JP6288722B2

JP6288722B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP6288722B2
Application number: JP2015505312A
Authority: JP
Inventors: 康史橋本
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: WO2014141747A1; JPWO2014141747A1; US9847657B2; US20160028257A1

Description

本発明は、電池を備えた電池システムに関する。

近年、リチウムイオン電池などの二次電池を備える電池システムが種々の用途に用いられている。このような電池システムは、例えば、家庭内の電子機器の停電に対処することを目的としたバックアップ電力供給用、屋外定置型の住宅向け電力供給用、工場やプラント施設内における補助電力供給用、オフィスビルにおけるバックアップ電力供給用などに用いられている。また、このような電池システムは、昼間の電力使用量のピークを回避して夜間電力を利用することを目的とした電力ピークカット・ピークシフト用などに用いられている。

上述した電池システムには、用途の広がりに伴って、高容量、高電圧であるだけでなく、高い安全性と経済性とを備えることも必要とされるようになっている。

電池システムを高容量、高電圧化させるためには、通常、多数の二次電池が直並列に接続される。このような電池システムにおいて、高い安全性と経済性とを両立するためには、システム内の多数の電池の状態を監視するとともに、電池の使用状況に合わせて節電する（電池システムにおける消費電力を低減する）必要がある。

そこで、特許文献１（特開２０１１−１０９７６８号公報）には、電池の保護を行う保護回路を備える電池パックにおいて、充放電の対象となる接続対象物が電池パックに接続されていない非装着状態では保護回路をシャットダウンさせる技術が開示されている。

また、特許文献２（特開２００８−１２５２６８号公報）には、電池の保護を行う保護回路を備える電池パックにおいて、電池残量の情報を要求する旨を示すコマンドを外部の機器から受信しない場合には、保護回路の動作状態を消費電力の少ない動作状態に遷移させる技術が開示されている。

特許文献１および特許文献２に開示の技術によれば、保護回路を停止させたり、消費電力の少ない動作状態に遷移させたりすることで、消費電力を低減し、経済性の向上を図ることができる。

特開２０１１−１０９７６８号公報特開２００８−１２５２６８号公報

特許文献１および特許文献２に開示の技術においては、保護回路が１つしか設けられていないため、その保護回路が故障した場合に、安全性が損なわれるおそれがあるという問題がある。この問題を解消するために、保護回路を複数設け、それぞれの保護回路を動作させておくことが考えられる。

ここで、通常、保護回路は、ＡＤＣ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて電池の電圧値を検出し、検出した電圧値に応じて電池の保護を行う。このような保護回路を複数動作させておくと、それぞれの保護回路が有するＡＤＣによる電力の消費のために、システムにおける消費電力が増大してしまい、経済性が損なわれてしまう。

また、電池システムの通常動作時には、複数の電池それぞれの電圧値を検出し、各電池間の電圧のバランスを取る必要がある。しかし、電池システムの使用状況によっては、電池の電圧が所定の範囲内に収まっているか否かの監視を行えば安全性を確保できる場合がある。このような場合、電池の電圧値と所定の閾値との大小の比較さえできればよく、電池の電圧値自体は必要ではない。そのため、電池間の電圧のバランスを取る場合と同様に、ＡＤＣを用いて電池の電圧値自体の検出を行うと、必要以上に電力が消費され、経済性が損なわれてしまう。

本発明の目的は、安全性と経済性の両立を図ることができる電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の電池システムは、
複数の電池と、
前記電池の出力を入力して所定の閾値と比較する閾値判定を行い、その結果を示す信号を出力する第１のモニタ部と、
前記電池の電圧値を検出し、該検出した電圧値を示す信号を出力する第２のモニタ部と、
前記第２のモニタ部の出力を処理し、前記第１のモニタ部による前記閾値判定と同等の判定条件で前記電池の電圧が危険電圧であるか否かを判定する処理部と、
前記電池システム全体の動作を制御するシステムコントローラと、
を有し、
前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部が停止した第１の動作モードと、前記第１のモニタ部が動作し、前記第２のモニタ部が停止した第２の動作モードと、前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部が動作する第３の動作モードと、を備え、
前記電池と前記電池システムの接続対象物が接続されていない、もしくは、前記接続対象物が接続されているが前記接続対象物に電源が入っていない場合には前記第１の動作モードで動作し、前記接続対象物が接続されていて前記接続対象物に電源が入っているが、前記システムコントローラから前記電池の状態を監視するためのコマンドが送信されてこない場合には前記第２の動作モードで動作し、前記接続対象物が接続され、前記接続対象物の電源が入っており、充放電を行う状態の場合には前記第３のモードで動作することを特徴とする。

本発明によれば、安全性と経済性の両立を図ることができる。

本発明の一実施形態の電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態の電池システムの他の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態の電池システムの構成例を示すブロック図である。本発明の一実施形態の電池システムの構成例を示すブロック図である。

以下に、本発明を実施するための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電池システム１００の構成を示すブロック図である。なお、本発明に係る電池システムは、システム全体の動作を制御するシステムコントローラ１３０、ＡＣ−ＤＣ変換を行うパワーコンバータ１４０、操作入力のための外部表示器操作盤１５０などからなる接続対象物と接続される。また、電池システム１００は、その接続対象物を通じて配電盤など（図示せず）に接続され、電力を供給するものである。

図１に示す電池システム１００は、電池部１１０と、保護部１２０と、を有する。

電池部１１０は、リチウムイオン電池などの充放電が可能な電池１１１を複数有する。本実施形態では、電池部１１０は、複数の電池１１１が直列に接続された構成を有するものとする。しかしながら、電池部１１０は、単一の電池１１１で構成されていてもよいし、複数の電池１１１が並列またはマトリックス状に接続された構成でもよい。

保護部１２０は、電池部１１０の電池１１１の保護動作を行う。

保護部１２０は、閾値判定ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）１２１と、モニタＩＣ１２２と、充放電スイッチ１２３と、検出抵抗１２４と、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１２５と、ＯＲ回路１２６と、を有する。閾値判定ＩＣ１２１は、第１のモニタ部の一例であり、モニタＩＣ１２２は、第２のモニタ部の一例である。

閾値判定ＩＣ１２１は、複数の電池１１１それぞれの出力を入力して所定の閾値との比較を行う。なお、所定の閾値とは、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否かを判定することができる値である。所定の閾値の例として、過充電保護電圧閾値および過放電保護電圧閾値を上げることができるが、これに限定されない。また、閾値判定ＩＣ１２１は、所定の二つの閾値からなる電圧範囲に含まれるか否かを以て、危険電圧であるか否かを判定するよう構成されていても良い。所定の二つの閾値からなる電圧範囲の一例として、過充電保護電圧閾値および過放電保護電圧閾値からなる電圧範囲を上げることができるが、これに限定されない。

閾値判定ＩＣ１２１は、比較の結果を示す信号（電池１１１の電圧が危険電圧であるか否か示す信号）をＯＲ回路１２６に出力する。

なお、閾値判定ＩＣ１２１は電池１１１の出力と所定の閾値との大小の比較を行うだけなので、電池１１１の電圧値自体を検出する必要はなく、コンパレータのような簡単な回路により構成することができる。そのため、閾値判定ＩＣ１２１の平均消費電力は少ない。

モニタＩＣ１２２は、複数の電池１１１それぞれの電圧値を検出し、検出した電圧値を示す信号をマイコン１２５に出力する。ここで、モニタＩＣ１２２は、ＡＤＣを備えており、ＡＤＣにより電池１１１の電圧値を検出する。モニタＩＣ１２２は、ＡＤＣを備えているために、コンパレータなどの簡単な回路により構成される閾値判定ＩＣ１２１と比較して、平均消費電力が多い。

充放電スイッチ１２３は、電池部１１０と接続対象物とを接続する配線上に設けられている。充放電スイッチ１２３がオンとなることにより、電池部１１０から接続対象物への電力の供給が可能となり、充放電スイッチ１２３がオフとなることにより、電池部１１０から接続対象物への電力の供給が遮断される。

検出抵抗１２４は、電池部１１０と接続対象物とを接続する配線上に設けられている。

マイコン１２５は、モニタＩＣ１２２から出力された信号に基づいて、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否か示す信号をＯＲ回路１２６に出力する。また、マイコン１２５は、検出抵抗１２４を流れる電流の電流値を検出し、その検出結果とモニタＩＣ１２２から出力された信号とに基づいて、複数の電池１１１間の電圧のバランスを取るなどの処理を行う。

ＯＲ回路１２６は、閾値判定ＩＣ１２１およびマイコン１２５の少なくとも一方から、電池１１１の電圧が危険電圧である旨を示す信号が出力されると、充放電スイッチ１２３をオフにする旨を示す信号を充放電スイッチ１２３に出力し、充放電スイッチ１２３をオフにする。

なお、図１においては、閾値判定ＩＣ１２１およびマイコン１２５はそれぞれ、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否か示す信号をＯＲ回路１２６に出力し、ＯＲ回路１２６は、電池１１１の電圧が危険電圧である旨を示す信号が出力されると、充放電スイッチ１２３をオフにする例を説明したが、これに限られるものではない。閾値判定ＩＣ１２１およびマイコン１２５はそれぞれ、電池１１１の電圧が危険電圧である場合には、アラームを電池システム１００のエラーに対する処理を行うシステムコントローラ１３０に対して出力するようにしてもよい。

次に、本実施形態の電池システム１００の動作について説明する。

本実施形態の電池システム１００は、３つの動作モードを備えている。

第１の動作モードは、スリープモードである。スリープモードにおいては、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２は停止する。

電池システム１００は、接続対象物が接続されていない状態（保管状態）、あるいは、接続対象物は接続されているが、接続対象物の電源が入っていない状態において、スリープモードで動作する。このような状態では、アラームを出力する必要もないため、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２は停止する。閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２が停止しているため、電池１１１の電圧値のモニタは完全に停止され、電池システム１００における消費電力は最小限に抑えられる。

第２の動作モードは、スタンバイモードである。スタンバイモードにおいては、モニタＩＣ１２２は停止し、閾値判定ＩＣ１２１は動作する。

電池システム１００は、接続対象物が接続され、接続対象物の電源が入っているが、システムコントローラ１３０から電池１１１の状態を監視するためのコマンドが送信されてこない状態において、スタンバイモードで動作する。スタンバイモードで動作する状態の一例としては以下のようなものを上げることができる。すなわち、オフィス向けピークカット・ピークシフト用電池システムにおいて、夜間に充電が行われ、電池１１１が満充電になった直後の状態がある。また、家庭用蓄電池システムにおいて、電池システムが設置されているが、入居者が居住前であるなどの理由により、充電が完了したまま使用されない状態がある。また、バックアップ用電池システムにおいて、停電が解消し電池１１１の充電が完了した直後の状態である。これらの状態においては、充放電動作を行っておらず、したがってシステムコントローラ１３０はコマンドを送信してモニタＩＣ１２２による監視を行う必要がない。電池システム１００は上記のような場合に長期間に渡り、スタンバイ状態のままとなることがある。このような場合に、スタンバイモードで動作することで、消費電力を抑制しつつ、電池１１１の保護を図ることができる。

スタンバイモードにおいては、モニタＩＣ１２２は停止しているので、電池１１１の電圧値自体を検出することはできず、電池１１１間の電圧のバランスを取ることはできない。しかし、閾値判定ＩＣ１２１は動作しているので、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否かは判定することができる。したがって、電池１１１に異常が発生した場合には、システムコントローラ１３０にアラームを出力することができる。また、平均消費電力の大きいモニタＩＣ１２２は停止しているため、電池システム１００における消費電力は抑制される。このように、スタンバイモードにおいては、少ない消費電力で電池１１１の保護を図ることができる。

第３の動作モードは、通常動作モードである。通常動作モードにおいては、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２は動作する。

電池システム１００は、接続対象物が接続され、接続対象物の電源が入っており、充放電を行う状態において、通常動作モードで動作する。

通常動作モードにおいては、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２が動作している。そのため、閾値判定ＩＣ１２１による、所定の閾値との比較に基づいた、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否かの判定が行われる。仮に電池１１１の電圧が危険電圧であった場合には、システムコントローラ１３０を経由して外部表示器操作盤１５０に危険である旨が表示され、ユーザへ適切な処置が促される。また、充放電スイッチ１２３がオフにされ、電力の供給が停止される。また、マイコン１２５による、モニタＩＣ１２２の検出結果に基づいた、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否かの判定や、電池間で電圧のバランスを取るといった処理も行われる。そのため、電池１１１の保護を十分に図ることができる。また、例えば、モニタＩＣ１２２やマイコン１２５が故障などにより停止した場合にも、閾値判定ＩＣ１２１が動作していれば、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否かの判定が可能であるため、電池１１１の電圧が危険電圧のまま放置されることが無くなり、より安全性を向上させることができる。

なお、電池システム１００の動作モードは、例えば、管理者からの入力に応じて切り替えられる。

このように、本実施形態によれば、電池システム１００は、複数の電池１１１と、複数の電池１１１それぞれの出力を入力して所定の閾値との比較を行い、その結果を示す信号を出力する閾値判定ＩＣ１２１と、複数の電池１１１それぞれの電圧値を検出し、検出した電圧値を示す信号を出力するモニタＩＣ１２２と、を有し、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２が停止したスリープモードと、閾値判定ＩＣ１２１が動作し、モニタＩＣ１２２が停止したスタンバイモードと、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２が動作する通常動作モードと、を備える。

閾値判定ＩＣ１２１は簡単な回路で構成可能なため、モニタＩＣ１２２と比べて消費電力が少ない。そのため、電池１００の使用状況に応じた動作モードの切り替えにより、閾値判定ＩＣ１２１およびモニタＩＣ１２２を動作あるいは停止させることで、安全性を向上させるとともに、消費電力の低減により経済性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態においては、閾値判定ＩＣ１２１、モニタＩＣ１２２、充放電スイッチ１２３、検出抵抗１２４、マイコン１２５、および、ＯＲ回路１２６が、１つの基板上に構成されている例を用いて説明したが、この構成に限られるものではない。

図２は、図１に示す電池システム１００とは異なる構成を有する電池システム１００Ａの構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図２に示す電池システム１００Ａは、図１に示す電池システム１００と比較して、保護部１２０を削除した点と、電圧監視部２１０と、電流監視部２２０と、制御部２３０とを追加した点とが異なる。

電圧監視部２１０は、閾値判定ＩＣ１２１と、モニタＩＣ１２２と、マイコン２１１と、ＯＲ回路２１２と、を有する。電流監視部２２０は、充放電スイッチ１２３と、検出抵抗１２４と、電流検出部２２１と、マイコン２２２と、を有する。制御部２３０は、マイコン２３１を有する。電圧監視部２１０、電流監視部２２０、および、制御部２３０はそれぞれ、異なる基板上に構成されている。

電圧監視部２１０は、複数の電池１１１それぞれの電圧を監視する。

マイコン２１１は、モニタＩＣ１２２から出力された信号に基づいて、電池１１１の電圧が危険電圧であるか否か示す信号をＯＲ回路２１２に出力する。また、マイコン２１１は、モニタＩＣ１２２により検出された、複数の電池１１１それぞれの電圧値を示す信号をマイコン２３１に出力する。

ＯＲ回路２１２は、閾値判定ＩＣ１２１およびマイコン２１１の少なくとも一方から、電池１１１の電圧が危険電圧である旨を示す信号が出力されると、充放電スイッチ１２３をオフにする旨を示す信号をマイコン２３１に出力する。

電流監視部２２０は、検出抵抗１２４を流れる電流の電流値を検出し、その検出結果に応じた信号をマイコン２３１に出力する。

電流検出部２２１は、検出抵抗１２４を流れる電流の電流値を検出し、検出した電流値を示す信号をマイコン２２２に出力する。

マイコン２２２は、電流検出部２２１により検出された電流値が異常な値である場合には、充放電スイッチ１２３をオフにする旨を示す信号をマイコン２３１に出力する。

制御部２３０は、充放電スイッチ１２３のオン、オフの制御や、複数の電池１１１間の電圧のバランスを取るなどの処理を行う。

マイコン２３１は、充放電スイッチ１２３をオフにする旨を示す信号がＯＲ回路２１２あるいはマイコン２２２から出力されると、充放電スイッチ１２３をオフにする。また、マイコン２３１は、マイコン２１１から出力された信号に示される、複数の電池１１１それぞれの電圧値に基づいて、各電池１１１間の電圧のバランスを取るなどの処理を行う。

以上説明した各実施形態において、図１あるいは図２に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。すなわち、本実施形態の電池システム１００，１００Ａは、図３あるいは図４の構成を有し、給電対象となる任意の接続対象物に接続され、接続対象物との間で充放電を行うことが可能である。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本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、本願発明の範囲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、２０１３年３月１４日に出願された日本出願２０１３−５１８７４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。

Claims

複数の電池と、
前記電池の出力を入力して所定の閾値と比較する閾値判定を行い、その結果を示す信号を出力する第１のモニタ部と、
前記電池の電圧値を検出し、該検出した電圧値を示す信号を出力する第２のモニタ部と、
前記第２のモニタ部の出力を処理し、前記第１のモニタ部による前記閾値判定と同等の判定条件で前記電池の電圧が危険電圧であるか否かを判定する処理部と、
前記電池システム全体の動作を制御するシステムコントローラと、
を有し、
前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部が停止した第１の動作モードと、前記第１のモニタ部が動作し、前記第２のモニタ部が停止した第２の動作モードと、前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部が動作する第３の動作モードと、を備え、
前記電池と前記電池システムの接続対象物が接続されていない、もしくは、前記接続対象物が接続されているが前記接続対象物に電源が入っていない場合には前記第１の動作モードで動作し、前記接続対象物が接続されていて前記接続対象物に電源が入っているが、前記システムコントローラから前記電池の状態を監視するためのコマンドが送信されてこない場合には前記第２の動作モードで動作し、前記接続対象物が接続され、前記接続対象物の電源が入っており、充放電を行う状態の場合には前記第３の動作モードで動作することを特徴とする電池システム。
請求項１記載の電池システムにおいて、
前記電池と前記電池システムの接続対象物とを接続する配線上に設けられ、前記第１のモニタ部から出力された信号および前記第２のモニタ部から出力された信号の少なくともいずれか一方に応じて、オンまたはオフとなる充放電スイッチをさらに備えることを特徴とする電池システム。