JP2008161029A - 蓄電モジュールおよび蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】大きな発熱や電力損失をともなうことなく、低コスト化が可能な構成でもって、多直列接続された蓄電セルを保護するための半導体スイッチの電圧破壊を防止できるモジュールおよび蓄電システムを提供する。
【解決手段】所定数の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０を直列接続し、その直列接続端を半導体スイッチＳｃ１／Ｓｄ１を直列に介して外部端子ｐ１，ｐ２に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路２１／２２を備えた蓄電モジュールＭ１において、上記セル保護回路によって上記スイッチがオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチをオフ状態に強制設定する受信手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池や大容量キャパシタなどの蓄電セルを多数直列接続して構成される蓄電モジュールおよびこのモジュールを多数直列接続して構成される蓄電システムに関する。

二次電池やキャパシタなどの蓄電セルを用いて、たとえば電気自動車の動力電源あるいは負荷平準化用の蓄電システムを構成するためには、数十〜数百の蓄電セルを直列接続する必要がある。

たとえば数百Ｖ規模の電圧で蓄電動作を行う蓄電システムを構築する場合、所定数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールを構成し、この蓄電モジュールを任意数直列接続して所望の動作電圧を得るようにした方がよい。そうすれば、モジュールを規格化して生産性の向上およびコストの低減が可能となり、所望の動作電圧を得るための配線工数を少なくすることができ、一部のセルに不良や故障が生じた場合の交換修理も容易にすることができるなど、多くの利点が得られる。

多数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールでは、モジュール内のセルを保護するため、蓄電セルの直列接続端と外部端子の間に半導体スイッチを直列に介在させるとともに、モジュール内の各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えることが望ましい（たとえば、特許文献１参照）。

セル保護回路としては、モジュール内の蓄電セルを過充電から保護するための過充電保護回路と、モジュール内の蓄電セルを過放電から保護するための過放電保護回路とがあり、用途に応じてそのいずれか一方または両方が設置される。

図９は、過充電保護回路を備えた蓄電モジュールとこのモジュールを用いた蓄電システムの構成例を示す。同図において、（ａ）は蓄電モジュールＭ１を示し、（ｂ）は蓄電システム１０１を示す。

同図（ａ）に示す蓄電モジュールＭ１は、直列接続された１０個の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０、半導体スイッチＳｃ１、外部端子ｐ１，ｐ２、および過充電保護回路２１によって構成されている。

蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の直列接続端は半導体スイッチＳｃ１を直列に介して外部端子ｐ１，ｐ２に接続されている。過充電保護回路２１は各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧が所定値以上になったときに上記半導体スイッチＳｃ１をオン状態からオフ状態に設定する。

これにより、いずれかのセルが過充電状態（あるいは満充電状態）になったときに、モジュールＭ１内の全セルＢ１〜Ｂ１０が外部端子ｐ１，ｐ２から遮断されて過充電の進行が阻止される。

図示の例では、各セルＢ１〜Ｂ１０がそれぞれ４．２Ｖ定格であって、４．２Ｖ×１０直列＝４２ＶがモジュールＭ１の定格となる。ここで、少なくともいずれか１つのセルにて所定値以上の電圧（たとえば４．５Ｖ以上）が現れると、過充電保護回路２１の保護動作によりスイッチＳｃ１がオフ設定制御される。

スイッチＳｃ１にはパワーＭＯＳトランジスタＱ１が使用されている。このＭＯＳトランジスタＱ１は、耐電圧はそれほど高くないが、大電流のスイッチングに適しているとともに、低オン抵抗（オン時の抵抗が低い）で電圧損が小さく、発熱および電力損失を少なくできるという利点があるため、蓄電モジュールＭ１内のセル保護にはとくに適している。

パワーＭＯＳトランジスタＱ１にはボディダイオードＤ１が並列接続状態で内蔵されているが、このダイオードＤ１は充電電流に対して逆極性となる向きに接続されている。

同図（ｂ）に示す蓄電システム１０１は、上記蓄電モジュールＭ１と同一構成の蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０を１０個直列接続して構成されている。各モジュールＭ１〜Ｍ１０はそれぞれ、過充電保護回路２１によってオフ設定制御されるスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０を備えている。

各モジュールＭ１〜Ｍ１０の電圧をそれぞれ４２Ｖとすれば、４２Ｖ×１０直列＝４２０Ｖの電圧出力を得ることができる。したがって、この蓄電システム１０１は４２０Ｖ以上の充電電圧を出力する蓄電利用機器４１に接続されて使用される。

図１０は、過放電保護回路を備えた蓄電モジュールとこのモジュールを用いた蓄電システムの構成例を示す。同図において、（ａ）は蓄電モジュールＭ１を示し、（ｂ）は蓄電システム１０１を示す。

同図（ａ）に示す蓄電モジュールＭ１は、直列接続された１０個の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０、半導体スイッチＳｄ１、外部端子ｐ１，ｐ２、および過放電保護回路２２によって構成されている。蓄電モジュールＭ１および蓄電システム１０１の基本的な構成は、以下に示す事項を除き、図９に示したものと同じである。

すなわち、図１０に示す蓄電モジュールＭ１では、いずれかのセル電圧が所定値以下（たとえば２．５Ｖ以下）になったときに、過放電保護回路２２が半導体スイッチＳｄ１をオフ状態に設定し、これにより、モジュールＭ１内の全セルＢ１〜Ｂ１０を外部端子ｐ１，ｐ２から遮断して保護する。

半導体スイッチＳｄ１にはパワーＭＯＳトランジスタＱ２が使用されているが、このＭＯＳトランジスタＱ２に並列に介在するボディダイオードＤ２は、放電電流に対して逆極性となるように介在している。

各モジュールＭ１〜Ｍ１０はそれぞれ、過放電保護回路２２によってオフ設定されるスイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０を備えている。また、この蓄電システム１０１は４２０Ｖの電圧で動作する蓄電利用機器４２に接続されて使用される。
特開２００３−１８９４８０

上述した技術には、次のような問題のあることが本発明者らによりあきらかにされた。

たとえば、図９に示した蓄電モジュールＭ１および蓄電システム１０１においては、モジュールＭ２〜Ｍ１０が充電初期状態のときに、モジュールＭ１内のいずれかのセルが過充電状態になってスイッチＳｃ１がセル保護のためにオフ設定されると、同図の（ｂ）に示すように、そのスイッチＳｃ１には、蓄電利用機器４１から印加される充電電圧４２０ＶからモジュールＭ１〜Ｍ１０の直列電圧（２５Ｖ×９＋４２Ｖ）を差し引いた電圧１５３Ｖが印加される。この高電圧（１５３Ｖ）印加によりスイッチＳｃ１が電圧破壊してしまうという問題が生じる。

また、図１０に示した蓄電モジュールＭ１および蓄電システム１０１においては、たとえば、モジュールＭ１〜Ｍ９が満充電状態のときに、モジュールＭ１０内のいずれかのセルが過放電状態になってスイッチＳｄ１０がセル保護のためにオフ設定されると、同図の（ｂ）に示すように、そのスイッチＳｄ１０には、全モジュールＭ１〜Ｍ１０の直列電圧が（４２Ｖ×９＋２５Ｖ＝４０３）が印加されることになる。この高電圧（４０３Ｖ）印加によりスイッチＳｄ１０が電圧破壊してしまうという問題が生じる。

上記問題を回避するためには、半導体スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０の耐電圧を高める必要があるが、高耐電圧の半導体スイッチは高価であり、また高耐電圧の半導体スイッチはオン抵抗や電圧損が大きくなる傾向にあるため、コスト高に加えて、発熱や電力損失が増えるといった問題が生じる。とくに、発熱については、蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の劣化や漏液、さらには破裂などのトラブル原因となりやすい。このため、スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０での発熱は極力抑える必要がある。

本発明は以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、大きな発熱や電力損失をともなうことなく、低コスト化が可能な構成でもって、多直列接続された蓄電セルを保護するための半導体スイッチの電圧破壊を防止できるモジュールおよび蓄電システムを提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、上記スイッチの印加電圧を所定以下に制御する電圧制御手段を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（２）上記手段（１）において、上記半導体スイッチはトランジスタによって形成され、上記電圧制御手段は、そのトランジスタへの印加電圧が所定の基準電圧を超えたときにそのトランジスタのゲート電圧又はベース電流を操作して並列電圧制御電流を通電させる回路手段によって形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。

（３）所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、上記セル保護回路によって上記スイッチがオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチをオフ状態に強制設定する受信手段とを備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（４）上記手段（３）において、上記送信手段および上記受信手段はそれぞれ、信号の送信先および受信先に対してモジュール内を外部から直流的に分離するフォトカプラーを用いて構成されていることを特徴とする蓄電モジュール。

（５）上記手段（３）または（４）において、上記半導体スイッチはＭＯＳトランジスタによって形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。

（６）上記手段（３）〜（５）のいずれかにおいて、上記セル保護回路として、いずれかのセル電圧が所定値以上になったときに上記半導体スイッチをオフ状態に設定する過充電保護回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（７）上記手段（３）〜（５）のいずれかにおいて、上記セル保護回路として、いずれかのセル電圧が所定値以下になったときに上記半導体スイッチをオフ状態に設定する過放電保護回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（８）上記手段（７）において、蓄電セルの直列接続端が半導体スイッチを直列に介して導出される外部端子間に、その外部端子の入出力電圧に対して逆方向となるようにダイオードを並列接続したことを特徴とする蓄電モジュール。

（９）上記手段（３）〜（８）のいずれかにおいて、各蓄電セルにそれぞれ並列に接続してセル電圧を所定以下に制御する並列電圧制御回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（１０）上記手段（３）〜（９）のいずれかにおいて、各蓄電セルの電圧を互いに均等化するセルバランス回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（１１）所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、上記手段（１）または（２）の構成と上記手段（３）〜（１０）の構成を共に備えたことを特徴とする蓄電モジュール。

（１２）所定数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールを多数直列に接続してなる蓄電システムにおいて、上記蓄電モジュールとして上記手段（１）〜（１１）に記載の蓄電モジュールを用いたことを特徴とする蓄電システム。

（１３）上記手段（１２）において、上記蓄電モジュールとして上記手段（３）〜（１１）に記載の蓄電モジュールを用いるとともに、各蓄電モジュールから送信される異常通知を受信し、いずれかの蓄電モジュールから異常通知を受信した場合に、全蓄電モジュールに対して上記半導体スイッチをオフ状態に強制設定するための制御信号を送信するリモート制御手段を備えたことを特徴とする蓄電システム。

大きな発熱や電力損失をともなうことなく、低コスト化が可能な構成でもって、多直列接続された蓄電セルを保護するための半導体スイッチの電圧破壊を防止できるモジュールおよび蓄電システムを提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の第１実施形態による蓄電モジュールおよび蓄電システムの回路図を示す。同図において、（ａ）は蓄電モジュールＭ１を示し、（ｂ）は蓄電システム１００を示す。

同図（ａ）に示す蓄電モジュールＭ１は、直列接続された１０個の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０、半導体スイッチＳｃ１、外部端子ｐ１，ｐ２、および過充電保護回路２１などによって構成されている。

蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の直列接続端は半導体スイッチＳｃ１を直列に介して外部端子ｐ１，ｐ２に接続されている。過充電保護回路２１は各蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧が所定値以上（たとえば４．５Ｖ以上）になったときに上記半導体スイッチＳｃ１をオン状態からオフ状態に設定する。これにより、いずれかのセルが過充電状態になったときに、モジュールＭ１内の全セルＢ１〜Ｂ１０が外部端子ｐ１，ｐ２から遮断されて過充電の進行が阻止される。

スイッチＳｃ１にはパワーＭＯＳトランジスタＱ１が使用されている。このＭＯＳトランジスタＱ１は、前述したように、耐電圧はそれほど高くないが、大電流のスイッチングに適しているとともに、低オン抵抗（オン時の抵抗が低い）で電圧損が小さく、発熱および電力損失を少なくできるという利点があるため、蓄電モジュールＭ１内のセル保護にはとくに適している。

パワーＭＯＳトランジスタＱ１にはボディダイオードＤ１が並列接続状態で内蔵されているが、このダイオードＤ１は充電電流に対して逆極性となる向きで並列接続されている。

また、同図（ｂ）に示す蓄電システム１００は、上記モジュールＭ１と同一構成の蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０を１０個直列接続して構成されている。その直列接続端は充電機能を有する蓄電利用機器４１に接続されている。各モジュールＭ１〜Ｍ１０はそれぞれ、過充電保護回路２１によってオフ設定されるスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０を備えている。

上記に加えて、この第１実施形態では、上記モジュールＭ１内に演算増幅器２３が設置されている。この演算増幅器２３は、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン・ソース間の電圧を所定の基準電圧Ｖｒ１と比較し、その比較出力をＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに印加するように接続されている。

ＭＯＳトランジスタＱ１は、モジュールＭ１内のいずれかの蓄電セルが過充電状態になったときに、過充電保護回路２１から与えられるゲート制御電圧ｇｃにより、オン状態からオフ状態に設定制御される。このオフ設定によってＭＯＳトランジスタＱ１への印加電圧が上記基準電圧Ｖｒ１を超えると、演算増幅器２３がＭＯＳトランジスタＱ１のゲート制御電圧ｇｃに干渉してＭＯＳトランジスタＱ１を半導通化する。

この半導通化とは、ＭＯＳトランジスタＱ１を完全にオン状態にするのではなく、ＭＯＳトランジスタＱ１の印加電圧を耐電圧以下に並列制御するのに必要なだけの電流が通電される状態を意味する。つまり、ＭＯＳトランジスタＱ１の印加電圧を、そのＭＯＳトランジスタＱ１自身の導通による並列電圧制御によって抑制する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ１の電圧破壊を防止する効果を得ることができる。

さらに、この第１実施形態では、ＭＯＳトランジスタＱ１の電圧破壊を一層確実に防止するために、次のような構成手段を備えている。

すなわち、上記モジュールＭ１内には、過充電保護回路２１によってスイッチＳｃ１がオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチをオフ状態に強制設定する受信手段とを備えている。

この送信手段および受信手段はそれぞれ、過充電保護回路２１の機能にフォトカプラー２５を付加して構成することができる。フォトカプラー２５は、信号の送信先および受信先に対してモジュールＭ１内を直流的に分離する。

過充電保護回路２１は、モジュールＭ１内のいずれかのセルの過充電（あるいは満充電）を検出すると、その結果をスイッチＳｃ１のオフ設定制御信号ｇｃとして出力するが、この出力動作に連動して生成される信号ｘｃがフォトカプラー２５を介して外部へ送信される。

一方、外部からの制御信号ｒｃは上記フォトカプラー２５を介して過充電保護回路２１に入力される。過充電保護回路２１はその制御信号ｒｃを受けてスイッチＳｃ１をオフ状態に設定する制御信号ｇｃを発生する。つまり、制御信号ｇｃは、いずれかのセルにおける過充電状態の発生と、受信信号ｒｃの受信という２つのイベントの論理和によって生成されるようになっている。

図１の（ｂ）に示す蓄電システム１００には、上記構成に加えて、充電スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０のリモート制御回路３１が設けられている。このリモート制御回路３１は、各蓄電モジュールからの送信信号ｘｃを受信する。そして、いずれかの蓄電モジュールからの信号ｘｃを受信すると、全蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０に対してスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０をオフ状態に強制設定するための制御信号ｒｃを送信する。

これにより、たとえば蓄電モジュールＭ１０内のいずれかの蓄電セルが過充電状態になると、そのモジュールＭ１０内のスイッチＳｃ１０が過充電保護回路２１によってオフ設定されるとともに、他のモジュールＭ１〜Ｍ９内のスイッチＳｃ１〜Ｓｃ９もリモート制御回路３１によって一斉にオフ設定される。

この結果、各スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０の耐電圧負担が分担され、個々の耐電圧が低くても、スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０の電圧破壊を一層確実に防止することができる。そして、このときは充電電流も完全に遮断することができる。

図２は、本発明の第２実施形態による蓄電モジュールおよび蓄電システムの回路図を示す。同図において、（ａ）は蓄電モジュールＭ１を示し、（ｂ）は蓄電システム１００を示す。

同図（ａ）に示す蓄電モジュールＭ１は、図１に示したものと同様、直列接続された１０個の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０、半導体スイッチＳｄ１、外部端子ｐ１，ｐ２などを備えるが、この第２実施形態では、セル保護回路として過放電保護回路２２が設置されている。

過放電保護回路２２は各蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧が所定値以下（たとえば２．５Ｖ以下）になったときに上記半導体スイッチＳｄ１をオン状態からオフ状態に設定する。これにより、いずれかのセルが過放電状態になったときに、モジュールＭ１内の全セルＢ１〜Ｂ１０が外部端子ｐ１，ｐ２から遮断されて過放電の進行が阻止される。

スイッチＳｄ１には上記と同様、パワーＭＯＳトランジスタＱ２が使用されている。このパワーＭＯＳトランジスタＱ２に並列接続状態で内蔵されているボディダイオードＤ１は、放電電流に対して逆極性となる向きで並列接続されている。

同図（ｂ）に示す蓄電システム１００は、これも図１に示したものと同様、上記モジュールＭ１と同一構成の蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０を１０個直列接続して構成されている。その直列接続端は高電圧で動作する蓄電利用機器４２に接続されている。各モジュールＭ１〜Ｍ１０はそれぞれ、過放電保護回路２２によってオフ設定されるスイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０を備えている。

上記モジュールＭ１内には演算増幅器２４が設置されているが、この演算増幅器２４は、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン・ソース間の電圧を所定の基準電圧Ｖｒ２と比較し、その比較出力をＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに印加するように接続されている。

ＭＯＳトランジスタＱ２は、モジュールＭ１内のいずれかの蓄電セルが過放電状態になったときに、過放電保護回路２２から与えられるゲート制御電圧ｇｄにより、オン状態からオフ状態に設定制御される。このオフ設定によってＭＯＳトランジスタＱ２への印加電圧が上記基準電圧Ｖｒ２を下回ると、演算増幅器２４がＭＯＳトランジスタＱ２のゲート制御電圧ｇｄに干渉してＭＯＳトランジスタＱ２を半導通化する。

この半導通化は、上記と同様、ＭＯＳトランジスタＱ２を完全にオン状態にするのではなく、ＭＯＳトランジスタＱ２の印加電圧を耐電圧以下に並列制御するのに必要なだけの電流が通電される状態を意味する。つまり、ＭＯＳトランジスタＱ２の印加電圧を、そのＭＯＳトランジスタＱ２自身の導通による並列電圧制御によって抑制する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ２の電圧破壊を防止する効果を得ることができる。

そして、この第２実施形態でも、ＭＯＳトランジスタＱ２の電圧破壊を一層確実に防止するために、次のような構成手段を備えている。

すなわち、上記モジュールＭ１内には、過放電保護回路２２によってスイッチＳｄ１がオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチをオフ状態に強制設定する受信手段とを備えている。

この送信手段および受信手段はそれぞれ、過放電保護回路２２の機能にフォトカプラー２６を付加して構成される。フォトカプラー２６は、信号の送信先および受信先に対してモジュールＭ１内を直流的に分離する。

過放電保護回路２２は、モジュールＭ１内のいずれかのセルの過放電を検出すると、その結果をスイッチＳｄ１のオフ設定制御信号ｇｄとして出力する。この出力動作に連動して生成される信号ｘｄがフォトカプラー２６を介して外部へ送信される。

一方、外部からの制御信号ｒｄは上記フォトカプラー２６を介して過放電保護回路２２に入力される。過放電保護回路２２はその制御信号ｒｄを受けてスイッチＳｄ１をオフ状態に設定する制御信号ｇｄを発生する。つまり、制御信号ｇｄは、いずれかのセルにおける過放電状態の発生と、受信信号ｒｄの受信という２つのイベントの論理和によって生成されるようになっている。

図２の（ｂ）に示す蓄電システム１００には、上記構成に加えて、放電スイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０のリモート制御回路３２が設けられている。このリモート制御回路３２は、各蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０からの送信信号ｘｄを受信し、いずれかの蓄電モジュールからの信号ｘｄを受信すると、全蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０に対してスイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０をオフ状態に強制設定するための制御信号ｒｄを送信する。

これにより、たとえば蓄電モジュールＭ１０内のいずれかの蓄電セルが過放電状態になると、そのモジュールＭ１０内のスイッチＳｄ１０が過放電保護回路２２によってオフ設定されるとともに、他のモジュールＭ１〜Ｍ９内のスイッチＳｄ１〜Ｓｄ９もリモート制御回路３２によって一斉にオフ設定される。ここでリモート制御回路３２は、送信信号ｘｄと制御信号ｒｄで個別の制御が不要の場合は、１本の送受信共用とすることもできる。

この結果、各スイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０の耐電圧負担が分担され、個々の耐電圧が低くても、スイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０の電圧破壊を一層確実に防止することができる。そして、放電電流も完全に遮断することができる。

以上のように、上述した第１および第２の実施形態では、所定数の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０を直列接続し、その直列接続端を半導体スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０を直列に介して外部端子ｐ１，ｐ２に導出するとともに、各蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０をオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路２１／２２を備えた蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０において、上記スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０への印加電圧を所定以下に制御する電圧制御手段を備えたことにより、上記半導体スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０の電圧破壊を簡単に防止する効果を得ることができる。

これにより、耐電圧はそれほど高くないが、大電流のスイッチングに適しているとともに、低オン抵抗で電圧損が小さいＭＯＳトランジスタＱ１／Ｑ２を使用し、大きな発熱や電力損失をともなうことなく、多数の蓄電セルＢ１〜Ｂ１０が直列接続された蓄電モジュールＭ１〜Ｍ１０および多数のモジュールＭ１〜Ｍ１０が直列接続された蓄電システム１００を低コストで構成することができる。

さらに、上記セル保護回路２１／２２によって上記スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０がオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０をオフ状態に強制設定する受信手段とを備えたことにより、各スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０の個々の耐電圧が低くても、スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０の電圧破壊を一層確実に防止することができるとともに、充電／放電電流を完全に遮断することができる。

上記送信手段および上記受信手段にそれぞれ、信号の送信先および受信先に対してモジュール内を外部から直流的に分離するフォトカプラー２５／２６を用いれば、モジュールＭ１〜Ｍ１０とリモート制御回路３１／３２間の通信接続も非常に簡潔かつ簡単に行うことができる。

上述した第１実施形態と第２実施形態は、蓄電利用機器４１／４２の種類に応じていずれか一方だけ設置してもよいが、両方を同時に設置することも可能である。後者の場合は過充電保護用のスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０と過放電保護用のスイッチＳｄ１〜Ｓｄ１０を直列接続すればよい。

また、演算増幅器２３／２４を用いてスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０の印加電圧をモジュールＭ１〜Ｍ１０ごとに並列制御する回路手段と、リモート制御回路３１／３２を用いて全モジュールＭ１〜Ｍ１０内のスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０を一斉にオフ状態に制御する回路手段は、それぞれに独立のスイッチ保護機能を呈するが、両手段を共に備えることで、次のような効果が得られる。

すなわち、どこかのモジュール内にていずれかのセルに過充電または過放電の異常が生じた場合、その異常に基づいて全モジュールＭ１〜Ｍ１０内のスイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０が一斉にオフ状態にリモート制御されるまでの間に、通信時間による若干の遅延が生じる場合がある。

この場合、セルの異常が検出されてから全スイッチＳｃ１〜Ｓｃ１０／Ｓｄ１〜Ｓｄ１０がオフ状態になるまでの間、非常に短時間ではあるが、セルの異常が発生したモジュール内のスイッチに耐電圧を越える高電圧が印加される瞬間が生じる。この瞬間的な高電圧印加によるスイッチの電圧破壊までも確実に防止するためには、上記２種類の回路手段を兼ね備えることが望ましい。

図３は本発明の第３実施形態を示す。この第３実施形態は、蓄電セルＢ１〜Ｂ１０の直列接続端が半導体スイッチＳｄ１を直列に介して導出される外部端子ｐ１，ｐ２間に、モジュールＭ１の入出力電圧に対して逆方向となるようにダイオードＤ３を並列接続したことを特徴とする。

この実施形態は、蓄電システム１００が放電モードで動作する際に有効である。たとえば、図４に示すように、モジュールＭ１０内のいずれかのセルが過放電状態になった場合、そのセルを保護するためにスイッチＳｄ１０がオフ状態に設定されるが、このとき、他のモジュールＭ１〜Ｍ９の放電電流はそれぞれ、モジュールＭ１０に並列接続されたダイオードＤ３でバイパスされて流れる。つまり、モジュールＭ１０を迂回して放電電流が流れる。

これにより、モジュールＭ１０内のスイッチＳｄ１０に印加される電圧は、モジュールＭ１０の電圧だけとなる。したがって、スイッチＳｄ１０の電圧破壊は生じ得ない。

図４に示す蓄電システム１００では、図５に示すように、スイッチＳｄ１０のオフによって出力電圧が他のモジュールＭ１〜Ｍ９の直列電圧（３７７Ｖ）に低下する。この低下の後の処理は、蓄電利用機器４２側の都合に応じて適宜設定ることができる。たとえば、図５のグラフでは、セルバランスを考慮し、スイッチＳｄ１０のオフ後、所定の猶予時間をおいて他のスイッチＳｄ１〜Ｓｄ９をリモート制御でオフ状態にしている。

図６は本発明の第４実施形態を示す。この第４実施形態では、過充電保護回路２１を備えた蓄電モジュールＭ１内に、各セルＢ１〜Ｂ１０の電圧をそれぞれ所定値以下に並列制御する定電圧回路Ｈ１〜Ｈ１０を並列接続している。

この第４実施形態によれば、たとえばセルＢ１が満充電状態（あるいは過充電状態）になったときに、過充電保護回路２１がその満充電状態を検出してスイッチＳｃ１がオフ状態になるまでの間、および他のモジュールＭ２〜Ｍ１０のスイッチＳｃ２〜Ｓｃ１０がリモート制御によってオフ状態になるまでの間、各セルＢ１〜Ｂ１０の充電電圧を所定以下に抑制することができる。これにより、一瞬の過充電も確実に防止できるようになる。

図７は上記定電圧回路Ｈｎの構成例を示す。同図に示す定電圧回路Ｈｎは、演算増幅器２７と充電最大許容電圧に設定された基準電圧Ｖｒ３を用い、セルＢｎの電圧がその基準電圧Ｖｒ３以下となるような負帰還動作を行わせることにより、セルＢｎの電圧をその基準電圧Ｖｒ３以下に抑制するようにしている。

上記定電圧回路Ｈｎは、演算増幅器２７を用いた能動回路でなく、ダイオードなどの定電圧素子を用いた受動回路で構成することも可能である。

図８は本発明の第５実施形態を示す。この第５実施形態では、過充電保護回路２１を備えた蓄電モジュールＭ１内に、各セルＢ１〜Ｂ１０の電圧を互いに均等化するセルバランス回路５０が設置されている。このセルバランス回路５０はセル間の電圧バラツキを補償する動作により、図７に示した第４実施形態と同様、各セルＢ１〜Ｂ１０の電圧をそれぞれ所定以下に抑制する定電圧回路と同じような効果をもたらすことができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、蓄電モジュールにおける蓄電セルの直列接続数、蓄電システムにおける蓄電モジュールの直列接続数についてはそれぞれ任意に選択することができる。また、複数の蓄電モジュールを直列接続して上位の蓄電モジュールを構成し、この上位蓄電モジュールをさらに複数直列接続して蓄電システムを構成するようにしてもよい。
また、半導体スイッチに用いるＭＯＳトランジスタは、バイポーラトランジスタとしてもよい。

大きな発熱や電力損失をともなうことなく、低コスト化が可能な構成でもって、多直列接続された蓄電セルを保護するための半導体スイッチの電圧破壊を防止できるモジュールおよび蓄電システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態による蓄電モジュールおよび蓄電システムの回路図である。 本発明の第２実施形態による蓄電モジュールおよび蓄電システムの回路図である。 本発明の第３実施形態による蓄電モジュールの回路図である。 本発明の第３実施形態による蓄電モジュールを用いた蓄電システムの回路図である。 本発明の第３実施形態による蓄電システムにおける出力電圧の時間推移を示すグラフである。 本発明の第４実施形態による蓄電モジュールの回路図である。 本発明の第４実施形態で用いる定電圧回路の一例を示す回路図である。 本発明の第５実施形態による蓄電モジュールの回路図である。 従来技術に基づく蓄電モジュールおよび蓄電システムの第１例を示す回路図である。 従来技術に基づく蓄電モジュールおよび蓄電システムの第２例を示す回路図である。

符号の説明

１００ 蓄電システム、
２１ 過充電保護回路、
２２ 過放電保護回路、
２３，２４ 演算増幅器、
２５，２６ フォトカプラー、
２７ 演算増幅器、
３１，３２ リモート制御回路、
４１，４２ 蓄電利用機器、
Ｂ１〜Ｂ１０，Ｂｎ 蓄電セル、
Ｈ１〜Ｈ１０，Ｈｎ 定電圧回路、
Ｍ１〜Ｍ１０ 蓄電モジュール、
Ｓｃ１〜Ｓｃ１０ 半導体スイッチ、
Ｓｄ１〜Ｓｄ１０ 半導体スイッチ、
ｐ１，ｐ２ 外部端子、
Ｑ１，Ｑ２ パワーＭＯＳトランジスタ、
Ｄ１，Ｄ２ ボディダイオード、
Ｄ３ バイパス用ダイオード、
ｇｃ，ｇｄ スイッチ制御信号、
ｘｃ 過充電通知信号、
ｘｄ 過放電通知信号、
ｒｃ，ｒｄ リモート制御信号

Claims (13)

1. 所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、上記スイッチの印加電圧を所定以下に制御する電圧制御手段を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
2. 請求項１において、上記半導体スイッチはトランジスタによって形成され、上記電圧制御手段は、そのトランジスタへの印加電圧が所定の基準電圧を超えたときにそのトランジスタのゲート電圧又はベース電流を操作して並列電圧制御電流を通電させる回路手段によって形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。
3. 所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、上記セル保護回路によって上記スイッチがオフ状態に設定されたときにその状態を外部へ通知する送信手段と、外部からの制御信号を受信して上記スイッチをオフ状態に強制設定する受信手段とを備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
4. 請求項３において、上記送信手段および上記受信手段はそれぞれ、信号の送信先および受信先に対してモジュール内を外部から直流的に分離するフォトカプラーを用いて構成されていることを特徴とする蓄電モジュール。
5. 請求項３または４において、上記半導体スイッチはＭＯＳトランジスタによって形成されていることを特徴とする蓄電モジュール。
6. 請求項３〜５のいずれかにおいて、上記セル保護回路として、いずれかのセル電圧が所定値以上になったときに上記半導体スイッチをオフ状態に設定する過充電保護回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
7. 請求項３〜５のいずれかにおいて、上記セル保護回路として、いずれかのセル電圧が所定値以下になったときに上記半導体スイッチをオフ状態に設定する過放電保護回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
8. 請求項７において、蓄電セルの直列接続端が半導体スイッチを直列に介して導出される外部端子間に、その外部端子の入出力電圧に対して逆方向となるようにダイオードを並列接続したことを特徴とする蓄電モジュール。
9. 請求項３〜８のいずれかにおいて、各蓄電セルにそれぞれ並列に接続してセル電圧を所定以下に制御する並列電圧制御回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
10. 請求項３〜９のいずれかにおいて、各蓄電セルの電圧を互いに均等化するセルバランス回路を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
11. 所定数の蓄電セルを直列接続し、その直列接続端を、半導体スイッチを直列に介して外部端子に導出するとともに、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチをオン状態からオフ状態に制御するセル保護回路を備えた蓄電モジュールにおいて、請求項１または２の構成と請求項３〜１０の構成を共に備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
12. 所定数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールを多数直列に接続してなる蓄電システムにおいて、上記蓄電モジュールとして請求項１〜１１に記載の蓄電モジュールを用いたことを特徴とする蓄電システム。
13. 請求項１２において、上記蓄電モジュールとして請求項３〜１１に記載の蓄電モジュールを用いるとともに、各蓄電モジュールから送信される異常通知を受信し、いずれかの蓄電モジュールから異常通知を受信した場合に、全蓄電モジュールに対して上記半導体スイッチをオフ状態に強制設定するための制御信号を送信するリモート制御手段を備えたことを特徴とする蓄電システム。

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