JPWO2017073018A1 - 蓄電ユニット及び蓄電システム - Google Patents

Abstract

蓄電ユニット間の電圧または残容量を、回路規模およびコストの増大を抑えつつ均等化するために、蓄電ユニット（１０）において、電圧検出回路（１４）は、直列接続された複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の電圧を検出する。電圧検出回路（１４）は、複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端から電源電圧の供給を受ける。ＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）は、複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端電圧を別の直流電圧（ＶＣＣ）に変換する。調整回路（１６）は、複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の消費電力を調整する。調整回路（１６）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）により生成された直流電圧（ＶＣＣ）を電源電圧として動作する。

Description

本発明は、直列接続された複数のセルを管理する蓄電ユニット、及び複数の蓄電ユニットを備える蓄電システムに関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。複数のリチウムイオンセルが直列に接続された組電池を使用する場合、各セルの電圧を検出するために電圧検出回路が設けられる。電圧検出回路で検出された各セルの電圧は、充放電制御およびセル間の均等化制御などに使用される。

高電圧化や高容量化のため、複数の組電池を直列または並列に接続して使用することがあり、その場合、複数の組電池全体においてセルバランスを図る必要がある。ある組電池を管理する電圧検出回路と別の組電池を管理する電圧検出回路との間では通信が発生する。また電圧検出回路と制御回路との間でも通信が発生する。これらの通信負荷は通常、電圧検出回路ごとに異なり、電圧検出回路間の消費電力にバラツキが発生する要因となる。

電圧検出回路の電源を、管理している組電池から得ている場合において、電圧検出回路間の消費電力にバラツキが発生すると、組電池間の電圧および残容量にもバラツキが発生することになる。そこで各組電池に消費電力を調整するための放電回路を接続し、組電池の電圧または残容量を均等化させる仕組みを追加する手法が考えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５０７１６号公報

一般的に、当該放電回路は抵抗とスイッチの直列回路で構成され、組電池の両端に接続されて当該組電池の消費電力を調整する。しかしながら組電池の両端電圧が高い場合、当該抵抗で消費される電力が高くなり、当該抵抗での発熱が大きくなる。従って当該放電回路を耐圧保護、耐熱保護を考慮して設計する必要があり、組電池が搭載される蓄電ユニットの回路規模およびコストが増加していた。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、蓄電ユニット間の電圧または残容量を、回路規模およびコストの増大を抑えつつ均等化する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄電ユニットは、直列接続された複数のセルの電圧を検出する電圧検出回路であって、前記複数のセルの両端から電源電圧の供給を受ける電圧検出回路と、前記複数のセルの両端電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記複数のセルの消費電力を調整するための調整回路であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより生成された直流電圧を電源電圧として動作する調整回路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、蓄電ユニット間の電圧または残容量を、回路規模およびコストの増大を抑えつつ均等化することができる。

本発明の実施の形態に係る蓄電ユニットの構成を示す図である。 図１の蓄電ユニットを複数直列に接続した蓄電システムの構成を示す図である。 比較例に係る蓄電ユニットの構成を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電ユニット１０の構成を示す図である。図２は、図１の蓄電ユニット１０を複数直列に接続した蓄電システム１の構成を示す図である。図１に示すように蓄電ユニット１０は、組電池１１及びセルコントローラ１２を備える。組電池１１は、複数の単セルＶＣ１−ＶＣ８が直列接続されて形成される。単セルは、１個ないし複数個の単電池を並列に接続して構成される。単セルには、リチウムイオンセル、ニッケル水素セル、電気二重層キャパシタセル等を用いることができ、種類は問わない。以下、本実施の形態ではリチウムイオンセルを使用する例を想定する。リチウムイオンセルの公称電圧は３．６−３．７Ｖである。図１に示す例では単セルＶＣ１−ＶＣ８が８個直列に接続されているため、組電池１１の両端電圧は２８．８−２９．６Ｖになる。なお直列数は８個に限るものではない。

セルコントローラ１２は、セルリバランス回路１３、電圧検出・リバランス制御回路１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５及びユニットリバランス回路１６を含む。単セルＶＣ１の上側のノード、単セルＶＣ１−ＶＣ８間の各ノード、及び単セルＶＣ８の下側のノードは、それぞれ電圧検出線を介して電圧検出・リバランス制御回路１４の各端子Ｃ１−Ｃ９に接続される。各電圧検出線には抵抗ＲＣ１−ＲＣ８がそれぞれ挿入される。電圧検出・リバランス制御回路１４は各端子Ｃ１−Ｃ９の電位をもとに、各単セルＶＣ１−ＶＣ８の電圧を検出することができる。組電池１１の両端のノードは、電圧検出・リバランス制御回路１４の電源端子Ｃ０、グラウンド端子ＣＧにそれぞれ接続される。電圧検出・リバランス制御回路１４は、組電池１１の両端から電源電圧の供給を受けるとともに、組電池１１の両端電圧（以下、組電池電圧という）を検出することができる。

セルリバランス回路１３は、放電抵抗ＲＢ１−ＲＢ９と放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８を含み、放電抵抗ＲＢ１−ＲＢ９の電力損失を利用して単セルＶＣ１−ＶＣ８間のリバランス制御を実施するための回路である。放電抵抗ＲＢ１−ＲＢ９の一端は、単セルＶＣ１の上側のノード、単セルＶＣ１−ＶＣ８間の各ノード、及び単セルＶＣ８の下側のノードにそれぞれ接続され、放電抵抗ＲＢ１−ＲＢ９の他端は放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８にそれぞれ接続される。放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８は直列に接続される。放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８の制御端子はそれぞれ、電圧検出・リバランス制御回路１４の各端子Ｂ１−Ｂ８に接続される。

放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８には、半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）やリレーを用いることができる。半導体スイッチを用いる場合、各半導体スイッチの各ゲート端子と、電圧検出・リバランス制御回路１４の各端子Ｂ１−Ｂ８がそれぞれ駆動信号線で接続される。電圧検出・リバランス制御回路１４は、放電スイッチＳＷ１−ＳＷ８の特定の放電スイッチをターンオンすることで、特定の単セルから放電抵抗に電流を流し、当該単セルの残容量を低下させることができる。最もシンプルなリバランス制御では、単セルＶＣ１−ＶＣ８の内、最も電圧が低い単セルに、残りの単セルの電圧を合わせるよう残りの単セルを放電させる。

なお図１に示す回路構成では、対象となる放電スイッチＳＷｎと、その両隣の放電スイッチＳＷ（ｎ−１）、ＳＷ（ｎ＋１）が同時にオンしないように制御される。図１に示す回路構成を用いたセルリバランス方式は、電圧または残容量が相対的に高い単セルから、抵抗などのインピーダンス素子に電流を流すことで電力損失を発生させ、単セル間の容量をリバランスするパッシブ方式に分類される。なおセルリバランス方式はパッシブ方式に限定されるものではなく、キャパシタ等を利用するアクティブ方式を用いてもよく、セルリバランスのための方式は問わない。アクティブ方式はパッシブ方式と比較して、電力損失を抑えることができるが回路規模が大きくなる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、組電池電圧を別の直流電圧に変換する安定化電源である。当該安定化電源にはリニアレギュレータを用いてもよいし、スイッチングレギュレータを用いてもよく、その構成や方式は問わない。以下、本実施の形態では、３端子レギュレータＩＣを使用することを想定する。

組電池１１の正極とＤＣ−ＤＣコンバータ１５の入力端子とを繋ぐ給電線にスイッチＳＷ０が挿入される。スイッチＳＷ０をターンオフすることにより、組電池１１からＤＣ−ＤＣコンバータ１５への電力供給を遮断することができる。なお当該給電線に、突入電流やノイズを抑制させるための抵抗器やＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）フィルタ等を配置してもよい。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、組電池電圧を降圧して安定電圧ＶＣＣ（例えば、５．０Ｖ）を生成し、ユニットリバランス回路１６に供給する。ユニットリバランス回路１６は、放電抵抗ＲＢ１０、放電スイッチＳＷ９を含み、放電抵抗ＲＢ１０の電力損失を利用して組電池１１の消費電力を調整する回路である。放電抵抗ＲＢ１０の一端はＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力に接続され、放電抵抗ＲＢ１０の他端は放電スイッチＳＷ９の一端に接続される。放電スイッチＳＷ９の他端は本蓄電ユニット１０のグラウンドに接続される。

放電スイッチＳＷ９にも、半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）やリレーを用いることができる。半導体スイッチを用いる場合、半導体スイッチのゲート端子と、電圧検出・リバランス制御回路１４の端子Ｂ９が駆動信号線で接続される。電圧検出・リバランス制御回路１４は、放電スイッチＳＷ９をターンオンすることで、組電池１１からＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して放電抵抗ＲＢ１０に電流を流し、組電池１１の残容量を低下させることができる。なおユニットリバランス回路１６は、放電抵抗ＲＢ１０と放電スイッチＳＷ９を用いる構成に限るものではなく、例えば定電流回路を用いてもよい。いずれの構成であっても、複数の組電池１１間のリバランスを行うことができる。

またユニットリバランス回路１６を複数設けてもよい。ユニットリバランス回路１６を有効にする数を変えることにより、組電池１１からの放電量を調整することができる。なお、放電抵抗を可変抵抗にすることによっても、組電池１１からの放電量を調整することができる。

電圧検出・リバランス制御回路１４は、単セルＶＣ１−ＶＣ８の各電圧を測定する機能、及び組電池１１の両端電圧である組電池電圧を測定する機能を備える。また電圧検出・リバランス制御回路１４はセルリバランス回路１３を用いて、単セルＶＣ１−ＶＣ８間の電圧または残容量をリバランスするセルリバランス機能を備える。また電圧検出・リバランス制御回路１４はユニットリバランス回路１６を用いて、蓄電システム１を構成する複数の組電池１１間の電圧または残容量をリバランスするユニットリバランス機能を備える。

セルの開回路電圧（ＯＣＶ）と残容量（ＳＯＣ）には安定的な関係（ＯＣＶ−ＳＯＣ曲線）があり、電圧検出・リバランス制御回路１４は、セルの開回路電圧（ＯＣＶ）から残容量（ＳＯＣ）を推定することができる。なお両者の関係は、温度やセルの劣化状態に応じて変化するため電圧検出・リバランス制御回路１４は、温度やセルの劣化状態を考慮して、セルの検出電圧から残容量を推定する必要がある。なお、セルの開回路電圧（ＯＣＶ）から残容量（ＳＯＣ）を推定する処理は制御回路２０で行ってもよい。なお、セルの残容量（ＳＯＣ）はセルに流れる電流を積算することにより推定することもできる。

電圧検出・リバランス制御回路１４は制御インターフェースＩＦを備える。電圧検出・リバランス制御回路１４は、複数の単セルＶＣ１−ＶＣ８の各電圧値または各残容量、及び組電池１１の電圧または残容量を制御インターフェースＩＦから出力する。また電圧検出・リバランス制御回路１４は、制御インターフェースＩＦから入力される制御信号に基づきセルリバランス回路１３及びユニットリバランス回路１６を制御する。

図１では、電圧検出器とリバランス制御回路と制御インターフェースＩＦを一体化して、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成する例を示している。
なお当該ＡＳＩＣに、セルリバランス回路１３、ユニットリバランス回路１６及びＤＣ−ＤＣコンバータ１５の少なくとも一部も含めることも可能である。反対に電圧検出器とリバランス制御回路を分離して構成することも可能である。

図１では、電圧検出・リバランス制御回路１４の電源電圧は、電源端子Ｃ０から入力される組電池電圧を、内部に設けられる３端子レギュレータ等のＤＣ−ＤＣコンバータ（不図示）で降圧して生成している。なお外部に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧を内部に取り込んで電圧検出・リバランス制御回路１４の電源電圧として使用してもよい。

図２に示すように本実施の形態に係る蓄電システム１は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄと、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄを管理制御する制御回路２０を備える。図２に示す例では、４個の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄを直列に接続して高電圧化している。各蓄電ユニット１０ａ−１０ｄの構成は、図１に示した蓄電ユニット１０の構成に対応する。

複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄと制御回路２０は制御信号線３０で接続され、相互通信が可能である。接続形態や通信方式は任意であり、例えば蓄電ユニット１０ａ−１０ｄのセルコントローラ１２ａ−１２ｄと制御回路２０をそれぞれ１：１で接続する、制御回路２０を中心としたスター型接続を用いてもよい。また通信バスを設置し、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄと制御回路２０がそれぞれ当該通信バスにアクセスして通信する方式を用いてもよい。またセルコントローラ１２ａ−１２ｄと制御回路２０の間で、バケツリレーの要領でデータを順次受け渡すデイジーチェイン方式を用いてもよい。

デイジーチェイン方式を用いる場合、終端に近いセルコントローラほど通信量が少なくなり通信負荷が軽くなる。一方、制御回路２０に近いセルコントローラほど通信量が多くなり通信負荷が重くなる。従ってデイジーチェイン方式では、セルコントローラ間の消費電力のバラツキが大きくなる。

制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに含まれる各単セルをリバランスする機能、及び複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに含まれる各組電池１１ａ−１１ｄをリバランスする機能を備える。制御回路２０は例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）で構成することができる。

制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄでそれぞれ検出される各単セルＶＣ１−ＶＣ８の電圧値または残容量を制御信号線３０を介して取得する。制御回路２０は、取得した各単セルの電圧値または残容量が均等化されるよう複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに制御信号を通知する。例えば、取得した複数の単セルの電圧値または残容量の内、最も低い電圧値または残容量と、最も高い電圧値または残容量との差が閾値を超えた場合に制御回路２０は、セルリバランス制御を開始する。また定期的にセルリバランス制御を行う設定でもよい。

制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに含まれる複数の単セルの目標電圧値または目標残容量を決定する。当該目標電圧値または当該目標残容量には例えば、当該複数の単セルの電圧値または残容量の内の、最小の電圧値または残容量を使用することができる。制御回路２０は、取得した各単セルの電圧値または残容量と、当該目標電圧値または当該目標残容量との差分に応じて、各単セルの放電時間（即ち、放電スイッチのオン時間）を決定する。当該差分が大きいほど放電時間が長くなる。制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに制御信号線３０を介して、各単セルの放電時間を通知する。なお制御回路２０から目標電圧値または目標残容量を複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに通知し、各セルコントローラ１２ａ−１２ｄで各単セルの放電時間を決定してもよい。

また制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄでそれぞれ検出される組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量を制御信号線３０を介して取得する。制御回路２０は、取得した各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量が均等化されるよう複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに制御信号を通知する。例えば、取得した複数の組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量の内、最も低い電圧値または残容量と、最も高い電圧値または残容量との差が閾値を超えた場合に制御回路２０は、ユニットリバランス制御を開始する。また定期的にユニットリバランス制御を行う設定でもよい。

制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに含まれる複数の組電池１１ａ−１１ｄの目標電圧値または目標残容量を決定する。当該目標電圧値または当該目標残容量には例えば、当該複数の組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量の内の、最小の電圧値または残容量を使用することができる。制御回路２０は、取得した各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量と、当該目標電圧値または当該目標残容量との差分に応じて、各組電池１１ａ−１１ｄの放電時間（即ち、放電スイッチＳＷ９のオン時間）を決定する。当該差分が大きいほど放電時間が長くなる。制御回路２０は、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに制御信号線３０を介して、各組電池１１ａ−１１ｄの放電時間を通知する。なお制御回路２０から目標電圧値または目標残容量を複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに通知し、各セルコントローラ１２ａ−１２ｄで各組電池１１ａ−１１ｄの放電時間を決定してもよい。

なお、上述の構成では、制御回路２０は、取得した各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量が均等化されるように放電スイッチＳＷ９のオン時間を決定しているが、必ずしもユニットリバランス制御のみで各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量の均等化を実現する必要はない。具体的には、制御回路２０は、各組電池１１ａ−１１ｄに対して、それぞれの組電池を構成する複数の単セルＶＣ１−ＶＣ８の中から最低電圧値または最低残容量を特定し、特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になるように、それぞれの組電池の放電スイッチＳＷ９のオン時間を決定してもよい。

このようなユニットリバランス制御を行う場合、ユニットリバランス制御のみでは、各組電池１１ａ−１１ｄに対して、特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になるだけで、各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量の均等化を実現することはできないが、上述のセルリバランス制御を組み合わせることで、各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量の均等化も実現できる。この構成によると、制御回路２０は、上述のセルリバランス制御と上述のユニットリバランス制御を独立に実行することができるようになる。

例えば、セルリバランス制御やユニットリバランス制御の頻度によっては、セルリバランス制御による各組電池の放電量に比較的大きな差が生じることがある。セルリバランス制御による放電量は、組電池を構成する各単セルの電圧値または残容量の偏差によって決まるが、この偏差と各組電池の電圧値や残容量の大小関係とは直接的な関連性はない。具体的には、各組電池の電圧値が一致している場合（先にユニットリバランス制御を実施した状態）であっても、それぞれの組電池を構成する複数の単セルの電圧値に偏差が生じていることがある。この状態でセルリバランス制御を行うと各組電池の電圧値にずれが生じる。従って、取得した各組電池１１ａ−１１ｄの電圧値または残容量と、当該目標電圧値または当該目標残容量との差分に応じて、各組電池１１ａ−１１ｄの放電時間（即ち、放電スイッチＳＷ９のオン時間）を決定する構成の場合、セルリバランス制御を先に実施し、その後でユニットリバランス制御を行う必要がある。

これに対して、各組電池に対して特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になるようにユニットリバランス制御を行う場合は、セルリバランス制御の影響を受けない。例えば、各組電池に対して特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になった状態でセルリバランス制御を実施したとしても、各組電池に対して特定された複数の最低電圧値または最低残容量にずれが生じることはない。また、各組電池を構成する単セルの電圧値または残容量が均一で、かつ、組電池の電圧値または残容量に偏差がある場合に、各組電池に対して特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になるように放電スイッチＳＷ９を制御したとしても、各組電池を構成する単セルの電圧値または残容量に偏差が生じることはない。従って、各組電池に対して特定された複数の最低電圧値または最低残容量が均一になるようにユニットリバランス制御を行う場合は、両制御に前後関係や依存関係はなく、セルリバランス制御とユニットリバランス制御を独立に実行することができる。なお両制御を定期的に実行する場合は、両制御を同時に開始してもよいし、別々に開始してもよい。通常、ユニットリバランス制御で組電池から放電される電流量は、セルリバランス制御で単セルから放電される電流量以上になる。従って両制御を同時に開始した場合、ユニットリバランス制御は、セルリバランス制御が完了すると同時またはそれ以降に完了することになる。

制御回路２０は、上述のセルリバランス制御と上述のユニットリバランス制御を独立に実行する。両制御に前後関係や依存関係はない。なお両制御を定期的に実行する場合は、両制御を同時に開始してもよいし、別々に開始してもよい。通常、ユニットリバランス制御で組電池から放電される電流量は、セルリバランス制御で単セルから放電される電流量以上になる。従って両制御を同時に開始した場合、ユニットリバランス制御は、セルリバランス制御が完了すると同時またはそれ以降に完了することになる。

制御回路２０は、セルリバランス制御およびユニットリバランス制御を、蓄電システム１が外部機器（例えば、負荷、充電器）と電気的に切断された状態で実行してもよいし、電気的に接続された状態で実行してもよい。即ち、蓄電システム１の待機動作中に実行してもよいし、充放電動作中に実行してもよく、その動作状態を問わない。

蓄電システム１に含まれる複数のセルコントローラ１２ａ−１２ｄの消費電流は必ずしも同一にはならない。例えば、セルコントローラ１２ａ−１２ｄ間の部品バラツキにより、部品定数や温度特性にバラツキがある場合、消費電流が不均一となる。また上述のようにセルコントローラ１２ａ−１２ｄ間で通信負荷に偏りがある場合も、消費電流が不均一となる。上述のデイジーチェイン方式の場合、制御回路２０と直接通信するセルコントローラの負荷が最も重くなり、消費電流が最も大きくなる。

これに対して本実施の形態では各セルコントローラ１２ａ−１２ｄにユニットリバランス回路１６を設け、セルコントローラ１２ａ−１２ｄの消費電流を個別に調整する機能を有している。これにより、セルコントローラ１２ａ−１２ｄ間の消費電流を均一化することが可能である。セルコントローラ１２ａ−１２ｄ間の消費電流が均一となることで、セル間のバラツキも抑制することができ、結果としてセルリバランス回路１３を小型に設計することが可能となる。即ち、セルコントローラ１２ａ−１２ｄ間の消費電流が均一化することで、セル間の残容量のバラツキが拡大する時間が長くなるため、１回のセルリバランスにかける時間を長く、つまり放電電流を小さく設定することができる。これにより、セルリバランス回路１３を構成する放電抵抗ＲＢ１−ＲＢ９などの部品サイズを小さくすることができる。

図３は、比較例に係る蓄電ユニット１０の構成を示す図である。比較例に係る蓄電ユニット１０は、図１に示した実施の形態に係る蓄電ユニット１０の構成からＤＣ−ＤＣコンバータ１５及びスイッチＳＷ０を省略した構成である。比較例ではユニットリバランス回路１６の電源電圧として組電池電圧が直接入力される。この場合、ユニットリバランス回路１６を、組電池電圧（直列接続される単セル数）とユニットリバランス回路１６での所望の電力損失量（消費電流）に応じて設計する必要がある。従って組電池電圧が高圧の場合（直列接続される単セル数が多い場合）、組電池電圧から進入するノイズへの保護部品を追加したり、部品耐圧および部品発熱を考慮して部品サイズを大きくしたりする必要がある。そのため比較例では、ユニットリバランス回路１６を大型化する必要がある。

これに対して本実施の形態では、ユニットリバランス回路１６の電源電圧として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧である安定電圧が入力される。この安定電圧を低電圧（例えば５．０Ｖ）に設定することにより、ユニットリバランス回路１６を小型化することができる。具体的には、ユニットリバランス回路１６に含まれる抵抗器やスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）の許容損失や部品耐圧を下げることができるため、それらの部品サイズを小さくすることができる。またノイズ保護部品を追加する必要もない。従ってユニットリバランス回路１６を小型化することができる。これにより、セルコントローラ１２も小型化することができ、蓄電システム１全体の小型化にも寄与する。

また比較例では、組電池１１に放電抵抗ＲＢ１０が直接接続されているため、組電池電圧が変動すると放電抵抗ＲＢ１０に流れる電流値も変動する。従って比較例では、組電池電圧の変動を考慮して、ユニットリバランス制御を行う必要があった。これに対して本実施の形態では、組電池１１と放電抵抗ＲＢ１０の間に、安定電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ１５が介在するため、定電流でユニットリバランス制御を行うことができる。従って、放電抵抗ＲＢ１０に流れる電流値の変動を考慮する必要がなく、ユニットリバランス制御を簡素化することができる。

本実施の形態では上述のようにユニットリバランス回路１６を小型化することができるが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５が追加される。しかしながらＤＣ−ＤＣコンバータ１５は放電抵抗ＲＢ１０と比較して放熱対策が容易である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を基板のＧＮＤプレーンに接続することで高い放熱性が得られる。またＤＣ−ＤＣコンバータ１５として、ヒートシンク付きのレギュレータＩＣを使用すれば、より効果的な放熱処理ができる。効率よく放熱することでＤＣ−ＤＣコンバータ１５を小型化することができる。

これに対して比較例では、放電抵抗ＲＢ１０と組電池１１が直接接続されるため、放電抵抗ＲＢ１０を基板のＧＮＤプレーンから絶縁する必要があり放熱設計が難しくなる。絶縁と放熱の両方を満足させるには部品サイズを大きくする必要がある。

このように小型のＤＣ−ＤＣコンバータ１５を追加することで、ユニットリバランス回路１６の大型化を回避することができる。従って回路規模およびコストの増大を抑えつつ、蓄電ユニット１０ａ−１０ｄの組電池１１ａ−１１ｄ間をリバランスすることができる。また蓄電ユニット１０ａ−１０ｄに含まれる複数のセル間をリバランスすることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄを直列接続する例を挙げたが、複数の蓄電ユニット１０ａ−１０ｄを並列接続してもよい。この場合、蓄電システム１の容量が増大する。

また上述の実施の形態ではユニットリバランス制御とセルリバランス制御の両方を実施する蓄電システム１を説明したが、ユニットリバランス制御のみを実施してもよい。例えば、ニッケル水素セルを使用する場合、セルリバランス制御を実施しない場合が多い。

また上述の実施の形態では蓄電システム１を車両用電源装置に利用する例を想定したが、車載用途に限らず、航空用電源装置、船舶用電源装置、定置型蓄電システム等、他の用途にも利用可能である。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
直列接続された複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の電圧を検出する電圧検出回路（１４）であって、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端から電源電圧の供給を受ける電圧検出回路（１４）と、
前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端電圧を別の直流電圧（ＶＣＣ）に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）と、
前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の消費電力を調整するための調整回路（１６）であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）により生成された直流電圧（ＶＣＣ）を電源電圧として動作する調整回路（１６）と、
を備えることを特徴とする蓄電ユニット（１０）。
これによれば、調整回路（１６）を小型化することができる。
［項目２］
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）は、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端電圧を降圧して、前記調整回路（１６）に供給することを特徴とする項目１に記載の蓄電ユニット（１０）。
これによれば、調整回路（１６）を構成する部品の耐圧を下げることができる。
［項目３］
前記調整回路（１６）は、抵抗（ＲＢ１０）とスイッチ（ＳＷ９）を含み、
前記電圧検出回路（１４）は、前記スイッチ（ＳＷ９）を制御して前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の消費電力を調整することを特徴とする項目１または２に記載の蓄電ユニット（１０）。
これによれば、調整回路（１６）を簡素に構成することができ、調整回路（１６）を小型化することができる。
［項目４］
前記電圧検出回路（１４）は、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端電圧をユニット電圧またはユニット残容量として制御回路（２０）に通知し、
前記制御回路（２０）は、前記蓄電ユニット（１０）、及び前記蓄電ユニット（１０ａ）と直列または並列に接続された少なくとも１つの他の蓄電ユニット（１０ｂ−１０ｄ）からそれぞれユニット電圧またはユニット残容量を取得し、取得したユニット電圧またはユニット残容量が均等化されるよう各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）に制御信号を通知し、
前記電圧検出回路（１４）は、前記制御回路（２０）からの制御信号にもとづき前記調整回路（１６）を制御することを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の蓄電ユニット（１０）。
これによれば、複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）間のユニットリバランス制御が可能となる。
［項目５］
前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の電圧または残容量を均等化させるための均等化回路（１３）をさらに備え、
前記電圧検出回路（１４）は、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の各電圧または各残容量を制御回路（２０）に通知し、
前記制御回路（２０）は、前記蓄電ユニット（１０ａ）、及び前記蓄電ユニット（１０ａ）と直列または並列に接続された少なくとも１つの他の蓄電ユニット（１０ｂ−１０ｄ）からそれぞれ複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の各電圧または各残容量を取得し、取得した各電圧または各残容量が均等化されるよう各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）に制御信号を通知し、
前記電圧検出回路（１４）は、前記制御回路（２０）からの制御信号にもとづき前記均等化回路（１３）を制御することを特徴とする項目４に記載の蓄電ユニット（１０）。
これによれば、複数のセル間のセルリバランス制御が可能となる。
［項目６］
直列または並列に接続された複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）と、
前記複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）を制御する制御回路（２０）と、を備え、
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）は、
直列接続された複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の電圧を検出する電圧検出回路（１４）であって、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の両端から電源電圧の供給を受ける電圧検出回路（１４）と、
前記複数のセル（１０ａ−１０ｄ）の両端電圧を別の直流電圧（ＶＣＣ）に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）と、
前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の消費電力を調整するための調整回路（１６）であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１５）により生成された直流電圧（ＶＣＣ）を電源電圧として動作する調整回路（１６）と、
を含むことを特徴とする蓄電システム（１）。
これによれば、調整回路（１６）を小型化することができる。
［項目７］
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）の電圧検出回路（１４）は、前記複数のセル（１０ａ−１０ｄ）の両端電圧をユニット電圧またはユニット残容量として前記制御回路（２０）に通知し、
前記制御回路（２０）は、前記複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）からそれぞれユニット電圧またはユニット残容量を取得し、取得したユニット電圧またはユニット残容量が均等化されるよう各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）に制御信号を通知し、
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）の電圧検出回路（１４）は、前記制御回路（２０）からの制御信号にもとづき前記調整回路（１６）を制御することを特徴とする項目６に記載の蓄電システム（１）。
これによれば、複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）間のユニットリバランス制御が可能となる。
［項目８］
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）は、
前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の電圧または残容量を均等化させるための均等化回路（１３）をさらに含み、
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）の電圧検出回路（１４）は、前記複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の各電圧または各残容量を前記制御回路（２０）に通知し、
前記制御回路は、前記複数の蓄電ユニットからそれぞれ複数のセル（ＶＣ１−ＶＣ８）の各電圧または各残容量を取得し、取得した各電圧または各残容量が均等化されるよう各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）に制御信号を通知し、
各蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）の電圧検出回路（１４）は、前記制御回路（２０）からの制御信号にもとづき前記均等化回路（１３）を制御することを特徴とする項目７に記載の蓄電システム（１）。
これによれば、複数のセル間のセルリバランス制御が可能となる。
［項目９］
前記制御回路（２０）は、前記複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）のユニット電圧またはユニット残容量を均等化させる制御と、前記複数の蓄電ユニット（１０ａ−１０ｄ）の各セルの電圧または残容量を均等化させる制御を独立に実行することを特徴とする項目８に記載の蓄電システム（１）。
これによれば、柔軟なリバランス制御が可能となる。

１ 蓄電システム、 １０ 蓄電ユニット、 １１ 組電池、 １２ セルコントローラ、 １３ セルリバランス回路、 １４ 電圧検出・リバランス制御回路、 １５ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 １６ ユニットリバランス回路、 ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３，ＶＣ４，ＶＣ５，ＶＣ６，ＶＣ７，ＶＣ８ 単セル、 ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４，ＲＣ５，ＲＣ６，ＲＣ７，ＲＣ８，ＲＣ９ 抵抗、 ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４，ＲＢ５，ＲＢ６，ＲＢ７，ＲＢ８，ＲＢ９，ＲＢ１０ 放電抵抗、 ＳＷ０ スイッチ、 ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ８，ＳＷ９ 放電スイッチ、 ２０ 制御回路、 ３０ 制御信号線。

Claims (9)

1. 直列接続された複数のセルの電圧を検出する電圧検出回路であって、前記複数のセルの両端から電源電圧の供給を受ける電圧検出回路と、
   前記複数のセルの両端電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記複数のセルの消費電力を調整するための調整回路であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより生成された直流電圧を電源電圧として動作する調整回路と、
   を備えることを特徴とする蓄電ユニット。
2. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記複数のセルの両端電圧を降圧して、前記調整回路に供給することを特徴とする請求項１に記載の蓄電ユニット。
3. 前記調整回路は、抵抗とスイッチを含み、
   前記電圧検出回路は、前記スイッチを制御して前記複数のセルの消費電力を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電ユニット。
4. 前記電圧検出回路は、前記複数のセルの両端電圧をユニット電圧またはユニット残容量として制御回路に通知し、
   前記制御回路は、前記蓄電ユニット、及び前記蓄電ユニットと直列または並列に接続された少なくとも１つの他の蓄電ユニットからそれぞれユニット電圧またはユニット残容量を取得し、取得したユニット電圧またはユニット残容量が均等化されるよう各蓄電ユニットに制御信号を通知し、
   前記電圧検出回路は、前記制御回路からの制御信号にもとづき前記調整回路を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄電ユニット。
5. 前記複数のセルの電圧または残容量を均等化させるための均等化回路をさらに備え、
   前記電圧検出回路は、前記複数のセルの各電圧または各残容量を制御回路に通知し、
   前記制御回路は、前記蓄電ユニット、及び前記蓄電ユニットと直列または並列に接続された少なくとも１つの他の蓄電ユニットからそれぞれ複数のセルの各電圧または各残容量を取得し、取得した各電圧または各残容量が均等化されるよう各蓄電ユニットに制御信号を通知し、
   前記電圧検出回路は、前記制御回路からの制御信号にもとづき前記均等化回路を制御することを特徴とする請求項４に記載の蓄電ユニット。
6. 直列または並列に接続された複数の蓄電ユニットと、
   前記複数の蓄電ユニットを制御する制御回路と、を備え、
   各蓄電ユニットは、
   直列接続された複数のセルの電圧を検出する電圧検出回路であって、前記複数のセルの両端から電源電圧の供給を受ける電圧検出回路と、
   前記複数のセルの両端電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記複数のセルの消費電力を調整するための調整回路であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより生成された直流電圧を電源電圧として動作する調整回路と、
   を含むことを特徴とする蓄電システム。
7. 各蓄電ユニットの電圧検出回路は、前記複数のセルの両端電圧をユニット電圧またはユニット残容量として前記制御回路に通知し、
   前記制御回路は、前記複数の蓄電ユニットからそれぞれユニット電圧またはユニット残容量を取得し、取得したユニット電圧またはユニット残容量が均等化されるよう各蓄電ユニットに制御信号を通知し、
   各蓄電ユニットの電圧検出回路は、前記制御回路からの制御信号にもとづき前記調整回路を制御することを特徴とする請求項６に記載の蓄電システム。
8. 各蓄電ユニットは、
   前記複数のセルの電圧または残容量を均等化させるための均等化回路をさらに含み、
   各蓄電ユニットの電圧検出回路は、前記複数のセルの各電圧または各残容量を前記制御回路に通知し、
   前記制御回路は、前記複数の蓄電ユニットからそれぞれ複数のセルの各電圧または各残容量を取得し、取得した各電圧または各残容量が均等化されるよう各蓄電ユニットに制御信号を通知し、
   各蓄電ユニットの電圧検出回路は、前記制御回路からの制御信号にもとづき前記均等化回路を制御することを特徴とする請求項７に記載の蓄電システム。
9. 前記制御回路は、前記複数の蓄電ユニットのユニット電圧またはユニット残容量を均等化させる制御と、前記複数の蓄電ユニットの各セルの電圧または残容量を均等化させる制御を独立に実行することを特徴とする請求項８に記載の蓄電システム。

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