JP4352183B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ及び二次電池に代表される電源用蓄電セルを用いて構成される蓄電モジュールにおいて、各蓄電セルの電圧を均等化する方法及びその装置に関する。

キャパシタモジュールや二次電池モジュール等の蓄電モジュールは用途に応じた所望の電圧及び容量を実現するために複数個のセルを直列及び並列に接続して構成されている。
上述した蓄電モジュールにおいては繰り返し充放電を行ううちに、各セルの容量、内部抵抗、環境温度、自己放電率等のばらつきに起因するセル電圧のばらつきが発生する。そして、ばらつきが発生すると電圧の高くなったセルの劣化は加速され、最終的にそのセルは過充電及び過放電状態に陥り蓄電モジュール全体の寿命を著しく短縮させてしまう。
上述したモジュール内の各セルの電圧を均等化し、モジュールとしての劣化を防ぐ手法が種々提案されている。均等化手法の代表的なものとして、バイパス回路方式、インダクタを用いた均等化方式、トランスを用いた均等化方式、コンデンサを用いた均等化方式等が考案されている。

図１に示す回路は直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールであり、このモジュールの構成は３直列／３並列である。Ｂ１Ａ〜Ｂ４Ａ、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂ、Ｂ０Ｃ〜Ｂ３Ｃはセル、Ｓａ１〜Ｓａ８、Ｓｂ１〜Ｓｂ８は半導体スイッチを示しており、Ｓａ系統とＳｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることにより図２と図３に示すように、モジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれの間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。

特願２００６−２９８００６

しかしながら上述の回路による場合、図２においてはＢ４ＡとＢ０Ｃ、図３においてはＢ１ＡとＢ３Ｃのように、それぞれの接続状態において電気的に開放状態となるセルが存在するため、開放状態となる期間においてはそれらのセルは使用されないためセルの使用率は低くなる。

また上述のスイッチのオン／オフ動作を行う場合、Ｓａ系統とＳｂ系統の両方がオンするとセルがショート状態に陥ってしまうので、両系統のスイッチが同時にオンしないように図４中のｔ２およびｔ４に示すように両系統のスイッチ駆動信号が共にオフとなるデッドタイムを設ける必要がある。

このようなスイッチ駆動制御を行った場合、図２に示すＳａ系統オン／Ｓｂ系統オフの状態と図３に示すＳａ系統オフ／Ｓｂ系統オンの状態以外にデッドタイム時（ｔ２およびｔ４）において図５に示す両系統のスイッチがオフとなる接続状態が存在する。図２と図３の状態においては３直列／３並列の構成であるが、図５の状態においては１並列（その容量はｘ）の３直列構成となる。この状態においてはＢ１Ａ〜Ｂ４ＡとＢ０Ｃ〜Ｂ３Ｃが切り離されており、蓄電モジュールに流れる電流はＢ１Ｂ〜Ｂ３Ｂに集中するため、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂのセルにストレスがかかってしまう。またセルの容量に対する電流の比が大きくなるため、セルの内部抵抗に起因する電圧降下（ＩＲドロップ）も大きくなってしまう。このＩＲドロップは接続状態を切り替える度に発生するため、接続状態の切り替え周期に応じた大きなノイズが発生することになる。

上述のスイッチオン／オフ動作を行う場合、並列に接続されるセルとセルの電圧差が大きな場合、セル間に大きな横流れ電流が流れてセルやスイッチを損傷してしまう恐れがある。例えば、二つのセルが並列に接続された状態の等価回路を示した図６の場合、電圧がＢａとＢｂのセルａとセルｂの間にはセルの内部抵抗ｒａ、ｒｂとスイッチのオン抵抗ｒＡ、ｒＢにより制限される横流れ電流Ｉ＝（Ｂａ―Ｂｂ）／（ｒａ＋ｒｂ＋ｒＡ＋ｒＢ）が流れる。

本発明に係る蓄電モジュールは、ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続して構成したモジュールであり、各直列回路のセル及びセル群を異なる直列回路のセル及びセル群とを並列接続させる第１の接続状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで各直列回路のセル及びセル群を異なる直列回路のセル及びセル群とを並列接続させる第２の接続状態を切り替えるスイッチ群を備え、前記の第１と第２の接続状態を繰り返し切り替えることが出来ることを特徴とする。

上記において、第１の接続状態と第２の接続状態との間の切り替え前後においてモジュールを構成する各並列回路の合成容量値が変化しないよう、前記蓄電セル及び／又は蓄電セル群の容量値を選択することが望ましい。

前記蓄電セルはキャパシタ、二次電池、あるいはキャパシタと二次電池を混在させたハイブリッド型とすることができる。この場合、いずれの並列回路においてもその並列回路を構成するキャパシタセルと二次電池セルの容量比及び総容量が等しくなることが望ましい。

前記スイッチ群は、半導体スイッチから構成されるもの、あるいは機械式スイッチから構成されるものとすることができる。

前記蓄電モジュールにおいて、蓄電モジュールの接続状態を切り替える際に少なくとも２つ以上の直列回路が並列に接続された状態を維持するようにスイッチ群の駆動タイミングをずらしたスイッチ駆動手段を備えるようにすることができる。

さらに、本発明に係る蓄電モジュールは、ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続して構成したモジュールであり、各直列回路のセル及びセル群を異なる直列回路のセル及びセル群とを並列接続させる第１の接続状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで各直列回路のセル及びセル群を異なる直列回路のセル及びセル群とを並列接続させる第２の接続状態を切り替えるスイッチ群を備え、前記の第１と第２の接続状態を繰り返し切り替えることが出来るよう前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段を含むことを特徴とする。

上述の本発明の蓄電セルモジュールによれば、電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用蓄電セルを複数個直列及び並列に接続して構成された蓄電モジュール内の各セルをＦＥＴ、サイリスタ、フォトＭＯＳリレー等の半導体スイッチ（以下、「半導体スイッチ」という）を用いて均等化する方法であって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化することができる。

さらに、本発明に係る蓄電モジュールは、二次電池セルと電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用キャパシタセルから成る蓄電モジュール内の各セル電圧を半導体スイッチを用いて均等化する蓄電モジュールであって、蓄電モジュール内において直列及び並列接続されるセルの組み合わせを半導体スイッチを用いて切り替えることにより蓄電モジュール内の各セル間で相互充放電を行い、各セル電圧を均等化する蓄電モジュールであり、２つの接続状態のうちいずれの接続状態においてもモジュール内のいずれの並列回路においてもその並列回路を構成するキャパシタセルと二次電池セルの容量比及び総容量が等しい蓄電モジュールである。

この蓄電モジュールによれば、蓄電モジュール内における各セルの直列及び並列接続される組み合わせは２系統の半導体スイッチにより切り替えられ、各セルはいずれかのセルを介して間接的に全てのセルに並列接続されることになる。並列接続されるセル間に電圧ばらつきが生じている場合、互いのセル間において相互充放電が行われ、電圧ばらつきは均等化される。また、２つの接続状態のうちいずれの接続状態においてもモジュール内の全ての並列段が二次電池セルとキャパシタセルの両方を含むため、二次電池セルとキャパシタセルを並列に接続したハイブリッド蓄電モジュールを構成することが可能である。なお、上記各並列段において、いずれの並列段においてもその並列段を構成するキャパシタセルと二次電池セルの容量比及び総容量が等しいこととする。

本発明は前記蓄電モジュールの接続状態を切り替える際に少なくとも２つ以上の直列回路が並列に接続された状態を維持するようにスイッチ群の駆動タイミングをずらすことにより、蓄電モジュール内のある直列回路に電流が集中するのを防ぐことができる。これによりセルにかかるストレスを低減し、且つ、セルの内部抵抗に起因するＩＲドロップを小さくすることにより、接続状態を切り替える際に発生するノイズを低減することが可能となる。

また本発明は、各蓄電セルの電圧を計測する電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ群への入力信号を制御することにより、蓄電モジュール内の各セル間に流れる横流れ電流を制御することが可能となる。

また本発明は、蓄電モジュールを構成する半導体スイッチのうち、いずれかの１つの半導体スイッチがオープン故障しても均等化機能を維持することを特徴とする。前記蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のある半導体スイッチがオープン故障した場合、その半導体スイッチを介して並列接続されるセル間においては相互充放電による均等化は行えない。しかし別系統のスイッチ動作時には上記セルは別のセルに並列接続されるため相互充放電による均等化が可能となる。

さらに、本発明は、蓄電モジュール内のいずれか１つのセルがオープン故障しても均等化機能を維持することを特徴とする。前記蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のあるセルがオープン故障した場合、そのセルを含む並列段においてセルの並列接続数は減少するが並列接続内における相互充放電は可能であり、また半導体スイッチにより直列／並列接続が切り替えられた後においても相互充放電による均等化は可能である。

電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用セルを複数個直列及び並列に接続して構成された蓄電モジュール内の各セルを半導体スイッチのみを用いて均等化することが可能である。

接続状態に応じて回路から開放状態となるセルが存在しないため、セルの使用率を高くすることが可能となる。また、開放状態となるセルが存在するような回路構成の場合と比較して、セル数やスイッチ数を削減することが出来る。

接続状態を切り替える際においても１並列構成の状態になることがないため、電流が集中することにより発生するセルへのストレスを軽減することが可能となる。また、電流の集中を防ぐことによりセルの内部抵抗に起因するＩＲドロップを小さくすることができるので、接続状態の切り替えの際に発生するノイズを低減することが可能となる。

接続状態を切り替える際にセル間に流れる横流れ電流を制御することにより、電圧ばらつきの大きな状態においても接続状態の切り替えを行うことが可能となり、セルやスイッチの損傷を防止することができる。

図７は本発明のセル電圧均等化回路の第１の実施形態を示す回路図である。これは、蓄電セルとしての二次電池セルを用い、３つの直列回路を並列に接続した２並列−３並列−２並列の並列段より構成される３直列構成である。Ｂ１Ａ〜Ｂ２Ａ、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３Ｂ、Ｂ２Ｃ〜Ｂ３Ｃはセルであり、Ｂ１ＢとＢ３Ｂは容量が２ｘであるセルであり、他のセルの容量はｘである。Ｓａ１〜Ｓａ６、Ｓｂ１〜Ｓｂ６は半導体スイッチを示す。Ｓａ系統とＳｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれのセル間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。なお、ドライバを用いたオン／オフ動作は、一定周期でオンとオフを切り替えるよう動作させることができる他、経時変化や負荷変動などに応じてこの周期を変えるようにしてもよい。

図８にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＢ２ＢとＢ３Ｃ、Ｂ２ＡとＢ３Ｂ、Ｂ１ＢとＢ２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、２並列−３並列−２並列の並列段より構成される３直列構成のモジュールを構成している。この接続状態においてはいずれの並列段の合成容量も３ｘであり等しい。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。

図９にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＢ１Ｂ、Ｂ２ＡとＢ２ＢとＢ２Ｃ、Ｂ３ＢとＢ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、２並列−３並列−２並列の並列段より構成される３直列構成のモジュールを構成している。この接続状態においてはいずれの並列段の合成容量も３ｘであり等しい。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。

上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に２並列−３並列−２並列の並列段より構成される３直列構成を維持しつつ、且つ、いずれの並列段の合成容量も等しい（３ｘ）まま直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。

図１０は本発明のセル電圧均等化回路の第１の実施形態において、４つの直列回路を並列に接続して構成される場合の回路図である。図１１にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態、図１２にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図をそれぞれ示す。図１３は本発明のセル電圧均等化回路の第１の実施形態において、５つの直列回路を並列に接続して構成される場合の回路図である。図１４にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態、図１５にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図をそれぞれ示す。

いずれの構成のモジュールにおいても上述と同様のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、常に同じ構成を維持しつつ、且つ、いずれの並列段の合成容量も等しいまま直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。

上記の第１の実施形態の構成を一般化すると、ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続したものということができる。例えば、図７の回路はｎ＝３、ｍ＝１の場合の例であり、図１０の回路はｎ＝３、ｍ＝２の場合の例であり、図１３はｎ＝３、ｍ＝３の場合の例である。

図１６は本発明のセル電圧均等化回路の第２の実施形態を示す回路図である。これは、蓄電セルとしてキャパシタセルと二次電池セルが混在するハイブリッド型であり、二次電池セル×２セルとキャパシタセル×１セルから成る並列段が３つ直列接続された構成である。Ｂ１Ａ〜Ｂ２Ａ、Ｂ１ＢとＢ３Ｂ、Ｂ２Ｃ〜Ｂ３Ｃは容量ｘの二次電池セル、Ｃ１Ｂ〜Ｃ３Ｂは容量ｙのキャパシタセル、Ｓａ１〜Ｓａ６、Ｓｂ１〜Ｓｂ６は半導体スイッチを示す。また、この例では、Ｃ１ＢとＢ１Ｂが一つのセル群、Ｃ３ＢとＢ３Ｂが一つのセル群となる。

図１６において、Ｓａ系統とＳｂ系統で示される２系統の半導体スイッチをドライバを用いて交互にオン／オフすることによりモジュール内において並列接続されるセルの組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはそれぞれのセル間において相互充放電を行いセル電圧を均等化することが可能である。なお、ドライバを用いたオン／オフ動作は、一定周期でオンとオフを切り替えるよう動作させることができる他、経時変化や負荷変動などに応じてこの周期を変えるようにしてもよい。

図１７にＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＣ２ＢとＢ３Ｃ、Ｂ２ＡとＣ３ＢとＢ３Ｂ、Ｃ１ＢとＢ１ＢとＢ２Ｃがそれぞれ並列に接続されており、いずれの並列段も二次電池セル×２セルとキャパシタセル×１セルから成る３直列構成である。この接続状態においてはいずれの並列段の合成容量も２ｘ＋ｙであり等しい。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。

図１８にＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図を示す。この状態においてはＢ１ＡとＣ１ＢとＢ１Ｂ、Ｂ２ＡとＣ２ＢとＢ２Ｃ、Ｃ３ＢとＢ３ＢとＢ３Ｃがそれぞれ並列に接続されており、いずれの並列段も二次電池セル×２セルとキャパシタセル×１セルから成る３直列構成である。この接続状態においてはいずれの並列段の合成容量も２ｘ＋ｙであり等しい。並列接続されているセル間において電圧ばらつきが発生している場合はセル間で相互充放電が行われ、電圧ばらつきは解消される方向に向かう。

上述のスイッチのオンオフ動作の繰り返しにより、いずれの並列段も二次電池セル×２セルとキャパシタセル×１セルから成る３直列構成を維持しつつ、且つ、全ての並列段の合成容量は等しい（２ｘ＋ｙ）まま直列及び並列接続の組み合わせは切り替えられ、モジュール内の各セルはいずれかのセルを介して全てのセルに並列接続されることになり、並列接続されるセル間において相互充放電が行われ各セルの電圧は均等化される。

なお、図１６の回路は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続するという条件を満たしていれば、図１０や図１３に示すようなより多くのセルを含む回路に容易に拡張することができる。

図１９は本発明のスイッチ駆動制御方式の一実施形態を示す図である。蓄電モジュール内のスイッチ群をＳａ系統とＳｂ系統に分類する他、Ｂ１Ａ〜Ｂ２ＡとＢ１Ｂ〜Ｂ３Ｂを並列接続するスイッチ群をＡ系統、Ｂ１Ｂ〜Ｂ３ＢとＢ２Ｃ〜Ｂ３Ｃを並列接続するスイッチ群をＢ系統とする。蓄電モジュール内のスイッチ群は合計４系統に分類されている。そしてこれらのスイッチ群をドライバを用いて図２０に示すタイミングチャートのように駆動する。このタイミングチャートに従ってスイッチ群を駆動させた場合、スイッチの駆動状態に応じて図２１−１及び図２１−２にＣ１〜Ｃ８で示すの８つの接続状態が存在する。

Ｃ１の接続状態ではａ―Ａ系統とａ−Ｂ系統のスイッチ群が共にオンで、２並列−３並列−２並列の３直列構成であり、いずれの並列段の合成容量も３ｘであり等しい。次に、Ｃ１の状態からａ−Ｂ系統のスイッチ群をオフにするとＣ２の接続状態へと移行する。この場合、上段と中段の合成容量は２ｘであり下段の合成容量は３ｘである。次に、Ｃ２の状態からｂ−Ｂ系統のスイッチ群をオンにするとＣ３の接続状態へと移行する。この場合、上段の合成容量は２ｘ、中段の合成容量は３ｘ、下段の合成容量は４ｘである。次に、Ｃ３の状態からａ−Ａ系統のスイッチ群をオフにするとＣ４の接続状態へと移行する。この場合、上段と中段の合成容量は２ｘ、下段の合成容量は３ｘである。

次に、Ｃ４の状態からｂ−Ａ系統のスイッチ群をオンにするとＣ５の接続状態へと移行する。この場合、いずれの並列段の合成容量も３ｘであり等しい。次に、Ｃ５の状態からｂ−Ｂ系統のスイッチ群をオフにするとＣ６の接続状態へと移行する。この場合、上段の合成容量は３ｘ、中段と下段の合成容量は２ｘである。次に、Ｃ６の状態からａ−Ｂ系統のスイッチ群をオンにするとＣ７の接続状態へと移行する。この場合、上段の合成容量は４ｘ、中段の合成容量は３ｘ、下段の合成容量は２ｘである。次に、Ｃ７の状態からｂ−Ａ系統のスイッチ群をオフにするとＣ８の接続状態へと移行する。この場合、上段の合成容量は３ｘ、中段と下段の合成容量は２ｘである。次に、Ｃ８の状態からａ−Ａ系統のスイッチ群をオンにするとＣ１の接続状態へと再び戻る。

上述の図４のタイミングチャートを用いた場合、その期間ｔ２において、前述のように３直列を構成する各１並列の合成容量がｘとなる並列段が存在したが（図５参照）、上記の図２０のタイミングチャートを用いた場合は図２１のＣ１〜Ｃ８に示すように一連の接続状態切り替え動作の中で合成容量がｘとなる並列段が存在しないことからセルにかかるストレスを低減することが可能となる。またセルに対する電流の大きさの比が図８の場合よりも小さいため、セルの内部抵抗に起因するＩＲドロップを小さくすることができるので、接続状態の切り替えの際に発生するノイズを低減することが可能となる。

なお、図１９、図２０に示したスイッチ駆動制御方式は、図１０や図１３に示した回路にも適用できる。その場合は、例えば中央の直列回路よりも左側のスイッチ群をＡ系統、右側のスイッチ群をＢ系統というように分類すればよく、このようにすれば並列数が増えてもこのようにＡ系統、Ｂ系統という２系統について図１９、図２０に示したスイッチ駆動制御方式を適用できる。

図２２は図７に示した回路に、電圧検出回路、平均回路、減算回路、振幅調整回路を付加した実施形態を示しており、接続状態切り替えの際に並列に接続されるセル間に流れる横流れ電流を制御させる方法の一例である。

図２２の回路は、前述の２並列−３並列−２並列の並列段より構成される３直列構成の蓄電モジュールであり、モジュール内の各セルは電圧検出回路及び平均回路に接続されており、電圧検出回路は各セル電圧に応じた電圧信号を出力し、平均回路は各セル電圧の平均電圧に応じた電圧信号を出力する。電圧検出回路及び平均回路からの出力信号は減算回路に入力され、各セル電圧とセル電圧の平均電圧との差、つまり電圧ばらつきに応じた電圧信号が減算回路から出力される。減算回路からの出力信号は振幅調整回路に入力され、振幅調整回路は半導体スイッチを駆動させるドライバの出力信号の振幅を制御する。

図２３に示すように、半導体スイッチに流れる電流は半導体スイッチへの入力信号に依存する。つまり半導体スイッチへの入力信号を制御することにより、半導体スイッチに流れる電流を制御することができる。減算回路からの出力信号の大きさ、つまり各セル電圧のばらつき度合いに応じて半導体スイッチを駆動させるドライバの出力信号の振幅を調節することにより、半導体スイッチに流れる電流を制限する。以上の動作により、各セル間の電圧ばらつきが大きな場合は半導体スイッチに流れる横流れ電流を制御し、セルやスイッチが損傷するのを防ぐことが出来る。

本発明の蓄電モジュールにおいて用いられるセルは全て電気エネルギー貯蔵を目的とした電源用蓄電セルであり、複数個の蓄電セルを用いて蓄電モジュールを構成する。よってモジュール内のあるセルがオープン故障した場合やモジュール内のある半導体スイッチが故障した場合においても蓄電モジュールとしての機能は失われない。

本発明の蓄電モジュールを構成する半導体スイッチのうち、いずれかの１つの半導体スイッチがオープン故障した場合、その半導体スイッチを介して並列接続されるセル間では相互充放電による均等化は行えなくなる。しかし別系統のスイッチ動作時には上記セルは別のセルに並列接続されるため相互充放電による均等化が可能となる。ただし、２つ以上のスイッチが故障した場合などはモジュールから電気的に切り離されるセルが発生するケースがある。

図２４は、蓄電モジュール内のあるセルがオープン故障した場合について説明するための図である。モジュール内のあるセルがオープン故障した場合であっても、並列状態を切り替えることによって、すべてのセルの均等化を行うことが可能である。

本発明の蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のある１つのセルがオープン故障した場合、その故障したセルを含む並列段の合成容量は小さくなってしまう。しかし他のセルとの電気的な接続を阻害する故障ではないため、モジュール内の各セルは必ず１つ以上のその他のセルと並列接続されることになるので均等化機能は失われない。ただし、２つ以上のセルが故障した場合などは並列に接続される相手のいないセルが発生、もしくは故障セルのみにより構成される並列段などが発生するケースがある。

図２５乃至図２６は、半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図であり、図２５はＳａ系統、図２６はＳｂ系統のあるスイッチが故障した場合を示す。いずれの場合においても接続状態を切り替えることにより、すべての蓄電セルの均等化を行うことが可能である。

本発明の蓄電モジュールにおいて蓄電モジュール内のある１つの半導体スイッチがオープン故障した場合、その故障したスイッチを介して接続されるセルは均等化を行うことが出来ない。しかし別系統のスイッチ動作時には上記セルは別のセルに並列接続されるため相互充放電による均等化が可能となる。ただし、２つ以上のスイッチが故障した場合などはモジュールから電気的に切り離されるセルが発生するケースがある。

上記においてはセルという語句を用いて説明してきたが、単一のセルを意味する他に複数個のセルから構成されるセル群であっても適用可能である。
また上記においては半導体スイッチを用いることを前提として説明してきたが、図２２に示す横流れ電流を制御させる方法以外においては、スイッチの切り替え周期を十分遅くした場合などにおいてはパワーリレー等の応答速度の遅い機械式スイッチを用いて均等化を行うことも可能である。

本発明は、電気自動車用電源，UPS電源，パソコン用電源，モバイル機器用電源，飛行機を含む移動体用電源，家庭用電源，非常時用電源等に広く適用できる。

回路は直列／並列切り替え式均等化機能付き蓄電モジュールの一例を示した回路図である。 モジュール内において並列接続されるセルの組み合わせを切り替える様子を示した図である。 モジュール内において並列接続されるセルの組み合わせを切り替える様子を示した図である。 スイッチ駆動信号がオン／オフとなるタイミングを示したタイミングチャートである。 両系統のスイッチがオフとなった状態を示した図である。 二つのセルが並列に接続された状態の等価回路を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係るセル電圧均等化回路の一例を示す回路図である。 図７においてＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図である。 図７においてＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図である。 本発明の第１の実施形態において、４つの直列回路を並列に接続して構成した場合の回路図である。 図１０においてＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図である。 図１０においてＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図である。 本発明の第１の実施形態において、５つの直列回路を並列に接続して構成される場合の回路図である。 図１３においてＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図である。 図１３においてＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図である。 本発明の第２の実施形態に係るセル電圧均等化回路を示す回路図である。 図１６においてＳａ系統のスイッチがオン、Ｓｂ系統のスイッチがオフの状態の回路図である。 図１６においてＳａ系統のスイッチがオフ、Ｓｂ系統のスイッチがオンの状態の回路図である。 本発明の蓄電モジュールにおけるスイッチ駆動制御方式の一実施形態を示す図である。 ドライバを用いて蓄電モジュール内の４系統に分類されたスイッチ群を駆動するタイミングチャートである。 図２０のこのタイミングチャートに従ってスイッチ群を駆動させた場合の接続状態を説明するための図である。 図２０のこのタイミングチャートに従ってスイッチ群を駆動させた場合の接続状態を説明するための図である。 図７に示した回路に、電圧検出回路、平均回路、減算回路、振幅調整回路を付加した実施形態を示した回路図である。 半導体スイッチへの入力信号に対する半導体スイッチに流れる電流の依存関係を示したグラフである。 蓄電モジュール内のあるセルがオープン故障した場合について説明するための図である。 半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。 半導体スイッチがオープン故障した場合について説明するための図である。

Claims (6)

1. ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続して構成したモジュールであり、各直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群を、異なる直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群と並列接続させる第１の接続状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで各直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群を異なる直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群と並列接続させる第２の接続状態との間で切り替えるスイッチ群を備え、いずれの接続状態でも、開放状態となる蓄電セル及び蓄電セル群が存在することなくすべての蓄電セル及び蓄電セル群が蓄電セル及び蓄電セル群の電圧の均等化に寄与するよう構成され、前記の第１と第２の接続状態を繰り返し切り替えることが出来ることを特徴とする蓄電モジュール。
2. 第１の接続状態と第２の接続状態との間の切り替え前後においてモジュールを構成する各並列回路の合成容量値が変化しないよう、前記蓄電セル及び／又は蓄電セル群の容量値を選択したことを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記蓄電セルにキャパシタセル及び二次電池セルを用い、いずれの並列回路においてもその並列段を構成するキャパシタセルと二次電池セルの容量比及び総容量を等しくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記接続状態を切り替える際に、少なくとも２つ以上の直列回路が並列に接続された状態を維持するようにスイッチ群の駆動タイミングをずらすスイッチ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
5. 各蓄電セルの電圧を計測する電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ群への入力信号を制御することにより、各セル間に流れる横流れ電流を制御するスイッチ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
6. ｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個の直列回路と、ｎ−１個の蓄電セル及び／又は蓄電セル群を直列にしたｍ個又はｍ±１個の複数個（ただし並列数が４Ｌ−２個の場合は除く。Ｌは自然数）の直列回路をそれぞれ交互に並列接続して構成したモジュールであり、各直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群を異なる直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群と並列接続させる第１の接続状態と、前記第１の並列状態とは異なる組み合わせで各直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群を異なる直列回路の蓄電セル及び蓄電セル群と並列接続させる第２の接続状態を切り替えるスイッチ群を備え、さらに、前記の第１と第２の接続状態を繰り返し切り替えることが出来るよう前記スイッチ群を切り替えるスイッチ制御手段と、各蓄電セルの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出回路からの電圧の検出結果に基づいて、前記スイッチ制御手段の動作を制御する制御手段を含むことを特徴とする蓄電モジュール。

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