JP2019024285A - Balance device and battery unit - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、バランス装置および電池ユニットに関する。 The present disclosure relates to a balance device and a battery unit.
従来、自動車のバッテリーとしては、鉛電池が用いられていた。しかし、バッテリーに求められる蓄電容量や充放電能力の向上に伴い、エネルギー密度が高く、出力電圧の高いリチウムイオン電池（二次電池）への置換が進みつつある。 Conventionally, lead batteries have been used as automobile batteries. However, with the improvement of the storage capacity and charge / discharge capacity required for batteries, replacement with lithium ion batteries (secondary batteries) having high energy density and high output voltage is being advanced.
このようなリチウムイオン電池では、複数のセル（単電池）を直列接続して、高電圧、高出力が実現される。しかし、直列接続したセル同士は、ＳＯＣ（State Of Charge）のバラツキにより、利用可能なエネルギーが低下する場合がある。そこで、リチウムイオン電池には、各セルのバラツキを抑えるバランス装置（バランス回路）が設けられる。 In such a lithium ion battery, a plurality of cells (single cells) are connected in series to achieve high voltage and high output. However, usable energy may be reduced between cells connected in series due to variations in SOC (State Of Charge). Therefore, a lithium ion battery is provided with a balance device (balance circuit) that suppresses variations in each cell.
例えば、特許文献１のように、ＳＯＣが高いセルからキャパシタに電荷を移動させ、キャパシタからＳＯＣが低いセルに電荷を移動させることで、各セルの電圧のバランスをとるアクティブ方式のバランス装置が開示されている。 For example, as disclosed in Patent Document 1, an active balance device that balances the voltage of each cell by moving charge from a cell having a high SOC to a capacitor and moving charge from the capacitor to a cell having a low SOC is disclosed. Has been.
また、リチウムイオン電池の過放電や過充電を防止するために、直列接続された複数のセルの電圧を個別に測定する場合がある。しかし、特許文献１の技術では、セル同士のＳＯＣのバランスをとるために、キャパシタと電圧測定部とが接続されているので、電圧を測定するには、常に、キャパシタの電圧が安定するのを待たなくてはならない。特に、ＳＯＣのバランス精度を高めるためにキャパシタの容量を大きくしようとすると、それに基づく遅延の増大により、各セルの電圧を一通り測定する測定周期（測定時間）が長くなる。そうすると、過充電や過放電を迅速に回避することができなくなる。しかし、電圧の測定周期の短縮とＳＯＣのバランス精度向上とはトレードオフの関係にあり、測定周期を短くするには、キャパシタの容量を下げざるを得ず、ＳＯＣのバランス精度が低下してしまう。 Moreover, in order to prevent overdischarge and overcharge of a lithium ion battery, the voltage of the several cell connected in series may be measured separately. However, in the technique of Patent Document 1, since the capacitor and the voltage measuring unit are connected in order to balance the SOC between the cells, the voltage of the capacitor is always stabilized to measure the voltage. I have to wait. In particular, if an attempt is made to increase the capacitance of the capacitor in order to increase the SOC balance accuracy, the measurement period (measurement time) for measuring the voltage of each cell is increased due to an increase in the delay based on the capacitor. If it does so, it will become impossible to avoid overcharge and overdischarge rapidly. However, there is a trade-off between shortening the voltage measurement cycle and improving the SOC balance accuracy. To shorten the measurement cycle, the capacitance of the capacitor must be reduced, and the SOC balance accuracy is reduced. .
そこで本開示は、このような課題に鑑み、ＳＯＣのバランス精度を維持しつつ、電圧の測定周期の短縮が可能なバランス装置および電池ユニットを提供することを目的としている。 Therefore, in view of such a problem, an object of the present disclosure is to provide a balance device and a battery unit that can shorten a voltage measurement period while maintaining SOC balance accuracy.
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るバランス装置は、電圧測定部と、複数のセルと電圧測定部とをそれぞれ開閉する複数の第１スイッチと、キャパシタと、電圧測定部とキャパシタとを開閉する第２スイッチと、複数の第１スイッチおよび第２スイッチを開閉制御する制御部と、を備える。 In order to solve the above problem, a balance device according to an aspect of the present disclosure includes a voltage measurement unit, a plurality of first switches that open and close a plurality of cells and a voltage measurement unit, a capacitor, and a voltage measurement unit, respectively. A second switch that opens and closes the capacitor; and a controller that controls opening and closing of the plurality of first switches and second switches.
制御部は、複数の第１スイッチを順次かつ排他的に閉状態とし、複数のセルのうち少なくとも１つのセルが第１条件を満たすと、電圧測定部が電圧を測定している間、第１スイッチを閉状態とし、第２スイッチを開状態とする場合があるとしてもよい。 The control unit sequentially and exclusively closes the plurality of first switches, and when at least one cell among the plurality of cells satisfies the first condition, the voltage measurement unit measures the first The switch may be closed and the second switch may be open.
電圧測定部は、第１条件が満たされた後の方が、第１条件が満たされる前より短い測定周期で複数のセルに対応する電圧を測定するとしてもよい。 The voltage measurement unit may measure the voltages corresponding to the plurality of cells in a shorter measurement cycle after the first condition is satisfied than before the first condition is satisfied.
制御部は、複数のセルのうち少なくとも１つのセルが、第１条件を満たした後、さらに第２条件を満たすと、第２スイッチを開状態とするとしてもよい。 The control unit may open the second switch when at least one cell among the plurality of cells satisfies the first condition and further satisfies the second condition.
制御部は、複数の第１スイッチを順次かつ排他的に閉状態とし、複数のセルのうち少なくとも１つのセルが第２条件を満たすと、第２スイッチを開状態とするとしてもよい。 The control unit may sequentially and exclusively close the plurality of first switches and open the second switch when at least one cell among the plurality of cells satisfies the second condition.
電圧測定部は、第２条件が満たされた後の方が、第２条件が満たされる前より短い測定周期で複数のセルに対応する電圧を測定するとしてもよい。 The voltage measurement unit may measure voltages corresponding to a plurality of cells in a shorter measurement cycle after the second condition is satisfied than before the second condition is satisfied.
第２条件は、過充電または過放電を防止するための閾値を超えることであるとしてもよい。 The second condition may be that a threshold value for preventing overcharge or overdischarge is exceeded.
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る電池ユニットは、複数のセルと、電圧測定部と、複数のセルと電圧測定部とをそれぞれ開閉する複数の第１スイッチと、キャパシタと、電圧測定部とキャパシタとを開閉する第２スイッチと、複数の第１スイッチおよび第２スイッチを開閉制御する制御部と、を備える。 In order to solve the above-described problem, a battery unit according to an aspect of the present disclosure includes a plurality of cells, a voltage measurement unit, a plurality of first switches that open and close the plurality of cells and the voltage measurement unit, and a capacitor. A second switch that opens and closes the voltage measurement unit and the capacitor, and a control unit that controls opening and closing of the plurality of first switches and the second switch.
本開示によれば、ＳＯＣのバランス精度を維持しつつ、電圧の測定周期の短縮が可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to shorten the voltage measurement period while maintaining the SOC balance accuracy.
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、本開示の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、限定されるものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the present disclosure, and are not limited unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present disclosure are not illustrated. To do.
（充放電システム１０）
図１は、充放電システム１０の概略的な構成を示す説明図である。充放電システム１０は、例えば自動車に搭載され、二次電池１２およびバランス装置１４を含む電池ユニット１６、外部電源１８、ＥＣＵ２０、エンジンスタータ２２を含んで構成される。かかる図１および後述する図２では、電気エネルギー（電力）の流れを実線で、信号の流れを破線の矢印で示している。
(Charge / Discharge System 10)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the charge /
二次電池１２は、複数のセル（単電池）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを直列接続したリチウムイオン電池等で構成され、電気エネルギーを充放電できる。なお、ここでは、セルを４つ直列接続する例を挙げて説明しているが、セルの接続数は任意に決定できる。一般的に、自動車には、少なくとも１つの二次電池１２が搭載されており、エンジンが停止している間は二次電池１２が唯一の電源となる。
The
バランス装置１４は、ダイオードＤ１を通じて二次電池１２の電気エネルギーを受け、直列接続された複数のセル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士のＳＯＣのバラツキを抑える。セル同士のＳＯＣのバラツキを抑える手段としては、一般に、抵抗放電によるパッシブ方式と、セルとキャパシタのいずれかＳＯＣが高い方から低い方に電荷を移動させるアクティブ方式とが存在する。本実施形態では、後者のアクティブ方式を採用している。なお、かかるバランス装置１４は、その機能をパッケージ化し、１の集積回路として構成することができる。
The
例えば、充放電システム１０では、図１（ａ）のように、電池ユニット１６と外部電源１８とが接続され、外部電源１８から二次電池１２に電気エネルギーが充電（蓄積）される（充電状態）。そして、外部電源１８から二次電池１２への充電により、二次電池１２の電圧が充電可能な上限閾値に到達すると、二次電池１２と外部電源１８とが遮断され、外部電源１８からの電気エネルギーの供給が停止する。
For example, in the charging /
また、充放電システム１０では、二次電池１２と、負荷としてのＥＣＵ２０およびエンジンスタータ２２とが接続され、二次電池１２からＥＣＵ２０およびエンジンスタータ２２に電気エネルギーが放電（出力）される（放電状態）。ここで、ＥＣＵ２０は、エンジンスタータ２２の動作制御を始め、エンジン（不図示）の点火制御、燃料制御等、エンジン全体の制御を行う。エンジンスタータ２２は、電動機（モータ）で構成され、エンジンを始動させる。そして、二次電池１２から負荷への放電により、二次電池１２の電圧が放電可能な下限閾値に到達すると、二次電池１２と負荷とが遮断され、二次電池１２からの電気エネルギーの供給が停止する。なお、ここでは、充放電システム１０を自動車に搭載し、負荷としてＥＣＵ２０、エンジンスタータ２２を挙げて説明するが、これらに限らず、電気エネルギーを必要とする様々な電気機器に適用することができる。
In the charge /
（電池ユニット１６）
図２は、電池ユニット１６の詳細な接続態様を説明するための回路図である。図２を参照すると、二次電池１２の各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ、２極単投スイッチ（第１スイッチ）ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄの２回路それぞれの一方の接点と接続される。また、複数の２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄの２回路それぞれの他方の接点は集約され、電圧測定部１４ａに接続される。また、１極単投スイッチ（第２スイッチ）ＳＷ２が閉（ＯＮ）状態の間、複数の２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄの他方の接点は、キャパシタＣとも接続される。ここで、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄや１極単投スイッチＳＷ２は、機械式リレー、アナログスイッチ、バイポーラトランジスタ等、様々な電気部品を採用することができる。また、第１スイッチや第２スイッチは、２極単投スイッチや１極単投スイッチに限らず、接点が図２のように対応していれば、様々なスイッチの形態を採用することができる。
(Battery unit 16)
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a detailed connection mode of the
したがって、複数の２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄは、１極単投スイッチＳＷ２が閉状態の間、複数のセル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄそれぞれと、キャパシタＣおよび電圧測定部１４ａとを開閉することとなる。例えば、１極単投スイッチＳＷ２が閉状態であることを前提に、２極単投スイッチＳＷ１ａが閉状態となると、セル１２ａの正極とキャパシタＣの正極と電圧測定部１４ａの正極側入力とが接続されるとともに、セル１２ａの負極とキャパシタＣの負極と電圧測定部１４ａの負極側入力とが接続される。一方、２極単投スイッチＳＷ１ａが開（ＯＦＦ）状態となると、セル１２ａの正極と、キャパシタＣの正極および電圧測定部１４ａの正極側入力とが遮断されるとともに、セル１２ａの負極と、キャパシタＣの負極および電圧測定部１４ａの負極側入力とが遮断される。
Therefore, the plurality of two-pole single-throw switches SW1a, SW1b, SW1c, and SW1d are respectively connected to the plurality of
また、１極単投スイッチＳＷ２は、一方の接点が、電圧測定部１４ａの正極側入力に接続され、他方の接点がキャパシタＣの正極に接続されている。したがって、１極単投スイッチＳＷ２は、電圧測定部１４ａとキャパシタＣとを開閉することとなる。
In addition, one contact of the single-pole single throw switch SW2 is connected to the positive input of the
電圧測定部１４ａは、正極側入力と負極側入力の２つの信号の差分を増幅する差動増幅器（図示せず）と、その差動増幅器のアナログ出力をデジタル出力に変換するＡ／Ｄコンバータ（図示せず）とを含んで構成され、キャパシタＣや各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を測定する。本実施形態では、かかる電圧を通じて各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのＳＯＣを把握する。
The
制御部１４ｂは、複数の２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄおよび１極単投スイッチＳＷ２の開閉を制御する。制御部１４ｂは、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）等の各種プロセッサ（制御器）である。こうして、制御部１４ｂは、二次電池１２における複数のセル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士のＳＯＣのバラツキを抑える。また、制御部１４ｂは、電圧測定部１４ａを通じて電圧を取得し、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのＳＯＣを把握する。リチウムイオン電池は、過充電や過放電になると発熱や発火を伴う場合がある。そこで、制御部１４ｂは、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を逐次監視し、過充電や過放電を防止する。
The
図３は、制御部１４ｂの動作の流れを示したフローチャートである。ここでは、制御部１４ｂが電圧測定部１４ａを通じて各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を取得し、その電圧に応じて、電圧の測定周期を変化させる。ここで、測定周期は、複数のセル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ全ての電圧を一通り測定完了するまでの期間（時間）をいい、制御部１４ｂは、複数のセル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ全ての電圧を周期的に繰り返し測定する。
FIG. 3 is a flowchart showing an operation flow of the
図３のフローチャートにおいて、制御部１４ｂは、まず、複数のセルのうち少なくとも１つのセルがＳＯＣに関する第１条件（周期短縮条件）を満たすか否か判定し（Ｓ１）、第１条件を満たしていない間は（Ｓ１におけるＮＯ）、後述する、１極単投スイッチＳＷ２を閉状態とする通常状態（Ｓ２）を維持する。第１条件を満たすと、制御部１４ｂは、複数のセルのうち少なくとも１つのセルがＳＯＣに関する第２条件（周期最短縮条件）を満たすか否か判定し（Ｓ３）、第１条件は満たすが、第２条件を満たしていない間は（Ｓ３におけるＮＯ）、後述する、１極単投スイッチＳＷ２を開状態とする場合がある第１周期短縮状態（Ｓ４）に移行する。第２条件を満たすと、制御部１４ｂは、後述する、１極単投スイッチＳＷ２を開状態とする第２周期短縮状態（Ｓ５）に移行する。なお、ここでは、複数のセルのうち少なくとも１つのセルが第１条件または第２条件を満たすか否か判定しているが、複数のセル全ての電圧、複数のセルの平均電圧、または、複数のセルの電圧の中央値が、第１条件または第２条件を満たすか否か判定してもよい。
In the flowchart of FIG. 3, the
ここで、第２条件は、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが過充電または過放電となるのを防止するための（過充電または過放電になる手前の）閾値を超えることである。したがって、かかる第２条件を満たした後に充電や放電を停止すれば、過充電や過放電には至らない。例えば、第２条件として、電圧測定部１４ａを通じて取得した電圧が、過充電となる第２上限閾値以上であるか、過放電となる第２下限閾値未満であるかが判定される。また、第１条件は、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが過充電または過放電となるのを早い段階で防止するための閾値を超えることであり、第２条件を満たすまでの前段の条件となる。例えば、第１条件として、電圧測定部１４ａを通じて取得した電圧が、第２上限閾値より小さい第１上限閾値以上であるか、第２下限閾値より大きい第１下限閾値未満であるかが判定される。かかる閾値は、第２下限閾値<第１下限閾値<第１上限閾値<第２上限閾値の関係を有する。
Here, the second condition is that each
（通常状態）
図４は、通常状態におけるバランス装置１４の各部の状態推移を示したタイミングチャートである。第１条件を満たしていない間（Ｓ１におけるＮＯ）、すなわち、電圧測定部１４ａを通じて取得した電圧が、第１下限閾値以上であり、かつ、第１上限閾値未満である場合、制御部１４ｂは、以下のように制御する。なお、通常状態においては、１極単投スイッチＳＷ２は常に閉状態である。
(Normal state)
FIG. 4 is a timing chart showing the state transition of each part of the
まず、制御部１４ｂは、時点（ａ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを閉状態とする。そうすると、１極単投スイッチＳＷ２が常に閉状態なので、セル１２ａとキャパシタＣとの間で電荷が移動する。ここでは、セル１２ａからキャパシタＣに電荷が移動したとする。そうすると、キャパシタＣの電圧は図４のように漸増する。こうして、セル１２ａの電圧とキャパシタＣの電圧が等しくなる。
First, the
次に、制御部１４ｂは、時点（ｂ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを開状態とし、電圧測定部１４ａを通じて電圧の測定を開始する。なお、時点（ａ）から時点（ｂ）までの時間は、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとキャパシタＣとに基づく時定数から予め定められる、キャパシタＣの電圧が安定するまでの時間である。そして、時点（ｃ）において、電圧の測定が完了すると、制御部１４ｂは、電圧測定部１４ａから電圧を取得する。ここでは、一旦セル１２ａとキャパシタＣとの電圧を等しくした上で、キャパシタＣの電圧を測定している。したがって、電圧測定部１４ａは、キャパシタＣの電圧を測定することで、セル１２ａの電圧を間接的に測定したこととなる。
Next, the
このように、キャパシタＣを通じてセル１２ａの電圧を取得すると、制御部１４ｂは、時点（ｄ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｂを閉状態とし、セル１２ａ同様、電圧測定部１４ａに、セル１２ｂの電圧を測定させる。以降、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄを順次かつ排他的に閉状態とし、キャパシタＣを通じて、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を順次、間接的に測定する。
As described above, when the voltage of the
ここでは、セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄそれぞれについて、電圧を測定するのに、キャパシタＣの電圧が安定するまで（例えば、時点（ａ）から時点（ｂ）まで）の時間と、電圧測定部１４ａが測定に要する（例えば、時点（ｂ）から時点（ｃ）までの）時間を合わせた時間を要する。したがって、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ全ての電圧を測定し終わる測定周期Ｔは、その合わせた時間の４倍に相当する図４で示した長さとなる。
Here, for each of the
また、通常状態では、複数の２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄを順次かつ排他的に閉状態とし、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと１のキャパシタＣとの電圧を等しくしているので、結果的に、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士の電圧のバランスをとることができる。
In the normal state, the plurality of two-pole single-throw switches SW1a, SW1b, SW1c, and SW1d are sequentially and exclusively closed, and the voltages of the
なお、ここでは、時点（ｂ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを開状態とした上でキャパシタＣの電圧を測定する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、２極単投スイッチＳＷ１ａを閉状態に維持し、セル１２ａとキャパシタＣの電圧を測定するとしてもよい。また、ここでは、１極単投スイッチＳＷ２を常に閉状態とする例を挙げて説明したが、少なくとも、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄが閉状態の間、および、電圧測定部１４ａが電圧を測定している間のみ閉状態であればよく、その他のタイミングでは１極単投スイッチＳＷ２を開状態としてもよい。
Here, the example in which the voltage of the capacitor C is measured after the two-pole single-throw switch SW1a is opened at the time point (b) has been described. SW1a may be maintained in a closed state, and the voltage of the
（第１周期短縮状態）
上述したように、制御部１４ｂは、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を逐次監視し、過充電や過放電にならないように制御している。したがって、過充電や過放電になりそうな二次電池１２を早期に遮断するために、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を高頻度（短周期）で監視する必要がある。しかし、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士の電圧のバランスをとるためには、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと１のキャパシタＣとの電圧を等しくしなければならない。そうすると、キャパシタＣの電圧が安定するまで、電圧の測定を待たなければならない。
(First cycle shortened state)
As described above, the
特に、ＳＯＣのバランス精度を高めようとしてキャパシタＣの容量を大きくしようと試みると、それに基づく電圧が安定するまでの遅延の増大により、電圧の測定周期Ｔが長くなる。そうすると、過充電や過放電を迅速に回避することができなくなる。しかし、電圧の測定周期Ｔの短縮とＳＯＣのバランス精度向上とはトレードオフの関係にあり、測定周期を短くするには、キャパシタＣの容量を下げざるを得ず、ＳＯＣのバランス精度が低下してしまう。 In particular, when attempting to increase the capacitance of the capacitor C in order to increase the SOC balance accuracy, the voltage measurement period T becomes longer due to an increase in delay until the voltage based on this increases. If it does so, it will become impossible to avoid overcharge and overdischarge rapidly. However, there is a trade-off between shortening the voltage measurement cycle T and improving the SOC balance accuracy. To shorten the measurement cycle, the capacitance of the capacitor C must be reduced, and the SOC balance accuracy decreases. End up.
そこで、直ぐには過充電や過放電にはならない通常状態においては、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士の電圧のバランスを十分にとり、第１条件を満たすと、バランスをとる頻度を下げることで（バランス動作を間引くことで）測定周期Ｔを短縮する。つまり、バランス精度より測定周期Ｔの短縮を優先する。
Therefore, in the normal state where overcharge and overdischarge do not occur immediately, the voltage of each
図５は、第１周期短縮状態におけるバランス装置１４の各部の状態推移を示したタイミングチャートである。第１条件を満たすと（Ｓ１におけるＹＥＳかつＳ３におけるＮＯ）、すなわち、電圧測定部１４ａを通じて取得した電圧が、第１下限閾値未満、または、第１上限閾値以上となると、制御部１４ｂは、以下のように制御する。
FIG. 5 is a timing chart showing the state transition of each part of the
まず、制御部１４ｂは、時点（ａ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを閉状態とし、かつ、１極単投スイッチＳＷ２を閉状態とする。そうすると、セル１２ａとキャパシタＣとの間で電荷が移動する。こうして、セル１２ａの電圧とキャパシタＣの電圧が等しくなる。
First, the
次に、制御部１４ｂは、時点（ｂ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを開状態とし、電圧測定部１４ａを通じて電圧の測定を開始する。なお、このとき、１極単投スイッチＳＷ２には閉状態を維持させる。そして、時点（ｃ）において、電圧の測定が完了すると、制御部１４ｂは、電圧測定部１４ａから電圧を取得し、１極単投スイッチＳＷ２を開状態にする。ここでは、通常状態同様、一旦セル１２ａとキャパシタＣとの電圧を等しくした上で、キャパシタＣの電圧を測定している。したがって、電圧測定部１４ａは、キャパシタＣの電圧を測定することで、セル１２ａの電圧を間接的に測定したこととなる。
Next, the
このように、キャパシタＣを通じてセル１２ａの電圧を取得すると、制御部１４ｂは、時点（ｄ）において２極単投スイッチＳＷ１ｂを閉状態とする。ただし、第１周期短縮状態では、残りの３つのセル１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を、キャパシタＣを介すことなく（１極単投スイッチＳＷ２を閉状態にすることなく）、直接的に測定する。すなわち、制御部１４ｂは、時点（ｄ）から電圧の測定を開始する。そして、制御部１４ｂは、セル１２ｂの電圧を取得すると、時点（ｅ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｂを開状態とする。同様に、制御部１４ｂは、時点（ｆ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｃを閉状態としてセル１２ｃの電圧を測定し、時点（ｇ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｃを開状態とする。続いて、制御部１４ｂは、時点（ｈ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｄを閉状態としてセル１２ｄの電圧を測定し、時点（ｉ）において、２極単投スイッチＳＷ１ｄを開状態とする。
As described above, when the voltage of the
制御部１４ｂは、このようにして、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄを順次かつ排他的に閉状態とし、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を順次測定させる。ただし、第１周期短縮状態において、制御部１４ｂは、キャパシタＣを通じてセルの電圧を測定させる場合と、セルの電圧を直接測定させる場合がある。キャパシタＣを通じてセルの電圧を測定させる場合とは、時点（ｂ）から時点（ｃ）のように、電圧測定部１４ａが電圧を測定している間に、少なくとも１極単投スイッチＳＷ２を閉状態とする場合である。また、セルの電圧を直接測定させる場合とは、例えば、時点（ｄ）から時点（ｅ）のように、電圧測定部１４ａが電圧を測定している間に、２極単投スイッチＳＷ１ｂを閉状態とし、１極単投スイッチＳＷ２を開状態とする場合である。
In this way, the
ここでは、セル１２ａについて、電圧を測定するのに、キャパシタＣの電圧が安定するまで（時点（ａ）から時点（ｂ）まで）の時間と、電圧測定部１４ａが測定に要する（時点（ｂ）から時点（ｃ）までの）時間を合わせた時間が必要となる。ただし、他の各セル１２ｂ、１２ｃ、１２ｄについては、電圧測定部１４ａが測定に要する（例えば、時点（ｄ）から時点（ｅ）までの）時間しか必要としない。したがって、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ全ての電圧を測定し終わる測定周期Ｔは、図５で示した長さとなり、図４で示した通常状態の測定周期Ｔより短縮される。これは、電圧測定部１４ａが、第１条件を満たした後の方が第１条件を満たす前より短い測定周期で各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに対応する電圧を測定できることを示す。
Here, in order to measure the voltage of the
また、第１周期短縮状態では、測定周期Ｔ毎に、セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのいずれか１と１のキャパシタＣとの電圧を順次等しくしている。例えば、図５のように、最初の測定周期Ｔにおいて、セル１２ａとキャパシタＣとの電圧を等しくし、次の測定周期Ｔにおいて、セル１２ｂとキャパシタＣとの電圧を等しくする。こうして、通常状態よりバランス精度は低くなるものの、結果的に、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士の電圧のバランスをとることができる。
Further, in the first cycle shortened state, the voltage of any one of the
なお、ここでは、時点（ｂ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを開状態とした上でキャパシタＣの電圧を測定する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、２極単投スイッチＳＷ１ａを閉状態に維持し、セル１２ａとキャパシタＣの電圧を測定するとしてもよい。また、ここでは、測定周期Ｔの間に、１つのセルに対して、１極単投スイッチＳＷ２を閉状態とし、３つのセルに対して、２極単投スイッチを閉状態とし、１極単投スイッチＳＷ２を開状態とする例を挙げて説明したが、対象とするセルの比率は１：３、２：２、３：１といったように任意に設定することができる。
Here, the example in which the voltage of the capacitor C is measured after the two-pole single-throw switch SW1a is opened at the time point (b) has been described. SW1a may be maintained in a closed state, and the voltage of the
（第２周期短縮状態）
図６は、第２周期短縮状態におけるバランス装置１４の各部の状態推移を示したタイミングチャートである。第１条件を満たした後（Ｓ１におけるＹＥＳ）、さらに、第２条件を満たすと（Ｓ３におけるＹＥＳ）、すなわち、電圧測定部１４ａを通じて取得した電圧が、第２下限閾値未満、または、第２上限閾値以上となると、制御部１４ｂは、以下のように制御する。なお、第２周期短縮状態においては、１極単投スイッチＳＷ２は常に開状態であり、キャパシタＣの電圧は不定となる。ここでは、バランスをとることを止め、測定周期Ｔの短縮を最優先する。
(Second cycle shortened state)
FIG. 6 is a timing chart showing the state transition of each part of the
まず、制御部１４ｂは、時点（ａ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを閉状態とし、セル１２ａの電圧を測定させる。電圧の測定が完了すると、制御部１４ｂは、電圧測定部１４ａから電圧を取得し、時点（ｂ）において、２極単投スイッチＳＷ１ａを開状態とする。以降、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄを順次かつ排他的に閉状態とし、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を順次、直接測定する。
First, the
このように第２周期短縮状態では、キャパシタＣを通じてセルの電圧を測定することなく、２極単投スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃ、ＳＷ１ｄを閉状態として、電圧測定部１４ａがセルの電圧を直接測定する。したがって、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を測定するのに、電圧測定部１４ａが測定に要する（例えば、時点（ａ）から時点（ｂ）までの）時間しか必要としない。したがって、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ全ての電圧を測定し終わる測定周期Ｔは、図６で示した長さとなり、図５で示した通常状態の測定周期Ｔよりさらに短縮される。これは、電圧測定部１４ａが、第２条件を満たした後の方が第２条件を満たす前より短い測定周期で各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに対応する電圧を測定できることを示す。
Thus, in the second cycle shortened state, without measuring the cell voltage through the capacitor C, the two-pole single throw switches SW1a, SW1b, SW1c, and SW1d are closed, and the
第２周期短縮状態では、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ同士の電圧のバランスをとらない。その代わり、全てのセルの電圧を直接測定することで、測定周期Ｔを最短に抑えることができる。したがって、制御部１４ｂは、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの電圧を迅速に取得し、過充電や過放電を確実に防止することが可能となる。
In the second cycle shortened state, the voltage of each
また、第２周期短縮状態では、キャパシタＣが切り離されるので、キャパシタＣの容量を考慮しなくてよい。すなわち、キャパシタＣの容量を大きくして、通常状態におけるＳＯＣのバランス精度を高めることが可能となる。こうして、ＳＯＣのバランス精度を維持しつつ、電圧の測定周期Ｔの短縮が可能となる。 In the second cycle shortened state, the capacitor C is disconnected, so that the capacitance of the capacitor C need not be taken into consideration. That is, it is possible to increase the capacitance of the capacitor C and increase the SOC balance accuracy in the normal state. Thus, the voltage measurement period T can be shortened while maintaining the SOC balance accuracy.
以上、添付図面を参照しながら一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although one embodiment was described referring to an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this indication is not limited to the above-mentioned embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and alterations can be made within the scope of the claims, and these are of course within the technical scope of the present disclosure. Is done.
例えば、上述した実施形態においては、まず、第１条件を満たし、第１周期短縮状態となった後、第２条件を満たすことで第２周期短縮状態となる例を挙げて説明した。しかし、第１条件に拘わらず、第２条件を満たすことで、１極単投スイッチＳＷ２を開状態とする第２周期短縮状態に直接移行してもよい。 For example, in the above-described embodiment, an example has been described in which the first condition is satisfied and the first cycle shortened state is reached, and then the second cycle is shortened by satisfying the second condition. However, regardless of the first condition, the second condition may be directly shifted to the second cycle shortened state in which the one-pole single throw switch SW2 is opened by satisfying the second condition.
また、上述した実施形態においては、通常状態において、第１条件を満たすと第１周期短縮状態に移行し、第２条件を満たすと第２周期短縮状態に移行するように３段階移行する例を挙げて説明した。しかし、かかる場合に限らず、４段階以上移行するとしてもよい。この場合、第１周期短縮状態において、キャパシタＣを介して電圧を測定するセルの比率を段階的とすることで、第１周期短縮状態を複数段階に分けることができる。 Further, in the above-described embodiment, in the normal state, when the first condition is satisfied, the process shifts to the first period shortened state, and when the second condition is satisfied, the process shifts to the third period so that the process shifts to the second period shortened state. I gave it as an explanation. However, the present invention is not limited to this, and it may be possible to shift to four or more stages. In this case, in the first cycle shortened state, the first cycle shortened state can be divided into a plurality of stages by making the ratio of the cells for measuring the voltage via the capacitor C stepwise.
また、上述した実施形態においては、複数のセル同士のバランスをとる例を挙げて説明したが、所定数のセルを直列接続したセル群（二次電池１２）が複数準備され、そのセル群単位でバランスをとるとしてもよい。すなわち、複数の二次電池１２同士を直列接続し、その二次電池１２同士でＳＯＣのバランスをとることができる。
In the above-described embodiment, an example in which a plurality of cells are balanced has been described. However, a plurality of cell groups (secondary batteries 12) in which a predetermined number of cells are connected in series are prepared, and each cell group unit is prepared. You may be balanced. That is, a plurality of
また、上述した実施形態においては、ＳＯＣの１パラメータであるセルの電圧を測定して状態を移行する例を挙げて説明したが、ＳＯＣ自体を直接測定できる場合、そのＳＯＣに応じて状態を移行するとしてもよい。この場合の第２条件は、例えば、第２下限閾値をフルＳＯＣの１０％とし、第２上限閾値をフルＳＯＣの９５％とすることができる。 In the above-described embodiment, the example of measuring the cell voltage, which is one parameter of the SOC, and shifting the state has been described. However, when the SOC itself can be directly measured, the state is shifted according to the SOC. You may do that. In this case, for example, the second lower limit threshold can be set to 10% of the full SOC, and the second upper limit threshold can be set to 95% of the full SOC.
また、上述した実施形態においては、二次電池１２としてリチウムイオン電池を用いる例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、電気エネルギーを化学エネルギーとして蓄積し、また、蓄積した化学エネルギーを電気エネルギーとして放出できれば、様々な電池を採用することができる。
In the above-described embodiment, an example in which a lithium ion battery is used as the
また、上述した実施形態においては、第１周期短縮状態において、測定周期Ｔ中に、キャパシタＣを通じてセルの電圧を測定するセルの数を減らすことで、測定周期Ｔを短縮した。しかし、かかる場合に限らず、全てのセルに対してキャパシタＣを通じてセルの電圧を測定することを前提に、図７のタイミングチャートのように、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと１のキャパシタＣとの接続時間を短縮するだけでも、測定周期Ｔの短縮を実現できる。図７の場合、各セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと１のキャパシタＣとの接続時間が短くなる分、過渡状態の電圧を測定することとなり、また、バランス精度も低くなるが、図４に比べて測定周期Ｔを短縮することができる。
In the above-described embodiment, the measurement cycle T is shortened by reducing the number of cells that measure the cell voltage through the capacitor C during the measurement cycle T in the first cycle shortening state. However, the present invention is not limited to this, and on the premise that the cell voltage is measured through the capacitor C for all the cells, the capacitors of each
また、上述した実施形態においては、図３のフローチャートを参照し、常に、第１条件を満たすか否か判定する例を挙げた。しかし、図８のように、第１条件を満たすか否かの判定の前に所定のモードか否か判定してもよい（Ｓ６）。ここで、所定のモードは、例えば、自動車がアイドリングストップを行っている等、二次電池１２の充放電がほとんど実行されないことが予め把握できるモードである。制御部１４ｂは、現在のモードが所定のモードであれば（Ｓ６におけるＹＥＳ）、第１条件を満たすか否か判定することなく、１極単投スイッチＳＷ２を閉状態とする通常状態（Ｓ２）を維持する。かかる構成により、充放電がほとんど実行されない状態における不要な判定（Ｓ１）を回避でき、処理負荷の削減を図ることができる。なお、例えば、アイドリングストップの開始や終了は、電池ユニット１６から出力される電流を電流センサで測定することによって判断することができる。
In the above-described embodiment, an example in which it is always determined whether or not the first condition is satisfied is described with reference to the flowchart of FIG. However, as shown in FIG. 8, it may be determined whether or not the mode is a predetermined mode before determining whether or not the first condition is satisfied (S6). Here, the predetermined mode is a mode in which it is possible to grasp in advance that charging / discharging of the
本開示は、バランス装置および電池ユニットに利用することができる。 The present disclosure can be used for a balance device and a battery unit.
Ｃ キャパシタ
ＳＷ１ａ ２極単投スイッチ（第１スイッチ）
ＳＷ１ｂ ２極単投スイッチ（第１スイッチ）
ＳＷ１ｃ ２極単投スイッチ（第１スイッチ）
ＳＷ１ｄ ２極単投スイッチ（第１スイッチ）
ＳＷ２ １極単投スイッチ（第２スイッチ）
１２ 二次電池（複数のセル）
１４ バランス装置
１４ａ 電圧測定部
１４ｂ 制御部
１６ 電池ユニット
C Capacitor SW1a 2-pole single throw switch (first switch)
SW1b 2-pole single throw switch (first switch)
SW1c 2-pole single throw switch (first switch)
SW1d 2-pole single throw switch (first switch)
SW2 1 pole single throw switch (second switch)
12 Secondary battery (multiple cells)
14
Claims (8)
複数のセルと前記電圧測定部とをそれぞれ開閉する複数の第１スイッチと、
キャパシタと、
前記電圧測定部と前記キャパシタとを開閉する第２スイッチと、
前記複数の第１スイッチおよび前記第２スイッチを開閉制御する制御部と、
を備えるバランス装置。 A voltage measurement unit;
A plurality of first switches that respectively open and close a plurality of cells and the voltage measurement unit;
A capacitor;
A second switch for opening and closing the voltage measuring unit and the capacitor;
A controller that controls opening and closing of the plurality of first switches and the second switch;
A balance device comprising:
前記複数の第１スイッチを順次かつ排他的に閉状態とし、
前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルが第１条件を満たすと、前記電圧測定部が電圧を測定している間、前記第１スイッチを閉状態とし、前記第２スイッチを開状態とする場合がある請求項１に記載のバランス装置。 The controller is
Sequentially and exclusively closing the plurality of first switches,
When at least one of the plurality of cells satisfies the first condition, the first switch is closed and the second switch is opened while the voltage measuring unit measures the voltage. The balance device according to claim 1.
前記複数の第１スイッチを順次かつ排他的に閉状態とし、
前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルが第２条件を満たすと、前記第２スイッチを開状態とする請求項１に記載のバランス装置。 The controller is
Sequentially and exclusively closing the plurality of first switches,
The balance device according to claim 1, wherein when at least one cell among the plurality of cells satisfies a second condition, the second switch is opened.
電圧測定部と、
複数のセルと前記電圧測定部とをそれぞれ開閉する複数の第１スイッチと、
キャパシタと、
前記電圧測定部と前記キャパシタとを開閉する第２スイッチと、
前記複数の第１スイッチおよび前記第２スイッチを開閉制御する制御部と
を備える電池ユニット。 Multiple cells,
A voltage measurement unit;
A plurality of first switches that respectively open and close a plurality of cells and the voltage measurement unit;
A capacitor;
A second switch for opening and closing the voltage measuring unit and the capacitor;
A battery unit comprising: a controller that controls opening and closing of the plurality of first switches and the second switch.
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| KR20210073859A (en) * | 2019-12-11 | 2021-06-21 | (주)엘탑 | Charge control device of multiple battery cell |
-
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| KR20210073859A (en) * | 2019-12-11 | 2021-06-21 | (주)엘탑 | Charge control device of multiple battery cell |
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