JP5546990B2 - リチウムイオン電池の電圧バランス制御システム、及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチセルバッテリーパックの電池の電圧を読み取り、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関し、より詳しくは、一つのバッテリーパックのすべての電池の電圧を同じタイミングで読み取り、電圧読取時間差による電池電圧の読取誤差を無くすための電池バランシングシステム及びその方法に関する。

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、電池自体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その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すべての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、かかる各電池の電圧の読取タイミングの差によって、読み取られる電圧値に相当の差が生じる。この結果、電池バランシングシステムは、電池のバランスが合っていないと判断する。

このような各電池の電圧読取時間による電圧値の差を、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電圧読取タイミングを示す図である。

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に応じて電池の端子電圧が敏感に変化する。負荷装置５の負荷が時間に応じて変動するため、ライン選択装置１を介してＣＰＵ３で電池端子の電圧を読み取って比べてみると、すべての電池における電圧バランスは実質的に合っていても各電池端子の電圧値は異なる。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で電池端子電圧をライン電圧選択装置１を介して読み取ってみると、電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４においては負荷電流が変わらず電池の端子電圧が変動しないことが分かる。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、電池の端子電圧は、負荷電流が変わると変動する。従って、リアルタイムで負荷の電流が変わるときは、経時的な負荷変動による電圧検出差によって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がライン選択装置１を利用して電池の端子電圧を読み取ると、端子を選択する時間差によって電池の読取電圧値が異なることがある。

このため、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や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。

また、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の様々な条件制約があった。このような条件制約のため、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った問題点があった。

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いて電池端子電圧を同一の時間ホールドした後に読み取ることで経時的に変わる端子電圧による電池電圧の読取誤差を無くし、電池バランシングの精度を向上させることにある
本発明の他の目的は、複数のバッテリーパックから構成される電池のバランシングシステムにおいて、通信手段によって他のバッテリーパックの電圧データを受け取って電圧バランスを合わせたり、電圧バランスの目標値を受け取って電圧バランスを合わせることにある。

上述の目的を達成するために、本発明に係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し、システム制御器を含むシステムは、マスターモジュールとスレーブモジュールから構成されるマルチセルバッテリーパックと、該システム制御器内に設けられ、上記マスターモジュールとスレーブモジュール内の各電池の同期用信号を出力するＣＰＵと、ＣＰＵからの同期用信号を上記マスターモジュールへ伝える第１のバーチカルインタフェースと、第１のバーチカルインタフェースを介して伝わってきた上記同期用信号をスレーブモジュールへ伝える第２のバーチカルインタフェースと、を含む。

本発明の一態様によれば、上記同期用信号は、マスターモジュールの複数の電池を同期させる信号と、上記マスターモジュールとスレーブモジュールとを同期させる信号とを含む。

また、上記同期用信号は、複数のマルチセルバッテリーパック同士を同期させる信号を含む。

上記ＣＰＵは、上記マルチセルバッテリーパックの電池の瞬間電圧をホールドするように読取ホールド信号を出力し、すべての電池電圧の読取及びバランシングを行うように読取バランス信号を出力することが好ましい。

上記バーチカルインタフェースは、上記同期用信号を並列に伝えるフォトカフラを含むことが好ましい。

本発明の他の態様による電池バランシングシステムは、マスターモジュールとスレーブモジュール内の複数の電池の端子電圧を読み取る第１のＣＰＵを含む複数のマルチセルバッテリーパックと、マルチセルバッテリーパックから電池に係わるデータを収集し、演算し、制御するシステム制御器と、システム制御器内に設けられ、複数のマルチセルバッテリーパックのすべての電池のデータを受け取って各バッテリーパックに必要なバランス目標値を提供する第２のＣＰＵと、上記目標値に基づき、各電池に流れる電流の方向を制御して電圧バランスを合わせるＤＣ−ＤＣコンバータと、を含む。

上記第２のＣＰＵは、上記バランス目標値と各電池の電圧とを比較して、電池の電圧がバランス目標値より低ければ、該電池にはバランス電流が充電方向に流れるように上記ＤＣ−ＤＣコンバータの電流方向を制御することが好ましい。

上記第２のＣＰＵは、上記バランス目標値と各電池の電圧とを比較して、電池の電圧がバランス目標値より高ければ、該電池には放電方向の電流が流れるようにＤＣ−ＤＣコンバータの電流方向を制御することが好ましい。

上記データは、最大電圧、最小電圧、及び電圧平均値を含むことが好ましい。

上記第２のＣＰＵは、上記マルチセルバッテリーパックを同期させる同期用信号を出力することが好ましい。

上記マルチセルバッテリーパックの間には、上記同期用パルスを伝えるバーチカルインタフェースを更に含むことが好ましい。

本発明によれば、リチウムイオン電池バッテリーにおいて電池の端子電圧を同一のタイミングで読み取ることにより電圧バランスの精度が向上する。

発明の詳細な説明

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳述する。

図３は、本発明の一態様による複数のマルチセルバッテリーパック２、７、８、９の電池の電圧バランシングを行うシステムを示すブロック図である。

このシステムは、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１とから構成されている。

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とシステム内部センサー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の出力端子ＴＢ−は、電流検出素子１−４と非常用遮断素子１−８を介して出力される。ここで、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とは、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６−１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が読み取ることができるよう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）を介して信号の送受信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、８、９とを同期させるための信号を含む。これらの信号は、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。

このような構成に基づき、電池バランシング動作について説明する。

本発明の一実施の形態に係る電池バランシングシステムにおける、マルチセルバッテリーパック２−１１のＣＰＵ２−１は、マスターモジュール３及びスレーブモジュール５内の各電池の端子電圧を読み取る。該読み取った電圧データは、ローカル通信インタフェース２−４を介してシステム制御器１のＣＰＵ１−１へ伝えられる。

バランス制御回路４は、各電池ごとにバランス電流が流れるように切替スイッチを持っている。切替スイッチは、ＣＰＵ２−１で制御することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２−２には、マルチセルバッテリーパックの出力ＴＢ＋、ＴＢ−が入力される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２−２は、補助スイッチ２−３とバランス制御回路４を制御して各電池にバランス電流が流れるようにする。

システム制御器１のＣＰＵ１−１は、バッテリーパックのすべての電池の最大電圧、最小電圧及び電圧平均値などのデータを受け取り、各バッテリーパックに必要なバランス目標値を提供する。

かかるバランス目標値に基づき、各マルチセルバッテリーパックは電流を制御してバランスを合わせる。また、ＣＰＵ１−１は、該バランス目標値と各電池の電圧とを比較して、電池の電圧がバランス目標値より低ければ、バランス電流が充電方向に流れるようにＤＣ−ＤＣコンバータの電流方向を制御する。これと逆に、バランス目標値より電池の電圧が高ければ、該電池には放電方向の電流が流れるようにＤＣ−ＤＣコンバータの電流方向を制御する。

このように、バランス目標値は持続的に更新されるため、システム全体のバランスを合わせることができる。

また、本発明の一実施の形態に係る電池バランシングシステムにおける、すべての電池の電圧読取は、同一のタイミングで行われることが好ましい。従って、ＣＰＵ１−１は、同期用パルスＲＢ（読取バランスパルス）と、同期用パルスＲＨ（読取ホールドパルス）を出力する。

このようにＣＰＵ１−１から出力される同期用パルスＲＢ、ＲＨについて、図４に基づいて説明する。

図４は、本発明の一態様に係るシステム制御器１のＣＰＵ１−１から同期用パルスを出力し、複数の電池の端子電圧を同一のタイミングで読み取ることを示す。

同図に示すように、ＣＰＵ１−１が読取ホールドパルスＲＨを出力すれば、すべてのマルチセルバッテリーパック内の電池の瞬間電圧がホールドされ、読取バランスパルスＲＢによってすべての電池に対して同一タイミングで電池電圧の読取及びバランシングを行うことができる。

このように、本発明に係る電圧バランシングシステムは、同期用パルスをマスターモジュール３のバーチカルインタフェース４−１を介してスレーブモジュール５のバーチカルインタフェース６−１へ伝える。

また、該同期用パルスは、マルチセルバッテリーパック９のマスターモジュールに設けられているバーチカルインタフェースを介してマルチセルバッテリーパック２のバーチカルインタフェース６−１まで順次伝えられる。この結果、複数のマルチセルバッテリーパックを備えているシステムでも、同一のタイミングで各バッテリーパック内のすべての電池の端子電圧を読み取ることができる。

ここで、本発明の実施の形態では、電池バランシングシステムを同期させるのに２つの同期用パルスＲＢ、ＲＨを用いたが、１つの同期用パルスでも電池バランシングシステムを同期させることができる。また、バーチカルインタフェースを利用して同期用信号を順次伝えたが、フォトカフラを用いて同期用信号を並列に伝えることもできる。

以下、図５に基づいてマルチセルバッテリーパックを詳述する。

同図に示すように、マスターモジュール３のバランス制御回路４の電池切替スイッチは、電流スイッチ４−５と電圧スイッチ４−４とから構成されている。

電流スイッチ４−５は、バランス電流を流すために電流容量の大きいスイッチ素子を使っており、電圧スイッチ４−４は、電池の端子電圧を検出するため電流容量が大きくなくてもよい。

また、電圧スイッチ４−４は、ホールド機能を持っているため、同一タイミングで電圧を測定することができる。

制御部４−３では、電池アドレスの制御やホールド制御を行う。電池アドレスは、ＣＰＵ２−１からアドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）パルスを受け取って複数の電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のうちいずれかを選ぶ。

アドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）パルスは、インタフェース４−２を通ることでＣＰＵの信号レベルからバランス制御回路の信号レベルに変換される。また、バランスホールドパルスＢＨもインタフェース４−２にてＣＰＵの信号レベルからバランス制御回路の信号レベルに変換される。バランスホールドパルスは、バランス期間の間電池電圧を読み取るためのものである。読取ホールドパルスＲＨは、すべてのマルチセルバッテリーパックを同期させるために外部から入力されるが、バランスホールドパルスＢＨは、他のマルチセルバッテリーパックと同期することなく独自のタイミングで電圧読取が行えるようにＣＰＵ２−１から出力される。

読取バランスパルスＲＢがマルチセルバッテリーパックへ入力されれば、読取モードとなって電流スイッチがオフし、電池Ｂ１にアドレスされる。読取ホールドパルスＲＨがバッテリーパックへ入力されれば、電池電圧がコンデンサーにホールドされる。その後、アドレスクロック（ＡｄｒＣｌｋ）パルスが一度入ると、電池Ｂ２にアドレスされる。

また、電圧スイッチ４−４は、電池Ｂ１〜Ｂ４に直接接続されず、電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧をホールドしているコンデンサーに接続されている。

電流スイッチ４−５は、電池Ｂ１、Ｂ２、…に直接接続される。この電流スイッチ４−５は、読取バランスモードの際にオフされ、バランスアドレスが電池Ｂ４の次の電池にシフトすれば、マスターモジュールのスイッチがオフされ、スレーブモジュールのスイッチがオンされる。

このようにして電池Ｂ１から電池Ｂ８まで順次シフトすれば、再び電池Ｂ１に戻る。このような方式で電池Ｂ１から電池Ｂ８までの電圧を読み取る。また、このようにして電池Ｂ１から電池Ｂ８までの電圧を繰り返し読み取ることで電池バランシングの精度を高めることができる。

電圧スイッチ４−４からの各電池電圧は、ホールド電圧を読み取っているため、接地に固定されている。従って、マスターモジュールの電圧をＣＰＵで直接読み取ることができるが、スレーブモジュールの電圧は接地電圧にシフトする必要があるため、演算増幅器２−１０を介して接地電位に接続する。

読取バランスモードからバランスモードとなれば、電流スイッチ４−５がオンされる。バランスモードでも電池Ｂ１から電池Ｂ８までの電圧が順次に繰り返し測定される。

複数の電池のいずれかにバランス電流を流したい場合に、ＣＰＵ２−１は、オン／オフ制御信号を出力してバランス電流をオンする。

このようなバランス電流のオン／オフは、補助スイッチ２−３の機能として説明したが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２−２または電流スイッチ４−５、６−５で行ってもよい。

電流スイッチは、マスターモジュール側とスレーブモジュール側の接地電位が異なるため、直接接続することができない。このため、補助スイッチ２−３を利用している。補助スイッチ２−３は、制御部４−３の制御信号に基づいて電池Ｂ１から電池Ｂ４までアドレスする場合には、マスターモジュール側のスイッチをオンし、電池Ｂ５から電池Ｂ８までアドレスする場合には、スレーブモジュール側のスイッチをオンする。

結論として、読取ホールドパルスＲＨと読取バランスパルスＲＢは、バーチカルインタフェース４−１を介してマスターモジュールからスレーブモジュールへ伝えられる。この結果、電池Ｂ１〜Ｂ８の電圧を同一のタイミングで読み取ることができ、タイミング差による電圧の読取誤差を防止することができる。

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。 本発明の一態様によ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。 本発明の一態様による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。 本発明の一態様によるマルチセルバッテリーパックの構成を示す図である。

１ 制御器
１−４、１−５、１−１３ システム内部センサ
２、７、８、９ マルチセルバッテリーバック
２−１ ＣＰＵ
２−２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２−３ 補助スイッチ
３ マスターモジュール
５ スレーブモジュール

Claims (14)

1. システム制御器を備え、複数の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であって、
   マスターモジュールとスレーブモジュールとから構成される複数のマルチセルバッテリーパックと、
   前記システム制御器内に設けられ、前記マスターモジュールとスレーブモジュール内の各電池の同期用信号を出力するＣＰＵと、
   前記ＣＰＵから出力された同期用信号を前記マスターモジュールへ伝える第１のバーチカルインタフェースと、
   前記第１のバーチカルインタフェースを介して伝えられた前記同期用信号を前記スレーブモジュールへ伝える第２のバーチカルインタフェースとを含んでなり、
   前記同期用信号が、前記マルチセルバッテリーパックの各電池の瞬間電圧を同じタイミングでコンデンサーにホールドするために用いられる読取ホールド信号を含んでなり、
   前記第１のバーチカルインタフェースのうち少なくとも１つは、前記同期用信号を他の第１のバーチカルインタフェースに伝達することを特徴とする、電池バランス調節システム。
2. 前記同期用信号が、前記マスターモジュールの複数の電池を同期させる信号と、前記マスターモジュールと前記スレーブモジュールとを同期させる信号とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池バランス調節システム。
3. 前記同期用信号が、複数のマルチセルバッテリーパック同士を同期させる信号を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池バランス調節システム。
4. 前記同期用信号が、すべての電池の電圧の読取及びバランシングを行うように読取バランス信号をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の電池バランス調節システム。
5. 前記バーチカルインタフェースが、前記同期用信号を並列に伝えるフォトカフラを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池バランス調節システム。
6. 複数の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方法であって、
   前記マルチセルバッテリーパック内のマスターモジュールへ第１のバーチカルインタフェースを介して前記マスターモジュールに位置する電池に対する同期用信号を出力するステップ、
   前記第１のバーチカルインタフェースを介して送られてきた前記同期用信号を第２のバーチカルインタフェースを介して前記マルチセルバッテリーパック内のスレーブモジュールへ伝えるステップと、及び
   前記第１のバーチカルインタフェースを介して前記マルチセルバッテリーパックの間で前記同期用信号を伝達するステップとを含んでなり、
   前記同期用信号が、前記マルチセルバッテリーパックの各電池の瞬間電圧を同じタイミングでコンデンサーにホールドするために用いられる読取ホールド信号を含んでなることを特徴とする、電池バランス調節方法。
7. 前記同期用信号が、前記マスターモジュールの複数の電池を同期させる信号と、前記マスターモジュールと前記スレーブモジュールとを同期させる信号と、を含むことを特徴とする、請求項６に記載の電池バランス調節方法。
8. 前記同期用信号が、複数のマルチセルバッテリーパック同士を同期させる信号を含むことを特徴とする請求項６に記載の電池バランス調節方法。
9. 前記同期用信号が、すべての電池の電圧の読取及びバランシングを行うための読取バランス信号をさらに含むことを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の電池バランス調節方法。
10. 前記バーチカルインタフェースは、前記同期用信号を並列に伝えるフォトカフラを含むことを特徴とする請求項６に記載の電池バランス調節方法。
11. 複数のマルチセルバッテリーパック内の各電池の瞬間電圧を同じタイミングでコンデンサーにホールドするために用いられる読取ホールド信号を含む同期用信号を出力するステップと、
    前記出力された同期用信号を、バーチカルインタフェースを介して前記複数のマルチセルバッテリーパックとの間に伝えるステップと、
    前記同期用信号に従って前記複数のマルチセルバッテリーパックに含まれたマスターモジュールとスレーブモジュール内の複数の電池の端子電圧を同じタイミングでコンデンサーにホールドして読み取るステップと、
    前記読み取った端子電圧に基づき、電池に係わるデータを収集し演算するステップと、
    前記複数のマルチセルバッテリーパックのすべての電池のデータを受け取り、各バッテリーパックに必要なバランス目標値を提供するステップ、及び
    前記目標値に基づき、各電池に流れる電流の方向を制御して電圧バランシングを行うステップとを含んでなることを特徴とする、電池バランシング方法。
12. 前記バランス目標値と各電池の電圧とを比較するステップを更に含んでなり、
    前記電圧バランシングを行うステップが、ある電池の電圧がバランス目標値より低ければ、該電池にはバランス電流が充電方向に流れるように電流方向を制御するステップを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の電池バランシング方法。
13. 前記バランス目標値と各電池の電圧とを比較するステップを更に含んでなり、
    前記電圧バランシングを行うステップが、前記バランス目標値と各電池の電圧とを比較して、電池の電圧がバランス目標値より高ければ、該電池には放電方向の電流が流れるように電流方向を制御することを特徴とする、請求項１１に記載の電池バランシング方法。
14. 前記データが、最大電圧、最小電圧、及び電圧平均値を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の電池バランシング方法。

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