JP5439000B2 - 組電池システム及び組電池の保護装置 - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る組電池システムを示している。この組電池システムは、大きく分けて組電池10と保護装置14からなる。組電池10は、直列接続された複数の単電池ブロック11を含み、単電池ブロック11の各々は少なくとも一つの非水電解質二次電池を単電池として用いる。単電池ブロック11の各々が複数の非水電解質二次電池を含む場合、それらの電池は並列接続される。ここで、非水電解質二次電池はアルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ。
保護装置14は電圧測定部15、制御部16、充放電制御スイッチ17、シャットダウンスイッチ18及びバイパス回路19を有する。電圧測定部15は、組電池10の一方の端の単電池ブロックの正極端子及び他方の端の単電池ブロックの負極端子と、隣接する単電池ブロック間の接続点に電圧測定線を介して接続される。電圧測定部15は、全ての単電池ブロック11の電圧(端子電圧)を連続的にあるいは任意の時間間隔で間欠的に測定し、測定結果を制御部16へ与える。
前述したように、組電池10の単電池ブロック11には負極集電体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる非水電解質二次電池が好適に用いられる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る組電池システムである。本実施形態では第1の実施形態に係る組電池システムに対して、各単電池ブロック11に並列に接続されたSOCバランサ20と、制御部16に接続された記憶部23が追加されている。まず、SOCバランサ20について説明する。
第2の実施形態では、半導体スイッチ21と抵抗器22からなるSOCバランサ20を記憶部23に記憶された各単電池ブロック11に対するバイパス履歴と連動させている。これに対して、第3の実施形態ではSOCバランサを別の手法により実現する。
負極活物質としてチタン酸リチウムを用い、負極集電体としてアルミニウム箔を用いた放電容量3Ahの非水電解質二次電池1個を単電池ブロック11とし、それを10個直列にして組電池10とした。各単電池ブロック11にリード線を介して保護装置14を接続した。保護装置14において、各単電池ブロック11の負極側から正極側に向かう逆電流を流すバイパス回路19を設け、図1に示すような組電池システムを作製した。バイパス回路19の閾値、すなわちバイパス回路19がバイパス動作をし始めるときの単電池ブロック11の電圧を0Vとした。組電池10を使用していない状態での保護装置14の消費電流は、0.5mAであった。
実施例1と同様に組電池10を作成し、各単電池ブロック11にリード線を介して保護装置14を接続した。保護装置14において、各単電池ブロック11の負極側から正極側に向かう逆電流を流すバイパス回路19を設け、さらにSOCバランサ20を各単電池ブロック11に並列に接続した。SOCバランサ20は、図6に示したような半導体スイッチ21と抵抗器22を直列に接続した回路により構成し、各SOCバランサ20の半導体スイッチ21は制御部16から個別に制御するようにした。
実施例1と同様に組電池システムを作製し、保護装置においてバイパス回路として各単電池ブロックの負極側にアノード、正極側にカソードの向きでシリコンダイオードを接続した。
実施例1と同様に組電池を作製し、保護装置にバイパス回路を設けない状態とした。組電池に対して25℃環境下で1C充放電を行った時の放電容量を測定し、さらにSOC50%状態としたときの1kHzのACインピーダンスを測定した。その後、25℃環境下で1C充電と1C放電を10回繰り返し、放電容量の変化を測定した。その後、0.1CでSOC0%まで放電し、25℃で2ヶ月間保管した。保管後、各単電池ブロックの電圧を測定した後、再び25℃環境下で1C充放電時の放電容量を測定し、SOC50%状態としたときの1kHzのACインピーダンスを測定した。更に、25℃環境下で1C充電と1C放電を50回繰り返し、放電容量の変化を測定した。保管前後の組電池のインピーダンスと、保管後の単電池ブロックの電圧の最大値及び最小値との関係を調べたところ、以下の表1の結果が得られた。
11・・・単電池ブロック
12,13・・・外部接続端子
14・・・保護装置
15・・・電圧測定部
16・・・制御部
17・・・充放電制御スイッチ
18・・・シャットダウンユニット
19・・・バイパス回路
20・・・SOCバランサ
21・・・半導体スイッチ
22・・・抵抗器
Claims (11)
- アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池と、
前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、
前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、
前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、
を具備し、
前記バイパス回路は、前記単電池ブロックの正極にソース端子が接続され、前記単電池ブロックの負極にドレイン端子が接続された、ある閾値電圧を持つMOSFETと、前記MOSFETのゲート端子とドレイン端子との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有することを特徴とする組電池システム。 - 前記MOSFETの閾値電圧と前記バイアス電圧が等しいことを特徴とする請求項1記載の組電池システム。
- 前記単電池ブロックのそれぞれに対応して設けられ、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態(SOC)をバランスさせるSOCバランサと、
前記バイパス回路によるバイパス履歴を記憶する記憶部と、をさらに具備し、
前記制御部は、前記組電池の充電時に前記バイパス履歴を参照して以前に前記バイパスが行われた単電池ブロックを認識し、当該バイパスが行われた単電池ブロックの充電量が他の単電池ブロックの充電量より小さくなるように前記SOCバランサを制御することを特徴とする請求項1記載の組電池システム。 - 前記SOCバランサは、前記単電池ブロックに並列に接続された、スイッチと抵抗器との直列回路を含み、前記スイッチが前記制御部によりオン/オフされることにより前記単電池ブロックを放電させることを特徴とする請求項3記載の組電池システム。
- 前記バイパス回路は、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態(SOC)をバランスさせるSOCバランサを兼ねており、前記制御部は前記SOCのばらつきに応じて前記単電池ブロック毎に前記バイアス電圧を変化させることにより前記SOCバランサを制御することを特徴とする請求項3記載の組電池システム。
- アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池と、
前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、
前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、
前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、
を具備し、
前記バイパス回路は、前記単電池ブロックの正極にエミッタ端子が接続され、前記単電池ブロックの負極にコレクタ端子が接続されたバイポーラトランジスタと、前記バイポーラトランジスタのベース端子とコレクタ端子との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有することを特徴とする組電池システム。 - 前記単電池ブロックのそれぞれに対応して設けられ、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態(SOC)をバランスさせるSOCバランサと、
前記バイパス回路によるバイパス履歴を記憶する記憶部と、をさらに具備し、
前記制御部は、前記組電池の充電時に前記バイパス履歴を参照して以前に前記バイパスが行われた単電池ブロックを認識し、当該バイパスが行われた単電池ブロックの充電量が他の単電池ブロックの充電量より小さくなるように前記SOCバランサを制御することを特徴とする請求項6記載の組電池システム。 - 前記SOCバランサは、前記単電池ブロックに並列に接続された、スイッチと抵抗器との直列回路を含み、前記スイッチが前記制御部によりオン/オフされることにより前記単電池ブロックを放電させることを特徴とする請求項7記載の組電池システム。
- 前記バイパス回路は、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態(SOC)をバランスさせるSOCバランサを兼ねており、前記制御部は前記SOCのばらつきに応じて前記単電池ブロック毎に前記バイアス電圧を変化させることにより前記SOCバランサを制御することを特徴とする請求項7記載の組電池システム。
- 前記非水電解質二次電池は、チタン酸リチウムを含む負極活物質を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の組電池システム。
- アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池のための保護装置であって、
前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、
前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、
前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、
を具備し、
前記バイパス回路は、前記単電池ブロックの正極にソース端子が接続され、前記単電池ブロックの負極にドレイン端子が接続された、ある閾値電圧を持つMOSFETと、前記MOSFETのゲート端子とドレイン端子との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有することを特徴とする組電池の保護装置。
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