JP2015226372A

JP2015226372A - 充放電システム

Info

Publication number: JP2015226372A
Application number: JP2014109374A
Authority: JP
Inventors: 昌利内田; Masatoshi Uchida; 啓二宿谷; Keiji Shukutani; 尚登榎島; Naoto Enoshima; 純市渥美; Sumiichi Atsumi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: JP6197744B2

Abstract

【課題】任意の蓄電グループを任意の充放電装置に接続することができるシステムを提供する。
【解決手段】第１切換装置（２０）は、各蓄電グループ（１０，１１，１２，１３）に接続されたスイッチ素子（ＳＷ２１〜ＳＷ２８，ＳＷ３１〜ＳＷ３８）を備えており、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、充放電装置（４１〜４３）に接続される蓄電グループを切り替える。第２切換装置（３０）は、各充放電装置に接続されたスイッチ素子（ＳＷ１１〜ＳＷ１６）を備えており、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、蓄電グループに接続される充放電装置を切り替える。これにより、任意の蓄電グループを任意の充放電装置に接続することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された複数の蓄電素子を備えた蓄電装置を充放電するシステムに関する。

特許文献１では、複数の電池モジュールが直列に接続されたバッテリを充放電装置に接続し、バッテリを充電又は放電することにより、バッテリの寿命を診断している。

特開２０１１−０６４５７１号公報

特許文献１では、バッテリを充放電装置に接続しているため、バッテリが充放電され、バッテリに含まれる任意の電池モジュールだけを充放電させることはできない。また、特許文献１では、１つの充放電装置をバッテリに接続しているが、複数種類の充放電装置が用意されることがある。これらの充放電装置を使い分けるときには、使用する充放電装置を交換する作業が必要になる。

本発明の充放電システムは、蓄電装置と、複数の充放電装置と、第１切換装置と、第２切換装置とを有する。蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子を有する。充放電装置は、少なくとも１つの蓄電素子を含む蓄電グループを充電又は放電させるために用いられる。ここで、複数の充放電装置では、充電時又は放電時における電力が互いに異なる。蓄電グループには、１つの蓄電素子、直列に接続された２つ以上の蓄電素子、蓄電装置が含まれる。

第１切換装置は、各蓄電グループに接続されたスイッチ素子を備えており、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、充放電装置に接続される蓄電グループを切り替える。第２切換装置は、各充放電装置に接続されたスイッチ素子を備えており、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、蓄電グループに接続される充放電装置を切り替える。

本発明によれば、第１切換装置に含まれるスイッチ素子のオンおよびオフを切り替えることにより、任意の蓄電グループを充放電装置に接続することができる。また、第２切換装置に含まれるスイッチ素子のオンおよびオフを切り替えることにより、任意の充放電装置を蓄電グループに接続することができる。

充放電システムの構成を示す図である。第２切換装置の構成を示す図である。電池パックおよび第１切換装置の構成を示す図である。電池ブロックおよび第１切換装置の構成を示す図である。電池ブロックを充放電するときの電流経路を説明する図である。１つの単電池を充放電するときの電流経路を説明する図である。１つの単電池を充放電するときの電流経路を説明する図である。１つの単電池を充放電するときの電流経路を説明する図である。１つの単電池を充放電するときの電流経路を説明する図である。対象電池および充放電装置を接続する処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例における充放電システムを示す。図１に示すように、電池パック（本発明の蓄電システムに相当する）１０における正極端子および負極端子には、第１切換装置２０が接続されている。第１切換装置２０は、後述するように、電池パック１０内において、充放電の対象となる電池（以下、対象電池という）を切り替える。第１切換装置２０には、第２切換装置３０が接続されている。

第２切換装置３０は、第１切換装置２０（すなわち、対象電池）と接続される充放電装置を切り替える。具体的には、第２切換装置３０は、第１充放電装置４１、第２充放電装置４２および第３充放電装置４３のうちのいずれかを第１切換装置２０と接続させる。

第１充放電装置４１、第２充放電装置４２および第３充放電装置４３は、第１切換装置２０によって切り替えられた対象電池を充電又は放電するために用いられる。第１充放電装置４１を用いた充放電時の電力は、第２充放電装置４２を用いた充放電時の電力よりも低い。第２充放電装置４２を用いた充放電時の電力は、第３充放電装置４３を用いた充放電時の電力よりも低い。充放電装置の数は、適宜設定することができる。ここで、充放電時の電力が互いに異なる複数の充放電装置を用いることができる。

充放電装置４１〜４３は、対象電池を充電したり、放電したりすることができるが、これに限るものではない。すなわち、充放電装置４１〜４３の代わりに、対象電池を充電するだけの充電装置を用いたり、対象電池を放電するだけの放電装置を用いたりすることができる。

入力端末５０は、第１切換装置２０および第２切換装置３０に接続されている。入力端末５０では、使用者の操作によって、対象電池を特定するための情報が入力され、この入力情報は、入力端末５０から第１切換装置２０に送信される。また、入力端末５０では、使用者の操作によって、充放電装置４１〜４３を特定するための情報が入力され、この入力情報は、入力端末５０から第２切換装置３０に送信される。

図２に示すように、第２切換装置３０は、コントローラ３１およびスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１６を有する。コントローラ３１は、入力端末５０からの情報（充放電装置４１〜４３を特定する情報）に基づいて、各スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１６のオンおよびオフを制御する。各スイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の一端は、第１充放電装置４１に接続され、各スイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の他端は、第１切換装置２０に接続されている。スイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ１２だけがオンであるとき、第１充放電装置４１を第１切換装置２０に接続することができる。

各スイッチ素子ＳＷ１３，ＳＷ１４の一端は、第２充放電装置４２に接続され、各スイッチ素子ＳＷ１３，ＳＷ１４の他端は、第１切換装置２０に接続されている。スイッチ素子ＳＷ１３，ＳＷ１４だけがオンであるとき、第２充放電装置４２を第１切換装置２０に接続することができる。各スイッチ素子ＳＷ１５，ＳＷ１６の一端は、第３充放電装置４３に接続され、各スイッチ素子ＳＷ１５，ＳＷ１６の他端は、第１切換装置２０に接続されている。スイッチ素子ＳＷ１５，ＳＷ１６だけがオンであるとき、第３充放電装置４３を第１切換装置２０に接続することができる。

図３に示すように、電池パック１０は、直列に接続された２つの電池スタック１１を有する。ここで、電池パック１０を構成する電池スタック１１の数（直列接続の数）は、適宜設定できる。電池スタック１１は、直列に接続された２つの電池ブロック１２を有する。電池スタック１１を構成する電池ブロック１２の数（直列接続の数）は、適宜設定できる。

第１切換装置２０は、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２８およびコントローラ２１を有する。コントローラ２１は、入力端末５０からの情報（対象電池を特定する情報）に基づいて、各スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２８のオンおよびオフを制御する。各スイッチ素子ＳＷ２１，ＳＷ２２の一端は、電池ブロック１２における正極端子および負極端子にそれぞれ接続され、各スイッチ素子ＳＷ２１，ＳＷ２２の他端は、第２切換装置３０に接続されている。スイッチ素子ＳＷ２３〜ＳＷ２８についても同様である。

スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２８のオンおよびオフを制御することにより、任意の１つの電池ブロック１２だけを第２切換装置３０に接続したり、任意の１つの電池スタック１１だけを第２切換装置３０に接続したり、電池パック１０を第２切換装置３０に接続したりすることができる。

図４に示すように、電池ブロック１２は、直列に接続された４つの単電池（本発明の蓄電素子に相当する）１３（１３Ａ〜１３Ｄ）によって構成されている。ここで、電池ブロック１２を構成する単電池１３の数（直列接続の数）は、適宜設定することができる。単電池１３Ａ〜１３Ｄとしては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。単電池１３としては、いわゆる角形電池を用いたり、いわゆる円筒型電池を用いたりすることができる。

１つの発電要素を１つの電池ケースに収容することにより、単電池１３を構成することもできるし、直列に接続された複数の発電要素を１つの電池ケースに収容することにより、単電池１３を構成することもできる。発電要素とは、充放電を行う要素であり、公知のように、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置される電解質とによって構成される。

図４に示す「＋」および「−」は、単電池１３の電極端子（正極端子や負極端子）を示す。単電池１３Ａの負極端子は、電池ブロック１２の負極端子となる。単電池１３Ｄの正極端子は、電池ブロック１２の正極端子となる。隣り合って配置された２つの単電池１３において、一方の単電池１３の正極端子と、他方の単電池１３の負極端子とには、バスバーが接続される。これにより、単電池１３Ａ〜１３Ｄが直列に接続される。

第１切換装置２０は、図３に示すスイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２８に加えて、図４に示すスイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３８を有する。図３に示すコントローラ２１は、各スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３８のオンおよびオフも制御する。

単電池１３Ａの正極端子には、スイッチ素子ＳＷ３１の一端が接続され、単電池１３Ａの負極端子には、スイッチ素子ＳＷ３２の一端が接続されている。ここで、単電池１３Ａの負極端子には、スイッチ素子ＳＷ２２の一端も接続されている。スイッチ素子ＳＷ３１の他端は、スイッチ素子ＳＷ３２の他端に接続されている。スイッチ素子ＳＷ３１，ＳＷ３２の接続点には、単電池１３Ｂの負極端子が接続されているとともに、スイッチ素子ＳＷ３３の一端が接続されている。

単電池１３Ｂの正極端子には、スイッチ素子ＳＷ３４の一端が接続されており、スイッチ素子ＳＷ３４の他端は、スイッチ素子ＳＷ３３の他端に接続されている。スイッチ素子ＳＷ３３，ＳＷ３４の接続点には、単電池１３Ｃの負極端子が接続されている。単電池１３Ｃの正極端子には、スイッチ素子ＳＷ３５の一端が接続されている。スイッチ素子ＳＷ３５の他端には、スイッチ素子ＳＷ３６の一端が接続されており、スイッチ素子ＳＷ３６の他端は、スイッチ素子ＳＷ３３，ＳＷ３４の接続点と、単電池１３Ｃの負極端子とに接続されている。

単電池１３Ｄの負極端子には、スイッチ素子ＳＷ３７の一端が接続されており、スイッチ素子ＳＷ３７の他端は、スイッチ素子ＳＷ３５，ＳＷ３６の接続点に接続されている。単電池１３Ｄの正極端子には、スイッチ素子ＳＷ３８の一端が接続されており、スイッチ素子ＳＷ３８の他端は、スイッチ素子ＳＷ３５，ＳＷ３６，ＳＷ３７の接続点に接続されている。ここで、単電池１３Ｄの正極端子には、スイッチ素子ＳＷ２１の一端も接続されている。

図４では、図３に示すスイッチ素子ＳＷ２１，ＳＷ２２と接続される電池ブロック１２の構成を示しているが、他の電池ブロック１２の構成についても、図４に示す構成と同様である。図４に示す構成によれば、スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３８のオンおよびオフを制御することにより、単電池１３Ａ〜１３Ｄのいずれか１つを第２切換装置３０に接続することができる。また、各単電池１３Ａ〜１３Ｄを第２切換装置３０に接続するときには、スイッチ素子ＳＷ２１，ＳＷ２２がオンになる。

図５に示すように、スイッチ素子ＳＷ３１，ＳＷ３４，ＳＷ３５，ＳＷ３７だけをオンにすれば、電池ブロック１２（４つの単電池１３Ａ〜１３Ｄ）を第２切換装置３０に接続することができる。これにより、電池ブロック１２を充放電させることができる。図５では、電池ブロック１２を充放電するときの電流経路を点線で示している。

図６に示すように、スイッチ素子ＳＷ３１，ＳＷ３３，ＳＷ３６，ＳＷ３８だけをオンにすれば、単電池１３Ａを第２切換装置３０に接続することができる。これにより、単電池１３Ａを充放電させることができる。図６では、単電池１３Ａを充放電するときの電流経路を点線で示している。図７に示すように、スイッチ素子ＳＷ３２，ＳＷ３４，ＳＷ３６，ＳＷ３８だけをオンにすれば、単電池１３Ｂを第２切換装置３０に接続することができる。これにより、単電池１３Ｂを充放電させることができる。図７では、単電池１３Ｂを充放電するときの電流経路を点線で示している。

図８に示すように、スイッチ素子ＳＷ３２，ＳＷ３３，ＳＷ３５，ＳＷ３８だけをオンにすれば、単電池１３Ｃを第２切換装置３０に接続することができる。これにより、単電池１３Ｃを充放電させることができる。図８では、単電池１３Ｃを充放電するときの電流経路を点線で示している。図９に示すように、スイッチ素子ＳＷ３２，ＳＷ３３，ＳＷ３６，ＳＷ３７だけをオンにすれば、単電池１３Ｄを第２切換装置３０に接続することができる。これにより、単電池１３Ｄを充放電させることができる。図９では、単電池１３Ｄを充放電するときの電流経路を点線で示している。

なお、スイッチ素子の配置は、図４に示す構成に限るものではない。各単電池１３Ａ〜１３Ｄにスイッチ素子を接続し、各単電池１３Ａ〜１３Ｄを充放電できる電流経路を形成できればよい。

図３から図９で説明したように、電池パック１０、電池スタック１１、電池ブロック１２又は単電池１３を、対象電池（本発明の蓄電グループに相当する）として、第２切換装置３０に接続することができる。電池パック１０、電池スタック１１、電池ブロック１２および単電池１３のいずれかを、充放電装置４１〜４３のいずれかに接続して充放電を行うことにより、劣化診断処理、ＳＯＣ調整処理や完全放電処理を行うことができる。ここで、図１に示す入力端末５０では、劣化診断処理、ＳＯＣ調整処理又は完全放電処理を指示する情報を入力することができる。この入力情報は、充放電装置４１〜４３に送信され、入力端末５０からの情報を受信した充放電装置４１〜４３は、受信した情報に応じた処理を行う。

劣化診断処理は、対象電池（電池パック１０、電池スタック１１、電池ブロック１２又は単電池１３）の劣化状態を診断（把握）する処理である。例えば、対象電池を充電又は放電しながら、対象電池の電圧値を検出すれば、対象電池の劣化状態を把握することができる。具体的には、対象電池を放電したときの電圧値の挙動を示す放電カーブを取得すれば、この放電カーブに基づいて、対象電池の劣化状態を把握できる。

放電カーブとは、対象電池を放電したときの時間と、対象電池の電圧値との関係を示す。対象電池の劣化が進行するほど、対象電池の内部抵抗値が上昇し、対象電池の電圧値が低下しやすくなるため、この点に基づいて、対象電池の劣化状態を把握できる。なお、対象電池の電流値や電圧値を検出すれば、公知の手法を用いて、対象電池の劣化状態を把握することができる。

ＳＯＣ調整処理とは、対象電池のＳＯＣ（State of Charge）を目標値まで変化させる処理である。ＳＯＣとは、満充電容量に対する、現在の充電容量の割合である。ここで、ＳＯＣ調整処理によれば、２つの電池スタック１１におけるＳＯＣを揃えたり、複数の電池ブロック１２におけるＳＯＣを揃えたり、複数の単電池１３におけるＳＯＣを揃えたりすることができる。完全放電処理とは、対象電池のＳＯＣが０％となるまで、対象電池を放電させる処理である。電池パック１０を解体するときなどにおいて、完全放電処理を行うことができる。

対象電池および充放電装置４１〜４３を接続するときの処理について、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１０１において、第１切換装置２０のコントローラ２１は、入力端末５０から送信された情報に基づいて、対象電池を特定する。ステップＳ１０２において、コントローラ２１は、ステップＳ１０１の処理で特定した対象電池を充放電できるように、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２８，ＳＷ３１〜ＳＷ３８のオンおよびオフを制御する。これにより、対象電池を充放電させるための電流経路が形成される。

ステップＳ１０３において、第２切換装置３０のコントローラ３１は、入力端末５０から送信された情報に基づいて、充放電装置４１〜４３の１つを特定する。また、コントローラ３１は、スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１６のオンおよびオフを制御することにより、充放電装置４１〜４３のうち、特定した充放電装置を第１切換装置２０に接続する。

これにより、特定された充放電装置が対象電池と接続される。充放電装置４１〜４３のうち、特定された充放電装置が対象電池と接続された後は、充放電装置において、劣化診断処理、ＳＯＣ調整処理および完全放電処理のいずれかが行われる。

１０：電池パック、１１：電池スタック、１２：電池ブロック、１３：単電池、
２０：第１切換装置、３０：第２切換装置、４１：第１充放電装置、
４２：第２充放電装置、４３：第３充放電装置、５０：入力端末

Claims

直列に接続された複数の蓄電素子を有する蓄電装置と、
互いに異なる電力において、少なくとも１つの前記蓄電素子を含む蓄電グループを充電又は放電させるための複数の充放電装置と、
前記各蓄電グループに接続されたスイッチ素子を備え、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、前記充放電装置に接続される前記蓄電グループを切り替える第１切換装置と、
前記各充放電装置に接続されたスイッチ素子を備え、このスイッチ素子のオンおよびオフによって、前記蓄電グループに接続される前記充放電装置を切り替える第２切換装置と、
を有することを特徴とする充放電システム。