JP2009148099A

JP2009148099A - 電池システム

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Publication number: JP2009148099A
Application number: JP2007323948A
Authority: JP
Inventors: Hisato Nakajima; 久人中嶋
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: JP5220399B2

Abstract

【課題】二次電池パッケージを並列接続して成る電池システムにおいて、簡単な構成で、かつ安価に、放電時にダイオードによる電力損失を発生させない回路とする。
【解決手段】電池システム１は、二次電池１０とダイオードＤとを接続した複数の電池パッケージ２を並列接続して成り、各電池パッケージ２の電路をダイオードＤ通過電路２１と迂回電路２２間で切り替える電路切替装置３と、各電池パッケージ２の電池電圧を計測する電圧計測部と、充電中か否かを検出する充電中検出装置５と、各電圧値および充電中か否かの検出結果に基づいて電路切替装置３を制御する制御部とを備え、制御部は、電池システム１が放電中の場合に、いずれかの電池パッケージ２の電圧値が他の電池パッケージ２の電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージ２では電路２１とし、他の電池パッケージ２では電路２２とするように電路切替装置３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を並列接続した電池システムに関する。

従来から、容量の大きい二次電池システムを構成する際に、コスト的に有利という理由から、容量の小さな複数の二次電池パッケージを並列に接続して、全体としてもとの二次電池パッケージよりも容量の大きな二次電池システムを構成することが行われている。

ところで、容量を増大するために並列接続された電池パッケージの各々には、通常、逆流を防止するダイオードが挿入されている。このようなダイオードは、各電池パッケージ間の電圧値に差が発生することにより、並列接続された電池パッケージ間で意図しない電流、すなわち逆流電流が流れるのを防止するものである。従って、二次電池システムが負荷に接続されて放電中の場合の逆流や、充電器に接続されて充電中の場合の逆流があり、それぞれ、注目する逆流に応じた向きのダイオードが挿入される。これらのダイオードは、平常時にダイオード自体が負荷とならないようにスイッチングされる（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１４００６５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような二次電池システムや従来の二次電池システムにおいては、並列接続した各電池パッケージ毎に充電と放電とを検出し、ダイオードを通過する電路と迂回する電路とを切り替えるスイッチング制御を行っているので、充電及び放電の検出回路が多くて複雑となり、コスト的に不利という問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、放電時に逆流防止用のダイオードによる電力損失を発生させることがなく、充電および放電の検出回路が少なくて済み、構成が簡単で低コスト化が図れる電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、二次電池とダイオードとを接続した電池パッケージを互いに並列接続して成る電池システムにおいて、各電池パッケージにおける入出力用の電路をダイオードを通過する電路と前記ダイオードを迂回する電路との間で切り替える電路切替手段と、各電池パッケージの電池電圧を計測する電圧計測手段と、当該電池システムが充電中であるか否かを検出する充電中検出手段と、前記電圧計測手段によって計測された各電池パッケージの電圧値および前記充電中検出手段による充電中であるか否かの検出結果に基づいて前記電路切替手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、当該電池システムが充電中の場合に、入出力用の電路をダイオードを迂回する電路とし、当該電池システムが充電中ではない場合に、前記電圧計測手段によって計測されたいずれかの電池パッケージの電圧値が他の電池パッケージの電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージについてはダイオードを通過する電路とし、他の電池パッケージについてはダイオードを迂回する電路とするように前記電路切替手段を制御するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電池システムにおいて、前記電路切替手段が、リレーによって構成されているものである。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の電池システムにおいて、前記入出力用の電路がダイオードを通過する電路とされていることを表示する状態表示手段を備えているものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池システムにおいて、前記制御手段が、各電池パッケージを電源としており、前記制御手段と各電池パッケージとは前記ダイオードを介さずに、別途備えたダイオードを介して電源用の電路に接続されているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電池システムにおいて、負荷への放電電流を停止する電路開閉手段をさらに備え、前記制御手段は、いずれかの電池パッケージにおける入出力用の電路がダイオードを通過する電路とされている場合であって、ダイオードを迂回する電路とされている電池パッケージの平均の電圧値が所定の電圧値を下回る場合に、前記電路開閉手段を制御して負荷への放電電流を停止するものである。

請求項１の発明によれば、充電中検出手段によって電池システムが充電中ではないことを検出した場合に、電圧値が他の電池パッケージの電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージについてはダイオードを通過する電路とし、他の電池パッケージについてはダイオードを迂回する電路とするので、電池システムが放電中である場合に、電圧の低い電池パッケージへの逆流を防止でき、また、他の電池パッケージについてはダイオードによる電力損失を回避できる。充電中検出手段は、電池システム全体に少なくとも１つあればよいので、簡単かつ安価に電力損失を発生させない回路を実現することができる。

請求項２の発明によれば、電路開閉手段をリレーで構成するので、リレーの無電圧接点によって低損失で電路を切替えることができる。また、実績のある通常のコイル駆動式リレーによって、安価で信頼性の高い電路開閉手段を構成できる。

請求項３の発明によれば、状態表示により、電池パッケージが異常状態または正常状態であることを使用者に知らせることができる。また、状態表示手段からその表示を出力するようにすれば、電池パッケージが異常状態または正常状態であること外部システムに知らせることができる。

請求項４の発明によれば、制御手段用の別電源を設ける必要がなく、放電時にダイオードによる電力損失を発生させない安価な回路とすることができる。

請求項５の発明によれば、特定の電池パッケージが偏って劣化するのを防止でき、無理な使用をしないので、電池システム全体としての障害発生防止、劣化防止、長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る二次電池を用いた電池システムについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る電池システムの充電中の本体部分の回路を示し、図２は同電池システムの制御部回りの回路を示し、図３は同電池システムの制御部における処理フローを示す。

電池システム１は、図１に示すように、二次電池１０と二次電池１０の放電時における逆流防止用のダイオードＤとを接続して複数の電池パッケージ２を形成すると共に、電池パッケージ２を互いに並列接続して成る電池電池である。

この電池システム１は、図１、図２に示すように、各電池パッケージ２における電力の入出力用の電路をダイオードＤを通過する電路２１とダイオードＤを迂回する電路２２との間で切り替える電路切替手段としての電路切替装置３と、各電池パッケージ２の電池電圧を計測する電圧計測手段としての電圧計測部４と、電池システム１が充電中であるか否かを検出する充電中検出手段としての充電中検出装置５と、電圧計測部４によって計測された各電池パッケージ２の電圧値および充電中検出装置５による充電中であるか否かの検出結果に基づいて電路切替装置３を制御する制御手段としての制御部６とを備えている。

本実施形態および以下に示す他の実施形態では、電池パッケージ２が２個のものを示しているが、その個数は２個に限らず所望の任意の個数とすることができる。互いに同等の電池パッケージ２を多数並列接続することにより、より容量の大きな電池システム１とすることができる。

各電池パッケージ２は、少なくとも１個の二次電池１０で構成でき、図１に示した電池システムでは、１０個の二次電池１０が直列接続されている。この二次電池１０の直列接続体には、図示のようなヒューズや、温度検出用のサーミスタ（不図示）等の保護回路を備えることができる。

直列接続された二次電池１０の両端から、電圧測定用端子Ｂが引き出されている。電圧測定用端子Ｂは、図２に示す電圧計測部４に接続され、電圧計測部４によって各電池パッケージ２の電池電圧が計測される。

電路切替装置３は、例えば、図１に示すように、コイル駆動式のリレーで構成することができる。この場合、電路切替装置３は、ａ接点である接点３ａ、ｂ接点である接点３ｂ、リレー駆動用コイル３ｃを備えている。接点３ａは、通常開接点であり、コイル３ｃに通電されたときに閉となる。接点３ｂは、通常閉接点であり、コイル３ｃに通電されたときに開となる。コイル３ｃの通電用端子Ａは、図２に示す制御部６からの通電用端子Ａに接続されている。

図１は、充電時の電池システム１を示しており、互いに並列接続された各電池パッケージ２に充電器１７が接続されている。電池システム１における充電器１７に対する接続部には、端子１１，１２，１３，１４が備えられている。端子１１，１４は充電用の端子であり、端子１２，１３は充電中検出用の端子である。

充電中検出装置５は、例えば、図１に示すように、コイル駆動式のリレーで構成することができ、ａ接点である接点５ａ、リレー駆動用コイル５ｃを備えている。接点５ａは、通常開接点であり、コイル３ｃに通電されたときに閉となる。接点５ａの出力用端子Ｃは、図２に示すように、制御部６に接続されている。コイル５ｃの通電用端子は、上述の端子１２，１３である。すなわち、電池システム１が、充電のため充電器１７に接続されると、コイル５ｃに通電されることになる。

電池システム１が充電状態となることにより、コイル５ｃに通電されると、接点５ａが閉じる。制御部６は、接点５ａが閉じられたことから、電池システム１が充電中状態にあることを知ることができる。

電圧計測部４は、図２に示すように、各電池パッケージ２の電池電圧を計測し、その計測結果を制御部６に出力する。

制御部６は、電圧計測部４から出力される各電池パッケージ２の電池電圧値と、充電中検出装置５から出力される各電池パッケージ２が充電中であるか否かの検出結果と、を得ることができる。そして、制御部６は、電池システム１が放電中である場合に、電圧計測部４によって計測されたいずれかの電池パッケージ２の電圧値が他の電池パッケージ２の電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージ２についてはダイオードＤを通過する電路２１とし、他の電池パッケージ２についてはダイオードＤを迂回する電路２２とするように電路切替装置３を制御する。なお、電池システム１の動作は、図３を参照して後述する。

上述のように、本実施形態の電池システム１によれば、充電中検出装置５によって電池システム１が充電中ではないことを検出した場合に、電圧値が他の電池パッケージ２の電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージ２についてはダイオードＤを通過する電路２１とし、他の電池パッケージ２についてはダイオードＤを迂回する電路２２とするので、電池システム１が放電中である場合に、電圧の低い電池パッケージ２への逆流を防止でき、また、他の電池パッケージ２についてはダイオードＤによる電力損失を回避できる。

上述のことを言い換えると、電池システム１は、真に必要な場合にだけ、逆流防止用のダイオードＤを本来の機能として使用するので、ダイオードＤによる電力損失を回避できる、といえる。

また、充電中検出装置５は、電池システム１が充電中でないことを検出するものであり、電池システム１全体に少なくとも１つあればよいので、電力損失を発生させないための回路を簡単な構成で安価に備えることができる。

上述の逆流防止用のダイオードＤの機能を使用するのは、電池システム１が充電中ではない場合であるが、その条件をさらに限定して、電池システム１が放電中の場合に、ダイオードＤを使用する（電路２２を開けて電路２１を閉じる）ようにしてもよい。

この場合、電池システム１が放電中であるか否かを検出するには、例えば、充電中検出装置５と同様の接点とコイル端子とを備え、電池システム１と負荷との接続時に、そのコイル端子が電池システム１の出力端子に接続されるようにすればよい。または、単純に、機械的スイッチを設けて、電池システム１が負荷に着脱される際に、機械的スイッチがオン／オフされるようにして、その機械的スイッチの信号を制御部６に取り込むようにしてもよい。

また、電路切替装置３をリレーによって構成するので、リレーの無電圧接点によって低損失で電路を切替えることができる。実績のある通常のコイル駆動式リレーによって、安価で信頼性の高い電路開閉手段を構成できる。

次に、図３のフローチャートにより、電池システム１が負荷に接続されて放電中である場合の動作を説明する。まず、前提として電池システム１を構成する電池パッケージ２がｎ個であるとする。制御部６は、ステップＳ１〜Ｓ４において、ｎ個の電池パッケージ２の電池電圧値Ｅ（ｉ），ｉ＝１〜ｎを、電圧計測部４から取り込む。

次に制御部６は、ステップＳ５〜Ｓ１０において、第ｊ番目の電池パッケージ２の電圧値Ｅ（ｊ）と、それ以外の電池パッケージ２の電圧値の平均値Ｅａｖｅとの比較を行い、Ｅ（ｊ）が平均値Ｅａｖｅから所定値εを引いた値以上に小さい場合、すなわち、Ｅ（ｊ）≦Ｅａｖｅ−ε、の場合に、第ｊ番目の電池パッケージ２について、ダイオードＤを経由する電路２１を閉とし、迂回する電路２２を開とする。この処理が、ｎ個の電池パッケージ２について行われる。

制御部６は、ステップＳ１１において電池システム１が停止して処理が終了とされるまで、上述のステップＳ１〜Ｓ１０を、所定の制御時間間隔のもとで繰り返す。電池システム１は、時間の経過とともに電池電圧が低下するので、このフローチャートによる処理の当初では電路２１が閉となることは少ないが、次第に電路２１が閉となる電池パッケージ２が増加することになる。

（第２の実施形態）
図４は第２の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路を示し、図５は同電池システムの制御部回りの回路を示す。

本実施形態の電池システム１は、第１の実施形態における電池システム１において、入出力用の電路がダイオードＤを通過する電路２１とされている場合に、そのことを表示する状態表示手段としての表示部７を備えているものであり、他の点は、第１の実施形態と同様である。

図４は、電池システム１に負荷１８が接続された状態を示す。すなわち、図４は、図１における充電中検出装置５と、充電器１７に変えて、負荷１８が接続されている点が図１異なり、他の点は図１と同様である。

図５には、制御部６からの信号出力を受けて電路２１が選択されている（すなわち閉じられている）電池パッケージ２を表示する表示部７が図示されている。表示部７の構成は、例えば、電池パッケージ２の個数だけ発光ダイオードを設けて、その発光により電路２１が選択されている電池パッケージ２を特定したり、単に電池パッケージ２の個数を表示したりすればよい。

本実施形態の電池システム１によれば、状態表示により、電池パッケージ２が異常状態（電路２１が閉）か、または正常状態（電路２２が閉）であることを使用者に知らせることができる。また、表示部７からその表示の出力を出すようにすれば、電池パッケージ２が異常状態または正常状態であること外部システムに知らせることができる。

（第３の実施形態）
図６は第３の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路を示し、図７は同電池システムの制御部回りの回路を示す。

本実施形態の電池システム１は、第１の実施形態における電池システム１において、制御部６が、各電池パッケージ２を電源としており、制御部６と各電池パッケージ２とはダイオードＤを介さずに、別途備えたダイオードＤ１を介して電源用の電路に接続されているものである。

このため、各電池パッケージ２において、図６に示すように、直列接続された二次電池１０の両端から、電圧測定用端子Ｂと並列に、電源用端子Ｆが引き出されている。電源用端子Ｆは、ダイオードＤ１を介して、図７に示す制御部６に接続されている。本実施形態の他の点は、第１の実施形態と同様である。本実施形態の電池システム１によれば、制御部６用の別電源を設ける必要がない。

（第４の実施形態）
図８は第４の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路を示し、図９は同電池システムの制御部回りの回路を示す。

本実施形態の電池システム１は、第１の実施形態における電池システム１において、負荷への放電電流を停止する電路開閉手段としての電路開閉装置８をさらに備え、制御部６は、いずれかの電池パッケージ２における入出力用の電路がダイオードＤを通過する電路２１とされている場合であって、ダイオードＤを迂回する電路２２とされている電池パッケージ２の平均の電圧値が所定の電圧値を下回る場合に、電路開閉装置８を制御して負荷への放電電流を停止するものである。

なお、制御部６は、いずれの電池パッケージ２における入出力用の電路もダイオードＤを通過する電路２１とされていない場合、つまり、全ての電池パッケージ２が電路２２を経由する場合であるが、この場合においても、平均の電圧値が所定の電圧値を下回る場合には電路開閉装置８を制御して負荷への放電電流を停止するようにしてもよい。

電路開閉装置８は、例えば、図８に示すように、コイル駆動式のリレーで構成することができ、ｂ接点である接点８ｂ、リレー駆動用コイル８ｃを備えている。接点８ｂは、通常閉接点であり、コイル８ｃに通電されたときに開となる。コイル８ｃの通電用端子Ｇは、図９に示す制御部６からの通電用端子Ｇに接続されている。制御部６が、コイル５ｃに通電することにより、負荷への放電電流が停止される。本実施形態の他の点は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態の電池システム１によれば、個々の電池パッケージ２について偏った劣化を防止することができ、無理な使用をしないので、電池システム１全体としての障害発生防止、劣化防止、長寿命化が図れる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態において、ダイオードＤは、電池パッケージ２が放電状態である場合の逆流防止用の素子として設けられているが、充電時の逆流防止用のダイオードや電路切替装置を、上記同様に設けることができる。

また、電路切替装置３、充電中検出装置５、電路開閉装置８などは、各実施形態においてコイル式リレーによって構成した例を示したが、このようなコイル式リレーに限らず、例えば、半導体リレーによって構成することもできる。

また、上述した各実施形態の構成を矛盾のない範囲で互いに組み合わせた構成とすることができ、そのような組合せ可能な構成の実施形態は明記されていなくても当然に本発明に含まれる。

本発明の第１の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路図。同上電池システムの制御部回りの回路図。同上電池システムの制御部における処理フローチャート。本発明の第２の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路図。同上電池システムの制御部回りの回路図。本発明の第３の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路図。同上電池システムの制御部回りの回路図。本発明の第４の実施形態に係る電池システムの本体部分の回路図。同上電池システムの制御部回りの回路図。

符号の説明

１電池システム
２電池パッケージ
３電路切替装置
４電圧計測部
５充電中検出装置
６制御部
７表示部
８電路開閉装置
１０二次電池
２１，２２電路
Ｄダイオード
Ｄ１ダイオード

Claims

二次電池とダイオードとを接続した電池パッケージを互いに並列接続して成る電池システムにおいて、
各電池パッケージにおける入出力用の電路をダイオードを通過する電路と前記ダイオードを迂回する電路との間で切り替える電路切替手段と、
各電池パッケージの電池電圧を計測する電圧計測手段と、
当該電池システムが充電中であるか否かを検出する充電中検出手段と、
前記電圧計測手段によって計測された各電池パッケージの電圧値および前記充電中検出手段による充電中であるか否かの検出結果に基づいて前記電路切替手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、当該電池システムが充電中の場合に、入出力用の電路をダイオードを迂回する電路とし、当該電池システムが充電中ではない場合に、前記電圧計測手段によって計測されたいずれかの電池パッケージの電圧値が他の電池パッケージの電圧値よりも所定値以上低い電池パッケージについてはダイオードを通過する電路とし、他の電池パッケージについてはダイオードを迂回する電路とするように前記電路切替手段を制御することを特徴としている電池システム。
前記電路切替手段が、リレーによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
前記入出力用の電路がダイオードを通過する電路とされていることを表示する状態表示手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池システム。
前記制御手段が、各電池パッケージを電源としており、前記制御手段と各電池パッケージとは前記ダイオードを介さずに、別途備えたダイオードを介して電源用の電路に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池システム。
負荷への放電電流を停止する電路開閉手段をさらに備え、
前記制御手段は、いずれかの電池パッケージにおける入出力用の電路がダイオードを通過する電路とされている場合であって、ダイオードを迂回する電路とされている電池パッケージの平均の電圧値が所定の電圧値を下回る場合に、前記電路開閉手段を制御して負荷への放電電流を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電池システム。