JP5517965B2

JP5517965B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP5517965B2
Application number: JP2011028339A
Authority: JP
Inventors: 英樹橋本; 巧大矢; 聡馬鈴木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: WO2012111410A1; JP2012170209A

Description

本発明は、複数の二次電池セルを直列に接続した複数のシリーズユニットが並列接続されてなる電源回路を有する電池システムの技術分野に関する。

充放電可能な二次電池として、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池などが知られている。この種の二次電池の応用分野として、例えば電気自動車やハイブリッド電気自動車のような大電力を必要とする系に搭載される電池システムがある。特にリチウムイオン二次電池はエネルギー密度及び入出力密度が高く、且つ、サイクル寿命が長いという特徴を有するため、この分野における研究開発が盛んに行われている。

電池システムでは、複数の二次電池セルを組み合わせて電源回路を構成して運用がなされている。特に大電力を供給するために用いられる電源回路は、複数の二次電池セルを直列接続してなるシリーズユニットを並列に組み合わせて構成される場合がある。この構成は、何らかの要因によって電源回路内に短絡などの不具合が生じた場合に、電池セル間に過大電流が流れることを防ぐことができるというメリットがある。

シリーズユニットを並列に組み合わせてなる構成では、実際の電池セルには個体差があるので、各シリーズユニットに流れる電流値には少なからずバラツキが生じる。このような電流値のバラツキは、各シリーズユニットが置かれる環境（例えば温度や湿度など）のバラツキによっても生じ得る。このように各シリーズユニットに流れる電流値にバラツキが生じると、各シリーズユニットの劣化度合いに差が生じてしまうため、問題となる。

このような各シリーズユニットに流れる電流値のバラツキを抑制するための技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、シリーズユニット毎に状態情報を検出し、該検出した状態情報に基づいて各シリーズユニットに流れる電流量を制御することにより、電流値のバラツキを抑制し、電池システムの寿命を可及的長期にする技術が開示されている。このような電流量の調整は、各シリーズユニットに直列に挿入された電力分配部により行われ、当該電力分配部は例えば可変抵抗やスイッチトキャパシタ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣチョッパなどの素子からなっている。

特開２００８−１１８７９０号公報

しかしながら、上記特許文献１では電力分配部や、当該電力分配部を制御するための状態情報を検出する検出手段などをシリーズユニットと一対一で設ける必要がある。そのため、特許文献１では電池システムの回路構成が複雑化し、低コストで実現することが難しいという問題点がある。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、各シリーズユニットにおける電流値のバラツキの抑制を低コストで実現可能な電池システムを提供することを目的とする。

本発明の電池システムは上記課題を解決するために、複数の二次電池セルを直列に接続したｎ個のシリーズユニットが互いに並列に接続されてなる電源回路を有し、該電源回路の出力端子に対して直列に第１の保護回路が接続されており、該第１の保護回路の出力端子に接続されたインバータを介して負荷側に電力を供給する電池システムにおいて、
前記第１の保護回路は、前記インバータ及び前記負荷間の電圧値に基づいて抵抗値が可変に制御可能に構成されており、前記互いに並列に接続されたｎ個のシリーズユニットの正極間に直列に接続され、前記シリーズユニット間を流れる電流値に基づいて抵抗値を可変に制御可能な（ｎ−１）個の第２の保護回路を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、（ｎ−１）個の第２の保護回路における抵抗値を可変に制御することによって、各シリーズユニット間における電流値のバラツキを抑制することができる。即ち、特許文献１では、第２の保護回路をシリーズユニットと一対一で設ける必要があるため、第２の保護回路は合計ｎ個必要であるが、本発明では合計（ｎ−１）個で済む。このように、本発明では回路を構成する素子数を抑制することができるので、低コスト化と同時に、電池システムの小型化を図ることができる。

前記各第２の保護回路の抵抗値は、該各第２の保護回路を流れる電流値のバラツキが減少するように制御されるとよい。例えば各第２の保護回路を流れる電流値をモニタすることにより、電流値のバラツキを測定し、該得られた電流値のバラツキを減少させるように各第２の保護抵抗の抵抗値を制御して調整するとよい。

本発明の一態様として、前記第２の保護回路は、第１の切替手段と固定抵抗とが直列に接続されてなる第１の回路と、第２の切替手段のみからなる第２の回路とが並列に接続されてなってもよい。この態様では、固定抵抗に対応する抵抗値を有する第１の回路と、抵抗値が略ゼロである第２の回路とを切り替えることによって、より単純な回路構成で抵抗値を可変に制御することができる。

この場合、前記固定抵抗にコンデンサが並列に接続するとよい。電池システムを構成する電池セルは主に化学反応によって電力を生成するため、始動時に負荷側の要求に対応するだけの十分な電力を出力することが困難な場合がある。本態様では、電池システムの始動時に予めコンデンサに蓄えた電力を用いることにより、負荷側からの要求に対して迅速に電力を供給することができる。

前記第２保護回路は前記（ｎ−１）個のシリーズユニットに対して直列に接続された可変抵抗からなってもよい。この態様では、第２の回路における抵抗値の可変制御をより細かい精度で行うことができる。

本発明の他の態様では、前記ｎ個のシリーズユニットは少なくとも一つのマスタユニットと、その他のスレーブユニットとからなり、前記スレーブユニットにおける第２の保護回路は、前記マスタユニットの出力電圧が所定値になるように抵抗値が可変に制御してもよい。この場合は特に、前記スレーブユニットにおける第２の保護回路は、該スレーブユニットに対して直列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ又はチョッパ回路からなるとよい。

第１実施例に係る電池システムの全体構成を示すブロック図である。第１実施例に係る電池システムが備える保護回路の具体的な回路構成について説明する。コントローラによる第１の保護回路の制御内容を示すフローチャート図である。コントローラによる第２の保護回路の制御内容を示すフローチャート図である。第２の保護回路の一の変形例を示す回路図である。第２の保護回路の他の変形例を示す回路図である。第２実施例に係る電池システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（第１実施例）
図１は第１実施例に係る電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。電地システム１００は、複数の二次電池セルが直列に接続されてなるシリーズユニット１を複数備えてなる電源回路２を有しており、該電源回路２の出力端子２ａには、第１の保護回路４（以下、「保護回路４」と称する）及びインバータ７を介して三相誘導電動機である電動モータ３が接続されている。電源回路２から出力された直流電力は、インバータ７によって電動モータ３の駆動に適した周波数、電圧値を有する交流電力に変換されて、負荷である電動モータ３に供給される。

インバータ７は三相誘導電動機である電動モータ３を駆動対象としており、駆動周波数が低く、大電流大電力であるモータ制御系のインバータ回路である。典型的には、スイッチング素子６個を用いた三相出力インバータであり、電動モータ３の回転速度調整や出力トルクの調整が容易化し、効率を大幅に改善する機能を有している。電源モータ３は、このようにインバータ７を介して供給される交流電力によって駆動され、その出力軸に連結された動力伝達機構を介して駆動輪に連結され、車両の走行が行われる。

ここで、インバータ７には平滑用のコンデンサ等が含まれており、電池システム１００の起動時に一時的に過大な突入電流が発生するおそれがある。保護回路４は、このような突入電流から電動モータ３側を保護するために設けられたものであり、その具体的な回路構成については後述することとする。

尚、インバータ７に代えて、同じく平滑用のコンデンサ等が含まれるＤＣ／ＤＣコンバータ等のパワーエレクトロ部品を用いられた場合にも、このような保護回路４が用いられる。

保護回路４とインバータ７とを接続するライン上には電圧計８が設けられており、インバータ７への入力電圧値がモニタ可能に構成されている。電圧計８によってモニタされた電圧値は、電池システム１００の全体の制御を司るコントローラ３０に送信され、後述する制御の実施に利用される。

続いて電源回路２の詳細な構成について説明すると、電源回路２は複数のシリーズユニット１が互いに並列に接続されてなり、各シリーズユニット１の正極間を接続する配線上には第２の保護回路６（以下、「保護回路６」と称する）が直列に接続されて構成されている。ここで、シリーズユニット１に含まれる二次電池セルは、例えばリチウムイオン二次電池セルであるが、ニッケル水素電池、鉛電池など各種二次電池セルを用いてもよい。

また、各シリーズユニット１の正極側には電流計９が直列に接続されており、各シリーズユニット１から出力される電流値がモニタ可能に構成されている。電流計９によってモニタされた電流値は、電池システム１００の全体の制御をつかさどるコントローラ３０に送信され、後述する制御の実施に利用される。

ここで、電源回路２には合計ｎ個（ｎは２以上の整数）のシリーズユニット１が含まれており、本実施例では特にｎ＝３である。そして、合計ｎ個のシリーズユニット１に対して、（ｎ−１）個の保護回路６が設けられている。つまり、本実施例では３個のシリーズユニット１に対して、保護回路６は２個設けられている。

ここで、互いに並列接続された各シリーズユニット１は同様の構成を有しており、同一の負荷（電動モータ３）に接続されているため、理想的には各シリーズユニット１から出力される電流値は等しくなる。しかしながら、実際には、各シリーズユニット１に含まれる二次電池セル間の個体差や、各シリーズユニット１の動作温度差に起因して出力される電流値にバラツキが生じてしまう。すると出力される電流値が大きいシリーズユニット１では電池セルの劣化が進行し、出力電圧が低下してしまう。その結果、その他の並列に接続されたシリーズユニット１との間の電位差に起因して、シリーズユニット１間で電流が流れてしまい、電池システム１００が危険な状態に陥ってしまうおそれがある。

上記特許文献１では、このような電源回路２から出力される電流値のバラツキを抑制するために、ｎ個のシリーズユニットに対して一対一に保護回路６を設ける必要があった。つまり、従来技術では、３個のシリーズユニット１が有る場合には、３個の保護回路６を設ける必要があった。それに対し、本発明では３個のシリーズユニット１に対して、保護回路６が２個で済む。そのため、回路化構成を簡素化することができ、低コスト化や小型化により適応した電池システムを実現することができる。

次に図２を参照して保護回路６の具体的な回路構成について説明する。図２は、第１実施例に係る電池システム１００が備える保護回路６の構成を示す回路図である。尚、本実施例では特に保護回路４も、回路構成の簡略化のために保護回路６と同様の構成を有するものとして、以下説明する。

保護回路６は、スイッチＳＷ１と負荷抵抗１０とが直列に接続されてなる第１の回路１１と、スイッチＳＷ２のみからなる第２の回路１２とが並列に接続された構成を有する。スイッチＳＷ１及びＳＷ２はコントローラ３０からの制御信号に基づいて、そのＯＮ／ＯＦＦが切替可能に構成されている。このようにスイッチＳＷ１及びＳＷ２を切り替え制御することによって、各保護回路６における抵抗値をゼロと所定の抵抗値との間を可変に切り替え制御可能に構成されている。

本実施例では特に、負荷抵抗１０は所定の抵抗値を有する固定抵抗素子である。この所定の抵抗値は、シリーズユニット１間の出力電流値にバラツキが生じた場合に、電流値が大きいラインにおいて付加抵抗１０によって電力を消費し、電流値を低減させるように設定させることにより、バラツキを抑制する。

尚、本実施例では負荷抵抗１０として固定抵抗を用いたが、これに代えて、可変抵抗やＤＣ／ＤＣコンバータ等を用いてもよい。この場合、抵抗値が可変に調整することができるので、より精度良くシリーズユニット１間における電流値のバラツキを抑制することが可能となる。

ここで図３を参照して、コントローラ３０による保護回路４の制御内容について具体的に説明する。図３はコントローラ３０による保護回路４の制御内容を示すフローチャート図である。尚、初期状態に置いて保護回路４はスイッチＳＷ１がＯＦＦ、ＳＷ２がＯＮに設定されており、シリーズユニット１側からの出力電圧がそのままインバータ７側に印加されるようになっている。

まずコントローラ３０は電圧計８から保護回路４とインバータ７とを接続するライン上の電圧値（電源回路２の出力端子の電圧値）Ｖを取得する（ステップＳ１０１）。そして、コントローラ３０は、当該取得した電圧値Ｖが予め設定された閾値Ｖ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。電圧値Ｖが予め設定された閾値Ｖ１より大きい場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、即ち、過大な突入電流が生じることによって電圧値Ｖが大きくなっている場合、コントローラ３０は保護回路４におけるスイッチＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦに切り替えることによって、シリーズユニット１側からの出力電流を固定抵抗１０によって消費し、突入電流の軽減を図る。そしてコントローラ３０は処理をステップＳ１０２に戻し、電圧値Ｖが予め設定された閾値Ｖ１以下になった場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、即ち、過大な突入電流が収まった場合、保護回路４におけるスイッチＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮに切り替えて、初期状態に戻す。

このような制御によって保護回路４では、電池システム１００の始動時に発生する過大な突入電流から負荷側の保護が実施される。

続いて図４を参照して、コントローラ３０による保護回路６の制御内容について具体的に説明する。図４はコントローラ３０による保護回路６の制御内容を示すフローチャート図である。尚、保護回路４と同様に、初期状態において保護回路６では、スイッチＳＷ１はＯＦＦに設定されており、スイッチＳＷ２はＯＮに設定されている。

まずコントローラ３０は各電流計９から各シリーズユニット１から出力される電流値Ｉを取得する（ステップＳ２０１）。そして、コントローラ３０は、当該取得した各電流値Ｉについて、予め設定された閾値Ｉ１より小さいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。ここで閾値Ｉ１は、劣化が進行することによってシリーズユニット１からの出力電流値が低下したと判定するための閾値として、予めシリーズユニット１のスペックとして規定される値であり、実験的、理論的又はシミュレーション的な各種手法により設定するとよい。

そしてコントローラ３０は、電流値Ｉが閾値Ｉ１より小さいシリーズユニット１については、その出力側に接続された保護回路６のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮに設定する（ステップＳ２０３）。一方、電流値Ｉが閾値Ｉ１以上であるシリーズユニット１については、その出力側に接続された保護回路６のスイッチＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦに設定する（ステップＳ２０４）。その結果、出力される電流値Ｉが大きいシリーズユニット１では固定抵抗１０によって電流値が抑制されるので、電流値Ｉが小さいシリーズユニット１との間のバラツキを低減することができる。

このようなコントローラ３０によるスイッチＳＷ１及びＳＷ２の切替制御は、定期的又は不定期的に保護回路６への入力電流値を取得することにより、繰り返し行うとよい。

尚、本実施例では負荷抵抗８を固定抵抗であるとして説明したが、可変抵抗を用い、コントローラが取得した各シリーズユニット１に入力される電流値に応じて、電流値のバラツキが解消又は軽減されるように抵抗値を可変に制御してもよい。

ここで、保護回路６の変形例について図５を参照して説明する。図５の例では、固定抵抗１０に対して並列にコンデンサ１３が接続されている。電池システム１００では、電池セルは主に化学反応によって電力を生成するため、始動時に負荷である電動モータ３に必要な十分な電力を出力することが困難な場合がある。このような場合であっても、コンデンサ１３を設けることによって、電池システム１００の始動時に予めコンデンサ１３に蓄えた電力を用いることにより、負荷側からの要求に対して迅速に電力を供給することができる。

また図６に保護回路６の他の変形例を示す。図６の例では、上述の第１の回路１１と第２の回路１２とに加えて、スイッチＳＷ３と固定抵抗１３とが直列に接続されてなる第３の回路１４を備える。特に固定抵抗１３の抵抗値を、第１の回路１１における固定抵抗１０とは異なるように設定するとよい。これにより、コントローラ３０によってスイッチＳＷ１乃至ＳＷ３を切り替え制御することで保護回路６における抵抗値を多段階的に調整できるので、各シリーズユニット１間における電流値のバラツキを、より精度よく行うことができる。尚、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３の切替制御は、図４を参照して上述した例に倣って行えばよい。

（第２実施例）
次に図７を参照して第２実施例に係る電池システム１００について説明する。図７は第２実施例に係る電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。尚、図７において第１実施例と共通する部分には共通の符号を付すこととし、適宜詳細な説明は省略することとする。

第２実施例では電源回路２に含まれる複数のシリーズユニット１のうち一つをメインシリーズユニット１ａとし、その他のスレーブシリーズユニット１ｂ及び１ｃとしている。この電源回路２では負荷側の要求電力に対し、基本的にはメインシリーズユニット１ａからの出力電力を供給し、それが要求電力に足りない場合に適宜スレーブシリーズユニット１ｂ及び１ｃから電力を補助的に供給する点に特徴がある。

また本実施例では、保護回路６として特にＤＣ／ＤＣコンバータを採用している。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧値は、コントローラ３０からの制御信号に基づいて、電圧計８から取得した電圧値Ｖが所定値Ｖ２になるように制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータは固定抵抗などとは異なり、コントローラ３０からの制御信号に基づいて出力電圧値をより柔軟に調整可能である。

本発明は、複数の二次電池セルを直列に接続した複数のシリーズユニットが並列接続されてなる電源回路を有する電池システムに利用可能である。

１シリーズユニット
２電源回路
３電動モータ
４第１の保護回路
６第２の保護回路
７インバータ
８電圧計
９電流計
１０固定抵抗
１１第１の回路
１２第２の回路
１３固定抵抗
１４第３の回路
３０コントローラ
１００電池システム

Claims

複数の二次電池セルを直列に接続したｎ個のシリーズユニットが互いに並列に接続されてなる電源回路を有し、該電源回路の出力端子に対して直列に第１の保護回路が接続されており、該第１の保護回路の出力端子に接続されたインバータを介して負荷側に電力を供給する電池システムにおいて、
前記第１の保護回路は、前記インバータ及び前記負荷間の電圧値に基づいて抵抗値が可変に制御可能に構成されており、
前記互いに並列に接続されたｎ個のシリーズユニットの正極間に直列に接続され、前記シリーズユニット間を流れる電流値に基づいて抵抗値を可変に制御可能な（ｎ−１）個の第２の保護回路を備えたことを特徴とする電池システム。
前記各第２の保護回路の抵抗値は、該各第２の保護回路を流れる電流値のバラツキが減少するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
前記第２の保護回路は、第１の切替手段と固定抵抗とが直列に接続されてなる第１の回路と、第２の切替手段のみからなる第２の回路とが並列に接続されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
前記固定抵抗にコンデンサが並列に接続されたことを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
前記ｎ個のシリーズユニットは少なくとも一つのマスタユニットと、その他のスレーブユニットとからなり、
前記スレーブユニットにおける第２の保護回路は、前記マスタユニットの出力電圧が所定値になるように抵抗値が可変に制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
前記スレーブユニットにおける第２の保護回路は、該スレーブユニットに対して直列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ又はチョッパ回路からなることを特徴とする請求項５に記載の電池システム。