JP2013192371A - 蓄電装置、充電方法及び放電方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の蓄電装置100は、互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池B1〜B4と、キャパシタC1〜C3と、複数のスイッチ素子Sa1〜Sa4,Sb1〜Sb4によって構成され、電池B1〜B3をキャパシタC1〜C3にそれぞれ並列接続する回路、及び、当該キャパシタC1〜C3を電池B2〜B4に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部3と、構成する回路を逐次切り替えるようにスイッチ回路部3を動作させる制御部4とを備えている。
【選択図】図7
Description
例えば、図11は、電池B1及びB2について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。この場合、同じ3.0Vから充電開始しても、電池B1は時刻t1で既に満充電(4.2V)に達し、一方、電池B2はそれより後の時刻t2になってようやく満充電(4.2V)に達する。
そこで、例えば図10における電池B1が満充電(4.2V)に達したとすると、以後、スイッチ素子S1を断続的にオンとして電池B1を放電させ、過充電を抑制する。他の電池についても同様であり、最終的に全ての電池が満充電に達した時点で、全てのスイッチ素子S1〜Snがオフとなり、充電が完了する。
この場合、共有している電池を介して、隣接する基本ユニット同士間でも電荷が移動する。従って、この要領で基本ユニット数を必要数設ければ、多数の電池が互いに直列に接続されている場合でも、各電池の端子間電圧を均一化することができる。
この場合、隣り合う電池同士で電荷の移動ができるので、スイッチ回路部の構成が簡素である。
この場合、必要なときにのみスイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせることになるので、スイッチ回路部の駆動に要する消費電力を低減することができる。
この場合、各電池の端子間電圧が不均一なときは、電源から蓄電装置への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
この場合、回路の切替時に、電池や電源の短絡を確実に防止することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る蓄電装置100と、これに接続される電源(直流)1又は負荷2との接続回路図である。これは、後述の他の全ての実施形態の基本構成とも言える蓄電装置100の形である。但し、これは、本発明の蓄電装置100としての原理的な基本構成を示しており、必ずしも実用上の基本構成ではない。
なお、電源1は、例えば商用交流電圧から直流電圧を出力するコンバータ装置であり、負荷2は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置である。図示の便宜上、1つのシンボルとして描いているが、通常は別々に存在し、いずれか一方と接続して蓄電装置100の充電又は放電が行われる。
なお、1個のキャパシタCとは、回路記号上のキャパシタを表し、実際に1個である場合の他、実際には複数のキャパシタを並列にした場合も含まれる。以下の記載においても同様である。
図4は、本発明の第2実施形態に係る蓄電装置100と、これに接続される電源(直流)1又は負荷2との接続回路図である。第1実施形態との違いは、4個の電池B1,B2,B3,B4が互いに直列に接続され、1個のキャパシタCとの間に4通りの並列回路を選択的に構成可能なスイッチ回路部3が設けられている点である。スイッチ回路部3は、一対4組のスイッチ素子Sa1,Sa2,Sb1,Sb2,Sc1,Sc2,Sd1,Sd2を含んでいる。
図6は、本発明の第3実施形態に係る蓄電装置100と、これに接続される電源(直流)1又は負荷2との接続回路図である。第2実施形態との違いは、まず、n個(この例ではn≧7)の電池B1〜Bnが互いに直列に接続されている点である。一方、第2実施形態と共通しているのは、電池4個単位で、1個のキャパシタとの間に各4通りの並列回路を選択的に構成可能なスイッチ回路部3が設けられている点である。
(1)スイッチ素子Sa1,Sa2,Sa3,Sa4がオン状態で他は全てオフ状態
(2)スイッチ素子Sb1,Sb2,Sb3,Sb4がオン状態で他は全てオフ状態
(3)スイッチ素子Sc1,Sc2,Sc3,Sc4がオン状態で他は全てオフ状態
(4)スイッチ素子Sd1,Sd2,Sd3,Sd4がオン状態で他は全てオフ状態
図7は、本発明の第4実施形態に係る蓄電装置100と、これに接続される電源1又は負荷2との接続回路図である。
図7において、蓄電装置100は、互いに直列に接続された4個の電池B1,B2,B3,B4と、3個のキャパシタC1,C2,C3と、スイッチ素子Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sb1,Sb2,Sb3,Sb4を含むスイッチ回路部3と、スイッチ回路部3のスイッチ素子Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sb1,Sb2,Sb3,Sb4をオン/オフ動作させる制御部4とを備えている。
このような回路の切替が、逐次行われる。
図9は、本発明の第5実施形態に係る蓄電装置100と、これに接続される電源1との接続回路図である。
図7において、蓄電装置100は、互いに直列に接続されたn個の電池B1〜Bnと、(n−1)個のキャパシタC1〜Cn−1と、スイッチ素子Sa1〜San,Sb1〜Sbnを含むスイッチ回路部3と、スイッチ回路部3のスイッチ素子Sa1〜San,Sb1〜Sbnをオン/オフ動作させる制御部4とを備えている。ここまでの構成は、図8と同じである。この場合も、「n」は、3以上の自然数であるが、ここでは、例えば48であるとする。
また、制御部4は、スイッチ回路部3に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、スイッチ5をオフ状態とするので、言い換えれば、各電池の端子間電圧が不均一なときは、電源1から蓄電装置100への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
なお、上記各実施形態ではいずれも、キャパシタの総数が電池の総数より少ないが、電池と同数のキャパシタを設けて、1対1の関係で並列接続の回路を構成することも可能である。但し、この場合は、電源1の短絡等の不具合が起きないように回路を構成する工夫が必要である。例えば、第5実施形態(図9)のように、電圧均一化工程ではスイッチ5をオフ状態として電源1を隔離すれば、複数で同数の電池及びキャパシタについて、電池対キャパシタを1対1の関係で並列接続することも可能である。
(付記1)
互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池と、1つのキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、一の電池を前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えていることを特徴とする蓄電装置。
少なくとも2以上の整数m個の直列に接続された電池に対して1個のキャパシタを基本ユニットとし、当該基本ユニットは、当該キャパシタを当該基本セル内の他の電池に並列接続する回路を、選択的に可能に構成されたスイッチ回路部と、を備え、当該基本ユニットが直列方向に接続されてなる、付記1に記載の蓄電装置。
付記2に記載の蓄電装置において、隣接する基本ユニットの一方の基本ユニットのスイッチ回路部は、当該一方の基本ユニット内の前記キャパシタが、他方の基本ユニット内の少なくとも1つの電池と、選択的に並列接続可能なスイッチ回路を備えることを特徴とする蓄電装置。
付記3に記載の蓄電装置において、前記他方の基本ユニット内の少なくとも1つの電池は、隣接する基本ユニットを接続する電池である、ことを特徴とする蓄電装置。
3以上の整数をnとして互いに直列に接続され、接続順に第1から第nと定義された充電可能なn個の電池と、互いに直列に接続され、接続順かつ電池に対応して第1から第(n−1)と定義された(n−1)個のキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、当該(n−1)個のコンデンサのうちの第p(整数、p=1〜n−1)のコンデンサは、p番目及び(p+1)番目の電池に選択的に並列接続可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えていることを特徴とする蓄電装置。
付記5の蓄電装置において、前記スイッチ回路部は、第1から第(n−1)までの電池を前記キャパシタに一斉に並列接続する状態と、当該キャパシタを、第2から第nまでの電池に一斉に並列接続する状態と、を交互に繰り返して行うことを特徴とする蓄電装置。
前記nより小さい所定数単位で前記電池の電圧をそれぞれ検知する複数の電圧センサを備え、前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、前記スイッチ回路部の全てのスイッチ素子をオフ状態とする、付記5又は6に記載の蓄電装置。
充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン/オフするスイッチを備え、前記制御部は、前記スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とする付記7に記載の蓄電装置。
充電用の電源あるいは蓄電装置の電力を消費する負荷と、当該蓄電装置の入出力端子の少なくとも一方に電流をモニターするセンサと、を備え、前記制御部は、前記センサから電流が所定の閾値以下の場合、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする、付記1〜6に記載の蓄電装置。
前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする付記1〜6のいずれか1項に記載の蓄電装置。
2 負荷
3 スイッチ回路部
4 制御部
5 スイッチ
100 蓄電装置
B1〜Bn 電池
C,C1〜Cn−1 キャパシタ
Sa1〜San,Sb1〜Sbn スイッチ素子
Sc1,Sc2,Sd1,Sd2 スイッチ素子
U1,U2 基本ユニット
V1〜V12 電圧センサ
Claims (9)
- 互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池と、
キャパシタと、
複数のスイッチ素子によって構成され、一の電池を前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、
構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部と
を備えていることを特徴とする蓄電装置。 - 前記電池の総数を3以上の自然数nとして、nより小さいm個の互いに直列に接続された電池に対して前記キャパシタの1個が存在し、かつ、前記スイッチ回路部は、m通りの並列接続の回路を構成するものを基本ユニットとするとき、
前記電池の直列方向に複数存在して互いに隣接する基本ユニット同士が、少なくとも1個の電池を共有している請求項1記載の蓄電装置。 - 3以上の自然数をnとして互いに直列に接続された、充電可能なn個の電池と、
互いに直列に接続された(n−1)個のキャパシタと、
複数のスイッチ素子によって構成され、1個を除く(n−1)個の電池を一斉に前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、前記1個を含む(n−1)個の電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、
構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部と
を備えていることを特徴とする蓄電装置。 - n個の前記電池を、直列方向に第1から第nまでと定義すると、前記スイッチ回路部は、第1から第(n−1)までの電池を一斉に前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、第2から第nまでの電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能である請求項3記載の蓄電装置。
- 前記nより小さい所定数単位で前記電池の電圧をそれぞれ検知する複数の電圧センサを備え、
前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、前記スイッチ回路部の全てのスイッチ素子をオフ状態とする請求項3又は4に記載の蓄電装置。 - 充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン/オフするスイッチを備え、
前記制御部は、前記スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とする請求項5記載の蓄電装置。 - 前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電装置。
- 充電可能な複数の電池の直列体の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、
前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第1工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第2工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程と
を有する充電方法。 - 充電可能な複数の電池の直列体の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、
前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第1工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第2工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程と
を有する放電方法。
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