JP2016220449A - Secondary battery system, and control method and program therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池システム、その制御方法及びプログラムに関し、特に、異常電池セルをシステムから切り離す手段を備えるものに関する。 The present invention relates to a secondary battery system, a control method thereof, and a program, and more particularly, to a battery including a means for separating abnormal battery cells from the system.
リチウムイオン電池とそれにより構成される組み電池においては、その信頼性の確保が重要である。電池システムを構成する電池に異常が発生した場合には、異常電池をシステムから独立させて他の電池への影響を少なくして、その後のシステムの動作に影響を与えないことが望まれている。 In the lithium ion battery and the assembled battery constituted by the lithium ion battery, it is important to ensure its reliability. When an abnormality occurs in a battery constituting a battery system, it is desirable to make the abnormal battery independent from the system to reduce the influence on other batteries and not affect the operation of the subsequent system. .
そのために、特許文献1では、複数の電池が直列に接続された直列電池群が、複数個並列に接続された組み電池において、各直列電池群に並列に電流バイパス回路を接続するとともに、各直列電池群及び電流バイパス回路に直列にヒューズを接続した構成が記載されている。このような構成にすることにより、電池に異常が発生した場合、その異常を検出して、電流バイパス回路電池に大電流を流してヒューズを溶断することによって、異常電池を含む直列電池群を組み電池から切り離すことができる。異常電池を早期に切り離すことで、他の電池で組み電池を構成することができる。 Therefore, in Patent Document 1, a series battery group in which a plurality of batteries are connected in series is connected to each series battery group in parallel in an assembled battery in which a plurality of series batteries are connected in parallel. A configuration in which a fuse is connected in series to a battery group and a current bypass circuit is described. With this configuration, when an abnormality occurs in the battery, the abnormality is detected, a large current is supplied to the current bypass circuit battery, and the fuse is blown to assemble a series battery group including the abnormal battery. Can be disconnected from the battery. By separating the abnormal battery at an early stage, the assembled battery can be composed of other batteries.
しかしながら、特許文献1に開示の技術においては、切り離した異常電池の中に、正常に動作する電池が含まれている場合、その分の残量、出力電流(出力電力)を使用することができないという問題点があった。 However, in the technique disclosed in Patent Literature 1, when a normally operating battery is included in the separated abnormal battery, the remaining amount and output current (output power) cannot be used. There was a problem.
さらに、上記構成において、電池の切り離し前後で組み電池の最大電流定格は、電池の並列数をPとすると、(P−1)/P倍に減少する。これは組み電池の最大電流定格が組み電池の電池数によらず並列数によって決まることを意味する。すなわち、並列数が少ないような組み電池構成では、異常電池の切り離し動作を行うと出力電流定格が大幅に減少してしまうおれがあるという問題点があった。 Further, in the above configuration, the maximum current rating of the assembled battery before and after the battery is detached is reduced to (P-1) / P times when the parallel number of the batteries is P. This means that the maximum current rating of the assembled battery is determined by the parallel number regardless of the number of batteries of the assembled battery. That is, in an assembled battery configuration in which the number of parallel connections is small, there is a problem that the output current rating may be significantly reduced when the abnormal battery is disconnected.
一方で特許文献2には、組み電池が有する電池セルの直列数が増えた場合に、回路規模を抑えて電池均等化システムを提供することを目的とした技術が開示されている。特許文献2の技術は、均等化制御の直接制御系を高電圧系基板上にモジュール化し、メイン制御CPUを低電圧系基板上に配置することで、電池セルの直列数の増加などに容易に対応することができるとしている。しかしながら、特許文献2に開示の技術によっても、出力電流が大きく減少するという問題が残る可能性がある。
On the other hand,
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、異常電池をシステム全体から切り離した後の、システム全体の出力電流定格の減少を抑制することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at suppressing the fall of the output current rating of the whole system after disconnecting an abnormal battery from the whole system.
上記目的を達成するために本発明は、
複数の二次電池を直並列に接続した組み電池と、
二次電池の異常を検出する異常セル検出部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御部と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
An assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series and parallel;
An abnormal cell detector for detecting an abnormality of the secondary battery;
A cell shut-off control unit for separating the secondary battery in which an abnormality is detected from the assembled battery;
A current controller for supplying power to each secondary battery from the entire assembled battery;
When the secondary battery in which an abnormality was detected was disconnected from the assembled battery, the abnormality was detected and disconnected so that the output current of the entire assembled battery was evenly output by all of the secondary batteries constituting it. Power supply means for supplying current to the terminal to which the secondary battery was originally connected;
It is characterized by providing.
本発明によれば、異常電池をシステム全体から切り離した後の、システム全体の出力電流定格の減少を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reduction | decrease of the output current rating of the whole system after disconnecting an abnormal battery from the whole system can be suppressed.
以下に開示される本発明の実施形態は、複数の電池セルを直並列に接続して構成される組み電池において、異常電池セルを組み電池から切り離した後に残された電池セルで組み電池を動作させる際に、以下の特徴を有する。 An embodiment of the present invention disclosed below operates an assembled battery with a battery cell remaining after an abnormal battery cell is disconnected from the assembled battery in an assembled battery configured by connecting a plurality of battery cells in series and parallel. When it is made, it has the following features.
要するに、組み電池全体の出力電力を、構成する全ての電池セルで均等に出力するように、切り離された異常電池セルが本来接続されていた端子に電力を供給する。このバランス機能を備えることによって、システム全体の出力電流定格の減少を抑制する。
以下、この特徴について図面を参照しながら詳細に説明する。
In short, power is supplied to the terminal to which the disconnected abnormal battery cell was originally connected so that the output power of the entire assembled battery is evenly output by all the battery cells constituting the battery. By providing this balance function, a reduction in the output current rating of the entire system is suppressed.
Hereinafter, this feature will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態の構成を示す回路図である。
図1に示すように、本実施形態の二次電池システムは、複数の電池セル100が直並列(マトリックス状)に接続された電池部111と、システム全体の負荷電流に応じたバランス電流を発生させるバランス部112と、電池セル100の異常を検出する異常検出部110と、異常電池セルをシステム全体から切り離すための選択信号を発生させるセル遮断制御部102と、を備える。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the secondary battery system of the present embodiment generates a balance current corresponding to the load current of the
なお、図1において本実施形態の二次電池システムは、直流電源107に端子113と端子114でつながれている。
In FIG. 1, the secondary battery system of the present embodiment is connected to a
電池部111では複数の電池セル100が直並列に配置され接続される。図中では電池部111の電池セル100は3直列、3並列を例示しているが、電池セル100の直並列数はこの限りではない。各々の電池セル100には、直列に電池セル遮断機能101が接続される。電池セル遮断機能101はセル遮断制御部102からの遮断制御信号に応じて各電池セルを選択的にシステムから切り離すことができる。電池セル遮断機能102は例えばセルフコントロールプロテクター(SCプロテクター)を用いることで実現できる。
In the
異常セル検出部110では、電池部111からの内部信号を用いて、電池部111を構成する電池セルが正常に動作しているかを監視する。前記内部信号は例えば、電池セルの電圧、電流、温度などである。異常セル検出部110は異常電池セル情報をセル遮断制御部102に送信する。
The abnormal
なお、異常セル検出部110は、電池セルの電圧をモニターしていて、電池セルが充放電の終止電圧を超えない範囲内での動作を監視している。すなわち、いわゆる電池の一般的な保護機能を異常セル検出部110は備える。この技術は一般的な動作なのでここでは述べない。
The abnormal
セル遮断制御部102では、異常セル検出部110から送られた異常電池セル情報をもとに遮断セルの選択信号を発生させ、システムから異常電池セルを切り離す。
The cell
バランス部112は、複数のバランサー106と、電流制御部109と、負荷電流検出部108を備える。バランサー106は電池部111の電池セルの直列接続段数だけ備え、電池部111の電池セル100の直列接続段と並列に接続される。
The
バランサー106はトランス115を備え、1次側は電池システム全体(電池スタック)に接続され、2次側は電池部の電池セルの直列接続段に接続される。各々1次側、2次側の経路にはスイッチング素子105と電流検出部104を備える。各々1次側、2次側の電流検出部105の電流検出情報は電流制御部109に送られる。負荷電流検出部108では、電池システム全体の負荷電流を検出して、検出情報を電流制御部109に送る。電流制御部109ではバランサー106の1次側、2次側の電流検出情報と負荷電流検出部108の負荷電流情報を用いて、バランサー106の1次側、2次側のスイッチング素子のON/OFFのタイミング信号を生成する。バランサーの2次側の脈流波形は平滑化フィルタ103にて平滑化される。
The
図2は、異常セルが遮断されたときのバランス動作について説明した図である。
異常セルがシステムから切り離された場合での放電動作において、バランス機能により出力電流が均等化される方法を説明する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a balance operation when an abnormal cell is blocked.
A method of equalizing the output current by the balance function in the discharge operation when the abnormal cell is disconnected from the system will be described.
異常セル116が仮に電池部111の電池セルの直列接続の1段目の中の1つにあり、前記異常電池セルは異常セル検出部110により検出され、セル遮断制御部102によりシステムから切り離されているとする。このとき、バランス部112では異常セル116が本来接続される端子に接続されているバランサー106が動作する。なお、図2ではバランス動作に関係のないバランサー106は説明の都合で除外している。
The
本実施形態の電池システムは、異常セルが検出されてシステムから切り離されて生ずる並列段ごとの容量と出力電流のアンバランスを解消するために以下に述べるような動作をする。 The battery system according to the present embodiment operates as described below in order to eliminate the imbalance between the capacity and the output current for each parallel stage that is generated when an abnormal cell is detected and disconnected from the system.
負荷電流をIL、バランサー106の1次側電流をIX、電池部111の直列数をs、並列数をpとすると、バランサー106の2次側電流はs・IXとなる。
電流制御部109では、各セルの出力電流が等しくなるようにバランス電流IXの値を設定する。すなわち、バランス電流IXをIL・1/(ε・s・(p−1))、(ここでεはフライバックコンバーターの電力変換効率)となるように設定すると、各電池セルの出力電流はIL・(ε・s・p)/(ε・s・(p−1))と全てのセルにおいて等しい電流値となる。
When the load current is IL, the primary current of the
The
図2のように、s=p=3でε=1と仮定すると、バランサー106の1次電流としてIL・1/8とすることで、バランサー106の2次電流はIL・3/8となり、異常セルが切り離された並列段にはIL・3/8がバランサー106からの電流として加えられる。
As shown in FIG. 2, assuming s = p = 3 and ε = 1, by setting IL · 1/8 as the primary current of the
一方、3つの正常セルが稼動している並列段(2段目、3段目)では、負荷電流ILとバランサー106の1次電流IXを加えたものを電池セルの個数で割った(IL+IX)/3を各電池セルが流すことになり、今IXがIL・1/8と設定すると、各電池セルの電流値はIL・3/8となり、異常セル切り離されている並列段(1段目)の電池セルの電流値と一致する。
On the other hand, in the parallel stage (second stage and third stage) in which three normal cells are operating, the sum of the load current IL and the primary current IX of the
以上により、異常セルがシステムから切り離された場合に発生する並列セルのアンバランスを、負荷電流に比例した電流値を、バランス電流として流すことで、電池システム全体で不足分をアシストして、各電池セルから均等に電流値を出力することが可能になる。 As described above, the imbalance of the parallel cells that occurs when the abnormal cell is disconnected from the system, the current value proportional to the load current flows as the balance current, assisting the shortage in the entire battery system, It becomes possible to output current values evenly from the battery cells.
異常セルが検知されない場合には全ての電池が均等に動作していて、その際の電流値はIL/pとなる。一方、異常セルをシステムから切り離した際に、バランサーを使用しないと、異常セルを切り離した並列段の正常なセルの電流値がIL・(p/(p−1))と増加する。 When no abnormal cell is detected, all the batteries are operating equally, and the current value at that time is IL / p. On the other hand, if the balancer is not used when the abnormal cell is disconnected from the system, the current value of the normal cell in the parallel stage where the abnormal cell is disconnected increases to IL · (p / (p−1)).
異常セルを切り離した前後で電池セルの電流値の変化率を比較すると
バランサー未使用 p^2・1/(p−1)
バランサー使用 p^2・1/((p−1)/s) ε=1の場合
直列数sは1以上の整数なので、バランサー106を使用した場合のほうが、未使用の場合よりも、各セルの電流値の増加率が抑えられる。したがって、前記バランサー106を使用することで異常セルがシステムから切り離された際でも、各電池の出力電流の大幅な増加を抑制することができる。すなわち、異常セルの切り離した際の動作に備えている各電池セルの電流マージンを少なくすることが可能になる。
When the rate of change of the current value of the battery cell is compared before and after disconnecting the abnormal cell, the balancer is not used.
Use balancer p ^ 2 · 1 / ((p-1) / s) When ε = 1 The number of series s is an integer of 1 or more. The rate of increase in the current value is suppressed. Therefore, even when an abnormal cell is disconnected from the system by using the
図3は、バランサー106の動作波形を説明する図である。
セル遮断制御部102により異常セルがシステムから切り離されて、バランス部112が動作する。電流制御部109は予め電池部の直列数と並列数を備えていて、負荷電流検出部108の負荷電流検出結果に基づき、バランサーの1次側電流値IXを設定する。電流制御部110は1次電流がIXに到達するまで1次側のスイッチング素子をONする。1次電流がIXに到達すると、1次側スイッチをOFFし、2次側スイッチをONする。2次側スイッチは2次電流が0になるまでONさせ、0になると2次側スイッチをOFFにし1次側スイッチをONする。この繰り返し動作によりバランサーを通じてアシスト電流を発生させる。
FIG. 3 is a diagram for explaining operation waveforms of the
The abnormal cell is disconnected from the system by the cell
図4は、電池システムの放電フローを説明する図である。
図4において、本実施形態の二次電池システムは、異常電池セルが検出されない場合は、通常の充放電動作を行う(S1)。次に、異常セル検出部110にて異常セルの有無をモニターする(S2)。異常セルが検出されると、セル遮断制御部102にて該当電池セルをシステムより切り離す(S3)。
FIG. 4 is a diagram illustrating a discharge flow of the battery system.
In FIG. 4, the secondary battery system of this embodiment performs normal charging / discharging operation when no abnormal battery cell is detected (S1). Next, the presence or absence of an abnormal cell is monitored by the abnormal cell detection unit 110 (S2). When an abnormal cell is detected, the cell
電池システムが充電動作中の場合(S4/No)、システムを停止して終了する。他方で、電池システムが放電動作中の場合(S4/Yes)、バランス部112が稼動し、出力負荷電流に応じたバランス電流が異常セルを切り離した電池部の並列段に供給される(S5)。バランス動作しながら放電動作を行い、いずれかのセル電圧が終止電圧となった場合に電池システムを停止する(S6/Yes)。
If the battery system is being charged (S4 / No), the system is stopped and terminated. On the other hand, when the battery system is in a discharging operation (S4 / Yes), the
図5は、上記実施形態の変形である第2の実施形態の構成を示す回路図である。
図5はバランス部112の1次側トランスを共通化している点が図1に示した上記第1の実施形態と異なるが、その他の構成部、動作は同様なので、その説明は省略する。図5に示したような構成においても、上述した第1の実施形態と同等の効果が得られる。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of the second embodiment, which is a modification of the above embodiment.
FIG. 5 is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the primary transformer of the
また、図1に示した二次電池システムであっても図5に示した二次電池システムであっても、これを複数直並列に(マトリクス状に)接続した二次電池システムを構成することも好ましい。この構成の場合は、電池の容量が大容量となり、またそのような大容量電池であっても、異常電池セルが切り離されたときに出力電力定格の減少を防ぐことができる。 Further, a secondary battery system in which a plurality of the secondary battery systems shown in FIG. 1 or the secondary battery system shown in FIG. 5 are connected in series (in a matrix) is configured. Is also preferable. In the case of this configuration, the capacity of the battery becomes large, and even with such a large capacity battery, it is possible to prevent a decrease in output power rating when the abnormal battery cell is disconnected.
また、バランス電流供給の電力間をフライバックコンバーターで実施することも好ましい。この構成により、実装を簡易にして、高効率化を得ることができる。 It is also preferable to implement a flyback converter between the power of the balance current supply. With this configuration, mounting can be simplified and high efficiency can be obtained.
なお、上述した実施形態で開示した二次電池システムの制御方法の各手順は、制御プログラムにより、二次電池システムの組み込みコントローラに実行させてもよい。 In addition, each procedure of the control method of the secondary battery system disclosed in the above-described embodiment may be executed by an embedded controller of the secondary battery system by a control program.
100 電池セル
101 電池セル遮断機能
102 セル遮断制御部
103 平滑化フィルタ
104 電流検出部
105 スイッチング素子
106 バランサー
107 直流電源
108 負荷電流検出部
109 電流制御部
110 異常セル検出部
111 電池部
112 バランス部
113 端子
114 端子
115 トランス
DESCRIPTION OF
Claims (6)
二次電池の異常を検出する異常セル検出部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御部と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給手段と、
を備えることを特徴とする、二次電池システム。 An assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series and parallel;
An abnormal cell detector for detecting an abnormality of the secondary battery;
A cell shut-off control unit for separating the secondary battery in which an abnormality is detected from the assembled battery;
A current controller for supplying power to each secondary battery from the entire assembled battery;
When the secondary battery in which an abnormality was detected was disconnected from the assembled battery, the abnormality was detected and disconnected so that the output current of the entire assembled battery was evenly output by all of the secondary batteries constituting it. Power supply means for supplying current to the terminal to which the secondary battery was originally connected;
A secondary battery system comprising:
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流をIL、前記組み電池の並列数をP、前記組み電池の直列数をS、前記電力供給手段の効率をεとすると、
前記組み電池全体からのバランス電流がIL×1/(ε×S×(P−1))とすることで、構成する全ての二次電池で均等に電流を出力するように、切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の二次電池システム。 The power supply means
When the secondary battery in which an abnormality is detected is disconnected from the assembled battery, the output current of the entire assembled battery is IL, the parallel number of the assembled batteries is P, the serial number of the assembled batteries is S, and the power supply means If the efficiency of ε is ε,
By setting the balance current from the entire assembled battery to IL × 1 / (ε × S × (P−1)), the separated two batteries are output so that all the secondary batteries are configured to output current evenly. The secondary battery system according to claim 1, wherein a current is supplied to a terminal to which the secondary battery was originally connected.
二次電池の異常を検出する異常セル検出工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御工程と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給工程と、
を有することを特徴とする、二次電池システムの制御方法。 A control method executed by a secondary battery system including an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series and parallel,
An abnormal cell detection step of detecting an abnormality of the secondary battery;
A cell shut-off control step of separating the secondary battery in which an abnormality is detected from the assembled battery;
A current control step of supplying power from the entire assembled battery to each secondary battery;
When the secondary battery in which an abnormality was detected was disconnected from the assembled battery, the abnormality was detected and disconnected so that the output current of the entire assembled battery was evenly output by all of the secondary batteries constituting it. A power supply process for supplying current to a terminal to which the secondary battery was originally connected;
A control method for a secondary battery system, comprising:
二次電池の異常を検出する異常セル検出工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御工程と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給工程と、
を実行させることを特徴とする、二次電池システムの制御プログラム。 In a built-in control device of a secondary battery system including an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected in series and parallel,
An abnormal cell detection step of detecting an abnormality of the secondary battery;
A cell shut-off control step of separating the secondary battery in which an abnormality is detected from the assembled battery;
A current control step of supplying power from the entire assembled battery to each secondary battery;
When the secondary battery in which an abnormality was detected was disconnected from the assembled battery, the abnormality was detected and disconnected so that the output current of the entire assembled battery was evenly output by all of the secondary batteries constituting it. A power supply process for supplying current to a terminal to which the secondary battery was originally connected;
A control program for a secondary battery system, characterized in that
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