JP2010029015A - 組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】直列セル群の並列構成を採用する組電池について、各直列セル群に流れる電流の制御を、システムの信頼性を確保しながら低コストで実現するための技術を提供する。
【解決手段】組電池システム１０が、互いに並列に接続された複数の直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚと、制御部９Ａ〜９Ｚとを具備する。複数の直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚのそれぞれは、直列に接続された複数のセル４と電流制御素子５Ａ〜５Ｚとを備えている。制御部９Ａ〜９Ｚは、電流制御素子５Ａ〜５Ｚのそれぞれに電流制御信号６Ａ〜６Ｚを供給する。電流制御素子５Ａ〜５Ｚとしては、それを流れる電流が電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルに応じて変化するディスクリート素子が使用される。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、組電池システムに関し、特に、組電池システムの電流制御に関する。

二次電池の応用分野の一つは、電力貯蔵システムや電気自動車用の電源システムのような大電力を供給するための電源である。特に、リチウムイオン二次電池は、他の二次電池に較べてエネルギー密度及び入出力密度が高く、且つサイクル寿命が長いという特徴を生かし、このような分野への応用が期待されている。

大電力を供給するための電源への応用においては、二次電池は、複数のセル（単電池）で構成される組電池（電池モジュールや、モジュール電池などとも呼ばれる）として運用される。組電池として二次電池を運用する上で重要な点は、組電池の各セルの電圧・温度の管理である。特に、リチウムイオン二次電池で構成された組電池では、各セルの電圧・温度の管理は、セルの性能や安全性の維持のために重要である。このため、組電池には、電池保護機能が与えられることが一般的である。例えば、組電池には、セル電圧が上限電圧を超えたら充電を停止し、下限電圧を下回ったら放電を停止する機能や、セル電圧を均一化する機能（セルバランス機能）が与えられる。このような技術は、例えば、特開２００３−２８９６３０号公報に開示されている。

組電池の構成には大きく分けて２種類ある：一つは、図１Ａに示されているように、並列セル群の直列構成であり、もう一つは、図１Ｂに示されているように、直列セル群の並列構成である。セル１０１の数は、アプリケーションによって様々に増減される。直列に接続されるセル１０１又は並列セル群の数は、主に、所要の電源電圧に応じて決定され、並列に接続されるセル１０１又は直列セル群の数は、主に、所要の電源容量に応じて決定される。

大電力を供給する組電池としては、図１Ｂに示された直列セル群の並列構成が好適であると考えられる。これは、何らかの原因で短絡が起こったときに、過大な電流が流れることを防ぐためである。大電力を供給する組電池に使用される大容量セルは内部抵抗が小さく、短絡によって過大な電流が流れる可能性がある。直列セル群の並列構成では、過大な電流が流れる可能性を低減できる。

図１Ｂに示された直列セル群の並列構成では、各直列セル群に流れる電流は、必ずしも均等にはならない。例えば、各直列セル群に流れる電流には、セルの性能（劣化挙動を含む）の個体差によって差が生じ得る。製造上、セルの性能の個体差を完全になくすことはできない。また、各セルの周囲温度により、直列セルの各組に流れる電流には差が生じ得る。アプリケーションによっては、セルの配置や日射状況などのセルの周囲環境によるセルの周囲温度の違いが顕在化し得る。組電池が収められる筐体の環境温度を空調などで制御するとしても、システム規模が大きい場合には、セルの環境温度を均一に制御することは難しい。

このような不具合を回避する手法としては、図２に示されているように、直列セル群のそれぞれに対してＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を設け、そのＤＣ−ＤＣコンバータ１０２によって直列セル群のそれぞれに流れる電流を制御する手法が知られている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２には、インバータ１０３から電力が供給される。しかしながら、このような手法は、大容量システムを低コストで製造する観点からは好ましくない。このため、より低コストでシステムの信頼性を確保することができるような電流制御技術の提供が望まれている。
特開２００３−２８９６３０号公報

本発明の目的は、直列セル群の並列構成を採用する組電池について、各直列セル群に流れる電流の制御を、システムの信頼性を確保しながら低コストで実現するための技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明の一の観点では、組電池システム（１０）が、互いに並列に接続された複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）と、制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）とを具備する。前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）のそれぞれは、直列に接続された複数のセル（４）と電流制御素子（５Ａ〜５Ｚ）とを備えている。前記制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）は、前記電流制御素子（５Ａ〜５Ｚ）のそれぞれに電流制御信号（６Ａ〜６Ｚ）を供給する。前記電流制御素子（５Ａ〜５Ｚ）としては、それを流れる電流が前記電流制御信号（６Ａ〜６Ｚ）の信号レベルに応じて変化するディスクリート素子が使用される。当該組電池システム（１０）では、直列電池ユニットのそれぞれに流れる電流の制御がディスクリート素子によって行われるため、電流の制御を低コストで行い、これによりシステムの信頼性を確保することができる。

好適な一実施形態では、前記制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）は、前記複数の直列電池ユニットの各直列電池ユニット（１ｘ）の前記電流制御素子（５ｘ）に供給される前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを、前記各直列電池ユニット（１ｘ）を流れる電流に応答して制御する。

他の好適な実施形態では、前記制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）は、前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）の各直列電池ユニット（１ｘ）の前記電流制御素子（５ｘ）に供給される前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを、前記各直列電池ユニット（１ｘ）を流れる電流に加え、前記各直列電池ユニット（１ｘ）に含まれる前記複数のセル（４）それぞれのセル温度及び内部抵抗に応答して制御する。この場合、前記制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）は、前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを、前記各直列電池ユニット（６ｘ）を流れる電流が前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）について共通に定められた所定の目標値になるように仮に決定し、仮に決定された前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを前記各直列電池ユニット（６ｘ）に含まれる前記複数のセル（４）それぞれのセル温度及び内部抵抗に応答して調節することによって前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを最終的に決定することが好ましい。また、前記制御手段（９Ａ〜９Ｚ、１１）が、前記各直列電池ユニット（１ｘ）を流れる電流のうちの前記セル温度及び内部抵抗に応じて調節される調節分の前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）についての総和がゼロになるように、前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルを調節することは一層に好ましい。

他の好適な実施形態では、前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）に含まれる各直列電池ユニット（１ｘ）の前記電流制御素子（５ｘ）に供給される前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルは、前記各直列電池ユニット（１ｘ）に含まれる前記複数のセル（４）それぞれのセル電圧に応答して制御される。

更に他の好適な実施形態では、前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）に含まれる各直列電池ユニット（１ｘ）の前記電流制御素子（５ｘ）に供給される前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルは、前記各直列電池ユニット（１ｘ）に含まれる前記複数のセル（４）の総電圧に応答して制御される。

更に他の好適な実施形態では、前記複数の直列電池ユニット（１Ａ〜１Ｚ）に含まれる各直列電池ユニット（１ｘ）の前記電流制御素子（５ｘ）に供給される前記電流制御信号（６ｘ）の信号レベルは、前記各直列電池ユニット（１ｘ）に含まれる前記複数のセル（４）のセル温度に応答して制御される。

前記ディスクリート素子としては、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、又はＩＧＢＴが使用可能である。

本発明によれば、直列セル群の並列構成を採用する組電池について、各直列セル群に流れる電流の制御をシステムの信頼性を確保しながら低コストで実現するための技術が提供される。

（第１の実施形態）
図３Ａは、本発明の第１の実施形態の組電池システム１０の構成を示す概念図である。組電池システム１０は、正極端子２と負極端子３の間に互いに並列に接続された複数の直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを備えている。以下において、互いに区別しない場合には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを単に直列電池ユニット１と記載する。直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚは、それぞれ、直列に接続されたｎ個（ｎは、２以上の整数）のセル４と電流制御素子５Ａ〜５Ｚとを備えている。電流制御素子５Ａ〜５Ｚは、それぞれ、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流（即ち、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚに入出力される電流）を制御する機能を有している。

本実施形態では、電流制御素子５Ａ〜５Ｚとして、それを流れる電流の電流値が、それに供給される電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルに応じて変化するディスクリート素子（即ち、一つのパッケージに単一のデバイスが収容されている素子）が使用される。電流制御素子５Ａ〜５Ｚとしては、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）が使用可能である。また、これ以外にもバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulator gated Bipolar Transistor）が使用可能である。電流制御素子５Ａ〜５ＺとしてパワーＭＯＳＦＥＴが使用される場合、当該パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに電流制御信号６Ａ〜６Ｚが供給され、電流制御素子５Ａ〜５Ｚを流れる電流値は、電流制御信号６Ａ〜６Ｚの電圧レベル（すなわち、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート電圧）によって制御される。

電流制御素子５Ａ〜５Ｚを制御する電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成するために、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚには、それぞれ、電流センサ７Ａ〜７Ｚと検出部８Ａ〜８Ｚと制御部９Ａ〜９Ｚとが設けられている。検出部８Ａ〜８Ｚは、それぞれ、電流センサ７Ａ〜７Ｚの出力信号から直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺを検出し、検出した電流値ＩＡ〜ＩＺをそれぞれに示すＡ列〜Ｚ列情報を制御部９Ａ〜９Ｚに供給する。制御部９Ａ〜９Ｚは、Ａ列〜Ｚ列情報に示された電流値ＩＡ〜ＩＺに応答して電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成する。本実施形態では、電流制御信号６Ａ〜６Ｚは、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値が、いずれも、制御部９Ａ〜９Ｚに設定された所定の目標値に制御されるように生成される。制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値は同一にされ、これにより直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が均等化される。

本実施形態の組電池システム１０では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が電流制御素子５Ａ〜５Ｚによって制御され、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が均等化される。電流の均等化は、組電池システム１０の健全性の向上に有効である。加えて、本実施形態では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御する電流制御素子５Ａ〜５Ｚとしてディスクリート素子が使用されているため、電流の制御を低コストで行うことができる。

組電池システム１０全体としての制御を最適化するためには、図３Ｂに示されているように、制御部９Ａ〜９Ｚを統括して制御する統合制御部１１が設けられることが好適である。統合制御部１１には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺを示すセル電流情報が制御部９Ａ〜９Ｚから与えられ、統合制御部１１は、これらのセル電流情報を基に制御部９Ａ〜９Ｚを制御する。一実施形態では、統合制御部１１は、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流に異常がある場合、組電池システム１０に入出力可能な電力を制限する電力制限動作や、充放電動作を停止するインタロック動作を行う。電力制限動作は、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値を低減することによって実現可能であり、インタロック動作は、電流制御素子５Ａ〜５Ｚをオフにして電流が流れないようにすることによって実現可能である。

（第２の実施形態）
図４Ａは、本発明の第２の実施形態の組電池システム１０の構成を示す概念図である。第２の実施形態では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル電圧に応じて直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が制御される。より具体的には、第２の実施形態では、各直列電池ユニット１ｘ（ｘは、Ａ〜Ｚ）のセル４のそれぞれに電圧センサ（図示されない）が設けられる。検出部８ｘは、その電圧センサの出力信号から、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出し、検出したセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを示すｘ列情報を生成する。制御部９ｘは、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎに応答して電流制御信号６ｘを生成する。

一実施例では、制御部９ｘは、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎの平均値に応答して電流制御信号６ｘを生成し、これにより直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御する。詳細には、制御部９ｘには、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの平均値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表が記憶されており、制御部９ｘは、この関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。

セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの平均値ではなく、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最小値又は最大値に応答して電流制御信号６ｘが生成されてもよい。詳細には、充電時には、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最大値に応答して電流制御信号６ｘが生成され、放電時には、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最小値に応答して電流制御信号６ｘが生成される。制御部９ｘには、充電時におけるセル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最大値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表と、放電時におけるセル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最小値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表とが記憶されており、制御部９ｘは、これらの関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。

本実施形態の組電池システム１０では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が電流制御素子５Ａ〜５Ｚによって制御され、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎの平均値が均等化され、又は、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの最小値及び最大値が均等化される。セル電圧Ｖ１〜Ｖｎの平均値、最小値、最大値の均等化は、組電池システム１０の健全性の向上に有効である。

第１の実施形態と同様に、組電池システム１０全体としての制御を最適化するためには、図４Ｂに示されているように、制御部９Ａ〜９Ｚを統括して制御する統合制御部１１が設けられることが好適である。統合制御部１１には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを示すセル電圧情報が制御部９Ａ〜９Ｚのそれぞれから与えられ、統合制御部１１は、これらのセル電圧情報を基に制御部９Ａ〜９Ｚを制御する。一実施例では、統合制御部１１は、制御部９Ａ〜９Ｚから供給されるセル電圧情報を基にして電流を直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚのそれぞれに分配し、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の目標値を決定する。決定された目標値は、制御部９Ａ〜９Ｚに伝えられ、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される。制御部９Ａ〜９Ｚは、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値が統合制御部１１から与えられた目標値になるように電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成する。また、統合制御部１１は、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎに異常がある場合、組電池システム１０に入出力可能な電力を制限する電力制限動作や、充放電動作を停止するインタロック動作を行う。電力制限動作は、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値を低減することによって実現可能であり、インタロック動作は、電流制御素子５Ａ〜５Ｚをオフにして電流が流れないようにすることによって実現可能である。

（第３の実施形態）
図５Ａは、本発明の第３の実施形態の組電池システム１０の構成を示す概念図である。第３の実施形態では、直列接続されたセル４の総電圧（即ち、直列接続されたセル４のセル電圧の総和）に応じて、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚのそれぞれを流れる電流が制御される。より具体的には、第３の実施形態では、各直列電池ユニット１ｘ（ｘは、Ａ〜Ｚ）のそれぞれに、直列接続されたセル４の総電圧を計測する電圧センサ（図示されない）が設けられる。検出部８ｘは、その電圧センサの出力信号から、直列接続されたセル４の総電圧Ｖｘを検出し、検出したセル電圧Ｖｘを示すｘ列情報を生成する。制御部９ｘは、直列電池ユニット１ｘの直列接続されたセル４の総電圧Ｖｘに応答して電流制御信号６ｘを生成する。一実施例では、制御部９ｘには、直列接続されたセル４の総電圧Ｖｘと電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表が記憶されており、制御部９ｘは、この関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。

本実施形態の組電池システム１０では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が電流制御素子５Ａ〜５Ｚによって制御され、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの直列接続されたセル４の総電圧ＶＡ〜ＶＺが均等化される。総電圧ＶＡ〜ＶＺの均等化は、組電池システム１０の健全性の向上に有効である。

第１及び第２の実施形態と同様に、組電池システム１０全体としての制御を最適化するためには、図５Ｂに示されているように、制御部９Ａ〜９Ｚを統括して制御する統合制御部１１が設けられることが好適である。統合制御部１１には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚそれぞれの、直列接続されたセル４の総電圧を示す総セル電圧情報が制御部９Ａ〜９Ｚから与えられ、統合制御部１１は、これらの総セル電圧情報を基に制御部９Ａ〜９Ｚを制御する。一実施例では、統合制御部１１は、制御部９Ａ〜９Ｚから供給される総セル電圧情報を基にして電流を直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚのそれぞれに分配し、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の目標値を決定する。決定された目標値は、制御部９Ａ〜９Ｚに伝えられ、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される。制御部９Ａ〜９Ｚは、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値が統合制御部１１から与えられた目標値になるように電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成する。また、統合制御部１１は、直列接続されたセル４の総電圧に異常がある場合、組電池システム１０に入出力可能な電力を制限する電力制限動作や、充放電動作を停止するインタロック動作を行う。電力制限動作は、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値を低減することによって実現可能であり、インタロック動作は、電流制御素子５Ａ〜５Ｚをオフにして電流が流れないようにすることによって実現可能である。

（第４の実施形態）
図６Ａは、本発明の第４の実施形態の組電池システム１０の構成を示す概念図である。第４の実施形態では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４の温度（セル温度）に応じて直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が制御される。より具体的には、第４の実施形態では、各直列電池ユニット１ｘ（ｘは、Ａ〜Ｚ）のセル４のそれぞれに温度センサ（図示されない）が設けられる。検出部８ｘは、その温度センサの出力信号から、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎを検出し、検出したセル電圧ｔ１〜ｔｎを示すｘ列情報を生成する。制御部９ｘは、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎに応答して電流制御信号６ｘを生成する。

一実施例では、制御部９ｘは、直列電池ユニット１ｘの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎの平均値に応答して電流制御信号６ｘを生成し、これにより直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御する。詳細には、制御部９ｘには、セル温度ｔ１〜ｔｎの平均値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表が記憶されており、制御部９ｘは、この関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。電流制御信号６ｘは、セル温度ｔ１〜ｔｎの平均値が高いほど当該直列電池ユニット１ｘを流れる電流が低減されるように生成されることが好ましい。これにより、平均的にセル温度ｔ１〜ｔｎ直列電池ユニット１ｘの電流が低減されて発熱が抑制され、組電池システム１０の健全性を有効に向上させることができる。

セル温度ｔ１〜ｔｎの平均値ではなく、セル温度ｔ１〜ｔｎの最高値に応答して電流制御信号６ｘが生成されてもよい。この場合、制御部９ｘには、セル温度ｔ１〜ｔｎの最高値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表が記憶され、制御部９ｘは、この関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。電流制御信号６ｘは、セル温度ｔ１〜ｔｎの最高値が高いほど当該直列電池ユニット１ｘを流れる電流が低減されるように生成されることが好ましい。これにより、最高温度のセル４を含む直列電池ユニット１ｘの電流が低減されて発熱が抑制され、組電池システム１０の健全性を有効に向上させることができる。

セル温度ｔ１〜ｔｎの最低値に応答して電流制御信号６ｘが生成されてもよい。この場合、制御部９ｘには、セル温度ｔ１〜ｔｎの最低値と電流制御信号６ｘの信号レベルとの対応関係を示す関係表が記憶され、制御部９ｘは、この関係表を基にして電流制御信号６ｘを生成する。電流制御信号６ｘは、セル温度ｔ１〜ｔｎの最低値が高いほど当該直列電池ユニット１ｘを流れる電流が低減されるように生成されることが好ましい。これにより、最低温度のセル４、即ち、内部抵抗が高いセル４を含む直列電池ユニット１ｘの電流が低減されてジュール熱による発熱が抑制され、組電池システム１０の健全性を有効に向上させることができる。

第１乃至第３の実施形態と同様に、組電池システム１０全体としての制御を最適化するためには、図６Ｂに示されているように、制御部９Ａ〜９Ｚを統括して制御する統合制御部１１が設けられることが好適である。統合制御部１１には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎを示すセル温度情報が制御部９Ａ〜９Ｚから与えられ、統合制御部１１は、これらのセル温度情報を基に制御部９Ａ〜９Ｚを制御する。一実施例では、統合制御部１１は、制御部９Ａ〜９Ｚから供給されるセル温度情報を基にして電流を直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚのそれぞれに分配し、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の目標値を決定する。決定された目標値は、制御部９Ａ〜９Ｚに伝えられ、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される。制御部９Ａ〜９Ｚは、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値が統合制御部１１から与えられた目標値になるように電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成する。また、統合制御部１１は、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎに異常がある場合（例えば、あるセル４のセル温度ｔｉが異常に高い場合や、空調の故障によりセル温度ｔ１〜ｔｎが以上に低い場合等）、組電池システム１０に入出力可能な電力を制限する電力制限動作や、充放電動作を停止するインタロック動作を行う。電力制限動作は、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値を低減することによって実現可能であり、インタロック動作は、電流制御素子５Ａ〜５Ｚをオフにして電流が流れないようにすることによって実現可能である。

（第５の実施形態）
図７Ａは、本発明の第５の実施形態の組電池システム１０の構成を示す概念図である。第５の実施形態では、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値に加え、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎ及び内部抵抗ｒ１〜ｒｎに基づいて直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が制御される。直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値に加え、セル温度ｔ１〜ｔｎと内部抵抗ｒ１〜ｒｎに基づいて直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御することにより、組電池システム１０の健全性を有効に向上させることができる。

以下、第５の実施形態の組電池システム１０を詳細に説明する。直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚには、それぞれ、電流センサ７Ａ〜７Ｚが設けられ、更に、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４には電圧センサと温度センサ（いずれも図示されない）が設けられる。検出部８Ａ〜８Ｚは、電流センサ７Ａ〜７Ｚの出力信号から直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺを検出し、電圧センサの出力信号から、各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出し、さらに、温度センサの出力信号から、セル温度ｔ１〜ｔｎを計測する

制御部９Ａ〜９Ｚは、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺと、各セル４のセル電圧Ｖ１〜Ｖｎから、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４の内部抵抗ｒ１〜ｒｎを算出する。各セル４の内部抵抗は、セル４を流れる電流（即ち、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流）の変化分を、当該セル４のセル電圧の変化分で割ることによって算出される。即ち、ある直列電池ユニット１ｘのセル４の内部抵抗ｒｉは、下記式によって算出される：
ｒｉ＝ΔＩｘ／ΔＶｉ，
ここで、ΔＩｘは、或る期間における電流の変化分であり、ΔＶｉは、当該期間における電圧の変化分である。直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚに入出力される電流や各セル４の電圧は、通常、常に変化しているので、このような手法によって各セル４の内部抵抗を検出することができる。

更に、制御部９Ａ〜９Ｚは、各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎと内部抵抗ｒ１〜ｒｎとに応答して、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御する電流制御信号６Ａ〜６Ｚを生成する。電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルは、下記のようにして決定される：制御部９Ａ〜９Ｚは、電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルを、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺが所定の共通の目標値になるように仮に決定する。電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルの仮の決定は、電流センサ７Ａ〜７Ｚを用いて検出された直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺに応答して行われる。これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流ＩＡ〜ＩＺは、基本的には均等化される。

更に、制御部９Ａ〜９Ｚは、仮に決定された電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルを各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎと内部抵抗ｒ１〜ｒｎとに応じて調整することにより、最終的に電流制御素子５Ａ〜５Ｚに供給される電流制御信号６Ａ〜６Ｚの信号レベルを決定し、これにより、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流を制御する。図８は、このような手法による直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の制御の概念図である。第５の実施形態による制御によれば、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流は、共通の目標値に対応する「固定分」と、セル温度ｔ１〜ｔｎと内部抵抗ｒ１〜ｒｎとに応じて調整される「調整分」とで構成される。

図９は、一実施例における、各直列電池ユニット１ｘの電流制御素子５ｘに供給される電流制御信号６ｘの信号レベルの調整の方法を示す表である。電流制御信号６ｘの信号レベルの調整は、例えば、下記のようにして行われる：

（ａ）直列電池ユニット１ｘの全てのセル４のセル温度ｔ１〜ｔｎが、所定の正常範囲内である場合
この場合、各セル４の内部抵抗ｒ１〜ｒｎに関わらず、電流制御信号６ｘの信号レベルの補正は行われない。ただし、一部のセル４の内部抵抗が高い場合、セル４の結線の緩みが想定されるため、制御部９ｘは、メンテナンスが必要な旨を示すアラームを出力する。ここで、「一部のセル４」とは、１個以上ｑ個以下（ただし、ｑは、セル４の総数ｎの半数未満であるように定められた所定数）のセル４を意味している（下記の（ｂ）、（ｃ）の場合についても同様である）。

（ｂ）直列電池ユニット１ｘの一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の上限を超えている場合
一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の上限を超える一方、全セル４の内部抵抗ｒ１〜ｒｎが所定の正常範囲内である場合には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が低減されるように電流制御信号６ｘの信号レベルが補正される。このような動作は、当該一部のセル４の環境温度が高いことを想定したものである。

また、一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の上限を超えており、且つ、当該一部のセル４の内部抵抗も所定の正常範囲の上限を超えている場合、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が低減されるように電流制御信号６ｘの信号レベルが補正される。このような動作は、当該一部のセル４が劣化していることを想定したものである。

一方、セル温度が所定の正常範囲の上限を超えているセル４と、内部抵抗が所定の正常範囲の上限を超えているセル４とが一致しない場合には、電流制御信号６ｘの信号レベルは補正されない。このような動作は、一部のセル４の環境温度が高いものの、組電池システム１０の動作に影響がないことを想定したものである。

（ｃ）直列電池ユニット１ｘの一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の下限を下回っている場合
一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の下限を下回っている一方、全セル４の内部抵抗ｒ１〜ｒｎが所定の正常範囲内である場合には、電流制御信号６ｘの信号レベルは補正されない。このような動作は、当該一部のセル４の環境温度が低いことを想定したものである。

また、一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の下限を下回っており、且つ、当該一部のセル４の内部抵抗が所定の正常範囲の上限を超えている場合にも、電流制御信号６ｘの信号レベルは補正されない。このような動作は、当該一部のセル４の環境温度が低いことを想定したものである。

一方、一部のセル４のセル温度が所定の正常範囲の下限を下回っており、一部のセル４の内部抵抗が所定の正常範囲の上限を超えており、且つ、セル温度が所定の正常範囲の下限を下回るセル４と、内部抵抗が所定の正常範囲の上限を超えるセル４とが、一致しない場合には、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流が低減されるように電流制御信号６ｘの信号レベルが補正される。このような動作は、当該一部のセル４が劣化していることを想定したものである。

このような動作によれば、本実施形態の組電池システム１０の健全性を有効に向上させることができる。

第１乃至第４の実施形態と同様に、組電池システム１０全体としての制御を最適化するためには、図７Ｂに示されているように、制御部９Ａ〜９Ｚを統括して制御する統合制御部１１が設けられることが好適である。統合制御部１１には、（１）直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値、（２）直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎ、及び（３）各セル４の内部抵抗ｒ１〜ｒｎを示す情報が制御部９Ａ〜９Ｚから与えられ、統合制御部１１は、制御部９Ａ〜９Ｚから受け取った情報を基に制御部９Ａ〜９Ｚを制御する。

一実施例では、統合制御部１１は、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の「調整分」の総和がゼロになるように、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の「調整分」を制御する。これは、各制御部９Ａ〜９Ｚにおける電流制御信号６ｘの信号レベルの調整量を統合制御部１１が制御することによって行われる。

また、統合制御部１１は、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚの各セル４のセル温度ｔ１〜ｔｎ、セル電圧Ｖ１〜Ｖｎ、直列電池ユニット１Ａ〜１Ｚを流れる電流の電流値ＩＡ〜ＩＺに異常がある場合、組電池システム１０に入出力可能な電力を制限する電力制限動作や、充放電動作を停止するインタロック動作を行う。電力制限動作は、制御部９Ａ〜９Ｚに設定される目標値を低減することによって実現可能であり、インタロック動作は、電流制御素子５Ａ〜５Ｚをオフにして電流が流れないようにすることによって実現可能である。

以上には、本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上記の実施形態に限定して解釈してはならない。例えば、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａには、制御部９Ａ〜９Ｚが互いに別々に設けられている構成が開示されているが、制御部９Ａ〜９Ｚの機能が単一の制御装置によって実現されてもよい。また、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂには、制御部９Ａ〜９Ｚと統合制御部１１とが互いに別々に設けられている構成が開示されているが、制御部９Ａ〜９Ｚと統合制御部１１の機能が単一の制御装置によって実現されてもよい。

図１Ａは、並列セル群の直列構成を採用する組電池の構成を示す概念図である。 図１Ｂは、直列セル群の並列構成を採用する組電池の構成を示す概念図である。 図２は、各直列セル群の電流制御のためにＤＣ−ＤＣコンバータを使用する従来の組電池の構成を示す図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施形態の組電池システムの構成を示す概念図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施形態の組電池システムの他の構成を示す概念図である。 図４Ａは、本発明の第２の実施形態の組電池システムの構成を示す概念図である。 図４Ｂは、本発明の第２の実施形態の組電池システムの他の構成を示す概念図である。 図５Ａは、本発明の第３の実施形態の組電池システムの構成を示す概念図である。 図５Ｂは、本発明の第３の実施形態の組電池システムの他の構成を示す概念図である。 図６Ａは、本発明の第４の実施形態の組電池システムの構成を示す概念図である。 図６Ｂは、本発明の第４の実施形態の組電池システムの他の構成を示す概念図である。 図７Ａは、本発明の第５の実施形態の組電池システムの構成を示す概念図である。 図７Ｂは、本発明の第５の実施形態の組電池システムの他の構成を示す概念図である。 図８は、第５の実施形態の組電池システムにおける電流制御を説明する概念図である。 図９は、第５の実施形態の組電池システムにおける電流制御信号の信号レベルの調整のロジックを示す表である。

符号の説明

１０：組電池システム
１Ａ：直列電池ユニット
２：正極端子
３：負極端子
４：セル
５Ａ、５ｘ：電流制御素子
６Ａ、６ｘ：電流制御信号
７Ａ、７ｘ：電流センサ
８Ａ、８ｘ：検出部
９Ａ、９ｘ：制御部
１１：統合制御部
１０１：セル
１０２：ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０３：インバータ

Claims (9)

1. 互いに並列に接続された複数の直列電池ユニットと、
   制御手段
   とを具備し、
   前記複数の直列電池ユニットのそれぞれは、直列に接続された複数のセルと電流制御素子とを備え、
   前記制御手段は、前記電流制御素子のそれぞれに電流制御信号を供給し、
   前記電流制御素子は、それを流れる電流が前記電流制御信号の信号レベルに応じて変化するディスクリート素子である
   組電池システム。
2. 請求項１に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記複数の直列電池ユニットの各直列電池ユニットの前記電流制御素子に供給される前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットを流れる電流に応答して制御する
   組電池システム。
3. 請求項２に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記複数の直列電池ユニットの各直列電池ユニットの前記電流制御素子に供給される前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットを流れる電流に加え、前記各直列電池ユニットに含まれる前記複数のセルそれぞれのセル温度及び内部抵抗に応答して制御する
   組電池システム。
4. 請求項３に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットを流れる電流が前記複数の直列電池ユニットについて共通に定められた所定の目標値になるように仮に決定し、仮に決定された前記電流制御信号の前記信号レベルを前記各直列電池ユニットに含まれる前記複数のセルそれぞれのセル温度及び内部抵抗に応答して調節することによって前記電流制御信号の信号レベルを最終的に決定する
   組電池システム。
5. 請求項４に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記各直列電池ユニットを流れる電流のうちの前記セル温度及び内部抵抗に応じて調節される調節分の前記複数の直列電池ユニットについての総和がゼロになるように、前記電流制御信号の信号レベルを調節する
   組電池システム。
6. 請求項１に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記複数の直列電池ユニットに含まれる各直列電池ユニットの前記電流制御素子に供給される前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットに含まれる前記複数のセルそれぞれのセル電圧に応答して制御する
   組電池システム。
7. 請求項１に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記複数の直列電池ユニットに含まれる各直列電池ユニットの前記電流制御素子に供給される前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットに含まれる前記複数のセルの総電圧に応答して制御する
   組電池システム。
8. 請求項１に記載の組電池システムであって、
   前記制御手段は、前記複数の直列電池ユニットに含まれる各直列電池ユニットの前記電流制御素子に供給される前記電流制御信号の信号レベルを、前記各直列電池ユニットに含まれる前記複数のセルのセル温度に応答して制御する
   組電池システム。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の組電池システムであって、
   前記ディスクリート素子は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、又はＩＧＢＴのいずれかである
   組電池システム。

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