JP2014093855A - 電池電圧均等化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電を行いながら、組電池の各電池電圧の均等化を実施しても、一部の電池のみが満充電状態に達してしまうことがない電池電圧均等化方法及び装置を提供する。
【解決手段】直列に接続された充電可能な複数の電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧又は充電状態を均等化するために、直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、電圧の高い電池から電圧の低い電池へ電流を流す。該電流は、電池コントローラ１０によりオン／オフ制御されるスイッチＳＷ１１〜ＳＷ３２、及びインダクタＬ１〜Ｌ３を介して流れる。また、充電器２０により、直列に接続された電池全体を充電するための電流を流す。電池電圧の均等化のための電流が、充電のための電流より大きくなるよう制御する。電池電圧の均等化のための電流の大きさは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ３２のオン／オフ制御の周波数の変更によって制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続されている充電可能な複数の電池を備えた組電池を対象に、各電池の電圧又は充電状態を均等化するための電池電圧均等化方法及び装置に関する。

複数の充電可能な電池を直列に接続して高電圧の組電池を実現する技術が実用化されている。この種の組電池は、近年では、例えば、電気自動車又はエンジンとモータを併用するハイブリッド車への実装において注目されている。ところが、多数の電池を直列に接続した状態で充電を行うと、各電池の電圧（又は、電池の残容量即ち充電状態）が不均一になることがある。

また、組電池が電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と減速時の回生電流による充電とが繰り返され、この充放電の繰り返しによっても電池の電圧が不均一になることがある。

そして、電池の電圧の不均一化は、一部の電池の劣化を促進させるおそれがあり、また、組電池全体として効率の低下を引き起こすことがある。なお、電池の電圧の不均一化は、各電池の製造時のばらつきや、経年劣化等により生じ得る。このため、複数の電池の電圧を均等化する技術が提案されている。

図４は、アクティブバランスと称される電池電圧均等化の回路構成例を示す。この例では、組電池１００は、２つの充電可能な電池Ｅ１，Ｅ２を有する。電池Ｅ１，Ｅ２は、互いに直列に接続されている。そして、組電池１００には、負荷２００が接続されている。電池電圧の均等化の回路は、図４に示すように、インダクタＬ１、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、ドライバ回路Ｄ１，Ｄ２、及び電池コントローラ１０を有する。

電池コントローラ１０は、各電池Ｅ１，Ｅ２の電圧をモニタしている。以下の説明では、電池Ｅ１の電圧が電池Ｅ２の電圧よりも高いものとする。そして、電池コントローラ１０は、電池Ｅ１，Ｅ２の電圧（即ち充電状態)の均等化（バランス)を行うときは、所定のデューティ比及び所定の周波数を有するパルス列信号を生成する。

ドライバ回路Ｄ１は反転ドライバであり、ドライバ回路Ｄ２は非反転ドライバである。よって、電池コントローラ１０がパルス列信号を出力すると、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、交互にオン／オフ状態が切り替わる。即ち、スイッチＳＷ１がオン状態のときにスイッチＳＷ２はオフ状態に、スイッチＳＷ１がオフ状態のときにスイッチＳＷ２はオン状態となるよう制御される。

スイッチＳＷ１がオン状態に、スイッチＳＷ２がオフ状態に制御されると、電池Ｅ１の正極からスイッチＳＷ１及びインダクタＬ１を介して電池Ｅ１の負極へ向かう電流が流れる。この電流によってインダクタＬ１に電気エネルギーが蓄積される。

続いて、スイッチＳＷ１がオフ状態に、スイッチＳＷ２がオン状態に制御されると、インダクタＬ１に蓄積されている電気エネルギーにより、スイッチＳＷ２及びインダクタＬ１を介して電池Ｅ２を充電する方向に電流が流れる。上述のスイッチング動作を繰り返すことにより、電池Ｅ１から電流が電池Ｅ２へ流れ、電池Ｅ１と電池Ｅ２の電圧（充電状態）が徐々に均等化される。

組電池の各電池の電圧を均一化するそのほかの手法として、組電池でコンデンサを充電し、該コンデンサから最低電圧の電池に充電する手法等が、引用文献１等に記載されている。また、モータが外力により回転している場合に、モータから発生され、組電池に充電される回生電流に対して、電力変換手段のデューティ比を制御することにより、回生電流を最適化する手法等について、下記の特許文献２等に記載されている。

特開２００９−２８４５９１号公報 特開２０１０−２２０３２３号公報

図４に示すようなスイッチとインダクタとを用い、電圧の高い電池から電圧の低い電池へ電流を流して電池の電圧を均等化する動作を、該電池を含む組電池への充電を行っている最中に実施することが要求される。該組電池への充電は、外部の充電器からの充電、又はモータの制動時の回生電流による充電等により行われる。

該組電池への充電中に、各電池の均等化を実施すると、均等化が完全に終了する前に、最も電圧の高い電池が満充電状態に達してしまう場合がある。そのような場合には、一旦、充電を中断して均等化を行い、均等化が完全に終了した後に、再度充電を開始するなど、複雑な動作手順で行わなければならないこととなる。

本発明は、組電池の充電中に、該組電池の各電池電圧の均等化を行っても、一部の電池のみが満充電状態に達してしまことがなく、従って、充電を中断したりすることなく、充電中に電池電圧の均等化を行うことを可能にする。

上記課題を解決する一形態としての電池電圧均等化方法は、直列に接続された充電可能な複数の電池の電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化方法であって、前記電池に外部から充電する充電電流の値を取得する第１のステップと、前記直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して、該電池電圧の均等化のために流す均等化電流が、前記充電電流より大きい電流となるよう、該均等化電流の大きさを決定する第２のステップと、前記第２のステップで決定された大きさの均等化電流が流れるよう、前記スイッチのオン／オフを制御して均等化を実施させる第３のステップと、を含むものである。

また、前記第３のステップにおける均等化電流の大きさを、前記スイッチのオン／オフ制御の周波数の変更によって制御するものとしてもよい。

本発明によれば、組電池の充電中に、該組電池電圧の各電池の均等化を実施しても、一部の電池のみが満充電状態に達してしまことがなく、従って、充電を中断したりすることなく、充電中に電池の均等化を実施することが可能となる。

本発明による電池電圧の均等化の回路構成の一実施形態を示す図である。 充電中に電池電圧の均等化を行っているときの移動電荷量の一態様を示す図である。 本発明による電池電圧の均等化の動作フローの一例を示す図である。 電池電圧均等化の回路構成例を示す図である。

図１は、本発明による電池電圧均等化の回路構成の一実施形態を示す。図１において、２０は充電器であり、組電池１００の電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に対して充電電流Ｉｃｈを供給する。電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、直列に接続され、組電池１００を構成する。なお、図１には４個の電池の組電池の例を示しているが、本発明は、電池が４個のものに限定されるものではなく、少なくとも２個の電池を有する組電池に対して適用可能である。

この直列に接続された各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４と並列に、図１に示すように、それぞれスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２が接続される。即ち、電池Ｅ１にはスイッチＳＷ１１が、電池Ｅ２にはスイッチＳＷ１２，ＳＷ２１が、電池Ｅ３にはスイッチＳＷ２２，ＳＷ３１が、電池Ｅ４にはスイッチＳＷ３２が接続される。

インダクタＬ１は一端が電池Ｅ１，Ｅ２の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２の接続点に接続される。インダクタＬ２は一端が電池Ｅ２，Ｅ３の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２の接続点に接続される。インダクタＬ３は一端が電池Ｅ３，Ｅ４の接続点に接続され、他端がスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２の接続点に接続される。

このような電池電圧均等化の回路において、各隣接する２個ずつの電池Ｅ１とＥ２、Ｅ２とＥ３、Ｅ３とＥ４をそれぞれ一対のペアとして組み合わせる。そして、各ペアの電池同士で電荷を移動し合うためのスイッチングコンバータをスイッチ及びインダクタにより構成する。

このスイッチングコンバータにより、各ペアの電池に対して、一方の電池に並列接続されたスイッチをオンにし、他方の電池に並列接続されたスイッチをオフにしてインダクタに電気エネルギーを蓄積させる。

次に、該蓄積した電気エネルギーにより、一方の電池に並列接続されたスイッチをオフにし、他方の電池に並列接続されたスイッチをオンにして、他方の電池を充電する。このようなスイッチング動作を繰り返すことにより、各ペアの電池の電圧が徐々に均等化される。

例えば、電池Ｅ１と電池Ｅ２のペアにおいて、電池Ｅ１から電池Ｅ２へ電荷を移動させる場合、スイッチＳＷ１１をオンにし、スイッチＳＷ１２をオフにする。スイッチＳＷ１１がオンになると、電池Ｅ１→スイッチＳＷ１１→インダクタＬ１→電池Ｅ１の閉ループが形成され、電池Ｅ１からインダクタＬ１に電気エネルギーが移動する。

その後、スイッチＳＷ１１をオフにし、スイッチＳＷ１２をオンにすると、インダクタＬ１に移動した電気エネルギーは、インダクタＬ１→電池Ｅ２→スイッチＳＷ１２→インダクタＬ１の閉ループにより、電池Ｅ２に移動する。こうすることにより、電池Ｅ１から電池Ｅ２に電流が流れ、電池Ｅ１の電圧と電池Ｅ２の電圧とが徐々に均等化される。

逆に、電池Ｅ２から電池Ｅ１へ電荷を移動させる場合には、スイッチＳＷ１２をオンにし、スイッチＳＷ１１をオフにする。すると、電池Ｅ２→インダクタＬ１→スイッチＳＷ１２→電池Ｅ２の閉ループが形成され、電池Ｅ２からインダクタＬ１に電気エネルギーが移動する。

その後、スイッチＳＷ１２をオフにし、スイッチＳＷ１１をオンにすると、インダクタＬ１に移動した電気エネルギーは、インダクタＬ１→スイッチＳＷ１１→電池Ｅ１→インダクタＬ１の閉ループにより、電池Ｅ１に移動する。このようなスイッチング動作を繰り返すことにより、電池Ｅ２から電池Ｅ１に電荷が移動し、電池Ｅ１の電圧と電池Ｅ２の電圧とが徐々に均等化される。

他の隣接する電池Ｅ２と電池Ｅ３のペア、及び電池Ｅ３と電池Ｅ４のペアについても、それぞれ上述の動作と同様に、各ペアの２個の電池の間で充放電を行わせ、各電池の電圧（充電状態）が等しくなるよう均等化することができる。

なお、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２は、図４に示したように、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子を用いることができる。そして、該スイッチのオン／オフを、電池コントローラ１０から出力されるパルス列信号により、反転ドライバ回路Ｄ１及び非反転ドライバ回路Ｄ２を介して制御する構成とすることができる。

上述の電池電圧の均等化の動作により、電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の間で流れる均等化電流をＩｂｌとし、外部の充電器２０から各電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に流れる充電電流をＩｃｈとする。ここで充電電流は、外部の充電器２０から給電されるものに限らず、モータからの回生電流等による充電電流であってもよい。

ただし、上述の電池電圧の均等化において、均等化電流Ｉｂｌの方が、充電電流Ｉｃｈより大きくなるよう、均等化電流Ｉｂｌ又は充電電流Ｉｃｈの大きさを制御する。即ち、均等化のために流す均等化電流Ｉｂｌと、充電器２０等による充電電流Ｉｃｈとの関係を、下記の式（１）を満たすようにする。
・均等化電流Ｉｂｌ≧充電電流Ｉｃｈ ・・・（１）
ここで、均等化電流Ｉｂｌの大きさを制御する手法について説明する。電池からインダクタへ、及び該インダクタから他の電池へ、電気エネルギーを移動させるためのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のオン／オフ制御の周波数をＦ（Ｈｚ）とする。また、上記インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンスをＬ（Ｈ）、損失を含む効率係数をＡとする。そうすると、均等化電流Ｉｂｌは、下記の式（２）により表される。
・均等化電流Ｉｂｌ＝１／（Ｌ×Ｆ）×Ａ ・・・（２）
インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、電池電圧均等化の回路に固定的に組み込まれているため、そのインダクタンスＬ（Ｈ）を容易に変更することはできない。しかし、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のオン／オフの周波数Ｆ（Ｈｚ）は、電池コントローラ１０から出力されるパルス列信号の周波数を変更することにより容易に変更することができる。

そこで、電池コントローラ１０は、充電電流Ｉｃｈの値を充電電流値取得部１１により取得する。そして、該取得した充電電流Ｉｃｈの値より、均等化電流Ｉｂｌを大きくするよう、増大させる場合には、スイッチのオン／オフ制御の周波数Ｆ（Ｈｚ）をより低く、即ちスイッチのオン／オフの周期が長くなるよう、電流制御部１２により制御する。

こうすることにより、電池電圧の均等化を行いながら、該電池への充電を行っても、充電電流より均等化電流が大きいため、均等化が完全に終了する前に、一部の電池のみが満充電状態に達することはない。

図２は、充電中に電池電圧の均等化を行っているときの移動電荷量の一態様を示す。今、電池Ｅ１の充電状態が８０％で、電池Ｅ２の充電状態が６０％であるとする。そして、或る所定時間Ｔで、均等化電流Ｉｂｌにより１０％の電荷が、電池Ｅ１から電池Ｅ２へ移動し、電池Ｅ１の充電状態が７０％、電池Ｅ２の充電状態が７０％に均等化されるものとする。

このとき、充電電流Ｉｃｈ（Ｉｂｌ≧Ｉｃｈ）により上記の所定時間Ｔで５％（１０％≧５％）の電荷が充電されるものとすると、電池Ｅ１は、該所定時間Ｔ後、７５％（＝８０％−１０％＋５％）となり、電池Ｅ２は、該所定時間Ｔ後、７５％（＝６０％＋１０％＋５％）となる。

即ち、電池電圧の均等化の実施前に、電圧の高かった電池Ｅ１は、充電中であっても、充電電流より均等化電流の方が大きいため、電池電圧の均等化の実施によって、電荷量が減少する。そのため、電池電圧の均等化の実施中に充電を行っても、一部の電池が満充電状態に達することは無い。従って、電池が満充電となる前に、電池電圧の均等化が完全に終了し、各電池電圧が均等化された後に、各電池が充電電流により満充電状態まで充電されることとなる。

図３に、本発明による電池電圧均等化の動作フローの例を示す。まず、電池コントローラは、直列に接続された電池に、外部の充電器から充電する充電電流の値を取得する（ステップＳ１）。

次に、直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して、電池電圧の均等化のために流す均等化電流が、該充電電流より大きい電流となるよう、該均等化電流の大きさを決定する（ステップＳ２）。

次に、ステップＳ２で決定された大きさの均等化電流が流れるよう、スイッチのオン／オフ制御の周波数を決定する（ステップＳ３）。そして、該周波数のパルス列信号を出力し、該パルス列信号によりスイッチをオン／オフさせて均等化を実施させる（ステップＳ４）。

上述の電流の大きさの制御において更に詳しく説明する。充電電流Ｉｃｈが定電流回路により給電される場合は、該充電電流Ｉｃｈは既知の一定の値となる。従って、この場合は、均等化電流Ｉｂｌが該既知の充電電流Ｉｃｈを上回るよう、上述のスイッチのオン／オフ周波数を制御すればよい。

また、充電電流Ｉｃｈが定電圧回路等により給電され、或いは、モータの回生電流により給電されるなど、充電電流Ｉｃｈが一定でない場合、以下のような構成とすることができる。即ち、電池コントローラ１０と、外部の充電器２０等内の図示省略の充電コントローラとの間の通信機能により、一方から他方へ、充電電流Ｉｃｈ又は均等化電流Ｉｂｌの値を通知し合うようにする。そして、通知された電流の値に対して、前述の式（１）を満たすように、均等化電流Ｉｂｌ又は充電電流Ｉｃｈの大きさを制御する構成としてもよい。

例えば、電池コントローラ１０側で均等化電流Ｉｂｌの大きさを制御する場合は、外部の充電器２０内の図示省略の充電コントローラから通知される充電電流Ｉｃｈの値を基に、該充電電流Ｉｃｈの値以上の均等化電流Ｉｂｌとなるように、スイッチのオン／オフ周波数を制御する。

また、充電器２０側で充電電流Ｉｃｈの大きさを制御する場合は、電池コントローラ１０から通知される均等化電流Ｉｂｌの値を基に、該均等化電流Ｉｂｌの値以下となるように、充電電流Ｉｃｈの大きさを制御する構成としてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を採ることができる。

１０ 電池コントローラ
１１ 充電電流値取得部
１２ 電流制御部
２０ 充電器
１００ 組電池
Ｄ１ 反転ドライバ回路
Ｄ２ 非反転ドライバ回路
Ｅ１〜Ｅ４ 電池
Ｌ１〜Ｌ３ インダクタ
ＳＷ１１〜ＳＷ３２ スイッチ

Claims (4)

1. 直列に接続された充電可能な複数の電池の電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化方法であって、
   前記電池に外部から充電する充電電流の値を取得する第１のステップと、
   前記直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して、該電池電圧の均等化のために流す均等化電流が、前記充電電流より大きい電流となるよう、該均等化電流の大きさを決定する第２のステップと、
   前記第２のステップで決定された大きさの均等化電流が流れるよう、前記スイッチのオン／オフを制御して均等化を実施させる第３のステップと、
   を含む電池電圧均等化方法。
2. 前記第３のステップにおいて、前記均等化電流の大きさを、前記スイッチのオン／オフ制御の周波数の変更によって制御することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧均等化方法。
3. 直列に接続された充電可能な複数の電池の電圧又は充電状態を均等化する電池電圧均等化装置であって、
   前記直列に接続された電池の各隣接する２つ電池間で、スイッチ及びインダクタを介して、該電池電圧の均等化のための電流を流す均等化手段と、
   前記直列に接続された電池全体を充電するための充電電流の値を取得する取得手段と、
   前記均等化手段における電池電圧の均等化のための電流が、前記取得手段で取得した充電電流より大きくなるよう制御する電流制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電池電圧均等化装置。
4. 前記電流制御手段は、電池電圧の均等化のための電流の大きさを、前記スイッチのオン／オフ制御の周波数の変更によって制御することを特徴とする請求項３に記載の電池電圧均等化装置。