JP2013169031A - Battery equalization device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電池セルを接続して構成される組電池の電圧の均等化を制御する電池均等化装置および方法に関する。 The present invention relates to a battery equalization apparatus and method for controlling voltage equalization of an assembled battery configured by connecting a plurality of battery cells.
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、複数の電池セルが例えば直列に接続されて電池ブロックが構成され、さらにこの電池ブロックを組み合わして接続される組電池として供給される場合がある。電池セルの直列接続により車両のモータを駆動するのに必要な高電圧が得られ、電池ブロックをさらに直列や並列に組み合わして接続することにより必要な電流容量やさらなる高電圧が得られる。 A so-called hybrid car, plug-in hybrid car, hybrid vehicle, hybrid electric vehicle or the like, which is equipped with a motor (electric motor) as a power source in addition to an engine or a transport machine (hereinafter referred to as “vehicle etc.”) is practical It has become. Furthermore, an electric vehicle that does not include an engine and drives the vehicle only by a motor is being put into practical use. As a power source for driving these motors, a lithium ion battery having a small size and a large capacity has been frequently used. And in such a use, a some battery cell is connected in series, for example, a battery block is comprised, and also it may be supplied as an assembled battery connected combining this battery block. A high voltage necessary for driving the motor of the vehicle is obtained by the series connection of the battery cells, and a necessary current capacity and a further high voltage can be obtained by connecting the battery blocks in combination in series and parallel.
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。 In this case, the characteristics of the lithium ion battery or the like greatly change depending on the temperature, and the remaining capacity and charging efficiency of the battery greatly change depending on the temperature of the environment in which the battery is used. This is especially true in environments where automobiles are used.
この結果、電池ブロック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、各セルの電圧の均等化を行う電池均等化制御が必要となる。さらには、電池ブロック間でも電圧の均等化を行う必要も生じる。 As a result, in the battery cells constituting the battery block, the remaining capacity and the output voltage of each cell vary. When the voltage generated by each cell varies, it becomes necessary to stop or suppress the entire power supply when the voltage of one cell falls below the driveable threshold, resulting in reduced power efficiency. Resulting in. For this reason, the battery equalization control which equalizes the voltage of each cell is required. Furthermore, it is necessary to equalize the voltage between the battery blocks.
電池均等化制御の従来技術として、放電が必要な電池セルまたは電池スタックからの放電電力を、インダクタやトランスを用いたバランス回路におけるスイッチング動作によって、充電が必要な電池セルに充電させる、いわゆるアクティブ方式の電池均等化制御技術が知られている(例えば特許文献1)。 As a conventional technique for battery equalization control, a so-called active method in which discharge power from a battery cell or battery stack that requires discharge is charged to a battery cell that needs to be charged by a switching operation in a balance circuit using an inductor or a transformer. A battery equalization control technique is known (for example, Patent Document 1).
この従来技術は、ある電池セルからの放電電力を他の電池セルへの充電電力として使用することで少ない電力損失で電池セルの均等化を行わせることを目的にしている。
しかし、この従来技術では、しかしながら、単純に電池セル間の電位差に基づいて制御をおこなっているため、活用シーンに応じた制御は必ずしも最適な制御ではないという問題点があった。例えば、ユーザによっては、イグニッションをオンしている時間が長いため、効率よりも時間を優先して短いイグニッションオフの期間に短時間で電池セルの均等化を行うほうがよい場合がある。逆に、イグニッションをオフしている時間のほうが長いユーザに対しては、時間がかかってもよいので効率的な電池セルの均等化が行われたほうがよい。一方では、電池セルの劣化による電力損失やバランス回路での電力損失を考慮しないと、効率の高い電池セルの均等化を行うことは難しい。従来技術は、このような様々な要求に見合った電池セルの均等化を行うことはできないという問題点を有していた。
The purpose of this conventional technique is to equalize battery cells with a small power loss by using discharge power from one battery cell as charge power to another battery cell.
However, in this prior art, however, since control is simply performed based on the potential difference between the battery cells, there is a problem that control according to the utilization scene is not necessarily optimal control. For example, depending on the user, since the ignition has been turned on for a long time, it may be better to equalize the battery cells in a short time during the short ignition off period, giving priority to time rather than efficiency. On the other hand, for users whose ignition is off longer, it may take more time, so it is better to perform efficient battery cell equalization. On the other hand, it is difficult to equalize battery cells with high efficiency unless power loss due to deterioration of the battery cells or power loss in the balance circuit is taken into consideration. The prior art has a problem that it is not possible to equalize battery cells to meet such various requirements.
本発明は、電池セル均等化の使用状況に応じた最適な電池セルの均等化を実現することを目的とする。 An object of this invention is to implement | achieve the equalization of the optimal battery cell according to the use condition of a battery cell equalization.
態様の一例は、複数の電池セルが接続される組電池におけるその複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化装置であって、スイッチング素子によるスイッチング動作を実行しながら、1つ以上の電池セルから電荷を放電する動作と放電した電荷を1つ以上の他の電池セルに充電させる動作を実行することによって電池セルの電圧を均等化させるバランス回路と、スイッチング素子にパルス信号を供給してスイッチング動作を実行させるスイッチ制御部と、バランス回路内のスイッチング素子を含む回路素子における電力損失が小さくなるようにスイッチ制御部を制御する高効率制御モードと、均等化を実施する電池セルの内部抵抗を算出しながらその電池セルの内部抵抗損失が小さくなるようにスイッチ制御部を制御する保護制御モードと、均等化を実施する電池セルの放電または充電の電圧変化の収束を早めるようにバランス回路を制御する時間短縮制御モードとを、組電池の使用状況を判定しながら切り替えて制御するバランス制御部とを備える。 An example of an aspect is a battery equalization device that equalizes voltages of a plurality of battery cells in an assembled battery to which a plurality of battery cells are connected, and performs one or more batteries while performing a switching operation by a switching element. A balance circuit that equalizes the voltage of the battery cell by performing an operation of discharging the charge from the cell and an operation of charging the discharged charge to one or more other battery cells, and supplying a pulse signal to the switching element High efficiency control mode for controlling the switch control unit so as to reduce the power loss in the switch control unit for executing the switching operation, the circuit element including the switching element in the balance circuit, and the internal resistance of the battery cell for performing equalization Is a protection control mode that controls the switch controller so that the internal resistance loss of the battery cell is reduced. And a time reduction control mode for controlling the balance circuit so as to accelerate the convergence of the voltage change of the discharge or charging of the battery cells for performing equalization, and switching and controlling the battery pack while judging the usage status of the assembled battery With.
本発明によれば、電池セル均等化の使用状況に応じた最適な電池セルの均等化を実現することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve optimal equalization of the battery cell according to the use condition of battery cell equalization.
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、本実施形態におけるコンバータバランス回路の構成図である。
複数の電池セルが接続されて組電池が構成される。本実施形態では、組電池は、連続的に直列接続された所定数の電池セル102からなるスタック101の集合として構成される。図1には、1つのスタック101の部分が示されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a converter balance circuit in the present embodiment.
A plurality of battery cells are connected to form an assembled battery. In the present embodiment, the assembled battery is configured as a set of stacks 101 including a predetermined number of battery cells 102 continuously connected in series. FIG. 1 shows a part of one stack 101.
コンバータバランス回路100は、スイッチング素子SW1,SW2によるスイッチング動作を実行しながら、スタック101内の1つ以上の電池セル102から電荷を放電する動作と放電した電荷をスタック101内の1つ以上の他の電池セル102に充電させる動作を実行する。 The converter balance circuit 100 performs an operation of discharging the charge from one or more battery cells 102 in the stack 101 and one or more other charges in the stack 101 while performing a switching operation by the switching elements SW1 and SW2. The operation of charging the battery cell 102 is executed.
具体的には、コンバータバランス回路100は、組電池を構成するスタック101について、スタック101内の電池セル102のうちの1つ以上の電池セル102からスイッチング素子SW1(#1、#2、#3)によるスイッチング動作を介して電荷を放電する動作を実行する。これに続いて、コンバータバランス回路100は、放電した電荷をスタック101内の1つ以上の他の電池セル102にスイッチング素子SW2(#1、#2、#3)によるスイッチング動作を介して充電させる動作を実行する。これにより、コンバータバランス回路100は、スタック101内の電池セル102の電圧を均等化させる。 Specifically, the converter balance circuit 100 switches the switching element SW1 (# 1, # 2, # 3) from one or more of the battery cells 102 in the stack 101 with respect to the stack 101 constituting the assembled battery. The operation of discharging the charge is performed through the switching operation of Following this, the converter balance circuit 100 charges the discharged electric charge to one or more other battery cells 102 in the stack 101 via a switching operation by the switching element SW2 (# 1, # 2, # 3). Perform the action. Thereby, the converter balance circuit 100 equalizes the voltages of the battery cells 102 in the stack 101.
さらに具体的には、コンバータバランス回路100は、バランス回路103、スイッチ制御部104、電流測定部107、およびバランス制御部として動作するCPU(中央演算処理装置)105とそれに接続されるメモリ109を備える。また、コンバータバランス回路100には、電池セル監視部106が接続される。電池セル監視部106は、スタック101内の各電池セル102の電圧を監視しデジタル信号値として検出する。また、電池セル監視部106は、スタック101内の代表的な電池セル102に近接して設置された温度センサ108が検出する温度を監視しデジタル信号値として検出する。温度センサ108は例えば、各部位のいくつかの電池セル102ごとに設置される。 More specifically, the converter balance circuit 100 includes a balance circuit 103, a switch control unit 104, a current measurement unit 107, and a CPU (Central Processing Unit) 105 that operates as a balance control unit and a memory 109 connected thereto. . Further, a battery cell monitoring unit 106 is connected to the converter balance circuit 100. The battery cell monitoring unit 106 monitors the voltage of each battery cell 102 in the stack 101 and detects it as a digital signal value. Further, the battery cell monitoring unit 106 monitors the temperature detected by the temperature sensor 108 installed in the vicinity of the representative battery cell 102 in the stack 101 and detects it as a digital signal value. For example, the temperature sensor 108 is installed for each of several battery cells 102 in each part.
バランス回路301は、スタック101を構成する例えば#1から#4の4つの電池セル102に対して、複数のインダクタLと複数組のスイッチング素子SW1、SW2(以下、単に「SW1」「SW2」と呼ぶことがある)の組を備える。具体的には、#1と#2の電池セル102の共通の接続端子に#1のインダクタLの第1の端子が、#2と#3の電池セル102の共通接続端子に#2のインダクタLの第1の端子が、#3と#4の電池セル102の共通接続端子に#3のインダクタLの第1の端子がそれぞれ接続される。また、#1のインダクタLの第2の端子は#1のSW1およびSW2の共通接続端子に、#2のインダクタLの第2の端子は#2のSW1およびSW2の共通接続端子に、#3のインダクタLの第2の端子は#3のSW1およびSW2の共通接続端子にそれぞれ接続される。さらに、#1の電池セル102の出力端子側は、#1のSW1の単独接続端子に接続される。#1と#2の電池セル102の共通接続端子は、#2のSW1に接続される。#2と#3の電池セル102の共通接続端子は、#1のSW2と#3のSW1の共通接続端子に接続される。#3と#4の電池セル102の共通接続端子は、#2のSW2に接続される。#4の電池セル102の出力端子側は、#3のSW2の単独接続端子に接続される。 For example, the balance circuit 301 includes a plurality of inductors L and a plurality of sets of switching elements SW1 and SW2 (hereinafter simply referred to as “SW1” and “SW2”) for four battery cells 102 # 1 to # 4 constituting the stack 101. (Sometimes called). Specifically, the first terminal of the # 1 inductor L is connected to the common connection terminal of the # 1 and # 2 battery cells 102, and the # 2 inductor is connected to the common connection terminal of the # 2 and # 3 battery cells 102. The first terminal of L is connected to the common connection terminal of the battery cells 102 of # 3 and # 4, and the first terminal of the inductor L of # 3 is connected thereto. The second terminal of # 1 inductor L is connected to the common connection terminal of SW1 and SW2 of # 1, and the second terminal of inductor L of # 2 is connected to the common connection terminal of SW1 and SW2 of # 2. The second terminal of the inductor L is connected to the common connection terminal of SW3 and SW2 of # 3, respectively. Further, the output terminal side of the # 1 battery cell 102 is connected to the single connection terminal of the SW1 of # 1. The common connection terminal of the battery cells 102 of # 1 and # 2 is connected to SW1 of # 2. The common connection terminal of the battery cells 102 of # 2 and # 3 is connected to the common connection terminal of SW2 of # 1 and SW1 of # 3. The common connection terminal of the battery cells 102 of # 3 and # 4 is connected to SW2 of # 2. The output terminal side of the battery cell 102 of # 4 is connected to the single connection terminal of SW2 of # 3.
スイッチ制御部104は、スイッチング素子SW1,SW2にそれぞれパルス信号を供給してスイッチング動作を実行させる。具体的には、スイッチ制御部104は、CPU105から指定される所定の周波数およびデューティー比を有するパルス信号を発振する発振回路である。#1、#2、および#3のスイッチング素子SW1と、#1、#2、および#3のスイッチング素子SW2は、例えばFET(電界効果トランジスタ)である。#1、#2、および#3のスイッチング素子SW1は、スイッチ制御部104からの第1のパルス信号によりスイッチング動作を行う。#1、#2、および#3のスイッチング素子SW2は、スイッチ制御部104からの第2のパルス信号によりスイッチング動作を行う。 The switch control unit 104 supplies a pulse signal to each of the switching elements SW1 and SW2 to execute a switching operation. Specifically, the switch control unit 104 is an oscillation circuit that oscillates a pulse signal having a predetermined frequency and duty ratio designated by the CPU 105. The switching elements SW1 of # 1, # 2, and # 3 and the switching elements SW2 of # 1, # 2, and # 3 are FETs (field effect transistors), for example. The switching elements SW1 of # 1, # 2, and # 3 perform a switching operation by the first pulse signal from the switch control unit 104. The switching elements SW2 of # 1, # 2, and # 3 perform a switching operation by the second pulse signal from the switch control unit 104.
電池セル監視部106は、スタック101を構成する#1から#4の各電池セル102の各両端電圧を検出し、その検出した電圧をデジタル値としてCPU105に出力する。
上述のコンバータバランス回路100の構成において、CPU105は、例えば#1と#2の電池セル102間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部104に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、#1のSW1,SW2を動作させるように指示する。そして例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#1の電池セル102の電圧が#2の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#1のSW1のオンオフ動作により、#1の電池セル102から放電された電力が#1のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#1のSW2のオンオフ動作により、#1のインダクタLに蓄積された電力が#2の電池セル102に充電される。逆に例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#2の電池セル102の電圧が#1の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#1のSW2のオンオフ動作により、#2の電池セル102から放電された電力が#1のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#1のSW1のオンオフ動作により、#1のインダクタLに蓄積された電力が#1の電池セル102に充電される。
The battery cell monitoring unit 106 detects the voltages at both ends of the battery cells 102 # 1 to # 4 constituting the stack 101 and outputs the detected voltage to the CPU 105 as a digital value.
In the configuration of the converter balance circuit 100 described above, the CPU 105 designates a predetermined frequency and duty ratio to the switch control unit 104 when determining that the balance control between the battery cells 102 of # 1 and # 2 is to be performed, for example. Then, it instructs to operate # 1 SW1 and SW2. For example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 1 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 2 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the power discharged from the # 1 battery cell 102 is accumulated in the # 1 inductor L by the on / off operation of the # 1 SW1. Subsequently, the # 2 battery cell 102 is charged with the electric power stored in the # 1 inductor L by the on / off operation of the # 1 SW2 delayed by the duty ratio. Conversely, for example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 2 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 1 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the power discharged from the # 2 battery cell 102 is accumulated in the # 1 inductor L by the ON / OFF operation of the # 1 SW2. Subsequently, the # 1 battery cell 102 is charged with the electric power stored in the # 1 inductor L by the on / off operation of the # 1 SW1 delayed by the duty ratio.
また、CPU105は、#2と#3の電池セル102間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部104に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、#2のSW1,SW2を動作させるように指示する。そして例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#2の電池セル102の電圧が#3の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#2のSW1のオンオフ動作により、#2の電池セル102から放電された電力が#2のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#2のSW2のオンオフ動作により、#2のインダクタLに蓄積された電力が#3の電池セル102に充電される。逆に例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#3の電池セル102の電圧が#2の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#2のSW2のオンオフ動作により、#3の電池セル102から放電された電力が#2のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#2のSW1のオンオフ動作により、#2のインダクタLに蓄積された電力が#2の電池セル102に充電される。 Further, when the CPU 105 determines that the balance control between the battery cells 102 of # 2 and # 3 is to be performed, the CPU 105 designates a predetermined frequency and duty ratio to the switch control unit 104, and switches SW1 and SW2 of # 2. To operate. For example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 2 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 3 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the power discharged from the # 2 battery cell 102 is accumulated in the # 2 inductor L by the on / off operation of the # 2 SW1. Subsequently, the power stored in the # 2 inductor L is charged in the # 3 battery cell 102 by the ON / OFF operation of the # 2 SW2 delayed by the duty ratio. Conversely, for example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 3 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 2 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the power discharged from the # 3 battery cell 102 is accumulated in the # 2 inductor L by the on / off operation of the # 2 SW2. Subsequently, the power stored in the # 2 inductor L is charged in the # 2 battery cell 102 by the on / off operation of the # 2 SW1 delayed by the duty ratio.
さらに、CPU105は、#3と#4の電池セル102間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部104に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、#3のスイッチング素子SW1,SW2を動作させるように指示する。そして例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#3の電池セル102の電圧が#4の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#3のSW1のオンオフ動作により、#3の電池セル102から放電された電力が#3のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#3のSW2のオンオフ動作により、#3のインダクタLに蓄積された電力が#4の電池セル102に充電される。逆に例えば、CPU105が、電池セル監視部106の電圧監視結果に基づいて、#4の電池セル102の電圧が#3の電池セル102の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、#3のSW2のオンオフ動作により、#4の電池セル102から放電された電力が#3のインダクタLに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた#3のSW1のオンオフ動作により、#3のインダクタLに蓄積された電力が#3の電池セル102に充電される。 Further, when the CPU 105 determines that the balance control between the battery cells 102 of # 3 and # 4 is to be performed, the CPU 105 designates a predetermined frequency and duty ratio to the switch control unit 104, and switches the switching element SW1 of # 3. , SW2 is instructed to operate. For example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 3 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 4 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the electric power discharged from the # 3 battery cell 102 is accumulated in the # 3 inductor L by the on / off operation of the # 3 SW1. Subsequently, the # 4 battery cell 102 is charged with the electric power stored in the # 3 inductor L by the on / off operation of the SW3 # 3 delayed by the duty ratio. Conversely, for example, the CPU 105 determines that the voltage of the # 4 battery cell 102 is higher than the voltage of the # 3 battery cell 102 based on the voltage monitoring result of the battery cell monitoring unit 106. In this case, first, the power discharged from the battery cell 102 of # 4 is accumulated in the inductor L of # 3 by the ON / OFF operation of SW2 of # 3. Subsequently, the power stored in the # 3 inductor L is charged in the # 3 battery cell 102 by the on / off operation of the # 3 SW1 delayed by the duty ratio.
以上のようにして、コンバータバランス回路100では、電池セル監視部106でのスタック101内の各電池セル102の電圧監視の結果、バランス制御が必要であると判定されたときには、#1から#3のインダクタLおよび#1から#3のスイッチング素子SW1,SW2の組が順次選択的に動作させられる。この結果、#1から#4の各電池セル102のそれぞれ隣接する電池セル102間でバランス制御が順次実施され、その動作が繰り返されることにより、最終的にスタック101内の#1から#4の電池セル102の電圧が均一になる。 As described above, in converter balance circuit 100, when it is determined that balance control is necessary as a result of voltage monitoring of each battery cell 102 in stack 101 by battery cell monitoring unit 106, # 1 to # 3 Inductors L and # 1 to # 3 switching elements SW1 and SW2 are sequentially and selectively operated. As a result, the balance control is sequentially performed between the battery cells 102 adjacent to each of the battery cells 102 of # 1 to # 4, and the operation is repeated, so that the # 1 to # 4 in the stack 101 are finally obtained. The voltage of the battery cell 102 becomes uniform.
図2は、一組のスイッチング素子SW1,SW2を制御するためのスイッチ制御部104の詳細な回路構成図である。
スイッチ制御部104内のドライバ201は、CPU105から指定される周波数およびデューティー比を有する各パルス信号を発振し、それぞれスイッチング素子SW1およびSW2に供給する。
FIG. 2 is a detailed circuit configuration diagram of the switch control unit 104 for controlling the pair of switching elements SW1 and SW2.
The driver 201 in the switch control unit 104 oscillates each pulse signal having a frequency and a duty ratio designated by the CPU 105 and supplies them to the switching elements SW1 and SW2, respectively.
スイッチ制御部104内のマルチプレクサ(MUX)202は、スイッチング素子SW1の両端(ドレイン−ソース)電圧/電流、スイッチング素子SW2の両端(ドレイン−ソース)電圧/電流、およびインダクタLに直列に接続される抵抗R(図1では省略してある)を流れる電流(インダクタ平均電流またはピーク電流)をそれぞれアナログ信号として検出する。各電圧/電流検出信号は、A/D(アナログ/デジタル)変換器203でデジタル信号に変換されてCPU105に通知される。 The multiplexer (MUX) 202 in the switch control unit 104 is connected in series to both ends (drain-source) voltage / current of the switching element SW1, both ends (drain-source) voltage / current of the switching element SW2, and the inductor L. Each current (inductor average current or peak current) flowing through the resistor R (not shown in FIG. 1) is detected as an analog signal. Each voltage / current detection signal is converted into a digital signal by an A / D (analog / digital) converter 203 and notified to the CPU 105.
スイッチ制御部104内の差動アンプ204は、インダクタ平均電流またはピーク電流が所定の閾値を超えた場合に、電流リミッタ出力をアクティブにする。電流リミッタ出力がアクティブになると、ドライバ201は、各パルス信号の出力を停止してスイッチング素子SW1,SW2のスイッチング動作を停止させる。これにより、回路障害等により過大なインダクタ平均電流またはピーク電流が流れて電池セル102やスイッチング素子SW1、SW2、インダクタL等が破壊される事故を未然に防ぐ。 The differential amplifier 204 in the switch control unit 104 activates the current limiter output when the inductor average current or peak current exceeds a predetermined threshold. When the current limiter output becomes active, the driver 201 stops the output of each pulse signal and stops the switching operation of the switching elements SW1 and SW2. As a result, an accident that an excessive inductor average current or peak current flows due to a circuit failure or the like to destroy the battery cell 102, the switching elements SW1, SW2, the inductor L, or the like can be prevented.
図3は、本実施形態が適用される車両システムの構成図である。図3において、コンバータバランス回路100、スタック101、電池セル監視部106は、図1または図2の構成に示されているものと同じである。 FIG. 3 is a configuration diagram of a vehicle system to which the present embodiment is applied. 3, the converter balance circuit 100, the stack 101, and the battery cell monitoring unit 106 are the same as those shown in the configuration of FIG. 1 or FIG.
スタック101、電池セル監視部106、コンバータバランス回路100からなる部分が複数組組み合わせられて1つの電池パック301を構成する。
電池制御部302は、電池パック301全体の状態を制御する。電池制御部302は、電池セル監視部106と通信を行って電池セル102やスタック101全体の電圧情報や温度情報を取得し、スタック101間で電圧の均等化を行う制御等を実施する。電池パック301内の電池制御部302は、車両の走行を制御する走行制御部303とコントローラエリアネットワーク(CAN:Conroller Area Network)を介して接続される。CANを介して、電池制御部302は、電池パック301に関する情報を走行制御部303に通知する。
A plurality of sets including the stack 101, the battery cell monitoring unit 106, and the converter balance circuit 100 are combined to form one battery pack 301.
The battery control unit 302 controls the overall state of the battery pack 301. The battery control unit 302 communicates with the battery cell monitoring unit 106 to acquire voltage information and temperature information of the battery cell 102 and the entire stack 101, and performs control for equalizing voltage between the stacks 101. The battery control unit 302 in the battery pack 301 is connected to a travel control unit 303 that controls the travel of the vehicle via a controller area network (CAN). The battery control unit 302 notifies the travel control unit 303 of information related to the battery pack 301 via the CAN.
車両のイグニッションのオン/オフの情報(IG−ON/OFF信号)は、電池パック301内の電池セル監視部106、電池制御部302、走行制御部303等に通知される。電池セル監視部106は、受信したIG−ON/OFF信号を、コンバータバランス回路100内のCPU105(図1参照)に通知する。 Information on ignition on / off of the vehicle (IG-ON / OFF signal) is notified to the battery cell monitoring unit 106, the battery control unit 302, the travel control unit 303, and the like in the battery pack 301. The battery cell monitoring unit 106 notifies the received IG-ON / OFF signal to the CPU 105 (see FIG. 1) in the converter balance circuit 100.
エコモードON/OFF指示部304は、CANから電池制御部302を介してコンバータバランス回路100内のCPU105に、ユーザによるエコモードのON/OFFの指示情報を通知する。 The eco mode ON / OFF instruction unit 304 notifies the CPU 105 in the converter balance circuit 100 via the battery control unit 302 of the eco mode ON / OFF instruction information from the user.
環境温度センサ305は、CANから電池制御部302を介してコンバータバランス回路100内のCPU105に、計測した車両周囲の環境温度を通知する。
そして、ナビシステム306は、CANから電池制御部302を介してコンバータバランス回路100内のCPU105に、車両の現在の位置情報を通知する。
The environmental temperature sensor 305 notifies the measured environmental temperature around the vehicle to the CPU 105 in the converter balance circuit 100 via the battery control unit 302 from the CAN.
Then, the navigation system 306 notifies the current position information of the vehicle from the CAN to the CPU 105 in the converter balance circuit 100 via the battery control unit 302.
本実施形態では、コンバータバランス回路100内でバランス制御部として動作するCPU105は、電池セル102の均等化の制御において、高効率制御モード、保護制御モード、または時間短縮制御モードの3つのモードを切り替えることができる。これらのモードの切替えでは、IG−ON/OFF信号、エコーモードON/OFF指示情報、環境温度情報が判定される。また、図1の代表的な電池セル102に近接して設置された温度センサ108からの電池温度情報が判定される。さらに、図1の電圧監視部106から通知される電池セル102の電圧情報から算出した均等化の制御対象となる電池セル102の劣化度が判定される。ここで、高効率制御モードは、均等化のための回生電流は抑制して均等化を行う電池セル102の発熱を抑えることにより、電池セル102の均等化の時間はかかるが、スタック101内の電池セル102を高い効率でかつ高精度に実施できるモードである。保護制御モードは、劣化が進んだ電池セル102に対して均等化制御を行う場合に、均等化のための回生電流はさらに抑制してその電池セル102の発熱を抑えることにより、その電池セル102の寿命を延ばすモードである。時間短縮制御モードは、均等化を行う電池セル102の発熱は許して均等化のための回生電流を多く流してできる限り早く電池セル102の均等化を完了させるモードである。本実施形態では、これらのモードを電池パック301の使用状況に関する上述の各種情報を判定しながら切り替えることにより、ユーザによる車両の使用状況に応じて、電池パワーや電池寿命が最適に制御された均等化を実現することが可能となる。 In the present embodiment, the CPU 105 operating as a balance control unit in the converter balance circuit 100 switches between three modes of the high efficiency control mode, the protection control mode, and the time reduction control mode in the control of equalization of the battery cells 102. be able to. In switching between these modes, an IG-ON / OFF signal, echo mode ON / OFF instruction information, and environmental temperature information are determined. Further, battery temperature information from the temperature sensor 108 installed in the vicinity of the representative battery cell 102 of FIG. 1 is determined. Further, the degree of deterioration of the battery cell 102 to be controlled for equalization calculated from the voltage information of the battery cell 102 notified from the voltage monitoring unit 106 in FIG. 1 is determined. Here, in the high-efficiency control mode, it takes time to equalize the battery cells 102 by suppressing the heat generation of the battery cells 102 that perform equalization by suppressing the regenerative current for equalization. In this mode, the battery cell 102 can be implemented with high efficiency and high accuracy. In the protection control mode, when equalization control is performed on the battery cell 102 that has deteriorated, the regenerative current for equalization is further suppressed to suppress the heat generation of the battery cell 102, thereby the battery cell 102. This mode extends the lifespan of the device. The time reduction control mode is a mode in which the heat generation of the battery cells 102 to be equalized is allowed and the regenerative current for equalization is allowed to flow to complete the equalization of the battery cells 102 as soon as possible. In this embodiment, by switching between these modes while determining the above-described various information regarding the usage status of the battery pack 301, the battery power and the battery life are optimally controlled according to the usage status of the vehicle by the user. Can be realized.
一実施形態として、高効率制御モードでは、図1、図2のバランス回路103内のスイッチング素子SW1,SW2を含む回路素子における電力損失が小さくなるようにスイッチ制御部104が制御される。さらに具体的には、CPU105は、スイッチ制御部104がスイッチング素子SW1,SW2に供給するパルス信号の周波数、デューティー比、またはスイッチング素子SW1,SW2に電力を供給する特には図示しないスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御する。なお、単純にバランス回路103を流れる電流をある程度抑制するために、パルス信号のデューティー比を小さくするだけでも一定の効果がある。 As one embodiment, in the high efficiency control mode, the switch control unit 104 is controlled so that the power loss in the circuit elements including the switching elements SW1 and SW2 in the balance circuit 103 in FIGS. More specifically, the CPU 105 selects either the frequency or duty ratio of the pulse signal that the switch control unit 104 supplies to the switching elements SW1 and SW2, or any switching signal source (not shown) that supplies power to the switching elements SW1 and SW2. Control one or more. In order to simply suppress the current flowing through the balance circuit 103 to some extent, it is possible to obtain a certain effect even by reducing the duty ratio of the pulse signal.
また、保護制御モードでは、均等化を実施する電池セル102の内部抵抗が算出されながらその電池セル102の内部抵抗損失が小さくなるようにスイッチ制御部104が制御される。さらに具体的には、CPU105は、スイッチ制御部104がスイッチング素子SW1,SW2に供給するパルス信号の周波数、デューティー比、またはスイッチング素子SW1,SW2に電力を供給する特には図示しないスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御する。なお、単純にバランス回路103を流れる電流をさらに抑制するために、パルス信号のデューティー比を十分に小さくするだけでも一定の効果がある。 In the protection control mode, the switch controller 104 is controlled so that the internal resistance loss of the battery cell 102 is reduced while the internal resistance of the battery cell 102 to be equalized is calculated. More specifically, the CPU 105 selects either the frequency or duty ratio of the pulse signal that the switch control unit 104 supplies to the switching elements SW1 and SW2, or any switching signal source (not shown) that supplies power to the switching elements SW1 and SW2. Control one or more. In order to further suppress the current flowing through the balance circuit 103, there is a certain effect even if the duty ratio of the pulse signal is made sufficiently small.
さらに、時間短縮制御モードでは、均等化を実施する電池セルの放電または充電の電圧変化の収束を早めるようにバランス回路103を制御する。さらに具体的には、CPU105は、電池セル監視部106での電池セル102の電圧および電流の計測に基づいて、均等化を実施する電池セル102の内部抵抗に対応する補正電圧を算出する。次に、CPU105は、その補正電圧によってその電池セル102に対応する均等化制御の終了電圧を補正する。そして、CPU105は、その電池セル102の電圧を電池セル監視部106を介して監視しながら、補正した終了電圧を制御終了の目標値として、その電池セル102に対してバランス回路103による均等化制御を実行する。なお、単純にバランス回路103を流れる電流を増加させるために、パルス信号のデューティー比を大きくしたり、周波数を低くするだけでも一定の効果がある。 Further, in the time reduction control mode, the balance circuit 103 is controlled so as to accelerate the convergence of the voltage change of the discharging or charging of the battery cells to be equalized. More specifically, the CPU 105 calculates a correction voltage corresponding to the internal resistance of the battery cell 102 to be equalized based on the measurement of the voltage and current of the battery cell 102 in the battery cell monitoring unit 106. Next, the CPU 105 corrects the equalization control end voltage corresponding to the battery cell 102 with the correction voltage. Then, the CPU 105 monitors the voltage of the battery cell 102 via the battery cell monitoring unit 106, and uses the corrected end voltage as the target value for the control end, and the equalization control by the balance circuit 103 for the battery cell 102. Execute. In order to simply increase the current flowing through the balance circuit 103, there is a certain effect even if the duty ratio of the pulse signal is increased or the frequency is decreased.
図4は、本実施形態の制御動作のタイミングチャートである。(a)に示される時刻t1で、車両がイグニッションオフ(IG−OFF)またはアイドリング開始となった後、(b)に示されるように内部のタイマーにて一定時間が待機された後、(c)に示されるように、時刻t2で本実施形態のコンバータバランス回路100が均等化の動作を開始する。コンバータバランス回路100は、スタック101内の全ての電池セル102について均等化の動作を終了すると、時刻t3で均等化の制御動作を停止する。時刻t2からt3までのコンバータバランス回路100による均等化の動作は、イグニッションオフまたはアイドリング開始後に1回だけ実行されてもよいし、一定時間間隔で繰返し実行されてもよい。 FIG. 4 is a timing chart of the control operation of this embodiment. After the vehicle is ignited off (IG-OFF) or started idling at time t1 shown in (a), after waiting for a certain time by an internal timer as shown in (b), (c ), The converter balance circuit 100 of the present embodiment starts the equalization operation at time t2. The converter balance circuit 100 stops the equalization control operation at time t3 when the equalization operation is completed for all the battery cells 102 in the stack 101. The equalization operation by the converter balance circuit 100 from the time t2 to the time t3 may be executed only once after the start of ignition off or idling, or may be repeatedly executed at regular time intervals.
図5は、図1または図2のCPU105が実行する高効率制御モード、保護制御モード、または時間短縮制御モードを切り替える制御を実施するための制御動作を示すフローチャートである。この制御動作は、CPU105が、メモリ109に記憶された制御プログラムを実行する処理として実現される。なお、均等化を行うべき電池セル102やスタック101の組を選択する制御は、別のルーチンで実行されており、ここの制御動作では、その別ルーチンから均等化制御を行う電池セル102に関する情報を受け取り、その電池セル102に対する均等化制御のモードを決定して均等化制御を実施するように動作する。 FIG. 5 is a flowchart showing a control operation for performing control for switching the high efficiency control mode, the protection control mode, or the time reduction control mode executed by the CPU 105 of FIG. 1 or FIG. This control operation is realized as a process in which the CPU 105 executes a control program stored in the memory 109. Note that the control for selecting a set of battery cells 102 and stacks 101 to be equalized is performed in a separate routine, and in this control operation, information on the battery cells 102 for which equalization control is performed from the other routine. Is operated, and the equalization control mode for the battery cell 102 is determined and the equalization control is performed.
まず、CPU105は、IG−ON/OFF信号、エコーモードON/OFF指示情報、環境温度情報、電池温度情報等の各パラメータを取得し、メモリ109に保持する(ステップS501)。 First, the CPU 105 acquires parameters such as an IG-ON / OFF signal, echo mode ON / OFF instruction information, environmental temperature information, and battery temperature information, and stores them in the memory 109 (step S501).
次に、CPU105は、メモリ109に保持されているIG−ON/OFF信号に基づいて、イグニッションがオフ(IG−OFF)してから次にオン(ON)するまでの時間の平均値を取得する(ステップS502)。 Next, based on the IG-ON / OFF signal held in the memory 109, the CPU 105 acquires an average value of the time from when the ignition is turned off (IG-OFF) to when the ignition is turned on (ON). (Step S502).
CPU105は、別ルーチンから、均等化の制御を行うべき電池セル102またはスタック101の組(放電側、充電側)の識別情報を取得する(ステップS503)。
CPU105は、ユーザが図3のエコモードON/OFF指示部304を操作することによりエコモードがONにされたかOFFにされたかを判定する(ステップS504)。
The CPU 105 acquires the identification information of the battery cell 102 or the set of stacks 101 (discharge side and charge side) to be controlled for equalization from another routine (step S503).
The CPU 105 determines whether the eco mode has been turned on or off by the user operating the eco mode on / off instruction unit 304 of FIG. 3 (step S504).
ステップS504でユーザによりエコモードがONにされたと判定された場合には、高効率制御モードが選択され実行される(ステップS504→S510)。時間的にそれほど急がないから最適な電池セル102の均等化制御を実施したいというユーザの意思により、このモードを選択することができる。高効率制御モードの一実施形態の詳細については後述する。 If it is determined in step S504 that the eco mode has been turned ON by the user, the high efficiency control mode is selected and executed (steps S504 → S510). This mode can be selected according to the user's intention to perform the optimal equalization control of the battery cells 102 because it is not so steep in time. Details of one embodiment of the high efficiency control mode will be described later.
ステップS504でユーザによりエコモードがOFFにされたと判定された場合には、CPU105はさらに、ステップS502で算出しているイグニッションオフからオンまでの時間平均値が、所定の閾値以上であるか否かを判定する(ステップS505)。 If it is determined in step S504 that the eco mode has been turned off by the user, the CPU 105 further determines whether or not the time average value from ignition off to on calculated in step S502 is greater than or equal to a predetermined threshold value. Is determined (step S505).
ステップ505でイグニッションオフからオンまでの時間平均値が所定の閾値よりも小さいと判定された場合には、時間短縮制御モード(時短制御モード)が選択され実行される(ステップS505→S513)。ユーザが頻繁に車両に乗車し、イグニッションがオフにされている時間が短いような場合には、その短い期間でできる限り早く電池セル102の均等化制御を完了させるために、時間短縮制御モードが選択される。この場合には、電池セル102が発熱しやすく寿命も短くなるということを犠牲にして、均等化制御の時間短縮が優先される。時間短縮制御モードの一実施形態の詳細については後述する。 If it is determined in step 505 that the time average value from ignition off to on is smaller than the predetermined threshold, the time reduction control mode (time reduction control mode) is selected and executed (steps S505 → S513). When the user frequently gets on the vehicle and the ignition is turned off for a short time, the time reduction control mode is set in order to complete the equalization control of the battery cells 102 as soon as possible in the short period. Selected. In this case, priority is given to shortening the time for equalization control at the expense of the fact that the battery cell 102 tends to generate heat and its life is shortened. Details of one embodiment of the time reduction control mode will be described later.
ステップ505でイグニッションオフからオンまでの時間平均値が所定の閾値以上であって時間的に余裕があると判定された場合には、CPU105はさらに、図3の環境温度センサ305が検出している環境温度が所定の適正範囲に対して、高いか、範囲内であるか、低いかが判定される(ステップS506)。 If it is determined in step 505 that the time average value from ignition off to on is equal to or greater than a predetermined threshold and there is sufficient time, the CPU 105 further detects the environmental temperature sensor 305 in FIG. It is determined whether the environmental temperature is higher, within the range, or lower than the predetermined appropriate range (step S506).
ステップS506で環境温度が所定の適正範囲よりも高いと判定された場合には、高効率制御モードが選択され実行される(ステップS506→S510)。環境温度がかなり高い場合には、電池セル102の発熱も早まるため、ステップS505で時間に余裕があると判定されている場合には発熱を抑制するためにこのモードが選択される。 When it is determined in step S506 that the environmental temperature is higher than the predetermined appropriate range, the high efficiency control mode is selected and executed (steps S506 → S510). When the environmental temperature is considerably high, the heat generation of the battery cell 102 is also accelerated, so this mode is selected in order to suppress the heat generation when it is determined in step S505 that there is enough time.
ステップS506で環境温度が所定の適正範囲よりも低いと判定された場合には、時間短縮制御モードが選択され実行される(ステップS506→S513)。環境温度がかなり低い場合には、電池セル102の発熱が遅く車両の起動時に適切な稼動状態になりにくいため、起動に備えて時間短縮制御モードで電池セル102の発熱が促進される。 If it is determined in step S506 that the environmental temperature is lower than the predetermined appropriate range, the time reduction control mode is selected and executed (steps S506 → S513). When the environmental temperature is considerably low, heat generation of the battery cell 102 is slow, and it is difficult to achieve an appropriate operating state when the vehicle is started. Therefore, heat generation of the battery cell 102 is promoted in the time reduction control mode in preparation for start-up.
ステップS506で環境温度が所定の適正範囲内にあると判定された場合には、CPU105はさらに、図1の温度センサ108が検出している電池温度が所定の適正範囲に対して、高いか、範囲内であるか、低いかが判定される(ステップS507)。 If it is determined in step S506 that the environmental temperature is within the predetermined appropriate range, the CPU 105 further determines whether the battery temperature detected by the temperature sensor 108 in FIG. 1 is higher than the predetermined appropriate range. Whether it is within the range or low is determined (step S507).
ステップS507で電池温度が所定の適正範囲よりも高いと判定された場合には、保護制御モードが選択され実行される(ステップS507→S511)。この場合には、電池セル102が既にかなり発熱している。この場合には、均等化制御時に回生電流をできる限り抑制して内部抵抗損失を抑制し、電池セル102の発熱を抑制して電池セル102の寿命を延ばすために、このモードが選択される。 When it is determined in step S507 that the battery temperature is higher than the predetermined appropriate range, the protection control mode is selected and executed (steps S507 → S511). In this case, the battery cell 102 has already generated considerable heat. In this case, this mode is selected in order to suppress the regenerative current as much as possible during the equalization control to suppress the internal resistance loss and to suppress the heat generation of the battery cell 102 to extend the life of the battery cell 102.
ステップS507で電池温度が所定の適正範囲よりも低いと判定された場合には、時間短縮制御モードが選択され実行される(ステップS507→S513)。この場合は、電池温度がかなり低い場合には、電池セル102の発熱が遅く車両の起動時に適切な稼動状態になりにくいため、起動に備えて時間短縮制御モードで電池セル102の発熱が促進される。 If it is determined in step S507 that the battery temperature is lower than the predetermined appropriate range, the time reduction control mode is selected and executed (steps S507 → S513). In this case, when the battery temperature is considerably low, the battery cell 102 generates heat slowly and is unlikely to be in an appropriate operating state when the vehicle is started. Therefore, in preparation for the start-up, the heat generation of the battery cell 102 is promoted in the time reduction control mode. The
ステップS506で電池温度が所定の適正範囲内にあると判定された場合には、CPU105はさらに、ステップS503により取得した均等化制御を行う電池セル102について、内部抵抗を算出し、その電池セル102の劣化度を算出する(ステップS508)。内部抵抗が大きい場合には、その電池セル102が劣化している場合が多い。そこで、CPU105は、その電池セル102の内部抵抗値から劣化度を判定する。ここで、図1または図2のスタック101が電力供給状態にあるときに、CPU105は、電池セル監視部106が監視するその電池セル102の電圧、電流、および/または温度に基づいて、それらのパラメータから内部抵抗を決定する第1のマップデータ(例えばメモリ109上に保持されている)を参照し、その電池セル102に対応する内部抵抗を算出する。また、スタック101が電力供給状態にないときに、CPU105は、電池セル監視部106が監視するその電池セル102の電圧、および/または温度に基づいて、それらのパラメータから内部抵抗を決定する第2のマップデータ(例えばメモリ109上に保持されている)を参照し、その電池セル102に対応する内部抵抗を算出する。 When it is determined in step S506 that the battery temperature is within the predetermined appropriate range, the CPU 105 further calculates the internal resistance of the battery cell 102 that performs equalization control acquired in step S503, and the battery cell 102 Is calculated (step S508). When the internal resistance is large, the battery cell 102 is often deteriorated. Therefore, the CPU 105 determines the degree of deterioration from the internal resistance value of the battery cell 102. Here, when the stack 101 of FIG. 1 or FIG. 2 is in the power supply state, the CPU 105 determines those based on the voltage, current, and / or temperature of the battery cell 102 monitored by the battery cell monitoring unit 106. With reference to first map data (for example, held on the memory 109) for determining the internal resistance from the parameters, the internal resistance corresponding to the battery cell 102 is calculated. When the stack 101 is not in the power supply state, the CPU 105 determines the internal resistance from the parameters based on the voltage and / or temperature of the battery cell 102 monitored by the battery cell monitoring unit 106. The internal resistance corresponding to the battery cell 102 is calculated with reference to the map data (for example, held on the memory 109).
続いて、CPU105は、ステップS508で算出した電池の劣化度が所定の閾値以上であるか否かを判定する(ステップS509)。
ステップS509で電池の劣化度が所定の閾値以上であると判定された場合には、CPU105は、保護制御モードを選択して実行する(ステップS509→S511)。劣化が進んだ電池セル102に対しては、均等化のための回生電流を十分に抑制してその電池セル102の発熱を抑えることにより、その電池セル102の寿命を延ばすために、このモードが選択される。
Subsequently, the CPU 105 determines whether or not the degree of deterioration of the battery calculated in step S508 is greater than or equal to a predetermined threshold (step S509).
If it is determined in step S509 that the degree of deterioration of the battery is greater than or equal to a predetermined threshold, the CPU 105 selects and executes the protection control mode (step S509 → S511). For a battery cell 102 that has deteriorated, this mode is used to extend the life of the battery cell 102 by sufficiently suppressing the regenerative current for equalization and suppressing the heat generation of the battery cell 102. Selected.
ステップS509で電池の劣化度が所定の閾値よりも小さいと判定された場合には、CPU105は、高効率制御モードを選択して実行する(ステップS509→S512)。環境温度や電池温度が適正範囲内で電池セル102の劣化も進んでおらず、なおかつステップS505で時間的に余裕があると判定された場合には、電池の寿命も短くならず最適かつ精度の高い均等化制御を実施できるこのモードが選択される。 If it is determined in step S509 that the degree of deterioration of the battery is smaller than the predetermined threshold, the CPU 105 selects and executes the high efficiency control mode (steps S509 → S512). If it is determined that the battery cell 102 has not deteriorated within the appropriate range of the environmental temperature or the battery temperature and that there is sufficient time in step S505, the battery life is not shortened and the optimum and accurate This mode in which high equalization control can be performed is selected.
以上の制御動作により、本実施形態では、高効率制御モード、保護制御モード、または時間短縮制御モードの3つのモードを適切に切り替えることにより、ユーザによる車両の使用状況に応じて、電池パワーや電池寿命が最適に制御された均等化を実現することが可能となる。 According to the above control operation, in this embodiment, the battery power and the battery are changed according to the use state of the vehicle by the user by appropriately switching the three modes of the high efficiency control mode, the protection control mode, and the time reduction control mode. It is possible to realize equalization with optimally controlled lifetime.
なお、CPU105は、図3のナビシステム306から車両の現在の位置情報を取得し、例えばコンビニエンスストアのように短い時間しかイグニッションがオフにならないような場合に車両が停車したと判定した場合には、時間短縮制御モードで均等化制御を起動するようにしてもよい。 If the CPU 105 obtains the current position information of the vehicle from the navigation system 306 in FIG. 3 and determines that the vehicle has stopped when the ignition is turned off for only a short time, such as a convenience store, for example. The equalization control may be activated in the time reduction control mode.
次に、図5のステップS510またはS512において選択され実行される高効率制御モードの実施形態について詳細に説明する。
高効率制御モードでは、図2において、CPU105は、バランス回路103内のスイッチング素子SW1,2を含む回路素子における電力損失が小さくなるように、スイッチ制御部104内のドライバ201が出力する各パルス信号の周波数、デューティー比、またはスイッチング素子SW1,2に電力を供給するスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御する。図2の構成では、スイッチング信号源およびそれに対する制御は省略されているが、これらを入れてもよい。
Next, an embodiment of the high efficiency control mode that is selected and executed in step S510 or S512 of FIG. 5 will be described in detail.
In the high-efficiency control mode, in FIG. 2, the CPU 105 outputs each pulse signal output from the driver 201 in the switch control unit 104 so that power loss in the circuit elements including the switching elements SW1 and SW2 in the balance circuit 103 is reduced. The frequency, the duty ratio, or any one or more of switching signal sources that supply power to the switching elements SW1 and SW2 are controlled. In the configuration of FIG. 2, the switching signal source and the control for it are omitted, but these may be included.
より具体的には、スイッチング素子SW1,SW2がFET(電界効果トランジスタ)である場合に、CPU105は次のように動作する。まず、CPU105は、スイッチング素子SW1,SW2のそれぞれについて、オフ時のドレイン−ソース間電圧、オン時のドレイン−ソース電流および電圧、または温度のいずれか1つ以上の各値に対してターンオン遷移時間およびターンオフ遷移時間の各値をあらかじめ計測したマップデータを保持する。次に、CPU105は、スイッチング素子SW1,SW2のオフ時のドレイン−ソース電圧、オン時のドレイン−ソース電流および電圧、または温度のいずれか1つ以上の値を計測する。そして、CPU105は、計測したスイッチング素子SW1,SW2のオフ時のドレイン−ソース間電圧、オン時のドレイン−ソース電流および電圧、または温度のいずれか1つ以上の値と、それらの値を用いて前述のマップデータを参照して得られるターンオン遷移時間およびターンオフ遷移時間とを算出する。CPU105は、その算出結果に基づいてスイッチング素子SW1,SW2のスイッチング損失が小さくなるように、各パルス信号の周波数、デューティー比、またはスイッチング素子SW1,SW2に電力を供給するスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御する。 More specifically, when the switching elements SW1 and SW2 are FETs (field effect transistors), the CPU 105 operates as follows. First, for each of the switching elements SW1 and SW2, the CPU 105 turns on the turn-on transition time with respect to any one or more values of drain-source voltage when turned off, drain-source current and voltage when turned on, and temperature. And map data obtained by measuring each value of the turn-off transition time in advance. Next, the CPU 105 measures one or more values of the drain-source voltage when the switching elements SW1 and SW2 are off, the drain-source current and voltage when they are on, and the temperature. Then, the CPU 105 uses one or more values of the measured drain-source voltage when the switching elements SW1 and SW2 are turned off, the drain-source current and voltage when turned on, and the temperature, and the values thereof. A turn-on transition time and a turn-off transition time obtained by referring to the map data are calculated. The CPU 105 selects either one of the frequency of each pulse signal, the duty ratio, or a switching signal source that supplies power to the switching elements SW1 and SW2 so that the switching loss of the switching elements SW1 and SW2 is reduced based on the calculation result. Control one or more.
図2に示される実施形態では、CPU105は、スイッチ制御部104内のMUX202およびA/D変換器203を介して、スイッチング素子SW1,SW2のオフ時のドレイン−ソース電圧、オン時のドレイン−ソース電流および電圧を計測する。温度の計測は省略されている。CPU105は、これらの計測値と、それらの値を用いて前述のマップデータを参照して得られるターンオン遷移時間およびターンオフ遷移時間とを算出する。CPU105は、その算出結果に基づいてスイッチング素子SW1,SW2のスイッチング損失が小さくなるように、各パルス信号の周波数およびデューティー比を制御する。図2の構成では、スイッチング素子SW1,SW2に電力を供給するスイッチング信号源およびそれに対する制御は省略されているが、これらを入れてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the CPU 105, via the MUX 202 in the switch control unit 104 and the A / D converter 203, drain-source voltage when the switching elements SW1 and SW2 are turned off, drain-source when turned on. Measure current and voltage. Measurement of temperature is omitted. The CPU 105 calculates these measured values and the turn-on transition time and the turn-off transition time obtained by referring to the aforementioned map data using these values. Based on the calculation result, the CPU 105 controls the frequency and duty ratio of each pulse signal so that the switching loss of the switching elements SW1 and SW2 becomes small. In the configuration of FIG. 2, the switching signal source that supplies power to the switching elements SW1 and SW2 and the control for the switching signal source are omitted, but these may be included.
図2の構成において、上述の計測結果に基づいてスイッチング素子SW1,SW2のオン抵抗損失もさらに小さくなるように、各パルス信号の周波数、デューティー比、スイッチング素子SW1,SW2に電力を供給するスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御してもよい。 In the configuration of FIG. 2, the frequency of each pulse signal, the duty ratio, and the switching signal that supplies power to the switching elements SW1 and SW2 so that the on-resistance loss of the switching elements SW1 and SW2 is further reduced based on the measurement result described above. Any one or more of the sources may be controlled.
図2の構成において、さらに次のような制御をしてもよい。CPU105は、スイッチ制御部104内のMUX202およびA/D変換器203を介して、インダクタ平均電流またはピーク電流をさらに計測する。そして、CPU105は、計測したインダクタ平均電流またはピーク電流に基づいてインダクタLにおける電力損失もさらに小さくなるように、各パルス信号の周波数、デューティー比、またはスイッチング素子SW1,SW2に電力を供給するスイッチング信号源のいずれか1つ以上を制御する。 In the configuration of FIG. 2, the following control may be further performed. The CPU 105 further measures the inductor average current or peak current via the MUX 202 and the A / D converter 203 in the switch control unit 104. Then, the CPU 105 switches the frequency of each pulse signal, the duty ratio, or the switching signal that supplies power to the switching elements SW1 and SW2 so that the power loss in the inductor L is further reduced based on the measured inductor average current or peak current. Control any one or more of the sources.
以上の実施形態の構成により、高効率制御モードにおいて、バランス回路103を構成する少なくともスイッチング素子SW1,SW2のスイッチング損失またはオン抵抗損失を含めた最適な電池セル102の均等化を実現することが可能となる。また、必要に応じてインダクタLの寄生抵抗損失またはコア損失、充電される電池セル102の内部抵抗損失等の電力損失も含めた最適な電池セル102の均等化を実現することが可能となる。 With the configuration of the above embodiment, it is possible to realize the optimal equalization of the battery cells 102 including the switching loss or the on-resistance loss of at least the switching elements SW1 and SW2 constituting the balance circuit 103 in the high efficiency control mode. It becomes. Further, it is possible to realize the optimum equalization of the battery cells 102 including the power loss such as the parasitic resistance loss or the core loss of the inductor L and the internal resistance loss of the battery cell 102 to be charged as necessary.
以上の高効率制御モードの実施形態の詳細な動作について、以下に説明する。
スイッチング素子SW1,2がFETによって構成されている場合、FETのスイッチング損失を数式で表すと、次式に示されるようになる。
The detailed operation of the embodiment of the above high efficiency control mode will be described below.
When the switching elements SW1 and SW2 are constituted by FETs, the switching loss of the FETs can be expressed by the following formula when expressed by mathematical formulas.
スイッチング損失を減らすためには、数1式より、
条件1.電池バランスを取るためのオンタイムドレイン−ソース電流Idを減らす
条件2.パルス信号405(図5(a)(b))のスイッチング周波数fsを下げる
条件3.トランジスタの遷移時間t_sw(on)とt_sw(off)を減らす
条件4.オフタイムのドレイン−ソース電圧Vdを下げる
等の方法が有効であることがわかる。
In order to reduce the switching loss,
Condition 1. 1. Conditions for reducing the on-time drain-source current Id for battery balance 2. Conditions for lowering the switching frequency fs of the pulse signal 405 (FIGS. 5A and 5B) 3. Conditions for reducing transistor transition times t_sw (on) and t_sw (off) It can be seen that a method such as lowering the drain-source voltage Vd during off-time is effective.
このうち、条件1.については、スイッチング信号のデューティー比を下げる、もしくは図2のインダクタLを大きくすることで、オンタイムドレイン−ソース電流Idを下げることができる。 Of these, condition 1. As for, the on-time drain-source current Id can be lowered by lowering the duty ratio of the switching signal or increasing the inductor L in FIG.
条件2.の周波数fsは、単純に周波数下げるだけでは、電流が増えてしまう。そのため、周波数を下げるのに併せてデューティー比を下げることにより、電流を抑制することができる。あるいは、インダクタLを大きくすることでも、電流を抑制することができる。このことは、次式で表すことができる。 Condition 2. If the frequency fs is simply lowered, the current increases. Therefore, the current can be suppressed by lowering the duty ratio as well as lowering the frequency. Alternatively, the current can be suppressed by increasing the inductor L. This can be expressed as:
条件3.については、FETの特性上、遷移時間は電流Idの大きさによって変化する。そのため、図1または図2のCPU105内に予め、使用するFETの電流Idと遷移時間との関係をマップとしてメモリ109に記憶しておき、最適な電流値となるように、デューティー比、周波数fsの制御を行う。また、FETのスイッチング信号源の駆動力を上げることでも遷移時間を短くできる。その場合は例えば、スイッチング信号源の出力を通常1つ使うところを2つ使って出力を大きくすることで、駆動力を上げることが可能である。 Condition 3. As for, due to the characteristics of the FET, the transition time varies depending on the magnitude of the current Id. Therefore, the relationship between the current Id of the FET to be used and the transition time is stored in advance in the memory 109 as a map in the CPU 105 in FIG. 1 or FIG. 2, and the duty ratio and frequency fs are set so that the optimum current value is obtained. Control. The transition time can also be shortened by increasing the driving power of the FET switching signal source. In that case, for example, the driving force can be increased by increasing the output by using two switching signal sources that normally use one output.
条件4.については制御対象の電池セル102自体の特性のため制御はできない。
図6は、以上の考察に基づく、高効率制御モードにおいて実行されるスイッチング損失を小さくする均等化制御を示すフローチャートである。この制御動作は、図1または図2のCPU105が、メモリ109に記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。以下、図2を随時参照するものとする。また、以下の説明では、例えば図2のスイッチング素子SW1を制御する場合を例に説明するが、スイッチング素子SW2の場合も同様である。
Condition 4. Cannot be controlled due to the characteristics of the battery cell 102 itself to be controlled.
FIG. 6 is a flowchart showing equalization control for reducing the switching loss executed in the high efficiency control mode based on the above consideration. This control operation is realized as an operation in which the CPU 105 in FIG. 1 or 2 executes a control program stored in the memory 109. Hereinafter, FIG. 2 will be referred to as needed. In the following description, for example, the case of controlling the switching element SW1 of FIG. 2 will be described as an example, but the same applies to the case of the switching element SW2.
まず、CPU105は、特には図示しない温度センサでスイッチング素子SW1のFET付近の温度を測定し、その値を取得する(ステップS601)。
次に、CPU105は、スイッチング素子SW1のFETのオフ時の電圧Vdを、MUX202およびA/D変換器203を介して取得する(ステップS602)。
First, the CPU 105 measures the temperature in the vicinity of the FET of the switching element SW1 with a temperature sensor (not shown) and acquires the value (step S601).
Next, the CPU 105 acquires the voltage Vd when the FET of the switching element SW1 is turned off via the MUX 202 and the A / D converter 203 (step S602).
CPU105は、スイッチング素子SW1のFETのオン時の電流Idと電圧Vd′を、MUX202およびA/D変換器203を介して取得する(ステップS603)。
CPU105は、メモリ109に保持しているスイッチング素子SW1のFETの特性マップを使って、ステップS601〜S603で取得した温度、オフ時電圧Vd、オン時電流Id、オン時電圧Vd′に対応する、FETのターンオン遷移時間tr、およびターンオフ遷移時間tfを取得する(ステップS604)。
The CPU 105 acquires the current Id and the voltage Vd ′ when the FET of the switching element SW1 is on via the MUX 202 and the A / D converter 203 (step S603).
The CPU 105 uses the FET characteristic map of the switching element SW1 held in the memory 109 to correspond to the temperature, the off-time voltage Vd, the on-time current Id, and the on-time voltage Vd ′ acquired in steps S601 to S603. The FET turn-on transition time tr and turn-off transition time tf are obtained (step S604).
CPU105は、上述の取得した各値を用いて、前述の数1式に従ってスイッチング損失を計算し、また、次式に従ってオン抵抗損失を計算する(ステップS605)。 The CPU 105 calculates the switching loss according to the above equation 1 using each of the acquired values, and calculates the on-resistance loss according to the following equation (step S605).
ステップS606での比較の結果、スイッチング損失のほうがオン抵抗損失よりも大きければ、CPU105は、遷移時間tr、tfが最小になるように電流またはデューティー比を計算し、調整する。また、パルス信号405のスイッチング周波数fsを下げる。あるいは、前述したように、スイッチング信号源の出力を上げる(以上、ステップS606→S607)。 As a result of the comparison in step S606, if the switching loss is larger than the on-resistance loss, the CPU 105 calculates and adjusts the current or duty ratio so that the transition times tr and tf are minimized. Further, the switching frequency fs of the pulse signal 405 is lowered. Alternatively, as described above, the output of the switching signal source is increased (steps S606 → S607).
ステップS606での比較の結果、オン抵抗損失のほうがスイッチング損失よりも大きければ、CPU105は、遷移時間tr、tfが最小になるように電流またはデューティー比を計算し、調整する。また、パルス信号405のスイッチング周波数fsを上げる。あるいは、前述したように、スイッチング信号源の出力を上げる(以上、ステップS606→S608)。 If the on-resistance loss is greater than the switching loss as a result of the comparison in step S606, the CPU 105 calculates and adjusts the current or duty ratio so that the transition times tr and tf are minimized. Further, the switching frequency fs of the pulse signal 405 is increased. Alternatively, as described above, the output of the switching signal source is increased (steps S606 → S608).
以上のフローチャートで示される制御動作により、本実施形態における高効率制御モードでは、スイッチング素子SW1およびスイッチング素子SW2におけるスイッチング損失およびオン抵抗損失が小さくなるようにしながら、電池セル102の均等化動作を実行することが可能となる。 By the control operation shown in the above flowchart, in the high efficiency control mode in the present embodiment, the equalization operation of the battery cells 102 is performed while reducing the switching loss and the on-resistance loss in the switching element SW1 and the switching element SW2. It becomes possible to do.
以上の説明では、スイッチング素子SW1、SW2を構成するFETのスイッチング損失およびオン抵抗損失に着目して、それらの電力損失を小さくするような高効率制御モードの均等化制御が実施された。これらに加えて、インダクタLにおける寄生抵抗損失またはコア損失を考慮に入れることも可能である。これらの損失は、次式で表すことができる。 In the above description, paying attention to the switching loss and on-resistance loss of the FETs constituting the switching elements SW1 and SW2, the equalization control in the high-efficiency control mode is performed so as to reduce those power losses. In addition to these, it is also possible to take into account parasitic resistance losses or core losses in the inductor L. These losses can be expressed as:
なお、上述の実施形態は、最適な高効率制御モードに関する実施形態であるが、本発明はこれに限られるものではなく、最も単純には、バランス回路103を流れる電流をある程度抑制するために、スイッチ制御部104がスイッチング素子SW1,SW2に出力するパルス信号のデューティー比を小さくするだけでも、ある程度の効果がある。 The above-described embodiment is an embodiment related to the optimum high-efficiency control mode, but the present invention is not limited to this, and most simply, in order to suppress the current flowing through the balance circuit 103 to some extent, Even if the duty ratio of the pulse signal output from the switch control unit 104 to the switching elements SW1 and SW2 is reduced, there are some effects.
次に、図5のステップS511において選択され実行される保護制御モードの実施形態について詳細に説明する。
保護制御モードでは、均等化を実施する電池セル102の内部抵抗が算出されながらその電池セル102の内部抵抗損失が小さくなるようにスイッチ制御部104が制御される。まず、CPU105は、均等化を行う電池セル102の内部抵抗については、図5のステップS508の場合と同様の方法で算出する。この場合、電池セル102の内部抵抗損失は、次式で表すことができる。
Next, an embodiment of the protection control mode selected and executed in step S511 of FIG. 5 will be described in detail.
In the protection control mode, the switch controller 104 is controlled so that the internal resistance of the battery cell 102 is reduced while the internal resistance of the battery cell 102 to be equalized is calculated. First, the CPU 105 calculates the internal resistance of the battery cells 102 to be equalized by the same method as in step S508 in FIG. In this case, the internal resistance loss of the battery cell 102 can be expressed by the following equation.
なお、上述の実施形態は、最適な保護制御モードに関する実施形態であるが、本発明はこれに限られるものではなく、最も単純には、バランス回路103を流れる電流を十分に抑制するために、パルス信号のデューティー比を十分に小さくするだけでも一定の効果がある。 The above-described embodiment is an embodiment related to the optimum protection control mode, but the present invention is not limited to this, and most simply, in order to sufficiently suppress the current flowing through the balance circuit 103, Even if the duty ratio of the pulse signal is made sufficiently small, there is a certain effect.
次に、図5のステップS513において選択され実行される時間短縮制御モードの実施形態について詳細に説明する。
図7は、時間短縮制御モードの動作説明図である。
Next, an embodiment of the time reduction control mode that is selected and executed in step S513 in FIG. 5 will be described in detail.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation in the time reduction control mode.
図7(a)のバランス回路に例示されるように、#1の電池セル102の電位のほうが#2の電池セル102の電位よりも高い状態で、2つの電池セル102の電圧を均等化する場合を考える。この場合、#1の電池セル102の理想電圧は、図7(b)の破線OCV1で示されるように、放電によって、当初の最高電位から徐々に下降してゆく。一方、#2の電池セル102の理想電圧は、図7(b)の破線OCV2で示されるように、充電によって、当初の最低電位から徐々に上昇してゆく。そして、均等化制御の目標電圧Gは例えば、
目標電圧G=(OCV1+OCV2)/2 ・・・(1)
である。しかしながら、図1の電池セル監視部106で実際に観測される#2の電池セル102の観測電圧は、図7(b)の観測電圧1の実線で示されるように、均等化制御開始から所定時間(数秒程度)が経過した後から、理想電圧OCV1よりも電位差ΔV1だけ低い電圧値として観測される。一方、図1の電池セル監視部106で実際に観測される#2の電池セル102の観測電圧は、図7(b)の観測電圧2の実線で示されるように、均等化制御開始から所定時間(数秒程度)が経過した後から、理想電圧OCV2よりも電位差ΔV2だけ高い電圧値として観測される。これらの電位差ΔV1およびΔV2はそれぞれ、#1の電池セル102および#2の電池セル102の分極抵抗を含む内部抵抗により生ずる電位である。
As illustrated in the balance circuit of FIG. 7A, the voltages of the two battery cells 102 are equalized in a state where the potential of the battery cell 102 of # 1 is higher than the potential of the battery cell 102 of # 2. Think about the case. In this case, the ideal voltage of the # 1 battery cell 102 gradually decreases from the initial highest potential due to the discharge, as indicated by a broken line OCV1 in FIG. 7B. On the other hand, the ideal voltage of the # 2 battery cell 102 gradually increases from the initial lowest potential by charging, as indicated by a broken line OCV2 in FIG. 7B. The target voltage G for equalization control is, for example,
Target voltage G = (OCV1 + OCV2) / 2 (1)
It is. However, the observed voltage of the # 2 battery cell 102 actually observed by the battery cell monitoring unit 106 in FIG. 1 is predetermined from the start of equalization control, as indicated by the solid line of the observed voltage 1 in FIG. After a lapse of time (several seconds), a voltage value lower than the ideal voltage OCV1 by a potential difference ΔV1 is observed. On the other hand, the observed voltage of the # 2 battery cell 102 actually observed by the battery cell monitoring unit 106 in FIG. 1 is predetermined from the start of equalization control, as indicated by the solid line of the observed voltage 2 in FIG. After a lapse of time (several seconds), a voltage value higher than the ideal voltage OCV2 by a potential difference ΔV2 is observed. These potential differences ΔV1 and ΔV2 are potentials generated by internal resistances including polarization resistances of the # 1 battery cell 102 and the # 2 battery cell 102, respectively.
ここで、観測電圧1および観測電圧2が目標電圧Gに所定の許容誤差の範囲で一致するように、単純に均等化制御を実施する場合を考える。この場合、図7(b)の時点t1で、観測電圧1および観測電圧2がほぼ一致して目標電圧Gに到達し、#1の電池セル102および#2の電池セル102に対する均等化制御が終了する。この均等化制御に要する時間t1は、電池パック301の特性や均等化制御の度合いによって異なるが、例えば数時間である。しかしこの場合、均等化制御の終了により図7(a)のバランス回路に流れる平均電流Iが停止する結果、観測電圧1は#1の電池セル102の内部抵抗×平均電流Iの分だけ上昇してしまう。逆に、観測電圧2は#2の電池セル102の内部抵抗×平均電流Iの分だけ下降してしまう。これらにより、上述のような単純な制御では、均等化制御が終了した時点t1以降、#1の電池セル102と#2の電池セル102がそれぞれ示す電圧値が図7(b)の目標電圧Gからはずれてしまい、収束時点t2では両者の電圧値は均等でなくなってしまう。この結果、さらに均等化制御を実施する必要が生じ、均等化制御の時間が長時間に及ぶ可能性がある。 Here, consider a case where equalization control is simply performed so that the observed voltage 1 and the observed voltage 2 coincide with the target voltage G within a predetermined allowable error range. In this case, at time t1 in FIG. 7B, the observed voltage 1 and the observed voltage 2 substantially coincide with each other and reach the target voltage G, and equalization control for the # 1 battery cell 102 and the # 2 battery cell 102 is performed. finish. The time t1 required for the equalization control varies depending on the characteristics of the battery pack 301 and the level of the equalization control, but is several hours, for example. However, in this case, the average current I flowing in the balance circuit of FIG. 7A stops due to the end of the equalization control, and as a result, the observation voltage 1 increases by the internal resistance of the # 1 battery cell 102 × the average current I. End up. Conversely, the observed voltage 2 drops by the amount of the internal resistance of the # 2 battery cell 102 × the average current I. Thus, in the simple control as described above, the voltage values indicated by the # 1 battery cell 102 and the # 2 battery cell 102 after the time point t1 when the equalization control ends are the target voltage G in FIG. 7B. And the voltage values of both are not uniform at the convergence time t2. As a result, further equalization control needs to be performed, and the equalization control may take a long time.
そこで、本実施形態の時間短縮制御モードでは、#1の電池セル102および#2の電池セル102の各内部抵抗に起因する電位差ΔV1およびΔV2(正の値とする)が補正電圧として算出される。そして、CPU105は、放電側の#1の電池セル102に対しては、図1の電池セル監視部106による観測電圧1が、
終了電圧1=目標電圧G−補正電圧ΔV1 ・・・(2)
になったときに均等化制御を終了するように、目標電圧Gを終了電圧1に補正する。一方、CPU105は、充電側の#2の電池セル102に対しては、図1の電池セル監視部106による観測電圧2が、
終了電圧2=目標電圧G+補正電圧ΔV2 ・・・(3)
になったときに均等化制御を終了するように、目標電圧Gを終了電圧2に補正する。
Therefore, in the time reduction control mode of the present embodiment, the potential differences ΔV1 and ΔV2 (which are positive values) caused by the internal resistances of the # 1 battery cell 102 and the # 2 battery cell 102 are calculated as correction voltages. . Then, the CPU 105 determines that the observation voltage 1 by the battery cell monitoring unit 106 in FIG.
End voltage 1 = target voltage G−correction voltage ΔV1 (2)
The target voltage G is corrected to the end voltage 1 so that the equalization control is ended when. On the other hand, the observation voltage 2 from the battery cell monitoring unit 106 in FIG.
End voltage 2 = target voltage G + correction voltage ΔV2 (3)
The target voltage G is corrected to the end voltage 2 so that the equalization control is ended when.
この結果、本実施形態による時間短縮制御モードでは、#1の電池セル102および#2の電池セル102に対する均等化制御は、図7(b)の時点t1′で終了する。この時点t1′では、放電側の#1の電池セル102は目標電圧Gに対して、#1の電池セル102の内部抵抗×セルバランス回路に流れる平均電流Iの分だけ低い電圧値を示す。また、充電側の#2の電池セル102は目標電圧Gに対して、#2の電池セル102の内部抵抗×セルバランス回路に流れる平均電流Iの分だけ高い電圧値を示す。そして、本実施形態の場合、図7(b)に示されるように、均等化制御の終了により図7(a)のバランス回路に流れる平均電流Iが停止する結果、観測電圧1は、時点t1′以降、#1の電池セル102の内部抵抗×平均電流Iの分だけ上昇し、ほぼちょうど目標電圧Gに一致する。逆に、観測電圧2は、時点t1′以降、#2の電池セル102の内部抵抗×平均電流Iの分だけ下降し、やはりほぼちょうど目標電圧Gに一致する。このようにして、本実施形態による時間短縮制御モードでは、均等化制御が終了した時点t1′以降の収束時点t2では、両者の電圧値を均等にすることが可能となる。この結果、均等化制御に要する時間も従来よりも短くすることが可能となる。 As a result, in the time reduction control mode according to the present embodiment, the equalization control for the # 1 battery cell 102 and the # 2 battery cell 102 ends at time t1 ′ in FIG. 7B. At this time t1 ′, the # 1 battery cell 102 on the discharge side shows a voltage value lower than the target voltage G by the internal resistance of the # 1 battery cell 102 × the average current I flowing through the cell balance circuit. Further, the # 2 battery cell 102 on the charging side shows a voltage value higher than the target voltage G by an amount corresponding to the internal resistance of the # 2 battery cell 102 × the average current I flowing through the cell balance circuit. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 7B, the average current I flowing through the balance circuit of FIG. 7A is stopped by the end of the equalization control. After that, it rises by the amount of the internal resistance of the battery cell 102 of # 1 × the average current I, and almost coincides with the target voltage G. On the contrary, the observed voltage 2 decreases by the amount corresponding to the internal resistance of the battery cell 102 of # 2 and the average current I after the time point t1 ′, and also almost coincides with the target voltage G. In this way, in the time reduction control mode according to the present embodiment, the voltage values of both can be made equal at the convergence time t2 after the time t1 ′ when the equalization control is completed. As a result, the time required for equalization control can be made shorter than before.
図8は、時間短縮制御モードによる均等化制御の開始処理の制御動作例を示すフローチャートである。この制御動作は例えば、CPU105がメモリ109に記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。 FIG. 8 is a flowchart illustrating a control operation example of the equalization control start process in the time reduction control mode. This control operation is realized as an operation in which the CPU 105 executes a control program stored in the memory 109, for example.
まず、CPU105は、図1の電流測定部107から電池セル監視部106を介して、電池セル102に電流が流れているか否かを判定する(ステップS801)。
ステップS801で電池セル102に電流が流れていると判定され、図1のスタック101が電力供給状態にあるときに、CPU105は、図5のステップS503で取得した電圧を均等化する電池セル102について、電池セル監視部106が監視するその電池セル102の電圧および電流を取得する。そして、CPU105は、これらの取得した電圧および電流の組を用いて、電圧と電流から内部抵抗を決定するマップデータを参照し、内部抵抗を推定する(以上、ステップS802)。このマップデータでは、電池セル102から検出された電圧CCV(V:ボルト)と電流(A:アンペア)を用いてこのマップデータが参照されると、それらの組合せの交点に相当する記憶位置に記憶されている内部抵抗(mΩ:ミリオーム)のデータが読み出される。このように、内部抵抗は、電池セル102の電圧と電流の組に対応するデータとして、あらかじめマップデータとして持たせておくことができ、本実施形態の時間短縮制御モードではこのマップデータを利用して、スタック101が電源供給状態にあるときの電池セル102の内部抵抗を推定することができる。
First, the CPU 105 determines whether or not current is flowing through the battery cell 102 from the current measurement unit 107 of FIG. 1 via the battery cell monitoring unit 106 (step S801).
When it is determined in step S801 that current is flowing in the battery cell 102, and the stack 101 in FIG. 1 is in a power supply state, the CPU 105 determines the battery cell 102 that equalizes the voltage acquired in step S503 in FIG. The voltage and current of the battery cell 102 monitored by the battery cell monitoring unit 106 are acquired. Then, the CPU 105 estimates the internal resistance by referring to the map data for determining the internal resistance from the voltage and current, using the acquired set of voltage and current (step S802). In this map data, when the map data is referred to using the voltage CCV (V: volt) and current (A: ampere) detected from the battery cell 102, the map data is stored in the storage position corresponding to the intersection of these combinations. The data of the internal resistance (mΩ: milliohm) being read is read out. As described above, the internal resistance can be provided as map data in advance as data corresponding to the set of voltage and current of the battery cell 102, and this map data is used in the time reduction control mode of the present embodiment. Thus, the internal resistance of the battery cell 102 when the stack 101 is in the power supply state can be estimated.
次に、CPU105は、均等化制御のために選択された2つの電池セル102の電位差に応じて、以下の(4)式および(5)式に基づいて、図2のスイッチング素子SW1,SW2でのスイッチング制御のパルス周波数とデューティー比(Duty比)を計算し、スイッチ制御部104に設定する(ステップS803)。 Next, the CPU 105 uses the switching elements SW1 and SW2 in FIG. 2 based on the following equations (4) and (5) according to the potential difference between the two battery cells 102 selected for equalization control. The switching control pulse frequency and duty ratio (duty ratio) are calculated and set in the switch control unit 104 (step S803).
その後、CPU105は、スイッチ制御部104のドライバ201(図2)に対して、均等化制御の動作開始を指示する(ステップS804)。
その後、CPU105は、ステップS802で推定した内部抵抗の値に、図1の電流測定部107および電池セル監視部106を介して検出される電流の値を乗算することにより、補正電圧値を算出する。そして、CPU105は、前述した(2)式(放電の場合)または(3)式(充電の場合)に基づいて、均等化制御を行う電池セル102に対する終了電圧値を補正し、均等化制御の開始処理を終了する(ステップS805)。
Thereafter, the CPU 105 instructs the driver 201 (FIG. 2) of the switch control unit 104 to start the equalization control operation (step S804).
Thereafter, the CPU 105 calculates a correction voltage value by multiplying the value of the internal resistance estimated in step S802 by the value of the current detected through the current measurement unit 107 and the battery cell monitoring unit 106 in FIG. . Then, the CPU 105 corrects the end voltage value for the battery cell 102 that performs the equalization control based on the above-described equation (2) (in the case of discharging) or (3) (in the case of charging), and performs the equalization control. The start process is terminated (step S805).
図8のステップS801で電池セル102に電流が流れていないと判定され、組電池101が電力供給状態にないとき、CPU105は、電圧を均等化する電池セル102について、次の動作を実行する。 When it is determined in step S801 in FIG. 8 that no current is flowing in the battery cell 102 and the assembled battery 101 is not in the power supply state, the CPU 105 performs the following operation on the battery cell 102 that equalizes the voltage.
まず、CPU105は、均等化制御のために選択された2つの電池セル102の電位差に応じて、前述した(4)式および(5)式に基づいて、スイッチング素子SW1,SW2でのスイッチング制御のパルス周波数とデューティー比(Duty比)を計算し、スイッチ制御部104に設定する(ステップS806)。この処理は、ステップS803の処理と同じである。 First, the CPU 105 performs switching control in the switching elements SW1 and SW2 based on the above-described equations (4) and (5) according to the potential difference between the two battery cells 102 selected for equalization control. The pulse frequency and the duty ratio (Duty ratio) are calculated and set in the switch control unit 104 (step S806). This process is the same as the process of step S803.
次に、CPU105は、スイッチ制御部104内のドライバ201に対して、均等化制御の動作開始を指示する(ステップS807)。
次に、CPU105は、ステップS807による均等化制御の開始時の該当する電池セル102の電圧の値(図7のOCVに対応する)を電池セル監視部106から取得しておく。続いて、CPU105は、上記開始指示後所定時間経過時の該当する電池セル102の電圧の値を電池セル監視部106から取得する。そして、CPU105は、取得した上記2つの電圧の値の差の絶対値を計算して、OCVから所定時間経過後までの変化電圧の値を、補正電圧として算出する。そして、CPU105は、前述した(2)式(放電の場合)または(3)式(充電の場合)に基づいて、均等化制御を行う電池セル102に対する終了電圧値を補正し、均等化制御の開始処理を終了する(以上、ステップS808)。
Next, the CPU 105 instructs the driver 201 in the switch control unit 104 to start the equalization control operation (step S807).
Next, the CPU 105 acquires from the battery cell monitoring unit 106 the voltage value (corresponding to the OCV in FIG. 7) of the corresponding battery cell 102 at the start of the equalization control in step S807. Subsequently, the CPU 105 acquires from the battery cell monitoring unit 106 the voltage value of the corresponding battery cell 102 when a predetermined time has elapsed after the start instruction. Then, the CPU 105 calculates the absolute value of the difference between the acquired two voltage values, and calculates the value of the change voltage from the OCV until a predetermined time has elapsed as a correction voltage. Then, the CPU 105 corrects the end voltage value for the battery cell 102 that performs the equalization control based on the above-described equation (2) (in the case of discharging) or (3) (in the case of charging), and performs the equalization control. The start process is terminated (step S808).
以上のようにして図8のフローチャートで示される時間短縮制御モードによる均等化制御の開始処理を終了した後、CPU105は、均等化制御中の電池セル102に関して、図1の電池セル監視部106から通知される電圧の値が、図8のステップS805またはS808で得られた補正された終了電圧の値に所定の許容誤差範囲で一致したか否かを判定し、一致したら該当する電池セル102に対するスイッチング素子SW1,SW2のスイッチング動作の停止をスイッチ制御部104に指示し、時間短縮制御モードによる均等化制御の処理を終了する。 After finishing the equalization control start process in the time reduction control mode shown in the flowchart of FIG. 8 as described above, the CPU 105 starts the battery cell 102 in FIG. 1 from the battery cell monitoring unit 106 in FIG. It is determined whether or not the notified voltage value matches the corrected end voltage value obtained in step S805 or S808 in FIG. 8 within a predetermined allowable error range. The switch control unit 104 is instructed to stop the switching operation of the switching elements SW1 and SW2, and the equalization control process in the time reduction control mode is terminated.
以上説明した実施形態では、図1または図2に示されるコンバータバランス回路100により均等化制御を実現する回路構成例について説明したが、この回路部分は上記回路構成例に限られるものではない。 In the embodiment described above, the circuit configuration example that realizes the equalization control by the converter balance circuit 100 shown in FIG. 1 or FIG. 2 has been described, but this circuit portion is not limited to the circuit configuration example.
セルバランス回路(セルバランス部)103としては例えば、図9(a)、(b)、(c)に示されるようなトランスと整流用ダイオード、トランスと整流用ダイオードとキャパシタとインダクタ、またはトランスのみを用いて、放電を行う電池セルと充電を行う電池セルを結合するような、バランス回路900等によって実現することが可能である。 Examples of the cell balance circuit (cell balance unit) 103 include a transformer and a rectifier diode, a transformer, a rectifier diode, a capacitor, an inductor, or a transformer as shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C. Can be realized by a balance circuit 900 or the like that combines a battery cell for discharging and a battery cell for charging.
さらに、バランス回路として例えば、トランス型とインダクタによるコンバータ型を組み合わせて、放電を行う電池セルと充電を行う電池セルを結合するようなコンバータ、トランス方式のバランス回路によって実現することも可能である。 Further, as a balance circuit, for example, a transformer type and a converter type using an inductor may be combined to realize a converter or transformer type balance circuit that combines a battery cell for discharging and a battery cell for charging.
100 コンバータバランス回路
101 スタック
102 電池セル
103 バランス回路
104 スイッチ制御部
105 CPU(中央演算処理装置)
106 電圧監視部
107 電流測定部
108 温度センサ
201 ドライバ
202 マルチプレクサ(MUX)
203 A/D(アナログ/デジタル)変換器
204 差動アンプ
301 電池パック
302 電池制御部
303 走行制御部
304 エコモードON/OFF指示部
305 環境温度センサ
306 ナビシステム
SW1、SW2 スイッチング素子
L インダクタ
R 抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Converter balance circuit 101 Stack 102 Battery cell 103 Balance circuit 104 Switch control part 105 CPU (central processing unit)
106 Voltage Monitoring Unit 107 Current Measuring Unit 108 Temperature Sensor 201 Driver 202 Multiplexer (MUX)
203 A / D (Analog / Digital) Converter 204 Differential Amplifier 301 Battery Pack 302 Battery Control Unit 303 Travel Control Unit 304 Eco Mode ON / OFF Instruction Unit 305 Environmental Temperature Sensor 306 Navigation System SW1, SW2 Switching Element L Inductor R Resistance
Claims (10)
スイッチング素子によるスイッチング動作を実行しながら、1つ以上の前記電池セルから電力を放電する動作と前記放電した電力を1つ以上の他の前記電池セルに充電させる動作を実行することによって前記電池セルの電圧を均等化させるバランス回路と、
前記スイッチング素子にパルス信号を供給して前記スイッチング動作を実行させるスイッチ制御部と、
前記バランス回路内のスイッチング素子を含む回路素子における電力損失が小さくなるように前記スイッチ制御部を制御する高効率制御モードと、前記均等化を実施する電池セルの内部抵抗を算出しながら該電池セルの内部抵抗損失が小さくなるように前記スイッチ制御部を制御する保護制御モードと、前記均等化を実施する電池セルの放電または充電の電圧変化の収束を早めるように前記バランス回路を制御する時間短縮制御モードとを、前記組電池の使用状況を判定しながら切り替えて制御するバランス制御部と、
を備えることを特徴とする電池均等化装置。 A battery equalizing device for equalizing voltages of a plurality of battery cells in an assembled battery to which a plurality of battery cells are connected,
The battery cell by performing an operation of discharging power from one or more of the battery cells and an operation of charging the one or more other battery cells with the discharged power while performing a switching operation by a switching element. A balance circuit that equalizes the voltage of
A switch controller for supplying the pulse signal to the switching element to execute the switching operation;
The battery cell while calculating the internal resistance of the battery cell for performing the equalization and the high-efficiency control mode for controlling the switch controller so as to reduce the power loss in the circuit element including the switching element in the balance circuit A protection control mode for controlling the switch control unit so as to reduce the internal resistance loss of the battery, and a time reduction for controlling the balance circuit so as to accelerate the convergence of the voltage change of the discharge or charge of the battery cell for performing the equalization A balance control unit for switching and controlling the control mode while determining the usage status of the assembled battery;
A battery equalizing apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の電池均等化装置。 The balance control unit is turned on after the high-efficiency control mode, the protection control mode, and the time reduction control mode are designated by the user, and the ignition switch of the vehicle on which the assembled battery is mounted is turned off. One or more of a time average value, a temperature of the assembled battery, an environmental temperature around the assembled battery, a deterioration degree of the battery cell that performs the equalization, or location information obtained from the navigation system is determined. Switch
The battery equalizing apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電池均等化装置。 The balance control unit supplies power to the frequency, duty ratio, or the switching element of the pulse signal so that power loss in a circuit element including the switching element in the balance circuit is reduced in the high efficiency control mode. Control any one or more of the switching signal sources;
The battery equalizing apparatus according to claim 1, wherein the battery equalizing apparatus is provided.
ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電池均等化装置。 In the protection control mode, the balance control unit calculates the internal resistance of the battery cell that performs the equalization while calculating the internal resistance loss of the battery cell, so that the frequency of the pulse signal, the duty ratio, or Controlling any one or more of the switching signal sources that supply power to the switching element;
The battery equalizing apparatus according to claim 1, wherein the battery equalizing apparatus is provided.
ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電池均等化装置。 The balance control unit calculates a correction voltage corresponding to the internal resistance of the battery cell that performs the equalization based on the measurement of the voltage and current of the battery cell in the time reduction control mode, and uses the correction voltage. The balance circuit corrects the equalization control end voltage corresponding to the battery cell, and monitors the voltage of the battery cell while using the corrected end voltage as a target value for the control end. Execute control,
The battery equalizing apparatus according to claim 1, wherein the battery equalizing apparatus is provided.
スイッチング素子によるスイッチング動作を実行しながら、1つ以上の前記電池セルから電力を放電する動作と前記放電した電力を1つ以上の他の前記電池セルに充電させる動作を実行することによって前記電池セルの電圧を均等化させ、
前記スイッチング素子にパルス信号を供給して前記スイッチング動作を実行させ、
前記均等化を実施する回路内のスイッチング素子を含む回路素子における電力損失が小さくなるように前記スイッチング動作を制御する高効率制御モードと、前記均等化を実施する電池セルの内部抵抗を算出しながら該電池セルの内部抵抗損失が小さくなるように前記スイッチング動作を制御する保護制御モードと、前記均等化を実施する電池セルの放電または充電の電圧変化の収束を早めるように前記均等化の動作を制御する時間短縮制御モードとを、前記組電池の使用状況を判定しながら切り替えて制御する、
ことを特徴とする電池均等化方法。 A battery equalization method for equalizing voltages of a plurality of battery cells in an assembled battery to which a plurality of battery cells are connected,
The battery cell by performing an operation of discharging power from one or more of the battery cells and an operation of charging the one or more other battery cells with the discharged power while performing a switching operation by a switching element. Equalize the voltage of
Supplying a pulse signal to the switching element to perform the switching operation;
While calculating the high-efficiency control mode for controlling the switching operation so as to reduce the power loss in the circuit element including the switching element in the circuit for performing the equalization, and calculating the internal resistance of the battery cell for performing the equalization A protection control mode for controlling the switching operation so as to reduce the internal resistance loss of the battery cell, and the equalization operation for speeding up convergence of a voltage change in discharging or charging of the battery cell for performing the equalization. Switching and controlling the time reduction control mode to be controlled while determining the usage status of the assembled battery,
The battery equalization method characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項6に記載の電池均等化方法。 The high-efficiency control mode, the protection control mode, and the time reduction control mode are designated by a user, a time average value from when an ignition switch of a vehicle on which the assembled battery is mounted is turned on to when it is turned on next, Determining and switching any one or more of the temperature of the assembled battery, the ambient temperature around the assembled battery, the degree of deterioration of the battery cell performing the equalization, or the location information obtained from the navigation system;
The battery equalization method according to claim 6.
ことを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の電池均等化方法。 In the high-efficiency control mode, either the frequency of the pulse signal, the duty ratio, or a switching signal source that supplies power to the switching element so that power loss in a circuit element including the switching element in the balance circuit is reduced Control one or more,
The battery equalization method according to claim 6, wherein the battery equalization method is performed.
ことを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の電池均等化方法。 In the protection control mode, the frequency of the pulse signal, the duty ratio, or power to the switching element is reduced so as to reduce the internal resistance loss of the battery cell while calculating the internal resistance of the battery cell that performs the equalization. Control any one or more of the switching signal sources supplied;
The battery equalization method according to claim 6, wherein the battery equalization method is performed.
ことを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の電池均等化方法。 In the time reduction control mode, a correction voltage corresponding to the internal resistance of the battery cell that performs the equalization is calculated based on the measurement of the voltage and current of the battery cell, and the correction cell corresponds to the battery cell by the correction voltage. The equalization control end voltage is corrected, and while the voltage of the battery cell is monitored, the corrected end voltage is set as a control end target value, and the equalization control by the balance circuit is performed on the battery cell.
The battery equalization method according to claim 6, wherein the battery equalization method is performed.
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