JP5277927B2

JP5277927B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP5277927B2
Application number: JP2008317861A
Authority: JP
Inventors: 久藤本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010140833A

Description

本発明は、二次電池や大容量キャパシタなどのセルを複数個直列接続して構成される組電池の過放電保護方法に関する。

近年、電力貯蔵装置、電力変動抑制装置、無停電電源装置などの電源システムの安定化要求に伴い、二次電池や大容量キャパシタなどの適用が拡大してきている。
二次電池やキャパシタは単位セルの定格電圧が数ボルトと低いため、前記電源安定化システムに適用する際には、複数個のセルを多数個直列接続して構成した組電池とするのが一般的である。システムとしての充放電制御は、充放電装置の電池接続端で行なわれるため、単位セルの特性の違いで発生する電圧アンバランスや、各セル電圧の動作制限監視（上下限電圧）は、別途回路が必要となる。

二次電池、大容量キャパシタの一つであるハイブリッド型キャパシタには、充放電電圧に上下限値が存在する。制限電圧からの逸脱は寿命に大きく影響を与えるだけでなく、故障の原因ともなるため、充放電装置は制限範囲内で充放電動作を行う。
図１０に、従来の技術を用いた組電池の保護回路構成を示す。特許文献１に記載された内容で、単位電池の電圧バランス回路として、フライバック形ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の構成である。

複数の二次電池（単位電池）Ｂ１〜Ｂ３が直列接続された集合電池ＢＡの起電力を、複数の二次巻線Ｌ２１〜Ｌ２３を有する変圧器３１を用いて前記二次電池Ｂ１〜Ｂ３に再分配することにより二次電池間の起電力を均一化するセルバランス回路部３０と、上記集合電池ＢＡの充放電路に直列に介在して電流方向別に通電を制御するスイッチ回路５０と、上記集合電池ＢＡ内のいずれかの二次電池が過充電状態または過放電状態になったか否かを検出する過充電過放電検出手段４０を有し、上記検出手段４０が過充電を検出したときに充電路（スイッチＳ１）を遮断させ、前記検出手段４０が過放電を検出したときに放電路（スイッチＳ２）を遮断させるとともに、上記検出手段４０が過放電または過充電のいずれかを検出したときに上記セルバランス回路部３０を動作させる。

上述の他、セル電圧を監視保護する回路として、下記特許文献がある。
特許文献２は、直列接続された個々のセル電圧を監視し、組電池の抵抗分圧により作成された基準電圧と比較することで、満充電を検出し、充電経路を遮断する事を提案している。

特許文献３は、組電池の個々のセル電圧を検出し、その検出結果をレベルシフト回路により、同一電位に変換することにより、特許文献２で示す機能に必要となる判定回路を削減することを提案している。

特許文献４は、セル電圧のバランス回路と保護回路を提案している。バランス回路動作のための基準電圧設定手段として、絶縁アンプによるレベルシフト回路を提案しており、また、過充電や過放電の保護回路として、各セルの判定信号をフォトカプラにより絶縁することで、電位の異なる充放電動作回路を動作させている。
特開２００４−８８８７８号公報特開平８−７８０６０号公報特開２００４−１３４３７２号公報特開２００６−２０３８２号公報

従来技術に示した各先行技術文献は、多数個直列接続されたセルの電圧を個々に監視し、過充電や過放電発生時に、組電池（または集合電池）の充放電を停止もしくは抑制する方法を提案したものである。

しかしながら、直列接続された各セルの電位は異なるため、充放電装置の制御回路に直接接続することはできない。制御回路に直列接続された各セルの電圧を取り込むためには、絶縁手段を用いたり、レベルシフト回路を用いるなどの対策が必要である。従来は、特許文献２のように各セル毎に保護回路を備えるか、特許文献３や特許文献４のようにレベルシフト回路もしくは絶縁回路を備えることにより共通の保護回路を動作させており、いずれの方法も保護回路の複雑化を招いていた。本提案は、特に過放電に対する上記の課題を解決するための過放電検出手段および前記検出手段を用いた過放電保護システムを提案するものである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の単位セルと並列接続された前記変圧器の二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定する。

第２の発明においては、二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の2個の単位セル直列回路と並列接続された前記変圧器の中間タップ付き二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定する。

第３の発明においては、二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の2個の単位セル直列回路と並列接続された前記変圧器の中間タップ付き二次巻線とダイオードとの直列回路と、前記組電池の単位セルと並列接続された前記変圧器の中間タップなし二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定する。

第４の発明においては、第１から第３の発明において、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定された場合に、放電動作を停止する。

第５の発明においては、第１から第３の発明において、前記基準直流電圧源は、前記単位セルを複数個直列接続して構成する組電池電圧から絶縁形直流−直流変換回路を用いて作る。

第６の発明においては、二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、二次巻線を複数個備えた変圧器と、前記組電池の単位セルと並列接続される前記変圧器の二次巻線とダイオードとの直列回路と、を備えた組電池ユニットを複数個備えた蓄電装置において、各組電池ユニットの出力は各々遮断手段を介して並列接続され、さらに充放電装置に接続されると共に、各組電池ユニットの変圧器一次巻線は電流検出手段を介して並列接続され、基準直流電圧源とスイッチング素子とで励磁する構成で、前記各々の電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であることを判定する。

第７の発明においては、第６の発明において、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定された場合に、対応する組電池ユニットの放電動作を停止する。

第８の発明においては、第６の発明において、前記基準直流電圧源は、前記各組電池ユニットの出力遮断手段を介して並列接続した点から直流−直流変換回路を用いて作る。

本発明では、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の単位セルと並列接続された前記変圧器の二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池セルが過放電状態であると判定しているため、直列接続された各単位セルの電圧を監視する必要がない。

また、各セルの過放電状態をセル数に拠らず１回路で検出可能となり、かつ組電池の各セルと放電検出回路が予め絶縁されているため、検出信号を絶縁手段を介さずに保護回路等の異なる電位に直接接続できる。

この結果、変圧器一次巻線の電流を監視するだけで、組電池の過放電を検出して、保護することが可能となり、単位セルの直列数が多い場合でも保護回路の簡素化が可能となる。
また、単位セルを直列接続した組電池を、複数個並列接続した時に、どの組電池に過放電が発生したかを判定することも可能である。

本発明の要点は、複数個の二次巻線を備えた変圧器を用いて、直列接続された組電池の各セルの電圧をバランスさせる蓄電装置の過放電保護装置として、変圧器一次巻線の電流を検出して過放電状態を判定するようにしている点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。組電池として、４個のキャパシタC1〜C4を直列接続したキャパシタモジュール５を用いた場合の構成である。
実施例で示す回路は、キャパシタC1〜C4とは電位の異なる基準直流電圧源1と、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子2と、二次巻線が保護対象となるキャパシタの直列セル数と同数の二次巻線W21〜W24を備えた変圧器3と、二次電流の整流用ダイオードD1〜D4と、一次巻線の電流を電圧信号に変換する検出抵抗8と、前記検出抵抗8で変換された検出信号を所定のレベルと比較する比較器10により構成される。

次に、実施例の回路動作を説明する。
まず、スイッチ素子2を、過放電保護監視のタイミングに応じてオン／オフし、前記基準直流電圧源1の出力電圧V1を前記変圧器3の一次巻線W1に印加する。前記スイッチ素子２のオンにより、一次巻線W1の励磁電流と二次巻線電流の一次換算電流の合算電流（以下、一次電流）が、一次巻線に流れる。一次電流I1は、前記検出抵抗8により、基準直流電圧源1と同電位の一次巻線電流検出信号V(I1)に変換される。この検出信号が、一次巻線の励磁電流を上回るレベルに到達したことを、比較器10により判定する。
ここで、図２に二次巻線電圧が前記キャパシタのセル下限電圧Vxとなるように、変圧器3の巻数比を設定したときの一次巻線電流波形を示す。

図２(a)は、前記キャパシタモジュール5を構成するセルC1〜C4の各電圧が、全てVxを上回っている場合の一次電流波形を示したものである。各セルからの電流は整流用ダイオードD1〜D4により阻止されるため、二次巻線電流はゼロとなり、一次巻線には変圧器の励磁電流ILmのみが流れる。

図２(b)は、前記キャパシタモジュール5を構成するセルの１セル（2段目のセルC2）が、下限電圧Vxを下回ったときの一次電流波形を示したものである。当該セルが2次巻線電圧Vxを下回ることにより、2次巻線には当該セルを充電する電流が流れる。この結果、前記変圧器3の励磁電流に、斜線で示す当該セル充電電流の巻数比換算された電流を合算した電流が一次電流I1として流れる。よって、変圧器3の一次電流を検出し、変圧器3の励磁電流以上の通流電流を前記比較器10で検出することにより、キャパシタモジュール構成セルが過放電状態にあることを判別することが可能となる。図３は、図1で示した過放電判定信号を用いて、キャパシタモジュールの充放電スイッチ11を遮断する回路である。

図４は、図１の回路における基準直流電圧源を、キャパシタモジュール５を電源として用いる場合の構成を示す。キャパシタモジュール５の電圧を絶縁電源回路１ａに入力する。絶縁電源回路１ａは、スイッチング回路、絶縁変圧器、整流ダイオードなどで構成されるいわゆる絶縁形のＤＣ−ＤＣコンバータなどで構成し、この出力を図１の基準直流電圧源１とすることができる。

以上のように、前記変圧器3の二次巻線電圧をセルの下限電圧に設定し、所定の監視タイミングで前記変圧器3を励磁し、その一次電流のみを監視することで、複数セルの過放電状態を、一括判定することが可能になる。また、過放電検出回路の電位は、キャパシタ側の電位と変圧器により絶縁された前記基準直流電圧源1の電位となっているため、充放電装置の制御回路電位や、充放電スイッチの駆動回路電位に直接接続することが可能となる。この結果、従来課題となっていた保護回路の複雑化を解決できる。

図５、図６に、本発明の第２の実施例を示す。
実施例１との違いは、変圧器３ａの二次巻線が中間タップ付き巻線となっている点である。巻線W21aとW22aからなる中間タップ付き巻線はダイオードD1a及びD2aを介してキャパシタC1とC2の直列回路と、巻線W23aとW24aからなる中間タップ付き巻線はダイオードD3a及びD4aを介してキャパシタC3とC4の直列回路と、各々接続されている。
回路の動作は、実施例１と同様であるので、省略する。
変圧器として中間タップ付き巻線を使用し、変圧器の端子数を減らした構成でも、同様に変圧器一次電流を検出することにより、過放電保護を実現できる。

図６は、図５で示した過放電判定信号を用いて、キャパシタモジュールの充放電スイッチ11を遮断する回路である。
本実施例においても、基準直流電圧源１として図４に示す絶縁電源回路１ａを用いることができることは言うまでも無い。

図７、図８に、本発明の第３の実施例を示す。
実施例１及び実施例２との違いは、変圧器３ｂの二次巻線の構成が中間タップ付き巻線W21b、W22bと中間タップ無し巻線W23bが混在している点である。巻線W21bとW22bからなる中間タップ付き巻線はダイオードD1b及びD2bを介してキャパシタC1とC2の直列回路と、巻線W23bはダイオードD3bを介してキャパシタC3と、各々並列接続されている。過放電保護に関する回路の動作は、実施例１及び２と同様であるので省略する。
実施例２と同様に実施例１に対して変圧器の端子数を減らすことができるが、実施例2が偶数個のキャパシタだけに適用できるのに対し、本実施例は、キャパシタの直列数が奇数個である場合にも適用することが出来る。

図９に本発明の第４の実施例を示す。
キャパシタC1a〜C3aを3個直列接続したキャパシタモジュール5bと、3個の二次巻線W21c〜W23cを備えた変圧器3cと、変圧器の各二次巻線と直列接続されるダイオードD1c〜D3cとの直列回路とからなる組電池ユニットAと、キャパシタC1b〜C3bを3個直列接続したキャパシタモジュール5cと、3個の二次巻線W21d、W22d、W23dを備えた変圧器3dと、変圧器の各二次巻線と直列接続されるダイオードD1d〜D3dとの直列回路とからなる組電池ユニットBとを、並列接続した構成である。各組電池ユニットA、Bの出力は各々充放電スイッチ11a、11bを介して並列接続され、さらに充放電装置７に接続される。また、各組電池ユニットＡ，Ｂの変圧器3c、3dの一次巻線W1c、W1dは、電流検出器8a、8bを介して並列接続され、基準直流電圧源１とスイッチ素子２とで励磁する構成である。ここで、基準直流電圧源は、図４に示した回路と同様に、各組電池ユニットＡ、Ｂ出力の充放電スイッチ11a、11bを介して並列接続した点から絶縁形直流−直流変換回路を用いて作ることができる。

各々の電流検出器8a、8bの検出結果を設定器9a、9bの設定値と比較判定する電圧比較器10a、10bの出力から前記組電池ユニットのセルが過放電状態であることを検知できる。電流検出器8aの電流が設定値より大きい場合は、比較器10aの出力信号で組電池ユニットAの出力の充放電スイッチ11aを開放し、電流検出器8bの電流が設定値より大きい場合は、比較器10bの出力信号で組電池ユニットBの出力の充放電スイッチ11bを開放することにより、過放電を保護することが出来る。さらに、比較器10a、10bの出力信号で、どの組電池ユニットで過放電が発生したかを判定することができ、組電池ユニットの並列数が多い場合には表示装置などを設けることにより保守性の向上も図れることは言うまでも無い。
以上、組電池ユニットが2台の場合を説明したが、並列数が増加した場合も同様に過放電を検知及び保護することができる。
なお、実施例は、キャパシタモジュールで説明したが、二次電池でも同様の効果が得られる。また、一次電流の検出方式としては、シャント抵抗、変流器、ホールＣＴなどの電流検出器を使用できることは言うまでもない。

本発明の第１の実施例を示す回路構成図である。図１の動作例を示す波形図とその説明図を示す。図１の構成を保護回路に拡張した回路図である。基準直流電圧源として絶縁電源回路用いた場合の構成図を示す。本発明の第２の実施例を示す回路構成図である。図５の構成を保護回路に拡張した回路図である。本発明の第３の実施例を示す回路構成図である。図７の構成を保護回路に拡張した回路図である。本発明の第４の実施例を示す回路構成図である。従来例を示す回路構成図を示す。

符号の説明

１・・・基準直流電圧源１ａ・・・絶縁電源回路
２、３６、Ｓ１、Ｓ２・・・スイッチ素子Ａ，Ｂ・・・組電池ユニット
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３１・・・変圧器
５、５ａ、５ｂ、５ｃ・・・キャパシタモジュール
Ｄ１〜Ｄ４、Ｄ２１〜Ｄ２３、Ｄ５１、Ｄ５２・・・ダイオード
Ｄ１ａ〜Ｄ４ａ、Ｄ１ｂ〜Ｄ３ｂ、Ｄ１ｃ〜Ｄ３ｃ、Ｄ１ｄ〜Ｄ３ｄ・・・ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４、Ｃ１ａ〜Ｃ３ａ、Ｃ１ｂ〜Ｃ３ｂ・・・キャパシタ（セル）
７、２０・・・充放電装置８・・・抵抗
８ａ、８ｂ・・・電流検出器９、９ａ、９ｂ・・・設定回路
１０、１０ａ、１０ｂ・・・比較器ＢＡ・・・集合電池
１１、１１ａ、１１ｂ・・・充放電スイッチ
Ｂ１〜Ｂ３・・・二次電池（単位電池）３０・・・セルバランス回路
４０・・・過充電過放電検出手段５０・・・スイッチ回路

Claims

二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の単位セルと並列接続された前記変圧器の二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定することを特徴とする蓄電装置。
二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチ素子と、前記組電池の2個の単位セル直列回路と並列接続された前記変圧器の中間タップ付き二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定することを特徴とする蓄電装置。
二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、前記組電池を所定の電圧に充放電する充放電装置と、を備えた蓄電装置において、二次巻線を複数個備えた変圧器と、基準直流電圧源と、前記変圧器の一次巻線を前記基準直流電圧源で励磁するスイッチング素子と、前記組電池の2個の単位セル直列回路と並列接続された前記変圧器の中間タップ付き二次巻線とダイオードとの直列回路と、前記組電池の単位セルと並列接続された前記変圧器の中間タップなし二次巻線とダイオードとの直列回路と、で構成されるフォワード形ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記変圧器の一次巻線の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段と、を備え、前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定することを特徴とする蓄電装置。
前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定された場合に、放電動作を停止することを特徴とする請求項１から３に記載の蓄電装置。
前記基準直流電圧源は、前記単位セルを複数個直列接続して構成する組電池電圧から絶縁形直流−直流変換回路を用いて作ることを特徴とする請求項１から３に記載の蓄電装置。
二次電池やキャパシタの単位セルを複数個直列接続して構成する組電池と、二次巻線を複数個備えた変圧器と、前記組電池の単位セルと並列接続される前記変圧器の二次巻線とダイオードとの直列回路と、を備えた組電池ユニットを複数個備えた蓄電装置において、各組電池ユニットの出力は各々遮断手段を介して並列接続され、さらに充放電装置に接続されると共に、各組電池ユニットの変圧器一次巻線は電流検出手段を介して並列接続され、基準直流電圧源とスイッチング素子とで励磁する構成で、前記各々の電流検出手段の検出結果を所定値と比較判定する電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であることを判定することを特徴とする蓄電装置。
前記電流判定手段の出力から前記組電池の単位セルが過放電状態であると判定された場合に、対応する組電池ユニットの放電動作を停止することを特徴とする請求項６に記載の蓄電装置。
前記基準直流電圧源は、前記各組電池ユニットの出力を遮断手段を介して並列接続した点から絶縁形直流−直流変換回路を用いて作ることを特徴とする請求項６に記載の蓄電装置。