(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された所定数のセルを有し、充電又は放電する電源部と、
前記セルに並列に接続され、前記セルの電圧を検出するセル電圧検出部と、
前記セルに並列に接続され、前記セルを放電させる放電部と、
前記電源部に並列に接続され、前記電源部の電圧を検出する電源電圧検出部と、
前記電源電圧検出部で検出された前記電源部の電圧を、前記セルの所定数で除算して平均セル電圧を算出し、前記平均セル電圧と前記セル電圧検出部で検出されたセルの電圧とに基づいて前記放電部を放電制御して前記平均セル電圧よりも一定値以上セル電圧が高くなっているセルのセル電圧の平準化を行うコントローラと、
前記電源部の充電率を検出する充電率検出手段と、を備え、
前記コントローラは、前記充電率検出手段で検出された前記電源部の充電率が所定充電率未満のときに前記放電部による前記セルの放電を禁止し、セル電圧の前記平準化を行わない、
ことを特徴とするセル電圧平準化システム。
【請求項２】
前記コントローラは、
前記電源電圧検出部で検出された電源部の電圧を前記セルの所定数で除算して前記平均セル電圧を算出する平均セル電圧算出手段と、
前記平均セル電圧算出手段で算出された平均セル電圧と前記セル電圧検出部で検出されたセルの電圧との電圧差を算出する電圧差算出手段と、
前記電圧差算出手段で算出されたセルの電圧差と予め記憶された所定電圧値とを比較して、前記電圧差が所定電圧値以上か否かを判断する電圧差比較手段と、
前記電圧差比較手段で比較されたセルの電圧差が所定電圧値以上であった場合に、当該セルに並列に接続される放電部に指令信号を出力して、前記放電部によって当該セルを放電させる指令信号出力手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のセル電圧平準化システム。
【請求項３】
前記放電部は、バイポーラトランジスタを有し、
前記バイポーラトランジスタのコレクタが前記セルの正極に接続され、
前記バイポーラトランジスタのエミッタが前記セルの負極に接続され、
前記バイポーラトランジスタのベースが前記コントローラに接続される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセル電圧平準化システム。
【請求項４】
前記放電部は、電界効果トランジスタを有し、
前記電界効果トランジスタのドレインが前記セルの正極に接続され、
前記電界効果トランジスタのソースが前記セルの負極に接続され、
前記電界効果トランジスタのゲートが前記コントローラに接続される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセル電圧平準化システム。
【請求項５】
直列に接続された所定数のセルを有する電源部の電圧を検出すると共に、前記セルの電圧をそれぞれ検出し、
前記電源部の電圧を前記セルの所定数で除算して平均セル電圧を算出し、
前記平均セル電圧と前記セルの電圧とに基づいて前記セルに並列に接続された放電部により前記平均セル電圧よりも一定値以上セル電圧が高くなっているセルを放電させてセル電圧の平準化を行い、
前記電源部の充電率が所定充電率未満のときに前記放電部による前記セルの放電を禁止し、セル電圧の前記平準化を行わないことを特徴とするセル電圧平準化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセル電圧平準化システム及びセル電圧平準化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、二次電池を複数直列に接続して構成されたバッテリにおいて、各二次電池の端子電圧を監視し、特定の二次電池が過充電又は過放電の状態で使用されることのないように制御するものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０４１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような制御を実施するセル電圧平準化システムにおいて、システム全体の小型化、低コスト化が望まれている。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、小型で安価なセル電圧平準化システム及びセル電圧平準化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、直列に接続された所定数のセルを有し、充電又は放電する電源部と、前記セルに並列に接続され、前記セルの電圧を検出するセル電圧検出部と、前記セルに並列に接続され、前記セルを放電させる放電部と、前記電源部に並列に接続され、前記電源部の電圧を検出する電源電圧検出部と、前記電源電圧検出部で検出された前記電源部の電圧を、前記セルの所定数で除算して平均セル電圧を算出し、前記平均セル電圧と前記セル電圧検出部で検出されたセルの電圧とに基づいて前記放電部を放電制御して前記平均セル電圧よりも一定値以上セル電圧が高くなっているセルのセル電圧の平準化を行うコントローラと、前記電源部の充電率を検出する充電率検出手段と、を備え、前記コントローラは、前記充電率検出手段で検出された前記電源部の充電率が所定充電率未満のときに前記放電部による前記セルの放電を禁止し、セル電圧の前記平準化を行わない、ことを特徴とするセル電圧平準化システムである。
【０００７】
また、本発明は、直列に接続された所定数のセルを有する電源部の電圧を検出すると共に、前記セルの電圧をそれぞれ検出し、前記電源部の電圧を前記セルの所定数で除算して平均セル電圧を算出し、前記平均セル電圧と前記セルの電圧とに基づいて前記セルに並列に接続された放電部により前記平均セル電圧よりも一定値以上セル電圧が高くなっているセルを放電させてセル電圧の平準化を行い、前記電源部の充電率が所定充電率未満のときに前記放電部による前記セルの放電を禁止し、セル電圧の前記平準化を行わないことを特徴とするセル電圧平準化方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電源部の電圧をセルの所定数で除算して平均セル電圧を算出し、平均セル電圧とセルの電圧とに基づいて放電部を放電制御する。そのため、平均セル電圧よりも一定値以上セル電圧が高くなっている二次電池を放電させてセル電圧の平準化を図ることができるとともに、どの二次電池のセル電圧が相対的に高くなっているかを判断して放電させるかを判断する比較回路等が不要となるので、セル電圧平準化システムの小型化が可能となり、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】油圧ショベルの概略側面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるセル電圧平準化システムの概略構成図である。
【図３】本発明の一実施形態によるユニット基板の詳細を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるセル電圧平準化制御について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、油圧ショベル１００の概略側面図である。
【００１２】
油圧ショベル１００は、掘削作業等を行うためのブーム１０１、アーム１０２及びバケット１０３を備え、これらをアクチュエータであるブームシリンダ１０４、アームシリンダ１０５及びバケットシリンダ１０６によってそれぞれ駆動する。ブームシリンダ１０４、アームシリンダ１０５及びバケットシリンダ１０６は、それぞれ油圧シリンダである。
【００１３】
油圧ショベル１００を備える建設機械の１つとして、ハイブリッド建設機械がある。ハイブリッド建設機械は、ハイブリッド建設機械の動力源となるエンジンの余剰出力で発電機を回転させて発電し、電力をバッテリに蓄電する。また、ブームシリンダ１０４などの各アクチュエータから排出される作動油のエネルギによって発電機を回転させて発電し、電力をバッテリに蓄電する。そして、バッテリの電力で電動機を回転させて油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプによってタンク内の作動油を吸い込んで各アクチュエータに供給し、各アクチュエータを駆動する。
【００１４】
ハイブリッド建設機械を効率よく運転させるためには、大容量、すなわち端子電圧の高いバッテリを搭載することが必要となる。そのため、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池などの二次電池を多数直列に接続したバッテリが用いられる。
【００１５】
このようなバッテリを用いる場合、バッテリの端子電圧（以下「バッテリ電圧」という。）は、各二次電池の端子電圧（以下「セル電圧」という。）の総和となるが、固体差に応じて各二次電池のセル電圧にバラつきが生じることがある。セル電圧のバラつきが大きくなると、二次電池ごとに劣化度合いが異なってくるため、特定の二次電池の寿命が他のものよりも短くなってしまい、最終的にバッテリ性能が低下する。
【００１６】
そこで、本実施形態では、各二次電池のセル電圧を平準化させて、セル電圧のバラつきを抑制するために、セル電圧平準化システムを構成する。以下、図２及び図３を参照してセル電圧平準化システムの構成について説明する。
【００１７】
図２は、本実施形態によるセル電圧平準化システム１の概略構成図である。
【００１８】
セル電圧平準化システム１は、充放電可能なバッテリ２と、バッテリ２のバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧センサ３と、コントローラ４と、を備える。
【００１９】
バッテリ２は、蓄電装置５を複数個直列に接続して構成される。本実施形態では、４個の蓄電装置５を直列に接続しているが、蓄電装置５の数はこれに限られるものではなく、ハイブリッド建設機械に必要な電圧に応じて変更すれば良い。
【００２０】
蓄電装置５は、蓄電モジュール６と、ユニット基板７と、蓄電モジュール６及びユニット基板７を内部に収容するケース８と、を備える。
【００２１】
蓄電モジュール６は、複数個の二次電池６１を直列に接続して構成される。本実施形態では、蓄電モジュール６は、例えば２０個のリチウムイオン電池を直列に接続して構成される。したがって、本実施形態では、合計８０個のリチウムイオン電池を直列に接続してバッテリ２が構成される。以下では、二次電池６１に対して図中上側から順番に番号を付し、一番上側の二次電池６１を１番目の二次電池６１としてｎ＝１、一番下側の二次電池６１を８０番目の二次電池６１としてｎ＝８０、というように表す。
【００２２】
ユニット基板７については、図３をさらに参照して説明する。図３は、ユニット基板７の詳細を示す図である。
【００２３】
ユニット基板７は、二次電池６１のセル電圧を検出する電圧センサ７１と、二次電池６１を放電させる放電回路７２と、を二次電池６１ごとに備える基板であり、シリアル信号線９を介してコントローラ４に接続される。
【００２４】
電圧センサ７１は、各二次電池６１に並列に接続される。電圧センサ７１で検出したセル電圧は、シリアル信号線９によって順次コントローラ４に送られる。
【００２５】
放電回路７２は、半導体スイッチの一例としてのバイポーラ型のトランジスタ７２１と抵抗７２２とを直列に接続した回路であって、各二次電池６１に並列に接続される。
【００２６】
トランジスタ７２１のコレクタは、二次電池６１の正極に接続される。トランジスタ７２１のエミッタは、抵抗７２２を介して二次電池６１の負極に接続される。トランジスタ７２１のベースは、シリアル信号線９を介してコントローラ４に接続される。
【００２７】
トランジスタ７２１は、シリアル信号線９を介してコントローラ４によってＯＮ（短絡）・ＯＦＦ（解放）制御される。トランジスタ７２１は、ベースにコントローラ４からの制御信号が入力されるとＯＮ状態になる。トランジスタ７２１がＯＮ状態になると、二次電池６１の正極から負極に向けてトランジスタ７２１及び抵抗７２２を通って電流が流れる。その結果、抵抗７２２で電力が消費されて、二次電池６１の放電が行われる。このようにして、相対的にセル電圧が高くなっている二次電池６１を放電させて、セル電圧の平準化を図ることができる。
【００２８】
一方、トランジスタ４は、ベースにコントローラからの制御信号が入力されていなければＯＦＦ状態となる。トランジスタ４がＯＦＦ状態になると、抵抗７２２に電流が流れなくなるので、二次電池６１の放電は行われない。
【００２９】
コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４には、バッテリ電圧センサ３からのバッテリ電圧の検出信号が入力されるとともに、バッテリ２の充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ４１からの信号が入力される。ＳＯＣセンサ４１は、バッテリ２の出力電流を検出する電流センサ４２を備え、その電流センサの検出値を積算することで、消費電流に基づいてバッテリ２の充電率を検出する。
【００３０】
コントローラ４は、ユニット基板７の電圧センサ７１から出力される各二次電池６１のセル電圧に基づいて、各二次電池６１のセル電圧を監視する。コントローラ４は、他の二次電池６１と比較してセル電圧が高い二次電池６１の放電回路７２のトランジスタ７２１をＯＮにしてその二次電池６１を放電させ、各二次電池６１のセル電圧の平準化を図る。以下、この本実施形態によるセル電圧平準化制御について説明する。
【００３１】
図４は、本実施形態によるセル電圧平準化制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、このルーチンをハイブリッド建設機械の運転中に所定の演算周期（例えば５００ミリ秒）で繰り返し実行する。
【００３２】
ステップＳ１において、コントローラ４は、ＳＯＣセンサ４１から出力されるバッテリ充電率を読み込み、読み込んだバッテリ充電率が所定充電率以上かどうかを判定する。所定充電率は、コントローラ４のＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって読み出される。
【００３３】
このようにバッテリ充電率が所定充電率以上かどうかを判定するのは、本実施形態では他の二次電池６１と比較してセル電圧が高い二次電池６１を放電させ各二次電池６１のセル電圧の平準化を図るので、バッテリ充電率が低い状態のときに放電を行うと、バッテリ２の劣化を早めるおそれがあるためである。そのため、本実施形態では、バッテリ充電率が所定充電率以上のときに、相対的にセル電圧が高くなっている二次電池６１を放電させる。一方で、バッテリ充電率が所定充電率未満のときは、二次電池６１の放電を禁止して、バッテリ充電率の低下を防止する。本実施形態では、所定充電率を５０％としているが、これに限らずハイブリッド建設機械の用途に応じて適宜設定すれば良い。コントローラ４は、バッテリ充電率が所定充電率以上であれば、ステップＳ２の処理を行う。一方、コントローラ４は、バッテリ充電率が所定充電率未満であれば、ステップＳ１２の処理を行う。
【００３４】
ステップＳ２において、コントローラ４は、平準化制御開始フラグＦが０に設定されているか否かを判定する。平準化制御開始フラグＦは、１番目のセル電圧Ｖｎ（ｎ＝１）の読み込み時には０に設定され、２番目以降のセル電圧Ｖｎ（ｎ＝２〜８０）の読み込み時には１に設定されるフラグである。コントローラ４は、平準化制御開始フラグＦが０に設定されていれば、ステップＳ３の処理を行う。一方、平準化制御開始フラグＦが１に設定されていれば、ステップＳ５の処理を行う。
【００３５】
ステップＳ３において、コントローラ４は、バッテリ電圧センサ３から出力されるバッテリ電圧Ｖｖａｔを読み込む。
【００３６】
ステップＳ４において、コントローラ４は、バッテリ電圧Ｖｖａｔを予めＲＯＭ等に記憶されている二次電池総数Ｎ（本実施形態ではＮ＝８０）で割ることで、セル電圧の平均値（以下「平均セル電圧」という。）Ｖａｖｅを算出する。
【００３７】
ステップＳ５において、コントローラ４は、ユニット基板７から出力されるｎ番目の二次電池６１のセル電圧Ｖｎを読み込む。
【００３８】
ステップＳ６において、コントローラ４は、セル電圧Ｖｎから平均セル電圧Ｖａｖｅを引いて、セル電圧Ｖｎと平均セル電圧Ｖａｖｅの電圧差Ｖｄｉｆを算出する。
【００３９】
ステップＳ７において、コントローラ４は、算出した電圧差Ｖｄｉｆが予めＲＯＭ等に記憶されている所定電圧Ｖｃｏｎ以上か否かを判定する。本実施形態では、所定電圧Ｖｃｏｎを４０[ｍＶ]に設定しているが、これに限らずハイブリッド建設機械の用途に応じて適宜設定すれば良い。コントローラ４は、電圧差Ｖｄｉｆが所定電圧Ｖｃｏｎ以上であれば、ステップＳ８の処理を行う。一方で、電圧差Ｖｄｉｆが所定電圧Ｖｃｏｎ未満であれば、ステップＳ９の処理を行う。
【００４０】
ステップＳ８において、コントローラ４は、ｎ番目の二次電池６１に対応するトランジスタ７２１をＯＮにして、ｎ番目の二次電池６１を放電させる。
【００４１】
ステップＳ９において、コントローラ４は、全ての二次電池６１に対して平準化制御が実施されたか否かを判定する。具体的には、ｎが二次電池総数Ｎと等しいか否かを判定する。コントローラ４は、ｎが二次電池総数Ｎに達していなければステップＳ１０の処理を行う。一方で、ｎが二次電池総数Ｎと等しければステップＳ１２に処理を行う。
【００４２】
ステップＳ１０においてコントローラ４は、平準化制御開始フラグＦを１に設定する。
【００４３】
ステップＳ１１において、コントローラ４は、ｎに１を加算してｎの値を更新する。
【００４４】
ステップＳ１２において、コントローラ４は、平準化制御開始フラグＦを０に設定する。
【００４５】
ステップＳ１３において、コントローラ４は、ｎの値を更新して１にする。
【００４６】
以上説明した本実施形態によれば、１つのコントローラ４がユニット基板７を介して全ての二次電池６１のセル電圧を監視するとともに、平均セル電圧より一定値以上セル電圧が高くなっている二次電池６１に対して、放電回路７２のトランジスタ７２１をＯＮにする指令信号を出力する。
【００４７】
これにより、１つのコントローラ４によって、全ての二次電池６１のセル電圧を監視でき、平均セル電圧より一定値以上セル電圧が高くなっている二次電池６１を放電させてセル電圧の平準化を図ることができる。
【００４８】
そのため、蓄電装置間の電圧バラつきも抑制することができるとともに、どの二次電池６１のセル電圧が相対的に高くなっているかを判断して放電させるかを判断する比較回路やマイクロコンピュータを、ユニット基板７ごとに設ける必要がない。したがって、セル電圧平準化システム１の小型化が可能となって、コストを低減することができる。
【００４９】
また、バッテリ充電率が所定充電率未満のときは、各二次電池６１のセル電圧の平準化を実施せずに、バッテリ２の放電を禁止することとした。これにより、バッテリ充電率が所定充電率よりも低い状態のときに放電が行われるのを防止できるので、バッテリ２の劣化を抑制することができる。
【００５０】
また、半導体スイッチとしてトランジスタ７２１を用いたので、セル電圧平準化システム１のコストを低減することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００５２】
例えば、本実施形態では、半導体スイッチとしてバイポーラ型のトランジスタ７２１を用いたが、これに限られるものではない。例えば、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ等の電界効果型のトランジスタを用いても良い。半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ等の電界効果型のトランジスタを用いる場合は、電界効果型のトランジスタのドレインを二次電池６１の正極に接続し、ソースを抵抗７２２を介して二次電池６１の負極に接続し、ゲートをシリアル信号線９を介してコントローラ４に接続する。
【００５３】
また、本実施形態ではバッテリとして二次電池を用いたが、これに限られるものではない。例えば、バッテリとして電気二重層コンデンサ等を用いても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１    セル電圧平準化システム
２    バッテリ（電源部）
３    バッテリ電圧センサ（電源電圧検出部）
４    コントローラ
４１    ＳＯＣセンサ（充電率検出手段）
６１    二次電池（セル）
７１    セル電圧センサ（セル電圧検出部）
７２    放電回路（放電部）
７２１    トランジスタ
Ｓ４    平均セル電圧算出手段
Ｓ６    電圧差算出手段
Ｓ７    電圧差比較手段
Ｓ８    指令信号出力手段
【図１】
0005712011.tif 000002
【図２】
0005712011.tif 000003
【図３】
0005712011.tif 000004
【図４】
0005712011.tif 000005