JP5375927B2 - 電池均等化装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、並列接続された電池スタックからなる車両用組電池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、複数の電池セルを複数直列接続して構成される電池スタックがさらに複数並列に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電圧が得られ、電池スタックの並列接続により必要な電流容量が得られる。

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、電池スタ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、各セルの電圧または容量の均等化を行うセル均等化制御が必要となる。

セル均等化制御は従来、車両のイグニッションスイッチがオフの時に行われていた。これは、バッテリの電圧が安定した状態で行わないとセル均等化制御が難しいため、その電圧が安定するイグニッションオフ時が望ましかったためである。

しかし、これでは、セル均等化制御が車両の走行中には行えず、制御時間が多くかかってしまうという第１の問題点を有していた。
一方、電池スタック内の電池セル間だけでなく、電池スタック間でも電池スタック単位で見た劣化度に差がありそれによって電池スタック単位でみた内部抵抗に差がでてくる。この結果、電池スタック間で電流の環流が発生する。環流が発生すると特定の電池スタックに過電流が流れて、電池スタックの破壊や劣化の進行を生じるおそれがあった。このため、環流を防止する制御が必要となる。

電池スタック間の環流を防止するために従来は、各電池スタックにおいて、過電流が流れたときにそれを遮断して、その電池スタックを切り離すためのヒューズが使用されていた。そして、このヒューズが何系統か切れると、車両の運転席に警告がでるように構成されていた。

しかし、ヒューズによって電池スタックが切り離されると、切り離された電池スタックがまだ使用可能であるにもかかわらず使用できなくなってしまうため、車両の走行性能に影響がでてしまい、バッテリの使用効率が低下してしまうという第２の問題点を有していた。

本発明は、並列接続された電池スタックからなる組電池において、電池スタック内のセル均等化制御と電池スタック間の電流バランスの制御を効率良く実施可能とすることを目的とする。

複数の電池セルを複数直列接続して構成される電池スタックを複数並列に接続して構成される組電池における電池均等化装置として構成され、態様の一例では、電池スタックごとに、その電池スタックを構成する電池セルの内部抵抗を算出することにより、その内部抵抗の最大値および最小値の差が閾値以上である電池スタックを電源供給系統から切り離す電池スタック切離し部と、その切り離された電池スタックに対して、その電池スタックを構成する電池セルの均等化制御を実行するセルバランス制御部とを備える。

態様の他の一例では、各電池スタックを流れる電流を測定する電流測定部と、各電池スタックを流れる電流の測定結果に応じて、各電池スタックを流れる電流が等しくなるように、各電池スタックの出力端子に直列に接続される抵抗の抵抗値を制御する電池スタック抵抗制御部とを備える。

本発明によれば、車両の走行中であっても、電池スタック１０１を選択して電源供給系統から切り離しながらセル均等化制御を実施することが可能となる。
また本発明によれば、電池スタック１０１を遮断することなく、電池スタック１０１間の電流の環流を防止することが可能となる。

本実施形態によるバッテリシステムの構成図である。 スタックバランス部と電流測定部と電池スタックの構成図である。 本実施形態のセル均等化制御を示すフローチャートである。

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、本実施形態によるバッテリシステムの構成図である。
図１において、バッテリシステム１００は、複数の電池セル１１２を複数（例えば数十から数百個）直列に接続して構成される電池スタック１０１を複数（図１の例では＃１から＃７の７個）並列に接続して構成される車両用組電池である。

ここで本実施形態では、複数並列に接続される電池スタック１１２は、車両に必要な電力容量に必要な並列数よりも冗長な並列数を備える、
各電池スタック１０１（＃１から＃７）には、バッテリモニタ・セルバランス部１０２（＃１から＃７）が接続される。バッテリモニタ・セルバランス部１０２は、各電池スタック１０１内の各電池セル１１２の両端の電圧を測定し、各電圧値を制御線１０９を介してバッテリＥＣＵ１０５に通知する電圧測定部（ブロック１０２内の「■」の部分）を備える。また、バッテリモニタ・セルバランス部１０２は、制御線１０９を介したバッテリＥＣＵ１０５からの制御に基づいて、各電池スタック１０１内で選択された電池セル１１２の対について、セル均等化制御を実施するセルバランス部を備える。

各電池スタック１０１のマイナス極側は、マイナス側電力線１０７−からシステムメインリレー（以下「ＳＭＲ」と呼ぶ）１０６を介してマイナス電極端子ＥＢ−に共通に接続される。

各電池スタック１０１のプラス極側にはそれぞれ、電流測定部１０３の一端が接続される。各電流測定部１０３（＃１から＃７）は、各電池スタック１０１を流れる電流の値を測定し、各電流値を各バッテリモニタ・セルバランス部１０２（＃１から＃７）からを介してバッテリＥＣＵ１０５に通知する。

各電流測定部１０３の他端は、スタックバランス部１０４に接続される。スタックバランス部１０４は、制御線１０８を介したバッテリＥＣＵ１０５からの指示に基づいて、いずれか１つ以上の電池スタック１０１を、プラス側電力線１０７＋から切り離し機能を備える。また、スタックバランス部１０４は、各電池スタック１０１のプラス極側に直列に接続される抵抗の抵抗値を制御する機能を備える。

スタックバランス部１０４の他端は、プラス側電力線１０７＋およびＳＭＲ１０６を介してプラス電極端子ＥＢ＋に接続される。
バッテリＥＣＵ１０５は、制御線１０８および１０９を介してスタックバランス部１０４、バッテリモニタ・セルバランス部１０２、および電流測定部１０３を制御する。また、バッテリＥＣＵ１０５は、制御線１１１を介してプラス側電力線１０７＋およびマイナス側電力線１０７−間の電圧値および電流値を測定等する。さらに、バッテリＥＣＵ１０５は、制御線１１０を介してＳＭＲ１０６を制御し、バッテリシステム１００を、プラス電極端子ＥＢ＋およびマイナス電極端子ＥＢ−に接続しまたは切り離す制御を行う。バッテリＥＣＵ１０５は、インタフェース端子ＣＡを介して、上位の制御システムと接続される。

図２は、図１のバッテリシステム１００におけるスタックバランス部１０４と電流測定部１０３と電池スタック１０１のさらに詳細な構成図である。
電池スタック１０１（＃１、＃２等）は、図１の電池セル１１２が複数接続された構成を有するが、この場合に、電池セル１１２をいくつかのグループでまとめた電池ブロック２０１（＃１−１と＃１−２、または＃２−１と＃２−２等）として構成されてもよい。図２の例では、１つの電池スタック１０１は、２つの電池ブロックから構成されている。そして、各電池ブロック２０１内で、電池セルが直列に接続されている。また、２番目以降の電池ブロック２０１（＃１−２、＃２−２等）は、スイッチ２０２（＃１−２、＃２−２等）によって他の電池ブロック２０１から切り離されて、各電池ブロック２０１ごとにセル均等化制御が実施されるように構成されてもよい。さらに、電池ブロック２０１間でセル均等化制御が実施されるように構成されてもよい。

図２において、バッテリＥＣＵ１０５は、電池スタック１０１ごとに、図１のバッテリモニタ・セルバランス部１０２からの各電池スタック１０１内の各電池セル１１２の電圧や温度の各測定値を入力する。また、バッテリＥＣＵ１０５は、電流測定部１０３からの各電池スタック１０１を流れる電流の各測定値を入力する。そして、バッテリＥＣＵ１０５は、これらの各測定値に基づいて、各電池スタック１０１を構成する各電池セル１１２（図１）の内部抵抗を算出する。この結果、バッテリＥＣＵ１０５は、内部抵抗の最大値および最小値の差が閾値以上である１つ以上の電池スタック１０１を、制御線１０８からスタックバランス部１０４内の電池スタック切離し部２０３を制御して、電源供給系統（プラス側電力線１０７＋）から切り離す。そして、バッテリＥＣＵ１０５は、切り離された電池スタック１０１に接続されるバッテリモニタ・セルバランス部１０２（図１）を制御して、その電池スタック１０１を構成する電池セルの均等化制御を実行する。

このようにして、本実施形態ではまず、電池スタック１１２の並列数が、車両に必要な電力容量に必要な並列数よりも冗長な並列数とされる。そして、バッテリＥＣＵ１０５が、セル均等化制御が必要と判断した１つ以上の電池スタック１０１を電源供給系統から切り離した上で、その電池スタック１０１に対してセル均等化制御を実施する。これにより、車両の走行中であっても、１つ以上の冗長な電池スタック１０１を選択して電源供給系統から切り離しながら、セル均等化制御を実施することが可能となる。

次に、図２において、電流測定部１０３（＃１、＃２等）は、各電池スタック１０１（＃１、＃２等）を流れる電流を測定する。より具体的には、電流測定部１０３は、抵抗ｒと、抵抗ｒの両端の電圧を測定する差動アンプ２０５と、差動アンプ２０５が出力するアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換するＡ／Ｄ変換器２０６を備える。Ａ／Ｄ変換器２０６から出力されるデジタル電圧値は、図１のバッテリモニタ・セルバランス部１０２および制御線１０９を介して、バッテリＥＣＵ１０５に通知される。バッテリＥＣＵ１０５は、各電流測定部１０３から通知されるデジタル電圧値を抵抗ｒで除算することにより、各電池スタック１０１を流れる電流を算出する。図１のスタックバランス部１０４を構成する図２のスタックバランス部１０４（＃１、＃２等）は、電池スタック抵抗制御部として機能し、各電流測定部１０３による各電池スタック１０１を流れる電流の測定結果に応じて、次の制御を実施する。すなわち、各電池スタック１０１（＃１、＃２等）を流れる電流が等しくなるように、各電池スタック１０１の出力端子に直列に接続される抵抗の抵抗値を制御する。より具体的には、スタックバランス部１０４（＃１、＃２等）は、抵抗値が異なる複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３等を備える。また、各電池スタック１０１を流れる電流の測定結果に応じて、各電池スタック１０１を流れる電流が等しくなるように、複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３から１つを選択的に各電池スタックの出力端子に直列に接続させる抵抗スイッチ部２０４（＃１、＃２等）を備える。抵抗スイッチ部２０４（＃１、＃２等）は、バッテリＥＣＵ１０５によって、制御線１０８（＃１、＃２等）を介して制御される。

このようにして、本実施形態では、電池スタック抵抗制御部として機能するスタックバランス部１０４（＃１、＃２等）により、各電池スタック１０１を流れる電流が等しくなるように制御される。この結果、各電池スタック１０１のヒューズを用いなくとも、過電流が発生しないようにして、電池スタック１０１間の電流の環流を防止することが可能となる。

図３は、バッテリＥＣＵ１０５によって実行される本実施形態のセル均等か制御を示すフローチャートである。このフローチャートの制御動作は、バッテリＥＣＵ１０５内の特には図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）が、同じく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。

このフローチャートは、一定時間ごとに実行される。
まず、バッテリＥＣＵ１０５は、セル均等化制御を実施中の電池スタック１０１があるか否かを判定し、なくなるまで待機状態となる（ステップＳ３０１）。

次に、バッテリＥＣＵ１０５は、セル均等化制御を実施中の電池スタック１０１がないまたはなくなった場合、一つの電池スタック１０１を選択する（ステップＳ３０２）。
バッテリＥＣＵ１０５は、選択した電池スタック１０１に接続されている図１のバッテリモニタ・セルバランス部１０２から制御線１０９を介して、その電池スタック１０１内の各電池セル１１２の電圧、電流、温度を読み取る（ステップＳ３０３）。

次に、バッテリＥＣＵ１０５は、ステップ３０１で読み取られた電圧、電流、温度の値から、各電池セル１１２の内部抵抗を計算する（ステップＳ３０４）。ここでは、選択した電池スタック１０１について、それを構成する各電池セル１１２の劣化状態を、内部抵抗値によって評価することになる。

次に、バッテリＥＣＵ１０５は、ステップ３０２で計算した内部抵抗の最大・最小の差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。
バッテリＥＣＵ１０５は、内部抵抗差が閾値よりも小さいと判定した場合には、現在選択している電池スタック１０１については、セル均等化制御は実行する必要はないと判定し、ステップＳ３０８に移行する。

バッテリＥＣＵ１０５は、内部抵抗差が閾値以上であると判定した場合には、現在選択している電池スタック１０１に対応する図２のスタックバランス部１０４内の制御線１０８からスタックバランス部１０４内の電池スタック切離し部２０３を制御する。そして、現在選択している電池スタック１０１を、電源供給系統（プラス側電力線１０７＋）から切り離す。

続いて、バッテリＥＣＵ１０５は、切り離した電池スタック１０１に接続されるバッテリモニタ・セルバランス部１０２（図１）を制御して、その電池スタック１０１を構成する電池セルの均等化制御を実行する（ステップＳ３０７）。

ステップＳ３０７の処理が終了したとき、およびステップＳ３０５の判定がＮＯのときに、バッテリＥＣＵ１０５は、全ての電池スタック１０１について処理したか否かを判定する（ステップＳ３０８）。

他に処理すべき電池スタック１０１が存在すれば、ステップＳ３０２に戻って一つの電池スタック１０１を選択し、上記と同様の処理を繰り返す。
他に処理すべき電池スタック１０１が存在しなければ、今回のタイミングでのセル均等化制御の処理を終了する。

以上のようにして、車両の走行中であっても、１つ以上の冗長な電池スタック１０１を自動的に選択して電源供給系統から切り離しながらセル均等化制御を実施することが可能となる。

１００ バッテリシステム
１０１ 電池スタック
１０２ バッテリモニタ・セルバランス部
１０３ 電流測定部
１０４ スタックバランス部
１０５ バッテリＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０６ システムメインリレー（ＳＭＲ）
１０７＋ プラス側電力線
１０７− マイナス側電力線
１０８、１０９、１１０、１１１ 制御線
１１２ 電池セル
２０１ 電池ブロック
２０２ スイッチ
２０３ 電池スタック切離し部
２０４ 抵抗スイッチ部
２０５ 差動アンプ
２０６ Ａ／Ｄ変換器

Claims (8)

1. 複数の電池セルを複数直列接続して構成される電池スタックを複数並列に接続して構成される車両用組電池における電池均等化装置であって、
   前記電池スタックごとに、該電池スタックを構成する前記電池セルの内部抵抗を算出することにより、該内部抵抗の最大値および最小値の差が閾値以上である電池スタックを電源供給系統から切り離す電池スタック切離し部と、
   該切り離された電池スタックに対して、該電池スタックを構成する前記電池セルの均等化制御を実行するセルバランス制御部と、
   を備え、
   前記複数並列に接続される電池スタックは、車両に必要な電力容量に必要な並列数よりも冗長な並列数を備える、
   ことを特徴とする電池均等化装置。
2. 前記電池スタックごとに、該電池スタックを構成する前記電池セルの電圧、電流、および温度を測定することにより、該電池セルの内部抵抗を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池均等化装置。
3. 前記各電池スタックを流れる電流を測定する電流測定部と、
   前記各電池スタックを流れる電流の測定結果に応じて、前記各電池スタックを流れる電流が等しくなるように、前記各電池スタックの出力端子に直列に接続される抵抗の抵抗値を制御する電池スタック抵抗制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電池均等化装置。
4. 前記電池スタック抵抗制御部は、
   抵抗値が異なる複数の抵抗と、
   前記各電池スタックを流れる電流の測定結果に応じて、前記各電池スタックを流れる電流が等しくなるように、前記複数の抵抗から１つを選択的に前記各電池スタックの出力端子に直列に接続させる抵抗スイッチ部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の電池均等化装置。
5. 複数の電池セルを複数直列接続して構成される電池スタックを複数並列に接続して構成される車両用組電池における電池均等化方法であって、
   前記電池スタックごとに、該電池スタックを構成する前記電池セルの内部抵抗を算出することにより、該内部抵抗の最大値および最小値の差が閾値以上である電池スタックを電源供給系統から切り離し、
   該切り離された電池スタックに対して、該電池スタックを構成する前記電池セルの均等化制御を実行し、
   前記複数並列に接続される電池スタックは、車両に必要な電力容量に必要な並列数よりも冗長な並列数を備える、
   ことを特徴とする電池均等化方法。
6. 前記電池スタックごとに、該電池スタックを構成する前記電池セルの電圧、電流、および温度を測定することにより、該電池セルの内部抵抗を算出する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電池均等化方法。
7. 前記各電池スタックを流れる電流を測定し、
   前記各電池スタックを流れる電流の測定結果に応じて、前記各電池スタックを流れる電流が等しくなるように、前記各電池スタックの出力端子に直列に接続される抵抗の抵抗値を制御する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電池均等化方法。
8. 前記各電池スタックを流れる電流の測定結果に応じて、前記各電池スタックを流れる電流が等しくなるように、抵抗値が異なる複数の抵抗から１つを選択的に前記各電池スタックの出力端子に直列に接続させる、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電池均等化方法。