JP2007053838A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な回路構成で、且つ電力消費の少ない電圧均等化機能を有する蓄電装置を提供する。
【解決手段】 Ｎ（Ｎは２以上の整数）台の蓄電ユニットと、（Ｎ−１）台の直列スイッチと、Ｎ台の並列スイッチと、出力用の正端子及び負端子とを備え、第１の蓄電ユニットの正極を前記正端子に、第Ｎの蓄電ユニットの負極を前記負端子に接続し、（Ｎ−１）台の直列スイッチの各々とＮ台の蓄電ユニットの各々を交互に直列接続し、第１の並列スイッチは、前記第１の蓄電ユニットと前記第１の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、第Ｎの並列スイッチは、前記第Ｎの蓄電ユニットと前記第（Ｎ−１）の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、Ｎが３以上のとき、第Ｋ（Ｋは２からＮ−１までの整数）の並列スイッチは、第Ｋの蓄電ユニットと第Ｋの直列スイッチ及び第（Ｋ＋１）の蓄電ユニットが形成する直列回路に並列に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電力の充放電が可能な複数台の蓄電ユニットで構成された蓄電装置に関する。

直流電力の充放電が可能な複数台の蓄電ユニットを直列接続して構成した蓄電装置は、各々の蓄電ユニットのエネルギー残量が均一ではないため、蓄電ユニットの端子電圧がばらつく。蓄電ユニット毎のエネルギー残量が異なると、エネルギー残量の小さい蓄電ユニットの特性からの制約により、蓄電装置全体としての使用可能エネルギー量が小さくなる。従って、蓄電ユニットの端子電圧を均等化してエネルギー残量をそろえる電圧均等化方法の確立が課題となっている。

従来の電圧均等化方式の１例として、個々の蓄電ユニットと並列にスイッチと抵抗から成るバイパス回路を設け、蓄電ユニットの充電電圧が所定値以上になったとき、このバイパス回路に電流を流し、蓄電ユニットが過充電されないようにして蓄電ユニットの電圧均等化を図る方法がある（例えば特許文献１参照。）。

また、従来の電圧均等化方式の他の例として、スイッチング素子をオンオフ制御して変圧器の１次側にパルスを供給し、蓄電ユニット毎に設けられたこの変圧器の２次巻線から夫々コンバータを介して蓄電ユニットを充電するようにして均等化を図る方法があった（例えば特許文献２参照。）。
特開２００３−２８９６２９号公報（第４−５頁、図１） 特開平１１−１７６４８３号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１に示されたような従来の装置によれば、蓄電ユニットの電圧ばらつきを吸収するためバイパス回路に電流を流しているので、この回路の抵抗が熱として消費される。従って、蓄積したエネルギーを有効に利用できていなかった。また特許文献２の手法は、回路の損失は低減されるが、スイッチング素子や巻線の多い変圧器などの準備が必要となるばかりでなく、回路構成が複雑となってしまう。

本発明は上記に鑑み為されたもので、比較的簡単な回路構成で、且つ電力消費の少ない電圧均等化機能を有する蓄電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の蓄電装置は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）台の蓄電ユニットと、（Ｎ−１）台の直列スイッチと、Ｎ台の並列スイッチと、出力用の正端子及び負端子とを備え、前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち第１の蓄電ユニットの正極を前記正端子に、第Ｎの蓄電ユニットの負極を前記負端子に接続し、前記（Ｎ−１）台の直列スイッチの各々と前記Ｎ台の蓄電ユニットの各々を、前記第１の蓄電ユニットの負極に第１の直列スイッチが、前記第Ｎの蓄電ユニットの正極に第（Ｎ−１）の直列スイッチが接続されるように交互に直列接続し、前記Ｎ台の並列スイッチのうち第１の並列スイッチは、前記第１の蓄電ユニットと前記第１の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、前記Ｎ台の並列スイッチのうち第Ｎの並列スイッチは、前記第Ｎの蓄電ユニットと前記第（Ｎ−１）の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、Ｎが３以上のとき、第Ｋ（Ｋは２からＮ−１までの整数）の並列スイッチは、第Ｋの蓄電ユニットと第Ｋの直列スイッチ及び第（Ｋ＋１）の蓄電ユニットが形成する直列回路に並列に接続したことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な回路構成で、且つ電力消費の少ない電圧均等化機能を有する蓄電装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る蓄電装置のブロック構成図である。図１において、蓄電装置１０は蓄電ユニット１Ｕ及び蓄電ユニット２Ｕを直列スイッチ１Ｓを介して直列接続した構成となっており、蓄電ユニット１Ｕの正極が蓄電装置１０の正端子、蓄電ユニット２Ｕの負極が蓄電装置１０の負端子に接続されている。また、蓄電ユニット１Ｕと直列スイッチ１Ｓが形成する直列回路に並列に並列スイッチ１Ｐが、そして、蓄電ユニット２Ｕと直列スイッチ１Ｓが形成する直列回路に並列に並列スイッチ２Ｐが設けられている。蓄電ユニット１Ｕ、２Ｕには２次電池や電気２重層キャパシタなどが用いられるが、これ等の蓄電素子を複数個直列もしくは並列接続して構成した蓄電モジュールであっても良い。

蓄電装置１０は充放電装置２０に接続され、直流電力の充電または放電動作を行う。この充電または放電動作の制御は、通常充放電装置２０側で行うが、その部分は図示を省略している。尚、充放電装置２０は、例えば交流系統と連系する分散電源装置、あるいは電気自動車のドライブ装置などに相当する。

図１に示したように蓄電ユニットが２台で構成される蓄電装置１０の動作について以下に説明する。

通常の充放電動作を行う定常時は、直列スイッチ１Ｓオン、２台の並列スイッチ１Ｐ及び２Ｐをオフし、蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕが直列に接続された状態で運転を行う。これに対し、蓄電ユニット１Ｕ及び２Ｕの電圧を均等化するときは、充放電装置２０が充放電動作を停止しているときに、２台の並列スイッチ１Ｐ及び２Ｐをオン、直列スイッチ１Ｓをオフし、蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕを並列に接続する。これにより、スイッチを切替えることによって直列接続されていた２台の蓄電ユニット１Ｕ、２Ｕを並列接続することができ、蓄電ユニット１Ｕ、２Ｕの端子電圧を均等化することが可能となる。

尚、上記の構成において、通常の充放電動作を行う通常運転モードと、蓄電ユニットを並列接続して充電を行う均等充電運転モードの切換信号は充放電装置２０から与えられる。この運転モードの切換信号に従って、蓄電装置１０は上述の各々のスイッチの接続切換を行うようにするが、充放電装置２０から直接蓄電装置１０の各々のスイッチの接続切換を行うようにしても良い。

また、均等充電運転モードにおいて、充放電装置２０を制御することにより蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕを並列接続した状態での適切な充電動作を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施例２に係る蓄電装置について、図２乃至図５を参照して説明する。

図２は本発明の実施例２に係る蓄電装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る蓄電装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、蓄電ユニット２Ｕの負極から直列スイッチ２Ｓを介して蓄電ユニット３Ｕを接続して蓄電ユニット３Ｕの負極を蓄電装置１０の負端子に接続した点、並列スイッチ２Ｐを、直列スイッチ１Ｓ、蓄電ユニット２Ｕ及び直列スイッチ２Ｓが形成する直列回路に並列に接続するようにした点、また、並列スイッチ３Ｐを蓄電ユニット３Ｕと直列スイッチ２Ｓが形成する直列回路に並列に設けた点である。

通常の充放電動作を行う定常時は、蓄電装置１０は、直列スイッチ１Ｓ及び２Ｓをオン、並列スイッチ１Ｐ、２Ｐ及び３Ｐをオフし、蓄電ユニット１Ｕ、蓄電ユニット２Ｕ及び蓄電ユニット３Ｕが直列に接続された状態で運転を行う。

次に電圧を均等化するための並列接続動作について説明する。

図３は実施例２における蓄電装置の並列接続の一例を示す図である。図３に示すように、直列スイッチ１Ｓをオフ、直列スイッチ２Ｓをオン、並列スイッチ１Ｐ及び２Ｐをオン、そして並列スイッチ３Ｐをオフすれば、蓄電装置１０の回路接続は、蓄電ユニット３Ｕに直列蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕが形成する並列回路が直列に接続された構成となる。尚、この回路接続への切換は、充放電装置２０が充放電動作を停止しているときに行う。

図４は実施例２における蓄電装置の並列接続の他の例を示す図である。図４に示すように、直列スイッチ１Ｓをオン、直列スイッチ２Ｓをオフ、並列スイッチ２Ｐ及び３Ｐをオン、そして並列スイッチ１Ｐをオフすれば、蓄電装置１０の回路は、蓄電ユニット１Ｕに直列蓄電ユニット２Ｕと蓄電ユニット３Ｕが形成する並列回路が直列に接続された構成となる。この回路接続への切換も、充放電装置２０が充放電動作を停止しているときに行う。

以上のようにスイッチを切換えて図３または図４の回路接続とすることにより、隣接する蓄電ユニットを並列接続することが可能となる。以下、図５を参照して、蓄電ユニット１Ｕ、２Ｕ及び３Ｕの均等充電方法を説明する。

図５は実施例２における均等充電方法の一例を示すフローチャートである。ここで、図３及び図４の回路接続を夫々並列モード１、並列モード２と定義する。

充電を開始するとき、まず充放電装置２０と蓄電装置１０を切り離す（ＳＴ−１）。次にこの状態で並列モード１の回路接続を選択する（ＳＴ−２）。この状態で充放電装置２０からの充電動作を実施する（ＳＴ−３）。尚、充電電流、充電時間等の充電条件は充放電装置２０側で決定する。この充電動作が完了すると、再び充放電装置２０と蓄電装置１０を切り離し（ＳＴ−４）、並列モード２の回路接続を選択する（ＳＴ−５）。この状態で充放電装置２０からの充電動作を実施し（ＳＴ−６）、均等充電動作を完了する。

以上の動作により、まずステップＳＴ−３で蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕの均等充電が実施され、次にステップＳＴ−６で蓄電ユニット２Ｕと蓄電ユニット３Ｕの均等充電が実施される。ここで、ステップＳＴ−６の充電実施中、蓄電ユニット２Ｕの電圧が変化してしまうことが考えられるが、その場合はステップＳＴ−１乃至ステップＳＴ−６を繰り返し実施すれば全ての蓄電ユニットの電圧差を縮小していくことができる。例えば、分散電源にこの蓄電装置が適用された場合には、１日１回程度図５に示した均等充電方法を行えば、全ての蓄電ユニットの電圧差を所定値以内に収めた運転が可能となる。

また、均等充電の方法は、図５に示した均等充電方法に限らない。例えば、蓄電ユニット１Ｕ、蓄電ユニット２Ｕ及び蓄電ユニット３Ｕが直列接続された状態で充電を行い、そのあと、充放電装置２０を切り離した状態で並列モード１を選択して蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕの電圧の均等化を計り、所定時間経過後並列モード２に切換えて蓄電ユニット２Ｕと蓄電ユニット３Ｕの電圧の均等化を計るようにしても良い。この場合も上記動作を繰り返して行えば、全ての蓄電ユニットの電圧差を縮小していくことが可能となる。

図６は本発明の実施例３に係る蓄電装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例２に係る蓄電装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、蓄電ユニット３Ｕの負極から直列スイッチ３Ｓを介して蓄電ユニット４Ｕを接続して蓄電ユニット４Ｕの負極を蓄電装置１０の負端子に接続した点、並列スイッチ３Ｐを、直列スイッチ２Ｓ、蓄電ユニット３Ｕ及び直列スイッチ３Ｓが形成する直列回路に並列に接続するようにした点、また、並列スイッチ４Ｐを蓄電ユニット４Ｕと直列スイッチ３Ｓが形成する直列回路に並列に設けた点である。

通常の充放電動作を行う定常時は、蓄電装置１０は、直列スイッチ１Ｓ、２Ｓ及び３Ｓをオン、並列スイッチ１Ｐ、２Ｐ、３Ｐ及び４Ｐをオフし、蓄電ユニット１Ｕ、蓄電ユニット２Ｕ、蓄電ユニット３Ｕ及び蓄電ユニット４Ｕが直列に接続された状態で運転を行う。

次に均等充電を行うときの回路接続について説明する。実施例２の説明で分かるように均等充電を行う場合の回路接続は隣接する蓄電ユニットを並列接続し、他の蓄電ユニットは直列接続すれば良い。

この実施例における並列接続モードは３種類あり、蓄電ユニット１Ｕと蓄電ユニット２Ｕを並列接続させるモードを並列モード１、蓄電ユニット２Ｕと蓄電ユニット３Ｕを並列接続させるモードを並列モード２、そして蓄電ユニット３Ｕと蓄電ユニット４Ｕを並列接続させるモードを並列モード３とすると、各並列モードにおけるスイッチの接続構成は以下となる。

並列モード１では、直列スイッチ１Ｓをオフ、直列スイッチ２Ｓ及び３Ｓはオン、並列スイチ１Ｐ及び２Ｐはオン、そして並列スイッチ３Ｐ及び４Ｐはオフする。

並列モード２では、直列スイッチ２Ｓをオフ、直列スイッチ１Ｓ及び３Ｓはオン、並列スイチ２Ｐ及びＰはオン、そして並列スイッチ３Ｐ及び４Ｐはオフする。

そして並列モード３では、直列スイッチ３Ｓをオフ、直列スイッチ１Ｓ及び２Ｓはオン、並列スイチ３Ｐ及び４Ｐはオン、そして並列スイッチ１Ｐ及び５Ｐはオフする。

上記並列モード１、並列モード２及び並列モード３の切換を、実施例２の図５に示した方法と同様の方法で実施すれば、４個の蓄電ユニットの均等化充電を行うことが可能となる。

また、蓄電ユニットが５個以上に増えた場合でも、直列スイッチ及び並列スイッチを増やし、回路接続を切換えて充電を行えば、蓄電ユニットの端子電圧を均等化することが可能となる。

図７は本発明の実施例４に係る蓄電装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図２の実施例２に係る蓄電装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例２と異なる点は、各蓄電ユニットの電圧を検出して異常検出回路１１に与えるようにした点、異常検出回路１１が何れかの蓄電ユニットの異常を検出したとき、選択切換回路１２に信号を送り、選択切換回路１２は当該異常蓄電ユニットを回路から切り離すオンオフ指令を各スイッチに与えるようにした点である。

異常検出回路１１は、例えば全ての蓄電ユニットの電圧の平均値を演算によって求め、この平均値と各々の蓄電ユニットの電圧を比較し、その偏差が所定値以上であれば当該蓄電ユニットを異常と判定する。そしてこの異常と判定された蓄電ユニットに応じて選択切換回路１２は各スイッチのオンオフ指令を出力する。

例えば、蓄電ユニット１Ｕが異常と判定されたとき、選択切換回路１２は直列スイッチ１Ｓをオフし、並列スイッチ１Ｐをオンさせる。同様に、蓄電ユニット３Ｕが異常と判定されたときには、選択切換回路１２は直列スイッチ２Ｓをオフし、並列スイッチ３Ｐをオンさせる。また、蓄電ユニット２Ｕが異常と判定されたときには、選択切換回路１２は直列スイッチ１Ｓ及び２Ｓをオフし、並列スイッチ２Ｐをオンさせる。

本実施例によれば、以上のように動作させることにより、蓄電装置１０は何れかの１台の蓄電ユニットに異常を生じたとき、その異常ユニットを切り離して継続して縮退運転することが可能となり、稼働率を向上させることができる。

尚、本実施例においては、各々の蓄電ユニットの電圧を検出して異常を判定する説明を行ったが、電圧ではなく例えば温度であっても良い。

また、本実施例においては、蓄電ユニットが３台の場合について説明したが、蓄電ユニットは２台であっても、４台以上であっても良いことは明らかである。

以上説明した実施例１乃至実施例４において、直列スイッチ１Ｓ、２Ｓ、３Ｓ及び４Ｓ並びに並列スイッチ１Ｐ、２Ｐ、３Ｐ及び４Ｐは、機械式スイッチでも良くまた半導体スイッチであっても良い。

各々のスイッチの切換えは充放電装置の充放電動作停止期間中に行うため、必ずしも高速なスイッチングを要求しない。そこで通常はオン抵抗が小さく、短時間の大電流通電が可能で、低コストであるという特徴をもつ機械式スイッチを適用する。

これに対し半導体スイッチは、高速なオンオフ動作が可能であり、スイッチの寿命が長いという特徴を持つ。従って、充放電装置のわずかな充放電動作停止期間中に電圧を均等化することが可能となり、また蓄電ユニットの故障を検出したとき、高速にその蓄電ユニット切り離すことが可能となる。

本発明の実施例１に係る蓄電装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係る蓄電装置の回路構成図。 実施例２における並列接続の一例を示す回路構成図。 実施例２における並列接続の他の例を示す回路構成図。 実施例２における均等充電方法の一例を示すフローチャート。 本発明の実施例３に係る蓄電装置の回路構成図。 本発明の実施例４に係る蓄電装置の回路構成図。

符号の説明

１０ 蓄電装置
２０ 充放電装置
１Ｕ、２Ｕ、３Ｕ、４Ｕ 蓄電ユニット
１Ｓ、２Ｓ、３Ｓ、４Ｓ 直列スイッチ
１Ｐ、２Ｐ、３Ｐ、４Ｐ 並列スイッチ
１１ 異常検出回路
１２ 選択切換回路

Claims (7)

1. Ｎ（Ｎは２以上の整数）台の蓄電ユニットと、
   （Ｎ−１）台の直列スイッチと、
   Ｎ台の並列スイッチと、
   出力用の正端子及び負端子と
   を備え、
   前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち第１の蓄電ユニットの正極を前記正端子に、第Ｎの蓄電ユニットの負極を前記負端子に接続し、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチの各々と前記Ｎ台の蓄電ユニットの各々を、前記第１の蓄電ユニットの負極に第１の直列スイッチが、前記第Ｎの蓄電ユニットの正極に第（Ｎ−１）の直列スイッチが接続されるように交互に直列接続し、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち第１の並列スイッチは、前記第１の蓄電ユニットと前記第１の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち第Ｎの並列スイッチは、前記第Ｎの蓄電ユニットと前記第（Ｎ−１）の直列スイッチで形成される直列回路に並列に接続し、
   Ｎが３以上のとき、
   第Ｋ（Ｋは２からＮ−１までの整数）の並列スイッチは、第Ｋの蓄電ユニットと第Ｋの直列スイッチ及び第（Ｋ＋１）の蓄電ユニットが形成する直列回路に並列に接続
   したことを特徴とする蓄電装置。
2. 通常運転時には、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチを全てオン、前記Ｎ台の並列スイッチを全てオフして充放電装置と接続して充放電動作を行い、
   均等充電運転時には、
   前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち、１台の前記直列スイッチを介して接続されている何れか２台の蓄電ユニットが互いに並列接続するように、
   前記充放電装置と切り離した状態で、前記直列スイッチ及び前記並列スイッチを切換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち、第Ｍ（Ｍは１からＮ−１までの整数）の蓄電ユニットと第（Ｍ＋１）の蓄電ユニットを並列接続するとき、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチのうち、第Ｍの直列スイッチをオフし、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち、第Ｍ及び第（Ｍ＋１）の並列スイッチをオンするようにしたことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記均等充電運転時、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチのうち、第Ｍの直列スイッチをオフ、他の全ての直列スイッチをオンし、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち、第Ｋ及び第（Ｍ＋１）の並列スイッチをオン、他の全ての並列スイッチをオフ
   して充電を行う運転モードを、Ｍ＝１からＭ＝（Ｎ−１）まで所定の時間間隔で順次切換えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
5. 前記通常運転時に充電を行い、前記充放電装置を切り離したあと、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチのうち、第Ｍの直列スイッチをオフ、他の全ての直列スイッチをオンし、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち、第Ｍ及び第（Ｍ＋１）の並列スイッチをオン、他の全ての並列スイッチをオフ
   する運転モードを、Ｍ＝１からＭ＝（Ｎ−１）まで所定の時間間隔で順次切換えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
6. 各々の前記蓄電ユニットの電圧または温度を検出してその異常を判定する異常検出手段を有し、
   この異常検出手段の検出結果に基づいて当該異常検出された蓄電ユニットを切り離すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
7. 前記通常運転時に、
   前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち、第１の蓄電ユニットの異常が検出されたとき、
   前記第１の直列スイッチをオフすると共に前記第１の並列スイッチをオンし、
   前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち、第Ｎの蓄電ユニットの異常が検出されたとき、
   前記第（Ｎ−１）の直列スイッチをオフすると共に前記第Ｎの並列スイッチをオンし、
   前記Ｎ台の蓄電ユニットのうち、第Ｋの蓄電ユニットの異常が検出されたとき、
   前記（Ｎ−１）台の直列スイッチのうち、第（Ｋ−１）及び第（Ｋ＋１）の直列スイッチをオフし、
   前記Ｎ台の並列スイッチのうち第Ｋの並列スイッチをオンするようにしたことを特徴とする請求項６に記載の蓄電装置。

Images