JP2013013292A

JP2013013292A - インダクタを介したエネルギ移送によるセルバランス回路

Info

Publication number: JP2013013292A
Application number: JP2011145716A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mori; 裕之森; Ryozo Yoshino; 亮三吉野; Yuzo Matsuo; 雄三松尾; Naoaki Ogino; 直晃荻野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-17

Abstract

【課題】任意のセル間でエネルギを移送することで、セルに蓄積されたエネルギを無駄にすることなく短時間で組電池における各セル電圧を均一にする。
【解決手段】組電池１の各セル電圧を検出する電圧検出部２と、エネルギ移送用のインダクタＬと、組電池の単セルを選択してその正負電極間にインダクタを接続することが可能な単セル接続スイッチ群４と、電圧検出部が検出する各セル電圧に基づいて、所定の単セルの正負電極間にインダクタを接続するように単セル接続スイッチ群を制御するスイッチ制御部３とを備える。スイッチ制御部は、高電圧セルからインダクタに電流が流れる充電経路を構成した後、所定時間の経過後に充電経路を切断し、充電経路の切断と同時に、インダクタから低電圧セルに電流が流れる放電経路を構成した後、所定時間の経過後に放電経路を切断するように単セル選択スイッチ群を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した組電池のセルバランスの調整、すなわちセル電圧間の均一化を制御するためのセルバランス回路に関し、特に、高効率で短時間に、各セル間の電圧差を解消するための改良に関する。

一般的に、複数の二次電池を直列に接続した組電池を使用した電池パックでは、セル電圧を監視してセルバランスを調整することで、各セルの電圧を均一に維持するように構成されている。セルバランスの調整が必要な理由は、以下のとおりである。

すなわち、サイクル劣化や経年劣化などにより、組電池中の一セルが他のセルと比較して劣化の度合いが大きくなる可能性がある。そのような劣化セルは、他のセルと比較すると電池容量が小さくなることがある。そのため、劣化セルは他セルと比較すると、充電時は電圧上昇が早くなり、放電時は電圧降下が早くなる。その結果、組電池の各セル電圧は均一でなくなり、劣化セルの電圧が充放電制御に対して支配的に働き、電池パックの電池容量が見かけ上小さくなってしまう。加えて、この状況で充放電を続けると、劣化セルに負荷が集中するので加速的に劣化が進み、電池パックとしての寿命が短くなる可能性がある。

この問題を解決するために、電圧の高いセルのエネルギを抵抗器を通して放電し、電圧の高いセルの電圧値を電圧の低いセルの電圧値に概ね一致させることで、各セル電圧を均一にする手法が知られている。（特許文献１）
また、非特許文献１には、エネルギー転送手段としてインダクタンスによるエネルギの蓄積及び放電を利用して、セルバランスを調整する技術が示されている。

特開平９−２８０４２号公報

PowerLAN Dual-Cell Li-Ion Battery Monitor With Power Pump Cell Balancing. 11-12頁. Datasheet. [online]. Texas Instruments Incorporated. SLUS887A-DECEMBER 2008-REVISED OCTOBER 2009. インターネットから検索： <URL:http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/bq76pl102.html>

しかしながら、特許文献１の抵抗器を通して放電することによりセルバランスを制御する方法では、セルに蓄積されたエネルギを無駄に廃棄することになる。

また、非特許文献１のインダクタンスを使う技術では、エネルギの転送先が隣接したセルに限られているため、隣接していないセル間の電圧のアンバランスを解消するためには、繰り返し循環するように動作させなければならず、調整に長時間を要するという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決し、任意のセル間でエネルギを移送することで、セルに蓄積されたエネルギを無駄にすることなく、かつ短時間で、組電池における各セル電圧を均一にするセルバランス回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のセルバランス回路は、複数の二次電池を直列に接続した組電池におけるセルバランスを調整する回路であって、前記組電池の各セル電圧を検出する電圧検出部と、エネルギ移送用のインダクタと、前記組電池の単セルを選択してその正負電極間に前記インダクタを接続することが可能な複数のスイッチにより構成された単セル接続スイッチ群と、前記電圧検出部が検出する各セル電圧のデータに基づいて、前記組電池の所定の単セルの正負電極間に前記インダクタを接続するように前記単セル接続スイッチ群を制御するスイッチ制御部とを備え、前記スイッチ制御部は、高電圧セルから前記インダクタに電流が流れる充電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記充電経路を切断し、前記充電経路の切断と同時に、前記インダクタから前記高電圧セルよりも電圧の低い低電圧セルに電流が流れる放電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記放電経路を切断するように前記単セル接続スイッチ群を制御する。

上記構成によれば、電圧検出部が検出する各セル電圧に基づいて、単セル接続スイッチ群により、任意の単セルを選択的にインダクタに接続し、高い電圧のセルのエネルギをインダクタに蓄電し、インダクタに蓄電したエネルギを電圧の低いセルに移送することにより、セルに溜められたエネルギを無駄にすることなく、効率良く各セル電圧を均一にすることが可能である。

実施の形態１におけるセルバランス回路のブロック図同セルバランス回路の動作を示すフロー図同セルバランス回路の動作を示す動作タイミング図実施の形態１におけるセルバランス回路のブロック図同セルバランス回路の動作を示す動作タイミング図

本発明のセルバランス回路は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記単セル接続スイッチ群は、選択された前記セルのプラス電極及びマイナス電極を選択するための単セル選択スイッチ群と、選択されたプラス電極及びマイナス電極を接続する前記インダクタの端子を選択する極性選択スイッチ群とを組み合わせて構成することができる。

また、前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部が検出した各セル電圧を比較して、各セル間の電圧が均一であるか否かを判定し、各セル間の電圧が均一でない場合に、前記高電圧セルと前記低電圧セルを抽出し、前記充電経路の構成とそれに続く前記放電経路の構成を１回の充放電サイクルとして、前記高電圧セルと前記低電圧セルの電圧差が所定の範囲内になるまで前記充放電サイクルを繰り返す構成とすることができる。

なお、電圧検出部は、組電池の充放電を制御する一般的な充放電制御部に設けられた構成とし、検出されるセル電圧を充放電制御部からスイッチ制御部に出力する構成とすることができる。あるいは、充放電制御部が電圧検出部及びスイッチ制御部を有する構成としてもよい。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１におけるセルバランス回路の構成を示すブロック図である。図２は、このセルバランス回路の動作を表わすフロー図、図３は動作波形図である。

図１において、組電池１は、複数のセルＢ１〜Ｂ４を直列に接続して構成されている。セルＢ１〜Ｂ４はそれぞれ電圧検出部２に接続され、各セルの電圧が検出される。電圧検出部２で検出されたセル電圧のデータはスイッチ制御部３に供給される。スイッチ制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成され、単セル接続スイッチ群４を駆動制御するように接続されている。すなわち、単セル接続スイッチ群４は、ＦＥＴなどの半導体スイッチ素子などから成るスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０を備え、それらのオン／オフがスイッチ制御部３により制御される。

単セル接続スイッチ群４は、セルＢ１〜Ｂ４のいずれかを選択して、その正負電極をそれぞれインダクタＬの端子ＮａまたはＮｂに接続する。そのため、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１０の一端は、セルＢ１〜Ｂ４のプラス電極またはマイナス電極に接続されている。一方、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７、ＳＷ９の他端は、端子Ｎａに接続され、スイッチＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ８、ＳＷ１０の他端は、端子Ｎｂに接続されている。これらのスイッチは充放電タイミングに合わせて、スイッチ制御部３によりオン／オフ動作が制御される。

上記構成を有するセルバランス回路の動作の一例について、組電池１のセルＢ１の電圧が高く、セルＢ４の電圧が低い場合を例として、図１〜図３を参照して説明する。図３において、（ａ）はスイッチＳＷ７、ＳＷ１０のＯＮ／ＯＦＦのタイミング、（ｂ）は、セルＢ１からインダクタＬへの充電電流の波形を示す。（ｃ）は、スイッチＳＷ２、ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦのタイミング、（ｄ）は、インダクタＬからセルＢ４への放電電流の波形を示す。（ｅ）は、インダクタＬを流れる電流の波形を示す。

図２のフロー図において、動作が開始すると、スイッチ制御部３は、電圧検出部２から伝達される組電池１の各セルＢ１〜Ｂ４の電圧を比較する（ステップＳ１）。その結果に基づき、全てのセルの電圧が均一か否かを判定する（ステップＳ２）。判定方法は、どのような方法を用いることもできる。すなわち、セル電圧を均一と判定する条件は適宜設定すればよいが、例えば、全てのセルの平均電圧に対する各セル電圧の差が、所定の許容範囲内にあることを条件として均一と判定することができる。

判定結果において全てのセルの電圧が均一であれば（Ｙｅｓ）、動作を終了する（ステップＳ８）。セル電圧が不均一である場合（Ｎｏ）、電圧の高いセルＢＨ、および電圧の低いセルＢＬを抽出する（ステップＳ３）。セルＢＨ、セルＢＬの抽出方法は適宜設定可能であるが、例えば、セルＢＨとしては組電池１中で最も電圧の高いセルを、セルＢＬとしては最も電圧の低いセルを抽出すればよい。この説明では、ＢＨをセルＢ１、ＢＬをセルＢ４としている。

以下のフローでは、スイッチ制御部３により、単セル接続スイッチ群４のＳＷ１〜ＳＷ１０のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、インダクタＬにセルＢ１のエネルギを充電する経路を構成し（ステップＳ４）、次にインダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路を構成する（ステップＳ５）。

インダクタＬにセルＢ１のエネルギを充電する経路は、図１において、単セル接続スイッチ群４のスイッチＳＷ７とＳＷ１０をＯＮにしたときに構成される。このときの電流経路は、＜セルＢ１の正極＞→＜インダクタＬの端子Ｎａ＞→＜インダクタＬ端子Ｎｂ＞→＜セルＢ１の負極＞となり、その結果、インダクタＬにセルＢ１のエネルギが充電される。図３では、（ａ）におけるＯＮ期間に相当し、（ｂ）に示す充電電流ＩｃがセルＢ１から流れ、インダクタＬでは（ｅ）に示す前半（期間ｔ）の電流が流れる。

インダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路は、図１において、単セル接続スイッチ群４からスイッチＳＷ２とＳＷ３をＯＮにしたときに構成される。このときの電流経路は、＜インダクタＬの端子Ｎｂ＞→＜セルＢ４の正極＞→＜セルＢ４の負極＞→＜インダクタＬの端子Ｎａ＞となり、その結果、インダクタＬに充電したエネルギがセルＢ４に放電される。図３では、（ｃ）におけるＯＮ期間に相当し、（ｄ）に示す充電電流ＩｄがセルＢ４に流れ、インダクタＬでは（ｅ）に示す後半の電流が流れる。

以上のように、セルＢ１のエネルギがインダクタＬに充電される経路形成のために、スイッチ制御部３は、ＳＷ７、ＳＷ１０を同時に一定時間ＯＮとし、セルＢ１のエネルギをインダクタＬに充電する。エネルギ移送時の対象セル間の移送エネルギ、エネルギ移送時間、対象セルからインダクタＬに流す電流値等の設定に応じて、インダクタＬのインダクタンスを設定する必要がある。

一定時間（期間ｔ）後、スイッチ制御部３は、ＳＷ７、ＳＷ１０を切断すると同時に、インダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路形成のために、ＳＷ２、ＳＷ３を一定時間ＯＮとし、インダクタＬに蓄電されたエネルギをセルＢ４に放電する。さらに一定時間後、スイッチ制御部３は、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦとする。

以上の１サイクルの充放電を終了する毎に、セルＢ１（ＢＨ）の電圧とセルＢ４（ＢＬ）の電圧を比較する（ステップＳ６）。セルＢ１の電圧とセルＢ４の電圧が同等でなければ（ステップＳ７、Ｎｏ）、ステップＳ４に戻って、上述の動作を繰り返す。それにより、電圧の高いセルＢ１から電圧の低いセルＢ４に向かって再度エネルギの移送が行われる。なお、２つのセル電圧が同等とは、例えば、電圧の差が所定の許容範囲内にあることとして設定することができるが、上述した、全ての電池電圧が均等である状態の定義に応じて設定することが望ましい。

この動作を繰り返すことにより、充電時に接続されたセルＢ１はエネルギが減り続け、放電時に接続されたセルＢ４はエネルギが増え続ける。したがってセル電圧を監視して二つのセルの電圧が同等になった時点で動作を停止する。すなわち、ステップＳ７でＹｅｓであれば、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１では、再度、全てのセルの電圧を比較してステップＳ２に移り、全てのセルの電圧が均一か否かを判断する。全てのセルの電圧が均一であれば（Ｙｅｓ）、動作を終了する（ステップＳ８）。均一でなければ（Ｎｏ）、再度、最高電圧のセルＢＨ、および最低電圧のセルＢＬを抽出する（ステップＳ３）。そして、ステップＳ４に移り、ステップＳ７までの動作を、上述のとおり繰り返す。

以上のように、本実施の形態におけるセルバランス回路は、任意のセル間で、インダクタを介して電圧の高いセルから電圧の低いセルにエネルギを移送するので、エネルギを無駄にすることなく効率良くセル電圧を均一にすることが可能である。

＜実施の形態２＞
図４は、実施の形態２におけるセルバランス回路の構成を示すブロック回路図である。図５は、このセルバランス回路の動作を表わす動作波形図である。本実施の形態は、図１における単セル接続スイッチ群４を、単セル選択スイッチ群５及び極性選択スイッチ群６の組合わせで置き換えた構成を有する。スイッチ切替動作の全体のフローは、図２を参照して説明した実施の形態１の場合と同様である。

単セル選択スイッチ群５と極性選択スイッチ群６はＦＥＴなどの半導体スイッチ素子などから成り、電圧検出部２の出力に基づいて、マイクロコンピュータなどから成るスイッチ制御部７によって駆動制御される。この構成では、単セル選択スイッチ群５のスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５により組電池１中のいずれかのセルのプラス電極またはマイナス電極が選択され、極性選択スイッチ群６のスイッチＳＷ１６〜ＳＷ１９により、選択された電極が端子ＮａまたはＮｂに接続される。

この構成によるセルバランス調整の動作の一例について、セルＢ１の電圧が高く、セルＢ４の電圧が低い場合を例として、図５を参照して説明する。図５において、（ａ）はスイッチＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６、ＳＷ１９のＯＮ／ＯＦＦのタイミング、（ｂ）は、セルＢ１からインダクタＬへの充電電流の波形を示す。（ｃ）は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１９、ＳＷ１６のＯＮ／ＯＦＦのタイミング、（ｄ）は、インダクタＬからセルＢ４への放電電流の波形を示す。（ｅ）は、インダクタＬを流れる電流の波形を示す。

スイッチ制御部７は、電圧検出部２から伝達された組電池１の各セル電圧に基づき、セル電圧が均一であるか判定する。判定方法は、どのような方法を用いてもよい。判定結果においてセル電圧が不均一である場合、電圧の高いセルと電圧の低いセルが選出される。本実施の形態では、組電池１のセルＢ１を電圧の高いセルとして選出し、セルＢ４を電圧が低いセルとして選出されたものとする。

次に、スイッチ制御部７にて、単セル選択スイッチ群５と極性選択スイッチ群６のスイッチを選択的にＯＮとすることで、インダクタＬにセルＢ１のエネルギを充電する経路を構成し、次にインダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路を構成する。

インダクタＬにセルＢ１のエネルギを充電する経路は、図４において、単セル選択スイッチ群５のスイッチＳＷ１４とＳＷ１５、極性選択スイッチ群６のＳＷ１６とＳＷ１９を選択的にＯＮとしたときに構成される。このときの電流経路は、＜セルＢ１の正極＞→＜インダクタＬの端子Ｎａ＞→＜インダクタＬ端子Ｎｂ＞→＜セルＢ１の負極＞となり、その結果、インダクタＬにセルＢ１のエネルギが充電される。図５では、（ａ）におけるＯＮ期間に相当し、（ｂ）に示す充電電流ＩｃがセルＢ１から流れ、インダクタＬでは（ｅ）に示す前半（期間ｔ）の電流が流れる。

インダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路は、図４において、単セル選択スイッチ群５のＳＷ１１とＳＷ１２、極性選択スイッチ群６のＳＷ１６とＳＷ１９を選択的にＯＮとしたときに構成される。このときの電流経路は、＜インダクタＬの端子Ｎｂ＞→＜セルＢ４の正極＞→＜セルＢ４の負極＞→＜インダクタＬの端子Ｎａ＞となり、その結果、インダクタＬに充電したエネルギがセルＢ４に放電される。図５では、（ｃ）におけるＯＮ期間に相当し、（ｄ）に示す充電電流ＩｄがセルＢ４に流れ、インダクタＬでは（ｅ）に示す後半の電流が流れる。

以上のように、セルＢ１のエネルギがインダクタＬに充電される経路形成のために、スイッチ制御部７は、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６、ＳＷ１９を同時に一定時間ＯＮとし、セルＢ１のエネルギをインダクタＬに充電する。エネルギ移送時の対象セル間の移送エネルギ、エネルギ移送時間、対象セルからインダクタＬに流す電流値等の設定に応じて、インダクタＬのインダクタンスを設定する必要がある。

一定時間（期間ｔ）後、スイッチ制御部７は、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６、ＳＷ１９を切断すると同時に、インダクタＬに充電されたエネルギをセルＢ４に放電する経路形成のために、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１６、ＳＷ１９を一定時間ＯＮとし、インダクタＬに蓄電されたエネルギをセルＢ４に放電する。さらに一定時間後、スイッチ制御部７は、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１６、ＳＷ１９をＯＦＦとする。

以上の１サイクルの充放電を終了する毎に、セルＢ１の電圧とセルＢ４の電圧を比較する。セルＢ１の電圧とセルＢ４の電圧が同等でなければ、上述の充放電動作を繰り返す。それにより、電圧の高いセルＢ１から電圧の低いセルＢ４に向かって再度エネルギの移送が行われる。

この動作を繰り返すことにより、充電時に接続されたセルＢ１はエネルギが減り続け、放電時に接続されたセルＢ４はエネルギが増え続ける。したがってセル電圧を監視して二つのセルの電圧が同等になった時点で動作を停止する。次の動作では、残りのセルの中で再度電圧の高いセルと低いセルを選択して、電圧の高いセルから電圧の低いセルに電荷を移送する動作を繰り返す。動作の停止は、図２に示したフローと同様に、電圧の監視結果に基づいて行う。

本発明のセルバランス回路は、エネルギを無駄にすることなく効率良くセル電圧を均一にすることが可能であり、民生用二次電池パック、業務用二次電池パック、などの二次電池を使用した充放電システムに有用である。

１組電池
２電圧検出部
３、７スイッチ制御部
４単セル接続スイッチ群
５単セル選択スイッチ群
６極性選択スイッチ群
Ｂ１〜Ｂ４セル
ＳＷ１〜ＳＷ１９スイッチ
Ｌインダクタ

Claims

複数の二次電池を直列に接続した組電池におけるセルバランスを調整するセルバランス回路であって、
前記組電池の各セル電圧を検出する電圧検出部と、
エネルギ移送用のインダクタと、
前記組電池の単セルを選択してその正負電極間に前記インダクタを接続することが可能な複数のスイッチにより構成された単セル接続スイッチ群と、
前記電圧検出部が検出する各セル電圧のデータに基づいて、前記組電池の所定の単セルの正負電極間に前記インダクタを接続するように前記単セル接続スイッチ群を制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、
高電圧セルから前記インダクタに電流が流れる充電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記充電経路を切断し、
前記充電経路の切断と同時に、前記インダクタから前記高電圧セルよりも電圧の低い低電圧セルに電流が流れる放電経路を構成した後、所定時間の経過後に前記放電経路を切断するように前記単セル接続スイッチ群を制御することを特徴とするセルバランス回路。
前記単セル接続スイッチ群は、選択された前記セルのプラス電極及びマイナス電極を選択するための単セル選択スイッチ群と、選択されたプラス電極及びマイナス電極を接続する前記インダクタの端子を選択する極性選択スイッチ群とを組み合わせて構成されている請求項１に記載のセルバランス回路。
前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部が検出した各セル電圧を比較して、各セル間の電圧が均一であるか否かを判定し、各セル間の電圧が均一でない場合に、前記高電圧セルと前記低電圧セルを抽出し、前記充電経路の構成とそれに続く前記放電経路の構成を１回の充放電サイクルとして、前記高電圧セルと前記低電圧セルの電圧差が所定の範囲内になるまで前記充放電サイクルを繰り返す請求項１または２に記載のセルバランス回路。