JP5737207B2

JP5737207B2 - 電圧バランス制御装置

Info

Publication number: JP5737207B2
Application number: JP2012030333A
Authority: JP
Inventors: 正規渡邉; 田中　一郎; 一郎田中; 龍彦梅谷
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013169055A; EP2816703A4; CN104126263A; EP2816703A1; WO2013121721A1; US20150318721A1

Description

本発明は、組電池を構成する直列接続された複数の電池セルの電池電圧バラツキを調整制御する電圧バランス制御装置に関する。

近年、電池に蓄えた電気エネルギーを利用してモータ駆動により走行する電気自動車の普及する兆しが目に見えて顕著になってきている。電気自動車では、充電可能なバッテリに電気エネルギーを蓄えておき、この電気エネルギーを利用して電動モータを駆動して走行する。このような電気自動車においては、複数の電池セルが直列に接続されてなる組電池が電動モータの電源として用いられている。組電池では、充放電をくり返すことで劣化の進み具合も異なり各電池セルの放電特性が微妙に異なることになる。

このような組電池において各電池セルの性能を最大限発揮できるようにするために、各電池セル間の電圧のズレを修正するセル電圧バランス技術が知られている。具体的には、たとえば、各電池セルに抵抗を接続して一番電圧が低い電池セルに合わせて他の電池セルを放電させることによって組電池内の電圧バランスを合わせる方法が知られている。

また、たとえば、下記特許文献１では、複数の電池セルが接続されてなるバッテリ（組電池）において、内部抵抗の大きい電池セルほど充電開始電圧を低く設定することにより、バッテリを構成する各電池セルに内部抵抗のバラツキがあっても、充電時に電池セルが最大電圧を超えることによる劣化促進を抑制し、かつ、無駄なバランス放電を抑制することができる充放電制御方法が開示されている。

特開２００９−２３２６５９号公報

組電池の充電および放電は、いずれかの電池セルが所定の上限電圧または下限電圧になると終了する。このため、組電池の性能は、最も容量が少ない容量最少セルが充電時および放電時の電圧律速セルとなるときに最高性能を得ることができる。充放電時の電圧律速セルとは、充電時においては最初に上限電圧となった（満充電状態になった）電池セルであり、放電時においては最初に下限電圧になった（蓄電量が下限値になった）電池セルである。

上述した従来技術では、所定のタイミングにおいて組電池内のすべての電池セルの電圧を一律に揃えることにより電圧バランスを取っている。しかしながら、その後の使用によって各電池セルの電圧にバラつきが生じた際に、容量最少セル以外の電池セルが電圧律速セルとなってしまう可能性があるという問題点がある。

また、上述した特許文献１には、内部抵抗の大きさによって充電開始電圧を変更する技術が開示されているが、電池セルの内部抵抗と満充電容量とには必ずしも相関関係はなく、たとえば内部抵抗が大きく増加しても満充電容量低下がおこらない場合や満充電容量の低下と比較して内部抵抗の増加率が小さい場合、または組電池内の配置によりこれらが同時に起きる場合などがある。たとえば内部抵抗が大きく増加しても満充電容量低下がおこらない場合には、充電時の電圧律速セルは内部抵抗が小さい電池セル、放電時の電圧律速セルは内部抵抗が大きい電池セルとなり、性能低下が生じる。また、満充電容量の低下と比較して内部抵抗の増加率が小さい場合には、電圧バランス直後には性能低下が生じないものの、その後の電圧特性の変化によってすぐに性能の低下が生じてしまう場合がある。このため、上述した特許文献１では、電池セルの状態によっては組電池の性能を低下させてしまう可能性がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、容量バラつきを有する複数の電池セルによって構成される組電池において、電池性能を最大限発揮できるようにした電圧バランス制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電圧バランス制御装置は、直列接続された複数の電池セルで構成される組電池の電池電圧バラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、各電池セルの電池容量と電圧との関係を示す電圧―電池容量カーブを記憶する容量情報記憶手段と、前記各電池セルのバランス目標電圧値を算出する目標電圧値算出手段と、前記目標電圧値算出手段によって算出された前記バランス目標電圧値に基づいて、前記各電池セルの電圧を調整制御する制御手段と、を備え、前記目標電圧値算出手段は、基準となる任意の基準容量電池セルを選択し、前記基準容量電池セルおよび各電池セルのそれぞれの前記電圧―電池容量カーブに応じて、それぞれの前記電池セルにおいて、前記組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するように前記バランス目標電圧値を算出することを特徴とする。
また、本発明にかかる電圧バランス制御装置は、直列接続された複数の電池セルで構成される組電池の電池電圧バラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、各電池セルの電池容量と電圧との関係を示す電圧―電池容量カーブを記憶する容量情報記憶手段と、前記各電池セルのバランス目標電圧値を算出する目標電圧値算出手段と、前記目標電圧値算出手段によって算出された前記バランス目標電圧値に基づいて、前記各電池セルの電圧を調整制御する制御手段と、を備え、前記目標電圧値算出手段は、基準となる任意の基準容量電池セルを選択し、前記基準容量電池セルおよび各電池セルのそれぞれの前記電圧―電池容量カーブに応じて、それぞれの前記電池セルにおいて、前記組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が０：１および１：０を除く所定の割合になるように前記バランス目標電圧値を算出することを特徴とする。

本発明によれば、基準容量電池セルと各電池セルとの容量差に応じてバランス目標電圧値を算出することによって、充電時および放電時のいずれにおいても電圧の変化に対する耐性を確保することができ、電池の使用によって電池セルの電圧がバラついても電池性能を長期間維持することができる。また、電池性能を長期間維持することができることによって、電圧バランス制御をおこなう回数を低減することができるとともに、不必要な電圧バランス制御による電力消費を回避することができる。

実施の形態にかかる電圧バランス制御装置１００の構成を示すブロック図である。セル制御ユニット６，７，８，９の構成を示す回路図である。目標電圧値算出手段１３２による目標電圧値の算出方法を示した説明図である。従来技術にかかる電圧バランス制御をおこなった後の電圧特性の変化を示した説明図である。電圧バランス制御装置１００にかかる電圧バランス制御と従来技術にかかる電圧バランス制御との違いを模式的に示した説明図である。電圧バランス制御装置１００の動作を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電圧バランス制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる電圧バランス制御装置１００の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、電圧バランス制御装置１００は、複数の電池セル１，２，３，４が直列接続されて構成された組電池の電圧バランスを制御する。電圧バランス制御装置１００は、組電池を構成する複数の電池セル１，２，３，４のそれぞれに対し電圧をモニタし、また、電池セル１，２，３，４のセル充電電流とセル放電電流を制御するセル制御ユニット６，７，８，９と、電池セル１，２，３，４から構成された組電池を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ機能を備えた充電用電源１０と、セル制御ユニット６，７，８，９においてモニタされたモニタ電圧値、セル充電電流、セル放電電流をもとに電池セル１，２，３，４の充電を制御するＢＭＵ１１とを備えている。

図２は、セル制御ユニット６，７，８，９の構成を示す回路図である。図２においてセル制御ユニット６は、スイッチ回路６１、負荷抵抗回路６２、セル電圧モニタ６３を備えている。なお、図２では、便宜上スイッチ回路６１，７１，８１，９１）、負荷抵抗回路（６２，７２，８２，９２）とＢＭＵ１１との接続の図示を省略している。

スイッチ回路６１は、ＢＭＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。負荷抵抗回路６２は、ＢＭＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。セル電圧モニタ６３は、電池セル１の正極側出力端子と負極側出力端子とへパラレルに接続されており、電池セル１の電池電圧を検出する。セル電圧モニタ６３により検出された電池セル１の電池電圧はＢＭＵ１１へ出力される。

スイッチ回路６１と負荷抵抗回路６２とは直列に接続され電池セル１のセル放電回路を構成し、スイッチ回路６１の負荷抵抗回路６２と接続されていない他方の端子は電池セル１の正極側出力端子へ接続され、また、負荷抵抗回路６２のスイッチ回路６１と接続されていない他方の端子は電池セル１の負極側出力端子へ接続されている。

以下、セル制御ユニット７，８，９は、それらに接続される電池セルが電池セル２，３，４である点以外は、セル制御ユニット６と同様の構成であるため、重複する説明は省略する。なお、セル制御ユニット７，８，９におけるスイッチ回路、負荷抵抗回路、セル電圧モニタを符号を変えて区別した。具体的には、スイッチ回路７１，８１，９１，７４，８４，９４、負荷抵抗回路７２，８２，９２、セル電圧モニタ７３，８３，９３、サブバッテリ１２２，１２３，１２４とした。

また、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２とは直列接続され、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は充電用電源１０に直列に接続されている。そして、充電用電源１０の正極側出力端子がスイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路を介して、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池の正極側出力端子へ接続され、また充電用電源１０の負極側出力端子が前記組電池の負極側出力端子へ接続されている。スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池に対し充電用電源１０により充電をおこなう充電回路を構成している。

スイッチ回路１０１は、ＢＭＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。また、電流制限回路１０２は、ＢＭＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。

本実施の形態では、セル制御ユニットにおいて各電池セルを個別に放電させて電圧バランス制御をおこなうものとするが、これに限らず、たとえば負荷抵抗回路と並列にサブバッテリを設けて、各電池セルを個別に充電または放電することによって電圧バランス制御をおこなってもよい。

図１の説明に戻り、ＢＭＵ１１は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースを取るインターフェース部などを含んで構成される。ＢＭＵ１１は、複数の電池セル１，２，３，４からたとえば電気自動車の電動モータへ供給される電力を制御する制御ＥＣＵであり、各種データを受信し、受信したデータを解析し、各種指令を送信する。

さらに、ＢＭＵ１１は、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することによって、容量情報記憶手段１３１、目標電圧値算出手段１３２、制御手段１３３を実現する。容量情報記憶手段１３１は、組電池を構成する各電池セルの電池容量と電圧との関係を示す電圧―電池容量カーブを記憶する。電圧―電池容量カーブの一例を図３に示す。電圧―電池容量カーブの求め方の一例としては、たとえば、組電池状態での完全放電および満充電をくり返す際に、各電池セルの電圧値の変化を測定する。この電圧値の変化を連続的に記録することによって図３に示すような電圧―電池容量カーブが得られる。

目標電圧値算出手段１３２は、各電池セルのバランス目標電圧値を算出する。また、制御手段１３３は、目標電圧値算出手段１３２によって算出されたバランス目標電圧値に基づいて、各電池セルの電圧を調整制御する。制御手段１３３は、具体的には、各電池セルの電圧値がバランス目標電圧値となるように、各電池セルを放電または充電させる。

より詳細に目標電圧値算出手段１３２による目標電圧値の算出について説明する。目標電圧値算出手段１３２は、各電池セルの電池容量に基づいて基準となる基準容量電池を選択し、基準容量電池と各電池セルとの容量差に応じてバランス目標電圧値を算出する。基準容量電池としては、たとえば組電池の最少容量電池セルまたは最大容量電池セルを選択することができる。基準容量電池を最少容量電池セルまたは最大容量電池セルと決定しておくことで、基準容量電池の選択時の処理負荷を軽減することができる。目標電圧値算出手段１３２は、たとえば、それぞれの電池セルにおいて、組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するようにバランス目標電圧値を算出する。

図３は、目標電圧値算出手段１３２による目標電圧値の算出方法を示した説明図である。図３のグラフは、上述した電圧―電池容量カーブであり、縦軸は電池電圧（Ｖ）、横軸は電池放電容量（Ａｈ）を示している。図３においては、基準容量電池セルとして最少容量電池セル（満充電容量４０Ａｈ）を選択し、比較対象として劣化していない５０Ａｈの電池セル（比較セル）の電圧―電池容量カーブを示している。また、図３において、（ａ）は電圧バランス制御をおこなった直後、（ｂ）は使用により最少容量電池セルの電圧特性が上昇した場合、（ｃ）は使用により最少容量電池セルの電圧特性が下降した場合を示している。

図３（ａ）に示すように、電圧バランス制御をおこなった直後には、最少容量電池セルの電圧―電池容量カーブは比較セルの電圧―電池容量カーブの略中央に位置している。これは、比較セルの充電完了時における残充電容量と放電終了時における残放電容量とが略一致するよう電圧バランス制御をおこなったためである。すなわち、図３（ａ）の例では、比較セルにおいて、組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するようにバランス目標電圧値を算出している。これにより、組電池内の電池セルを、最も電圧変化（バラつき）に対する耐性の高い状態にすることができる。具体的には、図３（ａ）のΔＡｈ_１とΔＡｈ_２とが等しくなるように、満充電時における電圧差ΔＶ_１および放電終了時における電圧差ΔＶ_２を決定する。図３（ａ）においては、ΔＡｈ_１＝ΔＡｈ_２＝５Ａｈ（＝（５０Ａｈ−４０Ａｈ）／２）とする。

このような状態に電圧バランス制御をおこなうと、図３（ｂ）に示すように最少容量電池セルの電圧特性が上昇した場合、または（ｃ）最少容量電池セルの電圧特性が下降した場合のいずれにおいても、最少容量電池セルの電圧―電池容量カーブは比較セルの電圧―電池容量カーブ内に位置する。すなわち、充電時および放電時のいずれにおいても、最少容量電池セルが充放電終了の電圧律速セルとなることができる。これにより、組電池全体の使用可能容量は、最少容量電池セルの満充電容量である４０Ａｈを確保することができ、現状における組電池の最高性能を実現することができる。

なお、図３（ａ）では、比較セルにおいて、組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するようにバランス目標電圧値を算出しているが、これに限らず、たとえば、残充電容量と残放電容量とが所定の割合になるようにしてもよい。また、図３（ａ）では基準容量電池セルとして最少容量電池セルを選択しているが、基準容量電池セルは、最大容量電池セルであってもよいし、任意の電池セルであってもよい。

比較例として、従来技術にかかる電圧バランス制御、すなわち、所定のタイミングにおいて組電池内のすべての電池セルの電圧を一律に揃えた場合の電圧特性の変化を示す。
図４は、従来技術にかかる電圧バランス制御をおこなった後の電圧特性の変化を示した説明図である。図４のグラフは図３と同様に、縦軸は電池電圧（Ｖ）、横軸は電池放電容量（Ａｈ）を示しており、（ａ）は電圧バランス制御をおこなった直後、（ｂ）は使用により最少容量電池セルの電圧特性が上昇または下降した場合を示している。また、図４において、Ａは上限電圧を合わせてバランス制御をおこなった場合を、Ｂは下限電圧を合わせてバランス制御をおこなった場合を、それぞれ示している。

図４−Ａ（ａ）に示すように、最少容量電池セルと比較セルとの上限電圧を合わせた場合、電圧バランス制御の実施直後には、組電池全体の使用可能容量は最少容量電池セルの満充電容量である４０Ａｈを確保することができる。しかしながら、図４−Ａ（ｂ）に示すように、最少容量電池セルの電圧特性が５Ａｈ上昇した場合、充電終了時における電圧律速セルは比較セルとなってしまい、組電池全体の使用可能容量は３５Ａｈとなってしまう。同様に、図４−Ｂ（ａ）に示すように、最少容量電池セルと比較セルとの下限電圧を合わせた場合、電圧バランス制御の実施直後には、組電池全体の使用可能容量は最少容量電池セルの満充電容量である４０Ａｈを確保することができるが、図４−Ｂ（ｂ）に示すように、最少容量電池セルの電圧特性が５Ａｈ下降した場合、放電終了時における電圧律速セルは比較セルとなってしまい、組電池全体の使用可能容量は３５Ａｈとなってしまう。

図５は、電圧バランス制御装置１００にかかる電圧バランス制御と従来技術にかかる電圧バランス制御との違いを模式的に示した説明図である。図５において、Ａは電圧バランス制御装置１００（本発明）にかかる電圧バランス制御、Ｂは従来技術にかかる電圧バランス制御を示しており、（ａ）は電圧バランス制御をおこなった直後、（ｂ）は使用により最少容量電池セルの電圧特性が上昇または下降した場合を示している。また、図５において、縦方向は電圧を示し、満充電容量４０Ａｈの電池セルは最少容量電池セル、満充電容量５０Ａｈの電池セルは比較セルを示している。

図５−Ｂに示す従来技術にかかる電圧バランス制御では、所定のタイミングで各電池セルの電圧差を０とする。たとえば、図５−Ｂ（ａ）に示すように下限電圧を０とした場合、比較セルにおいては、放電終了時において残放電容量０Ａｈ、充電終了時においては残充電容量１０Ａｈとなる。その後、図５−Ｂ（ｂ）に示すように、比較セルの電圧特性が２Ａｈ上昇した場合、最少容量電池セルの電圧特性範囲が比較セルの電圧特性範囲から外れ、組電池の最高性能を実現することができる限界値を超えてしまう。これにより、組電池全体の使用可能容量が低下してしまう。

一方、図５−Ａに示す電圧バランス制御装置１００にかかる電圧バランス制御では、各電池セルの電圧差を０とするのではなく、比較セル（各電池セル）において、充電終了時の残充電容量と放電終了時の残放電容量とが略一致するように電圧を制御する。図５−Ａ（ａ）の例では、充電終了時の残充電容量と放電終了時の残放電容量とをそれぞれ５Ａｈとしている。その後、図５−Ａ（ｂ）に示すように、比較セルの電圧特性が２Ａｈ上昇しても、最少容量電池セルの電圧特性範囲は比較セルの電圧特性範囲内にあり、組電池の最高性能を実現することができる。

つぎに、電圧バランス制御装置１００の動作について説明する。
図６は、電圧バランス制御装置１００の動作を示すフローチャートである。図６のフローチャートは、組電池の充電完了時に電圧バランス制御をおこなう場合の動作を示している。この動作は、図６に示すフローチャートをＢＭＵ１１が実行することで実現される。なお、図６に示す処理に先立って、ＢＭＵ１１は、容量情報記憶手段１３１に各電池セルの電圧―電池容量カーブを記憶している。

図６のフローチャートにおいて、電圧バランス制御装置１００は、まず、目標電圧値算出手段１３２によって、各電池セルの電圧―電池容量カーブから基準容量電池セルを決定する（ステップＳ６０１）。つぎに、目標電圧値算出手段１３２は、基準容量電池セルの電圧―電池容量カーブと、各電池セルの電圧―電池容量カーブとから、各電池セルに対して、満充電時における残充電容量（図３（ａ）におけるΔＡｈ_１）および放電終了時における残放電容量（図３（ａ）におけるΔＡｈ_２）を決定する（ステップＳ６０２）。

つづいて、目標電圧値算出手段１３２は、基準容量電池セルの電圧を検出して（ステップＳ６０３）、基準容量電池セルの現在の状態を把握して、各電池セルのバランス目標電圧値を決定する（ステップＳ６０４）。制御手段１３３は、各電池セルの電圧を検出して（ステップＳ６０５）、ステップＳ６０４で決定したバランス目標電圧値に向かって各電池セルの電圧を調整制御して（ステップＳ６０６）、本フローチャートによる処理を終了する。

以上説明したように、実施の形態にかかる電圧バランス制御装置１００によれば、基準容量電池セルと各電池セルとの容量差に応じてバランス目標電圧値を算出することによって、充電時および放電時のいずれにおいても電圧の変化に対する耐性を確保することができ、電池の使用によって電池セルの電圧がバラついても電池性能を長期間維持することができる。また、電圧バランス制御装置１００によれば、電池性能を長期間維持することができることによって、電圧バランス制御をおこなう回数を低減することができるとともに、不必要な電圧バランス制御による電力消費を回避することができる。

また、電圧バランス制御装置１００において、組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するようにバランス目標電圧値を算出することによって、組電池内の電池セルを、最も電圧変化（バラつき）に対する耐性の高い状態にすることができる。

また、電圧バランス制御装置１００において、基準容量電池セルとして最少容量電池セルまたは最大容量電池セルを選択することによって、基準容量電池の選択時の処理負荷を軽減することができる。

１，２，３，４……電池セル、５……負荷、６，７，８，９……セル制御ユニット、１０……充電用電源、１１……ＥＣＵ、１００……電圧バランス制御装置、１３１……容量情報記憶手段、１３２……目標電圧値算出手段、１３３……制御手段。

Claims

直列接続された複数の電池セルで構成される組電池の電池電圧バラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、
各電池セルの電池容量と電圧との関係を示す電圧―電池容量カーブを記憶する容量情報記憶手段と、
前記各電池セルのバランス目標電圧値を算出する目標電圧値算出手段と、
前記目標電圧値算出手段によって算出された前記バランス目標電圧値に基づいて、前記各電池セルの電圧を調整制御する制御手段と、を備え、
前記目標電圧値算出手段は、基準となる任意の基準容量電池セルを選択し、前記基準容量電池セルおよび各電池セルのそれぞれの前記電圧―電池容量カーブに応じて、それぞれの前記電池セルにおいて、前記組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が略一致するように前記バランス目標電圧値を算出することを特徴とする電圧バランス制御装置。
直列接続された複数の電池セルで構成される組電池の電池電圧バラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、
各電池セルの電池容量と電圧との関係を示す電圧―電池容量カーブを記憶する容量情報記憶手段と、
前記各電池セルのバランス目標電圧値を算出する目標電圧値算出手段と、
前記目標電圧値算出手段によって算出された前記バランス目標電圧値に基づいて、前記各電池セルの電圧を調整制御する制御手段と、を備え、
前記目標電圧値算出手段は、基準となる任意の基準容量電池セルを選択し、前記基準容量電池セルおよび各電池セルのそれぞれの前記電圧―電池容量カーブに応じて、それぞれの前記電池セルにおいて、前記組電池の満充電時における残充電容量と、最少容量電池セルの放電終了時における残放電容量と、が０：１および１：０を除く所定の割合になるように前記バランス目標電圧値を算出することを特徴とする電圧バランス制御装置。
前記目標電圧値算出手段は、前記基準容量電池セルの電圧―電池容量カーブと、それぞれの前記電池セルの電圧―電池容量カーブを比較して、それぞれの前記電池セルに対して、満充電時における残充電容量および放電終了時における残放電量を決定し、前記基準容量電池セルの電圧および電圧―電池容量カーブから前記基準容量電池セルの現在の電池容量を把握して、それぞれの前記電池セルの前記バランス目標電圧値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電圧バランス制御装置。
前記基準容量電池セルは、前記組電池の前記最少容量電池セルまたは最大容量電池セルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電圧バランス制御装置。