JP2021040421A - 蓄電素子モジュールバランス回路 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができる蓄電素子モジュールバランス回路を提供する。
【解決手段】蓄電素子モジュールバランス回路１は、直列に接続された複数の蓄電素子である電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮ及び電池セルに充電電圧または電流を出力する絶縁電源１０を有する蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮが複数直列または並列に接続されて構成される蓄電素子モジュール群２と、複数の蓄電素子モジュールの各電圧を監視する制御部１００と、を有する。複数の蓄電素子モジュールのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールと接続される。制御部は、複数の蓄電素子モジュールのうち所定の電圧値より低い蓄電素子モジュールに対して絶縁電源から電圧を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電素子モジュールからなる組電池において、蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができる蓄電素子モジュールバランス回路に関する。

近年、太陽光発電パネル（太陽電池パネル、ＰＶとも呼ばれる）、ＥＶ（電気駆動自動車）、蓄電装置等の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用するものや、種々の情報端末等の小型の電池を利用して電気エネルギーを一時的に蓄えて、蓄えた電気エネルギーを利用する持ち運び可能な機器の普及が急速に進んでいる。

しかし、電池の出力電圧はニッケル水素で１．２Ｖ、鉛電池で２Ｖ、リチウムイオン電池で４Ｖ弱と単電池で使用するには電圧が余りにも低く、そのためこれら電池セルを直列に接続して組電池として構成し、少なくとも１２Ｖ、高いもので３６０Ｖ程度の高電圧にして高電力化を図る機器が多い。

また、前記のような組電池は、供給電力等を安定して維持管理するためには、組電池の構成素子である個々の電池セル（単電池）の電圧を常に監視し、電圧の個々のデータと当該データに基づく適正な制御が組電池の長寿命化および安全性の確保に不可欠となる。そのため、組電池の個々の電池セル（単電池）の電圧を監視し、組電池に対して所定の制御を行う装置として、従来から電池管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）が用いられる。電池管理システムは、組電池が有する個々の電池セルの電圧や温度を測定し、電池システムを監視・制御（保護）を行うユニットとして、電池管理ユニット（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）を有している。

また、個々の電池セルの電圧を監視して均一化する技術としては過去種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などのモータの駆動用電池として搭載される高出力の組電池は、複数の角型の電池セルが電気的に接続されて高出力化を実現している。具体的には、この組電池は、所定数の電池セルと、各電池セルの電圧等を管理する電池管理ユニットから構成される電池モジュール（蓄電素子モジュール）が複数直列に連結されて構成されている。
これにより、組電池を構成する各電池モジュールにおいては、電池管理ユニットが電池モジュール内の各電池セル間の電圧バランスを取っている。すなわち、従来の電池管理ユニットは個々の電池モジュール内の電池セル間の電圧バランスを取るのみであり、複数の蓄電素子モジュールが直列や並列に接続されている場合であっても、蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができなかった。この場合、例えば組電池内の任意の蓄電素子モジュールの電圧低下が生じた際に、組電池全体の電圧バランスが取ることができず、電圧低下の電池モジュールが空の状態になった時点で、組電池からモータ等の負荷への電力供給がストップしてしまうおそれがある。そのため、蓄電素子モジュール間においても電圧バランスを取ることができる技術が求められている。

特許第６３３２９２４号公報

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができる蓄電素子モジュールバランス回路を提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１の蓄電素子モジュールバランス回路においては、
直列に接続された複数の蓄電素子及び当該蓄電素子に充電電圧または電流を出力する絶縁電源を有する蓄電素子モジュールが複数直列または並列に接続されて構成される蓄電素子モジュール群と、
前記複数の蓄電素子モジュールの各電圧を監視する制御部と、を有し、
前記複数の蓄電素子モジュールのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールと接続され、
前記制御部は、
前記複数の蓄電素子モジュールのうち所定の電圧値より低い蓄電素子モジュールに対して電圧を供給するものである。

また、請求項２の蓄電素子モジュールバランス回路においては、
前記蓄電素子モジュールは、
前記絶縁電源から前記複数の蓄電素子に個別に電圧または電流を供給するためのスイッチと、
前記スイッチを開閉制御するとともに前記複数の蓄電素子の各電圧を監視するモジュール制御部と、を有し、
前記モジュール制御部は、
前記複数の蓄電素子のうち所定の電圧値よりも低い蓄電素子に対して前記絶縁電源から電圧を供給するものである。

また、請求項３の蓄電素子モジュールバランス回路においては、
前記複数の蓄電素子モジュールのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールが有する少なくとも一部の蓄電素子に接続されるものである。

本発明の蓄電素子モジュールバランス回路によれば、複数の蓄電素子モジュール間の電圧を均一化して、複数の蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができる。ひいては、蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることで、蓄電素子モジュールの一つの特性不良による蓄電素子モジュール群全体の能力低減を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電素子モジュールバランス回路を示す図。

次に、本発明の蓄電素子モジュールバランス回路について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る蓄電素子モジュールバランス回路を示す図である。

図１に示すように、蓄電素子モジュールバランス回路１は、直列に接続された複数の蓄電素子である電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮ及び当該電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮに充電電圧を出力する絶縁電源１０を有する複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮが直列に接続されて構成される蓄電素子モジュール群２と、前記複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮの各電圧を監視する制御部１００と、を有している。また、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールと配線Ｌにより接続されている。
なお、本実施形態では、複数の蓄電素子モジュールが直列に接続された構成であるが、複数の蓄電素子モジュールが並列に接続された構成であっても本発明を適用することができる。
また、本実施形態では、上記のように電池セルに充電電圧を出力する構成であるが、充電圧の替わりに電池セルに電流を出力する構成であってもよい。

蓄電素子モジュール群２は、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮが直列に接続されて構成される組電池である。蓄電素子モジュール群２は、充電により蓄えられた電力を利用して作動する負荷（図示せず）に電気的に接続されて使用される。負荷としては、例えば、車両駆動用のモータ、各種デバイス、電灯等の照明装置、情報等の表示装置等が挙げられる。
なお、蓄電素子モジュール群２を構成する複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮは、同じ構成であるため蓄電素子モジュールＭ１のみを説明して、その他の蓄電素子モジュールＭ２、・・、ＭＮにおいて同様の用途及び機能を有する部材には同符号を付してその説明を省略する。
また、本実施形態で述べる電池は、二次電池のことであり、蓄電素子の一例である。

蓄電素子モジュールＭ１は、直列に接続された複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮと、各電池セルの（＋）、（−）端子にそれぞれ連結された複数のスイッチＳＷと、絶縁電源１０と、モジュール制御部２０を有している。
なお、本実施形態における蓄電素子モジュールとは、複数の電池セルの直列接続によってパック化、モジュール化して組電池を構成したものである。

スイッチＳＷは、例えばスイッチング素子で構成され、絶縁電源１０から電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮに個別に電圧または電流を供給するためのものである。スイッチＳＷは、モジュール制御部２０によりオン／オフ（開閉）の制御が実行される。

絶縁電源１０は、入力端Ａと、出力端Ｂとを有している。入力端Ａには、他の蓄電素子モジュールＭ２、・・、ＭＮのうち少なくとも一つの蓄電素子モジュール（本実施形態では、図１に示す蓄電素子モジュールＭＮ）が配線Ｌ１により電気的に接続されており、当該他の蓄電素子モジュールから所定の電圧（例えば、他の蓄電素子モジュールの電池セルの全体電圧）を絶縁電源１０に印加することが可能である。すなわち、絶縁電源１０には、当該他の蓄電素子モジュールから充電電圧が供給される。出力端Ｂには、複数のスイッチＳＷが連結されている。

モジュール制御部２０は、例えばマイクロコンピュータで構成され、複数のスイッチＳＷのそれぞれのオン／オフ（開閉）及び絶縁電源１０の動作を制御する。また、絶縁電源１０、モジュール制御部２０及び複数のスイッチＳＷは、複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの電圧等を監視・制御する電池管理ユニット（ＢＭＵ）を構成している。モジュール制御部２０は、複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮのそれぞれの個別の電圧及び複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの全体電圧を監視するとともに所定の手段で計測して取得することができる。

また、蓄電素子モジュールＭ１は、電圧を外部から入力可能である、（＋）側端子である外部入力端子３０ａ、（−）側端子である外部入力端子３０ｂを有している。外部入力端子３０ａ、外部入力端子３０ｂは絶縁電源１０の入力端Ａに接続されている。
また、蓄電素子モジュールＭ１は、蓄電素子モジュールＭ１内から電圧を出力可能である出力端子として、電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの電池セル全体における（＋）側端子である外部出力端子４０ａと、同じく（−）側端子である外部出力端子４０ｂを有している。蓄電素子モジュールＭ１の外部出力端子４０ａ・４０ｂは、配線Ｌ２により他の蓄電素子モジュールＭ２、・・、ＭＮのうち少なくとも一つの蓄電素子モジュール（図１では蓄電素子モジュールＭ１に隣接する蓄電素子モジュールＭ２）の絶縁電源１０に外部入力端子３０ａ、３０ｂを介して電気的に接続されている。

本実施形態の複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮでは、蓄電素子モジュールＭ１の外部出力端子４０ａ・４０ｂが蓄電素子モジュールＭ１の隣に配置された蓄電素子モジュールＭ２の外部入力端子３０ａ・３０ｂに配線Ｌ２により配線接続され、蓄電素子モジュールＭ２の外部出力端子４０ａ・４０ｂが蓄電素子モジュールＭ２の隣に配置された図示しない蓄電素子モジュールＭ３の外部入力端子３０ａ・３０ｂに配線Ｌ３により配線接続され、このようにして蓄電素子モジュールＭ１〜ＭＮ−１までが配線接続される。最後に図示しない蓄電素子モジュールＭＮ−１の外部出力端子４０ａ・４０ｂが第Ｎ番目の蓄電素子モジュールＭＮの外部入力端子３０ａ、３０ｂに配線Ｌ４により配線接続される。

［各蓄電素子モジュール内の電池セルのアクティブセルバランスについて］
また、モジュール制御部２０は、電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの各電圧を測定し、かつスイッチＳＷを適宜動作させて、例えば所定の電圧値より低い電池セルに対して絶縁電源（電圧または電流出力手段）より電圧を供給し、当該所定の電圧値より低い電池セルの電圧を上昇させて、電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの各電圧を均一化する。具体的には、モジュール制御部２０は、電池セルの電圧を一致させる補充電が可能となる、アクティブセルバランス回路を備えている。アクティブセルバランス回路は、各蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮ内の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮに対してアクティブセルバランスを実行することができる。
なお、アクティブセルバランスとは、低い電圧の電池セルを充電し高い電圧の電池セルに合わすことである。
また、蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮ内における電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮのアクティブセルバランスは、公知の方法で実行可能であり、例えば、特許文献１（特許第６３３２９２４号公報）等で開示された方法で実行することができる。

また、上述したアクティブセルバランスの別実施形態としては、モジュール制御部２０が、所定の時間毎に複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮのうち最も電圧が高い電池セルから、前記複数の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮのうち最も電圧が低い電池セルに対して電圧を供給するようにしてもよい。これにより、電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの各電圧を均一化することができる。

［蓄電素子モジュール間の電圧バランスの動作について］
次に、バランス回路１による蓄電素子モジュール間の電圧のバランスを取る動作について詳細に説明する。

制御部１００は、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮが有する各モジュール制御部２０に有線もしくは無線の通信回線ＣＬを介して通信可能であり、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮの各電圧を監視するとともに、各電圧を取得することが可能である。

具体的には、制御部１００は、例えば蓄電素子モジュールＭ１の電圧が蓄電素子モジュールＭ２の電圧よりも高いと判定した場合、蓄電素子モジュールＭ１の電圧を充電電圧として蓄電素子モジュールＭ２に供給して、蓄電素子モジュールＭ２内の電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮに適宜充電することにより、蓄電素子モジュールＭ１の電圧を下げ、蓄電素子モジュールＭ２の電圧を上げて、蓄電素子モジュールＭ１と蓄電素子モジュールＭ２の各電圧の均一化を図ることができる。

また、制御部１００は、所定時間毎に複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮの各電圧を監視して、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち電圧が最も高い蓄電素子モジュールから電圧が最も低い蓄電素子モジュールに電圧を供給することにより複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮの各電圧を均一化することができる。こうして、バランス回路１は、複数の蓄電素子モジュール間の電圧を均一化して、複数の蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることができる。ひいては、蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取ることで、蓄電素子モジュールの一つの特性不良による蓄電素子モジュール群全体の能力低減を抑えることができる。
なお、上記のように、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち電圧が最も高い蓄電素子モジュールから電圧が最も低い蓄電素子モジュールに電圧を供給する場合の他に、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち所定の電圧値（例えば、複数の蓄電素子モジュールの平均電圧値）よりも高い蓄電素子モジュールから所定の電圧値（例えば、複数の蓄電素子モジュールの平均電圧値）より低い蓄電素子モジュールに電圧を供給する構成であってもよい。

なお、図１では、制御部１００が通信回線ＣＬを介して蓄電素子モジュール間の通信を実行し、蓄電素子モジュールの各電圧等の情報交換するように構成しているが、例えば制御部１００が各蓄電素子モジュールのその他の電池状態の監視や諸特性の調整を実行できるように構成してもよい。

また、本実施形態のバランス回路１は、上述したように蓄電素子モジュール間の電圧バランスを取るだけでなく、各蓄電素子モジュール内の電池セルのアクティブセルバランスも同時に実行可能である。これにより、蓄電素子モジュール間及び蓄電素子モジュール内の電池セル間の２段階で電圧バランスを取ることが可能となるため、従来のような蓄電素子モジュール内の電池セル間の電圧バランスのみを取る場合よりも、より効率的に組電池全体の電圧の均一化を図ることが可能となる。

本実施形態のバランス回路１は、複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち、任意の蓄電素子モジュールが少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールと接続される構成であるが、例えば、制御部１００の指示に応じて、前記複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのうち、任意の蓄電素子モジュールが少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールが有する電池セルＢ１、Ｂ２、・・、ＢＮの少なくとも一部に接続される構成であってもよい。このような構成とした場合、制御部１００が複数の蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２、・・、ＭＮのそれぞれが有するモジュール制御部２０と連携しながら、蓄電素子モジュール内の任意の電池セルも充電電圧または電流の出力源として選択可能となり、制御部１００が電池セルの充電状態に応じて適宜電池セルを１つまたは複数選択し、例えば当該電池セルの電圧を充電電圧して使用することも可能となる。これにより、充電電圧または電流の出力源がより最適化されるので、より効率的に組電池全体の電圧の均一化を図ることが可能となる。

本発明は、二次電池に限定するものではなく、蓄電素子に広く適用することができる。
ここで、蓄電素子とは、蓄電機能を有する素子全般を指し、例えば、一対の電極と、電解質を少なくとも有し、蓄電することができる機能を有する素子のことである。なお、蓄電素子を蓄電装置としてもよい。

蓄電素子としては、例えばリチウムイオン二次電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池等の二次電池、レドックス・フロー電池、亜鉛・塩素電池、亜鉛臭素電池等の液循環型の二次電池、アルミニウム・空気電池、空気亜鉛電池、ナトリウム・硫黄電池、リチウム・硫化鉄電池等の高温動作型の二次電池などを用いることができる。なお、これらに限定されず、例えばリチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタなどを用いて蓄電素子を構成してもよい。

１ 蓄電素子モジュールバランス回路
２ 蓄電素子モジュール群
１０ 絶縁電源
１００ 制御部
Ｂ１、Ｂ２、・・、ＢＮ 電池セル（蓄電素子）
Ｍ１、Ｍ２、・・、ＭＮ 蓄電素子モジュール

Claims (3)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子及び当該蓄電素子に充電電圧または電流を出力する絶縁電源を有する蓄電素子モジュールが複数直列または並列に接続されて構成される蓄電素子モジュール群と、
   前記複数の蓄電素子モジュールの各電圧を監視する制御部と、を有し、
   前記複数の蓄電素子モジュールのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールと接続され、
   前記制御部は、
   前記複数の蓄電素子モジュールのうち所定の電圧値より低い蓄電素子モジュールに対して電圧を供給することを特徴とする蓄電素子モジュールバランス回路。
2. 前記蓄電素子モジュールは、
   前記絶縁電源から前記複数の蓄電素子に個別に電圧または電流を供給するためのスイッチと、
   前記スイッチを開閉制御するとともに前記複数の蓄電素子の各電圧を監視するモジュール制御部と、を有し、
   前記モジュール制御部は、
   前記複数の蓄電素子のうち所定の電圧値よりも低い蓄電素子に対して前記絶縁電源から電圧を供給することを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子モジュールバランス回路。
3. 前記複数の蓄電素子モジュールのうち、任意の蓄電素子モジュールは、少なくとも一つ以上の他の蓄電素子モジュールが有する少なくとも一部の蓄電素子に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電素子モジュールバランス回路。