(57)【要約】【課題】２直列／２並列以上の蓄電セルにより構成される蓄電モジュール内の各蓄電セルの電圧をスイッチを用いて均等化する。【解決手段】複数のセルＢ１Ａ〜Ｂ４Ａ、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂ、Ｂ０Ｃ〜Ｂ３Ｃを直列及び並列に接続したモジュールにおいて、発振回路等からなるドライバを用いて半導体スイッチＳａ１〜Ｓａ８とＳｂ１〜Ｓｂ８を交互にオンし、並列に接続されるセル間において相互充放電を行い各セルの電圧を均等化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態とを含む２以上の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記２以上の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
を含むことを特徴とする蓄電セルモジュール。
【請求項２】
前記第２の接続状態に含まれる複数の並列接続のうちの少なくとも一つに含まれるすべての蓄電セルの容量は、他の蓄電セルの容量よりも小さくなるよう各蓄電セルを配置したことを特徴とする請求項１に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項３】
前記蓄電セルはキャパシタである、請求項１又は２に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項４】
前記蓄電セルは二次電池である、請求項１又は２に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項５】
前記各蓄電セルは、キャパシタと二次電池が混在したハイブリッド型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項６】
前記スイッチ群は、半導体スイッチから構成されものである、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項７】
前記スイッチ群は、機械式スイッチから構成されものである、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項８】
前記スイッチ制御手段は、前記スイッチ群を所定の周期で切り替えるようにされている請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項９】
少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態と、前記第１及び第２の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第３の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記第１の並列状態、第２の並列状態、第３の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
を含むことを特徴とする蓄電セルモジュール。
【請求項１０】
少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態と含む２以上の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記２以上の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする蓄電セルモジュール。
【請求項１１】
前記各蓄電セルは、キャパシタと二次電池が混在したハイブリッド型であることを特徴とする請求項１０に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項１２】
前記２以上の並列状態のそれぞれにおいて、キャパシタのセルと二次電池のセルの個数の比が一定である請求項１１に記載の蓄電セルモジュール。
【請求項１３】
少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態と、前記第１及び第２の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第３の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記第１の並列状態、第２の並列状態、第３の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする蓄電セルモジュール。
【請求項１４】
４個以上の任意の数の蓄電セルを含む蓄電セルモジュールの各蓄電セルの電圧を均等化する蓄電セルモジュールの電圧均等化方法であって、
前記任意の数の蓄電セルから、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続し、同様に直列接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）用意する工程と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態とを含む２以上の並列状態の間で切り替えることができるように、前記蓄電セルモジュールにスイッチ群を接続する工程と、
前記各蓄積蓄電セルの動作時に、スイッチ制御手段を用いて、前記各蓄積蓄電セルが前記２以上の並列状態の間で切り替わるよう前記スイッチ群を所定の周期で切り替える工程と、
を含むことを特徴とする蓄電セルモジュールの電圧均等化方法。
【請求項１５】
前記蓄電セルはキャパシタである、請求項１４に記載の蓄電セルモジュールの電圧均等化方法。
【請求項１６】
前記蓄電セルは二次電池である、請求項１４に記載の蓄電セルモジュールの電圧均等化方法。
【請求項１７】
前記スイッチ群は、半導体スイッチから構成されものである、請求項１４乃至１６のうちいずれか一項に記載の蓄電セルモジュール１の電圧均等化方法。
【請求項１８】
前記スイッチ群は、機械式スイッチから構成されものである、請求項１４乃至１６のうちいずれか一項に記載の蓄電セルモジュールの電圧均等化方法。
【請求項１９】
前記第２の接続状態に含まれる複数の並列接続のうちの一つに含まれるすべての蓄電セルの容量は、他の蓄電セルの容量よりも小さくなるよう各蓄電セルを配置したことを特徴とする請求項１４に記載の蓄電セルモジュールの電圧均等化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ及び二次電池に代表される電源用蓄電セルを用いて２直列／２並列以上にて構成される蓄電モジュールにおいて、各蓄電セルの電圧を均等化する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャパシタモジュールや二次電池モジュール等の蓄電モジュールは用途に応じた所望の電圧及び容量を実現するために複数個のセルを直列及び並列に接続して構成されている。
【０００３】
上述した蓄電モジュールにおいては繰り返し充放電を行ううちに、各セルの容量、内部抵抗、環境温度、自己放電率等のばらつきに起因するセル電圧のばらつきが発生する。そして、ばらつきが発生すると電圧の高くなったセルの劣化は加速され、最終的にそのセルは過充電及び過放電状態に陥り蓄電モジュール全体の寿命を著しく短縮させてしまう。
【０００４】
上述したモジュール内の各セルの電圧を均等化し、モジュールとしての劣化を防ぐ手法が種々提案されている。均等化手法の代表的なものとして、バイパス回路方式、インダクタを用いた均等化方式、トランスを用いた均等化方式、コンデンサを用いた均等化方式等が考案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８９６２９号  公報
【特許文献２】特開平７−３２２５１６  公報
【特許文献３】特開２００４−１２９４５５号  公報
【特許文献４】特開２００４−１２０８７１号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した種々の均等化手法はモジュール内の各セルの電圧を随時測定し、各セル間に電位差が生じた場合に均等化を行うというものである。これらの手法においては電圧検出のための分圧抵抗やオペアンプ、均等化を行うためのパワートランジスタ、トランス、インダクタ、コンデンサやその他多種多数の電子部品を用いて均等化を行うことになる。
【０００７】
セルを複数個直列及び並列に接続して構成されたモジュールにおいてはセル数の増加に伴い、均等化回路の規模や部品点数は増加し、モジュールとしての故障率は増加してしまう。また、均等化回路が故障し均等化能力が低減または喪失した場合は、上述したような電圧ばらつきが発生しセルの劣化は加速されてしまい、モジュールとしての寿命は短くなってしまう。
【０００８】
上述した種々の均等化手法においては均等化させる電圧の精度は使用する蓄電セル及び素子のパラメータに依存し、適当なパラメータが選択されていない場合はセル電圧は正常に均等化されず、最悪の場合にはモジュールの破損に至る可能性がある。以上の理由からモジュールを構成する際には使用する蓄電セルや素子のマッチングを行う、または可変抵抗などを用いてパラメータを微調整する必要がある。規模の大きなモジュールを構成する場合には所望の電圧・容量になるように複数の蓄電セルから成るユニットを複数組み合わせて用いるが、この場合においてもユニット間のマッチングが取れていなければ同様の問題を生じることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る蓄電セルモジュールは、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態とを含む２以上の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記２以上の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
前記第２の接続状態に含まれる複数の並列接続のうちの少なくとも一つに含まれるすべての蓄電セルの容量は、他の蓄電セルの容量よりも小さくなるよう各蓄電セルを配置したことを特徴とする。
【００１１】
前記蓄電セルはキャパシタ、二次電池、あるいはキャパシタと二次電池を混在させたハイブリッド型とすることができる。この場合、前記２以上の並列状態のそれぞれにおいて、キャパシタのセルと二次電池のセルの個数の比が一定であることが望ましい。
【００１２】
前記スイッチ群は、半導体スイッチから構成されものであるもの、あるいは機械式スイッチから構成されるものとすることができる。
【００１３】
本発明に係る他の蓄電セルモジュールは、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態と、前記第１及び第２の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第３の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記第１の並列状態、第２の並列状態、第３の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係る他の蓄電セルモジュールは、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態とを切り替えるスイッチ群と、
前記第１の並列状態と第２の並列状態との間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係る他の蓄電セルモジュールは、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）設けたｎ個の直列回路と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態と、前記第１及び第２の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第３の並列状態を切り替えるスイッチ群と、
前記第１の並列状態、第２の並列状態、第３の並列状態の間で接続状態が変化するよう、前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、
各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る蓄電セルモジュールの電圧均等化方法は、４個以上の任意の数の蓄電セルを含む蓄電セルモジュールの各蓄電セルの電圧を均等化する蓄電セルモジュールの電圧均等化方法であって、
前記任意の数の蓄電セルから、少なくとも２つの蓄電セルを直列に接続し、同様に直列接続した直列回路をｎ個（ｎは２以上の整数）用意する工程と、
各直列回路から一つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第１の並列状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで前記各直列回路から１つずつ抽出したｎ個の蓄電セルより構成される並列接続を１つ又は複数形成した第２の並列状態とを含む２以上の並列状態の間で切り替えることができるように、前記蓄電セルモジュールにスイッチ群を接続する工程と、
前記各蓄積蓄電セルの動作時に、スイッチ制御手段を用いて、前記各蓄積蓄電セルが前記２以上の並列状態の間で切り替わるよう前記スイッチ群を所定の周期で切り替える工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
上述のように、本発明は、電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用蓄電セルを複数個直列及び並列に接続して構成された蓄電モジュール内の各セルを２系統のＦＥＴ、サイリスタ、フォトＭＯＳリレー等の半導体スイッチ（以下、「半導体スイッチ」という）のみを用いて均等化する方法であって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する方法である。
【００１８】
この構成によれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは２系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧差が生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。
【００１９】
また、本発明は、２直列／２並列（直列回路にセルが２個、並列回路にセルが２個）以上の電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用セルにより構成される蓄電モジュール内の各セル電圧を２系統の半導体スイッチのみを用いて均等化する蓄電モジュールであって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する蓄電モジュールである。
【００２０】
この蓄電モジュールによれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは２系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧ばらつきが生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。
【００２１】
また、本発明は、直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュール内の各セルを半導体スイッチのみを用いて直列及び並列接続に切り替える機能を有する回路を備えることを特徴とする。この構成によれば２系統の半導体スイッチを切り替えることにより蓄電モジュール内の各セルをいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続することが可能となる。
【００２２】
また、本発明は、直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュールを構成する複数の直列段のうち電気的に最外縁部の最高電位側および最低電位側のスイッチを除くいずれかの１つの半導体スイッチがオープン故障しても均等化機能を維持することを特徴とする。前記蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のある半導体スイッチがオープン故障した場合、その半導体スイッチを介して並列接続されるセル間では相互充放電による均等化は行えない。しかし別系統のスイッチ動作時には上記セルは別のセルに並列接続されるため相互充放電による均等化が可能となる。
【００２３】
さらに、本発明は、２直列／３並列以上の構成における直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュール内のいずれか１つのセルがオープン故障しても均等化機能を維持することを特徴とする。前記蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のあるセルがオープン故障した場合、そのセルを含む並列段においてセルの並列接続数は減少するが並列接続内における相互充放電は可能であり、また半導体スイッチにより直列／並列接続が切り替えられた後においても相互充放電による均等化は可能である。
【００２４】
さらに、本発明は、２直列／２並列以上の電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用セルにより構成される蓄電モジュール内の各セル電圧を２系統の半導体スイッチのみを用いて均等化する蓄電モジュールであって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する蓄電モジュールであり、いずれかの接続状態においてモジュール内のある並列段の合成容量が他の並列段の合成容量よりも小さくなるようにセル配置を施した蓄電モジュールである。
【００２５】
この蓄電モジュールによれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは２系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧ばらつきが生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。いずれかの接続状態においてモジュール内のある並列段の合成容量は他の並列段の合成容量よりも小さくなるため、その段のセル電圧は他段のセル電圧よりも充電中においては高く、放電中においては低くなる。また、合成容量の小さい並列段を構成するセルの容量は他の並列段を構成するセルの容量よりも小さいため電圧応答の時定数が小さい。よって合成容量の小さい並列段においては他の並列段よりも電圧均等化が速く進むため、合成容量の小さな並列段のセル電圧と他の並列段のセル電圧との間に差が生じる。そして先ほどとは異なる接続状態に切り替えられると前記のセルは電圧の異なるセルと並列に接続されるため、それらのセル間において相互充放電が行われる。このように意図的にモジュール内のある並列段の合成容量を小さくすることによりセル間における相互充放電を活発化させ、大きな電圧ばらつきが発生した場合においては同じ容量のセルのみにより構成されたモジュールよりも素早く均等化を行うことが出来る。
【００２６】
さらに、本発明は、２直列／２並列以上の電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用セルにより構成される蓄電モジュール内の各セル電圧を３系統の半導体スイッチのみを用いて均等化する蓄電モジュールであって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する蓄電モジュールであり、３つの接続状態のうちいずれかの接続状態においてモジュール内のある並列段の合成容量が他の並列段の合成容量よりも小さくなるようにセル配置を施した蓄電モジュールである。
【００２７】
この蓄電モジュールによれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは３系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧ばらつきが生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。また、３つの接続状態のうちいずれかの接続状態においてモジュール内のある並列段の合成容量は他の並列段の合成容量よりも小さくなるため、その段のセル電圧は他段のセル電圧よりも充電中においては高く、放電中においては低くなる。また、合成容量の小さい並列段を構成するセルの容量は他の並列段を構成するセルの容量よりも小さいため電圧応答の時定数が小さい。よって合成容量の小さい並列段においては他の並列段よりも電圧均等化が速く進むため、合成容量の小さな並列段のセル電圧と他の並列段のセル電圧との間に差が生じる。そして先ほどとは異なる接続状態に切り替えられると前記のセルは電圧の異なるセルと並列に接続されるため、それらのセル間において相互充放電が行われる。このように意図的にモジュール内のある並列段の合成容量を小さくすることによりセル間における相互充放電を活発化させ、大きな電圧ばらつきが発生した場合においては同じ容量のセルのみにより構成されたモジュールよりも素早く均等化を行うことが出来る。
【００２８】
さらに、本発明は、二次電池セルと電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用キャパシタセルから成る２直列／２並列以上の構成の蓄電モジュール内の各セル電圧を２系統の半導体スイッチのみを用いて均等化する蓄電モジュールであって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチにより切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する蓄電モジュールであり、２つの接続状態のうちいずれの接続状態においてもモジュール内の全ての並列段が二次電池セルとキャパシタセルの両方を含むよう二次電池セルとキャパシタセルの配置を施した蓄電モジュールである。なお、上記各並列段において、二次電池セルとキャパシタセルの個数の比を一定とする。
【００２９】
この蓄電モジュールによれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは２系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧ばらつきが生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。また、２つの接続状態うちいずれの接続状態においてもモジュール内の全ての並列段が二次電池セルとキャパシタセルの両方を含むため、二次電池セルとキャパシタセルを並列に接続したハイブリッド蓄電モジュールを構成することが可能である。なお、上記各並列段において、二次電池セルとキャパシタセルの個数の比を一定とする。
【００３０】
さらに、本発明は任意の数の半導体スイッチ及び蓄電セルを含む基本ユニットを複数個直列及び並列に接続することにより所望の電圧・容量を実現できる蓄電セルユニットモジュールである。
【発明の効果】
【００３１】
電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用セルを複数個直列及び並列に接続して構成された蓄電モジュール内の各セルを２系統の半導体スイッチのみを用いて均等化することが可能である。
【００３２】
長期使用や使用環境により半導体スイッチやセルが劣化し、半導体スイッチのオン抵抗やセルの直流内部抵抗やセルの容量などの各種パラメータが変化した場合においても均等化機能は失われることはなく、信頼性の高い均等化機能付き蓄電モジュールを提供できる。
【００３３】
均等化には半導体スイッチのみを用いるため蓄電モジュールとしての故障率を低くすることが可能である。また万が一、複数の直列段のうち電気的に最外縁部の最高電位側および最低電位側のスイッチを除くいずれかの１つの半導体スイッチがオープン故障した場合においても均等化機能は失われることはなく、信頼性の高い均等化機能付き蓄電モジュールを提供できる。
【００３４】
２直列／３並列以上の構成における均等化機能付き蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュール内のいずれか１つのセルがオープン故障しても均等化機能を失われることはなく、信頼性の高い均等化機能付き蓄電モジュールを提供できる。
【００３５】
均等化機能付き蓄電モジュールにおいて幾つか存在する接続状態のうち、ある接続状態において、蓄電モジュール内のある並列段の合成容量が他の並列段の合成容量よりも小さくなるようなセル配置を施すことにより、電圧ばらつきが発生した場合においては同じ容量のセルのみにより構成されたモジュールよりも素早く均等化を行うことができる。
【００３６】
均等化機能付き蓄電モジュールにおいて幾つか存在する接続状態のうち、いずれの接続状態において、蓄電モジュール内の全ての並列段が二次電池セルとキャパシタセルの両方を含むようなセルの配置を施すことにより、二次電池とキャパシタの並列構成から成る均等化機能付きハイブリッド蓄電モジュールを構成することができる。なお、上記各並列段において、二次電池セルとキャパシタセルの個数の比を一定とする。
【００３７】
本発明における均等化手法においてはモジュールに使用する蓄電セル及び素子のパラメータが変化した場合においても均等化機能は失われることはないため、複数のユニットを組み合わせて規模の大きなモジュールを構成する場合においてもユニット間のマッチングを取る必要がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１に本発明の基本原理を説明する。セルａ〜ｃがスイッチＡ〜Ｄを介して並列に接続されている。Ｂａ〜Ｂｃはセルの容量、ｒａ〜ｒｃはセルの内部抵抗、ｒＡ〜ｒＤはスイッチのオン抵抗をそれぞれ示す。初期状態としてスイッチＡ〜Ｄがオフ、セルａ〜ｃのセル電圧は異なる状態、つまりセルの電圧はばらついているものとする。ここでスイッチＣとスイッチＤはオフのままでスイッチＡとスイッチＢをオン状態にすると、セルａとセルｂは並列に接続され、セルの内部抵抗ｒＡ、ｒＢとスイッチのオン抵抗ｒＡ、ｒＢで制限される電流が電圧の高いセルから電圧の低いセルへと流れる。つまりセルａとセルｂが抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒＡ、ｒＢを介して相互に充放電を行う。そして時間の経過と共にセルａとセルｂの電圧は近づいてゆき、最終的には等しくなる。
【００３９】
次にスイッチＡとスイッチＢをオフにすると同時にスイッチＣとスイッチＤをオン状態にすると、セルｂとセルｃは並列に接続され、セルの直流内部抵抗ｒｂ、ｒｃとスイッチのオン抵抗ｒＣ、ｒＤで制限される電流が電圧の高いセルから電圧の低いセルへと流れる。つまりセルｂとセルｃが抵抗ｒｂ、ｒｃ、ｒＣ、ｒＤを介して相互に充放電を行う。そして時間の経過と共にセルｂとセルｃの電圧は近づいてゆき、最終的には等しくなる。
【００４０】
上記の一連の動作において、セルａとセルｃは直接的に並列接続されることはないが、セルｂを介して間接的に並列接続されているのと同等であると見なせる。よってセルａとセルｃはセルｂを介して間接的に相互充放電を行うものと見なすことができ、これらの一連の動作によりセルａ〜ｃの電圧を等しくすることが可能である。
【００４１】
図２は本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第１の実施形を示す回路図である。このモジュールの構成は３直列／３並列である。Ｂ１Ａ〜Ｂ４Ａ、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂ、Ｂ０Ｃ〜Ｂ３Ｃはセル、Ｓａ１〜Ｓａ８、Ｓｂ１〜Ｓｂ８は半導体スイッチを示す。Ｓａ系統とＳｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれの間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。なお、ドライバを用いたオン／オフ動作は、一定周期でオンとオフを切り替えるよう動作させることができる他、経時変化や負荷変動などに応じてこの周期を変えるようにしてもよい。
【００４２】
図３にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＢ１ＢとＢ１Ｃ、Ｂ２ＡとＢ２ＢとＢ２Ｃ、Ｂ３ＡとＢ３ＢとＢ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。なお、この状態においてはＢ４ＡとＢ０Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００４３】
図４にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ２ＡとＢ１ＢとＢ０Ｃ、Ｂ３ＡとＢ２ＢとＢ１Ｃ、Ｂ４ＡとＢ３ＢとＢ２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。なお、この状態においてはＢ１ＡとＢ３Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００４４】
上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に３直列／３並列の構成を維持しつつ直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。
【００４５】
なお、上述の第１の実施形態において蓄電モジュールを構成するセルは必ずしも同容量のセルである必要はなく、異なる容量のセルを組み合わせて蓄電モジュールを構成した場合においてもセル電圧の均等化は可能である。
【００４６】
図５は本発明の蓄電モジュールの第２の実施形態を示す回路図である。このモジュールの構成は３直列／３並列である。Ｂ１Ａ、Ｂ’２Ａ、Ｂ３Ａ，Ｂ４Ａ、Ｂ１Ｂ、Ｂ’２Ｂ、Ｂ３Ｂ、Ｂ０Ｃ、Ｂ１Ｃ、Ｂ’２Ｃ、Ｂ３Ｃはセル、Ｓａ１〜Ｓａ８、Ｓｂ１〜Ｓｂ８は半導体スイッチを示す。ここでＢ’２Ａ、Ｂ’２Ｂ、Ｂ’２Ｃは他のセルよりも容量の小さいセルである。Ｓａ系統とＳｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれの間において相互充放電を行いセル電圧均等化される。
【００４７】
図６にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ’２ＡとＢ１ＢとＢ０Ｃ、Ｂ３ＡとＢ’２ＢとＢ１Ｃ、Ｂ４ＡとＢ３ＢとＢ’２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態においては全ての並列段の合成容量は等しいため、各セルの初期電圧が等しい場合においては充放電中においても並列段を構成する全てのセルの電圧は等しくなる。なお、この状態においてはＢ１ＡとＢ３Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００４８】
図７にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＢ１ＢとＢ１Ｃ、Ｂ’２ＡとＢ’２ＢとＢ’２Ｃ、Ｂ３ＡとＢ３ＢとＢ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態にてＢ’２Ａ／／Ｂ’２Ｂ／／Ｂ’２Ｃの並列段は他段と比較して合成容量が小さいため、各セルの初期電圧が等しい状態から充放電を行った場合、充電中においてこの並列段のセル電圧は他の並列段のセル電圧よりも高く、放電中においては低くなる。また、合成容量の小さい並列段を構成するセルの容量は他の並列段を構成するセルの容量よりも小さいため電圧応答の時定数が小さい。よって合成容量の小さい並列段においては他の並列段よりも相互充放電が速く進みセル電圧の変動も大きくなるため、合成容量の小さな並列段のセル電圧と他の並列段のセル電圧との間に差が生じる。なお、この状態においてはＢ４ＡとＢ０Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００４９】
そして上記の図７において合成容量の小さい並列段のセル電圧とその他の並列段のセル電圧に差が生じている状態から図６の接続状態へと切り替えると、セル電圧に差が生じている容量の小さいセルとその他のセルが並列に接続されるため、セル電圧に差が生じているセル間において相互充放電が行われる。
【００５０】
上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に３直列／３並列の構成を維持しつつ直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。また、ある接続状態において並列接続されるセルの合成容量が小さくなるように意図的にセル配置を施すことにより、セル間における相互充放電を活発化させ、大きな電圧ばらつきが発生した場合においては同じ容量のセルのみにより構成されたモジュールよりも素早く均等化を行うことが可能となる。ただし、この実施形態においては大きな電圧ばらつきが発生した場合において素早く均等化を行うために敢えて容量の小さなセルをモジュール内に配置しており、合成容量の小さい並列段が存在する接続状態においては多少の電圧ばらつきが常に発生することになる。
【００５１】
図８は本発明の蓄電モジュールの第３の実施形態を示す回路図である。このモジュールの構成は３直列／３並列である。Ｂ’０Ａ、Ｂ１Ａ、Ｂ２Ａ，Ｂ’３Ａ、Ｂ４Ａ、Ｂ１Ｂ、Ｂ’２Ｂ、Ｂ３Ｂ、Ｂ０Ｃ、Ｂ’１Ｃ、Ｂ２Ｃ、Ｂ３Ｃ、Ｂ’４Ｃはセル、Ｓａ１〜Ｓａ８、Ｓｂ１〜Ｓｂ８、Sｃ１〜Sｃ８は半導体スイッチを示す。ここでＢ’０A、Ｂ’３A、Ｂ’2B、Ｂ’１C、Ｂ’４Cは他のセルよりも容量の小さいセルである。Ｓａ系統、Ｓｂ系統、Ｓｃ系統で示される３系統のうちいずれか２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれの間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。
【００５２】
図９にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統およびＳｃ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ’０ＡとＢ１ＢとＢ２Ｃ、Ｂ１ＡとＢ’２ＢとＢ３Ｃ、Ｂ２ＡとＢ３ＢとＢ’４Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態においては全ての並列段の合成容量は等しいため、各セルの初期電圧が等しい場合においては充放電中においても並列段を構成する全てのセルの電圧は等しくなる。各セルに電圧ばらつきが発生している場合においては並列接続されているセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。なお、この状態においてはＢ’３Ａ、Ｂ４Ａ、Ｂ０C、Ｂ’１Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００５３】
図１０にＳａ系統およびＳｃ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＢ１ＢとＢ’１Ｃ、Ｂ２ＡとＢ’２ＢとＢ２Ｃ、Ｂ’３ＡとＢ３ＢとＣ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態においても全ての並列段の合成容量は等しいため、各セルの初期電圧が等しい場合においては充放電中においても並列段を構成する全てのセルの電圧は等しくなる。各セルに電圧ばらつきが発生している場合においては並列接続されているセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。なお、この状態においてはＢ’０Ａ、Ｂ４Ａ、Ｂ０C、Ｂ’４Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００５４】
図１１にＳａ系統およびSｂ系統のスイッチがオフ、Ｓｃ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ２ＡとＢ１ＢとＢ０Ｃ、Ｂ’３ＡとＢ’２ＢとＢ’１Ｃ、Ｂ４ＡとＢ３ＢとＢ２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態にてＢ’３Ａ／／Ｂ’２Ｂ／／Ｂ’１Ｃの並列段は他段と比較して合成容量が小さいため、各セルの初期電圧が等しい状態から充放電を行うと、充電中においてはこれらのセル電圧は他の並列段のセル電圧よりも高く、放電中においては低くなる。また、合成容量の小さい並列段を構成するセルの容量は他の並列段を構成するセルの容量よりも小さいため電圧応答の時定数が小さい。よって合成容量の小さい並列段においては他の並列段よりも相互充放電が速く進みセル電圧の変動も大きくなるため、合成容量の小さな並列段のセル電圧と他の並列段のセル電圧との間に差が生じる。なお、この状態においてはＢ’０Ａ、Ｂ１Ａ、Ｂ３Ｃ、Ｂ’４Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。図１１においてＢ’３ＡとＢ’２ＢとＢ’１Ｃのセル電圧が他のセル電圧と異なる状態から図９および図１０の状態へと並列接続の組み合わせが切り替えられると電圧の異なるセルが並列に接続されることになり、電圧の異なるセル間において相互充放電が行われ電圧ばらつきは解消される方向に向かう。
【００５５】
そして上記の図１１において合成容量の小さい並列段のセル電圧とその他の並列段のセル電圧に差が生じている状態から図９もしくは図１０の接続状態へと切り替えると、セル電圧に差が生じている容量の小さいセルとその他のセルが並列に接続されるため、セル電圧に差が生じているセル間において相互充放電が行われる。
【００５６】
上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に３直列／３並列の構成を維持しつつ直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。また、ある接続状態において並列接続されるセルの合成容量が小さくなるように意図的にセル配置を施すことにより、セル間における相互充放電を活発化させ、大きな電圧ばらつきが発生した場合においては同じ容量のセルのみにより構成されたモジュールよりも素早く均等化を行うことが可能となる。第２の実施形態においては通常状態においても多少の電圧ばらつきが常に発生している状態であったが、第３の実施形態では通常状態においてはＳｃ系統のスイッチはオフのままでＳａ系統とＳｂ系統のスイッチをオン／オフさせることにより、いずれの並列段の合成容量も同じままセル電圧がばらつかないように維持することが可能である。そして大きな電圧ばらつきが発生した場合においてはＳａ系統のスイッチはオフのままでＳｂ系統とＳｃ系統のスイッチをオン／オフ、もしくはＳｂ系統のスイッチはオフのままでＳａ系統とＳｃ系統のスイッチをオン／オフすることにより素早い均等化を行う、というように２段階の均等化機能を備えたモジュールを構成することが可能となる。
【００５７】
上述のような構成により、負荷が大きく蓄電モジュール内のセル電圧がばらつき易い場合には素早い均等化を行い、負荷が小さく蓄電モジュール内のセル電圧があまりばらつかない場合には通常の均等化を行うというように負荷の状況に応じて均等化の速度を切り替えることが可能となる。特に自動車用電源や携帯機器のように使用状況に応じて負荷が大きく変動するような用途において有効である。
【００５８】
図１２は本発明の蓄電モジュールの第４の実施形態の一実施例を示す回路図である。このモジュールの構成は３直列／３並列である。Ｂ２Ａ、Ｂ３Ａ、Ｂ１Ｂ、Ｂ３Ｂ、Ｂ１Ｃ、Ｂ２Ｃは二次電池セル、Ｃ１Ａ、Ｃ４Ａ、Ｃ２Ｂ、Ｃ０Ｃ、Ｃ３Ｃはキャパシタセル、Ｓａ１〜Ｓａ８、Ｓｂ１〜Ｓｂ８、Ｓｃ１〜Ｓｃ８は半導体スイッチを示す。Ｓａ系統、Ｓｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれの間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。
【００５９】
図１３にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＣ１ＡとＢ１ＢとＢ１Ｃ、Ｂ２ＡとＣ２ＢとＢ２Ｃ、Ｂ３ＡとＢ３ＢとＣ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。この接続状態においてモジュール内のいずれの並列段も２つの二次電池セルと１つのキャパシタセルにより構成されており、モジュール全体としては２並列の二次電池と１並列のキャパシタにより構成されるハイブリッド蓄電モジュールとして機能する。なお、この状態においてはＣ４ＡとＣ０Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００６０】
図１４にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ２ＡとＢ１ＢとＣ０Ｃ、Ｂ３ＡとＣ２ＢとＢ１Ｃ、Ｃ４ＡとＢ３ＢとＢ２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、３直列／３並列のモジュールを構成している。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。図１３の場合と同様に、この接続状態においてもモジュール内のいずれの並列段も２つの二次電池セルと１つのキャパシタセルにより構成されており、モジュール全体としては２並列の二次電池と１並列のキャパシタにより構成されるハイブリッド蓄電モジュールとして機能する。なお、この状態においてはＣ１ＡとＣ３Ｃはモジュール内において電気的に開放状態となる。
【００６１】
上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に３直列／３並列の構成を維持しつつ直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。また、いずれの接続状態においてもモジュール内のいずれの並列段も２つの二次電池セルと１つのキャパシタセルの両方を含んでいるため、モジュールとしては二次電池×２並列＋キャパシタ×１並列のハイブリッド構成を維持しつつモジュール内のセル電圧を均等化することが可能となる。
【００６２】
なお、上述の第４の実施形態において蓄電モジュールを構成する二次電池セルおよびキャパシタセルは必ずしも同容量のセルである必要はなく、異なる容量のセルを組み合わせて蓄電モジュールを構成した場合においてもセル電圧の均等化は可能である。
【００６３】
上述のような構成により、接続状態の切り替えによる均等化により蓄電モジュール内のセル電圧のばらつきを抑えつつ、且つ、二次電池とキャパシタのハイブリッド構成を維持することができるので、均等化を行いながらハイブリッドの特徴であるパルス負荷への対応も可能となる。特に自動車用電源、携帯機器、無停電電源のように通常負荷とパルス負荷が混在し、且つ、蓄電モジュールのセル電圧のばらつきを抑えたいというような用途において有効である。
【００６４】
図１５は蓄電セルユニットモジュールを構成する単位ユニットの一実施形態を示す図である。図１６は蓄電セルユニットモジュールの一実施形態を示す図である。図１５のモジュールは７直列／５並列のモジュールであり、蓄電セルと半導体スイッチにより構成されるユニットＡ〜Ｄをそれぞれ２組、蓄電セルのみで構成されるエンドユニットＥ〜Ｆをそれぞれ１組用いて構成されている。ユニットＡとユニットＢ、及びユニットＣとユニットＤはそれぞれ交互に並列接続できる構成となっており並列構成の端部においてはユニットＡに対してエンドユニットＥ、ユニットＢ〜Ｄに対してはエンドユニットＦをそれぞれ並列接続する構成となっている。またユニットＡとユニットＣ、及びユニットＢとユニットＤはそれぞれ直列接続できる構成となっており、ユニットＣ〜ＤとエンドユニットＥ〜Ｆはそれぞれ同種類のユニット同士が直列接続できる構成となっている。モジュールとしての最小構成単位はユニットＡ及びユニットＢにエンドユニットＥ及びエンドユニットＦを組み合わせたものであり、直列数を増やしたい場合はこれにユニットＣおよびユニットＤを組み合わせに応じて所望の数だけ直列に接続する。並列数を増やしたい場合はユニットＡとユニットＣ、及びユニットＢとユニットＤをそれぞれ所望の数だけ交互に並列に接続し、並列接続の端部においてはエンドユニットＥおよびエンドユニットＦを接続する。以上のユニットの組み合わせを行うことにより電圧均等化機能を備えた任意の電圧・容量のモジュールを構成することが可能である。
【００６５】
本発明の蓄電モジュールにおいて用いられるセルは全て電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用蓄電セルであり、複数個の蓄電セルを用いて蓄電モジュールを構成する。よってモジュール内のあるセルがオープン故障した場合やモジュール内のある半導体スイッチが故障してあるセルが電気的に切り離された場合においても蓄電モジュールとしての機能は失われない。
【００６６】
本発明の蓄電モジュールにおいて複数の直列段のうち電気的に最外縁部の最高電位側および最低電位側のスイッチを除くいずれかの１つの半導体スイッチがオープン故障した場合、その半導体スイッチを介して並列接続されるセル間では相互充放電による均等化は行えなくなる。しかし別系統のスイッチ動作時には上記セルは別のセルに並列接続されるため相互充放電による均等化が可能となる。ただし、複数の直列段のうち電気的に最外縁部の最高電位側および最低電位側のスイッチが故障した場合や、２つ以上のスイッチが故障した場合などはモジュールから電気的に切り離されるセルが発生するケースがある。
【００６７】
図１７及び図１８は、蓄電セルがオープン故障した場合について説明するための図であり、図１７は２並列２直列の場合、図１８は２直列３並列の場合である。図１７に示すように、蓄電セルＢ１Ｂがオープン故障した場合には、蓄電セルＢ１Ａについては均等化はされない。これに対して２直列３並列以上の場合には、図１８に示すように、蓄電セルＢ１Ｂがオープン故障した場合であっても、並列状態を切り替えることによって、すべてのセルの均等化を行うことができる。
【００６８】
本発明の蓄電モジュールにおいて２直列／３並列以上の構成における蓄電モジュール内のある１つのセルがオープン故障した場合、その故障したセルを含む並列段の合成容量は小さくなってしまう。しかし他のセルとの電気的な接続を阻害する故障ではないため、モジュール内の各セルは必ず１つ以上のその他のセルと並列接続されることになるので均等化機能は失われない。ただし２直列／２並列以下の構成における場合や２つ以上のセルが故障した場合などは並列に接続される相手のいないセルが発生、もしくは故障セルのみにより構成される並列段などが発生するケースがある。
【００６９】
図１９乃至図２２は、半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図であり、図１９、図２１は２直列２並列の場合、図２０、図２２は２直列３並列の場合である。まず図１９（ａ）及び図２０（ａ）は、最外縁部以外の半導体スイッチ（「×」印で示した）がオープン故障した状態を示している。この場合には、図１９（ｂ）及び図２０（ｂ）ように接続状態を切り替えることにより、すべての蓄電セルの均等化を行うことが可能である。一方、図２１（ａ）及び図２２（ａ）のように、最外縁部の半導体スイッチがオープン故障した場合には、これらの図のＢ１Ａで示した蓄電セルは、均等化以前に回路から切り離されてしまう。このため、電圧の均等化は、この蓄電セルを除いて行われることになる。
【００７０】
これまでは、蓄電セルの均等化を行うに際して、特に各蓄電セルの電圧を計測することは行わなかった。これは、回路構成を簡略化してモジュール全体の軽量化及び簡素化を図るという点では好ましい。しかしながら、特に軽量化等の要請が強くない状況で使用する場合には、各蓄電セルの電圧を計測し、他の蓄電セルとの電圧差が大きくなった場合に均等化を行うようなきめ細かい制御が望ましい場合もある。図２３乃至３０は、蓄電セルモジュールに電圧検出回路を設けた場合のブロック図を示している。
【００７１】
図２３は、図２に示した第１の実施形態の回路に、電圧検出回路２、平均回路３、減算回路４、比較回路５、基準電圧１発生回路６を付加した実施形態を示しており、均等化による損失およびドライバにおける損失を低減させる方法の一例である。
【００７２】
図２３の回路は、前述の３直列／３並列のモジュールであり、モジュール内の各セルは電圧検出回路２及び平均回路３に接続されており、電圧検出回路２は各セル電圧に応じた電圧信号を出力し、平均回路３は各セル電圧の平均電圧に応じた電圧信号を出力する。電圧検出回路２及び平均回路３からの出力信号は減算回路４に入力され、各セル電圧とセルの平均電圧との差、つまり電圧ばらつきに応じた電圧信号が減算回路より出力される。減算回路４からの出力信号は比較回路５に入力され、基準電圧１発生回路６から供給される基準電圧１と比較される。減算回路４からの入力信号が基準電圧１よりも大きい場合、つまり各セル電圧のばらつきが基準電圧１の値よりも大きい場合は、スイッチ切り替え制御を行うようドライバ１から信号が出力され、各セル電圧のばらつきが基準電圧１の値よりも小さい場合はスイッチ切り替え制御を停止し、いずれかの系統のスイッチのみがオンとなるようドライバから信号が出力される。以上の動作により、各セル間において電圧ばらつきが生じていない場合の均等化の損失及びスイッチドライバにおける損失を低減させることが出来る。
【００７３】
図２４は、図８に示した第３の実施形態の回路に、電圧検出回路２、平均回路３、減算回路４、比較回路５、基準電圧１発生回路６、基準電圧２発生回路７を付加した実施形態を示しており、均等化による損失およびドライバにおける損失を低減させ、電圧ばらつきの度合いにより動作させるスイッチの組み合わせを切り替える方法の一例である。
【００７４】
図２４の回路は、第３の実施形態の蓄電モジュールにおいて、均等化による損失およびスイッチドライバにおける損失を低減させる。モジュール内の各セルは電圧検出回路２及び平均回路３に接続されており、電圧検出回路２は各セル電圧に応じた電圧信号を出力し、平均回路３は各セル電圧の平均電圧に応じた電圧信号を出力する。電圧検出回路２及び平均回路３からの出力信号は減算回路４に入力され各セル電圧とセルの平均電圧との差、つまり電圧ばらつきに応じた電圧信号が減算回路より出力される。減算回路４からの出力信号は比較回路５に入力され、基準電圧１発生回路６から供給される基準電圧１及び基準電圧２発生回路７から供給される基準電圧２と比較される。減算回路４からの入力信号が基準電圧１よりも大きい場合、つまり各セル電圧のばらつきが基準電圧１の値よりも大きい場合はＳｃ系統のスイッチをオフの状態で維持し、Ｓａ系統とＳｂ系統のスイッチ切り替え制御を行うようドライバから信号が出力され、各セル電圧のばらつきが基準電圧１の値よりも小さい場合はスイッチ切り替え制御を停止し、いずれかの系統のスイッチのみオンするようドライバから信号が出力される。以上の動作により、各セル間において電圧ばらつきが生じていない場合の均等化の損失及びスイッチドライバにおける損失を低減させることが出来る。また、更に電圧ばらつきが大きくなり、減算回路４からの入力信号が基準電圧２よりも大きい場合、つまり各セル電圧のばらつきが基準電圧２の値よりも大きい場合はＳａ系統およびＳｂ系統のうちいずれかのスイッチをオフ状態で維持し、Ｓａ系統およびＳｂ系統のうちいずれかオフ状態でない系統のスイッチとＳｃ系統のスイッチ切り替え制御を行うようドライバから信号が出力され、各セル電圧のばらつきが基準電圧２の値よりも小さい場合は前記と同様にＳｃ系統のスイッチをオフの状態で維持し、Ｓａ系統とＳｂ系統のスイッチ切り替え制御を行うようドライバから信号が出力される。以上の動作により、各セル間において電圧ばらつきが生じていない場合の均等化の損失及びスイッチドライバにおける損失を低減させ、電圧ばらつきが規定値よりも大きくなった場合は通常の均等化よりも素早く各セル電圧を均等化することが出来る。
【００７５】
なお、図２３は、図２に示した回路に対して、また図２４は図８に示した回路に対して、それぞれ電圧検出回路等を付加したものであるが、これら以外の回路に対しても電圧検出回路等を付加して、検出された電圧に基づいてスイッチの切り替えを行うようにすることもできる。また、電圧検出を回路を付加し、その検出電圧に基づいてスイッチの切り替えを行う方法に関しても、上記のように平均回路によって各蓄電セルの平均電圧を求め、それと基準電圧との差に基づいてスイッチの切り替えを行う場合以外にも、例えば各蓄電セルのうちいずれか一つが所定の電圧以下となった場合、又は所定の電圧以上になった場合にスイッチの切り替え動作を行う場合や、それ以外の種々の制御方法を採用することができる。
【００７６】
本発明の均等化方式は複数個のセルを半導体スイッチを用いて並列に接続させセル間での充放電により均等化を行うので、ある時間が経過した後においては並列に接続されるセルの電圧を確実に等しくすることが出来る。半導体スイッチのオン抵抗やセルの直流内部抵抗やセルの容量などの各種パラメータが変化した場合はセルの電圧応答の時定数が変化し均等化の速度も変化してしまうが、均等化機能は失われることはないため回路としての信頼性は高い。
【００７７】
モジュールに用いる半導体スイッチは、均等化速度の観点からなるべくオン抵抗の低いものが好ましい。半導体スイッチのオン抵抗が大きいものを用いると、オン抵抗とセルの直流内部抵抗と容量で決定される時定数が大きくなるために均等化速度は遅くなる。オン抵抗の大きな半導体スイッチを用いた場合は上述のように均等化の速度は落ちるが、均等化の機能自体は損なわれることはない。よって、長期使用や使用環境により半導体スイッチやセルが劣化し、オン抵抗や直流内部抵抗や容量などの各種パラメータが変化した場合においても均等化機能は失われることはない。
【００７８】
上記のように説明してきた均等化回路の具体的な構成は、この実施形態に限られるものではなく、この発明の原理を逸脱しない範囲の設計も含まれる。上記の実施形態においては３直列／３並列の蓄電モジュールについて説明してきたが、２直列／２並列以上の構成であれば任意の直列数及び並列数の蓄電モジュールにおいても均等化を行うことが可能である。
【００７９】
また、上記においては半導体スイッチを用いることを前提として説明してきたが、スイッチの切り替え周期を十分遅くした場合などにおいてはパワーリレー等の応答速度の遅い機械式スイッチを用いて均等化を行うことも可能である。
【００８０】
また、上記においてはセルという語句を用いて説明してきたが、単一のセルを意味する他に複数個のセルから構成されるセルモジュールであっても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の均等化回路の基本原理図である。
【図２】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第１の実施形態の一実施例を示す回路図である。
【図３】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第１の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオン、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図４】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第１の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオフ、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオン状態の回路図である。
【図５】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第２の実施形態の一実施例を示す回路図である。
【図６】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第２の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオン、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図７】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第２の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオフ、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオン状態の回路図である。
【図８】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第３の実施形態の一実施例を示す回路図である。
【図９】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第３の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオン、Ｓｂ系統およびＳｃ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図１０】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第３の実施形態の一実施例であって、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオン、Ｓａ系統およびＳｃ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図１１】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第３の実施形態の一実施例であって、Ｓｃ系統の半導体スイッチがオン、Ｓａ系統およびＳｂ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図１２】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第４の実施形態の一実施例を示す回路である。
【図１３】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第４の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオン、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオフ状態の回路図である。
【図１４】本発明の直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの第４の実施形態の一実施例であって、Ｓａ系統の半導体スイッチがオフ、Ｓｂ系統の半導体スイッチがオン状態の回路図である。
【図１５】本発明の蓄電セルユニットモジュールを構成する単位ユニットの一実施形態を示す図である。
【図１６】本発明の蓄電セルユニットモジュール一実施形態を示す図である。
【図１７】蓄電セルがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図１８】蓄電セルがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図１９】半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図２０】半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図２１】半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図２２】半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。
【図２３】図２に示した第１の実施形態の回路に、電圧検出回路２、平均回路３、減算回路４、比較回路５、基準電圧１発生回路６を付加した実施形態のブロック図である。
【図２４】図８に示した第３の実施形態の回路に、電圧検出回路２、平均回路３、減算回路４、比較回路５、基準電圧１発生回路６、基準電圧２発生回路７を付加した実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  ドライバ
２  電圧検出回路
３  平均回路
４  減算回路
５  比較回路
６  基準電圧１発生回路
７  基準電圧２発生回路
Ｂａ〜Ｂｃ  蓄電セルの容量
ｒａ〜ｒｃ  蓄電セルの直流内部抵抗
ｒＡ〜ｒＤ  半導体スイッチのオン抵抗
Ｂ０Ａ〜Ｂ４Ａ  蓄電セル
Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂ  蓄電セル
Ｂ０Ｃ〜Ｂ４Ｃ  蓄電セル
Ｃ１Ａ、Ｃ４Ａ、Ｃ２Ｂ、Ｃ０Ｃ、Ｃ３Ｃ  キャパシタセル
Ｓａ１〜Ｓａ８  Ｓａ系統半導体スイッチ
Ｓｂ１〜Ｓｂ８  Ｓｂ系統半導体スイッチ
Ｓｃ１〜Ｓｃ８  Ｓｃ系統半導体スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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