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

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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)と、上記バッテリー104と上記放電抵抗(R)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とし、R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Vminとし、このときに流れる電流をIminとし、放電抵抗Rによって消費される放電電力をPmaxとすれば、上記式1及び式2に従って、
=Vmin /Pmax (式3)
が誘導される。
設定された放電抵抗(R)を用いて放電を行うとき放電抵抗(R)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Ipwm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Inormalとし、現在の電圧をV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。
pwm=Pmax/V(式4)
Inormal=V/R(式5)
PWMデューティ比=(Ipwm/Inormal)×100% (式6)
上記3つの式から
PWMデューティ比=(R×Pmax/V )×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=(Vmin /V )×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。
max=1W
min=2.5V
であると仮定すれば、式3によってR=6.25が得られる。このとき、VがVmin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を決め、電圧測定時ごとに得られたバッテリー電圧V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)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 )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 、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 )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 ×P max /V )×100%=(V min /V )×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 )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 、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 )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 ×P max /V )×100%=(V min /V )×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に記載のバッテリーパックの電圧放電方法。
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