JP7144466B2 - 電池制御ユニットおよび電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電池制御ユニットおよび電池システム、に関する。
複数の電池を直列に接続して構成される電池システムがある。複数の電池は、例えば製造時のバラツキや動作環境のバラツキに起因して、劣化がばらつく。例えば、熱源に近い電池は早く劣化してしまうが、熱源から離れた電池は劣化が遅い。
このため、充放電時に劣化の進んだ電池が最初に充放電終止電圧に達してしまう。この場合、他の電池に余力が残っていたとしても充放電を停止しなければならず、電池容量を使いきることができない。そこで、充電終止電圧に達した電池をバイパスして充電から切り離し、充電終止電圧に達していない電池の充電を継続させるシステムが提案されている（特許文献１）。また、放電時も同様に、放電終止電圧に達した電池をバイパスして放電から切り離し、放電終止電圧に達してない電池の放電を継続させる電池システムが考えられる。
しかしながら、上述した従来の電池システムでは、放電時において、電池のバイパス状態を切り替えるたびに負荷に対する給電が停止する。そこで、本出願人は、複数の電池から構成される組電池を複数、並列接続して、複数の組電池の１つがバイパス切り替え中でも、残りが負荷への給電を維持できるようにすることを考えた。
特開２０１３－３１２４９号公報
しかしながら、上述した従来技術は、電池をバイパスして利用するため、組電池を並列接続すると、組電池間の総電圧に大きな差異が発生する。このため、総電圧の最も高い組電池からしか放電を行うことができなかった。また、総電圧の最も低い組電池しか充電を行うことができず、充電、放電の効率がよくない、という問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電又は放電の効率を向上した電池制御ユニットおよび電池システムを提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る電池制御ユニットおよび電池システムは、下記［１］～［３］を特徴としている。
［１］
互いに並列接続された複数の組電池各々が有する、互いに直列接続された複数の電池、毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する第１制御部と、
グランド端子、第１入出力端子及び第２入出力端子を有し、前記第１入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第２入出力端子－前記グランド端子間から出力し、前記第２入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第１入出力端子－前記グランド端子間から出力する双方向電圧変換器と、を備え、
前記双方向電圧変換器は、複数の前記組電池毎に設けられ、対応する前記組電池の両端に前記グランド端子と前記第１入出力端子が接続され、
複数の前記組電池の一端が、前記第１入出力端子と前記第２入出力端子とを介して互いに接続され、
前記双方向電圧変換器の前記第１入出力端子からの出力を制御する第２制御部を備え、
前記第２制御部は、充電時において複数の前記組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、前記第１入出力端子からの前記出力を制御し、
前記第２制御部は、充電開始時において複数の前記組電池の充電状態に基づいた値に、前記第１入出力端子からの前記出力を制御し、その後、複数の前記組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、前記第１入出力端子からの前記出力を制御する、
電池制御ユニットであること。
［２］
互いに並列接続された複数の組電池各々が有する、互いに直列接続された複数の電池、毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する第１制御部と、
グランド端子、第１入出力端子及び第２入出力端子を有し、前記第１入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第２入出力端子－前記グランド端子間から出力し、前記第２入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第１入出力端子－前記グランド端子間から出力する双方向電圧変換器と、を備え、
前記双方向電圧変換器は、複数の前記組電池毎に設けられ、対応する前記組電池の両端に前記グランド端子と前記第１入出力端子が接続され、
複数の前記組電池の一端が、前記第１入出力端子と前記第２入出力端子とを介して互いに接続され、
前記双方向電圧変換器の前記第２入出力端子からの出力を制御する第２制御部を備え、
前記第２制御部は、放電時において前記第２入出力端子からの前記出力が予め定めた値になるように制御し、
前記第２制御部は、放電時において複数の前記組電池に流れる各々の放電電流が各々の閾値を超えると、前記放電電流が閾値を超えた前記組電池に対応する前記双方向電圧変換器の前記第２入出力端子からの前記出力を低下させるように制御する、
電池制御ユニットであること。
［３］
直列接続された複数の電池を有し、互いに並列接続された複数の組電池と、
［１］又は［２］に記載の電池制御ユニットと、を備えた、
電池システムであること。
上記［１］及び［２］の構成の電池制御ユニットによれば、双方向電圧変換器が、複数の組電池毎に設けられ、対応する組電池の両端にグランド端子と第１入出力端子とが接続される。また、組電池の一端が、第１入出力端子と第２入出力端子とを介して互いに接続されている。これにより、双方向電圧変換器が各々、組電池の総電圧又は組電池に入力される入力電圧を昇圧、降圧して、複数の組電池を同時に充電又は放電できるようにする。これにより、充電又は放電の効率向上を図ることができる。
更に、上記［１］の構成の電池制御ユニットによれば、第２制御部が、充電時において複数の組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、第１入出力端子からの出力を制御する。これにより、複数の組電池を同時に充電できるようになり、より一層、効率的に充電を行うことができる。
更に、上記［１］の構成の電池制御ユニットによれば、第２制御部は、充電開始時において複数の組電池の充電状態に応じた値に、第１入出力端子からの出力を制御し、その後、複数の組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、第１入出力端子からの出力を制御する。これにより、充電開始時に、迅速に複数の組電池に充電電流が流れるようにすることができる。
更に、上記［２］の構成の電池制御ユニットによれば、第２制御部は、放電時において第２入出力端子からの出力が予め定めた値になるように制御する。これにより、複数の組電池を同時に放電できるようになり、より一層、効率的に放電を行うことができる。
更に、上記［２］の構成の電池制御ユニットによれば、第２制御部は、放電時において複数の組電池に流れる放電電流が閾値を超えると、第２入出力端子からの出力を低下させるように制御する。これにより、組電池に流れる放電電流が低下して、閾値以下にすることができる。
上記［３］の構成の電池システムによれば、充電又は放電の効率の向上を図ることができる。
本発明によれば、充電又は放電の効率の向上を図ることができる電池制御ユニットおよび電池システムを提供することができる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図１は、本発明の電池システムを示す回路図である。 図２は、図１に示す制御部の放電処理手順を示すフローチャートである。 図３は、図１に示す制御部の充電処理手順を示すフローチャートである。 図４は、他の実施形態における本発明の電池システムを示す回路図である。 図５は、他の実施形態における本発明の電池システムを示す回路図である。
本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
図１に示す電池システム１は、例えば劣化が進んだ電池を再利用して電力を供給する装置である。
同図に示すように、電池システム１は、複数の組電池２１、２２と、電池制御ユニット３と、を備えている。複数の組電池２１、２２は、互いに並列接続されて、負荷１０及び充電器４０（電源）に接続されている。本実施形態では、説明を簡単にするために２つの組電池２１、２２を並列接続した例について説明するが、これに限ったものではない。組電池２１、２２の数は複数あればよく、３つ以上でもよい。
組電池２１は、複数の電池２１ａ～２１ｃを有している。組電池２２は、複数の電池２２ａ～２２ｃを有している。本実施形態では、説明を簡単にするために、３つの電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃを直列接続した例について説明するが、これに限ったものではない。電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃの数は複数あればよく、２つでも、４つ以上でもよい。複数の電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃは各々、充放電可能な蓄電池であり、１つのセルから構成されていてもよいし、複数のセルから構成されていてもよい。
電池制御ユニット３は、複数の切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃと、複数の電圧測定部５１ａ～５１ｃ、５２ａ～５２ｃと、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２（双方向電圧変換器）と、複数の電流測定部７１、７２と、制御部８と、を備えている。
複数の切替部４１ａ～４１ｃは、複数の電池２１ａ～２１ｃに各々対応して設けられている。複数の切替部４２ａ～４２ｃは、複数の電池２２ａ～２２ｃに各々対応して設けられている。複数の切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃは、互いに同じ構成である。
切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃは、対応する電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが他の電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃと直列接続された接続状態と、対応する電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが他の電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃとの直列接続から切り離された非接続状態と、の間で切り替え可能に設けられている。詳しく説明すると、切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃにより接続状態に切り替えられた電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ同士が直列接続されて電源として用いられる。一方、切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃにより非接続状態に切り替えられた電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが接続状態の電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃから切り離されて電源として用いられなくなる。
切替部４１ａは、電池２１ａに直列接続された第１スイッチＳＷ１１ａと、電池２１ａ及び第１スイッチＳＷ１１ａに並列接続された第２スイッチＳＷ１２ａと、から構成されている。第１スイッチＳＷ１１ａは、一端Ｔ１１が電池２１ａの一極（例えば正極）に接続されている。第２スイッチＳＷ１２ａは、一端Ｔ２１が電池２１ａの他極（例えば負極）に接続され、その他端Ｔ２２が第１スイッチＳＷ１１ａの他端Ｔ１２に接続されている。切替部４１ｂ、４１ｃについては、上述した切替部４１ａについての説明中の「ａ」を「ｂ」、「ｃ」にそれぞれ置き換えて説明することができるため、詳細な説明を省略する。
切替部４２ａは、電池２２ａに直列接続された第１スイッチＳＷ２１ａと、電池２２ａ及び第１スイッチＳＷ２１ａに並列接続された第２スイッチＳＷ２２ａと、から構成されている。第１スイッチＳＷ２１ａは、一端Ｔ１１が電池２２ａの一極（例えば正極）に接続されている。第２スイッチＳＷ２２ａは、一端Ｔ２１が電池２２ａの他極（例えば負極）に接続され、その他端Ｔ２２が第１スイッチＳＷ２１ａの他端Ｔ１２に接続されている。切替部４２ｂ、４２ｃについては、上述した切替部４２ａについての説明中の「ａ」を「ｂ」、「ｃ」にそれぞれ置き換えて説明することができるため、詳細な説明を省略する。
また、第１スイッチＳＷ１１ｂの他端Ｔ１２は、電池２１ａの負極に接続され、第１スイッチＳＷ１１ｃの他端Ｔ１２は、電池２１ｂの負極に接続されている。即ち、互いに隣接する電池２１ａ－電池２１ｂ間、電池２１ｂ－電池２１ｃ間にそれぞれ、第１スイッチＳＷ１１ｂ、ＳＷ１１ｃが接続されている。
また、第１スイッチＳＷ２１ｂの他端Ｔ１２は、電池２２ａの負極に接続され、第１スイッチＳＷ２１ｃの他端Ｔ１２は、電池２２ｂの負極に接続されている。即ち、互いに隣接する電池２２ａ－電池２２ｂ間、電池２２ｂ－電池２２ｃ間にそれぞれ、第１スイッチＳＷ２１ｂ、ＳＷ２１ｃが接続されている。
以上の構成によれば、第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオフし、第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオンすると、対応する電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが接続状態となる。また、第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオフすると対応する電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが非接続状態となる。このとき、第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオンするとバイパス経路が形成され、接続状態となっている電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃのみが直列に接続される。
複数の電圧測定部５１ａ～５１ｃ、５２ａ～５２ｃは、複数の電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃに各々対応して設けられている。複数の電圧測定部５１ａ～５１ｃ、５２ａ～５２ｃは、対応する電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃの両端電圧を測定して、その測定結果を後述する制御部８に対して出力する。
複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、複数の組電池２１、２２に各々対応して設けられている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は各々、第１入出力端子Ｔ１と、第２入出力端子Ｔ２と、グランド端子ＴＧＮＤと、を有している。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、グランド端子ＴＧＮＤ－第１入出力端子Ｔ１間に入力された入力電圧（直流）を、昇圧、降圧（変換）して、グランド端子ＴＧＮＤ－第２入出力端子Ｔ２間から出力ＶＤＣ１1、ＶＤＣ２２（直流）として出力する。また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、グランド端子ＴＧＮＤ－第２入出力端子Ｔ２間に入力された入力電圧（直流）を、昇圧、降圧（変換）して、グランド端子ＴＧＮＤ－第１入出力端子Ｔ１間から出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２（直流）として出力する。
上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２のグランド端子ＴＧＮＤは、組電池２１、２２の負極が接続され、第１入出力端子Ｔ１は、組電池２１、２２の正極が接続されている。即ち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の第１入出力端子Ｔ１には、組電池２１、２２の総電圧が入力電圧として入力される。組電池２１、２２の総電圧とは、組電池２１、２２のうち接続状態となる電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃの両端電圧の合計である。また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の第２入出力端子Ｔ２には、充電器４０からの電圧が入力電圧として入力される。また、組電池２１、２２の正極は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の第１入出力端子Ｔ１と第２入出力端子Ｔ２とを介して互いに接続されて、負荷１０又は充電器４０に接続される。以上の構成によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、放電時に組電池２１、２２の総電圧を昇圧、降圧して、負荷１０に出力する。また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、充電時に充電器４０からの電圧を昇圧、降圧して、組電池２１、２２に出力する。
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、制御部８に接続され、制御部８により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２、ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を制御することができる。
複数の電流測定部７１、７２は、複数の組電池２１、２２に各々対応して設けられている。電流測定部７１は、組電池２１に直列接続され、組電池２１に流れる電流Ｉ１（充電電流、放電電流）を測定する。電流測定部７２は、組電池２２に直列接続され、組電池２２に流れる電流Ｉ２を測定する。
制御部８は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、電池システム１全体の制御を司る。制御部８は、第１制御部として機能し、各電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃの両端電圧に基づいて第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃ及び第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオンオフ制御する。詳しく説明すると、制御部８は、放電時又は充電時に放電終止電圧又は充電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃを非接続状態としてバイパスさせる。
また、充電時において、制御部８は、下記のようにＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の制御を行う。まず、最初に制御部８は、組電池２１、２２の充電状態に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２の制御を行う。組電池２１、２２の充電状態としては、各電池２１ａ～２２ｃ、２２ａ～２２ｃの両端電圧から求めた総電圧を用いることができる。総電圧とは、組電池２１、２２のうち接続状態となる電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃの両端電圧の合計であり、充電状態に応じた電圧である。制御部８は、出力ＶＤＣ１１が組電池２１の総電圧よりも少し高い電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御する。同様に、制御部８は、出力ＶＤＣ１２が組電池２２の総電圧よりも少し高い電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を制御する。これにより、組電池２１、２２の双方が同時に充電開始される。
その後、制御部８は、電流測定部７１、７２により測定した充電電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２の制御を行う。詳しく説明すると、制御部８は、組電池２１、２２は所定範囲内（許容最大入力電流以下、下限入力電流以上）の充電電流Ｉ１、Ｉ２が流れるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を調整する。具体的には、制御部８は、組電池２１に下限入力電流より小さい充電電流Ｉ１しか流れていない場合、下限入力電流以上の充電電流Ｉ１が流れるまで出力ＶＤＣ１１を上げ、許容最大入力電流より大きい充電電流Ｉ１が流れると出力ＶＤＣ１１を下げる。同様に、制御部８は、組電池２２に下限入力電流より小さい充電電流Ｉ２しか流れていない場合、下限入力電流以上の充電電流Ｉ２が流れるまで出力ＶＤＣ１２を上げ、許容最大入力電流より大きい充電電流Ｉ２が流れると出力ＶＤＣ１２を下げる。
これにより、総電圧の異なる組電池２１、２２を同時に充電することができる。
また、放電時において、制御部８は、下記に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の制御を行う。まず、制御部８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を負荷１０に応じて予め定めた一定値に制御する。これにより、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２が同等になるように制御されるため、組電池２１、２２を負荷１０に接続すると、組電池２１、２２を同時に放電することができ、放電の効率を向上させることができる。
また、一定の負荷の下で放電が進むと、組電池２１、２２の総電圧が低下する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を一定値に保とうとするため、放電が進むに従って放電電流Ｉ１、Ｉ２が増加する。制御部８は、組電池２１、２２の放電電流Ｉ１、Ｉ２が許容電流を超えると、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を低下させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の低下制御を行う。低下制御されたＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２が低下するために、放電電流Ｉ１、Ｉ２も低下する。これにより、放電電流Ｉ１、Ｉ２が、許容電流を超えるのを抑制することができる。なお、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２は互いに接続されているため、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２の一方を低下制御しても、実際の出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２は低下制御されていない他方と同じ一定値となる。
なお、許容電流は、組電池２１、２２毎に定められる。詳しく説明すると、電池温度、劣化状態（例えば内部抵抗）、充電状態（例えば開回路電圧）などの電池状態と、許容電流と、の関係が予めメモリなどに格納されている。組電池２１の許容電流は、接続状態の電池２１ａ～２１ｃの電池状態のうち最も律速したものに対応した許容電流に設定される。同様に、組電池２２の許容電流は、接続状態の電池２２ａ～２２ｃの電池状態のうち最小のものに対応した許容電流に設定される。
上述した構成の電池システム１によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２は、電気から磁気、磁気から電気に変換されるため、各組電池２１、２２毎に電気的な絶縁が可能となる。
次に、上記概略で説明した電池システム１の充電時の動作について図２を参照して説明する。図２は、図１に示す制御部８の充電処理手順を示すフローチャートである。制御部８は、外部システムなどから充電信号を受信すると充電処理を実行する。まず、制御部８は、全第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃ、全第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオフにする（ステップＳ１）。その後、制御部８は、全第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオンする（ステップＳ２）。次に、制御部８は、組電池２１、２２に充電器４０を接続して、充電を開始する（ステップＳ３）。
次に、制御部８は、上述したように組電池２１、２２の充電状態に応じた値となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２の制御を行う（ステップＳ４）。
その後、制御部８は、電流測定部７１、７２により測定された組電池２１、２２に流れる充電電流Ｉ１、Ｉ２を取り込み、取り込んだ充電電流Ｉ１、Ｉ２が所定範囲内となるように出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御する（ステップＳ５）。
その後、制御部８は、電圧測定部５１ａ～５１ｃ、５２ａ～５２ｃにより測定された電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃを取り込み、充電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがあるか否かを判定する（ステップＳ６）。充電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがなければ（ステップＳ６でＮ）、制御部８は、ステップＳ５に戻る。
一方、充電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがあれば（ステップＳ６でＹ）、制御部８は、全電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが充電終止電圧に達したか否かを判定する（ステップＳ７）。全電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが充電終止電圧に達してなければ（ステップＳ７でＮ）、制御部８は、充電終止電圧に達したと判定された電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃに対応する第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオフ、第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオンして、充電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃをバイパスした後（ステップＳ８）、ステップＳ５に戻る。
また、全ての電池が充電終止電圧に達していれば（ステップＳ７でＹ）、制御部８は、制御部８は、充電器４０を切り離して充電を停止すると共に（ステップＳ９）、全第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃ、全第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオフする（ステップＳ１０）。その後、制御部８は、全第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオンした後（ステップＳ１０）、充電処理を終了する。
次に、上記概略で説明した電池システム１の放電時の動作について図３を参照して説明する。図３は、図１に示す制御部８の放電処理手順を示すフローチャートである。なお、図３において、上述した図２と同等のステップについては、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。制御部８は、外部システムなどから放電信号を受信すると放電処理を実行する。まず、制御部８は、充電処理と同様にステップＳ１、Ｓ２を実行する。
次に、制御部８は、組電池２１、２２に負荷１０を接続して放電を開始する（ステップＳ１２）。その後、制御部８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を互いに等しい予め定めた一定値に制御する（ステップＳ１３）。次に、制御部８は、電流測定部７１、７２により測定された組電池２１、２２に流れる電流を取り込んで、予め定めた許容最大電流（閾値）と比較する（ステップＳ１４）。
組電池２１、２２のうち許容最大電流を超える電流が流れるものがあれば（ステップＳ１４でＹ）、制御部８は、許容最大電流を超えている組電池２１、２２に対応したＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を下げた後（ステップＳ１５）、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１５において、制御部８は、組電池２１、２２に流れる放電電流Ｉ１、Ｉ２が許容最大電流以内となるまで、出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を下げる。
組電池２１、２２のうち許容最大電流に対して十分に低い電流が流れるものがあれば（ステップＳ１６でＹ）、制御部８は、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７において、制御部８は、十分に低い電流が流れている組電池２１、２２に対して出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を下げる制御を解除して、ステップＳ１３で設定した一定値に戻した後、ステップＳ１８に進む。なお、ステップＳ１６において、十分に低い電流か否かの判定は、組電池２１、２２に流れる電流が許容最大電流よりも小さく設定された電流値以下であるか否かに基づいて判定することが考えられる。
また、組電池２１、２２のうち許容最大電流を超えるものもなく、十分低いものもなければ（ステップＳ１６でＮ）、制御部８は、直ちにステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８において制御部８は、電圧測定部５１ａ～５１ｃ、５２ａ～５２ｃにより測定された電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃを取り込み、放電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがあるか否かを判定する。放電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがなければ（ステップＳ１８でＮ）、制御部８は、ステップＳ１４に戻る。
一方、放電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃがあれば（ステップＳ１８でＹ）、制御部８は、全電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが放電終止電圧に達したか否かを判定する（ステップＳ１９）。全電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが放電終止電圧に達してなければ（ステップＳ１９でＮ）、制御部８は、放電終止電圧に達したと判定された電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃに対応する第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃをオフ、第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃをオンして、放電終止電圧に達した電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃをバイパスした後（ステップＳ２０）、ステップＳ１４に戻る。
また、全ての電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃが放電終止電圧に達していれば（ステップＳ１９でＹ）、制御部８は、負荷１０と切り離して放電を停止した後（ステップＳ２１）、充電処理と同様にステップＳ１０、Ｓ１１を実行して、放電処理を終了する。
上述した実施形態によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２が、複数の組電池２１、２２毎に設けられ、対応する組電池２１、２２の両端にグランド端子ＴＧＮＤと第１入出力端子Ｔ１とが接続される。また、組電池２１、２２の正極が、第１入出力端子Ｔ1と第２入出力端子Ｔ２とを介して互いに接続されている。これにより、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２が各々、組電池２１、２２の総電圧又は充電器４０からの入力電圧を昇圧、降圧して、複数の組電池２１、２２を同時に充電又は放電することができ、充電又は放電の効率向上を図ることができる。
また、上述した実施形態によれば、制御部８が、充電時において複数の組電池２１、２２に所定範囲の充電電流Ｉ１、Ｉ２が流れるように、出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御する。これにより、複数の組電池２１、２２を同時に充電できるようになり、より一層、効率的に充電を行うことができる。
また、上述した実施形態によれば、制御部８は、充電開始時において複数の組電池２１、２２の充電状態に応じた値に、出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御し、その後、複数の組電池２１、２２に所定範囲の充電電流Ｉ１、Ｉ２が流れるように、第１入出力端子Ｔ1からの出力を制御する。これにより、充電開始時に、迅速に複数の組電池２１、２２に充電電流Ｉ１、Ｉ２が流れるようにすることができる。
また、上述した実施形態によれば、制御部８は、放電時において出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２が予め定めた値になるように制御する。これにより、複数の組電池２１、２２を同時に放電できるようになり、より一層、効率的に放電を行うことができる。
また、上述した実施形態によれば、制御部８は、放電時において複数の組電池２１、２２に流れる電流が許容最大電流を超えると出力ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２を低下させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２を低下制御する。これにより、組電池２１、２２に流れる放電電流Ｉ１、Ｉ２が低下して、許容最大電流以下にすることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
上述した実施形態によれば、制御部８は、充電開始時に組電池２１、２２の充電状態に基づいて出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御し、その後、充電電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御していたが、これに限ったものではない。制御部８は、充電開始から充電電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を制御するようにしてもよい。一例としては、制御部８は、充電開始時に第１入力端子Ｔ1からの出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を０とし、充電電流Ｉ１、Ｉ２が所定範囲となるまで出力ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２を増加させるようにしてもよい。
上述した実施形態によれば、切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃとしては、２つの第１スイッチＳＷ１１ａ～ＳＷ１１ｃ、ＳＷ２１ａ～ＳＷ２１ｃ、第２スイッチＳＷ１２ａ～ＳＷ１２ｃ、ＳＷ２２ａ～ＳＷ２２ｃとから構成されていたが、これに限ったものではない。切替部４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃとしては、電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃと、電池２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃに並列接続されたバイパス回路と、の何れかを選択する切替スイッチから構成されていてもよい。
また、上述した実施形態によれば、組電池２１、２２毎に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２を設けていたが、これに限ったものではない。図４及び図５に示すように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２に代えて、単方向のＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２（電圧変換器）を設けてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２は、グランド端子ＴＧＮＤ、入力端子ＴＩＮ、出力端子ＴＯＵＴを備え、グランド端子ＴＧＮＤ－入力端子ＴＩＮ間に入力された電圧を変換してグランド端子ＴＧＮＤ－出力端子ＴＯＵＴから出力する。
図４に示す例では、組電池２１、２２の両端にグランド端子ＴＧＮＤと入力端子ＴＩＮが接続され、組電池２１、２２の一端が入力端子ＴＩＮと出力端子ＴＯＵＴとを介して互いに接続される。図４に示す例では、上述した実施形態の放電時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の制御と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２の制御が行われる。
図５に示す例では、組電池２１、２２の両端にグランド端子ＴＧＮＤと出力端子ＴＯＵＴが接続され、組電池２１、２２の一端が入力端子ＴＩＮと出力端子ＴＯＵＴとを介して互いに接続される。図５に示す例では、上述した実施形態の充電時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２の制御と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２の制御が行われる。
また、図４に示す単方向のＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２と、図５に示す単方向のＤＣ／ＤＣコンバータ８１、８２と、を並列接続して、双方向に電圧変換できるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、電圧変換器としてＤＣ／ＤＣコンバータ６１、６２、８１、８２を用いていたが、これに限ったものではない。電圧変換器として、シリーズレギュレータを用いてもよい。
ここで、上述した本発明に係る電池制御ユニットおよび電池システムの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［７］に簡潔に纏めて列記する。
［１］
互いに並列接続された複数の組電池（２１、２２）各々が有する、互いに直列接続された複数の電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）、毎に設けられ、対応する前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）が他の前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）と直列接続された接続状態と、対応する前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）が他の前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部（４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃ）と、
充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）に対応する前記切替部（４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃ）を前記非接続状態に制御する第１制御部（８）と、
グランド端子（ＴＧＮＤ）、第１入出力端子（Ｔ１）及び第２入出力端子（Ｔ２）を有し、前記第１入出力端子（Ｔ１）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間に入力された電圧を変換して前記第２入出力端子（Ｔ２）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間から出力し、前記第２入出力端子（Ｔ２）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間に入力された電圧を変換して前記第１入出力端子（Ｔ１）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間から出力する双方向電圧変換器（６１、６２）と、を備え、
前記双方向電圧変換器（６１、６２）は、複数の前記組電池（２１、２２）毎に設けられ、対応する前記組電池（２１、２２）の両端に前記グランド端子（ＴＧＮＤ）と前記第１入出力端子（Ｔ１）が接続され、
複数の前記組電池（２１、２２）の一端が、前記第１入出力端子（Ｔ１）と前記第２入出力端子（Ｔ２）とを介して互いに接続されている、
電池制御ユニット（３）。
［２］
互いに並列接続された複数の組電池（２１、２２）各々が有する、互いに直列接続された複数の電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）、毎に設けられ、対応する前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）が他の前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）と直列接続された接続状態と、対応する前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）が他の前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部（４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃ）と、
充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）に対応する前記切替部（４１ａ～４１ｃ、４２ａ～４２ｃ）を前記非接続状態に制御する第１制御部（８）と、
グランド端子（ＴＧＮＤ）、入力端子（ＴＩＮ）及び出力端子（ＴＯＵＴ）を有し、前記入力端子（ＴＩＮ）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間に入力された電圧を変換して前記出力端子（ＴＯＵＴ）－前記グランド端子（ＴＧＮＤ）間から出力する電圧変換器（８１、８２）と、を備え、
前記電圧変換器（８１、８２）は、複数の前記組電池（２１、２２）毎に設けられ、対応する前記組電池（２１、２２）の両端に前記グランド端子（ＴＧＮＤ）と前記入力端子（ＴＩＮ）及び前記出力端子（ＴＯＵＴ）の何れか一方が接続され、
前記組電池（２１、２２）の一端が、前記入力端子（ＴＩＮ）と前記出力端子（ＴＯＵＴ）とを介して互いに接続されている、
電池制御ユニット（３）。
［３］
［１］に記載の電池制御ユニット（３）において、
前記双方向電圧変換器（６１、６２）の前記第１入出力端子（Ｔ１）からの出力（ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２）を制御する第２制御部（８）を備え、
前記第２制御部（８）は、充電時において複数の前記組電池（２１、２２）に所定範囲の充電電流（Ｉ１，Ｉ２）が流れるように、前記第１入出力端子（Ｔ１）からの前記出力（ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２）を制御する、
電池制御ユニット（３）。
［４］
［３］に記載の電池制御ユニット（３）において、
前記第２制御部（８）は、充電開始時において複数の前記組電池（２１、２２）の充電状態に基づいた値に、前記第１入出力端子（Ｔ１）からの前記出力（ＶＤＣ１１、ＶＤＣ１２）を制御し、その後、複数の前記組電池（２１、２２）に所定範囲の充電電流が流れるように、前記第１入出力端子（Ｔ１）からの前記出力を制御する、
電池制御ユニット（３）。
［５］
［１］に記載の電池制御ユニット（３）において、
前記双方向電圧変換器（６１、６２）の前記第２入出力端子（Ｔ２）からの出力（ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２）を制御する第２制御部（８）を備え、
前記第２制御部（８）は、放電時において前記第２入出力端子（Ｔ２）からの前記出力（ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２）が予め定めた値になるように制御する、
電池制御ユニット（３）。
［６］
［５］に記載の電池制御ユニット（３）において、
前記第２制御部（８）は、放電時において複数の前記組電池（２１、２２）に流れる各々の放電電流が各々の閾値を超えると、前記放電電流が閾値を超えた前記組電池（２１、２２）に対応する前記双方向電圧変換器（６１、６２）の前記第２入出力端子（Ｔ２）からの前記出力（ＶＤＣ２１、ＶＤＣ２２）を低下させるように制御する、
電池制御ユニット（３）。
［７］
直列接続された複数の電池（２１ａ～２１ｃ、２２ａ～２２ｃ）を有し、互いに並列接続された複数の組電池（２１、２２）と、
［１］～［６］何れか１項に記載の電池制御ユニット（３）と、を備えた、
電池システム（１）。
１ 電池システム
３ 電池制御ユニット
８ 制御部（第１制御部、第２制御部）
２１、２２ 組電池
２１ａ～２１ｃ 電池
２２ａ～２２ｃ 電池
４１ａ～４１ｃ 切替部
４２ａ～４２ｃ 切替部
６１、６２ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（双方向電圧変換器）
８１、８２ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換器）
ＴＧＮＤ グランド端子
Ｔ１ 第１入出力端子
Ｔ２ 第２入出力端子
ＴＩＮ 入力端子
ＴＯＵＴ 出力端子
ＶＤＣ１１、ＶＤＣ２１、ＶＤＣ１２、ＶＤＣ２２ 出力

Claims (3)

  1. 互いに並列接続された複数の組電池各々が有する、互いに直列接続された複数の電池、毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
    充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する第１制御部と、
    グランド端子、第１入出力端子及び第２入出力端子を有し、前記第１入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第２入出力端子－前記グランド端子間から出力し、前記第２入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第１入出力端子－前記グランド端子間から出力する双方向電圧変換器と、を備え、
    前記双方向電圧変換器は、複数の前記組電池毎に設けられ、対応する前記組電池の両端に前記グランド端子と前記第１入出力端子が接続され、
    複数の前記組電池の一端が、前記第１入出力端子と前記第２入出力端子とを介して互いに接続され、
    前記双方向電圧変換器の前記第１入出力端子からの出力を制御する第２制御部を備え、
    前記第２制御部は、充電時において複数の前記組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、前記第１入出力端子からの前記出力を制御し、
    前記第２制御部は、充電開始時において複数の前記組電池の充電状態に基づいた値に、前記第１入出力端子からの前記出力を制御し、その後、複数の前記組電池に所定範囲の充電電流が流れるように、前記第１入出力端子からの前記出力を制御する、
    電池制御ユニット。
  2. 互いに並列接続された複数の組電池各々が有する、互いに直列接続された複数の電池、毎に設けられ、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続された接続状態と、対応する前記電池が他の前記電池と直列接続から切り離された非接続状態と、に切り替える切替部と、
    充電又は放電時に終止電圧に達したと判定した前記電池に対応する前記切替部を前記非接続状態に制御する第１制御部と、
    グランド端子、第１入出力端子及び第２入出力端子を有し、前記第１入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第２入出力端子－前記グランド端子間から出力し、前記第２入出力端子－前記グランド端子間に入力された電圧を変換して前記第１入出力端子－前記グランド端子間から出力する双方向電圧変換器と、を備え、
    前記双方向電圧変換器は、複数の前記組電池毎に設けられ、対応する前記組電池の両端に前記グランド端子と前記第１入出力端子が接続され、
    複数の前記組電池の一端が、前記第１入出力端子と前記第２入出力端子とを介して互いに接続され、
    前記双方向電圧変換器の前記第２入出力端子からの出力を制御する第２制御部を備え、
    前記第２制御部は、放電時において前記第２入出力端子からの前記出力が予め定めた値になるように制御し、
    前記第２制御部は、放電時において複数の前記組電池に流れる各々の放電電流が各々の閾値を超えると、前記放電電流が閾値を超えた前記組電池に対応する前記双方向電圧変換器の前記第２入出力端子からの前記出力を低下させるように制御する、
    電池制御ユニット。
  3. 直列接続された複数の電池を有し、互いに並列接続された複数の組電池と、
    請求項１又は請求項２に記載の電池制御ユニットと、を備えた、
    電池システム。
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