JP2023065123A - バッテリシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】大容量の電池パックであっても、正確な均等化処理を行うことで、電池パックの電池容量が低下することを抑制することができるバッテリシステムを提供する。【解決手段】バッテリシステム1は、制御装置16を備え、制御装置16は、電動車両のイグニッションの状態に関するイグニッション状態情報を取得し、イグニッション状態情報に基づいて、均等化処理を実行するか否かを判定し、均等化処理を実行すると判定した場合、セル電圧値以外のA/D変換処理を開始と同時に均等化処理を実行する。【選択図】図1
Description
本開示は、バッテリシステムに関する。
特許文献1には、電池セル毎の現在SOC(State of Charge)と、電池セル毎の均等化目標SOCと、から均等化処理を完了するまでに必要な均等化時間を電池セル毎に算出し、この均等化時間と、バッテリへの外部電力による充電時間と、に基づいて、外部電力の充電とともに均等化処理が実行されるように均等化処理の開始時間を決定するバッテリシステムが開示されている。
ところで、上述した特許文献1では、車両のイグニッションスイッチがオフ中(以下、単に「IG-OFF中」と表記)に、例えば車両の充電および走行以外の停止中のみにバッテリの均等化処理を行っている。
しかしながら、上述した特許文献1では、BEV(Battery Electric Vehicle)等が備える大容量の電池パックの場合、充電時間がPHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)またはEV(Electric Vehicle)が備える電池パックと比べて長くなり、IG-OFF中における均等化処理の時間が不足し、電池セル毎のセル電圧がばらつくことで電池パックの電池容量が低下するという問題点があった。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、大容量の電池パックであっても、正確な均等化処理を行うことで、電池パックの電池容量が低下することを抑制することができるバッテリシステムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るバッテリシステムは、電動車両に搭載され、外部電力による充電が可能なバッテリシステムであって、複数の電池セルを直列接続して構成されるバッテリと、前記複数の電池セルそれぞれに対応付けて接続された複数の均等化回路と、前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧を検出する複数の電圧検出部と、前記複数の電池セルそれぞれのセル温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の均等化回路それぞれに含まれるスイッチング素子を制御することにより、少なくとも前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧の均等化処理と、前記セル電圧および前記セル温度に対してA/D変換処理と、を実行可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電動車両のイグニッションの状態に関するイグニッション状態情報を取得し、前記イグニッション状態情報に基づいて、前記電動車両のイグニッションの状態がオン状態であるか否かを判定し、前記電動車両のイグニッションの状態がオン状態である場合、一定期間毎に、前記均等化処理の要否を判定し、前記均等化処理が必要であると判定した場合、前記セル電圧の検出および前記電池セルの自己診断を実行した後に、前記セル電圧の検出に関与しない前記A/D変換処理と同時に前記均等化処理を実行する。
本開示によれば、大容量の電池パックであっても、正確な均等化処理を行うことで、電池パックの電池容量が低下することを抑制することができるという効果を奏する。
以下、本開示の実施の形態に係るバッテリシステムについて、図面を参照しながら説明する。なお、下記の実施の形態における構成要素は、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、以下の説明において参照する各図は、本開示の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本開示は、各図で例示された形状、大きさおよび位置関係のみに限定されるものではない。
また、以下に説明するバッテリシステムは、電動車両に搭載される。電動車両とは、モータを走行用動力源として、車載のバッテリから供給される電力によってモータを駆動することで走行可能な車両をいう。具体的には、電動車両は、例えば、モータのみを動力源として搭載したBEV(Battery Electric Vehicle)およびFCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)である。なお、電動車両は、モータとエンジンを搭載したHEV(Hybrid Electric Vehicle)およびPHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)等であってもよい。
〔バッテリシステムの概略構成〕
図1は、一実施の形態に係るバッテリシステムの概略構成を示す図である。図1に示すバッテリシステム1は、バッテリ11と、均等化回路12と、均等化回路12の駆動およびセル電圧値を計測する集積回路13(以下、単に「IC13」という)と、温度検出部14と、イグニッションスイッチ15(以下、単に「IGスイッチ15」という)と、制御装置16と、を備える。
図1は、一実施の形態に係るバッテリシステムの概略構成を示す図である。図1に示すバッテリシステム1は、バッテリ11と、均等化回路12と、均等化回路12の駆動およびセル電圧値を計測する集積回路13(以下、単に「IC13」という)と、温度検出部14と、イグニッションスイッチ15(以下、単に「IGスイッチ15」という)と、制御装置16と、を備える。
バッテリ11は、複数の電池セルBC1、BC2、BC3、・・・、BCn(ここで、nは、4以上の整数)が直列接続されて構成された組電池である。以下において、各電池セルBC1、BC2、BC3、・・・、BCnを区別せずに呼ぶとき、単に電池セルBCという。また、以下においては、電池セルBCが4つ以上含まれる例を説明するが、2個以上の複数であればよい。電池セルBCは、リチウムイオン電池等の充放電可能に二次電池がそれぞれ用いられる。
バッテリ11には、正極ラインPL1および負極ラインNL1を介して電力変換装置17が電気的に接続されている。電力変換装置17は、双方向AC/DC変換機能を有する。具体的には、走行用動力源となる例えば三相交流同期型モータ(図示せず)を駆動するために、バッテリ11から供給された直流電力を交流電力に変換して供給する機能、および、三相交流同期型モータ(図示せず)から供給される交流電力をバッテリ充電用の直流電力に変換する機能を有する。また、電力変換装置17は、直流電力の電圧を昇降圧するDC/DC変換機能をさらに有してもよい。
バッテリ11と電力変換装置17との間の正極ラインPL1および負極ラインNL1には、システムメインリレーSMR1,SMR2が設けられている。システムメインリレーSMR1,SMR2は、制御装置16によってオンされることによって、バッテリ11から電力変換装置(すなわちモータ)へ電力供給可能な状態になる。即ち、システムメインリレーSMR1,SMR2は、制御装置16からの制御信号を受けてオン・オフ制御される。
また、正極ラインPL1および負極ラインNL1には、システムメインリレーSMR1,SMR2よりもバッテリ11に近いところに、正極充電ラインPCLおよび負極充電ラインNCLを介して充電器18が電気的に接続されている。充電器18は、車両ボディーに設けられた充電口(図示せず)に電気的に接続される。なお、充電器18は、ソーラーシステムといった外部の充電スタンドと接続しなくても車両システム自身で発電するユニットと電気的に接続されるものが含まれていてもよい。
正極充電ラインPCLおよび負極充電ラインNCLには、充電用リレーCHR1,CHR2が設けられている。充電用リレーCHR1,CHR2は、制御装置16から送信される制御信号を受けてオン・オフ制御される。
均等化回路12は、バッテリ11を構成する各電池セルBCにそれぞれ接続されている。均等化回路12は、放電抵抗R1,R2と、スイッチング素子FETと、電圧センサ121と、キャパシタC1と、を有する。
放電抵抗R1は、各電池セルBCの正極端子に電気的に接続されている。また、放電抵抗R2は、各電池セルBCの負極端子に電気的に接続されている。
スイッチング素子FETは、放電抵抗R1と放電抵抗R2との間に電気的に接続されている。スイッチング素子FETは、MOSFET等の電界効果トランジスタを好適に用いることができる。スイッチング素子FETは、制御装置16からの制御信号を受けてオン・オフ制御される。具体的には、スイッチング素子FETは、制御装置16からゲートオン信号を受けてオンされる。オンされたスイッチング素子FETに対応する電池セルBCは、放電抵抗R1、スイッチング素子FET、および、放電抵抗R2の順に電流が流れる短絡回路が形成される。これにより、スイッチング素子FETがオンされた電池セルBCの電力は、放電抵抗R1,R2によって消費される。この結果、特定の電池セルBCのSOCまたは電圧を低下させて、他の電池セルBCのSOCと合わせる均等化処理を実行できる。
電圧センサ121は、電池セルBCに対して電気的に並列接続されている。電圧センサ121は、電池セルBCの開放端電圧(セル電圧)を検出し、この検出結果を制御装置16に出力する。本実施の形態では、各均等化回路12のスイッチング素子FETおよび電圧センサ121は、樹脂モールド20によって覆われたIC13として構成されている。
キャパシタC1は、電圧センサ121によって検出される電池セルBCの電圧を安定させる機能を有する。キャパシタC1は、電池セルBCおよび電圧センサ121に対して電気的に並列接続される。
温度検出部14は、電池セルBC毎に設けられ、電池セルBCの温度を検出し、この検出結果を制御装置16へ出力する。温度検出部14は、サーミスタ等を用いて構成されている。
IGスイッチ15は、ユーザによる車両の駆動システムの起動操作(以下、単に「IG-ON操作」という)および駆動システムの停止操作(以下、単に「IG-OFF操作」という)を受け付ける。IGスイッチ15は、ユーザによってIG-ON操作が行われた場合、IG-ON信号を制御装置16へ出力する。また、IGスイッチ15は、ユーザによってIG-OFF操作が行われた場合、IG-OFF信号を制御装置16へ出力する。
制御装置16は、メモリ161と、A/D変換部162と、CPU(Central Processing Unit)等のハードウェアを有するプロセッサを用いて構成される。制御装置16は、システムメインリレーSMR1,SMR2、および、充電用リレーCHR1,CHR2をオン・オフ制御する。具体的には、制御装置16は、外部の商用電源等の外部電源に接続された充電プラグが充電器18の充電口(図示せず)に装着されたことを図示しないセンサ等によって検出すると、充電用リレーCHR1,CHR2をオンする制御信号を送信する。これにより、外部電源から供給される外部電力をバッテリ11に充電可能な状態となる。また、制御装置16は、ソーラーシステムといった自車発電システムによる充電を検出すると、充電用リレーCHR1,CHR2をオンする制御信号を送信する。これにより、外部電源から供給される外部電力をバッテリ11に充電可能な状態となる。
メモリ161は、均等化処理のためのプログラムおよびデータが予め記録されている。なお、制御装置16は、車外から通信等で取得したプログラムやデータをメモリ161に記録してもよい。また、制御装置16は、日時をカウントするためのタイマー回路(図示せず)を備えている。このタイマー回路によって、後述する均等化処理の時間や、外部電力を充電する時間などを計測できる。
A/D変換部162は、電圧センサ121が検出した各電池セルBCのセル電圧を示すアナログ信号に対してA/D変換処理を行ってデジタル信号に変換する。また、A/D変換部162は、温度検出部14が検出した各電池セルBCの温度を示すアナログ信号に対してA/D変換処理を行ってデジタル信号に変換する。
また、制御装置16は、メモリ161に格納されたプログラムをプロセッサが読み出して実行することによって、以下に説明する判定部163および均等化制御部164の各機能を実現する。
判定部163は、一定期間毎に、IG-ON中の均等化処理を実行するか否かを判定する。具体的には、判定部163は、一定期間毎に、各電池セルBCのSOCに基づいて、均等化処理を実行するか否かを判定する。ここで、一定期間毎とは、IGスイッチ15からIG-ON信号を受信する毎または車両が所定の距離、例えば100kmを走行する毎である。
均等化制御部164は、セル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理と同時に、均等化処理を実行させる。具体的には、均等化制御部164は、セル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理とは、電池セルBCのセル温度検出、電池セルBCの判別抵抗の検出およびバッテリシステム1を構成する各部の温度検出等に対するA/D変換処理である。
このように構成された複数の電池セルBCを直列接続して構成されるバッテリ11を搭載した電動車両では、バッテリ11を構成する複数の電池セルBCの電圧またはSOCに個体差や劣化状態の違いからばらつきがあると、バッテリを使用可能なSOC範囲が狭くなる。
具体的には、電動車両は、個体差や劣化状態の差等によって各電池セルBC間にSOCのばらつきがある場合、充電開始時にSOCが比較的高い電池セルBCが充電目標SOC(または使用上限SOC)まで充電されると外部充電が停止されてしまい、他の電池セルBCが充電目標SOCまで充電されないことがある。
一方、電動車両は、走行するためにバッテリ11からモータへ電力供給する放電時には、SOCが比較的低い電池セルBCが使用下限SOCに到達すると、他の電池セルのSOCが使用下限SOCまで低下していないのにバッテリ11からの放電が制限され、エンジンが始動することが起こり得る。
このようにバッテリ11を構成する電池セルBCのSOCにばらつきがあると、電動車両は、バッテリ11の使用可能なSOC範囲が狭く制限され、EV走行距離延長の妨げるとともにエンジン始動が早まって燃費低下につながる。そのため、電動車両は、各電池セルBCのSOCのばらつき解消するために、後述するように均等化処理が行われる。
また、近年、モータのみの動力で車両が走行する距離(いわゆるEV走行距離)を伸ばすためにバッテリ11の容量が大きくなっており、その分、外部電力によって目標SOC(使用上限SOC)まで充電するのに必要となる充電時間も長くなる傾向にある。このため、電動車両は、IG-OFF中に、電池セルBCの均等化処理と外部充電とを別々に行うと、均等化処理および外部充電に必要な合計時間が長時間になり、ユーザによる使用状態によっては均等化処理および外部充電を十分に行うことができないことがある。そこで、電動車両は、IG-ON中に、均等化処理を実行することが考えられるが、IG-ON中の処理、例えば自己診断およびセル電圧の検出が他の機能と干渉するため、均等化処理を実行することができない。
そこで、本実施の形態のバッテリシステム1は、後述するように、IG-ON中の自己診断およびセル電圧の検出以外の処理スケジュールを集約し、この集約した他処理と同時に均等化処理を実行することで、機能干渉を防止する。この結果、均等化処理の時間を確保することができ、各電池セルBCのセル電圧のばらつきによるバッテリ11の容量低下を抑制することができる。ここで、セル電圧の検出以外とは、セル電圧に関わらない電圧検出(A/D変換)全般である。具体的には、セル電圧に関わらない電圧検出(A/D変換)全般は、電池セルBCのセル温度検出、電池セルBCの判別抵抗の検出およびバッテリシステム1を構成する各部の温度検出等である。
〔バッテリシステム1の処理〕
次に、バッテリシステム1が実行する処理について説明する。図2は、バッテリシステム1が実行する処理の概要を示すフローチャートである。
次に、バッテリシステム1が実行する処理について説明する。図2は、バッテリシステム1が実行する処理の概要を示すフローチャートである。
図2に示すように、まず、均等化制御部164は、IGスイッチ15から車両のIG-ON状態を取得する(ステップS101)。
続いて、判定部163は、一定期間毎に、IG-ON中の均等化処理を実行するか否かを判定する(ステップS102)。具体的には、判定部163は、一定期間毎に、各電池セルBCのSOCに基づいて、均等化処理を実行するか否かを判定する。例えば、制御装置16は、各電池セルBCの現在のSOCと予め設定された各電池セルBCの目標SOCとの差分が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上である場合、IG-ON中の均等化処理を実行すると判定し、所定値以上でない場合、IG-ON中の均等化処理を実行しないと判定する。即ち、制御装置16は、車両に充電プラグが装着されてバッテリ11が外部充電可能な状態になり、かつ、判定部163によってバッテリ11を構成する電池セルBC間におけるSOCのばらつきが所定値以上に大きくなって均等化処理が必要と判定された場合に実行される。なお、制御装置16は、電池セルBCにおいてSOCと開放端電圧は相関関係があるため、判定部163が各電池セルBC間の開放端電圧の差が予め定めた電圧値以上になったときに均等化が必要と判定してもよい。判定部163がIG-ON中の均等化処理を実行すると判定した場合(ステップS102:Yes)、バッテリシステム1は、後述するステップS103へ移行する。これに対して、判定部163がIG-ON中の均等化処理を実行しないと判定した場合(ステップS102:No)、バッテリシステム1は、後述するステップS106へ移行する。
ステップS103において、均等化制御部164は、各電圧センサ121が検出した各電池セルBCのセル電圧を取得する。
続いて、均等化制御部164は、監視ICの自己診断を実行する(ステップS104)。具体的には、均等化制御部164は、各電圧センサ121およびスイッチング素子FETに異常が生じているか否かの自己診断を実行する。この場合、均等化制御部164は、スイッチ素子FETをオン・オフすることによって各電圧センサ121が検出したセル電圧に基づいて、監視ICに異常が生じているか否かの自己診断を実行する。
その後、均等化制御部164は、A/D変換部162にセル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理と同時に、均等化回路12に均等化処理を実行させる(ステップS105)。具体的には、均等化制御部164は、A/D変換部162にセル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理とは、電池セルBCのセル温度検出、電池セルBCの判別抵抗の検出およびバッテリシステム1を構成する各部の温度検出等に対するA/D変換処理である。ステップS105の後、バッテリシステム1は、本処理を終了する。
ステップS106において、均等化制御部164は、各電圧センサ121が検出した各電池セルBCのセル電圧を取得する。
続いて、均等化制御部164は、監視ICの自己診断を実行する(ステップS107)。具体的には、均等化制御部164は、各電圧センサ121およびスイッチング素子FETに異常が生じているか否かの自己診断を実行する。この場合、均等化制御部164は、スイッチ素子FETをオン・オフすることによって各電圧センサ121が検出したセル電圧に基づいて、監視ICに異常が生じているか否かの自己診断を実行する。
その後、均等化制御部164は、セル電圧値以外のA/D変換処理を実行させる(ステップS108)。
以上説明した一実施の形態によれば、判定部163によって均等化処理が必要であると判定された場合、均等化制御部164がセル電圧の検出および電池セルBCの自己診断を実行した後に、A/D変換部162にセル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理と同時に、均等化回路12に均等化処理を実行させる。これにより、大容量のバッテリ11であっても、正確な均等化処理を行うことで、バッテリ11の電池容量が低下することを抑制することができる。
(変形例)
図3は、一実施の形態の変形例に係るバッテリシステムが実行する処理の概要を示すフローチャートである。
図3は、一実施の形態の変形例に係るバッテリシステムが実行する処理の概要を示すフローチャートである。
図3に示すように、ステップS201~ステップS202は、図2のステップS101およびステップS102それぞれに対応する。また、図3に示すように、ステップS203は、図2のステップS105に対応する。ステップS204~ステップS208は、図2のステップS103,ステップS104,ステップS106~ステップS108それぞれに対応する。即ち、図3では、ステップS203において、均等化制御部164は、セル電圧の検出に関与しないセル電圧値以外のA/D変換処理と同時に、均等化処理を実行した後に、各電圧センサ121が検出した各電池セルBCのセル電圧を取得および監視ICの自己診断を実行する。ステップS205またはステップS208の後、バッテリシステム1は、本処理を終了する。
以上説明した一実施の形態の変形例によれば、大容量のバッテリ11であっても、正確な均等化処理を行うことで、バッテリ11の電池容量が低下することを抑制することができる。
(その他の実施の形態)
また、一実施の形態では、上述してきた「部」を、「回路」などに読み替えることができる。例えば、温度検出部は、温度検出回路に読み替えることができる。
また、一実施の形態では、上述してきた「部」を、「回路」などに読み替えることができる。例えば、温度検出部は、温度検出回路に読み替えることができる。
また、一実施の形態に係る制御装置に実行させるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルデータでCD-ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD-R、DVD(Digital Versatile Disk)、USB媒体、フラッシュメモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
また、一実施の形態に係る制御装置に実行させるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。
なお、本明細書におけるフローチャートの説明では、「まず」、「その後」、「続いて」等の表現を用いてステップ間の処理の前後関係を明示していたが、本実施の形態を実施するために必要な処理の順序は、それらの表現によって一意的に定められるわけではない。即ち、本明細書で記載したフローチャートにおける処理の順序は、矛盾のない範囲で変更することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。従って、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 バッテリシステム
11 バッテリ
12 均等化回路
13 集積回路
14 温度検出部
15 IGスイッチ
16 制御装置
17 電力変換装置
18 充電器
20 樹脂モールド
121 電圧センサ
161 メモリ
162 A/D変換部
163 判定部
164 均等化制御部
BC 電池セル
C1 キャパシタ
11 バッテリ
12 均等化回路
13 集積回路
14 温度検出部
15 IGスイッチ
16 制御装置
17 電力変換装置
18 充電器
20 樹脂モールド
121 電圧センサ
161 メモリ
162 A/D変換部
163 判定部
164 均等化制御部
BC 電池セル
C1 キャパシタ
Claims (1)
- 電動車両に搭載され、外部電力による充電が可能なバッテリシステムであって、
複数の電池セルを直列接続して構成されるバッテリと、
前記複数の電池セルそれぞれに対応付けて接続された複数の均等化回路と、
前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧を検出する複数の電圧検出部と、
前記複数の電池セルそれぞれのセル温度を検出する複数の温度検出部と、
前記複数の均等化回路それぞれに含まれるスイッチング素子を制御することにより、少なくとも前記複数の電池セルそれぞれのセル電圧の均等化処理と、前記セル電圧および前記セル温度に対してA/D変換処理と、を実行可能な制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電動車両のイグニッションの状態に関するイグニッション状態情報を取得し、
前記イグニッション状態情報に基づいて、前記電動車両のイグニッションの状態がオン状態であるか否かを判定し、
前記電動車両のイグニッションの状態がオン状態である場合、一定期間毎に、前記均等化処理の要否を判定し、
前記均等化処理が必要であると判定した場合、前記セル電圧の検出および前記電池セルの自己診断を実行した後に、前記セル電圧の検出に関与しない前記A/D変換処理と同時に前記均等化処理を実行する、
バッテリシステム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021175745A JP2023065123A (ja) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | バッテリシステム |
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ID=86281759
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JP2023065123A (ja) |
-
2021
- 2021-10-27 JP JP2021175745A patent/JP2023065123A/ja active Pending
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