JP2020018089A - セルバランス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電回路の故障がある場合における無駄な放電を抑制できるセルバランス装置を提供すること。【解決手段】セルバランス装置３０は、各二次電池Ｂと並列接続された放電回路と、各二次電池Ｂの端子電圧のうちの最小電圧に基づいて設定された目標電圧となるように各放電スイッチＳｗを開閉動作させて各二次電池Ｂ間の電圧ばらつきを低減させる機能と、放電回路の故障によって放電抵抗Ｒによる放電が不可能となった二次電池Ｂを検出する機能を有する制御部３１を備える。制御部３１は、故障と診断された放電回路に接続された二次電池Ｂの端子電圧が、目標電圧より高い場合には、目標電圧を、故障と診断された放電回路に接続された二次電池Ｂの端子電圧を目標電圧に設定し直す。【選択図】図１

Description

本発明は、各二次電池間の電圧ばらつきを低減させる制御部を備えるセルバランス装置に関する。

リチウムイオン電池等の充電可能な複数の二次電池を直列に接続して高電圧を出力する電池モジュールは、フォークリフトや電気自動車やハイブリッドカー等の電源として利用されている。電池モジュールを構成する各二次電池は、製造時や経年劣化のばらつき等により、同一の特性とはならず、残容量又は二次電池の端子電圧にばらつきが生じる。各二次電池間の端子電圧がばらつくと、電池モジュールの充放電の際に、一部の二次電池が過充電又は過放電となり、一部の二次電池の劣化を早めてしまう。このため、電池モジュールの各二次電池間の電圧ばらつきを低減させることが行われている。

二次電池間の電圧ばらつきを低減させる方式として、パッシブ方式及びアクティブ方式による放電が知られている。パッシブ方式の放電を行う装置は、各二次電池に並列接続された放電スイッチ及び放電抵抗の直列回路から成る放電回路を備える。また、パッシブ方式の放電を行う装置は、制御部を備える。各二次電池には、端子電圧を検出する電圧センサが接続され、各電圧センサで検出される電圧信号は制御部に入力される。

そして、制御部は、各二次電池の端子電圧を比較し、各二次電池の端子電圧の中の最小の端子電圧を目標電圧として設定し、目標電圧より高い端子電圧の二次電池の放電回路の放電スイッチを選択的にオンさせる。そして、目標電圧より高い端子電圧の二次電池を放電させて、二次電池間の電圧ばらつきを低減させる。

ところで、パッシブ方式の放電において、例えば放電回路の放電スイッチが常時オフする故障が生じると、その放電回路が並列接続された二次電池に関しては、放電が行えなくなってしまう。そこで、特許文献１に開示の放電装置は、放電回路の故障を検出可能としている。

特開２００４−２６６９９２号公報

ところで、放電回路に放電スイッチが常時オフする故障が生じた場合であっても、放電回路が故障していない他の二次電池については放電が行われる。このとき、故障した放電回路が接続された二次電池の端子電圧が、電池モジュールの各二次電池の端子電圧の中で最大値となった場合に、その最大値と電池モジュールの各二次電池の端子電圧の中の最小値との電圧差は解消されないままとなる。各二次電池の端子電圧の中の最大値と最小値の電圧差が解消されないと、充電時には最大値の電圧（故障した放電回路が接続された二次電池の端子電圧）により充電が制限される。その一方で、放電回路が故障していない他の二次電池については、各二次電池の端子電圧の中の最小の端子電圧に基づいて設定された目標電圧まで放電されるため、放電回路が故障していない他の二次電池の電力量が減ってしまう。すなわち、故障が生じた放電回路が接続された二次電池により充電が制限され、かつ電池モジュールで使用できる電力量が減ってしまう。

本発明の目的は、放電回路の故障がある場合における無駄な放電を抑制できるセルバランス装置を提供することにある。

上記問題点を解決するためのセルバランス装置は、複数の二次電池が直列に接続された電池モジュールの各二次電池にそれぞれ設けられ、直列接続された放電スイッチ及び放電抵抗が各二次電池と並列接続された放電回路と、各二次電池の端子電圧のうちの最小電圧に基づいて設定された目標電圧となるように各放電スイッチを開閉動作させて各二次電池間の電圧ばらつきを低減させる制御部と、前記放電回路の故障によって前記放電抵抗による放電が不可能となった二次電池を検出する故障診断部と、を備え、前記制御部は、前記故障診断部によって故障と診断された放電回路に接続された前記二次電池の端子電圧が、前記目標電圧より高い場合には、前記目標電圧を、故障と診断された放電回路に接続された二次電池の端子電圧に設定し直すことを要旨とする。

これによれば、故障診断部により、放電抵抗による放電が不可能となった二次電池を検出できる。そして、制御部は、故障と診断された放電回路に接続された二次電池の端子電圧が目標電圧より高い場合、目標電圧を、故障と診断された放電回路に接続された二次電池の端子電圧に設定し直す。放電回路の故障が生じた場合、その放電回路に接続された二次電池（以下、故障電池と記載する）は放電抵抗による放電が不可能となるため、過放電になることはない。また、故障電池の端子電圧を目標電圧に設定し直すことで、最小電圧の二次電池も放電は行われず、過放電となることはない。そして、最小電圧よりも高い端子電圧を目標電圧として放電が行われるため、最小電圧を目標電圧として二次電池に放電を行わせる場合と比べると、無駄な放電を抑制でき、二次電池間の電圧ばらつきを低減させた後に電池モジュールとして使用できる電力量を増やすことができる。

また、セルバランス装置について、前記制御部は、故障と診断された放電回路が複数ある場合、故障と診断された複数の放電回路に接続された各二次電池のうち、最も高い端子電圧の二次電池の端子電圧を前記目標電圧に設定し直してもよい。

これによれば、故障と診断された放電回路が複数ある場合に、故障と診断された複数の放電回路に接続された各二次電池のうち、最も低い端子電圧の二次電池の端子電圧を目標電圧に設定し直す場合と比べると、無駄な放電を抑制でき、二次電池間の電圧ばらつきを低減させた後に使用できる電力量を増やすことができる。

本発明によれば、放電回路の故障がある場合における無駄な放電を抑制できる。

実施形態のセルバランス装置を示す回路図。 パッシブセルバランスを行う前の二次電池の分布を示す図。 最小電圧を目標電圧としてパッシブセルバランスを行ったときの二次電池の分布を示す図。 目標電圧を設定し直す場合に行う制御フローを示す図。 故障電池の端子電圧を目標電圧としてパッシブセルバランスを行ったときの二次電池の分布を示す図。

以下、セルバランス装置を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、電池パックは、複数の二次電池Ｂを備える電池モジュール１２と、二次電池Ｂ間の電圧ばらつきを低減させるパッシブ方式のセルバランス装置３０と、を備える。

電池モジュール１２は、複数の二次電池Ｂを直列接続したものである。各二次電池Ｂは、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池が採用される。電池モジュール１２は、負荷に対し放電可能である。

セルバランス装置３０は、電池モジュール１２における二次電池Ｂ間の電圧ばらつきをパッシブ方式によって低減させる（以下、パッシブセルバランスと記載する）。
セルバランス装置３０は、各二次電池Ｂにそれぞれ設けられた放電回路を備える。各放電回路は、各二次電池Ｂと並列接続されている。各放電回路は、直列接続された放電スイッチＳｗ及び放電抵抗Ｒからなる。

また、セルバランス装置３０は、各二次電池Ｂの端子電圧を検出する電圧センサＶｓを備える。各電圧センサＶｓで検出される電圧信号は、電圧監視部１４に入力される。セルバランス装置３０は、制御部３１を備え、制御部３１には電圧監視部１４が接続されている。そして、制御部３１には電圧監視部１４から各二次電池Ｂの電圧信号が入力される。

制御部３１は、記憶部３１ｂ、及び、タイマ３１ｃを備えるマイクロコンピュータなどである。記憶部３１ｂには、パッシブセルバランスを行うためのプログラムなどが記憶されている。制御部３１は、タイマ３１ｃによる計時機能を備える。制御部３１は、電圧監視部１４から電圧信号を取得する。制御部３１は、電圧監視部１４から取得した各二次電池Ｂの端子電圧に基づいて、パッシブセルバランスを行うか否かを判定する。

具体的には、制御部３１は、電圧監視部１４から取得される各二次電池Ｂの電圧信号から、各二次電池Ｂの端子電圧のうち、最小の端子電圧を最小電圧Ｖｍｉｎとして記憶部３１ｂに保持する。制御部３１は、最小電圧Ｖｍｉｎと、その他の端子電圧とを比較し、最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差が予め設定された閾値以上になると、電圧差が閾値以上になった二次電池Ｂにおいてパッシブセルバランスを行う。

パッシブセルバランスを行う際、制御部３１は、最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて目標電圧Ｖｔを設定する。制御部３１は、目標電圧Ｖｔより高い端子電圧の二次電池Ｂに並列に接続された放電回路の放電スイッチＳｗにオン指令を発し、その二次電池Ｂを放電させ、二次電池Ｂの残容量を減少させて端子電圧を低下させる。そして、制御部３１は、放電させた二次電池Ｂの端子電圧を取得しながら、放電させた二次電池Ｂの端子電圧を目標電圧Ｖｔに一致させる。

ところで、放電スイッチＳｗが正常にオンした状態においては、放電回路に放電電流が流れ、電圧センサＶｓによって検出される端子電圧は放電スイッチＳｗをオフした場合に比べて大幅に小さくなるはずである。

しかし、放電回路が正常な放電機能を発揮できない故障が生じる場合がある。このような故障は、放電スイッチＳｗがオンしない場合や断線などにより生じ、放電抵抗Ｒによる放電が不可能となり、故障した放電回路に接続された二次電池Ｂは放電が不可能となる。放電回路が故障した場合には、放電スイッチＳｗにオン指令を発した状態で電圧センサＶｓによって端子電圧を検出した場合、検出される端子電圧は放電スイッチＳｗのオフ時と略同じとなり、二次電池Ｂの端子電圧が小さくならない。

したがって、放電回路の故障を診断する場合、制御部３１は、放電スイッチＳｗのオン指令を発した時点からタイマ３１ｃによる時間の計測を開始する。制御部３１は、タイマ３１ｃによる計測開始から一定時間経過した後に検出される端子電圧が、放電スイッチＳｗのオフ指令発生時の端子電圧と同程度であれば、放電回路の故障（所謂、オフ故障）と診断する。よって、制御部３１は、放電回路の故障によって放電抵抗Ｒによる放電が不可能となった二次電池Ｂ（以下、故障電池Ｂｎｇと記載する）を検出する故障診断部として機能する。

このような放電回路の故障が発生した場合であっても、制御部３１は、入力される各二次電池Ｂの端子電圧を比較し、パッシブセルバランスを行う。故障電池Ｂｎｇが発生した場合、その故障電池Ｂｎｇの端子電圧が、最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定された目標電圧Ｖｔより高い場合がある。故障電池Ｂｎｇは、放電回路が故障しているため、放電抵抗Ｒによる放電を行うことができず、パッシブセルバランスを行っても、端子電圧は低下しない。

ここで、電池モジュール１２の複数の二次電池Ｂの端子電圧のばらつきについて説明する。なお、本実施形態では、電池モジュール１２の二次電池Ｂの数は４つであるが、以下の説明においては、二次電池Ｂの数が４つよりも多い場合を想定する。

図２は、縦軸に端子電圧を示し、横軸に二次電池Ｂの個数を示す。図２は、分かり易く説明するため、電池モジュール１２の複数の二次電池Ｂの端子電圧の分布が正規分布に近い状態となる場合を想定する。

この場合にパッシブセルバランスが行われると、目標電圧Ｖｔを最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定するため、図３に示すように、理論上は、複数の二次電池Ｂの端子電圧の分布は最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定された目標電圧Ｖｔに偏る。このため、図３の２点鎖線に示す部分のエネルギは、無駄な放電によって使用されなくなり、電池モジュール１２の電力量（Ｗｈ）が減ってしまう。

そこで、無駄な放電を抑制するため、故障電池Ｂｎｇの端子電圧が最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定された目標電圧Ｖｔより高い場合は、故障電池Ｂｎｇの端子電圧を新たな目標電圧Ｖｔに設定し直してパッシブセルバランスを行うようにした。

次に、パッシブセルバランスについて詳細に説明するとともに、制御部３１による目標電圧の設定について説明する。なお、制御部３１によるパッシブセルバランスは、周期的に行われている。

まず、パッシブセルバランスを行う際は、制御部３１は、電圧監視部１４から取得された各電圧センサＶｓの電圧信号から各二次電池Ｂの端子電圧を取得し、記憶部３１ｂに保持する。制御部３１は、各二次電池Ｂの端子電圧を比較し、各二次電池Ｂの端子電圧のうちの最小電圧Ｖｍｉｎを記憶部３１ｂに保持するとともに、その最小電圧Ｖｍｉｎを仮の目標電圧Ｖｔａとして設定し、記憶部３１ｂに保持する。なお、仮の目標電圧Ｖｔａは、最小電圧Ｖｍｉｎに誤差（例えば、［９ｍＶ］）を加算した値としてもよい。

次に、制御部３１は、最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定された仮の目標電圧Ｖｔａと、その他の端子電圧とを比較し、仮の目標電圧Ｖｔａとの電圧差が予め設定された閾値以上になった二次電池Ｂが存在する場合にパッシブセルバランスを行う。なお、閾値は、電圧センサＶｓの測定誤差や個体誤差を考慮して、若干大きく設定（例えば、１３［ｍＶ］）するのが好ましい。

パッシブセルバランスを行う場合、制御部３１は、仮の目標電圧Ｖｔａを設定した後に目標電圧Ｖｔを設定し直す処理を行う。次に、目標電圧Ｖｔを設定し直す際の処理を図４を用いて説明する。

図４に示すように、制御部３１は、各放電回路の故障診断を行う（ステップＳ１）。制御部３１は、各放電回路の放電スイッチＳｗにオン指令を発するとともに、オン指令を発した時点での各端子電圧を記憶部３１ｂに保持する。また、制御部３１は、放電スイッチＳｗのオン指令を発した時点からタイマ３１ｃによる時間の計測を開始する。

そして、放電スイッチＳｗがオンすることにより、各二次電池Ｂが、仮の目標電圧Ｖｔａに近付くように放電する。なお、故障診断を行うための放電は、各二次電池Ｂの端子電圧が仮の目標電圧Ｖｔａまで低下しないように、短時間で行われる。

制御部３１は、タイマ３１ｃによる計測開始から一定時間が経過した時点で、電圧監視部１４から取得される各二次電池Ｂの端子電圧を記憶部３１ｂに保持する。制御部３１は、オン指令を発した時点での各二次電池Ｂの端子電圧と、タイマ３１ｃによる計測開始から一定時間が経過した時点での各二次電池Ｂの端子電圧とを比較し、その電圧差に基づいて故障診断を行う。

ステップＳ２において、制御部３１は、全ての二次電池Ｂにおいて、一定値以上の電圧差がある場合には各放電回路に故障が無いと診断し（ステップＳ２でＮＯ）、制御部３１は、ステップＳ３に移行し、仮の目標電圧Ｖｔａをそのまま目標電圧Ｖｔに設定し、その後、処理を終了する。

一方、ステップＳ２において、制御部３１は、電圧差がほとんど無い二次電池Ｂが存在する場合には、その二次電池Ｂに接続された放電回路に故障が有ると診断する（ステップＳ２でＹＥＳ）。ステップＳ２でＹＥＳの場合、制御部３１は、故障電池Ｂｎｇを検出することとなる。そして、制御部３１は、放電回路に故障があると診断した場合、ステップＳ４の処理を行う。

ステップＳ４において、制御部３１は、故障電池Ｂｎｇの端子電圧が、仮の目標電圧Ｖｔａより高いか否かを判定する。そして、故障電池Ｂｎｇの端子電圧が、仮の目標電圧Ｖｔａより高くない場合（ステップＳ４でＮＯ）は、ステップＳ３に移行し、仮の目標電圧Ｖｔａをそのまま目標電圧Ｖｔに設定し、その後、処理を終了する。

一方、制御部３１は、故障電池Ｂｎｇの端子電圧が、仮の目標電圧Ｖｔａより高い場合（ステップＳ４でＹＥＳ）は、故障と診断された放電回路が１箇所か否かを判定する（ステップＳ５）。故障と診断された放電回路が１箇所の場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、制御部３１は、ステップＳ６の処理を行う。ステップＳ６において、制御部３１は、故障電池Ｂｎｇの端子電圧を目標電圧Ｖｔに設定する。つまり、制御部３１は、目標電圧Ｖｔを仮の目標電圧Ｖｔａから、故障電池Ｂｎｇの端子電圧に設定し直す。その後、制御部３１は処理を終了する。

一方、故障と診断された放電回路が複数あった場合（ステップＳ５でＮＯ）、制御部３１は、ステップＳ７の処理を行う。ステップＳ７において、制御部３１は、複数の故障電池Ｂｎｇのうち、最も高い端子電圧の故障電池Ｂｎｇの端子電圧を目標電圧Ｖｔに設定する。つまり、制御部３１は、目標電圧Ｖｔを仮の目標電圧Ｖｔａから、故障電池Ｂｎｇの端子電圧に設定し直す。その後、制御部３１は処理を終了する。

その後、制御部３１は、目標電圧Ｖｔよりも高い端子電圧の二次電池Ｂの放電回路において、放電スイッチＳｗをオンさせて、放電抵抗Ｒによるパッシブセルバランスを行い、目標電圧Ｖｔより高い端子電圧の二次電池Ｂの残容量を減少させて端子電圧を低下させる。そして、放電させた二次電池Ｂの端子電圧を電圧監視部１４で監視しながら、放電させた二次電池Ｂの端子電圧を目標電圧Ｖｔに一致させる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）故障と診断された放電回路が検出された場合、放電回路に接続された故障電池Ｂｎｇの端子電圧を目標電圧Ｖｔに設定し直すようにした。このため、図５に示すように、電池モジュール１２における二次電池Ｂの端子電圧の分布は、故障電池Ｂｎｇの端子電圧付近に偏る分布となる。よって、図３に示すように、目標電圧Ｖｔを、最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定してパッシブセルバランスを行った場合と比べて、無駄な放電が減り、電池モジュール１２の使用できる電力量（Ｗｈ）を増やすことができる。

（２）制御部３１により、故障電池Ｂｎｇを検出できる。そして、故障電池Ｂｎｇの端子電圧が、最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて設定された仮の目標電圧Ｖｔａよりも高い場合には、その故障電池Ｂｎｇの端子電圧を目標電圧Ｖｔに設定し直す。故障電池Ｂｎｇは放電抵抗Ｒによる放電を行うことができないため、過放電になることはないし、最小電圧Ｖｍｉｎの二次電池Ｂも放電は行われず、過放電となることはない。

（３）故障と診断された放電回路が複数ある場合は、目標電圧Ｖｔを最も高い端子電圧の故障電池Ｂｎｇの端子電圧に設定し直す。複数の故障電池Ｂｎｇのうち、最も高い端子電圧よりも低い端子電圧を目標電圧Ｖｔに設定し直す場合と比べると、無駄な放電を抑制でき、使用できる電力量を増やすことができる。

実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 故障と診断された放電回路が複数ある場合、目標電圧Ｖｔを、故障電池Ｂｎｇの端子電圧のうち、最も高い端子電圧以外の端子電圧に設定し直してもよい。

○ ステップＳ４とステップＳ５を処理順序を入れ替えてもよい。

Ｂ…二次電池、Ｓｗ…放電スイッチ、Ｒ…放電抵抗、１２…電池モジュール、３０…セルバランス装置、３１…制御部（故障診断部）。

Claims (2)

1. 複数の二次電池が直列に接続された電池モジュールの各二次電池にそれぞれ設けられ、直列接続された放電スイッチ及び放電抵抗が各二次電池と並列接続された放電回路と、
   各二次電池の端子電圧のうちの最小電圧に基づいて設定された目標電圧となるように各放電スイッチを開閉動作させて各二次電池間の電圧ばらつきを低減させる制御部と、
   前記放電回路の故障によって前記放電抵抗による放電が不可能となった二次電池を検出する故障診断部と、を備え、
   前記制御部は、前記故障診断部によって故障と診断された放電回路に接続された前記二次電池の端子電圧が、前記目標電圧より高い場合には、
   前記目標電圧を、故障と診断された放電回路に接続された二次電池の端子電圧に設定し直すことを特徴とするセルバランス装置。
2. 前記制御部は、故障と診断された放電回路が複数ある場合、故障と診断された複数の放電回路に接続された各二次電池のうち、最も高い端子電圧の二次電池の端子電圧を前記目標電圧に設定し直す請求項１に記載のセルバランス装置。