JP2020018085A - 電源システム、及び管理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】直列接続された複数のセル間の均等化処理において、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させる。【解決手段】電源システム(1)において、制御回路(50)は、複数の電圧検出回路(13、23、33)から各セル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の電圧値を取得し、複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)を用いて複数の直列セル群(M1−M3)にそれぞれ含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)間をアクティブバランシングし、少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングする。【選択図】図1
Description
本発明は、直列に接続される複数のセルを備える電源システム、及び管理装置に関する。
近年、ハイブリッド車(HV)、プラグインハイブリッド車(PHV)、電気自動車(EV)が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。
リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。一般的に、リチウムイオン電池では電力効率の維持および安全性担保の観点から、直列接続された複数のセル間において容量を均等化する均等化処理が実行される(例えば、特許文献1参照)。
均等化処理の方式としてはパッシブ方式が主流である。パッシブ方式は、直列接続された複数のセルにそれぞれ放電抵抗を接続し、最も電圧が低いセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせように他のセルを放電する。
均等化処理の別の方式としてアクティブ方式がある。アクティブ方式では充電回路を備え、直列接続された複数のセルの内、最も高い電圧のセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせるように他のセルを充電する。
パッシブ方式では、均等化のためにセルに蓄積されたエネルギーの一部を廃棄する必要があり電力効率が低下する。また放電抵抗に電流が流れる際に発熱する。近年、セルの大容量化および均等化時間の短縮化が進められており、放電電流が増加する傾向にある。従って基板の温度が上昇しやすくなっている。一方、アクティブ方式では各セルを充電するための充電回路が必要になるため、部品構成が複雑化し、コストも高くなる。
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、直列接続された複数のセル間の均等化処理において、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させ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、直列に接続される複数の直列セル群であって、各直列セル群が直列に接続される複数のセルを含んでいる、前記複数の直列セル群と、前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路であって、各電圧検出回路が対象の直列セル群に含まれる複数のセルの各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路と、前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路であって、各アクティブセルバランス回路が対象の直列セル群の両端電圧を用いて、当該直列セル群に含まれる複数のセルのうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路と、前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部と、前記複数の電圧検出回路から各セルの電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路を用いて前記複数の直列セル群にそれぞれ含まれる複数のセル間をアクティブバランシングし、前記少なくとも1つの冷却部を放電用の負荷として前記複数の直列セル群間をパッシブバランシングする制御回路と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、直列接続された複数のセル間の均等化処理において、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させることができる。
図1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。電源システム1は、複数の蓄電モジュール(図1では、第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3)、複数のサブ管理部(図1では、第1サブ管理部10−第3サブ管理部30)、及びメイン管理部50を備える。
第1蓄電モジュールM1は複数のセル(図1では、第1セルE1−第5セルE5)が直列接続されて形成され、第2蓄電モジュールM2は複数のセル(図1では、第6セルE6−第10セルE10)が直列接続されて形成され、第3蓄電モジュールM3は複数のセル(図1では、第11セルE11−第15セルE15)が直列接続されて形成される。なお図1に示す蓄電モジュールM1−M3の構成は、説明を簡略化するために簡素化したものであり、実際の構成は、電源システム1に要求される電圧に応じて、より多くのセルが直列接続された構成となることが多い。
各セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル(公称電圧:3.6−3.7V)を使用する例を想定する。
第1蓄電ブロックは、第1蓄電モジュールM1、第1サブ管理部10及び第1電動ファン15を備える。第1サブ管理部10は、電源回路11、電圧検出回路13及びアクティブセルバランス回路14を含み、それらは1つの回路基板上に実装される。第1電動ファン15は、当該回路基板を冷却するための電動ファンである。
同様に第2蓄電ブロックは、第2蓄電モジュールM2、第2サブ管理部20及び第2電動ファン25を備える。第2サブ管理部20は、電源回路21、電圧検出回路23及びアクティブセルバランス回路24を含み、それらは1つの回路基板上に実装される。第2電動ファン25は、当該回路基板を冷却するための電動ファンである。
同様に第3蓄電ブロックは、第3蓄電モジュールM3、第3サブ管理部30及び第3電動ファン35を備える。第3サブ管理部30は、電源回路31、電圧検出回路33及びアクティブセルバランス回路34を含み、それらは1つの回路基板上に実装される。第3電動ファン35は、当該回路基板を冷却するための電動ファンである。
第1サブ管理部10−第3サブ管理部30とメイン管理部50は通信線40によりデイジーチェーン接続されている。デイジーチェーン接続とは、複数のデバイスが一列に接続されるような接続方法を意味し、隣接するデバイス間で信号を伝播させる接続方式である。なお、第1サブ管理部10−第3サブ管理部30とメイン管理部50の接続形態は、デイジーチェーン型に限るものではなく、リング型、バス型、スター型などであってもよい。なお本明細書では、第1サブ管理部10−第3サブ管理部30及びメイン管理部50を総称して管理装置と呼ぶ。
第1サブ管理部10−第3サブ管理部30及びメイン管理部50間のそれぞれは、絶縁回路を介して接続される。絶縁回路として、直流カットコンデンサ、トランス、フォトカプラ等を使用することができる。第1サブ管理部10−第3サブ管理部30の電圧検出回路13、23、33は、直列接続された複数のセルの電圧を検出する必要があるため高電圧化する必要がある。一方、メイン管理部50は、通常、12Vの鉛電池から電源供給されて動作する。この電圧差を吸収するために第1サブ管理部10−第3サブ管理部30及びメイン管理部50間のそれぞれは絶縁される必要がある。
第1サブ管理部10−第3サブ管理部30及びメイン管理部50間の通信には、所定のシリアル通信方式を使用することができる。例えば、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)を使用することができる。また、メーカ独自の通信方式が使用されてもよい。
第1サブ管理部10において、電源回路11は、第1蓄電モジュールM1の両端に接続され、第1蓄電モジュールM1の両端電圧を降圧し、降圧した電圧を電圧検出回路13及びアクティブセルバランス回路14に電源電圧として供給する。電源回路11には、リニアレギュレータ(例えば、LDO(Low Drop Out))が使用されてもよいし、スイッチング方式の降圧型DC/DCコンバータが使用されてもよい。スイッチング方式の降圧型DC/DCコンバータとして、降圧チョッパ、絶縁型フライバックDC/DCコンバータ、絶縁型フォワードDC/DCコンバータ、絶縁型プッシュプルDC/DCコンバータなどを使用することができる。
電圧検出回路13は一般的に、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成されることが多い。そのASICの電源として、一般的にリニアレギュレータ(LDO)が使用されることが多い。リニアレギュレータ等の電源回路11は、当該ASICチップ内に設けられてもよいし、当該ASICチップの外に設けられてもよい。
アクティブセルバランス回路14は、第1蓄電モジュールM1に含まれる複数のセルE1−E5の電圧/容量をアクティブセルバランシング方式を用いて均等化する。アクティブセルバランス回路14は、第1蓄電モジュールM1の両端電圧を用いて、第1蓄電モジュールM1に含まれる複数のセルE1−E5のうちの任意の1つを選択的に充電することが可能である。
アクティブセルバランス回路14は、上記ASICチップ内に一体化されて構成されてもよいし、上記ASICチップと別のICチップにパッケージ化されてもよい。電圧検出回路13に汎用のASICチップを使用する場合、アクティブセルバランス回路14は別のICチップにパッケージ化されることになる。なおアクティブセルバランス回路14を構成する一部の回路素子がパッケージの外に接続されることもある。このように電源回路11、電圧検出回路13及びアクティブセルバランス回路14は、様々な実装方法が可能である。
図2は、第1サブ管理部10の構成例1を示す図である。電圧検出回路13は、直列接続された複数のセルE1−E5の各ノードと複数の電圧線で接続され、隣接する2本の電圧線間の電圧をそれぞれ検出することにより、各セルE1−E5の電圧を検出する。電圧検出回路13は、図示しない、マルチプレクサ、A/D変換器及び通信回路を含む。
マルチプレクサは、複数のセルE1−E5の各電圧値を所定の順番でAD変換器に出力する。AD変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ信号をデジタル値に変換して通信回路に出力する。通信回路は、複数のセルE1−E5の電圧値を、通信線40を介してメイン管理部50に送信する。なお通信回路は、電圧検出回路13(ASIC)の外に別に設けられてもよい。
アクティブセルバランス回路14は、DC/DCコンバータ14a、セル選択回路14b、スイッチ制御回路14cを含む。セル選択回路14bは、複数のスイッチS11−S20を備える。
DC/DCコンバータ14aは、第1蓄電モジュールM1の両端電圧を降圧して複数のセルE1−E5の1つに充電する。図2ではDC/DCコンバータ14aを絶縁型フライバックDC/DCコンバータで構成する例を示している。絶縁型フライバックDC/DCコンバータは、トランスT1、スイッチS10、ダイオードD1を備える。絶縁型フライバックDC/DCコンバータでは、トランスT1の一次巻線と二次巻線とが逆極性に接続される。
なお、DC/DCコンバータ14aは、絶縁型フライバックDC/DCコンバータに限らず、第1蓄電モジュールM1の両端電圧を降圧して出力することが可能なDC/DCコンバータであればどのような構成であってもよい。この種のDC/DCコンバータとしては、上述の絶縁型フライバックDC/DCコンバータ以外にも、絶縁型フォワードDC/DCコンバータなどが知られている。
トランスT1の一次巻線の両端は第1蓄電モジュールM1の両端に接続される。一次巻線の一端と蓄電モジュールM1の一端との間にスイッチS10が挿入される。トランスT1の二次巻線の一端に整流用のダイオードD1が接続される。
トランスT1の二次巻線と、複数のセルE1−E5のいずれか1つの両端間が、複数のスイッチS11−S20を介して接続される。複数のセルE1−E5の各ノードには電圧線が接続される。第1電圧線、第3電圧線、及び第5電圧線は正極用配線Lp1で結合され、第2電圧線、第4電圧線、及び第6電圧線は負極用配線Lm1で結合される。第1電圧線−第6電圧線には、スイッチS11−S16がそれぞれ挿入される。
トランスT1の二次巻線の電流出力側の端子と正極用配線Lp1間がスイッチS17を介して接続され、二次巻線の電流出力側の端子と負極用配線Lm1間がスイッチS18を介して接続される。トランスT1の二次巻線の電流入力側の端子と正極用配線Lp1間がスイッチS20を介して接続され、二次巻線の電流入力側の端子と負極用配線Lm1間がスイッチS19を介して接続される。
スイッチ制御回路14cは、メイン管理部50から通信線40及び電圧検出回路13を介して入力される均等化処理の制御信号をもとに、絶縁型フライバックDC/DCコンバータのスイッチS10、及びセル選択回路14bの複数のスイッチS11−S20のオン/オフを制御する。
図2では、電圧検出回路13及びアクティブセルバランス回路14のうち、電圧検出回路13のみが通信機能を搭載している例を示している。この点、アクティブセルバランス回路14にも通信機能が搭載されている場合、アクティブセルバランス回路14は、電圧検出回路13を介さずに、均等化処理の制御信号を受信することができる。
スイッチ制御回路14cは、充電対象のセルの両端のノードに接続された2本の電圧線に挿入された2つのスイッチ、スイッチS17/S18、及びスイッチS19/S20をオン状態に制御する。例えば、セルE1を充電する場合、スイッチS11、スイッチS12、スイッチS17、及びスイッチS19をオン状態に制御する。またセルE2を充電する場合、スイッチS12、スイッチS13、スイッチS18、及びスイッチS20をオン状態に制御する。各セルのオン時間は、メイン管理部50から受信した均等化処理の制御信号に含まれる各セルの充電時間に従う。
スイッチ制御回路14cは、スイッチS10をPWM(Pulse Width Modulation)制御する構成としてもよい。なお、回路構成によっては、スイッチ制御回路14cのグランドは、スイッチS10が含まれる回路のグランドと、電位が異なる場合がある。このような構成の場合には、スイッチ制御回路14cからの制御信号は、絶縁回路を介して絶縁される。
絶縁型フライバックDC/DCコンバータは、第1蓄電モジュールM1の両端電圧を降圧して充電電圧を出力する。絶縁型フライバックDC/DCコンバータの出力側にセルを接続すると、セルの電圧に応じて充電電流が流れるが、スイッチS10をPWM制御することで、この充電電流の電流量を調整することができる。このように、絶縁型フライバックDC/DCコンバータの出力は、トランスT1の一次巻線と二次巻線の巻数比と、スイッチS10のデューティ比により調整することができる。
なお、充電制御は、様々な方式を採用することができる。充電制御としては、典型的には、定電流定電圧方式(CC−CV)などが知られているが、第1蓄電モジュールM1から供給される直流電圧を利用して対象のセルを充電できる方式であればどのような構成であってもよい。
第1サブ管理部10は放電回路として、直列接続された放電スイッチS2及び放電抵抗R1を含む。直列接続された放電スイッチS2及び放電抵抗R1は、第1蓄電モジュールM1の両端間に接続される。放電抵抗R1は、第1蓄電モジュールM1に蓄積された容量を放電するための抵抗である。放電スイッチS2は、第1蓄電モジュールM1と放電抵抗R1との間に接続され、オン状態で、第1蓄電モジュールM1に蓄積された容量を放電抵抗R1に放電させることができる。
当該放電回路は、第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3間のパッシブバランシングに使用される。電圧検出回路13は、メイン管理部50から通信線40を介して受信される均等化処理の制御信号をもとに、放電スイッチS2のオン/オフを制御する。
第1電動ファン15は、第1蓄電モジュールM1の両端間に接続される。ファンスイッチS1は、第1蓄電モジュールM1と第1電動ファン15との間に接続され、オン状態で、第1蓄電モジュールM1から第1電動ファン15に電流を流すことができる。第1電動ファン15に電流が流れると第1蓄電モジュールM1に蓄積された容量を低下させることができる。
なお第1蓄電モジュールM1の両端電圧が、第1電動ファン15の入力電圧範囲より大きい場合は、第1電動ファン15の前段に、抵抗またはDC/DCコンバータを設けて、第1蓄電モジュールM1の出力電圧を第1電動ファン15の入力電圧範囲に降圧させる必要がある。
第1電動ファン15も第1蓄電モジュールM1の放電負荷として、第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3間のパッシブバランシングに使用される。電圧検出回路13は、メイン管理部50から通信線40を介して受信される均等化処理の制御信号をもとに、ファンスイッチS1のオン/オフを制御する。
図1に戻る。第2サブ管理部20及び第3サブ管理部30の構成は、第1サブ管理部10の構成と同じであるため説明を省略する。なお各蓄電ブロック内には、各蓄電モジュールに含まれる複数のセルの温度を検出するための温度センサ(例えば、サーミスタ)が少なくとも1つ搭載されている。第1サブ管理部10−第3サブ管理部30の各通信回路(不図示)は、複数のセルの電圧値に加えて、複数のセルの温度値もメイン管理部50に送信する。
第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3は直列接続され、1つの蓄電部を形成する。図1に示す例では各蓄電モジュールM1−M3に、直列接続された5セルが含まれるため、合計15セルの直列回路が形成される。なお高電圧のモータが使用される場合、セルの直列数が増加される。例えば、高電圧(例えば、400V程度)が必要なモータが使用される場合、合計100セルの直列回路が形成されることもある。典型的には、直列接続された5−20セルを含む蓄電モジュールが、8個以上直列に接続されて1つの蓄電部が形成される。
なお本実施の形態では、直列接続された5セルを含む蓄電モジュールを例に示しているが、蓄電モジュールに含まれるセルの数は、ASICや電源回路の耐圧に応じて設計されることが好ましい。
メイン管理部50は、マイクロコンピュータ及び不揮発メモリ(例えば、EEPROM、フラッシュメモリ)を備える。不揮発メモリ内には、SOC(State Of Charge)−OCV(Open Circuit Voltage)マップが含まれる。メイン管理部50は、第1サブ管理部10−第3サブ管理部30から通信線40を介して複数のセルE1−E15の電圧値と温度値を取得する。またメイン管理部50は、図示しない電流検出部により検出された複数の蓄電モジュールM1−M3に流れる電流値を取得する。
メイン管理部50は、複数のセルE1−E15の電圧値、温度値、電流値をもとに、複数のセルE1−E15のSOC、SOH(State Of Health)を推定する。SOCは例えば、OCV法または電流積算法により推定できる。OCV法は、検出されたセルのOCVと、不揮発メモリ内に保持されるSOC−OCVカーブの特性データをもとにSOCを推定する方法である。電流積算法は、検出されたセルの充放電開始時のOCVと、検出された電流の積算値をもとにSOCを推定する方法である。
SOHは、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の比率で規定され、数値が低いほど(0%に近いほど)劣化が進行していることを示す。二次電池の劣化は、保存劣化とサイクル劣化の和で近似できる。
保存劣化は、充放電中であるか否かに関わらず、二次電池の各時点における温度、各時点におけるSOCに応じて経時的に進行する劣化である。各時点におけるSOCが高いほど(100%に近いほど)、又は各時点における温度が高いほど、保存劣化速度が増加する。
サイクル劣化は、充放電の回数が増えるにつれ進行する劣化である。サイクル劣化は、使用SOC範囲、温度、電流レートに依存する。使用SOC範囲が広いほど、温度が高いほど、又は電流レートが高いほど、サイクル劣化速度が増加する。このように二次電池の劣化は使用環境に大きく依存し、使用期間が長くになるにつれ、複数のセルE1−E15の容量のばらつきが大きくなっていく。
メイン管理部50は、複数の電圧検出回路13、23、33から各セルE1−E15の電圧値を取得し、均等化処理を実行する。メイン管理部50は、複数のアクティブセルバランス回路14、24、34を用いて複数の蓄電モジュールM1−M3にそれぞれ含まれる複数のセルE1−E5、E6−E10、E11−E15間をそれぞれアクティブバランシングする。またメイン管理部50は、複数の蓄電モジュールM1−M3間をパッシブバランシングする。
以下、第1蓄電モジュールM1に含まれる複数のセルE1−E5のアクティブバランシングについて説明する。アクティブバランシングの第1手法では、複数のセルE1−E5の内、最も容量が少ないセルの容量を、最も容量が多いセルの容量まで充電する。なお充電中、充電されるセル以外のセルの容量は低下していく。充電中のセルの容量が最も容量が多いセルの容量に到達すると当該セルの充電を終了する。以上の制御を繰り返すことにより、全てのセルの容量を実質的に一致させることができる。
メイン管理部50は、複数のセルE1−E5のOCV/SOCを取得/推定し、最もOCV/SOCが低いセルを特定する。メイン管理部50は、当該セルが充電されるように、スイッチ制御回路14cに制御信号を送信する。以上のように最もOCV/SOCが低いセルを充電して、最もOCV/SOCが高いセルのOCV/SOCまで充電する制御を繰り返すことにより、メイン管理部50は、複数のセルE1−E5間のOCV/SOCを実質的に一致させることができる。
アクティブバランシングの第2手法では、メイン管理部50は、第1蓄電モジュールM1のOCV/SOCをセル数で割ることにより、複数のセルE1−E5のOCV/SOCを目標値を算出する。なお第1蓄電モジュールM1のOCV/SOCからアクティブセルバランス回路14による充電に伴う予想損失分を引いた値をセル数で割ると、より高精度な目標値を算出することができる。
メイン管理部50は、目標値よりOCV/SOCが低いセルを順番に、目標値まで充電する。なお充電する順番は、OCV/SOCが低い順であってもよいし、任意の順番であってもよい。これにより、メイン管理部50は、複数のセルE1−E5間のOCV/SOCを実質的に一致させることができる。なお、アクティブバランシングの目標値として、OCV/SOCの代わりに充電可能量/放電可能量を使用してもよい。
以上のアクティブバランシングを他の蓄電モジュールM2−M3でも実行する。なお、複数のセルのOCV/SOCが実質的に揃っている蓄電モジュールでは、アクティブバランシングを実行する必要はない。
パッシブバランシングでは、メイン管理部50は、複数の蓄電モジュールM1−M3のOCV/SOCを取得/推定し、最もOCV/SOCが低い蓄電モジュールを特定する。メイン管理部50は、最もOCV/SOCが低い蓄電モジュールに、他の複数の蓄電モジュールのOCV/SOCを合わせるために、他の複数の蓄電モジュールの各放電時間を決定する。メイン管理部50は、各蓄電モジュールの現在のOCV/SOCと、均等化の目標とすべきOCV/SOCとの差分に基づく放電容量を算出する。メイン管理部50は、算出した各放電容量と、及び各蓄電ブロックの電源回路、放電抵抗R1及び電動ファンによる消費電力量をもとに各放電時間を決定する。各蓄電ブロックの消費電力量が大きいほど放電時間を短縮することができる。
メイン管理部50は、決定した各放電時間をもとに、他の複数の蓄電モジュールの各放電スイッチS2及びファンスイッチS1のオン/オフを制御する。放電スイッチS2及びファンスイッチS1がオン状態の蓄電ブロックでは、蓄電モジュールから放電抵抗R1及び電動ファンに電流が流れ、蓄電モジュールのOCV/SOCが低下する。複数の蓄電モジュールの全てのOCV/SOCが実質的に一致すると、パッシブバランシングが終了する。なお、パッシブバランシングの目標値も、OCV/SOCの代わりに充電可能量/放電可能量を使用してもよい。
複数の蓄電モジュールM1−M3間のパッシブバランシングは、上述の複数の蓄電モジュールM1−M3にそれぞれ含まれる複数のセルE1−E5、E6−E10、E11−E15間のアクティブバランシングが全て終了した後に実行されてもよいし、上記パッシブバランシングと上記アクティブバランシングが同時並行で実行されてもよい。
上述のアクティブバランシングは、各蓄電モジュール内のセル間のエネルギー移動であるため、各蓄電モジュールの両端電圧はアクティブバランシングの実行中、基本的に変動しない。厳密には、アクティブセルバランス回路14による損失分、低下する。
アクティブバランシングの第2手法を用いた場合、メイン管理部50はアクティブバランシングの開始時点で、上記複数の蓄電モジュールM1−M3間のパッシブバランシングの目標値を決定することができる。アクティブバランシングが必要な蓄電ブロックではアクティブバランシングが実行され、アクティブバランシングが不要な蓄電ブロックではパッシブバランシングが実行される。アクティブバランシングが実行されている蓄電ブロックにおいて、アクティブバランシングが終了すると、パッシブバランシングに切り替わる。
図3は、第1サブ管理部10の構成例2を示す図である。構成例2では、図2に示した構成例1と比較して、放電スイッチS2及び放電抵抗R1が省略されている。パッシブバランシングの放電負荷として、第1電動ファン15による電力消費で足りる場合は、放電スイッチS2及び放電抵抗R1を省略可能である。大型の電動ファンを使用した場合や放電時間を長くできるアプリケーションの場合、構成例2を採用しやすい。なお構成例1と構成例2の電動ファンが同じ場合、構成例1のほうが構成例2より放電負荷が大きいため、放電時間を短くすることができる。
図4(a)−(c)は、本発明の実施の形態に係る電源システム1における均等化処理の一例を示す図である。図4(a)は、均等化処理前のセルE1−E15の容量の状態を示す図である。図4(a)に示す図では、第8セルE8の容量が低下している。経年劣化や個体ばらつき等により、自己放電量が大きくなるセルが発生する場合がある。第8セルE8は、他のセルE1−E7、E9−E15と比較して自己放電量が大きいセルである。メイン管理部50は、第2蓄電モジュールM2に含まれる複数のセルE6−E10間のアクティブバランシングを実行する。
図4(b)は、第2蓄電モジュールM2に含まれる複数のセルE6−E10間のアクティブバランシング終了後のセルE1−E15の容量の状態を示す図である。アクティブバランシングは、第2蓄電モジュールM2内で完結しているため、第8セルE8の充電に伴い、第2蓄電モジュールM2内の他のセルE6−E7、E9−E10の容量が低下する。
メイン管理部50は、第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3間のパッシブバランシングを実行する。具体的にはメイン管理部50は、第1蓄電モジュールM1の電圧検出回路13及び第3蓄電モジュールM3の電圧検出回路33に、第1蓄電モジュールM1及び第3蓄電モジュールM3の容量を、第2蓄電モジュールM2の容量まで放電するよう指示する。
図4(c)は、第1蓄電モジュールM1−第3蓄電モジュールM3間のパッシブバランシング終了後のセルE1−E15の容量の状態を示す図である。図4(c)では、全てのセルE1−E15の容量が実質的に一致した状態となっている。なお一般的なパッシブバランシングのみを使用してセルE1−E15の均等化処理を実行した場合、図4(a)の第8セルE8の容量まで、他のセルE1−E7、E9−E15の容量を放電する必要があり、本実施の形態に係る均等化処理と比較して効率が悪い。
以上説明したように本実施の形態によれば、各蓄電モジュール内の複数のセル間のアクティブバランシングを実行するとともに、複数の蓄電モジュール間のパッシブバランシングを実行する。これにより、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させることができる。
またパッシブバランシングを実行するための放電負荷として電動ファンを使用する。これにより、パッシブ放電で消費されるべき電力の一部が電動ファンにより運動エネルギーに変換される。パッシブ放電で消費されるべき電力のほぼ全てが放電抵抗R1により熱エネルギーに変換される場合と比較して、回路基板の発熱を抑制することができる。さらに電動ファンからの冷却風により当該回路基板あるいは放電抵抗R1や電源回路等の発熱部材が冷却されるため、回路基板の温度をさらに低下させることができる。なお、上記実施形態では、第1サブ管理部10、第2サブ管理部20、第3サブ管理部30が、それぞれ別の基板に実装される構成となっているが、必ずしも別の基板に実装される必要はない。本実施形態において重要なことは、第1サブ管理部10、第2サブ管理部20、第3サブ管理部30等の管理単位ごとに電動ファンが設けられており、各サブ管理部に含まれている発熱部材を対応する電動ファンにより冷却できるように構成することにある。
アクティブバランシング中の蓄電ブロックの回路基板は、パッシブバランシング中の蓄電ブロックの回路基板と比較して発熱が抑えられる。アクティブセルバランス回路は、できるだけ損失が少なくなるように設計されているため発熱が小さい。またアクティブバランシング中の蓄電ブロックでは放電抵抗R1に電流が流れないため、放電抵抗R1からの発熱もない。本実施の形態では、パッシブバランシング中の蓄電ブロックの電動ファンが稼働し、アクティブバランシング中の蓄電ブロックの電動ファンは稼働しない。このように電動ファンは、高温の蓄電ブロックの回路基板を冷却するための冷却部として合理的に機能している。
近年、特に車載用途で、蓄電モジュールの大容量化が進んでいる。蓄電モジュールが大容量化すると、均等化にかける時間を長くするか、充電電流/放電電流を大きくする必要がある。パッシブバランシング時の放電電流を大きくした場合、パッシブバランシング中の蓄電ブロックの回路基板の発熱がさらに大きくなる。このような傾向に対して、本実施の形態に係る電動ファンを用いた回路基板の冷却は有効な対応策であるといえる。
また図3に示した構成例2を採用すれば、放電抵抗R1と放電スイッチS2を省略することができるため、放電抵抗R1からの発熱をなくすことができるとともに、回路面積およびコストを削減することができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。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み合わ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。
図5は、変形例に係る電源システム1の構成を示す図である。上述の実施の形態では、電動ファンが蓄電ブロックの回路基板を冷却するファンである例を説明した。この点、変形例では電動ファンが蓄電モジュールを冷却するファンである例を説明する。
蓄電モジュールの冷却は、安全性の観点から回路基板の冷却より堅牢な冷却システムが要求される。蓄電モジュールに含まれるセルに異常が発生した場合に、冷却システムが停止しないように蓄電モジュールを冷却する冷却システムの電源は、当該蓄電モジュールではなく、補機電池(通常、12V出力の鉛電池)から供給されることが好ましい。
図5において第1蓄電モジュールM1を冷却するための第1電動ファン15は、補機電池と第1蓄電モジュールM1の両方から電源供給を受けることが可能な構成である。第1電動ファン15の正極側にはスイッチS21が接続され、負極側にはスイッチS22が接続される。スイッチS21は、第1電動ファン15の正極側を、補機電池に接続される12Vラインに接続するか、第1蓄電モジュールM1の正極に接続するかを切り替えるC接点スイッチである。スイッチS22は、第1電動ファン15の負極側を、グランドラインに接続するか、第1蓄電モジュールM1の負極に接続するかを切り替えるC接点スイッチである。
スイッチS21と第1電動ファン15の間にDC/DCコンバータ16が接続される。DC/DCコンバータ16は、第1電動ファン15に入力される電圧を一定の電圧範囲に制御するDC/DCコンバータである。これにより、第1電動ファン15が補機電池からも第1蓄電モジュールM1からも電源供給を受けることができるようになる。
第2蓄電モジュールM2を冷却するための第2電動ファン25の接続形態、及び第3蓄電モジュールM3を冷却するための第3電動ファン35の接続形態も、第1蓄電モジュールM1を冷却するための第1電動ファン15の接続形態と同じである。
メイン管理部50は、アクティブバランシング中の蓄電ブロックのサブ管理部に対しては、電動ファンのスイッチを補機電池側に接続するよう指示する制御信号を送信する。一方、メイン管理部50は、パッシブバランシング中の蓄電ブロックのサブ管理部に対しては、電動ファンのスイッチを蓄電モジュール側に接続するよう指示する制御信号を送信する。
これにより、パッシブバランシング中の蓄電ブロックでは、蓄電モジュールを冷却するための電動ファンに蓄電モジュールから電流を流すことにより、当該蓄電モジュールの容量を低下させることができる。また蓄電モジュールを冷却するための電動ファンに、補機電池と蓄電モジュールの両方から電源を供給可能な構成とすることにより、電動ファンの電源を重畳化・堅牢化することができる。
また上述の実施の形態では1つの蓄電ブロックに1つの電動ファンを設置する例を説明した。この点、1つの蓄電ブロックに2つの電動ファンを設置してもよい。例えば、基板の両サイトに電動ファンを設置してもよい。この例では、2つの電動ファンを1つの蓄電モジュールに対して直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。
また隣接する2つの蓄電ブロックに対して1つの電動ファンを設置してもよい。この場合、2つの蓄電モジュールのそれぞれから選択的に1つの電動ファンに電源供給可能な構成とすればよい。なお直列接続された2つの蓄電モジュールから同時に1つの電動ファンに電源供給する場合は、DC/DCコンバータを設け、当該DC/DCコンバータにより電動ファンに入力される電圧を一定の範囲に制御する必要がある。なお、2つの蓄電モジュールから並列に同時に1つの電動ファンに電源供給する場合は、横流対策が必要となる。
また上述の実施の形態では、蓄電ブロックの回路基板または蓄電モジュールを電動ファンにより冷却する例を説明した。この点、電動ファン以外の冷却部を用いてもよい。例えば、ペルチェ素子などの熱電素子を使用してもよい。具体的には、蓄電ブロックの回路基板または蓄電モジュール内のセルにペルチェ素子を取り付け、パッシブバランシング時、蓄電モジュールからペルチェ素子に電流を流すことにより、回路基板またはセルを冷却することができる。また、蓄電ブロックの回路基板または蓄電モジュールを液冷式の冷却部で冷却してもよい。この場合、冷却媒体を循環させるポンプのモータに、パッシブバランシング時、蓄電モジュールから電流を供給する。
また上述の実施の形態では1つの蓄電モジュールに対して1つの電圧検出回路が設けられる例を説明した。この点、1つの蓄電モジュールに対して複数の電圧検出回路が設けられる構成も可能である。例えば、直列接続された20セルを含む蓄電モジュールに対して2つの電圧検出回路が設けられ、各電圧検出回路が10セル分の電圧を検出する構成も可能である。その場合、アクティブセルバランシングは1つの電圧検出回路で管理される複数のセル(この例では10個)毎に実行される。この例では、1つの蓄電ブロック内で独立した2つのアクティブバランシングが実行されることになる。
また上記図2に示した構成例1では、蓄電ブロックごとに1つの放電抵抗を設ける例を説明した。この点、放電抵抗の数は1つに限るものではなく、セル毎に放電抵抗を付加する構成も排除するものではない。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
直列に接続される複数の直列セル群(M1−M3)であって、各直列セル群(M1−M3)が直列に接続される複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)を含んでいる、前記複数の直列セル群(M1−M3)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路(13、23、33)であって、各電圧検出回路(13、23、33)が対象の直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路(13、23、33)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)であって、各アクティブセルバランス回路(14、24、34)が対象の直列セル群(M1−M3)の両端電圧を用いて、当該直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)のうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部(15、25、35)と、
前記複数の電圧検出回路(13、23、33)から各セル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)にそれぞれ含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)間をアクティブバランシングし、前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングする制御回路(50)と、
を備えることを特徴とする電源システム(1)。
これによれば、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させた均等化処理を実現することができる。また、パッシブバランシング時、冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として使用することにより、発熱を抑制することができる。
[項目2]
前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)は、前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電動ファン(15、25、35)であり、各電動ファン(15、25、35)は対象の前記電圧検出回路(13、23、33)及び前記アクティブセルバランス回路(14、24、34)が実装された回路基板を冷却するための電動ファンであることを特徴とする項目1に記載の電源システム(1)。
これによれば、冷却部(15、25、35)で、パッシブバランシング中の蓄電モジュールに接続された回路基板を冷却することにより、当該回路基板の温度を低下させることができる。
[項目3]
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の放電回路(R1、S2)であって、各放電回路(R1、S2)が、前記直列セル群(M1−M3)に蓄積された容量を放電するための1つの抵抗(R1)と、前記直列セル群(M1)と前記抵抗(R1)との間に接続されたスイッチ(S2)とを含む、前記複数の放電回路(R1、S2)をさらに備え、
前記制御回路(50)は、前記複数の放電回路(R1、S2)と前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングすることを特徴とする項目1または2に記載の電源システム(1)。
これによれば、放電負荷を増加させることができ、パッシブバランシングにかかる時間を短縮させることができる。また、放電用の抵抗とスイッチの数を減らすことができる。
[項目4]
直列に接続される複数の直列セル群(M1−M3)であって、各直列セル群(M1−M3)が直列に接続される複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)を含んでいる、前記複数の直列セル群(M1−M3)を管理する管理装置(10−30、50)であって、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路(13、23、33)であって、各電圧検出回路(13、23、33)が対象の直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路(13、23、33)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)であって、各アクティブセルバランス回路(14、24、34)が対象の直列セル群(M1−M3)の両端電圧を用いて、当該直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)のうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)と、
前記複数の電圧検出回路(13、23、33)から各セルの電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)にそれぞれ含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)間をアクティブバランシングし、前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングする制御回路(50)と、
を備えることを特徴とする管理装置(10−30、50)。
これによれば、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させた均等化処理を実現することができる。また、パッシブバランシング時、冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として使用することにより、発熱を抑制することができる。
直列に接続される複数の直列セル群(M1−M3)であって、各直列セル群(M1−M3)が直列に接続される複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)を含んでいる、前記複数の直列セル群(M1−M3)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路(13、23、33)であって、各電圧検出回路(13、23、33)が対象の直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路(13、23、33)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)であって、各アクティブセルバランス回路(14、24、34)が対象の直列セル群(M1−M3)の両端電圧を用いて、当該直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)のうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部(15、25、35)と、
前記複数の電圧検出回路(13、23、33)から各セル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)にそれぞれ含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)間をアクティブバランシングし、前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングする制御回路(50)と、
を備えることを特徴とする電源システム(1)。
これによれば、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させた均等化処理を実現することができる。また、パッシブバランシング時、冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として使用することにより、発熱を抑制することができる。
[項目2]
前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)は、前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電動ファン(15、25、35)であり、各電動ファン(15、25、35)は対象の前記電圧検出回路(13、23、33)及び前記アクティブセルバランス回路(14、24、34)が実装された回路基板を冷却するための電動ファンであることを特徴とする項目1に記載の電源システム(1)。
これによれば、冷却部(15、25、35)で、パッシブバランシング中の蓄電モジュールに接続された回路基板を冷却することにより、当該回路基板の温度を低下させることができる。
[項目3]
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の放電回路(R1、S2)であって、各放電回路(R1、S2)が、前記直列セル群(M1−M3)に蓄積された容量を放電するための1つの抵抗(R1)と、前記直列セル群(M1)と前記抵抗(R1)との間に接続されたスイッチ(S2)とを含む、前記複数の放電回路(R1、S2)をさらに備え、
前記制御回路(50)は、前記複数の放電回路(R1、S2)と前記少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングすることを特徴とする項目1または2に記載の電源システム(1)。
これによれば、放電負荷を増加させることができ、パッシブバランシングにかかる時間を短縮させることができる。また、放電用の抵抗とスイッチの数を減らすことができる。
[項目4]
直列に接続される複数の直列セル群(M1−M3)であって、各直列セル群(M1−M3)が直列に接続される複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)を含んでいる、前記複数の直列セル群(M1−M3)を管理する管理装置(10−30、50)であって、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路(13、23、33)であって、各電圧検出回路(13、23、33)が対象の直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)の各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路(13、23、33)と、
前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)であって、各アクティブセルバランス回路(14、24、34)が対象の直列セル群(M1−M3)の両端電圧を用いて、当該直列セル群(M1−M3)に含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)のうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)と、
前記複数の電圧検出回路(13、23、33)から各セルの電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路(14、24、34)を用いて前記複数の直列セル群(M1−M3)にそれぞれ含まれる複数のセル(E1−E5、E6−E10、E11−E15)間をアクティブバランシングし、前記複数の直列セル群(M1−M3)のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として前記複数の直列セル群(M1−M3)間をパッシブバランシングする制御回路(50)と、
を備えることを特徴とする管理装置(10−30、50)。
これによれば、部品構成の複雑化を抑えつつ電力効率を向上させた均等化処理を実現することができる。また、パッシブバランシング時、冷却部(15、25、35)を放電用の負荷として使用することにより、発熱を抑制することができる。
1 電源システム、 M1−M3 蓄電モジュール、 10 第1サブ管理部、 20 第2サブ管理部、 30 第3サブ管理部、 40 通信線、 50 メイン管理部、 E1−E15 セル、 11,21,31 電源回路、 13,23,33 電圧検出回路、 14,24,34 アクティブセルバランス回路、 15,25,35 電動ファン、 16,26,36 DC/DCコンバータ、 14a DC/DCコンバータ、 14b セル選択回路、 14c スイッチ制御回路、 R1 放電抵抗、 S1 ファンスイッチ、 S2 放電スイッチ、 T1 トランス、 D1 ダイオード、 S10−S26 スイッチ。
Claims (4)
- 直列に接続される複数の直列セル群であって、各直列セル群が直列に接続される複数のセルを含んでいる、前記複数の直列セル群と、
前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路であって、各電圧検出回路が対象の直列セル群に含まれる複数のセルの各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路と、
前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路であって、各アクティブセルバランス回路が対象の直列セル群の両端電圧を用いて、当該直列セル群に含まれる複数のセルのうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路と、
前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部と、
前記複数の電圧検出回路から各セルの電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路を用いて前記複数の直列セル群にそれぞれ含まれる複数のセル間をアクティブバランシングし、前記少なくとも1つの冷却部を放電用の負荷として前記複数の直列セル群間をパッシブバランシングする制御回路と、
を備えることを特徴とする電源システム。 - 前記少なくとも1つの冷却部は、前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の電動ファンであり、各電動ファンは対象の前記電圧検出回路及び前記アクティブセルバランス回路が実装された回路基板を冷却するための電動ファンであることを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の放電回路であって、各放電回路が、前記直列セル群に蓄積された容量を放電するための1つの抵抗と、前記直列セル群と前記抵抗との間に接続されたスイッチとを含む、前記複数の放電回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記複数の放電回路と前記少なくとも1つの冷却部を用いて前記複数の直列セル群間をパッシブバランシング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。 - 直列に接続される複数の直列セル群であって、各直列セル群が直列に接続される複数のセルを含んでいる、前記複数の直列セル群を管理する管理装置であって、
前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の電圧検出回路であって、各電圧検出回路が対象の直列セル群に含まれる複数のセルの各電圧を検出する、前記複数の電圧検出回路と、
前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数のアクティブセルバランス回路であって、各アクティブセルバランス回路が対象の直列セル群の両端電圧を用いて、当該直列セル群に含まれる複数のセルのうちの任意の1つを選択的に充電することが可能に構成されている、前記複数のアクティブセルバランス回路と、
前記複数の電圧検出回路から各セルの電圧値を取得し、前記複数のアクティブセルバランス回路を用いて前記複数の直列セル群にそれぞれ含まれる複数のセル間をアクティブバランシングし、前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される少なくとも1つの冷却部を放電用の負荷として前記複数の直列セル群間をパッシブバランシングする制御回路と、
を備えることを特徴とする管理装置。
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