JP2017162721A - セルバランス回路制御装置、及び、セルバランス回路制御方法 - Google Patents

セルバランス回路制御装置、及び、セルバランス回路制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】オリビン系リチウムイオン二次電池に特有な充電特性を考慮しつつ、適正にセルバランス回路を制御することが可能となるセルバランス回路制御装置等を提供する。【解決手段】複数のセル3が直列に接続されたオリビン系リチウムイオン電池における各セル3ごとの充電特性の電圧値が平坦となる平坦領域以外の変化領域における前記充電特性が示す任意の前記電圧値を基準電圧値として記憶するメモリ部42と、充電動作の際に、前記複数のセルのうち最先の一のセルが前記基準電圧値に到達した時点から、他のセルが前記基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する時間差演算部44と、演算された前記時間差に応じて、前記複数のセルにおける容量のバランスを取るセルバランス回路5を制御する制御信号を生成する制御信号処理部45とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、セルバランス回路の制御に関する技術であり、特にオリビン系(リン酸鉄)リチウムイオン二次電池のセルバランス回路の制御に関する。
一般的にリチウムイオン二次電池では、一定容量のセルを直列又は直並列に接続した場合に各セル間に容量のばらつきが発生し、電池の安全性、寿命、有効容量に大きな影響を与えてしまう。そのような中で、現在広く普及しているマンガン系リチウムイオン二次電池や三元系リチウムイオン二次電池では、電池容量と電池総電圧とが概ね比例していることから定電流による充電を行いながら各セルの電圧値を計測し、セルバランス回路を駆動することで各セル間の均衡を図っている。
オリビン系リチウムイオン二次電池の充電制御に関する技術として、例えば特許文献1に示す技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、鉄成分を含むリチウム化合物を正極活物質として使用したリチウムイオン電池10に対して、準定電圧充電法を用いて充電し、このリチウムイオン電池10が、リチウムイオン電池10の正極材料に、充電特性における電圧平坦部の電圧が前記鉄成分を含むリチウム化合物を正極活物質とした場合よりも高い電圧となるリチウム化合物が正極活物質として混入されており、且つ、リチウムイオン電池10が複数個の単電池を直列接続して構成される組電池であっても良いものである。
また、セルバランス回路に関する技術として、例えば特許文献2、3に示す技術が開示されている。特許文献2に示す技術は、非水系二次電池で構成された各セル12の正極にオリビン構造のリチウム遷移金属複合酸化物を用いるとともに負極にグラファイト系材料を用い、充・放電装置21は、各セル12を有する組電池13を定電流充電し、充・放電制御装置31は、定電流充電中の各セル12の電圧を電圧計33でモニターし、各セル12のいずれか1セルの電圧が所定の電圧値に達すると、充・放電停止回路35によりリレースイッチ34を開放して充電を停止させるようにしたものである。
特許文献3に示す技術は、複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池と、前記非水電解質二次電池に並列に接続したバイパス回路を備え、前記非水電解質二次電池は、第一の正極活物質としてリチウムリン酸鉄と、第二の正極活物質としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウムのうち少なくともいずれか1つを含むことを特徴としているものである。
特開2014−143208号公報 特開2013−12374号公報 特開2012−43682号公報
特許文献1に示す技術は、正極活物質に鉄成分を含むリチウム化合物を使用したリチウムイオン電池の過充電を防止する技術であり、セルバランス回路を制御するようなものではない。また、特許文献2、3に示す技術は、セルバランス回路に関するものであるが、オリビン系リチウムイオン二次電池の充電特性として、充電率(SOC:State Of Charge)が約20%〜80%程度の領域において電池電圧がフラットになる部分があり、そのフラットな領域においてはセルバランス回路を制御するための演算等をBMS(Battery Management System)又はBMU(Battery Management Unit)が正確に行うことができないという課題がある。
本発明は、オリビン系リチウムイオン二次電池に特有な充電特性を考慮しつつ、適正にセルバランス回路を制御することが可能となるセルバランス回路制御装置等を提供する。
本発明に係るセルバランス回路制御装置は、複数のセルが直列に接続されたオリビン系リチウムイオン電池における各セルごとの充電特性の電圧値が平坦となる平坦領域以外の変化領域における前記充電特性が示す任意の前記電圧値を基準電圧値として記憶する基準電圧値記憶手段と、充電動作の際に、前記複数のセルのうち最先の一のセルが前記基準電圧値に到達した時点から、他のセルが前記基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する時間差演算手段と、演算された前記時間差に応じて、前記複数のセルにおける容量のバランスを取るセルバランス回路を制御する制御信号を生成する制御信号処理手段とを備えるものである。
このように、本発明に係るセルバランス回路制御装置においては、複数のセルが直列に接続されたオリビン系リチウムイオン電池における各セルごとの充電特性の電圧値が平坦となる平坦領域以外の変化領域における充電特性が示す任意の電圧値を基準電圧値として記憶し、充電動作の際に、複数のセルのうち最先の一のセルが基準電圧値に到達した時点から、他のセルが基準電圧値に到達するまでの時間差を演算し、演算された時間差に応じて、複数のセルにおける容量のバランスを取るセルバランス回路を制御するため、変化領域の充電特性を利用して適正にセルバランス回路を制御して、充電効率を上げることができるという効果を奏する。
本発明に係るセルバランス回路制御装置は、前記オリビン系リチウムイオン電池の充電における各セルごとの電流値をサンプリングして記憶する電流値記憶手段と、サンプリングされた前記電流値、及び、前記時間差演算手段が演算した前記時間差に基づいて、前記オリビン系リチウムイオン電池における前記セル間の容量のばらつきを演算するばらつき容量演算手段とを備え、前記セルバランス回路制御手段が、演算された前記ばらつき容量に基づいて前記セルバランス回路を制御するものである。
このように、本発明に係るセルバランス回路制御装置においては、前記オリビン系リチウムイオン電池の充電における各セルごとの電流値をサンプリングして記憶し、サンプリングされた電流値、及び、時間差演算手段が演算した時間差に基づいて、オリビン系リチウムイオン電池におけるセル間の容量のばらつきを演算し、演算されたばらつき容量に基づいてセルバランス回路を制御するため、定電流での充電を行う必要がなく、例えばソーラーエネルギー用の蓄電池などのように電流値が常時変化するような場合であっても、定電流の制御を行うことなく電池の状態を正確に把握することが可能になり、電池の状態に応じて適正にセルバランス回路を制御することができるという効果を奏する。
本発明に係るセルバランス回路制御装置は、前記ばらつき容量演算手段によるばらつき容量の演算処理、及び、当該演算処理の結果に基づいた前記セルバランス回路制御手段による前記セルバランス回路の制御処理が、前記平坦領域の前段領域、及び、後段領域においてそれぞれ実行されるものである。
このように、本発明に係るセルバランス回路制御装置においては、ばらつき容量の演算処理、及び、当該演算処理の結果に基づいた前記セルバランス回路の制御処理が、前記平坦領域の前段領域、及び、後段領域においてそれぞれ実行されるため、2箇所の変化領域においてそれぞれセルバランス回路を制御することが可能となり、より適正な演算によりセルバランス回路を制御することができるという効果を奏する。
マンガン系リチウムイオン二次電池の充電特性とオリビン系リチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。 第1の実施形態に係るセルバランス回路制御装置の一例を示すシステム構成図である。 セル間のばらつき容量を示す模式図である。 第1の実施形態に係るセルバランス回路制御装置におけるBMSの機能ブロック図である。 第1の実施形態に係るセルバランス回路制御装置におけるセルバランス制御の処理を示す図である。 第1の実施形態に係るセルバランス回路制御装置におけるBMSの動作を示すフローチャートである。 第2の実施形態に係るセルバランス回路制御装置において第1変化領域における各セルごとの充電特性を示す図である。 第2の実施形態に係るセルバランス回路制御装置において第1変化領域におけるセルバランス制御の処理を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係るセルバランス回路制御装置について、図1ないし図6を用いて説明する。本実施形態に係るセルバランス回路制御装置は、オリビン系リチウムイオン二次電池の複数のセル(例えば、2〜8セル程度)を直列に接続して二次電池モジュールを形成し、形成された二次電池モジュールを複数(例えば、数個〜数千個)並列に接続した二次電池システムにおける各二次電池モジュールごとのセルバランス回路を制御するものである。
オリビン系リチウムイオン二次電池は、一般的に広く普及しているマンガン系リチウムイオン二次電池や三元系リチウムイオン二次電池と異なる充電特性を有している。図1は、マンガン系リチウムイオン二次電池の充電特性とオリビン系リチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。
図からわかる通り、マンガン系リチウムイオン二次電池の場合は、充電時間に対して電池電圧がほぼ直線的に増加しており、すなわち、SOCが直線的に増加することで充電時における二次電池の状態を把握しやすく、セルバランス回路の制御も簡単に行うことが可能である。
これに対して、オリビン系リチウムイオン二次電池の場合は、マンガン系リチウムイオン二次電池や三元系リチウムイオン二次電池とは特異的な充電特性を有するため、図1(B)に示すように、充電時間やSOCの変化に対して電池電圧が変化しない領域が存在する。具体的には、SOCが0%〜20%及び80%〜100%の領域においては、SOCの変化に応じて電池電圧が変化しているが、SOCが20%〜80%の領域ではSOCの変化に対して電池電圧がほぼ一定となっている。つまり、オリビン系リチウムイオン二次電池の場合は、充電時の二次電池の状態を把握してセルバランス回路を制御するのが困難であるという問題がある。なお、SOCが0%〜20%及び80%〜100%であるSOCの変化に対して電池電圧が変化する領域を変化領域、SOCが20%〜80%であるSOCの変化に対して電池電圧が変化しない領域を平坦領域とする。
本実施形態においては、オリビン系リチウムイオン二次電池に特有な充電特性を考慮し、変化領域における所定の基準電圧値を予め設定し、充電量が最先で基準電圧値に到達したセルの基準電圧到達時点から、他のセルの充電量が基準電圧値に到達するまでの時間差に応じてセルバランス回路を制御する。
図2は、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置の一例を示すシステム構成図である。二次電池システム1は、システム全体を監視、制御するBMS2と、複数のセル3が直列に接続されて形成される電池モジュール4と、二次電池モジュール4の各セル間のバランスを取るためのセルバランス回路5と、各二次電池モジュール4に配設され、当該二次電池モジュール4を構成する各セル3を監視したり、セルバランス回路5を制御するECU(Electronic Control Unit)6と、二次電池システム1の充電/放電を切り替える充放電切替スイッチ7と、放電時に負荷と接続される放電制御部8及び充電時に電源と接続される充電制御部9からなる充放電制御部10とを備える。なお、ECU6は各セル3を監視するCMU(Cell Monitoring Unit)として機能するものであってもよい。また、双方向式のインバータを用いることで、充放電切替スイッチ7、放電制御部8及び充電制御部9を一体化した構成としてもよい。
充電時にはBMS2の制御により充放電切替スイッチ7が充電制御部9に接続され、二次電池モジュール4に充電がなされる。放電時には充放電切替スイッチ7が放電制御部8に接続され、二次電池モジュール4の電力が負荷に供給される。また、BMS2は、各二次電池モジュール4を監視しているECU6からの情報を受信して二次電池モジュール4の異常等を検知し、システム全体の安全性を管理すると共に、充電時における各二次電池モジュール4ごとのセルバランス回路5の制御を行う。
セルバランス回路5の制御は、ECU6で検知された各二次電池モジュール4のセルごとの電圧値に基づいて、BMS2がセルバランス回路5の駆動時間等を演算し、演算結果に応じてECU6を介して行われるが、その際に、オリビン系リチウムイオン二次電池に特有な充電特性を考慮する必要がある。すなわち、二次電池モジュール4を充電する場合に、各セルごとにその特性が微妙に異なるため、均一に充電しているつもりでも図3(A)に示すようなばらつきが生じる。
例えば、図3(A)の場合は、両端のセルaやセルhが充電が早く進み、セルdやセルeが充電が遅く進んでいる。その他、製造上の不均性により任意のセル3の充放電特性が同一の二次電池モジュール4内の他のセル3と異なるような場合もある。すなわち、一般的には図3(A)のセルaやセルhのように、二次電池モジュール4の両端側ほど電圧値が高くなる傾向にあると共に、図3(A)のセルbのように正極、負極の塗装ムラや製造工程の不均衡により任意の二次電池モジュール4で性能が低下することがある。
このような状態のままで充電を継続すると、図3(B)のようにセルaが最大容量となった時点で過充電を防止するためにBMS2が充電が停止する。そうすると、図3(B)に示すように、残りのセルについて容量の無駄(ばらつき容量)が生じてしまい充電効率が非常に悪くなってしまう。このような場合に、セルバランス回路5を機能させることで、セルaやセルhへの充電を回避して他のセルの充電を継続することができる。
図1に示すように、マンガン系リチウムイオン二次電池の場合は、SOCに応じて電池電圧が常に変化しているため、セルバランス回路の制御(各セルごとの充電回避の有無、回避時間等の制御)をどのタイミングでも行うことが可能であり、セルバランス回路の制御が容易である。一方、オリビン系リチウムイオン二次電池の場合は、平坦領域が多くセルバランス回路を制御するのが困難である。そのため、オリビン系リチウムイオン二次電池の充電特性における変化領域で任意の基準電圧値を設定する。そして、各セルが基準電圧値に到達した時間差に基づいて、セルバランス回路の駆動時間を制御する。
図4は、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置におけるBMSの機能ブロック図である。BMS2は、ECU6から送信される二次電池モジュール4の状態に関する情報を受信する受信部41と、予め設定されている基準電圧値を記憶するメモリ部42と、二次電池モジュール4の各セルが基準電圧値に到達した時点の時刻を取得する時刻取得部43と、取得した時刻情報に基づいて、最先のセルが基準電圧値に到達した時刻から他のセルが基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する時間差演算部44と、演算された時間差情報に基づいて、セルバランス回路5を制御するための制御信号を生成する制御信号処理部45と、生成された制御信号をECU6に送信する送信部46とを備える。
各処理部の機能について、図5を用いて詳細に説明する。図5は、セルバランス制御の処理を示す図である。ここでは、充電終盤の変化領域における充電特性を示している。メモリ部42には、予め基準電圧値Kが設定されており、この基準電圧値Kは、最先のセルが平坦領域を確実に過ぎた時点の変化領域内で、且つ、最大容量までに十分余裕があるSOCにおける電圧値(例えば、SOCが80%〜90%程度における電圧値)が設定されている。例えば、電池電圧が3.0V〜3.1Vぐらいに平坦領域を有するような場合は、基準電圧値Kを3.1Vよりも大きい値に設定する。
時刻取得部43は、各セルの電圧値が基準電圧値Kになった時点の時刻T1〜Tnを取得する。時間差演算部44は、取得した時刻T1〜Tnについて、T1との差分時間を演算する。すなわち、最先のセルが基準電圧値Kに到達した時刻T1から、他のセルが基準電圧値Kに到達した時刻Tnまでの時間をΔtnを演算する。制御信号処理部45は、演算されたΔtnの値に応じて、セルバランス回路5の駆動時間(例えば、任意の一のセルに対応するセルバランス回路5のスイッチをONにして前記任意の一のセルへの充電を回避する時間等)を演算し、そのスイッチ制御を行うための制御信号を生成する。
なお、上記のように、時刻T1を基準として時刻Tnまでの時間Δtnを求めるようにしてもよいし、時刻T1から時刻T2までの時間をΔt1、時刻T2から時刻T3までの時間をΔt2、・・・、時刻Tn−1から時刻Tnまでの時間をΔtnとして求めるようにしてもよい。
より具体的には、図3に示した充電性能が高いセルaについては、セルバランス回路5の駆動時間を長くする(スイッチONの時間を長くする)ことで、セルaへの充電を回避して他のセルの充電量に近づけるような制御を行う。逆に充電性能が低いセルbについては、セルaの充電量に近づけるためにセルバランス回路5は駆動しないように制御する。生成された制御信号は送信部46からECU6に送信され、ECU6が実際にセルバランス回路5を駆動する。各セルについて、このような制御を行うことで、セル間の充電のばらつきを抑え充電効率を向上させることが可能となる。なお、上記のようにΔtnを演算することでセルバランスを制御してもよいし、基準電圧値に到達するまでのSOCの変化、すなわちΔSOCを演算することでセルバランスを制御するようにしてもよい。
次に、BMS2の動作について説明する。図6は、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置におけるBMSの動作を示すフローチャートである。まず、受信部41がECU6から送信される二次電池モジュール4の状態に関する情報を受信する(S1)。時刻取得部43が、受信した二次電池モジュール4の各セルの電圧値が基準電圧値以上であるかどうかを判定し(S2)、基準電圧値未満であればS1の処理を繰り返す。基準電圧値以上であれば、その時の時刻情報を取得する(S3)。全てのセルについて、充電量が基準電圧値を超えたかどうかを判定し(S4)、全てのセルが基準電圧値を超えていなければS1の処理を繰り返す。全てのセルが基準電圧値を超えていれば、時間差演算部44が、最先のセルが基準電圧値に到達した時刻から他のセルが基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する(S5)。制御信号処理部45が、演算された時間差に応じて各セルごとに対応するセルバランス回路5を制御するための制御信号を生成する(S6)。送信部46が、生成された制御信号をECU6に送信して(S7)、BMS2の処理を終了する。
なお、図6においては、全てのセルが基準電圧値を超えた時点で時間差演算部44及び制御信号処理部45の処理を行っているが、2番目のセルが基準電圧値を超えた時点で順次、時間差演算部44及び制御信号処理部45の処理を動作させるようにしてもよい。すなわち、1番目のセルと2番目のセルとのセルバランスを取りながら、3番目のセルが基準電圧値を超えた時点で2番目のセルと3番目のセルとのセルバランスを取り、以降、最後のセルが基準電圧値を超えた時点で全てのセルのセルバランスが保たれた状態となるように動作してもよい。
このように、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置においては、オリビン系リチウムイオン二次電池における変化領域の充電特性を利用して適正にセルバランス回路を制御して、充電効率を上げることができる。
(本発明の第2の実施形態)
本実施形態に係るセルバランス回路制御装置について、図7及び図8を用いて説明する。本実施形態に係るセルバランス回路制御装置は、オリビン系リチウムイオン二次電池に特有な充電特性における2つの変化領域を利用して、より適正にセルバランス回路を制御するものである。なお、本実施形態において、前記第1の実施形態と重複する説明は省略する。
前記第1の実施形態においては、SOCが80%〜100%の変化領域(以下、第2変化領域という)で基準電圧値を設定したが、本実施形態においては、SOCが0%〜20%の変化領域(以下、第1変化領域という)も利用する。すなわち、前記第1の実施形態においては、第2変化領域における任意の基準電圧値K(以下、基準電圧値K2という)を設定したが、本実施形態においては、第1変化領域における任意の基準電圧値K1も予め設定し、充電の初期(SOCが20%までの期間)において、一度セルバランス回路を動作させてセルのバランスを取る。そうすることで、第2変化領域におけるセルバランスの処理を削減しつつ、より高精度にセルバランスを保つことができる。
図7は、第1変化領域における各セルごとの充電特性を示す図である。BMS2は過放電を防止するために、放電時においても最先のセルがある電圧値を下回った時点で、二次電池モジュール4全体を停止して、これ以上の放電を制限する。つまり、セルごとに放電速度にバラつきがあるため、放電を停止した時点でセル間の容量がアンバランスなっている。この状態で充電を開始して、第2変化領域まで到達すると、セル間の容量の差がより顕著となり、上記第1の実施形態のようなセルバランスを取るのが非常に煩わしい処理になってしまう。
そこで、本実施形態においては、図8に示すように、充電開始時においても第1変化領域において第1基準電圧値K1を予め設定し、最先のセルが第1基準電圧値K1を超えた時点で上記第1の実施形態と同様のセルバランス処理を行う。そうすることで、平坦領域に到達する前にある程度セル間のばらつきがなくなっており、第2変化領域におけるセルバランス処理も極めて簡素化して精度を上げることが可能となる。
なお、第1基準電圧値K1は、第1変化領域において全てのセルの充電スタート時の電圧値より高い値に設定されることが望ましく、充電開始時の状態によっては、充電を行う度にシステム内で任意の値を設定するようにしてもよい。例えば、放電がかなり進んでいる場合は、第1基準電圧値K1を低い値に設定してもよいが、あまり放電が進んでない状態で充電を開始する場合には、第1変化領域内のできるだけ高い電圧値を第1基準電圧値K1として任意に設定するようにしてもよい。
このように、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置においては、ばらつき容量の演算処理、及び、当該演算処理の結果に基づいたセルバランス回路の制御処理が、平坦領域の前段の第1変化領域、及び、後段の第2変化領域においてそれぞれ実行されるため、2箇所の変化領域においてそれぞれセルバランス回路を制御することが可能となり、より適正な演算によりセルバランス回路を制御することができる。
なお、本実施形態に係るセルバランス回路制御装置において、太陽光パネル等の不安的な自然エネルギーを電力として充電する場合があるが、その場合充電時の電流値が必ずしても一定にならない。そのような場合には、充電時の電流値を計測し、電圧値と掛け合わせることでリアルタイムに容量を求め、積算することで充電容量を求めるようにしてもよい。
また、各セル間のばらつきをメモリしておき、そのメモリしたセル間のばらつき情報に基づいてセルバランス回路を制御するようにしてもよい。そうすることで、演算の負荷を軽減することが可能となる。
1 二次電池システム
2 BMS
3 セル
4 電池モジュール
5 セルバランス回路
6 ECU
7 充放電切替スイッチ
8 放電制御部
9 充電制御部
41 受信部
42 メモリ部
43 時刻取得部
44 時間差演算部
45 制御信号処理部
46 送信部

Claims (4)

  1. 複数のセルが直列に接続されたオリビン系リチウムイオン電池における各セルごとの充電特性の電圧値が平坦となる平坦領域以外の変化領域における前記充電特性が示す任意の前記電圧値を基準電圧値として記憶する基準電圧値記憶手段と、
    充電動作の際に、前記複数のセルのうち最先の一のセルが前記基準電圧値に到達した時点から、他のセルが前記基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する時間差演算手段と、
    演算された前記時間差に応じて、前記複数のセルにおける容量のバランスを取るセルバランス回路を制御する制御信号を生成する制御信号処理手段とを備えることを特徴とするセルバランス回路制御装置。
  2. 請求項1に記載のセルバランス回路制御装置において、
    前記オリビン系リチウムイオン電池の充電における各セルごとの電流値をサンプリングして記憶する電流値記憶手段と、
    サンプリングされた前記電流値、及び、前記時間差演算手段が演算した前記時間差に基づいて、前記オリビン系リチウムイオン電池における前記セル間の容量のばらつきを演算するばらつき容量演算手段とを備え、
    前記セルバランス回路制御手段が、演算された前記ばらつき容量に基づいて前記セルバランス回路を制御することを特徴とするセルバランス回路制御装置。
  3. 請求項2に記載のセルバランス回路制御装置において、
    前記ばらつき容量演算手段によるばらつき容量の演算処理、及び、当該演算処理の結果に基づいた前記セルバランス回路制御手段による前記セルバランス回路の制御処理が、前記平坦領域の前段領域、及び、後段領域においてそれぞれ実行されることを特徴とするセルバランス回路制御装置。
  4. 複数のセルが直列に接続されたオリビン系リチウムイオン電池における各セルごとの充電特性の電圧値が平坦となる平坦領域以外の変化領域における前記充電特性が示す任意の基準電圧値が予め基準電圧値記憶手段に記憶されており、
    CPUが、充電動作の際に、前記複数のセルのうち最先の一のセルが、前記基準電圧値に到達した時点から、他のセルが前記基準電圧値に到達するまでの時間差を演算する時間差演算ステップと、演算された前記時間差に応じて、前記複数のセルにおける容量のバランスを取るセルバランス回路を制御するセルバランス回路制御ステップとを実行することを特徴とするセルバランス回路制御方法。
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