JP7067139B2 - セルバランス制御装置およびセルバランス制御システム - Google Patents

セルバランス制御装置およびセルバランス制御システム Download PDF

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Description

本開示は、セルバランス制御装置およびセルバランス制御システムに関する。
電気自動車等の車両に設けられるバッテリーは、複数の電池セルを有する。このようなバッテリーでは、各電池セルの電圧値にバラツキが生じると、バッテリー全体としての性能が制限されてしまう場合がある。例えば、バッテリーを充電した際に、電圧値の高い電池セルがバッテリーの上限電圧値に到達してしまう場合や、バッテリーの残量が減少した際に、電圧値の低い電池セルが、放電等によりバッテリーの下限電圧値に早めに到達してしまう場合等である。
このような各電池セルの電圧値のバラツキを抑えるため、複数の電池セルにおける各電圧値を均等化するセルバランス制御が行われることが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、各電池セルの最高電圧値と最低電圧値との差分値が予め設定された閾値に対して大きい場合、電圧値の高い電池セルを放電することにより、セルバランス制御が行われる。
特開２０１３－５６７７号公報
ところで、セルバランス制御では、電圧値の高い電池セルを放電する分だけエネルギーロスが発生するので、エネルギー効率の観点から、セルバランス制御の実行回数を可能な限り減らすことが好ましい。
しかしながら、バッテリーの劣化が進んでいくと、各電池セルの内部抵抗が増大するので、バッテリーの劣化が進んだ時と、劣化が進んでいない時とでは、各電池セルの電圧値の変動量が異なる。そのため、バッテリーを充放電した際、電池セルがバッテリーの上限電圧値または下限電圧値に到達する頻度が、バッテリーの劣化状態によって変動する。
従来技術では、バッテリーの劣化状態について考慮していないので、各電池セルのバラツキが大きくなった場合、常にセルバランス制御が実行される。その結果、セルバランス制御の実行回数が過剰になってしまい、ひいてはエネルギーロスが無駄に発生するという問題が生じる。
本開示の目的は、セルバランス制御の実行回数を最適化し、エネルギーロスが無駄に発生することを抑制することが可能なセルバランス制御装置およびセルバランス制御システムを提供することである。
本開示に係るセルバランス制御装置は、
複数の電池セルを有するバッテリーのセルバランス制御を実行する実行部と、
前記セルバランス制御の実行条件を、前記バッテリーの劣化に伴って前記セルバランス制御の実行頻度を増大させるように可変設定する実行条件設定部と、
を備え、
前記実行条件は、前記バッテリーの電圧に関する計測値との比較に用いる閾値であり、
前記計測値は、各電池セルの電圧値における、最高電圧値と最低電圧値との差分値である。
本開示に係るセルバランス制御システムは、
複数の電池セルを有するバッテリーと、
前記複数の電池セルの電圧値を均等化するセルバランス回路と、
前記セルバランス回路を制御することでセルバランス制御を実行する上記のセルバランス制御装置と、
を備える。
本開示によれば、セルバランス制御の実行回数を最適化し、エネルギーロスが無駄に発生することを抑制することができる。
本開示の実施の形態に係るセルバランス制御システムを示すブロック図である。 充電前の各電池セルの電圧値を示す図である。 バッテリーの劣化が進んでいない状態における充電後の各電池セルの電圧値を示す図である。 バッテリーの劣化が進んだ状態における充電後の各電池セルの電圧値を示す図である。 セルバランス制御装置における制御の動作例を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係るセルバランス制御システム１を示すブロック図である。
図１に示すように、セルバランス制御システム１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるシステムであり、バッテリー１０のセルバランス制御を実行する。セルバランス制御システム１は、バッテリー１０と、セルバランス回路２０と、セルバランス制御装置１００とを有する。
バッテリー１０は、外部の交流電源等から電力を供給されることにより充電される充電池であり、直列接続された複数の電池セル１１を有する。電池セル１１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池である。
セルバランス回路２０は、バッテリー１０における複数の電池セル１１の電圧値を均等化する回路であり、直列に接続された複数の抵抗２１と、電池セル１１と抵抗２１との間に設けられる複数のスイッチ２２と、を有する。
複数のスイッチ２２は、各抵抗２１の上端部と、各電池セル１１の正極部との間に１つずつ設けられており、セルバランス制御装置１００の制御の下、オン、オフが切り替えられる。
スイッチ２２がオンになると、当該スイッチ２２に接続される電池セル１１の電圧が抵抗２１を介して放電される。例えば、上から２番目に位置する電池セル１１Ａを放電する場合、当該電池セル１１Ａに対応するスイッチ２２Ａが、セルバランス制御装置１００の制御の下、オンにされる。これにより、電池セル１１Ａの電圧が抵抗２１Ａを介して放電されるので、電池セル１１Ａの電圧値がそれ以外の電池セル１１の電圧値よりも高い場合、電池セル１１Ａの電圧値が、それ以外の電圧値に合わせられる。その結果、各電池セル１１の電圧値が均等化される。
セルバランス制御装置１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）および入出力回路を備えており、予め設定されたプログラムに基づいて、セルバランス回路２０の各スイッチ２２を制御する。これにより、セルバランス制御装置１００は、バッテリー１０のセルバランス制御を実行する。
セルバランス制御装置１００は、電圧取得部１１０と、劣化状態取得部１２０と、制御部１３０とを有する。制御部１３０は、本開示の「実行部」および「実行条件設定部」に対応する。
電圧取得部１１０は、各電池セル１１の電圧値を取得し、取得した各電圧値を制御部１３０に出力する。電圧取得部１１０は、各電池セル１１の電圧値を直接取得しても良いし、他の検出部等を介して取得しても良い。
劣化状態取得部１２０は、バッテリー１０の劣化状態を取得し、制御部１３０に出力する。バッテリー１０の劣化状態は、例えば、初期状態におけるバッテリー１０の内部抵抗に対する、所定時におけるバッテリー１０の内部抵抗の割合である。劣化状態取得部１２０は、その他の制御装置等によって監視されている劣化状態を取得することができる。
制御部１３０は、セルバランス制御の実行条件を、バッテリー１０の劣化に伴ってセルバランス制御の実行頻度を増大させるように可変設定する。具体的には、制御部１３０は、バッテリー１０の劣化状態に基づいて、セルバランス制御を実行するための閾値を決定する。閾値は、バッテリー１０の電圧に関する計測値である各電池セル１１間における電圧値のバラツキ量との比較に用いられる値である。各電池セル１１間における電圧値のバラツキ量は、例えば、各電圧値のうち、最高電圧値と最低電圧値との差分値である。
具体的には、制御部１３０は、バッテリー１０の劣化が進むほど、閾値を小さくする。このようにすることで、後述する通り、バッテリー１０の劣化状態に応じた閾値に設定することができる。
制御部１３０は、各電池セル１１の電圧値と、決定した閾値とに応じて、セルバランス制御を実行する。制御部１３０は、例えば、各電池セル１１の電圧値における、最高電圧値と最低電圧値との差分値が閾値以上である場合、セルバランス制御を実行する。具体的には、制御部１３０は、最低電圧値の電池セル１１の電圧値にそれ以外の電池セル１１の電圧値を合わせるように、各スイッチ２２のオンオフを制御する。これにより、バッテリー１０の劣化状態に応じたセルバランス制御を実行することができる。
次に、本実施の形態の作用について説明する。図２Ａは、充電前の各電池セル１１の電圧値を示す図である。図２Ｂは、バッテリー１０の劣化が進んでいない状態における充電後の各電池セル１１の電圧値を示す図である。図２Ｃは、バッテリー１０の劣化が進んだ状態における充電後の各電池セル１１の電圧値を示す図である。
なお、図２Ａ～図２Ｃでは、５つの電池セル１１（第１セル、第２セル、第３セル、第４セルおよび第５セル）を有するバッテリー１０を例示している。また、図２Ａ～図２Ｃにおける縦軸は、電圧値を示している。
バッテリー１０の劣化が進んでいくと、バッテリー１０の内部抵抗が増大する。バッテリー１０の内部抵抗が大きいと、同じ電流を流した際における電圧値が、内部抵抗が小さい場合と比較して高くなるので、バッテリー１０の劣化が進んでいる時と、劣化が進んでいない時とで、各電池セル１１の電圧値の変動量が異なる。
具体的には、バッテリー１０を充放電した際に、バッテリー１０の一部の電池セル１１がバッテリー１０に設定されている上限電圧値または下限電圧値に到達する頻度が、バッテリー１０の劣化が進むにつれ多くなる。上限電圧値は、これ以上バッテリー１０を充電すると過充電となる電圧値である。下限電圧値は、これ以上バッテリー１０を放電すると過放電となる電圧値である。
図２Ａに示すように、例えば、バッテリー１０が、充電前において、第１電圧値（最高電圧値）と、第２電圧値（最低電圧値）との範囲でばらついているとする。また、図２Ａ～図２Ｃでは、第１電圧値となっているのは第２セルであり、第２電圧値となっているのは第３セルである。
図２Ｂに示すように、バッテリー１０の劣化が進んでいない状態である場合、バッテリー１０を充電した際、例えば、最高電圧値の第２セルが上限電圧値に到達しない程度の充電量だけ充電したとする。しかし、図２Ｃに示すように、図２Ｂと同じ充電量とした場合であっても、バッテリー１０の劣化が進んだ状態であると、電圧値の上昇量が、図２Ｂの状態と比べて大きくなる。これは、バッテリー１０の内部抵抗が増大することに起因する。その結果、少なくとも最高電圧値の第２セルが上限電圧値を超えてしまう可能性が高くなる。
つまり、バッテリー１０の充電時において、電圧値の高い電池セル１１がバッテリー１０の上限電圧値に到達する頻度が、バッテリー１０の劣化が進むにつれ多くなる。なお、バッテリー１０の放電時においても、同様に、電圧値の低い電池セル１１がバッテリー１０の下限電圧値に到達する頻度が、バッテリー１０の劣化が進むにつれ多くなる。
ここで、セルバランス制御を実行するための閾値が、固定値（例えば、第１電圧値と第２電圧値との差分値より小さい値）に設定されているとする。このとき、セルバランス制御を実行すると、電圧値の高い電池セル１１を放電することにより、第２セルの電圧値が最低電圧値の第３セルに合わせられる。その結果、バッテリー１０を充電した際に、図２Ｃのようにバッテリー１０が劣化している場合であっても、第２セルの電圧値が第３セルの電圧値に合わせられるので、各セルの電圧値が上限電圧値を超えないようにすることができる。
それに対し、図２Ｂのように、バッテリー１０の劣化が進んでいない場合では、バッテリー１０を充電しても、どの電池セル１１の電圧値も上限電圧値を超えない。セルバランス制御では、電圧値の高い電池セル１１を放電する分だけエネルギーロスが発生するので、エネルギー効率の観点から、セルバランス制御を可能な限り実行しないことが好ましい。しかし、上記の固定値に閾値が設定されていると、図２Ｃの場合と同様にセルバランス制御が実行されてしまう。
すなわち、バッテリー１０の劣化が進んでいないような場合でも、バッテリー１０の劣化が進んでいるときと同様にセルバランス制御を行うと、セルバランス制御の実行回数が過剰になり、ひいてはエネルギーロスが無駄に発生するという問題が生じる。
本実施の形態では、バッテリー１０の劣化が進むほど、閾値を小さくする。言い換えると、本実施の形態では、バッテリー１０の劣化が進んでないほど、閾値を大きくする。そのため、図２Ｂの場合、第１電圧値と第２電圧値との差分値よりも大きくなるように閾値を設定することで、セルバランス制御が実行されなくなる。これにより、セルバランス制御の実行回数が過剰になることが抑制され、ひいてはエネルギーロスが無駄に発生することを抑制することができる。
なお、閾値は、バッテリー１０の劣化状態毎に予め設定された値を用いることができる。また、閾値は、実験やシミュレーション等により、各電池セル１１間における電圧値のバラツキ量に起因してバッテリー１０の性能が制限されない程度の値に適宜設定することができる。
以上のように構成されたセルバランス制御装置１００における制御の動作例について説明する。図３は、セルバランス制御装置１００における制御の動作例を示すフローチャートである。図３における処理は、例えば、セルバランス制御システム１が動作を開始した際に実行される。
図３に示すように、制御部１３０は、バッテリー１０の劣化状態を取得する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１３０は、セルバランス制御を行うための閾値を決定する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部１３０は、バッテリー１０の劣化が進んでいるほど、閾値が小さくなるように閾値を決定する。
次に、制御部１３０は、各電圧セル１１の電圧値を取得する（ステップＳ１０３）。次に、制御部１３０は、各電圧値のうち、最高電圧値と最低電圧値との差分値が閾値以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１０４）。
判定の結果、差分値が閾値未満である場合（ステップＳ１０４、ＮＯ）、本制御は終了する。一方、差分値が閾値以上である場合（ステップＳ１０４、ＹＥＳ）、制御部１３０は、セルバランス制御を行う（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５の後、本制御は終了する。
なお、本制御は、バッテリー１０の充放電動作を行いながら、実行されても良いし、充放電動作とは別に実行されても良い。
以上のように構成された本実施の形態によれば、バッテリー１０の劣化状態に応じてセルバランス制御を行うための閾値を決定するので、バッテリー１０の劣化状態によってセルバランス制御の実行回数を調整することができる。その結果、セルバランス制御の実行回数を最適化し、エネルギーロスが無駄に発生することを抑制することができる。
また、バッテリー１０の劣化が進むほど、閾値が小さく設定されるので、バッテリー１０の劣化状態に応じた閾値に設定することができる。
なお、上記実施の形態では、実行部および実行条件設定部を制御部１３０として例示したが、本開示はこれに限定されず、実行部と、実行条件設定部とが別々に設けられていても良い。
また、上記実施の形態では、セルバランス制御装置１００が劣化状態取得部１２０により、バッテリー１０の劣化状態を取得していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、セルバランス制御装置１００（実行条件設定部）が、バッテリー１０の内部抵抗に基づいて、セルバランス制御の実行条件の可変設定を行うようにしても良い。また、セルバランス制御装置１００（実行条件設定部）が、バッテリー１０の充放電時の上限電圧値または下限電圧値への到達頻度に基づいて、セルバランス制御の実行条件の可変設定を行うようにしても良い。
また、上記実施の形態では、図１に示す構成をセルバランス回路として例示したが、本開示はこれに限定されず、図１以外の構成をセルバランス回路としても良い。
その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本開示のセルバランス制御装置は、セルバランス制御の実行回数を最適化し、エネルギーロスが無駄に発生することを抑制することが可能なセルバランス制御装置およびセルバランス制御システムとして有用である。
１ セルバランス制御システム
１０ バッテリー
１１ 電池セル
２０ セルバランス回路
２１ 抵抗
２２ スイッチ
１００ セルバランス制御装置
１１０ 電圧取得部
１２０ 劣化状態取得部
１３０ 制御部

Claims (5)

  1. 複数の電池セルを有するバッテリーのセルバランス制御を実行する実行部と、
    前記セルバランス制御の実行条件を、前記バッテリーの劣化に伴って前記セルバランス制御の実行頻度を増大させるように可変設定する実行条件設定部と、
    を備え、
    前記実行条件は、前記バッテリーの電圧に関する計測値との比較に用いる閾値であり、
    前記計測値は、各電池セルの電圧値における、最高電圧値と最低電圧値との差分値である、
    セルバランス制御装置。
  2. 前記実行部は、前記計測値が前記閾値以上である場合、前記セルバランス制御を実行し、
    前記実行条件設定部は、前記バッテリーの劣化が進むほど、前記閾値を小さくする、
    請求項１に記載のセルバランス制御装置。
  3. 前記実行条件設定部は、前記バッテリーの内部抵抗に基づいて、前記セルバランス制御の実行条件の可変設定を行う、
    請求項１または請求項２に記載のセルバランス制御装置。
  4. 前記実行条件設定部は、前記バッテリーの充放電時の上限電圧値または下限電圧値への到達頻度に基づいて、前記セルバランス制御の実行条件の可変設定を行う、
    請求項１または請求項２に記載のセルバランス制御装置。
  5. 複数の電池セルを有するバッテリーと、
    前記複数の電池セルの電圧値を均等化するセルバランス回路と、
    前記セルバランス回路を制御することでセルバランス制御を実行する請求項１～４の何れか１項に記載のセルバランス制御装置と、
    を備えるセルバランス制御システム。
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