JP6197889B2 - 電圧差補正装置、電圧差補正方法 - Google Patents

電圧差補正装置、電圧差補正方法 Download PDF

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Description

本発明は、蓄電システムを構成する複数のセルの電圧差を補正する技術に関する。
蓄電システムは、工場、オフィスビル等あらゆる分野で利用されている。また昨今は家庭用の需要も広がりつつある。それぞれの分野での蓄電システムの可用性をさらに高めるには、長期間にわたる性能の維持が重要な課題である。
蓄電システムがその性能を維持するためには、当該蓄電システムを構成する複数のセル間の電圧差を補正する必要がある。以後、この補正をセルバランス制御またはバランス補正と呼ぶ。
一般に、セルバランス制御は、電池接続数分のバランス回路を用いて行われる。バランス回路は、セルを制御するBattery Management Unit(以降BMUと記す)と呼ばれる、モジュール(基板状のモジュールも含む)上に搭載される。
大きな電圧差を補正するには、定格の大きいバランス回路が望ましい。しかし、定格の大きいバランス回路は定格の小さいバランス回路に比べて、実装面積がより多く必要である。そのため、一台あたりの蓄電システムの筐体が大きくなる。また、定格の大きなバランス回路は製造コストが高くなるため、蓄電システムの単価を上げることになる。
一方、定格の小さいバランス回路を用いた場合、大きな電圧差を補正するためには、多大な時間が掛り、電圧差補正の効率が低い。すなわち、今後は、製造コストが低く、効率の高い電圧差補正装置を得ることが期待されている。
特許文献1は、単電池の電圧が所定のバランス動作開始電圧以上に上昇したときに、単電池の電圧とバランス動作開始電圧との差が大である程、単電池と並列に接続されている電流路に流れる電流が大となるように、単電池毎に制御する技術を開示する。
特許文献2は、電池監視システムにセルバランス回路を外付けすることを開示する。
特開2008−123868 特開2012−228002
特許文献1は、単電池の電圧とバランス動作開始電圧との差が大きい程、電流路に流す電流量を増加させているため、放電に要する時間が低減される。しかし、用いているバランス回路は一種類なので、特許文献1の方法を実現するには、定格の大きな部品が必要となり、その場合蓄電システムは高額なものになる。
特許文献2では、保護回路の外部に設けられたスイッチング素子で放電を制御することは開示されているが、スイッチング素子が保護回路を搭載した基板とは異なる基板に搭載されているとは、開示されていない。したがって、大電流を流して放電する場合、基板の温度上昇を避けられない場合がある。
このように、特許文献1及び特許文献2に開示された技術では、いずれも低コストで高効率のバランス補正を実現することはできない。
先行技術文献に記載された技術には、上述のような問題点がある。
本発明の目的は、上述した問題点を解決できる電圧差補正装置、電圧差補正方法及び、そのためのプログラム或いはそのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体を提供することにある。
本発明の一様態における電圧差補正装置は、蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出部が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正部または第2補正部の少なくとも一方を選択する判断部と、前記判断部が選択した第1補正部または第2補正部を駆動して前記電圧差を軽減させる制御部と、を備える。
本発明の一様態における電圧差補正方法は、蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出部が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正部または第2補正部の少なくとも一方を選択し、選択した前記第1補正部または前記第2補正部を駆動して前記電圧差を軽減させる電圧差補正方法である。
本発明の一様態における電圧差補正プログラムは、蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出部が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正部または第2補正部の少なくとも一方を選択する判断処理と、前記判断部が選択した第1補正部または第2補正部を駆動して前記電圧差を軽減させる制御処理と、をコンピュータに実行させる。
本発明の一様態におけるコンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体は、上記電圧差補正プログラムを記憶する。
本発明は、低コストでのバランス補正を実現することが可能になるという効果がある。
本発明の第1の実施形態に係る蓄電システムの機能ブロック図である。 第1の実施形態に係る蓄電システムの各部の配置を表すブロック図である。 第1の実施形態の電圧差補正時の配線を表す説明図である。 第1の実施形態の処理を表すフローチャートである。 第1の実施形態の動作モードを定義する図である。 本発明の第2の実施形態の電圧差補正時の配線を表す説明図である。 第2の実施形態の切替端子Dの拡大図である。 本発明の第3の実施形態のモードによるΔV検出のタイミングを示す図である。 第3の実施形態のΔV検出の時間間隔を示す図である。 第3の実施形態の処理を表すフローチャートである。 図10に続く第3の実施形態の処理を表すフローチャートである。 放電特性のΔVの補正に与える影響を示す図である。 本発明の第4の実施形態の処理を表すフローチャートである。 第4の実施形態の動作モードを定義する図である。 本発明の第5の実施形態に係る蓄電システムの各部の配置を表すブロック図である。 第5の実施形態の処理を表すフローチャートである。 本発明の第6の実施形態の処理を表すフローチャートである。 本発明の第7の実施形態に係る電圧差補正装置のブロック図である。 本発明をコンピュータプログラムで実行することが可能な情報処理装置の構成を例示するブロック図である。 本発明のコンピュータプログラムを記録する記録媒体の構成を例示するブロック図である。
<<<第1の実施形態>>>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る機能を表すブロック図である。蓄電システム100は、電池モジュール7、監視部5、第1補正部8、第2補正部9、記憶部10、充放電部11、を備えている。なお、単に補正部と呼ぶ場合は、第1補正部8、第2補正部9の両方を意味する。
監視部5は、計算部4と電圧差補正部1とを備えている。
電圧差補正部1は、判断部2と制御部3とを備えている。
図2は、各部の具体的な配置の一例を表す図である。第1補正部8はBMU基板12上に配置されている。第2補正部13はBMU基板12とは別のバランス基板13上に配置されている。端子Bは、BMU基板12をインターネット用のサーバ等の外部装置に接続するための端子である。
電池モジュール7は、複数のセル(電池)を直列に接続した構成を有する。電池モジュール7はBMU基板12に端子Aを介して電気的に接続される。
図3は、電池モジュール7と蓄電システム100との電気的接続を詳細に示す図である。図3に示すように、電池モジュール7は、端子A、切替端子D、端子Eを介して第1補正部8に電気的に接続される。また、電池モジュール7は端子A、切替端子D、端子Cを介して、図2に示すバランス基板13上の、第2補正部9に電気的に接続される。
電池モジュール7を構成する個々のセルの起電力(セル電圧とも呼ぶ)は、監視部5の計算部4で監視される。計算部4は、さらに、各セル間の起電力(電圧とも呼ぶ)を検出して電圧差を計算し、最小のセル電圧との差であるΔVを算出する。この処理は、本実施形態において、ΔVの検出と呼ばれることもある。判断部2は計算部4でΔVが、所定の閾値と比べて大きいか、小さいかを判断する。
判断部2は制御部3に判断結果を通知する。この判断結果は、ΔVを複数の段階に分けたものである。例えばΔVは、Level1未満、Level1以上Level2未満、Level2以上Level3未満、Level3以上、という4段階に分けて通知される。それぞれの段階は、本実施形態において、モードとも呼ぶ。
制御部3はこの判断結果を受けて、切替端子Dに対応するスイッチを切り替え、電池モジュール7を、端子Eもしくは端子Cに、電気的に接続する。この接続により、電池モジュール7は第1補正部8もしくは第2補正部9のいずれかと接続される。制御部3は、この判断結果を受けて、第1補正部8及び第2補正部9のいずれとも接続しない、という制御を行ってもよい。その場合、切替端子D上に配置されたスイッチは、端子Eにも端子Cにも接触しない位置に設定される。
一例として、下記のような設定にすることが可能である。
ΔVがLevel1未満:補正は行われない。
ΔVがLevel1以上Level2未満:第1補正部8による電圧差の補正(以降電圧差補正とも呼ぶ)が行われる。
ΔVがLevel2以上:第2補正部9で電圧差補正が行われる。
本実施形態では、第2補正部9での電圧差補正を、「特別バランス補正」とも呼ぶ。
制御部3は、Level2以上で、「特別バランス補正」等のアラームを発することができる。このアラームによりユーザは、第2補正部9に接続というメンテナンスを要する状態が発生していることを、認識することができる。また、制御部3は、このアラームを、例えばインターネット等の通信手段を経由して、蓄電システム100の管理サーバに通知してもよい。
なお、第2補正部9が電気的に接続されるまでの間の蓄電システムの運用については、ユーザの便宜に応じて決定される。
充放電部11は充放電スイッチ15(図3)によって、オン、オフする。充放電を要する場合は、適宜これを用いる。
第1補正部8及び第2補正部9は、制御部3からの命令を受けて、電池モジュール7のセル間の起電力差を補正する。第2補正部9は、第1補正部8を収納する筐体の外側にある。第2補正部9で用いられる回路部品の定格は第1補正部8で用いられる回路部品の定格より大きい。第2補正部9では、第1補正部8よりも大きな電流による起電力差の補正が可能である。換言すると、第2補正部9は、第1補正部8よりに比べて、定格電流が大きい。
第2補正部9では、第1補正部8より、大きな電流による補正が可能であるため、電圧差を一定とすると、第2補正部9による補正に要する時間は第1補正部8による補正による時間より短い。そのため、第2補正部9は時短ブロックと呼ばれることもある。第2補正部9は、BMU基板とは別体である。したがって、第2補正部9による補正が必要な場合にのみ、蓄電システム100に電気的に接続することが可能である。また、第2補正部9は可搬型とすることが可能であり、複数の蓄電システム100を利用する場合も、1台で兼用させることができる。さらに、第2補正部9は、蓄電システム100を用いる現場に必ずしも常備する必要はなく、保全者により、メンテナンスの都度、持ち込まれてもよい。
第1補正部8、第2補正部9で行う起電圧差の補正は、一般に採られている補正方法で行われている。一例として、パッシブバランス(受動型)を用いた補正方法を本実施形態に適用する場合について、図3を用いて具体的に説明する。
まず、計算部4は図示しない電圧センサによりセル群(セル21〜セル24)の起電力を測定する。次に計算部4は、各セルの中で一番、起電力が低いセルを特定し、このセルの起電力を最小電圧値Vminとする。この例では、セル21が最小電圧値Vminを出力するセルであるとする。次に、計算部4は、セル21以外のセルの起電力と最小電圧値Vminとの差分を計算する。
判断部2はこの差分が所定の閾値を越えるか否かを判断する。
制御部3は判断部2の判断を受けて、閾値を越えるセルのバランス回路を駆動する(スイッチをオンする)よう、第1補正部8もしくは第2補正部9に指令を出す。
バランス回路31、バランス回路31Bはセル21の起電力差補正を行う。バランス回路32、バランス回路32Bはセル22の起電力差補正を行う。バランス回路34、バランス回路34Bはセル24の起電力差補正を行う。
バランス回路31、バランス回路32、バランス回路34には、順に抵抗R1、抵抗R2、抵抗R4が接続され、スイッチをオンすることにより、放電が行われる。バランス回路31B、バランス回路32B、バランス回路34Bには、それぞれ抵抗R1B、抵抗R2B、抵抗R4Bが接続され、スイッチをオンすることにより、同様に放電が行われる。ただし、抵抗R1B、R2B、R4Bは抵抗R1、R2、R4より小さいため、バランス回路31B、バランス回路32B、バランス回路34Bには、バランス回路31、バランス回路32、バランス回路34に比べて大量の電流が流れる。
この例では、セル22とセル24の起電力と、セル21の起電力との差分が閾値を越えるものとする。この場合、制御部3は、第1補正部8の、セル22のバランス回路32と、セル24のバランス回路34のスイッチを入れ、これらのセルを放電する。もしくは、この場合、制御部3は、第2補正部9の、セル22のバランス回路32Bと、セル24のバランス回路34Bのスイッチを入れ、これらのセルを放電する。
また、制御部3は、セル22とセル24の起電力値と最小電圧値Vminとの差分が閾値以下になった時点で、第1補正部8にバランス回路32とバランス回路34の駆動を停止する(スイッチをオフする)よう指令を出す。もしくは、制御部3は、その時点で、第2補正部9にバランス回路32Bとバランス回路34Bの駆動を停止する(スイッチをオフする)よう指令を出す。
セルバランス制御の方式には、ほかにアクティブバランス(能動型)方式がある。この方式は高い起電力のセルから一時電荷を蓄積し、蓄積した電荷を低電圧セルに充電することにより再分配する方法であり、受動型と同様に本実施形態に適用することができる。
計算部4、判断部2並びに制御部3は、論理素子を組み合わせて実現するハードウェアで実施されてもよいし、後述する図19に示す情報処理装置1000の記憶装置1300に格納されたプログラムをCPU1100(CPU:Central Processor Unit)が実行することで実現されてもよい。
計算部4は電圧差検出部、電圧差検出手段とも呼ぶ。判断部2は判断手段とも呼ぶ。制御部3は制御手段とも呼ぶ。第1補正部8、第2補正部9は第2補正手段、第2補正手段とも呼ぶ。
(動作の説明)
図4は、本実施形態の動作を表すフローチャートである。蓄電システム100では計算部4によりΔVの算出を行い、算出されたΔVのモードを、判断部2が記憶部10に格納された設定を基に判定する。モードとは前述したように、レベルによって決定される段階である。本実施形態では各モードを図5に示すように定義する。
ΔVがLevel1未満:モード0、
ΔVがLevel1以上Level2未満:モード1、
ΔVがLevel2以上Level3未満:モード2、
ΔVがLevel3以上:モード3。
モード0の場合は、蓄電システム100は通常動作のまま運用される。電圧差補正は行われない。
モード1の場合は、第1補正部8で電圧差補正が行われる。
モード2の場合は、蓄電システムに備えられた、図示しない警告部が「特別バランス補正」を警告するアラームを発する。または、その警告部がインターネットを経由して蓄電システムの管理サーバに「特別バランス補正」を表すメッセージを入力する。この「特別バランス補正」警告が発せられた場合には、ユーザは一時待機した後、メンテナンスにより別体である時短ブロックを電池モジュールと電気的に接続し、特別バランス補正を行うことができる。
モード3の場合は、安全性を考慮し、電圧差補正は行われない。記憶部10はレベル、モードの設定を格納する。
計算部4は、電池モジュール7を構成する各セルの電圧を、所定の時間間隔で測定し、最小電圧との差であるΔVを算出する(ステップS−1)。
判断部2はΔVがLevel1より小さいか否かを判定する(ステップS−2)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップS−2にてYES)。この場合、制御部3は電圧差の補正を指令しない。この時点で第1補正部8もしくは第2補正部9が駆動状態であれば、制御部3は、これを停止し(ステップS−3)、切替端子Dにて接続を切り離す。電池システム100は通常動作を継続し、計算部4は引き続き各セルの電圧を同じ間隔で測定する。
ΔVがLevel1以上の場合(ステップS−2にてNO)、判断部2は、ΔVがLevel2より小さいか否かを判定する(ステップS−4)。
ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップS−4にてYES)。この場合、制御部3は切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Eと接続させ、電圧差補正を第1補正部8に指令する。第1補正部8はΔVを解消する補正を実行する(ステップS−5)。
ΔVがLevel1未満になるまで補正が実行され、この間、ΔVの算出、モードの判定が繰り返される(ステップS−1)。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップS−4にてNO)、Level3より小さいか否かが判定される(ステップS−6)。
ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップS−6にてYES)。この場合、制御部3は警報部にアラーム発報を指令する(ステップS−7)。
また、制御部3は、切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Cと接続させ、電圧差補正を第2補正部9に指令する。第2補正部9はΔVを解消する補正を実行する(ステップS−8)。
ΔVがLevel1未満になるまで補正が実行され、この間、ΔVの算出、モードの判定が繰り返される(ステップS−1)。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップS−6にてNO)、制御部3は、駆動している補正部を停止し、切替端子Dにおいて、端子C、端子Eとの接続を切断する(ステップS−9)。この場合、ユーザの使用状況に応じて、蓄電システム100が停止されることもある。
ユーザは、記憶部に格納された各レベルの設定を適宜更新することができる。
以下に、各レベルの設定例を示す。
Level1:50mV、
Level2:200mV、
Level3:500mV。
なお、アラームはユーザの必要性に応じて設定の有無を決めてもよい。また、本実施形態では、第2補正部9は第1補正部8を収納する筐体の外側にあるものとしたが、筐体は必ずしも用いなくともよい。筐体を用いない場合、第2補正部9は、第1補正部8と、適宜離隔して配置されてよい。例えば、第2補正部9は、第1補正部8とは異なる基板に搭載されてもよい。即ち、第2補正部9において大電流を流して放電する場合の温度上昇が、第1補正部8が搭載された基板に影響しないようにしてよい。
第1補正部8のバランス抵抗R1、バランス抵抗R2、バランス抵抗R3、バランス抵抗R4(図3)としては、一例として10Ω(オーム)、5W(ワット)の仕様の抵抗が用いられる。
第2補正部9のバランス抵抗R1B、バランス抵抗R2B、バランス抵抗R3B、バランス抵抗R4B(図3)としては、一例として1Ω、50W仕様の抵抗が用いられる。
本実施形態によれば、複数のセル間の最大電圧差が大きい場合と小さい場合とで、定格の異なる補正回路が選択できるので、低コストで電圧差補正を実現することができる。
<<<第2の実施形態>>>
第1の実施形態では、制御部3は、モード2において、第1補正部8から第2補正部9に電圧差補正部を切り替えた。第1補正部8と第2補正部9とは同時並行で駆動させてもよい。図6は、第2の実施形態で用いる電圧差補正の形態を示す。第1の実施形態と異なる部分は、切替端子Dにおいて、第1補正部8は常に接続されており、第2補正部9のオン/オフを切り替える構成となっている点である。切替端子D近傍を拡大した図を、図7に示す。
第1補正部8は監視部5に常に接続されている。これに対し、第2補正部9は、スイッチB1、スイッチB2、スイッチB3、スイッチB4により、監視部5との接続が切り替えられる。本実施形態の動作が第1の実施形態と異なる点は以下の3点である。図4に示すフローチャートは第1の実施形態と同様に本実施形態にも適用されるが、次の3点で、制御部3の動作が第1の実施形態とは異なる。
(1)制御部3は、ステップS−3において、端子Cのみを電池モジュール7と切断させる。
(2)制御部3は、ステップS−5において、電池モジュール7を、端子Eと接続させる必要はなく、単に第1補正部8に電圧差補正を指令する。その理由は、端子Eと電池モジュール7とは常に接続されているからである。
(3)制御部3は、ステップS−8において、電圧差補正を、第2補正部9のみならず、第1補正部8にも指令する。
本実施形態のステップS−8における、補正時の等価回路は、第1補正部8と第2補正部9のバランス抵抗を並列に接続したものとなる。図7では、セル21を例とすると、この回路の全抵抗はR1*R1B/(R1+R1B)となる(「*」は積算を表し、「/」は割り算を表す)。第1の実施形態では対応する回路の全抵抗はR1Bであり、本実施形態の全抵抗値はこれより小さいので、補正時により多くの電流を流すことが可能となる。したがって、第1の実施形態にくらべてより迅速な電圧差補正が可能となる。
一例としてR1〜R4を100Ω、R1B〜R4Bを1Ω、電池モジュール7の最大のセル電圧を4.0V、最小のセル電圧Vminを3.7Vとすると、ΔVは300mVとなる。第1補正部8で補正を実行した場合、補正時に流れる電流(バランス電流とも呼ぶ)は40mAとなる。第2補正部9で補正を実行した場合、バランス電流は4Aとなる。第1補正部8と第2補正部9を併用する本実施形態の場合、バランス電流は、4.04Aとなる。
補正に要する時間(補正時間と呼ぶ)は、バランス電流が大きいほど短いので、本実施形態では、第1の実施形態以上に補正時間を短縮化できる。
<<<第3の実施形態>>>
第1、第2の実施形態では、計算部4はΔVを所定の時間間隔で検出するものとした。図8は、各補正部で電圧差補正を実行した場合及び補正を不要とするモード0での、ΔVの時間変化の一例を示すものである。電圧差補正が第2補正部9で実行されている場合(破線)、第1補正部8で実行される場合(一点鎖線)に比べて高速に電圧差が補正される。補正対象セルが最小セル電圧Vminを下回る様な過剰な補正は、蓄電システム100の稼働にとって不必要である。省エネルギーの観点から、このような過剰な補正を防ぐために、矢印で示すΔVの検出時点(検出ポイントとも呼ぶ)を、第2補正部9においては、第1補正部8における頻度に比べて高く設定することが有効である。また、ΔVが補正を必要としないLevel1未満の場合(モード0)は、第1補正部8を駆動している場合よりさらに低い頻度でΔVを検出しても差し支えないこともある。図8は、後述する本実施形態でのΔV検出ポイントを矢印で示している。本実施形態は、使用している補正部が第1補正部8であるか、第2補正部9であるか、または補正部を未使用であるかによって、ΔVの検出の時間間隔(以降 検出間隔とも呼ぶ)の長さを制御する。本実施形態は、検出間隔として、図9に示す“T0”、“T1”、“T2”(T0<T1<T2)の3種類を用いる。
図10及び図11は第3の実施形態の動作を表すフローチャートである。図11は図10の(I)以降の処理を示している。制御部4は、第2補正フラグがオンかオフかを検出する。第2補正フラグとは、第2補正部9の種々の状態の有無に対して図示しないメモリに1または0を設定した結果である。第2補正フラグを立てる(オンする、セットするとも言う)とは、このメモリに1を設定することを意味する。後述するように、本実施形態では、第2補正部9で電圧差補正を実行することが決定した段階で制御部3が第2補正フラグを立てる。制御部3は第2補正部9での電圧差補正が終了した段階では、このフラグをリセットしてオフ状態とする。
(1)初期状態で第2補正部9が駆動状態(第2補正フラグ オン)の場合(ステップSI−1にてYES。この場合、第2補正部9が稼働中であるので、電圧差補正が実行中の状態にある。)
計算部4は、電池モジュール7の各セルの電圧を、時間間隔“T0”で測定し、最小電圧との差であるΔVを算出する(ステップSI−2)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップSI−3にてYES)。
制御部3は、この判定を受けて第2補正部9をオフし(ステップSI−6)、第2補正フラグをリセットする(ステップSI−7)。ここで第2補正部9をオフするとは、切替端子Dにて、第2補正部9を電池モジュール7から電気的に切り離すことを意味する。制御部3は、ΔVの検出間隔を“T2”に設定する(ステップSI−8)。この設定の後、SI−1から始まる処理が繰り返され、検出間隔”T2”でΔVが算出される。
ΔVがLevel1以上の場合(ステップSI−3にてNO)、ΔVが、Level2より小さいか否かが判定される(ステップSI−4)。ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップSI−4にてYES)。
制御部3は、ΔVの検出間隔“T0”を保持する(ステップSI−9)。ステップSI−8の後、SI−1から始まる処理が繰り返される。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップSI−4にてNO)、ΔVが、Level3より小さいか否かが判定される(ステップSI−5)。ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップSI−5にてYES)。制御部3はΔVの検出間隔“T0”を保持する(ステップSI−9)。ステップSI−9の後、SI−1から始まる処理が繰り返される。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップSI−5にてNO)、補正は中止される(SI−20)。
(2)初期状態で第2補正部9が駆動していない(第2補正フラグ オフ)の場合(ステップSI−1にてNO)
図11に示すように、計算部4は、電池モジュール7の各セルの電圧を、時間間隔“T2”または“T1”で測定し、最小電圧との差であるΔVを算出する(ステップSI−10)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップSI−11にてYES)。制御部3は、この判定を受けて第1補正部8が駆動している場合は第1補正部8をオフし、時間間隔“T2”を設定する(ステップSI−14)。この設定の後、SI−1から始まる処理が繰り返される。
ΔVがLevel1以上の場合(ステップSI−11にてNO)、ΔVが、Level2より小さいか否かが判定される(ステップSI−12)。ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップSI−12にてYES)。
制御部3は、ΔVの検出間隔“T1”を設定または保持する(ステップSI−15)。次に、制御部3は、第1補正部8を稼働させる(ステップSI−16)。ステップSI−16の後、SI−1(図10)から始まる処理が繰り返される。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップSI−12にてNO)、ΔVが、Level3より小さいか否かが判定される(ステップSI−13)。ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップSI−13にてYES)。制御部3はΔVの検出間隔“T0”を設定する(ステップSI−17)。また、制御部3は第2補正フラグをオンする(SI−18)。第2補正フラグをオンした後、制御部3は第2補正部9を稼働させる(SI−19)。SI−19の後、SI−1(図10)から始まる処理が繰り返される。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップSI−13にてNO)、補正は中止される(SI−20)。
本実施形態では、ステップSI−4にてYESの場合(ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合)、第2補正部9をそのまま駆動させ、検出間隔を“T0”としているが、第2補正部9をオフして第1補正部8を駆動してもよい。この場合は、ステップSI−4に続いて、第2補正部9をオフし、第2補正フラグをリセットし、検出間隔“T1”を設定して、第1補正部8をオンする処理が実行される。また、この場合、SI−9の処理(T=T0)の処理は省略される。
本実施形態では、使用している補正回路に応じてΔVのチェック頻度を変えているので、不必要に高精度な電圧差補正を行うことが避けられる。また、ΔVが小さい場合は、ΔVのチェック頻度を下げるので、監視部5の負荷が抑制される。
<<<第4の実施形態>>>
第1〜第3の実施形態では、ΔVの大小によって、補正部を使用するか否かが決定され、使用する補正部が選択された。しかし、ΔVが同じレベルでも、電池の電圧領域によっては、電池容量差が著しく異なる場合がある。例えばリチウム電池の場合、図12に示す放電特性を呈することがある。図12において、縦軸はセル電圧Vbat(単位V:ボルト)であり、横軸は放電容量(単位Ah:アンペア アワー)である。図12は、同じレベルのΔVを補正する場合でも、電池の電圧領域によって、その容量差が異なることを示している。
このような放電特性は、電圧差補正の効率に影響する。例えば、最小のセル電圧VminがVbより大きい時点でΔVを補正する場合、放電電流Iを一定とすると、ΔVの補正にはTb時間(容量B=I*Tb(Ah))の放電で済む。これに対してVminがVbより小さくVaより大きい時点で同じΔVを補正する場合は、セルの電圧によっては、Tb時間より長いTa時間(容量A=I*Ta(Ah))の放電が必要となることがある。すなわち、ΔVが示す値がモード1に属していても、電池電圧がVa以上でVb以下の場合には、第2補正部9で補正した方が、第1補正部8で補正するよりも、はるかに迅速に補正が完了することが期待できる。本実施形態では、電池放電特性の平坦部を含む電圧帯における最低の電圧をVaとする。また、この電圧帯の最大の電圧をVbとする。
図13は第4の実施形態の動作を表すフローチャートである。また、図14は、本実施形態におけるモードの定義を示す図である。
計算部4は、電池モジュール7の各セルの電圧を、所定の時間間隔で測定し、Vminとの差ΔVを算出する(ステップS−11)。判断部2は図14に示す定義で、ΔVのレベルを決定し、そのレベルから、ΔVのモードを決定する(ステップS−12)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップS−12にてYES)。この場合、制御部3は電圧差の補正を指令しない。この時点で第1補正部8もしくは第2補正部9が駆動状態であれば、制御部3は、これらの補正部を停止し(ステップS−13)、切替端子Dにて接続を切り離す。電池システム100は通常動作を継続し、計算部4は引き続き各セルの電圧を同じ間隔で測定する。
ΔVがLevel1以上の場合(ステップS−12にてNO)、判定部2はΔVがLevel2より小さいか否かを判定する(ステップS−14)。ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合、蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップS−14にてYES)。引き続いて、判断部2はVminがVaより大きく、Vbより小さいか否かを判定する(ステップS−15)。VminがVaより大きく、Vbより小さい場合(ステップS−15にてYES)、制御部3は切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Cと接続させ、電圧差補正を第2補正部9に指令する。第2補正部9はΔVを解消する補正を実行する(ステップS−19)。ΔVがLevel1未満になるまで補正が実行され、この間、ΔVの算出及びモードの判定からの処理が繰り返される(ステップS−11)。
VminがVa以下かまたは、Vb以上である場合(ステップS−15にてNO)、制御部3は切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Eと接続させ、電圧差補正を第1補正部8に指令する。第1補正部8はΔVを解消する補正を実行する(ステップS−16)。ΔVがLevel1未満になるまで補正が実行され、この間、ΔVの算出及びモードの判定からの処理が繰り返される(ステップS−11)。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップS−14にてNO)、Level3より小さいか否かが判定される(ステップS−17)。ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップS−17にてYES)。この場合、制御部3は警報部にアラーム発報を指令する(ステップS−18)。また、制御部3は、切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Cと接続させ、電圧差補正を第2補正部9に指令する。第2補正部9はΔVを解消する補正を実行する(ステップS−19)。ΔVがLevel1未満になるまで補正が実行され、この間、ΔVの算出とモードの判定が繰り返される(ステップS−11)。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップS−17にてNO)、制御部3は、駆動している補正部を停止し、切替端子Dにおいて、端子C、端子Eとの接続を切断する(ステップS−20)。この場合、ユーザの使用状況に応じて、蓄電システム100が停止されることもある。
Va、Vbの値としては、一例として、Vb=3.5V、Va=3.0Vが挙げられる。
しかし、Va、Vbの値はこの値に限定されることはなく、蓄電システム100の仕様に応じて、適宜数値を変更してよい。
本実施形態はΔVのみならず、最小のセル電圧Vminの大小によって、補正部のうち、より効率的に電圧差の補正が可能な補正部を決定するので、第1乃至第3の実施形態に比べてより迅速な電圧差補正が可能となる。
<<<第5の実施形態>>>
第1〜第4の実施形態はいずれも、常時、所定の間隔でΔVを検出して、補正部を駆動した。また、第1〜第4の実施形態では補正部が電圧差補正を実行している間、ΔVの算出が継続して行われていた。補正部の特性が安定していて、一定の補正時間に対して得られる電圧差補正の量が一定の場合、必ずしもΔVの算出を継続的に行う必要はなく、補正部をタイマーで制御してもよい。また、ΔVを算出する時間間隔(インターバル)は、ΔVの大きさに応じて変えることができる。例えば、ΔVがLevel1以上であり大きい場合は、短いインターバルでのΔVの算出が必要だが、ΔVがLevel1より十分に低い場合は、頻繁にΔVの算出を行う必要はない。ΔV算出のインターバルを広げることで、監視部5が受ける負担は軽減する。すなわち、長期的な使用に耐える蓄電システム100が実現する。
第5の実施形態は、第2補正部9の駆動をタイマーで制御する実施形態である。また、第5の実施形態は、タイマー駆動で十分に小さなΔVに低下させた場合は、その後のΔV算出のインターバルを、それ以外の場合より長く設定する実施形態である。
第5の実施形態ではΔVの値としてLevel1よりさらに低いLevel0を設定する。第2補正部9での補正時間を、例えば、ΔVがLevel1からLevel0になるまでの時間に設定する。本実施形態において、第2補正部9は、時間による電圧差補正量の再現性に優れ、電圧差補正量の時間変化が予測可能であるものとする。時間の設定には、タイマー6(図15)を使用する。この場合、継続的なΔVの算出が不要なので、監視部5に与える負担が軽減される。本実施形態は、第1補正部8ではタイマーを使わずに、ΔVの検出を繰り返すことによって電圧差補正をLevel1まで実行させる。第2補正部9は、Level0にまでΔVを低下させることに要する時間をタイマー6で設定して、駆動させる。この構成により、監視部5に与える負担の少ない、高精度な電圧差補正が実現する。第2補正部9により、ΔVがLevel1より十分に小さいLevel0となった場合、その後のΔV検出の時間間隔は、第1補正部8によりΔVがLevel1近傍である場合に比べて長くとることができる。その理由は、ΔVがLevel1以上に上昇するのに時間を要するからである。
図15は、第5の実施形態の構成を表すブロック図である。第2補正部9にタイマー6を設置している点以外は、第1〜第4の実施形態と同じである。
図16は第5の実施形態の動作を表すフローチャートである。
各セルの電圧を測定する時間間隔(インターバル時間T)が、計算部4に設定される(ステップST−1)。インターバル時間Tとしては、“S1”と“S2”が選択される。“S2”は“S1”に比べて長い。計算部4は、電池モジュール7の各セルのセル電圧を、ステップST−1で設定された時間間隔で測定し、最小電圧との差ΔVを算出する。判断部2はΔVのレベルを決定し、そのレベルから、ΔVのモードを決定する(ステップST−2)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップST−3にてYES)。この場合、制御部3は電圧差の補正を指令しない。この時点で第1補正部8が駆動状態であれば、制御部3はこれを停止する(ステップST−4)。続いて、制御部3は、第2補正フラグがセットされているかどうかを検出する(ステップST−5)。後述するように、本実施形態においては、第4の実施形態とは異なり、第2補正フラグは、第2補正部9での補正を完了した時点でセットされる。第2補正フラグがオンである場合(ステップST−5にてYES)、制御部3はインターバル時間Tとして“S1”より長い“S2”を設定する(ステップST−6)。設定後、ST−1からの処理が繰り返される。“S2”を設定する理由は、第2補正部9でのタイマー6を用いた補正により、ΔVが、Level1より十分低い値であるLevel0になっていると判断するためである。第2補正フラグがオフである場合(ステップST−5にてNO)、制御部3は、インターバル時間として“S1”を設定する(ステップST−7)。設定後、ST−1からの処理が繰り返される。
ΔVがLevel1以上である場合(ステップST−3にてNO)、Level2未満であるか否かが判定される(ステップST−8)。ΔVが、Level1以上でLevel2より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップST−8にてYES)。この場合、制御部3は切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Eと接続させ、電圧差補正を第1補正部8に指令する。第1補正部8はΔVを解消する補正を実行する(ステップST−9)。制御部3は、インターバル時間として“S1”を設定する(ステップST−10)。制御部3は、第2補正フラグがオンの場合は、これをリセットする(ステップST−11)。この後、ST−1からの処理が繰り返される。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップST−8にてNO)、Level3より小さいか否かが判定される(ステップST−12)。ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップST−12にてYES)。この場合、制御部3はΔVをLevel1より低いLevel0に下げるために要する第2補正所要時間Tjを算出する(ステップST−13)。次に、制御部3は、第2補正部9のタイマー6をTjにセットし、第2補正部9を動作させる(ステップST−14)。次に、タイマー6は、Tjを計測する(ステップST−15)。Tjが経過した場合(ステップST−15にてYES)、制御部3は第2補正部9をオフする(ステップST−16)。続いて制御部3はインターバル時間として“S1”を設定する(ステップST−17)。次に制御部3は、第2補正フラグを立てる(ステップST−18)。第2補正フラグが立てられた後、ST−1からの処理が繰り返される。Tjが経過していない場合(ステップST−15にてNO)、第2補正部9はオンのままとする。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップST−12にてNO)、制御部3は、駆動している補正部を停止し、切替端子Dにおいて、端子C、端子Eとの接続を切断する(ステップST−19)。この場合、ユーザの使用状況に応じて、蓄電システム100が停止されることもある。
本実施形態においては、監視部5の負荷を小さく抑えることが可能である。その理由は、タイマー6を用いる間、ΔV算出を行わないためである。また、その理由は、第2補正部9を駆動した場合は、十分に電圧差が補正されており、その後のΔV算出のインターバルを大きく設定できるためである。
第2補正所要時間Tjの算出は、第4の実施形態で示した放電特性をもとに行われる。すなわち、Tjは、ΔVの放電に必要とされる放電容量を、第2補正部9で生じる電流で割ることによって、求められる。
<<<第6の実施形態>>>
第5の実施形態では、Tj経過後、第2補正部9を停止しているが(図16 ステップST−16)、第2補正部9の性能が劣化し、電圧差低減の十分な再現性が得られない場合などは、停止しない実施形態も選択可能である。この場合、蓄電システム100は、過剰にΔVを下げないように、Tj経過後のΔVを第1補正部8で電圧差を補正する場合よりも高い頻度で検出する必要がある。本実施形態では、蓄電システム100は、第2補正部9のTj以降の動作時は、時間間隔として“S1”より短い“S0”で、ΔVを検出する。第1補正部8を使用している場合は、ΔVの変化の度合いが第2補正部9より緩やかなので、時間間隔“S1”でΔVを検出する。補正部を使用していない場合は、蓄電システム100は、もっとも長い時間間隔“S2”でΔVを検出する。すなわち時間間隔の長さはS2>S1>S0の順に狭められている。
図17は第6の実施形態の動作を表すフローチャートである。
各セルの電圧を測定する時間間隔(インターバル時間T)が、計算部4に設定される(ステップST2−1)。インターバル時間としては、“S0”、“S1”、“S2”のいずれかが選択される。
計算部4は、電池モジュール7の各セルの電圧を、所定の時間間隔で測定し、最小電圧との差であるΔVを算出する。判断部2はΔVのレベルを決定し、そのレベルから、ΔVのモードを決定する(ステップST2−2)。
ΔVがLevel1より小さい場合、判断部2は電池システム100の状況をモード0と判定する(ステップST2−3にてYES)。この場合、制御部3は電圧差の補正を指令しない。この時点で駆動状態の補正部があれば、制御部3はこれを停止する(ステップST2−4)。
続いて、制御部3は、第2補正フラグがセットされている場合はこれをリセットする(ステップST2−5)。後述するように、本実施形態においては、第5の実施形態とは異なり、第2補正フラグは所要時間Tjが経過した時点でセットされる。
さらに続いて制御部3は、インターバル時間Tとして“S2”を設定する(ステップST2−6)。この設定の後、ステップST2−1からの処理が繰り返される。
ΔVがLevel1以上の場合(ステップST2−3にてNO)、Level2より小さいか否かが判断される(ステップST2−7)。
ΔVがLevel1以上でLevel2より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード1と判定する(ステップST2−7にてYES)。
制御部3は、第2補正フラグがセットされているかどうかを検出する(ステップST2−8)。
第2補正フラグがセットされていない場合(ステップST2−8にてNO)、制御部3は切替端子Dにて、電池モジュール7を端子Eと接続させ、電圧差補正を第1補正部8に指令する。第1補正部8はΔVを解消する補正を実行する(ステップST2−9)。
制御部3は、インターバル時間Tとして“S1”を設定する(ステップST2−10)。この設定の後、ステップST2−1からの処理が繰り返される。
第2補正フラグがセットされている場合(ステップST2−8にてYES)、制御部3は、インターバル時間Tとして“S0”を設定する(ステップST2−13)。
この設定の後、ステップST2−1からの処理が繰り返される。“S0”を設定する理由は、高い頻度でΔVを検出し、第2補正部9による高速の補正により不必要にΔVが低下するのを避けるためである。
ΔVがLevel2以上の場合(ステップST2−7にてNO)、Level3より小さいか否かが判断される(ステップST2−11)。ΔVがLevel2以上でLevel3より小さい場合、判断部2は蓄電システム100の状況をモード2と判定する(ステップST2−11にてYES)。制御部3は、第2補正フラグがセットされているかどうかを検出する(ステップST2−12)。
第2補正フラグがセットされている場合(ステップST2−12にてYES)、制御部3は、インターバル時間Tとして“S0”を設定する(ステップST2−13)。この設定の後、ステップST2−1からの処理が繰り返される。
第2補正フラグがセットされていない場合(ステップST2−12にてNO)、制御部3は、ΔVをLevel1より低いLevel0に下げるために要する第2補正所要時間Tjを算出する(ステップST2−14)。
制御部3は、第2補正部9のタイマー6をTjにセットし、第2補正部9を動作させる(ステップST2−15)。
タイマー6は時間を計測し、Tjを経過したか否かを判定する(ステップST2−16)。Tjが経過するまで、タイマー6をこの判定を続ける(ステップST2−16にてNO)。Tjが経過した場合(ステップST2−16にてYES)、制御部3は第2補正フラグをセットする(ステップST2−17)。
また、制御部3は、インターバル時間Tとして“S0”を設定する(ステップST2−13)。この設定の後、ステップST2−1からの処理が繰り返される。
ΔVがLevel3以上の場合(ステップST2−11にてNO)、判断部2は蓄電システム100の状況をモード3と判定する。制御部3は、駆動している第1補正部8を停止し、切替端子Dにおいて、端子C、端子Eとの接続を切断し、補正を中止する(ステップST2−18)。この場合、ユーザの使用状況に応じて、蓄電システム100が停止されることもある。
本実施形態では、タイマー6を駆動した後も、第2補正部9を停止せずにΔVを検出するので、なんらかの原因で第2補正部9の動作が安定しなくなった場合にも、高精度で電圧差補正を行うことができる。
<<<第7の実施形態>>>
図18は、本発明の第7の実施形態に係る機能を表すブロック図である。
本発明の第7の実施形態に係る電圧差補正装置1は、判断部2と、制御部3と、を備える。判断部2は、蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出部が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正部8または、この第1補正部8とは異なる基板に搭載された第2補正部9の少なくとも一方を選択する。制御部3は、判断部2が選択した第1補正部8または第2補正部9を駆動してこの電圧差を軽減させる。
本実施形態によれば、低コストでの電圧差補正を実現することができる。
上述した第1乃至第7の実施形態を例に説明した本発明は、プログラムを、図19に示す情報処理装置1000に対して供給した後、そのプログラムをCPU1100に対して実行することによって達成される。そのプログラムは、当該実施形態の説明において参照したフローチャート(図4、図10、図11、図13、図16、図17)の機能を実現可能なプログラムである。或いは、そのプログラムは、少なくとも図1、図2、図15、図18に示すブロック図における制御部3を実現可能なプログラムである。
また、情報処理装置1000内に供給されたプログラムは、読み書き可能な一時記憶メモリ1200またはハードディスクドライブ等の不揮発性の記憶装置1300に格納すればよい。
そのプログラムは、コンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体に記録(記憶)され、情報処理装置1000に供給されてよい。図20は、コンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体である、記録媒体1400の構成を示すブロック図である。すなわち、上述した各実施形態は、CPU1100が実行するそのプログラムを記録する記録媒体1400の実施形態を含む。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2014年2月7日に出願された日本出願特願2014−022544を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、直列接続の電池接続構成を搭載する蓄電システム全般において利用可能であり、家庭用や商業用/産業用蓄電システム及び車両用電池モジュール等に適用可能である。
1 電圧差補正部
2 判断部
3 制御部
4 計算部
5 監視部
6 タイマー
7 電池モジュール
8 第1補正部
9 第2補正部
10 記憶部
11 充放電部
12 BMU基板
13 バランス基板
A 端子
B 端子
C 端子
D 切替端子
E 端子
21 セル
22 セル
24 セル
31 バランス回路
32 バランス回路
34 バランス回路
100 蓄電システム
1000 情報処理装置
1100 CPU
1200 一時記憶メモリ
1300 記憶装置
1400 記録媒体

Claims (7)

  1. 蓄電システムが有する複数のセル間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出手段が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正手段または第2補正手段の少なくとも一方を選択し、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧の大きさが、電池放電特性の平坦部領域にある場合は、前記第2補正手段を選択する判断手段と、
    前記判断手段が選択した前記第1補正手段または前記第2補正手段を駆動して前記電圧差を軽減するよう制御する制御手段と、を備え、
    前記第2補正手段は、前記第1補正手段に比べて、定格電流が大きく、
    前記電圧差は、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧と各セル電圧との差である、電圧差補正装置。
  2. 前記制御手段は、前記電圧差の大きさに基づいて、前記電圧差を検出する時間間隔を決定し、前記時間間隔で次に前記電圧差を検出する指令を前記電圧差検出手段に出力する請求項1に記載の電圧差補正装置。
  3. 前記制御手段は、前記第2補正手段を所定時間駆動した後、前記時間間隔を設定する請求項1又は2に記載の電圧差補正装置。
  4. 前記判断手段は、前記電圧差が所定の閾値以上である場合、前記選択を停止し、前記制御手段は前記第1補正手段及び前記第2補正手段のいずれをも駆動しない請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電圧差補正装置。
  5. 前記制御手段は、前記電圧差の大きさに応じて、警告のトリガ信号を出力する請求項1に記載の電圧差補正装置。
  6. 蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出手段が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正手段または第2補正手段の少なくとも一方を選択し、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧の大きさが、電池放電特性の平坦部領域にある場合は、前記第2補正手段を選択する判断処理と、
    前記判断処理で選択した前記第1補正手段または前記第2補正手段を駆動して前記電圧差を軽減させる制御処理と、をコンピュータに実行させ、
    前記第2補正手段は、前記第1補正手段に比べて、定格電流が大きく、
    前記電圧差は、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧と各セル電圧との差である、
    電圧差補正プログラム。
  7. コンピュータが、
    蓄電システムが備える複数のセルの間の電圧差を所定の時間間隔で検出する電圧差検出部が出力する電圧差の大きさに基づいて、第1補正部または第2補正部の少なくとも一方を選択し、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧の大きさが、電池放電特性の平坦部領域にある場合は、前記第2補正部を選択し、
    選択した前記第1補正部または前記第2補正部を駆動して前記電圧差を軽減させ、
    前記第2補正部は、前記第1補正部に比べて、定格電流が大きく、
    前記電圧差は、前記複数のセルの電圧のうち最小のセル電圧と各セル電圧との差である、
    電圧差補正方法。
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