JP2018117485A - 蓄電池モジュール及びこれを備える蓄電池システム - Google Patents

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孝之 三野
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Abstract

【課題】無駄な容量損失を発生させることなく、蓄電池モジュールの電池残容量を平準化する。【解決手段】蓄電池セル４０の状態を監視する監視回路４３と、切替信号ＳＷ１，ＳＷ２に基づいて、外部電源端子１３及び蓄電池セル４０から供給される電力のいずれか一方を監視回路４３に供給するスイッチ回路５０とを備える。本発明によれば、監視回路４３には、外部電源と蓄電池セルの２種類から選択的に電力を供給可能であることから、電池残容量が少ない場合には外部電源を用いて監視回路４３を動作させ、電池残容量が多い場合には内部の蓄電池セル４０から供給される電力で監視回路４３を動作させることができる。これにより、複数の蓄電池モジュールを使用する場合であっても、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化することが可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は蓄電池モジュール及びこれを備える蓄電池システムに関し、特に、電池残容量を平準化することが可能な蓄電池モジュール及びこれを備える蓄電池システムに関する。
近年、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる電源として、リチウムイオン電池などの蓄電池が広く用いられている。電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる蓄電池は、大電流且つ高電圧が求められることから、複数の蓄電池モジュールを並列又は直列に接続して使用することが一般的である（特許文献１）。
特開２０１６−１４６７２８号公報
しかしながら、複数の蓄電池モジュールを並列又は直列に接続して使用すると、蓄電池モジュール間において電池残容量にばらつきが生じることがある。蓄電池モジュール間において電池残容量にばらつきが生じると、過充電が発生したり、一部の蓄電池モジュールの劣化が早まったりするなどの問題が生じるため、電池残容量をできるだけ平準化する必要がある。
電池残容量を平準化する方法としては、電池残容量の多い蓄電池モジュールにおいて内部放電を行う方法が考えられるが、この方法では、内部放電による無駄な容量損失や発熱などが生じるだけでなく、内部放電機構を追加する必要があることから、蓄電池モジュールが大型化するという問題があった。
したがって、本発明は、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化することが可能な蓄電池モジュール及びこれを備える蓄電池システムを提供することを目的とする。
本発明による蓄電池モジュールは、外部電源端子と、少なくとも一つの蓄電池セルと、前記蓄電池セルの状態を監視する監視回路と、切替信号に基づいて、前記外部電源端子及び前記蓄電池セルから供給される電力のいずれか一方を前記監視回路に供給するスイッチ回路とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、監視回路には、外部電源と蓄電池セルの２種類から選択的（排他的）に電力を供給可能であることから、電池残容量が少ない場合には外部電源を用いて監視回路を動作させ、電池残容量が多い場合には内部の蓄電池セルから供給される電力で監視回路を動作させることができる。これにより、複数の蓄電池モジュールを使用する場合であっても、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化することが可能となる。
本発明において、前記切替信号は前記監視回路が生成するものであっても構わない。この場合、本発明による蓄電池モジュールは制御端子をさらに備え、前記監視回路は前記制御端子を介して外部から供給される制御信号に応答して前記切替信号を生成しても構わない。これによれば、監視回路の動作電源を外部から切り替えることが可能となる。
本発明による蓄電池システムは、上記の蓄電池モジュールの複数個と、前記複数の蓄電池モジュールの前記制御端子に前記制御信号を供給するコントローラとを備えることを特徴とする。本発明によれば、監視回路の動作電源をコントローラによって切り替えることが可能となる。
本発明において、前記監視回路は、前記制御端子を介して前記蓄電池セルの状態を示す状態信号を前記コントローラに供給し、前記コントローラは、前記複数の蓄電池モジュールから供給される前記状態信号に基づいて、前記制御信号を生成することが好ましい。この場合、前記コントローラは、前記複数の蓄電池モジュールの電池残容量が平準化されるよう、前記制御信号を生成することが好ましい。これによれば、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化することが可能となる。
このように、本発明によれば、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化することが可能となる。
図１は、本発明の好ましい実施形態による蓄電池システムの構成を示すブロック図である。 図２（ａ）は複数の蓄電池モジュール１０を並列接続した例を示し、図２（ｂ）は複数の蓄電池モジュール１０を直列接続した例を示す。 図３は、蓄電池モジュール１０の構成を示すブロック図である。 図４は、コントローラ３０の動作を説明するためのフローチャートである。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の好ましい実施形態による蓄電池システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態による蓄電池システムは、複数の蓄電池モジュール１０、外部電源２０及びコントローラ３０によって構成される。蓄電池モジュール１０は、正極端子１１、負極端子１２、外部電源端子１３及び制御端子１４を備えている。これら端子のうち、外部電源端子１３は外部電源２０に接続され、制御端子１４はコントローラ３０に接続されている。正極端子１１及び負極端子１２は、図示しない負荷や充電器に接続される。
複数の蓄電池モジュール１０と負荷又は充電器の接続方式については特に限定されず、図２（ａ）に示すように並列接続しても構わないし、図２（ｂ）に示すように直列接続しても構わない。或いは、複数の蓄電池モジュール１０をいくつかのグループに分け、グループ内を並列接続するとともに、グループ間を直列接続しても構わない。
図３は、蓄電池モジュール１０の構成を示すブロック図である。
図３に示すように、蓄電池モジュール１０は、直列接続された複数の蓄電池セル４０を備えている。蓄電池セル４０は、例えばラミネートセル型のリチウムイオン電池である。直列接続された複数の蓄電池セル４０の一端は正極端子１１に接続され、他端は負極端子１２に接続される。これにより、正極端子１１と負極端子１２に負荷を接続すれば、蓄電池セル４０に充電された電荷を負荷に供給することができる。また、正極端子１１と負極端子１２に充電器を接続すれば、蓄電池セル４０を充電することができる。
各蓄電池セル４０の電圧は、電圧モニタ４１によって計測されるとともに、蓄電池セル４０に流れる電流は、電流モニタ４２によって計測される。電圧モニタ４１及び電流モニタ４２は、監視回路４３に接続されている。監視回路４３は、電圧モニタ４１及び電流モニタ４２による計測結果に基づいて各蓄電池セル４０のセル電圧および充放電電流の状態を監視する回路であり、計測・監視結果をもとに各蓄電池セル４０の状態を判断し、その判断結果を示す状態信号ＳＴを生成する機能も併せ持つ。状態信号ＳＴは、通信回路４４及び制御端子１４を介してコントローラ３０にフィードバックされる。一方、コントローラ３０からは、制御端子１４及び通信回路４４を介して、監視回路４３に制御信号ＣＴが供給される。
監視回路４３及び通信回路４４には、スイッチ回路５０を介して電力Ｐ１が供給される。スイッチ回路５０はスイッチ素子５１，５２からなり、監視回路４３から供給される切替信号ＳＷ１，ＳＷ２によってそれぞれ制御される。特に限定されるものではないが、本実施形態においては、スイッチ素子５１，５２がいずれもＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタによって構成されている。
スイッチ素子５１は、外部電源端子１３と監視回路４３及び通信回路４４との間に接続されており、リセット後の初期状態においては、切替信号ＳＷ１の活性化によってオン状態に維持されている。一方、スイッチ素子５２は、内部電源回路４５と監視回路４３及び通信回路４４との間に接続されており、リセット後の初期状態においては、切替信号ＳＷ２の非活性化によってオフ状態に維持されている。内部電源回路４５は正極端子１１に接続されたリニアレギュレータ又はＤＣ−ＤＣコンバータであり、蓄電池セル４０から供給される電力を受け、これに基づいて監視回路４３及び通信回路４４に電力Ｐ１を供給するものである。
切替信号ＳＷ１，ＳＷ２は、監視回路４３による制御のもと、排他的に活性化する。これにより、スイッチ素子５１，５２のいずれか一方がオンし、他方はオフすることになる。そして、スイッチ素子５１がオンすると、監視回路４３及び通信回路４４には外部電源端子１３を介して電力Ｐ１が供給されることから、監視回路４３及び通信回路４４の動作によって蓄電池セル４０の電池残容量が減少することはない。これに対し、スイッチ素子５２がオンすると、監視回路４３及び通信回路４４には蓄電池セル４０から電力Ｐ１が供給されることから、監視回路４３及び通信回路４４の動作によって蓄電池セル４０の電池残容量が減少する。このようなスイッチ回路５０の切り替え、つまり切替信号ＳＷ１，ＳＷ２の生成は、コントローラ３０から供給される制御信号ＣＴに基づき、監視回路４３によって行われる。
図４は、コントローラ３０の動作を説明するためのフローチャートである。
初期状態においては、各蓄電池モジュール１０に含まれるスイッチ素子５１がオン、スイッチ素子５２がオフしている（ステップＳ１）。この状態で、コントローラ３０は各蓄電池モジュール１０と通信し（ステップＳ２）、各蓄電池モジュール１０から状態信号ＳＴを取得することにより、データ収集を行う（ステップＳ３）。状態信号ＳＴは、少なくとも当該蓄電池モジュール１０の電池残容量に関する情報が含まれており、このためデータ収集を行うと、複数の蓄電池モジュール１０間における電池残容量のばらつきを算出することができる。
そして、複数の蓄電池モジュール１０間における電池残容量のばらつきを評価し、これが所定値以内であるか否かを判定する（ステップＳ４）。その結果、ばらつきが所定値以内である場合には（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、一定時間が経過した後（ステップＳ６）、ステップＳ２に戻る。
これに対し、ばらつきが所定値を超えている場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、電池残容量の多い１又は２以上の蓄電池モジュール１０と通信し（ステップＳ７）、スイッチ回路５０の切り替えを行う（ステップＳ８）。スイッチ回路５０の切り替えは、切替信号ＳＷ２を活性化させることによってスイッチ素子５２をオンさせる動作である。この時、切替信号ＳＷ１は非活性化され、スイッチ素子５１はオフ状態とされる。スイッチ回路５０の切り替えは、コントローラ３０から電池残容量の多い蓄電池モジュール１０に対して制御信号ＣＴを供給することにより行う。スイッチ回路５０の切り替えは、電池残容量の最も多い又は電池残容量が平均値よりも多い蓄電池モジュール１０に対して行う他、電池残容量がしきい値を超えた蓄電池モジュール１０に対して行っても構わない。尚、電池残容量の少ない蓄電池モジュール１０に対してはリセットを指示する制御信号ＣＴを供給しても構わない。但し、スイッチ回路５０がリセットされている蓄電池モジュール１０については、改めてリセットする必要はない。
上述の通り、スイッチ素子５２がオンすると、監視回路４３及び通信回路４４には蓄電池セル４０から電力Ｐ１が供給される。このため、監視回路４３及び通信回路４４の動作によって蓄電池セル４０の電池残容量が減少し（ステップＳ９）、結果的に、各蓄電池モジュール１０間における電池残容量のばらつきが縮小される。そして、監視回路４３によってこの状態を所定時間維持した後（ステップＳ１０）、コントローラ３０からリセットを指示する制御信号ＣＴを供給することにより、各蓄電池モジュール１０に対してスイッチ回路５０のリセットを行う（ステップＳ１１）。スイッチ回路５０のリセットとは、切替信号ＳＷ１を活性化させることによってスイッチ素子５１をオンさせる動作である。この時、切替信号ＳＷ２を非活性状態であり、スイッチ素子５２はオフ状態とされる。但し、すでにスイッチ回路５０がリセットされている蓄電池モジュール１０に対しては、改めてリセットする必要はない。これにより、初期状態であるステップＳ１に戻り、上述した動作を繰り返す。このような動作を繰り返すことにより、電池残容量のばらつきが縮小され、平準化される。
このように、本実施形態による蓄電池システムは、複数の蓄電池モジュール１０間に電池残容量のばらつきが生じている場合、電池残容量の多い蓄電池モジュール１０の内部回路（つまり、監視回路４３及び通信回路４４）によって電力が消費されることから、無駄な容量損失を発生させることなく、電池残容量を平準化させることが可能となる。また、蓄電池モジュール１０にそもそも必要な内部回路によって電力消費を行っていることから、内部放電機構を別途追加する必要もない。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、初期状態においてスイッチ素子５１をオン状態としているが、これとは逆に、初期状態においてスイッチ素子５２をオン状態としても構わない。この場合、複数の蓄電池モジュール１０間における電池残容量に所定値を超えるばらつきが発生した場合、電池残容量の少ない１又は２以上の蓄電池モジュール１０のスイッチ素子５１をオンさせ、スイッチ素子５２をオフさせればよい。
また、上記実施形態では、コントローラ３０の制御によってスイッチ回路５０の切り替えを行っているが、複数の蓄電池モジュール１０間で通信を行うことにより、コントローラ３０を別途用いることなくスイッチ回路５０の切り替えを行うことも可能である。
１０ 蓄電池モジュール
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 外部電源端子
１４ 制御端子
２０ 外部電源
３０ コントローラ
４０ 蓄電池セル
４１ 電圧モニタ
４２ 電流モニタ
４３ 監視回路
４４ 通信回路
４５ 内部電源回路
５０ スイッチ回路
５１，５２ スイッチ素子
ＣＴ 制御信号
Ｐ１ 電力
ＳＴ 状態信号
ＳＷ１，ＳＷ２ 切替信号

Claims (6)

  1. 外部電源端子と、
    少なくとも一つの蓄電池セルと、
    前記蓄電池セルの状態を監視する監視回路と、
    切替信号に基づいて、前記外部電源端子及び前記蓄電池セルから供給される電力のいずれか一方を前記監視回路に供給するスイッチ回路と、を備えることを特徴とする蓄電池モジュール。
  2. 前記切替信号は、前記監視回路が生成することを特徴とする請求項１に記載の蓄電池モジュール。
  3. 制御端子をさらに備え、
    前記監視回路は、前記制御端子を介して外部から供給される制御信号に応答して前記切替信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の蓄電池モジュール。
  4. 請求項３に記載の複数の蓄電池モジュールと、
    前記複数の蓄電池モジュールの前記制御端子に前記制御信号を供給するコントローラと、を備えることを特徴とする蓄電池システム。
  5. 前記監視回路は、前記制御端子を介して、前記蓄電池セルの状態を示す状態信号を前記コントローラに供給し、
    前記コントローラは、前記複数の蓄電池モジュールから供給される前記状態信号に基づいて、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の蓄電池システム。
  6. 前記コントローラは、前記複数の蓄電池モジュールの電池残容量が平準化されるよう、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の蓄電池システム。
JP2017008253A 2017-01-20 2017-01-20 蓄電池モジュール及びこれを備える蓄電池システム Pending JP2018117485A (ja)

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