(57)【要約】【課題】直並列された多数の電池用に過熱器や冷却器を設ける必要によって蓄電システムが大型化する。【解決手段】一実施形態によれば、それぞれ電池１を複数直列に接続した複数列の電池列４と、前記電池列４毎に電流を制御する電流検出制御回路２と、これらの電流検出制御回路２に接続された制御部１６と、を備え、この制御部１６は前記電池列４毎の検出電流による前記電流検出制御回路２の制御によって前記電池列４間の電流を均等にさせる蓄電システム１０が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電池を複数直列に接続した複数列の電池列と、
前記電池列毎に電流を制御する電流検出制御回路と、
これらの電流検出制御回路に接続された制御部と、を備え、
この制御部は前記電池列毎の検出電流による前記電流検出制御回路の制御によって前記電池列間の電流を均等にさせる蓄電システム。
【請求項２】
各電流検出制御回路は、
それぞれ前記制御部の制御によって導通をオン、オフする前記電池列に直列接続された複数本の分流回路を備える請求項１記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記電流検出制御回路は、
前記電池列毎に前記電池に接続された複数の第１抵抗と、
前記電池列を前記複数の第１抵抗を介して接続および切断する前記制御部に接続された第１スイッチ回路と、
を備える請求項１又は請求項２記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記電流検出制御回路は、
前記電池列毎に設けられた複数の第２抵抗による直列抵抗回路と、
この直列抵抗回路の各第２抵抗に並列接続された抵抗両端間の短絡配線と、
各短絡配線を接続および切断する第２スイッチ回路と、
を備える請求項１記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一実施形態は蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量の蓄電システムには建屋の室内に電池を直並列に接続した電池構成が用いられている。各電池の配置や実装の状況により各電池外部の配線に違いが存在し、例えば互いに並列接続された複数列の直列電池列の間では電池列が室内で電池が密集する内側か又は熱交換し易い外側にあるかによって電池列毎に温度が異なり列毎に電流の大きさが異なる。電池列間では電流の分担や電池温度にばらつきが発生し、更に電流が均等に流れにくくなる。このため、配置に工夫を凝らし、温度制御や電流均等化のための方策が採られており、従来、加熱器及び冷却器を装備し、直並列に接続された各電池の温度を均等にする蓄電システムが知られている（例えば特許文献１参照）。電池の内部抵抗は温度特性を有するため、温度により電流が変化する。並列接続された複数のモジュール電池を、各モジュール電池をそれぞれ個別に加熱及び冷却して温度制御する２次電池システムが知られている（例えば特許文献２参照）。電流を均等に流すため、複数の電池で発生する温度バラツキを収束させる蓄電池の温度制御装置が知られている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２１４５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１０９８４１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４２０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、数十から数百の電池モジュールを直並列に配線すると、加熱器や冷却器を電池モジュール毎に設ける必要性があるため、大規模な蓄電システムになるほど電池以外の加熱器や冷却器及びその配線材の規模が大型化するばかりか、システムの維持、管理には高いコストを要する。また、蓄電システムの質量も重くなる。更にこれらの加熱器や冷却器は余計な電力を消費するため、蓄電容量のうち、負荷に供給可能な電力量が制限され、電力使用効率が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決するため、一実施形態によれば、それぞれ電池を複数直列に接続した複数列の電池列と、前記電池列毎に電流を制御する電流検出制御回路と、これらの電流検出制御回路に接続された制御部と、を備え、この制御部は前記電池列毎の検出電流による前記電流検出制御回路の制御によって前記電池列間の電流を均等にさせる蓄電システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施の形態に係る蓄電システムの構成図である。
【図２】実施の形態に係る蓄電システムの電流検出制御回路の構成例を示す図である。
【図３】実施の形態に係る蓄電システムの分流回路の構成例を示す図である。
【図４】実施の形態の変形例に係る蓄電システムに用いられる電流検出制御回路の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態に係る蓄電システムについて、図１乃至図４を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【０００８】
図１は実施の形態に係る蓄電システムの構成図である。蓄電システム１０は、それぞれが電池１を複数ｎ個直列に接続した複数ｍ列の電池列４と、電池列４毎に電流を制御する電流検出制御回路２と、これらの電流検出制御回路２に接続された蓄電システム管理装置３（制御部）と、を備えており、この蓄電システム管理装置３は電池列４毎の検出電流による電流検出制御回路２の制御によって電池列４間の電流を均等にさせるようになっている。
【０００９】
電池１はリチウムイオン電池であり、１つの電池セル又は複数の電池セルから構成されてもよい。電池１は例えば室内温度が上昇すると、内部抵抗が下がるという温度特性を有する。
【００１０】
電池列４は電池単位を直列に接続して使用可能な電圧にまで昇圧するための基本単位（以下直列構成の単位ということがある）を構成する。これらの電池列４の先頭の電池１の正極にはバスバー２０などの配線材が接続される。トータルで電池直列数ｎ＊電池並列数ｍ個の数の電池１が配線材とともに建屋の室内に配置されている。
【００１１】
各電流検出制御回路２は電池列４に直列に接続されている。電流検出制御回路２の一端はｎ個の電池１のうちの直列構成の最後段に接続され、他端は共通に負極側の端子１３に接続される。この端子１３と、バスバー２０側の正極の端子１２との間に負荷回路１１が接続される。負荷回路１１は充放電回路であってもよい。
【００１２】
図２は実施の形態に係る蓄電システムの電流検出制御回路２の構成例を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。各電流検出制御回路２はそれぞれ電池１の負極に接続された複数本の分流回路１４を備える。図２では分流回路１４を３つ装備しているが更に多くの分流回路１４があっても良い。これらの分流回路１４は蓄電システム管理装置３による制御によって電池列４及び端子１３間の導通をオン又はオフすることもリニアに制御することもできる。
【００１３】
図３は実施の形態に係る蓄電システムの分流回路１４の構成例を示す図である。図２、図３間でＰ、Ｑ、Ｒは同じノードを表す。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。電流検出制御回路２はＦＥＴのような電圧制御型の半導体素子を使用して抵抗値を変えて電流を制御しても良い。分流回路１４はゲート（Ｇ）、ドレイン（Ｄ）、ソース（Ｓ）を有するＮ型のＭＯＳトランジスタ１７と、このＭＯＳトランジスタ１７のソースに接続され他端が接地された抵抗１８（第１抵抗）と、電池１を抵抗１８を介して接続および切断する蓄電システム管理装置２に接続されたゲートバイアス回路１９（第１スイッチ回路）とを備えている。ゲートバイアス回路１９はＭＯＳトランジスタ１７のゲートに対して電圧信号を印加して電流を制御する。
【００１４】
また、図２のシステム管理装置３は、分流回路１４に並列に電圧を計測する電圧計１５と、この電圧計１５の計測値により各分流回路１４の抵抗１８を電池列４へ接続し、又は各抵抗１８を電池列４から切断するかを切替えるシステム管理部１６とを備えている。電圧計１５は例えば並列抵抗の数により変わる電圧値を出力する。システム管理部１６は電圧値により電池１の負極へ接続状態の抵抗１８の本数をモニタし、抵抗１８毎に接続状態又は切断状態を切替え選択する。
【００１５】
上述の構成の本実施形態に係る蓄電システム１０の動作は、図１に示すように、電池列４の電流値がそれぞれＹ［アンペア］になるように蓄電システム管理装置３は電流検出制御回路２を制御する。端子１２、１３間でｎ段直列によるＸ*ｎ［ボルト］の電圧が負荷回路１１の両端に印加され、ｍ列分のＹ*ｍ［アンペア］の電流が端子１２、１３間から負荷回路１１側へ流れる。蓄電システム１０は電池列４毎、即ち直列構成の単位毎に流れている電流を検出して電流値を制御するという回路動作を行う。蓄電システム管理装置３は蓄電システム１０全体の電流を監視しており、この蓄電システム管理装置３から電池列４が接続又は切断を示す電圧信号をもらうことによって、蓄電システムの電流が直列構成の単位毎に均等に流れるようになる。電池列４の間で電流を均等にするための電流検出制御回路２は、この電流検出制御回路２両端の抵抗値を変化させることで電流を均等に流すことで足りる。
【００１６】
例えば蓄電システム１０は温度センサを電池列４に設けておく。最初に蓄電システム管理装置３は複数列の電流検出制御回路２についてそれぞれ抵抗１８の並列数が予め決めた初期並列数になるようにこれらの電流検出制御回路２へ制御信号を送る。室温上昇により電池４の温度が上がる場合及び寒冷な地域等、室温が下がる場合にそれぞれ対応して蓄電システム管理装置３は何れかの電池列４に接続の複数本の分流回路１４を回路から切り離し、あるいは接続収容する。抵抗１８の並列数を変えることによってｍ列の電池列４にのうちの何れかに電流が集中することが避けられる。
【００１７】
以上のように、本実施形態に係る蓄電システム１０によれば電池列４毎に温度条件をそろえるための加熱器や冷却器が不要になり、蓄電システム１０の費用を低減させることができる。費用の面のみならず、加熱器や冷却器の設置場所が不要になるため、設置場所に相当する寸法を削減できるため、蓄電システム１０の小型化にも貢献できる。更に加熱器や冷却器の消費電力を削減できるため蓄電システム１０の容量を全て負荷に供給することが出来る。特に蓄電システム１０が離島や野外などに設けられ発電所から独立した機材に電力を供給する状況では蓄電システム１０に充放電電流が流れることによって充放電時の電流バラツキが寿命に利いて来ることもある。本実施形態に係る蓄電システム１０の電力源への適用によって信頼性の向上というメリットがある。また、本実施形態に係る蓄電システム１０の回路構成を採用することで直列構成の単位である電池列４の故障や長期運転中の特性劣化が発見された時など、電池列４を個別に不定期に交換することも出来るため蓄電システムの総入れ替えという大きな費用を計上せずに済む。
【００１８】
一般的に大型の蓄電システムは電池単位を使用可能な電圧まで直列にして基本単位（直列構成の単位）を構成し、電力を増加するため直列構成の単位の並列数を増加させる。蓄電システムの構成が大規模化すると電池単位の配置が広範囲となって電池単位毎に温度にばらつきが発生するため電池の温度特性により電流の分担量が均等にならない問題がある。このため直列構成の単位毎に蓄電システムが温度管理をすることにより電流の分担が均等になるように維持されている。複数の電池を電池室に置いて一定温度に管理するか、温度を検出して蓄電システム管理装置で収集したデータを基に自動制御するのが一般的である。しかし、数十から数百の電池を直並列に配線すると、過熱器や冷却器を電池単位毎に設ける必要性があるため、蓄電システムが大型化する。
【００１９】
本実施形態に係る蓄電システム１０では、直列構成の単位毎に電流検出をしている電流検出制御回路２に電流値を制御する回路を付加するものである。電流検出制御回路２が電流検出と電流制御とを行う。電流検出回路２から直列構成の単位毎の電流が蓄電システム管理装置３に渡されることで蓄電システム管理装置２は蓄電システム１０の総電流を把握する。直列構成の単位毎の電流検出制御回路２は、蓄電システム管理装置３から制御情報をもらって直列構成の単位毎に電流値を微調整する制御仕組みを直列構成の単位に装備することで蓄電システムの電流が構成単位に均等に流れるようになる。電流が均等に流れることで発熱や温度変動が同じになるため劣化の程度が同じになるなど長期信頼性を確保できる。
【００２０】
なお電流検出制御回路２は例えば図４に示されるように構成されてもよい。
【００２１】
図４は実施の形態の変形例に係る蓄電システムに用いられる電流検出制御回路の構成例を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。電流検出制御回路２２は、電池列４毎に設けられた複数例えば３個の抵抗２３（第２抵抗）による直列抵抗回路２４と、この直列抵抗回路２４の各抵抗２３に並列接続された抵抗両端間の短絡配線２５と、各短絡配線２５を接続および切断するスイッチ回路２１（第２スイッチ回路）とを備えている。スイッチ回路２１は図３の例と同様に電圧駆動型のＭＯＳトランジスタ１７と、このＭＯＳトランジスタのゲートを駆動するゲートバイパス回路１９とを用いてもよい。スイッチ回路２１には電流駆動型のバイポーラトランジスタと、このトランジスタのベースを駆動するバイアス回路とによってオンオフ切替えや通電電流量を制御してもよい。
【００２２】
上記実施形態に係る蓄電システムによれば、配線の抵抗値を下げるための配線材を用いずに、電流を均等に流すことができ、蓄電システムの質量が軽量化される。また、加熱器や冷却器が余計な電力を消費しないようになるため、蓄電容量は加熱や冷却による電力が削減され、使用可能な電力総容量が制限を受けず限られた電力を有効に使用することができ、顕著な改善効果が得られるようになる。なお、電流検出制御回路２には比熱が大きく温度変化の大きい金属製の配線材を加温して使用しても良い。
【００２３】
尚、上記の実施形態は実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。蓄電システム管理装置３のシステム管理部１６の機能はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭによって実行される。電池列４毎の電流値情報はＲＡＭに記憶される。ＣＰＵは各電流値情報により何れかの電池列４を選択するプログラムをＲＯＭに予め保持している。
【００２４】
上記の実施形態では、図２において電流検出制御回路２を構成する複数の分流回路１４はＭＯＳトランジスタ１７による回路（図３）が用いられていたが、これらの分流回路１４は例えばバイポーラトランジスタ回路を用いてもよく、抵抗やバイアスの与え方は種々変形可能である。分流回路１４には、オン又はオフの駆動電圧の入力端子を有する他端子型の半導体素子が用いられてもよく、分流回路１４自身がプロセッサと、接続及び切断切替え用の素子とを設けて実現することも可能である。
【００２５】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００２６】
１…電池、２…電流検出制御回路、３…蓄電システム管理装置（制御部）、４…電池列、１０…蓄電システム、１１…負荷回路、１２，１３…端子、１４…分流回路、１５…電圧計、１６…システム管理部、１７…ＭＯＳトランジスタ、１８…抵抗（第１抵抗）、１９…ゲートバイアス回路（第１スイッチ回路）、２０…バスバー、２１…スイッチ回路（第２スイッチ回路）、２２…電流検出制御回路、２３…抵抗（第２抵抗）、２４…直列抵抗回路、２５…短絡配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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