深海用群電池ユニット、およびセルの電圧値を均等化させる方法、並びにプログラム
【課題】均圧容器に封入された群電池の各セルの電圧値の均等化を、群電池が均圧容器に封入されたまま行い、群電池の充電状態を最適に保つこと。
【解決手段】群電池２１〜２４は、電圧・温度測定部６１と、バランス回路５１〜５８と、通信制御部６２と、を有し、群電池制御部は、個々の通信制御部２５から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池２１〜２４のセル４０〜４７の電圧値が全ての群電池２１〜２４において均等になるように、個々の群電池２１〜２４の通信制御部６２に放電実行指示を送信するようにする。
【解決手段】群電池２１〜２４は、電圧・温度測定部６１と、バランス回路５１〜５８と、通信制御部６２と、を有し、群電池制御部は、個々の通信制御部２５から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池２１〜２４のセル４０〜４７の電圧値が全ての群電池２１〜２４において均等になるように、個々の群電池２１〜２４の通信制御部６２に放電実行指示を送信するようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深海用群電池ユニット、およびセルの電圧値を均等化させる方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
深海（たとえば深度２００ｍ（メートル）以上）を航行する深海探査機は、充電を行うことにより繰り返し使用することができる二次電池を搭載し、この二次電池から電力が供給される電動機を利用して航行する。このような深海探査機では、二次電池として鉛蓄電池に比べ、重量に対する容量比が大きいリチウムイオン電池が使用されている（たとえば特許文献１参照）。なお、鉛蓄電池はリチウムイオン電池に比べ容量比は小さいが、セル毎の電圧値のバラツキに関してはあまり問題にならない。
【０００３】
二次電池の単体（以下ではセルと称する）の電圧は、たとえばリチウムイオン電池などでは３．６Ｖ（ボルト）程度である。このため、一般的には、セルを複数直列に接続した集合化電池として使用される。たとえば８セルの集合化電池は、２８．８Ｖである。さらに必要に応じて、集合化電池が直列に接続されて使用される。たとえば電動機が１００Ｖ以上の電圧を必要とするものであれば、８セルの集合化電池を４つ直列に接続して１１５．２Ｖを得るようにしている。なお、本明細書において「群電池」とは、上述の集合化電池を含むバッテリ部と、このバッテリ部を監視または制御する電圧監視ボードとを有するものをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５３１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、集合化電池は、複数のセルを直列に接続している。このため、個々のセルの充放電特性の差異により、充放電を繰り返すのに伴ってセル毎の電圧値に差（バラツキ）が生じるようになる。この状態を放置したまま充放電をさらに繰り返せば、セル毎の電圧値のバラツキはますます大きくなり、最終的には、充放電不能な事態に陥る。
【０００６】
このような事態を回避するためには、定期的に、セル毎の電圧値を測定し、電圧値が高いセルについては放電を行うなどにより、各セルの電圧値を均等化する必要がある。
【０００７】
深海探査機の集合化電池は、大きな水圧（深度１０ｍ毎に１気圧ずつ増加）に耐えるため、非導電性の液体（たとえば流動パラフィン）が充填された均圧容器に封入されている。したがって、集合化電池を、均圧容器からいったん取り出し、セル毎に分解してその電圧値を個別に測定し、必要に応じてセル毎に放電を行い、その後に再びセルを集合化電池に組み立て、充電を行い、再度、均圧容器に封入することが必要となり、きわめて手間のかかる作業が必要となる。
【０００８】
本発明は、このような背景の下に行われたものであって、均圧容器に封入された運用状態にある集合化電池の、全セルの電圧および、集合化電池部の温度測定等の監視が可能となり、集合化電池の運用を最適に保つことができると共に、均圧容器に封入された集合化電池の各セルの電圧値の均等化を、集合化電池が均圧容器に封入されたまま行い、集合化電池の充電状態を最適に保つことができる深海用群電池ユニット、およびセルの電圧値を均等化させる方法、並びにプログラ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】
【０００９】
本発明のひとつの観点は、深海用群電池ユニットとしての観点である。本発明の深海用群電池ユニットは、充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおいて、群電池は、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電圧を測定する電圧測定手段と、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電力を放電させる放電手段と、電圧測定手段の測定結果を送信すると共に放電手段への放電実行指示を受信する通信手段と、を有し、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信する群電池制御手段を有するものである。
【００１０】
このとき、個々の群電池の通信手段は、デイジーチェーン接続により群電池制御手段に接続されることができる。
【００１１】
さらに、バッテリ部の温度を測定する温度測定手段を有し、群電池制御手段は、温度測定手段の測定結果が所定の値を超えたときには、群電池の放電または充電を停止させることができる。
【００１２】
また、バッテリ部の電流を測定する電流測定手段を有することもできる。
【００１３】
本発明のさらに他の観点は、セルの電圧値を均等化させる方法である。本発明のセルの電圧値を均等化させる方法は、充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおけるセルの電圧値を均等化させる方法において、群電池の電圧測定手段が、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電圧を測定するステップを実行し、群電池の放電手段が、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電力を放電させるステップを実行し、群電池の通信手段が、電圧測定手段の測定結果を送信すると共に放電手段への放電実行指示を受信するステップを実行し、深海用群電池ユニットの群電池制御手段が、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信するステップを実行するものである。
【００１４】
本発明のさらに他の観点は、プログラムとしての観点である。本発明のプログラムは、コンピュータに、本発明の深海用群電池ユニットにおける群電池制御手段の機能を実現させるプログラムであって、コンピュータに、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信する機能を実現させるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、均圧容器に封入された運用状態にある群電池の、全セルの電圧および、バッテリ部の温度測定等の監視が可能となり、群電池の運用を最適に保つことができると共に、均圧容器に封入された群電池の各セルの電圧値の均等化を、群電池が均圧容器に封入されたまま行い、群電池の充電状態を最適に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の深海探査システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の深海探査機の構成を示す図である。
【図３】図２の群電池ユニットの構成を示す図である。
【図４】図３の群電池の構成を示す図である。
【図５】比較例として１セルからなる電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図６】４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図７】各セルの電圧値にバラツキがあり１つのセルが充電終止電圧値である４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図８】各セルの電圧値にバラツキがあり１つのセルが放電終止電圧値である４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図９】図３の群電池制御部の動作を示すフローチャートであり、各セルの電圧値を均等化させる工程を示す図である。
【図１０】図３の群電池制御部の動作を示すフローチャートであり、充電工程を示す図である。
【図１１】その他の実施の形態の群電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（概要）
本発明の実施の形態の深海探査システムは、図１に示すように、深海探査機１と母船２とを有する。深海探査機１は、無人であっても有人であってもよい。また、自立航行型であっても、遠隔制御型であってもよい。
【００１８】
図１の例では、超音波などを用いた無線通信により、深海探査機１と母船２とが通信を行っている様子を双方向の矢印で示しているが、通信は、ケーブルを用いた有線通信であってもよい。なお、深海とは、一般的に、深度２００ｍ以上をいう。また、水圧は、深度が１０ｍ増す毎に１気圧ずつ増加する。たとえば深度２００ｍであれば、水圧は、２１気圧になる。
【００１９】
深海探査機１は、図２に示すように、群電池ユニット１０から電動機１１に電力を供給し（実線矢印）、電動機１１が推進器１２を回転させる。これらの群電池ユニット１０および電動機１１は、制御装置１３によって制御される（一点鎖線矢印）。たとえば制御装置１３は、群電池ユニット１０の群電池２１〜２４（図３）のＳＯＣ(State of Charge:充電状態)を監視し、電動機１１に群電池ユニット１０から供給される電力を調整する。さらに、群電池ユニット１０は、照明機器１４および撮影機器１５に対しても電力を供給し（実線矢印）、制御装置１３は、照明機器１４および撮影機器１５を制御する（一点鎖線矢印）。また、制御装置１３は、母船２との通信を行い、深海探査機１の各種の情報などを母船２に送信し（上向きの白抜き矢印）、母船２からの制御指示などを受信する（下向きの白抜き矢印）。たとえば制御装置１３が群電池ユニット１０の群電池２１〜２４のＳＯＣを母船２に連絡することにより、母船２では、探査があとどれくらい継続可能か否かなどを判断することができる。
【００２０】
群電池ユニット１０は、たとえばリチウムイオン電池で構成され、母船２に引き揚げられてから、充電が実施されるが、充電に先立って、群電池を構成する各セルの電圧値が測定され、各セルに電圧値の差がある場合には、セル個別放電などを実施して各セルの電圧値の均等化が図られる。
【００２１】
（群電池ユニット１０の構成について）
群電池ユニット１０は、図３に示すように、均圧容器２０と、均圧容器２０に封入されている群電池２１,２２,２３,２４と、群電池制御部（請求項でいう群電池制御手段）２５と、ヒューズ２６，２７と、水中コネクタ２８，２９とを有して構成される。
【００２２】
均圧容器２０は、内部に非導電性の液体（たとえば流動パラフィン）が充填されており、均圧容器２０の外部に水圧が加えられると、均圧容器２０の内部の液体の圧力が外部の圧力と均等になる。これにより均圧容器２０の外部から海水などが均圧容器２０の内部に浸入することを避けることができる。このように均圧容器２０は、内部の液体の圧力が外部の海水の圧力と均等となるため、均圧容器２０の内部にある群電池２１,２２,２３,２４、群電池制御部２５、ヒューズ２６，２７などは、高圧に耐え得る部材を用いて構成されている。たとえば、コンデンサなどのデバイスでは、デバイスの内部に空間や空洞を有する電解コンデンサなどは使用できない。その他のデバイスについても内部に空間や空洞を有するものは使用されない。
【００２３】
群電池２１〜２４は、それぞれインタフェース部（Ｉ／Ｆ部）３０，３１，３２、−側の出力端子３３、＋側の出力端子３４を有する。群電池２１〜２４は、直列に接続され、ヒューズ２６，２７および水中コネクタ２８を介して電動機１１などの負荷に電力を供給すると共に、充電用の電源に水中コネクタ２８を介して接続され、充電が実施される。一方、群電池２１〜２４のインタフェース部３０，３１，３２は、デイジーチェーン接続により群電池制御部２５に接続されている。
【００２４】
群電池制御部２５は、デイジーチェーン接続された群電池２１〜２４の群電池２１のインタフェース部３２に接続されると共に、水中コネクタ２９を介して制御装置１３などの上位管理装置に接続されている。群電池制御部２５は、深海探査機１が海中を航行中には、群電池２１〜２４の電圧および温度の情報を収集し、この情報を制御装置１３などの上位管理装置に伝達する。また、群電池制御部２５は、深海探査機１が母船２に引き揚げられ、群電池２１〜２４に充電が行われる際には、充電に先立って、後述するセル４０〜４７の電圧値の均等化が図られ、その後、群電池２１〜２４が充電される。
【００２５】
また、群電池制御部２５は、コンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などにより構成され、内部に、演算処理部、メモリ、およびＩ／Ｏ（Input/Output）ポートなどを有し、インストールされているプログラムを実行することによって、当該コンピュータに、群電池制御部２５としての機能が実現される。
【００２６】
水中コネクタ２８は、群電池２１〜２４の放電時（深海探査機１が海中を航行中）には、負荷（電動機１１、照明機器１４、または撮影機器１５など）が接続され、群電池２１〜２４の充電時（深海探査機１が母船２に引き揚げられているとき）には、充電用の電源が接続される。
【００２７】
水中コネクタ２９は、群電池制御部２５を、上位管理装置である制御装置１３または群電池制御部２５に指示を与える上位管理装置（不図示）などに接続する際に使用される。
【００２８】
（群電池２１〜２４の構成について）
群電池２１,２２,２３,２４のそれぞれは、図４に示すように、バッテリ部３５および電圧監視ボード３６を有して構成される。バッテリ部３５は、−側の出力端子３３と、＋側の出力端子３４と、セル４０,４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７と、温度センサ（請求項でいう温度測定手段の一部）４８，４９とを有して構成される。電圧監視ボード３６は、インタフェース部（Ｉ／Ｆ部）（請求項でいう通信手段の一部）３０，３１，３２と、シリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ変換部）（請求項でいう通信手段の一部）５０と、バランス回路（請求項でいう放電手段）５１,５２,５３，５４，５５，５６，５７，５８と、バッテリスタックモニタ５９とを有して構成される。また、バッテリスタックモニタ５９は、切替部６０と、電圧・温度測定部（請求項でいう電圧測定手段、温度測定手段）６１と、通信制御部（請求項でいう通信手段の一部）６２とを有して構成される。
【００２９】
インタフェース部３０は、図３に示すように、は、群電池制御部２５を最上位としたときに、上位側とデイジーチェーン接続されるインタフェースである。また、インタフェース部３１は、群電池制御部２５を最上位としたときに、下位側とデイジーチェーン接続されるインタフェースである。インタフェース部３２は、群電池制御部２５と通信を行うインタフェースである。具体的には、インタフェース部３２は、群電池２１〜２４からの電圧情報または温度情報などの信号を終端し、群電池制御部２５が受信可能な信号形態に変換して群電池制御部２５に送信する。または、インタフェース部３２は、群電池制御部２５から群電池２１〜２４への制御指示などの信号を終端し、群電池２１〜２４の通信制御部６２が受信可能な信号形態に変換して群電池２１〜２４に送信する。
【００３０】
バッテリ部３５のセル４０〜４７は、たとえば１セル当り最大３．６Ｖのリチウムイオン電池であり、８個のリチウムイオン電池が直列に接続された集合化電池を構成し、最大２８．８Ｖの電圧を出力端子３３，３４に出力する。
【００３１】
バッテリ部３５の温度センサ４８，４９は、バッテリ部３５の温度状態を把握するため温度を測定する。温度センサ４８，４９は、たとえばＮＴＣ ( negative temperature coefficient)型のサーミスタにより構成される。
【００３２】
電圧監視ボード３６のバランス回路５１〜５８は、セル４０〜４７にそれぞれ並列に接続され、内部に放電用の抵抗器（不図示）と、セル４０〜４７とこの抵抗器とを接断制御するためのスイッチング素子（トランジスタ、電界効果トランジスタなど）（不図示）とを有し、切替部６０による切替制御に応じてセル４０〜４７を個別に放電させることができる。
【００３３】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の切替部６０は、切替部６０に接続されている全ての部材の接断制御を実施するためのスイッチング素子を有する。これにより切替部６０は、通信制御部６２を介して伝達される制御指示信号に基づいて、バランス回路５１〜５８内部の抵抗器とセル４０〜４７との接断制御を実施すると共に、セル４０〜４７および温度センサ４８，４９と電圧・温度測定部６１との接断制御を実施する。
【００３４】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の電圧・温度測定部６１は、切替部６０によりセル４０〜４７のいずれかと接続されたときに、そのセル４０〜４７の電圧値を測定する。また、切替部６０により温度センサ４８，４９と接続されたときに、その測定結果を取得する。これらの電圧値および温度値の情報は、電圧・温度測定部６１から通信制御部６２に伝達されて制御装置１３に到達する。
【００３５】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の通信制御部６２は、電圧・温度制御部６１から伝達された情報をインタフェース部３０〜３２を介して群電池制御部２５に送信すると共に、群電池制御部２５からの制御指示信号を受信してこれを切替部６０に伝達する。
【００３６】
電圧監視ボード３６内のシリアル／パラレル変換部５０は、インタフェース部３０〜３２からのパラレル信号をシリアル信号に変換して通信制御部６２に出力すると共に、通信制御部６２からのシリアル信号をパラレル信号に変換してインタフェース部３０〜３２に出力する。
【００３７】
（動作について）
群電池ユニット１０の動作を、主に群電池制御部２５の動作に着目して説明する。群電池制御部２５の動作は、大きく２つの場合に分けることができる。その１つは、深海探査機１が海中を航行中における動作である。もう１つは、深海探査機１が母船２に引き揚げられた後、群電池２１〜２４に充電を実施するときにおける動作である。
【００３８】
（深海探査機１が海中を航行中における群電池制御部２５の動作について）
深海探査機１が海中を航行中には、群電池制御部２５は、群電池ユニット１０の群電池２１〜２４の電圧および温度の情報を収集し、収集したこれらの情報を制御装置１３に伝達する。制御装置１３は、群電池制御部２５から伝達された情報に基づいて、群電池２１〜２４の消耗度合などを考慮しながら負荷（電動機１１、照明機器１４、または撮影機器１５など）の制御を実施する。あるいは群電池２１〜２４のバッテリ部３５の温度が異常に高くなったり、あるいは、群電池２１〜２４を構成するセル４０〜４７の電圧が異常に低くなったような場合、制御装置１３は、群電池ユニット１０と負荷との接続を断ち、電動機１１を不図示の予備電源などの非常用電源装置に接続した上で深海探査機１を緊急浮上させるなどの制御を実施することが可能となる。
【００３９】
（深海探査機１が母船２に引き揚げられて充電を実施する際の群電池制御部２５の動作について）
次に、深海探査機１が母船２に引き揚げられて充電を実施する際の群電池制御部２５の動作について説明する。
【００４０】
この説明に先立って、個々のセルの充放電特性の差異により、充放電を繰り返すのに伴ってセル毎の電圧値に差（バラツキ）が生じることによる蓄電（バッテリ）容量の低下について説明する。
【００４１】
群電池２１〜２４における使用可能電圧範囲について、図５〜図８を参照して説明する。図５では、比較例として１セルからなる電池を図示し、図６〜図８では、４セルからなる群電池を図示する。図中のハッチング領域の面積でその電池の使用可能電圧範囲を表している。また、ハッチング領域で示した使用可能電圧範囲は、そのセルの充電容量にも相当する。
【００４２】
リチウムイオン電池は、過充電および過放電によるダメージが大きいため、放電終止電圧値と充電終止電圧値とが明確に規定されている。図５は、比較例として１セルからなる電池のおける使用可能電圧範囲を示している。群電池２１〜２４を構成する個々のセルについては、図５に示すように、放電終止電圧値と充電終止電圧値との間が使用可能電圧範囲になる。
【００４３】
直列接続された複数のセルからなる群電池であっても、図６に示すように、各セルの電圧値が均等に充電されていれば、図５で示した１セルの電池の使用可能電圧範囲と同じ電圧範囲が使用可能である。なお、図５および図６に示した使用可能電圧範囲がそのセルまたは群電池が取り得る最大の使用可能電圧範囲である。
【００４４】
これに対し、各セルの電圧値にバラツキが生じた場合において充電され、図７に示すように、１つのセルの電圧が充電終止電圧値に達してしまうと、他のセルも充電できなくなる。またこの充電状態から放電が行われた場合、図８に示すように、１つのセル（図中右端のセル）が放電終止電圧値に達してしまうと電池群全体からの放電は停止しないと劣化する。すなわち使用可能電圧範囲が、図５および図６に示した使用可能電圧範囲と比べて使用可能電圧範囲が狭くなっており、これにより充電容量についても減少していることがわかる。
【００４５】
このように、群電池２１〜２４では、それぞれの群電池２１〜２４を構成しているセル４０〜４７の電圧値が均等であることが要求される。また、このことは、群電池２１〜２４を直列に接続した場合についても同様に考えることができる。すなわち、群電池ユニット１０では、群電池２１〜２４の電圧値が均等であることが要求される。そこで、セル４０〜４７の電圧値を均等化させ、さらには、群電池２１〜２４の電圧値を均等化させるために、群電池制御部２５では、以下に示すセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を実施する。
【００４６】
図９のフローチャートは、深海探査機１が母船２に引き揚げられた後、充電を開始するのに先立って行われるセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を示している。
【００４７】
ＳＴＡＲＴ：群電池制御部２５は、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程の開始を指示されると、ステップＳ１の手続きに進む。なお、群電池制御部２５に対し、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程の開始を指示する方法としては、たとえば水中コネクタ２９に、群電池制御部２５に指示を与えるためのオペレータ端末などを接続し、オペレータがこのオペレータ端末を介して群電池制御部２５に指示を与えるようにする。
【００４８】
ステップＳ１：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４の通信制御部６２を介して切替部６０に制御指示を送信し、電圧・温度測定部６１に、個々のセル４０〜４７の電圧値を測定させる。具体的には、切替部６０は、電圧・温度測定部６１を、順次、セル４０〜４７に接続し、電圧・温度測定部６１に、個々のセル４０〜４７の電圧値を測定させる。この測定結果は、電圧・温度測定部６１から通信制御部６２を介して群電池制御部２５に伝達される。群電池制御部２５が群電池２１〜２４の個々のセル４０〜４７の電圧値の測定を完了すると、手続きはステップＳ２に進む。
【００４９】
ステップＳ２：群電池制御部２５は、測定した群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値にバラツキが有るか否かを判定する。ここで、バラツキが有ると判定されると、手続きは、ステップＳ３に進む。一方、バラツキが無いと判定されると、工程を終了する（ＥＮＤ）。
【００５０】
ステップＳ３：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の中で、最小電圧値のセル（これをセルminとする）を特定して手続きはステップＳ４に進む。
【００５１】
ステップＳ４：群電池制御部２５は、セルmin以外の群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の放電を開始する。すなわち、群電池制御部２５は、通信制御部６２を介して切替部６０に指示を送信し、セルmin以外の群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７がバランス回路５１〜５８内部の抵抗器に電流を流せるように、セル４０〜４７とバランス回路５１〜５８との間の接続関係を制御し、ステップＳ５の手続きに進む。
【００５２】
具体的には、たとえばセル４０のみを放電させたい場合、群電池制御部２５は、バランス回路５１内部の抵抗器がセル４０に対して並列に接続された状態となるように、切替部６０およびバランス回路５１内部のスイッチング素子を制御する。これにより、セル４０の電流がバランス回路５１に流れ込み、セル４０が放電を開始する。また、たとえばセル４０，４１の２つを放電させたい場合には、群電池制御部２５は、バランス回路５１，５２内部のそれぞれの抵抗器が直列に接続された状態とし、さらに、直列に接続されているセル４０，４１に対して、バランス回路５１，５２内部の直列接続された抵抗器が並列に接続された状態となるように、切替部６０およびバランス回路５１，５２内部のスイッチング素子を制御する。これにより、セル４０，４１からの電流がバランス回路５１，５２内部の抵抗器に流れ込み、セル４０，４１が放電を開始する。このようにして他のセル４０〜４７の放電についても同様に制御される。また、電圧値がセルminと同じになったセル４０〜４７については、放電を終了させる。
【００５３】
ステップＳ５：群電池制御部２５は、ステップＳ４の手続きに並行してステップＳ１で説明した手続きと同様に、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値を測定し、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値が均等化されたか否かを判定する。ここで、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値が均等化されたと判定されると工程を終了する（ＥＮＤ）。一方、群電池２１〜２４のいずれかのセル４０〜４７の電圧値が均等化されていないと判定されると手続きは、ステップＳ１に戻る。
【００５４】
このようにして、図９に示す群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程が終了すると、群電池ユニット１０に対して充電工程が開始される。図１０のフローチャートは、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程が終了した後の充電工程を示している。
【００５５】
ＳＴＡＲＴ：群電池ユニット１０の水中コネクタ２８に、充電用の電源が接続され、群電池制御部２５に、充電工程の開始が指示されると、ステップＳ６の手続きに進む。なお、群電池制御部２５に対する指示の方法は、図９で説明したように、水中コネクタ２９に接続されたオペレータ端末などを介してオペレータが行うようにする。あるいは、水中コネクタ２８に充電用の電源が接続されたことを群電池制御部２５が自律的に検出できる構成をさらに追加し、群電池制御部２５が水中コネクタ２８に充電用の電源が接続されたことを検出すると、自動的に、ステップＳ６の手続きに進むようにしてもよい。
【００５６】
ステップＳ６：群電池制御部２５は、充電が開始されると、群電池２１〜２４のそれぞれの切替部６０に制御指示を送信し、温度センサ４８，４９と電圧・温度測定部６１とを接続することによりバッテリ部３５の温度を測定する。
【００５７】
ステップＳ７：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのバッテリ部３５の温度が正常か否かを判定する。ここで、バッテリ部３５の温度が正常であると判定されると手続きはステップＳ８に進む。一方、バッテリ部３５の温度が正常でない（すなわち異常）と判定されるとステップＳ９の手続きに進む。
【００５８】
ステップＳ８：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値を測定し、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したか否かを判定する。ここで、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了する（ＥＮＤ）。一方、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれの電圧値も未だ充電終止電圧値に達していないと判定されると手続きは、ステップＳ７に戻る。
【００５９】
なお、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、充電工程に先立って、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を経ているので、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の充電終止電圧値は、ほぼ同じになる。したがって、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、実質的には、ほぼ全ての群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７において、ほぼ同じ充電終止電圧値に達した時点で、充電工程を終了できる。
【００６０】
ステップＳ９：群電池制御部２５は、充電を停止させて工程を終了する（ＥＮＤ）。
【００６１】
（効果について）
このように、群電池制御部２５によれば、均圧容器２０に封入されている群電池２１〜２４を均圧容器２０から取り出すことなく、群電池２１〜２４のセル４０〜４７の電圧値の均等化を行い、群電池２１〜２４の充電状態を最適に保つことができる。これにより、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、実質的には、ほぼ全ての群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７において、ほぼ同じ充電終止電圧値に達した時点で、充電工程を終了できる。したがって、図６で説明したように、群電池ユニット１０は、最大容量を確保できる。
【００６２】
また、群電池２１〜２４のインタフェース部３０〜３２は、デイジーチェーン接続により群電池制御部２５に接続されるので、均圧容器２０から外部への制御信号線の本数を少なくすることができる。これは群電池数がさらに増えた場合でも同様である。このように、均圧容器２０から外部への制御信号線の本数を少なくすることは、超高圧下で使用される均圧容器２０においては、きわめて有用である。たとえば、水中コネクタ２８，２９では、外部のケーブルと接続される接触子（ピン）の取付部には、厳重な耐圧シールが施される。水中コネクタ２８，２９において、このような厳重な耐圧シールを施す必要のある接触子の数が少なくなることは、性能の面およびコストの面において、きわめて有用である。
【００６３】
また、バッテリ部３５の温度を測定する温度センサ４８，４９を有し、群電池制御部２５は、電圧・温度測定部６１の測定結果が所定の値を超えたときには、群電池２１〜２４の放電または充電を停止させるので、セル４０〜４７の異常時に重大な事態が発生することを高い精度で避けることができる。
【００６４】
このような群電池ユニット１０を有する深海探査機１によれば、群電池２１〜２４を永い時間にわたり高い効率で安全に利用することができ、深海探査の効率化を図ることができる。
【００６５】
（その他の実施の形態について）
本発明の実施の形態は、その要旨を逸脱しない限り、様々に変更が可能である。たとえば温度センサ４８，４９を省略し、電圧・温度測定部６１は、電圧値のみを測定可能としてもよい。これによれば、温度によるバッテリ部３５の異常検出はできないが、電圧監視のみにより異常の検出は可能である。また、温度センサ４８，４９を省略し、電圧・温度測定部６１は、電圧値のみを測定可能としてもセル４０〜４７の電圧値の均等化工程などは実施することができる。
【００６６】
また、図１１に示すように、電流センサ（請求項でいう電流測定手段の一部）７０を有し、群電池ユニット１０Ａに流れる電流を測定することにより、群電池制御部（請求項でいう電流測定手段の一部および群電池制御手段）２５Ａ、またはその上位管理装置などにおいて、電圧値、電流値と時間から消費容量（Ａｈ）が計算できるので有用である。なお、電圧値とＳＯＣとの関係を予めシミュレーションにより求めておくことにより、電圧値のみのよってもＳＯＣの測定は可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１…深海探査機、２…母船、１０…群電池ユニット、２０…均圧容器、２１〜２４…群電池、２５…群電池制御部（群電池制御手段）、２５Ａ…群電池制御部（電流測定手段の一部、群電池制御手段）３０，３１，３２…インタフェース部（通信手段の一部）、４０〜４７…セル、４８，４９…温度センサ（温度測定手段の一部）、５０…シリアル／パラレル変換部（通信手段の一部）、５１〜５８…バランス回路（放電手段）、６１…電圧・温度測定部（電圧測定手段、温度測定手段）、６１Ａ…電圧・電流・温度測定部（電流測定手段の一部）、６２…通信制御部（通信手段の一部）、７０…電流センサ（電流測定手段の一部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深海用群電池ユニット、およびセルの電圧値を均等化させる方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
深海（たとえば深度２００ｍ（メートル）以上）を航行する深海探査機は、充電を行うことにより繰り返し使用することができる二次電池を搭載し、この二次電池から電力が供給される電動機を利用して航行する。このような深海探査機では、二次電池として鉛蓄電池に比べ、重量に対する容量比が大きいリチウムイオン電池が使用されている（たとえば特許文献１参照）。なお、鉛蓄電池はリチウムイオン電池に比べ容量比は小さいが、セル毎の電圧値のバラツキに関してはあまり問題にならない。
【０００３】
二次電池の単体（以下ではセルと称する）の電圧は、たとえばリチウムイオン電池などでは３．６Ｖ（ボルト）程度である。このため、一般的には、セルを複数直列に接続した集合化電池として使用される。たとえば８セルの集合化電池は、２８．８Ｖである。さらに必要に応じて、集合化電池が直列に接続されて使用される。たとえば電動機が１００Ｖ以上の電圧を必要とするものであれば、８セルの集合化電池を４つ直列に接続して１１５．２Ｖを得るようにしている。なお、本明細書において「群電池」とは、上述の集合化電池を含むバッテリ部と、このバッテリ部を監視または制御する電圧監視ボードとを有するものをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５３１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、集合化電池は、複数のセルを直列に接続している。このため、個々のセルの充放電特性の差異により、充放電を繰り返すのに伴ってセル毎の電圧値に差（バラツキ）が生じるようになる。この状態を放置したまま充放電をさらに繰り返せば、セル毎の電圧値のバラツキはますます大きくなり、最終的には、充放電不能な事態に陥る。
【０００６】
このような事態を回避するためには、定期的に、セル毎の電圧値を測定し、電圧値が高いセルについては放電を行うなどにより、各セルの電圧値を均等化する必要がある。
【０００７】
深海探査機の集合化電池は、大きな水圧（深度１０ｍ毎に１気圧ずつ増加）に耐えるため、非導電性の液体（たとえば流動パラフィン）が充填された均圧容器に封入されている。したがって、集合化電池を、均圧容器からいったん取り出し、セル毎に分解してその電圧値を個別に測定し、必要に応じてセル毎に放電を行い、その後に再びセルを集合化電池に組み立て、充電を行い、再度、均圧容器に封入することが必要となり、きわめて手間のかかる作業が必要となる。
【０００８】
本発明は、このような背景の下に行われたものであって、均圧容器に封入された運用状態にある集合化電池の、全セルの電圧および、集合化電池部の温度測定等の監視が可能となり、集合化電池の運用を最適に保つことができると共に、均圧容器に封入された集合化電池の各セルの電圧値の均等化を、集合化電池が均圧容器に封入されたまま行い、集合化電池の充電状態を最適に保つことができる深海用群電池ユニット、およびセルの電圧値を均等化させる方法、並びにプログラ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】
【０００９】
本発明のひとつの観点は、深海用群電池ユニットとしての観点である。本発明の深海用群電池ユニットは、充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおいて、群電池は、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電圧を測定する電圧測定手段と、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電力を放電させる放電手段と、電圧測定手段の測定結果を送信すると共に放電手段への放電実行指示を受信する通信手段と、を有し、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信する群電池制御手段を有するものである。
【００１０】
このとき、個々の群電池の通信手段は、デイジーチェーン接続により群電池制御手段に接続されることができる。
【００１１】
さらに、バッテリ部の温度を測定する温度測定手段を有し、群電池制御手段は、温度測定手段の測定結果が所定の値を超えたときには、群電池の放電または充電を停止させることができる。
【００１２】
また、バッテリ部の電流を測定する電流測定手段を有することもできる。
【００１３】
本発明のさらに他の観点は、セルの電圧値を均等化させる方法である。本発明のセルの電圧値を均等化させる方法は、充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおけるセルの電圧値を均等化させる方法において、群電池の電圧測定手段が、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電圧を測定するステップを実行し、群電池の放電手段が、バッテリ部を構成するセルの個々についてその電力を放電させるステップを実行し、群電池の通信手段が、電圧測定手段の測定結果を送信すると共に放電手段への放電実行指示を受信するステップを実行し、深海用群電池ユニットの群電池制御手段が、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信するステップを実行するものである。
【００１４】
本発明のさらに他の観点は、プログラムとしての観点である。本発明のプログラムは、コンピュータに、本発明の深海用群電池ユニットにおける群電池制御手段の機能を実現させるプログラムであって、コンピュータに、個々の通信手段から送信された測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の群電池のバッテリ部を構成するセルの電圧値が全ての群電池において均等になるように、個々の群電池の通信手段に放電実行指示を送信する機能を実現させるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、均圧容器に封入された運用状態にある群電池の、全セルの電圧および、バッテリ部の温度測定等の監視が可能となり、群電池の運用を最適に保つことができると共に、均圧容器に封入された群電池の各セルの電圧値の均等化を、群電池が均圧容器に封入されたまま行い、群電池の充電状態を最適に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の深海探査システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の深海探査機の構成を示す図である。
【図３】図２の群電池ユニットの構成を示す図である。
【図４】図３の群電池の構成を示す図である。
【図５】比較例として１セルからなる電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図６】４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図７】各セルの電圧値にバラツキがあり１つのセルが充電終止電圧値である４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図８】各セルの電圧値にバラツキがあり１つのセルが放電終止電圧値である４セルからなる群電池の放電終止電圧値および充電終止電圧値を示す図である。
【図９】図３の群電池制御部の動作を示すフローチャートであり、各セルの電圧値を均等化させる工程を示す図である。
【図１０】図３の群電池制御部の動作を示すフローチャートであり、充電工程を示す図である。
【図１１】その他の実施の形態の群電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（概要）
本発明の実施の形態の深海探査システムは、図１に示すように、深海探査機１と母船２とを有する。深海探査機１は、無人であっても有人であってもよい。また、自立航行型であっても、遠隔制御型であってもよい。
【００１８】
図１の例では、超音波などを用いた無線通信により、深海探査機１と母船２とが通信を行っている様子を双方向の矢印で示しているが、通信は、ケーブルを用いた有線通信であってもよい。なお、深海とは、一般的に、深度２００ｍ以上をいう。また、水圧は、深度が１０ｍ増す毎に１気圧ずつ増加する。たとえば深度２００ｍであれば、水圧は、２１気圧になる。
【００１９】
深海探査機１は、図２に示すように、群電池ユニット１０から電動機１１に電力を供給し（実線矢印）、電動機１１が推進器１２を回転させる。これらの群電池ユニット１０および電動機１１は、制御装置１３によって制御される（一点鎖線矢印）。たとえば制御装置１３は、群電池ユニット１０の群電池２１〜２４（図３）のＳＯＣ(State of Charge:充電状態)を監視し、電動機１１に群電池ユニット１０から供給される電力を調整する。さらに、群電池ユニット１０は、照明機器１４および撮影機器１５に対しても電力を供給し（実線矢印）、制御装置１３は、照明機器１４および撮影機器１５を制御する（一点鎖線矢印）。また、制御装置１３は、母船２との通信を行い、深海探査機１の各種の情報などを母船２に送信し（上向きの白抜き矢印）、母船２からの制御指示などを受信する（下向きの白抜き矢印）。たとえば制御装置１３が群電池ユニット１０の群電池２１〜２４のＳＯＣを母船２に連絡することにより、母船２では、探査があとどれくらい継続可能か否かなどを判断することができる。
【００２０】
群電池ユニット１０は、たとえばリチウムイオン電池で構成され、母船２に引き揚げられてから、充電が実施されるが、充電に先立って、群電池を構成する各セルの電圧値が測定され、各セルに電圧値の差がある場合には、セル個別放電などを実施して各セルの電圧値の均等化が図られる。
【００２１】
（群電池ユニット１０の構成について）
群電池ユニット１０は、図３に示すように、均圧容器２０と、均圧容器２０に封入されている群電池２１,２２,２３,２４と、群電池制御部（請求項でいう群電池制御手段）２５と、ヒューズ２６，２７と、水中コネクタ２８，２９とを有して構成される。
【００２２】
均圧容器２０は、内部に非導電性の液体（たとえば流動パラフィン）が充填されており、均圧容器２０の外部に水圧が加えられると、均圧容器２０の内部の液体の圧力が外部の圧力と均等になる。これにより均圧容器２０の外部から海水などが均圧容器２０の内部に浸入することを避けることができる。このように均圧容器２０は、内部の液体の圧力が外部の海水の圧力と均等となるため、均圧容器２０の内部にある群電池２１,２２,２３,２４、群電池制御部２５、ヒューズ２６，２７などは、高圧に耐え得る部材を用いて構成されている。たとえば、コンデンサなどのデバイスでは、デバイスの内部に空間や空洞を有する電解コンデンサなどは使用できない。その他のデバイスについても内部に空間や空洞を有するものは使用されない。
【００２３】
群電池２１〜２４は、それぞれインタフェース部（Ｉ／Ｆ部）３０，３１，３２、−側の出力端子３３、＋側の出力端子３４を有する。群電池２１〜２４は、直列に接続され、ヒューズ２６，２７および水中コネクタ２８を介して電動機１１などの負荷に電力を供給すると共に、充電用の電源に水中コネクタ２８を介して接続され、充電が実施される。一方、群電池２１〜２４のインタフェース部３０，３１，３２は、デイジーチェーン接続により群電池制御部２５に接続されている。
【００２４】
群電池制御部２５は、デイジーチェーン接続された群電池２１〜２４の群電池２１のインタフェース部３２に接続されると共に、水中コネクタ２９を介して制御装置１３などの上位管理装置に接続されている。群電池制御部２５は、深海探査機１が海中を航行中には、群電池２１〜２４の電圧および温度の情報を収集し、この情報を制御装置１３などの上位管理装置に伝達する。また、群電池制御部２５は、深海探査機１が母船２に引き揚げられ、群電池２１〜２４に充電が行われる際には、充電に先立って、後述するセル４０〜４７の電圧値の均等化が図られ、その後、群電池２１〜２４が充電される。
【００２５】
また、群電池制御部２５は、コンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などにより構成され、内部に、演算処理部、メモリ、およびＩ／Ｏ（Input/Output）ポートなどを有し、インストールされているプログラムを実行することによって、当該コンピュータに、群電池制御部２５としての機能が実現される。
【００２６】
水中コネクタ２８は、群電池２１〜２４の放電時（深海探査機１が海中を航行中）には、負荷（電動機１１、照明機器１４、または撮影機器１５など）が接続され、群電池２１〜２４の充電時（深海探査機１が母船２に引き揚げられているとき）には、充電用の電源が接続される。
【００２７】
水中コネクタ２９は、群電池制御部２５を、上位管理装置である制御装置１３または群電池制御部２５に指示を与える上位管理装置（不図示）などに接続する際に使用される。
【００２８】
（群電池２１〜２４の構成について）
群電池２１,２２,２３,２４のそれぞれは、図４に示すように、バッテリ部３５および電圧監視ボード３６を有して構成される。バッテリ部３５は、−側の出力端子３３と、＋側の出力端子３４と、セル４０,４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７と、温度センサ（請求項でいう温度測定手段の一部）４８，４９とを有して構成される。電圧監視ボード３６は、インタフェース部（Ｉ／Ｆ部）（請求項でいう通信手段の一部）３０，３１，３２と、シリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ変換部）（請求項でいう通信手段の一部）５０と、バランス回路（請求項でいう放電手段）５１,５２,５３，５４，５５，５６，５７，５８と、バッテリスタックモニタ５９とを有して構成される。また、バッテリスタックモニタ５９は、切替部６０と、電圧・温度測定部（請求項でいう電圧測定手段、温度測定手段）６１と、通信制御部（請求項でいう通信手段の一部）６２とを有して構成される。
【００２９】
インタフェース部３０は、図３に示すように、は、群電池制御部２５を最上位としたときに、上位側とデイジーチェーン接続されるインタフェースである。また、インタフェース部３１は、群電池制御部２５を最上位としたときに、下位側とデイジーチェーン接続されるインタフェースである。インタフェース部３２は、群電池制御部２５と通信を行うインタフェースである。具体的には、インタフェース部３２は、群電池２１〜２４からの電圧情報または温度情報などの信号を終端し、群電池制御部２５が受信可能な信号形態に変換して群電池制御部２５に送信する。または、インタフェース部３２は、群電池制御部２５から群電池２１〜２４への制御指示などの信号を終端し、群電池２１〜２４の通信制御部６２が受信可能な信号形態に変換して群電池２１〜２４に送信する。
【００３０】
バッテリ部３５のセル４０〜４７は、たとえば１セル当り最大３．６Ｖのリチウムイオン電池であり、８個のリチウムイオン電池が直列に接続された集合化電池を構成し、最大２８．８Ｖの電圧を出力端子３３，３４に出力する。
【００３１】
バッテリ部３５の温度センサ４８，４９は、バッテリ部３５の温度状態を把握するため温度を測定する。温度センサ４８，４９は、たとえばＮＴＣ ( negative temperature coefficient)型のサーミスタにより構成される。
【００３２】
電圧監視ボード３６のバランス回路５１〜５８は、セル４０〜４７にそれぞれ並列に接続され、内部に放電用の抵抗器（不図示）と、セル４０〜４７とこの抵抗器とを接断制御するためのスイッチング素子（トランジスタ、電界効果トランジスタなど）（不図示）とを有し、切替部６０による切替制御に応じてセル４０〜４７を個別に放電させることができる。
【００３３】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の切替部６０は、切替部６０に接続されている全ての部材の接断制御を実施するためのスイッチング素子を有する。これにより切替部６０は、通信制御部６２を介して伝達される制御指示信号に基づいて、バランス回路５１〜５８内部の抵抗器とセル４０〜４７との接断制御を実施すると共に、セル４０〜４７および温度センサ４８，４９と電圧・温度測定部６１との接断制御を実施する。
【００３４】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の電圧・温度測定部６１は、切替部６０によりセル４０〜４７のいずれかと接続されたときに、そのセル４０〜４７の電圧値を測定する。また、切替部６０により温度センサ４８，４９と接続されたときに、その測定結果を取得する。これらの電圧値および温度値の情報は、電圧・温度測定部６１から通信制御部６２に伝達されて制御装置１３に到達する。
【００３５】
電圧監視ボード３６内のバッテリスタックモニタ５９の通信制御部６２は、電圧・温度制御部６１から伝達された情報をインタフェース部３０〜３２を介して群電池制御部２５に送信すると共に、群電池制御部２５からの制御指示信号を受信してこれを切替部６０に伝達する。
【００３６】
電圧監視ボード３６内のシリアル／パラレル変換部５０は、インタフェース部３０〜３２からのパラレル信号をシリアル信号に変換して通信制御部６２に出力すると共に、通信制御部６２からのシリアル信号をパラレル信号に変換してインタフェース部３０〜３２に出力する。
【００３７】
（動作について）
群電池ユニット１０の動作を、主に群電池制御部２５の動作に着目して説明する。群電池制御部２５の動作は、大きく２つの場合に分けることができる。その１つは、深海探査機１が海中を航行中における動作である。もう１つは、深海探査機１が母船２に引き揚げられた後、群電池２１〜２４に充電を実施するときにおける動作である。
【００３８】
（深海探査機１が海中を航行中における群電池制御部２５の動作について）
深海探査機１が海中を航行中には、群電池制御部２５は、群電池ユニット１０の群電池２１〜２４の電圧および温度の情報を収集し、収集したこれらの情報を制御装置１３に伝達する。制御装置１３は、群電池制御部２５から伝達された情報に基づいて、群電池２１〜２４の消耗度合などを考慮しながら負荷（電動機１１、照明機器１４、または撮影機器１５など）の制御を実施する。あるいは群電池２１〜２４のバッテリ部３５の温度が異常に高くなったり、あるいは、群電池２１〜２４を構成するセル４０〜４７の電圧が異常に低くなったような場合、制御装置１３は、群電池ユニット１０と負荷との接続を断ち、電動機１１を不図示の予備電源などの非常用電源装置に接続した上で深海探査機１を緊急浮上させるなどの制御を実施することが可能となる。
【００３９】
（深海探査機１が母船２に引き揚げられて充電を実施する際の群電池制御部２５の動作について）
次に、深海探査機１が母船２に引き揚げられて充電を実施する際の群電池制御部２５の動作について説明する。
【００４０】
この説明に先立って、個々のセルの充放電特性の差異により、充放電を繰り返すのに伴ってセル毎の電圧値に差（バラツキ）が生じることによる蓄電（バッテリ）容量の低下について説明する。
【００４１】
群電池２１〜２４における使用可能電圧範囲について、図５〜図８を参照して説明する。図５では、比較例として１セルからなる電池を図示し、図６〜図８では、４セルからなる群電池を図示する。図中のハッチング領域の面積でその電池の使用可能電圧範囲を表している。また、ハッチング領域で示した使用可能電圧範囲は、そのセルの充電容量にも相当する。
【００４２】
リチウムイオン電池は、過充電および過放電によるダメージが大きいため、放電終止電圧値と充電終止電圧値とが明確に規定されている。図５は、比較例として１セルからなる電池のおける使用可能電圧範囲を示している。群電池２１〜２４を構成する個々のセルについては、図５に示すように、放電終止電圧値と充電終止電圧値との間が使用可能電圧範囲になる。
【００４３】
直列接続された複数のセルからなる群電池であっても、図６に示すように、各セルの電圧値が均等に充電されていれば、図５で示した１セルの電池の使用可能電圧範囲と同じ電圧範囲が使用可能である。なお、図５および図６に示した使用可能電圧範囲がそのセルまたは群電池が取り得る最大の使用可能電圧範囲である。
【００４４】
これに対し、各セルの電圧値にバラツキが生じた場合において充電され、図７に示すように、１つのセルの電圧が充電終止電圧値に達してしまうと、他のセルも充電できなくなる。またこの充電状態から放電が行われた場合、図８に示すように、１つのセル（図中右端のセル）が放電終止電圧値に達してしまうと電池群全体からの放電は停止しないと劣化する。すなわち使用可能電圧範囲が、図５および図６に示した使用可能電圧範囲と比べて使用可能電圧範囲が狭くなっており、これにより充電容量についても減少していることがわかる。
【００４５】
このように、群電池２１〜２４では、それぞれの群電池２１〜２４を構成しているセル４０〜４７の電圧値が均等であることが要求される。また、このことは、群電池２１〜２４を直列に接続した場合についても同様に考えることができる。すなわち、群電池ユニット１０では、群電池２１〜２４の電圧値が均等であることが要求される。そこで、セル４０〜４７の電圧値を均等化させ、さらには、群電池２１〜２４の電圧値を均等化させるために、群電池制御部２５では、以下に示すセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を実施する。
【００４６】
図９のフローチャートは、深海探査機１が母船２に引き揚げられた後、充電を開始するのに先立って行われるセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を示している。
【００４７】
ＳＴＡＲＴ：群電池制御部２５は、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程の開始を指示されると、ステップＳ１の手続きに進む。なお、群電池制御部２５に対し、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程の開始を指示する方法としては、たとえば水中コネクタ２９に、群電池制御部２５に指示を与えるためのオペレータ端末などを接続し、オペレータがこのオペレータ端末を介して群電池制御部２５に指示を与えるようにする。
【００４８】
ステップＳ１：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４の通信制御部６２を介して切替部６０に制御指示を送信し、電圧・温度測定部６１に、個々のセル４０〜４７の電圧値を測定させる。具体的には、切替部６０は、電圧・温度測定部６１を、順次、セル４０〜４７に接続し、電圧・温度測定部６１に、個々のセル４０〜４７の電圧値を測定させる。この測定結果は、電圧・温度測定部６１から通信制御部６２を介して群電池制御部２５に伝達される。群電池制御部２５が群電池２１〜２４の個々のセル４０〜４７の電圧値の測定を完了すると、手続きはステップＳ２に進む。
【００４９】
ステップＳ２：群電池制御部２５は、測定した群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値にバラツキが有るか否かを判定する。ここで、バラツキが有ると判定されると、手続きは、ステップＳ３に進む。一方、バラツキが無いと判定されると、工程を終了する（ＥＮＤ）。
【００５０】
ステップＳ３：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の中で、最小電圧値のセル（これをセルminとする）を特定して手続きはステップＳ４に進む。
【００５１】
ステップＳ４：群電池制御部２５は、セルmin以外の群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の放電を開始する。すなわち、群電池制御部２５は、通信制御部６２を介して切替部６０に指示を送信し、セルmin以外の群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７がバランス回路５１〜５８内部の抵抗器に電流を流せるように、セル４０〜４７とバランス回路５１〜５８との間の接続関係を制御し、ステップＳ５の手続きに進む。
【００５２】
具体的には、たとえばセル４０のみを放電させたい場合、群電池制御部２５は、バランス回路５１内部の抵抗器がセル４０に対して並列に接続された状態となるように、切替部６０およびバランス回路５１内部のスイッチング素子を制御する。これにより、セル４０の電流がバランス回路５１に流れ込み、セル４０が放電を開始する。また、たとえばセル４０，４１の２つを放電させたい場合には、群電池制御部２５は、バランス回路５１，５２内部のそれぞれの抵抗器が直列に接続された状態とし、さらに、直列に接続されているセル４０，４１に対して、バランス回路５１，５２内部の直列接続された抵抗器が並列に接続された状態となるように、切替部６０およびバランス回路５１，５２内部のスイッチング素子を制御する。これにより、セル４０，４１からの電流がバランス回路５１，５２内部の抵抗器に流れ込み、セル４０，４１が放電を開始する。このようにして他のセル４０〜４７の放電についても同様に制御される。また、電圧値がセルminと同じになったセル４０〜４７については、放電を終了させる。
【００５３】
ステップＳ５：群電池制御部２５は、ステップＳ４の手続きに並行してステップＳ１で説明した手続きと同様に、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値を測定し、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値が均等化されたか否かを判定する。ここで、群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値が均等化されたと判定されると工程を終了する（ＥＮＤ）。一方、群電池２１〜２４のいずれかのセル４０〜４７の電圧値が均等化されていないと判定されると手続きは、ステップＳ１に戻る。
【００５４】
このようにして、図９に示す群電池２１〜２４の全てのセル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程が終了すると、群電池ユニット１０に対して充電工程が開始される。図１０のフローチャートは、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程が終了した後の充電工程を示している。
【００５５】
ＳＴＡＲＴ：群電池ユニット１０の水中コネクタ２８に、充電用の電源が接続され、群電池制御部２５に、充電工程の開始が指示されると、ステップＳ６の手続きに進む。なお、群電池制御部２５に対する指示の方法は、図９で説明したように、水中コネクタ２９に接続されたオペレータ端末などを介してオペレータが行うようにする。あるいは、水中コネクタ２８に充電用の電源が接続されたことを群電池制御部２５が自律的に検出できる構成をさらに追加し、群電池制御部２５が水中コネクタ２８に充電用の電源が接続されたことを検出すると、自動的に、ステップＳ６の手続きに進むようにしてもよい。
【００５６】
ステップＳ６：群電池制御部２５は、充電が開始されると、群電池２１〜２４のそれぞれの切替部６０に制御指示を送信し、温度センサ４８，４９と電圧・温度測定部６１とを接続することによりバッテリ部３５の温度を測定する。
【００５７】
ステップＳ７：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのバッテリ部３５の温度が正常か否かを判定する。ここで、バッテリ部３５の温度が正常であると判定されると手続きはステップＳ８に進む。一方、バッテリ部３５の温度が正常でない（すなわち異常）と判定されるとステップＳ９の手続きに進む。
【００５８】
ステップＳ８：群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の電圧値を測定し、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したか否かを判定する。ここで、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了する（ＥＮＤ）。一方、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれの電圧値も未だ充電終止電圧値に達していないと判定されると手続きは、ステップＳ７に戻る。
【００５９】
なお、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、充電工程に先立って、セル４０〜４７の電圧値を均等化させる工程を経ているので、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７の充電終止電圧値は、ほぼ同じになる。したがって、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、実質的には、ほぼ全ての群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７において、ほぼ同じ充電終止電圧値に達した時点で、充電工程を終了できる。
【００６０】
ステップＳ９：群電池制御部２５は、充電を停止させて工程を終了する（ＥＮＤ）。
【００６１】
（効果について）
このように、群電池制御部２５によれば、均圧容器２０に封入されている群電池２１〜２４を均圧容器２０から取り出すことなく、群電池２１〜２４のセル４０〜４７の電圧値の均等化を行い、群電池２１〜２４の充電状態を最適に保つことができる。これにより、群電池制御部２５は、群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７のいずれかの電圧値が充電終止電圧値に達したと判定されると充電工程を終了するが、実質的には、ほぼ全ての群電池２１〜２４のそれぞれのセル４０〜４７において、ほぼ同じ充電終止電圧値に達した時点で、充電工程を終了できる。したがって、図６で説明したように、群電池ユニット１０は、最大容量を確保できる。
【００６２】
また、群電池２１〜２４のインタフェース部３０〜３２は、デイジーチェーン接続により群電池制御部２５に接続されるので、均圧容器２０から外部への制御信号線の本数を少なくすることができる。これは群電池数がさらに増えた場合でも同様である。このように、均圧容器２０から外部への制御信号線の本数を少なくすることは、超高圧下で使用される均圧容器２０においては、きわめて有用である。たとえば、水中コネクタ２８，２９では、外部のケーブルと接続される接触子（ピン）の取付部には、厳重な耐圧シールが施される。水中コネクタ２８，２９において、このような厳重な耐圧シールを施す必要のある接触子の数が少なくなることは、性能の面およびコストの面において、きわめて有用である。
【００６３】
また、バッテリ部３５の温度を測定する温度センサ４８，４９を有し、群電池制御部２５は、電圧・温度測定部６１の測定結果が所定の値を超えたときには、群電池２１〜２４の放電または充電を停止させるので、セル４０〜４７の異常時に重大な事態が発生することを高い精度で避けることができる。
【００６４】
このような群電池ユニット１０を有する深海探査機１によれば、群電池２１〜２４を永い時間にわたり高い効率で安全に利用することができ、深海探査の効率化を図ることができる。
【００６５】
（その他の実施の形態について）
本発明の実施の形態は、その要旨を逸脱しない限り、様々に変更が可能である。たとえば温度センサ４８，４９を省略し、電圧・温度測定部６１は、電圧値のみを測定可能としてもよい。これによれば、温度によるバッテリ部３５の異常検出はできないが、電圧監視のみにより異常の検出は可能である。また、温度センサ４８，４９を省略し、電圧・温度測定部６１は、電圧値のみを測定可能としてもセル４０〜４７の電圧値の均等化工程などは実施することができる。
【００６６】
また、図１１に示すように、電流センサ（請求項でいう電流測定手段の一部）７０を有し、群電池ユニット１０Ａに流れる電流を測定することにより、群電池制御部（請求項でいう電流測定手段の一部および群電池制御手段）２５Ａ、またはその上位管理装置などにおいて、電圧値、電流値と時間から消費容量（Ａｈ）が計算できるので有用である。なお、電圧値とＳＯＣとの関係を予めシミュレーションにより求めておくことにより、電圧値のみのよってもＳＯＣの測定は可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１…深海探査機、２…母船、１０…群電池ユニット、２０…均圧容器、２１〜２４…群電池、２５…群電池制御部（群電池制御手段）、２５Ａ…群電池制御部（電流測定手段の一部、群電池制御手段）３０，３１，３２…インタフェース部（通信手段の一部）、４０〜４７…セル、４８，４９…温度センサ（温度測定手段の一部）、５０…シリアル／パラレル変換部（通信手段の一部）、５１〜５８…バランス回路（放電手段）、６１…電圧・温度測定部（電圧測定手段、温度測定手段）、６１Ａ…電圧・電流・温度測定部（電流測定手段の一部）、６２…通信制御部（通信手段の一部）、７０…電流センサ（電流測定手段の一部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、前記群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおいて、
前記群電池は、
前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電圧を測定する電圧測定手段と、
前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電力を放電させる放電手段と、
前記電圧測定手段の測定結果を送信すると共に前記放電手段への放電実行指示を受信する通信手段と、
を有し、
個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信する群電池制御手段を有する、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の深海用群電池ユニットであって、
個々の前記群電池の前記通信手段は、デイジーチェーン接続により前記群電池制御手段に接続される、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項３】
請求項１または２記載の深海用群電池ユニットであって、
前記バッテリ部の温度を測定する温度測定手段を有し、
前記群電池制御手段は、前記温度測定手段の測定結果が所定の値を超えたときには、前記群電池の放電または充電を上位管理装置に通知し停止させる、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の深海用群電池ユニットであって、
前記バッテリ部の負荷放電電流および充電電流を測定する電流測定手段を有する、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項５】
充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、前記群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおける前記セルの電圧値を均等化させる方法において、
前記群電池の電圧測定手段が、前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電圧を測定するステップを実行し、
前記群電池の放電手段が、前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電力を放電させるステップを実行し、
前記群電池の通信手段が、前記電圧測定手段の測定結果を送信すると共に前記放電手段への放電実行指示を受信するステップを実行し、
前記深海用群電池ユニットの群電池制御手段が、個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信するステップを実行する、
ことを特徴とする前記セルの電圧値を均等化させる方法。
【請求項６】
コンピュータに、請求項１記載の深海用群電池ユニットにおける前記群電池制御手段の機能を実現させるプログラムであって、
コンピュータに、個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信する機能を実現させる、
ことを特徴とするプログラム。
【請求項１】
充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、前記群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおいて、
前記群電池は、
前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電圧を測定する電圧測定手段と、
前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電力を放電させる放電手段と、
前記電圧測定手段の測定結果を送信すると共に前記放電手段への放電実行指示を受信する通信手段と、
を有し、
個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信する群電池制御手段を有する、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の深海用群電池ユニットであって、
個々の前記群電池の前記通信手段は、デイジーチェーン接続により前記群電池制御手段に接続される、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項３】
請求項１または２記載の深海用群電池ユニットであって、
前記バッテリ部の温度を測定する温度測定手段を有し、
前記群電池制御手段は、前記温度測定手段の測定結果が所定の値を超えたときには、前記群電池の放電または充電を上位管理装置に通知し停止させる、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の深海用群電池ユニットであって、
前記バッテリ部の負荷放電電流および充電電流を測定する電流測定手段を有する、
ことを特徴とする深海用群電池ユニット。
【請求項５】
充電により繰り返し使用可能な二次電池のセルが複数直列に接続されたバッテリ部を有する群電池と、前記群電池がさらに複数直列に接続され、非導電性の液体が充填された均圧容器と、を有する深海用群電池ユニットにおける前記セルの電圧値を均等化させる方法において、
前記群電池の電圧測定手段が、前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電圧を測定するステップを実行し、
前記群電池の放電手段が、前記バッテリ部を構成する前記セルの個々についてその電力を放電させるステップを実行し、
前記群電池の通信手段が、前記電圧測定手段の測定結果を送信すると共に前記放電手段への放電実行指示を受信するステップを実行し、
前記深海用群電池ユニットの群電池制御手段が、個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信するステップを実行する、
ことを特徴とする前記セルの電圧値を均等化させる方法。
【請求項６】
コンピュータに、請求項１記載の深海用群電池ユニットにおける前記群電池制御手段の機能を実現させるプログラムであって、
コンピュータに、個々の前記通信手段から送信された前記測定結果を受信し、その測定結果に基づいて、個々の前記群電池の前記バッテリ部を構成する前記セルの電圧値が全ての前記群電池において均等になるように、個々の前記群電池の前記通信手段に前記放電実行指示を送信する機能を実現させる、
ことを特徴とするプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２１８８１（Ｐ２０１２−２２１８８１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８９３０３（Ｐ２０１１−８９３０３）
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００１３９３７７）株式会社ワイ・デー・ケー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００１３９３７７）株式会社ワイ・デー・ケー (1)
【Ｆターム（参考）】
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