JP7086651B2

JP7086651B2 - 蓄電池システムおよび蓄電池システムの制御方法

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Publication number: JP7086651B2
Application number: JP2018046571A
Authority: JP
Inventors: 弘樹松下
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019161887A

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システムおよび蓄電池システムの制御方法に関する。

蓄電池システムが備える蓄電パックは、必要な出力電圧を得るために、直列に接続された複数の電池セルで構成されている。複数の電池セルの中の何れか１個の電池セルが過充電状態もしくは過放電状態になると、発煙発火を生じる危険が高まる。これを防止するために、電池セルそれぞれの充電状態を監視し、電池セルが過充電状態及び過放電状態になることを回避するための蓄電池システムが開発されている。

特開２００８－１２５２９７号公報

従来の蓄電池システムは、複数の電池セルの何れかの出力電圧が過充電状態を示す電圧になると充電を停止する。また、複数の電池セルの何れかの出力電圧が過放電状態を示す電圧になると、蓄電池システムから負荷装置を切り離して放電を停止する。

複数の電池セルの放電深度特性には、個体差がある。放電深度特性とは、電池セルに蓄えられている電気エネルギーと出力電圧との関係を表す特性である。電池セルごとに放電深度特性が異なれば、過充電状態となる電圧及び過放電状態となる電圧も電池セルごとに異なることになる。

放電深度特性の異なる複数の電池セルのそれぞれに同じ量の電気エネルギーを充電した場合、電池セルの電圧は容量が小さいほど大きく上昇する。また、同じ量の電気エネルギーを放電した場合、電池セルの電圧は容量が小さいほど大きく低下する。従来の蓄電池システムは、複数の電池セルの中の１個の電池セルが過充電状態になると充電を停止し、複数の電池セルの中の１個の電池セルが過放電状態になると放電を停止する。したがって、蓄電池システムが備える電池パックの実行容量は、容量の最も小さい電池セルの容量で決まることになる。したがって、電池パックの実行容量は、複数の電池セルの平均容量よりも小さくなる。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、電池パックの実行容量を増大することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係る蓄電池システムは、直列に接続された複数の電池セルを備える電池パックと、複数の電池セルそれぞれを個別に充電する充電器と、充電器を制御して複数の電池セルごとに充電を行う制御部と、を備える。制御部は、複数の電池セルそれぞれの放電深度特性を表す関数を作成する関数作成部と、関数に基づいて、電池セルそれぞれの充電開始電圧及び充電終了電圧を設定する動作範囲設定部と、を備える。動作範囲設定部は、電池パックの定格電圧の範囲と電池パックから電気エネルギーの供給を受ける負荷装置の動作電圧の範囲との関係で分類された装置タイプを選択する装置タイプ選択部と、装置タイプ及び関数に基づいて、電池セルの充電を開始する充電開始電圧を設定する充電開始電圧設定部と、装置タイプ及び関数に基づいて、電池セルの充電を終了する充電終了電圧を設定する充電終了電圧設定部と、を備える。

実施形態に係る蓄電システムの構成図である。電池パックの放電深度特性について説明するための図である。電池セルの放電深度特性について説明するための図である。実施形態に係る充電器の構成図である。実施形態に係る過充電検出部の構成図である。実施形態に係る過放電検出部の構成図である。実施形態に係る電圧調整部の構成図である。実施形態に係る制御部の構成図である。実施形態に係る関数作成部について説明するための図である。実施形態に係る閾値設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部の構成図である。実施形態に係る装置タイプ選択部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。実施形態に係る動作範囲設定部について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態に係る蓄電池システムは、車両、船舶、航空機、家電機器等に用いられる。図１は、実施形態に係る蓄電池システム１００の構成図である。蓄電池システム１００は、内蔵する電池パック１０から負荷装置２００に電気エネルギーを供給する。負荷装置２００は、モーター、空調装置、照明装置、携帯端末等の電気エネルギーを消費する電気機器である。

図１に示すように、蓄電池システム１００は、電池パック１０、充電器２０、過充電検出部３０、過放電検出部４０、電圧調整部５０、電流センサ６０、遮断器７０、制御部８０を備える。

電池パック１０は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎを直列に接続して構成されている。電池セルＣ１～Ｃｎは、リチウムイオン電池、鉛蓄電池等で構成されている。

図２に、電池パック１０の放電深度特性を表すグラフを示す。縦軸は、電池パック１０の出力電圧である。横軸は、放電深度である。放電深度０Ａｈ時の電池パック１０の出力電圧を満充電電圧ということとする。例えば、満充電状態から１５Ａｈの電気エネルギーが放電されると、放電深度は１５Ａｈとなる。図２に示す例では、放電深度１５Ａｈ時の電池パック１０の出力電圧は、約２７．４Ｖである。

図３に、電池パック１０を構成する電池セルＣ１～Ｃｎの放電深度特性を表すグラフを示す。製造バラツキや経年劣化等のばらつきにより、電池セルＣ１～Ｃｎの放電深度特性は一般には異なった特性になる。電池パック１０は、図３に示すように放電深度特性が異なる複数の電池セルを直列に接続して構成されている。

充電器２０は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれを個別に充電する。図４は、充電器２０の構成図である。充電器２０は、電池セルの数と同数の定電流源２１、電流センサ２２、電圧センサ２３を備える。電流センサ２２は、直流電流計であり、定電流源２１から供給される充電電流を測定する。電流センサ２２は、測定したデータを制御部８０に供給する。電圧センサ２３は、直流電圧計であり、電池セルの電圧を測定する。電圧センサ２３は、測定したデータを制御部８０に供給する。

図５に、過充電検出部３０の構成を示す。過充電検出部３０は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎの何れかが過充電状態になったことを検出すると、充電器２０を制御して電池セルＣ１～Ｃｎへの充電を停止させる。過充電検出部３０は、電池セルＣ１～Ｃｎの数に対応する数の過充電検出回路３１と１つの充電停止制御回路３３を備える。過充電検出回路３１は、電池セルＣ１～Ｃｎごとに設けられている。過充電検出回路３１それぞれには、電池セルの放電深度特性に応じた異なった充電停止電圧Ｖ１１～Ｖ１ｎが設定される。電池セルＣ１の充電停止電圧をＶ１１、電池セルＣ２の充電停止電圧をＶ１２、以下同様にして電池セルＣｎの充電停止電圧をＶ１ｎとする。過充電検出回路３１は、電池セルＣ１～Ｃｎの電圧が充電停止電圧Ｖ１１～Ｖ１ｎ以上になるとローレベルの信号を出力する。過充電検出回路３１の何れかがローレベルの信号を出力すると、充電停止制御回路３３は、ローレベルの信号を出力し、充電器２０を制御して電池セルＣ１～Ｃｎへの充電を停止させる。

図６に、過放電検出部４０の構成を示す。過放電検出部４０は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎの何れかが過放電状態になったことを検出すると、遮断器７０を遮断して負荷装置２００への放電を停止させる。過放電検出部４０は、電池セルＣ１～Ｃｎの数に対応する数の過放電検出回路４１と１つの放電停止制御回路４３を備える。過放電検出回路４１は、電池セルＣ１～Ｃｎごとに設けられている。過放電検出回路４１それぞれには、電池セルＣ１～Ｃｎの放電深度特性に応じて電池セルＣ１～Ｃｎごとに異なった放電停止電圧Ｖ２１～Ｖ２ｎが設定される。電池セルＣ１の放電停止電圧をＶ２１、電池セルＣ２の放電停止電圧をＶ２２、以下同様にして電池セルＣｎの放電停止電圧をＶ２ｎとする。過放電検出回路４１は、電池セルＣ１～Ｃｎの電圧が放電停止電圧Ｖ２１～Ｖ２ｎ以下になるとローレベルの信号を出力する。過放電検出回路４１の何れかがローレベルの信号を出力すると、放電停止制御回路４３は、ローレベルの信号を出力し、遮断器７０を遮断して蓄電池システム１００と負荷装置２００とを切り離す。

図７に電圧調整部５０の構成図を示す。電圧調整部５０は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれに並列に接続され、電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれを個別に放電する。電池セルＣ１に並列に接続された電圧調整部５０について説明する。電圧調整部５０は、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒｃｂ１、制御用ＩＣ１を備える。直列に接続されたスイッチＳＷ１と抵抗Ｒｃｂ１は、電池セルＣ１に並行に接続されている。電池セルＣ１の両端は、抵抗Ｒ_ＶＣ１，Ｒ_ＶＣ２を介して制御用ＩＣ１の入力端子ＶＣ１およびＶＣ２に接続されている。制御用ＩＣ１の入力端子ＶＣ１およびＶＣ２の間には、コンデンサＣ_ＶＣ１が接続されている。スイッチＳＷ１は、ＦＥＴ等の半導体で構成されている。制御用ＩＣ１は、電圧比較機能を有している。

制御用ＩＣ１は、端子ＶＣ１－ＶＣ２間の電圧が充電停止電圧Ｖ１１まで上昇すると、ＣＢ１出力からハイレベルの信号を出力する。制御用ＩＣ１のＣＢ１出力がハイレベルの信号を出力すると、スイッチＳＷ１はオン状態となる。スイッチＳＷ１がオン状態になると、電池セルＣ１に蓄積されている電気エネルギーは抵抗Ｒｃｂ１を介して放電される。この放電により、電池セルＣ１の出力電圧は低下する。

電池セルＣ１は、充電を停止した後も、内部の化学反応により電圧が上昇し、過充電状態に陥る場合がある。電圧調整部５０は、電池セルＣ１の電圧が充電停止電圧Ｖ１１を超えて上昇すると電池セルＣ１に蓄積されている電気エネルギーを放電することにより、電池セルＣ１が過充電状態になることを抑制する。

また、電圧調整部５０は、制御部８０の制御に基づいて、容量が小さい電池セルの充電を行う際、容量の小さい電池セルの電気エネルギーの一部を放電する。つまり、電圧調整部５０は、電池セルへの充電速度を調整する機能を有している。詳細は後述する。

図１に戻り、電流センサ６０は、負荷装置２００に供給される負荷電流を測定する。電流センサ６０は、直流電流計で構成されている。電流センサ６０は、測定したデータを制御部８０に供給する。

遮断器７０は、蓄電池システム１００と負荷装置２００とを遮断する。遮断器７０は、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等の半導体スイッチ、リレーで構成されている。

制御部８０は、充電器２０を制御して複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれを充電する。また、制御部８０は、電圧調整部５０を制御して複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電を行う。図８に、制御部の構成を示す。制御部８０は、関数作成部８１、閾値設定部８３、駆動部８５を備える。

関数作成部８１は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電深度特性を表す関数を作成する。放電深度特性を表す関数の作成方法について図９を参照して説明する。電池セルＣ１～Ｃｎは、充電器２０から電気エネルギーが供給されるにしたがって満充電状態に近づき、電圧が高くなる。また、電池セルＣ１～Ｃｎは、負荷装置２００に放電するにしたがって電圧が低くなる。関数作成部８１は、充電器２０から供給される充電電流を電流センサ２２から取得し、負荷装置２００に供給される放電電流を電流センサ６０から取得する。また、関数作成部８１は、充放電時の電池セルの出力電圧を電圧センサ２３から取得する。関数作成部８１は、製造時の放電深度０Ａｈの電池セルの電圧を基準として、放電深度の変化と出力電圧の変化を図９に示すようにプロットする。関数作成部８１は、最小二乗法等により、電池セルＣ１～Ｃｎの放電深度を表す関数を求める。経年劣化や環境温度によって放電深度特性は変化する。関数作成部８１は、例えば、１週間ごともしくは１か月ごとに放電深度特性を表す関数を更新する。

図８に示すように、閾値設定部８３は、放電停止電圧設定部８３１、充電停止電圧設定部８３２、動作範囲設定部９０を備える。

放電停止電圧設定部８３１は、電池セルの状態が過放電状態であると検出する放電停止電圧Ｖ２１～Ｖ２ｎを過放電検出部４０に設定する。図１０に、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎの放電停止電圧Ｖ２１、Ｖ２２，Ｖ２ｎを示す。過放電状態となる電池セルの電圧は、電池セルの容量に関係なくほぼ一定の電圧である。

充電停止電圧設定部８３２は、電池セルの状態が過充電状態であると検出する充電停止電圧Ｖ１１～Ｖ１ｎを過充電検出部３０に設定する。例えば、充電停止電圧設定部８３２は、充電停止電圧として満充電電圧を設定する。図１０に、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎの充電停止電圧Ｖ１１、Ｖ１２，Ｖ１ｎを示す。満充電電圧は、電池セルの容量によって異なる傾向にある。なお、充電停止電圧Ｖ１１～Ｖ１ｎとして満充電電圧の例えば９５％とか９０％の電圧を設定してもよい。

動作範囲設定部９０は、電池パック１０の定格電圧の範囲と負荷装置２００の動作電圧範囲との関係に基づいて、電池セルＣ１～Ｃｎの充電開始電圧及び充電終了電圧を設定する。図１１に動作範囲設定部９０の構成を示す。動作範囲設定部９０は、装置タイプ選択部９１、充電開始電圧設定部９２、充電終了電圧設定部９３、調整部９４を備える。

装置タイプ選択部９１は、電池パック１０の定格電圧の範囲と負荷装置２００の動作電圧範囲の関係に基づいて負荷装置２００の装置タイプを選択する。図１２を参照して説明する。電池パック１０の定格電圧とは、動作保証期間において、電池パック１０が備える複数の電池セルＣ１～Ｃｎの何れもが過充電状態もしくは過放電状態とならない電池パック１０の出力電圧の範囲である。装置動作電圧範囲とは、負荷装置２００が正常に動作可能な電圧範囲である。

装置タイプ選択部９１は、電池パック１０の定格電圧の範囲と負荷装置２００の動作電圧範囲との関係に基づいて、負荷装置２００を図１２に示す４つのタイプに分類する。装置タイプ選択部９１は、動作電圧範囲の上限が電池パック１０の定格電圧の範囲の上限よりも低い負荷装置２００をタイプ１に分類する。電池セルＣ１～Ｃｎを満充電状態まで充電すると、電池パック１０の出力電圧が負荷装置２００の動作電圧範囲よりも高くなる。したがって、タイプ１に分類された負荷装置２００に電気エネルギーを供給する場合、電池セルＣ１～Ｃｎは、満充電状態まで充電されることはない。したがって、電池セルＣ１～Ｃｎは、過充電状態になるまでのマージンが大きい状態で充放電を繰り返すことになる。

装置タイプ選択部９１は、動作電圧範囲の下限が電池パック１０の定格電圧の範囲の下限よりも高い負荷装置２００をタイプ２に分類する。電池セルＣ１～Ｃｎを放電停止電圧Ｖ２１～Ｖ２ｎまで放電すると、電池パック１０の出力電圧が負荷装置２００の動作電圧範囲よりも低くなる。したがって、タイプ２に分類された負荷装置２００に電気エネルギーを供給する場合、電池セルＣ１～Ｃｎは、過放電状態になるまで放電されることはない。したがって、電池セルＣ１～Ｃｎは、過放電状態になるまでのマージンが大きい状態で充放電を繰り返すことになる。

装置タイプ選択部９１は、動作電圧範囲と電池パック１０の定格電圧の範囲が同じである負荷装置２００をタイプ３に分類する。タイプ３に分類された負荷装置２００に電気エネルギーを供給する場合、電池セルＣ１～Ｃｎは、過充電状態になるまでのマージン及び過放電状態になるまでのマージンがない状態で充放電を繰り返すことになる。

装置タイプ選択部９１は、動作電圧範囲の上限が電池パック１０の定格電圧の範囲の上限よりも低く、動作電圧範囲の下限が電池パック１０の定格電圧の範囲の下限よりも高い負荷装置２００をタイプ４に分類する。タイプ４に分類された負荷装置２００に電気エネルギーを供給する場合、電池セルＣ１～Ｃｎは、過充電状態になるまでのマージン及び過放電状態になるまでのマージンが大きい状態で充放電を繰り返すことになる。

図１１に戻り、充電開始電圧設定部９２は、装置タイプに応じた電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの充電開始電圧Ｖ４１～Ｖ４ｎを駆動部８５に設定する。充電終了電圧設定部９３は、装置タイプに応じた電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの充電終了電圧Ｖ３１～Ｖ３ｎを駆動部８５に設定する。

調整部９４は、装置タイプ選択部９１が負荷装置２００をタイプ１に分類した場合、駆動部８５を介して充電器２０を制御して容量が小さい電池セルを充電する。調整部９４は、装置タイプ選択部９１が負荷装置２００をタイプ２に分類した場合、駆動部８５を介して電圧調整部５０を制御して容量が小さい電池セルを放電する。調整部９４は、装置タイプ選択部９１が負荷装置２００をタイプ３に分類した場合、放電時に容量が小さい電池セルの残量が５０％以下になった場合、駆動部８５を介して充電器２０を制御して容量が小さい電池セルを充電し、充電時に容量が小さい電池セルの残量が５０％以上になった場合、駆動部８５を介して電圧調整部５０を制御して容量が小さい電池セルを放電する。詳細は後述する。

駆動部８５は、充電器２０を制御して、充電開始電圧Ｖ４１～Ｖ４ｎまで低下した電池セルＣ１～Ｃｎを充電する。また、駆動部８５は、充電器２０を制御して、充電終了電圧Ｖ３１～Ｖ３ｎまで上昇した電池セルＣ１～Ｃｎの充電を停止する。また、駆動部８５は、調整部９４の指示に基づいて充電器２０を制御して指定された電池セルＣ１～Ｃｎを充電する。また、駆動部８５は、調整部９４の指示に基づいて電圧調整部５０を制御して指定された電池セルＣ１～Ｃｎを放電する。

次に、蓄電池システム１００の制御方法について、装置タイプごとに説明する。蓄電池システム１００は、基準とする容量を有する電池セル（第１の電池セル）よりも容量が小さい電池セル（第２の電池セル）による負荷装置２００の動作可能時間と、基準とする容量を有する電池セルによる負荷装置２００の動作可能時間と、が同じになるように電池セルＣ１～Ｃｎの充放電制御を行う。ここでは、平均的な容量を有する電池セルを基準とする場合について説明する。

図１３Ａ、図１３Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１７Ａ、図１７Ｂにおいて、平均的な容量を有する電池セルの充放電時の電圧の変化を破線で、容量が小さい電池セルの充放電時の電圧の変化を実線で示す。図１４、図１６において、破線で示す電池セルＣ２の放電深度特性を平均的な容量を有する電池セルの放電深度特性、実線で示す電池セルＣｎの放電深度特性を容量が小さい電池セルの放電深度特性、一点鎖線で示す電池セルＣ１の放電深度特性を容量が大きい電池セルの放電深度特性と仮定する。

（タイプ１）
タイプ１の場合について説明する。図１２に示すように、タイプ１の場合、装置動作電圧範囲は、２０～２５Ｖの場合である。図１３Ａに示すように、放電を開始してから放電停止電圧Ｖ２を下回るまでの電池セルＣｎの時間は、電池セルＣ２よりも短い。過放電検出部４０は、電池セルＣｎの電圧が放電停止電圧Ｖ２を下回ると過放電状態を検出する。したがって、容量が小さい電池セルＣｎの動作可能時間ｔ１は、平均的な容量を有する電池セルＣ２の動作可能時間ｔ２よりも短い。

図１４を参照して説明する。電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎが満充電状態から１５Ａｈ放電したとする。この時、電池セルＣ１の残量は１０Ａｈ、電池セルＣ２の残量は７Ａｈ、電池セルＣｎの残量は４Ａｈである。この状態で放電を継続した場合、４Ａｈ放電すると電池セルＣｎが過放電状態となり、遮断器７０が遮断されて負荷装置２００への放電は停止される。負荷装置２００への放電は、電池セルＣ２にはまだ３Ａｈの残量があるにもかかわらず停止される。このように、電池セルＣｎの充電状態を制御しない場合、電池パック１０の実行容量は、容量が小さい電池セルＣｎの容量によって決定されることになる。

図１４において、電池セルＣｎの残量を３Ａｈ増加すれば、電池セルＣｎと電池セルＣ２の残量を同じにすることができる。つまり、電池パック１０の実行容量を平均的な容量を有する電池セルＣ２の容量まで増大することができる。

調整部９４は、駆動部８５を介して充電器２０を駆動し、電池セルＣｎを３Ａｈ充電するように制御する。具体的には、調整部９４は、図１４に示す電池セルＣ２とＣｎの放電深度特性を表す関数に基づいて、電池セルＣ２のＶ２２における放電深度（２２Ａｈ）と電池セルＣｎのＶ２ｎにおける放電深度（１９Ａｈ）との差（３Ａｈ）を求める。次に、調整部９４は、電池セルＣｎが電圧が２．３Ｖの状態で３Ａｈ充電された場合、電池セルＣｎの電圧が何Ｖになるかを電池セルＣｎの放電深度特性を表す関数から求める。図１４に示す例では、その電圧は約２．３６Ｖである。調整部９４は、充電器２０を制御して、電池セルＣｎの電圧が求めた電圧になるように充電する。その結果、図１４に示すように、電池セルＣｎの電圧はΔＶ（約０．０６Ｖ）上昇する。

図１３Ｂに示すように、タイプ１の場合、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎの充電終了電圧Ｖ３は、充電停止電圧Ｖ１より低く設定されている。したがって、電池セルＣｎの充電終了電圧Ｖ３がΔＶ上昇してもＶ１＞Ｖ３＋ΔＶの関係を維持することができ、電池セルＣｎが過充電状態になることはない。

（タイプ２）
タイプ２の場合について説明する。図１２に示すように、タイプ２の場合、装置動作電圧範囲は、２５～３０Ｖの場合である。図１５Ａに示すように、充電を開始してから充電停止電圧Ｖ１を超えるまでの電池セルＣｎの時間は、電池セルＣ２よりも短い。過充電検出部３０は、電池セルＣｎの電圧が充電停止電圧Ｖ１を超えると過充電状態を検出する。したがって、容量が小さい電池セルＣｎの動作可能時間ｔ１は、平均的な容量を有する電池セルＣ２の動作可能時間ｔ２よりも短い。

図１６を参照して説明する。充電開始電圧Ｖ４が２．５Ｖであったとする。電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎの電圧が２．５Ｖの状態で充電が開始された場合、満充電状態になるまでに、電池セルＣ１は１１Ａｈ、電池セルＣ２は６Ａｈ、電池セルＣｎは２Ａｈの充電が可能である。この状態で充電を継続した場合、２Ａｈ充電すると電池セルＣｎが過充電状態となり、過充電検出部３０が作動して電池パック１０への充電が停止される。満充電状態になる４Ａｈ手前で電池セルＣ２への充電は停止される。つまり、電池セルＣ２の実行容量は４Ａｈ分低下したことになる。このように、電池セルＣｎの充電状態を制御しない場合、電池パック１０の実行容量は、容量が小さい電池セルＣｎの容量によって決定されることになる。

図１６において、充電開始時に、電池セルＣｎの電気エネルギーを４Ａｈ放電すれば、電池セルＣ２が満充電状態になるまで過充電状態が検出されることはない。つまり、電池パック１０の実行容量を平均的な容量を有する電池セルＣ２の容量まで増大することができる。

調整部９４は、駆動部８５を介して電圧調整部５０を駆動し、電池セルＣｎの電気エネルギーを４Ａｈ放電する。具体的には、調整部９４は、図１６に示す電池セルＣ２とＣｎの放電深度特性を表す関数に基づいて、電池セルＣ２の充電開始前の放電深度（６Ａｈ）と電池セルＣｎの充電開始前の放電深度（２Ａｈ）を求める。次に、調整部９４は、電池セルＣｎの充電可能容量が６Ａｈとなる電池セルＣｎの電圧を電池セルＣｎの放電深度特性を表す関数から求める。図１６に示す例では、その電圧は約２．４４Ｖである。調整部９４は、図７に示す端子ＶＣ１－ＶＣ２間の電圧が２．４４Ｖまで上昇すると、ＣＢ１出力からハイレベルの信号を出力するように制御用ＩＣ１を設定する。ＣＢ１出力からハイレベルの信号を出力されるとスイッチＳＷ１がオン状態になり、電池セルＣｎの電圧は放電により低下する。蓄電池Ｃｎの電圧が２．４４Ｖまで低下すると、ＣＢ１から出力される信号レベルはローレベルとなり、スイッチＳＷ１はオフ状態になる。以上の制御により、蓄電池Ｃｎは、電圧が２．４４Ｖまで放電される。その結果、図１６に示すように、電池セルＣｎの電圧は、放電によりΔＶ（約０．０６Ｖ）低下する。

図１５Ｂに示すように、タイプ２の場合、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃｎの充電開始電圧Ｖ４は、放電停止電圧Ｖ２より高く設定されている。したがって、電池セルＣｎの充電開始電圧Ｖ４がΔＶ低下してもＶ２＜Ｖ４－ΔＶの関係を維持することができ、電池セルＣｎが過放電状態になることはない。

（タイプ３）
タイプ３の場合について説明する。図１２に示すように、タイプ３の場合、装置動作電圧範囲は、２０～３０Ｖの場合である。タイプ３の場合、充電停止電圧Ｖ１と充電終了電圧Ｖ３が同じであるので、過充電側のマージンはない。また、放電停止電圧Ｖ２と充電開始電圧Ｖ４が同じであるので、過放電側のマージンもない。図１７Ａに示すように、電池セルＣｎの電圧は、放電時に、電池セルＣ２の電圧よりも早く低下する。また、充電時には、早く上昇する。過充電検出部３０は、電池セルの電圧が充電停止電圧Ｖ１を超えると過充電状態を検出する。また、過放電検出部４０は、電池セルの電圧が放電停止電圧Ｖ２を下回ると過放電状態を検出する。したがって、容量が小さい電池セルＣｎの動作可能時間ｔ１は、平均的な容量を有する電池セルＣ２の動作可能時間ｔ２よりも短い。電池セルＣｎの充電状態を制御しない場合、電池パック１０の実行容量は、容量が小さい電池セルＣｎの容量によって決定されることになる。

調整部９４は、図１７Ｂに示すように、放電時に電池セルＣｎの残量が５０％以下になった場合、電池セルＣｎを充電することにより、電池セルＣｎと電池セルＣ２が同時に放電停止電圧Ｖ２になるように制御する。つまり、タイプ１と同様の制御を行う。具体的には、調整部９４は、駆動部８５を介して充電器２０を駆動し、電池セルＣｎの残容量と電池セルＣ２の残容量が同程度になるように電池セルＣｎを充電する。その結果、図１７Ｂに示すように、電池セルＣｎの電圧はΔＶ上昇する。

また、調整部９４は、図１７Ｂに示すように、充電時に電池セルＣｎの残量が５０％以上になった場合、電池セルＣｎの電気エネルギーを放電することにより、電池セルＣｎと電池セルＣ２が同時に充電停止電圧Ｖ１になるように制御する。つまり、タイプ２と同様の制御を行う。具体的には、調整部９４は、駆動部８５を介して電圧調整部５０を駆動し、電池セルＣｎと電池セルＣ２の充電可能な電気エネルギーが同程度になるように電池セルＣｎを放電する。その結果、図１７Ｂに示すように、電池セルＣｎの電圧はΔＶ低下する。以上の制御により、電池パック１０の実行容量を平均的な容量を有する電池セルＣ２の容量まで増大することができる。

(タイプ４)
タイプ４の場合について説明する。図１２に示すように、タイプ４の場合、装置動作電圧範囲は、２３～２７Ｖの場合である。タイプ４の場合、充電停止電圧Ｖ１は充電終了電圧Ｖ３よりも高い。また、放電停止電圧Ｖ２は充電開始電圧Ｖ４よりも低い。したがって、過充電側にも過放電側にもマージンがある。調整部９４は、容量が小さい電池セルＣｎについて、充電もしくは放電する制御を行わない。

以上説明したように、実施形態に係る蓄電池システム１００は、複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電深度特性を表す関数を作成する関数作成部８１を備える。また、蓄電池システム１００は、関数作成部８１が作成した複数の電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電深度特性を表す関数に基づいて、電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの充電開始電圧及び充電終了電圧を設定する動作範囲設定部を備える。これにより、蓄電池システム１００は、電池パック１０を構成する複数の電池セルＣ１～Ｃｎの何れかの容量が低下している場合でも電池パック１０の実行容量を増大することができる。

また、実施形態に係る蓄電池システム１００は、電池パック１０の定格電圧の範囲と負荷装置２００の動作電圧範囲との関係で分類された装置タイプを選択する装置タイプ選択部９１を備える。蓄電池システム１００は、装置タイプ及び関数作成部８１が作成した電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電深度特性を表す関数に基づいて、電池セルＣ１～Ｃｎの充電を開始する充電開始電圧を設定する。また、蓄電池システム１００は、装置タイプ及び関数作成部８１が作成した電池セルＣ１～Ｃｎそれぞれの放電深度特性を表す関数に基づいて、電池セルＣ１～Ｃｎの充電を終了する充電終了電圧を設定する。これにより、蓄電池システム１００は、過充電状態及び過放電状態を回避するとともに、電池パック１０を構成する複数の電池セルＣ１～Ｃｎの何れかの容量が低下している場合でも電池パック１０の実行容量を増大することができる。

なお、上記では、平均的な容量を有する電池セルを基準とした場合の容量が小さい電池セルの充放電制御について説明したが、充放電制御を行う電池セルは、最も容量が小さい電池セルに限定されない。上述した充放電制御は、電池セルの容量に応じて行えばよい。

また、上記では、平均的な容量を有する電池セルを基準として容量が小さい電池セルの充放電を制御する場合について説明した。しかし、基準とする電池セルを平均的な容量を有する電池セルに限定する必要はない。例えば、容量が大きめの電池セルを基準としてもよい。

また、上記では、最小二乗法等を使用して放電深度特性を表す関数を作成する説明をしたが、放電深度特性を表す関数の作成方法をこれに限定する必要はない。例えば、充放電に伴う（放電深度、出力電圧）の変化量を示すベクトルを繋ぎ合わせて関数を作成してもよい。また、出荷時の放電深度特性曲線の形状を考慮してもよい。また、関数作成部８１を設けず、電池セルＣ１～Ｃｎの放電深度特性を表す関数を外部から取得するようにしてもよい。

また、関数作成部８１は、放電深度特性を表す関数を周囲の温度ごとに作成するようにしてもよい。例えば、１０℃から１５℃、１５℃から２０℃、・・・・のように指定された温度範囲ごとに測定されたデータに基づいて放電深度特性を表す関数を作成するようにしてもよい。そして、蓄電池システム１００の動作環境温度と対応する関数を選択し、上述した制御を行うようにしてもよい。

また、上記の説明では、図４を用いて説明したように、電池セルＣ１～Ｃｎの数と同じ数の定電流源２１を備える場合について説明したが、充電器２０の構成はこれに限定されない。たとえば、１個の定電流源、分流回路、バイパス回路、分流回路及びバイパス回路を制御する制御回路等を設け、電池セルＣ１～Ｃｎを個別に充電できるようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電池パック
２０…充電器
２１…定電流源
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
３０…過充電検出部
３１…過充電検出回路
３３…充電停止制御回路
４０…過放電検出部
４１…過放電検出回路
４３…放電停止制御回路
５０…電圧調整部
６０…電流センサ
７０…遮断器
８０…制御部
８１…関数作成部
８３…閾値設定部
８３１…放電停止電圧設定部
８３２…充電停止電圧設定部
９０…動作範囲設定部
９１…装置タイプ選択部
９２…充電開始電圧設定部
９３…充電終了電圧設定部
９４…調整部
１００…蓄電池システム
２００…負荷装置
Ｃ１～Ｃｎ…電池セル

Claims

直列に接続された複数の電池セルを備える電池パックと、
複数の前記電池セルそれぞれを個別に充電する充電器と、
前記充電器を制御して複数の前記電池セルごとに充電を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
複数の前記電池セルそれぞれの放電深度特性を表す関数を作成する関数作成部と、
前記関数に基づいて、前記電池セルそれぞれの充電開始電圧及び充電終了電圧を設定する動作範囲設定部と、
を備え、
前記動作範囲設定部は、
前記電池パックの定格電圧の範囲と前記電池パックから電気エネルギーの供給を受ける負荷装置の動作電圧の範囲との関係で分類された装置タイプを選択する装置タイプ選択部と、
前記装置タイプ及び前記関数に基づいて、前記電池セルの充電を開始する前記充電開始電圧を設定する充電開始電圧設定部と、
前記装置タイプ及び前記関数に基づいて、前記電池セルの充電を終了する前記充電終了電圧を設定する充電終了電圧設定部と、
を備える、
蓄電池システム。
前記制御部は、前記装置タイプ選択部が、前記負荷装置の動作電圧範囲の上限が前記電池パックの定格電圧の範囲の上限よりも低いと判別した場合、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの残量と、前記第１の電池セルの残量と、が同じになるように、前記第２の電池セルを充電する、
請求項１に記載の蓄電池システム。
前記制御部は、複数の前記電池セルそれぞれに並列に接続され、前記電池セルそれぞれを個別に放電する電圧調整部を備え、
前記制御部は、前記装置タイプ選択部が、前記負荷装置の動作電圧範囲の下限が前記電池パックの定格電圧の範囲の下限よりも高いと判別した場合、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの満充電状態になるまでの容量と、前記第１の電池セルの満充電状態になるまでの容量と、が同じになるように、前記電圧調整部を制御して前記第２の電池セルを放電する、
請求項１に記載の蓄電池システム。
前記制御部は、複数の前記電池セルそれぞれに並列に接続され、前記電池セルそれぞれを個別に放電する電圧調整部を備え、
前記制御部は、前記装置タイプ選択部が、前記負荷装置の動作電圧範囲と前記電池パックの定格電圧の範囲が同じであると判別した場合、
放電時に、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの残量が５０％以下になった場合、前記第２の電池セルの残量と前記第１の電池セルの残量とが同じになるように、前記第２の電池セルを充電し、
充電時に、前記第２の電池セルの残量が５０％以上になった場合、前記第２の電池セルの満充電状態になるまでの容量と前記第１の電池セルの満充電状態になるまでの容量とが同じになるように、前記電圧調整部を制御して前記第２の電池セルを放電する、
請求項１に記載の蓄電池システム。
複数の前記電池セルの何れかが過充電状態になったことを検出する過充電検出部を備え、
前記過充電検出部は、複数の前記電池セルの何れかが過充電状態になったことを検出すると、前記充電器を制御して前記電池セルへの充電を停止させる、
請求項１から４の何れか一項に記載の蓄電池システム。
前記電池パックと前記電池パックから電気エネルギーの供給を受ける負荷装置とを遮断する遮断器と、
複数の前記電池セルの何れかが過放電状態になったことを検出する過放電検出部を備え、
前記過放電検出部は、複数の前記電池セルの何れかが過放電状態になったことを検出すると、前記遮断器を制御して、前記電池パックと前記負荷装置とを遮断する、
請求項１から５の何れか一項に記載の蓄電池システム。
電池パックを構成する複数の電池セルそれぞれの放電深度特性を表す関数を作成する関数作成工程と、
電池パックの定格電圧の範囲と負荷装置の動作電圧範囲の関係で分類された装置タイプを選択する装置タイプ選択工程と、
前記装置タイプに基づいて前記電池セルそれぞれの充電開始電圧および充電終了電圧を設定する設定工程と、
設定された前記充電開始電圧および前記充電終了電圧に基づいて前記電池セルへの充電を制御する制御工程と、
を含む蓄電池システムの制御方法。
前記制御工程では、前記電池パックを構成する複数の前記電池セルそれぞれの容量に応じて、前記電池セルそれぞれの充放電制御を行う、
請求項７に記載の蓄電池システムの制御方法。
前記負荷装置の動作電圧範囲の上限が前記電池パックの定格電圧の範囲の上限よりも低い場合、前記制御工程において、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの残量と前記第１の電池セルの残量とが同じになるように、前記第２の電池セルを充電する、
請求項８に記載の蓄電池システムの制御方法。
前記負荷装置の動作電圧範囲の下限が前記電池パックの定格電圧の範囲の下限よりも高い場合、前記制御工程において、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの満充電状態になるまでの容量と前記第１の電池セルの満充電状態になるまでの容量とが同じになるように、前記第２の電池セルを放電する、
請求項８に記載の蓄電池システムの制御方法。
前記負荷装置の動作電圧範囲と前記電池パックの定格電圧の範囲が同じである場合、
前記制御工程において、
放電時に、基準とする容量を有する第１の電池セルより容量が小さい第２の電池セルの残量が５０％以下になった場合、前記第２の電池セルの残量と前記第１の電池セルの残量とが同じになるように、前記第２の電池セルを充電し、
充電時に、前記第２の電池セルの残量が５０％以上になった場合、前記第２の電池セルの満充電状態になるまでの容量と前記第１の電池セルの満充電状態になるまでの容量とが同じになるように、前記第２の電池セルを放電する、
請求項８に記載の蓄電池システムの制御方法。