JP7323745B2 - 二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、充電と放電を繰り返すことのできる二次電池システムに関する。特に、車両等に搭載して高電圧の電力を供給するための二次電池システムに関する。

車両に搭載される二次電池システムには、高い信頼性と耐久性が要求される。たとえば車両に電圧１２Ｖの電力を供給する場合、従来の二次電池システムでは、２４Ｖ以上で給電可能な二次電池と、１２Ｖで給電可能な二次電池との２つの電池モジュールを搭載して信頼性を高めている。すなわち、２４Ｖ以上での二次電池を一次側電池として用い、通常の動作に必要な電力を供給し、万一、一次側の二次電池若しくは発電機に不具合が発生した場合に、非常用電源としての二次側電池から電力を供給して車両の制御を継続する。このような二次電池システムにおいて、現状では、二次側電池に鉛蓄電池が多く使用されている。

特許文献１には、鉛蓄電池を用いて信頼性の高車両用電源システムを提供する技術が開示されている。特許文献１の車両用電源システムは、ハイブリッド電源と鉛蓄電池とが並列接続された構成を開示している。ハイブリッド電源は、二次電池とキャパシタとが並列接続されて構成されており、電源制御部が、ハイブリッド電源と鉛蓄電池との電力供給を制御している。

国際公開ＷＯ２０１５／０１５７４３号

鉛蓄電池は、安価な材料で製造することができ、大電流の放電に耐えられる安定性の高い二次電池である。一方で、電極に鉛を使用するため、二次電池システム全体が重くなる傾向がある。また、電解液が硫酸を使用するため、万一の破損の際の危険性が指摘されている。このため、鉛蓄電池を用いずに、信頼性の高い二次電池システムを提供することが求められている。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであって、鉛蓄電池を用いることなく電源を多重化し、信頼性の高い二次電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

請求項１にかかる発明は、直列接続した複数のセルからなるバッテリー群を二以上有しており、各々のバッテリー群を並列接続した二次電池システムに関する。本発明の二次電
池システムは、各々のバッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが配置されていることを特徴とする。
本発明の二次電池システムは、バッテリー群と並列に接続されたアクティブバランサーを備えていることが好ましい。
また、本発明の二次電池システムは、各々のバッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが、各々のバッテリー群と前記アクティブバランサーとの接続部に配置されていることが好ましい。
さらに、本発明の二次電池システムのアクティブバランサーは、バッテリー群の中の隣り合うセル群のバランス調整をする第一のアクティブバランサーと、二以上の前記バッテリー群の間のバランス調整をする第二のアクティブバランサーとから構成されていることが好ましい。

請求項２にかかる二次電池システムは、各々のバッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが、各々の前記バッテリー群と前記第一のアクティブバランサーとの間の二箇所の接続部に設けられており、且つ各々のバッテリー群と前二のアクティブバランサーとの間の一箇所の接続部に設けられていることを特徴とする。

請求項３にかかる二次電池システムは、アクティブバランサーを二次電池システムの回路から切り離す開閉スイッチをさらに備えていることを特徴とする。

本発明に係る二次電池システムは、直列接続した複数のセルからなるバッテリー群を二以上有しており、各々のバッテリー群が並列接続されている。並列接続されたバッテリー群によって電源の多重化を行うことができ、二次電池システムとしての信頼性が向上している。

本発明の二次電池システムは、たとえ並列接続された複数のバッテリー群の中の一つに不具合が発生した場合であっても、開閉スイッチの操作で不具合のあったバッテリー群のみを切り離し、縮退状態で放電と充電を継続することことができる。

本発明に係る二次電池システムは、電源の多重化が図られているるため、二次側電池が不要となる。これにより、従来二次側電池で多用されてきた鉛蓄電池が不要となる。鉛蓄電池が不要となることで、二次電池システム全体が軽量化され、またより安価にシステムを構成することができる。

図１は、本発明の実施形態に従った二次電池システムの概要を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に従った二次電池システムの、バッテリー群とアクティブバランサーとの接続状態を模式的に示す図である。 図３は、バッテリー群の1つに不具合が生じたときの、開閉スイッチの切り離し状態を模式的に示す図である。 図４は、実施例１に係る二次電池システムを模式的に示す図である。 図５は、実施例２に係る二次電池システムを模式的に示す図である。 図６は、比較例１に係る二次電池システムを模式的に示す図である。 図７は、比較例２に係る二次電池システムを模式的に示す図である。 図８は、本発明において好適に用いられるアクティブバランサーの構成の一例を示す図である。

以下、本発明の二次電池システムの好適な実施形態について説明する。

本発明におけるセルとは、電池を構成する最小単位のことである。セルは、正極と、負極と、電極の間に充填される電解質とを有しており、単電池とも言われる。本実施形態で「セル」と称する電池は、充電と放電が可能な二次電池である。セルは、その構造によって、リチウムイオンセル、ニッケル水素セル、ＥＬＤＣセルなどが知られている。本発明の二次電池システムでは、特にリチウムイオンセルが好適に用いられる。

本発明において、バッテリー群とは、二以上のセルを直列に接続したものである。バッテリー群のうち、特にセルを組み合わせて一体化し、所定の電圧や容量を有するように調整したものは、バッテリーモジュールまたは組電池とも称される。

本発明において、アクティブバランサーとは、複数のセルに接続して、それぞれのセルの充電と放電の状態を調整し、過放電や過充電を防止するように、電圧や容量をバランス制御する手段である。アクティブバランサーは、たとえば、充電状態の大きなセルの電力をキャパシタに一時蓄電し、充電状態の小さなセルに再配分するような制御を行う。本発明において好適に用いられるアクティブバランサーの構成例を図８に示す。図８のアクティブバランサーは、キャパシタＣｒと、スイッチングを行うハーフブリッジ回路を備えている。キャパシタは、ハーフブリッジ回路を介して、隣り合う２つのセルに接続されている。キャパシタＣｒはまた、ハーフブリッジ回路を介して、バッテリー群に含まれる隣り合うセル群とセル群とに接続することができる。図８に示した接続形態の場合、キャパシタＣｒは、一方のセルと他方のセルとに、交互にスイッチングして接続される。この時、接続されたセルとキャパシタとの間に電位差があればセルからキャパシタ、あるいはキャパシタからセルへと電荷が移動して、セルとキャパシタとの間に電位差がなくなるように、自動的に均一化される。

以下、図１～３を参照しつつ、本発明に係る二次電池システム１０の好適な実施形態を説明する。本実施形態においては、４８Ｖの出力が可能な二次電池システム１０によって電圧１２Ｖの電力を供給する車両用二次電池システムを構成している。

図１は、発電機２と負荷３に接続された二次電池システム１０の概要を模式的に示した図である。二次電池システム１０は、複数のバッテリー群１１，１２，１３と、バッテリー群に並列に接続されているアクティブバランサー１４を備えている。バッテリー群１１，１２，１３は互いに並列に接続されている。バッテリー群１１，１２，１３は、それぞれが、同一容量、同一電圧のセル２１を複数個備えている。複数のセル２１は、それぞれのバッテリー群１１，１２，１３の中で直列に接続されている。図１では、一例として、バッテリー群１１，１２，１３のなかにそれぞれ直列に接続した１６個のセルを備えた構成を示している。バッテリー群１１，１２，１３のなかで、セル２１はそれぞれ４個を１つの単位として組み合わされており、４個のセル２１からなる４組のセル群毎の端部に、出力端子が設けられている。

たとえば、図１に示した二次電池システム１０においてセル２１に３Ｖのセルを適用した場合、バッテリー群１１，１２，１３は、それぞれが４８Ｖの出力電圧を有することになる。それぞれのバッテリー群の中から、４個のセル２１を含む一組のセル群を選択してその出力端子から電力を出力すると、出力電圧は１２Ｖとなる。図１では、バッテリー群１１，１２，１３のそれぞれ１個のセル群から並列に給電を行い、その結果、１２Ｖの電力を負荷３に供給している。ただし、バッテリー群の中のセルを組み合わせる数、およびバッテリー群の中に直列配置する数は一例であって、組み合わせる数および配置する総数は、図１の形態に限定されない。

図２は、二次電池システム１０の中のバッテリー群１１，１２，１３と、バッテリー群に並列に接続されているアクティブバランサー１４との電気的な接続形態を模式的に示した図である。バッテリー群１１とアクティブバランサー１４との間には、バッテリー群１１に不具合が発生したときに、バッテリー群１１を二次電池システムから切り離すための開閉スイッチ３１ａ，３１ｂが配置されている。同様に、バッテリー群１２とアクティブバランサー１４との間には、開閉スイッチ３２ａ，３２ｂが配置されている。バッテリー群１２とアクティブバランサー１４との間には、開閉スイッチ３３ａ，３３ｂが配置されている。

開閉スイッチは、それぞれのバッテリー群１１，１２，１３とアクティブバランサー１４との電気的な接続箇所の中で、特にバッテリー群１１，１２，１３の高電圧側と、負荷３への出力箇所に配置することが好ましい。また、アクティブバランサー１４を二次電池から切り離す開閉スイッチも設けられており、アクティブバランサー１４の不具合にも、容易に対応できる。

図３に、バッテリー群１１に不具合が発生した場合の、開閉スイッチ３１ａ，３１ｂによるバッテリー群１１の切り離しの状態を模式的に示す。開閉スイッチ３１ａ，３１ｂを開とすることで、バッテリー群１１を切り離し、バッテリー群１２，１３は放電を続けることで電力を供給して負荷３を稼働させることができる。この場合、バッテリー群が並列に接続されていることで、バッテリー群１１を切り離した後も、負荷３に１２Ｖの電力が供給される。このように、電源の多重化を実現したことで、二次電池システム１０は、二次側電池を必要とせずに、信頼性の高いシステムを提供している。

（実施例１）
図４に、本発明を具現化した二次電池システム４０の回路図を示す。図４の二次電池システム４０は、発電機２から充電される。そして充電後の二次電池システム４０は、負荷３，５に放電する。負荷３には１２Ｖの電圧で電気が供給され、負荷５には４８Ｖ電圧で電気が供給される。

二次電池システム４０は、互いに並列に配置された複数のバッテリー群４１，４２，４３と、バッテリー群に並列に接続されているアクティブバランサー４４を備えている。バッテリー群４１，４２，４３は、それぞれが、同一容量、同一電圧のセル２１を１６個備えている。セル２１はそれぞれ４個を１つの単位として組み合わされており、４個のセル２１からなる４組のセル群毎の端部に、出力端子が設けられている。

アクティブバランサー４４は、バッテリー群４１，４２，４３の中の特に隣り合う２組のセル群のバランス調整をする第一のバランサー４４ａと、バッテリー群４１，４２，４３の全体をバランス調整する第二のバランサー４４ｂとから構成されている。

バッテリー群４１に不具合が発生したときにバッテリー群４１を二次電池システム４０から切り離すために、バッテリー群４１とアクティブバランサー４４ａとの間に開閉スイッチ５１ａ，５１ｂが配置されている。さらにバッテリー群４１とアクティブバランサー４４ｂとの間に、開閉スイッチ５１ｃが配置されている。開閉スイッチ５１ａ，５１ｂ，５１ｃを全て開とすることで、バッテリー群４１が二次電池システム４０から切り離される。

同様に、バッテリー群４２に不具合が発生したときにバッテリー群４２を二次電池システム４０から切り離すために、開閉スイッチ５２ａ，５２ｂ，５２ｃが配置されている。また、バッテリー群４３に不具合が発生したときにバッテリー群４３を二次電池システム４０から切り離すために、開閉スイッチ５３ａ，５３ｂ，５３ｃが配置されている。

このように、バッテリー群４１，４２，４３のいずれかに万一不具合が生じた場合も、そのバッテリー群のみを切り離し、正常に動作する他のバッテリー群から放電することで負荷３，５にそれぞれ給電することができる。

（実施例２）
図５に、第二の実施例である二次電池システム６０の回路図を示す。実施例１と異なる点は、アクティブバランサーの代わりに、ＤＣ－ＤＣコンバータ６４がバッテリー群４１，４２，４３と並列に配置されている点である。ＤＣ－ＤＣコンバータ６４は、チョッパー型のＤＣ－ＤＣコンバータ、若しくはトランスを用いた絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータであり、バッテリー群の中の全セル群から電力を持ち出し、開閉スイッチ５２ａ，５２ｂ，５２ｃにより接続されているバッテリー群並びに負荷３へ電力を供給する回路として機能する。

ＤＣ－ＤＣコンバータ６４は、バッテリー群４１，４２，４３のそれぞれ３箇所の端子に接続されている。すなわち、バッテリー群４１，４２，４３の高圧側の端子と、低圧側の端子と、バッテリー群４１，４２，４３の中の４つのセル群を１個と３個に分割する位置の端子に接続されている。そして、高圧側に接続した経路上と、セル群を分割する端子に接続した経路上に、それぞれ開閉スイッチが配置されている。このような接続形態によって、ＤＣ－ＤＣコンバータ６４の電圧調整機能は、バッテリー群４１，４２，４３の中の接続されている高圧側と低圧側の電圧を３：１にバランスさせるアクティブバランサーと同等に機能する。

バッテリー群４１，４２，４３のいずれかに万一不具合が生じた場合、本実施例の二次電池システム６０もまた、不具合のあるバッテリー群のみを切り離し、正常に動作する他のバッテリー群から放電することで負荷に給電することができる。

（比較例１）
本発明の比較例として、従来知られている二次電子システム１００の構成を図６に示す。図６の二次電子システム１００は、直列に接続された複数のセルを含む１つのバッテリー群１０１と並列にＤＣ－ＤＣコンバータ１０２を接続し、電圧を調整した上で負荷に給電している。二次電子システム１００は、電源の多重化を行っていないため、バッテリー１０１に不具合が発生した場合、負荷への給電が停止する可能性が高い。

（比較例２）
本発明の比較例として、従来知られている他の二次電子システム１１０の構成を図７に示す。図７の二次電子システム１１０は、直列に接続された複数のセルを含む１つのバッテリー群１１１と並列にアクティブバランサー１１２を接続し、更に二次側電池として鉛蓄電池１１３を備えている。二次電池システム１１０の構成は、信頼性の向上のために鉛蓄電池１１３が必要となっている。

以上、説明してきたように、本発明の二次電池システムは、直列接続した複数のセルからなるバッテリー群を二以上有しており、各々のバッテリー群が並列接続されていることにより、電源の多重化を行うことができ、二次電池システムとしての信頼性が向上している。

本実施例で説明した二次電池システムの構成は、適宜変更が可能である。例えば、要求される出力電圧に応じて、接続するセルの数や、セルを組み合わせる数は適宜変更が可能である。また、並列接続するバッテリー群の数は、信頼性の向上のためにより多くすることができる。アクティブバランサーやＤＣ－ＤＣコンバータの構成もまた、適宜変更が可能である。

本発明に係る二次電池システムは、車両のほか、任意の産業用機器に好適に搭載される。

２ 発電機
３，５ 負荷
１０，４０，６０，１００，１１０ 二次電池システム
１１，１２，１３，４１，４２，４３ バッテリー群
２１ セル
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ 開閉スイッチ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ 開閉スイッチ
１４，４４,１１２ アクティブバランサー
６４，１０２ ＤＣ－ＤＣコンバータ
Ｃｒ キャパシタ

Claims (3)

1. 直列接続した複数のセルからなるバッテリー群を二以上有しており、各々のバッテリー群を並列接続した二次電池システムであって、
   各々の前記バッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが配置されており、
   前記バッテリー群と並列に接続されたアクティブバランサーを備えており、
   各々の前記バッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが、各々の前記バッテリー群と前記アクティブバランサーとの接続部に配置されており、
   前記アクティブバランサーは、前記バッテリー群の中の隣り合うセル群のバランス調整をする第一のアクティブバランサーと、二以上の前記バッテリー群の間のバランス調整をする第二のアクティブバランサーとから構成されていることを特徴とする二次電池システム。
2. 各々の前記バッテリー群を二次電池システムの回路から切断する開閉スイッチが、各々の前記バッテリー群と前記第一のアクティブバランサーとの間の二箇所の接続部に設けられており、且つ各々の前記バッテリー群と前記第二のアクティブバランサーとの間の一箇所の接続部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の二次電池システム。
3. 前記アクティブバランサーを二次電池システムの回路から切り離す開閉スイッチをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の二次電池システム。
   

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