JP2024061273A - バッテリの均等化制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低ＳＯＣ領域において複数の電池セルの均等化を実施した場合でも、均等化の完了後に行われる電池セルの充電処理によって複数の電池セル間における電圧差の拡大を抑制できる、均等化制御装置を提供する。【解決手段】フラット領域を有するバッテリについて、複数の電池セルに含まれる第１セル及び第２セルの満充電容量及び電圧の値を取得する取得部と、取得部が取得した値に基づいて複数の電池セルの均等化を制御する制御部と、を備え、制御部は、第１セルの満充電容量と第２セルの満充電容量との差分の絶対値が第１閾値以上である場合、満充電時における第１セルの充電率と第２セルの充電率との差分の絶対値が第２閾値未満となるように均等化を実施し、第１セルの電圧と第２セルの電圧との差分の絶対値が第３閾値以上である場合、第１セルの電圧と第２セルの電圧との差分の絶対値が第３閾値未満となるように均等化を実施する、均等化制御装置。【選択図】図１

Description

本開示は、複数の電池セルによって構成されるバッテリ（組電池）を制御する均等化制御装置に関する。

特許文献１に、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線に充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）に対する開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の変化率が所定値以下となる「フラット領域」を有した、複数の電池セルによって構成されるバッテリ（組電池）において、複数の電池セルの均等化を行う技術が開示されている。この特許文献１に記載の技術では、充電率の引き下げ処理又は引き上げ処理を行ってバッテリの状態をフラット領域以外である「非フラット領域」に遷移させた後、非フラット領域において開回路電圧に基づいた複数の電池セルの均等化を実施している。

特開２０２０－０６８６３９号公報

非フラット領域のうち充電率が低い側の領域である「低ＳＯＣ領域」において開回路電圧に基づいた複数の電池セルの均等化を実施した場合、複数の電池セルにおける満充電容量のばらつき具合によっては、均等化完了後の充電処理において満充電容量が小さい電池セルが早く高充電率に到達することで満充電容量が大きい電池セルとの間で電圧差が拡大してしまい、再度均等化の実施が必要となるおそれがある。

本開示は、上記課題を鑑みてなされたものであり、低ＳＯＣ領域において複数の電池セルの均等化を実施した場合でも、均等化の完了後に行われる電池セルの充電処理によって複数の電池セル間における電圧差の拡大を抑制できる、均等化制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示技術の一態様は、複数の電池セルによって構成され、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線に充電率に対する開回路電圧の変化率が所定値以下となるフラット領域を有するバッテリについて、複数の電池セルの均等化を行う均等化制御装置であって、複数の電池セルに含まれる第１セル及び第２セルの満充電容量及び電圧の値を取得する取得部と、取得部が取得した値に基づいて複数の電池セルの均等化を制御する制御部と、を備え、制御部は、第１セルの満充電容量と第２セルの満充電容量との差分の絶対値が第１閾値以上である場合、満充電時における第１セルの充電率と第２セルの充電率との差分の絶対値が第２閾値未満となるように均等化を実施し、第１セルの電圧と第２セルの電圧との差分の絶対値が第３閾値以上である場合、第１セルの電圧と第２セルの電圧との差分の絶対値が第３閾値未満となるように均等化を実施する、均等化制御装置である。

上記本開示のバッテリの均等化制御装置によれば、低ＳＯＣ領域において複数の電池セルの均等化を実施した場合でも、均等化の完了後に行われる電池セルの充電処理によって複数の電池セル間での電圧差が拡大してしまうことを抑制することができる。

本開示の一実施形態に係る均等化制御装置を含む電源システムの概略構成を示すブロック図 リン酸鉄系リチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線の一例を示す図 均等化制御装置が実行するバッテリの均等化制御の処理フローチャート

本開示の均等化制御装置は、複数の電池セルで構成されるＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線にフラット領域を有するバッテリについて、均等化対象となる２つ以上の電池セルの満充電容量及び電圧に基づいて、実施する均等化処理を制御する。低ＳＯＣ領域における電池セルの均等化処理のみで複数の電池セル間での電圧差拡大を抑制できる。
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施形態＞
［構成］
図１は、本開示の一実施形態に係る均等化制御装置５０を含む電源システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に例示した電源システム１は、第１バッテリ１０と、ＤＣＤＣコンバータ２０と、第２バッテリ３０と、複数の車載機器４０と、本実施形態の均等化制御装置５０と、を備えている。

図１に示す電源システム１は、車両に搭載することができる。以下の実施形態では、電源システム１が、動力源として電動モーターを使用するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、及び電気自動車（ＢＥＶ）などに搭載された場合を一例に挙げて、本実施形態に係る均等化制御装置５０の制御を説明する。

第１バッテリ１０は、電動モーター（図示せず）やＤＣＤＣコンバータ２０に電力を供給するための高電圧のバッテリである。車両に搭載される典型的な第１バッテリ１０は、例えば駆動用バッテリである。また、第１バッテリ１０は、外部電源に接続可能なプラグイン充電器（図示せず）を介して、外部電源から電力を取得することができる構成としてもよい。この第１バッテリ１０には、充放電可能に構成されたリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。

ＤＣＤＣコンバータ２０は、第１バッテリ１０と第２バッテリ３０及び複数の車載機器４０とを接続し、第１バッテリ１０の電力を第２バッテリ３０及び複数の車載機器４０に供給する。電力供給の際、ＤＣＤＣコンバータ２０は、入力電圧である第１バッテリ１０の高電圧を所定の低電圧に変換して出力することができる。

第２バッテリ３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０から出力される電力を充電したり、自らが蓄えている電力を放電したりする、低電圧のバッテリである。車両に搭載される典型的な第２バッテリ３０は、例えば補機バッテリである。本実施形態の第２バッテリ３０は、複数の電池セルから構成される組電池である。第２バッテリ３０は、典型的には、複数の電池セルが直列に接続されて構成される。また、第２バッテリ３０は、幾つかの電池セルが並列に接続されたセルブロックを２つ以上直列に接続して構成されてもよい。

この第２バッテリ３０の各電池セルには、電池の充電率ＳＯＣと開回路電圧ＯＣＶとの関係を示すＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線に、充電率ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの変化率の絶対値が所定値以下となる領域、いわゆるフラット領域を有する電池が用いられる。この所定値は、電池の仕様などに基づいて定まる値である。フラット領域を有する電池としては、リン酸鉄系リチウムイオン電池（ＬＦＰ電池）を例示できる。図２に、リン酸鉄系リチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線の一例を示す。

複数の車載機器４０は、ＤＣＤＣコンバータ２０から出力される電力や第２バッテリ３０の電力で動作する、車両に搭載された様々な装置である。この複数の車載機器４０には、一例としてモーターやソレノイドなどのアクチュエータ類、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやクーラーなどの空調類、ステアリング、ブレーキ、及び自動運転や先進運転支援などの電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）類、などの装置が含まれる。

均等化制御装置５０は、取得部５１０と、制御部５２０とを備えており、第２バッテリ３０を制御する。この均等化制御装置５０は、典型的には、プロセッサ、メモリ、及び入出力インターフェイスなどを含んだ電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成され得る。電子制御ユニットは、メモリ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、取得部５１０及び制御部５２０によって行われる全部又は一部の機能を実現する。

取得部５１０は、第２バッテリ３０を構成する複数の電池セルの状態をそれぞれ取得する。電池セルの状態としては、満充電容量及び電圧の値を例示できる。電池セルの電圧は、正極端子と負極端子との間の電圧値であり、例えば電池セルに設けられる電圧センサなどの検出素子を介して取得することが可能である。電池セルの満充電容量は、例えばディーラーや整備工場などにおいて第２バッテリ３０の点検や交換などが行われた際に取得することができたり、満充電容量を測定や推定する周知の技術を用いて取得することができたりする。

制御部５２０は、取得部５１０が取得した第２バッテリ３０を構成する複数の電池セルの状態に基づいて、複数の電池セル間で生じる電圧及び充電率のばらつきを均等化する処理を制御する。複数の電池セル間での電圧ばらつきは、各電池セルの自己放電量のばらつきなどに起因して生じる。複数の電池セル間で電圧がばらつくと、特定の電池セルの劣化が加速的に進行したり、利用可能なエネルギー量が低下したりする。このため、制御部５２０は、電圧が高い電池セルを必要に応じて放電させて電圧を下げて他の電池セルの電圧と揃えることで、これらの影響を回避することを行っている。

［制御］
次に、図３をさらに参照して、本開示の一実施形態に係る均等化制御装置５０が行う制御を説明する。図３は、均等化制御装置５０が実行する第２バッテリ３０を構成する複数の電池セルについて実施される均等化制御の処理手順を示すフローチャートである。

なお、図３では、第２バッテリ３０を構成する複数の電池セルのうちの第１セルと第２セルとを対象として、セル間の均等化を行う制御の例を示している。しかしながら、３つ以上の電池セルを対象とするセル間の均等化制御も、図３の手順に従って同様に実施することが可能である。

図３に例示した電池セルの均等化制御は、複数の車載機器４０の動作に影響を及ぼすことがないタイミングで開始される。一例として、車両の電源がオフ操作されたタイミング（例えば、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わるタイミング）で、電池セルの均等化制御が開始される。

（ステップＳ３０１）
均等化制御装置５０の取得部５１０は、第１セルの満充電容量ＦＣＣ１、第１セルの電圧Ｖ１、第２セルの満充電容量ＦＣＣ２、及び第２セルの電圧Ｖ２を、それぞれ取得する。

取得部５１０によって各セルの満充電容量及び電圧が取得されると、ステップＳ３０２に処理が進む。

（ステップＳ３０２）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、取得部５１０が取得した第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２とが共に、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線上のフラット領域よりも充電率が低い側の低ＳＯＣ領域にあるか否かを判断する。すなわち、第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２とが共に、フラット領域の下限電圧よりも低い電圧であるか否かを判断する。低ＳＯＣ領域にあると判断するための下限電圧は、第２バッテリ３０の仕様などに基づいて予め定められている。

制御部５２０が、第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２とが共に低ＳＯＣ領域にあると判断した場合は（ステップＳ３０２、はい）、ステップＳ３０３に処理が進む。一方、制御部５２０が、第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２とが共に低ＳＯＣ領域にないと判断した場合には（ステップＳ３０２、いいえ）、均等化処理を行うことなくステップＳ３０１に処理が進む。

（ステップＳ３０３）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、第１セルと第２セルとの間の満充電容量差ΔＦＣＣが、第１閾値以上であるか否かを判断する。この満充電容量差ΔＦＣＣは、第１セルの満充電容量ＦＣＣ１と第２セルの満充電容量ＦＣＣ２との差分の絶対値である（ΔＦＣＣ＝｜ＦＣＣ１－ＦＣＣ２｜）。この判断は、第１セルと第２セルとの間で均等化を行う必要があるか否かを判断するために行われる。よって、第１閾値は、第２バッテリ３０の劣化進行の抑制などの観点から、第２バッテリ３０の特性や車両に要求される性能などに基づいて適切に設定される。

制御部５２０が、第１セルと第２セルとの間の満充電容量差ΔＦＣＣが第１閾値以上であると判断した場合は（ステップＳ３０３、はい）、ステップＳ３０４に処理が進む。一方、制御部５２０が、第１セルと第２セルとの間の満充電容量差ΔＦＣＣが第１閾値未満であると判断した場合には（ステップＳ３０３、いいえ）、ステップＳ３０７に処理が進む。

（ステップＳ３０４）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、第１セルの均等化容量ＥＱＣ１及び第２セルの均等化容量ＥＱＣ２を、それぞれ算出する。この第１セルの均等化容量ＥＱＣ１［Ａｈ］は、第１セルの満充電容量ＦＣＣ１［Ａｈ］と、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線によって電圧Ｖ１［Ｖ］から導出される充電率ＳＯＣ＿Ｖ１［％］とに基づいて、次の式［１］によって導出することができる。また、第２セルの均等化容量ＥＱＣ２［Ａｈ］は、第２セルの満充電容量ＦＣＣ２［Ａｈ］と、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線によって電圧Ｖ２［Ｖ］から導出される充電率ＳＯＣ＿Ｖ２［％］とに基づいて、次の式［２］によって導出することができる。

ＥＱＣ１＝（１００－ＳＯＣ＿Ｖ１）×ＦＣＣ１ … ［１］
ＥＱＣ２＝（１００－ＳＯＣ＿Ｖ２）×ＦＣＣ２ … ［２］

制御部５２０によって各セルの均等化容量が算出されると、ステップＳ３０５に処理が進む。

（ステップＳ３０５）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、現状の第２バッテリ３０を満充電状態にする充電処理を行った場合における、第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣが、第２閾値以上になるか否かを判断（推定）する。この充電率差ΔＳＯＣとは、電池セルのばらつきによって先に満充電状態になった一方のセルと、満充電状態に到達しない他方のセルとの間の充電率の差分であり、第１セルの均等化容量ＥＱＣ１と第２セルの均等化容量ＥＱＣ２とに基づいて導出可能である。

一例として、第１セルが、満充電容量ＦＣＣ１＝「３０Ａｈ」かつＳＯＣ＿Ｖ１＝「１０％」である場合には、上記式［１］によって第１セルの均等化容量ＥＱＣ１＝「２７．０Ａｈ」が算出される。一方、第２セルが、満充電容量ＦＣＣ１＝「２９Ａｈ」かつＳＯＣ＿Ｖ１＝「２０％」である場合には、上記式［２］によって第２セルの均等化容量ＥＱＣ２＝「２３．２Ａｈ」が算出される。このような第１セル及び第２セルを構成に含む第２バッテリ３０を充電すると、第２セルに２３．２Ａｈが給電された時点で第２セルは１００％の満充電状態となるが、第１セルは２３．２Ａｈの給電で約８７％（＝１０＋２３．２／３０×１００）にしかならず、第１セルと第２セルとの間で充電率差ΔＳＯＣ≒「１３％」が生じる。この充電率差ΔＳＯＣをどの程度許容するかによって、第２閾値が設定される。

制御部５２０が、満充電時の第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣが第２閾値以上であると判断した場合は（ステップＳ３０５、はい）、ステップＳ３０６に処理が進む。一方、制御部５２０が、満充電時の第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣが第２閾値未満であると判断した場合には（ステップＳ３０５、いいえ）、均等化処理を行うことなくステップＳ３０１に処理が進む。

（ステップＳ３０６）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、満充電時の第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣに基づいて、均等化処理を実施する。具体的には、制御部５２０は、第１セルの均等化容量ＥＱＣ１と第２セルの均等化容量ＥＱＣ２とが一致するように、均等化容量が低い方のセルに蓄積されている電力を放電させる。

例えば、第１セルの均等化容量ＥＱＣ１が「２７．０Ａｈ」であり、第２セルの均等化容量ＥＱＣ２が「２３．２Ａｈ」である場合には、第２セルの電力を３．８Ａｈ分だけ放電して、第２セルの均等化容量ＥＱＣ２を第１セルの均等化容量ＥＱＣ１と同じ「２７．０Ａｈ」に揃えることを行う。なお、第１セルに３．８Ａｈ分だけ電力を充電して、第１セルの均等化容量ＥＱＣ１を第２セルの均等化容量ＥＱＣ２と同じ「２３．２Ａｈ」に揃えてもよい。

制御部５２０によって満充電時の第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣに基づく均等化処理が実施されると、ステップＳ３０１に処理が進む。

（ステップＳ３０７）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶが、第３閾値以上であるか否かを判断する。この電圧差ΔＶは、第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２との差分の絶対値である（ΔＶ＝｜Ｖ１－Ｖ２｜）。この判断は、第１セルと第２セルとの間で均等化を行う必要があるか否かを判断するために行われる。よって、第３閾値は、第２バッテリ３０の劣化進行の抑制などの観点から、第２バッテリ３０の特性や車両に要求される性能などに基づいて適切に設定される。

制御部５２０が、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶが第３閾値以上であると判断した場合は（ステップＳ３０７、はい）、ステップＳ３０８に処理が進む。一方、制御部５２０が、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶが第３閾値未満であると判断した場合には（ステップＳ３０７、いいえ）、均等化処理を行うことなくステップＳ３０１に処理が進む。

（ステップＳ３０８）
均等化制御装置５０の制御部５２０は、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶに基づいて、均等化処理を実施する。具体的には、制御部５２０は、第１セルの電圧Ｖ１と第２セルの電圧Ｖ２とが一致するように、電圧が高い方のセルに蓄積されている電力を放電させる。

例えば、第１セルの電圧Ｖ１が「３．２Ｖ」であり、第２セルの電圧Ｖ２が「３．３Ｖ」である場合には、第２セルの電力を電圧Ｖ２が３．２Ｖに低下するまで放電して、第２セルの電圧Ｖ２を第１セルの電圧Ｖ１と同じ「３．２Ｖ」に揃えることを行う。なお、第１セルに電力を充電して、第１セルの電圧Ｖ１を第２セルの電圧Ｖ２と同じ「３．３Ｖ」に揃えてもよい。

制御部５２０によって第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶに基づく均等化処理が実施されると、ステップＳ３０１に処理が進む。

＜作用・効果＞
以上のように、本開示の一実施形態に係る均等化制御装置５０によれば、複数の電池セルで構成されるＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線にフラット領域を有する第２バッテリ３０について、均等化対象となる２つ以上の電池セルの満充電容量及び電圧に基づいた均等化処理を適切に実施する。

具体的には、第１セルと第２セルとの間の満充電容量差ΔＦＣＣが第１閾値以上である場合、満充電時における第１セルと第２セルとの間の充電率差ΔＳＯＣが第２閾値未満となるように均等化処理を実施する。また、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶが第３閾値以上である場合、第１セルと第２セルとの間の電圧差ΔＶが第３閾値未満となるように均等化処理を実施する。

このような制御によって、低ＳＯＣ領域において複数の電池セルの均等化処理を実施した場合でも、均等化処理の完了後に行われる電池セルの充電処理によって複数の電池セル間での電圧差が拡大してしまうことを抑制することができる。

以上、本開示の一実施形態を説明したが、本開示は、上述した均等化制御装置だけでなく、プロセッサとメモリを備えた均等化制御装置が実行する均等化制御方法その均等化制御方法の制御プログラム、その制御プログラムを記憶したコンピューター読み取り可能な非一時的な記録媒体、あるいは均等化制御装置を搭載した車両など、として捉えることが可能である。

本開示のバッテリの均等化制御装置は、複数の電池セルによって構成されるバッテリを制御する場合などに利用可能である。

１ 電源システム
１０ 第１バッテリ
２０ ＤＣＤＣコンバータ
３０ 第２バッテリ
４０ 車載機器
５０ 均等化制御装置
５１０ 取得部
５２０ 制御部

Claims (2)

1. 複数の電池セルによって構成され、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性曲線に充電率に対する開回路電圧の変化率が所定値以下となるフラット領域を有するバッテリについて、前記複数の電池セルの均等化を行う均等化制御装置であって、
   前記複数の電池セルに含まれる第１セル及び第２セルの満充電容量及び電圧の値を取得する取得部と、
   前記取得部が取得した値に基づいて前記複数の電池セルの均等化を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１セルの電圧及び前記第２セルの電圧が前記フラット領域の下限電圧よりも低い電圧である場合、前記第１セルの満充電容量と前記第２セルの満充電容量との差分の絶対値が第１閾値以上であれば、満充電時における前記第１セルの充電率と前記第２セルの充電率との差分の絶対値が第２閾値未満となるように均等化を実施する、
   均等化制御装置。
2. 前記制御部は、前記第１セルの電圧及び前記第２セルの電圧が前記フラット領域の前記下限電圧よりも低い電圧である場合、前記第１セルの満充電容量と前記第２セルの満充電容量との差分の絶対値が前記第１閾値未満であれば、前記第１セルの電圧と前記第２セルの電圧との差分の絶対値が第３閾値未満となるように均等化を実施する、
   請求項１に記載の均等化制御装置。