JP6727532B2 - 蓄電状態調整装置、電池パック、負荷システム及び蓄電状態調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電状態調整装置、電池パック、負荷システム及び蓄電状態調整方法に関する。

近年、複数の蓄電池が直列に接続された組電池を充放電する技術の開発が盛んに行われている。

例えば特許文献１には、組電池の充放電中に各蓄電池のセル電圧（電池電圧）を同一にする（セルバランスする）ために充電電流や放電電流を調整するセルバランス処理が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、セルバランス処理に要する時間を短縮することに関して改良の余地があった。

本発明は、複数の蓄電池が直列に接続された組電池の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整装置であって、前記複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流加算器と、前記複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流減算器と、を備え、前記電流加算器及び前記電流減算器の少なくとも一方は、少なくとも１つの可変定電流回路を含み、前記電流加算器から出力される電流の波形は、パルス振幅及びパルス幅を有する形状の波形であって、前記電流減算器による前記組電池の減算時間に基づいて、前記パルス幅が決定される蓄電状態調整装置である。

本発明によれば、セルバランス処理に要する時間を短縮することができる。

一実施形態の電池パックの概略的構成を示す図である。 電池パックにおける組電池、電流加算回路、電流減算回路の回路図である。 充放電時における蓄電池Ｂ１〜Ｂ４のセル電圧の時間変化を示す図である。 蓄電状態調整処理を説明するためのフローチャートである。 変形例１の組電池、電流加算回路、電流減算回路の回路図である。 変形例２の組電池、電流加算回路、電流減算回路の回路図である。 変形例３の組電池、電流加算回路、電流減算回路の回路図である。

以下に、本発明の一実施形態の電池パック１について図面を参照して説明する。

電池パック１は、図１に示されるように、組電池１０、電流加算回路２０Ａ、電流減算回路２０Ｂ、電圧検出手段３０、制御回路４０、充電器／負荷接続検知部５０などを備えている。

組電池１０は、直列に接続された複数（例えば４つ）の蓄電池Ｂ１〜Ｂ４（二次電池やバッテリーとも呼ぶ）を含む。蓄電池Ｂ１の正極はＰ＋端子に接続され、蓄電池Ｂ４の負極はＰ−端子に接続される。Ｐ＋端子とＰ端子は、充電器や負荷に接続される。

電流加算回路２０Ａは、複数（例えば４つ）の蓄電池Ｂ１〜Ｂ４それぞれと並列に接続された複数（例えば４つ）の電流加算器２１ａ〜２１ｄを含む。

各電流加算器は、図２に示されるように、複数（例えば２つの）可変定電流回路２１−１、２１−２を含む。なお、図２において、２つの可変定電流回路２１−１、２１−２は、蓄電池Ｂ１にのみ並列に接続されているかの如く図示されているが、実際には、蓄電池Ｂ２〜Ｂ４それぞれにも並列に接続されている。ここでは、電流加算器２０ａの２つの可変定電流回路２１−１、２１−２のみを代表的に図示している。

可変定電流回路２１−１は、一次側コイルＬ１、二次側コイルＬ２及びダイオードＤを含むフライバックトランスＦＢＴと、一次側コイルＬ１の一端にドレインが接続され、抵抗Ｒ１の一端にソースが接続されたトランジスタＴＲ１（例えばＦＥＴ）と、出力端がトランジスタＴＲ１のゲートに接続され、＋側の入力端が可変電流源ＡＥ１の正極に接続され、−側の入力端がトランジスタＴＲ１のソースに接続されたオペアンプＯＡ１と、を有する。

可変定電流回路２１−２は、ゲート同士が接続された２つのトランジスタＴＲ２、ＴＲ３（例えばＦＥＴ）を含むカレントミラー回路ＣＭＣと、トランジスタＴＲ２のソースにドレインが接続され、抵抗Ｒ２の一端にソースが接続されたトランジスタＴＲ４（例えばＦＥＴ）と、出力端がトランジスタＴＲ４のゲートに接続され、＋側の入力端が可変電流源ＡＥ２の正極に接続され、−側の入力端がトランジスタＴＲ４のソースに接続されたオペアンプＯＡと、を有する。

なお、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４としてＦＥＴ（例えばＭＯＳＦＥＴや接合型ＦＥＴ）が用いられているが、バイポーラトランジスタを用いても良い。

電流減算回路２０Ｂは、複数の蓄電池Ｂ１〜Ｂ４それぞれと並列に接続された複数（例えば４つ）の電流減算器２２ａ〜２２ｄを含む。

各電流減算器は、抵抗Ｒと、該抵抗Ｒの両端と対応する蓄電池の両極の接続、遮断を行うためのスイッチＳＷと、を含む。ここでは、スイッチＳＷとしてリレーが用いられているが、トランジスタを用いても良い。

電圧検出回路３０は、複数の蓄電池Ｂ１〜Ｂ４それぞれのセル電圧（電池電圧）を計測する複数（例えば４つ）の電圧センサＶＳ１〜ＶＳ４を含む。

制御回路４０は、複数の電圧センサＶＳ１〜ＶＳ４の出力（計測値）に基づいて、複数の電流加算器２１ａ〜２１ｄ及び複数の電流減算器２２ａ〜２２ｄを制御する。

詳述すると、制御回路４０は、図３に示されるように、組電池１０を充放電中の所定の時刻ｔ１（組電池１０の充電開始時を時刻０とする）における各電圧センサの計測値と予め設定されたバランス電圧ＢＶの差分ΔＶをとり、該差分ΔＶに基づいて対応する蓄電池に対する電流加減算値及び電流加減算時間を算出し、対応する電流加算器又は電流減算器に出力する。

具体的には、制御回路４０は、ある蓄電池に対応する電圧センサにおける差分ΔＶが正の場合に、該差分ΔＶを、電流減算値（−ΔＩ／Δｔ）×電流減算時間（ｔ２−ｔ１）×抵抗Ｒの抵抗値に換算し、該蓄電池に対応する電流減算器に電流減算値を電流減算時間中供給する。すなわち、制御回路４０は、時刻ｔ１から電流減算時間、スイッチＳＷをオンとして該蓄電池の両極と抵抗Ｒの両端を接続することにより、該蓄電池に対して電流減算値で電流減算を行う。

一方、制御回路４０は、ある蓄電池に対応する電圧センサにおける差分ΔＶが負の場合に、該差分ΔＶに対する電流加算値（＋ΔＩ／Δｔ）を算出し、該蓄電池に対応する電流加算器に上記電流減算時間中出力する。すなわち、制御回路４０は、電流加算値をパルス振幅とし、上記電流減算時間をパルス幅とし、時刻ｔ１を立ち上がりタイミングとし、時刻ｔ２を立下りタイミングとするパルス信号を駆動信号として２つの可変定電流回路２１−１、２１−２の可変電流源ＡＥ１、ＡＥ２に出力する。このとき、可変電流源ＡＥ１、ＡＥ２は、上記電流減算時間中オンとなり、該蓄電池に対して電流加算値で電流加算を行うことができる。

以上のように、電流減算器の抵抗Ｒによる電流減算値が一定であるため、電流加算器の可変定電流回路による電流加算時間を抵抗Ｒによる電流減算時間（ｔ２−ｔ１）に合わせることで、複数の蓄電池のセル電圧を同時刻ｔ２にバランス電圧ＢＶで略一致させることができる。

以上の説明から分かるように、制御回路４０は、組電池１０の充放電中に複数の蓄電池のセル電圧がバランス（略一致）するように複数の電流加算器２１ａ〜２１ｄ及び複数の電流減算器２２ａ〜２２ｄを制御する。

なお、バランス電圧ＢＶが大きいほど、複数の蓄電池のセル電圧がバランスするバランス時間ｔ２が遅くなる。

ここで、制御回路４０には、充電器/負荷接続検知部５０からの検知信号又は非検知信号が送信されるようになっている。充電器/負荷接続検知部５０は、Ｐ＋端子とＰ−端子との間の電圧の変化によって、電池パック１に対する充電器や負荷の接続の有無を検知する。すなわち、Ｐ＋端子とＰ−端子との間の電圧の変化が大きい場合には充電器の接続の有無を検知でき、小さい場合には負荷の接続の有無を検知できる。

次に、本実施形態の蓄電状態調整装置１００を用いる蓄電状態調整処理（セルバランス処理とも呼ぶ）について図４を参照して説明する。図４のフローチャートは、制御回路４０の処理アルゴリズムに基づいている。この蓄電状態調整処理は、電池パック１に充電器又は負荷（機器）が接続されたときに開始される。ここでは、一例として充電器に接続されたとき（充電時）のフローを説明するが、負荷に接続されたとき（放電時）も、同様のフローが成立する。なお、負荷としての機器には、組電池１０に蓄えられた電力（エネルギ）を消費するあらゆる機器が含まれる。

最初のステップＳ１では、時刻ｔ１（充電開始時を時刻０とする）における４つの蓄電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のセル電圧Ｖ１〜Ｖ４（図３参照）を取得する。

次のステップＳ２では、取得された４つの蓄電池のセル電圧Ｖ１〜Ｖ４とバランス電圧ＢＶの差ΔＶ１〜ΔＶ４を算出する。

次のステップＳ３では、算出されたΔＶ１〜ΔＶ４に基づいて、４つの蓄電池に対する電流加減算値及び電流加減算時間（ｔ２−ｔ１）を算出する。

次のステップＳ４では、各蓄電池に対する電流加減算値（＋ΔＩ／Δｔ又は−ΔＩ／Δｔ）及び電流減算時間（ｔ２−ｔ１）に基づいて、該蓄電池に対応する電流加算器又は電流減算器を制御する。ステップＳ４が実行されると、フローは終了する。

以上説明した本実施形態の蓄電状態調整装置１００は、複数の蓄電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４が直列に接続された組電池１０の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整装置であって、複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流加算器２１ａ〜２１ｄと、複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流減算器２２ａ〜２２ｄと、を備えている。

この場合、複数の蓄電池に対して電流を個別に加減算できるため、複数の蓄電池の電圧（セル電圧）を高速でバランスさせることができる。

この結果、セルバランス処理に要する時間を短縮することができる。

また、蓄電状態調整装置１００は、複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する複数（例えば４つ）の電圧センサＶＳ１〜ＶＳ４と、複数の電圧センサの計測値に基づいて、組電池１０の充放電中に複数の蓄電池の電圧がバランスするように複数の電流加算器及び複数の電流減算器を制御する制御回路４０と、を更に備えることが好ましい。

この場合、組電池１０を充放電中の任意の短い時間帯にセルバランス処理を実施することができる。

また、制御回路４０は、組電池１０の充放電中に、複数の蓄電池の一部に対しては対応する電流加算器のみをＯＮにするとともに複数の蓄電池の他の一部に対しては対応する電流減算器のみをＯＮにすることが好ましい。

この場合、複数の蓄電池の一部に対する電流加算と複数の蓄電池の他の一部に対する電流減算を並行して行うことでき、セルバランス処理に要する時間を確実に短縮できる。

また、複数の蓄電池の一部の電圧が複数の蓄電池の電圧のうち最大の電圧と最小の電圧の間の所定電圧（例えばバランス電圧ＢＶ）を下回り、複数の蓄電池の他の一部の電圧が所定電圧（例えばバランス電圧ＢＶ）を上回る場合には、セルバランス処理に要する時間をより確実に短縮できる。

また、各電流加算器が２つの可変定電流回路２１−１、２１−２を含む場合には、対応する蓄電池に対して、より高速で電流加算を行うことができる。

要は、電流加算器は、少なくとも１つの可変定電流回路を含むことが好ましい。また、電流減算器が少なくとも１つの可変定電流回路を含んでも良い。

また、本実施形態の電池パック１は、複数の蓄電池が直列に接続された組電池１０と、該組電池１０の蓄電状態を調整する蓄電状態調整装置１００と、を備えているため、充放電を高速に安定して行うことができる。

また、電池パック１と、電池パック１に接続される充電器と、電池パック１に接続される負荷と、を備える負荷システムによれば、安定した電力をコンスタントに確保できる負荷システムを提供できる。

また、本実施形態の蓄電状態調整方法は、第１の観点からすると、複数（例えば４つ）の蓄電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４が直列に接続された組電池１０の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整方法であって、複数の蓄電池と複数の電流加算器を並列に接続する工程と、複数の蓄電池と複数の電流減算器を並列に接続する工程と、複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する工程と、該計測する工程での計測結果に基づいて、複数の電流加算器と複数の電流減算器を制御する工程と、を含む。

この場合、複数の蓄電池に対して電流を個別に加減算できるため、複数の蓄電池の電圧（セル電圧）を高速でバランスさせることができる。

この結果、セルバランス処理に要する時間を短縮することができる。

また、上記制御する工程では、複数の蓄電池の電圧がバランスするように複数の電流加算器及び複数の電流減算器を制御することが好ましい。

この場合、組電池１０を充放電中の任意の短い時間帯にセルバランス処理を実施することができる。

また、上記制御する工程では、組電池１０の充放電中に、複数の蓄電池の一部に対して対応する電流加算器のみをＯＮにするとともに複数の蓄電池の他の一部に対して対応する電流減算器のみをＯＮにすることが好ましい。

この場合、複数の蓄電池の一部に対する電流加算と複数の蓄電池の他の一部に対する電流減算を並行して行うことでき、セルバランス処理に要する時間を確実に短縮できる。

また、本実施形態の蓄電状態調整方法は、第２の観点からすると、複数（例えば４つ）の蓄電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４が直列に接続された組電池１０の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整方法であって、複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する工程と、該計測する工程での計測結果に基づいて、複数の蓄電池の一部に対して電流を加算するとともに複数の蓄電池の他の一部に対して電流を減算する工程と、を含む。

この場合、複数の蓄電池に対して電流を個別に加減算できるため、複数の蓄電池の電圧（セル電圧）を高速でバランス（一致）させることができる。

また、複数の蓄電池の一部の電圧が複数の蓄電池の電圧のうち最大の電圧と最小の電圧の間の所定電圧（例えばバランス電圧ＢＶ）を下回り、複数の蓄電池の他の一部の電圧が所定電圧（例えばバランス電圧ＢＶ）を上回る場合には、セルバランス処理に要する時間をより確実に短縮できる。

なお、上記実施形態では、電流加算器は、２つの可変定電流回路２１−１、２１−２を有しているが、図５に示される変形例１の電流加算器のように可変定電流回路２１−２のみを有していても良いし、図６に示される電流加算器のように可変定電流回路２１−１のみを有していても良いし、図８に示される電流加算器のように可変定電流回路２１−２を簡略化した可変定電流回路２１−２´のみを有していても良い。

また、上記実施形態では、各電流減算器は、単一の抵抗器から成るが、少なくとも１つの電流減算器は、例えば、抵抗値を切り替え可能な抵抗回路や可変抵抗を含んでも良い。

また、上記実施形態において、組電池を構成する蓄電池の個数、各蓄電池に並列に接続される電流加算器や電流減算器の個数、電圧センサの個数は、適宜変更可能である。

以下に、発明者らが、上記実施形態及び各変形例を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、複数の蓄電池セルが直列に接続された組電池を含む蓄電モジュール（電池パック）の充電効率を改善するセルバランス方式が知られている。

しかし、蓄電池の重要なニーズとして、蓄電モジュールの蓄電量を、蓄電池セル間の容量のばらつきにより、蓄電モジュール全体のエネルギを効率よく使えないといった欠点がある。

この問題の対策として、蓄電モジュールの複数の蓄電池セル間のセルバランス電流を制御する方法がある。

例えば、特許４９３１３５４号公報には、蓄電モジュールにおいて複数の直列に接続される蓄電池のセル電圧を、充電時に同一電圧にする目的で、セルをバランスする回路が開示されている。

また、特許文献１には、蓄電モジュールにおいて複数の直列に接続される蓄電池のセル電圧を、充電時に同一電圧にする目的で、充電電流を調整するセルバランス方式が開示されている。

また、特開２０１３−２２３３２０号公報には、蓄電モジュールにおいて複数の直列に接続される蓄電池のセル電圧を、トランスを使用することで損失を少なくする目的で、充電電流を調整するセルバランス方式が開示されている。

また、特開２００５−１５１７２０号公報には、蓄電モジュールにおいて複数の直列に接続される蓄電池のセル電圧を定電流回路を使用することでセルバランスを行なう目的で、充電電流を調整するセルバランス方式が開示されている。

しかし、これらのセルバランス電流を制御する方法では、急速にセルバランスを行なうことに関して改良の余地があった。

ところで、高速充放電時には通常より大きな電流を流す必要がある。例えば５分間で蓄電池を満充電させるには、１時間かけて蓄電池を充電させる場合の12倍の速度で充放電させる必要がある。電流値では12倍の電流を流す必要があり、急速にセルバランスを完了させるためには、蓄電モジュールを構成する個々のセル電流を個別に簡易な回路で電流を制御する必要がある。

そこで、発明者は、低コストで高速にセルバランスをすることを目的として、上記実施形態及び各変形例を発案するに至った。

１…電池パック、１０…組電池、２１ａ〜２１ｄ…電流加算器、２２ａ〜２２ｄ…電流減算器、４０…制御回路、１００…蓄電状態調整装置、ＶＳ１〜ＶＳ４…電圧センサ、ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４…蓄電池、Ｒ…抵抗（抵抗器）。

特開２０１５−１５４０６０６号公報

Claims (11)

1. 複数の蓄電池が直列に接続された組電池の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整装置であって、
   前記複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流加算器と、
   前記複数の蓄電池それぞれに並列に接続される複数の電流減算器と、を備え、
   前記電流加算器及び前記電流減算器の少なくとも一方は、少なくとも１つの可変定電流回路を含み、
   前記電流加算器から出力される電流の波形は、パルス振幅及びパルス幅を有する形状の波形であって、
   前記電流減算器による前記組電池の減算時間に基づいて、前記パルス幅が決定される蓄電状態調整装置。
2. 前記電流減算器による前記組電池の減算時間と前記パルス幅は略同一であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電状態調整装置。
3. 前記複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する複数の電圧センサと、
   前記複数の電圧センサの計測値に基づいて、前記組電池の充放電中に前記複数の蓄電池の電圧がバランスするように前記複数の電流加算器及び前記複数の電流減算器を制御する制御回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電状態調整装置。
4. 前記制御回路は、前記組電池の充放電中に、前記複数の蓄電池の一部に対しては対応する前記電流加算器のみをＯＮにするとともに前記複数の蓄電池の他の一部に対しては対応する前記電流減算器のみをＯＮにすることを特徴とする請求項３に記載の蓄電状態調整装置。
5. 前記電流減算器は、抵抗器を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電状態調整装置。
6. 複数の蓄電池が直列に接続された組電池と、
   前記組電池の蓄電状態を調整する請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電状態調整装置と、を備える電池パック。
7. 請求項６に記載の電池パックと、
   前記電池パックに接続される充電器と、
   前記電池パックに接続される負荷と、を備える負荷システム。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電状態調整装置を用いて、複数の蓄電池が直列に接続された組電池の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整方法であって、
   前記複数の蓄電池と複数の電流加算器を並列に接続する工程と、
   前記複数の蓄電池と複数の電流減算器を並列に接続する工程と、
   前記複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する工程と、
   前記計測する工程での計測結果に基づいて、前記複数の電流加算器と前記複数の電流減算器を制御する工程と、を含み、
   前記制御する工程では、前記電流加算器から出力される電流の波形は、パルス振幅及びパルス幅を有する形状の波形であって、前記電流減算器による前記組電池の減算時間に基づいて、前記パルス幅が決定される蓄電状態調整方法。
9. 前記制御する工程では、前記複数の蓄電池の電圧がバランスするように前記複数の電流加算器及び前記複数の電流減算器を制御することを特徴とする請求項８に記載の蓄電状態調整方法。
10. 前記制御する工程では、前記組電池の充放電中に、前記複数の蓄電池の一部に対して対応する前記電流加算器のみをＯＮにするとともに前記複数の蓄電池の他の一部に対して対応する前記電流減算器のみをＯＮにすることを特徴とする請求項８又は９に記載の蓄電状態調整方法。
11. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電状態調整装置を用いて、複数の蓄電池が直列に接続された組電池の充放電中の蓄電状態を調整する蓄電状態調整方法であって、
    前記複数の蓄電池それぞれの電圧を計測する工程と、
    前記計測する工程での計測結果に基づいて、前記複数の蓄電池の一部に対して電流を加算するとともに前記複数の蓄電池の他の一部に対して電流を減算する工程と、を含み、
    前記加算する電流の波形は、パルス振幅及びパルス幅を有する形状の波形であって、前記減算する時間に基づいて、前記パルス幅が決定される蓄電状態調整方法。
    
    

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