JP2009247145A

JP2009247145A - 電源システム

Info

Publication number: JP2009247145A
Application number: JP2008091861A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Uno; 将年鵜野; Hiroyuki Toyoda; 裕之豊田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】蓄電モジュールを構成する各蓄電素子を均等に使用して寿命が低下するのを防止することができる電源システムを提供する。
【構成】複数個のセルの直列接続により構成されたバッテリＢ１〜Ｂ３を直列に接続することによってバッテリＢが構成される。バッテリＢの出力端子１、中間タップ端子２、３のそれぞれに、動作電圧がそれぞれ異なる機器Ａ〜Ｃが接続されている。バランス回路１０は、バッテリの出力端子１、中間タップ端子２、３、そしてリターン端子４に、それぞれ接続されている。バランス回路１０は、バッテリＢ１、Ｂ２、Ｂ３の間でエネルギー交換を行って、各バッテリの電圧がそれぞれ等しくなるように動作する。このため、機器Ａ〜Ｃの負荷電流ＩＡ〜ＩＣはそれぞれ異なるが、各バッテリの電圧が均一となり、放電電流が等しくなる。
【選択図】図４

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蓄電素子を用いて構成される蓄電モジュールを用いた電源システムに関する。

あるシステムに複数の電子機器類が含まれている場合、各電子機器類が動作するために必要となる電圧は一般に異なる。一方、電力供給源のバッテリ電圧は通常、一つにシステムについて一種類のみであることが多い。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いて電圧変換を行うことによって、各電子機器類が必要とする多種類の電圧を生成することが行われている。図１はそのような電源システムの一例を示したものである。図１のシステムでは、機器Ａに対してはバッテリから電力（電圧ＶＡ）が直接供給されるが、動作電圧がバッテリ電圧とは異なる機器Ｂ、Ｃに対してはＤＣ−ＤＣコンバータを用いて所望の電圧ＶＢ、ＶＣに電圧変換をした上で電力の供給が行われる。

しかしながら、上記のような電源システムにおいてはＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより回路構成は複雑化し、且つ、ＤＣ−ＤＣコンバータでは電力損失が発生するため、システム全体としての効率は低下してしまう。

前述のようなＤＣ−ＤＣコンバータを用いずに、バッテリから多種類の電圧を効率的に出力する方法として、図２に示すような構成の電源システムが考えられる。これは、バッテリを構成する複数個のセルのそれぞれの接続点から、中間タップを引き出し、ここから電力供給を行うよう構成されている。以下の説明では、蓄電モジュールとしてバッテリを用いた場合を例にとる。

図２に示した電源システムの場合、バッテリＢ１は機器Ａのみに電力を供給し、バッテリＢ２は機器Ａと機器Ｂに電力を供給し、バッテリＢ３は機器Ａ、Ｂ、Ｃの全てに電力を供給する。図２の電源システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータが不要となるため、回路が複雑化せず、また、ＤＣ−ＤＣコンバータによる電力損失も発生しない。

しかしながら、図２に示した電源システムでは、各セルに流れる電流の値が異なることになる。すなわち、バッテリＢ１に流れる電流ＩＢ１は機器Ａの負荷電流と等しいためＩＢ１＝ＩＡとなり、バッテリＢ２に流れる電流は機器Ａと機器Ｂの負荷電流の和と等しいためＩＢ２＝ＩＡ＋ＩＢとなり、バッテリＢ３については、ＩＢ３＝ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣとなる。

このように、各セルに流れる電流が不均一であるため、バッテリの使用時間の経過と共に、各セルの充放電状態のばらつきが発生してしまう。図２の電源システムにおいて、バッテリＢ１〜Ｂ３の充放電状態が均一である満充電の初期状態から、バッテリの放電を行っていった場合のバッテリＢ１〜Ｂ３の放電電圧の推移を、図３に示す。ここでバッテリＢ１〜Ｂの各容量は等しいものとする。バッテリＢ１とＢ２の放電電流は、バッテリＢ３と比較して小さいため、放電電圧は高く推移する。その一方で、大きな電流の流れるバッテリＢ３が最も早くエネルギーを放出し尽くして放電終止電圧に達してしまい、これ以上の放電が不可能となってしまう。

このように、最も大きな電流の流れるバッテリＢ３が、バッテリ全体の放電電力量を制限することになり、バッテリ全体としてのエネルギーを十分に活用することができなくなってしまう。また、一般的にバッテリは、深く放電することにより劣化が進行しやすくなる傾向があるため、バッテリＢ３の劣化が他のバッテリよりも顕著に進行し、バッテリ全体としての寿命を低下させることとなる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、蓄電モジュールを構成する各蓄電素子を均等に使用して寿命が低下するのを防止することができる電源システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電素子の接続点を介して複数の電圧を出力する電源システムにおいて、前記各蓄電素子の充放電状態のばらつきを補正するバランス回路を設けたことを特徴とする。

前記バランス回路としては、複数のキャパシタと複数のスイッチから構成されるスイッチとキャパシタ方式、複数のコイルと複数のスイッチから構成される極性反転型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ方式、単数または複数のトランスと複数のスイッチから構成される方式、その他、充電及び放電の両方の期間においてバランスが行える方式のものであれば、任意の方式のものを使用することができる。

前記複数の蓄電素子の容量は、前記複数の電圧出力する前記接続点からの平均放電電流値に基づいて決定することが望ましい。

蓄電素子の個体差に起因する充放電状態のばらつきを補正するバランス回路を利用することにより、蓄電モジュールを構成する各蓄電素子を均等に使用することができるので、蓄電モジュールのエネルギーを有効活用しつつ、寿命が低下するのを防止することができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施形態に係る電源システムの特徴は、蓄電モジュールを構成する各蓄電素子の個体差に起因する充放電状態のばらつきを防止するために設けられるバランス回路を利用して各蓄電素子間にてエネルギーを交換し、中間タップからの放電による各蓄電素子の放電電流のばらつきを防止し、各蓄電素子を均一に使用できるようにする。また、本実施形態に係る電源システムは、各蓄電素子に流れる電流値に応じて各蓄電素子の容量を選択することにより、上記のバランス回路を介して交換するエネルギー量を低減することができる。

以下、本実施形態についてより詳しく説明する。図４は、本実施形態に係る電源システムの一例を示した回路図である。図４に示すように、複数個のセルの直列接続により構成されたバッテリＢ１〜Ｂ３を、さらに直列に接続することによって、バッテリＢが構成されている。

このバッテリＢの出力端子１、中間タップ端子２、３のそれぞれに、動作電圧がそれぞれ異なる機器Ａ〜Ｃが接続されている。バランス回路１０は、バッテリの出力端子１、中間タップ端子２、３、そしてリターン端子４に、それぞれ接続されている。

バランス回路１０は、バッテリＢ１、Ｂ２、Ｂ３の間でエネルギー交換を行って、各バッテリの電圧がそれぞれ等しくなるように動作する。このため、機器Ａ〜Ｃの負荷電流ＩＡ〜ＩＣはそれぞれ異なるが、各バッテリの電圧が均一となり、放電電流が等しくなる。なお、ここではバッテリＢ１〜Ｂ３の容量は等しいものとする。

ここで、バランス回路１０について説明する。図５は、２種類のバランス回路１０を示しており、（ａ）はスイッチトキャパシタ方式のバランス回路１０ａ、（ｂ）は極性反転型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ式バランス回路１０ｂを示している。図５の（ａ）（ｂ）の回路は、充電及び放電の両方の期間においてバッテリ間にて双方向でエネルギー伝送、つまりバランスが行える方式のものである。すなわち、バランス回路中のスイッチを一定周期で図示のように交互に切り替えることによって、隣接する蓄電セル同士のエネルギーを交換して隣接する蓄電セルの電圧が等しくなるようにする。隣接する蓄電セル同士の電圧が等しくなることによって、最終的にはすべての蓄電セルの電圧が均一となる。

なお、バランス回路は、トランスを用いた方式など、上記以外にも多くのものが知られており、充電及び放電の両方の期間においてバランスが行える方式のものであれば、本発明に適用することができる。また、スイッチとしては一般的な半導体スイッチを用い、その切り替え動作は一般的なスイッチ制御回路により容易に構成することができる。

図６に、図４に示した各バッテリＢ１〜Ｂ３の放電時における電圧の推移を示す。バランス回路の働きによって、中間タップからの放電による充放電状態のばらつきは防止され、各バッテリＢ１〜Ｂ３の放電電圧の変化は同じように推移する。バランス回路を用いない場合の図３と比較すると、放電可能な時間が大幅に長くなることが分かる。また、各バッテリＢ１〜Ｂ３が均一に使用されることによって、各バッテリの劣化も均一に進行するため、バッテリ全体としての寿命を延ばすことも可能になる。

上記の場合、Ｂ１〜Ｂ３には同じ容量のバッテリを用いているため、中間タップからの放電による充放電状態のばらつきを補正するためにバランス回路は大きな電力を伝送する必要がある。バランス回路も一種の電圧コンバータであるため、大きなエネルギーを伝送するためには容量の大きな素子を用いる必用があり、そのため回路が大型化してしまう。また、エネルギー伝送に伴って損失が発生するので、バランス回路において交換されるエネルギー量は少ない方が望ましい。

そこで、図２において、Ｂ１〜Ｂ３のバッテリの平均放電電流値に応じて各バッテリの容量を選択することにより、中間タップからの放電による電圧ばらつきを積極的に防止することができる。この場合、最も適切なバッテリの容量比は、Ｂ１：Ｂ２：Ｂ３＝ＩＡ：ＩＡ＋ＩＢ：ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣである。

ところで、一般的に、機器の負荷電流は機器の動作状態に応じて変動するため、各バッテリの電圧は徐々にばらつくこととなる。しかし、上記のように適切な容量比により構成されたバッテリに対してバランス回路を用いた場合には、中間タップからの放電による積極的な電圧ばらつきを補正する必要はなく、負荷電流の変動分によるばらつきのみを補正すればよいため、エネルギーの伝送量は少なくて済む。上記のような容量比のバッテリが準備できない場合においても、可能な限り上記の容量比に近くなるようにバッテリの容量を選定することにより、バランス回路におけるエネルギーの伝送量を少なくすることができる。以上のように適当な容量比でバッテリを構成することにより、電源システムを高効率かつ小型化することができる。

本発明に係る電源システムは、電気自動車用電源、バックアップ電源、パソコン用電源、モバイル機器用電源、移動体用電源、家庭用電源、非常時用電源等に利用することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて所望の電圧を得ている電源システムを示した回路図である。バッテリを構成する複数個のセルのそれぞれの接続点から中間タップを引き出し、ここから電力供給を行うよう構成された電源システムを示した回路図である。図２の電源システムにおいてバッテリＢ１〜Ｂ３の充放電状態が均一である満充電の初期状態から、バッテリの放電を行っていった場合のバッテリＢ１〜Ｂ３の放電電圧の推移を示した図である。本発明の一実施形態に係る電源システムの一例を示した回路図である。（ａ）はスイッチトキャパシタ方式のバランス回路、（ｂ）は極性反転型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ式バランス回路を示した回路図である。図４に示した各バッテリＢ１〜Ｂ３の放電時における電圧の推移を示した図である。

符号の説明

１出力端子
２，３中間タップ端子
４リターン端子
１０バランス回路
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３バッテリ

Claims

蓄電モジュールを構成する複数個の蓄電素子の接続点を介して複数の電圧を出力する電源システムにおいて、前記各蓄電素子の充放電状態のばらつきを補正するバランス回路を設けたことを特徴とする電源システム。
前記バランス回路は、複数のキャパシタと複数のスイッチから構成されるスイッチトキャパシタ方式である、請求項１に記載の電源システム。
前記バランス回路は、複数のコイルと複数のスイッチから構成される極性反転型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ方式である、請求項１に記載の電源システム。
前記バランス回路は、単数または複数のトランスと複数のスイッチから構成される方式である、請求項１に記載の電源システム。
前記複数の電圧を出力する前記接続点からの平均放電電流値に基づいて各蓄電素子の容量を決定し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電源システム。