JP2011200095A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の２次電池を接続した構成において、電力の損失を抑えながら、各々の２次電池の電圧バランスを調整できるようにする。
【解決手段】複数の電池セルを収納し正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成した電池モジュールを電気的に複数個直列に接続した電池システムにおいて、
これら直列に接続された複数個の電池モジュールの両端電極間に接続されこの複数個の電池モジュールを同時に充電する充電できるように成すと共に、
夫々の前記電池モジュールの正極及び負極間の端子間電圧を検出する電圧検出器を備え、前記電圧検出器が検出する端子間電圧が他の電池モジュールの端子間電圧より高い前記電池モジュールから放電させた電荷を所定の電圧に昇圧して前記複数個の電池モジュールに同時に供給するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを収納し充放電可能に構成された電池モジュールを複数有して構成される電池システムに関する。

複数の２次電池を直列に接続した直列電池の両端電圧が定格電圧に至るまで充電を行う場合、夫々の２次電池の充電速度の違いにより両端電圧が均等に成らず両端電圧が低い２次電池と高い２次電池とが混在して生じる。直列電池の充電は両端電圧が設定値に達した２次電池ができた時点で終了するので、両端電が低い次電池は両端電圧が高い２次電池に比べて充電される電荷が少なく成り、全て２次電池が均等に充電される場合に比べて直列電池の充電量に満たないという問題が指摘されている。すなわち直列電池が満充電に至らないという問題点があった。
この問題を解決する手法として、例えば、複数の２次電池セル（電池セル）を直列に接続した電池パックにおいて、各々の電池セルに並列に抵抗を接続し、両端電圧が高い電池セルはこの抵抗を介して電荷を放電させることで両端電圧を低下させ、電池パックを成す夫々の２次電池セルの端子電圧が同じになるように改善を図る手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２３４９１６公報

ところで、上記従来の手法では２次電池に充電された電荷を抵抗を介して放電させ熱として消費することにより端子電圧の高い２次電池セルの端子電圧を下げ電池パック内の夫々の２次電池の端子電圧が同じになるようにするので、電気エネルギー（電荷）を熱として損失するという問題があった。また、端子電圧が大きい場合は抵抗を介しての発熱量が大きくなるため、この発熱量に対応した放熱構造が必要と成ると共に、高温による２次電池セルの性能劣化が懸念される。抵抗を大きくして単位時間当たりの発熱量を減らす方法もあるが、この場合電池パックが満充電に至るまでの時間が長くなると言う問題点が新たに生じるものであった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、複数の２次電池を接続した構成において、電気エネルギーの損失や発熱を抑えながら、各々の２次電池の端子電圧のバランス調整ができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の電池セルを収納し正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成した電池モジュールを電気的に複数個直列に接続した電池システムにおいて、これら直列に接続された複数個の電池モジュールの両端電極間に接続されこの複数個の電池モジュールを同時に充電する充電制御部を備えると共に、夫々の前記電池モジュールの正極及び負極間の端子間電圧を検出する電圧検出器を備え、前記電圧検出器が検出する端子間電圧が他の電池モジュールの端子間電圧より高い前記電池モジュールから放電させた電荷を所定の電圧に昇圧して前記複数個の電池モジュールに同時に供給することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は上記の電池システムにおいて、前記電池モジュールの夫々の正極及び負極間には正極端子と負極端子とを入力側とするＤＣ／ＤＣコンバータを設け、このＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された出力を前記複数個の電池モジュールに同時に供給することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の電池セルを収納し正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成した電池モジュールを電気的に複数個直列に接続した電池システムにおいて、これら直列に接続された複数個の電池モジュールの両端電極間に接続されたこの複数個の電池モジュールを同時に充電すると共に、各々の前記電池モジュールに正極及び負極間を１次側とするＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、夫々の電池モジュールの端子間電圧が他の電池モジュールの端子間電圧に比べ高い前記電池モジュールに対応するDC／DCコンバータを介して電池モジュールから放電させた電荷を所定の電圧に昇圧した後当該電池モジュールの端子間電圧より低い電圧の電池モジュールに印加することを特徴とする。

本発明は、上記の電池システムにおいて、夫々の前記電圧検出器が検出する端子間電圧の平均値もしくはこの平均値に基づいて求められる値、もしくは予め定められた値より高い端子間電圧を有する電池モジュールから電荷を放電することを特徴とする。

また、本発明は、上記の電池システムにおいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは少なくと
も１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスを用いて１次側と２次側とが絶縁され
ていることを特徴とする。

また、本発明は、上記の電池システムにおいて、夫々の前記電池モジュールの正極端子及び負極端子の端子間電圧から端子間電圧の平均電圧を求め、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力を供給している前記電池モジュールの正極端子及び負極端子間の電圧が設定値に近づくまで前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させることを特徴とする。

また、本発明は、上記の電池システムにおいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは少なくとも１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスを用いて１次側と２次側とが絶縁されていることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の電池セルを組み合わせて電池モジュールを成し、この電池モジュールに設けた正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成すると共に、この電池モジュールを複数個直列に接続した電池システムにおいて、夫々の前記電池モジュールの正極端子と負極端子とにつながる充電回路を有し、夫々の前記電池モジュールの正極端子と負極端子との間の電圧が等しくなるように当該電圧が低い前記電池モジュールに対応する充電回路から当該電池モジュールへ充電を行うことを特徴とする。

本発明によれば、複数個直列に接続された電池モジュールの端子間電圧のバランスを、電力の損失や発熱を抑えつつ調整できる。

本発明の第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示す図である。 電池モジュールの両端電圧と容量との相関を示す図表である。 電池システムの充電に係る動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの要部構成を示す図である。 第４の実施形態に係る充電回路部の構成を示す図である。 第５の実施形態に係る電池システムの構成を示す図である。

［第１の実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電システム１の構成を示す図である。

この図１に示す蓄電システム１は、充放電可能に構成された電池システム２に電力を蓄え、必要に応じて負荷１８に電力を供給するシステムである。負荷１８としては直流負荷、直流電力を交流電力に変換する変換回路とこの変換回路につながる交流負荷、またはこの変換回路から出力される交流電力を系統へ供給するような場合はこの変換回路が負荷１８に相当する。蓄電システム２は、例えば、商用交流電源系統１０の交流電流を直流電流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ及び電池への充電制御部（定電流充電−定電圧充電）等を内蔵した充電器１１を備え、この充電器１１が出力する直流電流によって電池システム２を充電される。また、商用交流電源系統１０の代わりに太陽電池、風力発電装置、自家発電装置などから得られる電力もしくは電力の一部を用いて電池システム２を充電するように構成しても良いものである。

電池システム２は、５台の電池モジュール２１〜２５を直列に接続して構成される。電池モジュール２１〜２５は、リチウムイオン２次電池やニッケル水素二電池等からなる電池セル３１を複数個内蔵し、これら複数の電池セル３１に電力を蓄える。電池システム２が備える電池モジュールの数について制限は無く、本実施形態では一例として、５台の電池モジュール２１〜２５を設けた構成について説明する。また、電池モジュール２１〜２５の内部構成は共通であるため、ここでは電池モジュール２１についてのみ内部構成の概略を図示及び説明する。

電池モジュール２１は、複数の電池セル３１を直列及び／又は並列に接続して内蔵し、電池モジュール２１の正極端子３２及び負極端子３３を介して電池セル３１が充放電される。

例えば、電池モジュール２１は電池セル３１を２４個並列接続したブロックを１３個直列に接続したものであり、電池セル３１の電圧が4Vであればこの電池モジュールの正極端子及び負極端子の端子間電圧は５２Vとなる。従って、この電池モジュール２１〜２５を直列に接続した電池システム1の出力電圧は２６０Vとなる。尚、この電圧は電池システムの要求される仕様に合わせて適に設定されるものである。

電池モジュール２１はさらに、このモジュール内（電池セル３１全体）の温度を検出し、検出した温度が所定値を上回った場合の充放電の停止や、複数の電池セル３１の両端電圧の検出等を行うコントローラ３４と、コントローラ３４が検出した電圧値や電流値に基づいてＲＳＯＣ（残容量比率）を算出し、ＲＳＯＣのデータやその他の各種検出データ等を、入出力インターフェース３６を介して出力するＥＣＵ３５とを備えている。

電池モジュール２１が有する複数の電池セル３１の両端すなわち正極端子３２及び負極端子３３の間には、抵抗３８がスイッチ３７を介して接続されている。このスイッチ３７は正極端子３２及び負極端子３３の端子間電圧が他の電池モジュール２２〜２５の端子間電圧より高い場合などに、他の電池モジュール２２〜２５と電圧を揃えるため、外部の制御部からＥＣＵ３５に制御信号が入力されて作動し、抵抗３８への通電をおこなう。複数の電池セル３１すなわち電池モジュール２１に充電された電荷は抵抗３８を流れ熱に変わって放電・消費される。電池モジュール２１の電荷が減少することによって両端電圧が低下する。
本発明では後記する外付け回路で電池モジュールに蓄積された電荷を電池モジュール間で移動させ電池モジュール間のバランス調整を行うが、このバランス調整に遅れがある場合や調整範囲を超えている際など必要に応じてこの調整信号が入力されるものである。

電池システム２の正極端子２６は、共通線１６につながると共に、充電スイッチ１２を介して充電器１１の正極側に接離可能に接続される一方、負荷１８に対して放電スイッチ１３を介して接離可能に接続され、充電スイッチ１２及び放電スイッチ１３は充放電制御部１４の制御に従って開閉される。尚、負荷１８へは電池システム２から直流電力を直接供給しても良く、必要に応じて昇圧または交流に変換しても良いものである。

充放電制御部１４は、電池システム２を充電する場合には充電スイッチ１２を閉じて充電器１１を正極端子２６に接続し、放電スイッチ１３を開く。また、電池システム２により負荷１８に給電（放電）する場合は充電スイッチ１２を開き、放電スイッチ１３を閉じて正極端子を負荷１８に接続する。

蓄電システム１は、電池モジュール２１〜２５の各々の正極端子３２及び負極端子３３の端子間電圧を検出するバランス制御部１５（電圧検出器）を備えている。バランス制御部１５は、電池モジュール２１の正極端子３２、電池モジュール２１と電池モジュール２２との接続端子（電池モジュール２１の負極端子及び電池モジュール２２の正極端子に相当）、電池モジュール２２と電池モジュール２３との接続端子、電池モジュール２３と電池モジュール２４との接続端子、電池モジュール２４と電池モジュール２５との接続端子、及び、電池モジュール２５の負極端子のそれぞれに繋がる両端電圧検出線１５Ａを備え、これら両端電圧検出線１５Ａを介して、電池モジュール２１〜２５の各々について正極端子及び負極端子の端子間電圧を検出する。

電池モジュール２１〜２５の各々には、各電池モジュールの正極端子２６と負極端子２７との間の端子間電圧にばらつきが生じた場合に電圧バランスを調整するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５の内部構成は共通であるため、ここではＤＣ／ＤＣコンバータ４１のみ内部構成を図示及び説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、１次側が電池モジュール２１の正極端子３２及び負極端子３３につながり、２次側が共通線１６につながるトランス５１を備えている。トランス５１の１次コイルの一端はダイオード５２を介して正極端子３２に接続され、他端はフォトカプラのスイッチング素子５３を介して電池モジュール２１の負極端子３３に接続されている。スイッチング素子５３は、バランス制御部１５が制御用のパルス電圧を出力する制御電流線１５Ｂに接続されたフォトカプラのＬＥＤ５４が点灯することによって導通状態になる。ＬＥＤ５４を断続的に点滅させることにより、トランス５１の２次側に電流が誘起し、電池モジュール２１の電力がトランス５１の２次側に供給される。

トランス５１の２次コイルには、整流用のダイオード５５及びコンデンサ５６が接続された整流・平滑回路が構成され、コンデンサ５６の一端は逆流防止用のダイオード５９を介して共通線１６に接続され、他端は充電器１１の負極側に接続されている。

共通線１６は正極端子２６に接続され、充電器１１の負極には負極端子２７が接続されているので、トランス５１の２次コイルに誘起された電流はダイオード５５及びコンデンサ５６により整流・平滑されて、電池システム２の正極端子３２と負極端子２７とに印加され、電池モジュール２１〜２５を同時に充電する。また、コンデンサ５６の両端には分圧用の抵抗５７、５８が設けられ、この抵抗５７、５８の中間点にバランス制御部１５が電圧を検出するための出力電圧検出線１５Ｃが接続されている。

バランス制御部１５は、出力電圧検出線１５Ｃを介してトランス５１の２次側の電圧を検出し、検出した２次側の電圧と設定電圧との差に基づいＬＥＤ５４を点灯させるＯＮデューティの制御を行う。すなわちＰＷＭ制御するものである。
設定電圧は両端電圧検出線１５Ａを介して得られる電池システム２の正極端子２６（正極端子３２）の電圧より高くなるように設定される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４２〜４５も同様の構成を同様に動作するものである。

上述のように、バランス制御部１５は、両端電圧検出線１５Ａを介して電池モジュール２１〜２５の両端電圧を検出し、両端電圧のばらつき、例えば両端電圧が高い電池モジュールと低い電池モジュールとの差が、予め設定された範囲を超えている場合、又は各電池モジュールの平均両端電圧より所定電圧高い電池モジュールがある場合には、その両端電圧が高い電池モジュールの電力により電池システム２を充電して電圧バランスを調整する。例えば詳細には、バランス制御部１５は、両端電圧が最も高い電池モジュールに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータのＬＥＤに、制御電流線１５Ｂを通じてパルス電圧を出力し、この電池モジュールから電力を出力させるとともに、出力電圧を、現在の電池システム２の正極端子２６と負極端子２７の端子間電圧より所定レベル（例えば、１Ｖ）だけ高い電圧に変換する。これにより、電圧が高い電池モジュールが放電して両端電圧が低下する一方で、両端電圧が低かった他の電池モジュールも追加充電されて両端電圧が上昇するので、電池モジュール２１〜２５の電圧バランスを改善できる。

図２は、電池モジュール２１〜２５の両端電圧と蓄電容量との相関の一例を示す図表である。図中、縦軸は電池の容量を示し、横軸は両端電圧を示す。横軸の両端電圧は、容量１００％のときの両端電圧を電圧値１００％とした場合の百分率で示している。リチウムイオン電池を含む多くの２次電池は、図２に示すように両端電圧と容量の相関を有するため、両端電圧に基づいて容量を求めることが可能である。特に、図２に示すように容量１００％に近い範囲では、電圧値の差に対応する容量の差が顕著である。

そこで、電池システム２には、各々の電池モジュール２１〜２５にＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５が接続され、バランス制御部１５の制御によって、各電池モジュール２１〜２５の両端電圧を個別に検出し、他の電池モジュールに比べて両端電圧が高い電池モジュールは放電させ、放電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧させて電池モジュール２１〜２５の充電に用いるので、電力を無駄にすることなく電圧バランスを速やかに調整できる。以下、この動作についてフローチャートを参照して説明する。

図３は電池システム２の充電に係る動作を示すフローチャートである。

この図３の動作は電池システム２の充電とともに開始される。充電スイッチ１２及び放電スイッチ１３が開いた状態で、充放電制御部１４により充電スイッチ１２が閉じられ、充電器１１が直流電流の出力を開始して、電池システム２の充電が開始される（ステップＳ１）。バランス制御部１５は、電池システム２の充電が終了するまで待機し（ステップＳ２）、充電が終了すると（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、負荷１８への放電が行われるか否かを判別する（ステップＳ３）。

負荷１８への放電が行われる場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、充放電制御部１４によって充電スイッチ１２が開かれるとともに放電スイッチ１３が閉じられ、電池システム２の電力が負荷１８に出力される（ステップＳ４）。バランス制御部１５はそのまま本動作を終了する。

一方、電池システム２の充電終了後に負荷１８への放電が行われない場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、バランス制御部１５は両端電圧検出線１５Ａを介して電池モジュール２１〜２５の各々の両端電圧を検出し（ステップＳ５）、検出した各電池モジュール２１〜２５の両端電圧の平均値を算出する（ステップＳ６）。ここで、バランス制御部１５は、各電池モジュール２１〜２５の両端電圧に基づいて、或いは、ステップＳ６で算出した平均値と各電池モジュール２１〜２５の両端電圧とに基づいて、予め設定された基準を超えるばらつきがあるか否かを判別する（ステップＳ７）。この基準は、例えば、各電池モジュール２１〜２５の両端電圧と平均値との差、或いは、最も両端電圧の低い電池モジュールと最も両端電圧の高い電池モジュールとの電圧差等について、許容される範囲を定めたものである。

各電池モジュール２１〜２５の両端電圧に基準を超えるばらつきがある場合（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、バランス制御部１５は、両端電圧が最も高い電池モジュールを選択し（ステップＳ８）、選択した電池モジュールの電力による充電を開始する（ステップＳ９）。このステップＳ９で、バランス制御部１５は、選択した電池モジュールに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータに対し、制御電流線１５Ｂによりパルス電圧を出力しスイッチング素子５３のＰＷＭ制御を行い、選択した電池モジュールの電力により電池システム２の正極端子２６及び負極端子２７間に充電用電圧を印加する。この電池モジュールによる充電を開始した後、バランス制御部１５は、選択した電池モジュールの両端電圧を両端電圧検出線１５Ａを介して検出する。

バランス制御部１５は、選択した電池モジュールの両端電圧が、予め設定された終了範囲内の値になるまで充電を継続する（ステップＳ１０）。終了範囲とは、ステップＳ６で算出した平均値をもとに充電を終了する基準として定められた電圧の範囲であり、例えば、平均値〜平均値＋２ボルトの範囲（数値は任意に変更可能）である。

選択した電池モジュールの両端電圧が終了範囲内の値になった場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、バランス制御部１５は、電池モジュールの電力による充電を終了し（ステップＳ１１）、ステップＳ５に戻る。これにより、全ての電池モジュール２１〜２５の電圧が平均値に近い終了範囲内の値になるまで、電圧バランスが調整される。

また、両端電圧検出線１５Ａを介して検出した各電池モジュール２１〜２５の両端電圧に基準を超えるばらつきがない場合（ステップＳ７；Ｎｏ）、バランス制御部１５は、本処理を終了する。

図３に示すフローチャートでは、単一の電池モジュールを選択して対応するＤＣ／ＤＣコンバータを作動させたが、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを同時に作動させて複数の電池モジュールを同時に放電させるように構成しても同様の作用効果を得ることができる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る電池システム２では、複数の電池モジュール２１〜２５を直列に接続して構成し、夫々の電池モジュールの端子間電圧がほぼ同じ電圧にバランスするように端子間電圧の高い電池モジュールから放電を行いこの放電電荷で電池システム２を再充電させるで、従来抵抗を介して消費していた電荷で再充電ができ充電効率を高めることができるものである。

また、電池モジュールから放電される電荷をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧することにより再充電時の効率低下を抑制しているものである。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータにトランスを用いることによってこのコンバータの１次側と２次側とを絶縁することができるものである。
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。

このＤＣ／ＤＣコンバータは、上述した第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５に代えてＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５を設けたものである。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５を除く共通の各部については同様である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、２次側が電池モジュール２１の正極端子３２及び負極端子３３につながり、１次側が共通線１６につながるトランス７１を備えている。トランス７１の１次コイルの一端はダイオード７２、共通線１６を介して電池システムの正極端子２６に接続され、他端はフォトカプラのスイッチング素子７３を介して電池システムの負極端子３３に接続されている。スイッチング素子７３は、バランス制御部１５が制御用のパルス電圧を出力する制御電流線１５Ｂに接続されたフォトカプラのＬＥＤ７４が点灯することによって導通状態になる。ＬＥＤ７４を断続的に点滅させることにより、トランス７１の２次側に電流が誘起し、電池システム２の電力がトランス７１の２次側に供給される。

トランス７１の２次コイルには、整流用のダイオード７５及びコンデンサ７６が接続された整流・平滑回路が構成され、コンデンサ７６の一端は逆流防止用のダイオード７９を介して電池モジュールの正極端子に接続され、他端は電池モジュールの負極端子接続されている。

トランス７１の２次コイルに誘起された電流はダイオード７５及びコンデンサ７６により整流・平滑されて、電池モジュールの正極端子と負極端子とに印加され、電池モジュールを充電する。また、コンデンサ７６の両端には分圧用の抵抗７７、７８が設けられ、この抵抗７７、７８の中間点にバランス制御部１５が電圧を検出するための出力電圧検出線１５Ｃが接続されている。

バランス制御部１５は、出力電圧検出線１５Ｃを介して電池モジュールに印加される電圧を検出し、この電圧がモジュールの両端電圧より高くなるように制御電流線１５Ｂを通じてＬＥＤ７４に印加する電圧のＯＮデューティを制御するＰＷＭ制御をおこなうものである。
電池モジュール２１の正極端子及び負極端子に印加する電圧を、電池モジュール２１の現在の両端電圧より少し高い電圧値（例えば、＋１ボルト）に調整する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に対応する電池モジュールに対して充電用の電流が供給される。

つまり、本第２の実施形態のバランス制御部１５は、電池モジュール２１〜２５のうち、両端電圧が低い電池モジュールに対し、共通線１６を介して電池システム２の電力により選択的に充電を行って、当該電池モジュールの両端電圧を上昇させ、電圧バランスを調整する。以下、具体的な動作について説明する。

図５は電池システム２の充電に係る動作を示すフローチャートである。この図５に示す動作のうち、図３に示した第１の実施形態に係る動作と同一の動作については、同ステップ番号を付し説明は省略する。

各電池モジュール２１〜２５の両端電圧に基準を超えるばらつきがある場合（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、バランス制御部１５は、両端電圧が最も低い電池モジュールを選択し（ステップＳ２１）、選択した電池モジュールに繋がるＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて選択した電池モジュールを充電する（ステップＳ２３）。この充電の開始後、バランス制御部１５は、選択した電池モジュールの両端電圧を、両端電圧検出線１５Ａを介して検出する。

バランス制御部１５は、選択した電池モジュールの両端電圧が、予め設定された終了範囲内の値になるまで充電を継続する（ステップＳ２４）。終了範囲とは、ステップＳ６で算出した平均値をもとに充電を終了する基準として定められた電圧の範囲であり、例えば、平均値〜平均値＋２ボルトの範囲（数値は任意に変更可能）である。選択した電池モジュールの両端電圧が終了範囲内の値になった場合（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、バランス制御部１５は、選択した電池モジュールへの充電を終了し（ステップＳ２５）、ステップＳ５に戻る。これにより、全ての電池モジュール２１〜２５の電圧が平均値に近い終了範囲内の値になるまで、電圧バランスが調整される。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る電池システムでは、端子間電圧の最も低い電池モジュール２１〜２５に対応するＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、共通線を介して電池システムから当該電池モジュールを充電するので、発熱や電力の損失を増すことなく電圧バランスを容易に調整できる。

本願はこれらの構成に限定されるものではなく、電池モジュール２１〜２５と共通線１６との間で、どちらの方向にも電力を供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータを用いることも可能である。この場合について、第３の実施形態として説明する。
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８の回路図である。このＤＣ／ＤＣコンバータ８は、上記第１の実施形態で説明した蓄電システム１のＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５に代えて、或いは、上記第２の実施形態で説明した蓄電システム１ＡのＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５に代えて、用いることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、トランス８１と、２組の端子８Ａ、８Ｂ及び端子８Ｃ、８Ｄとを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、端子８Ａ、８Ｂ側を１次側、端子８Ｃ、８Ｄ側を２次側として使用できる上、反対に端子８Ａ、８Ｂ側を２次側、端子８Ｃ、８Ｄ側を１次側として使用することもできる。以下の説明では便宜的に、端子８Ａ、８Ｂ側を１次側とする。

トランス８１の１次側において、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４（スイッチング素子又はＦＥＴなど）と、この素子の順方向と夫々逆方向に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４と、この夫々のダイオードと並列接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ４とからなるスイッチ回路を単相ブリッジ状に結線して１次側のインバータ部をなし、このインバータ部の夫々のアームのノードＮ１１とノードＮ１２とをトランス８１の１次側に接続し、またインバータ部の直流ライン間（端子８Ａと端子８Ｂとの間）に並列にコンデンサＣ５が接続されている。

一方、トランス８１の２次側においても、同様に、スイッチング素子ＴＲ１１〜ＴＲ１４、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４、コンデンサＣ１１〜Ｃ14が単相ブリッジ状に結線して２次側のインバータ部を成している。１次側のインバータ部と同様にコンデンサＣ15が端子８Ｃと端子8Ｄ間に接続され、夫々のノードＮ13、ノードＮ１４はトランス８１の２次側に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、例えば、端子８Ａを電池モジュール２１（図１）の正極端子２６に接続し、端子８Ｂを電池モジュール２１の負極端子２７に接続し、端子８Ｃを共通線１６（図１）に接続し、端子８Ｄを充電器１１（図１）の負極側に接続して設けられる。

スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４及びＴＲ１１〜ＴＲ１４は、それぞれバランス制御部１５（図１）の制御によってオン／オフされる。図１の構成ではバランス制御部１５がＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５に制御電流線１５Ｂを介してパルス電圧を印加していたが、本第３の実施形態ではバランス制御部１５によってスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４及びＴＲ１１〜ＴＲ１４の制御電流が、個別に制御されるものとする。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の作動／停止、及び、トランス８１の１次側から２次側へ供給される電圧をバランス制御部１５により制御できる。

第１の実施形態のように、電池モジュール２１から共通線１６へ電力を供給する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、端子８Ａ、８Ｂを１次側、端子８Ｃ、８Ｄを２次側として機能する。この場合、１次側では、バランス制御部１５の制御により、インバータ部を構成するスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４にＰＷＭ理論に基づくスイッチング信号が供給されて端子８Ａと端子８Ｂ間に供給される直流電力を所定の周波数の疑似正弦波に変換してトランス８１の１次側８１Ａへ供給する。

疑似正弦波の周波数及び電圧はトランス８１の２次側で得られる電圧が所望の値に成るように制御される。尚、ＰＷＭ理論に基づくスイッチング信号の生成は一般に知られている搬送波（例えば三角波）と変調波（例えば正弦波）とによる変調によって算出することができるので詳細な説明は省略する。

トランス８１の２次側81Ｂに誘起された電力は、スイッチング素子ＴＲ１１〜ＴＲ１４がＯＦＦしていることによりダイオードＤ１１〜Ｄ１４が全波整流回路として作用し、コンデンサＣ１５が平滑コンデンサとして作用することにより整流平滑される。端子８Ｃ、端子８Ｄ間の電圧を検出し前記変調時の変調波の振幅を調整することによってこの端子間の電圧を所望の値に制御することができるものである。

この動作により、電池モジュール２１から電池システム２の正極端子２６と負極端子２７とに電力が供給され、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

また、第２の実施形態のように共通線１６から電池モジュール２１へ電力を供給する場合は２次側のインバータ部で上記と同様に疑似正弦波を生成し、トランス８１の１次側８１Ａを全波整流回路して作用させることによって、上記と同様に端子８Ａ、端子８Ｂ間の電圧を調節することができるものである。

この動作により、共通線１６の電力により電池モジュール２１〜２５を個別に充電することができ、第２の実施形態と同様の作用効果が得られる。

このように、第３の実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ８は、バランス制御部１５の制御によってスイッチング素子をスイッチングすることにより、電池モジュール２１〜２５から共通線１６へ電力を供給するとともに、その逆方向へ電力を供給することも可能である。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５に代えて用いることにより、上記第１及び第２の実施形態で説明した動作を、一つの構成で実現できる。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を用いた構成では、電池モジュール２１〜２５の正極端子と負極端子との端子間電圧の高い電池モジュールは共通線へ放電させ、端子間電圧低い電池モジュールは共通線から充電させることができるように成るものである。すなわち電池モジュール間で電荷の不電と充電とが可能になり、電圧バランスを速やかに、かつ容易に調整できるものである。
［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態に係る充電回路部９の構成を示す図である。

充電回路部９は、それぞれコイル９０Ａ〜９０Ｆを備えた５つの充電回路９１〜９６と、これら各充電回路９１〜９６のコイル９０Ａ〜９０Ｆが電磁的に結合されるトランス９０とを備えて構成される。

充電回路部９は、図１に示した蓄電システム１において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５に代えて配設される。詳細には、充電回路９１は、共通線１６を介して電池システムの正極端子２６と負極端子２７とに接続され、充電回路９２〜９６は、それぞれ電池モジュール２１〜２５の正極端子と負極端子に接続される。

充電回路部９は、トランス９０を介して、充電回路９２〜９６から選択された一つ以上の充電回路を１次側とし、この１次側以外に充電回路９２〜９６から選択された一つ以上の充電回路を２次側として、１次側から２次側へ電力を供給する。これにより、電池モジュール２１〜２５の中から両端電圧の高い電池モジュールを選択して、この電池モジュールの電力により、他の１または複数の電池モジュールを充電できる。

また、充電回路部９は、トランス９０を介して充電回路９２〜９６から選択された一つ以上の充電回路と、充電回路９１とを電磁的に結合させることで、電池モジュール２１〜２５のうち両端電圧の低い電池モジュールを選択して共通線１６の電力で充電する動作、及び、電池モジュール２１〜２５のうち両端電圧の高い電池モジュールの電力により電池システム２全体を充電する動作を実行する。

充電回路９２〜９６の内部構成は共通であるため、ここでは充電回路９２についてのみ内部構成を図示及び説明する。

充電回路９２の端子９２Ａは、電池モジュール２１（図１）の正極端子３２に接続され、充電回路９２の端子９２Ｂは電池モジュール２１の負極端子３３に接続される。

充電回路９２は図６に示した１次側のインバータ部と同様の構成を、スイッチング素子ＴＲ３１〜ＴＲ３４、ダイオードＤ３１〜Ｄ３４、コンデンサＣ３１〜Ｃ３4を用いて単相ブリッジ状に結線して成している。コンデンサＣ３5は端子92Ａと端子92Ｂ間に接続され、夫々のノードＮ31、ノードＮ３２はトランス９０の２次側９０Ｂに接続されている。尚、92Ｃは開閉スイッチでありトランス９０の２次側90Ｂとこのインバータ部との電気的な接続を開閉するものある。このインバータ部の動作は前記インバータ部と同様であるため説明は省略する。

また、充電回路９１は図６に示した２次側のインバータ部と同様の構成を、スイッチング素子ＴＲ３５〜ＴＲ３８、ダイオードＤ３５〜Ｄ３８、コンデンサＣ３５〜Ｃ３８を用いて単相ブリッジ状に結線して成している。コンデンサＣ４２は端子9１Ａと端子9１Ｂ間に接続され、夫々のノードＮ3３、ノードＮ３４はトランス９０の１次側９０Ａに接続されてい BR>驕B尚、9１Ｃは開閉スイッチでありトランス９０の１次側90Ａとこのインバータ部との電気的な接続を開閉するものある。このインバータ部の動作は前記インバータ部と同様であるため説明は省略する。

充電回路９１は、１次側として機能する場合、スイッチング素子ＴＲ３５〜ＴＲ３８がＯＮ／ＯＦＦ制御されてトランス９０の１次側90Ａに疑似正弦波を供給し、充電回路９２が２次側として機能する場合、スイッチング素子ＴＲ３１〜ＴＲ３４がＯＦＦ制御されてコイル９０Ｂに流れる誘起電流がブリッジ状に接続されたダイオードＤ３１〜Ｄ３４により全波整流され、コンデンサＣ４１で平滑された後、直流電力として端子９２Ａ、９２Ｂから出力される。

充電回路９２は、１次側として機能する場合、スイッチング素子ＴＲ３１〜ＴＲ３４がＯＮ／ＯＦＦ制御されてトランス９０の２次側90Ｂに疑似正弦波を供給し、充電回路９１が２次側として機能する場合、スイッチング素子ＴＲ３５〜ＴＲ３８がＯＦＦ制御されてコイル９０Ａに流れる誘起電流がブリッジ状に接続されたダイオードＤ３５〜Ｄ３８により全波整流され、コンデンサＣ４２で平滑された後、直流電力として端子９１Ａ、９１Ｂから出力される。

トランス９０においては、コイル９０Ａ〜９０Ｆの全てが相互に電磁的結合可能であるため、コイル９０Ａ〜９０Ｆのうち１次側及び２次側として作動するコイルを選択するスイッチが設けられている。

すなわち、コイル９０Ａには、コイル９０Ａと充電回路９１とをつなぐ配線を開閉するスイッチ９１Ｃが設けられている。スイッチ９１Ｃはバランス制御部１５の制御によって開閉され、スイッチ９１Ｃが開いた状態ではコイル９０Ａが導通せず、充電回路９１は１次側としても２次側としても作動しない。同様に、コイル９０Ｂ〜９０Ｆの各々と充電回路９２〜９６とをつなぐ配線には、バランス制御部１５の制御により開閉されるスイッチ９２Ｃ〜９６Ｃが設けられ、これらスイッチ９２Ｃ〜９６Ｃが開かれると、対応する充電回路９２〜９６は１次側としても２次側としても作動しない。

バランス制御部１５は、充電回路９１〜９６のうち１次側として動作させる充電回路と、２次側として動作させる充電回路とを選択した場合、スイッチ９１Ｃ〜９６Ｃのうち、選択した充電回路とコイルとを繋ぐ配線に設けられたスイッチを閉じる。スイッチが閉じられた充電回路は１次側または２次側として作動可能になるので、バランス制御部１５が選択した充電回路のスイッチングを行うと、この充電回路が１次側として機能し、選択された他の充電回路が２次側として作動して電力が供給される。

このように、バランス制御部１５は、スイッチ９１Ｃ〜９６Ｃを適宜開閉することで、充電回路９２〜９６から任意の充電回路のみを作動させることができる。これにより、上記のように、電池モジュール２１〜２５の中から両端電圧の高い電池モジュールを選択して、この電池モジュールの電力により、他の１または複数の電池モジュールを充電することができる。また、電池モジュール２１〜２５のうち両端電圧の低い電池モジュールを選択して共通線１６の電力で充電することも、電池モジュール２１〜２５のうち両端電圧の高い電池モジュールの電力により電池システム２全体を充電することもできる。従って、バランス制御部１５の制御により、電圧バランスを速やかに、かつ容易に調整できる。

この構成により、第４の実施形態における充電回路部９を用いることで、バランス制御部１５の制御によってスイッチング素子をスイッチングすることにより、電池モジュール２１〜２５から共通線１６へ電力を供給するとともに、その逆方向へ電力を供給することも可能である。このため、充電回路部９を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５に代えて用いることにより、上記第１及び第２の実施形態で説明した動作を、一つの構成で実現できる。

また、夫々の電池モジュール２１〜２５の正極端子と負極端子との間の電圧が等しくなるように当該電圧が低い電池モジュールに対応する充電回路から当該電池モジュール２１〜２５へ充電を行うことで、電圧が低い電池モジュールに対して速やかに充電を行うことができ、電圧バランスを容易に調整できる。
［第５の実施形態］
図８は、本発明の第５の実施形態に係る蓄電システム１００の構成を示す図である。

蓄電システム１００は太陽光発電ユニット１０６を備えており、商用交流電源系統１０の電力に加えて、太陽光発電ユニット１０６が発電した電力によっても電池システム２を充電可能な構成となっている。

蓄電システム１００において、商用交流電源系統１０には分電盤１０２が接続され、分電盤１０２の下流に負荷１０４が接続されている。

太陽光発電ユニット１０６には分配器１０８が接続され、太陽光発電ユニット１０６で発電された電力はＤＣ／ＡＣコンバータ１１０及び／又は充電器１１２に分配して出力される。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１０は、太陽光発電ユニット１０６が出力した直流電流を、商用交流電源系統１０と同一またはほぼ同じ周波数の交流電力を得るに必要な電圧まで昇圧した後、これを交流電力に変換して、負荷１０４に供給する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１０から充電器１１２に対して、昇圧後の直流電力を出力することも可能である。

充電器１１２には、分配器１０８、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１０、及び、商用交流電源系統１０に接続された整流器１１４が接続されている。充電器１１２に対しては、分配器１０８から太陽光発電ユニット１０６が発電した直流電力がそのまま入力され、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１０からは昇圧された直流電力が入力され、整流器１１４からは商用交流電源系統１０を整流・平滑した直流電力が入力される。充電器１１２は、これら分配器１０８、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１０、及び充電器１１２から入力される直流電力によって電池システム２を充電する。

電池システム２の出力側は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１６を介して商用交流電源系統１０の分電盤１０２の下流側の配線に接続され、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１６とともにマグネットスイッチ１１８によって商用交流電源系統１０から解列可能である。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１６は、電池システム２に充電された電力を交流電流に変換して配線出力する。

この蓄電システム１００は、上記のように商用交流電源系統１０の電力及び太陽光発電ユニット１０６が発電した電力により電池システム２に充電する一方、負荷１０４の使用電力を、商用交流電源系統１０の電力、太陽光発電ユニット１０６が発電した電力、及び、電池システム２に充電された電力で賄う。

蓄電システム１００は、電池システム２からの放電を制御する制御装置１２０を備えている。制御装置１２０には、負荷１０４に流れる電流を検出する電流検出器１２２が接続され、電流検出器１２２により検出した電流に基づいて負荷１０４の使用電力量を算出し、この使用電力量に基づいてＤＣ／ＡＣコンバータ１１６を制御して、電池システム２からの放電（出力）を調整する。なお、電流検出器１２２は、図中に示すようにＤＣ／ＡＣコンバータ１１０から電流が入力される接続点と、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１６から電流が入力される接続点との間に設けた構成としたが、例えば、図中破線で示すように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１６から電流が入力される接続の下流に設けてもよい。

この蓄電システム１００において、電池システム２が備える各電池モジュール２１〜２５（図１）に上述したＤＣ／ＤＣコンバータ４１〜４５（図１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１〜６５（図４）、ＤＣ／ＤＣコンバータ８（図６）、或いは充電回路部９（図７）を設けて、各電池モジュール２１〜２５の電圧バランスを調整することができる。

上記第１〜第４の実施形態では商用交流電源系統１０の電力により電池システム２を充電する構成としたため、具体的には、電力料金の時間帯別料金契約や深夜電力契約に基づき電力料金の安価な時間帯に電池システム２を充電し、昼間等の使用電力量の多い時間帯に電池システム２から放電して使用電力を賄うことが可能である。

本第５の実施形態では、電力料金の安価な時間帯に商用交流電源系統１０により充電を行うとともに、他の時間帯においても太陽光発電ユニット１０６が発電した電力により電池システム２が充電される。このため、電池システム２は高頻度で充放電を行うことになり、電池システム２を構成する各電池モジュール２１〜２５の両端電圧にばらつきを生じやすい。このような構成において、上記第１〜第４の実施形態の構成を適用することで、各電池モジュール２１〜２５の電圧バランスを容易に調整可能となり、高頻度で電圧バランスを調整しても電力のロスや発熱の心配がない。これにより、より効率よく電力を蓄え、放電することが可能になり、電池システム２を利用した蓄電システムの効率向上を図ることができる。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、上記実施形態は具体的な適用例を示したもので、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、電池システム２を備えたシステムに、充放電制御部１４が放電スイッチ１３を開閉することにより直流負荷１８に直流電力を供給する構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、負荷の種類は任意であるし、ＤＣ／ＡＣコンバータやパワコンにより交流電流に変換して負荷に電力を供給する構成としてもよい。また、電池システム２の充電を制御するバランス制御部１５が、電圧バランス調整のために電池モジュール２１〜２５に供給される充電用電流の電流量を検出する構成としてもよく、この場合、バランス制御部１５は、電池モジュール２１〜２５に入力された電流に基づいて各電池モジュール２１〜２５への充電を制御してもよい。その他、電池モジュールの数、ＤＣ／ＤＣコンバータや充電回路部の具体的な回路構成、その周辺回路の細部構成等についても任意に変更可能であることは勿論である。

１、１Ａ、１００ 蓄電システム
２ 電池システム
８、４１〜４５、６１〜６５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ 充電回路部
１０ 商用交流電源系統
１１ 充電器
１５ バランス制御部（電圧検出器）
１６ 共通線
１８ 負荷
２１〜２５ 電池モジュール
２６ 正極端子
２７ 負極端子
３１ 電池セル
３２ 正極端子
３３ 負極端子
３４ コントローラ

Claims (8)

1. 複数の電池セルを収納し正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成した電池モジュールを電気的に複数個直列に接続した電池システムにおいて、
   これら直列に接続された複数個の電池モジュールの両端電極間に接続されこの複数個の電池モジュールを同時に充電する充電できるように成すと共に、
   夫々の前記電池モジュールの正極及び負極間の端子間電圧を検出する電圧検出器を備え、前記電圧検出器が検出する端子間電圧が他の電池モジュールの端子間電圧より高い前記電池モジュールから放電させた電荷を所定の電圧に昇圧して前記複数個の電池モジュールに同時に供給することを特徴とする電池システム。
2. 前記電池モジュールの夫々の正極及び負極間には正極端子と負極端子とを入力側とするＤＣ／ＤＣコンバータを設け、このＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された出力を前記複数個の電池モジュールに同時に供給することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
3. 複数の電池セルを収納し正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成した電池モジュールを電気的に複数個直列に接続した電池システムにおいて、これら直列に接続された複数個の電池モジュールの両端電極間に接続されたこの複数個の電池モジュールを同時に充電すると共に、
   各々の前記電池モジュールに正極及び負極間を１次側とするＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、夫々の電池モジュールの端子間電圧が他の電池モジュールの端子間電圧に比べ高い前記電池モジュールに対応するDC／DCコンバータを介して電池モジュールから放電させた電荷を所定の電圧に昇圧した後当該電池モジュールの端子間電圧より低い電圧の電池モジュールに印加することを特徴とする電池システム。
4. 夫々の前記電圧検出器が検出する端子間電圧の平均値もしくはこの平均値に基づいて求められる値、もしくは予め定められた値より高い端子間電圧を有する電池モジュールから電荷を放電することを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
5. 前記端子間電圧の低い電池モジュールに対応するDC／DCコンバータは前記端子間電圧の高い電池モジュールに対応するＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力を１次側として作動することを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
6. 夫々の前記電池モジュールの正極端子及び負極端子の端子間電圧から端子間電圧の平均電圧を求め、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力を供給している前記電池モジュールの正極端子及び負極端子間の電圧が設定値に近づくまで前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電池システム。
7. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは少なくとも１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスを用いて１次側と２次側とが絶縁されていることを特徴とする請求項６に記載の電池システム。
8. 複数の電池セルを組み合わせて電池モジュールを成し、この電池モジュールに設けた正極及び負極の端子を介して充放電可能に構成すると共に、この電池モジュールを複数個直列に接続した電池システムにおいて、
   夫々の前記電池モジュールの正極端子と負極端子とにつながる充電回路を有し、夫々の前記電池モジュールの正極端子と負極端子との間の電圧が等しくなるように当該電圧が低い前記電池モジュールに対応する充電回路から当該電池モジュールへ充電を行うことを特徴とする電池システム。