JP5632723B2 - セルバランス制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池セルのセル電圧を均等化するセルバランス制御装置に関する。

周知のように、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、動力源となるモータと、該モータに電力を供給する高電圧・大容量のバッテリが搭載されている。このバッテリは、リチウムイオン電池或いは水素ニッケル電池等からなる電池セルを直列に複数接続して構成されるものである。従来では、バッテリの性能を維持するために、各電池セルのセル電圧を監視して各セル電圧を均一化するセルバランス制御を行っている。

下記特許文献１には、抵抗とスイッチング素子との直列回路をバイパス回路として各セルに並列接続しておき、最も低いセル電圧と他のセル電圧とを比較し、その電圧差が第１の所定値を越えたセルについてはスイッチング素子をオンにしてバイパス回路を導通させ（セルを放電させ）、上記の電圧差が第１の所定値より低い第２の所定値以下になった場合にスイッチング素子をオフにしてバイパス回路を遮断させることにより、各セル電圧の均一化を図る技術が開示されている。

下記特許文献２には、特許文献１と同じく各セルにバイパス回路を並列接続しておき、バッテリの状態（例えばセル電圧分布状況、バッテリの使用時間割合及び容量劣化係数）に応じて設定した容量調整能力向上要求度に基づいて所定容量調整電流値を変更し、その所定容量調整電流値に相当する放電電流がバイパス回路に流れるように、上記スイッチング素子のデューティ制御を行うことで、各セル電圧の均一化を図る技術が開示されている。

特開平８−１９１８８号公報 特開２００８−２１５８９号公報

上記のように、従来では、セル電圧の電圧差、或いはセル電圧分布状況、バッテリの使用時間割合及び容量劣化係数などに基づいてセルバランス制御を行っていた。一方で、セルバランス制御を行うと、バイパス回路に放電電流が流れて発熱することから、バイパス回路やセル電圧検出回路及び制御回路（制御ＩＣ）等が実装された回路基板の温度が上昇し、回路素子の破壊や誤動作を招く虞がある。

上記従来技術では、そのような回路基板の温度上昇を考慮してセルバランス制御を行っておらず、例えば多数のセルについて同時にスイッチング素子をオンにする等の状況が頻繁に発生すると、回路基板の温度が上昇して回路素子の破壊や誤動作を招き、適切なセルバランス制御を行うことができなくなる虞がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、基板温度の上昇に起因する回路素子の破壊や誤動作を防ぎ、以って適切なセルバランス制御を維持することが可能なセルバランス制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、セルバランス制御装置に係る第１の解決手段として、バイパス抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、バッテリを構成する複数のセルの各々に並列接続されたバイパス回路と、前記複数のセルの各々のセル電圧を検出するセル電圧検出部と、前記バイパス回路が実装された基板の温度を検出する温度検出部と、を備えたセルバランス制御装置において、前記温度検出部から検出される値及び前記セル電圧検出部から得られる要放電セルのセル電圧値に基づいて、前記スイッチング素子のデューティ比を算出し制御する制御部を備えることを特徴とする。

また、本発明では、セルバランス制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記制御部は、前記温度検出部から検出される値に基づいて、前記基板温度を最大許容温度まで上昇させるのに必要な放電所定電力値を算出する放電所定電力値算出部と、前記要放電セルのセル電圧値に基づいて、前記要放電セルに接続されたバイパス回路で消費される要放電セル放電電力値を算出する要放電セル放電電力値算出部と、前記放電所定電力値及び前記要放電セル放電電力値に基づいてデューティ比を算出し、該算出したデューティ比で前記要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子をデューティ制御するデューティ制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明では、セルバランス制御装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記放電所定電力値算出部は、前記基板温度Ｔａ、前記最大許容温度Ｔｍａｘ及び前記基板の熱抵抗Ｒｔｈからなる下記（１）式に基づいて前記放電所定電力値Ｗ１を算出することを特徴とする。
Ｗ１＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／Ｒｔｈ ・・・（１）

また、本発明では、セルバランス制御装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記要放電セル放電電力値算出部は、前記バイパス回路の抵抗値ｒ及び前記要放電セルのセル電圧値Ｖｉ（ｉは要放電セルの識別番号）からなる下記（２）式に基づいて前記要放電セル放電電力値Ｗ２を算出することを特徴とする。
Ｗ２＝Σ（Ｖｉ^２／ｒ） ・・・（２）

また、本発明では、セルバランス制御装置に係る第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれか１つの解決手段において、前記デューティ制御部は、前記放電所定電力値Ｗ１及び前記要放電セル放電電力値Ｗ２からなる下記（３）式に基づいて前記デューティ比Ｄｙを算出することを特徴とする。
Ｄｙ＝（Ｗ１／Ｗ２）×１００ ・・・（３）

また、本発明では、セルバランス制御装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれか１つの解決手段において、前記制御部は、前記セル電圧検出部から得られる前記複数のセルの各々のセル電圧値を上位制御装置へ送信し、前記上位制御装置から前記要放電セルの特定結果を受信することを特徴とする。

本発明によれば、セルバランス制御しながら基板温度を最大許容温度以下に抑制することができるため、基板温度の上昇に起因する回路素子の破壊や誤動作を防ぎ、以って適切なセルバランス制御を維持することが可能となる。

本実施形態におけるセルバランス制御装置１の構成概略図である。 マイコンＭが実施するセルバランス制御を表すフローチャートである。 基板温度Ｔａとデューティ比Ｄｙとの関係を示す特性図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態におけるセルバランス制御装置１の構成概略図である。この図１に示すように、セルバランス制御装置１は、バッテリを構成する１２個のセルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧を均一化するセルバランス制御を行うものであり、１２個のバイパス回路Ｂ１〜Ｂ１２と、１２個のセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２（セル電圧検出部）と、温度センサＴＳ（温度検出部）と、マイコンＭ（制御部）と、絶縁素子ＩＲとを備えている。

バイパス回路Ｂ１〜Ｂ１２は、それぞれバイパス抵抗とトランジスタ等のスイッチング素子との直列回路からなり、セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されている。なお、図１では、バイパス回路Ｂ１〜Ｂ１２のそれぞれに内蔵されているバイパス抵抗の符号をＲ１〜Ｒ１２とし、スイッチング素子の符号をＴ１〜Ｔ１２としている。

セル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２は、セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されており、それぞれ自身に接続されたセルの端子間電圧（セル電圧値）を検出し、その検出したセル電圧値をマイコンＭに出力する。なお、これらセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２は、セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されたコンデンサを内蔵している。つまり、各コンデンサの端子間電圧が、各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値としてマイコンＭに出力される。

温度センサＴＳは、バイパス回路Ｂ１〜Ｂ１２、セル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２、絶縁素子ＩＲ及びマイコンＭと共に回路基板（図示省略）に実装されたサーミスタであり、当該回路基板の温度を検出し、その検出した値を示す信号をマイコンＭに出力する。なお、この温度センサＴＳの回路基板上の実装位置に関して特に限定はないが、基板温度の上昇によって回路素子の破壊や誤動作が懸念されるセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２やマイコンＭの近傍に実装することが望ましい。

マイコンＭは、絶縁素子ＩＲを介して上位制御装置であるバッテリＥＣＵ（Electronic Control Unit）２と通信可能に接続されており、セル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２から得られる各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値をバッテリＥＣＵ２へ送信する。バッテリＥＣＵ２は、マイコンＭから受信した各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値に基づいて、各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値の変化を監視しており、他のセルと比較してセル電圧値の高いセルを発見すると、そのセルを放電が必要なセル（要放電セル）として特定し、その特定結果をマイコンＭに送信する。

マイコンＭは、バッテリＥＣＵ２から要放電セルの特定結果を受信すると、温度センサＴＳから検出される値（基板温度）及びセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２から得られる要放電セルのセル電圧値に基づいて、上記スイッチング素子のデューティ比を算出し制御する。
具体的には、このマイコンＭは、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えないよう要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子をデューティ制御するものであり、そのようなデューティ制御を実現するための機能部として、放電所定電力値算出部Ｍａと、要放電セル放電電力値算出部Ｍｂと、デューティ制御部Ｍｃとを備えている。

放電所定電力値算出部Ｍａは、温度センサＴＳによって検出された基板温度Ｔａに基づいて、基板温度Ｔａを最大許容温度Ｔｍａｘまで上昇させるのに必要な放電所定電力値Ｗ１を算出する。要放電セル放電電力値算出部Ｍｂは、要放電セルのセル電圧値に基づいて、要放電セルに接続されたバイパス回路で消費される要放電セル放電電力値Ｗ２を算出する。デューティ制御部Ｍｃは、放電所定電力値Ｗ１及び要放電セル放電電力値Ｗ２に基づいてデューティ比Ｄｙを算出し、該算出したデューティ比Ｄｙで要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子をデューティ制御する。

次に、上記のように構成されたセルバランス制御装置１の動作について説明する。
図２は、マイコンＭが実施するセルバランス制御の処理手順を表すフローチャートである。なお、マイコンＭは、一定周期でセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２から得られる各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値をバッテリＥＣＵ２へ送信しており、バッテリＥＣＵ２から要放電セルの特定結果を受信したタイミングで図２に示す処理を開始する。

この図２に示すように、マイコンＭは、バッテリＥＣＵ２から要放電セルの特定結果を受信すると、温度センサＴＳから基板温度Ｔａを取得する（ステップＳ１）。そして、マイコンＭの放電所定電力値算出部Ｍａは、基板温度Ｔａ（°Ｃ）、回路基板の最大許容温度Ｔｍａｘ（°Ｃ）及び回路基板の熱抵抗Ｒｔｈ（°Ｃ／Ｗ）からなる下記（１）式に基づいて放電所定電力値Ｗ１を算出する（ステップＳ２）。なお、下記（１）式において、最大許容温度Ｔｍａｘ及び熱抵抗Ｒｔｈは、予めマイコンＭに設定された固定値である。
Ｗ１＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／Ｒｔｈ ・・・（１）

続いて、マイコンＭの要放電セル放電電力値算出部Ｍｂは、各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値の内、バッテリＥＣＵ２によって特定された要放電セルのセル電圧値を取得し（ステップＳ３）、各バイパス回路Ｂ１〜Ｂ１２に設けられたバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ１２の抵抗値ｒ及び要放電セルのセル電圧値Ｖｉ（ｉは要放電セルの識別番号）からなる下記（２）式に基づいて要放電セル放電電力値Ｗ２を算出する（ステップＳ４）。
Ｗ２＝Σ（Ｖｉ^２／ｒ） ・・・（２）

例えば、上記ステップＳ４において、セルＣ１、Ｃ５、Ｃ１０が要放電セルとして特定されていた場合、マイコンＭの要放電セル放電電力値算出部Ｍｂは、要放電セルＣ１、Ｃ５、Ｃ１０のセル電圧値Ｖ１、Ｖ５、Ｖ１０を上記（２）式に代入し、（Ｖ１^２／ｒ）＋（Ｖ５^２／ｒ）＋（Ｖ１０^２／ｒ）を計算することで要放電セル放電電力値Ｗ２を算出する。

上記ステップＳ２で得られた放電所定電力値Ｗ１は、基板温度Ｔａを最大許容温度Ｔｍａｘまで上昇させるのに必要な電力値であり、また、上記ステップＳ４で得られた要放電セル放電電力値Ｗ２は、要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子を１００％のデューティ比でデューティ制御する時（full-on時）にバイパス回路で消費される放電電力値の総計である。ここで、要放電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１以下であれば、要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子を１００％のデューティ比でデューティ制御しても、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えることはない。

一方、要放電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１を越えた場合、要放電セル放電電力値Ｗ２を放電所定電力値Ｗ１まで低下させれば、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えることはない。言い換えれば、要放電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１を越えた割合だけ、デューティ比を１００％より低く設定して要放電セルの放電電流を下げれば、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えることはなくなる。従って、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えないようにセルバランス制御を行うために必要なデューティ比は、放電所定電力値Ｗ１と要放電セル放電電力値Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）で表される。

つまり、マイコンＭのデューティ制御部Ｍｃは、放電所定電力値Ｗ１及び要放電セル放電電力値Ｗ２からなる下記（３）式に基づいてデューティ比Ｄｙを算出し（ステップＳ５）、該算出したデューティ比Ｄｙで要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子をデューティ制御する（ステップＳ６）。なお、下記（３）式からわかるように、要放電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１より小さい場合、デューティ比Ｄｙは１００％を越えるが、このような場合は常にデューティ比Ｄｙを１００％に設定すれば良い。
Ｄｙ＝（Ｗ１／Ｗ２）×１００ ・・・（３）

図３は、基板温度Ｔａとデューティ比Ｄｙとの関係を示すＴａ−Ｄｙ特性図である。なお、図３中において、符号Ｌ１は要放電セル数６個、セル電圧値５Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線、符号Ｌ２は要放電セル数６個、セル電圧値３Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線、符号Ｌ３は要放電セル数６個、セル電圧値１．５Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線、符号Ｌ４は要放電セル数１個、セル電圧値５Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線、符号Ｌ５は要放電セル数１個、セル電圧値３Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線、また、符号Ｌ６は要放電セル数１個、セル電圧値１．５Ｖの場合のＴａ−Ｄｙ特性線である。この図３に示すように、基板温度Ｔａ、要放電セル数及びセル電圧値Ｖｉの少なくとも１つのパラメータが増加する程、デューティ比Ｄｙは低くなるように設定される。

上記のようなマイコンＭによるセルバランス制御によって、要放電セルが放電して各セルＣ１〜Ｃ１２のセルバランス（セル電圧の均一性）が保持されると共に、基板温度Ｔａは最大許容温度Ｔｍａｘ以下に抑制されることになる。なお、マイコンＭは、上述したセルバランス制御中においても、一定周期でセル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２から得られる各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値をバッテリＥＣＵ２へ送信しており、バッテリＥＣＵ２から放電終了指令を受信したタイミング（セルバランスが整ったタイミング）でスイッチング素子のデューティ制御を終了する。

以上説明したように、本実施形態におけるセルバランス制御装置１によれば、セルバランス制御しながら基板温度Ｔａを最大許容温度Ｔｍａｘ以下に抑制することができるため、基板温度Ｔａの上昇に起因する回路素子の破壊や誤動作を防ぎ、以って適切なセルバランス制御を維持することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、１２個のセルＣ１〜Ｃ１２についてセルバランス制御を行うセルバランス制御装置１を例示したが、制御対象のセル数は１２個に限定されない。また、例えばバッテリが４５個のセルの直列接続によって構成されている場合には、セルバランス制御装置１を４台使用することで、バッテリを構成する全てのセルについてセルバランス制御を行うことができる。

（２）上記実施形態では、温度センサＴＳによって検出された基板温度Ｔａをそのまま放電所定電力値Ｗ１の算出に使用したが、温度補正が必要な場合には補正後の基板温度Ｔａ’を用いて放電所定電力値Ｗ１を算出しても良い。また、上記実施形態では、上記（３）式によって得られたデューティ比Ｄｙをそのまま使用して、スイッチング素子のデューティ制御を行ったが、放電所定電力値Ｗ１と要放電セル放電電力値Ｗ２との非線形性を補正するための補正係数をデューティ比Ｄｙに乗算することが望ましい。

（３）上記実施形態では、セルバランス制御装置１がバッテリＥＣＵ２から要放電セルの特定結果を得る場合を例示したが、セル電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２から得られる各セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧値に基づいて要放電セルを特定する機能をマイコンＭに設けても良い。

（４）上記実施形態では、上記（２）式を用いて、要放電セルに接続されたバイパス回路で消費される要放電セル放電電力値Ｗ２を算出する場合を例示したが、必ずしも１００％のデューティ比を想定して要放電セル放電電力値Ｗ２を算出する必要はなく、９０％或いは８０％等のデューティ比でデューティ制御する時にバイパス回路で消費される放電電力値の総計を要放電セル放電電力値Ｗ２として求めても良い。

１…セルバランス制御装置、Ｃ１〜Ｃ１２…セル、Ｂ１〜Ｂ１２…バイパス回路、Ｄ１〜Ｄ１２…セル電圧検出回路（セル電圧検出部）、ＴＳ…温度センサ（温度検出部）、Ｍ…マイコン（制御部）、Ｍａ…放電所定電力値算出部、Ｍｂ…要放電セル放電電力値算出部、Ｍｃ…デューティ制御部、ＩＲ…絶縁素子、２…バッテリＥＣＵ（上位制御装置）

Claims (5)

1. バイパス抵抗とスイッチング素子との直列回路からなり、バッテリを構成する複数のセルの各々に並列接続されたバイパス回路と、前記複数のセルの各々のセル電圧を検出するセル電圧検出部と、前記バイパス回路が実装された基板の温度を検出する温度検出部と、を備えたセルバランス制御装置において、
   前記温度検出部から検出される値に基づいて、前記基板温度を最大許容温度まで上昇させるのに必要な放電所定電力値を算出する放電所定電力値算出部と、
   前記セル電圧検出部から得られる要放電セルのセル電圧値に基づいて、前記要放電セルに接続されたバイパス回路で消費される要放電セル放電電力値を算出する要放電セル放電電力値算出部と、
   前記放電所定電力値と前記要放電セル放電電力値との比に応じたデューティ比を算出し、該算出したデューティ比で前記要放電セルに接続されたバイパス回路のスイッチング素子をデューティ制御するデューティ制御部と、
   を有する制御部を備えることを特徴とするセルバランス制御装置。
2. 前記放電所定電力値算出部は、前記基板温度Ｔａ、前記最大許容温度Ｔｍａｘ及び前記基板の熱抵抗Ｒｔｈからなる下記（１）式に基づいて前記放電所定電力値Ｗ１を算出することを特徴とする請求項１に記載のセルバランス制御装置。
   Ｗ１＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／Ｒｔｈ ・・・（１）
3. 前記要放電セル放電電力値算出部は、前記バイパス回路の抵抗値ｒ及び前記要放電セルのセル電圧値Ｖｉ（ｉは要放電セルの識別番号）からなる下記（２）式に基づいて前記要放電セル放電電力値Ｗ２を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のセルバランス制御装置。
   Ｗ２＝Σ（Ｖｉ^２／ｒ） ・・・（２）
4. 前記デューティ制御部は、前記放電所定電力値Ｗ１及び前記要放電セル放電電力値Ｗ２からなる下記（３）式に基づいて前記デューティ比Ｄｙを算出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セルバランス制御装置。
   Ｄｙ＝（Ｗ１／Ｗ２）×１００ ・・・（３）
5. 前記制御部は、前記セル電圧検出部から得られる前記複数のセルの各々のセル電圧値を上位制御装置へ送信し、前記上位制御装置から前記要放電セルの特定結果を受信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セルバランス制御装置。

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