JP5918961B2

JP5918961B2 - セルバランス制御装置

Info

Publication number: JP5918961B2
Application number: JP2011222860A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　誠二; 誠二鎌田; 松本　栄伸; 栄伸松本
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: CN103036273A; JP2013085354A; US20130088202A1; US9142981B2; CN103036273B

Description

本発明は、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、過充電状態の電池セルを放電させ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。

各電池セルにはフライングキャパシタ方式の電圧検出回路が並列接続されており、この電圧検出回路の出力電圧（つまりフライングキャパシタの端子間電圧）をマイコンに取り込むことにより、各電池セルの電圧監視を実現している。また、各電池セルには、スイッチング素子とバイパス抵抗の直列回路からなる放電回路が並列接続されており、過充電状態の電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をオンにする（放電させる）ことにより、各セル電圧の均一化を実現している。

ここで、各電池セルの両端から引き出された配線に断線が生じると、正確なセル電圧をフライングキャパシタからマイコンに取り込むことができず、適切なセルバランス制御が困難になるという問題がある。この問題を解決するために、下記特許文献１には、上記の放電回路を利用して各電池セルの両端から引き出された配線の断線の有無を検出する技術が開示されている。

特開２００９−２８８０３４号公報

上記特許文献１の技術では、断線の有無を検出するために、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子が同時にオフ状態とならないように、奇数番目と偶数番目のスイッチング素子を交互にオフ状態とする必要があるので、本来のセルバランス制御に必要な放電期間を十分に確保することができず、適切なセルバランス制御が困難となるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、本来必要な放電期間を確保して適切なセルバランス制御を実現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電池セルの各々に並列接続された放電回路と、前記電池セルの各々の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路から得られる各電池セルの電圧検出結果に基づいて各電池セルの電圧が均一となるように各スイッチング素子を制御する制御部とを備えたセルバランス制御装置において、前記制御部は、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、前記隣り合う電池セルの電位差に基づいて各電池セルの両端から引き出された配線の断線を検出す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、隣り合う電池セルに接続された放電回路の一方のスイッチング素子を第１のデューティ比で制御し、他方のスイッチング素子を第２のデューティ比で制御す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、前記制御部は、前記第１のデューティ比と前記第２のデューティ比の値を交互に入れ替えることを特徴とする。

本発明によれば、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、前記隣り合う電池セルの電位差に基づいて各電池セルの両端から引き出された配線の断線を検出するので、本来必要な放電期間を確保して適切なセルバランス制御を実現することができる。

本実施形態に係るセルバランス制御装置１の概略構成図である。セルバランス制御装置１の動作を示すタイミングチャートである。平均デューティ比と基板温度Ｔａとの関係を示す図である。実放電期間でのデューティ比が０％に設定された以降の動作を示すタイミングチャートである。

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、本実施形態に係るセルバランス制御装置１の概略構成図である。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直列接続された１２個の電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧を均一化するためのセルバランス制御を行うものであり、１２個の放電回路Ｂ１〜Ｂ１２と、１２個の電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２と、温度センサＴＳと、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）Ｍと、絶縁素子ＩＲとを備えている。

放電回路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、電池セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されている。なお、図１では、放電回路Ｂ１〜Ｂ１２のそれぞれに設けら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。

電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２は、電池セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されており、それぞれ自回路に接続された電池セルの電圧を検出し、その電圧検出結果をマイコンＭに出力する。なお、これら電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２は、電池セルＣ１〜Ｃ１２のそれぞれに並列接続されるコンデンサ（フライングキャパシタ）を備えている。つまり、各フライングキャパシタの端子間電圧が、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果としてマイコンＭのＡ／Ｄ入力ポートに出力される。

温度センサＴＳは、放電回路Ｂ１〜Ｂ１２、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）上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（制御部）は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれたＩＣチップであり、フォトカプラ等の絶縁素子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いる。このマイコンＭは、Ａ／Ｄ入力ポートの入力電圧、つまり各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２の出力電圧（フライングキャパシタの端子間電圧）をＡ／Ｄ変換することにより、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果をデジタルデータとして取得して内部メモリに保存或いはバッテリＥＣＵ２へ送信する機能を有している。

また、詳細は後述するが、マイコンＭは、温度センサＴＳから検出される値（基板温度）及び各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果に基づいて、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧が均一となるように各放電回路Ｂ１〜Ｂ１２のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ１２を制御する機能、すなわちセルバランス制御機能を有している。
さらに、このマイコンＭは、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、隣り合う電池セルの電位差に基づいて各電池セルの両端から引き出された配線の断線を検出する機能も有している。

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、図２〜図４を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、図１に示すように、電池セルＣ１とＣ２との接続点から引き出された配線に断線が発生した場合を想定して説明する。

図２のタイミングチャートに示すように、マイコンＭは、時刻ｔ１−ｔ２の断線検出期間（例えば１５０ｍｓ）において、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御する。具体的には、マイコンＭは、例えば奇数番目の電池セルＣ１、Ｃ３、…、Ｃ１１に接続された放電回路Ｂ１、Ｂ３、…、Ｂ１１のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、…、Ｔ１１を４％のデューティ比（第１のデューティ比）で制御すると共に、偶数番目の電池セルＣ２、Ｃ４、…、Ｃ１２に接続された放電回路Ｂ２、Ｂ４、…、Ｂ１２のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、…、Ｔ１２を９６％のデューティ比（第２のデューティ比）で制御する。

ここで、上記のように、電池セルＣ１とＣ２との接続点から引き出された配線に断線が生じていた場合、断線検出期間の開始時刻ｔ１以降、電圧検出回路Ｄ１の出力電圧Ｖ１と電圧検出回路Ｄ２の出力電圧Ｖ２との電位差ΔＶ（＝｜Ｖ１−Ｖ２｜）が徐々に大きくなるという現象が発生する（図２参照）。このような現象を利用すれば、隣り合う電池セルの電位差ΔＶに基づいてどの配線に断線が生じているかを検出することができる。

具体的には、マイコンＭは、断線検出期間の開始時刻ｔ１から一定時間の経過後に、各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄ１２の出力電圧Ｖ１〜Ｖ１２を取り込んでデジタルデータ化した後、隣り合う電池セルの電位差ΔＶを順次算出し、その中で閾値ΔＶｔｈ以上のものを探索する。上記のように、電池セルＣ１とＣ２との接続点から引き出された配線に断線が生じていた場合、電池セルＣ１の電圧検出結果であるＶ１と電池セルＣ２の電圧検出結果であるＶ２との電位差ΔＶが閾値ΔＶｔｈ以上となる。従って、この場合、マイコンＭは、電池セルＣ１とＣ２との接続点から引き出された配線に断線が生じていると判断する。
なお、マイコンＭは、閾値ΔＶｔｈ以上の電位差ΔＶが存在しない場合、各配線は正常であると判断する。

マイコンＭは、時刻ｔ１−ｔ２の断線検出期間において、上記のような断線検出処理を終了すると、次の時刻ｔ２−ｔ３の実放電期間（例えば５００ｍｓ）において、温度センサＴＳから得られる基板温度Ｔａ及び各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果Ｖ１〜Ｖ２に基づいて、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧が均一となるように各放電回路Ｂ１〜Ｂ１２のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ１２を制御する。

具体的には、マイコンＭ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。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）

そして、マイコンＭは、各放電回路Ｂ１〜Ｂ１２に設けられたバイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ１２の抵抗値ｒ及び過充電状態の電池セルの電圧検出結果Ｖｉ（ｉは過充電状態の電池セルの識別番号）からなる下記（２）式に基づいて過充電セル放電電力値Ｗ２を算出する。
Ｗ２＝Σ（Ｖｉ^２／ｒ）・・・（２）

例えば、電池セルＣ１、Ｃ５、Ｃ１０が過充電状態の電池セルである場合、マイコンＭは、電池セルＣ１、Ｃ５、Ｃ１０の電圧検出結果Ｖ１、Ｖ５、Ｖ１０を上記（２）式に代入し、（Ｖ１^２／ｒ）＋（Ｖ５^２／ｒ）＋（Ｖ１０^２／ｒ）を計算することで過充電セル放電電力値Ｗ２を算出する。

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、過充電セル放電電力値Ｗ２は、過充電状態の電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子を１００％のデューティ比で制御する時に放電回路で消費される放電電力値の総計である。ここで、過充電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１以下であれば、過充電状態の電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子を１００％のデューティ比で制御しても、基板温度Ｔａが最大許容温度Ｔｍａｘを越えることはない（回路部品が破損することはない）。

一方、過充電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１を越えた場合、過充電セル放電電力値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、過充電セル放電電力値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％より低く設定して放電回路を流れる電流を小さくすれば、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と過充電セル放電電力値Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）で表される。

つまり、マイコンＭは、放電所定電力値Ｗ１及び過充電セル放電電力値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、該算出したデューティ比Ｄｙで過充電状態の電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子を制御する。なお、下記（３）式からわかるように、過充電セル放電電力値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。また、マイコンＭは、過充電状態に該当しない電池セルに接続さえれた放電回路のスイッチング素子についてはデューティ比Ｄｙを０％に設定する。
Ｄｙ＝（Ｗ１／Ｗ２）×１００・・・（３）

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、過充電状態の電池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）が確保されると共に、基板温度Ｔａは最大許容温度Ｔｍａｘ以下に抑制されて、温度上昇による回路部品の破損を防止することができる。

マイコンＭは、時刻ｔ２−ｔ３の実放電期間において、上記のようなセルバランス制御を終了すると、次の時刻ｔ３−ｔ４の断線検出期間において、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、隣り合う電池セルの電位差に基づいて各配線の断線の有無を検出する。

ここで、前回の断線検出期間と異なる点は、奇数番目の電池セルＣ１、Ｃ３、…、Ｃ１１に接続された放電回路Ｂ１、Ｂ３、…、Ｂ１１のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、…、Ｔ１１を９６％のデューティ比（第１のデューティ比）で制御すると共に、偶数番目の電池セルＣ２、Ｃ４、…、Ｃ１２に接続された放電回路Ｂ２、Ｂ４、…、Ｂ１２のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、…、Ｔ１２を４％のデューティ比（第２のデューティ比）で制御する点である。

このように、断線検出期間が到来する毎に、第１のデューティ比と第２のデューティ比の値を交互に入れ替えることにより、隣り合う電池セルの一方が過放電状態となることを防止することができる。なお、図２に示すように、第１のデューティ比と第２のデューティ比の値を入れ替えても、電池セルＣ１の電圧検出結果Ｖ１と電池セルＣ２の電圧検出結果Ｖ２の挙動が逆転するだけであるので、両電圧の電位差ΔＶと閾値ΔＶｔｈとの比較により、問題なく断線の有無を検出することができる。

マイコンＭは、時刻ｔ３−ｔ４の断線検出期間において、第１のデューティ比と第２のデューティ比の値を入れ替えて断線検出処理を終了すると、次の時刻ｔ４−ｔ５の実放電期間において、前回の実放電期間と同様に、温度センサＴＳから得られる基板温度Ｔａ及び各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果Ｖ１〜Ｖ２に基づいて、セルバランス制御を実施する。このように、マイコンＭは、上述した断線検出処理とセルバランス制御とを交互に繰り返しながら、断線の有無の検出及び各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧均一化をリアルタイムで実施している。

図３は、時刻ｔ１−ｔ５の期間（１３００ｍｓ）内での平均デューティ比と基板温度Ｔａとの関係を示している。この図３に示すように、基板温度Ｔａが、ある温度Ｔａ１に達するまで過充電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１を越えることはなく、実放電期間でのデューティ比は１００％に設定（断線検出期間でのデューティ比は４％と９６％に固定）されるので、平均デューティ比は８８．４６％となる。

基板温度ＴａがＴａ１より高くなり、過充電セル放電電力値Ｗ２が放電所定電力値Ｗ１を越え始めると、実放電期間でのデューティ比は１００％より小さく設定（断線検出期間でのデューティ比は４％と９６％に固定）されるので、平均デューティ比は８８．４６％より小さくなる。ここで、基板温度ＴａがＴａ２に達した時に、実放電期間でのデューティ比が０％（平均デューティ比は１１．５４％）に達したとすると、これ以上基板温度Ｔａが上昇しても実放電期間でのデューティ比を下げることはできない。

そこで、マイコンＭは、実放電期間でのデューティ比を０％に設定した以降は、基板温度Ｔａの上昇に合わせて断線検出期間でのデューティ比（特に９６％）を下げることにより、平均デューティ比を０％に近づける。この場合、上記のように、電池セルＣ１とＣ２との接続点から引き出された配線に断線が生じていたとしても、断線検出期間において、電池セルＣ１の電圧検出結果Ｖ１と電池セルＣ２の電圧検出結果Ｖ２との電位差ΔＶが小さくなるので、閾値ΔＶｔｈを越えない可能性がある。

そこで、マイコンＭは、図４に示すように、実放電期間でのデューティ比を０％に設定した以降、基板温度Ｔａの上昇に合わせて断線検出期間でのデューティ比を下げると共に、実放電期間中に得られた各電池セルＣ１〜Ｃ１２の電圧検出結果Ｖ１〜Ｖ１２に基づいて、断線の有無を検出する。この場合、実放電期間での電池セルＣ１の電圧検出結果Ｖ１と電池セルＣ２の電圧検出結果Ｖ２との電位差ΔＶは閾値ΔＶｔｈを越える程度に大きくなるので、確実に断線の有無を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、隣り合う電池セルの電位差に基づいて各電池セルの両端から引き出された配線の断線を検出するので、本来必要な放電期間を確保して適切なセルバランス制御を実現することができる。
また、本実施形態によれば、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と過充電セル放電電力値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、断線検出期間での第１のデューティ比と第２のデューティ比との割合を固定とする場合を例示したが、第１のデューティ比と第２のデューティ比との割合を可変としても良い。この場合、第１のデューティ比と第２のデューティ比との割合に応じて閾値ΔＶｔｈを調整する必要がある。また、放電量の過不足分に応じて実放電期間におけるデューティ比を調整してもい良い。

１…セルバランス制御装置、Ｂ１〜Ｂ１２…放電回路、Ｄ１〜Ｄ１２…電圧検出回路、ＴＳ…温度センサ、Ｍ…マイコン、ＩＲ…絶縁素子、Ｃ１〜Ｃ１２…電池セル、Ｔ１〜Ｔ１２…スイッチング素子、Ｒ１〜Ｒ１２…バイパス抵抗

Claims

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電池セルの各々に並列接続された放電回路と、
前記電池セルの各々の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路から得られる各電池セルの電圧検出結果に基づいて各電池セルの電圧が均一となるように各スイッチング素子を制御する制御部と、
を備えたセルバランス制御装置において、
前記制御部は、隣り合う電池セルに接続された放電回路のスイッチング素子をそれぞれ異なるデューティ比で制御すると共に、前記隣り合う電池セルの電位差に基づいて各電池セルの両端から引き出された配線の断線を検出する、
ことを特徴とするセルバランス制御装置。
前記制御部は、隣り合う電池セルに接続された放電回路の一方のスイッチング素子を第１のデューティ比で制御し、他方のスイッチング素子を第２のデューティ比で制御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。
前記制御部は、前記第１のデューティ比と前記第２のデューティ比の値を交互に入れ替えることを特徴とする請求項２に記載のセルバランス制御装置。