JP2016040999A - 蓄電池装置の充電状態均等化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池の劣化を抑制しながら各単電池の充電状態を均等化することが可能な蓄電池装置の充電状態均等化方法を提供する。【解決手段】蓄電池装置１の充電状態均等化方法は、互いに直列接続された複数の単電池２と、前記複数の単電池２の各々に並列に接続されると共に導通状態及び遮断状態に切り換え可能な複数のバイパス回路３と、を備える蓄電池装置の充電状態均等化方法である。この方法は、第１ステップと第２ステップとを備える。第１ステップにおいては、複数の単電池２の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで複数の単電池２の各々を放電させる。第２ステップにおいては、基準電圧より高い電圧を有する単電池２の電圧が基準電圧に等しくなるまで、当該単電池に並列に接続されたバイパス回路３を導通状態として当該単電池２を放電させる。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池装置の充電状態均等化方法に関する。

特許文献１には、二次電池のセル電圧バランス装置が記載されている。このセル電圧バランス装置は、互いに直列に接続された複数の単電池と、各単電池と並列に接続された電流路と、電流路に流す電流を制御する電流制御手段と、を備える。電流制御手段は、単電池の電圧がバランス動作開始電圧以上に上昇したときに、単電池の電圧とバランス動作開始電圧との差に応じて、その差が大きいほど、電流路に流す電流を大きくする。これにより、セル電圧バランス装置は、各単電池の電圧を均等化する。

特開２００８−１２３８６８号公報

上述したセル電圧バランス装置は、各単電池を定電流−定電圧方式により充電する。すなわち、セル電圧バランス装置は、各単電池に一定電流を供給して各単電池を所定電圧まで定電流充電し、その後に各単電池に一定電圧を供給して各単電池を目標電圧まで定電圧充電する。ここで、定電圧充電時には、単電池の電圧の過度な上昇を抑制するため、単電池に供給される電流は小さく設定される。

上述したセル電圧バランス装置は、定電圧充電時における電流が小さいことを利用して設計されている。このような小さな電流での充電は、単電池が満充電に近い状態でのみ行われる。したがって、上述のセル電圧バランス装置は、単電池が満充電に近い状態でしか各単電池の電圧を均等化させることができない。しかしながら、単電池を満充電状態とすることは、単電池の劣化の原因となるため、望ましくない。

そこで、本発明は、単電池の劣化を抑制しながら各単電池の充電状態を均等化しつつ各単電池を放電させることが可能な蓄電池装置の充電状態均等化方法を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電池装置の充電状態均等化方法は、互いに直列接続された複数の単電池と、前記複数の単電池の各々に並列に接続されると共に導通状態及び遮断状態に切り換え可能な複数のバイパス回路と、を備える蓄電池装置の充電状態均等化方法であって、前記複数の単電池の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで前記蓄電池装置を放電させる第１ステップと、前記第１ステップの後に、前記基準電圧より高い電圧を有する前記単電池の電圧が前記基準電圧に等しくなるまで、当該単電池に並列に接続された前記バイパス回路を導通状態として当該単電池を放電させる第２ステップと、を含む。

本発明に係る蓄電池装置の充電状態均等化方法では、まず、第１ステップにおいて、複数の単電池の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで、蓄電池装置を放電させる。次に、第２ステップにおいて、基準電圧より高い電圧を有する単電池の電圧が基準電圧に等しくなるまで、当該単電池に並列に接続されたバイパス回路を導通状態として単電池を放電させる。これにより、第２ステップの終了時には、全ての単電池の電圧が基準電圧に等しくなる。即ち、全ての単電池の充電状態が放電終止状態となり、均等化される。この第２ステップは、単電池の電圧が基準電圧に近い状態、即ち単電池が満充電状態とならない状態で実行される。このため、本発明に係る充電状態均等化方法によれば、単電池の劣化を抑制しながら各単電池の充電状態を均等化しつつ各単電池を放電させることができる。

本発明に係る蓄電池装置の充電状態均等化方法では、前記基準電圧は、前記単電池の放電終止電圧であることができる。従って、複数の単電池それぞれの電圧を放電終止電圧に揃えることができるので、複数の単電池を偏ることなく均等に使い切ることが可能となる。

本発明によれば、単電池の劣化を抑制しながら各単電池の充電状態を均等化しつつ各単電池を放電させることが可能な蓄電池装置の充電状態均等化方法を提供することができる。

実施形態に係る蓄電池装置の構成を示す概略図である。 各単電池の充電状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る蓄電池装置１の構成を示す概略図である。蓄電池装置１は、正極端子１１と負極端子１２とを備える。蓄電池装置１を充電する際には、正極端子１１と負極端子１２との間に充電電源（不図示）が接続される。充電電源としては、種々の直流電源が用いられ得る。蓄電池装置１を放電させる際には、正極端子１１と負極端子１２との間に負荷Ｌが接続される。

蓄電池装置１は、複数の単電池２と、複数のバイパス回路３と、複数の電圧センサ６と、複数の制御部７と、を備える。複数の単電池２は、互いに直列接続されている。複数の単電池２の各々には１個のバイパス回路３と１個の電圧センサ６とが並列に接続されている。複数の単電池２の各々には１個の制御部７が設けられている。本実施形態では、一例として図１に示すように単電池２、バイパス回路３、電圧センサ６、及び制御部７の組合せが直列に４組接続されている。なお、以下の説明において、４個の電圧センサ６を、正極端子１１に近い側から順に、電圧センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと記載する場合がある。また、４個の制御部７を、正極端子１１に近い側から順に、制御部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄと記載する場合がある。

単電池２は、充電及び放電が可能な二次電池である。単電池２の例としては、リチウム電池、リチウムイオン電池等が挙げられる。複数の単電池２のうち最も高電位側に接続された単電池２の正極には、蓄電池装置１の正極端子１１が接続される。複数の単電池２のうち最も低電位側に接続された単電池２の負極には、蓄電池装置１の負極端子１２が接続される。

バイパス回路３は、複数の単電池２の各々に並列に接続されている。バイパス回路３の構成の一例として、バイパス回路３は、抵抗素子４と、ＦＥＴ５（スイッチング素子）と、を有する。抵抗素子４とＦＥＴ５とは、直列に接続されている。

バイパス回路３は、導通状態及び遮断状態の２つの状態に切り替え可能である。ここで、バイパス回路３が導通状態にあるとは、ＦＥＴ５が導通状態にあることを意味する。バイパス回路３が遮断状態にあるとは、ＦＥＴ５が遮断状態にあることを意味する。

電圧センサ６の出力端子は、制御部７の入力端子に接続されている。電圧センサ６は、当該電圧センサ６に並列に接続された単電池２の正極と負極との間の電圧を検出し、検出された電圧の情報を制御部７へ出力する。

複数の制御部７のそれぞれは、複数の電圧センサ６のそれぞれと複数のＦＥＴ５のそれぞれとに接続されている。それぞれの制御部７は、個々に、電圧センサ６からの単電池２の電圧の情報に基づいてＦＥＴ５を導通状態又は遮断状態に制御する。なお、制御部７ａ〜７ｄのそれぞれは、当該制御部７ａ〜７ｄに接続された電圧センサ６ａ〜６ｄからの単電池２の電圧の情報に基づいて、当該制御部７ａ〜７ｄに接続されたＦＥＴ５を独立に制御してもよい。

なお、スイッチング素子としては、ＦＥＴ５に代えて、バイポーラトランジスタ等を用いてもよい。スイッチング素子がバイポーラトランジスタである場合には、制御部７は、ベース電流を供給する。また、ＦＥＴ５を導通状態とした場合に、ＦＥＴ５のオン抵抗値は、抵抗素子４の抵抗値に比べて十分低くなるように設定される。

次に、この蓄電池装置１における各単電池２の充電状態均等化方法について説明する。まず、第１ステップとして、複数の単電池２の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで、複数の単電池２の各々を放電させる。ここで、基準電圧は、放電終止電圧、及び、放電終止電圧よりも高い電圧、の何れかの電圧であることができる。基準電圧は、放電終止電圧よりも大きく、単電池２の満充電状態での電圧よりも小さい。放電終止電圧は、単電池２の放電動作に伴い単電池２の正極と負極との間の電圧が低下した場合に、単電池２が放電動作を停止する時の単電池２の正極と負極との間の電圧を意味する。なお、この第１ステップにおいては、蓄電池装置１の正極端子１１と負極端子１２との間に負荷Ｌが接続される。また、第１ステップにおいては、各バイパス回路３のＦＥＴ５は遮断状態となるように制御される。

続いて、第１ステップの後に、第２ステップとして、基準電圧より高い電圧を有する単電池２の電圧が基準電圧に等しくなるまで、当該単電池２に並列に接続されたバイパス回路を導通状態として、当該単電池２を放電させる。この第２ステップでは、負荷Ｌは、蓄電池装置１の正極端子１１及び負極端子１２から切り離される。また、制御部７は、電圧センサ６からの電圧の情報に基づいて、各単電池２の電圧を検出する。制御部７は、検出された各単電池２の電圧が基準電圧より高いか否かを判定する。制御部７は、単電池２の電圧が基準電圧より高いと判定した場合には、当該単電池２に並列に接続されたバイパス回路３のＦＥＴ５を導通状態に制御するように、ＦＥＴ５のゲート端子に電圧信号を出力する。制御部７は、単電池２の電圧が基準電圧に等しいと判定した場合には、当該単電池２に並列に接続されたバイパス回路３のＦＥＴ５を遮断状態に制御するように、ＦＥＴ５のゲート端子に電圧信号を出力する。

図２を参照して、従来の充電状態均等化方法と、本実施形態の充電状態均等化方法との相違について説明する。図２の（Ａ）は、従来の充電状態均等化方法における各単電池の充電状態を示す模式図である。図２の（Ｂ）は、本実施形態の充電状態均等化方法における各単電池の充電状態の一例を示す模式図である。

ここでは、充電状態を示す数値として、ＳＯＣ（State of Charge）を用いる。ＳＯＣは、０％から１００％までの値で表される。ＳＯＣの値が０％である場合、単電池２は、放電が行われた状態である。即ち、単電池２の電圧は、基準電圧に等しい。ＳＯＣの値が１００％である場合、単電池２は、完全に充電が行われた状態、即ち満充電状態である。ＳＯＣの値は、単電池２の電圧に対して増加する。即ち、単電池２の電圧が高いほど、ＳＯＣの値は大きい。また、図２の例では、４個の単電池２をそれぞれ単電池Ａ〜Ｄとして記載する。

図２の（Ａ）に示すように、従来の充電状態均等化方法では、ＳＯＣが１００％に近い状態、即ち単電池Ａ〜Ｄが満充電状態に近い状態で、単電池Ａ〜Ｄの充電状態の均等化が行われる。図２の（Ａ）の例では、３個の単電池Ａ，Ｃ，ＤのＳＯＣが１００％であるのに対し、単電池ＢのＳＯＣは８５％であり、１００％になっていない。このため、単電池Ａ，Ｃ，Ｄへの充電が停止されると同時に単電池Ｂへの充電のみが行われ、単電池ＢのＳＯＣが８５％から１００％へ上昇する。これにより、４個の単電池Ａ〜ＤのＳＯＣが１００％に均等化される。

一方、図２の（Ｂ）に示すように、本実施形態の充電状態均等化方法は、単電池２の電圧が基準電圧に近い状態、即ちＳＯＣが０％に近い状態で実行される。図２の（Ｂ）の例は、本実施形態の充電状態均等化方法の第１ステップが終了した時点での各単電池２のＳＯＣを示している。単電池Ｂは、ＳＯＣが０％である。即ち、単電池Ｂの電圧は、基準電圧に等しい。一方、単電池Ａ，Ｃ，ＤのＳＯＣは、それぞれ０％よりも大きい値である。即ち、単電池Ａ，Ｃ，Ｄの電圧は、基準電圧より大きい。この場合、本実施形態の充電状態均等化方法の第２ステップでは、単電池Ａ，Ｃ，Ｄに並列に接続されたバイパス回路３のＦＥＴ５のみが導通状態に制御される。これにより、単電池Ａ，Ｃ，Ｄは、その電圧が基準電圧に等しくなるまで、放電が行われる。第２ステップの終了時には、単電池Ａ〜ＤのＳＯＣは、全て０％に均等化される。このように、本実施形態の充電状態均等化方法では、単電池Ａ〜Ｄの均等化は、単電池２の電圧が基準電圧に近い状態、即ち単電池Ａ〜Ｄが満充電状態とならない状態で実行される。

本実施形態に係る蓄電池装置１の充電状態均等化方法では、まず、第１ステップにおいて、複数の単電池２の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで、蓄電池装置１を放電させる。次に、第２ステップにおいて、基準電圧より高い電圧を有する単電池２の電圧が基準電圧に等しくなるまで、当該単電池２に並列に接続されたバイパス回路３を導通状態として単電池２を放電させる。これにより、第２ステップの終了時には、全ての単電池２の電圧が基準電圧に等しくなる。即ち、全ての単電池２の充電状態が放電終止状態となり、均等化される。この第２ステップは、単電池２の電圧が基準電圧に近い状態、即ち単電池２が満充電状態とならない状態で実行される。このため、本発明に係る充電状態均等化方法によれば、単電池の劣化を抑制しながら各単電池の充電状態を均等化しつつ各単電池を放電させることができる。

また、基準電圧が単電池２の放電終止電圧である場合、蓄電池装置１の全ての単電池２のそれぞれの電圧を放電終止電圧に揃えることができるので、蓄電池装置１の全ての単電池２を偏ることなく均等に使い切ることが可能となり、単電池２の長寿命化を図ることができる。特に、蓄電池装置１を使用せずに長期間保管する場合に、単電池２の電圧が放電終止電圧に揃えられていることにより、安全に、かつ単電池２の寿命の短縮を抑制しつつ、蓄電池装置１を保管することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、バイパス回路３の回路構成は、抵抗素子４とＦＥＴ５とを直列に接続した構成に限定されない。即ち、バイパス回路３は、バイパス回路３に並列に接続される単電池２からの放電電流を導通させ、又は遮断することが可能な種々の構成をとり得る。

１…蓄電池装置、２…単電池、３…バイパス回路。

Claims (2)

1. 互いに直列接続された複数の単電池と、前記複数の単電池の各々に並列に接続されると共に導通状態及び遮断状態に切り換え可能な複数のバイパス回路と、を備える蓄電池装置の充電状態均等化方法であって、
   前記複数の単電池の少なくとも一部の電圧が基準電圧に等しくなるまで前記複数の単電池の各々を放電させる第１ステップと、
   前記第１ステップの後に、前記基準電圧より高い電圧を有する前記単電池の電圧が前記基準電圧に等しくなるまで、当該単電池に並列に接続された前記バイパス回路を導通状態として当該単電池を放電させる第２ステップと、
   を含む蓄電池装置の充電状態均等化方法。
2. 前記基準電圧は、前記単電池の放電終止電圧である、
   請求項１に記載の充電状態均等化方法。

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