JP3730162B2 - 蓄電装置の残容量均等化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池セルが複数個直列又は直並列に接続された蓄電装置において、各セルの残容量（ＳＯＣ；State Of Charge）のバラツキを均等化する蓄電装置の残容量均等化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＶ（Electrical Ｖehicle：電気自動車）又はＨＥＶ（Hybrid Electrical Ｖehicle：ハイブリッド車）においては、エネルギーストレージとして、複数の電池セル（以下、単にセルという）を直列につないで高電圧バッテリとして搭載する必要がある。このようなバッテリにおいて、充放電を繰り返して長期間使用したり放置しておくと、バッテリを構成するセル単体の充放電効率のバラツキや、セルの置かれる環境温度のバラツキによりバッテリ内で各セルの残容量のバラツキ（以下、ＳＯＣバラツキという）が発生する。
【０００３】
また、バッテリの充放電にあたっては、各セルの耐久性や安全確保の観点より、ＳＯＣ値（又はセル電圧）の最も高いセルが設定上限ＳＯＣ値（又は上限セル電圧値）に到達した時点で充電を禁止し、ＳＯＣ値（又はセル電圧）の最も低いセルが設定下限ＳＯＣ値（又は下限セル電圧値）に到達した時点で放電を禁止する必要がある。
従って、各セルにＳＯＣのバラツキが生じると、実質上、バッテリの使用可能容量が減少することになる。このため、ＨＥＶにおいては、登坂時にガソリンに対してバッテリエネルギーを補充したり、降坂時にバッテリにエネルギーを回生したりする、いわゆるアシスト・回生が不十分となり、実車動力性能や燃費を低下させることになる。
【０００４】
この対応として、各セルのＳＯＣバラツキを均等化して、バッテリの使用可能容量を確保する手段が必要となる。特に、リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタ等のように、過充電領域まで充放電効率が変化しないようなエネルギーストレージにとっては、均等化処理を行うための付加システムが必須となる。
このような均等化処理の手法としては、セル毎に、電圧センサやバイパス抵抗及びバイパススイッチ（制御トランジスタ）を備えるバイパス回路などを設定し、バイパススイッチをマイコンでコントロールする手法（いわゆるバイパス回路方法）が提案されており、ＨＥＶなどに搭戴され実用化に至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバイパス回路方法においては、充放電実施中（走行中）に各セル電圧がバイパス基準電圧を超えたときのみにバイパススイッチをオンし、バイパス抵抗を介して放電させる。
【０００６】
ところで、上述したような従来のバイパス回路方法を、特にリチウムイオン電池のような大容量のバッテリに適用する際には、ＳＯＣのバラツキ収束能力を高く設定する必要がある。
この手法としては、主に
▲１▼バイパス抵抗を小さくし、バイパス放電を大電流で実施する。
▲２▼バイパス作動基準電圧を低い値に設定し、ＳＯＣバラツキ発生時のバイパス放電の頻度を高くする。
という２つの手法が考えられる。
【０００７】
しかしながら、上記▲１▼の手法については、バイパス抵抗の発熱が大きくなるため、抵抗の大型化や放熱フィンが必要となり現実的ではない。
また、▲２▼の手法については、従来の技術においては基準電圧を低く設定するとＳＯＣのバラツキが小さい場合においてもバイパススイッチが頻繁にオンすることとなり、電力損失が大きいという問題が生ずる。
【０００８】
また、一方で、通常、セルには内部抵抗が存在するが、セル間においてこの内部抵抗にバラツキが生ずると、不要なバイパス放電が発生し、ＳＯＣのバラツキが拡大するという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、セルの残容量のバラツキを正確に判断するとともに、均等化に伴う電力損失を極力低減させる蓄電装置の容量均等化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数のセル（実施形態におけるセル１１及び１２）が直列に接続されてなる蓄電装置（実施形態におけるバッテリ１）と、前記セルの各々に並列に設けられた電流バイパス回路（実施形態におけるバイパス回路２ａ及び２ｂ）と、セル電圧が基準電圧以上となったセルの前記電流バイパス回路を作動させるとともに、セルに流れる電流の値が基準電流値以上となった場合には、全ての前記バイパス回路の作動を停止するバイパス回路制御手段（実施形態におけるバイパス回路制御部１０）とを具備する蓄電装置の容量均等化装置を提供する。
【００１３】
このように、セルに流れる電流が大きい期間、即ち、セルの内部抵抗のバラツキがセル電圧のバラツキとして顕著に現れるためにセルの残容量を正確に判断することが困難である期間においては、バイパス回路制御手段がバイパス回路の作動を停止するので、正確なセルの残容量に基づいたバイパス放電を行うことが可能となる。
これにより、むやみに均等化を行うことが少なくなり、効率よく均等化を実施することができるとともに、電力量の損失を低減することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の残容量均等化装置の概略構成を示す図である。
同図において、符号１は複数のセル１１，１２が直列に接続されてなるバッテリ、符号２ａ，２ｂはバッテリ１を構成するセルの各々に並列にそれぞれ設けられた電流バイパス回路である。
電流バイパス回路２ａ，２ｂは、それぞれスイッチング素子３０，３１とバイパス抵抗２３，２６とを備えており、スイッチング素子３０，３１がバイパス回路制御部１０によって制御されることにより、その作動が制御される。
【００１５】
バイパス回路制御部１０は、セル電圧が基準電圧以上となったセルの電流バイパス回路を作動させるとともに、全セルのセル電圧が基準電圧以上となった場合、又はセルに流れる電流の値が基準電流値以上となった場合に、全てのバイパス回路の作動を停止させる。
また、符号９は所定のタイミングでセルに流れる電流を検出し、検出結果をバイパス回路制御部１０へ出力する電流センサ、符号１３ａ，１３ｂは所定のタイミングで、それぞれセル１１，セル１２のセル電圧を検出し、検出結果をバイパス回路制御部１０へ出力する電圧センサである。
【００１６】
次に、上記構成からなる蓄電装置の残容量均等化装置において、バイパス回路制御部１０が行う処理について図２を参照して説明する。なお、この処理は、バイパス回路制御部１０によって所定時間毎に繰り返し行われる処理である。
【００１７】
まず、バイパス回路制御部１０は、電圧センサ１３ａ、１３ｂからセル１１、セル１２のセル電圧を受信すると（ステップＳＰ１）、各セル電圧が基準電圧以上であるか否かを判断し、その結果に基づいた制御信号を出力する（ステップＳＰ２）。即ち、セル電圧が基準電圧以上であるセルにおいては、そのセルに並列に設けられているバイパス回路のスイッチング素子をオン状態とする制御信号を出力することにより、バイパス回路を作動させ、一方、セル電圧が基準電圧以下であるセルにおいては、そのセルに並列に設けられているバイパス回路のスイッチング素子をオフ状態とする制御信号を出力することにより、バイパス回路を停止状態とする。
【００１８】
続いて、バイパス回路制御部１０は、全セルのセル電圧が基準電圧以上であるか否かを判断する（ステップＳＰ３）。この結果、１つでもセル電圧が基準電圧未満のセルが存在した場合には（ステップＳＰ３において「NO」）、電流センサ９から受信した電流値が基準電流値以上であるか否かを判断する（ステップＳＰ４）。この結果、電流値が基準電流値未満であれば（ステップＳＰ４において「NO」）、そのまま当該処理を終了する。
【００１９】
一方、全セルのセル電圧が基準電圧以上であった場合（ステップＳＰ３において「YES」）又は、セルを流れる電流の値が基準電流値以上であった場合（ステップＳＰ４において「YES」）には、バイパス回路制御部１０は、全てのバイパス回路のスイッチング素子をオフ状態とする制御信号を出力することにより、全てのバイパス回路の作動を停止させ（ステップＳＰ５）、当該処理を終了する。
【００２０】
このように、全セルのセル電圧が基準電圧以上となった場合には、全セルのバイパス放電を禁止するので、全セルが同時にバイパス放電を行うという状況を回避することができ、電力損失を抑えた残容量の均等化を実現することができる。
【００２１】
また、セルに流れる電流が大きい期間、即ち、セルの内部抵抗のバラツキがセル電圧のバラツキとして顕著に現れるためにセルの残容量を正確に判断することが困難である期間においても、バイパス回路の作動を停止するので、正確なセルの残容量に基づいたバイパス放電を行うことが可能となる。
【００２２】
ここで、セルに流れる電流が大きいと、セルの残容量を正確に判断することが困難となる理由について説明する。
今、バッテリに電流が流れていないときのセル電圧をＥ０とすると、電流が流れている際に電圧センサ等によって測定されるセル電圧は、以下の式で表される。
Ｖ＝Ｅ０＋Ｒ×Ｉ…（１）
【００２３】
上記（１）式において、Ｒは内部抵抗、Ｉは電流を示している。この式からわかるように、電流が流れている際に測定されるセル電圧は、電流Ｉと内部抵抗Ｒの影響を受け、たとえＥ０の値が変わらなくとも、電圧センサによって測定されるセル電圧Ｖは変動することとなる。
本実施形態では、バイパス放電を行うか否かは、電圧センサによって測定されるセル電圧、即ち内部抵抗と電流との影響を受けた見かけ上の電圧に基づいて判断される。従って、全てのセルにおいて、セル電圧Ｅ０が等しい値であっても、セル間で内部抵抗のバラツキがあれば、電圧センサによって測定されるセル電圧には、セルに流れる電流に応じたバラツキが生じることとなる。そして、このセル電圧のバラツキは、セルに流れる電流が大きいほど、顕著に現れることとなる。従って、セルに流れる電流が大きく、内部抵抗のバラツキの影響が顕著に現れる場合においては、セルの均等化を停止することにより、正確なセル電圧（正確なセルの残容量）に基づいた適切なタイミングでのバイパス放電を実施することが可能となる。これにより、不要なバイパス放電を防止することができるため、セルの電力損失等を極めて少なくすることができる。
【００２４】
次に、図１に示した蓄電装置の残容量均等化装置を構成する各部の詳細構成について図３を参照して説明する。
図３は、図１に示した蓄電装置の残容量均等化装置を構成する各部の詳細構成を示したブロック図である。
なお、以下の説明において、セル１２に対応して設けられている構成要素については、セル１１に対応して設けられている構成要素と区別するためにかっこ内に符号を記す。
【００２５】
図３において、バイパス回路２ａ（２ｂ）は、均等化停止用スイッチ２１（２４）、バイパススイッチ２２（２５）、バイパス抵抗２３（２６）を備えている。ここで、均等化停止用スイッチ２１（２４）は、通常状態においてオン状態にあり、各バイパス回路の作動のオン／オフはバイパススイッチ２２（２５）のオンオフによって制御される。
【００２６】
電圧比較部３ａ（３ｂ）は、コンパレータのような素子を備え、セル１１（１２）の電圧が入力端子から入力され、このセル電圧と基準電圧生成部４ａ（４ｂ）によって生成される基準電圧Ｖrefとを比較し、この結果に応じた信号を出力する。例えば、セル電圧が基準電圧Ｖref以上であった場合には、出力信号として「１」を出力し、一方、セル電圧が基準電圧Ｖref未満であった場合には、出力信号として「０」を出力する。
また、セル電圧が基準電圧以上であった場合には、バイパススイッチ２２（２５）をオン状態とし、一方セル電圧が基準電圧以下であった場合には、バイパススイッチ２２（２５）をオフ状態とする。
【００２７】
このようにして電圧比較部３ａ（３ｂ）からそれぞれ出力された信号は、フォトカプラ５ａ（５ｂ）を介して、論理積回路７に出力される。
論理積回路７は電圧比較部３ａ、３ｂからの信号が全て「１」であるときには「１」を出力し、それ以外の場合には「０」を出力する。
【００２８】
作動停止部８は論理積回路７の出力が「１」であれば、バッテリ１を構成する全セルのセル電圧が基準電圧以上であると判断し、均等化停止用スイッチ２１（２４）をオフにする制御信号（ここで出力される信号を便宜上作動オフ信号と称する）を出力する。これにより、作動停止部８から出力された作動オフ信号は、フォトカプラ６ａ（６ｂ）を介してそれぞれのバイパス回路２ａ（２ｂ）の均等化停止用スイッチ２１（２４）へ伝達され、均等化停止用スイッチ２１（２４）がオフすることにより、バイパス回路２ａ，２ｂの作動が一括して停止する。
【００２９】
また、作動停止部８は論理積回路７からの出力が「０」であった場合には、電流センサ９から受信する電流値が基準電流値以上であるか否かを判断し、電流値が基準電流値以上である場合には、上述と同様に作動オフ信号を出力する。
【００３０】
以上説明したように、各セルのセル電圧が基準電圧Ｖref以上か否かにおいては、コンパレータ等を使用し、全セルのセル電圧が基準電圧以上であるか否かは、論理積回路を使用することにより、簡単に図２に示したステップＳＰ２、ステップＳＰ３の処理を実行することができる。
【００３１】
次に、制御信号のオンオフのタイミングについて図４を参照して具体的に説明する。図４において、（ａ）はセル１１とセル１２とのセル電圧の推移、（ｂ）はセルに流れる電流の推移、（ｃ）はセル１１に対応するバイパス回路２ａのバイパススイッチのオンオフ状況、（ｄ）は制御信号の出力をそれぞれ示したタイミングチャートである。
【００３２】
まず、時刻ｔ１では、セル１１のセル電圧が基準電圧値以上となるため、セル１１のバイパススイッチがオン状態となる。また、時刻ｔ２では、セル１１及びセル１２のセル電圧が共に基準電圧値以上となるので、作動停止部８がバイパス回路２ａ及び２ｂの作動を停止させるべく、作動オフ信号を出力する。
【００３３】
続く、時刻ｔ３においてセル１２のセル電圧が基準電圧値以下となるため、制御信号は作動オン信号に切り替えられ、これによって、セル１１のバイパス回路は作動状態となる。続く時刻ｔ４では、セル１１のセル電圧も基準電圧値以下となるため、バイパススイッチ２２がオフ状態となり、時刻ｔ５ではセルに流れる電流値が基準電流値以上となるため、制御信号が作動オフ信号に切り替えられる。続く時刻ｔ６では、電流値が基準電流値以下となるため制御信号が作動オン信号に切り替えられ、また、この時点でセル１１のセル電圧は基準電圧値以上であるためバイパススイッチもオン状態となる。
【００３４】
また、時刻ｔ７では、セル電流の値が基準電流値以上となるため制御信号が作動オフ信号に切り替えられ、時刻ｔ８でセル電流が基準電流値以下となるため制御信号は作動オン信号に切り替えられる。
更に時刻９においてセル１１のセル電圧が基準電圧以上になることにより、セル１１のバイパススイッチがオン状態となり、時刻１０では、セル１１及びセル１２のセル電圧がともに基準電圧値以上となるので、制御信号が作動オフ信号に切り替えられる。
【００３５】
このように、全セルのセル電圧が基準電圧以上となる時刻ｔ２〜ｔ３の期間、及びセル電流の値が基準電流値を超える時刻ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８の期間においては、作動オフ信号を出力し、均等化停止用スイッチ２２及び２４をオフ状態とすることにより、バイパス回路の作動を停止状態とする。
【００３６】
なお、図１に示した本実施形態におけるバイパス回路制御部を構成する各部は、図３に示したようにそれぞれ専用のハードウェア（図３における電圧比較部、基準電圧生成部、論理積回路、作動停止部等）により実現されるものであってもよく、また、メモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、上記の各部の機能を実現するためのプログラムをメモリに記録して、このメモリに記録されたプログラムをＣＰＵがロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能を携帯端末を構成するメモリに既に記録されている種々のプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００３７】
以上、図面を参照して本発明の一実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、バッテリが、２つのセルを直列接続してなる構成の場合について述べたが、これに限ることはない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の蓄電装置の残容量均等化装置によれば、セルに流れる電流が大きい期間、即ち、セルの内部抵抗のバラツキがセル電圧のバラツキとして顕著に現れるためにセルの残容量を正確に判断することが困難である期間においては、全てのセルのバイパス放電を停止するので、正確なセルの残容量に基づいたバイパス放電を行うことが可能となる。
これにより、むやみに均等化を行うことが少なくなり、効率よく均等化を実施することができるとともに、電力量の損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る蓄電装置の残容量均等化装置の概略構成図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係る蓄電装置の残容量均等化装置の処理手順を示したフローチャートである。
【図３】 本発明の一実施形態に係る蓄電装置の残容量均等化装置の詳細構成を示したブロック図である。
【図４】 本発明の一実施形態に係るバッテリの均等化処理を具体的に説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ バッテリ
２ａ，２ｂ バイパス回路
３ａ，３ｂ 電圧比較部
４ａ，４ｂ 基準電圧生成部
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ フォトカプラ
７ 論理積回路
８ 作動停止部
９ 電流センサ
１０ バイパス回路制御部
１１，１２ セル
２１，２４ 均等化停止用スイッチ
２２，２５ バイパススイッチ
２３，２６ バイパス抵抗

Claims (1)

1. 複数のセルが直列に接続されてなる蓄電装置と、
   前記セルの各々に並列に設けられた電流バイパス回路と、
   セル電圧が基準電圧以上となったセルの前記電流バイパス回路を作動させるとともに、セルに流れる電流の値が基準電流値以上となった場合に、全ての前記バイパス回路の作動を停止させるバイパス回路制御手段と
   を具備する蓄電装置の残容量均等化装置。

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