JP2008079364A - 充放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各二次電池をスイッチング素子で接続し、劣化した一部の電池だけを切り離すことができ、かつ二次電池の接続態様を切り替えることができ、また各二次電池の電圧を揃えることが可能な充放電装置を提供する。
【解決手段】複数の二次電池と、複数の二次電池の各々の電池間に設けられ、複数の二次電池を直列に接続するための１以上の第１スイッチ手段と、複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が複数の二次電池の各々の正極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第２スイッチ手段と、複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が複数の二次電池の各々の負極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第３スイッチ手段とを備え、１以上の第１スイッチ手段、複数の第２スイッチ手段、及び複数の第３スイッチ手段は、オン／オフの組み合わせにより複数の二次電池の接続態様を切り替え又は不要な二次電池を電気的に切り離す。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を用いて電圧及び電流容量の調整が可能な充放電装置に関する。

充放電システムの高圧化には二次電池を多数直列に接続することが必要である。しかし、二次電池を多数直列したうちの一部の電池だけが寿命・劣化で性能が落ちた場合、他の多くの二次電池の性能には問題がなくても劣化した電池の影響で全体の性能としては悪くなる場合がある。また、電池が劣化していなくても、各電池の電圧にバラつきがあると各電池の持つ性能を十分に発揮できなくなる。特許文献１には、各電池の電圧を揃えるために、放電抵抗を利用した電圧均等化装置が記載されている。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に、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っている。

また特許文献２には、複数個の二次電池を直並列に接続して構成し、電池に異常が発生しても、充放電の効率が極端に低下することなく、火災などの事故の発生もない安全で、かつ安定して電力を供給できる蓄電装置について記載されている。

図４は、特許文献２に公開されている蓄電装置の二次電池周辺の回路図である。この装置は、複数の二次電池を電気的に直列接続して出力の高電圧化を図っている。図４において１０は二次電池、２０はスイッチング素子で、ｎ個の電池が直列に接続されている。各スイッチング素子は各単位電池に直列に接続され、電池に異常が発生した場合、異常な電池を電気的に切り離し、切り離した箇所を短絡することが可能になっている。

したがって、この蓄電装置は、二次電池の中でも、充電時にデンドライト（樹枝状析出物）が発生して短絡し易い、あるいは可燃性の有機溶剤を使用している、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池、臭素亜鉛電池、酸化銀亜鉛電池、リチウム電池などの二次電池を直並列化して使用する場合に対して、特に有効である。
特許第３５３０５１９号公報 特許第３３３１５２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている電圧均等化装置は、バイパス回路に電流を流す際に放電抵抗で損失が生じ、蓄積したエネルギーの有効活用がなされていない。また図４に示す充放電装置は、用いられている二次電池の接続を直列接続・並列接続間で互いに切り替えることができない。また各電池の電圧にバラつきがある場合に電圧を揃えることができない。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、各電池をスイッチング素子で接続し、劣化した一部の電池だけを切り離すことができ、かつ二次電池の接続態様を切り替えることができ、また各二次電池の電圧を揃えることが可能な充放電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る充放電装置は、上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数の二次電池と、前記複数の二次電池の各々の電池間に設けられ、前記複数の二次電池を直列に接続するための１以上の第１スイッチ手段と、前記複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が前記複数の二次電池の各々の正極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第２スイッチ手段と、前記複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が前記複数の二次電池の各々の負極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第３スイッチ手段とを備え、前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段は、オン／オフの組み合わせにより前記複数の二次電池の接続態様を切り替え又は不要な前記二次電池を電気的に切り離すことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１において、前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段は、スイッチング素子であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２において、前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段のオン／オフを制御して前記複数の二次電池の接続態様を切替える制御部を備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記複数の二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備え、前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧に基づき過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段のオン／オフを制御して前記過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離すことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記複数の二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備え、前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段をオフにし、前記複数の第２スイッチ手段及び前記複数の第３スイッチ手段をオンすることにより前記複数の二次電池を並列接続にすることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４において、前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段をオフにし、前記複数の第２スイッチ手段及び前記複数の第３スイッチ手段をオンすることにより前記複数の二次電池を並列接続にすることを特徴とする。

本発明の請求項１記載の発明によれば、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段のオン／オフの組み合わせにより、二次電池の接続態様を直列接続、並列接続もしくは両者の組み合わせに切替えることができる。二次電池の個数が多数であれば、直列接続及び並列接続の組み合わせについて自由度が増すので、電圧及び電流容量を自由に調整することができる。さらに接続する二次電池を任意に選択することができるので、一部の二次電池が劣化もしくは故障した場合においても、正常な電池のみを用いることができる。また全ての二次電池を並列に接続することで、電池の電圧のばらつきがあったとしても修正し、各電池の電圧を揃えることができる。放電抵抗を用いる必要がないため、損失が低減する。

本発明の請求項２記載の発明によれば、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段としてスイッチング素子を用いるため、簡易な構成で本発明である充放電装置を提供することができる。

本発明の請求項３記載の発明によれば、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、及び第３スイッチ手段のオン／オフを制御して複数の二次電池の接続態様を切替える制御部を備えるので、使用する二次電池を素早く選択し、必要な電圧、電流容量に応じた接続を迅速かつ自動的に選択する充放電装置を提供することができる。

本発明の請求項４記載の発明によれば、二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備えているので、電池に異常が発生した場合においても、迅速に発見することができる。また制御部は、測定された電圧の情報に基づいて過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を検出するとともに、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、及び第３スイッチ手段のオン／オフを制御して過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離すことができるので、正常な電池のみを用いて適切な電圧・電流容量になるよう、制御することができる。

本発明の請求項５記載の発明によれば、二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備えているので、電池に異常が発生した場合においても、迅速に発見することができる。また制御部は、測定された電圧の情報に基づいて電圧のばらつきがみられる場合に並列接続にするので、各二次電池の電圧を一定に揃えることができる。

本発明の請求項６記載の発明によれば、請求項４記載の発明と同様に過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離すことができるとともに、請求項５記載の発明と同様に電圧にばらつきがみられる二次電池を並列接続するので、各二次電池の電圧を一定に揃えることができる。したがって、それぞれの方法を組み合わせて、最適な接続態様で電圧・電流容量になるよう、制御することができる。

以下、本発明の充放電装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例１のブロック構成図である。

まず、本実施の形態の構成を説明すると、本実施の形態に係る充放電装置は、図１に示すように、充放電回路３０、電圧測定部７０、制御部８０で構成されている。また充放電回路３０は、二次電池３２、二次電池３４、二次電池３６、二次電池３８、スイッチ４２、スイッチ４４、スイッチ４６、スイッチ５２、スイッチ５４、スイッチ５６、スイッチ５８、スイッチ６２、スイッチ６４、スイッチ６６、スイッチ６８で構成されている。なお本実施例において４つの二次電池が用いられているが、本発明においては４つとは限らず同様の接続方法で多数の二次電池を接続することができる。

図１に示すように、各スイッチは、互いに逆向きに接続した２つのスイッチング素子からなり、充電時及び放電時のいずれの場合にも対応できる。ただし、必ずしもスイッチング素子を用いる必要は無く、例えば操作人が外部から操作するタイプの手動スイッチを用いることもできる。その場合には、電圧測定部７０及び制御部８０は不要である。

スイッチ４２、スイッチ４４、スイッチ４６は、本発明の第１スイッチ手段に対応し、二次電池３２、二次電池３４、二次電池３６、二次電池３８の各々の二次電池間に設けられるとともに、４つの二次電池を直列に接続する。また本実施例において二次電池の数は４つであるが、複数であればいくつでもよい。

スイッチ５２、スイッチ５４、スイッチ５６、及びスイッチ５８は、本発明の第２スイッチ手段に対応し、二次電池３２、二次電池３４、二次電池３６、及び二次電池３８に対応して設けられるとともに各々の一端が各二次電池の各々の正極端子に接続され各々の他端が共通接続されている。

スイッチ６２、スイッチ６４、スイッチ６６、及びスイッチ６８は、本発明の第３スイッチ手段に対応し、二次電池３２、二次電池３４、二次電池３６、及び二次電池３８に対応して設けられるとともに各々の一端が各二次電池の各々の負極端子に接続され各々の他端が共通接続されている。

電圧測定部７０は、本発明の電圧測定手段に対応し、二次電池３２、二次電池３４、二次電池３６、及び二次電池３８の各々の電圧を測定する。また電圧測定部７０は、測定された各二次電池の電圧データを制御部８０に出力する。

制御部８０は、電圧測定部７０及び充放電回路３０内の各スイッチに接続され、内部プログラムに基づき第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、第３スイッチ手段のオン／オフを制御して複数の二次電池の接続態様を切替える。

また制御部８０は、電圧測定部７０により測定された複数の二次電池の各々の電圧に基づき過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を検出するとともに、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、及び第３スイッチ手段のオン／オフを制御して前記過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離す。

さらに制御部８０は、電圧測定部７０により測定された複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出するとともに、第１スイッチ手段をオフにし、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段をオンすることにより複数の二次電池を並列接続にする。

図２は、本発明の実施例１における充放電回路の別の１例を示す。この充放電回路３０ａは、図１に示す充放電回路３０と同様に、複数の二次電池（二次電池３２ａ、二次電池３４ａ、二次電池３６ａ、二次電池３８ａ）、第１スイッチ手段（スイッチ４２ａ、スイッチ４４ａ、スイッチ４６ａ）、第２スイッチ手段（スイッチ５２ａ、スイッチ５４ａ、スイッチ５６ａ、スイッチ５８ａ）、第３スイッチ手段（スイッチ６２ａ、スイッチ６４ａ、スイッチ６６ａ、スイッチ６８ａ）で構成されている。また発明の効果も図１における充放電回路３０と同じであるが、オン／オフするスイッチが異なる。

例えば、図１において二次電池を直列接続させる場合には、第１スイッチ手段をオンにして第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段をオフさせる必要がある。しかしながら、図２のような配線の場合、第１スイッチ手段をオンさせるのみならず、スイッチ５２ａ及びスイッチ６８ａもオンさせる必要がある。

図３は、本実施例の形態の動作の１例を示すフローチャート図である。図３を参照し実施例１に係る充放電装置の動作のうち、寿命・劣化等により性能の落ちた二次電池や過充電・過放電状態にある二次電池を電気的に切り離す場合の動作を説明する。

最初に全ての二次電池を直列接続の状態にする（ステップＳ１１）。制御部８０（又は操作人）は、第１スイッチ手段（スイッチ４２、４４、４６）をオン、第２スイッチ手段（スイッチ５２、５４、５６、５８）をオフ、第３スイッチ手段（スイッチ６２、６４、６６、６８）をオフする。

次に切り離す電池の判定を行う（ステップＳ１３）。具体的には、電圧測定部７０が複数の二次電池の各々の電圧を測定し、測定結果を制御部８０に出力する。

制御部８０は、電圧測定部７０により出力された電圧測定結果に基づき寿命や劣化により性能の落ちた二次電池、もしくは過充電状態、過放電状態にあり電気的に切り離す必要があると思われる二次電池を検出する。さらに制御部８０は、切り離す二次電池が二次電池３８（直列接続された複数の二次電池のうち最も負極側に位置する二次電池）であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。図１の充放電回路３０のように二次電池とスイッチング素子が接続されている場合、最も負極側に位置する二次電池とその他の二次電池とでは電気的に切り離すためのスイッチが異なるからである。

切り離す二次電池が二次電池３８である場合には、制御部８０は、スイッチ４６をオフし、スイッチ６６とスイッチ６８をオンする（ステップＳ１７）。

切り離す二次電池が二次電池３８以外である場合には、制御部８０は、切り離す二次電池の負極に接続された第１スイッチ手段をオフし、切り離す二次電池の正極に接続された第２スイッチ手段と切り離す二次電池の負極側に接続されていた二次電池の正極に接続された第２スイッチ手段とをオンする（ステップＳ１９）。例えば二次電池３６を電気的に切り離す場合には、制御部８０は、スイッチ４６をオフし、スイッチ５６とスイッチ５８とをオンする。

このようにすることにより、制御部８０は、正常な二次電池のみを直列に接続することができる。また以上はアルゴリズムの１例であり、例えばＳ１９のステップにおいて第２スイッチ手段ではなく第３スイッチ手段を用いることによっても任意の二次電池を電気的に切り離すことができる。制御部８０の内部プログラムを変更することにより、アルゴリズムは自由に設定できる。

次に複数の二次電池を並列に接続して動作させる場合について説明する。図１において、制御部８０（又は操作人）は、第１スイッチ手段（スイッチ４２、４４、４６）をオフ、第２スイッチ手段（スイッチ５２、５４、５６、５８）及び第３スイッチ手段（スイッチ６２、６４、６６、６８）をオンすることにより、全ての二次電池を並列に接続することができる。

不要な二次電池がある場合、制御部８０（又は操作人）は、スイッチのオン／オフの組み合わせにより、不要な二次電池を電気的に切り離す。例えばここでスイッチ６２をオフすると、二次電池３４、二次電池３６、二次電池３８を並列に接続した電圧を出力するとともに、二次電池３２は電気的に切り離される。

このように制御部８０（又は操作人）は、並列接続させる二次電池を任意に選択することができる。また利用する二次電池の数を増加させても同様である。

また制御部８０は、電圧測定部７０により測定された複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出する。検出するタイミングはいつでもよく、内部プログラムにて設定が可能である。ばらつきの検出方法はどのようなものであってもよいが、例えば全ての二次電池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二次電池の電圧を比較し、その偏差が所定値以上であればばらつきがあると判定する。

二次電池の電圧にばらつきがある場合、制御部８０は、第１スイッチ手段をオフにし、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段をオンすることにより二次電池の全てもしくはその一部を並列接続する。その際、高い電圧を有する二次電池により低い電圧を有する二次電池は充電される。その結果、並列接続された二次電池の電圧は揃う。

さらに制御部８０（又は操作人）は、二次電池の接続態様を切り替え、電圧と電流容量を自由に設定する。例えば、図１において、スイッチ５２、スイッチ５６、スイッチ４２、スイッチ４６、スイッチ６４、スイッチ６８をオンにし、それ以外のスイッチをオフにした場合、二次電池３２と二次電池３４とが直列接続され、二次電池３６と二次電池３８とが直列接続されるとともに、この２つの直列接続が並列接続された態様となる。電圧及び電流容量の設定は、二次電池の数が多いほど自由度が増す。

上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る充放電装置によれば、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段を備えているので、二次電池の接続態様を直列接続、並列接続もしくは両者の組み合わせに切替えることができる。二次電池の個数が多数であれば、直列接続及び並列接続の組み合わせについて自由度が増すので、電圧及び電流容量を自由に調整することができる。さらに接続する二次電池を任意に選択することができるので、一部の二次電池が劣化もしくは故障した場合においても、正常な電池のみを用いることができる。その結果劣化・故障した二次電池によるシステムへの影響が最小となる。

また全てもしくは一部の二次電池を並列に接続することで、電池の電圧のばらつきがあったとしても修正し、各二次電池の電圧を揃えることができる。放電抵抗を用いる必要がないため、損失が低減する。

第１スイッチ手段、第２スイッチ手段及び第３スイッチ手段としてスイッチング素子を用いる場合には、簡易な構成で本発明である充放電装置を提供することができる。

また、内部プログラムに基づき第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、及び第３スイッチ手段のオン／オフを制御して複数の二次電池の接続態様を切替える制御部８０を備えるので、使用する二次電池を素早く選択し、必要な電圧、電流容量に応じた接続を迅速かつ自動的に選択する充放電装置を提供することができる。

さらに、二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定部７０を備えているので、電池に異常が発生した場合においても、迅速に発見することができる。また制御部８０は、測定された電圧の情報に基づいて過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を検出するとともに、第１スイッチ手段、第２スイッチ手段、及び第３スイッチ手段のオン／オフを制御して過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離すことができるので、正常な電池のみを用いて適切な電圧・電流容量になるよう、制御することができる。

また制御部８０は、測定された電圧の情報に基づいて電圧のばらつきがみられる場合に二次電池の全部又は一部を並列接続にするので、各二次電池の電圧を一定に揃えることができる。

したがって、この充放電装置は、これら接続態様切替え機能、不要電池切り離し機能、電圧均等化機能を組み合わせて、最適な接続態様で電圧・電流容量になるよう、制御することができる。

本発明に係る充放電装置は、電力貯蔵システム等に用いられる充放電装置に利用可能である。

本発明の実施例１の形態の充放電装置のブロック図である。 本発明の実施例１の充放電回路の別の１例を示すブロック図である。 本発明の実施例１の形態の動作の１例を示すフローチャート図である。 従来の蓄電装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 二次電池
２０ スイッチング素子
３０、３０ａ 充放電回路
３２、３４、３６、３８ 二次電池
３２ａ、３４ａ、３６ａ、３８ａ 二次電池
４２、４４、４６ スイッチ（第１スイッチ手段）
４２ａ、４４ａ、４６ａ スイッチ（第１スイッチ手段）
５２、５４、５６、５８ スイッチ（第２スイッチ手段）
５２ａ、５４ａ、５６ａ、５８ａ スイッチ（第２スイッチ手段）
６２、６４、６６、６８ スイッチ（第３スイッチ手段）
６２ａ、６４ａ、６６ａ、６８ａ スイッチ（第３スイッチ手段）
７０ 電圧測定部
８０ 制御部

Claims (6)

1. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池の各々の電池間に設けられ、前記複数の二次電池を直列に接続するための１以上の第１スイッチ手段と、
   前記複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が前記複数の二次電池の各々の正極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第２スイッチ手段と、
   前記複数の二次電池に対応して設けられるとともに各々の一端が前記複数の二次電池の各々の負極端子に接続され各々の他端が共通接続された複数の第３スイッチ手段とを備え、
   前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段は、オン／オフの組み合わせにより前記複数の二次電池の接続態様を切り替え又は不要な前記二次電池を電気的に切り離すことを特徴とする充放電装置。
2. 前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段は、スイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
3. 前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段のオン／オフを制御して前記複数の二次電池の接続態様を切替える制御部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の充放電装置。
4. 前記複数の二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備え、
   前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧に基づき過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段、前記複数の第２スイッチ手段、及び前記複数の第３スイッチ手段のオン／オフを制御して前記過充電状態もしくは過放電状態にある二次電池を電気的に切り離すことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の充放電装置。
5. 前記複数の二次電池の各々の電圧を測定する電圧測定手段を備え、
   前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段をオフにし、前記複数の第２スイッチ手段及び前記複数の第３スイッチ手段をオンすることにより前記複数の二次電池を並列接続にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の充放電装置。
6. 前記制御部は、前記電圧測定手段により測定された前記複数の二次電池の各々の電圧のばらつきを検出するとともに、前記１以上の第１スイッチ手段をオフにし、前記複数の第２スイッチ手段及び前記複数の第３スイッチ手段をオンすることにより前記複数の二次電池を並列接続にすることを特徴とする請求項４記載の充放電装置。

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