JP2017112736A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電池セルを有する電池ブロックを含む電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply system including a battery block having a plurality of battery cells.
車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした電池ブロックは、電池セルと呼ばれる単電池の複数個を、直列及び並列に接続して構成される。電池ブロックは、過充電や過放電になると劣化するので、劣化防止や劣化回復等の対応が必要になる。 A battery block capable of outputting a high voltage and a large current required for an electric device mounted on a vehicle is configured by connecting a plurality of unit cells called battery cells in series and in parallel. Since the battery block deteriorates when it is overcharged or overdischarged, measures such as prevention of deterioration and recovery from deterioration are required.
特許文献1には、複数の電池セルを有する電池ブロックにおいて、過充電となった電池セルの数、過充電の回数に応じて電池ブロックの充電電圧及び充電電流を3段階として、さらなる劣化を抑制することが開示されている。また、複数の電池セルの中で1つでも過放電になると、電池ブロックの過放電とされる閾値を上げて無理のない放電として、さらなる劣化を抑制することも述べている。 In Patent Document 1, in a battery block having a plurality of battery cells, the charging voltage and charging current of the battery block are set in three stages according to the number of overcharged battery cells and the number of overcharges, and further deterioration is suppressed. Is disclosed. It also states that if even one of the plurality of battery cells is overdischarged, the threshold value for overdischarge of the battery block is raised to make it an unreasonable discharge and further deterioration is suppressed.
特許文献2には、複数の電池セルを有する電池ブロックについて、劣化が少なく内部抵抗が平均値以下である電池セルの充電状態を示すSOC(State Of Charge)の許容範囲を広げて、各電池セルの劣化を均等に進ませることが開示されている。また、上記電池ブロックについて、電池セル毎にバイパス回路を設け、過充電となった電池セルをバイパスし他の電池セルに充電を行い、あるいは、過放電となった電池セルをバイパスし他の電池セルで放電を行うことも述べられている。 In Patent Document 2, for battery blocks having a plurality of battery cells, each battery cell is expanded by increasing the allowable range of SOC (State Of Charge) indicating the state of charge of the battery cell with little deterioration and internal resistance being less than the average value. It is disclosed that the deterioration of the resin is uniformly promoted. In addition, for the battery block, a bypass circuit is provided for each battery cell, and the overcharged battery cell is bypassed to charge another battery cell, or the overcharged battery cell is bypassed and another battery is bypassed. It is also mentioned that the cell is discharged.
電池ブロックが過充電となったときに、以後の充電電流や放電電流の設定を変更する等でさらなる劣化を抑制することができる。この方法は、電池ブロックの全体を単位として充放電を制御するので、電池ブロックを構成する複数の電池セルの全部が過充電になるときに有効である。しかし、例えば、1つの電池セルのみが過充電状態の過充電セルとなった場合には、その1つの過充電セルについて劣化がさらに進行することを抑制することが困難である。そこで、複数の電池セルの一部が過充電セルとなったときでも、さらなる劣化を抑制できる電源システムが要望される。 When the battery block is overcharged, further deterioration can be suppressed by changing the setting of the charging current and discharging current thereafter. Since this method controls charging / discharging in units of the entire battery block, it is effective when all of a plurality of battery cells constituting the battery block are overcharged. However, for example, when only one battery cell becomes an overcharged overcharged cell, it is difficult to suppress further deterioration of the one overcharged cell. Therefore, there is a demand for a power supply system that can suppress further deterioration even when some of the plurality of battery cells become overcharged cells.
本発明の1つの形態に係る電源システムは、充電状態を示すSOCが大きいほど厚さ方向の寸法が大きくなる特性を有する電池セルの複数が厚さ方向に1列に整列して配置され、1列に整列した両端部の間隔が拘束部材で拘束された電池ブロックと、電池セル毎に該電池セルの両端子に接続された電力変換器の複数が互いに直列に電気的に接続され、複数の電力変換器が直列に接続された両端部に、外部の充放電装置と接続される端子を有する電力変換器ブロックと、複数の電力変換器の動作を個別に制御し、電池セルのそれぞれのSOCを個別に変更する制御装置と、を備え、制御装置は、電池セル毎についてそれぞれのSOCを推定し、複数の電池セルにおいて、推定されたSOCが予め定めた過充電用の所定値以上の電池セルである過充電セルと、推定されたSOCが所定値未満の電池セルである通常セルとを含んでおり、過充電セルの個数が複数の半数以下であるときに、電池ブロックが単セル過充電型であるとし、単セル過充電型とされたときに、過充電セルに対応する電力変換器の動作を制御して過充電セルの前記SOCを減少させ、通常セルに対応する電力変換器を制御して通常セルの前記SOCを増大させることを特徴とする。 In a power supply system according to one aspect of the present invention, a plurality of battery cells having the characteristic that the dimension in the thickness direction increases as the SOC indicating the state of charge increases, are arranged in a row in the thickness direction. A battery block in which the distance between both ends aligned in a row is restrained by a restraining member, and a plurality of power converters connected to both terminals of the battery cell for each battery cell are electrically connected in series with each other, Power converter blocks having terminals connected to an external charging / discharging device at both ends where the power converters are connected in series, and the operations of the plurality of power converters are individually controlled, and each SOC of the battery cell And a control device that estimates each SOC for each battery cell, and in the plurality of battery cells, the estimated SOC is a battery having a predetermined overcharge predetermined value or more. Cell is over The battery block is a single-cell overcharge type when the number of overcharged cells is less than half of a plurality of normal cells that are battery cells whose estimated SOC is less than a predetermined value. When the single cell overcharge type is selected, the operation of the power converter corresponding to the overcharge cell is controlled to reduce the SOC of the overcharge cell, and the power converter corresponding to the normal cell is controlled. The SOC of the normal cell is increased.
過充電セルは、膨張が大きいほど劣化が進行することが知られている。上記構成によれば、電池セルの特性として、SOCが大きいほど厚さ方向の寸法が大きくなるので、過充電セルのSOCを減少させて通常セルのSOCを増大させると、通常セルの厚さ方向の寸法が大きくなり、過充電セルを押し付ける。このように、通常セルからの押付力によって、過充電セルの膨張を抑制するので、過充電セルのさらなる劣化を抑制できる。 It is known that deterioration of an overcharged cell progresses as the expansion increases. According to the above configuration, as the characteristic of the battery cell, the dimension in the thickness direction increases as the SOC increases. Therefore, when the SOC of the overcharged cell is decreased to increase the SOC of the normal cell, the thickness direction of the normal cell is increased. The dimension of the overcharged cell is increased and the overcharged cell is pressed. Thus, since the expansion of the overcharged cell is suppressed by the pressing force from the normal cell, further deterioration of the overcharged cell can be suppressed.
本発明に係る電源システムによれば、複数の電池セルの一部が過充電セルとなったときでも、さらなる劣化を抑制できる。 According to the power supply system of the present invention, even when some of the plurality of battery cells become overcharged cells, further deterioration can be suppressed.
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される電源システムを述べるが、これは説明のための例示である。複数の電池セルを有する電池ブロックを含む電源システムであれば、車両に搭載される以外の用途であってもよい。例えば、据置型の電源システムでもよい。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Below, the power supply system mounted in a vehicle is described, but this is an example for explanation. If it is a power supply system including a battery block having a plurality of battery cells, it may be used for purposes other than being mounted on a vehicle. For example, a stationary power supply system may be used.
以下で述べる形状、寸法、個数、配置関係等は、説明のための例示であって、電源システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The shape, dimensions, number, arrangement relationship, and the like described below are examples for explanation, and can be appropriately changed according to the specifications of the power supply system. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、車両に搭載される電源システム10の構成図である。電源システム10は、電池ブロック12と、電力変換器ブロック14と、制御装置60とを含む。図1には、電源システム10の構成要素ではないが、電力変換器ブロック14に接続される充放電装置16を示す。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
電池ブロック12は、複数の電池セル20を1列に整列して配置し、電力変換器ブロック14を介して電気的に直列に接続された組電池である。電池ブロック12は、複数の電池セル20を直列に接続することで、車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした高圧電池である。図1の例では、8個の電池セル20のみを図示したが、全体では、例えば10個以上の電池セル20が1列に整列して配置されて電池ブロック12を構成する。以下では、電池ブロック12は40個の電池セル20を有するものとする。電池セル20の個数は例示であって、40個以外でもよい。特別な例としては、2個の電池セル20であってもよい。
The
電池セル20は、略矩形の側壁を有する薄板状の単電池である。複数の電池セル20は、薄板状の厚さ方向に沿って1列に整列して配置され、電池ブロック12となる。図1に、電池ブロック12について厚さ方向を示す。厚さ方向は、電池セル20の薄板状の厚さの方向であるが、電池ブロック12における複数の電池セル20の整列方向でもある。
The
それぞれの電池セル20は、正極端子22と負極端子24とを有する。正極端子22と負極端子24との間の両端電圧は、単電池の種類によって異なるが、約1V〜4V程度である。単電池の種類としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。
Each
電池ブロック12を構成する40個の電池セル20の両端電圧、充放電電流、温度等は、SOC情報18として、適当な信号線を用いて制御装置60に伝送される。
Both-end voltage, charge / discharge current, temperature, and the like of the 40
略矩形の側壁を有する薄板状の電池セル20は、内部における電気化学反応によって、SOCが大きいほど厚さ方向の寸法が大きくなる特性を有する。図2に、電池セル20の厚さ方向の寸法とSOCとの関係を示す。図2の横軸はSOC、縦軸は電池セル20の厚さ方向の寸法である。電池セル20の厚さ方向の寸法は、SOCが増大するにつれて大きくなるが、SOCが増大するほど厚さ方向の寸法の増加量が次第に小さくなる非線形の特性を有する。
The thin plate-
拘束板26,27は、40個の電池セル20を1列に整列した両端部にそれぞれ配置される平板である。拘束部材28,29は、40個の電池セル20の端子側において、拘束板26,27の間を結合する細長い部材である。同様に、拘束部材30,31は、40個の電池セル20の端子側とは反対側の底面側において、拘束板26,27の間を結合する細長い部材である。拘束板26,27が拘束部材28,29,30,31によって結合されることで、複数の電池セル20の1列に整列した両端部の間隔が所定値L0(図4参照)に拘束される。
The
この拘束作用によって、複数の電池セル20のそれぞれのSOCが充放電によって変動しても、電池ブロック12の厚さ方向に沿った全体寸法は一定の値に維持される。換言すると、複数の電池セル20は、充放電によってSOCが変動することで図2に示す特性に従って厚さ方向の寸法が変化するが、上記の拘束作用によって厚さ方向の寸法の変化が抑制される。例えば、全部の電池セル20のSOCが増大するときは、上記拘束作用によって、全部の電池セル20が厚さ方向の押付力を受ける。
Due to this restraining action, even if the SOC of each of the plurality of
電力変換器ブロック14は、複数の電池セル20の個数と同数の電力変換器32を含む。図1の例では、電池セル20の個数が40個であるので、電力変換器ブロック14は、40個の電力変換器32を含む。40個の電力変換器32は同じ構成を有する。
The
図3に、1つの電力変換器32の内部構成を示す。電力変換器32は、小型のDCDCコンバータである。電力変換器32は4つの端子34,36,38,40を有する。1つの電力変換器32は、1つの電池セル20に対応して配置され、電力変換器32の端子34は、電池セル20の正極端子22に接続され、端子36は、電池セル20の負極端子24に接続される。
FIG. 3 shows the internal configuration of one
40個の電力変換器32は、各電力変換器32の端子38,40を用いて互いに電気的に直列接続される。図1の例では、直列に接続された40個の電力変換器32のうち、両端の電力変換器32a,32bを除き、隣接する2つの電力変換器32は、一方側の電力変換器32の端子40と他方側の電力変換器32の端子38が互いに電気的に接続される。電力変換器32aの端子38及び電力変換器32bの端子40は、それぞれ引き出されて、電力変換器ブロック14の一方側端子50及び他方側端子52とされる。一方側端子50は、充放電装置16の正極側端子に接続され、他方側端子52は充放電装置16の負極側端子に接続される。
The 40
電力変換器32は、内部にコイル42、2つのスイッチング素子44,46、コンデンサ48を含む。コイル42とスイッチング素子44は互いに直列に接続されて、端子36と端子38との間に配置される。スイッチング素子46は、コイル42とスイッチング素子44の接続点と、端子36との間に配置される。コンデンサ48は、端子38と端子40との間に設けられる。
The
スイッチング素子44,46は、それぞれ制御装置60の制御の下で動作する半導体トランジスタと、半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとを含む。半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとは、半導体トランジスタがオンのときに流れる電流の方向の逆方向に電流が流れるようにダイオードが接続されることを示す。図3では、半導体トランジスタにNチャネル型のMOSトランジスタを用いるので、Nチャネル型のMOSトランジスタのドレインにダイオードのカソードが接続され、Nチャネル型のMOSトランジスタのソースにダイオードのアノードが接続される。電力変換器32の動作と作用の詳細については、後述する。
充放電装置16は、電力変換器ブロック14の一方側端子50と他方側端子52との間に並列に接続される。充放電装置16は、電力変換器ブロック14を介して電池ブロック12に充電電流を供給する充電電源と、電力変換器ブロック14を介して電池ブロック12からの放電電流を受け取る放電負荷とを含む装置である。充放電装置16は、回転電機54とインバータ56とを含む。回転電機54は、車両の駆動源となるモータ・ジェネレータ(MG)である。モータ・ジェネレータは、電池ブロック12から電力が供給されるときはモータとして機能し、車両の制動時には発電機として機能する三相同期型の回転電機である。インバータ56は、電池ブロック12の直流電力と回転電機54の三相交流電力との間で交直変換を行う回路である。交直変換は、電池ブロック12の直流電力を回転電機54の三相交流電力への変換、または、回転電機54の三相交流電力を電池ブロック12の直流電力への変換を含む。インバータ56は、複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを含む。
The charging / discharging device 16 is connected in parallel between the one
充放電装置16として、回転電機54とインバータ56の組合せに代えて、あるいはこれに加えて、蓄電装置等の直流電源、商用電源等の交流電源、電気機器等の負荷装置等を用いることができる。例えば、車両が、充電ステーション等から電力供給を受けるプラグイン型のハイブリッド車両の場合は、充放電装置16として、充電ステーション等における電源装置が用いられる。また、外部の負荷に電力を供給することができる電力出力ポートを有する車両では、外部の負荷が充放電装置16における放電負荷となる。 As the charging / discharging device 16, a DC power source such as a power storage device, an AC power source such as a commercial power source, a load device such as an electric device, or the like can be used instead of or in addition to the combination of the rotating electrical machine 54 and the inverter 56. . For example, when the vehicle is a plug-in hybrid vehicle that receives power supply from a charging station or the like, a power supply device in the charging station or the like is used as the charging / discharging device 16. In addition, in a vehicle having a power output port that can supply power to an external load, the external load becomes a discharge load in the charge / discharge device 16.
制御装置60は、電池ブロック12からSOC情報18を取得し、電力変換器ブロック14と交信して、電源システム10の動作を全体として制御する。かかる制御装置60は、車両の搭載に適したコンピュータが用いられる。
The
制御装置60は、電力変換器ブロック14を構成する40個の電力変換器32を個別に制御する電力変換器制御部62を含む。さらに、電池セル20が過充電となったときにさらなる劣化を抑制するために、SOC推定部64と、単セル過充電型判定部66と、単セル過充電型のときの過充電劣化の抑制処理部68とを含む。以下では、単セル過充電型のときの過充電セルのさらなる劣化の抑制を、特に断らない限り、過充電劣化の抑制と呼ぶ。これらの機能は、コンピュータである制御装置60に、ソフトウェアを実行させることで実現される。具体的には、過充電劣化の抑制プログラムを制御装置60に実行させることで実現される。
The
電力変換器制御部62は、電力変換器32におけるスイッチング素子44,46のオンオフを制御し、電力変換器32に接続される電池セル20のSOCの増大または減少を制御する。図3を用いて、電力変換器制御部62の制御の下での電力変換器32の動作と作用を述べる。
The power
図3に示すように、コンデンサ48の両端電圧をVOUT、コンデンサ48を流れる充放電電流をIOUTとし、電池セル20の両端電圧をVB、電池セル20の充放電電流をIBとする。隣接する2つの電力変換器32は、一方側の電力変換器32の端子40と他方側の電力変換器32の端子38が互いに電気的に接続されるので、電力変換器ブロック14においては、40個のコンデンサ48が直列に接続される。これによって、40個の電力変換器32は、交流的に直列に接続される。40個のコンデンサ48において、IOUTは同じ値で、充放電装置16からの充電電流または充放電装置16への放電電流と同じ値である。
As shown in FIG. 3, the voltage across the
電力変換器32において内部損失がないとして、(VOUT×IOUT)=(VB×IB)である。これを書き直すと、IB={(VOUT×IOUT)/VB}となるので、VOUTを制御することで、電池セル20の充放電電流IBを制御できる。40個の電力変換器32について、それぞれのコンデンサ48の両端電圧VOUTを個別に制御することで、40個の電池セル20の充放電電流IBを制御でき、これにより、40個の電池セル20のSOCを個別に増減することができる。電力変換器32におけるコンデンサ48の両端電圧VOUTは、コイル42と2つのスイッチング素子44,46を有する一般的な昇圧コンバータと同じ制御方法で制御できる。
Assuming that there is no internal loss in the
図3の電力変換器32において、スイッチング素子46をオンし、スイッチング素子44をオフすると、電池セル20からの放電電流IBがコイル42に流れ込み、コイル42に電磁エネルギとして蓄積される。これにより、(コイル42とスイッチング素子44との接続点の電位)が次第に上昇し、{(スイッチング素子44と端子38との接続点の電位)+(スイッチング素子44に逆接続されたダイオードの順方向の立上り電圧)}よりも大きくなる。その状態でスイッチング素子46をオフすると、コイル42に蓄積された電磁エネルギがコンデンサ48に流れる。これを繰り返すことで、コンデンサ48の両端電圧VOUTは次第に上昇する。このように、VOUTを上昇させる昇圧制御によって電池セル20は放電して、電池セル20のSOCが減少する。
In the
これに対し、スイッチング素子46をオフしてスイッチング素子44をオンすると、コンデンサ48からコイル42を介して電池セル20に充電電流が流れる。このように、コンデンサ48から電流を流出させてVOUTを降下させる降圧制御によって電池セル20は充電され、電池セル20のSOCが増大する。
On the other hand, when the switching
これをまとめると、スイッチング素子44がオンする時間である充電時間に応じて電池セル20のSOCが増大し、スイッチング素子46がオンする時間である放電時間に応じて電池セル20のSOCが減少する。1つの電池セル20について充電と放電とは同時に生じないので、スイッチング素子44がオンするときはスイッチング素子46がオフされ、スイッチング素子46がオンするときはスイッチング素子44がオフされる。したがって、充放電制御のサイクル時間において、充電時間比率を増大させ放電時間比率を減少させると、電池セル20のSOCが増大し、逆に充電時間比率を減少させ放電時間比率を増大させると、電池セル20のSOCが減少する。なお、スイッチング素子44,46が同時にオンする期間があると、端子38,40の間が短絡して過大な貫通電流が流れるので、スイッチング素子44,46のオンオフの切替において、スイッチング素子44,46が共にオフするデッドタイム期間を設ける。この場合、(充電時間比率+放電時間比率)<1である。
In summary, the SOC of the
このように、スイッチング素子44,46について、充電時間比率及び放電時間比率を設定することで、電池セル20のSOCの増減を制御することができる。電力変換器32は、電池セル20毎に設けられるので、40個の電力変換器32のそれぞれについて、充電時間比率及び放電時間比率を制御することで、40個の電池セル20のそれぞれのSOCの増減を制御することができる。なお、スイッチング素子44もスイッチング素子46もオフになると、電池セル20はコンデンサ48と遮断状態となり、端子38,40と電池セル20との間も遮断状態となる。このときでも、端子38と端子40との間はコンデンサ48で接続されているので、隣接する電力変換器32の間では、交流的な接続状態が維持される。
In this manner, by setting the charging time ratio and the discharging time ratio for the
次に、電池セル20が単セル過充電型となったときにさらなる劣化を抑制するためのSOC推定部64、単セル過充電型判定部66、過充電劣化の抑制処理部68について、図4から図8を用いて説明する。
Next, the
最初に、単セル過充電型の意味を説明する。図4に、一般的な過充電と単セル過充電型との相違を模式図で示す。図4は、電池ブロック12において電池セル20が過充電となるときの厚さ方向の寸法の状態を示す図である。以下では、過充電となった電池セル20を過充電セル20Aと呼び、過充電となっていない電池セル20を通常セル20Sと呼ぶ。
First, the meaning of the single cell overcharge type will be described. FIG. 4 is a schematic diagram showing the difference between a general overcharge and a single cell overcharge type. FIG. 4 is a diagram showing a state of the dimension in the thickness direction when the
図4(a)は、全部の電池セル20が過充電セル20Aとなるときを示す図であり、これを、一般的な過充電と呼ぶ。(b)は、1つの電池セル20のみが過充電セル20Aとなるが、残りの各電池セル20は通常セル20Sのままであるときを示す図で、これは「単セル過充電」と呼ばれる。これらの図において、拘束板26,27の向かい合う間隔は、拘束部材28〜31によって所定値のL0に固定される。
FIG. 4A is a diagram illustrating a case where all the
図4(a)においては、全ての電池セル20が過充電セル20Aであるので、図2で述べたように、全ての過充電セル20Aは、厚さ方向に膨張しようとする。しかし、拘束板26,27の向かい合う間隔は所定値のL0であるので、全ての過充電セル20Aは互いに厚さ方向に押し付けられる。これにより、各過充電セル20Aのそれぞれの厚さ方向の膨張が抑制され、全ての過充電セル20Aの厚さ方向の寸法は少し増大するだけである。
In FIG. 4A, since all the
これに対し、図4(b)においては、1つの電池セル20のみが過充電セル20Aであるので、その1つの過充電セル20Aは、厚さ方向に膨張しようとする。他の電池セル20は通常セル20Sであり、厚さ方向の寸法はそのままである。このときも拘束板26,27の向かい合う間隔は所定値のL0であるので、1つの過充電セル20Aは、他の通常セル20Sからの押付力をほとんど受けない。これにより、1つの過充電セル20Aのみが厚さ方向に膨張し、1つの過充電セル20Aの厚さ方向の寸法は、図4(a)の場合に比べ、かなり増大する。
On the other hand, in FIG. 4B, since only one
電池セル20は、過充電状態ではその電池特性が劣化する過充電劣化の状態になる。電池セル20は、過充電状態において膨張すると、膨張しないときに比べ過充電劣化がさらに進行することが知られており、過充電状態では膨張を抑制するように押付力を与えることが好ましい。図4(a)のように、電池ブロック12を構成する40個の電池セル20が全て過充電セル20Aであるときは、拘束板26,27の拘束作用によって各過充電セル20Aの膨張が抑制され、さらなる劣化の進行が抑制される。これに対し、図4(b)のように、電池ブロック12を構成する40個の電池セル20の内の1つが過充電セル20Aとなるときは、拘束板26,27の拘束作用があっても過充電セル20Aの膨張が抑制されず、さらなる劣化が進行する。
The
上記では、電池ブロック12を構成する40個の電池セル20の内の1つのみが過充電セル20Aとなる例を述べた。過充電セル20Aが1個でなくて数個であっても、1つのみが過充電セル20Aである場合に比べると、拘束作用によって過充電セル20Aの膨張がいくらかは抑制されるが、やはり過充電セル20Aは厚さ方向に膨張し、さらなる劣化が進行する。そこで、電池ブロック12において、過充電セル20Aの数に関わらず、過充電セルが膨張してさらなる劣化が進行するものを単セル過充電型とする。一般的に、単セル過充電型とは、40個の電池セル20において、過充電セル20Aと通常セル20Sとが混在するときである。通常セル20Sの個数に比べて過充電セル20Aの個数が多いときは、過充電セル20Aが互いに押し付け合う効果が大きい。以下では、電池ブロック12の複数の電池セル20のうち、半数以下が過充電セル20Aであるときに、電池ブロック12が単セル過充電型であるとする。複数が40個のとき、過充電セル20Aが20個以下で通常セル20Sが20個以上のときを単セル過充電型とする。複数が2個のときは、1個が過充電セル20Aで、1個が通常セル20Sである。
In the above, the example in which only one of the 40
図5は、単セル過充電型のときのさらなる劣化を抑制する手順を示すフローチャートである。各手順は、制御装置60によって実行される過充電劣化の抑制プログラムの各処理手順に対応する。制御装置60において過充電劣化の抑制プログラムが立ち上がると、電源システム10の各要素の状態の初期化が実行される。その後、各電池セル20のSOCの推定が行われる(S10)。この処理手順は、制御装置60のSOC推定部64の機能によって実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for suppressing further deterioration in the single cell overcharge type. Each procedure corresponds to each processing procedure of the overcharge deterioration suppression program executed by the
各電池セル20のSOCの推定は、電池ブロック12から伝送されるSOC情報18に基づいて行われる。SOC情報18には、各電池セル20の時々刻々における充電電流または放電電流のデータが含まれるので、(充電電流×充電時間)の積算値から(放電電流×放電時間)の積算値を差し引いて各電池セル20のSOCを推定する。推定されたSOCをSOC1とする。この方法に代えて、各電池セル20が無負荷のときの電圧である開放回路電圧(Open Circuit Voltage:OCV)が含まれるときは、OCVに基づいて各電池セル20のSOCを推定してもよい。これら以外の適当なSOC推定法を用いることもできる。
The estimation of the SOC of each
次に、各電池セル20の推定されたSOC1のデータに基づいて、電池ブロック12が単セル過充電型であるか否かの判定が行われる(S12)。この処理手順は、制御装置60の単セル過充電型判定部66の機能によって実行される。具体的には、電池ブロック12を構成する複数の電池セル20の内で、過充電セル20Aが半数以下のときを単セル過充電型であると判定する。電池セル20が過充電セル20Aか通常セル20Sかの判定には、電池セル20のSOC1に対して予め定めた過充電用の所定値であるSOCthを用いる。SOC1がSOCth以上のときに過充電セル20Aとし、SOC1がSOCth未満のときに通常セル20Sとする。例えば、直列に整列された順番で最初の電池セル20のSOC1をSOCthと比較し、それが通常セル20Sであれば、過充電セル20Aが出るまで、2番目以降の電池セル20のSOC1をSOCthと順次に比較する。1つの過充電セル20Aが出れば、そこで電池ブロック12が単セル過充電型であると判定し、次の手順に進む。40個の電池セル20の全てが通常セル20Sであるときは、過充電劣化を抑制する手順を終了する。
Next, based on the estimated SOC 1 data of each
S12において単セル過充電型であると判定されると、次に、各電池セル20を過充電セル20Aか通常セル20Sかに分類する(S14)。この手順は、40個の電池セル20について、それぞれのSOC1がSOCth以上か否かを判定する(S16)ことで行われる。S16の判定が肯定されるときは、その電池セル20は過充電セル20Aとされ(S18)、S16の判定が否定されるときは、その電池セル20は通常セル20Sとされる(S22)。
If it is determined in S12 that it is a single cell overcharge type, then each
図6に、S12,S14,S16,S18,S20,S22の処理の一例を示す。この例では、40個の電池セル20について、直列に整列された順番に電池セル番号をC1〜C40と付す。そして、過充電用の所定値SOCthを70%として、40個の電池セル20についてC1から順番に、各電池セル20のSOC1をSOCthと比較してゆく。電池セル番号C1からC6までは、SOC1がSOCth未満であるが、電池セル番号C7でSOC1=75%となり、SOCth以上の過充電セル20Aが現わる。このことでS12の判定が肯定され、電池ブロック12が単セル過充電型であると判定される。そこで、電池セル番号C1〜C40についてそれぞれSOC1を求める。図6では、過充電セル20Aの近傍の電池セル番号C5〜C9についてのSOC1を示す。この結果に基づいて、S14,S16の電池セル20の分類を行う。図2では、電池セル番号C5,C6,C8,C9が通常セル20Sとされ、電池セル番号C7が過充電セル20Aとされる。
FIG. 6 shows an example of the processing of S12, S14, S16, S18, S20, and S22. In this example, about 40
再び図5に戻り、S18の過充電セル20Aについては、SOCの減少処理が行われ(S22)、S20の通常セル20Sについては、SOCの増大処理が行われる(S24)。この処理手順は、制御装置60の過充電劣化の抑制処理部68の機能によって実行される。ここでは、通常セル20SのSOCの増大により生じる通常セル20Sの厚さ方向の寸法の増大によって過充電セル20Aの厚さ方向に押付力を与え、過充電セル20Aの過充電による厚さ方向の寸法の増大を抑制し、電池特性のさらなる劣化を抑制する。
Returning to FIG. 5 again, the SOC reduction process is performed for the overcharged
図7は、SOCの減少または増大処理が行われる手順を示すフローチャートである。S30では、単セル過充電型への対応が必要か否かの判定を行う。ここでは、図5におけるS12の判定が肯定されるときに単セル過充電型への対応が必要とされ、S12の判定が否定されるときに単セル過充電型への対応が不要とされる。図6の例では、S12の判定が肯定されるので、S30の判定も肯定される。 FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure in which SOC reduction or increase processing is performed. In S30, it is determined whether it is necessary to cope with the single cell overcharge type. Here, when the determination of S12 in FIG. 5 is affirmed, the response to the single cell overcharge type is required, and when the determination of S12 is negative, the response to the single cell overcharge type is not required. . In the example of FIG. 6, since the determination of S12 is affirmed, the determination of S30 is also affirmed.
次に、過充電セル20Aについて、充電時間比率を0に近づけ、同時に放電時間比率を増大させる処理を行う(S32)。この処理は、図5のS22に対応し、過充電セル20AのSOCを減少させる。
Next, the
一方、通常セル20Sについては、単セル過充電型への対応処理におけるSOCの増大処理の目標とする所定値であるSOC0を用いて、通常セル20SのSOC1がSOC0未満であるか否かが判定される(S34)。S34の判定が否定されると、SOCの増大処理を行う手順を終了させる。S34の判定が肯定されると、通常セル20Sについて、充電時間比率を増大させ、同時に放電時間比率を減少させる処理を行う(S36)。この処理は、図5のS24に対応し、通常セル20SのSOCを増大させる。この処理は、増大させたSOCがSOC0以上とならない範囲で行う。
On the other hand, with respect to the
S32,S34で、各電池セル20について、充電時間比率と放電時間比率の設定が行われると、これらに基づいて、各電池セル20に対応する電力変換器32におけるスイッチング素子44,46のデューティ制御が実行される(S38)。デューティとは、充放電制御のサイクル時間に対するスイッチング素子44,46のオン時間の比率である。スイッチング素子44についてのデューティは、充電時間比率に対応し、スイッチング素子46についてのデューティは、放電時間比率に対応する。S38の実行によって、過充電セル20AのSOCは、当初のSOC1より減少し、通常セル20SのSOCは、当初のSOC1より増大する。
When the charging time ratio and the discharging time ratio are set for each
単セル過充電型への対応処理後のSOCを図6に示す。ここでは、過充電セル20Aである電池セル番号C7の電池セル20のSOCは、当初のSOC1=75%から、単セル過充電型への対応処理後では、45%に減少する。また、通常セル20Sである電池セル番号C5,C6,C8,C9の電池セル20のSOCは、それぞれ当初のSOC1=60%から、単セル過充電型への対応処理後では、65%に増大する。この値は、過充電時のSOCの増大処理の目標とする所定値であるSOC0を65%として、その限度一杯に増大させている。
FIG. 6 shows the SOC after the processing corresponding to the single cell overcharge type. Here, the SOC of the
図8は、図5に示す単セル過充電型のときの過充電劣化の抑制方法の作用効果を示す図である。図8(a)は、単セル過充電型への対応処理を行う前の過充電セル20Aの厚さ方向の寸法を示す図で、(b)は、単セル過充電型への対応処理を行った後の過充電セル20Aの厚さ方向の寸法を示す図である。これらの図は、図4に対応する図であるが、図6の例の電池セル番号C5〜C9の部分を示す。C7が過充電セル20Aであり、C5,C6,C8,C9が通常セル20Sである。単セル過充電型への対応処理を行う前は、過充電セル20Aが厚さ方向にかなり膨張しているのに対し、単セル過充電型への対応処理を行うと、他の通常セル20Sからの押付力を受けて、過充電セル20Aの膨張が抑制される。これによって、過充電セル20Aのさらなる劣化が抑制される。
FIG. 8 is a diagram showing the operational effect of the method for suppressing overcharge degradation in the single cell overcharge type shown in FIG. FIG. 8A is a diagram showing the dimension in the thickness direction of the overcharged
10 電源システム、12 電池ブロック、14 電力変換器ブロック、16 充放電装置、18 SOC情報、20 電池セル、20A 過充電セル、20S 通常セル、22 正極端子、24 負極端子、26,27 拘束板、28,29,30,31 拘束部材、32,32a,32a,32b 電力変換器、34,36,38,40 端子、42 コイル、44,46 スイッチング素子、48 コンデンサ、50 一方側端子、52 他方側端子、54 回転電機、56 インバータ、60 制御装置、62 電力変換器制御部、64 SOC推定部、66 単セル過充電型判定部、68 過充電劣化の抑制処理部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記電池セル毎に該電池セルの両端子に接続された電力変換器の複数が互いに直列に電気的に接続され、複数の前記電力変換器が前記直列に接続された両端部に、外部の充放電装置と接続される端子を有する電力変換器ブロックと、
複数の前記電力変換器の動作を個別に制御し、前記電池セルのそれぞれの前記SOCを個別に変更する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電池セル毎についてそれぞれの前記SOCを推定し、
複数の前記電池セルにおいて、推定された前記SOCが予め定めた過充電用の所定値以上の前記電池セルである過充電セルと、推定された前記SOCが前記所定値未満の前記電池セルである通常セルとを含んでおり、前記過充電セルの個数が前記複数の半数以下であるときに、前記電池ブロックが単セル過充電型であるとし、
前記単セル過充電型とされたときに、前記過充電セルに対応する前記電力変換器の動作を制御して前記過充電セルの前記SOCを減少させ、前記通常セルに対応する前記電力変換器を制御して前記通常セルの前記SOCを増大させることを特徴とする電源システム。 A plurality of battery cells having a characteristic that the dimension in the thickness direction increases as the SOC indicating the state of charge increases, and are arranged in a row in the thickness direction, and the interval between both ends aligned in the row is constrained. A battery block restrained by a member;
For each battery cell, a plurality of power converters connected to both terminals of the battery cell are electrically connected in series with each other, and a plurality of the power converters are connected to the external charging terminals at both ends connected in series. A power converter block having terminals connected to the discharge device;
A control device for individually controlling the operation of the plurality of power converters and individually changing the SOC of each of the battery cells;
With
The controller is
Estimating the respective SOC for each battery cell;
In the plurality of battery cells, the estimated SOC is an overcharged cell that is equal to or greater than a predetermined value for overcharging, and the estimated SOC is the battery cell that is less than the predetermined value. When the number of the overcharge cells is less than half of the plurality of cells, the battery block is a single cell overcharge type,
When the single cell overcharge type is selected, the operation of the power converter corresponding to the overcharge cell is controlled to reduce the SOC of the overcharge cell, and the power converter corresponding to the normal cell To increase the SOC of the normal cell.
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