(57)【要約】【課題】異常電池をシステム全体から切り離した後の、システム全体の出力電流定格の減少を抑制する。【解決手段】複数の二次電池を直並列に接続した組み電池の中から、異常のある二次電池セルを検出する異常セル検出部１１０と、異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御部１０２を備えるシステムにおいて、（異常セル１１６を除いた）組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御部１０９を有し、さらに、異常セル１１６を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常セル１１６が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給手段として機能するバランサー１０６を備える。【選択図】図１
2016220449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池を直並列に接続した組み電池と、
二次電池の異常を検出する異常セル検出部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御部と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給手段と、
を備えることを特徴とする、二次電池システム。
【請求項２】
前記電力供給手段は、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流をＩＬ、前記組み電池の並列数をＰ、前記組み電池の直列数をＳ、前記電力供給手段の効率をεとすると、
前記組み電池全体からのバランス電流がＩＬ×１／（ε×Ｓ×（Ｐ−１））とすることで、構成する全ての二次電池で均等に電流を出力するように、切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池システム。
【請求項３】
前記電力供給手段として、フライバックコンバーターを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池システムを複数を直並列に接続して構成したことを特徴とする二次電池システム。
【請求項５】
複数の二次電池を直並列に接続した組み電池を備える二次電池システムが実行する制御方法であって、
二次電池の異常を検出する異常セル検出工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御工程と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給工程と、
を有することを特徴とする、二次電池システムの制御方法。
【請求項６】
複数の二次電池を直並列に接続した組み電池を備える二次電池システムの組み込み制御装置に、
二次電池の異常を検出する異常セル検出工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御工程と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御工程と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給工程と、
を実行させることを特徴とする、二次電池システムの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池システム、その制御方法及びプログラムに関し、特に、異常電池セルをシステムから切り離す手段を備えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池とそれにより構成される組み電池においては、その信頼性の確保が重要である。電池システムを構成する電池に異常が発生した場合には、異常電池をシステムから独立させて他の電池への影響を少なくして、その後のシステムの動作に影響を与えないことが望まれている。
【０００３】
そのために、特許文献１では、複数の電池が直列に接続された直列電池群が、複数個並列に接続された組み電池において、各直列電池群に並列に電流バイパス回路を接続するとともに、各直列電池群及び電流バイパス回路に直列にヒューズを接続した構成が記載されている。このような構成にすることにより、電池に異常が発生した場合、その異常を検出して、電流バイパス回路電池に大電流を流してヒューズを溶断することによって、異常電池を含む直列電池群を組み電池から切り離すことができる。異常電池を早期に切り離すことで、他の電池で組み電池を構成することができる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示の技術においては、切り離した異常電池の中に、正常に動作する電池が含まれている場合、その分の残量、出力電流（出力電力）を使用することができないという問題点があった。
【０００５】
さらに、上記構成において、電池の切り離し前後で組み電池の最大電流定格は、電池の並列数をＰとすると、（Ｐ−１）／Ｐ倍に減少する。これは組み電池の最大電流定格が組み電池の電池数によらず並列数によって決まることを意味する。すなわち、並列数が少ないような組み電池構成では、異常電池の切り離し動作を行うと出力電流定格が大幅に減少してしまうおれがあるという問題点があった。
【０００６】
一方で特許文献２には、組み電池が有する電池セルの直列数が増えた場合に、回路規模を抑えて電池均等化システムを提供することを目的とした技術が開示されている。特許文献２の技術は、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することができるとしている。しかしながら、特許文献２に開示の技術によっても、出力電流が大きく減少するという問題が残る可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、異常電池をシステム全体から切り離した後の、システム全体の出力電流定格の減少を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、
複数の二次電池を直並列に接続した組み電池と、
二次電池の異常を検出する異常セル検出部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離すセル遮断制御部と、
前記組み電池全体から各二次電池に電力を供給する電流制御部と、
異常が検出された二次電池を前記組み電池から切り離した際に、前記組み電池全体の出力電流を、構成する全ての二次電池で均等に出力するように、異常が検出されて切り離された二次電池が本来接続されていた端子に電流を供給する電力供給手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、異常電池をシステム全体から切り離した後の、システム全体の出力電流定格の減少を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施形態において、異常セルが遮断されたときのバランス動作について説明した図である。
【図３】第１の実施形態において、バランサーの動作波形を説明する図である。
【図４】第１の実施形態のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に開示される本発明の実施形態は、複数の電池セルを直並列に接続して構成される組み電池において、異常電池セルを組み電池から切り離した後に残された電池セルで組み電池を動作させる際に、以下の特徴を有する。
【００１２】
要するに、組み電池全体の出力電力を、構成する全ての電池セルで均等に出力するように、切り離された異常電池セルが本来接続されていた端子に電力を供給する。このバランス機能を備えることによって、システム全体の出力電流定格の減少を抑制する。
以下、この特徴について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示す回路図である。
図１に示すように、本実施形態の二次電池システムは、複数の電池セル１００が直並列（マトリックス状）に接続された電池部１１１と、システム全体の負荷電流に応じたバランス電流を発生させるバランス部１１２と、電池セル１００の異常を検出する異常検出部１１０と、異常電池セルをシステム全体から切り離すための選択信号を発生させるセル遮断制御部１０２と、を備える。
【００１４】
なお、図１において本実施形態の二次電池システムは、直流電源１０７に端子１１３と端子１１４でつながれている。
【００１５】
電池部１１１では複数の電池セル１００が直並列に配置され接続される。図中では電池部１１１の電池セル１００は３直列、３並列を例示しているが、電池セル１００の直並列数はこの限りではない。各々の電池セル１００には、直列に電池セル遮断機能１０１が接続される。電池セル遮断機能１０１はセル遮断制御部１０２からの遮断制御信号に応じて各電池セルを選択的にシステムから切り離すことができる。電池セル遮断機能１０２は例えばセルフコントロールプロテクター（ＳＣプロテクター）を用いることで実現できる。
【００１６】
異常セル検出部１１０では、電池部１１１からの内部信号を用いて、電池部１１１を構成する電池セルが正常に動作しているかを監視する。前記内部信号は例えば、電池セルの電圧、電流、温度などである。異常セル検出部１１０は異常電池セル情報をセル遮断制御部１０２に送信する。
【００１７】
なお、異常セル検出部１１０は、電池セルの電圧をモニターしていて、電池セルが充放電の終止電圧を超えない範囲内での動作を監視している。すなわち、いわゆる電池の一般的な保護機能を異常セル検出部１１０は備える。この技術は一般的な動作なのでここでは述べない。
【００１８】
セル遮断制御部１０２では、異常セル検出部１１０から送られた異常電池セル情報をもとに遮断セルの選択信号を発生させ、システムから異常電池セルを切り離す。
【００１９】
バランス部１１２は、複数のバランサー１０６と、電流制御部１０９と、負荷電流検出部１０８を備える。バランサー１０６は電池部１１１の電池セルの直列接続段数だけ備え、電池部１１１の電池セル１００の直列接続段と並列に接続される。
【００２０】
バランサー１０６はトランス１１５を備え、１次側は電池システム全体（電池スタック）に接続され、２次側は電池部の電池セルの直列接続段に接続される。各々１次側、２次側の経路にはスイッチング素子１０５と電流検出部１０４を備える。各々１次側、２次側の電流検出部１０５の電流検出情報は電流制御部１０９に送られる。負荷電流検出部１０８では、電池システム全体の負荷電流を検出して、検出情報を電流制御部１０９に送る。電流制御部１０９ではバランサー１０６の１次側、２次側の電流検出情報と負荷電流検出部１０８の負荷電流情報を用いて、バランサー１０６の１次側、２次側のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミング信号を生成する。バランサーの２次側の脈流波形は平滑化フィルタ１０３にて平滑化される。
【００２１】
図２は、異常セルが遮断されたときのバランス動作について説明した図である。
異常セルがシステムから切り離された場合での放電動作において、バランス機能により出力電流が均等化される方法を説明する。
【００２２】
異常セル１１６が仮に電池部１１１の電池セルの直列接続の１段目の中の１つにあり、前記異常電池セルは異常セル検出部１１０により検出され、セル遮断制御部１０２によりシステムから切り離されているとする。このとき、バランス部１１２では異常セル１１６が本来接続される端子に接続されているバランサー１０６が動作する。なお、図２ではバランス動作に関係のないバランサー１０６は説明の都合で除外している。
【００２３】
本実施形態の電池システムは、異常セルが検出されてシステムから切り離されて生ずる並列段ごとの容量と出力電流のアンバランスを解消するために以下に述べるような動作をする。
【００２４】
負荷電流をＩＬ、バランサー１０６の１次側電流をＩＸ、電池部１１１の直列数をｓ、並列数をｐとすると、バランサー１０６の２次側電流はｓ・ＩＸとなる。
電流制御部１０９では、各セルの出力電流が等しくなるようにバランス電流ＩＸの値を設定する。すなわち、バランス電流ＩＸをＩＬ・１／（ε・ｓ・（ｐ−１））、（ここでεはフライバックコンバーターの電力変換効率）となるように設定すると、各電池セルの出力電流はＩＬ・（ε・ｓ・ｐ）／（ε・ｓ・（ｐ−１））と全てのセルにおいて等しい電流値となる。
【００２５】
図２のように、ｓ＝ｐ＝３でε＝１と仮定すると、バランサー１０６の１次電流としてＩＬ・１／８とすることで、バランサー１０６の２次電流はＩＬ・３／８となり、異常セルが切り離された並列段にはＩＬ・３／８がバランサー１０６からの電流として加えられる。
【００２６】
一方、３つの正常セルが稼動している並列段（２段目、３段目）では、負荷電流ＩＬとバランサー１０６の１次電流ＩＸを加えたものを電池セルの個数で割った（ＩＬ＋ＩＸ）／３を各電池セルが流すことになり、今ＩＸがＩＬ・１／８と設定すると、各電池セルの電流値はＩＬ・３／８となり、異常セル切り離されている並列段（１段目）の電池セルの電流値と一致する。
【００２７】
以上により、異常セルがシステムから切り離された場合に発生する並列セルのアンバランスを、負荷電流に比例した電流値を、バランス電流として流すことで、電池システム全体で不足分をアシストして、各電池セルから均等に電流値を出力することが可能になる。
【００２８】
異常セルが検知されない場合には全ての電池が均等に動作していて、その際の電流値はＩＬ／ｐとなる。一方、異常セルをシステムから切り離した際に、バランサーを使用しないと、異常セルを切り離した並列段の正常なセルの電流値がＩＬ・（ｐ／（ｐ−１））と増加する。
【００２９】
異常セルを切り離した前後で電池セルの電流値の変化率を比較すると
バランサー未使用  ｐ＾２・１／（ｐ−１）
バランサー使用    ｐ＾２・１／（（ｐ−１）／ｓ）  ε＝１の場合
直列数ｓは１以上の整数なので、バランサー１０６を使用した場合のほうが、未使用の場合よりも、各セルの電流値の増加率が抑えられる。したがって、前記バランサー１０６を使用することで異常セルがシステムから切り離された際でも、各電池の出力電流の大幅な増加を抑制することができる。すなわち、異常セルの切り離した際の動作に備えている各電池セルの電流マージンを少なくすることが可能になる。
【００３０】
図３は、バランサー１０６の動作波形を説明する図である。
セル遮断制御部１０２により異常セルがシステムから切り離されて、バランス部１１２が動作する。電流制御部１０９は予め電池部の直列数と並列数を備えていて、負荷電流検出部１０８の負荷電流検出結果に基づき、バランサーの１次側電流値ＩＸを設定する。電流制御部１１０は１次電流がＩＸに到達するまで１次側のスイッチング素子をＯＮする。１次電流がＩＸに到達すると、１次側スイッチをＯＦＦし、２次側スイッチをＯＮする。２次側スイッチは２次電流が０になるまでＯＮさせ、０になると２次側スイッチをＯＦＦにし１次側スイッチをＯＮする。この繰り返し動作によりバランサーを通じてアシスト電流を発生させる。
【００３１】
図４は、電池システムの放電フローを説明する図である。
図４において、本実施形態の二次電池システムは、異常電池セルが検出されない場合は、通常の充放電動作を行う（Ｓ１）。次に、異常セル検出部１１０にて異常セルの有無をモニターする（Ｓ２）。異常セルが検出されると、セル遮断制御部１０２にて該当電池セルをシステムより切り離す（Ｓ３）。
【００３２】
電池システムが充電動作中の場合（Ｓ４／Ｎｏ）、システムを停止して終了する。他方で、電池システムが放電動作中の場合（Ｓ４／Ｙｅｓ）、バランス部１１２が稼動し、出力負荷電流に応じたバランス電流が異常セルを切り離した電池部の並列段に供給される（Ｓ５）。バランス動作しながら放電動作を行い、いずれかのセル電圧が終止電圧となった場合に電池システムを停止する（Ｓ６／Ｙｅｓ）。
【００３３】
図５は、上記実施形態の変形である第２の実施形態の構成を示す回路図である。
図５はバランス部１１２の１次側トランスを共通化している点が図１に示した上記第１の実施形態と異なるが、その他の構成部、動作は同様なので、その説明は省略する。図５に示したような構成においても、上述した第１の実施形態と同等の効果が得られる。
【００３４】
また、図１に示した二次電池システムであっても図５に示した二次電池システムであっても、これを複数直並列に（マトリクス状に）接続した二次電池システムを構成することも好ましい。この構成の場合は、電池の容量が大容量となり、またそのような大容量電池であっても、異常電池セルが切り離されたときに出力電力定格の減少を防ぐことができる。
【００３５】
また、バランス電流供給の電力間をフライバックコンバーターで実施することも好ましい。この構成により、実装を簡易にして、高効率化を得ることができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態で開示した二次電池システムの制御方法の各手順は、制御プログラムにより、二次電池システムの組み込みコントローラに実行させてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１００    電池セル
１０１    電池セル遮断機能
１０２    セル遮断制御部
１０３    平滑化フィルタ
１０４    電流検出部
１０５    スイッチング素子
１０６    バランサー
１０７    直流電源
１０８    負荷電流検出部
１０９    電流制御部
１１０    異常セル検出部
１１１    電池部
１１２    バランス部
１１３    端子
１１４    端子
１１５    トランス
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特開２００２−１４２３５３号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２３３７８号公報
【図１】
2016220449.tif 000003
【図２】
2016220449.tif 000004
【図３】
2016220449.tif 000005
【図４】
2016220449.tif 000006
【図５】
2016220449.tif 000007