JP2005312195A

JP2005312195A - 電池の充放電回路

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Publication number: JP2005312195A
Application number: JP2004126379A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takabayashi; 泰弘高林; Masahide Koshiba; 昌英小柴
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP4088838B2

Abstract

【課題】冷却装置を小型または省略可能として装置全体の小型化を図るとともに、機械的遅れにより電源断が発生しないようにする。
【解決手段】各電池群１〜２（Ｂ１〜Ｂｍ）と直列に機械式接点スイッチ３〜４（ＳＷ１〜ＳＷｍ）とダイオード５〜６（Ｄ１〜Ｄｍ）との並列回路を接続し、通常の充放電電流はスイッチ３〜４の接点を介して流し、充電停止状態から放電を開始するに当り、スイッチ３〜４の接点の機械的遅れ時間の期間中はダイオード５〜６を介して放電電流を流し、スイッチ３〜４の接点がオンしたらダイオード５〜６を短絡することで、電源断を発生させず、かつダイオードのオン損失を低減する。
【選択図】図１

Description

この発明は、蓄電池（単に電池ともいう）を一次電源としてこの蓄電池を充電する発電機からなる電源装置と、推進電動機およびシステム運転に必要な補機電動機等とから構成される電気推進システムにおける、電池の充放電回路に関する。

上記電気推進システムには、一般的に以下のような運転モードがある。
（１）発電機が、電池を充電しながら負荷である推進電動機，補機電動機へ電力を供給する運転モード
（２）発電機が、電池の充放電電流を０Ａの状態（なお、電池が自己放電で失う容量を、定常的に補充するための充電を行なう方式を一般に浮動充電というが、ここでは電池が自己放電で失う容量を補充するための充電はしないので、単に浮動方式，浮動状態，浮動運転または浮動動作ともいう）としながら推進電動機，補機電動機へ電力を供給する運転モード
（３）発電機が停止状態で、電池から推進電動機，補機電動機へ電力を供給する電池放電運転モード

電池充電動作は、各電池群を監視しながら発電機を制御し、満充電となった電池群から電池群と直列に接続したスイッチを順次断路（ＯＦＦ：オフ）して充電を停止させ、また、発電機が停止状態ではスイッチを閉路（ＯＮ：オン）として、電池から負荷へ電力を供給する放電運転モードとする。なお、電池群のスイッチは上記（１）〜（３）の各運転モードに対応して接続（ＯＮ）、断路（ＯＦＦ）を行なう。

従来方式の代表例について、以下に説明する。
（ａ）スイッチなし方式
図３は、電池並列群数が少ない、１群または２群構成の場合に広く用いられ、回路構成が簡単なのが特徴である。しかし、電池の並列群数が多くなった場合、個々の電池群の特性バラツキに対応するために、個々の電池群の充電状態を監視しながら充電を行ない、満充電となった電池群を発電機回路から順次切り離して、充電を停止させることができないという問題がある。

また、電池の浮動運転モードでは、発電機は推進電動機，補機電動機などの変動する負荷へ、電力を供給しながら電池の充放電電流を０Ａの状態（浮動状態）とする発電機制御において、動作が不安定になることが予想される。
特に、リチューム電池を使用する場合は、過充電によりリチューム電池が爆発するなどの障害が懸念されることから、不安定な充放電動作はリチューム電池へ重大な障害になることが予想される。

（ｂ）機械式接点スイッチを用いる方式
図４は、複数の電池群の各々と直列に機械式接点スイッチを用いる方式で、満充電となった電池群を発電機回路から順次切り離して、充電を停止させることができる。機械式接点スイッチを用いるため、通電損失が後述の半導体スイッチを用いる方式に比べて数十分の１と少なく、また、自然冷却条件下での使用が可能であり、かつ、機械式接点スイッチであるため短時間の過電流には耐えられる特徴がある。
しかし、充電が完了した電池群のスイッチＯＦＦ状態、すなわち電池群が発電機回路（負荷回路）から切り離された状態から、負荷へ電力を供給するために負荷回路へ電池群を接続するとき、スイッチ接点がＯＮするまでの機械的動作遅れ時間の期間、電源「断」状態が発生するという問題がある。

また、電池の浮動運転モードでは、発電機は推進電動機，補機電動機などの変動する負荷へ電力を供給しながら電池の充放電電流を０Ａの状態（浮動状態）とする発電機制御において、動作が不安定になることが予想される。
特に、リチューム電池を使用する場合は、過充電によりリチューム電池が爆発するなどの障害が懸念されることから、不安定な充放電動作はリチューム電池へ重大な障害になることが予想される。

（ｃ）半導体式スイッチを用いる方式
図５は半導体式スイッチを用いるもので、これは上記（ａ），（ｂ）の問題点を解決する方式として出現したものであり、広く使用されている。例えば特許文献１，２，３などが知られており、電池のパルス充電法と兼用されている。特に特許文献２では、半導体式スイッチ素子と並列に接続されたダイオード（通称クランプダイオード）を介して、即時放電可能にする技術が開示されている。

しかし、スイッチ要素に半導体式スイッチを用いるため、充電時にはスイッチ素子のＯＮ電圧損失、放電時にはダイオードの通電ＯＮ電圧損失が発生し、いずれの通電損失も接点スイッチの数十倍以上の通電損失（ＯＮ損失）が発生することから、ヒートシンク＋自然風冷、ヒートシンク＋強制風冷素子、またはヒートシンク＋水風冷などの冷却装置が必要となる。特に、大充放電電流回路に用いるものでは、水冷却を必要とする大掛かりな冷却装置が必要となり、装置の大型化，コスト増を招くという問題がある。

特開平０５−１３０７４３号公報（第２−４頁、図１）特開平０８−０７９９８２号公報（第１６−１７頁、図９）特開２００１−２１１５８８号公報（第３頁、図２）特開２００２−２６２４７８号公報（第２頁、図１）特開平０６−２０９５３３号公報（第２−３頁、図１）

以上のように、各種の方式には下記のような問題がある。
（ａ）方式では、複数群の特性バラツキに対応するための個々の充電管理と充電完了電池群の切り離しができず、かつ、浮動状態の制御が困難であること。
（ｂ）方式では、電池群が満充電でスイッチＯＦＦの状態から放電へ移行する場合、スイッチがＯＮするまでの機械的動作遅れ時間の期間に電源「断」状態が発生すること、および浮動状態の制御が困難であること。

（ｃ）方式では、冷却装置を必要とし、特に大容量電池、大充放電電流回路では水冷却装置などが必要となることから、装置が大型化し，コスト増となること。
なお、（ｂ）方式の変形例として、電磁接触器（コンタクタまたはＭＣＣＢ）とダイオードとを並列接続したスイッチ回路を用いるものが、例えば特許文献４，５としてあるが、いずれも単一電池群システムに関するもので、電源断を発生させないようにするためのものではなく、通電損失を低減するものでもない。
したがって、この発明の課題は、冷却装置を小型または省略可能として装置全体の小型化を図り、かつ機械的遅れによる電源瞬断が発生しないようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電池の充放電回路において、機械式接点スイッチ（スイッチ）と、このスイッチと並列に接続された放電用ダイオードとからなるスイッチ回路を電池に直列に接続してなり、通常の充放電電流は前記スイッチの接点を介して流し、スイッチオフの充電停止状態から放電を開始するときは、スイッチがオンするまでの機械的遅れの期間中は前記ダイオードを介して放電電流を流し、スイッチがオンしたら放電電流をスイッチの接点へ転流させるようにしたことにより、放電開始時のスイッチの動作遅れ時間により電源瞬断が発生しないようにするとともにダイオードの熱責務を低減し、スイッチ用冷却装置を小型または省略可能としたことを特徴とする。

この発明によれば、複数の電池群と直列に接続するスイッチとして機械式接点スイッチを用いるとともに、この接点スイッチと並列にダイオードを接続するようにしたので、下記のような効果が得られる。
（１）スイッチとして通電損失および発熱の少ない機械式接点スイッチを用いることで、スイッチ用冷却装置を不要として部品点数を低減して装置の小型化，コストダウンおよびシステムの信頼性向上を図る。
なお、図５に示す従来方式の半導体スイッチは通電損失が接点式の数十倍以上であることから、半導体スイッチを冷却する冷却装置が必要であり、特に、大電流で使用する半導体スイッチでは水冷却装置が必要など、装置の大型化，コストアップおよびシステムの信頼性が問題となる。

（２）電池が充電停止状態＝浮動状態、すなわち接点スイッチがＯＦＦ状態から放電に転じるとき、機械式接点スイッチがＯＮするまでの遅れ時間の期間中、接点スイッチと並列に接続されたダイオードを介して放電させ、接点スイッチがＯＮしたらこれによりダイオードを短絡し、放電電流をダイオードからスイッチ接点へ転流させ、ダイオードに流れていた電流を略０Ａとする。このとき、機械式接点スイッチとして例えば電磁操作型スイッチ＝電磁接触器を用いると、その遅れ時間は１００ｍｓ以下であり、ダイオードはこの短時間のみ通電すれば良いので、ダイオード素子の選定も考慮することにより、ダイオード素子冷却用装置の簡素化ができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、各電池群１〜２（Ｂ１〜Ｂｍ）に接続された機械式接点スイッチ（単に、接点スイッチともいう）３〜４（ＳＷ１〜ＳＷｍ）、この接点スイッチ３〜４と並列接続したダイオード回路５〜６（Ｄ１〜Ｄｍ）からなり、電池充電運転モードでは発電機１４（Ｇ）は複数の電池群１〜２を充電しながら補機動力系統１９（Ｌ）、および推進電動機２１（Ｍ）へ電力を供給し、また、浮動運転モードでは複数の電池群１〜２の充放電電流が０Ａになるようにし、さらに、発電機が停止したときは補機動力系統１９および推進電動機２１へ電池群１〜２から無瞬断で電力を供給する回路である。その動作について以下に詳細に説明する。

１）充電動作（図２のｔ０〜ｔ１間）
このときは、図１の充電選択スイッチＳＷＣにより定電圧充電，定電流充電のいずれかを選択し、また、パルス充電選択スイッチＳＷＰにより、最終充電領域では連続した定電圧，定電流で充電するか（ＳＷＰ・ＯＦＦ）、パルス定電圧またはパルス定電流で充電するか（ＳＷＰ・ＯＮ）のいずれかを選択する。
これらの選択指令から、充放電制御回路＆電池状態監視装置２８は充電運転モードであることを判定すると、接点スイッチ３〜４にＯＮ指令を与えて各接点スイッチをＯＮさせるとともに、発電機制御装置２９へ所定の制御信号３１を与えて発電機を制御し、各電池群１〜２へ接点スイッチ３〜４を介して充電電流＋ＩＢ１〜＋ＩＢｍを供給する。

このときの充電動作を示すのが、図２のｔ０〜ｔ１である。このとき、接点スイッチはオン抵抗が小さく通電損失が少ないので、通電時の接点部発熱が小さいことから、一般的な使用条件では特別な冷却装置を必要とせず、また、機械的接点機構のスイッチであるため、大きな短時間過電流耐量を持っている。この特徴により、接点スイッチ３〜４は冷却装置を必要としない自然冷却条件下での使用が可能なため、大幅な装置の小型化とコストダウンが実現できる。因みに、図５の半導体スイッチを用いるものでは、素子の冷却装置が必要である。

２）充電完了＝充電停止ｏｒ浮動動作（図２のｔ１およびｔ５時点）
各電池群の充電状態は、各電池群回路に設置した電流検出器７〜８（ＳＨ１〜ＳＨｍ）および電圧検出器９〜１０（ＶＤ１〜ＶＤｍ）の検出信号を充放電制御回路＆電池状態監視装置２８で監視し、バラツキが存在する各電池群の電圧、または電流を充放電制御回路＆電池状態監視装置２８が個別に監視・判定し、検出値が所定の値に達した電池群の接点スイッチ３〜４に順次ＯＦＦ指令を与えてスイッチをＯＦＦさせ、発電機１４から切り離して充電を完了させる。

発電機１４から切り離された充電完了電池群の電圧ＶＢ１〜ＶＢｍは、発電機電圧ＶＧより低く（ＶＧ＞ＶＢ１〜ＶＢｍ）、接点スイッチ３〜４に並列接続のダイオード５〜６が発電機電圧ＶＧをブロックして電池群へは充電電流を流さず、これにより、充放電電流０Ａの浮動状態が保たれる。なお、図２のｔ１時点は全ての電池群の充電が完了した点を示し、接点スイッチ３〜４が全てＯＦＦ、全ての電池群が発電機１４から切り離された時点である。

３）放電開始動作（図２のｔ２〜ｔ３およびｔ６〜ｔ７間）
発電機の出力を低下させたとき、または停止させたときには、各電池群１〜２は補機動力負荷１９および推進電動機２１へ電力を供給する、放電動作モードが開始される。放電開始直前において、接点スイッチ３〜４が全てＯＦＦであるとし、図２に示す放電開始点＝ｔ２時点で放電が開始されたとすると、ｔ２時点から接点スイッチ３〜４に並列接続されたダイオード５〜６を介して、放電電流ＩＤ＝ＩＢが流れる。
一方、放電電流−ＩＢ１〜−ＩＢｍと−ＩＢΣが流れたことを電流検出器７〜８と１２で検出して、充放電制御回路＆電池状態監視装置２８が放電動作を開始したことを判別して、各接点スイッチ３〜４へＯＮ指令を与える。ＯＮ指令を受けた各接点スイッチ３〜４はＯＮ動作を開始し、機械的な遅れ時間ｔＳ後に接点がＯＮしてダイオード５〜６を短絡する。

すなわち、放電開始点＝ｔ２時点から接点がＯＮするまでの遅れ時間ｔＳの期間中、ダイオード５〜６に放電電流ＩＤ＝ＩＢが流れ、各スイッチ接点がＯＮしたらダイオード電流ＩＤ＝ＩＢを接点へ転流させる結果、ダイオード電流は数十分の１以下に激減する。
ここで、接点スイッチに電磁接触器を用いた場合の遅れ時間ｔＳは１００ｍｓ以下であるから、ダイオードの通電時間はｔＳ＝１００ｍｓ以下でよく、短時間熱責務に耐えるダイオード素子を選定すれば、接点短絡後のダイオード電流は微小であるため、ダイオード取り付け構造を兼ねた簡単な冷却構造を採用するなどにより、冷却装置の簡素化を図ることができる。したがって、大幅な装置の小型化とコストダウンが可能となる。

４）スイッチを介する放電動作（図２のｔ３〜ｔ４およびｔ７〜ｔ８間）
図２のｔ３〜ｔ４間は、スイッチ３〜４の接点がＯＮして放電電流が流れる期間である。
すなわち、放電電流は通電損失が少なく発熱の小さな接点式スイッチの接点を介して流れるので、スイッチ３〜４に対する冷却装置は必要ではなく、自然冷却条件の下で使用可能なので、装置の小型化とコストダウンができる。

５）放電動作から充電動作（図２のｔ４〜ｔ５およびｔ８〜ｔ９間）
図２のｔ４時点が、放電動作から充電動作に転じた点である。放電から充電に転じる直前は、各スイッチ３〜４がＯＮでその接点を介して放電されており、放電動作から充電動作に転じる図２のｔ４時点では、ＯＮ中のスイッチ接点を介して充電へ移行するから、移行動作はスムースに行なわれる。以後の充電動作は、上記１）項と同じである。

６）充電停止から充電動作（図２のｔ１０時点）
図２のｔ９〜ｔ１０間は、充電を停止している期間である。
ここで、充電を開始するために発電機運転スイッチ３０（ＳＷＧ）を「運転」側にし、その信号を発電機制御装置２９に与える。発電機制御装置２９は信号３１を充電運転指令として、充放電制御回路＆電池状態監視装置２８に与える。発電機１４は予め設定された条件で運転を開始するが、これは一定の条件が整った時点でスイッチ１８（ＳＷＧＨ）をＯＮすることで行なわれる。

一方、充放電制御回路＆電池状態監視装置２８は各接点スイッチ３〜４にＯＮ指令を与え、各電池群を発電機１４へ接続する。図２のｔ１０時点は各接点スイッチ３〜４にＯＮ指令を与える時点であり、動作遅れ時間ｔＳ後の時点ｔ１１で各接点スイッチ３〜４がＯＮし、電池群は発電機１４に接続されて充電が開始される。
なお、充放電制御回路＆電池状態監視装置２８が電池群の異常を検出したら、各接点スイッチ３〜４にＯＦＦ指令を与え該当する接点スイッチをＯＦＦして、電池を保護するようにする。

この発明の実施の形態を示す構成図図１の動作を説明するタイムチャート第１の従来方式を示す構成図第２の従来方式を示す構成図第３の従来方式を示す構成図

符号の説明

１〜２（Ｂ１〜Ｂｍ）…蓄電池群、３〜４（ＳＷ１〜ＳＷｍ）…機械式接点スイッチ、５〜６…ダイオード（Ｄ１〜Ｄｍ）、７〜８，１２，１６（ＳＨ１〜ＳＨｍ，ＳＨＢ，ＳＨＧ）…電流検出器、９〜１０，１１，１７（ＶＤ１〜ＶＤｍ，ＶＤＢ，ＶＤＧ）…電圧検出器、１３，１８，２０，２２〜２７，３０…スイッチ、１４…発電機（Ｇ）、１５…発電機界磁（Ｇｆ）、１９…補機動力系統（Ｌ）、２１…推進電動機（Ｍ）、２８…充放電制御回路＆電池状態監視装置、２９…発電機制御装置、３１…信号。

Claims

電池の充放電回路において、機械式接点スイッチ（スイッチ）と、このスイッチと並列に接続された放電用ダイオードとからなるスイッチ回路を電池に直列接続してなり、通常の充放電電流は前記スイッチの接点を介して流し、スイッチオフの充電停止状態から放電を開始するときは、スイッチがオンするまでの機械的遅れの期間中は前記ダイオードを介して放電電流を流し、スイッチがオンしたら放電電流をスイッチ接点へ転流させるようにしたことを特徴とする電池の充放電回路。