JP5706108B2 - エネルギー蓄積装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された多数のキャパシタや二次電池等のセルを用いたエネルギー蓄積装置に関する。

二次電池やキャパシタを用いたエネルギー蓄積装置は、例えばＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＵＰＳ（Uninterruptible Power Systems）の電源装置として用いられる。ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）の電源装置には、１００Ｖ以上の高電圧が要求される。この電源装置に使用される二次電池としては、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、またはリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池を用いたものが実用化され、二次電池以外としては、リチウムイオンキャパシタ（Ｌｉ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、または電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を用いることが提案されている。しかしながら、これらの蓄電素子の１セルあたりの平均電圧は、ニッケル水素電池で約１．２Ｖ、リチウムイオン電池では約３．６Ｖ、リチウムイオンキャパシタで約３Ｖであるにすぎない。そのため、１００Ｖの電源装置を構成するには、ニッケル水素電池で８３セル、リチウムイオン電池では２８セル、リチウムイオンキャパシタでは３４セルを直列に接続する必要がある。

このように多数のセルを直列接続したエネルギー蓄積装置で充放電を繰り返すと、各セルの電圧にばらつきが生じる。ばらつきを生じる原因としては、セル間容量や内部抵抗のばらつき、セルの配置による動作温度の差などが挙げられる。一般に、セルの直列接続数が多いほどセル間の電圧差は大きくなる。
セルがリチウムイオン電池あるいはリチウムイオンキャパシタである場合は、過充電及び／又は過放電保護回路によって、充電時には最大電圧、放電時には最小電圧が制限される。このために、多数直列接続されたセル間の電圧がばらつくと以下の問題が生じる。

すなわち、充電の際には、一つのセルが最大電圧に達した時点で充電停止することになるため、その他のセルの電圧が低いままで充電が終了してしまい、装置全体での最大容量に達する前に充電が停止してしまう。一方、放電の際には逆の現象が起こる。放電の際には、一つのセルが最小電圧に達した時点で放電停止することになるため、その他のセルの電圧が高いままで放電が終了してしまい、セルにエネルギーを残したまま放電が停止してしまう。

セルがＥＤＬＣやリチウムイオン二次電池以外の場合でも、必要に応じて保護回路によって充電停止・放電停止をさせることもあるが、そうでない場合であっても、多数直列接続されたセル間の電圧がばらつくことは同様であるため、耐電圧の近傍まで充電して繰返し使用する間にセル電圧が耐電圧以上に上昇することによって寿命劣化するセルが発生する。多数のセルを直列接続したエネルギー蓄積装置の寿命は、最も寿命の短いセルによって制限されるために、充放電によって他のセルより電圧が高くなるセルの発生は好ましくない。

したがって、セルを多数使用したエネルギー蓄積装置では、各セルの電圧を均等化する（以下「セルバランスを行う」ともいう。）ことが重要である。
そこで、各セルに均等化回路を並列接続し、各セルの電圧を均等化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。ここでは、直列に接続された複数の電気二重層コンデンサセルの充電時に各セルの電圧を均等化させるために、所定の電圧に満たないセルについては充電電流をバイパスせずにセルを充電する一方、所定の電圧を越えるセルについては、充電電流をバイパスさせたり、そのセルを個別に放電したりしている。

特開２００１−２５１６２号公報

しかしながら、上記従来のエネルギー蓄積装置にあっては、他のセルよりも電圧が高いセルを抵抗やスイッチを用いて放電することでセルバランスを行う構成であるため、放電により熱を発生してしまう。このため、放熱装置などを設ける必要があり、装置が大型となってしまう。また、充電時にセルへの充電を制限することでセルバランスを行う場合にも、充電電流をバイパスするためのスイッチが必要となり、バイパス電流が大きくなるとスイッチが急激に加熱されてしまう。
このように、上記従来の手法では、放電エネルギーが熱に変換されてしまい、エネルギー効率が悪い。
そこで、本発明は、無駄なエネルギー消費を抑制しつつ各セルの電圧を均等化することができるエネルギー蓄積装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係るエネルギー蓄積装置は、直列接続された複数のメインセルと、当該メインセルを過充電及び過放電の少なくとも一方から保護するセル保護手段と、を備えるエネルギー蓄積装置であって、前記メインセルとそれぞれ個別に並列接続可能な予備セルと、前記メインセルと前記予備セルとをそれぞれ個別に順次並列接続することで前記予備セルから前記メインセルを充電し、前記メインセル間の電圧均等化を行う電圧均等化手段と、を備え、前記メインセルはキャパシタであり、前記電圧均等化手段は、前記メインセルと外部電源又は外部機器とを接続する外部端子が開放状態である期間に、前記メインセル間の電圧均等化を行うことを特徴としている。
このように、予備セルを用いて充電によるメインセルの電圧均等化を行うので、従来装置のように放電による電圧均等化を行う必要がない。そのため、放電エネルギーが熱に変換されることがなく、エネルギー効率が良い。
また、メインセルの充放電を行っていない期間に、予備セルによるメインセルの電圧均等化を行うので、適正にセルバランスを行うことができる。

また、請求項２に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１に係る発明において、前記メインセルの各セル電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、前記メインセルと前記予備セルとをそれぞれ個別に並列接続可能なスイッチ群と、を備え、前記電圧均等化手段は、前記電圧検出手段で検出した前記メインセルの電圧に基づいて、前記各セル電圧を均等化するように、前記スイッチ群のオンオフを制御することを特徴としている。
これにより、比較的簡易な回路構成で適切にメインセルの各セル電圧を均等化することができる。

さらに、請求項３に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記予備セルは、前記メインセルを外部電源から充電している期間に、前記外部電源から充電されることを特徴としている。
このように、メインセルの充電中に同時に予備セルの充電を行うので、比較的簡易な制御方法で予備セルを充電することができ、回路の簡易化が可能となる。また、外部電源から予備セルの充電を行うため、セルバランスを行う際には予備セルによってメインセルを満充電することが可能である。

また、請求項４に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記予備セルは、前記メインセルを外部電源から充電した後に、前記メインセルから充電されることを特徴としている。
このように、メインセルから予備セルの充電を行うので、外部電源が接続されていない状態でも予備セルの充電が可能となる。そのため、外部電源が接続されている時間（外部電源からメインセルへの充電時間）にかかわらず、予備セルの充電を十分に行うことができる。

さらにまた、請求項５に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記予備セルは、任意のタイミングで、前記メインセルを充電する外部電源とは異なる第２の外部電源から充電されることを特徴としている。
これにより、予備セルの充電を、メインセルの充放電のタイミングとは関係なく行うことができる。

さらに、請求項６に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１〜５の何れかに係る発明において、前記電圧均等化手段は、前記メインセルの各セル電圧がそれぞれ所定電圧に達するまで、前記予備セルから前記メインセルへの充電を行うことを特徴としている。
これにより、予備セルによるセルバランス終了時に、メインセルの各セル電圧を確実に一致させた状態とすることができる。
また、請求項７に係るエネルギー蓄積装置は、請求項６に係る発明において、前記所定電圧は、前記メインセルの最大充電電圧であることを特徴としている。
これにより、予備セルによるセルバランス終了時に、各メインセルの各セル電圧を満充電電圧とすることができる。

さらにまた、請求項８に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１〜７の何れかに係る発明において、前記予備セルは、一つの前記メインセルよりも容量または最大電圧が高いセルであることを特徴としている。
これにより、予備セルとメインセルとを並列接続した際に、予備セルからメインセルへの充電を効率良く行うことができると共に、１つの予備セルで複数のメインセルの充電を行うことができる。

また、請求項９に係るエネルギー蓄積装置は、請求項８に係る発明において、前記予備セルは、前記メインセルと同一構成のセルを複数接続して構成されていることを特徴としている。
これにより、例えば、メインセルと同一構成のセルを複数直列接続するだけで、容易に予備セルからメインセルへの充電開始電圧を、メインセルの満充電電圧よりも高くすることができる。

さらに、請求項１０に係るエネルギー蓄積装置は、請求項１〜９の何れかに係る発明において、前記セル保護手段は、前記メインセルの各セル電圧の上限電圧及び下限電圧の少なくとも一方を監視し、前記上限電圧を監視する場合には、前記メインセルと外部電源とを接続した充電時に、前記メインセルの何れか１つのセル電圧が前記上限電圧に達したときに充電を終了することで、前記メインセルを過充電から保護し、前記下限電圧を監視する場合には、前記メインセルと外部機器とを接続した放電時に、前記メインセルの何れか１つのセル電圧が前記下限電圧に達したときに放電を終了することで、前記メインセルを過放電から保護することを特徴としている。
このように、メインセルの各セル電圧を監視してメインセルの充放電を制御するので、メインセルの過充電や過放電を防止することができ、メインセルの性能維持、安全性を確保することができる。

本発明によれば、充放電を行うメインセルとは別に予備セルを設け、予備セルからの充電によってメインセルの電圧均等化を行うので、従来装置のように放電エネルギーが熱に変換されてしまうなどの無駄なエネルギー消費を抑え、効率良くメインセルの電圧均等化を行うことができる。

本発明におけるエネルギー蓄積装置の全体構成を示す図である。 蓄電モジュールの構成を示す回路図である。 第１の実施形態の動作を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態の動作を示すタイミングチャートである。 第３の実施形態の動作を示すタイミングチャートである。 本発明におけるエネルギー蓄積装置の別の例を示す回路図である。 本発明におけるエネルギー蓄積装置の別の例を示す回路図である。 従来のエネルギー蓄積装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本発明におけるエネルギー蓄積装置の全体構成を示す図である。
図中、符号１０はエネルギー蓄積装置である。このエネルギー蓄積装置１０は、蓄電モジュール１を任意数直列接続して、所望の動作電圧を得るものであり、例えばＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）の電源装置として用いられる。

蓄電モジュール１は、複数のメインセル（キャパシタや二次電池等）が直列接続された蓄電セル１Ａを備える。また、この蓄電モジュール１には、モジュール内の蓄電セル１Ａを保護する目的で、蓄電セル１Ａの直列接続端と外部端子との間にスイッチ１Ｂを直列に介在させると共に、蓄電モジュール１内の各メインセルの電圧を個別に監視し、充放電時に前記各メインセルの電圧に応じてスイッチ１Ｂのオン／オフ制御を行う制御回路（ＩＣ）１Ｃを設ける。制御回路１Ｃは、蓄電モジュール１内の各メインセルを過充電から保護するための過充電保護機能と、過放電から保護するための過放電保護機能とを有している。各蓄電モジュール１内の制御回路１Ｃ間は光ファイバ等で接続されており、相互に通信可能な構成となっている。

また、図１において、符号１１は外部充電器または負荷であり、直列接続されたこれら蓄電モジュール１には、充電動作時には外部充電器１１が接続され、放電動作時には負荷１１が接続される。
さらに、エネルギー蓄積装置１０は、各蓄電モジュール１の制御回路１Ｃを制御するＣＰＵ１２を備える。このＣＰＵ１２は、各制御回路１Ｃの制御タイミングの管理や、各制御回路１Ｃの健康管理（故障管理）を行うと共に、システム全体として各制御回路１Ｃから後述する均等化終了の信号を受け取るなどして充電器及び負荷側との通信を行う役目がある。以下に記載するように、蓄電モジュール１内の各メインセルはセルバランスを行うことで電圧均等化される。したがって、上記ＣＰＵ１２が各蓄電モジュール１の均等化電圧が同一値になるように各制御回路１Ｃを制御することで、エネルギー蓄積装置１０全体の電圧均等化を達成することができる。

次に、蓄電モジュール１の具体的構成について説明する。
図２は、蓄電モジュール１の構成を示す回路図である。
蓄電モジュール１は、上記蓄電セル１Ａとしてのメインセル部２と、セルマネージメント部３と、スイッチ部４と、バランスコントロール部５と、予備セル充電回路６と、予備セル７と、を備える。また、図中符号８は蓄電モジュールのプラス端子、符号９は蓄電モジュールのマイナス端子である。
メインセル部２は、複数（本実施形態では４つ）のメインセル２１〜２４を直列に接続して構成する。

各メインセル間は、抵抗等を介さずに直接接続する。仮にメインセル間に抵抗成分があると、充放電電流が制限されることになり、高電流の充放電時には抵抗成分により充放電効率を落とすことになる。そこで、本実施形態では、メインセル間に抵抗成分を介さない構成とすることで、充放電効率を維持するようにしている。
セルマネージメント部３は、上記制御回路１Ｃとしてのセルマネージメントシステム（ＣＭＳ）３１と、上記スイッチ１Ｂとしての充放電制御スイッチ３２とで構成されている。ＣＭＳ３１は、各メインセル２１〜２４のセル電圧をそれぞれ監視しており、メインセル２１〜２４の各セル電圧に応じて充放電制御スイッチ３２のオン／オフを制御する。

具体的には、ＣＭＳ３１は、各メインセル２１〜２４の電圧をそれぞれ監視し、充電動作時には、何れか一つのセル電圧が予め設定した上限電圧に達したことを検出したとき、充放電制御スイッチ３２をオン状態からオフ状態へ切り替えることで、当該メインセルが過充電になるのを防止する。また、放電動作時には、何れか一つのセル電圧が予め設定した下限電圧に達したことを検出したとき、充放電制御スイッチ３２をオン状態からオフ状態へ切り替えることで、当該メインセルが過放電になるのを防止する。このように、ＣＭＳ３１は、過充電保護機能と過放電保護機能とを有する。もちろん、過充電保護機能のみ、または過放電保護機能のみとすることも可能である。

スイッチ部４は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ等のスイッチ４１Ａ〜４４Ａ，４１Ｂ〜４４Ｂで構成される。これらスイッチはバランスコントロール部５によってオン／オフ状態が制御される。
スイッチ４１Ａ及び４１Ｂは、同時にオン状態となることでメインセル２１と予備セル７とを並列に接続するようになっている。同様に、スイッチ４２Ａ及び４２Ｂは、同時にオン状態となることでメインセル２２と予備セル７とを並列に接続し、スイッチ４３Ａ及び４３Ｂは、同時にオン状態となることでメインセル２３と予備セル７とを並列に接続し、スイッチ４４Ａ及び４４Ｂは、同時にオン状態となることでメインセル２４と予備セル７とを並列に接続する。

バランスコントロール部５は、コントロール回路５１と、電源レギュレータ５２と、を備える。
コントロール回路５１は、スイッチ部４を構成する各スイッチ４１Ａ〜４４Ａ，４１Ｂ〜４４Ｂ及び後述する予備セル充電回路６の予備セル充電スイッチ６２のオン／オフ制御を行う。また、コントロール回路５１は、予備セル７の電圧を監視し、予備セル７の過充電保護および過放電保護を行うようになっている。このコントロール回路５１は、一般的な論理回路で構成することも可能であるが、マイクロコントローラを用いるとスイッチ部４の各スイッチのオン／オフ制御がプログラムによって容易に調整できる。

予備セル充電回路６は、定電流源６１と、予備セル充電スイッチ６２と、を備える。予備セル充電スイッチ６２がコントロール回路５１によってオン状態に制御されているとき、予備セル７への充電が行われる。本実施形態では、外部充電器１１からメインセル２１〜２４への充電期間に、外部充電器１１から予備セル７を充電するものとする。
予備セル７は、メインセル２１〜２４のセル間電圧の差を無くすようにセルバランスを行うためのものであり、メインセル２１〜２４と同一構成のセルを複数（本実施形態では２つ）直列接続して構成する。このように、予備セル７は、一つのメインセルよりも容量及び／または最大電圧の高いセルで構成する。

次に、セルバランスを行う方法について具体的に説明する。
セルバランスは、メインセル２１〜２４の充放電が行われていない期間に行う。メインセル２１〜２４の充放電が行われていない期間とは、充放電制御スイッチ３２がオフ状態の期間、すなわちメインセル２１〜２４と外部充電器もしくは負荷１１とを接続する外部端子が切り離されている期間、または外部充電器もしくは負荷１１がプラス端子８とマイナス端子９との間に接続されておらず、外部端子が開放状態にある期間である。

ここで、メインセル２１〜２４の充放電が行われていないことは、ＣＭＳ３１で検出が可能である。コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１でメインセル２１〜２４の充放電が行われていないことを示す信号を受信しているとき、セルバランスを開始するべくスイッチ４１Ａ〜４４Ａ，４１Ｂ〜４４Ｂのオン／オフ制御を行う。
セルバランスは、コントロール回路５１がスイッチ４１Ａ〜４４Ａ，４１Ｂ〜４４Ｂをオン／オフ制御して、予備セル７とメインセル２１〜２４とを順次個別に並列接続することで、予備セル７が予備セル７に並列接続したメインセルを充電して各メインセル２１〜２４の電圧均等化を行うものである。

ここでは、メインセル２１→メインセル２２→メインセル２３→メインセル２４の順に、予備セル７と並列接続するものとする。なお、予備セル７との接続順序は上記に限定されるものではなく、任意の順序で接続可能である。
また、セルバランスを行う際には、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出したメインセル２１〜２４の電圧をそれぞれ取得し、取得したメインセル電圧に応じてスイッチ４１Ａ〜４４Ａ，４１Ｂ〜４４Ｂをオン／オフ制御する。

すなわち、先ず、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１からメインセル２１の電圧を取得し、メインセル２１の電圧が所定電圧（満充電電圧あるいは満充電電圧近傍の一定電圧）を下回っているか否かを判定する。そして、メインセル２１の電圧が所定電圧を下回っている場合には、スイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオン状態、その他のスイッチ４２Ａ〜４４Ａ及び４２Ｂ〜４４Ｂをオフ状態とし、メインセル２１と予備セル７とを並列に接続する。こうして、予備セル７からメインセル２１へ充電を行う。なお、メインセル２１の電圧が所定電圧に達している場合には、予備セル７からメインセル２１への充電は行う必要はない。

メインセル２１の電圧が所定電圧に達すると、コントロール回路５１はスイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオフ状態に切り替え、予備セル７からメインセル２１への充電を終了する。
次に、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１からメインセル２２の電圧を取得し、メインセル２２の電圧が所定電圧を下回っているか否かを判定する。そして、メインセル２２の電圧が所定電圧を下回っている場合には、スイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオン状態に切り替え、メインセル２２と予備セル７とを並列に接続する。こうして、予備セル７からメインセル２２へ充電を行う。このとき、メインセル２２の電圧がメインセル２１の電圧に一致するまで充電を行う。

このような動作をメインセル２４まで繰り返す。これにより、すべてのメインセル２１〜２４が予備セル７によって充電され、セルバランスが終了したときには、メインセル２１〜２４の電圧が所定電圧以上となる。
なお、セルマネージメント部３がセル保護手段に対応し、セルマネージメントシステム３１が電圧検出手段に対応し、スイッチ部４がスイッチ群に対応し、バランスコントロール部５が電圧均等化手段に対応し、外部充電器１１が外部電源に対応し、負荷１１が外部機器に対応している。

（動作）
次に、第１の実施形態の動作について説明する。
図３は、第１の実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。ここで、図３（ａ）はメインセル電圧であり、図３（ｂ）は予備セル電圧である。なお、図３（ａ）では、メインセル２１及び２２の電圧のみを記しており、Ｖ１がメインセル２１のセル電圧、Ｖ２がメインセル２２のセル電圧である。なお、タイミングチャートにおいては、セルバランスを行っている期間をコンディショニング期間と記載している。

先ず、エネルギー蓄積装置１０は、蓄電モジュール１に外部充電器１１を接続した状態で、メインセル２１〜２４の充電動作を行う。このとき、図３の時刻ｔ１で、蓄電モジュール１のＣＭＳ３１は、充放電制御スイッチ３２をオン状態とする。これにより、外部充電器１１からメインセル２１〜２４へ充電が行われ、メインセル２１〜２４の電圧が上昇していく。そして、一定の充電期間が経過した時刻ｔ２で、ＣＭＳ３１は充放電制御スイッチ３２をオフ状態に切り替え、蓄電モジュール１から外部充電器１１を取り外すことで、メインセル２１〜２４の充電を終了する。

本実施形態では、この時刻ｔ１〜時刻ｔ２の充電期間に、予備セル７の充電も行う。すなわち、蓄電モジュール１のコントロール回路５１は、時刻ｔ１で予備セル充電スイッチ６２をオン状態に切り替えることで、外部充電器１１から予備セル充電回路６を介して予備セル７への充電を行う。予備セル７のセル電圧は、コントロール回路５１で監視しており、メインセル充電期間内に予備セル７が満充電された場合には、その時点でコントロール回路５１は予備セル充電スイッチ６２をオフ状態に切り替え、予備セル７の充電を終了する。

その後、メインセル２１〜２４の充電動作が終了している状態の時刻ｔ３で、蓄電モジュール１は、メインセル２１〜２４のセルバランスを行う。先ず、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出した時刻ｔ３におけるメインセル２１のセル電圧Ｖ１を取得し、このセル電圧Ｖ１が所定電圧（図３では、満充電電圧である最大充電電圧Ｖ_max）に達しているか否かを判定する。このとき、メインセル２１は満充電されておらず、Ｖ１＜Ｖ_maxであるため、コントロール回路５１は、スイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオン状態とし、それ以外のスイッチ部４のスイッチをオフ状態に制御することで、メインセル２１と予備セル７とを並列に接続する。これにより、予備セル７からメインセル２１へ充電を行う。

予備セル７はメインセル２１〜２４の外部充電器１１からの充電期間に満充電されているため、予備セル７の電圧は、メインセル２１の電圧よりも確実に高いものとなっている。そのため、この時刻ｔ３からメインセル２１の電圧Ｖ１は上昇し、一方、予備セル７の電圧は低下していく。
そして、時刻ｔ４で、メインセル２１のセル電圧Ｖ１が最大充電電圧Ｖmaxに達すると、これがＣＭＳ３１で検出される。すると、ＣＭＳ３１から検出信号を受け取ったコントロール回路５１は、予備セル７からメインセル２１への充電を終了するべく、スイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオフ状態に切り替える。

次に、コントロール回路５１は、時刻ｔ５で、ＣＭＳ３１で検出したメインセル２２のセル電圧Ｖ２を取得し、このセル電圧Ｖ２が上記所定電圧に達しているか否かを判定する。このとき、Ｖ２＜Ｖ_maxであるため、コントロール回路５１は、スイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオン状態とする。これにより、メインセル２２と予備セル７とを並列に接続し、予備セル７からメインセル２２へ充電を行う。そのため、この時刻ｔ５からはメインセル２２の電圧Ｖ２が上昇し、予備セル７の電圧が低下していく。

この場合にも、メインセル２２の電圧Ｖ２はＣＭＳ３１で監視され、メインセル２２の電圧Ｖ２が時刻ｔ６で最大充電電圧Ｖ_maxに達すると、予備セル７からメインセル２２への充電を終了するべく、コントロール回路５１はスイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオフ状態に切り替える。
その後は、メインセル２３及び２４についても同様に予備セル７からの充電を行う。これにより、セルバランス終了時には、すべてのメインセル２１〜２４の電圧が満充電によって均等化された状態となる。

セルバランスが終了すると、蓄電モジュール１には負荷１１が接続される。そして、時刻ｔ７〜ｔ８の放電期間において、メインセル２１〜２４の放電が行われる。その後、ＣＭＳ３１が、何れかのメインセル電圧が下限電圧を下回ったことを検出すると、充放電制御スイッチ３２をオフ状態に切り替えて、メインセル２１〜２４の放電動作を終了する。
その後は、時刻ｔ８で、再び蓄電モジュール１に外部充電器１１を接続し、外部充電器１１からメインセル２１〜２４への充電を行う。この時刻ｔ８〜ｔ９のメインセル充電期間では、上述した時刻ｔ１〜ｔ２の充電期間と同様に、予備セル７への充電も行われる。
ところで、本実施形態のように予備セル７を用いたセルバランスを行わないエネルギー蓄積装置では、一般に、充放電が繰り返されると各セルの電圧にばらつきが生じる。これは、セル間容量や内部抵抗のばらつき、セルの配置による動作温度の差などが原因である。

各セルの容量を完全に均一にすることは不可能であり、各セルには必ず容量差がある。容量の大きなセルと小さなセルとを直列接続して充放電を行うと、この容量差によりセルの電圧は同じにならない。また、各セルの容量が完全に同じであっても、各セルの周辺温度には差がある。エネルギー蓄積装置は、金属ケースなどで密封されるが、機器からの放熱やケース外周の熱吸収などにより、セル間には温度差ができてしまう。セル間の温度が異なると、その温度差により擬似的に容量差ができてしまい、この場合にもセル間電圧はばらつくことになる。このように、セル間電圧は確実にばらついてしまう。そして、このセル間の電圧差は、蓄電モジュールにおけるセルの直列接続数が多いほど大きくなる。

このように、セル間電圧に差が生じると、エネルギー蓄積装置全体の容量が低下してしまう。これは、セルの充電上限電圧と放電下限電圧とがセルマネージメント回路によって制限されていることに起因する。すなわち、充電の際には、一つのセルが充電上限電圧に達すると、その時点で充電は停止することになる。このように、他のセルの電圧が低いままで充電が終了してしまい、装置全体での最大容量に達する前に充電が停止してしまう。放電の際には逆の現象が起こる。つまり、一つのセルが放電下限電圧に達した時点で放電停止するため、他のセルの電圧が高いままで放電が終了してしまい、セルにエネルギーを残したまま放電が停止してしまう。
この対策として、他のセルよりも電圧の高いセルを抵抗やスイッチを用いて放電することにより、セルバランスを行う方法がある。

図８は、従来のエネルギー蓄積装置１００の構成を示す回路図である。
このエネルギー蓄積装置１００は、セル群１０１と、セル群１０１の各セルの過充電及び過放電を保護するセルマネージメント部１０２と、放電トランジスタ群１０３とを備えるものである。
ここでは、セル群１０１の各セル電圧をセルマネージメント部１０２で監視し、他のセルよりも電圧の高いセルが存在する場合には、そのセルに対応する放電トランジスタ群１０３内のスイッチをオンすることで放電を行い、電圧均等化を図っている。

しかしながら、この場合、セルバランスのための放電により熱を発生してしまうため、放熱装置などが必要となり装置が大きくなってしまう。また、充電時にセルへの充電を制限することにより、セルバランスを行う方法もあるが、この場合にも充電電流をバイパスするためのスイッチが必要となるため、バイパス電流が大きくなるとスイッチが急激に加熱されてしまう。これらの方法では、放電するエネルギーが熱に変換されてしまうため、エネルギー効率が悪いという問題もある。

これに対して、本実施形態では、充放電を行うメインセル２１〜２４とは別にセルバランスを行うための予備セル７を設け、予備セル７からメインセル２１〜２４を充電することでセルバランスを行う。この構成により、メインセルの電圧を放電により均等化する必要がなくなるので、放電エネルギーが熱に変換されるのを防止することができ、エネルギー効率の悪化を防止することができる。

（効果）
このように、上記第１の実施形態では、多数直列に接続されたメインセル群から充放電を行うエネルギー蓄積装置において、各メインセルとそれぞれ個別に並列接続可能な予備セルを設け、メインセルが充放電を行っていないときに、予備セルから順次メインセルを充電することでメインセルの電圧を均等化する。したがって、エネルギー蓄積装置全体の容量を確保することができる。また、予備セルからの充電によりセルバランスを行う構成であるため、メインセルを放電することによりセルバランスを行う必要がなくなり、部品の過熱などでエネルギー効率が悪くなるのを防止することができる。

さらに、スイッチ群のオンオフ制御により各メインセルと予備セルとを順次並列接続するため、比較的簡易な制御方法で電圧均等化を行うことができる。
また、メインセルが外部電源から充電を行っている間に当該外部電源から予備セルを充電するので、セルバランスを開始する際には、予備セルを満充電した状態とすることができる。

さらに、メインセルの充放電を行っていない期間に予備セルによるセルバランスを行うため、適切にメインセルの電圧均等化を行うことができる。また、セルバランスを行う際には、メインセルの各セル電圧がそれぞれ所定電圧に達するまで予備セルからの充電を行うので、セルバランス終了時にメインセルの各セル電圧を確実に一致させることができる。このとき、上記所定電圧をメインセルの最大充電電圧に設定すれば、セルバランス終了時に各メインセルを満充電させることができるので、エネルギー蓄積装置全体の容量を最大容量に確保することができる。

また、予備セルとしてメインセルと同一構成のセルを用い、このセルを直列に複数接続することで予備セル容量と電圧とをメインセルのそれよりも大きくするので、セルバランス時には、複数のメインセルを適切に充電することができると共に、短時間でコンディショニングを行うことができる。
また、メインセルの各電圧をセルマネージメント回路によってモニターし、メインセルの何れかの電圧が上限電圧よりも高くなった場合に充電を禁止すると共に、メインセルの何れかの電圧が下限電圧よりも低くなった場合に放電を禁止する構成とする。したがって、セルの安全性を確保したエネルギー蓄積装置とすることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、予備セル７の充電を、メインセル２１〜２４の充電後にメインセル２１〜２４から行うようにしたものである。
（構成）
第２の実施形態における蓄電モジュール１は、前述した第１の実施形態において、予備セル７の充電電流供給方法および充電タイミングが異なることと、予備セル７の構成が異なることを除いては、第１の実施形態の蓄電モジュール１と同様の構成を有する。そのため、ここでは構成の異なる部分を中心に説明する。

コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１からメインセル２１〜２４の外部充電器１１からの充電が終了したことを示す信号を受信したとき、予備セル７への充電を開始する。本実施形態では、スイッチ部４を制御してメインセル２１〜２４を予備セル７に順次接続することで、メインセル２１〜２４から予備セル７への充電を行う。
予備セル７は、一つのメインセルより容量の大きい１セルで構成するか、またはメインセルと同一構成の複数のセル（例えば２つのセル）を並列接続して構成する。このとき、予備セル７はチャージポンプ的な結線として、メインセルに充電するときは直列接続、メインセルから充電されるときは並列接続とする。また、容量の大きな１セルで、メインセル充電時には昇圧回路経由とすることもできる。

（動作）
次に、第２の実施形態の動作について説明する。
図４は、第２の実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。ここで、図４（ａ）はメインセル電圧であり、図４（ｂ）は予備セル電圧である。なお、図４（ａ）では、メインセル２１及び２２の電圧のみを記しており、Ｖ１がメインセル２１のセル電圧、Ｖ２がメインセル２２のセル電圧である。
先ず、エネルギー蓄積装置１０は、時刻ｔ１１で外部充電器１１からメインセル２１〜２４への充電を行う。そのため、メインセル２１〜２４の電圧は、この時刻ｔ１１から上昇していく。時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の充電期間では、前述した第１の実施形態のように、メインセル充電期間において予備セル７の充電動作は行わないため、図３の時刻ｔ１〜ｔ２に示すメインセル充電期間と比較して、メインセル２１〜２４の充電速度は速くなる。

そして、時刻ｔ１２でメインセル２１が満充電（最大充電電圧Ｖ_max）となると、ＣＭＳ３１は充放電制御スイッチ３２をオフ状態に切り替え、蓄電モジュール１から外部充電器１１を取り外すことで、メインセル２１〜２４の充電を終了する。
次に、メインセル２１〜２４の充電動作が終了している状態の時刻ｔ１３で、蓄電モジュール１は、予備セル７の充電動作を開始する。すなわち、コントロール回路５１は、時刻ｔ１３でスイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオン状態に切り替えることで、メインセル２１から予備セル７への充電を行う。そして、一定の充電期間が経過した時刻ｔ１４でメインセル２１の電圧が所定電圧Ｖ_THに低下したところで、コントロール回路５１は、スイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオフ状態に切り替え、予備セル７の充電を終了する。

このように、メインセル２１から予備セル７への充電を行うので、時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間では、メインセル２１の電圧が低下し、予備セル７の電圧が上昇する。
なお、メインセル２１〜２４から予備セル７への充電を行う際には、電圧の高いメインセル（例えば、セル電圧が所定電圧Ｖ_TH以上であるメインセル）と予備セル７とを順次接続するのが好ましい。このように構成することにより、追充電が必要なメインセルが予備セル７を充電するのを回避することができる。図４に示す例では、時刻ｔ１３におけるメインセル２２のセル電圧が所定電圧Ｖ_TH未満であるため、ここではメインセル２１からのみ予備セル７への充電を行っているが、メインセル２２〜２４のセル電圧が所定電圧Ｖ_TH以上であれば、メインセル２１から予備セル７への充電後、順次メインセル２２〜２４を予備セル７と接続し、メインセル２２〜２４から予備セル７への充電を行うものとする。

予備セル７の充電が終了すると、時刻ｔ１５で、メインセル２１〜２４のセルバランスを行う。
先ず、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出した時刻ｔ１５におけるメインセル２１のセル電圧Ｖ１を取得し、このセル電圧Ｖ１が所定電圧Ｖ_TH（＜最大充電電圧Ｖ_max）に達しているか否かを判定する。このとき、Ｖ１≧Ｖ_THであるため、コントロール回路５１は、予備セル７からメインセル２１への充電の必要はないと判断する。

次に、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出した時刻ｔ１５におけるメインセル２２のセル電圧Ｖ２を取得し、このセル電圧Ｖ２が所定電圧Ｖ_THに達しているか否かを判定する。このとき、Ｖ２＜Ｖ_THであるため、コントロール回路５１はスイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオン状態とし、それ以外のスイッチ部４のスイッチをオフ状態に制御することで、メインセル２２と予備セル７とを並列に接続する。これにより、予備セル７からメインセル２２へ充電を行う。そのため、この時刻ｔ１５からはメインセル２２の電圧が上昇し、予備セル７の電圧が低下していく。そして、時刻ｔ１６で、メインセル２２のセル電圧Ｖ２が所定電圧Ｖ_THに達すると、これがＣＭＳ３１で検出される。すると、ＣＭＳ３１から検出信号を受け取ったコントロール回路５１は、予備セル７からメインセル２２への充電を終了するべく、スイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオフ状態に切り替える。
その後は、メインセル２３及び２４についても同様に予備セル７からの充電を行う。これにより、セルバランス終了時には、すべてのメインセル２１〜２４の電圧が所定電圧Ｖ_TH以上となる。

（効果）
このように、上記第２の実施形態では、外部充電器からメインセルへの充電が完了した後、メインセルから予備セルへの充電を行うので、外部充電器が接続されていない状態で予備セルの充電が可能である。
また、外部充電器からメインセルへの充電を行う期間に予備セルへの充電を行わない構成とするので、当該充電期間における予備セルの充電電流の発生を抑制することができる。そのため、上記充電期間にメインセルを効率良く充電することができる。その結果、予備セルによるメインセルのセルバランス期間を短縮することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、予備セル７の充電を、メインセル２１〜２４の充電中に外部充電器１１から行うと共に、メインセル２１〜２４の充電後にメインセル２１〜２４から行うようにしたものである。
（構成）
第３の実施形態における蓄電モジュール１は、前述した第１及び第２の実施形態において、予備セル７の充電電流供給方法および充電タイミングが異なることを除いては、第１及び第２の実施形態の蓄電モジュール１と同様の構成を有する。そのため、ここでは構成の異なる部分を中心に説明する。

コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１からメインセル２１〜２４の外部充電器１１からの充電を開始することを示す信号を受信したとき、予備セル７への外部充電器１１からの充電を開始するべく、予備充電制御スイッチ６２をオン状態に切り替える。また、ＣＭＳ３１からメインセル２１〜２４の外部充電器１１からの充電が終了したことを示す信号を受信したとき、スイッチ部４を制御してメインセル２１〜２４を予備セル７に順次接続することで、メインセル２１〜２４から予備セル７への充電を行う。このように、予備セル７を、外部充電器１１とメインセル２１〜２４の両方から充電する。

（動作）
次に、第３の実施形態の動作について説明する。
図５は、第３の実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。ここで、図５（ａ）はメインセル電圧であり、図５（ｂ）は予備セル電圧である。なお、図５（ａ）では、メインセル２１及び２２の電圧のみを記しており、Ｖ１がメインセル２１のセル電圧、Ｖ２がメインセル２２のセル電圧である。
先ず、エネルギー蓄積装置１０は、時刻ｔ２１で外部充電器１１からメインセル２１〜２４への充電を行う。そのため、メインセル２１〜２４の電圧は、この時刻ｔ２１から上昇していく。この時刻ｔ２１〜ｔ２２のメインセル充電期間においては、予備セル７の充電動作も同時に行う。そのため、このメインセル充電期間では、予備セル７の電圧も上昇する。

次に、メインセル２１〜２４の充電動作が終了している状態の時刻ｔ２３で、蓄電モジュール１は、予備セル７の充電動作を開始する。すなわち、コントロール回路５１は、時刻ｔ２３でスイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオン状態に切り替えることで、メインセル２１から予備セル７への充電を行う。そして、一定の充電期間が経過した時刻ｔ２４でメインセル２１の電圧が所定電圧Ｖ_THに低下したところで、コントロール回路５１は、スイッチ４１Ａ及び４１Ｂをオフ状態に切り替え、予備セル７の充電を終了する。したがって、この時刻ｔ２３〜ｔ２４の期間では、メインセル２１の電圧が低下し、予備セル７の電圧が上昇する。

この図５に示す例でも、上述した図４に示す例と同様に、時刻ｔ２３におけるメインセル２２のセル電圧が所定電圧Ｖ_TH未満であるため、メインセル２１からのみ予備セル７への充電を行っている。
予備セル７の充電が終了すると、次いで時刻ｔ２５で、メインセル２１〜２４のセルバランスを行う。先ず、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出した時刻ｔ２５におけるメインセル２１のセル電圧Ｖ１を取得し、このセル電圧Ｖ１が所定電圧Ｖ_TH（＜最大充電電圧Ｖ_max）に達しているか否かを判定する。このとき、Ｖ１≧Ｖ_THであるため、コントロール回路５１は、予備セル７からメインセル２１への充電の必要はないと判断する。

次に、コントロール回路５１は、ＣＭＳ３１で検出した時刻ｔ２５におけるメインセル２２のセル電圧Ｖ２を取得し、このセル電圧Ｖ２が所定電圧Ｖ_THに達しているか否かを判定する。このとき、Ｖ２＜Ｖ_THであるため、コントロール回路５１はスイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオン状態とし、それ以外のスイッチ部４のスイッチをオフ状態に制御することで、メインセル２２と予備セル７とを並列に接続する。これにより、予備セル７からメインセル２２へ充電を行う。そのため、この時刻ｔ２５からはメインセル２２の電圧が上昇し、予備セル７の電圧が低下していく。そして、時刻ｔ２６で、メインセル２２のセル電圧Ｖ２が所定電圧Ｖ_THに達すると、これがＣＭＳ３１で検出される。すると、ＣＭＳ３１から検出信号を受け取ったコントロール回路５１は、予備セル７からメインセル２２への充電を終了するべく、スイッチ４２Ａ及び４２Ｂをオフ状態に切り替える。
その後は、メインセル２３及び２４についても同様に予備セル７からの充電を行う。これにより、セルバランス終了時には、すべてのメインセル２１〜２４の電圧が所定電圧Ｖ_TH以上となる。

（効果）
このように、上記第３の実施形態では、外部充電器とメインセルとの両方から予備セルの充電を行うので、予備セルを十分に充電することができる。そのため、コンディショニング時には、複数のメインセルを確実に充電することができ、短時間でコンディショニングを終了することができる。
（変形例）
なお、上記各実施形態においては、メインセル部２を、４つのメインセルを直列に接続して構成する場合について説明したが、直列セル数を制限するものではなく、５つ以上のメインセルで構成することもできる。この場合にも、メインセルに対応したスイッチを設けるだけで予備セル７と接続可能な構成とすることができる。

また、上記各実施形態においては、予備セル７を、メインセル２１〜２４と同一構成のセルを２つ直列接続して構成する場合について説明したが、３つ以上のセルを接続することもできる。
さらに、上記各実施形態においては、予備セル７としてメインセル２１〜２４と同一構成のセルを用いる場合について説明したが、予備セル７の容量若しくは最大電圧が一つのメインセルよりも高く設定されていればよく、メインセル２１〜２４とは異なる構成のセルを予備セル７として用いることもできる。予備セル７の電圧が低い場合には、コントロール回路５１内にＤＣ−ＤＣコンバータを設けて昇圧した上でメインセル２１〜２４の充電に使用することもできる。予備セル７としては、二次電池の他に、一次電池や太陽電池、燃料電池などを用いることも可能である。

また、上記各実施形態においては、ＣＭＳ３１からの所定の信号を受けてコントローラ５１が自動的にメインセル２１〜２４のセルバランスを開始する場合について説明したが、手動でセルバランスを開始することもできる。この場合、図６に示すように、手動でオン／オフ操作が可能なスタートスイッチ１５を設ける。そして、スタートスイッチ１５がオンされたとき、コントロール回路５１がこれを検知して、セルバランスを開始するようにする。

さらに、上記各実施形態においては、バランスコントロール部５及び予備セル充電回路６の電源をメインセル部２から供給する場合について説明したが、図７に示すように、メインセル２１〜２４を充電する外部電源とは異なる外部電源から供給することもできる。図７において、符号１６は外部電源入力端子である。この場合、予備セル７の充電を外部電源入力端子１６に接続した外部電源から行うことができるので、メインセル２１〜２４の充放電のタイミングとは関係なく、任意のタイミングで予備セル７の充電を行うことができる。さらに、セルバランス期間中もメインセル２１〜２４の電圧が下がることがなくなり、短期間でセルバランスが終了する。

（応用例）
なお、上記各実施形態においては、本発明をＨＥＶの電源装置として用いる場合について説明したが、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Systems）や太陽電池エネルギー蓄積装置などでも同様の効果が得られる。また、充放電が頻繁に繰り返される建設機器などでは、特に効果的である。

１…蓄電モジュール、２…メインセル部、３…セルマネージメント部、４…スイッチ部、５…バランスコントロール部、６…予備セル充電回路、７…予備セル７、８…プラス端子、９…マイナス端子、１０…エネルギー蓄積装置、１５…スタートスイッチ、１６…外部電源入力端子、２１〜２４…メインセル、３１…ＣＭＳ、３２…充放電制御スイッチ、５１…コントロール回路、６１…定電流源、６２…予備セル充電制御スイッチ

Claims (10)

1. 直列接続された複数のメインセルと、当該メインセルを過充電及び過放電の少なくとも一方から保護するセル保護手段と、を備えるエネルギー蓄積装置であって、
   前記メインセルとそれぞれ個別に並列接続可能な１つの予備セルと、
   前記メインセルと前記予備セルとをそれぞれ個別に順次並列接続することで前記予備セルから前記メインセルを充電し、前記メインセル間の電圧均等化を行う電圧均等化手段と、を備え、
   前記メインセルはキャパシタであり、
   前記電圧均等化手段は、前記メインセルと外部電源又は外部機器とを接続する外部端子が開放状態である期間に、前記メインセル間の電圧均等化を行うことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
2. 前記メインセルの各セル電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
   前記メインセルと前記予備セルとをそれぞれ個別に並列接続可能なスイッチ群と、を備え、
   前記電圧均等化手段は、前記電圧検出手段で検出した前記メインセルの電圧に基づいて、前記各セル電圧を均等化するように、前記スイッチ群のオンオフを制御することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
3. 前記予備セルは、前記メインセルを外部電源から充電している期間に、前記外部電源から充電されることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー蓄積装置。
4. 前記予備セルは、前記メインセルを外部電源から充電した後に、前記メインセルから充電されることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー蓄積装置。
5. 前記予備セルは、任意のタイミングで、前記メインセルを充電する外部電源とは異なる第２の外部電源から充電されることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー蓄積装置。
6. 前記電圧均等化手段は、前記メインセルの各セル電圧がそれぞれ所定電圧に達するまで、前記予備セルから前記メインセルへの充電を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のエネルギー蓄積装置。
7. 前記所定電圧は、前記メインセルの最大充電電圧であることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー蓄積装置。
8. 前記予備セルは、一つの前記メインセルよりも容量または最大電圧が高いセルであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のエネルギー蓄積装置。
9. 前記予備セルは、前記メインセルと同一構成のセルを複数接続して構成されていることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー蓄積装置。
10. 前記セル保護手段は、前記メインセルの各セル電圧の上限電圧及び下限電圧の少なくとも一方を監視し、前記上限電圧を監視する場合には、前記メインセルと外部電源とを接続した充電時に、前記メインセルの何れか１つのセル電圧が前記上限電圧に達したときに充電を終了することで、前記メインセルを過充電から保護し、前記下限電圧を監視する場合には、前記メインセルと外部機器とを接続した放電時に、前記メインセルの何れか１つのセル電圧が前記下限電圧に達したときに放電を終了することで、前記メインセルを過放電から保護することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のエネルギー蓄積装置。

Images