CN111095719A - 蓄电池装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的蓄电池装置能够保证安全性，其具备：电池模块(MDL1～MDLn)，其具备包含多个电池元件的电池组(BT)、以及检测多个电池元件的电压和电池组(BT)的温度的电池监视电路(10)；主电路，其将电池模块(MDL1～MDLn)的高电位侧的端子与正极端子(P)之间、以及多个电池模块的低电位侧的端子与负极端子(N)之间电连接；电池管理电路CTR，其接收多个电池元件的电压和电池组(BT)的温度；电源电路(12)，其将从主电路获得的直流电力转换为规定的大小，并向电池管理电路(CTR)供给电源；配线用切断器(14)，当过电流流过主电路时，切断主电路；以及充电电流切断电路，当来自电池管理电路(CTR)的控制信号停止时，切断朝向电池模块(MDL1～MDLn)的充电电流。

Description

蓄电池装置
技术领域
本发明的实施方式涉及一种蓄电池装置。
背景技术
近年来，期望实现一种为了应对在各种状况下使用的电力能源的需要而使用了能源密度高的电池元件的蓄电池装置。
例如包含由多个锂离子电池元件构成的电池组的蓄电池装置通常具备用于监视电池元件的电压、电池组的温度的电池监视电路(CMU：cell monitoring unit)，以及作为控制蓄电池装置的动作的控制电路的电池管理电路(BMU：battery management unit)。电池管理电路能够构成为例如经由DC/DC电路从电池组供电而启动，电池监视电路利用从电池管理电路供给的电源而动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2013-9529号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
当电池组处于例如过充电状态、过热状态等异常状态时，为了保证安全性，而期望停止电池组的充电及放电。
但是，在电池管理电路经由DC/DC电路从电池组供电而启动的结构中，当发生电池组的过放电、DC/DC电路的故障等时，电池管理电路有可能在不切断主电路的状态下停止。在该状态下，可以在未监视电池元件的电压、温度等状态下进行蓄电池装置的充电及放电，即使电池组成为异常状态，也不能停止蓄电池装置的充电及放电，电池组有可能成为危险的状态。
本发明的实施方式鉴于上述情况而完成，其目的在于保证蓄电池装置的安全性。
(二)技术方案
实施方式的蓄电池装置具备：正极端子及负极端子，其能够与外部电连接；多个电池模块，其分别具备包含多个电池元件的电池组、以及检测多个所述电池元件的电压和所述电池组的温度的电池监视电路；主电路，其将多个所述电池模块的高电位侧的端子与所述正极端子之间、以及多个所述电池模块的低电位侧的端子与所述负极端子之间电连接；电池管理电路，其从多个所述电池监视电路接收多个所述电池元件的电压和所述电池组的温度；电源电路，其将从所述主电路获得的直流电力转换为规定的大小，并向所述电池管理电路供给电源；以及充电电流切断电路，当来自所述电池管理电路的控制信号停止时，在所述主电路中，切断对多个所述电池模块进行充电的方向的电流。
附图说明
图1是概要性表示一个实施方式的蓄电池装置的结构例的框图。
具体实施方式
[实施方式]
下面参照附图对一个实施方式的蓄电池装置进行详细说明。
图1是概要性表示一个实施方式的蓄电池装置的结构例的框图。
本实施方式的蓄电池装置1具备能够与负载系统(未图示)等外部连接的正极端子P和负极端子N。蓄电池装置1能够向负载系统供给电力，且能够利用从负载系统供给的电力充电。此外，蓄电池装置1可以包含于负载系统内。
蓄电池装置1具备能够与外部电连接的多个端子。在本实施方式中，蓄电池装置1具备SOC端子T1、ENABLE端子T2、CAN通信端子T3、FULL端子T4、EMPTY端子T5、FAIL端子T6、电源输入端子(POWER端子)T7。
SOC端子T1是用于从蓄电池装置1向外部输出SOC值的端子。
ENABLE端子T2是供给对蓄电池装置1的启动与停止进行切换的信号的端子。
CAN通信端子T3是用于蓄电池装置1在其与外部之间基于CAN(control areanetwork，控制器局域网络)协议传送信号的端子。蓄电池装置1能够在其与例如包含于负载系统的各种装置之间经由CAN总线配线(未图示)通信。
FULL端子T4是用于向外部通知蓄电池装置1是充满电状态的端子。
EMPTY端子T5是用于向外部通知蓄电池装置1是完全放电状态的端子。
FAIL端子T6是用于向外部通知蓄电池装置1的故障的端子。
电源输入端子T7是用于例如以维护模式启动蓄电池装置1时从外部供给电源的端子。此外，假定电源输入端子T7仅被维护操作员使用。因此，电源输入端子T7不需要设置于例如暴露在蓄电池装置1的外部的部分，可以由在维护操作时能够拆卸的罩覆盖。
蓄电池装置1具备：多个电池模块MDL1-MDLn、电池管理电路(BMU：BatteryManagement Unit)CTR、DC/DC电路(电源电路)12、配线用切断器14、充电电流切断电路、配线用切断器14的跳开电路、电流传感器CS、服务断开器SDC。配线用切断器14的跳开电路具备：从主电路向配线用切断器供给电流(跳开电流)的路径、以及切换该路径的电连接的电磁接触器(第一电磁接触器)19。充电电流切断电路具备二极管16、以及电磁接触器(第二电磁接触器)18。
多个电池模块MDL1～MDLn分别具备电池组BT、以及电池监视电路(CMU：CellMonitoring Unit)10。多个电池模块MDL1～MDLn的电池组BT经由服务断开器SDC串联连接。多个电池模块MDL1～MDLn的最高电位侧的端子(电池模块MDL1的高电位侧的端子)与正极端子P之间通过高电位侧的主电路电连接，多个电池模块MDL1～MDLn的最低电位侧的端子(电池模块MDLn的低电位侧的端子)与负极端子N之间通过低电位侧的主电路电连接。
电池组BT构成为，组合多个例如锂离子电池的二次电池元件(未图示)而实现规定的容量及输出。最高电位侧的电池模块MDL的正极端子经由充电电流切断电路和配线用切断器14而能够与蓄电池装置1的正极端子P电连接。最低电位侧的电池模块MDL的负极端子经由配线用切断器14而能够与蓄电池装置1的负极端子N电连接。此外，电池组BT也可以具备锂离子电池以外的二次电池元件。例如，电池组BT也可以采用例如镍氢电池、铅电池。
在各个电池模块MDL1～MDLn中，电池监视电路10检测电池组BT的多个二次电池元件各自的正极端子和负极端子的电压。另外，电池监视电路10至少在一处检测电池组BT附近的温度。电池监视电路10构成为，能够经由在其与后述的电池管理电路CTR之间连接的通信线(CMU-CAN)并基于例如CAN(Control Area Network，控制局域网络)协议进行通信。电池监视电路10周期性地向电池管理电路CTR发送电压与温度的检测结果。
电池监视电路10的电压检测电路及温度检测电路(主电路侧)和通信电路(电池管理电路侧)的作为基准的电压不同。本实施方式的蓄电池装置1是连接有多个电池模块MDL1～MDLn的大型电池装置，较大的电流在主电路流动。另一方面，电池监视电路10的通信电路利用从电池管理电路CTR供给的12V的电源进行动作。因此，电池监视电路10的主电路侧与通信电路侧绝缘，将不同的电压作为基准进行动作。
电池监视电路10例如具备至少一个处理器和存储器，可以构成为通过软件实现上述动作，也可以构成为通过由硬件构成的电路实现上述动作，还可以构成为通过软件与硬件的组合实现上述动作。
服务断开器SDC是维护用的切断器。服务断开器SDC例如配置于电串联连接的多个电池模块MDL1～MDLn的大致中央的位置(电池模块MDLk与电池模块MDL(k+1)之间)，并设置为能够切断电池模块MDL1～MDLn之间的电连接。通过在维护电池模块MDL1～MDLn时打开服务断开器SDC，而能够确保维护操作者的安全性。服务断开器SDC例如是电磁接触器，能够利用来自电池管理电路CTR的控制信号控制动作。
此外，在例如电池模块MDL1～MDLn的装配数量少的蓄电池装置中，当即使在连接有多个电池模块MDL1～MDLn的状态下也能够保证维护时操作员的安全性时，也可以省略服务断开器SDC。
电流检测器CS具备：电流检测电路(未图示)，其检测连接于最高电位侧的电池组BT的高电位侧的端子与充电电流切断电路之间的高电位侧的主电路配线的电流；通信电路(未图示)，其向外部发送检测值。电流检测器CS利用例如从电池管理电路CTR供给的电力进行动作。另外，电流检测器CS构成为能够与电池管理电路CTR进行通信，并周期性地检测在多个电池组BT流动的电流，并基于例如CAN协议向电池管理电路CTR发送检测结果。
电流检测器CS的电流检测电路(主电路侧)和通信电路(电池管理电路侧)的作为基准的电压不同。本实施方式的蓄电池装置1是连接有多个电池模块MDL1～MDLn的大型电池装置，较大的电流在主电路流动。另一方面，电流检测器CS的通信端子与电池管理电路CTR电连接。因此，电池监视电路10的主电路侧与通信电路侧绝缘，将不同的电压作为基准进行动作。
此外，在本实施方式的蓄电池装置中，优选具备电流检测器CS，但电流检测器CS不是必须的结构，也可以省略。通过具备电流检测器CS，电池管理电路CTR结合电流检测器CS的电流检测结果和由电池监视电路获得的电压检测结果而能够更高精度地计算SOC。另外，电池管理电路CTR能够使用电流检测器CS的电流检测结果判断可否针对电池组BT进行强制充电。
此外，在本申请中，所谓的强制充电是指进行如下的充电，例如当产生电池组BT的过放电，并且为了保护电池元件而使配线用切断器14及充电电流切断电路的电磁接触器18的接点成为断开状态时，为了成为能够再次使用蓄电池装置的状态，在维护操作员将充电器连接到正极端子及负极端子后，使用终端装置通过CAN通信端子T3对电池管理电路CTR进行特别的设定，并使配线用切断器14及充电电流切断电路的电磁接触器18的接点导通而进行充电。利用上述强制充电，使电池组BT内的电池元件的电压复位，从而能成为能够使用蓄电池装置的状态。
配线用切断器(MCCB：Molded Case Circuit Breaker，)14设置成能够对多个电池模块MDL1～MDLn的最高电位侧的端子(电池模块MDL1的正极端子)与正极端子P之间的电连接状态、以及多个电池模块MDL1～MDLn的最低电位侧的端子(电池模块MDLn的负极端子)与负极端子N之间的电连接状态进行切换。当过电流流过主电路时，配线用切断器14切断高电位侧的主电路与正极端子P的电连接、以及低电位侧的主电路与负极端子N的电连接。
电磁接触器19的一端经由配线用切断器14与高电位侧的主电路电连接，另一端与低电位侧的主电路电连接。配线用切断器14具备例如热动式的跳开机构，当电磁接触器19的接点导通时，从主电路向配线用切断器14供给电流(跳开电流)，通过对例如配线用切断器14进行加热，从而能够切断主电路。电磁接触器19由电池管理电路CTR控制动作，是B接点的电路，当控制信号接通时是使接点断开的状态，当控制信号断开(或者停止)时是将接点导通的状态。此外，配线用切断器14可以具备电磁式的跳开机构。
二极管16介于高电位侧的主电路，将从最高电位侧的电池模块MDL1的正极朝向蓄电池装置1的正极端子P的方向作为顺向而连接。即，二极管16在从多个电池模块MDL1～MDLn使放电电流流动而不使充电电流流动的方向上连接。
电磁接触器18在高电位侧的主电路上与二极管16并联连接。电磁接触器18由电池管理电路CTR控制动作，是A接点的电路，当电池管理电路CTR启动时(控制信号接通时)是将接点导通的状态，当电池管理电路CTR停止时(控制信号断开(或者停止)时)是使接点断开的状态。
当电磁接触器18是将接点导通的状态时，多个电池模块MDL1～MDLn能够经由配线用切断器14进行充电及放电。当是利用电磁接触器18断开了接点的状态时，由于利用二极管16切断朝向多个电池模块MDL1～MDLn的充电电流，因此多个电池模块MDL1～MDLn仅能够经由配线用切断器14进行放电。
DC/DC电路12利用从主电路配线供给的电力启动，并将从主电路配线供给的直流电力转换成12V的直流电力并向电池管理电路CTR供给。DC/DC电路12由来自电池管理电路CTR的电源控制信号PW_CTRL控制动作。当例如多个电池组BT是过放电状态时，DC/DC电路12按照来自电池管理电路CTR的电源控制信号停止动作。此外，DC/DC电路12也可以构成为在蓄电池装置1正常停止时不停止而继续动作(例如成为待机状态)。
电池管理电路CTR例如具备至少一个处理器和存储器(未图示)，可以构成为通过软件实现下述动作，也可以构成为通过由硬件构成的电路实现下述动作，还可以构成为通过软件与硬件的组合实现下述动作。
电池管理电路CTR从多个电池模块MDL的电池监视电路10获取电压及温度的检测结果。另外，电池管理电路CTR从电流检测器CS获取在多个电池组BT流动的电流的检测结果。电池管理电路CTR能够使用例如电压、温度、以及电流的检测结果对多个电池组BT(或者多个二次电池元件)的SOC(state of charge，充电状态)进行运算。
另外，电池管理电路CTR可以获得主电路配线的电压。电池管理电路CTR可以根据主电路配线的电压判断多个电池组BT是否是过放电状态，以及是否是过充电状态。
或者，电池管理电路CTR可以基于多个电池监视电路10对二次电池元件的电压检测结果，累计运算多个电池组BT的串联连接部分的电压，并根据所获得的相当于主电路配线电压的电压判断多个电池组BT是否是过放电状态，以及是否是过充电状态。
电池管理电路CTR在获得主电路配线的电压时容易受到分压等的影响，累计运算多个电池组BT的串联连接部分，所获得的相当于主电路配线电压的电压不受分压的影响而能够更高精度地检测主电路配线的电压，因此是优选的。由此，能够高精度地判断多个电池组BT是否是过放电状态，以及是否是过充电状态。
另外，通过在蓄电池装置或者电池管理电路CTR上设置电池劣化推定部(未图示)，电池管理电路CTR能够根据多个电池组BT的劣化推定结果而高精度地选择可否成为强制充电模式，或者，能够从多个强制充电模式中高精度地选择适当的模式。电池劣化推定部能够基于例如电池元件的劣化状态(SOH：state of health，健康状态)、使用历史等信息来推定电池组BT的劣化。
电池管理电路CTR利用经由DC/DC电路12从多个电池组BT供给的电力(DC12V)进行动作，并向多个电池监视电路10及电流检测器CS供给电力。另外，电池管理电路CTR能够控制服务断开器SDC和切断器CN、CP的动作。
电池管理电路CTR与蓄电池装置1的多个端子，即，SOC端子T1、ENABLE端子T2、CAN通信端子T3、FULL端子T4、EMPTY端子T5、FAIL端子T6、电源输入端子T7电连接。
电池管理电路CTR能够向SOC端子T1输出多个电池组BT(或者多个二次电池元件)的SOC。
电池管理电路CTR根据向ENABLE端子T2施加的电压而启动。例如，电池管理电路CTR构成为当从ENABLE端子T2供给的信号为高(H)电平时启动。
电池管理电路CTR能够经由CAN通信端子T3与连接于外部的设备之间相互进行基于CAN协议的信号通信。电池管理电路CTR将例如多个电池组BT的电压、电流、温度、SOC的检测结果、蓄电池装置1的各结构的控制信息等的规定期间部分存储在内置的存储器中，并在从外部请求时能够从存储器中读出并作为过去的日志信息向外部输出。
当多个电池组BT的SOC达到规定的阈值以上时，电池管理电路CTR判断为为充满电，并能够向FULL端子T4输出通知已充满电的信号。
当多个电池组BT的SOC低于规定的阈值时，电池管理电路CTR判断为是完全放电，并能够向EMPTY端子T5输出通知已完全放电的信号。
当判断为蓄电池装置1故障时，电池管理电路CTR能够向FAIL端子T6输出通知已发生故障的信号。例如，当多个电池组BT是过充电状态时，以及是过放电状态时，电池管理电路CTR能够判断为是蓄电池装置1的故障，并经由FAIL端子T6向外部通知故障。
电池管理电路CTR能够利用经由电源输入端子T7从外部供给的电源(12V)启动。此外，电源输入端子T7可以构成为，与连接于DC/DC电路12与电池管理电路CTR之间的电源供给线电连接。从电源输入端子T7输入电源的电池管理电路CTR的端子可以与从DC/DC电路12输入电源的电池管理电路CTR的端子共通，也可以分别独立设置。
接着，对在上述的蓄电池装置1中检测到异常时的动作的一例进行说明。蓄电池装置1在例如电池组BT是过充电状态时、电池组BT是过放电状态时、电池组BT是过热状态时、以及检测到内置于蓄电池装置1的结构的故障时，作为检测到异常的装置而停止充电及放电。
电池管理电路CTR从多个电池模块MDL1～MDLn接收多个电池元件的电压、电池组BT的温度，从电流传感器CS接收在主电路流动的电流，在例如判断为多个电池组BT是充满电状态时，向FULL端子T4输出通知已充满电的信号。
在该状态下进一步继续多个电池组BT的充电时，电池管理电路CTR继续监视多个电池元件的电压、电池组BT的温度、在主电路流动的电流，在判断为多个电池组BT是过充电状态时，认为是蓄电池装置1的故障，而经由FAIL端子T6向外部通知故障。此时，电池管理电路CTR能够使控制信号断开并利用电磁接触器19导通接点，向配线用切断器14供给电流，从而打开配线用切断器14而切断主电路。由此，多个电池组BT不会被进一步充电，从而能够避免蓄电池装置1成为危险的状态。
接着，在上述蓄电池装置1中，对朝向电池管理电路CTR的电源供给消失、停止时的动作的一例进行说明。
在例如由于DC/DC电路12的故障等而不再向电池管理电路CTR供给电源(DC12V)的情况下，成为这样的状态：电池管理电路CTR停止，不监视多个电池元件的电压、电池组的温度、以及在主电路流动的电流。
此时，电池管理电路CTR停止，从电池管理电路CTR朝向电磁接触器19的控制信号断开，当电磁接触器19的接点导通而连接朝向配线用切断器14的电流路径时，通过向配线用切断器14供给电流而对配线用切断器进行加热，并通过配线用切断器14切断主电路。另外，当来自电池管理电路CTR的控制信号停止时，朝向电磁接触器18的控制信号断开，并断开电磁接触器18的接点，主电路的电连接被切断。
因而，在从电池管理电路CTR停止后到通过配线用切断器14切断主电路为止的期间，电池模块MDL1的高电位侧的端子经由二极管16及配线用切断器14与蓄电池装置1的正极端子P电连接。由此，朝向多个电池模块MDL1～MDLn的充电电流被切断，多个电池模块MDL1～MDLn仅能够放电。
例如在不进行电压及温度的监视而对锂离子电池的电池元件进行充电时，电池元件有可能达到过电压状态，有可能由于爆炸/起火等而导致危害使用者的现象。
与此相对，根据本实施方式的蓄电池装置1，当停止向电池管理电路CTR供给电源并成为不能对多个电池元件的电压等进行监视的状态时，切断多个电池模块MDL1～MDLn的充电电流，从而能够避免多个电池组BT成为过充电状态，进一步避免蓄电池装置1成为危险的状态。另外，即使在电池管理电路CTR的动作突然停止时，来自蓄电池装置1的放电也不会突然停止，从而能够避免朝向负载系统的电力供给突然停止。
即，根据本实施方式的蓄电池装置，能够保证蓄电池装置的安全性。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式仅作为例子示出，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它的各种方式实施，可以在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、主旨，并且包含于记载在权利权利要求书的方案和与其同等的范围内。

Claims (3)

1.一种蓄电池装置，其具备：
正极端子及负极端子，其能够与外部电连接；
多个电池模块，其分别具备包含多个电池元件的电池组、以及检测多个所述电池元件的电压和所述电池组的温度的电池监视电路；
主电路，其将多个所述电池模块的高电位侧的端子与所述正极端子之间、以及多个所述电池模块的低电位侧的端子与所述负极端子之间电连接；
电池管理电路，其从多个所述电池监视电路接收多个所述电池元件的电压和所述电池组的温度；
电源电路，其将从所述主电路获得的直流电力转换为规定的大小，并向所述电池管理电路供给电源；
配线用切断器，当过电流流过所述主电路时切断所述主电路；以及
充电电流切断电路，当来自所述电池管理电路的控制信号停止时，在所述主电路中，切断对多个所述电池模块进行充电的方向的电流。
2.根据权利要求1所述的蓄电池装置，其特征在于，
所述蓄电池装置还具备所述配线用切断器的跳开电路，其包含从所述主电路向所述配线用切断器供给跳开电流的路径、以及当来自所述电池管理电路的控制信号停止时在所述路径中使接点导通的第一电磁接触器。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池装置，其特征在于，
所述充电电流切断电路具备：二极管，其将电流从多个所述电池模块的所述高电位侧的端子朝向所述正极端子流动的方向作为顺向而介于所述主电路中；以及第二电磁接触器，其与所述二极管并联连接，当来自所述电池管理电路的控制信号停止时断开接点。
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