JP2013017323A - セル均等化制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】組電池を構成する電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムに関し、絶縁性を確保できかつ部品点数が少ないシステムを実現する。
【解決手段】組電池101を構成する各電池セルの両側には、電圧検出端子群102a、102bが接続される。第1、第2の切替スイッチ群103、104は、それぞれ奇数番目および偶数番目の電圧検出端子群102a、102bを選択的に端子T1、T2に接続する。トランス106は、1次コイル側にスイッチ素子107を介して組電池101の出力端子または回生エネルギーの出力端子を接続する制御部109は、第1、第2の切替スイッチ群103、104、極性切替リレー群105を制御して、組電池101を構成する所定の電池セルまたはその電池セルをまとめた所定の電池ブロックをトランス106の2次コイルに接続した後、スイッチ素子107を制御することにより均等化制御を実行する。
【選択図】図1

Description

本発明は、組電池を構成する電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムに関する。
いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ(電動機)を動力源として備えた車両または輸送機械(以下、「車両等」と称する)が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池(以下、個々の電池を「セル」、その「セル」が複数接続されたものを「ブロック」などと呼ぶ)が相互に接続された組電池として供給される場合が多い。
この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の残存容量や充電効率も大きく変化する。自動車のような使用環境ではなおさらである。この結果、組電池を構成する電池セル等において、各セル等の残存容量および出力電圧にばらつきが生じる。各セル等が発生する電圧にばらつきが発生すると、1つのセルの電圧が駆動可能な閾値を下回ったような場合に、全体の電源供給を止めたり抑制したりする必要が生じ、電力効率が低下してしまう。このため、各セルの電圧または容量の均等化を行う制御が必要となる。
セル均等化制御の第1の従来技術として、図6の構成例として示されるパッシブ方式が知られている。この方式では、直列に接続された#1〜#NのN個の電池セル601に対して、それぞれの電池セル601に並列に、抵抗602とスイッチ603が直列に接続された回路を接続する。そして、必要に応じて、電池セル601に並列に接続されているスイッチ603を短絡させてそれに接続される抵抗602を介してその電池セル601を放電させることにより、各電池セル601(#1〜#N)の電圧を揃える。
しかし、このようなパッシブ方式は、電池セル601に蓄積されたエネルギーを放電させることにより均等化制御を行う方式であるため、電力を捨てることになって電力効率が悪いという問題点を有していた。また、抵抗を使って1セルずつ均等化制御を実行するために、均等化の収束にも時間がかかるという問題点を有していた。さらに、電池の使用回数には制限があるため、何回も過剰な充放電(過充放電)を繰り返すと電池が劣化してゆくという問題点も有していた。
セル均等化制御の第2の従来技術として、図7の構成例として示される従来アクティブ1方式が知られている。この方式は、1又は複数の二次電池からなる電池ブロックをN個直列に接続した組電池701の、そのN個の電池ブロックに接続された(N+1)個の電圧検出端子702a、702bと、電池電圧を蓄積する容量手段706と、奇数番目の電圧検出端子702aを第1の端子T1に選択的に接続する複数のスイッチを有する第1のマルチプレクサ703と、偶数番目の電圧検出端子702bを第2の端子T2に選択的に接続する複数のスイッチを有する第2のマルチプレクサ704と、第1の端子T1を容量手段706の一端又は他端に選択的に接続し、第2の端子T2を容量手段706の他端又は一端に選択的に接続するスイッチを有し、第1の端子T1と第2の端子T2との間の電圧を、その極性を所定の極性に揃えて容量手段706に印加する極性補正手段705とを含む構成を有する。この方式では、第1のマルチプレクサ703と第2のマルチプレクサ704、および極性補正手段705を制御して、残存容量が高い電池セルのエネルギーを一旦容量手段706に蓄積し、残存容量が低い電池セルに容量手段706に蓄積した電力を充電する。これにより、走行中でも充電が可能で、電力効率が高く、スイッチの数が少なく容量手段706として安価なコンデンサを使用可能なため低コストなセル均等化制御が実現される。
しかし、この方式は、容量手段706としてコンデンサを使用するため、コンデンサの充電電圧よりも高い電圧がコンデンサに供給されないと、うまく電力を引き渡せず、電力の授受が調整しにくいという問題点を有していた。また、電力の調整回路がないため、電池セル間に電圧差がありすぎると、一気に電流が流れて部品に負担がかかり、故障の原因となりやすいという問題点を有していた。さらに、回路内を流れる電流も大きいため、損失も大きいという問題点を有していた。加えて、コンデンサを直接電圧で充電することは効率が悪く、電流に時定数制限をかけた場合に収束時間が長くなってしまう。また、コンデンサへの充電電力のかなりの部分を損失にまわすことになり、パッシブ方式よりも電力のエネルギー効率が落ちてしまう可能性がある。また、絶縁性も確保されていない。
均等化制御の第3の従来技術として、図8の構成例として示される従来アクティブ2方式が知られている。この方式は、複数の電池セルが直列に接続されて構成される組電池801と、1次コイル側がスイッチ804を介して組電池801の両方の出力端子に接続され、2次コイル側が整流ダイオード805と切替スイッチ群802を介して組電池801内の各電池セルの両側端子に選択的に接続されるトランス803を含む構成を有する。
この方式では、残存容量が少なくなった電池セルにおいて、その両側端子を切替スイッチ群802によってトランス803の2次コイル側に接続し、スイッチ804をオン/オフさせる。これにより、組電池801からの電力または回生エネルギーが、トランス803の1次コイルから2次コイルに伝達され、整流ダイオード805で整流された後に、残存容量が少なくなった電池セルに電力が供給されて充電される。この構成により、組電池801からまたは回生電流の一部を、残存容量が少なくなった電池セルにトランス803を介して任意の電流で供給することができるので、充電量を細かく調整できる。また、トランス803による絶縁性があるため、電池セル間の短絡故障は少ない。
しかし、この方式は、切替スイッチ群802を構成するスイッチの数が多く、コストが高くつくという問題点を有していた。
特開2010−220413号公報 特開2005−328642号公報 特開2001−339865号公報
本発明は、絶縁性を確保できかつ部品点数が少ないセル均等化制御システムを実現することを目的とする。
本発明は、組電池を構成する各電池セルの両側に接続される電圧検出端子群と、奇数番目の電圧検出端子群を選択的に第1の端子に接続する第1の切替スイッチ群と、偶数番目の電圧検出端子群を選択的に第2の端子に接続する第2の切替スイッチ群と、1次コイル側にスイッチ素子を介して組電池の出力端子または回生エネルギーの出力端子を接続したトランスと、第1の端子と第2の端子を、接続極性を制御して整流ダイオードを介してトランスの2次コイル側に接続する極性切替リレー群と、第1の切替スイッチ群、第2の切替スイッチ群、極性切替リレー群を制御して、組電池を構成する所定の電池セルまたはその電池セルをまとめた所定の電池ブロックをトランスの2次コイルに接続した後、スイッチ素子を制御することにより所定の電池セルまたは所定の電池ブロックに対して均等化制御を実行する制御部とを備える。
本発明によれば、走行中にも均等化動作が可能になり、イグニッションオフ時以外にも均等化に時間をとれるため、均等化制御の精度が向上し、均等化制御の収束時間を短縮することが可能となる。
本発明によれば、走行中も全部の電池電圧が安定しているので、1セルだけ電池電圧が低下して急に止めるような事態を回避でき、電圧のばらつきにわずらわされずに走行できるので、ドライバビリティ(ドラビリ、駆動性能)が向上する。
本発明によれば、最適な過充放電抑制が実現されるため、電池寿命を伸ばすことが可能たおなる。
本発明によれば、実装が容易なセル均等化制御システムを実現できる。
本発明によれば、電流センサ間の絶縁性を確保し、安全なセル均等化制御を実現することが可能となる。
実施形態の構成図である。 実施形態の動作説明図である。 実施形態の制御動作を示すフローチャートである。 実施形態の制御動作を示すタイミングチャートである。 実施形態と従来アクティブ方式の比較図である。 第1の従来技術(パッシブ方式)の構成例を示す図である。 第2の従来技術(従来アクティブ1方式)の構成例を示す図である。 第3の従来技術(従来アクティブ2方式)の構成例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態の構成図である。本実施形態は、車両に搭載される組電池の電池セルまたは電池ブロックの残存容量を均等化するセル均等化制御システムとして実施される。
組電池101は、電池セルが複数直列に接続された電池ブロックがさらに複数接続された構成を有し、車両等を駆動する例えばリチウムイオン電池である。組電池101の両側の出力は、出力端子OUT1およびOUT2に接続される。出力端子OUT1およびOUT2は、駆動モータの制御回路に接続される。
組電池101を構成する各電池セルの両側には、電圧検出端子群102a、102bが接続される。奇数番目の電圧検出端子群102aは、第1の切替スイッチ群103によって、選択的に第1の端子T1に接続される。偶数番目の電圧検出端子群102bは、第2の切替スイッチ群104によって、選択的に第2の端子T2に接続される。
第1の端子T1と第2の端子T2は、極性切替リレー群105によって接続極性が制御されて、整流ダイオード108を介してトランス106の2次コイル側に接続される。
トランス106の1次コイル側には、出力端子OUT1と、交流発生用のスイッチ素子107を介して出力端子OUT2が接続される。
制御部109は、制御信号端子S1を介して、組電池101内の各電池セルまたは電池ブロックの電圧を監視する。制御部109は、制御信号端子S2およびS3を介して、第1の切替スイッチ群103および第2の切替スイッチ群104を制御する。制御部109は、制御信号端子S4を介して、極性切替リレー群105を制御する。さらに、制御部109は、制御信号端子S5を介して、スイッチ素子107を制御する。加えて、制御部109は、制御信号端子S6を介して、第1の端子T1(第2の端子T2でもよい)の位置に設置された電流センサが検出する電流値を監視する。
以上の構成を有する実施形態の動作について以下に説明する。
図2は、本実施形態の動作説明図である。この説明図は、図1の制御部109が制御信号端子S1を介して、組電池101中の1番上の電池セルの残存容量が最も少なく充電を要すると判定したときの電流経路を示すものである。
まず、図1の制御部109は、制御信号端子S2を介して、図1の第1の切替スイッチ群103中のスイッチsw1を導通状態にする。また、制御部109は、制御信号端子S3を介して、図1の第2の切替スイッチ群104中のスイッチsw1′を導通状態にする。その後、制御部109は、制御信号端子S4を介して、図1の極性切替リレー群105中のリレーs1とs4を導通状態にする。その後、制御部109は、制御信号端子S5を介して、スイッチ素子107のオン/オフ動作を開始させる。
この結果、組電池101の出力が破線矢印201の経路で、または駆動モータからの回生エネルギーが破線202の経路で、トランス106の1次コイル側に交流状態で流入する。この断続電流は、実線矢印203として示されるように、電磁誘導効果により2次コイル側に伝達され、整流ダイオード108から、リレーs1、第1の端子T1、スイッチsw1を介して、組電池101内の1番上の電池セルのプラス極側に流れる。また、その電池セルのマイナス極側からスイッチsw1′、第2の端子T2、リレーs4を介して、トランス106の2次コイル側に戻る。
このようにして、組電池101内の1番上の電池セルを充電することができる。
2番目の電池セルの充電が必要になったときには、第1の切替スイッチ群103のスイッチsw2と、第2の切替スイッチ群104のスイッチsw1′を導通状態にする。そして、極性切替リレー群105のリレーs2とs3を導通状態にする。この結果、整流ダイオード108の出力→リレーs3→第2の端子T2→スイッチsw1′→2番目の電池セル→スイッチsw2→第1の端子T1→リレーs2→トランス106の2次コイル側という経路で電流が流れ、2番目の電池セルの充電が可能となる。
3番目の電池セルの充電が必要になったときには、第1の切替スイッチ群103のスイッチsw2と、第2の切替スイッチ群104のスイッチsw2′を導通状態にする。そして、極性切替リレー群105のリレーs1とs4を導通状態にする。この結果、整流ダイオード108の出力→リレーs1→第1の端子T1→スイッチsw2→3番目の電池セル→スイッチsw2′→第2の端子T2→リレーs4→トランス106の2次コイル側という経路で電流が流れ、3番目の電池セルの充電が可能となる。
以上のようにして、本実施形態では、第1の切替スイッチ群103と第2の切替スイッチ群と極性切替リレー群105を設け、電力を供給する手段としてトランス106とスイッチ素子107と整流ダイオード108とからなる回生回路を設けた。この構成により、電池セル間の絶縁性を確保しつつ、スイッチの数を減らすことができ、走行中でも常時均等化制御が可能なセル均等化制御システムを実現することが可能となる。
図3および図4は、本実施形態の制御動作を示すフローチャートおよびタイミングチャートである。図3のフローチャートの制御動作は、図1の制御部109によって実行される。制御部109は例えば、CPU(中央演算処理装置)、プログラムROM(リードオンリーメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等を備えるコンピュータシステムとして実現される。そして、CPUが、プログラムROMに記憶された制御プログラムを実行する処理として、図3のフローチャートの制御動作が実現される。
まず、制御部109は、制御信号端子S1を介して、最低ブロック電圧、最低セル電圧、目標ブロック電圧、目標セル電圧を算出する(ステップS301)。図1の組電池101は、複数の電池セルによって構成されているが、この中でいくつかの電池セルごとにさらに電池ブロックという単位で構成されている。すなわち、複数の電池セルで1つの電池ブロックが構成され、その電池ブロックが複数集まって組電池101が構成されている。それで、均等化制御は、電池ブロックと電池セルの双方を単位として行う。まず、電池ブロックの単位で各電池ブロックが出力するブロック電圧を監視し、その中でブロック電圧が最低となるものとして最低ブロック電圧を算出し、それに対応する電池ブロックを記録する。また、電池セルの単位でも各電池セルが出力するセル電圧を監視し、その中でセル電圧が最低となるものとして最低セル電圧を算出し、それに対応する電池セルを記録する。さらに、目標ブロック電圧と目標セル電圧は、最低ブロック電圧の電池ブロックや最低セル電圧の電池セルが到達すべき電圧値である。これらは、固定値であってもよいし、組電池101内の現在の全てのブロック電圧やセル電圧から所定の計算によって算出されてもよい。
次に、制御部109は、最低セル電圧と目標セル電圧の差であるセル電圧偏差と、最低ブロック電圧と目標ブロック電圧の差であるブロック電圧偏差を比較する(ステップS302)。
そして、セル電圧偏差のほうがブロック電圧偏差よりも大きければ、最低セル電圧に対応する電池セルを充電セルとして選択する制御処理を実行する(ステップS302→S303)。一方、ブロック電圧偏差のほうがセル電圧偏差以上であれば、最低ブロック電圧に対応する電池ブロックを充電ブロックとして選択する制御処理を実行する(ステップS302→S304)。
ステップS303の充電セルの選択処理においては、次の処理が実行される。まず、制御部109は、制御信号端子S2およびS3を制御して、最低セル電圧に対応する電池セルの両側の端子を選択できるように、図1の第1の切替スイッチ群103と第2の切替スイッチ群104を制御する。図2の例では、1番上の電池セルが充電セルと判定された場合にスイッチsw1とsw1′が選択される。次に、制御部109は、制御信号端子S4を介して、選択された電池セルに接続される第1の切替スイッチ群103と第2の切替スイッチ群104の極性に応じて、極性切替リレー群105を制御する。図2の例では、リレーs1とs4が選択される。その後、制御部109は、選択したスイッチおよびリレーをONして導通状態にする。図4の(a)と(d)は、第1の切替スイッチ群103と第2の切替スイッチ群104における選択されたスイッチのONタイミングを示すタイミングチャートである。図2の例に対応してスイッチsw1とsw1′のONタイミングについて示されている。また、図4の(b)と(c)は、極性切替リレー群105における選択されたリレーのONタイミングを示すタイミングチャートである。図2の例に対応してリレーs1とs4のONタイミングについて示されている。これらより、リレーのONタイミングは、スイッチのONタイミングよりもわずかに遅れるように制御される。
続いて、制御部109は、図1の制御信号端子S6を介して、図1の第1の端子T1の位置の電流値を電流センサから取得し、電流センサ値が所定の暗電流値(ほとんどゼロに近い値)よりも小さいか否かを判定する(ステップS305)。いま、図1の整流ダイオード108が仮に破損して短絡しているような場合には、トランス106が回生動作を開始していなくとも、その短絡した整流ダイオード108を逆流して、ステップS303またはS304によって接続された電流セルまたは電池ブロックのプラス側からマイナス側に向かって(例えば図2の実線矢印203の逆方向に)、大きな電流が流れる。そこで、本実施形態では、制御部109は、ステップS305の判定を行うことにより、2次コイル側回路の短絡状態を検出することができる。
制御部109は、電流センサ値が暗電流値以上となってステップS305の判定がNOとなると、極性切替リレー群105内の全てのリレーをoffして回生動作を中止し、異常をランプ等で警告する(ステップS307)。
図4(e)は、図1の第1の端子T1に設置された電流センサの出力値を示すタイミングチャートである。第1の切替スイッチ群103、第2の切替スイッチ群104、および極性切替リレー群105がオンされた直後は、正常であれば電流値はゼロに近く、その後の回生動作に従って出力電流が立ち上がる。
一方、制御部109は、電流センサ値が暗電流値より小さくステップS305の判定がYESとなると、図1の制御信号端子S5を介してスイッチ素子107の断続動作を開始させてトランス106、スイッチ素子107、整流ダイオード108からなる回生回路による充電動作を開始する(ステップS306)。タイミングチャートは、図4(f)に示されるごとくとなる。
以上の充電処理の後、制御部109は、制御信号端子S1を介して、対象となる充電セルまたは充電ブロックが目標セル電圧または目標ブロック電圧に達したことを確認すると次の動作を行う。すなわち、制御部109は、制御信号端子S4を介して、極性切替リレー群105で選択されているリレーをoffし、制御信号端子S2およびS3を介して、第1の切替スイッチ群103、第2の切替スイッチ群104で選択されているスイッチをoffする(以上、ステップS308)。
その後、ステップS301の制御処理に戻って、セル均等化制御を続行する。
以上説明した本実施形態においては、まずセル均等化制御システムを構成する部品数は、第1の切替スイッチ群103、第2の切替スイッチ群104と極性切替リレー群105の組合せにより、部品数を減らすことができる。図5は、図7に例示した従来アクティブ1方式と、図8に例示した従来アクティブ2方式と、図1の本実施形態との部品点数の比較図である。ここでは、電池セルの数を14個直列とし、それによって構成される電池ブロックを8個並列に構成した組電池101を想定している。この結果、本実施形態では、絶縁性に優れる従来アクティブ2方式に比べて部品点数を半分近くに減らすことができ、部品点数が少ないが絶縁性等には劣る従来アクティブ1方式とほぼ同数の部品点数で実装可能なことがわかる。
本実施形態では、停車中・走行中・充電中など、いつでもセル均等化制御が可能である。このため、充電に必要な収束時間を気にする必要が無くなり、また、充電セルまたは充電ブロックの切り替えによって複数の電池セルや電池ブロックににエネルギー供給が可能となる。
本実施形態では、トランス106を使っているため、1次コイル側と2次コイル側の絶縁が確保されている。さらに、極性切替リレー群105により、短絡故障時等において迅速な絶縁が可能となり、電池セル間の絶縁性が確保される。
本実施形態では、常時均等化制御を行うことで、走行中の過充放電を抑え、走行時間を延ばすことが可能となる。走行中の電圧が均等化されることにより電池の持続時間を延長でき、急激な電圧変化が起きないことで運転性が安定する。
本実施形態では、外部から送られてくる回生エネルギー等を、トランス106を使って直接調整するので、エネルギー貯蓄損失がない分電力効率が上がる。パッシブの廃棄エネルギーの再利用や、回生・充電エネルギーの直接的な均等化が可能となる。
本実施形態では、常時均等化制御が可能なため、大電流を流す必要がなく、容量の小さい部品で対応することが可能となり、セル均等化制御システムの小型化が実現される。
本実施形態では、部品点数が少ない上に制御も複雑でないため、実装が容易である。
101、701、801 組電池101
102a、102b、702a、702b 電圧検出端子群
103、703 第1の切替スイッチ群
104、704 第2の切替スイッチ群
105 極性切替リレー群
106、803 トランス
107 スイッチ素子
108、805 整流ダイオード
109 制御部
601 電池セル
602 抵抗
603 スイッチ
705 極性補正手段
706 容量手段
802 切替スイッチ群
804 スイッチ
T1 第1の端子
T2 第2の端子
S1、S2、S3、S4、S5、S6 制御信号端子

Claims (2)

  1. 組電池を構成する各電池セルの両側に接続される電圧検出端子群と、
    奇数番目の電圧検出端子群を選択的に第1の端子に接続する第1の切替スイッチ群と、
    偶数番目の電圧検出端子群を選択的に第2の端子に接続する第2の切替スイッチ群と、
    1次コイル側にスイッチ素子を介して前記組電池の出力端子または回生エネルギーの出力端子を接続したトランスと、
    前記第1の端子と前記第2の端子を、接続極性を制御して整流ダイオードを介して前記トランスの2次コイル側に接続する極性切替リレー群と、
    前記第1の切替スイッチ群、前記第2の切替スイッチ群、前記極性切替リレー群を制御して、前記組電池を構成する所定の電池セルまたは該電池セルをまとめた所定の電池ブロックを前記トランスの2次コイルに接続した後、前記スイッチ素子を制御することにより前記所定の電池セルまたは前記所定の電池ブロックに対して均等化制御を実行する制御部と、
    を備えることを特徴とするセル均等化制御システム。
  2. 前記第1の端子または前記第2の端子の位置の電流値を計測する電流センサを更に備え、
    前記制御部は、前記第1の切替スイッチ群、前記第2の切替スイッチ群、前記極性切替リレー群を制御して、前記組電池を構成する所定の電池セルまたは該電池セルをまとめた所定の電池ブロックを前記トランスの2次コイルに接続した後、前記スイッチ素子を動作させる前に、前記電流センサが計測する電流値が所定の暗電流値を超えていたときに、異常として、前記極性切替リレー群のリレーを全てオフする、
    ことを特徴とする請求項1に記載のセル均等化制御システム。
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