JP5691924B2 - 電池セルの電圧バランス制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルが、直列に接続されてなる組電池の性能を最大限に発揮させることを可能にする電池セルの電圧バランス制御装置に関する。

近年、電池に蓄えた電気エネルギーを利用しモータ駆動により走行する電気自動車の普及する兆しが目に見えて顕著になってきている。この電気自動車では充電可能なバッテリに電気エネルギーを蓄え、この電気エネルギーを利用し電動モータを駆動源として走行する。このような電気自動車においては、複数の電池セルが直列に接続されてなる組電池が前記電動モータの電源として用いられており、この組電池では充放電を繰り返すことで劣化の進み具合も異なり各電池セルの放電特性が微妙に異なることになる。しかしながら、このような組電池に対し効率よく充電を行い、電池の性能を最大限発揮できるようにする必要があることから、セル電圧バランス技術により電池セル間の充放電量の違いを修正することで、組電池に対し効率よく充電を行い、電池の性能を最大限発揮できるようにしている。このようなセル電圧バランス技術としては、充電可能な複数の電池の電圧をそれぞれＧＮＤ基準に変換する電圧変換回路と、変換された複数の変換電圧のうちの最低の電圧値を出力する出力回路とを備え、各電池には、対応する電池の放電ループを構成する回路と、前記最低の電圧値と対応する電池の前記変換電圧とを比較して前記変換電圧が前記最低の電圧値に対して設定値以上になると前記放電ループをオンとする回路とを設けたセルバランス回路がある（特許文献１参照）。

特開平１０−５０３５２号公報

したがって、従来の電池セルの電圧バランス制御装置では、電池セルのうちで最も低い電圧値を示す電池セルに、他の電池セルの電圧値を合致させるように放電ループをオンにして抵抗を含む放電回路で前記他の電池セルを放電させる結果、不必要な電力消費が発生し、また不必要な電力消費が発生することによる電池温度の上昇と電池の劣化、出力の低下の増進が加速され、さらにバランス時間が長時間化するなどの課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、不必要な電力消費の発生を抑制し、これにより電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、組電池を構成する直列接続された複数の電池セルの電池電圧のバラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、前記電池セルの充電状態が満充電に近い高充電状態における前記電池セル間の電池電圧の差分量を検出する電池電圧検出手段と、前記電池電圧検出手段により検出した前記電池セル間の電池電圧の差分量をもとに、前記電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する前記高充電状態における充・放電最良点を判定する充・放電最良点判定手段と、前記充・放電最良点判定手段により判定した充・放電最良点を含む前記高充電状態において前記電池セル間の電圧バランスを確立させる電圧バランス制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、電池セルの充電状態が満充電に近い高充電状態における前記電池セル間の電池電圧の差分量を電池電圧検出手段により検出し、前記電池電圧検出手段により検出した前記電池セル間の電池電圧の差分量をもとに、前記電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する前記高充電状態における充・放電最良点を充・放電最良点判定手段により判定し、前記充・放電最良点判定手段により判定した充・放電最良点を含む前記高充電状態において前記電池セル間の電圧バランスを電圧バランス制御手段により確立させるように構成したので、低充電状態において電圧バランスを確立させた場合の不必要な電力消費の発生を抑制でき、これによる電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下が抑制でき、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供できる効果がある。

請求項２記載の発明によれば、充・放電最良点は、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する点であり、電圧バランス制御手段は、前記複数の電池セルの内、劣化度合いの大きい一方の電池セルの電圧が前記充・放電最良点より大きい時に、当該一方の電池セルを放電して前記電池セル間の電圧バランスを確立させるように構成したので、低充電状態において電圧バランスを確立させた場合の不必要な電力消費の発生を抑制でき、これによる電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下が抑制でき、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供できる効果がある。

請求項３記載の発明によれば、電池セルの安定した状態を、イグニッションスイッチがオフ状態となってから予め定められた一定期間の経過をもとに判定する電池セル安定状態判定手段を備えるように構成したので、イグニッションスイッチがオフ状態となってから予め定められた一定期間が経過した電池セルの安定した状態の高充電状態において、電圧バランス制御手段により前記電池セル間の電圧バランスを確立させるため、不必要な電力消費の発生を抑制でき、これによる電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下が抑制でき、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供できる効果がある。

本発明の第１の実施の形態である電池セルの電圧バランス制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置におけるセル制御回路の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置の動作である高容量状態での充・放電制御の一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置における動作を劣化電池セルと非劣化電池セルの放電特性に対応させて示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態における電池セルの電圧バランス制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置におけるセル制御回路の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置の動作を示す説明図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である電池セルの電圧バランス制御装置の構成を示すブロック図である。
この実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置では、複数の電池セル１，２，３，４が直列接続されて１つの組電池を構成している。
また、組電池を構成する複数の電池セル１，２，３，４のそれぞれに対し電圧をモニタし、また、電池セル１，２，３，４のセル充電電流とセル放電電流を制御するセル制御ユニット６，７，８，９と、電池セル１，２，３，４から構成された組電池を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ機能を備えた充電用電源１０と、セル制御ユニット６，７，８，９においてモニタされたモニタ電圧値、セル充電電流、セル放電電流をもとに電池セル１，２，３，４の充電を制御するＥＣＵ１１とを備えている。ＥＣＵ１１は、充・放電最良点判定用マップＭＰと充・放電最良点判定手段１３１を備えている。
充・放電最良点判定用マップＭＰは、電池セルの充放電特性、電池セルの劣化に伴う充放電特性の変化をデータとして保存している。図４は、この充・放電最良点判定用マップＭＰの電池セルの充放電特性、電池セルの劣化に伴う充放電特性の変化を示す充・放電最良点判定用マップＭＰの一例を示している。縦軸に電池電圧（Ｖ）、横軸に電池放電容量（Ａｈ）をとる。図において符号１１１は劣化していない正常な電池セル（劣化度合いの小さい一方の電池セル）の充放電特性を示す。また、符号１１２は、符号１１１で示した充放電特性を、電池セルの正極側端子と負極側端子とを放電回路で接続し放電させ電池電圧をさらに低下させる方向へ平行移動させた特性を示している。また、符号１１３は、劣化が進んだ電池セル（劣化度合いの大きい他方の電池セル）の充放電特性を示しており、電池電圧が３．４ボルトを下回ると急激に下降する充放電特性を示している。充・放電最良点判定手段１３１は、周知の技術であるＳＯＣ測定法を利用して容量を測定し、実際の電池セルの電池電圧の変化から電池セルの充放電特性を特定し、充・放電最良点判定用マップＭＰを参照し対応する充放電特性を判定し、劣化していない電池セルと劣化が進んだ電池セルとを識別し、高容量状態における劣化していない電池セルの充放電特性と劣化が進んだ電池セルの充放電特性との交点を充・放電最良点として判定する。すなわち、本発明において、充・放電最良点は、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する点である。
なお、ＥＣＵ１１は、複数の電池セル１，２，３，４から例えば電気自動車の電動モータへ供給される電力を制御する制御ＥＣＵであり、各種データを受信し、受信したデータを解析し、各種指令を送信する。

図２は、図１に示したセル制御ユニット６，７，８，９の構成を示す回路図である。図２においてセル制御ユニット６は、スイッチ回路６１と負荷抵抗回路６２およびセル電圧モニタ６３を備えている。スイッチ回路６１は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。負荷抵抗回路６２は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。セル電圧モニタ６３は、電池セル１の正極側出力端子と負極側出力端子とへパラレルに接続されており、電池セル１の電池電圧を検出する。セル電圧モニタ６３により検出された電池セル１の電池電圧はＥＣＵ１１へ出力される。スイッチ回路６１と負荷抵抗回路６２とは直列に接続され電池セル１のセル放電回路を構成し、スイッチ回路６１の負荷抵抗回路６２と接続されていない他方の端子は電池セル１の正極側出力端子へ接続され、また、負荷抵抗回路６２のスイッチ回路６１と接続されていない他方の端子は電池セル１の負極側出力端子へ接続されている。
以下、セル制御ユニット７，８，９は、それらに接続される電池セルが電池セル２，３，４である点以外は、セル制御ユニット６と同様の構成であるため、重複する説明は省略する。
なお、セル制御ユニット７，８，９におけるスイッチ回路、負荷抵抗回路、セル電圧モニタを符号を変えて区別した。具体的には、スイッチ回路７１，８１，９１，負荷抵抗回路７２，８２，９２、セル電圧モニタ７３，８３，９３とした。

また、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２とは直列接続され、スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は充電用電源１０に直列に接続されている。そして、充電用電源１０の正極側出力端子がスイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路を介して、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池の正極側出力端子へ接続され、また充電用電源１０の負極側出力端子が前記組電池の負極側出力端子へ接続されている。スイッチ回路１０１と電流制限回路１０２との直列回路は、複数の電池セル１，２，３，４から構成される組電池に対し充電用電源１０により充電を行う充電回路を構成している。
スイッチ回路１０１は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに閉成される常開接点により構成されている。また、電流制限回路１０２は、ＥＣＵ１１から出力される制御信号をもとに抵抗値が可変される可変抵抗回路により構成されている。

次に動作について説明する。
図５は、この実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置の動作を示すフローチャートである。この動作は図５に示すフローチャートをＥＣＵ１１が実行することで実現される。
先ず、イグニッションスイッチをオフにした状態から一定時間の経過を判定する（ステップＳ１）。イグニッションスイッチをオフにした状態では、各電池セルは負荷との接続は遮断されている。また、前記一定時間の経過は、イグニッションスイッチをオフにした状態から電池セルの状態が安定した状態に落ち着くまでの経過時間に対応している。そして、この一定時間が経過すると、各電池セルの電池電圧をセル電圧モニタにより検出する。つまり、電池セル１の電池電圧をセル電圧モニタ６３により検出し、電池セル２の電池電圧をセル電圧モニタ７３により検出し、電池セル３の電池電圧をセル電圧モニタ８３により検出し、電池セル４の電池電圧をセル電圧モニタ９３により検出する。そして、検出した電池セルの電池電圧から劣化していない電池セルと、劣化している電池セルとを識別する。図４に示した充・放電最良点判定用マップＭＰに示した符号１１１と符号１１３で示す充・放電特性から明らかなように、劣化していない電池セルと劣化している電池セルとの相違は高容量状態（満充電の状態から１０Ａｈ程度の放電を行なった状態までの範囲）で電池セルの放電に伴って電池電圧が逆転する点である。従って周知のＳＯＣ測定方法により各電池セルの容量を測定し、高容量状態で電池セルを放電させたときに電池電圧が逆転する（劣化していない電池セルの電池電圧をＶ１、劣化している電池セルの電池電圧をＶ２とすると、Ｖ１＜Ｖ２の状態からＶ１＞Ｖ２の状態へ電池セルの電池電圧が逆転するとともに差分量ΔＶの絶対値が一定の大きさを超える）電池セルを検出することで劣化していない電池セルと劣化している電池セルとの識別が可能となる。
続いて容量の測定結果から充・放電最良点を充・放電最良点判定手段１３１により判定する（ステップＳ３）。この充・放電最良点は、高容量状態で電池放電容量を変化させたときの劣化している電池セルの充・放電特性と劣化していない電池セルの充・放電特性との交点を求めるものであり、満充電の状態から１０Ａｈの放電を行なったときの電池電圧の変化から求めることが可能である。

続いて、高容量状態で充・放電制御を行う（ステップＳ４）。この充・放電制御では、前記充・放電最良点よりも電池放電容量の小さい高容量状態の下限値、つまり満充電の状態から５Ａｈ程度の放電を行なった状態での電池電圧の範囲内で充・放電制御を行う。
図３は、この実施の形態の電池セルの電圧バランス制御装置の動作である高容量状態での充・放電制御の一例を示す説明図である。図３において電池セル４が劣化している電池セルであり、図４の充・放電特性では符号１１３で示され、電池放電容量、電池容量として３０Ａｈの容量を有している。また、電池セル１，２，３は劣化していない電池セルであり、図４の充・放電特性では符号１１１で示され、電池放電容量、電池容量として５０Ａｈの容量を有している。すなわち、一例として図２の回路図の電池セル４が劣化している電池セル、他の電池セル１，２，３は劣化していない電池セルとする。
図３（イ）で示される状態は、電池セル４が満充電の状態であり、他の電池セル１，２，３は電池放電容量３０Ａｈ残っている状態であり、電池セル４が満充電の状態であることから電池セル１，２，３については満充電の状態まで充電することが出来ない。図４に示す充・放電特性上では充・放電特性の横軸上のポイントＣ１が満充電の状態の電池セル４の容量を示し、また充・放電特性の横軸上のポイントＣ２が電池セル１，２，３の容量を示す。従って、この実施の形態では、図２に示すスイッチ回路１０１を開状態に切り替えて、スイッチ回路９１を閉成し、電池セル４の正極側出力端子と負極側出力端子とに負荷抵抗回路９２を接続し、電池セル４を所定放電量、例えば５Ａｈ放電させる。この５Ａｈ放電させた後は、図２に示すスイッチ回路９１を開状態に切り替えて電池セル４の正極側出力端子と負極側出力端子とから負荷抵抗回路９２を切り離す。図３（ロ）は電池セル４を５Ａｈ放電させた状態を示している。この状態では、図４の充・放電特性上、電池セル４の容量はポイントＣ１からポイントＣ３へ変化する。このとき電池セル４の容量は２５Ａｈ、電池セル１，２，３の容量は３０Ａｈを維持している。
そして、この状態からスイッチ回路１０１を閉成し、電流制限回路１０２を介して電池セル１，２，３，４が直列接続されてなる組電池を５Ａｈ充電する。図３（ハ）は、これにより５Ａｈ充電され容量が３０Ａｈとなった電池セル４と、容量が３５Ａｈとなった電池セル１，２，３を示している。図４の充・放電特性上では、電池セル４の容量はポイントＣ３からポイントＣ１へ変化し、また電池セル１，２，３の容量はポイントＣ２からポイントＣ４へ変化する。
続けて、この状態から、さらに図２に示すスイッチ回路１０１を開状態に切り替えて、スイッチ回路９１を閉成し、電池セル４の正極側出力端子と負極側出力端子とに負荷抵抗回路９２を接続し、電池セル４を所定放電量、例えば５Ａｈ放電させる。この５Ａｈ放電させた後は、図２に示すスイッチ回路９１を開状態に切り替えて電池セル４の正極側出力端子と負極側出力端子とから負荷抵抗回路９２を切り離す。この状態では、図４の充・放電特性上、電池セル４の容量はポイントＣ１からポイントＣ３へ変化する。このとき電池セル４の容量は２５Ａｈ、電池セル１，２，３の容量は３５Ａｈを維持している。そして、この状態からスイッチ回路１０１を閉成し、電流制限回路１０２を介して電池セル１，２，３，４が直列接続されてなる組電池を５Ａｈ充電する。図４の充・放電特性上では、電池セル４の容量はポイントＣ１からポイントＣ３へ変化し、また電池セル１，２，３の容量はポイントＣ４からポイントＣ５へ変化する。
以後、電池セル４の５Ａｈ放電と、電池セル１，２，３，４が直列接続されてなる組電池の５Ａｈ充電を繰り返すことで、図３（ニ）に示すように電池セル１，２，３と電池セル４に対し満充電、すなわち電池セル１，２，３に対しては容量５０Ａｈ、電池セル４に対しては容量３０Ａｈになるまで充・放電制御を行う。
すなわち、第１の実施の形態では、複数の電池セル１，２，３，４の内、劣化度合いの大きい一方の電池セル４の電圧が充・放電最良点より大きい時に、当該電池セル４を放電して電池セル１，２，３，４間の電圧バランスを確立させている。

以上説明したように、この実施の形態によれば、高容量状態で劣化電池セルの放電と、前記劣化電池セルを含む電池セルが直列接続された組電池の充電とを繰り返し行い、劣化電池セルを含む組電池を満充電状態に充電できるように構成したので、不必要な電力消費の発生を抑制し、これにより電池温度の上昇、電池の劣化、出力低下を抑制し、効率のよい充電を可能にして電池の性能を最大限発揮できるようにした電池セルの電圧バランス制御装置を提供できる効果がある。

１，２，３，４……電池セル、６，７，８，９……セル制御ユニット、１１……ＥＣＵ（電圧バランス制御手段、電池電圧検出手段、電池セル安定状態判定手段）、６３，７３，８３，９３……セル電圧モニタ（電池電圧検出手段）、１３１……充・放電最良点判定手段、ＭＰ……充・放電最良点判定用マップ。

Claims (3)

1. 組電池を構成する直列接続された複数の電池セルの電池電圧のバラツキを調整制御する電圧バランス制御装置であって、
   前記電池セルの充電状態が満充電に近い高充電状態における前記電池セル間の電池電圧の差分量を検出する電池電圧検出手段と、
   前記電池電圧検出手段により検出した前記電池セル間の電池電圧の差分量をもとに、前記電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する前記高充電状態における充・放電最良点を判定する充・放電最良点判定手段と、
   前記充・放電最良点判定手段により判定した充・放電最良点を含む前記高充電状態において前記電池セル間の電圧バランスを確立させる電圧バランス制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電池セルの電圧バランス制御装置。
2. 前記充・放電最良点は、劣化度合いの異なる複数の電池セル間の電池電圧・放電容量特性が交差する点であり、
   前記電圧バランス制御手段は、前記複数の電池セルの内、劣化度合いの大きい一方の電池セルの電圧が前記充・放電最良点より大きい時に、当該一方の電池セルを放電して前記電池セル間の電圧バランスを確立させることを特徴とする請求項１記載の電池セルの電圧バランス制御装置。
3. 前記電池セルの安定した状態を、イグニッションスイッチがオフ状態となってから予め定められた一定期間の経過をもとに判定する電池セル安定状態判定手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電池セルの電圧バランス制御装置。

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