JP2012070487A - 二次電池充放電装置及び電力貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８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、蓄電部２の放電により二次電池Ｂ１〜Ｂ８を充電するときは、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４から選択したキャパシタを、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８から選択した二次電池と接続し、二次電池の放電により蓄電部を充電するときは、一の二次電池を複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４に順次接続して充電する工程を、各二次電池について順番に、かつ、繰り返し行う。
【選択図】図４

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８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、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、前記蓄電部の放電により前記二次電池を充電するときは、前記キャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続し、前記二次電池の放電により前記蓄電部を充電するときは、一の二次電池を前記キャパシタに接続して充電する工程を、各二次電池について順番に行う接続装置とを備えたものである。

上記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であり、二次電池ではない。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。例えば、二次電池を放電させるときは、二次電池を順番に使用することによって、残量の多少に関わらずそれぞれに放電の機会を与え、各電池を活用することができる。また、キャパシタから二次電池に充電するときは、二次電池を選択して接続することにより、各二次電池に対して自在に充電を行うことができる。

（２）また、本発明は、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、外部の変換装置と接続される蓄電部と、前記蓄電部の放電により前記二次電池を充電するときは、複数のキャパシタから選択したキャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続し、前記二次電池の放電により前記蓄電部を充電するときは、一の二次電池を複数のキャパシタに順次接続して充電する工程を、各二次電池について順番に行う接続装置とを備えたものである、とも言える。

上記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であり、二次電池ではない。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。例えば、二次電池を放電させるときは、二次電池を順番に使用することによって、残量の多少に関わらずそれぞれに放電の機会を与え、各電池を活用することができる。また、キャパシタから二次電池に充電するときは、二次電池を選択して接続することにより、各二次電池に対して自在に充電を行うことができる。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。

（３）また、上記（１）又は（２）の二次電池充放電装置において、接続装置は、工程を、各二次電池について順番に、かつ、繰り返し行うようにしてもよい。
この場合、各二次電池は周期的に放電を繰り返し、均等なペースで残量を減らしていく。すなわち、各電池の有する電気エネルギーを均等に使用することができる。

（４）また、上記（１）又は（２）の二次電池充放電装置において、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ってもよい。
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、選択して接続又は順番に接続することにより、問題なく使用することができる。

（５）また、上記（１）又は（２）の二次電池充放電装置において、複数の二次電池には、種類の異なる二次電池が含まれていてもよい。
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、選択して接続又は順番に接続することにより、問題なく使用することができる。

（６）また、上記（１）又は（２）の二次電池充放電装置において、二次電池と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ことが好ましい。
この場合、充放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。

（７）また、上記（１）又は（２）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むことが好ましい。
二次電池は選択され又は順番に使用されるので、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。

（８）また、上記（７）の二次電池充放電装置において、接続装置は、キャパシタとの接続用に使用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充電するときは、充電深度が相対的に低い二次電池を優先的に前記キャパシタに接続するようにしてもよい。
この場合、残量が少ない二次電池を充電して、当該二次電池を、放電用に使用できる状態に回復させることができる。

（９）また、上記（１）又は（２）の二次電池充放電装置において、二次電池と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ことが好ましい。
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。

（１０）また、上記（９）の二次電池充放電装置において、半導体スイッチング素子は、ＦＥＴであってもよい。
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最も優れている。

（１１）また、上記（９）又は（１０）の二次電池充放電装置において、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ことが好ましい。
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。

（１２）また、上記（１）又は（２）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ができる。
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。

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。 電池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。 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が用いられる。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。また、材料としては、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が好適である。
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。

次に、上記の二次電池充放電装置１の動作について説明する。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。
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、二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、選択されて又は順番に使用されるので、使用されていない二次電池がある。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５は、電池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、使用中の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電池情報の取得を繰り返し、情報を更新していく。電池情報は、制御装置４から外部の上位システム（図示せず。）に送信され、上位システムが二次電池充放電装置１に対して充電又は放電を指示する際の判断材料となる。また、充電深度すなわち電池としての残量は、二次電池充電に際して、どの二次電池を選択するかの選択基準となる。なお、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。

図６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、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。

まず、制御装置４は、現時点で電池が使用されているか、即ち、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８のいずれかがオンになっているか否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで、キャパシタ充電の開始当初は、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８は全てオフになっている。従って、制御装置４は、ステップＳ１３において、次の電池の接続を行う。ここで言う次の電池とは、二次電池Ｂ１〜Ｂ８のいずれかである。

具体的には、制御装置４は、次の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。そして、制御装置４は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオンにして、接続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、接続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、接続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、接続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。２回目以降は、既に電池が使用されているので、ステップＳ１１からステップＳ１２に進み、制御装置４は、現時点で使用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。続くステップＳ１３では、制御装置４は、予め定められた順番に従って、次の電池の接続を行う。それ以降のステップＳ１４〜Ｓ１７については、前述の場合と同様である。

このようにして、接続装置３は、予め定められた順番が例えば電池Ｂ１，Ｂ２，・・・Ｂ７，Ｂ８の順であるとすれば、電池Ｂ１でキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を順次充電する工程、電池Ｂ２でキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を順次充電する工程、・・・、電池Ｂ７でキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を順次充電する工程、電池Ｂ８でキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を順次充電する工程、というように、各工程を各二次電池について順番に行う。電池Ｂ８による充電の工程が終了すると、再び、電池Ｂ１による充電の工程に戻り、同様の処理が繰り返される。

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、前述の電池情報に基づいて、制御装置４は、充電用（充電対象）として最も充電深度が低い電池（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）。

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、残りの電池の中で充電深度が最も低い電池が選択されることになる。このようにして、残量の少ない電池が逐次選ばれる。なお、「残りの電池の中で充電深度が最も低い」というのは選択基準の一例であり、必ずしも最も低いものでなくてもよい。要するに、充電深度が相対的に低い電池を優先的に選択することで、残量の少ない電池を、放電用に選択できる状態に回復させることができる。

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。すなわち、二次電池を放電させるときは、二次電池を順番に使用することによって、残量の多少に関わらずそれぞれに放電の機会を与え、各電池を活用することができる。

また、接続装置３が、各工程を、各二次電池Ｂ１〜Ｂ８について順番に、かつ、繰り返し行うことにより、各二次電池は周期的に放電を繰り返し、均等なペースで残量を減らしていく。すなわち、各電池の有する電気エネルギーを均等に使用することができる。
一方、キャパシタから二次電池に充電するときは、二次電池を選択して接続することにより、各二次電池に対して自在に充電を行うことができる。

なお、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、選択して接続又は順番に接続することにより、問題なく使用することができる。キャパシタ充電時には順番に使用することにより、それぞれの電池を均等なペースで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、選択して接続又は順番に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、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又は順番が来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、キャパシタから二次電池を充電するとき、二次電池の選択は充電深度に基づいて行うものとし、これが好ましいが、ランダムに二次電池を選択して充電することも可能ではある。

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、複数ストリングごとに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７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
５：Ａ／Ｄコンバータ
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
ＳＢ１〜ＳＢ８，ＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４：スイッチ（半導体スイッチング素子）

Claims (12)

1. 複数の二次電池と、
   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、
   前記蓄電部の放電により前記二次電池を充電するときは、前記キャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続し、前記二次電池の放電により前記蓄電部を充電するときは、一の二次電池を前記キャパシタに接続して充電する工程を、各二次電池について順番に行う接続装置と
   を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
2. 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、外部の変換装置と接続される蓄電部と、
   前記蓄電部の放電により前記二次電池を充電するときは、複数のキャパシタから選択したキャパシタを、前記複数の二次電池から選択した二次電池と接続し、前記二次電池の放電により前記蓄電部を充電するときは、一の二次電池を複数のキャパシタに順次接続して充電する工程を、各二次電池について順番に行う接続装置と
   を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
3. 前記接続装置は、前記工程を、各二次電池について順番に、かつ、繰り返し行う請求項１又は２に記載の二次電池充放電装置。
4. 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。
5. 前記複数の二次電池には、種類の異なる二次電池が含まれる請求項１又は２に記載の二次電池充放電装置。
6. 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。
7. 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。
8. 前記接続装置は、前記キャパシタとの接続用に使用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充電するときは、充電深度が相対的に低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７記載の二次電池充放電装置。
9. 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。
10. 前記半導体スイッチング素子は、ＦＥＴである請求項９記載の二次電池充放電装置。
11. 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９又は１０に記載の二次電池充放電装置。
12. 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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