JP2022047616A - Battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電池モジュールを備える電池システムに係わる。 The present invention relates to a battery system including a plurality of battery modules.
充電可能な二次電池は、様々な分野において広く実用化されている。例えば、電気自動車またはプラグインハイブリッド車などの電動車両は、走行用モータに電力を供給するための大容量の二次電池を備える。 Rechargeable secondary batteries have been widely put into practical use in various fields. For example, an electric vehicle such as an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle includes a large capacity secondary battery for supplying power to a traveling motor.
大容量の二次電池は、多くのケースにおいて、並列に接続される複数の電池モジュールを備える。そして、並列に接続される複数の電池モジュールからモータ等の負荷に電力が供給される。なお、複数の電池を並列に接続する構成は、例えば、特許文献1~4に記載されている。
Large capacity secondary batteries often include multiple battery modules connected in parallel. Then, electric power is supplied to a load such as a motor from a plurality of battery modules connected in parallel. The configuration for connecting a plurality of batteries in parallel is described in, for example,
ただし、複数の電池モジュールを供える二次電池を充電する際には、それら複数の電池モジュールを直列に接続した方が、充電効率が高くなることがある。よって、複数の電池モジュールを備える電池システムは、直列接続と並列接続とを切り替える機能を備える。 However, when charging a secondary battery provided with a plurality of battery modules, the charging efficiency may be higher if the plurality of battery modules are connected in series. Therefore, a battery system including a plurality of battery modules has a function of switching between series connection and parallel connection.
ところで、並列に接続される複数の電池モジュールから負荷に電力を供給するときは、それら複数の電池モジュールの電圧が互いに同じであることが好ましい。このため、直列接続から並列接続に切り替えるときに、複数の電池モジュールの電圧を均等化する方法が提案されている。例えば、特許文献1には、電圧均等化処理の一例として、閾値以上の還流電流が流れると推定されるときに、複数の電池モジュールのなかの一部の電池モジュールを除外する手順が記載されている。
By the way, when power is supplied to a load from a plurality of battery modules connected in parallel, it is preferable that the voltages of the plurality of battery modules are the same as each other. Therefore, a method of equalizing the voltages of a plurality of battery modules when switching from the series connection to the parallel connection has been proposed. For example,
複数の電池モジュールの電圧がばらついている状態でそれらを並列に接続すると、複数の電池モジュールの電圧を均等化するように還流電流が発生する。そして、この状態で電池モジュールから負荷に電力を供給すると、負荷を駆動する駆動電流に還流電流が加わった合計電流が流れる。 When the voltages of a plurality of battery modules are dispersed and connected in parallel, a reflux current is generated so as to equalize the voltages of the plurality of battery modules. Then, when electric power is supplied to the load from the battery module in this state, a total current in which the return current is added to the drive current for driving the load flows.
したがって、還流電流の推定値のみに基づいて電圧均等化処理が必要か否かを判定すると、負荷が接続されたときに、想定を超える過剰な電流が流れることがある。このとき、駆動電流に還流電流が加わった合計電流が許容値を超えると、電池モジュールおよび/または電池モジュールの周辺の回路部品がダメージを受ける。 Therefore, if it is determined whether or not the voltage equalization processing is necessary based only on the estimated value of the return current, an excessive current exceeding an assumption may flow when the load is connected. At this time, if the total current obtained by adding the return current to the drive current exceeds the allowable value, the battery module and / or the circuit components around the battery module are damaged.
この問題は、負荷を駆動する駆動電流を制限すれば解決し得る。しかし、駆動電流を制限すると、負荷の出力が低下してしまう。また、電圧均等化処理の要否の判定において大きなマージンを設ける方法でも、過剰な電流を回避し得る。しかし、この方法では、還流電流が十分に小さい場合においても電圧均等化処理が実行されることがあり、負荷への電力の供給の開始が遅延してしまう。なお、この問題は、負荷を駆動するときだけでなく、負荷がモータ等である場合には、負荷からの回生電流が発生するときにも生じ得る。 This problem can be solved by limiting the drive current that drives the load. However, if the drive current is limited, the output of the load will decrease. Further, an excessive current can be avoided even by a method of providing a large margin in determining the necessity of the voltage equalization process. However, in this method, the voltage equalization process may be executed even when the return current is sufficiently small, and the start of power supply to the load is delayed. It should be noted that this problem can occur not only when driving a load but also when a regenerative current is generated from the load when the load is a motor or the like.
本発明の1つの側面に係る目的は、複数の電池モジュールを並列に接続する際に、電圧均等化処理を実行するか否かを適切に判定することである。 An object of one aspect of the present invention is to appropriately determine whether or not to execute a voltage equalization process when connecting a plurality of battery modules in parallel.
本発明の1つの態様の電池システムは、複数の電池モジュールと、前記複数の電池モジュールの電圧をそれぞれ測定する電圧センサと、前記複数の電池モジュールを直列または並列に接続する電気回路と、前記電気回路を制御する制御部を備える。前記制御部は、各電池モジュールについて、予め定められている許容電流値と内部抵抗に依存して決まる最大稼動電流との差分に基づいて許容還流電流値を計算し、前記電圧センサによりそれぞれ測定される前記複数の電池モジュールの電圧に基づいて、各電池モジュールについて、前記複数の電池モジュールが並列に接続されるときに発生する還流電流を推定し、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超えるときには、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールが無くなるまで、前記1以上の電池モジュールのうちから少なくとも1つを除外してゆき、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールが無くなったときに、残りの電池モジュールが並列に接続されるように前記接続回路を制御する。 The battery system of one aspect of the present invention includes a plurality of battery modules, a voltage sensor for measuring the voltage of the plurality of battery modules, an electric circuit connecting the plurality of battery modules in series or in parallel, and the electricity. A control unit for controlling the circuit is provided. The control unit calculates the permissible return current value for each battery module based on the difference between the predetermined permissible current value and the maximum operating current determined depending on the internal resistance, and measures the permissible recirculation current value by the voltage sensor. Based on the voltages of the plurality of battery modules, the recirculation current generated when the plurality of battery modules are connected in parallel is estimated for each battery module, and the estimated value of the recirculation current in one or more battery modules is calculated. When the corresponding allowable recirculation current value is exceeded, at least one of the above-mentioned one or more battery modules is excluded until there is no battery module whose estimated recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value. When there are no more battery modules whose estimated value exceeds the corresponding allowable recirculation current value, the connection circuit is controlled so that the remaining battery modules are connected in parallel.
このように、本発明の1つの態様の電池システムにおいては、各電池モジュールについて、最大稼働電流に還流電流の推定値を加えた合計電流が許容値を超えるか否かがモニタされる。そして、このモニタ結果に応じて、電圧均等化処理を実行するか否かが判定される。したがって、複数の電池モジュールを並列に接続するときに、電圧均等化処理を実行するか否かを適切に判定できる。この結果、負荷の稼働電流(駆動電流および/または回生電流)を過剰に制限することなく、電池モジュールおよび/または電池モジュールの周辺の回路部品のダメージを回避または抑制できる。 As described above, in the battery system of one aspect of the present invention, it is monitored whether or not the total current obtained by adding the estimated value of the reflux current to the maximum operating current exceeds the permissible value for each battery module. Then, it is determined whether or not to execute the voltage equalization process according to the monitor result. Therefore, when a plurality of battery modules are connected in parallel, it can be appropriately determined whether or not to execute the voltage equalization process. As a result, damage to the battery module and / or circuit components around the battery module can be avoided or suppressed without excessively limiting the operating current (driving current and / or regenerative current) of the load.
1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超えるときには、制御部は、それら1以上の電池モジュールの中で、還流電流の推定値が最も大きい電池モジュールから順番に除外してもよい。或いは、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超えるときには、制御部は、電圧が最も高い電池モジュールまたは電圧が最も低い電池モジュールから順番に除外してもよい。この場合、並列に接続される電池モジュールの数をできるだけ多く残しながら、過電流を回避できる。 When the estimated return current exceeds the corresponding allowable return current value in one or more battery modules, the control unit sequentially excludes the battery module having the largest estimated return current among the one or more battery modules. You may. Alternatively, when the estimated value of the recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value in one or more battery modules, the control unit may sequentially exclude the battery module having the highest voltage or the battery module having the lowest voltage. In this case, overcurrent can be avoided while leaving as many battery modules connected in parallel as possible.
1以上の電池モジュールのうちから電池モジュールを除外していく手順において、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールが無くなったときの残りの電池モジュールの数が所定の閾値以上であれば、制御部は、残りの電池モジュールが並列に接続されるように接続回路を制御する。この場合、電池システムは、必要な電力を供給できる状態で負荷に接続される。 In the procedure of excluding the battery modules from one or more battery modules, the number of remaining battery modules when the estimated value of the recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value is equal to or more than a predetermined threshold. If so, the control unit controls the connection circuit so that the remaining battery modules are connected in parallel. In this case, the battery system is connected to the load in a state where it can supply the required power.
上述の態様によれば、複数の電池モジュールを並列に接続する際に、電圧均等化処理を実行するか否かを適切に判定できる。 According to the above aspect, when connecting a plurality of battery modules in parallel, it is possible to appropriately determine whether or not to execute the voltage equalization process.
図1は、本発明の実施形態に係わる電池システムの一例を示す。本発明の実施形態に係わる電池システム100は、複数の電池モジュール1(1a~1n)および制御部10を備える。なお、電池システム100は、図1に示していない他の回路またはデバイスを備えてもよい。また、電池システムを「電池パック」と呼ぶことがある。
FIG. 1 shows an example of a battery system according to an embodiment of the present invention. The
電池モジュール1は、充電可能な二次電池である。図1に示す例では、電池モジュール1は、充電装置200により充電される。なお、電池モジュール1は、特に限定されるものではないが、例えば、直列に接続される複数の電池セルにより構成される。また、複数の電池モジュール1a~1nは、互いに実質的に同じ構成である。ただし、電池モジュール1a~1nの特性(例えば、内部抵抗の抵抗値)は、製造誤差等に起因するばらつきを有する。
The
各電池モジュール1に対して、電圧センサV、電流センサA、およびスイッチSW1~SW3が設けられる。電圧センサVは、電池モジュール1の電圧を検知する。電流センサAは、電池モジュール1の電流を検知する。スイッチSW1は、電池モジュール1の正極と正側電源ラインとの間に設けられる。正側電源ラインは、電源装置200の正極および負荷300に接続される。スイッチSW2は、電池モジュール1の負極と負側電源ラインとの間に設けられる。負側電源ラインは、電源装置200の負極および負荷300に接続される。また、負側電源ラインは、グランドに接続されてもよい。スイッチSW3は、互いに隣接する電池モジュール1間に設けられる。例えば、電池モジュール1aのスイッチSW3は、電池モジュール1aの負極と電池モジュール1bの正極との間に設けられる。なお、スイッチSW1~SW3は、複数の電池モジュール1a~1nを直列または並列に接続する電気回路の一例である。
A voltage sensor V, a current sensor A, and switches SW1 to SW3 are provided for each
制御部10は、スイッチSW1~SW3を制御することにより、複数の電池モジュール1a~1nを直列または並列に接続する。すなわち、制御部10は、電池モジュール1a~1nに対して、直列接続から並列接続への切替え、及び、並列接続から直列接続への切替えを制御することができる。また、制御部10は、電池モジュール1a~1nが並列に接続されるときに、電池モジュール1a~1nの電圧を均等化する電圧均等化処理を制御する。
The
制御部10は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムにより実現される。この場合、上述した切替え処理および電圧均等化に係わる処理を記述したプログラムがメモリに格納される。そして、プロセッサがこのプログラムを実行することで、切替え処理および電圧均等化に係わる処理が実現される。ただし、制御部10の機能の一部または全部は、ハードウェア回路で実現してもよい。
The
上記構成の電池システム100において、電池モジュール1a~1nを充電するときには、制御部10は、電池モジュール1a~1nを直列に接続する。この場合、制御部10は、電池モジュール1a~1nの中で最も正極側に配置される電池モジュール1(図1では、電池モジュール1a)のスイッチSW1、及び、電池モジュール1a~1nの中で最も負極側に配置される電池モジュール1(図1では、電池モジュール1n)のスイッチSW2をオン状態に制御すると共に、他のスイッチSW1、SW2をオフ状態に制御する。加えて、制御部10は、各スイッチSW3をオン状態に制御する。これにより、電池モジュール1a~1nが直列に接続される。
In the
電池モジュール1a~1nから負荷300に電力を供給するときは、制御部10は、電池モジュール1a~1nを並列に接続する。この場合、制御部10は、すべてのスイッチSW1、SW2をオン状態に制御すると共に、すべてのスイッチSW3をオフ状態に制御する。これにより、電池モジュール1a~1nが並列に接続される。
When power is supplied from the
ただし、上述したように、電池モジュール1a~1nの特性(例えば、内部抵抗の抵抗値)は、製造誤差等に起因するばらつきを有する。このため、充電動作が終了した後、電池モジュール1a~1nを直列接続から並列接続に切り替えるときに、電池モジュール1a~1nの電圧が均等化されていないことがある。そして、電池モジュール1a~1nの電圧が均等化されていない状態で電池モジュール1a~1nを並列に接続すると、還流電流が発生する。
However, as described above, the characteristics of the
図2は、複数の電池モジュールを並列に接続したときに流れる電流の一例を示す。この例では、電池モジュール1a~1nを直列接続から並列接続に切り替えるときに、電池モジュール1bの電圧が最も高いものとする。また、電池モジュール1a、1nの電圧は、それぞれ、電池モジュール1a~1nの電圧の平均より低いものとする。なお、図2においては、図面を見やすくするために、スイッチSW1~SW3、電圧センサV、電流センサAは省略されている。
FIG. 2 shows an example of the current flowing when a plurality of battery modules are connected in parallel. In this example, it is assumed that the voltage of the
電池モジュール1a~1nが並列に接続されると、電池モジュール1a~1nの電圧が均等化されるように還流電流が発生する。すなわち、電池モジュール1bの電圧が高く、電池モジュール1a、1nの電圧が低いときは、図2(a)に示す還流電流が発生する。このとき、電池モジュール1bには放電電流が流れ、電池モジュール1a、1nには充電電流が流れる。すなわち、電池モジュール1bから出力され、電池モジュール1a、1nを通過して電池モジュール1bに戻ってくる還流電流が発生する。
When the
ここで、電池モジュール1a~1nを並列に接続すると同時に、電池モジュール1a~1nから負荷300に電力を供給するものとする。この場合、図2(b)に示す駆動電流が流れる。なお、駆動電流は、負荷300の稼働時に流れる稼働電流の一例である。
Here, it is assumed that the
したがって、電池モジュール1a~1nを並列に接続すると同時に、電池モジュール1a~1nから負荷300に電力を供給するケースでは、図2(a)に示す還流電流および図2(b)に示す駆動電流が流れる。すなわち、各電池モジュール1a~1nには、駆動電流に還流電流が加わった合計電流が流れる。ここで、電圧が高い電池モジュール(図2では、電池モジュール1b)においては、駆動電流が流れる方向および還流電流が流れる方向が互いに同じである。このため、電圧が高い電池モジュールにおいては、負荷300の稼働時に想定されている電流よりも大きな合計電流が発生するおそれがある。そして、この合計電流が許容値を越えると、電池モジュールおよび/または電池モジュールの周辺の回路部品(例えば、スイッチSW1、SW2)がダメージを受ける。
Therefore, in the case where the
なお、負荷300がモータである場合には、図2(c)に示すように、回生電流が発生する。この場合、各電池モジュール1a~1nには、回生電流に還流電流が加わった合計電流が流れる。ここで、電圧が低い電池モジュール(図2では、電池モジュール1aまたは1n)においては、回生電流が流れる方向および還流電流が流れる方向が互いに同じである。したがって、電圧が低い電池モジュールにおいては、負荷300による回生時に想定されている電流よりも大きな合計電流が発生するおそれがある。なお、回生電流も、負荷300の稼働時に流れる稼働電流の一例である。
When the
そこで、電池システム100は、電池モジュール1a~1nを並列に接続するときに発生し得る還流電流および負荷300の稼働電流(駆動電流および/または回生電流)を考慮して、電圧均等化処理を実行するか否かを判定する。そして、電圧均等化処理を実行すると判定したときは、電池システム100は、電池モジュール1a~1nを並列に接続する前に電圧均等化処理を実行する。この場合、電圧均等化処理が実行された後は、還流電流は、発生しないか、発生したとしても非常に小さい値になる。したがって、電池モジュール1a~1nを並列に接続するときに過剰な電流が発生する可能性は低くなる。一方、電圧均等化処理を実行しないと判定したときは、電池システム100は、電圧均等化処理を実行することなく、即座に、電池モジュール1a~1nを並列に接続する。この場合、電池システム100は、遅延なく負荷300への電力の供給を開始できる。
Therefore, the
図3は、電圧均等化処理の要否を判定する方法の一例を示す。この例では、電池システム100は、4個の電池モジュールM1~M4を備える。そして、電池モジュールM1~M4を並列に接続するときに、電池モジュールM1、M4の電圧が電池モジュールM2、M3の電圧より高いものとする。
FIG. 3 shows an example of a method for determining the necessity of voltage equalization processing. In this example, the
許容電流値は、電池モジュールがダメージを受けることなく流すことができる電流の上限値を表す。すなわち、電池モジュールに許容電流値よりも大きい電流が流れると、その電池モジュールがダメージを受けるおそれがある。なお、許容電流値は、電池モジュールの構造および特性に依存するものであり、この例では、電池モジュールM1~M4に対して同じであるものとする。また、電池モジュールが放電する際の許容電流値および電池モジュールを充電する際の許容電流値は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。 The permissible current value represents the upper limit of the current that can be passed without damaging the battery module. That is, if a current larger than the allowable current value flows through the battery module, the battery module may be damaged. The allowable current value depends on the structure and characteristics of the battery module, and in this example, it is assumed to be the same for the battery modules M1 to M4. Further, the permissible current value when the battery module is discharged and the permissible current value when the battery module is charged may be the same as each other or may be different from each other.
C1~C4は、電池モジュールM1~M4を並列に接続するときに電池モジュールM1~M4に流れる還流電流を表す。この例では、電池モジュールM1、M4の電圧が、電池モジュールM2、M3の電圧より高い。よって、電池モジュールM1、M4には放電電流が流れ、電池モジュールM2、M3には充電電流が流れる。ここで、各電池モジュールの還流電流は、制御部10により推定される。このとき、制御部10は、電圧センサVによりそれぞれ測定される電圧に基づいて、各電池モジュールについて、複数の電池モジュールが並列に接続されるときに発生する還流電流を推定する。なお、還流電流を推定または計算する方法は、後で説明する。
C1 to C4 represent the reflux current flowing through the battery modules M1 to M4 when the battery modules M1 to M4 are connected in parallel. In this example, the voltage of the battery modules M1 and M4 is higher than the voltage of the battery modules M2 and M3. Therefore, a discharge current flows through the battery modules M1 and M4, and a charge current flows through the battery modules M2 and M3. Here, the reflux current of each battery module is estimated by the
D1~D4は、電池モジュールM1~M4の最大駆動電流を表す。各電池モジュールM1~M4の最大駆動電流は、負荷300の最大駆動電流に基づいて決定される。負荷300の最大駆動電流は、負荷300を駆動するために流れる電流の最大値であり、仕様等により予め設定されている。よって、負荷300の最大駆動電流を、電池システム100が備える電池モジュールの個数で割算することで、各電池モジュールの最大駆動電流が算出される。この例では、負荷300の最大駆動電流を「4」で割算することにより、各電池モジュールM1~M4の最大駆動電流D1~D4が算出される。
D1 to D4 represent the maximum drive current of the battery modules M1 to M4. The maximum drive current of each battery module M1 to M4 is determined based on the maximum drive current of the
ただし、電池モジュールM1~M4の特性(例えば、内部抵抗の抵抗値)は、製造誤差等に起因するばらつきを有する。このため、各電池モジュールM1~M4の最大駆動電流D1~D4は、電池モジュールM1~M4の内部抵抗の抵抗値を考慮して計算することが好ましい。 However, the characteristics of the battery modules M1 to M4 (for example, the resistance value of the internal resistance) have variations due to manufacturing errors and the like. Therefore, it is preferable to calculate the maximum drive currents D1 to D4 of the battery modules M1 to M4 in consideration of the resistance values of the internal resistances of the battery modules M1 to M4.
E1~E4は、電池モジュールM1~M4の最大回生電流を表す。各電池モジュールM1~M4の最大回生電流は、負荷300の最大回生電流に基づいて決定される。負荷300の最大回生電流は、負荷300から回生される電流の最大値であり、仕様等により予め設定されている。よって、負荷300の最大回生電流を、電池システム100が備える電池モジュールの個数で割算することで、各電池モジュールの最大回生電流が算出される。この例では、負荷300の最大回生電流を「4」で割算することにより、各電池モジュールM1~M4の最大回生電流E1~E4が算出される。なお、各電池モジュールM1~M4の最大回生電流E1~E4も、電池モジュールM1~M4の内部抵抗の抵抗値を考慮して計算することが好ましい。
E1 to E4 represent the maximum regenerative current of the battery modules M1 to M4. The maximum regenerative current of each battery module M1 to M4 is determined based on the maximum regenerative current of the
制御部10は、各電池モジュールM1~M4について、還流電流C1~C4と対応する許容還流電流値TH1~TH4とを比較する。許容還流電流値は、この実施例では、許容電流値と最大駆動電流D1~D4または最大回生電流E1~E4との差分を表す。具体的には、還流電流として放電電流が発生する電池モジュール(M1、M4)においては、負荷300の稼働時の許容電流値THDと対応する最大駆動電流(D1、D4)との差分がそれぞれ計算される。還流電流として充電電流が発生する電池モジュール(M2、M3)においては、負荷300の回生時の許容電流値THEと対応する最大回生電流(E1、E4)との差分がそれぞれ計算される。すなわち、電池モジュールM1~M4に対して下記の許容還流電流値TH1~TH4が計算される。
The
電池モジュールM1:TH1=THD-D1
電池モジュールM2:TH2=THE-E2
電池モジュールM3:TH3=THE-E3
電池モジュールM4:TH4=THD-D4
Battery module M1: TH1 = THD-D1
Battery module M2: TH2 = THE-E2
Battery module M3: TH3 = THE-E3
Battery module M4: TH4 = THD-D4
そして、還流電流C1~C4が対応する許容還流電流値TH1~TH4より大きい電池モジュールが存在するときは、制御部10は、電圧均等化処理を実行する。ただし、図3に示す例では、還流電流は、いずれも対応する許容還流電流値より小さい。すなわち、還流電流C1は許容還流電流値TH1より小さく、還流電流C2は許容還流電流値TH2より小さく、還流電流C3は許容還流電流値TH3より小さく、還流電流C4は許容還流電流値TH4より小さい。よって、この場合、制御部10は、電圧均等化処理を実行することなく、電池モジュールM1~M4を並列に接続する。そして、電池システム100は、電池モジュールM1~M4を用いて負荷300に電力を供給する。
Then, when there is a battery module whose recirculation currents C1 to C4 are larger than the corresponding permissible recirculation current values TH1 to TH4, the
図4は、電圧均等化処理を実行するケースの一例を示す。この例では、図4(a)に示すように、電池モジュールM1の還流電流C1が対応する許容還流電流値TH1より大きくなる。この場合、制御部10は、電池モジュールM1~M4を並列に接続する前に電圧均等化処理を実行する。このとき、制御部10は、電圧均等化処理として、還流電流が対応する許容還流電流値より大きい電池モジュール(すなわち、電池モジュールM1)を除外する。この結果、図4(b)に示すように、接続対象の電池モジュールとして、電池モジュールM2~M4が残る。そして、制御部10は、残りの電池モジュールについて還流電流を再計算する。すなわち、電池モジュールM2~M4の還流電流C2~C4が算出される。なお、各電池モジュールの還流電流は、それら電池モジュールの電圧のバランスに基づいて決まる。よって、電池モジュールM1が除外される前に推定された還流電流C2~C4と、電池モジュールM1が除外された後に推定される還流電流C2~C4とは、基本的に、異なる値になる。
FIG. 4 shows an example of a case where the voltage equalization process is executed. In this example, as shown in FIG. 4A, the recirculation current C1 of the battery module M1 is larger than the corresponding permissible recirculation current value TH1. In this case, the
この後、制御部10は、除外されずに残っている各電池モジュール(すなわち、電池モジュールM2~M4)について、還流電流と対応する許容還流電流値とを比較する。各許容還流電流値TH2~TH4は、先に計算した値から変わらない。そして、すべての還流電流C2~C4がそれぞれ対応する許容還流電流値TH2~TH4よりも小さくなると、制御部10は、電圧均等化処理を終了して電池モジュールM2~M4を並列に接続する。
After that, the
なお、電池モジュールM2~M4の中で、さらに、還流電流が対応する許容還流電流値より大きい電池モジュールが見つかったときは、上述の処理が繰り返し実行される。すなわち、すべての還流電流がそれぞれ対応する許容還流電流値より小さくなるまで、接続すべき電池モジュールが1つずつ除外されてゆく。 When a battery module having a recirculation current larger than the corresponding permissible recirculation current value is found among the battery modules M2 to M4, the above process is repeatedly executed. That is, the battery modules to be connected are excluded one by one until all the reflux currents are smaller than the corresponding allowable reflux current values.
このように、本発明の実施形態に係わる電池システム100においては、負荷300の最大稼働電流および各電池モジュールの内部抵抗の抵抗値に基づいて各電池モジュールの許容還流電流値が計算される。また、各電池モジュールの電圧に基づいて、各電池モジュールに流れる還流電流が推定される。そして、1以上の電池モジュールにおいて還流電流が対応する許容還流電流値を超えるときは、電圧均等化処理が実行される。一方、すべての電池モジュールにおいて還流電流が対応する許容還流電流値以下であるときは、電圧均等化処理を実行することなく、即座に、電池モジュールM1~M4が並列に接続される。すなわち、製造誤差等に起因するばらつきを考慮して、電池モジュール毎に還流電流の推定値と許容還流電流値とが比較され、それらの比較に基づいて電圧均等化処理の要否が判定されるので、必要な電圧均等化処理が確実に実行され、還流電流に起因する過電流が抑制される。加えて、不必要な電圧均等化処理が抑制されるので、負荷300への電力供給の開始が早くなる。
As described above, in the
なお、図3~図4に示す例では、負荷300を駆動する際の電流(放電電流)および負荷300が電流を回生する際の電流(充電電流)の双方をモニタして電圧均等化処理の要否が判定されるが、本発明はこの手順に限定されるものではない。例えば、電池システム100により電力が供給される負荷が回生電流を発生させないときは、負荷300を駆動する際の電流(放電電流)のみに対して電圧均等化処理の要否を判定してもよい。
In the examples shown in FIGS. 3 to 4, both the current (discharge current) when driving the
図5は、電圧均等化処理の要否を判定する処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、複数の電池モジュールを並列に接続する前に制御部10により実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of a process for determining the necessity of the voltage equalization process. The processing of this flowchart is executed by the
S1において、制御部10は、負荷300の最大稼働電流および各電池モジュールの内部抵抗の抵抗値に基づいて、各電池モジュールの最大稼働電流を計算する。負荷300の最大稼働電流は、既知であり、例えば、不図示のメモリに予め保存されている。また、各電池モジュールの内部抵抗の抵抗値は、予め測定されて不図示のメモリに予め保存されている。なお、このフローチャートの説明において、最大稼働電流は、最大駆動電流および最大回生電流を含むものとする。
In S1, the
S2において、制御部10は、電池モジュール毎に、許容電流値および最大稼働電流から許容還流電流値を計算する。一例としては、許容電流値から最大稼働電流を引算することで許容還流電流値が得られる。許容電流値は、すべての電池モジュールにおいて同じであり、不図示のメモリに予め保存されている。
In S2, the
S3において、制御部10は、各電池モジュールの還流電流を推定する。各電池モジュールの還流電流を推定する方法については、後で記載する。
In S3, the
S4~S5において、制御部10は、並列化判定処理を実行する。すなわち、制御部10は、電池モジュール毎に、許容還流電流値と還流電流の推定値とを比較する。そして、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きいときには、制御部10は、複数の電池モジュールを並列に接続する前に電圧均等化処理が必要であると判定する。この場合、制御部10は、S6において電圧均等化処理を実行する。一方、すべての電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値以下であれば、S6の電圧均等化処理はスキップされる。
In S4 to S5, the
S7において、制御部10は、複数の電池モジュールを並列に接続する。このとき、制御部10は、各電池モジュールのスイッチSW1およびSW2をそれぞれオン状態に制御すると共に、各スイッチSW3をオフ状態に制御する。
In S7, the
図6は、電圧均等化処理の一例を示すフローチャートである。なお、図6に示す電圧均等化は、図5に示すS6に相当する。すなわち、図6に示すフローチャートの処理は、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きいときに実行される。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of the voltage equalization process. The voltage equalization shown in FIG. 6 corresponds to S6 shown in FIG. That is, the process of the flowchart shown in FIG. 6 is executed when the estimated value of the recirculation current is larger than the corresponding permissible recirculation current value in one or more battery modules.
S11において、制御部10は、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きい1以上の電池モジュールの中から1つの電池モジュールを選択する。このとき、制御部10は、例えば、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きい1以上の電池モジュールの中から、還流電流の推定値が最も大きい電池モジュールを選択する。
In S11, the
S12において、制御部10は、S11で選択した電池モジュールを除く、残りの電池モジュールの還流電流をそれぞれ推定(再計算)する。なお、各電池モジュールの還流電流を推定する方法は、S3およびS12において実質的に同じである。
In S12, the
S13において、制御部10は、除外されずに残っている電池モジュールの中で、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きいか否かを判定する。この判定は、S5およびS13において実質的に同じである。そして、1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値より大きいときは、制御部10の処理はS11に戻る。すなわち、除外されずに残っている全ての電池モジュールの還流電流の推定値が対応する許容還流電流値以下になるまで、S11~S13の処理が繰り返し実行される。このとき、残りの電池モジュールの数が1ずつ減っていく。そして、除外されずに残っている全ての電池モジュールの還流電流の推定値が対応する許容還流電流値以下になると、制御部10の処理はS14に進む。
In S13, the
S14において、制御部10は、除外されずに残っている電池モジュールの数が所定の閾値以上であるか否かを判定する。この閾値は、負荷300を正常に稼働させるために必要な最小限の電池モジュールの数を表す。例えば、負荷300が通常の動作において電力「75」を消費するものとする。また、各電池モジュールは、負荷300に電力「10」を供給できるものとする。この場合、負荷300が必要とする電力を供給するためには、電池システム100は、少なくとも8個の電池モジュールを使用する必要がある。したがって、この場合、閾値は8である。
In S14, the
除外されずに残っている電池モジュールの数が閾値以上であるときは、制御部10は、S15において、電池モジュールの並列接続が可能であると判定する。この場合、制御部10は、図5に示すS7において、除外されずに残っている電池モジュールを並列に接続して負荷300に電力を供給する。
When the number of battery modules remaining without being excluded is equal to or greater than the threshold value, the
除外されずに残っている電池モジュールの数が閾値よりも少ないときには、制御部10は、S16において、電池モジュールの並列接続が不可であると判定する。この場合、制御部10は、図6に示すS7の並列化を実行しない。すなわち、電池システム100は、負荷300に電力を供給しない。また、制御部10は、負荷300に電力を供給できないことを表すアラートを出力してもよい。
When the number of battery modules remaining without being excluded is less than the threshold value, the
なお、図6に示す手順では、制御部10は、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールの中で電池モジュールを1つずつ除外してゆく。例えば、還流電流の推定値が大きい電池モジュールから順番に除外されてゆく。ただし、還流電流の大きさは、並列に接続すべき複数の電池モジュール間の電圧差に依存する。すなわち、複数の電池モジュールの中で、電圧が最も高い電池モジュールまたは電圧が最も低い電池モジュールの還流電流の推定値は大きいと考えられる。したがって、制御部10は、S11~S12において、電圧が最も高い電池モジュールまたは電圧が最も低い電池モジュールを除外してもよい。
In the procedure shown in FIG. 6, the
また、図5に示す実施例では、S11~S12において、電池モジュールを1つずつ除外してゆくが、本発明はこの手順に限定されるものではない。例えば、S11~S12において、2以上の電池モジュールをまとめて除外してもよい。すなわち、S11~S12においては、少なくとも1つの電池モジュールが除外される。 Further, in the embodiment shown in FIG. 5, the battery modules are excluded one by one in S11 to S12, but the present invention is not limited to this procedure. For example, in S11 to S12, two or more battery modules may be collectively excluded. That is, in S11 to S12, at least one battery module is excluded.
次に、各電池モジュールの還流電流を推定する方法を説明する。以下では、図7に示す等価回路を利用して還流電流を推定する方法を説明する。尚、V1~Vnは、各電池モジュールM1~Mnの電圧を表す。R1~Rnは、各電池モジュールM1~Mnの抵抗(内部抵抗+配線抵抗)を表す。C1~Cnは、電池モジュールM1~Mnを並列に接続したときに発生する、各電池モジュールM1~Mnの還流電流の推定値を表す。nは、電池システム100が備える電池モジュールの数を表す。
Next, a method of estimating the reflux current of each battery module will be described. Hereinafter, a method of estimating the return current using the equivalent circuit shown in FIG. 7 will be described. In addition, V1 to Vn represent the voltage of each battery module M1 to Mn. R1 to Rn represent the resistance (internal resistance + wiring resistance) of each battery module M1 to Mn. C1 to Cn represent an estimated value of the reflux current of each battery module M1 to Mn generated when the battery modules M1 to Mn are connected in parallel. n represents the number of battery modules included in the
図7に示す等価回路においては、下記の電圧関係式および電流関係式が得られる。 In the equivalent circuit shown in FIG. 7, the following voltage-related equations and current-related equations are obtained.
これらの関係式をまとめると、下記の連立方程式が得られる。 By summarizing these relational expressions, the following simultaneous equations can be obtained.
この連立方程式は、下記のように、行列演算で表される。 This simultaneous equation is expressed by a matrix operation as shown below.
したがって、各電池モジュールM1~Mnの還流電流C1~Cnは下式で表される。 Therefore, the reflux currents C1 to Cn of the battery modules M1 to Mn are represented by the following equations.
このように、各電池モジュールの還流電流C1~Cnは、各電池モジュールの抵抗R1~Rnおよび各電池モジュールの電圧V1~Vnから計算される。ここで、各電池モジュールの抵抗R1~Rnは、この実施例では、既知であり、予め不図示のメモリに保存されている。したがって、制御部10は、電圧センサVを用いて各電池モジュールの電圧V1~Vnの測定値を取得することにより、各電池モジュールの還流電流C1~Cnを推定することができる。
As described above, the reflux currents C1 to Cn of each battery module are calculated from the resistors R1 to Rn of each battery module and the voltages V1 to Vn of each battery module. Here, the resistors R1 to Rn of each battery module are known in this embodiment and are stored in advance in a memory (not shown). Therefore, the
なお、図7に示す等価回路において、負荷300の最大駆動電流がKである場合、各電池モジュールM1~Mnの最大駆動電流D1~Dnは、下式で計算してもよい。また、各電池モジュールM1~Mnの最大回生電流E1~Enも、同様の計算式で得られる。
In the equivalent circuit shown in FIG. 7, when the maximum drive current of the
<バリエーション1>
図3~図5に示す実施例においては、製造誤差等に起因する電池モジュール1a~1nの特性(例えば、内部抵抗の抵抗値)のばらつきを考慮して、電池モジュール毎に許容還流電流値が計算される。ただし、電池モジュール1a~1nの特性のばらつきが十分に小さいときは、全ての電池モジュールに対して共通する許容還流電流値を設定してもよい。例えば、負荷300の最大稼働電流を、電池システム100が備える電池モジュールの個数で割算することにより、各電池モジュールに共通する電池モジュール最大稼働電流が計算される。そして、許容電流値から電池モジュール最大稼働電流を引算することにより、各電池モジュールに共通する許容還流電流値が得られる。
<
In the examples shown in FIGS. 3 to 5, the allowable return current value is set for each battery module in consideration of variations in the characteristics (for example, the resistance value of the internal resistance) of the
図8は、電圧均等化処理の要否を判定する方法のバリエーションを示す。この例では、各電池モジュールに共通する許容還流電流値が設定されている。TH5は、放電に対する許容還流電流値を表し、TH6は、充電に対する許容還流電流値を表す。 FIG. 8 shows a variation of a method for determining the necessity of voltage equalization processing. In this example, the permissible return current value common to each battery module is set. TH5 represents the permissible recirculation current value for discharge, and TH6 represents the permissible recirculation current value for charging.
この場合、制御部10は、各電池モジュールの還流電流を推定する。そして、1以上の電池モジュールの還流電流の推定値が許容還流電流値(TH5、TH6)を超えるときには、制御部10は、電圧均等化処理を実行する。一方、すべての電池モジュールの還流電流の推定値が許容還流電流値(TH5、TH6)以下であれば、制御部10は、電圧均等化処理を実行しない。図8に示す例では、還流電流C1、C4がいずれも許容還流電流値TH5より小さく、還流電流C2、C3がいずれも許容還流電流値TH6より小さい。よって、制御部10は、電圧均等化処理を実行しない。
In this case, the
<バリエーション2>
電池モジュールの内部抵抗の変化が小さいときは、内部抵抗の最小値に基づいて還流電流を推定してもよい。この場合、温度範囲ごと(例えば、5度ごと)に内部抵抗の最小抵抗値を設定してもよい。
<Variation 2>
When the change in the internal resistance of the battery module is small, the reflux current may be estimated based on the minimum value of the internal resistance. In this case, the minimum resistance value of the internal resistance may be set for each temperature range (for example, every 5 degrees).
<バリエーション3>
電池モジュールへの突入電流は、電池モジュールの内部抵抗が小さいほど大きくなる。よって、内部抵抗の最小値に基づいて還流電流を推定すれば、電圧均等化処理を実行するか否かについて安全サイドで判定が行われる。ここで、図7に示す等価回路を利用して、内部抵抗の最小値に基づいて還流電流を推定する。なお、下記の計算において、Rは、R1~Rnのうちの最小値を表す。
<Variation 3>
The inrush current to the battery module increases as the internal resistance of the battery module decreases. Therefore, if the return current is estimated based on the minimum value of the internal resistance, it is determined on the safety side whether or not the voltage equalization process is executed. Here, using the equivalent circuit shown in FIG. 7, the return current is estimated based on the minimum value of the internal resistance. In the following calculation, R represents the minimum value among R1 to Rn.
この場合、図7に示す等価回路において、下記の電圧関係式および電流関係式が得られる。 In this case, in the equivalent circuit shown in FIG. 7, the following voltage-related equations and current-related equations are obtained.
ここで、電池モジュールM1の還流電電流C1を求める。まず、電圧関係式を下記のように変形する。 Here, the reflux current C1 of the battery module M1 is obtained. First, the voltage relational expression is transformed as follows.
これら式を足し合わせると、下記の式が得られる。 By adding these equations, the following equations are obtained.
そして、上述した電流関係式を代入すると、下記の式が得られる。 Then, by substituting the above-mentioned current-related equation, the following equation is obtained.
したがって、電池モジュールM1の還流電流C1は下式で表される。また、電池モジュールM2~Mnの還流電流C2~Cnも同様の方法で得られる。 Therefore, the reflux current C1 of the battery module M1 is expressed by the following equation. Further, the reflux currents C2 to Cn of the battery modules M2 to Mn can also be obtained by the same method.
このように、各電池モジュールの還流電流C1~Cnは、電池モジュールの抵抗Rおよび各電池モジュールの電圧V1~Vnから計算される。ここで、電池モジュールの抵抗Rは、予め不図示のメモリに保存されている。したがって、制御部10は、電圧センサVを用いて各電池モジュールの電圧V1~Vnの測定値を取得することにより、各電池モジュールの還流電流C1~Cnを推定することができる。この方法によれば、各電池モジュール個々の抵抗値を用いる方法と比べて、還流電流を推定するための計算が簡単になり、また、電圧均等化処理を実行するか否かについて安全サイドで判定が行われる。
As described above, the reflux currents C1 to Cn of each battery module are calculated from the resistance R of the battery module and the voltages V1 to Vn of each battery module. Here, the resistance R of the battery module is stored in advance in a memory (not shown). Therefore, the
1(1a~1n) 電池モジュール
10 制御部
100 電池システム
300 負荷
1 (1a to 1n)
Claims (4)
前記複数の電池モジュールの電圧をそれぞれ測定する電圧センサと、
前記複数の電池モジュールを直列または並列に接続する電気回路と、
前記電気回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
各電池モジュールについて、予め定められている許容電流値と内部抵抗に依存して決まる最大稼動電流との差分に基づいて許容還流電流値を計算し、
前記電圧センサによりそれぞれ測定される前記複数の電池モジュールの電圧に基づいて、各電池モジュールについて、前記複数の電池モジュールが並列に接続されるときに発生する還流電流を推定し、
1以上の電池モジュールにおいて還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超えるときには、還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールが無くなるまで、前記1以上の電池モジュールのうちから少なくとも1つを除外してゆき、
還流電流の推定値が対応する許容還流電流値を超える電池モジュールが無くなったときに、残りの電池モジュールが並列に接続されるように前記接続回路を制御する
ことを特徴とすることを特徴とする電池システム。 A battery system with multiple battery modules
A voltage sensor that measures the voltage of each of the plurality of battery modules, and
An electric circuit that connects the plurality of battery modules in series or in parallel,
A control unit that controls the electric circuit is provided.
The control unit
For each battery module, calculate the permissible return current value based on the difference between the predetermined permissible current value and the maximum operating current determined by the internal resistance.
Based on the voltages of the plurality of battery modules measured by the voltage sensor, the recirculation current generated when the plurality of battery modules are connected in parallel is estimated for each battery module.
When the estimated return current exceeds the corresponding permissible recirculation current value in one or more battery modules, among the one or more battery modules, until there is no battery module in which the estimated recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value. Exclude at least one from
It is characterized in that the connection circuit is controlled so that the remaining battery modules are connected in parallel when there are no battery modules whose estimated return current exceeds the corresponding allowable return current value. Battery system.
ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。 When the estimated return current exceeds the corresponding allowable return current value in one or more battery modules, the control unit excludes the battery module having the largest estimated return current among the one or more battery modules. The battery system according to claim 1, wherein the battery system is characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の電池システム。 The control unit excludes the battery module having the highest voltage or the battery module having the lowest voltage when the estimated value of the recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value in one or more battery modules. The battery system according to 1.
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1つに記載の電池システム。
In the procedure of excluding the battery modules from the one or more battery modules, the number of remaining battery modules when the estimated value of the recirculation current exceeds the corresponding permissible recirculation current value is a predetermined threshold. The battery system according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit controls the connection circuit so that the remaining battery modules are connected in parallel.
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