JP2016005362A - 二次電池システム及び二次電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池システムが備えている二次電池の電池容量を無駄なく使い切る。
【解決手段】二次電池システム１０は、二次電池１１と、二次電池１１と負荷５との間に設けられかつスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を含むＤＣ−ＤＣコンバータ２０と、これらスイッチを制御する制御部３０とを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、前記スイッチの状態に応じて、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モード、及び、前記スイッチがオンオフスイッチングすることで二次電池１１の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとなる回路構成を有している。制御部３０による前記スイッチの制御により、二次電池１１の電圧が負荷５の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が前記第１放電モードとなり、二次電池１１の電圧が前記所定電圧未満である場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が前記第２放電モードとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池システム及び二次電池システムの制御方法であり、特に、二次電池からＤＣ−ＤＣコンバータを介して負荷へ電力供給するための技術に関する。

近年、例えば停電時の非常用電源として使用することのできる二次電池を備えたシステムの市場ニーズが高まっている。前記システムの二次電池として、溶融塩電池、ナトリウム硫黄電池、リチウムイオン電池及び鉛蓄電池等が知られているが、これらの中でも、溶融塩電池（例えば特許文献１参照）は、高いエネルギー密度を備えていることに加えて、不燃性であるという利点を有しており注目されている。

特開２０１４−５６８１１号公報

前記のようなシステムでは、設備機械等の負荷が必要とする電圧を確保するために、複数個の二次電池セルを直列に接続して二次電池（組電池）を構成するのが一般的である。二次電池セルのセル電圧は、例えばリチウム電池の場合、約３．７Ｖであるが、実際には３．０Ｖ〜４．１Ｖの範囲で使用可能となるものがある。
したがって、例えば負荷の定格電圧が４８Ｖである場合、１３個のリチウム電池セルを直列に接続して二次電池（組電池）を構成すればよいが、実際、この二次電池は、３９Ｖ〜５３．３Ｖの範囲で使用可能となる。

一方、設備機械等の負荷において、その動作保証電圧の範囲（動作電圧範囲）は、定格電圧の±１０％とされている場合が多く、定格電圧が４８Ｖであると、動作保証電圧の範囲は４３．２Ｖ〜５２．８Ｖとなる。
この場合、二次電池の最低使用可能電圧（使用可能電圧の範囲の最小値）である３９Ｖ以上であって、負荷の最低動作保証電圧（動作保証電圧の範囲の最小値）である４３．２Ｖ未満の電圧範囲では、この負荷が正常に作動しないおそれがある。このため、二次電池の電圧が最低動作保証電圧（４３．２Ｖ）を下回ると、この二次電池から負荷への電力供給を停止する必要がある。

二次電池の電圧が、負荷の最低動作保証電圧（４３．２Ｖ）を下回る場合、その二次電池には、最低使用可能電圧（３９Ｖ）で電力供給可能とする電池容量が残されているにも関わらず、その電池容量を使い切らないうちに負荷への電力供給を停止する必要があり、無駄が生じる。

そこで、本発明は、二次電池の電池容量を無駄なく使い切ることが可能となる二次電池システム、及び、このような二次電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る二次電池システムは、二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチを制御する制御部とを備えた二次電池システムであって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記スイッチの状態に応じて、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モード、及び、前記スイッチがオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとなる回路構成を有し、前記制御部による前記スイッチの制御により、前記二次電池の電圧が前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第１放電モードとなり、前記二次電池の電圧が前記所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第２放電モードとなる。

また、本発明の一態様に係る二次電池システムの制御方法は、二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた二次電池システムの制御方法であって、前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モードとし、前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記スイッチをオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとする。

本発明によれば、二次電池の電池容量を無駄なく使い切ることが可能となる。

本発明の一形態に係る二次電池システムの回路構成を示すブロック図である。 電源が正常に動作している状態を示す説明図である。 電源から負荷の電力供給が途絶えた状態（非常時）において、第１放電モードを説明する説明図である。 電源から負荷の電力供給が途絶えた状態（非常時）において、第２放電モードを説明する説明図である。 電源から負荷の電力供給が途絶えた状態（非常時）において、第２放電モードを説明する説明図である。 二次電池からの放電電圧の推移を示しているグラフである。 第１充電モード及び第２充電モードとなる場合のスイッチそれぞれの状態をまとめて示した説明図である。 第１放電モード及び第２放電モードとなる場合のスイッチそれぞれの状態をまとめて示した説明図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係る二次電池システムは、二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチを制御する制御部とを備えた二次電池システムであって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記スイッチの状態に応じて、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モード、及び、前記スイッチがオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとなる回路構成を有し、前記制御部による前記スイッチの制御により、前記二次電池の電圧が前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第１放電モードとなり、前記二次電池の電圧が前記所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第２放電モードとなる。

このように構成された二次電池システムによれば、二次電池の電圧が、負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータが第１放電モードとなり、この負荷が必要とする電力を供給し続けることができる。しかも、この第１放電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータは、二次電池の電圧をそのまま出力電圧とすることから、電力を供給している状態でスイッチに対するオンオフのスイッチング制御が不要であり、スイッチの故障発生を抑制することが可能となる。
そして、二次電池の電圧が、負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧未満となっても、ＤＣ−ＤＣコンバータが第２放電モードとなり、例えば二次電池の電池容量が無くなるまで（過放電となるまで）、電圧を昇圧して負荷に対して電力を供給することが可能となる。このため、二次電池の電池容量を無駄なく使い切ることができる。

（２）また、前記第１放電モードは、前記負荷と前記二次電池とが常時接続されたフロート状態であるのが好ましい。
この場合、二次電池から負荷への電力供給を開始する際にも、スイッチによるオンオフのスイッチング制御が不要となる。

（３）ここで、設備機械等の負荷に関して、動作保証電圧の範囲は定格電圧の±１０％に設定されている場合が多い。そこで、例えば最高動作保証電圧と同じ電池電圧で二次電池から負荷へ放電を開始し、時間が経過して、二次電池の電圧が２０％降下すると、このままでは、電池電圧は負荷の最低動作保証電圧を下回ることとなり、負荷への電力供給が不能となる。
したがって、前記二次電池が、充電完了状態から電池電圧が２０％降下した際の電池容量が３０％以上残る特性を有している場合、充電完了状態であってかつ前記のとおり負荷の最高動作保証電圧と同じ電池電圧で、この二次電池から負荷へ放電を開始し、時間が経過して、電池電圧が最低動作保証電圧に到達すると、電池容量は３０％以上残ることとなる。これでは、二次電池の電池容量が十分に使われておらず、無駄になってしまう。しかし、二次電池が前記のような特性を有していても、ＤＣ−ＤＣコンバータが第２放電モードとなり、二次電池の電池容量が無くなるまで（過放電となるまで）、電圧を昇圧して負荷に対して電力を供給することが可能となるため、二次電池の電池容量を無駄なく使い切ることができる。

（４）また、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、単一のインダクタの両側それぞれに一対のスイッチが接続された回路構成を有していると共に、一方側の前記一対のスイッチが入力及び他方側の前記一対のスイッチが出力となって動作可能であり、かつ、前記入力と前記出力とが反対となっても動作可能であるＨブリッジ回路を有している。
この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータは、条件に応じて二次電池から放電可能となったり二次電池へ充電可能となったりし、双方向のコンバータとして機能することができる。

（５）また、本発明の一態様にかかる二次電池システムの制御方法は、二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた二次電池システムの制御方法であって、前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モードとし、前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記スイッチをオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとする。

この制御方法によれば、二次電池の電圧が、負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータが第１放電モードとなり、この負荷が必要とする電力を供給し続けることができる。しかも、この第１放電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータは、二次電池の電圧をそのまま出力電圧とすることから、電力を供給している状態でスイッチに対するオンオフのスイッチング制御が不要であり、スイッチの故障発生を抑制することが可能となる。
そして、二次電池の電圧が、負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧未満となっても、ＤＣ−ＤＣコンバータが第２放電モードとなり、二次電池の電池容量が無くなるまで（過放電となるまで）、電圧を昇圧して負荷に対して電力を供給することが可能となる。このため、二次電池の電池容量を無駄なく使い切ることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
＜二次電池システムについて＞
図１は、本発明の一形態に係る二次電池システム１０の回路構成を示すブロック図である。本実施形態の二次電池システム１０は、設備機械等の負荷５が電源６に接続されて構成されている回路に接続されている。この二次電池システム１０は、電源６のバックアップ電源として二次電池１１を備えている他に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び制御部３０を備えている。

通常、負荷５は、電源６に接続されており、この電源６から電力供給されるが、この電源６が停電した場合や、電源６を使用しない場合にのみ、二次電池システム１０（二次電池１１）から負荷５へ電力が供給される。なお、本実施形態では、電源６から負荷５へ電力供給されている通常時において、二次電池１１はフロート接続された状態にあり、電源６からの電力供給が停止すると二次電池１１から電力供給される。このため、本実施形態の二次電池システム１０を無停電電源装置として使用することができる。

負荷５を、様々な電気機器とすることができるが、本実施形態の負荷５は直流のものであり、また、前記電源６も直流の電源である。なお、電源６が交流である場合、負荷５との間にＡＣ−ＤＣコンバータが介在していてもよい。
本実施形態では、負荷５の定格電圧は４８Ｖであり、その動作保証電圧は定格電圧の±１０％、つまり、４３．２Ｖ〜５２．８Ｖである。電源６は、定格電圧（４８Ｖ）を負荷５に対して供給するように構成されており、また、後にも説明するが、二次電池システム１０は、定格電圧（４８Ｖ）から最低動作保証電圧（動作保証電圧の範囲の最小値：４３．２Ｖ）までの電圧を負荷５に対して供給するように構成されている。

負荷５が必要とする電圧、つまり定格電圧４８Ｖを確保するために、二次電池１１は、複数個の電池セルを直列に接続して構成された組電池からなる。本実施形態では、電池セルのセル電圧が３．７Ｖであるため、１３個の電池セルが直列接続されている。また、本実施形態の二次電池１１（電池セル）は、放電を継続して行うと、電池電圧が降下する特性を有しており、このような二次電池１１の例としてはリチウム電池や溶融塩電池等がある。

制御部３０は、基板上に実装されたマイコンからなり、所定の制御プログラムに従ってＤＣ−ＤＣコンバータ２０が有するスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれのオンオフスイッチングを制御することができ、また、後述する二次電池システム１０の制御を実行する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、インダクタ２９、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４、及び整流器２１，２２，２３，２４を備えている。本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ２０は更にキャパシタ２５，２６を備えている。
スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれは、オンオフのスイッチング（切り替え）を行う構成であり、オン状態で通電可能、オフ状態で通電を遮断する。なお、以下に説明する図７と図８では、各スイッチのオンをＯＮと記載し、オフをＯＦＦと記載している。
スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、様々な形式のものを採用可能であるが、本実施形態は半導体スイッチング素子であり、特に、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）である。スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれは、制御部３０から出力される制御信号（駆動信号）を受けてオンからオフ及びオフからオンへと切り替わる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、負荷５及び電源６と、二次電池１１との間に設けられており、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を構成する前記各素子は、図１に示すように電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、Ｈブリッジが構成されており、インダクタ２９を中心とした対称型の回路構成を有している。以下、具体的な回路構成を説明する。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０において、電源６及び負荷５が接続される側を「一次側」と呼び、二次電池１１と接続される側を「二次側」と呼ぶ。

インダクタ２９の一次側の端部に第１スイッチＳ１の一端及び第２スイッチＳ２の一端が接続されており、インダクタ２９の二次側の端部に第３スイッチＳ３の一端及び第４スイッチＳ４の一端が接続されている。一対の第１及び第２スイッチＳ１，Ｓ２は、インダクタ２９に並列接続されている。一対の第３及び第４スイッチＳ３，Ｓ４は、インダクタ２９に並列接続されている。第１スイッチＳ１の他端と第３スイッチＳ３の他端とは接続されており、更に、これら他端の接続部は、一次側の第１端子７１及び二次側の第２端子７２を結ぶ線路に接続されている。第２スイッチＳ２の他端と第４スイッチＳ４の他端とは接続されておらず、第２スイッチＳ２の他端は第３端子７３と接続され、第４スイッチＳ４の他端は第４端子７４と接続されている。第１スイッチＳ１と第１整流器２１とは並列接続され、第２スイッチＳ２と第２整流器２２とは並列接続され、第３スイッチＳ３と第３整流器２３とは並列接続され、第４スイッチＳ４と第４整流器２４とは並列接続されている。第１キャパシタ２５は第１端子７１と第３端子７３との間に接続され、第２キャパシタ２６は第２端子７２と第４端子７４との間に接続されている。

このような構成によれば、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が制御部３０によってそれぞれ制御されることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、二次電池１１から負荷５へ電力を供給させる放電状態、及び、電源６から二次電池１１へ電力を供給させる充電状態のどちらかの状態となることができる。また、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が制御部３０によってそれぞれ制御されることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、充電に関して二つの動作モードを採ることができ、また、放電に関して二つの動作モードを採ることができる。

なお、二次電池１１にとって、一次側から二次側へ電流が流れる場合が充電であり、二次側から一次側へ電流が流れる場合が放電となる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、端子７１，７３が入力となりかつ端子７２，７４が出力となることで充電状態となり、これとは反対に、端子７２，７４が入力となりかつ端子７３，７１が出力となることで放電状態となる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の「充電状態」には、第１充電モード及び第２充電モードが含まれる。第１充電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が昇圧充電回路として機能する。第２充電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が降圧充電回路として機能する。
図７は、第１充電モード及び第２充電モードとなる場合のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれの状態をまとめて示した説明図である。図７に示すスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれにおいて、「オン（ＯＮ）」は短絡状態、「オフ（ＯＦＦ）」は開放状態、「ＳＷ」は例えばＰＷＭ制御等により適当な昇圧比又は降圧比となるようにオンオフ切り替えを継続して行うオンオフスイッチング状態である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の「放電状態」には、第１放電モード及び第２放電モードが含まれる。第１放電モードでは、二次電池１１をフロート接続した状態とする。第２放電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が昇圧放電回路として機能する。
図８は、第１放電モード及び第２放電モードとなる場合のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれの状態をまとめて示した説明図である。図８に示すスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４それぞれにおいて、「オン（ＯＮ）」は短絡状態、「オフ（ＯＦＦ）」は開放状態、「ＳＷ」は例えばＰＷＭ制御等により適当な昇圧比となるようにオンオフ切り替えを継続して行うオンオフスイッチング状態である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が第１放電モードにある状態を、図３に示している。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が第２放電モードにある状態を、図４及び図５に示している。第２放電モードでは、図４の状態と図５の状態とが交互に繰り返されることで、二次電池１１の電圧を昇圧して負荷５へ供給することが可能となる。

また、図１において、二次電池システム１０は、一次側の電流及び電圧を計測する電流計３６及び電圧計３８を有しており、また、二次側の電流及び電圧を計測する電流計３７及び電圧計３９を有している。一次側の電圧計３８は、第１端子７１と第３端子７３との間の電圧を計測し、二次側の電圧計３９は、第２端子７２と第４端子７４との間の電圧を計測する。計測値は制御部３０に送信され、制御部３０は計測値に基づいてスイッチング制御を行う。

以上より、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の構成をまとめて説明すると、図１に示すように、このＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、単一のインダクタ２９の両側それぞれに一対のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）（Ｓ３，Ｓ４）が接続されたＨブリッジ回路を有している。
そして、この回路構成を有するＤＣ−ＤＣコンバータ２０を、機能面から説明すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、一方側の一対のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）が入力、及び、他方側の一対のスイッチ（Ｓ３，Ｓ４）が出力となって充電動作可能である。更に、前記入力と前記出力とが反対となっても動作可能であり、このように反対になると放電動作可能となる。つまり、このＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、条件に応じて二次電池１１から放電可能となったり二次電池１１へ充電可能となったりし、双方向のコンバータとして機能することができる。しかも、充電の際に昇圧又は降圧可能となり、また、放電の際に昇圧可能である。

機能面に関して更に説明すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、図７に示すように、複数のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のオンオフの状態に応じて、つまりオンオフの切り替えに応じて、スイッチＳ３，Ｓ４がオンオフスイッチングすることで電源６の電圧を昇圧して二次電池１１へ出力する第１充電モード、及び、スイッチＳ１，Ｓ２がオンオフスイッチングすることで電源６の電圧を降圧して二次電池１１へ出力する第２充電モードとなることができる。

更に、このＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、図８に示すように、複数のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のオンオフの状態に応じて、つまりオンオフの切り替えに応じて、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モード（図３参照）、及び、スイッチＳ１，Ｓ２がオンオフスイッチングすることで二次電池１１の電圧を昇圧し出力する第２放電モード（図４及び図５参照）となることができる。なお、図８に示すように、第１放電モードでは、全てのスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４をオンオフスイッチングさせておらず、つまり昇圧制御や降圧制御を行うことなく、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧としている。

＜二次電池システム１０の制御方法について＞
以上の回路構成を備えた二次電池システム１０の制御方法について説明する。
図２は、電源６が正常に動作している状態を示す説明図である。図２に示す状態では、制御部３０からの制御信号により、第２スイッチＳ２がオン、第４スイッチＳ４がオン、第１スイッチＳ１がオフ、第３スイッチＳ３がオフの状態に維持されている。この場合、電源６から負荷５へ電力が供給され、また、電源６の電力は二次電池システム１０にも供給される状態にある。二次電池１１の電圧が電源６の電圧よりも小さい場合、充電が行われる。二次電池１１の電圧は、電圧計３９によって測定され、電源６の電圧は、電圧計３８によって測定される。

二次電池１１への充電に関して説明する。二次電池１１の最高使用可能電圧（使用可能電圧の範囲の最大値）が、負荷５の最高動作保証電圧（動作保証電圧の範囲の最大値）よりも高くても、この二次電池１１に対して、負荷５の最高動作保証電圧以上に充電は行われない。つまり、二次電池１１の電圧が負荷５の最高動作保証電圧に到達すると、制御部３０の機能により充電が停止される。したがって、この二次電池１１では、その電池電圧が負荷５の最高動作保証電圧となった状態が、充電完了状態であり、また、この状態が満充電状態とも言える。

二次電池１１による放電に関して説明する。図３は、電源６から負荷５への電力供給が途絶えた状態（非常時）を示す説明図である。電源６からの電力供給が途絶える原因としては、例えば電源６の故障、及びこの電源６へ給電する主電源（商用電源）の故障等がある。このように電源６からの電力供給が突然停止しても、その停止前から、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の第２スイッチＳ２及び第４スイッチＳ４がオン状態に維持されており、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３がオフ状態に維持されている。このため、電源６の停止と同時に、二次電池１１から負荷５へ電力供給が可能となり、負荷５が必要とする電圧を二次電池１１は供給することができる。つまり、電源６からの電力供給が停止すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、放電状態となる。

図６は、二次電池１１からの放電電圧の推移を示しているグラフである。横軸は、二次電池１１の放電開始時からの経過時間であり、縦軸は、電圧を示している。図６中の実線は、二次電池１１から負荷５への供給電圧（ＢＵＳ＿Ｖ）の推移であり、破線は、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）の推移である。
図６中の電圧Ｖａは、負荷５の最低動作保証電圧（動作保証電圧の最低値）であり、本実施形態では、最低動作保証電圧が４３．２Ｖである。図６によれば、二次電池１１の放電開始時から約５時間経過すると、二次電池１１の電池電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、最低動作保証電圧Ｖａ（４３．２Ｖ）まで降下し、それ以降、更に電池電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）は降下する。二次電池１１はこのような特性を有している。

そこで、二次電池１１の電池電圧は電圧計３９によって計測されており、その計測値が制御部３０に送信され、制御部３０は、この計測値と、負荷５の最低動作保証電圧（Ｖａ：４３．２Ｖ）以上の「所定電圧Ｖｂ」の値とを比較する。なお、この「所定電圧Ｖｂ」の値は規定の値であり、制御部３０にデータとして記憶されている。
比較の結果、二次電池１１の電池電圧（電圧計３９の計測値）が、前記所定電圧Ｖｂ以上である場合、つまり、図６において、二次電池１１の放電開始から約５時間については、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は前記第１放電モード（図３参照）にあり、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４においてオンオフスイッチングすることなく、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧として、負荷５へ出力する。

なお、前記「所定電圧Ｖｂ」は、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａに対して余裕を持たせた電圧であり、この余裕を例えば０．５Ｖ〜１Ｖとするのが好ましい。余裕を０．５Ｖとする場合、所定電圧Ｖｂは４３．７Ｖとなり、二次電池１１の電池電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、所定電圧Ｖｂ（４３．７Ｖ）以上である場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は前記第１放電モード（図３参照）にある。
ただし、前記余裕をゼロとして、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａを「所定電圧Ｖｂ」としてもよい。この場合、最低動作保証電圧Ｖａを閾値として、第１放電モードから、後に説明する第２放電モードへと切り替えられる。
しかし、所定電圧Ｖｂに余裕を持たせるのが好ましい。これは、余裕をゼロとして最低動作保証電圧Ｖａを基準としてモードの切り替えを行う場合、モード切り替えのタイミングによっては負荷５が動作しない時間が生じるかもしれないが、余裕を設けて最低動作保証電圧Ｖａよりも大きな所定電圧Ｖｂを、モード切り替えの基準とすることにより、事前に第１放電モードから第２放電モードへ切り替えることができ、この結果、負荷５が動作しない時間を生じさせないようにすることができるためである。
なお、この所定電圧Ｖｂの値は設定値であり、制御部３０に予め記憶されている。また、制御部３０に記憶させる所定電圧Ｖｂの値は、負荷５（最低動作保証電圧Ｖａ）に応じて変更可能（書き換え可能）である。

この図３に示す第１放電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における回路構成は、フロート接続に相当しており、二次電池１１の電圧（図６中の破線ＢＡＴ＿Ｖ）が、そのまま負荷５への供給電圧（ＢＵＳ＿Ｖ）となる。そして、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、前記所定電圧Ｖｂ（４３．７Ｖ）となるまで、フロート接続が維持される。
つまり、電源６の故障前、この電源６から負荷５へ電力供給がされている通常時において、制御部３０の制御により、スイッチＳ２とスイッチＳ４とがオン、スイッチＳ１とスイッチＳ３とがオフとされているが、電源６の故障後においても、そのままオンオフのスイッチングがされない状態が維持される。

このように、電源６から負荷５への電力供給が途絶え、二次電池１１から負荷５への電力供給が開始されても、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４においてスイッチング制御は行われない。したがって、第１放電モードでは、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、例えばショート故障のようなスイッチ故障の発生を抑制することができ、また、スイッチングによる損失が発生しないという利点がある。

そして、第１放電モードが継続され、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、前記所定電圧Ｖｂ（４３．７Ｖ）を下回ると、第２放電モードに切り替えられる。以下、この動作について説明する。

二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が電圧計３９によって計測されており、その計測値が制御部３０に送信され、制御部３０が、この計測値と、前記所定電圧Ｖｂの値とを比較する。そして、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、所定電圧Ｖｂ（４３．７Ｖ）を下回っていると判定されると、制御部３０は、放電電圧について、少なくとも負荷５の最低動作保証電圧を維持するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０により昇圧制御を行う。この昇圧制御を行っている場合の二次電池システム１０が図４及び図５に示されている。

二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、所定電圧Ｖｂを下回ると、昇圧制御のために、制御部３０から制御信号がスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４へ出力され、この制御信号に起因して、図４及び図５に示すように、第３スイッチＳ３はオフ状態を維持し、第４スイッチＳ４はオン状態を維持し、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２をオンオフスイッチングする。このスイッチング制御により、出力電圧を、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａ以上の値（例えば、所定電圧Ｖｂ）とする昇圧制御が行われる。

そして、このような昇圧制御を行う第２放電モードは、二次電池１１の電池容量がゼロとなる電圧（過放電保護電圧）まで継続される。つまり、二次電池１１の電池容量がゼロ（過放電保護電圧）となるまで、二次電池１１の電力を負荷５に供給することができ、二次電池１１の電池容量を無駄なく使い切ることが可能となる。

以上のように、この二次電池システム１０に含まれる二次電池１１は、放電を継続することで、徐々に電池電圧が降下し、やがて負荷５の最低動作保証電圧Ｖａを下回るような特性を有するが、本実施形態の二次電池システム１０の制御方法によれば、このような二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａ以上の所定電圧Ｖｂ以上である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作モードを、第１放電モードとして、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４をオンオフスイッチングすることなく、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧とする。そして、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、前記所定電圧Ｖｂ未満である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作モードを、第２放電モードとして、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を適宜オンオフスイッチングすることで二次電池１１の電圧を昇圧し出力する。

このように構成された二次電池システム１０及びその制御方法によれば、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａ以上の所定電圧Ｖｂ以上であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が第１放電モードとなり、この負荷５が必要とする電力を供給し続けることができる。しかも、この第１放電モードでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、二次電池１１の電圧をそのまま出力電圧とすることから、電力を供給している状態でスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対するオンオフのスイッチング制御が不要であり、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の故障発生を抑制することが可能となる。

この第１放電モードは、二次電池１１及び電源６が、負荷５に常時接続されたたフロート状態であるため、二次電池１１から負荷５への電力供給を開始する際にも、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のオンオフのスイッチング制御が不要となる。また、電源６から負荷５への電力供給が停止されると、瞬時に二次電池１１から負荷５への電力供給を開始することが可能となる。つまり、二次電池システム１０は、無停電電源装置として機能することができる。

そして、二次電池１１の電圧（ＢＡＴ＿Ｖ）が、所定電圧Ｖｂ未満となっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が第２放電モードとなり、二次電池１１の電池容量が無くなるまで（過放電となるまで）、電圧を昇圧して負荷５に対して電力を供給することが可能となる。このため、二次電池１１の電池容量を無駄なく使い切ることができる。この放電の際、二次電池１１の電圧が例えば所定電圧Ｖｂとなるまで昇圧され、負荷５に対して所定電圧Ｖｂの電力を供給することが可能となる。

また、前記のとおり、二次電池１１は、放電を継続することで、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａを下回るような特性を有しており、更に、この二次電池１１は、充電完了状態（満充電状態）から電池電圧が２０％降下した際の電池容量が３０％以上残る特性を有している。
また、本実施形態の二次電池システム１０が備える二次電池１１は、放電を継続することで、負荷５の最低動作保証電圧Ｖａを下回るような特性を有しており、更に、充電完了状態（満充電状態）から電池電圧が２０％降下した際の電池容量が５０％以上残る特性を有しているものであってもよい。
このように、電池電圧が２０％降下した際に電池容量が多く残る（３０％又は５０％残る）ような二次電池１１であっても、本実施形態の二次電池システム１０によれば、二次電池１１の電池容量を無駄なく使い切ることができる。なお、前記のような特性を有する二次電池としては、例えば、リチウム電池、溶融塩電池等がある。

ここで、二次電池１１の電池電圧が２０％降下した際に電池容量、及び、二次電池１１の電池容量の使い切りに関して更に説明する。
前記のとおり、本実施形態の負荷５では、動作保証電圧の範囲が定格電圧の±１０％に設定されている。そこで、負荷５の最高動作保証電圧（動作保証電圧の範囲の最大値）と同じ電池電圧でかつ充電完了状態（満充電状態）にある二次電池１１から負荷５へ放電を開始し、時間が経過して、その二次電池１１の電池電圧が２０％降下すると、このままでは、その電池電圧は負荷５の最低動作保証電圧（動作保証電圧の範囲の最小値）を下回ることとなり、負荷５への電力供給が不能となる。

そして、本実施形態のように二次電池１１が、充電完了状態（満充電状態）から電池電圧が２０％降下した際の電池容量が３０％（又は５０％）以上残る特性を有している場合には、充電完了状態であってかつ前記のとおり最高動作保証電圧と同じ電池電圧で、この二次電池１１から負荷５へ放電を開始し、時間が経過して、電池電圧が最低動作保証電圧に到達すると、電池容量は３０％（又は５０％）以上残ることとなる。これでは、二次電池１１の電池容量が十分に使われておらず、無駄になってしまう。

そこで、二次電池１１が前記のような特性を有していても、本実施形態の二次電池システム１０によれば、放電を継続して行い電池電圧が降下して最低動作保証電圧に到達しても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が第２放電モードとなる。これにより、二次電池１１の電池容量が無くなるまで（過放電となるまで）、電圧を昇圧して負荷５に対して電力を供給することが可能となり、二次電池１１の電池容量を無駄なく使い切ることができる。

［付記］
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

前記実施形態では、第１放電モードでは、二次電池１１はフロート接続されている場合について説明したが、電源６からの電力供給が途絶えた際にのみ、例えばスイッチＳ２とスイッチＳ４との内の一方がオンの状態のままで、他方がオフからオンへと切り替えられ、二次電池１１から負荷５へ電力の供給が開始され、その後は、第２放電モードに切り替えられるまでの間、スイッチＳ２，Ｓ４のオンオフスイッチングが行われないように制御してもよい。
この場合も、電源６からの電力供給が途絶えた際にのみ、一つのスイッチ（Ｓ２又はＳ４）がオフからオンへと一度切り替えられるが、その後、第１放電モードの間は、スイッチのオンオフの切り替えがないため、故障（ショート故障）発生の確率を低減することが可能となる。

５ 負荷
６ 電源
１０ 二次電池システム
１１ 二次電池
２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１ 第１整流器
２２ 第２整流器
２３ 第３整流器
２４ 第４整流器
２５ 第１キャパシタ
２６ 第２キャパシタ
２９ インダクタ
３０ 制御部
３６ 電流計
３７ 電流計
３８ 電圧計
３９ 電圧計
７１ 第１端子
７２ 第２端子
７３ 第３端子
７４ 第４端子
Ｓ１ スイッチ
Ｓ２ スイッチ
Ｓ３ スイッチ
Ｓ４ スイッチ

Claims (5)

1. 二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータと、前記スイッチを制御する制御部と、を備えた二次電池システムであって、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記スイッチの状態に応じて、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モード、及び、前記スイッチがオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとなる回路構成を有し、
   前記制御部による前記スイッチの制御により、前記二次電池の電圧が前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第１放電モードとなり、前記二次電池の電圧が前記所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記第２放電モードとなる二次電池システム
2. 前記第１放電モードは、前記負荷と前記二次電池とが常時接続されたフロート状態である請求項１に記載の二次電池システム。
3. 前記二次電池は、充電完了状態から電池電圧が２０％降下した際の電池容量が３０％以上残る特性を有している請求項１又は２に記載の二次電池システム。
4. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、単一のインダクタの両側それぞれに一対のスイッチが接続された回路構成を有していると共に、一方側の前記一対のスイッチが入力及び他方側の前記一対のスイッチが出力となって動作可能であり、かつ、前記入力と前記出力とが反対となっても動作可能であるＨブリッジ回路を有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池システム。
5. 二次電池と、前記二次電池と負荷との間に設けられかつ複数のスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータと、を備えた二次電池システムの制御方法であって、
   前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧以上である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記二次電池の電圧をそのまま出力電圧とする第１放電モードとし、
   前記二次電池の電圧が、前記負荷の最低動作保証電圧以上の所定電圧未満である場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードを、前記スイッチをオンオフスイッチングすることで前記二次電池の電圧を昇圧し出力する第２放電モードとする
   二次電池システムの制御方法。

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