WO2023162069A1 - 電池パックの外付けバランシング装置 - Google Patents

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WO2023162069A1
WO2023162069A1 PCT/JP2022/007505 JP2022007505W WO2023162069A1 WO 2023162069 A1 WO2023162069 A1 WO 2023162069A1 JP 2022007505 W JP2022007505 W JP 2022007505W WO 2023162069 A1 WO2023162069 A1 WO 2023162069A1
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cell
charger
cells
balancing device
voltage
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PCT/JP2022/007505
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English (en)
French (fr)
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健士 井上
雅浩 米元
耕平 本蔵
伸也 堀越
茂樹 平澤
宏明 小西
誠仁 望月
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to an external balancing device for battery packs.
  • a lithium-ion battery pack configured by connecting lithium-ion batteries in series is known as a power source for electric vehicles.
  • Each of the multiple batteries (cells) built into the lithium-ion battery pack is fully charged, and when the charging rate of all the cells reaches 100%, the energy possessed by the battery pack is maximum. This state is the state in which the cells are balanced.
  • a cell controller integrated circuit pre-installed in the battery pack discharges cells with high voltages to obtain a uniform voltage. This operation of equalizing the cell voltages in the battery pack is called "balancing.”
  • batteries such as lithium iron phosphate batteries (hereinafter referred to as "LFP") are difficult to balance because the electromotive force of the battery with respect to the charging rate is almost constant.
  • LFP lithium iron phosphate batteries
  • NMC lithium ion battery containing nickel-manganese-cobalt as the main component of the positive electrode material. If internal short circuits called micro shorts occur frequently, the balancing ability of the Cellcon IC may not be able to keep up with the balancing.
  • a device that removes the battery pack once and connects it to the battery pack to eliminate the imbalance.
  • This is an external charging type unbalance elimination device, which connects one CCCV charger to one cell to fully charge each cell.
  • CCCV is an abbreviation for Constant Current, Constant Voltage.
  • Patent Document 1 discloses an assembled battery charging device for charging an assembled battery formed by connecting a plurality of cells in series, wherein a charging voltage is applied to each of the cells individually, and a constant current/constant voltage is applied to each cell. What is disclosed is charging while performing control.
  • Patent Document 2 discloses an external charger having a voltage controller corresponding to each single cell, which is a secondary battery that constitutes an assembled battery.
  • Patent Document 3 among a plurality of potential-adjacent cell controller ICs, the cell controller ICs are electrically connected to each of the battery cells of the single battery group in descending order of potential via a voltage detection line connector. Later, a configuration is disclosed in which the cell controller IC having the lowest potential and each of the battery cells in the single battery group are electrically connected via a voltage detection line connector with a switch function.
  • Patent Document 3 there are a plurality of cell controller ICs, and since there are communication lines between the cell controller ICs, stray currents may occur between the cell controller ICs depending on the order in which the pins of the cells and the cell controller ICs are connected. It may flow and be damaged. There is also a method of disconnecting the communication line between the cell controller ICs before connection, and then connecting the communication line after connecting the cell and the cell controller IC.
  • the limit is the voltage of one charging power supply, and the number of charging power supplies corresponding to the number of cell controller ICs is required.
  • An object of the present disclosure is to provide an external balancing device that is compact and has no risk of overheating the cell controller integrated circuit (cell controller IC) when connected to a connector.
  • a battery pack external balancing device is a balancing device for charging a plurality of cells built in a battery pack, comprising a central processing unit, a bank, and a connector, wherein the bank: A cell controller integrated circuit and a charger, wherein the charger has a structure connected to each corresponding cell via a connector, and the central processing unit and the bank are insulated from each other. , and the charger is powered externally in an isolated state.
  • the number of chargers can be reduced, the volume and weight can be reduced, there is no risk of stray current flowing when connecting the battery pack and the external balancing device with a connector, and switch connection sequence.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an external balancing device for a battery pack according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing details of a bank
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using a transformer
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using flying capacitors
  • It is a circuit block diagram which shows the example of a charger.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a balancing process by the external balancing device according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing an example in which an external balancing device can communicate with an external server;
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a bank according to the second embodiment for discharging designated cells;
  • FIG. 11 is a configuration diagram showing a modified bank that discharges designated cells;
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an external balancing device for a battery pack according to a third embodiment;
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using a transformer;
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using a transformer;
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using a transformer;
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including cell controller ICs employing an active balancing method using a transformer;
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an external balancing device for a battery pack according to the first embodiment.
  • the external balancing device 101 of the battery pack 104 has a central processing unit 108 (CPU: Central Processing Unit), a plurality of banks 109 and a connector 102 .
  • the external balancing device 101 is connected via a connector 102 to a battery pack 104 removed from an electric vehicle 103 (EV).
  • EV electric vehicle
  • Each bank 109 incorporates a cell controller integrated circuit 105 (cell controller IC) and a charger 106 .
  • Each bank 109 is connected to the CPU via a communication line 107 .
  • Each bank 109 and communication line 107 are configured to enable communication in an insulated state, that is, insulated communication. Therefore, the bank 109 and the CPU are insulated.
  • Each bank 109 is insulated from each other.
  • an insulated state means an electrically insulated state.
  • the battery pack 104 incorporates a plurality of cells 114 connected in series. Each cell 114 is provided with a voltage sensing line 116 for monitoring the voltage of each cell 114 . Voltage sensing lines 116 are configured to connect to respective banks 109 corresponding to respective cells 114 via connectors 102 .
  • the cell controller IC measures the voltage of each cell 114 and transmits the voltage to the CPU.
  • the cell controller IC also sends a command to the charger 106 to adjust the voltage of the cell 114 connected to the cell controller IC according to the balancing command received from the CPU.
  • the CPU receives the voltage of each cell 114 and the voltage and current of the charger 106 sent from the cell controller IC, and commands the on/off control of the charger 106 and the upper limit current and upper limit voltage of the charger 106 .
  • the CPU also notifies the user of the balancing state. This notification is carried out by a computer terminal (hereinafter simply referred to as "terminal") such as a personal computer (PC) or smart phone that is connected to the outside.
  • terminal such as a personal computer (PC) or smart phone that is connected to the outside.
  • the reason why the upper limit current and upper limit voltage of the charger 106 are commanded is that the conditions under which the SOC is 100% are different for each battery type.
  • SOC is an abbreviation for "State Of Charge” and is an index representing a charging rate or charging state.
  • the charger 106 may start energizing (charging each cell 114) at the same time as the battery pack 104 is connected to the connector 102, or the user may manually do so via the terminal. When the power supply to the charger 106 is turned off, it may be done at the same time as the battery pack 104 is removed from the connector 102, or may be done manually by the user via the terminal.
  • the conditions for ending the balancing be that the voltages of all the cells 114 become the upper limit voltage and that the charging current is equal to or less than the value specified by the user.
  • the conditional current value is the current value that is the condition for SOC 100%, and is a value specified by the user through a GUI (Graphical User Interface).
  • the external balancing device 101 can communicate with a server, which will be described later, to notify the ID of the battery pack 104 and the balancing state.
  • the voltage value received from the cell controller IC is displayed on the terminal, and the change over time of the voltage of each cell 114 from the start of balancing to the present is displayed.
  • the time-dependent change in the charging current of the charger 106 in each bank is also displayed. Then, the time required to reach the final charging current may be predicted and displayed based on the change in the charging current of the charger 106 over time.
  • the CPU also sends a balancing command to the cell controller IC. This depends on the type of cell controller IC in each bank 109 and the arrangement of chargers 106 .
  • the active balancing method means preparing a charging power supply and distributing the energy of the charging power supply to each cell.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the details of the bank.
  • two or more banks 109 are connected to one battery pack 104 .
  • Each bank 109 has a cell controller integrated circuit 105 (cell controller IC) and a charger 106 .
  • the cell controller IC has a photocoupler 211 and performs insulated communication with the CPU.
  • the charger 106 has a photocoupler 212 and communicates with the CPU in isolation.
  • the charger 106 also has a transformer 220 and receives power supply from an external AC power supply.
  • One cell controller IC monitors voltages of m cells 114 of the battery pack 104 via voltage sensing lines 116 .
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a bank including a cell controller IC that employs an active balancing method using a transformer.
  • the m cells are cell 1 (301), ..., cell m-1 (302), and cell m (303) in order from the bottom.
  • m is the number of cells that can be handled by the voltage monitoring IC (304), which is one of the cell controller ICs, and is determined by the withstand voltage of the IC.
  • the IC has a breakdown voltage of approximately 50V. In a fully charged state, the lithium ion battery is 4.2V and the LFP is about 3.4V. Therefore, m becomes 14 or less.
  • One of the terminals on the primary side of the transformer 319 is connected to the charger 106 .
  • the voltage monitoring IC (304) connects the negative electrode of cell 1 (301) to the bank-limited ground 305 (GND), and measures the potential from the positive electrode of cell 1 to the positive electrode of cell m (303). The voltage monitoring IC (304) then communicates the voltage results to the CPU.
  • the CPU determines which cells have a low potential and should be charged, and transfers them to the voltage monitoring IC (304). Based on the result, the voltage monitoring IC (304) sends a switch driver 306 (switch driver IC) a command as to which cell to charge.
  • the switch driver IC turns on the switch in the transformer section 309 of the corresponding cell. For example, when receiving a command to increase the charging current of cell m (303), the switch driver IC turns on switches 307 and 308 of transformer 319 in transformer section 309 connected to cell m (303). do. Current flows through the primary side of the transformer 319 by connecting the primary side of the transformer 319 to the charger 106 and GND via the switch 308 and the limiting resistor.
  • the switches 307 and 308 are composed of field effect transistors (FETs).
  • the charging current Ic on the cell side while the switches 307 and 308 are on is expressed by the following equation (1). value.
  • I c (V c /K ⁇ V) ⁇ (R c +r c /K)) (1) Therefore, the average value Ic ,av of the charging current flowing through the cell is a value represented by the following equation (2).
  • Ic ,av ( Vc /K ⁇ V) ⁇ Ton /(( Ton + Toff ) ⁇ ( Rc + rc /K)) ...(2)
  • Rc is the cell-side resistance of the transformer section 309
  • rc is the charger-side resistance of the transformer section
  • V is the cell voltage
  • Vc is the voltage of the charger.
  • V c /K is set to the maximum voltage V m of the cell, the cell will not be overcharged.
  • the on/off operation of the switches 307 and 308 is performed for the cells for which the CPU has issued a charge command.
  • the end of charging is when the voltage measured by the voltage monitoring IC (304) while the switch is off reaches the voltage at which it is determined that the battery is fully charged.
  • T on ⁇ (T on + T off ) will be a value less than 0.5 and will be a fixed value.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing a bank including cell controller ICs that employ an active balancing method using flying capacitors.
  • a flying capacitor 401 is used instead of the transformer section 309 in FIG.
  • the flying capacitor 401 has two switches and is configured to switch connection to the charger 106 side or the cells 301 , 302 , 303 side.
  • the principle of the method using the flying capacitor 401 is as follows.
  • V c is the voltage of charger 106 .
  • C is the capacitance of the flying capacitor 401;
  • H c is about 10 Hz and C is about 4 mF, so the average charging current to the cell 303 is as low as about 40 mA.
  • the frequency can be increased, and by increasing C, the charging current can be increased.
  • the method using a flying capacitor is the same as the method using a transformer in that the charging of the cell is the same. Also, adjacent cells may be prohibited from switching to the cell side at the same time.
  • Only specific cells can be charged by the active cell balancing method. Only one charger, which is a charging energy source, may be provided for each bank.
  • the GND described above is bank-limited GND, and is not connected to any of the chassis, commercial power supply GND, and other bank grounds.
  • the charger 106 of each bank 109 is connected to an alternating current power supply (AC power supply), but is insulated from the AC power supply.
  • the charger 106 and the central processing unit 108 (CPU in FIG. 1) are insulated communication. Specifically, a photocoupler or transformer is used.
  • the charger 106 receives ON and OFF and CC and CV voltage commands from the CPU. In response, the charger 106 returns the current and voltage of the charger 106 to the CPU.
  • CC Constant Current
  • CV Constant Voltage.
  • FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an example of a charger.
  • the charger shown in this figure is an insulated power supply, and includes a transformer 51 connected to an input AC power supply 50, a switch 52 provided on the primary side of the transformer 51, a primary side smoothing capacitor 53, and a full-wave rectifier circuit. 54 , as well as a secondary diode 55 , a secondary capacitor 56 and an ammeter 57 .
  • the switch 52 is switched on/off by a control circuit 58 .
  • the charger also has FV converter 501 and VF converter 502 for ammeter 57 and FV and VF converters for output voltage measurement.
  • V of the FV converter and VF converter means voltage
  • F means frequency. That is, the FV converter converts frequency into voltage, and the VF converter converts voltage into frequency.
  • the control circuit 58 is connected to the CPU of the external balancing device 101 (FIG. 1) via a photocoupler 212 (insulated communication section).
  • control circuit 58 has a central processing unit (CPU) and a switch driver.
  • the output voltage and current are determined by the switch duty ratio D ((switch ON time)/(switch period)), and the value increases as D increases.
  • the charger becomes a CCCV charger and is controlled to have CC current Itg and CV voltage Vtg .
  • I tg and V tg are values obtained through isolated communication from the CPU (upper CPU) of the external balancing device 101 (FIG. 1). Also, when the charger receives an off command from the upper CPU, the switch is always turned off. When the charger receives an ON command from the upper CPU, it starts duty control of the switch.
  • the charger (isolated switching power supply) in FIG. 5 shows an example of a circuit, and a CCCV charger having another circuit configuration may be used.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the balancing process by the external balancing device according to this embodiment.
  • step S601 the EV is fully charged by the charger in advance. This is done manually.
  • step S602 the battery pack is removed from the EV.
  • step S603 the battery pack removed in step S603 is connected to the external balancing device. This means attaching the connector of the external balancing device to the voltage sensing wires of the battery pack, as described above.
  • step S604 the terminal computer (personal computer (PC), etc.) connected to the external balancing device transmits the maximum voltage Vm (voltage at which SOC is 100%) during charging of each cell to the external balancing device, and Specify the full charge current condition of the cell (charge current at which SOC is assumed to be 100% by shifting to CV mode with CCCV charge). Let this value be Im .
  • the following steps S605 to S611 are processing processes in the CPU.
  • step S605 the data of each cell voltage in the battery pack is obtained. This is obtained via communication from the cell controller IC shown in FIGS.
  • next step S606 cells whose voltage is less than Vm , ie cells that are not fully charged, are identified. Then, the bank number to which the cell number belongs is identified. It is assumed that information about which cell belongs to which bank is stored in advance in the CPU.
  • step S607 the CV voltage of the charger belonging to the bank number identified in step S606 is set to Vm .
  • CC current designates a predetermined value (current determined by the thickness of the voltage sensing line, eg, 6 A) at the time of shipment from the factory, and turns on the charger.
  • step S608 the current of the charger of each bank is obtained from the charger, and the voltage of each cell is obtained from the cell controller IC in each bank.
  • step S609 the charging current of each bank and the voltage time series of each cell are displayed on the externally connected PC.
  • step S610 it is determined to turn off the charger of each bank, and the charger is turned off.
  • the determination to turn off the charger of each bank is made when the current of the charger becomes equal to or less than Im .
  • the charge command for the cell determined to be fully charged when the voltage of each cell reaches Vm is canceled.
  • step S611 it is determined whether the currents of the chargers in all banks have fallen below Im or the chargers have been turned off. Then, if the determination result is Yes, the process ends. If the determination result is No, the process returns to step S608 to continue processing.
  • each cell may be determined whether each cell is fully charged by periodically pausing charging, turning off the charger for a certain period of time, and acquiring the voltage during that period.
  • the puck relay may be turned off to connect the terminal to an external balancing device.
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing an example in which an external balancing device can communicate with an external server.
  • a battery pack 73 built into an electric vehicle 72 is managed by an external server 71.
  • the server 71 communicates with the EV or the portable terminal 76 of the driver (user) of the EV to grasp the balancing state of the battery pack 73 in each EV.
  • the server 71 notifies the EV in which the imbalance has occurred and guides the driver of the EV to come to the dealer 74 .
  • it is connected to an external balancing device 75 in the dealer 74 to eliminate the imbalance.
  • the external balancing device 75 then transmits to the server 71 a notification that the balancing has been canceled.
  • the server 71 then notifies the driver of the EV that the imbalance has been resolved.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing a bank according to the second embodiment for discharging designated cells.
  • wiring 81 from charger 106 is connected not only to the primary side of transformer section 82 corresponding to cell m (303), but also to the secondary side.
  • the wiring 81 is connected to the positive electrode of the cell m (303) arranged at one end of the cells connected to the bank shown in this drawing. As a result, all the cells in the bank are charged.
  • the cell controller IC designates that cell and performs control to discharge it.
  • the current discharged from that cell is then returned to the charger 106 .
  • the charger 106 is placed in CC charging mode.
  • the CC current at this time is the upper limit current described above, and is set to several amperes, for example. Then, the current is gradually increased from 0. Then, the voltage monitor IC (304) reads the voltage of each cell. Then, if any cell reaches the upper limit voltage VM , the current increase is stopped and the constant current is maintained. Then, the voltage of each cell is periodically detected, and when the voltage of any cell reaches VM , the following operation is performed.
  • a cell designated to be discharged turns on both switches in the transformer section 82 to discharge the cell. In this way, the process of charging continues until the voltage of all cells reaches VM .
  • the ratio of the number of turns of the transformer between the charger side and the cell side is 1:K.
  • K is set to a value greater than or equal to the number of cells. The point is that the number of turns is such that the cell voltage is equal to or higher than the voltage on the charger side, and the secondary voltage is equal to or higher than the voltage on the charger side to discharge the cell.
  • the discharge current Id flowing through the discharge-designated cell has a value roughly expressed by the following equation by the transformer section 82.
  • V is a cell voltage designated for discharge.
  • R c is the value of the cell-side resistance provided in the transformer section 82
  • r c is the value of the charger-side resistance provided in the transformer section 82 .
  • T on and T off may be adjusted to bring I d to zero. By doing so, the specified cell will not be charged. In addition, since the voltage of a cell designated for discharge drops, the discharge designation may be canceled again for the cell whose voltage has dropped.
  • step S610 "determination of each bank charger off & applicable charger off & cell charge designation UPDATE” is changed from “cell charge designation UPDATE” to "cell discharge designation UPDATE".
  • the cell discharge specification UPDATE means the above-described cell discharge specification (the cell becomes VM and the current of the charger is Im or less).
  • Each bank charger off determination is when the charger current is below Im and all cells are designated to be discharged, and when the charger current is below Im and all cells are VM. A decision to make.
  • a passive balancing circuit using resistors may be used instead of the balancing circuit using the transformer in FIG.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing a modified bank that discharges designated cells.
  • a resistor 91 and a switch 92 are used.
  • the circuit shown in this figure is called a passive balancing circuit.
  • the resistor 91 is set so that (current during CC charging) ⁇ Vm * Ton /(R*( Ton + Toff )).
  • T on /(T on +T off ) is the value set in the balancing IC to prevent both adjacent cells from being turned on and has a value less than 0.5.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an external balancing device for a battery pack according to the third embodiment.
  • the external balancing device 101 has one bank 109 .
  • a selector 1001 is arranged between the battery pack 104 connected to the external balancing device 101 and the bank 109 . By switching the selector 1001 , the bank 109 is connected to any one of the plurality of cells forming the battery pack 104 .
  • the timing of switching the bank 109 is, for example, first of all, the above-described balancing is performed on m cells from one end of the plurality of cells that make up the battery pack 104 . Next, balancing is performed on m cells from the (m+1)th cell from the end, which have not yet been balanced. Then, balancing is performed by m pieces up to the opposite end.
  • FIG. 11 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including a cell controller IC that employs an active balancing method using a transformer.
  • charger 106 is arranged to directly charge cell 1 (301).
  • the charger 106 is also connected to the transformer sections 309 of other cells such as cell m-1 (302) and cell m (303).
  • the switch driver 306 is not connected to cell 1 (301), but is connected to other cells such as cell m-1 (302) and cell m (303).
  • FIG. 12 is a configuration diagram showing a modified example of a bank including a cell controller IC that employs an active balancing method using a transformer.
  • the charger 106 is arranged to directly charge the cell m (303).
  • the charger 106 is also connected to the transformer sections 309 of other cells such as cell 1 (301) and cell m-1 (302).
  • the switch driver 306 is not connected to cell m (303), but is connected to other cells such as cell 1 (301) and cell m-1 (302).
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing an example in which the modification of FIG. 11 is further modified.
  • the voltage monitoring IC (304) is not connected to cell 1 (301).
  • FIG. 14 is a configuration diagram showing an example in which the modification of FIG. 12 is further modified.
  • the voltage monitoring IC (304) is not connected to the cell m (303).
  • the external balancing device further comprises a selector that allows selection of connection between a bank and one of a plurality of cells.
  • the balancing device has a plurality of banks, each of which is insulated from each other.
  • the number of cells connected to a bank is set based on the withstand voltage of the cell controller integrated circuit.
  • the charger is a constant voltage charger that charges specified cells out of multiple cells.
  • the external balancing device selects one of the plurality of cells to be charged based on the voltage of each of the plurality of cells detected by the cell controller integrated circuit, and when the cell is fully charged, the cell is charged. to stop the charger when all the cells connected to the bank are fully charged.
  • the balancing device has multiple banks and continues to charge the cells until all the chargers in the multiple banks stop.
  • the charger has a configuration in which the output voltage and current are variable, and a configuration in which the positive electrode of the charger is connected to the positive electrode of the cell with the highest potential among the plurality of cells connected to the charger, or the charger The negative electrode of the charger is connected to the negative electrode of the cell with the lowest potential among the plurality of cells connected to the Make the value of the discharge current greater than or equal to the value of the charge current.
  • Communicate with an external server notify the user via the server when the battery pack is in an unbalanced state, and notify the user via the server when the unbalanced state is resolved to balance the battery pack. is completed.
  • control command in the external balancing device may be issued by either the CPU or the upper CPU.

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Abstract

電池パックに内蔵されている複数個のセルを充電する、電池パックの外付けバランシング装置であって、中央演算処理装置と、バンクと、コネクタと、備え、バンクは、セルコントローラ集積回路と、充電器と、を含み、充電器は、コネクタを介して、対応するそれぞれのセルに接続される構成を有し、中央演算処理装置とバンクとは、互いに絶縁された状態で通信し、充電器には、絶縁された状態で外部から電力が供給される。これにより、コンパクトで、かつ、コネクタ接続時にセルコントローラ集積回路（セルコンＩＣ）の過熱リスクのない外付けのバランシング装置を提供することができる。

Description

電池パックの外付けバランシング装置
　本開示は、電池パックの外付けバランシング装置に関する。
　電気自動車の電源等としては、リチウムイオン電池を直列接続して構成されるリチウムイオン電池パックが知られている。リチウムイオン電池パック内に内蔵される複数の電池（セル）の各々は、電池パックが満充電になった際に、全てのセルの充電率が１００％となる状態で、電池パックの持つエネルギーが最大となる。この状態が、セルがバランシングされている状態である。
　実際には、電気自動車を長年使用するにつれ、各セルの自己放電率が違うことにより電池パックが満充電になった際に、幾つかのセルの充電率が１００％未満となる状態が起きる。この状態がアンバランスであり、電池パックで蓄えられるエネルギーが最大でなくなる。このアンバランスを解消するため、電池パック内に予め設置されたセルコントローラ集積回路（以下「セルコンＩＣ」という。）で電圧の高いセルを放電させ、電圧を均等にうる。この電池パック内のセル電圧を均等にする動作を「バランシング」と呼ぶ。
　一方、リン酸鉄リチウムイオン電池（以下「ＬＦＰ」という。）のような電池は、充電率に対する電池の起電力がほぼ一定であるため、バランシングが困難である。また、正極材としてニッケル・マンガン・コバルトを主成分とするリチウムイオン電池（以下「ＮＭＣ」という。）のように電池の充電率に対し電池の起電力が単調増加となる電池であっても、マイクロショートと呼ばれる内部短絡が頻発すると、セルコンＩＣのバランシング能力ではバランシングが追い付かない場合がある。
　このため、一度電池パックを外し、その電池パックに接続してアンバランスを解消させる装置が用いられている。これは、外付けの充電タイプのアンバランス解消装置であり、セル１つにＣＣＣＶ充電器を一つ接続し、各セルを満充電にする。ここで、ＣＣＣＶは、Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ，Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅの略称である。
　特許文献１には、複数の単電池を直列接続してなる組電池を充電するための組電池の充電装置であって、単電池にそれぞれ個別に充電電圧を印加し、それぞれ定電流・定電圧制御を行いながら充電するものが開示されている。
　特許文献２には、組電池を構成する二次電池である単電池それぞれに対応した電圧コントローラを有する、外付けの充電器が開示されている。
　特許文献３には、電位的に隣接する複数のセルコンＩＣのうち、電位が高い順に、セルコンＩＣと単電池群の電池セルのそれぞれとを、電圧検出線用コネクタを介して電気的に接続した後、電位が最も低いセルコンＩＣと単電池群の電池セルのそれぞれとを電気的に接続するスイッチ機能付電圧検出線用コネクタを介して電気的に接続する構成が開示されている。
特開２００３－２３７３６号公報 特開２００８－１２５２９７号公報 特開２０１３－０７６６０２号公報
　特許文献１に開示されている充電装置は、電池パック内に１００個にも及ぶセルが直列で繋がっており、１００個ものＣＣＣＶ充電器を用意すると、装置の体積が大きくなり、重量が重くなる点で改善の余地がある。
　特許文献２に開示されている充電器は、電圧コントローラ（セルコンＩＣ）一個の場合には、セルコンＩＣと単電池（セル）とを接続させる順番によらず、安全に接続できる。しかしながら、電気自動車の場合、１００個ものセルが内蔵されている。セルコンＩＣ一個では、耐圧の観点から、せいぜいセル１４個までしか分担できず、１００個ものセルに対しては、セルコンＩＣを複数用意する必要がある。
　特許文献３に開示されている構成においては、セルコンＩＣが複数あり、セルコンＩＣ間の通信線のため、セルとセルコンＩＣとのピンを接続させる順番によっては、セルコンＩＣ同士の間で迷走電流が流れ、破損するおそれがある。接続前にセルコンＩＣ間の通信線を切り離しておき、セルとセルコンＩＣとを接続させた後に、通信線を接続させる方法もあるが、アクティブ方式のセルバランシング方法では、耐圧の関係より、セルコンＩＣ一個分の充電電源の電圧までが限界となり、充電電源はセルコンＩＣの数に対応する個数が必要となる。
　本開示の目的は、コンパクトで、かつ、コネクタ接続時にセルコントローラ集積回路（セルコンＩＣ）の過熱リスクのない外付けのバランシング装置を提供することにある。
　本開示に係る電池パックの外付けバランシング装置は、電池パックに内蔵されている複数個のセルを充電するバランシング装置であって、中央演算処理装置と、バンクと、コネクタと、備え、バンクは、セルコントローラ集積回路と、充電器と、を含み、充電器は、コネクタを介して、対応するそれぞれのセルに接続される構成を有し、中央演算処理装置とバンクとは、互いに絶縁された状態で通信し、充電器には、絶縁された状態で外部から電力が供給される。
　本開示によれば、充電器の数を削減でき、体積と重量を減らすことができ、かつ、コネクタで電池パックと外付けバランシング装置を接続する際に迷走電流が流れるリスクがなく、かつ、事前のスイッチ接続シーケンスの手間が省ける。
第１の実施形態に係る電池パックの外付けバランシング装置を示す概略構成図である。 バンクの詳細を示す模式構成図である。 トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクを示す構成図である。 フライングキャパシタを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクを示す構成図である。 充電器の例を示す回路構成図である。 第１の実施形態に係る外付けバランシング装置によるバランシングのプロセスを示すフロー図である。 外付けバランシング装置を外部のサーバーと通信可能とした例を示す構成図である。 第２の実施形態に係るバンクであって指定セルを放電させるものを示す構成図である。 変形例のバンクであって指定セルを放電させるものを示す構成図である。 第３の実施形態に係る電池パックの外付けバランシング装置を示す概略構成図である。 トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。 トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。 トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。 トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。
　以下、図面を参照して、本開示に係る実施形態について説明する。図面においては、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、図面は、本開示の原理に則った実施形態を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記載は、典型的な例示に過ぎず、本開示に係る発明の範囲を限定するものではない。
　実施形態においては、当業者が本開示の内容を実施することができるように詳細にその説明をしているが、他の実施形態も可能であり、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能である。
　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態に係る電池パックの外付けバランシング装置を示す概略構成図である。
　本図において、電池パック１０４の外付けバランシング装置１０１は、中央演算処理装置１０８（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と、複数個のバンク１０９と、コネクタ１０２と、を有する。外付けバランシング装置１０１は、コネクタ１０２を介して、電気自動車１０３（ＥＶ）から取り外された電池パック１０４と接続されるようになっている。
　それぞれのバンク１０９には、セルコントローラ集積回路１０５（セルコンＩＣ）と、充電器１０６と、が内蔵されている。それぞれのバンク１０９は、通信回線１０７を介してＣＰＵに接続されている。それぞれのバンク１０９と通信回線１０７とは、絶縁された状態での通信、すなわち絶縁通信が可能に構成されている。したがって、バンク１０９とＣＰＵとは絶縁されている。また、それぞれのバンク１０９は、互いに絶縁されている。ここで、絶縁された状態とは、電気的に絶縁された状態をいう。
　電池パック１０４には、直列に接続された複数個のセル１１４が内蔵されている。それぞれのセル１１４には、それぞれのセル１１４の電圧を監視するための電圧センシング線１１６が設けられている。電圧センシング線１１６は、コネクタ１０２を介して、それぞれのセル１１４に対応するそれぞれのバンク１０９に接続されるように構成されている。
　セルコンＩＣは、各セル１１４の電圧を計測し、ＣＰＵにその電圧を送信する。また、セルコンＩＣは、ＣＰＵから受信したバランシング指令に従って、そのセルコンＩＣに接続されているセル１１４の電圧を調整するための指令を充電器１０６に送信する。
　ＣＰＵは、セルコンＩＣから送られてきた各セル１１４の電圧並びに充電器１０６の電圧及び電流を受信して、充電器１０６のオンオフの制御、並びに充電器１０６の上限電流及び上限電圧を指令する。また、ＣＰＵは、ユーザーにバランシング状態を通知する。この通知は、外部に接続するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、スマートフォン等のコンピュータ端末（以下単に「端末」という。）で実施する。ここで、充電器１０６の上限電流及び上限電圧の指令をする理由は、電池種毎にＳＯＣ１００％となる条件が違うためである。ここで、ＳＯＣは、「Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ」の略称であり、充電率又は充電状態を表す指標である。
　充電器１０６は、電池パック１０４をコネクタ１０２に接続すると同時に通電（各セル１１４への充電）を開始するようにしてもよいし、ユーザーが端末を介して手動で行ってもよい。充電器１０６の通電を切る場合も、電池パック１０４をコネクタ１０２から取り外すと同時に行ってもよいし、ユーザーが端末を介して手動で行ってもよい。
　充電器１０６の電源を入れた時（電源をオンにした時）がバランシング開始時であり、充電器１０６の電源を切った時（電源をオフにした時）がバランシング終了時である。バランシング終了の条件は、全てのセル１１４の電圧が上限電圧となり、かつ、充電電流がユーザーの指定した値以下となることとすることが望ましい。この場合において、条件となる電流値は、ＳＯＣ１００％の条件となる電流値であり、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）からユーザーが指定した値である。
　外付けバランシング装置１０１は、後述のサーバーと通信して、電池パック１０４のＩＤ及びバランシング状態を通知することができる。
　次に、各セル１１４の電圧監視について説明する。
　各セル１１４の電圧監視は、セルコンＩＣから受信した電圧値を端末に表示し、バランシング開始から現在までの各セル１１４の電圧の経時変化を表示する。そして、各バンク内の充電器１０６の充電電流の経時変化も表示する。そして、充電器１０６の充電電流の経時変化より、終了充電電流に到達するまでの時間を予測して表示してもよい。
　ＣＰＵは、セルコンＩＣにバランシング指令も送る。これは、各バンク１０９のセルコンＩＣの種類及び充電器１０６の配置構成に依存する。
　本実施形態においては、セルコンＩＣにアクティブバランシング方式を適用し、かつ、各セル１１４を個別に充電する場合の構成について説明する。ここで、アクティブバランシング方式は、充電電源を用意し、充電電源のエネルギーを各セルに分配することをいう。
　図２は、バンクの詳細を示す模式構成図である。
　本図においては、一個の電池パック１０４に二個以上のバンク１０９が接続されている。
　それぞれのバンク１０９は、セルコントローラ集積回路１０５（セルコンＩＣ）と、充電器１０６と、を有する。セルコンＩＣは、フォトカプラ２１１を有し、ＣＰＵと絶縁通信する。充電器１０６は、フォトカプラ２１２を有し、ＣＰＵと絶縁通信する。また、充電器１０６は、トランス２２０を有し、外部の交流電源から電力の供給を受ける。一個のセルコンＩＣは、電圧センシング線１１６を介して電池パック１０４のｍ個のセル１１４の電圧を監視する。
　図３は、トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクを示す構成図である。
　本図においては、一個のバンク内の回路と、該バンクの担当するｍ個のセルを示している。ｍ個のセルは、下から順番にセル１（３０１）、…、セルｍ－１（３０２）、セルｍ（３０３）である。ここで、ｍは、セルコンＩＣの一つである電圧監視ＩＣ（３０４）が担当できるセルの数であり、ＩＣの耐圧で決まる。ＩＣは、概ね５０Ｖ程度の耐圧を有する。満充電状態で、リチウムイオン電池は４．２Ｖであり、ＬＦＰは３．４Ｖ程度である。このため、ｍは１４以下となる。トランス３１９の一次側の端子の一方は、充電器１０６に接続されている。
　電圧監視ＩＣ（３０４）は、セル１（３０１）の負極をバンク内限定のグランド３０５（ＧＮＤ）に繋ぎ、セル１の正極からセルｍ（３０３）の正極の電位を計測する。そして、電圧監視ＩＣ（３０４）は、電圧の結果をＣＰＵに通信する。
　ＣＰＵにおいては、電位が低く充電すべきセルを判定し、電圧監視ＩＣ（３０４）に転送する。電圧監視ＩＣ（３０４）は、その結果を元にスイッチドライバー３０６（スイッチドライバーＩＣ）に、どのセルを充電するかの指令を送る。スイッチドライバーＩＣは、該当するセルのトランス部３０９内のスイッチをオンにする。例えば、セルｍ（３０３）の充電電流を増やすように指令を受けた場合、スイッチドライバーＩＣは、セルｍ（３０３）に接続されているトランス部３０９内のトランス３１９のスイッチ３０７，３０８をオンにする。トランス３１９の一次側がスイッチ３０８と制限抵抗により充電器１０６とＧＮＤに接続されることで、一次側に電流が流れる。ここで、スイッチ３０７，３０８は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）で構成されている。
　一次側に電流が流れると、トランス３１９の二次側にも電流が流れる。ここで、二次側は、スイッチ３０７、逆流防止ダイオード及び制限抵抗によりトランス３１９の極性が逆に接続されているため、セルｍ（３０３）に電流が流れ始める。
　スイッチ３０７，３０８を継続的にオンにしても、トランス３１９が絶縁されているため、直流が流れない。このため、いずれセルｍ（３０３）への電流は０になる。このため、スイッチ３０７，３０８をＴｏｎ時間オンにした後にスイッチ３０７，３０８をオフにする。スイッチ３０７，３０８をＴｏｆｆ時間オフにした後、再びスイッチ３０７，３０８をオンにするサイクルを繰り返す。
　トランス３１９の巻き数比を充電器側とセル側とで１：Ｋとすると、スイッチ３０７，３０８がオンになっている間のセル側の充電電流Ｉｃは、次の式（１）で表される値となる。
　Ｉｃ＝（Ｖｃ／Ｋ－Ｖ）÷（Ｒｃ＋ｒｃ／Ｋ））　　　…（１）
　このため、セルに流れる充電電流の平均値Ｉｃ，ａｖは、次の式（２）で表される値となる。
　Ｉｃ，ａｖ＝（Ｖｃ／Ｋ－Ｖ）×Ｔｏｎ／（（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）×（Ｒｃ＋ｒｃ／Ｋ））
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
　ここで、Ｒｃはトランス部３０９のセル側抵抗、ｒｃはトランス部の充電器側抵抗、Ｖはセル電圧、Ｖｃは充電器の電圧である。そして、Ｖｃ／Ｋをセルの最大電圧Ｖｍに設定すれば、セルは過充電にならない。Ｋは一定値であり、この場合、Ｋ＝１としてもよい。
　このスイッチ３０７，３０８のオンオフの動作は、ＣＰＵより充電指令のあるセルに対して実施される。
　充電終了は、電圧監視ＩＣ（３０４）にてスイッチオフ中に計測した電圧が満充電と判定される電圧に到達した時とする。
　電池パックから出ているコネクタの各セル電圧線は細いため、数Ａの充電電流しか流せないが、このトランス方式の場合、平均的に数Ａ程度までの電流をセルに充電できる。なお、充電器の制御としては、バランシング開始から終了まで一定電圧としておけばよい。
　このため、Ｔｏｎ÷（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）は０．５未満の値となり、固定値となる。
　次に、トランスの代わりに、フライングキャパシタを用いたアクティブセルバランス方式について説明する。
　図４は、フライングキャパシタを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクを示す構成図である。
　本図においては、図３のトランス部３０９の代わりに、フライングキャパシタ４０１を用いている。フライングキャパシタ４０１は、二個のスイッチを有し、充電器１０６側又はセル３０１、３０２、３０３側に接続を切り替えることができるように構成されている。
　フライングキャパシタ４０１を用いる方式の原理は、次のとおりである。
　フライングキャパシタ４０１を充電器１０６側に切り替えると、フライングキャパシタ４０１にＶｃ×Ｃの電荷が充電される。ここで、Ｖｃは、充電器１０６の電圧である。Ｃは、フライングキャパシタ４０１の容量である。
　そして、フライングキャパシタ４０１をセル３０３側に切り替えると、（Ｖｃ－Ｖ）×Ｃの電荷がセルに充電される。ここで、Ｖは、セル３０３の電圧である。
　この動作をＨｃのサイクルで繰り返すと、セルへの平均充電電流は（Ｖｃ－Ｖ）×Ｃ×Ｈｃとなる。ＶｃをセルのＳＯＣ１００％時の電圧とすることで過充電を防ぐことができる。
　なお、フライングキャパシタ４０１の場合、Ｈｃが１０Ｈｚ程度であり、Ｃが４ｍＦ程度のため、セル３０３への平均的な充電電流は、４０ｍＡ程度と小さくなる。もちろん、周波数を高くすることもできるし、Ｃを大きくすることで充電電流を大きくすることもできる。
　フライングキャパシタを用いる方式においても、セルの充電終了が同じになる点では、トランスを用いる方式と同様である。また、隣り合うセルは、同時にセル側に切り替えることを禁止してもよい。
　以上の構成により、アクティブセルバランシング方式により特定のセルのみを充電することができる。そして、充電エネルギー源である充電器は、バンクに一つでよい。
　以上で述べたＧＮＤは、バンク限定のＧＮＤであり、筐体、商用電源のＧＮＤ、及び他のバンクのグランドのいずれにも接続しない。
　次に、各バンクの充電器について説明する。
　図２に示すように、各バンク１０９の充電器１０６は、交流電源（ＡＣ電源）に接続されるが、ＡＣ電源とは絶縁される。そして、充電器１０６と中央演算処理装置１０８（図１のＣＰＵ）とは絶縁通信とする。具体的には、フォトカプラ又はトランスを用いる。充電器１０６は、オン及びオフ並びにＣＣ電圧及びＣＶ電圧の指令をＣＰＵから受ける。これに対して、充電器１０６は、充電器１０６の電流及び電圧をＣＰＵに返す。ここで、ＣＣはＣｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ（定電流）であり、ＣＶはＣｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ（定電圧）である。
　図５は、充電器の例を示す回路構成図である。
　本図に示す充電器は、絶縁型の電源であり、入力の交流電源５０に接続されたトランス５１、トランス５１の一次側に設けられたスイッチ５２、一次側平滑用コンデンサ５３及び全波整流回路５４、並びに二次側ダイオード５５、二次側コンデンサ５６及び電流計５７を有する。スイッチ５２は、制御回路５８によりオン／オフの切り替えが行われる。また、充電器は、電流計５７のためのＦＶ変換器５０１及びＶＦ変換器５０２、並びに出力電圧計測のためのＦＶ変換器及びＶＦ変換器を有している。ここで、ＦＶ変換器及びＶＦ変換器のＶは電圧、Ｆは周波数を意味する。すなわち、ＦＶ変換器は周波数を電圧に変換するものであり、ＶＦ変換器は電圧を周波数に変換するものである。制御回路５８は、外付けバランシング装置１０１（図１）のＣＰＵにフォトカプラ２１２（絶縁通信部）を介して接続されている。
　制御回路５８は、図示していないが、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びスイッチドライバーを有する。出力電圧及び電流は、スイッチのデューティー比Ｄ（（スイッチのオン時間）÷（スイッチ周期））で決まり、Ｄが大きくなるに従って、値が大きくなる。
　このため、次の式で表される値としてＤのフィードバック量を決めることで、充電器がＣＣＣＶ充電器となり、ＣＣ電流Ｉｔｇ、ＣＶ電圧Ｖｔｇになるように制御される。
　Ｍｉｎ｛（Ｉｔｇ－Ｉ）／Ｉ０，（Ｖｔｇ－Ｖ）／Ｖ０｝
　ここで、Ｉｔｇ及びＶｔｇは、外付けバランシング装置１０１（図１）のＣＰＵ（上位のＣＰＵ）から絶縁通信を経て得られる値である。また、充電器がオフの指令を上位のＣＰＵから受け取った場合には、スイッチを常にオフとする。充電器がオンの指令を上位のＣＰＵから受け取った場合には、スイッチのデューティー制御を開始する。
　なお、図５の充電器（絶縁型スイッチング電源）は、回路の一例を示すものであり、他の回路構成を有するＣＣＣＶ充電器を用いてもよい。
　次に、バランシングのプロセスの全体について説明する。
　図６は、本実施形態に係る外付けバランシング装置によるバランシングのプロセスを示すフロー図である。
　本図に示すように、まず、ステップＳ６０１で予めＥＶを充電器で満充電にする。これは人手で行う。次に、ステップＳ６０２で電池パックをＥＶから取り外す。そして、ステップＳ６０３で取り外した電池パックを外付けバランシング装置に接続する。これは、前述したように、電池パックの電圧センシング線に外付けバランシング装置のコネクタを取り付けることを意味する。
　次に、ステップＳ６０４では、外付けバランシング装置に接続された端末コンピュータ（パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等）から外付けバランシング装置に各セルの充電時の最大電圧Ｖｍ（ＳＯＣ１００％となる電圧）、及びセルの満充電電流条件（ＣＣＣＶ充電でＣＶモードに移行してＳＯＣ１００％とみなす充電電流）を指定する。この値をＩｍとする。
　以下のステップＳ６０５～Ｓ６１１がＣＰＵにおける処理プロセスである。
　ステップＳ６０５では、電池パック内の各セル電圧のデータを取得する。これは図３及び４に示すセルコンＩＣから通信を介して得る。
　次のステップＳ６０６では、セルの電圧がＶｍ未満のセル、即ち満充電になっていないセルを同定する。そして、そのセル番号が属するバンク番号を同定する。どのセルがどのバンクに属するかの情報は、予めＣＰＵに記憶しているものとする。
　次のステップＳ６０７では、ステップＳ６０６で同定したバンク番号に属する充電器のＣＶ電圧をＶｍとする。ＣＣ電流は、工場出荷時に予め決められた値（電圧センシング線の太さで決まる電流、例えば６Ａ）を指定し、更に充電器をオンにする。
　そして、各バンクのセルコンＩＣにどのセルを充電するかの指令を送る。
　ステップＳ６０８では、各バンクの充電器の電流を充電器から取得し、かつ、各バンク内にあるセルコンＩＣから各セルの電圧を取得する。
　ステップＳ６０９では、各バンクの充電電流、及び各セルの電圧時系列を外部に接続したＰＣに表示させる。
　ステップＳ６１０では、各バンクの充電器をオフにする判定をし、当該充電器をオフにする。ここで、各バンクの充電器をオフにする判定は、充電器の電流がＩｍ以下になったときに行う。また、各セル電圧がＶｍに到達し満充電と判定されたセルの充電指令を解除する。
　ステップＳ６１１では、全てのバンク内にある充電器の電流がＩｍ以下になったか、もしくは充電器がオフになったかを判定する。そして、判定結果がＹｅｓならば終了する。判定結果がＮｏならばステップＳ６０８に戻り、処理を継続する。
　図６のプロセスにおいては、定期的に充電を休止させ、一定時間充電器をオフにし、その間の電圧を取得することで、各セルが満充電になったかを判定してもよい。
　なお、図６では、電池パックをＥＶから外すことを想定しているが、電池パックをＥＶから外さなくとも、ＥＶ内もしくは電池パックに電池パックの各セル電池電圧の端子があるならば、電池パックのリレーをオフにして、該端子と外付けバランシング装置を接続してもよい。
　図７は、外付けバランシング装置を外部のサーバーと通信可能とした例を示す構成図である。
　本図においては、電気自動車７２（ＥＶ）に内蔵されている電池パック７３は、外部のサーバー７１により管理されている。普段は、サーバー７１がＥＶ又はＥＶの運転手（ユーザー）の携帯端末７６と通信して、各ＥＶ内にある電池パック７３のバランシング状態を把握している。サーバー７１は、アンバランスが発生しているＥＶに通知を出し、ＥＶの運転手にディーラー７４に来るように誘導する。そして、ディーラー７４内にある外付けバランシング装置７５に接続し、アンバランスを解消させる。そして、外付けバランシング装置７５は、バランシングを解消した旨の通知をサーバー７１に送信する。そして、サーバー７１は、ＥＶの運転手にアンバランスを解消したことを通知する。
　［第２の実施形態］
　図８は、第２の実施形態に係るバンクであって指定セルを放電させるものを示す構成図である。
　本図に示すバンクにおいては、セルｍ（３０３）に対応するトランス部８２の一次側だけでなく、二次側にも充電器１０６から配線８１が接続されている。言い換えると、本図に示すバンクに接続されたセルのうち一方の端部に配置されたセルｍ（３０３）の正極に配線８１が接続されている。これにより、バンク内にある全てのセルを充電する構成になっている。
　この状態において、いずれかのセルが満充電になったときには、セルコンＩＣは、そのセルを指定して放電させる制御を行う。その際、そのセルから放電される電流は、充電器１０６に戻される。
　以下、充電のプロセスについて説明する。
　初めに、充電器１０６をＣＣ充電モードとする。このときのＣＣ電流は、前述した上限電流であり、例えば数Ａとする。そして、電流を０から少しずつ増やす。そして、電圧監視ＩＣ（３０４）で各セルの電圧を読み込む。そして、もしどれかのセルが上限電圧ＶＭに到達した時には、電流上昇を停止し、一定電流を保つ。そして、周期的に各セル電圧を検出し、どれかのセルの電圧がＶＭに達した場合、以下の操作を行う。
　すなわち、電流を少し下げる操作若しくはセルの電圧がＶＭに達したセルを放電指定とする操作を行う。
　セルの放電指定となったセルは、トランス部８２にあるスイッチを両方オンとし、放電する状態とする。このようにして、全てのセルの電圧をＶＭになるまで充電のプロセスを続ける。
　なお、トランスの巻き数は、充電器側とセル側との比を１：Ｋとする。Ｋは、セル数以上の値とする。要は、セル電圧を充電器側の電圧以上とする巻き数として、二次側の電圧を充電器の電圧以上としてセルを放電させるようにする。
　放電指定のセルに流れる放電電流Ｉｄは、トランス部８２によりおよそ次の式で表される値となる。
　Ｉｄ＝（Ｖ－Ｖｔ／Ｋ）×Ｔｏｎ÷（（Ｒｃ＋ｒｃ／Ｋ）×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））
　ここで、Ｖは、放電指定のセル電圧である。Ｒｃは、トランス部８２に設けられたセル側の抵抗の値であり、ｒｃは、トランス部８２に設けられた充電器側の抵抗の値である。
　充電器側からは、各セルにＩｃが充電されるため、次の不等式が成り立つように制御する必要がある。
　Ｉｃ＜（Ｖ－Ｖｔ／Ｋ）×Ｔｏｎ÷（Ｒ×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））
　このため、次の不等式が成り立つように予めＲを決めておく。
　ｍａｘ（Ｉｃ）×（Ｒｃ＋ｒｃ／Ｋ）
　＜ｍｉｎ｛（Ｖ－Ｖｔ／Ｋ）×Ｔｏｎ÷（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）｝
　そして、放電指定のセルに流れる電流は、次の式で表される。
　Ｉｄ＝（Ｖ－Ｖｔ／Ｋ）×Ｔｏｎ÷（Ｒ×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））－Ｉｃ
　このため、Ｉｄを０にするようにＴｏｎ及びＴｏｆｆを調整してもよい。このようにすることで、指定されたセルは充電されないことになる。なお、放電指定をしたセルは、電圧が下がってくるため、電圧の下がったセルは、再び放電指定を解除してもよい。
　以上のプロセスを繰り返し、最終的に全てのセルが放電指定となったとき、若しくは充電器１０６の充電電流がＩｍ以下になったときに、バランシング終了とする。
　このプロセスにおいては、図６のステップＳ６０７において「充電不足バンク番号の充電器オン、指定セル充電指定」とあるのは、「充電不足バンク番号の充電器オン、充電完了セルの放電指定」とする。ステップＳ６１０の「各バンク充電器オフ判定＆該当充電器オフ＆セル充電指定ＵＰＤＡＴＥ」において「セル充電指定ＵＰＤＡＴＥ」を「セル放電指定ＵＰＤＡＴＥ」とする。ここで、セル放電指定ＵＰＤＡＴＥとは、前述したセルの放電指定（ＶＭとなったセルでかつ充電器の電流がＩｍ以下）を意味する。各バンク充電器オフ判定とは、充電器の電流がＩｍ以下となり、全てのセルが放電指定となったとき、充電器の電流がＩｍ以下で全てのセルがＶＭとなったときに行う判定をいう。
　図８のトランスを用いるバランシング回路の代わりに、抵抗を用いるパッシブバランシング回路としてもよい。
　図９は、変形例のバンクであって指定セルを放電させるものを示す構成図である。
　本図においては、抵抗９１及びスイッチ９２を用いている。本図に示す回路は、パッシブバランシング回路と呼ぶことにする。
　ここで、（ＣＣ充電時の電流）＜Ｖｍ×Ｔｏｎ／（Ｒ×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））となるように抵抗９１を設定する。Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）は、バランシングＩＣに設定されている値であり、隣り合うセルを両方オンにしないようにし、０．５未満の値となっている。
　［第３の実施形態］
　図１０は、第３の実施形態に係る電池パックの外付けバランシング装置を示す概略構成図である。
　本図においては、外付けバランシング装置１０１は、１個のバンク１０９を有する。そして、外付けバランシング装置１０１に接続された電池パック１０４とバンク１０９との間には、セレクタ１００１が配置されている。バンク１０９は、セレクタ１００１を切り替えることにより、電池パック１０４を構成する複数個のセルのいずれかに接続されるようになっている。
　この場合において、バンク１０９を切り替えるタイミングは、例えば、まずは、電池パック１０４を構成する複数個のセルの一方の端部からｍ個のセルに対して前述したバランシングを施す。次に、端部から（ｍ＋１）個目のセルからｍ個のセルであってまだバランシングを施していないセルに対してバランシングを実施する。そして、反対側の端部までｍ個ずつバランシングを実施する。
　このようにバランシングを施すことにより、１個のバンク１０９で、電池パック１０４を構成するすべてのセルのバランシングを行うことができる。
　以下、変形例について説明する。
　図１１は、トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。
　本図においては、充電器１０６がセル１（３０１）に対して直接充電するように配置されている。また、充電器１０６は、他のセルｍ－１（３０２）、セルｍ（３０３）等のそれぞれのトランス部３０９にも接続されている。スイッチドライバー３０６は、セル１（３０１）には接続されていないが、それ以外のセルｍ－１（３０２）、セルｍ（３０３）等には接続されている。
　なお、本図においては、トランスを用いる場合について説明しているが、トランスの代わりにフライングキャパシタを用いる場合にも、本変形例の構成は適用することができる。
　図１２は、トランスを用いたアクティブバランシング方式を採用したセルコンＩＣを含むバンクの変形例を示す構成図である。
　本図においては、充電器１０６がセルｍ（３０３）に対して直接充電するように配置されている。また、充電器１０６は、他のセル１（３０１）、セルｍ－１（３０２）等のそれぞれのトランス部３０９にも接続されている。スイッチドライバー３０６は、セルｍ（３０３）には接続されていないが、それ以外のセル１（３０１）、セルｍ－１（３０２）等には接続されている。
　なお、本図においては、トランスを用いる場合について説明しているが、トランスの代わりにフライングキャパシタを用いる場合にも、本変形例の構成は適用することができる。
　図１３は、図１１の変形例を更に変形した例を示す構成図である。
　本図においては、セル１（３０１）に電圧監視ＩＣ（３０４）を接続していない。
　なお、図１３においては、トランスを用いる場合について説明しているが、トランスの代わりにフライングキャパシタを用いる場合にも、本変形例の構成は適用することができる。
　図１４は、図１２の変形例を更に変形した例を示す構成図である。
　本図においては、セルｍ（３０３）に電圧監視ＩＣ（３０４）を接続していない。
　なお、図１４においては、トランスを用いる場合について説明しているが、トランスの代わりにフライングキャパシタを用いる場合にも、本変形例の構成は適用することができる。
　なお、最後に、本開示の望ましい実施形態についてまとめて説明する。
　外付けバランシング装置は、バンクと複数個のセルのうちのいずれかとの接続を選択自在とするセレクタを更に備えている。
　バランシング装置は、バンクを複数個備え、バンクのそれぞれは、互いに絶縁されている。
　バンクに接続されているセルの数は、セルコントローラ集積回路の耐圧に基いて設定されている。
　充電器は、定電圧充電器であり、複数個のセルのうち指定されたものを充電する。
　外付けバランシング装置は、セルコントローラ集積回路により検出した複数個のセルのそれぞれの電圧に基いて、複数個のセルのうち充電するものを選定し、当該セルが満充電になったときに当該セルの充電指定を外し、バンクに接続されているセルの全てが満充電になったときに充電器を停止する。
　バランシング装置は、バンクを複数個備え、複数個のバンクのすべての充電器が停止するまでセルの充電を継続する。
　充電器は、出力の電圧及び電流を可変とする構成を有し、充電器に接続している複数個のセルのうち電位が最も高いものの正極に充電器の正極を接続する構成、又は充電器に接続している複数個のセルのうち電位が最も低いものの負極に充電器の負極を接続する構成を有し、複数個のセルのうち指定されたものを放電し、当該指定されたセルの放電電流の値を充電電流の値以上にする。
　充電器の充電電流を上昇させ、複数個のセルのいずれかがそのセルの上限電圧に達したときに充電電流の上昇を停止し、その後、充電電流を下げる操作若しくは上限電圧に達したセルを放電指定とする操作を行う。
　外部のサーバーと通信可能とし、電池パックがアンバランス状態になったときには、サーバーを介してユーザーに通知し、アンバランス状態が解消したときには、サーバーを介して、ユーザーに対して、電池パックのバランシングが完了したという通知をする。
　なお、外付けバランシング装置における制御指令は、ＣＰＵ又は上位のＣＰＵのいずれで行ってもよい。
　１０１：外付けバランシング装置、１０２：コネクタ、１０３：電気自動車、１０４：電池パック、１０５：セルコントローラ集積回路、１０６：充電器、１０７：通信回線、１０８：中央演算処理装置、１０９：バンク、３０１：セル１、３０２：セルｍ－１、３０３：セルｍ、３０４：セルコンＩＣ、３０５：グランド、３０６：スイッチドライバー、３０７、３０８：スイッチ、３０９：トランス部、４０１：フライングキャパシタ、５１：トランス、５２：スイッチ、５３：一次側平滑用コンデンサ、５４：全波整流回路、５５：二次側ダイオード、５６：二次側コンデンサ、５７：電流計、５８：制御回路、Ｓ６０１：ＥＶ満充電ステップ、Ｓ６０２：電池パック取り外しステップ、Ｓ６０３：電池パックをバランシング装置に接続するステップ、Ｓ６０４：条件設定ステップ、Ｓ６０５：各セル電圧取得ステップ、Ｓ６０６：充電不足セル番号とバンク番号同定ステップ、Ｓ６０７：充電指定ステップ、Ｓ６０８：電流、電圧取得ステップ、Ｓ６０９：表示ステップ、Ｓ６１０：充電器オフおよび充電指定セルＵＰＤＡＴＥステップ、Ｓ６１１：終了判定ステップ、７１：サーバー、７２：電気自動車、７３：電池パック、７４：ディーラー、７５：外付けバランシング装置、８１：配線、８２：トランス部、９１：抵抗、１００１：セレクタ。

Claims (10)

  1. 　電池パックに内蔵されている複数個のセルを充電するバランシング装置であって、
    　中央演算処理装置と、バンクと、コネクタと、備え、
    　前記バンクは、セルコントローラ集積回路と、充電器と、を含み、
    　前記充電器は、前記コネクタを介して、対応するそれぞれの前記セルに接続される構成を有し、
    　前記中央演算処理装置と前記バンクとは、互いに絶縁された状態で通信し、
    　前記充電器には、絶縁された状態で外部から電力が供給される、電池パックの外付けバランシング装置。
  2. 　前記バンクと前記複数個のセルのうちのいずれかとの接続を選択自在とするセレクタを更に備えた、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  3. 　前記バランシング装置は、前記バンクを複数個備え、
    　前記バンクのそれぞれは、互いに絶縁されている、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  4. 　前記バンクに接続されている前記セルの数は、前記セルコントローラ集積回路の耐圧に基いて設定されている、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  5. 　前記充電器は、定電圧充電器であり、前記複数個のセルのうち指定されたものを充電する、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  6. 　前記セルコントローラ集積回路により検出した前記複数個のセルのそれぞれの電圧に基いて、前記複数個のセルのうち充電するものを選定し、
    　当該セルが満充電になったときに当該セルの充電指定を外し、
    　前記バンクに接続されている前記セルの全てが満充電になったときに前記充電器を停止する、請求項５記載の外付けバランシング装置。
  7. 　前記バランシング装置は、前記バンクを複数個備え、
    　前記複数個のバンクのすべての前記充電器が停止するまで前記セルの充電を継続する、請求項６記載の外付けバランシング装置。
  8. 　前記充電器は、出力の電圧及び電流を可変とする構成を有し、
    　前記充電器に接続している前記複数個のセルのうち電位が最も高いものの正極に前記充電器の正極を接続する構成、又は前記充電器に接続している前記複数個のセルのうち前記電位が最も低いものの負極に前記充電器の負極を接続する構成を有し、
    　前記複数個のセルのうち指定されたものを放電し、当該指定されたセルの放電電流の値を充電電流の値以上にする、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  9. 　前記充電器の充電電流を上昇させ、前記複数個のセルのいずれかがそのセルの上限電圧に達したときに前記充電電流の上昇を停止し、
    　その後、前記充電電流を下げる操作若しくは前記上限電圧に達した前記セルを放電指定とする操作を行う、請求項１記載の外付けバランシング装置。
  10. 　外部のサーバーと通信可能とし、
    　前記電池パックがアンバランス状態になったときには、前記サーバーを介してユーザーに通知し、
    　前記アンバランス状態が解消したときには、前記サーバーを介して、前記ユーザーに対して、前記電池パックのバランシングが完了したという通知をする、請求項１記載の外付けバランシング装置。
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WO2019123907A1 (ja) * 2017-12-22 2019-06-27 三洋電機株式会社 管理装置、及び電源システム
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