JP6196756B2 - 電池モジュールおよびその電池制御回路、それを用いた家庭用蓄電池および車両 - Google Patents

Description

本発明は、複数のバッテリセルを有する電池モジュールに関する。

近年、電子機器、産業機器、家庭用蓄電池、ハイブリッドカー、プラグリンハイブリッドカー、電気自動車などの動力源に２次電池が利用されている。現在広く普及しているリチウムイオン電池は、大容量化に向けた開発が進められているが、内部インピーダンスが大きく、大電流が取り出しにくいという問題がある。

特開２００２−２４６０７１号公報

本発明は係る状況に課題に鑑みてなされたものあり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、大容量と低インピーダンス（高出力）を両立した電池モジュールの提供にある。

本発明のある態様は、電池モジュールに搭載される電池制御回路に関する。電池モジュールは、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に設けられた２次電池群と、陽極と陰極の間に設けられたキャパシタ群と、を有する。２次電池群は、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む。またキャパシタ群は、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）キャパシタセルを含む。電池制御回路は、Ｍ個の第１スイッチ、Ｎ個の第２スイッチ、第１スイッチ制御部、第２スイッチ制御部を備える。Ｍ個の第１スイッチは、それぞれが２次電池セルごとに、かつ対応する２次電池セルと並列に設けられる。Ｎ個の第２スイッチは、それぞれがキャパシタセルごとに、かつ対応するキャパシタセルと並列に設けられる。第１スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルの陽極側の第１電極の電圧ＶＢ［ｉ］にもとづき、対応するｉ番目の第１スイッチを制御する。第２スイッチ制御部は、Ｎ個のキャパシタセルそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルの陽極側の第１電極の電圧ＶＣ［ｊ］にもとづき、対応するｊ番目の第２スイッチを制御する。

この態様の電池制御回路によれば、複数の２次電池セルそれぞれの電圧を均一化でき、複数のキャパシタセルそれぞれの電圧を均一化できる。この電池制御回路を用いることにより、２次電池群とキャパシタ群を並列接続して電池モジュールを形成することができ、大容量と低インピーダンスを両立することができる。

Ｍ個の２次電池セルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜ＶｔｈＢ［Ｍ］が定められてもよい。第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの陽極側の第１電極の電圧ＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンしてもよい。

第１スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの第１電極の電圧ＶＢ［１］〜ＶＢ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第１セレクタと、第１セレクタがｉ番目の電圧ＶＢ［ｉ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を生成する第１基準電圧源と、第１セレクタにより選択された電圧ＶＢ［ｉ］が、しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンする第１比較回路と、を含んでもよい。

第１比較回路は、第１セレクタが選択対象の電圧を切りかえた後、所定の時間経過後における電圧ＶＢ［ｉ］、ＶｔｈＢ［ｉ］の大小関係にもとづいて対応するｉ番目の第１スイッチを制御してもよい。

Ｎ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［１］〜ＶｔｈＣ［Ｎ］が定められてもよい。第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの第１電極の電圧ＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンしてもよい。

第２スイッチ制御部は、Ｎ個の２次電池セルそれぞれの第１電極の電圧ＶＣ［１］〜ＶＣ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第２セレクタと、第２セレクタがｊ番目の電圧ＶＣ［ｊ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を生成する第２基準電圧源と、第２セレクタにより選択された電圧ＶＣ［ｊ］が、しきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする第２比較回路と、を含んでもよい。

第２比較回路は、第２セレクタが選択対象の電圧を切りかえた後、所定の時間経過後における電圧ＶＣ［ｊ］、ＶｔｈＣ［ｊ］の大小関係にもとづいて対応するｊ番目の第２スイッチを制御してもよい。

Ｍ個の２次電池セルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜ＶｔｈＢ［Ｍ］が定められてもよい。第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの第１電極の電圧が、対応するｉ番目のしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンするよう構成されてもよい。またＮ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［１］〜ＶｔｈＣ［Ｎ］が定められてもよい。第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの第１電極の電圧が、対応するｊ番目のしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンするよう構成されてもよい。第１スイッチ制御部および第２スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの第１電極の電圧ＶＢ［１］〜ＶＢ［Ｍ］およびＮ個のキャパシタセルそれぞれの第１電極の電圧ＶＣ［１］〜ＶＣ［Ｍ］を受け、時分割で選択するセレクタと、セレクタがｉ番目の電圧ＶＢ［ｉ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を生成し、セレクタがｊ番目の電圧ＶＣ［ｊ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を生成する基準電圧生成部と、セレクタにより選択された電圧ＶＢ［ｉ］が、しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンし、セレクタにより選択された電圧ＶＣ［ｊ］が、しきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする比較回路と、を含んで一体に構成されてもよい。

本発明の別の態様もまた、電池モジュールに搭載される電池制御回路に関する。電池モジュールは、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に設けられた２次電池群と、陽極と陰極の間に設けられたキャパシタ群と、を有する。２次電池群は、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む。またキャパシタ群は、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）キャパシタセルを含む。電池制御回路は、Ｍ個の第１スイッチ、Ｎ個の第２スイッチ、第１スイッチ制御部、第２スイッチ制御部を備える。Ｍ個の第１スイッチは、それぞれが２次電池セルごとに、かつ対応する２次電池セルと並列に設けられる。Ｎ個の第２スイッチは、それぞれがキャパシタセルごとに、かつ対応するキャパシタセルと並列に設けられる。第１スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］にもとづき、対応するｉ番目の第１スイッチを制御する。第２スイッチ制御部は、Ｎ個のキャパシタセルそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］にもとづき、対応するｊ番目の第２スイッチを制御する。

この態様の電池制御回路によれば、複数の２次電池セルそれぞれの電圧を均一化でき、複数のキャパシタセルそれぞれの電圧を均一化できる。この電池制御回路を用いることにより、２次電池群とキャパシタ群を並列接続して電池モジュールを形成することができ、大容量と低インピーダンスを両立することができる。

Ｍ個の２次電池セルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［１］〜ΔＶｔｈＢ［Ｍ］が定められてもよい。第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンしてもよい。

第１スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの陽極側の第１電極の電圧ＶＢｋ［１］〜ＶＢｋ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第３セレクタと、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの陰極側の第２電極の電圧ＶＢａ［１］〜ＶＢａ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第４セレクタと、第３セレクタにより選択されたｉ番目の２次電池セルの第１電極の電圧ＶＢｋ［ｉ］と第４セレクタにより選択されたｉ番目の２次電池セルの第２電極の電圧ＶＢａ［ｉ］の電位差ΔＶＢ［ｉ］を生成する第１電位差検出回路と、第１電位差検出回路がｉ番目の電圧ΔＶＢ［ｉ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を生成する第３基準電圧生成部と、第１電位差検出回路により生成された電圧ΔＶＢ［ｉ］が、しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンする第３比較回路と、を含んでもよい。

Ｎ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［１］〜ΔＶｔｈＣ［Ｎ］が定められてもよい。第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンしてもよい。

第２スイッチ制御部は、Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの陽極側の第１電極の電圧ＶＣｋ［１］〜ＶＢｋ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第５セレクタと、Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの陰極側の第２電極の電圧ＶＣａ［１］〜ＶＣａ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第６セレクタと、第５セレクタにより選択されたｊ番目のキャパシタセルの第１電極の電圧ＶＣｋ［ｊ］と第６セレクタにより選択されたｊ番目のキャパシタセルの第２電極の電圧ＶＣａ［ｉ］の電位差ΔＶＣ［ｉ］を生成する第２電位差検出回路と、第２電位差検出回路がｊ番目の電圧ΔＶＣ［ｊ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を生成する第４基準電圧生成部と、第２電位差検出回路により生成された電圧ΔＶＣ［ｊ］が、しきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする第４比較回路と、を含んでもよい。

Ｍ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［１］〜ΔＶｔｈＢ［Ｍ］が定められてもよい。第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンするよう構成されてもよい。Ｎ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［１］〜ΔＶｔｈＣ［Ｎ］が定められてもよい。第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンするよう構成されてもよい。第１スイッチ制御部および第２スイッチ制御部は、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの陽極側の第１電極の電圧ＶＢｋ［１］〜ＶＢｋ［Ｍ］およびＮ個のキャパシタセルそれぞれの第１電極の電圧ＶＣｋ［１］〜ＶＣｋ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第７セレクタと、Ｍ個の２次電池セルそれぞれの陰極側の第２電極の電圧ＶＢａ［１］〜ＶＢａ［Ｍ］およびＮ個のキャパシタセルそれぞれの第２電極の電圧ＶＣａ［１］〜ＶＣａ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第８セレクタと、第７セレクタにより選択された電圧と第８セレクタにより選択された電圧の電位差を生成する電位差検出回路と、電位差検出回路がｉ番目の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を生成し、ｊ番目のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を生成する基準電圧生成部と、電位差検出回路により生成された電圧ΔＶＢ［ｉ］が、基準電圧生成部により生成されたしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンし、電位差検出回路により選択された電圧ΔＶＣ［ｊ］が、基準電圧生成部により生成されたしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする比較回路と、を含んで一体に構成されてもよい。

キャパシタセルは、電気２重層キャパシタであってもよい。
またキャパシタセルは、リチウムイオンキャパシタであってもよい。

電池制御回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。制御回路を１つのＩＣとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

本発明の別の態様は、電池モジュールに関する。電池モジュールは、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に設けられ、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む２次電池群と、陽極と陰極の間に設けられ、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）キャパシタセルを含むキャパシタ群と、上述のいずれかの電池制御回路と、を備えてもよい。

本発明の別の態様は、家庭用蓄電池に関する。家庭用蓄電池は、上述の電池モジュールを備える。
本発明の別の態様は、車両に関する。車両は、上述の電池モジュールを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、大容量と低インピーダンス（高出力）を両立できる。

第１の実施の形態に係る電池モジュールの構成を示す回路図である。 電池制御回路の構成を示す回路図である。 電池制御回路の別の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る第１スイッチ制御部の構成例を示す回路図である。 電池制御回路の第１スイッチ制御部の動作を示す波形図である。 変形例に係る第１スイッチ制御部の構成例を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る第１スイッチ制御部の構成を示す回路図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、電池モジュールの用途を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る電池モジュール（電池パックともいう）１０の構成を示す回路図である。電池モジュール１０は、陽極１２、陰極１４、少なくともひとつの２次電池群１６、少なくともひとつのキャパシタ群１８、電池制御回路１００を備える。

少なくともひとつの２次電池群１６＿１、１６＿２、…は、陽極１２および陰極１４の間に設けられる。同様にキャパシタ群１８＿１、１８＿２、…は、陽極１２および陰極１４の間に設けられる。２次電池群１６の個数、キャパシタ群１８の個数は任意であり、電池モジュール１０に必要とされる容量に応じて選択すればよい。

２次電池群１６は、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍを含む。またキャパシタ群１８は、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）キャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎを含む。たとえば２次電池セルＢＣは、リチウムイオン電池のセルであり、キャパシタセルＣＣは、電気２重層コンデンサである。

２次電池群１６には、複数の２次電池セルＢＣそれぞれの、陽極１２側の一端、すなわちカソード（第１電極）ごとに、タップＴＢ_１〜ＴＢ_Ｍが設けられている。２次電池群１６のタップＴＢ_１〜ＴＢ_Ｍは、電池制御回路１００と接続される。同様にキャパシタ群１８には、複数のキャパシタセルＣＣそれぞれの、陽極１２側の一端、すなわちカソード（第１電極）ごとに、タップＴＣ_１〜ＴＣ_Ｎが設けられている。キャパシタ群１８のタップＴＣ_１〜ＴＣ_Ｎも、電池制御回路１００と接続される。

電池制御回路１００は、２次電池群１６＿１、１６＿２、キャパシタ群１８＿１、１＿２のタップの状態を監視し、２次電池群１６に含まれる２次電池セルＢＣ、キャパシタ群１８に含まれるキャパシタセルＣＣの状態を制御する。

図２は、電池制御回路１００の構成を示す回路図である。
図２には、単一の２次電池群１６と、単一のキャパシタ群１８に関連する構成のみが示されている。２次電池群１６が複数の場合、２次電池群１６ごとに同様の回路が設けられる。キャパシタ群１８についても同様である。

電池制御回路１００は、Ｍ個の第１スイッチＳＷ１_１〜ＳＷ１_Ｍ、Ｎ個の第２スイッチＳＷ２_１〜ＳＷ２_Ｎ、第１スイッチ制御部１１０、第２スイッチ制御部１２０を備える。Ｍ個の第１スイッチＳＷ１_１〜ＳＷ１_Ｍは、それぞれが２次電池セルＢＣごとに設けられており、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の第１スイッチＳＷ１_ｉは、対応する２次電池セルＢＣ_ｉと並列に設けられる。

Ｎ個の第２スイッチＳＷ２_１〜ＳＷ２_Ｎは、それぞれがキャパシタセルＣＣごとに設けられており、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）の第２スイッチＳＷ２_ｊは、対応するキャパシタセルＣＣ_ｊと並列に設けられる。

第１スイッチＳＷ１_ｉおよび第２スイッチＳＷ２_ｊは、オン状態において２次電池セルＢＣ_ｉ、キャパシタセルＣＣ_ｊの電荷を放電する放電回路として機能する。図３は、電池制御回路１００の別の構成例を示す回路図である。放電電流を適切な値に設定するために、第１スイッチＳＷ１_ｉあるいは第２スイッチＳＷ２_ｊと直列に、抵抗などのインピーダンス素子Ｒ１_ｉ、Ｒ２_ｉを設けてもよい。

第１スイッチ制御部１１０は、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルＢＣ_ｉの陽極１２側の第１電極（カソード）の電圧ＶＢ［ｉ］にもとづき、対応するｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉを制御する。
第２スイッチ制御部１２０は、Ｎ個のキャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルＣＣ_ｊの陽極１２側の第１電極（カソード）の電圧ＶＣ［ｊ］にもとづき、対応するｊ番目の第２スイッチＳＷ２_ｊを制御する。

第１スイッチ制御部１１０には、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｎそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜ＶｔｈＢ［Ｍ］が定められる。しきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜ＶｔｈＢ［Ｍ］は、等間隔に設定してもよく、具体的には、
ＶｔｈＢ［ｉ］＝（Ｍ＋１−ｉ）×Ｖｂ
に設定してもよい。Ｖｂは、各２次電池セルＢＣの両端間（カソード−アノード間）の電位差の目標値に相当する。

第１スイッチ制御部１１０は、ｉ番目の２次電池セルＢＣ_ｉの第１電極の電圧ＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチＳＷ１_ｉをオンする。

同様に第２スイッチ制御部１２０には、Ｎ個のキャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［１］〜ＶｔｈＣ［Ｎ］が定められる。しきい値電圧ＶｔｈＣ［１］〜ＶｔｈＣ［Ｎ］は、等間隔に設定してもよく、具体的には、
ＶｔｈＣ［ｊ］＝（Ｎ＋１−ｊ）×Ｖｃ
に設定してもよい。Ｖｃは、各キャパシタセルＣＣの両端間の電位差の目標値に相当する。

第２スイッチ制御部１２０は、ｊ番目のキャパシタセルＣＣ_ｊのカソードの電圧ＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチＳＷ２_ｊをオンする。

図４は、第１の実施の形態に係る第１スイッチ制御部１１０の構成例を示す回路図である。第１スイッチ制御部１１０は、第１セレクタ１１２、第１基準電圧源１１４、第１比較回路１１６を含む。第１セレクタ１１２は、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれの第１電極（カソード）の電圧ＶＢ［１］〜ＶＢ［Ｍ］を受け、時分割で選択する。第１基準電圧源１１４は、第１セレクタ１１２と同期しており、第１セレクタ１１２がｉ番目の電圧ＶＢ［ｉ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を生成する。
第１基準電圧源１１４の構成は特に限定されない。たとえば第１基準電圧源１１４は、Ｄ／Ａコンバータで構成してもよい。あるいは第１基準電圧源１１４は、複数の抵抗を含む抵抗分圧回路と、各抵抗のノードごとに設けられたタップと、複数のタップの電圧の中からひとつを選択するスイッチと、の組み合わせで構成してもよい。

第１比較回路１１６は、第１セレクタ１１２により選択された電圧ＶＢ［ｉ］をしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］と比較し、ＶＢ［ｉ］＞ＶｔｈＢ［ｉ］のとき、対応するｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉをオンする。第１比較回路１１６は、コンパレータ１１８およびロジック部１１９を含む。コンパレータ１１８は、ＶＢ［ｉ］＞ＶｔｈＢ［ｉ］のときアサート（たとえばハイレベル）される比較信号ＣＭＰＢ［ｉ］を生成する。ロジック部１１９は、比較信号ＣＭＰＢ［ｉ］がアサートされると、対応する第１スイッチＳＷ１_ｉをオンする。ロジック部１１９は、シーケンサの機能を備えており、第１セレクタ１１２および第１基準電圧源１１４に対して、パラメータｉを示すデータを出力する。

セレクタの切りかえ直後においては、セレクタの出力電圧は不安定であり、セトリングに時間を要する。また第１基準電圧源１１４の電圧切りかえ直後もしきい値電圧は不安定であり、セトリングに時間を要する。そこで第１比較回路１１６は、第１セレクタ１１２が選択対象の電圧を切りかえた後、所定の時間τ経過後における電圧ＶＢ［ｉ］、ＶｔｈＢ［ｉ］の大小関係にもとづいて、対応するｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉを制御するとよい。

第２スイッチ制御部１２０は、第２セレクタ１２２、第２基準電圧源１２４と、第２比較回路１２６を含み、図４の第１スイッチ制御部１１０と同様に構成される。

以上が電池制御回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図５は、電池制御回路１００の第１スイッチ制御部１１０の動作を示す波形図である。第１セレクタ１１２によって、時分割で２次電池セルＢＣのカソード電圧ＶＢ［ｉ］が順に選択される。それと同期して、第１基準電圧源１１４は、しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を生成する。ＶＢ［ｉ］＞ＶｔｈＢ［ｉ］のとき比較信号がアサートされ、対応する第１スイッチＳＷ１［ｉ］がオンする。第１スイッチＳＷ１のオン時間は、ＶＢ［ｉ］＞ＶｔｈＢ［ｉ］となる期間であってもよいし、比較信号がアサートされた後、所定の期間であってもよい。

ｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉがオンすると、対応する２次電池セルＢＣ_ｉの電荷が、その両端間の電圧が小さくなるように放電する。この動作を繰り返すことにより、各２次電池セルＢＣの両端間の電圧は、実質的に一定値に保たれる。第２スイッチＳＷ２についても同様の制御がなされ、キャパシタセルＣＣの両端間の電圧が一定に保たれる。

実施の形態に係る電池制御回路１００によれば、複数の２次電池セルＢＣそれぞれの電圧を均一化でき、また複数のキャパシタセルＣＣそれぞれの電圧を均一化できる。この電池制御回路１００を用いることにより、２次電池群１６とキャパシタ群１８を並列に接続して電池モジュールを形成することができ、大容量と低インピーダンスを両立することができる。

続いて電池制御回路１００の変形例を説明する。
（変形例１）
第１スイッチ制御部１１０と第２スイッチ制御部１２０は、第１セレクタ１１２と第２セレクタ１２２同士、第１基準電圧源１１４と第２基準電圧源１２４同士、第１比較回路１１６と第２比較回路１２６同士を共有して構成してもよい。この場合、回路面積を小さくできる。

（変形例２）
図６は、変形例に係る第１スイッチ制御部１１０の構成例を示す回路図である。第１スイッチ制御部１１０は、２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍごとに設けられたコンパレータ１１８［１］〜１１８［Ｍ］を含む。第１基準電圧源１１４は、複数のしきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜［Ｍ］を生成する。ｉ番目のコンパレータ１１８［ｉ］は、電圧ＶＢ［ｉ］としきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を比較する。この構成によれば、各２次電池セルＢＣの電圧を、時分割ではなく常時監視することができるため、図４の構成よりもさらに電圧を均一化することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態係る電池制御回路は、図２と同様に第１スイッチＳＷ１_１〜ＳＷ１_Ｍ、第２スイッチＳＷ２_１〜ＳＷ２_Ｎ、第１スイッチ制御部１１０、第２スイッチ制御部１２０を備える。第１スイッチ制御部１１０は、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルＢＣ_ｉの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］にもとづき、対応するｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉを制御する。第２スイッチ制御部１２０は、Ｎ個のキャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルＣＣ_ｊの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］にもとづき、対応するｊ番目の第２スイッチＳＷ２_ｊを制御する。

第１スイッチ制御部１１０には、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［１］〜ΔＶｔｈＢ［Ｍ］が定められている。通常は、複数の２次電池セルは特性が揃えられるため、ΔＶｔｈＢ［１］〜ΔＶｔｈＢ［Ｍ］は等しくΔＶｔｈＢとされる。
第１スイッチ制御部１１０は、ｉ番目の２次電池セルＢＣ_ｉの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチＳＷ１_ｉをオンする。

第２スイッチ制御部１２０には、Ｎ個のキャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［１］〜ΔＶｔｈＣ［Ｎ］が定められている。第２スイッチ制御部１２０は、ｊ番目のキャパシタセルＣＣ_ｊの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチＳＷ２_ｊをオンしてもよい。通常は、複数のキャパシタセルは特性が揃えられるため、ΔＶｔｈＣ［１］〜ΔＶｔｈＣ［Ｎ］は等しくΔＶｔｈＣとされる。

図７は、第２の実施の形態に係る第１スイッチ制御部１１０の構成を示す回路図である。第３セレクタ１３２は、Ｍ個の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれのカソードの電圧ＶＢｋ［１］〜ＶＢｋ［Ｍ］を受け、時分割で選択する。第４セレクタ１３４は、Ｍ個の２次電池ＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍセルそれぞれの陰極側の第２電極（アノード）の電圧ＶＢａ［１］〜ＶＢａ［Ｍ］を受け、時分割で選択する。

第１電位差検出回路１３６は、第３セレクタ１３２により選択されたｉ番目の２次電池セルＢＣ_ｉのカソード電圧ＶＢｋ［ｉ］と、第４セレクタ１３４により選択されたｉ番目の２次電池セルＢＣ_ｉのアノード電圧ＶＢａ［ｉ］の電位差ΔＶＢ［ｉ］を生成する。第３基準電圧源１３８は、第１電位差検出回路１３６がｉ番目の電圧ΔＶＢ［ｉ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を生成する。
第３比較回路１４０は、第１電位差検出回路１３６により生成された電圧ΔＶＢ［ｉ］が、しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチＳＷ１_ｉをオンする。

第３比較回路１４０は、図４の第１比較回路１１６と同様に構成される。

第２スイッチ制御部１２０は、第５セレクタ１５２、第６セレクタ１５４、第２電位差検出回路１５６、第４基準電圧源１５８、第４比較回路１６０を含み、図７の第１スイッチ制御部１１０と同様に構成される。

以上が第２の実施の形態に係る電池制御回路１００の構成である。
電池制御回路１００によれば、第１の実施の形態と同様に、複数の２次電池セルＢＣ_１〜ＢＣ_Ｍそれぞれの電圧を均一化でき、また複数のキャパシタセルＣＣ_１〜ＣＣ_Ｎそれぞれの電圧を均一化できる。この電池制御回路を用いることにより、２次電池群とキャパシタ群を並列接続して電池モジュールを形成することができ、大容量と低インピーダンスを両立することができる。

また第２の実施の形態に係る電池制御回路１００では、各セルの両端間の電圧を監視するため、第１の実施の形態よりも電圧レンジが小さくてよい。これにより、低耐圧素子を用いて回路を構成でき、低コスト化、あるいは小型化を図ることができる。

（変形例１）
第１スイッチ制御部１１０と第２スイッチ制御部１２０は、第３セレクタ１３２と第５セレクタ１５２同士、第４セレクタ１３４と第６セレクタ１５４同士、第１電位差検出回路１３６と第２電位差検出回路１５６同士、第３基準電圧源１３８と第４基準電圧源１５８同士、第３比較回路１４０と第４比較回路１６０同士を共有して構成してもよい。この場合、回路面積を小さくできる。

（変形例２）
第２の実施の形態においても、第１スイッチ制御部１１０を図６と同様に構成してもよい。すなわち、２次電池セルＢＣごとに第１電位差検出回路１３６、コンパレータ１４２を設けて、時分割ではなく、常時、２次電池セルＢＣの電圧を監視してもよい。

最後に、第１、第２の実施の形態に係る電池モジュール１０の用途を説明する。図８（ａ）、（ｂ）は、電池モジュール１０の用途を示す図である。図８（ａ）において電池モジュール１０は家庭用蓄電池として使用される。充放電装置２０は、太陽電池２２あるいは商用交流電源と接続されており、電池モジュール１０を充電する。また充放電装置２０は、電池モジュール１０からの直流電圧を交流電圧に変換し、図示しない家電製品などに供給する。

図８（ｂ）において電池モジュール１０は、ハイブリッドカーあるいは電気自動車などの車両５００に搭載される。車両５００は、電池モジュール１０に加えて、インバータ５０２、モータ５０４を備える。インバータ５０２は、電池モジュール１０からの直流電圧を交流電圧に変換し、モータ５０４を駆動する。モータ５０４のシャフトの回転運動が、ギアを介して駆動輪に伝達され、車両５００が走行する。

家庭用蓄電池や車両用バッテリには、大容量とともに、瞬間的な高出力が必要とされる。したがってそれらを併せ持つ実施の形態に係る電池モジュール１０を好適に利用できる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１００…電池制御回路、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、１１０…第１スイッチ制御部、１１２…第１セレクタ、１１４…第１基準電圧源、１１６…第１比較回路、１１８…コンパレータ、１１９…ロジック部、１２０…第２スイッチ制御部、１２２…第２セレクタ、１２４…第２基準電圧源、１２６…第２比較回路、１３２…第３セレクタ、１３４…第４セレクタ、１３６…第１電位差検出回路、１３８…第３基準電圧源、１４０…第３比較回路、１４２…コンパレータ、１４４…ロジック部、１５２…第５セレクタ、１５４…第６セレクタ、１５６…第２電位差検出回路、１５８…第４基準電圧源、１６０…第４比較回路、１６２…コンパレータ、１６４…ロジック部、１０…電池モジュール、１２…陽極、１４…陰極、１６…２次電池群、１８…キャパシタ群、ＢＣ…２次電池セル、ＣＣ…キャパシタセル。

Claims (9)

1. 電池モジュールに搭載される電池制御回路であって、
   前記電池モジュールは、
   陽極と、
   陰極と、
   前記陽極および前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む２次電池群と、
   前記陽極と前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のキャパシタセルを含み、前記２次電池群と並列に接続されたキャパシタ群と、
   を有し、
   前記２次電池群の最も高い電位のノードと前記キャパシタ群の最も高い電位のノードは、前記陽極と直接接続され、
   前記２次電池群の最も低い電位のノードと前記キャパシタ群の最も低い電位のノードは、前記陰極と直接接続され、
   前記２次電池群の中間のノードと前記キャパシタ群の中間のノードは電気的に非接続であり、
   前記電池制御回路は、
   それぞれが対応する前記２次電池セルと並列に設けられたＭ個の第１スイッチと、
   それぞれが対応する前記キャパシタセルと並列に設けられたＮ個の第２スイッチと、
   前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルの前記陽極側の第１電極の接地電位を基準とした電圧ＶＢ［ｉ］と、それと対応する前記接地電位を基準としたしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］との比較結果にもとづき、前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれの両端間の電圧が均一化されるように、対応するｉ番目の第１スイッチを制御する第１スイッチ制御部と、
   前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルの前記陽極側の第１電極の接地電位を基準とした電圧ＶＣ［ｊ］と、それと対応する接地電位を基準としたしきい値ＶｔｈＣ[ｊ]との比較結果にもとづき、前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの両端間の電圧が均一化されるように、対応するｊ番目の第２スイッチを制御する第２スイッチ制御部と、
   を備えることを特徴とする電池制御回路。
2. 前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［１］〜ＶｔｈＢ［Ｍ］が定められており、
   前記第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの前記第１電極の電圧が、対応するｉ番目のしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンするよう構成され、
   前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［１］〜ＶｔｈＣ［Ｎ］が定められており、
   前記第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの前記第１電極の電圧が、対応するｊ番目のしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンするよう構成され、
   前記第１スイッチ制御部および前記第２スイッチ制御部は、
   前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれの前記第１電極の電圧ＶＢ［１］〜ＶＢ［Ｍ］および前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの前記第１電極の電圧ＶＣ［１］〜ＶＣ［Ｍ］を受け、時分割で選択するセレクタと、
   前記セレクタがｉ番目の電圧ＶＢ［ｉ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］を生成し、前記セレクタがｊ番目の電圧ＶＣ［ｊ］を選択するとき、対応するしきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］を生成する基準電圧生成部と、
   前記セレクタにより選択された電圧ＶＢ［ｉ］が、前記しきい値電圧ＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンし、前記セレクタにより選択された電圧ＶＣ［ｊ］が、前記しきい値電圧ＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする比較回路と、
   を含んで一体に構成されることを特徴とする請求項１に記載の電池制御回路。
3. 電池モジュールに搭載される電池制御回路であって、
   前記電池モジュールは、
   陽極と、
   陰極と、
   前記陽極および前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む２次電池群と、
   前記陽極と前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のキャパシタセルを含み、前記２次電池群と並列に接続されたキャパシタ群と、
   を有し、
   前記２次電池群の最も高い電位のノードと前記キャパシタ群の最も高い電位のノードは、前記陽極と直接接続され、
   前記２次電池群の最も低い電位のノードと前記キャパシタ群の最も低い電位のノードは、前記陰極と直接接続され、
   前記２次電池群の中間のノードと前記キャパシタ群の中間のノードは電気的に非接続であり、
   前記電池制御回路は、
   それぞれが対応する前記２次電池セルと並列に設けられたＭ個の第１スイッチと、
   それぞれが対応する前記キャパシタセルと並列に設けられたＮ個の第２スイッチと、
   前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれについて、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］にもとづき、前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれの両端間の電圧が均一化されるように、対応するｉ番目の第１スイッチを制御する第１スイッチ制御部と、
   前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれについて、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］にもとづき、前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの両端間の電圧が均一化されるように、対応するｊ番目の第２スイッチを制御する第２スイッチ制御部と、
   を備え、
   前記Ｍ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［１］〜ΔＶｔｈＢ［Ｍ］が定められており、
   前記第１スイッチ制御部は、ｉ番目の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］が、対応するｉ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を超えると、対応する第１スイッチをオンするよう構成され、
   前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれに対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［１］〜ΔＶｔｈＣ［Ｎ］が定められており、
   前記第２スイッチ制御部は、ｊ番目のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］が、対応するｊ番目のしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を超えると、対応する第２スイッチをオンするよう構成され、
   前記第１スイッチ制御部および前記第２スイッチ制御部は、
   前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれの前記陽極側の第１電極の電圧ＶＢｋ［１］〜ＶＢｋ［Ｍ］および前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの前記第１電極の電圧ＶＣｋ［１］〜ＶＣｋ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第７セレクタと、
   前記Ｍ個の２次電池セルそれぞれの前記陰極側の第２電極の電圧ＶＢａ［１］〜ＶＢａ［Ｍ］および前記Ｎ個のキャパシタセルそれぞれの前記第２電極の電圧ＶＣａ［１］〜ＶＣａ［Ｍ］を受け、時分割で選択する第８セレクタと、
   前記第７セレクタにより選択された電圧と第８セレクタにより選択された電圧の電位差を生成する電位差検出回路と、
   前記電位差検出回路がｉ番目の２次電池セルの両端間の電圧ΔＶＢ［ｉ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］を生成し、ｊ番目のキャパシタセルの両端間の電圧ΔＶＣ［ｊ］を生成するとき、対応するしきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］を生成する基準電圧生成部と、
   前記電位差検出回路により生成された電圧ΔＶＢ［ｉ］が、前記基準電圧生成部により生成された前記しきい値電圧ΔＶｔｈＢ［ｉ］より高いとき、対応するｉ番目の第１スイッチをオンし、前記電位差検出回路により選択された電圧ΔＶＣ［ｊ］が、前記基準電圧生成部により生成された前記しきい値電圧ΔＶｔｈＣ［ｊ］より高いとき、対応するｊ番目の第２スイッチをオンする比較回路と、
   を含んで一体に構成されることを特徴とする電池制御回路。
4. 前記キャパシタセルは、電気２重層キャパシタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電池制御回路。
5. 前記キャパシタセルは、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電池制御回路。
6. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電池制御回路。
7. 陽極と、
   陰極と、
   前記陽極および前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の２次電池セルを含む２次電池群と、
   前記陽極と前記陰極の間に設けられ、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のキャパシタセルを含むキャパシタ群と、
   請求項１から６のいずれかに記載の電池制御回路と、
   を備えることを特徴とする電池モジュール。
8. 請求項７に記載の電池モジュールを備えることを特徴とする家庭用蓄電池。
9. 請求項７に記載の電池モジュールを備えることを特徴とする車両。

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