WO2011096430A1 - 電源装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention mainly relates to a power supply apparatus including a large capacity battery group in which both an output voltage and an output current are increased.
- the power supply device that increases both the output voltage and the output current increases the voltage by connecting a number of batteries in series.
- batteries connected in series are charged with the same charging current and discharged with the same current. Therefore, if all the batteries have exactly the same characteristics, no imbalance occurs in the battery voltage or the remaining capacity.
- the battery imbalance is an imbalance of voltage and remaining capacity when charging and discharging are repeated. Furthermore, battery voltage imbalance causes overcharge or overdischarge of a specific battery.
- a power supply device for a vehicle having a cell balance maintenance function that detects the voltage of each battery and eliminates imbalance has been developed (see Patent Document 1).
- the power supply device 40 for a vehicle described in Patent Document 1 has a discharge circuit 42 connected in parallel with each battery 41 constituting a series battery group as shown in FIG.
- the discharge circuit 42 is a series circuit of a discharge resistor 43 and a switching element 44.
- the power supply device 40 discharges the battery 41 whose voltage has been increased by the discharge circuit 42 to restore the cell balance and eliminate the battery imbalance.
- the discharge circuit 42 that discharges the battery 41 switches the switching element 44 to ON and discharges the specific battery 41 with the discharge resistor 43 to lower the voltage.
- This power supply device 40 can eliminate the imbalance of the batteries 41 connected in series.
- This power supply device can increase the output voltage by connecting a large number of batteries in series, but the current capacity is the current capacity of each battery. Since the output of the power supply device is proportional to the product of voltage and current, it can be further increased by increasing the current. That is, the power supply device can increase the output current and the output voltage by connecting a large number of batteries in series and in parallel, thereby further increasing the output.
- a power supply device in which a plurality of batteries are arranged and connected in a matrix in parallel with a series like Patent Document 1, can equalize the voltages of the batteries connected in series and eliminate unbalance.
- the present invention has been made in view of such conventional problems.
- the main object of this invention is to provide the power supply device which can perform equalization of a battery cell efficiently, connecting many battery cells in series and parallel.
- a power supply device in which a plurality of battery cells are connected in parallel, wherein the plurality of battery cells are connected in parallel to form a battery pack.
- a plurality of battery packs are connected in series to form a battery unit, and the plurality of battery units are connected to each other in parallel with respect to the output line.
- a first equalization circuit that suppresses and a second equalization circuit that suppresses variations in the remaining battery capacity of the battery packs connected in series constituting each battery unit can be provided.
- the non-uniformity between the battery units is eliminated by the first equalization circuit, and the non-uniformity between the battery packs included in each battery unit.
- the uniformity is eliminated by the second equalization circuit, there is an advantage that the cell balance can be efficiently restored in a short time for each block without individually equalizing the battery cells.
- the second equalization circuit 24 includes a second limiting resistor 25 and a second equalization switch 26 connected in parallel to each battery pack 20. A circuit can be provided. Thereby, the nonuniformity which arose between battery packs in each battery unit can be eliminated by the second equalization circuit.
- the battery unit 10 can connect the battery packs 20 with a detachable connector. This makes it easy to connect and replace battery packs, especially when battery pack abnormalities occur, making it easier to replace, reducing the time to recovery and eliminating the need to replace all battery packs. As an advantage, the cost can be reduced.
- the battery pack 20 is configured by connecting a plurality of battery blocks in which a plurality of battery cells 31 are connected in parallel, and the battery pack 20 further includes the battery pack 20.
- a third equalization circuit 34 for equalizing a plurality of battery blocks can be provided for each battery block. Thereby, it is possible to eliminate the equalization between the plurality of battery blocks included in the battery pack.
- the capacity of the battery group can be set to 1 KVA to 100 KVA.
- the plurality of battery units 10 can be detachably connected to the output line OL.
- the power supply controller 2 for controlling the parallel connection switch 12 and the equalization switch is further provided, and the power supply controller 2 sets the parallel connection switch 12 in an ON state to a battery unit. 10 are connected in parallel, the parallel connection switch 12 is turned off and the equalization switch is turned on, so that the battery units 10 can be equalized.
- the unit voltage difference ⁇ VU can be reduced to shorten the time required for the equalizing operation.
- the battery cell 31 constituting the battery pack 20 can be a lithium ion battery.
- the first equalization circuit 14 and the parallel connection switch 12 are further connected in parallel, and the parallel connection switch 12 and the first equalization switch 16 are controlled.
- a switch control circuit 6 is provided, and at the timing when the battery unit 10 is connected to the load LD, the switch control circuit 6 turns on the first equalization switch 16 of the first equalization circuit 14 and turns the battery unit 10 on.
- the battery unit 10 can be connected to the load LD by connecting to the load LD and limiting the inrush current with the first limiting resistor 15 and turning on the parallel connection switch 12 in a state where no inrush current flows.
- the load inrush current can be prevented while using the first equalizing circuit in combination with the circuit for preventing the inrush current without providing a dedicated circuit for preventing the load inrush current.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating a power supply system using a power supply device according to Embodiment 1.
- FIG. It is a block diagram which shows a mode that the equalization operation
- It is a block diagram of the battery pack which comprises the battery unit of FIG.
- It is a block diagram which shows the conventional power supply device.
- It is a block diagram which shows an example of the inrush current prevention circuit connected to the output side of the power supply device shown in FIG.
- FIG. 10 is a block diagram illustrating a power supply system using a power supply device according to a second embodiment. It is a flowchart which connects the power supply device shown in FIG. 6 to load.
- each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
- the contents described in some examples and embodiments may be used in other examples and embodiments.
- FIG. 1 is a block diagram of a power supply system using the power supply apparatus 100
- FIG. 2 is a block diagram showing a state in which the battery unit 10 of FIG. 1 is equalized
- FIG. 3 is a battery unit 10 of FIG.
- the block diagram of the battery pack 20 which comprises is shown, respectively.
- the power supply system shown in these drawings includes a power supply device 100, a load LD, and a charging power supply CP.
- the power supply device 100 drives the load LD after being charged by the charging power supply CP. For this reason, the power supply device 100 includes a charge mode and a discharge mode, and an equalization mode for equalizing the battery unit 10 described later.
- the load LD and the charging power source CP are connected to the power supply device 100 via the discharging switch DS and the charging switch CS, respectively.
- ON / OFF of the discharge switch DS and the charge switch CS is switched by the power supply controller 2 of the power supply apparatus 100.
- the power controller 2 switches the charging switch CS to ON and the discharging switch DS to OFF to allow charging from the charging power supply CP to the power supply device 100.
- the power supply controller 2 turns off the charging switch CS and turns on the discharging switch DS to discharge.
- the mode is switched to permit discharge from the power supply apparatus 100 to the load LD. Further, if necessary, the charge switch CS can be turned on and the discharge switch DS can be turned on to supply power to the load LD and charge the power supply device 100 at the same time. (Load LD)
- a load LD driven by the power supply apparatus 100 is connected to the power supply apparatus 100 via a discharge switch DS.
- the power supply controller 2 switches the discharge switch DS to ON, connects to the load LD, and drives the load LD with the power from the power supply device 100.
- the discharge switch DS a switching element such as an FET can be used. ON / OFF of the discharge switch DS is controlled by the power supply controller 2 of the power supply apparatus 100.
- a charging switch CS is connected in series to the charging power source CP.
- the charging power supply CP switches the charging switch CS to ON to charge the power supply device 100.
- the charging switch CS is turned off. Such switching is performed by the power supply controller 2.
- a natural energy generator using natural energy such as a solar battery panel, a wind power generator, a tidal power generator, or a geothermal power generator, or a fuel cell, a gas generator, a commercial power source, or the like can be used. .
- a solar cell panel is used.
- the charge switch CS can also use a switching element such as an FET. Further, ON / OFF of the charging switch CS is also controlled by the power supply controller 2 of the power supply apparatus 100.
- the charging switch CS is connected between the output side of the charging power supply CP and the power supply device 100, and controls charging to the power supply device 100. This charging is performed by pulse charging using ON / OFF of the charging switch CS without performing voltage conversion or the like via a DC / DC converter, so that high efficiency and circuit simplification can be achieved. (Power supply device 100)
- the power supply apparatus 100 includes a plurality of battery units 10, a parallel connection switch 12 connected to each battery unit 10, and a first equalization for equalizing each battery unit 10 that is also connected to each battery unit 10.
- the circuit 14 includes the parallel connection switch 12, the first equalization circuit 14, the OR circuit 4 connected to the battery unit 10, and the power supply controller 2 connected to the OR circuit 4.
- Each parallel connection switch 12 connects the battery unit 10 to the output line OL, and the battery units 10 are connected in parallel to each other via the parallel connection switch 12.
- An IGBT or the like can be used for the parallel connection switch 12.
- the first equalizing circuit 14 includes a first series circuit of a first limiting resistor 15 (15A and 15B in FIG. 1) and a first equalizing switch 16 (16A and 16B in FIG. 1).
- An FET or the like can be used for the first equalization switch 16.
- the first equalization switch 16 and the parallel connection switch 12 are ON / OFF controlled by the power supply controller 2 in accordance with an operation mode such as a charge mode, a discharge mode, and an equalization mode. In normal operation such as charging mode and discharging mode, each parallel connection switch 12 is turned on and the first equalization switch 16 is turned off. On the other hand, in equalization mode, the corresponding parallel connection switch 12 is turned off and the first equalization switch 16 is turned off. The switch 16 is switched to the ON state. (Power controller 2)
- the power supply controller 2 is connected to and controls each battery unit 10, the OR circuit 4, the discharge switch DS, and the charge switch CS.
- the power supply device 100 shown in FIG. 1 connects two battery units 10A and 10B in parallel, drives the load LD under the control of the power supply controller 2, and charges each battery unit 10 with the charging power supply CP.
- the power supply controller 2 switches ON / OFF the discharge switch DS and the charge switch CS according to the discharge mode and the charge mode.
- the power supply controller 2 is connected to each battery unit 10, and according to a signal from each battery unit 10, the first equalization switch 16 and the parallel connection switch 12 are switched ON / OFF to equalize between the battery units 10. I do.
- the power supply controller 2 when the power supply controller 2 receives an abnormal signal from the battery unit 10 as a signal from each battery unit 10 via the pack input terminal DI of the parent pack 20 as described later, the power supply controller 2 disconnects the corresponding battery unit 10.
- the parallel connection switch 12 is controlled.
- the power supply controller 2 can be composed of an MPU including a microcomputer.
- FIG. 1 an example in which two battery units 10 are connected has been described, but it is needless to say that three or more battery units can be connected.
- all battery units are controlled by a single power supply controller.
- a plurality of power supply controllers may be used.
- the power supply controller is prepared separately from the battery unit, but may be provided on the battery unit side.
- the function of the power supply controller can be integrated into the pack control circuit 39 of the battery pack 20 of the parent pack described later.
- the power controller 2 also includes a communication interface for communicating with external devices.
- the host device HT is connected in accordance with an existing communication protocol such as UART or RS-232C.
- a user interface for the user to operate the power supply system can be provided.
- an input device such as a keyboard, a mouse, a touch panel, or a console can be connected to the power controller as an operation unit, so that the maximum amount of current can be defined and the use / nonuse of the connected battery unit can be set.
- FIG. Equalization operation by the first equalization circuit 14
- the power supply device 100 compares the output voltages (unit voltages) of the two battery units 10A and 10B with the power supply controller 2 in the discharge mode, and the unit voltage difference ⁇ VU is equal to or greater than a predetermined unit threshold (for example, 1 V). When it becomes, it shifts to the equalization mode which performs equalization operation.
- a predetermined unit threshold for example, 1 V.
- the voltage values of the parent pack and child pack (described later) that are the plurality of battery packs 20 included therein are summed by the pack control circuit 39 of the parent pack, and the total value is used as the unit voltage. Communicating with the power supply controller 2.
- a voltage sensor may be provided in each battery unit.
- the equalizing operation is performed by discharging the battery unit having a high unit voltage and charging the battery unit having a low unit voltage.
- Each battery pack 20 has 13 lithium ion secondary batteries connected in series and 24 in parallel as battery cells 31.
- the battery pack 20 has a rated output of 50V and 30A.
- the power supply controller 2 turns off the charge switch CS and the discharge switch DS to switch to the equalization mode. Further, the parallel connection switch 12A of the battery unit 10A is turned off and the first equalization switch 16A is turned on. On the other hand, the battery unit 10B is turned on and the first equalization switch 16B is turned on as in the discharge mode. Is maintained in the OFF state. Thereby, as shown by the arrow in FIG. 2, battery unit 10A and battery unit 10B are connected via the first series circuit of battery unit 10A.
- a current flows from the battery unit 10A having a high unit voltage to the battery unit 10B having a low unit voltage through the first limiting resistor 15A, and the battery unit 10B is charged from the battery unit 10A. That is, the unit voltage of the battery unit 10A is reduced by discharging, and the unit voltage of the battery unit 10B is increased by charging. As a result, the unit voltage difference ⁇ VU decreases, and when it becomes equal to or less than the unit threshold value, the power supply controller 2 stops the equalization mode and returns to the normal discharge mode. Note that the equalization operation is not performed in the charging mode. When charging of each battery unit 10 is completed and the mode is changed to the discharge mode, the power supply controller 2 monitors the unit voltage difference ⁇ VU to determine whether or not the equalization operation is performed.
- the power of the battery unit can be effectively used and the battery unit voltage can be charged by charging a battery unit having a low unit voltage.
- the unit voltage difference ⁇ VU can be reduced to shorten the time required for the equalization operation.
- the battery unit 10 is configured by connecting a plurality of battery packs 20. Each battery unit 10 is connected to the output line OL via the parallel connection switch 12. In the example of FIG. 1, the same battery units 10A and 10B are used. Moreover, although the two battery units 10 are used in the example of a figure, it cannot be overemphasized that three or more battery units can also be used.
- the battery unit 10 to which the plurality of battery packs 20 are connected causes any one of the battery packs 20 to function as a parent pack, and manages the other battery pack 20 as a child pack with the parent pack.
- the parent pack monitors the status of the child pack and reports it to the power supply controller 2.
- the parent pack and the child pack are configured by the same battery pack 20. That is, the battery pack 20 is shared, and the manufacturing cost is reduced by functioning as a parent pack or a child pack depending on the connection form.
- the battery pack 20 connected to the bottom of each battery unit 10 is a parent pack, and the other battery pack 20 is a child pack. (Battery pack 20)
- the battery pack 20 includes a pack input terminal DI, a pack abnormality output terminal DA, and a pack output terminal DO as signal terminals of the pack control circuit 39.
- the pack input terminal DI is a terminal for inputting a signal from another battery pack or the power supply controller 2
- the pack output terminal DO is for outputting a signal to the other battery pack or power supply controller 2.
- the pack abnormality output terminal DA is a terminal for outputting the abnormality of the battery pack to the outside. In the example of FIG. 1, the pack abnormality output terminal DA is connected to the OR circuit 4.
- the battery pack 20 includes a positive electrode terminal and a negative electrode terminal as pack output terminals connecting the battery cells 31 to each other. Between the battery packs 20, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are connected, and the battery packs 20 are connected in series to increase the output voltage.
- Each battery unit 10 in FIG. 1 includes one parent pack and a plurality of child packs.
- the parent pack and the child pack are connected in a daisy chain.
- the pack output terminal DO of the previous stage is connected to the pack input terminal DI of the battery pack 20 of the next stage.
- the pack input terminal DI of the parent pack is connected to the output of the power supply controller 2.
- the pack output terminal DO of the child pack at the last stage is not connected anywhere and is open.
- a termination connector such as a terminator (termination resistor) indicating the end position of the line may be connected to the pack output terminal DO of the child pack at the final stage. Needless to say.
- the pack input terminal DI, the pack abnormal output terminal DA, and the pack output terminal DO are two signal lines, and exchange data with the power supply controller 2 by data communication.
- data communication for example, packet communication specifying a transmission destination can be used.
- Each battery pack is given a unique ID number in advance, and the data packet to be packet-communicated includes the ID number of the destination battery pack and an instruction for the battery pack. This makes it possible to perform individual data communication for each battery pack on a common communication line.
- a method of assigning a unique ID number to each battery pack for example, a method in which the power controller automatically assigns an ID according to the connection form of the battery pack or a manual operation with a dip switch or the like for each battery pack.
- a method of setting an ID number individually can be used as appropriate.
- the timing for setting the ID number can be, for example, a timing at which the user presses a dedicated ID setting switch, a timing at which the parent pack automatically detects that a child pack has been connected, or the like.
- the ID setting can be executed at the timing when the termination connector is connected.
- a detection means such as a micro switch or a short pin is provided in the interface portion such as the connector of the pack output terminal DO, and the switch is physically turned on or the detection signal line is short-circuited when the terminal connector is connected.
- the ID number may be assigned by automatically operating the detecting means together with the connection of the terminal connector.
- the signal detection line is preferably provided separately from the power supply line and the signal line. Furthermore, as a procedure for assigning an ID number, after the child pack connected to the terminal connector acquires the ID number, an ID acquisition signal for performing processing for acquiring the ID number is transmitted to the child pack connected to the next stage. To do. In this way, ID acquisition signals are sequentially sent to the connected child packs, and when the parent pack receives the ID acquisition signal, all battery packs (child packs) have acquired ID numbers. Is recognized, and the ID number setting process is terminated.
- the parent pack uses the communication method such as RS-485 (for example, the communication method using the relationship between the master and slave), and the battery information (battery voltage, temperature, abnormality information, etc.) of each child pack ) Can be obtained.
- Signals such as various information can be communicated from the parent pack to the power supply controller 2 by a communication method such as RS-485.
- each battery unit 10 has one parent pack and four child packs (only three are shown in the figure in the vertical direction and two are not shown). And a total of five battery packs 20 are connected to form one battery unit 10.
- the signal terminals between the battery packs 20 are connected via a detachable connector or the like. Thereby, connection and replacement work of the battery pack 20 can be facilitated, which is advantageous during maintenance.
- Each pack abnormality output terminal DA is connected to the OR circuit 4.
- the OR circuit 4 is provided for each battery unit 10. Therefore, each OR circuit 4 is connected to one parent pack and four child packs in each battery unit 10.
- a stop signal abnormal signal
- each OR circuit 4 opens the parallel connection switch 12 and disconnects the corresponding battery pack from the power supply device. Thereby, even if an abnormality occurs in any one of the battery packs, it is possible to protect the other battery packs by separating only the problematic battery pack.
- Such abnormalities include overcharge and overdischarge abnormalities.
- the power supply controller 2 also notifies the user of replacement of the battery pack upon occurrence of an abnormality, and prompts the user to replace the battery pack in which a problem has occurred.
- the user can restore the power supply system by replacing only the corresponding battery pack.
- only the battery pack in which the problem has occurred can be replaced to reduce the repair cost, and the replacement work can be simplified by attaching / detaching the connector, so that the maintenance workability can be improved.
- the OR circuit 4 is connected to the power supply controller 2 through a common bus line.
- the OR circuit 4 provided for each battery unit 10 is connected to the parallel connection switch 12 and to the power supply controller 2.
- the power supply controller 2 receives an abnormal signal from the pack control circuit 39 of the parent pack, turns off the parallel connection switch 12, and notifies the user of replacement of the battery pack 20.
- the battery pack replacement for example, in addition to outputting to an external device from a communication interface connected to the power supply controller 2, the battery pack replacement is displayed on a display or indicator lamp provided on the power supply controller 2, and the screen display or indicator light is turned on to the user. Etc. can be announced.
- the configuration of the example in FIG. 1 is not limited, and for example, the output of each pack abnormality output terminal can also be sent directly to the power supply controller side. (Second equalization circuit 24)
- each battery pack 20 includes a second series circuit of a second limiting resistor 25 and a second equalization switch 26 as the second equalization circuit 24.
- the second series circuit is connected in parallel with each battery pack 20, and the non-uniformity between the battery packs 20 can be eliminated by the second equalization circuit 24. (Equalization operation by the second equalization circuit 24)
- Each second equalization circuit 24 equalizes the pack voltage of each battery pack 20 to eliminate imbalance.
- the second equalization circuit 24 in FIG. 1 discharges the battery pack 20 having a high pack voltage with the second limiting resistor 25 to eliminate the imbalance.
- the present invention does not specify an equalization circuit as a circuit that discharges a battery with a limiting resistor.
- the equalization circuit may discharge a battery having a high voltage to a capacitor or a battery or the like and store it in the battery, and discharge the charge of the battery to a battery having a low voltage to eliminate the voltage difference between the batteries. it can.
- the second equalization circuit 24 of FIG. 3 includes a second series circuit in which a second equalization switch 26 is connected in series to a second limiting resistor 25, and the power supply controller 2 or a pack control circuit 39 to be described later is provided for each.
- the pack voltage is detected, and the second equalization switch 26 is controlled to be turned on / off to equalize the battery pack 20 in the battery unit 10.
- a second series circuit of the second limiting resistor 25 and the second equalizing switch 26 is connected in parallel with each battery pack 20.
- the second equalization circuit 24 switches the second equalization switch 26 to ON by the pack control circuit 39 and discharges the battery pack 20 by the second limiting resistor 25.
- the voltage of the battery pack 20 is lowered and equalized.
- the pack control circuit 39 including a microcomputer compares the pack voltages of the battery packs 20 and controls the second equalization switch 26 so as to equalize the pack voltages of all the battery packs 20.
- the pack control circuit 39 switches the second equalization switch 26 of the second series circuit connected to the battery pack 20 higher than a predetermined threshold voltage (pack threshold) to ON and discharges it. As the battery pack 20 is discharged, the voltage decreases.
- the second equalization switch 26 is switched from ON to OFF when the voltage of the battery pack decreases until it balances with the other battery packs. When the second equalization switch 26 is turned off, the discharge of the battery pack is stopped.
- the pack control circuit 39 discharges the battery pack having a high pack voltage and balances the pack voltages of all the battery packs. (Block diagram of battery pack 20)
- FIG. 3 shows a block diagram of the battery pack 20 included in the battery unit 10.
- the battery pack 20 includes a battery body in which a plurality of battery cells 31 are connected in series and in parallel, a current fuse 32 connected in series with the battery body, a battery monitoring circuit 33, and a pack current detection.
- a circuit 37 and a pack control circuit 39 having a balance determination function and mainly composed of a microcomputer are provided.
- the battery pack 20 is stored in a pack case.
- As the pack case a 19-inch case used for a server backup power source or the like can be used.
- a server rack or the like can be used, and versatility can be improved.
- the current fuse 32 protects the battery pack 20 by physically interrupting the circuit due to overcurrent.
- the battery monitoring circuit 33 detects the voltage of the battery block and sends it to the pack control circuit 39.
- the pack control circuit 39 protects the battery cell 31 from overcharging by detecting overcharging of the battery pack 20 in the charging mode and limiting the charging current. Moreover, the battery cell 31 is protected from overdischarge by detecting overdischarge of the battery pack 20 in the discharge mode and limiting the discharge current. (Pack control circuit 39)
- the pack input terminal DI and the pack output terminal DO are connected to the pack control circuit 39 via respective isolators.
- the pack abnormality output terminal DA is connected to the pack control circuit 39 through a photocoupler. Thereby, each signal terminal is insulated from the outside.
- the pack current detection circuit 37 detects the charge / discharge current of the battery pack 20 and sends it to the pack control circuit 39. For example, the pack current is detected from the voltage across the current detection resistor connected in series with the battery pack 20. (Battery monitoring circuit 33)
- the battery monitoring circuit 33 is connected to a temperature sensor that detects the temperature of the battery cell 31 and a voltage sensor that detects the block voltage of the battery block.
- a thermistor or the like can be used as the temperature sensor.
- the battery monitoring circuit 33 detects overcharge or overdischarge of the battery block based on the temperature of the battery cell 31 or the battery cell 31 or the block voltage.
- the battery monitoring circuit 33 supplies the OR circuit 4 from the pack abnormality output terminal DA.
- a signal is output, the parallel connection switch 12 is opened and turned OFF, and the battery unit including the corresponding battery pack is disconnected from the power supply device.
- Such a function functions when abnormality detection by the pack control circuit 39 does not work normally, as will be described below.
- the battery monitoring circuit 33 outputs an A / D converted battery voltage value and the like to the pack control circuit 39.
- Each pack control circuit 39 determines overdischarge, overcharge, etc. from the battery voltage value, and if there is an abnormality such as overdischarge, overcharge, etc., information on the abnormality is transmitted from the child pack to the parent pack. Is done. Further, the battery voltage value of each battery pack is transmitted from the child pack to the parent pack as information.
- the pack control circuit 39 of the parent pack communicates with the power supply controller 2 if the child pack or the parent pack is abnormal. Then, the parallel connection switch 12 is turned off from the power supply controller 2 via the OR circuit 4. Further, the pack control circuit 39 of the parent pack obtains the battery voltage values of the child pack and the parent pack, the pack control circuit 39 of the parent pack adds up, and communicates the total value to the power supply controller 2. (Battery block)
- a plurality of battery blocks in which a plurality of battery cells 31 are connected in parallel are connected in series.
- a battery block can also connect only in parallel, without connecting the some battery cell 31 in series.
- the battery pack 20 is configured by connecting 13 battery blocks in which 24 battery cells 31 are connected in parallel to form a battery pack 20, a total of 312 battery cells 31 are connected to the battery. Used for pack 20.
- the battery pack 20 is used at a rated voltage of 50V and a rated current of 30A. In the battery unit shown in FIG. 1, five battery packs 20 are connected in series to form one battery unit. Therefore, a total of 1560 battery cells 31 are used per battery unit.
- a rated voltage of 250 V and a rated current of 30 A are realized.
- a plurality of these battery units are connected in parallel to form a highly reliable power supply device.
- the total number of batteries to be used that is, the capacity of the battery group, can be set according to the application, for example, 1 KVA to 100 KVA. (Battery cell 31)
- the battery cell 31 can be of a type using a square or cylindrical battery cell extending in one direction or a rectangular outer can.
- a secondary battery such as a lithium ion secondary battery, a nickel hydride battery, or a nickel cadmium battery can be suitably used.
- a lithium ion secondary battery is desirable. Since the lithium ion secondary battery has a high volume density, it is suitable for reducing the size and weight of the battery pack 20. Also, the lithium ion secondary battery has a wider chargeable / dischargeable temperature range than lead-acid batteries and nickel metal hydride batteries, and can be charged and discharged efficiently.
- an iron phosphate-based material for the positive electrode material of the battery cell 31.
- safety can be improved, temperature dependence of charging / discharging can be suppressed, and since relatively high charging / discharging efficiency can be maintained even at low temperatures, charging / discharging can be efficiently performed even in winter.
- the positive electrode of the lithium ion secondary battery can be a three-component positive electrode.
- a mixture of Li—Ni—Mn—Co composite oxide and lithium cobalt oxide is used for the positive electrode instead of the conventional lithium cobalt oxide. Since this lithium ion secondary battery uses Ni—Mn—Co composed of three components in addition to lithium for the positive electrode, it is charged with high voltage and has high thermal stability, and the maximum charging voltage is 4.3V. You can increase the capacity.
- the voltage during charging is set to a voltage that is intentionally lower than the voltage determined to be fully charged in the battery cell 31 to be used.
- a voltage that is intentionally lower than the voltage determined to be fully charged in the battery cell 31 is used.
- the rated voltage as the nominal voltage of the battery pack (battery block) comprising the battery cells 31 (in the case of a lithium ion secondary battery, a voltage value obtained by multiplying approximately 3.7 to 4.0 V / cell by the number of series) Is preferably selected to be lower than the maximum output operating voltage Vop of the solar cell panel that is the charging power source CP. More preferably, it is 70 to 90% of Vop. This is because the operating voltage of the solar battery panel is affected by the voltage of the battery pack, and the charging power is reduced at a voltage away from Vop. Furthermore, the voltage of the solar cell panel is higher than the depth of discharge of the battery pack. Therefore, in order to perform full charge, it is more desirable to approach Vop when it is close to a fully charged state. In addition, it is necessary to select an appropriate battery pack voltage in consideration of the fluctuation of the voltage of the solar battery panel depending on the temperature. Therefore, it is more desirable that the voltage range is as described above.
- the voltage range is as described above, so that no DC / DC converter is required for charging the battery cell 41. (Balance judgment function)
- the pack control circuit 39 having a balance determination function performs control to equalize the voltage of the battery packs 20 connected in series in each battery unit 10 by the above-described second equalization circuit 24 .
- the pack control circuit 39 of the battery pack 20 as the parent pack acquires the voltage of each battery pack 20 through communication, compares it, and maintains the balance by discharging. . (Third equalization circuit 34)
- Each battery block further includes a third equalization circuit 34 for eliminating non-uniformity between the battery blocks.
- the third equalization circuit 34 is connected in parallel for each battery block.
- the third equalization circuit 34 includes a third series circuit of a third limiting resistor 35 and a third equalization switch 36 connected in parallel with each battery block. These third equalization switch 36 is ON / OFF control by the pack control circuit 39. (Equalization operation by the third equalization circuit 34)
- Each third equalization circuit 34 equalizes the block voltage of each battery block to eliminate imbalance.
- the third equalization circuit 34 in FIG. 3 discharges the battery block having a high block voltage by the third limiting resistor 35 to eliminate imbalance.
- the third equalization circuit 34 includes a third series circuit in which a third equalization switch 36 is connected in series to a third limiting resistor 35, and the pack control circuit 39 detects each block voltage, The three equalization switch 36 is controlled to be turned ON / OFF to equalize the battery blocks in the battery unit.
- a third series circuit of the third limiting resistor 35 and the third equalizing switch 36 is connected in parallel with each battery block.
- the third equalization circuit 34 causes the pack control circuit 39 to switch the third equalization switch 36 of this battery block. Switch to ON. As a result, the battery block is discharged by the third limiting resistor 35, and the block voltage is lowered. When the voltage is lowered to a predetermined block voltage, the equalization is terminated and the third equalization switch 36 is switched from ON to OFF.
- the pack control circuit 39 compares the block voltages of the respective battery blocks and controls the third equalization switch 36 so as to equalize the block voltages of all the battery blocks.
- the power supply apparatus eliminates the imbalance between the battery units by the first equalization circuit 14, eliminates the imbalance between the battery packs in each battery unit by the second equalization circuit 24, and further each battery pack.
- the third equalization circuit 34 eliminates the imbalance between the battery blocks inside. In this way, by performing equalization in three stages, it is possible to efficiently eliminate imbalance even in a power supply device that uses a large number of battery cells, so that battery cells can be used stably over a long period of time. Reliability can be improved. In particular, in a large-sized power supply device that uses a large number of battery cells to improve the output, if any battery cell becomes unusable, the entire power supply device may become unusable. It is important to ensure that it can be used as stably as possible. Then, such a problem can be coped with by using the state which reduced the imbalance between battery cells as much as possible, and maintained the cell balance.
- the inrush current prevention circuit 51 includes a series circuit of a current limiting resistor 52 that prevents an inrush current flowing through the load LD and a switching element 53.
- a discharge switch DS is connected in parallel with the inrush current prevention circuit 51.
- the inrush current is mainly a charging current of a large-capacity electrolytic capacitor CD connected in parallel to the load LD.
- the inrush current prevention circuit 51 switches the switching element 53 to ON in a state where the discharge switch DS is turned off, and limits the inrush current flowing through the load LD by the current limiting resistor 52.
- the power supply apparatus having the circuit configuration shown in FIG. 6 uses the first equalization circuit 14 together with the inrush current prevention circuit, thereby preventing an inrush current of the load LD while omitting a dedicated inrush current prevention circuit. .
- the power supply apparatus shown in FIG. 6 connects the first equalization circuit 14 and the parallel connection switch 12 in parallel, and controls the parallel connection switch 12 and the first equalization switch 16 by the switch control circuit 6.
- the switch control circuit 6 turns off the parallel connection switch 12 at the timing when the battery unit 10 is connected to the load LD, that is, the timing when the discharge switch DS is turned on, and the first equalization switch of the first equalization circuit 14 16 is switched to the ON state, and the battery unit 10 is connected to the load LD. In this state, the battery unit 10 is connected to the load LD via the first limiting resistor 15, and the inrush current flowing through the electrolytic capacitor CD and the like of the load LD is limited by the first limiting resistor 15.
- the peak value of the inrush current is specified by the electric resistance of the first limiting resistor 15. For example, if the electric resistance of the first limiting resistor 15 is 100 ⁇ and the voltage of the battery unit 10 is 250 V, the peak value of the inrush current is 2.5 A or less.
- the switch control circuit 6 switches the parallel connection switch 12 to ON. At this time, the switch control circuit 6 switches the parallel connection switch 12 to ON and then switches the first equalization switch 16 to OFF. However, the switch control circuit 6 switches the first equalization switch 16 to OFF and at the same time switches the parallel connection switch 12 to ON, or switches the first equalization switch 16 to OFF and then turns on the parallel connection switch 12. You can also switch to
- FIG. 7 shows a flowchart in which the power supply device shown in FIG. 6 is connected to the load LD.
- the switch control circuit 6 switches the first equalization switch 16 of the first equalization circuit 14 to ON. That is, the switch control circuit 6 switches the discharge switch DS to ON after switching the first equalization switch 16 of the first equalization circuit 14 to ON at the timing of connecting the battery unit 10 to the load LD.
- the battery unit 10 is connected to the load LD via the first limiting resistor 16 and charges the electrolytic capacitor CD and the like of the load LD while preventing an inrush current of the load LD.
- the first equalization switch After switching the parallel connection switch 12 to ON and connecting the battery unit to the load LD, the first equalization switch is switched OFF.
- the inrush current of the load LD is detected, the detected current is compared with the set value, and the voltage difference between the battery unit 10 and the power supply line OL is further detected to detect that no inrush current flows.
- the power supply device can detect the state where the inrush current does not flow more reliably and can switch the parallel connection switch 12 to ON.
- the inrush current has stopped flowing by detecting the output current of the battery unit and comparing it with the set value, or by detecting either the voltage difference between the battery unit and the power line. .
- the power supply device can be suitably used for a household power supply, a plant power supply device, and the like that are charged with night power or a solar battery panel.
- Inrush current prevention circuit 52 ... Current limiting resistor 53 . Switching element LD ... Load; CP ... Charging power source; CD ... Electrolytic capacitor DS ... Photoelectric switch; CS ... charging switch HT ... the host device; OL ... output line DI ... pack input terminal; DA ... pack abnormal output terminal; DO ... pack output terminal
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Abstract
【課題】設置される場所や環境に応じた変更が可能な電源装置を提供する。 【解決手段】複数の電池ユニット10間の電池残存容量のばらつきを抑制する第一均等化回路14と、各電池ユニット10を構成する直列接続された各々の電池パック20の電池残存容量のばらつきを抑制する第二均等化回路24とを備え、第一均等化回路14が、各々の電池ユニット10を出力ラインOLに接続する第一制限抵抗15と、第一均等化スイッチ16で構成される第一直列回路を備え、第一均等化回路14で各々の電池ユニット10間の電池残容量のばらつきが均等化され、第二均等化回路24でもって各々の電池ユニット10を構成している各々の電池パック20間の電池残容量のばらつきを抑制する。
Description
本発明は、主として出力電圧と出力電流の両方を大きくしてなる大容量の電池群を備える電源装置に関する。
出力電圧と出力電流の両方を大きくしている電源装置は、多数の電池を直列に接続して電圧を高くしている。この電源装置は、直列に接続している電池を同じ充電電流で充電し、また同じ電流で放電する。したがって、全ての電池が全く同じ特性であれば、電池電圧や残容量にアンバランスは発生しない。しかしながら、現実には、全く同じ特性の電池は製造できない。電池のアンバランスは、充放電を繰り返すときに、電圧や残容量のアンバランスとなる。さらに、電池電圧のアンバランスは、特定の電池を過充電し、あるいは過放電させる原因となる。この弊害を防止するために、各々の電池の電圧を検出してアンバランスを解消するセルバランス維持機能を備える車両用の電源装置が開発されている(特許文献1参照)。
特許文献1に記載される車両用の電源装置40は、図4に示すように直列電池群を構成する各々の電池41と並列に放電回路42を接続している。放電回路42は放電抵抗43とスイッチング素子44の直列回路である。この電源装置40は、電圧が高くなった電池41を放電回路42で放電してセルバランスを回復し、電池のアンバランスを解消する。電池41を放電する放電回路42は、スイッチング素子44をONに切り換えて放電抵抗43で特定の電池41を放電して、電圧を低くする。
この電源装置40は、直列に接続している電池41のアンバランスを解消できる。この電源装置は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くできるが、電流容量は各々の電池の電流容量となる。電源装置の出力は、電圧と電流の積に比例するので、電流を大きくすることでさらに大きくできる。すなわち、電源装置は、多数の電池を直列と並列に接続することで、出力電流と出力電圧の両方を大きくして、出力をさらに大きくできる。複数の電池を直列と並列にマトリクス状に配置して接続している電源装置は、特許文献1と同様に、直列に接続している電池の電圧を均等化してアンバランスを解消できる。ただ、全ての電池の電圧を均等化するように制御すると、多数の電池を充放電する必要があり、均等化に極めて時間がかかる。例えば、1000個のリチウムイオン電池を直列と並列に接続している大出力の電源装置は、1000個のリチウムイオン電池の電圧を均等化するのに時間がかかる欠点がある。
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、多数の電池セルを直列及び並列に接続しながら、電池セルの均等化を能率よくできる電源装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の電源装置によれば、複数の電池セルを並列に接続してなる電源装置であって、複数の電池セルが並列に接続されて電池パックを構成しており、複数の電池パックが直列に接続されて電池ユニットを構成しており、複数の電池ユニットは出力ラインに対して互いに並列に接続されており、複数の電池ユニット間の電池残存容量のばらつきを抑制する第一均等化回路と、各電池ユニットを構成する直列接続された各々の電池パックの電池残存容量のばらつきを抑制する第二均等化回路とを備えることができるを特徴としている。これにより、電源装置に含まれる多数の電池セル間のセルバランスを維持するために、電池ユニット間の不均一を第一均等化回路で解消すると共に、各電池ユニットに含まれる電池パック間の不均一を第二均等化回路で解消する構成として、電池セルの均等化を個別に行うことなく、ブロック毎に短時間に効率よくセルバランスを回復できる利点が得られる。
また第2の電源装置によれば、前記第二均等化回路24が、各々の電池パック20と並列に接続された、第二制限抵抗25と第二均等化スイッチ26で構成される第二直列回路を備えることができる。これにより、各電池ユニット内で電池パック間に生じた不均一を、第二均等化回路によって解消できる。
さらにまた第3の電源装置によれば、前記電池ユニット10が、前記電池パック20間を着脱式のコネクタで接続することができる。これにより、電池パックの接続、交換作業を容易にでき、特に電池パックの異常発生時に交換を容易に行えるようにすることで、復旧までの時間を短縮できる上、すべての電池パックの交換を不要としてコストを低減できる利点が得られる。
さらにまた第4の電源装置によれば、前記電池パック20は、複数の電池セル31を並列に接続した電池ブロックを、複数直列に接続して構成されてなり、前記電池パック20はさらに、前記複数の電池ブロックを均等化する第三均等化回路34を前記電池ブロック毎に備えることができる。これにより、電池パック内に含まれる複数の電池ブロック間の均等化も解消することが可能となる。
さらにまた第5の電源装置によれば、前記電池群の容量を1KVA~100KVAとできる。
さらにまた第6の電源装置によれば、複数の電池ユニット10を脱着自在に出力ラインOLに接続することができる。
さらにまた第7の電源装置によれば、さらに前記並列接続スイッチ12と前記均等化スイッチを制御する電源コントローラ2を備えており、前記電源コントローラ2が、前記並列接続スイッチ12をON状態として電池ユニット10を並列に接続し、前記並列接続スイッチ12をOFF状態として均等化スイッチをON状態として、電池ユニット10を均等化することができる。これにより、ユニット電圧の高い電池ユニットの余剰電力を抵抗等で熱として消費する方法に比べ、電力を有効利用できる上、ユニット電圧の低い電池ユニットに充電することで個の電池ユニットの電圧を高め、ユニット電圧差ΔVUを小さくして、均等化動作に要する時間を短縮できる利点が得られる。
さらにまた第8の電源装置によれば、前記電池パック20を構成する電池セル31をリチウムイオン電池とできる。
さらにまた、第9の電源装置によれば、さらに前記第一均等化回路14と前記並列接続スイッチ12とを並列に接続すると共に、前記並列接続スイッチ12と前記第一均等化スイッチ16を制御するスイッチ制御回路6を備えており、電池ユニット10を負荷LDに接続するタイミングにおいて、前記スイッチ制御回路6が、前記第一均等化回路14の第一均等化スイッチ16をON状態として電池ユニット10を負荷LDに接続して、突入電流を第一制限抵抗15で制限し、突入電流の流れない状態で、前記並列接続スイッチ12をON状態として、電池ユニット10を負荷LDに接続することができる。これにより、負荷の突入電流を防止するための専用の回路を設けることなく、第一均等化回路を突入電流を防止する回路に併用しながら、負荷の突入電流を防止できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。特に本明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、及び「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記しているが、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
(実施例1)
(実施例1)
図1~図3に、本発明の実施例1に係る電源装置100を示す。これらの図において、図1は電源装置100を用いた電源システムのブロック図、図2は図1の電池ユニット10の均等化動作を行う様子を示すブロック図、図3は図1の電池ユニット10を構成する電池パック20のブロック図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源システムは、電源装置100と、負荷LDと、充電用電源CPとを備える。この電源装置100は、充電用電源CPで充電された後、負荷LDを駆動する。このため電源装置100は、充電モードと放電モード、及び後述する電池ユニット10の均等化のための均等化モードを備える。負荷LDと充電用電源CPはそれぞれ、放電スイッチDS及び充電スイッチCSを介して電源装置100と接続されている。放電スイッチDS及び充電スイッチCSのON/OFFは、電源装置100の電源コントローラ2によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ2は充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをOFFに切り替えて、充電用電源CPから電源装置100への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷LDからの要求に応じて、電源コントローラ2は充電スイッチCSをOFFに、放電スイッチDSをONにして放電モードに切り替え、電源装置100から負荷LDへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをONにして、負荷LDの電力供給と、電源装置100への充電を同時に行うこともできる。
(負荷LD)
(負荷LD)
電源装置100で駆動される負荷LDは、放電スイッチDSを介して電源装置100と接続されている。電源装置100の放電モードにおいては、電源コントローラ2が放電スイッチDSをONに切り替えて、負荷LDに接続し、電源装置100からの電力で負荷LDを駆動する。放電スイッチDSはFET等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチDSのON/OFFは、電源装置100の電源コントローラ2によって制御される。
(充電用電源CP)
(充電用電源CP)
充電用電源CPには、充電スイッチCSを直列に接続している。充電用電源CPは、充電スイッチCSをONに切り替えて、電源装置100を充電する。また電源装置100が満充電されたことを検出すると、充電スイッチCSをOFFに切り替える。このような切り替えは電源コントローラ2により行われる。充電用電源CPには、太陽電池パネルや風力発電機、潮力発電機、あるいは地熱発電器等の自然エネルギーを利用した自然エネルギー発電器、あるいは燃料電池、ガス発電器、商用電源等が利用できる。図1の例では、太陽電池パネルを使用している。
(充電スイッチCS)
(充電スイッチCS)
充電スイッチCSもFET等のスイッチング素子が利用できる。また充電スイッチCSのON/OFFも、電源装置100の電源コントローラ2によって制御される。充電スイッチCSは、充電用電源CPの出力側と電源装置100との間に接続されており、電源装置100への充電を制御する。この充電は、DC/DCコンバータを介した電圧変換等を行わずに、充電スイッチCSのON/OFFを利用したパルス充電で行うことで、高効率化と回路の簡素化を図ることができる。
(電源装置100)
(電源装置100)
電源装置100は、複数の電池ユニット10と、各電池ユニット10に接続された並列接続スイッチ12と、同じく各電池ユニット10に接続された各電池ユニット10の均等化を行うための第一均等化回路14と、これら並列接続スイッチ12、第一均等化回路14、電池ユニット10に接続されたOR回路4と、OR回路4に接続された電源コントローラ2とを備える。
各並列接続スイッチ12は、それぞれ電池ユニット10を出力ラインOLに接続しており、電池ユニット10は並列接続スイッチ12を介して互いに並列に接続される。この並列接続スイッチ12には、IGBT等が利用できる。
(第一均等化回路14)
(第一均等化回路14)
第一均等化回路14は、第一制限抵抗15(図1の15A、15B)と、第一均等化スイッチ16(図1の16A、16B)の第一直列回路で構成される。この第一均等化スイッチ16には、FET等が利用できる。第一均等化スイッチ16及び並列接続スイッチ12は、電源コントローラ2により充電モード、放電モード、均等化モード等の動作モードに応じて、ON/OFFを制御される。充電モード、放電モード等の通常動作時には、各並列接続スイッチ12をON状態、第一均等化スイッチ16をOFF状態とし、一方均等化モード時には、該当する並列接続スイッチ12をOFF状態、第一均等化スイッチ16をON状態に切り替える。
(電源コントローラ2)
(電源コントローラ2)
電源コントローラ2は、各電池ユニット10及びOR回路4、放電スイッチDS、充電スイッチCSと接続され、これらを制御する。図1に示す電源装置100は、2台の電池ユニット10A、10Bを並列に接続し、電源コントローラ2で制御して負荷LDを駆動すると共に、充電用電源CPにより各電池ユニット10を充電する。この電源コントローラ2は、上述の通り放電モード、充電モードに応じて、放電スイッチDS及び充電スイッチCSのON/OFFの切り替えを行う。また電源コントローラ2は、各電池ユニット10と接続されており、各電池ユニット10からの信号に従い、第一均等化スイッチ16及び並列接続スイッチ12をON/OFFに切り替えて電池ユニット10間の均等化を行う。さらに電源コントローラ2は、各電池ユニット10からの信号として、後述するように親パック20のパック入力端子DIを介して、電池ユニット10からの異常信号を受けると、該当する電池ユニット10を切り離すよう並列接続スイッチ12を制御する。この電源コントローラ2はマイコンを含むMPU等で構成できる。
図1の例では、電池ユニット10を2台接続した例を説明したが、電池ユニットを3台以上接続することも可能であることはいうまでもない。またこの例では、一台の電源コントローラですべての電池ユニットを制御しているが、電池ユニット数が多い場合は複数台の電源コントローラで制御するよう構成してもよい。さらに図1の例では、電源コントローラは電池ユニットと個別に用意しているが、電池ユニット側に設けることもできる。さらには、後述する親パックの電池パック20のパック制御回路39に電源コントローラの機能を統合することもできる。
また電源コントローラ2は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図1の例では、UARTやRS-232C等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器HTと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。例えば電源コントローラに操作部としてキーボードやマウス、タッチパネルやコンソール等の入力デバイスを接続し、最大電流量を規定したり、接続された電池ユニットの使用可否を設定できる。また、電池パック20に異常が発生した際にユーザに告知するための表示パネルや表示灯を設けてもよい。
(第一均等化回路14による均等化動作)
(第一均等化回路14による均等化動作)
この電源装置100は、放電モード時において2台の電池ユニット10A、10Bのそれぞれの出力電圧(ユニット電圧)を電源コントローラ2で比較し、そのユニット電圧差ΔVUが所定のユニット閾値(例えば1V)以上になると均等化動作を行う均等化モードに移行する。各電池ユニット10においては、ここに含まれる複数の電池パック20である親パック、子パック(後述)の電圧値を、親パックのパック制御回路39が合計し、その合計値をユニット電圧として、電源コントローラ2に通信している。また、各電池ユニット10内の電池パック20の出力電圧(パック電圧)の和を電源コントローラ2で演算して取得する他、電圧センサを各電池ユニットに設けてもよい。均等化動作は、ユニット電圧の高い電池ユニットを放電させ、ユニット電圧の低い電池ユニットに充電することで行う。各電池パック20は、電池セル31としてリチウムイオン二次電池を、13本直列、24本並列に接続している。この電池パック20は、定格出力を50V、30Aとしている。
一例として、電池ユニット10Aのユニット電圧が電池ユニット10Bよりも高くなった際の均等化動作を、図2に基づいて説明する。まず電源コントローラ2は、均等化モードに切り替えるため充電スイッチCS及び放電スイッチDSをOFFにする。また電池ユニット10Aの並列接続スイッチ12AをOFF状態、第一均等化スイッチ16AをON状態とし、一方電池ユニット10Bについては放電モード時と同じく、並列接続スイッチ12BをON状態、第一均等化スイッチ16BをOFF状態に維持する。これにより、図2において矢印で示すように電池ユニット10Aの第一直列回路を介して、電池ユニット10Aと電池ユニット10Bとが接続される。この結果、ユニット電圧の高い電池ユニット10Aからユニット電圧の低い電池ユニット10Bに第一制限抵抗15Aを通じて電流が流れ、電池ユニット10Aから電池ユニット10Bに充電される。すなわち、電池ユニット10Aは放電によってユニット電圧が低下し、電池ユニット10Bは充電によってユニット電圧が上昇する。この結果、ユニット電圧差ΔVUは低下し、ユニット閾値以下になると、電源コントローラ2は均等化モードを停止し、通常の放電モードに復帰する。なお、充電モード時においては、均等化動作は行わない。各電池ユニット10の充電が完了し、放電モードに移行した時点で、均等化動作を行うかどうか、電源コントローラ2がユニット電圧差ΔVUを監視する。
このようにして、ユニット電圧の高い電池ユニットの余剰電力を抵抗等で熱として消費する方法に比べ、電力を有効利用できる上、ユニット電圧の低い電池ユニットに充電することで個の電池ユニットの電圧を高め、ユニット電圧差ΔVUを小さくして、均等化動作に要する時間を短縮できる利点が得られる。
(電池ユニット10)
(電池ユニット10)
電池ユニット10は、複数の電池パック20を連結して構成される。各電池ユニット10は、並列接続スイッチ12を介して出力ラインOLと接続される。なお図1の例では、電池ユニット10A、10Bは同じものを使用している。また図の例では2つの電池ユニット10を使用しているが、3以上の電池ユニットを使用することも可能であることはいうまでもない。
複数の電池パック20を接続した電池ユニット10は、いずれかの電池パック20を親パックとして機能させ、他の電池パック20を子パックとして、親パックで管理する。親パックは、子パックの状態を監視し、電源コントローラ2に対して報告する。図1の例では、親パックと子パックは同じ電池パック20で構成している。すなわち電池パック20を共通化し、接続形態によって親パックとしても子パックとしても機能させることで、製造コストを削減している。図1の例では、各電池ユニット10の一番下に接続した電池パック20を親パックとして、他の電池パック20を子パックとしている。
(電池パック20)
(電池パック20)
図1の電池パック20は、信号端子と電源端子を備える。電池パック20は、パック制御回路39の信号端子として、パック入力端子DIと、パック異常出力端子DAと、パック出力端子DOとを備えている。パック入力端子DIは、他のパック電池や電源コントローラ2からの信号を入力するための端子であり、パック出力端子DOは逆に他のパック電池や電源コントローラ2に対して信号を出力するための端子である。またパック異常出力端子DAは、パック電池の異常を外部に出力するための端子である。図1の例では、パック異常出力端子DAはOR回路4と接続されている。
一方で電池パック20は、電池セル31同士を接続したパック出力端子として、正極端子と負極端子を備えている。電池パック20間では、正極端子と負極端子を接続して、電池パック20同士を直列に接続し出力電圧を増している。
また図1の各電池ユニット10は、1台の親パックと複数の子パックを含んでいる。親パックと子パックは、数珠繋ぎ状に接続される。ここでは、隣接する電池パック20間で、信号端子同士を接続するため、前段のパック出力端子DOを、次段の電池パック20のパック入力端子DIと接続している。また親パックのパック入力端子DIは電源コントローラ2の出力と接続されている。さらに最終段の子パックのパック出力端子DOはどこにも接続せず開放としている。また、このようなデイジーチェーン接続方式においては、最終段の子パックのパック出力端子DOに、ターミネータ(終端抵抗)等、ラインの終端位置であることを示す終端接続具を接続してもよいことはいうまでもない。これらパック入力端子DI、パック異常出力端子DA、パック出力端子DOは2線の信号線であり、電源コントローラ2との間で信号のやりとりをデータ通信により行う。データ通信には、例えば送信先を指定したパケット通信が利用できる。各電池パックには、予め固有のID番号が付与されており、パケット通信されるデータパケットには、送信先の電池パックのID番号と、該電池パックに対する命令とが含まれる。これによって、共通の通信ライン上で各電池パックに対して個別のデータ通信を行うことが可能となる。なお各電池パックに固有のID番号を付与する方法としては、例えば電池パックの接続形態に応じて、電源コントローラが自動的にIDを割り振る方法や、各電池パック毎にディップスイッチ等で手作業で個別にID番号を設定する方法等が適宜利用できる。ID番号を設定するタイミングとしては、例えば、専用に設けたID設定スイッチをユーザが押下するタイミングや、子パックを接続したことを親パック側で自動検出するタイミング等とできる。また、最終段の子パックのパック出力端子DOに終端接続具を接続する場合は、この終端接続具を接続するタイミングでIDの設定を実行するように構成することもできる。例えばパック出力端子DOのコネクタ等のインターフェース部分に、マイクロスイッチやショートピン等の検出手段を設け、終端接続具を接続すると物理的にスイッチがONしたり検出信号線が短絡するように構成することで、終端接続具の接続と共に検出手段を自動的に作動させて、ID番号が付与されるようにしてもよい。またこの際、信号検出線は電源ラインや信号ラインとは別に設けることが好ましい。さらにID番号を付与する手順としては、終端接続具を接続した子パックがID番号を取得した後、次段に接続された子パックに対し、ID番号を取得する処理を行うID取得信号を送信する。このようにしてID取得信号を順次、接続された子パックに対して送出していき、最後に親パックがID取得信号を受けると、すべての電池パック(子パック)がID番号を取得したことを認識し、ID番号設定処理を終了する。
このような接続によって、RS-485等の通信方式(例えばマスター、スレーブの関係を利用した通信方式)を利用して、親パックは、各子パックの電池情報(電池電圧、温度、異常情報等)を入手することができる。親パックから、各種情報等の信号を、電源コントローラ2に、RS-485等の通信方式により、通信することができる。
図1の例では、各電池ユニット10は、1個の親パックと4個の子パック(各ユニットは、図においては縦方向に3個のみ図示し、2個の図示は省略している)を接続して、計5個の電池パック20を接続して1個の電池ユニット10を構成している。これら電池パック20間の信号端子同士の接続は、着脱式のコネクタ等を介して行われる。これにより、電池パック20の接続、交換作業を容易にでき、メンテナンス時に有利となる。
またパック異常出力端子DAは、それぞれOR回路4に接続される。OR回路4は、電池ユニット10毎に設けられている。このため各OR回路4は、各電池ユニット10において、1個の親パック及び4個の子パックと各々接続されている。各OR回路4は、いずれかの電池パックから停止信号(異常信号)が出力されると、並列接続スイッチ12を開放して、該当する電池パックを電源装置から切り離す。これによって、いずれかの電池パックに異常が発生しても、問題のある電池パックのみを切り離すことで、他の電池パックを保護できる。このような異常としては、過充電、過放電の異常等がある。また電源コントローラ2は、異常発生を受けて電池パック交換を告知し、ユーザに対して問題の生じた電池パックの交換を促す。ユーザは該当する電池パックのみを交換することで、電源システムを復旧させることができる。この構成は、問題の生じた電池パックのみを交換可能として修理コストを低減すると共に、交換作業もコネクタの着脱で簡素化できるため、メンテナンスの作業性も向上できる。
(OR回路4)
(OR回路4)
OR回路4は、共通のバスラインを介して電源コントローラ2と接続される。各電池ユニット10毎に設けられたOR回路4は、各々並列接続スイッチ12に接続されると共に、電源コントローラ2に接続される。後述するように、電源コントローラ2は、各電池ユニット10において、親パックのパック制御回路39から、異常信号を受け取り、並列接続スイッチ12をオフにすると共に、電池パック20交換をユーザに告知する。電池パック交換は、例えば電源コントローラ2と接続した通信インターフェースから外部機器に出力する他、電源コントローラ2に設けたディスプレイや表示灯等で電池パック交換を表示し、ユーザに画面表示や表示灯の点灯等によって告知することができる。
なお図1の例の構成に限られず、例えば各パック異常出力端子の出力を直接電源コントローラ側に送出することも可能である。
(第二均等化回路24)
(第二均等化回路24)
さらに各電池パック20は、第二均等化回路24として、第二制限抵抗25と第二均等化スイッチ26の第二直列回路を備えている。この第二直列回路は、図3に示すように各電池パック20と並列に接続されており、電池パック20同士の不均一を、第二均等化回路24によって解消できる。
(第二均等化回路24による均等化動作)
(第二均等化回路24による均等化動作)
各第二均等化回路24は、各電池パック20のパック電圧を均等化してアンバランスを解消する。図1の第二均等化回路24は、パック電圧が高い電池パック20を第二制限抵抗25で放電して、アンバランスを解消する。ただ本発明は、均等化回路を、制限抵抗で電池を放電する回路に特定しない。例えば、均等化回路は、電圧の高い電池をコンデンサや電池等の蓄電器に放電して蓄電器に蓄電し、この蓄電器の電荷を電圧の低い電池に放電して、電池の電圧差を解消することもできる。
図3の第二均等化回路24は、第二制限抵抗25に第二均等化スイッチ26を直列に接続している第二直列回路を備え、電源コントローラ2又は後述するパック制御回路39が各々のパック電圧を検出して、第二均等化スイッチ26をON/OFFに制御して、電池ユニット10内において電池パック20の均等化を行う。第二制限抵抗25と第二均等化スイッチ26の第二直列回路は、各々の電池パック20と並列に接続している。この第二均等化回路24は、電池パック20のパック電圧が高くなるときに、パック制御回路39で第二均等化スイッチ26をONに切り変えて、第二制限抵抗25で電池パック20を放電させて電池パック20の電圧を低下して均等化する。
マイコンを備えるパック制御回路39は、各々の電池パック20のパック電圧を比較して、全ての電池パック20のパック電圧を均等化するように第二均等化スイッチ26を制御する。このパック制御回路39は、所定の閾値電圧(パック閾値)よりも高い電池パック20に接続している第二直列回路の第二均等化スイッチ26をONに切り変えて放電させる。電池パック20は放電するに従って電圧が低下する。第二均等化スイッチ26は、電池パックの電圧が他の電池パックとバランスするまで低下すると、ONからOFFに切り変えられる。第二均等化スイッチ26がOFFになると、電池パックの放電は停止される。このように、パック制御回路39は、高いパック電圧の電池パックを放電して、全ての電池パックのパック電圧をバランスさせる。
(電池パック20のブロック図)
(電池パック20のブロック図)
図3に、電池ユニット10に含まれる電池パック20のブロック図を示す。この図においては、図1の親パックの接続例を示している。図3に示すように、電池パック20は、複数の電池セル31を直列及び並列に接続した電池体と、電池体と直列に接続された電流ヒューズ32と、電池監視回路33と、パック電流検出回路37と、バランス判定機能を備え、主としてマイコンにて構成されるパック制御回路39とを備える。この電池パック20は、パックケースに収納される。パックケースは、サーバ用バックアップ電源等に使用される19インチのケースが使用できる。これにより、サーバー用のラック等を利用できるようになり、汎用性を高めることができる。
電流ヒューズ32は、過電流によって回路を物理的に遮断することで電池パック20を保護する。電池監視回路33は電池ブロックの電圧を検出し、パック制御回路39に送出する。パック制御回路39は、充電モードにおける電池パック20の過充電を検出して充電電流を制限することにより、過充電から電池セル31を保護する。また、放電モードにおける電池パック20の過放電を検出して放電電流を制限することにより、過放電から電池セル31を保護する。
(パック制御回路39)
(パック制御回路39)
また図3の例では、パック入力端子DI及びパック出力端子DOは、各々アイソレータを介してパック制御回路39と接続されている。またパック異常出力端子DAは、フォトカプラを介してパック制御回路39と接続されている。これによって各信号端子はそれぞれ外部と絶縁されている。
このように、複数の電池パック20を接続して大型化の電源装置を構築可能とすることにより、接続数を調整して大規模用途にも容易に対応できる。また、いずれかの電池セルに異常が発生しても、異常な電池セルを含む電池パックのみを切り離して交換可能とすることで、電池交換に要する費用を削減できる利点も得られる。
(パック電流検出回路37)
(パック電流検出回路37)
パック電流検出回路37は、電池パック20の充放電電流を検出し、パック制御回路39に送出する。例えば、電池パック20と直列に接続された電流検出抵抗の両端電圧から、パック電流を検出する。
(電池監視回路33)
(電池監視回路33)
電池監視回路33は、電池セル31の温度を検出する温度センサや電池ブロックのブロック電圧を検出する電圧センサと接続される。温度センサにはサーミスタ等が利用できる。この電池監視回路33は、電池セル31の温度や電池セル31又はブロック電圧に基づいて電池ブロックの過充電、過放電を検出し、異常を検出すると、パック異常出力端子DAから、OR回路4に信号が出力されて、並列接続スイッチ12を開放してOFFとして、該当する電池パックを含む電池ユニットを電源装置から切り離す。このような機能は、下記に説明するように、パック制御回路39による異常検出が、正常に働かないときに機能する。
また、電池監視回路33からはAD変換された電池電圧値等が、パック制御回路39に出力される。各パック制御回路39においては、電池電圧値より過放電、過充電等の判定が行われ、このような過放電、過充電等の異常であれば、子パックより親パックに異常の情報が伝達される。また、各電池パックの電池電圧値等が、子パックより親パックに情報として伝達される。
各電池ユニット10において、親パックのパック制御回路39は、子パック又は親パックが、異常であれば、電源コントローラ2に通信する。そして、電源コントローラー2から、OR回路4を介して、並列接続スイッチ12をオフとする。また、親パックのパック制御回路39は、子パック、親パックの電池電圧値を入手し、親パックのパック制御回路39が合計し、その合計値を、電源コントローラ2に通信している。
(電池ブロック)
(電池ブロック)
電池パック20は、複数の電池セル31を並列に接続した電池ブロックを、複数直列に接続している。なお、電池ブロックは、複数の電池セル31を直列接続しないで、並列にのみ接続することも可能である。図3の例では、電池体は、電池セル31を24本並列に接続した電池ブロックを、13個直列に接続して電池パック20を構成しているため、計312本の電池セル31を電池パック20に使用している。この電池パック20は定格電圧50V、定格電流30Aで使用する。また図1に示す電池ユニットでは、このような電池パック20を5個直列に接続して1個の電池ユニットを構成しているので、一電池ユニット当たり合計1560本の電池セル31を利用して、定格電圧250V、定格電流30Aを実現している。そしてこれら電池ユニットを複数台、並列に接続して、信頼性に優れた電源装置を構成している。使用する電池の総数すなわち電池群の容量は用途に応じて設定でき、例えば1KVA~100KVAとできる。
(電池セル31)
(電池セル31)
電池セル31は、一方向に延在された円柱状又は円筒状の電池セルの他、角形の外装缶を利用したタイプが利用できる。この電池セル31は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の二次電池が好適に使用できる。特にリチウムイオン二次電池とすることが望ましい。リチウムイオン二次電池は容積密度が高いために、電池パック20の小型化、軽量化に適している。またリチウムイオン二次電池は充放電可能な温度領域が鉛蓄電池やニッケル水素電池に比べて広く、効率よく充放電が可能になる。
また電池セル31の正極材料にはリン酸鉄系材料を用いることが好ましい。これにより、安全性を高めることができ、充放電の温度依存性を抑制することができ、特に低温時にも比較的高い充放電効率を維持できるので、冬場でも効率よく充放電が可能になる。
さらにリチウムイオン二次電池の正極は、3成分正極とすることができる。このリチウムイオン二次電池は、正極に、従来のコバルト酸リチウムに代わって、Li-Ni-Mn-Co複合酸化物とコバルト酸リチウム混合を利用する。このリチウムイオン二次電池は、正極にリチウムに加えて、3成分からなるNi-Mn-Coを使用することから、高電圧で充電して熱安定性が高く、充電最大電圧を4.3Vと高くして容量を大きくできる。
ただし、充電時の電圧は、使用する電池セル31において、満充電と判断される電圧よりも意図的に低い電圧に設定することが好ましい。例えば、リチウムイオン二次電池を使用する場合、一般的な条件下では4.2V付近で満充電と判断されるが、4Vで満充電と判定するよう設定する。これにより、電池セルの長寿命化が図れる。
さらにまた、電池セル31からなる電池パック(電池ブロック)の公称電圧としての定格電圧(リチウムイオン二次電池であれば、約3.7~4.0V/セルを直列数で掛けた電圧値となる)を、充電用電源CPである太陽電池パネルの最大出力動作電圧Vopよりも低くなるように選択することが好ましい。より望ましくは、Vopの70~90%とする。これは、電池パックの電圧に太陽電池パネルの動作電圧が影響を受けるため、Vopから離れた電圧では充電電力が少なくなるためである。さらに、電池パックの放電深度に比べて太陽電池パネルの電圧は高くなる。そのため、満充電を行うためには満充電状態に近いときにVopに近づくことがより望ましい。また、温度によって太陽電池パネルの電圧が変動することを考慮し、適切な電池パック電圧を選択する必要がある。そのために、上記の電圧範囲であることがより望ましい。
また、本実施例においては上記の電圧範囲とすることにより、電池セル31の充電に際してDC/DCコンバータを不要とでき、DC/DCコンバータ内での電力ロスを抑制できる。これによって高効率充電が可能になると共に、DC/DCコンバータの交換作業を無くすと共に部品点数を減らすことができるので、故障率低減による信頼性の向上や低コスト化、長期に渡るメンテナンスフリーの実現が見込まれる。そして、本実施例においては上記の電圧範囲であることがより、電池セル41の充電に際してDC/DCコンバータを不要とできる。
(バランス判定機能)
(バランス判定機能)
さらにバランス判定機能を備えるパック制御回路39は、各電池ユニット10における直列接続された電池パック20の電圧を、上述の第二均等化回路24により、均等化する制御を行う。上述のように、各電池ユニット10において、親パックとしての電池パック20のパック制御回路39が、通信により、各電池パック20の電圧を取得し、比較して、放電することでバランスを維持する。
(第三均等化回路34)
(第三均等化回路34)
さらに各電池ブロックは、電池ブロック間の不均一を解消するための第三均等化回路34を備えている。第三均等化回路34は、電池ブロック毎に各々並列に接続されている。この第三均等化回路34は、各々の電池ブロックと並列に接続された、第三制限抵抗35と第三均等化スイッチ36の第三直列回路を備える。これら第三均等化スイッチ36は、パック制御回路39によってON/OFFを制御される。
(第三均等化回路34による均等化動作)
(第三均等化回路34による均等化動作)
各第三均等化回路34は、各電池ブロックのブロック電圧を均等化してアンバランスを解消する。図3の第三均等化回路34は、ブロック電圧が高い電池ブロックを第三制限抵抗35で放電して、アンバランスを解消する。この第三均等化回路34は、第三制限抵抗35に第三均等化スイッチ36を直列に接続している第三直列回路を備え、パック制御回路39が各々のブロック電圧を検出して、第三均等化スイッチ36をON/OFFに制御して、電池ユニット内において電池ブロックの均等化を行う。第三制限抵抗35と第三均等化スイッチ36の第三直列回路は、各々の電池ブロックと並列に接続している。この第三均等化回路34は、いずれかの電池ブロックのブロック電圧が所定の閾値電圧(ブロック閾値)よりも高くなるときに、パック制御回路39で、この電池ブロックの第三均等化スイッチ36をONに切り変える。これにより、電池ブロックは第三制限抵抗35で放電され、ブロック電圧が低下される。所定のブロック電圧まで低下されると均等化を終了し、第三均等化スイッチ36をONからOFFに切り変える。パック制御回路39は、各々の電池ブロックのブロック電圧を比較して、全ての電池ブロックのブロック電圧を均等化するように第三均等化スイッチ36を制御する。
このように電源装置は、電池ユニット間のアンバランスを第一均等化回路14で解消し、各電池ユニット内の電池パック間のアンバランスを第二均等化回路24で解消し、さらに各電池パック内の電池ブロック間のアンバランスを第三均等化回路34で解消する。このように、三段階のグループに分けて均等化を行うことで、多数の電池セルを使用する電源装置においても効率よくアンバランスを解消でき、電池セルを長期に渡って安定して使用できるようにして信頼性を改善できる。特に多数の電池セルを使用して出力を向上させた大型の電源装置においては、いずれかの電池セルが使用不能となることで、電源装置全体が使用できなくなるおそれがあるため、各電池セルを可能な限り安定して使用できるようにすることが重要となる。そこで、電池セル間のアンバランスを極力低減してセルバランスを維持した状態で使用することで、このような問題に対処できる。
図1に示す電源装置は、この図では示していないが、出力側に突入電流防止回路を接続することもできる。突入電流防止回路51は、図5に示すように、負荷LDに流れる突入電流を防止する電流制限抵抗52と、スイッチング素子53との直列回路で構成される。また図5の回路は、突入電流防止回路51と並列に放電スイッチDSを接続している。この図の電源装置は、放電スイッチDSをONに切り換えると、負荷LDに突入電流が流れて、スイッチやヒューズ(図示せず)等に過電流による弊害を与える。突入電流は、主として、負荷LDに並列に接続している大容量の電解コンデンサCDの充電電流である。突入電流防止回路51は、放電スイッチDSをOFFとする状態でスイッチング素子53をONに切り換えて、負荷LDに流れる突入電流を電流制限抵抗52で制限する。
図5の回路構成によると、専用の突入電流防止回路51を設ける必要がある。一方、図6に示す回路構成の電源装置は、第一均等化回路14を突入電流防止回路に併用することで、専用に設ける突入電流防止回路を省略しながら、負荷LDの突入電流を防止する。
図6に示す電源装置は、第一均等化回路14と並列接続スイッチ12とを並列に接続して、並列接続スイッチ12と第一均等化スイッチ16をスイッチ制御回路6で制御している。スイッチ制御回路6は、電池ユニット10を負荷LDに接続するタイミング、すなわち、放電スイッチDSをONに切り換えるタイミングにおいて、並列接続スイッチ12をOFF状態として、第一均等化回路14の第一均等化スイッチ16をON状態に切り換えて、電池ユニット10を負荷LDに接続する。この状態で、電池ユニット10は、第一制限抵抗15を介して負荷LDに接続されて、負荷LDの電解コンデンサCD等に流れる突入電流が第一制限抵抗15で制限される。突入電流のピーク値は、第一制限抵抗15の電気抵抗で特定される。例えば、第一制限抵抗15の電気抵抗を100Ω、電池ユニット10の電圧を250Vとすれば、突入電流のピーク値は、2.5A以下となる。
突入電流は次第に減少して、負荷LDの電解コンデンサCDを充電する。突入電流が流れなくなる状態で、スイッチ制御回路6は並列接続スイッチ12をONに切り換える。このとき、スイッチ制御回路6は、並列接続スイッチ12をONに切り換えた後、第一均等化スイッチ16をOFFに切り換える。ただ、スイッチ制御回路6は、第一均等化スイッチ16をOFFに切り換えると同時に、並列接続スイッチ12をONに切り換え、あるいは第一均等化スイッチ16をOFFに切り換えた後、並列接続スイッチ12をONに切り換えることもできる。
図7は、図6に示す電源装置が負荷LDに接続されるフローチャートを示している。
このフローチャートは、以下のステップで電池ユニット10を負荷LDに接続する。
[n=1、2のステップ]
[n=1、2のステップ]
このステップでは、電池ユニット10を負荷LDに接続して放電を開始するに先立って、スイッチ制御回路6が、第一均等化回路14の第一均等化スイッチ16をONに切り換える。すなわち、スイッチ制御回路6は、電池ユニット10を負荷LDに接続するタイミングにおいて、第一均等化回路14の第一均等化スイッチ16をONに切り換えた後、放電スイッチDSをONに切り換える。この状態で、電池ユニット10は第一制限抵抗16を介して負荷LDに接続され、負荷LDの突入電流を防止しながら、負荷LDの電解コンデンサCD等を充電する。
[n=3のステップ]
[n=3のステップ]
電源コントローラ2に電源が供給されて動作状態となり、負荷LDに流れる電流を検出する状態となる。
[n=4、5のステップ]
[n=4、5のステップ]
電池ユニット10から負荷LDに出力される電流を検出し、検出電流が設定値以下かどうかを判定する。検出電流が設定値以下であると、n=8のステップにジャンプして、並列接続スイッチ12をONに切り換える。
[n=6、7のステップ]
[n=6、7のステップ]
検出電流が設定値より大きいと、電池ユニット10の電圧と、電源ラインOLの電圧との電圧差、すなわち第一制限抵抗15の両端の電圧差を検出して、この検出した電圧差が測定誤差範囲内にあるかどうかを判定する。検出した電圧差が測定誤差範囲内にあると、n=8のステップに進んで並列接続スイッチ12をONに切り換え、そうでないと、n=4のステップにループする。
負荷LDの電解コンデンサCDが充電されて突入電流が流れない状態になると、電池ユニット10と電源ラインOLの電圧はほぼ等しくなるので、検出される電圧差は測定誤差範囲内となる。すなわち、電池ユニット10と電源ラインOLの電圧差が測定誤差範囲内になると、負荷LDの電解コンデンサCDが充電されて、突入電流は流れない状態となる。
[n=8、9のステップ]
[n=8、9のステップ]
並列接続スイッチ12をONに切り換えて、電池ユニットを負荷LDに接続した後、第一均等化スイッチをOFFに切り換える。
以上のように、負荷LDの突入電流を検出して検出電流を設定値に比較し、さらに、電池ユニット10と電源ラインOLとの電圧差を検出して、突入電流が流れないことを検出する電源装置は、より確実に突入電流が流れない状態を検出して、並列接続スイッチ12をONに切り換えできる。
ただ、突入電流が流れなくなったことは、電池ユニットの出力電流を検出して設定値に比較し、あるいは電池ユニットと電源ラインとの電圧差のいずれか一方を検出して、判定することもできる。
本発明に係る電源装置は、夜間電力や太陽電池パネルで充電して使用する家庭用、プラント用の電源装置等に好適に利用できる。
100…電源装置
2…電源コントローラ
4…OR回路
6…スイッチ制御回路
10、10A、10B…電池ユニット
12、12A、12B…並列接続スイッチ
14…第一均等化回路
15、15A、15B…第一制限抵抗
16、16A、16B…第一均等化スイッチ
20…電池パック
24…第二均等化回路
25…第二制限抵抗
26…第二均等化スイッチ
31…電池セル
32…電流ヒューズ
33…電池監視回路
34…第三均等化回路
35…第三制限抵抗
36…第三均等化スイッチ
37…パック電流検出回路
39…パック制御回路
40…電源装置;41…電池;42…放電回路
43…放電抵抗;44…スイッチング素子
51…突入電流防止回路
52…電流制限抵抗
53…スイッチング素子
LD…負荷;CP…充電用電源;CD…電解コンデンサ
DS…放電スイッチ;CS…充電スイッチ
HT…ホスト機器;OL…出力ライン
DI…パック入力端子;DA…パック異常出力端子;DO…パック出力端子
2…電源コントローラ
4…OR回路
6…スイッチ制御回路
10、10A、10B…電池ユニット
12、12A、12B…並列接続スイッチ
14…第一均等化回路
15、15A、15B…第一制限抵抗
16、16A、16B…第一均等化スイッチ
20…電池パック
24…第二均等化回路
25…第二制限抵抗
26…第二均等化スイッチ
31…電池セル
32…電流ヒューズ
33…電池監視回路
34…第三均等化回路
35…第三制限抵抗
36…第三均等化スイッチ
37…パック電流検出回路
39…パック制御回路
40…電源装置;41…電池;42…放電回路
43…放電抵抗;44…スイッチング素子
51…突入電流防止回路
52…電流制限抵抗
53…スイッチング素子
LD…負荷;CP…充電用電源;CD…電解コンデンサ
DS…放電スイッチ;CS…充電スイッチ
HT…ホスト機器;OL…出力ライン
DI…パック入力端子;DA…パック異常出力端子;DO…パック出力端子
Claims (14)
- 複数の電池セル(31)を直列及び並列に接続してなる電源装置であって、
前記複数の電池セルが並列に接続されて電池パック(20)を構成しており、
前記複数の電池パックが直列に接続されて電池ユニット(10)を構成しており、
前記複数の電池ユニットは出力ラインに対して互いに並列に接続されており、
前記複数の電池ユニット間の電池残存容量のばらつきを抑制する第一均等化回路と、
前記各電池ユニットを構成する直列接続された各々の電池パックの電池残存容量のばらつきを抑制する第二均等化回路とを備えることを特徴とする電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
前記電池ユニットと前記出力ラインとの間には並列接続スイッチが設けられており、
前記第一均等化回路は、直列に接続された第一制限抵抗および第一均等化スイッチからなり、前記電池ユニットと出力ラインとの間において前記並列接続スイッチと並行に接続されていることを特徴とする電源装置。 - 請求項2に記載の電源装置であって、
前記複数の電池ユニット間の電池残存容量のばらつきに応じて、前記並列接続スイッチと、前記第一均等化スイッチとを切り替える切替部を備えることを特徴とする電源装置。 - 請求項1から3のいずれか一に記載の電源装置であって、
前記第二均等化回路は、直列に接続された第二制限抵抗および第二均等化スイッチからなり、各々の電池パックと並列に接続されていることを特徴とする電源装置。 - 請求項1から4のいずれか一に記載の電源装置であって、
前記電池ユニットは、前記電池パック間を着脱式のコネクタで接続してなることを特徴とする電源装置。 - 請求項1から5のいずれか一に記載の電源装置であって、
前記電池パックは、前記複数の電池セルを並列に接続した電池ブロックを、複数直列に接続して構成されており、前記複数の電池ブロック間の電池残容量のばらつきを抑制する第三均等化回路を前記電池ブロック毎に備えていることを特徴とする電源装置。 - 請求項1から6のいずれか一に記載の電源装置であって、
前記複数の電池セルで構成される電池群の容量が1KVA~100KVAであることを特徴とする電源装置。 - 請求項1から7のいずれか一に記載の電源装置であって、
複数の電池ユニットが脱着自在に前記出力ラインに接続されていることを特徴とする電源装置。 - 請求項2、4から8のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、前記並列接続スイッチと前記第一均等化スイッチを制御する電源コントローラを備えており、
前記電源コントローラが、
前記並列接続スイッチをON状態として電池ユニットを並列に接続し、
前記並列接続スイッチをOFF状態として第一均等化スイッチをON状態として、電池ユニット間の電池残容量のばらつきを抑制することを特徴とする電源装置。 - 請求項3に記載の電源装置であって、 前記切替部は、前記複数の電池ユニット間の電池残存容量のばらつきを均等化する場合において、電圧が高い前記電池ユニットに接続された前記並列接続スイッチをOFF状態、第一均等化スイッチをON状態とし、電圧が低い前記電池ユニットに接続された前記並列接続スイッチをON状態、第一均等化スイッチをOFF状態とすることを特徴とする電源装置。
- 請求項1から10のいずれか一に記載の電源装置であって、
前記電池パックを構成する前記電池セルがリチウムイオン電池であることを特徴とする電源装置。 - 請求項3又は10に記載の電源装置であって、
前記切替部は、前記電池ユニットを負荷に接続する場合において、最初に前記並列接続スイッチをOFF状態、前記第一均等化スイッチをON状態とし、所定時間後に前記並列接続スイッチをON状態、前記第一均等化スイッチをOFF状態とすることを特徴とする電源装置。 - 請求項2、4から9、11のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、
前記第一均等化回路と前記並列接続スイッチとが並列に接続されると共に、前記並列接続スイッチと前記第一均等化スイッチを制御するスイッチ制御回路を備えており、
前記電池ユニットを負荷に接続するタイミングにおいて、
前記スイッチ制御回路が、
前記第一均等化回路の第一均等化スイッチをON状態として電池ユニットを負荷に接続して、突入電流を第一制限抵抗で制限し、
突入電流の流れない状態で、前記並列接続スイッチをON状態として、電池ユニットを負荷に接続することを特徴とする電源装置。 - 複数の電池セルを直列及び並列に接続してなる電源装置であって、
前記複数の電池セルが並列に接続されて電池パックを構成しており、
前記複数の電池パックが直列に接続されて電池ユニットを構成しており、
前記複数の電池ユニットは出力ラインに対して互いに並列に接続されており、
前記複数の電池ユニット間の電池残存容量のばらつきを抑制する第一均等化回路を備えることを特徴とする電源装置。
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