CN110476318B - 电池组充放电控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电池组充放电控制装置，其中，两个以上的二次电池单元多个地并联连接作为电池组。电池组充放电控制装置具有基于输入电力使输出电力最大化的输出电力最大化部以及调整来自输出电力最大化部的输出电压的电压调整变换器，并且，引起了短路状态的单元的输出电力被最大化。

Description

电池组充放电控制装置
技术领域
本公开涉及电池组充放电控制装置，具体而言，涉及可抑制在二次电池中产生了内部短路时的发热的电池组充放电控制装置。
背景技术
近年来，随着电动汽车、混合动力汽车的普及，还随着太阳能发电、风力发电那样的发电电力不稳定而需要均衡化的发电装置的普及，对以锂离子二次电池为首的各种二次电池的需求高速增长。
不过，在二次电池中，例如在异物(例如钉子、金属片)从外部刺入而产生了内部短路的情况下，在短路部的周边会产生焦耳热。于是，取决于该焦耳热的产生的状态，可能在二次电池中产生热失控。缘于这样的异物的二次电池的内部短路例如在搭载于移动体的二次电池的情况下可能在发生碰撞事故时产生，也可能在因地震等灾害而异物掉落在二次电池上而产生。
例如，在特开2009-087600号公报所公开的锂二次电池中，设置有：正极，具有嵌入和脱嵌锂离子的正极活性物质；负极，嵌入和脱嵌锂离子；以及虚设叠层体，将连接于正极端子的虚设正极以及连接于负极端子的虚设负极交替地层叠，并具有对虚设正极和虚设负极之间进行绝缘的绝缘体，其中，虚设叠层体层叠于交替地层叠的正极及负极的外侧。
于是，在该专利公开公报所公开的锂二次电池中，当异物刺入锂二次电池时，异物最先刺入虚设叠层体。虚设正极和虚设负极通过刺入的异物而短路。在短路电阻值低的情况下，在虚设正极与虚设负极之间流过大电流，因电流而产生热。由于虚设叠层体层叠于交替层叠的正极及负极的外侧，因此，所产生的热并不会蓄积于交替层叠的正极及负极内，而是向外部散热。因此，由于短路时产生的热造成的正极中的正极活性物质的晶体的破坏得以抑制，锂二次电池中的热失控得以抑制或缓解。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-087600号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在该专利公开公报所公开的锂二次电池中，仅是移动由于二次电池的内部短路所生成的能量被转换成热并被释放的部位，而关于发热量的抑制、进而关于由于二次电池的内部短路所生成的能量的有效活用，则没有任何提及。
因此，本公开的目的在于提供可抑制在二次电池中产生了内部短路时的发热的电池组充放电控制装置。
一种为了达到上述目的的本公开的电池组充放电控制装置，在所述电池组充放电控制装置中，两个以上的二次电池单元并联连接作为电池组，所述二次电池单元由一个二次电池构成或者由多个二次电池串联连接而成，所述电池组充放电控制装置具有：输出电力最大化机构，基于输入电力使输出电力最大化；以及电压调整变换器，调整来自输出电力最大化机构的输出电压，所述两个以上的二次电池单元之中引起了短路状态的二次电池单元的输出电力被最大化。
发明效果
在本公开的电池组充放电控制装置中，通过输出电力最大化机构使处于内部短路状态的二次电池单元的输出部为最大输出电力，并输入到电压调整变换器。其结果，从电压调整变换器高效地输出由处于内部短路状态的二次电池单元释放的能量，能够实现处于内部短路状态的二次电池单元所产生的热量的降低。需要说明的是，本说明书所记载的效果只不过是例示，并不受限定，还可以具有附加效果。
附图说明
图1是示出某一个优选方式的电池组充放电控制装置的正常动作时的电路结构的图。
图2是示出在某一个优选方式的电池组充放电控制装置中某二次电池单元处于内部短路状态时的电路结构的图。
图3是输出电力最大化机构及电压调整变换器的等效电路图。
图4是示出式(6)、式(17)、式(18)及式(19)所示的可变电阻值(外部电阻值)Rvar无过量或不足的可变范围的图表。
图5A及图5B是二次电池及太阳电池的等效电路图。
图6是示出其它的某一个优选方式的电池组充放电控制装置的电路结构的图。
具体实施方式
下面，对本公开的电池组充放电控制装置进行说明。本公开并不特别限定于所说明的内容，提及的各种结构、数值、材料等只不过是示例。需要注意的是，按以下的顺序进行说明。
1.本公开的电池组充放电控制装置的总体性说明
2.本公开的电池组充放电控制装置的更具体的优选方式例子
3.其它
<本公开的电池组充放电控制装置的总体性说明>
本公开涉及电池组的充放电控制装置。因此，本公开的装置具备电池组，并具备充放电控制部。电池组具有相互并联连接的两个以上的二次电池单元。该两个以上的二次电池单元各自由一个二次电池构成或者由多个二次电池直接连接而成。也就是说，由一个以上的二次电池构成二次电池单元，该二次电池单元并联连接而构成电池组。充放电控制部至少具有输出电力最大化机构及电压调整变换器。输出电力最大化机构是能够使电力为最大的机构，特别是能够基于输入电力使输出电力为最大。因此，优选输出电力最大化机构在电池组的二次电池单元中产生了短路时发挥功能。电压调整变换器是能够变换为期望的输出电压的变换器，特别是能够调整来自输出电力最大化机构的输出电压。因此，优选电压调整变换器在至少电池组的二次电池单元中产生了短路时发挥功能。
在这样的电池组充放电控制装置中，即使在构成电池组的二次电池单元中产生了短路，也能够最大限度地提取引起了短路的二次电池单元的释放能量，也就是说，在构成电池组的两个以上的二次电池单元中的任一二次电池单元中产生了短路的情况下，输出电力最大化机构都能够基于引起了短路的二次电池单元的输入电力而使输出电力最大化，并且电压调整变换器能够将来自该输出电力最大化机构的输出电压调整为适于提取的期望电压。这样，在本公开的电池组充放电控制装置中，由于能够更适当地最大限度提取引起了短路的二次电池单元的释放能量，因此，能够将该能量用于未处于内部短路状态的二次电池单元的充电，或者能够输出到电池组的外部加以利用。需要说明的是，来自引起了短路的二次电池单元的最大输出电力能够使该引起了短路的二次电池单元中的发热量最大限度地降低，关系到引起了短路的二次电池单元冒烟着火的风险的降低。换言之，可以说，即使在产生了内部短路的情况下，本公开的电池组充放电控制装置也能够一面减少因短路带来的二次风险，一面最大限度地有效活用该内部短路的二次电池单元的能量。进一步而言，例如在二次电池的充电反应为吸热反应的情况下，当“内部短路的电池单元的被最大化的电力”被用于未处于内部短路状态的二次电池单元的充电时，从处于内部短路状态的二次电池单元释放的热被充电中的二次电池吸热，可进一步降低从处于内部短路状态的二次电池单元释放到外部的总发热量。在该情况下，引起了短路的二次电池单元冒烟着火的风险更进一步降低。
对与本公开的电池组充放电控制装置相关的各要素进行说明。在本公开的电池组充放电控制装置中，可以是电压调整变换器的输出部连接于电池组的输出部的方式。于是，在该情况下，能够采用通过来自电压调整变换器的输出电力对未处于内部短路状态的二次电池单元充电的方式，进而，在该情况下，能够采用电压调整变换器的输出电压(V1)与未处于内部短路状态的二次电池单元的电压(V2)相等(或者实质上相等)的方式。需要说明的是，虽然V1的值与V2的值相等(或者实质上相等)，但实际上考虑到电路的内部阻抗的话，则可能是V1＞V2或者V1≥V2。
电压调整变换器只要能够进行向期望电压的变换，则并没有特别限制。例如，电压调整变换器可以是升压变换器。也就是说，设置于电池组充放电控制装置的变换器可以是能够使其输出侧的电压高于输入侧的电压的变换器。或者，电压调整变换器也可以是降压变换器。也就是说，设置于电池组充放电控制装置的变换器可以是能够使其输出侧的电压低于输入侧的电压的变换器。在某优选的方式中，这样的电压调整变换器可以是所谓的DC/DC变换器。进一步而言，电压调整变换器也可以是能够进行升压和降压双方的升压/降压变换器。
在本公开的电池组充放电控制装置中，能够采用电压调整变换器的输出部连接于电池组的外部的方式。
在本公开的电池组充放电控制装置中，优选输出电力最大化机构具有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制功能。可选地，输出电力最大化机构优选具备登山方式的MPPT电路。MPPT控制功能或MPPT电路其本身能够采用众所周知的MPPT控制功能或MPPT电路。需要说明的是，MPPT有时也被称为“MPPC”。
在本公开的电池组充放电控制装置中，优选使输出电力最大化机构与电压调整变换器一体化。不过，未必限定于此，也可以使输出电力最大化机构与电压调整变换器为独立的部件。构成电压调整变换器的电路其本身能够由众所周知的电路构成。
在本公开的电池组充放电控制装置中，连接于输出电力最大化机构的输入部的、处于内部短路状态的二次电池单元能够采用在达到规定条件时从电池组断开的方式。这里，作为“规定条件”，例如能够列举出处于内部短路状态的二次电池单元向输出电力最大化机构的输入电力的值成为规定值以下时。
在本公开的电池组充放电控制装置中，可以设置有对二次电池单元的内部短路状态进行检测的内部短路检测机构。该内部短路检测机构能够采用如下构成：由温度检测机构、具体而言例如由检测二次电池单元的温度的热敏电阻、热电偶或由对构成二次电池单元的二次电池各自的温度进行检测的热敏电阻、热电偶构成。可选地，内部短路检测机构能够采用如下构成：由对二次电池单元的电压或对构成二次电池单元的二次电池各自的电压进行测量的电压测量机构构成。进而，内部短路检测机构也能够采用如下构成：由对二次电池单元的电流进行测量的电流测量机构构成。
在本公开的电池组充放电控制装置中，也可以设置有切换二次电池单元的输出目的地的开关机构。特别是在后述的“多个二次电池单元共用一个电压调整变换器的方式”的情况下，可以这么说。开关机构能够采用如下构成：由电磁继电器或作为没有可动触点部分的继电器(无触点继电器)的固态继电器(SSR：Solid State Relay)构成，但并不限定于此，例如也能够由FET等构成。需要说明的是，固态继电器可以是由半导体闸流管、三端双向可控硅开关元件、二极管、晶体管等半导体开关元件构成的继电器。
本公开的电池组充放电控制装置不管是在二次电池的充电时还是在二次电池的放电时都进行动作。此外，本公开的电池组充放电控制装置具备对二次电池或二次电池单元的充放电进行控制的以往的控制装置(控制电路)。二次电池的种类本身并没有特别限制。作为本公开的电池组充放电控制装置中使用的二次电池，例如能够列举出非水系二次电池、具体而言是锂离子二次电池。由于锂离子二次电池的充电反应是吸热反应，因此，在通过来自电压调整变换器的输出电力对未处于内部短路状态的二次电池单元充电时，从处于内部短路状态的二次电池单元释放的热被充电中的二次电池吸热，从处于内部短路状态的二次电池单元向外部释放的总发热量可进一步降低。不过，并不限定于锂离子二次电池，除此之外，例如也能够列举出镁离子电池、具有含有包含金属以及合金材料的负极活性物质的负极部件的金属空气二次电池(作为能够用于负极活性物质的金属以及合金材料，例如能够例示出锡、硅；锂、钠、钾等碱金属；镁、钙等第二族元素；铝等第十三族元素；锌、铁等过渡金属；或含有这些金属的合金材料、化合物)、锂-硫二次电池、钠-硫二次电池、钠-氯化镍二次电池、钠离子二次电池、多价阳离子二次电池、各种有机二次电池、镍-氢二次电池。
与本公开的电池组充放电控制装置相关的“内部短路”这一用词在广义上用于泛指二次电池单元处于偏离正常状态的非正常状态的事态。因此，本说明书中所使用的“内部短路”全面地包含通常被视为是二次电池单元没有处于通常的正常状态的异常/破损的状态的各种非正常状态的意思。
下面，参照附图，对按照某一方式的电池组充放电控制装置更详细地进行说明。
本公开的充放电控制装置能够通过各种方式具体呈现。例如，在本公开的充放电控制装置中，可以多个二次电池单元共用一个电压调整变换器。特别是，可以多个二次电池单元共用一个输出电力最大化机构及一个电压调整变换器。用具体的例示方式来说，如图1所示，可以为如下所述的电路构成：两个以上的二次电池单元20能够共用单个的输出电力最大化机构30以及单个的电压调整变换器40。
此外，在本公开的充放电控制装置中，也可以多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器。特别是，多个二次电池单元各自可以单独地具备输出电力最大化机构及电压调整变换器。用具体的例示方式来说，如图6所示，可以为如下所述的电路构成：以与两个以上的二次电池单元20各自对应的方式设置有多个输出电力最大化机构30及多个电压调整变换器40。
下面，从本公开的说明的角度，以“多个二次电池单元共用一个电压调整变换器的方式”为例更具体地进行说明，但基本的观点以及功能等在“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”中也是同样的。
图1示出本公开的电池组充放电控制装置的正常动作时的电路构成，图2示出图1所示的电池组充放电控制装置中的某二次电池单元处于内部短路状态时的电路构成。此外，图3示出输出电力最大化机构及电压调整变换器的等效电路图。
如图1及图2所例示的那样，在某优选方式的电池组充放电控制装置中，多个二次电池单元能够共用输出电力最大化机构以及电压调整变换器。另一方面，各二次电池单元单独地具备内部短路检测机构及开关机构。
这里，如图5A及图5B所示，作为使在短路路径中流动的电力为最大的控制，有使太阳电池、燃料电池等发电装置的发电量最大化的MPPT控制。此外，现在，带MPPT控制功能的电压调整变换器已在市场上销售，但本申请发明人经过深入研究发现，通过将这样的电压调整变换器用于提取来自处于内部短路状态的二次电池单元的释放能量，而不是用于从太阳电池提取能量，从而能够将处于内部短路状态的二次电池的释放能量高效地引出到外部。
图1及图2所示的电池组充放电控制装置10是具备电池组的电池组充放电控制装置10，在该电池组中，两个以上的由一个二次电池21构成的二次电池单元20、或两个以上的由多个二次电池21串联连接而成的二次电池单元20(在图示的例子中，是多个二次电池21串联连接而成的二次电池单元20)并联连接。此外，具有基于输入电力使输出电力最大化的输出电力最大化机构30以及调整来自输出电力最大化机构30的输出电压的电压调整变换器40。这里，各二次电池单元20具备检测二次电池单元20的内部短路状态的内部短路检测机构22以及切换二次电池单元20的输出目的地的开关机构23，开关机构23基于内部短路检测机构22的检测结果，使处于内部短路状态的二次电池单元20的输出部连接到输出电力最大化机构30的输入部31。
内部短路检测机构22由温度检测机构、具体而言例如由对构成二次电池单元20的二次电池21各自的温度进行检测的热敏电阻构成。需要说明的是，也能够采用对二次电池单元20的温度进行检测的热敏电阻。可选地，内部短路检测机构22也可以由对二次电池单元20的电压、或对构成二次电池单元20的二次电池21的电压进行测量的电压测量机构构成。可选地，内部短路检测机构22也可以由对二次电池单元20的电流进行测量的电流测量机构构成。此外，开关机构23也可以由电磁继电器或固态继电器(SSR)构成。在图示的例子中，使输出电力最大化机构30和电压调整变换器40一体化，但并不限定于此，也可以使它们为独立的部件。优选在输出电力最大化机构30与开关机构23之间、电压调整变换器40与电池组的输出部11之间配置有二极管50，防止电流的逆流。
假设：从开关机构23处于NC(Normally Close：常闭)的状态、且二次电池单元20的输出从电池组(电池组充放电控制装置10)的输出部(+端子)11、输出部(-端子)12输出的处于正常动作的图1所示的状态起，由于某种原因而在某二次电池单元20(更具体地说，是构成二次电池单元20的二次电池21)产生了内部短路。此时，由监视二次电池单元20的温度(或者各二次电池21的温度)的热敏电阻构成的内部短路检测机构22检测到二次电池单元20的温度(或者各二次电池21的温度)上升，在电池组充放电控制装置10的控制下，开关机构23变为NO(Normally Ooen：常开)的状态(参照图2)。即、开关机构23基于内部短路检测机构22的检测结果(特别是基于对各二次电池单元20设置的内部短路检测机构22的检测结果、即各二次电池单元20相关的检测结果)，使处于内部短路状态的二次电池单元20的输出部连接于输出电力最大化机构30的输入部31。处于内部短路状态的二次电池单元20的电力流入输出电力最大化机构30。
输出电力最大化机构30具有最大功率点跟踪(MPPT)控制功能。可选地，输出电力最大化机构30具备登山方式的MPPT电路。具体而言，输出电力最大化机构30对输入输出电力最大化机构30的电压V’和流入输出电力最大化机构30的电流i’进行测量。将某时间点t＝t1时的电压设为V’(1)、电流设为i’(1)，将此时的电力设为P(1)、图3所示的可变电阻器的可变电阻值Rvar的值设为R(1)。将经过了某段时间而在时间点t＝t2时的电压设为V’(2)、电流设为i’(2)，将此时的电力设为P(2)。这里，在V’(2)＜V’(1)且P(2)＞P(1)的情况下，或在V’(2)＞V’(1)且P(2)＜P(1)的情况下，使输出电力最大化机构30所具备的可变电阻器的可变电阻值Rvar的值R(2)变化(控制)为R(2)＜R(1)。另一方面，在V’(2)＜V’(1)且P(2)＜P(1)的情况下，或在V’(2)＞V’(1)且P(2)＞P(1)的情况下，使可变电阻值Rvar的值R(2)变化(控制)为R(2)＞R(1)。在P(2)＝P(1)的情况下，不使可变电阻值Rvar的值R(2)变化。
输入到输出电力最大化机构30的电压按能量转换效率η在电压调整变换器40中被进行电压调整，并从电压调整变换器40的输出部41输出。例如，输入到输出电力最大化机构30的电压通过被设置为升压变换器的电压调整变换器40升压，并从其输出部41输出。这样一来，即使向输出电力最大化机构30输入的电压、电流的值发生波动，也能够实现从电压调整变换器40输出的电力的最大化。处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的一部分(理想的是，在阻抗匹配状态下，处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的最大50％)通过这样从电压调整变换器40输出。另一方面，处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的另一部分转换成热，但是，由于实现从电压调整变换器40输出的二次电池单元20的能量的最大化，因此，能够使处于内部短路状态的二次电池单元20中被转换成热的能量降低。
在图1及图2所示的方式中，电压调整变换器40的输出部41连接于电池组的输出部11。于是，如图2所示，通过来自电压调整变换器40的输出电力对未处于内部短路状态的二次电池单元20充电。此时，电压调整变换器40的输出电压(V1)与未处于内部短路状态的二次电池单元20的电压(V2)相等(或者实质上相等)。实际上，如果考虑到电路的阻抗，则V1＞V2或者V1≥V2。这样一来，能够实现处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的一部分的有效利用。需要说明的是，根据情况，处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的一部分经由电池组的输出部11输出到外部。
连接于输出电力最大化机构30的输入部31的、处于内部短路状态的二次电池单元20也可以在达到规定条件时从电池组断开。具体而言，在处于内部短路状态的二次电池单元向输出电力最大化机构30的输入电力的值成为规定值以下时从电池组断开。更具体地说，例如，如果处于内部短路状态的二次电池单元20的能量耗尽，则既可以使该二次电池单元20的开关机构23依然为NO状态，也可以使该开关机构成为未图示的NC状态及NO状态以外的第三状态而使该二次电池单元20从电池组断开。
此外，也可以使电压调整变换器40的输出部41连接于电池组的外部而取代与电池组的输出部11连接。由此，引起了内部短路的二次电池单元的被最大化的电力能够提取到电池组的外部，用于不同于电池组的其它的用途，或者即使是其并未被特别有效地利用的方式也无妨(即使在该情况下，也能够使引起了短路的二次电池单元中的发热量最大限度地降低，因此，引起了短路的二次电池单元冒烟着火等风险降低)。
在设想了包含处于内部短路状态的二次电池单元的短路路径时，若短路路径中的电阻值过高，则由于在短路路径中流动的电流降低，因此，短路路径中的能量生成量Q变小。另一方面，当短路路径中的电阻值过低时，由于短路路径中的能量生成量Q与电阻值成比例(Q＝R·I2)，所以能量生成量还是会变小。也就是说，短路路径中的电阻值存在使能量生成量最大的最佳值。因此，在设想了短路路径的情况下，最好使短路路径中的电阻器为可变电阻器，并进行使电阻值始终为最佳值那样的控制。假如在无法进行使电阻值始终为最佳值那样的控制的情况下，也至少需要掌握可想到的最低电阻值和最大电阻值，设计成使电阻器的电阻值落在其范围内。
于是，基于MPPT控制，能够使来自处于内部短路状态的二次电池的能量引出量(上述的能量生成量)最大化。要是在MPPT控制的动作理想的情况下，发热量最大抑制在50％。这是因为，被MPPT控制的状态与阻抗匹配状态电等效，阻抗匹配状态下的能量移动的效率正好是50％。此外，提取的能量以充电到未处于内部短路状态的二次电池单元的二次电池的形式被消耗。即、在某二次电池单元内的二次电池中产生了内部短路时，迅速且高效地将在该时间点产生了内部短路的二次电池所具有的剩余能量引出，并以通过引出的能量对构成电池组的其它二次电池单元的二次电池进行充电等方式进行消耗，从而能够抑制在电池组整体上看时的发热量。
在市场上销售的带MPPT控制功能的电压调整变换器中混合存在至到达最大功率点为止的时间短的变换器和该时间极端长的变换器。为了与短路发生后的时刻变化的内部电阻值、短路电阻值对应，优选选择能够尽可能高速动作的带MPPT控制功能的电压调整变换器。例如，也能够获得在大约100毫秒到达最大功率点的带MPPT控制功能的电压调整变换器，考虑到在二次电池的针刺试验中从短路至冒烟着火为止通常要花几秒到十几秒的时间，如果能够每隔100毫秒更新最大功率点，则作为时间分辨率认为是足够的。
在构成输出电力最大化机构的登山方式的MPPT电路所要求的性能要件中，最严格的要件是输入电流值。下面，对该观点进行说明。
在使处于内部短路状态的二次电池的等效电路为图5A的情况下，思考使用内部电阻值Rint以及短路电阻值Rshort如何书写表达最大限度地引出二次电池内的剩余能量的可变电阻器的可变电阻值(外部电阻值)Rvar。首先，根据基尔霍夫的电流定律及电压定律，能够表达为：
i＝(Vvar/Rshort)+(Vvar/Rvar) (1)
Vint＝{Rint+(Rshort·Rvar)/(Rshort+Rvar)}·i (2)。
将式(2)代入式(1)，消去i，对Vvar进行求解，变为：
Vvar＝(Rshort·Rvar)Vint/(Rint·Rshort+Rshort·Rvar+Rvar·Rint) (3)。
因此，可变电阻值Rvar下的发热(也就是说，可提取到外部的能量)Qvar被书写表达为：
Qvar＝Vvar 2/Rvar
＝(Rshort 2·Rvar)Vint 2/(Rint·Rshort+Rshort·Rvar+Rvar·Rint)2 (4)。
这里，Qvar变为极值的可变电阻值Rvar的条件为满足
时，以可变电阻值Rvar对式(4)进行微分并对可变电阻值Rvar进行总结，得到：
Rvar＝(Rint·Rshort)/(Rint+Rshort) (6)
(其中，是在Vint≠0的情况下)。
在当前时间点，还不知道在满足式(6)的条件时Qvar是变为极大值还是变为极小值。为了对其进行判定，求出Qvar的二次微分。
这里，由于电阻值始终为正的物理量，因此，如果能够判定式(7)的右边(-2Rint·Rshort+Rshort·Rvar+Rvar·Rint)项的正负，就能够判定Qvar的二次微分的正负，能够判定Qvar是呈上凸还是下凸，由此，弄清是极大还是极小。
这里，使用反证法，设
-2Rint·Rshort+Rshort·Rvar+Rvar·Rint＞0 (8)
为真。对式(8)进行变形，得到
Rvar{(Rint+Rshort)/(Rint·Rshort)}-2＞0 (9)
(其中，是在Rint≠0且Rshort≠0的情况下)。将该式(9)代入式(6)，得到：
1-2＞0 (10)，
这是矛盾的。即、式(8)为假，
-2Rint·Rshort+Rshort·Rvar+Rvar·Rint的值在满足式(6)的条件下始终为负。因此，Qvar的二次微分也为负，Qvar呈上凸，因此，式(6)的可变电阻值Rvar为Qvar的极大点。
作为以上的结论，为了最大限度向外部引出处于内部短路状态的二次电池的剩余能量，只要求出时刻变化的内部电阻值Rint及短路电阻值Rshort，使用式(6)计算可变电阻值Rvar，并将可变电阻值Rvar依次调整为所得到的计算值即可。但是，内部电阻值Rint及短路电阻值Rshort并不是直接求出的值。因此，对于内部电阻值Rint，例如只要根据计量温度推断即可，对于短路电阻值Rshort，例如只要在推断出短路的情况之后应用已知的曲线(例如参照：须藤信也等，“锂离子电池的针刺试验的研究(1)～短路电阻解析～”，第五十七次电池研讨会，演讲预备稿集，IC19(2016)的图3)即可。
接下来，对可变电阻值Rvar、内部电阻值Rint及短路电阻值Rshort的定性关系进行研究。式(6)能够如下式那样变形(其中，是在Rint≠0的情况下)。
Rvar＝Rshort(1-Rvar/Rint) (11)
这里，由于电阻值是始终为正的物理量，因此左边的可变电阻值Rvar的值始终为正，右边第一项的短路电阻值Rshort的值也始终为正。因此，右边第二项也必须为正，即、
1-Rvar/Rint＞0 (12)
这一不等式成立。这里，考虑到内部电阻值Rint也始终为正，对式子进行变形，导出如下关系：
Rvar＜Rint (13)。
即、可知可变电阻值Rvar必须始终小于内部电阻值Rint。需要说明的是，在式(6)中，由于无法对内部电阻值Rint和短路电阻值Rshort相互进行区分，因此，Rvar＜Rshort也必须同时成立。这样一来，能够以如下方式确定可变电阻值Rvar的上限值。
Rvar＜min[Rint，Rshort] (14)
这里，在Rint≤Rshort时，根据式(6)，
Rint/2≤(Rint·Rshort)/(Rint+Rshort)≤Rshort/2 (15)
这一关系成立，此外，在Rshort≤Rint时，根据式(6)，
Rshort/2≤(Rint·Rshort)/(Rint+Rshort)≤Rint/2 (16)
这一关系成立。
将式(15)和式(16)综合，能够确定可变电阻值Rvar的下限值。若将上限和下限写在一个式子中，则为如下所示(其中，等号为Rint＝Rshort时)。
min[Rint，Rshort]/2≤Rvar＜min[Rint，Rshort] (17)
接下来，思考可变电阻值Rvar的可变范围的最大值maxt[Rvar(t)]及最小值mint[Rvar(t)]的确定方法。这是因为，为了实际设计MPPT控制的电子电路，关于使可变电阻值Rvar的值在怎样的范围内可变，需要确定其最大值和最小值。
为了正确确定最大值和最小值，需要预先掌握作为内部电阻值Rint及短路电阻值Rshort的时间的函数的Rint(t)和Rshort(t)的准确的行为，并使用式(6)进行计算。但是，Rint(t)、Rshort(t)的行为原本再现性就低，实际上，难以预先准确地掌握行为。
因此，作为求出足够的可变范围的现实的方法，考虑使用式(17)。首先是可变电阻值Rvar的最大值，只要将其设为式(17)中的上限值的最大值就足矣。进而，就短路电阻是什么而论，在即将短路(t＝0)时，必定应该是Rint(t)＜Rshort(t)，且在假设短路后温度为单调递增，且假设内部电阻值Rint(t)为单调递减的情况下，式(17)中的上限值的最大值与Rint(0)相等。即、
足够的最大値＝maxt{min[(Rint(t)，Rshort(t)]}＝Rint(0) (18)。
关于可变电阻值Rvar的最小值，只要设为式(17)中的下限值的最小值就足矣，
足够的最小値＝mint{min[Rint(t)，Rshort(t)]/2}
＝{min(mint[Rint(t)，mintRshort(t)])}/2 (19)。
关于最小值，已经不需要同时考虑Rint(t)和Rshort(t)的行为，可知只要分别单独地考虑最小值并取其中较小一方的值的进一步的半值就足矣。对以上进行总结如下：
(A)可变电阻值Rvar的最大值只要取短路之前的内部电阻值Rint(0)就足矣。
(B)可变电阻值Rvar的最小值只要单独地考虑内部电阻值Rint(t)的最小值和短路电阻值Rshort(t)的最小值并取其中较小一方的值的半值就足矣。图4对该结论进行了图示。
接下来，对带MPPT控制功能的电压调整变换器所要求的输入电流的性能要件进行说明。考虑到带MPPT控制功能的电压调整变换器的等效电路能够如图3那样描述，为了从处于内部短路状态的二次电池提取最大能量，必须从处于内部短路状态的二次电池单元吸取以下的式(20)所示的电流iin(t)(参照式(6))。
iin(t)＝Vin(t)/R(t)
＝Vin(t)·{Rint(t)+Rshort(t)}/{Rint(t)·Rshort(t)} (20)
由于难以同时考虑内部电阻值Rint(t)和短路电阻值Rshort(t)，因此，以使能够单独考虑的方式使用上述的R(t)的足够的最小值的式子(式(19))对式(20)进行改写，得到：
足够的最大输入电流
＝2Vin(t){min[mintRint(t)，mintRshort(t)]} (21)。
在挑选带MPPT控制功能的电压调整变换器时，只要考虑通过这样求出的足够的电流值即可。
作为一例，将数值实际代入式(21)，对输入电流值达到什么程度的值进行计算。假如在各二次电池单元由一个锂离子二次电池构成的情况下，由于满充电电压为4.2伏特，因此，Vin(t)为4.2伏特。18650型的圆筒电池的内部电阻约为50毫Ω。假设采用了该值，则Rint(t)＝0.05，关于短路电阻值，设想针刺，以上述的“锂离子电池的针刺试验的研究(1)～短路电阻解析～”，第五十七次电池研讨会，演讲预备稿集，IC19(2016)的图3作为参考，最小值考虑为50毫Ω左右。因此，Rshort(t)也是0.05。将以上的值代入式(21)，则电流值为168安培。因此，只要留有余地地挑选能够应对200安培左右的输入电流的带MPPT控制功能的电压调整变换器即可。
如上所述，在本公开的电池组充放电控制装置中，处于内部短路状态的二次电池单元的输出部连接于输出电力最大化机构的输入部，通过输出电力最大化机构使输入电力为最大输出电力，并输入到电压调整变换器。其结果，从电压调整变换器高效地输出由处于内部短路状态的二次电池单元释放的能量，既能够实现处于内部短路状态的二次电池单元产生的热量的降低，又能够实现从电压调整变换器输出的能量的有效利用。
在图1及图2所示的电路中，多个二次电池单元能够共用输出电力最大化机构及电压调整变换器，但如图6所示，多个二次电池单元各自也可以单独具备输出电力最大化机构及电压调整变换器。也就是说，在本公开的电池组充放电控制装置中，也可以为“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”。
在该方式的电池组充放电控制装置中，如图6所示，各二次电池单元20具有对二次电池单元的内部短路状态进行检测的内部短路检测机构22，针对各二次电池单元20分别设置有输出电力最大化机构30及电压调整变换器40，基于内部短路检测机构22的检测结果(特别是针对各二次电池单元20单独设置的内部短路检测机构22的检测结果)，各二次电池单元20的输出电力最大化机构30之中处于内部短路状态的二次电池单元20的输出最大化单元30进行动作。
由图6所示的构成可知，在这样的电路构成中，并不特别需要针对各二次电池单元20另行设置开关机构。
即使是该方式，在两个以上的二次电池单元中的任一二次电池单元产生了短路的情况下，产生了该短路的单元的输出电力最大化机构也能够基于短路的单元的输入电力使输出电力最大化，并且产生了短路的单元的电压调整变换器能够将来自该输出电力最大化机构的输出电力调整为期望的电压。换言之，在多个输出电力最大化机构及多个电压调整变换器之中，产生了内部短路的二次电池单元的输出电力最大化机构及电压调整变换器单独地进行动作，以使来自产生了该短路的二次电池单元的提取能量为最大限度。
这里，如上所述，能够使产生了短路的二次电池单元中的电压调整变换器的输出电压与例如未处于内部短路状态的二次电池单元的电压相等(或者实质上相等)。这样，即使是“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”，也不依赖于输入到短路状态的二次电池单元中的输出电力最大化机构的电压、电流的值的波动，而以期望电压提取从单独设置于该单元的电压调整变换器输出的电力。换言之，即使是“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”，也与上述的“多个二次电池单元共用一个电压调整变换器的方式”同样地，从电压调整变换器40输出处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的一部分(理想的是，在阻抗匹配状态下，处于内部短路状态的二次电池单元20的释放能量的最大50％)，与此相伴，能够减少在内部短路状态的二次电池单元20中被转换成热的能量。从处于内部短路状态的二次电池单元20的电压调整变换器40输出的电力可以用于未处于内部短路状态的正常的二次电池单元的充电，或者提取到电池组的外部。
由这样的说明以及图6的电路构成可知，即使在“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”中产生了内部短路的情况下，也能够一面减少由该短路引起的冒烟着火等二次风险，一面使内部短路状态的二次电池单元的能量被最大限度地有效活用。
该“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”适于服务器用电源等用途，但这只不过是例示。例如，本公开的电池组充放电控制装置可适当地在UPS(不间断电源装置)等中得到利用。
需要说明的是，特别是在“多个二次电池单元分别具有一一对应的电压调整变换器的方式”中，也可以使各二次电池单元和针对该各二次电池单元设置的电压调整变换器相互一体化。也就是说，在本公开的电池组充放电控制装置中，虽说设置多个电压调整变换器，但电压调整变换器可以与二次电池单元一体化而被模块化。这可以说在本公开的对于各种用途的通用性方面是优选的。例如在服务器用电源装置等中，有时会采取以二次电池单元和电压调整变换器一体化为前提的装置构成，本公开的电池组充放电控制装置能够适合用于那样的用途。
以上，基于某优选方式对本公开进行了说明，但本公开并不限定于这些方式。上述的电池组充放电控制装置的构成、构造、在实施例中所说明的各种数值等只不过是例示，并不限定于此，能够适当地进行变更。
例如，在上述优选方式中，提及了电压调整变换器40是升压变换器、且来自输出电力最大化机构30的最大输出电力通过该变换器升压的例子，但本公开未必限定于此。在本公开的充放电控制的电池组中，电压调整变换器也可以是降压变换器。例如以图6所示的电池组充放电控制装置的电路构成为例，各二次电池单元有时将其电压降低以供使用，在该情况下，各二次电池单元的电压调整变换器至少可具有降压变换器的功能。此外，从其它切入口来说，也可为如下所述的构成：在可由变换器进行电压调整的多个二次电池单元中的至少两个二次电池单元具有相互不同的电压的情况等下，根据从产生了短路的二次电池单元提取的最大限度的能量，由降压变换器将来自该电力最大化部的最大输出电力降压，以使与其它正常的二次电池单元的输出部(特别是设置于该正常的电池单元的电压调整变换器的输出部)等的电压相等或者实质上相等。
概括地说，上述的本公开包含如下所述的构成。
[A01]《电池组充放电控制装置》
一种电池组充放电控制装置，在所述电池组充放电控制装置中，两个以上的二次电池单元并联连接作为电池组，所述二次电池单元由一个二次电池构成或者由多个二次电池串联连接而成，所述电池组充放电控制装置具有：输出电力最大化机构，基于输入电力使输出电力最大化；以及电压调整变换器，调整来自输出电力最大化机构的输出电压，所述两个以上的二次电池单元之中引起了短路状态的二次电池单元的输出电力被最大化。
[A02]根据[A01]所述的电池组充放电控制装置，其中，各二次电池单元具备：内部短路检测机构，检测二次电池单元的内部短路状态；以及开关机构，切换二次电池单元的输出目的地，开关机构基于内部短路检测机构的检测结果，使处于内部短路状态的二次电池单元的输出部连接到输出最大化机构的输入部。
[A03]根据[A01]所述的电池组充放电控制装置，其中，各二次电池单元具有检测二次电池单元的内部短路状态的内部短路检测机构，输出电力最大化机构及电压调整变换器针对各二次电池单元而分别设置，基于内部短路检测机构的检测结果，各二次电池单元的输出电力最大化机构中处于内部短路状态的二次电池单元的输出最大化机构进行动作。
[A04]根据[A01]～[A03]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器的输出部连接于电池组的输出部。
[A05]根据[A01]～[A04]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，未处于内部短路状态的二次电池单元通过来自电压调整变换器的输出电力进行充电。
[A06]根据[A01]～[A05]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器的输出电压与未处于内部短路状态的二次电池单元的电压相等。
[A07]根据[A01]～[A06]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器的输出部连接于电池组的外部。
[A08]根据[A01]～[A07]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器是升压变换器。
[A09]根据[A01]～[A07]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器是降压变换器。
[A10]根据[A01]～[A09]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，输出电力最大化机构具有最大功率点跟踪控制功能。
[A11]根据[A01]～[A09]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，输出电力最大化机构具备登山方式的MPPT电路。
[A12]根据[A01]～[A11]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，输出电力最大化机构与电压调整变换器被一体化。
[A13]根据[A01]～[A12]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，连接于输出电力最大化机构的输入部的、处于内部短路状态的二次电池单元在达到规定条件时从电池组断开。
[A14]根据[A01]～[A13]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由温度检测机构构成。
[A15]根据[A01]～[A13]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由对二次电池单元的电压或对构成二次电池单元的二次电池的电压进行测量的电压测量机构构成。
[A16]根据[A01]～[A13]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由对二次电池单元的电流进行测量的电流测量机构构成。
[A17]根据[A01]～[A16]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，开关机构由电磁继电器或固态继电器构成。
[A18]根据从属于[A03]的[A04]～[A17]中任一项所述的电池组充放电控制装置，其中，各二次电池单元与针对该各二次电池单元设置的电压调整变换器相互一体化。
工业实用性
本公开的电池组充放电控制装置能够用于使用所谓的“电池组”的各种用途。能够用于服务器电源用途等，或者也能够用于以四轮车、两轮车、自行车、航空器等为代表的移动装置的驱动电源等用途，但这些只不过仅是单纯的例示。
关联申请的相互参照
本申请要求享有基于日本国专利申请第2017-076959号(申请日：2017年4月7日，发明名称：“电池组充放电装置”)的巴黎公约上的优先权。该申请所公开的全部内容通过该引用而包含在本说明书中。
附图标记说明
10…电池组充放电控制装置、11…电池组(电池组充放电控制装置)的输出部(+端子)、12…电池组(电池组充放电控制装置)的-端子、20…二次电池单元、21…二次电池、22…内部短路检测机构、23…开关机构、30…输出电力最大化机构、31…输出电力最大化机构的输入部、40…电压调整变换器、41…电压调整变换器的输出部、50…二极管

Claims (14)

1.一种电池组充放电控制装置，在所述电池组充放电控制装置中，两个以上的二次电池单元并联连接作为电池组，所述二次电池单元由一个二次电池构成或者由多个二次电池串联连接而成，所述电池组充放电控制装置具有：
输出电力最大化机构，基于输入电力使输出电力最大化，并具有最大功率点跟踪控制功能；以及
电压调整变换器，调整来自输出电力最大化机构的输出电压，
引起了短路状态的二次电池单元的输出电力连接至所述输出电力最大化机构的输入部，通过所述输出电力最大化机构的最大功率点跟踪控制功能使输入至所述输出电力最大化机构的输入电力为最大输出电力并输入至所述电压调整变换器，所述电压调整变换器的输出部与所述电池组的输出部连接，
将某时间点t＝t1时输入所述输出电力最大化机构的电压设为V’(1)、将流入所述输出电力最大化机构的电流设为i’(1)，将此时的电力设为P(1)，将经过了某段时间而在时间点t＝t2时输入所述输出电力最大化机构电压设为V’(2)、将流入所述输出电力最大化机构的电流设为i’(2)，将此时的电力设为P(2)，
在V’(2)＜V’(1)且P(2)＞P(1)的情况下，或在V’(2)＞V’(1)且P(2)＜P(1)的情况下，使所述输出电力最大化机构所具备的可变电阻器的可变电阻值Rvar的值R(2)变化为R(2)＜R(1)，
在V’(2)＜V’(1)且P(2)＜P(1)的情况下，或在V’(2)＞V’(1)且P(2)＞P(1)的情况下，使所述输出电力最大化机构所具备的可变电阻器的可变电阻值Rvar的值R(2)变化为R(2)＞R(1)，在P(2)＝P(1)的情况下，不使可变电阻值Rvar的值R(2)变化，
输入到所述输出电力最大化机构的电压在所述电压调整变换器中被进行电压调整，并从所述电压调整变换器输出，各二次电池单元具备：
内部短路检测机构，检测二次电池单元的内部短路状态；以及
开关机构，切换二次电池单元的输出目的地，
开关机构基于内部短路检测机构的检测结果，使处于内部短路状态的二次电池单元的输出部连接到输出最大化机构的输入部。
2.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，
输出电力最大化机构以及电压调整变换器针对各二次电池单元而分别设置，
基于内部短路检测机构的检测结果，各二次电池单元的输出电力最大化机构之中处于内部短路状态的二次电池单元的输出最大化机构进行动作。
3.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，未处于内部短路状态的二次电池单元通过来自电压调整变换器的输出电力进行充电。
4.根据权利要求3所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器的输出电压与未处于内部短路状态的二次电池单元的电压相等。
5.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器的输出部连接于电池组的外部。
6.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器是升压变换器。
7.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，电压调整变换器是降压变换器。
8.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，输出电力最大化机构具备登山方式的MPPT电路。
9.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，输出电力最大化机构与电压调整变换器被一体化。
10.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由温度检测机构构成。
11.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由对二次电池单元的电压或对构成二次电池单元的二次电池的电压进行测量的电压测量机构构成。
12.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，内部短路检测机构由对二次电池单元的电流进行测量的电流测量机构构成。
13.根据权利要求1所述的电池组充放电控制装置，其中，开关机构由电磁继电器或固态继电器构成。
14.根据权利要求2所述的电池组充放电控制装置，其中，各二次电池单元与针对该各二次电池单元设置的电压调整变换器相互一体化。
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