(57)【要約】【課題】複数の二次電池セルを組み合わせた二次電池装置において、出力電力の安定性および個々の二次電池セルの安全性を共に高める。【解決手段】二次電池装置１００は、複数の二次電池セルが直列接続された直列回路を複数、備える。複数の直列回路は並列接続される。隣り合う直列回路の対応するノード間が過渡電流を制限するための電流制限素子を介して接続される。電流制限素子として、コイルまたはＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタを使用できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池セルが直列接続された直列回路を複数備え、
前記複数の直列回路が並列接続されるとともに、隣り合う直列回路の対応するノード間が、過渡電流を制限するための電流制限素子を介して接続されることを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記電流制限素子は、コイルであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池装置。
【請求項３】
前記電流制限素子は、ＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の二次電池セルを含む二次電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量の二次電池（蓄電池ともいう）の需要が拡大している。とくに、電気自動車、ハイブリット車（プラグインハイブリッド車を含む）などの自動車用途や、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーにもとづき発電された電力を蓄積する蓄電用途が拡大している。また、事業用だけでなく家庭用の蓄電システムも実用化されている。
【０００３】
二次電池を大容量化するには、複数の二次電池セルを組み合わせて使用する必要がある。多数の二次電池セルをすべて直列接続した場合、出力電圧が高くなりすぎてしまう。そこで、所望の出力電圧に対応する数の二次電池セルを直列接続した直列回路を複数、並列接続する手法が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１は、従来技術に係る二次電池装置１００の構成例を示す。図１に示す例では、二次電池セルを４つ直列接続した直列回路が３つ設けられ、その３つの直列回路が並列接続される。第１直列回路は、第１二次電池セルＳ１１、第２二次電池セルＳ１２、第３二次電池セルＳ１３および第４二次電池セルＳ１４が直列接続されて構成される。第２直列回路は、第５二次電池セルＳ２１、第６二次電池セルＳ２２、第７二次電池セルＳ２３および第８二次電池セルＳ２４が直列接続されて構成される。第３直列回路は、第９二次電池セルＳ３１、第１０二次電池セルＳ３２、第１１二次電池セルＳ３３および第１２二次電池セルＳ３４が直列接続されて構成される。
【０００５】
第１二次電池セルＳ１１の負極と第２二次電池セルＳ１２の正極との間の第１ノードＮ１１と、第５二次電池セルＳ２１の負極と第６二次電池セルＳ２２の正極との間の第４ノードＮ２１とが配線により接続される。他の隣り合う直列回路の対応するノード間も同様に配線により接続される。すなわち、直列数が４、並列数が３の合計１２の二次電池セルＳ１１〜Ｓ３４がいわゆるマトリクス配線されている。
【０００６】
このように、隣り合うノード間を接続することにより、二次電池装置１００全体が自動平衡作用を持つことになる。したがって、個々の二次電池セルのばらつきが吸収され、各直列回路から出力される電圧のばらつきが小さくなる。また、ある二次電池セルに不具合が発生しても、その二次電池セルをバイパスするように電流が流れるため、その不具合の影響を小さくできる。ノード間が接続されていない場合、その二次電池セルを含む直列回路全体が影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５３３０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図１に示す回路構成においてノード間に大電流が流れると、大電流が流入した二次電池セルに不具合が発生する可能性がある。一般に、二次電池セルは過充電されると寿命が短くなる。ある二次電池セルを交換する際、新しく取り付けた二次電池セルと、隣り合う二次電池セルとの間に電位差がある場合、取り付けた瞬間に突入電流が発生する。
【０００９】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の二次電池セルを組み合わせた二次電池装置において、出力電力の安定性および個々の二次電池セルの安全性を共に高める技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様の二次電池装置は、複数の二次電池セルが直列接続された直列回路を複数備える。複数の直列回路が並列接続されるとともに、隣り合う直列回路の対応するノード間が、過渡電流を制限するための電流制限素子を介して接続される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数の二次電池セルを組み合わせた二次電池装置において、出力電力の安定性および個々の二次電池セルの安全性を共に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術に係る二次電池装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る二次電池装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る二次電池装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１、２に係る二次電池装置の適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２は、本発明の実施の形態１に係る二次電池装置１００の構成例を示す。図２に示す二次電池装置１００は、図１に示す二次電池装置１００と同様に、二次電池セルを４つ直列接続した直列回路が３つ設けられ、その３つの直列回路が並列接続される。各直列回路の正極（図２では、第１二次電池セルＳ１１、第５二次電池セルＳ２１および第９二次電池セルＳ３１の正極）は結合され入出力端子に接続される。また、各直列回路の負極（図２では、第４二次電池セルＳ１４、第８二次電池セルＳ２４および第１２二次電池セルＳ３４の負極）はグラウンドに接続される。
【００１４】
各直列回路に含まれる二次電池セルの数、および並列接続される直列回路の数は任意であり、設計者により決定される。二次電池セルにはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池などを採用できる。本実施の形態ではリチウムイオン電池を採用する例を説明する。
【００１５】
第１二次電池セルＳ１１の負極と第２二次電池セルＳ１２の正極との間の第１ノードＮ１１と、第５二次電池セルＳ２１の負極と第６二次電池セルＳ２２の正極との間の第４ノードＮ２１とが電流制限素子を介して接続される。他の隣り合う直列回路の対応するノード間も同様に電流制限素子を介して接続される。隣り合う直列回路の対応するノードとは、段数が同じノードを指す。
【００１６】
電流制限素子は過渡電流を制限するための素子である。過渡電流とは過渡現象時に発生する電流であり、上述した二次電池セルの交換時や、絶縁された端子にサージ電圧が印加された場合などに発生する。突入電流やサージ電流などの大電流は制限する必要があるが、上述した自動平衡作用を発揮させるためには、隣り合うノード間で小電流が流れる必要がある。たとえば、隣り合う二次電池セル間で、定格電圧が異なっていたり、経時変化などにより満充電容量が異なっていたり、二次電池セルの交換などによりＳＯＣ（State Of Charge）が異なっている場合、隣り合う二次電池セル間に電位差が生じる。両者の正極同士および負極同士が電気的に接続されていることにより、両者間に電流が流れ、その電位差が解消される。
【００１７】
実施の形態１では、上述の電流制限素子としてコイル（インダクタともいう）を使用する。コイルは定常的な直流電流に対しては抵抗として作用しないが、電流が変化したとき抵抗として作用する。すなわち、コイルは電流の平滑化作用を持つため、上述の電流制限素子として好適な素子である。
【００１８】
図２に示す例では、第１ノードＮ１１と第４ノードＮ２１とが第１コイルＬ１１を介して接続され、第２ノードＮ１２と第５ノードＮ２２とが第２コイルＬ１２を介して接続され、第３ノードＮ１３と第６ノードＮ２３とが第３コイルＬ１３を介して接続され、第４ノードＮ２１と第７ノードＮ３１とが第４コイルＬ２１を介して接続され、第５ノードＮ２２と第８ノードＮ３２とが第５コイルＬ２２を介して接続され、第６ノードＮ２３と第９ノードＮ３３とが第６コイルＬ２３を介して接続される。
【００１９】
図３は、本発明の実施の形態２に係る二次電池装置１００の構成例を示す。図３に示す二次電池装置１００は、上述の電流制限素子としてコイルではなく、ＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタを使用する例である。ＰＴＣサーミスタは温度の上昇に対して抵抗値が増大するサーミスタである。電流が流れると自己発熱によって抵抗値が増大し、電流が流れにくくなる。大電流による自己発熱量が大きくなるほど、電流が流れにくくなるため、上述の電流制限素子として好適な素子である。
【００２０】
図３に示す例では、第１ノードＮ１１と第４ノードＮ２１とが第１ＰＴＣサーミスタＴ１１を介して接続され、第２ノードＮ１２と第５ノードＮ２２とが第２ＰＴＣサーミスタＴ１２を介して接続され、第３ノードＮ１３と第６ノードＮ２３とが第３ＰＴＣサーミスタＴ１３を介して接続され、第４ノードＮ２１と第７ノードＮ３１とが第４ＰＴＣサーミスタＴ２１を介して接続され、第５ノードＮ２２と第８ノードＮ３２とが第５ＰＴＣサーミスタＴ２２を介して接続され、第６ノードＮ２３と第９ノードＮ３３とが第６ＰＴＣサーミスタＴ２３を介して接続される。
【００２１】
図４は、本発明の実施の形態１、２に係る二次電池装置１００の適用例を示す図である。図４では蓄電システムに適用する例を説明する。当該蓄電システムは、実施の形態１、２に係る二次電池装置１００、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２００および充放電回路２５０を備える。
【００２２】
双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２００は、需要家構内の電力線と充放電回路２５０との間に接続される。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２００は、電力系統３００から供給される交流電力を直流電力に変換する。充放電回路２５０はこの直流電力を二次電池装置１００に充電する。また、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２００は、充放電回路２５０により二次電池装置１００から放電された直流電力を交流電力に変換し、需要家構内の電力線に出力する。この交流電力は、需要家構内の負荷４００で消費される。
【００２３】
以上説明したように実施の形態１、２によれば、複数の二次電池セルを組み合わせた二次電池装置１００において、隣り合う直列回路の同じ段数のノード間を電流制限素子を介して接続することにより、出力電力の安定性および個々の二次電池セルの安全性を共に高めることができる。すなわち、同じ段数のノード間を電気的に接続することにより、自動平衡作用が発揮され、個々の二次電池セルのばらつきが吸収され、二次電池装置１００全体の出力電力も安定化する。
【００２４】
また、電流制限素子を介して接続することにより、大電流を制限または抑制することができ、個々の二次電池セルに大電流が流入することを抑制し、個々の二次電池セルを保護することができる。とくに、ある二次電池セルの交換時に発生しやすい突入電流の抑制に効果的である。
【００２５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００２６】
上述した実施の形態では、電流制限素子としてコイルとＰＴＣサーミスタの例を挙げたが、それらの素子に限るものではない。たとえば、フューズであってもよい。その他、過電流保護作用を持つ素子であれば何でもよい。
【００２７】
ＰＴＣサーミスタはコイルより電流制限能力が高いが高価であるため、すべての隣り合うノード間にＰＴＣサーミスタを接続するのではなく、一部のノード間にＰＴＣサーミスタを使用し、残りのノード間にコイルを使用してもよい。たとえば、グラウンドに近い段の二次電池セルより、入出力端子に近い段の二次電池セルのほうがサージ電圧が印加される可能性が高いため、入出力端子から所定の段数の隣り合うノード間にＰＴＣサーミスタを使用し、残りのノード間にコイル、フューズなどを使用してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１００  二次電池装置、  Ｓ１１  第１二次電池セル、  Ｓ１２  第２二次電池セル、  Ｓ１３  第３二次電池セル、  Ｓ１４  第４二次電池セル、  Ｓ２１  第５二次電池セル、  Ｓ２２  第６二次電池セル、  Ｓ２３  第７二次電池セル、  Ｓ２４  第８二次電池セル、  Ｓ３１  第９二次電池セル、  Ｓ３２  第１０二次電池セル、  Ｓ３３  第１１二次電池セル、  Ｓ３４  第１２二次電池セル、  Ｎ１１  第１ノード、  Ｎ１２  第２ノード、  Ｎ１３  第３ノード、  Ｎ２１  第４ノード、  Ｎ２２  第５ノード、  Ｎ２３  第６ノード、  Ｎ３１  第７ノード、  Ｎ３２  第８ノード、  Ｎ３３  第９ノード、  Ｌ１１  第１コイル、  Ｌ１２  第２コイル、  Ｌ１３  第３コイル、  Ｌ２１  第４コイル、  Ｌ２２  第５コイル、  Ｌ２３  第６コイル、  Ｔ１１  第１ＰＴＣサーミスタ、  Ｔ１２  第２ＰＴＣサーミスタ、  Ｔ１３  第３ＰＴＣサーミスタ、  Ｔ２１  第４ＰＴＣサーミスタ、  Ｔ２２  第５ＰＴＣサーミスタ、  Ｔ２３  第６ＰＴＣサーミスタ、  ２００  双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ、  ２５０  充放電回路、  ３００  電力系統、  ４００  負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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