JP7051776B2

JP7051776B2 - 電池制御ユニットおよび電池システム

Info

Publication number: JP7051776B2
Application number: JP2019179431A
Authority: JP
Inventors: ちひろ大野; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-04-11
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021057988A; EP3799251B1; CN112583067A; US11616374B2; EP3799251A1; US20210098996A1

Description

本発明は、電池制御ユニットおよび電池システム、に関する。

複数の電池を直列に接続して構成される電池システムがある。複数の電池は、例えば製造時のバラツキや動作環境のバラツキに起因して、劣化がばらつく。例えば、熱源に近い電池は早く劣化してしまうが、熱源から離れた電池は劣化が遅い。

このため、充放電時に劣化の進んだ電池が最初に充電終止電圧に達してしまう。この場合、他の電池に余力が残っていたとしても充電を停止しなければならず、電池容量を使いきることができない。そこで、充電終了電圧に達した電池をバイパスして充電から切り離し、充電終了電圧に達していない電池の充電を継続させるシステムが提案されている（特許文献１）。

ところで、一般的に、電池は過充電を防止するためにＣＣＣＶ充電を行うことが多い。ＣＣＣＶ充電とは、定電流充電（ＣＣ：Constant Current）と、定電圧充電（ＣＶ：Constant Voltage）と、を組み合わせた充電である。ＣＣＣＶ充電は、電池が充電切替電圧に達するまでは定電流充電し、充電切替電圧に達すると定電圧充電に切り替えて充電電流を絞る。

特開２０１３－３１２４９号公報

例えば３つの電池Ｂ１～Ｂ３をＣＣＣＶ充電する場合、下記のように充電されることが想定される。電池Ｂ１が充電終止電圧に達したところで電池Ｂ１のみをバイパスして、電池Ｂ２、Ｂ３に対してＣＣＣＶ充電する。その後、電池Ｂ２が充電終止電圧に達したら電池Ｂ２もバイパスして、最後は電池Ｂ３のみでＣＣＣＶ充電を行う。しかしながら、このような充電方法では、電池Ｂ１が定電流充電から定電圧充電に切り替えて充電電流を絞らなければならなくなったとき、電池Ｂ２、Ｂ３はまだ充電電流を絞らなくてもよい状態なのに電池Ｂ１に合わせて充電電流を絞って充電しなければならない。このため、充電時間が長くなってしまう、という問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電時間を短縮することができる電池制御ユニットおよび電池システムを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電池制御ユニットおよび電池システムは、下記［１］～［２］を特徴としている。
［１］
直列接続された複数の電池毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池との直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
充電時に前記電池が充電終止電圧に達したか否かを判定し、前記充電終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する制御部と、
前記電池を充電する充電器と、
前記電池を定電流充電し、前記定電流充電中に前記電池が充電切替電圧に達したか否かを判定し、前記充電切替電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御し、全ての前記電池が前記充電切替電圧に達したときに全ての前記電池を接続状態に制御すると共に定電圧充電に切り替えて、前記電池を前記定電圧充電させる充電制御部と、を備えた、
電池制御ユニットであること。
［２］
直列接続された複数の電池と、
［１］に記載の電池制御ユニットと、を備えた、
電池システム。

上記［１］の構成の電池制御ユニットおよび電池システムによれば、充電制御部が、電池を定電流充電し、定電流充電中に電池が充電切替電圧に達したか否かを判定し、充電切替電圧に達したと判定した電池に対応する切替部を非接続状態に制御し、全ての電池が充電切替電圧に達したときに全ての電池を接続状態に制御すると共に定電圧充電に切り替えて、電池を定電圧充電させる。これにより、全ての電池について充電切替電圧に達する前まで定電流充電させ、充電切替電圧に達すると定電圧充電に切り替えることができる。このため、複数の電池の充電時間を短縮することができる。

本発明によれば、複数の電池の充電時間を短縮することができる電池制御ユニットおよび電池システムを提供することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の電池システムを示す回路図である。図２（Ａ）および（Ｂ）は、従来および図１に示す電池システムの動作を説明するための説明図である。図３は、（Ａ）および（Ｂ）は、従来および図１に示す電池システムのタイムチャートである。図４は、図１に示す電池システムを構成する制御部の充電処理手順を示すフローチャートである。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

図１に示す電池システムは、例えば劣化が進んだ電池を再利用した電力を供給する装置である。

同図に示すように、電池システム１は、複数の電池２ａ～２ｃと、電池制御ユニット３と、を備えている。本実施形態では、説明を簡単にするために、３つの電池２ａ～２ｃを直列接続した例について説明するが、これに限ったものではない。電池２ａ～２ｃの数は複数あればよく、２つでも、４つ以上でもよい。複数の電池２ａ～２ｃは各々、充放電可能な蓄電池であり、１つのセルから構成されていてもよいし、複数のセルから構成されていてもよい。

電池制御ユニット３は、複数の切替部４ａ～４ｃと、複数の電圧計測部５ａ～５ｃと、制御部６と、充電器７と、を備えている。複数の切替部４ａ～４ｃは、複数の電池２ａ～２ｃに各々対応して設けられている。複数の切替部４ａ～４ｃは、互いに同じ構成である。

切替部４ａ～４ｃは、対応する電池２ａ～２ｃが他の電池２ａ～２ｃと直列接続された接続状態と、対応する電池２ａ～２ｃが他の電池２ａ～２ｃとの直列接続から切り離された非接続状態と、の間で切り替え可能に設けられている。詳しく説明すると、切替部４ａ～４ｃにより接続状態に切り替えられた電池２ａ～２ｃ同士が直列接続されて電源として用いられる。一方、切替部４ａ～４ｃにより非接続状態に切り替えられた電池２ａ～２ｃが接続状態の電池２ａ～２ｃから切り離されて電源として用いられなくなる。

切替部４ａは、電池２ａに直列接続された第１スイッチＳＷ１ａと、電池２ａ及び第１スイッチＳＷ１ａに並列接続された第２スイッチＳＷ２ａと、から構成されている。第１スイッチＳＷ１ａは、一端Ｔ１１が電池２ａの一極（例えば正極）に接続されている。第２スイッチＳＷ２ａは、一端Ｔ２１が電池２ａの他極（例えば負極）に接続され、その他端Ｔ２２が第１スイッチＳＷ１ａの他端Ｔ１２に接続されている。切替部４ｂ、４ｃについては、上述した切替部４ａについての説明中の「ａ」を「ｂ」、「ｃ」にそれぞれ置き換えて説明することができ、詳細な説明を省略する。

また、第１スイッチＳＷ１ｂの他端Ｔ１２は、電池２ａの負極に接続され、第１スイッチＳＷ１ｃの他端Ｔ１２は、電池２ｂの負極に接続されている。即ち、互いに隣接する電池２ａ－電池２ｂ間、電池２ｂ－電池２ｃ間にそれぞれ、第１スイッチＳＷ１ｂ、ＳＷ１ｃが接続されている。

以上の構成によれば、第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃをオフし、第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃをオンすると、対応する電池２ａ～２ｃが接続状態となる。また、第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃをオフすると対応する電池２ａ～２ｃが非接続状態となる。このとき、第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃをオンするとバイパス経路が形成され、接続状態となっている電池２ａ～２ｃのみが直列に接続される。

複数の電圧計測部５ａ～５ｃは、対応する電池２ａ～２ｃの両端電圧を測定して、その測定結果を後述する制御部６に対して出力する。

制御部６は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、電池システム１全体の制御を司る。制御部６は、各電池２ａ～２ｃの両端電圧に基づいて第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃ及び第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃをオンオフ制御する。

充電器７は、電池２ａ～２ｃの両端に接続されて、電池２ａ～２ｃを充電する。充電器７は、定電流充電および定電圧充電に切り替え可能である。制御部６は、充電器７を制御して、定電流充電および定電圧充電を切り替える。

次に、上述した電池システム１の動作の概要について図２および図３を参照して以下説明する。図２および図３に示す例では、劣化により電池２ｃ＞電池２ｂ＞電池２ａの順に容量が小さくなっているものとする。また、例えば、放電終止電圧＝４．２Ｖ、定電流充電から定電圧充電に切り替える充電切替電圧＝３．８Ｖ（＜放電終止電圧）として説明する。従来技術では、図２（Ａ）および図３（Ａ）に示すように、最初に、制御部６は、充電器７を定電流充電（ＣＣ）に切り替え、電池２ａ～２ｃを定電流充電する。その後、電池２ａが最初に３．８Ｖに達すると、制御部６は、充電器７を定電圧充電（ＣＶ）に切り替え、電池２ａ～２ｃを定電圧充電する。電池２ａが４．２Ｖに達すると、制御部６が、電池２ａを非接続状態にしてバイパスすると共に、充電器７を定電流充電に切り替る。これにより、電池２ｂ、２ｃが定電流充電される。電池２ｂが３．８Ｖに達すると、制御部６は、充電器７を定電圧充電に切り替え、電池２ｂ、２ｃを定電圧充電する。そして、電池２ｂが４．２Ｖに達すると、制御部６は、電池２ｂをバイパスする共に、充電器７を定電流充電に切り替える。これにより、電池２ｃが定電流充電される。電池２ｃが３．８Ｖに達すると、制御部６は、充電器７を定電圧充電に切り替え、電池２ｃを定電圧充電する。そして、電池２ｃが４．２Ｖに達すると、充電を終了する。

これに対して、本実施形態では、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示すように、制御部６は、充電制御部として機能し、充電器７を定電流充電（ＣＣ）に切り替え、電池２ａ～２ｃが定電流充電される。その後、電池２ａが最初に３．８Ｖに達すると、制御部６は、電池２ａをバイパスし、電池２ｂ、２ｃの定電流充電を継続させる。電池２ｂが３．８Ｖに達すると、制御部６は、電池２ｂをバイパスし、電池２ｃの定電流充電を継続させる。電池２ｃが３．８Ｖに達すると、制御部６は、全ての電池２ａ～２ｃを接続状態に戻すと共に、充電器７を定電圧充電に切り替える。これにより、電池２ａ～２ｃが定電圧充電される。その後、制御部６は、電池２ａ～２ｃが４．２Ｖに達するとバイパスする。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）から明らかなように、従来技術では、電池２ｂ、２ｃは、３．８Ｖに達していないにも関わらず、充電電流が絞られる定電圧充電が行われてしまう。一方、本実施形態では、全ての電池２ｃ～２ｃについて、３．８Ｖに達していなければ定電圧充電が行われることがなく、充電時間の短縮を図ることができる。

次に、上記概略で説明した電池システム１の詳細な動作について、図４を参照して以下説明する。図４は、図１に示す制御部６の充電処理手順を示すフローチャートである。

制御部６は、充電命令を受信すると、図４に示す充電処理を開始する。まず、制御部６は、全第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃ、全第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃをオフにする（ステップＳ１）。その後、制御部６は、全第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃをオンにして（ステップＳ２）、全電池２ａ～２ｃを直列接続する。次に、制御部６は、充電器７を定電流充電に切り替えた後（ステップＳ３）、充電器７を電池２ａ～２ｃに接続して定電流充電を開始させる（ステップＳ４）。

次に、制御部６は、各電圧計測部５ａ～５ｃにより計測された電池２ａ～２ｃの両端電圧を取り込み、充電切替電圧（３．８Ｖ）と比較する（ステップＳ５）。制御部６は、比較した結果、接続状態の電池２ａ～２ｃのうち充電切替電圧に達した電池２ａ～２ｃがなければ（ステップＳ５でＮ）、ステップＳ５に戻る。

これに対して、制御部６は、比較した結果、充電切替電圧に達した電池２ａ～２ｃがあれば（ステップＳ５でＹ）、全電池２ａ～２ｃが充電切替電圧に達したか否かを判定する（ステップＳ６）。全電池２ａ～２ｃが充電切替電圧に達していなければ（ステップＳ６でＮ）、制御部６は、ステップＳ６で充電切替電圧に達したと判定された電池２ａ～２ｃをバイパスさせた後（ステップＳ７）、ステップＳ５に戻る。

全電池２ａ～２ｃが充電停止電圧に達していれば（ステップＳ６でＹ）、制御部６は、全電池２ａ～２ｃを接続状態にすると共に（ステップＳ８）、充電器７を定電圧充電に切り替える（ステップＳ９）。

次に、制御部６は、各電圧計測部５ａ～５ｃにより計測された電池２ａ～２ｃの両端電圧を取り込み、充電終止電圧（４．２Ｖ）と比較する（ステップＳ１０）。制御部６は、比較した結果、接続状態の電池２ａ～２ｃのうち充電終止電圧に達した電池２ａ～２ｃがなければ（ステップＳ１０でＮ）、ステップＳ１０に戻る。

これに対して、制御部６は、比較した結果、充電終止電圧に達した電池２ａ～２ｃがあれば（ステップＳ１０でＹ）、全電池２ａ～２ｃが充電終止電圧に達したか否かを判定する（ステップＳ１１）。全電池２ａ～２ｃが充電終止電圧に達していなければ（ステップＳ１１でＮ）、制御部６は、ステップＳ６で充電終止電圧に達したと判定された電池２ａ～２ｃをバイパスさせた後（ステップＳ１２）、ステップＳ１０に戻る。

一方、全電池２ａ～２ｃが放電終止電圧に達したと判定すると（ステップＳ１１でＹ）、制御部６は、電池２ａ～２ｃから充電器７を切り離して充電を停止する（ステップＳ１３）。その後、制御部６は、全第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃ、全第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃをオフした後（ステップＳ１４）、全第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃをオンして（ステップＳ１５）、処理を終止する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

また、上述した実施形態によれば、切替部４ａ～４ｃとしては、２つの第１スイッチＳＷ１ａ～ＳＷ１ｃ、第２スイッチＳＷ２ａ～ＳＷ２ｃとから構成されていたが、これに限ったものではない。切替部４ａ～４ｃとしては、電池２ａ～２ｃと、電池２ａ～２ｃに並列接続されたバイパス回路と、の何れかを選択する切替スイッチから構成されていてもよい。

ここで、上述した本発明に係る電池制御ユニットおよび電池システムの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［２］に簡潔に纏めて列記する。
［１］
直列接続された複数の電池（２ａ～２ｃ）毎に設けられ、対応する前記電池（２ａ～２ｃ）が他の前記電池（２ａ～２ｃ）と直列接続された接続状態と、対応する前記電池（２ａ～２ｃ）が他の前記電池（２ａ～２ｃ）との直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部（４ａ～４ｃ）と、
充電時に前記電池（２ａ～２ｃ）が充電終止電圧に達したか否かを判定し、前記充電終止電圧に達したと判定した前記電池（２ａ～２ｃ）に対応する前記切替部（４ａ～４ｃ）を前記非接続状態に制御する制御部（６）と、
前記電池（２ａ～２ｃ）を充電する充電器（７）と、
前記電池（２ａ～２ｃ）を定電流充電し、前記定電流充電中に前記電池（２ａ～２ｃ）が充電切替電圧に達したか否かを判定し、前記充電切替電圧に達したと判定した前記電池（２ａ～２ｃ）に対応する前記切替部（４ａ～４ｃ）を前記非接続状態に制御し、全ての前記電池（２ａ～２ｃ）が前記充電切替電圧に達したときに全ての前記電池（２ａ～２ｃ）を接続状態に制御すると共に定電圧充電に切り替えて、前記電池（２ａ～２ｃ）を前記定電圧充電させる充電制御部（６）と、を備えた、
電池制御ユニット（３）。
［２］
直列接続された複数の電池（２ａ～２ｃ）と、
請求項１に記載の電池制御ユニット（３）と、を備えた、
電池システム（１）。

１電池システム
２ａ～２ｃ電池
３電池制御ユニット
４ａ～４ｃ切替部
６制御部（充電制御部）
７充電器

Claims

直列接続された複数の電池毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池との直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
充電時に前記電池が充電終止電圧に達したか否かを判定し、前記充電終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する制御部と、
前記電池を充電する充電器と、
前記電池を定電流充電し、前記定電流充電中に前記電池が充電切替電圧に達したか否かを判定し、前記充電切替電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御し、全ての前記電池が前記充電切替電圧に達したときに全ての前記電池を接続状態に制御すると共に定電圧充電に切り替えて、前記電池を前記定電圧充電させる充電制御部と、を備えた、
電池制御ユニット。
直列接続された複数の電池と、
請求項１に記載の電池制御ユニットと、を備えた、
電池システム。