JP6620541B2 - 蓄電装置及び電池の充放電制御方法 - Google Patents

蓄電装置及び電池の充放電制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、蓄電装置及び電池の充放電制御方法に関する。
蓄電装置側の充放電コネクタは、充電装置又は負荷側のコネクタと接続された時に通電により発熱し、充放電コネクタの劣化度合いによっては、軟化する等の故障が発生する虞がある。
なお、関連する技術として特許文献1〜3に記載の技術が知られている。
国際公開第2012/070432号 特開2015−082956号 特開2015−061453号
発熱による充放電コネクタの故障を防止するためには、充放電コネクタの温度を測定する温度センサを充放電コネクタの近傍に設置することが望ましい。しかしながら、充放電コネクタの故障を確実に防止するために温度センサの設置の二重化等が実施されると、温度センサの設置数が多くなり、温度センサの占有スペースが増大したり、蓄電装置がコストアップしたりする。
本発明の一側面に係る目的は、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止しつつ、温度センサの設置数が削減された蓄電装置を提供することである。
本発明に係る一つの形態である蓄電装置は、電池、充放電コネクタ、第1の温度センサ、及び制御ユニットを含む。電池は一方の極の電池端子と他方の極の電池端子とを含む。充放電コネクタは、一方の極の電池端子に接続された第1の端子と、一方の極の負荷給電線に接続された第2の端子と、他方の極の電池端子に接続された第3の端子とを含む。第1の温度センサは第1の端子の近傍に設置される。制御ユニットは、第1の端子と第2の端子とが短絡され第3の端子が開放された場合に、第1の温度センサにより測定された温度に従って電池の放電を制御する。蓄電装置には、第2の端子の近傍に第2の温度センサが設置されない。
一実施形態に従った蓄電装置によれば、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止しつつ、温度センサの設置数を削減できる。
実施形態に従った蓄電装置の構成例を示す図である。 実施形態に従った蓄電装置と、負荷と、充電装置との接続構成例を示す図である。 実施形態に従った温度センサの設置例を説明する図である。 実施形態に従った第1及び第2のアプローチを説明する図である。 実施形態に従った電池の充放電制御方法の処理フローの一例を示す図である。
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図1は、実施形態に従った蓄電装置の構成例を示す図である。蓄電装置1は、電池11、制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)12、充放電コネクタ13、第1の温度センサ14−1、及び第3の温度センサ14−3を含む。また、蓄電装置1は、充電装置用通信コネクタ15、負荷用電力コネクタ16、負荷用通信コネクタ17、表示器18を更に含む。しかしながら、図3等を参照しながら後述するように、蓄電装置1は、第2の温度センサ14−2を含まない。なお、充放電コネクタ13及び充電装置用通信コネクタ15、並びに負荷用電力コネクタ16及び負荷用通信コネクタ17は夫々一体化されてもよい。
電池11は、二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池である。なお、図1には、電池11として1つの電池セルが示されているが、電池11は複数の電池セルから構成されてもよい。電池11は、一方の極の電池端子111と他方の極の電池端子112とを含む。以下の説明において、一方の極とは正極及び負極の何れか一方を指し、他方の極とは一方の極とは異なる極を指す。
制御ユニット12は、例えば、CPU(Central Processing Unit)といったプロセッサ、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はPLD(Programmable Logic Device)である。制御ユニット12は蓄電装置1全体の動作を制御する。制御ユニット12の制御動作の具体例は図2〜図5を更に参照しながら後述する。
充放電コネクタ13は、第1の端子131、第2の端子132、及び第3の端子133を含む。第1の端子131は、一方の極の電池給電線Lp1を通じて一方の極の電池端子111に接続される。第2の端子132は一方の極の負荷給電線Lp3に接続される。第3の端子133は、他方の極の電池給電線Lp2を通じて他方の極の電池端子112に接続される。第3の端子133は、他方の極の電池給電線Lp2を介して他方の極の負荷給電線Lp4にも接続される。
第1の温度センサ14−1は第1の端子131の近傍に設置される。また、第3の温度センサ14−3は第3の端子133の近傍に設置される。しかしながら、第2の端子132の近傍には第2の温度センサ14−2は設置されない。第1〜第3の温度センサ14−1〜14−3は、例えば、サーミスタである。
図2は、実施形態に従った蓄電装置と、負荷と、充電装置との接続構成例を示す図である。
図2に示すように、蓄電装置1は負荷2に搭載されて接続されてもよい。負荷2は、例えば、電気自動車や電動フォークリフト等の車両である。図2に示すように、負荷用電力コネクタ16が負荷2の電力コネクタ21と接続され、負荷用通信コネクタ17が負荷2の通信コネクタ22と接続されることによって、蓄電装置1は負荷2と接続される。
また、図2(A)に示すように、充電装置3による電池11の充電時には、充放電コネクタ13は充電装置3の電力コネクタ31と接続される。具体的には、充放電コネクタ13の第1の端子131は、電力コネクタ31の第1の端子311と接続され、第1の端子311を介して一方の極の充電装置給電線Lp5に接続される。充放電コネクタ13の第3の端子133は、電力コネクタ31の第2の端子312と接続され、第2の端子312を介して他方の極の充電装置給電線Lp6に接続される。充放電コネクタ13の第2の端子132は、電力コネクタ31の端子と接続されず、電気的に開放される。また、充電装置用通信コネクタ15は、充電装置3の通信コネクタ32と接続される。
制御ユニット12は、充電装置用通信線Lc1を通じて充電装置3と制御情報を送受信し、充電装置3から出力された電力が電池11に充電されるように制御する。例えば、制御ユニット12は、第1の温度センサ14−1により測定された温度に従って電池11の充電を制御する。また、制御ユニット12は、第3の温度センサ14−3により測定された温度に従って電池11の充電を制御する。例えば、第1の温度センサ14−1又は第3の温度センサ14−3により測定された温度が所定値を超えると判定する場合、制御ユニット12は、充電装置用通信線Lc1を通じて充電装置3に警告信号を出力してもよいし、負荷用通信線Lc2を通じて負荷2に警告信号を出力してもよい。
仮に、一方の極が正極であり、他方の極が負極である場合、充電装置3→一方の極の充電装置給電線Lp5→第1の端子311→第1の端子131→一方の極の電池給電線Lp1→電池11という経路で、充電電流は流れる。また、電池11→他方の極の電池給電線Lp2→第3の端子133→第2の端子312→他方の極の充電装置給電線Lp6→充電装置3という経路で、充電電流は流れる。こうした充電電流によって電池11は充電される。
一方、図2の(B)に示すように、負荷2への電池11の放電時には、充放電コネクタ13はジャンパプラグ4と接続される。具体的には、充放電コネクタ13の第1の端子131及び第2の端子132は、ジャンパプラグ4の第1の端子421及び第2の端子422に夫々接続され、第1の端子421及び第2の端子422を繋ぐジャンパ線41によって電気的に短絡される。充放電コネクタ13の第3の端子133は、ジャンパプラグ4の端子と接続されず、電気的に開放される。
制御ユニット12は、負荷用通信線Lc2を通じて負荷2と制御情報を送受信し、電池11に蓄電された電力が負荷2へ放電されるように制御する。例えば、制御ユニット12は、第1の温度センサ14−1により測定された温度に従って電池11の放電を制御する。例えば、第1の温度センサ14−1により測定された温度が所定値を超えると判定する場合、制御ユニット12は、負荷用通信線Lc2を通じて負荷2に警告信号を出力してもよい。
仮に、一方の極が正極であり、他方の極が負極である場合、電池11→一方の極の電池給電線Lp1→第1の端子131→第1の端子421→ジャンパ線41→第2の端子422→第2の端子132→一方の極の負荷給電線Lp3→負荷用電力コネクタ16→負荷2の電力コネクタ21→負荷2側の一方の極の給電線→負荷2という経路で、稼動電流が流れる。また、負荷2→負荷2側の他方の極の給電線→電力コネクタ21→負荷用電力コネクタ16→他方の極の負荷給電線Lp4→他方の極の電池給電線Lp2→電池11という経路で、稼動電流が流れる。こうした稼動電流によって電池11から負荷2に電力が供給される。
このように、充電装置3により電池11が充電される場合には、充放電コネクタ13は、ジャンパプラグ4から外されて、電力コネクタ31と接続される(図2(A))。また、電池11から負荷2へ放電される場合には、充放電コネクタ13は、電力コネクタ31から外されて、ジャンパプラグ4と接続される(図2(B))。接続により通電した充放電コネクタ13の端子は発熱し、端子の劣化度合いによっては、充放電コネクタ13は発熱により故障する虞がある。そこで、充放電コネクタ13の故障を防止するために、通電により発熱する端子の温度を測定する温度センサが設置されることが望ましい。
図3は、実施形態に従った温度センサの設置例を説明する図である。例えば、図3(A)に示すように、充放電コネクタ13が備える全ての端子、すなわち、第1〜第3の端子131〜133の夫々の近傍に第1〜第3の温度センサ14−1〜14−3を設置すれば、各端子の発熱を監視できる。また、第1〜第3の端子131〜133の夫々の近傍に第1〜第3の温度センサを夫々二重化して設置すれば、仮に一方の温度センサが故障したとしても、他方の温度センサにより温度を測定できるので、各端子の発熱を確実に監視できる。しかしながら、図3(A)のように温度センサを設置すると、温度センサの設置数が多くなり、温度センサの占有スペースが増大したり、蓄電装置がコストアップしたりする。
そこで、蓄電装置1では、以下に説明する2つのアプローチから、発熱によるコネクタの故障が防止されつつ温度センサの設置数が削減される。
<第1のアプローチ>
第1のアプローチからは、充放電コネクタ13が備える第1〜第3の端子131〜133の内、1つ以上の端子近傍に温度センサが設置されない。例えば、図3(B)に示すように、第2の端子132の近傍には第2の温度センサ14−2が設置されない。第2の温度センサ14−2が設置されない場合、第2の端子132の発熱による充放電コネクタ13の故障は、以下の説明のように防止される。
例えば、制御ユニット12は、発熱による充放電コネクタ13の故障を示すダイアグ閾値を第2の端子132の温度が超えるか否かを第1の温度センサ14−1の測定温度から判定してもよい。こうした判定が可能であるならば、第2の端子132の発熱による充放電コネクタ13の故障は防止できる。
ただし、第1の温度センサ14−1は、発熱部である第2の端子132から距離的に離れており、発熱部から温度センサまでの距離に起因する誤差が生じる。また、温度センサのばらつきに起因する誤差(回路誤差を含む)や、温度センサの測定誤差も存在する。このため、これらの誤差をダイアグ閾値から差し引くマージンとして見積もれるならば、第1の温度センサ14−1の測定温度を用いて第2の端子132の温度がダイアグ閾値を超えるか否かが判定できる。しかしながら、これらの誤差が大きく、マージンとして見積もれないならば、第1の温度センサ14−1の測定温度を用いて第2の端子132の温度がダイアグ閾値を超えるか否かは判定できない。
そこで、第1の端子131及び第2の端子132の発熱傾向を利用して、制御ユニット12が第1の端子131の発熱を第1の温度センサ14−1の測定温度により監視することを通じて、第2の端子132の発熱によるコネクタの故障が防止されてもよい。
例えば、充放電コネクタ13の各端子の通電による発熱は、充放電コネクタ13の各端子が電力コネクタ31又はジャンパプラグ4の対応する端子に接続された時の接触抵抗の大きさに依存する。接触抵抗は、各端子に対する挿抜が繰り返されて各端子が劣化することにより増加する。
第2の端子132は、放電時にはジャンパプラグ4の第2の端子422と接続されるが(図2(B))、充電時には電力コネクタ31の端子とは接続されない(図2(A))。一方、第1の端子131は、充電時には電力コネクタ31の第1の端子311と接続され(図2(A))、放電時にはジャンパプラグ4の第1の端子421と接続される(図2(B))。このように、第1の端子131は第2の端子132よりも挿抜回数が多いため、第1の端子131は第2の端子132よりも劣化し、接触抵抗は第1の端子131≧第2の端子132という関係になる。また、図4(A)に示すように、温度は、第1の端子131≧第2の端子132という関係になる。図4(A)には、第1のアプローチを説明するために、充放電コネクタの使用年数に応じた各端子の温度(及び接触抵抗)の傾向が表されている。
したがって、第2の温度センサ14−2が設置されなくても、第1の温度センサ14−1が設置されれば、第2の端子132の発熱による充放電コネクタ13の故障は防止できる。すなわち、第1の端子131の発熱が第1の温度センサ14−1の測定により監視され、第1の端子131の発熱による充放電コネクタ13の故障が防止されることを通じて、第2の端子132の発熱による充放電コネクタ13の故障は防止できる。
なお、第3の端子133は、充電時には電力コネクタ31の第2の端子312と接続されるが(図2(A))、放電時にはジャンパプラグ4の端子とは接続されない(図2(B))。このように、第1の端子131は第3の端子133よりも挿抜回数が多いため、第1の端子131は第3の端子133よりも劣化し、接触抵抗及び温度は、図4(A)に示すように第1の端子131≧第3の端子133という関係になる。そこで、第1の端子131の発熱が第1の温度センサ14−1の測定により監視されることを通じて、第3の端子133の発熱による充放電コネクタ13の故障も防止できる。したがって、第1の温度センサ14−1が設置されれば、第3の温度センサ14−3は設置されなくてもよい。
以上の説明のように、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、コネクタが備える全ての端子の近傍に温度センサを設置しなくても、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止できる。したがって、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止しつつ温度センサの設置数を削減することができる。
<第2のアプローチ>
第2のアプローチからは、充放電コネクタ13の各端子近傍には複数の温度センサが設置されない。例えば、図3(C)に示すように、第1の端子131の近傍にはただ1つの第1の温度センサ14−1が設置される。また、第3の端子133の近傍にはただ1つの第3の温度センサ14−3が設置される。充放電コネクタ13の端子近傍に複数の温度センサが設置されない場合、端子の発熱による充放電コネクタ13の故障は、以下の説明のように防止される。
充放電コネクタ13の端子近傍に複数の温度センサが設置されない場合、設置された1つの温度センサが故障すると、該温度センサに近傍の端子の温度が測定できなくなる。このため、温度センサの故障によって、該温度センサが近傍に設置された端子の発熱による充放電コネクタ13の故障が防止できなくなる虞がある。
しかしながら、充放電コネクタ13が通常使用される際に発生する端子の劣化(通常使用による劣化)以外に、端子の温度が所定の温度閾値を超えるような端子の異常が発生する確率は一般的に低い。また、温度センサの故障が発生する確率も一般的には低い。このため、温度センサの故障と端子の異常とが同時に発生する確率は極めて低い。
そこで、充放電コネクタ13の端子近傍に複数の温度センサが設置されない場合に充放電コネクタ13の故障を防止するために、蓄電装置1は以下の説明のように動作する。図5は、実施形態に従った電池の充放電制御方法の処理フローの一例を示す図である。
制御ユニット12は、温度センサの故障を検出すると(S1で“YES”)、端子の劣化度合いが所定値を超えるか否かを判定する(S2)。端子の劣化度合いは、例えば、充放電コネクタ13の使用年数、端子の挿抜回数、及び/又は蓄電装置1の充放電回数であり、制御ユニット12により計測されて管理される。また、図4(B)に示すように、所定値は、通電した端子の発熱により充放電コネクタ13が故障する温度閾値を基に予め設定される。図4(B)には、第2のアプローチを説明するために、端子の劣化度合いと端子の温度との関係が表されている。なお、所定値の具体的な値は、充放電コネクタ13の故障内容(例えば、軟化等)に応じて決定されてよい。
端子の劣化度合いが所定値を超えると判定される場合(S2で“NO”)、図4(B)に示すように、端子が通常使用により劣化しているだけでも、通電により発熱する端子の温度は温度閾値を超える可能性が高い。このため、端子近傍に設置された温度センサにより測定された端子の温度に従って電池11の充放電が制御されなくなると、充放電コネクタ13の故障を招く虞が高い。そこで、端子の劣化度合いが所定値を超えると判定される場合には、制御ユニット12は、フェールセーフの実行を促す指示信号を出力する(S3)。
例えば、電池11の充電時(図2(A))には、出力された指示信号は充電装置用通信線Lc1を通じて充電装置3に入力され、端子の温度が上昇しないように電池11の充電が制御される。すなわち、充電装置3から電池11への入力電流を制限又は停止するために、充電装置3による電池11の充電は制限又は停止される。また、例えば、電池11の放電時(図2(B))には、出力された指示信号は負荷用通信線Lc2を通じて負荷2に入力され、端子の温度が上昇しないように電池11の放電が制御される。すなわち、電池11から負荷2への出力電流を制限又は停止するために、負荷2の使用が制限又は停止される。
一方、端子の劣化度合いが所定値以下であると判定される場合(S2で“YES”)、図4(B)に示すように、端子が通常使用により劣化しているだけでは、端子の温度は温度閾値を直ちに超えない。また、前述したように、温度センサの故障と端子の異常とが同時に発生する確率は極めて低いため、端子の温度が温度閾値を超えるケースは極めて少ない。したがって、温度センサが故障した状態で電池11の充放電がある程度継続されたとしても、充放電コネクタ13の故障が直ちに発生する虞は低い。そこで、端子の劣化度合いが所定値以下である場合には、制御ユニット12は、温度センサの故障を警告する警告信号を出力する(S4)。
例えば、制御ユニット12から出力された警告信号は、負荷2に入力され、温度センサの故障を警告するアラームが負荷2において出力される。ユーザは、出力されたアラームに従って温度センサを修理することができる。
以上の説明のように、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、温度センサを端子近傍に多重化して設置しなくても、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止できる。したがって、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、通電時の発熱によるコネクタの故障を防止しつつ温度センサの設置数を削減することができる。
また、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、温度センサの設置数を削減しても安全性が担保されるため、温度センサが故障した場合にフェールセーフを常に実施する必要はない。したがって、実施形態に従った電池の充放電制御方法によれば、温度センサの故障に起因する望まれないフェールセーフの実施を削減できる。
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
例えば、前述の説明では第1及び第2のアプローチから、発熱によるコネクタの故障を防止しつつ温度センサの設置数を削減した。しかしながら、第1及び第2のアプローチの何れか一方のアプローチから、発熱によるコネクタの軟化や故障しつつ温度センサの設置数を削減してもよい。
また、警告信号やフェールセーフの実行を促す指示出力は、蓄電装置1に備え付けられた表示器18に入力され、表示器18を点灯もしくは色や強さを変化、点滅などさせてもよい。
1 蓄電装置
11 電池
111 一方の極の電池端子
112 他方の極の電池端子
12 制御ユニット
13 充放電コネクタ
14−1 第1の温度センサ
14−2 第2の温度センサ
14−3 第3の温度センサ
15 充電装置用通信コネクタ
16 負荷用電力コネクタ
17 負荷用通信コネクタ
18 表示器
Lp1 一方の極の電池給電線
Lp2 他方の極の電池給電線
Lp3 一方の極の負荷給電線
Lp4 他方の極の負荷給電線
Lc1 充電装置用通信線
Lc2 負荷用通信線
2 負荷
21 電力コネクタ
22 通信コネクタ
3 充電装置
31 電力コネクタ
311 第1の端子
312 第2の端子
32 通信コネクタ
Lp5 一方の極の充電装置給電線
Lp6 他方の極の充電装置給電線
4 ジャンパプラグ
41 ジャンパ線
421 第1の端子
422 第2の端子

Claims (8)

  1. 一方の極の電池端子と他方の極の電池端子とを含む電池と、
    前記一方の極の電池端子に接続された第1の端子と、一方の極の負荷給電線に接続された第2の端子と、前記他方の極の電池端子に接続された第3の端子とを含む充放電コネクタと、
    前記第1の端子の近傍に設置された第1の温度センサと、
    前記第1の端子と前記第2の端子とが短絡され前記第3の端子が開放された場合に、前記第1の温度センサにより測定された温度に従って前記電池の放電を制御する制御ユニットと
    を含み、
    前記第2の端子の近傍に第2の温度センサが設置されず、
    前記制御ユニットは、前記第1の温度センサの故障が検出され、前記第1の端子の劣化度合いが所定値以下である場合には前記第1の温度センサの故障を警告する警告信号を出力し、前記第1の温度センサの故障が検出され、前記第1の端子の劣化度合いが所定値を超える場合にはフェールセーフの実行を促す指示信号を出力する
    蓄電装置。
  2. 請求項1に記載の蓄電装置であって、
    前記第3の端子の近傍に第3の温度センサが配置されず、
    前記制御ユニットは、前記第2の端子が開放され前記第1の端子が一方の極の充電装置給電線に接続され前記第3の端子が他方の極の充電装置給電線に接続された場合に、前記第1の温度センサにより測定された温度に従って前記電池の充電を制御する
    蓄電装置。
  3. 請求項に記載の蓄電装置であって、
    前記所定値は、通電による前記第1の端子の発熱により前記充放電コネクタが故障する温度閾値を基に設定される
    蓄電装置。
  4. 一方の極の電池端子と他方の極の電池端子とを含む電池と、
    前記一方の極の電池端子に接続された第1の端子と、一方の極の負荷給電線に接続された第2の端子と、前記他方の極の電池端子に接続された第3の端子とを含む充放電コネクタと、
    前記第1の端子の近傍に設置された第1の温度センサと、
    前記第1の端子と前記第2の端子とが短絡され前記第3の端子が開放された場合に、前記第1の温度センサにより測定された温度に従って前記電池の放電を制御する制御ユニットと
    を含み、
    前記第2の端子の近傍に第2の温度センサが設置されず、
    前記制御ユニットは、前記第1の端子の発熱を前記第1の温度センサの測定温度により監視する
    蓄電装置。
  5. 請求項4に記載の蓄電装置であって、
    前記第3の端子の近傍に第3の温度センサが配置されず、
    前記制御ユニットは、前記第2の端子が開放され前記第1の端子が一方の極の充電装置給電線に接続され前記第3の端子が他方の極の充電装置給電線に接続された場合に、前記第1の温度センサにより測定された温度に従って前記電池の充電を制御する
    蓄電装置。
  6. 請求項4又は5に記載の蓄電装置であって、
    前記制御ユニットは、前記第1の温度センサの故障が検出され、前記第1の端子の劣化度合いが所定値以下である場合には前記第1の温度センサの故障を警告する警告信号を出力し、前記第1の温度センサの故障が検出され、前記第1の端子の劣化度合いが所定値を超える場合にはフェールセーフの実行を促す指示信号を出力する
    蓄電装置。
  7. 請求項6に記載の蓄電装置であって、
    前記所定値は、通電による前記第1の端子の発熱により前記充放電コネクタが故障する温度閾値を基に設定される
    蓄電装置。
  8. 電池と接続するコネクタの端子近傍に配置された温度センサの故障を検出し、
    前記端子の劣化度合いが所定値以下である場合には前記温度センサの故障を警告する警告信号を出力し、
    前記端子の劣化度合いが所定値を超える場合にはフェールセーフの実行を促す指示信号を出力すること
    を含む、電池の充放電制御方法。
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