(57)【要約】【課題】複数の二次電池が複数の負荷のそれぞれにエネルギーを供給する場合に、全ての負荷へのエネルギー供給を継続できるようにする。【解決手段】本実施形態に係る二次電池システムは、第１の負荷５，第２の負荷１３にエネルギーを供給する複数の二次電池ユニット３，１１と、二次電池ユニットの電圧を検出する電圧検出手段６，１４と、二次電池ユニットの充放電電流を検出する電流検出手段７，１５と、スイッチ手段１８および電流制限手段１９を介して二次電池ユニット間を接続するバイパス手段２０と、電圧検出手段および充放電電流検出手段の検出信号から二次電池ユニットのエネルギー残量を演算するエネルギー残量演算手段８，１６と、いずれかの二次電池ユニットのエネルギー残量が所定の閾値を下回る場合は、バイパス手段のスイッチ手段をオンにするエネルギー移動判定手段１７とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の負荷のそれぞれにエネルギーを供給する複数の二次電池ユニットと、
前記二次電池ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記二次電池ユニットの充放電電流を検出する電流検出手段と、
スイッチ手段および電流制限手段を介して前記二次電池ユニット間を接続するバイパス手段と、
前記電圧検出手段および前記電流検出手段の検出信号から前記二次電池ユニットのエネルギー残量を演算する演算手段と、
いずれかの二次電池ユニットのエネルギー残量が所定の閾値を下回る場合は、前記バイパス手段のスイッチ手段をオンにする制御手段と
を具備することを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
前記電流制限手段はＤＣ／ＤＣコンバータを含む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】
前記電流制限手段は抵抗器を含むことを特徴とする請求項１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】
本発明の実施形態は、複数の負荷にエネルギーを供給する複数の二次電池を備える二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池の利用が広がる中、異なる用途の蓄電池を複数備えたシステムが現れ始めている。これまでは一方の蓄電池を完全放電した場合、蓄電池の放電を停止して予め設定した一定値にエネルギー量が回復するまで充電器から電池を充電しなければならなかった。
【０００３】
そこで、一方の蓄電池を完全放電した場合はスイッチを用いて電気的接続を他の蓄電池に切替えることで放電を継続するといった提案がなされている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０１５４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スイッチを用いて蓄電池の電気的接続を切替える場合、他の用途に使用していた電池なら、他の用途から切り離す必要がある。この場合は他の用途へのエネルギー供給が途絶えてエネルギー供給できなくなるといった制約が生じてしまう。
【０００６】
または他の用途では使用せずに、ある特定の用途に対して先にスイッチを用いて電気的に接続された蓄電池のバックアップ的存在として、常時は充電状態のまま放置され、先に放電した蓄電池が完全放電した場合に接続を切替えてエネルギーの供給を継続するといった方法もある。この場合はバックアップ電池が使用されるタイミングが限定的であり、この蓄電池の稼働率は低いものとなってしまう。
【０００７】
本実施形態の目的は、複数の二次電池が複数の負荷のそれぞれにエネルギーを供給する場合に、全ての負荷へのエネルギー供給を継続できる二次電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態に係る二次電池システムは、複数の負荷のそれぞれにエネルギーを供給する複数の二次電池ユニットと、前記二次電池ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池ユニットの充放電電流を検出する電流検出手段と、スイッチ手段および電流制限手段を介して前記二次電池ユニット間を接続するバイパス手段と、前記電圧検出手段および前記電流検出手段の検出信号から前記二次電池ユニットのエネルギー残量を演算する演算手段と、いずれかの二次電池ユニットのエネルギー残量が所定の閾値を下回る場合は、前記バイパス手段のスイッチ手段をオンにする制御手段とを具備するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る二次電池システムを示す回路図。
【図２】エネルギー残量演算手段での演算の一例を示す図。
【図３】エネルギー移動判定手段の処理を示すフローチャート。
【図４】第２実施形態に係る二次電池システムを示す回路図。
【図５】制御回路で行う制御ブロックの一例を示す図。
【図６】第３実施形態に係る二次電池システムを示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る二次電池システムを説明する。  
（第１実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る二次電池システムを示す回路図である。図１において、この装置は、電池セル１、電池モジュール２、電池ユニット３、電池ユニット３を充電するための充電器４、電池ユニット３のエネルギーで駆動する第１の負荷５、電池セル１の電圧を検出する電圧検出手段６、電池ユニット３の充放電電流を検出する電流検出手段７、電圧検出手段６と電流検出手段７の情報を入力しエネルギー残量を演算するエネルギー残量演算手段８、電池セル９、電池モジュール１０、電池ユニット１１、電池ユニット１１を充電するための充電器１２、電池ユニット１１のエネルギーで駆動する第２の負荷１３、電池セル９の電圧を検出する電圧検出手段１４、電池ユニット１１の充放電電流を検出する電流検出手段１５、電圧検出手段１４と電流検出手段１５の情報を入力しエネルギー残量を演算するエネルギー残量演算手段１６、エネルギー残量演算手段８とエネルギー残量演算手段１６のエネルギー残量情報を入力して、エネルギー残量の多い電池ユニットからエネルギー残量の少ない電池ユニットへとエネルギーの移動を行うことを判定するエネルギー移動判定手段１７、スイッチ手段１８、電流制限手段１９およびスイッチ手段１８と電流制限手段１９を直列接続して成るバイパス手段２０を有する。
【００１１】
図１において、電池モジュール２は内部に電池セル１を並列接続もしくは直列接続して構成し、この電池モジュールを１個もしくは複数個直列接続して電池ユニット３を構成する。電池ユニット３は充電器４から充電を受け、第１の負荷５に対してエネルギーを供給する。充電器４と第１の負荷５の間に蓄電池が介在する目的は、充電器４の出力以上に第１の負荷５の消費電力が大きい場合に充電器４で不足する電力を電池ユニット３が補完するケースや、充電器４が常時出力できずに、充電器４が出力を停止している間に電池ユニット３が第１の負荷５に電力を供給するケース等が考えられる。いずれの場合においても、第１の負荷５の全エネルギー消費は電池ユニット３が賄い、充電器４は電池ユニット３を充電するために存在するといった仕組みが成立する。電圧検出手段６は電池ユニット３の内部にある電池セル１の電圧を検出し、その情報をエネルギー残量演算手段８へと送付する。また電流検出手段７は電池ユニット３の充放電電流を検出し、その情報をエネルギー残量演算手段８へと送付する。
【００１２】
図２にエネルギー残量演算手段８での演算の一例を示す。図２において、エネルギー残量演算手段８は、積分器２１、ホールド回路２２、および演算回路２３を有する。積分器２１は、電流検出手段７から出力される充放電電流値を積算して電池ユニット３が持つエネルギー量の増減を演算する。このとき、電圧検出手段６の出力信号から、セル電圧が予め設定した満充電電圧に到達した場合は積分器２１の積分値をリセットする。これにより電池ユニットを放電する場合に満充電状態からどれだけの電流量を放電したのかを演算することができる。ホールド回路２２は電圧検出手段６の出力信号から、セル電圧が予め設定した完全放電電圧に到達した場合は積分器２１の出力信号をホールドする。これによりホールド回路２２には最新の満充電から完全放電までの電流積算値が保持される。演算回路２３では積分器２１が出力する充放電電流の積算値をホールド回路２２がホールドした電流容量で割り、その値を１から引くことで電池ユニット３のエネルギー残量を容量ベースで求めることができる。
【００１３】
ここまで電池ユニット３について構成とエネルギー残量演算手段８でのエネルギー残量の求め方を説明したが、電池ユニット１１についても、その構成とエネルギー残量演算手段１６でのエネルギー残量の求め方は同一である。
【００１４】
エネルギー移動判定手段１７は、エネルギー残量演算手段８とエネルギー残量演算手段１６のエネルギー残量情報を入力して、各電池ユニット３，１１のエネルギー残量を把握し、特定の電池ユニットのエネルギー残量が予め設定した設定値よりも低く、かつもう一方の電池ユニットにエネルギーを放電する余裕がある場合に、他の電池ユニットとの間に接続されたバイパス手段２０のスイッチ手段１８をオンして電池間でエネルギーを移動させる。このときバイパス回路２０にスイッチ手段１８のみしか備えられていないと、電池ユニット間の電圧差によって過大な電流が流れる可能性がある。そこでバイパス回路２０はスイッチ手段１８と直列に電流制限手段１９を備えている。
【００１５】
図３は、エネルギー移動判定手段１７の処理を示すフローチャートである。ここでの各電池ユニット３，１１におけるエネルギー残量はあくまでも説明上の設定例であり、実際には電池ユニットの電池容量や稼動時間等から決定する。また、例えば、電池ユニット３のエネルギー移動設定値を３０％、電池ユニット１１のエネルギー移動設定値を２０％とする。
【００１６】
図３のステップＳ１において、エネルギー移動判定手段１７は、エネルギー残量演算手段８から入力される電池ユニット３のエネルギー残量がエネルギー移動設定値３０％を下回ると判定すると、ステップＳ２で電池ユニット１１のエネルギー残量を確認して予め設定した移動可能エネルギー残量値５０％を上回っていれば、スイッチ１８をオンして電池ユニット１１から電池ユニット３へとエネルギーを移動する（ステップＳ５）。
【００１７】
一方、ステップＳ１において電池ユニット３のエネルギー残量が３０％を上回っている場合またはステップＳ２で電池ユニット１１のエネルギー残量が５０％を下回る場合は、エネルギー移動判定手段１７は、電池ユニット１１のエネルギー残量を確認する。ステップＳ３で電池ユニット１１のエネルギー残量がエネルギー移動設定値２０％を下回ると判定すると、ステップＳ４で電池ユニット３のエネルギー残量を確認して予め設定した移動可能エネルギー残量値６０％を上回っていれば、スイッチ１８をオンして電池ユニット３から電池ユニット１１へとエネルギーを移動する（ステップＳ５）。
【００１８】
ステップＳ３で電池ユニット１１のエネルギー残量が２０％を上回る場合またはステップＳ４で電池ユニット３のエネルギー残量が６０％を下回る場合は、エネルギー移動判定手段１７はスイッチ１８をオフにしてエネルギー移動を停止する（ステップＳ６）。
【００１９】
以上述べたように、上記第１実施形態によれば、異なる用途の蓄電池を複数備えたシステムにおいて、蓄電池間をスイッチと電流制限手段で構成したバイパス手段で接続し、各蓄電池のエネルギー残量を演算して、そのエネルギー残量が少なくなった場合はエネルギー残量の多い蓄電池からエネルギー残量の少ない蓄電池へバイパス手段を介してエネルギーを移動することができる。
【００２０】
これにより、複数の蓄電池がそれぞれの用途へ行っているエネルギー供給を止めることなく、エネルギー残量の少なくなった蓄電池はエネルギー残量の多い他の蓄電池からエネルギーの供給を受けて自用途へのエネルギー供給を継続することができるようになる。
【００２１】
（第２実施形態）  
図４は、第２実施形態に係る二次電池システムを示す回路図である。第２実施形態の構成は、上記図１のバイパス手段２０の電流制限手段１９をＤＣ／ＤＣコンバータ３０で構成したものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、自己消弧形素子２４，２５、リアクトル２６、直流コンデンサ２７、電流検出手段２８、および制御回路２９を備える。
【００２２】
図４に示すように、自己消弧形素子２４，２５は直列に接続し、その中間はリアクトル２６を介して電池ユニット１１の正極側端子と接続する。自己消弧形素子２４のアノード側はスイッチ手段１８と接続し、自己消弧形素子２５のカソード側は電池ユニット３，１１の共通負極側端子と接続する。自己消弧形素子２４，２５の両端は直流コンデンサ２７の正極側と負極側で接続し、自己消弧形素子がオン・オフすることで生じる電流リプルを吸収する。電流検出手段２８の検出した電流信号は制御回路２９に入力される。
【００２３】
制御回路２９はエネルギー移動判定手段１７からの出力信号を受け、電池ユニット３，１１間のエネルギー移動を行う場合は自己消弧形素子２４および自己消弧形素子２５をオン・オフしてエネルギーの移動を行う。またスイッチ手段１８はエネルギー移動判定手段１７の信号に応じてオン・オフを行う。
【００２４】
図５に、制御回路２９で行う制御ブロックの一例を示す。図５において、制御回路２９は、電流指令値３１、引算器３２、ＰＩ制御３３、ＰＷＭ制御３４、ゲート信号３５を有する。
【００２５】
図５において、引算器３２は、電流指令値３１の出力と電流検出手段２８が検出した電流値との差を求める。ＰＩ制御３３は、引算器３２の出力をもとに制御信号を生成するが、ＰＩ制御３３にはエネルギー移動判定手段１７の信号も入力され、エネルギー移動判定手段１７の出力信号がオフの場合はＰＩ制御の積分量をリセットしておく。ＰＷＭ制御３４は、ＰＩ制御３３の出力をもとにＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は、ゲート信号３５で自己消弧形素子２４をオン・オフする信号へと変換される。このゲート信号３５ではエネルギー移動判定手段１７の出力信号を入力し、エネルギー移動判定手段１７の出力信号がオフの場合はゲート信号の出力はオフとして出力する。
【００２６】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バイパス手段２０を介して電池ユニット間を移動するエネルギーの電流量を制御することができ、電池ユニットの充放電に適した電流を放電および充電することが可能となる。
【００２７】
電池ユニット３と電池ユニット１１との間でエネルギー移動の電流量をコントロールすることによるメリットは、通電電流の最大電流を設定できることから、スイッチ１８や半導体２４および２５、またリアクトル２６などバイパス手段２０で使用する部品の定格を最大電流から適切に設定することができ、部品のスペックを過剰とならず適切に選定することができる。さらに、エネルギー移動の電流量をコントロールすることで、エネルギー移動に要する時間を詳細にコントロールできるようになり、最大電流一定でのエネルギー移動を継続してエネルギー移動に要する時間を極力短縮することもできる。また電池電圧の上昇に合わせて電流を増減させて一方の電池ユニットでは一定電力でのエネルギー移動も可能となる。
【００２８】
（第３実施形態）  
図６は、第３実施形態に係る二次電池システムを示す回路図である。第３実施形態の構成は、上記図１のバイパス手段２０の電流制限手段１９を抵抗器３６で構成したものである。  
図６において、電池ユニット３，１１の出力電圧が全く同一であれば電池ユニット間をスイッチ手段１８で接続しても電池ユニット間に電流は流れない。電池ユニット間に電圧差が生じている場合は、通電電流＝電圧差／抵抗値の電流が流れる。バイパス手段２０がスイッチ手段１８のみの場合は抵抗値が十分小さいことから、通電電流は過大な電流になる場合が生じる。
【００２９】
そこで、電池ユニット間で生じる最大電圧差と通電可能な電流値から、予めスイッチ手段１８と直列に通電電流を制限するための抵抗器３６を接続しておく。これにより、複雑な追加回路が無くてもバイパス電流値を目標電流以下として電池ユニット間でエネルギーを移動することができる。
【００３０】
なお、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。
【符号の説明】
【００３１】
１…電池セル、２…電池モジュール、３…電池ユニット、４…充電器、５…第１の負荷、６…電圧検出手段、７…電流検出手段、８…エネルギー残量演算手段、９…電池セル、１０…電池モジュール、１１…電池ユニット、１２…充電器、１３…第２の負荷、１４…電圧検出手段、１５…電流検出手段、１６…エネルギー残量演算手段、１７…エネルギー移動判定手段、１８…スイッチ手段、１９…電流制限手段、２０…バイパス手段、２１…積分器、２２…ホールド回路、２３…演算回路、２４…自己消弧形素子、２５…自己消弧形素子、２６…リアクトル、２７…直流コンデンサ、２８…電流検出手段、２９…制御回路、３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１…電流指令値、３２…引算器、３３…ＰＩ制御、３４…ＰＷＭ制御、３５…ゲート信号、３６…抵抗器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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