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JP6428107B2 - 蓄電装置、電子機器、電動車両および電力システム - Google Patents

蓄電装置、電子機器、電動車両および電力システム Download PDF

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Description

本開示は、蓄電装置並びに蓄電装置からの電力を利用する電子機器、電動車両および電力システムに関する。
近年では、リチウムイオン電池などの二次電池の用途が太陽電池、風力発電などの新エネルギーシステムと組み合わせた電力貯蔵用蓄電装置、自動車用蓄電池等に急速に拡大している。大出力を発生するために多数の蓄電素子例えば単位電池（単電池、セルとも呼ばれる。以下の説明では、電池セルと適宜称する。）を使用する場合、複数の蓄電モジュールを直列に接続する構成が採用される。蓄電モジュールは、複数個例えば４個の電池セルを並列および／または直列に接続して、電池ブロックを構成する。多数の電池ブロックが外装ケースに収納されて蓄電モジュール（組電池とも呼ばれる。）が構成される。
さらに、複数の蓄電モジュールを接続し、複数の蓄電モジュールに対して共通の制御装置を設ける電池システムが知られている。各蓄電モジュールがモジュールコントローラを有し、モジュールコントローラと制御装置との間で通信手段を介して通信する構成とされている。
複数の電池セルを使用する場合、電池セルの自己放電の相違等に起因して放電時に複数の電池セルの一つが使用下限電圧に到達しても、他の電池セルが未だ使用下限電圧に到達しないことがある。このような状態で、電池セルを再び充電すると、充分に充電することができない電池セルが生じ、電池セルの能力を充分に発揮させることができない問題が生じる。
このような複数の電池セル間のバラツキを補正するために、従来から電池セル間のバランスを制御することが行われている。さらに、特許文献１には、多数の電池セルを複数の直列セルグループに分割し、各セルグループにセル間電圧バランス補正回路を設けると共に、グループ間電圧バランス補正回路を設けることが記載されている。グループ間電圧バランス補正回路は、各セルグループの直列電圧をトランス・コイルとスイッチング回路を用いて形成される交流結合によってバランス補正させる構成とされている。
特許文献１に記載のグループ間電圧バランス補正回路を蓄電モジュールの電池群のバランスの補正に対して適用することができる。しかしながら、セルグループ毎にコイルが接続されているが、コイルは、共通の磁芯に巻かれている構成である。したがって、別々のケースに収納されている複数の蓄電モジュールに対して接続した場合には、コイルと磁芯とを別のケースに収納する必要がある。この別のトランス装置に対して複数の蓄電モジュールを接続するスター状配線を行うこととなり、蓄電モジュールの個数が増えた場合には、接続が複雑化する問題がある。
さらに、スイッチング回路が同相でオン・オフ動作するように制御されて電圧の均一化がなされるので、セルグループ毎に独立してスイッチング動作を制御することができないものであった。したがって、電圧が高い特定のセルグループから電圧が低い特定のセルグループに対して電力の移送を行うことができない問題があった。さらに、トランスの２次側に共通のコイルおよびスイッチング素子を設けた場合、このスイッチング素子に対して複数のセルグループの直列回路の合計の電圧が印加され、スイッチング素子の耐圧を確保することが難しい問題があった。
本願出願人は、特許文献２に記載のように、トランスを蓄電モジュールと別の装置として構成する必要がなく、スイッチング素子の耐圧の確保が容易な蓄電装置を提案している。特許文献２に記載の蓄電装置は、各モジュール毎にトランスとスイッチング素子とを設け、スイッチング素子のオン／オフを制御することによって、電圧が高いモジュールから電圧の低いモジュールに電荷を移動させることによって、モジュール間のバランスをとるようにしている。すなわち、高電圧側と低電圧側との電荷量の差を数回に分割して解消すくようにしている。
特開２００８−０３５６８０号公報 特開２０１３−０５１８５６号公報
リチウムイオン二次電池として、オリビン型正極材料例えばオリビン型リン酸鉄リチウムを使用したものが知られている。オリビン型リン酸鉄リチウムは、結晶構造か強固で、高温において熱安定性が高い利点有している。オリビン型正極を使用するリチウムイオン二次電池を使用したモジュールの場合、充放電カーブの傾斜が小さく、通常の充放電領域でのセルまたは組電池の電圧差が殆ど現れず、容量のバラツキによる電圧差および容量差は、極めて小さいものである。このようなオリビン型正極を使用するリチウムイオン二次電池を使用するモジュールの場合では、特許文献２に記載されているように、比較的長い周期で数回の電荷移動によって、均等化を行うことができない問題が認められた。
したがって、本開示は、オリビン型正極を使用するリチウムイオン二次電池を使用するモジュール間の均等化を行うことができる蓄電装置、電子機器、電動車両および電力システムの提供を目的とする。
本開示は、それぞれが１の複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
電池部とそれぞれ並列に接続される第１のコイルおよび第１のスイッチング素子からなる直列回路と、
第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルと、
第２のコイルと直列に接続される第２のスイッチング素子と、
複数の電池部に関連する複数の第２のコイルおよび第２のスイッチング素子の直列回路の両端に対して、第２のスイッチング素子の耐圧を超えない値に設定された電圧を共通に供給するために、共通電源ラインＣＬ＋および共通電源ラインＣＬ−の間に挿入されたコンデンサと、
複数の電池部の電圧を等しくするために、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子に対してコントロールパルス信号を供給する制御部とを備え、
複数の電池部の中で、最も電圧が高い第１の電池部と接続される第１および第２のスイッチング素子によって、第１の電池部から電力が取り出され、
複数の電池部の中で、最も電圧が低い第２の電池部と接続される第１および第２のスイッチング素子によって、第２の電池部に電力が供給され、
第１の電池部と第２の電池部との間の電圧差をなくすために必要な移動電荷量を１／１０以上に分割した電荷量を第１および第２のスイッチング素子のスイッチング動作によって転送するようになされ、
移動電荷量に応じて第１および第２のスイッチング素子のそれぞれのオン期間およびオフ期間が予め求められてテーブルとして構成されている蓄電装置である。
本開示は、上述した蓄電装置を有し、蓄電装置に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置である。
本開示は、上述した蓄電装置から、電力の供給を受ける電子機器である。
本開示は、上述した蓄電装置から、電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両である。
本開示は、他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、
送受信部が受信した情報に基づき、上述した蓄電装置の充放電制御を行う電力システムである。
本開示は、上述した蓄電装置から、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から蓄電装置に電力を供給する電力システムである。
本開示のモジュール間バランス回路は、モジュール間の電圧差をなくすために必要な移動電荷量を１／１０以上に分割した電荷量を転送するので、電圧差が小さい場合でもバランスをとることができる。
蓄電システムの一例のブロック図である。 蓄電モジュールの一例の分解斜視図である。 蓄電モジュールの一例の接続構成を示す接続図である。 蓄電システムの具体的構成を示すブロック図である。 モジュールコントローラの一例のブロック図である。 複数の蓄電モジュールを接続した蓄電システムの構成を示すブロック図である。 各蓄電モジュールの多層配線基板に対する部品の実装状態を示す略線図である。 絶縁部の回路構成を示す接続図である。 ２層配線基板および４層配線基板を説明するための断面図である。 プリント基板アンテナの具体例を説明するための略線図である。 ボトムバランスの必要性を説明するための略線図である。 アクティブボトムセルバランス動作を説明するための略線図である。 トップバランスの必要性を説明するための略線図である。 アクティブトップセルバランス動作を説明するための略線図である。 従来のアクティブボトムセルバランス回路の接続図である。 従来のアクティブボトムセルバランス回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 従来のアクティブトップセルバランス回路の接続図である。 従来のアクティブトップセルバランス回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 従来のモジュール間バランス回路の一例の接続図である。 モジュール間バランス回路の一例の接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例の接続図である。 スイッチの具体例を示す接続図である。 先に提案されているモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用の接続図である。 先に提案されているモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用のタイミングチャートである。 先に提案されているモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用のタイミングチャートである。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用の接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用のタイミングチャートである。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用のタイミングチャートである。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例の動作説明用のタイミングチャートである。 電荷の移動回数の電荷移動率の関係を示すグラフである。 本開示のモジュール間バランス回路の第１の例のことなる電圧を発生する構成を示す接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路の第２の例の接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路の第３の例の接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路を有する蓄電システムの一例のブロック図である。 本開示のモジュール間バランス回路の第４の例の接続図である。 本開示のモジュール間バランス回路を有する蓄電システムの応用例の第１の例のブロック図である。 本開示のモジュール間バランス回路を有する蓄電システムの応用例の第２の例のブロック図である。
以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
「蓄電システム」
大出力を発生するために多数の蓄電素子例えば電池セルを使用する場合、複数の蓄電ユニット（以下、蓄電モジュールと称する）を接続し、複数の蓄電モジュールに対して共通に制御装置を設ける構成が採用される。かかる構成を蓄電システムと称する。
蓄電モジュールは、複数の電池セルとコントローラとを組み合わせた単位である。図１に示すように、Ｎ個の蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤＮが直列に接続される。蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤＮが絶縁部ＩＳを介してインターフェースバスＢＳと接続されている。
さらに、各モジュールコントローラが全体の制御装置（以下、コントロールボックスと適宜称する。）ＩＣＮＴと接続され、コントロールボックスＩＣＮＴが充電管理、放電管理、劣化抑制等のための管理を行う。コントロールボックスＩＣＮＴは、マイクロコンピュータによって構成されている。
蓄電モジュール内のバス並びに蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤＮとコントロールボックスＩＣＮＴとを接続するバスＢＳとしては、シリアルインターフェースが使用される。シリアルインターフェースとしては、具体的にＳＭバス(System Management Bus)、ＣＡ
Ｎ(Controller Area Network)、ＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)等が使用される。例えばＩ２Ｃバスを使用することができる。Ｉ２Ｃバスは、ＳＣＬ（シリアルクロック）と双方向のＳＤＡ（シリアル・データ）の２本の信号線で通信を行う同期式のシリアル通信である。
各蓄電モジュールＭＯＤのモジュールコントローラＣＮＴとコントロールボックスＩＣＮＴとが通信を行う。すなわち、各蓄電モジュールの内部状態の情報、すなわち、電池情報をコントロールボックスＩＣＮＴが受け取り、各蓄電モジュールの充電処理および放電処理が管理される。コントロールボックスＩＣＮＴがＮ個の蓄電モジュールの直列接続の出力（Ｎ×５１．２Ｖ）を負荷に対して供給する。Ｎ＝１４の例では、出力が（１４×５１．２Ｖ＝７１６．８Ｖ）となる。
「蓄電モジュールの一例」
図２は、蓄電モジュールＭＯＤの機械的構成を示す斜視図である。蓄電モジュールＭＯＤの外装ケースは、板金加工された金属製の外装下ケース２ａおよび外装上ケース２ｂからなる。外装下ケース２ａおよび外装上ケース２ｂの材料としては、高い熱伝導率および輻射率を有する材料を用いることが好ましい。優れた筐体放熱性を得ることができ、ケース内の温度上昇を抑制することができる。例えば、外装下ケース２ａおよび外装上ケース２ｂの材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金または銅または銅合金である。ケースの背面には、蓄電モジュールＭＯＤに対して充放電のための外部正極端子３および外部負極端子４が設けられている。
さらに、蓄電モジュールＭＯＤの背面に電流遮断器５が設けられている。電流遮断器５を設けることで、安全性を向上することができる。さらに、ケース２内に配されている制御回路との間の通信用のコネクタ部６が設けられている。制御回路は、電池ユニットの温度の監視を行い、充電、放電等を制御するために設けられている。さらに、ケースの前面には、動作状態を示すＬＥＤ等の表示素子が設けられている。
ケースの外装下ケース２ａが箱状の構成を有し、その開口を覆うように、外装上ケース２ｂが設けられる。外装下ケース２ａの収納スペース内に、サブモジュールＡＳ１〜ＡＳ４が収納される。サブモジュールＡＳ１〜ＡＳ４をビス止め等により固定するために、外装下ケース２ａの底面に複数のボスが形成されている。サブモジュールＡＳ１〜ＡＳ４は、予めケースの外において組み立てられる。
各サブモジュールは、複数の電池ブロックを副収納ケースとしての絶縁性のケースによって一体化したものである。サブモジュールのケースとしては、プラスチック等のモールド部品を使用することができる。サブモジュールＡＳ１〜ＡＳ４は、内部の電池ブロックの正極端子および負極端子が露出しないように、複数の電池ブロックをケース内に収納するものである。
一つの電池ブロックは、例えば８本の円筒状リチウムイオン２次電池を並列接続したものである。サブモジュールＡＳ１およびＡＳ２は、それぞれ６個の電池ブロックを上ケースおよび下ケースによって一体化したものである。サブモジュールＡＳ３およびＡＳ４は、それぞれ２個の電池ブロックを上ケースおよび下ケースによって一体化したものである。したがって、合計（６＋６＋２＋２＝１６個）の電池ブロックが使用される。これらの電池ブロックが例えば直列に接続される。
サブモジュールＡＳ１〜ＡＳ４のそれぞれにおいて、電池ブロックを直列接続するために、接続用の金属板例えばバスバーが使用される。バスバーは、細長い棒状の金属である。バスバーには、電池ブロックから導出されている接続金属板等との接続のために複数の穴が形成されている。
図３に示すように、それぞれ８本の電池が並列に接続された電池ブロックＢ１〜Ｂ１６が直列に接続されている。８本の電池を並列接続することは８Ｐと称される。１６個の電池ブロックを直列に接続することは１６Ｓと称される。したがって、図３に示す各モジュールの電池部（電池ブロックグループと適宜称する）ＢＢは、８Ｐ１６Ｓの構成を有する
ものとされている。電池ブロックＢ１〜Ｂ１６は、それぞれ各蓄電モジュールの制御装置としてのモジュールコントローラＣＮＴに接続され、充放電が制御される。充放電は、外部正極端子３および外部負極端子４を介してなされる。例えば電池ブロックＢ１〜Ｂ６がサブモジュールＡＳ１に含まれており、電池ブロックＢ１１〜Ｂ１６がサブモジュールＡＳ２に含まれている。さらに、電池ブロックＢ７およびＢ１０がサブモジュールＡＳ３に含まれ、電池ブロックＢ８およびＢ９がサブモジュールＡＳ４に含まれる。
各電池ブロックの正負電極間の電圧等の情報がバス１０を介してモジュールコントローラＣＮＴに対して供給される。モジュールコントローラＣＮＴは、各電池ブロックの電圧、電流、および温度をモニタし、モニタした結果を電池情報として出力する。例えば一つの蓄電モジュールＭＯＤは、（１６×３．２Ｖ＝５１．２Ｖ）を出力する。
図４に、蓄電システムのより具体的な接続構成を示す。例えば４個の蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤ４が直列に接続される。この場合では、正極端子３（ＶＢ＋）および負極端子４（ＶＢ−）に取り出される合計の電圧が約２００Ｖである。各蓄電モジュールには、モジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴ４と電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ４とがそれぞれ含まれている。各電池ブロックグループは、例えば１６個の電池ブロックの直列接続である。
モジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴ４がバスを介して接続され、モジュールコントローラＣＮＴ４の通信端子がコントロールボックスＩＣＮＴに対して接続されている。コントロールボックスＩＣＮＴに対して、各モジュールコントローラからのモジュール毎の電圧等の情報が伝送される。コントロールボックスＩＣＮＴは、さらに、外部との通信が可能なように通信端子１１を有する。
「２次電池の一例について」
本開示の実施の形態において、使用される２次電池の一例は、正極活物質と、黒鉛等の炭素材料を負極活物質として含むリチウムイオン２次電池であり、正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有するものである。
オリビン構造を有する正極活物質としてさらに好ましくは、リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ4 ）、または、異種原子を含有するリチウム鉄複合リン酸化合物（ＬｉＦｅxＭ1-xＯ4 ：Ｍは１種類以上の金属、ｘは０＜ｘ＜１である。）が好ましい。ここで、「主体」とは、正極活物質層の正極活物質総質量の５０％以上を意味する。また、Ｍが２種以上の場合は、各々の下付数字の総和が１−ｘとなるように選定される。
Ｍとしては、遷移元素、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＡ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素等が挙げられる。特にコバルト（Ｃｏ），ニッケル，マンガン（Ｍｎ），鉄，アルミニウム，バナジウム（Ｖ），およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。
正極活物質は、リチウム鉄リン酸化合物またはリチウム鉄複合リン酸化合物の表面に、該酸化物とは異なる組成の金属酸化物（例えば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｌｉなどから選択されるもの）やリン酸化合物（例えば、リン酸リチウム等）等を含む被覆層が施されていてもよい。
リチウム（Ｌｉ）を吸蔵および放出することが可能な正極材料として、層状岩塩構造を有するコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ2）、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2O4）などのリチウム複合酸化物が使用されてもよい。
負極活物質として使用される黒鉛としては、特に限定はなく、業界において用いられる黒鉛材料を広く用いることができる。負極の材料として、チタン酸リチウム、シリコン（Ｓｉ）系材料、スズ（Ｓｎ）系材料等が使用されてもよい。
電池の電極の製造法としては、特に限定はなく、業界において用いられている方法を広く用いることができる。
本開示に用いられる電解液としては、特に限定はなく、液状、ゲル状を含み、業界において用いられる電解液を広く用いることができる。
正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有する２次電池を使用したモジュールの放電特性は、正極材料として、ＮＣＭ（ニッケルコバルトマンガン）を使用する２次電池を使用したモジュールの放電特性と相違している。正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有する２次電池のモジュールの場合、放電が進んでも電圧の低下が少ない。ＳＯＣが２０％〜８０％の範囲で電圧差が０．２Ｖ／セル以内である。一方、ＮＣＭを使用する２次電池を使用したモジュールの場合、放電の進行に伴い、電圧の低下の割合が大きい。
「モジュールコントローラの一例」
図５を参照してモジュールコントローラの構成の一例について説明する。モジュールコントローラＣＮＴは、直列に接続されたｎ個の電池ブロックＢ１〜Ｂｎの両端の電圧と、各電池ブロックの電圧を検出するようになされる。電池ブロックＢ１〜Ｂｎの両端の電圧と各電池ブロックの電圧を順次出力するマルチプレクサ１５が設けられている。
マルチプレクサ１５は、例えば、所定の制御信号に応じてチャネルを切り替え、ｎ個のアナログ電圧データの中から一のアナログ電圧データを選択する。マルチプレクサ１５によって選択された一のアナログ電圧データがＡ／Ｄコンバータ（図ではＡＤＣ(Analog to Digital Converter) と表記する）１６に供給される。
Ａ／Ｄコンバータ１６は、マルチプレクサ１５から供給されるアナログ電圧データをデジタル電圧データに変換する。例えばアナログ電圧データが１４〜１８ビットのデジタル電圧データに変換される。なお、Ａ／Ｄコンバータ１６の方式としては、逐次比較方式やΔΣ（デルタシグマ）方式など、種々の方式を使用できる。
Ａ／Ｄコンバータ１６からのデジタル電圧データが通信部１７に供給される。通信部１７は、制御部１８によって制御され、通信用端子１９ａおよび１９ｂを通じて接続される外部の装置との通信を行う。例えば通信用端子１９ａを通じて他のモジュールのモジュールコントローラとの通信を行い、通信用端子１９ｂを通じてコントロールボックスＩＣＮＴとの通信を行う。さらに、通信用端子１９ｂを通じてコントロールボックスＩＣＮＴからの制御信号をモジュールコントローラＣＮＴが受け取る。このように、通信部１７が双方向通信を行う。
さらに、制御部１８が電池ブロックの電圧の均一化を制御するようになされる。このような制御は、セルバランス制御と称される。例えば複数の電池ブロックＢ１〜Ｂｎの内で一つの電池ブロックが使用下限の放電電圧まで到達した場合、未だ容量が残っている他の電池ブロックが存在する。次に充電した場合に、容量が残っていた他の電池ブロックが速く充電上限電圧に到達してしまい、満充電まで充電できない。かかるアンバランスを避けるために、容量が残っている電池ブロックをＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)をオンさせることによって、強制的に放電するようになされる
。なお、セルバランス制御の方式は、上述したパッシブ方式に限らず、いわゆるアクティブ方式や他の様々な方式を適用できる。本開示におけるモジュール間バランス制御に関しては、後で詳細に説明する。
なお、上述したモジュールコントローラＣＮＴは、各電池ブロックの電圧をモニタし、検出した電圧をデジタル信号に変換してコントロールボックスＩＣＮＴに伝送するものである。電圧に加えて各電池ブロックの温度を検出し、温度をデジタルデータに変換し、コントロールボックスＩＣＮＴに対して伝送するようにしても良い。
モジュールコントローラＣＮＴに対する電源は、図５に示すように、電池ブロックＢ１〜Ｂｎから供給されている。しかしながら、電池ブロックＢ１〜Ｂｎを電源として使用すると、モジュールコントローラＣＮＴの消費電力が互いに等しくないために、モジュール間の電池ブロックＢ１〜Ｂｎの間の容量のバラツキが生じ、モジュール間アンバランスが発生する。この点からモジュールコントローラＣＮＴの電源は、電池ブロックＢ１〜Ｂｎを使用しないことが好ましい。
図５に示すモジュールコントローラＣＮＴにおいて、内側の破線で囲んで示すように、Ａ／Ｄコンバータ１６、通信部１７および制御部１８が低電圧例えば５Ｖの電源で動作することができる低電圧電源部である。本開示では、低電圧電源部に対する電源をコントロールボックスＩＣＮＴから供給するようになされる。電池ブロックＢ１〜Ｂｎから電源を供給すると、モジュールコントローラＣＮＴの消費電力の相違によって、モジュール間のバランスが崩れるおそれがある。本開示では、モジュールコントローラＣＮＴの低電圧電源部に対する電源をコントロールボックスＩＣＮＴから供給するので、かかる問題を生じない。
「本開示による蓄電システム」
ｎ個の蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤｎを有する蓄電システムに対して本開示を適用した構成を図６に示す。各蓄電モジュールが通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎと、絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎと、モジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴｎと、電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢｎとから構成されている。ｎ個の蓄電モジュールと、コントロールボックスＩＣＮＴとが接続される。接続のために、通信用ラインＬ１およびＬ２と、電源用ラインＬｐとが使用される。通信用ラインＬ１およびＬ２を通じてコントロールボックスＩＣＮＴと蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤｎとの間で双方向通信がなされる。通信方式として、例えばＣＡＮが使用される。最近では、ＣＡＮは、車載ＬＡＮとして使用されている。
各蓄電モジュールの通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎは、図５における通信部１７に対応する。したがって、図６におけるモジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴｎは、図５の構成に対して通信部１７を有しない構成である。但し、通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎと通信部１７の両者を設けてそれぞれが異なる機能を持つようにしても良い。電源用ラインＬｐを通じて例えば＋５Ｖの電源電圧が各蓄電モジュールの低電圧電源部の電源として供給される。
絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎは、通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎとモジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴｎとの間を絶縁する機能を有する。すなわち、通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎの電源の基準電位と、モジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴｎの電源の基準電位とが分離され、独立したものとされる。さらに、絶縁した状態において、絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎは、電源電圧をモジュールコントローラＣＮＴ１〜ＣＮＴｎに対して供給する機能と、双方向通信の伝送媒体としての機能とを備えている。
一例として、コントロールボックスＩＣＮＴおよび通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎの電源電圧が０〜＋５Ｖとされる。蓄電モジュールＭＯＤ１のモジュールコントローラＣＮＴ１の電源電圧が０〜＋５Ｖとされ、蓄電モジュールＭＯＤ２のモジュールコントローラＣＮＴ２の電源電圧が＋５０Ｖ〜＋５５Ｖとされ、蓄電モジュールＭＯＤｎのモジュールコントローラＣＮＴｎの電源電圧が（＋５０×ｎ）Ｖ〜（＋５０×ｎ）＋５Ｖとされる。
「絶縁部」
絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎを通じてなされる双方向通信方式としては、ＣＡＮの規格を使用できる。絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎを通じてなされる電力伝送方式としては、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波受信方式等を使用することができる。
本開示では、非接触ICカード技術を使用する。非接触ICカード技術は、リーダー／ライターのアンテナコイルとカードのアンテナコイルを磁束結合させて、リーダー／ライターとカード間で通信および電力伝送を行う。通信は、１３．５６ｋHzの周波数の搬送波をＡＳＫ(Amplitude Shift Keying)変調する方式を利用し、２１２もしくは４２４ｋbps の速度が行われる。絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎは、上記非接触ICカード方式と同様の仕様にしている。さらに、絶縁部ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎは、多層プリント基板の異なる層に形成したアンテナ（コイル）間で通信および電力伝送を行うようになされる。
図７に示すように、多層プリント基板２１上にコントロールボックスＩＣＮＴを構成するＭＰＵ(MicroProcessing Unit)、非接触ICカード方式のリーダー／ライター側のＬＳＩ(Large Scale Integrated Circuit ：大規模集積回路) ２２がマウントされている。さらに、プリント基板アンテナ２３および２４、非接触ICカード方式のカード側のＬＳＩ２５、並びにモジュールコントローラＣＮＴが多層プリント基板２１上にマウントされている。
図８に概念的に示すように、非接触ICカード方式においては、リーダー／ライター部２６のアンテナ２３から例えば搬送波振幅が２〜１３Ｖopで、変調度が１０％程度のカード部２７に対する送信信号が形成される。送信信号がアンテナ２３からカード部２７のアンテナ２４に送信される。アンテナ２４において、受信された信号は、例えば搬送波振幅が２〜１３Ｖopで、変調度が１０％程度の高周波信号である。受信した信号を平滑化することによって、カード部２７における電源が形成される。カード部２７における消費電力は、充分小さいものである。
プリント基板アンテナの一例について説明する。アンテナが導電パターンとして形成される多層プリント基板２１としては、図９Ａに示すように、４個の配線層ＬＹ１〜ＬＹ４を有する４層プリント基板が使用される。または図９Ｂに示すように、２個の配線層ＬＹ１１、ＬＹ１２を有する２層プリント基板が使用される。
図１０Ａに示すように、１次側（リーダー／ライター側）のアンテナ２３が渦巻き状パターン３１ａ、直線状パターン３１ｂおよび直線状パターン３１ｃによって形成される。４層プリント基板の第４の配線層ＬＹ４上に渦巻き状のパターン３１ａが形成され、パターン３１ａの中心部の端部がランドおよびスルーホールを介して第３の配線層ＬＹ３のランド３２ａに接続される。ランド３２ａからランド３２ｂの間に直線状のパターン３１ｂが形成される。ランド３２ｂがスルーホールおよび第３の配線層ＬＹ３のランドを介して直線状のパターン３１ｃに接続される。パターン３１ａおよび３１ｃの端部が図示しないコネクタに接続される。
図１０Ｂに示すように、２次側（カード側）のアンテナ２４が渦巻き状パターン４１ａ、直線状パターン４１ｂ、直線状パターン４１ｃおよび直線状パターン４１ｄによって形成される。コネクタ（図示しない）と一端が接続された渦巻き状のパターン４１ａが４層プリント基板の第１の配線層ＬＹ１に形成される。ランド４２ａ、スルーホールおよび第２の配線層ＬＹ２のランドを介して直線状のパターン４１ｂと接続される。パターン４１ｂの一端がランド４２ｂ、スルーホールを介して第１の配線層ＬＹ１のランドと接続される。直線状のパターン４１ｃの一端がこの第１の配線層ＬＹ１のランドと接続される。直線状のパターン４１ｃの他端がコネクタ（図示せず）と接続される。さらに、渦巻き状のパターン４１ａと接続されたランド４２ｃに対して直線状のパターン４１ｄの一端が接続される。直線状のパターン４１ｄの他端が基準電位点に接続される。
パターンが交差する場合には、異なる配線層のパターンによってプリント基板アンテナが構成されている。異なる配線層間を接続するために、スルーホールとランドが使用される。その結果、第４の配線層に図１０Ａに示すように、不要なランド３２ｃ、３２ｄが発生し、第１の配線層に不要なランド４２ｄが発生する。
上述したパターンをプリント基板の他の配線層に形成するのに代えて、ジャンパー線を使用するようにしても良い。すなわち、図１０Ａにおけるパターン３１ｂ、並びに図１０Ｂにおけるパターン４１ｂおよび４１ｄの代わりにジャンパー線が使用される。この場合には、２層プリント基板を使用でき、スルーホールを形成することが不要となり、不要なランドが発生することを防止することができる。スルーホールを形成しないことによって、プリント基板の絶縁耐圧をより高くすることが可能となる。
本開示の絶縁部は、１次側アンテナと２次側アンテナとの間の絶縁をプリント基板によって行っている。したがって、本開示の絶縁部においては、直流絶縁電圧として１０００Ｖ以上が可能となる。さらに、双方向通信および電力伝送が可能な利点があり、コストを低くすることができる。
「セルバランスについて」
本開示では、上述した複数の蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤｎ間の電圧バランス（以下、単にモジュールバランスと称する）を制御するものである。すなわち、モジュール間バランスの制御によって、各蓄電モジュールの出力電圧が均一化される。通常、各蓄電モジュールには、多数の電池セルが含まれているので、蓄電モジュール内の電池セル間の電圧バランス（以下、単にセルバランスと称する）に比較して蓄電モジュール間のバラツキが大きくなる。したがって、蓄電モジュール内のセルバランスの制御を行うにしても、モジュールバランス制御を行うことが有意義である。
本開示の説明に先立って一般的なセルバランス制御について説明する。図１１に示すように、３個の電池セルＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３間のセルバランスを検討する。最初は、図１１Ａに示すように、全ての電池セルが満充電されているものとする。次に、図１１Ｂに示すように、電池セルが放電して放電量にバラツキが発生し、電池セルＢＴ１の電圧が破線で示す使用下限電圧に達したとする。電池セル間のバラツキによって、他の電池セルＢＴ２およびＢＴ３は、未だ使用下限電圧には到達していない。例えば自己放電量の相違が電池セル間の放電量のバラツキの原因である。
この状態で充電を開始すると、電池セルＢＴ１の電圧が使用下限電圧に達した時点が残っている容量が最も多い電池セルＢＴ２が最初に満容量に達する。この時点では、図１１Ｃに示すように、電池セルＢＴ１は、満充電まで充電されない。したがって、満充電であれば、放電量Ｃ１を放電できたのが、放電量Ｃ２に放電できる量が減少してしまう。
この問題を解決するために、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、電池セルＢＴ１が使用下限電圧に到達した時点で最も容量が残っている（最高電位）電池セルＢＴ２から他の容量が最も少ない（最低電位）電池セルＢＴ１に電力を移して残っている容量をほぼ等しいものとする。そして、電池セルＢＴ１、ＢＴ２およびＢＴ３を充電することによって、３個の電池セルをほぼ満充電電圧まで充電できる。実際には、複数回の処理を繰り返し行うようになされる。
このような制御は、アクティブボトムセルバランス制御と称される。ボトムセルバランス制御によって放電できる量の減少を防止することができる。図１２Ａに示す状態で、最も電位の低い電池セルＢＴ１と電位を合わせるように、電池セルＢＴ２およびＢＴ３を放電する方式は、パッシブボトムセルバランス制御と称される。パッシブ方式に比較してアクティブ方式の方が容量を有効に利用することができるので好ましい。
図１３および図１４を参照してアクティブトップバランス制御について説明する。最初は、図１３Ａに示すように、全ての電池セルが満充電されているものとする。次に、図１３Ｂに示すように、電池セルが放電したとする。
そして充電を開始すると、図１３Ｃに示すように、電池セルＢＴ２の電圧が最初に使用上限電圧に達する。この時点では、電池セルＢＴ１およびＢＴ３の電圧は、使用上限電圧まで達していない。したがって、充電量Ｃ１１（図１３Ａ）に対して、充電量がＣ１２で示すように減少してしまう。
この問題を解決するために、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、電池セルＢＴ２が使用上限電圧に到達した時点で最も容量が多い（最高電位）電池セルＢＴ２から他の容量が最も少ない（最低電位）電池セルＢＴ１に電力を移して残っている容量をほぼ等しいものとする。そして、電池セルＢＴ１、ＢＴ２およびＢＴ３を充電することによって、３個の電池セルをほぼ満充電電圧まで充電できる。実際には、複数回の処理を繰り返し行うようになされる。
このような制御は、アクティブトップセルバランス制御と称される。トップセルバランス制御によって充電できる量の減少を防止することができる。図１４Ａに示す状態で、最も電位の低い電池セルＢＴ１と電位を合わせるように、電池セルＢＴ２およびＢＴ３を放電する方式は、パッシブトップセルバランス制御と称される。パッシブ方式に比較してアクティブ方式の方が容量を有効に利用することができるので好ましい。
「従来のセルバランス制御回路」
図１５および図１６を参照してフライバックトランスを使用する従来のアクティブボトムセルバランス回路の一例について説明する。各電池セルの正極および負極と１次側コイルＷ１〜Ｗ６の両端が接続される。６個の電池セルＢＴ１〜ＢＴ６の直列接続の正極および負極と２次側コイルＷ０の両端が接続される。さらに、共通の磁芯Ｍが設けられている。さらに、２次側コイルＷ０と直列に２次側スイッチＳ０が接続され、１次側コイルＷ１〜Ｗ６のそれぞれと直列に１次側スイッチＳ１〜Ｓ６が接続される。スイッチＳ０〜Ｓ６は、例えばＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)ＦＥＴによって構成される。
図１６は、図１５に示すアクティブボトムセルバランス回路の動作のタイミングチャートである。一例として、図示しないモニタ部によって電池セルＢＴ１〜ＢＴ６の各電圧が検出され、電池セルＢＴ２の電圧が最も低いと検出される。この場合では、他の電池セルから電池セルＢＴ２に対して電力が移動される。まず、図１５Ａおよび図１６Ａに示すように、スイッチＳ０がオンとされ、コイルＷ０に図１６Ｃに示すように、電流Ｉ１が流れ、磁芯Ｍが磁化される。
次に、図１５Ｂおよび図１６Ｂに示すように、コイルＷ２と直列接続された１次側スイッチＳ２がオンされると共に、図１６Ａに示すように、２次側スイッチＳ０がオフされる。磁芯Ｍの電磁エネルギーが放出され、１次側コイルＷ２に図１６Ｄに示すように、電流Ｉ２が流れる。この電流Ｉ２が電池セルＢＴ２に流れ、電池セルＢＴ２が充電される。
その後、１次側スイッチＳ２が図１６Ｂに示すように、オフとされる。さらに、所定時間のポーズ時間が後に続く。以上の２次側スイッチＳ０のオン期間、１次側スイッチＳ２のオン期間およびポーズ期間がサイクル周期とされて、動作が繰り返される。
図１７および図１８を参照して従来のアクティブトップセルバランス回路の一例について説明する。各電池セルの正極および負極と１次側コイルＷ１〜Ｗ６の両端が接続される。６個の電池セルＢＴ１〜ＢＴ６の直列接続の正極および負極と２次側コイルＷ０の両端が接続される。さらに、共通の磁芯Ｍが設けられている。さらに、１次側コイルＷ１〜Ｗ６のそれぞれと直列に１次側スイッチＳ１〜Ｓ６が接続され、２次側コイルＷ０と直列に２次側スイッチＳ０が接続され、スイッチＳ０〜Ｓ６は、例えばＭＯＳＦＥＴによって構成される。
図１８は、図１７に示すアクティブトップセルバランス回路の動作のタイミングチャートである。一例として、図示しないモニタ部によって電池セルＢＴ１〜ＢＴ６の各電圧が検出され、電池セルＢＴ５の電圧が最も高いと検出される。この場合では、電池セルＢＴ５から他の電池セルに対して電力が移動される。まず、図１７Ａおよび図１８Ｂに示すように、スイッチＳ５がオンとされ、コイルＷ５に図１８Ｄに示すように、電流Ｉ１が流れ、磁芯Ｍが磁化される。
次に、図１７Ｂおよび図１８Ａに示すように、２次側スイッチＳ０がオンされると共に、図１８Ｂに示すように、１２側スイッチＳ５がオフされる。磁芯Ｍの電磁エネルギーによって、２次側コイルＷ０に図１８Ｃに示すように、電流Ｉ２が流れる。この電流Ｉ２が電池セルＢＴ１〜ＢＴ６の直列接続に流れ、各電池セルに電力が分配される。
その後、２次側スイッチＳ０が図１８Ａに示すように、オフとされる。さらに、所定時間のポーズ時間が後に続く。以上の１次側スイッチＳ５のオン期間、２次側スイッチＳ０のオン期間およびポーズ期間がサイクル周期とされて、動作が繰り返される。
「従来のモジュール間バランス回路」
上述した従来のバランス回路は、電池セルに関するものであり、図１〜図６を参照して説明したモジュール間バランスに適用した場合、問題が生じる。なお、モジュール間バランスは、各蓄電モジュール内の複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる電池部の電圧のバランスのことである。通常、モジュール間アンバランスの方がモジュール内のアンバランスに比して大きな値となる。蓄電モジュール毎のバランス制御を行った結果として、モジュール間のアンバランスを解消することも可能であるが、処理に要する時間が長くなる。但し、モジュール間バランス制御と上述した従来のセルバランス制御を併用しても良い。この場合では、一例として、モジュール間バランス制御が先になされ、その後、モジュール内のバランス制御がなされる。
従来のセルバランス回路をそのままアクティブモジュール間バランス回路に適用した構成を図１９に示す。例えば１４個のモジュール間のバランス制御がなされる。電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４が直列接続される。各電池ブロックグループは、８個の電池セルが並列接続され、８個の電池セルの並列接続（電池ブロック）が１６個直列接続された構成（所謂（８Ｐ１６Ｓ））を有する。例えば一つの電池ブロックグループが（３．２Ｖ×１６＝５１．２Ｖ）の電圧を発生する。したがって、１４個の電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４が直列接続は、（５１．２Ｖ×１４＝７１６．８Ｖ）の電圧を発生する。
１４個の電池ブロックグループの直列接続の正極側および負極側と２次側コイルＷ０の両端が接続される。さらに、共通の磁芯Ｍが設けられている。さらに、２次側コイルＷ０と直列に２次側スイッチＳ０が接続され、１次側コイルＷ１〜Ｗ１４のそれぞれと直列に１次側スイッチＳ１〜Ｓ１４が接続される。スイッチＳ０〜Ｓ１４は、例えばＭＯＳＦＥＴによって構成される。
図１９の構成におけるアクティブボトムセルバランス動作は、スイッチＳ０をオンとし、２次側コイルＷ０に流れる電流によって磁芯Ｍが磁化される。次に、電圧が最も低い蓄電モジュールの１次側スイッチをオンとし、１次側コイルに伝えられた電磁エネルギーによって当該蓄電モジュールの電池ブロックグループを充電する。一例として、電池ブロックグループＢＢ２の電圧が３２．０Ｖであり、他の電池ブロックグループの電圧が３２．６Ｖである場合には、２次側スイッチＳ０を所定時間オンとした後に、スイッチＳ０がオフされると共に、電池ブロックグループＢＢ２の１次側スイッチＳ２がオンとされる。１次側コイルＷ２を流れる電流によって、電池ブロックグループＢＢ２が充電される。
図１９の構成におけるアクティブトップセルバランス動作は、電圧が最も高い電池ブロックグループの１次側コイルに接続されたスイッチをオンとし、次に、当該スイッチをオフとすると共に、スイッチＳ０をオンとし、２次側コイルＷ０に電流を流し、電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４を充電する。一例として、電池ブロックグループＢＢ２の電圧が５６．５Ｖであり、他の電池ブロックグループの電圧が５５．９Ｖである場合には、１次側スイッチＳ２を所定時間オンとした後に、スイッチＳ２がオフされると共に、２次側スイッチＳ０がオンとされる。２次側コイルＷ０を流れる電流によって、電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４が充電される。
図１９の構成では、トランスの磁芯Ｍが共通であるので、複数例えば１４個の蓄電モジュールを別々のケースに収納して構成することが困難である。この場合には、磁芯、コイルおよびスイッチからなるトランス部分を１４個の蓄電モジュールとは別のケースに収納してトランス装置を構成し、このトランス装置を中心とするスター状に１４個の蓄電モジュールが接続される。かかるスター状の構成は、蓄電モジュール数が多いとスター状の配線が複雑となる問題がある。
「従来のモジュール間バランス回路の問題点」
図１９の構成では、２次側コイルＷ０およびスイッチＳ０の直列回路に対して、直列接続された１４個の電池ブロックグループによって７１６．８Ｖの電圧が印加される。実際に使用する場合に必要な耐圧は、印加電圧の３倍程度とされるので、スイッチＳ０を構成するＦＥＴ等の半導体スイッチ素子の耐圧が２０００Ｖ以上となる。このような耐圧の半導体スイッチ素子を必要とする図１９の構成は、実現が困難なものである。
図２０に示すように、磁芯Ｍを１４個の磁芯Ｍ１〜Ｍ１４に分割し、２次側コイルＷ０を１４個の２次側コイルＷ０１〜Ｗ０１４に分割する。このようにすれば、１４個の蓄電モジュールを分離してケース収納することができる。図２０の構成では、１次側スイッチＳ０１〜Ｓ０１４のそれぞれに対して７１６．８Ｖの電圧が印加される。しかしながら、図２０の構成は、フライバックトランスが別々に構成され、その１次側および２次側のスイッチも各コイルにそれぞれ接続されて独立にスイッチング動作を制御することが可能である。したがって、後述するように、複数の電池ブロックグループから並行して電力を取り出したり、複数の電池ブロックグループに対して並行して電力を供給する制御が可能となる。しかも、スイッチング動作のオン期間の長さを制御することによって、電力量を制御することができる。
「先に提案されているモジュール間バランス回路」
図２１に示すように、先に提案されている構成（特開２０１３−０５１８５６号公報参照）では、１次側コイルＷ１と、２次側コイルＷ０１と、磁芯Ｍ１とによって、フライバックトランスＴ１が構成される。１次側コイルＷ１とスイッチＳ１が直列接続され、２次側コイルＷ０１とスイッチＳ０１が直列接続される。同様に、１次側コイルＷ２〜Ｗ１４と、２次側コイルＷ０２〜Ｗ０１４と、磁芯Ｍ２〜Ｍ１４と、によって、フライバックトランスＴ２〜Ｔ１４が構成される。１次側コイルＷ２〜Ｗ１４とスイッチＳ２〜Ｓ１４が直列に接続される。２次側コイルＷ０２〜Ｗ０１４とスイッチＳ０２〜Ｓ０１４とが直列に接続される。
フライバックトランスＴ１の１次側コイルＷ１とスイッチＳ１の直列回路が蓄電モジュールの電池ブロックグループＢＢ１の正側および負側と接続される。他の１次側コイルＷ２〜Ｗ１４とスイッチＳ２〜Ｓ１４のそれぞれの直列回路が蓄電モジュールの電池ブロックグループＢＢ２〜ＢＢ１４の正側および負側と接続される。
蓄電素子５１が設けられており、蓄電素子５１によって共通電源電圧ＣＶが発生する。共通電源電圧ＣＶは、電池ブロックグループの直列接続の合計の電圧７１６．８Ｖよりも低い電圧とされる。好ましくは、２次側スイッチの耐圧のほぼ１／３の電圧以下に設定される。例えば電池ブロックグループの単位電圧（５１．２Ｖ）とほぼ等しい値に設定される。共通電源電圧ＣＶの電位は、トータルの放電電流と、トータルの充電電流とを制御することで、溢れず、枯渇せず、所望の電圧になるように制御される。
蓄電素子５１は、電池、コンデンサ等である。蓄電素子５１によって、一方の共通電源ラインＣＬ＋が共通電源電圧ＣＶとされ、他方の共通電源ラインＣＬ−が０Ｖとされる。他方の共通電源ラインＣＬ−は、複数の蓄電モジュールの電池ブロックグループの直列接続の電源（Ｖ−）とは接続されていない別の電源とされている。但し、共通電源ラインＣＬ−を電源Ｖ−に接続しても良い。分割された２次側コイルＷ０１〜Ｗ０１４の一端が共通電源ラインＣＬ＋にそれぞれ接続され、分割された２次側コイルＷ０１〜Ｗ０１４の他端がスイッチＳ０１〜Ｓ０１４を通じて共通電源ラインＣＬ−にそれぞれ接続される。
スイッチＳ０〜Ｓ１４並びにスイッチＳ０１〜Ｓ０１４は、例えばＭＯＳＦＥＴによって構成される。図２２に示すように、例えばフライバックトランスＴ１のスイッチＳ０１は、ＭＯＳＦＥＴＱ０１とそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードＤ０１とによって構成され、スイッチＳ１は、ＭＯＳＦＥＴＱ１とそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードＤ１とによって構成される。スイッチのオン／オフは、コントロールボックスＩＣＮＴの制御部からのコントロール信号によって制御される。コントロールボックスＩＣＮＴは、各蓄電モジュールのモジュールコントローラＣＮＴからの電圧の監視結果の情報を受け取って、コントロール信号（パルス信号）を生成する。なお、ＭＯＳＦＥＴ以外に、ＩＧＢＴ（(Insulated Gate Bipolar Transistor):絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチ素子を使用しても良い。なお、スイッチ（ＭＯＳＦＥＴとそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードで構成される）は、ソース→ドレイン方向に流れる電流に対しては、コントロール信号が無くてもダイオードを通じて自動的に電流が流れる（自動的スイッチのオン）。
２次側コイルＷ０１〜Ｗ０１４とスイッチＳ０１〜Ｓ０１４の直列回路には、共通電源電圧ＣＶが印加される。例えば１次側コイルおよびスイッチに印加される電圧と同様の電圧（５１．２Ｖ）に共通電源電圧ＣＶを設定することによって、２次側スイッチＳ０１〜Ｓ０１４の耐圧を１５４Ｖ程度とすることができる。このような耐圧は、２次側スイッチＳ０１〜Ｓ０１４を構成する半導体スイッチにとってそれぼど高い値ではなく、モジュール間バランス回路を構成することが容易となる。
フライバックトランスＴ１〜Ｔ１４のそれぞれは、１次側コイルと２次側コイルの巻線比は、１と限定されないが、１次側と２次側とで位相が逆とされている。さらに、フライバックトランスＴ１〜Ｔ１４は、双方向に電力を伝送することができる。したがって、１次側および２次側の表記は、便宜上のものであり、１次側から２次側への電力伝送、並びに２次側から１次側への電力伝送の何れも可能である。
フライバックトランスＴ１を例にとると、スイッチＳ１およびＳ０１がオフの状態からスイッチＳ１がオンすると、コイルＷ１に電流が流れ、磁芯Ｍ１が磁化される。スイッチＳ１がオンの期間コイルＷ１には、時間と共に増大する電流が流れる。次に、スイッチＳ１をオフとし、スイッチＳ０１をオンとすると、磁芯が磁化されているので、コイルＷ０１には、スイッチＳ０１を介して電流が流れる。この電流は、時間と共に減少する電流となる。他のフライバックトランスの動作も同様である。フライバックトランスは、結合インダクタとしての機能を有する。
図２１の構成におけるアクティブボトムセルバランス動作では、１次側スイッチを制御することによって、最も電圧が高い電池ブロックグループから蓄電素子５１に対して電力が移動される。さらに、２次側スイッチを制御することによって、電圧が最も低い蓄電モジュールの電池ブロックグループに対して電力が移動される。このように、本開示によるモジュール間バランス回路は、双方向フライバックトランスを２段介して電力を移動させる。
一例として、電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く３２．６Ｖであり、電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く３２．０Ｖである場合の動作を説明する。まず、スイッチＳ３がオンとされ、電池ブロックグループＢＢ３を電源としてフライバックトランスＴ３の１次側コイルＷ３に電流が流れる。次に、スイッチＳ３がオフとされ、スイッチＳ０３がオンとされる。電磁エネルギーによって、２次側コイルＷ０３に電流が流れ、蓄電素子５１が充電される。
次に、スイッチＳ０３がオフとされると共に、スイッチＳ０２がオンとされ、蓄電素子５１によって、フライバックトランスＴ２の２次側コイルＷ０２に電流が流れる。次に、スイッチＳ０２がオフとされると共に、スイッチＳ２がオンとされ、１次側コイルＷ２に流れる電流によって、電池ブロックグループＢＢ２が充電される。このようにして、アクティブボトムセルバランス動作がなされる。
図２１の構成におけるアクティブトップセルバランス動作では、１次側スイッチを制御することによって、最も電圧が高い電池ブロックグループから蓄電素子５１に対して電力が移動される。さらに、２次側スイッチを制御することによって、電圧が最も低い蓄電モジュールの電池ブロックグループに対して電力が移動される。このように、本開示によるモジュール間バランス回路は、双方向フライバックトランスを２段介して電力を移動させる。
一例として、電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く５６．５Ｖであり、電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く５５．９Ｖである場合の動作を説明する。まず、フライバックトランスＴ３のスイッチＳ３がオンとされ、電池ブロックグループＢＢ３を電源として１次側コイルＷ３に電流が流れる。次に、スイッチＳ３がオフとされ、スイッチＳ０３がオンとされる。電磁エネルギーによって、２次側コイルＷ０３に電流が流れ、蓄電素子５１が充電される。
次に、スイッチＳ０３がオフとされると共に、フライバックトランスＴ２のスイッチＳ０２がオンとされ、蓄電素子５１によって、２次側コイルＷ０２に電流が流れる。次に、スイッチＳ０２がオフとされると共に、スイッチＳ２がオンとされ、１次側コイルＷ２に流れる電流によって、電池ブロックグループＢＢ２が充電される。このようにして、アクティブトップセルバランス動作がなされる。
図２３および図２４を参照してアクティブトップセルバランス動作についてより詳細に説明する。一例として、図２３に示すように、１４個の蓄電モジュールのそれぞれの電池ブロックグループの電圧関係が蓄電モジュールＭＯＤ３の電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く（例えば５６．５Ｖ）であり、蓄電モジュールＭＯＤ２の電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く（例えば５５．９Ｖ）とする。さらに、図２３に示すように、フライバックトランスＴ３のコイルＷ３を流れる電流をｉ１とし、コイルＷ０３を流れる電流をｉ２と表記する。電流ｉ１およびｉ２は、逆位相である。フライバックトランスＴ２のコイルＷ０２を流れる電流をｉ３とし、コイルＷ２を流れる電流をｉ４と表記する。電流ｉ３およびｉ４は、逆位相である。さらに、動作開始時に蓄電素子５１が充分に充電されているものとする。
図２４のタイミングチャートに示すように、フライバックトランスＴ３を通じてなされる電力伝送と、フライバックトランスＴ２を通じてなされる電力伝送とが並行してなされる。まず、図２４Ａおよび図２４Ｃに示すように、スイッチＳ３およびＳ０２が同一の期間オンとされる。スイッチＳ３のオンによって、コイルＷ３に対して図２４Ｅに示すように、徐々に増大する電流ｉ１が流れる。スイッチＳ０２のオンによって、コイルＷ０２に対して図２４Ｇに示すように、徐々に増大する電流ｉ３が流れる。電流ｉ３が蓄電素子５１に対して放電方向に流れる。
次に、スイッチＳ３およびＳ０２がオフとされ、図２４Ｂおよび図２４Ｄに示すように、スイッチＳ０３およびＳ２が同一の期間オンとされる。スイッチＳ０３のオンによって、コイルＷ０３に対して図２４Ｆに示すように、徐々に減少する電流ｉ２が流れる。電流ｉ２が蓄電素子５１に対して充電方向に流れる。電流ｉ２による蓄電素子５１に対する充電によって、電池ブロックグループＢＢ３から電力が蓄電素子５１に移動される。
スイッチＳ２のオンによって、コイルＷ２に対して図２４Ｈに示すように、徐々に減少する電流ｉ４が流れる。電流ｉ４が電池ブロックグループＢＢ２を充電する方向に流れる。電流ｉ４による充電によって、蓄電素子５１の電力が電池ブロックグループＢＢ２に移動される。なお、実際の電力伝送は、１回のスイッチング動作ではなく、複数回のスイッチング動作によって、少しずつ電力を移動させるようになされる。スイッチング動作の周期は、１０ｓｅｃ程度の長いものとされている。さらに、スイッチに対するパルス信号をパルス幅変調して、スイッチのオン期間を制御し、電力の移動量を所望のものに設定することができる。また、図２４において、スイッチＳ３とＳ０２は、同期した形で記述しているが、実際には、共通電源電圧ＣＶは、ある程度の幅を許容することで、同期関係がなくても構わない。
上位コントローラとしてのコントロールボックスＩＣＮＴは、各蓄電モジュールの電圧を監視しており、検出した蓄電モジュールの電池が互いに等しくなると、モジュール間バランス制御動作を停止するように制御する。そして、蓄電モジュールの電圧に差が生じた場合に、モジュール間バランス制御動作を開始するようになされる。図２５に上述した先に提案されている蓄電装置の動作における電荷の移動を示す。
「本開示の一実施の形態のモジュール間バランス回路」
本開示の一実施の形態は、先に提案されている蓄電装置と同様の構成を有するが、電荷の移動の周期をより短いものとし、電荷移動のためのスイッチングの回数をより多くするものである。すなわち、先に提案されている蓄電装置では、電池ブロックグループを構成するセルが上述したような正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有するものを使用する場合、モジュール間バランス制御が良好になされないおそれがある。
図２６〜図２９を参照して本開示の一実施の形態の動作の一例について説明する。図２６は、図２３の接続構成と同一のものである。対応する部分に対しては、同一の参照符号を付して示す。一例として、電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く５６．５Ｖであり、電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く５５．９Ｖである場合の動作を説明する。まず、フライバックトランスＴ３のスイッチＳ３がオンとされ、電池ブロックグループＢＢ３を電源として１次側コイルＷ３に電流が流れる。次に、スイッチＳ３がオフとされ、スイッチＳ０３がオンとされる。電磁エネルギーによって、２次側コイルＷ０３に電流が流れ、蓄電素子５１が充電される。
次に、スイッチＳ０３がオフとされると共に、フライバックトランスＴ２のスイッチＳ０２がオンとされ、蓄電素子５１によって、２次側コイルＷ０２に電流が流れる。次に、スイッチＳ０２がオフとされると共に、スイッチＳ２がオンとされ、１次側コイルＷ２に流れる電流によって、電池ブロックグループＢＢ２が充電される。このようにして、アクティブトップセルバランス動作がなされる。
図２６および図２７を参照してアクティブトップセルバランス動作についてより詳細に説明する。一例として、図２６に示すように、１４個の蓄電モジュールのそれぞれの電池ブロックグループの電圧関係が蓄電モジュールＭＯＤ３の電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く（例えば５６．５Ｖ）であり、蓄電モジュールＭＯＤ２の電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く（例えば５５．９Ｖ）とする。さらに、図２６に示すように、フライバックトランスＴ３のコイルＷ３を流れる電流をｉ１とし、コイルＷ０３を流れる電流をｉ２と表記する。電流ｉ１およびｉ２は、逆位相である。フライバックトランスＴ２のコイルＷ０２を流れる電流をｉ３とし、コイルＷ２を流れる電流をｉ４と表記する。電流ｉ３およびｉ４は、逆位相である。さらに、動作開始時に蓄電素子５１が充分に充電されているものとする。
図２７のタイミングチャートに示すように、フライバックトランスＴ３を通じてなされる電力伝送と、フライバックトランスＴ２を通じてなされる電力伝送とが並行してなされる。まず、図２７Ａおよび図２７Ｃに示すように、スイッチＳ３およびＳ０２が同一の期間オンとされる。スイッチＳ３のオンによって、コイルＷ３に対して図２７Ｅに示すように、徐々に増大する電流ｉ１が流れる。この電流ｉ１によってコイルが電荷を吸収する。スイッチＳ０２のオンによって、コイルＷ０２に対して図２４Ｇに示すように、徐々に増大する電流ｉ３が流れる。電流ｉ３が蓄電素子５１に対して放電方向に流れる。
次に、スイッチＳ３およびＳ０２がオフとされ、図２７Ｂおよび図２７Ｄに示すように、スイッチＳ０３およびＳ２が同一の期間オンとされる。スイッチＳ０３のオンによって、コイルＷ０３に対して図２７Ｆに示すように、徐々に減少する電流ｉ２が流れる。電流ｉ２が蓄電素子５１に対して充電方向に流れる。この電流ｉ２によってコイルが電荷を放出する。電流ｉ２による蓄電素子５１に対する充電によって、電池ブロックグループＢＢ３から電力が蓄電素子５１に移動される。
スイッチＳ２のオンによって、コイルＷ２に対して図２７Ｈに示すように、徐々に減少する電流ｉ４が流れる。電流ｉ４が電池ブロックグループＢＢ２を充電する方向に流れる。電流ｉ４による充電によって、蓄電素子５１の電力が電池ブロックグループＢＢ２に移動される。なお、実際の電力伝送は、１回のスイッチング動作ではなく、複数回のスイッチング動作によって、少しずつ電力を移動させるようになされる。さらに、スイッチに対するパルス信号をパルス幅変調して、スイッチのオン期間を制御し、電力の移動量を所望のものに設定することができる。また、図２４において、スイッチＳ３とＳ０２は、同期した形で記述しているが、実際には、共通電源電圧ＣＶは、ある程度の幅を許容することで、同期関係がなくても構わない。
上位コントローラとしてのコントロールボックスＩＣＮＴは、各蓄電モジュールの電圧を監視しており、検出した蓄電モジュールの電池が互いに等しくなると、モジュール間バランス制御動作を停止するように制御する。そして、蓄電モジュールの電圧に差が生じた場合に、モジュール間バランス制御動作を開始するようになされる。図２８および図２９に本開示の一実施の形態による蓄電装置の動作における電荷の移動を示す。
図２４および図２７と比較すると分かるように、本開示の一実施の形態では、先に提案されている蓄電装置と比較してより短い周期例えば１ｓｅｃ程度の周期でもって電荷の移動を行うようにしている。そして、図２５と図２８および図２９とを比較すると分かるように、先に提案されている蓄電装置と比較して、時間方向の電荷移動の変化の傾斜をより大とすることができる。したがって、短時間で電荷の移動を行うことができ、モジュール間バランスに要する時間を短くできる。図３０は、分割回数と電荷移動率との関係の一例を示すグラフである。先に提案されている蓄電装置では、５回以下に分割して電荷を移動するので、電荷移動率が低いことが分かる。本開示では、１０回以上、好ましくは３０回以上の分割回数としているので、電荷移動率を高くすることができる。
図３１は、本開示の一実施の形態の電圧の値の他の例を示す。図３１に示すように、１４個の蓄電モジュールのそれぞれの電池ブロックグループの電圧関係が蓄電モジュールＭＯＤ３の電池ブロックグループＢＢ３の電圧が最も高く（例えば３２．６Ｖ）であり、蓄電モジュールＭＯＤ２の電池ブロックグループＢＢ２の電圧が最も低く（例えば３２．０Ｖ）である。このような電圧関係の場合も、上述と同様に、モジュール間バランスを制御することができる。
本開示のモジュール間バランス制御についてより詳細に説明する。オリビン正極系のリチウム二次電池で電池ブロックグルーブを構成する蓄電モジュールでは、充放電カーブの傾斜が小さく、通常の充放電領域でのセルや組電池の電圧差がほとんど現れず、容量バラつきでの電圧差・容量差は、極く僅かしか見られない。例えばセルの充放電カーブの変化が３．６Ｖ〜３．０Ｖの範囲で、ほぼ３．３Ｖの平坦なカーブとなる。
従って わずかな電圧差、容量差を、インダクタを使用して電荷移動させようとするに際しては、微小な電荷量を、キャパシタ等で高電圧素子に蓄えて移動させる手段か、インダクタ素子で移動させることが一般的である。但しキャパシタを用いる場合には、蓄電池の上限電圧の制限を考慮する必要があり、オリビン型正極の電池では充電電圧制限のために、定電圧充電回路の制御を行う必要があり一般的には用いられてない、そこで、インダクタをこの様な平坦な充放電カーブの蓄電池で効率的でかつ合理的な動作を短時間の動作で電荷移動を行わせるための手法を採る必要を解決できるものが本開示である。
インダクタに電荷を貯めて、蓄電モジュールへスイッチのオンの初期時間部分で電荷を移動させ、インダクタと蓄電モジュール間での同電荷値で均衡化する。この電荷移動にかかる時間は、高電圧側蓄電モジュールと、低電圧側蓄電モジュールとの電圧差が小さいために、１〜２ｓｅｃで均衡化される。この後は電荷の移動が無くなるので、インダクタのスイッチをオフさせる。次いで高電圧側蓄電モジュールのインダクタのスイッチ素子を動作を繰り返し行うことで、少量の電荷を高電圧側蓄電モジュールから低電圧蓄電モジュールへ移動させて電圧の均等化を行うことができる。一連の動作後に、電圧がほぼ同じになった段階で、モジュールバランス回路動作を停止する。
オリビン正極系二次電池の蓄電モジュールにおいては電圧差（ＳＯＣの差）が１Ｖ（２％）以下の場合に、モジュール間バランスを行う必要がある。これは先に提案されているバランス制御で、モジュール間バランスを行う場合には、電圧差が少なく、１回のインダクタバランス動作で移動できる電荷量がオリビン正極系電池の充電条件の制約のため、満充電電圧となって電流がほとんど流れない状態となってしまう。従って、実際にはほぼ充電ができていない。この様な動作を繰り返すために、先に提案している制御方法では、平坦な充放電曲線の二次電池のモジュール間バランス制御において、電荷移動が行われないこととなってしまう。
一方、本開示におけるモジュール間バランス制御方法においては モジュール間の電圧差が少なくとも、多数回のインダクタスイッチのオン／オフを繰り返し行い、少量の電荷を多数回繰り返し行う方式では、低電圧側モジュールへインダクタから充電上限電圧付近までの短時間での電流移動を行う動作を、繰り返して多数回行い、徐々に電荷を移動させることができる。本開示のモジュール間バランスでは容量差、電圧差の電荷を多数回（１／３０〜１／５０程度）に分割すると、実用的な動作とすることができる。
このように、移動させる電荷量を少なくしても、多数回動作を行うことで、モジュール間容量差、電圧差をほとんど解消でき、オリビン正極系二次電池のモジュールでの差を１％から０.３％以下とまですることができ、バランスをとることが可能となる。これにより、長期間のサイクルを行ってもバラつきのない、安定した充放電性能を可能とできる。これに対して、先に提案されている方法では 数百サイクル後では、電圧・容量バラつきが広がり、次第に使用できる容量が少なくなって、サイクル寿命に達した様な誤った判定を行ってしまうおそれがあった。
本開示の数式から求めると、電圧差による電荷量差ΔＱは２４Ａｈモジュールでは、１％差＝２４０ｍＡｈを差分とする。インダクタＬで流す目標電流値Ｉは、仮にインダクタ動作（スイッチング動作）の回数Ｎを５０と仮定すると、インダクタの動作を１ｓｅｃで動作完了させるとする場合は、δΔＱ＝４．８ｍＡｈ／回を１ｓｅｃで移動することになる。これは、インダクタは電流値として、１．３３ｍＡ／回・インダクタ となる。この時インダクタ１μＨで、バランス動作でのモジュール電圧Ｖは、５６Vとして動作する前提とする。インダクタのスイッチ動作の周期ｔは、１ｓｅｃ以下で行うことにより休止無しで連続動作を実現できる。例えばインダクタ１０μＨで、１ｓｅｃ動作５０回で、６０％〜７０％の電荷移動が可能となり、バランスをとることができる。
本開示の一実施の形態では、モジュール間をバランスするのに必要な移動電荷量を１／１０以上に分割した電荷量を１回の動作で転送するようになされる。好ましくは、１／３０〜１／５０に分割した少量の電荷量を順次電荷を移動させる。スイッチのオン期間およびオフ期間、電荷の転送の回数は、予め測定、シミュレーションの結果を使用してテーブルとして構成されている。すなわち、モジュール間の最大の電圧と最低の電圧の差が検出されると、この差に応じたスイッチング動作とスイッチングの回数を指定する情報がテーブルから読み出され、スイッチ素子の制御に使用される。
「本開示によるモジュール間バランス回路の変形例」
上述した本開示によるモジュール間バランス回路においては、一つのフライバックトランスを介して取り出した電力を一つのフライバックトランスを通じて移動させるようにしている。しかしながら、複数のフライバックトランスを通じて電力を取り出しても良い。例えば電圧が最大の蓄電モジュールと電圧が２番目に大きい蓄電モジュールとのふたつから電力を取り出すようにしても良い。さらに、取り出した電力を複数のフライバックトランスを介して移動させるようにしても良い。例えば電圧が最低の蓄電モジュールと電圧が２番目に小さい蓄電モジュールとのふたつに対して電力を供給するようにしても良い。例えば、上述した図２１の構成において、フライバックトランスＴ１４を通じて小電流で電力を取り出し、同時に、フライバックトランスＴ３を通じて大電流で電力を取り出す。さらに、電力の取り出しと同時に、フライバックトランスＴ１およびＴ２をそれぞれ通じて中電流で電力を供給するようにできる。
図３２に示すように、各蓄電モジュールのフライバックトランスＴ１〜Ｔ１４のそれぞれの２次側において、共通電源ラインＣＬ＋および共通電源ラインＣＬ−の間にコンデンサＣ１〜Ｃ１４を挿入する。コンデンサＣ１〜Ｃ１４によって、高周波成分を減少させることによって、共通電源ラインＣＬ＋およびＣＬ−に発生する電圧を直流電源として出力することができる。この直流電源をコントロールボックスＩＣＮＴの電源として供給するようにしても良い。
さらに、図３３に示すように、全ての蓄電モジュールに対して共通にフライバックトランスＴｘを設けるようにしても良い。フライバックトランスＴｘは、１次側コイルＷｙと、２次側コイルＷｘと、磁芯Ｍｘとからなる。コイルＷｘとスイッチＳｘが直列接続される。コイルＷｙとスイッチＳｙが直列接続される。フライバックトランスＴｘの２次側コイルＷｘの一端が端子５２と接続され、その他端がスイッチＳｘを介して０Ｖのラインに接続される。端子５２は、共通電源電圧ＣＶ端子に接続する。
１次側コイルＷｙの一端が複数例えば１４個の蓄電モジュールの電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４の直列接続の正側（Ｖ＋）と接続される。１次側コイルＷｙの他端が電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４の直列接続の負側（Ｖ−）と接続される。電池ブロックグループＢＢ１〜ＢＢ１４に対して図２１の構成と同様に、フライバックトランスＴ１〜Ｔ１４および蓄電素子５１が接続されており、上述したようなモジュール間バランス制御がなされる。
図３３に示す構成によれば、フライバックトランスＴｘを通じて、全ての蓄電モジュールの電池ブロックグループに対して電力を一度に供給することができ、モジュール間バランス制御の動作をバリエーションを増やすことができる。
さらに、本開示では、フライバックコンバータ方式以外のフォワードコンバータ、ＲＣＣ(Ringing Choke Converter) 方式等の電磁結合方式の電力伝送装置を使用することができる。
蓄電モジュール例えば蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤｎからなる蓄電システムの全体の構成の一例を図３４に示す。コントロールボックスＩＣＮＴは、各モジュールの電圧情報からモジュール間バランスのシーケンスを決める。各モジュールの通信部ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎ内のＭＣＵに対してモジュール間バランスの充放電の有無を個別に伝達する。各ＭＣＵは、各フライバックトランスの２次側に直接的にコントロール信号を供給するか、絶縁部ＩＳＣを介する絶縁通信によってコントロール信号を各フライバックトランスの１次側に伝送する。
コントロール信号が１次側と２次側とで別々の回路ブロックから供給される。その理由は、コントロール信号のレベルが相違するからである。また、上述した動作と並行してコントロールボックスＩＣＮＴは、共通電源電圧ＣＶが供給される電源ラインＣＬ＋およびＣＬ−間の電圧を測定し、共通電源電圧ＣＶが所望の電圧となるようにモジュール間バランスの全体の制御を行う。
図３５は、本開示の応用例を示し、蓄電モジュールＭＯＤ１〜ＭＯＤ１４（図２１に示す構成）に対して蓄電モジュールＭＯＤ１０１〜ＭＯＤ１０４からなる他の蓄電システムを接続する。共通電源ラインＣＬ＋およびＣＬ−は、共通電源電圧ＣＶが二つの蓄電システムの間で等しい関係にあれば、他の蓄電システムに対しても接続することが可能である。すなわち、接続する蓄電モジュール数を増加させることが容易である。
「本開示による蓄電装置の利点」
本開示のモジュール間バランス回路は、各モジュールのフライバックトランスを別々の構成としているので、磁芯を共通とする構成と異なり、スター状配線を行う必要がなく、配線を簡単とすることができる。
本開示のモジュール間バランス回路は、フライバックトランスの１次側のコイルおよびスイッチに対しては、各蓄電モジュールの電池ブロックグループの両端の電圧が印加され、２次側のコイルおよびスイッチに対しては、共通電源電圧ＣＶが印加される。共通電源電圧ＣＶは、例えば各蓄電モジュールの電池ブロックグループの両端の電圧と等しい値とされる。したがって、全ての蓄電モジュールの直列接続の電圧がコイルおよびスイッチに印加されることがなく、コイルおよびスイッチとして耐圧の低いものを使用することができる利点がある。
本開示では、フライバックトランスの１次側スイッチＳ１〜Ｓ１４および２次側スイッチＳ０１〜Ｓ０１４を独立のコントロールパルス信号によって制御することができる。したがって、所望の複数のフライバックトランスを介して電力の伝送を行うことが可能となる。さらに、スイッチング動作のオン期間の長さを設定することによって、フライバックトランスを介して移動させる電力量を個別に制御することができる。すなわち、移動させる電力量に対応してスイッチをオンさせる期間を長くすれば、移動させる電力量を可変することができる。本開示では、先に提案されているモジュール間バランス制御と異なり、移動させる電荷を１／１０以上に分割して高電圧モジュールから低電圧モジュールへ移動させるので、インダクタの小型化と、インダクタ回路の配線を小型化できる。すなわち、インダクタ等を小型、小容量のものとでき、基板の小型化を実現できる。
さらに、複数の蓄電モジュールの出力端子Ｖ＋およびＶ−間には、大電流が流れるので、比較的大きなノイズが発生しやすい。しかしながら、共通電源電圧ＣＶは、出力端子Ｖ＋およびＶ−とは絶縁されているので、負荷電流の変動によるノイズの影響を少なくすることができる。
図３４に示したように、ノイズの影響の少ない共通電源電圧ＣＶをコントロールボックスＩＣＮＴの電源として使用することができる。共通電源電圧ＣＶをコントロールボックスＩＣＮＴの電源として使用する場合には、コントロールボックスＩＣＮＴの電源が蓄電モジュールの電圧変動の影響を受けないようにすることができる。
「応用例としての住宅における蓄電システム」
本開示を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図３６を参照して説明する。例えば住宅１０１用の蓄電システム１００においては、火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃ等の集中型電力系統１０２から電力網１０９、情報網１１２、スマートメータ１０７、パワーハブ１０８等を介し、電力が蓄電装置１０３に供給される。これと共に、家庭内発電装置１０４等の独立電源から電力が蓄電装置１０３に供給される。蓄電装置１０３に供給された電力が蓄電される。蓄電装置１０３を使用して、住宅１０１で使用する電力が給電される。住宅１０１に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
住宅１０１には、発電装置１０４、電力消費装置１０５、蓄電装置１０３、各装置を制御する制御装置１１０、スマートメータ１０７、各種情報を取得するセンサー１１１が設けられている。各装置は、電力網１０９および情報網１１２によって接続されている。発電装置１０４として、太陽電池、燃料電池等が利用され、発電した電力が電力消費装置１０５および／または蓄電装置１０３に供給される。電力消費装置１０５は、冷蔵庫１０５ａ、空調装置１０５ｂ、テレビジョン受信機１０５ｃ、風呂１０５ｄ等である。さらに、電力消費装置１０５には、電動車両１０６が含まれる。電動車両１０６は、電気自動車１０６ａ、ハイブリッドカー１０６ｂ、電気バイク１０６ｃである。
蓄電装置１０３に対して、上述した本開示のバッテリユニットが適用される。蓄電装置１０３は、二次電池又はキャパシタから構成されている。例えば、リチウムイオン電池によって構成されている。リチウムイオン電池は、定置型であっても、電動車両１０６で使用されるものでも良い。スマートメータ１０７は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網１０９は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つまたは複数を組み合わせても良い。
各種のセンサー１１１は、例えば人感センサー、照度センサー、物体検知センサー、消費電力センサー、振動センサー、接触センサー、温度センサー、赤外線センサー等である。各種センサー１１１により取得された情報は、制御装置１１０に送信される。センサー１１１からの情報によって、気象の状態、人の状態等が把握されて電力消費装置１０５を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置１１０は、住宅１０１に関する情報をインターネットを介して外部の電力会社等に送信することができる。
パワーハブ１０８によって、電力線の分岐、直流交流変換等の処理がなされる。制御装置１１０と接続される情報網１１２の通信方式としては、ＵＡＲＴ(Universal Asynchronous Receiver-Transceiver:非同期シリアル通信用送受信回路）等の通信インターフェースを使う方法、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ等の無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ(Institute of Electrical and Electronics Engineers) ８０２．１５．４の物理層を使用するものである。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、ＰＡＮ(Personal Area Network) またはＷ(Wireless)ＰＡＮと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置１１０は、外部のサーバ１１３と接続されている。このサーバ１１３は、住宅１０１、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ１１３が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置（たとえばテレビジョン受信機）から送受信しても良いが、家庭外の装置（たとえば、携帯電話機等）から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)等に、表
示されても良い。
各部を制御する制御装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成され、この例では、蓄電装置１０３に格納されている。制御装置１１０は、蓄電装置１０３、家庭内発電装置１０４、電力消費装置１０５、各種センサー１１１、サーバ１１３と情報網１１２により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていても良い。
以上のように、電力が火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃ等の集中型電力系統１０２のみならず、家庭内発電装置１０４（太陽光発電、風力発電）の発電電力を蓄電装置１０３に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置１０４の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置１０３に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置１０３に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置１０３によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置１１０が蓄電装置１０３内に格納される例を説明したが、スマートメータ１０７内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム１００は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
「応用例としての車両における蓄電システム」
本開示を車両用の蓄電システムに適用した例について、図３７を参照して説明する。図３７に、本開示が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
このハイブリッド車両２００には、エンジン２０１、発電機２０２、電力駆動力変換装置２０３、駆動輪２０４ａ、駆動輪２０４ｂ、車輪２０５ａ、車輪２０５ｂ、電池２０８、車両制御装置２０９、各種センサ２１０、充電口２１１が搭載されている。電池２０８に対して、上述した本開示のバッテリユニットが適用される。
ハイブリッド車両２００は、電力駆動力変換装置２０３を動力源として走行する。電力駆動力変換装置２０３の一例は、モータである。電池２０８の電力によって電力駆動力変換装置２０３が作動し、この電力駆動力変換装置２０３の回転力が駆動輪２０４ａ、２０４ｂに伝達される。なお、必要な個所に直流−交流（ＤＣ−ＡＣ）あるいは逆変換（ＡＣ−ＤＣ変換）を用いることによって、電力駆動力変換装置２０３が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ２１０は、車両制御装置２０９を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度（スロットル開度）を制御したりする。各種センサ２１０には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン２０１の回転力は発電機２０２に伝えられ、その回転力によって発電機２０２により生成された電力を電池２０８に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置２０３に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置２０３により生成された回生電力が電池２０８に蓄積される。
電池２０８は、ハイブリッド車両の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口２１１を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。
図示しないが、二次電池に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残容量に関する情報に基づき、電池残容量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、モーターで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモーターの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モーターのみで走行、エンジンとモーター走行という３つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本開示は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本開示は有効に適用可能である。
「変形例」
以上、本開示の実施形態について具体的に説明したが、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
また、上述の実施形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本開示の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
ＭＯＤ，ＭＯＤ１〜ＭＯＤＮ・・・蓄電モジュール
ＩＣＮＴ・・・コントロールボックス
ＣＮＴ・・・各蓄電モジュールのコントローラ
ＩＣＮＴ・・・コントロールボックス
Ｂ１〜Ｂｎ・・・電池ブロック
ＢＢ１〜ＢＢｎ・・・電池ブロックグループ
ＩＳＣ１〜ＩＳＣｎ・・・絶縁部
ＣＯＭ１〜ＣＯＭｎ・・・通信部
２１・・・多層配線基板
２３，２４・・・プリント基板アンテナ
ＬＹ１〜ＬＹ４・・・配線層
Ｗ１〜Ｗ１４・・・１次側コイル
Ｓ１〜Ｓ１４・・・１次側スイッチ
Ｗ０１〜Ｗ０１４・・・２次側コイル
Ｓ０１〜Ｓ０１４・・・２次側スイッチ
Ｔ１〜Ｔ１４・・・フライバックトランス
ＣＬ＋，ＣＬ−・・・共通電源ライン
ＣＶ・・・共通電源電圧
５１・・・蓄電素子

Claims (7)

  1. それぞれが１の複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
    前記電池部とそれぞれ並列に接続される第１のコイルおよび第１のスイッチング素子からなる直列回路と、
    前記第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルと、
    前記第２のコイルと直列に接続される第２のスイッチング素子と、
    前記複数の前記電池部に関連する複数の前記第２のコイルおよび前記第２のスイッチング素子の直列回路の両端に対して、前記第２のスイッチング素子の耐圧を超えない値に設定された電圧を共通に供給するために、共通電源ラインＣＬ＋および共通電源ラインＣＬ−の間に挿入されたコンデンサと、
    前記複数の電池部の電圧を等しくするために、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に対してコントロールパルス信号を供給する制御部とを備え、
    前記複数の電池部の中で、最も電圧が高い第１の電池部と接続される前記第１および第２のスイッチング素子によって、前記第１の電池部から電力が取り出され、
    前記複数の前記電池部の中で、最も電圧が低い第２の電池部と接続される前記第１および第２のスイッチング素子によって、前記第２の電池部に電力が供給され、
    前記第１の電池部と前記第２の電池部との間の電圧差をなくすために必要な移動電荷量を１／１０以上に分割した電荷量を前記第１および第２のスイッチング素子のスイッチング動作によって転送するようになされ、
    前記移動電荷量に応じて前記第１および第２のスイッチング素子のそれぞれのオン期間およびオフ期間が予め求められてテーブルとして構成されている蓄電装置。
  2. 前記電池部の電池セルがオリビン型正極を使用するリチウムイオン二次電池である請求項１に記載の蓄電装置。
  3. 前記移動電荷量に応じて前記第１および第２のスイッチング素子の動作の回数が予め求められてテーブルとして構成されている請求項１または２に記載の蓄電装置。
  4. 請求項１に記載の蓄電装置から、電力の供給を受ける電子機器。
  5. 請求項１に記載の蓄電装置から、電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両。
  6. 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、
    前記電力情報送受信部が受信した情報に基づき、請求項１に記載の蓄電装置の充放電制御を行う電力システム。
  7. 請求項１に記載の蓄電装置から、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から前記蓄電装置に電力を供給する電力システム。
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