JP4181104B2

JP4181104B2 - 蓄電器の電圧制御装置及びそれを備えた蓄電器モジュール

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Publication number: JP4181104B2
Application number: JP2004293333A
Authority: JP
Inventors: 浩二笠井
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Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2008-11-12
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Description

本発明は、蓄電器の電圧制御装置及びそれを備えた蓄電器モジュールに関し、特に、直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための電圧制御装置及びそれを備えた蓄電器モジュールに関する。

複数の蓄電器セルを直列接続することで出力電圧を高めた蓄電器が車両用駆動源の電源等の様々な分野で使用されている。このような蓄電器では、容量、自己放電電流、内部抵抗等の蓄電器セルの性能上のばらつきにより、各蓄電器セルの電圧にばらつきが発生しやすくなる。例えば蓄電器の充電時には、容量の小さい蓄電器セルの電圧上昇速度が容量の大きい蓄電器セルより速いため、容量の小さい蓄電器セルの電圧が耐電圧に達しても、容量の大きい蓄電器セルの電圧は耐電圧より十分低い電圧にしか達していない。そのため、各蓄電器セルに電気エネルギーを効率よく蓄えることが困難となってしまう。

そこで、各蓄電器セルの電圧のばらつきを補正するための電圧制御装置が提案されており、その一例が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、電圧の高い蓄電器セルに別途用意された電圧補正用蓄電器を接続することで、電圧の高い蓄電器セルから電圧補正用蓄電器へ一旦電荷を移動させる。そして、その電圧補正用蓄電器を電圧の低い蓄電器セルに接続することで、電圧補正用蓄電器の電荷を電圧の低い蓄電器セルに移動させる。このように、特許文献１においては、電圧の高い蓄電器セルから電圧補正用蓄電器を介して電圧の低い蓄電器セルに電荷を移動させることで、各蓄電器セルの電圧のばらつきを補正している。

特開平１０−８４６２７号公報

特許文献１においては、多数の蓄電器セルに対して１つの電圧補正用蓄電器を順次接続していくことで、各蓄電器セルの電圧のばらつきを補正している。そのため、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間が長くなるという問題点がある。

その欠点を補うために、複数の電圧補正用蓄電器を用いて各蓄電器セルの電圧のばらつきを補正する構成も特許文献１に開示されている。しかし、この構成においては、複数の電圧補正用蓄電器の電圧を均一化するために、複数の電圧補正用蓄電器に対して別途設けた１つの第２の電圧補正用蓄電器を選択的に接続している。そのため、各電圧補正用蓄電器の電圧を均一化するのに要する時間が長くなり、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間を短縮することが困難であるという問題点がある。

本発明は、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる蓄電器の電圧制御装置及びそれを備えた蓄電器モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置は、直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、を有し、切替器は、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、を含み、電圧補正用蓄電器は、蓄電器セルの直列接続数より少なく設けられており、第１のスイッチは、電圧補正用蓄電器と接続する蓄電器セルの変更が可能であることを要旨とする。

本発明においては、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続することで、各電圧補正用蓄電器の電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。そして、電圧が均一化された各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続することで、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。さらに、各蓄電器セルの電圧を補正するための電圧補正用蓄電器の数を減らすことができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、切替器は、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、を含むものとすることもできる。

この本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、各蓄電器セルに対応して電圧補正用蓄電器が設けられており、第１のスイッチは、蓄電器セルとそれに対応する電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉するものとすることもできる。こうすれば、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間をさらに短縮することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置は、直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、を有し、切替器は、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、を含み、切替制御装置は、切替器を前記セル電圧補正状態に保つ時間及び前記補正用蓄電器接続状態に保つ時間が第１所定時間及び第２所定時間よりそれぞれ短くなるように、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行い、第１所定時間は、前記セル電圧補正状態において蓄電器セルと電圧補正用蓄電器が第１のスイッチにより接続された回路の、該蓄電器セルの容量及び内部抵抗と、該電圧補正用蓄電器の容量及び内部抵抗と、該第１のスイッチの内部抵抗とに基づく時定数であり、第２所定時間は、前記補正用蓄電器接続状態において電圧補正用蓄電器同士が第２のスイッチにより互いに接続された回路の、該電圧補正用蓄電器の容量及び内部抵抗と、該第２のスイッチの内部抵抗とに基づく時定数であることを要旨とする。こうすれば、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間をさらに短縮することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、各蓄電器セルの電圧を検出する電圧検出器をさらに有し、切替制御装置は、電圧検出器により検出した各蓄電器セルの電圧のばらつきが閾値より大きいときに、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行うものとすることもできる。こうすれば、各蓄電器セルの電圧を均一化する制御を行う際に発生する損失を低減することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置は、直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、各蓄電器セルの電圧を検出する電圧検出器と、を有し、切替制御装置は、電圧検出器により検出した各蓄電器セルの電圧のばらつきが大きいほど、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える周期を短くすることを要旨とする。こうすれば、各蓄電器セルの電圧を均一化する制御を行う際に発生する損失を低減することができるとともに、各蓄電器セルの電圧を均一化するのに要する時間をさらに短縮することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、切替器が前記セル電圧補正状態に切り替わるときは、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器がインダクタを介して接続されるものとすることもできる。こうすれば、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器を接続したときに発生する突入電流による損失を低減することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、切替器が前記補正用蓄電器接続状態に切り替わるときは、複数の電圧補正用蓄電器間がインダクタを介して接続されるものとすることもできる。こうすれば、電圧補正用蓄電器同士を接続したときに発生する突入電流による損失を低減することができる。

本発明に係る蓄電器の電圧制御装置において、各蓄電器セルは電気二重層キャパシタであるものとすることもできる。

また、直列に接続された複数の蓄電器セルと、本発明に係る蓄電器の電圧制御装置と、を備えた蓄電器モジュールにおいて、複数の蓄電器モジュールを直列に接続して切替器を前記セル電圧補正状態に切り替えたときに、電圧補正用蓄電器を他の蓄電器モジュール内の蓄電器セルに接続可能とするための外部接続端子が設けられているものとすることもできる。こうすれば、直列に接続された複数の蓄電器モジュールにおいて、各蓄電器モジュール内の蓄電器セルの電圧を均一化することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の構成の概略を示す図である。本実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置１００は、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２、第２のスイッチ１４−１〜１４−１２、スイッチ駆動回路２０、及びスイッチ制御装置２２を備えている。

蓄電器１１は、直列に接続された複数の蓄電器セル１１−１〜１１−６により構成される。蓄電器１１の両端子１１ａ，１１ｂ間には充電用電源ＰＳが接続されており、充電用電源ＰＳから蓄電器１１へ電力を供給することで、蓄電器１１（蓄電器セル１１−１〜１１−６の各々）の充電を行うことができる。さらに、蓄電器１１の両端子１１ａ，１１ｂ間には放電用負荷ＬＯＡＤも接続されており、蓄電器１１（蓄電器セル１１−１〜１１−６の各々）に蓄えられた電気エネルギーが放電用負荷ＬＯＡＤにて消費される。ここでの蓄電器セル１１−１〜１１−６の各々は、例えば電気二重層キャパシタにより構成される。なお、図１においては、直列接続された蓄電器セルの数を６としているが、蓄電器セルの直列接続数については任意に設定することができる。また、放電用負荷ＬＯＡＤは、回生機能を有していてもよい。

各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を補正するための電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６は、各蓄電器セル１１−１〜１１−６にそれぞれ対応して設けられている。ここでの電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の各々は、例えば電解コンデンサや小容量の電気二重層キャパシタにより構成することができる。

第１のスイッチ１３−１〜１３−１２は、蓄電器セル１１−１〜１１−６とそれに対応する電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６との間における電気的接続を開閉するために設けられている。第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じると、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の両端子が蓄電器セル１１−１〜１１−６の両端子とそれぞれ接続される。一方、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を開放すると、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６と蓄電器セル１１−１〜１１−６との接続が遮断される。

第２のスイッチ１４−１〜１４−１２は、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６間における電気的接続を開閉するために設けられている。第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を閉じると、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６が互いに並列接続される。一方、第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を開放すると、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６間における並列接続が遮断される。

なお、第２のスイッチ１４−１，１４−３，１４−５，１４−７，１４−９，１４−１１のうち、いずれか１つを省略することもでき、第２のスイッチ１４−２，１４−４，１４−６，１４−８，１４−１０，１４−１２のうち、いずれか１つを省略することもできる。

スイッチ駆動回路２０は、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２へ駆動信号をそれぞれ出力することで、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を開閉する。スイッチ制御装置２２は、スイッチ駆動回路２０からの駆動信号の出力タイミングを制御することで、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２の開閉状態及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２の開閉状態を制御する。

ここで、蓄電器セル１１−１〜１１−６間には、例えば容量、自己放電電流、内部抵抗等の特性のばらつきが存在するため、充電用電源ＰＳによる蓄電器１１の充電及び放電用負荷ＬＯＡＤによる蓄電器１１の放電が行われるにつれて、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧にばらつきが発生することになる。そこで、本実施形態においては、蓄電器セル１１−１〜１１−６に電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６をそれぞれ接続することで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきを補正し、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化する。以下、本実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置１００の動作について説明する。

まず第２のスイッチ１４−１〜１４−１２が開放している状態でスイッチ制御装置２２により第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じると（図２の時刻ｔ０）、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６間における並列接続が遮断された状態で電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の両端子が蓄電器セル１１−１〜１１−６の両端子とそれぞれ接続される（以下、この状態をセル電圧補正状態とする）。このとき、蓄電器セル１１−１の電圧と電圧補正用蓄電器１２−１の電圧が等しくなるように、蓄電器セル１１−１と電圧補正用蓄電器１２−１の間における電荷の移動が行われる。同様に、蓄電器セル１１−２と電圧補正用蓄電器１２−２の間、蓄電器セル１１−３と電圧補正用蓄電器１２−３の間、蓄電器セル１１−４と電圧補正用蓄電器１２−４の間、蓄電器セル１１−５と電圧補正用蓄電器１２−５の間、及び蓄電器セル１１−６と電圧補正用蓄電器１２−６の間についても、互いに接続された両者の電圧が等しくなるように電荷の移動が行われる。

ここで、第１のスイッチ１３−(２ｘ−１)，１３−２ｘ（ｘは１〜６のいずれか）を閉じることで蓄電器セル１１−ｘに電圧補正用蓄電器１２−ｘを接続する場合の回路は、図３に示す等価回路で表すことができる。図３の等価回路において、Ｃ１１ｘは蓄電器セル１１−ｘの容量、Ｃ１２ｘは電圧補正用蓄電器１２−ｘの容量、Ｒ１１ｘは蓄電器セル１１−ｘの内部抵抗、Ｒ１２ｘは電圧補正用蓄電器１２−ｘの内部抵抗と第１のスイッチ１３−(２ｘ−１)，１３−２ｘの内部抵抗の和である。蓄電器セル１１−ｘに電圧補正用蓄電器１２−ｘを接続してから図３の等価回路の時定数τ１より長い時間経過した場合は、蓄電器セル１１−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｘの電位差は小さくなっており、蓄電器セル１１−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｘの間における電荷の移動量は少ない。したがって、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間を短縮するためには、第１のスイッチ１３−(２ｘ−１)，１３−２ｘを閉じる時間（前述のセル電圧補正状態を保つ時間）は、図３の等価回路の時定数τ１より短い時間に設定するのが好ましい。なお、図３の等価回路の時定数τ１は、以下の（１）式で表され、蓄電器セル１１−ｘの容量及び内部抵抗と、電圧補正用蓄電器１２−ｘの容量及び内部抵抗と、第１のスイッチ１３−(２ｘ−１)，１３−２ｘの内部抵抗と、に基づく値である。

τ１＝Ｃ１１ｘ×Ｃ１２ｘ×(Ｒ１１ｘ＋Ｒ１２ｘ)／(Ｃ１１ｘ＋Ｃ１２ｘ) （１）

次に、スイッチ制御装置２２により第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を開放するとともに第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を閉じると（図２の時刻ｔ１）、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６と蓄電器セル１１−１〜１１−６との接続が遮断されるとともに複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６が互いに並列接続される（以下、この状態を補正用蓄電器接続状態とする）。このとき、すべての電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の電圧が等しくなるように、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６間における電荷の移動が行われる。これによって、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の電圧を均一化することができる。電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６は互いに並列接続される前は蓄電器セル１１−１〜１１−６とそれぞれ接続されていたため、この均一化された電圧はすべての蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧を反映した値となる。

ここで、第２のスイッチ１４−(２ｘ−１)，１４−２ｘ，１４−(２ｙ−１)，１４−２ｙ（ｘ，ｙはともに１〜６のいずれかで、ｘ≠ｙ）を閉じることで電圧補正用蓄電器１２−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｙを接続する場合の回路は、図４に示す等価回路で表すことができる。図４の等価回路において、Ｃ１２ｘは電圧補正用蓄電器１２−ｘの容量、Ｃ１２ｙは電圧補正用蓄電器１２−ｙの容量、Ｒ１２ｘは電圧補正用蓄電器１２−ｘの内部抵抗と第２のスイッチ１４−(２ｘ−１)，１４−２ｘの内部抵抗の和、Ｒ１２ｙは電圧補正用蓄電器１２−ｙの内部抵抗と第２のスイッチ１４−(２ｙ−１)，１４−２ｙの内部抵抗の和である。電圧補正用蓄電器１２−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｙを接続してから図４の等価回路の時定数τ２より長い時間経過した場合は、電圧補正用蓄電器１２−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｙの電位差は小さくなっており、電圧補正用蓄電器１２−ｘと電圧補正用蓄電器１２−ｙの間における電荷の移動量は少ない。したがって、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間を短縮するためには、第２のスイッチ１４−(２ｘ−１)，１４−２ｘ，１４−(２ｙ−１)，１４−２ｙを閉じる時間（前述の補正用蓄電器接続状態を保つ時間）は、図４の等価回路の時定数τ２より短い時間に設定するのが好ましい。なお、図４の等価回路の時定数τ２は以下の（２）式で表され、電圧補正用蓄電器１２−ｘ，１２−ｙの容量及び内部抵抗と、第２のスイッチ１４−(２ｘ−１)，１４−２ｘ，１４−(２ｙ−１)，１４−２ｙの内部抵抗と、に基づく値である。

τ２＝Ｃ１２ｘ×Ｃ１２ｙ×(Ｒ１２ｘ＋Ｒ１２ｙ)／(Ｃ１２ｘ＋Ｃ１２ｙ) （２）

さらに、スイッチ制御装置２２により第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を開放するとともに第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じると（図２の時刻ｔ２）、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２が前述のセル電圧補正状態に切り替わる。このとき、蓄電器セル１１−１と電圧補正用蓄電器１２−１、蓄電器セル１１−２と電圧補正用蓄電器１２−２、蓄電器セル１１−３と電圧補正用蓄電器１２−３、蓄電器セル１１−４と電圧補正用蓄電器１２−４、蓄電器セル１１−５と電圧補正用蓄電器１２−５、及び蓄電器セル１１−６と電圧補正用蓄電器１２−６のそれぞれについて、電圧が等しくなるように電荷の移動が行われる。ここで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の電圧はすべての蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧を反映した値に均一化されているため、蓄電器セル１１−１〜１１−６に電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６をそれぞれ接続することで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧が均一化される。

図２に示すように、以上に説明した第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じる（前述のセル電圧補正状態に切り替える）制御と、第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を閉じる（前述の補正用蓄電器接続状態に切り替える）制御と、を交互に繰り返すことで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化することができる。

以上説明したように、本実施形態においては、蓄電器セル１１−１〜１１−６にそれぞれ接続した複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６を、第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を閉じることで互いに並列接続する。これによって、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の電圧を蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧に均一化することができ、かつ各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。そして、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じることで、電圧が均一化された電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６を蓄電器セル１１−１〜１１−６にそれぞれ接続する。これによって、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧に均一化することができ、かつ各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。

そして、本実施形態においては、各蓄電器セル１１−１〜１１−６に対応して電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６を設けることで、すべての蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６により同時に補正することができる。したがって、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間をさらに短縮することができる。

なお、本実施形態においては、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を検出する電圧検出器（図示せず）を設けることもできる。そして、スイッチ制御装置２２は、電圧検出器により検出した各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが閾値より大きいときに、前述の第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じる（セル電圧補正状態に切り替える）制御と、第２のスイッチ１４−１〜１４−１２を閉じる（補正用蓄電器接続状態に切り替える）制御と、を交互に行うこともできる。この場合、スイッチ制御装置２２は、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが閾値以下のときは、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２の切り替え制御を行わない。この場合は、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが大きいときに各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均等化する制御を行うため、スイッチング損失や電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６の損失等の各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均等化する制御を行う際に発生する損失を低減することができる。

そして、本実施形態においては、スイッチ制御装置２２は、電圧検出器により検出した各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが大きいほど、第１のスイッチ１３−１〜１３−１２及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２のセル電圧補正状態及び補正用蓄電器接続状態を切り替える周期を短くすることもできる。この場合は、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきに応じて各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均等化する速度を調整できるため、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均等化する制御を行う際に発生する損失を低減することができるとともに、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間をさらに短縮することができる。なお、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきとしては、例えば各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧の分散σ²や標準偏差σを用いることができる。

以上の説明においては、蓄電器セル１１−１〜１１−６の直列接続数（図１の場合は６）と同数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６を設けた場合について説明した。ただし、本実施形態においては、電圧補正用蓄電器を設ける数は蓄電器セルの直列接続数と異なっていてもよい。図５は、その一例として、蓄電器セル１１−１〜１１−６の直列接続数６より少ない３つの電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３を設けた場合を示す。

図５に示す構成においては、第１のスイッチ１５−１〜１５−６を開放した状態で第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じると、電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３の両端子が蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の両端子とそれぞれ接続される。一方、第１のスイッチ１３−１〜１３−６を開放した状態で第１のスイッチ１５−１〜１５−６を閉じると、電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３の両端子が蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の両端子とそれぞれ接続される。また、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６を開放すると、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３と蓄電器セル１１−１〜１１−６との接続が遮断される。

第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じると、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３が互いに並列接続される。一方、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を開放すると、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間における並列接続が遮断される。

なお、第２のスイッチ１４−１，１４−３，１４−５のうち、いずれか１つを省略することもでき、第２のスイッチ１４−２，１４−４，１４−６のうち、いずれか１つを省略することもできる。また、他の構成については図１に示す構成と同様であるため説明を省略する。

次に、図５に示す構成の動作について説明する。

まず第２のスイッチ１４−１〜１４−１２及び第１のスイッチ１５−１〜１５−６が開放している状態でスイッチ制御装置２２により第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じると（図６の時刻ｔ０）、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間における並列接続が遮断された状態で電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３の両端子が蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の両端子とそれぞれ接続される（以下、この状態を第１のセル電圧補正状態とする）。このとき、蓄電器セル１１−１と電圧補正用蓄電器１２−１、蓄電器セル１１−３と電圧補正用蓄電器１２−２、及び蓄電器セル１１−５と電圧補正用蓄電器１２−３のそれぞれについて、電圧が等しくなるように電荷の移動が行われる。

次に、スイッチ制御装置２２により第１のスイッチ１３−１〜１３−６を開放するとともに第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じると（図６の時刻ｔ１）、電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３と蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５との接続が遮断されるとともに複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３が互いに並列接続される（補正用蓄電器接続状態）。このとき、すべての電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧が等しくなるように、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間における電荷の移動が行われることで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧が均一化される。この均一化された電圧は、蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の平均電圧を反映した値となる。

次に、スイッチ制御装置２２により第２のスイッチ１４−１〜１４−６を開放するとともに第１のスイッチ１５−１〜１５−６を閉じると（図６の時刻ｔ２）、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間における並列接続が遮断されるとともに電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３の両端子が蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の両端子とそれぞれ接続される（以下、この状態を第２のセル電圧補正状態とする）。このとき、蓄電器セル１１−２と電圧補正用蓄電器１２−１、蓄電器セル１１−４と電圧補正用蓄電器１２−２、及び蓄電器セル１１−６と電圧補正用蓄電器１２−３のそれぞれについて、電圧が等しくなるように電荷の移動が行われる。ここで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧は蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の平均電圧を反映した値に均一化されているため、蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６に電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３をそれぞれ接続することで、各蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の電圧が均一化される。さらに、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧は蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の影響を受ける。

次に、第１のスイッチ１５−１〜１５−６を開放するとともに第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じると（図６の時刻ｔ３）、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２が前述の第１のセル電圧補正状態に切り替わる。図６に示すように、以上に説明した第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じる（第１のセル電圧補正状態に切り替える）制御と、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じる（補正用蓄電器接続状態に切り替える）制御と、第１のスイッチ１５−１〜１５−６を閉じる（第２のセル電圧補正状態に切り替える）制御と、を繰り返すことで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化することができる。

なお、以上の動作では、図７に示すように、時刻ｔ３において第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じる（第１のセル電圧補正状態に切り替える）代わりに、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じる（補正用蓄電器接続状態に切り替える）こともできる。このとき、すべての電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧が等しくなるように、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間における電荷の移動が行われることで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧が均一化される。この均一化された電圧は、蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の平均電圧を反映した値となる。

そして、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を開放するとともに第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じると（図７の時刻ｔ４）、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−１２が前述の第１のセル電圧補正状態に切り替わる。ここで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧は蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６の平均電圧を反映した値に均一化されているため、蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５に電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３をそれぞれ接続することで、各蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の電圧が均一化される。さらに、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧は蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５の影響を受ける。

図７に示す場合は、以上に説明した第１のスイッチ１３−１〜１３−６を閉じる（第１のセル電圧補正状態に切り替える）制御と、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じる（補正用蓄電器接続状態に切り替える）制御と、第１のスイッチ１５−１〜１５−６を閉じる（第２のセル電圧補正状態に切り替える）制御と、第２のスイッチ１４−１〜１４−６を閉じる（補正用蓄電器接続状態に切り替える）制御と、を繰り返すことで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化することができる。

以上説明したように、図５に示す構成においても、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３を互いに並列接続することで、各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧を蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧に均一化することができ、かつ各電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。そして、電圧が均一化された電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の各々を蓄電器セル１１−１〜１１−６のうちのいずれか１つに接続することで、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧に均一化することができ、かつ各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を均一化するのに要する時間を短縮することができる。

そして、図５に示す構成においては、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６により電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の各々に接続する蓄電器セル１１−１〜１１−６を変更することができるので、各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧を補正するための電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３の数を減らすことができる。したがって、電圧制御装置１００の小型化を実現することができる。

なお、図５に示す構成においても、スイッチ制御装置２２は、電圧検出器（図示せず）により検出した各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが閾値より大きいときに、前述した第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−６の第１及び第２のセル電圧補正状態と補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行うことができる。そして、図５に示す構成においても、スイッチ制御装置２２は、電圧検出器により検出した各蓄電器セル１１−１〜１１−６の電圧のばらつきが大きいほど、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−６の第１及び第２のセル電圧補正状態と補正用蓄電器接続状態を切り替える周期を短くすることができる。

また、本実施形態においては、例えば図８に示すように、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３にインダクタ（リアクトル）１６−１〜１６−３をそれぞれ直列に接続することもできる。なお、図８は、図５に示す構成の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３にインダクタ１６−１〜１６−３をそれぞれ直列に接続した場合を示しているが、図１に示す構成の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−６にインダクタを直列に接続することもできる。

図８に示す構成においては、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−６が前述の第１のセル電圧補正状態に切り替わるときは、蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５と電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３がインダクタ１６−１，１６−２，１６−３を介してそれぞれ接続される。これによって、蓄電器セル１１−１，１１−３，１１−５と電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３を接続したときに発生する突入電流を抑制することができるので、突入電流による損失を低減することができる。同様に、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−６が前述の第２のセル電圧補正状態に切り替わるときは、蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６と電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３がインダクタ１６−１，１６−２，１６−３を介してそれぞれ接続される。これによって、蓄電器セル１１−２，１１−４，１１−６と電圧補正用蓄電器１２−１，１２−２，１２−３を接続したときに発生する突入電流による損失を低減することができる。

また、第１のスイッチ１３−１〜１３−６，１５−１〜１５−６及び第２のスイッチ１４−１〜１４−６が前述の補正用蓄電器接続状態に切り替わるときは、複数の電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３間がインダクタ１６−１〜１６−３を介して接続される。これによって、電圧補正用蓄電器１２−１〜１２−３同士を接続したときに発生する突入電流を抑制することができるので、突入電流による損失を低減することができる。

ここで、図８に示す構成による突入電流の抑制効果を図９に示す。図９は電圧補正用蓄電器の電流を示し、実線がインダクタンス０（インダクタなし）の場合、破線がインダクタンス５ｎＨの場合、点線がインダクタンス１０ｎＨの場合である。図９に示すように、インダクタを設けることにより突入電流を抑制できていることがわかる。

また、本実施形態においては、例えば図１０に示すように、蓄電器セル１１−１〜１１−６と、電圧制御装置１００と、を内蔵する蓄電器モジュール１０を構成することもできる。この蓄電器モジュール１０には、蓄電器１１の両端子である外部接続端子１１ａ，１１ｂの他に、第１のスイッチ１３−１０，１３−１１と蓄電器セル１１−５，１１−６とを接続するための線路に設けられた外部接続端子ＥＱ＋と、第１のスイッチ１３−１に接続された外部接続端子ＥＱ−と、が設けられている。

この蓄電器モジュール１０を直列に複数接続する場合は、図１１に示すように、蓄電器モジュール１０の外部接続端子１１ａ，ＥＱ＋を、他の蓄電器モジュール１０の外部接続端子１１ｂ，ＥＱ−にそれぞれ接続する。この状態で第１のスイッチ１３−１〜１３−１２を閉じる（セル電圧補正状態に切り替える）と、電圧補正用蓄電器１２−１が他の蓄電器モジュール１０内における蓄電器セル１１−６に接続される。これによって、蓄電器セル１１−１〜１１−６の平均電圧に均一化された電圧補正用蓄電器１２−１の電圧を、他の蓄電器モジュール１０内における蓄電器セル１１−６に印加することができ、他の蓄電器モジュール１０内における蓄電器セル１１−６の電圧を補正することができる。したがって、直列に接続された複数の蓄電器モジュール１０において、各蓄電器モジュール１０内の蓄電器セルの電圧を均一化することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の動作を説明するタイムチャートである。第１のスイッチを閉じることで蓄電器セルに電圧補正用蓄電器を接続する場合の等価回路を示す図である。第２のスイッチを閉じることで電圧補正用蓄電器同士を接続する場合の等価回路を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の変形例の構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の変形例の動作を説明するタイムチャートである。本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の変形例の動作を説明するタイムチャートである。本発明の実施形態に係る蓄電器の電圧制御装置の変形例の構成の概略を示す図である。インダクタンスによる突入電流の抑制効果を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電器モジュールの構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電器モジュールを複数直列に接続する場合の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１０蓄電器モジュール、１１蓄電器、１１−１〜１１−６蓄電器セル、１２−１〜１２−６電圧補正用蓄電器、１３−１〜１３−１２，１５−１〜１５−６第１のスイッチ、１４−１〜１４−１２第２のスイッチ、１６−１〜１６−３インダクタ、２０スイッチ駆動回路、２２スイッチ制御装置、１００電圧制御装置、ＥＱ＋，ＥＱ− 外部接続端子。

Claims

直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、
各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、
切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、
を有し、
切替器は、
蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、
複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、
を含み、
電圧補正用蓄電器は、蓄電器セルの直列接続数より少なく設けられており、
第１のスイッチは、電圧補正用蓄電器と接続する蓄電器セルの変更が可能であることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、
各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、
切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、
を有し、
切替器は、
蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、
複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、
を含み、
切替制御装置は、切替器を前記セル電圧補正状態に保つ時間及び前記補正用蓄電器接続状態に保つ時間が第１所定時間及び第２所定時間よりそれぞれ短くなるように、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行い、
第１所定時間は、前記セル電圧補正状態において蓄電器セルと電圧補正用蓄電器が第１のスイッチにより接続された回路の、該蓄電器セルの容量及び内部抵抗と、該電圧補正用蓄電器の容量及び内部抵抗と、該第１のスイッチの内部抵抗とに基づく時定数であり、
第２所定時間は、前記補正用蓄電器接続状態において電圧補正用蓄電器同士が第２のスイッチにより互いに接続された回路の、該電圧補正用蓄電器の容量及び内部抵抗と、該第２のスイッチの内部抵抗とに基づく時定数であることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
直列に接続された複数の蓄電器セルの電圧を均一化するための蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルの電圧を補正するための複数の電圧補正用蓄電器と、
各電圧補正用蓄電器を複数の蓄電器セルのうちのいずれか１つと接続するセル電圧補正状態と、複数の電圧補正用蓄電器を互いに並列接続する補正用蓄電器接続状態と、に切り替わることが可能な切替器と、
切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行う切替制御装置と、
各蓄電器セルの電圧を検出する電圧検出器と、
を有し、
切替制御装置は、電圧検出器により検出した各蓄電器セルの電圧のばらつきが大きいほど、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える周期を短くすることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項３に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
切替器は、
蓄電器セルと電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉する第１のスイッチと、
複数の電圧補正用蓄電器間の並列接続を開閉する第２のスイッチと、
を含むことを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項２または４に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルに対応して電圧補正用蓄電器が設けられており、
第１のスイッチは、蓄電器セルとそれに対応する電圧補正用蓄電器との間の接続を開閉することを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項１または２に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルの電圧を検出する電圧検出器をさらに有し、
切替制御装置は、電圧検出器により検出した各蓄電器セルの電圧のばらつきが閾値より大きいときに、切替器の前記セル電圧補正状態及び前記補正用蓄電器接続状態を切り替える制御を行うことを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項１〜６のいずれか１に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
切替器が前記セル電圧補正状態に切り替わるときは、蓄電器セルと電圧補正用蓄電器がインダクタを介して接続されることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項１〜７のいずれか１に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
切替器が前記補正用蓄電器接続状態に切り替わるときは、複数の電圧補正用蓄電器間がインダクタを介して接続されることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
請求項１〜８のいずれか１に記載の蓄電器の電圧制御装置であって、
各蓄電器セルは電気二重層キャパシタであることを特徴とする蓄電器の電圧制御装置。
直列に接続された複数の蓄電器セルと、
請求項１〜９のいずれか１に記載の蓄電器の電圧制御装置と、
を備えた蓄電器モジュールであって、
複数の蓄電器モジュールを直列に接続して切替器を前記セル電圧補正状態に切り替えたときに、電圧補正用蓄電器を他の蓄電器モジュール内の蓄電器セルに接続可能とするための外部接続端子が設けられていることを特徴とする蓄電器モジュール。