WO2023032639A1 - 電源装置 - Google Patents

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WO2023032639A1
WO2023032639A1 PCT/JP2022/030770 JP2022030770W WO2023032639A1 WO 2023032639 A1 WO2023032639 A1 WO 2023032639A1 JP 2022030770 W JP2022030770 W JP 2022030770W WO 2023032639 A1 WO2023032639 A1 WO 2023032639A1
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secondary battery
transistor
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power supply
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PCT/JP2022/030770
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Inventor
重輔 志村
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • 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
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • This technology relates to a power supply device equipped with a plurality of secondary batteries.
  • a secondary battery for example, when an internal short circuit occurs due to a foreign object (for example, a nail or a piece of metal) being pierced from the outside, Joule heat is generated around the short circuit. Then, thermal runaway can occur in the secondary battery depending on the state of the generation of this Joule heat.
  • An internal short circuit of a secondary battery caused by such a foreign object may occur, for example, in the case of a secondary battery mounted on a moving object in the case of a collision accident, and a disaster such as an earthquake may cause a foreign object to cause an internal short circuit in the secondary battery. It can also occur by falling on top. Dendrites can also cause internal short circuits.
  • Patent Documents 1 and 2 have been proposed as conventional techniques for reducing the risk of ignition caused by internal short circuits.
  • two or more secondary batteries are arranged in parallel, and an MPPT (Maximum Power Point Tracking) circuit is used to maximize the output power of a secondary battery with an internal short circuit. emergency discharge.
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • a secondary battery with an internal short circuit is connected in series with a secondary battery without an internal short circuit using a closed circuit to perform emergency discharge.
  • a power supply device includes a plurality of secondary battery units connected in parallel, and a control section that controls discharging of the plurality of secondary battery units.
  • Each secondary battery unit has a plurality of secondary batteries and a switching section that switches connection of the plurality of secondary batteries.
  • the control unit controls a first secondary battery, which is an arbitrary secondary battery among the plurality of secondary batteries, and a plurality of secondary batteries other than the first secondary battery. connection with one or more second secondary batteries, which are one or more secondary batteries, is switched from parallel connection to series connection.
  • the connection between the first secondary battery and the one or more second secondary batteries is switched from parallel connection to series connection.
  • the discharge current of the secondary battery unit including the first secondary battery in which the internal short circuit has occurred can flow into the other secondary battery units.
  • emergency discharge can be performed in the first secondary battery in which an internal short circuit has occurred, without interrupting power supply to the load.
  • FIG. 2 is a diagram showing a modified example of the circuit configuration of the power supply device of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an emergency discharge procedure in the power supply device of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a state of normal discharge in the power supply device of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a simplified state of normal discharge;
  • FIG. 2 is a diagram showing a state in which a short circuit occurs in the power supply device of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a state of partial series connection in the power supply device of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagram showing a simplified state of partial series connection;
  • FIG. 2 is a diagram showing a state in which a short-circuited portion is isolated in the power supply device of FIG. 1; It is a figure which simplifies and represents a mode that the short circuit location was isolated.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of temporal changes in the voltage of each secondary battery and the amount of heat generated in a short-circuited secondary battery when a short circuit occurs in the power supply device of FIG. 1 ;
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of temporal changes in the voltage of each secondary battery and the amount of heat generated in a short-circuited secondary battery when a short circuit occurs in the power supply device of FIG. 1 ;
  • FIG. 10 is a simplified diagram showing how a short circuit occurs in a power supply device according to a comparative example;
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of temporal changes in the voltage of each secondary battery and the amount of heat generated in the short-circuited secondary battery when a short circuit occurs in the power supply device of FIG. 13 ;
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of temporal changes in the voltage of each secondary battery and the amount of heat generated in the short-circuited secondary battery when a short circuit occurs in the power supply device of FIG. 13 ;
  • the secondary battery used in this technology may include, for example, a secondary battery with a capacity exceeding several hundred mAh that may actually smoke or catch fire when an internal short circuit occurs.
  • Secondary batteries generally exceeding several hundred mAh include, for example, laminate-type or cylindrical-type batteries.
  • the charge/discharge principle of the secondary battery used in the present technology is not particularly limited, but the secondary battery used in the present technology is configured to obtain battery capacity by utilizing, for example, absorption and release of electrode reactants.
  • a secondary battery used in the present technology includes, for example, an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode.
  • the charge capacity of the negative electrode is larger than the discharge capacity of the positive electrode in order to prevent electrode reactants from depositing on the surface of the negative electrode during charging.
  • the electrochemical capacity per unit area of the negative electrode is set, for example, to be larger than the electrochemical capacity per unit area of the positive electrode.
  • the type of electrode reactant is not particularly limited, but specifically light metals such as alkali metals and alkaline earth metals.
  • Alkali metals include lithium, sodium and potassium, and alkaline earth metals include beryllium, magnesium and calcium.
  • a secondary battery whose battery capacity is obtained by utilizing the absorption and release of lithium is a so-called lithium ion secondary battery. In this lithium ion secondary battery, lithium is intercalated and deintercalated in an ionic state.
  • a short circuit between the positive electrode and the negative electrode (hereinafter referred to as “internal short circuit”) occurs due to foreign objects (for example, nails or metal pieces) being stuck from the outside. , Joule heat is generated around the short circuit. Then, thermal runaway may occur in the secondary battery depending on the state of generation of this gel heat.
  • An internal short circuit of a secondary battery caused by such a foreign object may occur, for example, in the case of a secondary battery mounted on a moving object in the case of a collision accident, and a disaster such as an earthquake may cause a foreign object to cause an internal short circuit in the secondary battery. It can also occur by falling on top. Dendrites can also cause internal short circuits.
  • the time period until the thermal decomposition temperature or ignition temperature of the secondary battery material is exceeded is very short.
  • the most effective method for suppressing this short-term ignition is to suppress the Joule heat generated at the location where the internal short circuit occurs. In order to achieve this, when an internal short circuit is detected, the secondary battery with the internal short circuit should be immediately discharged urgently, and the current flowing into the secondary battery with the internal short circuit should be suppressed.
  • Patent Documents 1 and 2 have been proposed as conventional techniques for reducing the risk of ignition caused by internal short circuits.
  • two or more secondary batteries are arranged in parallel, and an MPPT (Maximum Power Point Tracking) circuit is used to maximize the output power of a secondary battery with an internal short circuit. emergency discharge.
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • a secondary battery with an internal short circuit is connected in series with a secondary battery without an internal short circuit using a closed circuit to perform emergency discharge.
  • Patent Document 1 it is difficult to miniaturize the MPPT circuit, and the cost is high.
  • the method described in Patent Document 2 interrupts the power supply to the electronic device during an emergency discharge, so it is not suitable for applications where even a momentary loss of power is not allowed. Therefore, the inventor of the present application proposes a power supply device that can be easily reduced in size and that does not interrupt power supply during emergency discharge.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration example of a power supply device 100 according to this embodiment.
  • the power supply device 100 includes, for example, two secondary battery units 110 and 120 connected in parallel as shown in FIG.
  • the power supply device 100 for example, includes two secondary batteries connected in parallel as shown in FIG. It may comprise a module 100A.
  • the power supply device 100 for example, as shown in FIG. 100B may be provided.
  • the number of secondary battery units connected in parallel is not limited to two, and may be three or more.
  • the number of secondary battery modules 100A connected in parallel is not limited to two, and may be three or more.
  • the number of the secondary battery modules 100A connected in series with each other is not limited to two, and may be three or more.
  • the power supply device 100 further includes a control section 130 that controls discharging of the two secondary battery units 110 and 120, for example, as shown in FIG.
  • the control unit 130 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) that executes predetermined arithmetic processing, a ROM (Read Only Memory) that stores a predetermined control program, and a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data. ), and controls discharge of the two secondary battery units 110 and 120 by executing a control program stored in the ROM.
  • a CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • the secondary battery unit 110 has, for example, three secondary batteries Ba, Bb, Bc and three sensors Sa, Sb, Sc.
  • the sensor Sa is connected in series with the secondary battery Ba, or installed near the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Ba.
  • the sensor Sb is connected in series with the secondary battery Bb, or installed near the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Bb.
  • the sensor Sc is connected in series with the secondary battery Bc, or installed near the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Bc.
  • the secondary battery unit 110 further has, for example, four field effect transistors (FETs) Ta1, Ta2, Ta3, Ta4 connected in series with the secondary battery Ba.
  • the secondary battery unit 110 further has, for example, four field effect transistors (FETs) Tb1, Tb2, Tb3, Tb4 connected in series with the secondary battery Bb.
  • the secondary battery unit 110 further has, for example, four field effect transistors (FETs) Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 connected in series with the secondary battery Bc.
  • the number of secondary batteries in the secondary battery unit 110 is not limited to three, and may be two, four or more.
  • the field effect transistors Ta1 and Ta2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Ba, and the field effect transistors Ta3 and Ta4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Ba.
  • the drain of field effect transistor Ta1 and the source of field effect transistor Ta2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Ta1 and the source of the field effect transistor Ta2 is connected directly or via the sensor Sa to the positive electrode of the secondary battery Ba.
  • the drain of field effect transistor Ta3 and the source of field effect transistor Ta4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Ta3 and the source of the field effect transistor Ta4 is connected directly or via the sensor Sa to the negative electrode of the secondary battery Ba.
  • the field effect transistors Tb1 and Tb2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Bb, and the field effect transistors Tb3 and Tb4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Bb.
  • the drain of field effect transistor Tb1 and the source of field effect transistor Tb2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tb1 and the source of the field effect transistor Tb2 is connected directly or via the sensor Sb to the positive electrode of the secondary battery Bb.
  • the drain of field effect transistor Tb3 and the source of field effect transistor Tb4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tb3 and the source of the field effect transistor Tb4 is connected directly or via the sensor Sb to the negative electrode of the secondary battery Bb.
  • the field effect transistors Tc1 and Tc2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Bc, and the field effect transistors Tc3 and Tc4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Bc.
  • the drain of field effect transistor Tc1 and the source of field effect transistor Tc2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tc1 and the source of the field effect transistor Tc2 is connected directly or via the sensor Sc to the positive electrode of the secondary battery Bc.
  • the drain of field effect transistor Tc3 and the source of field effect transistor Tc4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tc3 and the source of the field effect transistor Tc4 is connected directly or via the sensor Sc to the negative electrode of the secondary battery Bc.
  • the secondary battery unit 110 further has, for example, one field effect transistor Tg.
  • the source of the field effect transistor Tg is connected to the sources of the field effect transistors Ta1, Tb1 and Tc1 and the drains of the field effect transistors Ta4, Tb4 and Tc4.
  • the drain of the field effect transistor Tg is connected to the drains of the field effect transistors Ta2, Tb2, Tc2 and the positive terminal P1 of the power supply device 100.
  • FIG. The sources of the field effect transistors Ta2, Tb2, Tc2 are connected to the negative terminal P2 of the power supply device 100.
  • the secondary battery unit 120 has, for example, three secondary batteries Bd, Be, Bf and three sensors Sd, Se, Sf.
  • the sensor Sd is connected in series with the secondary battery Bd, or installed near the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Bd.
  • the sensor Se is connected in series with the secondary battery Be, or installed near the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Be.
  • the sensor Sf is connected in series with the secondary battery Bf, or installed in the vicinity of the wiring connected to the positive electrode or negative electrode of the secondary battery Bf.
  • the secondary battery unit 120 further has, for example, four field effect transistors (FETs) Td1, Td2, Td3, Td4 connected in series with the secondary battery Bd.
  • the secondary battery unit 120 further includes, for example, four field effect transistors (FETs) Te1, Te2, Te3, Te4 connected in series with the secondary battery Be.
  • the secondary battery unit 120 further has, for example, four field effect transistors (FETs) Tf1, Tf2, Tf3, Tf4 connected in series with the secondary battery Bf. Note that the number of secondary batteries in the secondary battery unit 120 is not limited to three, and may be two, four or more.
  • the field effect transistors Td1 and Td2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Bd, and the field effect transistors Td3 and Td4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Bd.
  • the drain of field effect transistor Td1 and the source of field effect transistor Td2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Td1 and the source of the field effect transistor Td2 is connected directly or via the sensor Sd to the positive electrode of the secondary battery Bd.
  • the drain of field effect transistor Td3 and the source of field effect transistor Td4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Td3 and the source of the field effect transistor Td4 is connected directly or via the sensor Sd to the negative electrode of the secondary battery Bd.
  • the field effect transistors Te1 and Te2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Be, and the field effect transistors Te3 and Te4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Be.
  • the drain of field effect transistor Te1 and the source of field effect transistor Te2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Te1 and the source of the field effect transistor Te2 is connected directly or via the sensor Se to the positive electrode of the secondary battery Be.
  • the drain of field effect transistor Te3 and the source of field effect transistor Te4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Te3 and the source of the field effect transistor Te4 is connected directly or via the sensor Se to the negative electrode of the secondary battery Be.
  • the field effect transistors Tf1 and Tf2 are provided on the positive electrode side of the secondary battery Bf, and the field effect transistors Tf3 and Tf4 are provided on the negative electrode side of the secondary battery Bf.
  • the drain of field effect transistor Tf1 and the source of field effect transistor Tf2 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tf1 and the source of the field effect transistor Tf2 is connected directly or via the sensor Sf to the positive electrode of the secondary battery Bf.
  • the drain of field effect transistor Tf3 and the source of field effect transistor Tf4 are connected to each other.
  • a connection point between the drain of the field effect transistor Tf3 and the source of the field effect transistor Tf4 is connected directly or via the sensor Sf to the negative electrode of the secondary battery Bf.
  • the secondary battery unit 120 further has, for example, one field effect transistor Th.
  • the source of field effect transistor Th is connected to the sources of field effect transistors Td1, Te1 and Tf1 and the drains of field effect transistors Td4, Te4 and Tf4.
  • the drain of the field effect transistor Th is connected to the drains of the field effect transistors Td2, Te2, Tf2 and the positive terminal P1 of the power supply device 100.
  • the sources of the field effect transistors Td2, Te2, Tf2 are connected to the negative terminal P2 of the power supply device 100.
  • the sensor Sa is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Ba and outputs a signal that indicates the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Sa is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Ba.
  • the sensor Sa may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • the sensor Sb is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Bb and outputs a signal indicating the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Sb is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Bb.
  • the sensor Sb may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • the sensor Sc is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Bc and outputs a signal indicating the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Sc is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Bc.
  • the sensor Sc may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • the sensor Sd is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Bd and outputs a signal indicating the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Sd is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Bd.
  • the sensor Sd may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • the sensor Se is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Be and outputs a signal indicating the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Se is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Be.
  • the sensor Se may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • the sensor Sf is a sensor that detects a physical quantity that serves as a clue for detecting an internal short circuit in the secondary battery Bf and outputs a signal that indicates the physical quantity to the control unit 130 .
  • the sensor Sf is, for example, an ammeter that detects current flowing through a shunt resistor connected in series with the secondary battery Bf.
  • the sensor Sf may, for example, detect a physical quantity having a predetermined correlation with the current flowing through the shunt resistor. It may be a magnetometer that detects a magnetic field generated by wiring connected to the positive or negative pole of the .
  • FIG. 3 shows an example of an emergency discharge procedure in the power supply device 100.
  • the control unit 130 initializes the field effect transistors (Ta1 to Th) (step S101). For example, as shown in FIGS. 4 and 5, the control unit 130 initializes the field effect transistors (Ta1 to Th) so that the secondary batteries Ba to Bf are connected in parallel.
  • the control unit 130 turns on field effect transistors Ta1, Ta3, Tb1, Tb3, Tc1, Tc3, Td1, Td3, Te1, Te3, Tf1, Tf3, Tg, Th, for example.
  • the control unit 130 further turns off the field effect transistors Ta2, Ta4, Tb2, Tb4, Tc2, Tc4, Td2, Td4, Te2, Te4, Tf2 and Tf4, for example.
  • the control unit 130 uses the detection results of the sensors Sa to Sf to detect whether or not an internal short circuit has occurred in any of the secondary batteries Ba to Bf (step S102 ). Assume that when the sensors Sa to Sf are current sensors, for example, a short circuit occurs in the secondary battery Bf as shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 6, for example, the current output from the non-short-circuited secondary batteries Ba to Be flows into the short-circuited secondary battery Bf. At this time, sensor Sf detects the current flowing into secondary battery Bf and outputs the detection result to control unit 130 .
  • the control unit 130 determines that a short circuit has occurred in the secondary battery Bf (step S102; Y), and carries out emergency discharge (step S103).
  • the control unit 130 controls the field effect transistors Ta1 to Th to connect the secondary battery Bf in which the short circuit occurs and the secondary batteries Bd and Be in which the short circuit does not occur. Switch from parallel connection to series connection. For example, after turning off the field effect transistors Tf1 and Tf3, the control unit 130 turns off the field effect transistor Th and turns on the field effect transistors Tf2 and Tf4.
  • the short-circuited secondary battery Bf is connected in series to the non-short-circuited secondary batteries Bd and Be, and the positive electrode of the secondary battery Bf is connected. is connected to the positive terminal P1 of the power supply device 100 .
  • the voltage V2 of the entire secondary battery unit 120 is increased by the voltage of the secondary battery Bf to the voltage of the entire secondary battery unit 110. higher than the voltage V1.
  • V2 ⁇ V1 current starts to flow from the secondary battery unit 110 to the secondary battery unit 120.
  • step S104 When the control unit 130 determines that the direction of the current flowing through the secondary battery Bf in which the short circuit has occurred is reversed based on the detection result input from the sensor Sf (step S104; Y), the short circuit location is isolated. conversion is performed (step S105). For example, the control unit 130 turns off the field effect transistors Tf2 and Tf4, and then turns on the field effect transistor Th, thereby restoring the short-circuited secondary battery Bf, for example, as shown in FIGS. , from the current paths of the secondary batteries Bd and Be in which no short circuit has occurred.
  • the timing of isolating the short-circuited secondary battery Bf is not limited to when the direction of the current flowing through the short-circuited secondary battery Bf is reversed.
  • the control unit 130 determines that the magnitude of the current flowing through the secondary battery Bf in which the short circuit has occurred is equal to or less than a predetermined threshold based on the detection result input from the sensor Sf, the short circuit location is isolated. may be implemented. Further, the control unit 130 may isolate the short-circuited portion, for example, when a predetermined period of time has elapsed since the partial serialization was performed.
  • Emergency discharge in the power supply device 100 is performed as described above.
  • this emergency discharge operation is realized by a plurality of field effect transistors Ta1 to Th. Therefore, there is no need to use an MPPT circuit, and an emergency discharge operation can be realized with a small device.
  • emergency discharge can be performed without interrupting current supply from the power supply device 100 to an external load. Therefore, there is no possibility that the functions of the power supply device 100 will be lost even during the emergency discharge.
  • 11 and 12 show an example of temporal changes in the voltage of each of the secondary batteries Ba to Bf when a short circuit occurs in the power supply device 100 and the amount of heat generated in the short-circuited secondary battery Bf.
  • the unit of the horizontal axis in FIG. 11 is ms
  • the unit of the horizontal axis in FIG. 12 is min. 11 and 12 show the results of verification of the effects of the power supply device 100 using an electronic circuit simulator.
  • a capacitor with a capacitance of 4 kF (initial voltage 4 V, internal resistance 30 m ⁇ , parasitic inductance 10 nH) was used instead of a voltage source. This is because the voltage source has no concept of capacity because the current can be drawn without limit.
  • a capacitor with a capacitance of 4 kF was used in order to reproduce the behavior in which the voltage of the secondary batteries Ba to Bf decreases due to discharge.
  • an internal short circuit was generated in the secondary battery Bf at the timing of the elapsed time of 5 ms. Specifically, a separate resistor was connected in parallel to the secondary battery Bf, and the resistance value was lowered from 1 M ⁇ to 30 m ⁇ at an elapsed time of 5 ms. Then, a simulation was performed when the amount of heat generated by this resistor (in units of kJ) was partially serialized (see FIG. 8) and when it was not partially serialized (see FIG. 13). 11 and 12 show the results of partial serialization, and FIGS. 14 and 15 show the results of non-partial serialization.
  • connection between the secondary battery Bf and the secondary batteries Bd and Be can be switched from parallel connection to series connection.
  • the discharge current of the secondary battery unit 120 including the secondary battery Bf in which the internal short circuit has occurred can flow into the other secondary battery unit 110.
  • emergency discharge can be performed in the secondary battery Bf in which an internal short circuit has occurred without interrupting power supply to the load.
  • sensors Sa to Sf are provided to detect the current flowing through each of the secondary batteries Ba to Bf.
  • Be can be switched from parallel connection to series connection.
  • the discharge current of the secondary battery unit 120 including the secondary battery Bf in which the internal short circuit has occurred can flow into the other secondary battery unit 110.
  • emergency discharge can be performed in the secondary battery Bf in which an internal short circuit has occurred without interrupting power supply to the load.
  • the secondary battery Bf in which an internal short circuit has occurred is separated from the current paths of the secondary batteries Bd and Be in which no internal short circuit has occurred. As a result, there is no possibility that the secondary battery Bf in which an internal short circuit has occurred will be charged, so that it is possible to prevent thermal runaway from occurring in the secondary battery Bf.
  • connection between the secondary battery Bf and the secondary batteries Bd and Be is performed by a plurality of field effect transistors Ta1 to Th.
  • the power supply device 100 can be miniaturized because the MPPT circuit is not required for emergency discharge.

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Abstract

本技術の一実施形態に係る電源装置は、互いに並列接続された複数の二次電池ユニットと、複数の二次電池ユニットの放電を制御する制御部とを備えている。各二次電池ユニットは、複数の二次電池と、複数の二次電池の接続を切り替える切り替え部とを有している。制御部は、切り替え部を制御することにより、複数の二次電池のうちの任意の二次電池である第１の二次電池と、複数の二次電池のうち、第１の二次電池以外の１または複数の二次電池である１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替える。

Description

電源装置
　本技術は、複数の二次電池を備えた電源装置に関する。
　近年、電気自動車やハイブリッド自動車の普及に伴い、また、太陽光発電や風力発電のような発電電力が安定せず、平準化が必要とされる発電デバイスの普及に伴い、リチウムイオン二次電池を始めとする各種二次電池に対する需要が急速に増えてきている。
　ところで、二次電池においては、例えば、外部から異物（例えば、釘や金属片）が刺さることによって内部短絡が発生した場合、短絡部の周辺でジュール熱が発生する。そして、このジュール熱の発生の状態に依っては、二次電池に熱暴走が発生し得る。このような異物に起因した二次電池の内部短絡は、例えば、移動体に搭載される二次電池にあっては衝突事故の場合に発生し得るし、地震等の災害によって異物が二次電池上に落下することでも発生し得る。また、デンドライトによっても内部短絡は発生し得る。
　内部短絡に起因する発火リスクを低減させる従来技術として、例えば、特許文献１，２に記載の発明が提案されている。特許文献１に記載の発明では、２つ以上の二次電池が並列配置されており、内部短絡を起こした二次電池が、出力電力が最大化するようＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）回路を用いて緊急放電される。また、例えば、特許文献２に記載の発明では、内部短絡を起こした二次電池が、閉回路を用いて内部短絡の生じていない二次電池に直列に接続することで緊急放電される。
国際公開ＷＯ２０１８／１８６４９６ 特開２００８－２８９２９６号公報
　しかし、特許文献２に記載の方法では、緊急放電の際に、電子機器への電力供給が中断されるので、瞬間でも電源喪失が許されない用途には適さない。従って、緊急放電時に電力供給が中断されることのない電源装置を提供することが望ましい。
　本技術の一実施形態に係る電源装置は、互いに並列接続された複数の二次電池ユニットと、複数の二次電池ユニットの放電を制御する制御部とを備えている。各二次電池ユニットは、複数の二次電池と、複数の二次電池の接続を切り替える切り替え部とを有している。制御部は、切り替え部を制御することにより、複数の二次電池のうちの任意の二次電池である第１の二次電池と、複数の二次電池のうち、第１の二次電池以外の１または複数の二次電池である１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替える。
　本技術の一実施形態に係る電源装置によれば、第１の二次電池と、１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替えるようにしたので、例えば、第１の二次電池に内部短絡が発生した場合に、内部短絡が発生した第１の二次電池を含む二次電池ユニットの放電電流を他の二次電池ユニットに流し込むことができる。これにより、負荷への電力供給を中断することなく、内部短絡が発生した第１の二次電池において緊急放電を行うことができる。
　なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。
本技術の一実施形態に係る電源装置の回路構成例を表す図である。 図１の電源装置の回路構成の一変形例を表す図である。 図１の電源装置における緊急放電手順の一例を表す図である。 図１の電源装置における通常放電の様子を表す図である。 通常放電の様子を簡略化して表す図である。 図１の電源装置において短絡が発生した様子を表す図である。 図１の電源装置における部分直列接続の様子を表す図である。 部分直列接続の様子を簡略化して表す図である。 図１の電源装置において短絡箇所を孤立させた様子を表す図である。 短絡箇所を孤立させた様子を簡略化して表す図である。 図１の電源装置において短絡が発生したときの各二次電池の電圧と短絡した二次電池での発熱量の経時変化の一例を表す図である。 図１の電源装置において短絡が発生したときの各二次電池の電圧と短絡した二次電池での発熱量の経時変化の一例を表す図である。 比較例に係る電源装置において短絡が発生した様子を簡略化して表す図である。 図１３の電源装置において短絡が発生したときの各二次電池の電圧と短絡した二次電池での発熱量の経時変化の一例を表す図である。 図１３の電源装置において短絡が発生したときの各二次電池の電圧と短絡した二次電池での発熱量の経時変化の一例を表す図である。
　以下、本技術を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

　１．二次電池
　２．実施形態
 
＜１．二次電池＞
　まず、本技術の一実施形態に係る電源装置に用いられる二次電池について説明する。
　本技術で用いられる二次電池には、例えば、内部短絡が発生したときに実際に発煙・発火に至る危険性のある概ね数百ｍＡｈを超える二次電池が含まれ得る。概ね数百ｍＡｈを超える二次電池としては、例えば、ラミネート型もしくは円筒型の電池が挙げられる。本技術で用いられる二次電池の充放電原理は、特に限定されないが、本技術で用いられる二次電池は、例えば、電極反応物質の吸蔵放出を利用して電池容量を得るように構成されている。本技術で用いられる二次電池は、例えば、正極および負極と共に電解質を備えている。本技術で用いられる二次電池では、例えば、充電途中において負極の表面に電極反応物質が析出することを防止するために、その負極の充電容量が正極の放電容量よりも大きくなっている。このとき、負極の単位面積当たりの電気化学容量は、例えば、正極の単位面積当たりの電気化学容量よりも大きくなるように設定されている。
　電極反応物質の種類は、特に限定されないが、具体的には、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などの軽金属である。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムなどであると共に、アルカリ土類金属は、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどである。リチウムの吸蔵放出を利用して電池容量が得られる二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池である。このリチウムイオン二次電池では、リチウムがイオン状態で吸蔵放出される。
　次に、本技術で用いられる二次電池の課題について説明する。
　本技術で用いられる二次電池においては、例えば、外部から異物（例えば、釘や金属片）が刺さることによって、正極と負極との短絡（以下、「内部短絡」と称する。）が発生した場合、短絡部の周辺でジュール熱が発生する。そして、このジェール熱の発生の状態に依っては、二次電池に熱暴走が発生し得る。このような異物に起因した二次電池の内部短絡は、例えば、移動体に搭載される二次電池にあっては衝突事故の場合に発生し得るし、地震等の災害によって異物が二次電池上に落下することでも発生し得る。また、デンドライトによっても内部短絡は発生し得る。
　内部短絡に起因して局所発熱が発生すると、二次電池の材料の熱分解温度や発火温度を超えるまでの時間的な猶予は非常に短い。この時間的な猶予の短い発火を抑える上で最も効果的な方法は、内部短絡が生じた箇所で生じるジュール熱を抑えることである。これを実現するためには、内部短絡を検知したら、内部短絡が生じた二次電池に対して直ちに緊急放電を行い、かつ、内部短絡が生じた二次電池に流れ込む電流を抑えればよい。
　内部短絡に起因する発火リスクを低減させる従来技術として、例えば、特許文献１，２に記載の発明が提案されている。特許文献１に記載の発明では、２つ以上の二次電池が並列配置されており、内部短絡を起こした二次電池が、出力電力が最大化するようＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）回路を用いて緊急放電される。また、例えば、特許文献２に記載の発明では、内部短絡を起こした二次電池が、閉回路を用いて内部短絡の生じていない二次電池に直列に接続することで緊急放電される。
　しかし、特許文献１に記載の方法では、ＭＰＰＴ回路の小型化が困難であり、コスト高にもなってしまう。また、特許文献２に記載の方法では、緊急放電の際に、電子機器への電力供給が中断されるので、瞬間でも電源喪失が許されない用途には適さない。そこで、本願発明者は、緊急放電時に電力供給が中断されることのない、小型化の容易な電源装置を以下に提案する。
＜２．実施形態＞
[構成]
　次に、本技術の一実施形態に係る電源装置１００の構成について説明する。
　図１は、本実施形態に係る電源装置１００の回路構成例を表したものである。電源装置１００は、例えば、図１に示したように、互いに並列接続された２つの二次電池ユニット１１０，１２０を備えている。互いに並列接続された２つの二次電池ユニット１１０，１２０を二次電池モジュール１００Ａとしたときに、電源装置１００は、例えば、図２に示したように、互いに並列接続された２つの二次電池モジュール１００Ａを備えていてもよい。互いに並列接続された２つの二次電池モジュール１００Ａを二次電池モジュール１００Ｂとしたときに、電源装置１００は、例えば、図２に示したように、互いに直列に接続された２つの二次電池モジュール１００Ｂを備えていてもよい。
　電源装置１００において、互いに並列接続された二次電池ユニットの数は、２つに限られるものではなく、３つ以上となっていてもよい。電源装置１００において、互いに並列接続された二次電池モジュール１００Ａの数は、２つに限られるものではなく、３つ以上となっていてもよい。また、電源装置１００において、互いに直列接続された二次電池モジュール１００Ａの数は、２つに限られるものではなく、３つ以上となっていてもよい。
　電源装置１００は、さらに、例えば、図１に示したように、２つの二次電池ユニット１１０，１２０の放電を制御する制御部１３０を備えている。制御部１３０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含んで構成されており、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、２つの二次電池ユニット１１０，１２０の放電を制御する。
（二次電池ユニット１１０）
　二次電池ユニット１１０は、例えば、３つの二次電池Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃと、３つのセンサＳａ，Ｓｂ，Ｓｃとを有している。センサＳａは二次電池Ｂａと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂａの正極もしくは負極に接続されている配線の近傍に設置される。センサＳｂは二次電池Ｂｂと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂｂの正極もしくは負極に接続されている配線の近傍に設置される。センサＳｃは二次電池Ｂｃと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂｃの正極もしくは負極に接続されている配線の近傍に設置される。
　二次電池ユニット１１０は、さらに、例えば、二次電池Ｂａと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３，Ｔａ４を有している。二次電池ユニット１１０は、さらに、例えば、二次電池Ｂｂと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔｂ１，Ｔｂ２，Ｔｂ３，Ｔｂ４を有している。二次電池ユニット１１０は、さらに、例えば、二次電池Ｂｃと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３，Ｔｃ４を有している。なお、二次電池ユニット１１０において、二次電池の数は、３つに限定されるものではなく、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
　電界効果トランジスタＴａ１，Ｔａ２は二次電池Ｂａの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴａ３，Ｔａ４は二次電池Ｂａの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴａ１のドレインと、電界効果トランジスタＴａ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴａ１のドレインと、電界効果トランジスタＴａ２のソースとの接続点が二次電池Ｂａの正極に対して直接もしくはセンサＳａを介して接続されている。電界効果トランジスタＴａ３のドレインと、電界効果トランジスタＴａ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴａ３のドレインと、電界効果トランジスタＴａ４のソースとの接続点が二次電池Ｂａの負極に対して直接もしくはセンサＳａを介して接続されている。
　電界効果トランジスタＴｂ１，Ｔｂ２は二次電池Ｂｂの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴｂ３，Ｔｂ４は二次電池Ｂｂの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴｂ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｂ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｂ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｂ２のソースとの接続点が二次電池Ｂｂの正極に対して直接もしくはセンサＳｂを介して接続されている。電界効果トランジスタＴｂ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｂ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｂ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｂ４のソースとの接続点が二次電池Ｂｂの負極に対して直接もしくはセンサＳｂを介して接続されている。
　電界効果トランジスタＴｃ１，Ｔｃ２は二次電池Ｂｃの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴｃ３，Ｔｃ４は二次電池Ｂｃの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴｃ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｃ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｃ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｃ２のソースとの接続点が二次電池Ｂｃの正極に対して直接もしくはセンサＳｃを介して接続されている。電界効果トランジスタＴｃ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｃ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｃ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｃ４のソースとの接続点が二次電池Ｂｃの負極に対して直接もしくはセンサＳｃを介して接続されている。
　二次電池ユニット１１０は、さらに、例えば、１つの電界効果トランジスタＴｇを有している。電界効果トランジスタＴｇのソースが電界効果トランジスタＴａ１，Ｔｂ１，Ｔｃ１のソースと、電界効果トランジスタＴａ４，Ｔｂ４，Ｔｃ４のドレインとに接続されている。電界効果トランジスタＴｇのドレインが電界効果トランジスタＴａ２，Ｔｂ２，Ｔｃ２のドレインと、電源装置１００の正極端子Ｐ１とに接続されている。電界効果トランジスタＴａ２，Ｔｂ２，Ｔｃ２のソースが電源装置１００の負極端子Ｐ２に接続されている。
（二次電池ユニット１２０）
　二次電池ユニット１２０は、例えば、３つの二次電池Ｂｄ，Ｂｅ，Ｂｆと、３つのセンサＳｄ，Ｓｅ，Ｓｆとを有している。センサＳｄは二次電池Ｂｄと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂｄの正極もしくは負極に接続されている配線の近傍に設置される。センサＳｅは二次電池Ｂｅと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂｅの正極もしくは負極に接続されている配線の近傍に設置される。センサＳｆは二次電池Ｂｆと直列に接続されるか、または、二次電池Ｂｆの正極ないし負極に接続されている配線の近傍に設置される。
　二次電池ユニット１２０は、さらに、例えば、二次電池Ｂｄと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔｄ１，Ｔｄ２，Ｔｄ３，Ｔｄ４を有している。二次電池ユニット１２０は、さらに、例えば、二次電池Ｂｅと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔｅ１，Ｔｅ２，Ｔｅ３，Ｔｅ４を有している。二次電池ユニット１２０は、さらに、例えば、二次電池Ｂｆと直列に接続された４つの電界効果トランジスタ（Field effect transistor, FET）Ｔｆ１，Ｔｆ２，Ｔｆ３，Ｔｆ４を有している。なお、二次電池ユニット１２０において、二次電池の数は、３つに限定されるものではなく、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
　電界効果トランジスタＴｄ１，Ｔｄ２は二次電池Ｂｄの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴｄ３，Ｔｄ４は二次電池Ｂｄの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴｄ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｄ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｄ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｄ２のソースとの接続点が二次電池Ｂｄの正極に対して直接もしくはセンサＳｄを介して接続されている。電界効果トランジスタＴｄ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｄ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｄ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｄ４のソースとの接続点が二次電池Ｂｄの負極に対して直接もしくはセンサＳｄを介して接続されている。
　電界効果トランジスタＴｅ１，Ｔｅ２は二次電池Ｂｅの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴｅ３，Ｔｅ４は二次電池Ｂｅの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴｅ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｅ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｅ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｅ２のソースとの接続点が二次電池Ｂｅの正極に対して直接もしくはセンサＳｅを介して接続されている。電界効果トランジスタＴｅ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｅ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｅ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｅ４のソースとの接続点が二次電池Ｂｅの負極に対して直接もしくはセンサＳｅを介して接続されている。
　電界効果トランジスタＴｆ１，Ｔｆ２は二次電池Ｂｆの正極側に設けられており、電界効果トランジスタＴｆ３，Ｔｆ４は二次電池Ｂｆの負極側に設けられている。電界効果トランジスタＴｆ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｆ２のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｆ１のドレインと、電界効果トランジスタＴｆ２のソースとの接続点が二次電池Ｂｆの正極に対して直接もしくはセンサＳｆを介して接続されている。電界効果トランジスタＴｆ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｆ４のソースとが互いに接続されている。電界効果トランジスタＴｆ３のドレインと、電界効果トランジスタＴｆ４のソースとの接続点が二次電池Ｂｆの負極に対して直接もしくはセンサＳｆを介して接続されている。
　二次電池ユニット１２０は、さらに、例えば、１つの電界効果トランジスタＴｈを有している。電界効果トランジスタＴｈのソースが電界効果トランジスタＴｄ１，Ｔｅ１，Ｔｆ１のソースと、電界効果トランジスタＴｄ４，Ｔｅ４，Ｔｆ４のドレインとに接続されている。電界効果トランジスタＴｈのドレインが電界効果トランジスタＴｄ２，Ｔｅ２，Ｔｆ２のドレインと、電源装置１００の正極端子Ｐ１とに接続されている。電界効果トランジスタＴｄ２，Ｔｅ２，Ｔｆ２のソースが電源装置１００の負極端子Ｐ２に接続されている。
　センサＳａは、二次電池Ｂａにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳａは、例えば、二次電池Ｂａに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳａは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂａの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
　センサＳｂは、二次電池Ｂｂにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳｂは、例えば、二次電池Ｂｂに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳｂは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂｂの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
　センサＳｃは、二次電池Ｂｃにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳｃは、例えば、二次電池Ｂｃに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳｃは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂｃの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
　センサＳｄは、二次電池Ｂｄにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳｄは、例えば、二次電池Ｂｄに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳｄは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂｄの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
　センサＳｅは、二次電池Ｂｅにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳｅは、例えば、二次電池Ｂｅに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳｅは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂｅの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
　センサＳｆは、二次電池Ｂｆにおける内部短絡を検出するための手懸かりとなる物理量を検出し、当該物理量を示す信号を制御部１３０へ出力するセンサである。センサＳｆは、例えば、二次電池Ｂｆに直列に接続されたシャント抵抗に流れる電流を検出する電流計である。センサＳｆは、例えば、上記シャント抵抗に流れる電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するようになっていてもよく、例えば、上記シャント抵抗の電圧を検出する電圧計、または、二次電池Ｂｆの正極もしくは負極に接続されている配線が発する磁場を検出する磁力計であってもよい。
［動作］
　次に、本実施の形態に係る電源装置１００の動作について説明する。
　図３は、電源装置１００における緊急放電手順の一例を表したものである。まず、制御部１３０は、各電界効果トランジスタ（Ｔａ１～Ｔｈ）の初期設定を行う（ステップＳ１０１）。制御部１３０は、例えば、図４、図５に示したように、二次電池Ｂａ～Ｂｆが互いに並列に接続されるよう、各電界効果トランジスタ（Ｔａ１～Ｔｈ）の初期設定を行う。制御部１３０は、例えば、電界効果トランジスタＴａ１，Ｔａ３，Ｔｂ１，Ｔｂ３，Ｔｃ１，Ｔｃ３，Ｔｄ１，Ｔｄ３，Ｔｅ１，Ｔｅ３，Ｔｆ１，Ｔｆ３，Ｔｇ，Ｔｈをオンさせる。制御部１３０は、さらに、例えば、電界効果トランジスタＴａ２，Ｔａ４，Ｔｂ２，Ｔｂ４，Ｔｃ２，Ｔｃ４，Ｔｄ２，Ｔｄ４，Ｔｅ２，Ｔｅ４，Ｔｆ２，Ｔｆ４をオフさせる。
　制御部１３０は、上述の初期設定が完了した後、センサＳａ～センサＳｆの検出結果を用いて、二次電池Ｂａ～Ｂｆのいずれかに内部短絡が発生したか否かを検出する（ステップＳ１０２）。センサＳａ～センサＳｆが電流センサである場合に、例えば、図６に示したように、二次電池Ｂｆで短絡が発生したとする。このとき、短絡が発生した二次電池Ｂｆには、例えば、図６に示したように、短絡の発生していない二次電池Ｂａ～Ｂｅから出力された電流が流入する。このとき、センサＳｆは、二次電池Ｂｆに流入する電流を検出し、検出結果を制御部１３０に出力する。
　制御部１３０は、センサＳｆから入力された検出結果に基づいて、二次電池Ｂｆで短絡が発生したと判断し（ステップＳ１０２；Ｙ）、緊急放電を実施する（ステップＳ１０３）。制御部１３０は、緊急放電の際に、電界効果トランジスタＴａ１～Ｔｈを制御することにより、短絡が発生した二次電池Ｂｆと、短絡が発生していない二次電池Ｂｄ，Ｂｅとの接続を、並列接続から直列接続に切り替える。制御部１３０は、例えば、電界効果トランジスタＴｆ１，Ｔｆ３をオフした後、電界効果トランジスタＴｈをオフするとともに、電界効果トランジスタＴｆ２，Ｔｆ４をオンする。その結果、例えば、図７、図８に示したように、短絡が発生した二次電池Ｂｆが、短絡の発生していない二次電池Ｂｄ，Ｂｅに直列に接続され、二次電池Ｂｆの正極が電源装置１００の正極端子Ｐ１に接続される。
　このとき、二次電池Ｂｆが二次電池Ｂｄ，Ｂｅに直列に接続されたとき、二次電池ユニット１２０全体の電圧Ｖ２が、二次電池Ｂｆの電圧の分だけ、二次電池ユニット１１０全体の電圧Ｖ１よりも大きくなる。これにより、二次電池ユニット１２０から二次電池ユニット１１０へ電流流入が開始される。つまり、二次電池ユニット１２０の放電が開始されるとともに、二次電池ユニット１１０の充電が開始される。そして、Ｖ２＝Ｖ１となるまで、二次電池ユニット１２０の放電と、二次電池ユニット１１０の充電が継続される。その後、Ｖ２＜Ｖ１となると、二次電池ユニット１１０から二次電池ユニット１２０へ電流流入が開始される。つまり、二次電池ユニット１１０において、電流の流れる方向が反転する。
　制御部１３０は、センサＳｆから入力された検出結果に基づいて、短絡が発生した二次電池Ｂｆに流れる電流の向きが反転したと判断した場合には（ステップＳ１０４；Ｙ）、短絡箇所の孤立化を実施する（ステップＳ１０５）。制御部１３０は、例えば、電界効果トランジスタＴｆ２，Ｔｆ４をオフした後、電界効果トランジスタＴｈをオンすることにより、例えば、図９、図１０に示したように、短絡が発生した二次電池Ｂｆを、短絡の発生していない二次電池Ｂｄ，Ｂｅの電流経路から分離する。
　なお、短絡が発生した二次電池Ｂｆの孤立化を行うタイミングは、短絡が発生した二次電池Ｂｆに流れる電流の向きが反転したときに限られるものではない。制御部１３０は、例えば、センサＳｆから入力された検出結果に基づいて、短絡が発生した二次電池Ｂｆに流れる電流の大きさが所定の閾値以下となったと判断したときに、短絡箇所の孤立化を実施してもよい。また、制御部１３０は、例えば、部分直列化を実施してから所定の時間が経過したときに、短絡箇所の孤立化を実施してもよい。
　以上のようにして、電源装置１００における緊急放電が行われる。ところで、この緊急放電の動作は、複数の電界効果トランジスタＴａ１～Ｔｈによって実現される。従って、ＭＰＰＴ回路を用いる必要がなく、小さな素子で緊急放電の動作を実現することができる。また、電源装置１００から外部の負荷への電流供給が途絶えることなく、緊急放電を行うことができる。従って、緊急放電の最中でも電源装置１００の機能が喪失するおそれがない。
　図１１，図１２は、電源装置１００において短絡が発生したときの各二次電池Ｂａ～Ｂｆの電圧と短絡した二次電池Ｂｆでの発熱量の経時変化の一例を表したものである。図１１の横軸の単位はｍｓであり、図１２の横軸の単位はｍｉｎである。図１１，図１２には、電子回路シミュレータを用いて電源装置１００の効果検証を行った結果が示されている。
　電子回路シミュレータでは、二次電池Ｂａ～Ｂｆを記述する際に、電圧源ではなく、静電容量４ｋＦのキャパシタ（初期電圧４Ｖ、内部抵抗３０ｍΩ、寄生インダクタンス１０ｎＨ）を使用した。これは、電圧源では、際限なく電流を引出せてしまい、容量の概念が無いためである。放電により二次電池Ｂａ～Ｂｆの電圧が減っていく挙動を再現するために、静電容量４ｋＦのキャパシタを使用した。電子回路シミュレータにおいて、二次電池Ｂａ～Ｂｆが保有している全エネルギーを３２ｋＪ×６＝１９２ｋＪとし、各二次電池Ｂａ～Ｂｆには、１０Ｗの定電力負荷を接続した。つまり、負荷に対して常に電力が供給されている状態とした。
　電子回路シミュレータでは、経過時間５ｍｓのタイミングで、二次電池Ｂｆに内部短絡を発生させた。具体的には、二次電池Ｂｆに対して、別途抵抗を並列接続し、この抵抗値を、経過時間５ｍｓのタイミングで、１ＭΩから３０ｍΩに低下させた。そして、この抵抗での発熱量（ｋＪ単位）が部分直列化したときと（図８参照）、部分直列化しなかったとき（図１３参照）とで、シミュレーションを行った。部分直列化したときの結果を図１１，図１２に示し、部分直列化しなかったときの結果を図１４、図１５に示した。
　部分直列化しなかったとき、図１４に示したように、５ｍｓを境に二次電池Ｂａ～Ｂｆの全ての電圧が減少した。これは、二次電池Ｂａ～Ｂｆの全てのエネルギーが、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆに流れ込んでいるからである。図１５に示したように、経過時間１２分の時点で、全エネルギーの約６８％に相当する１３０ｋＪのエネルギーが、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆにおいて熱となった。
　一方、部分直列化したときには、図１１に示したように、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆのみが緊急放電された。そして、図１２に示したように、充分に放電が行われた後で、二次電池Ｂｆが孤立状態となった。このような制御を行った結果、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆでの発熱量は、経過時間１２分の時点で、７．２ｋＪとなった。これは、部分直列化しなかったときと比べて、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆでの発熱量が９４％減となったことを示している。なお、図１１，図１２に示したように、二次電池Ｂａ～Ｂｅに流れる電流に途切れが存在しない。従って、負荷に対して常に電力が供給されていることがわかる。
［効果］
　次に、本実施の形態に係る電源装置１００の効果について説明する。
　本実施の形態では、二次電池Ｂｆと二次電池Ｂｄ，Ｂｅとの接続を、並列接続から直列接続に切り替えることができる。これにより、例えば、二次電池Ｂｆに内部短絡が発生した場合に、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆを含む二次電池ユニット１２０の放電電流を他の二次電池ユニット１１０に流し込むことができる。その結果、負荷への電力供給を中断することなく、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆにおいて緊急放電を行うことができる。
　本実施の形態では、各二次電池Ｂａ～Ｂｆに流れる電流等を検出するセンサＳａ～Ｓｆが設けられており、センサＳａ～Ｓｆの検出結果に基づいて、二次電池Ｂｆと二次電池Ｂｄ，Ｂｅとの接続を、並列接続から直列接続に切り替えることができる。これにより、例えば、二次電池Ｂｆに内部短絡が発生した場合に、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆを含む二次電池ユニット１２０の放電電流を他の二次電池ユニット１１０に流し込むことができる。その結果、負荷への電力供給を中断することなく、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆにおいて緊急放電を行うことができる。
　本実施の形態では、緊急放電が行われた後、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆが、内部短絡が発生していない二次電池Ｂｄ，Ｂｅの電流経路から分離される。これにより、内部短絡が発生した二次電池Ｂｆに対する充電がなされるおそれが無くなるので、二次電池Ｂｆに熱暴走が発生するのを防止することができる。
　本実施の形態では、二次電池Ｂｆと二次電池Ｂｄ，Ｂｅとの接続が、複数の電界効果トランジスタＴａ１～Ｔｈによって行われる。これにより、緊急放電においてＭＰＰＴ回路を必要としないことから、電源装置１００を小型化することが可能である。
　本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して、他の効果が得られてもよい。

Claims (8)

  1. 　互いに並列接続された複数の二次電池ユニットと、
    　前記複数の二次電池ユニットの放電を制御する制御部と
    　を備え、
    　各前記二次電池ユニットは、
    　複数の二次電池と、
    　前記複数の二次電池の接続を切り替える切り替え部と
    　を有し、
    　前記制御部は、前記切り替え部を制御することにより、前記複数の二次電池のうちの任意の二次電池である第１の二次電池と、前記複数の二次電池のうち、前記第１の二次電池以外の１または複数の二次電池である１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替える
    　電源装置。
  2. 　前記二次電池ユニットは、各前記二次電池に流れる電流または前記電流と所定の相関関係を有する物理量を検出するセンサを更に有し、
    　前記制御部は、前記センサの検出結果に基づいて前記切り替え部を制御することにより、前記第１の二次電池と、前記１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替える
    　請求項１に記載の電源装置。
  3. 　前記制御部は、前記センサの検出結果に基づいて前記第１の二次電池に短絡が発生したと判断したとき、前記切り替え部を制御することにより、前記第１の二次電池と、前記１または複数の第２の二次電池との接続を、並列接続から直列接続に切り替える
    　請求項２に記載の電源装置。
  4. 　前記制御部は、前記切り替え部を制御することにより、前記第１の二次電池と、前記１または複数の第２の二次電池との接続を並列接続から直列接続に切り替えた後、前記第１の二次電池を、前記１または複数の第２の二次電池の電流経路から分離する
    　請求項２または請求項３に記載の電源装置。
  5. 　前記制御部は、前記センサの検出結果に基づいて前記第１の二次電池に流れる電流の向きが反転したと判断したときは、前記切り替え部を制御することにより、前記第１の二次電池を、前記１または複数の第２の二次電池の電流経路から分離する
    　請求項３に記載の電源装置。
  6. 　前記切り替え部は、複数のトランジスタを含んで構成されている
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電源装置。
  7. 　前記切り替え部は、前記二次電池ごとに第１～第４のトランジスタを有し、さらに、前記複数の二次電池に対して共通に設けられた第５のトランジスタを有し、
    　前記第１のトランジスタのドレインと前記第２のトランジスタのソースとが互いに接続され、前記第１のトランジスタのドレインと前記第２のトランジスタのソースとの接続点が前記二次電池の正極に接続され、
    　前記第１のトランジスタのソースが他の前記二次電池に対して設けられた前記第１のトランジスタのソースと、前記第５のトランジスタのソースとに接続され、
    　前記第２のトランジスタのドレインが他の前記二次電池に対して設けられた前記第２のトランジスタのドレインと、前記第５のトランジスタのドレインとに接続され、
    　前記第３のトランジスタのドレインと前記第４のトランジスタのソースとが互いに接続され、前記第３のトランジスタのドレインと前記第４のトランジスタのソースとの接続点が前記二次電池の負極に接続され、
    　前記第３のトランジスタのソースが他の前記二次電池に対して設けられた前記第３のトランジスタのソースに接続され、
    　前記第４のトランジスタのドレインが他の前記二次電池に対して設けられた前記第４のトランジスタのドレインと、前記第５のトランジスタのソースとに接続されている
    　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電源装置。
  8. 　前記第５のトランジスタのソースが他の前記二次電池ユニットに対して設けられた前記第５のトランジスタのソースに接続され、
    　前記第３のトランジスタのソースが他の前記二次電池ユニットに対して設けられた前記第３のトランジスタのソースに接続されている
    　請求項７に記載の電源装置。
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