(57)【要約】【課題】アクティブバランス回路のバランス時間を短くする。【解決手段】電池セル１０１及び電池セル１０２の電圧を電圧計１０６及び電圧計１０７で測定する。また、アクティブバランス回路の周辺温度を温度センサ１０８及び温度センサ１０９で測定する。そして、測定した電圧と周辺温度から、アクティブバランス回路の合成インピーダンスを推定し、その合成インピーダンスに対応した周波数のパルス信号により、スイッチ１０４及びスイッチ１０５をオンオフさせる。【選択図】図１
2013116007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池を構成する各電池セルそれぞれに、パルス信号によりオンオフ制御されるスイッチを並列に接続し、さらに、該各電池セルの接続点と各スイッチの接続点との間にコイルを接続して構成されるバランス回路により、隣り合う前記各電池セル相互で電荷を移動させ、前記各電池セルの電圧を均等化する電圧均等化制御装置において、
前記各電池セルの開放電圧を測定する電圧測定手段と、
前記バランス回路の周辺温度を測定する温度測定手段と、
前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧に対応づけて、隣り合う前記各電池セル相互で一回に移動する電荷量が一定となる前記パルス信号の周波数を記憶した記憶手段と、
前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧を用いて、対応する前記パルス信号の周波数を前記記憶手段から抽出する周波数抽出手段と、
を備えることを特徴とする電圧均等化制御装置。
【請求項２】
前記記憶手段は、前記各電池セルの開放電圧と前記各電池セルの電池残量を対応づけて記憶したＯＣＶ−ＳＯＣマップと、
前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルのＳＯＣと、前記各電池セルと各スイッチとコイルそれぞれ一つずつのインピーダンスを合成した合成インピーダンスと、を対応づけて記憶したＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップと、
前記合成インピーダンスと前記パルス信号の周波数を対応づけて記憶した合成インピーダンス−周波数マップと、を記憶し、
前記周波数抽出手段は、前記電圧測定手段で測定した前記各電池セルの開放電圧と、前記ＯＣＶ−ＳＯＣマップとを用いて、前記各電池セルのＳＯＣを抽出し、
前記各電池セルのＳＯＣと、前記ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップとを用いて前記合成インピーダンスを抽出し、
前記各電池セルの前記合成インピーダンスと、前記合成インピーダンス−周波数マップとを用いて前記パルス信号の周波数を抽出することを特徴とする請求項１に記載の電圧均等化制御装置。
【請求項３】
組電池を構成する各電池セルそれぞれに、パルス信号によりオンオフ制御されるスイッチを並列に接続し、さらに、該各電池セルの接続点と各スイッチの接続点との間にコイルを接続して構成されるバランス回路により、隣り合う前記各電池セル相互で電荷を移動させ、前記各電池セルの電圧を均等化する電圧均等化制御装置の電圧均等化制御方法において、
前記電圧均等化制御装置は、
前記各電池セルの開放電圧を測定し、
前記バランス回路の周辺温度を測定し、
前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧を用いて、
前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧に対応づけて、隣り合う前記各電池セル相互で一回に移動する電荷量が一定となる前記パルス信号の周波数を記憶した記憶手段から、
対応する周波数を抽出することを特徴とする電圧均等化制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池を構成する電池セルの電圧を均等化する電圧均等化制御装置に関し、特には、アクティブ式の電圧均等化制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリット車や電気自動車等に搭載されるリチウムイオン電池等の電池セルは、高電圧を得るために、複数の電池セルを直列に接続した構成（以下、組電池という。）で用いられている。
【０００３】
このような組電池を構成する各電池セルの電圧（以下、セル電圧という。）がばらつくと、電池セルの劣化が加速的に進行したり、利用可能なエネルギー量が低下したりする。したがって、各セル電圧は均等であることが望ましい。
【０００４】
しかし、各電池セルの容量、内部抵抗及び自己放電率等が不均一であることに起因して、セル電圧にばらつきが発生することがある。そこで、従来から、各電池セルの電圧を均等化するための電圧均等化回路（以下、バランス回路という。）を用いてセル電圧のばらつきを解消する方法が用いられている。そして、バランス回路の使用により、新たに発生した発熱等の問題点を解消するための技術も考案されている（例えば、下記特許文献１、２）。
【０００５】
特許文献１には、組電池の容量調整時の温度上昇を抑制するために、容量調整が必要なセル数を判断し、容量調整が必要なセル数に応じて、バイパス電流の大きさを変更するバッテリの容量制御方法が記載されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００６】
特許文献２には、組電池の容量調整時の温度上昇を抑制するために、冷却ファンが作動している時に大きなバイパス電流を流す。そして、冷却ファンが作動していない時には、作動しているときと比較して、小さなバイパス電流を流す容量調整装置が記載されている（例えば、下記特許文献２）。
【０００７】
これらの文献では、直列に接続された各電池セルの内、過充電になった電池セルを電池セルと並列に接続した抵抗にバイパスして放電させることで、各電池セルの電圧を均等化するパッシブ方式のバランス回路（以下、パッシブバランス回路という。）を用いている。
【０００８】
また、回路効率を向上させるために、下記に説明するアクティブ式のバランス回路（以下、アクティブバランス回路という。）を用いる方式がある。
図１０は、アクティブバランス回路の構成図である。図１０では例として、電池セル１００１及び電池セル１００２の２つの電池セルに接続された、アクティブバランス回路を示している。
【０００９】
アクティブバランス回路１０００は、コイル１００３、スイッチ１００４及びスイッチ１００５により構成される。例えば、電池セル１００１の電圧が電池セル１００２の電圧よりも高い状態で、両者の電圧を均等化することを例として、アクティブバランス回路の動作を説明する。
【００１０】
まず、アクティブバランス回路は、図示しない制御部から入力される第１のパルス信号に基づいてスイッチ１００４をオンオフさせる。これにより、アクティブバランス回路は、電池セル１００１の電荷を断続的にコイル１００３に蓄電させる。次に、アクティブバランス回路は、第１のパルス信号よりも１パルスの立ち上がり時間（ハイレベルがオンの場合、スイッチ１００４のオン時間）分だけ位相が遅れた第２のパルス信号が制御部から入力されることにより、スイッチ１００５をオンオフさせる。これにより、アクティブバランス回路は、コイル１００３に蓄電された電荷を電池セル１００２に移動させる（以下、バランス動作という。）。制御部により、電池セル１００１及び電池セル１００２それぞれの電圧を測定しながらこのバランス動作を繰り返すことにより、電池セル１００１及び電池セル１００２の電圧を均等化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１７６３０号公報
【特許文献２】特開２００６−１１５６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、アクティブバランス回路のバランス時間を短くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、組電池を構成する各電池セルそれぞれに、パルス信号によりオンオフ制御されるスイッチを並列に接続し、さらに、該各電池セルの接続点と各スイッチの接続点との間にコイルを接続して構成されるバランス回路により、隣り合う前記各電池セル相互で電荷を移動させ、前記各電池セルの電圧を均等化する電圧均等化制御装置において、前記各電池セルの開放電圧を測定する電圧測定手段と、前記バランス回路の周辺温度を測定する温度測定手段と、前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧に対応づけて、隣り合う前記各電池セル相互で一回に移動する電荷量が一定となる前記パルス信号の周波数を記憶した記憶手段と、前記バランス回路の周辺温度及び前記各電池セルの開放電圧を用いて、対応する前記パルス信号の周波数を前記記憶手段から抽出する周波数抽出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アクティブバランス回路のバランス時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１の電圧均等化制御装置の構成図である。
【図２】実施形態１のアクティブバランス回路の等価回路である。
【図３】実施形態１の制御部のブロック図である。
【図４】実施形態１のＯＣＶ−ＳＯＣマップである。
【図５】実施形態１のＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップである。
【図６】実施形態１の合成インピーダンス−周波数マップである。
【図７】実施形態１のバランス動作時のセル電圧の変化を示す図である。
【図８】実施形態１のバランス動作のフローチャートである。
【図９】実施形態２の電圧均等化制御装置の構成図である。
【図１０】従来のアクティブバランス回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態の電圧均等化制御装置について説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１の電圧均等化制御装置の構成図である。また、図１は、組電池が２つの電池セルで構成されている例である。なお、実際の組電池は、図１に示す構成を一つのブロックとして、相互に接続された構成となる。そして、相互に接続された隣り合う電池の間で下記に説明するバランス動作を行なうことにより、組電池全体の各セル電圧を均等化することができる。
【００１７】
電圧均等化制御装置１００は、電池セル１０１、電池セル１０２、コイル１０３、スイッチ１０４、スイッチ１０５、電圧計１０６、電圧計１０７、温度センサ１０８、温度センサ１０９及び制御部１１０が設けられている。
【００１８】
電池セル１０１及び電池セル１０２は、例えば、リチウムイオン電池等の蓄電池であり、互いに直列に接続されている。
コイル１０３は、電池セル１０１と電池セル１０２との接続点と、スイッチ１０４とスイッチ１０５との接続点との間に接続されている。
【００１９】
スイッチ１０４及びスイッチ１０５は、例えば、電界効果トランジスタ等の半導体スイッチまたは電磁リレー等で構成され、それぞれ電池セル１０１及び電池セル１０２と並列に接続されている。また、スイッチ１０４とスイッチ１０５とは、直列に接続されている。そして、制御部１１０から入力されるパルス信号に基づいてスイッチ１０４及びスイッチ１０５をオンオフさせる。なお、以下スイッチ１０４を制御するパルス信号を第１のパルス信号、スイッチ１０５を制御するパルス信号を第２のパルス信号という。
【００２０】
電圧計１０６は、電池セル１０１に並列に接続され、電池セル１０１の電圧を測定する。また、電圧計１０７は、電池セル１０２に並列に接続され、電池セル１０２の電圧を測定する。そして、電圧計１０６及び電圧計１０７は、測定した電圧を制御部１１０に出力する。なお、電圧計１０６及び電圧計１０７は、それぞれ電池セル１０１及び電池セル１０２の電圧を測定できるものであれば、適宜選択した電圧検出装置を用いればよい。
【００２１】
温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、例えば、サーミスタ等を用いた温度センサである。そして、温度センサ１０８は、アクティブバランス回路において、電池セル１０１とスイッチ１０４側（以下、上側回路という。）の周辺温度を測定する。また、温度センサ１０９は、アクティブバランス回路において、電池セル１０２とスイッチ１０５側（以下、下側回路という。）の周辺温度を測定する。さらに、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、測定した温度を制御部１１０へ出力する。なお、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、サーミスタに特に限定されるものではなく、コイル１０３の温度を測定できるものであれば、適宜選択した温度センサを用いればよい。また、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、それぞれ上側回路及び下側回路近傍の周辺温度を測定するものなので、上側回路及び下側回路の周辺温度がほぼ等しい状態であれば、片方を削除することもできる。
【００２２】
制御部１１０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等のワークスペースとしてメモリを搭載するコンピュータと、電圧計１０６及び電圧計１０７で測定された電圧を受信する構成とを備えている。そして、受信した電圧計１０６及び電圧計１０７それぞれの電圧及び温度に基づいて、スイッチ１０４及びスイッチ１０５をオンオフさせる第１及び第２のパルス信号の周波数を決定する。また、制御部１１０は、決定した周波数の第１及び第２のパルス信号を生成し、それぞれスイッチ１０４及びスイッチ１０５に出力する。
【００２３】
なお、図１において、アクティブバランス回路とは、コイル１０３、スイッチ１０４及びスイッチ１０５を組み合わせた回路のことである。
次に、図１において、電池セル１０１の電圧が電池セル１０２の電圧よりも高い状態で、両者の電圧を均等化することを例として、電圧均等化制御装置１００の動作を説明する。
【００２４】
まず、電圧計１０６及び電圧計１０７は、それぞれ電池セル１０１及び電池セル１０２の開放電圧を測定する。そして、電圧計１０６及び電圧計１０７は、測定した開放電圧を制御部１１０に出力する。また、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、それぞれ電池セル１０１及び電池セル１０２の温度を測定する。そして、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、測定したそれぞれの周辺温度を制御部１１０に出力する。
【００２５】
また、制御部１１０は、入力された電池セル１０１の開放電圧と上側回路の周辺温度に基づいて、スイッチ１０４をオンオフさせる第１のパルス信号の周波数を決定する。さらに、制御部１１０は、入力された電池セル１０２の開放電圧と下側回路の周辺温度に基づいて、スイッチ１０５をオンオフさせる第２のパルス信号の周波数を決定する。
【００２６】
次に、アクティブバランス回路は、制御部１１０から入力される第１のパルス信号に基づいてスイッチ１０４をオンオフさせる。これにより、アクティブバランス回路は、電池セル１０１の電荷を断続的にコイル１０３に蓄電させる。さらに、アクティブバランス回路は、第１のスイッチ制御信号よりも１パルスの立ち上がり時間分だけ位相が遅れた第２のパルス信号が制御部１１０から入力されることにより、スイッチ１０５をオンオフさせる。これにより、アクティブバランス回路は、コイル１０３に蓄電された電荷を電池セル１０２に移動させる。このようなバランス動作を繰り返すことにより、電池セル１０１及び電池セル１０２の電圧を均等化することができる。
【００２７】
以上のように、実施形態１の電圧均等化制御装置は、第１のパルス信号及び第２のパルス信号の生成において、各電池セルの開放電圧及び周辺温度に基づいて、第１及び第２のパルス信号の周波数を決定している点で従来技術と異なっている。
【００２８】
ここで、実施形態１の制御部１１０の第１及び第２のパルス信号の周波数の決定を、具体的に説明する。
まず、周辺温度の変化により、アクティブバランス回路の合成インピーダンスの値が変わり、コイルへの電荷の蓄積時間が変化することについて説明する。
【００２９】
図２は、アクティブバランス回路の等価回路を示す図である。
図２（ａ）は、電池セル１０１及び電池セル１０２を組電池として備えるアクティブバランス回路の回路図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のスイッチ１０４がオンであり、かつ、スイッチ１０５がオフであるときのアクティブバランス回路の等価回路を示す図である。以下の説明では、上側回路について説明するが、下側回路についても同様の制御をすることが可能である。
【００３０】
図２（ｂ）に示すインピーダンスＺＢは電池セル１０１の内部抵抗２０１であり、インピーダンスＺＴはスイッチ１０４のオン抵抗２０２であり、インピーダンスＺＬはコイル１０３のインダクタンス２０３である。以下の説明では、この内部抵抗２０１、オン抵抗２０２及びインダクタンス２０３のインピーダンスを合成したものを、合成インピーダンスという。以下、スイッチ１０４のスイッチ素子をＭＯＳトランジスタとして説明する。よって、インピーダンスＺＴをオン抵抗であるとしている。
【００３１】
ここで、温度センサ１０８で測定される、周辺温度が上昇した場合の、それぞれのインピーダンスの変化について説明する。
周辺温度の上昇に伴い、電池セル１０１の内部抵抗２０１の抵抗値は小さくなる。また、スイッチ１０４のオン抵抗２０２は大きくなる。そして、コイル１０３のインダクタンス２０３の値も大きくなることが知られている。
【００３２】
したがって、周辺温度の上昇によりインピーダンスＺＢと、インピーダンスＺＴと、インピーダンスＺＬが変化するので、その合成インピーダンスも変化することがわかる。
また、図２（ｂ）に示すようにアクティブバランス回路の合成インピーダンスは、ＲＬ回路で構成されているので、コイル１０３の電荷の蓄電に要する時間は、下記式（１）の時定数に比例する。
時定数＝Ｌ／Ｒ                                                            （１）
そして、周辺温度の上昇による影響は、オン抵抗２０２よりも、内部抵抗２０１及びインダクタンス２０３の変化に大きく現れる。したがって、オン抵抗２０２の変化を無視すると、周辺温度の上昇に伴い、内部抵抗２０１が小さくなり、インダクタンス２０３が大きくなるので、式（１）で示される時定数は、周辺温度の上昇に伴い大きくなることがわかる。すなわち、アクティブバランス回路のコイル１０３への電荷の蓄積時間は、周辺温度の上昇に従って長くなる。
【００３３】
また、電池セル１０１に関しては、その電池セル１０１の電池残量によっても内部抵抗２０１が変化するという影響がある。その内部抵抗２０１の値は、電池残量の満充電時に対する割合を示すＳＯＣ（State of Charge）が１００％に近いほど、小さくなることが知られている。したがって、アクティブバランス回路の時定数＝Ｌ／Ｒを鑑みると、電池残量が満充電時に近いほど、電池セル１０１の内部抵抗が小さくなるので、結果的にコイル１０３への電荷の蓄積時間は長くなる。
【００３４】
以上をまとめると、周辺温度が高く、かつ、電池セル１０１の電池残量が満充電に近いほど、コイル１０３への電荷の蓄積時間が長くなることがわかる。したがって、実施形態１の制御部１１０は、周辺温度及び電池残量に比例させて、第１のパルス信号の周波数を低くするように決定する。すなわち、第１のパルス信号の立ち上がり時間を長くする。そして、その周波数の第１のパルス信号をスイッチ１０４に出力する。
【００３５】
ただし、上記の周辺温度及び電池残量に基づく、第１のパルス信号の最適な周波数は、電池セル１０１、コイル１０３及びスイッチ１０４に使用する素子により値が異なる。また、特に、電池セル１０１の特性が単純に周辺温度と比例関係を持つものではなく、ある温度範囲ごとに特性の比例定数が異なる。したがって、最適な第１のパルス信号の周波数は、実験によりアクティブバランス回路ごとの特性を示すマップを作成し、そのマップを用いて周辺温度に対応する最適な周波数を抽出することにより決定する。上記のアクティブバランス回路の特性を示すマップとは、例えば、後述するＯＣＶ−ＳＯＣマップと、ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップと、合成インピーダンス−周波数マップ等がある。
【００３６】
また、下側回路に入力する第２のパルス信号の周波数についても、同様の制御をすることにより決定することができる。また、さらに組電池に電池セルが複数増設され、スイッチの数が増えた場合にも、それぞれのスイッチのオンオフを同様に制御できる。
【００３７】
また、上記の最適な第１のパルス信号の周波数とは、１回のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２に移動させる電荷量を周辺温度の変化によらずに均一にする周波数である。また、１回のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２に移動させる電荷量は、アクティブバランス回路の特性により、損失が最も少なく効率の良い電荷量（以下、最適な電荷量という。）に設定する。この最適な電荷量は、コイル１０３によるところが大きいが、アクティブバランス回路の他の構成の影響も受けることも考えられるので、アクティブバランス回路ごとに実験により求めることが望ましい。また、周波数を変化させることにより、第１及び第２のパルス信号の立ち上がり時間を変更するが、その立ち上がり時間の上限は、第１及び第２のパルス信号の立ち上がり時間を合計（以下、バランス周期という。）して、１回のバランス動作の制御周期以下の時間となるようにすれば良い。例えば、第１のパルスの立ち上がり時間が制御周期の６割の時間を要する場合には、第２のパルスの立ち上がり時間は、制御周期の４割以下の時間にすれば良い。なお、上側回路及び下側回路の周辺温度及び合成インピーダンスが等しい場合には、第１及び第２のパルス信号それぞれの立ち上がり時間を等しくする。したがって、第１及び第２のパルス信号の最大の立ち上がり時間は、それぞれ制御周期の半分の時間である。
【００３８】
以上の制御により、１回のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２に移動させる電荷量を周辺温度の変化によらずに均一にすることができるので、バランス動作の回数（以下、バランス回数という。）を周辺温度の変化によらず一定にできる。したがって、下記式（２）で表される、電池セル１０１と電池セル１０２の電圧を均等化する時間（以下、バランス時間という。）を、温度によらず一定にすることができる。
バランス時間＝制御周期×バランス回数                                  （２）
すなわち、周辺温度によらず同じ周波数でバランス動作させていたときよりも、周辺温度が高温のときのバランス時間を短くすることが可能である。
【００３９】
さらに、周辺温度によらず常に最適な電荷量を１回のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２に移動させることができるので、周辺温度によらず同じ周波数のパルス信号でバランス動作させていたときよりも、バランス動作の効率を高くすることができる。
【００４０】
次に、実施形態１の電圧均等化制御装置の制御部１１０について説明する。
図３は、実施形態１の制御部のブロック図である。
入出力部３０１は、電圧計１０６、電圧計１０７、温度センサ１０８及び温度センサ１０９で測定した値の入力を受け付ける。具体的には、電圧計１０６から電池セル１０１の電圧、電圧計１０７から電池セル１０２の電圧、温度センサ１０８から上側回路の周辺温度及び温度センサ１０９から下側回路の周辺温度が入力される（以下、これらを合わせて測定結果という。）。そして、入力された測定結果を電池制御ＥＣＵ３０３に出力する。また、電池制御ＥＣＵ２０３から第１及び第２のパルス信号の周波数が入力されると、その周波数で第１及び第２のパルス信号を生成し、スイッチ１０４及びスイッチ１０５に出力する。
【００４１】
記憶部３０２は、少なくとも、規定値と、電池セルの開放電圧であるＯＣＶ（Open circuit voltage）と電池残量の割合を示すＳＯＣ（State of Charge）との相関を表すＯＣＶ−ＳＯＣマップと、ＳＯＣ及び周辺温度と、アクティブバランス回路の合成インピーダンスの関係を表すＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップと、合成インピーダンスと、スイッチをオンオフさせる周波数の関係を示す合成インピーダンス−周波数マップとを記憶している。
【００４２】
電池制御ＥＣＵ３０３は、入出力部３０１から入力される測定結果に基づいて、記憶部１０３に記憶されているマップを用いて第１及び第２のパルス信号の周波数を決定する。そして、決定した第１及び第２のパルス信号の周波数を入出力部３０１に出力する。また、電池制御ＥＣＵ３０３は、入出力部３０１から入力される電池セル１０１及び電池セル１０２の開放電圧を算出部２０４に出力する。そして、算出部３０４で算出された、電池セル１０１と電池セル１０２の開放電圧の電位差を受信する。さらに、開放電圧の電圧差をあらかじめ定めた規定値と比較して、アクティブバランス回路のバランス動作を行なうか否かを判断する。その判断結果を入出力部３０１に出力する。なお、規定値とは、実験により定められる、組電池の動作に影響がでない電圧差である。
【００４３】
算出部３０４は、電池制御ＥＣＵ３０３から入力される電池セル１０１及び電池セル１０２の開放電圧を下記式（３）に代入し、その算出結果を電池制御ＥＣＵ３０３に出力する。
電圧差＝上側回路開放電圧−下側回路開放電圧                                （３）
ここで、実施形態１では、上側回路開放電圧とは電池セル１０１の開放電圧である。また、下側回路開放電圧とは電池セル１０２の開放電圧である。
【００４４】
そして、算出部３０４は、算出した電圧差を電池制御ＥＣＵ３０３に出力する。
次に、実施形態１の記憶部１０３に記憶されているＯＣＶ−ＳＯＣマップと、ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップと、合成インピーダンス−周波数マップとを説明する。
【００４５】
以下の例では、図２の破線部分の上側回路を例として説明するが、下側回路でも、同じマップを使用することができる。ただし、上側回路と下側回路の素子それぞれの製造誤差などにより、違いが無視できない場合には、回路ごとに別々の実験データからマップを作成しても良い。
【００４６】
図４は、実施形態１のＯＣＶ−ＳＯＣマップである。
ＯＣＶ−ＳＯＣマップ４００は、電池セル１０１の開放電圧であるＯＣＶと、ＳＯＣの対応関係を示すマップである。ＯＣＶ−ＳＯＣマップ４００は、実験により使用するアクティブバランス回路ごとに取得されているものである。そして、電圧計１０６で測定した電池セル１０１の開放電圧が電池制御ＥＣＵ３０３に入力されたときに、電池制御ＥＣＵ３０３が電池セル１０１のＳＯＣをその開放電圧に基づいて抽出するために用いられる。
【００４７】
図５は、実施形態１のＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップである。
ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップ５００は、電池セル１０１のＳＯＣと、上側回路の周辺温度の対応関係を示すマップである。ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップ５００マップは、実験により使用するアクティブバランス回路ごとに取得されているものである。そして、ＯＣＶ−ＳＯＣマップ４００から抽出されたＳＯＣと、温度センサ１０８から入力された周辺温度に基づいて、電池制御ＥＣＵ３０３が上側回路の合成インピーダンスを抽出するために用いられる。
【００４８】
図６は、実施形態１の合成インピーダンス−周波数マップである。
合成インピーダンス−周波数マップ６００は、上側回路の合成インピーダンスと、第１のパルス信号の周波数の対応関係を示すマップである。合成インピーダンス−周波数マップ６００は、実験により使用するアクティブバランス回路ごとに取得されているものである。そして、ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップ５００から抽出された上側回路の合成インピーダンスを用いて、電池制御ＥＣＵ３０３が第１のパルス信号の周波数を抽出するために用いられる。
【００４９】
次に、周辺温度の変化に基づいて、第１の周波数及び第２の周波数を変更した場合のバランス動作について説明する。
図７は、実施形態１のバランス動作時のセル電圧の変化を示す図である。なお、以下の説明においては、上側回路と下側回路の特性と周辺温度が同じであり、かつ、バランス動作前の電池セル１０１及び電池セル１０２の電圧は、バランス動作制御波形７０１〜７０３でそれぞれ同じであると仮定して動作説明をする。
【００５０】
バランス動作制御波形（低温）７０１は、周辺温度１０℃（以下、低温という。）のときのバランス動作の制御波形を表している。縦軸が電圧であり、横軸がバランス時間である。また、波形は上から順に、電池セル１０１の開放電圧、電池セル１０２の開放電圧、第１のパルス信号及び第２のパルス信号を示している。また、左右矢印の期間で表されるｔ［ｓ］は、バランス周期［ｓ］を示している。さらに、左右矢印の期間で表されるＴ［ｓ］は、制御周期Ｔ［ｓ］を示している。
【００５１】
制御周期Ｔ［ｓ］は、バランス動作を１回行なう周期である。また、制御部１１０は、制御周期Ｔ［ｓ］において、スイッチ１０４及びスイッチ１０５をそれぞれ１回ずつオンオフさせる制御をしているので、制御周期Ｔ［ｓ］の間に第１及び第２のパルス信号が１回ずつ立ち上がることになる。
【００５２】
バランス動作制御波形（低温）７０１を参照すると、上側回路と下側回路の特性が同じなので、電池セル１０１が最適な電荷量をコイル１０３に蓄電する時間と、電池セル１０２がコイル１０３から最適な電荷量を充電する時間が同じになっている。そして、低温なので、制御部１１０は、バランス周期ｔ［ｓ］を制御周期Ｔ［ｓ］に対して余裕がある時間で制御している。このときの、第１及び第２のパルス信号の周波数を第１の周波数という。
【００５３】
バランス動作制御波形（高温）７０２は、周辺温度５０℃のときのバランス動作の制御波形を表している。縦軸が電圧であり、横軸がバランス時間である。また、波形は上から順に、電池セル１０１の開放電圧、電池セル１０２の開放電圧、第１のパルス信号及び第２のパルス信号を示している。また、左右矢印の期間で表されるｔ［ｓ］は、バランス周期［ｓ］を示している。さらに、左右矢印の期間で表されるＴ［ｓ］は、制御周期Ｔ［ｓ］を示している。
【００５４】
バランス動作制御波形（高温）７０２を参照すると、制御部１１０は、低温時と同じバランス周期［ｓ］の第１及び第２のパルス信号を出力している。ただし、周辺温度の上昇に伴い、アクティブバランス回路の上側回路及び下側回路の時定数が大きくなっているため、電池セル１０１が電荷をコイル１０３に蓄電する時間と、電池セル１０２がコイル１０３から電荷を充電する時間が長くなっている。したがって、低温時と同じ第１の周波数の第１及び第２のパルス信号では、一度のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２へ移動できる電荷量が減少する。よって、制御部１１０は、バランス回数を増やすことで、電池セル１０１及び電池セル１０２の均等化を図っている。
【００５５】
この制御では、スイッチ１０４及びスイッチ１０５のオンオフ回数が増え、スイッチング損失が増えることによる効率の低下、コイル１０３の充放電の効率の低下、バランス時間が長くなることによる効率の低下等があり、回路効率が低下する。
【００５６】
バランス動作制御波形（周波数変更）７０３は、周辺温度５０℃のときに、第１のパルス信号と第２のパルス信号の周波数を変更したときの、バランス動作の制御波形を表している。縦軸が電圧であり、横軸がバランス時間である。また、波形は上から順に、電池セル１０１の開放電圧、電池セル１０２の開放電圧、第１のパルス信号及び第２のパルス信号を示している。また、左右矢印の期間で表されるｔ［ｓ］は、バランス周期［ｓ］を示している。さらに、左右矢印の期間で表されるＴ［ｓ］は、制御周期Ｔ［ｓ］を示している。
【００５７】
バランス動作制御波形（周波数変更）７０３を参照すると、制御部１１０は、周辺温度の上昇により、アクティブバランス回路の時定数が大きくなったことに合わせて、バランス周期ｔ［ｓ］を長くしている。すなわち、第１及び第２のパルス信号の周波数を低くして、第１及び第２のパルス信号の制御周期Ｔ［ｓ］に対するデューティー比を大きくしている。これにより、１回のバランス動作で電池セル１０１から電池セル１０２へ移動する電荷量が、バランス動作制御波形（低温）７０１に示す低温時と同じになっている。したがって、周辺温度が高温になっているにもかかわらず、低温時と同じバランス回数で、電池セル１０１及び電池セル１０２の電圧を均等化している。なお、第１及び第２のパルス信号の周波数とデューティー比の関係は、周波数が高くなるほど、デューティー比が小さくなるようになっている。
【００５８】
以上のように、制御部１１０は、第１及び第２の周波数を変化させることにより第１及び第２のパルス信号の制御周期Ｔ［ｓ］に対するデューティー比を変化させる。そして、電池セル１０１から電池セル１０２に１回のバランス動作で移動させる電荷量を、周辺温度の変化によらずに一定にする制御している。したがって、周辺温度が低温のときと高温のときでバランス回数が同じになり、高温時のバランス時間を短くすることができる。
【００５９】
次に、実施形態１のバランス動作の制御を説明する。
図８は、実施形態１のバランス動作のフローチャートである。
まず、電池制御ＥＣＵ３０３は、図示しない入力部からのユーザの入力、または、タイマーによる一定時間ごとの入力等、バランス動作開始のトリガ信号が入力されると、電圧計１０６及び電圧計１０７に電圧測定の制御信号を出力する。
【００６０】
電圧計１０６及び電圧計１０７は、電池セル１０１及び電池セル１０２の開放電圧を測定し、入出力部３０１を介して電池制御ＥＣＵ３０３に測定した開放電圧の電圧値を出力する（Ｓ８０１）。
【００６１】
電池制御ＥＣＵ３０３は、電池セル１０１及び電池セル１０２の開放電圧が入力されると、記憶部３０２に記憶されているＯＣＶ−ＳＯＣマップを参照して、入力された開放電圧に対応した電池セル１０１及び電池セル１０２それぞれのＳＯＣを抽出する（Ｓ８０２）。これにより、電池制御ＥＣＵ３０３は、電池セル１０１及び電池セル１０２それぞれのＳＯＣを推定している。
【００６２】
さらに、電池制御ＥＣＵ３０３は、電池セル１０１及び電池セル１０２それぞれの開放電圧を算出部３０４に出力する。そして、算出部３０４は、それぞれの開放電圧の電圧差を式（１）により算出し、算出した電圧差を電池制御ＥＣＵ３０３に出力する。そして、電池制御ＥＣＵ３０３は、電圧差が入力されると、記憶部３０２から規定値を取得し、入力された電圧差が規定値以上であるか否かを判定する。判定の結果、電圧差が規定値未満の場合には、バランス動作を終了する。
【００６３】
一方、Ｓ８０３において、電圧差が規定値以上であった場合、電池制御ＥＣＵ３０３は、回路の周辺温度を測定するように、温度センサ１０８及び温度センサ１０９に制御信号を出力する。その制御信号が入力されると、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、上側回路及び下側回路それぞれの周辺温度を測定する。そして、温度センサ１０８及び温度センサ１０９は、電池制御ＥＣＵ３０３に測定した周辺温度を出力する（Ｓ８０４）。
【００６４】
次に、電池制御ＥＣＵ３０３は、温度センサ１０８及び温度センサ１０９から周辺温度が入力されると、記憶部３０２に記憶されているＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップを参照する。そして、Ｓ３０２で推定したＳＯＣと、上側回路及び下側回路の周辺温度それぞれに対応する合成インピーダンスを抽出する（Ｓ８０５）。
【００６５】
さらに、電池制御ＥＣＵ３０３は、Ｓ８０５で合成インピーダンスを抽出すると、記憶部３０２に記憶されている合成インピーダンス−周波数マップを参照する。そして、抽出した上側回路及び下側回路の合成インピーダンスそれぞれに対応する周波数を抽出する（Ｓ８０６）。そして、電池制御ＥＣＵ３０３は、抽出した周波数を入出力部３０１に出力する。
【００６６】
入出力部３０１は、Ｓ８０６で抽出された上側回路及の周波数の第１のパルス信号、及び下側回路の周波数の第２のパルス信号を生成し、スイッチ１０４及びスイッチ１０５に出力する（Ｓ８０７）。
【００６７】
第１及び第２のパルス信号が入力されるとスイッチ１０４及びスイッチ１０５は、第１及び第２のパルス信号に従ってオンオフする（Ｓ８０８）。そして、Ｓ８０１に戻りバランス動作を繰り返す。
【００６８】
上述した実施の形態によれば、各電池セルの開放電圧及び周辺温度に従って、第１及び第２のパルス信号の周波数を変化させる。これにより、周辺温度が変化してもバランス動作ごとに最適な電荷量を電池セル１０１から電池セル１０２へ移動できるようにしている。したがって、周辺温度が高温においても、周辺温度が低温のときのバランス回数と同じ回数で電池セル１０１及び電池セル１０２を均等化できるので、結果的にバランス時間を短くすることができる。また、高温時にバランス回数を増やす制御と比較して、スイッチング損失等の損失を減らすことができるので、回路効率が上がるという効果を得られる。
［実施形態２］
次に、電池セルが複数になった組電池の電圧均等化制御装置について説明する。
【００６９】
図９は、実施形態２の電圧均等化制御装置の構成図である。
図９の例では、実施形態１のアクティブバランス回路を３つ相互に接続することにより、４つの電池セルの電圧の均等化をしている。その他の構成は、実施形態１と同じである。したがって、図示しないが、電圧計と温度センサをそれぞれのアクティブバランス回路に備えている。
【００７０】
制御部９０１は、実施形態１の制御部１１０と同じ制御を、同時に複数のアクティブバランス回路のスイッチに行なう構成となっている。
アクティブバランス回路９０２及び９０３は、実施形態１のアクティブバランス回路を相互に接続することにより、４つの電池セルの電圧均等化を行なっている。ここのアクティブバランス回路それぞれの動作は、実施形態１と同じである。
【００７１】
以上の構成により、４つの電池セルで構成される組電池においても、周辺温度の変化によらず、バランス回数を一定にすることができる。
また、アクティブバランス回路の接続数を適宜変更することにより、２つ以上の電池セルで構成される組電池の電圧均等化をすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００  電圧均等化装置
１０１、１０２  電池セル
１０３  コイル
１０４、１０５  スイッチ
１０６、１０７  電圧計
１０８、１０９  温度センサ
２０１  内部抵抗
２０２  オン抵抗
２０３  インダクタンス
３０１  入出力部
３０２  記憶部
３０３  電池制御ＥＣＵ
３０４  算出部
４００  ＯＣＶ−ＳＯＣマップ
５００  ＳＯＣ及び周辺温度−合成インピーダンスマップ
６００  合成インピーダンス−周波数マップ
９０１  制御部
９０２、９０３  アクティブバランス回路
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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