JP3841001B2

JP3841001B2 - 電池制御システム

Info

Publication number: JP3841001B2
Application number: JP2002084844A
Authority: JP
Inventors: 彰彦工藤; 正樹長岡
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003282159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池制御システムに係り、特に、組電池を構成する複数のリチウム二次電池の容量を個別に調整する電池制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リチウム二次電池等の単電池が複数個直列に接続された組電池では、例えば、特開平２０００−９２７３２号公報に開示されているように、各単電池に電圧測定回路と、スイッチ及び容量調整用バイパス抵抗からなる容量調整回路とをそれぞれ並列に接続し、開回路電圧（開放電圧）が高い単電池のスイッチをオン状態とすることで当該単電池を放電させ、単電池間の電圧差（バラツキ）を少なくする単電池容量調整制御が行われてきた。特に、開回路電圧と残存容量との相関が高い非晶質系炭素を負極活物質に用いたリチウムイオン電池では、単電池電圧の開回路電圧のバラツキを少なくして残存容量を揃える制御が行われている。
【０００３】
具体的には、システム起動時の組電池に充放電電流が流れていない状態で全単電池の開回路電圧を測定し、その値から各単電池の残存容量を計算して、各単電池の残存容量と最も残存容量の少ない単電池との差分の電気量をバイパス放電量として、当該バイパス放電量に相当する計算された放電時間（以下、バイパス放電時間という。）の間、単電池をバイパス抵抗に放電させる容量調整方法が採られている。バイパス抵抗の接続は組電池の充放電中に行われる。充電時にバイパス抵抗を接続すると、バイパス抵抗を接続しないときに比べバイパス抵抗に流れる電流分電池に流れる充電電流が少なくなり、放電時にバイパス抵抗を接続すると、バイパス抵抗を接続しないときに比べバイパス抵抗に流れる電流分電池に流れる放電電流が多くなるだけであり、充放電中でも単電池の残存容量の差を揃える容量調整を行うことができる。
【０００４】
図５に、このような制御を行う従来の電池制御部１０’の構成例を示す。図５に示すように、４直列の組電池群１を構成する各単電池には、バイパス抵抗２とスイッチ３との直列回路が並列接続されている。また、各単電池の両端は、電圧検出のために、差動増幅器４の入力側に、差動増幅器４の出力側はマルチプレクサ５の入力側にそれぞれ接続されており、マルチプレクサ５の出力側はマイクロコンピュータ６のＡ／Ｄ変換入力に接続されている。マイクロコンピュータ６はマルチプレクサ５の入力指定を出力ポートから行い、かつ、Ａ／Ｄ変換することで、指定した単電池の開回路電圧をデジタル値として取得（測定）する。マイクロコンピュータ６は、測定電圧データ等について通信インターフェイス９を介して上位システムのシステム制御部との通信を行う。マイクロコンピュータ６の出力ポートはスイッチ３にも接続されており、上述したようにバイパス放電時間の間スイッチ３をオン状態とする。フォトカプラ８は、システム制御部からの信号で制御されるもので、システム制御部は、組電池を充放電する場合にフォトカプラ８をオンとして電源部７からマイクロコンピュータ６を含む電池制御部１０’全体に電源を供給させて電池制御部１０’を作動させ、充放電終了後は、フォトカプラ８をオフとして電池制御部１０’の消費電流が０となるようなシャットダウン制御を行う。このシャットダウン制御は、組電池群１が長期間放置された場合に各単電池が放電してしまうことを防止するために必要な制御である。
【０００５】
システム制御部は、組電池群１の全単電池の開回路電圧データを通信により通信インターフェイス９を介してマイクロコンピュータ６から受け取り、上述した残存容量、バイパス放電量及びバイパス放電時間を計算して、バイパス放電時間をデータとしてマイクロコンピュータ６に送出する。マイクロコンピュータ６は、バイパス放電時間の間、スイッチ３に接続された出力ポートの信号をハイレベルとしてスイッチ３をオン状態としバイパス抵抗２にバイパス放電を行わせる。なお、図５では４直列の組電池の回路構成を示したが、実際には直列数は多く、電池制御部１０’も複数存在して、システム制御部と通信を行っている。
【０００６】
複数の電源制御部１０’とシステム制御部とを接続した従来の電池制御システムの構成例を示す。図６に示すように、組電池９は図５に示した電池制御部１０’に接続されており、電池制御部１０’はシステム制御部１１’に接続されている。システム制御部１１’は電池制御部１０’の動作制御を行い、電池制御部１０’はシステム制御部１１’と通信を行って各種制御を行う。システム制御部１１’の電源は１２Ｖ電池１２から供給され、メインスイッチ１３を閉じることでシステム制御部１１’内の電源部１４への電源が供給される。電池制御システムが動作するのはメインスイッチ１３がオンとなった場合のみであり、容量調整もメインスイッチ１３がオンとならなければ作動しない。
【０００７】
このように箇々の単電池の容量調整が必要な理由は、組電池全体の平均電圧値が通常の充放電状態であっても、特定の単電池の残存容量が何らかの原因で平均値からずれた場合に、過充電又は過放電となるためである。過充電又は過放電状態となると、組電池としての放電特性の低下、過充電での安全性の低下、過放電での寿命低下等を招く。残存容量がずれる原因としては、組電池を構成する各単電池の自己放電のバラツキ、充放電時の温度バラツキ、充電効率のバラツキなどが挙げられる。特に、リチウム二次電池では、容量調整機能なしでは充電レベルを完全に寿命末期まで揃えるのは困難であり、定期的にやや過充電気味に充電して残存容量を揃えることができる鉛電池やニッケル水素電池とは異なり、容量調整機能が不可欠である。また、リチウム二次電池は高エネルギー密度であり過充電状態に陥ると電池の内圧が極端に上昇するので、電池制御部は過充電電圧の高精度検出を行わなければならず、単電池の充電レベルが平均値からずれた場合には、早期に過充電検出機能が作動して異常状態と判断されて充電が停止してしまう場合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の電池制御回路を用いた場合には、容量調整を行う期間が、電池制御回路が作動している期間、つまり組電池の充放電を行っている場合に制約されているので、短期間の充放電と長期間の放置とを繰り返した場合には、容量調整効果が十分でない、という問題点があった。特に、電気自動車用などで１００Ａｈクラスの大容量リチウム二次電池が組電池を構成する単電池として用いられ、小容量のバイパス抵抗を用いて短期間の使用と比較的短期間の放置とを繰り返す条件下では、大容量のバイパス抵抗を用いないと容量調整が有効に作動せず、単電池間電圧のバラツキ、つまり残存容量のバラツキは大きくなり、電池特性と寿命特性の低下を招いてしまう可能性が高かった。
【０００９】
この例について図面を参照して具体的に説明する。図７に、従来の容量調整制御により１週間毎に１０時間容量調整をかけながら充放電を行った場合の単電池（以下、セルともいう。）電圧の推移を示す。用いた単電池は定格容量９０Ａｈのリチウムイオン電池であり、バイパス抵抗は３９Ωである。組電池としての直列数は９６セルであり、図５及び図６に示したシステムが用いられている。この電池制御システムでは、充放電中は充放電終了後の組電池の充電率（ＳＯＣ＝残存容量／満充電容量）が５０％となるように充放電量が制御される。また、上述したように、システム起動時に充放電電流が流れる前の開回路電圧を測定し、残存容量を計算して最も残存容量の少ないセルとの容量差分バイパス抵抗で放電させる容量調整制御が採られている。図７に示すように、セル電圧のバラツキは経過日数と共に大きくなるが、定期的に容量調整がかかるためにセル電圧のバラツキは抑えられ、平均電圧からの差の最大値である最大偏差も２０ｍＶ未満に抑えられる。
【００１０】
図８に、同一の条件で１週間毎に２時間容量調整をかけながら充放電を行った場合のセル電圧の推移を示す。図８に示すように、容量調整の時間が２時間と短い場合には日数の経過に伴いセル電圧のバラツキが大きくなり、９０日経過した時点での最大偏差は６０ｍＶと大きく、かつ、まだ増加傾向にある。
【００１１】
このように、従来の電池制御システムを用いた容量調整制御では、組電池を充放電する時間が短く、放置期間が長い場合には、セル電圧のバラツキが大きくなり、電池特性、寿命特性が悪化する可能性が大きい。この原因は、容量調整時間で制御可能なバイパス放電量が放置中に自己放電等で起こる残存容量低下のバラツキを補正できないためである。
【００１２】
この問題を解決するために、バイパス抵抗を大容量としてバイパス放電量を大きくすることが考えられるが、バイパス抵抗及びスイッチの発熱、容積、コストの点から制約がある。また、常に電池制御回路を作動させておくことも考えられるが、回路の消費電流は無視できない値となるので、放置中にリチウム二次電池が放電しエネルギーロスが発生する、という問題点がある。
【００１３】
上記事案に鑑み本発明は、単電池の電池電圧のバラツキを抑えることができると共に、消費電力が小さく組電池を長期間放置な電池制御システムを提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、組電池を構成する複数のリチウム二次電池の容量を個別に調整する電池制御システムにおいて、前記各リチウム二次電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段で測定された開回路電圧から当該リチウム二次電池の容量調整時間を演算する演算手段と、前記演算手段で演算された容量調整時間の間、当該リチウム二次電池の容量を調整する容量調整手段と、前記組電池が一定期間未使用で放置された場合に、前記電圧測定手段及び演算手段を所定時間作動させる作動制御手段と、を備え、前記容量調整手段は前記所定時間内に前記リチウム二次電池の容量調整を開始して前記所定時間経過後も該リチウム二次電池の容量調整を続行し、前記電圧測定手段及び前記演算手段は前記所定時間経過後に低消費電力状態となることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、組電池が一定期間未使用で放置された場合に、作動制御手段が電圧測定手段及び演算手段を所定時間作動させる。この所定時間内に電圧測定手段は各リチウム二次電池の開回路電圧を測定し、演算手段は電圧測定手段で測定された開回路電圧から当該リチウム二次電池の容量調整時間を演算して、所定時間経過後に電圧測定手段及び演算手段は低消費電力状態となる。容量調整手段は、所定時間内にリチウム二次電池の容量調整を開始して所定時間経過後も容量調整が完了するまで該リチウム二次電池の容量調整を続行する。本発明によれば、一定期間毎に容量調整手段により演算手段で演算された容量調整時間の間リチウム二次電池の容量が調整されるので、各リチウム二次電池の電池電圧のバラツキを抑えることができると共に、所定時間経過後は電圧測定手段及び演算手段が低消費電力状態となるので、消費電力による電池電圧の低下を少なくすることができる。
【００１６】
この場合において、所定時間経過後に容量調整手段のみが電源の供給を受けるようにすれば、所定時間経過後は容量調整手段のみが作動するので、消費電力が更に低下し電池電圧の低下を更に少なくすることができる。このような態様としては、容量調整手段が容量調整の対象となるリチウム二次電池から電源の供給を受けるようにしてもよい。また、容量調整手段を、Ｃ−ＭＯＳ型のＩＣを用いて構成すれば、Ｃ−ＭＯＳ型ＩＣの低消費電力特性から、容量調整手段による消費電力が小さくなるので、より電池電圧の低下を少なくすることができる。更に、作動制御手段を、組電池とは異なる電源で作動するタイマを有して構成すれば、上記一定期間及び所定時間を計時することができると共に、作動制御手段による電池電圧の低下がないので、組電池を一層長く放置することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な電池制御システムの実施の形態について、図５及び図６に示した従来の電池制御部及びシステム制御部と対比しつつ説明する。
【００１８】
図１は、電池制御部とシステム制御部とを組み合わせた本実施形態の電池制御システム全体の構成を示している。このシステム制御部１１が、図６に示した従来のシステム制御部１１’と異なる点は、１２Ｖ電池１２で作動するタイマ１５と、タイマ１５によりオン・オフが制御されるスイッチ１６とが付加されている点である。タイマ１５は、一定期間毎に所定時間、システム制御部１１を作動させるもので、例えば、１週間毎にスイッチ１６を１０秒間オン状態としてシステム制御部１１に電源を供給する。
【００１９】
図２は電池制御部１０の構成を示している。電池制御部１０が、図５に示した従来の電池制御部１０’と異なる点は、Ｃ−ＭＯＳ型のＩＣであるＣＭＯＳタイマＩＣ１７が存在する点である。従来の電池制御回路１０’ではマイクロコンピュータ６が直接スイッチ３のオン・オフを制御するが、電池制御部１０ではスイッチ３のオン・オフはタイマＩＣ１７からの出力で制御される。タイマＩＣ１７は、マイクロコンピュータ６からバイパス放電時間の設定値が送出されてくると動作を開始する（スイッチ３をオン状態とする）もので、作動電源は電源部７からではなく単電池から直接供給される。
【００２０】
システム制御部１１と電池制御部１０とは、図６に示した従来の電池制御システムと同様に、システム制御部１１の電池制御部動作制御ポートと各電池制御部１０のフォトカプラ８とが接続されており、システム制御部１１と電池制御部１０との通信ラインは配線経路を短くするために環状に接続されている。すなわち、システム制御部１１のデータ送信ポートは複数の電池制御部１０の最上位の電池制御部１０の通信入力ポートに接続されており、その電池制御部１０の通信出力ポートは下位の電池制御部１０の通信入力ポートに接続されるというように上位の通信出力ポートが順次下位の通信入力ポートに接続されており、最下位の通信出力ポートがシステム制御部１１のデータ受信ポートに接続されている。また、システム制御部１１と電池制御部１０とのグランド（ＧＮＤ）は共通とされている。
【００２１】
なお、電池制御システムは、組電池の９充放電及び休止状態を検出して組電池９の状態をシステム制御部１１に出力する図示を省略した充放電判別部を有している。このような充放電判別部は、例えば、シャント（分路）抵抗により組電池９を流れる電流方向を検出可能に構成することができ、組電池が充電、放電、休止のいずれの状態にあるかをシステム制御部１１へ出力するものである。
【００２２】
次に、本実施形態の電池制御システムの動作について説明する。
【００２３】
システム制御部１１は、メインスイッチ１３がオフとなっていても、タイマ１５によって１週間毎にスイッチ１６がオンとなり、１２Ｖ電池１２が電源部１４に接続され、システムが起動する。
【００２４】
システム起動後に、システム制御部１１（システム制御部１１内の図示を省略したマイクロコンピュータ）は、ハイレベル信号をフォトカプラ８に送出して電池制御部１０の動作制御をオンとする。電池制御部１０（マイクロコンピュータ６）は、差動増幅器４、マルチプレクサ５、マイクロコンピュータ６に内蔵されたＡＤコンバータで構成される電圧測定回路により組電池９を構成する各単電池の開回路電圧を測定し、その電圧データを通信ラインを介してシステム制御部１１へ送出する。
【００２５】
システム制御部１１は、単電池電圧を揃えるために必要なバイパス放電時間を計算し、通信ラインを介して電池制御部１０へバイパス放電時間値を送出する。電池制御部１０は、システム制御部１１から送出されたバイパス放電時間値を受信して容量調整動作（バイパス放電動作）を開始する。すなわち、通信ラインを介してシステム制御部１１からバイパス放電時間値がマイクロコンピュータ６に送出（又は転送）され、マイクロコンピュータ６はタイマＩＣ１７へバイパス放電時間値を転送してバイパス放電が開始される。この動作に必要な時間は１０秒未満であり、１０秒が経過するとスイッチ１６はオフとなり、システム制御部１１への電源供給が停止してシステム制御部１１の制御動作は終了する。システム制御部１１への電源供給が停止するため、フォトカプラ８に入力される動作制御信号はハイレベルからローレベルとなる。これにより、電池制御部１０の作動増幅器４、マルチプレクサ５、マイクロコンピュータ６は動作を停止する。
【００２６】
タイマＩＣ１７、バイパス抵抗２、スイッチ３で構成される容量調整回路は、タイマＩＣ１７の電源が調整対象の単電池から供給されておりマイクロコンピュータ６から既にバイパス放電時間値を取得しているので、マイクロコンピュータ６への電源供給が停止してしても、容量調整回路による容量調整動作のみは動作が継続される。そして、容量調整動作終了後は、完全に動作が停止して低消費電力状態となる。
【００２７】
次に、本実施形態の電池制御システムの作用等について説明する。
【００２８】
本実施形態の電池制御システムでは、組電池９（組電池群１）が１週間未使用で放置された場合に、タイマ１５が１０秒間システム制御部１１に電源を供給して作動させ、システム制御部１１は各電池制御部１０を作動させる。この間に電池制御部１０は各単電池の開回路電圧を測定してシステム制御部１１にその値を送信し、システム制御部１１はバイパス放電時間を計算して電池制御部１０にバイパス放電時間値を送信する。そして、バイパス放電時間値を取得したタイマＩＣ１７を有した容量調整回路により単電池の容量調整が開始される。１０秒間が経過すると、スイッチ１６がオフとなり、電池制御システムは容量調整回路を除き全ての回路が低消費電力状態となる。容量調整回路による単電池の容量調整は単電池に応じた個別のバイパス放電時間の間続行され、容量調整後は完全に動作が停止して低消費電力状態となる。従って、本実施形態の電池制御システムでは、バイパス放電時間の最後まで単電池の容量調整が行われるので、組電池を構成する各単電池の電池電圧のバラツキを抑えることができると共に、所定時間経過後は容量調整回路のみが容量調整対象の単電池から電力が供給されて動作し、電池制御システムの他の回路は低消費電力状態となっており単電池の電力を消費しないので、電池電圧の低下を少なくすることができる。
【００２９】
また、本実施形態の電池制御システムでは、容量調整回路にＣ−ＭＯＳ型のタイマＩＣ１７を用いたので、容量調整回路の消費電力は小さく、また、容量調整回路が作動していないときにも暗電流値は小さいため、電池電圧の低下を抑えることができる。従って、本実施形態の電池制御システムでは、容量調整回路で単電池の容量調整が最後までを行われ、かつ、タイマＩＣ１７による電池電圧の低下、すなわち、単電池の自己放電が小さいので、全単電池は容量調整可能な範囲内となり、単電池電圧のバラツキによる容量調整不能な単電池の存在を排除することができる。このため、バイパス抵抗２やスイッチ３の容量を小さくすることができるので、電池制御システムのコスト、発熱、容積を小さく抑えることができる。
【００３０】
更に、本実施形態の電池制御システムでは、メインスイッチ１３がオフとなっていても、タイマ１５により１週間毎に単電池の電池電圧の調整が可能なため、長期間組電池を放置しても単電池のバラツキを小さい範囲内に維持することができ、容量調整回路を除く回路は１０秒間のみ作動するので、消費電力は小さく単電池の電圧低下を極力抑えることが可能である。また、タイマ１５は組電池とは異なる電源で作動するので、単電池の電圧低下を招かず、組電池を一層長く放置することが可能である。
【００３１】
図３に、本実施形態の電池制御システムを用いて実際に動作させた場合の単電池電圧推移を示す。用いた単電池は定格容量９０Ａｈのリチウムイオン電池で、バイパス抵抗は３９Ωである。組電池としての直列数は９６セルである。図３に示すように、本実施形態の電池制御システムでは、９０日間放置していても１週間毎に容量調整がかかるので、単電池電圧の最大偏差は１０ｍＶ未満であった。比較のために、図４に、図６に示した従来の電池制御システムにより９０日間放置した場合の単電池電圧推移を示す。図４に示すように、従来の電池制御システムでは、単電池電圧の最大偏差が１２０ｍＶに達した。また、９０日放置後の単電池電圧は、本実施形態の電池制御システムでは約３３３０ｍＶ、従来の電池制御システムでは最少値が３４００ｍＶと大差ない単電池電圧の低下に抑えることができた。
【００３２】
なお、本実施形態では、タイマＩＣ１７にＣ−ＭＯＳ型のＩＣを用いた例を示したが、バイポーラ型のタイマＩＣを用いても単電池電圧のバラツキは抑えることができ、この場合には容量調整回路の消費電力が若干増えて単電池電圧の低下が若干大きくなるだけである。
【００３３】
また、本実施形態では、バイパス放電時間値をシステム制御部１１で計算（演算）する例を示したが、電池制御部１０（のマイクロコンピュータ６）で計算するようにしてもよく、また、システム制御部１１でバイパス放電量を計算し、電池制御部１０でバイパス放電時間値を計算するようにしてもよい。
【００３４】
更に、本実施形態では、電池制御部１０とシステム制御部１１とを別体とした例を示したが、システム制御部１１を電池制御部１０のいずれかに包含されるようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一定期間毎に容量調整手段により演算手段で演算された容量調整時間の間リチウム二次電池の容量が調整されるので、各リチウム二次電池の電池電圧のバラツキを抑えることができると共に、所定時間経過後は電圧測定手段及び演算手段が低消費電力状態となるので、消費電力による電池電圧の低下を少なくすることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池制御システムの構成を示すブロック回路図である。
【図２】実施形態の電池制御システムの電池制御部のブロック回路図である。
【図３】実施形態の電池制御システムを用い９０日間の放置を行ったときの単電池電圧の推移を示す特性線図である。
【図４】従来の電池制御システムを用い９０日間の放置を行ったときの単電池電圧の推移を示す特性線図である。
【図５】従来の電池制御部のブロック回路図である。
【図６】従来の電池制御システムの構成を示すブロック回路図である。
【図７】従来の電池制御システムを用い１週間の放置と１０時間の充放電とを繰り返したときの単電池電圧の推移を示す特性線図である。
【図８】従来の電池制御システムを用い１週間の放置と２時間の充放電とを繰り返したときの単電池電圧の推移を示す特性線図である。
【符号の説明】
２バイパス抵抗（容量調整手段の一部）
３スイッチ（容量調整手段の一部）
４差動増幅回路（電圧測定手段の一部）
５マルチプレクサ（電圧測定手段の一部）
６マイクロコンピュータ（電圧測定手段の一部、容量調整手段の一部）
８フオトカプラ（作動制御手段の一部）
９組電池
１０電池制御部
１１システム制御部（演算手段）
１２１２Ｖ電池
１４電源部（作動制御手段の一部）
１５タイマ（作動制御手段の一部）
１６スイッチ（作動制御手段の一部）
１７タイマＩＣ（容量調整手段の一部）

Claims

組電池を構成する複数のリチウム二次電池の容量を個別に調整する電池制御システムにおいて、
前記各リチウム二次電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段で測定された開回路電圧から当該リチウム二次電池の容量調整時間を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された容量調整時間の間、当該リチウム二次電池の容量を調整する容量調整手段と、
前記組電池が一定期間未使用で放置された場合に、前記電圧測定手段及び演算手段を所定時間作動させる作動制御手段と、
を備え、
前記容量調整手段は前記所定時間内に前記リチウム二次電池の容量調整を開始して前記所定時間経過後も該リチウム二次電池の容量調整を続行し、前記電圧測定手段及び前記演算手段は前記所定時間経過後に低消費電力状態となることを特徴とする電池制御システム。
前記所定時間経過後は、前記容量調整手段のみが電源の供給を受けることを特徴とする請求項１に記載の電池制御システム。
前記容量調整手段は、容量調整の対象となるリチウム二次電池から電源の供給を受けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池制御システム。
前記容量調整手段は、Ｃ−ＭＯＳ型のＩＣを用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池制御システム。
前記作動制御手段は、前記組電池とは異なる電源で作動するタイマを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池制御システム。