CN102754301B - 电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够进行与所设置的场所及环境相应的变更的电源装置。具备：抑制多个电池单元(10)之间的电池剩余容量的偏差的第一均衡化电路(14)；和抑制构成各电池单元(10)且被串联连接的每个电池组(20)的电池剩余容量的偏差的第二均衡化电路(24)，第一均衡化电路(14)具备由将每个电池单元(10)连接到输出线(OL)的第一限制电阻(15)和第一均衡化开关(16)构成的第一串联电路，利用第一均衡化电路(14)使每个电池单元(10)之间的电池剩余容量的偏差均衡化，利用第二均衡化电路(24)来抑制构成每个电池单元(10)的每个电池组(20)之间的电池剩余容量的偏差。

Description

电源装置
技术领域
本发明主要涉及具备将输出电压与输出电流双方都增大的大容量电池组的电源装置。
背景技术
将输出电压与输出电流双方增大的电源装置是将多个电池串联地连接来提高电压的。该电源装置以相同的充电电流对串联连接的电池进行充电、或者以相同的电流对串联连接的电池进行放电。因此，所有电池如果全部为相同的特性，则电池电压或剩余容量就不会发生不平衡。然而，在现实中，无法制造全部相同的特性的电池。电池的不平衡在重复进行充放电时会成为电压或剩余容量的不平衡。进而，电池电压的不平衡成为使特定的电池过充电、或者过放电的原因。为了防止该不良影响，正在开发具备对每个电池的电压进行检测来解除不平衡的单体电池平衡维持功能的车辆用的电源装置(参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2006-149068号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如图4所示，专利文献1所公开的车辆用的电源装置40将构成串联电池组的每个电池41和放电电路42并联连接。放电电路42是放电电阻43与开关元件44的串联电路。该电源装置40利用放电电路42对提高了电压之后的电池41进行放电，以恢复单体电池平衡并解除电池的不平衡。对电池41进行放电的放电电路42将开关元件44切换为接通(ON)，利用放电电阻43对特定的电池41进行放电，以降低电压。
该电源装置40可以解除串联连接的电池41的不平衡。该电源装置虽然可以通过将多个电池串联连接来提高输出电压，但是电流容量成为每个电池的电流容量。电源装置的输出和电压与电流之积成比例，因此可以通过增大电流，从而进一步增大电源装置的输出。即，电源装置通过将多个电池串联并联地连接，从而可以增大输出电流与输出电压双方，可以进一步增大输出。将多个电池串联并联地配置为矩阵状之后进行连接的电源装置，和专利文献1同样，可以使串联连接的电池的电压均衡化来解除不平衡。但是，若按照使全部电池的电压均衡化的方式进行控制，则需要对多个电池进行充放电，均衡化极其花费时间。例如，将1000个锂离子电池串联并联地连接起来的大输出的电源装置存在：在使1000个锂离子电池的电压均衡化的方面会花费时间的缺点。
本发明正是鉴于现有的这种问题点而进行的。本发明的主要目的在于：提供一种在将多个单体电池串联并联地连接的同时可以有效地进行单体电池的均衡化的电源装置。
用于解决技术问题的手段及发明效果
为了达成上述目的，根据本发明的电源装置，是一种将多个单体电池并联地连接而成的电源装置，其特征在于，可以并联地连接多个单体电池来构成电池组，串联地连接多个电池组来构成电池单元，多个电池单元和输出线互相并联地连接，所述电源装置具备：抑制多个电池单元之间的电池剩余容量的偏差的第一均衡化电路；和抑制构成各电池单元且被串联连接的每个电池组的电池剩余容量的偏差的第二均衡化电路。由此，为了维持电源装置所包含的多个单体电池之间的单体电池平衡，作为利用第一均衡化电路来解除电池单元之间的不均衡并且利用第二均衡化电路来解除各电池单元所包含的电池组之间的不均衡的构成，可获得：无需单独地进行单体电池的均衡化，可以按照每个块在短时间内有效地恢复单体电池平衡的优点。
再有，根据第2电源装置，所述第二均衡化电路24可以具备与每个电池组20并联地连接且由第二限制电阻25与第二均衡化开关26构成的第二串联电路。由此，可以利用第二均衡化电路来解除各电池单元内电池组之间产生的不均衡。
进而，根据第3电源装置，所述电池单元10可以用装卸式的连接器来连接所述电池组20之间。由此，可以使得电池组的连接、更换操作更容易，尤其是在电池组的异常发生时容易地进行更换，除了可以缩短到修复为止的时间以外，还能获得可以不需要进行全部电池组的更换且降低成本的优点。
此外，根据第4电源装置，所述电池组20是将多个电池块串联地连接而构成的，每个电池块是将多个单体电池31并联地连接而成的，所述电池组20还可以按照每个所述电池块而具备使所述多个电池块均衡化的第三均衡化电路34。由此，也能够解除电池组内所包含的多个电池块之间的均衡化。
另外，根据第5电源装置，可以将所述电池组的容量设为1KVA～100KVA。
此外，根据第6电源装置，可以以自由装卸的方式将多个电池单元10连接到输出线OL。
再有，根据第7电源装置，可以还具备对所述并联连接开关12与所述均衡化开关进行控制的电源控制器2，所述电源控制器2将所述并联连接开关12设为接通状态且并联地连接电池单元10，将所述并联连接开关12设为断开状态并将均衡化开关设为接通状态，以使电池单元10均衡化。由此，与利用电阻等将单元电压高的电池单元的剩余电力作为热量来消耗的方法相比，除了可以有效利用电力以外，还可以获得：通过对单元电压低的电池单元进行充电来提高该电池单元的电压，可以减小单元电压差ΔVU，缩短均衡化动作所需的时间的优点。
进而，根据第8电源装置，可以将构成所述电池组20的单体电池31设为锂离子电池。
此外，根据第9电源装置，可以还具备将所述第一均衡化电路14与所述并联连接开关12并联地连接、并且对所述并联连接开关12与所述第一均衡化开关16进行控制的开关控制电路6，在将电池单元10连接到负载LD的定时，所述开关控制电路6将所述第一均衡化电路14的第一均衡化开关16设为接通状态后将电池单元10连接到负载LD，利用第一限制电阻15来限制冲击电流，在并未流过冲击电流的状态下，将所述并联连接开关12设为接通状态后将电池单元10连接到负载LD。由此，无需设置用于防止负载的冲击电流的专用电路，在将第一均衡化电路并用为防止冲击电流的电路的同时，可以防止负载的冲击电流。
附图说明
图1是表示采用了实施例1涉及的电源装置的电源系统的框图。
图2是表示进行图1的电池单元的均衡化动作的形态的框图。
图3是构成图1的电池单元的电池组(battery pack)的框图。
图4是表示现有的电源装置的框图。
图5是表示被连接于图1所示的电源装置的输出侧的冲击电流防止电路的一例的框图。
图6是表示采用了实施例2涉及的电源装置的电源系统的框图。
图7是将图6所示的电源装置连接到负载的流程图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。其中，以下所示的实施方式例示了用于将本发明的技术思想具体化的电源装置，本发明并未将电源装置限定为以下的结构。尤其是，本说明书为了容易理解权利要求的范围，将与实施方式所示的部件对应的编号附记于“权利要求的范围一栏”、及“用于解决技术问题的手段一栏”所示的部件，但绝对没有将权利要求的范围所示的部件限定为实施方式的部件。尤其是，实施方式所述的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特定的记载，就并不意味着将本发明的范围限定于此，仅仅只是说明例而已。另外，各附图所示的部件的大小及位置关系等有时为了明确地进行说明而有所夸张。进而，在以下的说明中，对于相同的名称、符号而言，表示相同的部件或相同材质的部件，适宜地省略详细说明。进而，构成本发明的各要素，既可以采取由相同的部件构成多个要素的形态，也可以采取在一个部件中兼用多个要素的形态，相反还可以利用多个部件来分担实现一个部件的功能。再有，在一部分实施例、实施方式中说明过的内容也能够利用于其他实施例、实施方式等中。
(实施例1)
在图1～图3中表示本发明实施例1涉及的电源装置100。在这些图中，图1是采用了电源装置100的电源系统的框图，图2是表示进行图1的电池单元10的均衡化动作的形态的框图，图3表示构成图1的电池单元10的电池组20的框图。这些图所示的电源系统具备电源装置100、负载LD和充电用电源CP。该电源装置100在由充电用电源CP进行充电之后驱动负载LD。因而，电源装置100具备充电模式与放电模式、及用于后述的电池单元10的均衡化的均衡化模式。负载LD与充电用电源CP分别经由放电开关DS及充电开关CS而和电源装置100连接。放电开关DS及充电开关CS的接通(ON)/断开(OFF)是通过电源装置100的电源控制器2来切换的。在充电模式下，电源控制器2将充电开关CS切换为接通且将放电开关DS切换为断开，以许可从充电用电源CP向电源装置100的充电。再有，在充电结束并充满电时、或者被充电了规定值以上的容量的状态下，根据来自负载LD的请求，电源控制器2将充电开关CS断开且将放电开关DS接通而切换为放电模式，以许可从电源装置100向负载LD的放电。再有，也可以根据需要，将充电开关CS接通且将放电开关DS接通，以同时进行负载LD的电力供给和向电源装置100的充电。
(负载LD)
由电源装置100驱动的负载LD经由放电开关DS而和电源装置100相连接。在电源装置100的放电模式下，电源控制器2将放电开关DS切换为接通而与负载LD连接，利用来自电源装置100的电力来驱动负载LD。放电开关DS可以利用FET等的开关元件。放电开关DS的接通/断开是由电源装置100的电源控制器2来控制的。
(充电用电源CP)
充电用电源CP串联地连接着充电开关CS。充电用电源CP将充电开关CS切换为接通之后，对电源装置100进行充电。再有，若检测到电源装置100已被充满电，则将充电开关CS切换为断开。这种切换是由电源控制器2来进行的。充电用电源CP可以利用太阳能电池面板或风力发电机、潮汐发电机、或地热发电器等利用了自然能量的自然能量发电器、或者燃料电池、气体发电器、商用电源等。在图1的例子中，使用的是太阳能电池面板。
(充电开关CS)
充电开关CS也可以利用FET等的开关元件。再有，充电开关CS的接通/断开也是由电源装置100的电源控制器2来控制的。充电开关CS被连接在充电用电源CP的输出侧与电源装置100之间，以控制对电源装置100的充电。该充电并不进行经由DC/DC转换器的电压变换等，而是通过利用了充电开关CS的接通/断开的脉冲充电来进行，从而可以实现高效化与电路的简化。
(电源装置100)
电源装置100具备：多个电池单元10；与各电池单元10连接的并联连接开关12；同样地与各电池单元10连接且用于进行各电池单元10的均衡化的第一均衡化电路14；与这些并联连接开关12、第一均衡化电路14、电池单元10相连接的OR电路4；以及与OR电路4连接的电源控制器2。
各并联连接开关12分别将电池单元10与输出线OL连接，电池单元10经由并联连接开关12而互相并联地连接。该并联连接开关12可以利用IGBT等。
(第一均衡化电路14)
第一均衡化电路14由第一限制电阻15(图1的15A、15B)和第一均衡化开关16(图1的16A、16B)的第一串联电路构成。该第一均衡化开关16可以利用FET等。根据充电模式、放电模式、均衡化模式等动作模式，由电源控制器2来控制第一均衡化开关16及并联连接开关12的接通/断开。在充电模式、放电模式等通常动作时，将各并联连接开关12切换为接通状态、将第一均衡化开关16切换为断开状态，而在均衡化模式时，将相应的并联连接开关12切换为断开状态、将第一均衡化开关16切换为接通状态。
(电源控制器2)
电源控制器2与各电池单元10及OR电路4、放电开关DS、充电开关CS连接，对这些部件进行控制。图1所示的电源装置100将2台电池单元10A、10B并联地连接，利用电源控制器2进行控制并驱动负载LD，并且由充电用电源CP对各电池单元10进行充电。该电源控制器2如上所述根据放电模式、充电模式，进行放电开关DS及充电开关CS的接通/断开的切换。再有，电源控制器2与各电池单元10连接，依据来自各电池单元10的信号，将第一均衡化开关16及并联连接开关12切换为接通/断开，以进行电池单元10之间的均衡化。进而，作为来自各电池单元10的信号，若如后述经由母组20的组输入端子DI而接受来自电池单元10的异常信号，则电源控制器2按照切断相应的电池单元10的方式对并联连接开关12进行控制。该电源控制器2可以由包括微型计算机的MPU等来构成。
在图1的例子中，对连接了2台电池单元10的例子进行了说明，但当然也能够将3台以上的电池单元连接起来。再有，在该例子中，虽然以一台电源控制器来控制全部的电池单元，但在电池单元数较多的情况下也可以构成为由多台电源控制器进行控制。进而，在图1的例子中，虽然将电源控制器与电池单元分开来准备，但也可以将电源控制器设置在电池单元侧。再者，也可以将电源控制器的功能集成到后述的母组的电池组20的组控制电路39中。
再有，电源控制器2具备用于与外部设备进行通信的通信接口。在图1的例子中，依据UART或RS-232C等既存的通信协议，与主机设备HT进行连接。再有，也可以根据需要，设置用户用于对电源系统进行操作的用户接口。例如，作为操作部也可以在电源控制器上连接键盘或鼠标、触摸面板或控制台等输入器件，来规定最大电流量或者设定所连接的电池单元的使用可否。此外，还可以设置在电池组20发生了异常之际用于告知用户的显示面板或显示灯。
(第一均衡化电路14的均衡化动作)
该电源装置100在放电模式时，由电源控制器2对2台电池单元10A、10B各自的输出电压(单元电压)进行比较，若该单元电压差ΔVU为规定的单元阈值(例如1V)以上，则移行至进行均衡化动作的均衡化模式。在各电池单元10中，由母组的组控制电路39对此处所包含的多个电池组20、即母组、子组(后述)的电压值进行合计，并将该合计值作为单元电压，向电源控制器2通信。再有，除了由电源控制器2运算并取得各电池单元10内的电池组20的输出电压(组电压)之和以外，也可以在各电池单元中设置电压传感器。均衡化动作是通过使单元电压高的电池单元放电并充电到单元电压低的电池单元中而进行的。作为电池单元31，各电池组20将锂离子二次电池串联地连接13个、并联地连接24个。该电池组20将额定输出设为50V、30A。
作为一例，基于图2对电池单元10A的单元电压变得比电池单元10B高之际的均衡化动作进行说明。首先，电源控制器2为了切换为均衡化模式而将充电开关CS及放电开关DS断开。再有，将电池单元10A的并联连接开关12A设为断开状态、将第一均衡化开关16A设为接通状态，而对于电池单元10B来说与放电模式时相同，将并联连接开关12B维持为接通状态、将第一均衡化开关16B维持为断开状态。由此，如图2中箭头所示，经由电池单元10A的第一串联电路而将电池单元10A与电池单元10B连接起来。结果，电流从单元电压高的电池单元10A起，经过第一限制电阻15A而流向单元电压低的电池单元10B，从电池单元10A向电池单元10B充电。即，电池单元10A通过放电使单元电压下降，电池单元10B通过充电使单元电压上升。结果，单元电压差ΔVU下降，若达到单元阈值以下，则电源控制器2停止均衡化模式，复原为通常的放电模式。另外，在充电模式时不进行均衡化动作。电源控制器2，以在各电池单元10的充电结束并移行至放电模式的时间点是否进行均衡化动作的方式，监视单元电压差ΔVU。
这样一来，与利用电阻等将单元电压高的电池单元的剩余电力作为热量来消耗的方法相比，除了可以有效利用电力以外，还可以获得：通过对单元电压低的电池单元进行充电来提高该电池单元的电压，可以减小单元电压差ΔVU而缩短均衡化动作所需的时间的优点。
(电池单元10)
电池单元10是将多个电池组20连结而构成的。各电池单元10经由并联连接开关12而与输出线OL连接。另外，在图1的例子中，电池单元10A、10B使用的是相同的部件。再有，在该图例中虽然使用了2个电池单元10，但当然也能够使用3个以上的电池单元。
将多个电池组20连接起来的电池单元10将任一个电池组20作为母组来发挥作用，将其他电池组20作为子组，由母组进行管理。母组监视子组的状态，并向电源控制器2报告。在图1的例子中，母组与子组由相同的电池组20构成。即、通过使电池组20通用化，根据连接方式既可以作为母组发挥作用也可以作为子组发挥作用，从而削减了制造成本。在图1的例子中，将与各电池单元10的最下面连接的电池组20作为母组，将其他电池组20作为子组。
(电池组20)
图1的电池组20具备信号端子与电源端子。作为组控制电路39的信号端子，电池组20具备：组输入端子DI、组异常输出端子DA、和组输出端子DO。组输入端子DI是用于输入来自其他组电池或来自电源控制器2的信号的端子，相反，组输出端子DO是用于向其他组电池或电源控制器2输出信号的端子。另外，组异常输出端子DA是用于向外部输出组电池的异常的端子。在图1的例子中，组异常输出端子DA与OR电路4连接。
另一方面，作为将单体电池31彼此之间连接起来的组输出端子，电池组20具备正极端子与负极端子。在电池组20之间，将正极端子与负极端子连接起来，将电池组20彼此之间串联地连接，以增加输出电压。
再有，图1的各电池单元10包括1台母组与多个子组。母组与子组被连接为联成一串状。在此，在相邻的电池组20之间，由于将信号端子彼此之间连接起来，故将前一级的组输出端子DO和下一级的电池组20的组输入端子DI相连接。此外，母组的组输入端子DI与电源控制器2的输出相连接。进而，最终级的子组的组输出端子DO和任何地方都不连接而是开放的。此外，在这种菊链连接方式中，当然也可以在最终级的子组的组输出端子DO上连接终端负载(终端电阻)等表示线的终端位置的终端连接工具。这些组输入端子DI、组异常输出端子DA、组输出端子DO为2根信号线，在与电源控制器2之间通过数据通信来进行信号的交换。数据通信例如可以利用指定了发送目的地的数据包通信。预先向各电池组赋予固有的ID编号，在以数据包的方式被通信的数据包中包含着发送目的地的电池组的ID编号和该电池组所对应的命令。由此，在通用的通信线上能够针对各电池组进行单独的数据通信。另外，作为向各电池组赋予固有的ID编号的方法，例如可以适宜地利用电源控制器根据电池组的连接方式而自动地分配ID的方法、或按照每个电池组利用DIP开关等手动地单独设定ID编号的方法等。作为设定ID编号的定时，例如可以设为用户压下设置为专用的ID设定开关的定时、或者在母组侧自动检测到已连接子组的定时等。再有，在最终级的子组的组输出端子DO上连接终端连接工具的情况下，也可以构成为在连接该终端连接工具的定时执行ID的设定。例如，也可以在组输出端子DO的连接器等的接口部分设置微型开关或短路针脚等检测装置，通过构成为一旦连接了终端连接工具就物理地接通开关或使检测信号线短路，从而与终端连接工具的连接同时地使检测装置自动工作，以赋予ID编号。此时，还优选与电源线或信号线分开设置信号检测线。进而，作为赋予ID编号的次序，在已连接终端连接工具的子组取得了ID编号之后，对与下一级连接的子组发送进行取得ID编号的处理的ID取得信号。这样一来，可以将ID取得信号依次向所连接的子组送出，若最后由母组接受ID取得信号，则识别为全部的电池组(子组)都已取得了ID编号，结束ID编号设定处理。
通过这种连接，利用RS-485等通信方式(例如利用了主从关系的通信方式)，母组可以获得各子组的电池信息(电池电压、温度、异常信息等)。通过RS-485等通信方式，可以从母组向电源控制器2通信各种信息等的信号。
在图1的例子中，各电池单元10将1个母组与4个子组(各单元在图中在纵向上仅图示了3个，省略了2个的图示)连接起来，共计连接5个电池组20来构成1个电池单元10。这些电池组20之间的信号端子彼此之间的连接是经由装卸式的连接器等来进行的。由此，可以使电池组20的连接、更换操作变得容易，在维护时比较有利。
再有，组异常输出端子DA分别与OR电路4连接。按照每个电池单元10来设置OR电路4。因而，各OR电路4在各电池单元10中分别连接着1个母组及4个子组。若从任一个电池组输出停止信号(异常信号)，则各OR电路4将并联连接开关12开放，将相应的电池组自电源装置切断。由此即使任一个电池组中发生异常，通过仅将有问题的电池组切断，从而可以保护其他电池组。作为这种异常，有过充电、过放电的异常等。再有，电源控制器2接受异常发生并告知更换电池组，催促用户更换产生了问题的电池组。用户通过仅更换相应的电池组，从而可以使电源系统修复原状。该构成，能够仅更换产生了问题的电池组，不但可以降低修理成本，并且利用连接器的装卸可以简化更换操作，也可以提高维护的操作性。
(OR电路4)
OR电路4经由通用的总线而与电源控制器2连接。按照每个电池单元10设置的OR电路4，分别与并联连接开关12连接，并且与电源控制器2连接。如后述，电源控制器2在各电池单元10中从母组的组控制电路39接受异常信号，将并联连接开关12断开，并且告知用户更换电池组20。电池组更换，例如除了从与电源控制器2连接着的通信接口向外部设备输出以外，还可以利用设置于电源控制器2的显示器或显示灯等来显示电池组更换，通过画面显示或显示灯的点亮等来告知用户。
此外，并不限于图1的例子的构成，例如也能够将各组异常输出端子的输出直接送出到电源控制器侧。
(第二均衡化电路24)
进而，作为第二均衡化电路24，各电池组20具备第二限制电阻25与第二均衡化开关26的第二串联电路。如图3所示，该第二串联电路与各电池组20并联地连接，通过第二均衡化电路24可以解除电池组20彼此之间的不均衡。
(第二均衡化电路24的均衡化动作)
各第二均衡化电路24对各电池组20的组电压进行均衡化，以解除不平衡。图1的第二均衡化电路24利用第二限制电阻25对组电压高的电池组20进行放电，以解除不平衡。其中，本发明并未将均衡化电路特定为利用限制电阻对电池进行放电的电路。例如，均衡化电路也可以将电压高的电池向电容器或电池等蓄电器放电，并在蓄电器中蓄电，将该蓄电器的电荷向电压低的电池进行放电，从而解除电池的电压差。
图3的第二均衡化电路24具备第二限制电阻25串联地连接着第二均衡化开关26的第二串联电路，电源控制器2或后述的组控制电路39检测每个组电压，将第二均衡化开关26控制为接通/断开，以在电池单元10内进行电池组20的均衡化。第二限制电阻25与第二均衡化开关26的第二串联电路，和每个电池组20并联地连接。该第二均衡化电路24在电池组20的组电压升高时，利用组控制电路39将第二均衡化开关26切换为接通，利用第二限制电阻25使电池组20放电，降低电池组20的电压，以进行均衡化。
具备微型计算机的组控制电路39对每个电池组20的组电压进行比较，按照使所有电池组20的组电压均衡化的方式对第二均衡化开关26进行控制。该组控制电路39将与比规定的阈值电压(组阈值)还高的电池组20连接着的第二串联电路的第二均衡化开关26切换为接通，以使该电池组放电。随着放电的进行，电池组20的电压下降。使电池组的电压下降到与其他电池组平衡为止之后，将第二均衡化开关26从接通切换为断开。若第二均衡化开关26被断开，则停止电池组的放电。由此，组控制电路39对组电压高的电池组进行放电，以使全部电池组的组电压平衡。
(电池组20的框图)
图3中表示电池单元10所包含的电池组20的框图。在该图3中，示出了图1的母组的连接例。如图3所示，电池组20具备：将多个单体电池31串联及并联地连接起来的电池体；与电池体串联地连接的电流保险丝32；电池监视电路33；组电流检测电路37；以及具备平衡判定功能且主要由微型计算机构成的组控制电路39。该电池组20被容纳在组壳体中。组壳体可以使用服务器用备用电源等中采用的19英寸的壳体。由此，可以利用服务器用的机架等，可以提高通用性。
电流保险丝32由于过电流而物理地切断电路，由此保护电池组20。电池监视电路33检测电池块的电压，并向组控制电路39送出。组控制电路39检测充电模式下的电池组20的过充电并限制充电电流，由此保护单体电池31不被过充电。再有，通过检测放电模式下的电池组20的过放电并限制放电电流，从而保护单体电池31不被过放电。
(组控制电路39)
再有，在图3的例子中，组输入端子DI及组输出端子DO分别经由隔离器(isolator)而与组控制电路39连接。此外，组异常输出端子DA经由光电耦合器而与组控制电路39连接。由此，可使各信号端子分别与外部绝缘。
这样，能够连接多个电池组20来构筑大型化的电源装置，由此可以调整连接数且也可以容易地对应大规模用途。再有，无论在哪一个单体电池中发生异常，都能够获得通过仅将包括异常的单体电池的电池组切断并更换，从而可以削减更换电池所需的费用的优点。
(组电流检测电路37)
组电流检测电路37检测电池组20的充放电电流，并向组控制电路39送出。例如，根据与电池组20串联地连接的电流检测电阻的两端电压来检测组电流。
(电池监视电路33)
电池监视电路33与检测单体电池31的温度的温度传感器或检测电池块的块电压的电压传感器相连接。温度传感器可以利用热敏电阻等。该电池监视电路33基于单体电池31的温度或单体电池31的块电压来检测电池块的过充电、过放电，若检测到异常，则从组异常输出端子DA向OR电路4输出信号，并开放并联连接开关12而将该并联连接开关12断开，将包括相应的电池组的电池单元自电源装置切断。如下述所进行的说明那样，这种功能在由组控制电路39进行的异常检测无法正常地工作时起作用。
再有，从电池监视电路33向组控制电路39输出经过AD变换后的电池电压值等。在各组控制电路39中，根据电池电压值来进行过放电、过充电等的判定，如果为这种过放电、过充电等的异常，则由子组向母组传达异常的信息。此外，各电池组的电池电压值等作为信息从子组被传达到母组。
在各电池单元10中，如果子组或母组异常，则母组的组控制电路39向电源控制器2通信。而且，由电源控制器2经由OR电路4将并联连接开关12断开。再有，母组的组控制电路39获得子组、母组的电池电压值，母组的组控制电路39进行合计并将该合计值向电源控制器2通信。
(电池块)
电池组20将多个电池块串联地连接，每个电池块是将多个单体电池31并联地连接而构成的。另外，电池块也能够并不将多个单体电池31串联连接而是仅并联地连接。在图3的例子中，由于是将24个单体电池31并联地连接而成的电池块13个串联地连接在一起，从而构成电池组20的，故电池体共计在电池组20中使用了312个单体电池31。该电池组20以额定电压50V、额定电流30A来使用。再有，在图1所示的电池单元中，由于将5个这种电池组20串联地连接来构成1个电池单元，所以按每个电池单元进行合计共利用1560个单体电池31，实现额定电压250V、额定电流30A。而且，将这些电池单元多个并联地连接起来构成可靠性优越的电源装置。可以根据用途来设定所使用的电池的总数即电池组的容量，例如可以设为1KVA～100KVA。
(单体电池31)
单体电池31除了利用在一个方向上延伸存在的圆柱状或圆筒状的单体电池以外，还可以利用使用了方形的外装罐的类型。该单体电池31优选可以使用锂离子二次电池或镍氢电池、镍镉电池等二次电池。尤其是，优选为锂离子二次电池。锂离子二次电池由于容积密度较高，故适于电池组20的小型化、轻量化。再有，锂离子二次电池和铅蓄电池或镍氢电池相比，能够充放电的温度区域比较宽，能够有效地进行充放电。
再有，单体电池31的正极材料优选采用磷酸铁系材料。由此，可以提高安全性，可以抑制充放电的温度依存性，尤其是在低温时也可以维持比较高的充放电效率，因此即使在冬季也能够有效地进行充放电。
进而，锂离子二次电池的正极可以采用3成分正极。该锂离子二次电池在正极中取代现有的钴酸锂而将Li-Ni-Mn-Co复合氧化物与钴酸锂混合利用。因为该锂离子二次电池在正极除了锂以外还使用3成分组成的Ni-Mn-Co，所以能以高电压进行充电，热稳定性提高，充电最大电压可以提高到4.3V，可以增大容量。
其中，充电时的电压在所使用的单体电池31中优选有意地设定为比被判断为充满电的电压更低的电压。例如，在使用锂离子二次电池的情况下，虽然在一般的条件下在4.2V附近判断为充满电，但却设定为在4V就判定为充满电。由此，实现单体电池的长寿命化。
进而，优选按照比充电用电源CP、即太阳能电池面板的最大输出动作电压Vop更低的方式来选择作为由单体电池31构成的电池组(电池块)的公称电压的额定电压(若为锂离子二次电池，则是以串联数乘以大约3.7～4.0V/单元电池而得到的电压值)。更优选的是Vop的70～90％。这是因为：电池组的电压会受到太阳能电池面板的动作电压的影响，故在偏离Vop的电压下充电电力减少的缘故。进而，与电池组的放电深度相比，太阳能电池面板的电压升高。因此，为了进行满充电，更优选在接近于满充电状态时接近Vop。再有，需要考虑到由于温度使太阳能电池面板的电压发生变动的情况，选择适当的电池组电压。因而，更优选为上述的电压范围。
此外，在本实施例中，通过设为上述的电压范围，从而在进行单体电池31的充电之际可以不需要DC/DC转换器，可以抑制DC/DC转换器内的电力损耗。由此，能够进行高效率充电，并且可以消除DC/DC转换器的更换操作且减少零件个数，因此可以预见到故障率降低引起的可靠性的提高或低成本化、长时间内不需维护的实现。而且，在本实施例中根据上述的电压范围，从而在单体电池41的充电之际可以不需要DC/DC转换器。
(平衡判定功能)
进而，具备平衡判定功能的组控制电路39进行由上述的第二均衡化电路24使各电池单元10中被串联连接起来的电池组20的电压均衡化的控制。如上所述，在各电池单元10中，作为母组的电池组20的组控制电路39通过通信来取得各电池组20的电压，并进行比较，通过放电来维持平衡。
(第三均衡化电路34)
进而，各电池块具备用于解除电池块之间的不均衡的第三均衡化电路34。按照每个电池块分别并联地连接第三均衡化电路34。该第三均衡化电路34具备与每个电池块并联地连接的第三限制电阻35和第三均衡化开关36的第三串联电路。由组控制电路39来控制这些第三均衡化开关36的接通/断开。
(第三均衡化电路34的均衡化动作)
各第三均衡化电路34对各电池块的块电压进行均衡化，以解除不平衡。图3的第三均衡化电路34利用第三限制电阻35对块电压高的电池块进行放电，以解除不平衡。该第三均衡化电路34具备将第三均衡化开关36与第三限制电阻35串联地连接在一起的第三串联电路，组控制电路39检测每个块电压，将第三均衡化开关36控制为接通/断开，以在电池单元内进行电池块的均衡化。第三限制电阻35与第三均衡化开关36的第三串联电路，和每个电池块并联地连接。该第三均衡化电路34在任一个电池块的块电压变得比规定的阈值电压(块阈值)高时，利用组控制电路39将该电池块的第三均衡化开关36切换为接通。由此，电池块被第三限制电阻35放电，块电压下降。若下降到规定的块电压，则结束均衡化，将第三均衡化开关36从接通切换为断开。组控制电路39对每个电池块的块电压进行比较，按照使所有电池块的块电压均衡化的方式来控制第三均衡化开关36。
这样一来，电源装置利用第一均衡化电路14来解除电池单元之间的不平衡，利用第二均衡化电路24来解除各电池单元内的电池组之间的不平衡，进而利用第三均衡化电路34来解除各电池组内的电池块之间的不平衡。这样，通过分为三个阶段的群组来进行均衡化，从而即使在使用多个单体电池的电源装置中也可以有效地解除不平衡，可以改善可靠性而长期稳定地使用单体电池。尤其是，在使用多个单体电池而提高了输出的大型电源装置中，因为存在因任一个单体电池不能使用而导致电源装置整体无法使用的担忧，所以尽可能稳定地使用各单体电池是非常重要的。因此，通过在极力降低单体电池之间的不平衡而维持了单体电池平衡的状态下使用，从而可以应对这种问题。
虽然在该图中并未示出，但图1所示的电源装置也可以在输出侧连接冲击电流防止电路。如图5所示，冲击电流防止电路51由防止流向负载LD的冲击电流的电流限制电阻52和开关元件53的串联电路构成。再有，图5的电路将冲击电流防止电路51与放电开关DS并联地连接起来。该图的电源装置若将放电开关DS切换为接通，则在负载LD中会有冲击电流流过，对开关或保险丝(未图示)等给予过电流引起的不良影响。冲击电流主要是与负载LD并联地连接着的大容量的电解电容器CD的充电电流。冲击电流防止电路51在将放电开关DS断开的状态下将开关元件53切换为接通，利用电流限制电阻52来限制负载LD中流动的冲击电流。
根据图5的电路构成，需要设置专用的冲击电流防止电路51。另一方面，图6所示的电路构成的电源装置通过将第一均衡化电路14兼用作冲击电流防止电路，不但省略了专门设置的冲击电流防止电路，同时还可以防止负载LD的冲击电流。
图6所示的电源装置将第一均衡化电路14与并联连接开关12并联地连接，利用开关控制电路6来控制并联连接开关12与第一均衡化开关16。开关控制电路6在将电池单元10连接到负载LD的定时、即在将放电开关DS切换为接通的定时，将并联连接开关12切换为断开状态、将第一均衡化电路14的第一均衡化开关16切换为接通状态，以将电池单元10连接到负载LD。在该状态下，电池单元10经由第一限制电阻15而被连接到负载LD，在负载LD的电解电容器CD等中流动的冲击电流被第一限制电阻15限制。冲击电流的峰值是由第一限制电阻15的电阻值来确定的。例如，若将第一限制电阻15的电阻值设为100Ω、将电池单元10的电压设为250V，则冲击电流的峰值为2.5A以下。
冲击电流逐渐减少，对负载LD的电解电容器CD进行充电。在冲击电流不再流动的状态下，开关控制电路6将并联连接开关12切换为接通。此时，开关控制电路6在将并联连接开关12切换为接通之后将第一均衡化开关16切换为断开。其中，开关控制电路6，也可以在将第一均衡化开关16切换为断开的同时将并联连接开关12切换为接通，或者在将第一均衡化开关16切换为断开之后将并联连接开关12切换为接通。
图7表示图6所示的电源装置被连接到负载LD的流程图。
该流程图在以下的步骤中将电池单元10连接到负载LD。
[n＝1、2的步骤]
在该步骤中，在将电池单元10连接到负载LD而开始放电之前，开关控制电路6将第一均衡化电路14的第一均衡化开关16切换为接通。即，开关控制电路6在将电池单元10连接到负载LD的定时，将第一均衡化电路14的第一均衡化开关16切换为接通之后将放电开关DS切换为接通。在该状态下，电池单元10经由第一限制电阻16而被连接到负载LD，在防止负载LD的冲击电流的同时，对负载LD的电解电容器CD等进行充电。
[n＝3的步骤]
向电源控制器2提供电源而变成动作状态，成为对负载LD中流动的电流进行检测的状态。
[n＝4、5的步骤]
检测从电池单元10向负载LD输出的电流，判定检测电流是否在设定值以下。若检测电流为设定值以下，则转移至n＝8的步骤，将并联连接开关12切换为接通。
[n＝6、7的步骤]
若检测电流比设定值大，则检测电池单元10的电压和电源线OL的电压的电压差、即第一限制电阻15两端的电压差，判定所检测出的电压差是否在测量误差范围内。若所检测出的电压差在测量误差范围内，则进入n＝8的步骤，将并联连接开关12切换为接通，否则返回到n＝4的步骤。
若成为负载LD的电解电容器CD被充电而并未流过冲击电流的状态，则因为电池单元10与电源线OL的电压基本相等，所以所检测的电压差在测量误差范围内。即，若电池单元10与电源线OL的电压差在测量误差范围内，则成为负载LD的电解电容器CD被充电而并未流过冲击电流的状态。
[n＝8、9的步骤]
在将并联连接开关12切换为接通并将电池单元连接到负载LD之后，将第一均衡化开关切换为断开。
如上所述，检测负载LD的冲击电流并将检测电流与设定值进行比较，进而检测电池单元10与电源线OL的电压差，以检测并未流过冲击电流的状况的电源装置，可以更可靠地检测并未流过冲击电流的状态，可以将并联连接开关12切换为接通。
其中，冲击电流不再流动的状况，也可以通过检测电池单元的输出电流并与设定值进行比较、或者检测电池单元与电源线的电压差的任一方来进行判定。
工业可用性
本发明涉及的电源装置优选可以利用于以夜间电力或太阳能电池面板进行充电来使用的家庭用、工厂用的电源装置等中。
符号说明
100...电源装置
2...电源控制器
4...OR电路
6...开关控制电路
10、10A、10B...电池单元
12、12A、12B...并联连接开关
14...第一均衡化电路
15、15A、15B...第一限制电阻
16、16A、16B...第一均衡化开关
20...电池组
24...第二均衡化电路
25...第二限制电阻
26...第二均衡化开关
31...单体电池
32...电流保险丝
33...电池监视电路
34...第三均衡化电路
35...第三限制电阻
36...第三均衡化开关
37...组电流检测电路
39...组控制电路
40...电源装置；41...电池；42...放电电路
43...放电电阻；44...开关元件
51...冲击电流防止电路
52...电流限制电阻
53...开关元件
LD...负载；CP...充电用电源；CD...电解电容器
DS...放电开关；CS...充电开关
HT...主机设备；OL...输出线
DI...组输入端子；DA...组异常输出端子；DO...组输出端子

Claims (13)

1.一种电源装置，将多个单体电池(31)串联及并联地连接而成，所述电源装置的特征在于，
并联地连接所述多个单体电池来构成电池组(20)，
串联地连接多个所述电池组来构成电池单元(10)，
多个所述电池单元和输出线互相并联地连接，
所述电源装置具备：
第一均衡化电路，抑制多个所述电池单元之间的电池剩余容量的偏差；和
第二均衡化电路，抑制构成各所述电池单元且被串联连接的每个电池组的电池剩余容量的偏差，
在所述电池单元与所述输出线之间设置有并联连接开关，
所述第一均衡化电路由被串联连接的第一限制电阻及第一均衡化开关组成，在所述电池单元与输出线之间该第一均衡化电路与所述并联连接开关并联地连接，
所述电源装置还具备对所述并联连接开关与所述第一均衡化开关进行控制的电源控制器，
所述电源控制器
将所述并联连接开关设为接通状态后将电池单元并联地连接，
将所述并联连接开关设为断开状态后将第一均衡化开关设为接通状态，以抑制电池单元之间的电池剩余容量的偏差。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置还具备切换部，所述切换部根据多个所述电池单元之间的电池剩余容量的偏差来对所述并联连接开关和所述第一均衡化开关进行切换。
3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
所述第二均衡化电路由被串联连接的第二限制电阻及第二均衡化开关组成，该第二均衡化电路与每个电池组并联地连接。
4.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
所述电池单元是以装卸式的连接器将所述电池组之间连接而成的。
5.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
所述电池组将多个电池块串联地连接而构成，每个电池块是将所述多个单体电池并联地连接而成的，
所述电源装置按照每个所述电池块而具备抑制所述多个电池块之间的电池剩余容量的偏差的第三均衡化电路。
6.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
由所述多个单体电池构成的电池组的容量为1KVA～100KVA。
7.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
多个电池单元以自由装卸的方式与所述输出线连接。
8.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，
所述切换部在使多个所述电池单元之间的电池剩余容量的偏差均衡化的情况下，将与电压高的所述电池单元连接的所述并联连接开关设为断开状态、将与电压高的所述电池单元连接的第一均衡化开关设为接通状态，而将与电压低的所述电池单元连接的所述并联连接开关设为接通状态、将与电压低的所述电池单元连接的第一均衡化开关设为断开状态。
9.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
构成所述电池组的所述单体电池为锂离子电池。
10.根据权利要求2或8所述的电源装置，其特征在于，
所述切换部在将所述电池单元连接到负载的情况下，最初将所述并联连接开关设为断开状态、将所述第一均衡化开关设为接通状态，经过规定时间之后将所述并联连接开关设为接通状态、将所述第一均衡化开关设为断开状态。
11.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置还具备开关控制电路，所述开关控制电路将所述第一均衡化电路与所述并联连接开关并联地连接，并且对所述并联连接开关与所述第一均衡化开关进行控制，
在将所述电池单元连接到负载的时刻，
所述开关控制电路
将所述第一均衡化电路的第一均衡化开关设为接通状态以将电池单元连接到负载，利用第一限制电阻来限制冲击电流，
在并未流过冲击电流的状态下，将所述并联连接开关设为接通状态以将电池单元连接到负载。
12.一种电源装置，将多个单体电池串联及并联地连接而成，所述电源装置的特征在于，
将所述多个单体电池并联地连接来构成电池组，
将多个所述电池组串联地连接来构成电池单元，
多个所述电池单元和输出线互相并联地连接，
所述电源装置具备对多个所述电池单元之间的电池剩余容量的偏差进行抑制的第一均衡化电路，
在所述电池单元与所述输出线之间设置有并联连接开关，
所述第一均衡化电路由被串联连接的第一限制电阻及第一均衡化开关组成，在所述电池单元与输出线之间该第一均衡化电路与所述并联连接开关并联地连接，
所述电源装置还具备对所述并联连接开关与所述第一均衡化开关进行控制的电源控制器，
所述电源控制器
将所述并联连接开关设为接通状态后将电池单元并联地连接，
将所述并联连接开关设为断开状态后将第一均衡化开关设为接通状态，以抑制电池单元之间的电池剩余容量的偏差。
13.根据权利要求12所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置还具备切换部，所述切换部根据多个所述电池单元之间的电池剩余容量的偏差来对所述并联连接开关和所述第一均衡化开关进行切换。
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