(57)【要約】【課題】電池の寿命を延ばすとともに、電池の寸法及びコストを減らすことができる電池セル平衡システムを有する充電スタンドを提供する。【解決手段】電池セル平衡システムを有する充電スタンドは、複数の平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４、電源ユニット２０３及び充電制御ユニット２０１を備える。平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４は、電池セルの充電状態を検出する検出素子２０２１ａ，２０２２ａ，２０２３ａ，２０２４ａと、電池セルを充電する充電素子２０２１ｂ，２０２２ｂ，２０２３ｂ，２０２４ｂとをそれぞれ有する。充電制御ユニット２０１は、平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４及び電源ユニット２０３に接続され、電源ユニット２０３からの電力を充電素子２０２１ｂ，２０２２ｂ，２０２３ｂ，２０２４ｂへ送って電池セルを充電する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平衡充電ユニット、電源ユニット及び充電制御ユニットを備えた電池セル平衡システムを有する充電スタンドであって、
前記平衡充電ユニットは、電池セルの充電状態を検出する検出素子と、前記電池セルを充電する充電素子と、をそれぞれ有し、
前記電源ユニットは、電力を供給し、
前記充電制御ユニットは、前記平衡充電ユニット及び前記電源ユニットに接続され、前記電源ユニットからの電力を前記充電素子へ送って前記電池セルを充電し、
前記電池セルは、直列接続又は並列接続の方式により、組電池内でその他の電池セルと接続され、前記検出素子により検出された前記電池セルの充電状態がフル充電状態となるか所定値を超えたときに、前記充電制御ユニットは、前記電源ユニットが前記電池セルに対して行っている充電を止めることを特徴とする、
電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項２】
前記充電状態は、前記組電池の温度、電圧又は電流量により決定されることを特徴とする請求項１に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項３】
前記充電状態は、百分率で表され、前記電池セル内の電気残容量を示すことを特徴とする請求項１に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項４】
前記平衡充電ユニットは、能動型又は受動型であることを特徴とする請求項１に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項５】
前記平衡充電ユニットが能動型である場合、前記平衡充電ユニットは、充電量が多めの前記電池セルから充電量が少なめの前記電池セルへ送電することを特徴とする請求項４に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項６】
前記平衡充電ユニットが受動型である場合、充電量が多めの前記電池セルからの電力を吸収するか消費する抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項７】
前記電池セルが満充電状態又は所定値を超えた時間が分かるように、前記電池セルの履歴データを提供し、前記充電制御ユニットに接続された記憶ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【請求項８】
前記履歴データは、前記電池セルの温度、電圧又は電流量のデータを含むことを特徴とする請求項７に記載の電池セル平衡システムを有する充電スタンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電スタンドに関し、特に、充電スタンドにより充電される組電池が電池セル平衡システムを含む必要がなく、電池の寿命を延ばし、電池の寸法及びコストを減らすことができる電池セル平衡システムを有する充電スタンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリを動力源として用いる機器は徐々に増えており、それに伴いバッテリの寿命を最大限延ばすことが求められてきている。大型のリチウムイオン組電池のバッテリアンバランス（即ち、組電池内の電池セルの充電状態が異なっている状態）が問題となる虞がある。このバッテリアンバランスの問題は、製造過程の違い、動作状態及びバッテリの老化が原因で発生する。
バッテリアンバランスの問題が発生すると、組電池の全体容量が減ってしまう可能性がある上、組電池を損傷させてしまう虞もあった。充電から放電までのバッテリアンバランスをモニターすることができず、もし注意深くモニターしない場合、バッテリに過充電又は過放電が起きてしまい、バッテリが完全に損壊してしまうことがある。自動車で使用するバッテリの場合、上述の問題はさらに顕著であり、特にリチウムイオン電池にとって顕著である。
【０００３】
一般に、各リチウムイオン電池の電圧はそれほど高いものではなく、電流もそれほど大きくなかった。そのため、多数のバッテリを直列接続したり並列接続したりして電圧及び電流を大きくする必要があった。しかし、このように電池を直列接続したり並列接続したりした場合、電池にバッテリアンバランスが発生して組電池の放電時間が短くなり（即ち、寿命が短くなる）、組電池の老化が早まる虞があった。
【０００４】
バッテリ管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）とは、組電池全体を監視する保護機構のことである。このバッテリ管理システムは、組電池にアンバランスな電池セルが含まれていることを検出すると、組電池システム全体をオフし、組電池への電気供給を停止する。
バッテリ管理システムは、平衡ループを使用して上述の目的を達成する。多数の平衡ループは組電池を充電する際に使用されるが、組電池の放電にはほとんど使われない。平衡ループには、能動型と受動型との２種類がある。能動型平衡ループは、効率が高いという長所を有するが、同時に高コストで大型であるという短所も有する。一方、受動型平衡ループは低コストであるという長所を有するが、低効率であることから多くの熱が発生し、平衡効果には限界があるという短所を有する。一方、能動型は高効率であるが、価格を考慮し、ほとんどの組電池は内蔵型の受動型平衡ループが選択されることが一般的であった。
【０００５】
電気自動車にとって組電池が大きすぎることは好ましくない。そのため、電池のバッテリ管理システムは正確に設計する必要がある。以下、一従来技術を例に説明する。
図１に示すように、特許文献１のバッテリ管理システムは、複数のサブシステムブロック、エネルギ保存マスタユニット１００及び組電池１０４を含む。エネルギ保存マスタユニット１００は、車両主制御装置１０１と接続され、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）又はその他の通信方式を介して外部充電装置１０２と通信する。車両主制御装置１０１は、外部充電装置１０２と直接接続されるか充電スタンドを介して接続される。エネルギ貯蔵システムは、電気自動車内の複数の電池ストリング１０３を含んでもよい。各電池ストリング１０３内には複数の組電池１０４が設けられている。各組電池１０４は、複数の電池モジュールを含むとともに、第２のＣＡＮを介してエネルギ保存マスタユニット１００と接続されてもよい。
２つの組電池１０４は、電池ストリング１０３を構成する。組電池１０４は、組電池マスターによりモニターされ、組電池マスターは、エネルギ保存マスタユニット１００とともにシステム全体の一つのＣＡＮに使用して通信を行う。各組電池マスターは、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスを使用してローカルモジュールユニット（ｌｏｃａｌ  ｍｏｄｕｌｅ  ｕｎｉｔ）との通信を行う。ローカルモジュールユニットと組電池マスターとの通信はそれぞれ別々に行ってもよい。各組電池は、１０個の角形電池セルを含み、２つの組電池は電池ストリング中に取り付けられ、複数（通常３つ又は４つ）の電池ストリングが車両内に配設される。
【０００６】
電池セル平衡システムを備える従来の組電池の場合、重量が大きくなってしまい易いが、本発明は、組電池から電池セル平衡システムが取り出されるためサイズが小さい。もし１組又は多数組の電池セル平衡システムを組電池の外部へ設置することができる場合、電池セル平衡システムのコストを減らすことができる。また、組電池のサイズを小さくすることもできる。さらに経済的で便利な点としては、充電スタンドを電池セル平衡システムに結合し、組電池に電力を供給するとともに、電池セル又は組電池の状態をモニタすることができる点である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第２０１２０１０５００１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、充電スタンドにより充電される組電池のそれぞれが電池セル平衡システムを含む必要がなく、電池の寿命を延ばし、電池の寸法及びコストを減らすことができる電池セル平衡システムを有する充電スタンドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、複数の平衡充電ユニット、電源ユニット及び充電制御ユニットを備えた電池セル平衡システムを有する充電スタンドであって、前記平衡充電ユニットは、電池セルの充電状態を検出する検出素子と、前記電池セルを充電する充電素子と、をそれぞれ有し、前記電源ユニットは、電力を供給し、前記充電制御ユニットは、前記平衡充電ユニット及び前記電源ユニットに接続され、前記電源ユニットからの電力を前記充電素子へ送って前記電池セルを充電し、前記電池セルは、直列接続又は並列接続の方式により、組電池内でその他の電池セルと接続され、前記検出素子により検出された前記電池セルの充電状態がフル充電状態となるか所定値を超えたときに、前記充電制御ユニットは、前記電源ユニットが前記電池セルに対して行っている充電を止めることを特徴とする電池セル平衡システムを有する充電スタンドが提供される。
【００１０】
前記充電状態は、前記組電池の温度、電圧又は電流量により決定されることが好ましい。
【００１１】
前記充電状態は、百分率で表され、前記電池セル内の電気残容量を示すことが好ましい。
【００１２】
前記平衡充電ユニットは、能動型又は受動型であることが好ましい。
【００１３】
前記平衡充電ユニットが能動型である場合、前記平衡充電ユニットは、充電量が多めの前記電池セルから充電量が少なめの前記電池セルへ送電することが好ましい。
【００１４】
前記平衡充電ユニットが受動型である場合、充電量が多めの前記電池セルからの電力を吸収するか消費する抵抗をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
前記電池セルが満充電状態又は所定値を超えた時間が分かるように、前記電池セルの履歴データを提供し、前記充電制御ユニットに接続された記憶ユニットをさらに備えることが好ましい。
【００１６】
前記履歴データは、前記電池セルの温度、電圧又は電流量のデータを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電池セル平衡システムを有する充電スタンドは、充電スタンドにより充電される組電池が電池セル平衡システムを含む必要がなく、電池の寿命を延ばし、電池の寸法及びコストを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の電池セル平衡システムを示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドを示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドに電池を使用するときの状態を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（第１実施形態）
図２及び図３を参照する。図２は、本発明の第１実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドを示す概略図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドに電池を使用するときの状態を示す概略図である。
図２及び図３に示すように、本発明の第１実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンド２０は、電池セル平衡システムを有する。この電池セル平衡システムは、複数の平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４と、充電制御ユニット２０１と、電源ユニット２０３とを含む。各平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４は、検出素子２０２１ａ，２０２２ａ，２０２３ａ，２０２４ａをそれぞれ有する。各平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４は、充電素子２０２１ｂ，２０２２ｂ，２０２３ｂ，２０２４ｂをそれぞれ有する。
【００２１】
検出素子２０２１ａ，２０２２ａ，２０２３ａ，２０２４ａは、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の充電状態を検出する。充電素子２０２１ｂ，２０２２ｂ，２０２３ｂ，２０２４ｂは、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４に対して充電を行う。電源ユニット２０３は、電力を供給する。
実際には、第１実施形態の電源ユニット２０３は、直流電力を給電する直流発電機である。充電制御ユニット２０１は、平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４と、電源ユニット２０３とに接続され、電源ユニット２０３から充電素子２０２１ｂ，２０２２ｂ，２０２３ｂ，２０２４ｂの電力を制御し、電池セルを充電する。
【００２２】
図２に示すように、充電スタンドは、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の充電管理を行う４つの平衡充電ユニットを有する。平衡充電ユニットの数は４つだけに限定されるわけではなく、勿論、組電池中の電池セルより多くてもよい。
第１実施形態の電池セルは、直列接続方式又は並列接続方式により、組電池３０中で他の電池セルと接続されてもよい（図３参照）。
第１実施形態では、２つの電池セル３０２１，３０２２（又は３０２３及び３０２４）が直列接続されている。２つの直列接続された電池ストリングは、並列接続方式で接続されている。組電池３０は、４つの電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４を有し、各電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４は、平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４によりそれぞれ制御される。
【００２３】
検出素子２０２１ａ，２０２２ａ，２０２３ａ，２０２４ａが検出した電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の充電状態が満充電又は所定値を超える場合、充電制御ユニット２０１により、電源ユニット２０３が電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４に対して行っている充電を停止する。ここで充電状態とは、電池セルの電気残容量を示し、電池により駆動される電気自動車内の組電池３０の燃費計に相当する。
充電状態は、百分率で表される（０％＝空状態；１００％＝満充電）。充電状態は、組電池３０の温度、電圧又は電流量により決定される。これにより、人々は電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４がどの程度充電されているかを知ることができる。
【００２４】
平衡充電ユニットには、能動型又は受動型の２種類のタイプがある。第１実施形態では、能動型平衡充電ユニットが採用されている。一定時間充電を行った後、電圧の違いがある程度に達すると、電池セルを放電するように能動型平衡充電ユニットは設計されている。各電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４は、必ずしも満充電（即ち充電率１００％）にする必要はない。
電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の限定充電状態とは、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４が満充電の状態又は所定値を超えたと仮定する。平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４は、充電量が多めの電池セルから充電量が少なめの電池セルへ電力を伝える。例えば、電池セル３０２２の充電率が９９％である場合、過剰な充電量が充電率が９０％である電池セル３０２４へ送られる。また、その他２つの電池セル３０２１，３０２３が充電率１００％とならない限り、正常な充電を続ける。勿論、充電制御ユニット２０１は、電池セル３０２２の充電を停止し、その他の電池セル３０２１，３０２３，３０２４を充電し続けてもよい。
【００２５】
従来、各セルの充電を組電池が制御することができるように、組電池に平衡充電ユニットが内蔵され、電池セルのアンバランスにより組電池が老化することを防止していた。しかし、このような構成の場合、電池セルが重くなって高価になってしまう虞がある。
そのため本発明は、組電池から平衡充電ユニットを全て取り出し、これらの平衡充電ユニットを充電スタンド中に配設させる。勿論、本発明は、組電池３０がある特定の設計方式を有する必要がある。組電池３０のハウジング３００上の電池セル（例えば３０２１）の接点（例えば、３０２１ａ及び３０２１ｂ）は、検出素子２０２１ａ及び充電素子２０２１ｂの規格要求を満たす必要がある。
【００２６】
好適には、充電スタンド２０は、記憶ユニット２０４をさらに含む。記憶ユニット２０４は、充電制御ユニット２０１に接続される。記憶ユニット２０４は、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４が満充電状態又は所定値を超えた時間が分かるように、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の履歴データを提供する。履歴データは、電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の温度、電圧又は電流量のデータを含む。
【００２７】
（第２実施形態）
図４を参照する。図４は、本発明の第２実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドを示す概略図である。図４に示すように、本発明の第２実施形態に係る電池セル平衡システムを有する充電スタンドは、便宜上、第１の実施形態と同一の符号が付してある部分が同じ機能を有する。
図４を見ると分かるように、４つの抵抗２０２１ｃ，２０２２ｃ，２０２３ｃ，２０２４ｃは内蔵され、平衡充電ユニット２０２１，２０２２，２０２３，２０２４とそれぞれ接続されている。
【００２８】
上述したことから分かるように、本発明の第１実施形態は、能動型平衡充電ユニットを採用したときの状態を説明し、第２実施形態は、受動型平衡充電ユニットを採用したときの状態を説明している。受動型平衡充電ユニットは、抵抗２０２１ｃ，２０２２ｃ，２０２３ｃ，２０２４ｃにより、充電量が多めの電池セルの電力を吸収するか消費する。別の設計では、抵抗２０２１ｃ，２０２２ｃ，２０２３ｃ，２０２４ｃが一つの形式に設計される。勿論、余った電力を奪い、各電池セル３０２１，３０２２，３０２３，３０２４の効率に悪影響を与えない限り、その他別の方式を採用してもよい。
【００２９】
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００３０】
２０        充電スタンド
３０        組電池
１００      エネルギ保存マスタユニット
１０１      車両主制御装置
１０２      外部充電装置
１０３      電池ストリング
１０４      組電池
２０１      充電制御ユニット
２０３      電源ユニット
２０４      記憶ユニット
３００      ハウジング
２０２１    平衡充電ユニット
２０２１ａ  検出素子
２０２１ｂ  充電素子
２０２１ｃ  抵抗
２０２２    平衡充電ユニット
２０２２ａ  検出素子
２０２２ｂ  充電素子
２０２２ｃ  抵抗
２０２３    平衡充電ユニット
２０２３ａ  検出素子
２０２３ｂ  充電素子
２０２３ｃ  抵抗
２０２４    平衡充電ユニット
２０２４ａ  検出素子
２０２４ｂ  充電素子
２０２４ｃ  抵抗
３０２１    電池セル
３０２１ａ  接点
３０２１ｂ  接点
３０２２    電池セル
３０２３    電池セル
３０２４    電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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