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JP7695855B2 - Cell balancing device and cell balancing method - Google Patents

Cell balancing device and cell balancing method Download PDF

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JP7695855B2
JP7695855B2 JP2021164302A JP2021164302A JP7695855B2 JP 7695855 B2 JP7695855 B2 JP 7695855B2 JP 2021164302 A JP2021164302 A JP 2021164302A JP 2021164302 A JP2021164302 A JP 2021164302A JP 7695855 B2 JP7695855 B2 JP 7695855B2
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剛 高崎
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Description

本発明は、装置内の配線量を低減することができ、かつメンテナンスが容易なセルバランス装置及びセルバランス方法に関する。 The present invention relates to a cell balancing device and a cell balancing method that can reduce the amount of wiring inside the device and is easy to maintain.

電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)等では、リチウムイオン電池等の二次電池を複数接続した組電池が用いられており、また、太陽電池システムにおいても夜間電力活用のための複数の二次電池を接続した組電池が用いられている。組電池を構成する複数のセル(単電池)は、製造上のばらつき等のために、一般に充電状態(SOC:State of charge)にばらつきを生じる。一方、各セルは、過充電や過放電による熱暴走を防ぐため、セル電圧(セルの両端電圧)が予め設定した下限電圧から上限電圧の範囲に収まるように使用する必要がある。各セルをそのように使用するためには、各セルの充電状態のばらつきを一定の範囲に抑える必要があり、各セルの端子電圧、電流等を測定することにより各セルの充電状態を推定し、セルバランスを実行することが必要となる。 Electric vehicles (EVs) and hybrid vehicles (HEVs) use battery packs in which multiple secondary batteries such as lithium-ion batteries are connected, and solar cell systems also use battery packs in which multiple secondary batteries are connected to utilize nighttime power. The multiple cells (single cells) that make up a battery pack generally have variations in state of charge (SOC) due to manufacturing variations and other factors. On the other hand, each cell needs to be used so that the cell voltage (the voltage across the cell) falls within a preset range from a lower limit voltage to an upper limit voltage in order to prevent thermal runaway caused by overcharging or overdischarging. To use each cell in this way, it is necessary to suppress the variation in the state of charge of each cell within a certain range, and it is necessary to estimate the state of charge of each cell by measuring the terminal voltage, current, etc. of each cell and perform cell balancing.

図6に従来のセルバランス装置の例を示す。この装置では、各セルの両端子を配線により電圧の計測モジュール31に接続すると共に、セルバランスを実施するために、各セルに別経路の配線を設けて放電スイッチSWに接続している。しかし、このような従来の装置では、特に多数のセルを接続した組電池(車載用バッテリセルでは96セル程度の構成になっている)の場合には、各セルと電圧計測モジュール等を繋ぐ配線によりセルバランス装置の重量が増加する、メンテナンスにおけるセル交換が煩雑になる、断線により配線の交換が必要になるなどの問題が生じていた。 Figure 6 shows an example of a conventional cell balancing device. In this device, both terminals of each cell are connected to a voltage measurement module 31 by wiring, and in order to perform cell balancing, a separate wiring path is provided for each cell and connected to a discharge switch SW. However, such conventional devices, especially in the case of a battery pack with a large number of cells connected (an automotive battery cell has a configuration of about 96 cells), have problems such as an increase in the weight of the cell balancing device due to the wiring connecting each cell to the voltage measurement module, making cell replacement during maintenance cumbersome, and requiring replacement of wiring due to breakage.

国際公開第2014/103008号には、電池コントローラと蓄電池モジュールとを有線で接続する方式では配線多数で絶縁やメンテナンスにコストがかかることから、電池情報を無線により伝送する通信部を有する蓄電池モジュール側管理装置と、蓄電池モジュール側管理装置と相互に無線通信して、それぞれの蓄電池モジュールを管理する管理装置とを有する組電池システムが開示されている。また、特開平07-110343号には、検出導線に流れる直流電流の変化に基づくコア内の磁束変化を直接ホール素子によって検知する、直流の漏電ブレーカー等に使用する直流電流センサが開示され、特開2002-189039号には、磁気回路を形成するU字状の鉄心と、磁気回路の磁束量を検出する磁気検出素子と、センサ筐体とを有する、小型のインバータ装置に装着可能な電流センサが開示されている。特開2020-193876号には、導体(バスバー)内を流れる被測定電流の周りに発生する磁界を、磁界の検出感度が最大となる感度軸方向を有する磁力センサで検出し、それにより被測定電流の電流値を算出する電流センサが開示されている。しかし、組電池の各セルの電流、電圧等の電池情報を磁力センサで測定することにより、組電池の配線の問題を解決するセルバランス装置はこれまで報告されていない。 International Publication No. 2014/103008 discloses a battery pack system having a battery module management device with a communication unit that transmits battery information wirelessly, and a management device that manages each battery module by wirelessly communicating with the battery module management device, because a method of connecting a battery controller and a storage battery module with a wire requires a large number of wires and costs for insulation and maintenance. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-110343 discloses a DC current sensor used in DC leakage breakers and the like, which directly detects magnetic flux changes in the core based on changes in DC current flowing in a detection conductor using a Hall element, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-189039 discloses a current sensor that can be attached to a small inverter device, which has a U-shaped iron core that forms a magnetic circuit, a magnetic detection element that detects the amount of magnetic flux in the magnetic circuit, and a sensor housing. JP 2020-193876 A discloses a current sensor that detects the magnetic field generated around the current to be measured flowing in a conductor (bus bar) using a magnetic sensor having a sensitivity axis direction in which the magnetic field detection sensitivity is maximized, and thereby calculates the current value of the current to be measured. However, no cell balance device has been reported to date that solves the wiring problems of a battery pack by measuring battery information such as the current and voltage of each cell of the battery pack using a magnetic sensor.

国際公開第2014/103008号International Publication No. 2014/103008 特開平07-110343号公報Japanese Patent Application Publication No. 07-110343 特開2002-189039号公報JP 2002-189039 A 特開2020-193876号公報JP 2020-193876 A

従って、本発明の目的は、装置内の配線量を低減することができ、かつメンテナンスが容易なセルバランス装置及びセルバランス方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a cell balancing device and a cell balancing method that can reduce the amount of wiring within the device and is easy to maintain.

本発明者らは鋭意検討の結果、電池モジュールの各セル(単電池)を流れる電流によって発生する磁界を電流センサを用いて検出することにより、各セルを配線によって電流センサに接続することなく、電流センサと非接触で各セルの電圧を測定できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明のセルバランス装置は、複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、前記電圧計測部は、前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、前記電池モジュールと前記セル電圧計測部の前記電流センサは非接触である。 After extensive research, the inventors discovered that by using a current sensor to detect the magnetic field generated by the current flowing through each cell (single cell) of a battery module, it is possible to measure the voltage of each cell without contacting the current sensor without connecting each cell to the current sensor by wiring, and thus completed the present invention. That is, the cell balance device of the present invention includes a battery module including a battery pack formed by connecting multiple secondary batteries, a cell voltage measurement unit that measures the voltage of each cell of the multiple secondary batteries, and a control unit that outputs a command signal for adjusting the voltage of each cell based on the voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, the voltage measurement unit includes one or more current sensors configured to detect the magnetic field generated by the current flowing through each cell, and the battery module and the current sensor of the cell voltage measurement unit are non-contact.

電池モジュールの組電池は、複数の二次電池が直列、並列、又はこれらの組み合わせにより接続されていてもよい。一形態において、本発明に用いる電池モジュールは、複数の二次電池が直列に接続されている。 The assembled battery of the battery module may have multiple secondary batteries connected in series, in parallel, or in a combination of these. In one embodiment, the battery module used in the present invention has multiple secondary batteries connected in series.

一形態において、本発明に用いる電池モジュールは、複数の二次電池の各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路をさらに含む。一形態において、本発明に用いる電池モジュールは回路切替スイッチを含み、電池モジュールの各セルは、回路切替スイッチにより、セル電圧計測回路と接続、セルバランス放電回路と接続、又はセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路の両方と非接続のいずれかに切替えられる。 In one embodiment, the battery module used in the present invention further includes a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit arranged in parallel with each cell of the multiple secondary batteries. In one embodiment, the battery module used in the present invention includes a circuit changeover switch, and each cell of the battery module is switched by the circuit changeover switch to be connected to the cell voltage measurement circuit, connected to the cell balance discharge circuit, or disconnected from both the cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit.

電池モジュールが、セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路を含む場合、前記各セルを流れる電流によって発生する磁界は、セル電圧計測回路を流れるセル電圧計測電流、又はセルバランス放電回路を流れるセルバランス放電電流によって発生する磁界である。 When the battery module includes a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit, the magnetic field generated by the current flowing through each cell is a magnetic field generated by the cell voltage measurement current flowing through the cell voltage measurement circuit, or the cell balance discharge current flowing through the cell balance discharge circuit.

一形態において、本発明のセルバランス装置は、電池モジュールの複数の二次電池のそれぞれのセルに対し、電流センサが非接触で配置されている。一形態において、本発明のセルバランス装置は、電池モジュールが複数のブロックにより構成され、各ブロックに含まれる複数のセルに対し、1つの電流センサが非接触で配置されている。 In one embodiment, the cell balancing device of the present invention has a current sensor arranged in a non-contact manner for each cell of a plurality of secondary batteries in a battery module. In one embodiment, the cell balancing device of the present invention has a battery module composed of a plurality of blocks, and one current sensor is arranged in a non-contact manner for a plurality of cells included in each block.

本発明のセルバランス方法は、複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、前記電圧計測部が前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、前記電池モジュール前記電流センサ非接触であるセルバランス装置を用いたセルバランス方法であって、前記セル電圧計測部、前記電流センサによって前記各セルを流れる電流を計測し、それにより前記各セルの電圧を計測し、前記制御部、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて前記各セルの充電状態を判定し、判定に基づいて前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する。 A cell balancing method of the present invention is a cell balancing method using a cell balancing device including a battery module including a battery pack formed by connecting a plurality of secondary batteries, a cell voltage measurement unit that measures the voltage of each cell of the plurality of secondary batteries, and a control unit that outputs a command signal for adjusting the voltage of each cell based on the voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, wherein the voltage measurement unit includes one or more current sensors configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through each cell, and the battery module and the current sensors are in a non-contact state, wherein the cell voltage measurement unit measures the current flowing through each cell using the current sensor, thereby measuring the voltage of each cell, and the control unit determines the state of charge of each cell based on the voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, and outputs a command signal for adjusting the voltage of each cell based on the determination.

一態様において、本発明のセルバランス方法は、複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、前記電圧計測部が前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、前記電池モジュールと前記電流センサが非接触であり、前記電池モジュールが、前記複数の二次電池の各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路を含むセルバランス装置を用いたセルバランス方法であって、
前記電流センサが、前記セル電圧計測回路を流れるセル電圧計測電流によって発生する磁界から、前記セル電圧計測電流を計測し、それにより前記各セルの電圧を計測し、
前記制御部が、計測された前記各セルの電圧値に基づいて前記各セルの充電状態を判定し、
セルの電圧が予め設定した上限電圧を超える場合に前記セルバランス放電回路が、前記制御部からの指令信号に基づき前記上限電圧を超えたセルを放電し、
前記上限電圧を超えたセルの電圧を予め設定した電圧範囲内になるように調整するために、前記セルの放電とともに、前記電流センサ、前記セルバランス放電回路を流れる前記セルバランス放電電流を計測し、それにより前記セルの電圧を計測する。
In one aspect, a cell balancing method of the present invention is a cell balancing method using a cell balancing device including: a battery module including an assembled battery formed by connecting a plurality of secondary batteries; a cell voltage measurement unit that measures the voltage of each cell of the plurality of secondary batteries; and a control unit that outputs a command signal for adjusting the voltage of each cell based on the voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, the voltage measurement unit including one or more current sensors configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through each cell, the battery module and the current sensors are in non-contact, and the battery module includes a cell voltage measurement circuit and a cell balancing discharge circuit arranged in parallel to each cell of the plurality of secondary batteries,
the current sensor measures the cell voltage measurement current from a magnetic field generated by the cell voltage measurement current flowing through the cell voltage measurement circuit, thereby measuring the voltage of each of the cells;
The control unit determines a state of charge of each of the cells based on the measured voltage value of each of the cells,
When the voltage of a cell exceeds a preset upper limit voltage, the cell balance discharge circuit discharges the cell whose voltage has exceeded the upper limit voltage based on a command signal from the control unit ,
In order to adjust the voltage of a cell that has exceeded the upper limit voltage so that it is within a preset voltage range, the current sensor measures the cell balance discharge current flowing through the cell balance discharge circuit as the cell is discharged, thereby measuring the voltage of the cell .

(1)は本発明の1つの実施形態によるセルバランス装置を示す概略説明図であり、(2)はセルバランス装置(1)のA部分を示す部分拡大説明図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing a cell balance device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a partially enlarged explanatory diagram showing part A of the cell balance device (1). 本発明の1つの実施形態によるセルバランス装置のシステムブロック図である。FIG. 1 is a system block diagram of a cell balancing device according to one embodiment of the present invention. 電流センサによりセル電圧計測電流又はセルバランス放電電流を計測するスキームを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a scheme for measuring a cell voltage measurement current or a cell balancing discharge current by a current sensor. 本発明の1つの実施形態によるセル電圧計測部の構成を示す概略説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a configuration of a cell voltage measurement unit according to one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態によるセルバランス装置の電流計測方式を示す概略説明図であり、(a)は電池パックの概略斜視図であり、(b)は電池モジュールの測定絶縁導体と、電流センサの配置を示す概略説明図である。1A and 1B are schematic explanatory diagrams showing a current measurement method for a cell balancing device according to one embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic perspective view of a battery pack, and FIG. 1B is a schematic explanatory diagram showing the arrangement of measurement insulated conductors and current sensors of a battery module. 従来のセルバランス装置の一例を示す概略説明図である。FIG. 1 is a schematic explanatory diagram illustrating an example of a conventional cell balance device.

本発明のセルバランス装置は、複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、該複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、該セル電圧計測部において計測された各セルの電圧値に基づいて、各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含む。 The cell balance device of the present invention includes a battery module including a battery pack formed by connecting multiple secondary batteries, a cell voltage measurement unit that measures the voltage of each cell of the multiple secondary batteries, and a control unit that outputs a command signal to adjust the voltage of each cell based on the voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit.

電池モジュールの組電池は、複数の二次電池が直列、並列、又はこれらの組み合わせにより接続されていてよい。例えば、実用的な電圧を確保するために複数の二次電池が直列に接続されてもよいし、蓄電装置容量を確保するために複数の二次電池が並列に接続されてもよい。車載用の電池モジュールとするためには、複数の二次電池が直列に接続された組電池が好ましい。 The assembled battery of the battery module may have multiple secondary batteries connected in series, in parallel, or a combination of these. For example, multiple secondary batteries may be connected in series to ensure a practical voltage, or multiple secondary batteries may be connected in parallel to ensure the capacity of the storage device. For use as a battery module for vehicles, an assembled battery in which multiple secondary batteries are connected in series is preferred.

一形態において、電池モジュールは、各セルの電圧を計測するためのセル電圧計測回路、及びセル電圧が許容範囲の上限を超えたセルを放電するためのセルバランス放電回路を含み、セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路は、好ましくは二次電池の各セルに並列して配置される。各セルに対応するセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路は、それぞれの回路内に対応するセルを含む。セル電圧計測回路にはセル電圧計測電流が流れ、セルバランス放電回路にはセルバランス放電電流が流れる。 In one embodiment, the battery module includes a cell voltage measurement circuit for measuring the voltage of each cell, and a cell balance discharge circuit for discharging a cell whose cell voltage exceeds the upper limit of the allowable range, and the cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit are preferably arranged in parallel with each cell of the secondary battery. The cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit corresponding to each cell include a corresponding cell within each circuit. A cell voltage measurement current flows through the cell voltage measurement circuit, and a cell balance discharge current flows through the cell balance discharge circuit.

本発明のセルバランス装置は、電池モジュールの各セルを流れる電流を電流センサによって計測する。電流センサは、各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成されており、検出された磁界から各セルを流れる電流値を計測する。電池モジュールが、セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路を含む場合、上記各セルを流れる電流は、セル電圧計測回路を流れるセル電圧計測電流、又はセルバランス放電回路を流れるセルバランス放電電流である。 The cell balance device of the present invention uses a current sensor to measure the current flowing through each cell of a battery module. The current sensor is configured to detect a magnetic field generated by the current flowing through each cell, and measures the current value flowing through each cell from the detected magnetic field. When the battery module includes a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit, the current flowing through each cell is the cell voltage measurement current flowing through the cell voltage measurement circuit, or the cell balance discharge current flowing through the cell balance discharge circuit.

本発明に用いる電流センサは、導線を流れる電流によって発生する磁界(磁束)から当該導線を流れる電流を検出するセンサであれば特に限定されず、公知の電流センサを用いることができる。例えば、導線を流れる磁束を検出し、磁束密度もしくは磁束変化に応じて信号を出力し、それにより導線を流れる電流を検出するセンサであってよい。電流センサの構成も特に限定されない。例えば、特開平07-110343号、特開2002-189039号等に開示されているセンサの構成、又は公知のセンサを組み合わせた構成であってよい。 The current sensor used in the present invention is not particularly limited as long as it is a sensor that detects the current flowing through a conductor from the magnetic field (magnetic flux) generated by the current flowing through the conductor, and any known current sensor can be used. For example, it may be a sensor that detects the magnetic flux flowing through the conductor, outputs a signal according to the magnetic flux density or magnetic flux change, and thereby detects the current flowing through the conductor. The configuration of the current sensor is also not particularly limited. For example, it may be a sensor configuration disclosed in JP-A-07-110343, JP-A-2002-189039, etc., or a configuration that combines known sensors.

本発明に用いる電流センサは、例えば、セルバランス装置のセル電圧計測回路又はセルバランス放電回路を流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成されたセンサである。電流センサは、セル電圧計測回路を流れる電流(セル電圧計測電流)により発生した磁界からセル電圧計測電流値Iを計測することができる。このときのセルの電圧値(V)は、V=I×R1(R1はセル電圧計測回路に含まれる抵抗値を表す)から求めることができる。また、電流センサは、セルバランス放電回路を流れる電流(セルバランス放電電流)により発生した磁界からセルバランス放電電流値I’を計測することもできる。このときのセルの電圧値(V)は、V=I’×R2(R2はセルバランス放電回路に含まれる抵抗値を表す)から求めることができる。 The current sensor used in the present invention is, for example, a sensor configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through a cell voltage measurement circuit or a cell balance discharge circuit of a cell balance device. The current sensor can measure a cell voltage measurement current value I1 from a magnetic field generated by a current flowing through the cell voltage measurement circuit (cell voltage measurement current). The cell voltage value ( V0 ) at this time can be calculated from V0 = I1 x R1 (R1 represents a resistance value included in the cell voltage measurement circuit). The current sensor can also measure a cell balance discharge current value I1 ' from a magnetic field generated by a current flowing through the cell balance discharge circuit (cell balance discharge current). The cell voltage value ( V0 ) at this time can be calculated from V0 = I1 ' x R2 (R2 represents a resistance value included in the cell balance discharge circuit).

本発明のセルバランス装置は、セル電圧計測部で計測された各セルの電圧値(V)に基づいて各セルの充電状態を推定する。充電状態を推定する方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、電池等価回路を用いる方法、非線形カルマンフィルタを用いる方法等が挙げられる。制御部には、許容される充電状態の範囲が予め設定されており、各セルの電圧値(V)の許容される上限値(上限電圧)及び下限値(下限電圧)が設定されている。 The cell balance device of the present invention estimates the state of charge of each cell based on the voltage value (V 0 ) of each cell measured by the cell voltage measurement unit. The method of estimating the state of charge is not particularly limited, and any known method can be used. For example, a method using a battery equivalent circuit, a method using a nonlinear Kalman filter, etc. are included. The control unit has a preset range of the allowable state of charge, and an allowable upper limit value (upper limit voltage) and lower limit value (lower limit voltage) of the voltage value (V 0 ) of each cell are set.

制御部は、予め設定された許容範囲に基づいて、測定された各セルの電圧値が許容されるか否かを判定し、電圧値が許容範囲を超えていると判定した場合には、各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する。制御部から指令信号に基づいて、必要と判定されたセルについてセルバランスを実施する。セルバランスを実施する方法は公知の方法であってよい。例えば、パッシブ方式(充電状態が過剰なセルから放電する方式)又はアクティブ方式(充電状態が過剰なセルから充電状態が不足しているセルへ電荷を分配する方式)のいずれの方式であってもよい。 The control unit determines whether the measured voltage value of each cell is acceptable based on a preset tolerance range, and outputs a command signal to adjust the voltage of each cell if it determines that the voltage value exceeds the tolerance range. Based on the command signal from the control unit, cell balancing is performed for cells that are determined to require it. The method for performing cell balancing may be a publicly known method. For example, it may be either a passive method (a method of discharging from an overcharged cell) or an active method (a method of distributing charge from an overcharged cell to an undercharged cell).

制御部から指令信号を出力する方法は、有線による方法であっても無線通信による方法であってもよい。本発明のセルバランス装置は、装置内の配線量を低減する観点から、無線通信による方法がより好ましい。無線通信により指令信号を出力する場合、装置内の通信の干渉を防止する観点から電池モジュール、セル電圧計測部等を金属筐体等に収容するのが好ましい。 The method of outputting the command signal from the control unit may be a wired method or a wireless method. From the viewpoint of reducing the amount of wiring within the cell balance device of the present invention, a wireless method is more preferable. When outputting the command signal via wireless communication, it is preferable to house the battery module, cell voltage measurement unit, etc. in a metal casing, etc., from the viewpoint of preventing interference with communication within the device.

本発明のセルバランス装置は、上記構成以外にも一般にセルバランス装置に含まれる構成を含むことができる。例えば、セルの過充電、過放電を保護する回路、セルの温度を計測するセンサ、計測されたセルの温度及び電圧に基づいて電池の劣化を評価するシステム等を備えていてもよい。 The cell balance device of the present invention may include components that are generally included in cell balance devices in addition to the above configuration. For example, it may include a circuit to protect the cell from overcharging and overdischarging, a sensor to measure the cell temperature, and a system to evaluate battery degradation based on the measured cell temperature and voltage.

本発明のセルバランス装置を図1を参照しながらさらに詳細に説明する。図1は本発明の1つの実施形態による車載用のセルバランス装置を示し、セルバランス装置1は、電池モジュール(電池パック)2と、セル電圧計測部3と、制御部(図示せず)とを含む。電池パック2は、直列に接続された二次電池のセル(C~C)、各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路を含む。二次電池のセル(C~C)にはモータ駆動電流Iが流れる。図1の部分Aは回路切替装置(SW~SW)を示し、各回路切替装置はセルに並列に配置された抵抗R1(セル電圧計測用)と抵抗R2(セルバランス放電用)、及び回路切替スイッチ103を含む。抵抗R1を含む回路はセル電圧計測回路を構成し、抵抗R2を含む回路はセルバランス放電回路を構成する。セル電圧計測回路とセルバランス放電回路は回路切替スイッチ103によって切替えることができる。また、切替スイッチ103は、セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路のいずれにも接続しない状態(ニュートラル)にあることもできる。したがって、電池モジュールの各セルは、セル電圧計測回路と接続、セルバランス放電回路と接続、又はセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路の両方と非接続のいずれかの状態にある。 The cell balance device of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 1. FIG. 1 shows an in-vehicle cell balance device according to one embodiment of the present invention, and the cell balance device 1 includes a battery module (battery pack) 2, a cell voltage measurement unit 3, and a control unit (not shown). The battery pack 2 includes secondary battery cells (C 1 to C n ) connected in series, and a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit arranged in parallel with each cell. A motor drive current I 0 flows through the secondary battery cells (C 1 to C n ). Part A of FIG. 1 shows circuit switching devices (SW 1 to SW n ), and each circuit switching device includes a resistor R1 (for cell voltage measurement) and a resistor R2 (for cell balance discharge) arranged in parallel with the cell, and a circuit changeover switch 103. The circuit including the resistor R1 constitutes the cell voltage measurement circuit, and the circuit including the resistor R2 constitutes the cell balance discharge circuit. The cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit can be switched by the circuit changeover switch 103. The changeover switch 103 can also be in a state (neutral) in which it is not connected to either the cell voltage measurement circuit or the cell balance discharge circuit, so that each cell of the battery module is either connected to the cell voltage measurement circuit, connected to the cell balance discharge circuit, or not connected to both the cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit.

セル電圧計測部3は計測モジュール21を含み、計測モジュール21は電流センサ101を含む。図1に示す例では、制御部は指令信号を無線により通信する。無線通信による干渉を防止するために、電池パック2は電池パック筐体25に収容されており、セル電圧計測部3は測定モジュール筐体26に収容されている。セル電圧計測回路は測定絶縁導体104を含み、測定絶縁導体104は電流計測ポイントとなる。電池パック筐体25は、測定絶縁導体104が配置された部分が開口しており、測定絶縁導体104は電池パック2の外部に対し露出している。計測モジュール21の電流センサ101は、測定絶縁導体104に対向するように配置されており、測定モジュール筐体26は、電流センサ101が配置された部分が開口している。 The cell voltage measurement unit 3 includes a measurement module 21, which includes a current sensor 101. In the example shown in FIG. 1, the control unit wirelessly communicates command signals. To prevent interference due to wireless communication, the battery pack 2 is housed in a battery pack housing 25, and the cell voltage measurement unit 3 is housed in a measurement module housing 26. The cell voltage measurement circuit includes a measurement insulating conductor 104, which serves as a current measurement point. The battery pack housing 25 has an opening where the measurement insulating conductor 104 is arranged, and the measurement insulating conductor 104 is exposed to the outside of the battery pack 2. The current sensor 101 of the measurement module 21 is arranged to face the measurement insulating conductor 104, and the measurement module housing 26 has an opening where the current sensor 101 is arranged.

本発明のセルバランス装置は、無線通信をする場合に通信の干渉を防ぐことができる構造であるのが好ましい。筐体25の測定絶縁導体104が配置された部分、及び筐体26の電流センサ101が配置された部分の構造は、図1に示す構造に限定されず、例えば、磁界を疎外しない材料(例えば、プラスチック材料)を用いた構造であってもよい。測定絶縁導体104は、筐体25に開口を設けずに電池パック2の外へ露出する構造であってもよく、電池パック2の外へ露出しない構造であってもよい。電流センサ101は筐体26の外へ露出する構造であってもよい。 The cell balance device of the present invention is preferably structured to prevent communication interference when performing wireless communication. The structures of the portion of the housing 25 where the measurement insulated conductor 104 is arranged and the portion of the housing 26 where the current sensor 101 is arranged are not limited to the structure shown in FIG. 1, and may be, for example, structures using a material that does not alienate magnetic fields (e.g., a plastic material). The measurement insulated conductor 104 may be structured so that it is exposed to the outside of the battery pack 2 without providing an opening in the housing 25, or it may be structured so that it is not exposed to the outside of the battery pack 2. The current sensor 101 may be structured so that it is exposed to the outside of the housing 26.

電流センサ101及び測定絶縁導体104の配置は、測定絶縁導体104を流れる電流を適切に計測できる配置であればよく、図1に示すような電流センサ101が測定絶縁導体104に対向する配置に限定されない。例えば、電流センサ101が測定絶縁導体104を非接触で囲むような配置であってもよい。 The arrangement of the current sensor 101 and the measurement insulated conductor 104 may be any arrangement that allows appropriate measurement of the current flowing through the measurement insulated conductor 104, and is not limited to an arrangement in which the current sensor 101 faces the measurement insulated conductor 104 as shown in FIG. 1. For example, the current sensor 101 may be arranged to surround the measurement insulated conductor 104 without contacting it.

電流センサ101は、セル電圧計測回路(抵抗R1を含む)を流れるセル電圧計測電流Iによって発生する磁界H、又はセルバランス放電回路(抵抗R2を含む)を流れるセルバランス放電電流I’によって発生する磁界Hを検出できるように構成されている。電池モジュール2とセル電圧計測部3の電流センサ101は配線等により接続されておらず、非接触である。各セルの電圧値Vは、電流センサ101によって測定された電流I又は電流I’の値からセル電圧計測部3の例えばCPUにより算出することができる。 The current sensor 101 is configured to detect a magnetic field H generated by a cell voltage measurement current I1 flowing through a cell voltage measurement circuit (including resistor R1), or a magnetic field H generated by a cell balance discharge current I1 ' flowing through a cell balance discharge circuit (including resistor R2). The battery module 2 and the current sensor 101 of the cell voltage measurement unit 3 are not connected by wiring or the like and are in a non-contact state. The voltage value V0 of each cell can be calculated by, for example, a CPU of the cell voltage measurement unit 3 from the value of the current I1 or current I1 ' measured by the current sensor 101.

図1に示すセルバランス装置を用いてモータ駆動電流を放電する場合、回路切替スイッチ103はニュートラル(セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路のいずれにも接続していない)にあり、電池モジュールを外部のモータと接続することにより、組電池にはモータ駆動電流Iが流れる。各セルの電圧を計測してセルの充電状態を調べる場合、制御部から各セルの回路切替装置(SW~SW)へ指令信号を送り、回路切替スイッチ103によって各セルをセル電圧計測回路と接続し、セル電圧計測回路にセル電圧計測電流Iを流す。セル電圧計測回路の測定絶縁導体104には電流Iによる磁界Hが発生し、計測モジュール21の電流センサ101はこの磁界Hを検出し、磁界Hからセル電圧計測電流値Iを計測する。セル電圧計測部3は、計測された電流値からCPUによってセルの電圧値VをV=I×R1により算出する。 When discharging the motor drive current using the cell balance device shown in FIG. 1, the circuit changeover switch 103 is in neutral (not connected to either the cell voltage measurement circuit or the cell balance discharge circuit), and the battery module is connected to an external motor, so that the motor drive current I0 flows through the assembled battery. When measuring the voltage of each cell to check the state of charge of the cell, the control unit sends a command signal to the circuit changeover device (SW 1 to SW n ) of each cell, the circuit changeover switch 103 connects each cell to the cell voltage measurement circuit, and the cell voltage measurement current I1 flows through the cell voltage measurement circuit. A magnetic field H due to the current I1 is generated in the measurement insulated conductor 104 of the cell voltage measurement circuit, and the current sensor 101 of the measurement module 21 detects this magnetic field H and measures the cell voltage measurement current value I1 from the magnetic field H. The cell voltage measurement unit 3 uses the CPU to calculate the cell voltage value V0 from the measured current value by V0 = I1 ×R1.

セル電圧計測回路を流れる電流及び計測モジュールは、時間分割で切り替えて制御することもできる。セル電圧計測回路及び計測モジュールに対し計測時のみ通電することにより消費電力を抑えることができる。例えば、300セルの電池モジュールの場合、1セルあたりの計測時間を2~6ミリ秒、例えば4ミリ秒とすると、300セルの1回のスキャン時間は1.2秒(4ミリ秒×300)となる。また、1回のスキャンから次のスキャンまでの間隔を10秒とすると、1時間あたりの計測回数は約321回(3600/11.2)であり、1セルに対する通電時間は約1.3秒/時間(4ミリ秒×321)となる。このように、セル電圧計測電流及び計測モジュールを時間分割で切り替えて制御することにより、セルバランス装置の消費電力を抑えることができる。 The current flowing through the cell voltage measurement circuit and the measurement module can also be controlled by switching in a time-division manner. By passing current through the cell voltage measurement circuit and the measurement module only during measurement, power consumption can be reduced. For example, in the case of a 300-cell battery module, if the measurement time per cell is 2 to 6 milliseconds, for example 4 milliseconds, the time required for one scan of 300 cells is 1.2 seconds (4 milliseconds x 300). If the interval between one scan and the next scan is 10 seconds, the number of measurements per hour is approximately 321 (3600/11.2), and the time required for current to flow through one cell is approximately 1.3 seconds/hour (4 milliseconds x 321). In this way, the power consumption of the cell balance device can be reduced by switching and controlling the cell voltage measurement current and the measurement module in a time-division manner.

電流センサ101によって計測されたセル電圧値Vは制御部へ送られ、制御部において各セルの電圧値Vが設定した許容範囲にあるか否かを判定する。計測したセルの電圧Vが予め設定したセル電圧の上限電圧を超えた場合、制御部は当該セルについて指令信号を出力し、上限電圧を超えたセルは回路切替スイッチ103によってセルバランス放電回路と接続する。セルバランス放電回路によってセルの電圧が上限電圧以下(予め設定した電圧範囲内)になるように放電する。このとき、電流センサ101は、セルバランス放電回路を流れるセルバランス放電電流によって発生する磁界を検出することができ、磁界Hからセルバランス放電電流I’を計測し、セルの電圧値(V)をV=I’×R2により算出することができる。したがって、セルバランス放電回路を用いてセルを放電している間、電流センサ101によって当該セルの電圧をモニタリングすることができ、これによりセル電圧値(V)が予め設定した上限電圧以下となるように調整することができる。 The cell voltage value V0 measured by the current sensor 101 is sent to the control unit, which determines whether the voltage value V0 of each cell is within a set tolerance range. If the measured cell voltage V0 exceeds a preset upper limit voltage of the cell voltage, the control unit outputs a command signal for the cell, and the cell exceeding the upper limit voltage is connected to the cell balance discharge circuit by the circuit changeover switch 103. The cell is discharged by the cell balance discharge circuit so that the cell voltage is equal to or lower than the upper limit voltage (within a preset voltage range). At this time, the current sensor 101 can detect a magnetic field generated by the cell balance discharge current flowing through the cell balance discharge circuit, and can measure the cell balance discharge current I1 ' from the magnetic field H and calculate the cell voltage value ( V0 ) by V0 = I1 ' x R2. Therefore, while the cell is being discharged using the cell balance discharge circuit, the voltage of the cell can be monitored by the current sensor 101, and the cell voltage value ( V0 ) can be adjusted to be equal to or lower than the preset upper limit voltage.

本発明のセルバランス装置は、例えば、電池モジュールの直列に接続された全セルを通すモータ駆動電流と、各セルごとに独立して制御する計測用電流を別回路とすることにより、走行中モータ駆動電流が流れている状態でも各セルの計測電流によりセル電圧を計測することが可能である。電池モジュールの各セルは、直列接続されたモータ駆動電流と並行して各セルごとに計測電流(セル電圧計測電流とセルバランス放電電流)を適宜選択して流し、それにより走行中に各せルのセル電圧を計測し、各セルの充電状態を把握することが可能である。 The cell balance device of the present invention, for example, has separate circuits for the motor drive current that passes through all the cells connected in series in a battery module and the measurement current that is controlled independently for each cell, making it possible to measure the cell voltage from the measurement current of each cell even when the motor drive current is flowing while driving. Each cell of the battery module appropriately selects and passes a measurement current (cell voltage measurement current and cell balance discharge current) for each cell in parallel with the motor drive current connected in series, thereby making it possible to measure the cell voltage of each cell while driving and to grasp the charging state of each cell.

図2に本発明の1つの実施形態によるセルバランス装置のシステムブロック図を示す。セルバランス装置11は、電池モジュール12、セル電圧計測部13、及び制御部(電池管理ユニットBMU)14を含む。電池モジュール12は、直列に接続された二次電池のセル(C~C)と、各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路とを含み、電池モジュール12は外部ユニット17(モータ、インバータ等)と接続している。セル電圧計測/セルバランス放電回路には回路切替装置(SW~SW)が組み込まれており、各回路切替装置は回路切替スイッチ203を含み、回路切替スイッチ203によって各セルは、抵抗R1を含むセル電圧計測回路(M)との接続、抵抗R2を含むセルバランス放電回路(B)との接続、セル電圧計測回路及びセルバランス放電回路のいずれとも非接続(N)の3通りに切替えられる。図2に示す例では、回路切替スイッチ203はFETスイッチであるが、本発明に用いる回路切替スイッチはこれに限定されず、LSIスイッチ等であってもよい。回路切替スイッチ203によってセルがセル電圧計測回路(M)と接続すると、セル電圧計測回路(M)にはセル電圧計測電流I(V=I×R1)が流れる。セル電圧計測/セルバランス放電回路には測定絶縁導体204が設けられており、測定絶縁導体204にはセル電圧計測電流Iに基づく磁界が発生する。測定絶縁導体204は、セルを流れる電流値を計測可能なように電流センサ201に対して配置されている。 2 shows a system block diagram of a cell balance device according to an embodiment of the present invention. The cell balance device 11 includes a battery module 12, a cell voltage measurement unit 13, and a control unit (battery management unit BMU) 14. The battery module 12 includes secondary battery cells (C 1 to C n ) connected in series, and a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit arranged in parallel with each cell, and the battery module 12 is connected to an external unit 17 (motor, inverter, etc.). Circuit switching devices (SW 1 to SW n ) are incorporated in the cell voltage measurement/cell balance discharge circuit, and each circuit switching device includes a circuit changeover switch 203, and the circuit changeover switch 203 switches each cell between three types: connection to a cell voltage measurement circuit (M) including a resistor R1, connection to a cell balance discharge circuit (B) including a resistor R2, and disconnection (N) from both the cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit. 2, the circuit changeover switch 203 is an FET switch, but the circuit changeover switch used in the present invention is not limited to this and may be an LSI switch or the like. When the circuit changeover switch 203 connects the cell to the cell voltage measurement circuit (M), a cell voltage measurement current I1 ( V0 = I1 x R1) flows through the cell voltage measurement circuit (M). A measurement insulated conductor 204 is provided in the cell voltage measurement/cell balance discharge circuit, and a magnetic field based on the cell voltage measurement current I1 is generated in the measurement insulated conductor 204. The measurement insulated conductor 204 is arranged with respect to the current sensor 201 so that the current value flowing through the cell can be measured.

電池モジュール12は、各セルの温度を計測する温度センサ205を含む。温度センサ205は二次電池のセル(C~C)の温度を計測する。温度センサ205はセル制御ユニット15に接続し、セル制御ユニット15は、温度センサ205から送られる各セルの温度データに基づき、高温時の警報発出やセルの遮断を行う。セル制御ユニット15は制御部(電池管理ユニットBMU)14等と信号を送受信するが、図2に示す例では、直列接続されたセルの高電圧の電流から低電圧で作動する制御機器の保護や安全を考慮し、アイソレーション16を設けている。 The battery module 12 includes a temperature sensor 205 that measures the temperature of each cell. The temperature sensor 205 measures the temperature of the cells (C 1 to C n ) of the secondary battery. The temperature sensor 205 is connected to the cell control unit 15, which issues an alarm or shuts off the cell when the temperature is high, based on the temperature data of each cell sent from the temperature sensor 205. The cell control unit 15 transmits and receives signals to and from the control unit (battery management unit BMU) 14 and the like, and in the example shown in Fig. 2, isolation 16 is provided in consideration of the protection and safety of control devices that operate at low voltages from the high-voltage current of the serially connected cells.

セル電圧計測部13は、各セルに対応する電流センサ201(株式会社SIRC製)、及び各電流センサ201に接続する電流管理モジュール(CM~CM)を含む。各電流センサ201は、各測定絶縁導体204に対向するように配置されており、測定絶縁導体204で発生する磁界Hを検出する。 The cell voltage measurement unit 13 includes a current sensor 201 (manufactured by SIRC Corporation) corresponding to each cell, and current management modules (CM 1 to CM n ) connected to each current sensor 201. Each current sensor 201 is disposed opposite a corresponding insulated conductor for measurement 204, and detects a magnetic field H generated in the insulated conductor for measurement 204.

電流センサ201を用いてセル電圧計測電流I(又はセルバランス放電電流I’)を計測する方法を図3に模式的に示す。Aは電池モジュール12のセル電圧計測回路(又はセルバランス放電回路)の電流線であり、Bはセル電圧計測部13の電流センサ201を通る電流線であり、電流線Bは計装アンプ211に接続している。電流線Aではセル電圧計測電流I(又はセルバランス放電電流I’)により磁界Hが発生する。磁界HはH=αI(又はH=αI’)により表される(αは係数を表す)。発生した磁界Hは電流センサ201の電気抵抗を変化させる(ΔRmr)磁気抵抗効果をもたらす。電気抵抗変化(ΔRmr)は、ΔRmr=βH(βは係数を表す)=αβI(又はαβI’)により表され、電流センサ201によって検出される電圧変化(ΔVmr)は、ΔVmr=ΔRmr×I(Iは電流センサ201を流れる電流を表す)=αβI×I(又はαβI’×I)により表される。ここで、電流センサ201を流れる電流Iを固定すると、電流センサ201によって検出される電圧変化(ΔVmr)はセル電圧計測電流I(又はセルバランス放電電流I’)に比例し、ΔVmrからセル電圧計測電流I(又はセルバランス放電電流I’)を計測することができる。したがって、各セルの充電状態を調べるときのセル電圧Vは、電流センサ201により計測したセル電圧計測電流IからV=I×R1により求めることができ、セルバランス放電時のセル電圧Vは、電流センサ201により計測したセルバランス放電電流I’からV=I’×R2により求めることができる。 3 shows a schematic diagram of a method for measuring the cell voltage measurement current I1 (or the cell balance discharge current I1 ') using the current sensor 201. A is a current line of the cell voltage measurement circuit (or the cell balance discharge circuit) of the battery module 12, B is a current line passing through the current sensor 201 of the cell voltage measurement unit 13, and the current line B is connected to the instrumentation amplifier 211. In the current line A, a magnetic field H is generated by the cell voltage measurement current I1 (or the cell balance discharge current I1 '). The magnetic field H is expressed by H = αI1 (or H = αI1 ') (α is a coefficient). The generated magnetic field H brings about a magnetoresistance effect that changes the electrical resistance of the current sensor 201 (ΔRmr). The electrical resistance change (ΔRmr) is represented by ΔRmr = βH (β represents a coefficient) = αβI1 (or αβI1 '), and the voltage change (ΔVmr) detected by the current sensor 201 is represented by ΔVmr = ΔRmr × I2 ( I2 represents the current flowing through the current sensor 201) = αβI1 × I2 (or αβI1 ' × I2 ). Here, when the current I2 flowing through the current sensor 201 is fixed, the voltage change (ΔVmr) detected by the current sensor 201 is proportional to the cell voltage measurement current I1 (or the cell balancing discharge current I1 '), and the cell voltage measurement current I1 (or the cell balancing discharge current I1 ') can be measured from ΔVmr. Therefore, the cell voltage V0 when checking the charge state of each cell can be calculated from the cell voltage measurement current I1 measured by the current sensor 201 by V0 = I1 × R1, and the cell voltage V0 during cell balance discharge can be calculated from the cell balance discharge current I1 ' measured by the current sensor 201 by V0 = I1' × R2 .

図2に示すセルバランス装置のセル電圧計測部13(電流センサ201及び電流管理モジュールCM~CM)の構成例を図4に示す。セル電圧計測部13は、電流センサ201、計装アンプ211、A/Dコンバータ212、データ処理ユニット213、及び電源コントローラ214を有し、電流センサ201によって検出した信号は、計装アンプ211により増幅され、A/Dコンバータ212により電気信号に変換された後、データ処理ユニット213によりセル電圧Vに変換される。計測された各セルのセル電圧のデータは制御部14(CPUを含む)に送信される。 Fig. 4 shows an example of the configuration of the cell voltage measurement unit 13 (current sensor 201 and current management modules CM 1 to CM n ) of the cell balance device shown in Fig. 2. The cell voltage measurement unit 13 has a current sensor 201, an instrumentation amplifier 211, an A/D converter 212, a data processing unit 213, and a power supply controller 214, and the signal detected by the current sensor 201 is amplified by the instrumentation amplifier 211, converted into an electrical signal by the A/D converter 212, and then converted into a cell voltage V 0 by the data processing unit 213. Data on the measured cell voltage of each cell is sent to the control unit 14 (including a CPU).

制御部14において、セル電圧計測部13により計測された各セルのセル電圧V、及びセル制御ユニット15から送られた各セルの温度情報に基づいて、各セルのセル電圧が予め設定したセル電圧の許容範囲に入るか否かを判定する。セル電圧Vが予め設定した上限電圧を超える場合、制御部14は電池モジュール12にセルの電圧を調整するための指令信号を出力し、回路切替スイッチ203によって当該セルとセルバランス放電回路を接続する。セルバランス放電回路により、セル電圧が設定した許容範囲に入るまで放電する。 The control unit 14 determines whether the cell voltage of each cell falls within a preset cell voltage tolerance range, based on the cell voltage V0 of each cell measured by the cell voltage measurement unit 13 and the temperature information of each cell sent from the cell control unit 15. If the cell voltage V0 exceeds a preset upper limit voltage, the control unit 14 outputs a command signal to the battery module 12 to adjust the cell voltage, and connects the cell to a cell balance discharge circuit via the circuit changeover switch 203. The cell balance discharge circuit discharges the cell until the cell voltage falls within the preset tolerance range.

電池モジュール12からモータへ駆動電流を放電する場合、制御部14からの指令信号により回路切替スイッチ203を非接続(N)とし(セル電圧計測/セルバランス放電回路は無電流)、電池モジュール12の直列に接続されたセルに駆動電流Iが流れる。 When discharging a driving current from the battery module 12 to the motor, the circuit changeover switch 203 is disconnected (N) by a command signal from the control unit 14 (no current flows in the cell voltage measurement/cell balance discharge circuit), and a driving current I0 flows through the cells connected in series in the battery module 12.

図5に本発明の別の1つの実施形態によるセルバランス装置を示す。図5(a)に示す電池パック22は複数の二次電池を接続した組電池を含み、二次電池の各セルの両端子にはセル電圧計測/セルバランス放電回路が接続され、各セルのセル電圧計測/セルバランス放電回路の測定絶縁導体304が電池パック22の側面に、電流センサによって電流を計測可能な状態で配置されている。図5(a)に示すように、測定絶縁導体304は、測定絶縁導体304-1、測定絶縁導体304-2、及び測定絶縁導体304-3の3列に分けて配置されている。また、測定絶縁導体304は複数のブロックから構成され、各ブロックは測定絶縁導体304-1、測定絶縁導体304-2、及び測定絶縁導体304-3の各列の測定絶縁導体を1つずつ含む。電流センサ301は、各ブロックに対し1つの電流センサ301が配置されている。 Figure 5 shows a cell balance device according to another embodiment of the present invention. The battery pack 22 shown in Figure 5 (a) includes a battery pack in which multiple secondary batteries are connected, and a cell voltage measurement/cell balance discharge circuit is connected to both terminals of each cell of the secondary batteries. The measurement insulating conductors 304 of the cell voltage measurement/cell balance discharge circuit of each cell are arranged on the side of the battery pack 22 in a state in which the current can be measured by a current sensor. As shown in Figure 5 (a), the measurement insulating conductors 304 are arranged in three rows, namely, the measurement insulating conductors 304-1, the measurement insulating conductors 304-2, and the measurement insulating conductors 304-3. The measurement insulating conductors 304 are composed of multiple blocks, and each block includes one measurement insulating conductor for each row of the measurement insulating conductors 304-1, the measurement insulating conductors 304-2, and the measurement insulating conductors 304-3. One current sensor 301 is arranged for each block.

図5(b)は、各ブロックにおける測定絶縁導体304と電流センサ301の配置を示す。図5(b)に示すように、電流センサ301は、測定絶縁導体304-1、測定絶縁導体304-2、及び測定絶縁導体304-3に対向して配置されている。このとき、電流センサ301と測定絶縁導体304-1、及び電流センサ301と測定絶縁導体304-3の距離はLであり、電流センサ301と測定絶縁導体304-2の距離はLである。測定絶縁導体304を流れる電流値を計測する場合、電流センサ301によって測定絶縁導体304-1、測定絶縁導体304-2、及び測定絶縁導体304-3を順次計測すると共に、電流センサ301と各測定絶縁導体304との距離(L、L)と、それによる磁界減衰量を考慮し、距離を補正して各測定絶縁導体304を流れる電流の電流値を計測する。 5B shows the arrangement of the measurement insulating conductor 304 and the current sensor 301 in each block. As shown in FIG. 5B, the current sensor 301 is arranged facing the measurement insulating conductor 304-1, the measurement insulating conductor 304-2, and the measurement insulating conductor 304-3. At this time, the distance between the current sensor 301 and the measurement insulating conductor 304-1 and the current sensor 301 and the measurement insulating conductor 304-3 is L 1 , and the distance between the current sensor 301 and the measurement insulating conductor 304-2 is L 2. When measuring the value of the current flowing through the measurement insulating conductor 304, the measurement insulating conductor 304-1, the measurement insulating conductor 304-2, and the measurement insulating conductor 304-3 are measured sequentially by the current sensor 301, and the current value of the current flowing through each measurement insulating conductor 304 is measured by correcting the distance in consideration of the distance (L 1 , L 2 ) between the current sensor 301 and each measurement insulating conductor 304 and the magnetic field attenuation due to the distance.

本発明のセルバランス装置は、複数の二次電池のセルと1つ以上の電流センサを含む。本発明のセルバランス装置は、図1及び図2に示すように各セルのそれぞれに対し電流センサを配置した構成に限られず、例えば、図5に示すように複数の二次電池のセルに対し1つの電流センサを配置した構成であってもよい。 The cell balancing device of the present invention includes multiple secondary battery cells and one or more current sensors. The cell balancing device of the present invention is not limited to a configuration in which a current sensor is arranged for each cell as shown in Figures 1 and 2, but may be configured, for example, in which one current sensor is arranged for multiple secondary battery cells as shown in Figure 5.

本発明のセルバランス装置は、電池モジュールと電流センサとを非接触の状態でセル電圧を計測することができる。したがって、電池モジュールと電流センサを配線で繋ぐ必要がなく、装置内の配線量を大幅に低減することが可能である。また、セル電圧計測とセルバランス放電を切替スイッチによって切替える簡潔な回路構成とすることにより、装置内の配線量を一層低減することが可能である。さらに、セル電圧計測電流及び計測モジュールは時間分割で切り替えて制御することにより、消費電力を抑えることも可能である。本発明のセルバランス装置によれば、配線量を低減し、装置の重量を低減することができ、製造コストを低減することができる。また、配線量が少ないことからセル交換を効率的に行うことができ、配線量が少ないことから断線が少なく、絶縁不良、漏電等を防ぐこともできる。 The cell balance device of the present invention can measure cell voltage without contacting the battery module and the current sensor. Therefore, there is no need to connect the battery module and the current sensor with wires, and it is possible to significantly reduce the amount of wiring inside the device. In addition, by using a simple circuit configuration in which cell voltage measurement and cell balance discharge are switched by a changeover switch, it is possible to further reduce the amount of wiring inside the device. Furthermore, it is possible to reduce power consumption by switching and controlling the cell voltage measurement current and the measurement module in a time-division manner. According to the cell balance device of the present invention, it is possible to reduce the amount of wiring, reduce the weight of the device, and reduce manufacturing costs. In addition, since the amount of wiring is small, cell replacement can be performed efficiently, and since the amount of wiring is small, there is less disconnection and it is possible to prevent poor insulation and leakage.

1、11・・・セルバランス装置
2、12、22、32・・・電池モジュール(電池パック)
3、13・・・セル電圧計測部
14・・・制御部
15・・・セル制御ユニット
17・・・外部ユニット
21、31・・・計測モジュール
25・・・電池パック筐体
26・・・測定モジュール筐体
101、201、301・・・電流センサ
103、203・・・回路切替スイッチ
104、204、304・・・測定絶縁導体
205・・・温度センサ
211・・・計装アンプ
212・・・A/Dコンバータ
213・・・データ処理ユニット
214・・・電源コントローラ
~C・・・二次電池のセル
SW~SW・・・回路切替装置
CM~CM・・・電流管理モジュール
1, 11: Cell balance device 2, 12, 22, 32: Battery module (battery pack)
3, 13: Cell voltage measurement section 14: Control section 15: Cell control unit 17: External unit 21, 31: Measurement module 25: Battery pack housing 26: Measurement module housing 101, 201, 301: Current sensor 103, 203: Circuit changeover switch 104, 204, 304: Measurement insulated conductor 205: Temperature sensor 211: Instrumentation amplifier 212: A/D converter 213: Data processing unit 214: Power supply controller C 1 to C n : Cells of secondary battery SW 1 to SW n : Circuit changeover device CM 1 to CM n : Current management module

Claims (7)

複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、
前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、
前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、
前記電圧計測部は、前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、
前記電池モジュールと前記セル電圧計測部の前記電流センサは非接触である、セルバランス装置。
A battery module including a battery pack formed by connecting a plurality of secondary batteries;
a cell voltage measurement unit that measures a voltage of each cell of the plurality of secondary batteries;
a control unit that outputs a command signal for adjusting the voltage of each of the cells based on the voltage value of each of the cells measured by the cell voltage measurement unit;
the voltage measurement unit includes one or more current sensors configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through each of the cells;
The cell balancing device, wherein the battery module and the current sensor of the cell voltage measuring unit are in a non-contact state.
前記電池モジュールが、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池を含む、請求項1に記載のセルバランス装置。 The cell balance device according to claim 1, wherein the battery module includes a battery pack formed by connecting multiple secondary batteries in series. 前記電池モジュールが、前記複数の二次電池の各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路をさらに含む、請求項1又は2に記載のセルバランス装置。 The cell balance device according to claim 1 or 2, wherein the battery module further includes a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit arranged in parallel with each cell of the plurality of secondary batteries. 前記電池モジュールが回路切替スイッチを含み、前記電池モジュールの前記各セルが、前記回路切替スイッチにより、前記セル電圧計測回路と接続、前記セルバランス放電回路と接続、又は前記セル電圧計測回路及び前記セルバランス放電回路の両方と非接続のいずれかに切替えられる、請求項3に記載のセルバランス装置。 The cell balancing device according to claim 3, wherein the battery module includes a circuit changeover switch, and each cell of the battery module is switched by the circuit changeover switch to be connected to the cell voltage measurement circuit, connected to the cell balance discharge circuit, or disconnected from both the cell voltage measurement circuit and the cell balance discharge circuit. 前記各セルを流れる電流によって発生する磁界が、前記セル電圧計測回路を流れるセル電圧計測電流、又は前記セルバランス放電回路を流れるセルバランス放電電流によって発生する磁界である、請求項3又は4に記載のセルバランス装置。 The cell balance device according to claim 3 or 4, wherein the magnetic field generated by the current flowing through each cell is a magnetic field generated by a cell voltage measurement current flowing through the cell voltage measurement circuit or a cell balance discharge current flowing through the cell balance discharge circuit. 複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、前記電圧計測部が前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、前記電池モジュール前記電流センサ非接触であるセルバランス装置を用いたセルバランス方法であって、
前記セル電圧計測部、前記電流センサによって前記各セルを流れる電流を計測し、それにより前記各セルの電圧を計測し、
前記制御部、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて前記各セルの充電状態を判定し、判定に基づいて前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力するセルバランス方法。
A cell balancing method using a cell balancing device including: a battery module including an assembled battery formed by connecting a plurality of secondary batteries; a cell voltage measurement unit that measures a voltage of each cell of the plurality of secondary batteries; and a control unit that outputs a command signal for adjusting a voltage of each cell based on a voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, wherein the voltage measurement unit includes one or more current sensors configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through each cell, and the battery module and the current sensors are in non-contact ,
the cell voltage measurement unit measures a current flowing through each of the cells using the current sensor, thereby measuring a voltage of each of the cells;
A cell balancing method in which the control unit determines a state of charge of each of the cells based on the voltage value of each of the cells measured by the cell voltage measurement unit, and outputs a command signal to adjust the voltage of each of the cells based on the determination.
複数の二次電池を接続してなる組電池を含む電池モジュールと、前記複数の二次電池の各セルの電圧を計測するセル電圧計測部と、前記セル電圧計測部において計測された前記各セルの電圧値に基づいて、前記各セルの電圧を調整するための指令信号を出力する制御部とを含み、前記電圧計測部が前記各セルを流れる電流によって発生する磁界を検出するように構成された1つ以上の電流センサを含み、前記電池モジュールと前記電流センサが非接触であり、前記電池モジュールが、前記複数の二次電池の各セルに並列して配置されたセル電圧計測回路及びセルバランス放電回路を含むセルバランス装置を用いたセルバランス方法であって、
前記電流センサが、前記セル電圧計測回路を流れるセル電圧計測電流によって発生する磁界から、前記セル電圧計測電流を計測し、それにより前記各セルの電圧を計測し、
前記制御部が、計測された前記各セルの電圧値に基づいて前記各セルの充電状態を判定し、
セルの電圧が予め設定した上限電圧を超える場合に前記セルバランス放電回路が、前記制御部からの指令信号に基づき前記上限電圧を超えたセルを放電し、
前記上限電圧を超えたセルの電圧を予め設定した電圧範囲内になるように調整するために、前記セルの放電とともに、前記電流センサ、前記セルバランス放電回路を流れる前記セルバランス放電電流を計測し、それにより前記セルの電圧を計測するセルバランス方法
a cell balancing method using a cell balancing device including: a battery module including an assembled battery formed by connecting a plurality of secondary batteries; a cell voltage measurement unit that measures a voltage of each cell of the plurality of secondary batteries; and a control unit that outputs a command signal for adjusting a voltage of each cell based on a voltage value of each cell measured by the cell voltage measurement unit, the voltage measurement unit including one or more current sensors configured to detect a magnetic field generated by a current flowing through each cell, the battery module and the current sensors being non-contact with each other, the battery module including a cell voltage measurement circuit and a cell balance discharge circuit arranged in parallel to each cell of the plurality of secondary batteries,
the current sensor measures the cell voltage measurement current from a magnetic field generated by the cell voltage measurement current flowing through the cell voltage measurement circuit, thereby measuring the voltage of each of the cells;
The control unit determines a state of charge of each of the cells based on the measured voltage value of each of the cells,
When the voltage of a cell exceeds a preset upper limit voltage, the cell balance discharge circuit discharges the cell whose voltage has exceeded the upper limit voltage based on a command signal from the control unit ,
A cell balancing method in which, in order to adjust the voltage of a cell that has exceeded the upper limit voltage to be within a preset voltage range, the current sensor measures the cell balancing discharge current flowing through the cell balancing discharge circuit while discharging the cell, thereby measuring the voltage of the cell.
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