(57)【要約】【課題】  異常な二次電池が存在する場合であっても、組電池全体の放電時間を延命させ、蓄積されたエネルギーを有効活用する。【解決手段】  各セル２に対して並列に接続され、組電池２０からの放電方向の電流の流れのみを許容するダイオード３と、各セル２に対して設けられ、このセル２を組電池２０から切り離す切離スイッチ４と、各セル２の電圧や温度を含む電池状態を監視し、放電中にセル２の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、このセル２を切離スイッチ４によって組電池２０から切り離すコントローラ５と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する組電池放電制御システムであって、
前記各二次電池に対して並列に接続され、前記組電池からの放電方向の電流の流れのみを許容するバイパス経路と、
前記各二次電池に対して設けられ、該二次電池を前記組電池から切り離す切離手段と、
前記各二次電池の電圧や温度を含む電池状態を監視し、放電中に前記二次電池の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、該二次電池を前記切離手段によって前記組電池から切り離す制御手段と、
を備えることを特徴とする組電池放電制御システム。
【請求項２】
二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する組電池放電制御方法であって、
前記各二次電池に対して、前記組電池からの放電方向の電流の流れのみを許容するバイパス経路を、並列に接続し、
前記各二次電池を前記組電池から切り離し可能に接続し、
前記各二次電池の電圧や温度を含む電池状態を監視し、
放電中に前記二次電池の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、該二次電池を前記組電池から切り離す、
ことを特徴とする組電池放電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池を複数直列に接続した組電池の放電を制御する、組電池放電制御システムおよび組電池放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有し、これまで、携帯電話やラップトップパソコン等の小型電子機器用の電源として使用されてきた。さらに、近年では、電気自動車用電池として有力視されており、産業用のバックアップ電池としての用途も広がりつつある。使用に当たっては、使用目的に応じた電圧や容量を得るために、単電池であるリチウムイオンセルを複数直列に接続して組電池を構成したり、さらに、それらの組電池を並列に接続して使用したりする場合がある。
【０００３】
このような組電池を充電する場合、各リチウムイオンセルの電圧にバラツキが生じる場合がある。すなわち、一部のリチウムイオンセルの充電電圧が高く過充電状態となり、他の一部のリチウムイオンセルでは充電電圧が低い充電不足状態（満充電に至らない状態）となる場合がある。このため、バラツキをなくして各リチウムイオンセルを適正に充電するために、バイパス回路（抵抗）を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、直列に接続された各リチウムイオンセルにバイパス回路が設けられ、充電時に、あるリチウムイオンセルの電圧が適正な充電電圧範囲（許容充電電圧範囲）の上限を超えた場合に、このセルに対応するバイパス回路によって、このセルへの充電電流をバイパスし、かつこのセルを放電（バイパス放電）させる。これにより、充電電圧が高いリチウムイオンセルの電圧を下げ、電圧が低いリチウムイオンセルの充電を促進する、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０６４９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、組電池を放電させる場合、従来、放電中にいずれかのセル（特定セル）の電圧が放電終止電圧（放電を終了すべき電圧）に達すると、組電池全体の放電を終了させていた。なぜなら、その後も放電を継続すると、特定セルが過放電状態となり、異常加熱などが生じるおそれがあるからである。一方、劣化度のバラツキや製造上のバラツキなどにより、組電池のなかには充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が低く、放電時の電圧降下が大きい（早い）リチウムイオンセルが存在する場合がある。そして、放電中にこのようなセルの電圧が早期に放電終止電圧に達した場合、他の健全なセルの電圧が放電終止電圧に達していないにもかかわらず、組電池全体の放電を終了しなければならず、放電容量・放電時間が低下してしまい、他の健全なセルに放電可能なエネルギーが残される結果となり、組電池として効率的な運用ができない、という問題が生じていた。
【０００６】
例えば、バックアップ用の組電池の場合、特定セルの電圧が放電終止電圧に達した時点で、組電池を系統から切り離さなければならず、バックアップ時間が著しく短縮されてしまう。殊に、１組の組電池しか設置されていない場合には、バックアップ機能が失われ、設備の運用に大きな支障をきたすことになる。また、より多くのセルで構成され、高電圧の組電池を必要とするＨＶＤＣ（高電圧直流）給電システムや無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ）では、大きな問題となる。さらに、このような問題は、特定セルの電圧が早期に放電終止電圧に達した場合のみならず、一部のセルの異常（温度上昇など）のために組電池全体の放電を終了しなければならない、という場合にも生じるものであった。
【０００７】
そこでこの発明は、異常な二次電池が存在する場合であっても、組電池全体の放電時間を延命・延長させ、蓄積されたエネルギーを有効活用できる組電池放電制御システムおよび組電池放電制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する組電池放電制御システムであって、前記各二次電池に対して並列に接続され、前記組電池からの放電方向の電流の流れのみを許容するバイパス経路と、前記各二次電池に対して設けられ、該二次電池を前記組電池から切り離す切離手段と、前記各二次電池の電圧や温度を含む電池状態を監視し、放電中に前記二次電池の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、該二次電池を前記切離手段によって前記組電池から切り離す制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、放電中に二次電池の電池状態が所定の異常状態になると、例えば、電圧が放電終止電圧に達すると、この二次電池が切離手段によって組電池から切り離され、この二次電池のバイパス経路を経由して、他の二次電池からの放電電流が流れる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池の放電を制御する組電池放電制御方法であって、前記各二次電池に対して、前記組電池からの放電方向の電流の流れのみを許容するバイパス経路を、並列に接続し、前記各二次電池を前記組電池から切り離し可能に接続し、前記各二次電池の電圧や温度を含む電池状態を監視し、放電中に前記二次電池の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、該二次電池を前記組電池から切り離す、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１、２に記載の発明によれば、放電中に二次電池の電池状態が所定の異常状態になると、この二次電池が組電池から切り離されるため、残りの二次電池による放電を継続させることができる。つまり、異常な二次電池が早期に放電終止電圧に達するなどのために組電池全体の放電を終了しなければならない、という事態を回避することができ、異常な二次電池が存在する場合であっても、組電池全体の放電時間を延命させ、蓄積されたエネルギーを有効活用することができるとともに、給電信頼性を高めることができる。しかも、二次電池に対してバイパス経路が並列に接続されているため、二次電池を組電池から切り離した際に、瞬断なく放電を継続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態に係る組電池放電制御システムを直流電源システムに適用した状態を示す概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態において、組電池を放電した初期状態を示す図（ａ）と、放電が進んだ状態を示す図（ｂ）である。
【図３】図２（ｂ）の状態から放電がさらに進んで、第１のセルの電圧が放電終止電圧に達した状態を示す図（ａ）と、このセルの切離スイッチがオフされた状態を示す図（ｂ）である。
【図４】図３（ｂ）の状態から整流器が復電して、すべての切離スイッチがオンされた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、この発明の実施の形態に係る組電池放電制御システム１を直流電源システムに適用した状態を示す概略構成図である。この組電池放電制御システム１は、単電池であるリチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）２が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池２０の放電を制御するシステムであり、主として、各リチウムイオンセル２に設けられたダイオード（バイパス経路）３および切離スイッチ（切離手段）４と、コントローラ（制御手段）５とを備えている。また、各切離スイッチ４とセルコントローラ５とは、通信（信号伝送）可能に接続されている。
【００１５】
ここで、組電池２０は、整流器１０１に接続され、商用電源１００からの電力が整流器１０１で直流に変換されて、組電池２０に供給されるようになっている。また、整流器１０１には直流負荷装置１０２が接続され、同様に直流電力が直流負荷装置１０２に供給される。
【００１６】
ダイオード３は、後述するようにして直列に接続されたリチウムイオンセル２と切離スイッチ４とに対して並列に接続され、組電池２０からの放電方向の電流の流れのみを許容する機能を備えている。すなわち、直流負荷装置１０２側への電流（放電電流）の流れのみを許容し、整流器１０１側からの電流（充電電流）の流れを許容しないようになっている。
【００１７】
切離スイッチ４は、リチウムイオンセル２に対して直列に接続され、該当するセル２を組電池２０から切り離すスイッチである。すなわち、この切離スイッチ４がオンされている状態では、このセル２が組電池２０に接続され、切離スイッチ４がオフされると、このセル２が組電池２０から切り離される（バイパスされる。）。そして、通常時はすべての切離スイッチ４がオンされ、コントローラ５によって後述するように制御されるようになっている。
【００１８】
コントローラ５は、各リチウムイオンセル２の電圧や温度を含む電池状態を常時測定、監視し、各セル２の電池状態に基づいて、各切離スイッチ４などを制御する制御装置である。すなわち、各セル２の電圧や温度などを計測する計測器を備え、放電中にセル２の電池状態が所定の異常状態に達した場合に、このセル２を該当する切離スイッチ４によって組電池２０から切り離す。ここで、所定の異常状態には、セル２の電圧が放電終止電圧に達した状態や、放電途中における電圧が極端・異常に低い（急降下する）状態の他、異常な温度上昇、異常な圧力（内圧）上昇などが含まれる。
【００１９】
さらに、コントローラ５は、整流器１０１と通信可能に接続され、放電中に整流器１０１の出力電圧が組電池２０の総電圧以上になった場合、つまり商用電源１００・整流器１０１が停電から復旧・復電した場合に、すべての切離スイッチ４（オフ中の切離スイッチ４）をオンし、全セル２を充電するものである。
【００２０】
次に、このような構成の組電池放電制御システム１の作用や、この組電池放電制御システム１による組電池放電制御方法などについて説明する。ここで、リチウムイオンセル２の満充電電圧が４．１Ｖで、１２セルで組電池２０が構成されているものとし、また、直流負荷装置１０２は、定電力負荷でその負荷電力値をＱとする。さらに、第１のセル２１の充電状態・ＳＯＣが低く、放電時の電圧降下が早いものとする。
【００２１】
まず、すべての切離スイッチ４がオンされ、全セル２が組電池２０に接続された状態で、商用電源１００・整流器１０１が停電すると、組電池２０の放電が開始される。このとき、図２（ａ）に示すように、各セル２の電圧が例えば４．０Ｖで、組電池２０の総電圧が４８Ｖの場合、放電電流値Ｉ０は次のようになる。
放電電流値Ｉ０＝負荷電力Ｑ÷４８Ｖ
【００２２】
この放電状態では、コントローラ５によって各セル２の電池状態がリアルタイムに監視され、放電が進行すると、図２（ｂ）に示すように、例えば第１のセル２１の電圧が３．２Ｖ、他のセル２の電圧が３．５Ｖで、組電池２０の総電圧が４１．７Ｖに達する。この時点での放電電流値Ｉ１は次のようになる（Ｉ１＞Ｉ０）。
放電電流値Ｉ１＝負荷電力Ｑ÷４１．７Ｖ
【００２３】
さらに放電が進行すると、図３（ａ）に示すように、第１のセル２１の電圧が放電終止電圧である３．０Ｖに達し、例えば他のセル２の電圧が３．３Ｖで、組電池２０の総電圧が３９．３Ｖに達する。この時点での放電電流値Ｉ２は次のようになる（Ｉ２＞Ｉ１＞Ｉ０）。
放電電流値Ｉ２＝負荷電力Ｑ÷３９．３Ｖ
【００２４】
このように第１のセル２１の電圧が放電終止電圧に達すると、上記のようにコントローラ５によって、図３（ｂ）に示すように、このセル２の切離スイッチ４がオフされる。これにより、第１のセル２１が組電池２０から切り離されて放電が終了され、他のセル２からの放電電流が、第１のセル２１のダイオード３を介して直流負荷装置１０２に流れる。つまり、第１のセル２１が、ダイオード３を介して短絡状態となる。このとき、ダイオード３による電圧降下を０．５Ｖとすると、組電池２０の総電圧が３５．８Ｖとなり、放電電流値Ｉ３は次のようになる（Ｉ３＞Ｉ２＞Ｉ１＞Ｉ０）。
放電電流値Ｉ３＝負荷電力Ｑ÷３５．８Ｖ
【００２５】
このように第１のセル２１が切り離された状態で、その後、残りのセル２による放電が継続される。続いて、いずれかのセル２の電圧が放電終止電圧に達すると、同様にしてこのセル２が組電池２０から切り離され、このような制御が、整流器１０１が復電するまで、あるいは組電池２０の総電圧が所定の電圧に達するまで継続される。また、いずれかのセル２の電池状態が上記のような異常状態に達した場合（例えば、異常に温度上昇した場合）にも、同様にしてこのセル２が組電池２０から切り離され、残りのセル２による放電が継続される。
【００２６】
一方、放電中に商用電源１００・整流器１０１が復旧・復電すると、上記のようにしてコントローラ５によって、図４に示すように、すべての切離スイッチ４がオンされ、全セル２の充電が開始されるものである。
【００２７】
以上のように、この組電池放電制御システム１および組電池放電制御方法によれば、放電中にいずれかのセル２の電圧が放電終止電圧に達すると、このセル２が組電池２０から切り離されるため、このセル２の過放電などを防止して、残りのセル２による放電を継続することができる。つまり、一部のセル２が早期に放電終止電圧に達するために組電池２０全体の放電を終了しなければならない、という事態を回避することができ、異常なセル２が存在する場合であっても、組電池２０全体の放電時間を延命させ、蓄積されたエネルギーを有効活用することができるとともに、給電信頼性を高めることができる。
【００２８】
同様に、いずれかのセル２が上記のような異常状態になった場合にも、このセル２が組電池２０から切り離されて、残りのセル２による放電が継続される。このように、一部のセル２に異常が生じても、異常なセル２の過放電などを防止しつつ、残りのセル２による放電を継続することができ、給電信頼性を高めることができる。
【００２９】
しかも、各セル２に対してダイオード３が並列に接続されているため、切離スイッチ４をオフしてセル２を組電池２０から切り離した際に、残りのセル２による放電を瞬断なく継続させることができる。
【００３０】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、組電池放電制御システム１を直流電源システムに適用した場合について説明したが、無停電電源装置やＨＶＤＣ給電システム、電気自動車などにも適用することができる。例えば、無停電電源装置に適用する場合、数十から百以上の多数のセル２によって組電池２０が構成されているため、数セルを組電池２０から切り離したとしても、組電池２０全体の容量低下は少なく、組電池２０全体の放電時間をより延命させ、蓄積されたエネルギーをより有効活用することができるとともに、給電信頼性を高めることができる。
【００３１】
さらに、リチウムイオンセル２に限らず、鉛蓄電池など、広く二次電池一般に適用することができ、また、直流負荷装置１０２が定電力負荷でなくてもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００３２】
１        組電池放電制御システム
２        リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）
２０      リチウムイオン組電池
３        ダイオード（バイパス経路）
４        切離スイッチ（切離手段）
５        コントローラ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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