KR20130007613A

KR20130007613A - 차량용 조전지 균등화 시스템 및 차량용 조전지 균등화 방법

Info

Publication number: KR20130007613A
Application number: KR1020127026984A
Authority: KR
Inventors: 기요에 오치아이
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2013-01-18
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: EP2582010B1; CN102918738B; JP5316709B2; CN102918738A; KR101424908B1; EP2582010A8; JPWO2011155034A1; EP2582010A1; WO2011155034A1; EP2582010A4; US8957636B2; US20130069596A1

Abstract

차량에 탑재되는 복수의 단위 셀 (11) 을 직렬로 접속한 조전지 (10) 의 각 단위 셀 (11) 의 방전을 실시하여 각 단위 셀 (11) 의 전압 또는 잔존 용량 (SOC) 을 균등화하는 차량용 조전지 균등화 시스템 (100) 으로서, 각 단위 셀 (11) 의 균등화 처리 시간은, 균등화 처리 직전의 조전지 (10) 로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 단위 셀 (11) 로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간으로 설정한다. 이로써, 균등화 처리시의 소비 전력을 억제할 수 있다.

Description

차량용 조전지 균등화 시스템 및 차량용 조전지 균등화 방법{VEHICLE BATTERY-PACK EQUALIZATION SYSTEM AND VEHICLE BATTERY-PACK EQUALIZATION METHOD}

본 발명은, 전지를 직렬로 조합한 조(組)전지의 각 전지의 전압을 균등화하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 전동기에 의해 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 전동기에 의해 차량을 구동시키는 하이브리드 차량이 사용되고 있다. 이와 같은 전동 차량에 있어서는, 니켈 수소 이차 전지나 리튬 이온 이차 전지 등을 단위 셀로 하여 이들을 복수 개 직렬로 접속한 조전지가 전원으로서 많이 사용되고 있다. 이와 같은 조전지는, 충방전을 반복하는 동안에 각 단위 셀의 충전 상태 (잔존 용량 (SOC)) 에 따라 그 양단 전압에 편차가 생기고, 이것을 방치한 채로 충전이나 방전을 실시하면 일부의 단위 셀이 셀 전압의 상하한이 되기 쉬워, 조전지의 사용폭이 좁아져, 전동 차량의 주행 가능 거리가 짧아져 버리는 경우가 있다.

그래서, 차량의 이그니션 스위치가 오프로 되었을 때에, 복수 개의 단위 셀이 평형 상태에서 분극되지 않은 것으로 판단하여, 단위 셀의 양단 전압의 균등화를 개시하는 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1 에는, 단위 셀의 균등화는, 복수의 단위 셀 중 양단 전압이 최대가 되는 최대 단위 셀로부터 커패시터에 전하를 이동시킨 후, 커패시터로부터 양단 전압이 최소가 되는 단위 셀에 전하를 이동시키는 동작을 일정 시간 반복한 후에 균등화를 종료하는 것이 기재되어 있다.

또, 단위 셀 간의 전지 특성을 검출하여, 필요에 따라 과충전 상태에 있는 단위 셀의 전력을 강제적으로 소비시켜 단위 셀의 균등화를 도모하는 균등화 회로는, 동작 전력을 소비한다. 이 때문에, 조전지가 탑재된 차량의 운행이 정지되고 나서 소정의 시간이 경과하면, 균등화 회로에 공급하는 전력을 정지시켜 균등화 회로에 있어서의 전력 소비를 억제하는 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조). 특허문헌 2 에는, 균등화는 장시간 (수 시간 내지 1 일 정도) 에 걸쳐 천천히 행해지고, 예정된 소정의 시간이 경과했을 경우에 균등화가 정지되는 것이 기재되어 있다. 또, 사용자의 지시 또는 차량의 주위 온도에 기초하여 균등화를 실시하는 소정의 시간을 변경하는 것이 기재되어 있다.

또, 차량의 이그니션 스위치가 오프인 상태에서 단위 셀의 균등화를 실시하면, 차량용 전원의 일부가 소비되기 때문에, 조전지에 있어서의 온도의 편차를 검출하여, 온도의 편차가 소정의 범위 내에 있는 경우에는 단위 셀의 균등화 처리를 실시하지 않게 하여, 균등화 처리에 필요로 하는 전력을 억제하는 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 3 참조). 또, 특허문헌 3 에는, 균등화 처리를 실시하는 소정의 처리 간격을 타이머로 설정하여, 설정 처리 간격에 도달할 때마다, 조전지의 전압 상태를 감시하여 균등화를 위한 방전을 실시할 필요가 있는지 여부를 판단하여, 균등화를 위한 방전을 실시할 필요가 있다고 판단되었을 때에, 균등화 처리를 실시하는 것이 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 2006-246646호 일본 공개특허공보 2008-054416호 일본 공개특허공보 2007-325458호

특허문헌 1, 2 에 기재되어 있는 바와 같이, 단위 셀의 균등화에는 시간이 걸리기 때문에, 소정의 시간을 설정하여, 그 시간만 균등화를 실시하는 경우가 많다. 그러나, 항상 소정의 시간만큼 단위 셀의 균등화를 실시하면, 필요 이상으로 균등화를 실시해 버려, 균등화시의 전력 소비가 커져 버리는 경우가 있었다. 또, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 종래 기술에서는, 이그니션 스위치가 오프로 된 상태에서 단위 셀의 균등화를 실시하기 때문에, 소정의 시간이 경과하기 전에 이그니션 스위치가 온으로 되면, 단위 셀의 균등화가 종료되지 않은 채로 다음의 충방전이 행해지게 된다. 이 때문에, 단위 셀의 균등화가 이루어지지 않아 단위 셀의 전압의 편차가 축적되어 가는 경우가 있었다. 특허문헌 3 에 기재된 종래 기술에서는, 타이머에 의해 설정한 시간마다 조전지의 전압 상태를 감시하여 필요에 따라 균등화 처리를 실시하는 것이 기재되어 있지만, 미리 타이머에 설정하는 시간은 일정 시간이라는 점에서, 설정 시간이 긴 경우에는, 필요 이상으로 전력이 소비되어 버리는 경우가 있다는 문제가 있었다.

본 발명은, 차량용 조전지 균등화 시스템에 있어서 균등화 처리에서의 소비 전력을 억제하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 차량용 조전지 균등화 시스템은, 차량에 탑재되는 복수의 전지를 직렬로 접속한 조전지의 각 전지의 방전을 실시하여 각 전지의 전압 또는 잔존 용량 (SOC) 을 균등화하는 차량용 조전지 균등화 시스템으로서, 각 전지의 균등화 처리 시간은, 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 차량용 조전지 균등화 시스템에 있어서, 균등화 처리 중에 균등화 처리가 중단된 경우, 다음 회의 각 전지의 균등화 처리 시간은, 다음 회의 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간에 전회의 균등화 처리시의 실제 균등화 처리 시간과 전회의 설정된 균등화 처리 시간의 차를 더한 시간으로 설정하는 것으로 해도 바람직하다.

또, 본 발명의 차량용 조전지 균등화 시스템에 있어서, 차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고, 이그니션 스위치가 오프로 된 경우에 균등화 처리 시간의 설정을 개시하여, 균등화 처리 시간을 설정한 후, 균등화 처리를 개시하는 것으로 해도 바람직하고, 설정된 균등 처리 시간이 경과하기 전에 이그니션 스위치가 온으로 된 경우에 균등화 처리를 중단하는 것으로 해도 바람직하다.

본 발명의 차량용 조전지 균등화 방법은, 차량에 탑재되는 복수의 전지를 직렬로 접속한 조전지의 각 전지의 방전을 실시하여 각 전지의 전압 또는 잔존 용량 (SOC) 을 균등화하는 차량용 조전지 균등화 방법으로서, 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간으로 각 전지의 균등화 처리 시간을 설정한 후, 균등화 처리를 개시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 차량용 조전지 균등화 방법에 있어서, 균등화 처리 중에 균등화 처리가 중단된 경우, 다음 회의 각 전지의 균등화 처리 시간은, 다음 회의 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간에 전회의 균등화 처리시의 실제 균등화 처리 시간과 전회에 설정된 균등화 처리 시간의 차를 더한 시간으로 설정하는 것으로 해도 바람직하다.

본 발명의 차량용 조전지 균등화 방법에 있어서, 차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고, 이그니션 스위치가 오프로 된 경우에 균등화 처리 시간의 설정을 개시하는 것으로 해도 바람직하고, 설정된 균등 처리 시간이 경과하기 전에 이그니션 스위치가 온으로 된 경우에 균등화 처리를 중단하는 것으로 해도 바람직하다.

본 발명은, 차량용 조전지 균등화 시스템에 있어서 균등화 처리에서의 소비 전력을 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 있어서의 차량용 조전지 균등화 시스템의 구성을 나타내는 계통도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 있어서의 차량용 조전지 균등화 시스템의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 있어서의 단위 셀의 방전 특성을 나타내는 설명도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는, 균등화 처리 대상인 조전지 (10) 는 니켈 수소 이차 전지나 리튬 이온 이차 전지의 단위 셀 (11) 을 복수 직렬로 접속하여 고압 배터리로 한 것으로서 설명하지만, 이 이외 종류의 전지의 단위 셀을 조합해도 된다. 이 경우, 각 단위 셀 (11) 은 청구항 1 에 기재된 각 전지를 구성한다. 또, 조전지 (10) 는, 복수의 단위 셀을 직렬로 접속한 전지 블록을 복수 직렬로 접속한 것으로 해도 된다. 이 경우, 각 전지 블록은 청구항 1 에 기재된 각 전지를 구성한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 차량용 조전지 균등화 시스템 (100) 은, 단위 셀 (11) 을 복수 직렬로 접속한 조전지 (10) 의 각 단위 셀 (11) 의 전압을 측정하는 전압 검출부 (20) 와, 각 단위 셀 (11) 의 전압을 균등화하는 균등화 회로 (40) 와, 전압 검출부로부터의 입력에 의해 균등화 회로 (40) 의 동작의 지령을 출력하는 균등화 제어부 (30) 를 포함하고 있다. 또한, 도 1 에 있어서, 1 점 쇄선은 신호선을 나타낸다.

조전지 (10) 는 니켈 수소 이차 전지나 리튬 이온 이차 전지의 단위 셀 (11) 을 복수 직렬로 접속하여 고압 배터리로 한 것으로서, 그 양단은 예를 들어, 인버터 등을 개재하여 차량 구동용 모터 등의 부하 (62) 에 접속되어 있다. 또, 부하 (62) 와 조전지 (10) 사이에는 부하 (62) 와 조전지 (10) 사이를 차단하는 시스템 릴레이 (63) 가 형성되어 있다.

각 단위 셀 (11) 의 각 전압을 검출하는 전압 검출부 (20) 는, 각 단위 셀 (11) 과 병렬로 접속된 각 분압 저항 (21) 과, 각 분압 저항 (21) 의 마이너스측 단 (端) 과 각 단위 셀 (11) 의 마이너스측 단이 접속된 각 오퍼레이션 앰프 (22) 를 포함하고 있다. 각 분압 저항 (21) 은 동일한 저항값을 갖고, 서로 직렬로 배치되며, 그 양단은 조전지 (10) 의 플러스측 전로 (電路) (12) 와 마이너스측 전로 (13) 에 각각 접속되어 있다. 또, 각 오퍼레이션 앰프 (22) 의 출력은 균등화 제어부 (30) 에 도시되지 않은 인터페이스를 개재하여 접속되고, 그 신호가 균등화 제어부 (30) 에 입력되도록 구성되어 있다. 각 분압 저항 (21) 의 양단의 전압은 조전지 (10) 전체의 전압을 단위 셀 (11) 의 수로 나눈 단위 셀 (11) 의 평균 전압이 되고, 오퍼레이션 앰프 (22) 는 각 단위 셀 (11) 의 전압과 단위 셀 (11) 의 평균 전압의 전압차를 균등화 제어부 (30) 에 출력한다. 또, 각 오퍼레이션 앰프 (22) 는 각 오퍼레이션 앰프 (22) 가 전압차를 검출하는 각 단위 셀 (11) 로부터 스위치 (23) 를 통해 공급된 전력으로 구동되도록 구성되어 있다. 각 스위치 (23) 는 균등화 제어부 (30) 에 접속되며, 균등화 제어부 (30) 의 지령에 따라 온 오프되도록 구성되어 있다.

균등화 회로 (40) 는, 방전 저항 (41) 과 방전 저항 (41) 에 직렬로 접속된 온 오프 스위치 (42) 의 단위 방전 회로 (43) 가 각 단위 셀 (11) 의 개수분만큼 직렬로 접속되고, 그 양단은 조전지 (10) 의 플러스측 전로 (12) 와 마이너스측 전로 (13) 에 접속되어 있다. 그리고, 각 단위 방전 회로 (43) 의 양단은, 각 단위 셀 (11) 의 플러스측 단과 마이너스측 단과 각 접속선 (14) 에 의해 접속되고, 각 단위 방전 회로 (43) 는 각 단위 셀 (11) 과 병렬이 되도록 구성되어 있다. 또, 각 단위 방전 회로 (43) 의 각 온 오프 스위치 (42) 는 균등화 제어부 (30) 에 도시되지 않은 인터페이스를 개재하여 접속되어 있고, 균등화 제어부 (30) 의 지령에 따라 온 오프 동작하도록 구성되어 있다.

균등화 제어부 (30) 는, 내부에 신호 처리를 실시하는 CPU (31) 와 메모리 (32) 를 포함하는 컴퓨터로서, 메모리 (32) 는, 각 단위 셀 (11) 의 각 전압을 균등화하는 균등화 처리를 실시하는 시간을 설정하는 균등화 처리 시간 설정 수단 (33) 과, 설정된 시간만큼 균등화 처리를 실시하는 균등화 처리 수단 (34) 과, 균등화 처리를 실시하고 있는 시간을 카운트하는 시간 카운트 수단 (35) 과, 각 단위 셀 (11) 의 방전 특성 등의 데이터가 저장되어 있는 제어용 데이터 (36) 와, 이후에 설명하는 각 단위 셀 (11) 의 균등화 처리의 잔존 시간이 저장되는 메모리 스택 (37) 을 포함하고 있다.

본 실시형태의 차량용 조전지 균등화 시스템 (100) 이 탑재되는 전동 차량에는, 전동 차량의 전원의 온 오프나 부하 (62) 에 공급하는 전력을 제어하는 제어부 (50) 와, 균등화 제어부 (30) 를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전원 (54) 이 탑재되어 있다. 전원 (54) 으로부터 균등화 제어부 (30) 에 전력을 공급하는 급전 라인 (55) 에는 전원 (54) 과 균등화 제어부 (30) 를 차단하는 전원 스위치 (56) 가 형성되어 있다. 또, 전동 차량에는 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치 (61) 가 형성되어 있다.

제어부 (50) 는, 내부에 신호 처리를 실시하는 CPU (51) 와 제어용 프로그램이나 데이터를 저장하는 메모리 (52) 를 포함하는 컴퓨터로서, 균등화 제어부 (30) 와 접속되어 신호나 데이터의 교환을 실시하도록 구성되어 있다. 전원 스위치 (56), 시스템 릴레이 (63), 부하 (62) 는 각각 도시되지 않은 인터페이스를 개재하여 제어부 (50) 에 접속되고, 제어부 (50) 의 지령에 따라 동작하도록 구성되어 있다. 또, 이그니션 스위치 (61) 는 도시되지 않은 인터페이스를 개재하여 제어부 (50) 에 접속되고, 운전자가 이그니션 스위치 (61) 를 온으로 하고 있는지 오프로 하고 있는지의 신호가 제어부 (50) 에 입력되도록 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 실시형태의 동작에 대하여, 도 2, 도 3 을 참조하면서 설명한다. 전동 차량의 주행 중, 시스템 릴레이 (63) 는 온으로 되어 있어, 조전지 (10) 로부터 부하 (62) 에 전력이 공급되고 있다. 또, 전원 스위치 (56), 스위치 (23) 도 온으로 되어 있어, 균등화 제어부 (30) 는 전압 검출부 (20) 로부터 각 단위 셀 (11) 의 전압을 취득하여 각 전압을 감시하고 있다. 제어부 (50) 는 도 2 의 단계 S101 에 나타내는 바와 같이, 이그니션 스위치 (61) 로부터의 온 오프 신호를 취득하여, 그 신호를 균등화 제어부 (30) 에 송신한다. 균등화 제어부 (30) 는, 도 2 의 단계 S102 에 나타내는 바와 같이, 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 되어 있는지 여부를 판단한다. 그리고, 균등화 제어부 (30) 는 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 되어 있는 경우, 시스템 릴레이 (63) 가 오프로 되어 있어, 조전지 (10) 는 부하 (62) 와 차단되어 있는 것으로 판단하여, 도 2 의 단계 S103 에 나타내는 바와 같이 균등화 필요 시간의 계산, 균등화 처리 시간의 설정을 개시한다.

여기서, 도 3 을 참조하면서, 이그니션 스위치 (61), 시스템 릴레이 (63) 가 온으로 되어 전동 차량이 주행하고 있을 때의 각 단위 셀 (11) 의 각 전압 변화의 일례를 설명한다. 전동 차량이 주행을 개시했을 때의 각 단위 셀 (11) 은 잔존 용량의 상한까지 충전되어 있어, 그 전압은 도 3 의 점 p 에 나타내는 바와 같이 모두 전압 V₁ 이다. 이 상태에서 전동 차량이 주행하면, 각 단위 셀 (11) 은 방전 특성 곡선을 따라 방전하여, 그 전압이 저하되어 간다. 실제로는 각 단위 셀 (11) 의 방전 곡선은 각 단위 셀 (11) 에 따라 달라지지만, 여기서는 설명을 위해, 방전 곡선은 1 종류로 하여 설명한다. 도 3 의 곡선 a 와 곡선 b 는 설명을 위해 동일한 곡선을 2 개의 선으로서 기재한 것이다. 각 단위 셀 (11) 의 방전 전류는 각 단위 셀 (11) 에 따라 상이하다. 현재, 1 개의 단위 셀 (11a) 의 방전 전류는 I₁(A) 이고, 다른 1 개의 단위 셀 (11b) 의 방전 전류는 I₁(A) 보다 큰 I₂(A) 인 것으로 한다. 단위 셀 (11a, 11b) 은, 전동 차량의 주행 등 때문에 조전지 (10) 로부터 부하 (62) 등으로 방전되면, 그 방전 전류에 시간을 곱한 분만큼 각 단위 셀 (11) 로부터 방전된다. 방전 시간은 단위 셀 (11a, 11b) 모두 동일한 T 시간 (이그니션 스위치 (61) 가 온으로 되어 있는 시간) 이기 때문에, 단위 셀 (11a, 11b) 의 각 방전량 (Ah₁, Ah₂) 은, 각각 다음의 식과 같이 된다.

Ah₁ = I₁ × T ------------------------------ (식 1)

Ah₂ = I₂ × T ------------------------------ (식 2)

여기서, 방전량의 단위는, 암페어 시간이다. 단위 셀 (11a) 의 방전 시간 I₂(A) 는 다른 1 개의 단위 셀 (11b) 의 방전 시간 I₁(A) 보다 ΔI 만큼 크기 때문에, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 시간 T 동안에 단위 셀 (11a) 은 선 a 에 나타내는 바와 같이 점 p 에서부터 점 q 까지 Ah₁ (암페어 시간) 만큼 방전하고, 단위 셀 (11b) 은 1 점 쇄선 b 에 나타내는 바와 같이 점 p 에서부터 점 r 까지 Ah₂ (암페어 시간) 만큼 방전한다. 따라서, 단위 셀 (11b) 은 단위 셀 (11a) 보다 방전량차 (ΔAh)

ΔAh = Ah₂ - Ah₁

= (I₂ - I₁) × T = ΔI_d × T ------------------------------ (식 3)

만큼 많이 방전하기 때문에, 그만큼 잔존 용량 (SOC) 이 저하되어, 각 단위 셀 (11a, 11b) 의 잔존 용량 (SOC) 에 편차가 나옴과 함께, 각 단위 셀의 전압도 전압 V₂, 전압 V₃ 과 같이 편차가 나온다.

이와 같은 단위 셀 (11a, 11b) 의 방전 전류의 차 (ΔI_d) 이외에, 각 단위 셀 (11) 은 각 단위 셀 (11) 의 전압을 감시하기 위해 각 오퍼레이션 앰프 (22) 에 구동 전류를 공급하고 있다. 이 오퍼레이션 앰프 (22) 의 구동 전류에도 편차 (ΔI_e) 가 있기 때문에, 조전지 (10) 전체로서 방전할 때에 발생하는 각 단위 셀 (11) 의 방전 전류의 편차 (ΔI_d) 와 전압 감시를 위해 소비되는 전류의 편차 (ΔI_e) 가 중첩된 분만큼 각 단위 셀 (11) 로부터의 방전 전류가 불균일한 것이 된다. 이 방전 전류의 편차 (Δ_I) = ΔI_d ＋ ΔI_e 이기 때문에, 시간 T 만큼 조전지 (10) 를 방전시키면 각 단위 셀 (11) 의 잔존 용량 (SOC), 전압에 편차가 생긴다.

한편, 상기와 같이 각 단위 셀 (11) 사이에 잔존 용량 (SOC) 의 차 혹은 전압차가 생긴 경우에는, 차량이 정지하여 조전지 (10) 로부터 부하 (62) 로의 방전이 정지된 후, 전압이 단위 셀 (11) 의 평균 전압보다 높게 되어 있는 단위 셀 (11) 에 대응하는 단위 방전 회로 (43) 의 온 오프 스위치 (42) 를 온으로 하여, 방전 저항 (41) 을 통해 미소한 균등화 방전 전류 I₃ 을 흘려 전압이 높게 되어 있는 단위 셀 (11) 을 방전시키고, 이로써 각 단위 셀 (11) 의 전압의 균등화를 도모한다. 상기와 같이 단위 셀 (11a) 의 방전량 (Ah₁)과 단위 셀 (11b) 의 방전량 (Ah₂) 의 차 (ΔAh) 만큼 방전 저항 (41) 을 통해 단위 셀 (11a) 을 방전하면 단위 셀 (11a) 의 총방전량은 Ah₂ 가 되어 단위 셀 (11b) 의 총방전량과 동일해져, 잔존 용량 (SOC), 전압의 차는 해소되게 된다. 따라서, 단위 셀 (11a, 11b) 의 균등화 처리에 필요한 시간 (Te) 은,

Te = ΔAh/I₃

= ΔI/I₃ × T ------------------------------ (식 4)

가 된다. 요컨대, 균등화 처리에 필요한 시간 (Te) 은, 균등화 처리 직전의 조전지 (10) 로부터의 방전 시간 T 에 균등화 방전 전류 I₃ 에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차 (ΔI) 의 비율을 곱한 시간이 되어, 조전지 (10) 의 방전 시간 T 에 비례하게 된다.

그래서, 균등화 제어부 (30) 는, 전동 차량의 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 되어, 전동 차량이 정지하여, 조전지 (10) 가 부하 (62) 와 차단된 상태가 되면, 균등화 처리 시간 설정 공정을 개시한다. 먼저, 균등화 제어부 (30) 는, 도 2 의 단계 S103 에 나타내는 바와 같이, 각 단위 셀 (11) 의 각 균등화 처리 필요 시간 (A_n) 을 계산한다. 이그니션 스위치 (61) 는 전동 차량이 시동될 때마다 온으로 되고, 전동 차량이 정지할 때마다 오프로 되기 때문에, 도 2 에서는, 금회의 이그니션 스위치 (61) 의 오프를 n 회째의 IG 오프로서 나타낸다. 균등화 제어부 (30) 는, m 번째 단위 셀 (11_m) 에 대한 금회 (n 회째) 의 각 균등화 처리 필요 시간 (Am_n) 을 이하의 식으로 계산한다.

Am_n = ΔIm_n/I₃ × T_n --------------------- (식 5)

여기서, T_n 은, n 회째의 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 되고 나서 n 회째의 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 될 때까지의 시간 (hr) 이고, ΔIm_n 은, 그 사이의 m 번째 단위 셀 (11_m) 로부터 방전 전류와 기준이 되는 각 단위 셀 (11) 의 방전 전류 사이의 방전 전류차로서, 예를 들어, 그 사이의 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 방전 전류와 각 단위 셀 (11) 의 평균 방전 전류의 전류차여도 되고, 각 단위 셀 (11) 중의 최소 방전 전류를 기준으로 하여 단위 셀 (11) 의 최소 방전 전류와 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 방전 전류의 전류차여도 된다. m 번째 단위 셀 (11_m) 의 기준 방전 전류와의 방전 전류차 (ΔIm_n) 는, 조전지 (10) 로서 부하 (62) 에 전력을 공급할 때의 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 기준 방전 전류와의 전류차 (ΔIm_an) 와 각 단위 셀 (11) 의 전압을 감시하기 위해 소비되는 전류의 기준 전류의 전류차 (ΔIm_bn) 의 합계로서, ΔIm_n = ΔIm_an + ΔIm_bn 이다. 이 ΔIm_an, ΔIm_bn 은, 균등화 제어부 (30) 의 제어용 데이터 (36) 중에 각각의 단위 셀 (11) 에 대한 맵으로서 저장해 두어도 된다.

또, 균등화 제어부 (30) 는, 전압 검출부 (20) 에 의해 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 되었을 때의 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 전압과 단위 셀 (11) 의 평균 전압의 전압차를 취득하고, 이 전압차와 제어용 데이터 (36) 중에 저장한 방전 곡선으로부터 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 각 방전량과 단위 셀 (11) 의 평균 방전량의 방전량차 (ΔAh_m) 를 취득하여, m 번째 단위 셀 (11_m) 을 균등화 처리하기 위해 필요한 균등화 처리 필요 시간 (Am_n) 을 하기의 식과 같이 계산해도 된다.

Am_n = ΔAh_m/I₃ ------------------------- (식 6)

다음으로, 도 2 의 단계 S104 에 나타내는 바와 같이, 균등화 제어부 (30) 는, 이후에 설명하는 전회 (n-1 회째) 의 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 된 후에 실시한 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리의 잔존 시간 (Sm_n _-1) 을 메모리 스택 (37) 으로부터 판독하여, 도 2 의 단계 S105 에 나타내는 바와 같이, 먼저 계산한 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 금회 (n 회째) 의 각 균등화 처리 필요 시간 (Am_n) 에 더하여, 다음 식에 의해 m 번째 단위 셀 (11_m) 의 금회 (n 회째) 의 균등화 처리 시간의 설정값 (Am_n ^*) 을 계산한다.

Am_n ^* = Am_n ＋ Sm_n _-1---------------------- (식 7)

균등화 제어부 (30) 는 식 7 에 의해 각 단위 셀 (11_m) 의 각 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) (m 은 1 부터 단위 셀 (11) 의 개수까지) 을 계산하면, 균등화 처리 시간 설정 공정을 종료한다.

균등화 제어부 (30) 는, 균등화 처리 시간의 설정이 종료되면, 도 2 의 단계 S106 에 나타내는 바와 같이, 균등화 처리 공정을 개시한다. 균등화 처리는, 예를 들어, 각 균등화 처리 시간 설정값 (A_n ^*) 이 플러스인 단위 셀 (11) 에 대하여 균등화 처리를 실시하는 경우나, 각 균등화 처리 시간 설정값 (A_n ^*) 이 마이너스인 최대값을 기준으로 하여 모든 단위 셀 (11) 에 대하여 균등화 처리를 실시하는 경우나, 어느 설정한 기준 균등화 처리 시간 설정값 (A_s ^*) 을 기준으로 하여 균등화 처리 시간 설정값 (A_n ^*) 이 그 이상으로 되어 있는 단위 셀 (11) 에 대해서만 균등화 처리를 실시한다. 이하의 설명에서는, 각 균등화 처리 시간 설정값 (A_n ^*) 이 플러스인 단위 셀 (11) 에 대하여 균등화 처리를 실시하는 경우에 대하여 설명한다.

균등화 제어부 (30) 는, 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 이 플러스로 되어 있는 m 번째 단위 셀 (11_m) 과 병렬로 배치되어 있는 각 온 오프 스위치 (42) 를 온으로 하여, 각 방전 저항 (41) 을 통해 그 단위 셀 (11_m) 에 축전되어 있는 전력을 방전하여, 그 단위 셀 (11_m) 의 각 전압을 저하시킨다. 또, 도 2 의 단계 S107 에 나타내는 바와 같이, 균등화 제어부 (30) 는, 온 오프 스위치 (42) 가 온으로 되어 실제로 균등화 처리가 행해지고 있는 시간 t 의 카운트를 개시한다 (시간 카운트 공정). 균등화 제어부 (30) 는, m 번째 단위 셀 (11_m) 에 대하여, 카운트 시간 t 가 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 을 초과한 경우에는, 그 단위 셀 (11_m) 에 대응하는 온 오프 스위치 (42) 를 오프로 하여 그 단위 셀 (11_m) 에 대한 균등화 처리를 종료한다. 그리고, 균등화 제어부 (30) 는, 균등화 처리를 실시하는 각 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 이 플러스인 모든 단위 셀 (11) 에 대하여, 카운트 시간 t 가 각 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 을 초과하면, 도 2 의 단계 S110 에 나타내는 바와 같이 균등화 처리를 정지시킨다. 그리고, 균등화 제어부 (30) 는, 각 스위치 (23) 를 오프로 하여, 각 오퍼레이션 앰프 (22) 로의 전력의 공급을 정지시킨다. 또, 균등화 제어부 (30) 는, 균등화 처리가 종료된 신호를 제어부 (50) 에 출력한다. 제어부 (50) 는, 도 2 의 단계 S111 에 나타내는 바와 같이, 균등화 제어부 (30) 로부터 균등화 처리 종료의 신호가 입력되면, 전원 스위치 (56) 를 오프로 하는 지령을 출력한다. 이 지령에 의해, 전원 스위치 (56) 가 오프로 되어, 균등화 제어부 (30) 로의 전력 공급이 정지된다.

한편, 균등화 처리 중에, 운전자가 이그니션 스위치 (61) 를 온으로 한 경우에는, 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 된 신호가 제어부 (50) 에 입력되고, 제어부 (50) 는 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 된 신호를 균등화 제어부 (30) 에 송신한다. 균등화 제어부 (30) 는, 도 2 의 단계 S112 에 나타내는 바와 같이, 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 된 신호를 취득하면, 도 2 의 단계 S113 에 나타내는 바와 같이 시간 카운트를 정지시키고, 정지시켰을 때의 카운트 시간 tc, 즉 실제로 균등화 처리를 실시한 시간을 메모리 스택 (37) 에 저장한다. 그리고, 균등화 제어부 (30) 는, 도 2 의 단계 S114 에 나타내는 바와 같이, 균등화 처리를 실시하고 있는 각 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 이 플러스인 m 번째 단위 셀 (11_m) 에 대하여, 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 되었을 때의 카운트 시간 tc 와 균등화 처리 시간 설정값 (Am_n ^*) 의 시간차를 잔존 시간 (Sm_n) 으로서 하기의 식 8 과 같이 계산하고, 도 2 의 단계 S115 에 나타내는 바와 같이 메모리 스택 (37) 에 저장한다.

Sm_n = Am_n ^* - tc ------------------------- (식 8)

여기서, 잔존 시간 (Sm_n) 이 마이너스로 되어 있는 단위 셀 (11_m) 은, 이미 그 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리 시간이 경과하여 균등화가 종료되어 있고, 잔존 시간 (Sm_n) 이 플러스로 되어 있는 단위 셀 (11_m) 은, 아직 그 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리 시간이 경과하지 않아, 균등화가 종료되지 않은 단위 셀 (11) 이 된다.

균등화 제어부 (30) 는, 잔존 시간 (Sm_n) 이 플러스로 된 각 단위 셀 (11_m) 의 잔존 시간 (Sm_n) 을 그 단위 셀 (11_m) 의 번호 m 의 메모리 스택 (37) 에 저장한다. 이 잔존 시간 (Sm_n) 은, 다음 회 (n＋1 회째), 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 되었을 때의 균등화 처리 시간의 설정값 (Am_n ₊₁ ^*) 을 계산할 때에, 메모리 스택 (37) 으로부터 판독되어, 하기 식과 같이 n＋1 회째의 균등화 필요 처리 시간 (Am_n+1) 에 더하여 합쳐진다.

Am_n ₊₁₁ ^* = Am_n ₊₁＋ Sm_n ------------------ (식 9)

또, 마찬가지로 계산한 전회 (n-1 회째) 의 이그니션 스위치 (61) 가 오프로 된 후의 균등화 처리의 잔존 시간 (Sm_n _-1) 은, 앞서 설명한 바와 같이, 식 7 과 같이 금회 (n 회째) 의 균등화 처리 시간의 설정시에 금회 (n 회째) 의 균등화 필요 시간 (Am_n) 에 더하여 합쳐진다. 이와 같이, m 번째 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리가 그 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리 필요 시간 (Am_n) 에 이르기 전에 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 되어 균등화 처리가 도중에 중단되었을 때에는, 그 잔존 시간 (Sm_n) 은 다음 회 이후의 균등화 처리의 시간 설정시에 순차적으로 이월되어 가기 때문에, 균등화 필요 시간에 이르지 못한 시간밖에 균등화 처리를 하지 못하여, 각 단위 셀 (11) 간의 전압차, 잔존 용량 (SOC) 의 편차가 축적되어 차츰 커져가는 것을 억제할 수 있다.

균등화 제어부 (30) 는, 잔존 시간 (Sm_n) 을 메모리 스택 (37) 에 저장하면, 도 2 의 단계 S110 에 나타내는 바와 같이 균등화 처리를 정지시킨다. 그리고, 균등화 제어부 (30) 는, 각 스위치 (23) 를 오프로 하여, 각 오퍼레이션 앰프 (22) 로의 전력의 공급을 정지시킨다. 또, 균등화 제어부 (30) 는, 균등화 처리가 종료된 신호를 제어부 (50) 에 출력한다. 제어부 (50) 는, 균등화 제어부 (30) 로부터 균등화 처리 종료의 신호가 입력되면, 도 2 의 단계 S111 에 나타내는 바와 같이, 전원 스위치 (56) 를 오프로 하는 지령을 출력한다. 이 지령에 의해, 전원 스위치 (56) 가 오프로 되어, 균등화 제어부 (30) 로의 전력 공급이 정지된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 차량용 조전지 균등화 시스템 (100) 은, 각 단위 셀 (11_m) 로부터의 방전 전류의 편차에 따라 각 단위 셀 (11_m) 의 균등화 처리 시간을 설정하여 균등화 처리를 실시하기 때문에, 각 단위 셀 (11_m) 을 필요 이상으로 방전시킬 필요가 없어, 균등화 처리시의 소비 전력을 억제할 수 있다. 또, 본 실시형태의 차량용 조전지 균등화 시스템 (100) 은, 균등화 처리 필요 시간 (Am_n) 에 이르기 전에 이그니션 스위치 (61) 가 온으로 되어, 균등화 처리가 도중에 중단된 경우라도, 잔존 시간 (Sm_n) 이 다음 회 이후의 균등화 처리의 시간 설정시에 이월되어 가기 때문에, 각 단위 셀 (11) 간의 전압차, 잔존 용량 (SOC) 의 편차가 축적되어 차츰 커져가는 것을 억제할 수 있다. 또, 일부의 단위 셀 (11) 이 셀 전압의 상하한으로 되어 버리는 것이 억제되기 때문에, 조전지 (10) 의 사용폭이 넓어져, 전동 차량의 주행 가능 거리가 짧아지는 것을 억제할 수 있다.

이상 설명한 본 실시형태에서는, 전압 검출부 (20) 는 각 단위 셀 (11) 의 평균 전압과 각 단위 셀 (11) 의 각 전압의 각 전압차를 검출하는 것으로서 설명하였지만, 전압 검출부 (20) 는, 직접 각 단위 셀 (11) 의 전압을 측정하여 균등화 제어부 (30) 에 입력하고, 균등화 제어부 (30) 는 각 단위 셀 (11) 의 각 전압에 기초하여 각 단위 셀 (11) 의 각 균등화 처리 필요 시간 (A_n) 을 계산하여, 각 균등화 처리 설정 시간 (A_n ^*) 의 설정을 실시하도록 해도 된다.

10 : 조전지,
11 : 단위 셀,
11_m: m 번째 단위 셀,
12 : 플러스측 전로,
13 : 마이너스측 전로,
14 : 접속선,
20 : 전압 검출부,
21 : 분압 저항,
22 : 오퍼레이션 앰프,
23 : 스위치,
30 : 균등화 제어부,
32 : 메모리,
33 : 균등화 처리 시간 설정 수단,
34 : 균등화 처리 수단,
35 : 시간 카운트 수단,
36 : 제어용 데이터,
37 : 메모리 스택,
40 : 균등화 회로,
41 : 방전 저항,
42 : 온 오프 스위치,
43 : 단위 방전 회로,
50 : 제어부,
52 : 메모리,
54 : 전원,
55 : 급전 라인,
56 : 전원 스위치,
61 : 이그니션 스위치,
62 : 부하,
63 : 시스템 릴레이,
100 : 차량용 조전지 균등화 시스템,
Am_n : m 번째 단위 셀의 균등화 처리 필요 시간,
Am_n ^* : m 번째 단위 셀의 균등화 처리 시간 설정값,
A_n : 균등화 처리 필요 시간,
A_n ^* : 균등화 처리 시간 설정값,
A_s : 기준 균등화 처리 시간 설정값,
Sm_n : m 번째 단위 셀의 균등화 처리의 잔존 시간.

Claims

차량에 탑재되는 복수의 전지를 직렬로 접속한 조전지의 각 전지의 방전을 실시하여 각 전지의 전압 또는 잔존 용량 (SOC) 을 균등화하는 차량용 조전지 균등화 시스템으로서,
각 전지의 균등화 처리 시간은, 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간으로 설정하는, 차량용 조전지 균등화 시스템.
제 1 항에 있어서,
균등화 처리 중에 균등화 처리가 중단된 경우,
다음 회의 각 전지의 균등화 처리 시간은, 다음 회의 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간에 전회의 균등화 처리시의 실제 균등화 처리 시간과 전회의 설정된 균등화 처리 시간의 차를 더한 시간으로 설정하는, 차량용 조전지 균등화 시스템.
제 1 항에 있어서,
차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고,
이그니션 스위치가 오프로 된 경우에 균등화 처리 시간의 설정을 개시하여, 균등화 처리 시간을 설정한 후, 균등화 처리를 개시하는, 차량용 조전지 균등화 시스템.
제 2 항에 있어서,
차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고,
설정된 균등 처리 시간이 경과하기 전에 이그니션 스위치가 온으로 된 경우에 균등화 처리를 중단하는, 차량용 조전지 균등화 시스템.
차량에 탑재되는 복수의 전지를 직렬로 접속한 조전지의 각 전지의 방전을 실시하여 각 전지의 전압 또는 잔존 용량 (SOC) 을 균등화하는, 차량용 조전지 균등화 방법으로서,
균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간으로 각 전지의 균등화 처리 시간을 설정한 후, 균등화 처리를 개시하는, 차량용 조전지 균등화 방법.
제 5 항에 있어서,
균등화 처리 중에 균등화 처리가 중단된 경우,
다음 회의 각 전지의 균등화 처리 시간은, 다음 회의 균등화 처리 직전의 조전지로부터의 방전 시간에 균등화 방전 전류에 대한 각 전지로부터 방전되는 전류의 차의 비율을 곱한 시간에 전회의 균등화 처리시의 실제 균등화 처리 시간과 전회의 설정된 균등화 처리 시간의 차를 더한 시간으로 설정하는, 차량용 조전지 균등화 방법.
제 5 항에 있어서,
차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고,
이그니션 스위치가 오프로 된 경우에 균등화 처리 시간의 설정을 개시하는, 차량용 조전지 균등화 방법.
제 6 항에 있어서,
차량은, 차량을 시동 정지시키는 이그니션 스위치를 포함하고,
설정된 균등 처리 시간이 경과하기 전에 이그니션 스위치가 온으로 된 경우에 균등화 처리를 중단하는, 차량용 조전지 균등화 방법.