JP2013038884A - Charge/discharge controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、並列接続された複数の蓄電素子を含む蓄電装置の充放電を制御する充放電制御装置に関するものである。 The present invention relates to a charge / discharge control device that controls charge / discharge of a power storage device including a plurality of power storage elements connected in parallel.
ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池は、放電状態の電池を充電することにより繰り返し使用のできる電池であり、ノート型パソコンをはじめとするモバイル機器、ビデオカメラ等の電源として広く用いられている。 Secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries can be used repeatedly by charging discharged batteries, and are widely used as power sources for mobile devices such as notebook computers and video cameras. ing.
このような二次電池は、機器に必要な電圧、パワーを取り出すために、複数個が直列または並列に組み合わせて組電池として使用される場合が多い。以下、本明細書においては、二次電池1個のみかなる構成を、組電池に対して単電池と称する。 In order to take out the voltage and power required for the device, a plurality of such secondary batteries are often used in combination as a combined battery in series or in parallel. Hereinafter, in this specification, a configuration including only one secondary battery is referred to as a single battery with respect to the assembled battery.
例えば、特許文献1には、並列に接続された複数の単電池に、並列接続から切り離したり並列に接続したりするスイッチ手段を設けておき、各単電池の電流値および電圧値を検出することで各単電池の状態を検知して、単電池の劣化状態に基づいて上記スイッチ手段を切り替え制御しながら充放電を行う電源制御装置が記載されている。
For example, in
また、特許文献2には、並列接続された複数の単電池を含む蓄電装置に流れる電流値を検出するための第1のセンサと、並列接続された複数の蓄電素子に流れる電流値の差分に関する情報を取得するための第2のセンサと、蓄電装置の充放電を制御するコントローラとを有し、コントローラが、第1および第2のセンサの出力に基づいて、並列接続された複数の蓄電素子に流れる電流値のうち最も高い電流値を算出し、算出された電流値に基づいて蓄電装置の充放電を制御する充放電制御装置が記載されている。
上記特許文献1,2に記載された技術を用いることで、並列接続された各単電池の劣化を均等化し、抑制し、蓄電装置の長寿命化を図ることはできる。
By using the techniques described in
しかしながら、上記特許文献1,2に記載された技術を用いても、蓄電装置より供給できるエネルギー量(電力容量)が徐々に減少していくことは避けられない。これは、劣化した単電池が担うエネルギー供給を、自身もエネルギー供給を行う他の単電池で補うためである。供給できるエネルギー量が減少すると、初期では動作させることができた負荷を、動作させることができなくなるといった問題が発生する。そのため、従来、負荷を動作できないような状態となる前に、蓄電装置の寿命到達と判断し、蓄電装置に含まれる全ての単電池を新しいものに交換するなどの対応が取られている。
However, even if the techniques described in
本発明は、メンテナンスを行うことで、蓄電装置から初期と同等のエネルギー量を供給し続けることを可能にする充放電制御装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a charge / discharge control device that makes it possible to continue supplying an energy amount equivalent to the initial amount from a power storage device by performing maintenance.
本発明の充放電制御装置は、上記課題を解決するために、並列接続されたN(Nは2以上の整数)個の蓄電素子を含む蓄電装置の充放電を制御する充放電制御装置であって、前記蓄電装置は、定格容量よりも少ない量にて充電されている予備の蓄電素子を少なくとも1つ含み、前記N個の蓄電素子および予備の蓄電素子を含む複数の蓄電素子を、並列接続したり並列接続から切り離したりする複数のスイッチング素子と、前記N個の蓄電素子および予備の蓄電素子を含む複数の蓄電素子に流れる電流値を計測する複数の電流計測部と、並列接続されたN個の蓄電素子の充放電を制御する充放電制御部とを備え、前記充放電制御部は、充電時、前記電流計測部にて計測された各電流値より、並列接続されたN個の蓄電素子の中に異常な蓄電素子がある場合はこれを検出し、検出した異常な蓄電素子を、前記スイッチング素子を制御して並列接続より切り離す一方、前記予備の蓄電素子を並列接続させ、これ以降は、予備の蓄電素子を含むN個の蓄電素子にて、充放電を行うように蓄電装置の充放電を制御することを特徴としている。 In order to solve the above problems, a charge / discharge control device of the present invention is a charge / discharge control device that controls charge / discharge of a power storage device including N power storage elements connected in parallel (N is an integer of 2 or more). The power storage device includes at least one spare power storage element charged in an amount smaller than a rated capacity, and a plurality of power storage elements including the N power storage elements and the spare power storage elements are connected in parallel. A plurality of switching elements that are connected to or disconnected from the parallel connection, a plurality of current measuring units that measure current values flowing through the plurality of power storage elements including the N power storage elements and the spare power storage elements, and N connected in parallel A charge / discharge control unit for controlling charge / discharge of each of the power storage elements, wherein the charge / discharge control unit is configured to connect N power storage units connected in parallel from each current value measured by the current measurement unit during charging. Abnormal power storage element in the element In some cases, this is detected, and the detected abnormal power storage element is disconnected from the parallel connection by controlling the switching element, while the spare power storage element is connected in parallel. It is characterized in that charging / discharging of the power storage device is controlled so as to perform charging / discharging by individual power storage elements.
これによれば、蓄電装置には予備の蓄電素子が準備されている。充放電制御部は、蓄電装置の充電時に、電流計測部より検出される各蓄電素子の電流値に基づいて、並列接続しているN個の蓄電素子の中に異常な蓄電素子がないかどうかを検出する。充放電制御部は、異常な蓄電素子を検出すると、スイッチング素子を制御して、検出した異常な蓄電素子を、並列接続より切り離す一方、予備の蓄電素子を並列接続させる。そして、これ以降は、予備の蓄電素子を含むN個の蓄電素子にて、充放電を行う。 According to this, a spare power storage element is prepared in the power storage device. The charge / discharge control unit determines whether there is an abnormal power storage element among the N power storage elements connected in parallel based on the current value of each power storage element detected by the current measurement unit when the power storage device is charged. Is detected. When detecting the abnormal power storage element, the charge / discharge control unit controls the switching element to disconnect the detected abnormal power storage element from the parallel connection, while connecting the spare power storage element in parallel. Thereafter, charging and discharging are performed with N power storage elements including spare power storage elements.
これにより、蓄電装置を構成する蓄電素子にたとえ異常が発生し、一時的に蓄電装置より供給できるエネルギー量(電力容量)が減少したとしても、次回の充電時に、異常が発生した蓄電素子が、予備の蓄電素子へと切り替えられるので、蓄電装置より供給できるエネルギー量(電力容量)を、初期と同様に維持し続けることができる。そして、次回のメンテナンス時に、異常が発生した蓄電素子を新しい予備の蓄電素子に交換することにより、メンテナンスさえ定期的に行うことを怠らなければ、蓄電装置から蓄電装置の定格容量を供給し続けることが可能となる。 Thereby, even if an abnormality occurs in the power storage element constituting the power storage device, even if the amount of energy (power capacity) that can be temporarily supplied from the power storage device is reduced, Since it is switched to the spare power storage element, the amount of energy (power capacity) that can be supplied from the power storage device can be maintained as in the initial stage. Then, at the next maintenance, by replacing the storage element in which an abnormality has occurred with a new spare storage element, the rated capacity of the storage apparatus will continue to be supplied from the storage apparatus unless regular maintenance is required. Is possible.
ここで、予備の蓄電素子は、定格容量よりも少ない量にて充電されており、この場合、好ましくは、定格容量の10〜50%の範囲に充電されていることである。 Here, the backup power storage element is charged with an amount smaller than the rated capacity, and in this case, it is preferably charged within a range of 10 to 50% of the rated capacity.
予備の蓄電素子が、定格容量まで充分に充電されていると、それ自身がエネルギーを持っているために自己放電の影響がある。逆に、予備の蓄電素子の充電量が、定格容量よりも余りにも少ない場合は、予備の蓄電素子の充電に時間がかかって充電時間が長くなると共に、過放電を起こす恐れもある。このように、定格容量よりも少ない量にて充電されている構成とすることで、予備の蓄電素子を、蓄電素子の劣化の起こりにくい状態で、かつ、充電時間が長くなることを極力抑えることができる。既存の蓄電素子においては、予備の蓄電素子の充電量を定格容量の10〜50%とすればよい。 If the spare power storage element is sufficiently charged up to the rated capacity, it has the energy itself and thus has the effect of self-discharge. On the other hand, if the amount of charge of the spare power storage element is too small than the rated capacity, it takes time to charge the spare power storage element, the charging time becomes longer, and overdischarge may occur. In this way, by configuring the battery to be charged with an amount smaller than the rated capacity, it is possible to minimize the increase in the charging time of the spare power storage element in a state where the deterioration of the power storage element is unlikely to occur. Can do. In the existing power storage element, the charge amount of the spare power storage element may be 10 to 50% of the rated capacity.
本発明の充放電制御装置は、さらに、前記充放電制御部は、並列接続されたN個の蓄電素子の平均電流値を算出し、各蓄電素子の電流値と前記算出した平均電流値との差の絶対値に基づいて異常な蓄電素子を検出する構成とすることもできる。また、この場合、前記充放電制御部は、平均電流値との差の絶対値が平均電流値の10%以上ある蓄電素子を異常な蓄電素子として検出する構成とすることもできる。 In the charge / discharge control device of the present invention, the charge / discharge control unit further calculates an average current value of N power storage elements connected in parallel, and calculates a current value of each power storage element and the calculated average current value. It can also be set as the structure which detects an abnormal electrical storage element based on the absolute value of a difference. In this case, the charge / discharge control unit may be configured to detect a storage element having an absolute value of a difference of 10% or more of the average current value as an abnormal storage element.
蓄電素子の異常の有無を、並列接続されたN個の蓄電素子の平均電流値を求め、各蓄電素子の電流値と平均電流値との差の絶対値に基づいて判定することで、蓄電装置を構成する各蓄電素子の個体差の容量ばらつきやそれぞれの蓄電素子の履歴(充放電回数など)にかかわらず、異常を判定することができる。具体的には、定格容量の10〜50%とすることである。この範囲とすることで、既存の蓄電素子においては、蓄電素子の劣化の起こりにくい状態で、かつ、充電時間が長くなることを極力抑えることができる。既存の蓄電素子においては、平均電流値との差の絶対値が平均電流値の10%以上ある蓄電素子を異常な蓄電素子として検出すればよい。 Whether or not the storage element is abnormal is determined by obtaining an average current value of N storage elements connected in parallel and determining based on an absolute value of a difference between the current value of each storage element and the average current value. The abnormality can be determined regardless of the capacity variation of the individual differences between the respective power storage elements constituting and the history of the respective power storage elements (number of times of charging / discharging). Specifically, it is 10 to 50% of the rated capacity. By setting it as this range, in the existing electrical storage element, it is difficult to cause deterioration of the electrical storage element, and the charging time can be suppressed as much as possible. In an existing power storage element, a power storage element having an absolute value of a difference from the average current value of 10% or more of the average current value may be detected as an abnormal power storage element.
本発明の充放電制御装置は、さらに、前記充放電制御部は、並列接続されたN個の蓄電素子を、定電流充電、続く定電圧充電の2段階で行い、定電流充電時に、前記電流計測部にて計測された各電流値より異常な蓄電素子の検出を繰り返し行い、異常な蓄電素子を切り離した後、残りの蓄電素子の定電圧充電を継続して行い、当該定電流充電が完了すると、予備の蓄電素子を並列接続させて予備の蓄電素子の定電流充電を行い、その後、異常な蓄電素子を切り離した残りの蓄電素子と一緒に定電圧充電を行う構成とすることもできる。 In the charging / discharging control device of the present invention, the charging / discharging control unit performs N power storage elements connected in parallel in two stages of constant current charging and subsequent constant voltage charging. After repeatedly detecting abnormal power storage elements from each current value measured by the measurement unit, disconnecting the abnormal power storage elements, the constant voltage charging of the remaining power storage elements is continued, and the constant current charging is completed. Then, it is possible to connect the spare power storage elements in parallel to perform constant current charging of the spare power storage elements, and then perform constant voltage charging together with the remaining power storage elements from which the abnormal power storage elements are separated.
これによれば、定電流充電中、各蓄電素子の電流値を常時監視しているので、短絡等の異常を発生した蓄電素子を早期に発見して切り離すことができる。そのため、より安定した充電を実施できる。 According to this, since the current value of each power storage element is constantly monitored during constant current charging, a power storage element in which an abnormality such as a short circuit has occurred can be found and separated early. Therefore, more stable charging can be performed.
本発明の充放電制御装置は、さらに、前記蓄電装置は、並列接続されたN個の蓄電素子とこれに並列接続可能な前記予備の蓄電素子からなる蓄電素子群を複数有しており、前記複数の蓄電素子群が直列接続されている構成とすることが好ましい。 The charge / discharge control apparatus of the present invention further includes a plurality of power storage element groups each including the N power storage elements connected in parallel and the spare power storage elements connectable in parallel to the power storage devices, It is preferable that a plurality of power storage element groups be connected in series.
このような構成とすることで、蓄電装置より供給できるエネルギー量(電力容量)を大きくすることができる。 With such a configuration, the amount of energy (power capacity) that can be supplied from the power storage device can be increased.
本発明の充放電制御装置は、さらに、前記予備の蓄電素子の配置位置が、並列接続されたN個の蓄電素子の中央部分に設定されている構成とすることもできる。 The charge / discharge control apparatus of the present invention may further be configured such that the arrangement position of the spare power storage element is set at a central portion of N power storage elements connected in parallel.
これによれば、予備の蓄電素子にて、他の蓄電素子の温度上昇を抑制することができる。蓄電装置を構成する蓄電素子は、必然的に放電時に温度上昇が起こる。予備の蓄電素子は、それ自体は動作していないので蓄電装置内での熱の集中を低下させる作用を有する。したがって、予備の蓄電素子を、蓄電装置を構成する蓄電素子の並びの中央部分に配置することで、蓄電装置自体の温度上昇を効果的に抑えて、蓄電装置におよぶ熱による影響を抑えることができる。 According to this, it is possible to suppress the temperature increase of other power storage elements with the spare power storage element. The power storage element constituting the power storage device inevitably rises in temperature during discharge. Since the spare power storage element itself is not operating, it has a function of reducing the concentration of heat in the power storage device. Therefore, by arranging the spare power storage element in the central portion of the storage element array that constitutes the power storage device, the temperature rise of the power storage device itself can be effectively suppressed, and the influence of heat on the power storage device can be suppressed. it can.
本発明の充放電制御装置は、さらに、前記蓄電素子が、正極と、負極と、前記正極及び負極間に介在するセパレータとを備え、前記正極及び負極の少なくともいずれか一方が集電体を備え、前記集電体が、両面に導電層を有するフィルム状又は繊維状の樹脂層からなり、前記セパレータが、前記樹脂層より高い熱変形温度を有する非水系二次電池である構成とすることもできる。 In the charge / discharge control device of the present invention, the power storage element further includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode includes a current collector. The current collector is made of a film-like or fibrous resin layer having a conductive layer on both sides, and the separator is a non-aqueous secondary battery having a higher thermal deformation temperature than the resin layer. it can.
短絡等の異常を発生した蓄電素子は、発熱などの発生により、最悪の場合には単電池の熱暴走に至る可能性がある。したがって、短絡等の異常を発生した蓄電素子は、早期に発見して切り離すことが必要であり、そのためには、各蓄電素子の電流値を常時監視することが好ましい。上記構成によれば、短絡すると同時に蓄電素子に電流が流れなくなるので、常時監視せずとも、このような危険を回避することができる。 In the worst case, a storage element that has developed an abnormality such as a short circuit may cause a thermal runaway of the unit cell due to the generation of heat. Therefore, it is necessary to detect and disconnect the storage element that has developed an abnormality such as a short circuit at an early stage. For this purpose, it is preferable to constantly monitor the current value of each storage element. According to the above configuration, since the current does not flow to the electric storage element at the same time as the short circuit, such a danger can be avoided without always monitoring.
本発明の充放電制御装置によれば、メンテナンスさえ定期的に行うことを怠らなければ、蓄電装置から初期と同等のエネルギー量を供給し続けることが可能となる。 According to the charge / discharge control device of the present invention, it is possible to continue to supply the same amount of energy from the power storage device as long as the maintenance is neglected regularly.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の一形態である充放電制御装置1の回路ブロック図である。充放電制御装置1は、並列接続されたN(Nは2以上の整数)個の単電池(蓄電素子)2を含む蓄電装置10の充放電を制御するものである。
FIG. 1 is a circuit block diagram of a charge /
蓄電装置10は、並列接続されたN個の単電池2以外に、少なくとも1つの予備の単電池2を備えている。なお、図1の構成では、Nを4、予備の単電池2の数を1として、合計5個の単電池2が備えられている。予備の単電池2は、単電池2としての規格の容量等は、蓄電装置10を構成する他の単電池2と同じであるが、充電量が、本来の定格容量よりも少ない定格容量の所定の範囲の量に充電されている。本実施の形態では、予備の単電池2は、定格容量の10〜50%で充電されている。
The
予備の単電池2が、定格容量まで充分に充電されていると、それ自身がエネルギーを持っているために自己放電の影響がある。逆に、予備の単電池2の充電量が、定格容量よりも余りにも少ない場合は、予備の単電池2の充電に時間がかかって充電時間が長くなると共に、過放電を起こす恐れもある。このように、予備の単電池2の充電量を、定格容量よりも少ない量とすることで、予備の単電池2を、単電池2の劣化の起こりにくい状態で、かつ、充電時間が長くなることを極力抑えることができる。既存の単電池2においては、予備の単電池2の充電量を定格容量の10〜50%とすればよい。
If the
また、本実施の形態では、蓄電装置10は、並列接続されたN個の単電池2と少なくとも1つの予備の単電池2とからなるブロック(蓄電素子群)が複数、直列接続されている。図1の構成では、蓄電装置10は、予備を1つ含む5つの単電池2からなるブロックを、ブロック11〜ブロック13の3つ有しており、ブロック11〜13が直列接続されている。
In the present embodiment, the
このような蓄電装置10には、充放電経路7のプラス端子7aとマイナス端子7bとを介して、放電時は負荷(図示しない)が接続され、充電時は電源(図示しない)が接続される。
Such a
充放電制御装置1は、コントロールユニット9と、蓄電装置10が有するブロック毎に設けられた電圧計測部8と、各ブロックに含まれる単電池単位に設けられた、スイッチング素子3、スイッチング素子6、一対のスイッチング素子4a・4b、及び電流計測部5とから構成されている。
The charge /
ブロック11に着目して説明すると、ブロック11に含まれる予備を含む5個の単電池2には、これらを並列接続したり並列接続から切り離したりするスイッチング素子3が接続されている。スイッチング素子3は、単電池2それぞれに設けられている。
If it demonstrates paying attention to the
これらスイッチング素子3のベース(ゲート)は、後述するコントロールユニット(充放電制御部)9に独立して接続されている。各スイッチング素子3は、コントロールユニット9にてON/OFFが制御されることで、対応する単電池2を並列接続したり並列接続から切り離したりする。5個ある単電池2のうち、予備を除く4個(N個)の単電池2が、充放電経路7と接続される。
The bases (gates) of the
また、ブロック11に含まれる5個の単電池2には、これらに流れる電流値を計測する電流計測部5が接続されている。電流計測部5は、単電池2それぞれに設けられている。
Moreover, the current measuring
ここで、各電流計測部5は、各単電池2と、スイッチング素子4bと対を成すスイッチング素子4aを介して接続されている。一対のスイッチング素子4a・4bは、ベース(ゲート)に流れる信号の極性が切り換わることで、何れか一方のみがONするものである。つまり、スイッチング素子4aがONするとき、スイッチング素子4bは必ずOFFし、スイッチング素子4aがOFFするとき、スイッチング素子4bは必ずONする。
Here, each
また、これら一対のスイッチング素子4a・4bは、各電流計測部5と各単電池2の間にそれぞれ配されているが、それらのベース(ゲート)は共通にコントロールユニット9に接続されている。したがって、複数ある一対のスイッチング素子4a・4bは、コントロールユニット9からの信号にて、スイッチング素子4aあるいはスイッチング素子4bのうちの何れか一方側が一斉にONすることとなる。
The pair of switching
スイッチング素子4aが一斉にONされることで、5個の単電池2は、電流計測部5を介して充放電経路7と接続される。一方、スイッチング素子4bが一斉にONされることで、5個の単電池2は、電流計測部5を介することなく充放電経路7と接続される。
When the
また、各電流計測部5の計測値(出力値)はそれぞれ、スイッチング素子6を介してコントロールユニット9に入力されるようになっている。スイッチング素子6は、電流計測部5それぞれに設けられており、スイッチング素子6のベース(ゲート)は、コントロールユニット9に独立して接続されている。各スイッチング素子6は、コントロールユニット9にてON/OFFが制御されることで、対応する電流計測部5の計測値をコントロールユニット9へ入力させる。
The measured values (output values) of the
上記スイッチング素子6をはじめ、上記スイッチング素子3、一対のスイッチング素子4a・4bとしては、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等、種々のスイッチング素子を利用できる。
As the
また、ブロック11に含まれる5個の単電池2には、並列接続されて充放電経路7と接続された場合の電圧を計測する電圧計測部8も設けられている。
Further, the five
そして、ブロック11と直列接続されたブロック12およびブロック13にも、ブロック11と同様に、予備を1つ含む5個の単電池2に対応して、スイッチング素子3、一対のスイッチング素子4a・4b、電流計測部5、及びスイッチング素子6が5個ずつ設けられ、電圧計測部8については、ブロック単位に設けられている。
Similarly to the
コントロールユニット9(充放電制御部)は、上記スイッチング素子6、スイッチング素子3、および一対のスイッチング素子4a・4bのON/OFFを制御して、蓄電装置10の充放電を制御するものである。コントロールユニット9は、蓄電装置10に含まれるブロック11〜13において、4個(N個)の単電池2を並列接続させ、その充放電を制御する。
The control unit 9 (charge / discharge control unit) controls ON / OFF of the
コントロールユニット9は、各スイッチング素子3のON/OFFを制御することで、5個の単電池2のうち、並列接続する4個の単電池2を任意に選択することができる。コントロールユニット9は、充放電時、各ブロック11〜13において、5個ある単電池2のうちの予備1個を除く4個を並列接続させ、予備の単電池2については、並列接続から切り離しておく。
The
また、コントロールユニット9は、一対のスイッチング素子4a・4bのベース(ゲート)に供給する信号の極性を切り替えることで、ON/OFFを一斉に切り替えることができる。コントロールユニット9は、充電時は、各ブロック11〜13にそれぞれ含まれる5個の単電池2全てを、電流計測部5を介して充放電経路7と接続させ、放電時は電流計測部5を介することなく充放電経路7と接続させる。
Moreover, the
さらに、コントロールユニット9は、各スイッチング素子6のON/OFFを制御することで、各スイッチング素子6が接続されている電流計測部5が計測値した電流値を任意に取得することができる。コントロールユニット9は、充電時に、各スイッチング素子6が接続されている電流計測部5が計測値した電流値を取得する。電流計測部5は、接続されている単電池2の電流を計測している。
Furthermore, the
そして、コントロールユニット9は、取得した電流値に基づいて、並列接続されている4つの単電池2の中に異常な単電池2がある場合はこれを検出し、異常が検出された単電池2を並列接続から切り離し、同一ブロックに含まれる予備の単電池2を、切り離した単電池2に替えて並列接続させる。このような単電池2の切り離しと接続は、上記したスイッチング素子3のON/OFFを制御することで行う。以降、コントロールユニット9は、予備の単電池2を含む4個の単電池2にて、充放電を行うように蓄電装置10の充放電を制御する。
Based on the acquired current value, the
ところで、コントロールユニット9は、蓄電装置10の充電を、図2に示すように、定電流(CC)を用いた定電流充電と、続く定電圧(CV)を用いた定電圧充電の2段階で行うようになっている。定電流充電(CC充電とも記載)にて、各ブロック11〜13の電圧値が、予め設定されている充電末電圧に到達すると、定電流電圧から定電圧充電へと移行する。各ブロック11〜13の電圧値は、各ブロック11〜13に設けられた電圧計測部8よりコントロールユニット9へと入力され、コントロールユニット9は、充電末電圧への到達を検知することができる。
By the way, as shown in FIG. 2, the
コントロールユニット9は、上記した異常な単電池2の検出を蓄電装置10の充電中に行う。検出タイミングとしては、定電流充電の終了時点で行う場合と、定電流充電中常時行う場合の2つがある。
The
これについて、図3、図6のフローチャートを用いて説明する。図3のフローチャートは、定電流充電の終了時に、異常な単電池2の検出を行う場合の充電手順を示している。
This will be described with reference to the flowcharts of FIGS. The flowchart of FIG. 3 shows a charging procedure in the case of detecting an
蓄電装置10に対し、充放電経路7を介して電源が接続されると、コントロールユニット9は、蓄電装置10の充電を開始する。まず、コントロールユニット9は、定電流を用いた定電流充電(CC充電)を開始する(S1)。開始後、各ブロック11〜13の電圧計測部8からの入力に基づいて、充電末電圧に到達したかどうかを判断し(S2)、充電末電圧に到達するまで、S2を繰り返す。そして、S2にて、到達したと判断すると、各ブロック11〜13毎に、各電流計測部5より、予備の単電池2を除く並列接続されている4つの単電池2の電流値を検出し(S3)、各ブロック11〜13毎に、4つの単電池2の平均電流値を算出する(S4)。
When a power source is connected to the
次に、コントロールユニット9は、並列接続されている単電池2毎に、対応する平均電流値と当該単電池2の検出電流値との差Δを算出し、算出した差Δの絶対値と対応する判定値αとを比較する(S5)。なお、対応する平均電流値とは、当該単電池2が含まれているブロックの平均電流値である。算出した差Δの絶対値が判定値α以下の場合は、当該単電池2は異常なしと判定される。一方、算出した差Δの絶対値が判定値αより大きい場合は、当該単電池2は異常有りと判定される。
Next, for each
例えば、一例として、蓄電装置10が、1ブロックあたり10個の単電池2が並列接続され、これが14ブロック直列接続されている(合計154個の単電池)に対し、1ブロックあたり、30Aの電流を10並列の単電池2に流すように設定した場合、ブロック内の各単電池2の電流値のばらつきは、単電池2が既存の二次電池である場合は、平均の10%以内に抑えることが必須である。そのため、上記判定値αの一例としては、0.3を設定することができる。この電流バラツキは、単電池2の定格容量により電流の定格充電電流も異なる。また各電池の個体間のばらつきも異なる。そのために、単電池2が既存の二次電池である場合、平均の10%以内に抑えることは必須であるものの、好ましくは5%以下に抑えることができることが好ましい。そのためには、初期に単電池のインピーダンスをばらつきの精度を上げて組み合わせる方法などが挙げられる。
For example, as an example, in the
単電池2の異常の有無を、このように、ブロック毎に単電池2の平均電流値を求め、各単電池の電流値を平均電流値と比較してその差Δの大きさを用いて判定することで、蓄電装置10を構成する各単電池2の容量にかかわらず、異常を判定することができる。つまり、単電池2の異常の有無を、例えば、蓄電装置10を構成する各単電池2の定格容量のx%を判定値として判定することもできる。しかしながら、その場合は、蓄電装置10を構成する各単電池2の容量に対応させて判定値を設定し直す必要がある。これに対し、各単電池の電流値と平均電流値との差Δを用いて判定することで、各単電池2の容量に関係なく、一律に良否を判定することができる。
In this way, the presence or absence of abnormality of the
S5で、異常なしと判定した単電池(正常単電池)2については、定電圧充電に備えさせる(S6)。その後、コントロールユニット9は、S7にて、全ブロックに含まれる全単電池2の異常なしを判定するまで、あるいは、S14にて、予備の単電池2が充電末電圧に到達したと判断するまで、定電圧充電を実施することなく待機する。
The unit cell (normal unit cell) 2 determined to have no abnormality in S5 is prepared for constant voltage charging (S6). Thereafter, the
一方、S5で、異常ありと判定した単電池(異常単電池)2については、並列接続より切り離し(S10)、これに替わって予備の単電池2を並列接続させる(S11)。次いで、予備の単電池2の定電流充電を開始し(S13)、切り離した単電池2については、その異常を示すアラームを点灯する(S13)。その後、予備の単電池2が充電末電圧に到達したかどうかを判断し(S14)、充電末電圧に到達するまで、S14を繰り返す。そして、予備の単電池2が充電末電圧に到達したと判断すると、S8に進む。
On the other hand, the unit cell (abnormal unit cell) 2 determined to be abnormal in S5 is disconnected from the parallel connection (S10), and the
S8では、コントロールユニット9は、充電末電圧にまで到達した蓄電装置10に対して、定電圧を用いた定電圧充電(CV充電)を開始する。ここで、S10、S11を経て、異常な単電池2が予備の単電池2に接続替えされている場合は、予備の単電池2も、その他の正常な単電池2と一緒に定電圧充電される。その後、定電圧充電が完了すると(S9)、蓄電装置10の充電を終了する。
In S8, the
以降、コントロールユニット9は、接続が切り替えられた予備の単電池2を含む蓄電装置10の充放電を制御する。また、S10にて、切り離された異常な単電池2は、この電池が異常を生じたことを示すアラームがS13にて点等されることで、次回のメンテナンス時に、容易に視認され、新しい予備の単電池2と交換される。なお、異常な単電池2が取り外されることで、コントロールユニット9は該当位置に配置された単電池2の異常を示すアラームを消灯する。
Thereafter, the
ところで、上記S12における予備の単電池2を定電流充電する工程であるが、正常な単電池2は全て充電末電圧に到達しているため、正常な単電池2と予備の単電池2とを並列接続した状態で当該工程を行ったとしても、正常な単電池2から予備の単電池2へと電流が流れる可能性があり、その場合は並列接続された中で平準化が起こると推測される。
By the way, although it is the process of carrying out constant current charge of the
一方で、より安全性を高めるという観点からは、上記S12の工程を、正常な単電池2との並列接続を切り離した状態で行う構成としてもよい。つまり、図4のフローチャートに示すように、図3のフローチャートにおけるS6に代えてS61を実施し、かつ、S8の前にS62を実施する手順とする。S61では、S5にて異常なしと判定した単電池(正常単電池)2について、それぞれのスイッチング素子3をOFFして充放電経路7より切り離した上で、定電圧充電に備えさせる。S62では、S8の定電圧充電の開始に先駆けて、S61で充放電経路7より切り離した正常な単電池2の各スイッチング素子3をONして充放電経路7と接続する。S8による、切り離した正常な単電池2を充放電経路7と接続する工程は、S14における予備の単電池2の充電末電圧への到達後に実施される。
On the other hand, from the viewpoint of further improving safety, the step S12 may be performed in a state in which the parallel connection with the
或いは、図5の回路ブロック図に示すように、各単電池2に備えられた各電流計測部5の前後に、電流の流れる方向を、充電時の方向であるプラス端子7aからマイナス端子7bへと蓄電装置10を通って流れる方向に規制するダイオード15を追加する構成としてもよい。
Alternatively, as shown in the circuit block diagram of FIG. 5, before and after each
一方、図6のフローチャートは、定電流充電中に常時、異常な単電池2の検出を行う場合の充電手順を示している。図6のフローチャートが図3のフローチャートと異なる点は、S3〜S5を、充電末電圧に到達する前に実施し、S5の後に、充電末電圧に達したかどうかを判断し、充電末電圧に到達していない場合に、S3に戻る点である。また、この場合、異常のない単電池(正常単電池)2の定電流充電が完了するよりも前に、S11にて予備の単電池2を並列接続すると、ブロック内で異常のない単電池2から予備の単電池2へと電流が流れる可能性がある。そのため、S2にて、蓄電装置10におけるS10で切り離された異常のある単電池(異常単電池)2以外の正常な単電池2が充電末電圧に到達したのち、予備の単電池2を並列接続するようになっている。
On the other hand, the flowchart of FIG. 6 shows a charging procedure when an
この場合も、より安全性を高めるという観点からは、図7のフローチャートに示すように、図6のフローチャートにおけるS6に代えてS61を実施し、かつ、S8の前にS62を実施する手順としてもよい。 In this case as well, from the viewpoint of further improving safety, as shown in the flowchart of FIG. 7, S61 may be performed instead of S6 in the flowchart of FIG. 6 and S62 may be performed before S8. Good.
図6、図7のフローチャートの手順では、定電流充電中、各単電池2の電流値を常時監視しているので、短絡等の異常を発生した単電池2を早期に発見して切り離すことができる。そのため、より安定した充電を実施できる。
In the procedure of the flowcharts of FIGS. 6 and 7, since the current value of each
ところで、予備の単電池2の配置位置であるが、これについては、各ブロック11〜13に含まれる単電池2の中央位置に設定されていることが好ましい。これは、予備の単電池2が、ブロック内の単電池2の温度上昇を抑制するためである。ブロック内の単電池2は、必然的に放電時に温度上昇が起こる。予備の単電池2は、それ自体は動作していないので、発熱することはなく、蓄電装置内での熱の集中を低下させる作用を有する。したがって、予備の単電池2を単電池2の並びの中央部分(中央付近)に配置することで、ブロック自体の温度上昇を効果的に抑えて、蓄電装置10におよぶ熱による影響を抑えることができる。
By the way, although it is an arrangement position of the
そこで、本実施の形態では、予備の単電池2のセット位置が、各ブロック11〜13に含まれる単電池2の中央位置に設定されており、メンテナンス時、取り出した異常な単電池2の位置に、使用中の先の予備の単電池2を移動させ、新しい予備の単電池2を、中央の予備の単電池2の位置にセットするようになっている。コントロールユニット9は、メンテナンス時、アラームのリセット操作と共に、予備の単電池2を、中央の所定位置にセットしたことを知らせる操作等が実施されると、中央の所定位置にセットされている単電池2を予備の単電池2として認識する。
Therefore, in the present embodiment, the set position of the
また、図1の回路ブロック図では、ブロック毎に電圧計測部8を設けていたが、図8の回路ブロック図に示すように、ブロック11〜13で1つの電圧計測部8を設ける構成としてもよい。この場合は、充電末電圧が図1の回路ブロック図の構成の3倍の値となる(。さらに、図9の回路ブロック図に示すように、コントロールユニット9に対して、電流計測部5の計測値を選択的に入力させるためのスイッチング素子6を省略してもよい。この場合、電流計測部5が計測した対応する単電池2の電流値は、常時、コントロールユニット9に入力されることとなる。また、電流計測部5を、充電時のみ単電池2と接続させるための一対のスイッチング4a・4bについても省略することができる。
In the circuit block diagram of FIG. 1, the
次に、蓄電装置10を構成する単電池2として、より望ましい構成について説明する。本願出願人は、WO2009/131184A1において、先に短絡異常に強く、低コスト化が可能な非水系二次電池を提案している。この非水系二次電池について簡単に説明する。図10に示すように、非水系二次電池50は、正極51と、負極53と、正極51及び負極53間に介在するセパレータ52とを備えている。正極51及び負極53の少なくともいずれか一方が集電体を備えている。図10の構成では、正極51及び負極53に集電体60・61が形成されている。集電体60は、両面に導電層56・56を有するフィルム状又は繊維状の樹脂層55からなり、集電体61は、両面に導電層58・58を有するフィルム状又は繊維状の樹脂層59からなる。そして、セパレータ52が樹脂層55・59より高い熱変形温度を有する。
Next, a more desirable configuration will be described as the
このような構成とすることで、短絡が起こった際に、まず集電体60・61を構成する樹脂層55・59が溶融することで、正極51と負極53とPの間の電流をシャットダウンする機能を有している。さらに、セパレータ52の収縮による電極端部にて生じる電池の内部短絡を、防止する機能を有している。上記機能を有する電池は、温度上昇時にも高い安全性を有する。さらに、大容量電池は、従来の携帯用の電池にくらべ数倍以上の電流が流れる。単なるスケールアップによって作られた大容量電池でも、上記構成を適用すれば、温度上昇時のセパレータの収縮による電極端部にて生じる内部短絡を防止することが容易となる。また、従来の非水系二次電池に用いられていた金属箔のみからなる集電体と比較すると、金属の使用量を低減できる。その結果、電池の軽量化、金属の使用量低減による低コスト化が可能となる。
With such a configuration, when a short circuit occurs, the resin layers 55 and 59 constituting the
図6、図7のフローチャートに示す充電手順では、定電流充電中、常時、各単電池2の電流値を観察しているので、短絡異常を発生した単電池2については、即時に検知して、S10においてこれを切り離すことが可能である。
In the charging procedure shown in the flowcharts of FIGS. 6 and 7, since the current value of each
しかしながら、図3、図4のフローチャートに示す充電手順では、定電流充電の終了時点で各単電池2の電流値を検出するので、短絡異常を発生した単電池2の異常を検知するのもこのタイミングとなる。そのため、短絡異常を発生した単電池2は、発熱などの発生により、最悪の場合には、単電池の熱暴走に至る可能性がある。蓄電装置10を構成する単電池2を非水系二次電池50とすることで、このような危険を回避することができる。
However, in the charging procedure shown in the flowcharts of FIG. 3 and FIG. 4, the current value of each
ただし、このような単電池2として上記非水系二次電池50を用いた場合、短絡不良が発生すると、電流が全く流れなくなるので、ブロック内の単電池2の平均電流値が低下する。ブロック内の単電池2の平均電流値は、ブロック内で並列接続されるN個の個数が少ない場合、より顕著に低下する。一方、ブロック内の残りの単電池2には、短絡した単電池2の受給分を補うように電流が流れるので、残りの単電池2に電流値は上がる。そのため、正常な単電池2の電流値とブロック内の単電池2の平均電流値との差Δは、正常な単電池2であるにも係わらず大きくなる。そのため、異常な単電池2の検出を、ブロック内の単電池2の平均電流値との差Δを用い行う場合、短絡不良が発生すると、正常な単電池2まで異常と検出される恐れがあり、これを回避するためには、短絡を発生した単電池2の存在を、ブロック内の単電池2の平均電流値を算出するよりも前に検出する必要がある。
However, when the non-aqueous
図11に、単電池2として上記非水系二次電池50を用いた構成に適した充電手順のフローチャートを示す。図11のフローチャートが図3のフローチャートと異なる点は、S1、S2の間に、S21〜S23を実施する点である。S21では、コントロールユニット9が各単電池2の電流値を検出し、S22では、検出した各単電池に電流値より、短絡異常を発生している単電池2の有無を判断する。S22で短絡した単電池2が検出された場合は、S23を経由してからS2に進む。S23では、短絡した単電池2が含まれるブロック内の単電池2の総数をマイナス1する補正を行う。これにより、S4で算出されるブロック内の単電池2の平均電流値が、短絡した単電池2を省いた状態で算出されるので、正確な値を算出することができる。
FIG. 11 shows a flowchart of a charging procedure suitable for a configuration using the non-aqueous
また、この場合も、より安全性を高めるという観点からは、図11のフローチャートにおけるS6に代えてS4のフローチャートのS61を実施し、かつ、S8の前にS62を実施する手順としてもよい。 Also in this case, from the viewpoint of improving safety, it is possible to implement S61 in the flowchart of S4 instead of S6 in the flowchart of FIG. 11 and perform S62 before S8.
また、上記した実施の形態の説明においては、蓄電装置10のブロック毎に予備の単電池2が1つ設けられている構成を示した。しかしながら、ブロック毎に予備の単電池2を設ける必要はなく、図12に示すような構成としてもよい。図12の構成では、蓄電装置10Aには、予備の単電池34が複数のブロック31〜33共通に設けられており、コントロールユニット9Aが、異常な単電池2が検出された場合に、スイッチ部35を制御して、当該ブロック内の残りの単電池2と予備の単電池2Aとを並列接続させる。
In the above description of the embodiment, a configuration in which one
さらに、蓄電装置10を構成する蓄電素子として、1つの二次電池からなる単電池2を例示したが、図13に示すように、複数の単電池2が直列に接続された蓄電素子65を、図1、図5、図8、図9の単電池2に替えて配置する構成としてもよい。
Furthermore, as the power storage element constituting the
以上のように、蓄電装置10には予備の単電池2が準備されており、コントロールユニット9は、蓄電装置10の充電時に、電流計測部5より検出される各単電池2の電流値に基づいて、並列接続している複数の単電池2の中に異常な単電池2がないかどうかを検出する。コントロールユニット9は、異常な単電池2を検出すると、スイッチング素子3を制御して、検出した異常な単電池2を、並列接続より切り離す一方、予備の単電池2を並列接続させる。そして、これ以降は、予備の単電池2を含む複数の単電池2にて、充放電を行う。
As described above, the
これにより、蓄電装置10を構成する単電池2にたとえ異常が発生し、一時的に蓄電装置10より供給できるエネルギー量(電力容量)が減少したとしても、次回の充電時に、異常が発生した単電池2が、予備の単電池2へと切り替えられるので、蓄電装置10より供給できるエネルギー量(電力容量)を、初期と同様に維持し続けることができる。そして、次回のメンテナンス時に、異常が発生した単電池2を新しい予備の単電池2に交換することにより、メンテナンスさえ定期的に行うことを怠らなければ、蓄電装置10から初期と同等のエネルギー量を供給し続けることが可能となる。
As a result, even if an abnormality occurs in the
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
1 充放電制御装置
2,2A 単電池
3 スイッチング素子
4a,4b スイッチング素子
4b スイッチング素子
5 電流計測部
6 スイッチング素子
7 充放電経路
8 電圧計測部
9,9A コントロールユニット
10,10A 蓄電装置
11〜13 ブロック
31〜33 ブロック
34 単電池
35 スイッチ部
50 非水系二次電池
51 正極
52 セパレータ
53 負極
55,59 樹脂層
56・58 導電層
60・61 集電体
65 蓄電素子
α 判定値
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記蓄電装置は、定格容量よりも少ない量にて充電されている予備の蓄電素子を少なくとも1つ含み、
前記N個の蓄電素子および予備の蓄電素子を含む複数の蓄電素子を、並列接続したり並列接続から切り離したりする複数のスイッチング素子と、
前記N個の蓄電素子および予備の蓄電素子を含む複数の蓄電素子に流れる電流値を計測する複数の電流計測部と、
並列接続されたN個の蓄電素子の充放電を制御する充放電制御部とを備え、
前記充放電制御部は、充電時、前記電流計測部にて計測された各電流値より、並列接続されたN個の蓄電素子の中に異常な蓄電素子がある場合はこれを検出し、検出した異常な蓄電素子を、前記スイッチング素子を制御して並列接続より切り離す一方、前記予備の蓄電素子を並列接続させ、これ以降は、予備の蓄電素子を含むN個の蓄電素子にて、充放電を行うように蓄電装置の充放電を制御することを特徴とする充放電制御装置。 A charge / discharge control device for controlling charge / discharge of a power storage device including N (N is an integer of 2 or more) power storage elements connected in parallel,
The power storage device includes at least one spare power storage element that is charged with an amount smaller than a rated capacity,
A plurality of switching elements for connecting or disconnecting the plurality of power storage elements including the N power storage elements and the spare power storage elements in parallel or disconnected from each other;
A plurality of current measuring units that measure current values flowing through a plurality of power storage elements including the N power storage elements and the spare power storage elements;
A charge / discharge control unit for controlling charge / discharge of N power storage elements connected in parallel;
The charging / discharging control unit detects, when there is an abnormal power storage element among N power storage elements connected in parallel, from each current value measured by the current measurement unit during charging. The abnormal storage element is disconnected from the parallel connection by controlling the switching element, and the spare storage element is connected in parallel, and thereafter, the N storage elements including the backup storage element are charged and discharged. A charge / discharge control device that controls charge / discharge of the power storage device so as to perform the above.
並列接続されたN個の蓄電素子を、定電流充電、続く定電圧充電の2段階で行い、
定電流充電時に、前記電流計測部にて計測された各電流値より異常な蓄電素子の検出を繰り返し行い、異常な蓄電素子を切り離した後、残りの蓄電素子の定電圧充電を継続して行い、当該定電流充電が完了すると、予備の蓄電素子を並列接続させて予備の蓄電素子の定電流充電を行い、その後、異常な蓄電素子を切り離した残りの蓄電素子と一緒に定電圧充電を行うことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の充放電制御装置。 The charge / discharge control unit
N storage elements connected in parallel are performed in two stages of constant current charging and subsequent constant voltage charging.
During constant current charging, detection of abnormal storage elements from each current value measured by the current measuring unit is repeated, and after disconnecting abnormal storage elements, constant voltage charging of the remaining storage elements is continued. When the constant current charging is completed, the spare power storage elements are connected in parallel to perform constant current charging of the spare power storage elements, and then constant voltage charging is performed together with the remaining power storage elements from which the abnormal power storage elements are separated. The charge / discharge control apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein
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