JP2014027862A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冗長性を有するバランス回路を備えた蓄電装置を提供する。
【解決手段】 リチウムイオンキャパシタ・セル５に第１の放電回路９及び第２の放電回路１１を並列に接続する。第１の放電回路９は、抵抗素子Ｒ１と導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２から構成されている。第２の放電回路１１は、抵抗素子Ｒ２と導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４から構成されている。第１の放電回路９の導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２はリチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が第１の所定電圧に達すると導通し、また、第２の放電回路１１の導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４はリチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が第２の所定電圧に達すると導通するように設定されている。
【選択図】 図２

Description

複数の蓄電セルを直列接続してなる蓄電セル列の各蓄電セルの端子間電圧のばらつきを解消する、バランス回路を備えた蓄電装置に関するものである。

複数の蓄電セルを直列接続してなる蓄電セル列は、個々の蓄電セルの内部抵抗の違い等が原因となり、各蓄電セルの端子間電圧がばらつくことがある。この状態のまま充放電を行うと、一部の蓄電セルが過充電・過放電になり、蓄電装置全体の寿命が短くなってしまう。そこで、従来から、各蓄電セルの端子間電圧を均等化させてバランスをとるために、バランス回路を備えることが行われている。例えば、特開２００４−２２２４３８号公報（特許文献１）では、ツェナーダイオードと抵抗素子とを直列接続してなるバランス回路を、各蓄電セルに並列に接続している。また、特許４７９８７５９号公報（特許文献２）では、各蓄電セルに並列に接続したバランス素子（抵抗）からなるバランス回路を制御回路によって制御している。

特開２００４−２２２４３８号公報 特許４７９８７５９号公報

しかしながら、従来のバランス回路では、各バランス回路の接続・切離を行うスイッチを１つのみ備えている。そのため、このスイッチが故障等によって動作しなくなった場合には、バランス回路が常にオンまたはオフ状態になってしまうという問題があった。常にオンになってしまうと、蓄電セルの電力を放電し続けてしまうことになり、また、常にオフになってしまうと、バランス回路が動作しないことになってしまう。

本発明の目的は、冗長性を有するバランス回路を備えた蓄電装置を提供することにある。

本発明が対象とする蓄電装置は、複数の蓄電セルを直列接続してなる蓄電セル列と、複数の蓄電セルのそれぞれの端子間電圧を検出する複数の電圧検出部と、複数の蓄電セルに対してそれぞれ並列接続されて該当する蓄電セルの電圧が所定の許容電圧以下になるように蓄電セルを放電する複数のバランス回路とを備えた蓄電装置である。

蓄電セルは、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の大容量キャパシタや、リチウムイオン二次電池等の充電可能な二次電池である。

本発明では、電圧検出部の出力に基づいて導通が制御されるスイッチ回路と該スイッチ回路と直列に接続された放電素子とからなる２以上の放電回路が、並列接続されてバランス回路が構成されている。

このようにしてバランス回路を構成することによって、２以上ある放電回路のうちのいずれかに含まれるスイッチ回路が故障したとしても、他の放電回路のスイッチ回路が動作するため、冗長性を得ることができる。

スイッチ回路の構成は任意であるが、例えば、電圧検出部の出力に基づいて導通信号を発生する導通信号発生部と、導通信号が入力されている状態で導通状態になり導通信号が入力されていない状態で非導通状態になる、直列接続された２以上の導通制御スイッチとから構成することができる。このように１つのスイッチ回路内に２以上の導通制御スイッチを備えるようにすれば、１つの導通制御スイッチがオンのままで故障したとしても、そのスイッチ回路をオフにすることができ、さらに冗長性を向上させることができる。この場合、導通信号発生部を、電圧検出部が検出した端子間電圧が許容電圧より大きい所定電圧に達すると、導通信号を発生して、端子間電圧が許容電圧以下になるまで導通信号を維持するようにすれば、適切に電圧の均等化が行われる。

なお、導通制御スイッチの例としては、ＦＥＴが挙げられる。

２以上の放電回路は、端子間電圧が第１の所定電圧に達したことを電圧検出部が検出したときに導通信号発生部が発生する第１の導通信号により蓄電セルに対して並列接続される第１の放電回路と、端子間電圧が第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧に達したことを電圧検出部が検出したときに導通信号発生部が発生する第２の導通信号により蓄電セルに対して並列接続される第２の放電回路とから構成することができる。このように第１の放電回路と第２の放電回路とを設定すれば、通常は、第１の放電回路によって各蓄電セルの電圧が均等化され、第１の放電回路を構成するスイッチ回路が故障した場合に、第２の放電回路によって各蓄電セルの電圧が均等化されるようになる。

本発明の蓄電装置が組み込まれた発電システムを示した回路図である。 本発明の蓄電装置の一部の構成を示す回路図である。 本発明の蓄電装置のバランス回路の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の蓄電装置の実施の形態の一例について説明する。

図１は、本発明の蓄電装置１が組み込まれた発電システムを示した回路図である。蓄電装置１は、太陽電池によって発電する発電装置２と並列接続されており、負荷３に対して給電している。蓄電装置１は、発電装置２の出力が一定以上の場合に充電され、発電装置２の出力が一定に満たない場合に放電を行うように設定されており、負荷３への給電を平滑化している。本実施の形態の蓄電装置１に備えられたバランス回路は、発電装置２で蓄電装置１を充電する際のいわゆる「フロート充電」の際に動作するものである。

なお、発電装置２には、風力発電装置等の他の手段によって発電するものを用いることも可能である。また、蓄電装置１を無停電電源装置等の他のシステムに組み込むことも可能である。

〈蓄電装置の構成〉
本実施の形態の蓄電装置１は、複数のリチウムイオンキャパシタ・セル５を直列接続してなるリチウムイオンキャパシタ・セル列７に蓄電している。図２では、各リチウムイオンキャパシタ・セル５は全て同じ構成をしているため、説明の便宜上、リチウムイオンキャパシタ・セル列７を構成しているリチウムイオンキャパシタ・セル５のうち１つだけを図示している。

リチウムイオンキャパシタ・セル５には、バランス回路８を構成する接続端子Ｔ１及びＴ２に接続された第１の放電回路９、並びに、接続端子Ｔ３及びＴ４に接続された第２の放電回路１１が並列に接続されている。第１の放電回路９は、放電素子としての抵抗素子Ｒ１と、スイッチ回路を構成する２つの導通制御スイッチ（ＦＥＴ）ＳＷ１及びＳＷ２とから構成されている。第２の放電回路１１は、放電素子としての抵抗素子Ｒ２と、スイッチ回路を構成する２つの導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４とから構成されている。例えば抵抗素子Ｒ１及びＲ２は、１０ｋΩ程度のものを使用している。

リチウムイオンキャパシタ・セル５には、さらに、リチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧を検出するため、接続端子Ｔ５及びＴ６に接続された電圧検出部ＶＤ１、接続端子Ｔ７及びＴ８に接続された電圧検出部ＶＤ２、接続端子Ｔ９及びＴ１０に接続された電圧検出部ＶＤ３並びに接続端子Ｔ１１及びＴ１２に接続された電圧検出部ＶＤ４が接続されている。なお電圧検出部ＶＤ１乃至ＶＤ４は、例えば分圧抵抗回路等により構成することができる。

導通制御スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４のそれぞれは、電圧検出部の出力に基づいて導通信号を発生する導通信号発生部ＳＧ１乃至ＳＧ４によって制御されている。第１の放電回路９の導通制御スイッチＳＷ１は、電圧検出部ＶＤ１が第１の所定電圧に達したことを検出した場合に導通し、導通制御スイッチＳＷ２は、電圧検出部ＶＤ２が同じ第１の所定電圧に達したことを検出すると導通する。また、第２の放電回路１１の導通制御スイッチＳＷ３は、電圧検出部ＶＤ３が第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧に達したことを検出すると導通し、導通制御スイッチＳＷ４は、電圧検出部ＶＤ４が同じ第２の所定電圧に達したことを検出すると導通する。導通信号発生部ＳＧ１乃至ＳＧ４は、端子間電圧が許容電圧以下になるまで導通信号を維持して導通制御スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４を導通させる。

リチウムイオンキャパシタ・セル５は、充電電圧の上限電圧が３．８Ｖであり、これを超えると過充電となり、過充電はリチウムイオンキャパシタ・セル５の寿命を短くする原因となる。そこで、本実施の形態では、第１の所定電圧を３．７Ｖ、第２の所定電圧を３．８Ｖに設定している。端子間電圧が３．７Ｖに達すると導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオン（閉状態）とし、端子間電圧が３．８Ｖに達すると導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４をオン（閉状態）とするように、導通信号発生部ＳＧ１乃至ＳＧ４は導通信号を発生するように設定されている。通常は、第１の所定電圧になると導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオンになることから、導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオン状態になっていれば、端子間電圧が第２の所定電圧になることはない。しかしながら、後述のように、導通制御スイッチＳＷ１及び／またはＳＷ２が正常に動作しない場合には、第１の放電回路９が放電動作をしないために、端子間電圧が第２の所定電圧になる可能性がある。導通信号発生部ＳＧ１乃至ＳＧ４は、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４を、端子間電圧が許容電圧（３．６Ｖ）以下になるまでオンになった状態を維持するように導通信号を発生する。そして直列に接続されている導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２の一方の導通制御スイッチまたは導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４の一方の導通制御スイッチが壊れて、常時導通状態になっている場合には、他方の導通制御スイッチがオフ状態になることにより、端子間電圧が許容電圧（３．６Ｖ）以下になったときに、バランス回路が放電状態を継続することを極力防止している。

〈蓄電装置の動作〉
以上のように構成されたバランス回路８を備えた蓄電装置１は、図３に示したフローチャートのように動作する。

（１）導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２が正常な場合（結果１）
導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２が正常な場合には、充電によりリチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が３．７Ｖに達したことを電圧検出部ＶＤ１及びＶＤ２が検出すると、導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオンとなり、第１の放電回路９の抵抗素子Ｒ１によって放電が行われる。リチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が３．６Ｖ以下になると、導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフとなる。

（２）導通制御スイッチＳＷ１及び／またはＳＷ２が故障した場合
（ａ）導通制御スイッチＳＷ１またはＳＷ２が常にオンとなった場合（結果２）
この場合には、導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２のうち、故障していない方の導通制御スイッチがオン・オフすることにより、第１の放電回路９の抵抗素子Ｒ１によって放電が行われる。

（ｂ）導通制御スイッチＳＷ１及び／またはＳＷ２が常にオフとなり、且つ、導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４が正常な場合（結果３）
この場合には、導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２のうち、故障していない方の導通制御スイッチをオン・オフしたとしても、第１の放電回路９の抵抗素子Ｒ１によって放電できなくなる。そのため、端子間電圧は、３．８Ｖに達してしまう。リチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が３．８Ｖに達したことを電圧検出部ＶＤ３及びＶＤ４が検出すると、導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオンとなり、第２の放電回路１１の抵抗素子Ｒ２によって放電が行われる。リチウムイオンキャパシタ・セル５の端子間電圧が３．６Ｖ以下になると、導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオフとなる。

（ｃ）導通制御スイッチＳＷ１及びＳＷ２が常にオンとなった場合（結果５）
この場合には、リチウムイオンキャパシタ・セル５と第１の放電回路９によって常に閉回路が形成されてしまうため、放電が継続されてしまうことになり、蓄電装置１の故障となる。このような事態が発生した場合には、別に設ける警報回路より警報を発生する。

（３）導通制御スイッチＳＷ１及び／またはＳＷ２が常にオフとなり、且つ、導通制御スイッチＳＷ３またはＳＷ４が故障した場合
（ａ）導通制御スイッチＳＷ３またはＳＷ４が常にオンとなった場合（結果４）
この場合には、導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４のうち、故障していない方の導通制御スイッチがオン・オフすることにより、第２の放電回路１１の抵抗素子Ｒ２によって放電が行われる。

（ｂ）導通制御スイッチＳＷ３及び／またはＳＷ４が常にオフとなった場合（結果５）
この場合には、第２の放電回路１１の抵抗素子Ｒ２によって放電できなくため、蓄電装置１の故障となる。

（ｃ）導通制御スイッチＳＷ３及びＳＷ４が常にオンとなった場合（結果５）
この場合には、リチウムイオンキャパシタ・セル５と第２の放電回路１１によって常に閉回路が形成されてしまうため、放電が継続されてしまうことになり、蓄電装置１の故障となる。このような事態が発生した場合には、別に設ける警報回路より警報を発生する。

上記の通り、本実施の形態では、複数の放電回路を有し、また、各放電回路内に複数の導通制御スイッチを備えたため、従来のバランス回路と比較して、冗長性を得ることができる。

なお、導通制御スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４のうちいずれか１つが故障したことを知るために、警報信号を発するように警報回路を構成してもよい。この警報信号をどのように使用するかは任意である。また、例えば、蓄電装置１の外装に各リチウムイオンキャパシタ・セル５の導通制御スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４の状態に対応するインジケータを備えておいて、使用者に正常・異常を知らせるようにしてもよい。

上記実施の形態は、リチウムイオンキャパシタを対象にしているが、電気二重層キャパシタ等の大容量キャパシタや、リチウムイオン二次電池等の充電可能な二次電池にも利用することが可能である。また、上記例では、放電回路の数を２つ、各放電回路内の導通制御スイッチの数を２つに設定したが、冗長性を向上させるために、放電回路の数及び導通制御スイッチの数をさらに増やしてもよいのはもちろんである。

本発明によれば、冗長性を有するバランス回路を備えた蓄電装置を提供することができる。

１ 蓄電装置
２ 発電装置
３ 負荷
５ リチウムイオンキャパシタ・セル
７ リチウムイオンキャパシタ・セル列
８ バランス回路
９ 第１の放電回路
１１ 第２の放電回路
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗素子
ＳＷ１〜ＳＷ４ 導通制御スイッチ
ＶＤ１〜ＶＤ４ 電圧検出部
Ｔ１〜Ｔ１２ 接続端子
ＳＧ１〜ＳＧ４ 導通信号発生部

Claims (6)

1. 複数の蓄電セルを直列接続してなる蓄電セル列と、
   前記複数の蓄電セルのそれぞれの端子間電圧を検出する複数の電圧検出部と、
   前記複数の蓄電セルに対してそれぞれ並列接続されて該当する前記蓄電セルの電圧が所定の許容電圧以下になるように前記蓄電セルを放電する複数のバランス回路とを備えた蓄電装置であって、
   前記電圧検出部の出力に基づいて導通が制御されるスイッチ回路と該スイッチ回路と直列に接続された放電素子とからなる２以上の放電回路が、並列接続されて前記バランス回路が構成されていることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記スイッチ回路は、前記電圧検出部の出力に基づいて導通信号を発生する導通信号発生部と、前記導通信号が入力されている状態で導通状態になり前記導通信号が入力されていない状態で非導通状態になる、直列接続された２以上の導通制御スイッチとからなる請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記導通信号発生部は、前記電圧検出部が検出した前記端子間電圧が前記許容電圧より大きい所定電圧に達すると、前記導通信号を発生して、前記端子間電圧が前記許容電圧以下になるまで前記導通信号を維持する請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記２以上の放電回路は、前記端子間電圧が第１の所定電圧に達したことを前記電圧検出部が検出したときに前記導通信号発生部が発生する第１の導通信号により前記蓄電セルに対して並列接続される第１の放電回路と、前記端子間電圧が第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧に達したことを前記電圧検出部が検出したときに前記導通信号発生部が発生する第２の導通信号により前記蓄電セルに対して並列接続される第２の放電回路とからなる請求項１，２または３に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電セルは、リチウムイオンキャパシタ・セルである請求項１に記載の蓄電装置。
6. 前記２以上の導通制御スイッチは、ＦＥＴである請求項２に記載の蓄電装置。

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