JP2012070480A - 二次電池充放電装置及び電力貯蔵システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
複数の二次電池B1〜B8と、これらの二次電池を充電する電圧を出力する直流電源6と、複数のキャパシタC1〜C4を互いに直列に接続して構成され、外部の変換装置と接続される蓄電部2と、二次電池を充電し又は放電させるための接続装置3とを備えた二次電池充放電装置1において、接続装置3は、互いに並列に接続された状態の複数の二次電池B1〜B8を、直流電源6と接続することによって充電する。また、接続装置3は、複数の二次電池B1〜B8から選択した二次電池を複数のキャパシタC1〜C4から選択したキャパシタに接続することによって放電させる。
【選択図】図4
Description
V=E1−i1・R1=E2−i2・R2=E3−i3・R3
I=i1+i2+i3
一方、二次電池の充電は直流電源によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各二次電池を均等に充電することができる。
二次電池が特に複数個直列のストリングの場合には、ストリングごとの内部抵抗や充電深度のばらつきが生じやすいが、そのような場合でも、キャパシタ充電時には選択して接続することにより、問題なく使用することができる。
この場合、キャパシタ充電開始時の電流が過度に大きくなるのを抑制することができる。
キャパシタ充電時には二次電池は選択されて使用されるので、逆に言えば、使用されていないときがある。そこで、キャパシタと接続されていない不使用時の当該二次電池の両端電圧に基づいて充電深度を求めることができる。
この場合、性能の劣る電池に制約されることなく、その時点で性能が優れている二次電池を適時に有効活用することができる。
半導体スイッチング素子は、高速応答に適し、耐久性にも優れている。
FETは高速応答に適し、特に、SiC−FETは、高速応答及び耐電圧の点で最も優れている。
これらの素子は、シリコンと比較して圧倒的に絶縁耐力が優れている他、オン抵抗が小さいのでスイッチング損失が少ない。また、高速応答に適し、耐久性にも優れている。
前述の二次電池充放電装置を用いることにより、性能にばらつきがある二次電池を用いて電力貯蔵システムを構成することができる。従って、例えば、中古の二次電池を用いることにより、安価に、電力貯蔵システムを構成することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。図において、交流負荷系統に連系する電力貯蔵システムは、交流/直流を相互に変換する交直変換装置101と、二次電池充放電装置1とによって構成される。なお、図示しているのは二次電池充放電装置1の一部を成すキャパシタのみであり、詳細は後述する。
また、図3は、直流負荷系統と連系する場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。この場合には、直流/直流変換装置102のみでよい。
上記のように、変換装置(101,102)は、二次電池充放電装置1の出力と所望の電源系統とを仲介する役目をする。
図4は、二次電池充放電装置1の詳細な回路構成の一例を示す回路図である。図において、この装置1は、大別して、複数の二次電池B1〜B8と、キャパシタによる蓄電部2と、接続装置3と、直流電源6とによって構成されている。上記「複数」の一例として、例えば8個の二次電池B1〜B8があるものとする。個々の二次電池は、電池としての一個体が1個のみからなるものであってもよいし、複数個直列に接続されたストリングであってもよい。
CPUを含む制御装置4は、上記スイッチSB0〜SB8、SP1〜SP4、SN1〜SN4を個別にオン・オフする。
フォトカプラPc1〜Pc8、A/Dコンバータ5及び制御装置4は、各二次電池B1〜B8の両端電圧を測定する回路を構成しており、この回路によって電池情報が取得される。なお、本実施形態の二次電池充放電装置1では、キャパシタ充電時に二次電池B1〜B8は、選択されて使用されるので、非選択の二次電池は使用されていない。使用されていない二次電池については、起電力の測定が可能である。
まず、二次電池を放電させる場合の動作について説明する。なお、放電に使用される電池は基本的に1つ(1ストリング)である。
続いて、制御装置4は、スイッチSP3及びSN3をオンにして、選択された電池からキャパシタC3への放電回路を構成し、キャパシタC3を充電する(ステップS16)。また、制御装置4は、電池の放電時間経過後は、スイッチSP3及びSN3をオフにする。
続いて、制御装置4は、スイッチSP4及びSN4をオンにして、選択された電池からキャパシタC4への放電回路を構成し、キャパシタC4を充電する(ステップS17)。また、制御装置4は、電池の放電時間経過後は、スイッチSP4及びSN4をオフにする。
なお、同じ電池を連続的に選択して使用することも可能である。但し、使用中は最新の充電深度がわからないので、所定回数連続して使用した後、次の電池を選択するようにすればよい。具体的には、例えば、ステップS14〜S17の処理を所定回数繰り返してからステップS10に戻るフローチャートにすればよい。
二次電池を充電するとき、制御装置4は、全てのスイッチSP1〜SP4,SN1〜SN4及びSB0〜SB8がオフである状態から、スイッチSB1〜SB8を全てオンにする。これにより、電池B1〜B8は全て並列に接続される(ステップS21)。そして、制御装置4は、スイッチSB0をオンにして、電池B1〜B8の並列体を直流電源6に接続する(ステップS22)。これにより、電池B1〜B8が、直流電源6により、充電される。並列充電により、充電深度は概ね均等化される。
なお、電池の種類が異なれば電圧が異なることが多いが、そのような場合でも、選択して接続することにより、使用することは可能である。但し、その場合、充電時の全並列接続により電池間で大きな循環電流が流れる可能性があるので、1ストリングのセル数を調整することにより電池間の電位差が過大にならないよう配慮すべきである。
このように、直列接続した複数のキャパシタを用いることで、蓄電部2全体としては高い電圧定格であっても、個々のキャパシタの両端電圧は、二次電池で出力できる電圧にすることができる。従って、二次電池B1〜B8としては、セルを複数個接続したモジュール単位程度でも使用可能であり、多数のモジュールを直列接続しなくてよい。
全並列での充電により、直流電源6は各電池B1〜B8に充電できる程度の比較的低い電圧を出力できれば足り、蓄電部2全体のような高電圧を出力する必要が無い。従って、このような直流電源6を設けることは、容易である。
なお、上記実施形態では、蓄電部2として複数のキャパシタが直列に接続されている構成を示したが、基本的には「複数」でなくてもよい。
図7は、二次電池充放電装置1の詳細な回路構成の他の例を示す回路図である。図4との違いは、蓄電部2が1個のキャパシタC1である点、及び、これに伴って図4のスイッチSP1〜SP4,SN1〜SN4が不要となった点である。この場合も、接続装置3は、キャパシタC1を、複数の二次電池B1〜B8から選択した二次電池と接続して充電し、また、二次電池B1〜B8は全並列で直流電源6により充電する、という基本構成・動作は同じである。但し、この場合、当該二次電池充放電装置1内では、蓄電部2の両端電圧として二次電池の電圧より高い電圧を得ることはできない。
また、上記実施形態では、放電(キャパシタ充電)に使用される電池は基本的に1つ(1ストリング)であるとしたが、内部抵抗が近似している場合には複数ストリングで使用することも可能であり、そのような使用を排除するものではない。
また、ハイブリッド車や電気自動車の普及によって近い将来に、二次電池の中古品が大量に市場に出回ることが予想される。本発明の二次電池充放電装置を用いることで、このような性能のばらついた中古品の二次電池を有効活用し、安価に、電力貯蔵システムを構成することができる。
2:蓄電部
3:接続装置
4:制御装置
5:A/Dコンバータ
6:直流電源
101:交直変換装置
102:直流/直流変換装置
B1〜B8:二次電池
C1〜C4:キャパシタ
Pc1〜Pc8:フォトカプラ
R:抵抗(回路素子)
S1〜Sm:ストリング
SB0〜SB8,SP1〜SP4,SN1〜SN4:スイッチ(半導体スイッチング素子)
Claims (10)
- 複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
キャパシタによって構成され、外部の変換装置と接続される蓄電部と、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記キャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。 - 複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
複数のキャパシタを互いに直列に接続して構成され、外部の変換装置と接続される蓄電部と、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記複数のキャパシタから選択したキャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。 - 前記二次電池は、二次電池の一個体が1個のみからなるか又は、複数個直列に接続されたストリングである請求項1又は2に記載の二次電池充放電装置。
- 前記二次電池と前記蓄電部との間に電流を抑制する回路素子が介装されている請求項1又は2に記載の二次電池充放電装置。
- 前記接続装置は、各二次電池の両端電圧を測定する回路を含む請求項1又は2に記載の二次電池充放電装置。
- 前記接続装置は、前記キャパシタとの接続用に選択されていない不使用の各二次電池について、その両端電圧に基づいて充電深度を求め、いずれかの二次電池を放電させるときは、充電深度が相対的に高い二次電池を優先的に前記キャパシタに接続する請求項5記載の二次電池充放電装置。
- 前記二次電池と前記キャパシタとの接続は、半導体スイッチング素子を介して行われる請求項1又は2に記載の二次電池充放電装置。
- 前記半導体スイッチング素子は、FETである請求項7記載の二次電池充放電装置。
- 前記半導体スイッチング素子は、SiC、GaN、又は、ダイヤモンドを含む材料によって構成されたワイドバンドギャップ半導体である請求項7又は8に記載の二次電池充放電装置。
- 請求項1又は2に記載の二次電池充放電装置と、当該二次電池充放電装置の出力と所望の電源系統とを仲介する変換装置とを備えた電力貯蔵システム。
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