WO2017109985A1 - 組電池装置および組電池装置の制御方法 - Google Patents

組電池装置および組電池装置の制御方法 Download PDF

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battery
battery module
assembled
assembled battery
cells
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岳史 大澤
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株式会社 東芝
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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
    • 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
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters

Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to an assembled battery device and a method for controlling the assembled battery device.
  • a lithium ion battery (LIB)
  • a plurality of battery cells are connected in series to form an assembled battery, and the assembled batteries are connected in parallel.
  • an assembled battery device that secures necessary power has been proposed.
  • ISS idling stop system
  • a high-power battery such as a lithium ion battery and a high-capacity battery such as a lead battery are connected in parallel to improve vehicle fuel efficiency and lead battery deterioration.
  • An assembled battery device that realizes this has been proposed.
  • control for equalizing the voltages of a plurality of battery cells in the assembled battery is performed in order to increase the efficiency of the assembled battery.
  • a discharge method is adopted in which a cell balance circuit in which resistors are connected in parallel is connected to each battery cell to discharge high voltage battery cells. can do.
  • a charging method that makes the voltage of the battery cell uniform by overcharging can be adopted.
  • An object of the embodiment of the present invention is to provide an assembled battery device and an assembled battery control method that improve the utilization efficiency of the electric power stored in the assembled battery.
  • the assembled battery device includes a first battery module including a plurality of first battery cells, a plurality of first battery cells, a second battery module that can be connected in parallel to the first battery module, and a plurality of battery modules.
  • a battery monitoring circuit for measuring a positive terminal voltage and a negative terminal voltage of each of the first battery cells, a second switching element for switching a parallel connection between the first battery module and the second battery module, and a plurality of the first battery cells.
  • a third switching element that switches a parallel connection between each of the battery cells and the second battery module.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the assembled battery device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining an example of a method for controlling the assembled battery device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the assembled battery device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the assembled battery device according to the first embodiment.
  • the assembled battery device of this embodiment is mounted on a vehicle, for example.
  • the vehicle includes an assembled battery device according to the present embodiment, a control circuit (ECU: Electronic Control Unit) 100 that controls the operation of the vehicle, an inverter that converts DC power supplied from the assembled battery device into AC power, and outputs the AC power. And a motor driven by an alternating current supplied from the inverter, an axle for transmitting the rotational power of the motor, and wheels.
  • ECU Electronic Control Unit
  • the assembled battery device of this embodiment includes a first assembled battery 10, a second assembled battery 20, a control circuit 100, a first switching element SW1, and second switching elements SW2H and SW2L.
  • the first assembled battery 10 and the second assembled battery 20 are connected between the positive-side main circuit wiring WH and the negative-side main circuit wiring WL that are electrically connected to the control circuit 100.
  • the second assembled battery 20 are connected in parallel to each other.
  • the first switching element SW1 switches the electrical connection between the inverter and the main circuit wiring WH on the positive electrode side. That is, the first switching element SW1 is a switching unit that switches connection between the inverter and the assembled battery device.
  • the second switching elements SW2H and SW2L are between the positive terminal of the first assembled battery 10 and the main circuit wiring WH on the positive electrode side, and between the negative terminal of the first assembled battery 10 and the main circuit wiring WL on the negative electrode side. Each electrical connection is switched. That is, the second switching elements SW2H and SW2L are switching means for switching the parallel connection between the first battery module MDL1 of the first assembled battery 10 and the second battery module MDL2 of the second assembled battery 20.
  • the first switching element SW1 and the second switching elements SW2H and SW2L are switching means capable of electrically controlling the conduction state, for example, and their operations are controlled by the control circuit 100.
  • the first assembled battery 10 includes a first battery module MDL1, a battery monitoring circuit 12, a plurality of third switching elements SW3H and SW3L, second connectors CN2H and CN2L, a third connector CN3, a resistor R1, It has.
  • the first battery module MDL1 includes a plurality of first battery cells C1.
  • the plurality of first battery cells C1 are high power batteries, for example, lithium ion batteries.
  • the plurality of first battery cells C1 are connected in series with each other.
  • the positive terminal of the first battery module MDL1 is electrically connected to the main circuit wiring WH on the positive side via the second connector CN2H and the second switching element SW2H.
  • the negative terminal of the first battery module MDL1 is electrically connected to the main circuit line WL on the negative side through the second connector CN2L and the second switching element SW2L.
  • the battery monitoring circuit 12 is, for example, a CMU (Cell Management Unit), and is communicably connected to the control circuit 100 via the third connector CN3.
  • the battery monitoring circuit 12 communicates with the control circuit 100 based on a CAN (Control Area Network) protocol, for example.
  • CAN Control Area Network
  • the battery monitoring circuit 12 is connected to a plurality of voltage detection wires electrically connected to the positive terminals or the negative terminals of the first battery cells C1 of the first battery module MDL1.
  • the battery monitoring circuit 12 periodically detects the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of the plurality of first battery cells C1 and outputs them to the control circuit 100.
  • the battery monitoring circuit 12 calculates a voltage between terminals (difference between the positive terminal voltage and the negative terminal voltage) from the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of the plurality of first battery cells C1, and controls the calculation result. You may output to the circuit 100.
  • the plurality of third switching elements SW3H on the positive electrode side switches the electrical connection between each positive electrode terminal of the plurality of first battery cells C1 and the main circuit wiring WH on the positive electrode side.
  • the plurality of third switching elements SW3L on the negative electrode side switches the electrical connection between each negative electrode terminal of the plurality of first battery cells C1 and the main circuit wiring WL on the negative electrode side. That is, each first battery cell C1 can be connected in parallel to the second battery module MDL2 via the third switching elements SW3H and SW3L.
  • the operations of the plurality of third switching elements SW3H and SW3L are controlled by the control circuit 100.
  • the resistor R1 includes a wiring that connects the positive-side main circuit wiring WH and the positive terminals of the plurality of first battery cells C1, and a negative-side main circuit wiring WL and the negative terminals of the plurality of first battery cells C1.
  • the wiring to be connected is inserted into each.
  • the resistor R1 is inserted in a stage before the wiring extending from the second connectors CN2H and CN2L branches to the terminals of the respective first battery cells C1. Thereby, it becomes unnecessary to insert a resistor in the wiring branched to each first battery cell C1, and the number of resistors to be mounted can be reduced.
  • the resistor R1 prevents a short-circuit current from flowing between the second battery module MDL2 and the first battery module MDL1.
  • the positive-side second connector CN2H is between the positive-side main circuit wiring WH and the positive terminal of the first battery module MDL1, and between the positive-side main circuit wiring WH and the plurality of first battery cells C1. Is intervening between.
  • the negative-side second connector CN2L is between the negative-side main circuit wiring WL and the negative terminal of the first battery module MDL1, and the negative-side mainizing circuit wiring WL and the negative terminals of the first battery cells C1. It is interposed between.
  • a second switching element SW2H on the positive electrode side is inserted into a wiring that electrically connects the main circuit wiring WH and the positive terminal of the first battery module MDL1 via the second connector CN2H.
  • a second switching element SW2L on the negative electrode side is inserted into a wiring that electrically connects the main circuit wiring WL and the negative terminal of the first battery module MDL1 via the second connector CN2L.
  • the second assembled battery 20 includes a second battery module MDL2 and first connectors CN1H and CN1L.
  • the second battery module MDL2 includes a plurality of second battery cells C2.
  • the plurality of second battery cells C2 are high capacity batteries, for example, lead batteries.
  • the plurality of second battery cells C2 are connected in series with each other.
  • the first connector CN1H on the positive electrode side is interposed between the positive terminal of the second assembled battery 20 and the main circuit wiring WH on the positive electrode side.
  • the first connector CN1L on the negative electrode side is interposed between the negative electrode terminal of the second assembled battery 20 and the main circuit wiring WL on the negative electrode side.
  • the control circuit 100 is a control means for controlling the operation of the vehicle and includes, for example, a processor and a memory, and controls the operation of the battery monitoring circuit 12, the switching elements SW1, SW2H, SW2L, SW3H, and SW3L.
  • the control circuit 100 can be connected to a charger and controls charging and discharging of the first battery module MDL1 and the second battery module MDL.
  • the control circuit 100 is communicably connected to the battery monitoring circuit 12, and controls the operations of the switching elements SW1 to SW3 based on the voltages of the plurality of first battery cells C1 received from the battery monitoring circuit 12. Below, an example of operation
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining an example of the control method of the assembled battery device according to the first embodiment.
  • the control circuit 100 first opens all the first switching elements SW1, the second switching elements SW2H and SW2L, and the third switching elements SW3H and SW3L.
  • the control circuit 100 receives the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of the plurality of first battery cells C1 detected by the battery monitoring circuit 12 (step S1).
  • the control circuit 100 calculates the inter-terminal voltage (difference between the positive terminal voltage and the negative terminal voltage) of each of the plurality of first battery cells C1 from the received voltage value as necessary.
  • the control circuit 100 periodically receives the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of the plurality of first battery cells C1 from the battery monitoring circuit 12.
  • the control circuit 100 compares the inter-terminal voltages of the plurality of first battery cells C1, and determines whether or not the voltage difference is greater than or equal to a predetermined value (step S2).
  • the control circuit 100 ends the process, closes the first switching element SW1 and the second switching elements SW2H and SW2L,
  • the battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are connected in parallel to each other, and the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 can be charged and discharged.
  • the control circuit 100 selects the first battery cell C1 having the lowest inter-terminal voltage when the difference between the terminals of the plurality of first battery cells C1 is equal to or greater than a predetermined value, and is stored in the second battery module MDL2.
  • the first battery cell C1 selected by the electric power is charged (step S3). That is, the control circuit 100 connects the third switching element SW3H on the positive electrode side that switches the connection between the positive electrode terminal of the selected first battery cell C1 and the main circuit wiring WH on the positive electrode side, and connects the negative electrode terminal and the negative electrode side.
  • the third switching element SW3L on the negative electrode side that switches the connection with the main circuit wiring WL is connected, and charging is started.
  • the control circuit 100 periodically receives the voltages of the plurality of first battery cells C1, the voltage between the terminals of the first battery cell C1 being charged reaches the end-of-charge voltage, and charging is performed. It is determined whether or not has been completed (step S4).
  • the end-of-charge voltage of the first battery cell C1 may be, for example, the charge limit value of the first battery cell C1, or the highest voltage value among the inter-terminal voltages of the plurality of first battery cells C1. .
  • control circuit 100 determines that the charging of the selected first battery cell C1 has not yet been completed, the control circuit 100 continues to charge the selected first battery cell C1 (step S5). That is, the control circuit 100 does not switch the connection state of the third switching elements SW3H and SW3L.
  • the control circuit 100 receives the voltages of the plurality of first battery cells C1 (step S6), and again, the terminals of the plurality of first battery cells C1. It is determined whether or not the inter-voltage is greater than or equal to a predetermined value (step S7).
  • the control circuit 100 repeats the operations of Steps S1 to S5 described above until the difference between the voltages of the terminals of the plurality of first battery cells C1 is less than a predetermined value, and sequentially from the first battery cell C1 having a low voltage between the terminals. Charge the battery.
  • the control circuit 100 opens all the third switching elements SW3H and SW3L and closes the second switching elements SW2H and SW2L.
  • the voltages of the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are equalized (step S8).
  • the second switching elements SW2H and SW2L are closed, the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are connected in parallel, a current flows between the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2, and the first The equalization is completed when the voltages of the battery module MDL1 and the second battery module MDL2 become equal.
  • the control circuit 100 closes the first switching element SW1, and the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are parallel to each other. And the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 can be discharged and charged.
  • the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are configured by battery cells having different characteristics.
  • the lithium ion battery adopted as the first battery cell C1 has a characteristic that the deterioration rate is slower than that of the lead battery adopted as the second battery cell C2. Therefore, in the present embodiment, the first assembled battery 10 including the first battery module MDL1 having a slower deterioration rate characteristic and the control circuit 100 are integrally formed.
  • the second assembled battery 20 including the second battery module MDL2 having a faster deterioration rate is configured to be detachable by the first connectors CN1H and CN1L and can be easily replaced.
  • the assembled battery device of the present embodiment can be operated by replacing it with a new second battery module MDL2, for example, even when the second battery module MDL2 deteriorates and becomes unusable. It can be continued. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an assembled battery device that can be used continuously for a long period of time.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the assembled battery device according to the second embodiment.
  • the assembled battery device of this embodiment is mounted on a vehicle, for example.
  • the vehicle includes an assembled battery device according to the present embodiment, an inverter that converts DC power supplied from the assembled battery device into AC power, outputs a motor that is driven by AC current supplied from the inverter, and rotational power of the motor.
  • the vehicle has an axle that transmits the wheel and wheels.
  • the assembled battery device includes a first assembled battery 10, a second assembled battery 20, a control circuit 100, a first switching element SW1, and second switching elements SW2H and SW2L.
  • the assembled battery device of the present embodiment is different from the first embodiment described above in the configuration of the first assembled battery 10.
  • the first assembled battery 10 includes a first battery module MDL1, a battery monitoring circuit 12, a plurality of third switching elements SW3H and SW3L, fourth switching elements SW4H and SW4L, second connectors CN2H and CN2L, A third connector CN3 and a resistor R1 are provided.
  • the voltage detection wiring extending between the battery monitoring circuit 12 and the first battery module MDL1 is omitted.
  • the battery monitoring circuit 12 is electrically connected to wiring used when charging each first battery cell C1 of the first battery module MDL1. That is, the battery monitoring circuit 12 is electrically connected to a wiring extending between each positive third switching element SW3H and the positive second connector CN2H, and the plurality of first batteries are utilized using the wiring. The positive terminal voltage of each cell C1 is detected. Further, the battery monitoring circuit 12 is electrically connected to a wiring extending between each of the negative third switching element SW3L and the negative second connector CN2L, and the plurality of first batteries are utilized using the wiring. The negative terminal voltage of each cell C1 is detected.
  • the battery monitoring circuit 12 has a terminal to which the wiring for detecting the positive terminal voltage of each of the plurality of first battery cells C1 and the wiring for detecting the negative terminal voltage are connected.
  • the circuit configuration of the first assembled battery 10 and the battery monitoring circuit 12 can be simplified. Therefore, according to the assembled battery device of the present embodiment, the manufacturing cost of the first assembled battery 10 and the battery monitoring circuit 12 can be kept low.
  • the first assembled battery 10 of the present embodiment further includes fourth switching elements SW4H and SW4L.
  • the fourth switching element SW4H on the positive electrode side is inserted into a wiring extending between the resistor R1 on the positive electrode side and the plurality of third switching elements SW3H on the positive electrode side.
  • the negative fourth switching element SW4L is inserted into a wiring extending between the negative resistor R1 and the negative third switching elements SW3L.
  • the fourth switching elements SW4H and SW4L and the resistor R1 are inserted in a stage before the wiring extending from the second connectors CN2H and CN2L branches to the terminals of the respective first battery cells C1.
  • the control circuit 100 can cut off the electrical connection between each of the plurality of first battery cells C1 and the second battery module MDL2 by opening the fourth switching elements SW4H and SW4L. This makes it possible to reduce the resistance value of the resistor R1, and as a result, it is possible to increase the charging current supplied from the second battery module MDL2 to the plurality of first battery cells C1. Therefore, according to the assembled battery device of this embodiment, it is possible to shorten the time required to equalize the voltage of the first battery cell C1.
  • the battery monitoring circuit 12 sets the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of each of the plurality of first battery cells C1. It becomes easy to detect, and the time required to detect the voltage can be shortened.
  • the control circuit 100 detects one of the plurality of positive-side third switching elements SW3H and the plurality of negative-side terminals. Are sequentially connected to any one of the switching elements SW3L.
  • the control circuit 100 can also control the operations of the plurality of third switching elements SW3H and SW3L so as to detect the positive terminal voltage and the negative terminal voltage only for the specific first battery cell C1.
  • control circuit 100 equalizes the voltages of the plurality of first battery cells C1, first, all of the first switching element SW1, the second switching elements SW2H and SW2L, and the third switching elements SW3H and SW3L In an open state, the fourth switching elements SW4H and SW4L are closed. In this state, similarly to the above-described first embodiment, equalization of the voltages of the plurality of first battery cells C1 is started.
  • the control circuit 100 closes the first switching element SW1 and the second switching elements SW2H and SW2L, and the third switching elements SW3H and SW3L and the fourth switching element. With all of SW4H and SW4L opened, the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2 are connected in parallel to enable charging and discharging of the first battery module MDL1 and the second battery module MDL2.
  • the battery monitoring circuit 12 when a certain first battery cell C1 is charged by the second battery module MDL2, the battery monitoring circuit 12 always has the positive electrode of the first battery cell C1 being charged. The terminal and the negative terminal are electrically connected. Therefore, the control circuit 100 can obtain the positive terminal voltage and the negative terminal voltage of the first battery cell C ⁇ b> 1 being charged via the battery monitoring circuit 12.
  • the assembled battery device of this embodiment is the same as that of the above-described first embodiment except for the above-described configuration, and the same effect as that of the assembled battery device of the above-described first embodiment can be obtained.
  • the first battery module MDL1 is described as including a plurality of lithium ion battery cells
  • the second battery module MDL2 is described as including a plurality of lead battery cells.
  • the first battery cell and the second battery cell are not limited to the embodiment.
  • an assembled battery device having a configuration in which a plurality of first assembled batteries 10 are connected in parallel may be used.
  • one of the first battery modules MDL1 is charged with each of the lithium ion battery cells of the other first assembled battery 10 to equalize the voltage, and then the one first battery module MDL1 By connecting the first battery module MDL1 and the other first battery module in parallel to equalize the voltage, it is possible to obtain the same effects as those of the first and second embodiments described above.
  • SYMBOLS 10 ... 1st assembled battery, C1 ... 1st battery cell, MDL1 ... 1st battery module, 12 ... Battery monitoring circuit, C2 ... 2nd battery cell, CN2H, CN2L ... 2nd connector, CN3 ... 3rd connector, R1 ... Resistor, SW3H, SW3L ... third switching element, SW4H, SW4L ... fourth switching element, 20 ... second assembled battery, MDL2 ... second battery module, CN1H, CN1L ... first connector, SW1 ... first switching element, SW2H, SW2L ... second switching element.

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Abstract

組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上する組電池装置および組電池の制御方法を提供する。　実施形態による組電池装置は、複数の第１電池セルＣ１を含む第１電池モジュールＭＤＬ１と、複数の第１電池セルＣ１夫々あるいは第１電池モジュールＭＤＬ１と並列に接続可能である第２電池モジュールＭＤＬ２と、複数の第１電池セルＣ１夫々の正極端子電圧および負極端子電圧を測定する電池監視回路と、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２との並列接続を切替える第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、複数の第１電池セルＣ１の夫々と第２電池モジュールＭＤＬ２との並列接続を切替える第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌと、を備える組電池装置。

Description

組電池装置および組電池装置の制御方法
　本発明の実施形態は、組電池装置および組電池装置の制御方法に関する。
　リチウムイオン電池（ＬＩＢ）を産業機器や車載用機器に適用するには、システム電力/電圧を確保するため、電池セルを多数直列に接続して組電池を構成し、この組電池を並列接続することにより必要な電力を確保する組電池装置が提案されている。また、アイドリングストップシステム（ＩＳＳ）のような車両システムにおいては、リチウムイオン電池等の高出力電池と鉛電池等の高容量電池とを並列接続し、車両の燃費向上や鉛電池の劣化を抑制することを実現する組電池装置が提案されている。
　組電池を使用してシステムを構築する場合、組電池の高効率化のため、組電池内の複数の電池セルの電圧を均一化する制御が行われる。例えば、リチウムイオン電池の組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、各電池セルに抵抗器を並列接続したセルバランス回路を接続し、高電圧の電池セルを放電させる放電方式を採用することができる。また、例えば鉛電池の組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、過剰充電により電池セルの電圧を均一化する充電方式を採用することができる。
国際公開ＷＯ２０１４／１５６５６４
　組電池の複数の電池セルについて電圧を均一化する場合、上記の放電方式であっても過剰充電方式であっても、電力ロスが生じることとなる。
　本発明の実施形態は、組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上する組電池装置および組電池の制御方法を提供することを目的とする。
　実施形態による組電池装置は、複数の第１電池セルを含む第１電池モジュールと、複数の前記第１電池セル夫々あるいは前記第１電池モジュールと並列に接続可能である第２電池モジュールと、複数の前記第１電池セル夫々の正極端子電圧および負極端子電圧を測定する電池監視回路と、前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの並列接続を切替える第２スイッチング素子と、複数の前記第１電池セルの夫々と前記第２電池モジュールとの並列接続を切替える第３スイッチング素子と、を備える。
図１は、第１実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、第１実施形態の組電池装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図３は、第２実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。
　以下、第１実施形態の組電池装置および組電池装置の制御方法について、図面を参照して説明する。　
　図１は、第１実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。本実施形態の組電池装置は、例えば車両に搭載されている。車両は、本実施形態の組電池装置と、車両の動作を制御する制御回路（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００と、組電池装置から供給される直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、インバータから供給される交流電流により駆動するモータと、モータの回転動力を伝達する車軸と、車輪と、を備えている。
　本実施形態の組電池装置は、第１組電池１０と、第２組電池２０と、制御回路１００と、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、を備えている。　
　第１組電池１０と第２組電池２０とは、制御回路１００と電気的に接続した正極側の主回路配線ＷＨと負極側の主回路配線ＷＬとの間に接続し、第１組電池１０と第２組電池２０とは互いに並列に接続している。
　第１スイッチング素子ＳＷ１は、インバータと正極側の主回路配線ＷＨとの電気的接続を切替える。すなわち、第１スイッチング素子ＳＷ１は、インバータと、組電池装置との接続を切替える切替手段である。
　第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌは、第１組電池１０の正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間、および、第１組電池１０の負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間の電気的接続をそれぞれ切替える。すなわち、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌは、第１組電池１０の第１電池モジュールＭＤＬ１と第２組電池２０の第２電池モジュールＭＤＬ２との間の並列接続を切替える切替手段である。　
　第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌとは、例えば、導通状態を電気的に制御可能な切替手段であって、制御回路１００によりその動作を制御される。
　第１組電池１０は、第１電池モジュールＭＤＬ１と、電池監視回路１２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌと、第２コネクタＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌと、第３コネクタＣＮ３と、抵抗器Ｒ１と、を備えている。
　第１電池モジュールＭＤＬ１は複数の第１電池セルＣ１を含む。複数の第１電池セルＣ１は高出力電池であって、例えば、リチウムイオン電池である。複数の第１電池セルＣ１は、互いに直列に接続している。
　第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子は、第２コネクタＣＮ２Ｈおよび第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈを介して正極側の主回路配線ＷＨと電気的に接続している。第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子は、第２コネクタＣＮ２Ｌおよび第２スイッチング素子ＳＷ２Ｌを介して負極側の主回路配線ＷＬと電気的に接続している。
　電池監視回路１２は例えばＣＭＵ（Cell Management Unit）であって、第３コネクタＣＮ３を介して制御回路１００と通信可能に接続されている。電池監視回路１２は、例えばＣＡＮ（Control Area Network）プロトコルに基づいて制御回路１００との間で通信を行う。
　電池監視回路１２には、と第１電池モジュールＭＤＬ１の複数の第１電池セルＣ１それぞれの正極端子あるいは負極端子と電気的に接続した複数の電圧検出用配線が接続している。電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とを周期的に検出し、制御回路１００へ出力する。なお、電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とから、端子間電圧（正極端子電圧と負極端子電圧との差分）を演算して、演算結果を制御回路１００へ出力してもよい。
　正極側の複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈは、複数の第１電池セルＣ１の各正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間の電気的な接続を切替える。負極側の複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｌは、複数の第１電池セルＣ１の各負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間の電気的な接続を切替える。すなわち、個々の第１電池セルＣ１は、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌを介して第２電池モジュールＭＤＬ２と並列に接続可能である。複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌは、制御回路１００によりその動作を制御される。
　抵抗器Ｒ１は、正極側の主回路配線ＷＨと複数の第１電池セルＣ１の正極端子とを接続する配線と、負極側の主回路配線ＷＬと複数の第１電池セルＣ１の負極端子とを接続する配線と、にそれぞれ挿入されている。本実施形態では、抵抗器Ｒ１は、第２コネクタＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌから延びた配線が、それぞれの第１電池セルＣ１の端子へ分岐する前段に挿入されている。これにより、それぞれの第１電池セルＣ１へ分岐した配線に抵抗器を挿入する必要がなくなり、実装する抵抗器の数を少なくすることができる。抵抗器Ｒ１は、第２電池モジュールＭＤＬ２と第１電池モジュールＭＤＬ１との間で短絡電流が流れることを妨げる。
　正極側の第２コネクタＣＮ２Ｈは、正極側の主回路配線ＷＨと第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子との間、および、正極側の主回路配線ＷＨと複数の第１電池セルＣ１それぞれの正極端子との間に介在している。負極側の第２コネクタＣＮ２Ｌは、負極側の主回路配線ＷＬと第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子との間、および、負極側の主化回路配線ＷＬと第１電池セルＣ１それぞれの負極端子との間に介在している。第２コネクタＣＮ２Ｈを介して主回路配線ＷＨと第１電池モジュールＭＤＬ１の正極端子とを電気的に接続する配線には、正極側の第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈが挿入されている。第２コネクタＣＮ２Ｌを介して主回路配線ＷＬと第１電池モジュールＭＤＬ１の負極端子とを電気的に接続する配線には、負極側の第２スイッチング素子ＳＷ２Ｌが挿入されている。
　第２組電池２０は、第２電池モジュールＭＤＬ２と、第１コネクタＣＮ１Ｈ、ＣＮ１Ｌとを有している。
　第２電池モジュールＭＤＬ２は、複数の第２電池セルＣ２を含む。複数の第２電池セルＣ２は高容量電池であって、例えば鉛電池である。複数の第２電池セルＣ２は、互いに直列に接続している。
　正極側の第１コネクタＣＮ１Ｈは、第２組電池２０の正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間に介在している。負極側の第１コネクタＣＮ１Ｌは、第２組電池２０の負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間に介在している。
　制御回路１００は車両の動作を制御する制御手段であって、例えばプロセッサと、メモリとを備え、電池監視回路１２、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌ、ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌの動作を制御する。また、制御回路１００は充電器と接続可能であって、第１電池モジュールＭＤＬ１および第２電池モジュールＭＤＬの充電および放電の制御を行う。
　制御回路１００は、電池監視回路１２と通信可能に接続し、電池監視回路１２から受信した複数の第１電池セルＣ１の電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ３の動作を制御する。以下に、制御回路１００が複数の第１電池セルＣ１の電圧を均等化する際の動作の一例を説明する。
　図２は、第１実施形態の組電池装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。ここで、制御回路１００は、最初に第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌとを全て開いた状態とする。
　制御回路１００は、電池監視回路１２で検出された複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とを受信する（ステップＳ１）。制御回路１００は、必要に応じて、受信した電圧値から複数の第１電池セルＣ１それぞれの端子間電圧（正極端子電圧と負極端子電圧との差）を演算する。なお、本実施形態では、制御回路１００は周期的に電池監視回路１２から複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とを受信する。
　続いて、制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧同士を比較し、電圧差が所定値以上であるか否か判断する（ステップＳ２）。複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧の差が所定値未満のときには、制御回路１００は処理を終了し、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌとを閉じて、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とを互いに並列に接続するとともに、第１電池モジュールＭＤＬ１および第２電池モジュールＭＤＬ２の充電および放電を可能とする。
　制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧の差が所定値以上であるときには、最も端子間電圧が低い第１電池セルＣ１を選択し、第２電池モジュールＭＤＬ２に蓄えられた電力により選択した第１電池セルＣ１を充電する（ステップＳ３）。すなわち、制御回路１００は、選択した第１電池セルＣ１の正極端子と正極側の主回路配線ＷＨとの間の接続を切替える正極側の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈを接続し、負極端子と負極側の主回路配線ＷＬとの間の接続を切替える負極側の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｌを接続して、充電を開始する。
　第１電池セルＣ１の充電中、制御回路１００は周期的に複数の第１電池セルＣ１の電圧を受信し、充電中の第１電池セルＣ１の端子間電圧が充電終止電圧に到達し、充電が完了したか否かを判断する（ステップＳ４）。ここで、第１電池セルＣ１の充電終止電圧は、例えば、第１電池セルＣ１の充電限界値としてもよく、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧のうちの最も高い電圧値としてもよい。
　制御回路１００は、選択した第１電池セルＣ１の充電が未だ完了していないと判断したときには、選択した第１電池セルＣ１の充電を継続する（ステップＳ５）。すなわち、制御回路１００は、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌの接続状態を切替えない。
　制御回路１００は、選択した第１電池セルＣ１の充電が完了したと判断したときには、複数の第１電池セルＣ１の電圧を受信し（ステップＳ６）、再度、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧が所定値以上か否か判断する（ステップＳ７）。
　制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧の差が所定値未満となるまで、上述のステップＳ１乃至ステップＳ５の動作を繰り返し、端子間電圧が低い第１電池セルＣ１から順次充電を行う。
　制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の端子間電圧の差が所定値未満であるときには、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌを全て開いた状態とし、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌを閉じて、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２との電圧を均等化する（ステップＳ８）。第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌを閉じると、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とが並列に接続し、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２と間で電流が流れて、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２との電圧が等しくなった時点で均等化が完了する。
　制御回路１００は、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２との電圧の均等化が終了すると、第１スイッチング素子ＳＷ１を閉じて、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とを互いに並列に接続するとともに、第１電池モジュールＭＤＬ１および第２電池モジュールＭＤＬ２の放電および充電を可能とする。
　上記のように、第２電池モジュールＭＤＬ２により複数の第１電池セルＣ１を充電することにより電圧の均等化を行うと、それぞれの第１電池セルＣ１に蓄えられた電力を無駄にすることなく、有効に利用することが可能となる。
　すなわち、本実施形態の組電池装置および組電池装置の制御方法によれば、組電池に蓄えられた電力の利用効率を向上することが可能となる。
　また、本実施形態の組電池装置では、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とは、特性が異なる電池セルにより構成されている。第１電池セルＣ１として採用したリチウムイオン電池は、第２電池セルＣ２として採用した鉛電池と比べての劣化速度が遅い特性を有している。そこで本実施形態では、より劣化速度が遅い特性を有する第１電池モジュールＭＤＬ１を含む第１組電池１０と、制御回路１００とを一体に形成している。また、より劣化速度が速い特性を有する第２電池モジュールＭＤＬ２を含む第２組電池２０は、第１コネクタＣＮ１Ｈ、ＣＮ１Ｌにより着脱可能に構成し、容易に交換可能としている。
　このことにより、本実施形態の組電池装置は、例えば第２電池モジュールＭＤＬ２が劣化して使用不可能となった場合であっても、新たな第２電池モジュールＭＤＬ２と交換することにより、運転を継続させることが可能となる。したがって、本実施形態によれば、長期間に渡り継続して利用可能な組電池装置を提供することが可能となる。
　次に、第２実施形態の組電池装置および組電池装置の制御方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
　図３は、第２実施形態の組電池装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の組電池装置は、例えば車両に搭載されている。車両は、本実施形態の組電池装置と、組電池装置から供給される直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、インバータから供給される交流電流により駆動するモータと、モータの回転動力を伝達する車軸と、車輪と、を備えている。
　本実施形態の組電池装置は、第１組電池１０と、第２組電池２０と、制御回路１００と、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、を備えている。本実施形態の組電池装置は、第１組電池１０の構成が上述の第１実施形態と異なっている。
　すなわち、第１組電池１０は、第１電池モジュールＭＤＬ１と、電池監視回路１２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌと、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌと、第２コネクタＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌと、第３コネクタＣＮ３と、抵抗器Ｒ１と、を備えている。
　本実施形態では、電池監視回路１２と第１電池モジュールＭＤＬ１との間に延びた、電圧検出用の配線が省略されている。電池監視回路１２は、第１電池モジュールＭＤＬ１のそれぞれの第１電池セルＣ１を充電する際に用いられる配線と電気的に接続している。すなわち、電池監視回路１２は、正極側の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈそれぞれと正極側の第２コネクタＣＮ２Ｈとの間に延びた配線と電気的に接続し、この配線を利用して複数の第１電池セルＣ１それぞれの正極端子電圧を検出する。また、電池監視回路１２は、負極側の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｌそれぞれと負極側の第２コネクタＣＮ２Ｌとの間に延びた配線と電気的に接続し、この配線を利用して複数の第１電池セルＣ１それぞれの負極端子電圧を検出する。
　上記のように、本実施形態では、電池監視回路１２は、複数の第１電池セルＣ１のそれぞれの正極端子電圧を検出する配線と、負極端子電圧を検出する配線とが接続される端子を有していれば良く、第１組電池１０および電池監視回路１２の回路構成を簡略化することが可能となる。したがって、本実施形態の組電池装置によれば、第１組電池１０および電池監視回路１２の製造コストを低く抑えることが可能となる。
　また、本実施形態の第１組電池１０は、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌを更に備えている。正極側の第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈは、正極側の抵抗器Ｒ１と正極側の複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈとの間に延びた配線に挿入されている。負極側の第４スイッチング素子ＳＷ４Ｌは、負極側の抵抗器Ｒ１と負極側の複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｌとの間に延びた配線に挿入されている。本実施形態では、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌおよび抵抗器Ｒ１は、第２コネクタＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌから延びた配線が、それぞれの第１電池セルＣ１の端子へ分岐する前段に挿入されている。これにより、それぞれの第１電池セルＣ１へ分岐した配線にスイッチング素子と抵抗器とを挿入する必要がなくなり、実装するスイッチング素子と抵抗器の数を少なくすることができる。第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌは、制御回路１００によりその動作を制御される。
　制御回路１００は、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌを開くことにより、複数の第１電池セルＣ１それぞれと第２電池モジュールＭＤＬ２との間の電気的接続を遮断することが可能となる。このことにより、抵抗器Ｒ１の抵抗値を小さくすることが可能となり、その結果、第２電池モジュールＭＤＬ２から複数の第１電池セルＣ１へ供給する充電電流を大きくすることができる。したがって、本実施形態の組電池装置によれば、第１電池セルＣ１の電圧を均等化するために要する時間を短縮することが可能となる。
　また、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌを閉じた状態で、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌを開くことにより、電池監視回路１２が、複数の第１電池セルＣ１それぞれの正極端子電圧および負極端子電圧を検出することが容易となり、電圧を検出するために必要な時間を短縮することが可能となる。
　制御回路１００は、電池監視回路１２により複数の第１電池セルＣ１の正極端子電圧および負極端子電圧を検出する際には、正極側の複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈのいずれかと、負極側の複数のスイッチング素子ＳＷ３Ｌのいずれかとを順次接続する。また、制御回路１００は、特定の第１電池セルＣ１のみについて正極端子電圧および負極端子電圧を検出するように、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌの動作を制御することも可能である。
　制御回路１００は、複数の第１電池セルＣ１の電圧を均等化する際に、まず、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌと、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌと、を全て開いた状態とし、第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌを閉じる。この状態で、上述の第１実施形態と同様に、複数の第１電池セルＣ１の電圧の均等化を開始する。
　複数の第１電池セルＣ１の電圧の均等化が終了したら、制御回路１００は、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌとが閉じ、第３スイッチング素子ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌと第４スイッチング素子ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌとが全て開いた状態として、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とを並列に接続し、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２との充電および放電を可能とする。
　ここで、本実施形態の組電池装置では、第２電池モジュールＭＤＬ２により、ある第１電池セルＣ１を充電している際には、電池監視回路１２は常に充電中の第１電池セルＣ１の正極端子と負極端子と電気的に接続されることとなる。したがって、制御回路１００は、充電中の第１電池セルＣ１の正極端子電圧と負極端子電圧とを電池監視回路１２を介して得ることが可能である。
　本実施形態の組電池装置は、上記の構成以外は上述の第１実施形態と同様であり、上述の第１実施形態の組電池装置と同様の効果を得ることができる。
　なお、上述の第１実施形態と第２実施形態とでは、第１電池モジュールＭＤＬ１は複数のリチウムイオン電池セルを備え、第２電池モジュールＭＤＬ２は複数の鉛電池セルを備えるものとして説明しているが、第１電池セルと第２電池セルとは実施形態に限定されるものではない。例えば、複数の第１組電池１０を並列に接続する構成を有する組電池装置であっても構わない。その場合であっても、例えば、一方の第１電池モジュールＭＤＬ１から、他方の第１組電池１０のリチウムイオン電池セルの夫々を充電して電圧を均等化し、その後、一方の第１電池モジュールＭＤＬ１と他方の第１電池モジュールＭＤＬ１とを並列に接続して電圧を均等化することにより、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１０…第１組電池、Ｃ１…第１電池セル、ＭＤＬ１…第１電池モジュール、１２…電池監視回路、Ｃ２…第２電池セル、ＣＮ２Ｈ、ＣＮ２Ｌ…第２コネクタ、ＣＮ３…第３コネクタ、Ｒ１…抵抗器、ＳＷ３Ｈ、ＳＷ３Ｌ…第３スイッチング素子、ＳＷ４Ｈ、ＳＷ４Ｌ…第４スイッチング素子、２０…第２組電池、ＭＤＬ２…第２電池モジュール、ＣＮ１Ｈ、ＣＮ１Ｌ…第１コネクタ、ＳＷ１…第１スイッチング素子、ＳＷ２Ｈ、ＳＷ２Ｌ…第２スイッチング素子。

Claims (7)

  1. 　複数の第１電池セルを含む第１電池モジュールと、
    　複数の前記第１電池セル夫々あるいは前記第１電池モジュールと並列に接続可能である第２電池モジュールと、
    　複数の前記第１電池セル夫々の正極端子電圧および負極端子電圧を測定する電池監視回路と、
    　前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの並列接続を切替える第２スイッチング素子と、
    　複数の前記第１電池セルの夫々と前記第２電池モジュールとの並列接続を切替える第３スイッチング素子と、を備える組電池装置。
  2. 　前記第２電池モジュールと複数の前記第１電池セルとを並列接続する配線に、抵抗器が挿入されている、請求項１記載の組電池装置。
  3. 　前記第２電池モジュールと複数の前記第１電池セルとを並列接続する配線に、抵抗器とスイッチング素子とが互いに直列に挿入されている、請求項１記載の組電池装置。
  4. 　前記第２電池モジュールを含む第２組電池を備え、
    　前記第２電池モジュールは前記第１電池モジュールよりも劣化速度が速い特性を有し、
    　前記第２組電池はコネクタにより着脱可能に構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項記載の組電池装置。
  5. 　前記第１電池モジュールは前記第２電池モジュールよりも劣化速度が遅い特性を有し、
    　制御回路は、前記第１電池モジュールと一体に構成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の組電池装置。
  6. 　複数の第１電池セルを含む第１電池モジュールと、複数の前記第１電池セル夫々あるいは前記第１電池モジュールと並列に接続可能な第２電池モジュールと、を含む組電池装置の制御方法であって、
    　複数の前記第１電池セル夫々の正極端子電圧および負極端子電圧を受信し、
    　前記正極端子電圧および前記負極端子電圧に基づいて、前記複数の第１電池セル夫々の端子間電圧を演算し、複数の前記端子間電圧の差が所定値以上か否かを判断し、
    　複数の前記端子間電圧の差が前記所定値以上であったときに、最も前記端子間電圧が低い前記第１電池セルを選択し、
    　選択した前記第１電池セルと第２電池モジュールとを並列に接続して、前記第２電池モジュールに蓄えられた電力により選択した前記第１電池セルを順次充電する、前記組電池装置の制御方法。
  7. 　選択した前記第１電池セルを順次充電した後、複数の前記第１電池セルの端子間電圧の差が所定値未満となったときに、前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとを並列に接続する、請求項６記載の組電池装置の制御方法。
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