JP2014176152A

JP2014176152A - 蓄電システム

Info

Publication number: JP2014176152A
Application number: JP2013045211A
Authority: JP
Inventors: Yuji Aota; 雄嗣青田; Masao Hajime; 雅雄一; Katsuo Naoi; 克夫直井; Koichi Ogura; 廣一小倉
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】複数個直列に接続された二次電池セルまたはモジュールを並列接続に切り替えるセルバランス方式において、組電池が充電あるいは放電中も並列接続された蓄電ユニットとその切り替え手段により、二次電池セルまたはモジュール間のばらつきを解消することが可能な蓄電システムの提供を目的とする。
【解決手段】直列接続された二次電池セルまたはモジュールを並列接続に切り替えるセルバランス方式において、組電池が充電あるいは放電中は並列接続された蓄電ユニットとその切り替え手段により、二次電池セルまたはモジュール間のばらつき解消を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムに関する。

近年、ノート型やタブレット型のパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機など比較的消費電力が大きい電池駆動の電子機器の小型化、軽量化を計る上で、電源である二次電池の高容量化、高電圧化が要望されている。このような要求に応える二次電池としてリチウムイオン二次電池が、軽量かつ高容量・高電圧の点で優れており、消費電力が大きい電子機器に対し着目され、実用化されている。

また、このようなリチウムイオン二次電池は、より消費電力が大きい電子機器、あるいは電気自動車等において、単電池を直列接続や並列接続に複数個接続して電圧や電気容量を増大させた組電池として利用される。従来において、このように直並列接続されたリチウムイオン二次電池の充電は、接続された組電池に同一電流を流して、各二次電池のうちいずれか１つが充電終止電圧や放電終止電圧に達した場合には、組電池としての充電が終了したとして充電電流を制御する、あるいは放電を終了する方式が採用されている。

このような組電池の場合には、放電容量の減少程度が各電池により異なっている。例えば各二次電池間には製造ばらつきがあり、また組電池で使用した場合の温度分布が均一でない等の理由により、自己放電量や充電受け入れ量に差があるので、放電容量の減少程度が各二次電池によって異なってくる。そのため、二次電池間の電圧や電池容量を揃えるセルバランス技術が必要である。

特許文献１の図１３には、各二次電池間の容量ばらつきを解消するために、二次電池セルまたはモジュールからなる組電池を充電あるいは放電しない時に、二次電池セルまたはモジュールを並列に接続することで、二次電池セルまたはモジュール間のばらつきを解消するセルバランス技術が開示されている。

特開平１０−３０２８４６公報

しかしながら、特許文献１のセルバランス方式において、組電池が充電あるいは放電中は二次電池セルまたはモジュールを並列接続できないために、二次電池セルまたはモジュール間のばらつきを解消出来ないという問題があった。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、複数個直列に接続された二次電池セルまたはモジュールを並列接続に切り替えるセルバランス方式において、組電池が充電あるいは放電中も並列接続された蓄電ユニットとその切り替え手段により、二次電池セルまたはモジュール間のばらつきを解消することが可能な蓄電システムの提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の蓄電システムは、第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットと制御部を備え、第１の蓄電ユニットは直並列を切り替える第１のスイッチを介して二次電池が交互に直列接続され、第１の蓄電ユニットは第２のスイッチを介して第２の蓄電ユニットに並列に接続され、第１のスイッチおよび第２のスイッチは制御部によって制御され、制御部により第２のスイッチがオフ後に第１のスイッチはオンすることで二次電池を並列接続する。このように、組電池が充電あるいは放電中は第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットは第２のスイッチにより切断され、その切断期間内に第１の蓄電ユニット内の二次電池は並列接続されることでばらつき解消すると共に、第２の蓄電ユニットにより充電あるいは放電することが可能となる。

また、二次電池毎に電圧検出部を備え、制御部は電圧検出部の検出結果に基づいて第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御することが好ましい。このように制御部は、検出された各検出電圧結果によりセルバランス動作を行うか否かの判断を行うことで、セルバランス動作を制御することが可能となる。

また、第１および第２の蓄電ユニットの入出力電流を検出する電流検出部を備え、制御部は電流検出部の検出結果に基づいて第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御することがさらに好ましい。このように制御部は、検出された検出電流結果によりセルバランス動作を行う期間を決めることで、セルバランス動作を制御することが可能となる。

本発明は、二次電池を複数個直列に接続された組電池の二次電池を並列に切り替えるセルバランス方式であって、組電池を充電あるいは放電中もセルバランス動作を行うことが可能な蓄電システムを提供可能である。

本実施形態の蓄電システムの構成を示すブロック図である。図１における蓄電システムの詳細を示す図である。図２における各スイッチのタイミングチャートを示した図である。図２においてスイッチ３１を電流値に合わせて制御した結果を示した図である。実施例の具体的な回路構成を示した図である。本実施例において容量差のある２つの電池を並列接続したときの電圧カーブと電流カーブを示した図である。本実施例において容量差のある２つの電池を直列接続し定電流定電圧充電したときの充電カーブを示した図である。本実施例において容量差のある２つの電池を直列接続し定電流定電圧充電したときの充電カーブを示した図である。本実施例において容量差のある２つの電池を直列接続し定電流放電したときの充電カーブを示した図である。本実施例において容量差のある２つの電池を直列接続し定電流放電したときの充電カーブを示した図である。本実施例においてスイッチ３２をタイミング制御しないときの電流とコンデンサ電圧を示した図である。本実施例においてスイッチ３２をタイミング制御したときの電流とコンデンサ電圧を示した図である。従来の蓄電システムを示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態の蓄電システムの構成を表すブロック図である。図１において蓄電システム１０は、第１の蓄電ユニット２０とスイッチ３０と制御部４０と第２の蓄電ユニット５０を備える。第１の蓄電ユニット２０は複数の二次電池セルまたはモジュール２１と、二次電池セルまたはモジュール２１を直並列に切り替える複数のスイッチである第１のスイッチ２２を備え、二次電池セルまたはモジュール２１と第１のスイッチ２２は交互に直列接続される。第１の蓄電ユニット２０と第２の蓄電ユニット５０とは第２のスイッチ３０により切断される。第１のスイッチ２２および第２のスイッチ３０は制御部４０により制御される。蓄電システムの入出力はプラス端子６１とマイナス端子６２より行われる。

図２は図１における蓄電システム１０の詳細例を示す図である。図２においては二次電池セルまたはモジュール２１を３個直列に接続したものである。スイッチ２２ａは各二次電池２１のマイナス側を接続する。スイッチ２２ｂは各二次電池２１を直列接続から切断する。スイッチ２２ｃは各二次電池２１のプラス側を接続する。蓄電ユニット５０としてコンデンサ５１を用いた。電流制限抵抗２３はセルバランス動作時の電流値を制限する抵抗である。二次電池監視装置４２は各二次電池セルまたはモジュール２１の電圧を検出すると共に、電流検出抵抗４３の電圧を検出し入出力電流を検出する。制御部４１は二次電池監視装置４２が検出した電池パラメータに基づきそれぞれのスイッチを制御する。

セルバランス動作を行うか否かは、二次電池監視装置４２により検出された各二次電池セルまたはモジュール２１の電圧差に基づいて行う。検出電圧値の最大値および最小値の差が第１の閾値以上の場合、組電池を直列接続から並列接続に切り替えてセルバランス動作を行う。その後、検出電圧値の最大値および最小値の差が第２の閾値以下の場合セルバランス動作を停止する。

図３に図２の各スイッチのタイミングチャートを示す。二次電池セルまたはモジュール２１を並列接続しセルバランスを行うには、スイッチ３１をオフ後にスイッチ２２ｂをオフ、スイッチ２２ａとスイッチ２２ｃをオンする。その結果、各二次電池セルまたはモジュール２１が並列接続されるため二次電池間のセルバランス動作が行われる。二次電池セルまたはモジュール２１を直列に使う場合は、スイッチ２２ｂをオン、スイッチ２２ａとスイッチ２２ｃをオフ後にスイッチ３１をオンする。

セルバランス時の二次電池セルまたはモジュール２１に流れる電流値は電流制限抵抗２３の値と各二次電池セルまたはモジュール２１の電圧差によって決定される。電流制限抵抗の値が小さい程、または、各二次電池セルまたはモジュール２１の電圧差が大きいほど二次電池セルまたはモジュール２１に流れる電流値は大きくなる。

蓄電システム１０が充電あるいは放電中の二次電池セルまたはモジュール２１のセルバランス時は、電流の入出力はコンデンサ５１により行われる。そのため、セルバランス動作時間は入出力電流とコンデンサ５１の容量によって制限される。二次電池セルまたはモジュール２１の入出力電流が小さい場合は、コンデンサ５１の電圧変動が小さいためセルバランス時間を長く確保可能であり、逆に、二次電池セルまたはモジュール２１の入出力電流が大きい場合はコンデンサ５１の電圧変動が大きいためセルバランス時間は短くする必要がある。

そこで、制御部４１は二次電池監視装置４２が検出した入出力電流の大きさに合わせてそれぞれのスイッチのオン／オフするタイミングを決定することでセルバランス時間の最適化が可能となる。

図４にスイッチ３１のタイミング制御について示す。図４は入出力電流の大きさに合わせて、スイッチ３１をオフするパルスの時間の関係である。スイッチ３１がオフの期間にセルバランスが行われる。入出力電流が小さい場合はスイッチ３１をオフしセルバランスを行う時間を長く確保し、入出力電流が大きい場合はスイッチ３１をオフしセルバランスを行う時間を短くする。このように、スイッチ３１を入出力電流の大きさに合わせて制御することで、入出力電流値に合わせたセルバランス動作が可能となる。

実施例について図面を参照して説明する。

図５に本実施例に用いた回路図を示す。リチウムイオン二次電池２４の電池容量は２Ａｈ、充電の上限電圧は４．２Ｖ、放電下限電圧は３．０Ｖである。並列に接続するコンデンサ５２の容量は１０００ｕＦであり、直列に接続されてコンデンサの電流を制限する抵抗５３は１０Ωである。セルバランス電流を制限する抵抗２６は１Ωである。それぞれのスイッチはリレーを用いており、そのオン／オフは制御部４１によって制御される。

図６に本実施例において容量差のある２つのリチウムイオン二次電池２４を並列に接続しセルバランスを行った時の電圧カーブと電流カーブを示す。高容量電池の電圧がＶ１、電流がＩ１であり低容量電池の電圧がＶ２、電流がＩ２である。その結果、電池間に流れる電流は電池電圧差が小さくなるにつれて小さくなり、電池電圧が一致したところで電流は流れなくなった。

図７は本実施例において容量差のある２つのリチウムイオン二次電池２４を直列に接続し、定電流定電圧充電を行った結果の充電カーブである。充電条件は設定電圧が８．４Ｖ、電流は１Ｃとして２Ａで２時間半行った。高容量電池の電圧がＶ１、低容量電池の電圧がＶ２、充放電電流はＩである。高容量電池は４．０Ｖで定電流定電圧充電されるが、低容量電池は４．４Ｖで定電流定電圧充電される。よって、低容量電池は充電時の電池電圧が充電上限電圧より高いため電池性能が劣化する。

次に、本実施例において容量差のある２つのリチウムイオン二次電池２４を本蓄電システムに組み込んだ結果を示す。充電条件は上記と同様である。

図８に、本実施例の蓄電システムにおける充電カーブを示す。セルバランス動作により二次電池電圧が高い方から低い方へ電流が流れるため、初期状態の電圧ばらつきが充電中に小さくなり最終的には２つの電池の電圧は４．２Ｖに一致した。よって、一方の電池のみが劣化することはない。

図９に本実施例において容量差のある２つのリチウムイオン二次電池２４を直列に接続し、定電流放電を行った結果の放電カーブを示す。用いたリチウムイオン二次電池２４は上記と同様である。放電電流は０．５Ｃとして１Ａである。高容量電池の電圧がＶ１、低容量電池の電圧がＶ２、充放電電流はＩである。各電池の過放電電圧閾値は３．０Ｖである。この結果、電池の容量ばらつきにより低容量電池が先に３．０Ｖになったところで放電は停止した。

次に、本実施例において容量差のある２つのリチウムイオン二次電池２４を本蓄電システムに組み込んだ結果を示す。放電条件は上記と同様である。

図１０に、本実施例の蓄電システムにおける放電カーブを示す。電池の放電を行いながら２つの電池の電圧ばらつきが小さくなり最終的には一致した。その後、各電池電圧が共に３．０Ｖになった時点で放電が停止した。その結果、電圧ばらつきがなくなったことで放電できる時間が増え、電池の放電容量が増加した。

放電時に電流値の大きさに合わせてスイッチ３２のタイミング制御した場合の効果について説明する。

図１１は、本実施例において、スイッチ３２のタイミング制御を行う前の結果であり、放電電流が変化した場合のコンデンサ５２の電圧変化を示す。スイッチ３２は一定の間隔でオン／オフし、スイッチ３２がオフの期間にセルバランス動作が行われる。この結果、セルバランス動作中に放電電流が増加すると、コンデンサ５２からの放電電流が増大し、コンデンサ電圧の低下が大きいことが分かる。

次に、図１２に、本実施例においてスイッチ３２のタイミング制御を行った後の結果を示す。放電電流条件は上記と同様である。スイッチ３２は放電電流の大きさに合わせてオン／オフする期間を変化させ、電流が増加するとスイッチ３２がオフする期間を小さくする。その結果、コンデンサ５２からの放電電流が増大しても、電圧低下が小さくできることが分かる。よって、接続される負荷への電圧変動の影響を小さくすることが可能となった。

以上のように、本発明に係る蓄電システムは、複数の二次電池を多数直列に接続した蓄電システムにおいて有用である。

１０：蓄電システム
２０：第１の蓄電ユニット
２１：二次電池セルまたはモジュール
２２：直並列切り替えスイッチ
２３：電流制限抵抗
２４：リチウムイオン二次電池
２５：リレー
２６：電流制限抵抗
３０：スイッチ
３１：スイッチ
３２：リレー
４０：制御部
４１：制御部
４２：電池監視装置
４３：電流検出抵抗
５０：第２の蓄電ユニット
５１、５２：コンデンサ
５３：電流制限抵抗
６１：プラス端子
６２：マイナス端子

Claims

第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットと制御部を備えた蓄電システムであって、前記第１の蓄電ユニットは直並列を切り替える第１のスイッチを介して二次電池が交互に直列接続され、前記第１の蓄電ユニットは第２のスイッチを介して前記第２の蓄電ユニットに並列に接続され、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは前記制御部によって制御され、前記制御部は前記第２のスイッチがオフ後に前記第１のスイッチがオンすることで前記二次電池を並列接続する蓄電システム。
前記二次電池毎に電圧検出部を備え、前記制御部は前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御する請求項１に記載の蓄電システム。
前記第１および第２の蓄電ユニットの入出力電流を検出する電流検出部を備え、前記制御部は前記電流検出部の検出結果に基づいて前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御することを備えた請求項１または請求項２に記載の蓄電システム。