JP2009081949A - 組電池の保護装置及びこれを含む組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力の電圧ばらつき補正機能を有する組電池の保護装置を提供する。
【解決手段】直列接続された電池セルＢ１Ｂ２にそれぞれ対応する複数のキャパシタＣ１，Ｃ２と；前記電池セルの電圧をサンプリングして前記キャパシタにホールドさせるために前記電池セルと前記キャパシタとの間に接続された複数の第１スイッチＳ_Sと；前記キャパシタを並列に接続するための複数の第２スイッチＳ_Aと；前記第１スイッチ及び第２スイッチを制御するコントローラ１０を有する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電池セル間の電圧ばらつきを補正する機能を有する組電池の保護装置及びこれを含む組電池システムに関する。

近年、環境負荷の低減という観点から、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集めている。電気自動車やハイブリッドカーの走行性能を左右する車載用バッテリは、モータの駆動を可能とするために数十ボルト以上の高い電圧が要求される。そこで、車載用バッテリには、２Ｖ程度の電池セルを多数直列に接続して高い電圧を得る、いわゆる組電池が使用される。

組電池では、電池セル間のばらつきが問題となる。電池セルは直列に接続されているため、各電池セルには同じ電流が流れるが、容量にばらつきがあるとそれぞれの電圧が異なる。各電池セルの電圧が異なると、電圧が充電時に上限電圧に達する電池セルや、放電時に下限電圧になる電池セルが存在する可能性が出てくる。電圧が上限電圧に達した電池セルは過充電状態であり、電圧が下限電圧に達した電池セルは過放電状態であるため、バッテリの性能劣化を引き起こす。このような電池セルの過放電及び過充電を防ぐために、電池セル間の電圧ばらつきを補正する必要がある。

このようなセル電圧のばらつき補正のため、特許文献１には電池セルの電圧を検出するフライングキャパシタ型電圧検出回路の検出結果を用いて、各電池セルの電圧を均等化させる電圧ばらつき補正回路が示されている。具体的には、特許文献１では各電池セルとキャパシタ回路との間の電荷移動を個別に制御する電荷移動制御回路が備えられる。電荷移動制御回路は、フライングキャパシタ型電圧検出回路により検出された各電池セルの電圧状態に基づいて、相対的に高い電圧を持つ電池セルからキャパシタ回路へ電荷を移動させ、その後相対的に低い電圧を持つ電池セルへキャパシタ回路の電荷を移動させる。このような電荷移動動作により、各電池セル間の電圧ばらつきが補正される。
特開平２００７−６５５２号公報

特許文献１に記載の電圧ばらつき補正回路では、フライングキャパシタ型電圧検出回路による電池セルの電圧検出結果に従ってセル電圧のばらつき補正動作を行う必要がある。特許文献１によると、段落［００３３］の記載から推測されるように、電池セルの電圧検出回路にはアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が用いられている。

ＡＤＣを用いた電圧検出回路は、例えば電圧比較器を用いた電圧検出回路に比較して高精度の電圧検出が可能であるが、ＡＤＣによる消費電力が大きい。特許文献１では、電池セルの電圧ばらつきを補正するために電圧検出回路を常時オンにしているため、電圧ばらつき補正回路の消費電力が大きいという問題がある。

本発明は、低消費電力の電圧ばらつき補正機能を有する組電池の保護装置及びこれを含む組電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一つの観点によると、直列接続された複数の電池セルにそれぞれ対応する複数のキャパシタと；前記電池セルの電圧をサンプリングして前記キャパシタにホールドさせるために前記電池セルと前記キャパシタとの間に接続された複数の第１スイッチと；前記キャパシタを並列に接続するための複数の第２スイッチと；前記第１スイッチ及び第２スイッチを制御するコントローラと；を具備する組電池の保護装置を提供する。

本発明の他の観点によると、直列接続された複数の電池セルにそれぞれ対応する複数のキャパシタと；前記電池セルの電圧をサンプリングして前記キャパシタにホールドさせるために前記電池セルと前記キャパシタとの間に接続された複数の第１スイッチと；前記キャパシタを並列に接続するための複数の第２スイッチと；前記キャパシタのホールド電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と；前記ホールド電圧を前記アナログ−デジタル変換器に転送するための複数の第３スイッチと；前記第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチを制御するコントローラと；を具備する組電池の保護装置を提供する。

さらに、本発明の別の観点によると、直列接続された複数の電池セルを有する組電池と；上記の保護装置と；を具備する組電池システムを提供する。

本発明によれば、電圧検出回路を動作させることなく少ない消費電力でセル電圧のばらつきを効果的に低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る組電池の保護装置は、直列接続された複数のセル電池３−ｎｍ（図１の例では、ｎ＝１〜４、ｍ＝１〜５）をそれぞれ有する、直列接続された複数の電池モジュール２Ａ, ２Ｂ, ２Ｃ及び２Ｄにより構成される組電池１に適用される。セル電池３−ｎｍとしては、例えばリチウムイオン電池のような二次電池が用いられる。組電池１の一端は外部接続端子７に接続され、他端は管理ユニット６を介して外部端子８に接続される。

保護装置４は、電池モジュール２Ａ, ２Ｂ, ２Ｃ及び２Ｄにそれぞれ接続された、本発明の保護ユニット５Ａ, ５Ｂ, ５Ｃ及び５Ｄと、電池モジュール２Ａ, ２Ｂ, ２Ｃ及び２Ｄに共通の管理ユニット６を有する。保護装置４は組電池１とは別の筐体に収容される場合もあるが、組電池１と共に一つの筐体９内に収容され、組電池１と共に組電池システム（電池パックとも呼ばれる）１０として使用される場合もある。

図２は、保護ユニット５Ａ, ５Ｂ, ５Ｃ及び５Ｄの一つを示している。保護ユニット５Ａ, ５Ｂ, ５Ｃ及び５Ｄは、基本的に電池モジュール２Ａ, ２Ｂ, ２Ｃ及び２Ｄの各セル電池の電圧（以下、セル電圧ともいう）が充電時に充電禁止電圧に達すると充電禁止動作を行い、セル電圧が放電時に放電禁止電圧に達すると放電禁止動作を行う基本機能を有するが、ここでは当該基本機能に関わる説明を省略する。

図２においては、一つの保護ユニットに対応する電池モジュールに含まれるセル電池として、３つのＢ１及びＢ２が代表的に示されているが、セル電池は実際には前述のようにさらに多数存在する。

本実施形態では、保護装置において低消費電力でセル電圧のばらつき補正を行う。以下、図１の保護ユニットの種々の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２に示されるように電池セルＢ１及びＢ２のそれぞれの両端には、電池セルＢ１及びＢ２の電圧（セル電圧）をサンプリングするためのスイッチ（以下、サンプリングスイッチという）Ｓsの一端が接続され、スイッチＳ_Sの他端はセル電池Ｂ１及びＢ２にそれぞれ対応するキャパシタＣ１及びＣ２の両端にそれぞれ接続される。キャパシタＣ１及びＣ２には、電圧を平均化するためのスイッチ（以下、平均化スイッチという）Ｓ_Aが接続される。すなわち、キャパシタＣ１及びＣ２の図中上側の一端間及び図中下側の他端間にそれぞれ平均化スイッチＳ_Aが接続される。平均化スイッチＳ_Aがオンになると、キャパシタＣ１及びＣ２が並列に接続され、Ｃ１及びＣ２の電圧が平均化される。

ＭＰＵによって実現されるマイクロコントローラ１００は、サンプリングスイッチＳ_S及び平均化スイッチＳAを制御するためのコントローラ１０１と通信部１０２を有する。通信部１０２は、他の保護ユニット及び管理ユニット６と通信を行うために設けられているが、ここでは通信部１０２の詳細な説明は省略する。

次に、図３のフローチャートを用いて図２の保護装置におけるセル電圧の平均化動作を説明する。
まず、全てのスイッチＳS及びＳAがオフとされる（ステップＳ１０１）。この後、サンプリングスイッチＳSがオンとされる（ステップＳ１０２）。サンプリングスイッチＳSのオンにより電池セルＢ１及びＢ２のセル電圧がサンプリングされ、サンプリングされた電圧がキャパシタＣ１及びＣ２にホールドされる。

次に、平均化スイッチＳAがオンとされる（ステップＳ１０３）。平均化スイッチＳAのオンにより、キャパシタＣ１及びＣ２の電圧が平均化され、結果的に電池セルＢ１及びＢ２の電圧が平均化される。ステップＳ１０３の後、ステップＳ１０４で平均化動作を続行するかどうかが判断され、続行する場合はステップＳ１０１に戻って上述の動作が繰り返される。

今、電池セルＢ１及びＢ２の容量をそれぞれＣ_B1及びＣ_B2とし、サンプリングキャパシタＣ１及びＣ２の容量をＣとする。さらに、電池セルＢ１及びＢ２の平均電圧をＶａとすると、Ｂ１の電圧はＶａ＋ΔＶ、Ｂ２の電圧はＶａ−ΔＶのように、互いに異なっていると仮定する。すなわち、電池セルＢ１の電圧は高い方向にばらつきを生じており、電池セルＢ２の電圧は低い方向にばらつきを生じているとする。

電池セルＢ１及びＢ２の初期電圧Ｖ１（０）及びＶ２（０）は、上記の仮定からそれぞれＶ１（０）＝Ｖａ＋ΔＶ及びＶ２（０）＝Ｖａ−ΔＶとなる。従って、サンプリングによりキャパシタＣ１及びＣ２に蓄積された電荷は、それぞれＣ（Ｖａ＋ΔＶ）及びＣ（Ｖａ−ΔＶ）となる。

次に、平均化スイッチＳ_AによりキャパシタＣ１及びＣ２を並列に接続して電圧の平均化を行うと、キャパシタＣ１及びＣ２に蓄積された電荷は共にＣＶａになる。この後、サンプリングスイッチＳ_Sがオンとされ、電池セルＢ１及びＢ２の電圧が再度サンプリングされる。電荷保存則から、再度サンプリングを行ったときの電池セルＢ１及びＢ２の電圧Ｖ１（１）及びＶ２（１）は、以下の通りである。

電圧ばらつきが高い方向に生じていた電池セルＢ１においては、式（１）に示されるように電圧ばらつきΔＶ×Ｃ_B1／（Ｃ_B1＋Ｃ）は当初のΔＶからＣΔＶ／（Ｃ_B1＋Ｃ）だけ減っている。このため、Ｂ１ではキャパシタＣ１に向けて放電が行われ、電圧は低下する。

一方、電圧ばらつきが低い方向に生じていた電池セルＢ２においては、式（２）に示されるように電圧ばらつきΔＶ×Ｃ_B1／（Ｃ_B1＋Ｃ）は当初のΔＶ×Ｃ_B2／（Ｃ_B2＋Ｃ）からＣΔＶ／（Ｃ_B2＋Ｃ）だけ増えている。このため、キャパシタＣ２から充電が行われる、電圧は上昇する。

平均化スイッチＳAのオン／オフによるセル電圧の平均化動作がＮ回繰り返されると、電池セルＢ１及びＢ２の電圧Ｖ１（Ｎ）及びＶ２（Ｎ）は、以下のようになる。

式（３）及び（４）中のＣ_B1／（Ｃ_B1＋Ｃ）及びＣ_B2／（Ｃ_B2＋Ｃ）は、１以下である。このため、平均化動作を続けると（Ｎが十分に大きくなると）、最終的に式（３）及び（４）の右辺第２項は零となり、電池セルＢ１及びＢ２の電圧は平均電圧Ｖａに落ち着くことになる。例えば、電池セルＢ１の平均電圧Ｖａからの電圧ばらつきΔＶを１０分の１にしたい場合に、必要な平均化動作の回数（平均化スイッチＳ_Aのオン／オフ回数）をＭは、

より、以下のように求まる。

具体的に、例えば電池セルＢ１の容量Ｃ_B1とキャパシタＣ１及びＣ２の容量Ｃとの比を１００００対１とすると、式（６）のＭは２３０００となる。この例は、セル電圧のばらつきを１０分の１にする場合を考えたが、実際は電圧ばらつきが要求される値にまで低減されるようにＮを選定すればよい。

このように本実施形態によると、特許文献１のようにＡＤＣを用いた電圧検出回路による電池セルの電圧検出結果を必要とすることなく、平均化スイッチＳ_Aのオン／オフのみでセル電圧のばらつきを補正することができる。すなわち、ＡＤＣを用いた電圧検出回路による消費電力を伴わずに電圧ばらつきの補正が可能となる。さらに、電池セルは電圧ばらつき補正に際して放電のみでなく充電も行うため、電池の寿命が長くなることも利点の一つになる。

図３では、ステップＳ１０２でサンプリングスイッチＳ_Sをオンにした後、ステップＳ１０３に移行して平均化スイッチＳ_Aをオンにした。他の例として、図４に示すようにステップＳ１０２の後にサンプリングスイッチＳ_SをオフにしてからステップＳ１０３に移行して平均化スイッチＳ_Aをオンにしてもよい。

（第２の実施の形態）
図５に示される第２の実施形態では、保護装置においてフライングキャパシタ型電圧検出回路と電圧ばらつき補正回路を少なくとも一部の要素について共用することによって、素子数の削減を図っている。以下、図２の保護ユニットの種々の実施形態について詳細に説明する。

図５においては、先に説明したセル電圧の平均化のためのキャパシタＣ１及びＣ２がフライングキャパシタ型電圧検出回路におけるフライングキャパシタを兼ねている。マイクロコントローラ１００には、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１０３が設けられる。キャパシタＣ１及びＣ２のそれぞれの両端とＡＤＣ１０３との間に、キャパシタＣ１及びＣ２のホールド電圧をＡＤＣ１０３に転送するための転送スイッチＳ１及びＳ２が挿入されている。セル電圧、すなわち電池セルＢ１及びＢ２の電圧をサンプリングしてキャパシタＣ１及びＣ２にホールドし、転送スイッチＳ１及びＳ２によりＡＤＣ１０３に転送して量子化することで、セル電圧の検出を行う。

次に、スイッチの動作タイミングを示した図６のタイムチャートと図７のフローチャートを用いて本実施形態の動作を説明する。
まず、全てのスイッチＳS，ＳA，Ｓ１及びＳ２がオフとされる（ステップＳ２０１）。この後、サンプリングスイッチＳSがオンとされる（ステップＳ２０２）。サンプリングスイッチＳSのオンにより電池セルＢ１及びＢ２のセル電圧が同時にサンプリングされ、この後サンプリングスイッチＳSがオフとされることにより、サンプリングされた電圧がキャパシタＣ１及びＣ２にホールドされる（ステップＳ２０３）。

本実施形態では、このような電圧検出モードをユーザが随時に設定可能であるとする。ステップＳ２０３の後、電圧検出モードかどうかが判定され（ステップＳ２０４）、電圧検出モードであれば転送スイッチＳｉ（ｉ＝１，２）が順次オンとされ、キャパシタＣ１及びＣ２のホールド電圧がＡＤＣ１０３に転送されることにより、ホールド電圧が量子化すなわちデジタル信号に変換される（ステップＳ２０５）。この後、転送スイッチＳｉ（ｉ＝１，２）はオフとされる（ステップＳ２０６）。

次に、ステップＳ２０７により電圧検出モードで全てのキャパシタＣ１及びＣ２の電圧が検出されたと判断されると、処理はステップＳ２０８に移り、平均化スイッチＳ_Aがオンとされることにより、キャパシタＣ１及びＣ２の電圧が平均化され、結果的に電池セルＢ１及びＢ２の電圧が平均化される。ステップＳ２０８の後、ステップＳ２０９で平均化動作を続行するかどうかが判断され、続行する場合はステップＳ２０１に戻って上述の動作が繰り返される。

本実施形態によると、基本的に従来のフライングキャパシタ型電圧検出回路に対して平均化スイッチＳ_Aを追加し、かつスイッチコントローラ１０１の制御シーケンスを変更するだけで、電圧検出機能とセル電圧のばらつき補正機能を実現できる。

また、本実施形態では電圧検出を行うか否かに関係なくセル電圧のばらつき補正動作を行っているため、平均化動作（平均化スイッチＳ_Sのオン／オフ）回数を電圧検出の回数に合わせる必要はない。例えば、ばらつき補正を速やかに解消させたい場合は、平均化動作回数を電圧検出の回数より多くすればよい。

別の実施形態として、例えば図７のステップＳ２０４の処理を省くことによって、電圧検出を随時行うときのみ平均化動作を行ってもよい。その場合、電圧検出の繰り返しに伴いセル電圧のばらつきは漸次解消されてゆくことになる。

上述した第１、第２の実施形態では、２つの電池セルＢ１，Ｂ２それぞれに接続されたキャパシタＣ１，Ｃ２を並列に接続し、平均化を行っているが、電池セルが２つ以上直列接続されている場合は、各電池セルに対応する２つ以上のキャパシタを並列に接続し、平均化を行ってもよい。この場合、複数のキャパシタをいくつかのグループに分割し、それぞれのグループ毎に平均化を行ってもよいが、全てのキャパシタを並列に接続し、平均化を行うことで、全ての電池セル間の電圧ばらつきを同時に補正することができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に従う組電池の保護装置及び組電池システムの概略を示すブロック図 第１の実施形態に従う保護ユニットを示す回路図 第１の実施形態における処理手順を示すフローチャート 第１の実施形態における変形した処理手順を示すフローチャート 第３の実施形態に従う保護ユニットの一部を示す回路図 第２の実施形態におけるスイッチの動作を示すタイミングチャート 第２の実施形態における処理手順を示すフローチャート

符号の説明

１・・・組電池
５Ａ〜５Ｄ・・・保護ユニット
１０・・・組電池システム
Ｂ１，Ｂ２・・・電池セル
Ｓ_S・・・サンプリングスイッチ（第１のスイッチ）
Ｃ１，Ｃ２・・・サンプリングキャパシタ
Ｓ_A・・・平均化スイッチ（第２のスイッチ）
Ｓ１，Ｓ２・・・転送スイッチ（第３のスイッチ）
１００・・・マイクロコントローラ
１０１・・・コントローラ
１０２・・・通信部
１０３・・・アナログ−デジタル変換器

Claims (8)

1. 直列接続された複数の電池セルを有する組電池の保護装置において、
   前記電池セルにそれぞれ対応する複数のキャパシタと；
   前記電池セルの電圧をサンプリングして前記キャパシタにホールドさせるために前記電池セルと前記キャパシタとの間に接続された複数の第１スイッチと；
   前記複数のキャパシタのうち少なくとも２つのキャパシタを並列に接続するための複数の第２スイッチと；
   前記第１スイッチ及び第２スイッチを制御するコントローラと；を具備する組電池の保護装置。
2. 前記コントローラは、（ａ）前記第１スイッチを一定期間オンにした後、（ｂ）前記第１スイッチをオフにし、（ｃ）次に前記第２のスイッチをオンにする、という一連の制御を繰り返すように構成される請求項１記載の組電池の保護装置。
3. 直列接続された複数の電池セルを有する組電池と；
   請求項１記載の保護装置と；を具備する組電池システム。
4. 直列接続された複数の電池セルを有する組電池の保護装置において、
   前記電池セルにそれぞれ対応する複数のキャパシタと；
   前記電池セルの電圧をサンプリングして前記キャパシタにホールドさせるために前記電池セルと前記キャパシタとの間に接続された複数の第１スイッチと；
   前記複数のキャパシタのうち少なくとも２つのキャパシタを並列に接続するための複数の第２スイッチと；
   前記キャパシタのホールド電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と；
   前記ホールド電圧を前記アナログ−デジタル変換器に転送するための複数の第３スイッチと；
   前記第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチを制御するコントローラと；を具備する組電池の保護装置。
5. 前記コントローラは、（ａ）前記第１スイッチをオンにした後、（ｂ）前記第１スイッチをオフにし、（ｃ）次に前記第３スイッチをオンにした後、（ｄ）前記第３スイッチをオフにし、（ｄ）次に前記第２のスイッチをオンにする、という一連の制御を繰り返すように構成される請求項４記載の組電池の保護装置。
6. 前記コントローラは、（ａ）前記第１スイッチをオンにした後、（ｂ）前記第１スイッチをオフにし、（ｃ）次に電圧検出モードが設定されているかどうかを判断し、（ｃ１）前記電圧検出モードが設定されていれば（ｅ）前記第３スイッチをオンにした後、（ｆ）前記第３スイッチをオフにし、（ｇ）次に前記第２のスイッチをオンにし、また（ｃ２）前記電圧検出モードが設定されていなければ（ｇ）次に前記第２のスイッチをオンにする、という一連の制御を繰り返すように構成される請求項４記載の組電池の保護装置。
7. 前記コントローラは、一定時間当たりに前記第２スイッチにより前記キャパシタが並列接続される回数が、前記一定時間当たりに前記第３スイッチにより前記ホールド電圧が前記アナログ−デジタル変換器に転送される回数より多くなるように前記第２スイッチ及び第３スイッチを制御するように構成される請求項４記載の組電池の保護装置。
8. 直列接続された複数の電池セルを有する組電池と；
   請求項４記載の保護装置と；を具備する組電池システム。

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