(57)【要約】【課題】より良い充電効率が実現され、充電が確保され、使用方式により電池モジュールの寿命低下無くし、システムが安定に稼動できる効果が得られる交換式電池コントロールシステムを提供する。【解決手段】第一電池スイッチを有する第一電池モジュールと、第二電池スイッチを有する第二電池モジュールと、それぞれ、第一、第二電池モジュールと第一、第二電池スイッチに接続される検知制御モジュールと、第一と第二電池スイッチが接続される電源端パワー安定モジュールと、第一と第二電池スイッチが接続される負荷端パワー安定モジュールと、が含有される。【選択図】図１
2013110806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電池スイッチを有する第一電池モジュールと、
第二電池スイッチを有する第二電池モジュールと、
それぞれ、第一、第二電池モジュールと第一、第二電池スイッチに接続される検知制御モジュールと、
第一と第二電池スイッチが接続される電源端パワー安定モジュールと、
第一と第二電池スイッチが接続される負荷端パワー安定モジュールと、が含有されることを特徴とする交換式電池コントロールシステム。
【請求項２】
上記電源端パワー安定モジュールは、パワー安定器や直流/直流変換器であることを特徴とする請求項1に記載の交換式電池コントロールシステム。
【請求項３】
上記第一と第二電池モジュールは、充電式電池であることを特徴とする請求項1に記載の交換式電池コントロールシステム。
【請求項４】
上記電源端パワー安定モジュールは、外部電源機構が接続されることを特徴とする請求項1に記載の交換式電池コントロールシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交換式電池コントロールシステムに関し、特に、より良い充電効率が実現され、充電が確保され、使用方式により電池モジュールの寿命低下無くし、システムが安定に稼動できる効果が得られるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の、従来の電池蓄電システムは、一組の電池モジュールだけを有し、このような構造であれば、電池モジュールが、不正使用に成りやすく、例えば、長期に、電池が、高電力量の状態に維持され、或いは、電力量が低すぎて、持続的に、放電しつつなる等であり、上記のような使用方式によると、電池の寿命が大幅に低減されるだけでなく、電池を試用する時の安全リスクが高くなる。例えば、リチウム電池が、常に満杯の電力量を維持して循環的に使用されないと、電池の内部において、結晶が成長して、使用可能な容量が低減され、電池の寿命が短縮される(一般の電池として、保存容量が、50%程度の電力量を維持されれば、最も長い寿命を有する)。
【０００３】
従来の単一電池モジュールの給電構造である電池コントロールシステム10(例えば、図4aと図4bを参照しながら)は、電源端パワー安定モジュール21と、直列された電池モジュール31と、電池モジュール31に直列された負荷端パワー安定モジュール22と、から構成され、稼動する時、電源端パワー安定モジュール21に、電源50が接続され、上記電源は、交流/直流によって変換された市電でもよく、直流/直流変換器によって最も大きいパワーを追求する電源であり、例えば、燃料電池や、例えば、太陽エネルキ゛ー発電板や風力発電等の再生エネルキ゛ーである。負荷端パワー安定モジュール22は、外部の負荷60が接続され、その給電対策は、主として、電源50から電源端パワー安定モジュール21を経由して出力された電源電流71が、給電され、電池モジュール31は、補助とするもので、電源電流71から負荷端パワー安定モジュール22に必要とする負荷電流73を引いた差が、電池モジュール31により提供される電池の充放電電流72であるため、電源電流71が、負荷電流73より大きいと、余った電流全部が、充放電電流72として、電池モジュール31に充電され、充電電流が大きすぎると、直接に、電池モジュール31を破壊する恐れがあるが、上記の構造は、電池モジュールに対して、充電方式を設計していないため、充電効率が向上されなく、また、電池モジュールを破壊する充電を行う可能性がある。同じように、必要とする負荷電流73が、電源電流71より大きくなると、不足の電流は、全部が、充放電電流72によって電池モジュール31から、供給される。
【０００４】
上記の従来の構は、簡単であるが、電池モジュールの消耗、例えば、充電の効率低下や充電速度遅れ、蓄電力(State of Charge、SOC)が、長期に、高蓄電力や低電力量に保存されて電池モジュールの寿命低下等の欠点がある。
【０００５】
本発明者は、有効に、従来の諸欠点を解消するため、慎重に研究し、また、学理を活用して、有効に上記欠点を解消でき、設計が合理で、より良い充電効率が得られ、充電や使用方式によって電池モジュールの寿命やシステムの安定稼動に悪影響を与えない交換式電池コントロールシステムを提案する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主な目的は、従来の一組の電池モジュールを、第一と第二の二組の電池モジュールを分離させ、第一、第二電池スイッチと検知制御モジュールに合わせて、電源端パワー安定モジュールは、電池モジュールに対して充電することしか行わなくて、負荷端電流を供給しなく、その給電特性は、電池モジュールについて、充電需要に応じて給電を行い、また、第一電池モジュールが、充電を行う時、上記第二電池モジュールは、放電を行い、逆に、第一電池モジュールが、放電を行う時、上記第二電池モジュールが、充電を行い、この二つの電池モジュールは、電池状態に応じて、交換的に充放電を行うため、第一、第二電池モジュールは、過度充電や過度放電の事情を防止でき、また、長期に高容量や低容量になる形態を防止でき、そのため、より良い充電効率が得られ、充電や使用方式による電池モジュールの寿命短縮無くし、システムの安定稼動が実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る交換式電池コントロールシステムは、上記の目的を達成するため、第一電池スイッチを有する第一電池モジュールと、第二電池スイッチを有する第二電池モジュールと、電池モジュールの状態を検知し、電池スイッチを制御し、それぞれ、第一、第二電池モジュールと電池スイッチに接続される検知制御モジュールと、第一、第二電池スイッチに接続され、電源電圧安定作用を果たす電源端パワー安定モジュールと、第一、第二電池スイッチに接続され、負荷電圧安定作用を果たす負荷端パワー安定モジュールと、が含有される。
【０００８】
本発明の一実施例において、上記電源端パワー安定モジュールは、パワー安定器(Power regulator)で、直流/直流変換器(DC/DC Converter)でも良い。
【０００９】
本発明の一実施例において、上記電源端パワー安定モジュールの入力端は、それぞれ、高と低電位ラインにより、外部の直流電源に接続される。
【００１０】
本発明の一実施例において、上記電源端パワー安定モジュールの出力端は、それぞれ、高電位ラインを介して、第一、第二電池スイッチの充電端に接続され、低電位ラインを介して、第一、第二電池モジュールの低電位端に接続される。
【００１１】
本発明の一実施例において、上記負荷端パワー安定モジュールの入力端は、それぞれ、高電位ラインを介して、第一、第二電池スイッチの放電端に接続され、低電位ラインを介して、第一、第二電池モジュールの低電位端に接続される。
【００１２】
本発明の一実施例において、上記負荷端パワー安定モジュールの出力端は、それぞれ、高や低電位ラインを介して、外部のハ゛ッファモジュールと負荷が直列され、上記ハ゛ッファモジュールは、スーハ゜ー容量等のハ゛ッファモジュールである。
【００１３】
本発明の一実施例において、上記第一と第二電池モジュールは、充電式電池や充電式電池セットである。
【００１４】
本発明の一実施例において、上記第一と第二電池モジュールの正端(高電位端)は、それぞれ、第一、第二電池スイッチの入力端に接続される。
【００１５】
本発明の一実施例において、上記検知制御モジュールは、それぞれ、検知制御経路を介して、それぞれ、第一、第二電池モジュールと第一、第二電池スイッチに接続され、第一、第二電池モジュールの電池状態を検知して、第一、第二電池スイッチを、充電や放電或いは遮断に制御する。
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の特徴や技術内容について、詳しく説明するが、それらの図面等は、参考や説明のためであり、本発明は、それによって制限されることが無い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の構造概念図
【図２ａ】本発明の充放電を切り換える時の構造概念図
【図２ｂ】本発明の充放電を切り換える時の構造概念図
【図３】本発明の充放電制御の模式説明概念図
【図４ａ】従来の単一電池モジュールの充電構造概念図
【図４ｂ】従来の単一電池モジュールの放電構造概念図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図1と2a、2b及び3は、それぞれ、本発明の交換式構造概念図と本発明の第一切り換え構造概念図、本発明の第二切り換え構造概念図及び本発明の充放電の模式説明概念図である。図のように、本発明に係る交換式電池コントロールシステム10は、第一電池スイッチ33を有する第一電池モジュール31と、第二電池スイッチ34を有する第二電池モジュール32と、電池モジュール状態を検知して、電池スイッチを制御し、それぞれ、第一、第二電池モジュール(31と32)と電池スイッチに接続される検知制御モジュール40と、第一、第二電池スイッチに接続され、電源電圧安定作用を発揮する電源端パワー安定モジュール21と、第一、第二電池スイッチに接続され、負荷電圧安定作用を発揮する負荷端パワー安定モジュール22と、から構成される。
【００１９】
上記の電源端パワー安定モジュール21は、パワー安定器(Power regular)であり、直流/直流変換器(DC/DC Convertor)であっても良い。
【００２０】
上記電源端パワー安定モジュール21の入力端は、それぞれ、高や低電位ライン(25や27)を介して、外部の直流電源50に接続され、上記の外部の直流電源50は、市電から直流に変換された電源であり、燃料電池であってもよく、また、再生エネルキ゛ー、例えば、風力や太陽エネルキ゛ー等の発電を、直流に変換された電源でも良い。
【００２１】
上記電源端パワー安定モジュール21は、外部の直流電源50を、第一、第二電池モジュールの充電に適合の直流電源に変換するように、作用する。
【００２２】
上記電源端パワー安定モジュール21の出力端は、それぞれ、高電位ライン23を介して、第一、第二電池スイッチの充電端(35と36)に接続され、また、低電位ラインを介して、第一、第二電池モジュールの低電位端に接続される。
【００２３】
本発明の実施例において、上記負荷端パワー安定モジュール22の入力端は、それぞれ、高電位ライン24を介して、第一、第二電池スイッチの放電端(37と38)に接続され、また、低電位ラインを介して、第一、第二電池モジュールの低電位端に接続される。
【００２４】
上記負荷端パワー安定モジュール22の出力端は、それぞれ、高や低電位ライン(26や28)を介して、外部のハ゛ッファモジュール80と負荷60に直列され、上記のハ゛ッファモジュール80は、スーハ゜ー容量等のハ゛ッファ部品である。
【００２５】
上記負荷端パワー安定モジュール22は、パワー安定器(Power regular)であり、直流/直流変換器(DC/DC Convertor)であってもよく、第一、第二電池モジュール(31と32)から釈放された放電電流を、負荷60に必要とする直流電源に変換し、上記負荷端パワー安定モジュール22の出力端に直列された外部ハ゛ッファモジュール80は、スーハ゜ー容量等のハ゛ッファモジュールであり、負荷電流を安定するように作用し、それから、第一、第二電池スイッチ(33と34)を切り換える瞬間において、負荷電流が急激に変化することを防止できる。
【００２６】
本発明の実施例において、上記第一、第二電池モジュール(31と32)は、充電式電池や充電式電池セットである。
【００２７】
本発明の実施例において、上記第一、第二電池モジュール(31と32)の正端(高電位端)は、それぞれ、第一、第二電池スイッチ(33と34)に接続される。
【００２８】
本発明の実施例において、上記検知制御モジュール40は、それぞれ、検知制御経路(41と42)を介して、それぞれ、第一、第二電池モジュール(31と32)と第一、第二電池スイッチ(33と34)に接続され、第一、第二電池モジュール(31と32)の電池状態を検知することに基づいて、交換制御を行い、これにより、第一、第二電池スイッチ(33と34)を、充電や放電或いは遮断を切り換えるように、制御する。
【００２９】
上記検知制御モジュール40は、フ゜ロセッサ(Processor)やメモリ管理機構(MCU)、テ゛シ゛タル信号処理(DSP)、フ゜ロク゛ラマフ゛ルロシ゛ックコントローラ(PLC)、論理回路、マイクロコンヒ゜ュータ或いはコンヒ゜ュータ等ならなり、第一、第二電池モジュール(31と32)の電池状態を検知して、第一、第二電池スイッチ(33と34)を、充電や放電或いは遮断に切り換えるように、制御し、また、第一、第二電池モジュール(31と32)によって検知した制御情報や警告情報及び故障状態を、外通信経路43を解して、交換式電池コントロールシステムの外部へ送る。
【００３０】
上記検知制御モジュール40によって検知と見積もりされた電池状態は、蓄電力(SOC)や電圧、温度、以上の組み合わせ或いは他の電池状態を表示できる見積もり量である。
【００３１】
本実施例において、蓄電力(SOC)を切り換えの根拠として、検知制御モジュール40は、検知したデータに基づいて、クーロンの法則(Coulomb Method)や拡散法則(Diffusion Law Method)等の従来方法によって、電池モジュール蓄電力(SOC)を見積もる。
【００３２】
本発明によれば、システムの安定度と第一、第二電池モジュール(31と32)の電池状態を考慮することが必要であるため、下記の切り換え準則に従う。
1、第一、第二電池モジュール31、32が、正常に使用される時の安全蓄電力(SOC)のハイ値とロー値は、それぞれ、例えば、本実施例において、70%と30%(実際数値は、状態に応じて調整できる)に設定され、第一、第二電池モジュール31、32が、ともに、ハイ値よりも高い、或いは、ロー値よりも低い場合、交換式電池コントロールシステムにより、警告を発する。
2、安全的に、極限の蓄電力(SOC)の上、下限制を考慮しながら、それぞれに、設定でき、例えば、本実施例において、95%と5%に設定され(実際数値は、状態に応じて調整できる)、第一、第二電池モジュール31、32が、ともに、上限を超え、或いは、下限を超える時、交換式電池コントロールシステムにより、電池モジュールを保護するように、ともに、上限を超える時、第一、第二電池モジュールが、過度充電されることを示し、この時、交換式電池コントロールシステムは、充電を禁止して放電を許し、その一組の電池セットの蓄電力が、ハイ値以下まで低下してから、充電を回復することができるようになる。
3、同じように、第一、第二電池モジュール31、32が、ともに、下限よりも低くなる時、交換式電池コントロールシステムは、電池モジュールを保護するように、例えば、下限より低くなる時、第一、第二電池モジュールが、過度放電されることを示し、この時、交換式電池コントロールシステムは、放電を禁止して充電を許し、其の一組の電池セットの蓄電力が、ロー値以上まで上がってから、放電を回復することができるようになる。
4、第一、第二電池スイッチ33、34が、同時に切り換える瞬間に、短絡して、電池セットを破壊することを防止するため、遅延タイミング制御スイッチ信号が追加されてもよい。
【００３３】
本発明の充放電メカニズムは、八種類の異なる模式があり(図３のように)、起動されると、まず、検知制御モジュール40で、それぞれ、第一、第二電池モジュール31、32の電圧を見積もり、充電経路23と放電経路24が、それぞれ、電圧の比較的に低いと比較的に高い第一や第二電池モジュール31、32に接続され、充電式電池モジュールの蓄電力が、充電により、ハイ値(70% SOC)までに上がると、制御作動により、電池セットの充/放電が互換され、即ち、Mode 0になり、或いは、放電電池モジュールが、放電により、電力量が、ロー値(30% SOC)まで下がると、制御作動により、電池セットの充/放電が互換され、Mode 4になる。
【００３４】
電池セットの充/放電の互換は、第一電池セットが、充電から放電に切り換えられたら、図2aから図2bに切り換えられるように、即ち、第一電池スイッチ33が、充電端35から放電端37に切り換えられ、同時に、第二電池スイッチ34が、放電端38から充電端36に切り換えられる。
【００３５】
電源電流71が、持続的に、遥かに負荷電流73よりも大きい場合、放電に切り換えられた電池セットが、ハイ値に維持し、充電端においても、充電によりハイ値に到達すると、持続的に充電すれば、充電端が、上限(95% SOC)に到達し、それから、制御作動により、電池セットの充/放電が互換され、また、持続的に過度充電により、検知制御モジュールの対外通信経路43を経由して遮断警告を発し、即ち、Mode 1である。
【００３６】
電源電流71が、持続的に、遥かに負荷電流73よりも大きくなっていても、持続的に充電された後、充/放電端が、ともに、上限(95%)に到達すると、制御作動により、充電経路が遮断されて、放電経路が維持され、また、持続的に過度充電遮断警告を発し、即ち、Mode 2であり、その遮断制御作動は、充電式電池スイッチにより、充電端から遮断へ切り換えられ、また、放電されて、放電された電池セットの電力量が、ハイ値(70% SOC)まで到達すると、制御作動により、充電経路が回復され、電池セットの充/放電が互換され、また、持続的に、過度充電であれば、遮断警告を発し、即ち、Mode 3である。
【００３７】
同じように、電源電流71が、持続的に、遥かに負荷電流73よりも小さければ、充電に切り換えられた電池セットに、充電しにくくなり、ロー値に維持しながら、放電端が、持続的に、ロー値まで放電し、その後、持続的に放電すると、放電端が、下限(5% SOC)まで下がり、それから、制御作動によって、電池セットの充/放電を互換し、また、検知制御モジュール対外通信経路43を経由して、持続的に過度放電すると、遮断警告を発し、即ち、Mode 5である。
【００３８】
電源電流71が、持続的に、遥かに負荷電流73よりも小さければ、持続的に放電された後、充/放電端が、ともに、下限(5%)まで下がると、それから、制御作動によって放電経路が遮断されるが、充電経路が維持され、また、持続的に、過度放電遮断警告が発され、即ち、Mode 6であり、その遮断制御作動は、放電電池スイッチにより、放電端から遮断へ切り換え、充電された後、充電式電池セットの電力量が、ロー値(30% SOC)まで上がると、制御作動により放電経路が回復され、電池セットの充/放電が互換され、また、持続的に過度放電であれば、遮断警告が発され、即ち、Mode 7である。
【００３９】
このように、模式下でワークすることにより、第一、第二電池モジュール31、32が、ともに、蓄電力のハイ、ロー値の間に循環し、最悪でも、上、下限を超えることなく、即ち、過度充電や過度放電することなく、長期に高容量や低容量に維持する事態を防止できる。
【００４０】
電池セットの充/放電を互換する時、第一、第二電池スイッチ31、32は、まず、同時に、遮断へ切り換えられ、短絡を避けるだけでなく、高電圧の電池モジュールから、低電圧電池モジュールへ充電することもなく、全部、遮断へ切り換えることは、最も早いのが、50n秒であり、主として、パワートランジスタスイッチのオンとオフの時間を考慮して、実際に、1u秒を採用する。
【００４１】
本発明によれば、電源端のパワー安定モジュール21の出力電流を、充電回経路23を介して、電池モジュールの充電専用とし、そのため、充電式電池の特性に対して、充電パラメータを設定でき、そのゆえに、より良い充電効率が得られ、充電や使用方式によって、電池モジュールの寿命が短縮されることを防止でき、また、システムが安定的に稼動できる。
【００４２】
一般の電池として、保存容量が、電池の電力量の50%程度に維持すれば、最も長い寿命が実現されるため、本発明によれば、絶えずに、第一、第二電池モジュール31、32を交換循環し、また、使用範囲を、平均50%程度の蓄電力に設定することにより、その目標は、第一、第二電池モジュール31、32が、十分に使用され、また、電池セットの寿命を延長し、従って、単一電池モジュールが、適当に充電条件で充電することや長期に高すぎる電力量や低すぎる電力量により、容量が低減されて寿命が短縮されることを防止できる。
【００４３】
以上のように、本発明に係る交換式電池コントロールシステムによれば、有効に、従来の諸欠点を解消でき、従来の一組の電池モジュールを、第一と第二の二組の電池モジュールに分離させ、また、第一、二電池スイッチと検知制御モジュールに合わせて、電源端パワー安定モジュールは、電池モジュールの充電だけに利用され、負荷端に電流を供給しないため、電池モジュールに必要とする給電を行う給電特性を有し、また、第一電池モジュールが、充電する時、上記第二電池モジュールが、放電を行い、逆に、第一電池モジュールが放電する時、上記第二電池モジュールが、充電し、二つの電池モジュールが、電池状態に応じて、交換的に充放電し、上記の構造によれば、第一、第二電池モジュールの過度充電と過度放電を防止できるだけでなく、長期に、高容量や低容量に維持する事態を防止でき、そして、より良い充電効率が得られ、充電や使用方式により、電池モジュールの寿命が短縮することなく、また、システムが安定的に稼動できる効果がえられ、そのため、本発明は、より進歩的かつより実用的で、法に従って特許請求を出願する。
【００４４】
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、特許請求の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
10  交換式電池コントロールシステム
21  電源端パワー安定モジュール
22  電源端パワー安定モジュール
23  充電経路
24  放電経路
25  電源端高電位ライン
26  負荷端高電位ライン
27  電源端低電位ライン
28  負荷端低電位ライン
31  第一電池モジュール
32  第二電池モジュール
33  第一電池スイッチ
34  第二電池スイッチ
35  第一電池スイッチ充電端
36  第二電池スイッチ充電端
37  第一電池スイッチ放電端
38  第二電池スイッチ放電端
40  検知制御モジュール
41  第一電池検知制御経路
42  第二電池検知制御経路
43  検知制御モジュール対外通信経路
50  電源
60  負荷
71  電源電流
72  充放電電流
73  負荷電流
80  ハ゛ッファモジュール
【図１】
2013110806.tif 000003
【図２ａ】
2013110806.tif 000004
【図２ｂ】
2013110806.tif 000005
【図３】
2013110806.tif 000006
【図４ａ】
2013110806.tif 000007
【図４ｂ】
2013110806.tif 000008