(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蓄電手段を直列に接続されて構成された蓄電装置において、
上記の複数の蓄電手段とそれぞれ並列接続しうる複数の蓄電器と、
上記の各蓄電器を対応した各蓄電手段とそれぞれ並列接続させる第１の接続モード、及び、上記の各蓄電器を対応する蓄電手段に隣接した蓄電手段とそれぞれ並列接続させる第２の接続モードを選択的に繰り返し切り換える接続切換手段とをそなえ、
該接続切換手段による上記の第１及び第２の接続モードの切換周波数が、該蓄電器の抵抗値と電気容量に基づいて設定されていることを特徴とする、蓄電装置。
【請求項２】
該接続切換手段の該切換周波数が、該蓄電器の該抵抗値と該蓄電器の該電気容量との積で求められる時定数の略１／３の逆数以上に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車に用いて好適の、蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の実用性向上のための技術開発が進められているが、現在の電気自動車の電源としては、多数の蓄電池（以下、バッテリという）を直列接続したもの（組電池）を使用している。
このように多数の蓄電池を直列接続した組電池の場合、組電池の出力は、最も低い電圧の電池に依存するため、各電池を均等に使用することができず、各電池の能力を最大限に発揮させることができない。
【０００３】
ところで、リチウム電池のように、放電量に依存して出力電圧が決定されるものでは、各電池の電圧を等しくすることで、各電池の放電量（逆に言うと、充電量又は残存容量）を等しくすることができ、各電池の電圧が等しくなるように調整しながら、充電を行なうようにすればよい。
そこで、蓄電池（バッテリ）の電圧均衡化回路が従来から提供されており、図６に示すように構成されている。
【０００４】
図６に示す回路は、組電池の電圧均衡化回路の１セル分（あるいは１モジュール分）を抜粋したものであり、各バッテリに同回路が装備される。
そして、このような回路をそなえた状態での充電動作が行なわれるが、充電動作の末期に該回路による放電動作が行なわれる。
すなわち、充電の進行によりバッテリ１０１の端子電圧が上昇するが、この状態を電圧監視回路（電圧検出回路）１０４が監視しており、セルの両端電圧ＶＢが設定電圧以上になった場合に放電スイッチ１０２をオン状態（閉状態）に移行させる。
【０００５】
これにより、放電抵抗器１０３への通電が行なわれ、電気エネルギが熱に変換されることにより消費される。
この消費により、セル電圧ＶＢが設定電圧以下の電圧になれば、放電スイッチ１０２をオフ状態（開状態）に移行させることが行なわれる。
このような放電スイッチ１０２のオン，オフが繰り返されることにより、バッテリセルの電圧ＶＢは、設定電圧に調整される。
【０００６】
なお、実際の回路では、放電スイッチ１０２の代わりにパワートランジスタ等の電力素子を使用し、オンオフ制御ではなく、リニア制御により電圧を調整する等の方法が一般的である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の蓄電装置では、種々の課題がある。
すなわち、上述の回路による場合、設定電圧を超過したエネルギが放電抵抗器１０３により熱の形で浪費されてしまう。
このため、電力損失が大きくなるとともに、放熱対策を考慮しなければならないことが大きな問題となる。
【０００８】
また、充電の末期のセル電圧ＶＢが上昇した場合にだけ均衡化が可能であり、放電時や車両を使用していない間の空き時間などを利用した電圧均衡化を行なえないという課題がある。
したがって、ハイブリッド電気自動車のように発電走行時に満充電まで充電しないものには利用できない。
【０００９】
さらに、放電抵抗器や放熱板およびスイッチング用の素子など大容量のものを使用しなければならず、装置が大型化したり、放熱のために冷却装置が必要になるなど構造が単純にならないという課題もある。
これに対して、特開平６−３１９２８７号公報には、放電方式ではない均衡化回路を用いた技術が開示されている。
【００１０】
この技術は、直列接続された組電池の両端にコンデンサを接続して、各バッテリセル（充電単電池）を略均一に充電するものであるが、大容量コンデンサが必要であり、各バッテリセルの端子電圧を検出しながら所要の充電対象となるバッテリセルを選択する制御は制御ロジックが複雑である。
そこで、直列に接続されたバッテリに対して、各バッテリと対応した数のコンデンサを設け、各コンデンサを対応したバッテリとそれぞれ並列接続させる第１の接続モードと、上記の各コンデンサを対応するバッテリに隣接したバッテリとそれぞれ並列接続させる第２の接続モードとを交互に切り換えるようにすることで、各バッテリの電圧の均衡化を図ることが考えられる。
【００１１】
この場合は、コンデンサを介して電荷をバッテリ間で移動させることにより、各バッテリの電圧が均衡化されるのである。
しかしながら、このような構成では、コンデンサの仕様や各接続モードを切り換える切換周期（又は切換周波数）によって各バッテリの電圧均衡化時間が大きく変化するため、バッテリの性能を十分に引き出せない場合が考えられる。また、単に上記の切換周波数を高く設定すれば、電圧均衡化時間を短くすることが可能となるが、この場合には、モード切換時のスイッチング動作にともないエネルギ損失が大きくなってしまうという課題がある。
【００１２】
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、バッテリやコンデンサの仕様や性能に応じて効率良く複数のバッテリの電圧を均衡化するとともに、上述のスイッチング動作によるエネルギ損失を確実に防止しながら、複数の蓄電池の電圧均衡化時間を短縮することができるようにした、蓄電装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の蓄電装置は、複数の蓄電手段を直列に接続されて構成された蓄電装置において、上記の複数の蓄電手段とそれぞれ並列接続しうる複数の蓄電器と、上記の各蓄電器を対応した各蓄電手段とそれぞれ並列接続させる第１の接続モード、及び、上記の各蓄電器を対応する蓄電手段に隣接した蓄電手段とそれぞれ並列接続させる第２の接続モードを選択的に繰り返し切り換える接続切換手段とをそなえ、該接続切換手段による上記の第１及び第２の接続モードの切換周波数が、該蓄電器の抵抗値と電気容量に基づいて設定されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の本発明の蓄電装置は、請求項１記載の装置において、該接続切換手段の該切換周波数が、該蓄電器の該抵抗値と該蓄電器の該電気容量との積で求められる時定数の略１／３の逆数以上に設定されていることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態としての蓄電装置について説明すると、図１〜図５は本発明の一実施形態としての蓄電装置を示すものである。
まず、本実施形態の回路構成について説明すると、図１，図２に示すように、本蓄電装置では、複数の蓄電手段としての蓄電池（バッテリ）１１，１２が直列に接続されており、これにより組電池が構成されている。なお、この例では、２個のバッテリを接続した例を示しているが、勿論、バッテリ数はこれに限定されるものではない。
【００１６】
そして、各蓄電手段１１，１２に対してそれぞれ並列接続可能な複数の蓄電器（コンデンサ）Ｃ１１，Ｃ１２が設けられている。
さらに、各蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２と各蓄電池１１，１２との間には、接続切換手段としてのスイッチＳ１１〜Ｓ１４が介装されている。
ここで、蓄電池１１，１２の相互間には端子Ｓ１１Ｂ，Ｓ１２Ａ，Ｓ１３Ａ及びＳ１４Ｂが、蓄電池１１の一端側（端子Ａ側）には、端子Ｓ１１Ａ及びＳ１３Ｂが、蓄電池１２の他端側（端子Ｂ側）には、端子Ｓ１２Ｂ及びＳ１４Ａが、それぞれ接続されている。
【００１７】
また、蓄電器Ｃ１１の一端側には端子Ｓ１１Ａ又は端子Ｓ１１Ｂに選択的に接続切り換え可能なスイッチＳ１１が、又、蓄電器Ｃ１１の他端側には端子Ｓ１２Ａ又は端子Ｓ１２Ｂに選択的に接続切り換え可能なスイッチＳ１２がそれぞれ設けられている。
さらに、蓄電器Ｃ１２の一端側には端子Ｓ１３Ａ又は端子Ｓ１３Ｂに選択的に接続切り換え可能なスイッチＳ１３が、又、蓄電器Ｃ１２の他端側には端子Ｓ１４Ａ又は端子Ｓ１４Ｂに選択的に接続切り換え可能なスイッチＳ１４がそれぞれ設けられている。
【００１８】
そして、これらのスイッチＳ１１〜Ｓ１４は連動して切り換えられるように構成され、それぞれが端子Ｓ１１Ａ〜Ｓ１４Ａに接続した状態（第１の接続モードＭ１）と、それぞれが端子Ｓ１１Ｂ〜Ｓ１４Ｂに接続した状態（第２の接続モードＭ２）との間で、一斉に同期して切り換えられるように構成されている。
なお、第１の接続モードＭ１では、各蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２が、対応した各蓄電池１１，１２とそれぞれ並列接続された状態となり、第２の接続モードＭ２では、各蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２が、対応する蓄電池１１，１２に隣接した蓄電池１２，１１とそれぞれ並列接続された状態となる。
【００１９】
そして、スイッチＳ１１〜Ｓ１４による第１の接続モードＭ１又は第２の接続モードＭ２の切り換えを制御する制御手段１７が設けられており、この制御手段１７からの制御信号により所要の切り換え状態でモード切り換えを繰り返し行ないながら、各蓄電池１１，１２を電位差を等しくさせていくように構成されている。
【００２０】
ところで、蓄電池１１，１２に接続するコンデンサ（蓄電器）Ｃ１１，Ｃ１２の仕様やスイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数によって電圧の均衡化時間は大きく変化する。このため、各蓄電池１１，１２の電圧を均衡化して電池１１，１２の性能を十分に引き出すためには、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数の設定が重要となる。
【００２１】
一方、図３は一般的なコンデンサ（蓄電器）の充放電特性を示すグラフであるが、このグラフからもわかるように、コンデンサは、その特性上、充電開始時や放電開始時には電荷の変化（充放電速度）が比較的大きく、時間の経過とともに電荷の変化割合は緩やかなものとなる。
したがって、電荷の変化（充放電速度）が大きい範囲でスイッチＳ１１〜Ｓ１４を切り換えるほど均衡化時間を短くすることができる。すなわち、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周期を短くするほど、各蓄電池１１，１２を効率良く均衡化することができるのである。
【００２２】
しかしながら、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の動作時には必ずエネルギ損失が生じるため、切換周期を短くしすぎるとこのエネルギ損失が大きくなり、逆に効率が悪くなることも考えられる。
したがって、スイッチＳ１１〜Ｓ１４によるエネルギ損失をできるだけ抑制しながら、各蓄電池１１，１２の電圧を短時間で均衡化できるような切換周期（切換周波数）を設定する必要がある。
【００２３】
ここで、図４及び図５は、蓄電池１１，１２の電圧均衡化時間とスイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図であって、図４はコンデンサ（蓄電器）の抵抗を固定にして、コンデンサ容量を変更した場合の電圧均衡化時間を示す図、図５はコンデンサ（蓄電器）の電気容量を固定にして、コンデンサの抵抗を変更した場合の電圧均衡化時間示す図である。
【００２４】
これらの図４，図５に示すシミュレーション結果からもわかるように、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数をコンデンサの時定数（抵抗×容量）の略１／３の逆数〔即ち、３／（抵抗×容量）〕以上に設定すれば、コンデンサの容量や抵抗値によらず、均衡化時間はほとんど変化しない。したがって、コンデンサの時定数（抵抗×容量）の略１／３の逆数近傍に切換周波数を設定するのが効果的である。
【００２５】
そこで、本発明の蓄電装置では、制御手段１７によるスイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数を、蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２の抵抗値Ｒと電気容量Ｃとの積で求められる時定数の１／３の逆数（即ち、３／時定数）に設定しているのである。なお、この切換周波数は、蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２の時定数の１／３の逆数に限定されるものではなく、例えば蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２の時定数の略１／３の逆数以上に設定されていればよい。ただし、切換周波数を大きくしすぎると、上述したようにスイッチＳ１１〜Ｓ１４によるエネルギ損失が大きくなるので、３／時定数程度が好ましい。
【００２６】
なお、本実施形態では、接続切換手段を機械的なスイッチＳ１１〜Ｓ１４で構成しているが、実際の回路構成では、制御性や耐久性を考慮すると、トランジスタ等の半導体素子による半導体切り換え手段（半導体スイッチ）により構成することが考えられる。この場合には、機械的なスイッチよりもスイッチング動作によるエネルギ損失を小さくすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の蓄電装置は、電気自動車用電源として用いられる組電池（＝複数の蓄電池を接続してなる電池）に適用しうるものである。現状の電気自動車の場合、一般に２０〜３０個程度のバッテリを直列に接続した組電池が使用されるが、本蓄電装置は当然ながらこのような多数のバッテリからなる組電池にも適用しうる。
【００２８】
本発明の一実施形態としての蓄電装置は、上述のように構成されているので、次のような動作が行なわれる。
まず、電源投入時、即ち、イグニッションキーオン時や各蓄電池１１，１２の端子Ａ，Ｂ間に充電用の電圧が印加されると、スイッチＳ１１〜Ｓ１４が制御手段１７からの制御信号により連動して切り換えられ、端子Ｓ１１Ａ〜Ｓ１４Ａへの接続状態と、端子Ｓ１１Ｂ〜Ｓ１４Ｂへの接続状態とが、交互に一斉に切り換えられる。
【００２９】
これにより、各蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２が対応した各蓄電池１１，１２とそれぞれ並列接続する第１の接続モードＭ１と、各蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２が対応する蓄電池１１，１２に隣接した蓄電池１２，１１とそれぞれ並列接続する第２の接続モードＭ２とが選択的に切り換えられる。
そして、このような接続切換手段としてのスイッチＳ１１〜Ｓ１４による第１の接続モードＭ１と第２の接続モードＭ２との切り換えが、制御手段７からの制御信号により所要の周期で繰り返し行なわれることで、各蓄電池１１，１２の電位差が次第に等化されていくのである。
【００３０】
また、このとき、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の切換周波数は、蓄電器Ｃ１１，Ｃ１２の抵抗値Ｒと電気容量Ｃとの積で求められる時定数の略１／３の逆数に設定されており、これにより、スイッチング動作によるエネルギ損失を防止しながら電圧の均衡化時間を短縮することができる利点がある。
ここで、上述の各蓄電池１１，１２の電位差を等しくさせる制御動作を説明する。
【００３１】
まずはじめに、電池１の電圧がＶ１、電池２の電圧がＶ２（Ｖ１＞Ｖ２）であったものとする。
図１に示すように、スイッチＳ１１，Ｓ１２が左側へ揺動され、それぞれ端子Ｓ１１Ａ，Ｓ１２Ａに接続されて、コンデンサＣ１１と蓄電池１１とが並列接続になると、蓄電池１１の電圧及びコンデンサＣ１１の電位差はそれぞれＶ１′となる。このＶ１′は、Ｖ１よりも電池１からコンデンサへ流入した電荷に応じた分（微小量）ｖ１  だけ低い電圧（＝Ｖ１−ｖ１  ）である。
【００３２】
次に、図２に示すように、スイッチＳ１１，Ｓ１２が右側へ揺動され、端子Ｓ１１Ｂ，Ｓ１２Ｂに接続されて、コンデンサＣ１１と蓄電池１２とが並列接続になると、蓄電池１２の電圧及びコンデンサＣ１１の電位差はそれぞれＶ２′となる。このＶ２′は、Ｖ２よりも電池２からコンデンサへ流入した電荷分（微小量）ｖ２  だけ高い電圧（＝Ｖ２＋ｖ２  ）である。
【００３３】
このようにして、コンデンサＣ１１を介し、電池１１から電池１２へ電荷が移送されて電池１１の電圧はＶ１から徐々に減少し、電池１２の電圧はＶ２から徐々に増加して、やがて電池１１，電池１２の電圧は等しい値Ｖ１２（Ｖ１＞Ｖ１２＞Ｖ２）となるのである。
このように、本装置では、コンデンサＣ１１，Ｃ１２を介して電荷を移動することにより各電池１１，１２の電圧を均衡化するため、大きな発熱要素が存在せず、発熱によるエネルギ損失を回避した状態での均衡化が実現される。
【００３４】
また、組電池への満充電までの充電中に限らず、すべての状態で均衡化の動作を行なうことができるため、放電中や電池未使用時等においても均衡化の動作を行なわせることができる。もちろん、ハイブリッド電気自動車のように発電走行時に満充電まで充電しないものにも利用することができる。
ところで、このような回路を実際に適用する場合には、効率がよく動作が確実で耐久性のよいことが必要となるが、このような具体的条件を考慮すると、スイッチＳ１１〜Ｓ１４には電力素子（ＦＥＴあるいはＩＧＢＴ）等のスイッチングロスが極力小さなものを使用し、制御手段７に外部発振回路等により自動的にスイッチＳ１１〜Ｓ１４の切り換え動作を行なわせる回路を装備することが好ましい。
【００３５】
また、本蓄電装置は、蓄電手段としてバッテリに代えてコンデンサ（蓄電器）を用いるようにした組蓄電器にも適用しうるものである。つまり、複数の直列接続された蓄電池（バッテリ）からなる組電池に代えて、複数の直列接続された蓄電器（コンデンサ）からなる組蓄電器に適用することも考えられる。
そして、組電池状態又は組蓄電器状態にした場合にセル電圧のばらつきによる各種不具合が顕著化しやすいバッテリや電気二重層コンデンサなどについて上述の構造を採用し、電圧均衡化回路を構成すれば、大きなエネルギ損失の発生なしに常時電圧の均衡化を行なえるシステムを実現できるようになる。
【００３６】
本回路の作動を常時ではなく、バッテリセル電圧モニタなどにより、任意の必要な時期に電圧を均衡化する方法等を具現化することができる。
特に、リチウムイオン電池に本回路を適用することにより、リチウムイオン電池の能力を１００パーセント引き出した上での、安全性の確保が容易になる。
なお、セル電圧のアンバランスが大きい場合から小さくなった場合に移行するに従い、制御手段による接続モード切り換えの速度を変化させることにより、電圧均衡化の所要時間を短縮させることもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の蓄電装置によれば、接続切換手段による第１及び第２の接続モードの切換周波数が、該蓄電器の抵抗値と電気容量に基づいて設定されるので、蓄電池や蓄電器の仕様や性能に応じて効率良く複数の蓄電池の電圧均衡化を行なうことができる利点がある。
【００３８】
また、請求項２記載の本発明の蓄電装置によれば、上記請求項１の効果に加えて、スイッチング動作によるエネルギ損失を確実に防止しながら、複数の蓄電池の電圧均衡化時間を短縮することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての蓄電装置の要部構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態としての蓄電装置の動作を説明するための図１に対応した回路図であり、図１とは異なる動作態様を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態としての蓄電装置における一般的なコンデンサ（蓄電器）の充放電特性を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態としての蓄電装置における蓄電池の電圧均衡化時間とスイッチの切換周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図であって、蓄電器の抵抗を固定にして蓄電器の電気容量を変更した場合の電圧均衡化時間を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態としての蓄電装置における蓄電池の電圧均衡化時間とスイッチの切換周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図であって、蓄電器の電気容量を固定にして、蓄電器の抵抗を変更した場合の電圧均衡化時間示す図である。
【図６】従来の蓄電装置を示す模式的回路図である。
【符号の説明】
１１，１２  蓄電手段としての蓄電池（二次電池又はバッテリ）
１７  制御手段
Ｃ１１〜Ｃ１２  蓄電器（コンデンサ）
Ｓ１１〜Ｓ１４  接続切換手段としてのスイッチ
Ｓ１１Ａ〜Ｓ１４Ａ，Ｓ１１Ｂ〜Ｓ１４Ｂ  端子
【図１】
0003557840.tif 000002
【図２】
0003557840.tif 000003
【図３】
0003557840.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003557840.tif 000006
【図６】
0003557840.tif 000007