JP2013031317A - 蓄電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の長寿命化を図ることができる蓄電池の充電装置を提供する。
【解決手段】蓄電池の充電装置は、複数の電池単位（例えば電池ブロック７）が直列接続されている蓄電池３と、前記電池単位毎に設置され、前記電池単位をバイパスすることができるバイパス回路（例えばバイパス回路９）と、前記電池単位毎に少なくとも一つ設置され、前記電池単位の温度を検出する温度センサ（例えば温度センサ１０）と、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記電池単位毎に、前記温度センサの出力に基づいて前記バイパス回路をバイパス状態または非バイパス状態にする制御回路とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電池の充電装置に関する。

従来より、種々の充電装置が開発されている。例えば、特許文献１では、充電量のバラツキを推定し、バラツキの推定結果が所定の閾値を超えたらバイパス回路を動作させ、充電量を調整することで、各電池セルの充電量（ＳＯＣ）のバランスを取りながら充電を行う組電池の充電量調整装置が提案されている。

特開２００４−１３５４２４号公報

特許文献１で提案されている組電池の充電量調整装置では、各電池セルの充電量のバランスを考慮することで電池セルの充電効率を高めていた。しかしながら、電池セルの高温化による劣化は考慮されていなかった。

各電池セルは、それぞれ内部抵抗値およびキャパシタンスを持っており、これらのパラメータは電池セルの温度によって変化する。すなわち、電池セルの充放電特性やサイクル特性は電池セルの温度に依存することになる。ここで、電池パック内部の温度は均一ではないため、各電池セルの温度はばらつくことになる。特に、温度の高い電池セルでは内部抵抗が低下し、電流が流れやすくなる。この状態で充放電を繰り返すと、電池セルの寿命は短くなってしまう。

本発明は、上記の状況に鑑み、蓄電池の長寿命化を図ることができる蓄電池の充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る蓄電池の充電装置は、複数の電池単位が直列接続されている蓄電池と、前記電池単位毎に設置され、前記電池単位をバイパスすることができるバイパス回路と、前記電池単位毎に少なくとも一つ設置され、前記電池単位の温度を検出する温度センサと、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記電池単位毎に、前記温度センサの出力に基づいて前記バイパス回路をバイパス状態または非バイパス状態にする制御回路とを備える構成（第１の構成）とする。

上記第１の構成の蓄電池の充電装置において、前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記制御回路は、温度が第１の設定温度以上である前記電池単位に対応する前記バイパス回路をバイパス状態にし、温度が第１の設定温度以上であった前記電池単位の温度が前記第１の設定温度より低い第２の設定温度以下に下がると、前記第２の設定温度以下に温度が下がった前記電池単位に対応する前記バイパス回路を非バイパス状態に戻す構成（第２の構成）であることが望ましい。

上記第１又は第２の構成の蓄電池の充電装置において、前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記制御回路は、前記電池単位の温度にかかわらず、満充電になった前記電池単位に対応する前記バイパス回路をバイパス状態にする構成（第３の構成）であることが望ましい。

上記第１〜３のいずれかの構成の蓄電池の充電装置において、前記充電回路は、前記蓄電池に供給する電圧を、バイパス状態である前記バイパス回路の個数分だけ降下させる構成（第４の構成）であることが望ましい。

上記第４の構成の蓄電池の充電装置において、前記制御回路がバイパス状態である前記バイパス回路の個数を増加させる場合、前記充電回路は、前記制御回路がバイパス状態である前記バイパス回路の個数を増加させる前に、前記蓄電池に供給する電圧を降下させる構成であることが望ましい。

本発明に係る蓄電池の充電装置は、複数の電池単位が直列接続されている蓄電池と、前記電池単位毎に設置され、前記電池単位をバイパスすることができるバイパス回路と、前記電池単位毎に設置され、前記電池単位の温度を検出する温度センサと、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記電池単位毎に、前記温度センサの出力に基づいて前記バイパス回路をバイパス状態または非バイパス状態にする制御回路とを備える構成である。このような構成によると、温度が高い電池単位に対応するバイパス回路をバイパス状態にすることによって、温度が高い状態で充電されることを防止することができるので、各電池単位ひいては蓄電池の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る蓄電池の充電装置を備える電力供給システムの概略構成を示す図である。 蓄電池の一構成例を示す図である。 蓄電池の他の構成例を示す図である。 ＰＣＳが蓄電池を充電している期間における図１に示す電力供給システムの概略動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。以下の説明では、本発明に係る蓄電池の充電装置を電力供給システムに設けているが、本発明はこれに限定されることはない。本発明に係る蓄電池の充電装置は、例えば、いわゆる充電器として単独で用いられてもよく、また、蓄電池を動力源として利用する電気自動車等の移動体に設けられてもよい。

ここで、電力供給システムについて説明する。電力供給システムは、事前に蓄電池を充電する（電力を消費する）ことで、任意のタイミングで蓄電池を放電する（電力を供給する）ことができるシステムであって、蓄電池の充電及び放電のタイミングを制御することで、系統電力（電力会社から供給される電力）を消費するタイミングを制御することを可能にしている。

一般的に、系統電力の電力料金には、固定制の基本料金と、従量制の使用料金とが含まれる。そして、電力会社は、単位時間に消費する系統電力の電力量の最大値が小さくなるほど、基本料金が安くなるように基本料金を設定している。また、電力消費が大きい日中よりも電力消費が小さい夜間の方が、使用料金の単位電力当りの価格が安くなるように使用料金を設定している。そのため、系統電力を利用する利用者は、系統電力の消費を平準化するほど、系統電力の電力料金を安くすることができる。

したがって、電力供給システムにおいて、系統電力を利用する利用者の電力需要が小さい時間帯や夜間電気料金が適用される時間帯に系統電力を利用して蓄電池を充電し、系統電力を利用する利用者の電力需要が所定の閾値を越えているときに所定の閾値を越えている分の電力を蓄電池の放電で補うことによって、系統電力の電力料金を抑制することができる。

図１は、本発明に係る蓄電池の充電装置を備える電力供給システムの概略構成を示すブロック図である。尚、図１において、各ブロック間をつなぐ太線は電力線を示しており、各ブロック間をつなぐ細線は通信線を示している。尚、本実施形態では、各通信線は信頼性を重視する観点から有線通信で実現しているが、無線通信で実現することも可能である。また、通信は例えばＴＣＰ（Transmission Control Protocol）によって行うとよい。

図１に示す電力供給システムは、ＰＣＳ（Power Conditioning System）管理制御部１と、ＰＣＳ２と、蓄電池３と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）４と、マスタＢＭＵ５とを備えている。図１に示す電力供給システムでは、複数の蓄電池３が並列に接続されるように各蓄電池３の充放電を行う各ＰＣＳ２同士がＰＣＳ管理制御部１を介して接続されている。尚、本実施形態では、ＰＣＳ２が請求項に記載されている「充電回路」として機能し、ＰＣＳ管理制御部１と、ＢＭＵ４と、マスタＢＭＵ５とが請求項に記載されている「制御回路」として機能し、請求項に記載されている「バイパス回路」及び「温度センサ」が蓄電池３に内蔵されている。

ＰＣＳ管理制御部１は、外部の負荷１００及び電力系統２００に接続されている。負荷１００はＡＣ電源入力端子を有する負荷であり、電力系統２００はＡＣ電力を供給する電力系統である。ＰＣＳ管理制御部１は、マスタＢＭＵ５からの充放電指令に基づいて各ＰＣＳ２の動作を制御するとともに、各ＰＣＳ２の状態を監視している。

各ＰＣＳ２は、双方向ＡＣ／ＤＣ電力変換器であり、充電時に電力系統２００からＰＣＳ管理制御部１を経由して供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、放電時に直列に接続されている蓄電池３から供給されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。尚、本実施形態とは異なり、ＰＣＳ管理制御部１が外部のＤＣ負荷（ＤＣ電源入力端子を有する負荷）及びＤＣ電源（例えば太陽電池）に接続される場合には、各ＰＣＳ２を双方向ＤＣ／ＤＣ電力変換器に変更すればよい。

各ＢＭＵ４は、対応する蓄電池３の状態を監視するとともに、対応する蓄電池３の状態、自己（ＢＭＵ４）の状態などに関するログ情報をマスタＢＭＵ５に送信する。

マスタＢＭＵ５は、各蓄電池３および各ＢＭＵ４を統合的に監視・制御する。また、マスタＢＭＵ５は、外部から送られてくる充放電要求に基づいて、充放電指令をＰＣＳ管理制御部１に送信する。尚、本実施形態では、マスタＢＭＵ５が外部から送られてくる充放電要求を受け取る構成であるが、例えば、ＰＣＳ管理制御部１が外部から送られてくる充放電要求を受け取るようにし、マスタＢＭＵ５が各蓄電池３の状態に関する情報をＰＣＳ管理制御部１に送るようにしても構わない。

蓄電池３の一構成例を図２に示す。図２に示す構成例では、蓄電池３は、複数の電池パック６が直列接続されている構成であり、後述する電池ブロック７が請求項に記載されている「電池単位」に相当する。なお、蓄電池３は、図２に示す構成例に限定されず、単一の電池パック６であってもよい。

各電池パック６は、複数の電池セルが並列接続された電池ブロック７を複数備えている。なお、電池ブロック７は、図２に示す構成例に限定されず、単一の電池セルであってもよい。複数の電池ブロック７は、後述する各スイッチ８が端子Ｔ１と端子Ｔ２との接続を選択している場合に直列接続される。

各電池ブロック７の正極側にはスイッチ８が設けられている。各スイッチ８は、端子Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を有しており、端子Ｔ１と端子Ｔ２との接続、及び、端子Ｔ１と端子Ｔ３との接続のいずれかを通信部１２からの指示に基づいて選択する。スイッチ８が端子Ｔ１と端子Ｔ２との接続を選択した場合、そのスイッチ８に対応するバイパス回路９が開状態となり、そのスイッチ８に対応するバイパス回路９がそのスイッチ８に対応する電池ブロック７をバイパスしない。一方、スイッチ８が端子Ｔ１と端子Ｔ３との接続を選択した場合、そのスイッチ８に対応するバイパス回路９が閉状態となり、そのスイッチ８に対応するバイパス回路９がそのスイッチ８に対応する電池ブロック７をバイパスする。

また、電池ブロック７の温度を検出する温度センサ１０が電池ブロック７毎に設置されている。各温度センサ１０の検出結果は電池パック制御部１１に出力される。電池パック６は、温度以外の各電池ブロックの状態あるいは電池パックの状態を検出する状態検出部を備えるようにしてもよい。上記状態検出部は、例えば、各電池ブロック７の電圧値を検出すると共に、電池パックの＋−電極間の電流値および電圧値、電池パックの残容量を検出し、それらの検出データを電池パック制御部１１に出力する。電池パックの残容量は、電池パックに流れる充放電電流の積算値から求められる他、予め決定された電池パックの開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）と残容量との関係を示す計算式或いはテーブルを参照することにより求めることができる。電池パック制御部１１は、各温度センサ１０の検出結果や上記状態検出部から取得した検出データを電池データとして通信部１２を介してＢＭＵ４（図１参照）に送信する。

次に、蓄電池３の他の構成例を図３に示す。図３に示す構成例では、蓄電池３は、複数の電池パック１３が直列接続されている構成であり、電池パック１３が請求項に記載されている「電池単位」に相当する。

各電池パック１３は、複数の電池セルが並列接続された電池ブロック１４を複数備えている。なお、電池ブロック１４は、図３に示す構成例に限定されず、単一の電池セルであってもよい。複数の電池ブロック１４は電池パック１３内で直列接続されている。

また、電池ブロック１４の温度を検出する温度センサ１５が電池ブロック１４毎に設置されている。各温度センサ１５の検出結果は電池パック制御部１６に出力される。電池パック１３は、温度以外の各電池ブロックの状態あるいは電池パックの状態を検出する状態検出部を備えるようにしてもよい。上記状態検出部は、例えば、各電池ブロック１４の電圧値を検出すると共に、電池パックの＋−電極間の電流値および電圧値、電池パックの残容量を検出し、それらの検出データを電池パック制御部１６に出力する。電池パック制御部１６は、各温度センサ１５の検出結果や上記状態検出部から取得した検出データを電池データとして通信部１７を介してＢＭＵ４（図１参照）に送信する。ＢＭＵ４は、例えば、一つの電池パック１３に設けられている電池ブロック１４の平均温度を電池パック１３の温度として認識してもよく、一つの電池パック１３に設けられている電池ブロック１４の最高温度を電池パック１３の温度として認識してもよく、一つの電池パック１３に設けられている電池ブロック１４の最低温度を電池パック１３の温度として認識してもよい。

各電池パック１３の正極側にはスイッチ１８が設けられている。各スイッチ１８は、端子Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を有しており、端子Ｔ１と端子Ｔ２との接続、及び、端子Ｔ１と端子Ｔ３との接続のいずれかをスイッチ制御部２０からの指示に基づいて選択する。スイッチ制御部２０は、ＢＭＵ４と通信可能であり、ＢＭＵ４からの指示に基づいて各スイッチ１８を制御する。

スイッチ１８が端子Ｔ１と端子Ｔ２との接続を選択した場合、そのスイッチ１８に対応するバイパス回路１９が開状態となり、そのスイッチ１８に対応するバイパス回路１９がそのスイッチ１８に対応する電池パック１３をバイパスしない。一方、スイッチ１８が端子Ｔ１と端子Ｔ３との接続を選択した場合、そのスイッチ１８に対応するバイパス回路１９が閉状態となり、そのスイッチ１８に対応するバイパス回路１９がそのスイッチ１８に対応する電池パック１３をバイパスする。

次に、ＰＣＳ２が蓄電池３を充電している期間における図１に示す電力供給システムの概略動作について図４に示すフローチャートを参照して説明する。

ＰＣＳ管理制御部１から充電を命じられたＰＣＳ２並びにそのＰＣＳ２に対応する蓄電池３及びＢＭＵ４は、図４に示すフローチャートの動作を開始する。

まず、ステップＳ１０において、ＢＭＵ４の制御により、蓄電池３内の全てのバイパス回路が開状態になる。ステップＳ１０に続くステップＳ２０において、充電の終了条件を満たしているか否かがＰＣＳ管理制御部１によって判定される。

充電の終了条件（例えば、蓄電池３の満充電や外部からの放電指令の発令など）を満たしていれば（ステップＳ２０のＹＥＳ）、ＰＣＳ管理制御部１から充電を命じられていたＰＣＳ２は充電を終了する。

充電の終了条件を満たしていなければ（ステップＳ２０のＮＯ）、ステップＳ３０に移行する。なお、以下に説明するステップＳ３０〜Ｓ１１０の処理は、各電池単位に対する処理であり、電池単位毎に実行される。

ステップＳ３０では、電池単位が満充電になっているか否かがＢＭＵ４によって判定される。

判定対象の電池単位が満充電になれば（ステップＳ３０のＹＥＳ）、それ以降、対応するバイパス回路を閉状態に維持し、ＰＣＳ２が蓄電池３に供給する電圧をその満充電になった電池単位分だけ降下させた状態を維持する満充電処理を行い（ステップＳ４０）、その後ステップＳ２０に戻る。

一方、判定対象の電池単位が満充電でなければ（ステップＳ３０のＮＯ）、温度センサを用いて判定対象の電池単位の温度が検出される（ステップＳ５０）。

ステップＳ５０に続くステップＳ６０では、判定対象の電池単位が、高温電池単位（第１の設定温度以上の温度である電池単位）になっており、且つ、対応しているバイパス回路が開状態であるかを判定する。

判定対象の電池単位が高温電池単位になっており、且つ、対応しているバイパス回路が開状態であれば（ステップＳ６０のＹＥＳ）、まずＰＣＳ２が蓄電池３に供給する電圧を１電池単位分だけ下げ（ステップＳ７０）、その後、対応するバイパス回路を閉状態にして（ステップＳ８０）、ステップＳ２０に戻る。ステップＳ７０の処理を行ってからステップＳ８０の処理を行うことによって、対応しているバイパス回路が開状態である電池単位に過剰な電圧が印加されることを防止することができる。

一方、判定対象の電池単位が高温電池単位になっていない、あるいは、判定対象の電池単位になっていても対応しているバイパス回路が閉状態であれば（ステップＳ６０のＮＯ）、判定対象の電池単位が、低温電池単位（第１の設定温度より低い第２の設定温度以下の温度である電池単位）になっており、且つ、対応しているバイパス回路が閉状態であるかを判定する（ステップＳ９０）。

判定対象の電池単位が低温電池単位になっており、且つ、対応しているバイパス回路が閉状態であれば（ステップＳ９０のＹＥＳ）、まず対応するバイパス回路を開状態にして（ステップＳ１００）、その後、ＰＣＳ２が蓄電池３に供給する電圧を１電池単位分だけ上げて（ステップＳ１１０）、ステップＳ２０に戻る。ステップＳ１００の処理を行ってからステップＳ１１０の処理を行うことによって、対応しているバイパス回路が開状態である電池単位に規定値よりも低い電圧が印加されることを防止することができる。また、判定対象の電池単位が低温電池単位になっていない、あるいは、判定対象の電池単位が低温電池単位になっていても対応しているバイパス回路が開状態であれば（ステップＳ９０のＮＯ）、直ちにステップＳ２０に戻る。

なお、図４に示すフローチャートの動作中の全期間において、全ての電池単位が一度も高温電池単位にならず、全ての電池単位が一斉に満充電になる場合、ＰＣＳ２が蓄電池３に供給する電圧は、図４に示すフローチャートの動作中の全期間において通常の充電時供給電圧となる。なお、例えば、定電圧充電と定電流充電の２種類を組み合わせて蓄電池３の充電が行われる場合、ステップ７０やステップＳ１１０は、定電圧充電が行われる期間のみ実施し、定電流充電が行われる間は実施しないようにするとよい。

図４に示すフローチャートの動作が行われると、高温電池単位に対応するバイパス回路の閉状態にすることによって、温度が高い状態で充電されることを防止することができるので、各電池単位ひいては蓄電池３の長寿命化を図ることができる。

１ ＰＣＳ管理制御部
２ ＰＣＳ
３ 蓄電池
４ ＢＭＵ
５ マスタＢＭＵ
６、１３ 電池パック
７、１４ 電池ブロック
８、１８ スイッチ
９、１９ バイパス回路
１０、１５ 温度センサ
１１、１６ 電池パック制御部
１２、１７ 通信部
２０ スイッチ制御部
１００ 負荷
２００ 電力系統

Claims (5)

1. 複数の電池単位が直列接続されている蓄電池と、
   前記電池単位毎に設置され、前記電池単位をバイパスすることができるバイパス回路と、
   前記電池単位毎に少なくとも一つ設置され、前記電池単位の温度を検出する温度センサと、
   前記蓄電池を充電する充電回路と、
   前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、前記電池単位毎に、前記温度センサの出力に基づいて前記バイパス回路をバイパス状態または非バイパス状態にする制御回路とを備えることを特徴とする蓄電池の充電装置。
2. 前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、
   前記制御回路は、
   温度が第１の設定温度以上である前記電池単位に対応する前記バイパス回路をバイパス状態にし、
   温度が第１の設定温度以上であった前記電池単位の温度が前記第１の設定温度より低い第２の設定温度以下に下がると、前記第２の設定温度以下に温度が下がった前記電池単位に対応する前記バイパス回路を非バイパス状態に戻すことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の充電装置。
3. 前記充電回路が前記蓄電池を充電している期間、
   前記制御回路は、
   前記電池単位の温度にかかわらず、満充電になった前記電池単位に対応する前記バイパス回路をバイパス状態にすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄電池の充電装置。
4. 前記充電回路は、前記蓄電池に供給する電圧を、バイパス状態である前記バイパス回路の個数分だけ降下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電池の充電装置。
5. 前記制御回路がバイパス状態である前記バイパス回路の個数を増加させる場合、
   前記充電回路は、前記制御回路がバイパス状態である前記バイパス回路の個数を増加させる前に、前記蓄電池に供給する電圧を降下させることを特徴とする請求項４に記載の蓄電池の充電装置。

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