JP5194669B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電モジュールを接続した蓄電システムに関するものであって、例えば、ハイブリットカー、電気自動車、風力発電や電車等に使用される蓄電システムに関するものである。

上記蓄電システムは、一般に、蓄電モジュールの充電深度（State of Charge）を計測するマイクロコンピュータが搭載されており、各蓄電モジュールに識別用のアドレスを設定して、上記マイクロコンピュータによって各蓄電モジュールの過放電や故障等の作動状況を診断している。

例えば、このような識別用のアドレスを設定する蓄電システムとしては、特許文献１に示すように、各蓄電モジュールに３つのアドレス設定端子を設けて、各アドレス設定端子にそれぞれ対応する３本のアドレス線の接続の有無によって３ビットの「１」「０」信号を用いて各蓄電モジュールのアドレスを予め特定したものや、特許文献２に示すように、各蓄電モジュールを信号配線によって直列に接続して、この信号配線を用いてコマンドデータ文を送受信することにより各蓄電モジュールにアドレスを振り分けるものがある。

そして、このような蓄電システムにおいては、特許文献１および３に示すように、個々の蓄電モジュールの充電深度を計測することにより、作動状況を診断して、過放電や作動異常があった場合に、該当する蓄電モジュールの電気的接続を切断している。

ところで、昨今、ハイブリットカーや電気自動車等の車に搭載される蓄電システムには、ニッケル水素二次電池が使用されているものの、ニッケル水素二次電池の重量が大きく、体積エネルギー密度が小さいため、このニッケル水素二次電池に代えてリチウムイオン二次電池を用いることが望まれている。

しかしながら、このリチウムイオン二次電池は、過放電によって、正極のコバルト酸リチウムからコバルトが溶出する現象や、負極の塗布剤である銅がイオンとなって電解液中に溶出して、後の充電により正極を含めセルの内部の至る所に銅が析出する等の現象が生じて、二次電池として機能しなくなってしまうという問題があった。さらに、リチウムイオン二次電池は、過充電によって、負極に金属リチウムが析出するとともに、正極側で電解液等が酸化して、電池が急激に劣化するだけでなく、電池の破裂や発火の恐れがある。

そこで、リチウムイオン二次電池を用いた蓄電システムを実用化するためには、各蓄電モジュールのアドレスを特定して、充電深度を監視することにより、蓄電システムのメンテナンス性を高めて、確実に過充放電を防止する必要がある。
ところが、リチウムイオン二次電池を用いたハイブリットカーや電気自動車等に搭載される大電力の蓄電システムでは、例えば、１０本のリチウムイオン二次電池を直列に接続した１４個の蓄電モジュールが直列に接続される等により、１００本〜１５０本のリチウムイオン二次電池が搭載されることから、上述のような識別用のアドレスの設定方法が実用的でないという問題があった。

具体的には、前者の複数本のアドレス線を設けた蓄電システムにおいては、蓄電モジュールの個数が増加するに連れて、アドレス線数も増加するために大型化するだけでなく、配線管理が複雑化することから短絡や断線等の危険性が増加してしまう。また、後者のコマンドデータ文によってアドレスを識別する蓄電システムにおいては、蓄電モジュール数の増加によって、コマンドデータ文が長くなる上に蓄電モジュール間の信号配線数が増加するため、通信時間が著しく増大するだけでなく、アドレスの誤認識等を招く恐れがある。

特開２００３−２０９９３２号公報 特許第３５８１８２５号公報 特許第３２９９６１２号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、蓄電モジュール数が増加してもアドレスの特定に必要以上の時間や配線数の増加を招く等の問題がなく、実用的な蓄電システムを提供することを課題とするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明に係る蓄電システムは、複数の蓄電セルを直列に接続した複数の蓄電モジュールが、それぞれ接続端子を介して直列に接続された蓄電システムにおいて、各々の上記蓄電モジュールは、当該蓄電モジュールの上記蓄電セルから制御用電源回路を通じて電源が供給される制御回路と、上記制御用電源回路の出力部に電流検出回路を介して接続されたアドレス検出端子とを備え、かつ、上記複数の蓄電モジュールの上記アドレス検出端子が相互に接続されるとともに、上記アドレス検出端子における電流の方向や量に応じて、上記蓄電モジュールのアドレスを特定するアドレス認識装置が備えられていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電システムにおいて、上記蓄電モジュールは、それぞれ上記複数の蓄電セルが介装された制御用電源回路と充放電回路とを有し、この充放電回路には、上記複数の蓄電セルのうちいずれか１つ以上の蓄電セルの電圧が過放電設定値未満の場合または過充電設定値を超えた場合にオフになる主スイッチング素子が挿入され、かつ上記制御用電源回路には、放電可能状態の時にオン、放電終止状態の時にオフになる起動用スイッチング素子が挿入されているとともに、上記制御回路は、上記複数の蓄電セルの電圧をそれぞれ検出することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の蓄電システムにおいて、上記アドレス検出端子は、グランドに接続されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の蓄電システムにおいて、上記蓄電モジュー
ルは、上記アドレス検出配線の電流量を検出する電流量検出手段が上記制御回路に搭載さ
れ、かつこの電流量検出手段により検出された電流量を上記アドレス認識装置に伝達する
通信手段が設けられていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、複数の蓄電セルを直列に接続した蓄電モジュールを、それぞれ接続端子を介して直列に接続するとともに、蓄電モジュールに設けたアドレス検出端子を相互に接続したため、アドレス認識装置によって、アドレス検出端子における電流の方向や量に応じて、各蓄電モジュールのアドレスを特定することができる。
従って、配線数の増加やコマンドデータ文の利用もないため、必要以上の蓄電システムの大型化や通信時間の増大を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、制御回路によって検出した蓄電セルの電圧が過放電設定値以上、過充電設定値以下である場合に、主スイッチング素子とともに起動用スイッチング素子がオンであることから、蓄電セルを充放電可能にすることができる。
また、１つ以上の蓄電セルの電圧が過放電設定値未満の場合に、主スイッチング素子がオフになることにより、起動用スイッチング素子がオフになるため、過放電を阻止することができる。

また、アドレス検出端子を電流検出回路を介して制御用電源回路の出力部に接続したため、いずれか１つ以上の蓄電セルの電圧が過放電設置値未満の場合に、主スイッチング素子とともに制御用電源回路における起動用スイッチング素子がオフとなることから、過放電状態においてアドレス検出端子から他の蓄電モジュール等に電流が放出されることを防止できる。また、アドレス検出端子が充放電回路でなく、電流検出回路を介して制御用電源回路に接続されていることから、充電電流による影響を受けることなく、アドレス検出端子における電流の方向や量を検出することができる。

請求項３に記載の発明によれば、アドレス検出端子をグランドに接続したため、電流が各蓄電モジュールからアドレス検出端子を通じてグランドに向けて一方向に流れることから、電流量のみを検出することによって簡易にアドレスを特定することができる。

請求項４に記載の発明によれば、電流量検出手段が検出した電流検出回路の電流量を通信手段によってアドレス認識装置に伝達することにより、アドレス認識装置が各蓄電モジュールにおける電流検出回路の電流量の大きさ順等の電流量に応じた各蓄電モジュールのアドレスを瞬間的に特定することができる。これにより、例えば、過放電状態の蓄電モジュールを特定して、蓄電システムから該当する蓄電モジュールを切断して、新たな蓄電モジュールに交換する等することができる。

以下、本発明に係る蓄電システムの最良の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
本実施形態の蓄電システムは、図１に示すように、多数（本実施形態においては１４個）の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４を直列に接続して構成されている。

各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４は、図２に示すように、多数（本実施形態においては１０本）の直列接続のリチウムイオン二次電池（蓄電セル）Ｅ１〜Ｅ１０が介装された共通配線１１と、この共通配線１１のリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の正極側に接続された充放電配線１２と、この充放電配線１２に介装された主スイッチング素子１３とによって概略構成された充放電回路を有している。
さらに、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４は、共通配線１１と、この共通配線１１に接続されて、充放電配線１２と並列に設けられた放電配線２１と、この放電配線２１に介装された起動用スイッチングトランジスタ（起動用スイッチング素子）２２とによって概略構成されている制御用電源回路を有している。

そして、共通配線１１には、リチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０における負極側の出力部に負極端子（接続端子）１１ａが設けられているとともに、充放電配線１２の出力部には、正極端子（接続端子）１２ａが設けられており、この充放電配線１２には、主スイッチング素子１３と並列に設けられたバイパス回路３が接続されている。
このバイパス回路３には、ダイオード３ａおよびツェナーダイオード３ｂが介装されており、バイパス回路３は、充電の際に、主スイッチング素子１３に作用する電圧を制限して、主スイッチング素子１３の耐電圧を超えないようにしている。

他方、制御用電源回路は、放電配線２１の出力部に電源端子Ｖｃｃが設けられているとともに、同出力部に電流検出回路２３が接続されており、この電流検出回路２３には、抵抗器２４、２５が介装されるとともに、電流検出回路２３の出力部には、アドレス検出端子Ｓ１が設けられている。

さらに、本実施形態の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４には、これらの抵抗器２４、２５の間における電流検出回路２３の電圧の信号を、増幅器４１を介して受信するマイクロコンピュータ（電流量検出手段）を搭載した制御回路Ｍがそれぞれ設けられている。
これにより、このマイクロコンピュータは、電流検出回路２３の電圧信号により電流量を検出するようになっており、制御回路Ｍには、この電流量の信号をホストコンピュータ（図示を略す）に送信する通信手段としてのトランス５が接続されている。

また、この制御回路Ｍは、各リチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の端子電圧を計測して、１本以上のリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が過放電設定値未満の場合又は過充電設定値を超えた場合に、主スイッチング素子１３をオフにするようになっている。
従って、主スイッチング素子１３は、すべてのリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０が過放電設定値以上であって、かつ過充電設定値以下である場合にオンとなる。
加えて、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４には、主スイッチング素子１３がオンであって、出力端子１２ａに電圧がある場合、すなわち、放電可能状態の時に、起動用スイッチングトランジスタ２２をオンに、主スイッチング素子１３がオフであって、出力電圧１２ａがなくなった場合、すなわち、放電終止状態の時に、起動用スイッチングトランジスタ２２をオフにするスイッチング回路４が設けられている。

そして、蓄電システムは、蓄電モジュールＢ１の正極端子１２ａと蓄電モジュールＢ２の負極端子１１ａとが接続されるとともに、蓄電モジュールＢ２の正極端子１２ａと蓄電モジュールＢ３の負極端子１１ａとが接続されており、同様にして、蓄電モジュールＢ３〜Ｂ１４が順に接続されることにより、上述のように蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４が直列に接続されて、蓄電モジュールＢ１から蓄電モジュールＢ１４に向けて高電位になっている。
また、蓄電システムは、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４におけるアドレス検出端子Ｓ１間がそれぞれケーブル６によって短絡されて、このケーブル６がグランドに接続されており、これによって、蓄電モジュールＢ１から蓄電モジュールＢ１４に向けて、各放電配線２１から電流検出回路２３に流れる電流の向きが一定になり、大きさの比較だけでアドレスの特定が可能になっている。

これにより、蓄電システムは、マイクロコンピュータが受信した電圧信号に基づいて制御回路Ｍからトランス５の端子Ｓ２およびＳ３を通じて送信された電流検出回路２３の電流量の信号に応じて、ホストコンピュータによって自動的に各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４にアドレスが振り分けられるようになっている。すなわち、ホストコンピュータには、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４のアドレスを特定するアドレス認識装置が内蔵されている。

次に、上記蓄電システムの作用について説明する。
蓄電モジュールＢ１４の出力端子１２ａと蓄電モジュールＢ１の負極端子１１ａとの間に負荷を接続する。

そして、蓄電システムは、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４のリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が減少する際にも、制御回路Ｍのマイクロコンピュータによって検出された電流検出回路２３の電流量の信号をトランス５の端子Ｓ２およびＳ３を通じてホストコンピュータに送信することができる。これにより、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４は、この電流量に基づいてホストコンピュータによってアドレスが振り分けられている。その際、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４が並列接続である場合には、この電流量が略同等となるため、ホストコンピュータは、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４の接続が並列接続又は直列接続のいずれであるかを検知できる。

また、各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４は、過放電によっていずれかのリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の端子電圧が過放電設定値未満になると、制御回路Ｍが主スイッチング素子１３をオフにすることにより、スイッチング回路４によって起動用スイッチングトランジスタ２２がオフになるため、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１３の充放電配線１２が開かれるとともに、蓄電モジュールＢ１４の放電配線２１も開かれて、放電不能となる。

その際、蓄電システムは、過放電によって放電不能となった蓄電モジュールを上記振り分けられたアドレスによって検出する。
このため、過放電の蓄電モジュールのみを切り離して、新たな蓄電モジュールに交換し、又は蓄電システムの全ての蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４を充電する。

上述の蓄電システムによれば、リチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０を直列に接続した蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４を、それぞれ端子１１ａ、１２ａを介して直列に接続し、かつ蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４に設けたアドレス検出端子Ｓ１間にケーブル６を接続して短絡させるとともに、このケーブル６をグランドに接続したため、ホストコンピュータによって、電流検出回路２３における電流量を検出することによって、簡易的かつ瞬間的に各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４にアドレスを振り分けることができる。
従って、配線数の増加やコマンドデータ文の利用もないため、必要以上の蓄電システムの大型化や通信時間の増大を防止することができる。

また、すべてのリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が過放電設定値以上の場合に、制御回路Ｍは、主スイッチング素子１３をオンとし、放電可能にする。同時にスイッチング回路４によって起動用スイッチングトランジスタ２２もオンする。
さらに、いずれかのリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が過放電設定値未満になった場合に、制御回路Ｍは、主スイッチング素子１３をオフにし、出力端子１２ａの電圧が無くなると、スイッチング回路４によって起動用スイッチングトランジスタ２２をオフにして充放電配線１２および放電配線２１による放電を阻止することができる。
従って、リチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が過放電設定値未満の場合に、主スイッチング素子１３や起動用スイッチングトランジスタ２２をオフにすることにより過放電を防止することができる。

また、充電することによって、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４内部でいずれか１本以上のリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０の電圧が過充電設定値を超えた場合に、対象蓄電モジュールの主スイッチング素子１３がオフになった状態において充電電圧が印加されると、その充電電圧と蓄電モジュールの電圧の差がオフしたスイッチング素子１３に作用する。
このため、オフした主スイッチング素子１３の耐電圧をオーバしないようバイパス回路３により電圧を制限している。それとともに、Ｓ２およびＳ３を通して、他の蓄電モジュールの主スイッチング素子１３をオフする信号を送出することで、システム全体で連携して全ての主スイッチング素子１３をオフして、過充電から全ての蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４のリチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０を保護できる。

さらに、アドレス検出端子Ｓ１を、電流検出回路２３を介して放電配線２１の出力部に接続したため、過放電状態において主スイッチング素子１３とともに起動用スイッチングトランジスタ２２がオフとなって、アドレス検出端子Ｓ１から他の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４やケーブル６に電流が放出されることを防止できる。さらには、充電電流による影響を受けることなく、電流検出回路２３の抵抗器２４、２５間の電圧を検出することができる。このため、この電圧の信号を増幅器４１から受信したマイクロコンピュータが電流検出回路２３における電流量をトランス５の端子Ｓ２およびＳ３によってホストコンピュータに伝達することにより、ホストコンピュータが各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４における電流検出回路２３の電流量を検出して、瞬間的に各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４のアドレスを電位の大きさ順に特定することができる。これにより、蓄電システムは、ホストコンピュータが各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４の電位の影響を受けることなく、瞬間的に過放電状態の蓄電モジュールを特定して、蓄電システムから該当する蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４を切断して、新たな蓄電モジュールと交換する等することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものでなく、例えば、図３に示すようにケーブル６がグランドに接続されていなくてもよいものである。この場合、蓄電システムは、高電位の蓄電モジュールからアドレス検出端子Ｓ１を通じて低電位の蓄電モジュールに電流が供給されるため、例えば、リチウムイオン二次電池Ｅ１〜Ｅ１０が過放電状態の蓄電モジュールが存在すると、その蓄電モジュールに他の蓄電モジュールから電流が流れ込む等して、電流検出回路２３における電流量が理論値と不一致になることからも、過放電の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４の有無を判別することができる。
また、ホストコンピュータは、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４と別途独立に設けられていても、蓄電モジュールＢ１〜Ｂ１４の制御回路Ｍに搭載されたマイクロコンピュータであってもよい。さらに、蓄電セルとしては、リチウムイオン二次電池を用いているが鉛電池や大容量キャパシタを用いてもよい。

本発明に係る蓄電システムの一実施形態を示す概略説明図である。 図１の蓄電システムに用いられている蓄電モジュールの説明図である。 本発明に係る蓄電システムの他の実施形態を示す概略説明図である。

符号の説明

Ｅ１〜Ｅ１０ リチウムイオン二次電池（蓄電セル）
Ｂ１〜Ｂ１４ 蓄電モジュール
Ｓ１ アドレス検出端子
１１ａ 負極端子（接続端子）
１２ａ 正極端子（接続端子）

Claims (4)

1. 複数の蓄電セルを直列に接続した複数の蓄電モジュールが、それぞれ接続端子を介して直列に接続された蓄電システムにおいて、
   各々の上記蓄電モジュールは、当該蓄電モジュールの上記蓄電セルから制御用電源回路を通じて電源が供給される制御回路と、上記制御用電源回路の出力部に電流検出回路を介して接続されたアドレス検出端子とを備え、
   かつ、上記複数の蓄電モジュールの上記アドレス検出端子が相互に接続されるとともに、上記アドレス検出端子における電流の方向や量に応じて、上記蓄電モジュールのアドレスを特定するアドレス認識装置が備えられていることを特徴とする蓄電システム。
2. 上記蓄電モジュールは、それぞれ上記複数の蓄電セルの充放電回路を有し、
   この充放電回路には、上記複数の蓄電セルのうちいずれか１つ以上の蓄電セルの電圧が過放電設定値未満の場合または過充電設定値を超えた場合にオフになる主スイッチング素子が挿入され、かつ
   上記制御用電源回路には、放電可能状態の時にオン、放電終止状態の時にオフになる起動用スイッチング素子が挿入されているとともに、上記制御回路は、上記複数の蓄電セルの電圧をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 上記アドレス検出端子は、グランドに接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電システム。
4. 上記蓄電モジュールは、上記電流検出回路の電流量を検出する電流量検出手段が上記制御回路に搭載され、かつこの電流量検出手段により検出された電流量を上記アドレス認識装置に伝達する通信手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の蓄電システム。

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