CN108140908A - 蓄电池装置以及车辆 - Google Patents

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萩原敬三
山本雅秋
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Abstract

实施方式的蓄电池装置包括：输出端子(TO)；对输出端子(TO)的输出状态进行切换的切换器(40)；输出内置的电池单元的温度信息的电池模块(MDL)；将主电路与电池模块(MDL)电连接的接触器(12p、12n)；蓄电池装置管理单元，基于电池单元的温度信息，比较电池单元的温度与第一过温度阈值，在电池单元的温度达到第一过温度阈值以上时，打开接触器(12p、12n)，并且切换输出端子(TO)的输出状态；以及安全监视单元(12)，基于电池单元的温度信息，比较电池单元的温度与第二过温度阈值，在电池单元的温度达到第二过温度阈值以上时，打开接触器(12p、12n)，并且切换输出端子(TO)的输出状态，第一过温度阈值比第二过温度阈值低。

Description

蓄电池装置以及车辆
技术领域
本发明的实施方式涉及一种蓄电池装置以及车辆。
背景技术
近年来，为了谋求节能，通过储存电力加以利用，来使利用效率提高，由此在各种领域中应用了蓄电池装置。
特别是，在铁路等大量输送车辆中，节能的效果也较大，因此期望应用更进一步的高压、高电力容量的大型蓄电池装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－187159号公报
发明内容
发明所要解决的问题
蓄电池装置在搭载于车辆的情况下配置于底板下或车体内。蓄电池装置为高能量体，万一产生了火灾的情况下成为非常危险的状态，出于安全性的观点，期望构建装备有更进一步的故障保护(Fail-safe)机构的、可靠性较高的蓄电池装置。
本发明的实施方式就是鉴于上述而完成的，目的在于提供一种能够检测火灾的征兆而更可靠地确保安全的蓄电池装置以及车辆。
用于解决问题的手段
本实施方式的蓄电池装置包括：输出端子；切换器，切换上述输出端子的输出状态；电池模块，输出内置的电池单元的温度信息；接触器，将主电路与上述电池模块电连接；蓄电池装置管理单元，基于上述电池单元的上述温度信息，比较上述电池单元的温度与第一过温度阈值，在上述电池单元的温度达到上述第一过温度阈值以上时，打开上述接触器，并且切换上述输出端子的输出状态；以及安全监视单元，基于上述电池单元的上述温度信息，比较上述电池单元的温度与第二过温度阈值，在上述电池单元的温度达到上述第二过温度阈值以上时，打开上述接触器，并且切换上述输出端子的输出状态，上述第一过温度阈值比上述第二过温度阈值低。
附图说明
图1是概略地表示第一实施方式的蓄电池装置以及车辆的构成例的框图。
图2是概略地表示第二实施方式的蓄电池装置以及车辆的构成例的框图。
具体实施方式
接着，参照附图详细地说明本申请的实施方式。
图1是第一实施方式的蓄电池装置以及车辆的概要构成框图。
本实施方式的车辆具备逆变器INV、马达M、驾驶台100、蓄电池装置200、以及火灾检测线路(信号线)L1。此外，本实施方式的车辆具备至少一个蓄电池装置200，也可以具备多个蓄电池装置200。多个蓄电池装置200为相同的构成，因此在以下的说明中，参照附图仅对一个蓄电池装置200进行说明，省略关于其他蓄电池装置200的说明。
驾驶台100具备火灾检测显示灯(显示灯)40。火灾检测显示灯40与电源供给线路(火灾检测线路L1)的一端电连接。火灾检测线路L1的另一端与作为驾驶台100的电源电压的24V的电压供给源电连接。
火灾检测线路L1是经由蓄电池装置200、逆变器INV、马达M等搭载装置从驾驶台100环状延伸的信号线。在正常时，火灾检测线路L1的两端为导通的状态。在蓄电池装置200、逆变器INV、马达M等搭载装置中检测到火灾时，火灾检测线路L1的一端与另一端成为非导通状态，火灾检测线路L1的火灾检测显示灯40一侧的电压变化。火灾检测显示灯40按照火灾检测线路L1的输出状态(例如电压)变化而点亮。
逆变器INV是例如能够将从蓄电池装置200供给的直流电流转换为交流电流、并能够将来自马达M的再生电流转换为直流电流的双向的3相交流逆变器。逆变器INV将交流电流向马达M输出，并将直流电流向蓄电池装置200输出。逆变器INV具备火灾检测部(未图示)，在火灾检测部中检测到火灾时，将经过的电源供给线路的电连接切断。
马达M利用从逆变器INV供给的交流电流旋转驱动。马达M的旋转引起的动力经由车轴向车轮(未图示)传递。马达M具备火灾检测部(未图示)，在火灾检测部中检测到火灾时，将经过的电源供给线路的电连接切断。
蓄电池装置200具备多个电池模块MDL、蓄电池装置管理单元(BMU：BatteryManagement Unit)16、安全监视单元(SSU：Safety Supervisor Unit)18、电流传感器14、接触器12p、12n、接触器驱动装置10p、10n、继电器电路(切换器)20、输入端子TI、以及输出端子TO。电池模块MDL分别具备组电池BT和电池监视单元(CMU：Cell Monitoring Unit)11。
电流传感器14设于低电位侧的电流线路上，检测蓄电池装置200的输出电流，向蓄电池装置管理单元16与安全监视单元18输出检测出的信息。
接触器12p设于在最高电位侧的电池模块MDL的正极端子与高电位侧外部输出端子(p)之间延伸的高电位侧的电流线路上。接触器12n设于在最低电位侧的电池模块MDL的负极端子与低电位侧外部输出端子(n)之间延伸的低电位侧的电流线路上。接触器12p、12n具备常开触点(Normally open)，在将电池模块MDL充电时以及放电时成为关闭的状态。
接触器驱动装置10p根据来自蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18的信号，驱动接触器12p。接触器驱动装置10n根据来自蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18的信号，驱动接触器12n。
蓄电池装置管理单元16构成为能够与未图示的上位控制装置以及电池监视单元11之间进行通信，根据来自上位控制装置、电流传感器14以及电池监视单元11的信号，进行接触器驱动装置10p、10n以及继电器电路20的控制。蓄电池装置管理单元16使用从电池监视单元11接收的电压以及温度的信息、和基于从电流传感器14接收的电流的信息的值，进行组电池BT(或电池单元)各自的SOC(state of charge：充电状态)或SOH(stage ofhealth：健康阶段)的运算等。蓄电池装置管理单元16利用从电池监视单元11接收的电压以及温度的信息、和从电流传感器14接收的电流的信息，进行电池单元的安全监视。蓄电池装置管理单元16例如具备MPU(Micro Processing Unit：微处理单元)等处理器与存储器。
安全监视单元18构成为能够与电池模块MDL进行通信，控制接触器驱动装置10p、10n以及继电器电路20的动作。安全监视单元18利用从电池监视单元11接收的电压以及温度的信息，进行电池单元的安全监视。安全监视单元18构成为与蓄电池装置管理单元16相独立地设置，在蓄电池装置管理单元16未正常动作时也能够进行电池单元的安全监视。安全监视单元18例如具备MPU等处理器与存储器。
继电器电路20对电压供给线路(火灾检测线路L1的一部分)的电连接进行切换，该电压供给线路在从外部输入信号的输入端子TI与向外部输出信号的输出端子TO之间延伸，继电器电路20根据电池监视单元11中的温度检测状态，对输出端子TO的输出状态进行切换。
即，继电器电路20对从驾驶台100经由继电器电路20而延伸的电源供给线路(火灾检测线路L1的一部分)的电连接进行切换。即，利用继电器电路20，输出端子TO的输出状态被切换。利用由蓄电池装置200内的12V的电源驱动的信号，继电器电路20的动作被控制，继电器电路20基于电池监视单元11中的温度检测状态，对从驾驶台100向电源供给线路供给的24V的电源信号的连接进行切换。
继电器电路20通常为闭合触点的状态，在从蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18接收到基于过温度状态的控制信号时，打开触点而使电源供给线路成为非导通状态。
组电池BT具备串联或并联地连接的多个电池单元。电池单元例如是锂离子电池或镍氢电池等2次电池。
电池监视单元11由蓄电池装置管理单元16控制，监视多个电池单元的电压和组电池BT附近的温度。电池监视单元11构成为能够与安全监视单元18之间通信，例如构成为能够与邻接的电池模块MDL的电池监视单元11之间进行通信。
电池监视单元11由蓄电池装置管理单元16控制动作，进行组电池BT的监视，并将监视结果向蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18通知。电池监视单元11包含温度检测电路11A与电压检测电路11B、未图示的MPU、以及存储器。
温度检测电路11A包含检测多个电池单元附近的温度的温度传感器，将多个电池单元的温度向蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18通知。此外，温度检测电路11A只要检测多个电池单元附近的至少1处的温度即可，并没有必要检测全部电池单元的附近的温度。基于从温度检测电路11A输出的温度信息的值被从各个温度检测电路11A供给到蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18。
电压检测电路11B包含对多个电池单元的正极端子电压与负极端子电压进行检测的电压传感器，将多个电池单元各自的电压(正极端子电压与负极端子电压之差)向蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18通知。此外，电压检测电路11B也可以将由电压检测机构检测出的正极端子电压与负极端子电压向蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18通知。从电压检测电路11B输出的电压值被从各个电压检测电路11B供给到安全监视单元18。
蓄电池装置管理单元16将基于从多个温度检测电路11A通知的温度信息的值的各个值与规定的阈值(第一过温度阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为过温度状态。
蓄电池装置管理单元16在基于从温度检测电路11A通知的温度信息的温度为规定的阈值(第一过温度阈值)以上时，视为组电池BT(或各个电池单元)为过温度状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20将来自驾驶台100的电源供给线路的触点打开，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
蓄电池装置管理单元16将基于从多个电压检测电路11B通知的电压信息的值的各个值与规定的阈值(第一过充电阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为过充电状态。
蓄电池装置管理单元16在从电压检测电路11B通知的电压为规定的阈值(第一过充电阈值)以上时，视为组电池BT(或各个电池单元)为过充电状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20打开来自驾驶台100的电源供给线路的触点，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
蓄电池装置管理单元16将基于从多个电压检测电路11B通知的电压信息的值的各个值与规定的阈值(第一过放电阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为过放电状态。
蓄电池装置管理单元16在基于从电压检测电路11B通知的电压信息的电压小于规定的阈值(第一过放电阈值)时，视为组电池BT(或各个电池单元)为过放电状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20打开来自驾驶台100的电源供给线路的触点，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
安全监视单元18将基于从多个温度检测电路11A通知的温度信息的值的各个值与规定的阈值(第二过温度阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为火灾初期状态。
安全监视单元18在基于从温度检测电路11A通知的温度信息的温度为规定的阈值(第二过温度阈值)以上时，视为组电池BT(或各个电池单元)为火灾初期状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20打开来自驾驶台100的电源供给线路的触点，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
安全监视单元18将基于从多个电压检测电路11B通知的电压信息的值的各个值与规定的阈值(第二过充电阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为过充电状态。
安全监视单元18在从电压检测电路11B通知的电压为规定的阈值(第二过充电阈值)以上时，视为组电池BT(或各个电池单元)为过充电状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20打开来自驾驶台100的电源供给线路的触点，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
安全监视单元18将基于从多个电压检测电路11B通知的电压信息的值的各个值与规定的阈值(第二过放电阈值)进行比较，判断各个电池模块MDL的组电池BT(或各个电池单元)是否为过放电状态。
安全监视单元18在从电压检测电路11B通知的电压小于规定的阈值(第二过放电阈值)时，视为组电池BT(或各个电池单元)为过放电状态，利用接触器驱动装置10p、10n打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路电切离，并且利用继电器电路20打开来自驾驶台100的电源供给线路的触点，使电源供给线路成为非导通状态，切换输出端子TO的输出状态。
这里，第一过温度阈值为通常使用时的电池单元的动作温度上限，第二过温度阈值为安全上的电池单元的动作温度上限，并且是火灾初期阶段的电池单元的温度。因此，第一过温度阈值是比第二过温度阈值低的值。
另外，第一过充电阈值是通常使用时的电池单元的动作电压上限，第二过充电阈值是安全上的电池单元的动作电压上限。第一过放电阈值是通常使用时的电池单元的动作电压下限，第二过放电阈值是安全上的电池单元的动作电压下限。因此，第一过充电阈值是比第二过充电阈值小的值，第一过放电阈值是比第二过放电阈值大的值。
此外，在本实施方式中，第二过温度阈值是电池模块MDL的动作温度上限，设为第一过温度阈值与电池单元的热失控状态时的下限温度之间的温度。由此，能够检测电池单元开始发热的火灾的初期阶段，能够将电池单元的热失控所引起的火灾防患于未然。
电池模块MDL的动作温度上限由搭载的电池单元的电化学特性决定，例如优选设定为100℃以下。实际上认为电池单元达到起火的情况例如是200℃以上，第二过温度阈值被设定为远比电池单元起火的温度低的温度。由此，能够将蓄电池装置200的火灾防患于未然。另外，电池单元的温度变化特性的时间常数非常长，因此从将电池单元引起的火灾防患于未然的观点的来看，在很初期的阶段检测出电池单元的内部发热的现象也是非常有效的。此外，第二过温度阈值并不限定于100℃，期望的是根据搭载于电池模块MDL的电池单元的特性而设定为适当的值。
通常，在组电池BT(或电池单元)成为通常使用上的动作温度上限(第一过电压阈值)以上的温度时，蓄电池装置管理单元16打开接触器12p、12n而将多个电池模块MDL从主电路切离。因此，在由蓄电池装置管理单元16控制的状态下，电池模块MDL不会产生火灾。
然而，在因蓄电池装置管理单元16或其他某些异常导致构成组电池BT的电池单元的温度到达100℃附近的情况下，存在蓄电池装置200未正常发挥功能的可能性。即，通过检测电池单元的温度到达100℃附近的状态，能够检测到蓄电池装置200未正常发挥功能的状态。
在本实施方式的蓄电池装置以及车辆中，利用与蓄电池装置管理单元16相独立地设置的安全监视单元18检测蓄电池装置200的异常，在与电池单元起火的200℃相比充分低的温度下，利用火灾检测显示灯40向驾驶台100通知火灾的征兆，实现了更可靠地确保安全。
即，在本实施方式的蓄电池装置以及车辆中，在从电池模块MDL供给的温度为第二温度阈值以上时，安全监视单元18利用继电器电路20将电源供给线路的电连接切断。火灾检测显示灯40对应于输出端子TO的输出状态而点亮。即，由于电源供给线路的电压变化而火灾检测显示灯40点亮。与此同时，安全监视单元18打开接触器12p、12n，将多个电池模块MDL从主电路切离。因此，车辆的驾驶员能够根据火灾检测显示灯40的点亮而得知车辆为初期火灾阶段，能够早期获取针对火灾的应对，能够确保安全性。
即，根据本实施方式，能够提供一种可检测到火灾的征兆而更可靠地确保安全的蓄电池装置以及车辆。
接下来，参照附图详细地说明第二实施方式的蓄电池装置以及车辆。
图2是概略地表示第二实施方式的蓄电池装置以及车辆的构成例的框图。本实施方式的蓄电池装置200与上述的第一实施方式的蓄电池装置200为相同的构成，因此以下省略说明。在本实施方式中，从蓄电池装置200向火灾检测显示灯40通知火灾的路径与上述的第一实施方式不同。
本实施方式的车辆具备逆变器INV、马达M、驾驶台100、蓄电池装置200、车辆驱动用主电路300、以及火灾检测线路L2。此外，本实施方式的车辆具备至少一个蓄电池装置200，也可以具备多个蓄电池装置200。
车辆驱动用主电路300例如由110V的电源电压驱动。从车辆驱动用主电路300经由蓄电池装置200的输入端子TI以及输出端子TO以环状延伸有火灾检测线路(信号线)L2。车辆驱动用主电路300经由火灾检测线路L2将110V的电源电压向蓄电池装置200的继电器电路20供给。
车辆驱动用主电路300具备对电源供给线路的电压与规定的阈值(例如110V)进行比较的比较器，在电源供给线路的电压与规定的阈值之差为规定的大小以上时，向火灾检测显示灯40供给火灾检测信号。
继电器电路20对从车辆驱动用主电路300延伸的电压供给线路(火灾检测线路L2的一部分)的连接进行切换。继电器电路20通常为闭合触点的状态，在从蓄电池装置管理单元16以及安全监视单元18接收到基于过温度状态的控制信号时打开触点，使电源供给线路(火灾检测线路L2的一部分)为非导通状态。
此外，在车辆驱动用主电路300与逆变器INV之间、以及车辆驱动用主电路300与马达M之间，同样以环状延伸有火灾检测线路L2。车辆驱动用主电路300能够利用火灾检测线路L2的电压进行逆变器INV以及马达M的火灾的判定。车辆驱动用主电路300将从逆变器INV延伸的火灾检测线路L2以及从马达M延伸的火灾检测线路L2的电压与规定的阈值(例如110V)进行比较，在差达到规定的大小以上时，向火灾检测显示灯40供给火灾检测信号。
火灾检测显示灯40在从车辆驱动用主电路300接收到火灾检测信号时点亮。
如上述那样，根据本实施方式的蓄电池装置200以及车辆，能够检测到蓄电池装置200的火灾的征兆，能够获得与上述的第一实施方式相同的效果。即，根据本实施方式，能够提供一种可检测火灾的征兆而更可靠地确保安全的蓄电池装置以及车辆。
此外，在上述的第二实施方式中，车辆驱动用主电路300与蓄电池装置200、逆变器INV以及马达M相独立地设置，但也可以与搭载于车辆的设备的控制基板一体地设置。例如，车辆驱动用主电路300也可以与逆变器INV的控制基板一体地设置，并形成于逆变器INV的内部。在该情况下，也能够获得与上述的第二实施方式相同的效果。
另外，在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，接触器12p、12n分别配置于多个电池模块MDL的正极侧与负极侧，但并不必须在正极侧与负极侧这两侧设置接触器。接触器只要是对多个电池模块MDL的正极侧与负极侧中的至少一侧与主电路的连接进行切换的接触器即可。
虽然已经说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而提出的，并不是想限定发明范围。这些新的实施方式可以以其他各种各样的方式实施，可以在不脱离发明主旨的范围内进行各种各样的省略、替换和变更。这些实施方式或其变形包含在发明范围或主旨内，并且也包含在权利要求范围中记载的发明及其均等的范围内。
符号的说明：
10n…接触器驱动装置，10p…接触器驱动装置，11…电池监视单元(CMU)，11A…温度检测电路，11B…电压检测电路，12n…接触器，12p…接触器，14…电流传感器，16…蓄电池装置管理单元(BMU)，18…安全监视单元(SSU)，20…继电器电路(切换器)，40…火灾检测显示灯(显示灯)，100…驾驶台，200…蓄电池装置，300…车辆驱动用主电路，TI…输入端子，TO…输出端子，L1、L2…火灾检测线路。

Claims (2)

1.一种蓄电池装置，包括：
输出端子；
切换器，对上述输出端子的输出状态进行切换；
电池模块，输出内置的电池单元的温度信息；
接触器，将主电路与上述电池模块电连接；
蓄电池装置管理单元，基于上述电池单元的上述温度信息，比较上述电池单元的温度与第一过温度阈值，在上述电池单元的温度达到上述第一过温度阈值以上时，打开上述接触器，并且切换上述输出端子的输出状态；以及
安全监视单元，基于上述电池单元的上述温度信息，比较上述电池单元的温度与第二过温度阈值，在上述电池单元的温度达到上述第二过温度阈值以上时，打开上述接触器，并且切换上述输出端子的输出状态，
上述第一过温度阈值比上述第二过温度阈值低。
2.一种车辆，包括：
权利要求1所述的蓄电池装置；以及
驾驶台，具备显示灯，根据上述蓄电池装置的输出端子的输出状态，上述显示灯的点亮状态被切换。
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