複数の単位電池のそれぞれの電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路により検出された電圧をもとに、前記複数の放電回路を制御して均等化制御を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、1つの直列電池群において最も電圧が低い単位電池の放電回路をオフ状態に、当該直列電池群における他の単位電池の放電回路をオン状態に、他の直列電池群に含まれる放電回路をオフ状態に制御することを特徴とする電源システム。 - 前記制御部は、複数の直列電池群において最も電圧が低い単位電池を含む直列電池群の均等化制御を優先的に実行することを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記制御部は、均等化制御中の直列電池群において、前回の電圧検出時に最も電圧が低かった単位電池の電圧と、次に電圧が低かった単位電池の電圧が一致したとき、当該次に電圧が低かった単位電池の放電回路をオフに制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記複数の単位電池は、それぞれが互いに並列接続される複数の電池セルを含んでいることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電源システム。
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