JP2021177672A - 管理装置、及び電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】パッシブ方式の均等化処理において発熱を低減する。【解決手段】電源システム１の管理装置１０において、電圧計測部１４は、直列接続された複数のセルＥ１−Ｅ２０のそれぞれの電圧を計測する。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を電圧計測部１４の電源端子に供給する。セル選択回路１２は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力に、複数のセルＥ１−Ｅ２０のいずれかを放電対象として選択的に接続可能である。制御部１５は、電圧計測部１４により計測された複数のセルＥ１−Ｅ２０の電圧をもとに、セル選択回路１２を制御して特定のセルを放電させることにより、複数のセルＥ１−Ｅ２０間の均等化処理を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のセルの状態を管理する管理装置、及び電源システムに関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。一般的に、リチウムイオン電池では電力効率の維持および安全性担保の観点から、直列接続された複数のセル間において容量を均等化する均等化処理が実行される（例えば、特許文献１参照）。

均等化処理の方式としてはパッシブ方式が主流である。一般的なパッシブ方式では、直列接続された複数のセルにそれぞれ放電抵抗を接続し、最も電圧が低いセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせように他のセルを放電する。

特開２００６−７３３６４号公報

上述のパッシブ方式では均等化処理中、放電抵抗が発熱する。近年、均等化時間の短縮の必要から放電電流が増加する傾向にあり、放電抵抗からの発熱も増加する傾向にある。

また複数のセルの電圧を計測する電圧計測回路はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成されることが多いが、ＡＳＩＣに電源を供給するリニアレギュレータからの発熱も大きい。電圧計測回路の高機能化に伴い、ＡＳＩＣの消費電流が増加する傾向にあり、リニアレギュレータからの発熱も増加する傾向にある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、パッシブ方式の均等化処理において発熱を低減する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の管理装置は、直列接続された複数のセルのそれぞれの電圧を計測する電圧計測部と、入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を前記電圧計測部の電源端子に供給する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に、前記複数のセルのいずれかを放電対象として選択的に接続可能なセル選択回路と、前記電圧計測部により計測された前記複数のセルの電圧をもとに、前記セル選択回路を制御して特定のセルを放電させることにより、前記複数のセル間の均等化処理を実行する制御部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、パッシブ方式の均等化処理において発熱を低減することができる。

比較例に係る電源システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電源システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電源システムの構成の状態１を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電源システムの構成の状態２を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る電源システムの構成を示す図である。 変形例に係る電源システムの構成を示す図である。

図１は、比較例に係る電源システム１の構成を示す図である。電源システム１は例えば、車両の駆動用電池として車両に搭載されて使用される。電源システム１は、蓄電モジュールＭ１及び管理装置１０を備える。蓄電モジュールＭ１は、直列接続された複数のセルＥ１−Ｅ２０を含む。図１では、２０個のセルＥ１−Ｅ２０が直列接続されて１つの蓄電モジュールを形成している例を描いている。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。

管理装置１０は、複数の放電スイッチＳｄ１−Ｓｄ２０、複数の放電抵抗Ｒ１−Ｒ２０、ＬＤＯ(Low Drop Out)１１、電圧計測部１４及び制御部１５を備える。各セルＥ１−Ｅ２０に対して並列にそれぞれ放電回路が接続される。具体的には、第１セルＥ１の両端に第１放電スイッチＳｄ１と第１放電抵抗Ｒ１が直列接続され、第２セルＥ２の両端に第２放電スイッチＳｄ２と第２放電抵抗Ｒ２が直列接続され、第３セルＥ３の両端に第３放電スイッチＳｄ３と第３放電抵抗Ｒ３が直列接続され、・・・、第１９セルＥ１９の両端に第１９放電スイッチＳｄ１９と第１９放電抵抗Ｒ１９が直列接続され、及び第２０セルＥ２０の両端に第２０放電スイッチＳｄ２０と第２０放電抵抗Ｒ２０が接続される。

電圧計測部１４は、直列接続された複数のセルＥ１−Ｅ２０の各ノードと複数の電圧線で接続され、隣接する２本の電圧線間の電圧をそれぞれ計測することにより、各セルＥ１−Ｅ２０の電圧を計測する。電圧計測部１４は、計測した各セルＥ１−Ｅ２０の電圧を制御部１５に送信する。

電圧計測部１４は一般的に、ＡＳＩＣで構成されることが多い。そのＡＳＩＣの電源として、一般的に、安価で小型なリニアレギュレータが使用されることが多い。図１では電圧計測部１４に電源を供給する電源回路として、代表的なリニアレギュレータの１つであるＬＤＯ１１を使用する例を示している。

ＬＤＯ１１は、蓄電モジュールＭ１の両端に接続され、蓄電モジュールＭ１の両端電圧を所定レベルの電圧に降圧し、降圧した電圧を電圧計測部１４の電源端子に供給する。所定レベルの電圧は、電圧計測部１４の電源電圧レベルであり、例えば５Ｖに設定される。

電圧計測部１４は、マルチプレクサ及びＡ／Ｄ変換器を含む。マルチプレクサは、複数のセルＥ１−Ｅ２０の各電圧値を所定の順番でＡＤ変換器に出力する。ＡＤ変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ信号をデジタル値に変換する。電圧計測部１４は制御部１５に対して高圧であるため、電圧計測部１４と制御部１５間は絶縁された状態で、通信線で接続される。

なお図１に示していないが、管理装置１０内には、複数のセルＥ１−Ｅ２０に流れる電流を計測するための電流計測部、及び複数のセルＥ１−Ｅ２０の温度を計測するための温度計測部が設けられる。

制御部１５は、電圧計測部１４、電流計測部（不図示）及び温度計測部（不図示）により計測された複数のセルＥ１−Ｅ２０の電圧、電流、及び温度をもとに蓄電モジュールＭ１を管理する。制御部１５はマイクロコンピュータ及び不揮発メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ）により構成することができる。不揮発メモリ内には、ＳＯＣ(State Of Charge)−ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）マップが含まれる。

制御部１５は、複数のセルＥ１−Ｅ２０の電圧、電流、及び温度をもとに、複数のセルＥ１−Ｅ２０のＳＯＣ及びＳＯＨ(State Of Health）を推定する。ＳＯＣは例えば、ＯＣＶ法または電流積算法により推定できる。ＯＣＶ法は、計測されたセルのＯＣＶと、不揮発メモリ内に保持されるＳＯＣ−ＯＣＶカーブの特性データをもとにＳＯＣを推定する方法である。電流積算法は、計測されたセルの充放電開始時のＯＣＶと、計測された電流の積算値をもとにＳＯＣを推定する方法である。

ＳＯＨは、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の比率で規定され、数値が低いほど（０％に近いほど）劣化が進行していることを示す。二次電池の劣化は、保存劣化とサイクル劣化の和で近似できる。

保存劣化は、充放電中であるか否かに関わらず、二次電池の各時点における温度、各時点におけるＳＯＣに応じて経時的に進行する劣化である。各時点におけるＳＯＣが高いほど（１００％に近いほど）、又は各時点における温度が高いほど、保存劣化速度が増加する。

サイクル劣化は、充放電の回数が増えるにつれ進行する劣化である。サイクル劣化は、使用ＳＯＣ範囲、温度、電流レートに依存する。使用ＳＯＣ範囲が広いほど、温度が高いほど、又は電流レートが高いほど、サイクル劣化速度が増加する。このように二次電池の劣化は使用環境に大きく依存し、使用期間が長くなるにつれ、複数のセルＥ１−Ｅ２０の容量のばらつきが大きくなっていく。

制御部１５は、電圧計測部１４から受信した複数のセルＥ１−Ｅ２０の電圧をもとに、複数のセルＥ１−Ｅ２０間の均等化処理を実行する。一般的なパッシブセルバランス方式では、複数のセルＥ１−Ｅ２０の内、最も容量が少ないセルの容量（以下、目標値という）まで、他のセルを放電する。なお目標値は、実容量、ＳＯＣ、ＯＣＶのいずれで規定されてもよい。ＯＣＶで規定される場合、最もＯＣＶが低いセルのＯＣＶが目標値となる。なお目標値は放電可能量または充電可能量で規定されてもよい。

制御部１５は、複数のセルＥ１−Ｅ２０の内、最も容量が少ないセルの計測値を目標値とし、当該目標値と他の複数のセルの計測値との差分をそれぞれ算出する。制御部１５は、算出したそれぞれの差分をもとに当該他の複数のセルの放電量をそれぞれ算出する。制御部１５は、算出したそれぞれの放電量をもとに当該他の複数のセルの放電時間をそれぞれ算出する。制御部１５は、複数のセルＥ１−Ｅ２０の放電時間を含む均等化処理の制御信号を生成し、電圧計測部１４に送信する。電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、制御部１５から受信した制御信号をもとに、複数の放電スイッチＳｄ１−Ｓｄ２０をそれぞれ指定された時間、オン状態に制御する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電源システム１の構成を示す図である。実施の形態１に係る電源システム１は、図１に示した比較例に係る電源システム１と比較して、複数の放電スイッチＳｄ１−Ｓｄ２０、複数の放電抵抗Ｒ１−Ｒ２０及びＬＤＯ１１が省略され、セル選択回路１２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が追加された構成である。比較例では、均等化放電の負荷として複数の放電抵抗Ｒ１−Ｒ２０を使用したが、実施の形態１では、均等化放電の負荷として電圧計測部１４を使用する。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を電圧計測部１４の電源端子に供給する。所定レベルの電圧は、電圧計測部１４の電源電圧レベルであり、例えば５Ｖに設定される。

セル選択回路１２は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力に、複数のセルＥ１−Ｅ２０のいずれかを放電対象として選択的に接続可能な回路である。セル選択回路１２は、複数のスイッチＳ１−Ｓ２５を含む。

図２では絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータで構成する例を示している。絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスＴ１、スイッチＳ２６、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１を備える。絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスＴ１の一次巻線と二次巻線とが逆極性に接続される。

なお、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータに限らず、入力電圧を所定レベルの電圧に変換して出力することが可能な絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであればどのような構成であってもよい。この種のＤＣ／ＤＣコンバータとしては、上述の絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータ以外にも、絶縁型フォワードＤＣ／ＤＣコンバータなどが知られている。

トランスＴ１の一次巻線の両端は、セル選択回路１２の出力端に接続される。一次巻線の一端とセル選択回路１２の一方の出力端との間にスイッチＳ２６が挿入される。トランスＴ１の二次巻線の一端に整流用のダイオードＤ１が接続される。トランスＴ１の二次巻線の両端間に平滑化用のコンデンサＣ１が接続される。

トランスＴ１の一次巻線と、複数のセルＥ１−Ｅ２０のいずれか１つの両端間が、セル選択回路１２を介して接続される。複数のセルＥ１−Ｅ２０の各ノードには電圧線が接続される。奇数の電圧線は正極用配線Ｌｐ１で結合され、偶数の電圧線は負極用配線Ｌｍ１で結合される。第１−第２１電圧線には、スイッチＳ１−Ｓ２１がそれぞれ挿入される。

トランスＴ１の一次巻線の一端と正極用配線Ｌｐ１間がスイッチＳ２２を介して接続され、一次巻線の一端と負極用配線Ｌｍ１間がスイッチＳ２３を介して接続される。トランスＴ１の一次巻線の他端と正極用配線Ｌｐ１間がスイッチＳ２４を介して接続され、一次巻線の他端と負極用配線Ｌｍ１間がスイッチＳ２５を介して接続される。

電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、放電対象のセルの両端のノードに接続された２本の電圧線に挿入された２つのスイッチ、スイッチＳ２２／Ｓ２３、及びスイッチＳ２４／Ｓ２５をオン状態に制御する。図２では第３セルＥ３を放電する場合を示している。上記スイッチ制御回路は、スイッチＳ２、スイッチＳ２２、スイッチＳ２４、及びスイッチＳ３をオン状態に制御する。各セルのオン時間は、制御部１５から受信した均等化処理の制御信号に含まれる各セルの放電時間に従う。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチ制御回路（不図示）は、トランスＴ１の二次巻線の出力電圧が所定レベルの電圧（例えば、５Ｖ）を維持するように、スイッチＳ２６のデューティ比を制御する。

制御部１５は、電圧計測部１４から受信した複数のセルＥ１−Ｅ２０の電圧をもとに、セル選択回路１２を制御して特定のセルを放電させることにより、複数のセルＥ１−Ｅ２０間の均等化処理を実行する。各セルの放電時間の決定方法は、上記比較例で説明した決定方法と同様である。制御部１５は、複数のセルＥ１−Ｅ２０の放電時間を含む均等化処理の制御信号を生成し、電圧計測部１４に送信する。電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、制御部１５から受信した制御信号をもとに、複数のスイッチＳ１−Ｓ２５を制御して、指定された時間、各セルからセル選択回路１２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して電圧計測部１４に放電させる。

制御部１５は、均等化処理を実行しない通常の期間、セル選択回路１２を制御して、放電対象のセルを複数のセルＥ１−Ｅ２０間で所定期間ごとに順次切り替える。これにより、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルＥ１−Ｅ２０から均等に、電圧計測部１４に動作電流を供給することができる。これにより、電圧計測部１４に動作電流を供給することに起因して、複数のセルＥ１−Ｅ２０間に容量のばらつきが発生することを抑制することができる。

以下、図１に示した比較例に係る電源システム１と、図２に示した実施の形態１に係る電源システム１における電力損失を試算する。発熱量は電力損失に比例するため、電力損失が少ないほど発熱が小さくなる。

図１に示した比較例に係る電源システム１において、各セルの電圧を４Ｖ、各セルから各放電抵抗に流れる電流を１００ｍＡ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧を５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流を２０ｍＡとする。図１は、第３セルＥ３の容量を第３放電抵抗Ｒ３に放電して第３セルＥ３の容量を低下させている状態を示している。

蓄電モジュールＭ１は２０直列のセルを含み、各セルの電圧は４Ｖであるため、ＬＤＯ１１の入力電力は８０Ｖとなる。ＬＤＯ１１は、入力された８０Ｖを、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧である５Ｖに降圧する。

ＬＤＯ１１に代表されるリニアレギュレータは、出力電圧が目標電圧を維持するように、入出力間に挿入した可変抵抗（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗）に電力消費させることにより、目標の安定電圧を出力する。リニアレギュレータでは、入力電圧と出力電圧の差に応じた電力損失が発生し、電力損失に応じた熱が発生する。

上記の例では、８０Ｖを５Ｖに変換し、出力電流が２０ｍＡであるため、ＬＤＯ１１では１．５Ｗ（＝２０ｍＡ×（８０−５）Ｖ）の電力損失が発生する。

第３セルＥ３の電圧が４Ｖ、第３放電抵抗Ｒ３に流れる電流が１００ｍＡであるため、第３放電抵抗Ｒ３では０．４Ｗ（＝１００ｍＡ×４Ｖ）の電力損失が発生する。

電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧が５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流が２０ｍＡであるため、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）では０．１Ｗ（＝２０ｍＡ×５Ｖ）の電力消費が発生する。

以上から、第３セルＥ３の放電により、２Ｗ（＝１．５Ｗ＋０．４Ｗ＋０．１Ｗ）の電力損失が発生する。

図２に示した実施の形態１に係る電源システム１において、各セルの電圧を４Ｖ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換効率を５０％、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧を５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流を４０ｍＡとする。図２は、第３セルＥ３の容量を、セル選択回路１２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）に放電して、第３セルＥ３の容量を低下させている状態を示している。

電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧が５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流が４０ｍＡであるため、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）では０．２Ｗ（＝４０ｍＡ×５Ｖ）の電力消費が発生する。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換効率が５０％、出力電力が０．２Ｗであるため、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力電力は０．４Ｗ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電力損失は０．２Ｗである。

以上から、第３セルＥ３の放電により、０．４Ｗ（＝０．２Ｗ＋０．２Ｗ）の電力損失が発生する。

実施の形態１において、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力電力が０．４Ｗ、第３セルＥ３の電圧が４Ｖであるため、第３セルＥ３から流れる放電電流は１００ｍＡとなる。図１に示した比較例と図２に示した実施の形態１を比較すると、第３セルＥ３の電圧、及び第３セルＥ３から流れる放電電流は同じである。放電による電力損失は比較例では２Ｗ、実施の形態１では０．４Ｗである。従って、実施の形態１のほうが発熱を抑えることができる。

また実施の形態１では、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流を、比較例に係る電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流の２倍にしている。従って、実施の形態１のほうが電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の処理を高機能化することができる。なお仮に電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流を、比較例と同じ２０ｍＡとした場合、実施の形態１に係る電力損失をさらに抑えることができる。

以上説明したように実施の形態１によれば、均等化放電の負荷として、各セルに接続された放電抵抗を使用せずに、電圧計測部１４を使用することにより、均等化処理時の発熱を低減することができる。

図３は、本発明の実施の形態２に係る電源システム１の構成の状態１を示す図である。図２に示した実施の形態１に係る電源システム１では、複数のセルＥ１−Ｅ２０の内、放電するセルは各時点において基本的に１つであった。これに対して実施の形態２では、同時に複数のセルから放電させることができる回路構成を有している。

実施の形態２では、複数のセルＥ１−Ｅ２０の各ノードから正極用配線Ｌｐ１と負極用配線Ｌｍ１の両方にそれぞれ電圧線が接続される。正極用配線Ｌｐ１に接続される第１−第２０電圧線には、スイッチＳ１ａ−Ｓ２０ａがそれぞれ挿入される。負極用配線Ｌｍ１に接続される第２−第２１電圧線には、スイッチＳ２ｂ−Ｓ２１ｂがそれぞれ挿入される。なお実施の形態２では、スイッチＳ２２−Ｓ２５は不要となる。

実施の形態２ではセル選択回路１２は、複数のセルＥ１−Ｅ２０の内、連続する複数のセルを放電対象とすることができる。図３では、連続する３つのセル（第１セルＥ１−第３セルＥ３）を放電する場合を示している。電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、スイッチＳ１ａ及びスイッチＳ４ｂをオン状態に制御する。

図３に示した実施の形態２に係る電源システム１において、各セルの電圧を４Ｖ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換効率を５０％、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧を５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流を４０ｍＡとする。

電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の電源電圧が５Ｖ、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）の消費電流が４０ｍＡであるため、電圧計測部１４（ＡＳＩＣ）では０．２Ｗ（＝４０ｍＡ×５Ｖ）の電力消費が発生する。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換効率が５０％、出力電力が０．２Ｗであるため、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力電力は０．４Ｗ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電力損失は０．２Ｗである。

第１セルＥ１−第３セルＥ３の両端電圧は１２Ｖ（＝４Ｖ×３）であるため、第１セルＥ１−第３セルＥ３のそれぞれから、３３ｍＡ（≒０．４Ｗ÷１２Ｖの放電電流が流れる。図３に示す例では、第１セルＥ１−第３セルＥ３の放電により、０．４Ｗ（＝０．２Ｗ＋０．２Ｗ）の電力損失が発生する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る電源システム１の構成の状態２を示す図である。制御部１５は、均等化処理を実行しない通常の期間、セル選択回路１２を制御して、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルＥ１−Ｅ２０を放電対象に制御する。具体的には、電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、セル選択回路１２内の最上位のスイッチであるスイッチＳ１ａ及びセル選択回路１２内の最下位のスイッチであるスイッチ２１ｂをオン状態に制御する。

図４に示す状態２では、第１セルＥ１−第２０セルＥ２０の両端電圧は８０Ｖ（＝４Ｖ×２０）であるため、第１セルＥ１−第２０セルＥ２０のそれぞれから、５ｍＡ（＝０．４Ｗ÷８０Ｖの放電電流が流れる。図４に示す状態２でも、第１セルＥ１−第２０セルＥ２０からの放電により、０．４Ｗ（＝０．２Ｗ＋０．２Ｗ）の電力損失が発生する。

なお実施の形態１と同様に制御部１５は、均等化処理を実行しない通常の期間、放電対象のセルを複数のセルＥ１−Ｅ２０間で所定期間ごとに順次切り替えてもよい。また実施の形態１において、蓄電モジュールＭ１に含まれるセルの数が奇数の場合、実施の形態２と同様にセル選択回路１２内の最上位スイッチと最下位スイッチをオン状態に制御して、蓄電モジュールＭ１に含まれる全てのセルから放電させてもよい。また実施の形態１においても、連続するセルの数が奇数であれば、同時に放電することができる。

以上説明したように実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、連続する複数のセルを同時に放電できるため、複数のセルＥ１−Ｅ２０を１つずつ順番に放電する場合と比較して、均等化処理中の複数のセルＥ１−Ｅ２０間の容量のばらつきを抑えることができる。

図５は、本発明の実施の形態３に係る電源システム１の構成を示す図である。実施の形態３に係る電源システム１は、複数の蓄電モジュール（図５では、第１蓄電モジュールＭ１−第３蓄電モジュールＭ３）、複数のサブ管理部（図５では、第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３）、及びメイン管理部５０を備える。

第１蓄電モジュールＭ１は複数のセル（図５では、第１セルＥ１−第５セルＥ５）が直列接続されて形成され、第２蓄電モジュールＭ２は複数のセル（図５では、第６セルＥ６−第１０セルＥ１０）が直列接続されて形成され、第３蓄電モジュールＭ３は複数のセル（図５では、第１１セルＥ１１−第１５セルＥ１５）が直列接続されて形成される。なお図５に示す蓄電モジュールＭ１−Ｍ３の構成は、説明を簡略化するために簡素化したものであり、実際の構成は、電源システム１に要求される電圧に応じて、より多くのセルが直列接続された構成となる。

第１蓄電モジュールＭ１と第１サブ管理部２１は１つの蓄電ブロックを構成している。第１サブ管理部２１は、セル選択回路１２、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３及び電圧計測部１４を含み、それらは１つの回路基板上に実装される。第２蓄電モジュールＭ２及び第３蓄電モジュールＭ３も第１蓄電モジュールＭ１と同様の構成である。

第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３とメイン管理部５０は通信線４０によりデイジーチェーン接続されている。デイジーチェーン接続とは、複数のデバイスが一列に接続されるような接続方法を意味し、隣接するデバイス間で信号を伝播させる接続方式である。なお、第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３とメイン管理部５０の接続形態は、デイジーチェーン型に限るものではなく、リング型、バス型、スター型などであってもよい。なお本明細書では、第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３及びメイン管理部５０を総称して管理装置と呼ぶ。

第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３及びメイン管理部５０間のそれぞれは、絶縁回路を介して接続される。絶縁回路として、直流カットコンデンサ、トランス、フォトカプラ等を使用することができる。第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３の電圧計測部１４は、直列接続された複数のセルの電圧を検出する必要があるため高電圧化する必要がある。一方、メイン管理部５０は、通常、１２Ｖの鉛電池から電源供給されて動作する。この電圧差を吸収するために第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３及びメイン管理部５０間のそれぞれは絶縁される必要がある。

第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３及びメイン管理部５０間の通信には、所定のシリアル通信方式を使用することができる。例えば、ＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）を使用することができる。また、メーカ独自の通信方式が使用されてもよい。

メイン管理部５０は制御部１５を備える。制御部１５は、第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３の各電圧計測部１４から各セルＥ１−Ｅ１５の電圧を受信する。制御部１５は、受信した各セルＥ１−Ｅ１５の電圧をもとに、各セル選択回路１２を制御して蓄電モジュールＭ１−Ｍ３ごとに特定のセルを放電させることにより、複数のセルＥ１−Ｅ１５間の均等化処理を実行する。各セルＥ１−Ｅ１５の放電時間の決定方法は、上記比較例で説明した決定方法と同様である。

制御部１５は、複数のセルＥ１−Ｅ１５の放電時間を含む均等化処理の制御信号を生成し、通信線４０を介して第１サブ管理部２１−第３サブ管理部２３の電圧計測部１４に送信する。各電圧計測部１４内のスイッチ制御回路（不図示）は、制御部１５から受信した制御信号をもとに、複数のスイッチＳ１−Ｓ２５を制御して、指定された時間、各セルからセル選択回路１２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して電圧計測部１４に放電させる。

制御部１５は、均等化処理中、全てのセルが均等化のための放電を終了した蓄電モジュールに接続された電圧計測部１４を、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させる制御信号を、当該電圧計測部１４に送信する。省電力モードには例えば、休止モード、スタンバイモードがある。均等化処理が終了した蓄電モジュールでは、電圧計測部１４の電力消費による蓄電モジュールに含まれるセルの容量低下を抑制するために、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させる。制御部１５は、複数の蓄電モジュールＭ１−Ｍ３に含まれる全てのセルＥ１−Ｅ１５間の均等化処理が終了すると、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させていた電圧計測部１４を元の状態に戻す。

上述のように均等化放電の負荷として電圧計測部１４を使用する場合、均等化が終了した蓄電モジュールに接続された電圧計測部１４は、均等化処理の精度維持のために、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させることが望ましい。しかしながら、省電力モード又はシャットダウン状態の電圧計測部１４は、セルの電圧を計測することができなくなる。

そこで制御部１５は、セルの電圧を常時計測する必要がない期間に、均等化処理を実行する。セルの電圧を常時計測する必要がない期間は、複数の蓄電モジュールＭ１−Ｍ３が外部の負荷と電気的に切り離され、外部の負荷に対して充放電する必要がない期間である。

電動車両に搭載される電源システム１の場合、電動車両が非走行中であり、かつ外部充電器から充電していない期間である。例えば、電動車両の電源がオフ（エンジン車両のイグニッションオフに相当する）の期間である。電動車両の電源がオフの期間では、電圧計測部１４は原則として、省電力モード又はシャットダウン状態にあり、定期的に起動してセルの電圧を計測する。計測したセルの電圧に異常がなければ、省電力モード又はシャットダウン状態に再度移行する。

以上説明したように実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、複数のセルＥ１−Ｅ１５間を複数の電圧計測部１４で均等化処理する場合において、均等化が終了した電圧計測部１４を省電力モード又はシャットダウン状態に移行させることにより、均等化処理が終了したセルの容量が、均等化処理中のセルの容量と同様に低下することを防止することができる。これにより、複数の電圧計測部１４が必要な大規模なシステムにおいても、均等化放電の負荷に電圧計測部１４を用いることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図６は、変形例に係る電源システム１の構成を示す図である。変形例に係る電源システム１では、図２に示した実施の形態１に係る電源システム１に、放電スイッチＳｄ２１及び放電抵抗Ｒ２１が追加された構成である。直列接続された放電スイッチＳｄ２１及び放電抵抗Ｒ２１は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のトランスＴ１の二次巻線の両端間に接続される。電圧計測部１４のスイッチ制御回路（不図示）は、均等化処理中、放電スイッチＳｄ２１をオン状態に制御することにより、均等化放電の負荷を増加させることができる。これにより、セルから放電される電流量を増加させることができ、均等化処理にかかる時間を短縮することができる。

また上述の実施の形態１−３では、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にスイッチング方式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを使用する例を説明した。この点、実施の形態１では、スイッチＳ２６を含まないパッシブ型の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを使用してもよい。トランスＴ１の一次巻線と二次巻線の巻数比を、１つのセルの電圧と電圧計測部１４の電源電圧との比（例えば、４：５）に設定することにより、１つのセルの電圧をスイッチング制御によらずに、電圧計測部１４の電源電圧に昇圧することができる。

また上述の実施の形態３では１つの蓄電ブロックに１つの電圧計測部が搭載される例を説明した。この点、１つの蓄電ブロックに複数の電圧計測部が搭載される構成も可能である。例えば、直列接続された２０セルを含む蓄電ブロックに２つの電圧計測部が搭載され、各電圧計測部が１０セル分の電圧を計測する構成も可能である。

また上述の実施の形態１−３では車載用途の電源システム１において上述の均等化処理を実行する例を説明したが、定置型蓄電用途の電源システム１においても、上述の均等化処理を実行することができる。またノート型ＰＣやスマートフォンなどの電子機器用途の電源システム１においても、上述の均等化処理を実行することができる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
直列接続された複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）のそれぞれの電圧を計測する電圧計測部（１４）と、
入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を前記電圧計測部（１４）の電源端子に供給する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）と、
前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）の入力に、前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）のいずれかを放電対象として選択的に接続可能なセル選択回路（１２）と、
前記電圧計測部（１４）により計測された前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）の電圧をもとに、前記セル選択回路（１２）を制御して特定のセルを放電させることにより、前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）間の均等化処理を実行する制御部（１５）と、
を備えることを特徴とする管理装置（１０）。
これによれば、均等化処理中の発熱を低減することができる。
［項目２］
前記制御部（１５）は、前記均等化処理を実行していない期間、前記セル選択回路（１２）を制御して、放電対象の１つのセルを前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）間で所定期間ごとに順次切り替えることを特徴とする項目１に記載の管理装置（１０）。
これによれば、電圧計測部（１４）に電源を供給することに起因して、複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）間の容量のばらつきが拡大することを防止することができる。
［項目３］
前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）は、スイッチング方式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）であり、
前記セル選択回路（１２）は、連続する複数のセル（Ｅ１−Ｅ３）を放電対象とすることが可能であることを特徴とする項目１に記載の管理装置（１０）。
これによれば、均等化処理中の複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）間の容量のばらつきが拡大することを防止することができる。
［項目４］
前記制御部（１５）は、前記均等化処理を実行していない期間、前記セル選択回路（１２）を制御して、前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）の全てを放電対象に制御することを特徴とする項目１に記載の管理装置（１０）。
これによれば、電圧計測部（１４）に電源を供給することに起因して、複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）間の容量のばらつきが拡大することを防止することができる。
［項目５］
直列接続された複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）と、
前記複数のセル（Ｅ１−Ｅ２０）を管理する項目１から４のいずれか１項に記載の管理装置（１０）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、均等化処理中の発熱を低減することができる電源システム（１）を構築することができる。
［項目６］
直列に接続される複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）であって、各直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）が、直列に接続される複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１１−Ｅ１５）を含んでいる、前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）と、
前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のそれぞれに接続される複数の電圧計測部（１４）であって、各電圧計測部（１４）が、対象の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に含まれる複数のセル接続される複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１１−Ｅ１５）の各電圧を計測する、前記複数の電圧計測部（１４）と、
前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のそれぞれに接続される複数の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）であって、各絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）が、入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を対象の電圧計測部（１４）の電源端子に供給する、前記複数の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）と、
前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のそれぞれに接続される複数のセル選択回路（１２）であって、各セル選択回路（１２）が、対象の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）の入力に、対象の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１１−Ｅ１５）のいずれかを放電対象として選択的に接続可能な、前記複数のセル選択回路（１２）と、
前記複数の電圧計測部（１４）から各セル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１１−Ｅ１５）の電圧を取得し、前記複数のセル選択回路（１２）を制御して前記直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）ごとに特定のセルを放電させることにより、前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１１−Ｅ１５）間の均等化処理を実行する制御部（１５）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、均等化処理中の発熱を低減することができる大規模な電源システム（１）を構築することができる。
［項目７］
前記制御部（１５）は、前記均等化処理中、全てのセル（Ｅ１−Ｅ５）が均等化のための放電を終了した直列セル群（Ｍ１）に接続された前記電圧計測部（１４）を、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させることを特徴とする項目６に記載の電源システム（１）。
これによれば、均等化処理が終了した直列セル群（Ｍ１）に含まれるセル（Ｅ１−Ｅ５）の容量が、均等化処理中のセルの容量と同様に低下することを防止することができる。
［項目８］
前記制御部（１５）は、前記複数の直列セル群（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）と負荷が電気的に切り離された状態で、前記均等化処理を実行することを特徴とする項目６または７に記載の電源システム（１）。
これによれば、均等化処理が終了した直列セル群（Ｍ１）に接続された電圧計測部（１４）を省電力モード又はシャットダウン状態に移行させても不都合が少ない期間に均等化処理を実行することにより、安全で高精度な均等化処理を実現できる。

１ 電源システム、 １０ 管理装置、 Ｍ１−Ｍ３ 蓄電モジュール、 ２１−２３ サブ管理部、 ４０ 通信線、 ５０ メイン管理部、 Ｅ１−Ｅ２０ セル、 １１ ＬＤＯ、 １２ セル選択回路、 １３ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、 １４ 電圧計測部、 １５ 制御部、 Ｔ１ トランス、 Ｄ１ ダイオード、 Ｃ１ コンデンサ、 Ｓ１−Ｓ２７ スイッチ、 Ｒ１−Ｒ２１ 放電抵抗、 Ｓｄ１−Ｓｄ２１ 第２１放電スイッチ。

Claims (8)

1. 直列接続された複数のセルのそれぞれの電圧を計測する電圧計測部と、
   入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を前記電圧計測部の電源端子に供給する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に、前記複数のセルのいずれかを放電対象として選択的に接続可能なセル選択回路と、
   前記電圧計測部により計測された前記複数のセルの電圧をもとに、前記セル選択回路を制御して特定のセルを放電させることにより、前記複数のセル間の均等化処理を実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする管理装置。
2. 前記制御部は、前記均等化処理を実行していない期間、前記セル選択回路を制御して、放電対象の１つのセルを前記複数のセル間で所定期間ごとに順次切り替えることを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
3. 前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング方式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
   前記セル選択回路は、連続する複数のセルを放電対象とすることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
4. 前記制御部は、前記均等化処理を実行していない期間、前記セル選択回路を制御して、前記複数のセルの全てを放電対象に制御することを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
5. 直列接続された複数のセルと、
   前記複数のセルを管理する請求項１から４のいずれか１項に記載の管理装置と、
   を備えることを特徴とする電源システム。
6. 直列に接続される複数の直列セル群であって、各直列セル群が、直列に接続される複数のセルを含んでいる、前記複数の直列セル群と、
   前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の電圧計測部であって、各電圧計測部が、対象の直列セル群に含まれる複数のセルの各電圧を計測する、前記複数の電圧計測部と、
   前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、各絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが、入力電圧を所定レベルの電圧に変換し、変換した電圧を対象の電圧計測部の電源端子に供給する、前記複数の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記複数の直列セル群のそれぞれに接続される複数のセル選択回路であって、各セル選択回路が、対象の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に、対象の直列セル群に含まれる複数のセルのいずれかを放電対象として選択的に接続可能な、前記複数のセル選択回路と、
   前記複数の電圧計測部から各セルの電圧を取得し、前記複数のセル選択回路を制御して前記直列セル群ごとに特定のセルを放電させることにより、前記複数の直列セル群に含まれる複数のセル間の均等化処理を実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする電源システム。
7. 前記制御部は、前記均等化処理中、全てのセルが均等化のための放電を終了した直列セル群に接続された前記電圧計測部を、省電力モード又はシャットダウン状態に移行させることを特徴とする請求項６に記載の電源システム。
8. 前記制御部は、前記複数の直列セル群と負荷が電気的に切り離された状態で、前記均等化処理を実行することを特徴とする請求項６または７に記載の電源システム。

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