JP2007236017A

JP2007236017A - 電池システム

Info

Publication number: JP2007236017A
Application number: JP2006050633A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Kosugi; 伸一郎小杉; Yoshinao Tatebayashi; 義直舘林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】電圧印加が継続されても電池寿命が短くなるのを防止できる電池システムを提供する。
【解決手段】複数の単セルが直列に接続された電池モジュールＣと、外部から電源が供給される充電用端子１１と電池モジュールの正極との間に設けられ、複数の単セルの各々の電圧に基づき開閉される充電用スイッチＳ１と、外部へ電源を供給する放電用端子１２にカソードが接続されたダイオードＤ２と、ダイオードのアノードと電池モジュールの正極との間に設けられた放電用スイッチＳ２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続してなる電池システムに関し、特に、二次電池の寿命を延ばす技術に関する。

図４は、従来の電池システム１０の構成を示す図であり、電池システム１０が無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）として使用されるシステムの例を示している。このシステムにおいては、充電回路２ａから電源ライン４及び電池システム１０を介してアプリケーション３０に電源が供給される。アプリケーション３ａは、例えばインバータおよび該インバータから電源が供給される対象装置（負荷）から構成されている。

電池システム１０の充電用端子１１は電源ライン４を介して充電回路２ａに接続され、共通端子１３は接地されている。電池システム１０の放電用端子１２は定電圧源２ｂ及びアプリケーション３０に接続されている。電池システム１０は、充電用スイッチＳ１、放電用スイッチＳ２および電池モジュールＣから構成されている。充電用スイッチＳ１の一方の端子は充電用端子１１に接続され、他方の端子は電池モジュールＣの正極に接続されている。

放電用スイッチＳ２の一方の端子は放電用端子１２に接続され、他方の端子は電池モジュールＣの正極に接続されている。電池モジュールＣは、ｎ個（ｎは正の整数）の単セルＣ₁〜Ｃ_nが直列に接続されて構成されており、各単セルは、リチウムイオン二次電池から構成されている。この電池モジュールＣの正極は、上述したように充電用スイッチＳ１の他方の端子および放電用スイッチＳ２の他方の端子に接続されており、負極は、共通端子１３に接続されている。

上記のように構成される従来の電池システム１０では、充電用スイッチＳ１は、電池モジュールＣを構成するｎ個の単セルＣ₁〜Ｃ_nのうちの１つ以上の電圧が下限値（例えば２．５Ｖ）になった場合にオンされて充電回路２ａにより電池モジュールＣが充電される。そして、電池モジュールＣの電圧が上限値（例えば４．３Ｖ）になった場合に充電用スイッチＳ１がオフされる。

また、定電圧源２ｂは、図示しない交流電源の交流電圧を直流電圧に変換して一定の直流電圧を出力する。放電用スイッチＳ２は、通常は、定電圧源２ｂからアプリケーション３０に電源が供給されると、このアプリケーション３０からの制御信号によりオンされている。これにより、定電圧源２ｂからアプリケーション３０への電源供給が停止されても、電池システム１０からアプリケーション３０へ電源が供給されるようになっている。

なお、関連する技術として、特許文献１は、非水系２次電池の過充電、過放電の防止を図ることのできる過充電・過放電防止装置を開示している。この過充電・過放電防止装置は、個々の電池の両端間の電圧を検出する電圧検出手段と、個々の充電端子間および放電端子間に電池と直列に設けられたスイッチ手段を備え、充電時に個々の電池の電圧が所定値を越えたとき、電圧検出手段の個々の出力に基づいてスイッチ手段をオフして充電電流を遮断する。放電時に個々の電池が所定値以下になったとき、電圧検出手段の出力に基づいてスイッチ手段をオフして放電電流を遮断する。
特開２００３−１３４６７６号公報

しかしながら、上述した従来の電池システムにおいては、放電用スイッチＳ２は、通常はオンされているために、定電圧源２ｂからの電圧が電池モジュールＣに印加され続ける。リチウムイオン二次電池の特性として電圧が印加され続けると非常に微弱な電流が流れ続け、電池寿命が短くなるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、電圧印加が継続されても電池寿命が短くなるのを防止できる電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数の単セルが直列に接続された電池モジュールと、外部から電源が供給される充電用端子と電池モジュールの正極との間に設けられ、複数の単セルの各々の電圧に基づき開閉される充電用スイッチと、外部へ電源を供給する放電用端子にカソードが接続されたダイオードと、ダイオードのアノードと電池モジュールの正極との間に設けられた放電用スイッチとを備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、各々の充電用端子および放電用端子が共通に接続される複数の電池ユニットを備え、複数の電池ユニットの各々は、複数の単セルが直列に接続された電池モジュールと、外部から電源が供給される充電用端子と電池モジュールの正極との間に設けられ、複数の単セルの各々の電圧に基づき開閉される充電用スイッチと、外部へ電源を供給する放電用端子にカソードが接続されたダイオードと、ダイオードのアノードと電池モジュールの正極との間に設けられた放電用スイッチとを備え、複数の電池ユニットにそれぞれ備えられた複数の充電用スイッチを排他的に順次オンさせる制御回路を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、放電用スイッチがオンされている状態ではダイオードは逆バイアスになるので、外部からの電圧が電池モジュールに印加されることがない。したがって、電池モジュールに微弱な電流が流れ続けることがないので、電池寿命が短くなるのを防止できる。

また、請求項２記載の発明によれば、複数の電池ユニットの充電用スイッチは、排他的に順次オンされるので、各電池ユニットに含まれる電池モジュールに同時に充電電流が流れることがない。したがって、この電池システムに電力を供給する外部の電源の電源容量を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、背景技術の欄で説明した従来の電池システムと同一または相当する構成要素には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電池システム１の構成を示す図であり、電池システム１が無停電電源装置として使用されるシステムの例を示している。

このシステムにおいては、定電圧回路２から電源ライン４を介してアプリケーション３ａに電源が供給される。アプリケーション３ａは、例えばインバータおよび該インバータから電源が供給される対象装置（負荷）から構成されている。電池システム１ａは、電源ライン４に接続されている。

電池システム１ａの充電用端子１１および放電用端子１２は電源ライン４に接続され、共通端子１３は接地されている。電池システム１ａは、充電用ダイオードＤ１、充電用スイッチＳ１、放電用ダイオードＤ２、放電用スイッチＳ２、電池モジュールＣ、電圧検出部１４₁〜１４_nおよび電圧監視部１５から構成されている。

充電用ダイオードＤ１のアノードは充電用端子１１に接続され、カソードは充電用スイッチＳ１の一方の端子に接続されている。充電用スイッチＳ１の他方の端子は、電池モジュールＣの正極に接続されている。充電用スイッチＳ１のオン／オフは、電圧監視部１５からの制御信号により制御される。なお、充電用ダイオードＤ１は、必ずしも設ける必要はなく、オプションである。

放電用ダイオードＤ２のカソードは放電用端子１２に接続され、アノードは放電用スイッチＳ２の一方の端子に接続されている。放電用スイッチＳ２の他方の端子は、電池モジュールＣの正極に接続されている。放電用スイッチＳ２のオン／オフは、アプリケーション３からの制御信号により制御される。

電池モジュールＣは、ｎ個（ｎは正の整数）の単セルＣ₁〜Ｃ_nが直列に接続されて構成されており、各単セルは、リチウムイオン二次電池から構成されている。この電池モジュールＣの正極は、上述したように充電用スイッチＳ１の他方の端子および放電用スイッチＳ２の他方の端子に接続されており、負極は、共通端子１３に接続されている。

単セルＣ₁〜Ｃ_nの両端には、電圧検出部１４₁〜１４_nがそれぞれ接続されている。電圧検出部１４₁〜１４_nは、単セルＣ₁〜Ｃ_nの両端の電圧をそれぞれ検出し、電圧監視部１５に送る。電圧監視部１５は、電圧検出部１４₁〜１４_nで検出された複数の電圧のいずれかが上限値（例えば４．３Ｖ）になった場合に充電用スイッチＳ１をオフし、下限値（例えば２．５Ｖ）になった場合に充電用スイッチＳ１をオンする。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る電池システム１ａの動作を説明する。この電池システム１ａでは、電圧監視部１５は、電圧検出部１４₁〜１４_nから送られてくる、単セルＣ₁〜Ｃ_nの両端電圧を監視している。そして、電圧検出部１４₁〜１４_nから送られてくる電圧のうち１つ以上が下限値（例えば２．５Ｖ）になった場合に、充電用スイッチＳ１をオンする。

これにより、定電圧回路２から充電用端子１１、充電用ダイオードＤ１および充電用スイッチＳ１を介して電池モジュールＣに電圧が印加され、電池モジュールＣが充電される。その結果、電池モジュールＣの過放電が防止される。一方、電圧監視部１５は、電圧検出部１４₁〜１４_nから送られてくる電圧のうち１つ以上が上限値（例えば４．３Ｖ）になった場合に、充電用スイッチＳ１をオフする。これにより、電池モジュールＣの過充電が防止される。

また、放電用スイッチＳ２は、通常は、定電圧回路２からアプリケーション３ａに電源が供給されると、このアプリケーション３ａからの制御信号によりオンされている。これにより、定電圧回路２からアプリケーション３ａへの電源供給が停止されると、電池モジュールＣから放電用スイッチＳ２、放電用ダイオードＤ２および放電用端子１２を介してアプリケーション３ａに電源が供給される。その結果、アプリケーション３ａは、定電圧回路２からの電源供給が停止されても、電池システム１ａから電源が供給されるので動作を継続することができる。

上記の構成によれば、放電用スイッチＳ２がオンされている状態では放電用ダイオードＤ２は逆バイアスになるので、定電圧回路２からの電圧が電池モジュールＣに印加されることがない。したがって、電池モジュールＣに微弱な電流が流れ続けることがないので、電池寿命が短くなるという問題を解消できる。

本発明の実施例２に係る電池システム１ｂは、実施例１に係る電池システム１ａを１つの電池ユニットとし、この電池ユニットを複数備えて電池システム１を構成したものである。

図２は、本発明の実施例２に係る電池システム１の構成を示す図であり、電池システム１ｂが無停電電源装置として使用されるシステムの例を示している。電池システム１ｂは、第１電池ユニット２０ａ、第２電池ユニット２０ｂおよび第３電池ユニット２０ｃといった３個の電池ユニットから構成されている。

なお、この実施例２では、３個の電池ユニットから成る電池システム１ｂについて説明するが、電池システム１ｂを構成する電池ユニットの数は３個に限らず、２個以上であれば任意である。

第１電池ユニット２０ａは、充電用ダイオードＤ１、充電用スイッチＳ１、放電用ダイオードＤ２、放電用スイッチＳ２、複数の単セルＣａ₁〜Ｃａ_nから成る電池モジュールＣａ、電圧検出部１４ａ₁〜１４ａ_nおよびマスタ電圧監視部１５ａから構成されている。この第１電池ユニット２０ａは、実施例１の電圧監視部１５がマスタ電圧監視部１５ａに変更されている点を除けば、実施例１に係る電池システムと同じである。

なお、電池モジュールＣａおよび電圧検出部１４ａ₁〜１４ａ_nは、実施例１における電池モジュールＣおよび電圧検出部１４₁〜１４_nにそれぞれ対応する。

マスタ電圧監視部１５ａは、本発明の制御回路に対応し、電圧検出部１４ａ₁〜１４ａ_nで検出された複数の電圧、スレーブ電圧監視部１５ｂから送られてくる信号およびスレーブ電圧監視部１５ｃから送られてくる信号に基づき、充電用スイッチＳ１、充電用スイッチＳ３および充電用スイッチＳ５を排他的にオンする制御を行う。このマスタ電圧監視部１５ａの詳細は後述する。

第２電池ユニット２０ｂは、充電用ダイオードＤ３、充電用スイッチＳ３、放電用ダイオードＤ４、放電用スイッチＳ４、複数の単セルＣｂ₁〜Ｃｂ_nから成る電池モジュールＣｂ、電圧検出部１４ｂ₁〜１４ｂ_nおよびスレーブ電圧監視部１５ｂから構成されている。この第２電池ユニット２０ｂは、実施例１の電圧監視部１５がスレーブ電圧監視部１５ｂに変更されている点を除けば、実施例１に係る電池システムと同じである。

なお、充電用ダイオードＤ３、充電用スイッチＳ３、放電用ダイオードＤ４、放電用スイッチＳ４、電池モジュールＣｂおよび電圧検出部１４ｂ₁〜１４ｂ_nは、実施例１の充電用ダイオードＤ１、充電用スイッチＳ１、放電用ダイオードＤ２、放電用スイッチＳ２、電池モジュールＣおよび電圧検出部１４₁〜１４_nにそれぞれ対応する。

スレーブ電圧監視部１５ｂは、電圧検出部１４ｂ₁〜１４ｂ_nで検出された複数の電圧のいずれかが下限値（例えば２．５Ｖ）になった場合に充電用スイッチＳ１をオンするための信号を生成するとともに、上限値（例えば４．３Ｖ）になった場合に充電用スイッチＳ１をオフするための信号を生成してマスタ電圧監視部１５ａに送る。

第３電池ユニット２０ｃは、充電用ダイオードＤ５、充電用スイッチＳ５、放電用ダイオードＤ６、放電用スイッチＳ６、複数の単セルＣｃ₁〜Ｃｃ_nから成る電池モジュールＣｃ、電圧検出部１４ｃ₁〜１４ｃ_nおよびスレーブ電圧監視部１５ｃから構成されている。この第３電池ユニット２０ｃは、実施例１の電圧監視部１５がスレーブ電圧監視部１５ｃに変更されている点を除けば、実施例１に係る電池システムと同じである。

なお、充電用ダイオードＤ５、充電用スイッチＳ５、放電用ダイオードＤ６、放電用スイッチＳ６、電池モジュールＣｃおよび電圧検出部１４ｃ₁〜１４ｃ_nは、実施例１の充電用ダイオードＤ１、充電用スイッチＳ１、放電用ダイオードＤ２、放電用スイッチＳ２、電池モジュールＣおよび電圧検出部１４₁〜１４_nにそれぞれ対応する。

スレーブ電圧監視部１５ｃは、電圧検出部１４ｃ₁〜１４ｃ_nで検出された複数の電圧のいずれかが下限値になった場合に充電用スイッチＳ５をオンするための信号を生成するとともに、上限値になった場合に充電用スイッチＳ５をオフするための信号を生成してマスタ電圧監視部１５ａに送る。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係る電池システム１ｂの動作を説明する。この電池システム１ｂでは、第１電池ユニット２０ａのマスタ電圧監視部１５ａは、電圧検出部１４ａ₁〜１４ａ_nで検出された単セルＣａ₁〜Ｃ_nａの電圧、第２電池ユニット２０ｂのスレーブ電圧監視部１５ｂから送られてくる信号および第３電池ユニット２０ｃのスレーブ電圧監視部１５ｃから送られてくる信号を時分割で監視している。

すなわち、図３に示すように、マスタ電圧監視部１５ａは、期間Ｔ１においては第１電池ユニット２０ａの電池モジュールＣａの電圧を監視し、期間Ｔ２においては第２電池ユニット２０ｂの電池モジュールＣｂの電圧を監視し、期間Ｔ３においては第３電池ユニット２０ｃの電池モジュールＣｃの電圧を監視する。

具体的には、期間Ｔ１においては、第１電池ユニット２０ａのマスタ電圧監視部１５ａは、電圧検出部１４₁〜１４_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が下限値になった場合に、充電用スイッチＳ１をオンする。これにより、定電圧回路２から充電用端子１１ａ、充電用ダイオードＤ１および充電用スイッチＳ１を介して電池モジュールＣａに電圧が印加され、電池モジュールＣａが充電される。その結果、電池モジュールＣａの過放電が防止される。

一方、マスタ電圧監視部１５ａは、電圧検出部１４₁〜１４_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が上限値になった場合に、充電用スイッチＳ１オフする。これにより、電池モジュールＣの過充電が防止される。

期間Ｔ２においては、第１電池ユニット２０ａのマスタ電圧監視部１５ａは、第２電池ユニット２０ｂのスレーブ電圧監視部１５ｂから送られてくる信号が、電圧検出部１４ｂ₁〜１４ｂ_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が下限値になったことを示している場合に充電用スイッチＳ３をオンする。これにより、定電圧回路２から充電用端子１１ｂ、充電用ダイオードＤ３および充電用スイッチＳ３を介して電池モジュールＣｂに電圧が印加され、電池モジュールＣｂが充電される。その結果、電池モジュールＣｂの過放電が防止される。

一方、マスタ電圧監視部１５ａは、スレーブ電圧監視部１５ｂから送られてくる信号が、電圧検出部１４ｂ₁〜１４ｂ_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が上限値になったことを示している場合に、充電用スイッチＳ３オフする。これにより、電池モジュールＣｂの過充電が防止される。

期間Ｔ３においては、第１電池ユニット２０ａのマスタ電圧監視部１５ａは、第３電池ユニット２０ｃのスレーブ電圧監視部１５ｃから送られてくる信号が、電圧検出部１４ｃ₁〜１４ｂ_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が下限値になったことを示している場合に充電用スイッチＳ５をオンする。これにより、定電圧回路２から充電用端子１１ｃ、充電用ダイオードＤ５および充電用スイッチＳ５を介して電池モジュールＣｃに電圧が印加され、電池モジュールＣｃが充電される。その結果、電池モジュールＣｃの過放電が防止される。

一方、マスタ電圧監視部１５ａは、スレーブ電圧監視部１５ｃから送られてくる信号が、電圧検出部１４ｃ₁〜１４ｃ_nから送られてくる電圧のうちの１つ以上が上限値になったことを示している場合に、充電用スイッチＳ５オフする。これにより、電池モジュールＣｃの過充電が防止される。

また、期間Ｔ１〜Ｔ３において、放電用スイッチＳ２、放電用スイッチＳ４および放電用スイッチＳ６は、通常は、定電圧回路２からアプリケーション３ｂに電源が供給されると、このアプリケーション３ｂからの制御信号によりオンされている。

したがって、定電圧回路２からアプリケーション３ｂへの電源供給が停止されると、電池モジュールＣａから放電用スイッチＳ２、放電用ダイオードＤ２および放電用端子１２ａを介してアプリケーション３ｂに電源が供給されるとともに、電池モジュールＣｂから放電用スイッチＳ４、放電用ダイオードＤ４および放電用端子１２ｂを介してアプリケーション３ｂに電源が供給され、さらに、電池モジュールＣｃから放電用スイッチＳ６、放電用ダイオードＤ６および放電用端子１２ｃを介してアプリケーション３ｂに電源が供給される。その結果、アプリケーション３ｂは、定電圧回路２からの電源供給が停止されても、電池システム１から電源が供給されるので、動作を継続することができる。

上記の構成によれば、第１電池ユニット２０ａにおいては、放電用スイッチＳ２がオンされている状態では放電用ダイオードＤ２は逆バイアスになるので、定電圧回路２からの電圧が電池モジュールＣａに印加されることがない。したがって、電池モジュールＣａに微弱な電流が流れ続けることがないので、電池モジュールＣａを構成する単セルの寿命が短くなるという問題を解消できる。第２電池ユニット２０ｂおよび第３電池ユニット２０ｃについても同様である。

また、上記の構成によれば、第１電池ユニット２０ａの充電用スイッチＳ１、第２電池ユニット２０ｂの充電用スイッチＳ３および第３電池ユニット２０ｃの充電用スイッチＳ５は、図３に示すように、排他的に順次オンされるので、電池モジュールＣａ、電池モジュールＣｂおよび電池モジュールＣｃに同時に充電電流が流れることがない。したがって、定電圧回路２の電源容量を小さくすることができる。

本発明に係る電池システムは、無線停電電源装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係る電池システムの構成を示す図である。本発明の実施例２に係る電池システムの構成を示す図である。本発明の実施例２に係る電池システムの動作を示すタイミングチャートである。従来の電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１電池システム
２定電圧回路
３アプリケーション
４電源ライン
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ充電用端子
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ放電用端子
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ共通端子
１４₁〜１４_n、１４ａ₁〜１４ａ_n、１４ｂ₁〜１４ｂ_n、１４ｃ₁〜１４ｃ_n 電圧検出部
１５電圧監視部
１５ａマスタ電圧監視部
１５ｂ、１５ｃスレーブ電圧監視部
Ｃ₁〜Ｃ_n、Ｃａ₁〜Ｃａ_n、Ｃｂ₁〜Ｃｂ_n、Ｃｂ₁〜Ｃｂ_n 電池モジュール
Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５充電用ダイオード
Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６放電用ダイオード
Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５充電用スイッチ
Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６放電用スイッチ

Claims

複数の単セルが直列に接続された電池モジュールと、
外部から電源が供給される充電用端子と前記電池モジュールの正極との間に設けられ、前記複数の単セルの各々の電圧に基づき開閉される充電用スイッチと、
外部へ電源を供給する放電用端子にカソードが接続されたダイオードと、
前記ダイオードのアノードと前記電池モジュールの正極との間に設けられた放電用スイッチと、
を備えたことを特徴とする電池システム。
各々の充電用端子および放電用端子が共通に接続される複数の電池ユニットを備え、
前記複数の電池ユニットの各々は、
複数の単セルが直列に接続された電池モジュールと、
外部から電源が供給される充電用端子と前記電池モジュールの正極との間に設けられ、前記複数の単セルの各々の電圧に基づき開閉される充電用スイッチと、
外部へ電源を供給する放電用端子にカソードが接続されたダイオードと、
前記ダイオードのアノードと前記電池モジュールの正極との間に設けられた放電用スイッチとを備え、
前記複数の電池ユニットにそれぞれ備えられた複数の充電用スイッチを排他的に順次オンさせる制御回路と、
を備えたことを特徴とする電池システム。
前記単セルはリチウムイオン二次電池からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電池システム。