JP2012060836A

JP2012060836A - 電池評価機能を有するコントローラ

Info

Publication number: JP2012060836A
Application number: JP2010203615A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kadota; 行生門田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】電池ユニットが現地に据付ままで性能検査が行える仕組みを提供すること。
【解決手段】二次電池と充放電装置から成るエネルギー蓄積システムを複数台接続された電池サイトのコントローラであって、電池評価に関する指示を出力する電池評価指令と、電池評価指令が出力する信号に従って、二次電池の電圧もしくは二次電池の充放電電流等からエネルギー状態を監視しつつ二次電池の充放電動作を制御し、電池評価指令が指示する性能検査対象の二次電池が充電もしくは放電するのに必要なエネルギーを、性能検査対象でない他の二次電池に移動するコントローラ
【選択図】図４

Description

単電池が複数集積された大型二次電池における単電池の性能検査に関する。

従来の二次電池装置では、リチウムイオン二次電池セルやニッケル水素二次電池セル等の組み立て後に行う電池セルの検査や化学反応の活性化などのため、単電池での充放電処置が施される。このような組み立て後の二次電池の充放電処理では、個別の単電池に対して選択的に処理する必要があることから、各電池セルで独立した充放電装置を設け、充放電処理を実行している。

個々の単電池を個別の充放電装置で充電、あるいは放電する場合には、充電あるいは放電する単電池数に比例した台数の充放電装置が必要になるが、充放電装置の一部装置を共通化して部品点数を減らすことが提案されている。（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−２１１５６０号公報

セルが多数集積された大型の電池ユニットの性能検査（容量測定やインピーダンス測定等）は、二次電池セルに対する検査と同様に、電池ユニットを大型の検査用充放電装置と接続して性能に関するデータの取得を行う。
または電池ユニットを構成する複数のモジュール等に測定対象を分割し、モジュールの性能データを取得することで大型の電池ユニットの特性データの一部に置き換えることもある。

しかしながら、一旦現地に据付を行った大型の電池ユニットに対して一定期間が経過した場合に実施する性能検査や電池性能に不具合が見られる場合に実施する性能検査は大型の検査用充放電装置を持ち込んで行おうとすると、設置スペースの確保、設備の運搬、搬入搬出、取り付けなどの工事が大掛かりとなってしまうため、一度電池ユニットの全部もしくは一部を工場へ持ち帰り、大型の検査用充放電装置がある場所での性能検査を行わざるを得ない。
本発明は、電池ユニットを現地に据付けたまま性能検査を行うことができるコントローラを提供することを目的とする。

上記目的のため、複数の二次電池と充放電装置とを複数台接続して構成された電池サイトのコントローラであって、前記二次電池の電池評価に関する指示を出力する電池評価指令と、前記電池評価指令が出力する信号に従って、前記二次電池の電圧もしくは前記二次電池の充放電電流等からエネルギー状態を監視しつつ前記二次電池の充放電動作を制御し、前記電池評価指令が指示する性能検査対象の前記二次電池が充電もしくは放電するのに必要なエネルギーを、性能検査対象でない他の前記二次電池に移動するコントローラを提供する。

電池サイトは放電回路を備えて、電池評価指令が指示する性能検査対象の二次電池が放電するのに必要なエネルギーを放電回路で消費して他に二次電池にエネルギーを移動してよい。

図１は、第１の実施の形態を示す回路図。図２は、第１の実施の形態において他の充放電装置の例を示す図。図３は、第１の実施の形態における電池評価指令のフローチャート。図４は、第１の実施の形態における容量検査を実施する場合のフローチャート。図５は、第１の実施の形態におけるインピーダンス検査を実施する場合のフローチャート。図６は、第２の実施の形態を示す回路図。

図１に本発明の実施形態を示す。図１において、１は二次電池、２は充放電装置、３は母線、４はリアクトル、５はＰ側半導体素子、６はＮ側半導体素子、７はコンデンサ、８は充放電評価指令、９は充放電を制御するコントローラである。また１０は電池が性能検査対象のエネルギー蓄積システム、１１は電池が性能検査対象でないエネルギー蓄積システムである。

二次電池１はリチウムイオン二次電池やニッケル水素電池など電気を充電もしくは放電できる電池であり、充放電装置の充放電動作でエネルギーを充放電する。二次電池１は大容量化に対応させるため、容量が限られる二次電池の単位セルを複数個直列または並列に接続して構成することが多い。

充放電装置２は二次電池１と母線３との間に接続して、二次電池にエネルギーを蓄え、また放出する装置である。ここでは最も代表的な充放電装置２としてＤＣ／ＤＣコンバータを示す。このＤＣ／ＤＣコンバータタイプの充放電装置２は母線電圧を跨ぐ形で二次電池電圧をコントロールすることができず、ここでの回路方式は電池電圧≦母線電圧が動作条件となる。
ＤＣ／ＤＣコンバータタイプの充放電装置２は、リアクトル４とＰ側半導体素子５とＮ側半導体素子６とコンデンサ７からなり、Ｐ側半導体素子５がオン・オフすることで二次電池１を充電し、Ｎ側半導体素子６がオン・オフすることで二次電池１を放電することができる。

具体的には、二次電池１を充電する場合、Ｐ側半導体素子５をオンすると母線３からＰ側半導体素子５とリアクトル４を介して二次電池１に充電電流が流れる。Ｐ側半導体素子５がオフするとリアクトル４を流れていた電流は二次電池１とＮ側半導体素子６の逆導通ダイオードを介して流れ続ける。
二次電池１を放電する場合、Ｎ側半導体素子６をオンすると二次電池１からリアクトル４とＮ側半導体素子６を介して電流が流れる。次にＮ側半導体素子６をオフするとリアクトル４を流れていた電流はＰ側半導体素子５の逆導通ダイオードを介して二次電池１から母線３へと流れ続ける。このようにＰ側半導体素子５を交互にオン・オフすることで二次電池１を充電し、Ｎ側半導体素子６を交互にオン・オフすることで二次電池１から放電することができる。

充電または放電のためＰ側半導体素子５およびＮ側半導体素子６を高速にスイッチングすればリアクトル４の小型化を図ることができるが、Ｐ側半導体素子５およびＮ側半導体素子６のスイッチング損失が増大するため数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度でＰ側半導体素子５およびＮ側半導体素子６をオン・オフさせることが多い。

充放電装置２には、ＤＣ／ＤＣコンバータタイプの充放電装置以外にもリアクトル結合方式の充放電装置等が適用されることもある。

図２にリアクトル結合方式の充放電装置を示す。
図２において、１２はリアクトル、１３は放電用半導体素子、１４は充電用半導体素子、１５と１６は平滑用コンデンサである。
充電用半導体素子１４をオンすると、充電用半導体素子１４とリアクトル１２で短絡回路が構成され、リアクトル１２に母線３からエネルギーが流れ込み電流によるエネルギーが蓄積される。
充電用半導体素子１４がオフすると、放電用半導体素子１３の逆導通ダイオードを介してリアクトル１２の電流は二次電池１へと流れ込み、二次電池１を充電することができる。
放電用半導体素子１３をオンすると、二次電池１と放電用半導体素子１３とリアクトル１２で短絡回路が構成され、リアクトル１２に二次電池１からエネルギーが流れ込み、リアクトル電流としてエネルギーが蓄積される。
放電用半導体素子１３がオフすると、充電用半導体素子１４の逆導通ダイオードを介してリアクトル１２の電流は母線１へと流れ込み、二次電池１のエネルギーを母線３へと放電することができる。

図３に電池評価指令８のフローチャートを示す。
電池評価指令８は、入力に対して電池の容量検査やインピーダンス検査といった電池の性能を評価するための電池評価指令を決定し、コントローラへと出力する。
電池評価指令８への入力が容量検査であれば、容量検査指令をコントローラへ出力する。
電池評価指令８への入力が容量検査でなく、インピーダンス検査であれば、インピーダンス検査指令をコントローラへ出力する。
電池評価指令８への入力が容量検査でなく、インピーダンス検査でもなければ、何もしない。

図４はコントローラが容量検査を実施する場合のフローチャートである。
電池評価指令８からの容量検査指令に従いコントローラは本フローチャートを実行する。
容量検査はまず性能検査対象となる二次電池のエネルギー残量を二次電池の電圧や二次電池の充放電電流を積算した積算値から算出する。
次に性能検査対象で無い二次電池のエネルギー残量を性能検査対象となる二次電池のエネルギー残量と同じく二次電池の電圧や二次電池の充放電電流を積算した積算値から算出する。

続いて性能検査対象の二次電池を満充電するのに必要なエネルギー量を性能検査対象で無い二次電池から供給できるかを計算する。
もし供給できないようであれば母線３から電池サイト内の性能検査対象である二次電池もしくは性能検査対象でない二次電池を充電する。

また性能検査対象の二次電池を完全放電するのに必要なエネルギー量を性能検査対象で無い二次電池へ放電できるかを計算する。
もし放電できないようであれば電池サイト内の性能検査対象である二次電池もしくは性能検査対象でない二次電池から母線３へエネルギーを放電する。
これで性能検査対象の二次電池に対して性能検査対象で無い二次電池から充電することで性能検査対象の二次電池を満充電にし、性能検査対象で無い二次電池へ放電することで性能検査対象の二次電池を完全放電にすることができる。

図５はコントローラがインピーダンス検査を実施する場合のフローチャートである。
電池評価指令８からのインピーダンス検査指令に従いコントローラは本フローチャートを実行する。
インピーダンス検査はまず性能検査対象となる二次電池のエネルギー残量を二次電池の電圧や二次電池の充放電電流を積算した積算値から算出する。
次に性能検査対象で無い二次電池のエネルギー残量を性能検査対象となる二次電池のエネルギー残量と同じく二次電池の電圧や二次電池の充放電電流を積算した積算値から算出する。

続いて性能検査対象の二次電池に対してインピーダンス検査を行う所定エネルギー状態(たとえばSOC_50%)まで性能検査対象でない二次電池から充電または放電できるかを算出する。
もし性能検査対象の二次電池を所定エネルギー状態にできないのであれば母線からエネルギーを充電または放電して性能検査対象となる二次電池のエネルギー残量を所定のエネルギー状態に調整する。

また性能検査対象の二次電池に対してインピーダンス検査に必要なエネルギーを充放電するエネルギーが性能検査対象でない二次電池から充電もしくは放電できるかを算出し、もし性能検査対象でない二次電池から充放電できないようであれば、母線からエネルギーを充放電する。
これで性能検査対象の二次電池を所定のエネルギー状態にして、性能検査対象でない二次電池から性能検査対象の二次電池を充放電してインピーダンス検査を行うことができる。
これにより、性能検査が必要になった二次電池を性能検査用充放電装置がある場所まで移動させることなく、二次電池を現地に据付けたまま性能検査を行うことが可能になる。

図６に第２の実施形態を示す。
図６において、１７は半導体素子、１８は抵抗素子、１９はコンデンサである。他の記号は図１と同一なのでここでの説明は省略する。
半導体素子１７と抵抗素子１８は直列に接続されて電池サイト内の母線と接続される。半導体素子１７をオンすると抵抗素子１８でエネルギーが消費される。また半導体素子１７のオン・オフを高速に行うことで抵抗素子１８にて消費する電力を調整することができるが、母線から見た電力消費を平滑化するためにコンデンサ１９を半導体素子１７および抵抗素子１８と並列に接続する。

これにより、性能検査を実施するため二次電池の持つエネルギーを外部に放電したい場合で、かつ逆潮流が禁止されていて電池サイトから母線を経て商用電源にエネルギーを放出できない場合、電池サイト内の抵抗素子で二次電池が持つエネルギーを強制的に放電することで二次電池を現地に据付けたまま性能検査を行うことが可能になる。

第３の実施形態は、性能検査対象の二次電池が持つ電池容量よりも性能検査対象で無い二次電池が持つ電池容量が大きいものを選択することで、性能検査対象の二次電池の満充電状態から完全放電状態までに充放電するエネルギーを性能検査対象で無い二次電池から充放電するものである。
これにより、性能検査対象の二次電池の性能検査に必要なエネルギーを他の電池間でのエネルギー移動のみでまかなうことができ、性能検査のために商用電源等の外部電源からエネルギーを充放電する必要がなくなり、無駄にエネルギーを充放電することなく送電ロス等を発生させずにすむ。

以上説明したように、大型の電池ユニットが複数設置される大型電池サイトでは、個々の電池ユニット毎に充放電装置を備えるケースも少なくない。これら複数の大型電池ユニットと充放電装置とを協調させ、特性データの取得が必要な電池ユニットに対して検査対象でない電池ユニットから充放電して性能検査を実施すれば、電池ユニットを現地に据付まま性能検査を行うことが可能になる。

本実施形態は、発明の要旨を変更しない範囲で種々変更が加えられることを排除しない。

１…二次電池、２…充放電装置、３…母線、４…リアクトル、
５…Ｐ側半導体素子、６…Ｎ側半導体素子、７…コンデンサ、
８…充放電評価指令、９…コントローラ、
１０…性能検査対象のエネルギー蓄積システム
１１…性能検査対象でないエネルギー蓄積システム
１２…リアクトル、１３…放電用半導体素子、１４…充電用半導体素子、
１５…平滑用コンデンサ、１６…平滑用コンデンサ、
１７…半導体素子、１８…抵抗素子、１９…コンデンサ

Claims

二次電池と充放電装置とを複数台接続して構成された電池サイトのコントローラであって、
前記二次電池の電池評価に関する指示を出力する電池評価指令と、前記電池評価指令が出力する信号に従って、前記二次電池の電圧もしくは前記二次電池の充放電電流等からエネルギー状態を監視しつつ前記二次電池の充放電動作を制御し、
前記電池評価指令が指示する性能検査対象の前記二次電池が充電もしくは放電するのに必要なエネルギーを、性能検査対象でない他の前記二次電池に移動すること
を特徴とするコントローラ。
電池サイトは放電回路を備えて、電池評価指令が指示する性能検査対象の二次電池が放電するのに必要なエネルギーを放電回路で消費して他に二次電池にエネルギーを移動すること
を特徴とする請求項１記載のコントローラ。
性能検査対象の二次電池が持つ電池容量より性能検査対象でない他の二次電池の電池容量の方が大きいこと
を特徴とする請求項１または２に記載のコントローラ。