JP6468479B2 - 電池システム、制御装置及び電池制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池システム、制御装置及び電池制御方法に関する。

電池システム（例えば、下記特許文献１参照）は、電池から外部の負荷に電力を供給するための放電処理を行うと共に、電池を充電する充電処理を行うものである。このような電池システムは、例えば、直列接続された電池セルから構成される電池を有し、該電池の充電時、上限電圧まで達した電池セルへの充電器からの供給電力をバイパス回路によって放電しつつ、上限電圧に達していない電池セルを上限電圧まで充電することによって、各電池セルの充電率を揃えるバランス処理を行っている。

特開２０１３−１５０４５２号公報

ところで、電池セルは充電されることで電池の充電率が上昇して充電率１００％の状態に近づいていく。そして、充電率の上昇とともに電池セルが出力する電圧の値も上昇していく。しかし、その一方で、電池セルの中には、電池セルの充電率が１００％の近傍（高ＳＯＣ領域）でのみ出力電圧が充電率に対して大きく変化し、それ以外の充電率に対しては出力電圧がさほど変化しない、という特性を示すものも存在する。例えば、リン酸リチウムイオン電池は、このような特性を示すことが知られている。ここで従来技術では、電圧センサによって検出された電池電圧に基づいて、その時点での電池セルの電圧の高低によって放電すべき電池セルを決定し、上記バランス処理を行っている。そのため、充電率が１００％の近傍（高ＳＯＣ領域）にない電池セル同士の出力電圧を比較しても出力電圧のそれぞれに充分な差が発生せず、各電池セルの電圧の高低により放電すべき電池セルを決定できない。このような特性を持つ電池セルに対して、従来の技術では、充電器を用いて電池セルのそれぞれの充電率を１００％の近傍である高ＳＯＣ領域までまず上昇させて維持する必要があり、その後にさらに高ＳＯＣ領域における上限電圧に達していない電池セルを当該上限電圧まで充電することでバランス処理を行うので、充電器を長時間、占有してしまう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、従来よりも充電器を占有する時間を短縮する、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、電池システムに係る解決手段として、直列接続された複数の電池セルと、各々の前記電池セルにそれぞれ接続された複数の放電回路と、前記電池セルのそれぞれの充電完了後、前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた前記充電制御情報に基づいて前記複数の電池セルの充電率の値が揃うように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する制御装置と、を有する、という手段を採用する。

また、本発明では、制御装置に係る解決手段として、直列接続された複数の電池セルのそれぞれに接続された複数の放電回路による、前記電池セルのそれぞれの放電を制御する制御装置であって、前記制御装置は、前記電池セルのそれぞれの充電完了後、前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた前記充電制御情報に基づいて前記複数の電池セルの充電率の値が揃うように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する、という手段を採用する。

本発明では、電池制御方法に係る解決手段として、直列接続された複数の電池セルのそれぞれの充電を完了させるステップと、充電完了後の前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させるステップと、記憶させた前記充電制御情報に基づいて、前記複数の電池セルの充電率が揃うように、前記複数の電池セルのそれぞれを放電させるステップと、を有する、という手段を採用する。

本発明によれば、充電器が電池システムから切り離されてから一定程度の時間が経過し、当該時間の経過により電池セルのそれぞれが放電され、充電率が高ＳＯＣ領域、すなわちバランス可能領域から外れたとしても、電池セルのそれぞれの充電率の相対関係が崩れない限り、再度の充電を実行することなく、各々の電池セルのバランス処理を実行することができる。そのため、高ＳＯＣ領域でなければバランス処理が行えない従来技術と異なり、充電器を長期間占有する必要がなく、従来技術の課題を解決することができる。

本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電池システムは、フォークリフト等の各種電動装置に搭載され、充電器Ｊに接続されて充電される際の電池Ｅの充電処理や、電力消費時の電池Ｅの放電処理を行うものである。なお、上記充電器Ｊは、電池システムに対して着脱可能である。

本電池システムは、図１に示すように、接続端子Ｔ、電池セルＣ１〜Ｃｎ、放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、電圧センサＤ１〜Ｄｎ、充電用スイッチング素子ＢＳ、電流センサＹ、記憶装置Ｋ及びマイコンＭ（制御装置）を備える。

接続端子Ｔは、本電池システムに充電器Ｊが装着された際に、該充電器Ｊに電気的に接続される端子である。
電池セルＣ１〜Ｃｎは、ｎ個のリチウムイオン電池等の蓄電池（二次電池）であり、直列に接続されて電池モジュールを構成する。また、直列に接続された電池セルＣ１〜Ｃｎのうち、一方の端に配置された電池セルＣ１は、その正極に、充電用スイッチング素子ＢＳを介して、接続端子Ｔが接続されている。

放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに設けられ、マイコンＭから入力される制御信号に基づいて電池セルＣ１〜Ｃｎを放電させるものである。このような放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、図１に示すように、放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び抵抗器Ｒ１〜Ｒｎから構成されている。

なお、各放電回路Ｈ１〜Ｈｎは同じ構成であるので、放電回路Ｈ１の放電用スイッチング素子ＡＳ１及び抵抗器Ｒ１についてのみ説明し、放電回路Ｈ２〜Ｈｎについては説明を省略する。

放電用スイッチング素子ＡＳ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣ１の正極に接続され、コレクタ端子が抵抗器Ｒ１の一端に接続されている。

このような放電用スイッチング素子ＡＳ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、電池セルＣ１の電力を抵抗器Ｒ１に放電する。一方、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、電池セルＣ１から抵抗器Ｒ１への放電を停止する。

また、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＳＳＲ(Solid state reray) 、メカニカルリレーであってもよい。

抵抗器Ｒ１は、一端が放電用スイッチング素子ＡＳ１のコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣ１の負極に接続されている。このような抵抗器Ｒ１は、放電用スイッチング素子ＡＳ１がオン状態となると、電池セルＣ１から電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。なお、抵抗器Ｒ１は直流電力を消費できる直流負荷であればよく、必ずしも抵抗器Ｒ１である必要はない。

電圧センサＤ１〜Ｄｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに設けられ、各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出し、検出した電圧値を示す電圧検出信号をマイコンＭに出力する。

充電用スイッチング素子ＢＳは、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が接続端子Ｔに接続され、コレクタ端子が電池セルＣ１の正極に接続されている。このような充電用スイッチング素子ＢＳは、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を開始する。

一方、充電用スイッチング素子ＢＳは、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されない場合、オフ状態となり、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を停止する。

また、充電用スイッチング素子ＢＳは、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＳＳＲ(Solid state reray) 、メカニカルリレーであってもよい。

電流センサＹは、接続端子Ｔと充電用スイッチング素子ＢＳのエミッタ端子との間に設けられ、充電器Ｊと電池セルＣ１〜Ｃｎとの間を流れる電流を検出し、検出した電流値を示す電流検出信号をマイコンＭに出力する。
記憶装置Ｋは、例えば読み出し及び書き込みが可能なＲＡＭ（Random Access Memory）であり、マイコンＭと電気的に接続され、マイコンＭから入力される情報を記憶する。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップである。このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電池システムの全体動作を制御する。

詳細については後述するが、マイコンＭは、従来よりも外部の充電器Ｊを占有する時間を短縮するように、上記演算制御プログラムや電圧センサＤ１〜Ｄｎによる検出結果に基づいて放電回路Ｈ１〜Ｈｎを制御する。

次に、このように構成された本電池システムの動作について図２及び図３を参照して説明する。
本電池システムは、例えば、フォークリフトに搭載されている場合、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率が低減した状態となると、担当作業者によって、充電器Ｊが装着される。ここで、電池システムは、従来よりも外部の充電器Ｊを占有する時間を短縮するために、以下の特徴的な動作を実行する。

まず、充電器Ｊが装着された後、マイコンＭは充電器Ｊに充電電流が０Ａより大きいことを充電器Ｊに通知し、充電器Ｊに充電を継続させる（ステップＳ１）。なお、充電電流は、図１における接続端子Ｔと充電用スイッチング素子ＢＳの間に設置された電流センサＹにより値が測定され、マイコンＭに伝達される。次に、マイコンＭは、各電池セルＣ１〜Ｃｎが出力する電圧のうち、最大の出力電圧がある閾値である第１閾値以上であり、かつ直列接続された各電池セルＣ１〜Ｃｎを流れる充電電流の電流値が、ある閾値である第２閾値以下となったか否かを判定する（ステップＳ２）。一般的に充電器Ｊから供給される充電電流は、電池セルＣ１〜Ｃｎが充電され、出力電圧が増加するほど小さくなるように制御される。ここで、電池セルの充電率は、本来、電圧、電流そして温度によって定義されるが、電流が十分に小さいときは、温度による電圧への影響が小さくなることが分かっている。この場合、電池セルの充電率は、電圧のみによって定義されることとなる。したがって、各電池セルＣ１〜Ｃｎが出力する電圧のうち、最大の出力電圧が第１閾値以上であり、かつ、直列接続された各電池セルＣ１〜Ｃｎを流れる充電電流の電流値が、第２閾値以下となれば（上記ステップＳ２においてＹＥＳとなれば）、マイコンＭは電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電が充分に行われ、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電率が充電率１００％の近傍である高ＳＯＣ領域（言い換えるとバランス可能領域）にあると判断する。そしてマイコンＭは、充電器Ｊに充電電流が０Ａであることを通知し、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電を終了させる（ステップＳ３）。本実施の形態では、この段階で充電器Ｊは、電池システムから切り離されるため、従来技術とは、異なり、充電器Ｊを長期間占有する必要がない。

次にマイコンＭは、充電が完了した電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの出力電圧を、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率へと換算する（ステップＳ４）。出力電圧の値から充電率が算出できることは、上述の通り、充電電流が十分に小さくなる高ＳＯＣ領域においては、電圧と充電率の関係が近似的に一対一の関係となるからである。

このとき、マイコンＭは、充電が完了した電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの出力電圧の値と充電率の対応関係を示す変換テーブルを参照し、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電率を求める。このような変換テーブルは、あらかじめマイコンＭの外部に存在するＲＡＭ等の記憶装置Ｋに記憶されていてもよいし、またマイコンＭに内蔵されるメモリ等に記憶されていてもよい。すなわち、マイコンＭは、メモリにアクセスして変換テーブルを参照し、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電率を求める。

次に、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれに対して求めた充電率の中で、最も低い充電率と、その他の充電率との差分を計算し（ステップＳ５）、計算結果を記憶装置Ｋに記憶させる（ステップＳ６）。当該記憶の動作も、上述したように、マイコンＭの外部にある記憶装置Ｋに対して行われてもよいし、またマイコンＭに内蔵されるメモリに対して行われてもよい。なお、このように記憶された、この最も低い充電率と、その他の充電率との差分を、充電制御情報ということとする。本実施の形態では、この充電制御情報をマイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに記憶している。そのため、仮に、充電器Ｊが電池システムから切り離されてから一定程度の時間が経過し、当該時間の経過により電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれが放電され、充電率が高ＳＯＣ領域、すなわちバランス可能領域から外れたとしても、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電率の相対関係が崩れない限り、再度の充電を実行することなく、各々の電池セルＣ１〜Ｃｎのバランス処理を実行することができる。そのため、従来技術と異なり、充電器Ｊを長期間占有する必要がなく、従来技術の課題を解決することができる。なお、バランス処理に係る時間が経過しても、各電池セルＣ１〜Ｃｎの出力電圧の相対関係は、大きく崩れないことが分かっている。

そして、マイコンＭは、メモリに記憶された充電率の差を用いて、最も低い充電率とその他の充電率との差のそれぞれの少なくとも一つが０より大きいか否か判定し（ステップＳ７）、最も低い充電率とその他の充電率との差のそれぞれの少なくとも一つが０より大きければ（上記ステップＳ７の処理においてＹＥＳの場合）、抵抗器Ｒ１〜Ｒｎのうち、当該差が０より大きい電池セルに対応する抵抗器に対応する放電用スイッチング素子をオン状態に制御する（ステップＳ８）。なお、ここでは当該差が０より大きいと記載したが、実際には厳密に０ではなく、誤差が含まれるため、０より大きいある閾値よりも差分が小さくなれば、当該差が０であるとみなすこととなる。したがって、このような場合も本実施の形態に係る発明の技術的範囲には当然に含まれる。

この際、マイコンＭは、どの電池セルをどれだけ放電すれば、最も低い充電率との充電率の差が０となるか、すなわち各々電池セルＣ１〜Ｃｎに必要な放電量を事前に計算して把握している。放電量とは、放電電流の時間積分で求まる物理量[Ah]である。ここで、放電電流は、電池セルの出力電圧を、抵抗器の抵抗値で除算することで算出される。そして、電池セルの出力電圧は、放電によって時々刻々と変化するため、各時点の電圧から各時点での放電電流を求め、それを放電時間の間において積算していくことで、放電量が算出できる。一方、充電率は、電池残量[Ah]/全容量[Ah]によって定まる割合[%]である。全容量は電池セルのスペックで定まる既知の値であるから、放電量[Ah]の分だけ電池残量[Ah]が減少することを用いて、その電池セルがどの程度の放電量でどの程度、充電率が減少し、その結果、どのような充電率となるかを求めることができる。マイコンＭはこの原理により、どの電池セルをどれだけ放電すれば、最も低い充電率との充電率の差が０となるか、すなわち各々電池セルＣ１〜Ｃｎに必要な放電量を事前に計算して把握する。

そして、マイコンＭは、最も低い充電率を有する電池セル以外の電池セルのそれぞれの放電量が、最も低い充電率との差分以上か否か、すなわち、当該放電量が、必要な放電量以上となったか否かを判定する（ステップＳ９）。必要な放電量以上の放電を行った電池セル（上記ステップＳ９の処理においてＹＥＳと判定した電池セル）に対しては、マイコンＭは、対応する抵抗器に接続された放電用スイッチング素子をオフ状態に制御する（ステップＳ１０）。一方、マイコンＭは、必要な放電量に満たない放電しか行っていない電池セル（上記ステップＳ９の処理においてＮＯと判定した電池セル）については、引き続き、そのセルに対応する放電用スイッチング素子をオン状態に制御し続け、そのセルの放電を継続させる。

そしてマイコンＭは、最も低い充電率を有する電池セル以外の電池セルの全ての電池セルの放電量が必要な放電量以上となった場合、電池セルのそれぞれのバランス処理を終了する。

なお、図３（ａ）には、２つのバランス可能領域が記載されているが、通常、電圧が高い方のバランス可能領域において、上述した充電制御情報の記憶を行う。

なお、全ての電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧は、電圧センサＤ１〜Ｄｎによる電圧検出信号によって示されるものである。また、上述の説明では、充電制御情報として、最も低い充電率と、その他の充電率との差分をマイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに格納したが、充電制御情報はこれに限られない。例えばマイコンＭは、充電が完了し、充電器Ｊが電池システムから切り離された後の電圧センサＤ１〜Ｄｎによる検出結果を充電制御情報としてマイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに記憶させ、これら電圧の値から各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率、最も低い充電率と、その他の充電率との差分を求め、これらの差分がなくなるように放電する処理を続けて行ってもよい。また、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率を充電制御情報として記憶させ、その後、最も低い充電率と、その他の充電率との差分を求め、これらの差分がなくなるように放電する処理を続けて行ってもよい。また、充電が完了した後の各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率、最も低い充電率と、その他の充電率との差分のすべてを充電制御情報としてマイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに記憶させてもよいし、これらの内のいずれか一つ、あるいはいずれか二つを記憶させてもよい。

すなわち、本実施の形態において、マイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに記憶される充電制御情報とは、充電が完了した後の各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率、最も低い充電率と、その他の充電率との差分の、少なくともいずれか一つであり、これらの内いずれか二つであっても、これら全てであってもよい。

このような本実施形態によれば、充電制御情報をマイコンＭの外部にある記憶装置ＫあるいはマイコンＭに内蔵されるメモリに記憶している。そのため、仮に、充電器Ｊが電池システムから切り離されてから一定程度の時間が経過し、当該時間の経過により電池セルのそれぞれが放電され、充電率が高ＳＯＣ領域、すなわちバランス可能領域から外れたとしても、電池セルＣ１〜Ｃｎのそれぞれの充電率の相対関係が崩れない限り、再度の充電を実行することなく、各々の電池セルＣ１〜Ｃｎのバランス処理を実行することができる。そのため、高ＳＯＣ領域でなければバランス処理が行えない従来技術と異なり、充電器Ｊを長期間占有する必要がなく、従来技術の課題を解決することができる。なお、バランス処理に係る時間が経過しても、各電池セルＣ１〜Ｃｎの出力電圧の相対関係は、大きく崩れないことが分かっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
本実施形態は、フォークリフト以外の電動装置に搭載されてもよい。

Ｔ 接続端子
Ｃ１〜Ｃｎ 電池セル
Ｈ１〜Ｈｎ 放電回路
Ｄ１〜Ｄｎ 電圧センサ
ＢＳ 充電用スイッチング素子
Ｍ マイコン
Ｊ 充電器
ＡＳ１〜ＡＳｎ 放電用スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒｎ 抵抗器
Ｙ 電流センサ
Ｋ 記憶装置

Claims (9)

1. 直列接続された複数の電池セルと、
   各々の前記電池セルにそれぞれ接続された複数の放電回路と、
   前記電池セルのそれぞれの充電が完了して充電器を切り離した後、前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた前記充電制御情報に基づいて前記複数の電池セルの充電率の値が揃うように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する制御装置と、
   を有する、電池システム。
2. 前記充電制御情報は、前記充電器を切り離した後の、前記電池セルのそれぞれの出力電圧、前記電池セルのそれぞれの充電率、または前記充電率の中で最も低い充電率とその他の充電率との差、の少なくともいずれか一つである、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記制御装置は、前記充電率の中で最も低い充電率とその他の充電率との差がなくなるように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する、請求項２に記載の電池システム。
4. 前記制御装置は、前記充電器を切り離した後の前記電池セルのそれぞれの出力電圧と充電率の対応関係を示す変換テーブルを参照し、前記電池セルのそれぞれの充電率を求める、請求項２に記載の電池システム。
5. 直列接続された複数の電池セルのそれぞれに接続された複数の放電回路による、前記電池セルのそれぞれの放電を制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記電池セルのそれぞれの充電が完了して充電器を切り離した後、前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた前記充電制御情報に基づいて前記複数の電池セルの充電率の値が揃うように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する、制御装置。
6. 前記充電制御情報は、前記充電器を切り離した後の、前記電池セルのそれぞれの出力電圧、前記電池セルのそれぞれの充電率、または前記充電率の中で最も低い充電率とその他の充電率との差、の少なくともいずれか一つである、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記充電率の中で最も低い充電率とその他の充電率との差がなくなるように、前記放電回路による前記電池セルのそれぞれの放電を制御する、請求項６に記載の制御装置。
8. 前記制御装置は、前記充電器を切り離した後の前記電池セルのそれぞれの出力電圧と充電率の対応関係を示す変換テーブルを参照し、前記電池セルのそれぞれの充電率を求める、請求項６に記載の制御装置。
9. 直列接続された複数の電池セルのそれぞれの充電を完了させるステップと、
   充電器を切り離すステップと、
   前記充電器を切り離した後の前記電池セルのそれぞれの充電制御情報を記憶装置に記憶させるステップと、
   記憶させた前記充電制御情報に基づいて、前記複数の電池セルの充電率が揃うように、前記複数の電池セルのそれぞれを放電させるステップと、
   を有する、電池制御方法。

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