JP6478293B2 - Battery management unit and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電池セルを直列接続し電圧を高めてエネルギー源として使用する電池システムにおいて、個々の電池セルの電圧を検知し、その状態に応じて充電および放電時の印加する電圧および電流を制御し、電池システムの安全性と長寿命化を図る電池管理ユニットに関する。 In a battery system in which battery cells are connected in series to increase the voltage and used as an energy source, the present invention detects the voltage of each battery cell and controls the voltage and current applied during charging and discharging according to the state of the battery cell The present invention also relates to a battery management unit for improving the safety and long life of the battery system.
近年、太陽光発電パネル（太陽電池パネル、ＰＶとも呼ばれる）、ＥＶ（電気駆動自動車）、蓄電装置等の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用するものや、種々の情報端末等の小型の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用する持ち運び可能な機器の普及が急速に進んでいる。 In recent years, electrical energy is temporarily stored using a battery such as a solar power generation panel (also called a solar cell panel or PV), an EV (electrically driven vehicle), or a power storage device, and the stored electrical energy is used. The spread of portable equipment that temporarily stores electrical energy using small batteries such as various information terminals and uses the stored electrical energy is rapidly progressing.
しかし、電池の出力電圧はニッケル水素で１．２Ｖ、鉛電池で２Ｖ、リチウムイオン電池で４Ｖ弱と単電池で使用するには電圧が余りにも低く、そのためこれら電池セルを直列に接続して組電池として構成し、少なくとも１２Ｖ、高いもので３６０Ｖ程度の高電圧にして高電力化を図る機器が多い。 However, the battery output voltage is 1.2V for nickel-metal hydride, 2V for lead-acid batteries, and less than 4V for lithium-ion batteries, which is too low for use with a single battery. Therefore, these battery cells are connected in series. There are many devices that are configured as a battery and are designed to increase power by setting a high voltage of at least 12V and a high voltage of about 360V.
このような組電池の充放電時では、充電時、放電時ともに流れる電流はいずれの電池セルでも等しく、その電流に応じた個々の電池セルの電圧は通常は異なった値をとる。したがって、組電池全体の電池電圧を観察しても個々の電池セルの電圧は異なり、ある電池セルは電池セルとしての許容値を超えている場合もある。許容値を超えた電池セルは膨潤・発熱・発煙・爆発等の電池システムの災害（ハザードと呼ばれる）を惹起する事態となる。また、負荷に接続された状態では、ある電池セルの電圧が異常に低下しても他の電池電圧でカバーし負荷への電力の供給を強制する場合もある。このような場合は、該当電池セルは、過放電状態となり、電極破壊に繋がるおそれがあり、次の充電時には該当電池セルは、他の電池セルに先んじて過充電を惹起し、種々の電池システムのハザードとなる。 At the time of charging / discharging such an assembled battery, the current that flows during both charging and discharging is the same in any battery cell, and the voltages of the individual battery cells corresponding to the current usually take different values. Therefore, even if the battery voltage of the whole assembled battery is observed, the voltage of each battery cell is different, and a certain battery cell may exceed the allowable value as a battery cell. Battery cells that exceed the permissible value may cause battery system disasters (called hazards) such as swelling, heat generation, smoke generation, and explosion. Moreover, in the state connected to load, even if the voltage of a certain battery cell falls abnormally, it may be covered with another battery voltage and the supply of power to the load may be forced. In such a case, the corresponding battery cell may be in an overdischarged state and may lead to electrode destruction. At the next charging time, the corresponding battery cell causes overcharge prior to other battery cells, and various battery systems. It becomes a hazard.
前記のような種々の電池システムのハザードを防止するためには、電池システムの構成素子である個々の電池セル（単電池）の電圧を常に監視し、電圧の個々のデータと当該データに基づく適正な制御が電池システムの長寿命化および安全性の確保に不可欠となる。そのため、電池システムの個々の電池セル（単電池）の電圧を監視し、電池システムに対して所定の制御を行う装置として、従来から電池管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）が用いられる。電池管理システムは、電池システムが有する個々の電池セルの電圧や温度を測定し、電池システムを監視・制御（保護）を行うユニットとして、電池管理ユニット（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）を有している。 In order to prevent the hazards of various battery systems as described above, the voltage of each battery cell (single cell) that is a constituent element of the battery system is constantly monitored, and the individual data of the voltage and the appropriateness based on the data are determined. Such control is indispensable for extending the life of the battery system and ensuring safety. Therefore, a battery management system (BMS: Battery management system) is conventionally used as a device that monitors the voltage of each battery cell (single cell) of the battery system and performs predetermined control on the battery system. The battery management system has a battery management unit (BMU) as a unit that measures the voltage and temperature of each battery cell included in the battery system and monitors and controls (protects) the battery system. .
電池管理システムによる電池システムの個々の電池セルの電圧を計測する方法としては過去種々の方法がなされている（例えば、特許文献１参照）。 Various methods for measuring the voltage of individual battery cells of a battery system by a battery management system have been made in the past (see, for example, Patent Document 1).
例えば、図６に抵抗分割方式による電池セル電圧を計測するための一般的な基本回路を示しているが、この基本回路による電圧計測方法には必然的に計測誤差の発生が伴う。具体的には、この基本回路では、各抵抗の誤差が同じ場合、図中の上方に位置する電池セルほど誤差が大きくなる。例えば、抵抗が１％の誤差を持つものとすると、セル１が３７ｍＶ、セル７が２５９ｍＶの誤差になる。また、抵抗分割方式は、分割抵抗に因る電池セルのエネルギー損失が原理的に個々の電池セルにより異なる。従って、抵抗分割方式は、経時的に大きな充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、蓄電量とも呼ばれる）のバラつきとなる欠点が存在する。また、この基本回路に従来のＢＭＵを接続した場合、電池セルの電圧を検出するために、常に電流を流す必要があり（図７（ａ）参照）、電力を浪費することになる。また、各電池セルを流れる電流が異なるため、ＢＭＵを接続することによる電池セルの充電量（ＳＯＣ）のバラツキが生じる（図７（ｂ）参照）。 For example, FIG. 6 shows a general basic circuit for measuring a battery cell voltage by the resistance division method. However, the voltage measurement method using this basic circuit inevitably involves measurement errors. Specifically, in this basic circuit, when the error of each resistor is the same, the error is larger in the battery cell located in the upper part of the figure. For example, if the resistance has an error of 1%, the cell 1 has an error of 37 mV and the cell 7 has an error of 259 mV. Further, in the resistance division method, the energy loss of the battery cell due to the division resistance varies in principle depending on the individual battery cell. Therefore, the resistance division method has a drawback that a large amount of charge (also referred to as SOC: State of Charge) is varied over time. In addition, when a conventional BMU is connected to this basic circuit, it is necessary to always pass a current in order to detect the voltage of the battery cell (see FIG. 7A), which wastes power. Moreover, since the electric current which flows through each battery cell differs, the variation in the charge amount (SOC) of a battery cell by connecting BMU arises (refer FIG.7 (b)).
また、計測のための電池セルへの負荷量を小さくするため、分割抵抗値を大きくすると、電圧計測値の精度が落ち、精度を得るために分割抵抗値を小さくすると、負荷量が大きくなり、電池セルのバラつきが増大し精度は高いが電池自身の充電量（ＳＯＣ）の自己変動を起こすことになる。そのため、電池システムが有する個々の電池セルの電圧を、相対的な誤差を抑えて精度良く計測するとともに電池セルの電圧を平衡に保つ技術が求められている。 Also, if the divided resistance value is increased in order to reduce the load amount on the battery cell for measurement, the accuracy of the voltage measurement value is reduced.If the divided resistance value is decreased in order to obtain accuracy, the load amount is increased. The variation of the battery cells increases and the accuracy is high, but the battery itself has a self-variation in the amount of charge (SOC). Therefore, there is a need for a technique for accurately measuring the voltage of each battery cell included in the battery system while suppressing relative errors and maintaining the voltage of the battery cell in equilibrium.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電池システムが有する個々の電池セルの電圧を、相対的な誤差を抑えて精度良く計測するとともに電池セルの電圧を平衡に保つことができる電池管理ユニットを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and measures the voltage of each battery cell included in the battery system with high accuracy while suppressing relative errors and keeps the voltage of the battery cell in equilibrium. It is an object of the present invention to provide a battery management unit capable of
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
即ち、請求項１の電池管理ユニットにおいては、
複数の電池セルが直列接続されて構成される電池システムの各電池セル毎の電圧を計測する電池管理ユニットであって、
１つのキャパシタと、
前記各電池セルの端子間に対応して設けられ、前記キャパシタに独立して直列接続し、当該接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路と、
前記複数の電池セルに個別に接続して、所定の電圧を印加して充電する直流電圧変換器と、を備え、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に前記第１スイッチング素子をＯＮすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測し、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値を算出する平均値算出部を有し、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、前記直流電圧変換器に接続して充電を行い、
前記複数の電池セルに個別に接続して放電する放電用負荷をさらに備え、
前記制御回路は、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、前記放電用負荷に接続して放電を行い、
前記制御回路は、
前記電池セルの電圧を一定周期で走査し、ＡＤ変換し、前記各電池セル毎の電圧値を前記制御回路の指定のメモリーに記憶させ、
記憶させた前記各電池セルの電圧値の平均値を算出し、この平均値を基準に、それよりも高い電圧を示す電池セルに関しては放電処理を行い、低いセルは充電処理をすべく前記第１スイッチング素子を駆動するものである。
That is, in the battery management unit of claim 1,
A battery management unit for measuring a voltage for each battery cell of a battery system configured by connecting a plurality of battery cells in series,
One capacitor,
A first switching element provided correspondingly between the terminals of each battery cell, connected in series independently to the capacitor, and ON / OFF the connection;
A control circuit for controlling ON / OFF of the first switching element;
A DC voltage converter that is individually connected to the plurality of battery cells and is charged by applying a predetermined voltage; and
The control circuit includes:
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. Execute the operation to acquire the terminal voltage, measure the voltage for each battery cell by sequentially performing this operation for each battery cell,
The control circuit includes:
An average value calculation unit that calculates an average value of the voltage of the battery cell using the voltage measured for each battery cell,
For the cell shown a voltage below a predetermined value a predetermined than the average value of the voltage, it has rows charging connected to the DC voltage converter,
It further comprises a discharge load for discharging by connecting to the plurality of battery cells individually,
The control circuit includes:
For battery cells that exhibit a voltage that exceeds a predetermined value that is predetermined above the average value of the voltage, discharge is performed by connecting to the discharge load,
The control circuit includes:
The voltage of the battery cell is scanned at a constant cycle, AD converted, and the voltage value for each battery cell is stored in a designated memory of the control circuit,
An average value of the stored voltage values of each battery cell is calculated, and based on this average value, a battery cell having a voltage higher than that is subjected to a discharge process, and a low cell is subjected to a charge process. One switching element is driven .
また、前記電池管理ユニットの制御方法においては、
前記各電池セル毎に前記第１スイッチング素子をＯＮすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測する電圧検知工程と、
前記各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値を算出する平均値算出工程と、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、前記直流電圧変換器に接続して充電を行う充電セルバランス工程と、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、前記放電用負荷を接続して放電を行う放電セルバランス工程と、
前記充電セルバランス工程あるいは前記放電セルバランス工程において、前記電池セルの電圧計測の周期に同期し、充電あるいは放電され、前記各電池セルの電圧を前記電圧の平均値に収斂させる工程と、を有するものである。
In the control method of the battery management unit,
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. A voltage detection step of measuring the voltage of each battery cell by performing an operation of acquiring a terminal voltage and performing this operation in order for each of the battery cells;
An average value calculating step of calculating an average value of the voltage of the battery cell using the voltage measured for each battery cell;
For battery cells that exhibit a voltage lower than a predetermined value that is predetermined in advance from the average value of the voltage, a charge cell balance step of connecting and charging the DC voltage converter;
For battery cells that exhibit a voltage that exceeds a predetermined value that is predetermined above the average value of the voltage, a discharge cell balance step that performs discharge by connecting the discharge load;
In the charge cell balance step or the discharge cell balance step, the method includes a step of converging the voltage of each battery cell to an average value of the voltage in synchronization with a voltage measurement cycle of the battery cell. Is.
本発明の電池管理ユニットによれば、電池システムが有する個々の電池セルを、相対的な誤差を抑えて精度良く計測するとともに電池セルの電圧を平衡に保つことができる。 According to the battery management unit of the present invention, each battery cell included in the battery system can be measured with high accuracy while suppressing a relative error, and the voltage of the battery cell can be kept in balance.
ひいては、電池システムの応用において最大の懸念事項である構成電池セルのバラつきによる電池システム充電能力の低下、発熱、発煙、発火等の異常現象の発生を防止することが可能となる。また構成電池セルの一つの特性不良による電池システム全体の能力低減、短寿命化などの懸念があり、これら懸念事項を防御出来るシステム構成が実現される。 As a result, it is possible to prevent the occurrence of abnormal phenomena such as a decrease in battery system charging capability, heat generation, smoke generation, and ignition due to variations in constituent battery cells, which is the greatest concern in the application of battery systems. In addition, there is a concern that the entire battery system has a reduced capacity and a short life due to one characteristic defect of the constituent battery cells, and a system configuration that can prevent these concerns is realized.
次に、本発明の第１実施形態である電池管理ユニットを有する電池管理システム（ＢＭＳ）を備えた充電装置１について図１及び図２を参照しながら説明する。充電装置１は、種々のエネルギー源Ｅにより発電された電力を充電電源２を介して電池システムの一例である二次電池１００に蓄え、当該二次電池１００から負荷２００に電力を供給するものである。充電装置１は、二次電池１００に蓄えられた電力を利用して作動する負荷２００に電気的に接続されている。エネルギー源Ｅとしては、例えば、ＰＶ、風力、地熱、系統電力等が挙げられる。負荷２００としては、例えば、モータ等の動力源、各種デバイス、電灯等の照明装置、情報等の表示装置等が挙げられる。
なお、本実施形態における電池システムとは、複数の電池セルの直列接続によってパック化、モジュール化して組電池を構成したものである。
Next, a charging device 1 including a battery management system (BMS) having a battery management unit according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The charging device 1 stores electric power generated by various energy sources E in a secondary battery 100 that is an example of a battery system via a charging power source 2 and supplies electric power from the secondary battery 100 to a load 200. is there. The charging device 1 is electrically connected to a load 200 that operates using electric power stored in the secondary battery 100. Examples of the energy source E include PV, wind power, geothermal heat, system power, and the like. Examples of the load 200 include a power source such as a motor, various devices, an illumination device such as an electric light, a display device for information, and the like.
In addition, the battery system in the present embodiment is a battery pack that is formed into a pack and modularized by a series connection of a plurality of battery cells to form an assembled battery.
ここで、本実施形態における二次電池１００とは、充放電を繰り返し行うことができる電池をいい、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄え、また逆に、蓄えた化学エネルギーを電気エネルギーに変換して使用することができる電池をいう。二次電池１００としては、例えば、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、リチウムイオン電池、鉛電池等を挙げることができる。その中でも、二次電池１００としては、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池が特に好ましい。 Here, the secondary battery 100 in the present embodiment refers to a battery that can be repeatedly charged and discharged, and converts electrical energy into chemical energy and stores it, and conversely converts the stored chemical energy into electrical energy. A battery that can be used. Examples of the secondary battery 100 include a nickel-cadmium battery, a nickel-hydrogen metal battery, a lithium ion battery, and a lead battery. Among these, as the secondary battery 100, a lithium ion battery with a high energy density is particularly preferable.
図１に示すように、充電装置１は、エネルギー源Ｅ、充電電源２と、二次電池１００を監視・制御する電池管理ユニット（以下、ＢＭＵという）３と、バランス機構４と、電流検知／保護回路５と、表示手段６とを主に備える。充電装置１は、電池システムである二次電池１００、及び負荷２００に電気的に接続される。ＢＭＵ３は、充電電源２、バランス機構４、電流検知／保護回路５、表示手段６、二次電池１００、負荷２００等に電気的に接続されている。
なお、本実施形態で説明する充電装置１、充電装置１が備えるＢＭＵ３、ＢＭＵ３に接続される二次電池１００の各構成は、本実施形態で説明する機能を実現可能な構成であれば良く、適宜変更可能であるものとする。
As shown in FIG. 1, the charging device 1 includes an energy source E, a charging power source 2, a battery management unit (hereinafter referred to as BMU) 3 that monitors and controls the secondary battery 100, a balance mechanism 4, a current detection / The protection circuit 5 and the display means 6 are mainly provided. The charging device 1 is electrically connected to a secondary battery 100 that is a battery system and a load 200. The BMU 3 is electrically connected to the charging power source 2, the balance mechanism 4, the current detection / protection circuit 5, the display means 6, the secondary battery 100, the load 200, and the like.
In addition, each structure of the secondary battery 100 connected to the charging apparatus 1 demonstrated in this embodiment, BMU3 with which the charging apparatus 1 is equipped, and BMU3 should just be a structure which can implement | achieve the function demonstrated in this embodiment, It can be changed as appropriate.
充電電源２は、二次電池１００に充電電圧を供給する電源である。充電電源２は、交流電力を直流に変換する変圧、整流回路を有しており、変換された直流電力がＢＭＵ３を介して二次電池１００に供給される。 The charging power source 2 is a power source that supplies a charging voltage to the secondary battery 100. The charging power source 2 has a transformer and a rectifier circuit that converts AC power into DC, and the converted DC power is supplied to the secondary battery 100 via the BMU 3.
ＢＭＵ３は、主に演算・指令等を実行する制御回路（プロセッサー）の一例であるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）３ａと、充電電圧等を制御する充電電圧制御部３ｂと、二次電池１００が有する各電池セルの電圧を検知するセル電圧検知回路３ｃと、を有している。ＢＭＵ３は、二次電池１００の各電池セル毎の電圧を計測する。 The BMU 3 includes a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) 3a that is an example of a control circuit (processor) that mainly executes arithmetic operations / commands, a charging voltage control unit 3b that controls charging voltage and the like, and a secondary battery 100. And a cell voltage detection circuit 3c for detecting the voltage of each battery cell. The BMU 3 measures the voltage for each battery cell of the secondary battery 100.
マイコン３ａは、充電電圧制御部３ｂ及びセル電圧検知回路３ｃに電気的に接続されている。図２に示すように、マイコン３ａは、中央演算装置であるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵ）４０と、記憶手段であるリードオンリーメモリ（以下、ＲＯＭ）４１と、ランダムアクセスメモリ（以下、ＲＡＭ）４２と、セル電圧検知回路３ｃが有するスイッチング素子（後述する第１スイッチング素子であるフォトＭＯＳリレー１０、第２スイッチング素子であるキャパシタリレー１１）のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチング制御部４３と、時間計測手段であるタイマ４４と、勘定手段であるカウンタ４５と、二次電池１００に通電されている電流値を図示しない充電電流検出手段を介して検出する電流検出部４６と、二次電池１００の各電池セルの端子間の電圧値（電池セル電圧）を監視する電池電圧監視部４７、Ａ／Ｄ変換機能を有するＡ／Ｄ変換部４８等を備えている。ＲＯＭ４１には、充電装置１内で処理される各種処理プログラム（例えば、二次電池１００が有する個々の電池セルの電圧を検知し、その状態に応じ充電および放電時の印加する電圧および電流を制御するためのプログラム等）が格納される。マイコン３ａは、前記スイッチング制御部４３を有し、スイッチング素子（後述する第１スイッチング素子であるフォトＭＯＳリレー１０、及び第２スイッチング素子であるキャパシタリレー１１）のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路である。
なお、セル電圧検知回路３ｃにおいて実行される動作の詳細については後述する。
The microcomputer 3a is electrically connected to the charging voltage control unit 3b and the cell voltage detection circuit 3c. As shown in FIG. 2, the microcomputer 3a includes a microprocessing unit (hereinafter referred to as MPU) 40 as a central processing unit, a read only memory (hereinafter referred to as ROM) 41 as storage means, and a random access memory (hereinafter referred to as RAM). 42, a switching control unit 43 that controls ON / OFF of switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element and a capacitor relay 11 that is a second switching element) included in the cell voltage detection circuit 3c, and a time A timer 44 that is a measuring unit, a counter 45 that is a counting unit, a current detection unit 46 that detects a current value energized in the secondary battery 100 via a charging current detection unit (not shown), and the secondary battery 100 Battery voltage monitoring unit 47 for monitoring the voltage value (battery cell voltage) between terminals of each battery cell, A / D And an A / D converter 48 or the like having a conversion function. In the ROM 41, various processing programs processed in the charging device 1 (for example, the voltage of each battery cell included in the secondary battery 100 is detected, and the voltage and current applied during charging and discharging are controlled according to the state. And the like are stored. The microcomputer 3a is a control circuit that has the switching control unit 43 and controls ON / OFF of switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element and a capacitor relay 11 that is a second switching element described later). is there.
Details of the operation executed in the cell voltage detection circuit 3c will be described later.
バランス機構４は、二次電池１００の各電池セル間の電圧バランスを維持する機能を有するバランス手段であり、例えば、当該機能を組み込んだＩＣチップ等で構成される。バランス機構４は、ＢＭＵ３のマイコン３ａにより動作する。バランス機構４は、複数の電池セルの電圧を比較し、必要に応じて、各電池セル毎に独立して放電または充電し、各電池セルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）レベルを平準化するものである。 The balance mechanism 4 is a balance unit having a function of maintaining a voltage balance between the battery cells of the secondary battery 100, and includes, for example, an IC chip incorporating the function. The balance mechanism 4 is operated by the microcomputer 3a of the BMU 3. The balance mechanism 4 compares the voltages of a plurality of battery cells, and discharges or charges each battery cell independently as necessary to level the SOC (State of Charge) level of each battery cell. is there.
電流検知／保護回路５は、充電電流の電流値を検知するとともに、過充電停止、過放電停止のための保護回路である。電流検知／保護回路５は、電子回路によって電圧を計測し、電圧が一定値以上となった際に充電を停止する。過放電の場合も同様、電圧が一定値以下となった場合に放電を停止する。電流検知／保護回路５は、ＢＭＵ３のマイコン３ａにより動作する。 The current detection / protection circuit 5 is a protection circuit for detecting the current value of the charging current and stopping overcharge and overdischarge. The current detection / protection circuit 5 measures the voltage with an electronic circuit, and stops charging when the voltage becomes a certain value or more. Similarly, in the case of overdischarge, the discharge is stopped when the voltage becomes a certain value or less. The current detection / protection circuit 5 is operated by the microcomputer 3a of the BMU 3.
表示手段６は、リアルタイムで二次電池１００の充電状態（ＳＯＣ等）や電池の総電圧や電池セル個々の電圧等を表示するものである。表示手段６は、例えば、所定の表示装置やＰＣ（パーソナルコンピューター）のＬＣＤ等で構成される。 The display means 6 displays the state of charge (SOC, etc.) of the secondary battery 100, the total voltage of the battery, the voltage of each battery cell, etc. in real time. The display means 6 is composed of, for example, a predetermined display device or a PC (personal computer) LCD.
二次電池１００は、複数の電池セル（電池反応の基本となる単一セル）を直列接続し電圧を高めてエネルギー源として使用する電池システムの一例である。二次電池１００は、複数（Ｎ個）の電池セルが直列接続された組電池であり、複数の電池セルを電気的に積み上げて電圧を高めたものである。二次電池１００としては、例えば、リチウムイオンバッテリーが挙げられる。 The secondary battery 100 is an example of a battery system in which a plurality of battery cells (single cells serving as a basis for battery reaction) are connected in series to increase the voltage and use it as an energy source. The secondary battery 100 is an assembled battery in which a plurality (N) of battery cells are connected in series, and the voltage is increased by electrically stacking the plurality of battery cells. Examples of the secondary battery 100 include a lithium ion battery.
［セル電圧検知回路について］
次に、ＢＭＵ３による二次電池１００の各電池セルの電圧検知方法及びデータ処理方法について説明する。
[Cell voltage detection circuit]
Next, a voltage detection method and a data processing method for each battery cell of the secondary battery 100 by the BMU 3 will be described.
セル電圧検知回路３ｃは、複数の電池セルの電圧を計測する計測回路であり、１つの高精度キャパシタであるコンデンサーＣと、コンデンサーＣに独立して直列接続し、当該接続をＯＮ／ＯＦＦする複数（Ｎ個）の第１スイッチング素子であるフォトＭＯＳリレー１０、１０・・・と、から構成される。コンデンサーＣは、複数の電池セルの二次側に設けられている。コンデンサーＣは、キャパシタリレー１１を介してマイコン３ａのＡ／Ｄ変換部４８に接続されている。 The cell voltage detection circuit 3c is a measurement circuit that measures the voltages of a plurality of battery cells. The capacitor C, which is one high-precision capacitor, and a plurality of capacitors C that are independently connected in series to the capacitor C and turn on / off the connection. The photo MOS relays 10, 10... Are (N) first switching elements. The capacitor C is provided on the secondary side of the plurality of battery cells. The capacitor C is connected to the A / D converter 48 of the microcomputer 3a via the capacitor relay 11.
フォトＭＯＳリレー１０は、光信号によってＯＮ／ＯＦＦの切り替えができる半導体リレー（半導体継電器）である。
なお、本実施形態では、第１スイッチング素子としてフォトＭＯＳ型の半導体リレーであるフォトＭＯＳリレー１０を用いているが、特に限定するものでなく、その他の方式（例えば、機械式）のスイッチング素子を用いてもよい。
The photo MOS relay 10 is a semiconductor relay (semiconductor relay) that can be switched ON / OFF by an optical signal.
In the present embodiment, the photo MOS relay 10 which is a photo MOS semiconductor relay is used as the first switching element, but there is no particular limitation, and other types of switching elements (for example, mechanical type) are used. It may be used.
図３に示すように、電池システムである二次電池１００は、複数の電池セル（同じ仕様のものであるが、図３等では便宜上セル１〜Ｎとして示す）が直列接続して構成されている。複数の電池セル１〜Ｎには、電池セル１〜Ｎの各々に対応して複数のフォトＭＯＳリレー１０、１０・・・が設けられている。フォトＭＯＳリレー１０は、原則的に計測対象である個々の電池セル１〜Ｎの正極、負極それぞれに装着し、マイコン３ａの指示に従い、フォトＭＯＳリレー１０が有する一対のスイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで導通／非導通する機能を持ち、対で動作するものである。 As shown in FIG. 3, the secondary battery 100 as a battery system is configured by connecting a plurality of battery cells (of the same specification, but shown as cells 1 to N for convenience in FIG. 3 and the like) in series. Yes. The plurality of battery cells 1 to N are provided with a plurality of photo MOS relays 10, 10... Corresponding to each of the battery cells 1 to N. The photo MOS relay 10 is mounted on each of the positive and negative electrodes of the individual battery cells 1 to N to be measured in principle, and a pair of switches of the photo MOS relay 10 are turned on / off according to instructions from the microcomputer 3a. It has a function of conducting / non-conducting at the same time and operates in pairs.
次に、電池セルの電圧検知方法（本実施形態では、フローティング・キャパシタ方式ともいう）について図３を用いてより具体的に説明する。 Next, a battery cell voltage detection method (also referred to as a floating capacitor method in this embodiment) will be described more specifically with reference to FIG.
［第１プロセス：コンデンサー充電工程］
先ず、マイコン３ａからの指示信号により、複数のフォトＭＯＳリレー１０、１０・・・のうちのひとつの電池セル（例えば、図３では符号１の電池セルである「セル１」とする）に付帯するフォトＭＯＳリレー１０の一対のスイッチがＯＮされ、符号１の電池セルとコンデンサーＣとが導通状態となる。これにより、電圧検知用のコンデンサーＣがチャージ（充電）され、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣは時間とともに変化し、次式（１）の関係が成り立つ。コンデンサーＣは飽和するまでの時間を経て（この時間経過はコンデンサーＣの容量（Ｃ）とフォトＭＯＳリレー１０の内部抵抗（ｒ０）とバッファー抵抗（Ｒ）との和によって決まる時定数（Ｔ０）よりも十分大きな時間経過）、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣはＶ１で表される符号１の電池セルの電圧となる。次に、電池セル電圧演算工程に進む。
[First process: Capacitor charging process]
First, according to an instruction signal from the microcomputer 3a, one battery cell of the plurality of photo MOS relays 10, 10,... The pair of switches of the photo MOS relay 10 to be turned on is turned on, and the battery cell 1 and the capacitor C are brought into conduction. Thereby, the capacitor C for voltage detection is charged (charged), the terminal voltage V C of the capacitor C changes with time, and the relationship of the following expression (1) is established. Capacitor C passes through a time until saturation (this time elapses from a time constant (T0) determined by the sum of the capacitance (C) of capacitor C, the internal resistance (r0) of photo MOS relay 10 and buffer resistance (R)). The terminal voltage V C of the capacitor C becomes the voltage of the battery cell of reference 1 represented by V 1 . Next, it progresses to a battery cell voltage calculation process.
［第２プロセス：電池セル電圧演算工程］
続いて、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣが符号１の電池セルの電圧Ｖ１になった時点でフォトＭＯＳリレー１０をＯＦＦ（非導通状態）した後、キャパシタリレー１１の一対のスイッチをＯＮ状態にしてコンデンサーＣをマイコン３ａのＡ／Ｄ変換部４８に接続する。マイコン３ａの内部では該コンデンサーＣの端子電圧ＶＣ（符号１の電池セルの電圧Ｖ１）をＡ／Ｄ変換（ディジタル演算）し、符号１の電池セルの電圧Ｖ１として指定のメモリー（例えば、ＲＡＭ４２）に格納する。
[Second Process: Battery Cell Voltage Calculation Step]
Subsequently, after the photo-MOS relay 10 to OFF (non-conducting state) when the terminal voltage V C of the capacitor C becomes a voltage V 1 of the battery cell of the code 1, and a pair of switch capacitors relay 11 in the ON state Then, the capacitor C is connected to the A / D converter 48 of the microcomputer 3a. Inside the microcomputer 3a, the terminal voltage V C of the capacitor C (the voltage V 1 of the battery cell with reference numeral 1 ) is A / D converted (digital calculation), and the memory cell designated as the voltage V 1 of the battery cell with the reference numeral 1 (for example, , RAM 42).
該演算完了後、上述したコンデンサー充電工程、及び電池セル電圧演算工程を符号２の電池セルに適応し、符号２の電池セルの電圧Ｖ２を計測し、前記メモリーに格納する。 After the calculation is completed, the capacitor charging step and the battery cell voltage calculation step described above are applied to the battery cell of reference numeral 2, and the voltage V2 of the battery cell of reference numeral 2 is measured and stored in the memory.
同様の工程を電池セルの数（Ｎ個）だけ続け、再度符号１の電池セルに戻り工程を続行する。すなわち、ある時間間隔でサイクリックに二次電池１００を構成する各電池セルの電圧を順次検出監視する。 The same process is continued for the number of battery cells (N), and the process returns to the battery cell of reference numeral 1 again to continue the process. That is, the voltage of each battery cell constituting the secondary battery 100 is sequentially detected and monitored cyclically at a certain time interval.
このように、上記第１プロセスであるコンデンサー充電工程と第２プロセスである電池セル電圧演算工程を連鎖的に実行し、電池システムである二次電池１００を構成しているすべての電池セルの計測を実施し、電池システムである二次電池１００を構成する電池セルのすべての電圧値をマイコン３ａに認識させることができる。 In this way, the capacitor charging step, which is the first process, and the battery cell voltage calculation step, which is the second process, are executed in a chain, and all the battery cells constituting the secondary battery 100 that is the battery system are measured. The microcomputer 3a can be made to recognize all voltage values of the battery cells constituting the secondary battery 100 which is a battery system.
上述した工程は、対応するフォトＭＯＳリレー１０のＯＮ／ＯＦＦ及びキャパシタリレー１１の切り替え動作によって作動するが、その時間制御はマイコン３ａからの信号で行われる。コンデンサーＣのチャージングとマイコン３ａへの信号伝達のタイミング図を図４に示す。図４において、横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸のチャージリレーは各フォトＭＯＳリレー１０に対応する。 The above-described process is activated by ON / OFF of the corresponding photo MOS relay 10 and the switching operation of the capacitor relay 11, and the time control is performed by a signal from the microcomputer 3a. FIG. 4 shows a timing chart of charging of the capacitor C and signal transmission to the microcomputer 3a. In FIG. 4, the horizontal axis corresponds to time (msec), and the vertical charge relay corresponds to each photoMOS relay 10.
このように、マイコン３ａは、電圧検知工程として、各電池セル毎にフォトＭＯＳリレー１０をＯＮすることでコンデンサーＣに充電し、コンデンサーＣの端子電圧が飽和状態に達した際にフォトＭＯＳリレー１０をＯＦＦし、この充電されたコンデンサーＣの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測する。 As described above, the microcomputer 3a charges the capacitor C by turning on the photo MOS relay 10 for each battery cell as a voltage detection process, and when the terminal voltage of the capacitor C reaches a saturated state, the photo MOS relay 10 Is turned off, the operation of acquiring the terminal voltage of the charged capacitor C is executed, and the voltage for each battery cell is measured by sequentially performing this operation for each battery cell.
また、マイコン３ａは、電池セルのすべての電圧値の結果に基づいて、電流検知／保護回路５を動作させ、二次電池１００を構成する電池セルの一つが、規定の制限電圧を超えれば充電は、即時停止し、又、規定の下限電圧に達すると即時、放電を停止する電池防御の機能を有している。さらに、負荷２００への電力供給を遮断する遮断リレーを二次電池１００の装備として付帯させ、マイコン３ａからのこれらを停止する停止信号を、遮断リレーの駆動信号として適用して、電力を遮断する構成とすることも可能である。
すなわち、マイコン３ａは、各電池セルのそれぞれの電圧に応じて、二次電池１００を充電するための充電電源２の充電電圧を制御して、二次電池１００全体の充電及び放電の動作を最適化することができる。
Further, the microcomputer 3a operates the current detection / protection circuit 5 based on the result of all the voltage values of the battery cells, and charges if one of the battery cells constituting the secondary battery 100 exceeds a specified limit voltage. Has a battery protection function that stops immediately and stops discharge immediately when a predetermined lower limit voltage is reached. Further, an interruption relay that cuts off the power supply to the load 200 is attached as an equipment of the secondary battery 100, and a stop signal from the microcomputer 3a for stopping them is applied as a driving signal for the interruption relay to cut off the electric power. A configuration is also possible.
That is, the microcomputer 3a controls the charging voltage of the charging power source 2 for charging the secondary battery 100 according to the voltage of each battery cell, and optimizes the charging and discharging operation of the entire secondary battery 100. Can be
また、マイコン３ａは、各電池セルの電圧のバラつき程度を観察し、充電の電流強度を調整し、又、放電電流を低下させ、二次電池１００のパワーに応じた負荷パワーの適合性を自動調整し、二次電池１００の異常動作を防止することができる。ひいては、ＢＭＵ３によれば、電池の安全性と長寿命化を目的とした機能が実現可能となる。 Further, the microcomputer 3a automatically observes the degree of variation in the voltage of each battery cell, adjusts the current intensity of charging, reduces the discharge current, and automatically adapts the load power according to the power of the secondary battery 100. By adjusting, the abnormal operation of the secondary battery 100 can be prevented. As a result, according to BMU3, the function aiming at the safety | security of a battery and prolonging a lifetime becomes realizable.
更に、例えば、二次電池１００の各電池セルに制御リレーを介し固定抵抗負荷を装備して構成した場合、電池セルの最小値に他の電池セルの電圧を一致させることが可能となり、いわゆるパッシブセルバランス機能を持たせることも可能となる。
なお、パッシブセルバランスとは、高い電圧の電池セルを放電し低い電圧の電池セルに合わすことである。
Furthermore, for example, when each battery cell of the secondary battery 100 is provided with a fixed resistance load via a control relay, the voltage of the other battery cell can be matched with the minimum value of the battery cell, so-called passive. It is also possible to provide a cell balance function.
In addition, passive cell balance is discharging a high voltage battery cell and uniting with a low voltage battery cell.
また、例えば、二次電池１００の各電池セルに制御リレーを介し独立電源を装備して構成した場合、電池セルの最大値に他の電池セルの電圧を一致させる補充電が可能となり、いわゆるアクティブセルバランス機能を持たせることも可能となる。
なお、アクティブセルバランスとは、低い電圧の電池セルを充電し高い電圧の電池セルに合わすことである。
In addition, for example, when each battery cell of the secondary battery 100 is provided with an independent power supply via a control relay, it is possible to perform supplementary charging in which the voltage of another battery cell matches the maximum value of the battery cell, so-called active It is also possible to provide a cell balance function.
The active cell balance means charging a low voltage battery cell and adjusting it to a high voltage battery cell.
次に、上述したフローティング・キャパシタ方式による電池セルの電圧検知方法の特長を図５を用いて説明する。 Next, the feature of the battery cell voltage detection method using the above-described floating capacitor method will be described with reference to FIG.
特長１）図５（ａ）に示すように、各電池セルの電圧を、ひとつひとつ正確な値で測定することができる。
フローティング・キャパシティ方式による電池セル電圧検知方法によれば、各電池セル（符号１〜Ｎで示す電池セル）の電圧を個々にテスターで測定するのと同じとなる。これにより、上述した従来の抵抗分割方式のように電池セルの位置による測定誤差は生じない。
Feature 1) As shown in FIG. 5A, the voltage of each battery cell can be measured one by one with an accurate value.
According to the battery cell voltage detection method by the floating capacity method, the voltage of each battery cell (battery cells indicated by reference numerals 1 to N) is the same as that measured individually by a tester. Thereby, the measurement error by the position of a battery cell does not arise like the conventional resistance division system mentioned above.
特長２）ＢＭＵ３の停止時、消費電流は完全にゼロとなる。
すなわち、図５（ｂ）に示すように、すべてのスイッチがＯＦＦの状態なので、電流が流れない。これにより、ＢＭＵ３が動作していないときは、電流が流れない。よって、上述した従来のＢＭＵよりも電力の浪費を抑えることができる。
Feature 2) When BMU3 is stopped, the current consumption is completely zero.
That is, as shown in FIG. 5B, since all the switches are in the OFF state, no current flows. Thus, no current flows when the BMU 3 is not operating. Therefore, waste of power can be suppressed as compared with the conventional BMU described above.
特長３）各電池セルの回路的構成は同じなので、ＢＭＵ３によるバラツキは生じない。
すなわち、図５（ｃ）に示すように、各電池セルから流れる電流は同じであるからである。
Feature 3) Since the circuit configuration of each battery cell is the same, there is no variation due to BMU3.
That is, as shown in FIG.5 (c), it is because the electric current which flows from each battery cell is the same.
こうして、セル電圧検知回路３ｃは、まるで絶縁された電圧計で測定するように、単独に独立して計測を行うよう回路的に工夫を凝らしたものである。 In this way, the cell voltage detection circuit 3c has been devised in terms of circuit so as to perform measurement independently as if it were measured with an insulated voltmeter.
また、セル電圧検知回路３ｃでは、二次電池１００を構成している電池セルの計測を意図した時、任意の電池セルのみを計測回路に結線し計測する方法を提供することを目的とした回路である。これにより同一の計測回路による計測となり、計測誤差は皆無となる。また、計測による負荷量も計測時間を同一とすることで相対的な相対誤差も生じることはない。よって、ＢＭＵ３では、構成される電池セル１〜Ｎを、それぞれ同じ条件で、同じ計器で、同じ精度で計測することができる。 The cell voltage detection circuit 3c is a circuit intended to provide a method for connecting and measuring only arbitrary battery cells to the measurement circuit when the measurement of the battery cells constituting the secondary battery 100 is intended. It is. As a result, measurement is performed by the same measurement circuit, and measurement errors are eliminated. In addition, relative relative errors do not occur when the load amount due to measurement is the same as the measurement time. Therefore, in the BMU 3, the configured battery cells 1 to N can be measured with the same accuracy and with the same instrument under the same conditions.
以上の如く、ＢＭＵ３によれば、二次電池１００が有する個々の電池セルを、相対的な誤差を抑えて精度良く計測することができる。 As described above, according to the BMU 3, it is possible to accurately measure individual battery cells included in the secondary battery 100 while suppressing a relative error.
ひいては、二次電池１００の応用において最大の懸念事項である構成電池セルのバラつきによる二次電池１００の充電能力の低下、発熱、発煙、発火等の異常現象の発生を防止することが可能となる。また構成電池セルの一つの特性不良による二次電池１００全体の能力低減、短寿命化などの懸念があり、これら懸念事項を防御出来るシステム構成が実現される。 As a result, it is possible to prevent the occurrence of abnormal phenomena such as a decrease in charging capacity of the secondary battery 100 due to variations in the constituent battery cells, heat generation, smoke generation, and ignition, which is the greatest concern in the application of the secondary battery 100. . In addition, there is a concern that the overall capacity of the secondary battery 100 may be reduced due to one characteristic defect of the constituent battery cells, and the life of the secondary battery 100 may be shortened.
ここで、電池セルの不均衡が何故生じるかに関し少し言及しておくと、電池セルは同一材料で、同一環境下で、同一生産工程で生産されたとしても微視的な観点で異なり、また、その後のわずかな履歴の違いでも電池生涯では大きく異なる特性を示す。これは恰も生き物と擬えることが出来る。 Here, if we mention a little about why the battery cell imbalance occurs, even if the battery cell is made of the same material, in the same environment, and in the same production process, it differs from a microscopic viewpoint. Even a slight difference in the history after that shows a very different characteristic in the life of the battery. This can be imitated as a creature.
従って、この個性の異なる電池セルの組み合わせによって構成される電池システムの充電には、個々の電池セルの状態を監視しながら適正な電力注入あるいは電力の取り出しを図ることが必要不可欠な条件となる。今回発明の方式による状態監視は監視そのものの正確さと監視機構に伴う不均衡なセル負荷が伴うことなく機構設置そのものによる不都合は一切生じることはない。 Therefore, in order to charge a battery system configured by a combination of battery cells having different personalities, it is an indispensable condition to properly inject or extract power while monitoring the state of each battery cell. The status monitoring according to the method of the present invention does not involve any inconvenience due to the installation of the mechanism itself without the accuracy of the monitoring itself and the unbalanced cell load associated with the monitoring mechanism.
一方、一般に充電器といえば、交流の入力電力を直流に変換し、電池電圧に整合した電圧印加によって充電がなされる。充電の完了は、電池からの終止信号（即ち、これ以上エネルギーの注入はもう耐えられないといった信号）を得て、印加を停止する。 On the other hand, generally speaking, a battery charger is charged by converting AC input power to DC and applying a voltage that matches the battery voltage. Completion of charging obtains a termination signal from the battery (ie, a signal that no more energy injection can be tolerated anymore) and stops application.
この信号の作り方等に関しては、すでに既存の技術として確立されているが、本発明は、この全体制御を、さらに構成されている個々の電池セルまで拡張して応用展開したものである。 The signal generation method and the like have already been established as existing technologies, but the present invention is applied and developed by extending this overall control to individual battery cells that are further configured.
ここで、上述した本実施形態に係るＢＭＵ３の機能としては、以下のとおりである。
１）構成電池セルの総ての電圧（電位）を上述した方法で取得する。
２）その最大電圧を示す電圧が、電池種によって規定された許容最大電圧に達すると充電を停止する。
３）あるいは、該電池セルが充電を続行するがその電圧上昇傾向が充電量に比し緩慢となりこれ以上充電を続行しても充電量が増えないと演算結果が示せば充電を停止する。
また、上述していないが、ＢＭＵ３に付加可能な機能としては、以下のとおりである。
４）電池温度が規定の上限となれば充電を停止する。
５）充電電流が規定値に減少すれば充電を停止する。
Here, the function of the BMU 3 according to this embodiment described above is as follows.
1) All voltages (potentials) of the constituent battery cells are acquired by the method described above.
2) When the voltage indicating the maximum voltage reaches the allowable maximum voltage defined by the battery type, charging is stopped.
3) Alternatively, the battery cell continues to be charged, but the voltage rising tendency becomes slower than the amount of charge, and charging is stopped if the calculation result shows that the amount of charge does not increase even if charging is continued further.
Although not described above, functions that can be added to the BMU 3 are as follows.
4) Stop charging when the battery temperature reaches the specified upper limit.
5) Stop charging when the charging current decreases to the specified value.
また、放電に関し最も重要なポイントは、構成電池セルの、一つでも許容下限電圧以下となることを避けねばならない点である。全体の電圧計測では、個々の電池セルの電圧の総計としか検知できない。電圧が例えば４８Ｖを示し適切な電圧領域であっても、この４８Ｖはある電池セルの電圧が許容下限電圧を下回っても他の電池セルでカバーしている場合がある。 Further, the most important point regarding discharge is that one of the constituent battery cells must be avoided to be below the allowable lower limit voltage. The entire voltage measurement can only be detected as the sum of the voltages of individual battery cells. Even if the voltage is 48 V, for example, in an appropriate voltage range, this 48 V may be covered by another battery cell even if the voltage of a certain battery cell falls below the allowable lower limit voltage.
電池セルの電圧が許容電圧を下回るとセル内の負極の結晶間隙がバランスを崩し膨潤する。外観ではいわゆる"電池の膨らみ"現象を呈する。このふくらみによって負極の結晶がくずれ活物質のサイト数が減少し結果的に充電容量の低下となる。（同じ現象が過充電の際も起こりこれも電池の膨らみとして現れる。） When the voltage of the battery cell is lower than the allowable voltage, the crystal gap of the negative electrode in the cell is out of balance and swells. In appearance, it exhibits a so-called “battery swell” phenomenon. Due to this swelling, the crystal of the negative electrode breaks down and the number of active material sites decreases, resulting in a decrease in charge capacity. (The same phenomenon occurs during overcharge and this also appears as a battery bulge.)
この過放電現象を防御するには、構成されている電池セルの電圧を常に監視し制御する機構が不可欠で、具体的には電圧が設定の下限に達すると遮断の機構を設けるか、電流制御機構を設け放電電流を制御する機構を設けるとよい。 In order to prevent this overdischarge phenomenon, a mechanism that constantly monitors and controls the voltage of the configured battery cell is indispensable. Specifically, when the voltage reaches the lower limit of setting, a mechanism for shutting off is provided, or current control is performed. A mechanism for controlling the discharge current may be provided by providing a mechanism.
上述したように、正確で適切な時刻の電池セル個々の電圧を検知し、そのデータに基づく制御機構を構築したことが本発明の優れるところである。 As described above, the present invention is excellent in that the voltage of each battery cell at an accurate and appropriate time is detected and a control mechanism based on the data is constructed.
［フローティング・キャパシタ方式の応用例：ＢＭＳにおけるセルバランスの方法］
次に、図８から図１１を用いて、本発明に係る電池管理ユニットの第２実施形態について説明する。なお、以下の第２実施形態に係る電池管理ユニットは、図１から図５に示す第１実施形態の電池管理ユニットが備えるバランス機構４の構成を主に変更したものであり、第１実施形態の電池管理ユニットの説明で用いた名称、図番、記号を用いることで、同じものを指すこととし、以下の第２実施形態の電池管理ユニットにおいて、既に説明した第１実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。
[Application example of floating capacitor method: Cell balance method in BMS]
Next, a second embodiment of the battery management unit according to the present invention will be described with reference to FIGS. The battery management unit according to the following second embodiment is mainly obtained by changing the configuration of the balance mechanism 4 included in the battery management unit of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5. In the battery management unit of the second embodiment described below, the same points as those of the first embodiment described above are used by referring to the names, figure numbers, and symbols used in the description of the battery management unit. With regard to, the detailed description thereof will be omitted, and the differences will be mainly described.
上述した電池セルの電圧検知方法（フローティング・キャパシタ方式）では、組電池として構成される二次電池１００の個々の電池セルの電圧を、それぞれ同じ条件で、かつ同じ計測回路で、精度良く検知することができる。この電圧検知方法を利用して、以下に述べる第２実施形態の電池管理ユニットでは、当該電圧検知方法により検知された個々の電池セルの電圧に基づいて充放電制御を行う。すなわち、個々の電池セルの電圧を検知するとともにその平均値を算出し、検知された電池セルの電圧が平均値より低い電池セルについては、当該電池セルを個別に充電し、検知された電圧が高い電池セルについては、当該電池セルを個別に放電し最終的には全ての電池セルの電圧を同一に保つように平衡させる技術について、具体的に説明する。 In the battery cell voltage detection method (floating capacitor method) described above, the voltages of the individual battery cells of the secondary battery 100 configured as an assembled battery are detected with high accuracy using the same measurement circuit under the same conditions. be able to. Using this voltage detection method, the battery management unit of the second embodiment described below performs charge / discharge control based on the voltage of each battery cell detected by the voltage detection method. That is, the voltage of each battery cell is detected and the average value is calculated. For the battery cell whose detected battery cell voltage is lower than the average value, the battery cell is individually charged, and the detected voltage is For a high battery cell, a specific technique will be described in which the battery cells are individually discharged and finally balanced so that the voltages of all the battery cells are kept the same.
ここで、電池システムに関して、その性能の確立及び安全性の確保は、電池セル間の電圧バランスが基本となる。多数の電池セルが直列に接続される一般的な電池システムにおいて、この電池セル間の電圧バランスが最も重要であるが、後述するバランス回路４Ａはバランスを常に指向する回路である。このバランス回路４Ａは、詳細は後述するが、上述した電圧検知方法で正確に検知された各電池セルの電圧に基づいて、パッシブセルバランス機能とアクティブセルバランス機能を有し、かつ、この併用から電池セルの電圧バランスを早期にとることができる。 Here, regarding the battery system, establishing the performance and ensuring the safety are based on the voltage balance between the battery cells. In a general battery system in which a large number of battery cells are connected in series, the voltage balance between the battery cells is the most important, but the balance circuit 4A described later is a circuit that always directs the balance. Although details will be described later, the balance circuit 4A has a passive cell balance function and an active cell balance function based on the voltage of each battery cell accurately detected by the voltage detection method described above, and from this combined use. The voltage balance of the battery cell can be achieved at an early stage.
次に、本発明の第２実施形態である電池管理ユニットを有する電池管理システム（ＢＭＳ）を備えた充電装置１Ａについて図８及び図９を参照しながら説明する。充電装置１Ａは、種々のエネルギー源Ｅにより発電された電力を変換器２Ａを介して電池システムの一例である二次電池１００を備えた電池モジュール８に蓄え、当該電池モジュール８から負荷２００に電力を供給するものである。すなわち、変換器２Ａは、電池モジュール８に充電するための充電電源である。充電装置１Ａは、電池モジュール８に蓄えられた電力を利用して作動する負荷２００に電気的に接続されている。 Next, a charging device 1A including a battery management system (BMS) having a battery management unit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The charging device 1A stores power generated by various energy sources E in a battery module 8 including a secondary battery 100, which is an example of a battery system, via a converter 2A, and supplies power from the battery module 8 to a load 200. Supply. That is, the converter 2 </ b> A is a charging power source for charging the battery module 8. The charging device 1 </ b> A is electrically connected to a load 200 that operates using electric power stored in the battery module 8.
図８に示すように、充電装置１Ａは、エネルギー源Ｅ、変換器（充電電源）２Ａと、充電制御器７と、直列に接続される複数（ｎ個）の電池モジュール８と、分配器９と、表示手段６と、ＰＣ（パーソナルコンピューター）２０とを主に備える。充電装置１Ａは、電池システムである電池モジュール８（二次電池１００）、及び負荷２００に電気的に接続される。 As shown in FIG. 8, the charging device 1 </ b> A includes an energy source E, a converter (charging power source) 2 </ b> A, a charging controller 7, a plurality (n) of battery modules 8 connected in series, and a distributor 9. And a display means 6 and a PC (personal computer) 20. 1 A of charging devices are electrically connected to the battery module 8 (secondary battery 100) and the load 200 which are battery systems.
変換器２Ａは、二次電池１００に充電電圧を供給する電源である。変換器２Ａは、交流電力を直流に変換する変圧、整流回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を有しており、変換された直流電力がＢＭＵ３を介して二次電池１００に供給される。
なお、エネルギー源Ｅが直流電力の場合、直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータを設ける構成であってもよい。
The converter 2 </ b> A is a power source that supplies a charging voltage to the secondary battery 100. The converter 2A has a transformer and a rectifier circuit (AC / DC converter) that converts AC power into DC, and the converted DC power is supplied to the secondary battery 100 via the BMU 3.
In addition, when the energy source E is direct current power, the structure which provides the DC / DC converter which converts the voltage of direct current power may be sufficient.
充電制御器７は、充電電圧等を制御するものである。 The charging controller 7 controls the charging voltage and the like.
電池モジュール８は、二次電池１００と、二次電池１００を監視・制御するＢＭＵ３と、バランス回路４Ａと、電流検知／保護回路５とを主に備える。ＢＭＵ３は、変換器２Ａ、バランス回路４Ａ、電流検知／保護回路５、表示手段６、ＰＣ２０、二次電池１００、負荷２００等に電気的に接続されている。
また、本実施形態で説明する充電装置１Ａ、充電装置１Ａが備えるＢＭＵ３、ＢＭＵ３に接続される二次電池１００の各構成は、本実施形態で説明する機能を実現可能な構成であれば良く、適宜変更可能であるものとする。
The battery module 8 mainly includes a secondary battery 100, a BMU 3 that monitors and controls the secondary battery 100, a balance circuit 4 </ b> A, and a current detection / protection circuit 5. BMU 3 is electrically connected to converter 2A, balance circuit 4A, current detection / protection circuit 5, display means 6, PC 20, secondary battery 100, load 200, and the like.
In addition, each configuration of the secondary battery 100 connected to the charging device 1A described in the present embodiment, the BMU 3 included in the charging device 1A, and the BMU 3 may be any configuration that can realize the function described in the present embodiment. It can be changed as appropriate.
ＢＭＵ３は、主に演算・指令等を実行する制御回路（プロセッサー）の一例であるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）３ａ１と、二次電池１００が有する各電池セルの電圧を検知するセル電圧検知回路３ｃと、を有している。ＢＭＵ３は、各電池モジュール８毎に設けられており、各電池モジュール８が有する二次電池１００の各電池セル毎の電圧を計測する。 The BMU 3 includes a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) 3a1 that is an example of a control circuit (processor) that mainly executes operations and instructions, and a cell voltage detection circuit that detects the voltage of each battery cell included in the secondary battery 100. 3c. The BMU 3 is provided for each battery module 8 and measures the voltage for each battery cell of the secondary battery 100 included in each battery module 8.
マイコン３ａ１は、充電制御器７及びセル電圧検知回路３ｃに電気的に接続されている。図１０に示すように、マイコン３ａ１は、中央演算装置であるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵ）４０と、記憶手段であるリードオンリーメモリ（以下、ＲＯＭ）４１と、ランダムアクセスメモリ（以下、ＲＡＭ）４２と、セル電圧検知回路３ｃが有するスイッチング素子（後述する第１スイッチング素子であるフォトＭＯＳリレー１０、第２スイッチング素子であるキャパシタリレー１１）のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチング制御部４３と、時間計測手段であるタイマ４４と、勘定手段であるカウンタ４５と、二次電池１００に通電されている電流値を図示しない充電電流検出手段を介して検出する電流検出部４６と、二次電池１００の各電池セルの端子間の電圧値（電池セル電圧）を監視する電池電圧監視部４７、Ａ／Ｄ変換機能を有するＡ／Ｄ変換部４８、バランス回路４Ａが有するスイッチング素子（後述するバランス回路４Ａ用が有するリレー１２、アクティブバランス用リレー１４、ポジティブバランス用リレー１６）のＯＮ／ＯＦＦを制御するバランス回路スイッチング制御部４９、各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値Ｖｍｅａｎを算出する平均値算出部５０等を備えている。ＲＯＭ４１には、充電装置１内で処理される各種処理プログラム（例えば、二次電池１００が有する個々の電池セルの電圧を検知し、その状態に応じ充電および放電時の印加する電圧および電流を制御するためのプログラム等）が格納される。マイコン３ａは、前記スイッチング制御部４３及びバランス回路スイッチング制御部４９を有し、スイッチング素子（後述する第１スイッチング素子であるフォトＭＯＳリレー１０、第２スイッチング素子であるキャパシタリレー１１及びリレー１２）及びバランス回路４Ａが有するスイッチング素子（後述するバランス回路４Ａ用が有するリレー１２、アクティブバランス用リレー１４、ポジティブバランス用リレー１６）のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路である。
なお、バランス回路４Ａにおいて実行される動作の詳細については後述する。
The microcomputer 3a1 is electrically connected to the charge controller 7 and the cell voltage detection circuit 3c. As shown in FIG. 10, the microcomputer 3a1 includes a microprocessing unit (hereinafter referred to as MPU) 40 as a central processing unit, a read only memory (hereinafter referred to as ROM) 41 as storage means, and a random access memory (hereinafter referred to as RAM). 42, a switching control unit 43 that controls ON / OFF of switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element and a capacitor relay 11 that is a second switching element) included in the cell voltage detection circuit 3c, and a time A timer 44 that is a measuring unit, a counter 45 that is a counting unit, a current detection unit 46 that detects a current value energized in the secondary battery 100 via a charging current detection unit (not shown), and the secondary battery 100 Battery voltage monitoring unit 47 for monitoring the voltage value (battery cell voltage) between terminals of each battery cell, A ON / OFF of the A / D conversion unit 48 having the D conversion function and the switching elements of the balance circuit 4A (the relay 12 for the balance circuit 4A described later, the active balance relay 14, the positive balance relay 16) are controlled. The balance circuit switching control unit 49 includes an average value calculation unit 50 that calculates an average value V mean of the battery cell voltage using the voltage measured for each battery cell. In the ROM 41, various processing programs processed in the charging device 1 (for example, the voltage of each battery cell included in the secondary battery 100 is detected, and the voltage and current applied during charging and discharging are controlled according to the state. And the like are stored. The microcomputer 3a includes the switching control unit 43 and the balance circuit switching control unit 49, and includes switching elements (a photo MOS relay 10 that is a first switching element, a capacitor relay 11 and a relay 12 that are second switching elements described later), and This is a control circuit that controls ON / OFF of switching elements (a relay 12, an active balance relay 14, and a positive balance relay 16 included in a balance circuit 4A described later) included in the balance circuit 4A.
Details of the operation executed in the balance circuit 4A will be described later.
バランス回路４Ａは、二次電池１００の各電池セル間の電圧バランスを維持する機能を有するバランス手段であり、各電池セル毎に直列接続される複数のリレー１２、１２・・と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、アクティブバランス用リレー１４と、抵抗負荷１５と、ポジティブバランス用のリレー１６とで構成される。リレー１２、１２・・は、アクティブバランス用リレー１４を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１３に独立して直列接続し、当該接続をＯＮ／ＯＦＦ可能である。また、リレー１２・１２・・は、ポジティブバランス用リレー１６を介して抵抗負荷１５に独立して直列接続し、当該接続をＯＮ／ＯＦＦ可能である。バランス回路４Ａは、ＢＭＵ３のマイコン３ａ１により動作する。詳細は後述するが、バランス回路４Ａは、複数の電池セルの電圧を比較し、必要に応じて、各電池セル毎に独立して放電または充電し、各電池セルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）レベルを平準化するものである。 The balance circuit 4A is a balance means having a function of maintaining the voltage balance between the battery cells of the secondary battery 100, and a plurality of relays 12, 12,... Connected in series for each battery cell, and DC / DC The converter 13, the active balance relay 14, the resistance load 15, and the positive balance relay 16 are configured. The relays 12, 12,... Are independently connected in series to the DC / DC converter 13 via the active balance relay 14, and the connection can be turned ON / OFF. Further, the relays 12, 12,... Are independently connected in series to the resistance load 15 via the positive balance relay 16, and the connection can be turned ON / OFF. The balance circuit 4A is operated by the microcomputer 3a1 of the BMU 3. Although details will be described later, the balance circuit 4A compares the voltages of a plurality of battery cells, and discharges or charges each battery cell independently as necessary, and the SOC (State of Charge) level of each battery cell. Leveling.
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、二次電池１００が有する複数の電池セルに個別に接続され、所定の電圧を印加して充電する直流電圧変換器の一例である。
抵抗負荷１５は、二次電池１００が有する複数の電池セルに個別に接続して放電する放電用負荷の一例である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、マイコン３ａ１に電気的に接続され、マイコン３ａ１の指示に応じて通電（起動）して所定の電圧を印加する。
なお、リレー１２は、例えば、光信号によってＯＮ／ＯＦＦの切り替えができる半導体リレー（半導体継電器）、もしくは、その他の方式（例えば、機械式）のスイッチング素子を用いることができる。
The DC / DC converter 13 is an example of a DC voltage converter that is individually connected to a plurality of battery cells included in the secondary battery 100 and charged by applying a predetermined voltage.
The resistance load 15 is an example of a discharge load that is connected to and discharged from a plurality of battery cells of the secondary battery 100 individually.
The DC / DC converter 13 is electrically connected to the microcomputer 3a1, energizes (starts up) in accordance with an instruction from the microcomputer 3a1, and applies a predetermined voltage.
The relay 12 may be, for example, a semiconductor relay (semiconductor relay) that can be switched ON / OFF by an optical signal, or another type (for example, a mechanical type) switching element.
図３に示すように、電池システムである二次電池１００は、複数の電池セル（同じ仕様のものであるが、図３等では便宜上セル１〜Ｎとして示す）が直列接続して構成されている。複数の電池セル１〜Ｎには、電池セル１〜Ｎの各々に対応して複数のリレー１２、１２・・・が設けられている。リレー１２は、原則的に計測対象である個々の電池セル１〜Ｎの正極、負極それぞれに装着し、マイコン３ａ１の指示に従い、リレー１２が有する一対のスイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで導通／非導通する機能を持ち、対で動作するものである。 As shown in FIG. 3, the secondary battery 100 as a battery system is configured by connecting a plurality of battery cells (of the same specification, but shown as cells 1 to N for convenience in FIG. 3 and the like) in series. Yes. The plurality of battery cells 1 to N are provided with a plurality of relays 12, 12... Corresponding to each of the battery cells 1 to N. The relay 12 is mounted on each of the positive and negative electrodes of the individual battery cells 1 to N, which are to be measured in principle, and is turned on / off by turning on / off a pair of switches of the relay 12 according to instructions from the microcomputer 3a1. It has the function of conducting and operates in pairs.
分配器９は、変換器２Ａの出力側に配置され、変換器２Ａにダイオードを介して電気的に接続されている。分配器９は、電池モジュール８、負荷２００に電気的に接続され、変換器２Ａからの電力が電池モジュール８と負荷２００に適宜分配される。 The distributor 9 is disposed on the output side of the converter 2A, and is electrically connected to the converter 2A via a diode. The distributor 9 is electrically connected to the battery module 8 and the load 200, and the power from the converter 2A is appropriately distributed to the battery module 8 and the load 200.
ＰＣ２０は、複数のＢＭＵ３に電気的に接続され、複数のＢＭＵ３を個別に制御可能である。 The PC 20 is electrically connected to the plurality of BMUs 3 and can individually control the plurality of BMUs 3.
［第２実施形態のＢＭＵの概要］
マイコン３ａ１は、二次電池１００を構成する電池セルをフローティング・キャパシタ方式で正確な電圧データを取得する。マイコン３ａ１は、この電圧データの平均した電圧の平均値を算出し、電圧の平均値よりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、放電用負荷で一例である抵抗負荷１５に接続して放電を行う。すなわち、平均値よりも一定量高い電圧を示す電池セルに関しては抵抗負荷１５に接続し放電する。
[Outline of BMU of Second Embodiment]
The microcomputer 3a1 acquires accurate voltage data of the battery cells constituting the secondary battery 100 by the floating capacitor method. The microcomputer 3a1 calculates an average value of the averaged voltage of the voltage data, and the battery cell showing a voltage exceeding a predetermined value that is higher than the average value of the voltage is added to the resistance load 15 as an example of the discharge load. Connect to discharge. That is, battery cells that exhibit a certain amount of voltage higher than the average value are connected to the resistive load 15 and discharged.
マイコン３ａ１は、電圧の平均値よりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に接続して充電を行う。すなわち、電圧の平均値よりも一定量低い電気セルに関しては、二次電池１００全体を電気エネルギーの供給源とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を起動し該電池セルを充電する。 The microcomputer 3a1 is connected to the DC / DC converter 13 for charging with respect to a battery cell that exhibits a voltage that is lower than a predetermined value that is predetermined from the average value of the voltage. That is, for an electric cell that is a certain amount lower than the average value of the voltage, the entire secondary battery 100 is used as a source of electric energy, and the DC / DC converter 13 is activated to charge the battery cell.
マイコン３ａ１は、電池セルの電圧を一定周期で走査し、ＡＤ変換し、電池セルのＮｏ．：ｎ（符号１〜Ｎ）と電圧値をマイコン３ａ１の指定のメモリー（例えば、ＲＡＭ４２）に記憶させる。マイコン３ａ１では次式（２）に応じた処理を行って平均値Ｖｍｅａｎを算出し、この平均値Ｖｍｅａｎを基準に、それよりも高い電圧を示す電池セルに関しては放電処理を行い、低いセルは充電処理をすべく対応リレーを駆動する。 The microcomputer 3a1 scans the voltage of the battery cell at a constant cycle, performs AD conversion, and sets the battery cell No. : N (reference numerals 1 to N) and the voltage value are stored in a designated memory (for example, RAM 42) of the microcomputer 3a1. Performs a process corresponding to the microcomputer 3a1 following equation (2) calculates an average value V mean, based on the average value V mean, it performs a discharging process with respect to the battery cell indicating a voltage higher than, lower cell Drives the corresponding relay to charge.
この操作が繰り返されることにより、最終的には構成電池セルの総てが同一の電圧値となる。 By repeating this operation, all the constituent battery cells eventually have the same voltage value.
具体的には、ＢＭＳにおけるセルバランスの方法は、上述したコンデンサー充電工程と、電池セル電圧演算工程と、セルバランス工程（充電によるバランス工程、放電によるバランス工程）とから主に構成される。 Specifically, the cell balance method in BMS mainly includes the above-described capacitor charging step, battery cell voltage calculation step, and cell balance step (balance step by charging, balance step by discharging).
［第１プロセス：コンデンサー充電工程］
先ず、電池システムを構成するすべての電池セルの電圧を計測する。具体的には、マイコン３ａ１からの指示信号により、複数のフォトＭＯＳリレー１０、１０・・・のうちのひとつの電池セル（例えば、符号１の電池セルとする）に付帯するフォトＭＯＳリレー１０の一対のスイッチがＯＮされ、符号１の電池セルとコンデンサーＣとが導通状態となる。これにより、電圧検知用のコンデンサーＣがチャージ（充電）され、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣは時間とともに変化し、次式（１）の関係が成り立つ。コンデンサーＣは飽和するまでの時間を経て（この時間経過はコンデンサーＣの容量（Ｃ）とフォトＭＯＳリレー１０の内部抵抗（ｒ０）とバッファー抵抗（Ｒ）との和によって決まる時定数（Ｔ０）よりも十分大きな時間経過）、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣはＶ１で表される符号１の電池セルの電圧となる。次に、電池セル電圧演算工程に進む。
[First process: Capacitor charging process]
First, the voltage of all the battery cells which comprise a battery system is measured. Specifically, in response to an instruction signal from the microcomputer 3a1, the photo MOS relay 10 attached to one battery cell (for example, a battery cell of reference numeral 1) of the plurality of photo MOS relays 10, 10,... The pair of switches are turned on, and the battery cell 1 and the capacitor C are brought into conduction. Thereby, the capacitor C for voltage detection is charged (charged), the terminal voltage V C of the capacitor C changes with time, and the relationship of the following expression (1) is established. Capacitor C passes through a time until saturation (this time elapses from a time constant (T0) determined by the sum of the capacitance (C) of capacitor C, the internal resistance (r0) of photo MOS relay 10 and buffer resistance (R)). The terminal voltage V C of the capacitor C becomes the voltage of the battery cell of reference 1 represented by V 1 . Next, it progresses to a battery cell voltage calculation process.
［第２プロセス：電池セル電圧演算工程］
続いて、コンデンサーＣの端子電圧ＶＣが符号１の電池セルの電圧Ｖ１になった時点でフォトＭＯＳリレー１０をＯＦＦ（非導通状態）した後、キャパシタリレー１１の一対のスイッチをＯＮ状態にしてコンデンサーＣをＡ／Ｄ変換ポートを介してマイコン３ａ１のＡ／Ｄ変換部４８に接続する。マイコン３ａ１の内部では該コンデンサーＣの端子電圧ＶＣ（符号１の電池セルの電圧Ｖ１）をＡ／Ｄ変換（ディジタル演算）し、符号１の電池セルの電圧Ｖ１としてマイコン３ａ１内の指定のメモリー（例えば、ＲＡＭ４２）に格納する。
[Second Process: Battery Cell Voltage Calculation Step]
Subsequently, after the photo-MOS relay 10 to OFF (non-conducting state) when the terminal voltage V C of the capacitor C becomes a voltage V 1 of the battery cell of the code 1, and a pair of switch capacitors relay 11 in the ON state The capacitor C is connected to the A / D converter 48 of the microcomputer 3a1 via the A / D conversion port. Inside the microcomputer 3a1, the terminal voltage V C of the capacitor C (voltage V 1 of the battery cell of reference numeral 1 ) is A / D converted (digital calculation), and designated in the microcomputer 3a1 as the voltage V 1 of the battery cell of reference numeral 1 Are stored in a memory (for example, the RAM 42).
該演算完了後、上述したコンデンサー充電工程、及び電池セル電圧演算工程を符号２の電池セルに適応し、符号２の電池セルの電圧Ｖ２を計測し、マイコン３ａ内の指定のメモリー（例えば、ＲＡＭ４２）に格納する。 After the calculation is completed, the capacitor charging step and the battery cell voltage calculation step described above are applied to the battery cell of reference numeral 2, the voltage V2 of the battery cell of reference numeral 2 is measured, and a designated memory (for example, in the microcomputer 3a) RAM 42).
同様の工程を電池セルの数（Ｎ個）だけ続け、再度符号１の電池セルに戻り工程を続行する。すなわち、ある時間間隔でサイクリックに二次電池１００を構成する各電池セルの電圧を順次検出監視する。 The same process is continued for the number of battery cells (N), and the process returns to the battery cell of reference numeral 1 again to continue the process. That is, the voltage of each battery cell constituting the secondary battery 100 is sequentially detected and monitored cyclically at a certain time interval.
このように、上記第１プロセスであるコンデンサー充電工程と第２プロセスである電池セル電圧演算工程を連鎖的に実行し、電池システムを構成しているすべての電池セルの計測を実施し、電池システムを構成する電池セルのすべての電圧値をマイコン３ａ１に認識させることができる。 In this way, the capacitor charging step as the first process and the battery cell voltage calculation step as the second process are executed in a chain, and measurement of all the battery cells constituting the battery system is performed. Can be recognized by the microcomputer 3a1.
上述した工程は、対応するフォトＭＯＳリレー１０及びキャパシタリレー１１のＯＮ／ＯＦＦの切り替え動作によって作動するが、その時間制御はマイコン３ａ１からの信号で行われる。コンデンサーＣのチャージングとマイコン３ａ１への信号伝達のタイミング図を図１１に示す。図１１において、横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸のチャージリレーは各フォトＭＯＳリレー１０に対応する。 The above-described process is activated by the ON / OFF switching operation of the corresponding photo MOS relay 10 and capacitor relay 11, but the time control is performed by a signal from the microcomputer 3a1. FIG. 11 shows a timing chart of charging of the capacitor C and signal transmission to the microcomputer 3a1. In FIG. 11, the horizontal axis corresponds to time (msec), and the vertical charge relay corresponds to each photoMOS relay 10.
このように、マイコン３ａ１は、各電池セル毎にフォトＭＯＳリレー１０をＯＮすることでコンデンサーＣに充電し、コンデンサーＣの端子電圧が飽和状態に達した際にフォトＭＯＳリレー１０をＯＦＦし、この充電されたコンデンサーＣの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測する（電圧検知工程）。 In this way, the microcomputer 3a1 charges the capacitor C by turning on the photo MOS relay 10 for each battery cell, and turns off the photo MOS relay 10 when the terminal voltage of the capacitor C reaches a saturated state. The operation of acquiring the terminal voltage of the charged capacitor C is executed, and the voltage for each battery cell is measured by sequentially performing this operation for each battery cell (voltage detection step).
次に、マイコン３ａ１は、各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値Ｖｍｅａｎを算出する（平均値算出工程）。そして、個々の電池セルの電圧と式（２）に従って求めた平均値Ｖｍｅａｎをマイコン３ａ１の指定のメモリー（例えば、ＲＡＭ４２）に格納する。 Next, the microcomputer 3a1 calculates the average value V mean of the battery cell voltage using the voltage measured for each battery cell (average value calculating step). Then, the voltage of each battery cell and the average value V mean obtained according to the equation (2) are stored in a designated memory (for example, RAM 42) of the microcomputer 3a1.
［充電によるセルバランス工程］
次に、図９を用いて各電池セルを充電することによって電圧を平衡化させる充電セルバランス工程を説明する。
充電セルバランス工程は、電圧の平均値Ｖｍｅａｎよりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に接続して充電を行う工程である。
具体的には、先ず、すべての電池セルに関する格納された電圧の平均値Ｖｍｅａｎに対し、セル電圧Ｖｎが次式（３）を満たすセルＮｏ．：ｎ（図９中の符号１〜Ｎ）を選択する。
[Cell balance process by charging]
Next, a charging cell balancing step for balancing the voltages by charging each battery cell will be described with reference to FIG.
The charge cell balance step is a step of charging a battery cell that exhibits a voltage lower than a predetermined value that is lower than the average value V mean of the voltage by connecting to the DC / DC converter 13.
Specifically, first, for the average value V mean of the stored voltages related to all the battery cells, the cell No. : Select n (reference numerals 1 to N in FIG. 9).
選択した電池セルに該当するアクティブバランス用リレー１４がマイコン３ａ１より指示され、導通しＤＣ／ＤＣコンバータ１３に接続され、この電池セルは充電される。 The active balance relay 14 corresponding to the selected battery cell is instructed by the microcomputer 3a1, is conducted, and is connected to the DC / DC converter 13, and this battery cell is charged.
［放電によるセルバランス工程］
次に、図９を用いて各電池セルを放電することによって電圧を平衡化させる放電セルバランス工程を説明する。
放電セルバランス工程は、電圧の平均値Ｖｍｅａｎよりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、前記放電用負荷を接続して放電を行う工程である。
具体的には、先ず、すべての電池セルに関する格納された電圧の平均値Ｖｍｅａｎに対し、セル電圧Ｖｎが次式（４）を満たすセルＮｏ．：ｎ（図９中の符号１〜Ｎ）を選択する。
[Cell balance process by discharge]
Next, a discharge cell balancing step for balancing the voltages by discharging each battery cell will be described with reference to FIG.
The discharge cell balance step is a step of discharging the battery cells connected to the discharge load for battery cells that exhibit a voltage exceeding a predetermined value that is higher than the average value V mean of the voltages.
Specifically, first, for the average value V mean of the stored voltages related to all the battery cells, the cell No. : Select n (reference numerals 1 to N in FIG. 9).
選択した電池セルに該当するポジティブバランス用リレー１６がマイコン３ａ１より指示され、導通し(抵抗負荷（Ｌｏａｄ)１５に接続され、この電池セルは放電される。 The positive balance relay 16 corresponding to the selected battery cell is instructed by the microcomputer 3a1 and is conducted (connected to the resistance load (Load) 15), and this battery cell is discharged.
電池セルの電圧計測の周期に同期し、各電池セルは、式（３）、（４）の条件に合致の都度、充電あるいは放電され、各セルの電圧は平均値Ｖｍｅａｎに収斂し均衡する。 In synchronization with the voltage measurement period of each battery cell, each battery cell is charged or discharged every time the conditions of equations (3) and (4) are met, and the voltage of each cell converges to the average value V mean and balances. .
第２実施形態に係る電池管理ユニットでは、上述した充電による充電セルバランス工程と、放電による放電セルバランス工程にともなって電池セル間の不均衡の補正によるバランス機能が実現でき、当該バランス機能によって、構成電池セルを平衡化させることができる。ひいては、電池システムの総合力（電力量）の引き出し量の最大化が図れることに繋がる。 In the battery management unit according to the second embodiment, it is possible to realize a balance function by correcting the imbalance between the battery cells in accordance with the charge cell balance process by charging and the discharge cell balance process by discharge, and by the balance function, The constituent battery cells can be equilibrated. As a result, the amount of drawing out the total power (electric power) of the battery system can be maximized.
また、マイコン３ａ１は、各電池セルの電圧のバラつき程度を観察し、充電の電流強度を調整し、又、放電電流を低下させ、二次電池１００のパワーに応じた負荷パワーの適合性を自動調整し、二次電池１００の異常動作を防止することができる。ひいては、ＢＭＵ３によれば、電池の安全性と長寿命化を目的とした機能が実現可能となる。 Further, the microcomputer 3a1 automatically observes the degree of voltage variation of each battery cell, adjusts the current intensity of charging, reduces the discharge current, and automatically adapts the load power according to the power of the secondary battery 100. By adjusting, the abnormal operation of the secondary battery 100 can be prevented. As a result, according to BMU3, the function aiming at the safety | security of a battery and prolonging a lifetime becomes realizable.
さらに、本発明は、電池システムを使用する上での不均衡に因る種々の弊害（例えば、充電時に、ある電池セルがオーバーチャージ状態となったり、放電時にあるセルが過放電の状態に陥ったりし、これらに伴う不都合としての発煙・発火・破壊等の現象を防止するものである。 Furthermore, the present invention provides various adverse effects due to imbalance in using the battery system (for example, a certain battery cell is overcharged during charging, or a certain cell falls into an overdischarged state during discharging. In other words, it prevents smoke, ignition, destruction, and other phenomena that are associated with these problems.
以上のように、本発明は、電池システムが有する個々の電池セルの電圧を、相対的な誤差を抑えて精度良く計測するとともに、当該計測された個々の電池セルの電池セルに基づいて電池セルの電圧を平衡に保つことができる。また、本発明は、電池システムを構成する各電池セルのＳＯＣを平衡させることにより、電池システムの機能を高めるとともに安全性と長寿命化を図ることができる。 As described above, the present invention measures the voltage of each battery cell included in the battery system with high accuracy while suppressing relative errors, and based on the measured battery cell of each battery cell. Can be kept in balance. In addition, according to the present invention, by balancing the SOC of each battery cell constituting the battery system, the function of the battery system can be enhanced, and safety and long life can be achieved.
１、１Ａ 充電装置
３ 電池管理ユニット（ＢＭＵ）
３ａ、３ａ１ マイコン（制御回路）
１０ フォトＭＯＳリレー（第１スイッチング素子）
１１ キャパシタリレー（第２スイッチング素子）
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）
５０ 平均値算出部
Ｃ コンデンサー（キャパシタ）
1, 1A charging device 3 battery management unit (BMU)
3a, 3a1 microcomputer (control circuit)
10 Photo MOS relay (first switching element)
11 Capacitor relay (second switching element)
13 DC / DC converter (DC voltage converter)
50 Average value calculator C Capacitor
Claims (2)
１つのキャパシタと、
前記各電池セルの端子間に対応して設けられ、前記キャパシタに独立して直列接続し、当該接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路と、
前記複数の電池セルに個別に接続して、所定の電圧を印加して充電する直流電圧変換器と、を備え、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に前記第１スイッチング素子をＯＮすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測し、
前記制御回路は、
前記各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値を算出する平均値算出部を有し、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、前記直流電圧変換器に接続して充電を行い、
前記複数の電池セルに個別に接続して放電する放電用負荷をさらに備え、
前記制御回路は、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、前記放電用負荷に接続して放電を行い、
前記制御回路は、
前記電池セルの電圧を一定周期で走査し、ＡＤ変換し、前記各電池セル毎の電圧値を前記制御回路の指定のメモリーに記憶させ、
記憶させた前記各電池セルの電圧値の平均値を算出し、この平均値を基準に、それよりも高い電圧を示す電池セルに関しては放電処理を行い、低いセルは充電処理をすべく前記第１スイッチング素子を駆動することを特徴とする電池管理ユニット。 A battery management unit for measuring a voltage for each battery cell of a battery system configured by connecting a plurality of battery cells in series,
One capacitor,
A first switching element provided correspondingly between the terminals of each battery cell, connected in series independently to the capacitor, and ON / OFF the connection;
A control circuit for controlling ON / OFF of the first switching element;
A DC voltage converter that is individually connected to the plurality of battery cells and is charged by applying a predetermined voltage; and
The control circuit includes:
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. Execute the operation to acquire the terminal voltage, measure the voltage for each battery cell by sequentially performing this operation for each battery cell,
The control circuit includes:
An average value calculation unit that calculates an average value of the voltage of the battery cell using the voltage measured for each battery cell,
For the cell shown a voltage below a predetermined value a predetermined than the average value of the voltage, it has rows charging connected to the DC voltage converter,
It further comprises a discharge load for discharging by connecting to the plurality of battery cells individually,
The control circuit includes:
For battery cells that exhibit a voltage that exceeds a predetermined value that is predetermined above the average value of the voltage, discharge is performed by connecting to the discharge load,
The control circuit includes:
The voltage of the battery cell is scanned at a constant cycle, AD converted, and the voltage value for each battery cell is stored in a designated memory of the control circuit,
An average value of the stored voltage values of each battery cell is calculated, and based on this average value, a battery cell having a voltage higher than that is subjected to a discharge process, and a low cell is subjected to a charge process. A battery management unit that drives one switching element .
前記各電池セル毎に前記第１スイッチング素子をＯＮすることで前記キャパシタに充電し、前記キャパシタの端子電圧が飽和状態に達した際に前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、この充電されたキャパシタの端子電圧を取得する動作を実行し、この動作を前記各電池セル毎に順に行うことで各電池セル毎の電圧を計測する電圧検知工程と、
前記各電池セル毎に計測された電圧を用いて電池セルの電圧の平均値を算出する平均値算出工程と、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を下回る電圧を示す電池セルに関しては、前記直流電圧変換器に接続して充電を行う充電セルバランス工程と、
前記電圧の平均値よりも予め定めた所定値を上回る電圧を示す電池セルに関しては、前記放電用負荷を接続して放電を行う放電セルバランス工程と、
前記充電セルバランス工程あるいは前記放電セルバランス工程において、前記電池セルの電圧計測の周期に同期し、充電あるいは放電され、前記各電池セルの電圧を前記電圧の平均値に収斂させる工程と、を有する電池管理ユニットの制御方法。 The battery management unit control method according to claim 1 ,
The capacitor is charged by turning on the first switching element for each battery cell, and when the terminal voltage of the capacitor reaches a saturated state, the first switching element is turned off. A voltage detection step of measuring the voltage of each battery cell by performing an operation of acquiring a terminal voltage and performing this operation in order for each of the battery cells;
An average value calculating step of calculating an average value of the voltage of the battery cell using the voltage measured for each battery cell;
For battery cells that exhibit a voltage lower than a predetermined value that is predetermined in advance from the average value of the voltage, a charge cell balance step of connecting and charging the DC voltage converter;
For battery cells that exhibit a voltage that exceeds a predetermined value that is predetermined above the average value of the voltage, a discharge cell balance step that performs discharge by connecting the discharge load;
In the charge cell balance step or the discharge cell balance step, the method includes a step of converging the voltage of each battery cell to an average value of the voltage in synchronization with a voltage measurement cycle of the battery cell. Control method of battery management unit.
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