(57)【要約】【課題】単位セル間の電圧を高速に均等化しつつ、単位セルに充電されたエネルギーを有効活用できる電源管理装置を提供する。【解決手段】電源管理装置１０は、蓄電素子１２と、入力端子に前記蓄電素子１２が接続され、出力端子にリチウムイオン組電池１が直列接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、入力端子に前記リチウムイオン組電池１の各単位セル１Ｃに放電スイッチＲｙを介して接続された放電抵抗Ｒｄが並列接続され、出力端子に前記蓄電素子１２が接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力端子を短絡するバイパススイッチＳＷ１と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４と前記バイパススイッチＳＷを制御する制御部１５と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池の充放電動作を管理する電源管理装置であって、
蓄電素子と、
入力端子に前記蓄電素子が接続され、出力端子に前記組電池が直列接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
入力端子に前記組電池の各単位セルに放電スイッチを介して接続された放電抵抗が並列接続され、出力端子に前記蓄電素子が接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子を短絡するバイパススイッチと、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと第２のＤＣ／ＤＣコンバータと前記バイパススイッチを制御する制御部と、
を備えている、電源管理装置。
【請求項２】
前記制御部は、必要に応じて各放電スイッチを個別にオンするとともに前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して各放電抵抗の両端電圧を昇圧して前記蓄電素子を充電することにより、各単位セルのＳＯＣばらつきを均等化するように構成されている、請求項１に記載の電源管理装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記組電池の放電末期に前記バイパススイッチを開放するとともに前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する、請求項１または２に記載の電源管理装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記組電池の電圧が略一定となる放電中期に前記バイパススイッチを開放するとともに前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する、請求項１または２に記載の電源管理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池の充放電動作を管理する電源管理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、充電・放電可能な二次電池が単位セルとして複数個直列に接続されてなり、その両端に負荷や充電器が接続されることに応じて充電・放電される組電池の充電状態を調整する充電状態調整装置において、前記各単位セルの残存容量のばらつきが所定の許容範囲内となるように当該各単位セルの残存容量を常時個別に調整する残存容量調整手段を備えたことを特徴とする組電池の充電状態調整装置が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、直列接続された複数個の二次電池のそれぞれの両端に接続されたオン・オフ可能な放電手段と、前記複数個の二次電池の端子電圧のばらつき度合いを第１の設定値と比較して判定する第１の判定手段と、前記複数個の二次電池の容量のばらつき度合いを第２の設定値と比較して判定する第２の判定手段と、前記第１および第２の判定手段の判定結果に基づいて前記放電手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１の判定手段により前記端子電圧のばらつき度合いが第１の設定値を越えたと判定され、かつ前記第２の判定手段により前記容量のばらつき度合いが第２の設定値以下と判定されたとき、前記複数個の二次電池のうち端子電圧が最大値を示す二次電池に接続された前記放電手段をオン状態とし、該端子電圧が所定値まで低下した時点で該放電手段をオフ状態として該最大値を示す二次電池の電圧補正を行い、前記第２の判定手段により前記容量のばらつき度合いが第２の設定値を越えたと判定されたときは、前記第１の判定手段の判定結果に関係なく前記放電手段をオフ状態に維持して該電圧補正を禁止することを特徴とする二次電池の電圧補正回路が開示されている。
【０００４】
何れも、組電池を構成する単位セル間の充電状態（以下、「ＳＯＣ」とも記す。ＳＯＣは、States Of Chargeの略語である。）のばらつきに起因する単位セルの過充電や過放電を回避するために、放電抵抗を介して他より高電圧の単位セルの充電電荷を放電することにより単位セル間の電圧ばらつきを低減する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０９２７３３号公報
【特許文献２】特開平１１−１５０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した何れの技術も、単位セルに充電されたエネルギーを放電抵抗を介して熱として無駄に消費する技術であり、さらなる改良の余地があった。また、当該放電抵抗は比較的大きな抵抗値で、単位セルが所定の電圧になるまでには長い時間がかかるという問題もあった。
【０００７】
本発明の目的は、上述に鑑み、単位セル間の電圧を高速に均等化しつつ、単位セルに充電されたエネルギーを有効活用できる電源管理装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、組電池の出力電圧を安定化する電源管理装置であって、蓄電素子と、入力端子に前記蓄電素子が接続され、出力端子に前記組電池が直列接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、入力端子に前記組電池の各単位セルに放電スイッチを介して接続された放電抵抗が並列接続され、出力端子に前記蓄電素子が接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子を短絡するバイパススイッチと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと第２のＤＣ／ＤＣコンバータと前記バイパススイッチを制御する制御部と、を備えている、電源管理装置に関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単位セル間の電圧を高速に均等化しつつ、単位セルに充電されたエネルギーを有効活用できる電源管理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】リチウムイオン組電池及び電源管理装置の回路図である。
【図２】（ａ）は電源管理装置の動作説明図であり、（ｂ）はリチウムイオン組電池の放電特性図である。
【図３】（ａ）は電源管理装置の動作説明図であり、（ｂ）はリチウムイオン組電池及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータの直列回路の出力電圧特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本実施形態に係る電源管理装置は、組電池の出力電圧を安定化する電源管理装置であって、蓄電素子と、入力端子に前記蓄電素子が接続され、出力端子に組電池が直列接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、入力端子に組電池の各単位セルに放電スイッチを介して接続された放電抵抗が並列接続され、出力端子に蓄電素子が接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子を短絡するバイパススイッチと、第１のＤＣ／ＤＣコンバータと第２のＤＣ／ＤＣコンバータとバイパススイッチを制御する制御部と、を備えている。
【００１２】
放電が必要な単位セルに接続された放電抵抗に印加される両端電圧が第２のＤＣ／ＤＣコンバータに入力され、第２のＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧されて蓄電素子に蓄電される。単位セルに充電された余剰エネルギーが放電抵抗を介した放熱損失されるのではなく、速やかに蓄電素子に蓄電されるので単位セルの電圧も速やかに調整される。
【００１３】
（２）制御部は、必要に応じて各放電スイッチを個別にオンするとともに第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して各放電抵抗の両端電圧を昇圧して前記蓄電素子を充電することにより、各単位セルのＳＯＣばらつきを均等化するように構成されている。
【００１４】
（３）制御部は、組電池の放電末期に前記バイパススイッチを開放するとともに第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する。過充電状態や過放電状態を回避するために組電池は所定のＳＯＣの範囲内で駆動される。放電末期である許容下限ＳＯＣ付近で電圧が大きく低下するような場合に、バイパススイッチを開放するとともに第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動することにより、出力電圧の安定化を維持することができるようになる。
【００１５】
（４）制御部は、組電池の電圧が略一定となる放電中期にバイパススイッチを開放するとともに第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する。組電池が過充電状態や過放電状態に到ることがないようにＳＯＣを管理することが望ましい。そのためには組電池の充放電電流の累積値及び端子電圧を経時的にモニタすることが望ましい。組電池の電圧が略一定となるような放電中期に正確なモニタが困難になる場合に、バイパススイッチを開放するとともに第１のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動することにより、時間とともに電圧低下する蓄電素子の放電特性が重畳されることで、正確なＳＯＣの管理が可能になる。
【００１６】
［発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の実施形態について更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００１７】
［電源管理装置の基本構成］
図１には、組電池として車載用のリチウムイオン組電池及び電源管理装置の回路図が示されている。
リチウムイオン組電池１は、リチウムイオン電池の単位セル１Ｃが複数直列接続され、その両端が金属ケーシング１Ａに備えた一対の正負電極端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。金属ケーシング１Ａには、リチウムイオン組電池１の充放電状態を管理する電池管理ユニットＢＭＵと、充放電管理に必要となる充放電電流を計測する電流センサ、各単位セルの電圧を検知する電圧センサ、電池温度を検知する温度センサ等を備えている。電池管理ユニットＢＭＵはＣＰＵ及び入出力用の周辺回路やプログラムが格納されたメモリなどを備えて構成されている。なお、リチウムイオン組電池１を構成する単位セル１Ｃの数は特に制限されず、用途に応じて必要な電圧が得られる数に設定される。
【００１８】
電源管理装置１０は、放電回路１１と、蓄電素子１２と、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、バイパススイッチＳＷ１と、制御部１５とを備えている。制御部１５も、電池管理ユニットＢＭＵと同様に、ＣＰＵ及び入出力用の周辺回路やプログラムが格納されたメモリなどを備えて構成されている。
【００１９】
放電回路１１は、リチウムイオン組電池１を構成する各単位セル１Ｃの正負両極間に接続された放電抵抗Ｒｄと、正負両極と放電抵抗Ｒｄとの間を電気的に接続または切断する放電スイッチとして機能するリレーＲｙを備えている。各単位セル１ＣのＳＯＣのばらつきによる電池電圧の高低を均等な値に調整するために、高電圧の単位セル１Ｃに放電抵抗Ｒｄを接続して放電させるための回路である。
【００２０】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、入力端子に各放電抵抗Ｒｄが並列接続され、出力端子に蓄電素子１２が接続されている。蓄電素子１２として、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等が好適に用いられ、他にリチウムイオン電池などの二次電池を用いることも可能である。蓄電素子１２として、放電により電圧がリニアに低下する特性を備えていることが好ましい。
【００２１】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、入力端子に蓄電素子１２が接続され、出力端子にリチウムイオン組電池１が直列接続されている。バイパススイッチＳＷ１がオンされると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端子が短絡され、リチウムイオン組電池１の出力電圧がリチウムイオン組電池１と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の直列回路の出力電圧となる。このとき、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と蓄電素子１２との間に設けられたスイッチＳＷ２はオフされる。
【００２２】
また、バイパススイッチＳＷ１がオフされると、リチウムイオン組電池１の出力電圧に第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧が重畳された電圧が、リチウムイオン組電池１と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の直列回路の出力電圧となる。このとき、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と蓄電素子１２との間に設けられたスイッチＳＷ２はオンされる。
【００２３】
制御部１５は、リチウムイオン組電池１が充放電何れの動作状態でもない停止時に、電池管理ユニットＢＭＵから入力される出力電圧の均等化のために放電対象となる単位セル１Ｃを特定する情報に基づいて、対応するリレーＲｙを選択的にオンして対応する放電抵抗Ｒｄの両端に対応する単位セル１Ｃの電圧を印加させる。続いて制御部１５は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して昇圧した直流電圧で蓄電素子１２を充電する。当該単位セル１Ｃの電圧が所定値に低下すると第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を停止するとともに対応するリレーＲｙをオフし、次に均等化が必要な単位セル１Ｃに対して同様の制御を繰り返す。
【００２４】
この様な構成により、放電抵抗Ｒｄを介して時間をかけて熱エネルギーとして消費されるエネルギーが電気エネルギーとして蓄電素子１２に蓄えられる。その結果、リチウムイオン組電池１全体として効率的に充放電可能になる。
【００２５】
［電源管理装置に備えた制御部の制御態様１］
図２（ｂ）には、リチウムイオン組電池１の代表的な放電特性が例示されている。リチウムイオン組電池１の端子電圧は、満充電状態であるＳＯＣ１００％から徐々に低下し、放電中期で僅かに傾斜するように低下する区間Ｐ１を経て、許容下限ＳＯＣより低下する区間Ｐ２では急激に電圧が低下する。
【００２６】
そこで、制御部１５は、リチウムイオン組電池１の端子電圧が僅かに低下していく安定期である区間Ｐ１では、バイパススイッチＳＷ１をオンするとともにスイッチＳＷ２をオフして、リチウムイオン組電池１の出力電圧のみを外部負荷に印加するように制御する。図２（ａ）には、図２（ｂ）の区間Ｐ１に対応する給電経路が二点鎖線で示され、符号Ｐ１が付されている。
【００２７】
そして、制御部１５は、リチウムイオン組電池１の端子電圧が急激に低下する許容下限ＳＯＣ付近である放電末期を示す区間Ｐ２では、バイパススイッチＳＷ１をオフするとともにスイッチＳＷ２をオンして第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を駆動することにより、リチウムイオン組電池１の出力電圧に第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧を重畳させた安定した電圧を外部負荷に印加するように制御する。図２（ａ）には、図２（ｂ）の区間Ｐ２に対応する給電経路が破線で示され、符号Ｐ２が付されている。
【００２８】
制御部１５はリチウムイオン組電池１の端子電圧が区間Ｐ２に対応する電圧になったこと、或いはリチウムイオン組電池１のＳＯＣが区間Ｐ２に対応する値となったことを認識すると、当該認識の後に外部の充放電制御部に対して充電要求信号を出力する。外部の充放電制御部とは、リチウムイオン組電池１を充放電制御する車載ＥＣＵであり、例えばハイブリッド車両であればエンジン制御とモータ制御を切替制御するハイブリッドＥＣＵなどをいう。
【００２９】
なお、図２（ｂ）では、ＳＯＣ３０％が許容下限ＳＯＣと示されているが、許容下限ＳＯＣの数値は用いられるリチウムイオン組電池１の特性や負荷特性に依存して定まる値であり、３０％という数値に限定することを意図するものではない。
【００３０】
［電源管理装置に備えた制御部の制御態様２］
図３（ｂ）には、リチウムイオン組電池１の特徴的な放電特性の一例が示されている。リチウムイオン組電池１の端子電圧は、満充電状態であるＳＯＣ１００％から徐々に低下してＳＯＣ８０％となる区間Ｐ３、ＳＯＣ８０％から３０％に対応する放電中期で電圧の勾配が非常に緩やかになり或いは略一定電圧になる区間Ｐ４、許容下限ＳＯＣ３０％より低下する区間Ｐ５では急激に電圧が低下する。
【００３１】
制御部１５は、電圧センサで検知されるリチウムイオン組電池１の開回路電圧ＯＣＶと既知のＯＣＶ−ＳＯＣ特性に基づいてＳＯＣを推定する第１推定演算と、満充電状態を基準に電流センサにより検知されるリチウムイオン組電池１からの放電電流またはリチウムイオン組電池１への充電電流の積算値に基づいてＳＯＣを推定する第２推定演算を実行して、双方の差が所定値以内である場合に何れか一方の値を適切なＳＯＣの推定値であると判断する。
【００３２】
そして、その推定値が区間Ｐ４から下方に逸脱すると外部の充放電制御部に対して充電要求信号を出力し、充電中に区間Ｐ４から上方に逸脱すると外部の充放電制御部に対して充電停止要求信号を出力する。
【００３３】
しかし、リチウムイオン組電池１の出力電圧が略一定となる放電中期となる区間Ｐ４では、開回路電圧ＯＣＶが略一定の値を示すために、第１推定演算によって正確なＳＯＣを推定することが非常に困難となる。そのような場合に、制御部１５はバイパススイッチＳＷ１をオフするとともにスイッチＳＷ２をオンして第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を駆動することにより、見かけ上放電特性を傾斜させることにより、適切なＳＯＣの推定値が得られるように構成されている。
【００３４】
図３（ａ）には、図３（ｂ）の区間Ｐ４での給電経路が破線で示され、符号Ｐ４が付され、図３（ｂ）の区間Ｐ３，Ｐ５での給電経路が二点鎖線で示され、符号Ｐ３，Ｐ５が付されている。
【００３５】
今、蓄電素子１２として用いる電気二重層コンデンサの端子電圧をＶｅ、実静電容量をＣｅ、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧をＶｄ、仮想静電容量をＣｄ、充放電電流値をＩとして、時刻ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２（＝ｔ１+Δｔ）に時間経過し、蓄電素子１２の端子電圧がＶｅ１からＶｅ２（＝Ｖｅ１+ΔＶｅ）に変化し、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧がＶｄ１からＶｄ２（＝Ｖｄ１+ΔＶｄ）に変化した場合を想定する。
【００３６】
時間Δｔの間の電流値Ｉが一定である場合、ΔＶｄ＝Ｉ×Δｔ／Ｃｄと求まる。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の仮想静電容量Ｃｄは次式で求まる。
Ｃｄ＝Ｃｅ×（Ｖｅ１+ΔＶｅ／Ｖｄ１+ΔＶｄ）2
当該式中の実静電容量Ｃｅは端子電圧Ｖｅの変化に伴って変化するため、予め端子電圧Ｖｅに対する実静電容量Ｃｅを規定したテーブルまたは端子電圧Ｖｅから実静電容量Ｃｅを算出する数式をメモリに記憶しておくことにより求まる。
【００３７】
制御部１５は、第２推定演算の結果から満充電状態を含む区間Ｐ３を経て区間Ｐ４へ突入する時点及び区間Ｐ５に突入する時点を把握し、その間は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電流値をモニタして、上述した数式ΔＶｄ＝Ｉ×Δｔ／Ｃｄを満足するように出力電圧Ｖｄを制御する。
【００３８】
その結果、区間Ｐ４では、リチウムイオン組電池１と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の直列回路から、リチウムイオン組電池１の略一定の出力電圧に第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３から出力される所定の勾配の端子電圧Ｖｄが重畳された電圧が出力される。
【００３９】
制御部１５は、区間Ｐ３でリチウムイオン組電池１と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の直列回路の電圧をモニタして、その値と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧を加味して予め設定されたＯＣＶ−ＳＯＣ特性に基づいてＳＯＣを推定する第１推定演算を実行することにより、リチウムイオン組電池１の出力電圧が略一定となる放電中期となる区間Ｐ４でも正確にＳＯＣを推定することができるようになる。
【００４０】
この様な特性を持つ代表的なリチウムイオン組電池１として、負極がＬＴＯで構成された電池、正極がリン酸鉄で構成され、負極がカーボンで構成された二次電池が挙げられるが、本発明の適用対象となる二次電池は、このようなリチウムイオン二次電池に限定されることを意図するものではなく、上記以外の電極を採用したリチウムイオン二次電池などであっても本発明を適用可能であることはいうまでもない。また、区間Ｐ４を示すＳＯＣの値は例示に過ぎず、この数値が区間Ｐ４を一義的に定める数値であると限定することを意図するものではない。
【００４１】
制御部１５は、上述した制御態様１と制御態様２の何れか一方を実行するように構成されていればよく、制御態様１と制御態様２の双方を実行するように構成されていてもよい。
【００４２】
上述した何れの実施形態でも、電池管理ユニットＢＭＵと制御部１５が別体で構成された例を説明したが、電池管理ユニットＢＭＵと制御部１５が一体で構成されていてもよい。
【００４３】
上述した実施形態では、組電池としてリチウムイオン組電池を説明したが、その他の種類の組電池であっても本発明の適用は可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の電源管理装置は、リチウムイオン組電池を構成する各単位セルのＳＯＣばらつきを解消するために必要な放電エネルギーを有効に活用する車載電池などの様々な用途の組電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：組電池
１Ｃ：単位セル
１０：電源管理装置
１１：放電回路
１２：蓄電素子
１３：第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
１４：第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
１５：制御部
Ｒｄ：放電抵抗
Ｒｙ：リレー
ＳＷ１：バイパススイッチ
Ｔ１，Ｔ２：組電池の電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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