JP4096261B2 - 電池の保護方式 - Google Patents

Description

この発明は、一次電源としての蓄電池と、蓄電池を充電する発電機とを備え、蓄電池および発電機から動力へ電力を供給する、いわゆるハイブリッドシステム、例えば電気自動車または電気推進船舶などに適用して好適な電池の保護方式に関する。

蓄電池を一次電源とする大容量システムでは、従来から鉛蓄電池，アルカリ蓄電池が多用され、大容量単電池を２００〜３００セル直列接続して群を成し、この電池群の２〜４群を並列接続するものが一般的である。また、この発明で対象とするリチウムイオン電池は高エネルギー密度を有し、近年、民生用，産業用として小容量分野での実用化が進んでいる。

しかし、大容量システムへの適用を目的とする大容量リチウムイオン電池は研究・開発段階であり、将来動向は不明であるが、現段階では中小容量単電池を多数直並列に接続して実用化されるものと考えられている。この場合、単電池には特性バラツキが存在すると考えられ、また、この単電池を多数直並列接続して複数の電池群が並列接続された電池システムをなしたとき、当然、電池群電圧にはバラツキが存在するものと考えられ、さらには温度変化によっても特性が変化する。

このような特性バラツキを持つ複数の電池群を並列接続して一括充放電する場合には、電池群相互間には大きな充放電電流差が生じることが予想されることから、電池バラツキを考慮して個々の電池またはグループ電池に分け、スイッチで切替えながら充電する方法が、例えば特許文献１〜３に提案されている。

特開平０７−２０３６３４号公報（第５−６頁、図１） 特開２００２−３１３４３９号公報（第３頁、図１） 特開平１１−３１３４４５号公報（第５頁、図１）

ここで、電池の特性バラツキについて考察する。
（１）充電動作時のバラツキ
図３（ａ）は充電動作を説明する回路図である。
図示の一括充電電流＋ＩＢΣに対し、個別の電池群ごとに充電電流＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍが流れるが、この各電池群の充電電流＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍは電池群ごとにバラツキがあり、定電圧充電動作では図４（ａ）のように、また、定電流充電動作では図４（ｂ）のようになるものと予想される。

図４（ａ）の定電圧充電動作時を例にとれば、並列接続された電池群へ定電圧を印加したときに流れる各電池群の充電電流は、次式のように表わされる。ただし、電池群に接続される外部配線抵抗は等しいものとする。
＋ＩＢ＝（ＶＧ−ｅＢ）／（ＲＢ＋ＲＬ）
ＶＧ：発電機電圧、ｅＢ：電池内部起電圧、ＲＢ：電池内部抵抗、ＲＬ：配線抵抗
上式より各電池群の充電電流のバラツキは、電池内部起電圧ｅＢと電池内部抵抗ＲＢの差によって生じ、ｅＢまたはＲＢが大きければ充電電流は小さく、ｅＢまたはＲＢが小さければ充電電流は大きくなることが分かる。以下に、電池特性のバラツキ要因と電気的な因果関係を説明する。

（１−１）電池内部起電圧ｅＢ：小
電池内部起電圧ｅＢは材質・加工などのバラツキに起因して発生し、ｅＢが小さいほど充電電流は大きくなる傾向を示す。すなわち、同一印加電圧であってもｅＢ差によって充電電流差が生じるが、極端な電流差は電池内部異常の発生が予想される。
（１−２）電池内部抵抗ＲＢ：小
電池内部抵抗ＲＢが小さいほど充電電流は大きくなる傾向にあり、極端なＲＢ低下には電極間短絡が考えられ、見かけ上の充電電流（短絡電流）が大きくなる。すなわち、同一印加電圧であってもＲＢ差によって充電電流差が生じ、極端な電流差は電池内部の異常発生が予想される。
（１−３）電池内部抵抗ＲＢ：大
電池内部抵抗ＲＢが大きいほど充電電流は小さくなる傾向にあり、極端なＲＢ増加には断線などが考えられ、見かけ上の充電電流は小さくなるか、または流れない。すなわち、同一印加電圧であってもＲＢ差によって充電電流差が生じるが、極端な電流差は電池内部の異常発生が予想される。

（２）放電動作時のバラツキ
図３（ｂ）は放電動作を説明する回路図である。
図示の一括放電電流−ＩＢΣに対し、個別の電池群ごとに放電電流−ＩＢ１〜−ＩＢｍが流れるが、この各電池群の放電電流−ＩＢ１〜−ＩＢｍは図５のように、電池群ごとにバラツキがあり、互いに電流差を持って流れるものと予想される。

図５の放電動作時を例にすれば、各電池群の放電電流は次式のように表わされる。ただし、電池群に接続される外部配線抵抗は等しいものとする。
−ＩＢ＝−ｅＢ／（ＲＢ＋ＲＬ＋ＲＬΣ）
ｅＢ：電池内部起電圧、ＲＢ：電池内部抵抗、ＲＬ：配線抵抗 ＲＬΣ：等価負荷抵抗

各電池群の放電電流のバラツキは、電池内部起電圧ｅＢと電池内部抵抗ＲＢのバラツキによって生じる。すなわち、放電動作時の各電池群の「電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）」は電池内部起電圧ｅＢと電池内部抵抗ＲＢおよび放電電流による電圧降下とで決まる特性であるから、電池内部起電圧ｅＢおよび電池内部抵抗ＲＢのバラツキにより、各電池群のＩ−Ｖ特性は図５に示すようにバラツキを生じ、各電池群のＩ−Ｖ特性の差が電池群の放電電流の差として表われる。以下に、電池特性のバラツキ要因と電気的な因果関係を説明する。

（２−１）電池内部起電圧ｅＢ：小
電池は、電池内部起電圧ｅＢが小さくなると電池内部抵抗ＲＢが大きくなり、電池内部起電圧ｅＢが大きくなると電池内部抵抗ＲＢが小さくなる傾向を示す。したがって、電池内部起電圧ｅＢが小さければ、電池内部抵抗ＲＢが大きいことによりＩ−Ｖ特性の傾斜は大きくなり、放電電流は小さくなる。すなわち、並列接続の電池群では全ての電池群端子電圧は同一であるから、内部起電圧ｅＢの極端な低下は放電電流を小さくする。
（２−２）電池内部起電圧ｅＢ：大
電池内部起電圧ｅＢが大きければ、電池内部抵抗ＲＢが小さいことによりＩ−Ｖ特性の傾斜は小さくなり、放電電流は大きくなる。すなわち、並列接続の電池群では全ての電池群端子電圧は同一であるから、内部起電圧ｅＢの極端な上昇は放電電流を大きくする。

（２−３）電池内部抵抗ＲＢ：大
電池内部抵抗ＲＢが大きければ、Ｉ−Ｖ特性の傾斜は大きくなり、放電電流は小さくなる。すなわち、並列接続の電池群では全ての電池群端子電圧は同一であるから、極端なＲＢの増加は放電電流を小さくする。
（２−４）電池内部抵抗ＲＢ：小
電池内部抵抗ＲＢが小さければＩ−Ｖ特性の傾斜は小さくなり、放電電流は大きくなる。しかし、極端なＲＢ低下は電池内部短絡が考えられ、電池内部起電圧ｅＢが見かけ上小さくなったのと同じ現象と考えられる（上記２−１項参照）。この場合、並列接続の電池群では全ての電池群端子電圧は同一であるから、極端なｅＢの低下（内部短絡）は放電電流の減少となる。

ところで、上記特許文献１〜３に提案の方法によれば、切替えながら電池を充電するので充電時間が長くなるだけでなく、切替えによって生じるノイズ発生が問題となる。
また、リチウムイオン電池はエネルギー密度が大きい利点を有する反面、「過充電による発火，爆発の危険性」が指摘され、加えて「過放電による電池特性の劣化が甚大であること」などが報告されていることから、充放電に際して細心の注意と厳密な監視・制御が必要になるとともに、複数の並列接続された電池群を一括充放電する場合には、特性バラツキに起因する劣化やダメージに対する適切な保護が要求される。
したがって、この発明の課題は、ノイズを発生させることなく充電時間の短縮化を図るとともに、適切な電池保護を可能にすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の充放電制御を行なうとともに前記原動機駆動発電機の制御を行なう制御回路とを備え、
前記制御回路により電池群の一括充電を行なうときは、充電電流設定値または実充電電流値から充電電流平均値を求め、この充電電流平均値および実電池電圧値から、予め用意された充電電流許容バラツキマップを参照して前記充電電流平均値を基準とした充電電流許容バラツキ範囲の上，下限値を読み出し、これらと個々の電池群の充電電流とを比較し、許容バラツキ範囲を超えたら該当する前記スイッチをオフして充電を停止し、電池群を保護することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、定電流充電の状態で前記スイッチをオフして電池群を切り離したときは、電池群数の減少に伴い他の健全電池群の充電電流が増加しないよう、電池群数減少分に相当する分だけ前記発電機の出力を低下させ、健全電池群の負担を軽減することができる（請求項２の発明）。

請求項３の発明では、ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の充放電制御を行なうとともに前記原動機駆動発電機の制御を行なう制御回路とを備え、
前記制御回路により電池群の一括放電を行なうときは、実放電電流値から放電電流平均値を求め、この放電電流平均値および実電池電圧値から、予め用意された放電電流許容バラツキマップを参照して前記放電電流平均値を基準とした放電電流許容バラツキ範囲の上，下限値を読み出し、これらと個々の電池群の放電電流とを比較し、許容バラツキ範囲を超えたら警報を発し、該当する前記電池群を回路から切り離して電池群を保護することを特徴とする。
この請求項３の発明においては、前記電池群の回路からの切り離しは、スイッチによる手動操作または自動操作とすることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、ノイズ発生のない連続した定電圧充電または定電流充電により、並列接続された複数の電池群を一括充電することで充電時間の短縮化を図るとともに、充放電動作における個別電池群のバラツキによって充放電電流が許容値を超えたときには、該当する電池群の充電または放電を停止して電池群の保護を行なうことが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。なお、図１において、１，２は単電池が複数セル直列接続されてなる電池群（Ｂ１，Ｂｍ）、３，４は半導体素子（Ｑ１，Ｑｍ）とダイオード（Ｄ１，Ｄｍ）との逆並列回路からなるスイッチ回路、５，６，９，１３，２６は電流検出器、７，８，１０，１４は電圧検出器、１１は発電機の駆動用原電動機（ＤＥ）、１２は発電機（Ｇ）、１５は補機（Ｌ）、１６は推進電動機（Ｍ）、１７はプログラム設定装置、１８はパルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、１９は充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、２０は浮動充電スイッチ（ＳＷＦ）、２１は電圧設定器（ＶＲＶ）、２２は電流設定器（ＶＲＩ）、２３は充放電制御回路＆電池状態監視装置、２４は充電制御切替スイッチ（ＳＷｖｃ）、２５は発電機制御装置、２７は発電機界磁、２８は充放電電流許容バラツキマップ、３０は警報器、３１〜３４はスイッチ、３５，３６はスイッチ（ＳＷ１，ＳＷｍ）を示す。

Ａ）充電時の保護動作
Ａ−１）まず、定電圧充電動作の場合について説明する。この場合は、充電切替スイッチＳＷＣ１９を定電圧側に切替える。これにより、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は充電制御切替スイッチＳＷ_VC２４を電圧側へ切替えるとともに、所定の全充電電流＋ＩＢΣを得るために発電機電圧設定器ＶＲＶ２１からの発電機電圧指令ＶＧｓを出力し、発電機制御装置２５に与える。

発電機制御装置２５は、この発電機電圧指令ＶＧｓを設定値として発電機電圧検出器ＶＤＧ１４の検出信号ＶＧｉと、発電機電流検出器ＳＨＧ１３の検出信号ＩＧｉと、発電機界磁電流検出器ＳＨＧＦ２６の検出信号ＩＧｆｉとをフィードバック信号とし、発電機の界磁ＧＦ２７の電流ＩＧｆを調節して発電機電圧を制御する。
この発電機電圧制御により、補機Ｌ１５および電動機Ｍ１６等の負荷が変動しても、安定した発電機電圧ＶＧを電池群に与えて全充電電流＋ＩＢΣを供給することができる。

Ａ−２）次に、定電流充電動作の場合について説明する。この場合は、充電切替スイッチＳＷＣ１９を定電流側に切替える。これにより、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は充電制御切替スイッチＳＷ_VC２４を電流側へ切替えるとともに、所定の全充電電流＋ＩＢΣとなるように電流設定器ＶＲＩ２２からの電池電流指令ＩＢｓを出力し、発電機制御装置２５に与える。

発電機制御装置２５は、この電池電流指令ＩＢｓを設定値として電池電流検出器ＳＨＢ９で検出した検出信号ＩＢｉと、発電機電圧検出器ＶＤＧ１４で検出した検出信号ＶＧｉと、発電機電流検出器ＳＨＧ１３で検出した検出信号ＩＧｉと、発電機界磁電流検出器ＳＨＧＦ２６で検出した検出信号ＩＧｆｉとをフィードバック信号として、発電機の界磁ＧＦ２７の電流ＩＧｆを調節して全充電電流＋ＩＢΣが電池電流指令値ＩＢｓとなるように発電機を制御する。
この発電機電流制御により、補機Ｌ１５および電動機Ｍ１６等の負荷が変動しても、安定した全充電電流＋ＩＢΣを発電機から供給することができる。

充電時の動作を示す図４（ａ），（ｂ）において、＋ＩＢΣは発電機から供給される全充電電流であり、また、＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍは電池群Ｂ１〜Ｂｍの各充電電流であって、電流バラツキが生じている状態を示している。
図２（ａ）は、上記のような並列接続された電池群Ｂ１〜Ｂｍの充電電流のバラツキを、充電電流ＩＢを横軸，電池電圧ＶＢｉを縦軸とした平面上で例示したものであり、ある時点での電池群Ｂ１〜Ｂｍの各充電動作状態（＋ＩＢ１，ＶＢｉｔ）〜（＋ＩＢｍ，ＶＢｉｔ）が黒丸印で示されている。

ここで、図２（ａ）に示すＩｍｅは、設定器２２からの電流指令（設定）値ＩＢｓ、または電池電流検出器ＳＨＢ９で検出した電池群合計充電電流ＩＢｉを全充電電流＋ＩＢΣとして扱い、これを充放電制御回路＆電池状態監視装置２３により電池群数ｍで除して求めた平均電流値（Ｉｍｅ＝ＩＢΣ／ｍ）（ここで、ＩＢΣ＝ＩＢｓまたはＩＢΣ＝ＩＢｉ）であり、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は、この平均電流値Ｉｍｅを充放電電流許容バラツキマップ２８に与える。なお、全充電電流＋ＩＢΣとして扱う電流値は、定電圧充電動作では電池群合計充電電流ＩＢｉであり、また、定電流充電動作では電流指令値ＩＢｓまたは電池群合計充電電流ＩＢｉのいずれでもよいが、平均電流値Ｉｍｅを求める手段を定電圧充電動作の場合と統一するという点からは、実充電電流である電池群合計充電電流ＩＢｉの方が好適である。
図２（ａ）におけるＩＢｍｘおよびＩＢｍｎは、充放電電流許容バラツキマップ２８から出力される充電電流許容バラツキの上限側制限値および下限側制限値を示すものであり、図２（ａ）では電池群Ｂｍの充電電流＋ＩＢｍが上限側制限値ＩＢｍｘを超えた状態が示されている。

図１において、充放電電流許容バラツキマップ２８は、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３から上記の平均電流値Ｉｍｅとともに電池電圧ＶＢｉが入力され、これらの値からマップに格納されているバラツキの上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎを求めて、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３に出力する。
充放電電流許容バラツキマップ２８における充電電流許容バラツキマップは、電池群Ｂ１〜Ｂｍが並列接続されてなる電池システムの平均電流Ｉｍｅおよび電池電圧ＶＢｉで規定される充電動作状態ごとに許容バラツキ範囲が設定されたものとなっており、これを図６で説明する。

図６は、充電動作時の許容バラツキマップの説明図であり、この図において、横軸は平均電流値Ｉｍｅ、縦軸は電池電圧ＶＢｉであり、黒丸で示されたＩｍｅ−ＶＢｉ平面上の交点Ａ〜Ｆは、それぞれ、（Ｉｍｅ＝ＩｍｅＡ，ＶＢｉ＝ＶＢｉＡ）〜（Ｉｍｅ＝ＩｍｅＦ，ＶＢｉ＝ＶＢｉＦ）に対応する電池システムの充電動作状態を示すものであり、このような交点ごとに許容バラツキ範囲データが格納されている。そして、充放電電流許容バラツキマップ２８に入力された平均電流Ｉｍｅおよび電池電圧ＶＢｉが、例えば、それぞれＩｍｅ＝ＩｍｅＡ，ＶＢｉ＝ＶＢｉＡであれば、交点Ａの充電動作状態と判別し、対応する許容バラツキ範囲データが読み出され、バラツキの上限側制限値ＩＢｍｘ（＝ＩＢｍｘＡ）および下限側制限値ＩＢｍｎ（＝ＩＢｍｎＡ）として出力される。各交点ごとに格納される許容バラツキ範囲データとしては、上記のような制限値ＩＢｍｘ，ＩＢｍｎ自体を格納しておいてもよく、また、許容バラツキ範囲の平均電流値Ｉｍｅに対する割合、すなわち、上限側係数Ｋｍｘ（％），下限側係数Ｋｍｎ（％）を交点ごとに格納しておいて、電池システムの充電動作状態に対応して読み取られた係数Ｋｍｘ，Ｋｍｎを用いて、制限値ＩＢｍｘ＝（１＋Ｋｍｘ）＊Ｉｍｅ，ＩＢｍｎ（１−Ｋｍｎ）＊Ｉｍｅを演算するようにしてもよい。

次に、充電動作状態に応じて許容バラツキ範囲をどのように設定するかについて、その一例を図６により説明する。図６において破線の楕円形で表現されたゾーン＜１＞〜＜３＞は、それぞれ、電池内部起電圧ｅＢが低く充電電流が大きな充電初期状態、充電中期状態および充電終期（満充電付近）の状態を示すものであり、例えば、ゾーン＜１＞内の交点Ａ〜Ｂでは±１０〜１５％の許容バラツキ範囲、ゾーン＜２＞内の交点Ｃ〜Ｄでは±５〜１０％の許容バラツキ範囲、ゾーン＜３＞内の交点Ｅ〜Ｆでは±５％の許容バラツキ範囲が設定されており、充電初期および充電中期では許容バラツキ範囲を広くし、充電終期（満充電付近）では許容バラツキ範囲を狭くして電池保護を厳しく管理・チェックするようにしている。なお、図6では、上記のようなゾーンごとでの許容バラツキ範囲の違いを、交点Ａ〜Ｆの黒丸印の大きさの違いで表現している。

また、図6による上記の説明では、ゾーン＜１＞〜＜３＞に対応して許容バラツキ範囲を３段階に設定する例を示したが、このようなゾーンの分け方は任意であり、許容バラツキ範囲を充電動作状態に合わせてよりきめ細かに変えて設定するようにしてもよい。なお、上記のような許容バラツキ範囲の具体的な設定値は、対象となる電池の構造，形式，容量，電池システムとしての規模，使い方などに合わせて定めた管理基準に基づいて決めるようにする。
また、ゾーン＜４＞で示されるような、電池電圧が低い状態であって、何らかの理由で充電電流を下げた充電動作状態では、充電電流が小さくても許容バラツキ範囲を狭めることはない。ゾーン＜５＞で示されるような、電池電圧が高いのに充電電流を大きくするような充電動作状態は、通常の充電動作状態ではないので、ゾーン＜５＞のような充電動作状態が判別された場合には、「異常」，「禁止」などの警告または充電低減、停止などの処置を講ずるようにしてもよい。

以上のように充放電電流許容バラツキマップ２８から読み出した電流制限値ＩＢｍｘ，ＩＢｍｎと、図１の各電池群に設けた電流検出器ＳＨ１〜ＳＨｍで検出した充電電流＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍとを充放電制御回路＆電池状態監視装置２３内で比較し、電流検出値＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍが制限値ＩＢｍｘ，ＩＢｍｎで設定された許容バラツキ範囲を超えたら、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は該当する電池群の半導体素子Ｑ１〜ＱｍへＯＦＦ指令Ｑ１ｄｖ〜Ｑｍｄｖを出して充電を停止させ、電池保護を行なうとともに健全電池群に対する充電を継続させ、システムの安全運転を確保するようにしている。

なお、定電流充電モードでは、上述の電池保護動作により電池群を切り離し電池群の群数が減少した場合、そのまま放置すると充電を継続する健全電池群一群当たりの充電電流が増加して好ましくない。そこで、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は、停止した電池群数がｎｘである場合、発電機電流指令値ＩＢｓをＩＢｓｘ＝ＩＢΣ×（ｍ−ｎｘ）／ｍ（ここで、ｍ：全電池群数、ｎｘ：停止した電池群数）へ変更し、健全電池群の充電電流増加を抑制する。
また、上記のように、定電流充電モードでは、全電池群数ｍのうちｎｘ群の電池群が許容バラツキ範囲を超えて切り離されたとき、（ｍ−ｎｘ）群の健全電池群の一群当たりの充電電流増加を抑制するために、発電機電流指令値をＩＢｓ＝ＩＢΣからＩＢｓｘ＝ＩＢΣ×（ｍ−ｎｘ）／ｍに変更し、発電機出力を低下させる制御を行なうが、この発電機出力低下制御の整定時間の間、健全電池群一群当たりの充電電流ＩＢが過渡的に増加する。

これに対して、許容バラツキ範囲の上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎを求めるための平均電流値Ｉｍｅを電流指令値ＩＢｓから求めている場合、平均電流値Ｉｍｅは、発電機電流指令値の変更後も、Ｉｍｅ＝ＩＢｓｘ／（ｍ−ｎｘ）＝｛ＩＢΣ×（ｍ−ｎｘ）／ｍ｝／（ｍ−ｎｘ）＝ＩＢΣ／ｍであって、発電機電流指令値変更前の平均電流値Ｉｍｅ＝ＩＢΣ／ｍから変化しないので、上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎも、発電機電流指令値変更前後で変化しない。このため、発電機電流指令値変更時における発電機出力低下制御の整定時間の間、健全電池群一群当たりの充電電流ＩＢのみが過渡的に増加するので、この充電電流ＩＢの過渡的増加量が大きい場合は、許容バラツキ範囲を超えて、バラツキ異常と誤検出してしまう可能性がある。

また、平均電流値Ｉｍｅを実充電電流である電池群合計充電電流ＩＢｉから求めている場合は、上記のような健全電池群一群当たりの充電電流ＩＢの過渡的な増加に対応して健全電池群での実際の平均電流値も過渡的に増加するが、平均電流値Ｉｍｅを演算し上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎを求めるための処理時間の遅れがあるため、上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎは健全電池群一群当たりの充電電流ＩＢの過渡的な増加にそのまま追従はしないので、充電電流ＩＢの過渡的増加量が大きい場合は、許容バラツキ範囲を超えて、バラツキ異常と誤検出してしまう可能性がある。このようなバラツキ異常の誤検出を防止するため、異常電池群切り離し時には、タイマーにより、バラツキ異常検出処理を所定時間マスキングするようにするとよい。

また、ある電池群の直列セルにおいて内部短絡が発生したことを想定すると、このような状態は、その電池群の直列起電圧ｅＢが低下し、他の健全電池群に比べて見かけ上の充電電流が増加するという電池の異常状態であるから、この異常状態の検出信号によって直列接続された半導体素子をＯＦＦすれば電池群は保護される。かつ、該当する半導体素子と逆並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄｍによって発電機電圧、および他の健全電池群からの電流流入がブロックされるから、他の健全回路へ影響を与えることなく、システムの安全運転が継続される。

また、定電圧充電動作の場合、一般的な電池における電池内部抵抗の温度係数は負であるため、印加電圧ＶＢが一定であっても、ＩＢ＝（ＶＢ−ｅＢ）／ＲＢ（ここで、ＩＢ：充電電流、ｅＢ：電池内部起電圧、ＲＢ：電池内部抵抗）の関係によって、温度上昇により分母の電池内部抵抗ＲＢが減少し充電電流ＩＢが増加し、充電電流ＩＢが増加すると電池内部損失ＩＢ²＊ＲＢが増加して電池温度が上昇し、電池温度が上昇すると電池内部抵抗ＲＢが減少する、という熱暴走状態が発生する可能性があるが、電池温度が上昇して充電電流ＩＢが増加し、許容バラツキ範囲を超えたときにはその電池に該当するスイッチをＯＦＦして充電を停止することにより、電池温度上昇による障害発生を防止することができる。
なお、この発明の電池の保護方式における複数電池群の一括充電の充電パターンは、充電初期から終期まで定電圧充電あるいは定電流充電のみを行なう充電パターンに限定されるものではなく、充電初期から終期にわたって定電圧充電と定電流充電との充電モード切換えや設定電圧値または設定電流値の変更を行なうような充電パターンでもよい。

Ｂ）放電時の保護動作
放電時の動作（電流−電圧特性）を示す図５において、−ＩＢΣは並列接続された各電池群からの放電電流が合計された全放電電流であり、また、−ＩＢ１〜−ＩＢｍは電池群Ｂ１〜Ｂｍの各放電電流であって、各電池群の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）のバラツキによって電流バラツキが生じている。
図２（ｂ）は、上記のような並列接続された電池群Ｂ１〜Ｂｍの放電電流のバラツキを、放電電流ＩＢを横軸、電池電圧ＶＢｉを縦軸とした平面上で例示したものであり、ある時点での電池群Ｂ１〜Ｂｍの各放電動作状態（−ＩＢ１，ＶＢｉｔ）〜（−ＩＢｍ，ＶＢｉｔ）が黒丸印で示されている。

ここで、図２（ｂ）に示す電流Ｉｍｅは放電電流の平均値であり、電流検出器ＳＨＢ９
で検出した信号ＩＢｉをＩＢΣとして電池群数ｍで除した値、すなわち、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３内で、Ｉｍｅ＝ＩＢΣ（＝ＩＢｉ）／ｍなる演算にて求めた値であり、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３は、この平均電流値Ｉｍｅを充放電電流許容バラツキマップ２８に与える。
また、図２（ｂ）におけるＩＢｍｘ，ＩＢｍｎは、充放電電流許容バラツキマップ２８から出力される放電電流許容バラツキの上限側制限値および下限側制限値を示すものであり、図２（ｂ）では、電池群Ｂｍの放電電流−ＩＢｍがＩＢｍｘを超えた状態が示されている。
図１において、充電動作の場合と同様に、充放電電流許容バラツキマップ２８は、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３から上記の平均電流値Ｉｍｅとともに電池電圧ＶＢｉが入力され、これらの値からマップに格納されているバラツキの上限側制限値ＩＢｍｘおよび下限側制限値ＩＢｍｎを求めて、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３に出力する。

充放電電流許容バラツキマップ２８における放電電流許容バラツキマップは、上述の図６により説明した充電電流許容バラツキマップの場合と同様に、電池群Ｂ１〜Ｂｍが並列接続されてなる電池システムの平均電流Ｉｍｅおよび電池電圧ＶＢｉで規定される放電動作状態ごとに許容バラツキ範囲が設定されたものとなっており、これを図７で説明する。
図７は、放電動作時の許容バラツキマップの説明図であり、この図において、横軸は平均電流値Ｉｍｅ、縦軸は電池電圧ＶＢｉであり、破線の楕円形で表現されたゾーン＜１＞および＜２＞は、それぞれ、電池電圧ＶＢｉが高く電池残存量が多い領域および電池電圧ＶＢｉが低く電池残存量が少ない領域を示すものであり、例えば、ゾーン＜１＞内では放電電流の大小に関わらず±１０〜１５％の許容バラツキ範囲とし、ゾーン＜２＞内では±５〜１０％という狭めた許容バラツキ範囲で電池管理を行なうようにしている。放電時のバラツキ管理はそれほど厳しくしなくても良いと考えられるが、電池電圧が低い放電終止領域では、電池バラツキにより発生する過放電を防止するなどの観点から、上記の例のように放電電流の許容バラツキ範囲を狭めた方が良いと考えられる。

なお、図７では図示していないが、放電電流許容バラツキマップにおいても、図６で説明した充電電流許容バラツキマップの場合と同様に、充放電電流許容バラツキマップ２８に入力された平均電流Ｉｍｅおよび電池電圧ＶＢｉが、例えば、それぞれＩｍｅ＝ＩｍｅＧ，ＶＢｉ＝ＶＢｉＧであれば、それに対応するＩｍｅ−ＶＢｉ平面上の交点Ｇ（ＩｍｅＧ，ＶＢｉＧ）での許容バラツキ範囲データが読み出され、バラツキの上限側制限値ＩＢｍｘ（＝ＩＢｍｘＧ）および下限側制限値ＩＢｍｎ（＝ＩＢｍｎＧ）として出力される。

以上のように充電電流許容バラツキマップ２８から読み出した電流制限値ＩＢｍｘ，ＩＢｍｎと、図１の各電池群に設けた電流検出器ＳＨ１〜ＳＨｍで検出した放電電流−ＩＢ１〜−ＩＢｍとを充放電制御回路＆電池状態監視装置２３内で比較し、電流検出値−ＩＢ１〜−ＩＢｍが制限値ＩＢｍｘ，ＩＢｍｎで設定された許容バラツキ範囲を超えたら、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３がこれを判断して、警報器３０から警報を発生させる。

ここで、電池放電のみで負荷へ電力を供給する場合、電池から負荷への電力供給が不用意に停止しないようにするため、ある電池群の放電電流バラツキ異常が発生しても、先ずは警報出力だけさせておいて、その上で、電池，発電機および負荷を含むシステム全体の状況を十分に把握した上での判断により、異常電池群の切り離しを手動操作で行なうことができるようにしておくことが好ましい。このため、スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ（３５，３６）を設け、このスイッチを手動操作により開路して当該電池群を切り離すことができるようにする。
このような、放電動作時の電池群切り離し用のスイッチＳＷ１〜ＳＷｍとしては、放電動作時の電流は大きいことを考慮すると、通電損失の小さい機械接点式スイッチが好適であるが、半導体スイッチも適用可能である。スイッチＳＷ１〜ＳＷｍに適用する機械接点式スイッチとしては、例えば負荷開閉器等の開閉器でもよく、遮断器でもよい。なお、この機械接点式スイッチを、電気動力等による遠方操作機能を有する可制御スイッチとし、スイッチに対する手元での手動操作に加えて、集中監視制御装置からシステム全体の運転状況を見ながらの遠方手動操作もできるようにしてもよい。

次に、放電動作時の電池群切り離し用スイッチＳＷ１〜ＳＷｍを半導体スイッチで構成する場合の一例を図８に示す。図８の回路は、図１に示した電池群Ｂ１に対応する半導体素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１からなる充電用半導体スイッチ回路３とスイッチＳＷ１（３５）との直列接続回路部において、スイッチＳＷ１（３５）を、半導体素子Ｑ１およびダイオードＤ１に対してそれぞれ逆極性の半導体素子ＱＲ１およびダイオードＤＲ１を並列接続してなる放電用半導体スイッチ回路で構成したものであり、充放電制御回路＆電池状態監視装置２３からのＯＦＦ指令ＱＲ１ｄｖにより半導体素子ＱＲ１がＯＦＦして、対応する電池群Ｂ１からの放電を停止させるようになっている。そして、電池群Ｂ２〜Ｂｍについても、電池群Ｂ１と同様に、放電用半導体スイッチ回路からなるＳＷ２〜ＳＷｍを設ける。
また、電池，発電機および負荷を含むシステムの構成によっては、ある電池群の放電電流バラツキ異常が発生した場合に、可制御スイッチ、すなわち、上述のような遠方操作機能を有する機械接点式スイッチあるいは図８に示したような放電用半導体スイッチ回路を用いて当該電池群を自動的に切り離すようにしてもよく、さらには、切り離し制御回路を手動・自動切り換え式としておき、システムの運転状況に応じて切り離し制御モードを選択できるようにしておくとよい。

なお、ある電池群の直列セルにおいて内部短絡が発生したことを想定すると、このような状態は、その電池群の直列起電圧ｅＢが低下し、他の健全電池群に比べて見かけ上の放電電流が減少するという電池の異常状態であるから、この異常状態の検出信号によって警報を発する。そして、この警報に基づく状況判断により、手動操作でスイッチＳＷ１〜ＳＷｍの内の該当するスイッチを開路して該当電池群を切り離すことができる。また、上述のように、電池，発電機および負荷を含むシステムの構成によっては、可制御のスイッチＳＷ１〜ＳＷｍを用いて自動操作で該当電池群を切り離すこともできる。このような手動切り離しおよび自動切り離しのいずれの場合も、発電機電圧および他の健全電池群からの電流流入がブロックされるから、他の健全回路へ影響を与えることなく、システムの安全運転が継続される。

なお、図８に示した放電用半導体スイッチ回路による異常電池群切り離しの場合には、半導体素子Ｑ１〜ＱｍおよびＱＲ１〜ＱＲｍにそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ１〜ＤｍおよびＤＲ１〜ＤＲｍにより、発電機電圧および他の健全電池群からの電流流入がブロックされる。
また、上述の図１の構成における充放電電流許容バラツキマップ２８は、充電電流許容バラツキマップの機能および放電電流許容バラツキマップの機能の両方を備えているが、一括充電時の電池群保護あるいは一括放電時の電池群保護のいずれかのみを行なう場合は、充電電流許容バラツキマップあるいは放電電流許容バラツキマップのいずれかのみの機能を備えたマップとすることができる。

この発明の実施の形態を示す構成図 この発明における充電，放電電流のバラツキ範囲説明図 充放電動作回路を示す回路図 定電圧充電動作および定電流充電動作の説明図 放電時の電流−電圧特性を示す特性図 充電動作時の許容バラツキマップの説明図 放電動作時の許容バラツキマップの説明図 放電用半導体スイッチ回路の説明図

符号の説明

１，２…電池群（Ｂ１，Ｂｍ）、３，４…スイッチ回路、５，６，９，１３，２６…電流検出器、７，８，１０，１４…電圧検出器、１１…駆動用原動機（ＤＥ）、１２…発電機（Ｇ）、１５…補機（Ｌ）、１６…推進電動機（Ｍ）、１７…プログラム設定装置、１８…パルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、１９…充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、２０…浮動充電スイッチ（ＳＷＦ）、２１…電圧設定器（ＶＲＶ）、２２…電流設定器（ＶＲＩ）、２３…充放電制御回路＆電池状態監視装置、２４…充電制御切替スイッチ（ＳＷｖｃ）、２５…発電機制御装置、２７…発電機界磁、２８…充放電電流許容バラツキマップ、３０…警報器、３１〜３４…スイッチ、３５，３６…スイッチ（ＳＷ１，ＳＷｍ）。

Claims (4)

1. ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の充放電制御を行なうとともに前記原動機駆動発電機の制御を行なう制御回路とを備え、
   前記制御回路により電池群の一括充電を行なうときは、充電電流設定値または実充電電流値から充電電流平均値を求め、この充電電流平均値および実電池電圧値から、予め用意された充電電流許容バラツキマップを参照して前記充電電流平均値を基準とした充電電流許容バラツキ範囲の上，下限値を読み出し、これらと個々の電池群の充電電流とを比較し、許容バラツキ範囲を超えたら該当する前記スイッチをオフして充電を停止し、電池群を保護することを特徴とする電池の保護方式。
2. 定電流充電の状態で前記スイッチをオフして電池群を切り離したときは、電池群数の減少に伴い他の健全電池群の充電電流が増加しないよう、電池群数減少分に相当する分だけ前記発電機の出力を低下させ、健全電池群の負担を軽減することを特徴とする請求項１に記載の電池の保護方式。
3. ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の充放電制御を行なうとともに前記原動機駆動発電機の制御を行なう制御回路とを備え、
   前記制御回路により電池群の一括放電を行なうときは、実放電電流値から放電電流平均値を求め、この放電電流平均値および実電池電圧値から、予め用意された放電電流許容バラツキマップを参照して前記放電電流平均値を基準とした放電電流許容バラツキ範囲の上，下限値を読み出し、これらと個々の電池群の放電電流とを比較し、許容バラツキ範囲を超えたら警報を発し、該当する前記電池群を回路から切り離して電池群を保護することを特徴とする電池の保護方式。
4. 前記電池群の回路からの切り離しは、スイッチによる手動操作または自動操作にて行なうことを特徴とする請求項３に記載の電池の保護方式。

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