(57)【要約】【課題】二次電池システムの軽量化および低コスト化を実現する二次電池システムを提供する。【解決手段】直列に接続された複数の二次電池Ｖ１〜Ｖｎと、二次電池の負極にそれぞれアノードが接続された複数の第１ダイオード１０１ａと、二次電池の正極にそれぞれカソードが接続された複数の第２ダイオードと１０１ｂと、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードとがそれぞれ接続された複数の接続点にそれぞれ設けられた複数のコンデンサＣと、コンデンサを介して複数の接続点に共通に接続された交流電源１０２と、を有する。【選択図】図１
2010166800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の二次電池と、
前記二次電池の負極にそれぞれアノードが接続された複数の第１ダイオードと、
前記二次電池の正極にそれぞれカソードが接続された複数の第２ダイオードと、
前記第１ダイオードのカソードと前記第２ダイオードのアノードとがそれぞれ接続された複数の接続点にそれぞれ設けられた複数のコンデンサと、
前記コンデンサを介して前記複数の接続点に共通に接続された交流電源と、
を有することを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
前記コンデンサを充電または放電する電流が流れる抵抗器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池システム。
【請求項３】
前記抵抗器は、前記複数のコンデンサと前記交流電源との間に、前記複数のコンデンサに共通に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の二次電池システム。
【請求項４】
前記交流電源の交流電圧の周期は前記抵抗器の抵抗値と前記コンデンサの容量値を乗じて得た時定数の１００倍以下の周期であることを特徴とする請求項２〜３のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項５】
前記コンデンサは、セラミックコンデンサ、アルミ電界コンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサからなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項６】
前記複数の二次電池の電圧の最大値と最小値の差が５０ｍＶ以上である場合に前記交流電源から交流電圧を発生させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項７】
前記交流電源の動作時間は前記最大値と最小値の差に応じて変化させることを特徴とする請求項６に記載の二次電池システム。
【請求項８】
前記二次電池システムには前記二次電池システムが電力を供給するインバータが接続され、前記インバータが停止した後に前記交流電源から交流電圧を発生させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項９】
前記複数の第１ダイオードおよび前記複数の第２ダイオードは、全て、前記複数の二次電池を覆う金属のケースから１０ｍｍ以内の位置に配置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項１０】
直列に接続された複数の二次電池と、
前記二次電池の負極にそれぞれアノードが接続された複数の第１ダイオードと、
前記二次電池の正極にそれぞれカソードが接続された複数の第２ダイオードと、
前記第１ダイオードのカソードと前記第２ダイオードのアノードとがそれぞれ接続された複数の接続点にそれぞれ設けられた複数のコンデンサと、
前記コンデンサを介して前記複数の接続点に共通に接続された交流電源と、を有し、
前記交流電源は、前記直列に接続された複数の二次電池を電源として動作することを特徴とする二次電池システム。
【請求項１１】
前記直列に接続された複数の二次電池は、複数の電池ブロックに区分され、
前記電池ブロックごとに前記電池ブロックを電源として動作する電池管理回路をさらに有し、
前記交流電源は、前記電池管理回路の制御信号に基づいて、前記電池ブロックごとに、前記電池管理回路の電源を基準電位とした交流電圧を発生させることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池システム。
【請求項１２】
さらに、前記二次電池と前記交流電源との間にそれぞれスイッチを有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の二次電池システム。
【請求項１３】
前記スイッチは、前記コンデンサと前記交流電源との間に設けられたことを特徴とする請求項１２に記載の二次電池システム。
【請求項１４】
さらに、前記交流電源の出力電流を測定する電流測定手段を有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項１５】
前記交流電源は、出力電圧を変化させることができる可変電圧交流電源であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池システムに関し、より詳細には、直列に接続された二次電池の電圧バランスを調整する二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
自動車の用途のように大出力を必要とする二次電池においては、複数の二次電池を直列に接続する構造とすることが一般的である。
【０００４】
しかし、直列に接続された個々の二次電池の電圧にばらつきを有すると、電圧の小さい二次電池を十分に充電することができず、直列接続された二次電池全体の特性を劣化させる。そのため、直列接続された二次電池の充電状態を揃える必要がある。
【０００５】
直列接続された二次電池の充電状態を揃える発明としては下記特許文献１に記載されたものがある。すなわち、トランスを用いて生じさせた電流により、スイッチを介して各二次電池を断続的に充電するとともに、検出した各二次電池の充電状態に応じて該スイッチのオン・オフ時間の比を変化させることで二次電池の充電状態を揃えるというものである（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２６８８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来技術はトランスを用いるため、二次電池システムの軽量化および低コスト化が図れないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池システムは、複数の二次電池と、複数の第１ダイオードと、複数の第２ダイオードと、複数のコンデンサと、交流電源と、を備える。複数の第１ダイオードは、そのアノードを二次電池の負極にそれぞれ接続し、複数の第２ダイオードは、そのカソードを二次電池の正極にそれぞれ接続し、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードが接続された複数の接続点に、それぞれコンデンサを設ける。また、それぞれのコンデンサを介して、前記接続点に共通に交流電源を接続する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る二次電池システムによれば、トランスを用いず、簡易な回路で二次電池の電圧バランスの調整を行うことで、二次電池システムの軽量化および低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態（第１実施形態）に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【図２】双極型リチウムイオン二次電池の構造を示した断面図である。
【図３】基板に実装したダイオードを、電池モジュールのケースに設置した状態を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【図６】本発明の実施形態に係る二次電池システムのシミュレーション回路を示す図である。
【図７】図６のシミュレーション回路における、充電電流の二次電池の電圧依存性のシミュレーション結果を示した図である。
【図８】図６のシミュレーション回路におけるパルス周波数依存性のシミュレーション結果を示した図である。
【図９】図６のシミュレーション回路において、コンデンサＣを１μＦとしたときのシミュレーション結果を示した図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した一の態様のフローチャートを示す図である。
【図１１】電池モジュールとインバータの関係を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した他の態様のフローチャートを示す図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る二次電池システムにおけるエネルギーの流れを示す図である。
【図１５】Ａは、二次電池のＶＩ特性を示す図で、Ｂは、電圧Ｖ１と二次電池の電圧Ｖｂとの関係を示す図である。
【図１６】直列接続した３２個の電界コンデンサを本発明の第２実施形態に係る二次電池システムの直列接続した二次電池に置き換えて充電動作させた実験結果を示す図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【図１８】本発明の第３実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図であって、各スイッチを、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードとの各接続点と、各コンデンサと、の間に接続した場合を示す図である。
【図１９】本発明の第３実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図であって、各スイッチを、各第２ダイオードのカソードと、各二次電池の正極と、の間に接続した場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下に、本発明に係る二次電池システムの実施形態（第１実施形態）に関し、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。本実施形態に係る二次電池システムは、二次電池Ｖ１〜Ｖｎ、ダイオード１０１、コンデンサＣ、Ｃｃｏｍ＿ｎｏｉｚ、抵抗器Ｒ、交流電源１０２、により構成する。Ｃｃｏｍ＿ｎｏｉｚは、通常、インバータのコモンモードノイズ除去用に設けられるコンデンサで代用可能なので、以降の説明では割愛するが、交流電源の上の端子から流れ出た電流は、最後にＣｃｏｍ＿ｎｏｉｚを通って交流電源の下の端子に流れ込む。配線経路が長い場合などには、Ｃｃｏｍ＿ｎｏｉｚを電池システム内に設けても良い。
【００１３】
二次電池Ｖ１〜Ｖｎは、たとえば、以下、図２において説明する双極型二次電池の単電池セルのような、電池を構成する最小単位を指すが、これに限定されない。すなわち、複数の単電池が直列接続された二次電池全体は勿論、あらゆる二次電池を指すものである。
【００１４】
図２は、双極型リチウムイオン二次電池２００の構造を示した断面図である。図２に示すように、双極型リチウムイオン二次電池２００は、単電池セル（二次電池）２１０を積層することで構成する。具体的には、双極型リチウムイオン二次電池２００は、集電体２１４の一方の面に正極活物質層２１２が形成され他方の面に負極活物質層２１１が形成された複数の電極を有する。そして、それぞれ一方の電極に形成された正極活物質層２１２を他方の電極に形成された負極活物質層２１１と向き合うように位置させ、それぞれの正極活物質層２１２と負極活物質層２１１との間にはイオン伝導層２１３を介在させて、電極とイオン伝導層２１３とを交互に複数積層して構成する。単電池セル２１０が積層されてなる発電要素２２０は、ラミネートフィルム２３０で密封する。
【００１５】
ダイオード１０１は、整流特性を有する電子素子である。ダイオード１０１は、アノード（入力端子）とカソード（出力端子）を有し、固有の閾値電圧より小さい順方向バイアスを印加しても導通しないが、該閾値電圧以上の順方向バイアスを印加する（カソードに対しアノードを高電位にする）と、導通する（アノードからカソードに電流を流す）という特性を有する。また、ダイオード１０１は、導通すると低インピーダンスとなり、出力電圧がほぼ一定の閾値電圧に固定されるという特性を有する。ダイオード１０１としては、たとえば、シリコンダイオードを用いることができる。
【００１６】
コンデンサＣは、静電容量により電荷を蓄えたり、放出したりする受動素子である。また、高周波ではインピーダンスが小さく、低周波ではインピーダンスが大きくなるという特性から、ＤＣカット用の素子として用いることができる。コンデンサＣとしては、セラミックコンデンサ、アルミ電界コンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサであることが望ましい。故障により短絡するコンデンサを使用すると、図１に示す本発明の実施形態に係る二次電池システムにおいては、故障時にコンデンサＣが短絡することで二次電池Ｖ１〜Ｖｎの直流の高電圧が交流電源１０２に印加され、故障が広範囲に伝播する可能性があるため、故障すると開放となるコンデンサを使用することが望ましいからである。このようなコンデンサを用いることで、信頼性の高い二次電池システムを提供することができる。
【００１７】
抵抗器Ｒは、回路に電気抵抗を与えて、電流を制限したり電圧を降下させたりする受動素子である。抵抗器Ｒとしては、たとえば、クロム系金属薄膜によるチップ抵抗を用いることができる。
【００１８】
交流電源１０２としては、少なくとも、１００％充電されたときの単電池の電圧（たとえば、４．２Ｖ）に２つのダイオード１０１ａ、１０１ｂの閾値電圧（たとえば、それぞれ０．６Ｖ）を加えた値の大きさの電圧振幅（たとえば、５．４Ｖ）のパルスを出力できるものを用いる。
【００１９】
ダイオード１０１、コンデンサＣ、抵抗器Ｒ、交流電源１０２は、ラミネートフィルム２３０の外に配置することができる。たとえば、これらの要素は、発電要素２２０が密封されたラミネートフィルム２３０を複数実装した電池モジュールのケース（金属のケース）に設置しうる。
【００２０】
図３は、基板３１０に実装したダイオード１０１を、電池モジュール３００のケース３０１に設置した状態を示す説明図である。図３においては、ダイオード１０１は、基板３１０の厚さｄだけ電池モジュール３００のケース３０１から離れていることになる。このとき、厚さｄを１０ｍｍ以下にして全てのダイオード１０１を電池モジュールのケース３０１から１０ｍｍ以内の位置に配置することが望ましい。ダイオード１０１の閾値電圧（ダイオードによる電圧降下）は、比較的大きな温度依存性を有するため、二次電池の電圧バランスの調整精度に影響する。すなわち、後述するように、本発明の実施形態に係る二次電池システムは、ダイオード１０１の閾値電圧のバラツキの精度で各二次電池の電圧が揃うこととなる。したがって、熱伝導率が大きく、温度分布が小さい金属性の電池モジュールのケースに近い位置に配置し、ダイオード１０１の温度分布を小さくする。このようにダイオード１０１を配置することで、二次電池の電圧バランスの調整精度を向上させることができる。ダイオード１０１は、できるだけ近接配置することが望ましい。
【００２１】
ダイオード１０１、コンデンサＣ、抵抗器Ｒ、交流電源１０２は、図１に示すように、二次電池を充電して各二次電池の電圧バランスを調整するための回路（以下、「充電回路１００」と称する。）を構成する。
【００２２】
充電回路１００によって各単電池セル（二次電池）を充電するために、各単電池セル２１０の電極端子（すなわち、集電体２１４）をラミネートフィルム２３０の外へ取り出し、充電回路１００と接続する。各単電池セル２１０の電極端子をラミネートフィルム２３０の外へ取り出す方法には様々な方法がありうる。たとえば、歯と柄からなる櫛型形状のフレキシブル配線基板であって、各歯の先端から柄の端まで個別に伸延し各歯の先端に接触させた各単電池セル２１０の集電体２１４の電位をラミネートフィルム２３０の外の柄の端まで電導させる配線を有するものを作製し、これを用いる方法がある。すなわち、フレキシブル配線基板の各歯の先端はラミネートフィルム２３０の中で各単電池セル２１０の集電体２１４に接触させて固定し、フレキシブル配線基板の柄の端をラミネートフィルム２３０の外にまで取り出した状態で、発電要素２２０をラミネートフィルム２３０により密封する。このようにすることで、各単電池セル２１０の電極端子をラミネートフィルム２３０の外へ取り出し、充電回路と接続することができる。
【００２３】
図１に示すように、充電回路１００を各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの端子と接続する。すなわち、第１ダイオード１０１ａのアノードを各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの負極とそれぞれ接続し、第２ダイオード１０１ｂのカソードを各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの正極とそれぞれ接続する。第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードとをそれぞれ接続し、その各接続点にはそれぞれコンデンサＣを介して交流電源１０２を接続する。各コンデンサＣと交流電源１０２との間には抵抗器Ｒを共通に接続する。抵抗器Ｒは、交流電源１０２と各コンデンサＣとの間に接続するため、抵抗器Ｒには各コンデンサＣを充電または放電する電流が流れる。抵抗器Ｒを設けることによりダイオード１０１に流れる電流が制限することができるため、サイズの小さい（許容される電流値が小さい）ダイオードを用いることがでる。サイズの小さいダイオードを用いることで、二次電池システムをコンパクトかつ低コストとすることができる。
【００２４】
抵抗器Ｒは、図１の充電回路１００のように、各コンデンサＣと交流電源１０２との間に共通に接続してもよいが、図４に示すように、各コンデンサＣと交流電源１０２との間に各コンデンサＣに個別に接続してもよい。交流電源１０２と各コンデンサＣとの間に抵抗器Ｒを接続するため、抵抗器Ｒには各コンデンサＣを充電または放電する電流が流れる。この場合は、抵抗器Ｒの抵抗値を図１の充電回路の抵抗器Ｒに対しｎ倍（すなわち直列接続した二次電池の数を乗じた値）とする。これにより、図４の充電回路１００の、各コンデンサを充電するための時定数（容量値と抵抗値を乗じた数、以下、「時定数」と称する）が図１の時定数と同じになるため、図４の充電回路は図１の充電回路と同様の効果を奏することとなる。ただし、図１の充電回路は抵抗器Ｒを１つとすることができるので、抵抗器Ｒの抵抗値の相対バラツキを気にする必要がないというメリットがある。
【００２５】
また、抵抗器Ｒは、図５に示すように、第１ダイオード１０１ａのアノードと各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの負極との間、および、第２ダイオード１０１ｂのカソードと各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの正極との間にそれぞれ接続してもよい。各二次電池Ｖ１〜Ｖｎと各コンデンサＣとの間に抵抗器Ｒを接続するため、抵抗器Ｒには各コンデンサＣを充電または放電する電流が流れる。この場合も、抵抗器Ｒの抵抗値を図１の充電回路の抵抗器Ｒに対しｎ倍（すなわち二次電池の数を乗じた値）とする。これにより、各コンデンサを充電するための時定数が同じとなるため、図４の充電回路は図１および図４の充電回路と同様の効果を奏することになる。
【００２６】
図１に示した、本発明の実施形態に係る二次電池システムの回路動作を説明する。交流電源１０２から電圧パルスを出力させる前の初期状態は、ダイオード１０１ａ、１０１ｂは導通していないので、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードとの接続点（以下、「ダイオード接続点」と称する）はハイインピーダンスの状態である。ただし、ダイオード１０１ａ、１０１ｂにはリーク電流が流れるため、ダイオード接続点の電位は、それぞれ各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの正極電位と負極電位の間の電位となっているのが通常である。
【００２７】
交流電源１０２の出力電圧を、短時間にＨｉからＬｏに変化させる。高周波数の信号に対しては、コンデンサＣはショートとなるため、ダイオード接続点の電位は短時間に低下する。これにより、第１ダイオード１０１ａに順方向電圧が印加され、ダイオードの閾値電圧に達し、第１ダイオード１０１ａが導通する。導通した第１ダイオード１０１ａの電圧降下はその閾値電圧に固定されるため、ダイオード接続点の電位をクランプする。コンデンサＣは、二次電池の負極から第１ダイオード１０１ａおよび抵抗器Ｒを介して流れる電流で充電される。
【００２８】
交流電源１０２の出力電圧を、短時間にＬｏからＨｉに変化させる。高周波数の信号に対してコンデンサＣはショートとなるため、ダイオード接続点の電位は短時間に上昇する。これにより、第２ダイオード１０１ｂに順方向電圧が印加され、ダイオードの閾値電圧に達し、第２ダイオード１０１ｂが導通する。導通した第２ダイオード１０１ｂの電圧降下はその閾値電圧に固定されるため、Ｈｉとなったダイオード接続点の電位から該閾値電圧分電圧降下した電位に各二次電池の正極電位をクランプする。コンデンサＣは、第２ダイオード１０１ｂおよび抵抗器Ｒを介して流れる電流で放電されるとともに、二次電池は、コンデンサＣから第２ダイオード１０１ｂを介してその正極に流れる電流により充電される。
【００２９】
このとき、交流電源１０２の出力振幅を、１００％充電されたときの二次電池の電圧（たとえば４．２Ｖ、以下、「充電完了電圧」と称する）にダイオード１０１ａとダイオード１０１ｂの閾値電圧を加えた値（たとえば、５．４Ｖ）の大きさに設定すると、各二次電池には充電完了電圧が印加される。これにより、充電率が低いために電圧が小さい二次電池にも、充電率が高いために電圧が大きい二次電池にも、同じ大きさの充電完了電圧が印加される。各二次電池に対しては、各コンデンサＣから二次電池の電圧と充電完了電圧の差の大きさに比例する電流が流れ、これにより各二次電池が充電される。したがって、充電率が低い二次電池は大きな充電電流で、充電率が高い二次電池は小さな充電電流で充電され、最終的には、ダイオードの閾値電圧のバラツキの精度で各二次電池の充電率（各二次電池の電圧）が揃うこととなる。したがって、本実施形態に係る二次電池システムによれば、高精度に各二次電池の電圧を揃えることができる。
【００３０】
なお、本実施形態において、コンデンサＣは、二次電池Ｖ１〜Ｖｎを充電するとともに、ＤＣカットとして機能している。すなわち、コンデンサＣがＤＣカットとして機能することで、互いに電圧の異なる各二次電池に対し、一つの交流電源で共通に電圧パルスの交流成分のみを印加することを可能としている。
【００３１】
このように、本実施形態に係る二次電池システムによれば、簡易な回路で二次電池の電圧バランスの調整を行うことにより、二次電池システムの軽量化および低コスト化を実現することができる。
【００３２】
ここで、本発明の実施形態に係る二次電池システムについてシミュレーションした結果について説明する。図６は、本発明の実施形態に係る二次電池システムのシミュレーション回路を示す図である。本シミュレーション回路は、図５に示す本発明の実施形態に係る二次電池システムのシミュレーション回路である。
【００３３】
シミュレーションの条件は、図６に示すように、充電率が低いために電圧が小さい二次電池をＶ１とし、二次電池Ｖ１より充電率の高い二次電池をＶ４とした。Ｖ１、Ｖ４以外の二次電池Ｖ２、Ｖ３はそれぞれ１００Ｖ、５０Ｖの固定の電圧を有することとした。二次電池Ｖ２、Ｖ３は充電率１００％の二次電池が直列に複数個接続された状態を想定したものである。二次電池Ｖ２、Ｖ３の電圧を固定であることは、交流電源により印加される電圧振幅と二次電池の電圧が釣り合い、もはやこれ以上充電されない状態にあると考えることができる。交流電源の電圧振幅は５．５Ｖ、パルスの周波数は５００ｋＨｚとした。抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は５Ω、コンデンサＣの容量値は０．１μＦとした。
【００３４】
図７は、図６のシミュレーション回路における、充電電流の二次電池の電圧依存性のシミュレーション結果を示した図である。図７（Ａ）は、二次電池Ｖ１の電圧が３．５Ｖ、二次電池Ｖ４の電圧が３．７Ｖとしたときのシミュレーション結果を示した図である。充電率１００％の二次電池の電圧は４．２Ｖ程度であるので、二次電池Ｖ１、Ｖ４は、充電率が低いために充電率１００％の二次電池の電圧より電圧が小さい二次電池である。菱形および四角を付した波形は、それぞれ、図６の抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２に流れる電流を示す。丸および三角を付した波形は、それぞれ、図６の抵抗器Ｒ３、抵抗器Ｒ４に流れる電流を示す。図７（Ａ）から判るように、電圧が小さい二次電池Ｖ１への抵抗器Ｒ１、Ｒ２を介しての充電電流の方が、電圧が大きい二次電池Ｖ４への抵抗器Ｒ３、Ｒ４を介しての充電電流よりも大きい。したがって、二次電池Ｖ１、Ｖ４は、それぞれの充電率、すなわち電圧、が揃う方向に充電されることが判る。
【００３５】
一方、図７（Ｂ）は、二次電池Ｖ１とＶ４の電圧を同じ３．５Ｖとしたときのシミュレーション結果を示した図である。図７（Ａ）とは異なり、二次電池Ｖ１への抵抗器Ｒ１、Ｒ２を介しての充電電流と、二次電池Ｖ４への抵抗器Ｒ３、Ｒ４を介しての充電電流が同じになっていることが判る。すなわち、この場合は、二次電池Ｖ１、Ｖ４は、それぞれの電圧が揃った状態を維持しつつ充電されることが判る。
【００３６】
図８は、図６のシミュレーション回路におけるパルス周波数依存性のシミュレーション結果を示した図である。図８（Ａ）は、二次電池Ｖ１の電圧を３．３Ｖ、二次電池Ｖ４の電圧を３．５Ｖとし、交流電源のパルス周波数を５００ｋＨｚとしたときのシミュレーション結果を示した図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）と同じ条件で、交流電源のパルス周波数のみを１００ｋＨｚとしたときのシミュレーション結果を、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）と同じ条件で、交流電源のパルス周波数を１０ｋＨｚとしたときのシミュレーション結果を示した図である。
【００３７】
図８の（Ａ）〜（Ｃ）を比較すると、抵抗器Ｒ１、Ｒ２を流れる電流（または、抵抗器Ｒ３、Ｒ４を流れる電流）の平均値は、図７の（Ｃ）（Ｂ）（Ａ）の順で大きくなることが判る。図８（Ｃ）のシミュレーション条件である、１０ｋＨｚのパルス周波数は１００μｓの周期に相当する。この周期は、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４とコンデンサＣの時定数に相当する周波数の１００倍以上の周期である。時定数に対して交流電源の周期を大きくし過ぎると、ピークの充電電流に対して充電電流が低い時間が長くなり、二次電池の電圧バランスを揃えるのに要する時間が長くなる。すなわち、時定数に対して周期が大き過ぎる交流電源を用いると、充電電流の平均値が低下し、二次電池への充電が非効率的となる。
【００３８】
したがって、交流電源の交流電圧の周期は、抵抗器の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４とコンデンサＣの容量値を乗じて得た時定数の１００倍以下の周期とすることが望ましい。これにより、より短時間で二次電池を充電し、各二次電池の電圧バランスを整えることができる。
【００３９】
図９は、図６のシミュレーション回路において、コンデンサＣを１μＦとしたときのシミュレーション結果を示した図である。すなわち、図９は、図８（Ｃ）と同じシミュレーション条件で、コンデンサＣのみ０．１μＦから１μＦに増加させた結果を示している。図８（Ｃ）と図９とを比較すると、コンデンサＣを０．１μＦから１μＦとすることにより、二次電池への充電電流の平均値を増大させることができることが判る。
【００４０】
また、図９は、図８（Ｂ）と同じシミュレーション条件で、コンデンサＣを０．１μＦから１μＦに増加させ、パルス周波数を１００ｋＨｚから１０ｋＨｚに減少させた結果を示している。図９と図８（Ｂ）を比較すると、二次電池への充電電流の平均値はほぼ同じである。そうすると、コンデンサＣを０．１μＦから１μＦに増加させれば、パルス周波数を１００ｋＨｚから１０ｋＨｚに１／１０減少させても同等の充電電流の平均値を得られることが判る。
【００４１】
次に、本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した場合について説明する。図１０は、本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した一の態様のフローチャートを示す図である。以下、図１０について、ステップ番号ごとに説明する。なお、図１０に示すステップＳ１０００〜Ｓ１００８は、プログラムにより自動的に実施することができる。
【００４２】
[Ｓ１０００]
二次電池の電圧を測定する。
【００４３】
全ての二次電池の電圧を測定する。測定した各二次電池の電圧は、記憶装置に記憶させる。本ステップＳ１０００および次ステップＳ１００１は、自動車のエンジン始動前（すなわち、キーオン前）に行う。自動車の運転終了後の二次電池の電圧は、ゆっくりと回復、または低下することが多いため、エンジン始動前の電圧による診断をあらかじめ行うものである。
【００４４】
[Ｓ１００１]
二次電池の電圧の最大値と最小値の差が閾値より大きいときは、電圧調整フラグをセットする。
【００４５】
閾値は、二次電池の電圧の測定精度から決定する。すなわち、二次電池の電圧の測定精度は５Ｖの１％程度なので、閾値を５０ｍＶとし、５０ｍＶ以上の電圧差を検知した場合に二次電池の電圧バラツキが大きいと判断し、電圧調整フラグをセットすることが望ましい。これにより、二次電池の電圧バラツキが十分小さいときには、二次電池システムを動作させないので、効率のよい二次電池の電圧バランス調整が可能となる。
【００４６】
電圧調整フラグをセットしたときは、自動車の運転終了後に、ステップＳ１００５において、二次電池の電圧を再度測定し、ステップＳ１００６において、交流電源を駆動させ、各二次電池に電圧パルスを印加する。
【００４７】
[Ｓ１００２]
キーオンしてインバータ動作を開始させる。
【００４８】
キーオンして、自動車の運転を開始する。なお、後述するように、インバータ動作中、すなわち自動車の運転中は、二次電池の電圧の測定や、二次電池への充電は行わない。
【００４９】
[Ｓ１００３]
キーオフしたかどうか判断する。
【００５０】
自動車の運転を終了し、キーオフしてインバータの動作を停止させたことを検出した後、次のステップＳ１００４に移行する。
【００５１】
図１１は、電池モジュール３００とインバータ（３相インバータ）１１００の関係を示す説明図である。電池モジュール３００には、前述したように、発電要素が密封されたラミネートフィルムが複数実装されており、電池モジュール３００は直流電圧をインバータ１１００に供給する。インバータ１１００は、Ｕ層上スイッチ、Ｖ層上スイッチ、Ｗ層上スイッチの３つのスイッチを有する上アームと、Ｕ層下スイッチ、Ｖ層下スイッチ、Ｗ層下スイッチの３つのスイッチを有する下アームとから成り、計６つのスイッチは制御回路１１２０の制御信号により、それぞれオン／オフ制御されることにより直流／交流変換がなされる。Ｕ層上スイッチとＵ層下スイッチの接続点、Ｖ層上スイッチとＶ層下スイッチの接続点、Ｗ層上スイッチとＷ層下スイッチの接続点がそれぞれＵ相出力端子、Ｖ相出力端子、Ｗ相出力端子となり、３相交流モータに出力され、３相交流モータ１１１０を駆動する。
【００５２】
インバータ１１００を停止する前は、インバータ１１００による大電流の充放電の影響により電池モジュール３００を構成する二次電池の電圧が大きく変化する。特に、放電中など電圧が落ちているときに本発明の実施形態に係る二次電池システムにより二次電池を充電しても電圧バランスを整える効果が十分に出ないおそれがある。したがって、インバータ１１００の動作を停止させ、二次電池の電圧が落ち着いているときに充電することで、効率よく電圧を揃えることができる。
【００５３】
[Ｓ１００４]
電圧調整フラグがＨｉかどうかを判断する。
【００５４】
電圧調整フラグがＨｉでない場合は、ステップＳ１００８に移行し、二次電池システムをシャットダウンする。
【００５５】
電圧調整フラグがＨｉの場合は、次ステップＳ１００５に移行する。
【００５６】
[Ｓ１００５]
２分経過後に電池電圧を測定する。
【００５７】
２分経過するまで待つのは、二次電池の電圧が十分安定するのに２分程度を要するからである。測定した各二次電池の電圧は、記憶装置に記憶させる。
【００５８】
[Ｓ１００６]
交流電源を動作させる。
【００５９】
各二次電池の電圧のうち、最大値の電圧に全ての二次電池の電圧を揃えるために、各二次電池の電圧の最大値に１．２Ｖを加算した電圧振幅のパルスを交流電源から出力させ、各二次電池にパルスを印加する。１．２Ｖは、図１〜４に示した本発明の実施形態に係る二次電池システムの構成要素であるダイオード１０１の閾値電圧による電圧降下の影響を考慮したものである。交流電源から出力させる電圧パルスの周期は、本実施形態に係る二次電池システムの構成要素である抵抗器Ｒの抵抗値とコンデンサＣの容量値を乗じて得た時定数の１００倍以下の周期とする。
【００６０】
[Ｓ１００７]
規定時間を経過したかどうか判断する。
【００６１】
規定時間は、たとえば、二次電池の電圧の最大値と最小値の差と交流電源の動作時間との最適な関係のテーブルをあらかじめ記憶装置に記憶させおき、測定した二次電池の電圧の最大値と最小値の差を、該テーブルと比較して最適な規定時間をその都度定めることが望ましい。これは、二次電池の電圧バラツキが大きい場合には、電圧の小さい電池を充電し、電圧の大きい電池の電圧に合わせるのに要する時間が長くなるので、電池電圧の最大値と最小値の差に応じて交流電源の動作時間を変えることが望ましいからである。こうすることで、長すぎる充電時間を設定することで有効に充電されない状況で交流電源を動作させることを防止し、短すぎる充電時間を設定することで電圧バラツキの補正が不十分になることを防止することができる。
【００６２】
[Ｓ１００８]
二次電池システムをシャットダウンする。
【００６３】
図１０により、本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した一の態様について説明したが、本発明の実施形態に係る二次電池システムは、他の態様でも自動車に適用することができる。
【００６４】
図１２は、本発明の実施形態に係る二次電池システムを自動車に適用した他の態様のフローチャートを示す図である。図１０のフローチャートと異なる点は、図１２のフローチャートは、図１０におけるステップＳ１００３およびステップＳ１００５がない点である。すなわち、図１０のフローチャートにおいては、キーオフしてから（図１０のステップＳ１００３）交流電源を動作させるのに対し、図１２のフローチャートにおいては、キーオフをせずに（すなわち、インバータを駆動しながら）交流電源を動作させる（図１２のステップＳ１２０６）。こうすることにより、図１０のフローチャートのように電池電圧の測定開始までに２分経過するまで待つ（図１０のステップＳ１００５）ことがないため、実質的に二次電池の充電時間を短縮することができる。図１２についてのその他の説明は、図１０についての説明と重複するため省略する。
【００６５】
本発明の実施形態に係る二次電池システム１３１０は、電気自動車の車体中央部の座席下に搭載しうる。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広くとることができるメリットを有する。なお、本発明の実施形態に係る二次電池１３１０を搭載する場所は、座席下に限られない。すなわち、本発明の実施形態に係る二次電池は、後部トランクルームの下部や車両前方のエンジンルームにも搭載しうる。本発明の実施形態に係る二次電池システムをハイブリット車や電気自動車といった車両に用いることにより高寿命で信頼性の高い車両とすることができる。
【００６６】
以上、本発明の実施形態に係る二次電池システム、および、これを搭載した車両について説明したが、本実施形態における単電池は本発明の二次電池に、電池モジュールのケースは金属のケースに、電池自動車は車両に相当する。
【００６７】
以下に、本発明の実施形態に係る二次電池システムの効果を示す。
・簡易な回路で二次電池の電圧バランスの調整を行うことにより、二次電池システムの軽量化および低コスト化を実現することができる。
・高精度に各二次電池の電圧を揃えることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る二次電池システムの第２実施形態に関し、図面を参照して詳細に説明する。
【００６８】
本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、第１実施形態は交流電源のための電源を二次電池システムの外部から供給するのに対し、本実施形態は交流電源のための電源を電池システムの内部の二次電池から供給する点である。また、本実施形態は、第１実施形態と異なり、各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの電圧Ｖｂを測定し、測定結果に基づいて二次電池ごとに充電することを可能としている。
【００６９】
以下、本実施形態に係る二次電池システムについて説明するが、第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００７０】
図１３は、本実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。本実施形態に係る二次電池システムは、二次電池Ｖ１〜Ｖｎ、ダイオード１０１、コンデンサＣ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（交流電源）１０５、可変電圧電源（交流電源）１０６、単相インバータ（交流電源）１０８、電流計（電流測定手段）１０７、電池管理ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）（電池管理回路）１０４、スイッチ１０９、を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５、可変電圧電源１０６、単相インバータ１０８、は交流電源１０２Ａを構成する。
【００７１】
図１３には、第１実施形態（図１等）と異なり、抵抗器を図示していない。これは、コンデンサＣを充放電する電流の経路には、配線抵抗が存在するため、抵抗器として配線抵抗を利用することができるからである。ただし、第１実施形態と同様に素子としての抵抗器を用いてもよい。
【００７２】
二次電池Ｖ１〜Ｖｎは、それぞれ同じ出力電圧仕様の組電池（複数の電池モジュールが複数配列、接続されたもの）である。ただし、二次電池Ｖ１〜Ｖｎは、たとえば、次のものであってもよい。すなわち、電池要素（双極型二次電池において直列接続された電池の最小単位（単電池セル））、単電池セルユニット（ラミネート実装された積層型二次電池または双極型二次電池）、電池モジュール（単電池セルユニットが複数配列、接続されたもの）。
【００７３】
交流電源１０２Ａは、少なくとも、１００％充電されたときの二次電池Ｖ１〜Ｖｎの各電圧に２つのダイオード１０１ａ、１０１ｂの閾値電圧を加えた値の大きさの電圧振幅のパルスを出力する。
【００７４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎ全体の出力電圧の入力を受け、これを降圧させる機能を有する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、たとえば、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎの出力電圧である４００Ｖを、１２Ｖに変換する。
【００７５】
可変電圧電源１０６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５から降圧された二次電池Ｖ１〜Ｖｎの出力電圧（たとえば、１２Ｖ）を、電池管理ＩＣ１０４からの制御信号に基づいて、所望の電圧に変換する機能を有する。ここで、所望の電圧とは、少なくとも、１００％充電されたときの二次電池Ｖ１〜Ｖｎの各電圧に２つのダイオード１０１ａ、１０１ｂの閾値電圧を加えた値の大きさの電圧（例えば、４Ｖ）である。
【００７６】
単相インバータ１０８は、可変電圧電源１０６が変換した直流電圧を交流電圧（パルス）に変換する機能を有する。単相インバータ１０８は、直列に接続された上側スイッチ１０８Ｈと下側スイッチ１０８Ｌとを有してなる。上側スイッチ１０８Ｈおよび下側スイッチ１０８Ｌは、電池管理ＩＣ１０４からの制御信号に基づいてオン／オフする。この際、上側スイッチ１０８Ｈおよび下側スイッチ１０８Ｌは、一方のスイッチがオンの時には他方のスイッチは必ずオフとなるように、ブレーク・ビフォア・メーク（ｂｒｅａｋ  ｂｅｆｏｒｅ  ｍａｋｅ）で制御する。上側スイッチ１０８Ｈがオンで下側スイッチ１０８Ｌがオフのときは、単相インバータ１０８からは、Ｈｉ電圧が出力される。Ｈｉ電圧は、可変電圧電源１０６の出力電圧に等しい。下側スイッチ１０８Ｌがオンで上側スイッチ１０８Ｈがオフのときは、単相インバータ１０８からは、Ｌｏ電圧が出力される。Ｌｏ電圧は、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎの負極の出力電圧に等しい。したがって、単相インバータ１０８は、Ｈｉ電圧とＬｏ電圧からなる交流電圧を各コンデンサＣに印加する。
【００７７】
単相インバータ１０８は、可変電圧電源１０６が変換した直流電圧を交流電圧に変換するが、可変電圧電源１０６は出力電圧を変化させることができる。したがって、単相インバータ１０８と可変電圧電源１０６との組み合わせを構成要素とする交流電源１０２Ａは、交流の出力電圧を変化させることができる可変電圧交流電源を構成する。
【００７８】
交流電圧の周期は、各コンデンサＣとコンデンサＣを充放電する電流が流れる経路の配線抵抗で定まる時定数の１００倍以下の周期であることが望ましい。これにより、充電電流が立ち上がった後、充電電流が減衰している時間を短縮することができるので、充電電流の平均電流とピーク電流との差を小さくし、充電時間を短縮することができる。
【００７９】
電流計１０７は、可変電圧電源１０６と単相インバータ１０８との間に直列に接続する。電流計１０７は、交流電源１０２Ａの出力電流（すなわち、単相インバータ１０８の出力電流）を測定することで、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎへの充電電流を測定する機能を有する。すなわち、電流計１０７は、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎのうちのいずれか一つまたは二以上の二次電池への充電電流を測定する機能を有する。具体的には、電流計１０７は、単相インバータ１０８の上側スイッチ１０８Ｈがオンしたとき、すなわち、単相インバータ１０８からＨｉ電圧が出力されたときに単相インバータ１０８を通じて二次電池Ｖ１〜Ｖｎに流れる充電電流を測定する。
【００８０】
スイッチ１０９は、各コンデンサＣと単相インバータ１０８との間にそれぞれ直列に接続する。いずれか一つのスイッチ１０９を選択し導通させることで、選択したスイッチ１０９を通じて一つの二次電池Ｖ１〜Ｖｎのみを充電可能な状態にすることができる（以下、充電可能な状態となった二次電池を「選択された二次電池」と称する）。なお、選択された二次電池を２以上としてもよいことは勿論である。スイッチ１０９は、例えば、シリコン半導体基板上に形成したＭＯＳスイッチで構成してもよい。各二次電池Ｖ１〜Ｖｎ単独での電圧Ｖｂの測定や充電が不要の場合は、スイッチ１０９を省略することもできる。
【００８１】
電池管理ＩＣ１０４は、可変電圧電源１０６、電流計１０７、単相インバータ１０８、スイッチ１０９を制御する。電池管理ＩＣ１０４は、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）で構成してもよい。また、電池管理ＩＣ１０４は、内部に記憶装置（図示せず）を有する。記憶装置は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）により構成してもよい。
【００８２】
本実施形態は、各二次電池Ｖ１〜Ｖｎを充電するための交流電源の電源を電池システム内部の二次電池全体から供給する。そこで、本実施形態に係る二次電池システムにおけるエネルギーの流れを、図１４を参照して説明する。
【００８３】
図１４は、本実施形態に係る二次電池システムにおけるエネルギーの流れを示す図である。直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎ全体の出力電圧である４００Ｖを、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５および可変電圧電源１０６により４Ｖに変換する。変換された直流電圧（たとえば、４Ｖ）を単相インバータ１０８が交流電圧に変換する。コンデンサＣによるＤＣカットにより、直列接続された各二次電池Ｖ１〜Ｖｎに対し、それぞれ絶縁した状態で電力を伝送する（絶縁電力伝送）。ダイオード１０１の整流特性により、交流電圧を直流電流に変換し、各二次電池Ｖ１〜Ｖｎに対し充電電流を供給する。電圧の低い二次電池に接続されたダイオード１０１には、電圧の高い二次電池に接続されたダイオード１０１と比較して、大きな電圧が印加される。ダイオード１０１の電圧−電流特性は指数関数的であるため、電圧の小さい二次電池に接続されたダイオード１０１ｂ対しては大きい電圧が印加されたダイオード１０１から多くのエネルギーが戻ることになる。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎ全体から電源供給（すなわち、エネルギーの供給）を受ける。本実施形態に係る二次電池システムは、このようなエネルギーの流れを利用するため、交流電源を外部の電源と接続する必要がない。すなわち、直列接続された二次電池全体を放電して電源とし、電圧の低い電池を充電することができるので、外部装置と接続することなく、二次電池システム単独で（すなわち、例えば、車両単独で）各二次電池の充電状態のバランスを効率よく揃えることができる。
【００８４】
次に、本実施形態による直列接続された各二次電池Ｖ１〜Ｖｎの電圧Ｖｂの測定方法および電圧Ｖｂが低下した二次電池への充電方法について説明する。
【００８５】
電池管理ＩＣ１０４により、いずれかのスイッチ１０９を導通させることで、測定したい一つの二次電池Ｖ１〜Ｖｎのみを充電可能な状態にする。可変電圧電源１０６の電圧Ｖを一定速度で上昇させるとともに単相インバータ１０８を動作させる。ここで、電流計１０７で測定した電流Ｉをサンプリングし、電圧Ｖと電流Ｉとの関係（以下、「ＶＩ特性」と称する）を取得し、電池管理ＩＣ１０４に記憶する。ここで、電圧Ｖは電池管理ＩＣ１０４から可変電圧電源１０６へ送信される制御電圧値であってもよい。
【００８６】
図１５のＡは、二次電池のＶＩ特性を示す図である。ＶＩ特性は、電池電圧Ｖｂに従って変化する。これは、電流計１０７で測定された電流Ｉは、各二次電池への充電電流であり、該充電電流はダイオード１０１ｂを通じて各二次電池に供給される。そして、電池電圧Ｖｂの小さい二次電池に接続されたダイオード１０１ｂには大きな電圧が印加されるため、ダイオード１０１ｂに流れる充電電流も、電池電圧Ｖｂに逆依存して大きくなるからである。
【００８７】
取得したＶＩ特性から、任意に定めた電流Ｉ１のときの電圧Ｖ１を求め、あらかじめ記憶した電圧Ｖ１と二次電池の電圧Ｖｂとの関係のデータテーブルと比較して選択された二次電池の電圧Ｖｂを求める。図１５のＢは、電圧Ｖ１と二次電池の電圧Ｖｂとの関係を示す図である。
【００８８】
同様に、すべての二次電池Ｖ１〜Ｖｎの電圧Ｖｂを測定する。
【００８９】
次に、電圧Ｖｂの低い二次電池Ｖ１〜Ｖｎのみを充電可能な状態とする。すなわち、電圧Ｖｂの低い二次電池Ｖ１〜Ｖｎに対応するスイッチ１０９を導通させる。電池管理ＩＣ１０４は、あらかじめ充電時間を定め、可変電圧電源１０６の電圧を適切な値に設定し、単相インバータ１０８を動作させることで充電を開始する。これにより、電圧Ｖｂが低下した二次電池のみを充電する。
【００９０】
このように、本実施形態によれば、例えば充電中に、各二次電池の電圧を測定し、電池管理ＩＣにより充電が完了したと判断した二次電池については、該二次電池の充電経路のスイッチを切断して充電を終了し、それ以外の二次電池については充電を継続することができる。これにより、二次電池の電圧バランスの管理精度が充電回路ではなく、電池管理ＩＣの精度で決まるため、充電精度を向上することができる。また、電圧Ｖｂの低い二次電池Ｖ１〜Ｖｎのみを充電することで、効率よく各二次電池の充電状態を揃えることができる。
【００９１】
また、二次電池ごとに充電電圧を変化させて充電電流を測定するとともに、各二次電池のＶ−Ｉ特性から二次電池の電圧を特定できる。これにより、電池管理回路から二次電池の電圧を測定する機能を削減することができるため、二次電池システムの低コスト化を実現できる。
【００９２】
さらに、測定したＶＩ特性が異常である場合、すなわち、図１５のＡのＶＩ特性と大きく異なる場合（例えば、充電電流が流れない場合）は、可変電圧電源１０６から各二次電池Ｖ１〜Ｖｎまでの間の電流経路に故障が生じていると考えられる。したがって、本実施形態によれば、可変電圧電源１０６から各二次電池Ｖ１〜Ｖｎまでの間の電流経路の故障、すなわち、充電回路の故障を診断することができる。これにより、信頼性の高い二次電池システムを供給できる。
【００９３】
図１６は、直列接続した３２個の電界コンデンサを本実施形態に係る二次電池システムの直列接続した二次電池に置き換えて充電動作させた実験結果を示す図である。電界コンデンサは電荷を蓄積することで電圧が変化する点で二次電池と同様である。したがって、電界コンデンサを二次電池に置き換えて考えることができる。
【００９４】
電圧の大きいコンデンサは、個別に充電される電流が小さく、かつ、直列接続された電界コンデンサ全体として放電されるため、結果として放電される。逆に、電圧の小さいコンデンサは、結果として充電される。したがって、図１６に示すように、本実施形態によれば、各電界コンデンサの電圧を急速に揃えることができることが判る。
【００９５】
本実施形態に係る二次電池システムは、第１実施形態に係る二次電池システムの効果に加え、以下の効果を奏する。
・直列接続された二次電池全体を放電して電源とし、電圧の低い電池を充電することができるので、外部装置と接続することなく、二次電池システム単独で（すなわち、車両単独で）各二次電池の充電状態のバランスを効率よく揃えることができる。
・充電中に各二次電池の電圧を測定し、電池管理ＩＣにより充電が完了したと判断した二次電池については、該二次電池の充電経路のスイッチを切断し、充電を終了することができる。これにより、二次電池の電圧バランスの管理精度が充電回路ではなく、電池管理ＩＣの精度で決まるため、充電精度を向上することができる。
・電流計により充電回路の故障診断が可能となるため、二次電池システムの信頼性を向上させることができる。
・二次電池ごとに充電電圧を変化させて充電電流を測定することができるとともに、各二次電池のＶ−Ｉ特性から二次電池の電圧を特定できる。これにより、電池管理回路から二次電池の電圧を測定する機能を削減することができるため、二次電池システムの低コスト化を実現できる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る二次電池システムの第３実施形態に関し、図面を参照して詳細に説明する。
【００９６】
本実施形態は、直列接続された二次電池をブロック分けしてそれぞれ充電する点で第２実施形態と異なる。以下、本実施形態に係る二次電池システムについて説明するが、第１および第２実施形態と重複する説明は省略する。
【００９７】
図１７は、本実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【００９８】
図１７に示すように、本実施形態に係る二次電池システムは、直列に接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎを第１電池ブロック（電池ブロック）１６０ａと第２電池ブロック（電池ブロック）１６０ｂとに区分する。第１電池ブロック１６０ａおよび第２電池ブロック１６０ｂには、それぞれ、第１電池管理ＩＣ（電池管理回路）１０４ａおよび第２電池管理ＩＣ（電池管理回路）１０４ｂを設ける。第１電池管理ＩＣ１０４ａおよび第２電池管理ＩＣ１０４ｂは、それぞれ、第１電池ブロック１６０ａおよび第２電池ブロック１６０ｂを電源とする。第１電池管理ＩＣ１０４ａは、第１可変電圧電源（交流電源）１０６ａ、第１電流計（電流測定手段）１０７ａ、第１単相インバータ（交流電源）１０８ａ、第１スイッチ（スイッチ）１０９ａを制御する。第２電池管理ＩＣ（電池管理回路）１０４ｂは、第２可変電圧電源（交流電源）１０６ｂ、第２電流計（電流測定手段）１０７ｂ、第２単相インバータ（交流電源）１０８ｂ、第２スイッチ（スイッチ）１０９ｂを制御する。
【００９９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５、第１可変電圧電源１０６ａ、第１単相インバータ１０８ａ、は第１交流電源１０２Ａａを構成する。
【０１００】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、各可変電圧電源１０６ａ、１０６ｂに共通に電圧を供給する。例えば、直列接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎの出力電圧である４００Ｖを変換した１２Ｖを各可変電圧電源１０６ａ、１０６ｂに共通に供給する。
【０１０１】
第１可変電圧電源１０６ａは、第１電池管理ＩＣ１０４ａの制御信号に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５から供給された電圧を所望の電圧に変換する。ここで、所望の電圧とは、少なくとも、１００％充電されたときの二次電池Ｖ１〜Ｖｎの各電圧に２つのダイオード１０１ａ、１０１ｂの閾値電圧を加えた値の大きさの電圧（例えば、４Ｖ）である。また、該所望の電圧は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの電源を基準とした電圧である。すなわち、第１可変電圧電源１０６ａの出力電圧の基準電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの基準電位（例えば、第１電池管理ＩＣ１０４ａの負電源の電位）に等しい。
【０１０２】
第１単相インバータ１０８ａは、第１可変電圧電源１０６ａが変換した直流電圧を交流電圧（パルス）に変換する。第１単相インバータ１０８ａの出力電圧パルスの基準電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの基準電位に等しい。
【０１０３】
第１単相インバータ１０８ａの出力電圧パルスの基準電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの基準電位と等しいため、各コンデンサＣａに印加される一方の電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの基準電位より下がることはない。また、各コンデンサに印加される他方の電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの電源電位（すなわち、第１電池ブロック１６０ａの正極電位）にダイオード１０１の閾値電圧を加えた電位より上がることはない。そうすると、第１単相インバータ１０８ａと第１電池管理ＩＣ１０４ａとの間に接続されたコンデンサＣに印加される電圧は、最大でも第１電池管理ＩＣ１０４ａの電源電圧の大きさ（より正確には、該電源電圧の大きさにダイオード１０１の閾値電圧を加えた大きさ）とほぼ等しくなる。
【０１０４】
第１電池管理ＩＣ１０４ａの電源電圧の大きさは、直列接続された二次電池をブロック分けすることで小さくすることができる。したがって、本実施形態によれば、ＤＣカット用のコンデンサＣの耐圧を第１電池ブロック１６０ａの出力電圧範囲内に抑えることができる。これにより、コンデンサのサイズを小さくすることができるので、システムの低コスト化を実現できる。
【０１０５】
同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５、第２可変電圧電源１０６ｂ、第２単相インバータ１０８ｂ、は第２交流電源１０２Ａｂを構成する。
【０１０６】
第２可変電圧電源１０６ｂは、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの制御信号に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５から供給された電圧を所望の電圧に変換する。ここで、所望の電圧とは、少なくとも、１００％充電されたときの二次電池Ｖ１〜Ｖｎの各電圧に２つのダイオード１０１ａ、１０１ｂの閾値電圧を加えた値の大きさの電圧（例えば、４Ｖ）である。また、該所望の電圧は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの電源を基準とした電圧である。すなわち、第２可変電圧電源１０６ｂの出力電圧の基準電位は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの基準電位（例えば、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの負電源の電位）に等しい。ここで、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの基準電位は、第１電池管理ＩＣ１０４ａの基準電位とは当然に異なる。
【０１０７】
第２単相インバータ１０８ｂは、第２可変電圧電源１０６ｂが変換した直流電圧を交流電圧（パルス）に変換する。第２単相インバータ１０８ｂの出力電圧パルスの基準電位は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの基準電位に等しい。
【０１０８】
第２単相インバータ１０８ｂの出力電圧パルスの基準電位は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの基準電位と等しいため、各コンデンサＣｂに印加される一方の電位は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの基準電位より下がることはない。また、各コンデンサＣｂに印加される他方の電位は、第２電池管理ＩＣ１０４ｂの電源電位（すなわち、第２電池ブロック１６０ｂの正極電位）にダイオード１０１の閾値電圧を加えた電位より上がることはない。そうすると、第２単相インバータ１０８ｂと第２電池管理ＩＣ１０４ｂとの間に接続されたコンデンサＣｂに印加される電圧は、最大でも第２電池管理ＩＣ１０４ｂの電源電圧の大きさ（より正確には、該電源電圧の大きさにダイオード１０１の閾値電圧を加えた大きさ）とほぼ等しくなる。
【０１０９】
第２電池管理ＩＣ１０４ｂの電源電圧の大きさは、第１電池管理ＩＣ１０４ａと同様に直列接続された二次電池をブロック分けすることで小さくすることができる。したがって、ＤＣカット用のコンデンサＣｂの耐圧を第２電池ブロック１６０ｂの出力電圧範囲内に抑えることができる。
【０１１０】
図１７に示す二次電池システムにおいては、第１スイッチ１０９ａは、それぞれ、コンデンサＣａと第１交流電源１０２Ａａとの間に設けている。同様に、第２スイッチ１０９ｂは、それぞれ、コンデンサＣｂと第２交流電源１０２Ａｂとの間に設けている。各スイッチ１０９ａ、１０９ｂをＤＣカット用の各コンデンサＣａ、Ｃｂと各交流電源との間に設けることにより、各スイッチ１０９ａ、１０９ｂの駆動信号の電位変動幅を電池管理回路の基準電位近傍の電圧信号として共通化できる。これにより、レベルシフト回路等によって複数の電位変動幅を有する駆動信号を発生させる必要がないため、システムの低コスト化を実現できる。
【０１１１】
一方、各スイッチ１０９ａ、１０９ｂの位置は、各二次電池と各交流電源との間であれば、限定されない。
【０１１２】
図１８は、各スイッチ１０９ａ、１０９ｂを、第１ダイオード１０１ａのカソードと第２ダイオード１０１ｂのアノードとの各接続点と、各コンデンサＣａ、Ｃｂと、の間に接続した場合の本実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【０１１３】
図１９は、各スイッチ１０９ａ、１０９ｂを、各第２ダイオード１０１ｂのカソードと、各二次電池の正極と、の間に接続した場合の本実施形態に係る二次電池システムの構成を示す回路図である。
【０１１４】
図１８および図１９に示す二次電池システムは、共に、各スイッチ１０９ａ、１０９ｂを各二次電池と各交流電源との間に設けており、本実施形態の他の例を示すものである。これらの二次電池システムに関する説明は、図１７に示す二次電池システムの説明と重複するため省略する。
【０１１５】
本実施形態においては、直列に接続された二次電池Ｖ１〜Ｖｎを第１電池ブロック１６０ａと第２電池ブロック１６０ｂとの２つの電池ブロックに区分した場合について説明した。しかし、３以上の電池ブロックに区分してもよく、この場合も２つの電池ブロックに区分した場合と同様に考えることができる。
【０１１６】
本実施形態に係る二次電池システムは、第２実施形態に係る二次電池システムの効果に加え、以下の効果を奏する。
・直列に接続された二次電池を複数の電池ブロックに区分し、電池ブロックの出力電圧範囲内で充電動作をさせることで、ＤＣカット用のコンデンサＣの耐圧を電池ブロックの出力電圧範囲内に抑えることができる。これにより、コンデンサのサイズを小さくすることができるので、システムの低コスト化を実現できる。
・各スイッチをＤＣカット用の各コンデンサと交流電源との間に設けることにより、各スイチの駆動信号を電池管理回路の基準電位近傍の電圧信号に共通化できる。これにより、レベルシフト回路等によって複数の駆動信号を発生させる必要がないため、システムの低コスト化を実現できる。
【符号の説明】
【０１１７】
Ｃ、Ｃａ、Ｃｂ    コンデンサ、
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４    抵抗器、
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖｎ    二次電池、
１００    充電回路、
１０１    ダイオード、
１０１ａ    第１ダイオード、
１０１ｂ    第２ダイオード、
１０２、１０２Ａ    交流電源、
１０２Ａａ    第１交流電源（交流電源）、
１０２Ａｂ    第２交流電源（交流電源）、
１０４    電池管理ＩＣ、
１０４ａ    第１電池管理ＩＣ（電池管理回路）、
１０４ｂ    第２電池管理ＩＣ（電池管理回路）、
１０５    ＤＣ／ＤＣコンバータ（交流電源）、
１０６    可変電圧電源（交流電源）、
１０６ａ    第１可変電圧電源（交流電源）、
１０６ｂ    第２可変電圧電源（交流電源）、
１０７    電流計（電流測定手段）、
１０７ａ    第１電流計（電流測定手段）、
１０７ｂ    第２電流計（電流測定手段）、
１０８    単相インバータ（交流電源）、
１０８ａ    第１単相インバータ（交流電源）、
１０８ｂ    第２単相インバータ（交流電源）、
１０９    スイッチ、
１０９ａ    第１スイッチ（スイッチ）、
１０９ｂ    第２スイッチ（スイッチ）、
１６０ａ    第１電池ブロック（電池ブロック）、
１６０ｂ    第２電池ブロック（電池ブロック）、
２００    双極型リチウムイオン二次電池（二次電池）、
２１０    単電池セル（二次電池）、
２１１    負極活物質層、
２１２    正極活物質層、
２１３    イオン伝導層、
２１４    集電体、
２２０    発電要素、
２３０    ラミネートフィルム、
３００    電池モジュール（二次電池）、
３０１    電池モジュールのケース（金属のケース）、
１１００    インバータ。
【図１】
2010166800.tif 000003
【図２】
2010166800.tif 000004
【図３】
2010166800.tif 000005
【図４】
2010166800.tif 000006
【図５】
2010166800.tif 000007
【図６】
2010166800.tif 000008
【図７】
2010166800.tif 000009
【図８】
2010166800.tif 000010
【図９】
2010166800.tif 000011
【図１０】
2010166800.tif 000012
【図１１】
2010166800.tif 000013
【図１２】
2010166800.tif 000014
【図１３】
2010166800.tif 000015
【図１５】
2010166800.tif 000016
【図１７】
2010166800.tif 000017
【図１８】
2010166800.tif 000018
【図１９】
2010166800.tif 000019
【図１４】
2010166800.tif 000020
【図１６】
2010166800.tif 000021