JP4463856B2 - リチウムイオン電池の電圧バランスの制御システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチセルバッテリーパックの電池電圧を読み取り、該読取電圧を比較して電池を充電または放電する電池バランシングシステムに係り、より詳しくは、電池電圧の測定時にバランス電流をオフし、バランス期間内にバランス電流を流すことで電池の電圧バランシングの精度を高めた電池バランシングシステムに関する。

一般にバッテリー電源供給装置は、関連電子機器にエネルギーを提供する電源としてマルチセルバッテリーパックを適用する。単一セルよりはマルチセルのパックを利用することにより高電圧の印加及び容量の増大が可能となる。しかしながら、各電池の電圧は、電池各自が充放電特性を持っているため、時間が経つにつれてアンバランスとなる傾向がある。

このようなバッテリーパック内の電池同士の電圧差は、バッテリー電池同士のアンバランスを生じさせ、バッテリーパックの容量の損失をもたらし得る。このため、すべてのバッテリー電池の過充電を防止し、且つ均一に充電できるように、各電池のバランスを取るための様々な電池バランシングシステム及び方法が提案されている。

例えば、バッテリーパック内の電池のうちの電圧の高い電池に抵抗などを通して電流を流すことにより電池バランスを合わせる方法がある。この方法は簡易ではあるが、バランスの合わない高電圧電池の数が多くなれば、放電電流量が多くなり発熱量が多くなるという不具合があった。また、この方法では、バッテリーパックの複数の電池のうちの最低電圧を有する電池にバランスが合わせられるという問題があった。

また、バッテリーパックの複数の電池のうちの低電圧を有する電池に充電電流を流すことによりバランスを合わせる方法もある。この方法では、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いており、効率的で且つ発熱量が少ないと知られている。

しかし、この方法でも低電圧電池の数が多くなれば、バッテリーパックの全電池の電圧が元の最低電圧より低くなる状況が生じる。

また、バッテリーパック内の電池の電圧を検出するとき、電池にバランス電流が流れているかどうかにかかわらず電圧を検出する方法もある。このような電圧検出方法は、大電流でバランスを合わせるシステム、あるいはバランス電流が流れる経路と電圧検出経路を共用するシステムではバランス電流による電圧降下が生じ、その結果、電圧を精度よく検出することができないという問題が生じる。

例えば、電池にバランス電流が流れている場合、該バランス電流の変化によって電池の端子電圧は複雑に変わる。従って、バランス電流の流れる電池があるとき、このバランス電流に関係なく電圧を読み取れば、すべての電池のバランスが合っていても、各電池がそれぞれ異なる電圧値を示す。

このような場合について、図１及び図２に基づいて説明する。

図１は、従来のリチウムイオン電池バッテリーにおけるバランス電流が流れる経路と電圧検出経路を共有するシステムの概路図であり、図２は、従来のリチウムイオン電池バッテリーにおける読み取った電圧値を示す図である。

図１に示すように、従来の電圧バランス調節装置では、負荷装置５を通して負荷電流が流れている場合、この負荷電流の変動や大きさによって電池の端子電圧が敏感に変化する。また、バランス電流制御部４によって電池Ｂ１にブースト・バランシング（boost balancing）を行い、電池Ｂ２にバック・バランシング（buck balancing）を行っている場合、電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の電圧を検出すれば、すべての電池の電圧バランスが実質的に合っていても、読み取った各電池端子の電圧値はそれぞれ異なる。従って、ＣＰＵ３は、各電池のバランスが合わないと判断し、バランス制御信号を出力してバランス電流制御部４を制御する。

図２に示すように、電池バランシングシステムにおいてバランス電流が流れていない場合に電池端子電圧を読み取ってみれば、電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の端子電圧のバランスが一定に取られていることが分かる。従って、ＣＰＵ３は、セル端子の電圧バランスが合っていると判断する。しかし、バランス電流が流れているときに電池の端子電圧を読み取れば、ＣＰＵ３は、セル端子の電圧バランスが合わないと判断する。

このように、ＣＰＵ３が電池の端子電圧をバランス電流が流れる場合に読み取れば、バランス電流による電圧降下によって電池の読取電圧値が異なることがある。

従って、従来の電池バランシングシステムでは、システム自体が動作していないときにのみ電圧バランシングを行うなど様々な制約があった。このような制約のため、電圧バランシング動作が複雑になり、手間がかかり、また電圧バランシングの精度が落ちるという問題点があった。

このまた、電池システムの電池の電圧読取誤差を無くし、電圧バランシングを速かに行うことができ、電圧バランシングの精度が高められる電池バランシングシステム及びその方法が必要であった。

そこで、本発明の目的は、リチウムイオン電池バッテリーにおけるバランス期間と電圧測定期間とを区分することで電圧バランシングの精度が高められる電池バランシングシステム及びその方法を提供することである。

上記目的を達成するための、本発明によるリチウムイオンマルチセルバッテリーパックの電池の電圧バランスを調節するシステムは、電圧読取期間とバランス期間とを定めている読取バランス信号と、電圧読取時の電池電圧をホールドする読取ホールド信号の入力を出力するバーチカルインタフェースと、制御しようとする電池のアドレスを指定するためのアドレスクロックと、電圧バランス期間内の電池電圧を独立的に読み取るためのバランスホールド信号の入力を出力するインタフェースと、上記バーチカルインタフェース及びインタフェースに接続され、これらインタフェースから信号出力を受け取って電池のバランスを調節する電池バランス調節回路の制御部と、を含む。

上記アドレスカウンターは、アドレスカウンタークロックが取り込まれれば順次電池のラインを変えることが好ましい。

上記電池のいずれか一つの電池の電圧を読み取るための電圧検出スイッチ部と、上記電池のいずれか一つの電池にバランス電流を供給するための電流スイッチ部を更に含むことが好ましい。

上記読取期間は、電池電圧を読み取ってバランスの目標値を定め、いずれの電池にバランス電流を流すかを決める。上記バランス期間は、上記決まった電池にバランス電流を流す。

上記アドレスカウンターは、読取バランスパルスと読取ホールドパルスの時間差によってリセットパルスを生成する。

上述した構成によれば、本発明はリチウムイオン電池バッテリーにおいてバランス期間と電圧測定期間とを明らかに区分し、電圧測定期間にはバランス電流を流さないようにすることで電圧バランシングの精度を高めることができる。

発明の実施のための形態

以下、添付した図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について詳しく説明する。

図３は、本発明の一様態に係るマルチセルバッテリーパックの電池の電圧バランシングを行うシステムを示す。

システム制御器１は、ＣＰＵ１−１からなり、複数のマルチセルバッテリーパック２、７、８、９とシステム制御器内のセンサー１−４、１−５、１−１３から各バッテリーパックの様々な電池関連データを収集し、演算して、システム全体の制御を行う。また、制御器１は、複数のマルチセルバッテリーパックを利用する装置へデータや制御信号を送信する。

複数のマルチセルバッテリーパック２、７、８、９の電池４Ｓ＋４Ｓの出力端子は、直列に接続されている。マルチセルバッテリーパックの最上部の出力端子ＴＢ＋と最下部の出力端子ＴＢ−は、システムの電力出力端子として使われる。

また、マルチセルバッテリーパック２の出力端子ＴＢ−は、電流検出素子１−４と非常遮断用素子１−８を介して出力する。該電流検出素子１−４は、電池に流れる電流を検出するためのものであって、抵抗またはホール素子などを利用する。

マルチセルバッテリーパック２は、ＣＰＵ２−１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２−２と、補助スイッチ２−３と、マスターモジュール３と、スレーブモジュール５とを含む。

マスターモジュール３とスレーブモジュール５は、ほぼ同一の構成を有する。

マスターモジュール３は、４つの電池４Ｓと、保護回路３−１と、バランス制御回路４とから構成され、スレーブモジュール５は、４つの電池４Ｓと、保護回路５−１と、バランス制御回路６とから構成される。バランス制御回路４、６は、各電池の端子電圧をＣＰＵ２−１が読み取る可能に接地電位に切り替える機能を果たす。

マスターモジュール３とスレーブモジュール５のそれぞれのバランス制御回路４、６は、バーチカルインタフェース６−１（ＶＩＦ）を介して信号を送受信することができるようになっている。また、マスターモジュール３のバランス制御回路４に設けられているバーチカルインタフェース４−１は、その下にあるマルチセルバッテリーパック７と信号を送受信することができる。この信号は、マルチセルバッテリーパック２を同期させるための信号と、マルチセルバッテリーパック２とマルチセルバッテリーパック７とを同期させるための信号とを含む。これら信号は、すべてのマルチセルバッテリーパック２、７、８、９間においてバーチカルインタフェースを介して送受信されることによってすべてのバッテリーパックを同期させる。

このような全体的な電圧バランシングシステムにおける本発明の一様態に係るマルチセルバッテリーパックのマスターモジュールの電圧バランシングについて、図４を参照して説明する。

図４に示すように、マスターモジュール３は、バーチカルインタフェース４−１と、インタフェース４−２と、制御部４−３と、電圧スイッチ部４−４と、電流スイッチ部４−５とを含む。

バーチカルインタフェース４−１は、２つのＮＰＮトランジスターと２つのＰＮＰトランジスターとから構成されている。ＮＰＮトランジスターは、ベース端子に所定のバイアス電圧が印加されてターンオン状態であるため、エミッタ端子は、読取ホールド（ＲＨ）パルスと読取バランス（ＲＢ）パルスが入力される。従って、ＮＰＮトランジスターのエミッタ端子を介して「ロー（Ｌ）」信号が入力されれば、ＰＮＰトランジスターは、ターンオンしてインバーターを通じて反転出力を得ることができる。この反転出力は、バランス制御回路の制御部４−３へ入力される。

このように、バーチカルインタフェース４−１は、読取ホールド（ＲＨ）信号が「Ｌ」状態であるときが「ホールド期間」である。読取ホールド信号が「Ｌ」状態になる直前の電池端子電圧は、ホールドコンデンサーｈＣ１〜４にホールドされる。

読取バランス（ＲＢ）信号が「Ｈ」状態であるときが「読取期間」であり、「Ｌ」状態であるときが「バランス期間」である。

インタフェース４−２は、２つのＮＰＮトランジスターと抵抗とから構成される。ＮＰＮトランジスターのベースは、バイアス電源に接続されてターンオン状態にある。ＮＰＮトランジスターのエミッタ端子には、バランスホールド（ＢＨ）パルスとアドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）パルスが入力される。また、その出力は、バランス制御回路の制御部４−３へ入力される。

従って、バランスホールド（ＢＨ）パルスが「Ｌ」状態であるとき、ホールド状態となる。ホールドコンデンサーｈＣには、バランスホールド（ＢＨ）パルスが「Ｌ」状態となる直前の電池端子電圧がホールドされる。バランスホールド（ＢＨ）パルスは、バランス期間の電池電圧を読み取るために提供される。読取ホールド（ＲＨ）パルスがすべての電池のバランシング動作の同期のために提供されるが、バランスホールド（ＢＨ）パルスは、電池間の同期を取ることなく、独自のタイミングで電圧読取ができるように提供される。

また、アドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）は、「Ｈ」状態から「Ｌ」状態に切り替わる。そして、「Ｌ」期間を「Ｈ」期間に比べて短く設定し、「Ｌ」状態であるときは、電池切替スイッチをＩＨＮ（inhibit）するようになっている。この結果、電池の取替えなどの過渡状態のときに発生する誤動作を防止することができ、このような過渡状態が安定するまで「Ｌ」状態の期間を確保すれば良い。

制御部４−３のアドレスカウンターＩＣ Ａ４は、電圧検出スイッチ部４−４及び電流スイッチ部４−５の電池アドレスを指定する。電圧検出スイッチ部４−４は、電池のいずれか一つの電池の電圧を読み取るために提供され、電流スイッチ部４−５は、電池のいずれか一つの電池にバランス電流を供給するために提供される。

アドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）は、アドレスカウンターの端子Ｅへ入力される。アドレスカウンターの出力Ｑ０、Ｑ１は、電流スイッチ部４−５のアナログライン選択装置ＩＣ Ｂ２と電圧検出スイッチ部４−４のアナログライン選択装置ＩＣ Ａ５の選択端子Ａ、Ｂへ入力される。ライン選択装置ＩＣ Ｂ２、ＩＣ Ａ５は、選択端子Ａ、Ｂの組合せで４つのラインに切り替えられる。各ラインは、電池Ｂ１〜Ｂ４に対応している。

アドレスカウンターＩＣ Ａ４がリセットされた状態では電池Ｂ１に対応し、アドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）が入力されれば、順次電池Ｂ２、電池Ｂ３、電池Ｂ４に対応してラインを変える。

アドレスカウンターＩＣ Ａ４の出力端子Ｑ２は、マスターモジュールとスレーブモジュールを切り替えるのに使う。出力端子Ｑ２が「Ｌ」状態であるとき、スレーブモジュール側はＩＮＨとなり、「Ｈ」状態であるとき、マスターモジュール側がＩＮＨ状態となる。この結果、マスターモジュールとスレーブモジュールとが切り替えられる。

アドレスカウンターＩＣ Ａ４のリセット端子Ｒには、読取ホールド（ＲＨ）パルスが入力される直前にリセットパルスが入力される。この結果、カウンターは「０」からカウントする。このリセットパルスを生成するために、読取バランス（ＲＢ）パルスと読取ホールド（ＲＨ）パルスの幅やタイミングを定める。読取バランス（ＲＨ）パルスが読取ホールド（ＲＨ）パルスより先に入力される。

電流スイッチ部４−５のアナログライン選択装置ＩＣ Ｂ２と電圧検出スイッチ部４−４のアナログ選択装置ＩＣ Ａ５のＩＮＨ端子には、アドレスカウンターＩＣ Ａ４の出力Ｑ２が入力され、また、読取バランス（ＲＢ）クロックとアドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）からＩＮＨパルスが入力される。

上述したような構成の動作について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。

同図に示すように、バーチカルインタフェース４−１を介して入力される読取バランス（ＲＢ）パルスは、「読取期間」と「バランス期間」とを定めている。言い換えれば、読取バランスパルスが「Ｈ」状態であるときが「読取期間」であり、「Ｌ」状態であるときが「バランス期間」を示す。

「読取期間」にはバランス電流をオフし、電池電圧を読み取り、バランスの目標値を定めて、バランス電流を流す電池を決める。このような「読取期間」の後の「バランス期間」には、その決められた電池にバランス電流を流す。

バランシングシステムのすべてのバッテリーパックは、読取バランス（ＲＢ）パルスに同期して動作している。

読取ホールド（ＲＨ）パルスは、電池電圧をホールドする。この読取ホールドパルスが「Ｈ」状態であるときが「ホールド期間」であり、「Ｌ」状態であるときが「非ホールド期間」である。

読取ホールド（ＲＨ）パルスは、読取バランス（ＲＢ）パルスより少し遅延して「Ｈ」状態となる。読取ホールド（ＲＨ）パルスは、電池電圧の読取が終われば、「Ｈ」状態を必要としない。

しかしながら、本発明によれば、読取バランス（ＲＢ）パルスが「Ｈ」状態の期間は、「Ｈ」状態を保ち、読取バランス（ＲＢ）パルスと同じタイミングで「Ｌ」状態となるようにする。

読取バランス（ＲＢ）パルスと読取ホールド（ＲＨ）パルスの時間差によってアドレスカウンターがリセットパルスを生成する。このリセットパルスによってアドレスカウンターＡ４をリセットさせる。

アドレスカウンターＡ４がリセットされれば、アドレスカウンターのピンＡ、Ｂ、Ｃ（図示せず）がリセットされ、Ａ＝０、Ｂ＝０、Ｃ＝０となるため、電池Ｂ１にアドレスされる。しかし、この時点で、電池Ｂ１の電圧は検出することができない。読取ホールド（ＲＨ）パルスが「Ｈ」状態となれば、すべての電池の端子電圧がホールドされて端子電圧を検出することができる。端子電圧を検出した後、アドレスカウンタークロック（ＡｄｒＣｌｋ）が入力されれば、Ａ＝１、Ｂ＝０、Ｃ＝０となり、電池Ｂ２にアドレスされて、電池Ｂ２の電圧が検出される。

アドレスカウンタークロック（ＡｄｒＣｌｋ）が５番目にＡ＝０、Ｂ＝０、Ｃ＝１となり、マスターモジュールからスレーブモジュールに切り替われば、電池Ｂ５〜Ｂ８に進む。以降、アドレスカウンターはこのような動作を繰り返し行う。この結果、電池電圧の読取を繰り返してデータを読み取ることにより電圧読取の精度を高めることができる。

その検出された電池電圧はＣＰＵへ入力される。ＣＰＵは、システム制御器と通信してデータを送受信する。このような送受信によってバランスの目標電圧を定め、バランスオン／オフの電池を決める。バランス電流の流す方向は、バランスの目標電圧と読取電圧とを比較して、電池の充電方向または電池の放電方向のいずれかに決められる。

読取バランスパルスがバランス期間に入れば、予め定めたバランスオン／オフに応じて、バランスオンに該当する電池にバランス電流を流す。例えば、電池Ｂ１は、バランス電流が「オフ状態」であるため、アドレスカウンタークロック（ＡｄｒＣｌｋ）が短時間入力された後、電池Ｂ２のアドレスに進む。電池Ｂ２は、バランス電流が「オン状態」であるため、長時間にわたってそのアドレスに影響を及ぼす。これと同様に、電池Ｂ３、Ｂ５、Ｂ８は、長時間にわたってバランスオン状態である。

各バッテリーパックごとにバランス電流オン／オフ状況が異なるため、バランス期間では、バッテリーパック間の動作が非同期状態となる。読取バランス（ＲＢ）パルスのバランス（Ｂ）期間が終われば、すべてのバッテリーパックはバランス動作を終了し、読取（Ｒ）期間となる。

このように、リチウムイオン電池バッテリーにおいてバランス期間と電圧読取期間とを明確に区分することによって電圧バランシングの精度を高めることができる。

従来のリチウムイオン電池バッテリーにおけるライン選択装置を利用して電圧バランスを調節する装置の概路図である。 従来のリチウムイオン電池バッテリーにおける電池の電圧読取タイミングを示す図である。 本発明の一態様に係るマルチセルバッテリーパックの電池の電圧バランシングシステムを示す図である。 本発明の一態様に係るリチウムイオン電池バッテリーのマスターモジュールに関するブロック図である。 本発明の一態様に係る読取期間とバランシング期間を示すタイミング図である。

符号の説明

１ システム制御器
１−１ ＣＰＵ
２、７、８、９ マルチセルバッテリーパック
１−４、１−５、１−１３ センサー
２−２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ マスターモジュール
５ スレーブモジュール

Claims (14)

1. 複数のリチウムイオンマルチセルバッテリーパックに含まれた各電池の電圧バランスを調節するシステムであって、
   バッテリーパックに連結され、電圧読取期間とバランス期間とを定めている同期化された読取バランス信号と、電圧読取の前に各電池電圧をホールドさせる同期化された読取ホールド信号の入力を出力するバーチカルインタフェースと、
   バッテリーパックに連結され、ホールドされた電圧を読み取ろうとする電池のアドレスを指定するためのアドレスクロックの入力を出力するインタフェースと、
   前記バーチカルインタフェース及びインタフェースに接続され、これらインタフェースから信号出力を受け取って電池のバランスを調節する電池バランス調節回路の制御部と、を含む
   ことを特徴とする電池バランスの調節システム。
2. 前記電池バランス調節回路の制御部は、前記アドレスクロックに応じて順次に電池のラインを変えるアドレスカウンターを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池バランスの調節システム。
3. 前記電池のいずれか一つの電池の電圧を読み取るための電圧検出スイッチ部と、前記電池のいずれか一つの電池にバランス電流を供給するための電流スイッチ部とを更に含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池バランスの調節システム。
4. 前記制御部は、電圧読取期間にバランス電流をオフし、バランス目標値を定めて、いずれの電池にバランス電流を流すかを決める
   ことを特徴とする請求項３に記載の電池バランスの調節システム。
5. 前記制御部は、前記バランス期間に前記決まった電池にバランス電流を流すことを特徴とする請求項４に記載の電池バランスの調節システム。
6. 前記アドレスカウンターは、前記読取バランス信号と前記読取ホールド信号の時間差によってリセットパルスを生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池バランスの調節システム。
7. 複数のリチウムイオンマルチセルバッテリーパックに含まれた各電池の電圧バランスを調節する方法であって、
   電圧読取期間とバランス期間とを定める同期化された読取バランス信号、及び各電池の電圧をホールドさせる同期化された読取ホールド信号を受信するステップと、
   前記同期化された読取ホールド信号に応じて前記電圧読取期間の前に各電池の電圧をホールドするステップと、
   前記電圧読取期間に、アドレスカウンタークロックを用いて各電池を選び、選ばれた電池の電圧を読み取るステップと、
   バランス目標値に基づいてバランス電流を流す電池を決めるステップと、
   前記バランス期間に、上記決まった電池にバランス電流を流すステップと、を含む
   ことを特徴とする電圧バランスの調節方法。
8. 前記バランス電流は、読み取った電池の電圧とバランス目標値との比較に基づき、電池の充電方向または電池の放電方向のいずれかの方向に流す
   ことを特徴とする請求項７に記載の電圧バランスの調節方法。
9. 前記電池電圧のホールドは、読取バランス信号に基づいてバランス電流をオフした後に行われる
   ことを特徴とする請求項７に記載の電圧バランスの調節方法。
10. 前記電圧読取期間に、読取ホールド信号に応答して電池の電圧をホールドした後、前記選ばれた電池の電圧を読み取る
    ことを特徴とする請求項７に記載の電池バランスの調節方法。
11. 前記各電池の電圧をホールドするステップは、前記読み取りホールド信号の電圧レベルが変化するときに行われる
    ことを特徴とする請求項７に記載の電池バランスの調節方法。
12. 前記インタフェースは、前記バランス期間内に各電池の電圧を独立的に読み取るためのバランスホールド信号の入力を出力する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電池バランスの調節システム。
13. 前記バーチカルインタフェースは、隣接するバッテリーパックの間に介在されることを特徴とする請求項１に記載の電池バランスの調節システム。
14. 前記読取ホールド信号に応じて各電池の電圧を個別的にホールドするホールドコンデンサーをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の電池バランスの調節システム。

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