JP2013005677A

JP2013005677A - セルバランス装置

Info

Publication number: JP2013005677A
Application number: JP2011137214A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kuraishi; 守倉石
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】メインバッテリを構成する複数の二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えつつ、セルバランス時に生じる放電エネルギーを有効利用することが可能なセルバランス装置を提供することを目的とする。
【解決手段】モジュール１３の間欠的な放電により１次コイル６−１に交流電流が流れて１次コイル６−１と２次コイル６−２とが電磁結合するトランス６と、２次コイル６−２と補機バッテリ７との間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータ４と、モジュール１３の出力電圧の差が閾値以上のとき、各モジュール１３の出力電圧がそろうように所定のモジュール１３を間欠的に放電させるとともに、２次コイル６−２にかかる電圧を降圧させてＤＣ−ＤＣコンバータ４から出力される電圧で補機バッテリ７を充電させる電池ＥＣＵ８とを備えてセルバランス装置１を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載されるメインバッテリを構成する各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えるためのセルバランス装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載されるバッテリとして、走行用モータに電力を供給するメインバッテリやカーナビゲーションシステムなどの電装機器に電力を供給する補機バッテリがある（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。

また、メインバッテリとして、高い出力電圧を実現するために複数の二次電池が直列接続されて構成されるメインバッテリでは、充放電が繰り返されることにより生じる各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきをできるだけ無くして全体の劣化を抑える必要がある。

例えば、各二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化を行う手法（以下、セルバランスという）として、図４に示すように、メインバッテリ４０を構成する複数の二次電池４１（４１−１〜４１−ｎ）にそれぞれスイッチ４２及び抵抗４３を接続し、各スイッチ４２を順番にオン、オフさせることにより、各二次電池４１を放電させるとともに各抵抗４３で消費させて、各二次電池４１のそれぞれの出力電圧を最も低い出力電圧にそろえる、いわゆる、パッシブ方式のセルバランスがある。例えば、メインバッテリ４０の使用後又は充電後などにおいて二次電池４１−２の出力電圧が最も低くなる場合では、二次電池４１−１、４１−３〜４１−ｎにそれぞれ接続されるスイッチ４２を順番にオン、オフさせることにより、二次電池４１−１、４１−３〜４１−ｎをそれぞれ順番に放電させて、図５に示すように、二次電池４１−１、４１−３〜４１−ｎのそれぞれの出力電圧を二次電池４１−２の出力電圧にそろえる。

このように、パッシブ方式のセルバランスは、各二次電池のそれぞれの出力電圧をそろえるために、二次電池を放電し、その放電エネルギーを抵抗で消費させる構成であるため、その放電エネルギーが無駄になってしまう。

特開平１０−１６４７０９号公報特開２００８−３０２８５２号公報

本発明は、メインバッテリを構成する複数の二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えつつ、セルバランス時に生じる放電エネルギーを有効利用することが可能なセルバランス装置を提供することを目的とする。

本発明のセルバランス装置は、互いに直列接続される第１及び第２の二次電池を備えるメインバッテリと、前記第１又は第２の二次電池を放電させるセルバランス回路と、前記第１又は第２の二次電池の間欠的な放電により１次コイルに交流電流が流れて前記１次コイルと２次コイルとが電磁結合するトランスと、前記トランスの２次コイルと補機バッテリとの間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の差が閾値以上のとき、前記セルバランス回路の動作を制御することにより前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧のうち高い出力電圧が低い出力電圧にそろうように前記第１又は第２の二次電池を間欠的に放電させるとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御することにより前記２次コイルにかかる電圧を降圧させて前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される電圧で前記補機バッテリを充電させる制御回路とを備える。

これにより、メインバッテリの各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えることができメインバッテリの寿命を延ばすことができる。また、セルバランス時、二次電池からの放電電流を利用して補機バッテリを充電する構成であるため、セルバランス時に生じる放電エネルギーを有効利用することができる。

また、前記セルバランス回路は、互いに直列接続されるとともに前記トランスの１次コイルに並列接続される第１及び第２の抵抗と、前記第１の二次電池と前記第１の抵抗との間に設けられる第１のスイッチと、前記第２の二次電池と前記第２の抵抗との間に設けられる第２のスイッチとを備え、前記制御回路は、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の差が前記閾値以上のとき、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧のうち高い出力電圧が低い出力電圧にそろうように、前記第１又は第２のスイッチをオン、オフさせるように構成してもよい。

本発明によれば、車両に搭載されるメインバッテリを構成する各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えつつ、セルバランス時に生じる放電エネルギーを有効利用することができる。

本発明の実施形態のセルバランス装置を示す図である。電池監視セルバランス回路及びＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す図である。各スイッチのオン、オフのタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。パッシブ方式のセルバランスを説明するための図である。パッシブ方式のセルバランス時の各二次電池のそれぞれの出力電圧の変化を示す図である。

図１は、本発明の実施形態のセルバランス装置を示す図である。
図１に示すセルバランス装置１は、互いに直列接続される複数の二次電池により構成されるメインバッテリ２と、電池監視セルバランス回路３（セルバランス回路）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４、５と、トランス６と、補機バッテリ７と、電池ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）８（制御回路）とを備える。なお、本実施形態のセルバランス装置１は、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車、又はフォークリフトなどの車両に搭載されるものとする。また、メインバッテリ２の各二次電池は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次充電池などにより構成されるものとする。また、補機バッテリ７は、例えば、鉛蓄電池により構成されるものとする。

メインバッテリ２は、インバータ９を介して走行用モータ１０へ電力を供給したり、その走行用モータ１０からの回生電力をインバータ９を介して得るものとする。
補機バッテリ７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を介して電池ＥＣＵ８へ電力を供給したり、電装機器１１へ電力を供給する。なお、電装機器１１は、エアーコンディショナーやカーナビゲーションシステムなどとする。

電池監視セルバランス回路３は、メインバッテリ２の各二次電池のそれぞれの出力電圧を検出し、それら出力電圧を電池ＥＣＵ８に出力するとともに、セルバランス時、電池ＥＣＵ８からの指示に対応する二次電池を放電させる。

電池ＥＣＵ８は、車両の駐車時など走行用モータ１０によりメインバッテリ２が使用されていない状態であり車両全体の制御を行う上位ＥＣＵから出力されるイグニッション信号ＩＧがローレベルのとき、電池監視セルバランス回路３から出力される電圧のうち、最も高い電圧と最も低い電圧との差が閾値以上になると、電池監視セルバランス回路３の動作を制御して、メインバッテリ２の各二次電池のそれぞれの出力電圧を互いに均等化させる（セルバランス）。このとき、電池ＥＣＵ８は、メインバッテリ２の各二次電池のそれぞれの出力電圧が最も低い出力電圧にそろうように、出力電圧の高い二次電池を間欠的に放電させる。この二次電池の間欠的な放電によりトランス６の１次コイルに交流電流が流れてトランス６の１次コイルと２次コイルとが電磁結合する。これにより、セルバランス時に、トランス６の１次コイルにかかる電圧とほぼ同じ電圧がトランス６の２次コイルにもかかる。

また、電池ＥＣＵ８は、セルバランス時、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の動作を制御して、トランス６の２次コイルにかかる電圧を降圧させてＤＣ−ＤＣコンバータ４から出力される電圧で補機バッテリ７を充電させる。

このように、本実施形態のセルバランス装置１は、メインバッテリ２の各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えることができメインバッテリ２の寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態のセルバランス装置１は、セルバランス時、メインバッテリ２の各二次電池からの放電電流を利用して補機バッテリ７を充電する構成であるため、セルバランス時に生じる放電エネルギーを有効利用することができる。

図２は、電池監視セルバランス回路３及びＤＣ−ＤＣコンバータ４の一例を示す図である。なお、メインバッテリ２は、互いに直列接続される３つの電池セル１２で構成されるｎ個のモジュール１３（モジュール１３−１〜モジュール１３−ｎ）が互いに直列接続されて構成されるものとする。１つのモジュール１３を構成する電池セル１２の個数は３個に限定されない。また、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

図２に示す電池監視セルバランス回路３は、各モジュール１３の出力電圧を検出するｎ個の電圧検出器１４（１４−１〜１４−ｎ）と、各モジュール１３にそれぞれ接続されるｎ個のスイッチ１５（１５−１（第１のスイッチ）〜１５−ｎ（第２のスイッチ））と、各スイッチ１５にそれぞれ接続されるｎ個の抵抗１６（１６−１（第１の抵抗）〜１６−ｎ（第２の抵抗））とを備える。すなわち、抵抗１６−１〜１６−ｎは互いに直列接続されるとともにトランス６の１次コイル６−１に並列接続される。また、抵抗１６−１がスイッチ１５−１を介してモジュール１３−１のプラス端子に接続され、抵抗１６−ｎがモジュール１３−ｎのマイナス端子及びグランド（例えば、車両のボディなどに接続される仮想的なグランド）に接続されている。また、抵抗１６−２とモジュール１３−２のプラス端子との間にスイッチ１５−２が設けられ、・・・、抵抗１６−ｎとモジュール１３−ｎのプラス端子との間にスイッチ１５−ｎが設けられている。また、トランス６の１次コイル６−１の一方端がスイッチ１５−１と抵抗１６−１との間に接続され、１次コイル６−１の他方端が抵抗１６−ｎとグランドとの間に接続されている。

電圧検出器１４−１〜１４−ｎは、モジュール１３−１〜１３−ｎからそれぞれ出力される電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出して電池ＥＣＵ８に出力する。
電池ＥＣＵ８は、イグニッション信号ＩＧがローレベルのとき、電圧検出器１４−１〜１４−ｎにより検出される電圧Ｖ１〜Ｖｎのうち、最も高い電圧と最も低い電圧との差が閾値以上であるか否かを判断し、その差が閾値以上であると判断すると、最も低い電圧にその他の電圧がそろうように、スイッチ１５−１〜１５−ｎのそれぞれのオン、オフを制御する。

スイッチ１５−１〜１５−ｎは、それぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＩＥＬＤＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子により構成され、電池ＥＣＵ８から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓｎによりオン、オフする。スイッチ１５をオン、オフさせるときの制御信号Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれのデューティは、例えば、５０％とする。また、スイッチ１５をオン、オフさせるときの制御信号Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれの周波数は、各モジュール１３のそれぞれの所望なセルバランス実行時間などにより設定されてもよい。

電池ＥＣＵ８は、セルバランス時、スイッチ１５−１〜１５−ｎのうち、出力電圧が最も低いモジュール１３以外の各モジュール１３にそれぞれ接続されるスイッチ１５を１つずつ順番にオン、オフさせるとともに、オン、オフさせているスイッチ１５以外の各スイッチ１５を常時オフさせる。なお、１つのスイッチ１５をオン、オフさせる時間は、そのスイッチ１５に接続されるモジュール１３の出力電圧が最も低い出力電圧にそろうまでとする。これにより、モジュール１３−１〜１３−ｎのそれぞれの出力電圧が均等化する。

例えば、セルバランス時、スイッチ１５−１がオン、オフし、その他のスイッチ１５−２〜１５−ｎがそれぞれ常時オフしている場合、スイッチ１５−１のオン時にモジュール１３−１からトランス６の１次コイル６−１へ電流が流れて１次コイル６−１にエネルギーが蓄えられ、スイッチ１５−１のオフ時に１次コイル６−１に蓄えられたエネルギーがグランドなどに放出される。これにより、モジュール１３−１が徐々に放電する。

図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ４は、ＭＯＳＦＥＴ１７と、ダイオード１８と、コイル１９と、コンデンサ２０とを備える。すなわち、トランス６の２次コイル６−２の一方端がＭＯＳＦＥＴ１７及びコイル１９を介してコンデンサ２０の一方端に接続され、トランス６の２次コイル６−２の他方端がコンデンサ２０の他方端に接続されている。また、ダイオード１８のカソードがＭＯＳＦＥＴ１７とコイル１９との間に接続され、ダイオード１８のアノードがコンデンサ２０の他方端に接続されている。また、コンデンサ２０が補機バッテリ７に並列接続されている。なお、１次コイル６−１と２次コイル６−２の巻線比は、例えば、１：１とする。また、ＭＯＳＦＥＴ１７は、バイポーラトランジスタなど、その他のトランジスタにより構成されてもよい。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、図２に示す構成に限定されない。

ＭＯＳＦＥＴ１７は、電池ＥＣＵ８から出力されるＰＷＭ制御信号Ｓｄｏｗｎによりオン、オフする。なお、電池ＥＣＵ８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力電圧が一定になるように、１次コイル６−１又は２次コイル６−２にかかる電圧に応じて、ＰＷＭ制御信号Ｓｄｏｗｎのデューティを変えてもよい。

セルバランス時、ＰＷＭ制御信号ＳｄｏｗｎによりＭＯＳＦＥＴ１７がオン、オフすると、モジュール１３の放電エネルギーにより２次コイル６−２にかかる電圧が補機バッテリ７の電圧よりも少し高い電圧に降圧されてＤＣ−ＤＣコンバータ４から出力される。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１７がオンすると、２次コイル６−２からのエネルギーがコイル１９に蓄えられ、ＭＯＳＦＥＴ１７がオフすると、コイル１９の起電力によりダイオード１８がオンしてダイオード１８からコンデンサ２０に電流が流れる。コンデンサ２０により平滑された直流電圧は補機バッテリ７に出力され、補機バッテリ７が充電される。

このように、本実施形態のセルバランス装置１は、モジュール１３−１〜１３−ｎのそれぞれの出力電圧を均等化しつつ、セルバランス時にモジュール１３から放電されるエネルギーを利用して補機バッテリ７を充電することができる。

図３は、スイッチ１５−１〜１５−ｎ及びＭＯＳＦＥＴ１７のそれぞれのオン、オフのタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。なお、車両の走行時など走行用モータ１０によりメインバッテリ２が使用されている状態でありイグニッション信号ＩＧがハイレベルのときや各モジュール１３の電圧を検出しているとき、スイッチ１５−１〜１５−ｎ及びＭＯＳＦＥＴ１７は、それぞれ、オフしているものとする。

例えば、イグニッション信号ＩＧがローレベルにおいて、電池ＥＣＵ８により、最も高い電圧Ｖ１と最も低い電圧Ｖ２との差が閾値以上であると判断され、モジュール１３−１、１３−３〜１３−ｎのそれぞれの出力電圧Ｖ１、Ｖ３〜Ｖｎがモジュール１３−２の出力電圧Ｖ２にそろうように、スイッチ１５−１、１５−３〜１５−ｎが順番にオン、オフされる場合を考える。

このような場合、電池ＥＣＵ８は、電圧Ｖ１、Ｖ３〜Ｖｎがそれぞれ電圧Ｖ２にそろうように、スイッチ１５−１、１５−３〜１５−ｎを順番にオン、オフさせる。
また、電池ＥＣＵ８は、スイッチ１５−１、１５−３〜１５−ｎをオン、オフさせているとき、ＰＷＭ制御信号ＳｄｏｗｎによりＭＯＳＦＥＴ１７をオン、オフさせて、補機バッテリ７を充電させる。

これにより、モジュール１３−１、１３−３〜１３−ｎのそれぞれの出力電圧をモジュール１３−２の出力電圧にそろえつつ、モジュール１３−１、１３−３〜１３−ｎの放電エネルギーにより補機バッテリ７を充電することができる。

１セルバランス装置
２メインバッテリ
３電池監視セルバランス回路
４、５ＤＣ−ＤＣコンバータ
６トランス
７補機バッテリ
８電池ＥＣＵ
９インバータ
１０走行用モータ
１１電装機器

Claims

互いに直列接続される第１及び第２の二次電池を備えるメインバッテリと、
前記第１又は第２の二次電池を放電させるセルバランス回路と、
前記第１又は第２の二次電池の間欠的な放電により１次コイルに交流電流が流れて前記１次コイルと２次コイルとが電磁結合するトランスと、
前記トランスの２次コイルと補機バッテリとの間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の差が閾値以上のとき、前記セルバランス回路の動作を制御することにより前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧のうち高い出力電圧が低い出力電圧にそろうように前記第１又は第２の二次電池を間欠的に放電させるとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御することにより前記２次コイルにかかる電圧を降圧させて前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される電圧で前記補機バッテリを充電させる制御回路と、
を備えることを特徴とするセルバランス装置。
請求項１に記載のセルバランス装置であって、
前記セルバランス回路は、互いに直列接続されるとともに前記トランスの１次コイルに並列接続される第１及び第２の抵抗と、前記第１の二次電池と前記第１の抵抗との間に設けられる第１のスイッチと、前記第２の二次電池と前記第２の抵抗との間に設けられる第２のスイッチとを備え、
前記制御回路は、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の差が前記閾値以上のとき、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧のうち高い出力電圧が低い出力電圧にそろうように、前記第１又は第２のスイッチをオン、オフさせる
ことを特徴とするセルバランス装置。