JP2021027706A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルバランスのための回路構成が簡素であり、セルバランスによるエネルギーの無駄な消費を抑制できる、電池システムを提供する。【解決手段】電池セルＢ１の端子電圧が電池セルＢｎの端子電圧よりも高い場合、第１配線１２および第２配線１３の接続先がそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス／マイナス入力端子となるように、入力側極性選択スイッチＳＷａ１，ＳＷａ２が接続される。その後、電池セルＢ１が第１配線１２および第２配線１３間に接続されるように、入力側セル選択スイッチＳＷａが接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス／マイナス出力端子の接続先がそれぞれ第３配線１４および第４配線１５となるように、出力側極性選択スイッチＳＷｂ１，ＳＷｂ２が接続される。その後、電池セルＢｎが第３配線１４および第４配線１５間に接続されるように、出力側セル選択スイッチＳＷｂが接続される。【選択図】図３

Description

本発明は、複数個の電池セルを直列に接続した電池モジュールを含む電池システムに関する。

従来、ハイブリッドシステムを駆動系に採用した車両、いわゆるハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）が知られている。

たとえば、シリーズ方式のハイブリッド車では、エンジンの動力が発電用のモータで電力に変換され、その電力で駆動用のモータが駆動されて、駆動用のモータの動力が駆動輪に伝達される。駆動用のモータで使用されない余剰な電力は、電池に蓄えられる。また、車両の減速時には、駆動用のモータが回生運転されることにより、駆動輪から駆動用のモータに伝達される動力が電力に変換され、その電力が電池に蓄えられて、駆動用のモータの駆動に利用される。

電池には、複数個の電池セル（二次電池）を直列に接続した電池モジュールが採用されている。電池モジュールでは、製造ばらつきや動作環境の違いにより、各電池セルの劣化速度に差が生じる。各電池セルの劣化速度の差は、各電池セルの端子電圧のばらつきとして現れる。そして、各電池セルの端子電圧にばらつきが生じていると、電池パックの能力を有効に使えない。

すなわち、劣化の進んだ電池セルは、劣化の進んでいない電池セルよりも充電容量が低下している。そのため、電池パックの放電時には、劣化の進んだ電池セルの端子電圧が劣化の進んでいない電池セルの端子電圧よりも先に放電終了電圧に達する。放電が続けられると劣化の進んだ電池セルが過放電状態となるため、電池パックの放電が終了される。このとき、劣化の進んでいない電池セルに電力が残っているが、その電力を使用することはできない。

一方、電池パックの充電時には、劣化の進んでいない電池セルの端子電圧が劣化の進んだ電池セルの端子電圧よりも先に充電終了電圧に達する。この時点で、劣化の進んだ電池セルの端子電圧は、充電終了電圧に達していない。しかし、充電が続けられると劣化の進んでいない電池セルが過充電状態となるため、電池パックの充電が終了される。

そこで、電池パックの能力を有効に使えるようにするため、各電池セルの端子電圧を均一化するセルバランスの技術が種々提案されている。

特開２０１０−９１５２０号公報 特開２０１１−２０００９５号公報

しかし、従来の技術では、電池セルに蓄えられているエネルギー（電力）が無駄に消費されたり、セルバランスのための回路が複雑で大型であったりする。そのため、従来の技術をハイブリッド車に採用すると、ハイブリッド車の燃費やコストが悪化する。

本発明の目的は、セルバランスのための回路構成が簡素であり、セルバランスによるエネルギーの損失を抑制できる、電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る電池システムは、複数個の電池セルを直列に接続した電池モジュールを含む電池システムであって、絶縁トランスを備える絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、第１配線および第２配線がそれぞれ絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス入力端子およびマイナス入力端子に接続される状態と、第１配線および第２配線がそれぞれマイナス入力端子およびプラス入力端子に接続される状態とを切り替える入力側極性選択スイッチと、第１配線および第２配線間に１個の電池セルを選択的に接続させる入力側セル選択スイッチと、第３配線および第４配線がそれぞれ絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス出力端子およびマイナス出力端子に接続される状態と、第３配線および第４配線がそれぞれマイナス出力端子およびプラス出力端子に接続される状態とを切り替える出力側極性選択スイッチと、第３配線および第４配線間に１個の電池セルを選択的に接続させる出力側セル選択スイッチとを含む。

この構成によれば、相対的に高い端子電圧の電池セルから相対的に低い端子電圧の電池セルに電力（エネルギー）を移動させることができる。

すなわち、第１の電池セルの端子電圧が第２の電池セルの端子電圧よりも高い場合、入力側セル選択スイッチの切り替えにより、第１の電池セルが第１配線および第２配線間に接続される。また、出力側セル選択スイッチの切り替えにより、第２の電池セルが第３配線および第４配線間に接続される。

第１の電池セルの正極端子が第１配線に接続され、その負極端子が第２配線に接続される場合には、入力側極性選択スイッチにより、第１配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス入力端子に接続され、第２配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのマイナス入力端子に接続される。一方、第２の電池セルの正極端子が第３配線に接続され、その負極端子が第４配線に接続される場合には、出力側極性選択スイッチにより、第３配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス出力端子に接続され、第４配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのマイナス出力端子に接続される。その後、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが作動すると、第１の電池セルの電力が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを介して第２の電池セルに移動する。

第１の電池セルの正極端子が第２配線に接続され、その負極端子が第１配線に接続される場合には、入力側極性選択スイッチにより、第１配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのマイナス入力端子に接続され、第２配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス入力端子に接続される。一方、第２の電池セルの正極端子が第４配線に接続され、その負極端子が第３配線に接続される場合には、出力側極性選択スイッチにより、第３配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのマイナス出力端子に接続され、第４配線が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス出力端子に接続される。その後、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが作動すると、第１の電池セルの電力が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを介して第２の電池セルに移動する。

相対的に高い端子電圧の電池セルから相対的に低い端子電圧の電池セルに電力が移動されることにより、エネルギーの損失を可及的に抑制しつつ、それらの電池セルの端子電圧を揃えることができる。そして、必要に応じて、相対的に高い端子電圧の電池セルから相対的に低い端子電圧の電池セルへの電力の移動が繰り返されることにより、電池モジュール全体をセルバランスさせることができる。

しかも、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、入力側極性選択スイッチ、入力側セル選択スイッチ、出力側極性選択スイッチおよび出力側セル選択スイッチを含む簡素な回路構成でセルバランスを図ることができる。よって、この電池システムが搭載された車両では、従来の技術が採用された車両と比較して、燃費およびコストを低減することができる。

本発明によれば、エネルギーの損失を可及的に抑制しつつ、電池モジュールのセルバランスを図ることができる。また、セルバランスのための回路構成が簡素であるから、本発明の電池システムが搭載される車両では、従来の技術が採用された車両と比較して、燃費およびコストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る電池システムの構成を図解的に示す回路図である。 セルバランス処理の流れを示すフローチャートである。 電池システムの構成を図解的に示す回路図であり、セルバランスの実行中の状態の一例を示す。 セルバランス処理の変形例を示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜電池システム＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電池システム１の構成を図解的に示す回路図である。

電池システム１は、電池モジュール２と、電池モジュール２のセルバランスのためのセルバランス回路３とを含む。

電池モジュール２は、ｎ（ｎ：２以上の整数）個の電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎを直列に接続してモジュール化したものである。各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎは、二次電池からなる。

セルバランス回路３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、第１配線１２、第２配線１３、第３配線１４、第４配線１５、第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１、第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２、第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１、第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２、ｎ＋１個の入力側セル選択スイッチＳＷａおよびｎ＋１個の出力側セル選択スイッチＳＷｂを含む。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、絶縁トランスを備える絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。

第１配線１２には、電池セルＢ１から電池セルＢ１，Ｂｎをそれぞれ先頭および後尾とする並び順（以下、この並び順を「セル並び順」という。）に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，Ｂ５，・・・の正極端子が入力側セル選択スイッチＳＷａを介して接続される。また、電池セルＢ２からセル並び順に１個置きの電池セルＢ２，Ｂ４，・・・の負極端子は、それぞれ電池セルＢ３からセル並び順に１個置きの電池セルＢ３，Ｂ５，・・・の正極端子と接続されているので、入力側セル選択スイッチＳＷａを介して第１配線１２に接続される。

第２配線１３には、電池セルＢ１からセル並び順に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，Ｂ５，・・・の負極端子が入力側セル選択スイッチＳＷａを介して接続される。また、電池セルＢ２からセル並び順に１個置きの電池セルＢ２，Ｂ４，・・・の正極端子は、それぞれ電池セルＢ１からセル並び順に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，・・・の負極端子と接続されているので、入力側セル選択スイッチＳＷａを介して第２配線１３に接続される。

第３配線１４には、電池セルＢ１からセル並び順に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，Ｂ５，・・・の正極端子が出力側セル選択スイッチＳＷｂを介して接続される。また、電池セルＢ２からセル並び順に１個置きの電池セルＢ２，Ｂ４，・・・の負極端子は、それぞれ電池セルＢ３からセル並び順に１個置きの電池セルＢ３，Ｂ５，・・・の正極端子と接続されているので、出力側セル選択スイッチＳＷｂを介して第３配線１４に接続される。

第４配線１５には、電池セルＢ１からセル並び順に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，Ｂ５，・・・の負極端子が出力側セル選択スイッチＳＷｂを介して接続される。また、電池セルＢ２からセル並び順に１個置きの電池セルＢ２，Ｂ４，・・・の正極端子は、それぞれ電池セルＢ１からセル並び順に１個置きの電池セルＢ１，Ｂ３，・・・の負極端子と接続されているので、出力側セル選択スイッチＳＷｂを介して第４配線１５に接続される。

第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１は、第１配線１２の接続先をＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス入力端子とマイナス入力端子とに選択的に切り替えるように構成されている。

第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２は、第２配線１３の接続先をＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス入力端子とマイナス入力端子とに選択的に切り替えるように構成されている。

第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス出力端子の接続先を第３配線１４と第４配線１５とに選択的に切り替えるように構成されている。

第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のマイナス出力端子の接続先を第３配線１４と第４配線１５とに選択的に切り替えるように構成されている。

＜セルバランス処理＞
図２は、セルバランス処理の流れを示すフローチャートである。

セルバランス処理は、セルバランス回路３を用いて、電池モジュール２の各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎの端子電圧を均一化（セルバランス）するための処理である。電池システム１がハイブリッド車または電気自動車などの車両に搭載される場合、電池システム１には、ＢＭＳ−ＥＣＵ（Battery Management System Electronic Control Unit：バッテリマネジメントシステム電子制御ユニット）が含まれ、セルバランス処理は、そのＢＭＳ−ＥＣＵにより、所定の周期で実行される。

セルバランス処理では、まず、各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎの端子電圧が取得される（ステップＳ１）。

次に、各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎの端子電圧の中から最大値および最小値が抽出されて、その最大値と最小値との差（最大電圧差）が算出される。そして、その算出された最大電圧差が所定の閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ２）。最大電圧差が閾値以下である場合（ステップＳ２のＮＯ）、セルバランス処理はそれ以降に進まず、各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎの端子電圧が再び取得される（ステップＳ１）。

最大電圧差が閾値を超えている場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、セルバランスが開始可能であるか否か、すなわち、セルバランスの開始を可能とする他の条件が成立しているか否かが判断される（ステップＳ３）。他の条件は、たとえば、セル温度が実用温度範囲外等の制限でセルバランス処理が不適と判断される場合である。

セルバランスを開始可能である場合、最大電圧差を生じている２個の電池セルが選択される（ステップＳ４）。つまり、端子電圧が最大値である電池セル（以下、「最大端子電圧セル」という。）と、端子電圧が最小値である電池セル（以下、「最小端子電圧セル」という。）とが選択される。

そして、最大端子電圧セルが第１配線１２および第２配線１３間に接続されるように、入力側セル選択スイッチＳＷａが選択的に接続される。また、最小端子電圧セルが第３配線１４および第４配線１５間に接続されるように、出力側セル選択スイッチＳＷｂが選択的に接続される。さらに、最大端子電圧セルの正極端子および負極端子がそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス入力端子およびマイナス入力端子と接続されるように、第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１および第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２が接続される。また、最小端子電圧セルの正極端子および負極端子がそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス出力端子およびマイナス入力端子に接続されるように、第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１および第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２が接続される（ステップＳ５）。

なお、このとき、最大端子電圧セルの正極端子および負極端子がそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１１のマイナス入力端子およびプラス入力端子と接続されることを防止するため、第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１および第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２が接続された後に、入力側セル選択スイッチＳＷａが選択的に接続されることが好ましい。同様に、最小端子電圧セルの正極端子および負極端子がそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１１のマイナス出力端子およびプラス出力端子と接続されることを防止するため、第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１および第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２が接続された後に、出力側セル選択スイッチＳＷｂが選択的に接続されることが好ましい。

たとえば、電池セルＢ１が最大端子電圧セルであり、電池セルＢｎが最小端子電圧セルである場合、図３に示されるように、第１配線１２の接続先がＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス入力端子となるように、第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１が接続される。また、第２配線１３の接続先がＤＣ−ＤＣコンバータ１１のマイナス入力端子となるように、第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２が接続される。その後、電池セルＢ１の正極端子と第１配線１２との間に介在される入力側セル選択スイッチＳＷａが接続（オン）され、また、電池セルＢ１の負極端子と第２配線１３との間に介在される入力側セル選択スイッチＳＷａが接続（オン）される。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のプラス出力端子の接続先が第３配線１４となるように、第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１が接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のマイナス出力端子の接続先が第４配線１５となるように、第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２が接続される。その後、電池セルＢｎの正極端子と第３配線１４との間に介在される出力側セル選択スイッチＳＷｂが接続（オン）され、また、電池セルＢｎの負極端子と第４配線１５との間に介在され出力側セル選択スイッチＳＷｂが接続（オン）される。

また、セル放電終了電圧およびセル充電終了電圧がそれぞれ決定される（ステップＳ６）。セル放電終了電圧は、最大端子電圧セルの端子電圧の目標値であり、最大端子電圧セルからの放電の停止を判断する閾値である。セル充電終了電圧は、最小端子電圧セルの端子電圧の目標値であり、最小端子電圧セルへの充電の停止を判断する閾値である。セル放電終了電圧およびセル充電終了電圧は、最大端子電圧セルの端子電圧と最小端子電圧セルの端子電圧との間の値に設定される。たとえば、セル放電終了電圧は、最大端子電圧セルの端子電圧と最小端子電圧セルの端子電圧との平均値よりも所定電圧だけ高い値に設定され、セル充電終了電圧は、その平均値よりも所定電圧だけ低い値に設定されてもよい。

その後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１がオンにされて、最大端子電圧セルからの放電および最小端子電圧セルへの充電によるセルバランスが開始される（ステップＳ７）。

セルバランスの開始後は、最大端子電圧セルの端子電圧がセル放電終了電圧に達したか否かが監視される（ステップＳ８）。また、最小端子電圧セルの端子電圧がセル充電終了電圧に達したか否かが監視される（ステップＳ９）。そして、最大端子電圧セルの端子電圧がセル放電終了電圧に達するか（ステップＳ８のＹＥＳ）、または、最小端子電圧セルの端子電圧がセル充電終了電圧に達すると（ステップＳ９のＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の停止によりセルバランスが終了される（ステップＳ１０）。

＜作用効果＞
以上のセルバランス処理により、最大端子電圧セルから最小端子電圧セルに電力（エネルギー）を移動させることができる。

最大端子電圧セルから最小端子電圧セルに電力が移動されることにより、エネルギーの損失を可及的に抑制しつつ、最大端子電圧セルの端子電圧と最小端子電圧セルの端子電圧とを揃えることができる。そして、必要に応じて、最大端子電圧セルから最小端子電圧セルへの電力の移動が繰り返されることにより、電池モジュール２をセルバランスさせることができる。

しかも、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、第１入力側極性選択スイッチＳＷａ１、第２入力側極性選択スイッチＳＷａ２、第１出力側極性選択スイッチＳＷｂ１、第２出力側極性選択スイッチＳＷｂ２、ｎ＋１個の入力側セル選択スイッチＳＷａおよびｎ＋１個の出力側セル選択スイッチＳＷｂを含む比較的簡素な回路構成で、電池モジュール２のセルバランスを図ることができる。よって、電池システム１が搭載された車両では、従来の技術が採用された車両と比較して、燃費およびコストを低減することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、図２に示されるセルバランス処理に代えて、図４に示されるセルバランス処理が実行されてもよい。

図４に示されるセルバランス処理では、各電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎ−１，Ｂｎの端子電圧の中から最大値および最小値が抽出されて、その最大値と最小値との差である最大電圧差が第１閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ２２）。また、図２に示されるステップＳ６の処理に代えて、第２閾値が決定される（ステップＳ２６）。第２閾値は、第１閾値よりも小さい値に設定される。そして、セルバランスの開始後（ステップＳ２７）、最大端子電圧セルの端子電圧と最小端子電圧セルの端子電圧との電位差が第２閾値以下に縮まると（ステップＳ２８のＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の停止によりセルバランスが終了される（ステップＳ２９）。

なお、図４に示されるステップＳ２１，Ｓ２３，Ｓ２４，Ｓ２５は、図２に示されるステップＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５と同一の内容の処理であるから、その説明は省略する。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：電池システム
２：電池モジュール
１１：ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２：第１配線
１３：第２配線
１４：第３配線
１５：第４配線
Ｂ１〜Ｂｎ：電池セル
ＳＷａ：入力側セル選択スイッチ
ＳＷａ１：第１入力側極性選択スイッチ（入力側極性選択スイッチ）
ＳＷａ２：第２入力側極性選択スイッチ（入力側極性選択スイッチ）
ＳＷｂ：出力側セル選択スイッチ
ＳＷｂ１：第１出力側極性選択スイッチ（出力側極性選択スイッチ）
ＳＷｂ２：第２出力側極性選択スイッチ（出力側極性選択スイッチ）

Claims (1)

1. 複数個の電池セルを直列に接続した電池モジュールを含む電池システムであって、
   絶縁トランスを備える絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   第１配線および第２配線がそれぞれ前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス入力端子およびマイナス入力端子に接続される状態と、前記第１配線および前記第２配線がそれぞれ前記マイナス入力端子および前記プラス入力端子に接続される状態とを切り替える入力側極性選択スイッチと、
   前記第１配線および前記第２配線間に１個の前記電池セルを選択的に接続させる入力側セル選択スイッチと、
   第３配線および第４配線がそれぞれ前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのプラス出力端子およびマイナス出力端子に接続される状態と、前記第３配線および前記第４配線がそれぞれ前記マイナス出力端子および前記プラス出力端子に接続される状態とを切り替える出力側極性選択スイッチと、
   前記第３配線および前記第４配線間に１個の前記電池セルを選択的に接続させる出力側セル選択スイッチとを含む、電池システム。

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