JP2017055562A

JP2017055562A - 二次電池の電流制御装置

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Publication number: JP2017055562A
Application number: JP2015177890A
Authority: JP
Inventors: 田中　正志; Masashi Tanaka; 正志田中; 明夫樫村; Akio Kashimura
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: JP6566314B2

Abstract

【課題】二次電池から負荷への電力供給の効率がより向上する二次電池の電流制御装置を提供することである。【解決手段】負荷５０へ電力を供給する二次電池７０の電流を制御する二次電池の電流制御装置１００であって、前記電流制御装置１００は、蓄えた電力に基づいて電流を供給する蓄電装置１２０あるいは蓄電装置１３０と、前記蓄電装置１２０あるいは蓄電装置１３０を前記二次電池７０に並列接続する接続装置１４０と、前記接続装置１４０の接続状態を制御する制御装置１５０と、を有し、前記制御装置１５０は、前記二次電池７０が前記負荷５０と接続されている状態において、前記接続装置１４０を所定の周期で動作させ、前記蓄電装置１２０あるいは蓄電装置１３０を所定の周期で繰り返し、前記二次電池７０に並列接続することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の放電あるいは充電電流を制御する、二次電池の電流制御装置に関する。

電力を二次電池に一旦蓄え、上記二次電池に蓄えた電力を必要に応じて負荷に供給する、電力供給装置は広く利用されている。上記二次電池として、例えば鉛電池やニッケル水素電池、リチウムイオン電池、その他いろいろな電池が使用されている。なお上記二次電池に電力を供給する電力源としては、特に限定されるものではなく、色々な電源が存在する。

二次電池に蓄えた電力を負荷に供給するための電力供給装置では、従来から、二次電池の蓄電能力を増大するための技術開発や、二次電池の充放電サイクルの寿命を長くするための技術開発、が行われてきた。この結果二次電池の蓄電能力は向上し、また二次電池の充放電サイクルにおける劣化に関しても大きな改善がみられる。二次電池の充放電サイクルにおける劣化を抑制し、寿命を改善する技術として、例えば二次電池の放電電流をパルス状にすることが提案されている。放電電流をパルス状にすることにより、二次電池の活物質の劣化が抑制され、充放電サイクルの寿命を延ばすことが可能となる。このような技術は、例えば特許文献1に開示されている。

特開２００６−３２５３３１号公報

二次電池の充放電サイクルの寿命の改善はたいへん素晴らしい成果であり、社会的貢献度がたいへん大きい。しかし市場ニーズは上記二次電池の長寿命化の要求に止まらず、市場が拡大するにつれて新たなニーズが色々生まれている。大きなニーズとして、二次電池の１回当たりの充電に対する負荷への電力供給可能時間をさらに伸ばしてほしいとのニーズがある。例えば電気自動車を例に挙げると、１回の充電で走行できる距離をさらに長くしてほしいとの強いニーズがある。また例えば太陽光を利用した照明装置において、昼間の充電電力で照明可能な時間をできるだけ長くしてほしいとのニーズがある。このようなニーズに応えるために従来は、二次電池その物の蓄電能力を向上することに開発の重点が置かれてきた。

二次電池その物の蓄電能力を改善することは大変重要である。しかしそれだけでなく、二次電池から負荷への電力供給における効率向上、すなわち損失の低減も改善すべき重要な課題である。もし二次電池から負荷への電力供給動作における効率向上、すなわち損失低減を図ることができれば、二次電池の同じ充電量に対する負荷への電力供給時間をより長くすることができ、上記ニーズに答えることができる。

本発明の目的は、二次電池からの電力供給の効率向上を可能とする二次電池の電流制御装置を提供することである。

上記課題を解決する為の第１の発明は、負荷へ電力を供給する二次電池の電流を制御する二次電池の電流制御装置であって、前記電流制御装置は、蓄えた電力に基づいて電流を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置を前記二次電池に並列接続する接続装置と、前記接続装置の接続状態を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記二次電池が前記負荷と接続されている状態において、前記接続装置を所定の周期で動作させ、前記蓄電装置を所定の周期で繰り返し、前記二次電池に並列接続することを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第２の発明は、第１の発明の二次電池の電流制御装置において、前記二次電池は直列接続された少なくとも第１二次電池と第２二次電池とを有していて、前記電流制御装置が有する前記蓄電装置は少なくとも第１コンデンサと第２コンデンサを有し、前記接続装置により、前記第１コンデンサが所定の周期で繰り返し前記第１二次電池と並列に接続され、前記第２コンデンサが所定の周期で繰り返し前記第２二次電池と並列に接続されることを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第３の発明は、第１の発明の二次電池の電流制御装置において、前記蓄電装置が前記二次電池(70)に並列接続されたときに、一時的に前記蓄電装置から前記二次電池に電流が供給されることを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第４の発明は、第２の発明の二次電池の電流制御装置において、前記第１コンデンサあるいは前記第２コンデンサが前記第１二次電池あるいは前記第２二次電池に接続されるときに、前記第１コンデンサあるいは前記第２コンデンサの端子電圧が前記第１二次電池あるいは前記第２二次電池の端子電圧より大きいことを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第５の発明は、第１の発明の二次電池の電流制御装置において、前記制御装置は、前記二次電池が前記負荷と接続されている状態に加え、前記前記二次電池が外部から電力の供給を受けて電力を蓄電している状態においても、前記接続装置を所定の周期で動作させ、前記蓄電装置を所定の周期で繰り返し、前記二次電池に並列接続することを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第６の発明は、第１乃至第５の発明の内の一の発明の二次電池の電流制御装置において、前記制御装置は、０．１秒より長い周期で繰り返し、前記接続装置を動作させることを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第７の発明は、第１乃至第６の発明の内の一の発明の二次電池の電流制御装置において、前記蓄電装置は１０ファラッド以上の容量を有していることを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

上記課題を解決する為の第８の発明は、第７の発明の二次電池の電流制御装置において、前記蓄電装置は１００ファラッド以上の容量を有していることを特徴とする、二次電池の電流制御装置である。

本発明によれば、二次電池からの電力供給の効率向上が可能となる、二次電池の電流制御装置を得ることができる。

本発明を適用した負荷への電力供給装置構成を示す回路図である。負荷への電力負荷パターンの一例を説明する説明図である。第１二次電池８０を流れる電流波形である。蓄電装置１２０を流れる電流波形である。第２二次電池９０を流れる電流波形である。蓄電装置１３０を流れる電流波形である。シミュレーション結果に基づくグラフである。二次電池７０に電力を蓄える蓄電動作を説明する説明図である。

１．実施例の説明
１．１実施例の基本構成の説明
以下図面を用いて本発明を実施するための一形態（以下実施例と記す）を説明する。図１は本発明を適用した負荷への電力供給装置の構成を示す回路図である。直流電力を蓄える二次電池７０に端子６２と端子６４を介して負荷５０が電気的に接続されている。なお実際の製品では、二次電池７０と負荷５０との間には、電源スイッチなどの開閉手段やヒューズ等の安全装置が設けられるが、本発明の構成及び動作を説明することが図１の目的であり、煩雑さを避けるためにこれらを省略している。

本実施例ではさらに二次電池７０の放電あるいは充電電流を制御するために二次電池の電流制御装置１００が設けられている。以下で説明するが二次電池の電流制御装置１００を設けることにより二次電池７０から負荷５０へ電力を供給している状態において、二次電池７０を流れる電流Ｉ_ｂ1や電流Ｉ_ｂ2を周期的に変えることができ、これにより二次電池７０の内部損失を低減でき、結果的に所定の蓄積電力に基づく負荷５０への供給電力量を増大することが可能となる。言い換えると所定の蓄積電力に基づく負荷５０への電力供給時間を長くすることが可能となる。
１．２負荷５０の説明
負荷５０は、特に限定されるものではない。負荷５０は例えば照明装置であっても良いし、車両駆動用のモータであっても良い。本発明を適用するうえで、負荷５０を特に限定する必要は無く、色々な種類の負荷に対して本発明が適用可能である。

例えば負荷５０は直流電力を消費する負荷であっても良いし、交流電力を受けて動作する負荷であっても良い。また負荷５０が直流電力を消費する負荷の場合であっても、二次電池７０から供給される直流電圧がそのまま供給可能な負荷であっても良いし、適切な電圧に変換した後に供給される負荷であっても良い。この場合には、負荷５０として記載した負荷が電圧変換装置を備えていることを意味する。また交流電力を消費する負荷である場合には、負荷５０として記載した負荷が直流電力を受けて交流電力を発生する電力変換装置を備えていることを意味する。
１．３二次電池７０の説明
この実施例では、二次電池７０は直列接続された第１二次電池８０と第２二次電池９０とを有している。また第１二次電池８０と第２二次電池９０はそれぞれ少なくとも１個のリチウムイオン二次電池を有している。しかしこれは一例であり、二次電池７０を構成する第１二次電池８０や第２二次電池９０の両方が常に必要なわけではなく、どちらか一つのみであっても良い。また第１二次電池８０や第２二次電池９０だけでなく、さらに多くの直列接続された二次電池が、例えば第３二次電池や第4二次電池が設けられていても良い。

さらにまた第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０が、１個以上の直列接続されたリチウムイオン二次電池を有するだけでなく、それぞれが並列接続されたリチウムイオン二次電池を有していても良い。なお並列接続されたリチウムイオン二次電池は容量が増大したと考えられるので、この場合には第１二次電池８０や第２二次電池９０などに付いてより大きな容量を有する二次電池であるとして取り扱うことができる。

第１二次電池８０と第２二次電池９０がそれぞれ有するリチウムイオン電池の直列接続の数を増やすことにより、負荷５０へ供給する電圧を増大することができる。また上述のように第１二次電池８０や第２二次電池９０に加えてさらに多くの直列接続された二次電池を設けることで負荷５０へ供給する電圧を増大することができる。本実施例では説明を分かり易くするために、第１二次電池８０と第２二次電池９０の２組の二次電池を有する例で説明する。なお本実施例では、第１二次電池８０や第２二次電池９０の各組は１個またはそれ以上のリチウムイオン電池を備えているが、リチウムイオン電池は一例であり、鉛二次電池やその他の種類の二次電池であっても良い。
１．４二次電池の電流制御装置１００の説明
本実施例では、二次電池７０から負荷５０へ供給する電流値を周期的に変化させることにより、二次電池７０における電力の損失を低減でき、その結果として二次電池７０から負荷５０への電力供給の効率を向上することができる。二次電池７０から負荷５０へ供給する電流値を周期的に変化させるために、本実施例では二次電池の電流制御装置１００が設けられている。

二次電池の電流制御装置１００は、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０と、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０を第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０に並列に接続するための接続装置１４０と、接続装置１４０を制御するための制御装置１５０と、を備えている。二次電池７０に負荷５０が接続された状態で、制御装置１５０は接続装置１４０を所定の周期、例えば１秒周期で、切り替える。この実施例では、第１二次電池８０および第２二次電池９０に接続されている接続装置１４０の端子１４２が、端子１４４に接続されると、蓄電装置１２０と第１二次電池８０が並列に接続される。この状態では蓄電装置１３０は第２二次電池９０や負荷５０とは接続されない状態となり、蓄電装置１３０の電流Ｉ_ｃ2は流れない。この状態では、負荷５０には第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1と蓄電装置１２０を流れる電流Ｉ_ｃ1とのベクトル和の電流が流れる。なおこの実施例では第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｂ2が負荷５０を流れる電流と等しくなる。

次に接続装置１４０の端子１４２が端子１４６に接続されると、蓄電装置１２０は接続されない状態となり、蓄電装置１２０を流れていた電流Ｉ_ｃ1が流れなくなる。一方蓄電装置１３０が第２二次電池９０に並列に接続される。この状態では、負荷５０を流れる電流は蓄電装置１３０を流れる電流Ｉ_ｃ2と第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｂ2とのベクトル和の電流となる。なおこの実施例では第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1が負荷５０を流れる電流と等しくなる。

制御装置１５０による制御によって、接続装置１４０の端子１４２と端子１４４あるいは端子１４６との接続が所定周期で切り替わると、蓄電装置１２０と第１二次電池８０あるいは蓄電装置１３０と第２二次電池９０とが交互に接続する。この切り替わりにより、第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1や第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｂ2が、上記一定周期毎に変化する。このように二次電池７０を流れる電流を周期的に変化させることにより、二次電池７０を構成する第１二次電池８０や第２二次電池９０の損失が低減され、二次電池７０から負荷５０への電流供給における損失が低減する、言い換えると二次電池７０から負荷５０への電力供給における効率が向上する。このことについて次に説明する。
２．実施例についてのシミュレーション条件およびシミュレーション結果の説明
２．１シミュレーション条件の説明
図１の実施例において、蓄電装置１２０と蓄電装置１３０にコンデンサを使用し、該コンデンサの容量を１Ｆから１０００Ｆまでの範囲を想定して、変化させてシミュレーションを行った。接続装置１４０の切り替え周期を１秒間とし、１秒の周期で蓄電装置１２０と蓄電装置１３０とが交互に、第１二次電池８０や第２二次電池９０にそれぞれ並列接続されるように設定した。なおこのシミュレーションでは、一例として、接続装置１４０は以下に記載の負荷５０の消費電力の変化に関係なく、上記条件で切り替え周期を一定とし、１秒としている。

第１二次電池８０および第２二次電池９０をリチウムイオン二次電池で構成し、第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ1および第２二次電池９０の端子電圧Ｖ_ｂ2をそれぞれ４Ｖから２４Ｖの範囲で変化させた。また端子６２と端子６４からの放電条件となる負荷５０の消費電力を図２に示す１００秒を単位とする電力負荷パターンとし、この電力負荷パターンを８回繰り返し、時間０秒から時間８００秒までのシミュレーションを行った。なお図２では代表例として時間７００秒から時間８００秒までの１００秒間の電力負荷パターンのみを示すが、他の期間も電力負荷パターンは同じである。

図３から図６は、図１に記載のシミュレーション回路の電流波形であり、時間０秒から時間８００秒までのシミュレーションに基づく電流波形の内、時間７００秒から時間８００秒までの１００秒間のみを示す。しかし他の時間における電流波形も時間７００秒から時間８００秒までの１００秒間の波形とほぼ類似しており、同様の動作が行われていると考えることができる。

図３は第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1の波形であり、図４は蓄電装置１２０を流れる電流Ｉ_ｃ1の波形である。図５は第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｂ２の波形であり、図６は蓄電装置１３０を流れる電流Ｉ_ｃ２の波形である。これら図３から図６に記載した各電流波形と第１二次電池８０や第２二次電池９０および蓄電装置１２０や蓄電装置１３０の動作に関しては、改めて以下で述べる。

２．２シミュレーション結果の説明
上述の条件に従って８００秒までシミュレーションを行った結果に付いて図７のグラフを用いて説明する。上述のように、第１二次電池８０の電圧Ｖ_ｂ１や第２二次電池９０の電圧Ｖ_ｂ２を４Ｖから２４Ｖまでの範囲で変化させた。この電圧Ｖ_ｂ１や電圧Ｖ_ｂ２の変化をＸ軸としている。また蓄電装置１２０および蓄電装置１３０の静電容量を１Ｆから１０００Ｆの範囲で変化させた。この静電容量の変化をＹ軸としている。

負荷５０に対して端子６２や端子６４から電源側のシミュレーション開始時の充電電力量、言い換えると電池容量を一定値に設定し、８００秒のシミュレーション後の電池容量を求めた。二次電池の電流制御装置１００を設けない状態でのシミュレーション後の電池容量をＱ_ｎｏとし、二次電池の電流制御装置１００を設けて本願発明を適用したシミュレーション後の電池容量Ｑ_ｐｒｏとし、電池容量Ｑ_ｎｏに対する電池容量Ｑ_ｐｒｏの容量比Ａを求めた。すなわち容量比Ａは次の式１で示される。

容量比Ａ＝Ｑ_ｐｒｏ／Ｑ_ｎｏ・・・（１）
式１で示される容量比Ａを図７のＺ軸に示す。シミュレーション結果において、もしシミュレーション後の電池容量Ｑ_ｐｒｏがシミュレーション後の電池容量をＱ_ｎｏと同じであれば容量比Ａが１となる。もし容量比Ａが１より大きければ、二次電池の電流制御装置１００を設けたことにより、二次電池７０から負荷５０への放電時間が延びることになる。すなわち二次電池の電流制御装置１００を設けることにより第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０の電流が周期的に変化し、これにより上記二次電池８０や第２二次電池９０の内部損失が低下し、また電流制御装置内部の蓄電装置１２０から負荷５０へのエネルギー供給が可能となる、との両効果により、二次電池７０の放電量が抑制され、１回の充電に対する放電時間が延びることになる。

図７に記載のシミュレーション結果に基づくグラフを見ると、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０の容量を大きくするに従って１回の充電に対する放電時間の延長効果が大きくなる傾向がある。例えば１０Ｆ以上で効果が表れ、１００Ｆ以上でより顕著な効果が表れている。さらに第１二次電池８０の電圧Ｖ_ｂ１や第２二次電池９０の電圧Ｖ_ｂ２の値が大きいほど大きな効果が表れている。

２．３実施例の特徴についての説明
図３に記載の第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1波形と図４に記載の蓄電装置１２０を流れる電流Ｉ_ｃ1との関係について検討する。図１に示す状態では接続装置１４０の端子１４２が端子１４６側にあり蓄電装置１２０が第１二次電池８０と並列に接続されている状態である。この1つ前の状態では、蓄電装置１２０は二次電池７０から電気的に切り離された状態にあり、図４のグラフにおいてその時の電流は電流Ｉ_ｃ１ａで示され、実際には電流が流れていない。この状態では、図３に記載の電流Ｉ_ｂ１ａで示す如く、第１二次電池８０には負荷５０に供給するための大きな電流が流れる。この電流Ｉ_ｂ１ａが流れることにより第１二次電池８０に蓄えられた容量が減少し、第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ１が減少すると考えられる。一方蓄電装置１２０は電流Ｉ_ｃ1が流れないので蓄電装置１２０の容量は維持され、蓄電装置１２０の端子電圧Ｖ_c１も低下することなく維持される。

接続装置１４０の端子１４２が端子１４４側に切り替わり端子１４２が蓄電装置１２０に接続されたことにより、蓄電装置１２０と第１二次電池８０とが並列接続される。まず蓄電装置１２０と第１二次電池８０の電圧差に応じて蓄電装置１２０から図４に示す大きな電流Ｉ_ｃ１ｂが一時的に放出される。この電流が第１二次電池８０へ流れ込み、図３に電流Ｉ_ｂ１ｂとして示すように第１二次電池８０を一時的に充電する。さらに、図１に記載のように、第１二次電池８０が負荷５０に対して電気回路的には接続されているにも関わらず、放電電流に対する蓄電装置の電圧低下率と電池の内部抵抗に起因した電圧降下率のバランスによって電流Ｉ_ｂ２ｂとして示すように蓄電装置１２０から第１二次電池８０へ継続的な充電電流も流すことができる。第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０の電流が周期的に変化することによる二次電池の内部損失の低下効果と蓄電装置１２０からのエネルギー供給に加えて、電池の充電効果もあるので、図７を用いて説明した効果が生じるものと考えられる。

また次のように考えることができる。一般的には、電池とキャパシタとの並列接続回路では、内部抵抗の高い電池は電流が流れにくく、このためキャパシタに電流が偏ってしまう。今蓄電装置１２０と第１二次電池８０との並列回路を考えると、コンデンサで構成する蓄電装置１２０の内部抵抗が第１二次電池８０より低いので、蓄電装置１２０を流れる電流Ｉ_ｃ１が第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1より流れ易い傾向となる。蓄電装置１２０の容量が小さいと電流Ｉ_ｃ１が流れることにより蓄電装置１２０の端子電圧が急激に低下する。しかし蓄電装置１２０の容量が大きくなると、例えば蓄電装置１２０の容量が１０Ｆ以上、さらに大きくなり蓄電装置１２０の容量が１００Ｆ以上、さらにより大きくなり蓄電装置１２０の容量が１０００Ｆ以上、となると、すなわち蓄電装置１２０の容量が大きくなるに従って、蓄電装置１２０の電流Ｉ_ｃ１による端子電圧の低下の時定数が大きくなり、端子電圧の低下が遅くなる。蓄電装置１２０と第１二次電池８０とが並列接続されているので、蓄電装置１２０の端子電圧と第１二次電池８０の端子電圧が等し保たれることになり、第１二次電池８０の端子電圧を持ち上げることが必要となる。このため蓄電装置１２０の電流Ｉ_ｃ１が第１二次電池８０の充電電流として第１二次電池８０に流れ込む。このような現象が生じ、この現象が図７に示すような効果が生じる一因となっている。

今蓄電装置１２０と第１二次電池８０との関係を説明したが、図５に示す第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｂ2と蓄電装置１３０を流れる電流Ｉ_ｃ2とは、上述した第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ1と蓄電装置１２０を流れる電流Ｉ_ｃ1との関係に非常に似ている。従って蓄電装置１３０は第２二次電池９０に対して、蓄電装置１２０が第１二次電池８０に及ぼすのと同様の作用をなし、同様の効果を奏するものと考える。

２．４実施例におけるその他の作用効果についての説明
特許文献１に記載の方式では、解決しようとする課題が二次電池の充放電サイクル寿命の改善であり、本発明では効果においておよび構成において、特許文献１に記載の公知の発明とは異なっている。しかしそれだけでなく、図１に記載の実施例ではさらに異なる効果を有している。例えば蓄電装置１２０と第１二次電池８０との端子間電圧の差が小さく、接続装置１４０の端子間に作用している電圧が小さい。蓄電装置１３０と第２二次電池９０とに付いても同様である。従って接続装置１４０を介して流れる電流も少ない。接続装置１４０の電気的な負担が小さく、長寿命化に適している。

また二次電池７０は、接続装置１４０の動作に関係なく、回路的には負荷５０に接続されており、仮に接続装置１４０に異常が発生しても二次電池７０から負荷５０へ電流を供給し続けることが可能となる。従って例えば負荷５０が非常灯であったり、信号機であったり、車両の駆動装置であったり、安全性に関わる装置である場合に、安全性が維持され易い効果がある。例えば接続装置１４０が故障し、どちらかに接続した状態のままで動かなくなっても、あるいは蓄電装置１２０や蓄電装置１３０が二次電池７０と接続することが困難となっても、直ちに危険な状態となるものではなく、二次電池７０と負荷５０との接続を維持し、二次電池７０から負荷５０への電力供給を維持することが可能である。

３．実施例の変形例に付いての説明
図１において、第１二次電池８０や第２二次電池９０としてシミュレーションではリチウムイオン二次電池を使用した。しかしリチウムイオン二次電池に限らず他の種類の電池であっても、これら１回の充電に対する放電時間の延長効果があるものと考える。さらにシミュレーションでは蓄電装置１２０や蓄電装置１３０としてコンデンサを使用した。しかし第１二次電池８０や第２二次電池９０を流れる電流を周期的に変化させる作用は、コンデンサの使用に限られるものでは無く、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０は蓄電作用を有していればよく、コンデンサ以外の蓄電装置、例えば二次電池であっても可能である。

しかし、図１や図８に示すように蓄電装置１２０や蓄電装置１３０としてコンデンサを使用する方が、コンデンサ以外の蓄電装置、例えば二次電池、を使用するよりも優れている。すなわちコンデンサは充放電動作において、二次電池などに比べて放電電流に対する電圧降下が低い。このため二次電池と並列接続するとコンデンサからエネルギーを引き出し易い。従って本発明の実施例としてはコンデンサを使用する方が、発明の効果の点から望ましい。

また二次電池７０は本実施例では、第１二次電池８０と第２二次電池９０とを備えている。しかし上述した如く、第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０のどちらか一方だけでも良い。あるいはさらに多くの二次電池を備えていても良い。負荷５０の種類に応じて、適切な供給電圧が選択されることが重要であり、供給電圧の観点から二次電池７０が有する直列の二次電池の数を決定することができる。蓄電装置１２０や蓄電装置１３０の数も実施例に限られるものではなく、１個でも良いし、さらに多くの蓄電装置を有していても良い。蓄電装置１２０や蓄電装置１３０として使用する部品、例えばコンデンサを使用する場合に各コンデンサにはそれぞれ好ましい使用電圧がある。各コンデンサの使用電圧と二次電池７０全体の電圧との関係で、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０を構成するコンデンサの直列接続数を決めることが望ましい。また蓄電装置１２０や蓄電装置１３０の容量をどのような値にするかに基づいて、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０を構成するコンデンサの並列接続数を決めることが望ましい。

図１や以下で説明する図８に記載の実施例おいては、動作の安定性などの観点から、第１二次電池８０や第２二次電池９０は、それぞれほぼ同じ特性の二次電池を同じ数だけ直列および並列接続することにより構成されている。また蓄電装置１２０や蓄電装置１３０は、図示を省略しているが、それぞれほぼ同じ特性のコンデンサを同じ数だけ直列および並列接続することにより構成されている。

上記シミュレーションでは、１秒間隔で、蓄電装置１２０と蓄電装置１３０の繋ぎ変えを行ったが、この周期に限るものではない。例えば０．１秒間隔で切り替えても良いし、もっと短い間隔で切り替えても良い。さらに長い間隔で、切り替えても良い。例えば１０秒あるいはそれより長い間隔でも良い。間隔が長くなると、例えば第１二次電池８０の電圧低下が大きくなり、例えば蓄電装置１２０が第１二次電池８０に接続されたときの蓄電装置１２０と第１二次電池８０との端子電圧の差が大きくなる。しかし、第１二次電池８０の電圧低下は負荷５０へ供給する電流と、第１二次電池８０の容量との関係で定まり、第１二次電池８０から負荷５０へ供給する電流が大きい場合に第１二次電池８０の電圧低下が大きくなる。今第１二次電池８０について述べたが、第２二次電池９０に付いても同様である。従って二次電池７０が供給する電流の大きさに基づいて接続装置１４０の切り替え動作の周期を変えるようにしても良い。この場合、負荷５０への供給電流が大きい場合と、負荷５０への供給電流が小さい場合とを比較すると、負荷５０への供給電流が大きい場合の方が短い周期で切り替えることになる。

制御装置１５０が二次電池７０の供給電流量と接続装置１４０の切り替え周期との関係を表すデータを有していて、このデータに基づいて制御装置１５０が切り替え周期を制御するようにしても良い。あるいは、第１二次電池８０あるいは第２二次電池９０等の端子間電圧の変化を実際に検出し、検出結果に従って制御装置１５０が接続装置１４０の切り替え周期を制御するようにしても良い。また他の考え方として、蓄電装置１２０や蓄電装置１３０を接続したときの蓄電装置１２０あるいは蓄電装置１３０を流れる電流値を計測して、この電流値が設定範囲内となるように接続装置１４０の切り替え周期を制御しても良い。

４．本発明が適用された製品に関する動作の説明
図１を用いて二次電池７０から負荷５０への電力の供給動作に付いて説明したが、実際の製品においては、電力供給源から二次電池７０に電力を供給して二次電池７０に電力を蓄え、蓄えられた電力に基づいて、負荷５０を駆動するための電力が二次電池７０から供給される。二次電池７０に電力を蓄える蓄電動作に付いて図８を用いて説明する。なお他の図面と同一符号は同一の構成を示し、略同様の作用をなすと共に略同様の効果を奏する。

二次電池の電流制御装置１００が設けられていない場合には、負荷５０の代わりに設けられた直流電源５５から端子６２や端子６４を介して第１二次電池８０および第２二次電池９０に直流電流が供給される。二次電池７０を構成する第１二次電池８０や第２二次電池９０にそれぞれ直流電源５５から充電電流Ｉ_ｂ１ｃや電流Ｉ_ｂ２ｃが供給される。二次電池の電流制御装置１００が設けられていない場合には、充電電流Ｉ_ｂ１ｃと電流Ｉ_ｂ２ｃは同じ値となる。

次に二次電池の電流制御装置１００が設けられ、接続装置１４０の動作により、蓄電装置１２０と蓄電装置１３０が所定周期で交互に第１二次電池８０や第２二次電池９０に並列接続されると、電流Ｉ_ｂ１ｃや電流Ｉ_ｂ２ｃは、パルス状に変化する電流すなわち断続的な電流状態となる。接続装置１４０の動作と第１二次電池８０を流れる電流Ｉ_ｂ１ｃや第２二次電池９０を流れる電流Ｉ_ｃ２ｃについて検討する。

接続装置１４０の端子１４２と端子１４６とが接続している状態を考える。この状態では蓄電装置１２０は接続されていない。従って蓄電装置１２０の電流Ｉ_ｃ１ｃは流れない。二次電池７０と直流電源５５とが接続されているので、第１二次電池８０には電流Ｉ_ｂ１ｃが供給される。また第２二次電池９０には電流Ｉ_ｂ２ｃが流れ、蓄電装置１３０には電流Ｉ_ｃ２ｃが流れる。電流Ｉ_ｂ１ｃが流れることによって第１二次電池８０の蓄電量が増大し、第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ１が増大する。この結果第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ１が蓄電装置１２０の端子電圧Ｖ_ｃ１より大きくなる。第２二次電池９０と蓄電装置１３０にもそれぞれ電流Ｉ_ｂ２ｃや電流Ｉ_ｃ２ｃが流れるので第２二次電池９０の端子電圧Ｖ_ｂ２や蓄電装置１３０の端子電圧Ｖ_ｃ２が増大するが、第２二次電池９０と蓄電装置１３０とは互いに略短絡状態に近い状態で並列接続されているので、第２二次電池９０の端子電圧Ｖ_ｂ２や蓄電装置１３０の端子電圧Ｖ_ｃ２は互いに略同じ値に維持される。

次に接続装置１４０が動作して、接続装置１４０の端子１４２が端子１４４に接続され、端子１４６が解放されると、第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ１が蓄電装置１２０の端子電圧Ｖ_ｃ１より大きいので、電流Ｉ_ｂ１ｃが逆方向の値となり、蓄電装置１２０の充電電流として作用する。蓄電装置１２０には直流電源５５および第１二次電池８０から電流が供給され、蓄電装置１２０の充電量が増大し、蓄電装置１２０の端子電圧Ｖ_ｃ１が増大する。蓄電装置１２０の端子電圧Ｖ_ｃ１が第１二次電池８０の端子電圧Ｖ_ｂ１に等しくなると、第１二次電池８０から蓄電装置１２０への電流が無くなり、直流電源５５から第１二次電池８０と蓄電装置１２０の両方に充電電流が供給されるようになる。

蓄電装置１３０は接続されていないので電流Ｉ_ｃ２ｃが流れない。その結果蓄電装置１３０の端子電圧Ｖ_ｃ２は増大しないが、第２二次電池９０には直流電源５５から電流Ｉ_ｂ２ｃが供給されるので第２二次電池９０の端子電圧Ｖ_ｃ２が増大する。次に接続装置１４０の端子１４２が再び端子１４６に接続されると、第２二次電池９０から蓄電装置１３０に充電電流が流れる。すなわち第２二次電池９０に一時的に逆方向の電流が流れる。このような動作が、接続装置１４０が切り替わる度に行われる。第１二次電池８０や第２二次電池９０を流れる電流は、パルス状に変化するだけでなく、周期的に逆方向の電流が流れる。

このように二次電池の電流制御装置１００を用いることにより、負荷５０へ電力を供給している状態だけでなく、直流電源５５から二次電池７０へ充電電力が供給されている状態においても、二次電池７０の電流をパルス状態のように所定周期で変化するように制御することかでき、効率向上や長寿命化の効果を奏することが可能となる。さらに二次電池７０を流れる電流を、所定周期で変化するだけでなく、二次電池７０を流れる電流の方向を所定周期で変化するように制御することかでき、より大きな効果を得ることができる。

５０・・・負荷、６２・・・端子、６４・・・端子、８０・・・第１二次電池、９０・・・第２二次電池、１２０・・・蓄電装置、１３０・・・蓄電装置、１４０・・・接続装置、１５０・・・制御装置。

Claims

負荷へ電力を供給する二次電池の電流を制御する二次電池の電流制御装置であって、
前記電流制御装置は、蓄えた電力に基づいて電流を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置を前記二次電池に並列接続する接続装置と、前記接続装置の接続状態を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記二次電池が前記負荷と接続されている状態において、前記接続装置を所定の周期で動作させ、前記蓄電装置を所定の周期で繰り返し、前記二次電池に並列接続することを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項１に記載の二次電池の電流制御装置において、前記二次電池が直列接続された少なくとも第１二次電池と第２二次電池とを有していて、
前記電流制御装置が有する前記蓄電装置は少なくとも第１コンデンサと第２コンデンサを有し、
前記接続装置により、前記第１コンデンサが所定の周期で繰り返し前記第１二次電池と並列に接続され、前記第２コンデンサが所定の周期で繰り返し前記第２二次電池と並列に接続されることを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項１に記載の二次電池の電流制御装置において、
前記蓄電装置が前記二次電池に並列接続されたときに、一時的に前記蓄電装置から前記二次電池に電流が供給されることを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項２に記載の二次電池の電流制御装置において、
前記第１コンデンサあるいは前記第２コンデンサが前記第１二次電池あるいは前記第２二次電池に接続されるときに、前記第１コンデンサあるいは前記第２コンデンサの端子電圧が前記第１二次電池あるいは前記第２二次電池の端子電圧より大きいことを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項１乃至請求項４の内の一に記載の二次電池の電流制御装置において、
前記制御装置は、前記二次電池が前記負荷と接続されている状態に加え、前記前記二次電池が外部から電力の供給を受けて電力を蓄電している状態においても、前記接続装置を所定の周期で動作させ、前記蓄電装置を所定の周期で繰り返し、前記二次電池に並列接続することを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項１乃至請求項５の内の一に記載の二次電池の電流制御装置において、
前記制御装置は、０．１秒より長い周期で繰り返し、前記接続装置を動作させることを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項１乃至請求項６の内の一に記載の二次電池の電流制御装置において、前記蓄電装置は１０ファラッド以上の容量を有していることを特徴とする、二次電池の電流制御装置。
請求項７に記載の二次電池の電流制御装置において、前記蓄電装置は１００ファラッド以上の容量を有していることを特徴とする、二次電池の電流制御装置。