JP2015061504A - 蓄電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 蓄電素子の電流遮断器が作動したとき、電流遮断器の端子間に印加される電圧を低減しつつ、電流制限抵抗の発熱を抑制する。【解決手段】 蓄電システムは、蓄電装置および第1〜第3リレーを有する。蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子を有しており、各蓄電素子は、蓄電素子の内部における電流経路を遮断する電流遮断器を備えている。第1リレーは、蓄電装置の正極ラインに配置され、第2リレーは、蓄電装置の負極ラインに配置されている。正極ラインおよび負極ラインの間では、複数の平滑コンデンサが直列に接続されている。2つの蓄電素子の接続点と、複数の平滑コンデンサの接続点とには、中間ラインが接続されており、第3リレーは、中間ラインに配置されている。電流制限抵抗および第4リレーは、互いに直列に接続されているとともに、第1リレーおよび第2リレーのそれぞれに対して、又は、第3リレーに対して、並列に接続されている。【選択図】 図1
Description
本発明は、複数の蓄電素子が直列に接続された蓄電装置を有しており、各蓄電素子が電流遮断器を内蔵している蓄電システムに関する。
特許文献1では、正極ラインおよび負極ラインの他に、中間ラインを設けることにより、蓄電素子に含まれる電流遮断器が作動したときに、電流遮断器の端子間に印加される電圧を低減させるようにしている。
特許文献1では、中間ラインに設けられた電流制限抵抗に電流が流れ続けるため、電流制限抵抗の発熱を監視しなければならない。
本発明である蓄電システムは、蓄電装置および第1〜第3リレーを有する。蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子を有しており、各蓄電素子は、蓄電素子の内部における電流経路を遮断する電流遮断器を備えている。第1リレーは、蓄電装置の正極端子を負荷と接続する正極ラインに配置され、第2リレーは、蓄電装置の負極端子を負荷と接続する負極ラインに配置されている。
正極ラインおよび負極ラインの間では、複数の平滑コンデンサが直列に接続されている。蓄電装置に含まれる2つの蓄電素子の接続点と、複数の平滑コンデンサの接続点とには、中間ラインが接続されており、第3リレーは、中間ラインに配置されている。電流制限抵抗および第4リレーは、互いに直列に接続されているとともに、第1リレーおよび第2リレーのそれぞれに対して、又は、第3リレーに対して、並列に接続されている。
本発明によれば、特許文献1と同様に、中間ラインを用いることにより、作動状態にある電流遮断器の端子間に印加される電圧を低減することができる。また、第4リレーを用いることにより、電流制限抵抗に電流が流れ続けることを防止でき、電流制限抵抗の発熱を抑制できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例1である電池システム(本発明の蓄電システムに相当する)について説明する。図1は、電池システムの構成を示す概略図である。
本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。車両には、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、組電池に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、組電池だけを備えている。
組電池(本発明の蓄電装置に相当する)10は、直列に接続された複数の単電池(本発明の蓄電素子に相当する)11を有する。単電池11としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ(コンデンサ)を用いることができる。単電池11の数は、組電池10の要求出力などを考慮して、適宜設定することができる。本実施例では、複数の単電池11が直列に接続されているが、並列に接続された複数の単電池11が組電池10に含まれていてもよい。
システムメインリレー(本発明の第1リレーに相当する)SMR−Bは、組電池10の正極端子と接続された正極ラインPLに配置されている。システムメインリレーSMR−Bは、コントローラ50からの制御信号Bを受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗R1およびシステムメインリレー(本発明の第4リレーに相当する)SMR−P1は、互いに直列に接続されており、システムメインリレーSMR−Bに対して並列に接続されている。システムメインリレーSMR−P1は、コントローラ50からの制御信号P1を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗R1は、組電池10を負荷と接続するとき、負荷に突入電流が流れることを抑制するために用いられる。
システムメインリレー(本発明の第2リレーに相当する)SMR−Gは、組電池10の負極端子と接続された負極ラインNLに配置されている。システムメインリレーSMR−Gは、コントローラ50からの制御信号Gを受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗R2およびシステムメインリレー(本発明の第4リレーに相当する)SMR−P2は、互いに直列に接続されており、システムメインリレーSMR−Gに対して並列に接続されている。システムメインリレーSMR−P2は、コントローラ50からの制御信号P2を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗R2は、組電池10を負荷と接続するとき、負荷に突入電流が流れることを抑制するために用いられる。
コントローラ50は、メモリ51を内蔵している。メモリ51は、コントローラ50を動作させるためのプログラムや、各種の情報を記憶する。メモリ51は、コントローラ50の外部に配置することもできる。
コンデンサC1,C2は、正極ラインPLおよび負極ラインNLの間で、直列に接続されている。コンデンサC1の一端は、正極ラインPLと接続され、コンデンサC2の一端は、負極ラインNLと接続されている。コンデンサC1,C2は、正極ラインPLおよび負極ラインNLの間における電流を平滑化するために用いられる。
中間ラインMLには、システムメインリレー(本発明の第3リレーに相当する)SMR−Cが配置されている。システムメインリレーSMR−Cは、コントローラ50からの制御信号Cを受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。
中間ラインMLの一端は、組電池10に含まれる第1電池グループ10Aおよび第2電池グループ10Bの接続点と接続されている。中間ラインMLの他端は、コンデンサC1,C2の接続点に接続されている。コンデンサC1は、正極ラインPLおよび中間ラインMLを介して、第1電池グループ10Aと並列に接続されている。コンデンサC2は、負極ラインNLおよび中間ラインMLを介して、第2電池グループ10Bと並列に接続されている。
第1電池グループ10Aおよび第2電池グループ10Bに含まれる単電池11の数は、互いに略等しいことが好ましい。単電池11の数が略等しい場合には、単電池11の数が同一である場合と、単電池11の数が僅かに異なっている場合とが含まれる。
電流センサ61は正極ラインPLに配置され、電流センサ62は負極ラインNLに配置されている。コントローラ50は、電流センサ61,62の出力を受けて、正極ラインPLおよび負極ラインNLに流れる電流値を取得する。ここで、組電池10を放電したときの電流値を負の値とし、組電池10を充電したときの電流値を正の値とすることができる。
昇圧回路20は、組電池10の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ30に出力する。昇圧回路20は、インバータ30の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池10に出力することができる。昇圧回路20は、リアクトル21と、ダイオード22,23と、スイッチング素子としてのトランジスタ(npn型トランジスタ)24,25とを有する。リアクトル21は、一端がシステムメインリレーSMR−Bに接続され、他端がトランジスタ24,25の接続点に接続されている。
トランジスタ24,25は、直列に接続されており、各トランジスタ24,25のベースには、コントローラ50からの制御信号が入力される。トランジスタ24,25は、コントローラ50からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。トランジスタ24,25のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード22,23がそれぞれ接続されている。具体的には、ダイオード22,23のアノードが、トランジスタ24,25のエミッタと接続され、ダイオード22,23のカソードが、トランジスタ24,25のコレクタと接続されている。
トランジスタ24,25としては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることもできる。また、npn型トランジスタに代えて、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等の電力スイッチング素子を用いることもできる。
昇圧回路20の昇圧動作を行うとき、コントローラ50は、トランジスタ25をオンにするとともに、トランジスタ24をオフにする。これにより、組電池10からリアクトル21に電流が流れ、リアクトル21には、電流量に応じた磁場エネルギが蓄積される。次に、コントローラ50は、トランジスタ25をオンからオフに切り替えることにより、リアクトル21からダイオード22を介して、インバータ30に電流を流す。これにより、リアクトル21で蓄積されたエネルギが放出され、昇圧動作が行われる。
降圧動作を行うとき、コントローラ50は、トランジスタ24をオンにするとともに、トランジスタ25をオフにする。これにより、インバータ30からの電力が組電池10に供給され、組電池10の充電が行われる。本実施例では、昇圧回路20を設けているが、昇圧回路20を省略することもできる。
インバータ30は、組電池10からの直流電力を交流電力に変換して、モータ・ジェネレータ40に出力する。モータ・ジェネレータ40としては、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ40は、インバータ30からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ40によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。
車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ40は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータ40によって生成された交流電力は、インバータ30によって直流電力に変換された後に、組電池10に出力される。組電池10は、回生電力を蓄えることができる。
組電池10は、外部電源の電力を用いて充電することができる。外部電源は、車両の外部に配置された電源であり、外部電源としては、例えば、商用電源を用いることができる。外部電源の電力を組電池10に供給するときには、図1に示す電池システムに充電器を追加することができる。外部電源が交流電力を供給するとき、充電器は、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池10に供給することができる。外部電源が直流電力を供給するとき、直流電力を組電池10に供給することができる。
図2は、単電池11の構成を示す。単電池11は、充放電を行う発電要素11aと、単電池11に流れる電流を遮断する電流遮断器11bとを有する。発電要素11aは、例えば、正極素子と、負極素子と、正極素子および負極素子の間に配置されるセパレータとで構成することができる。正極素子は、集電板および正極活物質層を有し、負極素子は、集電板および負極活物質層を有する。セパレータ、正極活物質層および負極活物質層には、電解液がしみ込んでいる。電解液を用いる代わりに、固体電解質を用いることもできる。
電流遮断器11bは、単電池11に内蔵されており、単電池11が過充電状態などであるときに、単電池11に流れる電流を遮断する。電流遮断器11bとしては、例えば、単電池11の内圧に応じて変形する弁を用いることができる。単電池11の過充電などによって、単電池11の内部では、ガスが発生することがある。ガスの発生によって、単電池11の内圧が上昇するため、内圧の上昇に応じて、弁を変形させることができる。弁を変形させて、発電要素11aとの接続を機械的に断つことにより、単電池11を流れる電流経路を遮断することができる。
電流遮断器11bは、上述した弁を備えた構成に限るものではない。すなわち、電流遮断器11bは、単電池11の異常状態を回避するために、単電池11の内部における電流経路を遮断することができればよい。電流遮断器11bとして、例えば、ヒューズなどを用いることができる。ヒューズを用いれば、単電池11(ヒューズ)に所定値以上の電流が流れたときに、ヒューズを溶断させることができる。
本実施例の電池システムの動作について、図3に示すフローチャートを用いて説明する。図3に示す処理は、コントローラ50によって実行される。図3に示す処理は、車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときに実行される。図3に示す処理を開始するとき、システムメインリレーSMR−B,SMR−C,SMR−G,SMR−P1,SMR−P2は、オフとなっている。
ステップS101において、コントローラ50は、電池システムの起動(Ready-ON)の要求があるか否かを判別する。電池システムの起動要求があるときには、ステップS102の処理に進む。
ステップS102において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2をオフからオンに切り替える。コンデンサC1,C2は、組電池10からの電流によって、プリチャージされる。コンデンサC1,C2をプリチャージするとき、電流制限抵抗R1,R2に電流が流れるため、コンデンサC1,C2に突入電流が流れることを抑制することができる。
ここで、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2は、同一のタイミングで動作させることもできるし、互いに異なるタイミングで動作させることもできる。システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2を同一のタイミングで動作させれば、互いに異なるタイミングで動作させる場合に比べて、電池システムの起動に要する時間を短縮することができる。システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2を同一のタイミングで動作させるときには、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2の駆動回路を共通化させることができる。
ステップS103において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−Cをオフからオンに切り替える。ステップS104において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gをオフからオンに切り替える。ここで、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gは、同一のタイミングで動作させることもできるし、互いに異なるタイミングで動作させることもできる。
システムメインリレーSMR−B,SMR−Gを同一のタイミングで動作させれば、互いに異なるタイミングで動作させる場合に比べて、電池システムの起動に要する時間を短縮することができる。システムメインリレーSMR−B,SMR−Gを同一のタイミングで動作させるときには、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gの駆動回路を共通化させることができる。
ステップS105において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2をオンからオフに切り替える。ここで、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2は、同一のタイミングで動作させることもできるし、互いに異なるタイミングで動作させることもできる。ステップS105の処理を行った後、組電池10および昇圧回路20の接続が完了し、電池システムは、起動状態(Ready-On)となる。
イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときの動作は、図3に示す処理に限るものではない。具体的には、システムメインリレーSMR−Bをオフからオンに切り替える前に、システムメインリレーSMR−P1をオフからオンにしておけばよい。また、システムメインリレーSMR−Gをオフからオンに切り替える前に、システムメインリレーSMR−P2をオフからオンにしておけばよい。
さらに、システムメインリレーSMR−P1,SMR−P2の少なくとも一方をオンからオフに切り替える前に、システムメインリレーSMR−Cをオフからオンにしておけばよい。コンデンサC1(又はC1,C2)がプリチャージされ、システムメインリレーSMR−Bがオンになった後、システムメインリレーSMR−P1をオフにすればよい。また、コンデンサC2(又はC1,C2)がプリチャージされ、システムメインリレーSMR−Gがオンになった後、システムメインリレーSMR−P2をオフにすればよい。
組電池10および昇圧回路20の接続を遮断して、電池システムを停止状態(Ready-Off)にするとき、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−B,SMR−C,SMR−Gをオンからオフに切り替える。
組電池10を充放電しているときであって、いずれかの単電池11において、電流遮断器11bが作動すると、作動状態にある電流遮断器11bの端子間に、電圧が印加される。本実施例によれば、中間ラインMLを設けることにより、中間ラインMLを省略した構成と比べて、電流遮断器11bの端子間に印加される電圧を低減することができる。
組電池10を放電しているときであって、例えば、第1電池グループ10Aに含まれる単電池11の電流遮断器11bが作動すると、電流遮断器11bの端子間には、第1電池グループ10Aに応じた電圧が印加される。第2電池グループ10Bの電流は、中間ラインMLを介して、コンデンサC1,C2に流すことができるため、第2電池グループ10Bの電圧が、作動状態にある電流遮断器11bの端子間に印加されることを抑制できる。
例えば、第1電池グループ10Aにおいて、正極ラインPLと接続された単電池11の電流遮断器11bが作動すると、この電流遮断器11bの端子間には、主に、第1電池グループ10Aの電圧に相当する逆電圧が印加される。中間ラインMLが省略されると、電流遮断器11bの端子間には、組電池10の電圧に相当する逆電圧が印加されてしまう。第1電池グループ10Aの電圧は、組電池10の電圧よりも低いため、本実施例によれば、電流遮断器11bの端子間に印加される電圧を低減させることができる。
組電池10を充電しているときであって、例えば、第1電池グループ10Aに含まれる単電池11の電流遮断器11bが作動すると、作動状態にある電流遮断器11bの端子間には、第1電池グループ10AおよびコンデンサC1の電圧に応じた電圧が印加される。中間ラインMLを用いることにより、第2電池グループ10Bには、充電電流を流すことができる。
例えば、第1電池グループ10Aにおいて、正極ラインPLと接続された単電池11の電流遮断器11bが作動すると、コンデンサC1に電荷が蓄積され、コンデンサC1の電圧が上昇する。作動状態にある電流遮断器11bの端子間には、第1電池グループ10Aの電圧およびコンデンサC1の電圧の差に相当する電圧が印加される。中間ラインMLが省略されると、作動状態にある電流遮断器11bの端子間には、組電池10の電圧およびコンデンサC1,C2の電圧の差に相当する電圧が印加されてしまう。第1電池グループ10Aの電圧は、組電池10の電圧よりも低いため、本実施例によれば、電流遮断器11bの端子間に印加される電圧を低減させることができる。
また、本実施例において、電池システムが起動状態にあるときには、電流制限抵抗R1,R2に電流が流れない。これにより、電流制限抵抗R1,R2に電流が流れ続けることに伴う電流制限抵抗R1,R2の発熱を抑制することができる。
本実施例によれば、電池グループ10A,10Bの一方が故障したときには、故障していない電池グループの出力を用いて、車両を走行させることができる。例えば、第1電池グループ10Aに含まれる単電池11の電流遮断器11bが作動したときには、第2電池グループ10Bの出力を用いて、車両を走行させることができる。
本発明の実施例2である電池システムの構成について、図4を用いて説明する。本実施例において、実施例1で説明した構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例1と異なる点について、主に説明する。
本実施例では、実施例1と同様に、正極ラインPLにはシステムメインリレーSMR−Bが配置され、負極ラインNLにはシステムメインリレーSMR−Gが配置されている。また、中間ラインMLには、システムメインリレーSMR−Cが配置されている。本実施例では、システムメインリレーSMR−Cに対して、電流制限抵抗Rおよびシステムメインリレー(本発明の第4リレーに相当する)SMR−Pが並列に接続されており、電流制限抵抗RおよびシステムメインリレーSMR−Pは、直列に接続されている。
システムメインリレーSMR−Pは、コントローラ50からの制御信号Pを受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗Rは、組電池10を負荷と接続するとき、負荷に突入電流が流れることを抑制するために用いられる。
本実施例の電池システムの動作について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。図5に示す処理は、コントローラ50によって実行される。図5に示す処理は、車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときに実行される。図5に示す処理を開始するとき、システムメインリレーSMR−B,SMR−C,SMR−G,SMR−Pは、オフとなっている。
ステップS201において、コントローラ50は、電池システムの起動(Ready-ON)の要求があるか否かを判別する。電池システムの起動要求があるときには、ステップS202の処理に進む。
ステップS202において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−Pをオフからオンに切り替える。ステップS203において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−G(又はSMR−B)をオフからオンに切り替える。システムメインリレーSMR−Gがオンであるとき、コンデンサC2がプリチャージされ、システムメインリレーSMR−Bがオンであるとき、コンデンサC1がプリチャージされる。
ステップS204において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−B(又はSMR−G)をオフからオンに切り替える。システムメインリレーSMR−Bがオンであるとき、コンデンサC1がプリチャージされ、システムメインリレーSMR−Gがオンであるとき、コンデンサC2がプリチャージされる。上述したように、コンデンサC1,C2をプリチャージするときには、電流制限抵抗Rに電流が流れるため、コンデンサC1,C2への突入電流を抑制することができる。
ステップS205において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−Cをオフからオンに切り替える。ステップS206において、コントローラ50は、システムメインリレーSMR−Pをオンからオフに切り替える。ステップS205の処理を行った後、組電池10および昇圧回路20の接続が完了し、電池システムは、起動状態(Ready-On)となる。
本実施例でも、実施例1と同様の効果を得ることができる。すなわち、電流遮断器11bの端子間に印加される電圧を低減したり、電流制限抵抗Rに電流が流れ続けることに伴う電流制限抵抗Rの発熱を抑制したりすることができる。
イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときの動作は、図5に示す処理に限るものではない。具体的には、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gの一方をオンにした後に、システムメインリレーSMR−Pをオンにすればよい。また、コンデンサC1,C2をプリチャージし、システムメインリレーSMR−Cをオンにした後に、システムメインリレーSMR−Pをオフにすればよい。
10:組電池、11:単電池、11a:発電要素、11b:電流遮断器、
10A:第1電池グループ、10B:第2電池グループ、20:昇圧回路、
30:インバータ、40:モータ・ジェネレータ、50:コントローラ、
51:メモリ、61,62:電流センサ、PL:正極ライン、NL:負極ライン、
ML:中間ライン、C1,C2:コンデンサ、
SMR−B,SMR−G,SMR−C:システムメインリレー、
SMR−P1,SMR−P2,SMR−P:システムメインリレー、
R1,R2,R:電流制限抵抗
10A:第1電池グループ、10B:第2電池グループ、20:昇圧回路、
30:インバータ、40:モータ・ジェネレータ、50:コントローラ、
51:メモリ、61,62:電流センサ、PL:正極ライン、NL:負極ライン、
ML:中間ライン、C1,C2:コンデンサ、
SMR−B,SMR−G,SMR−C:システムメインリレー、
SMR−P1,SMR−P2,SMR−P:システムメインリレー、
R1,R2,R:電流制限抵抗
Claims (1)
- 直列に接続された複数の蓄電素子を有し、前記各蓄電素子が内部の電流経路を遮断する電流遮断器を備えた蓄電装置と、
前記蓄電装置の正極端子を負荷と接続する正極ラインに配置された第1リレーと、
前記蓄電装置の負極端子を前記負荷と接続する負極ラインに配置された第2リレーと、
前記正極ラインおよび前記負極ラインの間で、直列に接続された複数の平滑コンデンサと、
前記蓄電装置に含まれる2つの前記蓄電素子の接続点と、前記複数の平滑コンデンサの接続点とを接続する中間ラインに配置された第3リレーと、
前記第1リレーおよび前記第2リレーのそれぞれと並列に接続され、又は、前記第3リレーと並列に接続されており、互いに直列に接続された電流制限抵抗および第4リレーと、
を有することを特徴とする蓄電システム。
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CN109524945A (zh) * | 2017-09-19 | 2019-03-26 | 联合汽车电子有限公司 | 一种保护电路及其控制方法及电源*** |
CN113760028A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-12-07 | 许继集团有限公司 | 一种柔直子模块的取能电源及取能方法 |
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