WO2012091075A1

WO2012091075A1 - バッテリシステム

Info

Publication number: WO2012091075A1
Application number: PCT/JP2011/080348
Authority: WO
Inventors: 公彦古川; 茂人為實
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】素電池の均等化における発熱や無駄な放電を防止しながら、素電池が劣化した状態においても、組電池の実質的な放電容量を大きくする。【解決手段】バッテリシステムは、複数の素電池１を直列に接続してなる組電池１０と、この組電池１０を構成する各素電池１を均等化する均等化回路２とを備えており、均等化回路２が、組電池１０の電力で特定の素電池１を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ３を備え、このＤＣ／ＤＣコンバータ３でもって、組電池１０を放電する電力で特定の素電池１を充電する。均等化回路２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３でもって、組電池１０の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１を充電して、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。

Description

バッテリシステム

　本発明は複数の素電池を直列に接続しているバッテリシステムに関し、とくに素電池の容量を均等化する均等化回路を備えるバッテリシステムに関する。

　大出力が要求されるバッテリシステムは、多数の素電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。このバッテリシステムは、直列に接続している素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電気特性であれば、電池電圧や充電率、さらに満充電できる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ず、電池のアンバランスによって、充放電を繰り返すにしたがって、電圧や充電率の不均一が発生し、また満充電できる満充電容量（Ａｈ）が不均一となる。素電池のアンバランスは、特定の電池を過充電し、あるいは過放電させる原因となって電池の劣化を促進させる。電池は過充電や過放電によって劣化するばかりでなく、電池の安全性の低下の原因ともなる。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均等化回路を備えるバッテリシステムが開発されている。

　素電池の電圧のアンバランスを解消する均等化回路として、電圧の高い素電池を放電して、全ての素電池の電圧を最も低い素電池の電圧に均等化する回路が開発されている。ところが、このバッテリシステムの均等化回路は、電圧の高い素電池に負荷抵抗を接続して放電し、最も電圧の低い素電池の電圧に合わせて均等化するので、均等化のために放電するトータルの電力が大きく、組電池を無駄に放電する弊害がある。さらに、放電する容量が大きくなると負荷抵抗のジュール熱による発熱量が大きくなる欠点もある。単位時間に発生するジュール熱を小さくするために、負荷抵抗の電気抵抗を大きくして放電電流を小さくすると、素電池の均等化に時間がかかる欠点がある。

　以上の弊害を防止するために、組電池の電力で電圧の低い素電池を充電することで、電圧を均等化する均等化回路を備えるバッテリシステムが開発されている（特許文献１参照）。

特開２００３－３３３７６２号公報

　特許文献１のバッテリシステムの均等化回路は、図１の回路図に示すように、複数の素電池９１を直列に接続してなる組電池９０の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ９３で降圧して、特定の素電池９１を充電して均等化する。このバッテリシステムの均等化回路は、組電池９０の直流電圧を、素電池９１を充電する電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ９３を備えている。組電池９０の電力で動作するＤＣ／ＤＣコンバータ９３は、電圧が低くなった素電池９１を除く全ての素電池９１を同じように放電して、電圧が低くなった素電池９１を充電する。このバッテリシステムの均等化回路は、電圧の高い素電池を放電するための負荷抵抗を必要としないので、負荷抵抗による発熱を解消でき、さらに負荷抵抗による素電池の無駄な放電も解消できる。

　以上のバッテリシステムは、電圧の均等化によって充電率［ＳＯＣ（％）］のアンバランスをも少なくする。とくに、素電池をリチウムイオン電池とするバッテリシステムは、電圧の均等化によって充電率［ＳＯＣ（％）］のアンバランスを少なくできる。しかしながら、以上のバッテリシステムは、素電池を均等化した状態においても、全ての素電池を一緒に充電終止電圧までは放電できない。劣化して満充電容量（Ａｈ）が少なくなった素電池の充電率［ＳＯＣ（％）］が先に小さくなって、過放電になるからである。素電池の充電率［ＳＯＣ（％）］は、放電可能容量（Ａｈ）／満充電容量（Ａｈ）の比率で特定されるので、素電池が劣化して満充電容量（Ａｈ）が小さくなると、均等化によって充電率［ＳＯＣ（％）］のアンバランスを少なくしても、劣化した素電池は実質的に放電できる放電可能容量（Ａｈ）が小さくなる。多数の素電池を直列に接続している組電池は、充放電を繰り返して劣化するにしたがって、各々の素電池の満充電容量（Ａｈ）が相違するようになる。劣化の大きい素電池は満充電容量（Ａｈ）が小さく、劣化の少ない素電池は満充電容量（Ａｈ）が大きくなるからである。満充電容量（Ａｈ）が異なる素電池の電圧を均等化しても、大きく劣化した素電池は、満充電した状態から完全に放電できるまでの満充電容量（Ａｈ）が小さくなっているので、同じ電圧に均等化して同じ電流で放電しても、放電可能容量（Ａｈ）は小さくなって過放電されやすくなる。このため、従来のバッテリシステムは、素電池を均等化しても、劣化の大きい特定の素電池が過放電されやすくなる。劣化の大きい素電池の過放電を防止するように放電電流を制御すると、劣化していない満充電容量（Ａｈ）の大きい素電池を充分に放電できなくなって、実質的に放電できる組電池の容量は、最も劣化した素電池によって制限されて小さくなる弊害がある。

　本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、素電池の均等化における発熱や無駄な放電を防止できることに加えて、素電池が劣化した状態においても、組電池の実質的な放電容量を大きくできるバッテリシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　本発明のバッテリシステムは、複数の素電池１を直列に接続してなる組電池１０と、この組電池１０を構成する各素電池１を均等化する均等化回路２とを備えており、均等化回路２が、組電池１０の電力で特定の素電池１を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ３を備え、このＤＣ／ＤＣコンバータ３でもって、組電池１０を放電する電力で特定の素電池１を充電する。均等化回路２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３でもって、組電池１０の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１を充電して、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。

　以上のバッテリシステムは、素電池の均等化における発熱や無駄な放電を防止でき、さらに、素電池が劣化した状態における組電池の実質的な放電容量を大きくできる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、ＤＣ／ＤＣコンバータを有する均等化回路でもって、組電池の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池を充電して、各々の素電池を過充電することなく、素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化するからである。放電可能容量（Ａｈ）の均等化された素電池は、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池を過放電することなく、組電池を放電できる実質容量を大きくできる。

　本発明のバッテリシステムは、均等化回路でもって各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。本発明のバッテリシステムは、均等化回路でもって素電池を均等化するが、必ずしも各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）が等しくなるように均等化するのではない。本発明のバッテリシステムは、全ての素電池を過充電することなく、各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）を等しくできる範囲においては、各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）が等しくなるように均等化するが、全ての素電池の放電可能容量（Ａｈ）を等しくすると、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池が過充電される状態にあっては、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池を過充電しない放電可能容量（Ａｈ）に均等化する。バッテリシステムは、放電可能容量（Ａｈ）が素電池の満充電容量（Ａｈ）を越えるようには均等化しない。したがって、いずれかの素電池が劣化して満充電容量（Ａｈ）が他の素電池よりも小さくなると、各々の素電池を均等化する状態で、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池の放電可能容量（Ａｈ）は、満充電容量（Ａｈ）の大きい素電池の放電可能容量（Ａｈ）よりも小さくなる。

　本発明のバッテリシステムは、均等化回路２が、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池１の満充電容量（Ａｈ）を放電可能容量（Ａｈ）が越える範囲において、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池１を過充電することなく満充電するように均等化することができる。
　以上のバッテリシステムは、放電可能容量（Ａｈ）が、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池の満充電容量（Ａｈ）を越えない範囲で、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池を過放電することなく、全ての素電池を放電終止電圧まで放電して、組電池の放電可能容量（Ａｈ）を大きくできる特徴がある。

　本発明のバッテリシステムは、均等化回路２が、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池１の満充電容量（Ａｈ）よりも放電可能容量（Ａｈ）が小さい領域において、全ての素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を等しくするように均等化することができる。
　以上のバッテリシステムは、放電可能容量（Ａｈ）が最小容量の素電池の満充電容量（Ａｈ）よりも小さい領域においては、各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）を等しくするように均等化するので、最小容量の素電池を過放電することなく、全ての素電池を放電終止電圧まで放電して組電池の実質的な放電容量を大きくできる。

　本発明のバッテリシステムは、プラグインハイブリッドカー又は電気自動車の電源として、充電プラグ２５が接続された状態で全ての素電池１を過充電することなく満充電することができる。
　以上のバッテリシステムは、充電プラグを接続して全ての素電池を満充電するので、各々の素電池を放電して、組電池を最も大きな容量で放電して車両の組電池による走行距離を最大にできる特徴がある。このバッテリシステムは、満充電された組電池で最小容量の素電池を充電しながら放電することで、最小容量の素電池を過放電することなく、組電池の実質的な放電容量を大きくできる。

　本発明のバッテリシステムは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が、組電池１０に接続される１次コイル４Ａを有すると共に、各々の素電池１を充電する電圧の交流を出力する複数の２次コイル４Ｂとを備えるトランス４と、このトランス４の１次コイル４Ａと組電池１０との間に接続されて所定の周期でオンオフに切り換えられるスイッチング素子５と、トランス４の２次コイル４Ｂから出力される交流を整流して素電池１を充電する直流とする整流回路７と、この整流回路７の出力と素電池１との間に接続されて素電池１の充電を制御する充電スイッチ８と、充電スイッチ８を制御する制御回路６とを備えて、制御回路６が各素電池１の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を検出して、充電スイッチ８をオンオフに切り換えて素電池１を充電することができる。
　以上のバッテリシステムは、ひとつのトランスに複数の２次コイルを設けて、各々の２次コイルに誘導される電力で、各々の素電池を充電するので、均等化回路を簡単な回路構成として、放電可能容量（Ａｈ）を均等化できる特徴がある。

　本発明のバッテリシステムは、制御回路６が、充電スイッチ８をオンに切り換える時間をコントロールして、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化することができる。
　以上のバッテリシステムは、簡単な回路構成の均等化回路で素電池を均等化できる。

　本発明のバッテリシステムは、太陽電池３５の電力で充電される電源とすることができる。
　以上のバッテリシステムは、素電池のいずれかが劣化した状態においても、太陽電池の発電電力で効率よくで充電して、実質的な充電容量を大きくできる特徴がある。

従来のバッテリシステムの回路図である。本発明の一実施例にかかるバッテリシステムのブロック図である。本発明の他の実施例にかかるバッテリシステムのブロック図である。均等化回路が素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する目標値を示すグラフである。図４に示すａ線を目標値として素電池Ａ～Ｃを均等化する状態を示す図である。図４に示すｂ線を目標値として素電池Ａ～Ｃを均等化する状態を示す図である。図４に示すｃ線を目標値として素電池Ａ～Ｃを均等化する状態を示す図である。図４に示すｄ線を目標値として素電池Ａ～Ｃを均等化する状態を示す図である。劣化した素電池を保護しながら放電可能容量（Ａｈ）を均等化する特性を示すグラフである。本発明の一実施例にかかるバッテリシステムが素電池を均等化するフローチャートである。

　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バッテリシステムを例示するものであって、本発明はバッテリシステムを以下のものに特定しない。なお、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。

　図２と図３のバッテリシステムは、複数の素電池１を直列に接続した組電池１０と、各々の素電池１のばらつきを均等化する均等化回路２を備えている。組電池１０の素電池１は、リチウムイオン電池からなる二次電池である。ただし、素電池の二次電池には、全ての二次電池、たとえばニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池なども使用できる。素電池１は、ひとつの二次電池からなり、あるいは複数の二次電池を直列に接続している電池モジュールである。二次電池をリチウムイオン電池とする組電池１０は、素電池１をひとつのリチウムイオン電池とする。二次電池をニッケル水素電池とする組電池は、素電池を複数のニッケル水素電池を直列に接続している電池モジュールとする。さらに、素電池は、複数の二次電池を並列に接続したものも使用できる。また、リチウムイオン電池からなる組電池においても、複数のリチウムイオン電池を直列に接続している電池モジュールを素電池とし、またニッケル水素電池の組電池においても、ひとつのニッケル水素電池を素電池とすることができる。

　均等化回路２は、組電池１０の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ３を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、組電池１０を放電する電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい特定の素電池１を充電して、素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。

　図２と図３のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、組電池１０の電圧を降圧するトランス４を備えている。トランス４は、組電池１０に接続される１次コイル４Ａと、各々の素電池１を充電する電圧の交流を出力する複数の２次コイル４Ｂとを備える。２次コイル４Ｂは、各々の素電池１を独立して別々に充電する。したがって、２次コイル４Ｂは、素電池１の個数と同じ、図にあっては、組電池１０を６組の素電池１で構成するので、６組の２次コイル４Ｂを設けている。組電池１０の電力を交流電力として１次コイル４Ａに供給するために、１次コイル４Ａと組電池１０との間にスイッチング素子５を接続している。

　スイッチング素子５は、制御回路６でもって、所定の周期でオンオフに切り換えられて、１次コイル４Ａに組電池１０から電力を供給する。制御回路６がスイッチング素子５をオンオフに切り換える周波数は、好ましくは１００ＫＨｚ～１０ＭＨｚである。ただし、スイッチング素子５をオンオフに切り換える周波数は、１０ＫＨｚ～１００ＭＨｚとすることもできる。スイッチング素子５の周波数を高くして、トランス４を小さくできる。ただ、周波数が高すぎるとＤＣ／ＤＣコンバータ３の電力効率が低下するので、電力効率を考慮して前述の範囲で最適な周波数に特定される。

　さらに、制御回路６は、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを制御して、組電池１０からトランス４に供給する電力、すなわち２次コイル４Ｂの出力で素電池１を充電する電流をコントロールする。制御回路６は、スイッチング素子５のオフ時間に対するオン時間を長くして、素電池１の充電電流を大きくして充電電圧を高く、反対にオン時間を短くして素電池１の充電電流を小さくして充電電圧を低く制御する。制御回路６は、スイッチング素子５のデューティーを制御して、素電池１を定電圧・定電流充電で充電し、あるいは定電流充電で充電する。素電池１をリチウムイオン電池とするバッテリシステムは、スイッチング素子５のデューティーを制御して、素電池１のリチウムイオン電池を定電圧・定電流充電で充電する。素電池をニッケル水素電池とするバッテリシステムは、スイッチング素子のデューティーを制御して、素電池を定電流充電で充電する。以上のように、制御回路６は、素電池１に使用する電池の種類に最適な状態で、素電池１を充電するようにスイッチング素子５のデューティーをコントロールする。

　トランス４の２次コイル４Ｂに出力される交流は、整流されて素電池１に供給される。２次コイル４Ｂの交流を整流して直流とするために、均等化回路２は２次コイル４Ｂの出力側に整流回路７を接続している。整流回路７は、ダイオード１１と、ダイオード１１から出力される脈流を平滑化する電解コンデンサ１２とを備えている。さらに、均等化回路２は、整流回路７の出力による素電池１の充電状態を制御するために、整流回路７の出力と素電池１との間に充電スイッチ８を接続している。充電スイッチ８は、制御回路６でオンオフに制御される。オン状態の充電スイッチ８は、整流回路７の出力で素電池１を充電し、オフ出力の充電スイッチ８は、素電池１の充電を停止する。

　均等化回路２は、制御回路６で充電スイッチ８をオンオフに切り換えて、いずれの素電池１をも過充電することなく、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。本発明のバッテリシステムは、均等化回路２でもって各々の素電池１の電圧や充電率［ＳＯＣ（％）］を均等化するのではない。

　本発明のバッテリシステムは、均等化回路２でもって、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化するが、必ずしも常に全ての素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を等しく均等化するのではない。満充電容量（Ａｈ）が相違する素電池１を同じ放電可能容量（Ａｈ）分を充電すると、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池１が過充電されるからである。

　均等化回路２は、組電池１０の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池を充電して、各々の素電池１を過充電することなく、放電可能容量（Ａｈ）を均等化する目標値を制御回路６に記憶している。各々の素電池１を過充電しないように均等化するために、制御回路６は、各々の素電池１の満充電容量（Ａｈ）に対する、均等化のための放電可能容量（Ａｈ）の目標値を記憶している。図４のグラフは、制御回路６が記憶している、素電池１の満充電容量（Ａｈ）に対する、放電可能容量（Ａｈ）の目標値の一例を示している。この図において、制御回路６は、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を、図の縦のライン上（例えばａ線、ｂ線、ｃ線、ｄ線）に位置する値を目標値として均等化する。ａ線、ｂ線、ｃ線、ｄ線で均等化された素電池の放電可能容量（Ａｈ）を図５ないし図８に示している。図４は、満充電容量（Ａｈ）を１０（Ａｈ）とする最大容量の素電池Ａと、満充電容量（Ａｈ）を８（Ａｈ）とする素電池Ｂと、満充電容量（Ａｈ）を７（Ａｈ）とする最小容量の素電池Ｃとからなる素電池を均等化する目標値を例示している。このグラフは、各々の素電池Ａ～Ｃを均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を示している。満充電容量（Ａｈ）が最も大きい最大容量の素電池Ａは、均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を０～１０（Ａｈ）の範囲とする。満充電容量（Ａｈ）を８（Ａｈ）とする素電池Ｂは、過充電しないように、放電可能容量（Ａｈ）の目標値を０～８（Ａｈ）とし、満充電容量（Ａｈ）を７（Ａｈ）とする最小容量の素電池Ｃは、放電可能容量（Ａｈ）の目標値を０～７（Ａｈ）として過充電しないように均等化される。横軸の０～１００％は、最大容量の素電池Ａの充電率［ＳＯＣ（％）］と、素電池Ｂの充電率［ＳＯＣ（％）］と、素電池Ｃの充電率［ＳＯＣ（％）］を別々に示している。

　このグラフに示す特性で均等化するバッテリシステムは、均等化する放電可能容量（Ａｈ）によって、以下の（１）～（３）に示すようにして素電池Ａ～Ｃを均等化する。

（１）均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を、０～７（Ａｈ）とする範囲、すなわち、放電可能容量（Ａｈ）の目標値を、全ての素電池Ａ～Ｃの満充電容量よりも小さい範囲とする状態。図において、素電池Ａの充電率［ＳＯＣ（％）］を０～７０％とする範囲。
　この範囲において、全ての素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）が等しくなるように均等化しても、最小容量の素電池Ｃを過充電することがない。したがって、この範囲において、均等化回路２は、図５に示すように、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を同じ容量（Ａｈ）に均等化する。均等化回路２は、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を同一とするように均等化するが、均等化された状態で、素電池Ａ～Ｃの充電率［ＳＯＣ（％）］は同じにはならない。すなわち、充電率［ＳＯＣ（％）］は均等化されない。
　たとえば、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）をａ線で示す目標値に均等化する状態において、素電池Ａの充電率は７０％、素電池Ｂの充電率は８７．５％、素電池Ｃの充電率は１００％となる。したがって、放電可能容量（Ａｈ）が均等化された状態で、素電池Ａ～Ｃの電圧は異なり、電圧の均等化はされない。素電池の電圧は充電率［ＳＯＣ（％）］が大きくなると高くなるので、均等化された状態で、素電池Ａ～Ｃの電圧は、素電池Ａ＜素電池Ｂ＜素電池Ｃの順番で高くなる。

（２）最大容量の素電池Ａの放電可能容量（Ａｈ）を７～８（Ａｈ）とする範囲、すなわち素電池Ｃの満充電容量（Ａｈ）であり、素電池Ｂの満充電容量（Ａｈ）よりも小さい範囲であって、素電池Ａの充電率［ＳＯＣ（％）］を７０％～８０％とする範囲。
　この範囲において、全ての素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を等しく均等化すると、素電池Ｃが過充電される。したがって、この範囲において、均等化回路２は、図６に示すように、素電池Ｃの放電可能容量（Ａｈ）の目標値を７（Ａｈ）として満充電容量（Ａｈ）に制限し、素電池Ａと素電池Ｂの放電可能容量（Ａｈ）の目標値を７～８（Ａｈ）の範囲で等しい放電可能容量（Ａｈ）に均等化する。
　この範囲において、均等化回路２で均等化された状態で、素電池Ａ～Ｃの充電率［ＳＯＣ（％）］は同じにはならない。すなわち、充電率［ＳＯＣ（％）］は均等化されない。
　たとえば、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）をｂ線で示す目標値に均等化する状態において、素電池Ａの充電率は８０％、素電池Ｂと素電池Ｃの充電率は１００％となる。したがって、放電可能容量（Ａｈ）を目標値に均等化した状態で、素電池Ａの電圧は素電池Ｂと素電池Ｃの電圧とは異なり、全ての素電池Ａ～Ｃの電圧は均等化はされない。素電池Ａ～Ｃの電圧は、素電池Ｂと素電池Ｃがほぼ等しく、素電池Ａの電圧が素電池Ｂと素電池Ｃの電圧よりも低くなる。

（３）最大容量の素電池Ａの放電可能容量（Ａｈ）を８～１０（Ａｈ）とする範囲、すなわち素電池Ｂと素電池Ｃを満充電する容量（Ａｈ）における範囲であって、素電池Ａの充電率［ＳＯＣ（％）］を８０％～１００％とする範囲。
　この範囲において、全ての素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を等しく均等化すると、素電池Ｂと素電池Ｃが過充電される。したがって、この範囲において、均等化回路２は、図７と図８に示すように、素電池Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を７（Ａｈ）として満充電容量（Ａｈ）に制限し、素電池Ｂの放電可能容量（Ａｈ）を８（Ａｈ）として満充電容量（Ａｈ）に制限し、素電池Ａの放電可能容量（Ａｈ）を８～１０（Ａｈ）の範囲に均等化する。
　この範囲において、均等化回路２で均等化された素電池Ａ～Ｃの充電率［ＳＯＣ（％）］は、たとえば、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）をｄ線で示す目標値に均等化して、素電池Ａを満充電する状態のみに限って充電率１００％となって同じになるが、素電池Ａの放電可能容量（Ａｈ）が８（Ａｈ）以上であって１０（Ａｈ）未満の範囲において、素電池Ａのみの充電率［ＳＯＣ（％）］が１００％とならない。
　たとえば、素電池Ａ～Ｃの放電可能容量（Ａｈ）をｃ線で示す目標値に均等化する状態において、素電池Ａの充電率は９０％、素電池Ｂと素電池Ｃの充電率は１００％となる。したがって、放電可能容量（Ａｈ）が均等化された状態で、素電池Ａの電圧は素電池Ｂと素電池Ｃの電圧とは異なり、全ての素電池Ａ～Ｃの電圧は均等化はされない。素電池Ａ～Ｃの電圧は、素電池Ｂと素電池Ｃはほぼ等しく、素電池Ａの電圧は素電池Ｂと素電池Ｃの電圧よりも低くなる。

　均等化回路２が、図４のグラフで示す放電可能容量（Ａｈ）を目標値として素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化するバッテリシステムは、放電可能容量（Ａｈ）を７（Ａｈ）以上とする領域では素電池Ｃを常に満充電して充電率［ＳＯＣ（％）］を１００％とし、さらに、放電可能容量（Ａｈ）を８（Ａｈ）以上とする範囲では素電池Ｃと素電池Ｂの両方を満充電して充電率［ＳＯＣ（％）］を１００％とする。この図に示すように、劣化した素電池の満充電容量（Ａｈ）を越える範囲においては、常に充電率［ＳＯＣ（％）］が１００％となるように均等化するので、この範囲において素電池Ａ～Ｃに蓄えられるトータルの放電可能容量（Ａｈ）を大きくできる。したがって、このバッテリシステムは、組電池１０の電力で、放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池を充電するように均等化しながら、放電することで、組電池１０から負荷に供給できるトータルの放電容量（Ａｈ）を最大にできる特徴がある。

　ただ、以上のバッテリシステムは、放電可能容量（Ａｈ）が満充電容量（Ａｈ）を越える範囲では、充電率［ＳＯＣ（％）］を常に１００％とするので、劣化して満充電容量（Ａｈ）の小さくなった素電池は、満充電される確率が高くなる。素電池は満充電される状態での劣化が促進される特性がある。したがって、放電可能容量（Ａｈ）を図４に示す目標値とするバッテリシステムは、劣化した素電池の劣化を早くして、組電池１０の寿命を短くする傾向がある。

　図９は、劣化して満充電容量（Ａｈ）の小さくなった素電池を保護しながら、放電可能容量（Ａｈ）を均等化する特性を示すグラフである。このグラフに示すように均等化するバッテリシステムは、満充電容量（Ａｈ）の大きい素電池Ａの放電可能容量（Ａｈ）を、素電池Ｂや素電池Ｃの満充電容量（Ａｈ）とする状態において、素電池Ｂや素電池Ｃの放電可能容量（Ａｈ）を満充電しない状態としている。この図に示すように均等化するバッテリシステムは、劣化した素電池の満充電を少なくするように放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。したがって、劣化した素電池が満充電されて、さらに劣化するのを防止して、組電池１０の寿命を長くできる特徴がある。

　制御回路６は、素電池１の満充電容量（Ａｈ）を検出して、満充電容量（Ａｈ）に対する各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）の目標値を検出して、その目標値に均等化する。したがって、制御回路６は、各々の素電池１の満充電容量（Ａｈ）を検出する満充電検出回路１３を備えている。満充電検出回路１３は、満充電された素電池１を完全に放電して素電池１の満充電容量（Ａｈ）を検出し、あるいは、素電池１の内部抵抗を検出して、内部抵抗から劣化度を検出し、検出される劣化度から満充電容量（Ａｈ）を検出する。電池の内部抵抗が劣化度を特定し、劣化度が満充電容量（Ａｈ）を特定するからである。さらに、満充電検出回路１３は、素電池１の温度や充放電の電流などをパラメーターとして劣化度を検出して、劣化度から満充電容量（Ａｈ）を検出することもできる。劣化度から満充電容量（Ａｈ）を検出する制御回路は、劣化度に対する満充電容量（Ａｈ）をルックアップテーブルや関数として記憶している。

　均等化回路２は、以上のように素電池１の満充電容量（Ａｈ）から均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を特定し、均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を検出して、検出される均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を目標値に均等化する。

　図１０は、バッテリシステムが素電池１を均等化す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素電池１を均等化する。
［ｎ＝１、２のステップ］
　このステップで、制御回路６は、各々の素電池１の満充電容量（Ａｈ）を検出する。素電池１の満充電容量（Ａｈ）は、電池の劣化度から検出される。検出される満充電容量（Ａｈ）から、各々の素電池１を均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を決定する。
［ｎ＝３、４のステップ］
　このステップで、制御回路６は、各々の素電池１の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を検出する。均等化前の放電可能容量（Ａｈ）は、素電池１を充放電する電流の積算値を電圧で補正して検出する。各々の素電池１の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を加算してトータルの放電可能容量（Ａｈ）を検出し、トータルの放電可能容量（Ａｈ）と、各々の素電池１の満充電容量（Ａｈ）から、各々の素電池１を均等化する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を演算する。均等化回路２は、図４に示すように、各々の素電池１の満充電容量（Ａｈ）に対する放電可能容量（Ａｈ）の目標値を記憶しているので、縦のラインの各位置におけるトータルの放電可能容量（Ａｈ）を演算することができる。したがって、トータルの放電可能容量（Ａｈ）が特定されると、図４において、縦のラインの位置が特定され、縦のラインから各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）の目標値を特定することができる。
［ｎ＝５のステップ］
　このステップで、制御回路６は、各々の素電池１の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）と目標値の放電可能容量（Ａｈ）とを比較して、その偏差を検出する。
［ｎ＝６、７のステップ］
　このステップで、制御回路６は、各々の素電池１について、検出された偏差が、あらかじめ設定している設定値、例えば１％よりも大きいかどうかを判定して、偏差が設定値よりも小さい素電池に接続している充電スイッチ８をオフに保持する。
［ｎ＝８、９のステップ］
　均等化前の放電可能容量（Ａｈ）が目標値の放電可能容量（Ａｈ）よりも小さく、かつその偏差が設定値よりも大きい素電池に接続している充電スイッチ８をオンに切り換える。この状態で、スイッチング素子５を所定の周期でオンオフに切り換えて、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作状態として、組電池１０の電力で均等化前の放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１を充電して均等化する。

　このステップにおいて、制御回路６は、放電可能容量（Ａｈ）を最小容量とする素電池１に接続している充電スイッチ８のみをオンとし、あるいは、放電可能容量（Ａｈ）の偏差が設定値よりも大きい素電池１に接続している複数の充電スイッチ８をオンに切り換えて充電することもできる。複数の充電スイッチ８をオンに切り換えて素電池１を充電する制御回路６は、充電スイッチ８をオンオフに切り換え、さらにオンオフに切り換えるデューティーを制御して、素電池１を充電する電流の平均値をコントロールすることができる。この制御回路６は、放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１に接続している充電スイッチ８のオン時間を、放電可能容量（Ａｈ）の大きい素電池１に接続してい充電スイッチ８のオン時間よりも長くして、充電電流を大きくすることができる。

　このステップにおいて、全ての素電池１は同じ電流で放電されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に電力を供給し、この電力をＤＣ／ＤＣコンバータ３で素電池１の充電電圧に降圧して、オン状態の充電スイッチ８に接続している素電池１を充電する。充電される素電池１も組電池１０の放電によって放電されるが、放電電流よりも充電電流が大きくなる。多数の素電池１から供給される電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３で降圧して特定の素電池１に供給するからである。この状態で、放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１は充電されて均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を増加させる。均等化前の放電可能容量（Ａｈ）の大きい素電池１は、放電されて放電可能容量（Ａｈ）を減少させる。

［ｎ＝１０、１１のステップ］
　あらかじめ設定している時間、たとえば１０分間、組電池１０の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池１を充電した後、充電スイッチ８とスイッチング素子５をオフに切り換えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の動作を停止する。

　その後、ｎ＝１～１１のステップをループして、各々の素電池１の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する。

　以上のバッテリシステムが、均等化回路２を動作状態として素電池１を均等化するタイミングは、組電池１０を充電する状態、あるいは組電池１０を放電する状態とし、あるいはまた充電も放電もされない状態とする。素電池１を充電も放電もしない状態で素電池１を均等化するバッテリシステムは、素電池１の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）をより少ない誤差で検出して正確に目標値に均等化できる。また、組電池１０の充電状態や放電状態で均等化するバッテリシステムは、素電池１のアンバランスを解消しながら充放電することで、組電池１０を放電できる実質的な放電可能容量（Ａｈ）を大きくできる。

　プラグインハイブリッドカーや電気自動車の電源に使用されるバッテリシステムは、図２に示すように、充電プラグ２５を接続して組電池１０を充電する状態で、均等化回路２でもって素電池１を均等化して、全ての素電池１を過充電することなく満充電することができる。また、このバッテリシステムは、充電プラグ２５を接続しない状態で素電池１を均等化することもできる。

　プラグインハイブリッドカーやハイブリッドカーに電源として搭載されるバッテリシステムは、図２に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ２０を介して走行用のモータ２１と発電機２２に接続される。このバッテリシステムの組電池１０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２０を介してモータ２１に電力を供給して放電され、また、発電機２２で充電される。発電機２２はエンジン２３で回転され、また車両を減速するときに車両の運動のエネルギーで回転されて車両を回生制動する。プラグインハイブリッドカーやハイブリッドカーは、車両を走行させる状態で、組電池１０を充電し、また放電する状態で素電池１を均等化して車両のモータ２１による走行距離をより長くできる。とくに、満充電容量（Ａｈ）の大きい素電池を、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池よりも大きな放電可能容量（Ａｈ）に充電することで、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池を組電池１０で充電しながら放電して、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池を過放電することなく、車両のモータ２１による走行距離を長くできる。

　本発明は、バッテリシステムの用途を、車両を走行させるモータの電源には特定しない。図３のバッテリシステムは、太陽電池３５の電力で充電されて、ＤＣ／ＡＣインバータ３０を介して負荷３１に電力を供給する。このバッテリシステムは、太陽電池３５の出力で充電されるので、車両に搭載されるバッテリシステムに比較して充電電流のピーク値を小さくできる。少ない電流で充電されるバッテリシステムは、満充電容量（Ａｈ）の小さい素電池１を過充電することなく、各々の素電池１を満充電するように均等化しながら充電できる。

　さらに、本発明のバッテリシステムは、夜間の深夜電力で充電されて、ＤＣ／ＡＣインバータ２０を介して負荷に電力を供給する電源にも使用できる。このバッテリシステムは、太陽電池の出力と深夜電力の両方で充電する電源としても使用できる。深夜電力で充電されるバッテリシステムは、発電所の余剰電力である深夜電力で充電して、電力負荷の大きくなる昼間に電力を出力して、昼間のピーク電力を小さく制限することができる。また、このバッテリシステムも、素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化することで、素電池が劣化する状態での組電池の実質的な出力を大きくできる。

　本発明に係るバッテリシステムは、プラグインハイブリッドカー、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両の電源として、あるいは太陽電池の電力を蓄えて負荷に供給する電源として好適に利用できる。また、自動車等の車両に限られず、例えばアシスト自転車や電動バイク等の自動車以外の車両やロボットや無停電電源装置等の電源としても使用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。

　　１…素電池
　　２…均等化回路
　　３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
　　４…トランス　　　　　　　　　　　　４Ａ…１次コイル
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４Ｂ…２次コイル
　　５…スイッチング素子
　　６…制御回路
　　７…整流回路
　　８…充電スイッチ
　１０…組電池
　１１…ダイオード
　１２…電解コンデンサ
　１３…満充電検出回路
　２０…ＤＣ／ＡＣインバータ
　２１…モータ
　２２…発電機
　２３…エンジン
　２５…充電プラグ
　３０…ＤＣ／ＡＣインバータ
　３１…負荷
　３５…太陽電池
　９０…組電池
　９１…素電池
　９３…ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

　複数の素電池を直列に接続してなる組電池と、この組電池を構成する各素電池を均等化する均等化回路とを備え、前記均等化回路が、前記組電池の電力で特定の素電池を充電するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、このＤＣ／ＤＣコンバータでもって、組電池を放電する電力で特定の素電池を充電するようにしてなるバッテリシステムであって、
　前記均等化回路が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータでもって、組電池の電力で放電可能容量（Ａｈ）の小さい素電池を充電して、各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化するようにしてなるバッテリシステム。
　前記均等化回路は、放電可能容量（Ａｈ）が、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池の満充電容量（Ａｈ）を越える範囲において、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池を過充電することなく満充電するように均等化する請求項１に記載されるバッテリシステム。
　前記均等化回路は、放電可能容量（Ａｈ）が、満充電容量（Ａｈ）を最小とする素電池の満充電容量（Ａｈ）よりも小さい領域において、全ての素電池の放電可能容量（Ａｈ）を等しくするように均等化する請求項１又は２に記載されるバッテリシステム。
　前記バッテリシステムがプラグインハイブリッドカー又は電気自動車の電源で、充電プラグが接続された状態で全ての素電池を過充電することなく満充電する請求項１ないし３のいずれかに記載されるバッテリシステム。
　前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記組電池に接続される１次コイルを有すると共に、各々の素電池を充電する電圧の交流を出力する複数の２次コイルとを備えるトランスと、このトランスの１次コイルと組電池との間に接続されて所定の周期でオンオフに切り換えられるスイッチング素子と、前記トランスの２次コイルから出力される交流を整流して素電池を充電する直流とする整流回路と、この整流回路の出力と素電池との間に接続されて素電池の充電を制御する充電スイッチと、充電スイッチを制御する制御回路とを備えており、
　前記制御回路が各素電池の均等化前の放電可能容量（Ａｈ）を検出して、充電スイッチをオンオフに切り換えて素電池を充電するようにしてなる請求項１ないし４のいずれかに記載されるバッテリシステム。
　前記制御回路が、前記充電スイッチをオンに切り換える時間をコントロールして、各々の素電池の放電可能容量（Ａｈ）を均等化する請求項５に記載されるバッテリシステム。
　前記バッテリシステムが太陽電池の電力で充電される電源である請求項１ないし３、５、６のいずれかに記載される記載されるバッテリシステム。