JP2017163635A - 組電池装置および組電池装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上する組電池装置および組電池の制御方法を提供する。
【解決手段】 実施形態による組電池装置は、複数の電池セルＣ１を含む電池モジュールＭＤＬ１と、電池モジュールＭＤＬ１と外部との接続を切替えるスイッチＳＷ１と、複数の電池セルＣ１それぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出する電池監視回路１２と、複数の電池セルＣ１の個々に充電電流を供給するバランス回路１４と、電池監視回路１２から受信した正極端子電圧および負極端子電圧より、複数の電池セルＣ１のそれぞれの閉回路電圧が所定の閾値以上か否か判断し、複数の電池セルＣ１のいずれかの閉回路電圧が所定の閾値以上となったときに、複数の電池セルＣ１の最も高い閉回路電圧を制御目標とし、スイッチＳＷ１を開いてバランス回路１４により他の２次電池セルＣ１を制御目標となるまで充電する制御回路１００と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、組電池装置および組電池装置の制御方法に関する。

二次電池を産業機器や車載用機器に適用するには、システム電力/電圧を確保するため、電池セルを多数直列に接続して組電池を構成し、この組電池を並列接続することにより必要な電力を確保する組電池装置が提案されている。また、アイドリングストップシステム（ＩＳＳ）のような車両システムにおいては、リチウムイオン電池等の高出力電池と鉛電池等の高容量電池とを並列接続し、車両の燃費向上や鉛電池の劣化を抑制することを実現する組電池装置が提案されている。

組電池を使用してシステムを構築する場合、組電池の高効率化のため、組電池内の複数の電池セルの電圧を均一化する制御が行われる。例えば、リチウムイオン電池の組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、各電池セルに抵抗器を並列接続したセルバランス回路を接続し、高電圧の電池セルを放電させる放電方式を採用することができる。また、例えば鉛電池の組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、過剰充電により電池セルの電圧を均一化する充電方式を採用することができる。

特開２０１３−２２３３２０号公報

組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、上記の放電方式であっても過剰充電方式であっても、電力ロスが生じることとなる。
本発明の実施形態は、組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上する組電池装置および組電池の制御方法を提供することを目的とする。

実施形態による組電池装置は、複数の電池セルを含む電池モジュールと、前記電池モジュールと外部との接続を切替えるスイッチと、前記複数の電池セルそれぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出する電池監視回路と、前記複数の電池セルの個々に充電電流を供給するバランス回路と、前記電池監視回路から受信した正極端子電圧および負極端子電圧より、前記複数の電池セルのそれぞれの閉回路電圧が所定の閾値以上か否か判断し、前記複数の電池セルのいずれかの閉回路電圧が所定の閾値以上となったときに、前記複数の電池セルの最も高い閉回路電圧を制御目標とし、前記スイッチを開いて前記バランス回路により他の電池セルを前記制御目標となるまで充電する制御回路と、を備える。

図１は、実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、図１に示すバランス回路の一構成例を概略的に示す図である。 図３は、実施形態の組電池装置の制御方法の一例について説明するフローチャートである。

以下、実施形態の組電池装置および組電池装置の制御方法について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。本実施形態の組電池装置は、例えば車両に搭載されている。車両は、本実施形態の組電池装置と、車両の動作を制御する制御回路１００と、内燃機関（エンジン）と発電機 (オルタネータ)と、を備えている。

本実施形態の組電池装置は、第１組電池１０と、第２組電池２０と、制御回路（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００と、第１スイッチＳＷ１と、第２スイッチＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、を備えている。
第１組電池１０と第２組電池２０とは、制御回路１００と電気的に接続した正極側の主回路配線ＷＨと負極側の主回路配線ＷＬとの間に接続し、第１組電池１０と第２組電池２０とは互いに並列に接続している。正極側の主回路配線ＷＨと負極側の主回路配線ＷＬとは、負荷（図示せず）に接続される。

第１スイッチＳＷ１は、発電機と正極側の主回路配線ＷＨとの電気的接続を切替える。すなわち、第１スイッチＳＷ１は、発電機と、組電池装置との接続を切替える切替手段である。

第２スイッチＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌは、第１組電池１０の正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間、および、第１組電池１０の負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間の電気的接続をそれぞれ切替える。すなわち、第２スイッチＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌは、第１組電池１０の第１電池モジュールＭＤＬ１と第２組電池２０の第２電池モジュールＭＤＬ２との間の並列接続を切替える切替手段である。
第１スイッチＳＷ１と、第２スイッチＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌとは、例えば、導通状態を電気的に制御可能な切替手段であって、制御回路１００によりその動作を制御される。

第２組電池２０は、第２電池モジュールＭＤＬ２と、第１コネクタＣＮ１Ｈ、ＣＮ１Ｌとを有している。
第２電池モジュールＭＤＬ２は、複数の第２電池セルＣ２を含む。複数の第２電池セルＣ２は高容量電池であって、例えば鉛電池である。複数の第２電池セルＣ２は、互いに直列に接続している。

第２組電池２０の正極側の第１コネクタＣＮ１Ｈは、第２組電池２０の正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間に介在している。第２組電池２０の負極側の第１コネクタＣＮ１Ｌは、第２組電池２０の負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間に介在している。

第１組電池１０は、第１電池モジュールＭＤＬ１と、電池監視回路１２と、バランス回路１４と、第２コネクタＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌと、第３コネクタＣＮ３とを備えている。
第１電池モジュールＭＤＬ１は、複数の第１電池セルＣ１を含む。複数の第１電池セルＣ１は高出力電池であって、例えば、リチウムイオン電池である。複数の第１電池セルＣ１は、互いに直列に接続している。

第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子は、第２コネクタＣＮ２Ｈおよび第２スイッチＳＷ２Ｈを介して正極側の主回路配線ＷＨと電気的に接続している。第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子は、第２コネクタＣＮ２Ｌおよび第２スイッチＳＷ２Ｌを介して負極側の主回路配線ＷＬと電気的に接続している。

電池監視回路１２は、例えばＣＭＵ（Cell Management Unit）であって、第３コネクタＣＮ３を介して制御回路１００と通信可能に接続されている。電池監視回路１２は、例えばＣＡＮ（Control Area Network）プロトコルに基づいて制御回路１００との間で通信を行う。

電池監視回路１２には、第１電池モジュールＭＤＬ１の複数の第１電池セルＣ１それぞれの正極端子あるいは負極端子と電気的に接続した複数の電圧検出用配線が接続している。また、電池監視回路１２は、第１電池モジュールＭＤＬ１の充電電流（あるいは放電電流）と、第１電池モジュールＭＤＬ１近傍の温度とを検出する。なお、電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１のそれぞれの充電電流（あるいは放電電流）を検出可能に構成されてもよい。

電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧、負極端子電圧、電流、および、温度を周期的に検出し、制御回路１００へ出力する。なお、電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とから、端子間電圧（正極端子電圧と負極端子電圧との差分）を演算して、演算結果を制御回路１００へ出力してもよい。

正極側の第２コネクタＣＮ２Ｈは、正極側の主回路配線ＷＨと第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子との間、正極側の主回路配線ＷＨとバランス回路１４との間、および、制御回路１００とバランス回路１４との間に介在している。負極側の第２コネクタＣＮ２Ｌは、負極側の主回路配線ＷＬと第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子との間に介在している。第２コネクタＣＮ２Ｈを介して主回路配線ＷＨと第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子とを電気的に接続する配線には、正極側の第２スイッチＳＷ２Ｈが挿入されている。第２コネクタＣＮ２Ｌを介して主回路配線ＷＬと第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子とを電気的に接続する配線には、負極側の第２スイッチＳＷ２Ｌが挿入されている。

バランス回路１４は、正極側の主回路配線ＷＨと、制御回路１００との間で通信を行う通信ラインと、第１電池モジュールＭＤＬ１の複数の第１電池セルＣ１のそれぞれの正極端子と負極端子との間に延びた配線と、に接続されている。バランス回路１４は、制御回路１００により制御されて、複数の第１電池セルＣ１の電圧（ＣＣＶ）あるいはＳＯＣが均一となるように、複数の第１電池セルＣ１の充電電流を調整する。

制御回路１００は車両の動作を制御する制御手段であって、例えばＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、メモリとを備え、電池監視回路１２、スイッチＳＷ１、ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌ、バランス回路１４の動作を制御する。また、制御回路１００は充電器と接続可能であって、第１電池モジュールＭＤＬ１および第２電池モジュールＭＤＬの充電および放電の制御を行う。

制御回路１００は、電池監視回路１２と通信可能に接続し、電池監視回路１２から受信した複数の第１電池セルＣ１の電圧に基づいて、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の動作を制御する。

図２は、図１に示すバランス回路の一構成例を概略的に示す図である。
バランス回路１４は、第１組電池１０の複数の第１電池セルＣ１のそれぞれに接続したセル充電回路１４０を備えている。セル充電回路１４０は、第１電池セルＣ１への充電電流を調整するＤＣ−ＤＣコンバータであって、トランスＴＲと、スイッチＳ１と、抵抗器Ｒ１、Ｒ２と、ダイオードＤ１と、を備えている。

トランスＴＲの１次巻線には、正極側の主回路配線ＷＨの電圧が印加される。トランスＴＲの１次巻線の低電位側にはスイッチＳ１が介在している。スイッチＳ１は、例えばＭＯＳＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であって、制御回路１００からＰＷＭ制御信号によりゲート電位を制御される。スイッチＳ１のゲートには抵抗器Ｒ２が接続している。スイッチＳ１のゲート−ソース間には抵抗器Ｒ１が接続している。
トランスＴＲの２次巻線は、第１電池セルＣ１の両端に接続している。２次巻線の一端と第１電池セルＣ１の正極端子との間にはダイオードＤ１が介在している。

上記セル充電回路１４０において、スイッチＳ１が導通すると、１次巻線に逆起電力が生じ、これにより２次巻線に誘導起電力が生じる。２次巻線に誘導起電力が生じるとダイオードＤ１を介して電流が流れ、第１電池セルＣ１へ充電電流を供給する。

制御回路１００は、上記のセル充電回路１４０のスイッチＳ１のゲート電位を制御することにより、複数の第１電池セルＣ１の個々について充電電流を調整することができる。制御回路１００は、例えば、複数の第１電池セルＣ１のそれぞれについて、正極端子電圧と基準電圧とを比較する比較器（図示せず）と、比較器の出力に基づいてＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成回路（図示せず）と、を備えている。

また、制御回路１００は、例えば、複数の第１電池セルＣ１のそれぞれについて、充電電流の値と基準値とを比較する比較器（図示せず）と、比較器の出力に基づいてＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成回路（図示せず）と、を備えていてもよい。

以下に、制御回路１００が複数の第１電池セルＣ１の電圧を均等化する際の動作の一例を説明する。
図３は、実施形態の組電池装置の制御方法の一例を説明するフローチャートである。
以下で説明する動作は、第１電池モジュールＭＤＬ１を定電圧充電する際の制御回路１００の動作である。

本実施形態では、制御回路１００は、複数の電池セルＣ１のぞれぞれの閉回路電圧が所定の閾値未満のときには、スイッチＳＷ１を閉じた状態で、外部から供給される電流により電池モジュールＭＤＬ１を充電する。複数の電池セルＣ１のそれぞれの閉回路電圧のいずれかが所定の閾値以上となったときに、制御回路１００は、スイッチＳＷ１を開いてバランス回路１４により複数の電池セルＣ１を個々に充電する。

主回路配線ＷＨ、ＷＬに接続している発電機が動作することで、組電池の充電が開始する(例えば、車輌の減速時のエネルギーで発電機を動作させる)。このとき、スイッチＳＷ１は導通している状態である。この状態で、制御回路１００は、第１電池モジュールＭＤＬ１の電圧が所定の閾値となるまで充電を継続する。これにより、充電初期はバランス回路を介さないので発生する電力ロスを抑制できる。

充電中、制御回路１００は、電池監視回路１２から周期的に第１電池モジュールＭＤＬ１の電圧、複数の第１電池セルＣ１の閉回路電圧（ＣＣＶ）、電流、および、温度などを受信し、複数の第１電池セルＣ１のＳＯＣの演算などを行う。（ステップＳＴ１）
制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の閉回路電圧（ＣＣＶ）を監視し、最も高い閉回路電圧（ＣＣＶ）が所定の閾値（単セルで充電を終了にする目標電圧(Ａ)）以上か否か判断する。（ステップＳＴ２）複数の第１電池セルＣ１の閉回路電圧（ＣＣＶ）のいずれかが所定の閾値に到達するまで、制御回路１００は、ステップＳＴ１とステップＳＴ２とを繰り返し実行する。

複数の第１電池セルＣ１の閉回路電圧（ＣＣＶ）の最も高い値が、所定の閾値以上となったとき、スイッチＳＷ１をオフし、セル充電回路１４０を動作させる。（ステップＳＴ３）
ここで、制御回路１００は、例えば、第１電池セルＣ１について、ＳＯＣ、充電電流、温度をパラメータとした充電特性をもつ２次電池セルの制御モデル(伝達函数、マップなど)を実装していても良い。制御回路１００は、電圧センサで計測した個々の第１電池セルＣ１の閉回路電圧（ＣＣＶ）から、閉回路電圧（ＣＣＶ）が最も高い第１電池セルＣ１を特定し、その電圧を制御目標としてもよい。

この場合、制御回路１００は閉回路電圧（ＣＣＶ）が最も高い第１電池セルＣ１の充電を停止し、他の第１電池セルＣ１を充電して充電量が均一になるようにセル充電回路１４０を制御する。（ステップＳＴ４）

制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１それぞれに、制御目標と現在の閉回路電圧（ＣＣＶ）と温度とから、バランス調整時間で制御目標に到達するための制御量(充電電流)を制御モデルに基づき演算する。この場合、制御回路１００は、制御量の総和が上位装置（あるいは充電装置、オルタネータ）が供給可能な制御量を超えていないかを確認する。供給可能な制御量を超えている場合には、制御回路１００は、制御目標と現在の閉回路電圧（ＣＣＶ）との差分が大きい順に優先順位づけし、システムが供給可能な制御量を超えないよう個々の制御量を調整してもよい。このとき、制御回路１００は、バランス調整時間を長くするなどの調整をして、供給可能な制御量を増やしても構わない。

また、制御回路１００は、充電装置（あるいは上位装置）が供給可能な充電電流の総量を、第１電池モジュールＭＤＬ１を構成する複数の第１電池セルＣ１それぞれに割当て(例えば、均等に割当て)、その充電電流で制御目標に到達するための充電時間を制御量としてもよい。この場合には、制御回路１００は、制御量の総和が上位装置（あるいは充電装置）により供給可能な制御量を超えているか否かを確認する必要はない。

制御回路１００は、求めた制御量を実現するようにバランス回路１４を構成するセル充電回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１４０のデューティ(スイッチＳ１のオン時間)/(スイッチング周期))を演算し、得られたデューティのＰＷＭ制御信号によりスイッチＳ１のゲート電位を制御する。
制御回路１００は、スイッチＳ１のスイッチング周期の整数倍を1周期とする制御周期で、上記演算を行い、制御量（充電電流）を微調整することができる。

制御回路１００は、第１電池セルＣ１それぞれについて、閉回路電圧が所定の閾値(目標電圧(Ａ)）に到達したら、その第１電池セルＣ１に並列接続しているセル充電回路１４０を停止する。
上記のように、全ての第１電池セルＣ１について充電が終了した後、バランス回路１４を停止し、スイッチＳＷ１を導通させ、充電を終了する。

上記のように、本実施形態の組電池装置および組電池装置の制御方法では、電池セル間の電圧アンバランスを、個々の電池セルの閉回路電圧（ＣＣＶ）に基づいて、最も閉回路電圧の高い電池セルに合わせることで行っている。これにより、電池モジュールＭＤＬ１のＳＯＣを推定する精度を向上させることができる。

上記のように第１電池モジュールＭＤＬ１を充電すると、第１電池モジュールＭＤＬ１の過充電保護を目的とする回路素子を追加すること無く、第１電池セルＣ１を過充電状態から保護することができる。

また、本実施形態によれば、第１電池モジュールＭＤＬ１への回生性能を損なわないよう、バランス回路での電力損失を抑えた回路構成とすることができる。また、本実施形態によれば、制御回路１００は、発電機(オルタネータ)を細かく制御しなくとも、バランス回路１４により第１電池セルＣ１(または第１電池モジュールＭＤＬ１)を効率よく充電することができる。
すなわち、本実施形態によれば、組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上する組電池装置および組電池の制御方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１組電池、１２…電池監視回路、１４…バランス回路、１４０…セル充電回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）、２０…第２組電池、１００…制御回路、Ｃ１…第１電池セル、Ｃ２…第２電池セル、Ｄ１…ダイオード、Ｌ１…コイル、ＭＤＬ１…第１電池モジュール、ＭＤＬ２…第２電池モジュール、Ｒ１、Ｒ２…抵抗器、ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ。

Claims (4)

1. 複数の電池セルを含む電池モジュールと、
   前記電池モジュールと外部との接続を切替えるスイッチと、
   前記複数の電池セルそれぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出する電池監視回路と、
   前記複数の電池セルの個々に充電電流を供給するバランス回路と、
   前記電池監視回路から受信した正極端子電圧および負極端子電圧より、前記複数の電池セルのそれぞれの閉回路電圧が所定の閾値以上か否か判断し、前記複数の電池セルのいずれかの閉回路電圧が所定の閾値以上となったときに、前記複数の電池セルの最も高い閉回路電圧を制御目標とし、前記スイッチを開いて前記バランス回路により他の電池セルを前記制御目標となるまで充電する制御回路と、を備えた組電池装置。
2. 前記バランス回路は、前記複数の電池セルの個々に接続したＤＣ−ＤＣコンバータを備える、請求項１記載の組電池装置。
3. 複数の電池セルを含む電池モジュールと、
   前記電池モジュールと外部との接続を切替えるスイッチと、
   前記複数の電池セルそれぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出する電池監視回路と、
   前記複数の電池セルの個々に充電電流を供給するバランス回路と、
   前記バランス回路を制御する制御回路と、を備えた組電池装置の制御方法であって、
   前記制御回路は、前記電池監視回路から受信した正極端子電圧および負極端子電圧より、前記複数の電池セルのそれぞれの閉回路電圧が所定の閾値以上か否か判断し、
   前記複数の電池セルのいずれかの閉回路電圧が所定の閾値以上となったときに、前記複数の電池セルの最も高い閉回路電圧を制御目標とし、前記スイッチを開いて前記バランス回路により他の電池セルを前記制御目標となるまで充電する、組電池装置の制御方法。
4. 前記複数の電池セルのぞれぞれの閉回路電圧が所定の閾値未満のときには、前記スイッチを閉じた状態で、外部から供給される電流により前記電池モジュールを充電し、
   前記複数の電池セルのそれぞれの閉回路電圧のいずれかが所定の閾値以上となったときに、前記スイッチを開いて前記バランス回路により前記複数の電池セルを個々に充電する、請求項３記載の組電池装置の制御方法。