JP4928618B2 - 蓄電モジュール制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電部が直列に接続されてなる蓄電モジュールに対して、各蓄電部の電圧を制御する蓄電モジュール制御装置及び蓄電モジュール制御方法に関する。

電気二重層キャパシタ等の蓄電部を複数個直列に接続した蓄電モジュールがある。この蓄電モジュールを充電して電力供給源として使用する場合、各蓄電部の個体差や使用時の温度差などが原因で、各蓄電部の電圧にばらつきが生じてしまうことがある。例えば蓄電部がキャパシタの場合、各キャパシタの静電容量や内部抵抗、自己放電特性等の個体差により、このような電圧のばらつきが生じる。このような状態になると、特定の蓄電部の劣化が進行して、蓄電モジュールとしての寿命を早めてしまうなどの問題が生じる。

上記問題に対処する方法として、各蓄電部の電圧のばらつきを低減するように、電圧の均等化を行う均等化回路が知られている（例えば特許文献１，２及び３参照）。このような均等化回路は、例えば、各蓄電部の電圧の平均値を算出し、平均より高い電圧の蓄電部を放電させる制御を繰り返すことによって、各蓄電部の電圧が等しくなるように制御する。

特開２００４−３２８３６号公報 特開２００９−１１２０７１号公報 特開２００６−２１１８８５号公報

上記従来例の均等化回路は、蓄電モジュールの充放電エネルギーが大きい場合、蓄電モジュールを流れる電流が大きい場合、ほぼ連続して充放電を頻繁に繰り返す場合などにおいて、均等化に時間がかかったり、均等化精度が十分でなかったりすることがある。このような問題が生じやすい蓄電モジュールの用途の例としては、倉庫に大型部品を頻繁に出し入れするスタッカークレーン、製造ラインにおいて大型部品や重量部品を搬送する自動搬送車、パワーショベル等の建機を駆動する電力供給源がある。これらの用途における電力供給源は、大型重量部品の搬送をするため、あるいは省エネ対策として頻繁に電力を回生するために、大電力の充放電を短期間に繰り返す必要がある。特にこのような用途において、上記従来例の均等化回路では、前記問題点に拍車がかかり、均等化がより困難になるため、蓄電モジュール全体の寿命を早めてしまう。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、蓄電モジュールの比較的短い充放電サイクルが長期間連続するような場合、特に大電流の充放電が繰り返される場合であっても、蓄電モジュールの劣化を防止するように各蓄電部の電圧を制御できる蓄電モジュール制御装置及び蓄電モジュール制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る蓄電モジュール制御装置は、直列に接続された複数の蓄電部を含む蓄電モジュールを制御する蓄電モジュール制御装置であって、前記複数の蓄電部それぞれの電圧値を所定期間にわたって取得する電圧値取得手段と、前記所定期間にわたって取得された各蓄電部の電圧値に基づいて、前記複数の蓄電部の電圧を制御する電圧制御手段と、を含むことを特徴とする。

また、上記蓄電モジュール制御装置において、前記所定期間は、前記蓄電モジュールに対して１回の充放電が行われる期間以上の期間であってもよい。

また、上記蓄電モジュール制御装置は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって取得された当該蓄電部の電圧値を用いて、当該蓄電部の前記所定期間における平均電圧に関する期間電圧値を算出する期間電圧演算手段をさらに含み、前記電圧制御手段は、前記算出された各蓄電部の期間電圧値を用いて、前記複数の蓄電部の電圧を制御することとしてもよい。

さらに、前記電圧値取得手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって一定時間間隔で複数の電圧値を取得し、前記期間電圧演算手段は、前記取得した複数の電圧値の平均値を、前記期間電圧値として算出することとしてもよい。

また、前記電圧値取得手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって一定時間間隔で複数の電圧値を取得し、前記期間電圧演算手段は、前記複数の電圧値に対してディジタルフィルタ処理を実行することで、前記期間電圧値を算出することとしてもよい。

また、上記蓄電モジュール制御装置において、前記電圧制御手段は、前記複数の蓄電部のうちから選択された１又は複数の制御対象蓄電部を放電させることにより、前記複数の蓄電部の電圧を制御することとしてもよい。

また、前記電圧制御手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された期間電圧値の平均値を算出し、前記期間電圧値が当該平均値に応じて決まる閾値を上回る蓄電部を、前記制御対象蓄電部として選択することとしてもよい。

あるいは、前記電圧制御手段は、前記期間電圧値が大きい方から順に、所定の数の蓄電部を、前記制御対象蓄電部として選択することとしてもよい。

また、上記蓄電モジュール制御装置において、前記電圧制御手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された期間電圧値に応じて、当該蓄電部を放電させる期間を変化させることにより、前記複数の蓄電部の電圧を制御することとしてもよい。

また、上記蓄電モジュール制御装置において、前記電圧制御手段は、前記蓄電モジュールの充放電の状態に応じて、前記制御対象蓄電部を選択する方法を変更することとしてもよい。

また、上記蓄電モジュール制御装置は、前記所定期間を前記蓄電モジュールの充放電の状態に応じて変更することとしてもよい。

また、本発明に係る蓄電モジュール制御方法は、直列に接続された複数の蓄電部を含む蓄電モジュールの制御方法であって、前記複数の蓄電部それぞれの電圧値を所定期間にわたって取得するステップと、前記所定期間にわたって取得された各蓄電部の電圧値に基づいて、前記複数の蓄電部の電圧を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る蓄電モジュール制御装置によれば、蓄電モジュールの充放電サイクルが比較的短い場合でも、各蓄電部の電圧を長期的に見て均等化し、蓄電モジュールの劣化を抑えることができる。

静電容量に差がある蓄電部同士で生じる電圧差を示すグラフである。 内部抵抗に差がある蓄電部同士で生じる電圧差を示すグラフである。 自己放電電流に差がある蓄電部同士で生じる電圧差を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る蓄電モジュール制御装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電モジュール制御装置が実行する処理の流れの一例を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施形態に係る蓄電モジュール制御装置について、図面を参照しながら説明する。

まず、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置による電圧制御の基本的な考え方について、説明する。本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置は、互いに直列接続された複数の蓄電部からなる蓄電モジュールを制御対象とする。以下では具体例として、蓄電部が電気二重層キャパシタである場合について説明する。

蓄電モジュールを構成する複数の蓄電部が互いに同じ規格のキャパシタであるとしても、その容量や内部抵抗、自己放電特性等には個体差が生じる。そのため、このようなキャパシタからなる蓄電モジュールの充放電を行う際には、各キャパシタの電圧にばらつきが生じる。図１Ａ，図１Ｂ及び図１Ｃは、このようなばらつきを生じさせる要因毎に、これらの要因によって生じる複数のキャパシタ間での電圧のばらつきの具体例を模式的に示すグラフである。これらのグラフは、いずれも、直列接続された２個のキャパシタＣ１及びＣ２からなる蓄電モジュールを充放電して使用した場合における、各キャパシタの電圧の時間変化を示しており、横軸が時間、縦軸が電圧を示している。また、実線がキャパシタＣ１の電圧を、破線がキャパシタＣ２の電圧を、それぞれ示している。

具体的に、図１Ａは静電容量に差があるキャパシタ同士で生じる電圧差を示すグラフであって、キャパシタＣ１の静電容量が相対的に小さく、キャパシタＣ２の静電容量が相対的に大きな場合の電圧変化を示している。また、図１Ｂは内部抵抗に差があるキャパシタ同士で生じる電圧差を示すグラフであって、キャパシタＣ１の内部抵抗が相対的に小さく、キャパシタＣ２の内部抵抗が相対的に大きな場合の電圧変化を示している。なお、これらの図１Ａ及び図１Ｂは、いずれも、蓄電モジュールに対して１回の充放電が行われる期間における各キャパシタの電圧の変化を示している。すなわち、図１Ａ及び図１Ｂは、時刻０の時点から開始して、充電、放電、及び再充電を経て各キャパシタの電圧が元の値に戻るまでの期間における各キャパシタの電圧の変化を示しており、図中の一点鎖線は、１回の充放電期間にわたる各キャパシタの電圧の時間平均を示している。これらの図に示されるように、静電容量に差がある場合と内部抵抗に差がある場合とでは、電圧の変化の態様に違いがある。しかしながら、いずれの場合においても、１回の充放電期間内におけるキャパシタＣ１の電圧の平均値と、キャパシタＣ２の電圧の平均値とは、ほぼ等しくなっている。すなわち、充放電期間中のある一時点では各キャパシタの電圧値に差があったとしても、長期的に見て、キャパシタ間の電圧差は平均化される。そのため、キャパシタ間の静電容量や内部抵抗の差は、特定のキャパシタの劣化を進行させる要因としてはほとんど寄与しないことになる。

一方、図１Ｃは、自己放電電流に差があるキャパシタ同士で生じる電圧差を示すグラフであって、キャパシタＣ１の自己放電電流が相対的に大きく、キャパシタＣ２の自己放電電流が相対的に小さい場合の電圧変化を示している。なお、図１Ｃの時間のスケールは図１Ａ及び図１Ｂとは異なっており、短期的に複数回の充放電が繰り返されることによる電圧の変動は平均化され、長期的（例えば年単位）に見た場合においてキャパシタＣ１とキャパシタＣ２との間に生じる電圧差が示されている。この図に示されるように、自己放電電流の差に起因するキャパシタ間の電圧差は、静電容量や内部抵抗の差に起因するものと異なり、蓄電モジュールの使用とともに累積され、拡大していく。キャパシタ間にこのような電圧差が生じると、蓄電モジュールの充放電条件によっては特定のキャパシタが過充電や過放電となり、その特性が急激に劣化するおそれがある。また、電圧が長期的に高い状態のキャパシタ（図１Ｃの例ではキャパシタＣ２）は、他のキャパシタよりも早く劣化する。これによって、蓄電モジュール全体の寿命も短くなってしまう。

そこで本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置は、特に図１Ｃに例示したような長期的なスパンで蓄電部間に生じる電圧のばらつきを均等化するための制御を行う。具体的に、本実施形態の蓄電モジュール制御装置は、ある一時点における各蓄電部の電圧値同士を比較するのではなく、所定期間にわたって取得した各蓄電部の電圧値に基づいて、制御対象となる蓄電部を決定し、その電圧を下げる制御を行う。これにより、各蓄電部の電圧が短い周期で変動する場合であっても、長期的に見て、特定の蓄電部が他の蓄電部より早く劣化しないように、各蓄電部の電圧を均等化することができる。

以下、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置の構成について、説明する。

図２は、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１の回路構成を示す図である。本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１の制御対象となる蓄電モジュール２は、互いに直列に接続された複数の蓄電部２０を含んで構成されている。具体的に、本実施形態では、複数の蓄電部２０としてＮ個（Ｎは２以上の自然数）のキャパシタが直列接続されていることとする。また、Ｎ個の蓄電部２０は、互いに同種で、同じ規格のキャパシタであることとする。以下では、Ｎ個の蓄電部２０のそれぞれを、一方の端から接続順に、蓄電部２０（１），２０（２），２０（３），・・・，２０（Ｎ−１），２０（Ｎ）と表記する。蓄電モジュール２を充電する場合には、その両端の端子に対して、外部から電力が供給される。また、蓄電モジュール２に蓄積された電力は、蓄電モジュール２に接続された負荷を駆動するために用いられる。

本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１は、図２に示すように、複数の電圧制御回路１０と、切り替えスイッチ回路１３と、Ａ／Ｄコンバータ１４と、期間電圧演算回路１５と、制御回路１６と、を含んで構成される。ここで、電圧制御回路１０の数は、蓄電モジュール２を構成する蓄電部２０と同数（すなわち、Ｎ個）であって、Ｎ個の電圧制御回路１０のそれぞれは、Ｎ個の蓄電部２０のそれぞれと１対１で並列に接続されている。

各電圧制御回路１０は、抵抗器１１と、当該抵抗器１１に直列に接続されたスイッチ１２と、を含んで構成され、自身に対して並列接続された蓄電部２０の電圧を制御するために用いられる。スイッチ１２は、例えばトランジスタ等であって、制御回路１６からの制御信号に応じてそのオン／オフが切り替えられる。スイッチ１２がオンになると、電圧制御回路１０に電流が流れ、当該電圧制御回路１０に並列接続された蓄電部２０の放電が行われる。その結果、この蓄電部２０の電圧が低下する。なお、図２では、蓄電部２０（ｎ）（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ−１，Ｎ）に並列接続された電圧制御回路１０を電圧制御回路１０（ｎ）と表記し、電圧制御回路１０（ｎ）を構成する抵抗器１１及びスイッチ１２をそれぞれ抵抗器１１（ｎ）、スイッチ１２（ｎ）と表記している。Ｎ個の蓄電部２０のそれぞれに対して電圧制御回路１０が並列接続されているので、制御回路１６は、各電圧制御回路１０に備えられたスイッチ１２を個別にオン／オフする制御信号を出力することで、特定の蓄電部２０の電圧を低下させる制御を実現できる。

切り替えスイッチ回路１３は、Ｎ個の蓄電部２０のそれぞれを対象として、その両端の電圧差に応じたアナログ信号をＡ／Ｄコンバータ１４に入力する。具体的に、切り替えスイッチ回路１３は、制御回路１６からの制御信号に応じて、Ｎ個の蓄電部２０を一つずつ順に切り替えて、各蓄電部２０の両端をＡ／Ｄコンバータ１４と接続する。これにより、Ｎ個の蓄電部２０それぞれの両端の間の電圧差を示すアナログ信号が、順にＡ／Ｄコンバータ１４に入力される。

Ａ／Ｄコンバータ１４は、アナログ信号をディジタル信号に変換する。本実施形態では、Ａ／Ｄコンバータ１４は、切り替えスイッチ回路１３から入力される各蓄電部２０の電圧に応じたアナログ信号をディジタル信号に変換して、変換されたディジタル値を期間電圧演算回路１５に対して出力する。

期間電圧演算回路１５及び制御回路１６は、後述するように、各蓄電部２０の電圧を所定期間（以下、算出対象期間Ｔと表記する）にわたって取得し、当該取得した所定期間の電圧値に基づいて、各電圧制御回路１０を動作させ、これにより各蓄電部２０の電圧を制御する。期間電圧演算回路１５及び制御回路１６は、例えばマイクロプロセッサや、記憶素子、ディジタル回路等により実現されてよい。また、Ａ／Ｄコンバータ１４、期間電圧演算回路１５、及び制御回路１６は、一個のマイクロコンピュータによって実現されてもよい。

具体的に、期間電圧演算回路１５は、Ａ／Ｄコンバータ１４からディジタル値の入力を受け付ける。切り替えスイッチ回路１３の接続先の蓄電部２０が順に切り替えられることにより、期間電圧演算回路１５は、Ｎ個の蓄電部２０それぞれのある一時点における電圧を示すディジタル値をＡ／Ｄコンバータ１４から取得することになる。さらに期間電圧演算回路１５は、蓄電モジュール２の充放電が行われている間、このような各蓄電部２０の電圧値の取得を繰り返し行う。これにより、期間電圧演算回路１５は、Ｎ個の蓄電部２０それぞれについて、算出対象期間Ｔにわたって、一定時間おきに電圧値を取得できる。なお、本実施形態では、期間電圧演算回路１５は、図３に示すようにＮ個の蓄電部２０の電圧値を単位時間ｔ_ｕごとに取得するものとする。また、以下では、期間電圧演算回路１５が時刻ｔに取得した蓄電部２０（ｎ）の電圧値を、電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）と表記する。ここで、ｔは時間経過を表す整数のカウンタ値であって、所定の初期値から開始して、単位時間ｔ_ｕが経過して期間電圧演算回路１５が新たな電圧値を取得する毎に、１ずつ加算される値であるものとする。

さらに期間電圧演算回路１５は、Ｎ個の蓄電部２０それぞれについて、算出対象期間Ｔにわたって取得された電圧値を用いて、当該算出対象期間Ｔにおける当該蓄電部２０の平均電圧に関する値を算出する。以下、この算出対象期間Ｔにおける平均電圧に関する値を期間電圧値ＶＩという。また、特に蓄電部２０（ｎ）について時刻ｔに得られた期間電圧値を、ＶＩ_ｔ（ｎ）と表記する。なお、期間電圧値ＶＩは、必ずしも蓄電部２０の算出対象期間Ｔにおける平均電圧そのものでなくともよい。

ここで、算出対象期間Ｔは、蓄電モジュール２に対して１回の充放電が行われる期間（充放電期間）以上の期間であることが望ましい。このように算出対象期間Ｔを設定することで、期間電圧値ＶＩを算出する際に、蓄電モジュール２の充放電によって生じる各蓄電部２０の電圧変動が平均化され、期間電圧値ＶＩは充放電サイクル以上の期間にわたる長期的な蓄電部２０の電圧の変化を示す値になる。なお、算出対象期間Ｔは、複数回の充放電期間を含む期間であってもよい。例えば算出対象期間Ｔを１時間などの長時間にすることで、充放電によって生じる短期的な電圧変動の影響を大幅に低減することができる。１回の充放電期間は、外部からの電力供給によって蓄電モジュール２の電圧が上昇し始める時点から、その後負荷への電力供給によって蓄電モジュール２の電圧が下降し、再び外部からの電力供給によって電圧が上昇し始める時点までの期間に相当する。なお、蓄電モジュール２の使用態様によって充放電期間にばらつきがある場合には、例えば蓄電モジュール２の１回の使用期間に含まれる複数の充放電期間の平均値を超えるように算出対象期間Ｔを設定してもよい。

以下、期間電圧演算回路１５による期間電圧値ＶＩの演算処理の具体例について、説明する。

例えば期間電圧演算回路１５は、直近の過去に取得されたＭ個の電圧値の平均値を、期間電圧値ＶＩとして算出する。ここでＭは、算出対象期間Ｔを単位時間ｔ_ｕで除して得られる値に対応する。具体的に、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は、算出対象期間Ｔ内に取得されたＭ個の電圧値Ｖ_ｔ−ｍ（ｎ）（ｍ＝Ｍ−１，Ｍ−２，・・・，１，０）の単純加算平均だとすると、

という計算式により算出される。

また、期間電圧演算回路１５が算出する期間電圧値ＶＩは、算出対象期間Ｔ内に取得された電圧値の重み付け平均によって算出される値であってもよい。この場合、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は、

という計算式により算出される。ここで、Ｗ_ｔ−ｍ（ｍ＝Ｍ−１，Ｍ−２，・・・，１，０）は、重み付け係数であり、Ｆは重み付け係数の影響を補正する補正値である。なお、これらの例のように期間電圧値ＶＩとしてＭ個の電圧値の平均値を算出する場合、期間電圧演算回路１５は、各蓄電部２０について、単位時間ｔ_ｕおきに取得した過去Ｍ個分の電圧値をメモリに格納して、このメモリに保持された電圧値を用いて期間電圧値ＶＩを算出すればよい。

あるいは、期間電圧演算回路１５は、低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）として機能するディジタルフィルタであってもよい。この場合、期間電圧演算回路１５は、算出対象期間Ｔに相当する期間の時間積分を行う積分回路として機能し、その結果算出される期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は、直近の過去の算出対象期間Ｔにおける蓄電部２０（ｎ）の平均電圧に応じた値となる。具体的に、期間電圧演算回路１５が一次の低域通過フィルタである場合、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は、前回の電圧サンプリング時に算出された期間電圧値ＶＩ_ｔ−１（ｎ）を用いて、

という計算式により算出される。ここで、Ｋはフィルタ係数であって、その値は算出対象期間Ｔの長さに応じて決定される。これにより、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は、算出対象期間Ｔにわたって取得された電圧値Ｖ_ｔ−ｍ（ｍ＝Ｍ−１，Ｍ−２，・・・，１，０）に基づく値となる。なお、期間電圧演算回路１５は、このような一次の低域通過フィルタに限らず、高次のバタワースフィルタやチェビシェフフィルタなど、各種のディジタルフィルタであってもよい。

制御回路１６は、期間電圧演算回路１５によって得られた各蓄電部２０の期間電圧値ＶＩを用いて、各蓄電部２０の電圧制御を行う。具体的に、制御回路１６は、所定時間おきに、各蓄電部２０の期間電圧値ＶＩを用いて、Ｎ個の蓄電部２０の中から、電圧を低下させる対象となる１又は複数の蓄電部２０（以下、制御対象蓄電部という）を選択する。そして、制御対象蓄電部として選択した蓄電部２０に接続された電圧制御回路１０のスイッチ１２をオンに切り替え、その他の電圧制御回路１０のスイッチ１２をオフにする制御信号を出力する。これにより、制御対象蓄電部の放電が行われ、その電圧が低下する。このとき、全体として蓄電モジュール２の電圧自体が変わらなければ、制御対象蓄電部として選択されなかった蓄電部２０の電圧は相対的に上昇することになる。なお、制御回路１６が制御対象蓄電部を選択する方法の具体例については、後述する。

また、制御回路１６は、既に述べたように、切り替えスイッチ回路１３によるスイッチ切り替えを制御する。これにより、Ｎ個の蓄電部２０のそれぞれとＡ／Ｄコンバータ１４とが切り替えスイッチ回路１３を介して順次接続される。

以下、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１が実行する制御の流れの具体例について、図３のフロー図を用いて説明する。なお、ここでは一例として、期間電圧値ＶＩは直近の過去に取得されたＭ個の電圧値の平均値であるものとする。

まず制御回路１６は、変数ｔを１に初期化する（Ｓ１）。次に制御回路１６は、変数ｎを１に初期化する（Ｓ２）。そして、切り替えスイッチ回路１３を制御してＡ／Ｄコンバータ１４の接続先を蓄電部２０（ｎ）に切り替える（Ｓ３）。これにより、Ａ／Ｄコンバータ１４によってディジタル値に変換された蓄電部２０（ｎ）の電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）が、期間電圧演算回路１５に入力される。

続いて期間電圧演算回路１５が、Ｓ３で取得した電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）と、蓄電部２０（ｎ）について過去に取得された電圧値Ｖ_{ｔ−Ｍ＋１}（ｎ）〜Ｖ_ｔ−１（ｎ）と、を用いて、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）を算出し、制御回路１６に対して出力する（Ｓ４）。なお、ｔ＜Ｍの場合（すなわち、制御開始後、まだＭ個分のデータが取得されていない場合）、例えば期間電圧演算回路１５は、既に取得済みのデータだけを用いて単純平均を算出して、以降の処理を実行してもよい。あるいは、Ｍ個分のデータが取得できるまでは、Ｓ４及び後述するＳ７〜Ｓ９の処理を除いた電圧値の取得処理だけを繰り返し実行することとしてもよい。

次に制御回路１６は、ｎ＝Ｎか否かを判定する（Ｓ５）。そして、Ｓ５の判定条件が満たされない場合（すなわち、ｎ＜Ｎの場合）には、変数ｎの値に１を加算し（Ｓ６）、Ｓ３に戻って次の蓄電部２０（ｎ）に対する処理を実行する。

一方、Ｓ５の判定条件が満たされた場合、Ｎ個の蓄電部２０の全てについて、時刻ｔにおける期間電圧値ＶＩが取得されたことになる。そこで制御回路１６は、Ｓ４で算出されたＮ個の期間電圧値ＶＩを用いて、まず電圧の均等化制御を行う必要があるか否か判定する（Ｓ７）。具体的に、例えば制御回路１６は、Ｎ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）のうちの最大値と最小値とを比較し、その差が予め定められた閾値を超えるか否か判定する。そして、最大値と最小値との差が閾値を超える場合には、電圧の均等化制御が必要と判断する。なお、制御回路１６は、Ｓ７の処理を実行せずに、常に後述するＳ８〜Ｓ１０の処理を実行することとしてもよい。あるいは、ここで説明した判断基準以外の判断基準で、電圧の均等化制御を行うべきか否か判定してもよい。具体的に、例えば制御回路１６は、均等化制御を行っていない状態において均等化制御を開始するか否か判定する場合と、均等化制御を行っている状態において均等化制御を停止するか否か判定する場合とで、判定に用いる閾値を変化させてもよい。すなわち、均等化開始判定に用いる閾値を、均等化停止判定に用いる閾値より大きく（例えば２倍に）する。こうすれば、均等化制御の開始を遅らせることで制御対象蓄電部の放電によるエネルギー消費を減らすことができる。

Ｓ７で均等化制御が不要と判断された場合、制御回路１６は、Ｓ８及びＳ９の処理をスキップしてＳ１０に進む。一方、Ｓ７で均等化制御が必要と判断された場合、制御回路１６は、Ｓ４で算出されたＮ個の期間電圧値ＶＩを用いて、後述する方法により制御対象蓄電部を選択する（Ｓ８）。さらに制御回路１６は、Ｓ８で選択された制御対象蓄電部に対応するスイッチ１２をオンにし、制御対象蓄電部として選択されなかった蓄電部２０に対応するスイッチ１２をオフにする制御信号を出力する（Ｓ９）。これにより、制御対象蓄電部の電圧が低下し、その他の蓄電部２０の電圧が上昇し、各蓄電部２０の電圧が均等化されることになる。

最後に制御回路１６は、変数ｔの値に１を加算し（Ｓ１０）、Ｓ２に戻って次の時刻における電圧値の取得、及び電圧の均等化制御を行う。すなわち、Ｓ２〜Ｓ１０までの処理は、蓄電モジュール２の充放電が行われている間、単位時間ｔ_ｕごとに繰り返されることになる。

なお、この図３のフローに示した例では、単位時間ｔ_ｕが経過するごとに、各蓄電部２０の電圧値が取得されるとともに、この取得した電圧値を用いて各蓄電部２０の期間電圧値ＶＩが更新され、更新された期間電圧値ＶＩを用いて均等化制御を行うか否かの判定が行われている。そして、算出対象期間Ｔは、このような処理がＭ回繰り返される時間に相当している。つまり、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１は、各スイッチ１２のオン／オフを切り替えて電圧制御の対象となる蓄電部を変更する周期（＝単位時間ｔ_ｕ）より長い期間を算出対象期間Ｔとして、その期間にわたって取得した電圧値を用いて期間電圧値ＶＩの算出を行っていることになる。このように算出対象期間Ｔよりも短い周期で期間電圧値ＶＩの算出、及び制御対象蓄電部の変更を行うことにより、比較的長い算出対象期間Ｔを対象として期間電圧値ＶＩを算出する場合であっても、蓄電モジュール制御装置１は高速に各蓄電部２０の均等化を行うことができる。

また、図３のフローにおいては、蓄電モジュール２の一方端に接続された蓄電部２０（１）から順に、蓄電部２０（２）、２０（３）、・・・、２０（Ｎ）というように接続順に従って各蓄電部２０の電圧を取得することとしたが、これに限らず、例えば制御回路１６はランダムに決定された順序で各蓄電部２０の電圧を取得してもよい。

次に、図３のフローのＳ８において、制御回路１６が期間電圧値ＶＩを用いて制御対象蓄電部を選択する方法のいくつかの具体例について、説明する。

まず第１の例として、制御回路１６は、期間電圧値ＶＩの平均値に応じて決まる閾値ＶＩ_thを用いて制御対象蓄電部を選択する。具体的に、制御回路１６は、前述したＳ４の処理で算出されたＮ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の平均値ＶＩ_avgを算出する。そして、Ｎ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）のそれぞれを平均値ＶＩ_avgと比較し、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が平均値ＶＩ_avgを上回る蓄電部２０を、制御対象蓄電部として選択する。この場合、期間電圧値の平均値ＶＩ_avgそのものが、閾値ＶＩ_thとして機能する。あるいは制御回路１６は、平均値ＶＩ_avgに所定の値を加算した値を閾値ＶＩ_thとして用いて、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）との比較を行ってもよい。

次に、第２の例として、制御回路１６は、Ｎ個の蓄電部２０のうち、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が大きい方から順に、予め定められた数の蓄電部２０を、制御対象蓄電部として選択してもよい。例えば制御回路１６は、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が大きい順に半数（すなわちＮ／２個）の蓄電部２０を、制御対象蓄電部として選択する。また、Ｎ個の蓄電部２０のうち、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が大きい順に全体の所定の割合を占める数の蓄電部２０を、制御対象蓄電部として選択してもよい。この場合の所定の割合は、消費電力や均等化制御の所要時間などを考慮すると、３０％以上５０％以下であることが望ましい。この第２の例によると、Ｎ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が平均値に対して非対称に分布している場合、例えば期間電圧値ＶＩが平均値より低い蓄電部２０を制御対象として選択してしまうなど、制御対象蓄電部が必ずしも最適に選択されないことも考えられる。しかしながら、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１は、各蓄電部２０のある一時点における電圧値ではなく、算出対象期間Ｔにおける期間電圧値ＶＩを比較の対象としている。そのため、瞬間的に発生する誤差等の影響は生じにくく、Ｎ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）は概ね平均値に対して対称に分布すると想定される。そのため、この第２の例では、単純に期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が大きい順に制御対象蓄電部を選択することとしている。これにより、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）の平均値を算出する第１の例などと比較して、処理負荷を軽減できる。

次に、第３の例として、制御回路１６は、各蓄電部２０について算出された期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）に応じて、当該蓄電部２０が電圧制御の対象となる期間を変化させることとしてもよい。例えば制御回路１６は、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）の分布（散らばり度合い）に関する統計値を算出し、この統計値を用いて、各蓄電部２０の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が期間電圧値の平均値ＶＩ_avgに対してどの程度乖離しているか判定する。そして、その結果に応じて、蓄電部２０（ｎ）に対してどの程度の期間放電を行わせるかを決定する。

具体例として、制御回路１６は、Ｎ個の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）について、平均値ＶＩ_avgを算出するとともに、分布に関する統計値として、標準偏差σを算出する。そして、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が（ＶＩ_avg＋α・σ）以上の蓄電部２０については、無条件で制御対象蓄電部として選択し、放電対象とする。一方、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が平均値ＶＩ_avg以下の蓄電部２０については、制御対象蓄電部として選択しない。さらに、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が（ＶＩ_avg＋α・σ）未満でかつ平均値ＶＩ_avgを超える蓄電部２０（ｎ）については、前回判定時の状態に応じて制御対象蓄電部として選択するか否かを変化させる。すなわち、前回の処理（時刻ｔ−１における処理）で制御対象蓄電部として選択され、現時点で当該蓄電部２０（ｎ）の放電を実行中の場合には、スイッチ１２（ｎ）をオフにして、放電を停止させる。逆に前回の処理で制御対象蓄電部として選択されていなかった場合には、今回の処理では制御対象蓄電部として選択し、スイッチ１２（ｎ）をオンにすることとする。なお、ここでαは、所定の係数であって、その値は例えば１であってよい。

このような制御によれば、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が（ＶＩ_avg＋α・σ）以上の間は、蓄電部２０（ｎ）の放電が継続して実行され、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が（ＶＩ_avg＋α・σ）を下回ると、単位時間ｔ_ｕが経過するごとにスイッチ１２（ｎ）のオン／オフが繰り返され、その結果蓄電部２０（ｎ）の放電が行われる期間は期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が（ＶＩ_avg＋α・σ）以上だった場合のおよそ半分になる。そのため、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）が平均値ＶＩ_avgに対してそれほど乖離していない蓄電部２０（ｎ）の放電は、大きく平均値ＶＩ_avgを上回る蓄電部２０（ｎ）と比較して、緩やかな速度で行われることになる。

次に、第４の例として、制御回路１６は、所定の条件を満たす場合には、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）に代えて、時刻ｔにおいて取得された各蓄電部２０の電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）を用いて、制御対象蓄電部を決定することとしてもよい。具体的に、制御回路１６は、Ｓ３で取得したＮ個の電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）の平均値Ｖ_avgを算出する。そして、電圧値の平均値Ｖ_avgと期間電圧値の平均値ＶＩ_avgとの差の絶対値｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜が、所定の閾値を上回るか否か判定する。ここで、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜は、蓄電モジュール２の充放電の状態を示す指標値として機能しており、その値が大きい場合には、算出対象期間Ｔにわたって充放電が頻繁に行われており、値が小さい場合には、充放電がほとんど行われていないことを示している。そこで制御回路１６は、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜が所定の閾値を上回る場合には、既に述べた第１〜第３の例などの方法により、各蓄電部２０の期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）に応じて制御対象蓄電部を選択する。一方、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜が所定の閾値以下の場合には、期間電圧値ＶＩ_ｔ（ｎ）ではなくその時点で取得された電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）を用いて、第１〜第３の例などの方法により制御対象蓄電部を選択する。すなわち、例えば制御回路１６は、電圧値Ｖ_ｔ（ｎ）が平均値Ｖ_avgを上回る蓄電部２０（ｎ）を、制御対象蓄電部として選択する。これにより、例えば昼間に蓄電モジュール２の充放電が繰り返し行われ、夜間はほとんど使用されない場合など、様々な使用状態で蓄電モジュール２が使用される場合に、蓄電モジュール制御装置１は、このような使用状態の変化に合わせて均等化制御の方法を変更することで、各時点においてより好ましい態様で均等化制御を行うことができる。

また、本実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１は、制御対象蓄電部の選択方法だけでなく、算出対象期間Ｔを蓄電モジュール２の充放電状態に応じて変化させてもよい。具体的に、制御回路１６は、期間電圧値ＶＩを算出する際に用いる電圧値の数Ｍや、フィルタ係数Ｋを、充放電の状態を示す指標値である｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜の大きさに応じて変化させる。すなわち、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜の値が大きい場合にはＭやＫを大きくし、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜の値が小さい場合にはＭやＫを小さくする。これにより、｜Ｖ_avg−ＶＩ_avg｜が大きいほど算出対象期間Ｔが長くなるよう制御することができる。

なお、本発明の実施の形態は以上説明したものに限られない。例えば本発明の実施形態に係る蓄電モジュール制御装置１が制御対象とする蓄電モジュール２は、キャパシタに限らず、二次電池等、電力を供給することによって蓄電可能な各種の蓄電デバイスを蓄電部２０として採用してもよい。

また、以上の説明では、ディジタル値に変換された各蓄電部２０の電圧値を用いて、期間電圧値ＶＩを算出することとしたが、これに限らず、例えばアナログ回路によるローパスフィルタ等を用いて算出対象期間Ｔにおける期間電圧値ＶＩを算出してもよい。

１ 蓄電モジュール制御装置、２ 蓄電モジュール、１０ 電圧制御回路、１１ 抵抗器、１２ スイッチ、１３ 切り替えスイッチ回路、１４ Ａ／Ｄコンバータ、１５ 期間電圧演算回路、１６ 制御回路、２０ 蓄電部。

Claims (12)

1. 直列に接続された複数の蓄電部を含む蓄電モジュールを制御する蓄電モジュール制御装置であって、
   前記複数の蓄電部それぞれの電圧値を所定期間にわたって取得する電圧値取得手段と、
   前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって取得された当該蓄電部の電圧値を用いて、当該蓄電部の前記所定期間における平均電圧に関する期間電圧値を算出する期間電圧演算手段と、
   前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された前記期間電圧値に基づいて、前記複数の蓄電部のうちから１又は複数の制御対象蓄電部を選択し、当該選択した制御対象蓄電部の電圧を下げる制御を行う電圧制御手段と、
   を含むことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
2. 請求項１に記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記所定期間は、前記蓄電モジュールに対して１回の充放電が行われる期間以上の期間である
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧値取得手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって一定時間間隔で複数の電圧値を取得し、
   前記期間電圧演算手段は、前記取得した複数の電圧値の平均値を、前記期間電圧値として算出する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
4. 請求項３に記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記期間電圧演算手段は、前記取得した複数の電圧値の重み付け平均によって算出される値を、前記期間電圧値として算出する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
5. 請求項１又は２に記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧値取得手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって一定時間間隔で複数の電圧値を取得し、
   前記期間電圧演算手段は、前記複数の電圧値に対してディジタルフィルタ処理を実行することで、前記期間電圧値を算出する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記制御対象蓄電部を放電させることにより、当該制御対象蓄電部の電圧を下げる
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された期間電圧値の平均値を算出し、前記期間電圧値が当該平均値に応じて決まる閾値を上回る蓄電部を、前記制御対象蓄電部として選択する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
8. 請求項１から６のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記期間電圧値が大きい方から順に、所定の数の蓄電部を、前記制御対象蓄電部として選択する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
9. 請求項６から８のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された期間電圧値に応じて、当該蓄電部を放電させる期間を変化させることにより、前記複数の蓄電部の電圧を制御する
   ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
    前記電圧制御手段は、前記蓄電モジュールの充放電の状態に応じて、前記制御対象蓄電部を選択する方法を変更する
    ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項記載の蓄電モジュール制御装置において、
    前記所定期間を前記蓄電モジュールの充放電の状態に応じて変更する
    ことを特徴とする蓄電モジュール制御装置。
12. 直列に接続された複数の蓄電部を含む蓄電モジュールの制御方法であって、
    前記複数の蓄電部それぞれの電圧値を所定期間にわたって取得するステップと、
    前記複数の蓄電部のそれぞれについて、前記所定期間にわたって取得された当該蓄電部の電圧値を用いて、当該蓄電部の前記所定期間における平均電圧に関する期間電圧値を算出するステップと、
    前記複数の蓄電部のそれぞれについて算出された前記期間電圧値に基づいて、前記複数の蓄電部のうちから１又は複数の制御対象蓄電部を選択し、当該選択した制御対象蓄電部の電圧を下げる制御を行うステップと、
    を含むことを特徴とする蓄電モジュール制御方法。

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