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JP5505375B2 - セルバランス制御装置及びセルバランス制御方法 - Google Patents

セルバランス制御装置及びセルバランス制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の電池セルの電圧を均等化するセルバランス制御装置及びセルバランス制御方法に関する。
複数の充電可能な電池セルを直列に接続して高電圧の電池を実現する技術が実用化されてきている。この種の電池は、近年では、例えば、電気自動車又はエンジンとモータを併用するハイブリッド車への実装において注目されている。
ところが、多数の電池セルを直列に接続した状態で充電を行うと、各電池セルの出力電圧(又は、電池の残容量)が不均一になることがある。また、上述の電池が電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と回生時の充電が繰り返されるので、この充放電の繰り返しによっても電池セルの電圧が不均一になることがある。そして、電池セルの電圧の不均一は、一部の電池セルの劣化を促進させるおそれがあり、また、電池全体として効率の低下を引き起こすことがある。なお、電池セルの電圧の不均一は、各電池セルの製造ばらつきや、経年劣化等により生じ得る。
電池セルの電圧を均等化する技術の1つとして、例えば、移動体の駆動電源用の組電池に使用され、複数のセルが直列に接続されて構成される組電池のセル間の残容量を均等化するセルバランス装置がある(例えば、特許文献1参照)。このセルバランス装置は、定電流源と、各セルの電圧値を検出する電圧センサと、電圧監視部を備える。電圧監視部は、移動体の停止中において、電圧センサから各セルの電圧値を取得し、これらの電圧値に基づいて電流を補充する充電対象セルを特定し、充電対象セルに対して定電流源から電流を供給させる。
また、特許文献2〜5には、関連する技術が記載されている。
従来技術においては、移動体に搭載されている電池セルの電圧の均等化(すなわち、セルバランス制御)は、その移動体が停止しているときにのみ行われる。例えば、イグニッションがオン状態であるときに走行可能な車両においては、イグニッションがオフ状態であるときに限って電池セルの均等化が行われている。このため、例えば、イグニッションがオン状態である期間が長い場合には、各電池セルの電圧又は残容量のばらつきが大きくなり、電池が劣化しやすくなるおそれがある。
特開2006−129577号公報 特開2007−244142号公報 特開2009−232659号公報 特開2001−45670号公報 特開2008−54416号公報
本発明は、直列に接続された充電可能な複数の電池セルを含む電池が移動体に搭載される場合において、電池セルの電圧の均等化の機会を増やすことが可能なセルバランス制御装置及びセルバランス制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係るセルバランス制御装置は、車両に搭載される電池内で直列に接続された充電可能な複数の電池セルを均等化するために、各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出される各電池セルの電圧に基づいて、前記複数の電池セルの電圧を均等化するセルバランス部と、前記車両のアイドリング状態又は前記電池の充電動作状態に応じて、前記セルバランス部に前記複数の電池セルの均等化を行わせる制御手段とを有する。
これにより、電池セルの電圧の均等化の機会が増える。
例えば、前記制御手段は、前記車両のアイドリング停止状態の開始、前記電池の充電動作の開始、又は前記電池の充電動作の終了の少なくとも1つを契機として、前記セルバランス部に前記複数の電池セルの均等化を行わせる。
また、前記制御手段は、前記車両がアイドリング停止している状態であるときに、或いは前記電池の充電が行われているときに、前記セルバランス部に前記複数の電池セルの均等化を行わせてもよい。この場合、電池セルの電圧の均等化の機会がさらに増える。
本発明によれば、直列に接続された充電可能な複数の電池セルを含む電池が移動体に搭載される場合において、電池セルの均等化の機会を増やすことができる。これにより、電池セルの電圧又は残容量のばらつきが抑制され、電池セルの劣化を防ぐことができる。
本発明の実施形態のセルバランス制御装置の機能ブロック図である。 電圧センサ及びセルバランス回路の一例を示す図である。 電圧センサ及びセルバランス回路の他の例を示す図である。 セルバランス制御について説明する図である。 セルバランス制御の実行の一例を示すタイミングチャートである。 セルバランス制御を起動する処理の一例を示すフローチャートである。 セルバランス制御を起動する処理の他の例を示すフローチャートである。 セルバランス制御の処理を示すフローチャートである。
図1は、本発明の実施形態のセルバランス制御装置の機能ブロック図である。本実施形態のセルバランス制御装置1は、電池10内の電池セル11−1〜11−nの電圧のアンバランスを抑制する。
電池10は、複数の充電可能な電池セル11−1〜11−nを備える。電池セル11−1〜11−nは、電気的に直列に接続されている。ここで、直列に接続される電池セルの個数nは、例えば数10〜数100であり、電池10は、大きな直流電圧を出力することができる。なお、電池10は、この実施例では、電気自動車、エンジンとモータを併用するハイブリッド車、又はフォークリフトなどの車両に搭載されるものとする。
セルバランス制御装置1は、電池監視部2と、セルバランス部4と、ECU7とを備える。電池監視部2は、電池10又は電池セル11−1〜11−nの状態を監視する。また、電池監視部2は、電圧検出手段としての電圧センサ3を備える。電圧センサ3は、各電池セル11−1〜11−nの電圧を検出する。このとき、電圧センサ3は、例えば、電池セル11−1〜11−nに負荷が接続されていない状態における電池セル11−1〜11−nの出力電圧をそれぞれ検出する。なお、電池監視部2は、電圧センサ3の他にも、電池10の状態を検出するための各種センサを備えている。例えば、電池監視部2は、特に図示しないが、電池10又は各電池セル11−1〜11−nの温度を検出する温度センサ、電池10の残容量を検出するためのセンサ(例えば、電圧センサ、電流センサなど)などを備える。
セルバランス部4は、ECU7からセルバランス制御を行う旨の指示を受け取ると、電池セル11−1〜11−nの電圧(又は、残容量)のアンバランスを抑制する。このとき、セルバランス部4は、電池監視部2による検出結果に基づいてセルバランス制御を行う。具体的には、セルバランス部4は、電圧センサ3により検出される各電池セル11−1〜11−nの電圧に基づいて、電池セル11−1〜11−nの電圧のアンバランスを抑制する。
セルバランス部4は、セルバランス制御部5及びセルバランス回路6を備える。セルバランス制御部5は、例えば、プロセッサ及びメモリを含み、セルバランス回路6を制御する。なお、セルバランス制御部5は、ハードウェア回路(ASIC、FPGAなど)で実現してもよい。そして、セルバランス回路6は、セルバランス制御部5の制御に従って、指定された電池セル11−1〜11−nの電圧を制御する。セルバランス回路6の実施例については、後で説明する。
ECU(Electronic Control Unit)7は、電池監視部2による検出結果を収集しながら、セルバランス部4及び充電機21の動作を制御する。このとき、ECU7は、イグニッション信号(IG信号)、アイドリングストップ信号(IDL信号)、充電許可信号(CHG信号)に基づいて、セルバランス部4を制御する。
イグニッション信号は、車両のイグニッションの状態を表し、例えば、ユーザ(すなわち、車両の運転者)によりイグニッションをオン状態する操作が行われると、オフ状態にする操作が行われるまでの期間は、オン状態を保持する。アイドリングストップ信号は、車両がアイドリング停止状態であるか否かを表す。アイドリング停止状態は、例えば、車両が交差点などで一時的に停車したときに、速度センサの出力などに基づいて実現される。あるいは、ユーザの操作に基づいてアイドリング停止状態を実現してもよい。充電許可信号は、電池10への充電が許可されているか否かを表す。充電許可信号は、例えば、ユーザにより充電を開始する旨の操作が行われたとき、又は充電機21に電源が接続されたときに、オン状態に制御される。
ECU7は、例えば、プロセッサ及びメモリを含む構成により実現される。なお、ECU7は、セルバランス部4及び充電機21だけでなく、車両の動作に係わる他の制御を行うようにしてもよい。
図2は、電圧センサ3及びセルバランス回路6の一例を示す図である。なお、図2に示す電池セル11−1〜11−nは、図1を参照しながら説明したように、電池10の中に設けられている。
電圧センサ3は、この実施例では、電圧センサ3−1〜3−nを有する。電圧センサ3−1〜3−nは、それぞれ、電池セル11−1〜11−nの正極端子及び負極端子に接続されている。そして、電圧センサ3−1〜3−nは、それぞれ、対応する電池セル11−1〜11−nの出力電圧det(1)〜Vdet(n)を検出する。
セルバランス回路6は、各電池セル11−1〜11−nに対して、それぞれ、抵抗R及びスイッチSWを備える。例えば、電池セル11−1に対しては、抵抗R1及びスイッチSW−1が設けられている。電池セル11−2に対しては、抵抗R2及びスイッチSW−2が設けられている。他の電池セル11−3〜11−nについても同様である。そして、各スイッチSW−1〜SW−nは、それぞれ、セルバランス制御部5が生成するスイッチ制御信号により制御される。
上記構成において、セルバランス制御部5は、電圧センサ3−1〜3−nの出力信号を参照し、電池セル11−1〜11−nの中で最も低い電圧(以下、電圧Vmin)を検出する。そして、セルバランス制御部5は、各電池セル11−1〜11−nの電圧がそれぞれ電圧Vminになるように、セルバランス回路6を制御する。例えば、電池セル11−1の電圧がVminよりも高ければ、セルバランス制御部5は、スイッチSW−1をオン、オフさせることで電池セル11−1を放電させ、電池セル11−1の電圧をVminまで低下させる。このとき、電池セル11−1から放電される電流は、抵抗R1において消費される。従って、電池セル11−1〜11−nについて上記動作を行うことによって、電池セル11−1〜11−nの電圧がVminに均等化される。
図3は、電圧センサ3及びセルバランス回路6の他の例を示す図である。なお、図2及び図3において、電圧センサ3−1〜3−nは実質的に同じである。
図3に示すセルバランス回路6は、電池セル11−1〜11−nに対して、それぞれ、トランスT及び4つのスイッチSWを備える。例えば、電池セル11−1に対しては、トランスT1及びスイッチSW−1a、SW−1b、SW−1c、SW−1dが設けられている。電池セル11−2に対しては、トランスT2及びスイッチSW−2a、SW−2b、SW−2c、SW−2dが設けられている。他の電池セル11−3〜11−nについても同様である。
トランスT1の第1コイルの第1端子は、スイッチSW−1aを介して電池セル11−1の正極端子に電気的に接続されている。トランスT1の第1コイルの第2端子は、スイッチSW−1bを介して電池セル11−1の負極端子に電気的に接続されている。トランスT1の第2コイルの第1の端子にはスイッチSW−1cが電気的に接続され、トランスT1の第2コイルの第2の端子にはスイッチSW−1dが電気的に接続されている。他のトランスT2〜Tnについても同様の構成が設けられている。なお、第1コイルは、1次コイル又は2次コイルの一方であり、第2コイルは、1次コイル又は2次コイルの他方である。
各スイッチSW−1c、SW−2c、SW−3c、...、SW−ncは、互いに電気的に接続されている。また、各スイッチSW−1d、SW−2d、SW−3d、...、SW−ndは、互いに電気的に接続されている。各スイッチSW(SW−1a〜SW−1d、...、SW−na〜SW−nd)は、セルバランス制御部5が生成するスイッチ制御信号により制御される。
上記構成において、セルバランス部4は、セルバランス制御部5がセルバランス回路6内の対応するスイッチSWを制御することにより、任意の電池セルから他の任意の電池セルへ電流を流すことができる。例えば、電池セル11−1から電池セル11−2へ電流を流す場合には、セルバランス制御部5は、スイッチSW−1a〜SW−1d、SW−2a〜SW−2dを適切に制御する。このとき、スイッチSW−1a、SW−1bを制御することにより、電池セル11−1が放電し、その放電電流に対応するエネルギーがトランスT1に蓄積される。また、スイッチSW−1c、SW−1d、SW−2c、SW−2dを制御することにより、トランスT1に蓄積されているエネルギーがトランスT2に伝達される。さらに、スイッチSW−2a、SW−2bを制御することにより、上記エネルギーが電池セル11−2に伝達され、電池セル11−2は充電される。
このように、図3に示す実施例では、スイッチSWを制御することにより、指定された電池セルが放電し、他の指定された電池セルが充電される。この放電/充電は、指定された電池セルから他の指定された電池セルへの電荷の移動と等価である。すなわち、スイッチSWを制御することにより、実質的に、指定された電池セルから他の指定された電池セルへ電流を流すことができる。この結果、指定された電池セルの電圧は低下し、他の指定された電池セルの電圧は上昇する。
図4は、セルバランス制御について説明する図である。なお、図4では、説明を簡単にするために、3つの電池セル11−1〜11−3についてセルバランス制御が行われるものとする。また、この例では、損失は発生しないものとする。
図4(a)は、セルバランス制御を行う前の状態を示している。各電池セル11−1、11−2、11−3に対して付されている数値「1.8」「1.2」「1.5」は、電池セルの出力電圧(又は、残容量)を表す。ただし、これらの数値は、単に説明を簡単にするためのものであって、特定の物理量(すなわち、ボルト等)を表すものではない。
図2に示す構成においては、セルバランス制御部5は、電池セル11−1、11−2、11−3の中で最も低い電圧Vminを検出する。図4(a)に示す例では、11−2の電圧が最も低く、Vmin=1.2が得られる。そうすると、セルバランス制御部5は、スイッチSW−1、SW−3を制御することにより、図4(b)に示すように、電池セル11−1、11−3の電圧をそれぞれ「1.2」まで低下させる。この結果、電池セル11−1〜11−3の電圧が「1.2」に均一化される。
図3に示す構成においては、セルバランス制御部5は、閾値電圧として、例えば、電池セル11−1〜11−3の電圧の平均を算出する。この場合、図4(a)に示す例では、閾値電圧(平均電圧)=1.5が得られる。そうすると、セルバランス回路6は、セルバランス制御部5の制御に応じて、閾値電圧よりも高い電圧を有する電池セルから、閾値電圧よりも低い電圧を有する電池セルへ電流を流す。すなわち、セルバランス回路5は、電池セル11−1から電池セル11−2へ電流を流す。この結果、図4(c)に示すように、電池セル11−1の電圧は「1.8」から「1.5」に低下し、電池セル11−2の電圧は「1.2」から「1.5」に上昇する。すなわち、電池セル11−1〜11−3の電圧が「1.5」に均一化される。
図5は、セルバランス制御の実行の一例を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートでは、各信号のハイレベルがオン状態を表し、各信号のローレベルがオフ状態を表す。また、この実施例では、時刻T1においてイグニッションがオフ状態からオン状態に切り替えられ、時刻T5においてイグニッションがオン状態からオフ状態に切り替えられる。すなわち、期間T1〜T5は、イグニッションがオン状態に保持されている。
時刻T2において、車両が停止し、アイドリング停止が行われるものとする。即ち、時刻T2において、アイドリングストップ信号(IDL)がオフ状態からオン状態に変化する。ECU7は、アイドリングストップ信号のオフ状態からオン状態への変化を検知すると、セルバランス信号(CEL)のパルスを生成することによって、セルバランス部4に対してセルバランス制御の実行を指示する。そうすると、セルバランス部4は、電池セル11−1〜11−nの電圧を均等化するセルバランス制御を実行する。この後、ECU7は、電池10の残量を算出する。図5においては、ECU7が電池10の残量を算出する処理を「SOC(State of charge)演算」と表記している。なお、アイドリング停止状態は、例えば、ユーザが車両の走行を開始する操作を行うことにより終了する。
時刻T3、T4においても、それぞれアイドリング停止が行われる。そして、セルバランス部4は、時刻T3、T4のアイドリング停止を契機に、それぞれECU7からの指示に応じて、電池セル11−1〜11−nの電圧を均等化するセルバランス制御を行う。
時刻T5において、車両のユーザの操作により、イグニッションがオン状態からオフ状態に切り替えられる。すなわち、時刻T5において、イグニッション信号(IG)がオン状態からオフ状態に変化する。ECU7は、イグニッション信号のオン状態からオフ状態への変化を検知すると、セルバランス部4に対してセルバランス制御の実行を指示する。そうすると、セルバランス部4は、アイドリング停止時と同様に、電池セル11−1〜11−nの電圧を均等化するセルバランス制御を行う。
期間T6〜T7において、充電スタンドなどから供給される電力により電池10の充電が行われる。すなわち、充電許可信号(CHG)は、時刻T6においてオフ状態からオン状態に切り替わり、時刻T7においてオン状態からオフ状態に切り替わる。ECU7は、充電許可信号の変化(オフ状態からオン状態への変化、及びオン状態からオフ状態への変化を含む)を検知すると、セルバランス部4に対してセルバランス制御の実行を指示する。そうすると、セルバランス部4は、アイドリング停止時と同様に、電池セル11−1〜11−nの電圧を均等化するセルバランス制御を行う。
図6は、セルバランス制御を起動する処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、ステータス信号(ここでは、アイドリングストップ信号、充電許可信号、イグニッション信号)が変化したことを契機に、ECU7により実行される。なお、ECU7は、例えば、ステータス信号を常時モニタしている。
ECU7は、ステップS1〜S3において、ステータス信号の変化が下記のいずれかに該当するか否かを判定する。
(1)アイドリングストップ信号:オフ状態からオン状態へ変化(ステップS1)
(2)充電許可信号:オフ状態からオン状態へ変化(ステップS2)
(3)充電許可信号:オン状態からオフ状態へ変化(ステップS3)
そして、ステータス信号の変化が上記(1)〜(3)のいずれかに該当する場合には、ECU7は、ステップS4において、セルバランス部4に対してセルバランス制御の起動を指示する。すなわち、車両のアイドリング停止状態の開始、電池10の充電動作の開始、又は電池10の充電動作の終了を契機として、セルバランス部4に対してセルバランス制御の起動が指示される。このように、ECU7は、セルバランス部4に電池セル11−1〜11−nの均等化を行わせる制御手段として動作する。
なお、図6に示す実施例では、上記3つの事象のいずれか1つが発生したときにセルバランス制御が起動されるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、他の事象の発生を契機にセルバランス制御を起動してもよい。例えば、イグニッションがオン状態からオフ状態に変化したときにセルバランス制御を起動してもよい。
図7は、セルバランス制御の処理を示すフローチャートである。この処理は、ECU7によってセルバランス制御の起動が指示されたときに実行される。
ステップS11において、セルバランス制御部5は、タイマーを起動する。このタイマーは、セルバランス制御の実行時間をカウントする。
ステップS12〜S14において、セルバランス制御部5は、セルバランス回路6を利用してセルバランス制御を実行する。ここで、セルバランス回路6が図2に示す構成である場合には、図4(b)に示す均等化が行われる。また、セルバランス回路6が図3に示す構成である場合には、図4(c)に示す均等化が行われる。
ただし、ステップS11で起動したタイマーがカウントする経過時間がα(秒)に達すると、セルバランス部4は、ステップS15においてセルバランス制御を停止する。すなわち、この実施例では、電池セル11−1〜11−nの電圧が十分に均等化される前であっても、セルバランス部4は、時間αが経過した時点でセルバランス制御を停止する。また、経過時間がα(秒)に達する前であっても、電池セル11−1〜11−nの電圧の差分がβ(V)以下に収束すれば、セルバランス部4はステップS15においてセルバランス制御を停止する。この後、ECU7は、ステップS16において、電池10の残容量を算出する。
このように、実施形態のセルバランス制御方法においては、アイドリング停止時、充電の開始/終了時にも電池セル11−1〜11−nの電圧が均等化される。すなわち、従来技術と比較すると、電池セル11−1〜11−nの電圧を均等化する頻度が高くなる。従って、電池セル11−1〜11−nの劣化が抑えられる。
なお、図6〜図7のフローチャートには記載していないが、ECU7は、アイドリング停止が終了したとき(例えば、ユーザが車両の走行を開始し、電池10から不図示のモータに電流が供給されたとき等)に、セルバランス制御を停止する旨の指示を生成してもよい。この場合、セルバランス部4は、図7に示すフローチャートの処理が終了していなくても、セルバランス制御を停止する。
図8は、セルバランス制御を起動する処理の他の例を示すフローチャートである。この処理は、ECU7により定期的に実行される。
ステップS21において、ECU7は、イグニッション信号がオン状態か否かを判定する。イグニッション信号がオン状態であれば、ECU7は、ステップS22において、アイドリングストップ信号がオン状態か否かを判定する。アイドリングストップ信号がオン状態であれば、ECU7は、ステップS23において、セルバランス部4に対してセルバランス制御の起動を指示する。また、イグニッション信号がオフ状態であったときも、ECU7はセルバランス部4に対してセルバランス制御の起動を指示する。なお、イグニッション信号がオン状態であり、かつアイドリングストップ信号がオフ状態であれば、セルバランス制御は起動されない。
このように、図8に示す方法においては、イグニッション信号がオフ状態であれば、電池10が充電中であるか否かにかかわらず、セルバランス制御が行われる。ここで、セルバランス制御に要する時間は、図7に示す「α」を適切に設定することにより、充電時間と比較して十分に短くすることができる。従って、電池10の充電中であっても、セルバランス部4は、セルバランス制御を行うことができる。また、セルバランス制御に要する時間は、図7に示す「α」を適切に設定することにより、アイドリング停止時間と比較して十分に短くすることができる。従って、アイドリング停止状態中であっても、セルバランス部4は、セルバランス制御を行うことができる。また、図8に示すフローチャートの処理は、例えば、定期的に実行される。従って、イグニッション信号がオフ状態であるときは、定期的にセルバランス制御が行われる。
なお、上述の実施形態では、各電池セル11−1〜11−nに対してそれぞれ電圧センサ(3−1〜3−n)が設けられているが、複数の電池セルに対して1つの電圧センサを設けるようにしてもよい。この場合、電圧センサは、例えば、時間分割方式で、複数の電池セルの出力電圧を順番に検出する。
また、上述の実施形態では、セルバランス制御部5がセルバランス部4の中に設けられているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、セルバランス制御部5は、例えば、ECU7に中に設けられてもよい。
1 セルバランス制御装置
2 電池監視部
3(3−1〜3−n) 電圧センサ
4 セルバランス部
5 セルバランス制御部
6 セルバランス回路
7 ECU
10 電池
11−1〜11−n 電池セル

Claims (1)

  1. 車両に搭載される電池内で直列に接続された充電可能な複数の電池セルを均等化するセルバランス制御装置であって、
    各電池セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧検出手段により検出される各電池セルの電圧に基づいて、前記複数の電池セルの電圧を均等化するセルバランス部と、
    前記車両のイグニッションがオン状態であり、かつ、前記車両がアイドリング停止状態であるときに、前記セルバランス部に前記複数の電池セルの電圧の均等化を行わせる制御手段と、
    を有し、
    前記制御手段は、前記複数の電池セルの電圧が均等化される前にアイドリング停止時間より短い所定時間が経過すると、前記セルバランス部に前記複数の電池セルの電圧の均等化を停止させる、
    ことを特徴とするセルバランス制御装置。
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