JP6075368B2 - 調整装置、組電池装置および調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、調整装置、組電池装置および調整方法に関し、特には、直列に接続された複数の蓄電池の間の電圧差を調整する調整装置、組電池装置および調整方法に関する。
複数の蓄電池（例えば、複数のリチウムイオン二次電池セル）が接続されてなる組電池が知られている。以下では、蓄電池を電池セルとも称する。
特許文献１には、複数の電池セルが直列に接続された直列電池ユニットを複数有し、この複数の直列電池ユニットが並列に接続された組電池システムが記載されている。
特開２０１０−２９０１５号公報
直列電池ユニットでは、電池セルの個体差や電池セルの劣化の程度に起因して、電池セル間で電圧差が生じることがある。
直列電池ユニットへの充電は、直列電池ユニット内のいずれかの電池セルが所定電圧になるまで継続される。このため、充電時に直列電池ユニット内の電池セル間で電圧差が生じると、充電終了時には、直列電池ユニット内に、所定電圧に達した電池セルと所定電圧に達していない電池セルとが混在することになる。
充電終了時における電池セル間の電圧差が大きいと、直列電池ユニットの充電状態を正確に把握することが困難になり、よって、直列電池ユニットの充放電動作を適切に制御することが困難となる。
直列電池ユニット内の電池セル間の電圧差を小さくするための技術としては、他の電池セルよりも高電圧になっている電池セル（以下「高電圧セル」と称する）に抵抗を並列に接続し、高電圧セルの電力を抵抗で消費することで、高電圧セルの電圧を下げる手法が考えられる。
しかしながら、高電圧セルの電力を抵抗で消費して高電圧セルの電圧を下げる手法では、抵抗で無駄な電力が消費されるという課題があった。そして、この無駄な電力消費は、高電圧セルが多くなるほど大きくなる。
本発明の目的は、上記課題を解決可能な調整装置、組電池装置および調整方法を提供することである。
本発明の調整装置は、直列に接続された複数の蓄電池の間の電圧差を調整する調整装置であって、
前記蓄電池を充電するための充電手段と、
前記複数の蓄電池のそれぞれと対応し、オンになると、対応する蓄電池を前記充電手段と並列に接続し、オフになると、対応する蓄電池と前記充電手段との接続を解除する複数のスイッチ手段と、
前記複数の蓄電池の各々の電圧を検出する検出手段と、
前記複数のスイッチ手段のうち、前記複数の蓄電池の中で前記検出手段にて検出された電圧が最も低い充電対象蓄電池に対応する制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにする制御手段と、を含む。
本発明の組電池装置は、直列に接続された複数の蓄電池と上記調整装置とを含む。
本発明の調整方法は、直列に接続された複数の蓄電池の各々を充電するための充電手段と、前記複数の蓄電池のそれぞれと対応しオンになると対応する蓄電池を前記充電手段と並列に接続しオフになると対応する蓄電池と前記充電手段との接続を解除する複数のスイッチ手段と、を含む調整装置が行う調整方法であって、
前記複数の蓄電池の各々の電圧を検出し、
前記複数のスイッチ手段のうち、前記複数の蓄電池の中で前記電圧が最も低い充電対象蓄電池に対応する制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにする。
本発明によれば、直列に接続された電池セルの間の電圧差を低減する際に生じる無断な電力消費を低減することが可能になる。
本発明の一実施形態の組電池装置１００を示したブロック図である。 調整装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。 スイッチのオン・オフ状態の一例を説明するための図である。 充電器２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ６と電圧検出部２ｃと制御部２ｅとからなる調整装置２０を示した図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の組電池装置１００を示したブロック図である。
図１において、組電池装置１００は、電池セル１１〜１６と調整装置２０とを含み、充電放電器３０と接続される。
電池セル１１〜１６は、複数の蓄電池の一例である。電池セル１１〜１６は、例えば、複数のリチウムイオン二次電池セルであり、互いに直列に接続されている。なお、電池セルは、リチウムイオン二次電池セルに限らず二次電池セルであれば適宜変更可能である。また、図１では、電池セルの数を６としているが、電池セルの数は２以上であればよい。
調整装置２０は、電池セル１１〜１６の間の電圧差を調整する。
調整装置２０は、充電器２ａと、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６と、電圧検出部２ｃと、動作スイッチ２ｄと、制御部２ｅと、を含む。
充電器２ａは、充電手段の一例である。
充電器２ａは、電池セル１１〜１６の各々を充電するために用いられる。
スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、複数のスイッチ手段の一例である。
スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、電池セルごとに設けられている。本実施形態では、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、それぞれ、電池セル１１〜１６と１対１で対応する。例えば、スイッチ２ｂ１は電池セル１１と対応し、スイッチ２ｂ６は電池セル１６と対応する。
スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、それぞれ、対応する電池セルと充電器２ａとの間に設けられている。スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、それぞれ、オンになると、対応する電池セルと充電器２ａとを並列に接続し、オフになると、対応する電池セルと充電器２ａとの接続を解除する。
電圧検出部２ｃは、検出手段の一例である。
電圧検出部２ｃは、電池セル１１〜１６の各々の電圧を検出する。
動作スイッチ２ｄは、動作スイッチ手段の一例である。
動作スイッチ２ｄは、電池セル１１と充電放電器３０との間に設けられている。
制御部２ｅは、制御手段の一例である。
制御部２ｅは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６と電池セル１１〜１６との対応関係を把握している。
制御部２ｅは、電池セル１１〜１６の中から、電圧検出部２ｃにて検出された電圧が最も低い電池セル（以下「充電対象電池セル」と称する）を特定する。なお、充電対象電池セルは、充電対象蓄電池の一例である。
制御部２ｅは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち、充電対象電池セルと充電器２ａとを接続するためのスイッチ、つまり、充電対象電池セルに対応するスイッチ（以下「制御対象スイッチ」と称する）を特定する。制御部２ｅは、制御対象スイッチをオンにし、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにする。
本実施形態では、制御部２ｅは、動作スイッチ２ｄをオフにし、その後、制御対象スイッチをオンにし、かつ、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにする。
充電放電器３０は、電池セル１１〜１６を使用する機器の一例である。充電放電器３０は、電池セル１１〜１６を充電する充電モードと、電池セル１１〜１６を放電する放電モードと、を有する。
充電放電器３０は、例えば、充電器と負荷とスイッチとを含み、充電モードでは、スイッチを用いて充電器と電池セル１１〜１６とを接続し、放電モードでは、スイッチを用いて負荷と電池セル１１〜１６とを接続する。
なお、本実施形態では、電圧検出部２ｃは、電圧線２ｆ１〜２ｆ７を介して、電池セル１１〜１６の各々の電圧を受け付ける。
電圧線２ｆ１〜２ｆ７の各々の一端は、電圧検出部２ｃに接続されている。電圧線２ｆ１〜２ｆ７の各々の他端は、それぞれ、電池セル１１の高電位側、電池セル１１と電池セル１２との接続点、電池セル１２と電池セル１３との接続点、電池セル１３と電池セル１４との接続点、電池セル１４と電池セル１５との接続点、電池セル１５と電池セル１６との接続点、電池セル１６の低電位側と接続されている。
スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、それぞれ、スイッチ２ｂ１１および２ｂ１２、スイッチ２ｂ２１および２ｂ２２、スイッチ２ｂ３１および２ｂ３２、スイッチ２ｂ４１および２ｂ４２、スイッチ２ｂ５１および２ｂ５２、スイッチ２ｂ６１および２ｂ６２を含む。
スイッチ２ｂ１１、２ｂ１２、２ｂ２１および２ｂ２２は、それぞれ、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ１との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ２との間、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ２との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ３との間に設けられている。
スイッチ２ｂ３１、２ｂ３２、２ｂ４１および２ｂ４２は、それぞれ、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ３との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ４との間、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ４との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ５との間に設けられている。
スイッチ２ｂ５１、２ｂ５２、２ｂ６１および２ｂ６２は、それぞれ、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ５との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ６との間、充電器２ａのプラス端子と電圧線２ｆ６との間、充電器２ａのマイナス端子と電圧線２ｆ７との間に設けられている。
次に、動作を説明する。
図２は、調整装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。
以下では、制御部２ｅが、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６をオフにし、動作スイッチ２ｄをオンにして電池セル１１〜１６を充電放電器３０と接続した状況で、充電放電器３０が、電池セル１１〜１６に対して充電を行い、その充電が終了した時点以降の動作を説明する。なお、以下に説明する動作は、充電が終了した時点以降の動作に限るものではない。
また、電圧検出部２ｃは、電圧線２ｆ１〜２ｆ７の電圧を用いて、電池セル１１〜１６の電圧を検出し、その検出結果を制御部２ｅに出力しているとする。
制御部２ｅは、電池セル１１〜１６の電圧の検出結果を参照して、充電対象電池セル（電池セル１１〜１６のうち電圧が最も低い電池セル）を特定する（ステップＳ２０１）。
続いて、制御部２ｅは、充電対象電池セルと充電器２ａとを接続するためのスイッチ、つまり、充電対象電池セルに対応するスイッチである制御対象スイッチを特定する（ステップＳ２０２）。
続いて、制御部２ｅは、動作スイッチ２ｄをオフにし、その後、制御対象スイッチをオンにし、かつ、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにする（ステップＳ２０３）。
これにより、電池セル１１〜１６のうち充電対象電池セルは、充電器２ａと並列に接続され、充電器２ａにて充電される。よって、充電対象電池セルの電圧は上昇する。
図３は、電池セル１５が充電対象電池セルである場合のスイッチ２ｂ１〜２ｂ６のオン・オフ状態および動作スイッチ２ｄのオン・オフ状態を説明するための図である。
図３では、電池セル１５に対応するスイッチ２ｂ５、さらに言えばスイッチ２ｂ５１および２ｂ５２がオンとなり、スイッチ２ｂ１〜２ｂ４（スイッチ２ｂ１１、２ｂ１２、２ｂ２１、２ｂ２２、２ｂ３１、２ｂ３２、２ｂ４１、２ｂ４２）およびスイッチ２ｂ６（スイッチ２ｂ６１および２ｂ６２）がオフとなり、動作スイッチ２ｄがオフになる。このため、電池セル１１〜１６のうち電池セル１５が充電器２ａにて充電される。
その後、制御部２ｅは、電圧検出部２ｃの検出結果を参照し、充電対象電池セルの電圧と電池セル１１〜１６の電圧の中の最高電圧（以下、単に「最高電圧」と称する）との差が予め定められた値（以下「所定値」と称する）以下になるまで待つ（ステップＳ２０４）。
なお、本実施形態では、所定値として「０」が用いられる。このため、ステップＳ２０４では、制御部２ｅは、充電対象電池セルの電圧が最高電圧と等しくなるまで待つ。
充電対象電池セルの電圧が最高電圧と等しくなると（ステップＳ２０４）、制御部２ｅは、電池セル１１〜１６の電圧が互いに同一になっているかを判断する（ステップＳ２０５）。
ステップＳ２０５において電池セル１１〜１６の電圧が互いに同一になっていないと、制御部２ｅは、処理をステップＳ２０１に戻し、新たな充電対象セルへの充電を実行する。
一方、ステップＳ２０５において電池セル１１〜１６の電圧が同一になっていると、制御部２ｅは、制御対象スイッチをオフにし充電器２ａを用いた充電を終了し、動作スイッチ２ｄをオンして、動作を終了する（ステップＳ２０６）。
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態によれば、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、電池セル１１〜１６と１対１で対応する。スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、それぞれ、オンになると、対応する電池セルを充電器２ａと並列に接続し、また、オフになると、対応する電池セルと充電器２ａとの接続を解除する。
電圧検出部２ｃは、電池セル１１〜１６の各々の電圧を検出する。
制御部２ｅは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち、電池セル１１〜１６の中で電圧検出部２ｃにて検出された電圧が最も低い充電対象電池セルに対応する制御対象スイッチをオンにし、かつ、制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにする。
このため、電池セル１１〜１６の間で電圧差が生じても、電池セル１１〜１６のうち電圧が最も低い電池セルの電圧を個別に上げることが可能になる。よって、直列に接続された電池セルの間の電圧差を低減することが可能になる。
したがって、充電放電器３０が電池セル１１〜１６に対して充電を行った場合に、例えば、電池セル１１〜１６のいずれかが劣化していて、電池セル１１〜１６の間に電圧差が生じても、その電圧差を低減可能になる。
また、電池セル１１〜１６のいずれかである劣化した電池セルが、新たな電池セルに交換される場合、新たな電池セルの電圧が必ず他の電池セルの電圧よりも低くなるように、新たな電池セルの出荷時に、新たな電池セルの電圧が調整されれば、調整装置２０は、新たな電池セルの電圧を、他の電池セルの電圧と同じにすることが可能になる。
そして、本実施形態では、直列に接続された電池セルの間の電圧差を低減するために、電池セルの電力を抵抗で消費する必要が無いため、無断な電力消費を低減することが可能になる。
なお、上記効果は、充電器２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ６と電圧検出部２ｃと制御部２ｅとからなる調整装置２０でも奏する。
図４は、充電器２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ６と電圧検出部２ｃと制御部２ｅとからなる調整装置２０を示した図である。
また、本実施形態では、電圧検出部２ｃは、電池セル１１〜１６の各々と接続された各電圧線２ｆ１〜２ｆ７を介して、電池セル１１〜１６の電圧を受け付ける。
スイッチ２ｂ１〜２ｂ６は、各電圧線２ｆ１〜２ｆ７を介して、電池セル１１〜１６の各々と接続する。
このため、電圧検出用の電圧線２ｆ１〜２ｆ７を充電用ラインとして兼用でき、構成の簡略化を図ることが可能になる。
また、本実施形態では、制御部２ｅは、動作スイッチ２ｄをオフにし、その後、制御対象スイッチをオンにし、かつ、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにする。
このため、充電対象電池セルの電圧を高い精度で調整することが可能になる。
また、本実施形態では、制御部２ｅは、制御対象スイッチをオンにし、かつ、スイッチ２ｂ１〜２ｂ６のうち制御対象スイッチ以外のスイッチをオフにした後、電圧検出部２ｃの検出結果を参照し、充電対象電池セルの電圧と最高電圧との差が所定値以下になると、制御対象スイッチをオフにする。
このため、充電対象電池セルの電圧を、最高電圧から所定値を差し引いた電圧に揃えることが可能になる。
また、例えば、所定値として０が用いられ上記動作を繰り返すことで、電池セル１１〜１６の電圧を同一の電圧に揃えることが可能になる。
なお、制御部２ｅは、電池セル１１〜１６のうち電圧が最も低い電池セルを充電対象電池セルとして特定したが、電池セル１１〜１６の中で電圧が最も低くかつ最高電圧との差が予め定められた閾値よりも大きい電池セルを充電対象電池セルとして特定してもよい。
また、所定値は０に限らず適宜変更可能である。
また、電圧検出部２ｃと制御部２ｅとを別構成にしたが、電圧検出部２ｃが制御部２ｅに内蔵されてもよい。
以上説明した実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。この出願は、２０１２年２月１６日に出願された日本出願特願２０１２−３１７３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００ 組電池装置
１１〜１６ 電池セル
２０ 調整装置
２ａ 充電器
２ｂ１〜２ｂ６、２ｂ１１、２ｂ１２、２ｂ２１、２ｂ２２、２ｂ３１、２ｂ３２、２ｂ４１、２ｂ４２、２ｂ５１、２ｂ５２、２ｂ６１、２ｂ６２ スイッチ
２ｃ 電圧検出部
２ｄ 動作スイッチ
２ｅ 制御部
２ｆ１〜２ｆ７ 電圧線
３０ 充電放電器

Claims (6)

  1. 直列に接続された複数の蓄電池の間の電圧差を調整する調整装置であって、
    前記蓄電池を充電するための充電手段と、
    前記複数の蓄電池のそれぞれと対応し、オンになると、対応する蓄電池を前記充電手段と並列に接続し、オフになると、対応する蓄電池と前記充電手段との接続を解除する複数のスイッチ手段と、
    前記複数の蓄電池の各々の電圧を検出する検出手段と、
    前記複数のスイッチ手段のうち、前記複数の蓄電池の中で前記検出手段にて検出された電圧が最も低い充電対象蓄電池に対応する制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにする制御手段と、を含み、
    前記検出手段は、前記複数の蓄電池の各々と複数の電圧線を介して接続され、
    前記充電手段には第１及び第２の配線が接続され、
    前記第１及び第２の配線は、前記複数の蓄電池と前記検出手段との間の領域に、前記複数の電圧線と交差するように配置され、
    前記複数のスイッチ手段は、前記複数の電圧線と前記第１及び第２の配線との交差部分に設けられ、各スイッチ手段が、対応する蓄電池に接続された電圧線と前記第１及び第２の配線とを接続するように構成されている、調整装置。
  2. 前記検出手段は、前記蓄電池の各々と接続された各電圧線を介して、前記蓄電池の電圧を受け付け、
    各スイッチ手段は、前記各電圧線を介して前記複数の蓄電池の各々と接続する、請求項１に記載の調整装置。
  3. 前記複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池を使用する機器と、の間に設けられた動作スイッチ手段をさらに含み、
    前記制御手段は、前記動作スイッチ手段をオフにし、その後、前記制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにする、請求項１または２に記載の調整装置。
  4. 前記制御手段は、前記制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにした後、前記検出手段の検出結果を参照し、前記充電対象蓄電池の電圧と前記複数の蓄電池の電圧の中の最高電圧との差が所定値以下になると、前記制御対象スイッチ手段をオフにする、請求項１から３のいずれか１項に記載の調整装置。
  5. 直列に接続された複数の蓄電池と、請求項１から４のいずれか１項に記載の調整装置と、を含む組電池装置。
  6. 直列に接続された複数の蓄電池の各々を充電するための充電手段と、前記複数の蓄電池のそれぞれと対応しオンになると対応する蓄電池を前記充電手段と並列に接続しオフになると対応する蓄電池と前記充電手段との接続を解除する複数のスイッチ手段と、を含む調整装置が行う調整方法であって、
    前記複数の蓄電池の各々の電圧を検出手段により検出し、
    前記複数のスイッチ手段のうち、前記複数の蓄電池の中で前記電圧が最も低い充電対象蓄電池に対応する制御対象スイッチ手段をオンにし、かつ、前記制御対象スイッチ手段以外のスイッチ手段をオフにすることを含み、
    前記検出手段は、前記複数の蓄電池の各々と複数の電圧線を介して接続され、
    前記充電手段には第１及び第２の配線が接続され、
    前記第１及び第２の配線は、前記複数の蓄電池と前記検出手段との間の領域に、前記複数の電圧線と交差するように配置され、
    前記複数のスイッチ手段は、前記複数の電圧線と前記第１及び第２の配線との交差部分に設けられ、各スイッチ手段が、対応する蓄電池を前記第１及び第２の配線と接続することを含む、調整方法。
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