KR101239480B1 - 2차 전지 제어 시스템 - Google Patents

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히로유끼 시바따
고오지 구라야마
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규슈덴료쿠 가부시키가이샤
미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 2차 전지 제어 시스템이 복수의 셀과, 충전 회로부와, 방전 회로부를 구비한다. 충전 회로부는 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 충전하고, 방전 회로부는 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 방전한다.

Description

2차 전지 제어 시스템 {SECONDARY CELL CONTROL SYSTEM}
본 발명은 조전지를 구비하는 2차 전지 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 조전지에 포함되는 2차 전지 셀의 셀 밸런스를 유지하기 위한 기술에 관한 것이다.
복수의 2차 전지 셀을 조합하여 구성되는 조전지(전지 모듈이나, 모듈 전지라고도 불림)에서는, 셀 밸런스, 즉 각 셀(단전지)의 셀 전압의 균일성을 유지하는 것이 중요하다. 특정 셀의 셀 전압이 다른 셀의 셀 전압과 비교하여 과잉으로 높거나 과잉으로 낮으면, 당해 특정 셀이 과충전되거나 과방전되는 경우가 있어, 당해 특정 셀의 열화가 급속하게 진행된다. 특히, 복수의 리튬 이온 2차 전지 셀을 조합하여 구성된 조전지에서는, 셀의 과충전 및 과방전을 방지할 필요성이 높고, 셀 밸런스를 유지하는 것이 중요하다.
셀 밸런스를 유지하는 동작(이하에서는, 「셀 밸런스 제어」라고 함) 중 하나의 방식은, 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이, 셀 전압이 높은 셀을 방전하는 방법(방전 방식)이다. 이 방식은 조전지의 각 셀의 셀 전압을 검출하여, 그 중 최소 셀 전압을 발견하고, 특정 셀(1개라고는 한정되지 않음)의 셀 전압이 최소 셀 전압보다도 허용 범위를 초과하여 높은 경우에 당해 셀을 방전하여 셀 전압을 저하시킨다고 하는 것이다.
셀 밸런스 제어의 다른 방식은, 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 셀 전압이 낮은 셀을 충전하는 방법(충전 방식)이다. 이 방식은 조전지의 각 셀의 셀 전압을 검출하여, 그 중 최대 셀 전압을 발견하고, 특정 셀의 셀 전압이 최대 셀 전압보다도 허용 범위를 초과하여 낮은 경우에 당해 셀을 충전하여 셀 전압을 증가시킨다고 하는 것이다.
그러나, 상기한 2개의 방식은 모두 에너지 손실이 많다고 하는 문제가 있다. 방전 방식에서는, 소수의 셀의 셀 전압이 높은 경우(도 1a의 경우)에는 당해 소수의 셀을 방전함으로써 셀 밸런스 제어가 행해지므로, 적은 에너지 손실로 셀 밸런스를 유지할 수 있다. 그러나, 소수의 셀의 셀 전압이 낮은 경우(도 1b, 도 1c의 경우)에는 당해 소수의 셀 이외의 다수의 셀이 방전되므로, 셀 밸런스 제어를 위해 많은 에너지를 소비해 버린다.
충전에는 적지 않게 에너지 손실이 수반되므로, 충전 방식에 있어서도, 사정은 마찬가지이다. 소수의 셀의 셀 전압이 낮은 경우(도 2a의 경우)에는 당해 소수의 셀을 충전함으로써 셀 밸런스 제어가 행해지므로, 적은 에너지 손실로 셀 밸런스를 유지할 수 있다. 그러나, 소수의 셀의 셀 전압이 높은 경우(도 2b, 도 2c의 경우)에는 당해 소수의 셀 이외의 다수의 셀이 충전되므로, 충전 시의 에너지 손실이 크다.
이와 관련하여, 일본 특허 출원 공개 평6-253463호 공보는, 충전에 의해 셀 밸런스 제어를 행하는 회로와, 방전에 의해 셀 밸런스 제어를 행하는 회로를 개시하고 있다. 또한, 이 공보에는 1개의 조전지에 대해, 충전에 의해 셀 밸런스 제어를 행하는 회로와 방전에 의해 셀 밸런스 제어를 행하는 회로의 양쪽을 준비하는 것에 대해 기재도 없고 시사도 없는 것에 유의해야 한다.
이와 같은 배경으로부터, 셀 밸런스 제어에 있어서의 에너지 손실을 저감시키기 위한 기술의 제공이 요망되고 있다.
일본 특허 출원 공개 평6-253463호 공보
본 발명의 목적은 셀 밸런스 제어에 있어서의 에너지 손실을 저감시키기 위한 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 하나의 관점에 있어서는, 2차 전지 제어 시스템이, 복수의 셀과, 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 충전하기 위한 충전 회로부와, 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 방전하기 위한 방전 회로부를 구비한다. 이와 같은 2차 전지 시스템은 각 셀의 상태에 따라서 충전, 방전을 구분지어 사용할 수 있어, 보다 에너지 효율이 높은 셀 밸런스 제어를 실행할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 충전 회로부는 복수의 셀과 동수이고, 복수의 셀에 각각에 접속되어 복수의 셀을 충전하는 복수의 충전부를 구비하고 있다.
일 실시 형태에서는, 방전 회로부는 복수의 셀과 동수이고, 복수의 셀에 각각에 접속되어 복수의 셀을 방전하는 복수의 방전부를 구비한다.
또한, 충전 회로부가 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고, 방전 회로부가 충전부와 동수이고, 충전부에 각각에 병렬로 접속된 방전부를 구비하고, 당해 2차 전지 제어 시스템이, 복수의 셀과, 충전부 및 방전부 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 스위치를 더 구비하고 있어도 좋다.
또한, 충전 회로부가 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고, 당해 2차 전지 제어 시스템이, 충전부와 복수의 셀 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 충전측 스위치를 더 구비하고 있어도 좋다. 이 경우, 충전부는 복수의 셀 중 충전측 스위치에 의해 접속된 셀을 충전한다.
마찬가지로, 방전 회로부가 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고, 당해 2차 전지 제어 시스템이, 방전부와 복수의 셀 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 방전측 스위치를 더 구비하고 있어도 좋다. 이 경우, 방전부는 복수의 셀 중 방전측 스위치에 의해 접속된 셀을 방전한다.
당해 2차 전지 제어 시스템은, 복수의 셀의 각각에 대해, 복수의 셀의 셀 전압에 응답하여 제어용 셀 전압을 산출하거나, 또는 셀 전압을 그대로 제어용 셀 전압으로 하여 결정하는 셀 전압 산출 회로부와, 제어용 셀 전압에 응답하여 복수의 셀 중으로부터 충전해야 하는 셀과 방전해야 하는 셀의 선택을 행하는 제어 회로부를 더 구비하는 경우가 있다.
일 실시 형태에서는, 제어 회로부는 목표 셀 전압을 결정하여, 목표 셀 전압을 사용하여 정의되는 제1 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 방전해야 하는 셀을 선택하고, 목표 셀 전압을 사용하여 정의되는 제2 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 충전해야 하는 셀을 선택한다. 이때, 제어 회로부에 의한 방전해야 하는 셀의 선택은, 제1 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 추구하여 제어용 셀 전압 중 최소값을 사용하여 정의되는 제3 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 행해지고, 제어 회로부에 의한 충전해야 하는 셀의 선택은, 제2 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 추가하여, 제어용 셀 전압 중 최대값을 사용하여 정의되는 제4 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 행해져도 좋다. 적합한 실시 형태에서는, 목표 셀 전압은 복수의 셀의 제어용 셀 전압의 평균값 또는 중앙값으로서 결정된다.
다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 제어용 셀 전압 중 최소값을 사용하여 정의되는 제5 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과와 제어용 셀 전압 중 최대값을 사용하여 정의되는 제6 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 방전해야 하는 셀을 선택하고, 최대값을 사용하여 정의되는 제7 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과 및 최소값을 사용하여 정의되는 제8 임계값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 충전해야 하는 셀을 선택한다.
또 다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 제어용 셀 전압이 소정 폭의 전압 범위에 속하는 셀의 수가 가능한 한 많아지도록 전압 범위를 결정하여, 전압 범위의 상한값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 방전해야 하는 셀을 선택하고, 전압 범위의 하한값과 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 충전해야 하는 셀을 선택한다.
방전 회로부가 복수의 셀과 동수이고 복수의 셀에 각각에 접속되어 복수의 셀을 방전하는 복수의 방전부를 구비하고 있는 경우에는, 방전해야 하는 셀이, 복수의 방전부에 의해 실제로 방전되는 셀로서 선택된다. 마찬가지로, 충전 회로부가 복수의 셀과 동수이고 복수의 셀에 각각에 접속되어 복수의 셀을 충전하는 복수의 충전부를 구비하고 있는 경우에는, 충전해야 하는 셀이, 복수의 충전부에 의해 실제로 방전되는 셀로서 선택된다.
방전 회로부가 복수의 셀보다도 적은 수밖에 방전부를 구비하고 있지 않은 구성에서는, 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우가 있을 수 있다. 이와 같은 상황에 대처하기 위해서는, 제어 회로부가 하기와 같이 동작하는 것이 바람직하다.
일 실시 형태에서는, 제어 회로부는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 제어용 셀 전압에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다. 다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 방전해야 한다고 권장되기 시작한 권장 시각에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다. 또 다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 방전해야 하는 셀에 대해 결정된 방전 전류 또는 방전부에 포함되는 가변 저항의 저항값에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다. 또 다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 복수의 셀의 열화도에 기초하여 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다. 또 다른 실시 형태에서는, 제어 회로부는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 복수의 셀의 용량에 기초하여 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다.
충전 회로부가 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부밖에 구비하고 있지 않은 경우에도 동일한 문제가 일어날 수 있다. 일 실시 형태에서는, 제어 회로부는 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 충전부의 수보다도 많은 경우, 제어용 셀 전압, 방전해야 한다고 권장되기 시작한 권장 시각, 충전해야 하는 셀에 대해 결정된 충전 전류 또는 충전 전압, 복수의 셀의 열화도, 또는 복수의 셀의 용량에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정한다. 충전 회로부가, 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고, 방전 회로부가, 충전부와 동수이고, 충전부에 각각에 병렬로 접속되어 충전부와 쌍을 이루는 방전부를 구비하고 있는 경우도 마찬가지이다.
다른 방법으로서, 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 방전부의 수보다도 많은 경우, 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 방전부에 의해 방전되어도 좋다. 또한, 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 충전부의 수보다도 많은 경우, 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 충전부에 의해 충전되어도 좋다. 또한, 충전해야 하는 셀 및 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수의 합이 충전부 및 방전부의 쌍의 수보다도 많은 경우, 충전해야 하는 셀 또는 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 충전부 또는 방전부에 의해 충전 또는 방전되어도 좋다.
도 1a는 종래의 방전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 1b는 종래의 방전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 1c는 종래의 방전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 2a는 종래의 충전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 2b는 종래의 충전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 2c는 종래의 충전 방식에 의한 셀 밸런스 제어를 도시하는 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3b는 제1 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4b는 제2 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5b는 제3 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 제4 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6b는 제4 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7a는 본 발명의 제5 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7b는 제5 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8a는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제1 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 8b는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제1 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 8c는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제1 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 8d는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제1 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 9a는 제1 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 9b는 제1 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 9c는 제1 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 10은 제1 선택 방법을 실행하기 위한 동작 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 11a는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제2 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 11b는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제2 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 11c는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제2 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 11d는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제2 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 12는 제2 선택 방법을 실행하기 위한 동작 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 13a는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제3 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 13b는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제3 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 13c는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제3 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 13d는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제3 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 14a는 제3 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 14b는 제3 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 14c는 제3 선택 방법에 의한 셀 밸런스 제어를 설명하는 개념도이다.
도 15는 제3 선택 방법을 실행하기 위한 동작 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 16a는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제4 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 16b는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제4 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 16c는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제4 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 16d는 충방전되는 셀을 선택하기 위한 제4 선택 방법을 도시하는 개념도이다.
도 17a는 방전부의 수가 부족한 경우에 있어서의, 실제로 방전되는 셀의 선출 방법을 설명하는 도면이다.
도 17b는 충전부의 수가 부족한 경우에 있어서의, 실제로 방전되는 셀의 선출 방법을 설명하는 도면이다.
도 17c는 방전부와 충전부의 쌍의 수가 부족한 경우에 있어서의, 실제로 방전되는 셀의 선출 방법을 설명하는 도면이다.
도 18은 셀 전압 계산부의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 19는 셀 전압 계산부의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 20은 셀 전압 계산부의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 21은 셀 전압 계산부의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
1. 2차 전지 제어 시스템의 구성(제1 실시 형태)
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다. 2차 전지 제어 시스템(10)은 조전지(전지 모듈)(1)와, 셀 전압 계산부(2), 제어부(3)를 구비하고 있다.
조전지(1)는 직렬로 접속된 n개의 셀(단전지)(4)과, 충전부(5)와, 방전부(6)와, 셀 감시부(7)를 구비하고 있다. 충전부(5)는 각 셀(4)을 충전하는 기능을 갖는 회로부이고, 방전부(6)는 셀(4)을 방전시키는 기능을 갖는 회로부이다. 본 실시 형태에서는 충전부(5), 방전부(6)가, 1개의 셀(4)에 대해 각각 1개씩 설치되어 있다. 이하에서는, 각 셀(4)을 서로 구별할 필요가 있는 경우, 셀 #1 내지 #n으로 표기한다. 또한, 각 충전부(5), 방전부(6)를 서로 구별하는 경우에는, 셀 #i에 대응하는 충전부(5)를 충전부 #i로 표기하고, 셀 #i에 대응하는 방전부(6)를 방전부 #i로 표기하는 경우가 있다. 셀 감시부(7)는 각 셀(4)의 상태를 감시하여, 각 셀(4)의 상태를 나타내는 조전지 정보를 생성한다. 본 실시 형태에서는, 조전지 정보는 셀 감시부(7)에 의해 계측된 각 셀(4)의 실측 전압을 포함하고 있다. 이하에서는, 셀 #i의 실측 전압을 계측 셀 전압 Vim이라고 한다.
셀 전압 계산부(2)는 조전지 정보에 포함되는 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm에 대해 연산 처리를 행하여, 제어부(3)에 있어서의 제어에 사용되는 셀 전압 V1 내지 Vn(이하, 「제어용 셀 전압 V1 내지 Vn」이라고 함)을 산출한다. 실측 전압인 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm은 노이즈의 영향이나 각 셀(4)의 내부 저항에 의한 영향을 받으므로, 이들의 영향 중 적어도 한쪽을 제거한 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn이, 셀 전압 계산부(2)에 있어서 산출되어 제어부(3)에 있어서의 제어에 사용된다. 셀 전압 계산부(2)에서 행해지는 연산으로서는, 예를 들어 노이즈를 제거하는 필터링 처리나, 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm으로부터 각 셀(4)의 개방 전압을 구하는 연산 처리를 들 수 있다. 또한, 계측 노이즈의 영향이나 각 셀(4)의 내부 저항의 영향을 무시할 수 있는 경우에는, 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm이 그대로 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn으로서 사용되어도 좋다.
제어부(3)는 제어용 셀 전압 V1에 응답하여 충전부(5)에 충전 지령을 공급하는 동시에 방전부(6)에 방전 지령을 공급하여 조전지(1)의 각 셀(4)의 충방전을 제어한다. 상세하게는, 제어부(3)는 셀 #i를 충전하려고 하는 경우, 셀 #i에 대응하는 충전부 #i에 셀 #i 충전 지령을 공급하여 충전부 #i에 충전을 개시시킨다. 한편, 셀 #i를 방전하려고 하는 경우, 셀 #i에 대응하는 방전부 #i에 셀 #i 방전 지령을 공급하여 방전부 #i에 충전을 개시시킨다. 충전해야 하는 셀(4)과 방전해야 하는 셀(4)은 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn에 따라서 결정된다.
이와 같은 구성의 2차 전지 제어 시스템(10)에서는, 각 셀(4)의 상태에 따라서, (1) 일부의 셀(4)을 충전하는 것에 의한 셀 밸런스 제어, (2) 일부의 셀(4)을 방전하는 것에 의한 셀 밸런스 제어 및 (3) 일부의 셀(4)을 충전하는 동시에, 일부의 셀(4)을 방전하는 것에 의한 셀 밸런스 제어를 구분지어 사용할 수 있다. 이에 의해, 충전하는 셀(4)의 수, 방전하는 셀(4)의 총수를 감소시켜, 셀 밸런스 제어에 있어서의 에너지 손실을 저감시킬 수 있다. 또한, 방전시키는 셀(4) 및 충전시키는 셀(4)의 선택의 로직에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
제어부(3)가, 셀(4)의 충전 전류나 방전 전류를 제어하는 구성도 가능하다. 도 3b는 이와 같은 구성의 2차 전지 제어 시스템(10)을 도시하는 블록도이다. 제어부(3)는 충전 전류를 지시하는 충전 전류 지령을 각 충전부(5)에 공급하고, 방전 전류를 지시하는 방전 전류 지령을 각 방전부(6)에 공급한다. 도 3b에서는, 셀 #i의 충전 전류를 지시하는 충전 전류 지령이 「셀 #i 충전 전류 지령」이라고 기재되고, 셀 #i의 방전 전류를 지시하는 방전 전류 지령이 「셀 #i 방전 전류 지령」이라고 기재되어 있다.
제어부(3)는 충전 전류 대신에, 충전 전압을 지시하는 것도 가능하다. 또한, 방전부(6)에 있어서의 방전이 가변 저항을 통해 행해지는 경우에는, 제어부(3)는 방전 전류 대신에, 당해 가변 저항의 저항값을 지시해도 좋다.
(제2 실시 형태)
도 4a는 제2 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 3a, 도 3b의 구성과 같이, 1개의 셀(4)에 대해 충전부(5), 방전부(6)가 1개씩 설치되어 있는 구성은 원하는 셀(4)에 대해 충전, 방전을 가능하게 행하기 위해서는 적합하지만, 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 많아진다. 이는, 2차 전지 제어 시스템(10)의 하드웨어를 증대시키므로 비용면에서 바람직하지 않다.
2차 전지 제어 시스템(10)의 하드웨어를 저감시키기 위해서는, 충전부(5) 및/또는 방전부(6)의 수가 셀(4)의 수보다도 적은 구성이 적합하다. 제2 실시 형태에서는 셀(4)의 수보다도 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 적어지고, 이에 의해, 하드웨어의 저감이 도모되고 있다.
보다 구체적으로는, 도 4a의 구성에서는 한 쌍의 충전부(5) 및 방전부(6)가 병렬로 접속되어 있고, 그 충전부(5) 및 방전부(6)의 쌍과 셀(4)의 각각의 사이에, 스위치 SW1 내지 SWn이 설치되어 있다. 스위치 SWi가 온 상태로 되면, 셀 #i와 충전부(5) 및 방전부(6)가 전기적으로 접속되어, 셀 #i가 충전 또는 방전 가능해진다. 또한, 병렬로 접속되는 충전부(5) 및 방전부(6)의 쌍의 수는, 복수라도 좋고[단, 충전부(5) 및 방전부(6)의 쌍의 수가 셀(4)의 수보다도 적지 않으면 기술적 의미가 없음], 이 경우, 복수의 셀(4)이 동시에 충전, 또는 방전 가능하다.
유의해야 할 것은, 도 4a의 구성에서는, 원하는 수의 셀(4)을 동시에 충전ㆍ방전할 수 있다고는 한정되지 않는 것이다. 충방전되는 셀(4)은 충전부(5) 및 방전부(6)의 수에 따라서 선택되어야만 한다.
도 4a의 구성의 2차 전지 제어 시스템에서는, 충전 또는 방전되는 셀(4)의 선택은 제어부(3)에 설치된 셀 밸런스 제어부(8)와 셀 선택부(9)에서 행해진다.
셀 밸런스 제어부(8)는 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn에 응답하여, 충전이 권장되는 셀(4)과, 방전이 권장되는 셀(4)을 선택하여, 각 셀(4)을 충전하는 것을 권장하는 충전 권장 지령 및 각 셀(4)을 방전하는 것을 권장하는 방전 권장 지령을 생성한다. 셀 밸런스 제어부(8)에서는, 충전부(5) 및 방전부(6)의 수는 고려되지 않고, 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 충분히 많은 경우에 각 셀(4)이 충전 또는 방전되어야 하는지가 판단된다. 셀 밸런스 제어부(8)가, 충전이 권장되는 셀(4) 및 방전이 권장되는 셀(4)을 결정하는 로직은, 이후에 상세하게 설명한다. 도 4a에 있어서, 셀 #i를 충전하는 것을 권장하는 충전 권장 지령은, 「셀 #i 충전 권장 지령」으로서 기재되고, 셀 #i를 방전하는 것을 권장하는 방전 권장 지령은 「셀 #i 방전 권장 지령」으로서 기재되어 있다.
셀 선택부(9)는 셀 #1 내지 #n 충전 권장 지령 및 셀 #1 내지 #n 방전 권장 지령에 응답하여, 실제로 충전 또는 방전하는 것을 지시하는 충전 지령 및 방전 지령을 생성한다. 셀 선택부(9)가 실제로 충전 또는 방전하는 셀(4)을 결정하는 로직은, 이후에 상세하게 설명한다. 도 4a에 있어서, 셀 #i를 실제로 충전하는 것을 지시하는 충전 지령은, 「셀 #i 충전 지령」으로서 기재되고, 셀 #i를 실제로 방전하는 것을 지시하는 방전 지령은, 「셀 #i 방전 지령」으로서 기재되어 있다.
셀 선택부(9)에 의해 생성된 셀 #1 내지 셀 #n 충전 지령은 충전부(5)에 공급되고, 셀 #1 내지 #n 방전 지령은 방전부(6)에 공급된다. 또한, 셀 #i 충전 지령 및 셀 #i 방전 지령이 스위치 SWi에 공급된다. 셀 #i 충전 지령에 의해 셀 #i의 충전이 지시되면, 스위치 SWi가 온 상태로 되어 충전부(5)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 충전부(5)는 셀 #i 충전 지령에 응답하여 충전 전류를 출력한다. 이와 같은 동작에 의해, 셀 #i가 충전된다. 한편, 셀 #i 방전 지령에 의해 셀 #i의 방전이 지시되면, 스위치 SWi가 온 상태로 되어 방전부(6)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 방전부(6)는 셀 #i 방전 지령에 응답하여 셀 #i로부터의 방전 전류를 흘린다. 이와 같은 동작에 의해, 셀 #i가 방전된다.
또한, 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 도 3b의 구성과 마찬가지로, 제어부(3)가, 셀(4)의 충전 전류나 방전 전류를 제어하는 구성도 가능하다. 이 경우, 셀 밸런스 제어부(8)는 각 셀(4)에 대해 권장되는 충전 전류를 지시하는 충전 전류 권장 지령 및 권장되는 방전 전류를 지시하는 충전 권장 전류 지령을 생성한다. 도 4b에 있어서, 셀 #i의 충전 전류를 권장하는 충전 권장 전류 지령은, 「셀 #i 충전 전류 권장 지령」으로서 기재되고, 셀 #i의 방전 전류를 권장하는 방전 권장 전류 지령은, 「셀 #i 방전 전류 권장 지령」으로서 기재되어 있다. 셀 선택부(9)는 거기에 공급되는 충전 전류 권장 지령 중, 실제로 충전이 지시된 셀(4)에 대응하는 충전 전류 권장 지령을 충전 전류 지령으로 하여 충전부(5)에 공급하고, 거기에 공급되는 방전 전류 권장 지령 중, 실제로 방전이 지시된 셀(4)에 대응하는 방전 전류 권장 지령을 방전 전류 지령으로 하여 방전부(6)에 공급한다. 제어부(3)는 충전 전류 대신에, 충전 전압을 지시하는 것도 가능하다. 또한, 방전부(6)에 있어서의 방전이 가변 저항을 통해 행해지는 경우에는, 제어부(3)는 방전 전류 대신에, 당해 가변 저항의 저항값을 지시해도 좋다.
(제3 실시 형태)
도 5a는 제3 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 4a, 도 4b의 구성은 하드웨어의 양의 저감에는 적합하지만, 충전부(5)와 방전부(6)가 직접적으로 병렬 접속되어 있으므로, 충전 및 방전을 독립하여 행할 수 없다. 도 5a에 도시된 제3 실시 형태의 구성에서는, 충전부(5)와 셀 #1 내지 #n 사이에 스위치 SWc1 내지 SWcn이 각각 접속되고, 방전부(6)와 셀 #1 내지 #n 사이에 스위치 SWc1 내지 SWcn이 각각 접속되어 있으므로, 충전 및 방전을 독립하여 행할 수 있다. 즉, 어떤 셀(4)을 충전부(5)에서 충전하면서, 다른 셀(4)을 방전부(6)에서 방전할 수 있다.
상세하게는, 도 5a의 구성에서는, 셀 선택부(9)에 의해 생성된 셀 #1 내지 셀 #n 충전 지령은 충전부(5)에 공급되고, 셀 #1 내지 #n 방전 지령은 방전부(6)에 공급된다. 또한, 셀 #i 충전 지령이 스위치 SWci에 공급되는 동시에, 셀 #i 방전 지령이 스위치 SWdi에 공급된다. 셀 #i 충전 지령에 의해 셀 #i의 충전이 지시되면, 스위치 SWci가 온 상태로 되어 충전부(5)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 충전부(5)는 셀 #i 충전 지령에 응답하여 충전 전류를 출력한다. 이와 같은 동작에 의해, 셀 #i가 충전된다. 한편, 셀 #i 방전 지령에 의해 셀 #i의 방전이 지시되면, 스위치 SWdi가 온 상태로 되어 방전부(6)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 방전부(6)는 셀 #i 방전 지령에 응답하여 셀 #i로부터의 방전 전류를 흘린다. 이와 같은 동작에 의해, 셀 #i가 방전된다.
또한, 도 5a에서는 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 각각 1개인 구성이 도시되어 있지만, 충전부(5) 및/또는 방전부(6)의 수는 복수라도 좋다[단, 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 셀(4)의 수보다도 적지 않으면 기술적 의미가 없음]. 또한, 충전부(5)와 방전부(6)의 수는 달라도 좋다. 복수의 충전부(5)를 설치하면 복수의 셀(4)이 동시에 충전 가능하고, 또한 복수의 방전부(6)를 설치하면 복수의 셀(4)이 동시에 방전 가능하다.
또한, 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이, 도 4b의 구성과 마찬가지로, 제어부(3)가 셀(4)의 충전 전류나 방전 전류를 제어하는 구성도 가능하다. 셀 밸런스 제어부(8)는 각 셀(4)에 대해 권장되는 충전 전류를 지시하는 충전 전류 권장 지령 및 권장되는 방전 전류를 지시하는 충전 권장 전류 지령을 생성한다. 셀 선택부(9)는 거기에 공급되는 충전 전류 권장 지령 중, 실제로 충전이 지시된 셀(4)에 대응하는 충전 전류 권장 지령을 충전 전류 지령으로 하여 충전부(5)에 공급하고, 거기에 공급되는 방전 전류 권장 지령 중, 실제로 방전이 지시된 셀(4)에 대응하는 방전 전류 권장 지령을 방전 전류 지령으로 하여 방전부(6)에 공급한다. 제어부(3)는 충전 전류 대신에, 충전 전압을 지시하는 것도 가능하다. 또한, 방전부(6)에 있어서의 방전이 가변 저항을 통해 행해지는 경우에는, 제어부(3)는 방전 전류 대신에, 당해 가변 저항의 저항값을 지시해도 좋다.
(제4 실시 형태)
도 6a는 제4 실시 형태에 있어서의 2차 전지 제어 시스템(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 6a의 구성에서는 충전부(5)가 셀(4)의 각각에 대해 1개씩 접속되어 있는 한편, 방전부(6)가, 각각 스위치 SWd1 내지 SWdn을 통해 셀 #1 내지 #n에 접속되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 충전부(5)의 수는 저감되지 않지만, 방전부(6)의 수를 셀(4)의 수보다도 적게 할 수 있어, 2차 전지 제어 시스템(10)의 하드웨어를 저감시키므로 적합하다.
도 6a의 구성에서는 셀 선택부(9)에 의해 생성된 셀 #1 내지 셀 #n 충전 지령이, 각각 충전부 #1 내지 #n에 공급되고, 셀 #1 내지 #n 방전 지령이 방전부(6)에 공급된다. 또한, 셀 #i 방전 지령이 스위치 SWdi에 공급된다. 셀 #i 충전 지령에 의해 셀 #i의 충전이 지시되면, 충전부 #i는 셀 #i 충전 지령에 응답하여 충전 전류를 출력하여, 셀 #i가 충전된다. 한편, 셀 #i 방전 지령에 의해 셀 #i의 방전이 지시되면, 스위치 SWdi가 온 상태로 되어 방전부(6)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 방전부(6)는 셀 #i 방전 지령에 응답하여 셀 #i로부터의 방전 전류를 흘린다. 이와 같은 동작에 의해, 셀 #i가 방전된다.
또한, 도 6a에서는 방전부(6)의 수가 1개인 구성이 도시되어 있지만, 방전부(6)의 수는 복수라도 좋다. 이 경우, 복수의 셀(4)이 동시에 방전 가능하다.
또한, 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 도 3b 내지 도 5b의 구성과 마찬가지로, 제어부(3)가, 셀(4)의 충전 전류나 방전 전류를 제어하는 구성도 가능하다. 제어부(3)는 충전 전류를 지시하는 충전 전류 지령을 각 충전부(5)에 공급하고, 방전 전류를 지시하는 방전 전류 지령을 각 방전부(6)에 공급한다. 제어부(3)는 충전 전류 대신에, 충전 전압을 지시하는 것도 가능하다. 또한, 방전부(6)에 있어서의 방전이 가변 저항을 통해 행해지는 경우에는, 제어부(3)는 방전 전류 대신에, 당해 가변 저항의 저항값을 지시해도 좋다.
(제5 실시 형태)
도 7a는 제5 실시 형태에 있어서의 2차 전지 제어 시스템(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 7a의 구성에서는 방전부(6)가 셀(4)의 각각에 대해 1개씩 접속되어 있는 한편, 충전부(5)가, 각각 스위치 SWc1 내지 SWcn을 통해 셀 #1 내지 #n에 접속되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 방전부(6)의 수는 저감되지 않지만, 충전부(5)의 수를 셀(4)의 수보다도 적게 할 수 있어, 2차 전지 제어 시스템(10)의 하드웨어를 저감시키므로 적합하다. 일반적으로, 방전부(6)는 스위치 및 저항 소자로 실현할 수 있으므로 비용이 저렴한 한편, 충전부(5)는 복잡한 회로가 필요해 비용이 높아지므로, 도 7a의 구성은, 동시에 방전 가능한 셀(4)의 수를 증대시키면서, 비용적인 불리가 적어, 실용적인 구성이다.
도 7a의 구성에서는 셀 선택부(9)에 의해 생성된 셀 #1 내지 셀 #n 충전 지령이 충전부(5)에 공급되고, 셀 #1 내지 #n 방전 지령이 각각 방전부 #1 내지 #n에 공급된다. 또한, 셀 #i 충전 지령이 스위치 SWci에 공급된다. 셀 #i 충전 지령에 의해 셀 #i의 충전이 지시되면, 스위치 SWci가 온 상태로 되어 충전부(5)가 셀 #i에 접속되는 동시에, 충전부(5)는 셀 #i 충전 지령에 응답하여 충전 전류를 출력한다. 이에 의해, 셀 #i가 충전된다. 한편, 셀 #i 방전 지령에 의해 셀 #i의 방전이 지시되면, 방전부 #i는 셀 #i 방전 지령에 응답하여 셀 #i로부터의 방전 전류를 흘리고, 이에 의해 셀 #i가 방전된다.
또한, 도 7a에서는 충전부(5)의 수가 1개인 구성이 도시되어 있지만, 충전부(5)의 수는 복수라도 좋다. 이 경우, 복수의 셀(4)이 동시에 충전 가능하다.
또한, 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 도 3b 내지 도 6b의 구성과 마찬가지로, 제어부(3)가, 셀(4)의 충전 전류나 방전 전류를 제어하는 구성도 가능하다. 제어부(3)는 충전 전류를 지시하는 충전 전류 지령을 각 충전부(5)에 공급하고, 방전 전류를 지시하는 방전 전류 지령을 각 방전부(6)에 공급한다. 제어부(3)는 충전 전류 대신에, 충전 전압을 지시하는 것도 가능하다. 또한, 방전부(6)에 있어서의 방전이 가변 저항을 통해 행해지는 경우에는, 제어부(3)는 방전 전류 대신에, 당해 가변 저항의 저항값을 지시해도 좋다.
2. 충전/방전해야 하는 셀의 선택
상술한 제1 내지 제5 실시 형태의 2차 전지 제어 시스템(10)의 구성 중 어느 것에 대해서도, 충전되는 셀(4) 및 방전되는 셀(4)의 선택 방법은, 에너지 손실의 저감이나 셀 전압의 균일성에 영향을 미친다. 충방전되는 셀(4)의 수가 적을수록 에너지 손실은 저감되는 한편, 충방전되는 셀(4)의 수가 많을수록 셀 전압의 균일성은 향상된다. 이하에서는, 충전/방전해야 하는 셀(4)의 적합한 선택 방법이 4개 제시된다.
(제1 선택 방법)
도 8a 내지 도 8d는 충전해야 하는 셀(4) 및 방전해야 하는 셀(4)의 제1 선택 방법을 도시하는 도면이다. 제1 선택 방법에서는, 목표 셀 전압 Vavr이 결정되어, 그 목표 셀 전압 Vavr을 사용하여 충전/방전되는 셀(4)이 정해진다. 일 실시 형태에서는, 목표 셀 전압 Vavr로서는 셀 #1 내지 #4의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 평균값 또는 중앙값(median)이 사용된다. 또한, 목표 셀 전압 Vavr은 미리 설정된 소정값이나, 외부로부터 부여되는 설정값이라도 좋다.
제1 선택 방법에서는, 정해진 목표 셀 전압 Vavr을 사용하여 충전해야 하는 셀(4) 및 방전해야 하는 셀(4)을 판단하기 위한 임계값이 결정된다 : 어떤 셀 #i의 제어용 셀 전압 Vi가, 그 목표 셀 전압 Vavr보다도 소정값 Vta 이상(또는 소정값 Vta를 초과) 큰 경우에 셀 #i가 방전된다. 한편, 그 목표 셀 전압 Vavr보다도 소정값 Vtb 이상(또는 소정값 Vtb를 초과) 작은 경우에 셀 #i가 충전된다. 즉, 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr＋Vta 이상인 경우(또는 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr＋Vta를 초과하는 경우)에, 셀 #i가 방전되어, 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr－Vtb 이하인 경우(또는 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr＋Vta 미만인 경우)에 셀 #i가 충전된다. 제어용 셀 전압 Vi가 전압 Vavr－Vtb와 전압 Vavr＋Vta 사이의 범위에 있는 경우에는, 셀 #i는 충전도 방전도 되지 않는다.
도 8a 내지 도 8d는 제1 선택 방법에 있어서의 충방전의 제어의 예를 도시하고 있다. 도 8a는 모든 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb와 전압 Vavr＋Vta 사이의 범위에 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는, 어떤 셀(4)도 충방전되지 않는다. 도 8b는 특정한 2개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 당해 2개의 셀(4)이 충전된다. 도 8c는 특정한 2개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 당해 2개의 셀(4)이 방전된다. 도 8d는 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하고, 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하는 셀(4)이 방전되고, 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하는 셀(4)이 충전된다.
이와 같은 방법에 따르면, 도 9a에 도시되어 있는 바와 같이, 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압(도 9a에서는 셀 #i의)이 현격하게 높은 경우에는 당해 셀(4)을 방전하는 한편, 도 9b에 도시된 바와 같이, 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 낮은 경우에는 당해 셀(4)을 충전한다. 또한, 도 9c에 도시되어 있는 바와 같이, 제어용 셀 전압이 현격하게 높은 셀(4)과, 제어용 셀 전압이 현격하게 낮은 셀(4)의 양쪽이 있는 경우에는, 당해 제어용 셀 전압이 높은 셀(4)이 방전되고, 당해 제어용 셀 전압이 낮은 셀(4)이 충전된다.
이와 같이, 제1 선택 방법에서는, 셀 밸런스를 취하기 위해 충전과 방전이 나뉘어 사용됨으로써, 충전 또는 방전되는 셀(4)의 수가 감소되어, 에너지 손실이 유효하게 저감된다.
동작의 안정성을 향상시키기 위해서는, 충전 또는 방전이 개시되는 제어용 셀 전압과 충전 또는 방전이 종료되는 제어용 셀 전압을 상이하게 하여, 충방전의 제어에 히스테리시스를 갖게 하는 것이 유효하다. 도 10은 이와 같은 제어를 실현하기 위한 제어부(3)의 동작의 흐름도를 도시하는 도면이다. 초기 상태에서는, 셀 #1 내지 셀 #n은 모두 충전도 방전도 되어 있지 않은 것으로 한다.
셀 밸런스 제어의 제어 사이클이 개시되면, 제어부(3)는 각 셀(4)의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn을 취득한다(스텝 S01). 또한, 제어에 사용되는 상수가 결정된다(스텝 S02). 보다 구체적으로는, 제1 선택 방법에서는 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn으로부터 목표 셀 전압 Vavr이 결정된다. 상술한 바와 같이, 목표 셀 전압 Vavr로서는, 셀 #1 내지 #4의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 평균값 또는 중앙값이 사용 가능하다. 또한, 목표 셀 전압 Vavr은 미리 설정된 소정값이나, 외부로부터 부여되는 설정값이라도 좋다.
계속해서, 각 셀(4)의 충전/방전의 개시, 종료가 제어된다(스텝 S03). 셀 #i의 충전/방전의 개시, 종료는 이하와 같이 하여 제어된다.
(1) 셀 #i가, 현재, 충전도 방전도 되어 있지 않은 경우
이 경우, 하기 식 :
[수학식 1a]
Figure 112011019629519-pct00001
이 성립하는 경우에 셀 #i의 방전이 개시된다. 여기서, Vta는 소정의 판정 임계값 전압이고, Vha1은 소정의 히스테리시스 전압이다. 한편, 하기 식 :
[수학식 1b]
Figure 112011019629519-pct00002
이 성립하는 경우에는 셀 #i의 충전이 개시된다. 여기서, Vtb는 소정의 판정 임계값 전압이고, Vhb1은 소정의 히스테리시스 전압이다.
(2) 셀 #i가, 현재 방전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식 :
[수학식 2]
Figure 112011019629519-pct00003
가 성립하는 경우에 방전이 종료된다. 여기서, Vha2는 소정의 히스테리시스 전압이다. 수학식 1a의 히스테리시스 전압 Vha1 및 수학식 2의 히스테리시스 전압 Vha2를, 하기 조건 :
Figure 112011019629519-pct00004
을 만족시키도록 설정함으로써, 방전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 방전의 안정화가 도모된다.
(3) 셀 #i가, 현재 충전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식 :
[수학식 3]
Figure 112011019629519-pct00005
가 성립하는 경우에 충전이 종료된다. 여기서, Vhb2는 소정의 히스테리시스 전압이다. 수학식 1b의 히스테리시스 전압 Vhb1 및 수학식 3의 히스테리시스 전압 Vhb2를, 하기 조건 :
Figure 112011019629519-pct00006
을 만족시키도록 설정함으로써, 충전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 충전의 안정화가 도모된다.
상기한 스텝 S01 내지 S03이 적당한 간격으로 반복되어 셀(4)의 충방전 제어가 행해진다. 셀 밸런스 제어의 종료가 지시되면(스텝 S04), 셀 밸런스 제어가 종료되어, 모든 셀(4)의 충전, 방전이 정지된다. 보다 제어의 안정성을 향상시키기 위해서는, 각 셀(4)의 충방전 상태가 변경된 후, 소정 시간(τ) 동안, 각 셀(4)의 충방전 상태의 변경이 금지되어도 좋다.
또한, 상기한 수학식 1a, 수학식 1b, 수학식 2, 수학식 3에서는, 수학식 1a, 수학식 1b에 부등호에 등호가 부여되는 한편, 수학식 2, 수학식 3에는 등호가 부여되어 있지 않지만, 수학식 1a, 수학식 1b, 수학식 2, 수학식 3에 있어서 등호의 부가의 유무는 임의로 결정 가능하다. 또한, 방전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여될 필요가 없는 경우에는, 상기한 히스테리시스 전압 Vha1, Vha2를 동일값으로(전형적으로는 0으로) 설정하면 좋다. 마찬가지로, 충전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여될 필요가 없는 경우에는, 상기한 히스테리시스 전압 Vhb1, Vhb2를 동일값으로(전형적으로는 0으로) 설정하면 좋다.
방전 전류 및 충전 전류의 제어가 가능한 경우, 각 셀 #i의 충전 전류 및 방전 전류는, 제어용 셀 전압 Vi와 목표 셀 전압 Vavr의 차에 응답하여 제어되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 셀 #i의 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici는 하기 함수 Fd, Fc의 함수값으로서 결정되는 것이 바람직하다 :
Figure 112011019629519-pct00007
여기서, Fd(x), Fc(x)는 모두, x에 대해(넓은 의미로) 단조 증가하는 함수이다. 함수 Fd, Fc를 사용하여 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici를 산출하는 대신에, 제어용 셀 전압 Vi 및 목표 셀 전압 Vavr과, 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici의 관계를 나타내는 테이블이 준비되어도 좋다.
(제2 선택 방법)
도 11a 내지 도 11d는 충전/방전되는 셀(4)을 선택하기 위한 제2 선택 방법을 도시하는 도면이다. 제1 선택 방법에서는, (히스테리시스 특성을 제외하고) 제어용 셀 전압 Vi가 전압 Vavr－Vtb와 전압 Vavr＋Vta 사이의 범위로부터 벗어나는 경우에 무조건 충전 및 방전이 행해진다. 그러나, 어떤 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb와 전압 Vavr＋Vta 사이의 범위로부터 벗어나 있어도, 다른 셀(4)의 제어용 셀 전압과의 차가 작은 경우에는, 본래적으로는 충방전이 행해질 필요는 없다. 상술한 바와 같이, 충방전되는 셀(4)의 수를 감소시키는 것은 에너지 손실의 저감에 유효하므로, 제2 선택 방법에서는, 제1 선택 방법이 이하와 같이 개량된다.
일 실시 형태에서는, 제어용 셀 전압의 최대값 Vmax 및 최소값 Vmin을 사용하여, 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압과 다른 셀(4)의 제어용 셀 전압의 차가 판단된다. 즉, 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr＋Vta 이상이고(또는 Vavr＋Vta를 초과하고 있고), 또한 Vmin＋Vtc 이상인(또는 Vmin＋Vtc를 초과하고 있는) 경우에, 셀 #i가 방전된다. 여기서, Vavr은 상술한 목표 셀 전압이고, Vmin은 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 최소값이고, Vta, Vtc는 소정의 판정 임계값 전압이다.
한편, 제어용 셀 전압 Vi가 Vavr－Vtb 이하이고(또는 Vavr－Vtb 미만이고), 또한 Vmax-Vtc 이하인(또는 Vmax-Vtc 미만인) 경우에, 셀 #i가 충전된다. 여기서, Vmax는 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 최대값이고, Vtb, Vtc는 소정의 판정 임계값 전압이다.
상기한 2개의 조건이 모두 만족되지 않는 경우에는, 충전도 방전도 행해지지 않는다.
일 실시 형태에서는, 상기한 판정 임계값 전압 Vtc는 Vta＋Vtb로 설정된다. 도 11a 내지 도 11d는 이 경우의 충방전의 제어의 예를 도시하고 있다. 도 11a는 모든 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb와 전압 Vavr＋Vta 사이의 범위에 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 어떤 셀(4)도 충방전되지 않는다.
도 11b는 특정한 2개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있다. 당해 2개의 셀(4) 중 한쪽의 제어용 셀 전압은 전압 Vmax-Vtc를 하회하고 있고, 전압 Vmax-Vtc를 상회하고 있다. 이 경우, 제어용 셀 전압이 전압 Vmax-Vtc를 하회하고 있는 셀(4)만이 충전된다.
도 11c는 특정한 2개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있다. 당해 2개의 셀(4) 중 한쪽의 제어용 셀 전압은 전압 Vmin＋Vtc를 상회하고 있고, 전압 Vmax＋Vtc를 하회하고 있다. 이 경우, 제어용 셀 전압이 전압 Vmax＋Vtc를 상회하고 있는 셀(4)만이 방전된다.
도 11d는 특정한 1개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하고 있고, 다른 1개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있다. 이 경우, 전압 Vavr＋Vta를 상회하고 있는 제어용 셀 전압은 자동적으로 전압 Vmin＋Vtc를 상회하므로, 제어용 셀 전압이 전압 Vavr＋Vta를 상회하고 있는 당해 셀(4)은 방전된다. 마찬가지로, 전압 Vavr－Vtb를 하회하고 있는 제어용 셀 전압은 자동적으로 전압 Vmax-Vtc를 하회하므로, 제어용 셀 전압이 전압 Vavr－Vtb를 하회하고 있는 당해 셀(4)은 충전된다.
상술한 바와 같이, 제어의 안정을 위해서는, 충방전의 제어에 히스테리시스를 갖게 하는 것이 유효하다. 도 12는 제2 선택 방법에 있어서, 충방전의 제어에 히스테리시스를 부여하기 위한 제어부(3)의 동작의 흐름도를 도시하는 도면이다. 초기 상태에서는, 셀 #1 내지 셀 #n은 모두 충전도 방전도 되어 있지 않은 것으로 한다.
제1 선택 방법과 마찬가지로, 각 셀(4)의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 취득(스텝 S01)과 제어에 사용하는 상수의 결정(스텝 S02)이 행해진다. 제2 선택 방법에서는, 스텝 S02에 있어서, 목표 셀 전압 Vavr, 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 최소값 Vmin 및 최대값 Vmax가 결정된다. 상술한 바와 같이, 목표 셀 전압 Vavr로서는, 셀 #1 내지 #4의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 평균값 또는 중앙값이 사용 가능하다. 또한, 목표 셀 전압 Vavr은 미리 설정된 소정값이나, 외부로부터 부여되는 설정값이라도 좋다.
계속해서, 각 셀(4)의 충전/방전의 개시, 종료가 제어된다(스텝 S13). 셀 #i의 충전/방전의 개시, 종료는 이하와 같이 하여 제어된다.
(1) 셀 #i가, 현재, 충전도 방전도 되어 있지 않은 경우
이 경우, 하기 식 :
[수학식 1a]
Figure 112011019629519-pct00008
[수학식 1a-2]
Figure 112011019629519-pct00009
의 양쪽이 성립하는 경우에 셀 #i의 방전이 개시된다. 한편, 하기 식 :
[수학식 1b]
Figure 112011019629519-pct00010
[수학식 1b-2]
Figure 112011019629519-pct00011
의 양쪽이 성립하는 경우에는 셀 #i의 충전이 개시된다. 여기서, Vhc1은 소정의 히스테리시스 전압이고, 일 실시 형태에서는,
Figure 112011019629519-pct00012
로 정해진다.
(2) 셀 #i가, 현재, 방전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식 :
[식 2]
Figure 112011019629519-pct00013
[식 2-2]
Figure 112011019629519-pct00014
의 적어도 한쪽이 성립하는 경우에 방전이 종료된다. 여기서, Vhc2는 소정의 히스테리시스 전압이다. 수학식 1a, 수학식 1a-2의 히스테리시스 전압 Vha1, Vhc2 및 수학식 2, 수학식 2-2의 히스테리시스 전압 Vha2, Vhc2를, 하기 조건 :
Figure 112011019629519-pct00015
을 만족시키도록 설정함으로써, 방전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 방전의 안정화가 도모된다.
(3) 셀 #i가, 현재, 충전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식 :
[수학식 3]
Figure 112011019629519-pct00016
[수학식 3-2]
Figure 112011019629519-pct00017
가 성립하는 경우에 충전이 종료된다. 수학식 1b, 수학식 1b-2의 히스테리시스 전압 Vhb1, Vhc1 및 수학식 3, 수학식 3-2의 히스테리시스 전압 Vhb2, Vhc2를, 하기 조건 :
Figure 112011019629519-pct00018
Figure 112011019629519-pct00019
을 만족시키도록 설정함으로써, 충전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 방전의 안정화가 도모된다.
상기한 스텝 S01, S02, S13이 적당한 간격으로 반복되어 셀(4)의 충방전 제어가 행해진다. 셀 밸런스 제어의 종료가 지시되면(스텝 S14), 셀 밸런스 제어가 종료되어, 모든 셀(4)의 충전, 방전이 정지된다. 보다 제어의 안정성을 향상시키기 위해서는, 각 셀(4)의 충방전 상태가 변경된 후, 소정 시간(τ) 동안, 각 셀(4)의 충방전 상태의 변경이 금지되어도 좋다.
상기한 수학식 1a-2, 수학식 1b-2, 수학식 2-2, 수학식 3-2에서는, 수학식 1a-2, 수학식 1b-2에 부등호에 등호가 부여되는 한편, 수학식 2-2, 수학식 3-2에는 등호가 부여되어 있지 않지만, 수학식 1a-2, 수학식 1b-2, 수학식 2-2, 수학식 3-2에 있어서 등호의 부가의 유무는 임의로 결정 가능하다.
또한, 충전 및 방전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여될 필요가 없는 경우에는, 상기한 히스테리시스 전압 Vha1, Vha2를 동일값으로(전형적으로는 0으로) 설정하고, 히스테리시스 전압 Vhb1, Vhb2를 동일값으로(전형적으로는 0으로) 설정하고, 또한 히스테리시스 전압 Vhc1, Vhc2를 동일값으로(전형적으로는 0으로) 설정하면 좋다.
방전 전류 및 충전 전류의 제어가 가능한 경우, 각 셀 #i의 충전 전류 및 방전 전류는 제어용 셀 전압 Vi와 목표 셀 전압 Vavr의 차에 응답하여 제어되는 것이 바람직하다. 제2 선택 방법에서는, 예를 들어 셀 #i의 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici는 하기 함수의 함수값으로서 결정되는 것이 바람직하다 :
Figure 112011019629519-pct00020
여기서, Fd(x), Fc(x)는 모두, x에 대해(넓은 의미로) 단조 증가하는 함수이고, min[x, y]은 x, y 중 작은 쪽을 나타내는 함수이다. 함수 Fd, Fc를 사용하여 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici를 산출하는 대신에, 제어용 셀 전압 Vi, 목표 셀 전압 Vavr, 최대 셀 전압 Vmax 및 최소 셀 전압 Vmin과, 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici의 관계를 나타내는 테이블이 준비되어도 좋다.
(제3 선택 방법)
도 13a 내지 도 13d는 충전/방전되는 셀(4)을 선택하기 위한 제3 선택 방법을 도시하는 도면이다. 제3 선택 방법에서는, 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 최대값 Vmax 및 최소값 Vmin과, 각 셀(4)의 제어용 셀 전압 사이의 관계로부터, 충전/방전되는 셀(4)이 선택된다. 제3 선택 방법은, 제1 및 제2 선택 방법과 비교하여 셀 밸런스를 보다 중시한 방법으로, 셀(4)의 전압의 균일성이 높게 되어 있다.
보다 구체적으로는, 제3 선택 방법에서는, 제어용 셀 전압 Vi가 (a1) 전압 Vmin＋Vta 이상이고(또는 전압 Vmin＋Vta를 초과하고 있고), 또한 (a2) Vmax－Vtb 이상인(또는 Vmax－Vtb를 초과하고 있는) 경우에, 셀 #i가 방전된다. 한편, 제어용 셀 전압 Vi가 (b1) 전압 Vmax-Vtb 이하이고(또는 전압 Vmax-Vtb 미만이고), 또한 (b2) 전압 Vmin＋Vta 이하인(또는 Vmin＋Vta 미만인) 경우에, 셀 #i가 충전된다.
도 13a는 모든 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vmax-Vtb를 상회하고, 또한 전압 Vmin＋Vta를 하회하는 경우의 범위에 있는 경우의 충방전 제어의 예를 도시하고 있다. 이 경우, 어떤 셀(4)에 대해서도 충방전은 행해지지 않는다.
도 13b는 소수의 셀(4)[도 13b에서는 2개의 셀(4)]의 제어용 셀 전압이, 현격하게 낮은 경우의 충방전 제어의 예를 도시하고 있다. 상세하게는, 도 13b의 예에서는, 다수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 최대값 Vmax의 근방에 분포되어 있는 한편, 전압 Vmin＋Vta를 초과하고 있다. 또한, 제어용 셀 전압이 낮은 2개의 셀(4) 중 한쪽의 제어용 셀 전압이 전압 Vmax-Vtb를 하회하고, 다른 쪽이 전압 Vmax-Vtb를 상회하고 있다. 이와 같은 경우, 제어용 셀 전압이 전압 Vmin＋Vta를 상회하는 다수의 셀(4)이 방전되고, 제어용 셀 전압이 전압 Vmax-Vtb를 하회하는 1개의 셀(4)이 충전된다.
도 13c는 소수의 셀(4)[도 13c에서는 2개의 셀(4)]의 제어용 셀 전압이, 현격하게 높은 경우의 충방전 제어의 예를 도시하고 있다. 상세하게는, 도 13c의 예에서는, 다수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 최소값 Vmin의 근방에 분포되어 있는 한편, 전압 Vmax-Vtb를 하회하고 있다. 또한, 제어용 셀 전압이 높은 2개의 셀(4) 중 한쪽의 제어용 셀 전압이 전압 Vmin＋Vta를 상회하고, 다른 쪽이 전압 Vmin＋Vta를 하회하고 있다. 이와 같은 경우, 제어용 셀 전압이 전압 Vmax-Vtb를 하회하고 있는 다수의 셀(4)이 충전되고, 제어용 셀 전압이 전압 Vmin＋Vta를 상회하는 1개의 셀(4)이 방전된다.
도 13d는 1개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 높고, 다른 1개의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 낮고, 다른 다수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 그들의 중간인 경우의 충방전 제어의 예를 도시하고 있다. 당해 다수의 셀(4)의 제어용 셀 전압은 전압 Vmin＋Vta와 전압 Vmax-Vtb 사이에 있다. 이와 같은 경우, 제어용 셀 전압이 현격하게 높은 셀(4)이 방전되고, 제어용 셀 전압이 현격하게 낮은 셀(4)이 방전된다 : 제어용 셀 전압이 중간인 셀(4)에 대해서는, 충전도 방전도 행해지지 않는다.
이상의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제3 선택 방법에서는, 도 14a에 도시되어 있는 바와 같이, 소수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 높은 경우, 당해 소수의 셀(4)이 방전되는 동시에, 다른 다수의 셀(4)이 충전되어 셀 밸런스가 취해진다. 마찬가지로, 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이, 소수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 낮은 경우, 당해 소수의 셀(4)이 충전되는 동시에, 다른 다수의 셀(4)이 방전되어 셀 밸런스가 취해진다. 이와 같은 제어에서는, 다수의 셀(4)이 충방전되게 되지만, 한편, 셀(4) 사이의 전압의 균일성은 향상된다. 또한, 도 14c에 도시되어 있는 바와 같이, 소수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 높고, 또한 소수의 셀(4)의 제어용 셀 전압이 현격하게 낮은 경우, 제어용 셀 전압이 높은 당해 소수의 셀(4)이 방전되는 동시에 제어용 셀 전압이 낮은 당해 소수의 셀(4)이 충전된다. 이 경우에는, 적은 수의 셀(4)의 충방전에 의해 셀 밸런스가 취해지는 동시에, 셀(4) 사이의 전압의 균일성도 향상된다.
상술한 바와 같이, 제어의 안정을 위해서는, 충방전의 제어에 히스테리시스를 갖게 하는 것이 유효하다. 도 15는 제3 선택 방법에 있어서, 충방전의 제어에 히스테리시스를 부여하기 위한 제어부(3)의 동작의 흐름도를 도시하는 도면이다. 초기 상태에서는, 셀 #1 내지 셀 #n은 모두 충전도 방전도 되어 있지 않은 것으로 한다.
제1 및 제2 선택 방법과 마찬가지로, 각 셀(4)의 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 취득(스텝 S01)과 제어에 사용하는 상수의 결정(스텝 S02)이 행해진다. 제3 선택 방법에서는, 스텝 S02에 있어서, 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn의 최소값 Vmin 및 최대값 Vmax가 결정된다.
계속해서, 각 셀(4)의 충전/방전의 개시, 종료가 제어된다(스텝 S23). 셀 #i의 충전/방전의 개시, 종료는 이하와 같이 하여 제어된다.
(1) 셀 #i가, 현재, 충전도 방전도 되어 있지 않은 경우
이 경우, 하기 식
[수학식 11a-1]
Figure 112011019629519-pct00021
[수학식 11a-2]
Figure 112011019629519-pct00022
의 양쪽이 성립하는 경우에 셀 #i의 방전이 개시된다. 한편, 하기 식:
[수학식 11b-1]
Figure 112011019629519-pct00023
[수학식 11b-2]
Figure 112011019629519-pct00024
의 양쪽이 성립하는 경우에는 셀 #i의 충전이 개시된다. 여기서, Vha1, Vhb1은 소정의 히스테리시스 전압이다.
(2) 셀 #i가, 현재, 방전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식
[수학식 12-1]
Figure 112011019629519-pct00025
[수학식 12-2]
Figure 112011019629519-pct00026
의 적어도 한쪽이 성립하는 경우에 방전이 종료된다. 여기서, Vha2는 소정의 히스테리시스 전압이다. 히스테리시스 전압 Vha1, Vha2를, 하기 조건 :
Figure 112011019629519-pct00027
을 만족시키도록 설정함으로써, 방전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 방전의 안정화가 도모된다.
(3) 셀 #i가, 현재, 충전되어 있는 경우
이 경우, 하기 식
[수학식 13-1]
Figure 112011019629519-pct00028
[수학식 13-2]
Figure 112011019629519-pct00029
의 적어도 한쪽이 성립하는 경우에 충전이 종료된다. 여기서, Vhb2는 소정의 히스테리시스 전압이다. 히스테리시스 전압 Vhb1, Vhb2를, 하기 조건:
Figure 112011019629519-pct00030
을 만족시키도록 설정함으로써, 충전의 개시와 종료에 히스테리시스가 부여되어, 충전의 안정화가 도모된다.
상기한 스텝 S01, S02, S23이 적당한 간격으로 반복되어 셀(4)의 충방전 제어가 행해진다. 셀 밸런스 제어의 종료가 지시되면(스텝 S04), 셀 밸런스 제어가 종료되어, 모든 셀(4)의 충전, 방전이 정지된다. 보다 제어의 안정성을 향상시키기 위해서는, 각 셀(4)의 충방전 상태가 변경된 후, 소정 시간(τ) 동안, 각 셀(4)의 충방전 상태의 변경이 금지되어도 좋다.
방전 전류 및 충전 전류의 제어가 가능한 경우, 각 셀 #i의 충전 전류 및 방전 전류는, 제어용 셀 전압 Vi와 목표 셀 전압 Vavr의 차에 응답하여 제어되는 것이 바람직하다. 제2 선택 방법에서는, 예를 들어 셀 #i의 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici는 하기 함수의 함수값으로서 결정되는 것이 바람직하다 :
Figure 112011019629519-pct00031
여기서, Fd(x), Fc(x)는 모두, x에 대해(넓은 의미로) 단조 증가하는 함수이고, min[x, y]은 x, y 중 작은 쪽을 나타내는 함수이다. 함수Fd, Fc를 사용하여 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici를 산출하는 대신에, 제어용 셀 전압 Vi, 최대 셀 전압 Vmax 및 최소 셀 전압 Vmin과, 방전 전류 Idi 및 충전 전류 Ici의 관계를 나타내는 테이블이 준비되어도 좋다.
(제4 선택 방법)
도 16a 내지 도 16d는 충전/방전되는 셀(4)을 선택하기 위한 제4 선택 방법을 도시하는 도면이다. 제4 선택 방법에서는, 제어용 셀 전압이 당해 전압 범위에 속하는 셀(4)의 수가 최대로 되는 특정 폭의 전압 범위가 탐색된다. 당해 전압 범위의 하한값보다도 제어용 셀 전압이 낮은 셀(4)이 충전되는 동시에, 당해 전압 범위의 상한값보다도 제어용 셀 전압이 높은 셀(4)이 방전된다.
보다 구체적으로는, 전압 Vpara와 전압 Vpara＋Vtc 사이의 전압 범위(이하, 「전압 범위 Vtc」라고 함)에 제어용 셀 전압이 들어 있는 셀(4)의 수가 가장 많아지는 전압 Vpara의 값이 탐색되어 결정된다. 여기서, Vtc는 전압 범위 Vtc의 폭의 넓이를 나타내는 소정의 상수이다. 제어용 셀 전압이 전압 Vpara 이하인(또는 전압 Vpara 미만인) 셀(4)이 충전되어, 제어용 셀 전압이 전압 Vpara＋Vtc 이상인(또는 전압 Vpara＋Vtc를 초과하고 있는) 셀(4)이 방전된다. 제어용 셀 전압이 전압 Vpara 이상이고(또는 전압 Vpara를 초과하고 있고), 전압 Vpara＋Vtc 이하인(또는 전압 Vpara＋Vtc 미만인) 셀(4)에 대해서는, 충전도 방전도 행해지지 않는다.
도 16a 내지 도 16d는 제4 선택 방법에 있어서의 충방전의 제어의 예를 도시하고 있다. 도 16a는 모든 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vpara와 전압 Vpara＋Vtc 사이의 범위에 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는, 어떤 셀(4)도 충방전되지 않는다. 도 16b는 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vpara를 하회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 당해 특정한 셀(4)이 충전된다. 도 16c는 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vpara＋Vtc를 상회하고 있는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는, 당해 특정한 셀(4)이 방전된다. 도 16d는 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vpara＋Vtc를 상회하고, 특정한 셀(4)의 제어용 셀 전압이 전압 Vpara를 하회하는 경우의 충방전 제어를 도시하고 있고, 이 경우에는 제어용 셀 전압이 전압 Vpara＋Vtc를 상회하는 셀(4)이 방전되고, 제어용 셀 전압이 압Vpara를 하회하는 셀(4)이 충전된다.
이상에 서술된 선택 방법은, 제1 실시 형태의 구성(도 3a, 도 3b)에서는, 제어부(3)에 의한 충전 지령 및 방전 지령의 생성에 사용된다. 상술한 제1 내지 제4 선택 방법 중 어느 하나에 의해 충전/방전되는 셀(4)이 선택되면, 그 선택에 대응한 충전 지령 및 방전 지령이 제어부(3)에 의해 생성되어 조전지(1)에 공급된다.
한편, 제2 내지 제5 실시 형태에서는, 이상에 서술된 선택 방법은 제어부(3)의 셀 밸런스 제어부(8)에 의한 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령의 생성에 사용된다. 상술한 제1 내지 제4 선택 방법 중 어느 하나에 의해 충전/방전되는 셀(4)이 선택되면, 셀 밸런스 제어부(8)는 그 선택에 대응한 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령을 생성하여 셀 선택부(9)에 공급한다. 셀 선택부(9)는 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령에 의해 지정된 셀(4) 중으로부터 실제로 충전 또는 방전하는 셀(4)을 결정한다.
3. 셀 선택부의 로직
상술한 제2 내지 제5 실시 형태의 구성에서는 충전부(5) 및/또는 방전부(6)의 수가 셀(4)의 수보다 적으므로, 상술한 선택 방법에 의해 생성된 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령에 의해 지정된 수의 셀(4)을 동시에 충전 또는 방전할 수 없는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 어떤 로직에 의해 실제로 충전 또는 방전되는 셀(4)을 선출해야만 한다. 이하에서는, 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령에 의해 충방전이 권장된 셀(4)로부터 실제로 충전 또는 방전되는 셀(4)을 선출하는 로직에 대해 설명한다.
하나의 방법은, 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령에 의해 충방전이 권장된 셀(4)에 대해 어떤 파라미터에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 그 우선 순위에 기초하여 실제로 충방전하는 셀(4)을 선출하는 방법이다. 이하에서는, 우선 순위에 기초하여 실제로 충방전하는 셀(4)을 선출하는 로직에 대해 설명한다.
(1) 방전부(6)의 수가 부족한 경우(제3 및 제4 실시 형태)
제3 및 제4 실시 형태(도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b)에서는 방전부(6)의 수가 셀(4)의 수보다 적다. 방전 권장 지령에 의해 방전이 권장된 셀(4)의 개수가 α개이고, 방전부(6)의 수가 β(α＞β)개인 경우, 방전이 권장된 α개의 셀(4)에 대해 우선 순위가 정해져, 당해 α개의 셀(4) 중 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 방전되는 셀(4)로서 선출된다.
일 실시 형태에서는, 도 17a에 도시되어 있는 바와 같이, 셀 전압 허용 상한값 VHL과 방전이 권장된 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi(＝VHL－Vi)에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 여기서, 셀 전압 허용 상한값 VHL이라 함은, 미리 셀 선택부(9)에 설정되는 값으로, 허용되는 셀 전압의 상한값이다. 차 ΔVi가 작을수록 셀 #i의 방전에 높은 우선 순위가 부여된다. 차 ΔVi(＝VHL－Vi)는 통상 양의 값을 취하기 때문에, 상기한 결정 방법에서는, 제어용 셀 전압 Vi가 높을수록 높은 우선 순위가 부여되게 된다. 제어용 셀 전압 Vi가 셀 전압 허용 상한값 VHL에 가까울수록 높은 우선 순위가 부여되는 것은, 당해 셀(4)의 과충전을 방지하기 위해 유효하다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이, 실제로 방전되는 셀(4)로서 선출된다.
다른 실시 형태에서는 방전 권장 지령에 의해 방전이 권장되기 시작한 시각(권장 시각)에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 권장 시각이 오래될수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋고, 권장 시각이 최근일수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋다.
또 다른 실시 형태에서는, 방전 전류 권장 지령에 지정된 방전 전류의 크기에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 방전 전류가 클수록, 높은 우선 순위가 부여된다. 방전부(6)가 가변 저항을 사용하여 방전하는 경우에는, 대신에, 가변 저항의 크기에 기초하여 우선 순위가 결정되어도 좋다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 열화도[셀(4)은, 일반적으로, 사용력이 길수록 열화됨]에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 열화도에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 방전되는 셀(4)로서 선출된다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 용량에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 용량에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 방전되는 셀(4)로서 선출된다.
(2) 충전부(5)의 수가 부족한 경우(제3 및 제5 실시 형태)
제3 및 제5 실시 형태(도 5a, 도 5b, 도 7a, 도 7b)에서는 충전부(5)의 수가 셀(4)의 수보다 적다. 충전 권장 지령에 의해 충전이 권장된 셀(4)의 개수가 α개이고, 충전부(5)의 수가 β(α＞β)개인 경우, 충전이 권장된 α개의 셀(4)에 대해 우선 순위가 정해져, 당해 α개의 셀(4) 중 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다.
일 실시 형태에서는, 도 17b에 도시되어 있는 바와 같이 셀 전압 허용 하한값 VLL과 충전이 권장된 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi(＝Vi－VLL)에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 여기서, 셀 전압 허용 하한값 VLL이라 함은, 미리 셀 선택부(9)에 설정되는 값으로, 허용되는 셀 전압의 하한값이다. 충전이 권장된 셀(4)에는 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다. 차 ΔVi(＝Vi－VLL)는 통상 양의 값을 취하기 때문에, 상기한 결정 방법에서는, 제어용 셀 전압 Vi가 낮을수록 높은 우선 순위가 부여되게 된다. 제어용 셀 전압이 셀 전압 허용 하한값에 가까울수록 높은 우선 순위가 부여되는 것은 당해 셀(4)의 과방전을 방지하기 위해 유효하다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다.
다른 실시 형태에서는 충전 권장 지령에 의해 충전이 권장되기 시작한 시각(권장 시각)에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 권장 시각이 오래될수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋고, 권장 시각이 최근일수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋다.
또 다른 실시 형태에서는, 충전 전류 권장 지령에 지정된 충전 전류의 크기에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 충전 전류가 클수록 높은 우선 순위가 부여된다. 충전 전류 대신에, 충전 전압의 크기에 기초하여 우선 순위가 결정되어도 좋다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 열화도[셀(4)은, 일반적으로, 사용력이 길수록 열화됨]에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 열화도에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 용량에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 용량에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다.
(3) 충전부(5)와 방전부(6)의 쌍의 수가 부족한 경우(제2 실시 형태)
제2 실시 형태(도 4a, 도 4b)에서는 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 셀(4)의 수보다 적으므로, 충전 및 방전을 독립하여 행할 수 없다. 충전 권장 지령에 의해 충전이 권장된 셀(4)의 개수와, 방전 권장 지령에 의해 방전이 권장된 셀(4)의 개수의 합이 α개이고, 충전부(5)와 방전부(6)의 수의 수가 β(α＞β)개인 경우, 충전 또는 방전이 권장된 α개의 셀(4)에 대해 우선 순위가 정해져, 당해 α개의 셀(4) 중 우선 순위가 높은 β개의 셀(4)이 실제로 충전 또는 방전되는 셀(4)로서 선출된다.
일 실시 형태에서는, 도 17c에 도시되어 있는 바와 같이 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는 셀 전압 허용 상한값 VHL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi(＝VHL－Vi)가 산출되고, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는 셀 전압 허용 하한값 VLL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi(＝Vi－VLL)가 산출되어, 산출된 차 ΔVi의 크기(절대치)에 기초하여 우선 순위가 결정된다.
하나의 방법으로서는, 셀(4)의 각각에 대해 산출된 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다. 상술한 바와 같이, 차 ΔVi는 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는 차 VHL－Vi로서 정의되고, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는 차 Vi－VLL로서 정의되는 것에 유의해야 한다.
다른 방법으로서는, 충전보다도 방전을 우선시키는 운용이 이루어질 수 있다(방전 우선 운용). 상세하게는, 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는 우선적으로 높은 우선 순위가 부여되고, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는, 방전이 권장된 셀(4) 중 가장 우선 순위가 낮은 셀(4)보다도 낮은 우선 순위가 부여된다. 방전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 상한값 VHL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다. 마찬가지로, 충전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 하한값 VLL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다.
또 다른 방법으로서, 방전보다도 충전을 우선시키는 운용이 이루어질 수 있다(충전 우선 운용). 상세하게는, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는 우선적으로 높은 우선 순위가 부여되고, 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는, 충전이 권장된 셀(4) 중 가장 우선 순위가 낮은 셀(4)보다도 낮은 우선 순위가 부여된다. 충전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 하한값 VLL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다. 마찬가지로, 방전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 상한값 VHL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다.
또 다른 방법으로서, 충전과 방전을 교대로 행하는 운용이 이루어질 수 있다(충방전 교대 운용). 충전이 권장된 셀(4)과 방전이 권장된 셀(4)에서 교대로 높은 우선 순위가 부여된다. 예를 들어, 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는 홀수번째의 우선 순위가 부여되고, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는 짝수번째의 우선 순위가 부여된다. 그 대신에, 방전이 권장된 셀(4)에 대해서는 짝수번째의 우선 순위가 부여되고, 충전이 권장된 셀(4)에 대해서는 홀수번째의 우선 순위가 부여되어도 좋다. 방전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 상한값 VHL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다. 마찬가지로, 충전이 권장된 셀(4) 중에서는 셀 전압 허용 하한값 VLL과 당해 셀(4)의 제어용 셀 전압 Vi의 차 ΔVi가 작을수록 높은 우선 순위가 부여된다.
또 다른 방법으로서, 충전과 방전 중 어느 것을 우선시킬지를, 충전이 권장된 셀(4)의 수와 방전이 권장된 셀(4)의 수에 기초하여 결정해도 좋다(소수 셀 우선 운용). 충전이 권장된 셀(4)의 수가, 방전이 권장된 셀(4)의 수보다도 적은 경우, 상술한 충전 우선 운용이 이루어진다. 한편, 방전이 권장된 셀(4)의 수가, 충전이 권장된 셀(4)의 수보다도 적은 경우, 상술한 방전 우선 운용이 이루어진다.
다른 실시 형태에서는, 충전 권장 지령 및 방전 권장 지령에 의해 충전이 권장되기 시작한 시각(권장 시각)에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 권장 시각이 오래될수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋고, 권장 시각이 최근일수록 높은 우선 순위가 부여되어도 좋다. 또한, 권장 시각에 기초하여 우선 순위가 결정되는 경우에도, 차 ΔVi에 기초하는 제어와 마찬가지로, 방전 우선 운용, 충전 우선 운용, 교대 운용, 소수 셀 우선 운용이 적용될 수 있다.
또 다른 실시 형태에서는, 충전 전류 권장 지령에 지정된 충전 전류, 또는 방전 전류 권장 지령에 지정된 방전 전류의 크기에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 하나의 방법으로서는, 충전 전류 또는 방전 전류가 클수록 높은 우선 순위가 부여된다. 충전 전류 또는 방전 전류에 기초하여 우선 순위가 결정되는 경우에도, 차 ΔVi에 기초하는 제어와 마찬가지로, 방전 우선 운용, 충전 우선 운용, 교대 운용, 소수 셀 우선 운용이 적용될 수 있다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 열화도에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 열화도에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 하나의 방법으로서는, 높은 우선 순위가 부여된 β개의 셀(4)이, 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다. 또한, 열화도에 기초하여 우선 순위가 결정되는 경우에도, 차 ΔVi에 기초하는 제어와 마찬가지로, 방전 우선 운용, 충전 우선 운용, 교대 운용, 소수 셀 우선 운용이 적용될 수 있다.
또 다른 실시 형태에서는, 각 셀(4)의 용량에 기초하여 우선 순위가 결정된다. 각 셀(4)의 용량에 따른 우선 순위가, 미리 셀 선택부(9)에 설정된다. 하나의 방법으로서는, 높은 우선 순위가 부여된 β개의 셀(4)이, 실제로 충전되는 셀(4)로서 선출된다. 또한, 각 셀(4)의 용량에 기초하여 우선 순위가 결정되는 경우에도, 차 ΔVi에 기초하는 제어와 마찬가지로, 방전 우선 운용, 충전 우선 운용, 교대 운용, 소수 셀 우선 운용이 적용될 수 있다.
실제로 충전 또는 방전하는 셀(4)을 선출하는 또 다른 방법은, 충전 또는 방전이 권장된 셀(4)에 대해 충전부(5) 및 방전부(6)에 의한 충방전을 시분할적으로 행하는 것이다. 이 경우에는, 우선 순위는 결정되지 않는다. 예를 들어, 제3 및 제4 실시 형태에 있어서 방전부(6)의 수가 부족한 경우, 방전이 권장된 셀(4)이 스위치 SWd1 내지 SWdn에 의해 순차적으로 방전부(6)에 접속되어, 방전부(6)에 의해 시분할적으로 순차적으로 방전된다. 또한, 제3 및 제5 실시 형태에 있어서 충전부(5)의 수가 부족한 경우, 충전이 권장된 셀(4)이 스위치 SWc1 내지 SWcn에 의해 순차적으로 충전부(5)에 접속되어, 충전부(5)에 의해 시분할적으로 순차적으로 방전된다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서 충전부(5) 및 방전부(6)의 수가 부족한 경우, 충전이 권장된 셀(4) 및 방전이 권장된 셀(4)이, 스위치(SW1 내지 SWn)에 의해 병렬 접속된 충전부(5) 및 방전부(6)에 접속되고, 충전부(5) 또는 방전부(6)에 의해 시분할적으로 순차적으로 충전 또는 방전된다.
4. 제어용 셀 전압의 계산
상술한 바와 같이, 셀 전압 계산부(2)는 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm으로부터 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn을 산출하는 연산 처리를 행하는 기능을 갖고 있다. 셀 전압 계산부(2)에서 행해지는 연산 처리의 하나의 목적은 계측 노이즈의 영향의 제거이다. 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm에 계측 노이즈가 많이 포함되는 경우, 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm에 따라서 각 셀(4)의 충방전을 제어하면, 부적절한 제어가 행해지는 경우가 있다. 필터링 처리는 계측 노이즈의 영향을 억제 가능하게 한다.
셀 전압 계산부(2)에서 행해지는 연산 처리의 다른 목적은 각 셀(4)의 내부 저항과 충방전 전류에 의한 셀 전압 변동의 영향의 제거이다. 각 셀(4)의 충방전은, 본래적으로는 충방전 전류가 흐르지 않는 경우의 셀 전압(즉, 개방 전압)에 따라서 제어되는 것이 적합하다. 그러나, 충방전 전류가 흐르면, 각 셀(4)의 내부 저항의 영향에 의해, 개방 전압과는 다른 전압이 각 셀(4)로부터 출력된다. 예를 들어, 어떤 셀(4)에 대해 충전이 행해지는 경우, 당해 셀(4)의 출력 전압 VOUT는 하기 식으로 나타낸다 :
Figure 112011019629519-pct00032
여기서, Vo는 당해 셀(4)의 개방 전압이고, Im은 당해 셀(4)에 유입되는 충전 전류이고, r은 당해 셀(4)의 내부 저항이다. 이 식을 변형하면, 하기 식이 얻어진다 :
Figure 112011019629519-pct00033
이 식에 기초하는 연산 처리에 의해 개방 전압을 구하고, 개방 전압을 제어용 셀 전압 V1 내지 Vn으로서 사용하면, 보다 적절한 충방전 제어를 실현할 수 있다.
셀 전압 계산부(2)의 연산 처리는 상기한 2개의 목적 중 적어도 한쪽을 만족시키도록 행해진다. 도 18은 셀 전압 계산부(2)의 구성의 일례를 도시하고 있다. 도 18의 구성에서는, 셀 전압 계산부(2)는 계측 셀 전압 V1m 내지 Vnm에 대해 필터링 처리를 행하는 필터(14)를 구비하고 있다. 필터(14)로 행해지는 필터링 처리로서는, 예를 들어 1차 지연 필터에 의한 필터링, 이동 평균의 산출, 로우 패스 필터에 의한 필터링이 예시된다. 이와 같은 필터링은 계측 노이즈의 영향을 억제하여 보다 양호한 충방전 제어를 실현한다.
도 19는 셀 전압 계산부(2)의 구성의 다른 예를 도시하고 있다. 도 19의 구성에서는 각 셀(4)의 개방 전압을 추정하여, 추정된 개방 전압이, 제어용 셀 전압 Vi로서 출력된다. 상세하게는, 셀 전압 계산부(2)는 룩업 테이블(11)과, 승산기(12)와, 감산기(13)와, 필터(14)를 구비하고 있다. 룩업 테이블(11)에는 셀(4)의 온도를 파라미터로 하여, 셀(4)의 충전율과 내부 저항 Ro의 관계가 기술되어 있다. 셀 전압 계산부(2)에는 각 셀(4)의 충전율 SOCi, 셀 온도의 계측값(계측 셀 온도) THim, 조전지(1)를 흐르는 전류의 계측값(계측 조전지 전류) Im 및 계측 셀 전압 Vim이 부여된다. 충전율 SOCi, 계측 셀 온도 THim, 계측 조전지 전류 Im, 계측 셀 전압 Vim이 부여되면, 셀 #i의 충전율 SOCi 및 계측 셀 온도 THim으로부터 셀 #i의 추정 내부 저항 Roi가 산출된다. 추정 내부 저항 Roi의 산출에는 룩업 테이블(11)이 사용된다. 또한, 추정 내부 저항 Roi와 계측 조전지 전류 Im이 승산기(12)에 의해 승산되어 전류 변동분 ΔVi(＝Im × Roi)가 산출된다. 또한, 계측 셀 전압 Vim으로부터 전류 변동분 ΔVi가 감산기(13)에 의해 감해져 셀 #i의 추정 셀 개방 전압 Voi가 산출된다. 추정 셀 개방 전압 Voi에 대해 필터(14)에 의해 필터링 처리가 행해지고, 이에 의해 셀 #i의 제어용 셀 전압 Vi가 산출된다.
이와 같이 하여 산출된 제어용 셀 전압 Vi를 충방전 제어에 사용함으로써, 계측 노이즈의 영향 및 내부 저항과 충방전 전류에 의한 전압 변동의 영향을 억제하여 충방전 제어를 행할 수 있다.
도 20은 셀 전압 계산부(2)의 구성의 또 다른 예를 도시하고 있다. 도 20의 구성에서도, 도 19의 구성과 마찬가지로 각 셀(4)의 개방 전압이 추정된다. 상세하게는, 셀 전압 계산부(2)는 셀(4)의 온도를 파라미터로 하면서 셀(4)의 충전율과 내부 저항 Ro의 관계를 기술하는 룩업 테이블(15)과, 필터(14)를 구비하고 있다. 셀 전압 계산부(2)에는 각 셀(4)의 충전율 SOCi와 계측 셀 온도 THim이 부여된다. 충전율 SOCi와 계측 셀 온도 THim이 부여되면, 룩업 테이블(15)을 사용하여 셀 #i의 충전율 SOCi 및 계측 셀 온도 THim으로부터 추정 셀 개방 전압 Voi가 산출된다. 또한, 추정 셀 개방 전압 Voi에 대해 필터(14)에 의해 필터링 처리가 행해지고, 이에 의해 셀 #i의 제어용 셀 전압 Vi가 산출된다.
이와 같이 하여 산출된 제어용 셀 전압 Vi를 충방전 제어에 사용함으로써, 계측 노이즈의 영향 및 내부 저항과 충방전 전류에 의한 전압 변동의 영향을 억제하여 충방전 제어를 행할 수 있다.
도 21은 셀 전압 계산부(2)의 구성의 또 다른 예를 도시하고 있다. 도 21에서는, 장래에 있어서의 각 셀(4)의 개방 전압이 예상되고, 예상되는 개방 전압 Voi(t)로부터 제어용 셀 전압 Vi가 산출된다. 상세하게는, 셀 전압 계산부(2)는 충전율 예상부(16)와, 룩업 테이블(17)과, 계산 결과 처리부(18)를 구비하고 있다.
충전율 예상부(16)는 셀 감시부(7)의 계측에 의해 얻어진 각 셀(4)의 충전율(계측 충전율) SOCim과, 장래에 있어서의 전지 전류 계획값 I(t)(t＝0 내지 L)와, 각 셀(4)의 셀 용량 Ahi로부터, 장래에 있어서의 충전율의 예상값인 장래 예상 충전율 SOCi(t)를 산출한다. 여기서, 전지 전류 계획값 I(t)는, 금후, 조전지(1)에 입출력되는 것이 계획되어 있는(혹은, 예측되어 있는) 전류값이고, 2차 전지 제어 시스템(10)의 외부로부터 부여된다. 또한, 시각 t＝0은 현재 시각을 나타내고 있고, 시각 t＝L은 특정한 장래 시각을 나타내고 있다. 상세하게는, 충전부 예상부(16)는 하기 식 :
Figure 112011019629519-pct00034
에 의해 장래 예상 충전율 SOCi(t)를 산출한다.
룩업 테이블(17)에는 계측 셀 온도 THim을 파라미터로 하면서 셀(4)의 충전율과 개방 전압의 관계가 기술되어 있다. 룩업 테이블(17)은 충전율 예상부(16)에 의해 산출된 장래 예상 충전율 SOCi(t)과 계측 셀 온도 THim으로부터 장래에 있어서의 셀 #i의 개방 전압의 예상값인 장래 예상 셀 전압 Voi(t)를 산출하기 위해 사용된다.
계산 결과 처리부(18)는 룩업 테이블(17)을 사용하여 산출된 장래 예상 셀 전압 Voi(t)로부터 소정의 연산 처리에 의해 제어용 셀 전압 Vi를 산출한다. 일 실시 형태에서는, 계산 결과 처리부(18)는 장래 예상 셀 전압 Voi(t)의 시각 t＝0으로부터 시각 t＝L까지의 평균값을 제어용 셀 전압 Vi로서 산출한다. 다른 실시 형태에서는, 계산 결과 처리부(18)는 장래 예상 셀 전압 Voi(t)의 최종값 Voi(L)를 제어용 셀 전압 Vi로서 산출한다. 계산 결과 처리부(18)에 있어서 계측 노이즈의 저감을 위한 필터링 처리를 행하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 제어용 셀 전압 Vi의 산출에 있어서, 각 셀(4)의 셀 온도를 계측할 수 없는 경우에는, 조전지(1)의 온도 등, 각 셀(4)의 셀 온도에 대응하는 파라미터가 사용되어도 좋다. 또한, 2차 전지 제어 시스템(10)의 환경 온도가 개략 일정한 경우에는, 각 셀(4)의 계측 셀 온도 THim에 의존하지 않고 제어용 셀 전압 Vi가 산출되어도 좋다.
또한, 셀 전압 계산부(2)에 있어서의 제어용 셀 전압 Vi의 계산은 하드웨어에 의해 행해져도 좋고, 소프트웨어에 의해 행해져도 좋고, 또한 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 행해져도 좋다.

Claims (23)

  1. 복수의 셀과,
    상기 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 충전하기 위한 충전 회로부와,
    상기 복수의 셀 중으로부터 선택된 셀을 방전하기 위한 방전 회로부와,
    상기 복수의 셀의 각각에 대해, 상기 복수의 셀의 셀 전압에 응답하여 제어용 셀 전압을 산출하거나, 또는 상기 셀 전압을 그대로 상기 제어용 셀 전압으로 하여 결정하는 셀 전압 산출 회로부와,
    상기 제어용 셀 전압에 응답하여, 상기 복수의 셀 중으로부터 충전해야 하는 셀과 방전해야 하는 셀의 선택을 행하는 제어 회로부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 목표 셀 전압을 결정하여, 상기 목표 셀 전압을 사용하여 정의되는 제1 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 방전해야 하는 셀을 선택하고, 상기 목표 셀 전압을 사용하여 정의되는 제2 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 충전해야 하는 셀을 선택하고,
    상기 제어 회로부에 의한 상기 방전해야 하는 셀의 선택은 상기 제1 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 추가하여, 상기 제어용 셀 전압 중 최소값을 사용하여 정의되는 제3 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 행해지고,
    상기 제어 회로부에 의한 상기 충전해야 하는 셀의 선택은 상기 제2 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 추가하여, 상기 제어용 셀 전압 중 최대값을 사용하여 정의되는 제4 임계값과 상기 제어용 셀 전압의 비교 결과에 기초하여 행해지는, 2차 전지 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀과 동수이고, 상기 복수의 셀에 각각에 접속되어 상기 복수의 셀을 충전하는 복수의 충전부를 구비하는, 2차 전지 제어 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀과 동수이고, 상기 복수의 셀에 각각에 접속되어 상기 복수의 셀을 방전하는 복수의 방전부를 구비하는, 2차 전지 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    상기 방전 회로부는 상기 충전부와 동수이고, 상기 충전부에 각각에 병렬로 접속된 방전부를 구비하고,
    당해 2차 전지 제어 시스템은 상기 복수의 셀과, 상기 충전부 및 상기 방전부 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 스위치를 더 구비하고 있는, 2차 전지 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    당해 2차 전지 제어 시스템은 상기 충전부와 상기 복수의 셀 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 충전측 스위치를 더 구비하고,
    상기 충전부는 상기 복수의 셀 중 상기 충전측 스위치에 의해 접속된 셀을 충전하는, 2차 전지 제어 시스템.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    당해 2차 전지 제어 시스템은 상기 방전부와 상기 복수의 셀 사이의 접속 관계를 전환하기 위한 방전측 스위치를 더 구비하고,
    상기 방전부는 상기 복수의 셀 중 상기 방전측 스위치에 의해 접속된 셀을 방전하는, 2차 전지 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 목표 셀 전압은 상기 복수의 셀의 상기 제어용 셀 전압의 평균값 또는 중앙값으로서 결정되는, 2차 전지 제어 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀과 동수이고, 상기 복수의 셀에 각각에 접속되어 상기 복수의 셀을 방전하는 복수의 방전부를 구비하고,
    상기 방전해야 하는 셀이 상기 복수의 방전부에 의해 실제로 방전되는 셀로 되는, 2차 전지 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀과 동수이고, 상기 복수의 셀에 각각에 접속되어 상기 복수의 셀을 충전하는 복수의 충전부를 구비하고,
    상기 충전해야 하는 셀이 상기 복수의 충전부에 의해 실제로 방전되는 셀로 되는, 2차 전지 제어 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 제어용 셀 전압에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 상기 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 방전해야 한다고 권장되기 시작한 권장 시각에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 상기 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 방전해야 하는 셀에 대해 결정된 방전 전류 또는 상기 방전부에 포함되는 가변 저항의 저항값에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 상기 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 복수의 셀의 열화도에 기초하여 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 복수의 셀의 용량에 기초하여 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 충전부의 수보다도 많은 경우, 상기 제어용 셀 전압, 상기 방전해야 한다고 권장되기 시작한 권장 시각, 상기 충전해야 하는 셀에 대해 결정된 충전 전류 또는 충전 전압, 상기 복수의 셀의 열화도, 또는 상기 복수의 셀의 용량에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    상기 방전 회로부는 상기 충전부와 동수이고, 상기 충전부에 각각에 병렬로 접속되어 상기 충전부와 쌍을 이루는 방전부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는 상기 충전해야 하는 셀 및 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수의 합이 상기 충전부 및 상기 방전부의 쌍의 수보다도 많은 경우, 상기 제어용 셀 전압, 상기 방전해야 한다고 권장되기 시작한 권장 시각, 상기 충전해야 하는 셀에 대해 결정된 충전 전류 또는 충전 전압, 상기 복수의 셀의 열화도, 또는 상기 복수의 셀의 용량에 기초하여 우선 순위를 결정하고, 결정된 우선 순위에 따라서 실제로 충전 또는 방전되는 셀을 선정하는, 2차 전지 제어 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 방전부를 구비하고,
    상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 방전부의 수보다도 많은 경우, 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 상기 방전부에 의해 방전되는, 2차 전지 제어 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    상기 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수가 상기 충전부의 수보다도 많은 경우, 상기 충전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 상기 충전부에 의해 충전되는, 2차 전지 제어 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로부는 상기 복수의 셀보다도 적은 수의 충전부를 구비하고,
    상기 방전 회로부는 상기 충전부와 동수이고, 상기 충전부에 각각에 병렬로 접속되어 상기 충전부와 쌍을 이루는 방전부를 구비하고,
    상기 충전해야 하는 셀 및 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀의 수의 합이 상기 충전부 및 상기 방전부의 쌍의 수보다도 많은 경우, 상기 충전해야 하는 셀 또는 상기 방전해야 하는 셀로서 선택된 셀은 시분할적으로 상기 충전부 또는 상기 방전부에 의해 충전 또는 방전되는, 2차 전지 제어 시스템.
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