JP6015626B2

JP6015626B2 - 蓄電システム

Info

Publication number: JP6015626B2
Application number: JP2013223172A
Authority: JP
Inventors: 純太泉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: JP2015089152A

Description

本発明は、直流電源および交流電源を用いて、蓄電装置を充電することができる蓄電システムに関するものである。

特許文献１には、直流電源を用いて、走行用バッテリを充電するシステムが記載されている。このシステムでは、メインリレーおよびインバータの間の電力ラインに対して充電ラインを接続しており、充電ラインは、直流電源と接続される。

特開２０１２−２２８０６０号公報

バッテリを充電するための電源としては、直流電源に加えて、交流電源が用いられることがある。特許文献１には、交流電源を用いてバッテリを充電するシステムについては、開示されていない。

本発明の蓄電システムは、充放電を行う蓄電装置と、モータ・ジェネレータとを有する。モータ・ジェネレータは、正極ラインおよび負極ラインを介して蓄電装置と接続されており、蓄電装置の出力電力を受けて、電気自動車を走行させる運動エネルギを生成する。正極ラインおよび負極ラインのそれぞれには、システムメインリレーが設けられている。

本発明の蓄電システムは、さらに、第１充電ラインおよび第２充電ラインを有する。第１充電ラインは、直流電源からの直流電力を蓄電装置に供給する。ここで、第１充電ラインは、モータ・ジェネレータおよびシステムメインリレーの間において、正極ラインおよび負極ラインのそれぞれに接続されている。第１充電ラインには、第１充電リレーが設けられている。

第２充電ラインは、交流電源からの交流電力が直流電力に変換された状態において、この直流電力を蓄電装置に供給する。ここで、第２充電ラインは、蓄電装置およびシステムメインリレーの間において、正極ラインおよび負極ラインのそれぞれに接続されている。第２充電ラインには、第２充電リレーが設けられている。

交流電源を用いて蓄電装置を充電するとき、交流電源からの充電電流は、システムメインリレーを流れない。このため、システムメインリレーにおいて、電力損失が発生することを防止でき、交流電源から蓄電装置に対して、効率良く充電電流を流すことができる。

直流電源を用いて蓄電装置を充電するときには、第１充電リレーおよびシステムメインリレーを駆動するだけでよい。すなわち、直流電源を用いて蓄電装置を充電するときには、第２充電リレーを駆動する必要が無い。このため、第２充電リレーが故障していても、直流電源を用いて蓄電装置を充電することができる。

電池システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例の電池システム（本発明の蓄電システムに相当する）の構成を示す図である。図１に示す電池システムは、電気自動車に搭載されている。電気自動車とは、車両を走行させるための動力源として、後述する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を用いることができる。本実施例の組電池１０では、すべての単電池１１が直列に接続されているが、組電池１０には、並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

組電池１０の正極端子には、正極ラインＰＬが接続され、組電池１０の負極端子には、負極ラインＮＬが接続されている。組電池１０は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介してインバータ２１に接続されている。正極ラインＰＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられ、負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｇには、抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐが並列に接続されている。抵抗素子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−Ｂおよびインバータ２１の間の正極ラインＰＬと、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇおよびインバータ２１の間の負極ラインＮＬとには、平滑コンデンサＣ１が接続されている。

組電池１０をインバータ２１と接続するとき、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐは、コントローラ５０からの駆動信号を受けて、オフからオンに切り替わる。これにより、組電池１０の放電電流が抵抗素子Ｒを介して平滑コンデンサＣ１に流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。ここで、平滑コンデンサＣ１の充電電流は、抵抗素子Ｒを流れるため、平滑コンデンサＣ１に突入電流が流れることを抑制できる。

次に、コントローラ５０からの駆動信号を受けて、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇがオフからオンに切り替わるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐがオンからオフに切り替わる。これにより、組電池１０およびインバータ２１の接続が完了し、図１に示す電池システムは、起動状態（Ready-On）となる。

インバータ２１は、組電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ（ＭＧ）２２に出力する。モータ・ジェネレータ２２は、インバータ２１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２２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを用いて、交流電力を生成する。インバータ２１は、モータ・ジェネレータ２２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に出力する。なお、組電池１０およびインバータ２１の間の電流経路に、昇圧回路を設けることもできる。昇圧回路は、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２１に出力する。また、昇圧回路は、インバータ２１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。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂおよびインバータ２１の間の正極ラインＰＬには、充電ライン（本発明の第１充電ラインに相当する）ＤＣＬ１が接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇおよびインバータ２１の間の負極ラインＮＬには、充電ライン（本発明の第１充電ラインに相当する）ＤＣＬ２が接続されている。充電ラインＤＣＬ１，ＤＣＬ２は、インレット３１に接続されており、充電ラインＤＣＬ１，ＤＣＬ２には、充電リレー（本発明の第１充電リレーに相当する）ＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇがそれぞれ設けられている。

インレット３１には、コネクタ３２が接続される。コネクタ３２は、ケーブルを介して直流電源３３に接続されている。直流電源３３は、車両の外部に設置された電源である。コネクタ３２をインレット３１に接続することにより、直流電源３３からの電力を組電池１０に供給して、組電池１０を充電することができる。

直流電源３３を用いて組電池１０を充電するとき、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇは、コントローラ５０からの駆動信号を受けて、オフからオンに切り替わる。また、電池システムは、上述した起動状態となっている。すなわち、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオンとなっている。

組電池１０の正極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂの間の正極ラインＰＬには、充電ライン（本発明の第２充電ラインに相当する）ＣＨＬ１が接続されている。組電池１０の負極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇの間の負極ラインＮＬには、充電ライン（本発明の第２充電ラインに相当する）ＣＨＬ２が接続されている。充電ラインＣＨＬ１，ＣＨＬ２は、充電器４１に接続されており、充電ラインＣＨＬ１，ＣＨＬ２には、充電リレー（本発明の第２充電リレーに相当する）ＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｇがそれぞれ設けられている。また、充電リレーＣＨＲ−Ｂおよび充電器４１の間の充電ラインＣＨＬ１と、充電リレーＣＨＲ−Ｇおよび充電器４１の間の充電ラインＣＨＬ２とには、平滑コンデンサＣ２が接続されている。

充電リレーＣＨＲ−Ｐは、抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐの接続点と、充電リレーＣＨＲ−Ｇおよび充電器４１の間の充電ラインＣＨＬ２とに接続されている。充電器４１には、インレット４２が接続されている。インレット４２は、コネクタ４３と接続され、コネクタ４３は、ケーブルを介して交流電源４４と接続されている。交流電源４４としては、例えば、商用電源が用いられる。

コネクタ４３をインレット４２に接続することにより、交流電源４４からの電力を組電池１０に供給して、組電池１０を充電することができる。ここで、充電器４１は、交流電源４４から出力された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に出力する。

交流電源４４を用いて組電池１０を充電するとき、充電リレーＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｐは、コントローラ５０からの駆動信号を受けて、オフからオンに切り替わる。これにより、組電池１０の放電電流によって、平滑コンデンサＣ２を充電することができる。ここで、抵抗素子Ｒを介して平滑コンデンサＣ２に電流が流れるため、平滑コンデンサＣ２に突入電流が流れることを抑制できる。

次に、コントローラ５０からの駆動信号を受けることにより、充電リレーＣＨＲ−Ｇがオフからオンに切り替わるとともに、充電リレーＣＨＲ−Ｐがオンからオフに切り替わる。これにより、充電リレーＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｇがオンのままで、交流電源４４を用いた組電池１０の充電が行われる。

本実施例では、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび充電リレーＣＨＲ−Ｐを抵抗素子Ｒに接続しているが、これ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−Ｐおよび充電リレーＣＨＲ−Ｐのそれぞれに対して、抵抗素子Ｒを設けることができる。ここで、本実施例の電池システムによれば、抵抗素子Ｒの数を減らすことができる。

直流電源３３を用いて組電池１０を充電するときの電流値は、交流電源４４を用いて組電池１０を充電するときの電流値よりも大きい。これにより、所定の充電量だけ、組電池１０を充電するときにおいて、直流電源３３を用いた充電時間は、交流電源４４を用いた充電時間よりも短くなる。

本実施例の電池システムにおいて、交流電源４４を用いて組電池１０を充電するときには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐをオンにする必要が無い。すなわち、交流電源４４から組電池１０に流れる充電電流は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐを流れない。

交流電源４４からの充電電流がシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐを流れてしまうと、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐにおいて、電力損失が発生してしまう。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐは、可動接点および固定接点によって構成されており、可動接点および固定接点の接触部分において、電力損失が大きくなりやすい。

また、交流電源４４を用いた充電電流は、直流電源３３を用いた充電電流よりも小さくなる。このため、交流電源４４を用いて組電池１０を充電するときには、電力損失の影響を受けやすい。

本実施例のように、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐにおいて、電力損失が発生することを防止することにより、交流電源４４から組電池１０に対して、効率良く充電電流を流すことができる。これにより、交流電源４４を用いて組電池１０を充電するときにおいて、充電効率を向上させることができる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇは、車両を走行させるときにオンになり、車両の走行に応じた電流がシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇに流れる。このため、車両の要求パワーを満たすために、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇに流れる電流が大きくなりやすい。そこで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇの定格電流は、想定される大電流に対応させている。

ここで、直流電源３３を用いた充電電流は、交流電源４４を用いた充電電流よりも大きくなる。上述したように、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇの定格電流は、大電流に対応させているため、直流電源３３からの充電電流を、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇに流すことができる。

また、本実施例の電池システムでは、直流電源３３を用いて組電池１０を充電するときの電流経路に、充電リレーＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｇ，ＣＨＲ−Ｐが設けられていない。このため、充電リレーＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｇ，ＣＨＲ−Ｐの少なくとも１つが故障し、交流電源４４を用いて組電池１０を充電することができなくても、直流電源３３を用いて組電池１０を充電することができる。

本実施例において、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇの少なくとも一方が固着していることを検知したときには、電池システムを起動状態にしないことが好ましい。充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇの両方が固着してしまうと、組電池１０の電圧がインレット３１に印加されてしまう。ここで、電池システムを起動状態にしなければ、組電池１０の電圧がインレット３１に印加されることを防止できる。

また、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇが固着して故障しているときには、直流電源３３を用いて、組電池１０を充電しないことが好ましい。本実施例の車両は、電気自動車であるため、直流電源３３を用いて組電池１０を充電できないときには、車両を走行させないことが好ましい。したがって、電池システムを起動状態にしないことが好ましい。

なお、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇが固着しているか否かの判別は、リレーの固着を判別する公知の手法を適宜採用することができる。具体的には、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇをオフにする制御を行った状態において、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇに電流が流れているか否かを判別すればよい。ここで、電流センサや電圧センサを用いて、充電リレーＤＣＲ−Ｂ，ＤＣＲ−Ｇに電流が流れているか否かを判別できる。

１０：組電池（蓄電装置）、１１：単電池、２１：インバータ、
２２：モータ・ジェネレータ、３１，４２：インレット、３２，４３：コネクタ、
３３：直流電源、４１：充電器、４４：交流電源、５０：コントローラ、
ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐ：システムメインリレー、Ｒ：抵抗素子、
ＤＣＲ−Ｇ，ＤＣＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｂ，ＣＨＲ−Ｇ，ＣＨＲ−Ｐ：充電リレー、

Claims

充放電を行う蓄電装置と、
正極ラインおよび負極ラインを介して前記蓄電装置と接続されており、前記蓄電装置の出力電力を受けて、電気自動車を走行させる運動エネルギを生成するモータ・ジェネレータと、
前記正極ラインおよび前記負極ラインのそれぞれに設けられたシステムメインリレーと、
前記モータ・ジェネレータおよび前記システムメインリレーの間において、前記正極ラインおよび前記負極ラインのそれぞれに接続されており、直流電源からの直流電力を前記蓄電装置に供給する第１充電ラインと、
前記第１充電ラインに設けられた第１充電リレーと、
前記蓄電装置および前記システムメインリレーの間において、前記正極ラインおよび前記負極ラインのそれぞれに接続されており、交流電源からの交流電力が直流電力に変換された状態で、この直流電力を前記蓄電装置に供給する第２充電ラインと、
前記第２充電ラインに設けられた第２充電リレーと、
を有することを特徴とする蓄電システム。