JP2006187113A - 充放電制御システム、組電池の充放電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な回路構成によって簡便に外部電源から二次電池の充電を行うことが可能な充放電制御システムを提供する。
【解決手段】 外部商用電源１に接続されるＡＣ／ＤＣ変換器２と、複数の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６により構成され、当該各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６がＡＣ／ＤＣ変換器２の端子間の電圧によって充電されるバッテリモジュール３とを備え、外部商用電源１からの電力によって組電池を充電させるに際して、制御装置１０により、外部商用電源１の電源電圧に応じて、ＡＣ／ＤＣ変換器２の端子間に対する各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の接続状態を切り換えて、組電池を構成する各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間電圧を可変とさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の単電池により構成される組電池の充放電を制御する充放電制御システムに関し、より具体的には、例えば電気自動車などの電力により駆動する車両などに搭載して好適な２次電池の充放電制御システム、組電池の充放電方法に関する。

近年、複数の単電池（セル）により構成される組電池を２次電池として用い、この組電池により供給される電力によって駆動する車両、いわゆる電気自動車の開発が進められている。この電気自動車においては、複数の単電池を直列接続した状態で電力を取り出すことにより、放電電圧を高めて大きな出力を確保している。

一般的に、２次電池を充電するためは、当該２次電池に対応した専用の充電装置を用いる必要がある。このため、電気自動車に搭載される組電池を充電させるに際しても専用の充電装置が必要となる。具体的には、組電池の端子間電圧が、充電に際して電源として用いる外部電源の電源電圧と比較して同等又は高い場合に、充電装置によって電源電圧を昇圧して組電池に印加することで、この組電池を充電するといった必要が生じる。

このような充電装置を用いる車両用充電システムは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１には、車両駆動用モータに電力を供給する２次電池を充電するに際して、車両駆動用モータを制御するインバータを用いて外部電源の電源電圧を昇圧するシステムが記載されている。また、特許文献２には、車両駆動用モータを制御するチョッパ回路を有し、２次電池の充電を制御するシステムが記載されている。
特開平８−３０８２５５号公報 特開平６−１３３５６４号公報

しかしながら、専用の充電装置を用いて外部電源の電源電圧を昇圧するためには、トランスなどの大型部品を用いて充電制御回路を構成する必要がある。このため、充電装置は、小型化、軽量化、低コスト化を図ることが困難であるといった問題がある。したがって、充電装置を車両に搭載することが困難となり、必然的に定置型の充電装置を使用する必要が生じる。これにより、充電装置が設置された場所以外で電気自動車の２次電池の充電を行うことができず、例えば家庭用の商用電源を用いた簡便な充電を行うことができないといった問題がある。

また、上述した特許文献１に開示されているように、インバータを用いて充電を行うシステムにおいて、充電中に充放電制御システムが失陥した場合などには、車両駆動用モータに電力が供給される虞があるといった問題がある。

そこで、本発明は、上述した従来の実情に鑑みて提案されるものであり、簡素な回路構成によって簡便に外部電源から二次電池の充電を行うことが可能な充放電制御システム、組電池の充放電方法を提供することを目的とする。

本発明は、外部電源に接続される外部電源接続部と、複数の二次電池により構成され、当該各二次電池が外部電源接続部の端子間の電圧によって充電される組電池とを備え、
外部電源からの電力によって組電池を充電させるに際して、接続状態制御手段により、外部電源の電源電圧に応じて、外部電源接続部の端子間に対する各二次電池の接続状態を切り換えて、組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を可変とさせることにより、上述の課題を解決する。

本発明によれば、組電池を充電させるに際して、外部電源の電源電圧に応じて各単電池の接続状態を切り換えることができるので、電源電圧を各単電池の端子間電圧に適合させて各単電池に印加させることができ、外部電源を各単電池の定格電圧に適合させる回路が不要となり、回路構成を簡略化して、低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る充放電制御システムに適用される。なお、図１に示す充放電制御システムは、２次電池により供給される電力により駆動する車両、いわゆる電気自動車に搭載されるシステムを想定している。ただし、本発明は、以下で例示する実施形態への適用に限定されるものでなく、２次電池の充放電を制御するシステムに広く適用可能である。

［充放電制御システムの構成］
この充放電制御システムは、図１に示すように、複数の単電池（二次電池）ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を組電池として構成するバッテリモジュール３と、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に充電する電力を供給する外部商用電源１に接続されるＡＣ／ＤＣ変換器（外部電源接続部）２とを備えている。

なお、本実施形態においては、６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を備えるものとするが、単電池の数は特に限定されるものではない。また、本実施形態では、外部商用電源１が一般的な家庭用商用電源であることを想定しており、この外部商用電源１の電源電圧が交流１００Ｖ又は交流２００Ｖであるとし、ＡＣ／ＤＣ変換器２による交流から直流への変換時における電圧降下を考慮しないものとして説明する。更に、本実施形態においては、各単電池ＢＴ１〜ＢＴ６の満充電状態における端子間電圧が直流１００Ｖであるものとする。

ＡＣ／ＤＣ変換器２は、外部商用電源１から供給される交流電圧を直流電圧に変換してバッテリモジュール３の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に印加する整流回路（ＡＣ／ＤＣ変換回路）と、外部商用電源１の電源電圧を検出する電圧検出器とを備えている。また、ＡＣ／ＤＣ変換器２は、外部商用電源１に対して着脱自在とされる接続コネクタ部を有する。そして、ＡＣ／ＤＣ変換器２は、外部商用電源１が接続されると、当該外部商用電源１の電源電圧を、バッテリモジュール３の端子間によって印加して、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を充電させる。

充放電制御システムにおいては、バッテリモジュール３の出力端子に、バッテリモジュール３の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に充電された電力を消費する電気負荷として、インバータ４を介して駆動モータ５が接続されている。

駆動モータ５は、例えば三相交流モータである。この駆動モータ５は、充放電制御システムを搭載する車両を駆動するための動力源となり、車両の駆動トルクを発生させる。図中においては、単一の駆動モータ５を図示しているが、この駆動モータ５の数は任意であり、例えば車両の４輪の各々に合計４つの駆動モータ５を配して、各駆動モータ５をバッテリモジュール３に接続するものとしてもよい。インバータ４は、駆動モータ５に電力を供給する際に、バッテリモジュール３の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６から出力される直流電圧を交流電圧に変換して、駆動モータ５に交流電力を供給する。このとき、インバータ４は、駆動モータ５に出力する交流電圧の周波数を可変とすることで駆動モータ５の回転数を制御する。なお、本実施形態において、バッテリモジュール３に６個の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６が設けられている構成から、インバータ４及び駆動モータ５の定格入力電圧は、６００Ｖであるものとする。

バッテリモジュール３は、ＡＣ／ＤＣ変換器２とインバータ４との間に接続されており、６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６と、１２個のスイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１２によって構成されている。このバッテリモジュール３は、ＡＣ／ＤＣ変換器２の端子間電圧（電源電圧）が、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池の端子間電圧として印加される。

ここで、１２個のスイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１２のうち、５つのスイッチ（ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ８，ＳＷ９，ＳＷ１２）は２接点型のスイッチであり、他の７つのスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ１０，ＳＷ１１）は３接点型のスイッチである。バッテリモジュール３における単電池ＢＴ１〜ＢＴ６及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の接続状態は、制御装置１０の制御によって、ＡＣ／ＤＣ変換器２に接続された外部商用電源１の電源電圧に応じて、以下で説明する第１の接続状態、第２の接続状態、又は第３の接続状態を取り得る構成とされている。

［第１の接続状態］
第１の接続状態は、図２に示すように、電源電圧が交流１００Ｖである外部商用電源１により単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池を充電する場合の接続状態である。ここで、外部商用電源１の電源電圧値は、ＡＣ／ＤＣ変換器２の電圧検出器で検出され、制御装置１０に通知される。

そして、制御装置１０によってスイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１２の開閉状態が切り換えられることにより、６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６は、それぞれ３つの単電池からなる２つの組（以下、組セルＡと組セルＢとする）に分割された構成とされる。組セルＡは、３つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ３が互いに並列接続されてなり、組セルＢは、３つの単電池ＢＴ４〜単電池ＢＴ６が互いに並列接続されてなる。また、組セルＡと組セルＢとは、ＡＣ／ＤＣ変換器２に対して直列接続された状態となる。

この第１の接続状態では、外部商用電源１から入力される交流１００Ｖ電圧がＡＣ／ＤＣ変換器２に備えられた整流回路によって直流１００Ｖに整流され、この直流１００Ｖが６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間電圧としてそれぞれ印加される。すなわち、第１の接続状態では、組セルＡの正極端子と組セルＢの負極端子との間に直流１００Ｖが印加されることによって、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間に直流１００Ｖが印加され、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６が充電される。そして、第１の接続状態において、ＡＣ／ＤＣ変換器２から組電池に供給される電流の経路は、図２中の矢印のようになる。

［第２の接続状態］
第２の接続状態は、図３に示すように、電源電圧が交流２００Ｖである外部商用電源１により単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池を充電する場合の接続状態である。このとき、６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６は、制御装置１０によってスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の開閉状態が切り換えられることにより、それぞれ３つの単電池からなる２つの組（組セルＡ及び組セルＢ）に分割される。組セルＡは、３つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ３が互いに並列接続されてなり、組セルＢは、３つの単電池ＢＴ４〜単電池ＢＴ６が互いに並列接続されてなる。また、組セルＡと組セルＢとは、ＡＣ／ＤＣ変換器２に対して並列接続された状態となる。

この第２の接続状態では、外部商用電源１から入力される交流２００Ｖ電圧がＡＣ／ＤＣ変換器２に備えられた整流回路によって直流２００Ｖに整流され、この直流２００Ｖが組電池の端子間電圧として印加される。このとき、組セルＡ及び組セルＢが並列接続とされているため、組セルＡ及び組セルＢの各々には、分圧された直流１００Ｖが印加される。すなわち、第２の接続状態においても、組セルＡ及び組セルＢのそれぞれに分圧された直流１００Ｖが印加されることによって、各単電池ＢＴ１〜ＢＴ６の端子間に直流１００Ｖが印加され、各単電池ＢＴ１〜ＢＴ６が充電される。そして、第２の接続状態において、ＡＣ／ＤＣ変換器２から組電池に供給される電流の経路は、図３中の矢印のようになる。

［第３の接続状態］
第３の接続状態は、図４に示すように、組電池内の６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６全てが正常状態である場合に、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を放電してインバータ４に電力を供給し、駆動モータ５を駆動させる場合の接続状態である。このとき、各単電池ＢＴ１〜ＢＴ６は、制御装置１０によってスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の開閉状態が切り換えられることにより、インバータ４に対して互いに直列接続された状態となる。

すなわち、この第３の接続状態では、直列接続された６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６から出力される直流６００Ｖの電圧をインバータ４に印加させる。そして、第３の接続状態において、バッテリモジュール３からインバータ４に供給される電流の経路は、図４中の矢印のようになる。

［その他の接続状態］
ところで、上述した第３の接続状態では、６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６が互いに直列接続されていることから、これら６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６のいずれか１つに内部抵抗の増大や容量低下等の電池特性の劣化が生じている場合、組電池全体としての電池特性も劣化してしまう虞がある。そこで、本実施形態に係る充放電制御システムにおいては、制御装置１０によって電池性能の低下が生じた単電池が検出された場合に、充電時或いは放電時に、組電池全体としての充電特性・放電特性の劣化を最小限とする回路構成とすることが可能とされている。

ここで、具体的な一例として、単電池ＢＴ６の電池特性に異常が検出された場合を想定し、この場合において各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を放電させて駆動モータ５を駆動する際のバッテリモジュール３の回路構成について、図５を参照しながら説明する。

この場合、制御装置１０は、異常が検出された単電池ＢＴ６と、この単電池ＢＴ６に隣接する正常な単電池ＢＴ５とを並列接続させ、並列接続とされた２つの単電池ＢＴ５，ＢＴ６と残りの４つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ４とを直列接続させる。そして、この接続状態において、組電池からインバータ４に供給される電流の経路は、図５中の矢印のようになる。これにより、異常が生じた単電池ＢＴ６からの取り出し電流を低減させることができるため、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６全体としての端子間電圧は、正常時の直流６００Ｖから低下するものの、出力する電流値を正常時とほぼ同等とすることができる。

充放電制御システムにおいては、異常が検出された単電池を他の正常な単電池と並列接続した状態で放電をさせることにより、異常が生じた単電池によって組電池全体としての電池特性の低下を最小限に抑制することができる。具体的には、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の何れかの電池性能が半減することによって、バッテリモジュール３全体としての電池性能が半減してしまうことを抑制することができる。

［充放電動作］
つぎに、充放電制御システムにおける充放電動作について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、上述したようにして各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の接続状態を切り換えるに際しては、電源電圧の値や各単電池の電池特性に応じて手動で切り換えるとしてもよいが、以下では、制御装置１０によって、外部商用電源１の電源電圧値や各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の電池特性に応じて自動的に接続状態を切り換える場合について説明する。

充放電制御システムは、先ず、制御装置１０により、ＡＣ／ＤＣ変換器２に外部商用電源１が接続されているか否かを判定する（ステップＳ１）。外部商用電源１が接続されている場合には、処理をステップＳ２に進め、接続されていない場合には、処理をステップＳ９に進める。

ステップＳ２においては、ＡＣ／ＤＣ変換器２に設けられた電圧検出器により、外部商用電源１の電源電圧を検出し、次に、ステップＳ３において、制御装置１０により、外部商用電源１の電源電圧が交流１００Ｖであるか否かを判定する。この判定の結果、電源電圧が交流１００Ｖである場合には処理をステップＳ４に進め、そうでない場合には処理をステップＳ６に進める。

ステップＳ４において、制御装置１０は、スイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１２の開閉状態を図２に示す状態に切り換えて、ＡＣ／ＤＣ変換器２に対して組セルＡと組セルＢとが直列接続とされた状態とする。次に、充放電制御システムは、外部商用電源１から入力された交流１００Ｖの電圧を、ＡＣ／ＤＣ変換器２の整流回路によって直流１００Ｖに整流させて各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に印加し、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の充電を開始する（ステップＳ５）。

一方、ステップＳ６において、制御装置１０は、外部商用電源１の電源電圧が交流２００Ｖであるか否かを判定する。この判定の結果、電源電圧が交流２００Ｖである場合には処理をステップＳ７に進め、そうでない場合には処理をステップＳ８に進める。

ステップＳ７において、制御装置１０は、組電池に備えられたスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の開閉状態を図３に示す状態に切り換えて、ＡＣ／ＤＣ変換器２に対して組セルＡと組セルＢとが並列接続とされた状態とする。次に、充放電制御システムは、外部商用電源１から入力された交流２００Ｖの電圧を、ＡＣ／ＤＣ変換器２の整流回路によって直流２００Ｖに整流させて各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に印加し、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の充電を開始する（ステップＳ５）。

ステップＳ８において、制御装置１０は、外部商用電源１の電源電圧が充放電制御システムにおける設計想定外の電圧であると判断し、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に損傷が生じる虞を防止するために充電動作を停止する。なお、本例では、ＡＣ／ＤＣ変換器２に接続される外部商用電源１が交流１００Ｖ又は交流２００Ｖである場合について説明しているが、他種類の外部商用電源１が接続された場合に、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に印加させる電圧を満充電時端子間電圧とするように接続関係を定義しておくことにより、あらゆるタイプの外部商用電源１に対応しても良い。

一方、ステップＳ９において、充放電制御システムは、ＡＣ／ＤＣ変換器２に用意された電圧検出器を用いて、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間電圧を検出し、次に、ステップＳ１０において、制御装置１０は、電池特性に異常が生じている単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６が存在するか否かを判定する。この判定の結果、異常な単電池が存在する場合には、処理をステップＳ１１に進め、存在しない場合には、処理をステップＳ１３に進める。

ステップＳ１１において、制御装置１０は、異常のある単電池と、当該異常のある単電池と隣接する単電池とを並列状態にする。これにより、組電池に備えられたスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の開閉状態を、例えば図５に示す状態（単電池ＢＴ６が異常である場合）に切り換える。

次に、ステップＳ１２において、充放電制御システムは、駆動モータ５及びインバータ４に要求される電力に応じて各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の放電を開始させて、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に蓄積された電力をインバータ４を介して駆動モータ５に供給させる。

ステップＳ１３において、制御装置１０は、駆動モータ５及びインバータ４に要求される電力に応じて組電池に備えられたスイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の開閉状態を図４に示す状態に切り換えて、処理をステップＳ１２に進め、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の放電を開始する。これにより、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に蓄積された電力をインバータ４を介して駆動モータ５に供給させる。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムによれば、複数の単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池と、外部商用電源１に接続される外部電源接続部であるＡＣ／ＤＣ変換器２とを備え、組電池を充電するに際して、外部商用電源１の電源電圧に応じて各単電池の接続状態を切り換えることができるので、電源電圧を各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間定格電圧（満充電時端子間電圧）に適合させて各単電池に印加させることができる。このため、外部商用電源１を各単電池の定格電圧に適合させる回路が不要となり、回路構成を簡略化して、低コスト化を図ることができる。具体的には、組電池を充電するに際して、組電池を構成する各単電池の端子間電圧を、各単電池の満充電時端子間電圧と同等となるよう接続状態に切り換えることができる。

また、この構成とする場合に、充放電制御システムは、外部商用電源１の電源電圧を検出し、検出された電源電圧を組電池に印加させて組電池を充電するに際して、組電池を構成する各単電池の端子間電圧を、満充電時端子間電圧と同等となるよう接続状態を切り換えることが望ましい。これにより、接続される外部電源の電源電圧に応じて、単電池の接続状態を自動的に切り換えることが可能となる。

また、この充放電制御システムによれば、ＡＣ／ＤＣ変換器２に外部商用電源１が接続された時に、外部商用電源１の電源電圧を検出して、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の接続状態を切り換えることができる。

具体的には、この充放電制御システムによれば、外部商用電源１の電源電圧が、予め設定された各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の満充電時端子間電圧と同等である場合には、一又は複数の単電池が並列接続されてなる組セルＡ，Ｂ（二次電池）に分割し、当該組セル間の接続状態を直列接続に切り換えて、当該直列接続された組セルＡ，Ｂの端子間に電源電圧を印加させることができる。一方、外部商用電源１の電源電圧が、予め設定された各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の満充電時端子間電圧よりも高い場合には、一又は複数の単電池が並列接続されてなる組セルＡ，Ｂに分割し、当該組セルＡ，Ｂ間の接続状態を並列接続に切り換えて、電源電圧を分圧させて各組セルＡ，Ｂに印加させることができる。

更にまた、この充放電制御システムによれば、組電池を放電させるに際して、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を直列に切り換えることにより、大きな電圧を出力することができる。

更にまた、この充放電制御システムによれば、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６のうち、電池特性に異常が検出された単電池がある場合には、当該異常がある単電池の接続状態を他の単電池に対して並列に切り換え、残りの単電池の接続状態を直列に切り換えるので、劣化した単電池による影響を最小限に抑制して、バッテリモジュール３全体としての出力電圧の低下を抑制することができる。

［第２の実施形態］
つぎに、本発明に係る第２の実施形態として、図７に示す充放電制御システムについて説明する。

図７に示す充放電制御システムは、第１実施形態として例示した充放電制御システムと比較して、組電池を充電するに際して独立したＡＣ／ＤＣ変換器２を用意せず、駆動モータ５を駆動するためのインバータ４’に用意された回路を利用する構成とされている点で異なる。すなわち、充放電制御システムにおいては、インバータ４’が第１実施形態におけるＡＣ／ＤＣ変換器２としての機能も果たしている。また、充放電制御システムにおけるバッテリモジュール３’の回路構成は、充放電制御システムでＡＣ／ＤＣ変換器２側に配設されているスイッチＳＷ１２に代えて、インバータ４’側にスイッチＳＷ１３が配設されているという点で異なる。

なお、充放電制御システムは、上記の点を除いて、上述した充放電制御システムの構成と同等であり、その動作も同等であることから、この充放電制御システムと同一又は同等の部位については同一の符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。

充放電制御システムにおけるインバータ４’は、その回路構成を図８に示すように、電気自動車の力行時に、駆動モータ５の３相コイル３４，３５，３６にそれぞれ電圧を印加させる出力端子４０，４１，４２が設けられている。また、バッテリモジュール３’の接続側の端子（一対の入力端子）間には、電圧平滑化用のコンデンサ２０と、バッテリモジュール３’からインバータ４’に印加される端子間電圧の値を検出する電圧センサ２１とが並列接続されている。

また、インバータ４’は、コイル３４に接続された上側スイッチング素子である電力用トランジスタ２２及び寄生ダイオード２８と下側スイッチング素子である電力用トランジスタ２３及び寄生ダイオード２９と、コイル３５に接続された上側スイッチング素子である電力用トランジスタ２４及び寄生ダイオード３０と下側スイッチング素子である電力用トランジスタ２５及び寄生ダイオード３１と、コイル３６に接続された上側スイッチング素子である電力用トランジスタ２６及び寄生ダイオード３２と下側スイッチング素子である電力用トランジスタ２７及び寄生ダイオード３３とが設けられている。

また、インバータ４’は、２つの出力端子４１，４２との前段に、外部商用電源１の正極端子が接続されるスイッチＳＷ２０，ＳＷ２１が配設されている。これらスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２１は、制御装置１０の制御によって開閉動作し、インバータ４’に対する外部商用電源１の接続及び非接続を切り換える。

このようなインバータ４’は、バッテリモジュール３’から駆動モータ５への電力供給時には、制御装置１０によってスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２１を制御することによって、電力用トランジスタ２２〜２７とコイル３４，３５，３６とを導通状態にさせる。そして、電力用トランジスタ２２〜２７を、図示しない制御回路によってデューティ制御させることによって、駆動モータ５に要求される駆動トルクに応じた電流を供給する。

また、インバータ４’は、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の充電時には、制御装置１０によってスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２１を制御することによって、外部商用電源１と寄生ダイオード３０〜３３とを導通状態にさせる。そして、寄生ダイオード３０〜３３を介して、外部商用電源１からバッテリモジュール３’に電流を供給させる。

ここで、充放電制御システムにおいては、上述した充放電制御システムと同様に、制御装置１０の制御により、各単電池ＢＴ１〜ＢＴ６及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ１３の接続状態が、以下で説明する第１の接続状態、第２の接続状態、又は第３の接続状態を取り得る構成とされている。

［第１の接続状態］
第１の接続状態は、図９に示すように、電源電圧が交流１００Ｖである外部商用電源１により単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池を充電する場合の接続状態である。ここで、外部商用電源１がインバータ４’に接続されると、制御装置１０は、スイッチＳＷ２０及びＳＷ２１を外部商用電源１と導通させる側に接続させ、外部商用電源１の電源電圧値が電圧センサ２１で検出される。この状態において、外部商用電源１が接続されたことによるインバータ４’の電流経路は、図８における点線及び一点鎖線で示すようになる。

そして、制御装置１０によってスイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１３の開閉状態が切り換えられることにより、６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６は、図９に示すように、それぞれ３つの単電池からなる２つの組（以下、組セルＡと組セルＢとする）に分割された構成とされる。組セルＡは、３つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ３が互いに並列接続されてなり、組セルＢは、３つの単電池ＢＴ４〜単電池ＢＴ６が互いに並列接続されてなる。また、組セルＡと組セルＢとは、インバータ４’に対して直列接続された状態となる。

この第１の接続状態では、外部商用電源１から入力される交流１００Ｖ電圧が寄生ダイオード３０〜３３及びコンデンサ２０によって直流１００Ｖに整流され、この直流１００Ｖが組セルＡの正極端子と組セルＢの負極端子との間に印加されて、直流１００Ｖが６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の各々に印加される。すなわち、第１の接続状態では、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間に直流１００Ｖが印加され、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６が充電される。そして、第１の接続状態において、組電池に供給される電流の経路は、図９中の矢印のようになる。

［第２の接続状態］
第２の接続状態は、図１０に示すように、電源電圧が交流２００Ｖである外部商用電源１により単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６からなる組電池を充電する場合の接続状態である。ここで、外部商用電源１がインバータ４’に接続されると、制御装置１０は、スイッチＳＷ２０及びＳＷ２１を外部商用電源１と導通させる側に接続させ、外部商用電源１の電源電圧値が電圧センサ２１で検出される。この状態において、外部商用電源１が接続されたことによるインバータ４’の電流経路は、図８における点線及び一点鎖線で示すようになる。

そして、制御装置１０によってスイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ１３の開閉状態が切り換えられることにより、６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６は、図１０に示すように、それぞれ３つの単電池からなる２つの組（組セルＡ及び組セルＢ）に分割される。組セルＡは、３つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ３が互いに並列接続されてなり、組セルＢは、３つの単電池ＢＴ４〜ＢＴ６が互いに並列接続されてなる。また、組セルＡと組セルＢとは、外部商用電源１に接続されたインバータ４’に対して直列接続された状態となる。

この第２の接続状態では、外部商用電源１から入力される交流２００Ｖ電圧が寄生ダイオード３０〜３３及びコンデンサ２０によって直流２００Ｖに整流され、この直流２００Ｖが組セルＡと組セルＢとに分圧されて、６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の各々に印加される。すなわち、第２の接続状態では、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の端子間に直流１００Ｖが印加され、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６が充電される。そして、第２の接続状態において、組電池に供給される電流の経路は、図１０中の矢印のようになる。

［第３の接続状態］
第３の接続状態は、図１１に示すように、組電池内の６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６全てが正常状態である場合に、組電池を放電してインバータ４’に電力を供給し、駆動モータ５を駆動する場合の接続状態である。ここで、インバータ４’では、制御装置１０によって、スイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２１が、電力用トランジスタ２２〜２７とコイル３４，３５，３６とが導通するように切り換えられる。

このとき、組電池内に設けられた６つの単電池ＢＴ１〜ＢＴ６は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１３の開閉状態が図１１に示すように切り換えられることにより、互いに直列接続された状態となる。すなわち、この第３の接続状態では、直列接続された６つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６から出力される直流６００Ｖの電圧がインバータ４’に入力される。そして、第３の接続状態において、組電池からインバータ４’に供給される電流の経路は、図１１中の矢印のようになる。

［その他の接続状態］
ところで、上述した第３の接続状態では、第１実施形態と同様に、何れかの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６に異常が検知された場合に、異常が検出された単電池を他の正常な単電池と並列接続した状態で放電をさせる。

充放電制御システムにおいて、制御装置１０によって単電池ＢＴ６の電池特性に異常が検出された場合を想定し、この場合において組電池を放電して駆動モータ５を駆動する際の組電池の回路構成について、図１２を参照しながら説明する。

この場合、制御装置１０は、異常が検出された単電池ＢＴ６と、この単電池ＢＴ６に隣接する正常な単電池ＢＴ５とを並列接続とさせ、並列接続とさせた２つの単電池ＢＴ５，単電池ＢＴ６と残りの４つの単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ４とを直列接続とさせる。そして、この接続状態において、組電池からインバータ４’に供給される電流の経路は、図１２中の矢印のようになる。

このように充放電制御システムにおいては、異常が検出された単電池を他の正常な単電池と並列接続した状態で放電をさせることにより、異常が生じた単電池によって組電池全体としての電池特性の低下を最小限に抑制することができる。具体的には、単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の何れかの電池性能が半減することによって、バッテリモジュール３’全体としての電池性能が半減してしまうことを抑制することができる。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムによれば、上述の第１実施形態に係る効果に加えて、外部商用電源１が接続されるようにインバータ４’を構成し、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６の充電時には、スイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２１を駆動モータ５側ではなく、バッテリモジュール３’側に切り換えて、寄生ダイオードで整流して、各単電池ＢＴ１〜単電池ＢＴ６を充電させることができる。これにより、独立した整流回路を用意することが不要となり、回路構成をさらに簡素化して低コスト化を図ることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

例えば、上述した実施形態においては、単電池の数が６つである場合を説明しているが、本発明においては単電池の数は任意であっても良く、上述したように接続関係を切り換えることによって、上述と同様の効果を発揮させることができる。

また、上述した実施形態においては、外部商用電源１として、電源電圧が交流１００Ｖ又は交流２００Ｖである場合について説明したが、本発明においては、外部電源から供給される電力の電圧値、或いは交流／直流の種別などは任意であっても良く、ＡＣ／ＤＣ変換器２又はインバータ４に接続された外部商用電源１を検出して、電源電圧値に応じて単電池の接続関係を切り換えることによって、上述と同様の効果を発揮させることができる。

また、上述の実施形態においては、組電池内の回路構成を切り換える手段として、機械式スイッチを図示しているが、例えば半導体スイッチなどを用いて回路構成を切り換えるとしてもよい。

さらに、上述の実施形態においては、組電池に蓄積された電力を出力する電気負荷として、インバータ４及び駆動モータ５を接続する場合について述べたが、組電池に接続する電気負荷は任意のものであっても良い。

本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムにおいて、電源電圧が交流１００Ｖである場合の充電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムにおいて、電源電圧が交流２００Ｖである場合の充電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムにおいて、放電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムにおいて、一部の単電池に異常が検知された場合の放電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る充放電制御システムによる動作手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムにおけるインバータ及び駆動モータの構成を示す回路図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムにおいて、電源電圧が交流１００Ｖである場合の充電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムにおいて、電源電圧が交流２００Ｖである場合の充電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムにおいて、放電時の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る充放電制御システムにおいて、一部の単電池に異常が検知された場合の放電時の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 外部商用電源
２ ＡＣ／ＤＣ変換器
３ バッテリモジュール
４ インバータ
５ 駆動モータ
２１ 電圧センサ

Claims (14)

1. 外部電源に接続される外部電源接続部と、
   複数の二次電池により構成され、当該各二次電池が前記外部電源接続部の端子間の電圧によって充電される組電池と、
   前記外部電源からの電力によって前記組電池を充電させるに際して、前記外部電源の電源電圧に応じて、前記外部電源接続部の端子間に対する各二次電池の接続状態を切り換えて、前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を可変とさせる接続状態制御手段と
   を備えることを特徴とする充放電制御システム。
2. 前記接続状態制御手段は、前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を、予め設定された前記二次電池の満充電時端子間電圧と同等となるように接続状態を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
3. 前記外部電源接続部に外部電源が接続された場合に、当該外部電源の電源電圧を検出する電源電圧検出手段を更に備え、
   前記接続状態制御手段は、前記電源電圧検出手段により検出された前記電源電圧を前記組電池の端子間電圧とし、前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を、予め設定された前記二次電池の満充電時端子間電圧と同等となるように接続状態を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の充放電制御システム。
4. 前記接続状態制御手段は、
   前記外部電源の電源電圧が、予め設定された各二次電池の満充電時端子間電圧と同等である場合には、一又は複数の前記二次電池が並列接続されてなる二次電池群に分割し、当該二次電池群間の接続状態を直列接続に切り換えて、当該直列接続された二次電池群の端子間に前記電源電圧を印加させ、
   前記外部電源の電源電圧が、予め設定された各二次電池の満充電時端子間電圧よりも高い場合には、一又は複数の前記二次電池が並列接続されてなる二次電池群に分割し、当該二次電池群間の接続状態を並列接続に切り換えて、前記電源電圧を分圧させて前記各二次電池群に印加させることを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
5. 前記外部電源接続部は、前記組電池に充電された電力を放電させて交流電圧に変換して電気負荷に出力するインバータであり、前記組電池を充電させるに際して、当該インバータ内の整流回路によって前記外部電源の電源電圧を前記組電池に印加させることを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
6. 前記接続状態制御手段は、前記組電池を放電させるに際して、前記組電池を構成する各二次電池の接続状態を直列に切り換えることを特徴とする請求項５に記載の充放電制御システム。
7. 前記接続状態制御手段は、前記組電池を放電させるに際して、前記組電池を構成する複数の二次電池のうち、劣化した二次電池の接続状態を他の二次電池に対して並列に切り換え、残りの二次電池の接続状態を直列に切り換えることを特徴とする請求項６に記載の充放電制御システム。
8. 外部電源接続部に外部電源が接続され、
   当該外部電源接続部の端子間の電圧によって複数の二次電池により構成される組電池を充電させるに際して、
   前記外部電源の電源電圧に応じて、前記外部電源接続部の端子間に対する各二次電池の接続状態を切り換えて、前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を可変とさせる状態とし、
   前記組電池の端子間に前記外部電源の電源電圧を印加させて、各二次電池を充電させること
   を特徴とする組電池の充放電方法。
9. 前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を、予め設定された前記二次電池の満充電時端子間電圧と同等となるように接続状態を切り換えることを特徴とする請求項８に記載の組電池の充放電方法。
10. 前記外部電源接続部に外部電源が接続された場合に、当該外部電源の電源電圧を検出し、
    検出した前記電源電圧を前記組電池の端子間電圧とし、前記組電池を構成する各二次電池の端子間電圧を、予め設定された前記二次電池の満充電時端子間電圧と同等となるように接続状態を切り換えることを特徴とする請求項９に記載の組電池の充放電方法。
11. 前記外部電源の電源電圧が、予め設定された各二次電池の満充電時端子間電圧と同等である場合には、一又は複数の前記二次電池が並列接続されてなる二次電池群に分割し、当該二次電池群間の接続状態を直列接続に切り換えて、当該直列接続された二次電池群の端子間に前記電源電圧を印加させ、
    前記外部電源の電源電圧が、予め設定された各二次電池の満充電時端子間電圧よりも高い場合には、一又は複数の前記二次電池が並列接続されてなる二次電池群に分割し、当該二次電池群間の接続状態を並列接続に切り換えて、前記電源電圧を分圧させて前記各二次電池群に印加させることを特徴とする請求項８に記載の組電池の充放電方法。
12. 前記外部電源接続部が、前記組電池に充電された電力を放電させて交流電圧に変換して電気負荷に出力するインバータであって、
    前記インバータに前記外部電源が接続され、
    前記組電池を充電させるに際して、当該インバータ内の整流回路によって前記外部電源の電源電圧を前記組電池に印加させることを特徴とする請求項８に記載の組電池の充放電方法。
13. 前記組電池を放電させるに際して、前記組電池を構成する各二次電池の接続状態を直列に切り換えることを特徴とする請求項１２に記載の組電池の充放電方法。
14. 前記組電池を放電させるに際して、前記組電池を構成する複数の二次電池のうち、劣化した二次電池が存在するかを検出し、
    劣化した二次電池の接続状態を他の二次電池に対して並列に切り換え、残りの二次電池の接続状態を直列に切り換えることを特徴とする請求項１３に記載の組電池の充放電方法。
    

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