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JP4015126B2 - 直流電力供給システム - Google Patents

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JP4015126B2
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Description

本発明は、通信機器等の直流負荷に無瞬断で安定した電力を供給するリチウムイオン二次電池をバックアップ用に使用した電力供給システムに係り、特に、リチウムイオン二次電池の短絡、開放、過放電、過充電が生じた場合、これらを早期に検出し、組電池を保護する機能を有する直流電力供給システムに開する。
図7に、リチウムイオン二次電池を使用した従来の直流電力供給システムの構成を示す(特許文献1を参照)。図7に示すように、従来の電力供給システムは、商用電源101を直流電力に変換し,出力する直流電源102と、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nが直列接続されてなる組電池103と、組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に、それぞれ対応して設けられ、各リチウムイオン二次電池の電圧調整を行う電圧調整回路104−1〜104−nと、電池切離しスイッチ105と、電圧プローブ106と、制御部107とを有している。
制御部107と電池切離しスイッチ105、電圧調整回路104−1〜104nとの間は制御線108により接続されている。110は、直流負荷である。
直流負荷には、直流電源102または組電池103より直流電力が供給されるようになっている。
このように構成された直流電力供給システムにおいて、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池を充電する場合、全ての電池の容量あるいは内部抵抗が常に同じであればバランス良く充電できる。
しかしながら、実際には、電池の容量あるいは内部抵抗には若干のばらつきが存在する。
更に、初期において同じ内部抵抗であったとしても長期の充電により、時間が経過していくと電池の内部特性が変化し、電池の容量および内部抵抗も変化する。
その結果、各リチウムイオン二次電池のバランスが崩れ、組電池内のセル電圧にバラツキが発生する。
そこで、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池1a〜1nを充電する場合、各リチウムイオン二次電池1a〜1nに、電圧調整回路104−1〜104−nと、各電池の端子電圧の監視と電圧調整回路104−1〜104−nの制御を行う制御部102とを設け、任意の電池が充電完了電圧に達した場合、その充電完了したリチウムイオン二次電池に対応して設けられた電圧調整回路を動作させ、充電電流をバイパスさせ、全てのリチウムイオン二次電池が充電電圧に到達するまで一セル(電池)づつ充電することで、各リチウムイオン二次電池の充電電圧を均一にしている。
また、過充電、過放電の保護として、電池切離しスイッチ105を組電池103の充放電経路に直列に接続している。このスイッチは、組電池103を構成するリチウムイオン二次電池の保護のための回路切離しが主目的であり、任意のリチウムイオン二次電池の電圧が電池の安全上問題となる電圧(例.4.2V)まで上昇した際(過充電)、及び、電池の特性が回復不能なまでに劣化する電圧(例.3.0V)まで低下した際(過放電)に開放される。
特開2003−217675号公報
しかしながら、上述した従来の電力供給システムは、組電池103における任意のリチウムイオン二次電池が異常な電圧に到達した時点で電池切離しスイッチ105を開放するため、万が一、電池切離しスイッチ105が開放後に停電が発生しても放電経路が切離されているので、直流負荷110に電力を供給することができない。
一方、リチウムイオン二次電池は、電池容量を増加させるには、並列接続する必要がある。図7に示す従来の直流電力供給システムでは、電圧調整回路が各リチウムイオン二次電池について必要になる。
そこで、この電圧調整回路の数量を減らすために、並列接続した組電池毎に電圧調整回路を設けることが有効である。
しかし、このようにリチウムイオン二次電池(セルと記す。)を直並列に接続した場合、任意のセルが短絡すると、並列接続した組電池が全て完全放電し、異常な電圧に到達した時点で電池切離しスイッチを開放するため、万が一、スイッチ開放後に停電が発生しても放電経路が切離されているので、直流負荷に電力を供給することができないという問題が有った。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、直流電源の出力端に並列接続された、複数の二次電池の直列回路、もしくは複数の二次電池の直並列回路の任意のセルが短絡、開放、過充電、過放電等の異常状態になった場合にも障害を防止し得る直流電力供給システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、直流電源と、該直流電源の出力端に並列接続されてなる複数の二次電池の直列回路とを有し、前記直流電源の出力端より直流負荷に直流電力を供給する直流電力供給システムであって、前記直流電源の出力端と前記複数の二次電池の直列回路との間に接続される第1のスイッチ手段と、前記複数の二次電池に対し放電のみ許容する極性で前記第1のスイッチ手段に並列接続されるダイオードと、前記複数の二次電池の各々に、直列に接続される第2のスイッチ手段と、前記二次電池と第2のスイッチ手段との直列回路の各々に対して並列接続される第3のスイッチ手段と、前記複数の二次電池の各々の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記複数の二次電池の各々の端子電圧を調整する電圧調整手段と、前記電圧検出手段の検出出力に基づいて複数の二次電池のうち任意の二次電池に異常状態が発生したと判定した場合には、その異常状態の種別に応じて該異常状態の影響を除去するように前記第1、第2及び第3のスイッチ手段のオン、オフ状態を切換えるように制御する制御手段と、前記複数の二次電池の各々における充電時のバイパス電流を検出する電流検出手段を有し、前記制御手段は、前記複数の二次電池の各々のバイパス電流の電流値を検出して比較し、もっとも小さいバイパス電流に対する、他のバイパス電流の比が、予め決められた値以上の場合に異常と判定し、外部に異常状態を示す信号を出力することを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の直流電力供給システムにおいて、前記複数の二次電池の直列回路の各々の単一の二次電池の代わりに、均圧線で並列に接続した複数の二次電池に置換したことを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の直流電力供給システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路を前記直流電源で充電し、前記複数の二次電池のうち任意の二次電池が所定の充電電圧に到達した場合には、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の直流電力供給システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路から直流負荷への電力給電時に、前記複数の二次電池のうち任意の電池が所定の端子電圧まで低下した場合には、第2のスイッチ手段をオフ状態にし、かつ前記第3のスイッチ手段をオン状態とすることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の直流電力供給システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路を前記直流電源で充電中、前記複数の二次電池のうち任意の電池が短絡状態または開放状態となった場合、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の直流電力供給システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路から前記直流負荷への電力供給時に、前記複数の二次電池のうち任意の電池が短絡状態または開放状態となった場合、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、直流電源と、該直流電源の出力端に並列接続されてなる、複数の二次電池の直列回路、もしくは複数の二次電池の直並列回路とを有し、前記直流電源の出力端より直流負荷に直流電力を供給する直流電力供給システムであって、前記直流電源の出力端と前記複数の二次電池の直列回路もしくは直並列回路との間に接続される第1のスイッチ手段と、前記複数の二次電池に対し放電のみ許容する極性で前記第1のスイッチ手段に並列接続されるダイオードと、前記複数の二次電池の各々に、直列に接続される第2のスイッチ手段と、前記二次電池と第2のスイッチ手段との直列回路の各々に対して並列接続される第3のスイッチ手段と、前記複数の二次電池の各々の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記複数の二次電池の各々の端子電圧を調整する電圧調整手段と、前記電圧検出手段の検出出力に基づいて複数の二次電池のうち任意の二次電池に異常状態が発生したと判定した場合には、その異常状態の種別に応じて該異常状態の影響を除去するように前記第1、第2及び第3のスイッチ手段のオン、オフ状態を切換えるように制御する制御手段とを有するので、二次電池が短絡、開放、過充電、過放電状態になった際の直流電力供給システムの障害を未然に防止することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムの構成を図1に示す。同図において、本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムは、直流電源2と、該直流電源2の出力端に並列接続されてなる、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路とを有し、直流電源2の出力端より直流負荷3に直流電力を供給するようになっている。
また、直流電源2の出力端と複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路との間に接続される第1のスイッチ手段としてのIGBT5と、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nに対し放電のみ許容する極性でIGBT5に並列接続されるダイオード4と、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの各々に、直列に接続される第2のスイッチ手段としてのIGBT6と、単一のリチウムイオン二次電池とIGBT6との直列回路の各々に対して並列接続される第3のスイッチ手段としてのIGBT7と、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの各々の端子電圧を検出する電圧検出手段としての電圧プローブ10と、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの各々の端子電圧を調整する電圧調整手段としての電圧調整回路8と、制御手段としての制御部9とを有している。
制御部9は、電圧プローブ10の検出出力に基づいて複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nのうち任意のリチウムイオン二次電池に異常状態が発生したと判定した場合には、その異常状態の種別、すなわち、リチウムイオン二次電池の短絡、開放、過充電、過放電に応じてこれらの異常状態の影響を除去するようにIGBT5、6、7のオン、オフ状態を切換えるように制御する機能を有している。
制御部9は、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路を直流電源2で充電し、複数のリチウムイオン二次電池のうち任意のリチウムイオン二次電池が所定の充電電圧(例えば、充電完了とする規定電圧)に到達した場合には、IGBT5をオフ状態とするように制御する。
また、制御部9は、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路から直流負荷3への電力給電時に、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nのうち任意のリチウムイオン二次電池が所定の端子電圧(例えば、過放電となる規定電圧)まで低下した場合には、該二次電池と直列接続されているIGBT6をオフ状態にし、かつ所定の端子電圧まで低下した前記リチウムイオン二次電池とIGBT6の直列回路に並列接続されているIGBT7をオン状態とする。
さらに、制御部9は、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路を直流電源2で充電中、または、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路から直流負荷3への電力供給時に、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nのうち任意の電池が短絡状態または開放状態となった場合、IGBT5をオフ状態とする。
図1において、直流電源2は、交流の商用電力を直流に変換して直流負荷3に電力を供給している。
一方、停電時に無瞬断で直流負荷3に電力を供給できるように直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池1a〜1nがあり、これらのリチウムイオン二次電池1a〜1nは、リチウムイオン二次電池1a〜1nを充電するための充電手段である直流電源2の出力端に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池1a〜1nは、電圧プローブ10で各セル(リチウムイオン二次電池)の端子電圧をモニターする制御部9に接続され、充電完了電圧(例.4.1V)に到達したセルから順番に、制御部9は制御線12を介して信号を送出し、電圧調整回路8を動作させ各セルの端子電圧のバラツキを防止している。
この電圧調整回路8の具体的構成を図2に示す。同図において、電圧調整回路8は、リチウムイオン二次電池、例えば、1aに電流プローブ11を介して並列に接続された半導体スイッチ80と電流制限素子(例えば、抵抗)との直列回路と、コンパレータ82とを有している。
コンパレータ82は、リチウムイオン二次電池1aの端子間電圧と、リチウムイオン二次電池の満充電時の基準電圧とを比較し、リチウムイオン二次電池1aの端子間電圧が上記基準電圧に達したときに半導体スイッチをオン状態にする信号を出力する。
次に、上記構成からなる直流電力供給システムの動作を、図3を参照して説明する。リチウムイオン二次電池1a〜1nが直列に接続された組電池内の各セル(リチウムイオン二次電池)の端子電圧を監視し、電圧調整回路8の故障などで、充電中に任意のセル、例えば1nセルの電圧プローブ10でモニターしている端子電圧が規定値(例. 4.2V)になった際、即ち1nセル過充電検出時には、リチウムイオン二次電池1a〜1nと直列に接続されているIGBT5をオフ状態とし、組電池への充電電流の流入を防止する。
このように第1のスイッチ手段としてのIGBT5を非導通状態にし、万が一、停電が発生してもリチウムイオン二次電池1a〜1nと直列に接続したダイオード4を介して、直流負荷3に電力を供給することができる。
また、任意のセル、例えば1nセルが充電中及び放電中に短絡もしくは開放検出した際には、電圧プローブ10でモニターしている端子電圧が0Vになることから、リチウムイオン二次電池1a〜1nと直列に接続されているIGBT5をオフ状態とし、かつ1nセルに並列に接続されているIGBT7をオン状態とするとともに、1nセルに直列に接続されているIGBT7をオフ状態にすることで、上記同様、停電時の直流負荷3への電力供給を行うことができる。
ただし、この場合、短絡または開放した1nセルは、放電できないため、リチウムイオン二次電池1a〜1nから直流負荷3に電力供給できるバックアップ時間は減少するが、従来の直流電力供給システムのように電力供給の停止という事態は防ぐことができる。
ところで、第1のスイッチ手段としてのIGBT5を設けず、任意のセルが短絡もしくは開放した状態で組電池を充電すると、それまでV/n(V:組電池充電電圧、n:直列接続した電池の個数)で単セルあたり充電していたものが、V/(n−1)となり、単セルあたりの充電電圧が上昇し、電池の特性が大きく低下したり、安全弁が作動して使用不能となったりする恐れがある。
したがって、第1のスイッチ手段としてのIGBT5を設けて充電回路としての直流電源2を切離すことは、直流電力供給システムの安全を確保する上で重要な機能であることが分かる。
一方、停電などにより、リチウムイオン二次電池1a〜1nから直流負荷3に電力を供給する場合、リチウムイオン二次電池1a〜1nの電圧は低下していき、いずれは順番に全セルが規定値(例.3.0V)の電圧、即ち、過放電電圧に到達する。規定値(例.3.0V)の電圧に到達したセルについては、電池放電を停止しないと、電池の特性が回復不能なまでに劣化する恐れがある。
そこで、本電力供給システムでは、任意のセル、例えば1nセルが過放電電圧に到達した際には、電圧プローブ10でモニターしている端子電圧が3.0Vになったことを制御部9で検出次第、1nセルに並列に接続した第3のスイッチ手段としてのIGBT7をオン状態にし、かつ第2のスイッチ手段としてのIGBT6をオフ状態とし、その他のセルについても、規定値(例.3.0V)の電圧に到達次第、IGBT6をオフ状態、IGBT7をオン状態とするように制御し、各セル電圧が3.0V以下になるのを防止している。
この場合に、直流電源2、及びリチウムイオン二次電池1a〜1nは故障していないので、第1のスイッチ手段であるIGBT5はオン状態を維持し、商用電源1が回復次第、リチウムイオン二次電池1a〜1nを充電できるようにスタンバイしている。
これまでは、任意のセルが短絡、開放、過充電、過放電状態になった際の直流電力供給システムの動作について述べたが、上記の状態とは異なるモードでリチウムイオン二次電池1a〜1nが不具合を発生した場合の検出方法を以下に示す。
リチウムイオン二次電池1a〜1nは、特性にバラツキがなければ、電圧調整回路8の動作により、設定した充電電圧に各セルの端子電圧は均一化されるが、何らかの電池の不具合により、維持充電中、もしくは、回復充電中に電流プローブ11で計測した任意のセルのバイパス電流が、他のセルのバイパス電流と比べ非常に小さくなることが起こり得る。この状況を、図4を参照して説明する。
例えば、各セルのバイパス電流値が、リチウムイオン二次電池1aが6I、1bが5I、1cが7I、1nがIの電流値だとすると、1nセルの電圧調整回路8の半導体スイッチ80及び電流制限素子81の直列回路を含むバイパス路(図2参照。)に流れるバイパス電流値は他のセルの1/5以下と小さく、1nセルに充電電流が大きく流れていることになる。
これは、任意の1nセルの電圧低下により、各バイパス電流の大きさに差が生じたものである。従って、組電池を構成するすべてのリチウムイオン二次電池1a〜1bが正常であれば、バイパス電流値にこれ程の差は出ないので、1nセルの異常とみなし、外部に異常信号を送出する。なお、その際の制御部9における異常判定の閾値は、例えば、組電池の中で最もバイパス電流が小さいセルとその他のセルのバイパス電流の差を制御部9で比較し、最もバイパス電流が小さいセルが他のセルの1/5以下になった場合とするが、これに限らないことは勿論である。
次に、本発明の第2実施形態に係る直流電力供給システムの構成を図5に示す。
図5に示す第2実施形態に係る直流電力供給システムが図1に示した第1実施形態に係る直流電力供給システムと構成上、異なるのは、複数のリチウムイオン二次電池1a〜1nの直列回路の各々の単一のリチウムイオン二次電池の代わりに、均圧線で並列に接続した複数のリチウムイオン二次電池に置換したことであり、他の構成は同一であるので、同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図1に示した第1実施形態に係る直流電力供給システムの場合、複数個のリチウムイオン二次電池1a〜1nを直列に接続しているが、図5に示す第2実施形態に係る直流電力供給システムでは、例えば、1aの代わりに、電池容量を増加させるために、リチウムイオン二次電池1a、2a、3aを均圧線でつないで、並列に接続している。第1実施の形態における他のリチウムイオン二次電池1b〜1nについても同様である。
並列に接続されたリチウムイオン二次電池1a、2a、3aは均圧線により、各セルの電圧を均一化しているので、a組の電池は容量が3倍となった1個の電池と考えることができる。そのため、図5に示すように構成された直流電力供給システムの動作も図6に示すように、第1実施形態に係る直流電力供給システムの動作を示す図3と同様な動作になる。ただし、短絡時と開放時の制御部9の動作が図1に示した第1実施形態に係る直流電力供給システムと異なるので、以下に説明する。
図5に示す直流電力供給システムにおいて、任意のセル、例えば1nセルが短絡した際には、2nセル及び3nセルも1nセルを通して完全放電してしまうため、電圧プローブ10でモニターしているn組目の1nセル、2nセル、3nセルの並列回路の端子電圧は0Vになる。
従って、IGBT5をオフ状態とし、に並列に接続されているIGBT7をオン状態にするとともに、n組目の1nセル、2nセル、3nセルの並列回路にっ直列に接続されているIGBT6をオフ状態にすることで、停電時の直流負荷3への電力供給を行える状態を保つようにする。
一方、任意のセル、例えば1nセルが開放した際には、図1に示す第1実施形態に係る直流電力供給システムでは、電圧プローブ10でモニターしている1nセルの端子電圧が0Vになるが、図5に示す第2実施形態に係る直流電力供給システムでは、リチウムイオン二次電池2n、3nが並列接続されているため、セル1nが開放してもn組目の1nセル、2nセル、3nセルの並列回路の端子電圧は0Vにはならず、2nセル、3nセルの端子電圧になる。
そのため、制御部9は、図5に示すように直並列に接続されたリチウムイオン二次電池群1a〜1n、2a〜2n,3a〜3nと直列に接続されているIGBT5をオフ状態にし、かつ1nセルに並列に接続されているIGBT7をオフ状態にするとともに、1nセルに直列に接続されているIGBT6をオン状態にすることにより、停電時の直流負荷3への電力供給を行える状態を保つようにしている。
本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムの構成を示すブロック図。 図1に示した本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムにおける電圧調整回路の具体的構成を示すブロック図。 図1に示した本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムの動作状態を示す説明図。 本発明の実施形態に係る直流電力供給システムにおける各セルのバイパス電流の大きさを示す説明図。 本発明の第2実施形態に係る直流電力供給システムの構成を示すブロック図。 図5に示した本発明の第1実施形態に係る直流電力供給システムの動作状態を示す説明図。 従来の直流電力供給システムの構成を示すブロック図。
符号の説明
1a〜1n…リチウムイオン電池(セル)
2…直流電源
3…直流負荷
4…ダイオード
5、6、7…IGBT
8…電圧調整回路
9…制御部
10…電圧プローブ
11…電流プローブ
12…制御線
80…半導体スイッチ
81…電流制限素子
82…コンパレータ


Claims (6)

  1. 直流電源と、該直流電源の出力端に並列接続されてなる複数の二次電池の直列回路とを有し、前記直流電源の出力端より直流負荷に直流電力を供給する直流電力供給システムであって、
    前記直流電源の出力端と前記複数の二次電池の直列回路との間に接続される第1のスイッチ手段と、
    前記複数の二次電池に対し放電のみ許容する極性で前記第1のスイッチ手段に並列接続されるダイオードと、
    前記複数の二次電池の各々に、直列に接続される第2のスイッチ手段と、
    前記二次電池と第2のスイッチ手段との直列回路の各々に対して並列接続される第3のスイッチ手段と、
    前記複数の二次電池の各々の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記複数の二次電池の各々の端子電圧を調整する電圧調整手段と、
    前記電圧検出手段の検出出力に基づいて複数の二次電池のうち任意の二次電池に異常状態が発生したと判定した場合には、その異常状態の種別に応じて該異常状態の影響を除去するように前記第1、第2及び第3のスイッチ手段のオン、オフ状態を切換えるように制御する制御手段と、
    前記複数の二次電池の各々における充電時のバイパス電流を検出する電流検出手段を有し、
    前記制御手段は、前記複数の二次電池の各々のバイパス電流の電流値を検出して比較し、もっとも小さいバイパス電流に対する、他のバイパス電流の比が、予め決められた値以上の場合に異常と判定し、外部に異常状態を示す信号を出力する
    ことを特徴とする直流電力供給システム。
  2. 前記複数の二次電池の直列回路の各々の単一の二次電池の代わりに、均圧線で並列に接続した複数の二次電池に置換したことを特徴とする請求項1に記載の直流電力供給システム。
  3. 前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路を前記直流電源で充電し、前記複数の二次電池のうち任意の二次電池が所定の充電電圧に到達した場合には、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の直流電力供給システム。
  4. 前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路から直流負荷への電力給電時に、前記複数の二次電池のうち任意の電池が所定の端子電圧まで低下した場合には、第2のスイッチ手段をオフ状態にし、かつ前記第3のスイッチ手段をオン状態とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の直流電力供給システム。
  5. 前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路を前記直流電源で充電中、前記複数の二次電池のうち任意の電池が短絡状態または開放状態となった場合、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の直流電力供給システム。
  6. 前記制御手段は、前記複数の二次電池の直列回路から前記直流負荷への電力供給時に、前記複数の二次電池のうち任意の電池が短絡状態または開放状態となった場合、前記第1のスイッチ手段をオフ状態とすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の直流電力供給システム。
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