JP5609488B2 - 二次電池充放電装置及び電力貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、充電して繰り返し使用可能な二次電池に充電する装置及び、充電された二次電池から放電させる装置に関する。

充電して繰り返し使用可能な二次電池を用いて電力を貯蔵し、必要時に二次電池から系統へ電力を供給する電力貯蔵技術の開発が進んでいる（例えば、非特許文献１参照。）。このような電力貯蔵技術は、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途の他、太陽光発電や風力発電のように発電量の変動が大きい発電設備を補完する用途にも適用可能である（例えば、非特許文献２参照。）。

上記のような用途に用いられる二次電池は、多数の電池の集合体からなる。例えばリチウムイオン電池であれば、１個の電圧は３．６Ｖ程度であるので、多数の電池を直列に接続してストリングを構成し、さらにストリングを並列に接続した直並列接続とする。このような多数の電池を充電しておくことにより、必要な場合に、系統連系が可能な電圧・電力を供給することができる。

三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月 電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」

図１０は、上記のようにストリングを並列に接続した状態の一例を示す接続図である。図において、縦方向に複数個の電池（二次電池）が直列接続されて１つのストリングを成している。また、３組のストリングＳ１，Ｓ２，Ｓ３が互いに並列に接続されている。充電時には電池に電流が流れ込み、電力が蓄えられる。放電時には、電池から電流が流れ出て、電力が外部へ供給される。

ストリングＳ１，Ｓ２，Ｓ３についてそれぞれ、起電力の総和をＥ１，Ｅ２，Ｅ３、内部抵抗の総和をＲ１，Ｒ２，Ｒ３、流れる電流をｉ１，ｉ２，ｉ３とし、各ストリング両端の電圧をＶ、全ストリングに流れる電流の合計をＩとすると、以下の式が成り立つ。
Ｖ＝Ｅ１−ｉ１・Ｒ１＝Ｅ２−ｉ２・Ｒ２＝Ｅ３−ｉ３・Ｒ３
Ｉ＝ｉ１＋ｉ２＋ｉ３

各電池は内部抵抗にばらつきがあり、特に劣化の度合いによって内部抵抗が大きく異なってくる。従って、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が同じ値になることはないと言ってもよい。従って、通常、電流ｉ１，ｉ２，ｉ３は互いに異なる値である。電池の充電深度は、充放電時の電流の時間積分値で変化するので、電流のばらつきがあると、充電深度にもばらつきが生じる。また、充電時に、いずれか１つの電池が満充電の状態になると、過充電を防止するために他の電池は満充電でなくても充電を停止させる必要がある。従って、全ての電池を満充電の状態にすることはできない。逆に、電池から放電させて外部に電力供給する場合には、充電深度が最も低い電池が放電限界に達すると、過放電を防止するために、その他の電池は残量があっても放電を停止させる必要がある。

このように、電池としての性能にばらつきがある多数の電池を用いて充放電を行わせる場合、いずれかの電池がいわば全体の足を引っ張る形になって、全体としての充放電性能を十分に生かせないという問題点がある。残量のばらつきを強引に解消させるには、全ての電池を個々に満充電するか、又は逆に空にすることにより、一時的に残量を揃えることは可能である。しかし、これには特殊な作業が必要であり、その間、充放電装置としては利用できない状態となるので、結果的に利用率を低下させることになる。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、性能にばらつきがある複数の二次電池を、より有効に活用することができる充放電装置及びこれを用いた電力貯蔵システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の二次電池充放電装置は、複数の二次電池と、複数のキャパシタを互いに直列に接続して構成され、直列に接続された両端が、外部の変換装置と接続される蓄電部と、前記複数のキャパシタから選択した一部のキャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続して充電回路又は放電回路を構成する接続装置とを備え、
前記接続装置は、前記二次電池の使用履歴を含む情報を取得して劣化の程度を表す電池劣化係数を求め、前記二次電池を選択するにあたって、当該電池劣化係数に基づいて劣化が少ない二次電池を優先するように選択することを特徴とするものである。

上記（１）のように構成された二次電池充放電装置では、蓄電部を外部の装置と接続することにより、外部の装置が直接的に電気エネルギーのやりとりを行うのは蓄電部となり、二次電池の充放電は蓄電部を介して行うことができる。従って、複数の二次電池をどのように使うかの自由度が広がり、固定的な回路構成で複数の二次電池を使用する必要は無くなる。これにより、性能（種類も含む。）の異なる複数の二次電池であっても、自在に活用することが可能となる。また、直列接続した複数のキャパシタを用いることで、蓄電部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あるいは二次電池の充電に適した電圧にすることができる。
また、二次電池を選択するにあたっては、電池劣化係数に基づいて劣化が少ない二次電池を優先するように選択するので、劣化が進んだ二次電池の選択を控え、結果的に、複数の二次電池の劣化の程度を揃えることができる。劣化は使用の結果でもあるので、劣化の程度を揃えることは、使用頻度を均等化することと概ね同じである。

（２）また、上記（１）の二次電池充放電装置において、電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには各二次電池の累積使用時間が含まれるものであってもよい。
この場合、二次電池の劣化要因の一つある累積使用時間を、電池劣化係数に反映させることができる。

（３）また、上記（１）の二次電池充放電装置において、電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには選択回数が含まれるものであってもよい。
この場合、二次電池の劣化要因の一つである選択回数を、電池劣化係数に反映させることができる。

（４）また、上記（１）の二次電池充放電装置において、電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには各二次電池の温度が含まれるものであってもよい。
この場合、二次電池の劣化の程度及びその進行に関連する温度を、電池劣化係数に反映させることができる。

（５）また、上記（１）の二次電池充放電装置において、電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには累積入出力が含まれるものであってもよい。
この場合、二次電池の劣化要因の一つである累積入出力を、電池劣化係数に反映させることができる。

（６）また、上記（１）の二次電池充放電装置において、接続装置は、各二次電池の両端電圧を測定する回路を含み、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るようにしてもよい。
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。

（７）また、上記（６）の二次電池充放電装置において、接続装置は、いずれかの二次電池を充電するときは、充電深度が低く、かつ、劣化が少ない二次電池を優先するように選択して前記キャパシタに接続してもよい。
この場合、充電深度が低い（すなわち残量が少ない）二次電池を単純に優先するのではなく、劣化が少ないことも同時に優先するので、劣化が進んだ二次電池の選択を控え、結果的に、複数の二次電池の使用頻度を均等化することができる。

（８）また、上記（６）の二次電池充放電装置において、接続装置は、いずれかの二次電池を放電させるときは、充電深度が高く、かつ、劣化が少ない二次電池を優先するように選択してキャパシタに接続してもよい。
この場合、充電深度が高い（すなわち残量が多い）二次電池を単純に優先するのではなく、劣化が少ないことも同時に優先するので、劣化が進んだ二次電池の選択を控え、結果的に、複数の二次電池の使用頻度を均等化することができる。

（９）また、上記（１）の二次電池充放電装置と、当該二次電池充放電装置の入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を構成することもできる。
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。

本発明の二次電池充放電装置及び電力貯蔵システムによれば、性能にばらつきがある複数の二次電池を、より有効に活用することができる。また、複数の二次電池の使用頻度を均等化して、使用可能な各二次電池を偏り無く使用することができる。これにより、二次電池及び、接続装置を構成するスイッチの寿命のばらつきも、抑制される。

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。 変換装置の構成が図１とは異なる場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。 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。 本発明の一実施形態に係る二次電池充放電装置の詳細な回路構成の一例を示す回路図である。 図４と共に二次電池充放電装置の接続装置を構成する回路部分（図４では省略）の回路図である。 充電深度及び内部抵抗に関する情報の取得に関する処理の一例を示すフローチャートである。 電池劣化係数の演算に関する処理の一例を示すフローチャートである。 充電又は放電の動作に関する処理の一例を示すフローチャートである。 二次電池充放電装置の詳細な回路構成の他の例を示す回路図である。 二次電池のストリングを並列に接続した状態の一例を示す接続図である。

《電力貯蔵システムとしての概略》
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。

複数のキャパシタＣ１〜Ｃｎは、互いに直列に接続され、ストリングを構成している。複数のストリングＳ１，Ｓ２，・・・，Ｓｍは、互いに並列に接続されている。なお、これらｎ，ｍの数値は必要に応じて自在に構成することができ、複数であること自体も一例である。すなわち、ストリングは１個でもよいし、さらに基本的にはキャパシタ１個でもよい（これについては後述する。）。

図２は、変換装置の構成が図１とは異なる場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。この場合は、直流／直流変換装置１０２によって一旦電圧調整をした上で、交直変換装置１０１を介して交流負荷系統と連系する。変換効率を最適化するには、この構成が好ましい。
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の入出力と所望の電源系統とを仲介する役目をする。

《二次電池充放電装置》
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３つの部分、すなわち、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。なお、二次電池としては、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、その他各種の充電可能な電池を用いることができる。

一方、例えば４つの等容量のキャパシタＣ１〜Ｃ４は、互いに直列に接続されて１ストリングを成す蓄電部２となっている。これらのキャパシタＣ１〜Ｃ４は、例えば図１における１ストリングのキャパシタＣ１〜Ｃｎに相当するものである。蓄電部２は、二次電池又は変換装置（１０１，１０２）から提供される電気エネルギーを蓄えつつ放出するという過程を連続的に行って、電気エネルギーの中継を行っている。

ここで、変換装置（１０１，１０２）と直接的に電気エネルギーのやりとりをするのは蓄電部２であり、また、変換装置（１０１，１０２）から見て、電圧として現れているのは、蓄電部２の両端電圧のみである。二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、放電により蓄電部２に電気エネルギーを送り込むか、または、蓄電部２から電気エネルギーを受け取って充電されることを実現できればよい。そのため、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８をどのように使うかの自由度が広がり、固定的な回路構成で使用する必要は無くなる。

二次電池Ｂ１〜Ｂ８の負極は全て、共通のマイナス側電路Ｌｎ２に接続されている。また、正極はそれぞれスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を介してプラス側電路Ｌｐ２に接続されている。スイッチＳＢ１〜ＳＢ８は、どの二次電池Ｂ１〜Ｂ８をプラス側電路Ｌｐ２につなぐかを選択するスイッチである。また、プラス側電路Ｌｐ２が抵抗Ｒを介して、蓄電部２の図示のどの部位につながるかを選択するのがスイッチＳＰ１〜ＳＰ４である。すなわち、スイッチＳＰ１〜ＳＰ４を介した行き先はそれぞれ、蓄電部２のプラス側にあるプラス側電路Ｌｐ１、キャパシタＣ１，Ｃ２の相互接続点、キャパシタＣ２，Ｃ３の相互接続点、キャパシタＣ３，Ｃ４の相互接続点である。

なお、上記の抵抗Ｒは、ここを流れる電流の抑制、特に、充放電開始時の電流が過度に大きくなることの抑制を目的として設けられている。但し、抵抗以外に、リアクトルでもよく、要するに、二次電池Ｂ１〜Ｂ８と蓄電部２との間に流れる電流を抑制する回路素子が介装されていればよい。

さらに、マイナス側電路Ｌｎ２が、蓄電部２の図示のどの部位につながるかを選択するのがスイッチＳＮ１〜ＳＮ４である。すなわち、スイッチＳＮ１〜ＳＮ４を介した行き先はそれぞれ、キャパシタＣ１，Ｃ２の相互接続点、キャパシタＣ２，Ｃ３の相互接続点、キャパシタＣ３，Ｃ４の相互接続点、蓄電部２のマイナス側にあるマイナス側電路Ｌｎ１である。

上記スイッチＳＢ１〜ＳＢ８、ＳＰ１〜ＳＰ４、ＳＮ１〜ＳＮ４は、高速応答に適し、耐久性にも優れている半導体スイッチング素子であり、例えば、ＦＥＴである。また、ＳｉＣ、ＧａＮ、又はダイヤモンド等の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ことが好ましい。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優れている。また、これらの材料の半導体は、シリコンと比較して圧倒的に絶縁耐力が優れており、１０００Ｖ以上の耐圧を低オン抵抗で実現することも可能である。
ＣＰＵを含む制御装置４は、上記スイッチＳＢ１〜ＳＢ８、ＳＰ１〜ＳＰ４、ＳＮ１〜ＳＮ４を個別にオン・オフする。

一方、二次電池Ｂ１〜Ｂ８の各正極はそれぞれ、フォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８を介して信号電路Ｌｓに接続されている。信号電路Ｌｓ及び、二次電池Ｂ１〜Ｂ８の各負極が接続されたマイナス側電路Ｌｎ２は、Ａ／Ｄコンバータ５の入力端子に接続されている。すなわち、いずれか１つのフォトカプラをオンにすれば、対応する二次電池の両端電圧がＡ／Ｄコンバータ５に入力される。Ａ／Ｄコンバータ５は入力されたアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換して、制御装置４に提供する。制御装置４はフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８をオン・オフする。

図４における蓄電部２及び二次電池Ｂ１〜Ｂ８を除く部分は、キャパシタＣ１〜Ｃ４のいずれかを、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回路又は放電回路を構成する接続装置３となっている。

図５は、図４では紙面の都合で図示していないが、図４と共に二次電池充放電装置１の接続装置３を構成する回路部分の回路図である。図において、各二次電池Ｂ１〜Ｂ８の筐体にはそれぞれ温度センサＴ１〜Ｔ８が設けられている。温度センサＴ１〜Ｔ８の出力は、それぞれＡ／Ｄコンバータ８１〜８８でデジタル値に変換された後、制御装置４に入力される。また、各二次電池Ｂ１〜Ｂ８に流れる電流（流出・流入の双方）はそれぞれ、例えばホール素子を用いた電流センサＨ１〜Ｈ８により検出される。電流センサＨ１〜Ｈ８の出力は、それぞれＡ／Ｄコンバータ７１〜７８でデジタル値に変換された後、制御装置４に入力される。

制御装置４には、情報表示用の表示装置（ディスプレイ）９、及び、データ入力用の入力装置１０が接続されている。なお、これらの装置９，１０は、通信回線を介して二次電池充放電装置１とは遠隔設置することも可能である。

次に、上記の二次電池充放電装置１の動作について、フローチャートを参照して説明する。二次電池充放電装置の動作は、電池情報の取得に関する処理と、充電又は放電の動作に関する処理とがあり、これらの処理は平行して行われる。電池情報の取得に関する処理には、（ａ）充電深度及び内部抵抗を求める処理、及び、（ｂ）電池の使用履歴等の情報に基づいて劣化の程度を表す電池劣化係数を求める処理、がある。

まず、上記（ａ）に関して、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、この回路によって充電深度や内部抵抗の情報が取得される。なお、本実施形態の二次電池充放電装置１では、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。

図６は、充電深度や内部抵抗の情報の取得に関する処理の一例を示すフローチャートである。図において、まず、制御装置４は、８個のフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８のうち、いずれか１つをオン（他は全てオフ）にして（ステップＳ１）、対応する二次電池（以下、単に電池とも言う。）の両端電圧を測定する（ステップＳ２）。ここで、現在、使用（選択）されていない電池の両端電圧は内部抵抗による電圧降下が無いので、実質的に起電力を表している。一方、使用されている電池の両端電圧は、電流が内部抵抗に流れることによる電圧降下分だけ、起電力より低い値となる。

そこで、制御装置４は、両端電圧を測定した電池が、現在使用中か否か、すなわち、選択された電池であるか否かを判定し（ステップＳ３）。使用中でなければ、測定値を起電力として扱う（ステップＳ４）。起電力がわかれば、ネルンストの式（Nernst Equation）を用いて充電深度を求めることができる（ステップＳ５）。一方、使用中であれば、測定値をそのまま両端電圧として扱い（ステップＳ６）、既に記憶している起電力との比較に基づいて内部抵抗を求める（ステップＳ７）。

その後、制御装置４は、ステップＳ１に戻り、次のフォトカプラをオンにして、同様の処理を行う。ステップＳ１において制御装置４は、例えばフォトカプラＰｃ１からＰｃ８まで順番に選択し、Ｐｃ８の次は、またＰｃ１から順番に選択する。このようにしてサイクリックに充電深度及び内部抵抗の情報の取得を繰り返し、情報を更新していく。

例えば電池がｐ個あるとして、１からｐまでの任意の数字をｉとし、ｉ番目の電池における充電深度をｄ_ｉとする。充電深度ｄ_ｉは、正規化して０≦ｄ_ｉ≦１の値で表され、１は満充電の状態であり、１に近いほど残量が多い。
一方、電池は、劣化するほど内部抵抗が大きくなるので、内部抵抗に基づいて交換時期を判断し、交換を促す警告を発する処理を行うこともできる。但し、本実施形態では電池の劣化を検出するにあたって、内部抵抗とは異なる基準を用いる。

次に、電池の劣化に関する上記（ｂ）の事項に関して説明する。
充電深度と同様にｉを用いて、電池劣化係数をｋ_ｉとすると、ｋ_ｉは複数のパラメータの関数である。例えば、これらのパラメータは以下のように規定される。
まず、電池は累積使用時間に応じて劣化するので、電池の累積使用時間ｔのパラメータｋ_ｉａすなわち、ｋ_ｉａ（ｔ）を、電池劣化係数に反映させる。
また、電池はスイッチＳＢ１〜ＳＢ８によって選択された回数に応じて劣化すると解されるので、選択回数ｎのパラメータｋ_ｉｂすなわち、ｋ_ｉｂ（ｎ）を、電池劣化係数に反映させる。

また、電池の温度は、劣化の程度およびその進行に関連すると解されるので、電池の温度（例えば温度の二乗平均）Ｔのパラメータｋ_ｉｃすなわち、ｋ_ｉｃ（Ｔ）を、電池劣化係数に反映させる。
さらに、電池は累積入出力に応じて劣化するので、累積入出力（例えば電池から流出又は電池へ流入する電流の積分値）ｘのパラメータｋ_ｉｄすなわち、ｋ_ｉｄ（ｘ）を、電池劣化係数に反映させる。

従って、電池劣化係数ｋ_ｉは、
ｋ_ｉ＝ｋ_ｉ（ｋ_ｉａ，ｋ_ｉｂ，ｋ_ｉｃ，ｋ_ｉｄ）
＝ｋ_ｉ（ｋ_ｉａ（ｔ），ｋ_ｉｂ（ｎ），ｋ_ｉｃ（Ｔ），ｋ_ｉｄ（ｘ））
となる。具体的には、例えば、
ｋ_ｉ＝１−（１−ｋ_ｉａ（ｔ））（１−ｋ_ｉｂ（ｎ））（１−ｋ_ｉｃ（Ｔ））（１−ｋ_ｉｄ（ｘ）） ・・・（１）
となる。パラメータ、係数は正規化され、０≦ｋ_ｉｊ≦１（ｊ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ）であり、また、０≦ｋ_ｉ≦１（ｉ＝１，２，・・・，ｐ）である。電池劣化係数ｋ_ｉが１に近いほど電池が劣化しており、０に近いほど劣化が少ない。

上記式（１）において、パラメータｋ_ｉａ（ｔ），ｋ_ｉｂ（ｎ），ｋ_ｉｃ（Ｔ），ｋ_ｉｄ（ｘ）のうちいずれか１つでも１になれば、他のパラメータには関係なく、式（１）の右辺の４つのパラメータに関する括弧の積の形で表される項が０となるので、電池劣化係数ｋ_ｉは必ず１となる。これは、１つの要素（パラメータ）でも電池が最も劣化した状態になれば、全体としても、最も劣化したと扱われることを意味する。

電池の選択の基準となる関数を、電池の充電時がｆ、放電時がｇとする。ｆ及びｇは共に（ｄ_ｉ，ｋ_ｉ）の関数である。充電時は、ｐ個の電池についてのｆ（ｄ_ｉ，ｋ_ｉ）の値のうち最も大きい関数値となるｉすなわち、ｉ番目の電池を選択する。同様に、放電時は、ｐ個の電池についてのｇ（ｄ_ｉ，ｋ_ｉ）の値のうち最も大きい関数値となるｉすなわち、ｉ番目の電池を選択する。

例えば最も簡単な関数としては、
ｆ（ｄ_ｉ，ｋ_ｉ）＝１／（ｄ_ｉ・ｋ_ｉ） ・・・（２）
ｇ（ｄ_ｉ，ｋ_ｉ）＝ｄ_ｉ／ｋ_ｉ ・・・（３）
が考えられる。すなわち、電池の充電時は、式（２）により、充電深度が小さいこと、電池の劣化が少ないこと、が共に、関数値を大きくする。電池の劣化程度が同じであれば、充電深度が小さいほど関数値が大きくなる。充電深度が同じであれば、劣化が少ないほど関数値は大きくなる。一方、電池の放電時は、式（３）により、充電深度が大きいこと、電池の劣化が少ないこと、が共に、関数値を大きくする。電池の劣化程度が同じであれば、充電深度が大きいほど関数値が大きくなる。充電深度が同じであれば、劣化が少ないほど関数値は大きくなる。

なお、上記の関数ｆ、ｇとしては、簡単な一例を示したが、関数ｆ、ｇは二次電池充放電装置の構成によって適切なものを、実験的あるいは経験的に選ぶことができる。また、各パラメータや関数は、予め制御装置４に記憶させてもよいが、表示装置９を見ながら入力装置１０から設定（又は変更）できるようにしてもよい。また、電池の種類によって各パラメータや関数を選択できるようにしてもよい。さらには、関数ｆ、ｇの上限値・下限値を設定できるようにしてもよい。なお、電池に関する種々の情報を表示装置９に表示することにより、保守管理に役立てることもできる。

図７は、制御装置４が実行する電池劣化係数の演算に関する処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御装置４は、電池が選択（使用）されているか否かを判定する（ステップＳ０１）。ここで、電池が選択されている場合、制御装置４は、選択回数ｎの記憶（ステップＳ０２）、累積使用時間ｔの計測（ステップＳ０３）、累積入出力ｘとしての電流の積分値演算（ステップＳ０４）、及び、各電池の温度Ｔ測定（ステップＳ０５）を行う。そして、制御装置４は、電池劣化係数ｋｉの演算を行う（ステップＳ０６）。以後、ステップＳ０１に戻り、同様の処理が行われる。電池が選択されていない場合には、ステップＳ０２〜Ｓ０４が省略され、ステップＳ０５，Ｓ０６のみが行われる。

図８は、充電又は放電の動作に関する処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御装置４は、電池の充電か放電かによって、動作を区別する（ステップＳ１０）。充電／放電のどちらの動作を行うかは、外部（上位システム）からの指示による。
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。

ここで、制御装置４は、前述の充電深度及び電池劣化係数に基づいて、放電用として関数ｇの値が最も大きくなる電池（Ｂ１〜Ｂ８のいずれか１つ）を、次に選択すべき電池として特定する（ステップＳ１１）。なお、ｇの値が同じ電池が複数ある場合は、例えば電池劣化係数ｋ_ｉが小さい方を選ぶ等、予め選択基準を定めておけばよい。

次に、制御装置４は、現時点で選択されている電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオフにして、当該電池を系統から解列する（ステップＳ１２）。なお、この解列前に、スイッチＳＰ１〜ＳＰ４及びＳＮ１〜ＳＮ４は全てオフとなっている。続いて制御装置４は、次に選択すべき電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオンにして、当該電池をプラス側電路Ｌｐ２に接続する（ステップＳ１３）。そして、制御装置４は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオンにして、選択された電池からキャパシタＣ１への放電回路を構成し、キャパシタＣ１を充電する（ステップＳ１４）。電池を放電させる時間はキャパシタＣ１の容量や電池の性能にもよるが、ごく短時間であり、当該時間経過後は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオフにする。

続いて、制御装置４は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオンにして、選択された電池からキャパシタＣ２への放電回路を構成し、キャパシタＣ２を充電する（ステップＳ１５）。また、制御装置４は、電池の放電時間経過後は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオフにする。
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。

ステップＳ１７の後、制御装置４はステップＳ１０に戻り、同様の処理を繰り返す。電池はその都度特定される（ステップＳ１１）ので、現在選択されている電池を次期選択の対象外とする場合は、残りの電池の中で関数ｇの値が最も大きい電池が選択されることになる。このようにして、残量の多い電池を優先するのみならず、電池劣化係数に基づいて劣化が少ない電池を優先するように選択するので、劣化が進んだ電池の選択を控え、結果的に、各電池の劣化の程度を揃えることができる。劣化は使用の結果でもあるので、劣化の程度を揃えることは、使用頻度を均等化することと概ね同じである。電池の使用頻度を均等化することにより、使用可能な各電池を偏り無く使用することができる。これにより、各電池及び、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８の寿命のばらつきも、抑制される。

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。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してもよい。但し、これは短時間的な使用に限られる。長期的に同じ電池を使用することは好ましくない。
なお、充電深度の高さのみで電池を選択すると、同じ電池が頻繁に選択使用されることがあり、この場合には、当該電池の劣化が早まる。また、この電池のスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）の寿命も短くなるので、保守作業の負担が大きくなる。

次に、二次電池を充電する場合の動作について説明する。なお、充電に使用される（すなわち充電される）電池は基本的に１つ（１ストリング）である。
まず、制御装置４は、前述の充電深度及び電池劣化係数に基づいて、充電用として関数ｆの値が最も大きくなる電池（Ｂ１〜Ｂ８のいずれか１つ）を、次に選択すべき電池として特定する（ステップＳ２１）。なお、ｆの値が同じ電池が複数ある場合は、例えば電池劣化係数ｋ_ｉが小さい方を選ぶ等、予め選択基準を定めておけばよい。

次に、制御装置４は、現時点で選択されている電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオフにして、当該電池を系統から解列する（ステップＳ２２）。なお、この解列前に、スイッチＳＰ１〜ＳＰ４及びＳＮ１〜ＳＮ４は全てオフとなっている。続いて制御装置４は、次に選択すべき電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオンにして、当該電池をプラス側電路Ｌｐ２に接続する（ステップＳ２３）。そして、制御装置４は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオンにして、キャパシタＣ１から選択された電池への充電回路を構成し、キャパシタＣ１を放電させる（ステップＳ２４）。なお、キャパシタＣ１を放電させる時間は、ごく短時間であり、当該時間経過後は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオフにする。

続いて、制御装置４は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオンにして、キャパシタＣ２から選択された電池への充電回路を構成し、キャパシタＣ２を放電させる（ステップＳ２５）。また、制御装置４は、キャパシタＣ２の放電時間経過後は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオフにする。
続いて、制御装置４は、スイッチＳＰ３及びＳＮ３をオンにして、キャパシタＣ３から選択された電池への充電回路を構成し、キャパシタＣ３を放電させる（ステップＳ２６）。また、制御装置４は、キャパシタＣ３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、キャパシタＣ４から選択された電池への充電回路を構成し、キャパシタＣ４を放電させる（ステップＳ２７）。また、制御装置４は、キャパシタＣ４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、この場合のキャパシタＣ１〜Ｃ４は変換装置（１０１，１０２）から常時充電される状態にあり、放電によって失った電荷は補充される。
そして、制御装置４は、上記のステップＳ２４〜Ｓ２７による放電を所定回数繰り返し（ステップＳ２８）、所定回数に達したら、ステップＳ１０に戻る。

それ以降は、同様の処理が行われる。充電対象となる電池はその都度特定される（ステップＳ２１）ので、現在選択されている電池を次期選択の対象外とする場合は、残りの電池の中で関数ｆの値が最も大きい電池が選択されることになる。このようにして、残量の少ない電池を優先するのみならず、電池劣化係数に基づいて劣化が少ない電池を優先するように選択するので、劣化が進んだ電池の選択を控え、結果的に、各電池の劣化の程度を揃えることができる。劣化は使用の結果でもあるので、劣化の程度を揃えることは、使用頻度を均等化することと概ね同じである。電池の使用頻度を均等化することにより、使用可能な各電池を偏り無く使用することができる。これにより、各電池及び、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８の寿命のばらつきも、抑制される。

なお、充電深度の低さのみで電池を選択すると、同じ電池が頻繁に選択され充電されることがあり、この場合には、当該電池の劣化が早まる。また、この電池のスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）の寿命も短くなるので、保守作業の負担が大きくなる。

以上のように構成された二次電池充放電装置では、外部の変換装置（１０１，１０２）が直接的に電気エネルギーのやりとりを行うのは蓄電部２であり、二次電池ではないので、複数の二次電池をどのように使うかの自由度が広がり、固定的な回路構成で複数の二次電池を使用する必要は無くなる。これにより、性能（種類も含む。）の異なる複数の二次電池であっても、自在に活用することが可能となる。

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、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。
また、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、問題なく使用することができる。

また、蓄電部２を構成する４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電し、又は、放電させることにより、蓄電部２全体の両端電圧の１／４の電圧をもって放電又は充電に供することができる。また、この「４つのキャパシタ」というのは一例に過ぎず、必要に応じた数の直列キャパシタを構成すればよい。
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あるいは二次電池の充電に適した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。

なお、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電し、又は、放電させる、というのは一例に過ぎず、キャパシタの直列数や電圧によっては、２以上の複数個ずつ充電／放電させることも可能である。要するに、複数のキャパシタを個々に若しくは小グループに小分けして順番に、選択した二次電池と接続することにより、複数のキャパシタが充電されるようにすればよい。また、二次電池を充電するときも同様である。

また、例えば４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１ストリングとして、これが２ストリング並列に設けられている場合（すなわち合計８つのキャパシタがある場合）には、スイッチＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４を別途１セット設けて、８つのキャパシタを順番に充電し又は放電させるように構成すればよい。さらに多くのキャパシタが設けられる場合であっても同様である。

《その他》
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９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回路又は放電回路を構成する、という基本構成・動作は同じである。

また、上記実施形態では、充電又は放電に使用される電池は基本的に１つ（１ストリング）であるとしたが、電池劣化係数や充電深度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。

なお、図４及び図９では、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８がそれぞれ電池Ｂ１〜Ｂ８の正極側に設けられる例を示したが、負極側に設けることも可能である。例えば、電池Ｂ１〜Ｂ８の正極を、スイッチ無しで直接、プラス側電路Ｌｐ２に接続し、マイナス側電路Ｌｎ２と各電池Ｂ１〜Ｂ８の負極との間に、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８が設けられる回路にしてもよい。この場合も動作は同様である。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の二次電池充放電装置を用いることにより、電池種類の違いも含めた性能の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。
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。

１：二次電池充放電装置
２：蓄電部
３：接続装置
４：制御装置
Ｂ１〜Ｂ８：二次電池
Ｃ１〜Ｃ４：キャパシタ
Ｐｃ１〜Ｐｃ８：フォトカプラ

Claims (9)

1. 複数の二次電池と、
   複数のキャパシタを互いに直列に接続して構成され、直列に接続された両端が、外部の変換装置と接続される蓄電部と、
   前記複数のキャパシタから選択した一部のキャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続して充電回路又は放電回路を構成する接続装置とを備え、
   前記接続装置は、前記二次電池の使用履歴を含む情報を取得して劣化の程度を表す電池劣化係数を求め、前記二次電池を選択するにあたって、当該電池劣化係数に基づいて劣化が少ない二次電池を優先するように選択することを特徴とする二次電池充放電装置。
2. 前記電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには各二次電池の累積使用時間が含まれる請求項１に記載の二次電池充放電装置。
3. 前記電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには選択回数が含まれる請求項１に記載の二次電池充放電装置。
4. 前記電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには各二次電池の温度が含まれる請求項１に記載の二次電池充放電装置。
5. 前記電池劣化係数は複数のパラメータの関数であり、当該パラメータには累積入出力が含まれる請求項１に記載の二次電池充放電装置。
6. 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み、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る請求項１に記載の二次電池充放電装置。
7. 前記接続装置は、いずれかの二次電池を充電するときは、充電深度が低く、かつ、劣化が少ない二次電池を優先するように選択して前記キャパシタに接続する請求項６記載の二次電池充放電装置。
8. 前記接続装置は、いずれかの二次電池を放電させるときは、充電深度が高く、かつ、劣化が少ない二次電池を優先するように選択して前記キャパシタに接続する請求項６記載の二次電池充放電装置。
9. 請求項１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入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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