JP2013230003A - 電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の電池を含む場合に、これらを容易に放電することを可能とする。
【解決手段】複数の電池１を直列に接続した組電池１０と、各電池１とそれぞれ並列に接続された複数の電流バイパス回路５０とを備え、組電池１０が、複数の電池１を強制放電させる放電回路を接続可能に構成される電源装置１００であって、電流バイパス回路５０は、強制放電する際に、通電が遮断された電池１に関しては電流バイパス回路５０を介して該電池１を迂回し、組電池１０の直列接続を維持するよう構成されており、各電流バイパス回路５０は、並列に接続される電池１が、該電流バイパス回路５０を介して短絡しないように、該電池１によって逆方向に電圧が印加される整流素子を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池を複数接続した電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法に関し、特にハイブリッド車、燃料電池自動車、電気自動車、電動オートバイ等の電動車両に搭載されて車両を走行させるモーターの電源装置、あるいは家庭用、工場用の蓄電用途等に使用される大電流用の電源に電力を供給する電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法に関する。

複数の電池を組み合わせた組電池を備える大規模の電源装置が知られており、車両や蓄電装置等に使用される電源装置として普及している。このような電源装置が、使用寿命を終えて廃棄する際には、電池に電荷が残っていると、意図しない短絡が発生する可能性がある。このため、廃棄する前に組電池の残存電荷を放電させる必要がある。例えば、図１６に示すように、電源装置の出力端子に全セル放電抵抗器１４２を接続して、強制的に放電させる方法がある。この方法は、電源装置の出力端子と接続して電源装置を構成する各電池を放電させることができるので、簡単な構成で効率よく放電できる。

また、各電池の残容量（ＳＯＣ）を均等化する均等化回路を備えた電源装置が知られている。複数の電池で構成される組電池は、電池の自己放電や劣化のばらつき等により、各電池のＳＯＣにばらつきが生じるが、各電池のＳＯＣが均一でない組電池は、利用できる電流容量の範囲が狭くなる。具体的には、充電時はＳＯＣの高い電池が先に満充電に近づくため、過充電されないように全体の充電が制限される。また放電時は、ＳＯＣの低い電池が先に完全放電に近づくため、過放電に至らないように放電が制御される。特に、リチウムイオン電池では、過充電もしくは過放電では極端に寿命が低下するため、ＳＯＣが長期にわたり略均一に維持する必要がある。均等化回路を備えた電源装置は、組電池を構成する各電池のＳＯＣを均等化するため、利用できる電流容量の範囲を広く維持することができる。

一方で、電池内に電流遮断機構（ＣＩＤ）を備えていることがある。例えばＣＩＤは、電池セル内が高圧になると、電気接続を遮断するように構成される。電気接続を遮断するための具体的な構造はさまざまであるが、多くの場合、安全性の確保を目的としているため、電気接続が復帰しないように構成されている。従って、電流遮断機構が作動すると、電池の動作を安全に停止することができるが、この電池が直列接続された組電池としての回路も遮断されてしまい、図１７に示すように外部から放電させることも不可能となる。

特開２００３−７０１７６号公報 特開２０１０−２７２２１８号公報

組電池の出力端子に接続される放電回路（全セル放電抵抗器１４２）を用いて電源装置を放電する場合、組電池を構成する各電池は、均等に放電される。そのため、各電池の残存電荷にばらつきがある状態の電源装置では、残存電荷が少ない電池の電荷が先にゼロとなり、電荷がゼロとなる電池と、電荷が残っている電池とが混在してしまうことになる。先に電荷がゼロとなった電池は、隣接する電荷が残っている電池によって逆充電状態となるため、極性が反転して、放電を継続することができず、結果として残存電荷の残った電池を放電することができなくなる。

また、ＣＩＤを備えた電池で構成される組電池は、上述の通り、ＣＩＤが作動すると、組電池の電流経路が遮断される。そのため、組電池を分解しないかぎり、ＣＩＤが作動していない電池についても、抵抗器等を用いて放電させることができない。さらに、一般に電源装置に含まれる、各電池の電圧等を測定する監視回路は、電池の出力でもって電源を取得していたところ、電流遮断機能が作動すると、電池の出力が遮断されることから、電源装置の動作自体が停止してしまうという問題もあった。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、多数の電池を含む場合に、これらを容易に放電することが可能な電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電源装置によれば、複数の電池を直列に接続した組電池と、各電池とそれぞれ並列に接続された複数の電流バイパス回路とを備え、前記組電池が、前記複数の電池を強制放電させる放電回路を接続可能に構成される電源装置であって、前記電流バイパス回路は、強制放電する際に、通電が遮断された電池に関しては前記電流バイパス回路を介して該電池を迂回し、組電池の直列接続を維持するよう構成されており、各電流バイパス回路は、並列に接続される電池が、該電流バイパス回路を介して短絡しないように、該電池によって逆方向に電圧が印加される整流素子を備えることができる。上記構成により、放電回路で強制放電を行う際に、例えば電荷がゼロとなった電池に対しては、この電池と逆並列に接続された電流バイパス回路を介して迂回するように通電できるので、直列接続された複数の電池の中で通電を妨げる電池が存在しても、充電電流を通電することが可能となり、もって直列接続された電池の放電を可能とすることができる。

また、第２の側面に係る電源装置によれば、前記電池の少なくともいずれかが、該電池の異常を検出すると出力を遮断可能な電流遮断機構を備えることができる。上記構成により、電流遮断機構が働き、直列接続された電池間の接続が部分的に遮断されて、通常であれば放電ができないような場合であっても、電池が直列接続された組電池は電流バイパス回路を介して該電池を迂回して通電できるので、放電が可能となる。

さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、前記整流素子が、前記電池と逆並列に接続されたバイパスダイオードを備えることができる。

さらにまた、第４の側面に係る電源装置によれば、さらに前記組電池の動作を制御する制御手段を備えると共に、前記制御手段が、各電池の電圧を検出する電圧検出回路を有することができる。

さらにまた、第５の側面に係る電源装置によれば、さらに前記複数の電池を強制放電させる放電回路を内蔵することができる。

さらにまた、第６の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、前記組電池の出力と直列に接続された、強制放電用の全セル放電抵抗器を備えることができる。上記構成により、放電回路を別途用意して出力端子と接続する手間を省き、電源装置のみで残容量の放電まで完結できる利点が得られる。

さらにまた、第７の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、放電電流を一定電流とする定電流回路を備えることができる。

さらにまた、第８の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、各電池と並列に、該電池を放電して他の電池の残容量と均等化させるための均等化回路であり、前記放電回路は、各電池と並列に接続された均等化抵抗器と、前記均等化抵抗器と直列に接続された放電スイッチとを備えることができる。

さらにまた、第９の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、前記電池を、他の電池とＳＯＣを一致させるように放電させる均等化放電モードと、残存電荷をゼロに近付けるように放電させる強制放電モードと、に切り替えて動作可能に構成できる。上記構成により、放電スイッチを、均等化放電と強制放電の両方の制御に兼用できる。

さらにまた、第１０の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、トリガー信号で放電動作を継続的にＯＮとする強制放電回路を備えることができる。

さらにまた、第１１の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、サイリスタを含むことができる。

さらにまた、第１２の側面に係る電源装置によれば、前記制御手段が、前記均等化放電モードにおいて、所定時間経過後に放電スイッチをＯＦＦするよう制御し、前記強制放電モードにおいて、前記放電スイッチを継続してＯＮとする連続放電指令を指示することができる。上記構成により、均等化回路を均等化放電モードと強制放電モードとで制御を切り替えることで、均等化放電と強制放電に兼用できる。

さらにまた、第１３の側面に係る電源装置によれば、前記放電スイッチを、トランジスタ又はサイリスタで構成できる。

さらにまた、第１４の側面に係る電源装置によれば、前記放電回路が、さらに、前記電池を、他の電池と残存電荷を一致させるように放電させる残存電荷均等化モードを有しており、前記放電回路が、前記残存電荷均等化放電モードを、前記放電回路によって、強制放電させる組電池前に行うよう制御することができる。

さらにまた、第１５の側面に係る車両によれば、上記の電源装置を備えることができる。

さらにまた、第１６の側面に係る蓄電装置によれば、上記の電源装置を備えることができる。

さらにまた、第１７の側面に係る電源装置の放電方法によれば、複数の電池を直列に接続した組電池と、各電池とそれぞれ並列に接続された複数の電流バイパス回路とを備える電源装置に含まれる組電池の放電方法であって、前記組電池に、前記複数の電池を強制放電させる放電回路と接続する工程と、前記放電回路を接続して組電池を強制放電する際に、通電が遮断された電池が存在していても、前記電流バイパス回路を介して該電池を迂回し、組電池の直列接続を維持させる工程と、を含んでおり、各電流バイパス回路は、並列に接続される電池が、該電流バイパス回路を介して短絡しないように、該電池によって逆方向に電圧が印加される整流素子を備えることができる。これにより、外部の放電回路を用いて大電流にて一気に放電することができ、短時間で残容量を無くすことが可能となる。特に、予め電池の残容量を均等にしておくことで、残容量が不均一な電池か完全に放電できなくなる事態を回避できる。

本発明の実施例１に係る電源装置を車両に接続した状態を示すブロック図である。 電流遮断機構の一例を示す概略断面図である。 図２に示す電流遮断機構が電流を遮断する状態を示す断面図である。 図１の組電池を強制放電させる状態を示す回路図である。 図４の組電池に電流遮断機構が作動した電池が含まれている場合を示す回路図である。 外部放電回路として定電流回路を接続した状態を示す回路図である。 変形例に係る放電回路を内蔵した電源装置を示すブロック図である。 実施例２に係る電源装置を示す回路図である。 図８の組電池に電流遮断機構が作動した電池が含まれている場合に、強制放電を行う様子を示す回路図である。 実施例３に係る電装置を示す回路図である。 放電スイッチの一例を示す回路図である。 残存電荷にばらつきのある電池を放電する様子を示す概念図である。 エンジンとモーターで走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モーターのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 蓄電用の電源装置に適用する例を示すブロック図である。 従来の電源装置において強制放電を行わせる様子を示す回路図である。 従来の電源装置において電流遮断機構が作動して強制放電ができなくなった状態を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法を例示するものであって、本発明は電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法を以下のものに特定しない。また実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

以下、本発明に係る電源装置を用いた例として、車両用電源装置に適用した例を、図１〜図５に基づいて説明する。これらの図において、図１は本発明の実施例１に係る電源装置１００を車両に接続した状態を示すブロック図、図２は電流遮断機構３０の一例を示す概略断面図、図３は図２に示す電流遮断機構３０が電流を遮断する状態を示す断面図、図４は図１の組電池１０を強制放電させる状態を示す回路図、図５は図４の組電池１０に電流遮断機構３０が作動した電池が含まれている場合を示す回路図を、それぞれ示している。

車両用の電源装置１００は、図１のブロック図に示すように、車両を走行させるモーター９３に電力を供給する充電可能な複数の電池１を直列に接続してなる組電池１０と、組電池１０の動作を制御する制御手段２０と、整流素子を有する電流バイパス回路５０とを備えている。この組電池１０は、車両を走行させるモーター９３を駆動するための走行用バッテリーとして機能する。なお、図示しないが、組電池を構成する電池は、並列に接続したものを含む構成であってもよい。このように構成した場合は、複数の電池を並列に接続したものを一単位の電池モジュールとし、この電池モジュールを上記実施形態における電池として直列に接続して組電池を構成する。

また図１のブロック図に示す電源装置１００は、組電池１０の出力側にコンタクタ１６を接続している。このコンタクタ１６を介して、組電池１０を車両側の負荷であるＤＣ／ＡＣインバータ１３に接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ１３は、車両を走行させるモーター９３と、組電池１０を充電する発電機９４とに接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ１３は、コントロールユニット１４に制御される。コントロールユニット１４は、ＤＣ／ＡＣインバータ１３を介して組電池１０の電力を走行モーター９３に供給して車両をモーター９３で走行させる。また、発電機９４を制御して、発電機９４で組電池１０を充電する。

さらに、コントロールユニット１４は、キースイッチ１５を接続しており、このキースイッチ１５から入力される信号で、コンタクタ１６をＯＮ／ＯＦＦに切り換える。具体的には、コントロールユニット１４は、キースイッチ１５がＯＮに切り換えられた後、初期の動作確認を終了した後、コンタクタ１６をＯＦＦからＯＮに切り換えて、組電池１０をＤＣ／ＡＣインバータ１３に接続する。キースイッチ１５がＯＦＦに切り換えられると、コントロールユニット１４は、コンタクタ１６をＯＦＦに切り換えて、組電池１０をＤＣ／ＡＣインバータ１３から切り離す。
（組電池１０）

組電池１０を構成する電池１は、一の二次電池セル、又は直列に接続された複数の二次電池セルである。各二次電池セルには、リチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー二次電池等が利用できる。リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池を用いた組電池１０は、電池１を一の二次電池セルで構成できる。この電源装置１００は、各々の電池１の電圧を制御手段２０に含まれる電圧検出回路で検出する。ただ、電池１にはニッケル水素電池などの充電可能な様々なタイプの二次電池も利用できる。電池をニッケル水素電池とする電源装置は、複数の二次電池を直列に接続して一つの電池とし、各々の電池、すなわち複数の二次電池を直列に接続している電池の電圧を検出する。
（電流遮断機構３０）

また各電池１は、電流遮断機構３０（Current Interrupt Device:ＣＩＤ）を内蔵することができる。電流遮断機構３０は、電池１の内圧が設定圧力よりも高くなると接続点を分離するように変形して、電流を遮断する。電流遮断機構３０の具体例を、図２〜図３の概略断面図に示す。これらの図に示す電池１は一般に、電流遮断機構３０を、内部電極に接続している電極タブ３１と、封口板３６に固定している電極端子３５との間に接続している。ＯＮ状態の電流遮断機構３０は、電極タブ３１を電極端子３５に接続する。電流遮断機構３０がＯＦＦ状態になると、電極タブ３１が電極端子３５に接続されない状態となって、電池１の電流は遮断される。図２は電流遮断機構３０が電流を遮断しない状態を示し、図３は電流を遮断する状態を示している。これらの図に示す電流遮断機構３０は、電池１の内圧で変形する変形金属板３３と、変形金属板３３の局部を溶接して電気接続してなる接続金属３４とを備えている。この電流遮断機構３０は、電池１の内圧が設定圧力よりも高くなると、図２から図３に示すように、変形金属板３３を圧力で変形させて、変形金属板３３を接続金属３４から分離して電流を遮断する。
（外部放電回路４０）

組電池１０の出力は、外部放電回路４０と直列に接続されている。外部放電回路４０は、全セル放電抵抗器４２と、ブロック放電スイッチ４４とを直列に接続している。ブロック放電スイッチ４４をＯＮすることで、組電池１０の強制放電が開始される。このブロック放電スイッチ４４のＯＮは、手動で行うことができる。例えば電源装置を廃棄する際に、外部放電回路４０を接続し、その後、ブロック放電スイッチ４４をＯＮして、組電池１０を放電させる。このようにすることで、放電完了後に安全に廃棄できる。
（制御手段２０）

組電池１０の制御を行うための制御手段２０は、図１０等に示すように、各電池１の電圧を検出する電圧検出回路を備えている。電圧検出回路３は、この組電池１０を構成している電池１に電圧検出ライン１９を介して接続されて、各々の電池１の電圧を検出し、電池１に異常がないか監視する。この制御手段２０は、マイコン等で構成される。

なお、制御手段２０は、駆動のための電力を、組電池１０から取得している。これにより電源回路を簡素化できる。通常は、セル電圧の使用域（例えば３．０〜４．１Ｖ）にマージンを持って制御手段２０が動作できるように設計するため、組電池１０の残存電荷がほぼゼロになるまで制御手段２０の回路動作が可能である。
（電圧検出回路３）

電圧検出回路３は、電圧検出ライン１９を介して入力側を各々の電池１の正負の端子に接続している。電圧検出回路３は、この電圧検出ライン１９を介して、各々の電池１の電圧を検出する。電圧検出ライン１９は、一端を電池１の電極端子に接続して、他端を電圧検出回路３の入力側に接続している。
（電流バイパス回路５０）

各電池１には、電流バイパス回路５０がそれぞれ並列に接続されている。各電流バイパス回路５０は、組電池１０の放電方向と一致する方向にのみ通電可能な整流素子を設けている。この構成により、通常時は、電池１と並列に接続されている整流素子には、逆方向に電圧が印加されるため電流が流れないが、何らかの要因により、接続されている電池１の電流経路が遮断された際に、整流素子は、順方向に電圧が印加され、電流が流れるようになっている。つまり、電流バイパス回路５０は、通常時には電流が流れないが、接続されている電池１の電流が遮断された場合等に、その電池１を迂回するようにバイパスし、組電池１０の放電経路を維持するように構成される。
（バイパスダイオード５２）

ここでは整流素子は、バイパスダイオード５２で構成される。各バイパスダイオード５２は、並列に接続された電池１の正極がカソード側と接続される姿勢で接続されている。いいかえると、並列接続された電池１に対して逆並列に、すなわちこの電池１の通常の放電時には通電しない姿勢で接続されている。このバイパスダイオード５２は、電源装置１００の通常の使用時には、各電池１のセル電圧（標準で約３．６Ｖ）によりバイパスダイオード５２が逆バイアスされるため、このダイオードがＯＮされることはない。このため、電源装置１００を運用する妨げとならない。なお電流バイパス回路は、バイパスダイオード５２に限られず、例えば半導体スイッチを設けることもできる。
（強制放電）

一方で、各電池１に蓄えられた電荷を、強制的に放電したい場合を考える。例えば、電源装置の廃棄時には、残容量すなわち電池に電荷が残っていると、意図しない短絡によってアーク放電が生じたり発熱したりすることが考えられる。このため、予め放電しておき、残容量を極力ゼロに近付けておくことが望ましい。このため、図１６に示すように強制放電を行わせるための放電回路を外部に接続する。放電回路は、電池１を直列接続した組電池１１０の＋側出力及び−側出力と接続される。またこの放電回路は、全セル放電抵抗器１４２と、ブロック放電スイッチ１４４とを直列に接続している。図１６のブロック放電スイッチ１４４をＯＮにすると、直列接続された電池１は放電を開始され、徐々に電圧が低下して、最終的には各電池１の残容量がゼロとなって放電電流が流れなくなり、放電が終了する。尚、課題の欄で記載したとおり、電荷がゼロとなる電池と、電荷が残っている電池とが混在していると、先に電荷がゼロとなった電池は、隣接する電荷が残っている電池によって逆充電状態となるため、極性が反転して、放電を継続することができなくなり、結果として残存電荷の残った電池が残ってしまうことがあるが、上記実施形態の電源装置は、通電が遮断された電池に関しては前記電流バイパス回路によって、電流が迂回されるため、最終的には各電池１の残容量をゼロとすることができる。

なお本明細書において「通電が遮断」とは、残存電荷のばらつきに起因して、電荷が先にゼロとなった電池によって通電が遮断される場合も含むものとする。

一方、電池を複数直列に接続している組電池では、いずれかの電池が導通しないことがある。例えば、上述の通り各電池に電流遮断機構を内蔵する場合を考える。電流遮断機構が一旦作動すると、この電池の出力が物理的に遮断され、あるいは抵抗値が極めて高くなり、復旧しない。電流遮断機構は、安全性を高めるために備えられることが多く、不用意に電流経路が繋がらないように、不可逆性の機構となっている。このため、電流遮断機構が作動した電池と直列に接続されている他の電池が正常であっても、直列接続されている以上、通電が阻害されて、図１７に示すように放電ができない状態となる。このため、従来の電源装置では電力遮断機構が動作した場合、組電池を強制的に放電させることができなかった。

これに対して実施例１に係る電源装置１００では、上述の通り電流バイパス回路５０を設けたことで、通常時は図４に示すように組電池１０を構成するすべての電池を放電させて、一方で図５に示すように電流遮断機構が作動するなどして導通できなくなった電池が存在していても、これを回避して放電できるようになる。図５の例では、電池Ｖ３に備えられた電流遮断機構が作動して、電池Ｖ３の電流が遮断された状態を示している。この場合は、電池Ｖ３を並列に接続されたバイパスダイオード５２を通じて放電する方向に通電できるため、放電電流を流すことができる。これにより、電流遮断機構が作動していない他の電池を放電することが可能となる。
（放電用負荷）

放電用負荷には、抵抗器が好適に利用できる。図４や図５等の例では全セル放電抵抗器４２を利用している。ただ、電力を消費する回路、例えば電圧検出回路や制御手段２０等を放電用負荷に利用することも可能である。ただし、この場合は消費電力量が少ない分、放電完了までに要する時間が長くなる。例えば、電圧検出回路を放電用負荷とする場合を考える。電圧検出回路の消費電流を、例えば１０ｍＡとし、放電電流が５０ｍＡとして、電池に２Ａｈが残存している場合は、電圧検出回路単体ではゼロＡｈとなるまでに２００時間を要する。これに対して、放電回路と併用した場合、３３時間（２Ａｈ／６０ｍＡ）で放電を完了できる。このように、好ましくは全セル放電抵抗器のような部材でもって放電回路を構成する。

放電用負荷を通じて放電を行う場合、上述の通り、制御手段２０は、動作電圧に比較的大きなマージンを持つように設計されているので、セル電圧をほぼゼロとなるまで放電することができるが、バイパスダイオードの順方向電圧以下まで放電することはできない。具体的には、放電が進行するにつれてセル電圧が低下していき、セル電圧がバイパスダイオード５２の順方向電圧よりも低くなった時点で、それ以上放電できなくなる。また、電圧低下によって制御手段２０の動作も継続できなくなる。このため、図６に示すように外部に定電流回路ＣＩを設けて、強制的に放電させることもできる。この方法であれば、制御手段２０による制御が停止しても、最後まで放電動作を継続できる。
（変形例）

以上の例では、廃棄時に外部放電回路４０を組電池１０の出力端子と接続して、強制放電する例を説明した。ただ、放電回路は、電源装置に予め内蔵することもできる。このような例を図７に示す。この図に示す放電回路は、予め電源装置２００の内部に組み込まれており、ブロック放電スイッチ４４ＢをＯＮすることで全セル放電抵抗器４２Ｂを介して強制放電を実行できる。この場合は、制御手段２０Ｂによってブロック放電スイッチ４４ＢをＯＮに切り替えることができる。

なお、放電回路を内蔵する場合は、放電抵抗の放熱を考慮して設計される。例えば組電池１０が６０セルを直列接続しており、これを充電電流１Ａで放電する場合、３．６Ｖｘ６０ｘ１Ａ＝２１６Ｗに達する。このため、放電電流を、例えば５０ｍＡといった小さい値に設定し、長時間の放電動作で残存電荷を放電させる。一方で、放電回路を外部接続する場合は、基本的に廃棄時にのみ使用するため、放電電流を大きくして、短時間で放電、廃棄させることが可能となる。

なお、電流遮断機構が作動した電池についての放電が必ずしも不可能という訳ではない。電流遮断機構が作動し、電流経路により出力が物理的に遮断された場合は、抵抗値が無限大に近くなるが、例えば電解液を介して、電池内部が高抵抗で接続された状態（例えば数百Ω程度）となることがある。このような場合、高い電流値の放電電流で、電池を放電することはできないものの、低い電流値の放電電流で電池を放電することは可能であるため、電流遮断機構が作動した電池の残存電荷を放電させることが可能となる。

以上のようにして、電流遮断機構が溶断した電池や電荷がゼロとなった電池が組電池に含まれていても、電流バイパス回路５０を介して、迂回するように電流が流れるので、放電を継続できる。この構成により、各電池を電荷がある程度小さな値（バイパスダイオード５２の順方向電圧近傍）となるまで、放電することができ、安全に廃棄することができる。また、電源装置を再利用する際も、電荷をある程度小さな値としてから、再充電する必要があるところ、上記構成によれば、各電池をある程度小さな値とすることができるので、電源装置を構成する電池を再利用する際にも有効となる。
（放電スイッチ６４）

また放電回路として、図１１のような強制放電回路を備えることもできる。ここでは、一の電池１に強制放電回路を設けた例を示しており、他の電池についても、同様の強制放電回路を設けることができる。この図に示す放電スイッチ６４は、ＰＮＰトランジスタＰＮと、ＮＰＮトランジスタＮＰと、均等化抵抗器６２と、フォトカプラ６６で構成される。フォトカプラ６６は、入力側を制御手段２０と接続されている。制御手段２０からフォトカプラ６６を介して入力される信号でもって、ＰＮＰトランジスタＰＮ、ＮＰＮトランジスタＮＰがＯＮされて、電池１からの放電が開始され、均等化抵抗器６２に通電される。この強制放電回路は、放電動作を継続させるためのトリガー信号が、制御手段２０から放電スイッチ６４に入力されると、放電スイッチ６４は継続的にＯＮされる。図１１のフォトカプラ６６等で外部トリガとして放電開始指令を入力することで、一旦放電が開始されると、セル電圧が相当低下するまで放電が継続される。

なお図１１の例では、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタを組み合わせた複合回路で制御手段を構成した例を説明したが、他の回路例とすることもできる。例えば、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタをサイリスタに置き換えることも可能である。
（実施例２：均等化回路６０による強制放電）

以上の例では、放電回路を内蔵、又は外付けで用意する例について説明した。ただ、本発明はこの構成に限らず、既存の部材を放電抵抗器に兼用することもできる。このような例を図８に示す。この図に示す電源装置３００は、電圧検出回路を含む制御手段２０Ｃと、組電池１０Ｃを構成する電池１を放電して各々の電池１を均等化させる均等化回路６０を備えている。なお、図１と同一の部材については、同一の符号を付して詳細説明を省略する。
（均等化回路６０）

図８に示す均等化回路６０は、放電スイッチ６４と均等化抵抗器６２とを直列に接続して、各々の電池１と並列に接続している。放電スイッチ６４のＯＮ／ＯＦＦは、制御手段２０によって制御される。制御手段２０は、電圧の高い電池１と並列に接続される均等化回路６０の放電スイッチ６４をＯＮに切り換えて、各々の電池１の電圧を均等化する。また制御手段２０は、各々の電池１の電圧を制御手段２０の電圧検出回路で検出して、放電スイッチ６４をＯＮ／ＯＦＦに制御する。制御手段２０は、電圧検出回路で検出される各々の電池１の電圧信号を演算して、各々の電池１の電圧を均等化するように放電スイッチ６４をＯＮ／ＯＦＦに制御する。

特にリチウムイオン二次電池を用いた電源装置では、各電池のＳＯＣの均等化させるための均等化回路６０を備えている。均等化回路６０は、電圧検出回路によりセル電圧を個別に監視し、ＳＯＣが高いセルについては均等化回路６０を駆動してＳＯＣを低下させ、他の電池のＳＯＣとの差を小さくし、ＳＯＣの揃った状態を維持する。

この電源装置３００では、均等化回路６０を電池１の強制放電回路に兼用している。このため均等化回路６０を制御する制御手段２０は、均等化放電モードと、強制放電モードに切り替え可能としている。例えば、すべての電池１について、均等化回路６０を駆動することで、電池１の残存電荷を強制放電させる。また通常の均等化動作であれば、セル電圧の最も低い電池に合わせた放電制御を行う。いいかえると、均等化対象の電池のＳＯＣの差が所定値以下になると、均等化を終了して、放電を停止する。これに対して強制放電動作では、残存電荷がゼロ状態まで継続させるように制御とする。

この均等化回路６０は、電池毎に実装されるため、途中に電流遮断機構が溶断された電池が存在する場合でも、図９に示すように、他の電池の放電経路が確保される限り、これらの二次電池を放電できる。なお電流遮断機構が溶断された電池については、上述の通り電流遮断機構が完全開放で無く高抵抗で接続されている場合は、低電流にて放電することができる。
（実施例３：電流バイパス回路付き均等化回路６０Ｄ）

さらに、均等化回路に電流バイパス回路を組み合わせることもできる。このような例を図１０に示す。この図に示す電源装置４００は、図３と同様の制御手段２０Ｄ及び均等化回路６０Ｄに、電流バイパス回路５０を構成するバイパスダイオード５２を付加している。この電源装置４００では、バイパスダイオード５２を追加することで、上記実施例１と同様、先にＳＯＣが低下した電池や電流遮断機構が作動した電池については、通常であればこの電池によって放電が阻害されるところ、図１０に示すようにバイパスダイオード５２を経由した放電経路が構成されるので、放電を継続できる。

上述した図８の回路例では、ＳＯＣがゼロ以下となった電池や、電流遮断機構が作動した電池では電圧降下が非常に大きくなるため、回路の電源維持が難しくなる。これに対して、実施例３に係る電源装置４００では、図１０に示すようにバイパスダイオード５２を各電池１に逆並列に接続しているため、溶断された電池での電圧降下を、ダイオードの順方向電圧で留めることができ、制御手段２０の電源電圧低下が少なくなり、放電中の回路の電源電圧の維持が容易となる。

なお、上記実施例では、強制放電モードを備えた均等化回路によって、電池を放電させる構成を示したが、実施例３の変形として、均等化回路と実施例１の強制放電回路を備える構成とすることもできる。この構成では、均等化回路等の制御回路に対して強制放電回路を並列に接続することで、通常の均等化動作は、均等化回路が行い、電池の強制放電は、強制放電回路が行うように構成することができる。また、この変形例についても、電流バイパス回路の有無を適宜選択することができる。
（実施例４：大電流強制放電前の均等化前処理）

以上の実施例２、３では、均等化回路を強制放電回路に兼用する例を説明した。一般に均等化回路は、放電抵抗器の熱容量の関係から、大電流を通電できないため、均等化回路の放電抵抗器を利用して強制放電させるには時間がかかる。そこで、電源装置の廃棄時には大電流を通電可能な全セル放電抵抗器４２を備えた専用の放電回路を接続することで、大電流で強制放電を行い、要処理時間を短縮できる。ただこの場合は、残存容量のばらつきによって、完全に放電できずに電荷が残った電池が存在することとなる。

例えば図１２に示すように、電池Ｖ１〜Ｖ４の内、Ｖ１〜Ｖ３は残容量が一定で、Ｖ４のみ、残容量が他よりも少ない場合を考える。この状態で強制放電を開始すると、残容量の最も少ないＶ４の残量量がゼロとなるまでは放電できるものの（図１２においてＡで示す部分）、図において斜線で示した部分（図１２のＢ）が放電されずに残る状態となる。この状態では、電流バイパス回路などを用いて個別に放電することは可能であるものの、放電電流が小さくなるため、完全放電には時間を要することとなる。

そこで、予め残存電荷が均等になるように、均等化回路を動作させて放電させておくことで、その後全体を外部回路で放電させることで、短時間で電池全体の放電を行うことが可能となる。

ここでは、組電池１０を構成する各電池１のＳＯＣを均一化させるのではなく、残存電荷を均一にさせる。通常劣化したセルは満充電容量にばらつきが発生しているため、各セルの満充電容量から残存すべき容量を計算し、これが均一となるように均等化放電をさせる。例えば劣化したシステムにて、満充電容量が３〜４Ａにばらついた場合、以下の表１のような現象が発生する。

この場合、組電池１０が１．５Ａｈを放電したときに電池Ｖ４が先に過放電となり、電池の抵抗値が増大してこれ以上の継続放電が難しくなる。そこで、残存電荷がすべて１．５Ａｈになるように、予めＶ１〜Ｖ３のセルを均等化回路で放電させる残存電荷均等化モードを設けておく。この例では、Ｖ１〜Ｖ３のＳＯＣは３７．５％である。これによって、各電池の放電を均等に行うことができる。しかも外部放電回路を利用することで短時間での放電を完了できる。

以上の電池を積層して構成した電源装置は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモーターの両方で走行するハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、あるいはモーターのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
（ハイブリッド車用電源装置）

図１３に、エンジンとモーターの両方で走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモーター９３と、モーター９３に電力を供給する電源装置１００と、電源装置１００の電池を充電する発電機９４とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモーター９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００の電池を充放電しながらモーター９３とエンジン９６の両方で走行する。モーター９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モーター９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
（電気自動車用電源装置）

また図１４に、モーターのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモーター９３と、このモーター９３に電力を供給する電源装置１００と、この電源装置１００の電池を充電する発電機９４とを備えている。モーター９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
（蓄電用電源装置）

さらに、この電源装置は、移動体用の動力源としてのみならず、定置型の蓄電用設備としても利用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図１５に示す。この図に示す電源装置１００は、複数の電池パック８１をユニット状に接続して電池ユニット８２を構成している。各電池パック８１は、複数の電池が直列及び／又は並列に接続されている。各電池パック８１は、電源コントローラ８４により制御される。この電源装置１００は、電池ユニット８２を充電用電源ＣＰで充電した後、負荷ＬＤを駆動する。このため電源装置１００は、充電モードと放電モードを備える。負荷ＬＤと充電用電源ＣＰはそれぞれ、放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳを介して電源装置１００と接続されている。放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＦＦに切り替えて、充電用電源ＣＰから電源装置１００への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷ＬＤからの要求に応じて、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＦＦに、放電スイッチＤＳをＯＮにして放電モードに切り替え、電源装置１００から負荷ＬＤへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＮにして、負荷ＬＤの電力供給と、電源装置１００への充電を同時に行うこともできる。

電源装置１００で駆動される負荷ＬＤは、放電スイッチＤＳを介して電源装置１００と接続されている。電源装置１００の放電モードにおいては、電源コントローラ８４が放電スイッチＤＳをＯＮに切り替えて、負荷ＬＤに接続し、電源装置１００からの電力で負荷ＬＤを駆動する。放電スイッチＤＳはＦＥＴ等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチＤＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって制御される。また電源コントローラ８４は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図１５の例では、ＵＡＲＴやＲＳ−２３２Ｃ等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器ＨＴと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。

各電池パック８１は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、パック入出力端子ＤＩと、パック異常出力端子ＤＡと、パック接続端子ＤＯとを含む。パック入出力端子ＤＩは、他のパック電池や電源コントローラ８４からの信号を入出力するための端子であり、パック接続端子ＤＯは子パックである他のパック電池に対して信号を入出力するための端子である。またパック異常出力端子ＤＡは、パック電池の異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、電池パック８１同士を直列、並列に接続するための端子である。また電池ユニット８２は並列接続スイッチ８５を介して出力ラインＯＬに接続されて互いに並列に接続されている。

本発明に係る電源装置、電源装置を備える車両及び蓄電装置並びに組電池の放電方法は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。

１００、２００、３００、４００…電源装置
１…電池
１０、１０Ｃ、１１０…組電池
１３…ＤＣ／ＡＣインバータ
１４…コントロールユニット
１５…キースイッチ
１６…コンタクタ
１９…電圧検出ライン
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…制御手段
３０…電流遮断機構
３１…電極タブ
３３…変形金属板
３４…接続金属
３５…電極端子
３６…封口板
４０…外部放電回路
４２、４２Ｂ、１４２…全セル放電抵抗器
４４、４４Ｂ、１４４…ブロック放電スイッチ
５０…電流バイパス回路
５２…バイパスダイオード
６０、６０Ｄ…均等化回路
６２…均等化抵抗器
６４…放電スイッチ
６６…フォトカプラ
８１…電池パック
８２…電池ユニット
８４…電源コントローラ
８５…並列接続スイッチ
９３…モーター
９４…発電機
９５…インバータ
９６…エンジン
ＨＶ、ＥＶ…車両
ＬＤ…負荷；ＣＰ…充電用電源；ＤＳ…放電スイッチ；ＣＳ…充電スイッチ
ＯＬ…出力ライン；ＨＴ…ホスト機器
ＤＩ…パック入出力端子；ＤＡ…パック異常出力端子；ＤＯ…パック接続端子
ＣＩ…定電流回路
ＰＮ…ＰＮＰトランジスタ
ＮＰ…ＮＰＮトランジスタ

Claims (17)

1. 複数の電池を直列に接続した組電池と、
   各電池とそれぞれ並列に接続された複数の電流バイパス回路と
   を備え、
   前記組電池が、前記複数の電池を強制放電させる放電回路を接続可能に構成される電源装置であって、
   前記電流バイパス回路は、強制放電する際に、通電が遮断された電池に関しては前記電流バイパス回路を介して該電池を迂回し、組電池の直列接続を維持するよう構成されており、
   各電流バイパス回路は、並列に接続される電池が、該電流バイパス回路を介して短絡しないように、該電池によって逆方向に電圧が印加される整流素子を備えてなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記電池の少なくともいずれかが、該電池の異常を検出すると出力を遮断可能な電流遮断機構を備えていることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置であって、
   前記整流素子が、前記電池と逆並列に接続されたバイパスダイオードを備えてなることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、
   前記組電池の動作を制御する制御手段を備えると共に、
   前記制御手段が、各電池の電圧を検出する電圧検出回路を有することを特徴とする電源装置。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、
   前記複数の電池を強制放電させる放電回路を内蔵してなることを特徴とする電源装置。
6. 請求項５に記載の電源装置であって、
   前記放電回路が、前記組電池の出力と直列に接続された、強制放電用の全セル放電抵抗器を備えることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１から６のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記放電回路が、放電電流を一定電流とする定電流回路を備えることを特徴とする電源装置。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記放電回路が、各電池と並列に、該電池を放電して他の電池の残容量と均等化させるための均等化回路であり、
   前記放電回路は、
   各電池と並列に接続された均等化抵抗器と、
   前記均等化抵抗器と直列に接続された放電スイッチと、
   を備えることを特徴とする電源装置。
9. 請求項８に記載の電源装置であって、
   前記放電回路が、前記電池を、
   他の電池とＳＯＣを一致させるように放電させる均等化放電モードと、
   残存電荷をゼロに近付けるように放電させる強制放電モードと、
   に切り替えて動作可能に構成してなることを特徴とする電源装置。
10. 請求項５から９のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記放電回路が、トリガー信号で放電動作を継続的にＯＮとする強制放電回路を備えることを特徴とする電源装置。
11. 請求項１０に記載の電源装置であって、
    前記放電回路が、サイリスタを含むことを特徴とする電源装置。
12. 請求項８から１１のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記制御手段が、
    前記均等化放電モードにおいて、所定時間経過後に放電スイッチをＯＦＦするよう制御し、
    前記強制放電モードにおいて、前記放電スイッチを継続してＯＮとする連続放電指令を指示することを特徴とする電源装置。
13. 請求項８から１２のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記放電スイッチが、トランジスタ又はサイリスタで構成されてなることを特徴とする電源装置。
14. 請求項５から１３のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記放電回路が、さらに、前記電池を、他の電池と残存電荷を一致させるように放電させる残存電荷均等化モードを有しており、
    前記放電回路が、前記残存電荷均等化放電モードを、前記放電回路によって、強制放電させる組電池前に行うよう制御してなることを特徴とする電源装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一に記載される電源装置を備える車両。
16. 請求項１から１４のいずれか一に記載される電源装置を備える蓄電装置。
17. 複数の電池を直列に接続した組電池と、
    各電池とそれぞれ並列に接続された複数の電流バイパス回路と
    を備える電源装置に含まれる組電池の放電方法であって、
    前記組電池に、前記複数の電池を強制放電させる放電回路と接続する工程と、
    前記放電回路を接続して組電池を強制放電する際に、通電が遮断された電池が存在していても、前記電流バイパス回路を介して該電池を迂回し、組電池の直列接続を維持させる工程と、
    を含んでおり、
    各電流バイパス回路は、並列に接続される電池が、該電流バイパス回路を介して短絡しないように、該電池によって逆方向に電圧が印加される整流素子を備えてなることを特徴とする組電池の放電方法。

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