JP4542536B2 - 電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電又は充放電可能な電源の充放電制御を行う電源制御装置に関する。

発電や充放電可能な電源としては、近年、燃料電池やリチウム二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどがある。一般的に、電気自動車やハイブリッド自動車には鉛電池やニッケル水素電池、リチウム二次電池などの二次電池や、キャパシタが搭載されている。

これらのうちニッケル水素電池や、リチウムイオン電池は鉛電池にくらべてエネルギー密度が高い。そこで、蓄電池を直列接続し、さらに当該直列に接続した蓄電池群を、さらに並列に接続した、いわゆる多直列多並列構成とするなどして、車両用や電力貯蔵用に使用されることも多い。特に大電流を必要とする大規模な電池システムでは複数の電池を多直列に接続する構成をとる。

一方、二次電池は充放電を繰り返すことで、充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）や、劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）が変化する。二次電池は劣化が進行すると、通常、充放電容量の低下や、電池内部抵抗の増大が見られる。そのため、劣化に伴い、システムの出力が低下する。また、多直列・他並列に接続した二次電池の一部分が製造時の原因などによる、予測不可な異常により、電池電圧低下や、充放電不能な状態になることも考えられる。これらの場合、異常や劣化の進んだ電池をシステムから切り離したり、新品の電池に交換する必要がある。

そこで例えば特許文献１に記載の従来技術では多直列多並列システムにおいて、電池の直列単位毎の内部インピーダンスを使用して、並列に接続された各直列ブロックの分流比を計算した総電流を演算して、総電流のみでの制御を実施し、電池の劣化をバランスする方法が提示されている。

また、特許文献２に記載の従来技術では、多並列電池システムにおいて、劣化や異常電池を検出した場合、システムから完全に切り離す方式を取っている。
特開２００４−２１５４５９号公報 特開２００１−１８５２２８号公報

しかしながら、上記の従来の技術においては、複数蓄電池を直列に接続したシリーズユニットを、さらに並列に接続する構成を対象とする。このため、不良蓄電池を含むシリーズユニットを完全に切り離した場合に、そのまま切り離し後のシステムを使用し続けると、残されたシリーズユニットの劣化が促進されることがある。

また、蓄電池の内部抵抗のみにより、並列に接続されたシリーズユニットへ供給される総電流が分配されるようにした場合、シリーズユニットのそれぞれに含まれる蓄電池間の内部抵抗の差が大きい場合、内部抵抗がより大きい側の蓄電池に、実際に許容される充放電電流値を超えた電流が流れ、劣化が促進されたり、過充電、過放電等の異常が起こりやすくなる危険がある。

そこで従来では、不良蓄電池が発生した場合は、当該不良蓄電池のみを新品の蓄電池に交換するのではなく、全ての蓄電池を一斉に交換する必要があり、大規模なシステムになればなるほどメインテナンスコストが大きくなるという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、電源の寿命を可及的長期にでき、メインテナンス性を向上できる電源制御装置を提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、複数の蓄電要素を直列に接続したシリーズユニットを形成し、当該シリーズユニットを並列に接続した蓄電体を制御の対象とする電源制御装置であって、前記シリーズユニットに含まれる蓄電要素について、所定の状態情報を検出する検出手段と、前記シリーズユニットごとに設けられ、前記検出した状態情報に基づいて、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御する電流分配手段と、を含む。

ここで、前記並列に接続されたシリーズユニットの電流値をそれぞれ計測する複数の電流計測手段と、前記並列に接続されたシリーズユニットに含まれる各蓄電要素の各電圧値を計測する複数の電圧計測手段と、を含み、前記検出手段は、対応して設けられるシリーズユニットの電流値及び各シリーズユニットの電圧値とに基づいて、蓄電要素に蓄電されている容量と、蓄電要素の内部抵抗と、の少なくとも一方を状態情報として検知することとしてもよい。

また、前記検出手段は、前記蓄電要素の充電ないし放電中の前記状態情報を検出し、前記電流分配手段は、前記蓄電要素の充電ないし放電中に動的に、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御することとしてもよい。さらに前記シリーズユニットには、前記電流分配手段を直列または並列に接続するための端子が設けられてもよい。また前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータ、スイッチトキャパシタ、抵抗器、ＤＣチョッパのいずれか少なくとも１つを含んでもよい。

さらに前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された可変抵抗であり、各シリーズユニットと、電源の供給先となる負荷側とを接続するものであってもよい。ここに、前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の配線路と、各配線路に対応して設けられ、対応する配線路を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含んでもよいし、前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の導電板と、各導電板に対応して設けられ、対応する導電板を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含んでもよい。また、前記電流分配手段は、互いに形状または材質の少なくとも一方が異なることで抵抗値を異ならせた複数の導電体と、各導電体に対応して設けられ、対応する導電体を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含んでもよい。

また、本発明の一態様は、電源制御装置であって、少なくとも一つの蓄電要素と、前記蓄電要素についての劣化度を含む所定の状態を検出する検出手段と、を含むブロックを複数、少なくとも並列に接続し、前記検出手段で検出した状態に基づいて、ブロックごとに許容される最大電流値を決定し、前記決定した最大電流値のうち、最小の値を選択して、ブロックの並列数倍して総電流を演算する手段と、前記蓄電要素の劣化度に基づいて、前記総電流の、各並列接続された部分へ配分する電流量を制御する電流分配手段と、を含む。

また、本発明の別の態様は、これら電源制御装置の制御の対象となる蓄電体において、前記蓄電要素の一部を交換する方法であって、交換の対象とならない蓄電要素を所定の充電量となるよう、充電ないし放電させ、開回路とする工程と、交換により新たに接続する蓄電要素を前記所定の充電量となるよう、充電ないし放電させる工程と、前記交換により新たに接続する蓄電要素を設置した後に、前記交換の対象とならなかった蓄電要素とともに回路に接続する工程と、を含む。

本発明によると、電源の寿命を可及的長期にでき、メインテナンス性を向上できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施の形態の電源制御装置は、内部抵抗が均一でない蓄電池群を用いた電源の寿命を、蓄電池の交換数を最小にして伸長させる。このために、各電池への電流分配手段を設けたものである。

本実施の形態に係る電源制御装置は、図１に示すように、電流分配部１０と、制御の対象となる蓄電体２０と、電圧検出部３０と、電流検出部４０と、状態検知部５０と、充放電部６０とを含んで構成される。

ここに蓄電体２０は、構成単位となる蓄電池Ｂを複数、直列に接続したシリーズユニット２１ａ，２１ｂ・・・を含む。ここに、蓄電池Ｂは、リチウム電池、ニッケル水素電池、ＮＡＳ電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどの充放電が可能なものである。電流分配部１０ａ，１０ｂ・・・は、蓄電体２０の各シリーズユニットに対応して設けられている。各シリーズユニット２１には、対応する電流分配部１０を直列または並列に接続する端子が設けられる。本実施の形態では、電流分配部１０ａ，１０ｂが、対応する蓄電体２０の各蓄電池に対して直列に接続される例について述べる。

また、電流検出部４０ａ，４０ｂ・・・もまた、蓄電体２０の各シリーズユニット２１に対応して設けられ、それぞれ、対応する蓄電体２０の各蓄電池に対して直列に接続される。以下、電流分配部１０と、シリーズユニット２１と、電流検出部４０とを直列に接続したものをマクロユニットと呼ぶ。各マクロユニットは、並列に、充放電部６０に接続される。また、電圧検出部３０も、これらマクロユニットに対して並列に接続される。

電流分配部１０は、例えば、可変抵抗や、スイッチトキャパシタ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣチョッパなど、電流量を制御可能な素子で構成できる。この電流分配部１０は、充放電部６０を介して電源の供給先となる負荷と、対応する蓄電体２０とを接続する。この電流分配部１０は、また、充放電部６０からの指示に基づき、対応して設けられたマクロユニット内に導入する電流量の総電流に対する割合を制御する。

電圧検出部３０は、独立したＰＴ（Potential Transducer）あるいは分圧抵抗やオペアンプ、Ａ／Ｄコンバータなどを用い、蓄電手段の電圧値を計測する。この電圧検出部３０は、並列に接続されたマクロユニットの両端間の電圧を計測し、当該計測の結果を示す情報を状態検知部５０に出力する。

電流検出部４０ａ，４０ｂ・・・は、ホールＣＴやシャント抵抗型の電流センサなどで構成され、それぞれ対応するマクロユニットを流れる電流量を計測し、この計測した電流量を示す情報を、状態検知部５０に出力する。

状態検知部５０は、マイクロコンピュータや、その周辺（ペリフェラル）を制御するモジュールを含んで構成され、入力される電流量や、電圧を表す情報に基づいて、蓄電体２０に含まれる各蓄電池Ｂの抵抗値や、充電状態（ＳＯＣ）、許容電流、許容電圧、出力可能電流、出力可能電力、その他、過充電、過放電フラグなど（これらの一部であってもよい）を検知し、当該検知の結果に基づいて、電流分配部１０の制御に係る、制御情報を生成して出力する。

本実施の形態では、シリーズユニット２１に含まれる蓄電池Ｂのペアごとに、各ペアを状態検知の単位として、その両端の電圧値と、電流量を検出し、蓄電池Ｂのペアにおける内部抵抗値Ｒを求めている。ここで、蓄電池Ｂの内部抵抗は、新品時の値Ｒ0から劣化して増大するものであり、その増大量をΔＲとすると、ペアの一方の蓄電池Ｂが新品に交換された場合の合計抵抗値Ｒは、２Ｒ0＋ΔＲとなり、これより、古い蓄電池Ｂの内部抵抗Ｒ0＋ΔＲは、Ｒ−Ｒ0として演算できる。なお、状態検知部５０は、交換された蓄電池を含むシリーズユニット２１を特定する情報の入力を受けておく。あるいは、状態検知部５０は、各シリーズユニット２１の内部抵抗の変動を監視して、その変化に基づいて蓄電池の交換を検出する（交換が行われると不連続に内部抵抗が減少することで検出できる）。

充放電部６０は、コンバータやインバータ等の電力変換機器を含んで構成され、状態検知部５０から入力される情報に基いて、所定の演算を行い、その結果に基いて、蓄電池Ｂの充放電電流を制御する。この充放電部６０は、充電源と、負荷とに接続され、蓄電体２０を充電するときには、充電源から供給される電力を蓄電体２０へ供給する。また、蓄電体２０から電力を得るときには、蓄電体２０から供給される電力を負荷へ供給する。さらにこの充放電部６０は、状態検知部５０が出力する制御情報と、現在充電中であるか放電中であるかを表す情報とに基づいて、電流分配部１０を制御する。これら状態検知の動作及び電流分配の制御については、後に述べる。

なお、ここでは各蓄電池Ｂの状態を検知する方法として電圧及び電流を用いているが、これに限らず、蓄電池の温度や蓄電池内部の圧力などを検出するセンサを設けて、こうしたセンサによる検出の結果に基づいて制御を行っても構わない。

なお、電流検出部４０の一部または全部を状態検知部５０に設けた構成であってもよく、状態検知部５０の一部または全部を充放電部６０に設けた構成でもよい。

ここで状態検出部５０による状態検知動作の具体例について述べる。以下の説明では簡単のため、蓄電体２０は、２つのシリーズユニット２１ａ，ｂを含むものとする。また、これら２つのシリーズユニット２１ａ，２１ｂに流れる電流は、それぞれのインピーダンスＲａ，Ｒｂ及び開回路電圧（あるいは起電力）Ｅａ，Ｅｂと、充放電部６０の入出力電流や電圧、電力等によって変化する。このため状態検知部５０は、例えばこれらのインピーダンスＲａ，Ｒｂや開回路電圧Ｅａ，Ｅｂ等、蓄電池Ｂの状態量としての、各蓄電池Ｂの充放電に関わる値、充電量を検出し、この状態量に応じて、充放電部６０との間での入出力電流や、電圧、電力を制御する。

状態検出部５０は、蓄電池が充放電されると、電池の状態演算により充電または放電可能な電流値を充放電部６０に出力する。また、電圧検出部３０と電流検出部４０とが検出した電圧値、及び電流値から、シリーズユニット２１ごとのインピーダンスを算出し、ＳＯＨ（State of Health）を推定する。一般にインピーダンスが大きいほど、ＳＯＨが劣化していると判定できる。

そして状態検出部５０は、シリーズユニット２１のインピーダンス（内部インピーダンス値）をＲ、開回路電圧（内部インピーダンスによる電圧降下を除外した電圧値）をＥ、最大許容電圧をＶｍａｘ、最小許容電圧をＶｍｉｎとし、許容電圧範囲内で安全に且つ最大限利用できる許容充電電流Ｉｃｍａｘ、許容放電電流Ｉｄｍａｘを、次式（１）、（２）のように算出する。
Ｉｃｍａｘ＝（Ｖｍａｘ−Ｅ）／Ｒ ・・・（１）
Ｉｄｍａｘ＝（Ｅ−Ｖｍｉｎ）／Ｒ ・・・（２）
なお、ここでＶｍａｘは蓄電手段の定格最大電圧又は接続される負荷等のシステム上規定される最大電圧値であり、Ｖｍｉｎは蓄電手段の定格最小電圧又は接続される負荷等のシステム上規定される最小電圧値である。

また、図１に示したように、シリーズユニット２１は、互いに並列接続されているために、その開回路電圧Ｅａ，Ｅｂは、相等しいと仮定する。また、充放電部６０がシリーズユニット２１群との間で充放電時に入出力する総電流をＩａｌｌとする。すると、各シリーズユニット２１ａ，ｂに流れる電流Ｉａ，Ｉｂは、次式（３）、（４）等のように予測することができる。ただし、Ｒａ，Ｒｂは、シリーズユニット２１ａ，ｂの内部抵抗値であり、Ｒｃａ，Ｒｃｂは、シリーズユニット２１ａ，ｂにそれぞれ対応して設けられた、電流分配部１０ａ，ｂの見かけの抵抗値である。
Ｉａ＝Ｉａｌｌ−（Ｒｂ＋Ｒｃｂ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ） ・・・（３）
Ｉｂ＝Ｉａｌｌ−（Ｒａ＋Ｒｃａ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ） ・・・（４）

そこで状態検知部５０は、充電時には次式（５）及び（６）が成り立つように、放電時には次式（７）及び（８）が成り立つように電流分配部１０ａ，ｂの抵抗値を制御するべき旨を表す制御信号を、充放電部６０に出力する。これにより充放電部６０が、当該制御信号に基づき、充電時には次式（５）及び（６）が成り立つように、放電時には次式（７）及び（８）が成り立つように電流分配部１０ａ，ｂの抵抗値を制御することとなる。
Ｉａ＝Ｉａｌｌ−（Ｒｂ＋Ｒｃｂ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ）＜（Ｖｍａｘ−Ｅ）／（Ｒａ＋Ｒｃａ） ・・・（５）
Ｉｂ＝Ｉａｌｌ−（Ｒａ＋Ｒｃａ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ）＜（Ｖｍａｘ−Ｅ）／（Ｒｂ＋Ｒｃｂ） ・・・（６）
Ｉａ＝Ｉａｌｌ−（Ｒｂ＋Ｒｃｂ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ）＜（Ｅ−Ｖｍｉｎ）／（Ｒａ＋Ｒｃａ） ・・・（７）
Ｉｂ＝Ｉａｌｌ−（Ｒａ＋Ｒｃａ）／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ）＜（Ｅ−Ｖｍｉｎ）／（Ｒｂ＋Ｒｃｂ） ・・・（８）

さらに、電流分配部１０の抵抗値を設定した後、実際に充放電を行っている間に、電流検出部４０で検出した電流値を取得して、上記式（５）から（８）で演算された条件である電流値と比較し、これらの間に相違のある場合には、分配の指令値を補正して電流分配部１０の抵抗値の制御を再度実行する。

ここで帯電手段が充電または放電されているとき電圧検出手段はインピーダンス部の電圧を含んだ値が検出され、開回路電圧Ｅを直接測定することはできない。そのため、状態検知手段５０により充電量（ＳＯＣ）を演算し、その情報を利用して算出した電流値を使用する。

本実施の形態の電流分配部１０は、例えば図２に示すように、第１端子１１と、複数のバスバー１２と、バスバー１２に対応して設けられる複数のスイッチ１３と、第２端子１４とを含んで構成される。ここでバスバー１２は、導電性を有する板状または円柱状の配線路を含んでなる抵抗素子であり、その厚みや幅・径など、その形状を変更することで抵抗率を調整できるようになっている。例えばバスバー１２の各抵抗値がｒ１，ｒ２，ｒ３・・・であるものとする。これらの抵抗値は互いに異なっていても、また、少なくとも一部が同じ値であっても構わない。また、長さによって抵抗値を選択できる形状であってもよい。

第１端子１１から供給される電流は、オンとなっているスイッチ１３を介し、当該オンとなっているスイッチ１３に対応しているバスバー１２に導入される。そして当該オンとなっているスイッチ１３に対応しているバスバー１２を通じて、第２端子１４へ至る。これにより、図２に示した電流分配部１０は、対応するスイッチ１３がオンとなっているバスバー１２の抵抗値の総和Σｒｉに相当する抵抗値の抵抗として作用することとなる。この場合、充放電部６０は、所望の抵抗値に最も近い抵抗値となるよう、どのスイッチ１３をオンとするかを制御する。

また、ここでは複数のスイッチ１３を用いたが、バスバー１２の形状または／および材質をそれぞれ異ならせることで、抵抗値を相違させておき、所望の抵抗値に最も近い抵抗を有するバスバー１２に対して第１端子１１を選択的に接続するスイッチを設けることとしても構わない。

さらに、ここではバスバーを用いたが、電流ケーブルを複数本束ねたものから、選択的に接続することでも実現可能である。さらに、この電流分配部１０は、充放電動作中に検出される蓄電池の状態に基づいて、動的にその抵抗値が制御されてもよい。さらに電流分配部１０の別の例は、図３に示すように、径が互いに異なる電流線ＢＬ１、ＢＬ２、・・・とスイッチ１３′とを設けたものであってもよい。この場合、スイッチ１３′にて電流バスラインを切り替えて、所望の抵抗値に近い抵抗値となる径の電流線ＢＬｉを介して、選択的にシリーズユニット２１に電流が供給される。

この電流分配部１０が設けられたことで、あるシリーズユニット２１中で比較的高い内部抵抗となっている蓄電池Ｂoldが、他の、比較的内部抵抗の低い蓄電池Ｂnewと直列に接続されている場合でも、当該シリーズユニット２１に供給される電流が、蓄電池Ｂoldにとって許容される最大電流を超えることがなくなる。

この効果について、具体的に図４を参照しつつ説明する。図４は、シリーズユニット２１ａ内で直接に接続される２つの蓄電池Ｂ１，Ｂ２の内部抵抗の経時変化を表す説明図である。具体的時刻Ｔ０において、これら２つの蓄電池Ｂ１，Ｂ２の内部抵抗がＲ１であったとし、時刻Ｔ１において両者の内部抵抗値がＲ２となったときに、異常によって一方の蓄電池Ｂ１が交換されたとする。このとき、交換された新しい蓄電池Ｂ１の内部抵抗はＲ１となる。Ｒ３はシステムとして寿命とされる蓄電池交換時期の抵抗値である。

上記電流分配部１０を設けない場合、上記蓄電池Ｂ１，Ｂ２を含むシリーズユニット２１ａに流入する電流量Ｉａは、その内部抵抗Ｒａと、シリーズユニット２１ａに並列に接続される他のシリーズユニット２１ｂの内部抵抗Ｒｂとを用い、また、充電時にこれらのシリーズユニット２１に供給される総電流量をＩａｌｌとして、
Ｉａ＝Ｉａｌｌ×Ｒａ／（Ｒａ＋Ｒｂ） ・・・（９）
となり、また、シリーズユニット２１ｂに流入する電流量Ｉｂは、
Ｉｂ＝Ｉａｌｌ×Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ） ・・・（１０）
となる。なお、ここでもシリーズユニット２１ａ，ｂの２つが互いに並列に接続されている例を想定している。

ここで時刻Ｔ１において、蓄電池Ｂ１を交換した場合のシリーズユニット２１ａに流れる電流量Ｉａは、
Ｉａ＝Ｉａｌｌ×Ｒｂ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒｂ） ・・・（１１）
となる。この値は、蓄電池Ｂ１交換前のシリーズユニット２１ａに流れる電流量Ｉａ′（次の（１２）式）に比べ、大きくなっている。
Ｉａ′＝Ｉａｌｌ×Ｒｂ／（２×Ｒ２＋Ｒｂ） ・・・（１２）

このことから、電流Ｉａが交換していない蓄電池Ｂ２の許容電流より大きくなると、その内部抵抗は、通常の変化の予測（Ｎ１）に比べて、急速に大きくなりＲ３に達する（Ｅ１）。このため、システムで想定されている寿命Ｔ３よりも早期である時刻Ｔ２には、交換時期に達してしまう場合がある。

一方、本実施の形態のように電流分配部１０を設けて、式（５）が満足されるようにその抵抗値を設定して充電を行えば、許容の電流値に従って充電が行われるので、交換されない蓄電池Ｂ２の許容電流を超えることがなく、その寿命は通常通りＴ３となり、また、蓄電池Ｂ１は、蓄電池Ｂ２の内部抵抗値が通常通り変化するので、通常（Ｎ１）に近い状態で経年変化することとなり、効率の低下も少ない。

ここでＳＯＨが１００％（劣化なし）の状態では、充放電部６０は、電流分配部１０に対して電流を絞らせず、劣化に伴い電流を小さくする制御を実施する。これにより、蓄電池の一部を交換した場合でも、蓄電池交換前の性能を維持したまま、蓄電池交換前の寿命まで使用できる。

また電池を交換する際には、予め、すべての蓄電池Ｂ１，Ｂ２・・・の電圧を、ＳＯＣで５０％の付近となるよう充・放電しておく。そして、交換する蓄電池を設置するまで、交換しない（既存の蓄電池）を開回路（回路を形成させない状態）としておき、交換する蓄電池を設置した後に、この交換した蓄電池とともに、全蓄電池を回路に接続する。これにより、突入電流の発生を防止しておくのである。また、この状態で電流分配部１０の抵抗値を設定しておくことで、蓄電池がＳＯＣ５０％をほぼ中心として、０％から１００％までの範囲で均等に動作できる。また既存の電池（交換しない電池）と交換する電池との動作時の上下限電圧での電圧差が少なくなる状態で動作させることができる。

つまり、本実施の形態によると、蓄電池をそれぞれ個別に交換しても、システム全体としての蓄電池の寿命を維持できる。これにより、電源の寿命を可及的長期にでき、メインテナンス性を向上できる。

なお、ここまでの説明ではシリーズユニット２１が２つあり、並列に接続されている場合を例として説明したが、これに限られるものではない。例えば図５に示すように、それぞれ２つの蓄電池Ｂを備えたシリーズユニット２１を、さらに２つ直列に接続した、ブロック８０とし、このブロック８０ａ，ｂを２つ並列に接続して、４直列２並列としてもよい。

このようにする場合は、電流分配部１０と、電圧検出部３０と、状態検知部５０とを、各シリーズユニット２１に対応して設け、電流検出部４０は、ブロック８０ごとに設ける。なお、図５においては、負荷／電源７０を併せて図示し、蓄電池Ｂの内部抵抗の図示を省略している。

この例では、ブロック８０では、それぞれに含まれる状態検知部５０が、対応するシリーズユニット２１に対応して設けられ、電流分配部１０とシリーズユニット２１とを差し挟む両端の電圧を検出する電圧検出部３０の検出結果と、ブロック８０ごとに設けられた電流検出部４０による検出結果と、に基づいて制御情報を出力する。そして、この制御情報に基づいて、充放電部６０が各シリーズユニット２１に対応して設けられた電流分配部１０を制御する。

そして充放電部６０は、放電を行わせる際には、蓄電体２０が出力する電力を負荷７０へ供給する。このように、シリーズユニット２１を複数、直列に接続する場合は、電流検知部４０をシリーズユニット２１ごとに設けなくとも、電流分配部１０の制御を行うことができる。なお、電流検知部４０は、直列に接続された２つのシリーズユニット２１や電流分配部１０に対して電流の下流側に接続されているが、この直列接続された素子間、またはその上流側のどの位置に設置されてもよい。

また図６に示すように、２直列２並列の電源を、さらに直列に接続する構成を採用してもよい。この例では、各シリーズユニット２１の電圧は、対応して設けられた電圧検出部３０で検出する。また、対応する電流検知部４０において、シリーズユニット２１に流れる電流量を検出し、これら検出した電圧及び電流量を、共通のシリーズユニット２１に対応して設けられた状態検知部５０へ出力する。

例えば、シリーズユニット２１ａの電圧は電圧検出部３０ａで検出し、対応する電流検知部４０ａにおいて、シリーズユニット２１ａに流れる電流量を検出し、これら検出した電圧及び電流量を、共通のシリーズユニット２１ａに対応して設けられた状態検知部５０ａへ出力している。

なお、この例においては、並列に接続されたシリーズユニット２１両端の電圧を検出する電圧検出部は、同電位を測定することとなる。例えばシリーズユニット２１ａと、シリーズユニット２１ｃとに設けられた電圧検出部３０ａ及び３０ｃは、同じ電圧を検出する。そこで、このいずれか一方を省略してもよい。例えば電圧検出部３０ｃを省略し、電圧検出部３０ａにて検出した電圧値を、状態検出部５０ａと状態検出部５０ｃとに出力してもよい。

この場合、各状態検知部５０は、対応するシリーズユニット２１の充電状態や、電池抵抗、及びＳＯＨを演算して充放電部６０に出力する。

充放電部６０では、図７に示すように、各状態検知部５０から、各蓄電池Ｂについての充電状態と電池抵抗とＳＯＨとの入力を受け（Ｓ１）、これらの情報に基づいて、そのうち、各蓄電池Ｂに流すことのできる電流値（許容電流）を算出し、これら各蓄電池Ｂの許容電流のうち最小の値を式（１），（２）等により求める（Ｓ２）。次に、状態検知部５０ごとに得られた各蓄電池Ｂの許容電流のうち最小の値を、その並列数倍（すなわちここでは２倍）して総電流値を求める（Ｓ３）。そしてこの総電流値をＩａｌｌとして、充電時には次式（５）及び（６）に相当する条件が成り立つように、放電時には次式（７）及び（８）に相当する条件が成り立つように各電流分配部１０の抵抗値を演算する（Ｓ４）。

ここで充放電部６０は、電流分配部１０は、各シリーズユニット２１に流れると見込まれる電流量を、ここで演算した電流分配部１０の抵抗値と、総電流値Ｉａｌｌとによって求め、各シリーズユニット２１に含まれる蓄電池Ｂに流すことのできる電流値（処理Ｓ２にて演算した電流値）を超えていないかを判断する（Ｓ５）。ここで、いずれかのシリーズユニット２１について、シリーズユニット２１に含まれる蓄電池Ｂに流れる電流量が、処理Ｓ２にて演算した許容電流値を超えている場合は、総電流値を低減調整して（Ｓ６）、処理Ｓ４に戻って処理を続けてもよい。

また処理Ｓ５において、各シリーズユニット２１に流れると見込まれる電流量が、各シリーズユニット２１に含まれる蓄電池Ｂに流すことのできる電流値（処理Ｓ２にて演算した電流値）を超えていないと判断される場合は、充放電部６０は、各電流分配部１０の抵抗値を、処理Ｓ４にて決定した抵抗値となるよう制御する（Ｓ７）。

さらにその後、電流検出部４０で検出した電流値を、充放電部６０が指令した値と比較し（Ｓ８）、これらに所定のしきい値を超えるずれがある場合には、分配の指令値を補正してもよい（Ｓ９）。

これにより、状態検出部５０が設けられている単位で定められる蓄電池ごとの最大許容電流値のうち、最小の値に基づき、これを並列数倍して総電流値を求める。そして各蓄電池の内部抵抗に応じて、この総電流値を分配し、各蓄電池を通る電流が、蓄電池ごとの最大許容電流値を超えないよう、各電流分配部１０の抵抗値が調整される。

なお、許容電流を充電池Ｂの充電状態（ＳＯＣ）によっても変化させる場合は、図８に示すように、ＳＯＣと、ＳＯＨとを検出した後（Ｓ１１）、ＳＯＣに基づく許容電流を演算し（Ｓ１２）、さらに当該許容電流の総和から全電流値を算出し（Ｓ１３）、当該全電流値を、各シリーズユニット２１ごとに、ＳＯＨに基づいて判定される許容電流量未満となるよう電流分配部１０の抵抗値を制御する（Ｓ１４）こととしてもよい。

このように、電流値を２直列の状態検知単位ごとに決めることが可能であるため、シリーズユニット２１ごとに、つまり２直列分を一度に、既存電池より抵抗の低い同性能のもので置き換えた場合に、全体に流すことのできる電流値を、既存電池の最大電流値を超えない範囲で大きくでき、電池をより有効に使用することができる。

さらに本実施の形態では、図９に示すように、６直列２並列の電池システムとして構成されてもよい。この図９の例では、各ブロックに設けられる個別の状態検出部５０ａ，ｂ，ｃ・・・ｆと、これらの出力を受けて、蓄電池システム全体の状態を検出する総合状態検出部５０′を６０から分けて設ける例を示した。

さらに図１０に示すように、少なくとも一つの（複数の場合は直列接続される）シリーズユニット２１、電圧検出部３０、電流検出部４０を含んで構成されるブロック１００を複数備え、また、各ブロック１００ごとに設けられ、時分割的にオンとされるスイッチ１１０と、このスイッチ１１０に接続される電流分配部１０′とを含む構成としてもよい。

この例では、充放電部６０が、対象とするブロック１００を時分割的に順次選択し、当該選択したブロック１００において許容される電流量となるよう、電流分配部１０′の抵抗値を設定し、選択したブロック１００に対応するスイッチ１１０をオンとする。これにより、一つの電流分配部１０を複数のブロックで共用できる。

また、図１１は本実施の形態の電源制御装置を含んだ電源を搭載したハイブリッド車両システムの構成例である。このハイブリッド車両システムでは、電池とは異なる動力源（例えばディーゼル、またはガソリンエンジン）２０１と、この動力源２０１により回転される回転軸に設けられた発電機２０２とを含む。この発電機２０２は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相交流電力を発生する。コンバータ２０３がこの２相交流電力を直流電力に変換し、インバータ２０４がその直流電力を指定された電圧、指定された周波数の３相交流電力に変換して誘導電動機２０５に供給する構成となっている。

また、このハイブリッド車両システムは、コンバータ２０３の出力に並列接続された蓄電装置２０６を含む。この蓄電装置２０６は、例えば車両の起動時に電力を補給する。さらにここでは、平滑コンデンサ２０７がインバータ２０４の入力段に並列に接続され、インバータ入力電圧の変動を抑制している。

さらに一方で、電流検出器２０９ａが、コンバータ２０３の出力する電流を、コンバータ出力電流Ｉｓとして検出して制御部２１０に出力しており、平滑コンデンサ２０７に対しては電圧検出器２０８が並列して接続され、検出した電圧値を制御部２１０に出力している。

この制御部２１０は、コンバータ２０３の出力に設けた電流検出器２０９ａで検出したコンバータ出力電流Ｉｓと、電圧検出器２０８で検出した平滑コンデンサ２０７の電圧と、別途測定される誘導電動機２０５の回転周波数とに基づいて、コンバータ制御を実行し、コンバータＰＷＭ制御信号を生成して、コンバータ２０３に対して出力する。

また、制御部２１０は、インバータ２０４の出力に設けた電流検出器２０９ｂ、２０９ｃ、２０９ｄにて電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、これら電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、電圧検出器２０８で検出した平滑コンデンサ電圧と、電動機回転周波数とに基づいてインバータＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ２０４に出力する。

さらに、この制御部２１０は蓄電装置２０６の蓄電池が放電する総電流と、蓄電池の総電圧、並びに蓄電装置２０６の温度（別途温度センサなどで検出する）とに基づいて、蓄電装置２０６の稼動状態を判断し、蓄電装置の充放電制御信号を出力する。このようなハイブリッド車両システムの蓄電装置２０６に本実施の形態の電源制御装置を用いることで、蓄電池の交換時に抑制される電流幅を少なくでき、蓄電池から多くの出力が得られるようになる。

電池はリチウム二次電池に限定されず、各種の二次電池、キャパシタなどを多並列、多直列に接続した蓄電システムすべてに適用可能であり、これらの電池システムを使用できる、ハイブリッド自動車、電気自動車、電動バイク、電動バス、トラック、鉄道車両、建設機械、地上給電設備、変電所などあらゆる蓄電システムの安定維持に有効である。

本発明の実施の形態に係る電源制御装置の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置の電流分配部の構成例を表す概要図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置の電流分配部の別の構成例を表す概要図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置の効果を現す説明図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置の別の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置のまた別の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置での処理例を表すフローチャート図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置での処理例を表す流れ図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置のさらに別の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置のさらに別の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源制御装置を適用可能なハイブリッド車両システムの構成例を表す説明図である。

符号の説明

１０，１０′ 電流分配部、１１ 第１端子、１２ バスバー、１３，１３′ スイッチ、１４ 第２端子、２０ 蓄電体、２１ シリーズユニット、３０ 電圧検出部、４０ 電流検出部、５０ 状態検知部、５０′ 総合状態検出部、６０ 充放電部、７０ 負荷、８０，９０，１００ ブロック、２０１ エンジン、２０２ 発電機、２０３ コンバータ、２０４ インバータ、２０５ 誘導電動機、２０６ 蓄電装置、２０７ 平滑コンデンサ、２０８ 電圧検出器、２０９ 電流検出器、２１０ 制御部。

Claims (10)

1. 複数の蓄電要素を直列に接続したシリーズユニットを形成し、当該シリーズユニットを並列に接続した蓄電体を制御の対象とする電源制御装置であって、
   前記シリーズユニットに含まれる蓄電要素について、所定の状態情報を検出する検出手段と、
   前記シリーズユニットごとに設けられ、前記検出した状態情報に基づいて、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
   前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された可変抵抗であり、各シリーズユニットと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
   前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の配線路と、各配線路に対応して設けられ、対応する配線路を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
   ことを特徴とする電源制御装置。
2. 複数の蓄電要素を直列に接続したシリーズユニットを形成し、当該シリーズユニットを並列に接続した蓄電体を制御の対象とする電源制御装置であって、
   前記シリーズユニットに含まれる蓄電要素について、所定の状態情報を検出する検出手段と、
   前記シリーズユニットごとに設けられ、前記検出した状態情報に基づいて、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
   前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された可変抵抗であり、各シリーズユニットと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
   前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の導電板と、各導電板に対応して設けられ、対応する導電板を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
   ことを特徴とする電源制御装置。
3. 複数の蓄電要素を直列に接続したシリーズユニットを形成し、当該シリーズユニットを並列に接続した蓄電体を制御の対象とする電源制御装置であって、
   前記シリーズユニットに含まれる蓄電要素について、所定の状態情報を検出する検出手段と、
   前記シリーズユニットごとに設けられ、前記検出した状態情報に基づいて、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
   前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された可変抵抗であり、各シリーズユニットと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
   前記電流分配手段は、互いに形状または材質の少なくとも一方が異なることで抵抗値を異ならせた複数の導電体と、各導電体に対応して設けられ、対応する導電体を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
   ことを特徴とする電源制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電源制御装置において、
   前記並列に接続されたシリーズユニットの電流値をそれぞれ計測する複数の電流計測手段と、
   前記並列に接続されたシリーズユニットに含まれる各蓄電要素の各電圧値を計測する複数の電圧計測手段と、を含み、
   前記検出手段は、対応して設けられるシリーズユニットの電流値及び各シリーズユニットの電圧値とに基づいて、蓄電要素に蓄電されている容量と、蓄電要素の内部抵抗と、の少なくとも一方を状態情報として検知することを特徴とする電源制御装置。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電源制御装置において、
   前記検出手段は、前記蓄電要素の充電ないし放電中の前記状態情報を検出し、
   前記電流分配手段は、前記蓄電要素の充電ないし放電中に動的に、対応するシリーズユニットを通過する電流量を制御することを特徴とする電源制御装置。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電源制御装置において、
   前記電流分配手段は、各シリーズユニットに対して直列に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータ、スイッチトキャパシタ、抵抗器、ＤＣチョッパのいずれか少なくとも１つを含んでなることを特徴とする電源制御装置。
7. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電源制御装置において、
   前記シリーズユニットには、前記電流分配手段を直列または並列に接続するための端子が設けられていることを特徴とする電源制御装置。
8. 少なくとも一つの蓄電要素と、
   前記蓄電要素についての劣化度を含む所定の状態を検出する検出手段と、
   を含むブロックを複数、少なくとも並列に接続し、
   前記検出手段で検出した状態に基づいて、ブロックごとに許容される最大電流値を決定し、前記決定した最大電流値のうち、最小の値を選択して、ブロックの並列数倍して総電流を演算する手段と、
   前記蓄電要素の劣化度に基づいて、前記総電流の、各並列接続された部分へ配分する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
   前記電流分配手段は、各ブロックに対して直列に接続された可変抵抗であり、各ブロックと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
   前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の配線路と、各配線路に対応して設けられ、対応する配線路を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
   ことを特徴とする電源制御装置。
9. 少なくとも一つの蓄電要素と、
   前記蓄電要素についての劣化度を含む所定の状態を検出する検出手段と、
   を含むブロックを複数、少なくとも並列に接続し、
   前記検出手段で検出した状態に基づいて、ブロックごとに許容される最大電流値を決定し、前記決定した最大電流値のうち、最小の値を選択して、ブロックの並列数倍して総電流を演算する手段と、
   前記蓄電要素の劣化度に基づいて、前記総電流の、各並列接続された部分へ配分する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
   前記電流分配手段は、各ブロックに対して直列に接続された可変抵抗であり、各ブロックと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
   前記電流分配手段は、互いに抵抗値の異なる複数の導電板と、各導電板に対応して設けられ、対応する導電板を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
   ことを特徴とする電源制御装置。
10. 少なくとも一つの蓄電要素と、
    前記蓄電要素についての劣化度を含む所定の状態を検出する検出手段と、
    を含むブロックを複数、少なくとも並列に接続し、
    前記検出手段で検出した状態に基づいて、ブロックごとに許容される最大電流値を決定し、前記決定した最大電流値のうち、最小の値を選択して、ブロックの並列数倍して総電流を演算する手段と、
    前記蓄電要素の劣化度に基づいて、前記総電流の、各並列接続された部分へ配分する電流量を制御する電流分配手段と、を含み、
    前記電流分配手段は、各ブロックに対して直列に接続された可変抵抗であり、各ブロックと、電源の供給先となる負荷側とを接続して、
    前記電流分配手段は、互いに形状または材質の少なくとも一方が異なることで抵抗値を異ならせた複数の導電体と、各導電体に対応して設けられ、対応する導電体を回路に選択的に接続するスイッチ群とを含む
    ことを特徴とする電源制御装置。

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