JP6707373B2 - セルバランス装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続される複数の二次電池セル（以下、単に「セル」と称す）から構成される電池モジュールにおける各セルの充電状態を調整するセルバランス装置に関する。

近年、リチウムイオン電池などの二次電池は大容量化が加速し、２０〜３０ｋＷｈの電気自動車や１００ｋＷｈ〜１ＭＷｈの大型蓄電装置が開発されている。一方、これらに使用される二次電池モジュールの数は数十個から数千個となり、個々の二次電池モジュールのアンバランスは有効蓄電容量の低下など、全体性能に大きな影響を与える。
これらを解決するために、二次電池ではセルバランス装置の搭載が必要となるが、大容量の機器では直列数が多く、直流電圧の３００Ｖ〜８００Ｖが構成されるため、各セルに係る回路の絶縁はメインシステム保護の観点から重要な技術である。これらを達成するための1つの手法として、フォトカプラやフォトモスなど発光素子を用いる方法がある。

従来の複合セル状態監視装置は、複数の蓄電セルを直列接続してなる複合セルに接続され、各セルの電圧をそれぞれ測定して量子化する電圧測定部と、セルに流れる電流を測定して量子化する電流測定部と、前記電圧および電流の測定値を上位情報処理装置に送信する通信部とを備え、この通信部は各測定値を同期タイミング信号と同期してトークンフレーム単位で同時一括に取り込み、量子化した測定値をトークン信号と同期して時分割多重方式にてフレーム単位で順次送信するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２１１４０２号公報

従来の複合セル状態監視装置は、スイッチング素子及び充電バイパス抵抗からなるセルバランス回路を備え、スイッチング素子としてフォトカプラを使用している。フォトカプラは、単独回路で使用した場合、流せる電流の実効値（数十ｍＡ）が理論値（８０ｍＡ〜１００ｍＡ）に比べて非常に小さく、二次電池セルのような大電流での充電が必要な場合には、理論値以上の電流が流れることから、破損や劣化が早く進行してしまい、単独では適用することができないという課題がある。

本発明は、前述のような課題を解決するために発明された新たな回路であり、各セルの充電状態を制御する中央処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）及び各セル間をフォトカプラで電気的に絶縁すると共に、フォトカプラの破損及び劣化を防止することで、大電流での制御ができるセルバランス装置を提供する。

本発明に係るセルバランス装置においては、各セルに並列に接続されるインピーダンス素子及びスイッチング素子の直列負荷回路と、直列負荷回路に並列に接続されるフォトカプラの受光素子及び複数のインピーダンス素子からなり、当該複数のインピーダンス素子の接続中点電位でスイッチング素子をオン／オフ制御する直列制御回路と、各セルの充電状態を検出する検出手段と、検出手段による充電状態の検出値に基づいて、フォトカプラの発光素子を発光制御する制御信号をセル毎に生成する制御手段と、を備える。

本発明に係るセルバランス装置においては、制御手段及び各セル間をフォトカプラで電気的に絶縁することで、セル異常時にセルのエネルギーが制御側へ流れ込むことによるシステム全体の不良など二次災害を防止すると共に、フォトカプラの破損及び劣化を防止し、かつ大電流での制御を可能にする効果を奏する。

第１の実施形態に係るセルバランス装置の概略構成を示すシステム構成図である。 （ａ）は制御手段のパルス信号の一例を説明するための説明図であり、（ｂ）は制御手段のパルス幅変調のパルス信号の一例を説明するための説明図である。

（本発明の第１の実施形態）
セルバランス装置１００は、図１に示すように、セル２０１毎に配設される、直列負荷回路１０、直列制御回路２０、ＲＣ回路３０及び信号レベル変換回路６０を備え、全セル２０１に共通に配設される検出手段４０及び制御手段５０を備え、直列に接続される複数のセル２０１から構成される電池モジュール２００における各セル２０１の充電状態を調整する。

直列負荷回路１０は、各セル２０１に並列に接続されるインピーダンス素子１１及びスイッチング素子１２を備える。
なお、本実施形態に係るインピーダンス素子１１は、セル２０１に充電された電気エネルギーを消費できる電気抵抗（以下、「第１の電気抵抗１１」と称す）である。
また、第１の電気抵抗１１は、抵抗値が高すぎると電流が流れずにセル２０１に充電された電気エネルギーを消費できず、抵抗値が低すぎると発熱してしまうために、適切な抵抗値を設定する必要がある。

また、本実施形態に係るスイッチング素子１２は、コレクタが各セル２０１の高電位（電源電圧Ｖｃｃ）側に接続され、エミッタが各セル２０１の低電位（シグナル・グランドＳＧ）側に接続され、コレクタ及びエミッタ間が第１の電気抵抗１１に直列に接続されるＮＰＮ型バイポーラ・トランジスタ（以下、「第１のトランジスタ１２」と称す）であるが、セル２０１に対してインピーダンス素子１１（第１の電気抵抗１１）を接続又は非接続に切り替えることができるのであれば、ＮＰＮ型バイポーラ・トランジスタに限られるものではない。

直列制御回路２０は、直列負荷回路１０に並列に接続されるフォトカプラ１の受光素子１ａ及び複数のインピーダンス素子２１からなり、当該複数のインピーダンス素子２１の接続中点電位でスイッチング素子１２（第１のトランジスタ１２）をオン／オフ制御する。
なお、本実施形態に係る複数のインピーダンス素子２１は、抵抗値の異なる２つの電気抵抗（以下、「第２の電気抵抗２１ａ」及び「第３の電気抵抗２１ｂ」と称す）であり、当該第２の電気抵抗２１ａ及び第３の電気抵抗２１ｂの接続中点が第１のトランジスタ１２のベースに接続され、各セル２０１に並列に接続される抵抗分圧回路を構成する。

また、本実施形態に係る受光素子１ａは、コレクタが各セル２０１の高電位（電源電圧Ｖｃｃ）側に接続され、エミッタが第２の電気抵抗２１ａに接続され、コレクタ及びエミッタ間が第２の電気抵抗２１ａに直列に接続されるフォトトランジスタ１ａである。
また、本実施形態に係る発光素子１ｂは、フォトトランジスタ１ａと共にフォトカプラ１を構成する発光ダイオード１ｂであり、アノードが電源電圧（５Ｖ）に接続され、カソードが信号レベル変換回路６０（後述するＮＯＴゲート６２の出力端子）に接続される。

なお、抵抗分圧回路は、フォトカプラ１（フォトトランジスタ１ａ）に流れる電流を小さくする（フォトカプラ１の破壊を防止する）ために、第１の電気抵抗１１の抵抗値よりも高い抵抗値を第２の電気抵抗２１ａ及び第３の電気抵抗２１ｂに設定すると共に、第２の電気抵抗２１ａよりも高い抵抗値を第３の電気抵抗２１ｂに設定する。
例えば、セル２０１がリチウムイオン二次電池である場合には、第１の電気抵抗１１の抵抗値が３０Ωであり、第２の電気抵抗２１ａの抵抗値が１．５ｋΩであり、第３の電気抵抗２１ｂの抵抗値が１０ｋΩであることにより、所望の特性が得られるために好ましい。

ＲＣ回路３０は、直列制御回路２０に並列に接続される電気抵抗Ｒ及びコンデンサＣからなり、検出手段４０に入力される電圧を平滑化する回路である。なお、本実施形態に係るＲＣ回路３０は、電気抵抗Ｒの抵抗値が１００Ωであり、コンデンサＣの静電容量値が０．１μＦであるが、これらの値に限られるものではない。

検出手段４０は、各セル２０１の両端が、直列負荷回路１０（第１の電気抵抗１１、第１のトランジスタ１２）と直列制御回路２０（第２の電気抵抗２１ａ、第３の電気抵抗２１ｂ、フォトトランジスタ１ａ）とＲＣ回路３０とを介して接続され、各セル２０１の充電状態を検出する。特に、検出手段４０は、各セル２０１の電圧値を測定する個々に絶縁された電圧測定部と、各セル２０１の充電電流の電流値を測定する個々に絶縁された電流測定部と、を備える。

制御手段５０は、検出手段４０による充電状態の検出値（電圧値、電流値）に基づいて、各セル２０１の充電量を演算し、フォトカプラ１の発光素子１ｂを発光制御する制御信号をセル２０１毎に生成する中央処理装置（ＣＰＵ）である。特に、制御手段５０の制御信号は、High（５Ｖ）及びLow（０Ｖ）のパルス信号と、後述するＡＮＤゲート６１の出力（High、Low）を制御するイネーブル信号と、からなる。なお、制御信号のHighには３．３Ｖの場合も存在するが、本実施形態では制御信号のHighとして５Ｖの場合について説明する。

信号レベル変換回路６０は、入力端子が制御手段５０に接続されるＡＮＤゲート６１と、入力端子がＡＮＤゲート６１の出力端子に接続され、出力端子がフォトカプラ１の発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）のカソードに接続され、抵抗内蔵型トランジスタで構成されるＮＯＴゲート（インバータ）６２とを備える。
ＡＮＤゲート６１は、制御手段５０からの共通のパルス信号が入力される第１の入力端子と、制御手段５０からのセル２０１毎のイネーブル信号が入力される第２の入力端子と、パルス信号及びイネーブル信号がいずれもHighの場合にHigh（５Ｖ）を出力する（パルス信号及びイネーブル信号の少なくとも一方がLowの場合にLow（０Ｖ）を出力する）出力端子と、を備える。
ＮＯＴゲート６２は、ＡＮＤゲート６１の出力信号が入力される入力端子と、ＡＮＤゲート６１の出力信号がHighの場合にLow（０Ｖ）を出力する（ＡＮＤゲート６１の出力信号がLowの場合にHigh（５Ｖ）を出力する）出力端子と、を備える。

つぎに、セルバランス装置１００の処理動作について、図１及び図２を用いて説明する。
電池モジュール２００を電源電圧Ｖｃｃに接続すると、各セル２０１の充電を開始する。
この場合に、電源電圧Ｖｃｃからの電流は、各セル２０１、ＲＣ回路３０及び検出手段４０に流れるが、フォトカプラ１の発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）及び発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）間の電気的な絶縁により、信号レベル変換回路６０及び制御手段５０に流れない。
また、電源電圧Ｖｃｃからの電流は、各セル２０１の充電開始直後は、以下に説明するように、直列負荷回路１０及び直列制御回路２０に流れない。

制御手段５０は、High（５Ｖ）とLow（０Ｖ）とを繰り返すデューティ比０．５のパルス信号（図２（ａ））を生成し、各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１の第１の入力端子にパルス信号を入力し続ける。
また、制御手段５０は、Lowのイネーブル信号を生成し、各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１の第２の入力端子にLowのイネーブル信号を入力し続ける。

各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１は、Lowのイネーブル信号が第２の入力端子に入力されているために、出力端子からLowの出力信号を出力し続ける。
また、各セル２０１に対応する各ＮＯＴゲート６２は、入力端子から入力されるLow信号の論理レベルを逆転させて、出力端子からHigh（５Ｖ）の出力信号を出力し続ける。

フォトカプラ１の発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）は、カソードの電圧（５Ｖ）とアノードの電圧（High（５Ｖ））が同電位であるために、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）に電流が流れず、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）は発光しない。
また、フォトカプラ１の受光素子１ａ（フォトトランジスタ１ａ）は、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）が発光しないために、フォトトランジスタ１ａにベース電流が流れず、フォトトランジスタ１ａのコレクタ及びエミッタ間に電流が流れない（直列制御回路２０は非導通である）。

また、直列負荷回路１０のスイッチング素子１２（第１のトランジスタ１２）は、第１のトランジスタ１２にベース電流が流れず、第１のトランジスタ１２のコレクタ及びエミッタ間に電流が流れない（直列負荷回路１０は非導通である）。

そして、検出手段４０（電圧測定部、電流測定部）は、所定の時間間隔で、各セル２０１の充電状態を検出（電圧値及び電流値を測定）し、充電状態の検出値（電圧値及び電流値）を制御手段５０に出力する。

制御手段５０は、検出手段４０からの充電状態の検出値（電圧値及び電流値）に基づいて、各セル２０１の電圧値と電流値との積による充電量を演算し、全セル２０１のうち最も高い充電量（電圧値）であるセル２０１を特定して、特定したセル２０１の充電量（電圧値）が閾値（例えば、３．１Ｖ）を越えているか否かを判断する。
また、制御手段５０は、特定したセル２０１の充電量（電圧値）が閾値を超えていない場合には、Lowのイネーブル信号を入力し続け、特定したセル２０１の充電量（電圧値）が閾値を超えている場合には、以下の処理を行うことになる。

制御手段５０は、特定したセル２０１の放電に必要な時間（例えば、３分）を算出し、算出した時間幅（パルス幅）でHigh（５Ｖ）になるパルス幅変調（デューティ比０．５から変化させた）のパルス信号（図２（ｂ））を生成し、各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１の第１の入力端子にパルス幅変調のパルス信号を入力する。
また、制御手段５０は、特定したセル２０１に対してHighのイネーブル信号を生成し、特定したセル２０１に対応するＡＮＤゲート６１の第２の入力端子にHighのイネーブル信号を入力し続ける。
また、制御手段５０は、特定したセル２０１以外の各セル２０１に対してLowのイネーブル信号を生成し、特定したセル２０１以外の各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１の第２の入力端子にLowのイネーブル信号を入力し続ける。

特定したセル２０１に対応するＡＮＤゲート６１は、Highのイネーブル信号が第２の入力端子に入力されているために、パルス幅変調のパルス信号のHighが第１の入力端子に入力されている期間に、出力端子からHighの出力信号を出力する。
なお、特定したセル２０１以外の各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１は、Lowのイネーブル信号が第２の入力端子に入力されているために、出力端子からLowの出力信号を出力し続ける。このため、特定したセル２０１以外の各セル２０１は、前述したように、対応するフォトカプラ１（発光素子１ｂ）が動作しないため、対応する直列制御回路２０及び直列負荷回路１０は非導通である。

また、特定したセル２０１に対応するＮＯＴゲート６２は、入力端子から入力されるHigh信号の論理レベルを逆転させて、出力端子からLow（０Ｖ）の出力信号を出力する。

フォトカプラ１の発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）は、カソードの電圧（５Ｖ）とアノードの電圧（Low（０Ｖ））とに電位差があるために、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）に電流が流れ、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）が発光する。
また、フォトカプラ１の受光素子１ａ（フォトトランジスタ１ａ）は、発光素子１ｂ（発光ダイオード１ｂ）が発光するために、フォトトランジスタ１ａにベース電流が流れ、フォトトランジスタ１ａのコレクタ及びエミッタ間に電流が流れる（直列制御回路２０が導通する）。

直列負荷回路１０のスイッチング素子１２（第１のトランジスタ１２）は、フォトトランジスタ１ａのコレクタ及びエミッタ間に流れる電流により、第１のトランジスタ１２にベース電流が流れ、第１のトランジスタ１２のコレクタ及びエミッタ間に電流が流れる（直列負荷回路１０が導通する）。

すなわち、特定したセル２０１は、特定したセル２０１に対応する直列負荷回路１０のインピーダンス素子１１（第１の電気抵抗１１）に導通することになり、特定したセル２０１に充電された電気エネルギーが第１の電気抵抗１１で消費され、充電量が減少することになる。

そして、制御手段５０は、特定したセル２０１の放電に必要な時間（例えば、３分）が経過すると、特定したセル２０１に対応する直列負荷回路１０のインピーダンス素子１１（第１の電気抵抗１１）を非導通にする。
すなわち、制御手段５０は、特定したセル２０１を含む各セル２０１に対してLowのイネーブル信号を生成して、各セル２０１に対応する各ＡＮＤゲート６１の第２の入力端子にLowのイネーブル信号を入力し続ける。

以下同様に、セルバランス装置１００は、検出手段４０（電圧測定部、電流測定部）が、各セル２０１の充電状態を所定の時間間隔で検出（電圧値及び電流値を測定）し、制御手段５０が、検出手段４０から入力される各セル２０１の電圧値と電流値との積により充電量を演算して、特定のセル２０１に対して制御手段５０により充電量を調整する。

以上のように、本実施形態に係るセルバランス装置１００は、フォトカプラ１を介して各セル２０１と制御手段５０（ＣＰＵ）とを接続することにより、各セル２０１と制御手段５０（ＣＰＵ）とを電気的に絶縁し、セル２０１の異常電圧が制御手段５０（ＣＰＵ）に印加されることを防止して、制御手段５０（ＣＰＵ）の破壊を防止することができるとう作用効果を奏する。

また、本実施形態に係るセルバランス装置１００は、フォトカプラ１の受光素子１ａ（フォトトランジスタ１ａ）に流れる電流を、インピーダンス素子１１（第１の電気抵抗１１）に接続されるスイッチング素子１２（第１のトランジスタ１２）のベース電流に使用することにより、フォトカプラ１のフォトトランジスタ１ａのコレクタ及びエミッタ間には小さな電流を流し、第１のトランジスタ１２のコレクタ及びエミッタ間には増幅作用で大きな電流を流すことができ、フォトカプラ１の破損及び劣化を防止しつつ、第１の電気抵抗１１に大きな電流を流す（電気エネルギーを消費させる）ことができるという作用効果を奏する。

なお、本実施形態に係る制御手段５０は、検出手段４０（電圧測定部、電流測定部）による充電状態の検出値（電圧値、電流値）に基づいて制御信号を生成（パルス幅を決定）しているが、各セル２０１の稼動当初の充電履歴データ（充電傾向）を予め格納しておき、当該受電履歴データ（充電傾向）に基づいてセル２０１毎に制御信号（パルス幅）を調整してもよい。これにより、セルバランス装置１００は、各セル２０１の特性（製造や加工に起因するばらつき）に応じた充放電の微調整を可能にすることができる。

１ フォトカプラ
１ａ 受光素子，フォトトランジスタ
１ｂ 発光素子，発光ダイオード
１０ 直列負荷回路
１１ インピーダンス素子，第１の電気抵抗
１２ スイッチング素子，第１のトランジスタ
２０ 直列制御回路
２１ インピーダンス素子
２１ａ 第２の電気抵抗
２１ｂ 第３の電気抵抗
３０ ＲＣ回路
４０ 検出手段
５０ 制御手段
６０ 信号レベル変換回路
６１ ＡＮＤゲート
６２ ＮＯＴゲート
２００ 電池モジュール
２０１ セル

Claims (2)

1. 直列に接続される複数のリチウムイオン二次電池セルから構成される電池モジュールにおける各セルの充電状態を確認及び調整するセルバランス装置において、
   前記各セルに並列に接続される３０Ωの第１の電気抵抗及びスイッチング素子の直列負荷回路と、
   前記直列負荷回路に並列に接続されるフォトカプラの受光素子、１．５ｋΩの第２の電気抵抗及び１０ｋΩの第３の電気抵抗からなり、当該第２の電気抵抗及び第３の電気抵抗の接続中点電位で前記スイッチング素子をオン／オフ制御する直列制御回路と、
   前記各セルの充電状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段による充電状態の検出値に基づいて各セルの充電量を演算し、全セルのうち最も高い充電量であるセルを特定し、当該セルの充電量が閾値を超えている場合に、特定されたセルの放電に必要な時間を算出し、算出された時間幅で前記フォトカプラの発光素子に電位差を生じさせて通電するためのパルス幅変調のパルス信号を生成し、前記フォトカプラの発光素子を発光制御する制御信号をセル毎に生成する制御手段と、を備えることを特徴とするセルバランス装置。
2. 請求項１に記載のセルバランス装置において、
   前記直列負荷回路のスイッチング素子は、コレクタが前記各セルの高電位側に接続され、エミッタが前記各セルの低電位側に接続され、前記コレクタ及びエミッタ間が前記第１の電気抵抗に直列に接続される第１のトランジスタであり、
   前記第２の電気抵抗及び第３の電気抵抗の接続中点が前記第１のトランジスタのベースに接続され、前記各セルに並列に接続される抵抗分圧回路を構成し、前記フォトカプラの受光素子は、コレクタが前記各セルの高電位側に接続され、エミッタが前記第２の電気抵抗に接続され、前記コレクタ及びエミッタ間が前記第２の電気抵抗に直列に接続されるフォトトランジスタであり、
   前記フォトカプラの発光素子は、前記フォトトランジスタと共にフォトカプラを構成する発光ダイオードであり、
   前記検出手段は、前記各セルの電圧値を測定する電圧測定部と、前記各セルの充電電流の電流値を測定する電圧測定部と、を備え、
   前記制御手段が、前記検出手段で測定した各セルの電圧値及び電流値に基づいて各セルの充電量を演算することを特徴とするセルバランス装置。

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