蓄電池用セル電圧バランス回路の研究(Cell Equalizer for Energy Storage System)

Cell voltage imbalance of series-connected energy storage devices, such as lithium-ion batteries and electronic double layer capacitors (EDLCs), is well known to trigger serious issues of over-charging/discharging, premature deterioration of the system as a whole, and reduced chargeable/dischargeable energies. To elimiate the harmful voltage imbalance, cell voltage equalizers that redistribute energies among series-connected cells are employed. Conventional cell voltage equalizers, however, require numerous switches in proportion to the number of cells connected in series, meaning their circuits are prone to complex and costly. Recent energy storage systems sometimes demand tens to hundreds of cells to be connected in series to meet voltage requirement, and therefore, cell votlage equalizers containing only a few switches are preferable.
We propose novel cell voltage equalizers that contain only a few switches or even no switch. With our proposed equalizers, not only is the circuit dramatically simplified but also feedback control loop can be eliminated because of their automatic voltage equalization mechanism. Some of our proposed voltage equalization techniques have already been commercialized.

リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ(EDLC: Electric Double-Layer Capacitor)等の蓄電セルを直列に接続して使用する場合、各セルの電圧にアンバランスが生じていると充電中に一部のセルが過充電されてしまう恐れが生じるのみならず、蓄電システム全体としての寿命の早期劣化、蓄電エネルギーの低下、等の悪影響を及ぼすことがよく知られています。セル電圧のアンバランスを解消するために「セル電圧バランス回路」が用いられています。バランス回路を介してセル間でエネルギーをやりとりすることでセル電圧を均等化、即ちバランスさせます。従来のバランス回路方式ではセルの数に比例して多数個のスイッチが必要となるため回路が複雑化そして高コスト化するといった課題を抱えています。これはスイッチ1個につき複数個の周辺部品が必要となるためです。近年の蓄電源ではセルの直列接続数は増加傾向にあり、電動車両等ではセルの直列接続数は100近くにもなるため、少ないスイッチ数で構成可能なセル電圧バランス回路が望まれます。
 研究室では、スイッチ数を劇的に削減可能なセル電圧バランス回路の研究を行っています。用途に応じて多種のセル電圧バランス回路方式の開発を行っていますが、いずれの方式もセルの数とは無関係にスイッチの数を1個もしくは2個にまで削減できるため、従来方式と比較して回路構成の飛躍的な簡素化を実現することができます。また、いずれの方式も制御を用いなくてもセル電圧のバランスを自動的に実行できるため、制御回路を省略することで設計の簡素化を図ることもできます。

ばらつきによる過充電の恐れ

ばらつきによる過充電の恐れ Overcharging due to imbalance

 

ばらつきによる過充電の恐れ

バランス回路によるばらつき解消 Elimination of imbalnace by cell equalizer


ばらつきによる過充電の恐れ

共振倍電圧整流回路を用いた二石式バランス回路(8セル用)Two-switch equalizer using resonant voltage multiplier for 8 cells

 

ばらつきによる過充電の恐れ

多段接続SEPICを用いた一石式バランス回路(4セル用)Single-switch equalizer using multi-stacked SEPICs for 4 cells

 

ばらつきによる過充電の恐れ

12セルの電気二重層キャパシタに対するバランス実験 Experimental equalization for 12 EDLCs

 

ばらつきによる過充電の恐れ

バランス回路を備えた6セルEDLCモジュール 6-cell EDLC module with equalizer

 

ばらつきによる過充電の恐れ

バランス実験結果の例(電気二重層キャパシタ、8直列)Experimental equalization profiles of 8 EDLCs