JP6201919B2

JP6201919B2 - 組電池及び蓄電池システム

Info

Publication number: JP6201919B2
Application number: JP2014142473A
Authority: JP
Inventors: 哲男秋田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: JP2016019419A

Description

本発明は、二次電池のセルを直列に接続したモジュールを含む組電池及び蓄電池システムに関する。

リチウムイオン電池その他の二次電池のセルの直列体を含むモジュールを、さらに複数直列に、又は必要に応じて直並列に接続した組電池は、例えば、太陽光発電と組み合わせて使用される蓄電池システムや、電気自動車に搭載される蓄電池システムとして使用される。セルの直列体は、個々のセル電圧が不均等になる場合があり、不均等の度合いが拡大すると、一部のセルの状態が、モジュール全体の充放電限界を支配する。そのため、モジュール内でセル電圧を揃えるセルバランス動作を実施する（例えば、特許文献１（段落［０００４］、図４参照））。セルバランス動作とは、例えば、相対的に電圧の高いセルを、抵抗を通じて強制的に放電させることによりセル電圧を低下させ、他のセルと電圧の足並みを揃えることである。

特開２０１３−５６７７号公報

しかしながら、モジュールでセルバランス動作を実施しても、組電池全体ではセル電圧のばらつき（分布幅）がほとんど変わらない場合がある。これでは、セルバランス動作を実施した意義が乏しく、エネルギーを無駄に消耗しているとも言える。
なお、セルバランス動作によって失われるエネルギーを有効利用することも提案されている（例えば、上記の特許文献１、段落［００１１］参照）。しかし、そのための付属回路要素が増えることは、軽量コンパクト化や低コスト化を実現したい場合には、好ましくない。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、簡易に、エネルギーの無駄な消耗を抑制する組電池及びこれを用いた蓄電池システムを提供することを目的とする。

本発明の組電池は、複数のセルの直列体を含んで成るモジュールについての複数の直列体と、前記モジュールを構成する全てのセルについてのセル電圧のモジュール内分布幅を所定値内に収めるセルバランス動作を実行するセルバランス回路と、全ての前記モジュール内のセルについてセル電圧を監視し、前記セルバランス動作の実行を前記セルバランス回路に指示する機能を有するとともに、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、当該指示を行うための付加条件として、最大セル電圧と前記最小セル電圧との差電圧が基準値未満であることを要し、前記差電圧が前記基準値を超える場合は、前記特定モジュールに対して前記セルバランス動作の実行を禁止する管理装置と、を備えている。
なお、上記組電池を複数個並列に接続して蓄電池システムを構成することができる。

本発明によれば、簡易に、無駄なセルバランス動作を抑制し、エネルギーの無駄な消耗を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る組電池の内部構成の概略を示す回路図である。各モジュールについての、セル電圧の分布幅の例を示す図である。セルバランス動作の付加条件に関するフローチャートである。組電池を複数用いた蓄電池システムの接続図である。例えば４個の組電池について、充電状態を表すＳＯＣ（State of Charge）の値の例を示す棒グラフである。蓄電池システムにおける組電池のセルバランス動作の付加条件に関するフローチャートである。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）この組電池は、以下の構成要素を備えている。
すなわち、複数のセルの直列体を含んで成るモジュールについての複数の直列体と、前記モジュールを構成する全てのセルについてのセル電圧のモジュール内分布幅を所定値内に収めるセルバランス動作を実行するセルバランス回路と、全ての前記モジュール内のセルについてセル電圧を監視し、前記セルバランス動作の実行を前記セルバランス回路に指示する機能を有するとともに、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、当該指示を行うための付加条件として、最大セル電圧と前記最小セル電圧との差電圧が基準値未満であることを要し、前記差電圧が前記基準値を超える場合は、前記特定モジュールに対して前記セルバランス動作の実行を禁止する管理装置と、を備えている。

このような組電池では、セル電圧のモジュール内分布幅が所定値を超えると、基本的には、セルバランス回路は管理装置の指示によりセルバランス動作を実行する。但し、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、セルバランス動作実行の指示を行うための付加条件として、最大セル電圧と最小セル電圧との差電圧（全モジュールでの分布幅）が基準値未満であることを要し、もし、差電圧が基準値を超える場合は、特定モジュールに対してセルバランス動作の実行を禁止する。
これにより、セル電圧の分布幅について、１モジュール内だけに注目するのみではなく、全モジュールでのセル電圧の分布幅を考慮して、特定モジュールについての無駄なセルバランス動作を抑制し、エネルギーの無駄な消耗を抑制することができる。

（２）また、蓄電池システムとしては、（１）の組電池を複数個並列に接続して成る蓄電池システムであって、全ての組電池について充電状態を表すＳＯＣを監視し、前記セルバランス動作の実行を各組電池に指示する機能を有するとともに、ＳＯＣ最小値の特定組電池については、当該指示を行うための付加条件として、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値が基準差分値未満であることを要し、前記差分値が前記基準差分値を超える場合は、前記特定組電池に対して前記セルバランス動作の実行を禁止する上位管理装置を有するものである。

このような蓄電池システムでは、上位管理装置は、ＳＯＣに基づいて、組電池に対してセルバランス動作の実行を指示することができる。但し、ＳＯＣ最小値の特定組電池については、セルバランス動作実行の指示を行うための付加条件として、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値（ＳＯＣ分布幅）が基準差分値未満であることを要し、もし、差分値が基準差分値を超える場合は、特定組電池に対してセルバランス動作の実行を禁止する。
これにより、全ての組電池のＳＯＣ分布幅を考慮して、残量の少ない特定組電池がセルバランス動作でさらに放電することを回避できる。

［実施形態の詳細］
以下、実施形態の詳細について図面を参照して説明する。

《組電池の実施形態》
図１は、本発明の一実施形態に係る組電池１の内部構成の概略を示す回路図である。図において、組電池１内には、複数（２以上の自然数ｎ）のモジュールＭ_１〜Ｍ_ｎ（任意のモジュールを言うときはＭとする。）が互いに直列体を成している。モジュールＭ_１〜Ｍ_ｎの各々は、複数（２以上の自然数ｍ）のセルＣ_１〜Ｃ_ｍ（任意のセルを言うときはＣとする。）が互いに直列体を成している。セルＣ_１〜Ｃ_ｍは、二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。

モジュールＭ_１〜Ｍ_ｎのそれぞれには、セルバランス回路ＣＢ_１〜ＣＢ_ｎ（任意のセルバランス回路を言うときはＣＢとする。）が接続されている。セルバランス回路ＣＢは、スイッチ３、抵抗４及び電圧センサ５を１組とする単位回路を、ｍ組備えている。ｍ組の単位回路は、それぞれ、セルＣ_１〜Ｃ_ｍの両端と接続されている。なお、セルバランス回路ＣＢ_１〜ＣＢ_ｎについて、図では、代表としてセルＣ_１，Ｃ_ｍに接続される回路分のみを示しているが、他のセルＣ_２〜Ｃ_ｍ−１についても同様である。すなわち、各セルＣに対してスイッチ３及び抵抗４が放電回路を構成し得るように接続されている。また、電圧センサ５は、各セルＣの両端の電圧を検知する。

管理装置（ＢＭＳ：Battery Management System）２は、マイクロコンピュータやメモリを含み、監視、制御及び通信の機能を有する。電圧センサ５の検知信号は、管理装置２に送られる。電圧センサ５の検知信号に基づいて、管理装置２は、スイッチ３のオン／オフを制御することができる。管理装置２は、モジュールＭ内のセル電圧のばらつきが大きくなって、その分布幅が所定値を超えると、分布幅を所定値未満にするべく、セル電圧が高いセルに対応するスイッチ３をオンにする制御信号を出力する。セルバランス回路ＣＢは、スイッチ３をオンにすることにより、抵抗４に電流を流す。これにより、そのスイッチ３に接続されているセルＣは抵抗４を通じて放電し、電圧が下がる。

このように、モジュールＭ内でのセル電圧のばらつきが大きくなり、セルバランスが悪くなったときは、管理装置２から指示を受けたセルバランス回路ＣＢが、モジュールＭを構成する全てのセルＣについてのセル電圧のモジュール内分布幅を所定値内に収めるセルバランス動作を実行することができる。管理装置２は、全てのモジュールＭ内のセルＣについてセル電圧を監視し、セルバランス動作の実行をセルバランス回路ＣＢに指示する機能を有する。
これが、基本的なセルバランス動作であるが、本実施形態では、特定モジュールについては、セルバランス動作を実行する指示を行うための付加条件を設ける。

図２は、各モジュールについての、セル電圧の分布幅の例を示す図である。なお、縦方向は電圧である。図において、組電池１を長時間使用すると、個々のセルの性能のばらつき等により、セル電圧にばらつきを生じる。このばらつきの範囲を、モジュール単位では、モジュール内分布幅とする。また、さらに、それぞれのモジュールで、モジュール内分布幅は異なってくる。

モジュールＭ_１〜Ｍ_ｎのセル電圧のばらつきのうち、例えば４つのモジュールについてのモジュール内分布幅をΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３，ΔＶｘとして示すと、例えば図２の左側の図のようになった、とする。この場合の、全モジュールＭ_１〜Ｍ_ｎにおけるセル電圧の分布幅すなわち差電圧（最大セル電圧−最小セル電圧）をΔＶＴとする。このΔＶＴが、所定の基準値ΔＶ_ｒｅｆ未満であれば、管理装置２は、全てのモジュールＭ_１〜Ｍ_ｎのセルバランス回路ＣＢ_１〜ＣＢ_ｎに対してセルバランス動作を許可する。なお、実際にセルバランス動作を指示するかどうかは、各モジュールについての、モジュール内分布幅による。

一方、モジュール内分布幅が例えば図２の右側の図のようになったとする。この場合、全モジュールＭ_１〜Ｍ_ｎにおけるセル電圧の分布幅をΔＶＴとすると、このΔＶＴは、所定の基準値ΔＶ_ｒｅｆより大きい。この場合、管理装置２は、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、セルバランス動作の実行を禁止する。なお、ΔＶＴ＝ΔＶ_ｒｅｆの場合は、セルバランス動作を、許可／禁止のどちらか一方に扱うものとする。

このように、管理装置２は、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、セルバランス動作実行の指示を行うための付加条件として、最大セル電圧と最小セル電圧との差電圧が基準値未満であることを要し、差電圧が基準値を超える場合は、特定モジュールに対してセルバランス動作の実行を禁止する。

図３は、セルバランス動作の付加条件に関するフローチャートである。このフローチャートの処理は、定期的に実行される。処理開始により、管理装置２は、全モジュールの全セルについて、セル電圧の測定を行う（ステップＳ１）。次に、管理装置２は、全てのセル電圧の分布幅について基準値（ΔＶ_ｒｅｆ）を設定する（ステップＳ２）。次に、管理装置２は、全モジュール内の最小セル電圧（Ｖ_ｍｉｎ）及び最大セル電圧（Ｖ_ｍａｘ）を求める（ステップＳ３）。

そして、管理装置２は、基準値ΔＶ_ｒｅｆが、最大セル電圧と最小セル電圧との差電圧（Ｖ_ｍａｘ-Ｖ_ｍｉｎ）より大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、「Ｙｅｓ」すなわち、差電圧が基準値未満である場合は、管理装置２は、最小セル電圧を検知した特定モジュールについても、セルバランス動作を許可する（ステップＳ５）。また、「Ｎｏ」すなわち、差電圧が基準値より大きい場合は、管理装置２は、最小セル電圧を検知した特定モジュールについては、セルバランス動作を禁止する（ステップＳ６）。

このように、セル電圧の分布幅について、１モジュール内だけに注目するのみではなく、全モジュールでのセル電圧の分布幅（Ｖ_ｍａｘ-Ｖ_ｍｉｎ）を考慮して、残量の少ない特定モジュールについての無駄なセルバランス動作を抑制し、エネルギーの無駄な消耗を抑制することができる。

《蓄電池システムの実施形態》
図４は、上記のような組電池１を複数用いた蓄電池システム１００の接続図である。図において、ｋは２以上の自然数とすると、ｋ個の組電池１−１，１−２，・・・,１−ｋ（任意の組電池を言うときは１とする。）の出力線である電源ラインＬｐは、互いに並列に接続され、パワーコンディショナ等の上位管理装置６に接続されている。また、組電池１（の管理装置２）は、通信ラインＬｓを介して、上位管理装置６と接続されている。

図５は、例えば４個の組電池１について、充電状態を表すＳＯＣ（State of Charge）の値の例を示す棒グラフである。４個の組電池１のＳＯＣ値を、それぞれ、ＳＯＣ＿１，ＳＯＣ＿２，ＳＯＣ＿３，ＳＯＣ＿ｋとすると、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値（ＳＯＣ分布幅）ＳＯＣ＿Ｔを基準差分値ＳＯＣ_ｒｅｆと比較して、左のグラフのように、ＳＯＣ＿Ｔ＜ＳＯＣ_ｒｅｆであれば、全ての組電池についてセルバランス動作を許可する。右のグラフのように、ＳＯＣ＿Ｔ＞ＳＯＣ_ｒｅｆであれば、ＳＯＣ＿３すなわち、ＳＯＣ最小値の組電池についてはセルバランス動作を禁止し、その他の組電池についてはセルバランス動作を許可する。

図６は、上記蓄電池システム１００における組電池のセルバランス動作の付加条件に関するフローチャートである。このフローチャートの処理は、定期的に実行される。処理開始により、上位管理装置６は、全ての組電池１について、ＳＯＣの測定を行う（ステップＳ１１）。次に、上位管理装置６は、ＳＯＣ分布幅についての基準差分値（ＳＯＣ_ｒｅｆ）を設定する（ステップＳ１２）。次に、上位管理装置６は、全組電池１内のＳＯＣ最小値（ＳＯＣ_ｍｉｎ）及びＳＯＣ最大値（ＳＯＣ_ｍａｘ）を求める（ステップＳ１３）。

そして、上位管理装置６は、基準差分値ＳＯＣ_ｒｅｆが、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値（ＳＯＣ_ｍａｘ-ＳＯＣ_ｍｉｎ）より大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、「Ｙｅｓ」すなわち、差分値が基準差分値未満である場合は、上位管理装置６は、ＳＯＣ最小値を検知した特定モジュールについても、セルバランス動作を許可する（ステップＳ１５）。また、「Ｎｏ」すなわち、差分値が基準差分値より大きい場合は、上位管理装置６は、ＳＯＣ最小値を検知した特定モジュールについては、セルバランス動作を禁止する（ステップＳ１６）。

このような蓄電池システム１００では、上位管理装置６は、ＳＯＣに基づいて、組電池１に対してセルバランス動作の実行を指示することができる。但し、ＳＯＣ最小値の特定組電池については、セルバランス動作実行の指示を行うための付加条件として、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値（ＳＯＣ分布幅）が基準差分値未満であることを要し、もし、差分値が基準差分値を超える場合は、特定組電池に対してセルバランス動作の実行を禁止する。
これにより、全ての組電池のＳＯＣ分布幅を考慮して、残量の少ない特定組電池がセルバランス動作でさらに放電することを回避できる。

《その他》
なお、上記実施形態では、抵抗で放電する回路を構成するパッシブ方式のセルバランス回路を示したが、必要に応じてセルバランス動作を禁止する考え方は、アクティブ方式のセルバランス回路にも適用可能である。アクティブ方式であっても、セルバランス動作によって多少のエネルギーが失われるからである。
また、図１では、モジュールの１本の直列体を示したが、必要な出力電流に応じて、組電池内でモジュールが直並列に接続される場合もある。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１−１，１−２，１−ｋ組電池
２管理装置
３スイッチ
４抵抗
５電圧センサ
６上位管理装置
１００蓄電池システム
Ｃ_１，Ｃ_２〜Ｃ_ｍ−１，Ｃ_ｍセル
ＣＢ_１〜ＣＢ_ｎセルバランス回路
Ｌｐ電源ライン
Ｌｓ信号ライン
Ｍ_１〜Ｍ_ｎモジュール

Claims

複数のセルの直列体を含んで成るモジュールについての複数の直列体と、
前記モジュールを構成する全てのセルについてのセル電圧のモジュール内分布幅を所定値内に収めるセルバランス動作を実行するセルバランス回路と、
全ての前記モジュール内のセルについてセル電圧を監視し、前記セルバランス動作の実行を前記セルバランス回路に指示する機能を有するとともに、最小セル電圧のセルを含む特定モジュールについては、当該指示を行うための付加条件として、最大セル電圧と前記最小セル電圧との差電圧が基準値未満であることを要し、前記差電圧が前記基準値を超える場合は、前記特定モジュールに対して前記セルバランス動作の実行を禁止する管理装置と
を備えている組電池。
請求項１に記載の組電池を複数個並列に接続して成る蓄電池システムであって、
全ての組電池について充電状態を表すＳＯＣを監視し、前記セルバランス動作の実行を各組電池に指示する機能を有するとともに、ＳＯＣ最小値の特定組電池については、当該指示を行うための付加条件として、ＳＯＣ最大値とＳＯＣ最小値との差分値が基準差分値未満であることを要し、前記差分値が前記基準差分値を超える場合は、前記特定組電池に対して前記セルバランス動作の実行を禁止する上位管理装置を有する、蓄電池システム。