(57)【要約】【課題】組電池を構成する全ての蓄電デバイス間の電圧をバランスさせることができ、よって当該組電池が有するエネルギーを有効に活用することが可能となる充放電装置を提供する。【解決手段】同一の電圧規格を有する複数の蓄電デバイスＣ１〜Ｃ４が直列に接続された組電池１と、組電池の充放電制御を行う制御システム３を備え、組電池１は、全ての複数の蓄電デバイスＣ１〜Ｃ４のセル電圧を同時にバランスさせる能動回路を用いたセル電圧バランス回路４と、組電池への充電期間または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、充電期間または損失補填充電動作時にあることを示す制御システム３からの信号により、セル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信する通信手段５を備えてなる。【選択図】図２
2010220404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の電圧規格を有する複数の蓄電デバイスが直列に接続された組電池と、当該組電池の充放電制御を行う制御システムを備えた充放電装置において、
上記組電池は、全ての上記複数の蓄電デバイスのセル電圧を同時にバランスさせる能動回路を用いたセル電圧バランス回路と、上記組電池への充電期間または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、上記充電期間または上記損失補填充電動作時にあることを示す上記制御システムからの信号により、上記セル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信する通信手段を備えてなることを特徴とする充放電装置。
【請求項２】
同一の電圧規格を有する複数の蓄電デバイスが直列に接続された複数の蓄電デバイス群が直列に接続されてなる組電池と、当該組電池の充放電制御を行う制御システムを備えた充放電装置において、
各々の上記蓄電デバイス群は、当該蓄電デバイス群を構成する全ての上記蓄電デバイスのセル電圧を同時にバランスさせる能動回路を用いたセル電圧バランス回路と、上記組電池への充電期間または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、上記充電期間または上記損失補填充電動作時にあることを示す上記制御システムからの信号により、上記セル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信する通信手段を備えてなることを特徴とする充放電装置。
【請求項３】
上記セル電圧バランス回路は、各々の上記蓄電デバイスと並列に接続されたバランス用抵抗と、各々の上記蓄電デバイスと上記バランス用抵抗との間を接続または遮断するスイッチを備え、上記通信手段からの上記動作・停止信号が、全ての上記スイッチに同時に発信されることを特徴とする請求項１または２に記載の充放電装置。
【請求項４】
上記セル電圧バランス回路は、上記蓄電デバイスの電圧を分圧する分圧用抵抗を有し、この分圧用抵抗で分圧した電圧によって上記スイッチの駆動とする駆動回路と、この駆動回路で消費される各々の上記蓄電デバイスの電力を上記バランス抵抗との合成抵抗によって均等化する調整抵抗を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の充放電装置。
【請求項５】
上記蓄電デバイスは、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の充放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の二次電池またはキャパシタが直列に接続されてなる１以上の組電池を備え、制御システムからの動作信号により当該組電池の充電および放電を行う充放電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力貯蔵装置、電力変動抑制装置あるいは無停電電源装置等の電源安定化システムの主電源として、二次電池やキャパシタ等の蓄電デバイスを用いた大容量の充放電装置が多用されつつある。
この種の充放電装置は、単一の上記蓄電デバイスの定格電圧が数ボルトと低いために、一般に複数の上記蓄電デバイスを直列に接続して組電池を構成し、さらに当該組電池を複数直列に接続することによって構成されている。
【０００３】
ところで、上記充放電装置においては、電源安定化システムとしての充放電制御が、直列接続された上記組電池の接続端で行われる。一方、複数の上記蓄電デバイスとしては、同一の電圧規格のものが用いられているものの、各々の蓄電デバイスの特性の相違によって、電圧アンバランスが生じるおそれがある。
【０００４】
そして、上記電圧アンバランスが生じると、特定の蓄電デバイスが過充電電圧や過放電電圧に到達することにより、組電池の定格電圧範囲内で使用が制限されてしまい、この結果、本来上記組電池が有する全エネルギーを有効活用できなくなってしまう。
【０００５】
このため、従来の上記充放電装置においては、別途、複数の上記蓄電デバイス間の電圧を調整するためのバランス回路が組み込まれている。
この際に、上記バランス回路を常時動作させておくと、バランスした後も当該バランス回路が電力を消費するために、消費電力削減の観点から好ましくない。
【０００６】
そこで、例えば下記特許文献１においては、複数個のリチウムイオン二次電池のセルを直列接続してなる電池モジュールを複数個直列接続して所要の出力電圧を得るようにした電池電源を備え、前記電池モジュールには、前記セルの直列回路に接続されてそのセル群の充電を行う充電回路と、前記各セルの過充電及び過放電を防止する機能を備えた電池保護回路および所定電圧以上のセルを放電させるセルバランス回路を備えることを特徴とする無停電電源装置が提案されている。
【０００７】
この無停電電源装置は、上記セルバランス回路を、各セルと並列に抵抗及び例えばＦＥＴからなるスイッチング素子を直列接続した放電回路によって構成し、いずれかのセルが所定電圧以上に上昇したときに、充電動作を停止すると共に、そのセルに対応するスイッチング素子をオンさせて放電を行わせ、当該セルの電圧を低下させることにより、セル群のうちのいずれかが局部的に過充電状態となることを防止して、セル間のバランスをとろうとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−５８１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の無停電電源装置にあっては、各々のセルの電圧を検出し、所定電圧以上に上昇した特定のセルに対してスイッチ素子をオンにさせて、当該セルの電圧を低下させるものであるために、特定のセルにおける局部的な過充電状態の発生を防止することはできるものの、組電池を構成する全ての蓄電デバイス間の電圧をバランスさせることは困難である。
【００１０】
加えて、上記過充電状態を回避するために、充電動作を停止しているために、場合によってはシステムの円滑な運用に支障を来すという問題点もある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の蓄電デバイスを直列に接続した組電池における全ての蓄電デバイス間の電圧をバランスさせることができ、よって当該組電池が有するエネルギーを有効に活用することが可能となる充放電装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、同一の電圧規格を有する複数の蓄電デバイスが直列に接続された組電池と、当該組電池の充放電制御を行う制御システムを備えた充放電装置において、上記組電池は、全ての上記複数の蓄電デバイスのセル電圧を同時にバランスさせる能動回路を用いたセル電圧バランス回路と、上記組電池への充電期間または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、上記充電期間または上記損失補填充電動作時にあることを示す上記制御システムからの信号により、上記セル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信する通信手段を備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、同一の電圧規格を有する複数の蓄電デバイスが直列に接続された複数の蓄電デバイス群が直列に接続されてなる組電池と、当該組電池の充放電制御を行う制御システムを備えた充放電装置において、各々の上記蓄電デバイス群は、当該蓄電デバイス群を構成する全ての上記蓄電デバイスのセル電圧を同時にバランスさせる能動回路を用いたセル電圧バランス回路と、上記組電池への充電期間または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、上記充電期間または上記損失補填充電動作時にあることを示す上記制御システムからの信号により、上記セル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信する通信手段を備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記セル電圧バランス回路が、各々の上記蓄電デバイスと並列に接続されたバランス用抵抗と、各々の上記蓄電デバイスと上記バランス用抵抗との間を接続または遮断するスイッチを備え、上記通信手段からの上記動作・停止信号が、全ての上記スイッチに同時に発信されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記セル電圧バランス回路が、上記蓄電デバイスの電圧を分圧する分圧用抵抗を有し、この分圧用抵抗で分圧した電圧によって上記スイッチの駆動とする駆動回路と、この駆動回路で消費される各々の上記蓄電デバイスの電力を上記バランス抵抗との合成抵抗によって均等化する調整抵抗を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記蓄電デバイスが、二次電池またはキャパシタであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１〜５のいずれかに記載の発明によれば、組電池への充電期間または損失補填充電動作時に、制御システムからの信号によりセル電圧バランス回路に動作・停止信号を発信して、組電池（請求項１）または蓄電デバイス群（請求項２）を構成する複数の蓄電デバイスのセル電圧を同時にバランスさせているために、効率的に組電池または蓄電デバイス群内におけるセル電圧のバランス精度を高めることができ、よって当該組電池または蓄電デバイス群が有する全エネルギーを有効に利用することができる。
【００１８】
しかも、上記セル電圧バランス回路を、充電時や損失補填充電動作時に動作させ、それ以外のセル電圧のバランスが保たれている時には、動作させていないために、省電力化も実現することができる。
【００１９】
なお、上記セル電圧バランス回路として、請求項３に記載の発明のように、各々の蓄電デバイスと並列に接続されたバランス用抵抗と、各々の蓄電デバイスとバランス用抵抗との間を接続または遮断するスイッチとによって構成し、上記通信手段からの動作・停止信号を全ての上記スイッチに同時に発信するようにすれば、当該セル電圧バランス回路の簡易化およびコンパクト化を図ることができる。
【００２０】
さらに、請求項４に記載の発明によれば、上記スイッチを、蓄電デバイスの電圧を分圧用抵抗によって分圧した電圧によって駆動しているために、別途駆動用の電源回路を設ける必要が無いという利点がある。
その反面、上記セル電圧バランス回路に分圧用抵抗を組み込んだ結果、これら分圧用抵抗に起因して、各々の蓄電デバイスから放電される電流値が異なる場合が生じて各蓄電デバイスの電圧バランスが崩れるおそれがある。
【００２１】
この点、請求項４に記載の発明においては、分圧用抵抗を組み込んだ駆動回路で消費される各々の蓄電デバイスの電力を、上記バランス抵抗との合成抵抗によって均等化する調整抵抗を設けているために、当該調整抵抗の抵抗値を、分圧用抵抗の配設位置に応じて、各々の蓄電デバイスから放電される電流値が一定になるように設定することにより、複数の蓄電デバイスのバランスをより一層高い精度で保つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の充放電装置の一実施形態を示す全体の概略構成図である。
【図２】図１の各組電池の概略構成図である。
【図３】図２に示す組電池の具体的な回路図である。
【図４】本実施形態で蓄電デバイスとして用いたキャパシタの縦断面図である。
【図５】図２のセル電圧バランス回路の動作を示すタイミングチャートであって、（ａ）は充電期間に動作させる場合、（ｂ）は損失補填充電動作時に動作させる場合を示すものである。
【図６】本発明の他の実施形態における各組電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１〜図５は、本発明に係る充放電装置を示すものである。
図１に示すように、この充放電装置は、直列に接続された複数（図では４組を示す。）の組電池１と、これら組電池１の充放電を行うためのメインスイッチ２と、このメインスイッチ２の動作を制御する制御システム３とから概略構成されたものであり、各組電池１は、図２および図３に示すように、さらにリチウムイオンキャパシタ（蓄電デバイス）からなる複数（図では４つ）の単セルＣ１〜Ｃ４が、複数直列に接続されたものである。
【００２４】
ここで、リチウムイオンキャパシタは、図４に示すように、集電体１０の両面に炭素材料からなる正極１１が形成された複数の正極板１２と、集電体１３の両面に難黒鉛化性炭素材料を主成分とする負極１４が形成された複数の負極板１５とが、通液性および非電子伝導性を有するシート材セパレータ１６を間に介して交互に積層されてラミネートフィルムからなる外装１７内に収納されるとともに、内部にリチウム塩を含む電解液１８が注液されて真空封止することにより構成されたものである。
【００２５】
そして、複数の正極板１２は、互いの集電体１０の接続舌部が積層されて、外部接続端子となる集電タブ１９に接続されるとともに、複数の負極板１５は、互いの集電体１３の接続舌部が積層されて集電タブ２０に接続されており、これら集電タブ１９、２０が、各々外装１７の長手方向の端部から外部に延出されている。
【００２６】
ちなみに、各単セルＣ１〜Ｃ４を構成する上記キャパシタとしては、それぞれ同一の電圧規格を有すものが用いられている。
そして、この組電池１においては、単セルＣ１〜Ｃ４のセル電圧をバランスさせるためのセル電圧バランス回路４と、制御システム３からの信号を受信してセル電圧バランス回路４を動作させるための通信手段５が設けられている。
【００２７】
このセル電圧バランス回路４は、各々の単セルＣ１〜Ｃ４と並列に接続された同一抵抗値のバランス用抵抗Ｒと、各々の単セルＣ１〜Ｃ４とバランス用抵抗Ｒとの間を接続または遮断するスイッチＳ１〜Ｓ５を備えたものである。なお、本実施形態においては、上記通信手段５およびスイッチＳ１〜Ｓ５として、MOS FETからなるスイッチ素子が用いられており、後述するように、通信手段５からの動作・停止信号によって、全てのスイッチＳ１〜Ｓ５が同時に動作するようになっている。
【００２８】
さらに、図３に示すように、セル電圧バランス回路４には、各々スイッチＳ１〜Ｓ５に駆動電圧をかけるための駆動回路Ｄ１〜Ｄ５が設けられている。
ここで、駆動回路Ｄ１は、単セルＣ１〜Ｃ４の電圧を分圧用抵抗ｒ1、ｒ2で分圧した電圧によって、スイッチＳ１を駆動するものであり、駆動回路Ｄ２は、単セルＣ２〜Ｃ４の電圧を分圧用抵抗ｒ3、ｒ4で分圧した電圧によって、スイッチＳ２を駆動するものである。
【００２９】
また、駆動回路Ｄ３は、単セルＣ１〜Ｃ２の電圧を分圧用抵抗ｒ5、ｒ6で分圧した電圧によって、スイッチＳ３を駆動するものであり、駆動回路Ｄ４は、単セルＣ１〜Ｃ３の電圧を分圧用抵抗ｒ7、ｒ8で分圧した電圧によって、スイッチＳ４を駆動するものである。さらに、駆動回路Ｄ５は、単セルＣ１〜Ｃ４の電圧を分圧用抵抗ｒ9、ｒ10で分圧した電圧によって、スイッチＳ５を駆動するものである。
【００３０】
そして、このセル電圧バランス回路４においては、スイッチＳ１〜Ｓ５が同時に動作した際に、駆動回路Ｄ１〜５で消費される単セルＣ１〜Ｃ４の電力をみると、駆動回路Ｄ１およびＤ５に対して、駆動回路Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４がそれぞれ互いに異なるものになる。そこで、各々のバランス抵抗Ｒと並列に、調整抵抗Ｒ１〜Ｒ４が設けられている。ここで、各々の調整抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、単セルＣ１〜Ｃ４の放電電流が等しくなるように、バランス抵抗Ｒとの合成抵抗によって均等化し得る所定の抵抗値に設定されている。
【００３１】
他方、通信手段５には、制御システム３から当該充放電装置における組電池１への充電期間、または予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、当該通信手段５を動作・停止させるためのハイ信号またはロー信号が入力されるように設定されている。
【００３２】
これを具体的に説明すると、図５（ａ）は、組電池１への充電期間にセル電圧バランス回路４を作動させる場合を示すものである。この場合には、通信手段５に対して、制御システム３が放電電圧を検出している間はロー信号を発し、充電開始時にハイ信号を発するとともに、充電完了レベルの電圧を検出した際に再びロー信号を発することにより、上記充電期間にのみ通信手段５を動作させてスイッチＳ１〜Ｓ５を同時にＯＮ状態に保持するようになっている。
【００３３】
これに対して、図５（ｂ）は、当該充放電装置が予め設定した所定の充電レベルに到達した後の損失補填充電動作時に、セル電圧バランス回路４を動作させる場合を示すものである。この場合には、通信手段５に対して、制御システム３が充電期間中にはロー信号を発し、充電完了レベルを示す所定の満充電電圧を検出した際に、ハイ信号を発することにより、上記損失補填充電動作時にのみ通信手段５を動作させてスイッチＳ１〜Ｓ５を同時にＯＮ状態に保持するようになっている。
【００３４】
以上の構成からなる充放電装置によれば、組電池１への充電期間または損失補填充電動作時に、制御システム３からのハイ信号により通信手段５を動作させて、セル電圧バランス回路４のスイッチＳ１〜Ｓ５に動作信号を発信することにより、組電池１を構成する複数の単セルＣ１〜Ｃ４のセル電圧を同時にバランスさせているために、効率的に組電池１内におけるセル電圧のバランス精度を高めることができ、よって各々の組電池１が有する全エネルギーを有効に利用することができる。
【００３５】
しかも、セル電圧バランス回路４を、充電期間や損失補填充電動作時に動作させ、それ以外のセル電圧のバランスが保たれている時には、制御システム３から通信手段５にロー信号を発信して、スイッチＳ１〜Ｓ５に動作信号を送らないことによりセル電圧バランス回路４を動作させていないために、省電力化も実現することができる。
【００３６】
加えて、セル電圧バランス回路４として、各々の単セルＣ１〜Ｃ４と並列に接続されたバランス用抵抗Ｒと、各々の単セルＣ１〜Ｃ４とバランス用抵抗Ｒとの間を接続または遮断するスイッチＳ１〜Ｓ５とによって構成し、通信手段５からの動作・停止信号を全てのスイッチＳ１〜Ｓ５に同時に発信するようにしているために、セル電圧バランス回路４の簡易化およびコンパクト化を図ることができる。
【００３７】
さらに、スイッチＳ１〜Ｓ５を、単セルＣ１〜Ｃ４の電圧を駆動回路Ｄ１〜Ｄ５によって、分圧用抵抗ｒ1〜ｒ10によって分圧した電圧によって駆動しているために、別途駆動用の電源回路を設ける必要が無いという利点がある。
【００３８】
さらに、分圧用抵抗ｒ1〜ｒ10を組み込んだ駆動回路Ｄ１〜Ｄ５で消費される各々の単セルＣ１〜Ｃ４の電力を、バランス抵抗Ｒとの合成抵抗によって均等化する調整抵抗Ｒ１〜Ｒ４を設けているために、各々の単セルＣ１〜Ｃ４から放電される電流値を一定にすることができ、よって複数の単セルＣ１〜Ｃ４のバランスをより一層高い精度で保つことが可能になる。
【００３９】
なお、上記実施形態においては、各々の組電池１を構成する全ての単セルＣ１〜Ｃ４に対して、セル電圧バランス回路４のよって同時にセル電圧をバランスさせる場合についてのみ説明したが本発明は、これに限定されるものではない。
【００４０】
例えば、図６は、本発明の他の実施形態における組電池１を示すもので、この充放電装置においては、各組電池１を構成する複数（図では１２）の単セルＣ１〜Ｃ１２が、４つの単セルＣ１〜Ｃ４、Ｃ５〜Ｃ８、Ｃ９〜Ｃ１２毎に３つの単セル群（蓄電デバイス群）Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃに分けられている。
【００４１】
そして、各々の単セル群Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃに対して、第１の実施形態に示したものと同様の構成を有するスイッチＳ１〜Ｓ５を備えたセル電圧バランス回路４および当該セル電圧バランス回路４に動作信号を発する通信手段５が設けられている。
【００４２】
このような構成からなる充放電装置によっても、第１の実施形態に示したものと同様の作用効果を得ることができる。
このため、本実施形態は、特に１組の組電池１を構成する単セルの数が多い場合に好適である。
【００４３】
また、上記実施形態においては、蓄電デバイスとしてリチウムイオンキャパシタを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、上記蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池等を用いた充放電装置に対しても、同様に適用することが可能である。さらに、スイッチＳ１〜Ｓ５についても、上述したMOS FETからなるスイッチ素子に代えて、トランジスタやリレー等も用いることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
複数の二次電池またはキャパシタが直列に接続されてなる１以上の組電池を備え、制御システムからの動作信号により当該組電池の充電および放電を行う充放電装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  組電池
３  制御システム
４  セル電圧バランス回路
５  通信手段
Ｃ１〜Ｃ１２  リチウムイオンキャパシタ（蓄電デバイス）の単セル
Ｄ１〜Ｄ５  スイッチの駆動回路
Ｒ  バランス抵抗
Ｒ１〜Ｒ４  調整抵抗
ｒ1〜ｒ10  分圧用抵抗
Ｓ１〜Ｓ５  スイッチ
【図１】
2010220404.tif 000003
【図２】
2010220404.tif 000004
【図３】
2010220404.tif 000005
【図４】
2010220404.tif 000006
【図５】
2010220404.tif 000007
【図６】
2010220404.tif 000008