JP6065821B2 - セルの充放電電力／電流制限装置、組電池の充放電電力／電流制限装置及び組電池 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブセルバランス制御されている各セル（電池）の充放電電力／電流が、充放電電力／電流の制限電力／電流値を超えないように制御するセルの充放電電力／電流制限装置、組電池の充放電電力／電流制限装置及びこの装置を備えた組電池に関する。

複数のセルが直列接続された組電池において、セル間で電流残容量（以下「容量」という。）ばらつきが存在する場合、組電池の容量は、最も容量の少ないセルの容量と同じになる。これに対し、組電池の実効容量を増やす技術として、セルの充電状態を均衡（セルバランス）させるために、隣接するセル間でインダクタンスを介して電力／電流をやりとりするアクティブセルバランス制御が行われている。

アクティブセルバランス制御に関し、特許文献１には、組電池を構成する各セルのセル電圧ＶＣ１、ＶＣ２、・・・、ＶＣｎから最高のセル電圧ＶＣｍａｘと最低のセル電圧ＶＣｍｉｎ及びこれらの電位差ＶＤｒを求め、次いで組電池の充電状態ＳＯＣに基づいて電圧均等化閾値ＶＤｄを演算し、ＶＤｄとＶＤｒとを比較してＶＤｄ＜ＶＤｒのときに各セルの電圧均等化を行い、ＶＤｄ≧ＶＤｒのときに均等化を停止することが記載されている。

又、アクティブバランス制御に関するものではないが、各セル毎に充電電流の補正を行う技術として、特許文献２には、複数の電池Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の現在の電圧を基準電圧と比較し、特定の電池を基準電圧と比較し、特定の電池の電圧が基準電圧よりも高い場合には、現在の個別充電電流Ｉｃから所定の補正値Δαを減じて新たな個別充電電流Ｉｃとし、基準電圧より低い場合には現在の個別充電電流Ｉｃに補正値Δαを加算して新たな個別充電電流Ｉｃとすることが記載されている。

特開２００９−７１９３６号公報 特開２００７−１４３３７３号公報

従来のアクティブセルバランス制御、充放電制御方法は、充放電中にアクティブセルバランス制御は行われておらず、組電池としての充放電電力制限とセルバランス制御において隣接するセル間で授受されるセルバランス電力とは、それぞれ独立に制御されていた。そのため、組電池を外部から充放電する際には、組電池内のアクティブセルバランス制御の終了後に、充放電する必要があり、組電池を使用できる時間はアクティブセルバランス制御が行われていない時間に限られていた。一方、アクティブセルバランス制御の有無にかかわらず、組電池をいつでも使用したいという要請がある。

しかしながら、アクティブセルバランス制御を行っている組電池内では、セルバランス電力を供給するセルと供給されるセルとが発生するが、従来の充放電電力制限では、各セルの充放電電力制限値にセル間で授受されるセルバランス電力が反映されない。そのため、アクティブセルバランス制御中の組電池において、外部との間で充放電を行うと、セルに対する充放電電力がセルの定格電力を超えてしまう可能性があった。セルに対する充放電電力がセルの定格電力を超えてしまうと、セルの劣化に繋がる。

そこで、本発明は、アクティブセルバランス制御中の組電池に対し、外部との間で充放電を行う場合に、セルの充放電電力制限値をセル間で授受されるセルバランス電力に応じて補正することで、充放電電力がセルの定格電力を超えないように制御する充放電電力制限装置を提供することを目的とする。

本発明の内の第１発明のセルの充放電電力／電流制限装置は、複数のセルが直列接続されて構成され、セルバランス電力／電流の授受を行ってセル間の端子間電圧を均等化するアクティブセルバランス制御が行われている組電池内のセルの充放電電力／電流制限装置であって、前記アクティブセルバランス制御により、前記セルバランス電力／電流の供給を受けているセルを充電セル、前記セルバランス電力／電流を供給しているセルを放電セルとしたとき、前記充電セルにおける充電許容電力／電流値を、前記充電セルの充電制限電力／電流値から、前記セルバランス電力／電流値を減じた値に制限することを特徴とする。

上記セルの充放電電力／電流値制限装置によれば、アクティブセルバランス制御中に外部から充電しても、セルの充電制限電力／電流値から、セル間で授受されるセルバランス電力／電流値を減算した値を充電許容電力／電流値としているので、セルに供給される充電電力／電流が該セルの定格電力／電流を超えることがなく、セルが劣化しないといった効果がある。

第２発明の組電池の充放電電力／電流制限装置は、前記組電池の充電許容電力／電流値を、前記充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの充電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限し、前記組電池の放電許容電力値を、前記セルの充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの放電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限することを特徴とする。

上記組電池の充放電電力／電流制限装置によれば、アクティブセルバランス制御中に外部から組電池に充電しても、前記組電池の充電許容電力／電流値を、前記充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの充電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限し、前記組電池の放電許容電力値を、前記セルの充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの放電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限しているので、組電池に供給される充電電力／電流が該組電池を構成するセルの定格電力／電流を超えることがなく、組電池が劣化しないといった効果がある。

第３発明の組電池は、直列接続された複数のセルと、セルバランス電力の授受を行ってセル間の端子間電圧を均等化するアクティブセルバランス回路と、前記組電池の充放電電力／電流制限装置と、を備える組電池であって、前記組電池の充放電電力／電流制限装置により、組電池の充電許容電力／電流値が各セルの前記充電許容電力／電流値の内の最小値に基づいた値に制限され、組電池の放電許容電力値が各セルの前記放電許容電力／電流値の内の最小値に基づいた値に制限されることを特徴とする。

上記組電池によれば、アクティブセルバランス制御中の組電池に外部から充放電しても、組電池の充電許容電力値を、組電池を構成するセルの充電許容電力値の最小値としているので、組電池が劣化しないといった効果がある。

本発明によれば、セルの充電許容電力値を充電セルの充電制限電力／電流値からアクティブセルバランス制御によってセル間で授受されるセルバランス電力／電流値を減じた値としている。そのため、アクティブバランス制御中のセルに対して外部から充電する場合にも、充電電力／電流がセルの定格電力／電流を超えることがなく、セルの劣化を防ぐことができる。

また、組電池の充電許容電力値を、組電池を構成するセルの充電許容電力値の最小値に基づいた値としている。そのため、セルバランス制御中の組電池に外部から充電する場合にも、充電電力／電流が組電池を構成するいずれのセルの定格電力／電流を超えることがなく、組電池の劣化を防ぐことができる。

電圧均等化装置の構成例を示す図である。 （ａ）は、アクティブセルバランス制御しない場合のセル及び組電池の充放電電力／電流制限を説明する図、（ｂ）は、本実施形態のセル及び組電池の充放電電力／電流制限装置の構成及び動作を説明する図である。 本実施形態の組電池の充放電電力／電流制限装置及び組電池の構成例を示す図である。

以下、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。
（実施形態の構成）
図１は、電圧均等化装置の構成例を示す図である。電圧均等化装置は、組電池と電圧均等化回路とを有する。組電池は複数のセル３ａ〜３ｄが直列に接続されている回路である。電圧均等化回路は、制御部１、記憶部２、電圧計測部４ａ〜４ｄ、電流計測部５ａ〜５ｃ、コイルＬ１〜Ｌ３、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を有している。

図１に示したアクティブ方式の電圧均等化回路は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を制御部１がＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御することにより、コイルＬ１〜Ｌ３を用いてセル３ａ〜３ｄの端子間電圧を均等にする。

電圧均等化装置の構成について説明する。
図１の制御部１は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（Field Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）、Programmable Logic Device（ＰＬＤ）など）を用いることが考えられる。制御部１は、図示しない判定部、パルス幅変調部などを有している。

記憶部２は、例えばRead Only Memory（ＲＯＭ）、Random Access Memory（ＲＡＭ）などのメモリやハードディスクなどが考えられる。なお、記憶部２にはパラメータ値、変数値などのデータを記録してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。

セル３ａ〜３ｄは二次電池などを用いることが考えられる。二次電池として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池などが考えられる。なお、本例では４つの電池を用いて説明しているが４つに限定されるものではない。

電圧計測部４ａ〜４ｄは、セル３ａ〜３ｄの各々の電圧を計測するものであり、例えば、電圧計などが考えられる。また、電圧計測部４ａ〜４ｄが計測したデータは制御部１に出力される。

電流計測部５ａ〜５ｃは電流を計測するものであり、例えば、電流計などが考えられる。また、電流計測部５ａ〜５ｃが計測したデータは制御部１に出力される。
なお、図１の例ではセル３ａ〜３ｄ各々に充放電時に流れる電流を、電流計測部５ａ〜５ｃの計測した電流を用いて求めているが、セル３ａ〜３ｄ各々に流れる電流の求め方は上記方法に限定されるものではない。例えば、セル３ａ〜３ｄ各々の負極側に電流計をそれぞれ直列に接続して、セル３ａ〜３ｄ各々に流れる電流を計測して求めてもよい。

コイルＬ１〜Ｌ３は、各組ごとの放電するセルから放電された電力がコイルＬ１〜Ｌ３に蓄積され、その後コイルＬ１〜Ｌ３に蓄積された電力を充電するセルに供給して充電するために用いる。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、電圧均等化処理を行うために用いられるスイッチである。スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やリレーを用いる。

電圧均等化装置の接続について説明する。
図１の電圧均等化装置は、セル３ａ〜３ｄの両端には電圧計測部４ａ〜４ｄがそれぞれ接続されている。

セル３ａの負極端子とセル３ｂの正極端子と電流計測部５ａの一方の端子が接続され、電流計測部５ａの他方の端子はコイルＬ１の一方の端子に接続されている。コイルＬ１の他方の端子はスイッチＳＷ１、ＳＷ２の一方の端子に接続され、スイッチＳＷ１の他方の端子はセル３ａの正極端子に接続される。スイッチＳＷ２の他方の端子はセル３ｂの負極端子に接続される。

セル３ｂの負極端子とセル３ｃの正極端子と電流計測部５ｂの一方の端子が接続され、電流計測部５ｂの他方の端子はコイルＬ２の一方の端子に接続されている。コイルＬ２の他方の端子はスイッチＳＷ３、ＳＷ４の一方の端子に接続され、スイッチＳＷ３の他方の端子はセル３ｂの正極端子に接続される。スイッチＳＷ４の他方の端子はセル３ｃの負極端子に接続される。

セル３ｃの負極端子とセル３ｄの正極端子と電流計測部５ｃの一方の端子が接続され、電流計測部５ｃの他方の端子はコイルＬ３の一方の端子に接続されている。コイルＬ３の他方の端子はスイッチＳＷ５、ＳＷ６の一方の端子に接続され、スイッチＳＷ５の他方の端子はセル３ｃの正極端子に接続される。スイッチＳＷ６の他方の端子はセル３ｄの負極端子に接続される。

次に、図１の電圧均等化装置の動作、即ち、アクティブセルバランス制御の動作について説明する。
例えば、セル３ａの電圧がセル３ｂの電圧よりも高い場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフを制御するための制御信号のデューティ比が調整されて、セル３ａの放電エネルギーがスイッチＳＷ１及びインダクタＬ１を介してセル３ｂへ供給される。これにより、セル３ａが放電するとともにセル３ｂを充電するため、セル３ａの電圧が下降するとともにセル３ｂの電圧が上昇する。そして、セル３ａ，３ｂのそれぞれの電圧が互いに等しくなると、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフ制御が停止される。これにより、セル３ａ，３ｂの各電圧が均等化される。同様に、セル３ｂ、３ｃの各電圧、及びセル３ｃ、３ｄの各電圧も、スイッチＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン、オフ制御により均等化される。また、スイッチンＳＷ１〜ＳＷ６のうち隣り合うスイッチは共通のセルを含んでいるため、スイッチングＳＷ１〜ＳＷ６のそれぞれの間でもエネルギーの授受が行われる。そのため、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を同時にオン、オフ制御し続けることにより、セル３ａ〜３ｄの各電圧がそれぞれセル３ａ〜３ｄの各端子間電圧の平均電圧Ｖａｖｅに近づいていき均等化される。

上述したアクティブセルバランス制御は、セル３ａ〜３ｄからなる組電池の内部においてセル間でセルバランス電力の授受を行う制御であり、組電池の外部に対しての充放電は行われていない。従来、組電池に対して充放電を行う場合には、組電池におけるアクティブセルバランス制御の終了を待ってから外部との間で充放電を行っていた。

しかし、アクティブセルバランス制御の終了を待たずに、外部に対して充放電できれば、いつでも組電池の充放電が行えるので、組電池を使用できる時間が大幅に増し、有用である。

図２（ａ）は、アクティブセルバランス制御しない場合のセルと組電池の充放電電力／電流制限を説明する図であり、図２（ｂ）は、本実施形態のセル及び組電池の充放電電力／電流制限装置の構成及び動作を説明する図であり、図１と共通の要素には共通の符号が付されている。

次に、図２（ａ），（ｂ）に基づいて、本実施形態の原理を説明する。
図２（ａ）において、容量１０Ａｈのセル３ａと容量２０Ａｈのセル３ｂとが直列接続されて組電池が構成されている。この場合、セル３ａ，３ｂで構成される組電池の容量は、セル３ａ，３ｂの内の容量の小さいセル３ａの容量と同じになるため、１０Ａｈとなる。

ここで、セル３ａ，３ｂの充放電定格電流を８Ａとし、セル３ａ，３ｂは、リチウムイオン二次電池であるとする。リチウムイオン二次電池の１セル当たりの公称電圧は、３．６〜３．７Ｖであるので、セル３ａ，３ｂの充放電定格電力（以下「定格電力」という。）は、８×３．６＝２８．８Ｗ≒（３０．０W、以降、セル３ａ，３ｂの充放電定格電力＝３０．０Ｗとして話を進める。

図２（ａ）では、セル３ａ，３ｂ間でアクティブセルバランス制御が行われていないので、セル３ａ，３ｂの外部に対する充放電制限電力は、定格電力の３０．０Ｗとなる。又、セル３ａ，３ｂの外部に対する充放電制限電流は、定格電流８Ａとなる。

組電池の制限電力値は、組電池を構成する直列接続されたセル３ａの制限電力値とセル３ｂの制限電力値との和となるため、６０．０Ｗとなる。一方、組電池の制限電流値は、直列接続された２つのセルの３ａ，３ｂを貫く電流が同一であるので、充放電定格電流８Ａと等しい電流値となる。

図２（ｂ）において、組電池は、容量１０Ａｈのセル３ａと容量２０Ａｈのセル３ｂとが直列接続され、セル３ａ，３ｂ間でアクティブセルバランス制御がされている。
図２（ｂ）において、充放電電力／電流制限装置は、図１と同様の制御部１と、記憶部２と、セル３ａ，３ｂと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、コイルＬ１と、電圧計測部４，４ｂと、電流計測部５ａとに、新たにセルバランス電力／電流検出手段６と、充放電許容電力／電流算出手段７と、充放電電力／電流制限手段８とが追加された構成である。

セルバランス電力／電流検出手段６は、アクティブセルバランス制御されているセル３ａ，３ｂ間で授受されるセルバランス電力／電流を検出し、充放電許容電力／電流算出手段７へ出力するものである。充放電許容電力／電流算出手段７は、アクティブセルバランス制御されている組電池におけるセルと組電池の充放電許容電力／電流を算出し、充放電電力／電流制限手段８へ出力するものである。充放電電力／電流制限手段８は、外部と組電池間での充放電電力／電流を充放電許容電力／電流算出手段７で算出された充放電許容電力／電流以内に制限するものである。
（実施形態の動作）
本発明の実施形態の動作について、（Ｉ）セルの充放電電力／電流制限装置と、（II）組電池の充放電電力／電流制限装置と、に分けて説明する。
（Ｉ）セルの充放電電力／電流制限装置
図２（ｂ）において、２つのセル３ａ，３ｂは直列接続されており、同一の電流が流れるため、セル３ａ，３ｂ間でアクティブセルバランス制御をしない場合には、未充電状態（容量０）から充電されることを考えると、容量の小さいセル３ａの方が容量の大きいセル３ｂよりも速く端子間電圧が高くなる。セル３ａ，３ｂの端子間電圧をそれぞれＶａ，Ｖｂとすると、Ｖａ＞Ｖｂとなる。そのため、セル３ａ，３ｂ間でアクティブセルバランス制御を行うと、端子間電圧の高いセル３ａから端子間電圧の低いセル３ｂへセルバランス電流が流れる。

以降、アクティブセルバランス制御により、セルバランス電力／電流の供給を他のセルから受けているセルを充電セル、セルバランス電力／電流を他のセルに供給しているセルを放電セルと呼ぶこととする。セル３ａからセル３ｂへセルバランス電力を供給しているので、セル３ａは放電セルであり、セル３ｂは充電セルとなる。

セルの充放電電力／電流制限装置について、充電セル３ｂの充電許容電力／電流、放電セル３ａの充電許容電力／電流、充電セル３ｂの放電許容電力／電流、及び放電セル３ａの放電許容電力／電流の順に説明する。

図２（ｂ）において、セル３ａからセル３ｂへ電流計５ａを流れるセルバランス電流をＩａｂとすると、供給されるセルバランス電流は、Ｉａｂであり、セル３ａからセル３ｂへ供給されるセルバランス電力は、Ｉａｂ×Ｖｂとなる。

図２（ｂ）の充電セル３ｂに着目し、充電セル３ｂに外部から充電し得る充電許容電力／電流について考える。
外部から充電セル３ｂへセル３ｂの定格電力３０．０Ｗを充電すると、充電セル３ｂは、外部から供給される３０．０Ｗと放電セル３ａから供給されるセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂの合計のＩａｂ×Ｖｂ＋３０．０Ｗが供給されることになり、充電セル３ｂへ供給される充電電力がセル３ｂの定格電力３０．０Ｗを超えてしまい、セル３ｂを劣化させるおそれがある。

そこで、充放電許容電力／電流算出手段７は、充電セル３ｂの充電制限電力３０．０Ｗからセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂを減算して、充電セル３ｂの充電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）を算出する。充放電電力／電流制限手段８は、充電セル３ｂを外部から充電する際、充電セル３ｂへの充電許容電力を定格電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）以内に制限する。

次に、アクティブセルバランス制御で、セル３ｂにセルバランス電力を供給している放電セル３ａに着目し、放電セル３ａに外部から充電し得る充電許容電力／電流について考える。

外部から放電セル３ａに対して、充電電力３０．０Ｗを供給しても、セル３ａの定格電力３０．０Ｗを超えることはなく、セルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂ分の電力の供給が可能である。

そこで、充放電許容電力／電流算出手段７は、放電セル３ａに対して外部から充電する場合には、アクティブセルバランス制御により他のセルへセルバランス電力を供給している放電セル３ａの充電制限電力３０．０Ｗにセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂを加算して、充電セル３ａの充電許容電力３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）を算出する。充放電電力／電流制限手段８は、セルを外部から充電する際、放電セル３ａへの充電電力を充電許容電力３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）以内に制限する。

ここまでは、セルバランス制御されているセル３ａ，３ｂに、外部から充電する際のセルの充電許容電力について述べてきました。
次に、セルバランス制御されているセル３ａ，３ｂから外部へ放電する際のセルの放電許容電力について説明します。

図２（ｂ）において、直列接続されている２つのセル３ａとセル３ｂから外部に放電する場合、セル３ｂの容量は２０Ａｈであり、セル３ａの容量１０Ａｈより容量が大きいため、同一の電流で放電を続けると、容量の小さいセル３ａの方が容量の大きいセル３ｂより速く電圧が低下する。そのため、外部へ放電する際のセル３ａ，３ｂの端子間電圧Ｖａ，Ｖｂの大小関係は、Ｖａ＜Ｖｂとなる。従って、アクティブセルバランス制御によりセル３ｂからセル３ａへセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）が供給される。この場合、セル３ａが充電セルに相当し、セル３ｂが放電セルとなる。

ここで、充電セル３ａに着目すると、充電セル３ａから外部に定格電力３０．０（Ｗ）を放電しても、充電セル３ａはセル３ｂからセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）が供給されているので、更に、セルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）の放電が可能である。

そこで、充電セル３ａから外部へ放電する場合、充放電許容電力／電流算出手段７は、放電許容電力値を充電セル３ａの充電制限電力３０．０Ｗに、セル３ｂから供給を受けているセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂを加算して、充電セル３ａの充電許容電力３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）を算出する。充放電電力／電流制限手段８は、充電セル３ａから外部へ放電する際は、充電セル３ａへの放電許容電力をＩａｂ×Ｖｂ＋３０．０（Ｗ）以内に制限する。

次に、放電セル３ｂに着目すると、放電セル３ｂから外部に定格電力３０．０（Ｗ）を放電すると、放電セル３ｂはセル３ａにセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）を供給しているので、放電セル３ｂから放電される電力は、Ｉａｂ×Ｖｂ＋３０．０（Ｗ）となり、セル３ｂの放電制限電力を超えてしまう。

そこで、放電セル３ｂから外部へ放電する場合、充放電許容電力／電流算出手段７は、放電許容電力値を充電セル３ａの充電制限電力３０．０Ｗから、セル３ａへ供給しているセルバランス電力Ｉａｂ×Ｖｂを減じて、放電セル３ｂの放電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）を算出する。充放電電力／電流制限手段８は、放電セル３ｂから外部へ放電する際は、放電セル３ｂへの放電許容電力を３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）以内に制限する。

ここまで、セルの充放電電力の制限に着目して述べてきたが、セルの充放電電流の制限についても同様のことが言えるので、略述する。
図２（ｂ）において、外部から充電される場合の充電セル３ｂの充電許容電流値は、充電セル３ｂの充電制限電流、例えば、８（Ａ）からアクティブセルバランス制御におけるセルバランス電流Ｉａｂを減じた電流値に制限される。又、外部から充電される場合の放電セル３ａの充電許容電流値は、放電セル３ａの充電制限電流、例えば、８（Ａ）にアクティブセルバランス制御におけるセルバランス電流Ｉａｂを加えた電流値に制限される。

外部へ放電する場合の充電セル３ａの放電許容電流は、充電セル３ａの放電制限電流、例えば、８（Ａ）にアクティブセルバランス制御におけるセルバランス電流Ｉａｂを加えた電流値に制限される。又、外部へ放電する場合の放電セル３ｂの放電許容電流は、放電セル３ｂの放電制限電流、例えば、８（Ａ）からアクティブセルバランス制御におけるセルバランス電流Ｉａｂを減じた電流値に制限される。

以上で、セルの充放電電力／電流制限装置の動作説明を終了する。
（II）組電池の充放電電力／電流制限装置
次に、複数のセルが直列接続して構成されている組電池の充放電電力／電流制限装置についての動作を説明する。

図２（ｂ）に基づいて、セルの充放電電力／電流制限装置の動作について上述しましたが、直列接続された２つのセル３ａ，３ｂを１つの組電池として捉えることもできる。そこで、２つのセル３ａ，３ｂを１つの組電池として捉えた場合の組電池の充放電電力／電流制限装置の動作について説明する。

先ず、組電池を外部から充電することを考えると、組電池の充電許容電力値は、セル３ａ，３ｂの充電許容電力の最小値に基づいて算出した値にする必要がある。この場合、放電セル３ａの充電許容電力は、３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であり、充電セル３ｂの充電許容電力は、３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であるので、充電セル３ｂの充電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）に基づいて、組電池の充電許容電力値を算出することになる。

図２（ｂ）において、セル３ａ，３ｂの端子間電圧をそれぞれＶａ，Ｖｂとすると、セル３ｂの充電許容電力が３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であるので、セル３ｂの充電許容電流は、（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ（Ａ）となる。なお、放電セル３ｂの充電許容電流は、充電制限電流からセルバランス電流を減算した値、８−Ｉａｂ（Ａ）でも良い。セル３ａ，３ｂは直列接続であるので、セル３ａにも同じ電流が流れる。

従って、組電池の充電許容電力は、
組電池の充電許容電力
＝セル３ａの端子間電圧×充電許容電流＋セル３ｂの充電許容電力
＝Ｖａ×（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ＋３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）×（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖｂ
により算出される。

即ち、組電池の充電許容電力は、組電池を構成するセルの充電許容電力の最小値に、組電池の端子間電圧（Ｖａ＋Ｖｂ）（組電池全体の電圧）を充電許容電力値が最小値のセル３ｂの端子間電圧Ｖｂで割った値を乗じて算出される。

尚、組電池の充電許容電流は、セルの充電許容電流の最小値、即ち、充電セル３ｂの充電許容電流値（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ（Ａ）、または、８−Ｉａｂ（Ａ）となる。

次に、組電池から外部へ放電することを考えると、組電池の放電許容電力値は、セル３ａ，３ｂの放電許容電力の最小値に基づいて算出した値にする必要がある。この場合、放電セル３ｂの放電許容電力は、３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であり、充電セル３ａの放電許容電力は、３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であるので、放電セル３ｂの放電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）に基づいて、組電池の放電許容電力値を算出することになる。

図２（ｂ）において、セル３ａ，３ｂの端子間電圧をそれぞれＶａ，Ｖｂとすると、セル３ｂの放電許容電力が３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ（Ｗ）であるので、セル３ｂの放電許容電流は、（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ（Ａ）、または、８−Ｉａｂ（Ａ）となる。セル３ａ，３ｂは直列接続であるので、セル３ａにも同じ電流が流れる。

従って、組電池の放電許容電力は、
組電池の放電許容電力
＝セル３ａの端子間電圧×放電許容電流＋セル３ｂの放電許容電力
＝Ｖａ×（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ＋３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）×（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖｂ
により算出される。

即ち、組電池の放電許容電力は、組電池を構成するセルの放電許容電力の最小値に、組電池の端子間電圧（Ｖａ＋Ｖｂ）（組電池全体の電圧）を充電許容電力値が最小値のセル３ｂの端子間電圧Ｖｂで割った値を乗じて算出される。

尚、組電池の放電許容電流は、セルの放電許容電流の最小値、即ち、放電セル３ｂの放電許容電流値（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ）／Ｖｂ（Ａ）、または、８−Ｉａｂ（Ａ）となる。

上記説明を包括すると、組電池の充放電許容電力値は、組電池を構成するセルの充放電許容電力値の最小値に、組電池全体の端子間電圧を充放電許容電力値が最小値のセルの端子間電圧で割った値を乗じて算出されることになる。

組電池の充放電許容電力値を、組電池を構成するセルの充放電許容電力値の最小値に基づいて算出する別法として、セルの充放電許容電力値の最小値に組電池を構成するセル数を乗じて算出してもよい。

図３は、本実施形態の組電池の充放電電力／電流制限装置及び組電池の構成例を示す図であり、図１と共通の要素には共通の符号が付されている。
図３に基づいて、４つのセル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが直列接続され、アクティブセルバランス制御されている組電池における組電池の充放電電力／電流制限装置について説明する。

図３において、セル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの容量がそれぞれ１０Ａｈ，２０Ａｈ，１５Ａｈ，２０Ａｈであり、各セルの充放電制限電力はいずれも３０．０Ｗ、各セルの充放電制限電流は８Ａであるとして、以下説明する。

組電池を未充電状態（容量０）から充電されることを考えると、容量の小さいセルの端子間電圧から高くなる。従って、４つのセル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各々の端子間電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの大小関係は、Ｖａ＞Ｖｃ＞Ｖｂ＝Ｖｄとなる。

この場合、セル３ａと３ｃが放電セル、セル３ｂと３ｄが充電セルだとすると、各セル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの充電許容電力は、
セル３ａの充電許容電力＝３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ
セル３ｂの充電許容電力＝３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ
セル３ｃの充電許容電力＝３０．０＋Ｉｂｃ×Ｖｂ＋Ｉｃｄ×Ｖｄ
セル３ｄの充電許容電力＝３０．０−Ｉｃｄ×Ｖｄ
となる。

従って、組電池を構成するセルの充電許容電力の最小値は、セル３ｂの充電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ（Ｗ）となる。
従って、図３に示された組電池の充電許容電力値は、
組電池の充電許容電力
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ）×（Ｖａ＋Ｖａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）／Ｖｂ
により算出される。

尚、組電池の充電許容電流値は、
組電池の充電許容電流
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ）／Ｖｂ
により算出される。組電池の充電許容電流値は、８−Ｉａｂ−Ｉｂｃでも良い。

次に、組電池から外部へ放電することを考えると、容量の小さいセルの端子間電圧から低くなる。従って、４つのセル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各々の端子間電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの大小関係は、Ｖｂ＝Ｖｄ＞Ｖｃ＞Ｖａとなる。

この場合、セル３ａと３ｃが充電セル、セル３ｂと３ｄが放電セルだとすると、各セル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの放電許容電力は、
セル３ａの放電許容電力＝３０．０＋Ｉａｂ×Ｖｂ
セル３ｂの放電許容電力＝３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ
セル３ｃの放電許容電力＝３０．０＋Ｉｂｃ×Ｖｂ＋Ｉｃｄ×Ｖｄ
セル３ｄの放電許容電力＝３０．０−Ｉｃｄ×Ｖｄ
となる。

従って、組電池を構成するセルの放電許容電力の最小値は、セル３ｂの放電許容電力３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ（Ｗ）となる。
従って、図３に示された組電池の放電許容電力値は、
組電池の放電許容電力
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ）×（Ｖａ＋Ｖａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）／Ｖｂ
により算出される。

尚、組電池の放電許容電流値は、
組電池の放電許容電流
＝（３０．０−Ｉａｂ×Ｖｂ−Ｉｂｃ×Ｖｂ）／Ｖｂ
により算出される。組電池の充電許容電流値は、８−Ｉａｂ−Ｉｂｃ（Ａ）でも良い。

組電池の充放電電力／電流制限装置の説明を以上で終了する。
最後に、図３に示されたものは、全体として組電池として捉えることができる。即ち、図３に示された組電池は、直列接続されて２つのセル３ａ〜３ｄと、制御部１、記憶部２、４つの電圧計４ａ〜４ｄ、３つの電流計５ａ〜５ｃ、３つのコイルＬ１〜Ｌ３、及び６つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ６から構成され、セル間でセルバランス電力の授受を行ってセル間の端子間電圧を均等化するセルバランス回路と、セルバランス電力／電流検出手段６ａ、充放電許容電力／電流算出手段７ａ、及び充放電電力／電流制限手段８ａからなる充放電電力／電流制限装置と、を備えている。

図３に示された組電池は、上述したように、組電池の充放電電力／電流制限装置を備えているので、組電池を構成するセル間でアクティブセルバランス制御が行われている最中に、外部に対し充放電を行っても、セルの充放電許容電力／電流を超えることがなく、セル及び組電池を劣化させない効果がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。

本実施形態によれば、アクティブセルバランス制御中の組電池をいつでも外部に対し充放電することができる。アクティブセルバランス制御中に外部から充電しても、セルバランス電力が供給されている充電セルの充電許容電力がセルの充電制限電力からセルバランス電力を減じた値に制限されるので、充電セルに対して供給される充電電力がセルの定格電力を超えることがなく、充電セルが劣化しない。

更に、アクティブセルバランス制御中に外部へ放電する場合には、セルバランス電力が供給されている充電セルの放電許容電力がセルの放電制限電力にセルバランス電力を加算した値になるため、セルバランス制御しない場合に較べ、セルバランス電力分だけ多くの電力を取り出すことが可能になる。

１ 制御部
２ 記憶部
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ セル
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 電圧計測部
５ａ，５ｂ，５ｃ 電流計測部
６，６ａ セルバランス電力／電流検出手段
７，７ａ 充放電許容電力／電流算出手段
８，８ａ 充放電電力／電流制限手段
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ コイル
ＳＷ１〜ＳＷ６ スイッチ

Claims (10)

1. 複数のセルが直列接続されて構成され、セルバランス電力／電流の授受を行ってセル間の端子間電圧を均等化するアクティブセルバランス制御が行われている組電池内のセルの充放電電力／電流制限装置であって、
   前記アクティブセルバランス制御により、前記セルバランス電力／電流の供給を受けているセルを充電セル、前記セルバランス電力／電流を供給しているセルを放電セルとしたとき、
   前記充電セルにおける充電許容電力／電流値を、前記充電セルの充電制限電力／電流値から、前記セルバランス電力／電流値を減じた値に制限することを特徴とするセルの充放電電力／電流制限装置。
2. 前記放電セルにおける充電許容電力／電流値を、前記放電セルの充電制限電力／電流値に、前記セルバランス電力／電流値を加えた値に制限することを特徴とする請求項１に記載のセルの充放電電力／電流制限装置。
3. 前記充電セルにおける放電許容電力／電流値を、前記充電セルの放電制限電力／電流値に、前記セルバランス電力／電流値を加えた値に制限することを特徴とする請求項１又は２に記載のセルの充放電電力／電流制限装置。
4. 前記放電セルにおける放電許容電力／電流値を、前記放電セルの放電制限電力／電流値から、前記セルバランス電力／電流値を減じた値に制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルの充放電電力／電流制限装置。
5. 前記アクティブセルバランス制御によりセル間で授受が行われているセルバランス電力／電流を検出するセルバランス電力／電流検出手段と、
   各セルの充放電許容電力／電流値を算出する充放電許容電力／電流算出手段と、
   セルの充放電電力／電流を前記充放電許容電力／電流算出手段により算出された充放電許容電力／電流値に制限する充放電電力／電流制限手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルの充放電電力／電流制限装置。
6. 前記組電池の充電許容電力／電流値を、請求項１又は２に記載のセルの充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの充電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限し、
   前記組電池の放電許容電力値を、請求項３又は４に記載のセルの充放電電力／電流制限装置により制限されるセルの放電許容電力／電流値の内の最小値に基づいて算出した値に制限することを特徴とする組電池の充放電電力／電流制限装置。
7. 前記組電池の充電許容電力値を、
   前記セルの充電許容電力値の最小値に前記組電池を構成するセル数を乗じて算出した値に制限し、
   前記組電池の放電許容電力値を、
   前記セルの放電許容電力値の最小値に前記組電池を構成するセル数を乗じて算出した値に制限することを特徴とする請求項６に記載の組電池の充放電電力制限装置。
8. 前記組電池の充電許容電力値を、
   前記セルの充電許容電力値の内の最小値に、前記組電池全体の電圧を前記充電許容電力値が最小値のセルの端子間電圧で割った値を乗じて算出した値に制限し、
   前記組電池の放電許容電力値を、
   前記セルの放電許容電力値の内の最小値に、前記組電池全体の電圧を前記放電許容電力値が最小値のセルの端子間電圧で割った値を乗じて算出した値に制限することを特徴とする請求項６に記載の組電池の充放電電力制限装置。
9. 前記組電池の充電許容電流を、前記組電池を構成するセルの充電許容電流値の最小値に制限し、前記組電池の放電許容電流を、前記組電池を構成するセルの放電許容電流値の最小値に制限することを特徴とする請求項６に記載の組電池の充放電電流制限装置。
10. 直列接続された複数のセルと、
    セルバランス電力の授受を行ってセル間の端子間電圧を均等化するアクティブセルバランス回路と、
    請求項６に記載の組電池の充放電電力／電流制限装置と、を備える組電池であって、
    前記組電池の充放電電力／電流制限装置により、組電池の充電許容電力／電流値が各セルの前記充電許容電力／電流値の内の最小値に基づいた値に制限され、組電池の放電許容電力値が各セルの前記放電許容電力／電流値の内の最小値に基づいた値に制限されることを特徴とする組電池。

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