(57)【要約】【課題】二次電池の過放電を確実に防ぐことが可能な二次電池の放電回路等を提供する。【解決手段】二次電池Ｂの放電回路１は、二次電池Ｂの端子間に接続される放電素子Ｒと、放電素子Ｒと直列に二次電池Ｂの端子間に接続され、放電素子Ｒを流れる電流を制御するスイッチ素子Ｓと、放電素子Ｒ及びスイッチ素子Ｓと直列に二次電池Ｂの端子間に接続され、二次電池Ｂの放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一つ以上の一方向性素子Ｄとを備える。一方向性素子Ｄは、例えば、ダイオードｄや発光ダイオードｌｅｄを用いて構成する。放電回路１は、例えば、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂｎからなる集合電池のセルバランスを補正するバランス補正回路７０に適用することができる。【選択図】図１
2015002662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の端子間に接続される放電素子と、
前記放電素子と直列に前記二次電池の端子間に接続され、前記放電素子を流れる電流を制御するスイッチ素子と、
前記放電素子及び前記スイッチ素子と直列に前記二次電池の端子間に接続され、前記二次電池の放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一方向性素子と
を備えることを特徴とする二次電池の放電回路。
【請求項２】
請求項１に記載の放電回路であって、前記一方向性素子は、直列接続された一つ以上のダイオードを含んで構成されることを特徴とする二次電池の放電回路。
【請求項３】
請求項１に記載の放電回路であって、前記一方向性素子は、直列接続された一つ以上の発光ダイオードを含んで構成されることを特徴とする二次電池の放電回路。
【請求項４】
請求項１に記載の放電回路であって、前記一方向性素子は、直列接続された、一つ以上のダイオード及び一つ以上の発光ダイオードを含んで構成されることを特徴とする二次電池の放電回路。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の放電回路であって、前記発光ダイオードを前記放電素子として機能させることを特徴とする二次電池の放電回路。
【請求項６】
直列接続された複数の二次電池からなる集合電池の前記二次電池の夫々の端子間に接続される、放電素子、前記放電素子の夫々と直列に接続され夫々前記放電素子を流れる電流を制御するスイッチ素子、及び夫々前記放電素子及び前記スイッチ素子と直列に接続され、前記二次電池の放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一つ以上の一方向性素子を備えて構成される、複数の放電回路と、
前記複数の二次電池の夫々の電圧を計測する電圧センサと、
前記複数の二次電池の夫々の電圧を均等化させるべく、前記電圧センサの計測値に応じて前記スイッチ素子の夫々をオンオフする制御回路と
を備えることを特徴とするバランス補正回路。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の前記二次電池と前記放電回路とを備える蓄電装置。
【請求項８】
請求項６に記載の前記集合電池と前記バランス補正回路とを備える蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池の放電回路、バランス補正回路、及び蓄電装置に関し、とくに二次電池の過放電を防ぐ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池等の二次電池は、放電が進んで電池電圧が放電終止電圧以下の過放電状態になると内部の構成物質が変質し、性能劣化もしくは再充電不能となる。また過放電に至った二次電池をそのまま使用し続けると発火や爆発等の事態に至る虞もある。このため、こうした二次電池には過放電を確実に防ぐための仕組みが不可欠である。
【０００３】
過放電を防ぐ仕組みに関し、例えば、特許文献１には、複数のリチウムイオン二次電池を有する二次電池モジュールと、二次電池モジュールが並列に接続されて構成された組電池を制御する充放電制御手段とからなる二次電池システムにおいて、放電中のリチウムイオン二次電池モジュールの電圧が予め定められた放電停止電圧より低くなると、充放電制御手段が放電中のリチウムイオン二次電池モジュールの放電を停止して別のリチウムイオン二次電池モジュールからの放電を開始することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５６０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池を利用する製品の中には、充電式懐炉（電子懐炉）や複数の二次電池からなる集合電池のセルバランスを補正するバランス補正回路のように、図８に示すような意図的な放電を行う回路（放電回路８０）を備えるものがある。
【０００６】
ここでこの放電回路８０において、例えば、スイッチ素子Ｓの短絡故障や制御回路Ｃの障害により二次電池Ｂと放電素子Ｒとの結合を解除することができなくなった場合、二次電池Ｂから放電素子Ｒへの電流供給が継続したままの状態となり、二次電池Ｂが過放電に至る可能性がある。そのため、このような放電回路８０には二次電池Ｂの過放電を確実に防ぐための仕組みが不可欠となる。
【０００７】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、二次電池の過放電を確実に防ぐことが可能な、二次電池の放電回路、バランス補正回路、及び蓄電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明のうちの一つは、二次電池の放電回路であって、二次電池の端子間に接続される放電素子と、前記放電素子と直列に前記二次電池の端子間に接続され、前記放電素子を流れる電流を制御するスイッチ素子と、前記放電素子及び前記スイッチ素子と直列に前記二次電池の端子間に接続され、前記二次電池の放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一つ以上の一方向性素子とを備える。
【０００９】
本発明のうちの他の一つは、上記放電回路であって、前記一方向性素子は、直列接続された一つ以上のダイオードを含んで構成されることとする。
【００１０】
本発明のうちの他の一つは、上記放電回路であって、直列接続された一つ以上の発光ダイオードを含んで構成されることとする。この場合において、発光ダイオードを放電素子として機能させてもよい。
【００１１】
本発明のうちの他の一つは、上記放電回路であって、前記一方向性素子は、直列接続された、一つ以上のダイオード及び一つ以上の発光ダイオードを含んで構成されることとする。
【００１２】
本発明のうちの他の一つは、バランス補正回路であって、直列接続された複数の二次電池からなる集合電池の前記二次電池の夫々の端子間に接続される、放電素子、前記放電素子の夫々と直列に接続され夫々前記放電素子を流れる電流を制御するスイッチ素子、及び夫々前記放電素子及び前記スイッチ素子と直列に接続され、前記二次電池の放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一つ以上の一方向性素子を備えて構成される、複数の放電回路と、前記複数の二次電池の夫々の電圧を計測する電圧センサと、前記複数の二次電池の夫々の電圧を均等化させるべく、前記電圧センサの計測値に応じて前記スイッチ素子の夫々をオンオフする制御回路とを備える。
【００１３】
本発明のうちの他の一つは、蓄電装置であって、上記二次電池と上記放電回路とを備えることとする。
【００１４】
本発明のうちの他の一つは、蓄電装置であって、上記集合電池と上記バランス補正回路とを備えることとする。
【００１５】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、二次電池の過放電を確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】二次電池の放電回路１の一例である。
【図２】ダイオードの順方向閾値電圧を説明する図である。
【図３】二次電池の放電回路１の他の一例（一方向性素子Ｄを直列接続された複数の一方向性素子Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）で構成した場合）を示す図である。
【図４】二次電池の放電回路１の他の一例（一方向性素子Ｄとして発光ダイオードｌｅｄを用いた場合）を示す図である。
【図５】二次電池の放電回路１の他の一例（一方向性素子Ｄを直列接続された複数の発光ダイオードｌｅｄ（１）〜ｌｅｄ（ｎ）で構成した場合）を示す図である。
【図６】二次電池の放電回路１の他の一例（一方向性素子Ｄを、直列接続された一つ以上のダイオードｄ（１）〜ｄ（ｎ）と一つ以上の発光ダイオードｌｅｄ（１）〜ｌｅｄ（ｎ）とを組み合わせて構成した場合）を示す図である。
【図７】放電回路１の適用例として示すバランス補正回路７０である。
【図８】放電回路８０の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
【００１９】
図１は一実施形態として示す二次電池Ｂの放電回路１である。同図に示すように、放電回路１は、二次電池Ｂの正負端子間に接続される放電素子Ｒ、二次電池Ｂの正負端子間に放電素子Ｒと直列に接続され、放電素子Ｒを流れる電流を制御するスイッチ素子Ｓ、放電素子Ｒ及びスイッチ素子Ｓと直列に二次電池Ｂの正負端子間に接続される一方向性素子Ｄ、及びスイッチ素子Ｓをオンオフする制御回路Ｃを備える。
【００２０】
二次電池Ｂの正負端子の夫々に繋がる端子Ｔ＋、Ｔ−には、二次電池Ｂのエネルギーを利用して動作する負荷（例えば、充電式懐炉（電子懐炉）の発熱素子、モータ、電子回路、二次電池Ｂが一般家庭や工場等における負荷に電力を供給する補助電源として用いられる場合の上記負荷）、二次電池Ｂに充電電流を供給する電流供給源（例えば、充電器、回生回路）等が接続される。
【００２１】
二次電池Ｂは、放電終止電圧が定められた二次電池であって、例えば、リチウムイオン電池やリチウムイオンポリマー電池である。尚、以下の説明において、放電終止電圧とは、二次電池Ｂが過放電（二次電池Ｂの電池電圧が二次電池Ｂを正常な状態に維持できなくなる（二次電池Ｂの性能劣化や再充電不能等を生じさせる）値まで低下した状態）に至ることのないことが保証される最低電圧（二次電池Ｂの電池電圧が放電終止電圧未満になると過放電に至る可能性のある電圧）をいう。
【００２２】
スイッチ素子Ｓは、放電素子Ｒを流れる電流を制御する素子であり、例えば、バイポーラトランジスタ（ｐｎｐ型、ｎｐｎ型）、電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistor)（ｐチャネル型、ｎチャネル型）、リレー等の機械式スイッチである。スイッチ素子Ｓは制御回路Ｃによってオンオフされる。尚、本実施形態ではスイッチ素子Ｓがｐｎｐ型のバイポーラトランジスタである場合を例として説明する。
【００２３】
放電素子Ｒは、二次電池Ｂに蓄えられている電気エネルギーを熱エネルギー等に変換することにより二次電池Ｂの放電を促す素子であり、例えば、抵抗素子である。
【００２４】
一方向性素子Ｄは、二次電池Ｂの放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する半導体素子であり、例えば、ダイオード（ダイオード接続によってトランジスタをダイオードとして機能させる場合も含む）である。尚、以下の説明において、順方向電圧閾値とは、一方向性素子Ｄを順方向に通電させることが可能な最低電圧（キャリアを移動させるために最低限必要な電圧）をいう。一方向性素子Ｄに印加される電圧が順方向電圧閾値未満になった場合、一方向性素子Ｄを流れる電流は微小もしくはゼロとなる。参考として図２にダイオードの順方向電圧と順方向電流の関係（Ｖ−Ｉ特性）並びにこれらと順方向閾値電圧との関係を示す。
【００２５】
制御回路Ｃは、スイッチ素子Ｓを制御して二次電池Ｂの放電制御を行う回路（アナログ回路、デジタル回路、集積回路（ＩＣチップ）等）である。例えば、スイッチ素子Ｓがバイポーラトランジスタを用いて構成されている場合、制御回路Ｃは、スイッチ素子Ｓのベース電圧を制御してスイッチ素子Ｓをオンオフする。また例えば、スイッチ素子Ｓが電界効果トランジスタを用いて構成されている場合、制御回路Ｃはスイッチ素子Ｓのゲート電圧を制御してスイッチ素子Ｓをオンオフする。
【００２６】
以上の構成からなる放電回路１において、例えば、スイッチ素子Ｓの短絡故障や制御回路Ｃの障害によって二次電池Ｂと放電素子Ｒとの結合を解除することができなくなった場合でも、放電が進むにつれて二次電池Ｂの電池電圧が徐々に低下し、二次電池Ｂの放電は二次電池Ｂの電池電圧が一方向性素子Ｄの順方向電圧閾値に等しくなったところで自動的に停止する。そのため、二次電池Ｂが過放電に至るのを確実に防ぐことができる。尚、この放電回路１は、スイッチ素子Ｓ、制御回路Ｃ、及び放電素子Ｒを備えた一般的な放電回路に一方向性素子Ｄを追加することで構成することができ、二次電池Ｂの過放電を確実に防ぐ仕組みを簡素かつ低コストで実現することができる。昨今、環境問題や電力需要問題を背景として大電力の貯蔵が可能な蓄電装置が注目されており、そのような用途で用いられる蓄電装置にはとくに高い信頼性や安全性が求められるが、この放電回路１を二次電池Ｂを用いて構成される蓄電装置（電池パック）に付加することで、簡素かつ低コストで蓄電装置の信頼性及び安全性を高めることができる。
【００２７】
図３に示すように、一方向性素子Ｄは、直列接続された同種又は異種の複数の一方向性素子Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）を用いて構成してもよい。この場合、二次電池Ｂの放電は、二次電池Ｂの電池電圧が一方向性素子Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の夫々の順方向電圧閾値の総和に等しくなったときに停止する。そのため、一方向性素子Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の数や種類を変えることで二次電池Ｂの放電停止電圧を自由に設定することができ、放電終止電圧の異なる様々なタイプの二次電池Ｂに柔軟に対応することができる。また一方向性素子Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の数や種類を適切に選択すれば、不必要に高い電圧で二次電池Ｂの放電が停止してしまわないようにすることができ（一方向性素子Ｄの順方向電圧閾値を放電終止電圧に近づけることができ）、二次電池Ｂの性能を十分に引き出すことができる。
【００２８】
図４に示すように、一方向性素子Ｄは発光ダイオードｌｅｄを用いて構成してもよい。また図５に示すように、一方向性素子Ｄは直列接続された複数の発光ダイオードｌｅｄ（１）〜ｌｅｄ（ｎ）を用いて構成してもよい。このように一方向性素子Ｄとして発光ダイオードを用いた場合には、放電の様子を目視によって容易に確認することができる。またこの場合、一方向性素子Ｄをパイロットランプとして機能させてもよい。また発光ダイオードは汎用整流用ダイオード等の他の種類のダイオードに比べて順方向電圧閾値が高いため、一方向性素子Ｄを発光ダイオードを用いて構成することで放電終止電圧の異なる様々なタイプの二次電池Ｂに柔軟に対応することができる。
【００２９】
また発光ダイオードは他の種類のダイオードよりも消費電力が比較的大きいため、一方向性素子Ｄとして用いる発光ダイオードを、放電素子Ｒを代替もしくは放電素子Ｒを補助する放電素子として機能させることも可能である。前者のように発光ダイオードを放電素子Ｒに代替させた場合は放電回路１の部品点数の削減や製造工程の簡素化を図ることができる。また後者のように発光ダイオードを放電素子Ｒを補助する放電素子として機能させた場合は放電素子Ｒと一方向性素子Ｄとの間で放電時におけるエネルギーの消費を分散させることができ、放電素子Ｒ及び一方向性素子Ｄの信頼性を向上することができる。
【００３０】
また図６に示すように、一方向性素子Ｄは、一つ以上のダイオードｄ（１）〜ｄ（ｎ）と一つ以上の発光ダイオードｌｅｄ（１）〜ｌｅｄ（ｎ）とを直列接続することにより構成してもよい。そのようにすれば放電停止電圧の設定自由度が増えて放電終止電圧の異なる多様な二次電池Ｂに柔軟に対応することができる。尚、接続順は同図に示すものに限られない。
【００３１】
図７は、放電回路１の適用例として示す、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂｎからなる集合電池のセルバランスを補正するバランス補正回路７０である。このバランス補正回路７０は、二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々について設けられた複数の放電回路１（図１に示した放電回路１）を備えている。より詳細には、バランス補正回路７０は、直列接続された複数の二次電池Ｂ１〜Ｂｎからなる集合電池の二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々の端子間に接続される、放電素子Ｒ１〜Ｒｎ、放電素子Ｒ１〜Ｒｎの夫々に直列に接続され夫々放電素子Ｒ１〜Ｒｎを流れる電流を制御するスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎ、及び夫々放電素子Ｒ１〜Ｒｎ及びスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎと直列に接続され、夫々二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々の放電終止電圧以上の順方向電圧閾値を有する一つ以上の一方向性素子Ｄ１〜Ｄｎを備える。二次電池Ｂ１〜Ｂｎには、夫々の電池電圧を計測する電圧センサＭ１〜Ｍｎが設けられている。
【００３２】
制御回路Ｃは、電圧センサＭ１〜Ｍｎから入力される各二次電池Ｂ１〜Ｂｎの電池電圧に応じてスイッチＳ１〜Ｓｎをオンオフすることにより各二次電池Ｂ１〜Ｂｎ間で図示しない媒介素子（インダクタやトランス等）を介してエネルギーの授受を生じさせ、それにより各二次電池Ｂ１〜Ｂｎの電池電圧を均等化する。尚、このような動作を行う回路として、例えば、特開２００１−１８５２２９号公報、特開平１１−１７６４８３号公報等に開示されているものがある。
【００３３】
以上の構成からなるバランス補正回路７０にあっては、例えば、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎに短絡故障が生じたり制御回路Ｃに障害が発生した場合でも、二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々の放電は二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々の電池電圧が夫々に設けられている一方向性素子Ｄ１〜Ｄｎの順方向電圧閾値に等しくなったところで自動的に停止する。そのため、いずれの二次電池Ｂ１〜Ｂｎについても過放電に至ることはない。
【００３４】
バランス補正回路７０に用いる放電回路１の構成は必ずしも図１に示した放電回路１に限定されるわけではなく、例えば、バランス補正回路７０が備える放電回路１の全部又は一部を図３〜図６に示した回路のうちのいずれかで置換してもよい。図４〜図６に示した放電回路１を用いた場合は集合電池を構成している二次電池Ｂ１〜Ｂｎの夫々の放電の様子を目視により容易に確認することができる。
【００３５】
尚、バランス補正回路７０は、例えば、集合電池を利用する蓄電装置（電気自動車、ハイブリッド自動車、電気二輪車、鉄道車両、昇降機、系統連携用蓄電装置、パーソナルコンピュータ、ノートブック型コンピュータ、携帯電話機、スマートフォン、ＰＤＡ機器等）に広く適用することができる。バランス補正回路７０は、集合電池と別体に設けられるものであってもよいし、集合電池と一体化されて蓄電装置（電池パック）等を構成するものであってもよい。
【００３６】
以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３７】
１  放電回路、  Ｂ  二次電池、  Ｒ  放電素子、  Ｄ  一方向性素子、ｄ  ダイオード、ｌｅｄ  発光ダイオード、  Ｃ  制御回路、６０  バランス補正回路
【図１】
2015002662.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015002662.tif 000005
【図４】
2015002662.tif 000006
【図５】
2015002662.tif 000007
【図６】
2015002662.tif 000008
【図７】
2015002662.tif 000009
【図８】
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