JP2018125977A - 電池モジュールの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来より正確にＳＯＣを均一化可能とする。【解決手段】電池モジュール１２の制御装置１４は、電圧検出回路２２、均等化回路２０、及び均等化判定部３８を備える。電圧検出回路２２は、それぞれの単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧を検出する。均等化回路２０は、電圧検出回路２２により検出されたそれぞれの単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧を揃える均等化処理を実行する。均等化判定部３８は、単電池１０＿１〜１０＿ｎが充放電後に所定の緩和時間を経過した後であって、電圧検出回路２２により検出されたそれぞれの単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧のうち、最大電圧と最小電圧との差異が、所定の閾値以上であり、かつ、単電池１０＿１〜１０＿ｎのいずれの電圧も、所定のＳＯＣ領域に対応する電圧範囲に含まれる場合に、均等化回路２０に対して均等化処理の実施を許可する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単電池が接続された電池モジュールの制御装置に関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、電源となる電池モジュールが搭載される。電池モジュールは複数の単電池（単セル）を備える。これら複数の単電池は直列または並列接続される。

電池モジュールの各単電池は、構成材料のばらつきや温度のばらつき等に起因して、充放電過程でＳＯＣ（充電割合、Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）にばらつきが生じる。このとき、過放電防止の観点から、放電限界は複数の単電池の中で最小ＳＯＣのものが基準となり、残りの単電池は余力を残したまま放電限界を迎えることになる。また過充電防止の観点から、充電限界は複数の単電池の中で最大ＳＯＣのものが基準となり、残りの単電池は満充電に至る前に充電プロセスが終了されることになる。つまりＳＯＣのばらつきに起因して、電池モジュールの充放電能力を十分に発揮することが困難となる。

そこで例えば特許文献１では、各単電池のＳＯＣのばらつきを均等化させる均等化処理を実行している。単電池のＳＯＣを直接測定することは困難であり、従来から間接的にＳＯＣが算出される。例えば電流積算や開回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）に基づいてＳＯＣが算出される。後者について、開回路電圧とＳＯＣとの間には対応関係があることが知られており、単電池の開回路電圧を測定することで、ＳＯＣが算出（推定）される。均等化処理では、各単電池間の開回路電圧が均等化される。

特開２０１５−１８６３３９号公報

ところで、単電池の構成材料によっては、開回路電圧とＳＯＣとの対応関係が一意的に定まらない（一対一対応にならない）場合がある。例えば図４には、単電池のＯＣＶカーブが示されている。横軸はＳＯＣを示し、縦軸はＯＣＶを示す。また図４には２種類のＯＣＶカーブが示されている。一方は完全放電状態から所定のＳＯＣまで充電を行い、その後所定時間休止させた後のＯＣＶを測定させるＯＣＶ測定を繰り返し実行して取得したＯＣＶカーブ（充電カーブ）である。他方は満充電状態から所定のＳＯＣまで放電を行い、その後所定時間休止させた後のＯＣＶを測定させるＯＣＶ測定を繰り返し実行して取得したＯＣＶカーブ（放電カーブ）である。これらのＯＣＶカーブに示されるように、単電池は、所定のＳＯＣに対応する開回路電圧が充放電履歴に応じて変化するヒステリシス特性を有する。例えば図４の破線で囲ったように相対的に開回路電圧の変化（ヒステリシス幅）が大きい領域と、相対的に小さい領域とが存在する。

このような場合に、均等化処理の精度が低下するおそれがある。例えば図５において、単電池１のＯＣＶがＯＣＶ＿１であり、単電池２のＯＣＶがＯＣＶ＿２であるときに、両単電池のＳＯＣはともにＳＯＣ＿Ａとなるが、均等化処理が実行されると両者の開回路電圧を揃える処理が実行され、ＳＯＣ差が開いてしまう。そこで本発明は、充放電履歴に応じて所定のＳＯＣに対する開回路電圧が変化するようなヒステリシス特性を有する単電池に対して、従来より正確にＳＯＣを均一化可能な、電池モジュールの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の単電池が接続された電池モジュールの制御装置に関する。複数の単電池は、充放電履歴に応じて所定のＳＯＣに対する開回路電圧が変化し、その変化が相対的に大きい第１ＳＯＣ領域と、相対的に小さい第２ＳＯＣ領域を有する。制御装置は、電圧検出回路、均等化回路、及び均等化判定部を備える。電圧検出回路は、それぞれの単電池の電圧を検出する。均等化回路は、電圧検出回路により検出されたそれぞれの単電池の電圧を揃える均等化処理を実行する。均等化判定部は、複数の単電池が充放電後に所定の緩和時間を経過した後であって、電圧検出回路により検出されたそれぞれの複数の単電池の電圧のうち、最大電圧と最小電圧との差異が所定の閾値以上であり、かつ、複数の単電池のいずれの電圧も、第２ＳＯＣ領域に対応する電圧範囲に含まれる場合に、均等化回路に対して均等化処理の実施を許可する。

本発明によれば、所定のＳＯＣに対する開回路電圧の変化が相対的に小さい（ヒステリシス幅の小さい）第２ＳＯＣ領域に対応する電圧範囲に、全ての単電池のＯＣＶが含まれるときを狙って、均等化処理の実行を許可する。このようにすることで、従来より正確にＳＯＣを均一化可能となる。

本実施形態に係る電池モジュールの制御装置を含む回路図である。 単電池のＯＣＶカーブについて、第１ＳＯＣ領域及び第２ＳＯＣ領域を例示する図である。 均等化実行判定フローを例示するフローチャートである。 単電池のＯＣＶカーブを例示する図である。 単電池のＯＣＶカーブを例示する図であって、充放電履歴に応じたヒステリシス特性を説明する図である。

図１に、本実施形態に係る電池モジュール１２の制御装置１４を例示する。電池モジュール１２及びその制御装置１４は、例えば回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車に搭載される。

電池モジュール１２は、複数の単電池１０（単セル）が接続される。図１に示す例では、ｎ個の単電池１０＿１，１０＿２，・・・１０＿ｎが直列接続される。単電池１０は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池から構成される。

単電池１０＿１〜１０＿ｎは、所定のＳＯＣに対する開回路電圧（ＯＣＶ）が充放電履歴に応じて変化する、ヒステリシス特性を有する。例えば単電池１０は、ＳｉやＳｉＯ系化合物が添加された負極材を有する。例えば負極の主要材料であるグラファイトに、数％のＳｉＯが添加される。このとき、図２に示すように、ＳｉＯが含まれない単電池と比較して、ＳＯＣとＯＣＶの関係にヒステリシス特性が顕著に現れる。

上述したように、図２のＯＣＶカーブとして、完全放電状態から所定のＳＯＣまで充電を行い、その後所定時間休止させた後のＯＣＶを測定させるＯＣＶ測定を繰り返し実行して取得したＯＣＶカーブ（充電カーブ）と、満充電状態から所定のＳＯＣまで放電を行い、その後所定時間休止させた後のＯＣＶを測定させるＯＣＶ測定を繰り返し実行して取得したＯＣＶカーブ（放電カーブ）が示される。例えば単電池１０の充放電履歴に応じて、そのＯＣＶカーブは、充電カーブと放電カーブの間に含まれるような軌跡を取る。

単電池１０のＯＣＶのヒステリシス特性は、ＳＯＣに応じて変化する。例えば図２に示す様に、単電池１０は、ヒステリシス幅の相対的に大きいＳＯＣ領域（第１ＳＯＣ領域）と、相対的に小さいＳＯＣ領域（第２ＳＯＣ領域）とを有する。後述するように、相対的にヒステリシス幅の小さい第２ＳＯＣ領域を狙って、均等化処理が実行される。

図１に戻り、制御装置１４は、回路部１６及び演算部１８を備える。回路部１６は、均等化回路２０及び電圧検出回路２２を備える。電圧検出回路２２及び均等化回路２０は回路が一部共通しており、マルチプレクサ２４、電圧センサ２６、シーケンサ２８、及びインターフェース３０を備える。マルチプレクサ２４、電圧センサ２６、シーケンサ２８、及びインターフェース３０は一台のコンピュータに搭載されていてもよい。

電圧検出回路２２に関して、各単電池１０＿１〜１０＿ｎの正極端及び負極端の各ノードＮ＿１〜Ｎ＿ｎ＋１から配線が引き出される。一方の単電池１０＿ｋ−１（ｋ＝２〜ｎ）の負極と他方の単電池１０＿ｋの正極との間のノードＮ＿ｋから引き出された配線は一方の負極配線ＬＮ＿ｋ−１及び他方の正極配線ＬＰ＿ｋに分岐され、マルチプレクサ２４の各チャンネルＣＨ（ｋ−１）Ｎ，ＣＨｋＰに接続される。

電池モジュール１２のうち、最も正極側の単電池１０＿１の正極端のノードＮ＿１から引き出された配線は分岐せずに正極配線ＬＰ＿１としてマルチプレクサ２４のチャンネルＣＨ１Ｐに接続される。同様にして、電池モジュール１２のうち、最も負極側の単電池１０＿ｎの負極端のノードＮ＿ｎ＋１から引き出された配線は分岐せずに負極配線ＬＮ＿ｎとしてマルチプレクサ２４のチャンネルＣＨｎＮに接続される。

さらに電池モジュール１２全体の電圧を測定する配線ＬＰ＿０，ＬＮ＿０が設けられる。配線ＬＰ＿０は単電池１０＿１の正極端のノードＮ＿０Ｐから引き出されマルチプレクサ２４のチャンネルＣＨ０Ｐに接続される。配線ＬＮ＿０は単電池１０＿ｎの負極端のノードＮ＿０Ｎから引き出されマルチプレクサ２４のチャンネルＣＨ０Ｎに接続される。

正極配線ＬＰ＿ｋと負極配線ＬＮ＿ｋとの間には平滑コンデンサＣｋが接続される。また正極配線ＬＰ＿ｋに抵抗ＲｋＰが設けられ、負極配線ＬＮ＿ｋに抵抗ＲｋＮが設けられる。後述するように抵抗ＲｋＰ，ＲｋＮは単電池１０＿ｋの電圧検出用の抵抗と均等化放電用の放電抵抗とを兼ねている。

均等化回路２０は電圧検出回路２２と回路を共有しており、正極配線ＬＰ＿ｋ及び負極配線ＬＮ＿ｋ、抵抗ＲｋＮ及び抵抗ＲｋＰ、ならびに、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを備える。スイッチＳＷｋ（ｋ＝１〜ｎ）は正極配線ＬＰ＿ｋと負極配線ＬＮ＿ｋとの間に設けられる。スイッチＳＷｋは図示しない信号線によって演算部１８に接続され、そのオン／オフ切り替え制御が可能となっている。

図１に例示する均等化回路２０はいわゆるパッシブバランシング型（均等化放電型）の回路であり、スイッチＳＷｋを閉じると単電池１０＿ｋ、抵抗ＲｋＰ、スイッチＳＷｋ、抵抗ＲｋＮを含むループ回路が形成される。単電池１０＿ｋの電力が抵抗ＲｋＰ，ＲｋＮに消費される（捨てられる）ことで単電池１０＿ｋの電圧が下げられる。例えば最小ＳＯＣの単電池１０＿ｋをターゲット（ターゲットセル）として、他の単電池１０＿１〜１０＿ｋ−１，１０＿ｋ＋１〜１０＿ｎに対してスイッチＳＷ１〜ＳＷｋ−１，ＳＷｋ＋１〜ＳＷｎをオン状態（接続状態）にする。これにより単電池１０＿１〜１０＿ｋ−１，１０＿ｋ＋１〜１０＿ｎに対して均等化放電を実行させ、ターゲットセルである単電池１０＿ｋのＯＣＶに他の全ての単電池１０＿１〜１０＿ｋ−１，１０＿ｋ＋１〜１０＿ｎのＯＣＶを揃える。

シーケンサ２８は例えばプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）から構成される。シーケンサ２８はインターフェース３０を介して所定の単電池１０＿ｋに対する電圧値検出指令を受信し、これに応じたチャンネル指令をマルチプレクサ２４に出力する。例えば単電池１０＿ｋの電圧値検出指令を受信すると、チャンネルＣＨｋＰ，ＣＨｋＮを選択するチャンネル指令をマルチプレクサ２４に出力する。マルチプレクサ２４によるチャンネル切り替えにより、電圧センサ２６はチャンネルＣＨｋＰ，ＣＨｋＮ間の電圧を検出する。検出された電圧値はインターフェース３０を介して演算部１８に送信される。このようにして、電圧検出回路２２はそれぞれの単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎを検出可能となる。なお、電池モジュール１２全体の電圧を検出する際にはチャンネルＣＨ０Ｐ，ＣＨ０Ｎが選択される。

演算部１８は例えばコンピュータから構成され、ＣＰＵ及び記憶部を備える。演算部１８は例えば車載の電池ＥＣＵ（電子コントロールユニット）であってよい。演算部１８の記憶部に記憶された均等化プログラム及び均等化実行判定プログラムをＣＰＵが実行することで、演算部１８には第１電圧比較部３２、第２電圧比較部３４、緩和判定部３６、均等化判定部３８、及び均等化処理制御部４０が構成される。

＜均等化実行判定フロー＞
図３には、演算部１８による均等化実行判定フローが例示される。このフローは、例えば車両のシステムが停止されるイグニッション−オフ時点以降、所定の時間間隔を置いて複数回実行される。まず緩和判定部３６は、単電池１０＿１〜１０＿ｎが緩和状態にあるか否かを判定する（Ｓ１０）。

緩和状態とは、単電池１０の充放電後、電流が通流しない状態が継続し、分極が解消された状態を指す。このとき、単電池１０の端子電圧は開回路電圧（ＯＣＶ）として測定される。

例えば、緩和判定部３６はタイマー（図示せず）を備える。緩和判定部３６は、単電池１０の充放電が完了した時点から電流供給の無い時間（無負荷の時間）を計測し、所定の緩和時間を経過した場合に、単電池１０＿１〜１０＿ｎが緩和状態にあると判定する。

単電池１０の充放電が完了した時点とは、例えば、電池モジュール１２と負荷を接続するシステムメインリレー（図示せず）が遮断された時点が挙げられる。また、車両が外部充電の可能なプラグイン型の車両である場合には、単電池１０の充放電が完了した時点の例として、外部充電（プラグイン充電）の終了後、充電リレー（図示せず）が遮断された時点が挙げられる。

ステップＳ１０において、単電池１０が電圧緩和状態では無いと判定されると本フローが終了する。単電池１０が電圧緩和状態にあると判定されると、演算部１８は電圧検出回路２２に対して全ての単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎを検出する旨の指令を出力する（Ｓ１２）。電圧検出回路２２によって検出された電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎは、第１電圧比較部３２及び第２電圧比較部３４に送られる。

なお、システムメインリレーが遮断された際にも電池モジュール１２からいわゆる暗電流として微小電流が流れる場合がある。このような場合には、演算部１８にて暗電流に相当するＩＲ損を算出し、電圧検出回路２２による検出電圧にこれを反映（電圧補正）させてもよい。補正後の電圧値は第１電圧比較部３２及び第２電圧比較部３４に送信される。

第１電圧比較部３２は、電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎが、図２に示すような、第２ＳＯＣ領域に対応する電圧領域である下限閾値Ｖｔｈ０以上上限閾値Ｖｔｈ１以下の範囲に含まれるか否かを判定する（Ｓ１４）。電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎのいずれかが上記範囲に含まれない場合、本フローが終了する。

なお、下限閾値Ｖｔｈ０及び上限閾値Ｖｔｈ１は、予め演算部１８によって設定される。例えば下限閾値Ｖｔｈ０は、放電カーブと充電カーブの乖離が拡がり始めるＳＯＣ＝α％に対応するＯＣＶとする。また上限閾値Ｖｔｈ１は、単電池１０のＳＯＣ使用範囲の上限（ｍａｘ％）に対応するＯＣＶとする。つまり第２ＳＯＣ領域はα％以上ｍａｘ％以下の領域となる。

また、下限閾値Ｖｔｈ０及び上限閾値Ｖｔｈ１は、電池状態に応じて更新されてもよい。例えば、走行中やプラグイン充電中等において、電池モジュール１２の電圧、電流、温度等を取得し、得られた測定値から電池の劣化状態等を学習し、逐次、閾値が更新されてもよい。

ここで、図２に示されるように、第２ＳＯＣ領域内であっても、放電カーブと充電カーブとでＳＯＣに対応する電圧（ＯＣＶ）には僅かな差異が存在する。そこで、放電カーブ及び充電カーブの両者において、ＳＯＣがα％を割り込まず、またｍａｘ％を超過しない範囲で、下限閾値Ｖｔｈ０及び上限閾値Ｖｔｈ１が設定される。

例えば図２に示すように、ＳＯＣがα％に到達するまでのＯＣＶは、放電カーブと比較して充電カーブが僅かに高くなっている。言い換えると、充電カーブにおいてＳＯＣがα％に到達するようなＯＣＶにおいて、放電カーブでは十分に第２ＳＯＣ領域に含まれる。このような場合に、充電カーブを念頭において下限閾値Ｖｔｈ０が設定される。すなわち、充電カーブにおいてＳＯＣがα％に到達するときのＯＣＶが下限閾値Ｖｔｈ０に設定される。上限閾値Ｖｔｈ１も同様に、放電カーブ及び充電カーブのうち相対的に低いカーブにおいてＳＯＣがｍａｘ％となるＯＣＶを上限閾値Ｖｔｈ１とする。

ステップＳ１４にて、電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎが、下限閾値Ｖｔｈ０以上上限閾値Ｖｔｈ１以下の範囲に含まれる場合、第２電圧比較部３４は、電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎの最大電圧と最小電圧との差が所定の閾値電圧差以上であるか否かを判定する（Ｓ１６）。最大電圧と最小電圧との差が所定の閾値電圧差未満である場合、均等化処理は不要と判断し、本フローが終了する。

ステップＳ１６にて、電圧ＶＢ＿１〜ＶＢ＿ｎの最大電圧と最小電圧との差が所定の閾値電圧差以上である場合、均等化判定部３８は、均等化処理制御部４０に対して均等化処理の実行を許可する（Ｓ１８）。これに応じて、均等化回路２０では、均等化処理制御部４０の制御下で、上述したようなパッシブバランシングに基づく均等化処理が実行される（Ｓ２０）。均等化処理中、単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧は電圧検出回路２２によって適宜検出される。例えば全ての単電池１０＿１〜１０＿ｎの電圧が等しくなったときに、均等化処理が終了する。

なお、上述する実施形態では、相対的に高ＳＯＣ領域を均等化処理領域としたが、この形態に限らない。例えば、負極としてＳｉやチタン酸リチウム（ＬＴＯ）が混合された単電池では、相対的に高ＳＯＣ領域でヒステリシス幅が相対的に拡がる。このような場合には、相対的に低ＳＯＣ領域を均等化処理領域（第２ＳＯＣ領域）とすればよい。

１０ 単電池、１２ 電池モジュール、１４ 制御装置、１６ 回路部、１８ 演算部、２０ 均等化回路、２２ 電圧検出回路、２４ マルチプレクサ、２６ 電圧センサ、２８ シーケンサ、３０ インターフェース、３２ 第１電圧比較部、３４ 第２電圧比較部、３６ 緩和判定部、３８ 均等化判定部、４０ 均等化処理制御部。

Claims (1)

1. 複数の単電池が接続された電池モジュールの制御装置であって、
   前記複数の単電池は、充放電履歴に応じて所定のＳＯＣに対する開回路電圧が変化し、その変化が相対的に大きい第１ＳＯＣ領域と、相対的に小さい第２ＳＯＣ領域を有し、
   前記制御装置は、
   それぞれの前記単電池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それぞれの前記単電池の電圧を揃える均等化処理を実行する均等化回路と、
   前記複数の単電池が充放電後に所定の緩和時間を経過した後であって、前記電圧検出回路により検出されたそれぞれの前記複数の単電池の電圧のうち、最大電圧と最小電圧との差異が所定の閾値以上であり、かつ、前記複数の単電池のいずれの電圧も、前記第２ＳＯＣ領域に対応する電圧範囲に含まれる場合に、前記均等化回路に対して均等化処理の実施を許可する均等化判定部と、
   を備えることを特徴とする、電池モジュールの制御装置。