JP2009284591A

JP2009284591A - 組電池の充電制御装置

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Publication number: JP2009284591A
Application number: JP2008132013A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Shinozuka; 典之篠塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP5021561B2

Abstract

【課題】コンデンサの電圧が変化しても、各セルの電圧を均一化できる組電池の充電制御装置を提供すること。
【解決手段】組電池の充電制御装置１は、４つのセル１１Ａ〜１１Ｄが直列に接続された組電池１０と、コンデンサ２０と、ＭＯＳトランジスタ２１、２２と、降圧レギュレータ２３と、スイッチ２４Ａ〜２４Ｄと、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄと、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄと、電流検出器２７と、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄおよび電流検出器２７により、セル１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれについて、複数の電圧値および電流値を検出し、内部抵抗による電圧降下分を除いた電圧を補正セル電圧として求めて、補正セル電圧の最低値を最低電圧として抽出し、この最低電圧が所定値以下である場合、組電池１０でコンデンサ２０を充電し、コンデンサ２０から最低電圧のセル１１に充電する制御部３５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単電池が直列に接続された組電池を有する組電池の充電制御装置に関する。

従来より、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源として、大容量の２次電池が用いられている。この２次電池は、複数の単電池を直列に接続された組電池であり、動力源として必要な所望の電圧を出力する組電池である。
ところで、この２次電池を構成する各単電池には、製造時の個体偏差や使用履歴によって、容量のばらつきが生じる。この容量のばらつきがある状態で、組電池を充電または放電すると、容量の小さな単電池が過充電または過放電となり、組電池の性能が低下するおそれがある。

そこで、各セルの電圧を均一にするために、様々な手法が提案されている。
例えば、各セルの電圧を最も電圧の低いセルに揃える手法がある。すなわち、電圧が高いセルにバイパス抵抗を接続して、このセルのエネルギを消費させ、各セルの電圧を均一化する。しかしながら、この手法では、エネルギを無駄に消費するので、エネルギ効率が低くなる。

また、各セルの電圧を最も電圧の高いセルに揃える手法がある（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、特許文献１に示された電源装置は、直列接続された複数のバッテリセルと、モータからの回生電力を供給するインバータと、このインバータに並列に接続されたコンデンサと、このコンデンサと複数のバッテリセルのうちの１つ以上とを選択的に接続するバッテリセル選択手段と、を備える。

この手法によれば、インバータからの回生電力をコンデンサに蓄電しておき、バッテリセルの電圧が低下すると、この電圧の低下したバッテリセルをバッテリセル選択手段により選択して、コンデンサの電力で充電する。この手法によれば、エネルギ効率を低下させることなく、各セルの電圧を均一にできる。
特開平６−３１９２８７号公報

しかしながら、特許文献１に示された手法では、コンデンサの電圧に応じて、コンデンサに接続するセル数が変化するため、電圧が低いセルを精度よくの充電することが難しかった。

本発明は、コンデンサの電圧が変化しても、各セルの電圧を均一化できる組電池の充電制御装置を提供することを目的とする。

本発明の組電池の充電制御装置（例えば、後述の組電池の充電制御装置１）は、複数の単電池（例えば、セル１１Ａ〜１１Ｄ）が直列に接続された組電池（例えば、後述の組電池１０）と、当該組電池に並列に接続された１つのコンデンサ（例えば、後述のコンデンサ２０）と、当該コンデンサを前記組電池に断続する第１切換え手段（例えば、後述のＭＯＳトランジスタ２１、２２）と、前記コンデンサに並列に接続されて、前記コンデンサの電圧を降圧して出力する降圧レギュレータ（例えば、後述の降圧レギュレータ２３）と、当該降圧レギュレータと前記複数の単電池のそれぞれとを断続する第２切換え手段（例えば、後述のスイッチ２４Ａ〜２４Ｄ）と、前記複数の単電池のそれぞれの電圧を検出する複数のセル電圧検出器（例えば、後述のセル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄ）と、当該セル電圧検出器で検出された複数の電圧を保持するサンプルアンドホールド回路（例えば、後述のサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄ）と、前記組電池に流れる電流を検出する電流検出器（例えば、後述の電流検出器２７）と、前記サンプルアンドホールド回路および前記電流検出器により、前記単電池のそれぞれについて、複数の電圧値および電流値を検出し、これら複数の電圧値および電流値に基づいて、各単電池の電圧値から内部抵抗による電圧降下分を除いた電圧を補正セル電圧として求める補正セル電圧算出手段（例えば、後述の制御部３５）と、前記補正セル電圧の最低値を最低電圧として抽出し、当該最低電圧が所定値以下である場合、前記第１切換え手段を接続して、前記組電池で前記コンデンサを充電し、その後、当該最低電圧の単電池に前記第２切換え手段を接続して、前記コンデンサから前記最低電圧の単電池に充電する充電制御手段（例えば、後述の制御部３５）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、コンデンサにより最低電圧の単電池のみを充電するので、最低電圧の単電池の充電に必要な電荷量を一度に供給でき、コンデンサの電圧が変化しても、低電圧の単電池を精度よくかつ短時間で充電できる。よって、各単電池の電圧を均一化でき、組電池の性能を長期間に亘って維持できる。
また、コンデンサの電圧を降圧して出力する降圧レギュレータを設けたので、コンデンサの電圧が単電池の電圧の規格値より高くなっても、降圧レギュレータにより、コンデンサの電圧を降圧して単電池の充電電圧とすることで、パルス充電でき、充電時間を短縮できる。

この場合、前記降圧レギュレータの出力電圧を検出するレギュレータ電圧検出器（例えば、後述のレギュレータ電圧検出器２８）と、前記レギュレータ電圧検出器で検出した降圧レギュレータの電圧、および、前記セル電圧検出器で検出して前記サンプルアンドホールド回路で保持した各単電池の電圧を比較することで、前記セル電圧検出器および前記サンプルアンドホールド回路の誤差を算出し、当該算出した誤差を補正する誤差補正手段（例えば、後述の制御部３５）と、を備えることが好ましい。

この発明によれば、レギュレータ電圧検出器を設け、このレギュレータ電圧検出器で検出した降圧レギュレータの電圧と、セル電圧検出器で検出してサンプルアンドホールド回路で保持した各単電池の電圧と、を比較して、セル電圧検出器およびサンプルアンドホールド回路の誤差を算出した。よって、セル電圧検出器およびサンプルアンドホールド回路の誤差を容易に検出できる。

本発明によれば、コンデンサにより最低電圧の単電池のみを充電するので、最低電圧の単電池の充電に必要な電荷量を一度に供給でき、コンデンサの電圧が変化しても、低電圧の単電池を精度よくかつ短時間で充電できる。よって、各単電池の電圧を均一化でき、組電池の性能を長期間に亘って維持できる。また、コンデンサの電圧を降圧して出力する降圧レギュレータを設けたので、コンデンサの電圧が単電池の電圧の規格値より高くなっても、降圧レギュレータにより、コンデンサの電圧を降圧して単電池の充電電圧とすることで、パルス充電でき、充電時間を短縮できる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る組電池の充電制御装置１の構成を示す図である。
組電池の充電制御装置１は、組電池１０と、１つのコンデンサ２０と、第１切換え手段としてのＭＯＳトランジスタ２１、２２と、降圧レギュレータ２３と、第２切換え手段としてのスイッチ２４Ａ〜２４Ｄと、４つのセル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄと、４つのサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄと、電流検出器２７と、レギュレータ電圧検出器２８と、組電池充電回路３１と、コンデンサ充放電制御回路３２と、セル電圧測定回路３３と、セル選択回路３４と、セル電圧補正手段、充電制御手段および誤差補正手段としての制御部３５と、を備える。

組電池１０は、４つの単電池としてのセル１１Ａ〜１１Ｄが直列に接続されて構成される。これらセル１１Ａ〜１１Ｄは、リチウムイオン電池である。

コンデンサ２０は、組電池１０に並列に接続され、電荷の充放電を行う。
ＭＯＳトランジスタ２１、２２は、コンデンサ２０と組電池１０の両端とを断続するスイッチであり、このＭＯＳトランジスタ２１、２２により、コンデンサ２０の電荷の充放電を頻繁に行うことができる。

降圧レギュレータ２３は、コンデンサ２０に並列に接続されて、コンデンサ２０の電圧を降圧して出力する。
図２は、降圧レギュレータ２３の構成を示す図である。
この降圧レギュレータ２３は、スイッチング用トランジスタ２３１と、スイッチングされた波形を平滑化するフィルタを構成するコイル２３２とコンデンサ２３３と、過電圧を抑制するためのツェナーダイオード２３４と、ダイオード２３６と、出力電圧をモニターしてトランジスタ２３１をスイッチングするためのスイッチング制御回路２３５と、を備える。

スイッチ２４Ａ〜２４Ｄは、降圧レギュレータ２３と４つのセル１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれとを断続するものであり、それぞれ、一対のトランジスタで構成される。
セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄは、４つのセル１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれの端子電圧を検出する。
サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄは、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄで検出された複数の電圧を保持する。

電流検出器２７は、組電池１０に流れる電流を検出する。
レギュレータ電圧検出器２８は、降圧レギュレータ２３の出力電圧を検出する。

組電池充電回路３１は、自動車のモータの回生電力を組電池１０に充電する。
コンデンサ充放電制御回路３２は、組電池１０の電力でコンデンサ２０を充電したり、コンデンサに蓄電した電力でセル１１Ａ〜１１Ｄを充電したりする。
セル電圧測定回路３３は、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの出力信号を受信して、セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を検出する。
セル選択回路３４は、セル１１Ａ〜１１Ｄの２４Ａ〜２４Ｄを開閉する。

制御部３５は、これら組電池充電回路３１、コンデンサ充放電制御回路３２、セル電圧測定回路３３、セル選択回路３４を制御して、セル１１Ａ〜１１Ｄのうち電圧値が最低のものを充電する充電処理を繰り返すことで、セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を平均化する。

組電池の充電制御装置１のセルの電圧を平均化する処理について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
セル１１Ａ〜１１Ｄには、内部抵抗による電圧降下が生じるため、実際の端子間電圧よりも、低くなる。そこで、各セルの電圧降下分を除いた電圧を補正セル電圧として求めて、セルのうち補正セル電圧が最低のものを充電する。

具体的には、組電池充電回路３１により、少なくとも２種類の電流値で組電池１０に電流を流し、電流検出器２７により、各セル１１Ａ〜１１Ｄの電流値を検出するとともに、セル電圧測定回路３３により、それぞれの電流値に対する各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧値を検出する。
次に、これら複数の電圧値および電流値に基づいて、各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧値から内部抵抗による電圧降下分を除いた電圧を補正セル電圧として求める。
次に、補正セル電圧の最低値を最低電圧として抽出し、この最低電圧が所定値以下である場合、ＭＯＳトランジスタ２１、２２を接続して、組電池１０でコンデンサ２０を充電し、その後、この最低電圧のセル１１のスイッチ２４を接続して、コンデンサ２０から最低電圧のセル１１に充電する。

すなわち、ステップＳ１では、組電池１０に流れる電流値が所定値以下であるか否か、つまり、組電池１０に大電流での充放電が行われていないか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合、ステップＳ１に戻る。
これは、電流値が所定値を超えると、電圧が大きく変動して誤差が生じやすくなるうえに、セル１１Ａ〜１１Ｄの内部抵抗の影響により、セル１１Ａ〜１１Ｄの端子間電圧が大きく変動するからである。

ステップＳ２では、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄで検出して、この検出した電圧をサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄにより保持するとともに、電流検出器２７により組電池１０に流れる電流を検出する。

ステップＳ３では、制御装置３５により、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄで保持した電圧値および電流検出器２７で検出した電流値を記憶する。
ステップＳ４では、各セル１１Ａ〜１１Ｄについて、複数の電圧値および電流値を取得したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合は、ステップＳ２に戻り、ＹＥＳの場合には、ステップＳ５に移る。

ステップＳ５では、内部抵抗を算出し、補正セル電圧を求める。
例えば、セル１１Ａについて、補正セル電圧をＥ、内部抵抗をｒ、取得した電流値をＩ１、Ｉ２、取得した電圧値をＶ１、Ｖ２とすると、以下の式（１）、（２）が成立する。
Ｖ１＝Ｅ−ｒ×Ｉ１・・・（１）
Ｖ２＝Ｅ−ｒ×Ｉ２・・・（２）

よって、式（１）、（２）より、内部抵抗ｒは、以下の式（３）となる。
ｒ＝（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｉ１−Ｉ２）・・・（３）

そして、式（３）を式（１）または式（２）に代入することで、セル１１Ａの補正セル電圧Ｅを算出する。

ステップＳ６では、セル１１Ａ〜１１Ｄのうち、補正セル電圧が最低であるセル１１を抽出する。以降、補正セル電圧が最低であるセル１１を最低電圧セル１１ｎとする。

ステップＳ７では、最低電圧セル１１ｎの電圧値が正常な範囲であるか否かを判定する。
具体的には、最低電圧セル１１ｎの電圧値が予め設定された下限値まで低下すると、正常な範囲から外れたと判定する。または、最低電圧セル１１ｎの電圧値が予め設定された上限値まで上昇すると、正常な範囲から外れたと判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ２に戻り、ＮＯの場合には、ステップＳ８に移る。

ステップＳ８では、組電池１０によりコンデンサ２０を充電する。
ステップＳ９では、制御装置３５により、スイッチ２４Ａ〜２４Ｄのうち最低電圧セル１１ｎに対応するもののみをオンして、コンデンサ２０から最低電圧セル１１ｎに電荷の転送を行い、ステップＳ１に戻る。

ここで、コンデンサ２０から最低電圧セル１１ｎへの充電電圧が高くなり、一時的に過電圧となるおそれがある。そこで、降圧レギュレータ２３により、最低電圧セル１１ｎへの充電電圧を制御して、効率よく充電を行う。
すなわち、セル１１はリチウムイオン電池であるので、セル１１の充電期間のうち、前半は定電流で充電し、後半は定電圧で充電する。しかしながら、充電期間の後半では、電流が減少するため、充電時間が長期化する。
そこで、降圧レギュレータ２３により、短時間だけセル１１の規格値を超える電圧とし、電流を増大させることにより、パルス充電を行い、充電時間を短縮する。

以上のステップＳ１〜Ｓ９の充電処理を繰り返すことにより、組電池１０を構成するセル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を平均化する。

セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を平均化するまでに、以上の充電処理を多くの回数繰り返す必要がある。しかしながら、転送の効果は、処理回数が増加するに従って、指数関数的に小さくなる。そこで、転送回数を予め設定された回数に制限することにより、組電池１０内での転送効率を向上できる。

また、コンデンサ２０の容量は小さいため、コンデンサ２０から電荷を転送して、セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を完全に平均化をしようとすると、長時間かかる。
そこで、最高電圧セルと最低電圧セルの電位差が予め設定した範囲内になるまで、平均化を繰り返し行うようにしてもよい。

または、最低電圧セルの電圧値が予め設定した範囲内になるまで、平均化を繰り返し行うようにしてもよい。この場合、例えば、セルが４個であるので、２番目に高いセル電圧を上限値、３番目に高いセル電圧を下限値とする。

または、全てのセルの平均電圧値を中心とする所定の範囲内になるまで、平均化を繰り返し行うようにしてもよい。

ところで、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄには、温度変化や製造時の個体偏差により精度の誤差が生じるため、各セル１１Ａ〜１１Ｄの充電精度が低下するおそれがある。
そこで、サンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの誤差を補正する。

具体的には、制御部３５により、レギュレータ電圧検出器２８で検出した降圧レギュレータ２３の電圧と、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄおよびサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄで検出した各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧と、を比較することで、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄおよびサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの誤差を算出し、この算出した誤差を補正する。

セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄおよびサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの誤差を補正する処理について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。

すなわち、上述のセル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を平均化する処理を行った後、以下の処理を実行する。
ステップＳ１１では、最低電圧セル１１ｎを補正対象セル１１ｍに設定する。
ステップＳ１２では、降圧レギュレータ２３の電圧Ｖｒを検出する。
ステップＳ１３では、補正対象セル１１ｍのスイッチ２４ｍをオンして、セル電圧検出器２５ｍにより、補正対象セル１１ｍの電圧Ｖｍを検出する。

ステップＳ１４では、補正対象セル１１ｍに対応するスイッチ２４ｍをオフする。
ステップＳ１５では、降圧レギュレータの電圧Ｖｒと補正対象セル１１ｍの電圧Ｖｍとを比較する。
ステップＳ１６では、補正対象セル１１ｍの電圧Ｖｍの補正値を算出する。

ステップＳ１７では、補正対象セル１１ｍの電圧Ｖｍの補正値をセットする。
ステップＳ１８では、セル１１Ａ〜１１Ｄのうち一定期間接続されていないものを抽出する。これは、一定期間接続されていないセル１１のサンプルアンドホールド回路２６には、誤差が生じている可能性が高いからである。

ステップＳ１９では、セル１１Ａ〜１１Ｄのうち一定期間接続されていないものがあるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合は終了し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ２０に移る。
ステップＳ２０では、セル１１Ａ〜１１Ｄのうち一定期間接続されていないものを補正対象セル１１ｍに設定して、ステップＳ１２に戻る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）スイッチ２４Ａ〜２４Ｄのうち最低電圧セル１１ｎに対応するもののみをオンして、コンデンサ２０により最低電圧セル１１ｎにのみを充電したので、最低電圧セル１１ｎの充電に必要な電荷量を一度に供給でき、コンデンサ２０の電圧が変化しても、低電圧のセルを精度よくかつ短時間で充電できる。よって、各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を均一化でき、組電池１０の性能を長期間に亘って維持できる。

（２）各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧検出回路にサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄを設けて各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を同時にサンプリングすることにより、充電時や放電時などの過度的な状態で電圧が変動しても、各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧を高精度で比較できる。

（３）コンデンサ２０の電圧を降圧して出力する降圧レギュレータ２３を設けたので、コンデンサ２０の電圧がセル１１Ａ〜１１Ｄの電圧の規格値より高くなっても、降圧レギュレータ２３により、コンデンサ２０の電圧を降圧してセル１１Ａ〜１１Ｄの充電電圧とすることで、パルス充電でき、充電時間を短縮できる。

（４）レギュレータ電圧検出器２８を設け、レギュレータ電圧検出器２８で検出した降圧レギュレータ２３の電圧と、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄで検出してサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄで保持した各セル１１Ａ〜１１Ｄの電圧と、を比較して、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄおよびサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの誤差を算出した。よって、セル電圧検出器２５Ａ〜２５Ｄおよびサンプルアンドホールド回路２６Ａ〜２６Ｄの誤差を容易に検出できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る組電池の充電制御装置の構成を示す図である。前記実施形態に係る組電池の充電制御装置の降圧レギュレータの構成を示す図である。前記実施形態に係る組電池の充電制御装置の単電池の電圧を平均化する処理のフローチャートである。前記実施形態に係る組電池の充電制御装置のセル電圧検出器およびサンプルアンドホールド回路の誤差を補正する処理のフローチャートである。

符号の説明

１組電池の充電制御装置
１０組電池
１１Ａ〜１１Ｄセル（単電池）
２０コンデンサ
２１、２２ＭＯＳトランジスタ（第１切換え手段）
２３降圧レギュレータ
２４Ａ〜２４Ｄスイッチ（第２切換え手段）
２５Ａ〜２５Ｄセル電圧検出器
２６Ａ〜２６Ｄサンプルアンドホールド回路
２７電流検出器
２８レギュレータ電圧検出器
３５制御部（補正セル電圧算出手段、充電制御手段、誤差補正手段）

Claims

複数の単電池が直列に接続された組電池と、
当該組電池に並列に接続された１つのコンデンサと、
当該コンデンサを前記組電池に断続する第１切換え手段と、
前記コンデンサに並列に接続されて、前記コンデンサの電圧を降圧して出力する降圧レギュレータと、
当該降圧レギュレータと前記複数の単電池のそれぞれとを断続する第２切換え手段と、
前記複数の単電池のそれぞれの電圧を検出する複数のセル電圧検出器と、
当該セル電圧検出器で検出された複数の電圧を保持するサンプルアンドホールド回路と、
前記組電池に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記サンプルアンドホールド回路および前記電流検出器により、前記単電池のそれぞれについて、複数の電圧値および電流値を検出し、これら複数の電圧値および電流値に基づいて、各単電池の電圧値から内部抵抗による電圧降下分を除いた電圧を補正セル電圧として求める補正セル電圧算出手段と、
前記補正セル電圧の最低値を最低電圧として抽出し、当該最低電圧が所定値以下である場合、前記第１切換え手段を接続して、前記組電池で前記コンデンサを充電し、その後、当該最低電圧の単電池に前記第２切換え手段を接続して、前記コンデンサから前記最低電圧の単電池に充電する充電制御手段と、を備えることを特徴とする組電池の充電制御装置。
請求項１記載の組電池の充電制御装置において、
前記降圧レギュレータの出力電圧を検出するレギュレータ電圧検出器と、
前記レギュレータ電圧検出器で検出したレギュレータの電圧、および、前記セル電圧検出器で検出して前記サンプルアンドホールド回路で保持した各単電池の電圧を比較することで、前記セル電圧検出器および前記サンプルアンドホールド回路の誤差を算出し、当該算出した誤差を補正する誤差補正手段と、を備えることを特徴とする組電池の充電制御装置。