JPWO2013140894A1

JPWO2013140894A1 - 調整装置、組電池装置および調整方法

Info

Publication number: JPWO2013140894A1
Application number: JP2014506074A
Authority: JP
Inventors: 洋二郎野村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2015-08-03
Also published as: WO2013140894A1; US20150077061A1; US9472960B2

Abstract

調整装置は、入力電圧から出力電圧を生成する生成手段と、並列接続された蓄電池部の各々と対応し対応する蓄電池部と生成手段の入力側との間に設けられた複数の第１スイッチと、蓄電池部の各々と対応し対応する蓄電池部と生成手段の出力側との間に設けられた複数の第２スイッチと、複数の蓄電池部の各々の電圧を検出する検出手段と、検出手段の検出結果を参照して複数の蓄電池部の中から複数の蓄電池部の電圧の平均値よりも電圧が高い第１蓄電池部と平均値よりも電圧が低い第２蓄電池部とを特定し、複数の第１スイッチのうち第１蓄電池部に対応する第１制御スイッチと、複数の第２スイッチのうち第２蓄電池部に対応する第２制御スイッチと、をオンする制御手段と、を含む。

Description

本発明は、調整装置、組電池装置および調整方法に関し、特には、並列に接続された複数の蓄電池部の間の電圧差を調整する調整装置、組電池装置および調整方法に関する。

複数の蓄電池（例えば、複数のリチウムイオン二次電池セル）が接続されてなる組電池が知られている。

特許文献１には、複数の蓄電池が直列に接続された直列電池ユニットを複数有し、この複数の直列電池ユニットが並列に接続された組電池システムが記載されている。

直列電池ユニット（蓄電池部）が並列に接続された組電池では、直列電池ユニット間での電圧のばらつきに起因して、充電中において、電圧の高い直列電池ユニットから電圧の低い直列電池ユニットに横流が流入するという問題が発生する。このため、直列電池ユニット間での電圧のばらつきを小さくすることが望まれる。

特許文献１に記載の組電池システムでは、自己を流れる電流の大きさを調整可能な電流制御素子、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が各直列電池ユニットにそれぞれ直列に接続され、各電流制御素子を同時に制御して各直列電池ユニットに流れる電流の大きさを調整することで、直列電池ユニット間での電圧のばらつきを小さくしている。

特開２０１０−２９０１５号公報

特許文献１に記載の組電池システムは、複数の直列電池ユニットの各電圧のばらつきを小さくするために、複数の直列電池ユニットのそれぞれに接続された複数の電流制御素子を同時に適切に制御しなければならない。

このため、特許文献１に記載の組電池システムでは、複数の直列電池ユニットのそれぞれに接続された複数の電流制御素子を同時に適切に制御するという複雑な処理が必要になるという課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決可能な調整装置、組電池装置および調整方法を提供することである。

本発明の調整装置は、並列に接続された複数の蓄電池部の間の電圧差を調整する調整装置であって、
入力電圧から出力電圧を生成する生成手段と、
前記複数の蓄電池部のそれぞれと対応し、対応する蓄電池部と前記生成手段の入力側との間に設けられた複数の第１スイッチと、
前記複数の蓄電池部のそれぞれと対応し、対応する蓄電池部と前記生成手段の出力側との間に設けられた複数の第２スイッチと、
前記複数の蓄電池部のそれぞれの電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を参照して、前記複数の蓄電池部の中から、前記複数の蓄電池部の電圧の平均値よりも電圧が高い第１蓄電池部と、前記平均値よりも電圧が低い第２蓄電池部と、を特定し、前記複数の第１スイッチのうち前記第１蓄電池部に対応する第１制御スイッチと、前記複数の第２スイッチのうち前記第２蓄電池部に対応する第２制御スイッチと、をオンする制御手段と、を含む。

本発明の組電池装置は、並列に接続された複数の蓄電池部と上記調整装置とを含む。

本発明の調整方法は、入力電圧から出力電圧を生成する生成手段を含み、並列に接続された複数の蓄電池部の間の電圧差を調整する調整装置が行う調整方法であって、
前記複数の蓄電池部のそれぞれの電圧を検出し、
前記電圧の検出結果を参照して、前記複数の蓄電池部の中から、前記複数の蓄電池部の電圧の平均値よりも電圧が高い第１蓄電池部と、前記平均値よりも電圧が低い第２蓄電池部と、を特定し、前記蓄電池部のそれぞれと対応し対応する蓄電池部と前記生成手段の入力側との間に設けられた複数の第１スイッチのうち前記第１蓄電池部に対応する第１制御スイッチと、前記蓄電池部のそれぞれと対応し対応する蓄電池部と前記生成手段の出力側との間に設けられた複数の第２スイッチのうち前記第２蓄電池部に対応する第２制御スイッチと、をオンする。

本発明によれば、並列に接続された複数の蓄電池部の各電圧のばらつきを小さくするために、複数の蓄電池部のそれぞれに接続された複数の電流制御素子を同時に適切に制御するという複雑な処理を不要にすることが可能になる。

本発明の一実施形態の組電池装置１００を示したブロック図である。調整装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。各スイッチのオン・オフ状態の一例を説明するための図である。ＤＣＤＣコンバータ２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ３とスイッチ２ｃ１〜２ｃ３と検出部２ｅと制御部２ｆとからなる調整装置２０を示した図である。

以下、本発明の一実施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組電池装置１００を示したブロック図である。

図１において、組電池装置１００は、直列電池ユニット１１〜１３と、調整装置２０と、を含む。

直列電池ユニット１１〜１３は、複数の蓄電池部の一例である。直列電池ユニット１１〜１３は、互いに並列に接続されている。直列電池ユニット１１〜１３は、それぞれ、直列に接続された複数の蓄電池（例えば、複数のリチウムイオン二次電池セル）を有する。

なお、蓄電池は、リチウムイオン二次電池セルに限らず適宜変更可能である。また、蓄電池部として、直列電池ユニットの代わりに、１つの二次電池セルが用いられてもよい。また、図１では、直列電池ユニットの数を３としているが、直列電池ユニットの数は２以上であればよい。

調整装置２０は、ＤＣＤＣコンバータ２ａと、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３と、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３と、スイッチ２ｄと、検出部２ｅと、制御部２ｆと、を含む。検出部２ｅは、電圧検出部２ｅ１〜２ｅ３を含む。

ＤＣＤＣコンバータ２ａは、生成手段の一例である。

ＤＣＤＣコンバータ２ａは、入力側２ａ１で受け付けた入力電圧から出力電圧を生成する。ＤＣＤＣコンバータ２ａは、出力電圧を出力側２ａ２から出力する。

本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ２ａは、制御部２ｆからの出力指示に従って、出力電圧の大きさを設定する。

スイッチ２ｂ１〜２ｂ３は、複数の第１スイッチの一例である。

スイッチ２ｂ１〜２ｂ３は、それぞれ、直列電池ユニット１１〜１３に対応する。例えば、スイッチ２ｂ１は直列電池ユニット１１と対応し、スイッチ２ｂ３は直列電池ユニット１３と対応する。

スイッチ２ｂ１〜２ｂ３は、それぞれ、対応する直列電池ユニットとＤＣＤＣコンバータ２ａの入力側２ａ１との間に設けられている。

なお、第１スイッチ（スイッチ２ｂ１〜２ｂ３）の数は、直列電池ユニットの数と同じになる。

スイッチ２ｃ１〜２ｃ３は、複数の第２スイッチの一例である。

スイッチ２ｃ１〜２ｃ３は、それぞれ、直列電池ユニット１１〜１３に対応する。例えば、スイッチ２ｃ１は直列電池ユニット１１と対応し、スイッチ２ｃ３は直列電池ユニット１３と対応する。

スイッチ２ｃ１〜２ｃ３は、それぞれ、対応する直列電池ユニットとＤＣＤＣコンバータ２ａの出力側２ａ２との間に設けられている。

なお、第２スイッチ（スイッチ２ｃ１〜２ｃ３）の数は、直列電池ユニットの数と同じになる。

スイッチ２ｄは、並列に接続された直列電池ユニット１１〜１３を、外部の充電器（不図示）や外部の負荷（不図示）や配電系統（不図示）に接続する。

検出部２ｅは、検出手段の一例である。

検出部２ｅは、直列電池ユニット１１〜１３のそれぞれの電圧を検出する。

電圧検出部２ｅ１〜２ｅ３は、それぞれ、直列電池ユニット１１〜１３に対応する。例えば、電圧検出部２ｅ１は直列電池ユニット１１と対応し、電圧検出部２ｅ３は直列電池ユニット１３と対応する。

電圧検出部２ｅ１〜２ｅ３は、それぞれ、対応する直列電池ユニットの電圧を検出する。

制御部２ｆは、制御手段の一例である。

制御部２ｆは、検出部２ｅの検出結果を参照して、直列電池ユニット１１〜１３の中から、直列電池ユニット１１〜１３の電圧の平均値（以下、単に「平均値」と称する）よりも電圧が高い直列電池ユニット（以下「放電対象電池ユニット」と称する）と、平均値よりも電圧が低い直列電池ユニット（以下「充電対象電池ユニット」と称する）と、を特定する。

なお、放電対象電池ユニットは、第１蓄電池部の一例であり、充電対象電池ユニットは、第２蓄電池部の一例である。

本実施形態では、制御部２ｆは、直列電池ユニット１１〜１３のうちで平均値よりも電圧が高い直列電池ユニットの中の１つ（例えば、最も電圧の高い直列電池ユニット）を放電対象電池ユニットとして特定する。なお、放電対象電池ユニットとして特定される１つの直列電池ユニットは、最も電圧の高い直列電池ユニットに限らず適宜変更可能である。

また、本実施形態では、制御部２ｆは、直列電池ユニット１１〜１３のうちで平均値よりも電圧が低い直列電池ユニットの中の１つ（例えば、最も電圧の低い直列電池ユニット）を充電対象電池ユニットとして特定する。なお、充電対象電池ユニットとして特定される１つの直列電池ユニットは、最も電圧の低い直列電池ユニットに限らず適宜変更可能である。

制御部２ｆは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３の中から、放電対象電池ユニットに対応するスイッチ（以下「第１制御スイッチ」と称する）を特定する。また、制御部２ｆは、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３の中から、充電対象電池ユニットに対応するスイッチ（以下「第２制御スイッチ」と称する）を特定する。

制御部２ｆは、第１制御スイッチと第２制御スイッチとをオンする。

また、制御部２ｆは、充電対象電池ユニットと放電対象電池ユニットの各々の電池特性（例えば、定格電圧）に応じてＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを調整する。本実施形態では、制御部２ｆは、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを指示する出力指示を、充電対象電池ユニットと放電対象電池ユニットの各々の電池特性に応じて調整することで、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを調整する。なお、各直列電池ユニットの各々の電池特性は、制御部２ｆに予め記憶されている。

また、制御部２ｆは、放電対象電池ユニットの電圧と充電対象電池ユニットの電圧との差が所定値以下になると、第１制御スイッチと第２制御スイッチとの少なくとも一方をオフする。なお、所定値は、制御部２ｆに予め記憶されている。

次に、動作を説明する。

図２は、調整装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。

なお、電圧検出部２ｅ１〜２ｅ３は、それぞれ、直列電池ユニット１１〜１３の電圧を検出し、その検出結果を制御部２ｆに出力しているとする。また、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３はオンし、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３はオフになっているとする。

制御部２ｆは、所定のタイミング（例えば、スイッチ２ｄが、並列に接続された直列電池ユニット１１〜１３を外部の充電器と接続し、外部の充電器が直列電池ユニット１１〜１３の充電を終了したタイミング）になると、検出部２ｅの検出結果を参照して、直列電池ユニット１１〜１３の電圧の平均値を算出する（ステップＳ２０１）。なお、所定のタイミングは上記に限らず適宜変更可能である。

続いて、制御部２ｆは、直列電池ユニット１１〜１３のうちで平均値よりも電圧が高い直列電池ユニットの中の１つ（以下では、最も電圧の高い直列電池ユニット）を、放電対象電池ユニットとして特定する（ステップＳ２０２）。

続いて、制御部２ｆは、直列電池ユニット１１〜１３のうちで平均値よりも電圧が低い直列電池ユニットの中の１つ（以下では、最も電圧の低い直列電池ユニット）を、充電対象電池ユニットとして特定する（ステップＳ２０３）。

続いて、制御部２ｆは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３の中から、放電対象電池ユニットに対応するスイッチ（第１制御スイッチ）、つまり、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３のうち放電対象電池ユニットと接続されているスイッチを特定する（ステップＳ２０４）。

続いて、制御部２ｆは、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３の中から、充電対象電池ユニットに対応するスイッチ（第２制御スイッチ）、つまり、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３のうち充電対象電池ユニットと接続されているスイッチを特定する（ステップＳ２０５）。

続いて、制御部２ｆは、スイッチ２ｄをオフにし、第１制御スイッチと第２制御スイッチとをオンする（ステップＳ２０６）。なお、制御部２ｆは、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３および２ｃ１〜２ｃ３のうち、第１制御スイッチと第２制御スイッチとは異なるスイッチをオフにする。

スイッチ２ｄがオフになり、第１制御スイッチと第２制御スイッチとがオンになると、放電対象電池ユニットがＤＣＤＣコンバータ２ａの入力側２ａ１に接続し、充電対象電池ユニットがＤＣＤＣコンバータ２ａの出力側２ａ２に接続する。

このため、ＤＣＤＣコンバータ２ａは、放電対象電池ユニットからの電圧を元にして出力電圧を生成し、その出力電圧を放電対象電池ユニットに印加して放電対象電池ユニットを充電する。

よって、放電対象電池ユニットから充電対象電池ユニットに充電が行われる。

図３は、直列電池ユニット１１が放電対象電池ユニットであり直列電池ユニット１３が充電対象電池ユニットである場合のスイッチ２ｂ１〜２ｂ３および２ｃ１〜２ｃ３のオン・オフ状態および動作スイッチ２ｄのオン・オフ状態を説明するための図である。

図３では、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３のうち直列電池ユニット１１（放電対象電池ユニット）に対応するスイッチ２ｂ１がオンとなり、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３のうち直列電池ユニット１３（充電対象電池ユニット）に対応するスイッチ２ｃ３がオンとなり、動作スイッチ２ｄがオフになる。このため、ＤＣＤＣコンバータ２ａは、直列電池ユニット１１からの電圧を元にして出力電圧を生成し、その出力電圧を直列電池ユニット１３に印加して直列電池ユニット１３を充電する。

なお、制御部２ｆは、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを指示する出力指示を、充電対象電池ユニットと放電対象電池ユニットの各々の電池特性に応じて調整して、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを調整する。例えば、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧が充電対象電池ユニットの定格電圧以下となるように、制御部２ｆは、出力指示を用いて、ＤＣＤＣコンバータ２ａの出力電圧の大きさを調整する。

続いて、制御部２ｆは、放電対象電池ユニットの電圧と充電対象電池ユニットの電圧との差が所定値以下になるまで待つ（ステップＳ２０７）。

ステップＳ２０７において、放電対象電池ユニットの電圧と充電対象電池ユニットの電圧との差が所定値以下になると、制御部２ｆは、第１制御スイッチと第２制御スイッチとの少なくとも一方（本実施形態では、第１制御スイッチと第２制御スイッチの両方）をオフにし、スイッチ２ｄをオンして、放電対象電池ユニットから充電対象電池ユニットへの充電を終了する（ステップＳ２０８）。

なお、制御部２ｆは、全ての直列電池ユニットの電圧が同一になるまで、または、直列電池ユニット１１〜１３のうちの最高電圧と最低電圧との差が予め設定された許容値よりも小さくなるまで、図２に示した動作を繰り返してもよい。なお、許容値は、例えば予め制御部２ｆに記憶されているとする。

次に、本実施形態の効果を説明する。

本実施形態によれば、ＤＣＤＣコンバータ２ａは、入力電圧から出力電圧を生成する。スイッチ２ｂ１〜２ｂ３は、直列電池ユニット１１〜１３のそれぞれと対応し、対応する直列電池ユニットとＤＣＤＣコンバータ２ａの入力側２ａ１との間に設けられている。スイッチ２ｃ１〜２ｃ３は、直列電池ユニット１１〜１３のそれぞれと対応し、対応する直列電池ユニットとＤＣＤＣコンバータ２ａの出力側２ａ２との間に設けられている。検出部２ｅは、直列電池ユニット１１〜１３のそれぞれの電圧を検出する。

制御部２ｆは、検出部２ｅの検出結果を参照して、直列電池ユニット１１〜１３の中から放電対象電池ユニットと充電対象電池ユニットを特定し、スイッチ２ｂ１〜２ｂ３のうち放電対象電池ユニットに対応する第１制御スイッチと、スイッチ２ｃ１〜２ｃ３のうち充電対象電池ユニットに対応する第２制御スイッチと、をオンする。これにより、ＤＣＤＣコンバータ２ａは、放電対象電池ユニットからの電圧から出力電圧を生成し、その出力電圧を充電対象電池ユニットに印加して充電対象電池ユニットを充電する。

このため、直列電池ユニット間での電圧のばらつきを小さくできる。また、直列電池ユニット間での電圧のばらつきを小さくするために、複数の直列電池ユニットのそれぞれに接続された複数の電流制御素子を同時に適切に制御するという複雑な処理を不要にできる。

なお、上記効果は、ＤＣＤＣコンバータ２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ３とスイッチ２ｃ１〜２ｃ３と検出部２ｅと制御部２ｆとからなる調整装置２０でも奏する。

図４は、ＤＣＤＣコンバータ２ａとスイッチ２ｂ１〜２ｂ３とスイッチ２ｃ１〜２ｃ３と検出部２ｅと制御部２ｆとからなる調整装置２０を示した図である。

また、本実施形態では、制御部２ｆは、直列電池ユニット１１〜１３のうち平均値よりも電圧が高い直列電池ユニットの中の１つを放電対象電池ユニットとして特定し、直列電池ユニット１１〜１３のうち平均値よりも電圧が低い直列電池ユニットの中の１つを充電対象電池ユニットとして特定する。

このため、直列電池ユニットを個別に用いた充放電を行うことが可能になり、個々の直列電池ユニットの電圧の調整が容易になる。

また、本実施形態では、生成手段としてＤＣＤＣコンバータが用いられる。このため、直流電圧を発生する直列電池ユニットの充放電を適切に制御することが可能になる。

また、本実施形態では、制御部２ｆは、放電対象電池ユニットの電圧と充電対象電池ユニットの電圧との差が所定値以下になると、第１制御スイッチと第２制御スイッチとの少なくとも一方をオフする。

このため、放電対象電池ユニットから充電対象電池ユニットへの充電を自動的に終了することが可能になる。

なお、本実施形態において、図２に示したステップＳ２０２とステップＳ２０３の順番を逆にしてもよく、また、図２に示したステップＳ２０４とステップＳ２０５の順番を逆にしてもよい。

以上説明した実施形態において、図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。

実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願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、本願発明のスコープ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、２０１２年３月２２日に出願された日本出願特願２０１２−６５３５２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。

１００組電池装置
１１〜１３直列電池ユニット
２０調整装置
２ａＤＣＤＣコンバータ
２ｂ１〜２ｂ３、２ｃ１〜２ｃ３、２ｄスイッチ
２ｅ検出部
２ｅ１〜２ｅ３電圧検出部
２ｆ制御部

Claims

並列に接続された複数の蓄電池部の間の電圧差を調整する調整装置であって、
入力電圧から出力電圧を生成する生成手段と、
前記複数の蓄電池部のそれぞれと対応し、対応する蓄電池部と前記生成手段の入力側との間に設けられた複数の第１スイッチと、
前記複数の蓄電池部のそれぞれと対応し、対応する蓄電池部と前記生成手段の出力側との間に設けられた複数の第２スイッチと、
前記複数の蓄電池部のそれぞれの電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を参照して、前記複数の蓄電池部の中から、前記複数の蓄電池部の電圧の平均値よりも電圧が高い第１蓄電池部と、前記平均値よりも電圧が低い第２蓄電池部と、を特定し、前記複数の第１スイッチのうち前記第１蓄電池部に対応する第１制御スイッチと、前記複数の第２スイッチのうち前記第２蓄電池部に対応する第２制御スイッチと、をオンする制御手段と、を含む調整装置。
請求項１に記載の調整装置において、
前記制御手段は、前記複数の蓄電池部のうち前記平均値よりも電圧が高い蓄電池部の中の１つを前記第１蓄電池部として特定し、前記複数の蓄電池部のうち前記平均値よりも電圧が低い蓄電池部の中の１つを前記第２蓄電池部として特定する、調整装置。
請求項１または２に記載の調整装置において、
前記生成手段は、ＤＣＤＣコンバータである、調整装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の調整装置において、
前記制御手段は、前記第１蓄電池部の電圧と第２蓄電池部の電圧との差が所定値以下になると、前記第１制御スイッチと前記第２制御スイッチとの少なくとも一方をオフする、調整装置。
並列に接続された複数の蓄電池部と、請求項１から４のいずれか１項に記載の調整装置と、を含む組電池装置。
入力電圧から出力電圧を生成する生成手段を含み、並列に接続された複数の蓄電池部の間の電圧差を調整する調整装置が行う調整方法であって、
前記複数の蓄電池部のそれぞれの電圧を検出する検出し、
前記電圧の検出結果を参照して、前記複数の蓄電池部の中から、前記複数の蓄電池部の電圧の平均値よりも電圧が高い第１蓄電池部と、前記平均値よりも電圧が低い第２蓄電池部と、を特定し、前記蓄電池部のそれぞれと対応し対応する蓄電池部と前記生成手段の入力側との間に設けられた複数の第１スイッチのうち前記第１蓄電池部に対応する第１制御スイッチと、前記蓄電池部のそれぞれと対応し対応する蓄電池部と前記生成手段の出力側との間に設けられた複数の第２スイッチのうち前記第２蓄電池部に対応する第２制御スイッチと、をオンする、調整方法。