JP2008109841A

JP2008109841A - ２次電池システム

Info

Publication number: JP2008109841A
Application number: JP2007227421A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Tashiro; 洋一郎田代; Manabu Horigome; 学堀米
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】モジュール電池の電池特性の均一化を図ることができ、しかもコンパクト化を図ることができる２次電池システムを提供することである。
【解決手段】２次電池本体１１は、複数個の単電池をまとめて形成したモジュール電池１４ａ〜１４ｃを並列接続して構成され、制御装置１２は、並列接続された各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃが等しくなるように各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃを温度制御する。これにより、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの特性のばらつきを補償するための特別の回路を追加することなく、モジュール電池１４ａ〜１４ｃの電池特性の均一化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の単電池をまとめて形成したモジュール電池を有した２次電池システムに関する。

一般に、２次電池の大容量化は基本単位となる単電池を直並列接続してモジュール電池を形成して行われる。単電池の起電力は数ボルトであるので単電池を直列接続してストリングを形成し所要の起電力を得るようにしている。そして、複数個のストリングを並列接続して１個のモジュール電池を形成する。このモジュール電池は１つの筐体に収納され、あたかも一つの電池のようにして扱われ、さらなる大容量化時には多数のモジュール電池を直並列接続して用いられる。このモジュール電池の容量特性、充放電特性、内部抵抗は、単電池の組合せや製作上のバラツキ、さらには使用状況等により異なることがあり、単電池の故障時には特に顕著になる。このようなモジュール電池特性の変化やバラツキは、多数のモジュール電池を直列・並列に接続した２次電池システムの利用率低下、充放電効率低下および充電時間の延長などの問題を引き起こすことがあり、システム寿命に大きく影響する。

そこで、モジュール電池毎に切り替える切替スイッチを設け、モジュール電池毎に充電を行ったり（例えば、特許文献１参照）、バッファ電池と切替スイッチとを有しモジュール電池のばらつきをバッファ電池で吸収するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。また、開閉スイッチと抵抗器を有しモジュール電池のばらつきをバッファ電池で吸収するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−３４１８７１号公報特開平１０−２８５８１８号公報特開２００１−２５８１６７号公報

しかし、特許文献１、２、３のものは、いずれもモジュール電池の外部に、個別に切替スイッチやバッファ電池、あるいは開閉スイッチや抵抗器を設けるものであるので、部品点数が多くなり、スペースやコスト面で不利になる。また、電池特性は、使用状況や環境により変動しやすいので、充放電電圧を調整するだけでは却ってモジュール電池の効率や寿命を低下させることがある。

本発明の目的は、モジュール電池の電池特性の均一化を図ることができ、しかもコンパクト化を図ることができる２次電池システムを提供することである。

請求項１の発明に係わる２次電池システムは、複数個の単電池をまとめて形成したモジュール電池を並列接続して構成された２次電池本体と、前記並列接続された各々のモジュール電池の内部抵抗が等しくなるように各々のモジュール電池を温度制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる２次電池システムは、請求項１の発明において、前記各々のモジュール電池ごとに、前記モジュール電池を加熱するヒータと前記モジュール電池を冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、充電時においては、各々のモジュール電池の充電電流が同一の基準電流となるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のモジュール電池を温度制御して、各々のモジュール電池の内部抵抗を等しくすることを特徴とする
請求項３の発明に係わる２次電池システムは、請求項１の発明において、前記各々のモジュール電池ごとに、前記モジュール電池を加熱するヒータと前記モジュール電池を冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、放電時においては、各々のモジュール電池の放電電流が等しくなるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のモジュール電池を温度制御して、各々のモジュール電池の内部抵抗を等しくすることを特徴とする。

請求項４の発明に係わる２次電池システムは、複数個の単電池を直列接続したストリングを複数個並列接続して形成されたモジュール電池を少なくとも１個有した２次電池本体と、前記モジュール電池を構成する並列接続された各々のストリングの内部抵抗が等しくなるように各々のストリングを温度制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

請求項５の発明に係わる２次電池システムは、請求項４の発明において、前記モジュール電池のストリングごとに、前記ストリングを加熱するヒータと前記ストリングを冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、充電時においては、各々のストリングの充電電流が同一の基準電流となるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のストリングを温度制御して、各々のストリングの内部抵抗を等しくすることを特徴とする。

請求項６の発明に係わる２次電池システムは、請求項４の発明において、前記モジュール電池のストリングごとに、前記ストリングを加熱するヒータと前記ストリングを冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、放電時においては、各々のストリングの放電電流が等しくなるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のストリングを温度制御して、各々のストリングの内部抵抗を等しくすることを特徴とする。

本発明によれば、並列接続された各々のモジュール電池の内部抵抗が等しくなるように各々のモジュール電池を温度制御するので、各々のモジュール電池の特性のばらつきを補償するための特別の回路を追加することなく、モジュール電池の電池特性の均一化を図ることができる。従って、電池特性が揃うので電池利用率や充放電効率が向上し、充電時間延伸が防げると共に、低コスト化及びコンパクト化が図れる。

また、モジュール電池内で並列接続された各々のストリングの内部抵抗が等しくなるように各々のストリングを温度制御するので、各々のストリングの特性のばらつきを補償するための特別の回路を追加することなく、各々のストリングの特性の均一化を図ることができる。従って、各々のストリングの特性が揃うのでモジュール電池内の単電池の利用率や充放電効率が向上し、充電時間延伸が防げると共に、低コスト化及びコンパクト化が図れる。

図１は本発明の実施の形態に係わる２次電池システムの一例の構成図である。２次電池システムは、２次電池本体１１と制御装置１２とからなり、２次電池本体１１はインバータ１３に接続され、放電のときはインバータ１３で直流を交流に変換して出力し、充電のときはインバータ１３で交流を直流に変換して２次電池本体１１に電力を蓄電する。

２次電池本体１１は複数個の単電池をまとめて形成した複数個のモジュール電池１４を並列接続して構成されている。図１では３個のモジュール電池１４ａ〜１４ｃを備えたものを示している。単電池は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、さらには固体電解質を用いた高温差動型電池（ゼブラ電池、ＮＡＳ電池他）などである。

そして、制御装置１２は、並列接続された各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃに対応してそれぞれ電池制御部１５ａ〜１５ｃが設けられ、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃが等しくなるように各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃを温度制御する。

すなわち、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃには、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの温度を検出するための温度検出器１６ａ〜１６ｃが設けられ、また、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃを加熱するためのヒータ１７ａ〜１７ｃが設けられている。また、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの充放電電流を検出する電流検出器１８ａ〜１８ｃが設けられている。

各々の電池制御部１５ａ〜１５ｃは、それぞれ温度検出器１６ａ〜１６ｃで検出された各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの温度を入力するとともに、電流検出器１８ａ〜１８ｃで検出された充放電電流Ｉａ〜Ｉｃを入力する。そして、充電時においては、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの充電電流Ｉａ〜Ｉｃが同一の基準電流Ｉ０となるように、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃのヒータ１７ａ〜１７ｃを介して温度制御し、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃがほぼ等しくなるように制御する。また、放電時においては、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの放電電流Ｉａ〜Ｉｃが等しくなるように各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃを温度制御して、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃがほぼ等しくなるように制御する。

図２は、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃの特性図である。単電池のばらつきから各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃにはばらつきがある。図２（ａ）では、モジュール電池１４ａの内部抵抗ｒａが最も大きく、次にモジュール電池１４ｂの内部抵抗ｒｂが大きく、モジュール電池１４ｃの内部抵抗ｒｃが最も小さい特性である場合を示している。一般に、内部抵抗値ｒａ〜ｒｃには温度依存性があるので、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの温度を調整して、図２（ｂ）に示すように、各々の内部抵抗値ｒａ〜ｒｃを揃える。

放電時においては、内部抵抗ｒａ〜ｒｃが小さいほど放電電流Ｉａ〜Ｉｃが大きくなる。図２（ａ）に示すように、ｒａ＞ｒｂ＞ｒｃであるときは、Ｉａ＜Ｉｂ＜Ｉｃとなり、放電電流Ｉａ〜Ｉｃにアンバランスが生じ、２次電池システムとしては電池利用率の不均衡や電池寿命の不均衡が生じる。

同様に、充電時においても、内部抵抗ｒａ〜ｒｃが小さいほど充電電流Ｉａ〜Ｉｃが大きくなり、ｒａ＞ｒｂ＞ｒｃであるときは、Ｉａ＜Ｉｂ＜Ｉｃとなり、充電電流Ｉａ〜Ｉｃにアンバランスが生じ、電池システムとしては充電時間の延長や電池寿命に影響を与える。

そこで、内部抵抗値ｒａ〜ｒｃには温度依存性があることに着目し、モジュール電池１４の温度を調整する。例えば、２次電池システムが固体電解質を用いた高温差動型電池や常温保持型電池である場合には、モジュール電池１４の温度を上昇させると内部抵抗が小さくなり、温度を下降させると内部抵抗が大きくなる特性を有するので、図２（ａ）の場合には、モジュール電池１４ａ、１４ｂの温度をモジュール電池１４ｃより高くなるように調節して、各々の内部抵抗値ｒａ〜ｒｃを揃えるように制御する。この場合、モジュール電池１４ｂ、１４ｃの温度をモジュール電池１４ａより低くなるように調節して、各々の内部抵抗値ｒａ〜ｒｃを揃えるように制御してもよい。

固体電解質を用いた高温差動型電池（ゼブラ電池、ＮＡＳ電池他）では、固体電解質のイオン伝導率を保持するために固体電解質を暖めている。この場合の温度調節は、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃ毎に電池出力が最適になるように温度制御がなされている。本発明では、さらに、その温度制御の許容範囲内で、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃがほぼ等しくなるように温度調整する。この温度調整により内部抵抗ｒａ〜ｒｃを揃うようにする。

ここで、内部抵抗ｒａ〜ｒｃは直接測定できないので、制御指標として充放電電流Ｉａ〜Ｉｃを用いている。モジュール電池１４が並列接続でない場合には、充放電電圧を用いて内部抵抗ｒａ〜ｒｃのバランス調整を行うことも可能である。

以上の説明では、モジュール電池１４ａ〜１４ｃを加熱するヒータ１７ａ〜１７ｃを設け、制御装置１２は、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃをヒータ１７ａ〜１７ｃの加熱による温度制御にて、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃを等しくするようにしたが、ヒータ１７ａ〜１７ｃに代えて冷却器を設け、冷却器の冷却による温度制御にて、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃの内部抵抗ｒａ〜ｒｃを等しくするようにしてもよい。

例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、さらには固体電解質のセブラ電池では、モジュール電池の温度上昇を抑制するための温度維持用の冷却器が設けられている場合もあるので、その冷却器を兼用することができる。この場合、ヒータ及び冷却器の双方を設け、モジュール電池１４ａ〜１４ｃの温度状況に応じて加熱や冷却を行うようにしてもよい。この場合は、モジュール電池１４ａ〜１４ｃの自然加熱または自然冷却に頼ることなくモジュール電池１４ａ〜１４ｃの温度制御ができる。

また、以上の説明では、並列接続されたモジュール電池１４ａ〜１４ｃ間の内部抵抗のバラツキを補償するようにしたが、各々のモジュール電池１４ａ〜１４ｃ内部で並列接続された複数個のストリング間の内部抵抗のバラツキを補償するようにしてもよい。

図３は本発明の実施の形態に係わる２次電池システムの他の一例の構成図である。この一例は、図１に示した一例に対し、並列接続されたモジュール電池１４ａ〜１４ｃ間の内部抵抗のバラツキを補償することに代えて、モジュール電池１４内部で並列接続された複数個のストリング間の内部抵抗のバラツキを補償するようにしてたものである。

図３に示すように、２次電池システムは、２次電池本体１１と制御装置１２とからなり、２次電池本体１１はインバータ１３に接続され、放電のときはインバータ１３で直流を交流に変換して出力し、充電のときはインバータ１３で交流を直流に変換して２次電池本体１１に電力を蓄電する。図３では、２次電池本体１１が１個のモジュール電池１４で構成された場合を示している。

モジュール電池１４は、複数個の単電池を直列接続した３個のストリング１９ａ〜１９ｃを並列接続して形成されている。そして、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの温度を検出するための温度検出器２０ａ〜２０ｃが設けられ、各々のストリング１９ａ〜１９ｃを加熱するためのヒータ２１ａ〜２１ｃが設けられている。また、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの充放電電流Ｉ１〜Ｉ３を検出する電流検出器２２ａ〜２２ｃが設けられている。

制御装置１２には各々のストリング１９ａ〜１９ｃの温度制御を行うためのストリング制御部２３ａ〜２３ｃが設けられている。

ストリング制御部２３ａ〜２３ｃは、それぞれ温度検出器２２ａ〜２２ｃで検出された各々のストリング１９ａ〜１９ｃの温度を入力するとともに、電流検出器２２ａ〜２２ｃで検出された充放電電流Ｉ１〜Ｉ３を入力する。そして、充電時においては、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの充電電流Ｉ１〜Ｉ３が同一の基準電流Ｉｒとなるように、各々のストリング１９ａ〜１９ｃのヒータ２１ａ〜２１ｃを介して温度制御し、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３がほぼ等しくなるように制御する。また、放電時においては、各々の放電電流Ｉ１〜Ｉ３が等しくなるように各々のストリング１９ａ〜１９ｃを温度制御して、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３がほぼ等しくなるように制御する。

これにより、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３がほぼ等しくなるので、モジュール電池１４内のストリング特性の均一化を図ることができ、モジュール電池１４の効率や寿命を向上させることができる。

以上の説明では、ストリング１９ａ〜１９ｃを加熱するヒータ２１ａ〜２１ｃを設け、制御装置１２は、各々のストリング１９ａ〜１９ｃをヒータ２１ａ〜２１ｃの加熱による温度制御にて、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３を等しくするようにしたが、ヒータ２１ａ〜２１ｃに代えて冷却器を設け、冷却器の冷却による温度制御にて、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３を等しくするようにしてもよい。また、ヒータ及び冷却器の双方を設けるようにしてもよい。

また、各々のストリング１９ａ〜１９ｃごとにヒータや冷却器を設けるようにしたが、ストリング１９ａ〜１９ｃを形成する単電池ごとにヒータや冷却器を設け、各々の単電池の内部抵抗がそれぞれ等しくなるように温度制御するようにすることも可能である。この場合には、各々の単電池の電圧が等しくなるように温度制御することになる。これにより、各々の単電池の内部抵抗が等しくなるので各々の単電池のアンバランスを抑制できる。

ここで、このように構成された複数個のモジュール電池１４を並列接続する場合には、並列接続したモジュール電池１４の各々のストリング１９ａ〜１９ｃの充電電流Ｉ１〜Ｉ３について、同一の基準電流Ｉｒとなるように温度制御することになる。

本発明の実施の形態によれば、モジュール電池の温度を調整して内部抵抗ｒａ〜ｒｃを揃えるので、充放電電流Ｉａ〜Ｉｃのアンバランスを抑制できる。従って、電池利用率や充放電効率が向上し、充電時間をほぼ均等に保つことができ電池寿命を延ばすことができる。

また、モジュール電池１４内で並列接続された各々のストリング１９ａ〜１９ｃの内部抵抗ｒ１〜ｒ３が等しくなるように各々のストリング１９ａ〜１９ｃを温度制御するので、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの特性の均一化を図ることができる。従って、各々のストリング１９ａ〜１９ｃの特性が揃うのでモジュール電池内の単電池の利用率および充放電効率が向上し、充電時間延伸が防げると共に、低コスト化及びコンパクト化が図れる。

本発明の実施の形態に係わる２次電池システムの一例の構成図。本発明の実施の形態に係わる２次電池システムの各々のモジュール電池の内部抵抗の特性図。本発明の実施の形態に係わる２次電池システムの他の一例の構成図。

符号の説明

１１…２次電池本体、１２…制御装置、１３…インバータ、１４…モジュール電池、１５…電池制御部、１６…温度検出器、１７…ヒータ、１８…電流検出器、１９…ストリング、２０…温度検出器、２１…ヒータ、２２…電流検出器、２３…ストリング制御部

Claims

複数個の単電池をまとめて形成したモジュール電池を並列接続して構成された２次電池本体と、
前記並列接続された各々のモジュール電池の内部抵抗が等しくなるように各々のモジュール電池を温度制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする２次電池システム。
前記各々のモジュール電池ごとに、前記モジュール電池を加熱するヒータと前記モジュール電池を冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、充電時においては、各々のモジュール電池の充電電流が同一の基準電流となるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のモジュール電池を温度制御して、各々のモジュール電池の内部抵抗を等しくすることを特徴とする請求項１記載の２次電池システム。
前記各々のモジュール電池ごとに、前記モジュール電池を加熱するヒータと前記モジュール電池を冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、放電時においては、各々のモジュール電池の放電電流が等しくなるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のモジュール電池を温度制御して、各々のモジュール電池の内部抵抗を等しくすることを特徴とする請求項１記載の２次電池システム。
複数個の単電池を直列接続したストリングを複数個並列接続して形成されたモジュール電池を少なくとも１個有した２次電池本体と、
前記モジュール電池を構成する並列接続された各々のストリングの内部抵抗が等しくなるように各々のストリングを温度制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする２次電池システム。
前記モジュール電池のストリングごとに、前記ストリングを加熱するヒータと前記ストリングを冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、充電時においては、各々のストリングの充電電流が同一の基準電流となるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のストリングを温度制御して、各々のストリングの内部抵抗を等しくすることを特徴とする請求項４記載の２次電池システム。
前記モジュール電池のストリングごとに、前記ストリングを加熱するヒータと前記ストリングを冷却する冷却器とのうち少なくともいずれか一つを設け、前記制御装置は、放電時においては、各々のストリングの放電電流が等しくなるように、前記ヒータ及び前記冷却器のうちの少なくともいずれか一つにより、各々のストリングを温度制御して、各々のストリングの内部抵抗を等しくすることを特徴とする請求項４記載の２次電池システム。