JP5721650B2 - 電池管理装置、電池管理方法およびプログラム - Google Patents
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Description
このように、監視回路は組電池の電力を定常的に消費しており、これによる組電池の蓄電量の低下も相当なものとなる。このために、例えば組電池における蓄電量が待機状態において相当に速いペースで減少してしまい、待機状態から復帰したときに、必要とされる電力を組電池から供給することができなくなるなどの不具合を生じる可能性がある。
図1は、本実施形態における電池システムの構成例を示している。この図に示す電池システムは、電池ユニット100−1〜100−n、電力変換装置200、電池管理部300、システム電源400、組電池対応スイッチ500−1〜500−n、および、電流検出部600−1〜600−nを備える。
組電池対応スイッチ500がオンのとき、この組電池対応スイッチ500と接続された組電池110は電力変換装置200と接続される。組電池対応スイッチ500がオフのとき、この組電池対応スイッチ500と接続された組電池110は電力変換装置200と切断される。
なお、組電池対応スイッチ500には、例えばMCB(Miniature Circuit Breaker:電流遮断器)が使用される。
この図に示すように、電池ユニット100は、図1に示した組電池110と電池監視部120の他に、電源回路130、補助電池140と電源系スイッチ151〜156を備える。
なお、この図では、補助電池140は電池ユニット100内に備えられているが、組電池対応スイッチ500や電流検出部600のように電池ユニット100外に備えられてよい。
電源系スイッチ151は、一方の端部が組電池110の正極端子と接続され、他方の端部が電源系スイッチ153と155の各一方の端部と接続される。
電源系スイッチ152は、一方の端部が組電池110の負極端子と接続され、他方の端部が電源系スイッチ154と156の各一方の端部と接続される。
電源系スイッチ153と154の他方の端部は、それぞれ、電源回路130の正極入力と負極入力にそれぞれ接続される。
電源系スイッチ155と156他方の端部は、それぞれ、補助電池140の正極端子と負極端子にそれぞれ接続される。
図2における組電池110は、4つの電池セル111−1〜111−4を直列に接続して形成される。電池セル111−1〜111−4の各々は、単体の二次電池であり、例えばリチウムイオン電池が使用される。
なお、ここでは、組電池110が4つの電池セル111−1〜111−4により形成されているが、あくまでも一例であり、組電池110を形成する電池セルの数は特に限定されるものではない。
セレクタ121は、電池セル111−1〜111−4ごとの電圧を入力し、これらの電圧のうちから1つを選択する。つまり、セレクタ121の入力側は、電池セル111−1〜111−4ごとの両端に接続された一対のラインと接続されることで、電池セル111−1〜111−4ごとの電圧を入力する。
そして、セレクタ121は、制御部126の制御にしたがって、電池セル111−1〜111−4の各電圧のうち、1つの電池セル111の電圧を選択するようにライン切り替えを行う。
セレクタ121により選択された電池セル111の電圧は、アンプ122により増幅された後、A/D変換器125によりデジタル信号に変換される。制御部126は、セレクタ121におけるライン切り替えを制御しながら、A/D変換器125から出力される電圧を入力することにより、電池セル111−1〜111−4ごとの電圧を監視する。
セレクタ123により選択された温度検出信号は、アンプ124により増幅され、A/D変換器125によりデジタル信号に変換される。制御部126は、セレクタ123におけるライン切り替えを制御しながら、A/D変換器125から温度検出信号を入力することで、電池セル111−1〜111−4ごとの温度を監視する。
例えば、制御部126は、電池セル111−1〜111−4の各電圧と補助電池140の電圧と、電池セル111−1〜111−4の各温度を監視するために、上記のようにセレクタ121とセレクタ123の切り替えを制御する。
また、制御部126は、これらの監視結果を利用して一定時間ごとに監視情報を生成し、この生成した監視情報を通信インターフェース127から通信バス700経由で電池管理部300に対して送信させる。
電池管理部300は、電池監視部120に対する監視動作制御に対応して、監視情報受信処理部301、スイッチ制御部302、状態判定部303、監視動作制御部304および通信インターフェース305を備える。
本実施形態において、電池監視部120が送信する監視情報は、送信元の電池監視部120を一意に識別する電池監視部識別子と、組電池110の充電率(組電池充電率)と、補助電池140の充電率(補助電池充電率)の情報が含まれる。
監視情報受信処理部301は、電池監視部120の監視動作制御にあたり、受信した監視情報から電池監視部識別子と組電池充電率と補助電池充電率とを抽出し、状態判定部303に受け渡す。
なお、状態判定部303は、上記の状態判定を行うにあたり、監視情報から抽出された組電池充電率と補助電池充電率と、スイッチ制御部302が保持する各組電池対応スイッチ500のオンオフ状態の情報と、各電流検出部600が検出した電流量とを利用する。
監視動作制御部304は、状態判定部303により判定される組電池110の状態に応じて、5つの監視動作のいずれかを電池監視部120が実行するように制御する。これら5つの監視動作は、定常監視動作、間欠監視動作、補助電池使用定常監視動作、補助電池使用間欠監視動作および補助電池充電定常監視動作である。
この定常監視動作は、組電池110の電力を入力して電源回路130が生成した電源電圧Vccの供給を受けて電池監視部120が定常的に監視動作を実行する動作となる。ここでの監視動作とは、電池監視部120が組電池110の電圧および温度と、補助電池140の電圧などの監視対象を監視し、一定期間(例えば100msec程度)ごとに、その監視結果を示す監視情報を送信する動作である。
電池監視部120は、この電源指令に応答して電源回路130に組電池110の電力が入力されるように電源系スイッチ151〜156のオンオフ制御を行う。そして、監視動作制御部304は、例えば停止指令や他の電源指令を送信することなく、この状態を維持させる。これにより、電池監視部120は起動後において組電池110の電力による電源電圧Vccの供給を受けながら定常的に監視動作を実行する。
この間欠監視動作は、上記のように電池監視部120が組電池110の状態を監視する監視期間と、電池監視部120が停止する停止期間とが繰り返される監視動作である。
監視期間においては、組電池110の電力を入力して電源回路130が生成した電源電圧Vccの供給を受けて電池監視部120が監視動作を実行する。これに対して、停止期間においては電池監視部120そのものが停止状態となり監視動作は行わない。そして、この停止期間において、電池監視部120は電力を消費しない。なお、間欠監視動作における監視期間は、一例として10分程度の間隔ごとにおける10秒程度であり、これ以外の期間が停止期間である。
この補助電池使用定常監視動作では、組電池110に代えて補助電池140の電力が電源回路130に入力され、電源電圧Vccが生成される。電池監視部120は、この電源電圧Vccを入力して定常的に監視動作を実行する。
この補助電池使用間欠監視動作では、組電池110に代えて補助電池140の電力を電源回路130に入力して電源電圧Vccを生成させる。そして、電池監視部120は、この電源電圧Vccを入力して監視動作を実行する監視期間と、電源電圧Vccを入力せずに動作を停止する停止期間とを交互に繰り返す。なお、監視期間と停止期間の各時間は、例えば先に説明した間欠監視動作と同様でよい。
この補助電池充電定常監視動作では、電池ユニット100において組電池110の電力により補助電池140への充電が行われるようにするとともに、組電池110の電力が電源回路130に入力されるように電源経路が形成される。そして、電池監視部120は、この電源電圧Vccの供給を受けて定常的に監視動作を実行する。
まず、監視動作制御部304は、停止状態の電池監視部120に対して最初の起動指令を送信して起動させる(ステップS101)。
次に、状態判定部303は、スイッチ制御部302が保持する組電池対応スイッチ500ごとのオンオフ状態を示す情報のうちから、制御対象の電池監視部120と同じ電池ユニット100内の組電池110に接続されている組電池対応スイッチ500についての情報を参照する。そして、状態判定部303は、この組電池対応スイッチ500がオフの状態であるか否かを判定する(ステップS103)。
このように、本実施形態においては、組電池対応スイッチ500がオフの状態、または、組電池110に充放電電流が流れていない状態のとき、つまり、組電池110に対して充放電が行われていない状態のときに間欠監視動作が設定される。
ここで、組電池充電率が閾値th1以上である場合には(ステップS106−NO)、ステップS102に戻る。このとき、一例として、組電池対応スイッチ500がオフであれば、再びステップS105に至る。つまり、組電池対応スイッチ500がオフで、組電池充電率が閾値th1以上の状態が継続する限り、ステップS105による間欠監視動作が設定されることになる。
また、補助電池使用間欠監視動作が設定された状態のもとで、状態判定部303は、監視情報から抽出された補助電池充電率が予め設定した閾値th2未満であるか否かについて判定する(ステップS108)。
組電池充電率が閾値th1未満である場合(ステップS109−YES)には、組電池110の充放電が行われ、かつ、組電池110の残容量が少ない状態であることになる。そこで、この場合、監視動作制御部304は、補助電池使用定常監視動作を設定する(ステップS110)。
補助電池充電率が閾値th2未満であると判定される場合(ステップS112−YES)、組電池110は充電率が一定以上で余裕があり、かつ、充放電が行われている状態にある。そこで、この場合の監視動作制御部304は、補助電池充電定常監視動作を設定する(ステップS113)。
一方、補助電池充電率が閾値th2以上である場合には(ステップS112−NO)、ステップS102に戻る。つまり、組電池110が充放電を行っており、かつ、組電池充電率と補助電池充電率が一定以上の状態においては定常監視動作が設定される。
例えば停止状態(状態6)において、起動指令が受信されると、電池監視部120は、起動状態(状態0)に遷移する。そして、電池監視部120は、起動直後において、定常監視動作(状態1)を初期状態として自動で設定する。
また、起動状態(状態0)において停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
また、定常監視動作(状態1)において、組電池充電率が閾値th1未満となった場合(ステップS109−YES)、電池監視部120は補助電池使用定常監視動作(状態3)に遷移する(ステップS110)。
また、定常監視動作(状態1)において、補助電池充電率が閾値th2未満となった場合(ステップS112−YES)、電池監視部120は補助電池充電定常監視動作(状態5)に遷移する(ステップS113)。
また、定常監視動作(状態1)において、停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
また、間欠監視動作(状態2)において、組電池充電率が閾値th1未満となった場合(ステップS106−YES)、電池監視部120は補助電池使用間欠監視動作(状態4)に遷移する(ステップS107)。
また、間欠監視動作(状態2)において、停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
また、補助電池使用定常監視動作(状態3)において、補助電池充電率が閾値th2未満となった場合(ステップS111−YES)、電池監視部120は、間欠監視動作(状態2)に遷移する(ステップS105)。
また、補助電池使用定常監視動作(状態3)において、停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
また、補助電池使用間欠監視動作(状態4)において、補助電池充電率が閾値th2未満となった場合(ステップS108−YES)、電池監視部120は、間欠監視動作(状態2)に遷移する(ステップS105)。
また、補助電池使用間欠監視動作(状態4)において、停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
また、補助電池充電定常監視動作(状態5)において、停止指令が受信されると、電池監視部120は停止状態(状態6)に遷移する。
まず、監視動作制御部304は、制御対象の電池監視部120に対して起動指令を送信し(ステップS201)、次に、組電池110の電力使用による電池監視部120の動作を指示する電力指令を電池監視部120に対して送信する(ステップS202)。
次に、監視動作制御部304は、例えば起動指令の送信タイミングから監視期間としての一定時間を経過したか否かについて判定する(ステップS203)。監視期間を経過するまでの間(ステップS203−NO)、監視情報受信処理部301は、電池監視部120から送信されてくる監視情報が受信されるのに応じて所定の処理を実行する(ステップS204)。
そして、計時時間が監視期間を経過したことを判定すると(ステップS203−YES)、監視動作制御部304は、電池監視部120に対して停止指令を送信する(ステップS205)。次に、監視動作制御部304は、この停止指令の送信タイミングから停止期間が経過するのを待機する(ステップS206−NO)。そして、停止期間が経過すると(ステップS206−YES)、ステップS201に戻る。
この図において、ステップS301と、ステップS303〜S306の処理は、それぞれ、図6のステップS201と、ステップS203〜S206の処理と同様となる。補助電池使用間欠監視動作を設定する場合、監視動作制御部304は、電源回路130に対して補助電池140の電力使用による電池監視部120の動作を指示する電力指令を送信する(ステップS302)。
まず、監視動作制御部304は、制御対象の電池監視部120に対して起動指令を送信し(ステップS401)、次に、補助電池140の電力使用による電池監視部120の動作を指示する電力指令を電池監視部120に対して送信する(ステップS402)。この後、監視情報受信処理部301は、電池監視部120から送信される監視情報の受信に応じた所定の処理を実行する(ステップS403)。
まず、監視動作制御部304は、制御対象の電池監視部120に対して起動指令を送信する(ステップS501)。また、これに続いて、監視動作制御部304は、組電池110の電力使用による電池監視部120の動作とともに、組電池110の電力による補助電池140への充電を指示する電力指令を電池監視部120に対して送信する(ステップS502)。この後、監視情報受信処理部301は、電池監視部120から送信される監視情報の受信に応じた所定の処理を実行する(ステップS503)。
電源指令が受信された場合(ステップS602−YES)、制御部126は、受信した電源指令の内容にしたがって電源系スイッチ151〜156のオンオフ状態を制御する(ステップS603)。
具体的に、電源指令の内容が組電池110の電力の使用を指令するものである場合、制御部126は、初期状態と同様に、電源系スイッチ151、152、153および154がオンで、電源系スイッチ155および156がオフとなるように制御する。
また、電源指令の内容が補助電池の電力使用による電池監視部120の動作を指示するものである場合、制御部126は、電源系スイッチ153、154、155および156をそれぞれオンとし、電源系スイッチ151と152をオフとするように制御する。
また、電源指令の内容が補助電池140への充電と組電池110の電力使用による電池監視部120の動作を指示するものである場合、制御部126は、電源系スイッチ151〜156をすべてオンとするように制御する。
これに対して、送信時間間隔を経過した場合(ステップS605−YES)、制御部126は、現在において検出される電池セル111ごとの電圧や温度などに基づいて監視情報を生成し、この生成した監視情報を通信インターフェース127により電池管理部300に対して送信させる)(ステップS606)。
一方、本実施形態の監視動作制御により監視動作を継続させた場合、組電池充電率が50%(閾値th1)以上の状態では、組電池110が充放電動作をしていれば定常監視動作が設定され、充放電動作をしていなければ間欠監視動作が設定される。つまり、定常監視動作または間欠監視動作のいずれかが適宜設定された状態で監視動作が継続する。
前述のように間欠監視動作においては、電池監視部120が電源電圧Vccの供給を受けて動作するのは、例えば10分間ごとに10秒程度である。これにより、本実施形態の監視動作制御により監視動作を継続させた場合には、実線M1として示すように、組電池充電率が50%(閾値th1)となる時刻t2までの期間の傾きは、実線M1よりも小さくなる。つまり、組電池充電率が50%となるまでの時間は、監視動作制御を実行しない場合が時刻t1であるのに対して、監視動作制御を行っている場合には、時刻t2にまで遅延される。
そして、例えば時刻t3に至って補助電池140の充電率が閾値th2未満となるのに応じて、補助電池充電定常監視動作または間欠監視動作が設定され、再度、組電池110の電力が使用される状態に遷移する。これにより、時刻t3以降において組電池充電率が低下していく。
そして、実線M1と実線M2を比較して分かるように、同じ時刻における組電池充電率は、本実施形態の監視動作制御を実行した場合ほうが、監視動作制御を実行しない場合と比較して常に高い。つまり、監視動作制御を行うことにより、電池監視部120による組電池110の消費電力量は抑制される。
そこで、組電池充電率が閾値th1未満か否かの判定(ステップS106、S109)と、この判定結果に応じた定常監視動作と補助電池使用定常監視動作と補助電池使用間欠監視動作の間での監視動作の移行については、電池監視部120自体が実行してよい。同様に、補助電池充電率が閾値th2未満か否かの判定(ステップS108、S111、S112)と、この判定結果に応じた定常監視動作と補助電池充電定常監視動作と補助電池使用間欠監視動作の間での監視動作の移行についても、電池監視部120自体が実行してよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
110 組電池
111 電池セル
112 温度センサ
120 電池監視部
121、123 セレクタ
122、124 アンプ
125 A/D変換器
126 制御部
127 通信インターフェース
130 電源回路
140 補助電池
151〜156 電源系スイッチ
200 電力変換装置
300 電池管理部
301 監視情報受信処理部
302 スイッチ制御部
303 状態判定部
304 監視動作制御部
305 通信インターフェース
400 システム電源
500 組電池対応スイッチ
600 電流検出部
Claims (5)
- 組電池の状態を監視する電池監視部と、前記電池監視部の監視動作を制御する電池管理部と、補助電源とを備え、
前記電池管理部は、
前記組電池の状態として、前記組電池による充放電が停止している状態であるか否か、及び前記組電池の充電率が一定未満の状態であるか否かを判定する状態判定部と、
前記組電池による充放電が停止している状態であると判定されているときに、前記電池監視部が起動して前記組電池の状態を監視する監視期間と、前記電池監視部が停止する停止期間とを繰り返す間欠監視動作が実行されるように制御し、前記組電池の充電率が一定未満の状態であると判定されているときに、前記組電池に代えて、前記補助電源から前記電池監視部に電力が供給されるように制御する監視動作制御部とを備える、
ことを特徴とする電池管理装置。 - 前記状態判定部は、
前記組電池と負荷または他の電源との間に設けられるスイッチがオフの状態を、前記組電池による充放電が停止している状態と判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の電池管理装置。 - 前記状態判定部は、
前記組電池に流れる電流量が一定時間以上にわたり一定範囲内となる状態を、前記組電池による充放電が停止している状態と判定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池管理装置。 - 組電池による充放電が停止している状態であるか否か、及び前記組電池の充電率が一定未満の状態であるか否かを判定する状態判定ステップと、
前記組電池による充放電が停止している状態であると判定されているときに、電池監視部が起動して前記組電池の状態を監視する監視期間と、前記電池監視部が停止する停止期間とを繰り返す間欠監視動作が実行されるように制御し、前記組電池の充電率が一定未満の状態であると判定されているときに、前記組電池に代えて、補助電源から前記電池監視部に電力が供給されるように制御する監視動作制御ステップと、
を備えることを特徴とする電池管理方法。 - コンピュータに、
組電池による充放電が停止している状態であるか否か、及び前記組電池の充電率が一定未満の状態であるか否かを判定する状態判定ステップと、
前記組電池による充放電が停止している状態であると判定されているときに、電池監視部が起動して前記組電池の状態を監視する監視期間と、前記電池監視部が停止する停止期間とを繰り返す間欠監視動作が実行されるように制御し、前記組電池の充電率が一定未満の状態であると判定されているときに、前記組電池に代えて、補助電源から前記電池監視部に電力が供給されるように制御する監視動作制御ステップと、
を実行させるためのプログラム。
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