JP6618444B2

JP6618444B2 - 電源システムの電池パック接続判定方法

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Publication number: JP6618444B2
Application number: JP2016184629A
Authority: JP
Inventors: 渉稗田
Original assignee: Envision AESC Japan Ltd
Current assignee: Envision AESC Japan Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018050401A

Description

本発明は、複数の電池パックを備えた電源システムの電池パック接続判定方法に関する。

複数の電池パックを備えた電源システムでは、電源システムの起動時などにおいて、各電池パックに含まれる電池列に接続されたリレーをオンにすることで、複数の電池パックを互いに並列に接続することがある。このとき、各電池パックの電圧に差があると、リレーをオンにした際に各電池パックに循環電流が流れる。この循環電流が電池パックに応じて定められる許容値を超えると、電池パックの故障の原因となることがある。

これに対して特許文献１には、電池パックの電圧差が一定値以下のときだけ、電池パックを互いに並列に接続することで、電池パックの故障を軽減する電池モジュールが開示されている。

特表２０１３−５２４７４８号公報

電池パックにおいてリチウムイオン電池などが使用される場合、循環電流によって電池の電極にリチウム（Ｌｉ）などが析出し、電池の性能劣化を引き起こす恐れがある。このような析出は、通常、互いに並列に接続される電池パックのうち電圧値の低い充電側電池パックで発生し、その充電側電池パックの温度が低いほど発生しやすくなる。

特許文献１に記載の技術では、各電池パックの電圧差については考慮されているが、析出の発生に関する記載はなく、析出の発生に関わる電池パックの温度についても考慮されていない。このため、析出による電池の性能劣化を抑制することができないという問題がある。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、析出による電池の性能劣化を抑制することが可能な電源システムの電池パック接続判定方法を提供することを目的とする。

本発明による電源システムの電池パック接続判定方法は、
複数の電池パックを備えた電源システムの電池パック接続判定方法であって、
２つの前記電池パックの電圧値および温度に基づいて、当該２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定するステップを含み、
前記判定するステップでは、前記２つの電池パックのうち前記電圧値が高い電池パックの温度である放電側温度と、前記２つの電池パックのうち前記電圧値が低い電池パックの温度である充電側温度とを決定し、前記放電側温度および前記充電側温度に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する。
また、複数の電池パックを備えた電源システムの電池パック接続判定方法であって、
２つの前記電池パックの電圧値および温度に基づいて、当該２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定するステップを含み、
前記判定するステップでは、２つの前記電池パックの温度差が予め定められた温度閾値より小さいか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する。

本発明による電源システムは、複数の電池パックと、２つの前記電池パックの電圧値および温度に基づいて、当該２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する判定部と、を備える。

本発明によれば、析出による電池の性能劣化を抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態の電源システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態の電池パックの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態の電源システムの動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第２の実施形態の電源システムの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態の電源システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の電源システムの構成を示す図である。図１に示す電源システム１００は、電気機器２００と接続され、電気機器２００の動力源として機能する。電気機器２００は、特に限定されないが、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などである。なお、電源システム１００は電気機器２００に搭載されてもよい。

電気機器２００は、負荷・回生機器２０１と、接続回路２０２と、機器制御部２０３とを備える。負荷・回生機器２０１は、電源システム１００の負荷として機能するとともに、電源システム１００に対して回生エネルギーを供給する回生機器としても機能する。接続回路２０２は、電源システム１００と電気機器２００との接続状態を切り替える。接続回路２０２は、図の例では、電源システム１００と電気機器２００との接続時にプリチャージを行うプリチャージ回路２０２ａを含んでいるが、プリチャージ回路２０２ａはなくてもよい。機器制御部２０３は、電気機器２００を制御する。例えば、機器制御部２０３は、電気機器２００の起動時などにおいて接続回路２０２を用いて電源システム１００を負荷・回生機器２０１に接続する。また、機器制御部２０３は、電源システム１００に対して電源システム１００を制御するための制御信号を入力する。

電源システム１００は、複数の電池パックを含む。電池パックのいずれかは、他の電池パックを制御するマスタ（Master）電池パックとして機能し、他の電池パックがマスタ電池パックに制御されるスレイブ（Slave）電池パックとして機能する。図１では、複数の電池パックのうち、２つの電池パック１０１および１０２が示されている。電池パック１０１はマスタ電池パックであり、電池パック１０２はスレイブ電池パックである。

図２は、電池パック１０１および１０２の構成を示す図である。電池パック１０１および１０２のそれぞれは、電池部１と、電流計２と、電圧計３と、温度計４と、スイッチ５と、ＢＭＳ（Battery Management System：バッテリー監視システム）６とを有する。また、マスタ電池パックである電池パック１０１は、マスタ制御部７をさらに有する。なお、マスタ制御部７は、図１に示したように、マスタ電池パックである電池パック１０１のＢＭＳ６と一体化されてもよい。

電池部１は、充電により蓄えた電力を放電する二次電池で構成される。本実施形態では、電池部１は、電池列、つまり、互いに直列に接続された複数の電池セル１ａから構成される。電池パック１０１および１０２のそれぞれの電池セル１ａは、図１では、８つ、図２では、３つ示されているが、電池セル１ａの数に限定はない。また、電池セル１ａの数は、全ての電池パックで同一でもよいし、電池パックごとに異なっていてもよい。さらに電池部１は、複数の電池セルまたは複数の電池列が互いに並列に接続された構成でもよい。

電池セル１ａの種類は、特に限定されないが、本実施形態では、リチウムイオン電池である。この場合、電池パック１０１および１０２が互いに並列に接続された際に電池パック１０１および１０２に生じる循環電流によって、電池パック１０１および１０２のうち電圧値の低い電池パックである充電側電池パックの負極で析出（具体的には、リチウムの析出）が発生する恐れがある。この析出が発生する条件、裏を返せば、析出を防止できる条件は、充電側電池パックの電圧値および温度に応じて異なる。以下、電池パック１０１および１０２が互いに並列に接続された際に電池パック１０１および１０２に生じる循環電流を単に循環電流と呼ぶこともある。

電流計２は、電池部１に流れる電流の値であるパック電流値を測定し、そのパック電流値を示す電流検知信号をＢＭＳ６に出力する。電圧計３は、電池部１に含まれる電池セル１ａの電圧の値であるセル電圧値を電池セル１ａごとに測定し、それらのセル電圧値を示す電圧検知信号をＢＭＳ６に出力する。温度計４は、電池部１に含まれる電池セル１ａの温度であるセル温度を電池セル１ａごとに測定し、それらのセル温度を示す温度検知信号をＢＭＳ６に出力する。

スイッチ５は、電池部１と他の電池パックの電池部１および電気機器２００との接続を切り替える。スイッチ５は、図２の例では、概念的に示しているが、実際には、例えば、図１に示したように電池部１を挟む２つのリレー５ａなどで構成される。

ＢＭＳ６は、電流計２、電圧計３および温度計４のそれぞれから電流検知信号、電圧検知信号および温度検知信号を受け付ける。ＢＭＳ６は、その電圧検知信号および温度検知信号が示すセル電圧値およびセル温度に基づいて、そのＢＭＳ６を含む電池パックに関する電池情報を求め、その電池情報を電池パック１０１のマスタ制御部７に出力する。なお、電流検知信号は、本実施形態では使用しない。

電池情報は、本実施形態では、電池部１の電圧値であるパック電圧値Ｖｐと、電池部１の温度であるパック温度Ｔである。この場合、ＢＭＳ６は、セル電圧値の総和をパック電圧値Ｖｐとして検出し、セル温度の代表値をパック温度Ｔとして検出する。代表値は、平均値、中央値、最大値または最小値などの統計値でもよいし、特定の電池セル１ａのセル温度でもよい。特定の電池セル１ａは、例えば、セル電圧値が最も高い電池セル１ａである。また、温度計４は電池セル１ａのセル温度を測定する代わりに、電池パック内の所定の位置の温度を測定するものでもよい。この場合、ＢＭＳ６は、温度計４で測定された温度をそのままパック温度Ｔとして用いる。

また、ＢＭＳ６は、マスタ制御部７から、電池パックの相互接続を行う旨の接続指示を受け付けると、スイッチ５をオンにして、電池部１を他の電池パックの電池部と接続することで、電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続する。

マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６から電池情報を受け付け、それらの電池情報に基づいて、電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定する。

以下、マスタ制御部７が行う具体的な処理について説明する。なお、電池パック１０１からの電池情報に含まれるパック電圧値Ｖｐおよびパック温度ＴをそれぞれＶｐ１およびＴ１と表記し、電池パック１０２からの電池情報に含まれるパック電圧Ｖｐおよびパック温度をそれぞれＶｐ２およびＴ２と表記することもある。

マスタ制御部７は、電池情報に含まれるパック電圧値Ｖｐ１およびＶｐ２およびパック温度Ｔ１およびＴ２に基づいて、電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定する。

例えば、先ず、マスタ制御部７は、パック電圧値Ｖｐ１およびＶｐ２に基づいて、電池パック１０１および１０２の間の電圧差であるパック間電圧差ΔＶ（＝｜Ｖｐ１−Ｖｐ２｜）を算出し、そのパック間電圧差が予め定められた電圧差閾値Ｖｔｈより小さいか否かを判定する。電圧差閾値Ｖｔｈは、循環電流によって電池パック１０１および１０２が破損する恐れのない最大の電圧差である。

続いて、マスタ制御部７は、パック温度Ｔ１およびＴ２のうち、電池パック１０１および１０２のうちパック電圧値の高い電池パックである放電側電池パックのパック温度を放電側温度Ｔｄｉｓとして決定し、電池パック１０１および１０２のうちパック電圧値の低い電池パックである充電側電池パックのパック温度を充電側温度Ｔｃｈとして決定する。そして、マスタ制御部７は、放電側温度Ｔｄｉｓおよび充電側温度Ｔｃｈに基づいて、電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定する。なお、電池パック１０１および１０２のパック電圧値Ｖｐ１およびＶｐ２が等しい場合には、マスタ制御部７は、パック温度Ｔ１およびＴ２のうち、任意の一方を放電側温度Ｔｄｉｓとして決定し、他方を充電側温度Ｔｃｈとして決定することができる。

例えば、マスタ制御部７は、充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓよりも低いか否かを判定し、さらに、放電側温度Ｔｄｉｓから充電側温度Ｔｃｈを引いた温度差ΔＴが予め定められた温度閾値Ｔｔｈよりも小さいか否かを判定する。そして、マスタ制御部７は、これらの判定結果に基づいて、電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定する。

具体的には、充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓ以上、かつ、放電側温度Ｔｄｉｓから充電側温度Ｔｃｈを引いた温度差ΔＴが一定値以上の場合に、充電側電池パックの負極において析出が発生する。このため、マスタ制御部７は、充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓよりも低い場合、または、温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さい場合、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可する。なお、上記の２つの判定の両方を行うことが望ましいが、一方の判定のみでもよい。

電池パック１０１および１０２を相互接続する場合（電池パック１０１および１０２の相互接続を許可する場合）、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６に接続指示を出力する。

次に動作を説明する。図３は、電源システムの動作を説明するためのフローチャートである。以下の動作は、電気機器２００を起動する起動処理中に実行される。また、起動処理前の初期状態では、スイッチ５はオフになっている。

起動処理では、電気機器２００の機器制御部２０３は、マスタ制御部７に対して、電池パックの相互接続を指示する制御信号を出力する。マスタ制御部７は、その制御信号を受け付けると、動作指示を電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６に出力する。ＢＭＳ６は、動作指示を受け付けると、以下の動作を実行する。なお、以下のステップＳ１〜Ｓ２、Ｓ１２の処理は、電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６にて実行され、ステップＳ３〜Ｓ１１の処理はマスタ制御部７にて実行される。

先ず、ＢＭＳ６は、電圧計３および温度計４のそれぞれから電圧検知信号および温度検知信号を受け付け、その電圧検知信号および温度検知信号が示すセル電圧値およびセル温度に基づいて、パック電圧値Ｖｐとパック温度Ｔを検出する（ステップＳ１）。そして、ＢＭＳ６は、パック電圧値Ｖｐおよびパック温度Ｔを電池情報としてマスタ制御部７に出力する（ステップＳ２）。

マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６から電池情報を受け付け、その電池情報に含まれるパック電圧値Ｖｐ１およびＶｐ２に基づいて、パック間電圧差ΔＶ（＝｜Ｖｐ１−Ｖｐ２｜）を算出する（ステップＳ３）。そして、マスタ制御部７は、パック間電圧差ΔＶが電圧差閾値Ｖｔｈより小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。

パック間電圧差ΔＶが電圧差閾値Ｖｔｈ以上の場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可しないと判定して、処理を終了する。一方、パック間電圧差ΔＶが電圧差閾値Ｖｔｈよりも小さい場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１のパック電圧値Ｖｐ１が電池パック１０１のパック電圧値Ｖｐ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。

パック電圧値Ｖｐ１がパック電圧値Ｖｐ２よりも小さい場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１のパック温度Ｔ１を充電側温度Ｔｃｈとし、電池パック１０２のパック温度Ｔ２を放電側温度Ｔｄｉｓとする（ステップＳ６）。一方、パック電圧値Ｖｐ１がパック電圧値Ｖｐ２以上の場合、マスタ制御部７は、電池パック１０２のパック温度Ｔ２を充電側温度Ｔｃｈとし、電池パック１０１のパック温度Ｔ１を放電側温度Ｔｄｉｓとする（ステップＳ７）。

ステップＳ６またはＳ７が終了すると、マスタ制御部７は、充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓよりも低いか否かを判定する（ステップＳ８）。充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓよりも低い場合、マスタ制御部７は、放電側温度Ｔｄｉｓから充電側温度Ｔｃｈを引いた温度差ΔＴ（＝Ｔｄｉｓ−Ｔｃｈ）を算出し（ステップＳ９）、その温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０）。

温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈ以上の場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可しないと判定して、処理を終了する。また、ステップＳ８で充電側温度Ｔｃｈが放電側温度Ｔｄｉｓよりも低い場合、または、ステップＳ１０で温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さい場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可し、電池パック１０１および１０２のそれぞれのＢＭＳ６に接続指示を出力する（ステップＳ１１）。

ＢＭＳ６は、マスタ制御部７から接続指示を受け付けると、スイッチ５をオンにして、電池部１を他の電池パックの電池部と接続することで、電池パック間を互いに並列に接続し（ステップＳ１２）、処理を終了する。

なお、上記の動作だけでなく、必要に応じて他の条件に基づいて、電池パック１０１および１０２間の相互接続を許可するか否かが判定されてもよい。この場合、ステップＳ１０において温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さいと判定され、かつ、他の条件が満たされる場合に、電池パック１０１および１０２の相互接続が許可されることとなる。また、電池パックが３つ以上ある場合、マスタ制御部７は、電池パックごとに上記の処理を行い、接続を許可した電池パックをマスタ電池パックである電池パック１０１にそれぞれ接続する。

以上説明したように本実施形態によれば、マスタ制御部７は、２つの電池パック１０１および１０２の電圧値および温度に基づいて、その２つの電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定する。このため、温度に応じての電池パック１０１および１０２を互いに並列に接続するか否かを判定することができるため、析出による電池の性能劣化を抑制することが可能になる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、電源システムの構成は図１および図２で示した第１の実施形態における構成と同じであるが、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可すると判断するための条件が第１の実施形態とは異なる。

第１の実施形態では、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２のうちパック電圧値の高い放電側電池パックのパック温度である放電側温度Ｔｄｉｓから、パック電圧値の低い充電側電池パックのパック温度である充電側温度Ｔｃｈの差である温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さいか否かを判定していた。本実施形態では、マスタ制御部７は、パック電圧値によらず、電池パック１０１および１０２のそれぞれのパック温度Ｔ１およびＴ２の差分の絶対値を温度差ΔＴ’として求め、その温度差ΔＴ’が温度閾値Ｔｔｈよりも小さいか否かを判定する。この場合、マスタ制御部７は、温度差ΔＴが温度閾値Ｔｔｈよりも小さい場合、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可する。

次に動作を説明する。図４は、本実施形態の電源システムの動作を説明するためのフローチャートである。先ず、図３で説明したステップＳ１〜Ｓ４が実行される。ステップＳ４が終了すると、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２のそれぞれからの電池情報内のパック温度Ｔ１およびＴ２の差分を温度差ΔＴ’として算出する（ステップＳ９ａ）。その後、マスタ制御部７は、その温度差ΔＴ’が温度閾値Ｔｔｈよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０）。

温度差ΔＴ’が温度閾値Ｔｔｈ以上の場合、マスタ制御部７は、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可しないと判定して、処理を終了する。また、温度差ΔＴ’が温度閾値Ｔｔｈよりも小さい場合、マスタ制御部７は、ステップＳ１１の処理を実行する。その後、ステップＳ１２の処理が実行される。

本実施形態では、パック電圧値に応じて電池パック１０１および１０２を充電側電池パックおよび放電側電池パックに分けなくてもよいため、電池パック１０１および１０２の電圧が安定しておらず、パック電圧値が正確なＳＯＣ（State of charge：残容量）を反映していない場合でも、析出による電池の性能劣化を抑制することが可能になる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、電池パック１０１および１０２を互いに接続するか否かを判定する判定部は、マスタ制御部７としてマスタの電池パック１０１に備わっていたが、判定部は電池パック１０１の外に設けられていてもよい。

図５は、本実施形態の電源システムの構成を示す図である。図５では、図１に示した電源システムと比較して、統合制御部８をさらに備えている点で異なる。また、電池パック１０１にはマスタ制御部７は備わっていない。

統合制御部８は、電池パック１０１および１０２の相互接続を許可するか否かを判定する判定部であり、図２に示したマスタ制御部７の機能を有している。本実施形態では、電池パック１０１および１０２のＢＭＳ６は、電池情報をマスタ制御部７の代わりに統合制御部８に出力する。統合制御部８の動作は、第１または第２の実施形態で説明したマスタ制御部７の動作と同様なので詳細な説明は省略する。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

１電池部
１ａ電池セル
２電流計
３電圧計
４温度計
５スイッチ
５ａリレー
６ＢＭＳ
７マスタ制御部
８統合制御部
１００電源システム
１０１、１０２電池パック
２００電気機器
２０１負荷・回生機器
２０２接続回路
２０３機器制御部

Claims

複数の電池パックを備えた電源システムの電池パック接続判定方法であって、
２つの前記電池パックの電圧値および温度に基づいて、当該２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定するステップを含み、
前記判定するステップでは、前記２つの電池パックのうち前記電圧値が高い電池パックの温度である放電側温度と、前記２つの電池パックのうち前記電圧値が低い電池パックの温度である充電側温度とを決定し、前記放電側温度および前記充電側温度に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する、電源システムの電池パック接続判定方法。
前記判定するステップでは、前記充電側温度が前記放電側温度よりも小さいか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する、請求項１に記載の電源システムの電池パック接続判定方法。
前記判定するステップでは、前記放電側温度から前記充電側温度を引いた温度差が予め定められた温度閾値より小さいか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する、請求項１または２に記載の電源システムの電池パック接続判定方法。
複数の電池パックを備えた電源システムの電池パック接続判定方法であって、
２つの前記電池パックの電圧値および温度に基づいて、当該２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定するステップを含み、
前記判定するステップでは、２つの前記電池パックの温度差が予め定められた温度閾値より小さいか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、前記２つの電池パックを互いに並列に接続するか否かを判定する、電源システムの電池パック接続判定方法。