JP2006067683A - 蓄電装置 - Google Patents

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Yoshiteru Taguchi
義晃 田口
Masamichi Ogasa
正道 小笠
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Abstract

【課題】 コストや手間をかけず、昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いずに、低圧電源から1回の充電操作で容易に効率良く充電することができる蓄電装置を提供する。
【解決手段】 本発明の蓄電装置10は、正極充放電端子12aと、負極充放電端子12bと、両充放電端子12a,12b間に設けられた蓄電池11と、隣り合う蓄電池11間に設けられた、第一及び第二スイッチ13a,13bを有するスイッチ装置13を備え、第一スイッチ13aは、接続可能な2つの蓄電池11の正極を接続するか、又は2つの蓄電池11のうち負極充放電端子12b側の蓄電池11の正極と第二スイッチ13bとを接続するかを切り替え、第二スイッチ13bは、接続可能な2つの蓄電池11の負極を接続するか、又は2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池の負極と第一スイッチ13aとを接続するかを切り替える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の蓄電池を有して充放電を行なう蓄電装置に関する。特には、複数の蓄電池を直列接続して高電圧の放電を行い、複数の蓄電池を並列接続して低電圧電源から容易に充電を行うことができる蓄電装置に関する。
鉄道車両などの主電源用に用いられている蓄電装置は、高電圧蓄電池であるため、低電圧電源から蓄電装置への充電時には以下の方法が取られている。
図9は、従来の高電圧の蓄電装置への低圧電源からの充電方法を示す図である。図9(A)においては、充電する高電圧(V)の蓄電装置41を複数の低電圧(V)の電池回路に分割する。そして、交流電源を整流器40で低電圧(V)の直流電源に変換して、スイッチ装置42を利用して、低電圧(V)の電池回路毎に切り替えながら充電を行なっている。また、図9(B)においては、整流器40と蓄電装置41の間に昇降圧チョッパ43を設け、昇降圧チョッパ43で整流器40からの低電圧(V)の直流電源を蓄電装置41の高電圧(V)に昇圧して蓄電装置41に充電している。
また、特開平6−319287号公報では、モータ駆動用電源装置が記載されている。この電源装置においては、第一の電源である複数の蓄電池へ第二の電源から充電を行なう場合、バッテリセル選択手段によって、キャパシタ電圧に基づいて第一の電源の中から充電する蓄電池を選択して充電する。これにより、効率良く略均一に各蓄電池へ充電することができる。
特開平6−319287号公報
しかしながら、図9(A)に示した従来からの方法によれば、蓄電装置を複数の蓄電池の回路に分割し、複数回の充電を行なう必要があるため、手間や時間が多くかかるという問題があった。また、図9(B)の方法では、昇降圧チョッパが必要であり、コストがかかると共に、昇降圧チョッパを備えた施設でしか蓄電装置に充電できないという不便さがあった。
また、特開平6−319287号公報の装置では、低圧電源から1回の充電操作で容易に効率良く高圧放電可能な蓄電装置へ充電することができない。
従って、本発明の目的は、コストや手間をかけず、また昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いなくとも、低圧電源から1回の充電操作で容易に効率良く充電することができる、開放電圧の高い蓄電装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様の蓄電装置は、正極充放電端子と、負極充放電端子と、正極充放電端子及び負極充放電端子間に設けられた複数の蓄電池と、を有する蓄電装置において、複数の蓄電池のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池間に設けられた、第一スイッチ及び第二スイッチを有するスイッチ装置を備え、第一スイッチは、該第一スイッチに接続可能な2つの蓄電池の正極を接続するか、又は2つの蓄電池のうち負極充放電端子側の蓄電池の正極と第二スイッチとを接続するかを切り替え、第二スイッチは、該第二スイッチに接続可能な2つの蓄電池の負極を接続するか、又は2つの蓄電池のうち正極充放電端子側の蓄電池の負極と第一スイッチとを接続するかを切り替え、第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な2つの蓄電池の正極を接続し、且つ第二スイッチが該第二スイッチに接続可能な2つの蓄電池の負極を接続した場合には、複数の蓄電池が並列接続となり、第一スイッチが2つの蓄電池のうち負極充放電端子側の蓄電池の正極と第二スイッチとを接続し、第二スイッチが2つの蓄電池のうち正極充放電端子側の蓄電池の負極と第一スイッチとを接続した場合には、複数の蓄電池が直列接続となる、ことを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、本発明の第2の態様の蓄電装置は、正極充放電端子と、負極充放電端子と、正極充放電端子及び負極充放電端子間に設けられた複数の蓄電池と、を有する蓄電装置において、複数の蓄電池のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池間に設けられた、第一スイッチ及び第二スイッチを有するスイッチ装置を備え、第一スイッチは、負極充放電端子側の蓄電池の正極と第二スイッチ側の端子との間に設けられ、該第一スイッチに接続可能な2つの蓄電池の正極を接続するか切断するかの切り替えを行い、第二スイッチは、該第二スイッチに接続可能な2つの蓄電池の負極を接続するか、又は2つの蓄電池のうち正極充放電端子側の蓄電池の負極と第一スイッチ側に接続された端子とを接続するかを切り替え、第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な2つの蓄電池の正極を接続し、且つ第二スイッチが該第二スイッチに接続可能な2つの蓄電池の負極を接続した場合には、複数の蓄電池が並列接続となり、第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な2つの蓄電池の正極を切断し、第二スイッチが2つの蓄電池のうち正極充放電端子側の蓄電池の負極と第一スイッチ側に接続された端子とを接続した場合には、複数の蓄電池が直列接続となる、ことを特徴とする。
ここで、スイッチ装置は、それぞれ直列接続及び並列接続を独立して選択でき、並列接続された複数の蓄電池と該蓄電池を並列接続するスイッチ装置を一つの電池ブロックとして機能させ、電池ブロック間にあるスイッチ装置を直列接続することによって、開放電圧を任意に決定することができる。
また、スイッチ装置は、放電時には複数の蓄電池を直列接続とし、充電時には複数の蓄電池を並列接続とし、複数の蓄電池の充電は、スイッチ装置によって並列接続された後、複数の蓄電池の電圧が略同一の電圧になってから開始される、ようにするとよい。
さらに、第一スイッチに並列接続された第三スイッチと、第三スイッチに直列接続される抵抗手段と、を備え、充電の開始時に、第三スイッチに接続される蓄電池間の電圧差が大の時、第一スイッチの接続を切断し、第三スイッチを接続して第二スイッチと第三スイッチと抵抗手段によって隣接する蓄電池を並列接続し、蓄電池間の電圧差を減少後に、第三スイッチを切断して第一スイッチと第二スイッチによって隣接する蓄電池を並列接続し、充電を行なう、ようにしてもよい。
ここで、蓄電装置は、電気車に搭載され、電気車に主電源を供給する、ことができ、また、蓄電装置は、電気車の低圧補助電源用として利用される、ことができる。
本発明の蓄電装置によれば、蓄電装置内の蓄電池の回路構成を直列接続及び並列接続に切り替えることができるため、コストや手間をかけず、また昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いなくとも、低圧電源から1回の充電操作で容易に効率良く充電することができる。また、出力電圧を切り替えることで、昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いなくとも、電圧の異なる負荷に対して各々に適した電圧で給電することができる。
以下、図面を参照して本発明の蓄電装置の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の蓄電装置を示す図である。図1(A)は、充電時の並列接続の回路構成を示し、図1(B)は、放電時の直列接続の回路構成を示す。図1において、この蓄電装置10は、正極充放電端子12aと、負極充放電端子12bと、正極充放電端子12a及び負極充放電端子12b間に設けられたリチウムイオン電池などの複数の蓄電池11と、複数の蓄電池11のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池11間に設けられた、第一スイッチ13a及び第二スイッチ13bを有するスイッチ装置13を備えている。
ここで、第一スイッチ13aは、該第一スイッチ13aに接続可能な2つの蓄電池11の正極を接続するか、又は2つの蓄電池11のうち負極充放電端子12b側の蓄電池11の正極と第二スイッチ13bとを接続するかを切り替える。
また、第二スイッチ13bは、該第二スイッチ13bに接続可能な2つの蓄電池11の負極を接続するか、又は2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池の負極と第一スイッチ13aとを接続するかを切り替える。
ここで、図1(A)に示したように、第一スイッチ13aが該第一スイッチ13aに接続可能な2つの蓄電池11の正極を接続し、且つ第二スイッチ13bが該第二スイッチ13bに接続可能な2つの蓄電池の負極を接続した場合には、複数の蓄電池11が並列接続となり、図1(A)の場合には、蓄電装置10の開放電圧は1つの蓄電池11の電圧と同じ値となる。
また、図1(B)に示したように、第一スイッチ13aが2つの蓄電池11のうち負極充放電端子12b側の蓄電池11の正極と第二スイッチ13bとを接続し、第二スイッチ13bが2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池11の負極と第一スイッチ13aとを接続した場合には、複数の蓄電池11が直列接続となり、図1(B)の場合には、蓄電装置10の開放電圧は全ての蓄電池11の電圧の総和と同じ値となる。
図2は、スイッチ装置13の第一スイッチ13a及び第二スイッチ13bの接続態様によって、蓄電装置10の充放電電圧を決定することができることを示す図である。図2において、スイッチ装置13は、それぞれ直列接続及び並列接続を独立して選択でき、並列接続された複数の蓄電池11と該蓄電池11を並列接続するスイッチ装置13を一つの電池ブロック14として機能させ、電池ブロック14間にあるスイッチ装置13を直列接続することによって、蓄電装置10の充放電する電圧を任意に決定する。
例えば、1つの蓄電池11の電圧をE[V]、蓄電池11の総数を12個とした場合、蓄電装置10において以下の6種類の電圧を得ることができる。
(1)1並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×12直列(電池ブロック14の数)−>12E[V](蓄電装置10の電圧)
(2)2並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×6直列(電池ブロック14の数)−>6E[V](蓄電装置10の電圧)
(3)3並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×4直列(電池ブロック14の数)−>4E[V](蓄電装置10の電圧)
(4)4並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×3直列(電池ブロック14の数)−>3E[V](蓄電装置10の電圧)
(5)6並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×2直列(電池ブロック14の数)−>2E[V](蓄電装置10の電圧)
(6)12並列(電池ブロック14内の蓄電池11の数)×1直列(電池ブロック14の数)−>E[V](蓄電装置10の電圧)
図3は、蓄電装置10に充電する際の蓄電池11の電圧の均等化を行なう方法を示す図である。図3に示すように、蓄電装置10の複数の蓄電池11を充電する際に、スイッチ装置13によって全ての蓄電池11が並列接続された後、複数の蓄電池11の電圧が略同一の電圧になってから(所定の時間経過後に)充電を開始する。全ての蓄電池11が並列接続されると、各蓄電池11の電圧がアンバランスでも、高電圧の蓄電池11から低電圧の蓄電池11へ電流が流れ、蓄電池11の電圧の均等化を行なうことができる。このとき、スイッチ装置13は、半導体スイッチや、インターロックを取った接触器または遮断器、あるいは断路器などで構成するとよい。また、このような方法によって、電圧のアンバランスを解消するために従来用いられてきた一つ一つのセルに充電装置を接続する方法やバランス回路の導入などの必要がなくなる。
図4は、本発明の他の蓄電装置を示す図である。図4において、この蓄電装置10’は、正極充放電端子12aと、負極充放電端子12bと、正極充放電端子12a及び負極充放電端子12b間に設けられたリチウムイオン電池などの複数の蓄電池11と、複数の蓄電池11のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池11間に設けられた、第一スイッチ13c及び第二スイッチ13bを有するスイッチ装置13’を備えており、第一スイッチ13c及び第二スイッチ13bは、インターロックにより、蓄電池11を外部短絡しないように構成するものとする。
ここで、第一スイッチ13cは、負極充放電端子12b側の蓄電池11の正極と第二スイッチ13b側の端子との間に設けられ、該第一スイッチ13cに接続可能な2つの蓄電池11の正極を接続するか切断するかの切り替えを行なう。
また、第二スイッチ13bは、該第二スイッチ13bに接続可能な2つの蓄電池11の負極を接続するか、又は2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池11の負極と第一スイッチ13c側に接続された端子とを接続するかを切り替える。
ここで、第一スイッチ13cが該第一スイッチ13cに接続可能な2つの蓄電池11の正極を接続し、且つ第二スイッチ13bが該第二スイッチ13bに接続可能な2つの蓄電池11の負極を接続した場合には、複数の蓄電池が並列接続となる(図示せず)。
また、第一スイッチ13cが該第一スイッチ13cに接続可能な2つの蓄電池11の正極を切断し、第二スイッチ13bが2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池11の負極と第一スイッチ13c側に接続された端子とを接続した場合には、複数の蓄電池11が直列接続となる(図4)。
図4に示すような第一スイッチ13cのような構成にすれば、図1〜3の構成と比較して放電時にスイッチの接触抵抗によって発生する損失(ジュール損失)を低減することができる。これにより、充放電効率が向上する。また、スイッチの経年劣化による接触不良などを最小限に抑えることができ、スイッチの信頼性を向上させることができる。
図5及び図6は、電圧アンバランスによって発生しうる過大な横流を防止する方法を示す図である。図5において、蓄電装置10’’は、図1又は図4の構成に加え、第一スイッチ13cに並列接続されたバランススイッチ(以下、「第三スイッチ」ともいう)13dと、第三スイッチ13dに直列接続される限流抵抗15とを備えている(図5及び図6においては、図4の構成を例示的に示している)。ここで、横流のピーク電流値は、
<式1>
横流のピーク電流値
=蓄電池11−L、蓄電池11−R間の電圧差(Va−Vb)
/蓄電池11−L、蓄電池11−R間の内部抵抗の合計値
によって求められる。この横流のピーク電流値が、リチウムイオン電池などの蓄電池11の電流定格値を超える虞がある場合には、図6に示す方法で、横流を防止する。
まず、充電の開始時に、第三スイッチ13dに接続される蓄電池11−L,11―R間の電圧差が大の時、第一スイッチ13cの接続を行わず(エ)、第三スイッチ13dを接続(オ)して第二スイッチ13b(ア)と第三スイッチ13d(オ)によって隣接する蓄電池11−L,11−Rを並列接続し、蓄電池11−L,11−R間の電圧差を減少させる。
次に、第三スイッチ13cを接続(ウ)し、第三スイッチ13dを切断(カ)して第一スイッチ13c(ウ)と第二スイッチ13b(ア)によって隣接する蓄電池11−L,11−Rを並列接続し、充電を行なう。放電時には、第一スイッチ13cを切断(エ)及び第三スイッチ13dを切断(カ)、第二スイッチ13bが2つの蓄電池11のうち正極充放電端子12a側の蓄電池11―Lの負極と第一スイッチ13c側に接続された端子とを接続し(イ)、蓄電池11−L,11−Rを直列接続とする。
図7は、蓄電装置10を鉄道車両(電気車)20に搭載した図である。図7において、鉄道車両20は電気車両(以下、単に「電気車」ともいう)であり、電気車用一次主電源を供給するパンタグラフ21と、パンタグラフ21に接続された高速度遮断器22と、グランド側である車輪29と、パンタグラフ21側と車輪29側に接続されるフィルタコンデンサ24と、高速度遮断器22とフィルタコンデンサ24との間に設けられたフィルタリアクトル23と、主電動機26と、主電動機26に駆動電源を供給する主回路インバータ25と、車両の交流機器であるコンプレッサや空調機などに交流を供給するための補助回路インバータ27と、交流を直流に変換して制御機器や予備燈などに直流電源を供給する整流器28と、正極スイッチ31a、負極スイッチ31b及び接続スイッチ31cで整流器28又は主回路側に接続される蓄電装置10と、を備えている。これにより、蓄電装置10は、低圧電源を補助回路に供給するだけでなく、直列接続とすることによって高圧電源を主回路インバータ25、主電動機26、補助回路インバータ27などの主回路側に供給することができる。これにより、架線が停電した非常時に、鉄道車両20を次の駅まで低速で短時間走行させることができるなど、従来の鉄道車両の補助電源用とは別の機能として用いることができる。なお、電気車用一次主電源としては、図7に示したパンタグラフ21からの電源の他に、エンジン充電機の直流出力、燃料電池の直流出力、その他の蓄電媒体(フライホール、電気二重層キャパシタ、蓄電池など)の直流出力を用いるようにしてもよい。
図8は、図7の電気車20に搭載された蓄電装置10を直列接続とした場合の主回路の概略構成を示す図である。図8に示すように、蓄電装置10を直列接続とすることによって、バッテリのみで走行する電気車20の主回路用として蓄電装置10を用いることができる。
以上のように本発明の蓄電装置10によれば、蓄電装置10内の蓄電池11の回路構成を直列接続及び並列接続に切り替えることができるため、コストや手間をかけず、また昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いなくとも、低圧電源から1回の充電操作で容易に効率良く充電することができる。また、出力電圧を切り替えることで、昇降圧チョッパなどの特別な装置を用いなくとも、電圧の異なる負荷に対して各々に適した電圧で給電することができる。なお、電圧を瞬時に切り替えるには、インターロックを備えた電磁接触器などを用いる必要がある。
本発明の蓄電装置を示す図である。 スイッチ装置13の第一スイッチ13a及び第二スイッチ13bの接続態様によって、蓄電装置10の充放電電圧を決定することができることを示す図である。 蓄電装置10に充電する際の蓄電池11の電圧の均等化を行なう方法を示す図である。 本発明の他の蓄電装置を示す図である。 電圧アンバランスによって発生しうる過大な横流を防止する方法を示す図である。 電圧アンバランスによって発生しうる過大な横流を防止する方法を示す図である。 蓄電装置10を鉄道車両(電気車)20に搭載した図である。 図7の電気車20に搭載された蓄電装置10を直列接続とした場合の主回路の概略構成を示す図である。 従来の高電圧の蓄電装置への低圧電源からの充電方法を示す図である。
符号の説明
10,10’、10’’,41 蓄電装置
11,11−L,11−R 蓄電池
12a 正極充放電端子
12b 負極充放電端子
13,13’,42 スイッチ装置
13a,13c 第一スイッチ
13b 第二スイッチ
13d 第三スイッチ(バランススイッチ)
15 限流抵抗
20 鉄道車両(電気車)
21 パンタグラフ
22 高速度遮断器
23 フィルタリアクトル
24 フィルタコンデンサ
25 主回路インバータ
26 主電動機
27 補助回路インバータ
28,40 整流器
29 車輪
31a 正極スイッチ
31b 負極スイッチ
31c 接続スイッチ
43 昇降圧チョッパ

Claims (7)

  1. 正極充放電端子と、負極充放電端子と、前記正極充放電端子及び前記負極充放電端子間に設けられた複数の蓄電池と、を有する蓄電装置において、
    前記複数の蓄電池のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池間に設けられた、第一スイッチ及び第二スイッチを有するスイッチ装置を備え、
    前記第一スイッチは、該第一スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の正極を接続するか、又は前記2つの蓄電池のうち前記負極充放電端子側の蓄電池の正極と前記第二スイッチとを接続するかを切り替え、
    前記第二スイッチは、該第二スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の負極を接続するか、又は前記2つの蓄電池のうち前記正極充放電端子側の蓄電池の負極と前記第一スイッチとを接続するかを切り替え、
    前記第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の正極を接続し、且つ前記第二スイッチが該第二スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の負極を接続した場合には、前記複数の蓄電池が並列接続となり、
    前記第一スイッチが前記2つの蓄電池のうち前記負極充放電端子側の蓄電池の正極と前記第二スイッチとを接続し、前記第二スイッチが前記2つの蓄電池のうち前記正極充放電端子側の蓄電池の負極と前記第一スイッチとを接続した場合には、前記複数の蓄電池が直列接続となる、
    ことを特徴とする蓄電装置。
  2. 正極充放電端子と、負極充放電端子と、前記正極充放電端子及び前記負極充放電端子間に設けられた複数の蓄電池と、を有する蓄電装置において、
    前記複数の蓄電池のそれぞれ隣り合う2つの蓄電池間に設けられた、第一スイッチ及び第二スイッチを有するスイッチ装置を備え、
    前記第一スイッチは、前記負極充放電端子側の蓄電池の正極と前記第二スイッチ側の端子との間に設けられ、該第一スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の正極を接続するか切断するかの切り替えを行い、
    前記第二スイッチは、該第二スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の負極を接続するか、又は前記2つの蓄電池のうち前記正極充放電端子側の蓄電池の負極と前記第一スイッチ側に接続された端子とを接続するかを切り替え、
    前記第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の正極を接続し、且つ前記第二スイッチが該第二スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の負極を接続した場合には、前記複数の蓄電池が並列接続となり、
    前記第一スイッチが該第一スイッチに接続可能な前記2つの蓄電池の正極を切断し、前記第二スイッチが前記2つの蓄電池のうち前記正極充放電端子側の蓄電池の負極と前記第一スイッチ側に接続された端子とを接続した場合には、前記複数の蓄電池が直列接続となる、
    ことを特徴とする蓄電装置。
  3. 前記スイッチ装置は、それぞれ直列接続及び並列接続を独立して選択でき、並列接続された複数の蓄電池と該蓄電池を並列接続するスイッチ装置を一つの電池ブロックとして機能させ、
    前記電池ブロック間にある前記スイッチ装置を直列接続することによって、開放電圧を任意に決定することができる、
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電装置。
  4. 前記スイッチ装置は、放電時には前記複数の蓄電池を直列接続とし、充電時には前記複数の蓄電池を並列接続とし、
    前記複数の蓄電池の前記充電は、前記スイッチ装置によって並列接続された後、前記複数の蓄電池の電圧が略同一の電圧になってから開始される、
    ことを特徴とする請求項1から3何れか記載の蓄電装置。
  5. さらに、
    前記第一スイッチに並列接続された第三スイッチと、
    前記第三スイッチに直列接続される抵抗手段と、
    を備え、
    充電の開始時に、前記第三スイッチに接続される蓄電池間の電圧差が大の時、前記第一スイッチの接続を切断し、前記第三スイッチを接続して前記第二スイッチと前記第三スイッチと前記抵抗手段によって隣接する蓄電池を並列接続し、蓄電池間の電圧差を減少後に、前記第三スイッチを切断して前記第一スイッチと前記第二スイッチによって隣接する蓄電池を並列接続し、充電を行なう、
    ことを特徴とする請求項1から4何れか記載の蓄電装置。
  6. 前記蓄電装置は、電気車に搭載され、前記電気車に主電源を供給する、ことを特徴とする請求項1から5何れか記載の蓄電装置。
  7. 前記蓄電装置は、前記電気車の低圧補助電源用として利用される、ことを特徴とする請求項6記載の蓄電装置。
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