JP5727868B2 - 蓄電モジュールおよび充電制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の高速蓄電素子を含む蓄電モジュールと、その充電制御方法に関する。
近年、小型、軽量、かつ大容量が特徴であるリチウムイオン二次電池を用いた蓄電モジュールが開発されている。この蓄電モジュールは、複数の二次電池が直列接続された蓄電体を含んでいて、直列接続された二次電池によって高電圧で放電することができるため、電源装置として様々な用途に用いられている。また、この蓄電体に含まれる個々の二次電池を、並列接続された単数または複数の二次電池で構成される電池ユニットに置き換えれば、さらに容量を大きくして長時間使用することも可能である。
二次電池の充電制御方法としては、ＣＣＣＶ（constant current constant voltage）充電が知られている。ＣＣＣＶ充電では、まず二次電池（内部抵抗をＲとする。）を定電流Ｉで充電し、二次電池の電圧が目標とする最大値Ｖに達したことを検知すると定電流充電を停止する。この時点で、二次電池の電圧Ｅは内部抵抗ＩＲによるドロップ分（以下、ＩＲドロップ分と記す）を含むため、実際にはＥ＝Ｖ−ＩＲの電圧相当分までしか充電されていない。すなわち、電流Ｉが大きいほど、実際の充電電圧と目標とする充電電圧の最大値Ｖとの乖離が大きいことになる。
そこで、ＣＣＣＶ充電の充電制御では、電流をＩから０に近いＩ’まで徐々に下げることによってＩＲドロップ分を減少させながら定電圧Ｖで充電を行い、満充電に近い状態Ｅ＝Ｖ−Ｉ’Ｒに到達させて定電圧充電を完了する。
上述したＣＣＣＶ充電によれば、内部抵抗の高い二次電池であっても満充電に近い状態まで充電することが可能となるが、充電には長時間を要することが欠点となる。例えば、携帯電話機に使用される５５０ｍＡｈのリチウムイオン二次電池をＣＣＣＶ充電する場合には、後述する１Ｃでの定電流充電に１時間、定電圧充電に１時間の合計２時間を要する。
上述したＣＣＣＶ充電によれば、内部抵抗の高い二次電池であっても満充電に近い状態まで充電することが可能となるが、充電には長時間を要することが欠点となる。例えば、携帯電話機に使用される５５０ｍＡｈのリチウムイオン二次電池をＣＣＣＶ充電する場合には、後述する１Ｃでの定電流充電に１時間、定電圧充電に１時間の合計２時間を要する。
複数の二次電池が直列接続された蓄電体を含む蓄電モジュールの充電制御方法においては、上述のＣＣＣＶ充電時に電池ユニット間の電圧のばらつきがないように調整する動作（以下「バランシング」ともいう）を行う必要がある。また、電池ユニット間の電圧にばらつきがある状態を、アンバランスとも記す。以下、バランシングについて説明する。
蓄電モジュールでは、その充放電時に、蓄電モジュール内の二次電池間でアンバランスが発生する。このような電圧のアンバランスは、各二次電池の製造ばらつきによる容量の違いや蓄電モジュール内における配置による環境温度の違い等によって発生する。
蓄電モジュールでは、その充放電時に、蓄電モジュール内の二次電池間でアンバランスが発生する。このような電圧のアンバランスは、各二次電池の製造ばらつきによる容量の違いや蓄電モジュール内における配置による環境温度の違い等によって発生する。
二次電池では、安全性、及び寿命等を考慮して充電電圧の最大値や放電電圧の最小値が定められている場合がある。放電電圧の最小値と充電電圧の最大電圧との間の電圧が、二次電池の「使用可能電圧」となる。また、二次電池では、使用可能電圧の最大値より大きい最大定格電圧を超えた電圧まで充電することを過充電、使用可能電圧の最小値より小さい最小定格電圧を超えた電圧まで放電することを過放電という。
特に、リチウムイオン二次電池は、一般的に、過充電及び過放電を防止する機能とセットで蓄電モジュールに使用される。このため、複数の二次電池を用いた蓄電モジュールにおいて電圧のアンバランスが発生すると、蓄電モジュール内の１つの二次電池の電圧が充電電圧の最大値に達したことによって他の二次電池は充電可能であってもそれ以上充電できなくなる。
また、１つの二次電池の電圧が放電電圧の最小値に達すると他の二次電池は放電可能であってもそれ以上放電できなくなる。このような蓄電モジュールの構成は、蓄電モジュールを構成する各二次電池の性能を十分に引き出すことができず、蓄電モジュール全体の容量を低下させることになる。
上記した電圧のアンバランスを解消するために、様々な電圧のバランシング方法が開発されてきた。従来の一般的なバランシング方法としては、抵抗とスイッチング素子とを直列接続したバイパス回路を各電池ユニットに並列接続する方法がある。このような方法は、例えば、特許文献１に記載されている。
上記した電圧のアンバランスを解消するために、様々な電圧のバランシング方法が開発されてきた。従来の一般的なバランシング方法としては、抵抗とスイッチング素子とを直列接続したバイパス回路を各電池ユニットに並列接続する方法がある。このような方法は、例えば、特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載された従来技術では、蓄電モジュールを構成する各電池ユニットの電圧を監視し、この電圧値が最大値に達すると、電池ユニットに並列接続されているバイパス回路に充電電流を流すことで、各電池ユニットの電圧が最大値以上になることを防ぎ、全ての電池ユニットの電圧値を最大値に到達させることができる。このような蓄電モジュールの充電制御方法は、長時間かけてＣＣＣＶ充電制御と電圧のバランシングとを行うものであった。
ところで、充電速度を表現する指標として、Ｃレートが用いられている。Ｃレートとは、二次電池の有する全容量を１時間で充電するときの電流値を１Ｃとする単位である。一般的なリチウムイオン二次電池（以下、「ＬＩＢ」とも記す）の最大の充電速度は１Ｃ程度であり、容量を犠牲にして充放電速度が向上するように最適化されたものであっても１０Ｃ程度である。
この理由は、二次電池の正極及び負極における電気化学反応速度に由来するものであるので、それ以上の充電速度の高速化は原理的に困難である。これに対して、リチウムイオンキャパシタ（以下「ＬＩＣ」とも記す）や電気二重層キャパシタ（以下「ＥＤＬＣ」とも記す）等は、数百Ｃで充電を行うことが可能な高速蓄電素子である。近年、これらを用いた蓄電モジュールが提案されている。
瞬間的な大電流での充放電を必要とする用途においては、複数の二次電池が直列接続された蓄電体を含むモジュールに代えて、上記した高速蓄電素子が複数直列接続された蓄電体を含む蓄電モジュールを使用することが考えられる。このとき、蓄電モジュールを繰り返し使用するためには、二次電池と同様にバランシングを行うことが必須であると考えられる。
なお、本明細書において、高速蓄電素子とは、使用可能電圧の最小値まで放電した状態から１００Ｃ充電後の容量が、放電状態から１Ｃ充電後の容量の５０％以上となる蓄電素子をいうものとする。
なお、本明細書において、高速蓄電素子とは、使用可能電圧の最小値まで放電した状態から１００Ｃ充電後の容量が、放電状態から１Ｃ充電後の容量の５０％以上となる蓄電素子をいうものとする。
しかしながら、本発明の発明者は、上記のように高速蓄電素子が直列接続されて構成される蓄電体を含む蓄電モジュールがバランシングを行いつつ大電流でＣＣＣＶ充電と放電とを繰り返すと、多大な熱が発生することに着目した。
すなわち、特許文献１記載の蓄電モジュールでは、バイパス回路側に流れた電流は抵抗によって熱に変わる。このときに発生する熱量は電流の２乗に比例するので、二次電池を高速蓄電素子にかえて高速充電するために大きな充電電流を流すと大量の熱が発生し、蓄電モジュール内の温度を大幅に上昇させ、モジュール内の高速蓄電素子の寿命を短くしてしまう恐れがある。
すなわち、特許文献１記載の蓄電モジュールでは、バイパス回路側に流れた電流は抵抗によって熱に変わる。このときに発生する熱量は電流の２乗に比例するので、二次電池を高速蓄電素子にかえて高速充電するために大きな充電電流を流すと大量の熱が発生し、蓄電モジュール内の温度を大幅に上昇させ、モジュール内の高速蓄電素子の寿命を短くしてしまう恐れがある。
蓄電モジュール内の温度上昇は、電流によって発生した熱を放熱させるための放熱フィンや放熱ファン等を設けることによって回避することができる。しかし、このような部材を設けることは、蓄電モジュール全体のサイズを大型化させてしまう。つまり、特許文献１に記載された従来技術は、放電した二次電池を小電流かつ長時間で満充電状態にすることに適した方法であるが、放電した高速蓄電素子を大電流かつ短時間で満充電状態にするには適した方法ではないものといえる。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、高速蓄電素子が直列接続されて構成される蓄電体の充電時のバランシングによる発熱を抑えることが可能な蓄電モジュール、その蓄電モジュールの充電制御方法を提供することを目的とする。
本発明の発明者は、上述のような短時間での大出力の充放電を目的とする用途においては、放電状態から使用可能な程度まで短時間で充電でき、短時間で放電できればよく、必ずしも満充電状態にする必要はないとの着想に基づき検討した結果、高速蓄電素子が直列接続されて成る蓄電体の充電制御においては、定電流充電終了後の定電圧充電制御にかえて短時間のタイマ制御で停止させれば発熱が抑制でき、しかもバランシング状態も良好にできることを見出し、以下の本発明を完成させた。
すなわち、本発明の蓄電モジュールは、蓄電素子（例えば図１、図９に示した高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２、例えば図６に示した高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）を含む複数の電池ユニット（例えば図１、図９に示した電池ユニット１１１、１１２、例えば図６に示した電池ユニット６１１、６１２）が直列に接続された蓄電体（例えば図１、図９に示した蓄電体１１、例えば図６に示した蓄電体６１）と、前記蓄電体に直列に接続された第１スイッチング素子（例えば図１、図６に示したスイッチング素子１４２）と、複数の前記電池ユニットの各々に対応して並列に接続され、対応する電池ユニットに流れる電流をバイパスするように切り替えられる第２スイッチング素子（例えば図１、図６、図９に示したスイッチング素子１２２、１２４）を含む複数のバイパス回路（例えば図１、図６、図９に示したバイパス回路１２ａ、１２ｂ）と、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を制御する充電制御回路（例えば図１、図６、図９に示した充電制御回路１３）と、を含み、前記充電制御回路は、前記電池ユニットの電圧値を個別に検出する電圧検出器（例えば図１、図６、図９に示した電圧検出器１３ａ）と、予め定められた充電終了条件が満たされた場合、前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、前記電圧検出器によって検出された電圧値に応じて複数の前記第２スイッチング素子それぞれのＯＮ、ＯＦＦを制御し、さらに、前記第１スイッチング素子をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる動作タイミングを、前記電圧検出器によって前記電池ユニットのいずれかの電圧値が第１電圧値以上になったことが検出されてから第１の所定の時間が経過したタイミングとする第１タイミング制御回路（例えば図９に示した第１タイミング制御回路７１）と、を有することを特徴とする。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第１タイミング制御回路は、前記第１の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第１タイミング制御回路は、前記第１の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第２スイッチング素子の各々をＯＦＦ状態からＯＮ状態にするタイミングを、該第２スイッチング素子が接続された前記電池ユニットの電圧値が前記電圧検出器によって前記第１電圧値以上となったことが検出されてから第２の所定の時間が経過したタイミングとする第２タイミング制御回路（例えば図９に示した第２タイミング制御回路７２）をさらに含むことが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第２タイミング制御回路は、前記第２の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第２タイミング制御回路は、前記第２の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第２スイッチング素子の各々をＯＮ状態からＯＦＦ状態にするタイミングを、該第２スイッチング素子が接続された前記電池ユニットの電圧値が前記電圧検出器によって第２電圧値以下となったことが検出されてから第３の所定の時間経過したタイミングとする第３タイミング制御回路（例えば図９に示した第３タイミング制御回路７３）を有することが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第３タイミング制御回路は、前記第３の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記第３タイミング制御回路は、前記第３の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記蓄電素子が、リチウムイオンキャパシタ、または電気二重層キャパシタのいずれかであることが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記電池ユニットが、単数の前記蓄電素子、または並列に接続された複数の蓄電素子を含むことが望ましい。
また、本発明の蓄電モジュールは、上記した発明において、前記電池ユニットが、単数の前記蓄電素子、または並列に接続された複数の蓄電素子を含むことが望ましい。
本発明の充電制御方法は、蓄電素子を含む複数の電池ユニットが直列に接続された蓄電体と、前記蓄電体に直列に接続された第１スイッチング素子と、複数の前記電池ユニットの各々に対応して並列に接続され、対応する電池ユニットに流れる電流をバイパスするように切り替えられる第２スイッチング素子を含む複数のバイパス回路と、前記電池ユニットの電圧値に応じて前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を制御する充電制御回路と、を含む蓄電モジュールの充電を制御する充電制御方法であって、前記充電制御回路が、複数の前記電池ユニットの少なくとも１つの電圧値が第１電圧値以上になるまで前記蓄電体を充電する第１のステップ（例えば、図４に示したステップＳ４０１、４０２、図７に示したステップＳ７０１、７０２）と、電圧値が前記第１電圧値以上になった前記電池ユニットに対応する前記バイパス回路の前記第２スイッチング素子をＯＮ状態に切り替えて、前記電池ユニットに流れる電流を前記バイパス回路に流す第２ステップ（例えば、図４に示したステップＳ４０２、４０３、図７に示した７０４）と、前記第２ステップによって電流がバイパスされた前記電池ユニットの電圧値が第２電圧値以下になった場合、前記第２スイッチング素子をＯＦＦ状態に切り替えて、前記バイパス回路に流れる電流を当該バイパス回路に対応する前記電池ユニットに流す第３ステップ（例えば図４に示したステップＳ４０５、４０６、図７に示したステップＳ７０６、７０７）と、前記第２ステップの開始から第１の所定の時間の経過後に、前記蓄電体へ流れる電流を、前記第１スイッチング素子をＯＦＦすることによって遮断する第４ステップ（例えば図４に示したステップＳ４０７、図７に示したステップＳ７０８）と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の充電制御方法は、上記した発明において、前記第２ステップと前記第３ステップとが繰返し実行され、前記第２ステップは、前記電池ユニットに対し、電圧値が前記第１電圧値以上になってから第２の所定の時間が経過した後（ステップＳ７０５）、当該電池ユニットに対応する前記バイパス回路の前記第２スイッチング素子をＯＮ状態に切り替えて前記電池ユニットに流れる電流を前記バイパス回路に流すことが望ましい。
本発明の蓄電モジュール、及び充電制御方法によれば、高速蓄電素子が直列接続されて成る蓄電体の充電時のバランシングによる発熱量を抑え、しかもバランシング状態も良好にできる。
以下、本発明の第１実施形態、第２実施形態を説明する。
・第１実施形態
（蓄電モジュール）
図１は、本発明の第１実施形態の蓄電モジュール１０の概略回路図である。第１実施形態の蓄電モジュール１０は、複数の電池ユニット１１１、１１２が直列接続されて構成される蓄電体１１と、蓄電体１１に直列に接続されるスイッチング回路１４と、を備えている。電池ユニット１１１、１１２は、それぞれ１つの高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２によって構成されている。なお、電池ユニットは１つの高速蓄電素子を含むものに限定されるものでなく、後述する他の実施形態のように複数の高速蓄電素子を含むものであってもよい。
・第１実施形態
（蓄電モジュール）
図１は、本発明の第１実施形態の蓄電モジュール１０の概略回路図である。第１実施形態の蓄電モジュール１０は、複数の電池ユニット１１１、１１２が直列接続されて構成される蓄電体１１と、蓄電体１１に直列に接続されるスイッチング回路１４と、を備えている。電池ユニット１１１、１１２は、それぞれ１つの高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２によって構成されている。なお、電池ユニットは１つの高速蓄電素子を含むものに限定されるものでなく、後述する他の実施形態のように複数の高速蓄電素子を含むものであってもよい。
また、第１実施形態では、電池ユニット１１１に並列に接続されたバイパス回路１２ａ、電池ユニット１１２に並列に接続されたバイパス回路１２ｂと、バイパス回路１２ａ、１２ｂを制御する充電制御回路１３と、を備えている。充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の電圧値を検出する電圧検出器１３ａを備えている。蓄電体１１から出力される電流を外部に出力する端子を外部端子１５ａ、１５ｂとする。
なお、図１に示した蓄電モジュール１０では、使用時に、外部端子１５ａ、１５ｂに放電を行うための図示しない負荷が接続される。また、充電時においては、外部端子１５ａ、１５ｂに充電を行うための図示しない充電装置が接続される。
スイッチング回路１４は、スイッチング素子１４２、ダイオード素子１４１を有している。外部端子１５ａ、１５ｂ間に充電装置が接続される充電時の状態においては、充電制御回路１３がスイッチング素子１４２をＯＮにする。スイッチング素子１４２がＯＮされたことによって蓄電体１１は充電される。また、スイッチング素子１４２が充電制御回路１３によってＯＦＦされると、蓄電体１１の充電が停止する。
スイッチング回路１４は、スイッチング素子１４２、ダイオード素子１４１を有している。外部端子１５ａ、１５ｂ間に充電装置が接続される充電時の状態においては、充電制御回路１３がスイッチング素子１４２をＯＮにする。スイッチング素子１４２がＯＮされたことによって蓄電体１１は充電される。また、スイッチング素子１４２が充電制御回路１３によってＯＦＦされると、蓄電体１１の充電が停止する。
ダイオード素子１４１は、さらに、外部端子１５ａ、１５ｂ間に負荷が接続された状態（蓄電体１１使用時）においては、スイッチング素子１４２のＯＮ、ＯＦＦに関わらず、蓄電体１１が放電を行えるように、スイッチング素子１４２と並列に配置されている。
スイッチング素子１４２、１２１、１２３に用いられる素子としては、特に指定されるものではないが、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、トライアック等が好適である。また、このような素子のうちから、蓄電モジュール１０が使用する電圧値や電流値に応じて適するものを選択することができる。
スイッチング素子１４２、１２１、１２３に用いられる素子としては、特に指定されるものではないが、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、トライアック等が好適である。また、このような素子のうちから、蓄電モジュール１０が使用する電圧値や電流値に応じて適するものを選択することができる。
特に、多くの電池ユニットを直列接続し、蓄電モジュールの電圧を高電圧にする場合は、スイッチング素子１４２として、ＩＧＢＴ素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＧＴＯ素子（ゲートターンオフサイリスタ）等の耐電圧性の高いスイッチング素子を使用することが好ましい。
バイパス回路１２ａは、直列接続された抵抗素子１２１と、スイッチング素子１２２とを備えている。バイパス回路１２ｂは、直列接続された抵抗素子１２３と、スイッチング素子１２４とを備えている。
バイパス回路１２ａは、直列接続された抵抗素子１２１と、スイッチング素子１２２とを備えている。バイパス回路１２ｂは、直列接続された抵抗素子１２３と、スイッチング素子１２４とを備えている。
充電時、バイパス回路１２ａにおいて充電制御回路１３によりスイッチング素子１２２がＯＮ状態に制御されると、バイパス回路１２ａに並列接続された電池ユニット１１１への充電がバイパスされる。また、スイッチング素子１２２がＯＦＦ状態に制御されると、バイパス回路１２ａに並列接続された電池ユニット１１１への充電が行われる。蓄電モジュール１０の使用時、スイッチング素子１２２がＯＦＦ状態に制御されると、バイパス回路１２ａに並列接続された電池ユニット１１１からの放電が行われる。
なお、図示したように、バイパス回路１２ａ、１２ｂは同様に構成されている。このため、バイパス回路１２ｂは、充電制御回路１３の制御によって上記したバイパス回路１２ａと同様に動作する。
充電制御回路１３は、後述する充電制御方法に従い、充電の開始、終了（中断）時にスイッチング素子１４２をＯＮ状態またはＯＦＦ状態に遷移させるように制御する。また、充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の電圧を検出し、検出された電圧値に応じてスイッチング素子１２２、１２４を個別にＯＮ状態またはＯＦＦ状態に遷移させるように制御する。
充電制御回路１３は、後述する充電制御方法に従い、充電の開始、終了（中断）時にスイッチング素子１４２をＯＮ状態またはＯＦＦ状態に遷移させるように制御する。また、充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の電圧を検出し、検出された電圧値に応じてスイッチング素子１２２、１２４を個別にＯＮ状態またはＯＦＦ状態に遷移させるように制御する。
電池ユニット１１１、１１２としては、ＥＤＬＣ、レドックスキャパシタ、ＬＩＣ等が適用できる。特に、内部抵抗が小さく、最大充電速度を１００Ｃ以上にできる蓄電素子として、ＥＤＬＣ、ＬＩＣが第１実施形態の蓄電モジュール１０に好適である。
なお、以上の説明において、図１には説明を簡単にするため電池ユニットを２つ直列接続した例を示したが、電池ユニットの数は２つに限定されるものでなく、必要な電圧に応じて数を増やすことができる。
なお、以上の説明において、図１には説明を簡単にするため電池ユニットを２つ直列接続した例を示したが、電池ユニットの数は２つに限定されるものでなく、必要な電圧に応じて数を増やすことができる。
（充電制御方法）
次に、以上説明した第１実施形態の蓄電モジュール１０の充電制御方法を説明する。なお、第１実施形態では、第１実施形態の充電制御方法と比較するため、第１実施形態の充電制御方法の説明に先立って、従来の蓄電モジュールの充電制御方法について説明する。
（ｉ）従来の充電制御方法
図２は、高速蓄電素子に従来の二次電池の充電制御方法を適用した場合の動作を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、図１に示した蓄電モジュール１０の電池ユニット１１１、１１２を、従来の二次電池の充電制御方法を適用して充電した例を示している。
次に、以上説明した第１実施形態の蓄電モジュール１０の充電制御方法を説明する。なお、第１実施形態では、第１実施形態の充電制御方法と比較するため、第１実施形態の充電制御方法の説明に先立って、従来の蓄電モジュールの充電制御方法について説明する。
（ｉ）従来の充電制御方法
図２は、高速蓄電素子に従来の二次電池の充電制御方法を適用した場合の動作を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、図１に示した蓄電モジュール１０の電池ユニット１１１、１１２を、従来の二次電池の充電制御方法を適用して充電した例を示している。
充電時には、外部端子１５ａ、１５ｂ間に図示しない充電装置が接続され、外部端子１５ａ、１５ｂ間の電圧が所定の電圧値Ｖ20になるまで定電流で電池ユニット１１１、１１２が充電される。その後、外部端子１５ａ、１５ｂ間の電圧の電圧値Ｖ20を維持するように、電池ユニット１１１、１１２が定電圧充電される。このような充電制御は、前述のＣＣＣＶ充電を行いつつ、高速蓄電素子間のバランシングを行う充電制御方法である。より具体的には、定電流充電により外部端子１５ａ、１５ｂ間の電圧が電圧値Ｖ20になった時点では電池ユニット１１１、１１２の内部抵抗によるＩＲドロップ分が含まれているため満充電状態にはなっていないのを、電流を徐々に小さくしながら定電圧充電することにより補償して満充電に近い状態までもっていく制御である。
蓄電モジュールの最大の電圧置を電圧値Ｖ20とすると、電圧値Ｖ20は、各電池ユニットの充電時の目標電圧の最大の電圧値（第１の所定の電圧値Ｖ1）と電池ユニットの直列接続数Ｎから決定される。具体的には、電圧値Ｖ20は、下記の式（１）で決定される。
Ｖ20 ＝Ｖ1×Ｎ …式（１）
目標電圧の最大の電圧値Ｖ1は、電池ユニットに組み込まれる高速蓄電素子の充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の間に設定される。一般的には、充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の中間の値から、充電電圧の最大値の間に設定される。
Ｖ20 ＝Ｖ1×Ｎ …式（１）
目標電圧の最大の電圧値Ｖ1は、電池ユニットに組み込まれる高速蓄電素子の充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の間に設定される。一般的には、充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の中間の値から、充電電圧の最大値の間に設定される。
また、充電時の目標電圧の最小の電圧値（第２の所定の電圧値Ｖ2）は、充電電流が一度ＯＦＦ状態になったとき、検出される電池ユニット間の電圧がＩＲドロップにより低下することによって再度ＯＮ状態になることを避けるために、Ｖ2＝Ｖ1−（ＩＲドロップ分＋α）に設定される。さらに、第２の所定の電圧値Ｖ2は、充電再開時までヒステリシスを持つように設定される。
例えば、内部抵抗１３ｍΩのＬＩＣを充電電流Ｉ＝３０Ａ、目標電圧の最大の電圧値Ｖ1＝４．０Ｖで充電する場合、第２の所定の電圧Ｖ2は、Ｖ2＝Ｖ1−ＩＲ＝３．６１Ｖ未満（例えば３．５Ｖ）に設定されることになる。
例えば、内部抵抗１３ｍΩのＬＩＣを充電電流Ｉ＝３０Ａ、目標電圧の最大の電圧値Ｖ1＝４．０Ｖで充電する場合、第２の所定の電圧Ｖ2は、Ｖ2＝Ｖ1−ＩＲ＝３．６１Ｖ未満（例えば３．５Ｖ）に設定されることになる。
充電開始時、充電制御回路１３は、スイッチング素子１４２がＯＮ状態、かつ、スイッチング素子１２２、１２４をＯＦＦ状態とする。そして、定電流充電しながら電池ユニット１１１、１１２の電圧を検出する（ステップＳ２０１）。次に、充電制御回路１３は、検出された電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1以上であるかどうかを判定し（ステップＳ２０２）、電圧値Ｖ1以上でない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、再び電圧を検出して電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1に達するまで待機する。
また、充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1以上であれば（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、電池ユニット１１１、１１２と並列に接続されているバイパス回路１２ａ、１２ｂのスイッチング素子１２２、１２４をＯＮ状態にし、充電電流を抵抗素子１２１、１２３へ流す（ステップＳ２０３）。このとき、抵抗素子１２１、１２３と並列接続されている電池ユニット１１１、１１２からも若干の電流が抵抗素子１２１、１２３へ流れるため、電池ユニット１１１、１１２の電圧値が低下する。この電圧低下速度は、抵抗素子１２１、１２３の抵抗値が小さいほど大きくなる。
次に、充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の少なくともいずれか１つの電圧値がＶ2以下であるか否か判断する（ステップＳ２０４）。電圧値がＶ2以上である場合はスイッチング素子１２２、１２４をＯＮ状態のまま維持する。また、電圧値がＶ2以下の電池ユニットがある場合、この電池ユニットに並列接続されているスイッチング素子をＯＦＦにして充電電流を電圧値Ｖ2以下の電池ユニットへ流す（ステップＳ２０５）。
以下、蓄電モジュールでは、上記した動作が繰り返される。
充電の開始と終了は、外部端子１５ａ、１５ｂに接続される前記した充電装置によって制御される。充電装置予め設定されている充電終了条件に到達すると、この充電装置が充電電流を停止し、充電を終了する。このとき充電制御回路１３は、図２に示したステップ１０１から１０５のいずれかの状態で停止する。充電装置予め設定されている充電終了条件には、以下の条件が該当し、このうちの少なくともいずれか１つが成立すると、充電装置が充電電流を停止する。
充電の開始と終了は、外部端子１５ａ、１５ｂに接続される前記した充電装置によって制御される。充電装置予め設定されている充電終了条件に到達すると、この充電装置が充電電流を停止し、充電を終了する。このとき充電制御回路１３は、図２に示したステップ１０１から１０５のいずれかの状態で停止する。充電装置予め設定されている充電終了条件には、以下の条件が該当し、このうちの少なくともいずれか１つが成立すると、充電装置が充電電流を停止する。
・充電開始から所定の時間Ｔ10が経過した場合。
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替わってから所定の時間が経過した場合
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量が所定の値より小さくなった場合
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量の時間変化が所定の値より小さくなった場合
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替わってから所定の時間が経過した場合
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量が所定の値より小さくなった場合
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量の時間変化が所定の値より小さくなった場合
図３は、図２に示したフローチャートで示した従来の充電制御方法によって制御された電池ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。図３の横軸に時間を、縦軸には電池ユニットの充電電圧を示している。図２に示した充電制御方法によれば、蓄電モジュールの１つの電池ユニットの電圧値をＶ2からＶ1の範囲に収めることができる。
しかし、図１に示した蓄電モジュールの充電を上記したように制御した場合、以下のような問題が発生する。すなわち、例えば、充電装置に設定された充電終了の条件が充電時間Ｔ10の経過であるとすると、蓄電モジュールがバイパス動作を開始してから時間Ｔ10が経過して充電が終了するまでの間、蓄電体に投入される電流のかなりの部分が抵抗素子１２１、１２３に流れるため、熱として消費されてしまう。この熱によって蓄電モジュール内の温度が上昇し、強制冷却しないと動作不能な温度まで到達する場合がある。
（ｉｉ）実施形態１の充電制御方法
図４は、このような従来技術の不具合を解消するための第１実施形態の蓄電制御方法を説明するためのフローチャートである。図４のフローチャートのうち、ステップＳ４０１〜Ｓ４０３までの処理は図２に示したフローチャートのステップＳ２０１〜Ｓ２０３までの処理と同様に行われる。つまり、充電開始時、充電制御回路１３の電圧検出器１３ａは、定電流充電しながら電池ユニット１１１、１１２の電圧を検出する（ステップＳ４０１）。充電制御回路１３は、検出された電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1以上でない場合（ステップＳ４０２：Ｎｏ）、再び電圧を検出して電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1に達するまで待機する。
図４は、このような従来技術の不具合を解消するための第１実施形態の蓄電制御方法を説明するためのフローチャートである。図４のフローチャートのうち、ステップＳ４０１〜Ｓ４０３までの処理は図２に示したフローチャートのステップＳ２０１〜Ｓ２０３までの処理と同様に行われる。つまり、充電開始時、充電制御回路１３の電圧検出器１３ａは、定電流充電しながら電池ユニット１１１、１１２の電圧を検出する（ステップＳ４０１）。充電制御回路１３は、検出された電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1以上でない場合（ステップＳ４０２：Ｎｏ）、再び電圧を検出して電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1に達するまで待機する。
また、充電制御回路１３は、電圧検出器１３ａによって検出された電池ユニット１１１、１１２の電圧が電圧値Ｖ1以上であれば（ステップＳ４０２：Ｙｅｓ）、電池ユニット１１１、１１２と並列に接続されているバイパス回路１２ａ、１２ｂのスイッチング素子１２２、１２４をＯＮ状態にし、充電電流を抵抗素子１２１、１２３へ流す（ステップＳ４０３）。
上記した第１実施形態の目標電圧の最大の電圧値Ｖ1は、電池ユニットに組み込まれる高速蓄電素子の充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の間に設定される。一般的には、充電電圧の最大値と放電電圧の最低値の中間の値から、充電電圧の最大値の間に設定される。また、充電時の目標電圧の最小の電圧値（第２の所定の電圧値Ｖ2）は目標電圧の最大の出圧値Ｖ1の０．９倍から１．０倍の間の値に設定される。より好ましくは０．９５倍から１．０倍の間の値に設定され、さらに好ましくは０．９７倍から１．０倍の間の値に設定される。
電圧値Ｖ2の設定は、電圧値Ｖ2を、チャタリングを起こさせないようにＶ2＝Ｖ1−（ＩＲ＋α）と設定する従来技術とは大きく異なり、高速蓄電素子を大電流で短時間の間にバランスさせることを可能としている。
電圧値Ｖ2の設定は、電圧値Ｖ2を、チャタリングを起こさせないようにＶ2＝Ｖ1−（ＩＲ＋α）と設定する従来技術とは大きく異なり、高速蓄電素子を大電流で短時間の間にバランスさせることを可能としている。
抵抗素子１２１、１２３は、図４のフローチャートにおいてステップＳ４０３で、スイッチング素子１２２、１２４がＯＮ状態となった際、電池ユニット１１１、１１２の電圧が、電流の低下による電圧降下（電流変化量×電池ユニットの内部抵抗）によって第２の所定の電圧値Ｖ２以下にならないようにして決定される。具体的には、抵抗素子１２１、１２３の抵抗値を電池ユニットの内部抵抗値で除した値が、９．０から９３．６の範囲内であって、より好ましくは１８．５から９３．６の範囲内であって、さらに好ましくは３２．７から９３．６の範囲内に設定される。
ステップ４０４では、スイッチング素子１２２、１２４のいずれかがＯＮ状態となってから第１の所定の時間Ｔ2以上が経過したか否か判断する（ステップＳ４０４）。時間Ｔ2以上経過している場合（ステップＳ４０４：Ｙｅｓ）は、スイッチング素子１４２をＯＦＦ状態とし、充電電流を遮断して充電を終了させる（ステップＳ４０７）。なお、時間Ｔ2の計時開始Ｔ0は、スイッチング素子１２２、１２４の少なくとも１つが最初に動作を開始する時間とする。
また、時間Ｔ2が経過していない場合（ステップＳ４０４：Ｎｏ）、充電制御回路１３は、電池ユニット１１１、１１２の少なくともいずれか１つの電圧値が電圧値Ｖ2以下であるか否か判断する（ステップＳ４０５）。電圧値がＶ2以下の高速蓄電素子がある場合、この電池ユニットに並列接続されているスイッチング素子をＯＦＦにして充電電流を電圧値Ｖ2以下の電池ユニットへ流す（ステップＳ４０６）。
図５は、図４に示した第１実施形態の蓄電制御方法によって電池ユニットを充電した場合の、電圧と時間との関係を説明するための図である。図５の横軸は時間を、縦軸は電池ユニットの充電電圧を示している。横軸に示した時間Ｔ10は、充電装置に設定される充電時間である。充電前には正確な充電開始の時間Ｔ0を把握することはできないので、時間Ｔ10は想定されるＴ0に対して余裕を持って長めに設定する必要がある。第１実施形態の充電制御方法によると、時間Ｔ0＋Ｔ2にて充電電流が遮断されるため、時間Ｔ10が経過するのを待たずに充電が終了する。
以上のことから、第１実施形態の電流制御方法によれば、抵抗素子１２１、１２３に電流が流れている時間を短くすることができるから、抵抗素子１２１、１２３における発熱を抑制できる。また、第１実施形態では、図５中に示した時間Ｔ0＋Ｔ2から時間Ｔ10の間の期間（図５中に点線で示す）では充電は行われない。このような第１実施形態によれば、電池ユニット間のアンバランスが解消され難いと危惧されるが、電池ユニットの特性と上述したＶ2設定によりアンバランスに関する問題はない。
・実施形態２
次に、本発明の実施形態２について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態の蓄電モジュールの概略構成図である。なお、図６に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。
第２実施形態の蓄電モジュール６０は、図１に示した第１実施形態の蓄電モジュール１０の、直列に接続された電池ユニット１１１、１１２を含む蓄電体１１を、並列に接続された高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２を含む電池ユニット６１１と、並列に接続された高速蓄電素子Ｂ３、Ｂ４を含む電池ユニット６１２と、を含む蓄電体６１に置き換えたものである。このような蓄電体６１では、並列に接続されている高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２間、あるいは高速蓄電素子Ｂ３、Ｂ４間では電圧が常に等しいので、バイパス回路１２ａ、１２ｂは、それぞれ電池ユニット６１１、６１２に並列に接続される。
次に、本発明の実施形態２について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態の蓄電モジュールの概略構成図である。なお、図６に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。
第２実施形態の蓄電モジュール６０は、図１に示した第１実施形態の蓄電モジュール１０の、直列に接続された電池ユニット１１１、１１２を含む蓄電体１１を、並列に接続された高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２を含む電池ユニット６１１と、並列に接続された高速蓄電素子Ｂ３、Ｂ４を含む電池ユニット６１２と、を含む蓄電体６１に置き換えたものである。このような蓄電体６１では、並列に接続されている高速蓄電素子Ｂ１、Ｂ２間、あるいは高速蓄電素子Ｂ３、Ｂ４間では電圧が常に等しいので、バイパス回路１２ａ、１２ｂは、それぞれ電池ユニット６１１、６１２に並列に接続される。
実施形態２では、説明を簡単にするため、２つの高速蓄電素子が並列接続された電池ユニットが２つ直列接続されている蓄電体６１を備えた構成を示しているが、実施形態２は、このような構成に限定されるものではない。すなわち、必要な電圧に応じて直列接続される電池ユニットの数を増やすことができ、必要な容量に応じて各電池ユニットに並列接続される高速蓄電素子の数を増やすことができる。
図７は、本発明の実施形態２の充電制御方法を説明するためのフローチャートである。図７のフローチャートのうち、充電開始から７０２までの処理は図４に示したフローチャートのステップＳ４０１、４０２の処理と同様に行われる。つまり、充電開始時、充電制御回路１３は、定電流充電しながら電圧検出器１３ａで電池ユニット６１１、６１２の電圧を検出する（ステップＳ７０１）。そして、検出された電池ユニット６１１、６１２のいずれかの電圧が電圧値Ｖ1以上でない場合（ステップＳ７０２：Ｎｏ）、電圧検出器１３ａが再び電圧を検出して電池ユニット６１１、６１２の電圧が電圧値Ｖ1に達するまで待機する。
また、充電制御回路１３は、電池ユニット６１１、６１２の電圧が電圧値Ｖ1以上であれば（ステップＳ７０２：Ｙｅｓ）、時間Ｔ1が経過するまで待機する（ステップＳ７０３）。そして、時間Ｔ1が経過した後、充電制御回路１３は、電池ユニット６１１、６１２と並列に接続されているバイパス回路１２ａ、１２ｂのスイッチング素子１２２、１２４をＯＮ状態にし、充電電流を抵抗素子１２１、１２３へ流す（ステップＳ７０４）。
次に、充電制御回路１３は、スイッチング素子１２２、１２４のいずれかがＯＮ状態となってから第１の所定の時間Ｔ2以上が経過したか否か判断する（ステップＳ７０５）。時間Ｔ2以上経過している場合は（ステップＳ７０５：Ｙｅｓ）、スイッチング素子１４２をＯＦＦ状態とし、充電電流を遮断して充電を終了させる（ステップＳ７０８）。なお、時間Ｔ2の計時開始Ｔ0は、スイッチング素子１２２、１２４の少なくとも１つが最初に動作を開始する時間とする。
また、時間Ｔ2が経過していない場合（ステップＳ７０５：Ｎｏ）、充電制御回路１３は、電池ユニット６１１、６１２の少なくともいずれか１つの電圧値が電圧値Ｖ2以下であるか否か判断する（ステップＳ７０６）。電圧値がＶ2以下の電池ユニットがある場合、この電池ユニットに並列接続されているスイッチング素子をＯＦＦにして充電電流を電圧値Ｖ2以下の電池ユニットへ流す（ステップＳ７０７）。
時間Ｔ１は、電池ユニットの有する静電容量の値を充電電流値で除した値に、係数βを掛けた値で設定される。このとき時間Ｔ１の単位は秒とする。係数βは、０．００５から１．５の範囲であって、より好ましくは０．０１から０．５の範囲であって、さらに好ましくは０．０２から０．３の範囲に設定される。
図８は、図７に示した第２実施形態の蓄電制御方法によって電池ユニットを充電した場合の、電圧と時間との関係を説明するための図である。図８の横軸は時間を、縦軸は電池ユニットの充電電圧を示している。
図８は、図７に示した第２実施形態の蓄電制御方法によって電池ユニットを充電した場合の、電圧と時間との関係を説明するための図である。図８の横軸は時間を、縦軸は電池ユニットの充電電圧を示している。
充電制御回路１３では、図８の横軸に示した時間Ｔ0において電池ユニットの電圧が第１の所定の電圧値Ｖ1以上であることを電圧検出器１３ａが検出する。そして、第２の所定の時間Ｔ1が経過してからスイッチング素子１２２、１２４をＯＮ状態とする。このため、時間Ｔ0から充電が終了するまでの間に抵抗素子１２１、１２３に電流が流れる時間が減少するので、抵抗素子１２１、１２３における発熱を抑制できる。時間Ｔ10は、充電装置にて設定される充電の時間を表している。時間Ｔ0＋Ｔ2から時間Ｔ10の間の期間は電池ユニットに充電は行われない。
以上説明した実施形態２の充電制御方法では、充電終了後のスイッチング素子１４２はＯＦＦ状態になっている。スイッチング素子１４２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になるタイミングは、以下のいずれかの方法によって検出される。
・スイッチング素子１２２、１２４がそれぞれＯＮ、ＯＦＦ制御される信号を用い、スイッチング素子１２２、１２４が全てＯＦＦ状態であることを検知したときにスイッチング素子１４２をＯＮ状態にする。
・スイッチング素子１２２、１２４がそれぞれＯＮ、ＯＦＦ制御される信号を用い、スイッチング素子１２２、１２４が全てＯＦＦ状態であることを検知したときにスイッチング素子１４２をＯＮ状態にする。
・電池ユニット６１１、６１２の電圧が第２の所定の電圧値Ｖ2以下であるときにスイッチング素子１４２をＯＮ状態にする。
・蓄電モジュールを使用する（放電する）ときに、スイッチング回路１４のダイオードに流れる電流を検知し、検知された電流が所定の電流値以上になった場合にスイッチング素子１４２をＯＮ状態にする。
・蓄電モジュールを使用する（放電する）ときに、スイッチング回路１４のダイオードに流れる電流を検知し、検知された電流が所定の電流値以上になった場合にスイッチング素子１４２をＯＮ状態にする。
なお、電池ユニットの電圧は第１の所定の電圧値Ｖ1以上になる場合があるが、充電電圧の最大値、または図示しない過充電保護電圧を超えない範囲内で図８に示す時間Ｔ1を設定することができる。時間Ｔ1を設定する方法の他にも、最大の電圧値Ｖ1の値を本来所望とする電圧値よりも若干小さく設定することで、電池ユニットの電圧が充電電圧の最大値、または図示しない過充電保護電圧に到達しないように制御することができる。
以上説明した実施形態１、実施形態２の抵抗素子に電流をバイパスさせる動作は、蓄電体に含まれる電池ユニット間の電圧バランシングを目的として行われる。しかし、上記のようにバイパスさせる回数を減少させ、一定時間経過後に充電電流を遮断させることは、電池ユニット間の電圧バランシングという目的達成を困難にする可能性がある。
しかしながら、実施形態１、実施形態２の充電制御方法は、１度目の充電直後で多少電圧のアンバランスが残っていたとしても、充電終了後に負荷を接続して放電し、再度充電する作業を複数回繰り返すことによって、累積的に増加することはなく、よりバランスがとれた状態に近づく。つまり、蓄電モジュールを実際に移動機器や電子機器に搭載して使用する場合には、蓄電体の高速蓄電素子や電池ユニットを、電圧のばらつき無く動作させることができる。
なお、図１、図６には図示していないが、実施形態１、実施形態２では、過充電保護回路や過放電保護回路を蓄電モジュールとは別に設置しても良い。過放電保護回路の設定電圧は、高速蓄電素子の電圧下限値によって決定される。また過充電保護回路の設定電圧は、高速蓄電素子の最大定格電圧と第１の所定の電圧値Ｖ1との間に設けることが好ましい。
また、過充電保護回路における充電電流を遮断するスイッチング素子を、スイッチング素子１４２として用いても良い。その場合は、過充電保護回路のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦを制御する信号ラインに、充電制御回路１３からのスイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦ制御するための信号をのせることにより実現することができる。
以上、本発明に係る蓄電モジュールと充電制御方法について詳説した。本発明によれば、バイパス回路動作後に一定時間経過してから蓄電体へ掛かる充電電流を遮断する充電制御方法により、バランシングを実現した上で充電時の発熱量を抑えた蓄電モジュールを提供することができる。
以上、本発明に係る蓄電モジュールと充電制御方法について詳説した。本発明によれば、バイパス回路動作後に一定時間経過してから蓄電体へ掛かる充電電流を遮断する充電制御方法により、バランシングを実現した上で充電時の発熱量を抑えた蓄電モジュールを提供することができる。
・実施形態３
次に、本発明の実施形態３について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態の蓄電モジュールの概略構成図である。なお、図９に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。実施形態３の蓄電モジュールは、図１に示した実施形態１の蓄電モジュールに、第１タイミング制御回路７１、第２タイミング制御回路７２、第３タイミング制御回路７３を追加したものである。
次に、本発明の実施形態３について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態の蓄電モジュールの概略構成図である。なお、図９に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。実施形態３の蓄電モジュールは、図１に示した実施形態１の蓄電モジュールに、第１タイミング制御回路７１、第２タイミング制御回路７２、第３タイミング制御回路７３を追加したものである。
第１タイミング制御回路７１は、スイッチング素子１４２をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる動作タイミングを、電池ユニット１１１、１１２のいずれかが第１の所定の電圧値Ｖ1以上となったことを電圧検出器１３ａが検出してから第１の所定の時間Ｔ1経過時とする。
第２のタイミング制御回路７２は、スイッチング素子１２２をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる動作タイミングを、スイッチング素子１２２が並列接続された電池ユニット１１１の電圧が第１の所定の電圧値Ｖ1以上になったことが電圧検出器１３ａによって検出されてから第２の所定時間Ｔ2経過時とする。また、第２のタイミング制御回路７２は、スイッチング素子１２４をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる動作タイミングを、スイッチング素子１２４が並列接続された電池ユニット１１２の電圧が第１の所定の電圧値Ｖ1以上になったことが電圧検出器１３ａによって検出されてから第２の所定時間Ｔ2経過時とする。
第３のタイミング制御回路７３は、スイッチング素子１２２をＯＮ状態からＯＦＦ状態にするタイミングを、スイッチング素子１２２が接続された電池ユニット１１１の電圧が電圧検出器１３ａによって第２の所定の電圧値Ｖ2以下になったことが電圧検出器１３ａによって検出されてから第３の所定時間Ｔ3経過時とする。また、第３のタイミング制御回路７３は、スイッチング素子１２４をＯＮ状態からＯＦＦ状態にするタイミングを、スイッチング素子１２４が接続された電池ユニット１１２の電圧が電圧検出器１３ａによって第２の所定の電圧値Ｖ2以下になったことが電圧検出器１３ａによって検出されてから第３の所定時間Ｔ3経過時とする。
タイミング制御回路７１、７２、７３としては、例えば、タイマＩＣに抵抗素子とキャパシタとで時定数を設定した回路を使用することができる。ここで、これらの回路の少なくとも１つの抵抗素子として可変抵抗器を使用すると、所定時間Ｔ3を可変に設定できるので好ましい。
なお、タイミング制御回路７１、７２、７３の機能は、充電制御回路１３の中に取り込んで一体とすることができる。また、実施形態３の蓄電モジュールでは、図示されない過充電保護回路や過放電保護回路を備えることもできる。
なお、タイミング制御回路７１、７２、７３の機能は、充電制御回路１３の中に取り込んで一体とすることができる。また、実施形態３の蓄電モジュールでは、図示されない過充電保護回路や過放電保護回路を備えることもできる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例]
１）リチウムイオンキャパシタの作製
１−１）電極の作製
市販のピッチ系活性炭（ＢＥＴ比表面積１９５５ｍ2 ／ｇ）１５０ｇをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ３００ｇを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉（炉内有効寸法３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）内に設置して、熱処理を行った。熱処理は窒素雰囲気下で行い、室温から６７０℃まで４時間で昇温し、同温度で４時間保持し、続いて自然冷却により６０℃まで冷却した後、電気炉から取り出した。得られた生成物である複合多孔性材料のＢＥＴ比表面積は、２４５ｍ2 ／ｇであった。
［実施例]
１）リチウムイオンキャパシタの作製
１−１）電極の作製
市販のピッチ系活性炭（ＢＥＴ比表面積１９５５ｍ2 ／ｇ）１５０ｇをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ３００ｇを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉（炉内有効寸法３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）内に設置して、熱処理を行った。熱処理は窒素雰囲気下で行い、室温から６７０℃まで４時間で昇温し、同温度で４時間保持し、続いて自然冷却により６０℃まで冷却した後、電気炉から取り出した。得られた生成物である複合多孔性材料のＢＥＴ比表面積は、２４５ｍ2 ／ｇであった。
次いで、上記のようにして得た複合多孔性材料８３．４質量部、アセチレンブラック８．３質量部、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）８．３質量部、及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーを厚さ１5 μｍの孔あき銅箔（開孔率５０％）の両面に塗布し、乾燥し、プレスして、厚さ約１３５μｍの負極を得た。
また、負極に用いた複合多孔性材料の原料と同一の市販のピッチ系活性炭８１．６質量部、ケッチェンブラック６．１質量部、ＰＶｄＦ１２．３質量部、及びＮＭＰを混合したスラリーを、厚さ３０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥して、厚さ約２７０μｍの正極を得た。なお、前記の正極及び負極は、下記工程で電極タブとなる部分はスラリーを塗布しない。
１−２）タブ付き電極積層体の作製
上記したようにして得られた負極及び正極を用い、以下のようにして長辺、短辺それぞれの長さが１２０mm、７０ｍｍであり、長辺のうちの一辺から、正極、及び負極のリードタブを導出したタブ付き電極積層体を作製した。
先ず、負極、及び正極を上記寸法で電極タブを有するように打ち抜いた（以下では、打ち抜き後のものを単に「正極、負極」という）。負極の片面の複合多孔性材料層に接するように同面積で厚み２０μｍのリチウム金属箔を圧着し、正極と負極の間にポリエチレン製のセパレータ（厚み３０μｍ）をはさみ込んで正極７枚負極６枚を積層した電極積層体とした。
上記したようにして得られた負極及び正極を用い、以下のようにして長辺、短辺それぞれの長さが１２０mm、７０ｍｍであり、長辺のうちの一辺から、正極、及び負極のリードタブを導出したタブ付き電極積層体を作製した。
先ず、負極、及び正極を上記寸法で電極タブを有するように打ち抜いた（以下では、打ち抜き後のものを単に「正極、負極」という）。負極の片面の複合多孔性材料層に接するように同面積で厚み２０μｍのリチウム金属箔を圧着し、正極と負極の間にポリエチレン製のセパレータ（厚み３０μｍ）をはさみ込んで正極７枚負極６枚を積層した電極積層体とした。
次に、電極積層体の短辺の２つと長辺の１つを、電極積層体の上面から下面まで積層方向に、ポリイミド製の粘着テープで固定し、粘着テープで固定されていない長辺の正極タブに正極端子用リードタブ（材質：アルミニウム、厚み：０．２ｍｍ、幅１５ｍｍ）、負極タブに負極端子用リードタブ（材質：表面をニッケル鍍金された銅、厚み：０．２ｍｍ、幅１５ｍｍ）を超音波溶接し、タブ付き電極積層体を作製した。このタブ付き電極積層体の厚さは３．０ｍｍとした。また、正極、負極の電極タブと各リードタブの溶接には、いずれも１０ｍｍの溶接距離を要した。
１−３）リチウムイオンキャパシタの作製
正極端子用リードタブ及び負極端子用リードタブが接続されたタブ付き電極積層体を、最内層が熱溶融性樹脂からなる熱溶融性樹脂／アルミニウム箔／樹脂の三層ラミネートフィルムで構成された外装体の内部に入れ、非水系電解液を注入してヒートシールにより前記熱溶融性樹脂を融着させて密封し、ＬＩＣを作製した。この非水系電解液は、ＥＣ（炭酸エチレン）とＥＭＣ（炭酸エチルメチル）を１：４の体積比率で混合した非水溶媒に、１ｍｏｌ／Ｌの濃度でＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2 Ｆ5）2を溶解したものである。
２）蓄電モジュールの作製
上記のようにして得られたＬＩＣ（静電容量１００Ｆ、内部抵抗１３ｍΩ）を、１２個直列に接続して蓄電体とした。さらに、それぞれのＬＩＣにバイパス回路を並列に接続し、図１に示した蓄電モジュール１０を作製した。
正極端子用リードタブ及び負極端子用リードタブが接続されたタブ付き電極積層体を、最内層が熱溶融性樹脂からなる熱溶融性樹脂／アルミニウム箔／樹脂の三層ラミネートフィルムで構成された外装体の内部に入れ、非水系電解液を注入してヒートシールにより前記熱溶融性樹脂を融着させて密封し、ＬＩＣを作製した。この非水系電解液は、ＥＣ（炭酸エチレン）とＥＭＣ（炭酸エチルメチル）を１：４の体積比率で混合した非水溶媒に、１ｍｏｌ／Ｌの濃度でＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2 Ｆ5）2を溶解したものである。
２）蓄電モジュールの作製
上記のようにして得られたＬＩＣ（静電容量１００Ｆ、内部抵抗１３ｍΩ）を、１２個直列に接続して蓄電体とした。さらに、それぞれのＬＩＣにバイパス回路を並列に接続し、図１に示した蓄電モジュール１０を作製した。
また、ＬＩＣに直列となるように、図１に示したスイッチング素子１４２としてＭＯＳＦＥＴ素子（三洋半導体株式会社製ＢＢＳ３００２）を接続した。さらに、図１に示したスイッチング素子１２２、１２４としてＭＯＳＦＥＴ素子（インフィニオンテクノロジーズ株式会社製ＢＳＣ０１６Ｎ０３ＭＳＧ）を選択し、抵抗素子１２１、１２３と直列接続して各ＬＩＣと並列に接続した。抵抗素子１２１、１２３としては、８００ｍΩの抵抗を選択した。さらに、図１に示したスイッチング素子１４２とスイッチング素子１２２、１２４とに対して下記のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う充電制御回路を接続した。
ＬＩＣと各回路装置を配置したガラスエポキシ製のプリント配線基板とをアルミニウム合金製のケースの中に設置、固定して蓄電モジュールを構成する。そして、充放電を行うための外部端子をケース外に出した電極端子と接続した。なお、蓄電モジュールで発生した熱をするためにケースにはスリットを多数設け、自然空冷による放熱を促す構造とした。
３）充電制御
実施例では、以上のようにして作製された蓄電モジュールに、図７に示したフローチャートに基づいて充電制御を行った。具体的には、第１電圧値Ｖ1を３．７０Ｖとし、第２電圧値Ｖ2を３．６５Ｖとし、第２の所定の時間Ｔ1を１秒、第１の所定の時間Ｔ2を３秒とした。
実施例では、以上のようにして作製された蓄電モジュールに、図７に示したフローチャートに基づいて充電制御を行った。具体的には、第１電圧値Ｖ1を３．７０Ｖとし、第２電圧値Ｖ2を３．６５Ｖとし、第２の所定の時間Ｔ1を１秒、第１の所定の時間Ｔ2を３秒とした。
４）充放電試験
前記したケースの電極端子と充放電装置（高砂製作所社製）とを接続し、充放電試験を行った。この試験は、電圧４４．４Ｖに到達するまで一定の電流（電流３０Ａ）で蓄電モジュールに充電をし、その後、電圧値を一定（電圧４４．４Ｖ）に保つように充電を行った。充放電装置から電流を流す時間（Ｔ10）は１０秒とした。また、充電終了後、電圧値が２７Ｖになるまで電流３０Ａの一定電流で放電を行う。上記の充電と放電を１セットとして、充電と放電の間に休止を設けず、これを繰り返す充放電サイクル試験を行った。
また、充放電サイクル試験中の図１に示した抵抗素子１２１、１２３の温度を評価するため、抵抗素子１２１、１２３の表面に熱電対を取り付けて温度を測定した。
前記したケースの電極端子と充放電装置（高砂製作所社製）とを接続し、充放電試験を行った。この試験は、電圧４４．４Ｖに到達するまで一定の電流（電流３０Ａ）で蓄電モジュールに充電をし、その後、電圧値を一定（電圧４４．４Ｖ）に保つように充電を行った。充放電装置から電流を流す時間（Ｔ10）は１０秒とした。また、充電終了後、電圧値が２７Ｖになるまで電流３０Ａの一定電流で放電を行う。上記の充電と放電を１セットとして、充電と放電の間に休止を設けず、これを繰り返す充放電サイクル試験を行った。
また、充放電サイクル試験中の図１に示した抵抗素子１２１、１２３の温度を評価するため、抵抗素子１２１、１２３の表面に熱電対を取り付けて温度を測定した。
５）結果
図１０は、上述した充放電サイクル試験における抵抗素子１２１、１２３の温度変化を示した図である。図１０の縦軸は抵抗素子１２１、１２３の温度を示し、横軸は充放電のサイクル数を示している。図１０中の２つの曲線のうち、実線は本実施例の結果を示し、破線は後述する比較例の結果を示している。
図１０によれば、実施例では、実線で示すように充放電サイクル試験を３５０回（約７５分）行ったところでほぼ温度が４２℃の平衡状態に達したことが分かる。また、そのときの各ＬＩＣの電圧ばらつきは、最も大きい電圧のＬＩＣと最も小さい電圧のＬＩＣとの差が２８ｍＶであった。
図１０は、上述した充放電サイクル試験における抵抗素子１２１、１２３の温度変化を示した図である。図１０の縦軸は抵抗素子１２１、１２３の温度を示し、横軸は充放電のサイクル数を示している。図１０中の２つの曲線のうち、実線は本実施例の結果を示し、破線は後述する比較例の結果を示している。
図１０によれば、実施例では、実線で示すように充放電サイクル試験を３５０回（約７５分）行ったところでほぼ温度が４２℃の平衡状態に達したことが分かる。また、そのときの各ＬＩＣの電圧ばらつきは、最も大きい電圧のＬＩＣと最も小さい電圧のＬＩＣとの差が２８ｍＶであった。
［比較例］
次に、以上説明した実施例と比較するために行った実験（比較例）について説明する。
１）充放電試験
比較例では、図１に示した蓄電モジュールからスイッチング回路１４を除いた蓄電モジュールを用意し、充放電サイクル試験を行った。充電制御は、図７に示したフローチャートにおいて、第１の所定の電圧値Ｖ1を３．７０Ｖとし、第２の所定の電圧値Ｖ2を３．６５Ｖとし、第１の所定の時間Ｔ2は設けず、第２の所定の時間Ｔ１を１秒とした。充電条件は、電池ユニットが電圧４４．４Ｖに到達するまで一定の電流（３０Ａ）で充電を行い、その後、電圧を一定の電圧値（４４．４Ｖ）に保つように充電を行う。充放電装置から電流を流す時間は１０秒とした。また、充電終了後に２７Ｖまで一定の電流（３０Ａ）で放電を行う。上記の充電と放電を１セットとして、充電と放電の間に休止を設けず、これを繰り返す充放電サイクル試験を行った。
次に、以上説明した実施例と比較するために行った実験（比較例）について説明する。
１）充放電試験
比較例では、図１に示した蓄電モジュールからスイッチング回路１４を除いた蓄電モジュールを用意し、充放電サイクル試験を行った。充電制御は、図７に示したフローチャートにおいて、第１の所定の電圧値Ｖ1を３．７０Ｖとし、第２の所定の電圧値Ｖ2を３．６５Ｖとし、第１の所定の時間Ｔ2は設けず、第２の所定の時間Ｔ１を１秒とした。充電条件は、電池ユニットが電圧４４．４Ｖに到達するまで一定の電流（３０Ａ）で充電を行い、その後、電圧を一定の電圧値（４４．４Ｖ）に保つように充電を行う。充放電装置から電流を流す時間は１０秒とした。また、充電終了後に２７Ｖまで一定の電流（３０Ａ）で放電を行う。上記の充電と放電を１セットとして、充電と放電の間に休止を設けず、これを繰り返す充放電サイクル試験を行った。
２）結果
上述の充放電サイクル試験における図１に示した抵抗素子１２１、１２３の温度の温度変化を図１０中に破線で示した。充放電サイクル試験を３５０回（約７５分）行ったところでほぼ温度が４８℃で平衡状態に達した。また、そのときの各ＬＩＣの電圧ばらつきは、最も大きい電圧のＬＩＣと最も小さい電圧のＬＩＣとの差が２９ｍＶであった。
上述の充放電サイクル試験における図１に示した抵抗素子１２１、１２３の温度の温度変化を図１０中に破線で示した。充放電サイクル試験を３５０回（約７５分）行ったところでほぼ温度が４８℃で平衡状態に達した。また、そのときの各ＬＩＣの電圧ばらつきは、最も大きい電圧のＬＩＣと最も小さい電圧のＬＩＣとの差が２９ｍＶであった。
実施例と比較例とを比較すると、バランシング効果はほぼ同じであるが、実施例の充電制御方法は比較例の充電制御方法よりも、抵抗素子１２１、１２３の温度を６℃低くすることができている。また、各ＬＩＣの表面温度やスイッチング素子１２２、１２４の温度についても、実施例と比較例とで比較したところ、５℃〜７℃実施例の方が低いという結果が得られた。
本発明に係る蓄電モジュールは、発熱量を抑えた蓄電モジュールである。具体的には、蓄電体を備えた移動機器や電子機器等において有用である。
１０、６０ 蓄電モジュール
１１、６１ 蓄電体
１２ａ、１２ｂ バイパス回路
１３ 充電制御回路
１３ａ 電圧検出器
１４ スイッチング回路
１５ａ、１５ｂ 外部端子
７１、７２、７３ タイミング制御回路
１１１、１１２、６１１、６１２ 電池ユニット
１２１、１２３ 抵抗素子
１２２、１２４、１４２ スイッチング素子
１４１ ダイオード素子
１１、６１ 蓄電体
１２ａ、１２ｂ バイパス回路
１３ 充電制御回路
１３ａ 電圧検出器
１４ スイッチング回路
１５ａ、１５ｂ 外部端子
７１、７２、７３ タイミング制御回路
１１１、１１２、６１１、６１２ 電池ユニット
１２１、１２３ 抵抗素子
１２２、１２４、１４２ スイッチング素子
１４１ ダイオード素子
Claims (10)
- 蓄電素子を含む複数の電池ユニットが直列に接続された蓄電体と、
前記蓄電体に直列に接続された第１スイッチング素子と、
複数の前記電池ユニットの各々に対応して並列に接続され、対応する電池ユニットに流れる電流をバイパスするように切り替えられる第２スイッチング素子を含む複数のバイパス回路と、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を制御する充電制御回路と、を含み、
前記充電制御回路は、
前記電池ユニットの電圧値を個別に検出する電圧検出器と、
予め定められた充電終了条件が満たされた場合、前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、
前記電圧検出器によって検出された電圧値に応じて複数の前記第２スイッチング素子それぞれのＯＮ、ＯＦＦを制御し、さらに、前記第１スイッチング素子をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる動作タイミングを、前記電圧検出器によって前記電池ユニットのいずれかの電圧値が第１電圧値以上になったことが検出されてから第１の所定の時間が経過したタイミングとする第１タイミング制御回路と、を有することを特徴とする蓄電モジュール。 - 前記第１タイミング制御回路は、前記第１の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
- 前記第２スイッチング素子の各々をＯＦＦ状態からＯＮ状態にするタイミングを、該第２スイッチング素子が接続された前記電池ユニットの電圧値が前記電圧検出器によって前記第１電圧値以上となったことが検出されてから第２の所定の時間が経過したタイミングとする第２タイミング制御回路をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電モジュール。
- 前記第２タイミング制御回路は、前記第２の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることを特徴とする請求項３に記載の蓄電モジュール。
- 前記第２スイッチング素子の各々をＯＮ状態からＯＦＦ状態にするタイミングを、該第２スイッチング素子が接続された前記電池ユニットの電圧が前記電圧検出器によって第２電圧値以下となったことが検出されてから第３の所定の時間が経過したタイミングとする第３タイミング制御回路をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄電モジュール。
- 前記第３タイミング制御回路は、前記第３の所定の時間を可変とするタイミング制御回路であることを特徴とする請求項５に記載の蓄電モジュール。
- 前記蓄電素子が、リチウムイオンキャパシタ、または電気二重層キャパシタのいずれかであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の蓄電モジュール。
- 前記電池ユニットは、単数の前記蓄電素子、または並列に接続された複数の蓄電素子を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の蓄電モジュール。
- 蓄電素子を含む複数の電池ユニットが直列に接続された蓄電体と、前記蓄電体に直列に接続された第１スイッチング素子と、複数の前記電池ユニットの各々に対応して並列に接続され、対応する電池ユニットに流れる電流をバイパスするように切り替えられる第２スイッチング素子を含む複数のバイパス回路と、前記電池ユニットの電圧値に応じて前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を制御する充電制御回路と、を含む蓄電モジュールの充電を制御する充電制御方法であって、
前記充電制御回路が、
複数の前記電池ユニットの少なくとも１つの電圧値が第１電圧値以上になるまで前記蓄電体を充電する第１のステップと、
電圧値が前記第１電圧値以上になった前記電池ユニットに対応する前記バイパス回路の前記第２スイッチング素子をＯＮ状態に切り替えて、前記電池ユニットに流れる電流を前記バイパス回路に流す第２ステップと、
前記第２ステップによって電流がバイパスされた前記電池ユニットの電圧値が第２電圧値以下になった場合、前記第２スイッチング素子をＯＦＦ状態に切り替えて、前記バイパス回路に流れる電流を当該バイパス回路に対応する前記電池ユニットに流す第３ステップと、
前記第２ステップの開始から第１の所定の時間の経過後に、前記蓄電体へ流れる電流を、前記第１スイッチング素子をＯＦＦすることによって遮断する第４ステップと、
を含むことを特徴とする充電制御方法。 - 前記第２ステップと前記第３ステップとが繰返し実行され、
前記第２ステップは、前記電池ユニットに対し、電圧値が前記第１電圧値以上になってから第２の所定の時間が経過した後、当該電池ユニットに対応する前記バイパス回路の前記第２スイッチング素子をＯＮ状態に切り替えて前記電池ユニットに流れる電流を前記バイパス回路に流すことを特徴とする請求項９に記載の充電制御方法。
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