WO2015045660A1 - 蓄電装置、蓄電制御装置および蓄電制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記蓄電制御装置は、少なくとも1つのセルを含む第1のセルを前記直列共振回路に接続させた後に、前記第1のセルと同数のセルを含み、前記第1のセルと比較して総電圧が相対的に小さい第2のセルを前記直列共振回路に接続させてもよい。
この場合、前記蓄電制御装置は、連続する複数のセルを前記第1のセルに選択し、前記第1のセルと同数の連続するセルを前記第2のセルに選択してもよい。
あるいは、前記蓄電制御装置は、前記第1のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第1のセルを前記直列共振回路から切断させてもよい。この場合、前記蓄電制御装置は、前記第2のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第2のセルを前記直列共振回路から切断させてもよい。この場合、前記蓄電制御装置は、前記第1及び/又は第2のセルが前記直列共振回路から切断された後に、設定された期間いずれのセルも前記直列共振回路から切断された状態を保持し、前記設定された期間中に、前記セルの電圧に基づいてエネルギーの授受を終了すべきか否かを判定してもよい。
前記直列共振回路は抵抗を含み、前記蓄電制御装置は、前記抵抗の両端の電位差に基づいて、前記直列共振回路に流れる電流の向きを検知してもよい。
前記蓄電制御装置は、前記直列共振回路と前記セルとの接続を前記直列共振回路の共振周波数で切り替えてもよい。
前記直列共振回路の共振周波数は、交流インピーダンス法で測定された前記セルの内部インピーダンスのコールコールプロットにおける虚数成分が0となる場合の周波数であってもよい。
前記蓄電制御装置は、電圧が最大のセルを前記第1のセルに含ませてもよい。この場合、前記蓄電制御装置は、電圧が最小のセルを前記第2のセルに含ませてもよい。
蓄電装置は、前記セルと前記直列共振回路とを接続又は切断するスイッチを更に備え、前記蓄電制御装置は、前記スイッチの動作を制御することで前記セルと前記直列共振回路との接続状態を制御してもよい。
前記セルは、充電率0%~100%の区間のうちの5割以上に亘る一連の区間での電圧変化が0.25V以下となる放電特性を有してもよい。
本開示に係る蓄電制御装置は、直列接続された複数のセルとリアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路との接続状態を制御する構成で、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させるものである。
本開示に係る蓄電制御方法は、直列接続された複数のセルとリアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路との接続状態を制御装置によって制御して、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる。
1.第1の実施形態
(同数のセル間でエネルギーを授受する蓄電装置の例)
2.第1の実施形態の第1の変形例
(セル数が同一のセル群間でエネルギーを授受する蓄電装置の例)
3.第1の実施形態の第2の変形例
(一部のセルが重複するセル数が同一のセル群間でエネルギーを授受する蓄電装置の例)
4.第2の実施形態
(相対的に電圧が大きい第1のセルと相対的に電圧が小さい第2のセルとの間でエネルギーを授受する蓄電装置の例)
5.第2の実施形態の第1の変形例
(複数のセルを含む第1のセルと、第1のセルと同数のセルを含む第2のセルとの間でエネルギーを授受する蓄電装置の例)
6.第3の実施形態
(電流0Aになったことに応じてセルと直列共振回路との接続を切り替える蓄電装置の例)
7.第3の実施形態の第1の変形例
(電流の向きの変化に応じてセルと直列共振回路との接続を切り替える蓄電装置の例)
8.第4の実施形態
(第2のセルの直列共振回路からの切断から次の第1のセルの直列共振回路への接続までの間に設定された期間すべてのセルが直列共振回路から切断された状態を保持する蓄電装置の例)
9.第4の実施形態の第1の変形例
(第1のセルの直列共振回路からの切断から第2のセルの直列共振回路への接続までの間にも設定された期間すべてのセルが直列共振回路から切断された状態を保持する蓄電装置の例)
10.第5の実施形態
(直列共振回路が抵抗を備える蓄電装置の例)
11.第5の実施形態の第1の変形例
(抵抗に基づいて共振電流の向きを検知する蓄電装置の例)
12.第5の実施形態の第2の変形例
(直列共振回路の抵抗が寄生抵抗である蓄電装置の例)
13.第6の実施形態
(セルと直列共振回路との接続を直列共振回路の共振周波数で切り替える蓄電装置の例)
14.第7の実施形態
(直列共振回路がコールコールプロットに適応した共振周波数を有する蓄電装置の例)
15.第7の実施形態の第1の変形例
(充電率ごとのコールコールプロットを考慮して直流共振回路の共振周波数が設定された蓄電装置の例)
16.第8の実施形態
(実質的にフラットな放電特性を有するセルを適用した蓄電装置の例)
[装置の構成例]
図1は、本実施形態の蓄電装置100の構成例を模式的に示す全体図である。図1に示すように、蓄電装置100は、複数のセル110a、110bと、直列共振回路120と、蓄電制御装置130とを備える。
図1に示すように、各セル110a、110bは、直列接続されている。各セル110a、110bは、いずれも充放電可能とされている。すなわち、各セル110a、110bは、充電の際には、不図示の充電装置から供給された充電電流を電荷として蓄積し、放電の際には、蓄積された電荷を放電電流として不図示の負荷に供給することができる。
図1に示すように、直列共振回路120は、リアクトル121およびコンデンサ122を有する。リアクトル121およびコンデンサ122は直列接続されている。
蓄電制御装置130は、セル110a、110bと直列共振回路120との電気的な接続状態を制御する。ここで、図1には、蓄電制御装置130の制御によって形成されるセル110a、110bと直列共振回路120との接続状態が、双方向矢印Aによって模式的に示されている。また、図1には、蓄電制御装置130が接続状態を制御する構成であることが、図中の破線によって模式的に示されている。さらに、図1Aには、1つのセル110aと直列共振回路120とが接続され、かつ、他の1つのセル110bと直列共振回路120とが切断された状態が示されている。一方、図1Bには、1つのセル110aと直列共振回路120とが切断され、かつ、他の1つのセル110bと直列共振回路120とが接続された状態が示されている。
蓄電装置100の動作例を以下に述べる。以下の動作例は、本開示に係る蓄電制御方法の一実施形態を含む。ただし、本開示に係る蓄電制御方法は、蓄電装置100以外の構成で具現化されてもよい。
図2は、本実施形態の第1の変形例の蓄電装置100の構成を模式的に示す全体図である。本変形例の蓄電装置100は、図1の蓄電装置100に対して、セルの配置態様および蓄電制御装置130によって形成されるセルと直列共振回路120との接続状態が相違する。以下、相違点を詳細に説明する。
図3は、本実施形態の第2の変形例の蓄電装置100の構成を模式的に示す全体図である。本変形例の蓄電装置100は、図1および図2の蓄電装置100に対して、セルの配置態様および蓄電制御装置130によって形成されるセルと直列共振回路120との接続状態が相違する。以下、相違点を詳細に説明する。
[装置の構成例]
図4は、本実施形態の蓄電装置100の構成例を模式的に示す全体図である。本実施形態の蓄電装置100は、図1の蓄電装置100に対して、蓄電制御装置130の構成が特定されている。すなわち、蓄電制御装置130は、少なくとも1つのセルを含む第1のセルを直列共振回路120に接続させた後に、第1のセルと同数のセルを含み第1のセルと比較して総電圧が相対的に小さい第2のセルを直列共振回路120に接続させる構成である。図4のように、セル110a、110bの総数が2つの場合には、第1のセルおよび第2のセルは1つずつとなる。
図4に示すように、4つのスイッチ140a~140dは、各セル110a、110bにそれぞれ対応して設けられている。具体的には、スイッチ140a~140dは、セル110a、110b毎に2つずつ対応して配置されており、各セル110a、110bのそれぞれの正極および負極に1つずつ接続される構成となっている。
図4に示すように、セル電圧検出部150a、150bは、各セル110a、110bにそれぞれ対応して設けられている。各セル電圧検出部150a、150bは、対応するセル110a、110bに並列接続されている。各セル電圧検出部150a、150bは、対応するセル110a、110bの電圧すなわち端子電圧を検出し、検出結果をセル電圧情報として蓄電制御装置130に出力する。このとき、セル電圧情報は、蓄電制御装置130側でセル電圧情報に対応するセルを特定可能な態様で出力されてもよい。例えば、セル電圧情報は、蓄電制御装置130のセル110a、110b毎の入力端子に向けて出力されたり、セルの番号の情報が対応付けられたりしてもよい。
図5は、本実施形態における蓄電制御装置130の構成例を模式的に示す図である。図5に示すように、蓄電制御装置130は、セル電圧情報取得部131およびスイッチ制御部132を有する。セル電圧情報取得部131は、セル電圧検出部150a、150bから出力されたセル電圧情報を取得する。スイッチ制御部132は、セル電圧情報取得部131が取得したセル電圧情報に応じたスイッチ制御信号をスイッチ140a~140dに出力する。スイッチ制御信号の内容は、第1のセルを直列共振回路120に接続させた後に、第2のセルを直列共振回路120に接続させることである。スイッチ制御信号は、例えば、電界効果トランジスタに印加されるゲート電圧等であってもよい。セル電圧情報取得部131およびスイッチ制御部132は、ハードウェアまたはソフトウェアもしくはこれらの双方によって具現化してもよい。
図6は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を示すフローチャートである。図6に示す動作例は、本開示に係る蓄電制御方法の一実施形態を含む。
[装置の構成例]
図7は、本実施形態の第1の変形例の蓄電装置100の構成を模式的に示す全体図である。本変形例の蓄電装置100は、図4の蓄電装置100に対して、セルの配置態様および蓄電制御装置130によって形成されるセルと直列共振回路120との接続状態が相違する。以下、相違点を詳細に説明する。
本変形例の動作例を、図7を参照して説明する。以下の動作例は、本開示に係る蓄電制御方法の一実施形態を含む。
[装置の構成例]
図8は、本実施形態の蓄電装置100の構成例を模式的に示す全体図である。本実施形態の蓄電装置100は、図4の蓄電装置100に対して、セルと直列共振回路120との接続の切り替えタイミングが特定されている。以下、詳細に説明する。
図9に示すように、本実施形態の蓄電制御装置130は、図5の蓄電制御装置130に対して、電流値情報取得部133が追加されている。電流値情報取得部133は、共振電流検出部170から出力された電流値情報を取得する。スイッチ制御部132は、セル電圧情報取得部131が取得したセル電圧情報および電流値情報取得部133が取得した電流値情報に応じたスイッチ制御信号をスイッチ140a~140dに出力する。スイッチ制御信号の内容は、直列共振回路120に流れる電流値が0Aになった場合にその時点で直列共振回路120に接続されているセルを直列共振回路120から切断させることである。電流値情報取得部133は、ハードウェアまたはソフトウェアもしくはこれらの双方によって具現化してもよい。
本実施形態の蓄電装置100の動作は、図10に示す蓄電装置100の等価回路の動作として説明することができる。図10では、第1のセル(Cell1)に対応する第1の正極側のスイッチと第1の負極側のスイッチとが、1つのスイッチSW1として表現されている。また、図10では、第2のセル(Cell2)に対応する第2の正極側のスイッチと第2の負極側のスイッチとが、1つのスイッチSW2として表現されている。共振電流検出部170は、第1のセルが直列共振回路120に接続された状態すなわちスイッチSW1のオン状態において、第1のセルから直列共振回路120に向かう共振電流iを検出する。また、共振電流検出部170は、第2のセルが直列共振回路120に接続された状態すなわちスイッチSW2のオン状態において、直列共振回路120から第2のセルに向かう共振電流iを検出する。
図11は、図10の等価回路のタイムチャートである。
[装置の構成例]
本変形例の蓄電装置100は、図8の蓄電装置100に対して、セルと直列共振回路120との接続を切り替えるための構成が相違する。以下、詳細に説明する。
図14は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を示すフローチャートである。図14に示す動作例は、本開示に係る蓄電制御方法の一実施形態を含む。
[装置の構成例]
本実施形態の蓄電装置100は、図8および図12の蓄電装置100に対して、セルと直列共振回路120との接続の切り替えタイミングが相違する。以下、詳細に説明する。
[タイムチャート]
図15は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を、図11と同様のタイムチャートとして示す図である。
図16は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を、フローチャートとして示す図である。図16のフローチャートは、図14のフローチャートに対して、ステップ144(S144)の後の処理が相違する。具体的には、図16では、ステップ144(S144)において肯定的な判定結果が得られた後に、ステップ65(S65)、ステップ161(S161)およびステップ162(S162)を順次実行する。
[装置の構成例]
本実施形態の蓄電装置100は、図15および図16に示した蓄電装置100に対して、セルと直列共振回路120との接続の切り替えタイミングが相違する。以下、詳細に説明する。
[タイムチャート]
図17は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を示すタイムチャートである。図17のタイムチャートでは、時刻t2においてスイッチSW1をオフに切り替えた後に、第2の待機期間T2が経過した時刻t3においてスイッチSW2をオンに切り替える。また、図17のタイムチャートでは、時刻t4においてスイッチSW2をオフに切り替えた後に、第1の待機期間T1が経過した時刻t5においてスイッチSW1をオンに切り替える。待機期間T1、T2中には、蓄電制御装置130が、セル電圧の検出結果に基づいて、電圧均等化処理を終了すべきか否かを判定する。待機期間T1、T2は、互いに同一であってもよく、または、互いに異なってもよい。
図18は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を示すフローチャートである。図18のフローチャートは、図16のフローチャートに対して、ステップ63(S63)とステップ64(S64)との間にステップ181(S181)とステップ182(S182)を実行する点で相違する。
[装置の構成例]
図19は、本実施形態の蓄電装置100における直列共振回路120の構成例を示す図である。本実施形態における直列共振回路120は、第1~第4の実施形態の直列共振回路120に対して、リアクトル121およびコンデンサ122に加えて、抵抗123を有する点が相違する。すなわち、本実施形態における直列共振回路120は、RLC直列共振回路である。
本実施形態の蓄電装置100の動作例は、図20に示す蓄電装置100の等価回路の動作例として説明することができる。
Ipeak=(E1-E2)/(2×R) (1)
但し、式(1)において、E1は、第1のセルの電圧[V]である。E2は、第2のセルの電圧[V]である。Rは、抵抗123の値[Ω]である。
i={(E1-E2)/(2×R)}×sinω0t (2)
但し、式(2)において、ω0は、次の式(3)で表される共振角周波数[rad/s]である。
ω0=1/(L×C)1/2 (3)
但し、式(3)において、Lは、リアクトル121の自己インダクタンス[H]であり、Cは、コンデンサ122の静電容量[F]である。
なお、式(3)から、共振周波数f0は、ω0/2πとなる。
Icha=Idis=(E1-E2)/(π×R) (4)
iが0Aになったタイミングもしくはiの方向変化のタイミングでセルと直列共振回路120との接続を切り替えれば、第1のセルから第2のセルに、式(4)に相当する電荷を供給することができる。
図21は、本変形例の蓄電装置100の要部を示す図である。本変形例の蓄電装置100は、蓄電制御装置130が、直列共振回路120の抵抗123の両端の電位差に基づいて、直列共振回路120に流れる電流の向き、大きさを検知する構成である。抵抗123の両端の電位差は、電圧検出部190によって検出してもよい。
図22は、本変形例の蓄電装置100における直列共振回路120を示す図である。図22の直列共振回路120は、図19の直列共振回路120に対して、抵抗121が寄生抵抗である点で相違する。寄生抵抗は、リアクトル121、回路配線およびスイッチの少なくとも1つの寄生抵抗であってもよい。本変形例によれば、少ない部品点数によって共振電流のピーク値を抑えることができる。
[装置の構成例]
本実施形態の蓄電装置100は、第1~第5の実施形態の蓄電装置100に対して、セルと直列共振回路120との接続を切り替えるための構成が相違する。以下、詳細に説明する。
図23は、本実施形態の蓄電装置100の動作例を示すフローチャートである。図23では、先ず、ステップ231(S231)において、蓄電制御装置130により、給電側のセルを直列共振回路120に接続させる。
本実施形態の蓄電装置100は、第1~第6の実施形態の蓄電装置100に対して、直列共振回路120の共振周波数が相違する。
本変形例の蓄電装置100は、図24を参照して説明した蓄電装置100に対して、直列共振回路120の共振周波数の設定の態様が相違する。
本実施形態の蓄電装置100は、第1~第7の実施形態の蓄電装置100に対して、セルが特定されている。
(1)直列接続された複数のセルと、
リアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路と、
前記セルと前記直列共振回路との接続状態を制御する蓄電制御装置と、を備え、
前記蓄電制御装置は、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる構成の蓄電装置。
(2)前記蓄電制御装置は、少なくとも1つのセルを含む第1のセルを前記直列共振回路に接続させた後に、前記第1のセルと同数のセルを含み、前記第1のセルと比較して総電圧が相対的に小さい第2のセルを前記直列共振回路に接続させる構成の(1)記載の蓄電装置。
(3)前記蓄電制御装置は、連続する複数のセルを前記第1のセルに選択し、前記第1のセルと同数の連続するセルを前記第2のセルに選択する構成の(2)記載の蓄電装置。
(4)前記蓄電制御装置は、前記第1のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第1のセルを前記直列共振回路から切断させる構成の(2)または(3)記載の蓄電装置。
(5)前記蓄電制御装置は、前記第2のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第2のセルを前記直列共振回路から切断させる構成の(4)記載の蓄電装置。
(6)前記蓄電制御装置は、前記第1及び/又は第2のセルが前記直列共振回路から切断された後に、設定された期間いずれのセルも前記直列共振回路から切断された状態を保持し、前記設定された期間中に、セルの電圧に基づいてエネルギーの授受を終了すべきか否かを判定する構成の(5)記載の蓄電装置。
(7)前記直列共振回路は抵抗を含み、
前記蓄電制御装置は、前記抵抗の両端の電位差に基づいて、前記直列共振回路に流れる電流の向きを検知する構成の(1)、(4)~(6)のいずれかに記載の蓄電装置。
(8)前記蓄電制御装置は、前記直列共振回路と前記セルとの接続を前記直列共振回路の共振周波数で切り替える構成の(1)~(3)のいずれかに記載の蓄電装置。
(9)前記直列共振回路の共振周波数は、交流インピーダンス法で測定された前記セルの内部インピーダンスのコールコールプロットにおける虚数成分が0となる場合の周波数である(1)~(8)のいずれかに記載の蓄電装置。
(10)前記蓄電制御装置は、電圧が最大のセルを前記第1のセルに含ませる構成の(2)~(9)のいずれかに記載の蓄電装置。
(11)前記蓄電制御装置は、電圧が最小のセルを前記第2のセルに含ませる構成の(2)~(10)のいずれかに記載の蓄電装置。
(12)前記セルと前記直列共振回路とを接続又は切断するスイッチを更に備え、
前記蓄電制御装置は、前記スイッチの動作を制御することで前記セルと前記直列共振回路との接続状態を制御する構成の(1)~(11)のいずれかに記載の蓄電装置。
(13)前記セルは、充電率0%~100%の区間のうちの5割以上に亘る一連の区間での電圧変化が0.25V以下となる放電特性を有する(1)~(12)のいずれかに記載の蓄電装置。
(14)コンピュータを、
直列接続された複数のセルとリアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路との接続状態を制御して、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる手段
として機能させる蓄電制御プログラム。
110a、110b セル
120 直列共振回路
121 リアクトル
122 コンデンサ
130 蓄電制御装置
Claims (15)
- 直列接続された複数のセルと、
リアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路と、
前記セルと前記直列共振回路との接続状態を制御する蓄電制御装置と、を備え、
前記蓄電制御装置は、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる構成の蓄電装置。 - 前記蓄電制御装置は、少なくとも1つのセルを含む第1のセルを前記直列共振回路に接続させた後に、前記第1のセルと同数のセルを含み、前記第1のセルと比較して総電圧が相対的に小さい第2のセルを前記直列共振回路に接続させる構成の請求項1記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、連続する複数のセルを前記第1のセルに選択し、前記第1のセルと同数の連続するセルを前記第2のセルに選択する構成の請求項2記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、前記第1のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第1のセルを前記直列共振回路から切断させる構成の請求項2記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、前記第2のセルが前記直列共振回路に接続された後に前記直列共振回路に流れる電流の向きが変化した場合に、前記第2のセルを前記直列共振回路から切断させる構成の請求項4記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、前記第1及び/又は第2のセルが前記直列共振回路から切断された後に、設定された期間いずれのセルも前記直列共振回路から切断された状態を保持し、前記設定された期間中に、前記セルの電圧に基づいてエネルギーの授受を終了すべきか否かを判定する構成の請求項5記載の蓄電装置。
- 前記直列共振回路は抵抗を含み、
前記蓄電制御装置は、前記抵抗の両端の電位差に基づいて、前記直列共振回路に流れる電流の向きを検知する構成の請求項1記載の蓄電装置。 - 前記蓄電制御装置は、前記直列共振回路と前記セルとの接続を前記直列共振回路の共振周波数で切り替える構成の請求項1記載の蓄電装置。
- 前記直列共振回路の共振周波数は、交流インピーダンス法で測定された前記セルの内部インピーダンスのコールコールプロットにおける虚数成分が0となる場合の周波数である請求項1記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、電圧が最大のセルを前記第1のセルに含ませる構成の請求項2記載の蓄電装置。
- 前記蓄電制御装置は、電圧が最小のセルを前記第2のセルに含ませる構成の請求項10記載の蓄電装置。
- 前記セルと前記直列共振回路とを接続又は切断するスイッチを更に備え、
前記蓄電制御装置は、前記スイッチの動作を制御することで前記セルと前記直列共振回路との接続状態を制御する構成の請求項2記載の蓄電装置。 - 前記セルは、充電率0%~100%の区間のうちの5割以上に亘る一連の区間での電圧変化が0.25V以下となる放電特性を有する請求項2記載の蓄電装置。
- 直列接続された複数のセルとリアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路との接続状態を制御する構成で、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる構成の蓄電制御装置。
- 直列接続された複数のセルとリアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路との接続状態を制御装置によって制御して、前記直列共振回路を介して同数のセル間でエネルギーを授受させる蓄電制御方法。
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