JP2013219994A - 電池均等化装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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制御において、電池セルの状態に応じたデジタル制御を行うことで、効率のよいセルバランスを実現し、さらにバランスまでの時間を短縮する。
【解決手段】第１のバランス回路１０４は、組電池１０１を構成し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１０３の集合における各スタック１０３について、スタック１０３内の各電池セル１０２の電圧を均等化させる。第２のバランス回路１０５は、スタック１０３間の電圧を均等化させる。電圧監視部１０６は、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。バランス制御部１０７は、電圧監視部１０２が検出した各電池セル１０２の電圧値に基づいて、デジタル信号処理によって、第１のバランス回路１０４または第２のバランス回路１０５のいずれかを選択して動作させる。
【選択図】図１

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。

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。

この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の残存容量や充電効率も大きく変化する。自動車のような使用環境ではなおさらである。

この結果、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。

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からの放電電力を、インダクタとトランスを組み合わせて構成されるバランス回路によって、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に記載の技術）。

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電力損失を少なくし、また、直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に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、各電池セルの状態に応じてインダクタとトランスを組み合わせて構成されるバランス回路を動作させる具体的な制御方法は開示されておらず、最適なエネルギー効率の制御が実現されているとはいえないという問題点を有していた。

特開２００８−３５６８０号公報

本発明は、電池セルの状態に応じたデジタル制御を行うことで、効率のよいセルバランスを実現し、さらにバランスまでの時間を短縮することを目的とする。

態様の一例は、複数の電池セルを接続して構成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として構成され、複数の電池セルを構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合におけるその各スタックについて、そのスタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電されるエネルギーをそのスタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによってそのスタック内の電池セルの電圧を均等化させる第１のバランス回路と、スタックの単位でエネルギーの放電または充電を行わせることによってスタック間の電圧を均等化させる第２のバランス回路と、各電池セルの電圧を監視しデジタル信号値として検出する電圧監視部と、電圧監視部が検出した各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、デジタル信号処理によって、第１のバランス回路または第２のバランス回路のいずれかを選択して動作させるバランス制御部とを備える。

本発明によれば、電池セルの状態に応じたデジタル制御を行うことで、効率のよいセルバランスが可能となり、さらにバランスまでの時間を短縮することが可能となる。

本実施形態の基本構成図である。 本実施形態の全体システム構成図である。 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。 本実施形態の制御動作を示すフローチャートである。 スタック間バランス制御の動作を示すフローチャートである。 温度毎のＯＣＶ−内部抵抗マップの説明図である。 トランスのスイッチング制御のためのパルス信号の周波数とデューティー比の計算処理の説明図である。 スタック内バランス制御の動作を示すフローチャートである。 コンバータのスイッチング制御のためのパルス信号の周波数とデューティー比の計算処理の動作説明図である。 本実施形態の制御動作を示すタイミングチャートである。 他の実施形態の構成例を示す図（その１）である。 他の実施形態の構成例を示す図（その２）である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の基本構成図である。
複数の電池セル１０２が直列に接続されて組電池１０１が構成される。本実施形態では、組電池１０１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１０３の集合として構成される。

第１のバランス回路１０４は、組電池１０１を構成する各スタック１０３について、スタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の電池セル１０２から放電されるエネルギーをそのスタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによってそのスタック１０３内の電池セル１０２の電圧を均等化させる。この第１のバランス回路１０４は例えば、スタック１０３内の各電池セル１０２から放電されるエネルギーを、スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、そのスタック１０３内の隣接する電池セルに充電させる。

第２のバランス回路１０５は、スタック１０３の単位でエネルギーの放電または充電を行わせることによってスタック１０３間の電圧を均等化させる。この第２のバランス回路１０５は、スイッチング素子およびトランスを含む回路を介して、スタック１０３間でエネルギーの放電または充電を行わせる。

電圧監視部１０６は、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。
バランス制御部１０７は、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０２の電圧のデジタル信号値に基づいて、デジタル信号処理によって、第１のバランス回路１０４または第２のバランス回路１０５のいずれかを選択して動作させる。このバランス制御部１０７は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって構成される。より具体的には、このバランス制御部１０７は、電圧監視部１０６が監視した各電池セル１０２の電圧の最大値と最小値の差が第１の閾値以上である場合に、各電池セル１０２の電圧に基づいてさらにスタック１０３毎の電圧を算出する。バランス制御部１０７は、スタック１０３毎の電圧の最大値と最小値の差が第２の閾値以上である場合に、第２のバランス回路１０５を動作させてスタック１０３間の電圧を均等化させる。そして、バランス制御部１０７は、第２のバランス回路１０５の動作の後またはスタック１０３毎の電圧の最大値と最小値の差が第２の閾値よりも小さい場合に、第１のバランス回路１０４を動作させてスタック１０３毎にそのスタック１０３内の電池セルの電圧を均等化させる。

本実施形態では、電圧監視部１０６が監視した各電池セル１０２の電圧のデジタル値に基づいて、例えばＤＳＰであるバランス制御部１０７が、第１のバランス回路１０４と第２のバランス回路１０５をきめ細かく例えばスイッチング制御することが可能となる。より具体的には、バランス制御部１０７は、各電池セル１０２の電圧監視結果に基づいて電池セル１０２の電圧バランスが崩れていると判定されたときに、まず、第２のバランス回路１０５を動作させて、スタック１０３間のおおまかな電圧バランスを調整する。その後、バランス制御部１０７は、第１のバランス回路１０４を動作させて、各スタック１０３内の電圧バランスを均一な状態に追い込んでゆく。このような制御をきめ細かく行うことにより、効率のよいセルバランスが可能となり、バランスまでの時間を短縮することが可能となる。

図２は、図１の基本構成に基づく、本実施形態の全体システム構成図である。
図２は、図１の第１のバランス回路１０４をコンバータバランス回路１０４′で、図１の第２のバランス回路１０５をトランスバランス回路１０５′で、図１のバランス制御部１０７をＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）ＤＳＰ１０７′でそれぞれ具体化した実施形態である。その他の各部分１０１、１０２、１０３、１０６は、図１の同じ番号を有する部分と同じである。

トランスバランス回路１０５′は、トランス２０１、ダイオード２０７、スイッチング素子２０５、およびスイッチ制御部２０６を備える。トランス２０１は、複数の二次巻線２０２，一次巻線２０３、磁心２０５を備える。一次巻線２０３は、組電池１０１の両極に接続される。各二次巻線２０２は、一次巻線２０３に対して逆巻で所定の巻線比を有し、各ダイオード２０７を介して各スタック１０３の両極に接続される。スイッチ制御部２０６は、ＤＳＰ１０７′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出力するＰＷＭ出力回路である。スイッチング素子２０５は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチ制御部２０６からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。このスイッチング動作により各二次巻線２０２の側に発生した電圧が、それぞれに接続されているスタック１０３の両端電圧よりも高ければ、両者間の電圧が等しくなるまで、ダイオード２０７を介してそのスタック１０３に充電が行われる。最終的には、全てのスタック１０３の両端電圧が、各二次巻線２０２の側に発生した共通の電圧に等しくなるように、バランス制御が行われる。

図２のコンバータバランス回路１０４′の詳細は、図３に示される。
図３において、スタック１０３および電圧監視部１０６は、図１または図２の同じ番号の部分と同じである。

コンバータバランス回路１０４′は、バランス回路３０１、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）３０２、およびスイッチ制御部３０３を備える。バランス回路３０１は、スタック１０３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と複数のスイッチング素子ＳＷとを備える。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と＃２のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃２のインダクタＬの第２の端子は＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃３のインダクタＬの第２の端子は＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷ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のスイッチング素子ＳＷ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のスイッチング素子ＳＷに接続される。＃２と＃３の電池セル１０２の共通接続端子は、＃２および＃５のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に接続される。＃４の電池セル１０２の出力端子側は、＃６のスイッチング素子ＳＷの単独接続端子に接続される。

スイッチ制御部３０３は、ＤＳＰ３０２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出力するＰＷＭ出力回路である。＃１から＃６の各スイッチング素子ＳＷは、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチ制御部３０３からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。

電圧監視部１０６は、スタック１０３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図２のＤＳＰ１０７′および図３のＤＳＰ３０２に出力する。

上述のコンバータバランス回路１０４′の構成において、ＤＳＰ３０２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３０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃１と＃２のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃２の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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、＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃１の電池セル１０２に充電される。

また、ＤＳＰ３０２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３０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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、＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃３の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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、＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃２の電池セル１０２に充電される。

さらに、ＤＳＰ３０２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３０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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、＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃４の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ３０２が、電圧監視部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、＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃４の電池セル１０２から放電されたエネルギーが＃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＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積されたエネルギーが＃３の電池セル１０２に充電される。

以上のようにして、コンバータバランス回路１０４′では、電圧監視部１０６でのスタック１０３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＃６のスイッチング素子ＳＷ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１０３内の＃１から＃４の電池セル１０２の電圧が均一になる。

上述の構成において、図３のＤＳＰ３０２は、図２のＤＳＰ１０７′と同一のＤＰＳによって実現されてもよい。
図２および図３に示される実施形態において、ＤＳＰ１０７′（図２）および３０２（図３）は、電圧監視部１０６が検出する各電池セル１０２の電圧のデジタル値に基づいて、電池セル１０２の電圧バランスが崩れているか否かを判定する。そして、その判定結果に基づいて、まず、ＤＳＰ１０７′が、以下に具体的に説明する制御動作に基づいて、トランスバランス回路１０５′を動作させて、スタック１０３間のおおまかな電圧バランスを調整する。その後、ＤＳＰ１０７′からの指示に基づいて各コンバータバランス回路１０４′内の各ＤＳＰ３０２が、各バランス回路３０１を動作させて、各スタック１０３内の各電池セル１０２の電圧バランスを均一な状態に追い込んでゆく。このようなデジタル制御をきめ細かく行うことにより、効率のよいセルバランスが可能となり、バランスまでの時間を短縮することが可能となる。

図４は、図２のＤＳＰ１０７′および図３の各コンバータバランス回路１０４′内の各ＤＳＰ３０２が実行する制御動作を示すフローチャートである。この制御動作は、ＤＳＰ１０７′およびＤＳＰ３０２内の特には図示しないプロセッサが、特には図示しないメモリ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。この制御プログラムは、例えば本実施形態のシステムを搭載した車両のイグニッションオフ時またはアイドリング開始時に、１回、もしくは所定の時間間隔で繰返し、実行される。

まず、ＤＳＰ１０７′は、各コンバータバランス回路１０４′に接続された各電圧監視部１０６（図２）を用いて、各電池セル１０２の各両端電圧を測定し、それをデジタル値として取得する（ステップＳ４０１）。

ＤＳＰ１０７′は、各電池セル１０２の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（ステップＳ４０２）。
ＤＳＰ１０７′は、ステップＳ４０２で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値１（第１の閾値）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０３）。この閾値１は、バランス制御の要否を判定するものである。

ステップＳ４０３の判定の結果、差が閾値１よりも小さければ、ＤＳＰ１０７′は、バランス制御は不要であると判定して、今回のバランス制御を終了する。
ステップＳ４０３の判定の結果、差が閾値１以上ならば、ＤＳＰ１０７′はさらに、各電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、各スタック１０３の両端電圧を計算する。具体的には、ＤＳＰ１０７′は、各スタック１０３毎に、そのスタック１０３に属する例えば＃１から＃４の電池セル１０２（図３参照）の各両端電圧値を全て加算して、そのスタック１０３の両端電圧とする。そして、ＤＳＰ１０７′は、各スタック１０３の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（以上、ステップＳ４０４）。

ＤＳＰ１０７′は、ステップＳ４０４で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値２（第２の閾値）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。この閾値２は、スタック間バランス制御の要否を判定するものである。

ステップＳ４０５の判定の結果、差が閾値２よりも小さければ、ＤＳＰ１０７′は、スタック間バランス制御は不要であると判定して、ステップＳ４０７以降のスタック内バランス制御に移行する。

ステップＳ４０５の判定の結果、差が閾値２以上ならば、ＤＳＰ１０７′は、図２のトランスバランス回路１０５′内のスイッチ制御部２０６に指示して、トランスバランス回路１０５′によるスタック間バランス制御の動作を実行する（ステップＳ４０６）。この動作の詳細については、図５のフローチャートの説明において後述する。

ステップＳ４０６のスタック間バランス制御の動作の後、またはステップＳ４０５でスタック間バランス制御は不要である（差が閾値２よりも小さい）と判定された場合には、ステップＳ４０７からＳ４１１で示されるスタック内バランス制御のための制御ループが実行される。

まず、ＤＳＰ１０７′は、図２の組電池１０１を構成する各スタック１０３を順次選択し、選択したスタック１０３内のＤＳＰ３０２（図３）を起動する。
ＤＳＰ３０２は、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、自身が属するスタック１０３内の各＃１から＃４の各電池セル１０２（図３）のセル電圧を測定する（ステップＳ４０７）。

次に、ＤＳＰ３０２は、自身が属するスタック１０３内の＃１から＃４の各電池セル１０２の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（ステップＳ４０８）。
ＤＳＰ３０２は、ステップＳ４０８で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値３（第３の閾値）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０９）。この閾値３は、スタック内バランス制御の要否を判定するものである。

ステップＳ４０９の判定の結果、差が閾値３よりも小さければ、ＤＳＰ３０２は、自身が属するスタック内のバランス制御は不要であると判定して、ＤＳＰ１０７′にその旨を通知する。この結果、ＤＳＰ１０７′は、ステップＳ４１１の判定処理に移行する。

ステップＳ４０９の判定の結果、差が閾値３以上ならば、ＤＳＰ３０２は、自身が属するスタック１０３内の＃１と＃２の電池セル１０２、＃２と＃３の電池セル１０２、＃３と＃４の電池セル１０２を順次指定する。そしてＤＳＰ３０２は、指定した電池セル１０２のペアについて、コンバータバランス回路１０４′によるスタック内バランス制御の動作を実行する（ステップＳ４１０）。この動作の詳細については、図８のフローチャートの説明において後述する。

ステップＳ４１０の処理が終了すると、ＤＳＰ３０２は、その旨をＤＳＰ１０７′に通知する。
ＤＳＰ１０７′は、ＤＳＰ３０２からのステップＳ４０９またはＳ４１０の通知を受けると、今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了したか否かを判定する（ステップＳ４１１）。

今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了していないと判定したならば、ＤＳＰ１０７′は、未処理のスタック１０３を選択し、ステップＳ４０７の処理に戻って、そのスタック１０３に対しスタック内バランス制御を実行させる。

今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了したと判定したならば、ＤＳＰ１０７′は、今回のバランス制御の処理を終了する。
図５は、図４のステップＳ４０６のスタック間バランス制御の動作を示すフローチャートである。

まず、ＤＳＰ１０７′は、組電池１０１（図２）に電流が流れているか否かを、組電池１０１の一端に接続された特には図示しない電流計を使って判定する（ステップＳ５０１）。

ＤＳＰ１０７′は、車両のアイドリング時等で、ステップＳ５０１で組電池１０１に電流が流れていると判定した場合、図４のステップＳ４０４で計算したスタック１０３毎の電圧値をそれぞれ、ステップＳ５０１で測定される電流値で除算することにより、各スタック１０３の内部抵抗を算出する（ステップＳ５０２）。

一方、ＤＳＰ１０７′は、車両のイグニッションオフ時等で、ステップＳ５０１で組電池１０１に電流が流れていないと判定した場合、特には図示しない温度センサから組電池１０１の温度値を取得する。そして、ＤＳＰ１０７′は、図４のステップＳ４０４で計算した各スタック１０３の電流が流れていない状態での電圧値（ＯＣＶ：オープンカレントボルテージ）と、上記温度値とで、内部に保持している温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップを参照して、内部抵抗を推定する（ステップＳ５０３）。図６は、温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップのデータ構成例を示す図である。温度［℃］とＯＣＶ［Ｖ］の各値毎に内部抵抗［ｍΩ］が記憶されている。

ＤＳＰ１０７′は、ステップＳ５０２またはＳ５０３による内部抵抗の値から、図２のトランスバランス回路１０５′でのスイッチング動作のためのパルス信号の周波数とデューティー比を計算し、図２のスイッチ制御部２０６に設定する（ステップＳ５０４）。

この計算について、以下に詳細に説明する。図７は、トランスのスイッチング制御のためのパルス信号の周波数とデューティー比の計算処理の説明図である。この図は、図２のトランス２０１の一次巻線２０３、二次巻線２０２、スイッチング素子２０５、ダイオード２０７、および電池セル１０２の部分の等価回路を示す。いま、トランス２０１の一次巻線２０３の巻数をＮ１、二次巻線２０２の巻数をＮ２とする。また、スイッチ制御部２０６からスイッチング素子２０５に与えられるパルス信号の周波数をｆｒｅｑ、周期をＴ、パルスオン時間をｔ_on、デューティー比をＤ、一次巻線２０３側の電圧をＶin、二次巻線２０２側の電圧をＶo とすれば、次式が成り立つ。

この式に基づいて図２のスイッチ制御部２０６からスイッチング素子２０５に与えるパルス信号の周波数ｆｒｅｑとデューティー比Ｄを制御することにより、電池セル１０２に対する充放電の出力電圧Ｖo を変化させることができる。

また、出力電力は次式に基づいて出力されることから、デューティー比の制御によって出力電力を変化させることができる。ただし、Ｌp は一次巻線２０３のインダクタンス、Ｐは出力電力である。

上記数１式および数２式に基づいて、図５のステップＳ５０２またはＳ５０３で算出された内部抵抗の値に対応して設定した電流許容値、出力したい電力、パルス周波数ｆｒｅｑから、スイッチ制御部２０６よりスイッチング素子２０５に与えるパルス信号のデューティー比を計算することができる。または、逆にデューティー比を任意で決定しおき、パルス周波数ｆｒｅｑを決定してもよい。

ＤＳＰ１０７′は、以上のようして決定したパルス周波数ｆｒｅｑおよびデューティー比Ｄを、図２のスイッチ制御部２０６に指定する。この結果、図２のスイッチ制御部２０６からスイッチング素子２０５にパルス信号が出力され、スイッチング制御が実行される（以上、図５のステップＳ５０５）。

図８は、図４のステップＳ４１０のスタック内バランス制御の動作を示すフローチャートである。
まず、図３のＤＳＰ３０２は、組電池１０１（図２）に電流が流れているか否かを、組電池１０１の一端に接続された特には図示しない電流計を使って判定する（ステップＳ８０１）。

ＤＳＰ３０２は、車両のアイドリング時等で、ステップＳ８０１で組電池１０１に電流が流れていると判定した場合、図４のステップＳ４０７で計算した電池セル１０２毎の電圧値をそれぞれ、ステップＳ７０１で測定される電流値で除算することにより、各電池セル１０２の内部抵抗を算出する（ステップＳ８０２）。

一方、ＤＳＰ３０２は、車両のイグニッションオフ時等で、ステップＳ７０１で組電池１０１に電流が流れていないと判定した場合、特には図示しない温度センサから組電池１０１の温度値を取得する。そして、ＤＳＰ３０２は、図４のステップＳ４０７で計算した各電池セル１０２の電流が流れていない状態での電圧値（ＯＣＶ）と、上記温度値とで、内部に保持している温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップを参照して、内部抵抗を推定する（ステップＳ８０３）。温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップのデータ構成例は、図６と同様である。

ＤＳＰ３０２は、ステップＳ７０２またはＳ７０３による内部抵抗の値から、図３のコンバータバランス回路１０４′での選択したスイッチング素子ＳＷでのスイッチング動作のためのパルス信号の周波数とデューティー比を計算し、図３のスイッチ制御部３０３に設定する（ステップＳ８０４）。

この計算について、以下に詳細に説明する。図９は、コンバータのスイッチング制御のためのパルス信号の周波数とデューティー比の計算処理の説明図である。図９において、インダクタＬは図３の＃１から＃３のインダクタＬに、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、図３の＃１と＃２、＃３と＃４、または＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷのペアに対応し、図３のバランス回路３０１の一部を構成している。Ｅ１、Ｅ２は、＃１と＃２、＃２と＃３、または＃３と＃４の電池セル１０２のペアに対応する電圧値である。

いま、Ｅ１＞Ｅ２とすれば、スイッチ制御部３０３から与えられる第１のパルス信号９０１（＃１）によるスイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作により、Ｅ１の電池セル１０２から放電されたエネルギーがインダクタＬに蓄積される。続いて、スイッチ制御部３０３から与えられる第２のパルス信号９０１（＃２）によるデューティー比分だけ遅れたスイッチング素子ＳＷ２のオンオフ動作により、インダクタＬに蓄積されたエネルギーがＥ２の電池セル１０２に充電される。

ここで、パルス周波数ｆｒｅｑおよびデューティー比Ｄによって、Ｅ１の放電およびＥ２の充電の電流Ｉ_L を、次式に基づいて変化させることができる。ただし、電位差ΔＶ＝Ｅ１−Ｅ２、Ｉmax は図８のステップＳ８０２またはＳ８０３で算出された内部抵抗許容から定まる許容電流、αは重み付け係数である。また、Ｉ_L はインダクタＬに流れる電流、Ｌはインダクタンスである。

この数３式に基づいて、内部抵抗から決定した電流許容値Ｉmax、重み付け係数α、電位差ΔＶから電流Ｉ_L を決定し、インダクタンスLとパルス周波数ｆｒｅｑ、求めたＩ_L から、デューティー比を決定することができる。ここで、αは単純な比例係数だが、電位差ΔＶに閾値を設けておいて、閾値を境に係数αを変化させてもよい。たとえば、一定電位差までは一定の電流になるように重み付けを行い、ある電位差以下になった場合は電流が下がるようにするなどである。また逆に、デューティー比を任意で決定しおきパルス周波数ｆｒｅｑを決定するようにしてもよい。

以上の図５のステップＳ５０４または図８のステップＳ８０４における内部抵抗の値からスイッチング制御のパルス信号の周波数とデューティー比を計算する処理において、温度センサからの温度情報を加味して計算がされてもよい。また、パルス信号の周波数とデューティー比は、予め固定された任意の値が設定されてもよい。

図１０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で本実施形態のセルバランス回路（図２の全体回路）が動作を開始する。まず、（ｄ）に示されるように、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、図２のトランスバランス回路１０５′が動作をし（図４のステップＳ４０６）、続いて、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで図２または図３のコンバータバランス回路１０４′が動作をする（図４のステップＳ４０７からＳ４１１の繰返し処理）。

以上の時刻ｔ２からｔ４までのバランス制御動作は、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。
上述したように、図２に示した実施形態は、スタック１０３に対して、スタック内バランス制御を実行するためのコンバータバランス回路１０４′と、スタック間バランス制御を実行するためのトランスバランス回路１０５′を備える。コンバータバランス回路１０４′とトランスバランス回路１０５′の組合せとしては、例えば図１１に示されるようなものを採用することも可能である。さらには、トランスバランス回路１０５′としては、例えば図１２（ａ）（ｂ）に示されるフライバック型、（ｃ）に示されるフォワード型など、トランスＴまたはＴ１、Ｔ２とダイオードＤ、スイッチング素子ＳＷ、インダクタＬ１、Ｌ２などが様々に組み合わされたものを適用することができる。スタック１０３間の電位差を均一化できるようなアクティブバランス構成が採用されれば、どのような構成のものであってもよい。また、コンバータバランス回路１０４′としては、例えば図１２（ｄ）に示されるキャパシタ方式、（ｅ）に示されるコンバータ方式など、キャパシタＣ、マルチプレクサＭＵＸ、インダクタＬ、スイッチング素子ＳＷなどが様々に組み合わされたものを適用することができる。スタック１０３内の各電池セル１０２間の電位差を均一化できるようなアクティブバランス構成が採用されれば、どのような構成のものであってもよい。

１０１ 組電池
１０２ 電池セル
１０３ スタック
１０４ 第１のバランス回路
１０４′ コンバータバランス回路
１０５ 第２のバランス回路
１０５′ トランスバランス回路
１０６ 電圧監視部
１０７ バランス制御部
１０７′、３０２ ＤＳＰ
２０１、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ トランス
２０２ 二次巻線
２０３ 一次巻線
２０４ 磁心
２０５、ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチング素子
２０６、３０３ スイッチ制御部
２０７、Ｄ ダイオード
３０１ バランス回路
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
Ｃ キャパシタ

Claims (7)

1. 複数の電池セルを接続して構成される組電池における該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、
   前記複数の電池セルを構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合における該各スタックについて、該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電されるエネルギーを該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによって該スタック内の電池セルの電圧を均等化させる第１のバランス回路と、
   前記スタックの単位でエネルギーの放電または充電を行わせることによって前記スタック間の電圧を均等化させる第２のバランス回路と、
   前記各電池セルの電圧を監視しデジタル信号値として検出する電圧監視部と、
   前記電圧監視部が検出した前記各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、デジタル信号処理によって、前記第１のバランス回路または前記第２のバランス回路のいずれかを選択して動作させ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。
2. 前記バランス制御部は、デジタルシグナルプロセッサによって構成される、
   ことを特徴とする電池均等化装置。
3. 前記バランス制御部は、前記電圧監視部が監視した前記各電池セルの電圧の最大値と最小値の差が第１の閾値以上である場合に、前記各電池セルの電圧に基づいてさらに前記スタック毎の電圧を算出し、
   該スタック毎の電圧の最大値と最小値の差が第２の閾値以上である場合に、前記第２のバランス回路を動作させて前記スタック間の電圧を均等化させ、
   前記第２のバランス回路の動作の後または前記スタック毎の電圧の最大値と最小値の差が第３の閾値よりも小さい場合に、前記第１のバランス回路を動作させて前記スタック毎に該スタック内の電池セルの電圧を均等化させる、
   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。
4. 前記第１のバランス回路は、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電されるエネルギーを、スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電池均等化装置。
5. 前記第２のバランス回路は、スイッチング素子およびトランスを含む回路を介して、前記スタック間でエネルギーの放電または充電を行わせる、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電池均等化装置。
6. 複数の電池セルを接続して構成される組電池における該複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化方法であって、
   前記各電池セルの電圧を監視し、
   前記監視した前記各電池セルの電圧に基づいて、前記複数の電池セルを構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合における該各スタックについて、該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電されるエネルギーを該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによって該スタック内の電池セルの電圧を均等化させる第１のバランス回路、または前記スタックの単位でエネルギーの放電または充電を行わせることによって前記スタック間の電圧を均等化させる第２のバランス回路のいずれかを選択して動作させる、
   ことを特徴とする電池均等化方法。
7. 前記監視した前記各電池セルの電圧の最大値と最小値の差が第１の閾値以上である場合に、前記各電池セルの電圧に基づいてさらに前記スタック毎の電圧を算出し、
   該スタック毎の電圧の最大値と最小値の差が第２の閾値以上である場合に、前記第２のバランス回路を動作させて前記スタック間の電圧を均等化させ、
   前記第２のバランス回路の動作の後または前記スタック毎の電圧の最大値と最小値の差が第３の閾値よりも小さい場合に、前記第１のバランス回路を動作させて前記スタック毎に該スタック内の電池セルの電圧を均等化させる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電池均等化方法。