(57)【要約】【課題】組電池が有する電池セルの直列数が増えた場合であっても、バランス回路の回路規模の増大を抑える電池均等化システムを提供する。【解決手段】電池監視部１０８とコンバータバランス回路１０７とそのスイッチング制御機構が各スタック１０３の高電圧系基板１０４上にモジュール化される。スタック１０３間の電圧を均等化させるトランスバランス回路１０５とそのスイッチング制御を行うスイッチング制御ＣＰＵ１１５が高電圧系基板上に配置される。一方、均等化を全体制御するメイン制御ＣＰＵ１１６が低電圧系基板１０６上に配置される。低電圧系基板側と高電圧系基板側は、電力的な絶縁を維持する絶縁素子１１８、１１９、１２０を介して相互通信可能である。均等化制御の直接制御系を高電圧系基板上にモジュール化し、メイン制御ＣＰＵを低電圧系基板上に配置することで、電池セルの直列数の増加などに容易に対応できる。【選択図】図１
2013223378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが直列接続されて構成される電池ブロックにおける該複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化装置であって、
前記複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに、該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電荷を該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる動作を前記電池セル間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することで該スタック内の電池セルの電圧を均等化させるバランス回路と、該スタック内の各電池セルの電圧または温度を監視しデジタル信号値として検出する電池監視部と、前記バランス回路内のスイッチング素子に前記スイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給するスイッチング制御部と、が少なくとも配置される該スタックに対応する高電圧系基板と、
前記電池監視部が検出した前記各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、均等化の動作を実行すべきスタックまたは電池セルを決定し、該決定したスタックに対応する前記スイッチング制御部に前記スイッチング動作を指示するメイン制御部が少なくとも配置される低電圧系基板と、
前記スイッチング制御部または前記電池監視部と前記メイン制御部との間で電力的な絶縁を維持したまま通信を行わせ、前記高電圧系基板と前記低電圧系基板間に配置される絶縁素子と、
を備えることを特徴とする電池均等化システム。
【請求項２】
前記スタックの単位で電荷の放電または充電を行う動作を前記スタック間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することで該スタック間の電圧を均等化させる第２のバランス回路と、該第２のバランス回路内のスイッチング素子に前記スイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給する第２のスイッチング制御部とが、前記電池ブロックに対応する高電圧系基板上にさらに配置され、
前記メイン制御部は、前記電池監視部が検出した前記各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、前記第２のスイッチング制御部に前記スタック間の電圧の均等化のためのスイッチング動作を指示する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電池均等化システム。
【請求項３】
前記第２のバランス回路は、前記第２のスイッチング素子およびトランスを含む回路を介して、前記スタック間で電荷の放電または充電を行わせる、
ことを特徴とする請求項２に記載の電池均等化システム。
【請求項４】
前記バランス回路は、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電力を、前記スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電池均等化システム。
【請求項５】
複数の電池セルが直列接続されて構成される電池ブロックにおける該複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化方法であって、
前記複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに、少なくとも、該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電荷を該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる動作を前記電池セル間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することで該スタック内の電池セルの電圧を均等化させるバランス回路と、該スタック内の各電池セルの電圧または温度を監視しデジタル信号値として検出する電池監視部と、前記バランス回路内のスイッチング素子に前記スイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給するスイッチング制御部と、を該スタックに対応する高電圧系基板上に配置し、
前記電池監視部が検出した前記各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、均等化の動作を実行すべきスタックまたは電池セルを決定し、該決定したスタックに対応する前記スイッチング制御部に前記スイッチング動作を指示するメイン制御部を低電圧系基板上に配置し、
前記スイッチング制御部または前記電池監視部と前記メイン制御部との間で電力的な絶縁を維持したまま通信を行わせる絶縁素子を前記高電圧系基板と前記低電圧系基板間に配置する、
ことを特徴とする電池均等化方法。
【請求項６】
前記スタックの単位で電荷の放電または充電を行う動作を前記スタック間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することで該スタック間の電圧を均等化させる第２のバランス回路と、該第２のバランス回路内のスイッチング素子に前記スイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給する第２のスイッチング制御部とを、前記電池ブロックに対応する高電圧系基板上にさらに配置し、
前記メイン制御部において、前記電池監視部が検出した前記各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、前記第２のスイッチング制御部に前記スタック間の電圧の均等化のためのスイッチング動作を指示する、
ことを特徴とする請求項５に記載の電池均等化方法。
【請求項７】
前記第２のバランス回路において、前記第２のスイッチング素子およびトランスを含む回路を介して、前記スタック間で電荷の放電または充電を行わせる、
ことを特徴とする請求項６に記載の電池均等化方法。
【請求項８】
前記バランス回路において、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電力を、前記スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる、
ことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の電池均等化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池の電圧の均等化を制御する電池均等化システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、ハイブリッドビークル、およびハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両など」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池セルが例えば直列に接続されて電池ブロックが構成され、さらにこの電池ブロックを組み合わして接続される組電池として供給される場合がある。電池セルの直列接続により車両のモータを駆動するのに必要な高電圧が得られ、電池ブロックをさらに直列や並列に組み合わして接続することにより必要な電流容量やさらなる高電圧が得られる。
【０００３】
この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の残存容量や充電効率も大きく変化する。自動車のような使用環境ではなおさらである。
【０００４】
この結果、電池ブロックを構成する電池セルなどにおいて、各セルなどの残存容量および出力電圧にばらつきが生じる。各セルなどが発生する電圧にばらつきが発生すると、１つのセルの電圧が駆動可能な閾値を下回ったような場合に、全体の電源供給を止めたり抑制したりする必要が生じ、電力効率が低下してしまう。このため、各セルの電圧の均等化を行う電池均等化制御が必要となる。さらには、電池ブロック間でも電圧の均等化を行う必要も生じる。
【０００５】
電池均等化制御の従来技術として、放電が必要な電池セルからの放電電力を、インダクタとトランスを組み合わせて構成されるバランス回路によって、充電が必要な電池セルに充電させる、いわゆるアクティブ方式の電池均等化制御技術が知られている（例えば、特許文献１に記載の技術）。
【０００６】
この従来技術は、ある電池セルからの放電電力を他の電池セルへの充電電力として使用することで電力損失を少なくし、また、直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることを目的としている。
【０００７】
しかし、上述の従来技術では、組電池が有するセルの直列数が増えた場合、全てのセルの電圧をバランスさせようとすると、バランス回路が複雑になるため、回路規模が増大する。そして、この回路規模の増大にともない、バランス回路の制御が煩雑になるという問題点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−３５６８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、組電池が有する電池セルの直列数が増えた場合であっても、バランス回路の回路規模の増大を抑える電池均等化システム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】
【００１０】
態様の一例は、複数の電池セルが直列接続されて構成される電池ブロックにおけるその複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化装置であって、複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに、そのスタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電荷をそのスタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる動作を電池セル間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することでそのスタック内の電池セルの電圧を均等化させるバランス回路と、そのスタック内の各電池セルの電圧または温度を監視しデジタル信号値として検出する電池監視部と、バランス回路内のスイッチング素子にスイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給するスイッチング制御部が少なくとも配置されるそのスタックに対応する高電圧系基板と、電池監視部が検出した各電池セルの電圧のデジタル信号値に基づいて、均等化の動作を実行すべきスタックまたは電池セルを決定し、その決定したスタックに対応するスイッチング制御部にスイッチング動作を指示するメイン制御部が少なくとも配置される低電圧系基板と、スイッチング制御部または電池監視部とメイン制御部との間で電力的な絶縁を維持したまま通信を行わせ、高電圧系基板と低電圧系基板間に配置される絶縁素子とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、組電池が有する電池セルの直列数が増えた場合であっても、バランス回路の回路規模の増大を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の全体システム構成図である。
【図２】本実施形態におけるコンバータバランス回路および電池監視部の構成図である。
【図３】本実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】スタック間バランス制御の動作を示すフローチャートである。
【図５】温度毎のＯＣＶ−内部抵抗マップの説明図である。
【図６】スタック内バランス制御の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の全体システム構成図である。
複数の電池セル１０２が直列に接続されて電池ブロック１０１が構成される。本実施形態では、電池ブロック１０１は、連続的に直列接続された所定数の電池セル１０２からなるスタック１０３の集合として構成される。この電池ブロック１０１は単一で例えば車両のための組電池を構成してもよく、さらに複数が並列に接続構成されて例えば車両のための組電池を構成してもよい。
【００１４】
図１に示される実施形態では、電池監視（電圧や温度の監視）を行う電池監視部１０８と、スタック１０３内の電池セル１０２間でセル均等化制御を行うコンバータバランス回路１０７（バランス回路）とそのコンバータバランス回路１０７内でスイッチング制御を行う機構（スイッチング素子、スイッチング制御部）が各スタック１０３に対応した高電圧系基板上１０４にモジュール化される。一方、高電圧系基板１０４上の各スタック１０３の電池監視部１０８が検出した各電池セル１０２の電圧のデジタル信号値に基づいて、均等化の動作を実行すべきスタック１０３または電池セル１０２を決定し、その決定したスタック１０３に対応するスイッチング制御ＣＰＵ（スイッチング制御部）（後述する図２の２０２）にスイッチング動作を指示する全体の均等化制御を行うメイン制御ＣＰＵ１１６（メイン制御部）が低電圧系基板１０６上に配置される。そして、スタック１０３ごとの高電圧系基板１０４上に配置される上述のスイッチング制御ＣＰＵまたは電池監視部１０８と、低電圧系基板１０６上に配置されるメイン制御部との間で電力的な絶縁を維持したまま通信を行わせる絶縁素子１１８、１１９、１２０が、高電圧系基板１０４と低電圧系基板１０６間に配置される。
【００１５】
図１の実施形態ではさらに加えて、スタック１０３の単位で電荷の放電または充電を行う動作をスタック１０３間に接続されるスイッチング素子のスイッチング動作により実行することでスタック１０３間の電圧を均等化させるトランスバランス回路１０５（第２のバランス回路）と、トランスバランス回路１０５内のスイッチング素子１１３にスイッチング動作を行わせるためのパルス信号を供給するスイッチング制御ＣＰＵ１１５（第２のスイッチング制御部）とが、電池ブロック１０１に対応する高電圧系基板上にさらに配置される。そして、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６は、電池監視部１０８が検出した各電池セル１０２の電圧のデジタル信号値に基づいて、スイッチング制御ＣＰＵ１１５にスタック１０３間の電圧の均等化のためのスイッチング動作を指示する。
【００１６】
以上のように、電池監視とセル均等化制御とスイッチング制御を行う機構を各スタックに対応した高電圧系基板上にモジュール化し、全体の均等化制御を行うメイン制御部を低電圧系基板上に配置することにより、電池セル１０２の直列数が増えた場合であっても、スタック１０３の単位で高電圧系基板１０４のモジュールを増設すればよく、全体の均等化制御は低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６で行えばよい。これにより、制御の煩雑化を防ぎ、回路規模の増大を抑えることが可能となる。
【００１７】
図１において、高電圧系基板上に実装されるトランスバランス回路１０５は、トランス１０９、スイッチング素子１１３、ダイオード１１４、およびスイッチング制御ＣＰＵ１１５を備える。トランス１０９は、一次巻線１１０、複数の二次巻線１１１、鉄心１１２を備える。一次巻線１１０は、電池ブロック１０１の両極に接続される。各二次巻線１１１は、一次巻線１１０に対して逆巻で所定の巻線比を有し、各ダイオード１１４を介して各スタック１０３の両極に接続される。スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６から絶縁素子１２０を介して指定される所定の周波数およびデューティー比を有するパルス信号を発振する発振回路である。スイッチング素子１１３は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチング制御ＣＰＵ１１５からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。このスイッチング動作により各二次巻線１１１の側に発生した電圧が、それぞれに接続されているスタック１０３の両端電圧よりも高ければ、両者間の電圧が等しくなるまで、ダイオード１１４を介してそのスタック１０３に充電が行われる。最終的には、全てのスタック１０３の両端電圧が、各二次巻線１１１の側に発生した共通の電圧に等しくなるように、バランス制御が行われる。
【００１８】
ここで、トランス１０９、スイッチング素子１１３、ダイオード１１４は、電池ブロック１０１内の各スタック１０３を直接制御するため、電池ブロック１０１に対応した高電圧系基板上に配置することが望ましい。また、スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、パルス信号をスイッチング素子１１３に供給するため、あまり長い信号経路を有することは望ましくなく、従って、上記高電圧系基板上に実装されることが望ましい。このようにして、スタック１０３間の均等化制御を行うためのトランス１０９、ダイオード１１４、スイッチング素子１１３、およびスイッチング制御ＣＰＵ１１５が、電池ブロック１０１に対応した高電圧系基板上に実装される。
【００１９】
図１のコンバータバランス回路１０７と電池監視部１０８の詳細は、図２に示される。
図２において、スタック１０３および電池監視部１０８は、図１または図１の同じ番号の部分と同一である。
【００２０】
コンバータバランス回路１０７は、バランス回路２０１およびスイッチング制御ＣＰＵ２０２を備える。バランス回路２０１は、スタック１０３を構成する例えば＃１から＃４の４つの電池セル１０２に対して、複数のインダクタＬと複数のスイッチング素子ＳＷとを備える。具体的には、＃１と＃２の電池セル１０２の共通の接続端子に＃１のインダクタＬの第１の端子が、＃２と＃３の電池セル１０２の共通接続端子に＃２のインダクタＬの第１の端子が、＃３と＃４の電池セル１０２の共通接続端子に＃３のインダクタＬの第１の端子がそれぞれ接続される。また、＃１のインダクタＬの第２の端子は＃１と＃２のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃２のインダクタＬの第２の端子は＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃３のインダクタＬの第２の端子は＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子にそれぞれ接続される。さらに、＃１の電池セル１０２の出力端子側は、＃１のスイッチング素子ＳＷの単独接続端子に接続される。＃１と＃２の電池セル１０２の共通接続端子は、＃２のスイッチング素子ＳＷに接続される。＃２と＃３の電池セル１０２の共通接続端子は、＃２および＃５のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に接続される。＃４の電池セル１０２の出力端子側は、＃６のスイッチング素子ＳＷの単独接続端子に接続される。
【００２１】
スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、図１の低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６から絶縁素子１２０を介して指定される所定の周波数およびデューティー比を有するパルス信号を発振する発振回路である。＃１から＃６の各スイッチング素子ＳＷは、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチング制御ＣＰＵ２０２からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。
【００２２】
電池監視部１０８は、スタック１０３を構成する＃１から＃４の各電池セル１０２の各両端電圧を検出し、その検出した電圧をデジタル値として絶縁素子１１８を介して図１の低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６に出力する。
【００２３】
上述のコンバータバランス回路１０７の構成において、メイン制御ＣＰＵ１１６は、例えば＃１と＃２の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチング制御ＣＰＵ２０２に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃１と＃２のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６（スイッチング制御ＣＰＵ２０２であってもよい）が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃１の電池セル１０２の電圧が＃２の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃１のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１の電池セル１０２から放電された電荷が＃１のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積された電荷が＃２の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃２の電池セル１０２の電圧が＃１の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電された電荷が＃１のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃１のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積された電荷が＃１の電池セル１０２に充電される。
【００２４】
また、メイン制御ＣＰＵ１１６は、＃２と＃３の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチング制御ＣＰＵ２０２に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃２の電池セル１０２の電圧が＃３の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電された電荷が＃２のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積された電荷が＃３の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃３の電池セル１０２の電圧が＃２の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電された電荷が＃２のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積された電荷が＃２の電池セル１０２に充電される。
【００２５】
さらに、メイン制御ＣＰＵ１１６は、＃３と＃４の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチング制御ＣＰＵ２０２に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃３の電池セル１０２の電圧が＃４の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電された電荷が＃３のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積された電荷が＃４の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、メイン制御ＣＰＵ１１６が、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、＃４の電池セル１０２の電圧が＃３の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃４の電池セル１０２から放電された電荷が＃３のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積された電荷が＃３の電池セル１０２に充電される。
【００２６】
以上のようにして、コンバータバランス回路１０７では、電池監視部１０８でのスタック１０３内の各電池セル１０２の電圧監視の結果、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６によってバランス制御が必要であると判定されたときには、高電圧系基板１０４上のスイッチング制御ＣＰＵ２０２によって、＃１から＃３のインダクタＬおよび＃１から＃６のスイッチング素子ＳＷが順次選択的に動作させられる。この結果、＃１から＃４の各電池セル１０２のそれぞれ隣接する電池セル１０２間でバランス制御が順次実施され、その動作が繰り返されることにより、最終的にスタック１０３内の＃１から＃４の電池セル１０２の電圧が均一になる。
【００２７】
図１および図２の構成において、電池監視部１０８は、電池ブロック１０１の各スタック１０３内の各電池セル１０２の電圧や温度を直接監視するため、高電圧系基板１０４上に実装されることが望ましい。また、バランス回路２０１は、各電池セル１０２を直接制御するため、高電圧系基板１０４上に実装されることが望ましい。さらに、スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、パルス信号をスイッチング素子ＳＷに供給するため、あまり長い信号経路を有することは望ましくなく、従って、上記高電圧系基板１０４上に実装されることが望ましい。このようにして、スタック１０３内の電池監視を行うための電池監視部１０８と、スタック１０３内の均等化制御を行うためのバランス回路２０１およびスイッチング制御ＣＰＵ２０２が、スタック１０３に対応した高電圧系基板１０４上に実装される。これらの構成は、スタック１０３ごとにそれに対応する高電圧系基板１０４上にモジュール化しておくことにより、電池セル１０２の直列数が増えた場合であっても、スタック１０３の単位で高電圧系基板１０４のモジュールを増設するだけで対応することが可能となる。
【００２８】
図１および図２に示される実施形態において、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６は、各高電圧系基板１０４上の電池監視部１０８が検出する各電池セル１０２の電圧のデジタル値に基づいて、電池セル１０２の電圧バランスが崩れているか否かを判定する。そして、その判定結果に基づいて、まず、メイン制御ＣＰＵ１１６が、以下に具体的に説明する制御動作に基づいて、トランスバランス回路１０５内のスイッチング制御ＣＰＵ１１５を動作させて、スタック１０３間のおおまかな電圧バランスを調整する。その後、メイン制御ＣＰＵ１１６からの指示に基づいて、各コンバータバランス回路１０７内のスイッチング制御ＣＰＵ２０２（図２）が、各バランス回路２０１を動作させて、各スタック１０３内の各電池セル１０２の電圧バランスを均一な状態に追い込んでゆく。このようなデジタル制御をきめ細かく行うことにより、効率のよいセルバランスが可能となり、バランスまでの時間を短縮することが可能となる。
【００２９】
図３は、図１の低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６が実行する制御動作を示すフローチャートである。この制御動作は、メイン制御ＣＰＵ１１６内の特には図示しないプロセッサが、特には図示しないメモリに記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。この制御プログラムは、例えば本実施形態のシステムを搭載した車両のイグニッションオフ時、またはアイドリング開始時に、１回、または所定の時間間隔で繰返し実行される。
【００３０】
まず、メイン制御ＣＰＵ１１６は、各コンバータバランス回路１０７に接続された各電池監視部１０８（図１）を用いて、各電池セル１０２の各両端電圧を測定し、それをデジタル値として取得する（ステップＳ３０１）。
【００３１】
メイン制御ＣＰＵ１１６は、各電池セル１０２の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（ステップＳ３０２）。
メイン制御ＣＰＵ１１６は、ステップＳ３０２で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値１以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。この閾値１は、バランス制御の要否を判定するものである。
【００３２】
ステップＳ３０３の判定の結果、差が閾値１よりも小さければ、メイン制御ＣＰＵ１１６は、バランス制御は不要であると判定して、今回のバランス制御を終了する。
ステップＳ３０３の判定の結果、差が閾値１以上ならば、メイン制御ＣＰＵ１１６はさらに、各電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、各スタック１０３の両端電圧を計算する。具体的には、メイン制御ＣＰＵ１１６は、各スタック１０３に、そのスタック１０３に属する例えば＃１から＃４の電池セル１０２（図２参照）の各両端電圧値を全て加算して、そのスタック１０３の両端電圧とする。そして、メイン制御ＣＰＵ１１６は、各スタック１０３の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（以上、ステップＳ３０４）。
【００３３】
メイン制御ＣＰＵ１１６は、ステップＳ３０４で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値２以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０５）。この閾値２は、スタック間バランス制御の要否を判定するものである。
【００３４】
ステップＳ３０５の判定の結果、差が閾値２よりも小さければ、メイン制御ＣＰＵ１１６は、スタック間バランス制御は不要であると判定して、ステップＳ３０７以降のスタック内バランス制御に移行する。
【００３５】
ステップＳ３０５の判定の結果、差が閾値２以上ならば、メイン制御ＣＰＵ１１６は、図１の高電圧系基板上のトランスバランス回路１０５内のスイッチング制御ＣＰＵ２０２に、トランスバランス回路１０５によるスタック間バランス制御の起動指示を行う（ステップＳ３０６）。この動作の詳細については、図４のフローチャートの説明において後述する。
【００３６】
ステップＳ３０６のスタック間バランス制御の動作の後、またはステップＳ３０５でスタック間バランス制御は不要である（差が閾値２よりも小さい）と判定された場合には、ステップＳ３０７からＳ３１１で示されるスタック内バランス制御のための制御ループが実行される。
【００３７】
まず、メイン制御ＣＰＵ１１６は、図１の電池ブロック１０１を構成する各スタック１０３を順次選択する。
メイン制御ＣＰＵ１１６は、電池監視部１０８の電圧監視結果に基づいて、選択したスタック１０３内の各＃１から＃４の各電池セル１０２（図２）のセル電圧を測定する（ステップＳ３０７）。
【００３８】
次に、メイン制御ＣＰＵ１１６は、選択したスタック１０３内の＃１から＃４の各電池セル１０２の最大電圧値と最小電圧値の差を計算する（ステップＳ３０８）。
メイン制御ＣＰＵ１１６は、ステップＳ３０８で計算した最大電圧値と最小電圧値の差が所定の閾値３以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０９）。この閾値３は、スタック内バランス制御の要否を判定するものである。
【００３９】
ステップＳ３０９の判定の結果、差が閾値３よりも小さければ、メイン制御ＣＰＵ１１６は、選択したスタック１０３内のバランス制御は不要であると判定する。この結果、メイン制御ＣＰＵ１１６は、ステップＳ３１１の判定処理に移行する。
【００４０】
ステップＳ３０９の判定の結果、差が閾値３以上ならば、メイン制御ＣＰＵ１１６は、選択したスタック１０３に対応する高電圧系基板１０４上のコンバータバランス回路１０７内のスイッチング制御ＣＰＵ２０２にスタック内バランス制御の起動指示を行う。この結果、スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、自身が属するスタック１０３内の＃１と＃２の電池セル１０２、＃２と＃３の電池セル１０２、＃３と＃４の電池セル１０２を順次指定する。そしてスイッチング制御ＣＰＵ２０２は、指定した電池セル１０２のペアについて、該当するスイッチング素子ＳＷを動作させてスタック内バランス制御の動作を実行する（ステップＳ３１０）。この動作の詳細については、図６のフローチャートの説明において後述する。
【００４１】
メイン制御ＣＰＵ１１６は、今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了したか否かを判定する（ステップＳ３１１）。
今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了していないと判定したならば、メイン制御ＣＰＵ１１６は、未処理のスタック１０３を選択し、ステップＳ３０７の処理に戻って、そのスタック１０３に対しスタック内バランス制御を実行させる。
【００４２】
今回全てのスタック１０３についてスタック内バランス制御が終了したと判定したならば、メイン制御ＣＰＵ１１６は、今回のバランス制御の処理を終了する。
図４は、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６による図３のステップＳ３０６のスタック間バランス制御の起動指示に基づいて、高電圧系基板上のトランスバランス回路１０５内のスイッチング制御ＣＰＵ１１５によって起動される制御動作を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、電池ブロック１０１（図１）に電流が流れているか否かを、電池ブロック１０１の一端に接続された特には図示しない電流計を使って判定する（ステップＳ４０１）。
【００４４】
スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、車両のアイドリング時などで、ステップＳ４０１で電池ブロック１０１に電流が流れていると判定した場合、メイン制御ＣＰＵ１１６によって図３のステップＳ３０４で計算されたスタック１０３毎の電圧値をそれぞれ、ステップＳ４０１で測定される電流値で除算することにより、各スタック１０３の内部抵抗を算出する（ステップＳ４０２）。
【００４５】
一方、スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、車両のイグニッションオフ時などで、ステップＳ４０１で電池ブロック１０１に電流が流れていないと判定した場合、特には図示しない温度センサから電池ブロック１０１の温度値を取得する。そして、スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、図３のステップＳ３０４で計算した各スタック１０３の電流が流れていない状態での電圧値（ＯＣＶ：オープンカレントボルテージ）と、上記温度値とで、内部に保持している温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップを参照して、内部抵抗を推定する（ステップＳ４０３）。図５は、温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップのデータ構成例を示す図である。温度［℃］とＯＣＶ［Ｖ］の各値毎に内部抵抗［ｍΩ］が記憶されている。
【００４６】
スイッチング制御ＣＰＵ１１５は、ステップＳ４０２またはＳ４０３による内部抵抗の値から、図１のトランスバランス回路１０５でのスイッチング動作のためのパルス信号の周波数とデューティー比を計算し設定する（ステップＳ４０４）。
【００４７】
この結果、スイッチング制御ＣＰＵ１１５からスイッチング素子１１３にパルス信号が出力され、スイッチング制御が実行される（ステップＳ４０５）。
図６は、低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６による図３のステップＳ３１０のスタック内バランス制御の起動指示に基づいて、メイン制御ＣＰＵ１１６によって選択されたスタック１０３に対応する高電圧系基板１０４上のコンバータバランス回路１０７内のスイッチング制御ＣＰＵ１１５によって起動される制御動作を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、図２のスイッチング制御ＣＰＵ２０２は、電池ブロック１０１（図１）に電流が流れているか否かを、電池ブロック１０１の一端に接続された特には図示しない電流計を使って判定する（ステップＳ６０１）。
【００４９】
スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、車両のアイドリング時などで、ステップＳ６０１で電池ブロック１０１に電流が流れていると判定した場合、メイン制御ＣＰＵ１１６によって図３のステップＳ３０７で計算された電池セル１０２毎の電圧値をそれぞれ、ステップＳ６０１で測定される電流値で除算することにより、各電池セル１０２の内部抵抗を算出する（ステップＳ６０２）。
【００５０】
一方、スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、車両のイグニッションオフ時などで、ステップＳ６０１で電池ブロック１０１に電流が流れていないと判定した場合、特には図示しない温度センサから電池ブロック１０１の温度値を取得する。そして、スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、図３のステップＳ３０７で計算した各電池セル１０２の電流が流れていない状態での電圧値（ＯＣＶ）と、上記温度値とで、内部に保持している温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップを参照して、内部抵抗を推定する（ステップＳ６０３）。温度毎のＯＣＶ―内部抵抗マップのデータ構成例は、図５と同様である。
【００５１】
スイッチング制御ＣＰＵ２０２は、ステップＳ６０２またはＳ６０３による内部抵抗の値から、図２のコンバータバランス回路１０７での選択したスイッチング素子ＳＷでのスイッチング動作のためのパルス信号の周波数とデューティー比を計算し設定する（ステップＳ６０４）。なお、この計算処理において、温度センサからの温度情報を加味して計算がされてもよい。また、パルス信号の周波数とデューティー比は、予め固定された任意の値が設定されてもよい。
【００５２】
この結果、スイッチング制御ＣＰＵ２０２からスイッチング素子ＳＷにパルス信号が出力され、スイッチング制御が実行される（ステップＳ６０５）。
上述した実施形態において、トランスバランス回路１０５としては、スタック１０３間の電位差を均一化できるようなアクティブバランス構成が採用されれば、どのような構成のものであってもよい。また、コンバータバランス回路１０７としては、スタック１０３内の各電池セル１０２間の電位差を均一化できるようなアクティブバランス構成が採用されれば、どのような構成のものであってもよい。
【００５３】
以上の実施形態で説明したように、均等化制御の直接制御系を高電圧系基板上にモジュール化し、全体の均等化制御を行うメイン制御ＣＰＵを低電圧系基板上に配置することにより、電池セルの直列数の増加などに容易に対応する。これにより、回路規模の増大を抑制することができる。
【００５４】
また、実施形態で説明したように、電池セル１０２の直列数が増えた場合であっても、スタック１０３の単位で高電圧系基板１０４のモジュールを増設すればよく、全体の均等化制御は低電圧系基板１０６上のメイン制御ＣＰＵ１１６で行えばよい構成にした。これにより、制御の煩雑化を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０１  電池ブロック
１０２  電池セル
１０３  スタック
１０４  高電圧系基板
１０５  トランスバランス回路（高電圧系基板）
１０６  低電圧系基板
１０７  コンバータバランス回路
１０８  電池監視部
１０９  トランス
１１０  一次巻線
１１１  二次巻線
１１２  鉄心
１１３、ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチング素子
１１４、Ｄ  ダイオード
１１５、２０２  スイッチング制御ＣＰＵ
１１６  メイン制御ＣＰＵ
１１７  バス
１１８、１１９、１２０  絶縁素子
２０１  バランス回路
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２  インダクタ
Ｃ  キャパシタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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