JP4472758B2 - バッテリーパックの電圧放電装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車またはハイブリッド自動車などに備えられるバッテリーパックのバッテリーバランシングにおいて、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方法を用いてバッテリー放電（Ｂｕｃｋｉｎｇ）をする装置及び方法に関する。

例えば、電気エネルギーを動力源として用いる電気自動車は必要電力を供給されるために多数個のバッテリーから構成されたバッテリーパックを搭載する。このようなバッテリーパックに含まれている多数個のバッテリーは、安全性と寿命向上、そして高出力を得るために各バッテリーの電圧を均一にさせる必要がある。電気自動車には１０個単位のバッテリーから構成されるバッテリーパックが車両構成に従って多数個に構成され、バッテリー管理装置はバッテリーパックのバッテリーを充電または放電しながら各バッテリーが適切な電圧を持つようにする。しかし、多数個のバッテリーは内部インピーダンスの変化等の多くの要因により平衡状態を安定的に維持しにくいので、バッテリー管理システムにおいては多数のバッテリーの充電状態を平衡化させるためのバランシング機能が付加された。

このために従来には、多数個のバッテリーを用いる高電圧バッテリーパックの内部にあるバッテリーの電圧を均一にさせるために平均電圧より高い電圧を示すバッテリーに放電用抵抗（Ｂｕｃｋ抵抗）を連結して抵抗を通じてバッテリーが持っているエネルギーを捨てることで全体のバッテリーパックに生じた電圧差を減らす方法を用いた。この方法はコントロール回路によってオン／オフ方式で放電を行う。しかし、この方法は放電（Ｂｕｃｋ）が進まれるにつれてバッテリー電圧も低くなり、オームの法則（Ｖ＝Ｉ・Ｒ）によって電圧が低くなるが、抵抗が固定されていれば電流量も共に少なくなって放電が進まれるにつれて放電の効果が減少する問題点があった。また、ＳＳＲを用いる場合、ＳＳＲが許容する最大電流量に制限があるため低い電流で初期放電を行うようになり、これによって放電にかかる時間が長く所要される短所があった。また、放電を行う時間が増えるため、制限された時間内に完全に放電が終了できない短所があった。

図１は、従来のバッテリー放電の際のバッテリー電圧、電流、放電エネルギーを示している。従来の放電方式は、放電対象バッテリーと放電用抵抗を連結することで放電対象バッテリーの電圧を下げるが、放電用抵抗が固定されているので、図１に示したように、放電効果が時間が経つにつれて減少することが見られる。

例えば、バッテリーの最高電圧を４.５Ｖとし、放電用抵抗の消耗電力を１Ｗと仮定すれば、Ｐ＝Ｖ・Ｉにより電流Ｉは約２２０ｍＡになる。従って、Ｖ＝ＩＲからＲは２２.５と決まる。この場合、従来技術のように固定された抵抗を用いる方法であれば、バッテリーの電圧が２.５Ｖになる場合、上記で決まった２２.５を用いればＶ＝Ｉ・Ｒにより電流は約１１０ｍＡが流れることになる。

このとき抵抗によって消耗される放電電力Ｐは、Ｐ＝Ｖ・Ｉによって約０.２７５Ｗになる。

すなわち、放電抵抗における消耗電力によって時間が経つにつれて電圧と電流が低くなり、結果的に放電抵抗によって消耗されるエネルギーも減るようになる。

上述したように、従来には放電を行う時間が経過するほど放電の効果が減るようになってバッテリー電圧の減少が遅滞され、制限された時間内に放電が完全に行えない問題点があった。

従って、本発明の目的は、バッテリーパック内の電圧が不均一なバッテリーの放電が迅速に行えるようにしたバッテリーの放電装置及び方法を提供することにある。

本発明は、バッテリーパック内にある多数個のバッテリーの電圧を均一にさせるために用いられるＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が特定バッテリーの電圧を放電させるための方法において、バッテリーと放電用抵抗の連結を、ＳＳＲ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｌａｙ）を通じてするが、ＳＳＲが許容する最大電流限界及び放電抵抗の最大許容電力をバッテリーの電圧に応じてＳＳＲの制御信号をＰＷＭ形態で制御することで、連結されたＳＳＲに流れる平均電流量を最大許容電流量と同一にして、ＳＳＲの動作安全性を確保すると同時に、早い時間内にバッテリーの充電残存量を下げることができることを特徴とする。すなわち、ＰＷＭ形態のコントロール信号をＳＳＲに印加して放電用抵抗（Ｂｕｃｋ抵抗）により消費されるエネルギーを一定にする方法である。

上記目的を果たすための本発明のバッテリー放電方法は、バッテリーパック内の多数個のバッテリーの中で放電対象バッテリーの電圧を測定する段階と、上記測定された電圧値と放電用抵抗値を用いて上記放電対象バッテリーと上記放電用抵抗とを連結するスイッチング部のＰＷＭデューティ比を算出する段階と、上記デューティ比に応じてスイッチング部を制御して上記放電用抵抗で消費されるエネルギーが一定に維持されるようにする段階からなることを特徴とする。

そして、バッテリー放電装置は、上記バッテリーパックの多数個のバッテリーの中で放電対象バッテリーと連結されて上記放電対象バッテリーの電圧を放電させるための放電用抵抗と、上記放電対象バッテリーと上記放電用抵抗を連結するスイッチング部と、上記放電対象バッテリーの電圧を測定する電圧測定部と、上記放電抵抗で消費されるエネルギーが一定に維持されるように上記測定されたバッテリーの電圧値に応じて上記スイッチング部を制御する制御部を含むことを特徴とする。

発明の実施のための最良の形態

以下、添付した図面を参照しながら望ましい実施例に対して詳しく説明する。

図２は、本発明によるバッテリー放電装置の構成を示した図面であり、図３は、本発明が適用されたときのバッテリー電圧、バッテリー有効電流及び放電電力を示すグラフであり、図４は、本発明によるバッテリー放電方法を示す流れ図である。

まず、図２による本発明のバッテリー放電装置は、バッテリー１０４と、上記バッテリー１０４に充電された電力を放電させる放電抵抗（Ｒ_ｂ）と、上記バッテリー１０４と上記放電抵抗（Ｒ_ｂ）を連結するスイッチング部１０４と、上記バッテリー１０４の電圧を測定する電圧測定部１０６と、上記放電抵抗で消費されるエネルギーが一定に維持されるように上記測定されたバッテリーの電圧値に応じて上記スイッチング部を制御する制御部から構成される。

上記のように構成された本発明は、ＰＷＭ制御を通じて放電抵抗に印加される有効電流量を調整して放電抵抗によって消耗される放電電力を一定に維持させることで、時間によるバッテリーの電圧降下に関係なく一定のエネルギーが放電できるようにしたことに技術的特徴がある。

本発明の具体的な処理過程は次のようである。

まず、電気自動車またはハイブリッド自動車に備えられるバッテリーパックのバランシングをとる目的で、ある一つのバッテリー１０４の放電を行えば、バッテリー放電装置の電圧測定部１０６はバッテリー１０４の放電が終了するまで周期的に、例えば、１ｓｅｃ毎にバッテリー１０４の電圧を測定し、測定された電圧値を制御部１００に提供すれば、上記制御部１００はバッテリー１０４の測定された電圧値と放電用抵抗値を用いてＰＷＭデューティ比を算出するようになり、その算出過程は次のようである。
Ｐ＝Ｖ・Ｉ （式１）
Ｖ＝Ｉ・Ｒ （式２）

放電用抵抗をＲ_ｂとし、Ｒ_ｂを算出するために放電を行うとき最も低い電圧、すなわち、バッテリー使用範囲の最低電圧をＶ_ｍｉｎとし、このときに流れる電流をＩ_ｍｉｎとし、放電抵抗Ｒ_ｂによって消費される放電電力をＰ_ｍａｘとすれば、上記式１及び式２に従って、
Ｒ_ｂ＝Ｖ_ｍｉｎ ^２／Ｐ_ｍａｘ （式３）
が誘導される。

設定された放電抵抗（Ｒ_ｂ）を用いて放電を行うとき放電抵抗（Ｒ_ｂ）に印加される電流を調節するためにＰＷＭ方式の制御によりスイッチングすることで有効電流を調整することになり、このとき調整された電流をＩ_ｐｗｍとし、ＰＷＭデューティ調整されていない、すなわち、デューティ比１００％のときの電流をＩ_{ｎｏｒｍａｌ}とし、現在の電圧をＶ_ｂとすれば、次の二つの式によって最終的にＰＷＭデューティ比の計算式が算出される。
Ｉ_ｐｗｍ＝Ｐ_ｍａｘ／Ｖ_ｂ （式４）
I_{ｎｏｒｍａｌ}＝Ｖ_ｂ／Ｒ_ｂ （式５）
ＰＷＭデューティ比＝（I_ｐｗｍ／I_{ｎｏｒｍａｌ}）×１００％ （式６）

上記３つの式から
ＰＷＭデューティ比＝（Ｒ_ｂ×Ｐ_ｍａｘ／Ｖ_ｂ ^２）×１００％ （式７）
が導出され、上記式３及び式７から
ＰＷＭデューティ比＝（Ｖ_ｍｉｎ ^２／Ｖ_ｂ ^２）×１００％ （式８）
が導出される。理解を助けるために上記式３と７から一実施例を挙げれば次のようである。
Ｐ_ｍａｘ＝１Ｗ
Ｖ_ｍｉｎ＝２.５Ｖ
であると仮定すれば、式３によってＲ_ｂ＝６.２５が得られる。このとき、Ｖ_ｂがＶ_ｍｉｎに逹したときＰＷＭデューティ比が１００％にならなければならない。従って、Ｖ_ｂが２.５Ｖの場合、式８によってＰＷＭデューティ比は１００％になることが分かる。また、Ｖ_ｂが４.５Ｖの場合、式８によってＰＷＭデューティ比は約３０.８６％になる。

言い換えれば、上記制御部１００は、式３によりＲ_ｂを決め、電圧測定時ごとに得られたバッテリー電圧Ｖ_ｂを用いて、式８によりデューティ比を求めることができる。

上記制御部１００は、現在測定されたバッテリー電圧に応じたデューティ比が算出されれば、算出されたＰＷＭデューティ比に応じて放電バッテリー１０４と放電抵抗（Ｒ_ｂ）の連結状態をスイッチングするようにスイッチング部１０２を制御する。

上記スイッチング部１０２は、例えば、半導体継電器であるＳＳＲを用いることでスイッチング寿命をのばすことができ、より信頼性のあるスイッチングができる。

このような処理過程は当該バッテリー１０４の放電が終了するまで周期的に現在のバッテリー電圧を測定しながら繰り返して行う。

上述したように、本発明は、電気自動車及びハイブリッド自動車などに備えられるバッテリーパックのバッテリー放電の際に、バッテリーの電圧が降下することに対応してスイッチング部のＰＷＭ制御を通じて有効電流を調節して放電電力をバッテリーの電圧と関係なく一定に維持させることで、バッテリーを迅速に放電させることができるという利点がある。

また、放電用として用いられる抵抗のＷ（ワット）値の場合、バッテリーの最大電圧を考慮して決めるのではなく、ＰＷＭ制御によって調整された有効電力によって計算できるため、必要以上に高いＷ値の抵抗を用いなくても良いので、製品実装及び価格に大きい利点がある。

また、スイッチング部としてＳＳＲを採用した場合、ＳＳＲに流れる最大許容電流量があり、バッテリーの最大電圧を考慮して放電する場合素子損傷の恐れがあるが、本発明は、ＰＷＭ制御を通じて調整された電圧によって放電動作を行うことで、ＳＳＲに流れる平均電流量はＳＳＲの最大許容電流量以内で動作可能になるので、素子損傷の危険もなくＳＳＲの動作安全性も高まる利点がある。

一般的なバッテリー放電の際のバッテリー電圧、バッテリー電流、電力の波形図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリー放電装置の構成図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリー放電の際のバッテリー電圧、バッテリー有効電流、放電電力の波形図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリー放電方法の流れ図である。

符号の説明

１００ 制御部
１０２ スイッチング部
１０４ バッテリー
１０６ 電圧測定部

Claims (6)

1. バッテリーパックの電圧放電装置において、
   上記バッテリーパックの多数個のバッテリーの中で放電対象バッテリーと連結されて上記放電対象バッテリーの電圧を放電させるための放電用抵抗と、
   上記放電対象バッテリーと上記放電用抵抗を連結するスイッチング部と、
   上記放電対象バッテリーの電圧を測定する電圧測定部と、
   上記放電用抵抗で消費されるエネルギーが一定に維持されるように上記測定されたバッテリーの電圧値に応じて上記スイッチング部を制御する制御部とを含み、
   上記制御部は、ＰＷＭ方式によってデューティ比を調整するように上記スイッチング部を制御し、
   上記放電抵抗値は、バッテリーの測定電圧（Ｖ _ｂ ）がバッテリーの使用範囲の最低電圧（Ｖ _ｍｉｎ ）に達したとき、デューティが１００％になる値であり、
   上記ＰＷＭデューティ比は、バッテリーの測定電圧をＶ _ｂ 、バッテリー使用範囲の最低電圧をＶ _ｍｉｎ とし、上記放電用抵抗（Ｒ _ｂ ）によって消費される電力をＰ _ｍａｘ とするとき、ＰＷＭデューティ比＝（Ｒ _ｂ ×Ｐ _ｍａｘ ／Ｖ _ｂ ^２ ）×１００％＝（Ｖ _ｍｉｎ ^２ ／Ｖ _ｂ ^２ ）×１００％に算出されることを特徴とするバッテリーパックの電圧放電装置。
2. 上記スイッチング部は、ＳＳＲであることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパックの電圧放電装置。
3. 上記ＳＳＲに流れる平均電流量は、ＳＳＲに流れる最大許容電流量であることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーパックの電圧放電装置。
4. バッテリーパックの電圧放電方法において、
   上記バッテリーパック内の多数個のバッテリーの中で放電対象バッテリーの電圧を測定する段階と、
   上記測定された電圧値と放電用抵抗値を用いて上記放電対象バッテリーと上記放電用抵抗を連結するスイッチング部のＰＷＭデューティ比を算出する段階と、
   上記デューティ比に応じてスイッチング部を制御して上記放電用抵抗で消費されるエネルギーが一定に維持されるようにする段階とからなり、
   上記制御部は、ＰＷＭ方式によってデューティ比を調整するように上記スイッチング部を制御し、
   上記放電用抵抗値は、バッテリーの測定電圧（Ｖ _ｂ ）がバッテリーの使用範囲の最低電圧（Ｖ _ｍｉｎ ）に逹したとき、デューティが１００％になる値であり、
   上記ＰＷＭデューティ比は、バッテリーの測定電圧をＶ _ｂ 、バッテリー使用範囲の最低電圧をＶ _ｍｉｎ とし、上記放電抵抗（Ｒ _ｂ ）によって消費される放電電力をＰ _ｍａｘ とするとき、ＰＷＭデューティ比＝（Ｒ _ｂ ×Ｐ _ｍａｘ ／Ｖ _ｂ ^２ ）×１００％＝（Ｖ _ｍｉｎ ^２ ／Ｖ _ｂ ^２ ）×１００％に算出されることを特徴とするバッテリーパックの電圧放電方法。
5. 上記スイッチング部は、ＳＳＲであることを特徴とする請求項４に記載のバッテリーパックの電圧放電方法。
6. 上記ＳＳＲに流れる平均電流量は、ＳＳＲに流れる最大許容電流量であることを特徴とする請求項５に記載のバッテリーパックの電圧放電方法。

Images