二次電池充放電装置及び電力貯蔵システム
【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、これらの二次電池を充電する電圧を出力する直流電源６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、互いに並列に接続された状態の複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８を、直流電源６と接続することによって充電する。また、接続装置３は、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８から選択した二次電池を複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４から選択したキャパシタに接続することによって放電させる。
【解決手段】
複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８と、これらの二次電池を充電する電圧を出力する直流電源６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、互いに並列に接続された状態の複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８を、直流電源６と接続することによって充電する。また、接続装置３は、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ８から選択した二次電池を複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４から選択したキャパシタに接続することによって放電させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の二次電池充放電装置は、複数の二次電池と、前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、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、互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記キャパシタに接続することによって放電させる接続装置とを備えたものである。
【００１１】
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、残量の少ない二次電池に制約を受けることなく、残量の多い二次電池を優先的に利用することができるので、より有効に複数の二次電池を活用する二次電池充放電装置を提供することができる。
一方、二次電池の充電は直流電源によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各二次電池を均等に充電することができる。
【００１２】
（２）また、本発明は、複数の二次電池と、前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、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、互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記複数のキャパシタから選択したキャパシタに接続することによって放電させる接続装置とを備えたものである、とも言える。
【００１３】
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、残量の少ない二次電池に制約を受けることなく、残量の多い二次電池を優先的に利用することができるので、より有効に複数の二次電池を活用する二次電池充放電装置を提供することができる。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にすることができる。
【００１４】
一方、二次電池の充電は直流電源によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各二次電池を均等に充電することができる。しかも全並列での充電により、直流電源は各二次電池に充電できる程度の比較的低い電圧を出力できれば足り、蓄電部全体のような高電圧を出力する必要が無い。従って、このような直流電源を設けることは、容易である。
【００１５】
（３）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、キャパシタ充電時には選択して接続することにより、問題なく使用することができる。
【００１６】
（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、キャパシタ充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。
【００１７】
（５）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。
キャパシタ充電時には二次電池は選択されて使用されるので、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。
【００１８】
（６）また、上記（５）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選択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放電させるときは、充電深度が相対的に高い二次電池を優先的にキャパシタに接続するようにしてもよい。
この場合、性能の劣る電池に制約されることなく、その時点で性能が優れている二次電池を適時に有効活用することができる。
【００１９】
（７）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。
【００２０】
（８）また、上記（７）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。
【００２１】
（９）また、上記（７）又は（８）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。
【００２２】
（１０）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。
【発明の効果】
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
《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。
【００２６】
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。）。
【００２７】
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の出力と所望の電源系統とを仲介する役目をする。
【００２８】
《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、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、直流電源６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。
【００２９】
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。但し、８個の二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、基本的には同一種類の電池であることが好ましい。また、直流電源６は、商用交流からの整流によって、二次電池Ｂ１〜Ｂ８を充電するに適した電圧を出力する。
【００３０】
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、二次電池から提供される電気エネルギーを蓄えつつ外部の変換装置（１０１，１０２）に対して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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。プラス側電路Ｌｐ２は、スイッチＳＢ０を介して直流電源６と接続されている。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
上記スイッチＳＢ０〜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ＳＢ０〜ＳＢ８、ＳＰ１〜ＳＰ４、ＳＮ１〜ＳＮ４を個別にオン・オフする。
【００３６】
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。
【００３７】
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、キャパシタ充電時に二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、選択されて使用されるので、非選択の二次電池は使用されていない。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、選択された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）。
【００４０】
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、キャパシタ充電に際して、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。
【００４１】
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。
【００４２】
上記の電池情報に基づいて、制御装置４は、放電用として最も充電深度が高い二次電池（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Ｓ１１）。なお、現時点で選択されている電池については、電圧降下のために正確な充電深度を把握できないので、当該電池は除外して、その他の電池のうちで最も充電深度が高い電池（Ｂ１〜Ｂ８のうち使用中の１つを除いたものの中のいずれか１つ）を特定するようにしてもよい。
【００４３】
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Ｓ１３）。そして、制御装置４は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオンにして、選択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。
【００４４】
続いて、制御装置４は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオンにして、選択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、選択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、選択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。
【００４５】
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。電池はその都度特定される（ステップＳ１１）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高い電池が選択されることになる。このようにして、残量の多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高い」というのは選択基準の一例であり、必ずしも最も高いものでなくてもよい。例えば充電深度が１，２番手の電池からランダムに選ぶ、というような選択も可能である。
【００４６】
要するに、充電深度が相対的に高い電池を優先的に選択することで、性能の劣る電池に制約されることなく、その時点で性能が優れている電池を適時に有効活用することができる。
なお、同じ電池を連続的に選択して使用することも可能である。但し、使用中は最新の充電深度がわからないので、所定回数連続して使用した後、次の電池を選択するようにすればよい。具体的には、例えば、ステップＳ１４〜Ｓ１７の処理を所定回数繰り返してからステップＳ１０に戻るフローチャートにすればよい。
【００４７】
次に、二次電池を充電する場合の動作について説明する。
二次電池を充電するとき、制御装置４は、全てのスイッチＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４及びＳＢ０〜ＳＢ８がオフである状態から、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオンにする。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ８は全て並列に接続される（ステップＳ２１）。そして、制御装置４は、スイッチＳＢ０をオンにして、電池Ｂ１〜Ｂ８の並列体を直流電源６に接続する（ステップＳ２２）。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ８が、直流電源６により、充電される。並列充電により、充電深度は概ね均等化される。
【００４８】
制御装置４は、各電池Ｂ１〜Ｂ８の充電深度に基づいて充電完了か否かを確認する（ステップＳ２３）。なお、この確認を行うには、例えば充電中定期的に、一定時間だけスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオフにして、電池情報の取得に関する処理（図５）により、充電深度を測定すればよい。各電池Ｂ１〜Ｂ８の充電が完了するまでは、制御装置４は、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理を維持し、充電を続行する。そして、充電が完了すると、スイッチＳＢ０〜ＳＢ８をオフにして各電池Ｂ１〜Ｂ８の並列接続及び直流電源６の接続を解除する（ステップＳ２４）。また、制御装置４は、上位システムに対して充電完了を通知する。
【００４９】
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。
【００５０】
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、選択して接続することにより、問題なく使用することができる。
なお、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、選択して接続することにより、使用することは可能である。但し、その場合、充電時の全並列接続により電池間で大きな循環電流が流れる可能性があるので、１ストリングのセル数を調整することにより電池間の電位差が過大にならないよう配慮すべきである。
【００５１】
また、電池からキャパシタへの充電時に、蓄電部２を構成する４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電することにより、蓄電部２全体の両端電圧の１／４の電圧をもって充電することができる。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。
【００５２】
一方、二次電池の充電は直流電源６によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各電池Ｂ１〜Ｂ８を均等に充電することができる。
全並列での充電により、直流電源６は各電池Ｂ１〜Ｂ８に充電できる程度の比較的低い電圧を出力できれば足り、蓄電部２全体のような高電圧を出力する必要が無い。従って、このような直流電源６を設けることは、容易である。
【００５３】
なお、二次電池の放電すなわち、キャパシタの充電に関して、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電する、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す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、選択した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。
【００５４】
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二次電池で充電す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。
【００５５】
《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と接続して充電し、また、二次電池Ｂ１〜Ｂ８は全並列で直流電源６により充電する、という基本構成・動作は同じである。但し、この場合、当該二次電池充放電装置１内では、蓄電部２の両端電圧として二次電池の電圧より高い電圧を得ることはできない。
【００５６】
また、上記実施形態では、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放電させることも可能ではある。
また、上記実施形態では、放電（キャパシタ充電）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、内部抵抗が近似している場合には複数ストリングで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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明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。
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。
【符号の説明】
【００６０】
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
６：直流電源
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
ＳＢ０〜ＳＢ８，ＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４：スイッチ（半導体スイッチング素子）
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の二次電池充放電装置は、複数の二次電池と、前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、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、互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記キャパシタに接続することによって放電させる接続装置とを備えたものである。
【００１１】
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、残量の少ない二次電池に制約を受けることなく、残量の多い二次電池を優先的に利用することができるので、より有効に複数の二次電池を活用する二次電池充放電装置を提供することができる。
一方、二次電池の充電は直流電源によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各二次電池を均等に充電することができる。
【００１２】
（２）また、本発明は、複数の二次電池と、前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、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、互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記複数のキャパシタから選択したキャパシタに接続することによって放電させる接続装置とを備えたものである、とも言える。
【００１３】
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、残量の少ない二次電池に制約を受けることなく、残量の多い二次電池を優先的に利用することができるので、より有効に複数の二次電池を活用する二次電池充放電装置を提供することができる。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にすることができる。
【００１４】
一方、二次電池の充電は直流電源によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各二次電池を均等に充電することができる。しかも全並列での充電により、直流電源は各二次電池に充電できる程度の比較的低い電圧を出力できれば足り、蓄電部全体のような高電圧を出力する必要が無い。従って、このような直流電源を設けることは、容易である。
【００１５】
（３）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、キャパシタ充電時には選択して接続することにより、問題なく使用することができる。
【００１６】
（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、キャパシタ充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。
【００１７】
（５）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。
キャパシタ充電時には二次電池は選択されて使用されるので、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。
【００１８】
（６）また、上記（５）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選択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放電させるときは、充電深度が相対的に高い二次電池を優先的にキャパシタに接続するようにしてもよい。
この場合、性能の劣る電池に制約されることなく、その時点で性能が優れている二次電池を適時に有効活用することができる。
【００１９】
（７）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。
【００２０】
（８）また、上記（７）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。
【００２１】
（９）また、上記（７）又は（８）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。
【００２２】
（１０）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。
【発明の効果】
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
《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。
【００２６】
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。）。
【００２７】
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の出力と所望の電源系統とを仲介する役目をする。
【００２８】
《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、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、直流電源６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。
【００２９】
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。但し、８個の二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、基本的には同一種類の電池であることが好ましい。また、直流電源６は、商用交流からの整流によって、二次電池Ｂ１〜Ｂ８を充電するに適した電圧を出力する。
【００３０】
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、二次電池から提供される電気エネルギーを蓄えつつ外部の変換装置（１０１，１０２）に対して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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。プラス側電路Ｌｐ２は、スイッチＳＢ０を介して直流電源６と接続されている。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
上記スイッチＳＢ０〜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ＳＢ０〜ＳＢ８、ＳＰ１〜ＳＰ４、ＳＮ１〜ＳＮ４を個別にオン・オフする。
【００３６】
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。
【００３７】
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、キャパシタ充電時に二次電池Ｂ１〜Ｂ８は、選択されて使用されるので、非選択の二次電池は使用されていない。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、選択された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）。
【００４０】
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、キャパシタ充電に際して、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。
【００４１】
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。
【００４２】
上記の電池情報に基づいて、制御装置４は、放電用として最も充電深度が高い二次電池（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Ｓ１１）。なお、現時点で選択されている電池については、電圧降下のために正確な充電深度を把握できないので、当該電池は除外して、その他の電池のうちで最も充電深度が高い電池（Ｂ１〜Ｂ８のうち使用中の１つを除いたものの中のいずれか１つ）を特定するようにしてもよい。
【００４３】
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Ｓ１３）。そして、制御装置４は、スイッチＳＰ１及びＳＮ１をオンにして、選択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。
【００４４】
続いて、制御装置４は、スイッチＳＰ２及びＳＮ２をオンにして、選択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、選択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、選択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。
【００４５】
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。電池はその都度特定される（ステップＳ１１）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高い電池が選択されることになる。このようにして、残量の多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高い」というのは選択基準の一例であり、必ずしも最も高いものでなくてもよい。例えば充電深度が１，２番手の電池からランダムに選ぶ、というような選択も可能である。
【００４６】
要するに、充電深度が相対的に高い電池を優先的に選択することで、性能の劣る電池に制約されることなく、その時点で性能が優れている電池を適時に有効活用することができる。
なお、同じ電池を連続的に選択して使用することも可能である。但し、使用中は最新の充電深度がわからないので、所定回数連続して使用した後、次の電池を選択するようにすればよい。具体的には、例えば、ステップＳ１４〜Ｓ１７の処理を所定回数繰り返してからステップＳ１０に戻るフローチャートにすればよい。
【００４７】
次に、二次電池を充電する場合の動作について説明する。
二次電池を充電するとき、制御装置４は、全てのスイッチＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４及びＳＢ０〜ＳＢ８がオフである状態から、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオンにする。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ８は全て並列に接続される（ステップＳ２１）。そして、制御装置４は、スイッチＳＢ０をオンにして、電池Ｂ１〜Ｂ８の並列体を直流電源６に接続する（ステップＳ２２）。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ８が、直流電源６により、充電される。並列充電により、充電深度は概ね均等化される。
【００４８】
制御装置４は、各電池Ｂ１〜Ｂ８の充電深度に基づいて充電完了か否かを確認する（ステップＳ２３）。なお、この確認を行うには、例えば充電中定期的に、一定時間だけスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオフにして、電池情報の取得に関する処理（図５）により、充電深度を測定すればよい。各電池Ｂ１〜Ｂ８の充電が完了するまでは、制御装置４は、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理を維持し、充電を続行する。そして、充電が完了すると、スイッチＳＢ０〜ＳＢ８をオフにして各電池Ｂ１〜Ｂ８の並列接続及び直流電源６の接続を解除する（ステップＳ２４）。また、制御装置４は、上位システムに対して充電完了を通知する。
【００４９】
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。
【００５０】
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、選択して接続することにより、問題なく使用することができる。
なお、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、選択して接続することにより、使用することは可能である。但し、その場合、充電時の全並列接続により電池間で大きな循環電流が流れる可能性があるので、１ストリングのセル数を調整することにより電池間の電位差が過大にならないよう配慮すべきである。
【００５１】
また、電池からキャパシタへの充電時に、蓄電部２を構成する４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電することにより、蓄電部２全体の両端電圧の１／４の電圧をもって充電することができる。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。
【００５２】
一方、二次電池の充電は直流電源６によって行うので、迅速かつ安定した充電を行うことができる。また、全並列で充電することにより、各電池Ｂ１〜Ｂ８を均等に充電することができる。
全並列での充電により、直流電源６は各電池Ｂ１〜Ｂ８に充電できる程度の比較的低い電圧を出力できれば足り、蓄電部２全体のような高電圧を出力する必要が無い。従って、このような直流電源６を設けることは、容易である。
【００５３】
なお、二次電池の放電すなわち、キャパシタの充電に関して、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を１個ずつ順番に充電する、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す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、選択した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。
【００５４】
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二次電池で充電す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。
【００５５】
《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と接続して充電し、また、二次電池Ｂ１〜Ｂ８は全並列で直流電源６により充電する、という基本構成・動作は同じである。但し、この場合、当該二次電池充放電装置１内では、蓄電部２の両端電圧として二次電池の電圧より高い電圧を得ることはできない。
【００５６】
また、上記実施形態では、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放電させることも可能ではある。
また、上記実施形態では、放電（キャパシタ充電）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、内部抵抗が近似している場合には複数ストリングで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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明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。
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。
【符号の説明】
【００６０】
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
６：直流電源
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
ＳＢ０〜ＳＢ８，ＳＰ１〜ＳＰ４，ＳＮ１〜ＳＮ４：スイッチ（半導体スイッチング素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
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、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記キャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
【請求項２】
複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
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、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記複数のキャパシタから選択したキャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
前記接続装置は、前記キャパシタとの接続用に選択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放電させるときは、充電深度が相対的に高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５記載の二次電池充放電装置。
【請求項７】
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。
【請求項８】
前記半導体スイッチング素子は、ＦＥＴである請求項７記載の二次電池充放電装置。
【請求項９】
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７又は８に記載の二次電池充放電装置。
【請求項１０】
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。
【請求項１】
複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
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、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記キャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
【請求項２】
複数の二次電池と、
前記二次電池を充電する電圧を出力する直流電源と、
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、
互いに並列に接続された状態の前記複数の二次電池を前記直流電源と接続することによって充電し、前記複数の二次電池から選択した二次電池を前記複数のキャパシタから選択したキャパシタに接続することによって放電させる接続装置と
を備えていることを特徴とする二次電池充放電装置。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
前記接続装置は、前記キャパシタとの接続用に選択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放電させるときは、充電深度が相対的に高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５記載の二次電池充放電装置。
【請求項７】
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。
【請求項８】
前記半導体スイッチング素子は、ＦＥＴである請求項７記載の二次電池充放電装置。
【請求項９】
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７又は８に記載の二次電池充放電装置。
【請求項１０】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−７０４８０（Ｐ２０１２−７０４８０Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０９３５（Ｐ２０１０−２１０９３５）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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