JP2023141211A - バッテリ回路、セルバランス制御システム、状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセルのうち任意の１つのセルの放電時において、流通する電流の量を増減可能なバッテリ回路の提供。【解決手段】直列接続された複数の電池セルＣから構成されるセル群３と、直列接続された複数の抵抗Ｒから構成される抵抗群４と、セル群３と抵抗群４とを切断可能に接続する断接部５と、を備えるバッテリ回路であり、断接部５は、複数の電池セルＣのうち任意の１つの対象セルに直列接続される抵抗Ｒの数を変更可能に構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、バッテリ回路、セルバランス制御システム、及び状態推定装置に関する。

特許文献１には、直列接続された複数の電池セルを有するバッテリにおける複数の電池セルの電圧値を均等化するためのセルバランス回路が開示されている。セルバランス回路は、直列接続された複数の抵抗と、電池セルと抵抗との間に設けられる複数のスイッチとを有する。複数のスイッチは、各抵抗の一端側と、各電池セルの正極側との間に１つずつ設けられ、セルバランス制御装置の制御の下、オン／オフが切り替えられる。スイッチがオンになると、当該スイッチに接続される電池セルが抵抗を介して放電され、当該電池セルの電圧値が低下する。他の電池セルよりも電圧値が高い電池セルを放電することにより、複数の電池セルの電圧値を均等化することができる。

特許文献２には、電気化学インピーダンス法を用いて、車載バッテリの各部の状態の推定を可能とする推定装置が開示されている。推定装置は、バッテリを通流する電流を検出し、バッテリの端子間の電圧を検出し、同一のタイミングに検出された電流及び電圧それぞれの波形に含まれる周波数成分に基づいて、バッテリの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルを算出し、算出したインピーダンススペクトルに基づいて、バッテリの状態を推定する。

特開２０１９－１６１７３０号公報 特開２０２１－４７０３２号公報

特許文献１のセルバランス回路では、１つの電池セル（対象セル）に対して１つの抵抗が接続され、放電時に流通する電流の量（電流値）は、対象セルに接続される抵抗の大きさ（抵抗値）によって決まり、放電時の対象セルの放電速度（電圧降下の速度）は、接続される抵抗の抵抗値が減少するほど速くなる。バランス調整時間の短縮には、対象セルに接続される抵抗の抵抗値が小さく、通電する電流の量が多い方が有利である。反対に、高精度なバランス調整には、対象セルに接続される抵抗の抵抗値が大きく、通電する電流の量が少ない方が有利である。特許文献１のセルバランス回路においてバランス調整を所望の精度で確実に行なうためには、対象セルに接続される抵抗の抵抗値をある程度大きく設定する必要があり、バランス調整時間を短縮することができない。

また、特許文献１のセルバランス回路の対象セルの状態を、セルバランス回路のスイッチと抵抗を利用し、任意の周波数で矩形波を作成し、電気化学インピーダンス法の一種である矩形波インピーダンス法によって推定する場合、対象セルに流通する電流の量が少ないので、検出される電流値がノイズの影響を受けてしまい、適正な推定結果を得ることができないおそれがある。

そこで本開示は、複数のセルのうち任意の１つのセルの放電時において、流通する電流の量を増減可能なバッテリ回路の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本開示の第１の態様は、直列接続された複数の電池セルから構成されるセル群と、直列接続された複数の抵抗から構成される抵抗群と、セル群と抵抗群とを切断可能に接続する断接部と、を備えるバッテリ回路であって、断接部は、複数の電池セルのうち任意の１つの対象セルに直列接続される抵抗の数を変更可能に構成される。

本開示の第２の態様は、第１の態様のバッテリ回路を備え、対象セルを放電することによってセルバランスを調整するセルバランス制御システムであって、断接制御部を備える。断接制御部は、セルバランスの調整開始時は対象セルに所定数の抵抗を直列接続し、セルバランスの調整開始時から所定時間が経過した後は対象セルに直列接続する抵抗の数を所定数から増加するように断接部を制御する。

本発明の第３の態様は、第１の態様のバッテリ回路の対象セルを通流する電流を検出し、対象セルの電圧を検出し、同一のタイミングに検出された電流及び電圧それぞれの波形に含まれる周波数成分に基づいて、対象セルの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルを算出し、算出したインピーダンススペクトルに基づいて、対象セルの状態を推定する状態推定装置であって、対象セルに１つの抵抗を直列接続するように断接部を制御する断接制御部を備える。

本開示のバッテリ回路によれば、複数のセルのうち任意の１つのセルの放電時において、流通する電流の量を増減することができる。

本発明の一実施形態に係るセルバランス制御システム及び状態推定装置を示すブロック図である。 高速放電時の回路図の一例である。 中速放電時の回路図の一例である。 低速放電時の回路図の一例である。 セルバランス制御回路が実行する処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態のセルバランス制御システムは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるシステムであり、図１に示すように、バッテリ（バッテリパック）１のセルバランス制御を実行する。セルバランス制御システムは、バッテリ１と、セルバランス回路２と、セルバランス制御装置１０と、を備える。

バッテリ１は、外部の交流電源等から電力を供給されることにより充電される充電池であり、直列接続された複数（ｎ個）の電池セルＣ（第１セルＣ１、第２セルＣ２、第３セルＣ３・・・第ｎセルＣｎ）から構成されるセル群３を備える。電池セルＣは、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池である。

セルバランス回路２は、バッテリ１を構成する複数の電池セルＣの電圧値を均等化してセルバランスを調整する回路であり、直列接続された複数（ｎ個）の抵抗Ｒ（第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３・・・第ｎ抵抗Ｒｎ）から構成される抵抗群４と、セル群３と抵抗群４との間に設けられ、セル群３と抵抗群４とを断接可能に接続する断接部５と、を備える。

抵抗Ｒは、１つの電池セルＣに対して１つずつ設けられ、各抵抗Ｒの抵抗値は、全て等しく設定されている。

断接部５は、複数の電池セルＣのうち任意の１つの対象セルに直列接続される抵抗Ｒの数を変更可能に構成される。本実施形態の断接部５は、対象セルに対応する抵抗Ｒが対象セルに必ず直接接続されるように（例えば、対象セルが第１セルＣ１の場合には、第１抵抗Ｒ１が必ず直列接続されるように）、セル群３と抵抗群４とを接続する。

本実施形態の断接部５は、複数（ｎ個）のセル側スイッチＳＡ（第１セル側スイッチＳＡ１、第２セル側スイッチＳＡ２、第３セル側スイッチＳＡ３、第４セル側スイッチＳＡ４・・・第ｎセル側スイッチＳＡｎ）と、複数（ｎ個）の抵抗側スイッチＳＢ（第１抵抗側スイッチＳＢ１、第２抵抗側スイッチＳＢ２、第３抵抗側スイッチＳＢ３、第４抵抗側スイッチＳＢ４・・・第ｎ抵抗側スイッチＳＢｎ）と、複数（ｎ個）の中間スイッチＳＣ（第１中間スイッチＳＣ１、第２中間スイッチＳＣ２、第３中間スイッチＳＣ３・・・第ｎ中間スイッチＳＣｎ）と、を備える。

セル側スイッチＳＡ及び抵抗側スイッチＳＢは、各抵抗Ｒの一端側と各電池セルＣの正極側とを接続する接続線に直列に設けられる２つのスイッチであり、セル側に設けられるスイッチがセル側スイッチＳＡ、抵抗側に設けられるスイッチが抵抗側スイッチＳＢである。中間スイッチＳＣは、セル側スイッチＳＡと抵抗側スイッチＳＢとの間同士を接続する接続線に設けられる１つのスイッチである。各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、初期状態ではオフに設定され、各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣのオン／オフは、セルバランス制御装置１０の制御によって切替わる。

例えば、対象セルが第１セルＣ１であり、第１セルＣ１に１つの抵抗Ｒを接続する場合、図２に示すように、第１セル側スイッチＳＡ１、第１抵抗側スイッチＳＢ１、第２セル側スイッチＳＡ２、及び第２抵抗側スイッチＳＢ２をオンに設定し、他のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣをオフに設定する（初期状態に維持する）。これにより、第１セルＣ１が１つの抵抗Ｒ１を介して放電される。

対象セルが第１セルＣ１であり、第１セルＣ１に２つの抵抗Ｒを接続する場合、図３に示すように、第１セル側スイッチＳＡ１、第１抵抗側スイッチＳＢ１、第２セル側スイッチＳＡ２、第３抵抗側スイッチＳＢ３、及び第２中間スイッチＳＣ２をオンに設定し、他のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣをオフに設定する（初期状態に維持する）。これにより、第１セルＣ１が２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１とＲ２の合成抵抗）を介して放電される。

対象セルが第１セルＣ１であり、第１セルＣ１に３つの抵抗Ｒを接続する場合、図４に示すように、第１セル側スイッチＳＡ１、第１抵抗側スイッチＳＢ１、第２セル側スイッチＳＡ２、第４抵抗側スイッチＳＢ４、第２中間スイッチＳＣ２、及び第３中間スイッチＳＣ３をオンに設定し、他のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣをオフに設定する（初期状態に維持する）。これにより、第１セルＣ１が３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１とＲ２とＲ３の合成抵抗）を介して放電される。

各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣのオン／オフを制御することにより、第１セルＣ１以外を対象セルとすることや、対象セルに４つ以上の抵抗Ｒを接続することが可能である。複数の電池セルＣのうち最も高電圧な電池セルを対象セルとして放電させることにより、各電池セルＣの電圧値が均等化される。

対象セルに接続する抵抗Ｒの数が１つの場合（図２）と２つの場合（図３）と３つの場合（図４）とを比較すると、接続する抵抗Ｒの数（抵抗数）が増えるほど、抵抗値（合成抵抗値）が増大し、流通する電流の量（電流値）が減少し、放電速度が遅くなる。すなわち、対象セルに直列接続される抵抗数が１つの場合は、対象セルが高速で放電され（高速放電）、抵抗数が２つの場合は、対象セルが中速で放電され（中速放電）、抵抗数が３つの場合は、対象セルが低速で放電される（低速放電）。

セルバランス制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び入出力回路等を備えて構成される。セルバランス制御装置１０は、予め設定されたプログラムに従って、セルバランス回路２の断接部５（各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）のオン／オフを制御し、バッテリ１のセルバランス制御（対象セルを放電してセルバランスを調整する制御）を実行する。

セルバランス制御装置１０は、電圧検出部１１と、目標電圧設定部１２と、スイッチ制御部（断接制御部）１３とを有する。

電圧検出部１１は、各電池セルＣの電圧値を取得し、取得した各電圧値を目標電圧設定部１２及びスイッチ制御部１３に出力する。電圧検出部１１は、各電池セルＣの電圧値を電圧センサによって直接取得してもよく、他の検出センサ等を介して取得してもよい。

目標電圧設定部１２は、電圧検出部１１が取得した各電圧値のうち最も高い最高電圧よりも低い所定の電圧値（例えば、電圧検出部１１が取得した各電圧値のうち最も低い最低電圧）を、対象セルの最終目標電圧値として設定する。また、対象セルの現在の電圧値と最終目標電圧値との間に、第１中間目標電圧値及び第２中間目標電圧値を設定する（現在の電圧値＞第１中間目標電圧値＞第２中間目標電圧値＞最終目標電圧値）。

例えば、対象セルを最終目標電圧値まで放電した場合に流通する電流の総量（総電流量）を推定し、総電流量の１／３が流通したときの対象セルの電圧値を第１中間目標電圧値とし、総電流量の２／３が流通したときの対象セルの電圧値を第２中間目標電圧値とする。なお、第１中間目標電圧値及び第２中間目標電圧値を他の方法（例えば、現在の電圧値と最終目標電圧値との差分を３等分するなど）によって設定してもよい。

スイッチ制御部１３は、所定の実行条件が成立したとき（例えば、電圧検出部１１が取得した各電圧値のうち最高電圧と最低電圧との差が所定の閾値を超えたとき等）に、最高電圧の電池セルＣを対象セルとして、対象セルを放電させるように断接部５を制御する。

例えば、第１セルＣ１が対象セルの場合、スイッチ制御部１３は、第１セルＣ１の電圧値が第１中間目標電圧値に達するまでの間、第１セルＣ１に１つの抵抗Ｒ１を接続して放電する（図２に示す高速放電）。第１セルＣ１の電圧値が第１中間目標電圧値に達すると、第２中間目標電圧値に達するまでの間、第１セルＣ１に２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続して放電する（図３に示す中速放電）。第１セルＣ１の電圧値が第２中間目標電圧値に達すると、最終目標電圧値に達するまでの間、第１セルＣ１に３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を接続して放電する（図４に示す低速放電）。第１セルＣ１の電圧値が最終目標電圧値に達すると、第１セルＣ１の放電を終了し、各スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを初期状態に戻す。

次に、スイッチ制御部１３が実行するセルバランス制御について、図５のフローチャートに基づいて説明する。

本制御が開始されると、対象セルの電圧値を取得し（ステップＳ１）、取得した対象セルの電圧値と第１中間目標電圧値とを比較する（ステップＳ２）。

本制御の開始直後は、対象セルの電圧値が第１目標電圧値を超えているため（ステップＳ２：ＹＥＳ）、対象セルに１つの抵抗Ｒを接続して高速で放電する（ステップＳ３）。高速放電中は、対象セルの電圧値と第１中間目標電圧値とを逐次比較し（ステップＳ２）、対象セルの電圧値が第１目標電圧値を超えている間は、高速放電を継続する（ステップＳ３）。

高速放電によって対象セルの電圧が低下して第１目標電圧値に達すると（ステップＳ２：ＮＯ）、対象セルの電圧値と第２中間目標電圧値とを比較する（ステップＳ４）。

第１目標電圧値に達した直後は、対象セルの電圧値が第２目標電圧値を超えているため（ステップＳ４：ＹＥＳ）、対象セルに２つの抵抗Ｒを接続して中速で放電する（ステップＳ５）。中速放電中は、対象セルの電圧値と第２中間目標電圧値とを逐次比較し（ステップＳ４）、対象セルの電圧値が第２目標電圧値を超えている間は、中速放電を継続する（ステップ５）。

中速放電によって対象セルの電圧が低下して第２目標電圧値に達すると（ステップＳ４：ＮＯ）、対象セルの電圧値と最終目標電圧値とを比較する（ステップＳ６）。

第２目標電圧値に達した直後は、対象セルの電圧値が最終目標電圧値を超えているため（ステップＳ６：ＹＥＳ）、対象セルに３つの抵抗Ｒを接続して低速で放電する（ステップＳ７）。低速放電中は、対象セルの電圧値と最終目標電圧値とを逐次比較し（ステップＳ６）、対象セルの電圧値が最終目標電圧値を超えている間は、低速放電を継続する（ステップ７）。

低速放電によって対象セルの電圧が低下して最終目標電圧値に達すると（ステップＳ６：ＮＯ）、本制御を終了し、断接部５を初期状態に設定する。

このように、スイッチ制御部１３は、セルバランスの調整開始時は対象セルに１つの抵抗Ｒを直列接続し、セルバランスの調整開始時から所定時間（第１目標電圧値に達するまでの時間及び第２目標電圧値に達するまでの時間）が経過した後は、対象セルに直列接続される抵抗Ｒの数が増加するように（第１目標電圧値に達した後は２つの抵抗Ｒが直列接続され、第２目標電圧値に達した後は３つの抵抗Ｒが直列接続されるように）、断接部５を制御する。

バランス調整時間の短縮には、通電する電流の量が多い方が有利であり、高精度なバランス調整には、通電する電流の量が少ない方が有利である。本実施形態では、対象セルに直列接接続される抵抗Ｒの数を増減可能であり、セルバランス制御において対象セルに直列接続される抵抗Ｒの数が段階的に増加するので、放電時に流通する電流の量（電流値）が段階的に減少し、対象セルの放電速度（電圧降下の速度）が段階的に遅くなる。このように、対象セルの放電速度を、高速から中速を経て低速に推移するように段階的に遅くするので、高精度なバランス調整を確保しつつ、バランス調整時間の短縮を図ることができる。なお、本実施形態では、２つの中間目標電圧値を設定し、放電速度を３段階で減速させているが、１つの中間目標電圧値を設定し、放電速度を２段階で減速させてもよく、３つ以上の中間目標電圧を設定し、放電速度を４段階以上で減速させてもよい。

次に、本実施形態のセルバランス回路５のスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣと抵抗Ｒとを利用し、任意の周波数で矩形波を作成し、任意の電池セルＣを対象セルとし、対象セルの状態（例えば、劣化状態）を、電気化学インピーダンス法の一種である矩形波インピーダンス法によって推定する場合について説明する。

電気化学インピーダンス法によって対象セルの状態を推定する状態推定装置２０は、セルバランス制御装置１０と同様に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力回路等を備えて構成される。図１に示すように、状態推定装置２０は、スイッチ制御部（断接制御部）２１と、電流検出部２２と、電圧検出部２３と、インピーダンス算出部２４と、状態推定部２５とを有する。

スイッチ制御部２１は、対象セルに１つの抵抗Ｒが接続されるように断接部５を制御する（高速放電に設定する）。対象セルに接続される抵抗Ｒが１つであるので、複数の抵抗Ｒを直列接続する場合（中速放電や低速放電）に比べて、流通する電流の量（電流値）が増大する。

電流検出部２２は、電流センサ（図示省略）からのセンサ信号を取得して、対象セルに通流する電流（電流の波形）を検出する。電圧検出部２３は、電圧センサ（図示省略）からのセンサ信号を取得して、対象セルの電圧（電圧の波形）を検出する。なお、セルバランス制御装置１０の電圧検出部１１を、状態推定装置２０の電圧検出部２３として用いてもよい。

インピーダンス算出部２４は、同一のタイミングで検出された電流及び電圧それぞれの波形に含まれる周波数成分に基づいて、対象セルのインピーダンススペクトルを算出する。例えば、電流検出部２２が検出した電流の波形（時間的に連続する複数の取得電流値）に対して、フーリエ変換又はウェーブレット変換を施すことによって、当該電流の波形に含まれる周波数成分を検出する。また、電圧検出部２３が検出した電圧の波形（時間的に連続する複数の取得電圧値）に対して、フーリエ変換又はウェーブレット変換を施すことによって、当該電圧の波形に含まれる周波数成分を検出する。

次に、インピーダンス算出部２４は、周波数毎に、対象セルを通流する電流の波形に含まれる周波数成分と対象セルの電圧の波形に含まれる周波数成分との比を算出し、これによって、対象セルの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルを算出する。なお、インピーダンス算出部２４が実行する対象セルのインピーダンススペクトルの算出には、公知の電気化学インピーダンス法と同様の手法を用いることができる。

状態推定部２５は、インピーダンス算出部２４が算出した対象セルの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルに基づいて、対象セルの状態を推定する。例えば、対象セルの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルに基づいて、対象セルの各部（例えば、電極及び電解液）の劣化状態を推定する。

本実施形態によれば、対象セルを多量の電流が流通するので、電流検出部２２による電流の検出値が受けるノイズの影響が低減する。このため、状態推定部２５によって適正な推定結果を得ることができる。

以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明は、複数の電池セルが直列接続されたバッテリに適用可能である。

１：バッテリ
２：セルバランス回路
３：セル群
４：抵抗群
５：断接部
１０：セルバランス制御装置
１３：スイッチ制御部（断接制御部）
２０：状態推定装置
２１：スイッチ制御部（断接制御部）
Ｃ：電気セル
ＳＡ：セル側スイッチ
ＳＢ：抵抗側スイッチ
ＳＣ：中間スイッチ
Ｒ：抵抗

Claims (3)

1. 直列接続された複数の電池セルから構成されるセル群と、
   直列接続された複数の抵抗から構成される抵抗群と、
   前記セル群と前記抵抗群とを切断可能に接続する断接部と、を備え、
   前記断接部は、前記複数の電池セルのうち任意の１つの対象セルに直列接続される前記抵抗の数を変更可能に構成される
   ことを特徴とするバッテリ回路。
2. 請求項１に記載のバッテリ回路を備え、前記対象セルを放電することによってセルバランスを調整するセルバランス制御システムであって、
   セルバランスの調整開始時は前記対象セルに所定数の前記抵抗を直列接続し、セルバランスの調整開始時から所定時間が経過した後は前記対象セルに直列接続する前記抵抗の数を前記所定数から増加するように前記断接部を制御する断接制御部を備える
   ことを特徴とするセルバランス制御システム。
3. 請求項１に記載のバッテリ回路の前記対象セルを通流する電流を検出し、前記対象セルの電圧を検出し、同一のタイミングに検出された電流及び電圧それぞれの波形に含まれる周波数成分に基づいて、前記対象セルの内部インピーダンスのインピーダンススペクトルを算出し、算出したインピーダンススペクトルに基づいて、前記対象セルの状態を推定する状態推定装置であって、
   前記対象セルに１つの前記抵抗を直列接続するように前記断接部を制御する断接制御部を備える
   ことを特徴とする状態推定装置。

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