JP5418196B2

JP5418196B2 - 容量調整装置

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Publication number: JP5418196B2
Application number: JP2009284929A
Authority: JP
Inventors: 剛森田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: JP2011130550A

Description

本発明は、組電池の容量調整装置に関する。

組電池を構成する複数のセル毎に、セルの容量を調整する容量調整抵抗を設け、複数のセルの中から劣化しているセルを検出し、正常なセルの放電特性分布と当該劣化しているセルの放電特性分布に基づいてセルの容量を調整する容量調整装置が知られている（特許文献１）。

特開２００３−０６１２５７号公報

しかしながら、従来の容量調整装置は、各セルに容量調整抵抗を設けるため、回路数が多くなり、容量調整のシステムを小型化することが困難であった。

そこで本発明は、組電池に含まれる電池毎に容量調整抵抗を設けることなく、電池の容量を調整することができる容量調整装置を提供する。

本発明は、電力供給線を介して交流信号発振部と電気的に接続される交流消費部を有する容量調整装置により上記課題を解決する。

本発明は、組電池に含まれる電池の電力により発振する交流信号発振部と、当該交流信号発振部と電力供給線を介して電気的に接続される交流消費回路を有し、電力供給線を介して交流信号発振部からの交流信号を交流消費回路に流すことで、電池の容量を消費することができ、その結果、電池容量を調整することができる。

発明の実施形態に係る組電池１の容量調整装置を示すブロック図である。図１の容量調整装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る組電池の容量調整装置を備えた組電池１によるモータ４の駆動システムを示すブロック図である。同図に示す組電池１は、複数の電池１１を直列に接続し、その両極に電力供給線２を介してインバータ３を接続したものである。組電池１から供給される直流電流は、電力変換装置であるインバータ３により交流電流に変換されて交流モータ４に供給され、当該交流モータ４を駆動する。これにより、組電池１の負荷である、インバータ３及びモータ４は、組電池１からの電力供給を受ける。

なお、同図に示す組電池１によるモータ４の駆動システムは、本実施形態に係る容量調整装置を説明するための一例であって、本例のように複数の電池１１を直列に接続して組電池１を構成する以外にも、複数の電池１１を直列及び／又は並列に接続して組電池１を構成することもできる。また、組電池１による電力の供給対象が直流モータの場合はインバータ３を省略することができ、さらに電力の供給対象はモータ４以外の負荷とすることもできる。また組電池１に含まれる電池１１は、単数であってもよい。

本実施形態に係る容量調整装置５は、各電池１１の両端子間の電圧を検出する電圧検出回路６と、各電圧検出回路６により検出された各電池１１の電圧値を取り込んで組電池１の電池容量を把握し、過充電や過放電を防止するためのトータル的な制御を実行する制御回路７とを備える。

電圧検出回路６は、ＭＰＵ６１と、配線６８ａ、６８ｂ、６９と、カップリングコンデンサ６２、６３を有する。なお、本例の電圧検出回路６は、一つの電圧検出回路で一つの電池１１の端子間電圧を検出するように構成したが、幾つかの電池１１をグループ化し、これら複数の電池１１の電圧を検出するように構成することもできる。

本例の電圧検出回路６は、制御回路７からの検出指令信号に基づいて、対応する一つの電池１１の端子間電圧を検出し、検出された電圧値に相当する交流信号を通信信号として制御回路７へ送信する。また、制御回路７からの放電指令信号に基づいて、対応する電池１１の電力を消費し、組電池１を構成する電池１１間の容量バラツキを解消する。なお、電池容量を消費するためのシステムは、後述する。

本例の容量調整装置５では、電圧検出回路６と制御回路７との間でやり取りされる制御指令や検出された電圧値に相当する通信信号を、電力供給線２を用いて送受信する。また、電力供給線は直流電流が流れるので、これと識別するために通信信号を交流信号とする。図１に示す配線６８ａ，６８ｂが電池１１の端子間電圧を検出するための配線を示し、配線６９，７２が電圧検出回路６と制御回路７との間で信号の送受信を行うための通信用接続部を示す。

検出された電池１１の端子間電圧値は、電圧検出回路６に含まれるＭＰＵ６１の内部機能である通信信号発振部６１１によって特定周波数帯域の交流信号に変換され、ＭＰＵ６１の通信信号出力端子から配線６９及び電力供給線２を介して制御回路７へ発振される。このとき、この交流通信信号の基準電位を定めるために、ＭＰＵ６１の通信信号用接地端子には配線６９ｃが接続され、カップリングコンデンサ６３を介して、本例の組電池１を収納する電池ケースなどの接地点に接続されている。電池ケースなどの接地点は各電池１１において同一電位であることから、何れの電圧検出回路６においても通信信号出力端子Ｏｕｔから制御回路７へ送出される交流通信信号の基準電位が等しくなる。

また配線６９には、カップリングコンデンサ６２が設けられている。本例では、ＭＰＵ６１の通信信号出力端子Ｏｕｔと電力供給線２との間の配線６９にカップリングコンデンサ６２を設けることで電力供給線２を用いた通信を可能としている。すなわち、カップリングコンデンサ６２（上述したカップリングコンデンサ６３も同様）は、直流成分を遮断して交流成分のみを通過させる機能を有する。したがって、直流電流と交流通信信号の混成信号は、カップリングコンデンサ６２を通過する際に直流成分が除去されて上述した基準電位の交流通信信号のみとなり、これが電力供給線２に送出される。これにより、各電池１１の電圧検出回路６から、組電池１における電池１１の配設位置に拘らず、同一電位の交流通信信号が電力供給線２に送出され、制御回路７において通信信号の認識が可能になる。

ＭＰＵ６１の電力源は各ＭＰＵ６１に接続される各電池１１であり、配線６８ａ、６８ｂを介して電池１１より電力供給される。通信信号発振部６１１も同様に、電池１１を電力源とするため、通信信号発振部６１１より通信信号が発振されると、当該通信信号発振部６１１に接続される電池１１の電力は消費され、電池容量が下がる。

交流通信信号の周波数帯域は、電池１１を通過できる帯域が設定されており、さらにインバータ３の周波数帯域との干渉を避けるための帯域が設定されている。また当該交流通信信号の周波数帯域は、本例の電池接続状態判定装置が搭載される車両等が発生する信号の周波数帯域や、ノイズが信号にのりやすい帯域も避けることが好ましい。

制御回路７は、ＭＰＵ７１と、ＭＰＵ７１の通信信号出力端子および通信信号入力端子を電力供給線２に接続する配線７２と、ＭＰＵ７１の通信信号用接地端子を本例の組電池１を収納する電池ケースなどの接地点に接続する配線７４と、配線７２に設けられたカップリングコンデンサ７３とを有する。

ＭＰＵ７１は、上述した各電圧検出回路６により検出された各電池１１の端子間電圧値を取り込んで組電池１の電池容量を把握し、過充電や過放電を防止するための総括的制御を実行する。このため、各電圧検出回路６に対し、電池１１の電圧を検出する旨の指令信号を送出する。この指令信号は、上述したとおり、特定の周波数帯域の交流通信信号として生成される。そして、配線７２に設けられたカップリングコンデンサ７２によって直流成分が遮断され、電圧検出回路６と同じ基準電位の交流通信信号として電力供給線２に送出される。

ＭＰＵ７１は、各電圧検出回路６から送出されてきた各電池１１の電圧値に相当する交流通信信号を読み込み、当該交流通信信号に含まれる電池１１の固有識別子（アドレス）とともに電圧値を解析する。そして、所定の閾値以上に電池容量に差がある場合は、その対象とされる電池１１に相当する電圧検出回路６に指令信号を送出し、容量調整を行うことにより、たとえば組電池１を構成する各電池１１の容量が均等になるよう制御する。

交流消費回路９は、カップリングコンデンサ９１と抵抗９２との直列回路からなり、回路の一端が電力供給線２に接続され、他端がスイッチング素子９３を介して、アースに接地される。これにより、交流消費回路９は、電力供給線２上で、ＭＰＵ６１に含まれる通信信号発振回路６１１と同一ライン上に設けられる。カップリングコンデンサ９１は、他のカップリングコンデンサ６２、６３、７３と同様に、組電池１からの直流成分を遮断し、通信信号発振回路６１１にて設定された特定周波数帯域の交流信号を通過させるコンデンサである。

抵抗９２は、通信信号発振部６１１からの交流信号を電力消費するための抵抗であって、カップリングコンデンサ９１と合わせて、電力線通信用の周波数帯域において効率よく電力が消費されるよう、特性が設定される。また抵抗９２は、電力消費により熱を発するため、放熱に都合のよい場所又は放熱効果が高い位置に、設置される。スイッチング素子９３は、ＭＰＵ７１によりオン、オフが制御され、ＭＰＵ７１からの制御信号に基づいて、交流消費回路９の導通を制御するためのスイッチである。なお、スイッチング素子９３には、トランジスタ等が用いられる。

次に、本例の容量調整装置による、組電池１の容量調整について説明する。各ＭＰＵ６１は、ＭＰＵ７１からの制御信号に基づいて、接続されている電池１１の検出電圧（Ｖｃ）を、電力線通信により、電力供給線２を介してＭＰＵ７１に送信する。ＭＰＵ７１は、各電池１１の検出電圧を比較して、容量調整を行うか否かを決定する。そのために、ＭＰＵ７１は、各電池１１の検出電圧の中から、最も低い検出電圧（Ｖｍｉｎ）を抽出し、当該最低電圧（Ｖｍｉｎ）と各電池の検出電圧（Ｖｃｉ（ｉは１〜ｎの自然数））との電圧差を算出する。ここで、検出電圧（Ｖｃ_１）は、組電池１のうち最も負極側の電池１１（Ｐ_１（図１を参照））の検出電圧を示し、順に、検出電圧をＶｃ２は電池１１（Ｐ_２）の検出電圧を示し、検出電圧（Ｖｃｎ）は、最も正極側の電池１１（Ｐｎ）の検出電圧を示す。そして、検出電圧（Ｖｃｉ）と最低電圧（Ｖｍｉｎ）との電圧差と閾値電圧（Ｃ）と比較する。組電池１に含まれる、全ての電池１１の検出電圧（Ｖｃｉ）と最低電圧（Ｖｍｉｎ）との各電圧差が閾値電圧（Ｃ）より低い場合、各電池１１の電圧のバラツキが小さいと判断し、ＭＰＵ７１は、電池容量を調整しない。一方、電圧差が閾値電圧より高い場合、組電池１において、電池１１の電圧のバラツキが大きいと判断し、ＭＰＵ７１は、以下に詳述する、電池容量を調整する制御を行う。

なお、閾値電圧（Ｃ）は、組電池１を含むシステム又は組電池１の性質によって、予め設定される値であって、電池１１の電圧バラツキの許容範囲にも相当する。

ＭＰＵ７１は、最低電圧（Ｖｍｉｎ）との電圧差が閾値電圧（Ｃ）より大きい検出電圧の電池１１、言い換えると、最低電圧（Ｖｍｉｎ）の電池１１を基準としてバラツキが大きい電池１１を容量調整の対象の電池１１として抽出する。容量調整は、電池１１を電力源として、通信信号発振部６１１より電力供給線２を介して交流信号を交流消費回路９に送信し、抵抗９２の発熱により当該電池１１の容量を消費することによって行う。交流消費回路９により消費される電力量は、電池１１の調整される電圧値に対応するため、ＭＰＵ７１は、抽出された電池１１の検出電圧（Ｖｃｎ）と目標電圧（Ｖｇ）との電圧差に応じて、通信信号発振部６１１により発振される交流信号の発振時間を設定する。検出電圧（Ｖｃｎ）と目標電圧（Ｖｇ）との電圧差が他の電池１１の電圧差と異なる場合、ＭＰＵ７１は、それぞれの調整対象の電池１１に応じて、発振時間を設定する。ここで、目標電圧（Ｖｇ）は、容量調整後の電池１１の電圧を示す。

次に、ＭＰＵ７１は、容量調整の対象の電池１１に接続されるＭＰＵ６１に、当該電池１１毎に設定される発振時間を含めて、容量調整のための制御信号を送信する。各電池１１には、アドレスが付与されているため、ＭＰＵ７１は、アドレスに応じて発振時間を含めて制御信号を送信する。またＭＰＵ７１は、電流消費回路９を導通するために、スイッチング素子９３を導通する。

当該制御信号を受信したＭＰＵ６１は、接続される電池１１を動力源として、通信信号発振部６１１を動作させ、制御信号に含まれる発振時間で交流信号を発振する。そして、交流信号が交流消費回路９を流れ、交流信号のエネルギーが抵抗９２により消費され、電池１１の容量が下がる。発振時間を経過後、電池１１の電圧は、目標電圧（Ｖｇ）となり、電池容量のバラツキが解消される。これにより、電池１１の容量調整が行われる。

そして容量調整後、ＭＰＵ６１は、通信信号発振部６１１の発振動作を解除し、ＭＰＵ７１は、スイッチング素子９３をオフにし、容量調整モードは終了し、通常の電力線通信モードへと移行する。

次に、図２を用いて、本例の容量調整装置の制御手順をフローチャートにより説明する。図２は、本例の容量調整装置の制御手順のフローチャートを示す。

ステップ１にて、ＭＰＵ７１は、ｉ（ｉは自然数）を“１”に設定し、電池１１（Ｐ_１）を検出対象の電池とし、電池１１（Ｐ_１）を接続するＭＰＵ６１に、電圧を検出するための制御信号を送信する。ステップＳ２にて、ＭＰＵ６１は、電池１１（Ｐ_１）の開放電圧（Ｖｃ_１）を検出する。検出電圧（Ｖｃｎ）は、例えば、ＭＰＵ６１により検出される電圧及び図示しない電流センサの検出電流によりＩ−Ｖ特性を導き出すことで、算出される。次に、設定されたｉと電池１１の総個数（ｎ）とを比較し、ｉがｎより小さければ、ステップＳ３１にて、ｉに“１”を加えて、再び、ステップ１及びステップ２を行う。一方、ステップＳ３にて、ｉがｎと等しくなれば、次のステップへ遷移する。これにより、組電池１に含まれる全ての電池１１の開放電圧が検出される。

次に、ステップＳ４にて、ＭＰＵ７１は、検出された全ての電池１１の開放電圧の中から、最低電圧（Ｖｍｉｎ）を検出する。ステップＳ５にて、ＭＰＵ７１は、ｉ（ｉは自然数）を“１”に設定し、ステップＳ６にて、開放電圧（Ｖｃ_１）と最低電圧（Ｖｍｉｎ）との電圧差を、閾値電圧（Ｃ）と比較する。当該電圧差が閾値電圧（Ｃ）より低い場合、電池１１（Ｐ_１）は、最低電圧（Ｖｍｉｎ）の電池１１（Ｐｉ）に対して、バラツキが小さいと判断され、ＭＰＵ７１は、電池１１（Ｐ_１）の容量調整を行わない。一方、当該電圧差が閾値電圧（Ｃ）より高い場合、電池１１（Ｐ_１）は、最低電圧（Ｖｍｉｎ）の電池１１（Ｐｉ）に対して、バラツキが大きいと判断され、ＭＰＵ７１は容量調整を行う。ステップＳ７にて、ＭＰＵ７１は、調整後の電圧となる目標電圧（Ｖｇ）を設定する。目標電圧（Ｖｇ）は、例えば、ステップＳ２にて検出された、全電池１１の開放電圧の平均電圧でもよく、または、最低電圧（Ｖｍｉｎ）であってもよい。そして、ステップＳ８にて、ＭＰＵ７１は、目標電圧（Ｖｇ）と開放電圧（Ｖ_１）との差から、調整電圧（Ｖａ）を算出する。調整電圧（Ｖａ）は、容量調整される電圧の大きさを示しており、調整前後の電池１１の開放電圧の差に相当する。

ステップＳ９にて、調整電圧（Ｖａ）から、調整容量（Ｃａ）を算出する。開放電圧と電池容量には、システムに搭載される電池１１の性質に応じて、所定の関係があるため、調整電圧（Ｖａ）が算出されれば、調整される電池容量、言い換えると調整前後の電池１１の容量差である、調整容量（Ｃａ）は算出される。ステップＳ１０にて、ＭＰＵ７１は、調整容量（Ｃａ）から調整時間（Ｔａ）を算出し、ＭＰＵ６１へ制御信号を送信する。調整時間（Ｔａ）は、調整容量（Ｃａ）を通信信号発振部６１１から発振される交流電流の電流値（Ｉａ）で除することで算出される。ステップＳ１１にて、ＭＰＵ７１は、スイッチ９３に制御信号を送信し、スイッチ９３をオンにする。ステップＳ１２にて、ＭＰＵ６１は、調整時間（Ｔａ）の間、交流信号を発振し、当該交流信号の交流エネルギーは交流消費回路９にて消費される。

次に、ＭＰＵ７１は、ステップＳ１３にて、設定されたｉと電池１１の総個数（ｎ）とを比較し、ｉがｎより小さければ、ステップＳ１３１にて、ｉに“１”を加えて、再び、ステップ６へ戻る。一方、ステップＳ３にて、ｉがｎと等しくなれば、本例の制御を終了する。これにより、組電池１に含まれる全ての電池１１のうち、調整対象の電池１１の容量が調整される。

このように本例の容量調整装置は、通信信号発振部６１１を有する電圧検出回路６と、組電池１の電圧を監視し容量調整を制御する制御回路７と、電力供給線２を介して通信信号発振部６１１と電気的に接続され、通信信号発振部６１１からの交流信号の交流エネルギーを消費する交流消費回路９とを備えることにより、各電池１１に容量を調整するための抵抗を設ける必要がなくため、容量調整のための回路数を抑えることができ、容量調整システムの小型化を図ることができる。また、本例は、交流消費回路９を、電圧検出回路６及び制御回路７を構成する制御部分の外部に設けることができるため、交流消費回路９を放熱し易い場所に自由に移動することができる。従来の容量調整装置は、電池１１毎に容量調整用の抵抗を接続するため、放熱される位置を自由に設計することが困難であり、当該抵抗から放熱される熱が電圧検出回路６及び制御回路７等の制御部分に影響するおそれがあったが、本例は、熱の放射部分である交流消費回路９の設計上の自由度を高めることができる。また本例は電圧検出回路６及び制御回路７等の制御部分に、容量調整による発熱の放熱対策をしなくてもよい。さらに、従来の容量調整装置に対して、容量調整回路９を設けるだけで、従来の容量調整のためのシステムを利用することができる。

また本例は、電圧検出回路６により検出された検出電圧を、通信信号発振部６１１から発振される交流信号により、電力供給線２を介して、制御回路７に送信する。これにより、本例は、電圧検出回路６及び制御回路７との間の電力線通信を、容量調整だけではなく、電池１１の電圧の監視にも利用することができる。言い換えると、本例は、電力線通信を前提にした組電池の監視システムにおいて、電圧検出回路６内の交流信号の発振部分を、容量調整用の信号の発振部分として利用することができ、電圧検出回路６及び制御回路７のシステムの簡素化を図ることができる。

また本発明は、各電池１１に接続される電圧検出回路６から発振される交流信号を、共通して交流消費回路に流すことにより、従来の容量調整装置と異なり、少なくとも１つの容量調整用の抵抗により、電池容量を調整することができる。

なお、本例は、電池１１毎に容量調整を行うが、複数の電池１１を纏めて、容量調整を行ってもよく、また複数の電池１１の容量調整を行う際、複数の電圧検出回路６からの交流信号の発振時間を同じにする必要はない。

なお、本例の通信信号発振部６１１が本発明の「交流信号発振部」に相当し、電圧検出回路６が「検出部」に、制御回路７が「制御部」に、交流消費回路９が「交流消費部」に相当する。

１…組電池
１１…電池
２…電力供給線
３…インバータ
４…モータ
５…容量調整装置
６…電圧検出回路
６１…ＭＰＵ
６１１…通信信号発振部
６２、６３…カップリングコンデンサ
６８ａ、６８ｂ、６９…配線
７…制御回路
７１…ＭＰＵ
７２、７４…配線
７３…カップリングコンデンサ
９…交流消費回路
９１…カップリングコンデンサ
９２…抵抗
９３…スイッチング素子

Claims

複数の電池を含む組電池と、
前記組電池と電気的に接続する電力供給線と、
前記電池の電力により交流信号を発振する交流信号発振部を含み、前記各電池の電圧を検出する検出部と、
前記検出部より検出された電圧検出結果を受信し、前記電圧検出結果に応じて前記検出部を制御する制御部と、
前記電力供給線を介して前記交流信号発振部と電気的に接続し、前記交流信号が流れることにより前記電池の容量を消費する交流消費部とを有する
ことを特徴とする組電池の容量調整装置。
前記検出部は、前記電圧検出結果を前記交流信号に変換して、前記電力供給線を介して前記制御部へ送信することを特徴とする請求項１記載の組電池の容量調整装置。
前記制御部は、前記電圧検出結果に応じて、調整対象の電池を特定し、
前記調整対象の電池が接続される交流信号発振部が前記交流信号を発振することを特徴とする請求項１又は２記載の組電池の容量調整装置。
前記制御部は、前記電圧検出結果に応じて、調整目標値と前記調整目標値に対応する交流信号の発振時間とを設定し、
前記交流信号発振部は、前記発振時間の間、前記交流信号を発振することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の組電池の容量調整装置。
前記交流消費部に接続されるスイッチング素子をさらに有し、
前記制御部は、前記電池の容量を調整する際、前記スイッチング素子をオンにすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の組電池の容量調整装置。
前記交流信号発振部は、前記各電池に、それぞれ接続され、
前記各交流信号発振部から発振する交流信号は、共通して、前記交流消費部に流れることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の組電池の容量調整装置。
前記交流信号消費部は、交流信号を消費する抵抗を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の組電池の容量調整装置。