JP2019161781A

JP2019161781A - 電池システム

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Publication number: JP2019161781A
Application number: JP2018043149A
Authority: JP
Inventors: 智彦渡辺; Tomohiko Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】電力損失を低減しつつ突入電流を低減することが可能な電池システムを提供する。【解決手段】電池システムは、複数の二次電池６の開放電圧の差に応じて、充電器１または負荷装置２と複数の二次電池６それぞれとの接続を切り替える制御部９を備える。開放電圧の差に応じて各二次電池６と充電器１または負荷装置２との接続を切り替えることにより、開放電圧の差を小さくして突入電流を低減することができる。また、突入電流を低減するために抵抗を追加する必要がないので、電力損失を低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池システムに関するものである。

二次電池を有する複数の電池パックと、各電池パックと充電器および負荷装置との接続を切り替えるスイッチとを備える電池システムにおいて、スイッチをオフ状態とした後、再度オン状態とする際に発生する突入電流を低減する方法が提案されている。

例えば特許文献１に記載の電源制御装置では、このスイッチと並列に突入電流防止用の抵抗が接続されている。そして、このスイッチをオン状態とする前に、この抵抗を通る経路のスイッチをオン状態とすることで、突入電流の低減を図っている。

特開２００７−２５９６１２号公報

しかしながら、このように突入電流防止用の抵抗を用いると、抵抗での電力損失によって、使用可能な電池容量が低下する。

本発明は上記点に鑑みて、電力損失を低減しつつ突入電流を低減することが可能な電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の二次電池（６）を備える電池システムであって、複数の二次電池の開放電圧の差に応じて、充電器（１）または負荷装置（２）と複数の二次電池それぞれとの接続を切り替える制御部（９）を備える。

このように、開放電圧の差に応じて各二次電池と充電器または負荷装置との接続を切り替えることにより、開放電圧の差を小さくして突入電流を低減することができる。また、これによれば、突入電流を低減するために抵抗を追加する必要がないので、電力損失を低減することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる電池システムの構成を示す図である。電池のＳＯＣ−ＤＣＲ特性を示す図である。電流遮断処理のフローチャートである。電池再接続処理のフローチャートである。放電時のタイミングチャートである。第２実施形態にかかる電池システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態の電池システムは、例えば冷凍機を有する商用車における冷凍機駆動用の補助電源として用いられるものであり、図１に示すように、充電器１に対して負荷装置２および複数の電池パック３が並列に接続された構成とされている。

充電器１、負荷装置２は、それぞれ、スイッチ４、スイッチ５を介して各電池パック３に接続されている。電池パック３の充電時には、スイッチ４がオン状態、スイッチ５がオフ状態とされて充電器１から各電池パック３に電流が供給され、放電時には、スイッチ４がオフ状態、スイッチ５がオン状態とされて各電池パック３から負荷装置２に電流が供給される。

電池パック３は、組電池６と、スイッチ７と、電流検出部８と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）９とを備えている。組電池６は、複数の二次電池が直列または並列に接続された構成とされており、二次電池としては、例えばリチウムイオン電池等が用いられる。

組電池６は、電磁リレー等で構成されたスイッチ７を介して充電器１および負荷装置２に接続されており、スイッチ７がオン状態となることで、組電池６の充電経路または放電経路が形成され、スイッチ７がオフ状態となることで、これらの経路が遮断される。充放電の開始時には、各電池パック３のスイッチ７は同時にオン状態となる。充放電の終了時には、各電池パック３のスイッチ７はオフ状態となり、電流経路が遮断される。

また、組電池６と充電器１および負荷装置２との間には電流検出部８が配置されている。電流検出部８は、充放電時に電池パック３に流れる電流を検出するものであり、電流検出部８の検出結果は、ＢＭＵ９に送信される。

ＢＭＵ９は、組電池６の状態を管理するものであり、組電池６のＣＣＶ（閉路電圧）を測定する図示しない電圧測定部を備えている。ＢＭＵ９は、電圧測定部により測定した組電池６のＣＣＶ、電流検出部８の検出結果、組電池６の内部抵抗等に基づいて組電池６のＯＣＶ（開放電圧）を算出する。ＢＭＵ９は、充放電の開始時および終了時にスイッチ７の切替制御を行うとともに、充電中、放電中に各組電池６のＯＣＶの差に応じてスイッチ７の状態を切り替える。ＢＭＵ９は、制御部に相当する。

なお、組電池６に用いられる二次電池は、温度とＳＯＣ（電池残量）によって内部抵抗が変化する。例えばリチウムイオン電池は、図２に示すようなＳＯＣ−ＤＣＲ（直流抵抗）特性を有する。すなわち、電池温度が低くなるほどＤＣＲが大きくなる。また、ＳＯＣが少なくなるか、あるいは、満充電に近くなるにつれて、ＤＣＲが大きくなる。ＢＭＵ９にはこのような特性のマップが記憶されている。

ＢＭＵ９は、サーミスタ等で構成された図示しない温度測定部と、電流検出部８が検出した電流値の積算に基づいてＳＯＣを算出する図示しないＳＯＣ算出部とを備えている。ＢＭＵ９は、記憶したマップと、温度測定部によって測定した組電池６の温度と、ＳＯＣ算出部によって算出したＳＯＣとに基づいて、組電池６の内部抵抗を算出する。

複数の組電池６を備える電池システムにおいては、内部抵抗の差等によって充放電電流に差が生じ、すべての組電池６の充放電を続けているとＯＣＶの差が大きくなる。図１に示すように、本実施形態では、各電池パック３のＢＭＵ９が通信線によって互いに接続され、各電池パック３間で通信が可能とされている。各ＢＭＵ９は、各電池パック３間のＯＣＶの差が小さくなるように各スイッチ７を制御する。

具体的には、各ＢＭＵ９は、充電開始時および放電開始時に各スイッチ７をオン状態とする。これにより、充電開始時には各組電池６が充電器１に接続され、放電開始時には各組電池６が負荷装置２に接続される。そして、各ＢＭＵ９は、充電開始時から充電終了時、および、放電開始時から放電終了時までの間、図３に示す電池遮断処理を繰り返し実行して、ＯＣＶの差が大きいときには一部の電池パック３の電流経路を遮断する。

各ＢＭＵ９は、ステップＳ１１にて、各組電池６のＯＣＶを算出する。具体的には、ｉ番目の電池パック３における組電池６のＯＣＶ、ＣＣＶ、内部抵抗、電流検出部が検出した電流をそれぞれＶ_ｉ、Ｖ_ＣＣＶｉ、Ｒ_ｉ、Ｉ_ｉとして、Ｖ_ｉ＝Ｖ_ＣＣＶｉ＋Ｒ_ｉＩ_ｉとされる。電池システムを構成する電池パック３の数をＮとして、ＢＭＵ９はこの式からＶ_１〜Ｖ_Ｎを算出する。

ＢＭＵ９は、ステップＳ１１からステップＳ１２に進み、Ｖ_１〜Ｖ_Ｎのうちの最大値、最小値をそれぞれＯＣＶ_Ｍ、ＯＣＶ_ｍとして、ＯＣＶ_ＭとＯＣＶ_ｍとの差ΔＯＣＶを算出する。また、ＢＭＵ９は、ＯＣＶが最も大きい電池パック３と、ＯＣＶが最も小さい電池パック３を記憶する。

ＢＭＵ９は、ステップＳ１２からステップＳ１３に進み、ステップＳ１２で算出したΔＯＣＶが所定の閾値Ｖ_ｌｉｍ１以上であるか否かを判定する。閾値Ｖ_ｌｉｍ１は、突入電流の大きさが組電池６の許容電流値を超えないときのＯＣＶの差であり、あらかじめ算出されてＢＭＵ９に記憶されている。閾値Ｖ_ｌｉｍ１を適切に設定することで、突入電流による組電池６の劣化が抑制される。

ＢＭＵ９は、ΔＯＣＶ≧Ｖ_ｌｉｍ１であると判定するとステップＳ１４に進み、ΔＯＣＶ≧Ｖ_ｌｉｍ１でないと判定すると電池遮断処理を終了する。

ステップＳ１４では、ＢＭＵ９は、充電が行われているか否かを判定する。ＢＭＵ９は、充電が行われていると判定するとステップＳ１５に進み、充電ではなく放電が行われていると判定するとステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５では、ＢＭＵ９は、ＯＣＶが最も大きい電池パック３のスイッチ７をオフ状態として電流経路を遮断し、この電池パック３の接続を禁止するように設定し、ＯＣＶ_ＭをＶ_ｓａｖｅとして記憶し、電池遮断処理を終了する。これにより、ＯＣＶが最も大きい電池パック３の充電が中断され、他の電池パック３の充電が進むにつれて、ＯＣＶの差が小さくなる。

ステップＳ１６では、ＢＭＵ９は、ＯＣＶが最も小さい電池パック３のスイッチ７をオフ状態として電流経路を遮断し、この電池パック３の接続を禁止するように設定し、ＯＣＶ_ｍをＶ_ｓａｖｅとして記憶し、電池遮断処理を終了する。これにより、ＯＣＶが最も小さい電池パック３の放電が中断され、他の電池パック３の放電が進むにつれて、ＯＣＶの差が小さくなる。接続が禁止された電池パック３では、充電開始時および放電開始時にスイッチ７がオン状態とされず、電流経路が遮断された状態が維持される。

各電池パック３のＢＭＵ９は、このようにＯＣＶの差に応じて電流経路を遮断する処理を実行するとともに、図４に示す電池再接続処理を繰り返し実行する。これにより、ＯＣＶの差が小さくなったときには、充電器１、負荷装置２との接続が遮断された電池パック３が、充電器１または負荷装置２に再度接続される。

ステップＳ２１では、各ＢＭＵ９は、図３のステップＳ１１と同じ式を用いて各組電池６のＯＣＶを算出する。なお、接続が禁止されている電池パック３に関しては、既にステップＳ１５、ステップＳ１６にてＯＣＶがＶ_ｓａｖｅとして記憶されているので、ＯＣＶの算出を行わない。ＢＭＵ９は、Ｖ_１〜Ｖ_Ｎのうちの最大値、最小値をそれぞれＯＣＶ_Ｍ、ＯＣＶ_ｍとして記憶する。

ステップＳ２２では、ＢＭＵ９は、充電が行われているか否かを判定する。ＢＭＵ９は、充電が行われていると判定するとステップＳ２３に進み、充電ではなく放電が行われていると判定するとステップＳ２４に進む。

ステップＳ２３およびステップＳ２４では、ＢＭＵ９は、ステップＳ１５またはステップＳ１６にて記憶したＶ_ｓａｖｅを用いてΔＯＣＶを算出する。具体的には、ステップＳ２３では、ＢＭＵ９は、ΔＯＣＶ＝Ｖ_ｓａｖｅ−ＯＣＶ_ｍとして、ステップＳ２５に進む。また、ステップＳ２４では、ＢＭＵ９は、ΔＯＣＶ＝ＯＣＶ_Ｍ−Ｖ_ｓａｖｅとして、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では、ＢＭＵ９は、ΔＯＣＶが所定の閾値Ｖ_ｌｉｍ２以下であるか否かを判定する。閾値Ｖ_ｌｉｍ２は、突入電流の大きさが組電池６の許容電流値を超えないときのＯＣＶの差であり、あらかじめ算出されてＢＭＵ９に記憶されている。また、Ｖ_ｌｉｍ２＜Ｖ_ｌｉｍ１となるように設定されている。閾値Ｖ_ｌｉｍ２を適切に設定することで、再接続時の突入電流による組電池６の劣化が抑制される。

ＢＭＵ９は、ΔＯＣＶ≦Ｖ_ｌｉｍ２であると判定するとステップＳ２６に進み、ΔＯＣＶ≦Ｖ_ｌｉｍ２でないと判定すると電池再接続処理を終了する。ステップＳ２６では、ＢＭＵ９は、ステップＳ１５、ステップＳ１６で接続を禁止された電池パック３について、接続の禁止を解除し、スイッチ７をオン状態にして組電池６を充電器１または負荷装置２に接続する。

このように、ＯＣＶの差が大きいときには、一部の電池パック３の電流経路を遮断し、ＯＣＶの差が小さくなったときには、この一部の電池パック３を充電器１または負荷装置２に再度接続することにより、ＯＣＶの差が所定範囲内に抑えられる。

例えば、２つの電池パック３を備える電池システムにおいて、２つの電池パック３の放電を続けていると、放電電流の差によって、図５に示すように時間の経過とともにΔＯＣＶが大きくなる。なお、図５のＯＣＶのグラフでは、一方の電池パック３のＯＣＶを実線で示し、他方の電池パック３のＯＣＶを一点鎖線で示している。また、スイッチの作動については、上図が一方の電池パック３のスイッチ７の作動を示し、下図が他方の電池パック３のスイッチ７の作動を示している。

このようにΔＯＣＶが大きくなり、時刻ｔ１でΔＯＣＶ≧Ｖ_ｌｉｍ１になると、ＢＭＵ９はステップＳ１３からステップＳ１４、ステップＳ１６に進み、ＯＣＶが小さい方の電池パック３のスイッチ７をオフ状態とし、電流経路を遮断する。これにより、ＯＣＶが小さい方の電池パック３の放電が中断され、ＯＣＶが大きい方の電池パック３のみが放電し続けるようになるため、時間の経過とともにＯＣＶの差が小さくなる。

そして、時刻ｔ２でΔＯＣＶ≦Ｖ_ｌｉｍ２になると、ＢＭＵ９はステップＳ２５からステップＳ２６に進み、ＯＣＶが小さい方の電池パック３のスイッチ７をオン状態とする。これにより、ＯＣＶが小さい方の電池パック３の組電池６が負荷装置２に接続され、放電が再開される。

以上説明したように、本実施形態では、電池パック３間のＯＣＶの差をリアルタイムでモニタし、ＯＣＶの差が閾値以上となったときに一部の電池パック３の電流経路を遮断することで、ＯＣＶの差を所定範囲内が抑えられる。これにより、電池パック３の許容値を超える突入電流を抑制し、組電池６の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、許容値を超える突入電流を抑制するために電池システム全体の充電電流を制限する必要がないので、充電時間の増加を抑制することができる。また、本実施形態では、許容値を超える突入電流を抑制するために負荷の使用制限を設ける必要がない。したがって、例えば、冷凍機を有する商用車における冷凍機駆動用の補助電源に本実施形態の電池システムを適用した場合、冷凍機を補助電源で駆動する際に、冷凍機に十分な電力を供給することができる。

また、本実施形態では、許容値を超える突入電流を抑制するために電池パック３内に抵抗等を追加する必要がないので、電力損失を低減し、また、部品コストを低減することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してＢＭＵ９の作動を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態では各電池パック３のＢＭＵ９と充電器１および負荷装置２とが通信線で接続され、これらの間で通信が可能とされている。また、本実施形態では、充電器１および負荷装置２に流れる電流の大きさがＢＭＵ９からの指示に応じて制限されるようになっている。

ＢＭＵ９は、ステップＳ１３にてΔＯＣＶ≧Ｖ_ｌｉｍ１であると判定すると、充電器１または負荷装置２に電流を制限する指示を出し、充電器１または負荷装置２に流れる電流を小さくする。また、ＢＭＵ９は、ステップＳ２５にてΔＯＣＶ≦Ｖ_ｌｉｍ２であると判定すると、充電器１または負荷装置２に電流の制限を解除する指示を出す。

このように、ＯＣＶの差が大きいときに充電器１または負荷装置２に流れる電流の大きさを制限することにより、各電池パック３に流れる電流の大きさが制限され、ＯＣＶの差を低減することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

例えば、電池パック３が組電池６の代わりに二次電池を１つのみ備えていてもよい。

１充電器
２負荷装置
６組電池
９ＢＭＵ

Claims

複数の二次電池（６）を備える電池システムであって、
前記複数の二次電池の開放電圧の差に応じて、充電器（１）または負荷装置（２）と前記複数の二次電池それぞれとの接続を切り替える制御部（９）を備える電池システム。
前記制御部は、充電時に前記開放電圧の差が所定の閾値以上になったとき、前記複数の二次電池のうち開放電圧が最も大きい二次電池と前記充電器との接続を遮断する請求項１に記載の電池システム。
前記制御部は、前記開放電圧の差が所定の閾値以下になったとき、該二次電池と前記充電器とを接続する請求項２に記載の電池システム。
前記制御部は、放電時に前記開放電圧の差が所定の閾値以上になったとき、前記複数の二次電池のうち開放電圧が最も小さい二次電池と前記負荷装置との接続を遮断する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電池システム。
前記制御部は、前記開放電圧の差が所定の閾値以下になったとき、該二次電池と前記負荷装置とを接続する請求項４に記載の電池システム。
前記制御部は、前記開放電圧の差が所定の閾値以上になったとき、前記充電器または前記負荷装置に流れる電流の大きさを制限する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電池システム。