JPWO2018056262A1 - 電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
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電圧値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。
図1は、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と負荷・回生機器201との接続状態を切り替える。
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。
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。本実施形態では、電池セル1aの数は、全ての電池パックで同一であり、以下では、nとする。また、電池部1は、複数の電池セルを直列に接続した電池列の例に限らず、例えば、複数の単位電池を直列に接続したものであれば、単位電池は本実施形態のように1つの電池セルであってもよいし、または並列に接続された複数の電池セルにより構成される単位電池でも利用できる。
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。各電池パックを並列接続する場合は、各電池パック101,102のスイッチ5は全てオン(導通)とし、各電池パックによる並列接続を停止する場合は、全てをオフとする。図2の例では、概念的に示しているが、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。
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、電池部1の内部抵抗値Rであり、許容値は、循環電流にて充電側電池パックに供給される電力である循環電力の許容値である許容循環電力値Pinである。内部抵抗値は、電池部1の温度であるパック温度Tに応じて異なる。
BMS6は、充電側電池パックにおいて許容される最大の電圧値および最大の電流値(充電側電池パックにおいて析出を防止できる最大の電圧値および最大の電流値)の関係を、充電側電池パックの温度ごとに示すマップ情報である析出防止MAPから、許容循環電力値Pinを算出することによって定められる。なお、本実施形態のように電池部1が複数の電池セル1aからなる電池列で構成される場合、析出が最も発生しやすい電池セルは、その電池列の中で最大の電圧値を有する電池セルとなる。このため、充電側電池パックにおいて許容される最大の電圧値は、電池セルのセル電圧値のうち最大のセル電圧値である最大セル電圧値Vmaxとなる。
図3に示されたように、析出を防止できる最大の電圧値および最大の電流値の関係は、充電側電池パックに流れる電流が高いほど、析出を防止できる最大の電圧値は低くなり、また、充電側電池パックに印加される電圧が高いほど、析出を防止できる最大の電流値は低くなる。また、温度が高くなるほど、析出を防止できる最大の電圧値および最大の電流値は低くなる。析出防止MAPは、図3に示したようなグラフで示される関係を温度ごとに示す。析出防止MAPの形式は特に限定されず、上記の関係をテーブルなどで示してもよいし、上記の関係を数式(近似式)などで示してもよい。
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。
本実施形態では、特定の電池特性は、電池パック101および102が互いに並列に接続した際に、電池パック101および102に生じる循環電流にて充電側電池パックに供給される電力の推定値である、推定循環電力Pcである。以下では、充電側電池パックは電池パック102であるとする。この場合、推定循環電力Pcは、Pc=Ic2×R2から算出される。また、許容条件は、許容循環電力値Pin2よりも小さいことである。したがって、マスタ制御部7は、推定循環電力Pcが許容循環電力値Pinよりも小さいか否かを判定する。
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。
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〜S5、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S6〜S11の処理はマスタ制御部7にて実行される。
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。
その後、BMS6は、セル電圧値の中から最も大きい値を最大セル電圧値Vmaxとして取得する(ステップS3)。
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に基づいて、パック間電圧差ΔV(=|Vp1−Vp2|)を算出する(ステップS6)。
推定循環電流値Icが耐電流値Ith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、推定循環電流値Icが耐電流値Ith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のうちパック電圧値Vpが低い電池パック(ここでは、電池パック102)を充電側電池パックとして選択する。そしてマスタ制御部7は、推定循環電流値Icおよび充電側電池パック102の内部抵抗値R2に基づいて、循環電流により充電側電池パック102に供給される循環電力の推定値である推定循環電力値Pc(=Ic2×R2)を算出する(ステップS9)。
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、推定循環電流値Icが耐電流値Ithよりも小さく、かつ、推定循環電力Pcが許容循環電力値Pinよりも小さく、さらに、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。
更に詳細に説明すると、本実施形態によれば、リレー5が全てオフの状態から、各電池パック101,102のリレー5をオン状態にした際に、循環電流によって生じ得るLi析出による電池の性能劣化を抑制すると共に大きな循環電流によるリレー故障を抑制するため、マスタ制御部7にて、各電池パックからの電池部の電池情報である総電圧Vpに基づいて充電側電池パックを判定し、また電池情報である抵抗R、電圧差ΔV、総電圧Vpに基づいて、充電側電池パックに関する推定循環電力値Pc(電池特性)を算出する。
このように、析出に影響する充電側電池パックのうちの最大電圧のセルの電圧値Vmaxが大きいほど、許容電流値Iinは小さくなり、ひいては許容循環電力値Pin2が小さくなる。従って、推定循環電力値Pcが充電側電池パックに関する許容循環電力値Pin2より小さい場合にリレー5をオンするが、Vmaxが大きいほど許容循環電力値Pin2は小さくなるので、推定循環電力値Pcは更に小さな値にならないとリレー5はオンしない。その結果、推定循環電力値Pcは温度に依存するため、温度が高くなるまではリレーをオンしないので、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か否かを判断するための特定の電池特性が第1の実施形態とは異なる。
具体的には、本実施形態では、マスタ制御部7は、充電側電池パック102の特定の電池特性として、電池パック101および102を互いに並列に接続した際に充電側電池パック内の電池セルのそれぞれの電圧値のうちの最大値の推定値を算出する。本実施形態のように電池部1が複数の電池セル1aからなる電池列で構成される場合、マスタ制御部7は、先ず、充電側電池パック102に含まれる電池セル1a一つあたりに印加される電圧(電池セル1aのOCV(Open−circuit voltage:開回路電圧)とは別に電池セル1aに印加される電圧)の推定値を計算し、その推定値に、充電側電池パック102の電池セル1aの電圧値(OCV)のうち最大の電圧値を加算して、電池セル1aのうちの電圧のうちの最大値の推定値を算出する。以下では、この最大値の推定値を並列接続時推定最大セル電圧Vcと呼ぶ。
また、本実施形態では、許容条件は、並列接続時推定最大セル電圧Vcが析出許容電圧値Vsより小さいことである。析出許容電圧値Vsは、電池パック101および102を互いに並列に接続した際に充電側電池パックに印加される電圧によってパック内に含まれるセル一つ当たりに印加される電圧の許容値である。本実施形態のように電池部1が複数の電池セル1aからなる電池列で構成される場合、析出許容電圧値Vsは、充電側電池パック102の1つ電池セル1aに印加される電圧の許容値となる。なお、析出許容電圧値Vsは、マスタ制御部7にて算出される。
そして、マスタ制御部7は、推定循環電流値Icとパック温度Tと、析出防止MAP(図3)とに基づいて、電池セル1a当りの許容電圧値である析出許容電圧値Vsを算出する(ステップS9a)。例えば、図3の例の場合、マスタ制御部7は、温度がパック温度Tの時のグラフにおいて、推定循環電流値Icに対応する電圧値を析出許容電圧値Vsとして算出する。
なお、充電側電池パック102の電池セル1aの数nは、マスタ制御部7に記憶されていてもよいし、充電側電池パック102のBMS6が電池情報としてマスタ制御部7に通知してもよい。
本実施形態では、特定の電池特性である並列接続時推定最大セル電圧Vcが充電側電池パック102の電圧値(最大セル電圧値Vmax2)に応じて変化するため、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。更に詳細に説明すると、本実施形態によれば、リレー5が全てオフの状態から、各電池パック101,102のリレー5をオン状態にした際に、循環電流によって生じ得るLi析出による電池の性能劣化を抑制すると共に大きな循環電流によるリレー故障を抑制するため、マスタ制御部7にて、各電池パックからの電池部の電池情報であるパック電圧値Vpに基づいて充電側電池パックを判定し、電池情報であるVmaxに基づいて、充電側電池パックに関する最大セル電圧Vc (電池特性)を算出する。
第1および第2の実施形態では、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6は、本実施形態の電源システムの構成を示す図である。図6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および第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。
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
6 BMS
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 (4)
- 複数の電池パックを備えた電源システムであって、
並列に接続するか否かを判定する少なくとも2つの前記電池パックのうち電圧値の最も低い電池パックである充電側電池パックに関する特定の電池特性を算出する算出手段と、前記電池特性と許容値とを比較して、前記電池パックを並列に接続するか否かを判定する判定手段と、を含み、
前記電池特性または前記許容値の一方が、前記充電側電池パックの電圧値に応じて変化することを特徴とする電源システム。 - 前記充電側電池パックの電圧値が高いほど前記電池特性値を高くするまたは前記許容値を低くする請求項1に記載の電源システム。
- 前記電池パックは、充放電可能な電池列と、該電池列に直列に設けられ電池パック間を並列接続するリレーと、前記電池列の状態を検出する検出手段と、を備え、
前記電池列は、複数の単位電池を直列に接続したものであり、
前記単位電池は、1つの電池セルまたは並列に接続された複数の電池セルにより構成されている請求項1または2に記載の電源システム。 - 前記充電側電池パックの電圧値は、前記単位電池の電圧値であって、かつ、当該パック内の最大の電圧値である請求項1から3のいずれか一項に記載の電源システム。
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