JP2024080473A - 蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 直列接続された電池セルの数によらず、短時間で電圧のばらつきを低減でき、効率の良い充放電を継続できる蓄電池システムを提供する。【解決手段】 充放電する運用セル部２が直列接続した複数の電池セル１１で構成され、個々の電池セル１１の電圧を計測する第１電圧計測部３ａと、電池セル１１の電荷を吸収して蓄電する複数の電荷吸収セル１２と、電荷吸収セル１２と電池セル１１との接続をオン／オフする第１スイッチ部５ａと、第１スイッチ部５ａを操作して特定の電池セル１１の電圧を削減する制御を行う制御部８とを有し、制御部８が第１電圧計測部３ａの電圧情報を基に、第１スイッチ部５ａを制御して、電圧の高い一部の電池セル１１を電荷吸セル１２に接続し、電荷を電荷吸収セル１２に移動させて、個々の電池セル１１の間の電圧ばらつきを低減させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、直列接続した多数の電池セルにより充放電を行う蓄電池システムに関する。

複数の電池セルを直列に接続して構成される蓄電池システムは、充放電を繰り返すことで電池セル間で電位のばらつきが発生することが知られている。このばらつきは、電池セルの過充電や過放電の原因になったり、充放電効率が低下する原因になるため、各電池セルの電位を均等化する技術がある。
例えば特許文献１では、直列接続された個々の電池セルの電圧を計測して、隣接する電池セルより電圧の高い電池セルがあったら、隣接する電池セル間で電圧の高い電池セルから低い電池セルに電荷を移動させて、電圧のばらつきを低減させた。

特開２０１３－１５８１９０号公報

しかしながら、上記特許文献１の電池セルの電位を均等化させる技術は、直列接続された電池セル数が多くなると、電荷の移動制御が複数回に及ぶため、ばらつきの低減完了まで時間を要していた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、直列接続された電池セルの数によらず、短時間で電圧のばらつきを低減でき、効率の良い充放電を継続できる蓄電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、本発明に係る蓄電池システムは、充放電する運用セル部が、直列接続された複数の電池セルから成る蓄電池システムであって、個々の電池セルの電圧を計測する第１電圧計測部と、電池セルから電荷を吸収して蓄電する少なくとも１つの電荷吸収手段と、電荷吸収手段と電池セルとの接続をオン／オフする第１接続手段と、第１接続手段を操作して特定の電池セルの電圧を削減する制御を行う電圧制御部と、を有し、電圧制御部が、第１電圧計測部の電圧情報を基に、第１接続手段を制御して、一部の電圧の高い電池セルを電荷吸収手段に接続して、電荷を電荷吸収手段に移動させ、電池セルの間の電圧ばらつきを低減させることを特徴とする。
この構成によれば、電池セル毎の電圧ばらつきを低減させることができるため、運用セル部の機能低下を防止でき、蓄電池システムの機能低下を防止できる。しかも、電池セルから電荷を吸収する専用の手段を設けるため、電池セルの数によらず電圧ばらつきの低減を短時間で実施することが可能となる。

本発明の別の態様は、上記構成において、電荷吸収手段は、電池セル毎に或いは一定数の電池セルで構成されるグループ毎に設置されていることを特徴とする。
この構成によれば、１回の電荷移行操作で運用セル部全体のばらつきを低減することが可能であり、短時間で制御を完了できる。

本発明の別の態様は、上記構成において、個々の電荷吸収手段の電圧を計測する第２電圧計測部と、各電荷吸収手段を直列接続する第３接続手段と、電圧制御部は、第２電圧計測部の電圧情報を基に、電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら、第２接続手段及び第３接続手段を制御し、電荷吸収手段を直列接続して自身のシステム内の特定機器に接続し、電荷吸収手段の電荷を特定機器に供給することを特徴とする。
この構成によれば、電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら電源として電荷が消費されるため、引き続き電池セルから電荷を吸収して電圧ばらつき低減制御を継続できる。また、電荷吸収セルの電荷を放出する際に、電荷吸収セルを直列接続するため、特定機器に対して電源として充分な電力を供給できるし、蓄電池システムの運用電力を抑制できる。

本発明の別の態様は、上記構成において、個々の電荷吸収手段の電圧を計測する第２電圧計測部と、各電荷吸収手段を直列接続する第３接続手段と、電荷吸収手段に蓄電された電荷を、電池セルに供給するための第４接続手段とを有し、電圧制御部は、第２電圧計測部の電圧情報を基に、電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら、第３接続手段及び第４接続手段を制御して電荷吸収手段を直列接続すると共に、第１電圧計測部の情報を基に、運用セル部の中の電圧の低い電池セルを選択し、当該電池セルに直列接続した電荷吸収手段の電荷を移動させて、電池セル間の電圧ばらつきを低減させる制御を実施することを特徴とする。
この構成によれば、電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら、特定の電池セルに電荷を移動するため、引き続き電池セルから電荷を吸収して電圧ばらつき低減制御を継続できる。加えて、電荷吸収手段に蓄えられた電荷が、電圧の低い電池セルの電圧の上昇に使用されるため、電荷吸収手段を介した電荷の移動によって電圧ばらつきを低減でき、電池セルに充電された電荷を有効利用できる。

本発明によれば、電池セル毎の電圧ばらつきを低減させることができるため、運用セル部の機能低下を防止でき、蓄電池システムの劣化を防止できる。しかも、電池セルから電荷を吸収する専用の手段を設けるため、電池セルの数によらず電圧ばらつきの低減を短時間で実施することが可能となる。

本発明に係る蓄電池システムの一例を示す構成図であり、電池セルのグループ毎に電荷吸収セルを配置した構成を示している。 図１の蓄電池システムの電池セルの電圧ばらつきを低減させる制御の流れを示すフローチャートである。 本発明に係る蓄電池システムの他の例を示す構成図である。 図３の蓄電池システムの電池セルの電圧ばらつきを低減させる制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る蓄電池システムの一例を示す構成図である。蓄電池システム１は、充放電する運用セル部２が直列接続された複数の電池セル１１を有して構成されている。
そして、この運用セル部２に加えて、個々の電池セル１１の電圧を計測する第１電圧計測部３ａ、電池セル１１の電荷を吸収するための電荷吸収セル（電荷吸収手段）１２を複数備えた電荷吸収部４、個々の電荷吸収セル１２の電圧を計測する第２電圧計測部３ｂ、電池セル１１と電荷吸収セル１２とを接続する第１スイッチ部（第１接続手段）５ａ、第１スイッチ部５ａを操作する第１スイッチ操作部６ａ、電荷吸収部４を放電させるための第２スイッチ部（第２接続手段）５ｂ、放電させる際に電荷吸収セル１２を直列接続する直列接続スイッチ部（第３接続手段）７、第２スイッチ部５ｂ及び直列接続スイッチ部７を操作する第２スイッチ操作部６ｂ、蓄電池システム１を制御する制御部８等を備えている。

尚、ここでは、電荷吸収部４の放電先（負荷）は、蓄電池システム１内の機器９で、例えば制御部８等の回路であり、特定の機器９の電源として使用する構成を示している。

運用セル部２は、直列接続された複数（例えば１０個）の電池セル１１から成るセルグループ２ａを複数（例えば５グループ）備えて、直列接続されて構成されている。そして、運用セル部２の両端は、図示しない電源或いは負荷に接続するための電力線Ｌ１が接続されている。また、個々の電池セル１１には、第１電圧計測部３ａが電圧情報を得るためのセンサ線Ｌ２が接続されている。

電荷吸収部４は、セルグループ２ａと同数の電荷吸収セル１２を備え、各電荷吸収セル１２は第１スイッチ部５ａの切替操作により任意の電池セル１１と接続可能となっている。
尚、電荷吸収セル１２の数は、セルグループ２ａより多く、例えば電池セル１１と同数設置しても良い。逆に、運用セル部２を構成する電池セル１１の数が比較的少ない場合は１つであっても良い。

第１スイッチ部５ａは、全ての電池セル１１に対して電荷吸収セル１２を接続するための接点を有し、各電池セル１１と接続線Ｌ３で接続されている。任意の電池セル１１に対して任意の電荷吸収セル１２を接続可能に構成されている。図１に示す第１スイッチ部５ａの電池セル１１側の個々の接点（符号０，１，２，・・・ｎ－１，ｎで示す接点）と、電荷吸収セル１２側の同一の符号で示す接点とは共通であり、同一符号の接点同士は連結されていることを示している。

第２スイッチ部５ｂは電荷吸収セル１２を放電させるためのスイッチであり、直列接続スイッチ部７を介して、蓄電池システム１内の特定の機器に電荷を供給する、即ち特定の機器に電源を供給する際に制御部８によりオン操作される。
直列接続スイッチ部７は、電荷吸収部４に蓄積された電荷を電源として使用する際に、使用する一部或いは全ての電荷吸収セル１２を直列接続させるスイッチである。直列接続スイッチ部７の出力側は、蓄電池システム１内の特定の機器９に接続されている。

制御部８は、蓄電池システム１全体を制御するし、運用セル部２の充放電を制御すると共に、個々の電池セル１１と電荷吸収部４との接続／解離を制御する電圧制御部の機能を有している。

上記の如く構成された蓄電池システム１の、電池セル１１の電圧ばらつきの低減制御は制御部８の制御により以下のように実施される。
図２は、電圧ばらつき低減制御の流れを示すフローチャートであり、このフローを参照して説明する。制御部８は、第１電圧計測部３ａから運用セル部２の各電池セル１１の電圧情報を定期的に取得（Ｓ１）している。この電圧情報を基に、周囲の電池セル１１に比べて比較的電圧の高い電池セル１１があったら、その電池セル１１に電荷吸収セル１２を接続するための第１スイッチ部５ａの組合せを設定（Ｓ２）する。
組合せを設定したら、第１スイッチ部５ａを操作して目的の電池セル１１と電荷吸収セル１２とを接続し、電池セル１１から電荷吸収セル１２に電荷を移動（Ｓ４）させる。

この間、電池セル１１の電圧を監視し、目標値まで低下したら（Ｓ５）、電池セル１１と電荷吸収セル１２との接続を解除（Ｓ６）する。この制御により、電池セル１１の電圧が目標電圧まで低下し、他の電池セル１１との電圧ばらつきが低減される。この制御は、個々の電荷吸収セル１２に対して独立に制御し、複数の電池セル１１の電圧を同時に削減する制御が実施される。

電池セル１１と電荷吸収セル１２との接続を解除したら、次に個々の電荷吸収セル１２が吸収した電荷の放出制御を実施する。ここでは、蓄電池システム１内の特定の回路（機器）の電源として使用することで電荷を放出させる制御を行う。
第２電圧計測部３ｂから電荷吸収セル１２の電圧情報を取得（Ｓ７）し、何れかの電荷吸収セル１２の電圧が一定値を超えていたら（Ｓ８でＹＥＳ）、電荷吸収セル１２の電荷放出制御を実施する。
この制御は、第２スイッチ部５ｂ及び直列接続スイッチ部７を制御して、直列接続された電荷吸収セル１２の電荷が蓄電池システム１内の回路（蓄電池システム内機器９）に供給される。

尚、いずれの電荷吸収セル１２も電圧が一定値に達していなければ（Ｓ８でＮＯ）、電荷を放出する制御は実施せず、ばらつき低減制御を終了する。また、電荷吸収セル１２の電荷が放出されて電圧が一定値まで削減されたら、第２スイッチ部５ｂは開放される。

このように、電荷吸収セル１２を配置して電池セル１１毎の電圧ばらつきを低減させるため、運用セル部２の機能低下を防止でき、蓄電池システム１の機能低下を防止できる。しかも、電池セル１１から電荷を吸収する専用の手段として電荷吸収セル１２を設けるため、電池セル１１の数によらず電圧ばらつきの低減を短時間で実施することが可能となる。
また、電荷吸収セル１２を複数備えることで、１回の電荷移行操作で運用セル部２全体のばらつきを低減することが可能であり、短時間で制御を完了できる。
更に、電荷吸収セル１２の電圧が一定値を超えたら蓄電池システム１の内部機器の電源として電荷が消費されるため、引き続き電池セル１１から電荷を吸収して電圧ばらつき低減制御を継続できる。
また、電荷を放出する際に、電荷吸収セル１２を直列接続するため、電源として充分な電力を出力できる。
尚、蓄電池システム１の電源として直列接続する場合、直列接続した全体の電圧の状況、或いは供給先の機器の要求電力により、直列接続する電荷吸収セル１２の数は変更される。

図３は、蓄電池システム１の他の形態を示す構成図であり、電荷吸収セル１２に蓄積した電荷の出力先が上記実施形態とは異なっている。
ここでは、電荷吸収セル１２の電荷を自身のシステム１の内部機器の電源として使用するのでは無く、運用セル部２内の特定の電池セル１１に供給して電圧を上昇させることで、電池セル１１の電圧のばらつきの低減を図る制御に使用される。
そのため、図３に示すように任意の電池セル１１に電荷を供給するための電荷供給スイッチ（第４接続手段）５ｃが設けられている。電荷供給スイッチ５ｃは、制御部８の制御により第２スイッチ操作部６ｂを介してオン／オフされる。
尚、電荷供給スイッチ５ｃの個々の接点（符号０，１，２，・・・ｎ－１，ｎで示す接点）は、第１スイッチ部５ａの同一符号の接点と共通の接点である。

図４は、この図３の蓄電池システム１の電圧ばらつき低減制御の制御フローであり、このフローを参照して制御を説明する。但し、Ｓ１１～Ｓ１７までの制御は上記図２のＳ１～Ｓ７の制御と同様であるため、説明を省略する。
Ｓ１７において取得した電荷吸収セル１２の電圧の加算値が一定値を超えていたら（Ｓ８でＹＥＳ）、電池セル１１と電荷吸収セル１２の組合せを設定する（Ｓ１９）。詳しくは、電圧を増加させたい電池セル１１と、電圧が一定値を超えた電荷吸収セル１２を含む直列接続した電荷吸収セル１２組との組合せを選択して設定する。

この組合せ設定が完了したら、互いを接続（Ｓ２０）して、電荷を電荷吸収セル１２から電池セル１１に電荷を供給して電池セル１１の電圧を上昇させ、電圧ばらつきの低減を図る。この時、電圧を増加させる電池セル１１の電圧を監視し、目標とする電圧まで上昇（Ｓ２１）したら、接続を解消（Ｓ２２）する。
尚、Ｓ１８において、電圧が一定値に達していなければ、放電制御を実施せず制御を終了する。

このように、電荷吸収セル１２の電圧が一定値を超えたら、特定の電池セル１１に電荷を移動するため、引き続き電池セル１１から電荷を吸収して電圧ばらつき低減制御を継続できる。加えて、電荷吸収セル１２に蓄えられた電荷が、電圧の低い電池セル１１の電圧の上昇に使用されるため、電荷吸収セル１２を介した電荷の移動によって電圧ばらつきを低減でき、電池セル１１に充電された電荷を有効利用できる。

尚、上記実施形態では、電荷吸収部４の電荷を放出する構成として、蓄電池システム１の内部機器の電源として消費させる場合と、電池セル１１に供給する場合とで独立したシステムとしているが、双方の電荷放出機能を１つの蓄電池システムに設けて、利用者に電荷の放出先を選択させても良い。
また電池セル１１は、例えばリチウムイオン電池、鉛蓄電池に対して好適に適用できるし、電荷吸収手段である電荷吸収セル１２は、電池セル１１に合わせたリチウムイオン電池等が好ましいが、コンデンサ等の蓄電素子を使用しても良い。

１・・蓄電池システム、２・・運用セル部、３ａ・・第１電圧計測部、３ｂ・・第２電圧計測部、４・・電荷吸収部、５ａ・・第１スイッチ部（第１接続手段）、５ｂ・・第２スイッチ部（第２接続手段）、５ｃ・・電荷供給スイッチ（第４接続手段）、６ａ・・第１スイッチ操作部、６ｂ・・第２スイッチ操作部、７・・直列接続スイッチ部（第３接続手段）、８・・制御部（電圧制御部）、９・・蓄電池システム内機器、１１・・電池セル、１２・・電荷吸収セル（電荷吸収手段）。

Claims (4)

1. 充放電する運用セル部が、直列接続された複数の電池セルから成る蓄電池システムであって、
   個々の前記電池セルの電圧を計測する第１電圧計測部と、
   前記電池セルから電荷を吸収して蓄電する少なくとも１つの電荷吸収手段と、
   前記電荷吸収手段と前記電池セルとの接続をオン／オフする第１接続手段と、
   前記第１接続手段を操作して特定の前記電池セルの電圧を削減する制御を行う電圧制御部と、を有し、
   前記電圧制御部が、前記第１電圧計測部の電圧情報を基に、前記第１接続手段を制御して、一部の電圧の高い前記電池セルを前記電荷吸収手段に接続して、電荷を前記電荷吸収手段に移動させ、前記電池セルの間の電圧ばらつきを低減させることを特徴とする蓄電池システム。
2. 前記電荷吸収手段は、前記電池セル毎に或いは一定数の電池セルで構成されるグループ毎に設置されていることを特徴とする請求項１記載の蓄電池システム。
3. 個々の前記電荷吸収手段の電圧を計測する第２電圧計測部と、
   各前記電荷吸収手段を直列接続する第３接続手段と、
   前記電圧制御部は、前記第２電圧計測部の電圧情報を基に、前記電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら、前記第２接続手段及び前記第３接続手段を制御し、前記電荷吸収手段を直列接続して自身のシステム内の特定機器に接続し、
   前記電荷吸収手段の電荷を前記特定機器に供給することを特徴とする請求項２記載の蓄電池システム。
4. 個々の前記電荷吸収手段の電圧を計測する第２電圧計測部と、
   各前記電荷吸収手段を直列接続する第３接続手段と、
   前記電荷吸収手段に蓄電された電荷を、前記電池セルに供給するための第４接続手段とを有し、
   前記電圧制御部は、前記第２電圧計測部の電圧情報を基に、前記電荷吸収手段の電圧が一定値を超えたら、前記第３接続手段及び前記第４接続手段を制御して前記電荷吸収手段を直列接続すると共に、
   前記第１電圧計測部の情報を基に、前記運用セル部の中の電圧の低い前記電池セルを選択し、当該電池セルに直列接続した前記電荷吸収手段の電荷を移動させて、前記電池セル間の電圧ばらつきを低減させる制御を実施することを特徴とする請求項２記載の蓄電池システム。

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