JPWO2009113530A1 - 充電状態均等化装置及びこれを具えた組電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、組電池を構成する複数のセルのSOCのばらつきを一定範囲内に収めるための均等化処理(例えば日本国公開特許公報第2001−218376号及び日本国公開特許公報第2001−231178号)が必要となる。
組電池から負荷(3)への電力供給経路には開閉スイッチ(31)が介在し、図示省略するイグニッションスイッチをユーザがオン操作することによって、開閉スイッチ(31)が閉じて、組電池から負荷(3)への電力供給が開始され、或いは該イグニッションスイッチをユーザがオフ操作することによって、開閉スイッチ(31)が開いて、組電池から負荷(3)への電力供給が停止される。
各電圧測定回路(42)による測定結果は、制御回路(40)に供給される。制御回路(40)は、各電圧測定回路(42)による測定結果に基づいて均等化目標電圧を算出した後、算出した均等化目標電圧と各電圧測定回路(42)による測定結果とに基づいて各放電回路(41)のスイッチSWのスイッチング動作を制御する。尚、該制御回路(40)は、組電池から電力の供給を受けて該制御動作を行なう。
しかしながら、ハイブリッド自動車のバッテリシステムにおいては、組電池が負荷(3)の電源及び充電状態均等化装置(4)を構成する制御回路(40)の電源として兼用されており、ハイブリッド自動車が停車している状態であっても組電池から該制御回路(40)に対し電力が供給されるため、セルの両端電圧は放電回路(41)による放電が行なわれていない状態であっても徐々に低下することになる。従って、均等化処理の開始時に両端電圧の最も高かったセルの両端電圧が均等化目標電圧に達して均等化処理が終了する時点では、後述の如く、放電回路(41)による放電が実施されなかったセルや放電回路(41)による放電が先に終了したセルの両端電圧が均等化目標電圧を下回ることになる。
本発明の目的は、従来よりも高い精度で均等化処理を行なうことが出来る充電状態均等化装置、及び該装置を具えた組電池システムを提供することである。
各セルの放電を行なう放電手段と、
均等化目標値を算出する均等化目標値算出手段と、
充電状態評価値が前記均等化目標値算出手段によって算出された均等化目標値と異なる1或いは複数の放電対象セルについて夫々、前記放電手段による放電を実施すべき放電時間或いは前記放電手段による放電を終了すべき放電終了値を導出する放電制御値導出手段と、
前記1或いは複数の放電対象セルに対して前記放電手段による放電を開始し、その後、各放電対象セルに対する前記放電手段による放電を、前記放電制御値導出手段によって導出された各放電時間が経過したときに、或いは充電状態評価値が前記放電制御値導出手段によって導出された各放電終了値に達したときに終了する均等化処理を実行する均等化処理手段
とを具えている。そして、前記放電制御値導出手段は、前記放電手段による放電が開始される前の放電対象セルの充電状態評価値及び放電非対象セルの充電状態評価値と、前記放電手段による放電が実施されているときのセルの充電状態評価値の変化速度を表わす放電時充電状態評価値変化速度と、前記放電手段による放電が実施されていないときのセルの充電状態評価値の変化速度を表わす非放電時充電状態評価値変化速度とに基づいて、前記放電対象セルの充電状態が前記放電非対象セルの充電状態と等しくなる放電時間或いは放電終了値を導出する。
具体的構成において、前記充電状態評価値はセルの両端電圧であって、更に、組電池を構成する各セルの両端電圧を測定する電圧測定手段を具えており、前記放電制御値導出手段は、前記放電手段による放電が開始される前に前記電圧測定手段によって測定された放電対象セルの両端電圧及び放電非対象セルの両端電圧と、前記放電手段による放電が実施されているときのセルの両端電圧の低下速度を表わす放電時電圧低下速度と、前記放電手段による放電が実施されていないときのセルの両端電圧の低下速度を表わす非放電時電圧低下速度とに基づいて、放電時間或いは放電終了値を導出する。
図3は、均等化処理中に放電手段による放電が実施されている放電対象セルLiの両端電圧と放電手段による放電が実施されていない放電非対象セルL0の両端電圧の変化を表わしている。尚、図中のVd0は均等化目標電圧を表わしている。図示の如く、放電対象セルLi及び放電非対象セルL0の何れのセルの両端電圧も略線形的に低下し、放電対象セルLiの電圧低下速度は放電非対象セルL0の電圧低下速度に比べて高いため、放電対象セルLiの両端電圧が放電非対象セルL0の両端電圧と等しくなる点Pが存在する。ここで、セルの両端電圧は充電状態に応じて変化するため、この点Pは放電対象セルの充電状態が放電非対象セルの充電状態と等しくなる点と一致する。この点Pの時間Tr及び電圧Vrは、放電手段による放電が開始される前の放電対象セルの両端電圧V1及び放電非対象セルの両端電圧V0と、放電手段による放電が実施されているときのセルの放電時電圧低下速度と放電手段による放電が実施されていないときのセルの非放電時電圧低下速度の差とから算出することが出来る。
この様にして、両端電圧が均等化目標値を超える1或いは複数の放電対象セルについてそれぞれ放電時間或いは放電終了値が導出された後、放電対象セルに対して放電手段による放電が開始され、その後、各放電対象セルに対する放電手段による放電が、導出された各放電時間が経過したときに、或いは両端電圧が導出された各放電終了電圧に達したときに停止される。これによって、放電手段による放電が最後に終了する放電対象セルの両端電圧は、その放電が終了して均等化処理が終了する時点で前記放電非対象セルの両端電圧と等しくなる。又、放電手段による放電が先に終了した放電対象セルの両端電圧は、その放電が終了した時点で該放電非対象セルの両端電圧と等しくなり、その後、該放電非対象セルと同じ速度で徐々に低下することなる。この様にして、均等化処理が終了する時点では、放電対象セルの両端電圧が放電非対象セルの両端電圧に一致することとなって、放電非対象セルや放電回路による放電が先に終了したセルが均等化目標電圧を下回る従来の充電状態均等化装置に比べて均等化処理について高い精度を得ることが出来る。
(数式1)
Tr=(V0−V1)/(Ds0−Ds1)
組電池を構成する前記複数のセルの内、一部の1或いは複数のセルに対して、前記放電手段による放電を一定時間だけ実施する放電制御手段と、
前記一定時間の放電が終了した後に、該放電が実施された1或いは複数の放電対象セルの該放電が開始される前の充電状態評価値と該放電が終了した時点での充電状態評価値と前記一定時間とに基づいて、放電時充電状態評価値変化速度を算出すると共に、前記一定時間の放電が実施されなかった1或いは複数の放電非対象セルの該放電が開始される前の充電状態評価値と該放電が終了した時点での充電状態評価値と前記一定時間とに基づいて、非放電時充電状態評価値変化速度を算出する充電状態評価値変化速度算出手段
とを具えており、前記放電制御値導出手段は、前記充電状態評価値変化速度算出手段によって算出された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を用いて、その後の均等化処理における放電時間或いは放電終了値を導出する。
上記具体的構成によれば、放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度が自動的に算出されるので、これらの充電状態評価値変化速度を実験等によって求める面倒な作業は不要となる。
放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度が格納されている充電状態評価値変化速度格納手段と、
均等化処理が終了した後に、該均等化処理にて前記放電手段による放電が実施された1或いは複数の放電対象セルの該均等化処理が開始される前の充電状態評価値と前記放電手段による放電が終了した時点での充電状態評価値と前記放電制御値導出手段によって導出された放電時間とに基づいて、放電時充電状態評価値変化速度を算出すると共に、前記均等化処理にて前記放電手段による放電が実施されなかった1或いは複数の放電非対象セルの該均等化処理が開始される前の充電状態評価値と該均等化処理が終了した時点での充電状態評価値と該均等化処理が開始されてから終了するまでの時間とに基づいて、非放電時充電状態評価値変化速度を算出する第2充電状態評価値変化速度算出手段と、
前記充電状態評価値変化速度格納手段に格納されている放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を夫々、前記第2充電状態評価値変化速度算出手段によって算出された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度に更新する更新手段
とを具えており、前記放電制御値導出手段は、更新された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を用いて、その後の均等化処理における放電時間を導出する。
上記具体的構成によれば、常に実際の放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度に近い値を用いて放電時間が算出されるので、常に高い精度で均等化処理を行なうことが出来る。
(2) 充電状態均等化装置
(21) 放電回路
(22) 電圧測定回路
(3) 負荷
(31) 開閉スイッチ
第1実施例
図1に示す如く、本実施例のバッテリシステムは、リチウムイオン二次電池からなる複数(図示する例では3つ)のセル(1)を直列に接続してなる組電池と、該組電池の充電状態を均等化する充電状態均等化装置(2)とから構成され、該組電池から負荷(3)へ電力の供給が可能となっている。尚、負荷(3)としては、車輪を駆動するモータや自動車全体を制御する制御回路等が接続されている。
組電池から負荷(3)への電力供給経路には開閉スイッチ(31)が介在し、図示省略するイグニッションスイッチをユーザがオン操作することによって、開閉スイッチ(31)が閉じて、組電池から負荷(3)への電力供給が開始され、或いは該イグニッションスイッチをユーザがオフ操作することによって、開閉スイッチ(31)が開いて、組電池から負荷(3)への電力供給が停止される。
各電圧測定回路(22)による測定結果は、制御回路(20)に供給される。制御回路(20)は、それらの測定結果に基づいて均等化目標電圧を算出すると共に、均等化目標電圧を超える放電対象セルについて夫々、後述の如く放電回路(21)による放電を実施すべき放電時間を算出し、算出した放電時間と内蔵するタイマ(図示省略)による計時結果とに基づいて各放電回路(21)のスイッチSWのスイッチング動作を制御する。尚、該制御回路(20)は、組電池から電力の供給を受けて該制御動作を行なう。
上記本発明に係る充電状態均等化装置においては、両端電圧が均等化目標電圧を超える1或いは複数の放電対象セルについてそれぞれ上記点の時間が放電時間として算出され、それら1或いは複数の放電対象セルに対して放電回路による放電が開始された後、各放電対象セルに対する放電回路による放電が、算出された各放電時間の経過時点で停止される。
均等化開始前の放電対象セルLiの両端電圧をV1、放電回路による放電が実施されているときのセルの放電時電圧低下速度をDs1、放電回路による放電時間をTrとすると、放電回路による放電が終了する時点での放電対象セルLiの両端電圧Vrは、下記数式2によって表わされる。
(数式2)
Vr=V1−Ds1・Tr
(数式3)
Vr0=V0−Ds0・Tr
(数式4)
Tr=(V0−V1)/(Ds0−Ds1)
(数式5)
Tr[i]=(Vmin−V1[i])/(Ds0−Ds1)
尚、放電非対象セルが1つの場合について説明したが、放電非対象セルが複数である場合には、均等化処理が終了する時点で放電対象セルの両端電圧が複数の放電非対象セルの中で開放電圧の最も低い放電非対象セルの両端電圧に一致することになる。又、本実施例においては、放電対象セルの両端電圧が複数の放電非対象セルの中で開放電圧の最も低い放電非対象セルの両端電圧と等しくなる放電時間を算出しているが、他の放電非対象セルの両端電圧と等しくなる放電時間を算出する構成を採用することも可能である。
第1実施例のバッテリシステムにおいては、非放電時電圧低下速度Ds0及び放電時電圧低下速度Ds1が予め実験的に求められた定数であるのに対し、本実施例のバッテリシステムにおいては、均等化処理が終了する度に非放電時電圧低下速度Ds0及び放電時電圧低下速度Ds1が更新される。
本実施例のバッテリシステムの構成は、制御回路を除いて、図1に示す第1実施例のバッテリシステムと同一であるので、その説明は省略する。
又、放電時電圧低下速度Ds1の算出処理においては、前記一定時間の放電が実施された放電対象セルについて夫々、該放電が開始される前にステップS11にて測定された開放電圧と該放電が終了した時点でステップS19にて測定された開放電圧との差を算出した後、それらの差の平均値を算出し、算出した平均値を前記一定時間で除算する。これによって、放電時電圧低下速度Ds1が得られる。
尚、非放電時電圧低下速度の算出処理においては、複数の放電非対象セルについて夫々、一定時間の放電が開始される前の開放電圧と該放電が終了した時点での開放電圧との差を該一定時間で除算し、それらの除算結果の平均値を非放電時電圧低下速度Ds0として算出することも可能である。又、放電時電圧低下速度の算出処理においても、複数の放電対象セルについて夫々、一定時間の放電が開始される前の開放電圧と該放電が終了した時点での開放電圧との差を該一定時間で除算し、それらの除算結果の平均値を放電時電圧低下速度Ds1として算出することも可能である。
又、均等化処理が終了した時点での開放電圧Vendは、上記ステップS20にて特定された最低電圧Vmin及び算出された非放電時電圧低下速度Ds0と、上記ステップS23にて算出した最長の放電時間Tr[i]とから、下記数式6を用いて算出することも可能である。
(数式6)
Vend=Vmin−Ds0・Tr[i]
尚、放電回路による放電が終了した時点での放電対象セルiの開放電圧Vend[i]は夫々、上記ステップS19にて測定された開放電圧V1[i]と、上記ステップS20にて算出された放電時電圧低下速度Ds1と、上記ステップS23にて算出された放電時間Tr[i]とから、下記数式7を用いて算出することも可能である。
(数式7)
Vend[i]=V1[i]−Ds1・Tr[i]
又、均等化処理が終了する度に非放電時電圧低下速度Ds0及び放電時電圧低下速度Ds1が更新され、常に実際の非放電時電圧低下速度及び放電時電圧低下速度に近い値を用いて放電対象セルに対する放電時間が算出されるので、常に高い精度で均等化処理を行なうことが出来る。
例えば、上記実施の形態においては、放電対象セルについてそれぞれ放電時間を算出し、算出された放電時間が経過したときに放電回路による放電を終了しているが、放電対象セルの両端電圧と放電非対象セルの両端電圧が等しくなる放電終了電圧を算出し、放電対象セルの両端電圧が算出された放電終了電圧に達したときに放電回路による放電を終了する構成を採用することも可能である。又、放電時間と放電終了電圧とに基づいて放電回路による放電を制御する構成の採用も可能である。尚、放電終了電圧に基づいて放電の終了を制御する構成によれば、充電状態に応じて変化するセル電圧を監視して放電を終了するので、充電状態の変化に対して両端電圧の変化が大きいセルからなる組電池を均等化したときに、放電時間に基づき放電の終了を制御する構成に比べて高い精度が得られる。一方、放電時間に基づいて放電の終了を制御する構成によれば、充電状態の変化に対して両端電圧の変化が小さいセルからなる組電池に対しても、十分に高い精度で均等化を行なうことが出来る。
又、放電対象セルの開放電圧及び放電非対象セルの開放電圧と放電時間或いは放電終了値との関係を表わすテーブルに従って、放電時間或いは放電終了値を導出する構成を採用することも可能である。
又、上記実施の形態においては、均等化目標電圧を算出する方法として、組電池を構成する複数のセルの開放電圧の内、最低の開放電圧に基づいて均等化目標電圧を算出する方法を採用しているが、これに限らず、それらの開放電圧の平均値に基づいて均等化目標電圧を算出する方法等、種々の公知の方法を採用することが可能である。
又、イグニッションスイッチがオフに設定される度に、組電池を構成する一部のセルに対し一定時間だけ放電を実施して電圧低下速度Ds0、Ds1を算出した後に均等化処理を実行する構成を採用することも可能である。
更に、SOCの範囲毎に放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度をメモリに格納し、そのときのSOCに応じた放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度を用いて放電時間を算出することも可能である。
更に又、均等化処理後に算出された放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度と前回の均等化処理の終了後に算出された放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度(メモリに格納されている放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度)とにそれぞれ重み付けを行ない、重み付けを行なった後の各電圧低下速度の平均値を算出し、メモリに格納されている放電時電圧低下速度及び非放電時電圧低下速度をそれぞれ算出した平均値に更新することも可能である。
Claims (8)
- 複数のセルを直列に接続してなる組電池を対象として、充電状態或いは充電状態に応じた値を表わす充電状態評価値が均等化目標値と異なるセルを放電させることにより各セルの充電状態を均等化する装置において、
各セルの放電を行なう放電手段と、
均等化目標値を算出する均等化目標値算出手段と、
充電状態評価値が前記均等化目標値算出手段によって算出された均等化目標値と異なる1或いは複数の放電対象セルについて夫々、前記放電手段による放電を実施すべき放電時間或いは前記放電手段による放電を終了すべき放電終了値を導出する放電制御値導出手段と、
前記1或いは複数の放電対象セルに対して前記放電手段による放電を開始し、その後、各放電対象セルに対する前記放電手段による放電を、前記放電制御値導出手段によって導出された各放電時間が経過したときに、或いは充電状態評価値が前記放電制御値導出手段によって導出された各放電終了値に達したときに終了する均等化処理を実行する均等化処理手段
とを具えており、前記放電制御値導出手段は、前記放電手段による放電が開始される前の放電対象セルの充電状態評価値及び放電非対象セルの充電状態評価値と、前記放電手段による放電が実施されているときのセルの充電状態評価値の変化速度を表わす放電時充電状態評価値変化速度と、前記放電手段による放電が実施されていないときのセルの充電状態評価値の変化速度を表わす非放電時充電状態評価値変化速度とに基づいて、前記放電対象セルの充電状態が前記放電非対象セルの充電状態と等しくなる放電時間或いは放電終了値を導出することを特徴とする充電状態均等化装置。 - 前記充電状態評価値はセルの両端電圧であって、更に、組電池を構成する各セルの両端電圧を測定する電圧測定手段を具えており、前記放電制御値導出手段は、前記放電手段による放電が開始される前に前記電圧測定手段によって測定された放電対象セルの両端電圧及び放電非対象セルの両端電圧と、前記放電手段による放電が実施されているときのセルの両端電圧の低下速度を表わす放電時電圧低下速度と、前記放電手段による放電が実施されていないときのセルの両端電圧の低下速度を表わす非放電時電圧低下速度とに基づいて、放電時間或いは放電終了値を導出する請求項1に記載の充電状態均等化装置。
- 前記均等化目標値算出手段は、組電池を構成する前記複数のセルの両端電圧の内、最低の両端電圧に基づいて均等化目標値を算出する請求項2に記載の充電状態均等化装置。
- 前記放電制御値導出手段には、前記放電手段による放電が開始される前の放電対象セルの両端電圧をV1、放電非対象セルの両端電圧をV0、放電時電圧低下速度をDs1、非放電時電圧低下速度をDs0、前記放電対象セルに対する放電時間をTrとして、下記数式8に示す関数式が規定されている請求項2又は請求項3に記載の充電状態均等化装置。
(数式8)
Tr=(V0−V1)/(Ds0−Ds1) - 前記放電時電圧低下速度Ds1及び前記非放電時電圧低下速度Ds0がそれぞれ定数として設定され、或いは、前記非放電時電圧低下速度Ds0から前記放電時電圧低下速度Ds1を減算した結果が定数として設定されている請求項4に記載の充電状態均等化装置。
- 組電池を構成する前記複数のセルの内、一部の1或いは複数のセルに対して、前記放電手段による放電を一定時間だけ実施する放電制御手段と、
前記一定時間の放電が終了した後に、該放電が実施された1或いは複数の放電対象セルの該放電が開始される前の充電状態評価値と該放電が終了した時点での充電状態評価値と前記一定時間とに基づいて、放電時充電状態評価値変化速度を算出すると共に、前記一定時間の放電が実施されなかった1或いは複数の放電非対象セルの該放電が開始される前の充電状態評価値と該放電が終了した時点での充電状態評価値と前記一定時間とに基づいて、非放電時充電状態評価値変化速度を算出する充電状態評価値変化速度算出手段
とを具えており、前記放電制御値導出手段は、前記充電状態評価値変化速度算出手段によって算出された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を用いて、その後の均等化処理における放電時間或いは放電終了値を導出する請求項1乃至請求項4の何れかに記載の充電状態均等化装置。 - 放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度が格納されている充電状態評価値変化速度格納手段と、
均等化処理が終了した後に、該均等化処理にて前記放電手段による放電が実施された1或いは複数の放電対象セルの該均等化処理が開始される前の充電状態評価値と前記放電手段による放電が終了した時点での充電状態評価値と前記放電制御値導出手段によって導出された放電時間とに基づいて、放電時充電状態評価値変化速度を算出すると共に、前記均等化処理にて前記放電手段による放電が実施されなかった1或いは複数の放電非対象セルの該均等化処理が開始される前の充電状態評価値と該均等化処理が終了した時点での充電状態評価値と該均等化処理が開始されてから終了するまでの時間とに基づいて、非放電時充電状態評価値変化速度を算出する第2充電状態評価値変化速度算出手段と、
前記充電状態評価値変化速度格納手段に格納されている放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を夫々、前記第2充電状態評価値変化速度算出手段によって算出された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度に更新する更新手段
とを具えており、前記放電制御値導出手段は、更新された放電時充電状態評価値変化速度及び非放電時充電状態評価値変化速度を用いて、その後の均等化処理における放電時間を導出する請求項1乃至請求項4、及び請求項6の何れかに記載の充電状態均等化装置。 - 複数のセルを直列に接続してなる組電池と、請求項1乃至請求項7の何れかに記載の充電状態均等化装置とを具えている組電池システム。
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