JP2015070653A - Battery voltage equalization control device and method - Google Patents
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Abstract
【課題】電池モジュールの各電池セルの電圧を均等化させる際に、車輌の稼動状態に即して、より適切に電圧均等化を行なうよう制御する。【解決手段】電圧均等化制御ユニット10は、電池モジュール40の直列に接続された電池セルに対して、各電池セル間で電流を流して、各電池セルの電圧を均等化する。電池モジュール40が充放電実施中か充放電停止中かを充放電状態判定部101により判定し、電圧均等化制御部102は、電池モジュール40が充放電実施中の状態のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧に達するよう、電池セル間で電流を流し、電池モジュール40が充放電停止中の状態のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧に達した後、さらに該平均電圧から、各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れた電圧に達するまで、電池セル間で電流を流すよう、均等化の動作を切替える。【選択図】図1When equalizing the voltage of each battery cell of a battery module, control is performed so that the voltage is equalized more appropriately in accordance with the operating state of a vehicle. A voltage equalization control unit (10) equalizes the voltage of each battery cell by passing a current between the battery cells to battery cells connected in series in a battery module (40). The charge / discharge state determination unit 101 determines whether the battery module 40 is being charged / discharged or is not being charged / discharged, and the voltage equalization control unit 102 determines whether each battery cell has When the current is passed between the battery cells so that the observed voltage reaches the overall average voltage of the battery cells, and the battery module 40 is in a charge / discharge stop state, the observed voltage of each battery cell is the average of the entire battery cells. After reaching the voltage, the equalization operation is further switched so that a current flows between the battery cells until the voltage reaches a voltage separated from the average voltage by a voltage fluctuation due to the internal resistance or polarization action of each battery cell. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、直列接続された充電可能な複数の電池セルの電圧を均等化させる電池電圧均等化動作を制御する電池電圧均等化制御装置及び方法に関する。 The present invention relates to a battery voltage equalization control apparatus and method for controlling a battery voltage equalization operation for equalizing voltages of a plurality of rechargeable battery cells connected in series.
リチウムイオン電池等の充電可能な電池セルを複数直列に接続し、高電圧の出力を得るようにした電池モジュールは、例えば、フォークリフト、電気自動車又ハイブリッド車等の車輌等に用いられる。車輌等に搭載される電池モジュールは、車輌稼動時のモータ等の負荷回路の放電及び車輌減速時の回生電流による充電が頻繁に繰り返される。 A battery module in which a plurality of rechargeable battery cells such as lithium ion batteries are connected in series to obtain a high voltage output is used for vehicles such as forklifts, electric vehicles, and hybrid vehicles. A battery module mounted on a vehicle or the like is frequently repeatedly charged with a regenerative current when discharging a load circuit such as a motor during vehicle operation and when the vehicle decelerates.
電池セルは、製造時のばらつきや経年劣化のばらつき等により、残存容量や充電効率等の特性が異なり、充放電の繰返しによって、各電池セルの残存容量や電圧にばらつきが生じ、各電池セルの電圧が不均一になる。 Battery cells have different characteristics such as remaining capacity and charging efficiency due to variations in manufacturing and aging deterioration, etc., and the remaining capacity and voltage of each battery cell vary due to repeated charging and discharging, and each battery cell has different characteristics. The voltage is uneven.
電池セルを直列に接続した電池モジュールにおいて、各電池セルの電圧が不均一になると、該電池モジュールの充放電の際に、一部の電池セルが充電可能な上限電圧又は放電可能な下限電圧に到達し、その結果、一部の電池セルの劣化を早めてしまう。 In a battery module in which battery cells are connected in series, if the voltage of each battery cell becomes non-uniform, when charging / discharging the battery module, the upper limit voltage at which some of the battery cells can be charged or the lower limit voltage at which discharge can be performed. As a result, deterioration of some battery cells is accelerated.
また、1つの電池セルの電圧が放電可能な電圧の閾値を下回ると、該電池セルの過放電を回避するために、電池モジュール全体の給電を止め又は抑制する必要が生じ、電池モジュールの使用効率が低下してしまう。そこで、電池モジュールの各電池セルの電圧を均等化する電池電圧均等化が実施される。 Further, when the voltage of one battery cell falls below the threshold value of the dischargeable voltage, it is necessary to stop or suppress the power supply of the entire battery module in order to avoid overdischarge of the battery cell. Will fall. Therefore, battery voltage equalization is performed to equalize the voltage of each battery cell of the battery module.
電池電圧均等化の回路として、電圧の高い電池セルから電圧の低い電池セルへ電流を流し、各電池セルの電圧を均等化するアクティブセルバランスと称される電圧均等化回路が知られている。 As a battery voltage equalization circuit, a voltage equalization circuit called an active cell balance is known in which a current flows from a battery cell having a high voltage to a battery cell having a low voltage to equalize the voltage of each battery cell.
図4は、アクティブセルバランスの電圧均等化回路の基本構成例を示す。図4に示すように、アクティブセルバランスの電圧均等化回路は、直列接続された電池セルB1,B2に対して、並列に、直列接続されたスイッチ素子HS,LSを接続する。そして、電池セルB1,B2の接続点にインダクタLの一端を接続し、インダクタLの他端をスイッチ素子HS,LSの接続点に接続する。 FIG. 4 shows a basic configuration example of an active cell balance voltage equalization circuit. As shown in FIG. 4, the active cell balance voltage equalization circuit connects the switch elements HS and LS connected in series to the battery cells B1 and B2 connected in series. Then, one end of the inductor L is connected to the connection point of the battery cells B1 and B2, and the other end of the inductor L is connected to the connection point of the switch elements HS and LS.
なお、ダイオードHD,LDは、スイッチ素子HS,LSに用いられるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のソース−ドレイン間に形成される内蔵ダイオードであり、ボディダイオード又は寄生ダイオード等と称される。 The diodes HD and LD are built-in diodes formed between the source and drain of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) used for the switch elements HS and LS, and are called body diodes or parasitic diodes.
このような電圧均等化回路において、電池セルB1の電圧が電池セルB2の電圧より高い場合、スイッチ素子HSをオンにするゲート信号HGを与え、スイッチ素子LSをオフにするゲート信号LGを与える。すると、電池セルB1→スイッチ素子HS→インダクタL→電池セルB1の閉ループ電流路が形成され、電池セルB1からインダクタLに所定量の電流が流れる。 In such a voltage equalization circuit, when the voltage of the battery cell B1 is higher than the voltage of the battery cell B2, a gate signal HG for turning on the switch element HS is given, and a gate signal LG for turning off the switch element LS is given. Then, a closed loop current path of battery cell B1 → switch element HS → inductor L → battery cell B1 is formed, and a predetermined amount of current flows from battery cell B1 to inductor L.
その後、スイッチ素子HSをオフにし、スイッチ素子LSをオンにすると、インダクタL→電池セルB2→スイッチ素子LS→インダクタLの閉ループ電流路が形成され、インダクタLに流れた所定量の電流が電池セルB2に流れる。このような動作を繰返すことにより、電池セルB1の電圧と電池セルB2の電圧とを均等化させる。 Thereafter, when the switch element HS is turned off and the switch element LS is turned on, a closed loop current path of inductor L → battery cell B2 → switch element LS → inductor L is formed, and a predetermined amount of current flowing through the inductor L is supplied to the battery cell. It flows to B2. By repeating such an operation, the voltage of the battery cell B1 and the voltage of the battery cell B2 are equalized.
逆に、電池セルB2の電圧が電池セルB1の電圧より高い場合、スイッチ素子LSをオンにするゲート信号LGを与え、スイッチ素子HSをオフにするゲート信号HGを与える。すると、電池セルB2→インダクタL→スイッチ素子LS→電池セルB2の閉ループ電流路が形成され、電池セルB2からインダクタLに所定量の電流が流れる。
Conversely, when the voltage of the battery cell B2 is higher than the voltage of the battery cell B1, a gate signal LG for turning on the switch element LS is given, and a gate signal HG for turning off the switch element HS is given. Then, a closed loop current path of
その後、スイッチ素子LSをオフにし、スイッチ素子HSをオンにすると、インダクタL→スイッチ素子HS→電池セルB1→インダクタLの閉ループ電流路が形成され、インダクタLに流れた電流が、電池セルB1に流れる。このような動作を繰返すことにより、電池セルB1の電圧と電池セルB2の電圧とを均等化させる。 Thereafter, when the switch element LS is turned off and the switch element HS is turned on, a closed loop current path of inductor L → switch element HS → battery cell B1 → inductor L is formed, and the current flowing through the inductor L flows into the battery cell B1. Flowing. By repeating such an operation, the voltage of the battery cell B1 and the voltage of the battery cell B2 are equalized.
しかし、各電池セルには、電流が流れたとき、該電流によって出力電圧に電圧変動をもたらす内部抵抗又は分極作用が存在する。ここで、「内部抵抗又は分極作用」は、「内部抵抗及び分極作用の双方」又は「内部抵抗若しくは分極作用の何れか一方」を意味するものとし、以下では説明を簡明化するために、単に「内部抵抗又は分極作用」と記す。 However, each battery cell has an internal resistance or polarization effect that causes a voltage fluctuation in the output voltage due to the current when the current flows. Here, “internal resistance or polarization action” means “both internal resistance and polarization action” or “any one of internal resistance or polarization action”, and in the following, in order to simplify the explanation, It is described as “internal resistance or polarization action”.
各電池セルに対して各電池セルの平均電圧を目標電圧として各電池セルの電圧均等化を行う場合に、各電池セルの電圧として観測される電圧は、各電池セルの閉回路電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)である。 When voltage equalization of each battery cell is performed for each battery cell using the average voltage of each battery cell as a target voltage, the voltage observed as the voltage of each battery cell is the closed circuit voltage (CCV: Closed Circuit Voltage).
電池電圧均等化において観測される各電池セルの閉回路電圧(CCV)は、電池セル間の充放電の電流によって引起される内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ、各電池セルの本来の出力電圧である開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)からずれた電圧となる。 The closed circuit voltage (CCV) of each battery cell observed in the battery voltage equalization is the original output of each battery cell by the amount of voltage fluctuation due to internal resistance or polarization caused by the charge / discharge current between the battery cells. The voltage is shifted from the open circuit voltage (OCV) which is a voltage.
図5は、内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけずれた電圧となる電池電圧均等化の動作例を示す。図5に示す動作例は、電池セルB1の電圧が電池セルB2の電圧より高く、電池セルB1から電池セルB2へ電流を流し、電池セルB1と電池セルB2の電圧を均等化させる動作例を示している。 FIG. 5 shows an example of the battery voltage equalization operation in which the voltage is shifted by the amount of voltage fluctuation due to internal resistance or polarization. The operation example shown in FIG. 5 is an operation example in which the voltage of the battery cell B1 is higher than the voltage of the battery cell B2, the current is passed from the battery cell B1 to the battery cell B2, and the voltages of the battery cell B1 and the battery cell B2 are equalized. Show.
電池電圧均等化の動作を開始すると、電池セルB2に放電する電池セルB1の閉回路電圧CCV1は、内部抵抗又は分極作用の影響による電圧変動分ΔV1だけ、開回路電圧OCV1から低下した電圧となる。一方、電池セルB1から充電される電池セルB2の閉回路電圧CCV1は、内部抵抗又は分極作用の影響による電圧変動分ΔV2だけ、開回路電圧OCV2から上昇した電圧となる。 When the battery voltage equalization operation is started, the closed circuit voltage CCV1 of the battery cell B1 that is discharged to the battery cell B2 is a voltage that is reduced from the open circuit voltage OCV1 by a voltage variation ΔV1 due to the influence of internal resistance or polarization action. . On the other hand, the closed circuit voltage CCV1 of the battery cell B2 charged from the battery cell B1 is a voltage increased from the open circuit voltage OCV2 by a voltage variation ΔV2 due to the influence of internal resistance or polarization action.
電池セルB1の閉回路電圧CCV1と電池セルB2の閉回路電圧CCV2とを観測しながら、両者が目標電圧である平均電圧の近傍に到達する時点t1まで、電圧均等化を実施し、時点t1で電圧均等化の動作を終了すると、時点t1以降、電圧均等化のための充放電電流が流れなくなるので、該充放電電流によって引き起こされた内部抵抗又は分極作用による電圧変動分が解消され、時点t1以降の電池セルB1,B2の開回路電圧OCV1a,OCV2aは、それぞれ、本来の開回路電圧OCV1,OCV2に近づき、分極解消の時点t2では、電池セルB1,B2の開回路電圧OCV1a,OCV2aは、目標電圧である平均電圧からずれた電圧となる。 While observing the closed circuit voltage CCV1 of the battery cell B1 and the closed circuit voltage CCV2 of the battery cell B2, the voltage equalization is performed until the time t1 when both reach the vicinity of the average voltage that is the target voltage. When the voltage equalization operation ends, the charging / discharging current for voltage equalization stops flowing after time t1, so that the voltage fluctuation due to the internal resistance or polarization caused by the charging / discharging current is eliminated, and time t1 Thereafter, the open circuit voltages OCV1a and OCV2a of the battery cells B1 and B2 approach the original open circuit voltages OCV1 and OCV2, respectively. The voltage deviates from the average voltage which is the target voltage.
なお、電圧変動分が内部抵抗のみにより生じ、分極作用による電圧変動分が無い場合には、時点t1で、電池セルB1,B2の開回路電圧OCV1a,OCV2aは、それぞれ、本来の開回路電圧OCV1,OCV2となる。 When the voltage variation is caused only by the internal resistance and there is no voltage variation due to the polarization action, the open circuit voltages OCV1a and OCV2a of the battery cells B1 and B2 are respectively the original open circuit voltage OCV1 at time t1. , OCV2.
そこで、電圧を均等化する電池セルに対して、該電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分であるオフセット電圧を算出し、該オフセット電圧によって、電圧均等化の目標電圧を補正し、電池セルの電圧を観測しながら、該電池セルの電圧が補正後の目標電圧に到達するまで、電圧均等化を実施する電圧均等化が、例えば下記の特許文献1等により知られている。
Therefore, for a battery cell that equalizes the voltage, an offset voltage, which is a voltage fluctuation due to the internal resistance or polarization action of the battery cell, is calculated, and the target voltage for voltage equalization is corrected by the offset voltage. A voltage equalization that performs voltage equalization until the voltage of the battery cell reaches the corrected target voltage while observing the voltage of the cell is known from, for example,
図6は、オフセット電圧により目標電圧を補正する電池電圧均等化の動作例を示す。図6に示す動作例は、図5の動作例と同様に、電池セルB1の電圧が電池セルB2の電圧より高く、電池セルB1から電池セルB2へ電流を流し、電池セルB1と電池セルB2の電圧を均等化させる動作例を示している。 FIG. 6 shows an operation example of battery voltage equalization in which the target voltage is corrected by the offset voltage. In the operation example shown in FIG. 6, the voltage of the battery cell B1 is higher than the voltage of the battery cell B2, and the current flows from the battery cell B1 to the battery cell B2, as in the operation example of FIG. The operation example which equalizes the voltage of is shown.
図6の動作例において、時点t1までの動作は、図5に示した動作例と同様である。図5に示した動作例では、時点t1で電圧均等化の動作を終了したが、図6の動作例では、時点t1で電圧均等化の動作を終了することなく、後述する時点t1aまで、電圧均等化の動作を継続させる。 In the operation example of FIG. 6, the operation up to the time point t1 is the same as the operation example shown in FIG. In the operation example shown in FIG. 5, the voltage equalization operation is terminated at time t1, but in the operation example of FIG. 6, the voltage equalization operation is not terminated at time t1 until the time t1a described later. Continue the equalization operation.
図6の動作例では、電池セルB1,B2の内部抵抗又は分極作用による電圧変動分であるオフセット電圧OFS1,OFS2を算出し、該オフセット電圧OFS1,OFS2によって、電圧均等化の目標電圧を補正する。 In the operation example of FIG. 6, offset voltages OFS1 and OFS2, which are voltage fluctuations due to the internal resistance or polarization action of the battery cells B1 and B2, are calculated, and the target voltage for voltage equalization is corrected by the offset voltages OFS1 and OFS2. .
即ち、電池セルB1に対しては、電圧均等化を終了する目標電圧として、平均電圧よりオフセット電圧OFS1分だけ低い電圧に目標電圧を補正する。また、電池セルB2に対しては、電圧均等化を終了する目標電圧として、平均電圧よりオフセット電圧OFS2分だけ高い電圧に目標電圧を補正する。 That is, for the battery cell B1, the target voltage is corrected to a voltage lower than the average voltage by the offset voltage OFS1 as the target voltage for ending the voltage equalization. For the battery cell B2, the target voltage is corrected to a voltage higher than the average voltage by the offset voltage OFS2 as the target voltage for ending the voltage equalization.
電池セルB1,B2の閉回路電圧CCV1,CCV2の双方又はそのいずれか一方を観測しながら、それらオフセット電圧OFS1,OFS2により補正した目標電圧の近傍に到達する時点t1aまで、電圧均等化を実施し、時点t1aで電圧均等化の動作を終了する。 While observing both or one of the closed circuit voltages CCV1 and CCV2 of the battery cells B1 and B2, voltage equalization is performed until a time point t1a that reaches the vicinity of the target voltage corrected by the offset voltages OFS1 and OFS2. The voltage equalization operation ends at time t1a.
時点t1a以降、電圧均等化のための充放電電流が流れなくなると、該充放電電流によって引き起こされた内部抵抗又は分極作用による電圧変動分が解消され、時点t1a以降の電池セルB1,B2の開回路電圧OCV1a,OCV2aは、分極解消後の時点t2では、補正前の目標電圧である平均電圧に接近した電圧となる。 When the charging / discharging current for equalizing voltage stops flowing after time t1a, the voltage fluctuation due to internal resistance or polarization caused by the charging / discharging current is eliminated, and the battery cells B1, B2 after time t1a are opened. The circuit voltages OCV1a and OCV2a become voltages close to the average voltage, which is the target voltage before correction, at time t2 after the elimination of polarization.
なお、電圧変動分が内部抵抗のみにより生じ、分極作用による電圧変動分が無い場合には、時点t1aで、電池セルB1,B2の開回路電圧OCV1a,OCV2aは、それぞれ、補正前の目標電圧である平均電圧となる。 When the voltage fluctuation is caused only by the internal resistance and there is no voltage fluctuation due to the polarization action, the open circuit voltages OCV1a and OCV2a of the battery cells B1 and B2 are the target voltages before correction at time t1a. It becomes a certain average voltage.
上述の図5及び図6に示した電池セルの電池電圧均等化の動作例は、電池セルと車輌等の負荷回路である外部機器との間で充放電電流が流れていないときに、各電池セル間の電圧均等化を行なった場合の電池電圧均等化の動作例を示している。 The operation example of the battery voltage equalization of the battery cell shown in FIG. 5 and FIG. 6 described above is performed when each battery is charged and discharged when no charge / discharge current flows between the battery cell and an external device that is a load circuit such as a vehicle. An operation example of battery voltage equalization when voltage equalization between cells is performed is shown.
これに対して、電池モジュールと外部機器との間で充放電電流が流れていないとき、放電回路を動作させ、第1均等化モードで電池セルの電圧均等化を行ない、外部機器との間で充放電電流が流れているとき、電池セルの電圧差が閾値より大きい場合に、放電回路を動作させ、第2均等化モードで電池セルの電圧均等化を行なう蓄電装置の制御装置が下記の特許文献2により知られている。
On the other hand, when the charging / discharging current does not flow between the battery module and the external device, the discharge circuit is operated, the voltage of the battery cell is equalized in the first equalization mode, and the external device is A control device for a power storage device that operates a discharge circuit and performs voltage equalization of battery cells in the second equalization mode when the charge / discharge current flows and the voltage difference between the battery cells is larger than a threshold value is described below. Known from
アクティブセルバランスの電圧均等化回路で各電池セルの電圧均等化を行なう場合、各電池セル間で大電流の充放電電流を流して電圧均等化を行なうが、大電流の充放電電流に伴う内部抵抗又は分極作用による電圧変動分が生じても、図6に示したように、内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ、オフセット電圧として目標電圧を補正して電池電圧均等化を実施することにより、電池電圧均等化の精度を向上させることができる。 When voltage equalization of each battery cell is performed with an active cell balance voltage equalization circuit, a large current charge / discharge current is passed between the battery cells to equalize the voltage. Even if voltage fluctuation due to resistance or polarization occurs, as shown in FIG. 6, the target voltage is corrected as an offset voltage by the voltage fluctuation due to internal resistance or polarization, and the battery voltage is equalized. The accuracy of battery voltage equalization can be improved.
しかし、内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ、オフセット電圧として目標電圧を補正して電池電圧均等化を実施する際に、車輌のモータ等の負荷回路又は充電器等の外部機器と電池セルとの間で、充放電電流が流れている場合は、内部抵抗又は分極作用による電圧変動分は、電池セル間の電圧均等化のための充放電電流による電圧変動分に、外部機器との充放電電流による電圧変動分が加わるため、目標電圧を補正するオフセット電圧の算定が困難なものとなる。 However, when performing the battery voltage equalization by correcting the target voltage as the offset voltage by the amount of voltage fluctuation due to the internal resistance or polarization action, the load circuit such as the motor of the vehicle or the external device such as the charger and the battery cell When the charge / discharge current is flowing between the two, the voltage fluctuation due to internal resistance or polarization action is the voltage fluctuation due to the charge / discharge current for equalizing the voltage between the battery cells. Since a voltage fluctuation due to current is added, it is difficult to calculate an offset voltage for correcting the target voltage.
さらに、車輌の稼動状態の推移は、ユーザの使用方法により様々であり、車輌の稼動による各電池セルの充放電電流の変動も一様ではないため、車輌稼動時のオフセット電圧は一様でなく、車輌稼動時のオフセット電圧の算定は困難である。 Furthermore, the transition of the operating state of the vehicle varies depending on the usage method of the user, and the fluctuation of the charging / discharging current of each battery cell due to the operation of the vehicle is not uniform, so the offset voltage when the vehicle is operating is not uniform. It is difficult to calculate the offset voltage when the vehicle is in operation.
電池モジュールと外部機器との間で、充放電電流が流れているとき、誤って算定したオフセット電圧により目標電圧を補正して電池電圧均等化を実施すると、該オフセット電圧が実際の内部抵抗又は分極作用による電圧変動分と異なるため、電池電圧均等化の実施前より、電池セルの電圧のばらつきが広がってしまうことがある。 When a charge / discharge current is flowing between the battery module and the external device, if the target voltage is corrected with the offset voltage calculated incorrectly and the battery voltage equalization is performed, the offset voltage will be the actual internal resistance or polarization. Since it is different from the voltage fluctuation due to the action, the battery cell voltage variation may spread before the battery voltage equalization.
上記課題に鑑み、本発明は、ユーザによる車輌の使用方法が種々異なる場合であっても、車輌の稼動状態に即して、より適切に各電池セルの電圧を均等化するよう制御することができる電池電圧均等化制御装置及び方法を提供する。 In view of the above problems, the present invention can control the voltage of each battery cell to be more appropriately equalized according to the operating state of the vehicle even when the user uses the vehicle in various ways. A battery voltage equalization control device and method are provided.
本発明に係る一つの形態としての電池電圧均等化制御装置は、電池モジュールを構成し、直列に接続された電池セルに対して、各電池セルの電圧を観測し、各電池セル間で電流を流し、各電池セルの電圧を均等化する電池電圧均等化制御装置であって、前記電池モジュールが外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを判定する充放電状態判定手段と、前記充放電状態判定手段により判定される前記電池モジュールの充放電状態に応じて、前記電池セルの電圧の均等化の動作を切替える電圧均等化制御手段と、を備え、前記電圧均等化制御手段は、前記電池モジュールが前記充放電実施中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御し、かつ、前記電池モジュールが前記充放電停止中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達した後、さらに該平均電圧から、前記各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れた電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御することを特徴とする。 A battery voltage equalization control device as one embodiment according to the present invention constitutes a battery module, observes the voltage of each battery cell with respect to battery cells connected in series, and supplies a current between the battery cells. A battery voltage equalization control device for equalizing the voltage of each battery cell, wherein the battery module is being charged or discharged from an external device or discharged to the external device, or Charging / discharging state determination means for determining whether charging / discharging is stopped between, and the battery module according to the charging / discharging state of the battery module determined by the charging / discharging state determination means Voltage equalization control means for switching the operation of equalizing the voltage of the cells, and the voltage equalization control means is configured such that when the battery module is in the charge / discharge state, the observed voltage of each battery cell is ,Previous Each battery cell is controlled so that a current is passed between the battery cells to equalize the voltage until the overall average voltage of the battery cells is reached, and when the battery module is in the charge / discharge stop state. Between the battery cells until the observed voltage of the battery cell reaches an average voltage of the whole battery cell, and further reaches a voltage separated from the average voltage by a voltage fluctuation due to an internal resistance or polarization action of each battery cell. The control is performed so as to equalize the voltage by supplying a current.
本発明によれば、電池モジュールの充放電状態応じて、電池モジュールの各電池セルの電圧を均等化する動作を切り替えることにより、電池モジュールが使用される車輌等の稼動状態に即して、より適切に各電池セルの電圧を均等化するよう制御し、各電池セルの電圧を均等化の精度を向上させることができる。 According to the present invention, according to the charging / discharging state of the battery module, by switching the operation of equalizing the voltage of each battery cell of the battery module, in accordance with the operating state of the vehicle or the like in which the battery module is used, more It is possible to appropriately equalize the voltage of each battery cell and improve the accuracy of equalizing the voltage of each battery cell.
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の電池電圧均等化制御装置を備えた電池パック及び車輌監視用の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)の配置構成例を示す。なお、以下では電子制御ユニットを単にECUと記し、車輌監視用のECUを車輌監視ECUと記す。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an arrangement configuration example of a battery pack equipped with a battery voltage equalization control device of the present invention and an electronic control unit (ECU) for vehicle monitoring. Hereinafter, the electronic control unit is simply referred to as an ECU, and the vehicle monitoring ECU is referred to as a vehicle monitoring ECU.
電池パック50は、直列接続された電池セルを有する電池モジュール40、電池モジュール40の各電池セルの電圧を均等化する電圧均等化ユニット10、電池監視用のECU20、電池制御用のECU30を備える。
The
なお、以下では電池監視用のECU20を電池監視ECU20、電池制御用のECU30を電池制御ECU30と記し、また、電池監視ECU、電池制御ECU及び車輌監視ECUを、それぞれ電池監視ユニット、電池制御ユニット及び車輌監視ユニットとも称する。
Hereinafter, the
電圧均等化ユニット10は、充放電状態判定部101及び電圧均等化制御部102を備え、電池監視ECU20とCAN(Controller Area Network)通信等の通信線C1で接続され、電池監視ECU20から各電池セルの電圧情報を取得し、各電池セル間の電圧の均等化を行う。
The
電池監視ECU20は、マイクロコントローラを備え、各電池セルの電圧を観測し、通信線C1を介して各電池セルの電圧を電圧均等化ユニット10に送信する。電池監視ECU20は、上位の制御部である電池制御ECU30とCAN通信等の通信線C2により接続される。
The
電池制御ECU30は、車輌の稼動状態を監視する車輌監視ECU60と、CAN通信等の通信線C4で接続され、車輌監視ECU60から車輌の稼動状態情報を受信する。電池監視ECU20は、電池制御ECU30からCAN通信等の通信線C2を介して車輌の稼動状態情報を取得する。
The
また、電圧均等化ユニット10は、電池制御ECU30とCAN通信等の通信線C3で接続され、電池制御ECU30からCAN通信等の通信線C3を介して車輌の稼動状態情報を取得する。或いは、電圧均等化ユニット10は、車輌の稼動状態情報を、電池監視ECU20から通信線C1を介して取得するように構成してもよい。
Further, the
電池モジュール40は、電池パック50によって駆動される図示省略の車輌のモータ等の負荷回路又は充電器等の外部機器に接続され、放電又は充電が行なわれる。電圧均等化ユニット10の充放電状態判定部101は、電池モジュール40が外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを、車輌監視ECU60からの車輌の稼動状態情報を基に判定する。
The
電圧均等化ユニット10の電圧均等化制御部102は、充放電状態判定部101により判定された電池モジュール40の充放電状態に応じて、以下のように電池セルの電圧の均等化の動作モードを自動的に切替える。
The voltage
電圧均等化制御部102は、電池モジュール40が充放電実施中の状態のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)に達するまで、電池セル間で電流を流して各電池セルの電圧を均等化し、各電池セルの電圧が電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)に達した時点で電池電圧の均等化を終了する第1の動作モードで、電池電圧均等化を行うよう制御する。
When the
一方、電圧均等化制御部102は、電池モジュール40が充放電停止中の状態のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)に達した後、さらに該平均電圧から、各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分(オフセット電圧)だけ離れた電圧(オフセット電圧により補正した目標電圧)に達するまで、電池セル間で電流を流して各電池セルの電圧を均等化し、オフセット電圧により補正した目標電圧に電池セルの電圧が達した時点で電池電圧の均等化を終了する第2の動作モードで、電池電圧均等化を行うよう制御する。
On the other hand, when the
即ち、車輌が稼動して電池モジュール40から負荷回路へ放電電流が流れ、又は電池モジュール40に外部の充電器から充電が行なわれているとき、電圧均等化制御部102は、各電池セルの観測電圧である閉回路電圧(CCV)が目標電圧(電池セルの平均電圧)に達するよう、電池セル間で充放電を行ないながら、第1の動作モードで電池電圧を均等化する。ただし、この場合、電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)は、図5のように平坦ではなく、車輌の稼動状態に応じて時間の推移とともに変動する。
That is, when the vehicle is in operation and a discharge current flows from the
一方、車輌が停止中で電池モジュール40からの負荷回路への放電がなく、かつ電池モジュール40に外部の充電器から充電が行なわれていないとき、電圧均等化制御部102は、図6に示したように、各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れたオフセット電圧により電圧均等化の目標電圧を補正して電圧均等化を行うよう、第2の動作モードで電池電圧を均等化する。
On the other hand, when the vehicle is stopped and there is no discharge from the
図2に電圧均等化ユニット及び電池監視ECUの具体的な構成例を示す。電圧均等化ユニット10は、パワー部11、デジタル制御部12、アナログ制御部13を備える。パワー部11は、一例として14個の電池セルから成る電池モジュール40に対して、隣接する2つの電池セル間で電流を流す13個の電圧均等化回路を備える。
FIG. 2 shows a specific configuration example of the voltage equalization unit and the battery monitoring ECU. The
各電圧均等化回路は、図4で説明したように、2つのスイッチ素子とインダクタLとを備える。2つのスイッチ素子には、それぞれゲート信号HG,LGが加えられ、該スイッチ素子のオン/オフによりインダクタLを介して、隣接する2つの電池セル間で電流を流し、電圧を均等化する。図2では、13個の電圧均等化回路におけるゲート信号HG,LG及びインダクタL等の各要素にそれぞれ各電圧均等化回路対応にA〜Mのサフィックスを付している。 Each voltage equalization circuit includes two switch elements and an inductor L as described with reference to FIG. Gate signals HG and LG are applied to the two switch elements, respectively, and current is passed between two adjacent battery cells via the inductor L by turning on / off the switch elements to equalize the voltages. In FIG. 2, suffixes A to M are attached to the elements such as the gate signals HG and LG and the inductor L in the 13 voltage equalizing circuits, corresponding to the respective voltage equalizing circuits.
各電池セルの電圧は、電池監視ECU20の電池監視IC21に入力され、アナログデジタル変換器211によりデジタル信号に変換され、電池監視マイクロコントローラ22から、電圧均等化ユニット10内のデジタル制御部12の電圧均等化マイクロコントローラ121に電圧情報として送出される。
The voltage of each battery cell is input to the
電圧均等化マイクロコントローラ121は、電池電圧の均等化の動作モードが第1の動作モード又は第2の動作モードの何れであるかに応じて、各電池セルの電圧情報を基に、各電圧均等化回路の2つのスイッチ素子のオン/オフを制御する制御信号C1A,C2A〜C1M,C2Mを、アナログ制御部13の各電圧均等化回路対応の各アナログICに送出する。各アナログICは、制御信号C1A,C2A〜C1M,C2Mに応じて、各電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオン/オフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを生成する。
The
各電圧均等化回路には、各電圧均等化回路に流れる電流を検出する電流検出部DA〜DMを備え、電流検出部DA〜DMの検出信号は、電圧均等化マイクロコントローラ121に送出される。電圧均等化マイクロコントローラ121は、電流検出部DA〜DMの検出信号、及び電池監視ECU20の電池監視IC21により検知され、電池監視マイクロコントローラ22によって通知される各電池セルの電圧情報を入力する。
Each voltage equalization circuit includes current detection units DA to DM that detect currents flowing through the voltage equalization circuits, and detection signals from the current detection units DA to DM are sent to the
停止信号SA〜SMは、アナログ制御部13の各電圧均等化回路対応のアナログIC(ゲート信号生成部)に印加され、アナログIC(ゲート信号生成部)は停止信号SA〜SMが入力されると、電圧均等化回路の2つのスイッチ素子をオフさせるゲート信号HGA,LGA〜HGM,LGMを出力し、電圧均等化回路の動作を停止させる。 The stop signals SA to SM are applied to analog ICs (gate signal generation units) corresponding to the voltage equalization circuits of the analog control unit 13, and the analog ICs (gate signal generation units) receive stop signals SA to SM. Then, gate signals HGA, LGA to HGM, LGM for turning off the two switch elements of the voltage equalization circuit are output to stop the operation of the voltage equalization circuit.
図3に電池電圧均等化制御の動作フロー例を示す。充放電状態判定部101は、電池モジュール40が外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを示す車輌稼動状態の情報を、車輌監視ECU60から、電池制御ECU30を介して取得する(ステップS1)。
FIG. 3 shows an example of an operation flow of battery voltage equalization control. The charging / discharging
充放電状態判定部101は、該車輌稼動状態の情報を基に、電池モジュール40の充放電状態を判定する(ステップS2)。該判定結果を基に、電圧均等化制御部102は、電池モジュール40が充放電実施中のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)に達するまで、電池セル間で電流を流して各電池セルの電圧の均等化を行うよう制御する(ステップS3)。
The charge / discharge
一方、電圧均等化制御部102は、電池モジュール40が充放電停止中のとき、各電池セルの観測電圧が、電池セルの全体の平均電圧(目標電圧)に達した後、さらに該平均電圧(目標電圧)から、各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れた電圧に達するまで、電池セル間で電流を流して各電池セルの電圧の均等化を行うよう制御する(ステップS4)。
On the other hand, when the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上に述べた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取ることができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment described above, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various structures or embodiment can be taken. it can.
例えば、電圧均等化ユニット10の充放電状態判定部101に関して、電池モジュール40の充放電状態を、車輌監視ECU60からの車輌の稼動状態情報を基に判定する構成に代えて、電池監視ECU20で観測される各電池セルの充放電電流を基に、電池モジュール40が外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを判定する構成としてもよい。
For example, regarding the charge / discharge
また、電池モジュール40の各電池セルの電圧の均等化の要否判定を、電池監視ECU20から取得した各電池セルの電圧情報を基に、電圧均等化ユニット10の電圧均等化制御部102で判定する構成に代えて、電池監視ECU20で判定する構成としてもよい。
Further, the voltage
さらに、電池モジュール40の各電池セルの電圧の均等化の要否判定を、電圧均等化ユニット10及び電池監視ECU20の双方で行い、双方の電圧均等化の要否の判定の結果に基づいて、電池セルの電圧均等化の要否の判定を行い、電池セルの電圧均等化が要の場合、電圧均等化制御部102により、電池セルの電圧均等化を制御する構成としてもよい。
Further, whether or not voltage equalization of each battery cell of the
ここで、電池電圧の均等化の要否判定は、電圧均等化ユニット10及び電池監視ECU20の双方が共に電圧均等化要と判定した場合に、電圧均等化要と判定する構成、又は、電圧均等化ユニット10若しくは電池監視ECU20の何れか一方が電圧均等化要と判定した場合に、電圧均等化要と判定する構成とすることができる。
Here, whether or not the battery voltage equalization is necessary is determined when the
このように、電池電圧の均等化の要否判定を、電圧均等化ユニット10及び電池監視ECU20の双方で行なうことにより、電池電圧均等化の要否判定の動作が二重化され、電池電圧均等化の動作の信頼性を向上させることができる。
As described above, the determination of whether or not the battery voltage needs to be equalized is performed by both the
さらに、電池モジュール40の充放電状態を、車輌監視ECU60からの車輌の稼動状態情報を基に判定すると共に、電池監視ECU20で観測される各電池セルの充放電電流を基に充放電実施中であるか又は充放電停止中であるかを判定することにより、電池モジュール40の充放電状態の判定動作が二重化され、電池電圧均等化の動作モードの判定の信頼性を向上させることができる。
Furthermore, while determining the charging / discharging state of the
10 電圧均等化ユニット
101 充放電状態判定部
102 電圧均等化制御部
20 電池監視ECU
30 電池制御ECU
40 電池モジュール
50 電池パック
60 車輌監視ECU
C1,C2,C3,C4 CAN通信等の通信線
DESCRIPTION OF
30 Battery control ECU
40
Communication lines such as C1, C2, C3, C4 CAN communication
Claims (5)
前記電池モジュールが外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを判定する充放電状態判定手段と、
前記充放電状態判定手段により判定される前記電池モジュールの充放電状態に応じて、前記電池セルの電圧の均等化の動作を切替える電圧均等化制御手段と、
を備え、
前記電圧均等化制御手段は、前記電池モジュールが前記充放電実施中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御し、かつ、前記電池モジュールが前記充放電停止中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達した後、さらに該平均電圧から、前記各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れた電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御する
ことを特徴とする電池電圧均等化制御装置。 A battery voltage equalization control device that configures a battery module, observes the voltage of each battery cell with respect to battery cells connected in series, flows current between the battery cells, and equalizes the voltage of each battery cell Because
Charging to determine whether the battery module is being charged / discharged from an external device or discharged to the external device, or whether charging / discharging is being stopped with an external device. Discharge state determination means;
Voltage equalization control means for switching the voltage equalization operation of the battery cells in accordance with the charge / discharge state of the battery module determined by the charge / discharge state determination means;
With
When the battery module is in a state of being charged / discharged, the voltage equalization control unit is configured to supply a current between the battery cells until an observation voltage of each battery cell reaches an average voltage of the battery cells. When the battery module is in the charge / discharge stop state, the observed voltage of each battery cell reaches the average voltage of the entire battery cell, Further, control is performed so as to equalize the voltage by passing a current between the battery cells until reaching a voltage separated from the average voltage by a voltage fluctuation due to an internal resistance or polarization action of each battery cell. Battery voltage equalization control device.
前記電池監視ユニットから前記各電池セルの電圧を受信し、前記各電池セル間で電流を流して各電池セルの電圧を均等化する電圧均等化ユニットと、
を備え、
前記電圧均等化ユニット及び前記電池監視ユニットの双方により、前記電圧均等化の要否の判定を行い、該双方の電圧均等化の要否の判定の結果に基づいて、前記電池セルの電圧均等化の要否の判定を行い、前記電池セルの電圧均等化が要の場合、前記電圧均等化制御手段により、前記電池セルの電圧均等化を制御することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の電池電圧均等化制御装置。 A battery monitoring unit for observing the voltage of each battery cell;
A voltage equalization unit that receives the voltage of each battery cell from the battery monitoring unit and flows current between the battery cells to equalize the voltage of each battery cell;
With
Both the voltage equalization unit and the battery monitoring unit determine whether or not the voltage equalization is necessary, and based on the result of the determination of whether or not the voltage equalization is necessary, the voltage equalization of the battery cell The voltage equalization control means controls the voltage equalization of the battery cell when the voltage equalization of the battery cell is necessary, and the voltage equalization control means controls the voltage equalization of the battery cell. A battery voltage equalization control device according to claim 1.
前記電池モジュールが外部機器から充電され若しくは外部機器に放電している充放電実施中であるか、又は外部機器との間で充放電を停止している充放電停止中であるかを判定する充放電状態判定過程と、
前記充放電状態判定過程により判定される前記電池モジュールの充放電状態に応じて、前記電池セルの電圧の均等化の動作を切替える電圧均等化制御過程と、
を含み、
前記電圧均等化制御過程は、前記電池モジュールが前記充放電実施中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御し、かつ、前記電池モジュールが前記充放電停止中の状態のとき、前記各電池セルの観測電圧が、前記電池セルの全体の平均電圧に達した後、さらに該平均電圧から、前記各電池セルの内部抵抗又は分極作用による電圧変動分だけ離れた電圧に達するまで、前記電池セル間で電流を流して電圧の均等化を行うよう制御する
ことを特徴とする電池電圧均等化制御方法。 Battery voltage equalization control method for configuring battery modules and observing the voltage of each battery cell with respect to battery cells connected in series, flowing current between the battery cells, and equalizing the voltage of each battery cell Because
Charging to determine whether the battery module is being charged / discharged from an external device or discharged to the external device, or whether charging / discharging is being stopped with an external device. Discharge state determination process;
A voltage equalization control process for switching the voltage equalization operation of the battery cell according to the charge / discharge state of the battery module determined by the charge / discharge state determination process;
Including
In the voltage equalization control process, when the battery module is in the charging / discharging state, the current between the battery cells is changed until the observation voltage of each battery cell reaches the average voltage of the entire battery cell. When the battery module is in the charge / discharge stop state, the observed voltage of each battery cell reaches the average voltage of the entire battery cell, Further, control is performed so as to equalize the voltage by passing a current between the battery cells until reaching a voltage separated from the average voltage by a voltage fluctuation due to an internal resistance or polarization action of each battery cell. Battery voltage equalization control method.
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