(57)【要約】【課題】蓄電池装置を複数の単位モジュールで構成し、出力スイッチでの電力損失を低減し、出力スイッチの発熱を抑える。【解決手段】直列接続された複数の蓄電池セル１０２から入力された直流を開閉して出力端に供給する出力スイッチ１０６および前記出力端間を開閉する保護スイッチ１０９を備えた複数の単位モジュール１０１と、前記複数の単位モジュールの前記出力端を直列に接続する接続路と、前記出力スイッチを開閉する制御回路１０７を備え、前記制御回路は、蓄電池セルの電圧および単位モジュールに流れる電流を検出し、検出値が予め設定した範囲を逸脱したとき、前記出力スイッチを開に駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の蓄電池セルから入力された直流を開閉して出力端に供給する出力スイッチおよび前記出力端間を開閉する保護スイッチを備えた複数の単位モジュールと、
前記複数の単位モジュールの前記出力端を直列に接続する接続路と、
前記出力スイッチを開閉する制御回路を備え、
前記制御回路は、蓄電池セルの電圧および単位モジュールに流れる電流を検出し、検出値が予め設定した範囲を逸脱したとき、前記出力スイッチを開に駆動することを特徴とする蓄電池装置。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電池装置において、
前記出力スイッチは、内蔵ダイオードを有するＦＥＴを背中合わせに接続したスイッチであり、前記保護スイッチはダイオードであることを特徴とする蓄電池装置。
【請求項３】
請求項１記載の蓄電池装置において、
前記制御回路は、制御信号を絶縁して入出力する制御信号入出力端子を備え、出力スイッチを開に駆動したとき、出力スイッチが開状態であることを表す信号を出力し、出力スイッチが開状態であること表す信号を受信した単位モジュールの制御回路は該モジュールの出力スイッチを開に駆動することを特徴とする蓄電池装置。
【請求項４】
請求項１記載の蓄電池装置において、
前記保護スイッチは、内蔵ダイオードを有するＦＥＴであり、前記制御回路は前記ＦＥＴを前記出力スイッチと逆位相で開閉することを特徴とする蓄電池装置。
【請求項５】
請求項１記載の蓄電池装置において、
保護スイッチドライブ回路を備え、該ドライブ回路は、出力スイッチの出力端に出力電圧を検出したとき保護スイッチを開に駆動することを特徴とする蓄電池装置。
【請求項６】
請求項１記載の蓄電池装置において、
前記単位モジュールの直列接続体を複数並列に接続したことを特徴とする蓄電池装置。
【請求項７】
請求項１記載の蓄電池装置において、
前記制御回路は、単位モジュールに流れる電流、各蓄電池セルの電圧、および他の単位モジュールからの制御信号を受信し、受信した電圧値が予め設定した上下限値を逸脱し、あるいは、電流値が上限値を超えたとき、あるいは受信した制御信号が出力スイッチが開であることを表す信号であるとき出力スイッチを開に駆動することを特徴とする蓄電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池装置にかかり、特に、複数の単位モジュールを直列接続してなる蓄電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の蓄電池セルを直列接続した蓄電池装置では、特許文献１に示すように、前記蓄電池装置の高電圧側に接続した出力端子に直列に出力スイッチを配置し、該スイッチをオン、オフすることによって蓄電池の充放電を制御している。
【０００３】
この蓄電池装置においては、蓄電池セルを複数のバンクと称するグループ（第１のグループ、第２のグループ）に分け、さらにグループ毎にグループを制御する制御部（第１の制御部、及び第２の制御部）配置し、前記第１の制御部の情報は直接論理素子へ入力し、第２の制御部の情報はレベルシフターを介して、前記論理素子へ入力し、さらに、前記論理素子の出力は第１のスイッチを介して第２のスイッチへ伝送することにより、高電圧を出力することのできる蓄電池装置を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８１３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術によれば、前記出力スイッチとして、高電圧かつ大電流のスイッチを使用しなければならない。出力スイッチとして、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴを用いた場合、パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、電圧定格の約２〜３乗に比例して大きくなる。このため、高電圧で使用する場合、出力スイッチでの電力損失の増加が課題となる。
【０００６】
上記高電圧の出力スイッチにおける発熱を低減するため、出力スイッチを並列接続すると、回路規模が増加する。また、回路が発熱すると蓄電池セルの温度が上昇し、蓄電池セルの寿命が低下する。
【０００７】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、蓄電池装置を複数の単位モジュールで構成し、出力スイッチでの電力損失を低減し発熱を抑えることのできる蓄電池装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【０００９】
直列接続された複数の蓄電池セルから入力された直流を開閉して出力端に供給する出力スイッチおよび前記出力端間を開閉する保護スイッチを備えた複数の単位モジュールと、前記複数の単位モジュールの前記出力端を直列に接続する接続路と、前記出力スイッチを開閉する制御回路を備え、前記制御回路は、蓄電池セルの電圧および単位モジュールに流れる電流を検出し、検出値が予め設定した範囲を逸脱したとき、前記出力スイッチを開に駆動する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上の構成を備えるため、単位モジュールを直列接続する出力スイッチでの電力損失を低減し、出力スイッチの発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】第１の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。
【図３】第２の実施形態を説明する図である。
【図４】第２の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。
【図５】第３の実施形態を説明する図である。
【図６】第３の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。
【図７】第４の実施形態について説明する図である
【図８】第５の実施形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態を示す図である。図１において、１０は蓄電池装置、１１は蓄電池装置の正極出力端子、１２は蓄電池装置の負極出力端子、１３，１４は蓄電池装置の制御信号入出力端子、１０１，２０１は単位モジュール、１０２，１０３，１０４，１０５，２０２，２０３，２０４，２０５は蓄電池セル、１０６，２０６は出力スイッチ、１０７，２０７は制御回路、１０８，２０８は電流検出抵抗、１０９，２０９は保護スイッチ、１１０，２１０は絶縁手段、１１２，１１３，２１２，２１３は各単位モジュールの制御信号入出力端子、１１１，２１１は各単位モジュールの正極出力端子、１１４，２１４は各単位モジュールの負極出力端子である。
【００１４】
図１において、単位モジュール１０１は、蓄電池セル１０２，１０３，１０４，１０５、出力スイッチ１０６、制御回路１０７、電流検出抵抗１０８、保護スイッチ１０９、絶縁手段１１０、単位モジュールの正極出力端子１１１、単位モジュールの負極出力端子１１４、単位モジュールの制御信号入出力端子１１２，１１３を備える。
【００１５】
また、単位モジュール２０１は、蓄電池セル２０２，２０３，２０４，２０５、出力スイッチ２０６、制御回路２０７、電流検出抵抗２０８、保護スイッチ２０９、絶縁手段２１０、単位モジュールの正極出力端子２１１、単位モジュールの負極出力端子２１４、単位モジュールの制御信号入出力端子２１２，２１３を備える。
【００１６】
また、蓄電池装置１０は、単位モジュール１０１，２０１、正極出力端子１１、負極出力端子１２、制御信号入出力端子１３，１４を備える。
【００１７】
次に、図１に示す蓄電池装置の動作について説明する。
【００１８】
図１において、制御回路１０７は、各蓄電池セル１０２，１０３，１０４，１０５の電圧を検出する。また、電流検出抵抗１０８を介して前記蓄電池セルに流れる電流を検出する。検出した前記電圧が予め設定した範囲にあるとき、出力スイッチ１０６をオンに駆動し、検出した電圧が予め設定した範囲を外れるとき、すなわち上限値を超え、あるいは下限値に満たないとき、出力スイッチ１０６をオフに駆動する。検出した前記電流が予め設定した範囲にあるとき、出力スイッチ１０６をオンに駆動し、検出した電圧が予め設定した範囲を外れるとき、すなわち上限値を超えるとき、出力スイッチ１０６をオフに駆動する。
【００１９】
同様に、制御回路２０７は、各蓄電池セル２０２，２０３，２０４，２０５の電圧を検出する。また、電流検出抵抗２０８を介して前記蓄電池セルに流れる電流を検出する。検出した電圧が予め設定した範囲にあるとき、出力スイッチ２０６をオンに駆動し、検出した電圧が予め設定した範囲を外れるとき、すなわち上限値を超え、あるいは下限値に満たないとき、出力スイッチ２０６をオフに駆動する。検出した電流が予め設定した範囲にあるとき、出力スイッチ２０６をオンに駆動し、検出した電圧が予め設定した範囲を外れるとき、すなわち上限値を超えるとき、出力スイッチ２０６をオフに駆動する。
【００２０】
なお、前記上限値および下限値は、制御信号入出力端子１３，１４を介して外部の上位システムから任意に設定することができる。
【００２１】
図１において、保護スイッチ１０９，２０９は、出力スイッチ１０６，２０６がオフのときにオンとなり、単位モジュール１０１，２０１内に異常電圧が発生するのを防止する。
【００２２】
一方の単位モジュール（例えば、単位モジュール１０１）の出力スイッチ１０６，がオフした場合、オフした側の制御回路（制御回路１０７）から、絶縁手段１１０を介して、出力スイッチがオフ状態であることを表す信号が出力される。
【００２３】
この信号は、単位モジュール１０１の制御信号入出力端子１１２，１１３、および単位モジュール２０１の制御信号入出力端子２１２，２１３を介して、他方の単位モジュール２０１の制御回路２０７に伝達される。さらにこの信号は蓄電池装置の制御信号入出力端子１３，１４を介して、上位システムへ伝送される。上位システムは、伝送された信号をもとに単位モジュールの状態を監視制御し、記録する。
【００２４】
出力スイッチ１０６がオフであることを表す信号を受信信した、前記他方の単位モジュール２０１の制御回路２０７は前記受信信号に基づいて、例えば出力スイッチ２０６をオフに駆動する。
【００２５】
本実施形態によれば、保護スイッチ１０９，２０９、および一の単位モジュールの出力スイッチがオフ状態になったことを他の単位モジュールに通知する機能を有する制御回路１０７，２０７を備える。これにより単位モジュールを直列に接続した蓄電池装置における安全性と信頼性を確保することができる。このため、出力スイッチとして、低耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴを用いて単位モジュールを構成し、その単位モジュールを直列接続することにより蓄電池装置を容易に実現することができる。よって、高耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴを用いた蓄電池装置に比べ、出力スイッチの電力損失を低減し、発熱を抑えることができる。
【００２６】
図２は、図１に示す第１の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。  
この例においては、図１に示す出力スイッチ１０６，２０６として、放電スイッチ１０６Ａ，２０６Ａ、及び、充電スイッチ１０６Ｂ，２０６Ｂを用い、保護スイッチ１０９，２０９としてダイオードを用いる。ここで、放電スイッチ１０６Ａ、充電スイッチ１０６Ｂは内蔵ダイオードを有するＦＥＴを背中合わせに接続したスイッチである。
【００２７】
図２において、放電スイッチ１０６Ａ，２０６Ａは、単位モジュールの正極出力端子１１から放電電流を流す際にオン状態となり、蓄電池セル１０２，１０３，１０４，１０５，２０２，２０３，２０４，２０５のセル電圧が所定の電圧値より低くなった場合、或いは単位モジュールの正極出力端子１１からの放電電流が所定の値より大きくなった場合等においてオフ状態とする。
【００２８】
また、充電スイッチ１０６Ｂ，２０６Ｂは、単位モジュールの正極出力端子１１から充電電流を流す際にオン状態とし、蓄電池１０２，１０３，１０４，１０５，２０２，２０３，２０４，２０５のセル電圧が所定の電圧値より高くなった場合等にオフ状態とする。
【００２９】
また、図２に示すようにダイオードで構成した保護スイッチ１０９，２０９は、放電スイッチ１０６Ａ，２０６Ａがオフ状態のときにオン状態となり、単位モジュール１０１，２０１内に異常電圧が発生するのを防止する。
【００３０】
図１、及び図２の例では、単位モジュールを２段直列接続した例について説明したが、３段以上を同様に直列に接続することができる。
【００３１】
（実施形態２）
図３は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。本実施形態においては、制御回路１０７および２０７から出力されるドライブ信号によって保護スイッチ１０９および２０９のオン、オフを制御する。
【００３２】
図４は、図３に示した本発明の第２の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。
【００３３】
図４に示した例では、保護スイッチ１０９，２０９としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いる。  図４において、１０９Ｄおよび２０９Ｄは、それぞれパワーＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードを示している。
【００３４】
図３、図４に示した装置では、出力スイッチ１０６および２０６がオフのとき、保護スイッチ１０９および２０９をそれぞれオン状態とするように制御している。図４に示したように、保護スイッチ１０９，２０９としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、図２に示すダイオードを用いる場合に比して、保護スイッチ１０９，２０９にかかる電圧を低減することができ、保護スイッチ１０９，２０９での電力損失を減らし、発熱を抑えることができる。
【００３５】
図３及び図４では、単位モジュールを２段直列接続した例について説明したが、３段以上を同様に直列に接続することができる。
【００３６】
（実施形態３）
図５は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。図５において、１１５および２１５は、保護スイッチドライブ回路である。保護スイッチドライブ回路１１５，２１５は、出力スイッチ１０６，２０６の蓄電池側と出力端子側の両者と接続されている。保護スイッチドライブ回路は、出力スイッチ１０６，２０６の出力端子側の電圧を検出し、電圧が発生している場合は出力スイッチ１０６，２０６がオンであると判断し、保護スイッチ１０９，２０９をオフになるように駆動する。
【００３７】
また、出力スイッチ１０６，２０６の出力端子側の電圧を検出し、電圧が発生してない場合は出力スイッチ１０６，２０６がオフ状態になっていると判断し、保護スイッチ１０９，２０９をオン状態になるようにドライブしている。
【００３８】
図６は、図５に示した本発明の第３の実施形態にかかる蓄電池装置を具体化した例を説明する図である。
【００３９】
図６において、保護スイッチドライブ回路１１５は、スイッチ１１８、抵抗１１６，１１７を備え、保護スイッチドライブ回路２１５は、スイッチ２１８、抵抗２１６，２１７を用いて構成される。
【００４０】
図６において、抵抗１１６と充電スイッチ１０６Ｂとの接続点で発生する電圧が抵抗１１６を介して、スイッチ１１８の制御端子へ供給される。このとき、放電スイッチ１０６Ａがオンで、抵抗１１６と充電スイッチ１０６Ｂとの接続点に電圧が発生していると、上記スイッチ１１８はオンとなる。この結果、パワーＭＯＳＦＥＴによって構成された保護スイッチ１０９のゲートとソース間が同電位となり保護スイッチ１０９オフ状態となる。
【００４１】
これに対して、放電スイッチ１０６Ａがオフ状態で、抵抗１１６と充電スイッチ１０６Ｂとの接続点に電圧が発生してない場合、上記スイッチ１１８はオフ状態となる。この結果、パワーＭＯＳＦＥＴによって構成された保護スイッチ１０９のゲートとソース間に電圧が発生し保護スイッチ１０９オンとなる。
【００４２】
同様に、抵抗２１６と充電スイッチ２０６Ｂとの接続点で発生する電圧が抵抗２１６を介して、スイッチ２１８の制御端子へ供給される。このとき、放電スイッチ２０６Ａがオン状態で、抵抗２１６と充電スイッチ２０６Ｂとの接続点に電圧が発生している場合、上記スイッチ２１８はオンとなる。この結果、パワーＭＯＳＦＥＴによって構成された保護スイッチ２０９のゲートとソース間が同電位となり保護スイッチ２０９オフとなる。
【００４３】
これに対して、放電スイッチ２０６Ａがオフで、抵抗２１６と充電スイッチ２０６Ｂとの接続点に電圧が発生してない場合、上記スイッチ２１８．はオフとなる。この結果、パワーＭＯＳＦＥＴによって構成された保護スイッチ２０９のゲートとソース間に電圧が発生し、保護スイッチ２０９オン状態となる。
【００４４】
図３及び図４に示した回路に比して、図５及び図６に示した装置では、保護スイッチ１０９，２０９のオン、オフの制御を制御回路１０７，２０７からの信号に依存することなく行うことができる。すなわち、出力スイッチ１０６，１０７のオフ状態をスイッチ１１８，２１８で検知することにより、保護スイッチ１０９，２０９をオンすることができ、単位モジュール１０１，２０１内に異常電圧が発生することを防止することができる。
【００４５】
図５及び図６では、単位モジュールを２段直列接続した例について説明したが、３段以上を同様に直列に接続することができる。
【００４６】
（実施形態４）
図７は、本発明の第４の実施形態について説明する図である。
【００４７】
本実施形態では、放電スイッチ１０６Ａ，２０６Ａ、および充電スイッチ１０６Ｂ，２０６Ｂが、負極電圧出力端子側に接続されている点で、図６に示す第３の実施形態と異なる。基本的な動作、作用等については、図６に示す第３の実施形態と同様である。
【００４８】
（実施形態５）
図８は、本発明の第５の実施形態を示す図である。図８において、Ａｌ〜Ａ１２、Ｂｌ〜Ｂ１２、Ｃｌ〜Ｃ１２は、それぞれ単位モジュールであり、図１ないし図７における単位モジュール１０１あるいは２０１と同様な構成をしている。また、ＡＡｌ〜ＡＡ３、ＢＢｌ〜ＢＢ３、ＣＣｌ〜ＣＣ３は直列モジュールであり、上記単位モジュール４個を直列に接続して形成されている。本実施形態では、さらに直列モジュールＡＡｌ〜ＡＡ３を直列に接続するとともに、直列モジュールＡＡｌ〜ＡＡ３、ＢＢｌ〜ＢＢ３、ＣＣｌ〜ＣＣ３を並列に接続している。このように、単位モジュールを直列、並列に接続することにより、任意の出力電圧に対応した蓄電池装置を形成することができる。
【００４９】
以上説明したように、本発明の蓄電池装置では、蓄電池セルと低耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴを出力スイッチとして利用した単位モジュールを作成し、該単位モジュールを直列接続することで１つの蓄電池装置を形成している。
【００５０】
また、前記単位モジュールの出力スイッチがオフした際、単位モジュール内に異常電圧が発生するのを防止するため、正極出力端子と負極出力端子間に保護スイッチを設けている。
【００５１】
前記保護スイッチは、出力スイッチがオフした際に導通し、前記単位モジュール内に逆バイアス電圧がかかるのを防止する働きをしている。
【００５２】
さらに、本発明の蓄電池装置では、上記出力スイッチがオフして、保護スイッチがオンした際、この状態を他の単位モジュール、あるいは上位システムへ通知している。前記他の単位モジュール、あるいは上位システムでは前記通知信号を受信した場合、他の単位モジュールの出力スイッチをオフに駆動し、あるいは上位システムの安全装置を作動させたりして、システム全体の安全性、信頼性を保つことができる。
【００５３】
また、本発明によれば、蓄電池セルと低耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴを出力スイッチとして利用した単位モジュールを作成し、この単位モジュールを直列接続することで１つの蓄電池装置を形成している。
【００５４】
このため、高耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴを出力スイッチとして用いる場合に比べ、出力スイッチの電力損失を低減し、発熱を抑えることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  蓄電池装置
１１  蓄電池装置の正極電圧出力端子
１２  蓄電池装置の負極電圧出力端子
１３，１４  蓄電池装置の制御信号入出力端子
１０１，２０１  単位モジュール
１０２，１０３，１０４，１０５，２０２，２０３，２０４，２０５  蓄電池セル
１０６，２０６  出力スイッチ
１０７，２０７  制御回路
１０８，２０８  電流検出抵抗
１０９，２０９  保護スイッチ
１１０，２１０  絶縁手段
１１２，１１３，２１２，２１３  単位モジュールの制御信号入出力端子
１１１，２１１  単位モジュールの正極電圧出力端子
１１４，２１４  単位モジュールの負極電圧出力端子
１１５，２１５  保護スイッチドライブ回路
【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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