WO2012023477A1 - エネルギー蓄積装置 - Google Patents

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WO2012023477A1
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WO
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module
energy storage
storage device
module unit
control circuit
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PCT/JP2011/068295
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English (en)
French (fr)
Inventor
中野　裕一
坂本　明男
向中野　浩志
Original Assignee
Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device using a secondary battery.
  • UPS As an energy storage device using a secondary battery, a device using a lead battery is generally known, and UPS and the like are examples of applied products.
  • the lead battery will tend to weight energy density device itself becomes large low.
  • a small cell such as a lithium ion battery.
  • the switch element 26 is also a high breakdown voltage product.
  • the components when a plurality of cells are connected in series or in parallel, the components must be high withstand voltage products and there is no correction means even if the inter-cell voltage varies. By repeating the discharge, the total capacity of the energy storage device may be significantly reduced. In addition, when any cell has a failure such as an internal short circuit, the function as the device may not be maintained. The energy storage capacitor is fixed, typically charging time becomes longer.
  • the present invention has been made to solve such a technical problem, and can easily perform capacity management and capacity adjustment, while shortening the charging time and extending the life of the cell. , and to provide an energy storage device with excellent maintainability at low cost.
  • the energy storage device is an energy storage device configured by connecting a plurality of chargeable / dischargeable secondary batteries, the module configured by connecting a plurality of the secondary batteries, and the module Are connected to the module unit, and a control circuit is connected to the module unit and performs charge / discharge control.
  • the module unit is connected to the module unit.
  • a module is formed by connecting a plurality of secondary batteries, a module unit is formed by connecting a plurality of modules, and an energy storage device is formed by connecting a plurality of module units. It has a three-layer structure.
  • the state management of the secondary battery can be performed in module units, so that replacement and capacity management of the secondary battery can be performed in module units.
  • the capacitance between the module units can be easily and uniformly by exchanging the module units. Further, for example, the output current / capacity can be automatically changed according to the load, so that charging can be performed in an appropriate time.
  • Unnecessary modules can be stopped, for example, without charging / discharging, so that the cycle life of the entire device used can be extended by alternately using the modules. With such a three-layer structure, an inexpensive and long-life highly reliable device can be obtained.
  • the module may be configured by connecting two to four secondary batteries in series, or connecting two to three secondary batteries in parallel. By being configured in this manner, it is possible to configure the module only by the low-voltage electronic components.
  • the module includes monitoring means for monitoring a state of the secondary battery included in the module, and output means for outputting the state of the secondary battery to the module unit including the module. Also good.
  • the module may include a switch that controls charging / discharging of the secondary battery included in the module, and the monitoring unit may monitor the voltage, charging / discharging current, and temperature of the secondary battery. Further, the module may include a remaining capacity calculating unit that calculates a remaining capacity of the secondary battery included in the module. Furthermore, the module may include a fuse that disconnects the secondary battery included in the module.
  • the module unit may be configured to connect a plurality of the modules in parallel and change the number of effective modules in the module unit. With this configuration, even when a secondary battery or module fails, for example, charging and discharging of the failed module can be stopped until the module is replaced. Is also possible.
  • the module unit includes a capacity calculation unit that sums information on the capacity of the module output from the module included in the module unit, and an output unit that outputs the summed information on the capacity to the control circuit. You may have. With this configuration, module information can be aggregated into module unit information, and module unit information can be aggregated into the control circuit.
  • the module unit controls charging / discharging of the module included in the module unit based on input means for inputting information on charge / discharge control output from the control circuit and information on the charge / discharge control.
  • Charging and discharging control means By comprising in this way, charging / discharging of a module can be controlled by a control circuit via a module unit.
  • control circuit may include an input unit for inputting information output from the module unit, and may control charging / discharging based on the information output from the module unit. Further, the control circuit may calculate a remaining capacity of the entire apparatus based on information input by the input unit. Further, the control circuit may comprise an output means for outputting information to the display device.
  • the remaining capacity of the entire device can be calculated based on the information collected from the module unit, and the control circuit can perform secondary charging required for charging / discharging based on the remaining capacity of the entire device. It becomes possible to determine the connection of a battery appropriately. Further, it is possible to notify the state of charge or abnormality of the apparatus to the user.
  • the present invention it is possible to easily perform capacity management / capacity adjustment, and to achieve an energy storage device that is low in cost and excellent in maintainability while shortening the charging time and extending the life of the cell. it can.
  • the energy storage device is suitably employed in, for example, a HEV (Hybrid Electric Vehicle) or UPS (Uninterruptible Power Systems) power supply device. Specifically, it is suitably used for modules, packs, etc. using a circuit composed of a voltage monitoring circuit, a current measuring circuit, a temperature monitoring circuit, a microcomputer, a charge control circuit, a bidirectional isolator, etc. Is.
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • UPS Uninterruptible Power Systems
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy storage device 1 according to this embodiment.
  • the energy storage device 1 includes a module B having a plurality of cells C n (n: integer) and a plurality of cells C n in which energy is stored, which is a rechargeable secondary battery such as lithium ion.
  • n (n: integer) and a plurality of module units A n (n: integer) having a plurality of modules B n are provided.
  • the energy storage part has a three-layer structure of module unit A n , module B n and cell C n in order from the top, and these parts are electrically connected and can input / output information to / from each other.
  • a plurality of module units A n of the upper layer is connected to the control circuit 10.
  • Control circuit 10 has a function of outputting to the display device 50 to understand and manage the state of the module unit A n (output means) has a function of controlling the module unit A n, based on the information interface device 40 has output
  • the connection configuration of the module unit A n , the module B n and the cell C n can be changed.
  • a display device is used as the display device 50.
  • the BMS 20 includes a data processing remaining amount calculation circuit (remaining capacity calculation means) 24, a switch control circuit 23, and a switch element 26.
  • the data processing remaining amount calculation circuit 24 calculates the remaining capacity of the cell C n using the values detected by the current detection circuit 21 and the voltage detection circuit 22, and any one of the cells C n exceeds a predetermined voltage.
  • the switch element 26 FET symbol in the figure
  • the switch element 26 is turned off to cut off the charging path from the cell. The same process is performed when the cell voltage exceeds the predetermined voltage and is discharged.
  • These circuits have the same function as, for example, a battery pack of a notebook PC.
  • FIG. 4 is a schematic view of a module unit A n according to the present embodiment.
  • the module unit An includes a plurality of modules Bn, and includes a power supply circuit 30, a CPU (capacity calculation means, charge / discharge control means) 31, and a dual isolator 32.
  • Each module Bn is equipped with a switch for charge / discharge control, and charge / discharge can be controlled at any time according to an instruction from the CPU 31. In this way, it is in the module unit A n are connected in parallel and controlled so as to charge or discharge only any module B n that.
  • FIG. 4 shows an example in which only the module B 3 is discharged with the module B 3 as an effective module. That is capable of changing the number of valid modules in a module unit A n.
  • the module unit An includes a communication circuit (not shown: output means) that outputs the capacity of each module B n added by the CPU 31 to the control circuit 10.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the connection of the module units A n according to the present embodiment.
  • module units A 1 and A 2 are connected in series.
  • Module Unit A 1 module B 1 ⁇ B 3 are respectively serially and switchably connected to the modules B 1 ⁇ B 3 of the module unit A 2.
  • FIG. 5 shows an example of discharging only the column of the module B 3.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a monitoring operation of the energy storage device 1 according to this embodiment.
  • the monitoring process shown in FIG. 7 is repeatedly executed at a predetermined interval from the timing when the power of the energy storage device 1 is turned on, for example.
  • the module level, the module unit level, the energy storage device level (control circuit level), and the respective data processing flows are collectively shown.
  • the module B n performs state detection and determination processing (S10).
  • Each module B n determines the temperature of the cell C n included in the module B n, voltage, detects the current, whether it is within a set value (a predetermined threshold).
  • the remaining capacity of the module Bn is calculated (S12).
  • the data processing remaining amount calculation circuit 24 of the module B n calculates the remaining amount capacity.
  • the communication circuit 25 of the module B n is, the remaining amount capacity calculated in S12, and transmits to the module unit A n, including the module B n (S14).
  • Module Unit A n receives the remaining capacity from each module B n (S24). The module unit A n, based on the remaining amount volume received from each module B n, calculates the remaining amount capacity of module units A n (S26). The module unit A n transmits the remaining capacity of the module unit A n calculated in the processing of S26 to the control circuit 10 (S28).
  • Control circuit 10 receives the remaining amount capacity from each module unit A n (S34). Then, the control circuit 10 based on the remaining capacity received from each module unit A n, to calculate the remaining capacity of the pack (S36). Then, the control circuit 10 transmits the remaining capacity of the pack calculated in the process of S36 to the display device 50 (S38). As a result, the remaining capacity of the pack is displayed on the display device 50.
  • the switch control circuit 23 prohibits charging or discharging (S16). Then, the communication circuit 25, to the effect that an abnormality is detected, transmits to the module unit A n, including the module B n (S18).
  • Module Unit A n receives the abnormal data from the module B n, and transmits the received abnormal data to the control circuit 10 (S20, S22)
  • Control circuit 10 receives the abnormal data from the module unit A n, and transmits to the display device 50 the received abnormal data (S30, S32). As a result, the display device 50 displays that an abnormality has been detected.
  • the control process shown in FIG. By executing the control processing shown in FIG. 7, the module B n levels, the voltage, current and temperature of the cell C n is monitored, abnormality information is transmitted to the module unit A n is when an abnormality occurs .
  • the capacity of the module B n level is calculated at any time with reference to current / voltage / temperature information.
  • the capacity at the module B n level is basically the sum of the capacity of each module B n .
  • the display device 50 can notify the user of the abnormality.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a connection change operation energy storage device 1 according to this embodiment. The process shown in FIG. 8 is executed, for example, at a timing some input from the interface unit 40.
  • the module level, the module unit level, the energy storage device level (control circuit level), and the respective data processing flows are collectively shown.
  • the control circuit 10 executes a capacity adjustment method calculation process (S40).
  • the control circuit 10 calculates which cell C n is efficient to use in consideration of the remaining capacity of the pack obtained by the processing of FIG. Then, based on the calculation result, and transmits a signal of the charge or discharge to the module unit A n having a cell C n is charged or discharged (S42).
  • Module Unit A n receives the signal of the charge or discharge from the control circuit 10, and transmits to the module B n having a cell C n is charged or discharged (S44,46).
  • Module B n receives the remaining capacity from the module unit A n, the switch control circuit 23 operates in accordance with a signal instructing the charging or discharging (S48, S50).
  • control process shown in FIG. 8 ends.
  • all the module Bn capacities are managed by the control circuit 10, and an optimal module Bn connection is determined during charging and discharging.
  • Data is sent to module B n via the module unit A n to implement is determined connected with control circuit.
  • Each module Bn turns on / off the switch element 26 in accordance with the command.
  • the module Bn is configured in units of several cells, a plurality of modules Bn are connected to form a module unit An, and a plurality of module units An are connected.
  • the energy storage device 1 is a three-layer structure.
  • the management is performed with the module Bn as a minimum unit.
  • it is possible to equalize the capacitance between the module units A n by replacing the module B n.
  • the life of the energy storage device 1 becomes possible.
  • an abnormality can be detected immediately and the replacement of the module Bn is easy.
  • the energy storage device 1 according to the present embodiment is extremely effective because it reduces ineffective energy consumption, reduces heat generation from the device, and can withstand long-term use. Further, the energy storage device 1 according to the present embodiment can bring about the same effect when applied to energy storage devices other than HEV, such as UPS, uninterruptible power supply, solar cell energy storage device, and the like.
  • each embodiment described above shows an example of the energy storage device according to the present invention.
  • the energy storage device according to the present invention is not limited to the energy storage device according to each embodiment, and the energy storage device according to each embodiment is modified or changed without changing the gist described in each claim, or It may be applied to other things.
  • SYMBOLS 1 Energy storage device, 10 ... Control circuit (output means), 11 ... Power supply circuit, 13 ... Charging circuit, 20 ... BMS (monitoring means), 21 ... Current detection circuit, 22 ... Voltage detection circuit, 23 ... Switch control circuit 24 ... Data processing remaining amount calculation circuit (remaining capacity calculation means), 25 ... Communication circuit (output means), 26 ... Switch element, 27 ... Sense resistor, 30 ... Power supply circuit, 31 ... CPU (Capacity calculation means, charge / discharge) Control means), 32... Both isolators, 40... Interface device, 50... Display device, A n ... module unit, B n ... each module, C n ... cell.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

　充放電可能なセルＣｎを複数接続して構成されるエネルギー蓄積装置１であって、セルＣｎを複数接続して構成されるモジュールＢｎと、モジュールＢｎを複数接続して構成されるモジュールユニットＡｎと、モジュールユニットＡｎに接続され、充放電制御を行うコントロール回路１０と、を備え、モジュールユニットＡｎが複数接続されることを特徴とする。

Description

エネルギー蓄積装置
　本発明は、二次電池を使ったエネルギー蓄電装置に関する。
　二次電池を使ったエネルギー蓄積装置としては鉛電池を使ったものが一般的に知られており、ＵＰＳなどが応用製品として挙げられる。しかし、鉛電池は重量エネルギー密度が低く装置自体が大きくなる傾向になる。装置の小型化を実現するために、例えばリチウムイオン電池等の小型のセル（二次電池）を用いたエネルギー蓄積装置の要求が高まっている。
　このようなエネルギー蓄積装置として、セルを多数直列に接続したエネルギー蓄積装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）特許文献１記載の装置は、外部からの指令に従って作動するバイパス回路を各単位セルと並列に接続し、セル電圧にばらつきが生じると、セル電圧の高い単位セルのバイパス回路を作動させ、このバイパス回路に充電電流を分流（バイパス）させることにより、単位セル間の電圧のばらつきが小さくなるように調整するものである。
　また、セルを複数本並列に接続するエネルギー蓄積装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）特許文献２記載の装置は、セルを並列に接続して電池群をなし、合計の容量を大容量電池に匹敵するものとし、これらを並列に接続した電池群を更に直列に接続することにより、大出力・大容量の電池を実現するものである。
　上述のように、高出力電圧・高出力電流を小型セルで構成すべく、例えば図９に示すように、小型セルを直列・並列接続することが一般的である。図９に示す複数のセルＣは、高耐圧のバッテリーマネージメントシステム（ＢＭＳ）により制御される。この場合、スイッチ素子２６も高耐圧品となる。
特開平８－１９１８８号公報 特開平８－２４１７０５号公報
　しかしながら、特許文献１記載の装置にあっては、過充電・過放電状態を避けるためにセル電圧をモニターする必要がある。このため、制御回路が複雑となるとともに高耐圧部品を多用するために、コストが相対的に増大するおそれがある。またセルを直列接続した状態で、充放電を繰り返すと、セル特性ばらつきや動作温度環境により、セル電圧に差が生じるおそれがある。セルとしてリチウムイオン電池を採用した場合には、セルの充電上限電圧と放電下限電圧は制限されているので、セルが多数直列接続されるエネルギー蓄積装置では装置全体の容量が低下するという課題がある。
　これに対して、他のセルよりも電圧の高いセルを抵抗やスイッチを用いて放電することにより、バランス（均等化）することが考えられるが、放電により熱を発生してしまい、放熱装置などが必要となり装置が大型化する傾向になる。一方、特許文献１記載の装置のように、充電時に各セルへの充電を制限してバランスとる方法も考えられるが、この際にも充電電流をバイパスするためのスイッチが必要となり、バイパス電流が大きくなるとスイッチが急激に加熱されるおそれがある。このように、これらの手法では、放電エネルギーが熱に変換されてしまいエネルギー効率が著しく低下する。
　また、特許文献２記載の装置にあっては、セルの容量は製造条件によってばらつきを持つので、多数並列接続してエネルギー蓄積装置を構成した際に合計容量値が明確にならない。これは並列にセルを接続した場合には電圧が均等化されてしまうためにセル単位の容量を測定するのが困難であるからである。
　さらに、図９に示すように、複数のセルを直列・並列接続する場合には、構成部品を高耐圧品とする必要がある上に、セル間電圧がばらついても補正手段がないため、充放電を繰り返す事によってエネルギー蓄積装置の合計容量が著しく低下するおそれがある。また、いずれかのセルが内部短絡などの故障となった場合には装置としての機能を維持できなくなる場合がある。またエネルギー蓄積容量は固定であり、一般的に充電時間が長くなる。
　そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、容量管理・容量調整を容易に行うことができるとともに、充電時間の短縮化及びセルの長寿命化を図りつつ、低コストでメンテナンス性に優れたエネルギー蓄積装置を提供することを目的とする。
　すなわち、本発明に係るエネルギー蓄積装置は、充放電可能な二次電池を複数接続して構成されるエネルギー蓄積装置であって、前記二次電池を複数接続して構成されるモジュールと、前記モジュールを複数接続して構成されるモジュールユニットと、前記モジュールユニットに接続され、充放電制御を行うコントロール回路と、を備え、前記モジュールユニットが複数接続されて構成される。
　本発明に係るエネルギー蓄積装置では、二次電池を複数接続してモジュールを構成し、モジュールを複数個接続してモジュールユニットを構成し、モジュールユニットを複数個接続されたものをエネルギー蓄積装置とする3層構造とする。このように構成することで、例えばモジュール単位で二次電池の状態管理ができるため、モジュール単位で二次電池の交換・容量管理が可能となる。モジュール単位で交換することで各モジュールユニット間の容量を容易に均一にすることができる。また、例えば負荷に応じて出力電流・容量の変更を自動的に行うこともできるので、適正な時間で充電を行うことが可能となる。不要なモジュールは例えば充放電を行わずに休止しておくことができるので、モジュールを交互に使用することで使用装置全体のサイクル寿命を伸ばすことが可能となる。このように３層構造とすることで、安価で長寿命の信頼性の高い装置とすることができる。
　ここで、前記モジュールは、２～４個の前記二次電池を直列に接続し、又は、２～３個の前記二次電池を並列に接続して構成されてもよい。このように構成されることで、モジュールを低耐圧の電子部品のみで構成することができる。
　また、前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の状態を監視する監視手段と、前記二次電池の状態を、当該モジュールを含む前記モジュールユニットへ出力する出力手段と、を有してもよい。また、前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の充放電を制御するスイッチを有し、前記監視手段は、前記二次電池の電圧、充放電電流及び温度を監視してもよい。また、前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の残存容量を計算する残存容量演算手段を有してもよい。さらに、前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の接続を切断するヒューズを有してもよい。
　このように構成することで、モジュール単位で二次電池の状態管理ができるとともに、モジュールユニットにモジュールの情報を集約することが可能となる。そして、例えば二次電池で不具合が発生した場合には、即時に異常を検知し異常のある二次電池の接続を切断することができるので、当該モジュールの交換を安全に行うことが可能となる。
　また、前記モジュールユニットは、前記モジュールを複数並列に接続し、当該モジュールユニット内の有効モジュール数を変更可能に構成されてもよい。このように構成することで、例えば二次電池やモジュールが故障した場合であっても、モジュール交換までは故障モジュールの充放電を停止することができるので、装置の安全性を確保したままで稼働も可能である。
　また、前記モジュールユニットは、当該モジュールユニットに含まれる前記モジュールから出力された当該モジュールの容量に関する情報を合算する容量演算手段と、合算された前記容量に関する情報を前記コントロール回路へ出力する出力手段と、を有してもよい。このように構成することで、モジュールの情報を集約してモジュールユニットの情報とすることができるとともに、モジュールユニットの情報をコントロール回路へ集約することが可能となる。
　また、前記モジュールユニットは、前記コントロール回路から出力された充放電制御に関する情報を入力する入力手段と、前記充放電制御に関する情報に基づいて、当該モジュールユニットに含まれる前記モジュールの充放電を制御する充放電制御手段と、を有してもよい。このように構成することで、コントロール回路により、モジュールユニットを介してモジュールの充放電を制御することができる。
　また、前記コントロール回路は、前記モジュールユニットから出力された情報を入力する入力手段を有し、前記モジュールユニットから出力された情報に基づいて充放電を制御してもよい。また、前記コントロール回路は、前記入力手段により入力された情報に基づいて、装置全体の残量容量を演算してもよい。さらに、前記コントロール回路は、表示装置へ情報を出力する出力手段を備えてもよい。
　このように構成することで、装置全体の残量容量をモジュールユニットから収集した情報に基づいて算出することができるとともに、コントロール回路が装置全体の残量容量に基づいて充放電に必要な二次電池の接続を適切に決定することが可能となる。また、装置の充電状態や異常をユーザに報知することができる。
　本発明によれば、容量管理・容量調整を容易に行うことができるとともに、充電時間の短縮化及びセルの長寿命化を図りつつ、低コストでメンテナンス性に優れたエネルギー蓄積装置とすることができる。
実施形態に係るエネルギー蓄積装置のブロック図である。 図１に示すエネルギー蓄積装置の回路図である。 図１に示すモジュールの概要図である。 図１に示すモジュールユニットの概要図である。 図１に示すモジュールユニットの接続を説明する概要図である。 図１に示すモジュールユニットの接続を説明する等価回路である。 実施形態に係るエネルギー蓄積装置の動作を説明するフローチャートである。 実施形態に係るエネルギー蓄積装置の動作を説明するフローチャートである。 従来のエネルギー蓄積装置の回路図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　本実施形態に係るエネルギー蓄積装置は、たとえばＨＥＶ（Hybrid　Electric　Vehicle）やＵＰＳ（Uninterruptible　Power　Systems）の電源装置等に好適に採用されるものである。具体的には、多数セルの電圧監視回路、電流測定回路、温度監視回路、マイクロコンピューター、充電制御回路、双方向アイソレータなどで構成される回路を使った、モジュール、パック等に好適に採用されるものである。
　最初に、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成概要を説明する。図１は、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１のブロック図である。図１に示すように、エネルギー蓄積装置１は、エネルギーを蓄積する部分が、リチウムイオン等の充放電可能な２次電池であるセルＣｎ（ｎ：整数）、セルＣｎを複数有するモジュールＢｎ（ｎ：整数）、及びモジュールＢｎを複数有するモジュールユニットＡｎ（ｎ：整数）を複数備えて構成されている。すなわち、エネルギーを蓄積する部分が、上から順にモジュールユニットＡｎ、モジュールＢｎ及びセルＣｎの３層構造とされており、これらは電気的に接続されるとともに互いに情報を入出力可能に構成されている。また、上位層の複数のモジュールユニットＡｎは、コントロール回路１０に接続されている。コントロール回路１０は、モジュールユニットＡｎの状態を把握・管理して表示装置５０へ出力する機能（出力手段）、モジュールユニットＡｎを制御する機能を有し、インターフェイス装置４０が出力した情報に基づいて、モジュールユニットＡｎ、モジュールＢｎ及びセルＣｎの接続構成を変更可能に構成されている。なお、表示装置５０としては、例えばディスプレイ装置が用いられる。
　次に、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の構成の詳細を説明する。図２は、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の回路図である。なお、図２では、説明理解の容易性を考慮して、モジュールユニットＡｎが３つの場合を説明する。図２に示すように、モジュールユニットＡ１、モジュールユニットＡ２及びモジュールユニットＡ３がコントロール回路１０に接続されている。
　コントロール回路１０は、電源回路（Regulator）１１、マイクロプロセッサーであるＣＰＵ１２（又はＤＳＰ）及び充電回路１３を備えている。ＣＰＵ１２は、電源回路１１及び充電回路１３を駆動させるとともに、モジュールユニットＡ１～Ａ３に接続され、情報の入出力を行う機能を有している。電源回路１１は、モジュールユニットＡ１～Ａ３に接続され、ＣＰＵ１２の信号に基づいてモジュールユニットＡ１～Ａ３に電圧を供給する。充電回路１３は、モジュールユニットＡ１～Ａ３に接続され、ＣＰＵ１２の信号に基づいてモジュールユニットＡ１～Ａ３を充電する。
　次に、本実施形態に係るモジュールＢｎの構成の詳細を説明する。図３は、本実施形態に係るモジュールＢｎの概要図である。なお、図３では、説明理解の容易性を考慮して、セルＣｎが３つ直列に接続されている場合を説明する。図３に示すように、モジュールＢｎは、例えば同性能の複数のセルＣｎを含んで構成されている。モジュールＢｎの並列接続数は、要求電流により決定される。例えばモジュールＢｎの最大出力が４Ａであり、要求電流値が１２Ａである場合は３モジュールが並列接続される。これらモジュールＢｎは並列接続されるので電圧が一定であるが、容量はまったく同じではない。モジュールＢｎを並列接続した場合の合計容量は各モジュールＢｎ容量を合計すればよい。これら計算はＣＰＵを使うと計算が容易に実現できる。
　ここで、セルＣｎをリチウムイオン電池とする場合には、各セル電圧もモニターして過充電・過放電を避ける必要がある。このためにＢＭＳ（監視手段）２０がセルＣｎに接続される。ＢＭＳ２０は、各セルＣｎのセル電圧・充放電電流・セル温度などを測定し監視できる機能を有する。例えば、ＢＭＳ２０は、電流検出回路２１及び電圧検出回路２２を備えている。図３では、充放電電流をモニターするためにセンス抵抗２７が接続されている。
　また、ＢＭＳ２０は、データ処理残量計算回路（残存容量演算手段）２４、スイッチ制御回路２３及びスイッチ素子２６を備えている。例えば、データ処理残量計算回路２４は、電流検出回路２１及び電圧検出回路２２によって検出された値を用いてセルＣｎの残存容量を演算し、いずれかのセルＣｎが所定電圧を超えて充電された場合には、スイッチ素子２６（図中ＦＥＴ記号）をオフにして充電経路をセルから遮断するように構成されている。セル電圧が所定電圧を超えて放電した場合にも、同様の処理が施される。これら回路は、例えばノートブックＰＣのバッテリーパックと同様の機能を有する。４セルの直列接続までであれば、ＢＭＳ２０として低耐圧（３０Ｖ以下）の部品を採用することができるため、電子部品コストが安価となる。安全の為に、セルの接続を切断するヒューズなどを接続してもよい。また、ＢＭＳ２０は、データ処理残量計算回路２４に接続される通信回路（出力手段）２５を備えており、モジュールＢｎの情報を、モジュールユニットＡｎへ出力可能に構成されている。
　次に、本実施形態に係るモジュールユニットＡｎの構成の詳細を説明する。図４は、本実施形態に係るモジュールユニットＡｎの概要図である。なお、図４では、説明理解の容易性を考慮して、モジュールＢｎが３つ並列に接続されている場合を説明するが、３つに限られるものではない。図４に示すように、モジュールユニットＡｎは、複数のモジュールＢｎを含んで構成され、電源回路３０、ＣＰＵ（容量演算手段、充放電制御手段）３１及び双方アイソレータ３２を備えている。各モジュールＢｎからのセル電圧・充放電電流・容量などのデータは、モジュールユニットＡｎ内の通信回路（不図示：入力手段）を介してモジュールＢｎの通信回路２５からモジュールユニットＡｎ内のＣＰＵ３１に送信される。ＣＰＵ３１からは充放電ＯＮ／ＯＦＦの信号が各モジュールＢｎに送信される。ＣＰＵ３１へ安定化された電圧を供給するために電源回路３０がＣＰＵ３１及びモジュールに接続される。ＣＰＵ３１のデータをモジュールユニットＡｎ外部に送信するために、双方向アイソレータ（レベル変換回路）３２が用意される。これは、モジュールユニットＡｎを直列接続した際には、各モジュールユニットのＧＮＤ電位が異なるからである。各モジュールＢｎには充放電制御のスイッチが装備されており、ＣＰＵ３１からの指示により充放電を随時制御できる。このように、並列に接続されたモジュールユニットＡｎでは、任意のモジュールＢｎのみ充電あるいは放電するように制御することができる。例えば、図４では、モジュールＢ３を有効モジュールとし、モジュールＢ３のみ放電する例を示している。すなわち、モジュールユニットＡｎ内の有効モジュール数を変更可能に構成されている。モジュールユニットＡｎからの充放電を停止する場合には、モジュールユニットＡｎ内のすべてのモジュールＢｎのスイッチをオフとすれば良い。また、モジュールユニットＡｎは、ＣＰＵ３１により合算した各モジュールＢｎの容量をコントロール回路１０へ出力する通信回路（不図示：出力手段）を備えている。
　次に、本実施形態に係るモジュールユニットＡｎの接続の詳細を説明する。図５は、本実施形態に係るモジュールユニットＡｎの接続を説明する概要図である。なお、図５では、説明理解の容易性を考慮して、２つのモジュールユニットＡｎを用いて説明する。図５に示すように、モジュールユニットＡ１，Ａ２が直列に接続されている。モジュールユニットＡ１のモジュールＢ１～Ｂ３は、モジュールユニットＡ２のモジュールＢ１～Ｂ３とそれぞれ直列かつ切り替え可能に接続される。このように接続された場合には、各モジュールユニットＡ１，Ａ２の任意の一列からの充電あるいは放電が可能になる。例えば、図５では、モジュールＢ３の列のみ放電する例を示している。
　本実施形態に係るモジュールユニットＡｎの接続を等価回路で説明する。図６は、モジュールユニットＡｎの接続を説明する等価回路である。図６では、３つのモジュールユニットＡ１～Ａ３が図５に示すように直列に接続される場合の等価回路を示している。破線枠で示したようにモジュールが３並列されていても任意の１列を直列接続とすることができる。すなわち、モジュールユニットＡｎ内で容量の調整をすることが可能な構成とされている。また、エネルギー蓄積装置１のいずれかのモジュールＢｎが異常を示した場合には、当該モジュールＢｎからの放電・充電を回避することができる。すなわち、エネルギー蓄積装置１の一部が破損した場合でも、装置の稼働が継続可能な構成とされている。また故障部分はモジュール単位で判別できるので、交換などの保守作業が容易になる。
　次に、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の動作を説明する。最初に、監視動作を説明する。図７は、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の監視動作を示すフローチャートである。図７に示す監視処理は、例えばエネルギー蓄積装置１の電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図７では、モジュールレベル、モジュールユニットレベル、エネルギー蓄積装置レベル（コントロール回路レベル）、それぞれのデータ処理フローを纏めて示している。
　図７に示すように、最初に、モジュールＢｎが状態検知及び判定処理を実行する（Ｓ１０）。モジュールＢｎそれぞれが、モジュールＢｎに含まれるセルＣｎの温度、電圧、電流を検出し、設定値内（所定の閾値内）であるか否かを判定する。Ｓ１０の処理において、設定値内である場合には、モジュールＢｎの残量容量を計算する（Ｓ１２）。例えば、モジュールＢｎのデータ処理残量計算回路２４が残量容量を計算する。その後、モジュールＢｎの通信回路２５が、Ｓ１２で算出した残量容量を、当該モジュールＢｎを含むモジュールユニットＡｎへ送信する（Ｓ１４）。
　モジュールユニットＡｎは、モジュールＢｎそれぞれから残量容量を受信する（Ｓ２４）。そして、モジュールユニットＡｎは、モジュールＢｎそれぞれから受信した残量容量に基づいて、モジュールユニットＡｎの残量容量を計算する（Ｓ２６）。そして、モジュールユニットＡｎは、Ｓ２６の処理で算出したモジュールユニットＡｎの残量容量をコントロール回路１０へ送信する（Ｓ２８）。
　コントロール回路１０は、モジュールユニットＡｎそれぞれから残量容量を受信する（Ｓ３４）。そして、コントロール回路１０は、モジュールユニットＡｎそれぞれから受信した残量容量に基づいて、パックの残量容量を計算する（Ｓ３６）。そして、コントロール回路１０は、Ｓ３６の処理で算出したパックの残量容量を表示装置５０へ送信する（Ｓ３８）。これにより、表示装置５０には、パックの残量容量が表示される。
　一方、Ｓ１０の処理において、モジュールＢｎに含まれるセルＣｎの温度、電圧、電流が設定値内でない場合には、スイッチ制御回路２３により、充電又は放電を禁止する（Ｓ１６）。そして、通信回路２５が、異常を検出した旨を、当該モジュールＢｎを含むモジュールユニットＡｎへ送信する（Ｓ１８）。
　モジュールユニットＡｎは、モジュールＢｎから異常データを受信し、受信した異常データをコントロール回路１０へ送信する（Ｓ２０，Ｓ２２）
　コントロール回路１０は、モジュールユニットＡｎから異常データを受信し、受信した異常データを表示装置５０へ送信する（Ｓ３０，Ｓ３２）。これにより、表示装置５０には、異常を検出した旨が表示される。
　以上で図７に示す制御処理を終了する。図７に示す制御処理を実行することにより、モジュールＢｎレベルでは、セルＣｎの電圧・電流・温度がモニターされて、異常が発生した際にはモジュールユニットＡｎに異常情報が送信される。セルＣｎが正常な場合には電流・電圧・温度情報を参照してモジュールＢｎレベルの容量が随時計算される。モジュールユニットＡｎレベルでは、モジュールＢｎとコントロール回路１０のデータ受け渡しをするとともに、モジュールＢｎレベルでの容量計算が随時行われている。モジュールＢｎレベルでの容量は、基本的に各モジュールＢｎ容量の合計となる。コントロール回路１０レベルでは、いずれかのモジュールＢｎが異常状態を報告した際に、表示装置５０でユーザに異常を知らせることができる。
　次に、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の接続変更動作を説明する。図８は、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１の接続変更動作を示すフローチャートである。図８に示す処理は、例えばインターフェイス装置４０から何らかの入力がされたタイミングで実行される。なお、図８では、モジュールレベル、モジュールユニットレベル、エネルギー蓄積装置レベル（コントロール回路レベル）、それぞれのデータ処理フローを纏めて示している。
　図８に示すように、最初に、コントロール回路１０が、容量調整方法計算処理を実行する（Ｓ４０）。コントロール回路１０は、図７の処理で得られたパックの残量容量と、インターフェイス装置４０の要求等を考慮して、どのセルＣｎを利用するのが効率的であるかを計算する。そして、当該計算結果に基づいて、充電又は放電するセルＣｎを有するモジュールユニットＡｎへ充電又は放電の信号を送信する（Ｓ４２）。モジュールユニットＡｎは、コントロール回路１０から充電又は放電の信号を受信すると、充電又は放電するセルＣｎを有するモジュールＢｎへ送信する（Ｓ４４，４６）。モジュールＢｎは、モジュールユニットＡｎから残量容量を受信すると、スイッチ制御回路２３が充電又は放電の信号指示に従って動作する（Ｓ４８，Ｓ５０）。
　以上で図８に示す制御処理を終了する。図８に示す制御処理を実行することによって、全てのモジュールＢｎ容量がコントロール回路１０により管理されており、充電および放電時には最適なモジュールＢｎ接続が決定される。コントロール回路で判断された接続を実施する為にデータはモジュールユニットＡｎを介してモジュールＢｎに送られる。指令に従い各モジュールＢｎは、スイッチ素子２６をＯＮ／ＯＦＦする。
　以上、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１では、数セル単位でモジュールＢｎを構成し、モジュールＢｎを複数個接続しモジュールユニットＡｎとし、モジュールユニットＡｎを複数個接続されたものをエネルギー蓄積装置１とする３層構造とされる。そして、モジュールＢｎを最小単位として管理が行われている。このように構成されたエネルギー蓄積装置１では、モジュールＢｎを交換することで各モジュールユニットＡｎ間の容量を均一にすることができる。また、モジュールユニットＡｎ単位で容量を均一化するようにモジュールＢｎを交換・選択することで、エネルギー蓄積装置１の長寿命化が可能となる。さらに、またモジュールＢｎで不具合が発生した場合には、即時に異常を検知でき、当該モジュールＢｎの交換が容易である。モジュールＢｎ交換までは故障モジュールＢｎの充放電を停止することで装置の安全性を確保したままで稼働も可能である。さらに、負荷に応じて出力電流・容量の変更・調整が容易であるので、適正な時間で充電が行われるようになる。不要なモジュールＢｎは充放電を行わずに休止しており、モジュールＢｎを交互に使用することで使用装置全体のサイクル寿命を伸ばすことができる。このように、二次電池電圧の均等化が優れた安価なバッテリーマネージメント回路が提供することが可能になる。また、高耐圧電子部品を多数使用することなく、安価なセルＣｎを使ったエネルギー蓄積装置１の提供が可能である。またモジュールＢｎ単位での管理を行うためにメンテナンス性に優れている。無効なエネルギー消費を少なくするともに、装置からの発熱を減らし、長時間の使用に耐えられるので、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１は極めて有効である。また、本実施形態に係るエネルギー蓄積装置１はＨＥＶ以外のエネルギー蓄積装置、たとえばＵＰＳ、無停電電源、太陽電池エネルギー蓄積装置などに応用しても同じような効果がもたらされる。
　なお、上述した各実施形態は本発明に係るエネルギー蓄積装置の一例を示すものである。本発明に係るエネルギー蓄積装置は、各実施形態に係るエネルギー蓄積装置に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、各実施形態に係るエネルギー蓄積装置を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
　例えば、上述した実施形態では、セルＣｎが３つ直列に接続されてモジュールＢｎとされる例を説明したが、３セルに限られるものではなく、また、直列に限られるものではない。例えば、２～４個のセルＣｎを直列に接続し、又は、２～３個のセルＣｎを並列に接続してもよい。また、たとえば、３セル直列２セル並列ごとにモジュールＢｎとしてもよい。
　また、上述した実施形態では、セルＣｎ同士が同性能である場合を説明したが、異なる性能であってもよい。
１…エネルギー蓄積装置、１０…コントロール回路（出力手段）、１１…電源回路、１３…充電回路、２０…ＢＭＳ（監視手段）、２１…電流検出回路、２２…電圧検出回路、２３…スイッチ制御回路、２４…データ処理残量計算回路（残存容量演算手段）、２５…通信回路（出力手段）、２６…スイッチ素子、２７…センス抵抗、３０…電源回路、３１…ＣＰＵ（容量演算手段、充放電制御手段）、３２…双方アイソレータ、４０…インターフェイス装置、５０…表示装置、Ａｎ…モジュールユニット、Ｂｎ…各モジュール、Ｃｎ…セル。

Claims (12)

  1. 　充放電可能な二次電池を複数接続して構成されるエネルギー蓄積装置であって、
    　前記二次電池を複数接続して構成されるモジュールと、
    　前記モジュールを複数接続して構成されるモジュールユニットと、
    　前記モジュールユニットに接続され、充放電制御を行うコントロール回路と、
    を備え、
    　前記モジュールユニットが複数接続されること、
    を特徴とするエネルギー蓄積装置。
  2. 　前記モジュールは、２～４個の前記二次電池を直列に接続し、又は、２～３個の前記二次電池を並列に接続して構成される請求項１記載のエネルギー蓄積装置。
  3. 　前記モジュールは、
    　当該モジュールに含まれる前記二次電池の状態を監視する監視手段と、
    　前記二次電池の状態を、当該モジュールを含む前記モジュールユニットへ出力する出力手段と、
    を有する請求項１又は２に記載のエネルギー蓄積装置。
  4. 　前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の充放電を制御するスイッチを有し、
    　前記監視手段は、前記二次電池の電圧、充放電電流及び温度を監視する請求項３に記載のエネルギー蓄積装置。
  5. 　前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の残存容量を計算する残存容量演算手段を有する請求項１～４の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  6. 　前記モジュールは、当該モジュールに含まれる前記二次電池の接続を切断するヒューズを有する請求項１～５の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  7. 　前記モジュールユニットは、前記モジュールを複数並列に接続し、当該モジュールユニット内の有効モジュール数を変更可能に構成される請求項１～６の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  8. 　前記モジュールユニットは、
    　当該モジュールユニットに含まれる前記モジュールから出力された当該モジュールの容量に関する情報を合算する容量演算手段と、
    　合算された前記容量に関する情報を前記コントロール回路へ出力する出力手段と、
    を有する請求項１～７の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  9. 　前記モジュールユニットは、
    　前記コントロール回路から出力された充放電制御に関する情報を入力する入力手段と、
    　前記充放電制御に関する情報に基づいて、当該モジュールユニットに含まれる前記モジュールの充放電を制御する充放電制御手段と、
    を有する請求項１～８の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  10. 　前記コントロール回路は、前記モジュールユニットから出力された情報を入力する入力手段を有し、前記モジュールユニットから出力された情報に基づいて充放電を制御する請求項１～９の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  11. 　前記コントロール回路は、前記入力手段により入力された情報に基づいて、装置全体の残量容量を演算する請求項１～１０の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
  12. 　前記コントロール回路は、表示装置へ情報を出力する出力手段を備える請求項１～１１の何れか一項に記載のエネルギー蓄積装置。
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