JP2010142039A - 電力蓄積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を多数直列に接続したＨＥＶなどでは、電池の特性のばらつきや、温度差等の要因により、電池間で電圧の不均衡が生じ、全体として充電容量が減少する。対策としてバッテリマネジメント回路内蔵のトランジスタなどで放電を行い電池電圧の均等化を行うが、許容損失の制限から処理に時間がかかるなどの課題が生じる。
【解決手段】以上の課題解決のため、本発明は搭載された電池を組として、まず組内でそれぞれの電池を既存のバッテリマネジメント回路内のトランジスタなどで放電を行い電圧を均等化し、次いで外部に搭載した最大許容損失の大きいトランジスタなどで組間の電圧の均等化を行う。これにより、迅速な電圧均等化処理が可能である。さらに、組電池の放電電力をコンデンサに蓄積し、この電力により他の組電池を充電することにより、より迅速かつ効率的に電圧均等化処理が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を使った蓄電装置のバッテリマネジメント技術などに関する。

二次電池を使った電力蓄積装置、たとえばＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の電源装置には、２００Ｖ以上の高電圧が要求される。二次電池として一般的に使われるものは、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池やリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池である。しかしながら、二次電池１本あたりの平均電圧は、ニッケル水素電池で約１．２Ｖ、リチウムイオン電池で約３．６Ｖである。２００Ｖの電力蓄積装置を構成するためには、ニッケル水素電池で１６７本、リチウムイオン電池で５６本を直列に接続する事になる。

これら二次電池の管理には、電気回路が応用されるが、小型化のためにＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として開発、設計、製造される。しかし、ＩＣには絶対最大定格があり、最大数十Ｖの値である。上記に述べたように、ＨＥＶ用の電源装置では、総電池電圧が２００Ｖであり、全電池を一つのＩＣで測定することができない。このために、ＩＣの絶対最大定格内で、最多に許容できる電池本数単位の電池モジュールに分割して電池管理をすることになる。例えば、ＩＣの絶対最大定格が４０Ｖであった場合には、二次電池にリチウムイオン電池を選択すると８本直列の電池を有する電池モジュールに対して一つのＩＣで測定するのが妥当であり、これらの電池モジュールが７個直列して接続されるといった形態となる。

一方、二次電池において残量を正確に推定することは、ＨＥＶの走行可能距離などの算出に用いられるため非常に重要である。正確な推定のためには、マイクロコンピュータを用いて電源電圧や温度、電流積算などの複数のパラメータにより計算するのが効果的である。ここで、マイクロコンピュータの絶対最大定格は３〜７Ｖ程度が一般的であり、上記ＨＥＶ等に用いられる電源電圧の２００Ｖに比べると著しく小さい。この場合、電源測定用のＩＣのうち、グランド電位に一番近いＩＣのみからマイクロコンピュータの電源を供給する方法がある。しかしこの方法をとると、グランド電位に一番近いＩＣに接続された電池からのみ電流が消費されることになる。すると、直列に接続されたそれぞれの電池間で消費電流が異なることとなり、その結果電池電圧が均等化されない問題が生じる。

さらに、エネルギー蓄積装置に使用される二次電池の特性も、製造ばらつきにより特性が一定ではない。例えば、電池容量に差があると、充電と放電がまったく同じ条件でなされても、使用中に電池電圧差が生じる。またエネルギー蓄積装置においては、装置が大型になるので、装置内に多数配置される二次電池の周辺温度は一定ではない。一般的な二次電池においては、温度が低下すると容量が下がる特性を有するので、周辺温度の違いは等価的に電池容量が変化したのと同等になる。

バッテリマネジメント回路、抵抗、容量他、これら電子部品は回路基板に実装され、二次電池と配線によって接続されるが、回路基板の抵抗や配線の抵抗もまったく同じではないので、各二次電池電圧が同じでも抵抗差により、消費電流が異なる。

このように電力蓄積装置においては、様々な条件により、直列に接続された二次電池の充電と放電を繰り返すと電池電圧を均等に保つのが困難である。電池電圧が均等ではないと、充電上限電圧はすべての二次電池のなかの最大電圧で制限される。反対に放電下限電圧はすべての二次電池のなかの最低電圧で制限される。このために、二次電池電圧に差が生じると、エネルギー蓄積装置全体の容量が等価的に低くなってしまう。

これを解決するための技術として、特許文献１や特許文献２が開示されている。該技術はトランジスタなどをスイッチとして、二次電池からの放電パスを作る方法を用いている。この方法により、電池モジュールのなかで電圧の高い二次電池を放電により電圧を下げて、電圧の均等化を図るものである。
特開２００６−２１１８８５ 特開２００６−７９９６２

しかし、上記従来の技術には以下のような課題がある。バッテリマネジメント回路は集積回路であり、パッケージに収納されるものであるが、パッケージには許容損失があるため最大電力が規定されている。このために、トランジスタなどで放電を行った場合、パッケージ許容損失内での放電電流に制限される。このため、電池電圧均等化を終了するまでに時間を要するといった課題点が生じる。放電パスをパッケージ外に配置する方法もあるが、この場合は外部部品点数が増加し、その結果装置価格が上昇するといった課題点も生じる。

図１５に従来技術における電力蓄積装置を示す。この図にあるように、従来技術による電力蓄積装置（１５００）は、直列に接続された二次電池１〜４（１５０１〜１５０４）と、IC（１５０５）と、残量などを演算するためのマイクロコンピュータ（１５０６）からなり、バッテリマネジメント回路（１５０５）は、電圧均等化のための放電用トランジスタ（１５０６〜１５０９）を備える。トランジスタ（１５０６〜１５０９）は各電池に並列に接続されている。コントロール回路（１５１０）はトランジスタ（１５０６〜１５０９）のスイッチング動作を制御するスイッチ制御回路（１５１１）や、二次電池（１５０１〜１５０４）それぞれの電圧を測定し順次ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（１５１２）に出力するマルチプレクサ（１５１１）を動作させる。ＡＤＣ（１５１２）は各二次電池（１５０１〜１５０４）の電圧をディジタル信号に変換してマイクロコンピュータ（１５０６）などに出力する。電源回路（１５１３）は、二次電池（１５０１〜１５０４）の組よりも低い電圧で駆動されるコントロール回路（１５１０）とＡＤＣ（１５１２）に電圧を供給する役割をもつ。二次電池（１５０１〜１５０４）の組（１５を電池モジュール（１５１４）とする。電池モジュール（１５１４）から電力を供給できるように、電池モジュールプラス端子（１５１５）と電池モジュールマイナス端子（１５１６）が用意されている。

図１６に従来技術における電力蓄積装置の電圧均等化処理のタイミングチャートを示す。図１６では、図１５に示された各二次電池の電圧を示している。初期状態では、二次電池１の電圧（１６０１）>二次電池２の電圧（１６０２）>二次電池３の電圧（１６０３）>二次電池４の電圧（１６０４）となっているとする。時刻t0にそれぞれの内蔵トランジスタ（１５０６〜１５０８）がオンされ、各二次電池電圧が降下を始める。この場合二次電池４の電圧（１６０４）が最低電圧であるので、二次電池４（１５０４）の放電は不要である。このため、二次電池４（１５０４）に並列に接続されているトランジスタ（１５０９）はオフされたままである。時刻t1に二次電池３の電圧（１６０３）が二次電池４の電圧（１６０４）と同じになり放電が終了し、時刻t2に二次電池２の電圧（１６０２）が二次電池４の電圧（１６０４）と同じになり放電が終了する。最終的には、二次時刻t3に二次電池１の電圧（１６０１）が二次電池４の電圧（１６０４）と同じになりすべての電池電圧均等化が終了する。

このように、従来技術の電力蓄積装置は、各二次電池に並列に接続されたバッテリマネジメント回路内のトランジスタにより放電を行うことで、各二次電池の電圧均等化を行うことが可能である。しかしながら、バッテリマネジメント回路はＩＣとなっているので、プラスチック製のパッケージに実装されることになる。パッケージ材料はＩＣの発熱により溶融される危険性があるので、ＩＣには最大許容損失が存在する。このため、内蔵トランジスタ（１５０６〜１５０９）で放電する場合にも制限が発生する。すなわち、トランジスタ（１５０６〜１５０９）で放電する全電流は、バッテリマネジメント回路を実装しているＩＣの許容損失内とする必要がある。

トランジスタ（１５０６〜１５０９）のオン時の抵抗を高めたり、抵抗をトランジスタ（１５０６〜１５０９）に直列に接続したりすることで電流を制限することが可能であるが、電流が制限された分、電圧均等化に長い時間がかかることになる。二次電池（１５０１〜１５０４）の電圧がすべて異なっていた場合には、最低電圧の電池以外を同時に放電することになるが、複数個のトランジスタを同時にオンするために、上記最大許容損失の制限により、トランジスタ１個あたりの放電電流は小さくなり、電圧均等化には時間を要するといった問題が生じる。

上記の様な問題は、多数の二次電池を直列に接続し高電圧を得る必要のあるＨＥＶなどでは大きな問題となる。二次電池の本数が増加すると、電池電圧のばらつきが拡大するため、上記の様な電圧均等化に時間を要するといった傾向が顕著となるためである。

このように従来技術の電力蓄積装置では、バッテリマネジメント回路の許容損失の制限から、電圧均等化の処理において時間を要するといった課題が生ずる。また、上記に述べたように、バッテリマネジメント回路のパッケージ外に許容損失の大きな放電素子を設置した場合には、部品点数の増加による大型化、さらにはコストの増大といった課題を招くこととなる。

以上の課題を解決するために、本発明は以下のような電力蓄積装置を提供する。第一に、直列に接続された複数個の電池を組として放電可能な組放電回路を有する電力蓄積装置である。具体的には、複数の電池からなる電池モジュールと、電池モジュールの各電池ごとの単放電回路および電池モジュール管理回路を備えてワンパッケージされたＩＣ装置と、を含む電力蓄積装置であって、電池モジュールの複数の電池を組として放電をさせるための組放電回路を備えた電力蓄積装置である。

第二は、上記第一の電力蓄積装置を基本として、組放電回路は、前記ＩＣ装置の外部に備えられていることを特徴とする電力蓄積装置である。これにより、組内の電源電圧は既存のバッテリマネジメント回路を用いながら電圧均等化を行い、組間の電源電圧は外部に設置された許容損失の大きな組放電回路で電圧均等化を行うといった処理が可能である。

第三は、電池モジュール管理回路が、各組内の電池相互の電池電圧を均等化するために、各組毎の電池残量を略等しくするためのスイッチング信号を出力する処理が可能な電力蓄積装置である。具体的には、上記第一や第二の電力蓄積装置を基本として、電池モジュール管理回路は、各組ごとに各組に含まれる電池相互の電池残量を略等しくするために電池単位の放電を図る単放電回路のスイッチング信号である単スイッチング信号を出力する単スイッチング信号出力手段を含む電力蓄積装置である。

第四は、電池モジュール管理回路が、各組間の組電池相互の電池電圧を均等化するために、各組内で電池電圧が略等しくなった各組間の電池残量を略等しくするためのスイッチング信号を出力する処理が可能な電力蓄積装置である。具体的には、上記第三の電力蓄積装置を基本として、電池モジュール管理回路は、単放電回路によって各組内で略等しい電池残量となった各組の相互の電池残量を略等しくするために組単位での放電を図る組放電回路のスイッチング信号である組スイッチング信号を出力する組スイッチング信号出力手段を含む電力蓄積装置である。

第五は、組電池を組放電回路により放電中に、同時にコンデンサに電力を蓄積し、この蓄積した電力を他の組電池の充電に利用することが可能な電力蓄積装置である。具体的には、上記第一から第四の電力蓄積装置を基本として、組電池からの電力を蓄積するコンデンサと、コンデンサに蓄積された電力を前記コンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に充電するための充電回路と、をさらに有する電力蓄積装置である。

以上のような構成をとる第一の本発明によって、電池モジュール内の複数の電池を組として、組放電回路により組単位での放電が可能となる。これにより、組内の電圧を均等化した後に、組間での電圧均等化が可能となり、組間での電圧均等化の際に損失の大きな放電素子を用いれば、電池の電圧のばらつきが大きくても、高速に電圧均等化が可能である。

また、第二の本発明によって、組放電回路をバッテリマネジメント回路のＩＣ装置の外部に設置することで、ＩＣの許容損失以上の放電が可能な素子を組放電回路として採用可能である。また、ＩＣ装置は既存の物を使用可能であるので、コストの上昇も抑えることができる。

また、第三の本発明によって、電池モジュール管理回路が電池毎に備わる単放電回路に対してスイッチング信号を出力可能である。これにより、各組内に含まれる電池の電池電圧を均等化するための制御が電池毎に可能である。その結果、組内の電池の電池残量を略等しくすることが可能である。

第四の本発明によって、電池モジュール管理回路が電池の組毎に備わる組放電回路に対してスイッチング信号を出力可能である。これにより、各組間において電池電圧を均等化するための制御が組毎に可能である。その結果、組毎の電池の電池残量を略等しくすることが可能であり、ひいては電池モジュール全体の電池残量を略等しくする処理が可能である。

第五の本発明によって、組放電回路による放電電流がコンデンサにも流れ込むので、より高速に組単位の放電処理が可能である。また、コンデンサに蓄積された電力を用いて他の組電池を充電することで、より高速かつ効率的に電圧均等化処理を完了することが可能である。

以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。なお、実施例１は、主に請求項１、２、６、７について説明する。また、実施例２は、主に請求項３、４、及び請求項８、９について説明する。また、実施例３は、主に請求項５、及び請求項１０について説明する。

≪実施例１≫
<概要>
本実施例の電力蓄積装置は、電池モジュール内に多数直列接続された二次電池を組電池として分割し、組毎に並列に接続された組放電回路により、組電池の放電が可能な電力蓄積装置である。これにより、組電池内の各二次電池に接続された単放電回路と組み合わせて、電圧均等化処理を行うことが可能である。また、組放電回路をバッテリマネジメント回路外に設置し、許容損失の大きな素子を採用することで、既存のバッテリマネジメント回路のＩＣを使用しながらも、迅速に電圧均等化が可能である。

<機能的構成>
図１は、本実施例の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図である。この図にあるように、本実施例の「電力蓄積装置」（０１００）は、「電池モジュール」（０１０１）と、「ＩＣ装置」（０１０２）と、「組放電回路」（０１０３、０１０４）とを有する。「ＩＣ装置」（０１０２）は「単放電回路」（０１０５〜０１０８）と、「電池モジュール管理回路」（０１０９）とを有する。

「電池モジュール」（０１０１）は、複数の電池からなり、電力を蓄積する機能を有する。
「電池」とは、充放電可能な二次電池の事を指す。二次電池として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などが挙げられるが、充放電可能な電池であれば如何様なものでよい。図では電池が直列に４本接続されているが、本数はこの限りでない。また、直並列の接続態様もこの限りでない。また、「組電池」とは、「電池モジュール」（０１０１）内の直列に接続された複数の電池の組を指す。電池モジュールの電力は、端子（０１１０、０１１１）より放電または充電されるほか、放電については、各電池の電圧均等化のため後述する「単放電回路」（０１０５〜０１０８）と、「組放電回路」（０１０３、０１０４）に接続され放電に供される。

「ＩＣ装置」（０１０２）は、電池モジュールの各電池ごとの単放電回路および電池モジュール管理回路を備え、これらをワンパッケージ化している。当装置は、電池モジュール（０１０１）から電流の入力を受け、回路を駆動する。また、内蔵のトランジスタなどで構成された「単放電回路」（０１０５〜０１０８）や「組放電回路」（０１０３，０１０４）などから電圧を取得し、ディジタル信号に変換する機能も有する。内部ＩＣ装置は、さらにマイクロプロセッサなどに接続され、取得した各電池の電圧などをディジタル信号などで出力する。マイクロプロセッサではこれを用いて電池残量の推定などを演算する。ＩＣ装置のパッケージ材料は、一般的にはプラスチック製であり、発熱により溶融される危険性があるので最大許容損失が存在する場合が多い。

「単放電回路」（０１０５〜０１０８）は、ＩＣ装置（０１０２）内に配置されており、電池モジュールの各電池ごとに接続されて放電を行う。これにより、電池ごとの残量を調整し、他の電池との電圧を均等化することで、電圧の不均衡に起因する電池モジュール全体における充電容量の縮小を補正することが可能である。当回路は基本的に電力を消費する抵抗体であればどのようなものでもよい。ＩＣ装置（０１０２）内に設置される場合にはトランジスタなどで構成されていてよい。また、抵抗などを直列に接続してトランジスタに流入する電流を制限する構成を取っていてもよい。

「電池モジュール管理回路」（０１０９）は、ＩＣ装置（０１０２）内に配置されており、電池モジュールの管理を行う。具体的には、電池モジュールにおける電池電圧を単放電回路（０１０５〜０１０８）や後述の組放電回路（０１０３、０１０４）などから取得し、当部が有するアナログ−ディジタル変換機能によりマイクロプロセッサが取得可能な信号に変換し、外部へ出力する。また、単放電回路（０１０５〜０１０８）や組放電回路（０１０３、０１０４）からの複数の入力信号を一つの入力信号へまとめるといったマルチプレクサの機能も有している。当回路（０１０９）で使用する電力は「電池モジュール」（０１０１）から給電される。このため、電圧や電流を調整するための電源回路の機能も有する。

なお、当回路（０１０９）は、電源電圧の値などを取得し、単放電回路（０１０５〜０１０８）と、後述する組放電回路（０１０３、０１０４）とに対する放電の命令を実行するためのマイクロコンピュータの機能を備えていてよい。マイクロコンピュータは当回路（０１０９）に内蔵されていてもよく、図２（０２０１）に示すように電池モジュール管理回路（０２０２）から独立して、ＩＣ装置（０２０３）の外部に接続されていてもよい。さらに、図２ではマイクロコンピュータ（０２０１）が電力蓄積装置内（０２００）に存在する態様であるが、電力蓄積装置の外部に存在する態様でもよい。

「組放電回路」（０１０３、０１０４）は、電池モジュールの複数の電池を組として放電をさせるための機能を有する。具体的には、直列または並列に接続された複数の電池を組として、その組間の電池残量を調整して電池モジュール全体の充電容量の縮小を補正することが可能である。当回路（０１０３、０１０４）を導入することにより、複数の電池の組ごとに放電が可能である。

当回路（０１０３、０１０４）は、ＩＣ装置外に設置されていてもよい。このような態様の電力蓄積装置（０３００）を図３に示す。この図にあるように、組放電回路（０３０３、０３０４）がＩＣ装置（０３０２）のパッケージ外に設置されている。なおその他の構成要件については、図１に示す電力蓄積装置（０１００）と同様である。

このように、組放電回路（０３０３）をＩＣ装置（０３０２）とは別に設置することで、電力の消費が大きい抵抗などを組放電回路（０３０３）に採用することが可能である。従って、当回路をＩＣ装置に内蔵するよりも高速に放電することが可能であり、電池電圧の均等化を高速に行うことができる。同時に、許容損失の小さい、従来のバッテリマネジメント用IC装置を活用しながらも、組放電回路（０３０３）の追加のみで上記の効果が得られるため、部品点数の増加を抑えることが可能であり、ひいては装置全体のコストの上昇を抑えることが可能である。

組放電回路（０３０３、０３０４）は、その全部あるいは一部（特に発熱部分）を、熱伝導性の高いセラミック基板上に直接又は間接的に設置されているとなおよい。セラミック基板の例としてアルミナ基板や、窒化アルミ基板などが挙げられる。なお、場合によりこれらの基板上にＩＣ装置（０３０２）も共に設置された構成でもよい。

<処理の流れ>
図４は、本実施例の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャートである。この図にあるように、まず、電池モジュールの各電池ごとに放電する（ステップＳ０４０１）。次に、回路の切り替え制御を行う（ステップＳ０４０２）。そして、複数の電池を組として放電する（ステップＳ０４０３）。

図５は、本実施例の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すタイミングチャートである。この図を用いて、電圧均等化処理について説明する。図にあるように、初期状態では二次電池の電圧（０５０１〜０５０４）がすべて異なっている状態とする。つまり、二次電池１の電圧（０５０１）>二次電池２の電圧（０５０２）>二次電池３の電圧（０５０３）>二次電池４の電圧（０５０４）となっているとする。また、二次電池１と二次電池２、二次電池３と二次電池４が、それぞれ組電池を構成しているとする。

時刻t0に単放電回路がオンされ、各二次電池電圧が降下を始める。ここで、二次電池１と二次電池３の放電だけが行われ、二次電池２と二次電池４の放電は行われない。二次電池１と二次電池２、二次電池３と二次電池４の電圧がそれぞれ同じになった時刻t1にて、単放電回路による放電を終了する。このt1にて、各電池ブロック内では電池電圧が同じになっており、ブロック内電池電圧均等化が終了する。

その後は、組放電回路を用いた放電が開始される。この場合には、組電池を構成する二次電池１と二次電池２の合計電池電圧が高いので、これらの組電池にかかる組放電回路だけをオンして電池電圧均等化を行い、ｔ2に電圧が均等になり処理が終了する。

<ハードウエア的構成>
図６は、上記機能的な各構成要件をハードウエアとして実現した際の、電力蓄積装置における構成の一例を表す概略図である。この図を利用してそれぞれのハードウエア構成部の働きについて説明する。この図にあるように、電力蓄積装置（０６００）は、「ＩＣ」（０６０１）と、「二次電池１〜二次電池４」（０６０２〜０６０５）とからなる。「ＩＣ」（０６０１）は「電源回路」（０６０６）と、「コントロール回路」（０６０７）と、「ＡＤＣ」（０６０８）と、「マルチプレクサ及びスイッチ制御回路」（０６０９）からなる。ＩＣ（０６０１）は、電池残量などを演算する「マイクロコンピュータ」（０６１０）と接続されている。二次電池１〜４（０６０２〜０６０５）は、それぞれＩＣ（０６０１）内の「トランジスタ１〜トランジスタ４」（０６１１〜０６１４）へ並列に接続されている。二次電池１（０６０２）と二次電池２（０６０３）は「組電池Ａ」（０６１５）を、二次電池３（０６０４）と二次電池４（０６０５）は「組電池Ｂ」（０６１６）を構成する。組電池Ａ（０６１５）および組電池Ｂ（０６１６）は、それぞれ抵抗と直列に接続された「トランジスタＡ」（０６１７）と「トランジスタＢ」（０６１８）に並列に接続されている。

なお、トランジスタＡ（０６１７）とトランジスタＢ（０６１８）と、これらに直列に接続された抵抗などは、ＩＣ（０６０１）に内蔵されていてもよいし、図６に示すように外部に配置されていてもよいが、外部に配置されていれば、比較的最大許容損失の大きいトランジスタや抵抗を採用することができる。すると放電速度がより高速となるために、電圧均等化処理を迅速に完了させることが可能である。

ここで、図５で示したのと同様に、二次電池１（０６０２）電圧>二次電池２（０６０３）電圧>二次電池３（０６０４）電圧>二次電池４（０６０５）電圧となっていたとする。まず、組電池Ａ（０６１５）内と組電池Ｂ（０６１６）内の電池電圧をそろえるために、「マルチプレクサ及びスイッチ制御回路」（０６０９）によりトランジスタ１（０６１１）とトランジスタ３（０６１３）が閉じられる。すると、両電池はトランジスタ１（０６１１）とトランジスタ３（０６１３）により放電され、二次電池１（０６０２）電圧＝二次電池２（０６０３）電圧、および二次電池３（０６０４）電圧＝二次電池４（０６０５）電圧、すなわち組電池Ａ（０６１５）電圧>組電池Ｂ電圧（０６１６）となる。その後トランジスタ１（０６１１）とトランジスタ３（０６１３）が開き、代わりにトランジスタＡ（０６１７）が閉じる。すると、トランジスタＡ（０６１７）とこれに直列に接続された抵抗とにより、組電池Ａ（０６１５）の放電が始まる。放電が進むと、組電池Ａ（０６１５）電圧＝組電池Ｂ（０６１６）電圧となり、全ての電池の電圧均等化が完了する。

図７は、本実施例の電力蓄積装置の各構成要件をハードウエアで実現した際の別の一例であり、図６で説明したような電力蓄積装置を直列に接続した場合におけるハードウエア構成の一例を表す概略図である。この図にあるように、「電力蓄積装置甲」（０７０１）と「電力蓄積装置乙」（０７０２）が直列に接続されている。また装置毎に「組電池Ｃ」（０７０３）及び「組電池Ｄ」（０７０４）をさらに構成している。本実施例の電力蓄積装置はこのような構成を取ることも可能である。電力均等化は各装置（０７０１、０７０２）内で、まず各電池毎に行い、次に各装置内の組電池間で行う。そして最後に各装置（０７０１、０７０２）間で均等化を行う。なおこの場合にはマイクロコンピュータ（０７０５）で両装置の放電制御を総括制御する。このためマイクロコンピュータ（０７０５）に対する各装置の信号をフォトカプラ（０７０６）などを介して伝送する構成をとる。

図７で述べた構成は、装置を３個以上直列に接続した場合も本実施例の発明に含まれる。

図７のような構成を取った場合には、マイクロコンピュータ（０７０５）の駆動電力は、グラウンド電位に近い一の装置から給電する場合が多いため装置間で電池の消費量が異なり、電圧のばらつきが生じやすい。すなわち、図７では電力蓄積装置乙（０７０２）からのみマイクロコンピュータ（０７０５）の給電を行っているため、組電池Ｄ（０７０４）の電圧が組電池Ｃ（０７０３）に対して低下しやすい傾向がある。このような場合に本実施例の電力蓄積装置の電圧均等化の処理は有効である。

<効果の簡単な説明>
以上のように、本実施例の電力蓄積装置では、二次電池毎の放電に加えて、二次電池を組に分割し、これを最大許容損失の大きいトランジスタなどで放電を行うことが可能である。これにより最大許容損失の小さい、既存のバッテリマネジメント回路に使用されるＩＣ装置を採用した場合でも高速に電圧均等化が可能である。同時に、部品点数の増大による装置コストの上昇を抑えることが可能である。

≪実施例２≫
<概要>
本実施例の電力蓄積装置は、電池モジュール管理回路が、各組内の電池相互および各組間の組電池相互の電池電圧を均等化するために、各組毎および各組間の電池残量を略等しくするためのスイッチング信号を出力する処理が可能である。これにより、各組毎および各組間の放電を制御することが可能であり、適切な制御を行うことにより、効率的な電圧均等化の為の放電を行うことが可能である。

<機能的構成>
図８は、本実施例の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図である。この図にあるように、本実施例の「電力蓄積装置」（０８００）は、実施例１を基本として「電池モジュール」（０８０１）と、「ＩＣ装置」（０８０２）と、「組放電回路」（０８０３、０８０４）とを有する。「組放電回路」（０８０３、０８０４）は、上記実施例で説明したように、「ＩＣ装置」（０８０２）の外に設置される態様でもよい。「ＩＣ装置」（０８０２）は「単放電回路」（０８０５〜０８０８）と、「電池モジュール管理回路」（０８０９）とを有する。なお、これら構成要件については上記実施例にて既に記載済みであるのでその説明は省略する。そして、本実施例の電力蓄積装置の特徴点は、さらに「電池モジュール管理回路」（０８０９）が、「単スイッチング信号出力手段」（０８１２）を有する点である。

「単スイッチング信号出力手段」（０８１２）は、各組ごとに各組に含まれる電池相互の電池残量を略等しくするために電池単位の放電を図る単放電回路のスイッチング信号である単スイッチング信号を出力する機能を有する。具体的には、各組に含まれる二次電池に並列に接続された放電素子に対して、二次電池から電流を送出させるようにスイッチを制御する事を意味する。「スイッチング信号」とは、例えばトランジスタのベース電流などが該当する。

<別の機能的構成>
図９は、本実施例の電力蓄積装置における機能ブロックの別の一例を表す図である。この図にあるように、本実施例の「電力蓄積装置」（０９００）は、実施例１を基本として「電池モジュール」（０９０１）と、「ＩＣ装置」（０９０２）と、「組放電回路」（０９０３、０９０４）とを有する。「組放電回路」（０９０３、０９０４）は、上記実施例で説明したように、「ＩＣ装置」（０９０２）の外に設置される態様でもよい。「ＩＣ装置」（０９０２）は「単放電回路」（０９０５〜０９０８）と、「電池モジュール管理回路」（０９０９）とを有する。「電池モジュール管理回路」（０９０９）はさらに、「単スイッチング信号出力手段」（０９１２）を有する。なお、これら構成要件については上記実施例にて既に記載済みであるのでその説明は省略する。そして、本実施例の電力蓄積装置の特徴点は、さらに「電池モジュール管理回路」（０９０９）が、「組スイッチング信号出力手段」（０９１３）を有する点である。

「組スイッチング信号出力手段」（０９１３）は、単放電回路によって各組内で略等しい電池残量となった各組の相互の電池残量を略等しくするために組単位での放電を図る組放電回路のスイッチング信号である組スイッチング信号を出力する機能を有する。具体的には、各組の組電池に並列に接続された放電素子に対して、組電池から電流を送出させるようにスイッチを制御する事を意味する。例えば、組内の電池放電が完了すると、単放電回路（０９０５〜０９０８）に対してスイッチを開ける制御を行い、次いで組放電回路（０９０３、０９０４）に対してスイッチを閉じる制御を行うといった具合である。

<処理の流れ>
図１０は、本実施例の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャートである。この図にあるように、まず、単スイッチング信号を出力する（ステップＳ１００１）と、電池モジュールの各電池毎に放電を行う（ステップＳ１００２）。放電が完了すると、組スイッチング信号を出力する（ステップＳ１００３）。すると、複数の電池を組として放電（ステップＳ１００４）し、放電が完了すると終了する。

<ハードウエア構成>
次に、上記機能的な各構成要件をハードウエアとして実現した際の、電力蓄積装置における構成の一例を示し、電圧均等化処理におけるそれぞれのハードウエア構成部の働きについて説明する。なお、本実施例における電力蓄積装置のハードウエア構成は図６に示す構成と同様である。図６に示すように、電力蓄積装置は、実施例１と同様、電力蓄積装置（０６００）は、「ＩＣ」（０６０１）と、「二次電池１〜二次電池４」（０６０２〜０６０５）とからなる。「ＩＣ」（０６０１）は「電源回路」（０６０６）と、「コントロール回路」（０６０７）と、「ＡＤＣ」（０６０８）と、「マルチプレクサ及びスイッチ制御回路」（０６０９）からなる。ＩＣ（０６０１）は、電池残量などを演算する「マイクロコンピュータ」（０６１０）と接続されている。二次電池１〜４（０６０２〜０６０５）は、それぞれＩＣ（０６０１）内の「トランジスタ１〜トランジスタ４」（０６１１〜０６１４）へ並列に接続されている。二次電池１（０６０２）と二次電池２（０６０３）は「組電池Ａ」（０６１５）を、二次電池３（０６０４）と二次電池４（０６０５）は「組電池Ｂ」（０６１６）を構成する。組電池Ａ（０６１５）および組電池Ｂ（０６１６）は、それぞれ抵抗と直列に接続された「トランジスタＡ」（０６１７）と「トランジスタＢ」（０６１８）に並列に接続されている。

ここで、図５で示したのと同様に、二次電池１（０６０２）の電圧>二次電池２（０６０３）の電圧>二次電池３（０６０４）の電圧>二次電池４（０６０５）の電圧となっていたとする。まず、組電池Ａ（０６１５）内と組電池Ｂ（０６１６）内の電池電圧をそろえるために、マルチプレクサ及びスイッチ制御回路（０６０９）により、組内の各電池の電圧が取得され、マルチプレクサによって一連のアナログ信号に変換される。これをＡＤＣ（０６０８）へ出力し、アナログ信号をディジタル信号へ変換を行う。変換後の信号はマイクロコンピュータ（０６１０）に対し出力される。マイクロコンピュータ（０６１０）では、組内の電池の電圧の大小関係を比較し、放電すべき二次電池にかかるスイッチを特定するための情報をコントロール回路（０６０７）に出力する。当回路（０６０７）では入力信号を受け取ると、二次電池１と二次電池３に並列接続されたトランジスタを閉じるベース電流を出力するように、マルチプレクサ及びスイッチ制御回路（０６０９）に対して信号を出力する。ベース電流が当回路（０６０９）するとトランジスタ１（０６１１）とトランジスタ３（０６１３）が閉じ、二次電池１と二次電池３の放電が開始される。

二次電池１と二次電池２、および二次電池３と二次電池４電圧がそれぞれ等しくなったとマイクロコンピュータ（０６１０）が判断すると、トランジスタ１（０６１１）とトランジスタ３のベース電流を停止し、今度は組電池Ａ（０６１５）と組電池Ｂ（０６１６）との電圧均等化処理に移る。上記と同様に組電池Ａ（０６１５）と組電池Ｂ（０６１６）との電圧を比較し、高い方の組電池Ａ（０６１５）に接続されているトランジスタＡ（０６１７）を閉じ放電を行う。マイクロコンピュータ（０６１０）によって組電池Ａ（０６１５）と組電池Ｂ（０６１６）に電圧が等しくなったと判断されると、コントロール回路（０６０７）はマルチプレクサ及びスイッチ制御回路（０６０９）に対して信号を送り、ベース電流の送出を停止してトランジスタを開く。このようにして放電が完了し、電圧均等化処理が終了する。

<効果の簡単な説明>
このようにして、本実施例の電力蓄積装置は、電池モジュール管理回路が、電池毎に備わる単放電回路および、電池の組毎に備わる組放電回路に対してスイッチング信号を出力可能である。これにより、組内の電池電圧均等化の後、組毎の電池の電池残量を略等しくするといった制御が可能であり、ひいては電池モジュール全体の電池残量を略等しくする処理が可能である。

≪実施例３≫
<概要>
本実施例の電力蓄積装置は、上記実施例を基本として、組電池の電圧均等化の際に組放電回路からの電力をコンデンサに蓄積し、蓄積された電力を放電した組電池とは別の組の組電池に充電する処理を実行することを特徴とする。このように、組電池の放電に使用した電力を蓄積し、この電力により他の組電池を充電することにより、上記実施例の電力蓄積装置よりさらに高速かつ効率的な電圧均等化処理を行うことが可能である。

<機能的構成>
図１１は、本実施例の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図である。この図にあるように、本実施例の「電力蓄積装置」（１１００）は、実施例１を基本として「電池モジュール」（１１０１）と、「ＩＣ装置」（１１０２）と、「組放電回路」（１１０３、１２０４）とを有する。「ＩＣ装置」（１１０２）は「単放電回路」（１１０５〜１１０８）と、「電池モジュール管理回路」（１１０９）とを有する。また、「電池モジュール管理回路」（１１０９）が、「単スイッチング信号出力手段」（１１１２）と、「組スイッチング信号出力手段」（１１１３）とを有していてもよい。なお、これら構成要件については上記実施例にて既に記載済みであるのでその説明は省略する。そして、本実施例の電力蓄積装置の特徴点は、さらに「コンデンサ」（１１１２）と、図１１ではスイッチ１〜４（１１１３〜１１１６）からなる「充電回路」とを有する点である。

「コンデンサ」（１１１２）は、組電池からの電力を蓄積する機能を有する。具体的には放電すべき組電池が組放電回路によって放電する際に同時にその電力を蓄積する。蓄積された電力は組放電回路による放電の後に、コンデンサの放電により後述の充電回路（１１１３〜１１１６）に送られ、充電すべき組電池、すなわちコンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に対して充電を行うことで使用される。なお、放電すべき組電池の決定は電池モジュール管理回路（１１０９）などで実行される。決定の方法は、電圧が最低の電池の電圧に対する相対電位が所定の値以上であれば組放電回路で放電を行うなどの方法が一例として考えられる。

なお、コンデンサ（１１１２）は、あくまでキャパシタ（蓄電器）と同等の意味合いであり、一般的なコンデンサに限られない。例えば、スーパーキャパシタ等と称される電気二重層コンデンサや、二次電池でも構わない。

「充電回路」は、コンデンサに蓄積された電力を前記コンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に充電するための機能を有する。具体的には、コンデンサに蓄積された電力を、組放電回路で放電を行った組電池とは別の組の組電池に供給するために、その回路を切り換える。図１１では４個のスイッチ（１１１３〜１１１６）により本回路が構成されている。例えば図１１の上段に示す組放電回路（１１０３）により放電が行われる場合には、スイッチ１（１１１３）と、スイッチ４（１１１６）とが閉じられているが、その放電によりコンデンサ（１１１２）に蓄積された電力を下段の組放電回路（１１０４）に接続されている電池に転送するために、スイッチ１（１１１３）を開け、スイッチ２（１１１４）を閉じる様な回路の切換を行う。これらのスイッチ１〜４（１１１３〜１１１６）はトランジスタなどで構成されていてよく、「電池モジュール管理回路」（１１０９）によって制御されていてもよい。

<処理の流れ>
図１２は、本実施例の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャートである。この図にあるように、まず、電池モジュールの各電池ごとに放電する（ステップＳ１２０１）。放電が完了すると、回路の切換制御を行う（ステップＳ１２０２）。次に複数の電池を組として放電を行う（ステップＳ１２０３）。このときコンデンサでは、同時に組電池からの電力を蓄積する（ステップＳ１２０４）。放電が完了すると再び回路の切換制御を行い（ステップＳ１２０５）、コンデンサから蓄積された電力の放電を実行する（ステップＳ１２０６）。放電された電力は、コンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に充電され（ステップＳ１２０７）、処理が完了する。

図１３は、本実施例の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すタイミングチャートである。この図を用いて、電圧均等化処理について説明する。図にあるように、初期状態では二次電池の電圧（１３０１〜１３０４）がすべて異なっている状態とする。つまり、二次電池１の電圧（１３０１）>二次電池２電圧（１３０２）>二次電池３電圧（１３０３）>二次電池４電圧（１３０４）となっているとする。また、二次電池１と二次電池２、二次電池３と二次電池４が、それぞれ組電池を構成しているとする。

時刻t0に単放電回路がオンされ、各二次電池電圧が降下を始める。ここで、二次電池１と二次電池３の放電だけが行われ、二次電池２と二次電池４の放電は行われない。二次電池１と二次電池２、二次電池３と二次電池４の電圧がそれぞれ同じになった時刻t1にて、単放電回路による放電を終了する。このt1にて、各電池ブロック内では電池電圧が同じになっており、ブロック内電池電圧均等化が終了する。

次に組放電回路による二次電池１と二次電池２から構成する組電池の放電が開始され、同時にコンデンサに電力が蓄積される。これらの処理はt2に終了する。この際に、二次電池１と二次電池２の組と、二次電池３と二次電池４の組の電圧が同じになるまで放電を行う必要はなく、電圧差を残したままでよい。すなわち時刻t2は所定の値でよい。時刻t2から後はコンデンサに蓄積された電力が放電され、二時電池３と二次電池４からなる組電池が充電され、時刻t3に両組電池の電圧が等しくなり電圧均等化処理が完了する。このような処理を行うことで、一方の組電池の放電電流を無駄にすることなく、電池電圧の均等化を行うことが可能である。

<ハードウエア構成>
図１４は、上記機能的な各構成要件をハードウエアとして実現した際の、電力蓄積装置における構成の一例を表す概略図である。この図を利用して電圧均等化処理におけるそれぞれのハードウエア構成部の働きについて説明する。この図にあるように、本実施例の電力蓄積装置（１４００）は、「ＩＣ」（１４０１）と、「二次電池１〜二次電池４」（１４０２〜１４０５）とからなる。「ＩＣ」（１４０１）は「電源回路」（１４０６）と、「コントロール回路」（１４０７）と、「ＡＤＣ」（１４０８）と、「マルチプレクサ及びスイッチ制御回路」（１４０９）からなる。ＩＣ（１４０１）は、電池残量などを演算する「マイクロコンピュータ」（１４１０）と接続されている。二次電池１〜４（１４０２〜１４０５）は、それぞれＩＣ（１４０１）内の「トランジスタ１〜トランジスタ４」（１４１１〜１４１４）へ並列に接続されている。二次電池１（１４０２）と二次電池２（１４０３）は「組電池Ａ」（１４１５）を、二次電池３（１４０４）と二次電池４（１４０５）は「組電池Ｂ」（１４１６）を構成する。

二次電池１〜二次電池４（１４０２〜１４０５）は、「トランジスタＣ」（１４２０）と「トランジスタＤ」（１４２１）を閉じることによって、「コンデンサ」（１４１９）に電流を供給できるようになっている。コンデンサ（１４１９）は電圧を制限するために、図のようにツエナーダイオード等を並列に接続することも可能である。また、「トランジスタＥ」（１４２２）と「トランジスタＦ」（１４２３）とを閉じることによって、それぞれ組電池Ａ（１４１５）と、組電池Ｂ（１４１６）とを並列に接続した回路を構成し、各組電池を抵抗などによって放電が可能となっている。

ここで、図１３で示したのと同様に、二次電池１（１４０２）電圧>二次電池２（１４０３）電圧>二次電池３（１４０４）電圧>二次電池４（１４０５）電圧となっていたとする。まず、組電池Ａ（１４１５）内と組電池Ｂ（１４１６）内の電池電圧をそろえるために、「マルチプレクサ及びスイッチ制御回路」（１４０９）によりトランジスタ１（１４１１）とトランジスタ３（０６１３）が閉じられる。すると、両電池はトランジスタ１（１４１１）とトランジスタ３（１４１３）により放電され、二次電池１（１４０２）の電圧＝二次電池２（１４０３）の電圧、および二次電池３（１４０４）の電圧＝二次電池４（１４０５）の電圧、すなわち組電池Ａ（１４１５）の電圧>組電池Ｂ（１４１６）の電圧となる。

その後トランジスタ１（１４１１）とトランジスタ３（１４１３）が開き、代わりにトランジスタＣ（１４２０）とトランジスタＤ（１４２１）が閉じ、コンデンサ（１４１９）に電流が流入するとともに、トランジスタＥ（１４２２）も閉じられ、抵抗などにより組電池Ａ（１４１５）の放電も開始される。所定の時間が経過すると、トランジスタＣ（１４２０）が開き、トランジスタＦ（１４２３）が閉じられ、コンデンサ（１４１９）に蓄積された電力により、組電池Ｂ（１４１６）の充電が開始される。充電が進み組電池Ａ（１４１５）の電圧＝組電池Ｂ（１４１６）の電圧となったところで充電は終了し全ての電圧均等化処理が完了する。

<効果の簡単な説明>
以上のように、本実施例の電力装置によって組放電回路による放電電流を利用してコンデンサに電力を蓄積可能である。蓄積された電力を用いて他の組電池を充電することで、より高速かつ効率的に電圧均等化処理を完了することが可能である。

実施例１の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図 実施例１の電力蓄積装置における機能ブロックの別の一例を表す図 実施例１の電力蓄積装置における機能ブロックのさらに別の一例を表す図 実施例１の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャート 実施例１の電力蓄積装置における電圧均等化処理の一例を表すタイミングチャート 実施例１の電力蓄積装置におけるハードウエア構成の一例を表す概略図 実施例１の電力蓄積装置におけるハードウエア構成の別の一例を表す概略図 実施例２の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図 実施例２の電力蓄積装置における機能ブロックの別の一例を表す図 実施例２の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャート 実施例３の電力蓄積装置における機能ブロックの一例を表す図 実施例３の電力蓄積装置における処理の流れの一例を表すフローチャート 実施例３の電力蓄積装置における電圧均等化処理の一例を表すタイミングチャート 実施例３の電力蓄積装置におけるハードウエア構成の一例を表す概略図 従来技術の電力蓄積装置を説明するための概略図 従来技術の電力蓄積装置における電圧均等化処理を説明するためのタイミングチャート

符号の説明

０１００ 電力蓄積装置
０１０１ 電池モジュール
０１０２ ＩＣ装置
０１０３ 組放電回路
０１０４ 組放電回路
０１０５ 単放電回路
０１０６ 単放電回路
０１０７ 単放電回路
０１０８ 単放電回路

Claims (10)

1. 複数の電池からなる電池モジュールと、
   電池モジュールの各電池ごとの単放電回路および電池モジュール管理回路を備えてワンパッケージされたＩＣ装置と、を含む電力蓄積装置であって、
   電池モジュールの複数の電池を組として放電をさせるための組放電回路を備えた電力蓄積装置。
2. 組放電回路は、前記ＩＣ装置の外部に備えられている請求項１に記載の電力蓄積装置。
3. 電池モジュール管理回路は、各組ごとに各組に含まれる電池相互の電池残量を略等しくするために電池単位の放電を図る単放電回路のスイッチング信号である単スイッチング信号を出力する単スイッチング信号出力手段を含む請求項１または２に記載の電力蓄積装置。
4. 電池モジュール管理回路は、単放電回路によって各組内で略等しい電池残量となった各組の相互の電池残量を略等しくするために組単位での放電を図る組放電回路のスイッチング信号である組スイッチング信号を出力する組スイッチング信号出力手段を含む請求項３に記載の電力蓄積装置。
5. 組電池からの電力を蓄積するコンデンサと、
   コンデンサに蓄積された電力を前記コンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に充電するための充電回路と、
   をさらに有する請求項１から４のいずれか一に記載の電力蓄積装置。
6. 複数の電池からなる電池モジュールを有する電力蓄積装置の動作方法であって、
   ワンパッケージされたＩＣ装置において、電池モジュールの各電池ごとに放電させるための単放電ステップと、
   電池モジュール制御ステップと、を実行し、
   電池モジュールの複数の電池を組として放電をさせるための組放電ステップを実行する電力蓄積装置の動作方法。
7. 組放電ステップは、前記ＩＣ装置の外部において実行される請求項６に記載の電力蓄積装置の動作方法。
8. 電池モジュール制御ステップは、各組ごとに各組に含まれる電池相互の電池残量を略等しくするために電池単位の放電を図る単放電ステップのスイッチング信号である単スイッチング信号を出力する単スイッチング信号出力サブステップを含む請求項６または７に記載の電力蓄積装置の動作方法。
9. 電池モジュール制御ステップは、単放電回路によって各組内で略等しい電池残量となった各組の相互の電池残量を略等しくするために組単位での放電を図る組放電ステップのスイッチング信号である組スイッチング信号を出力する組スイッチング信号出力サブステップを含む請求項８に記載の電力蓄積装置の動作方法。
10. 組電池からの電力をコンデンサに蓄積する電荷蓄積ステップと、
    コンデンサに蓄積された電力を前記コンデンサに電力を蓄積した組電池とは別の組の組電池に充電するための充電ステップと、
    をさらに有する請求項６から９のいずれか一に記載の電力蓄積装置の動作方法。

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