JP2008228449A - 電池の充放電回路スイッチ制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電動作のいずれにおいても、異常電池を直流給電母線から切り離せるようにする。
【解決手段】電池Ｂ１〜Ｂｎを複数個並列接続した電池電源と、この電池電源を充電する発電機Ｇとを直流給電母線ＢＳを介して接続してなるとともに直流給電母線ＢＳを介して負荷への電力供給を行うハイブリッド電源システムにおいて、充放電回路スイッチのダイオードＤ１〜Ｄｎに保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎと限流抵抗器ＲＳ１〜ＲＳｎを直列に挿入することにより、放電電流を抑制しながら異常電池を直流給電母線から完全に切離すことができるようにし、ダイオードを含む充放電回路スイッチの小型，軽量化とコストダウンを図る。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車または電気推進船舶などに搭載される複数の電池を並列接続した電池電源、および、この電池電源を充電する発電機を備えたハイブリッド電源システムにおいて、複数電池のそれぞれに接続される機械式接点スイッチおよび半導体スイッチなどからなる充放電回路スイッチの制御方式に関する。

図１０に、例えば特許文献１に開示されている電池の充放電スイッチ制御方式（方式１）を示し、図１１に、出願人が先に出願した例（特願２００６−１４３６５６号：方式２）を示す。なお、図１０，図１１において、ＢＳは直流給電母線、ＳＷ１〜ＳＷｎは機械式接点スイッチ、Ｑ１〜Ｑｎは半導体スイッチ、Ｄ１〜Ｄｎはダイオード、ＳＷＧは発電機スイッチ、ＳＨ１〜ＳＨｎは電流検出器、Ｇは発電機、Ｌは補機動力系統、Ｍは推進電動機、Ｂ１〜Ｂｎはリチウム電池等の電池（単体で示されているが、実際は複数の電池が直列接続されて電池群を形成している）、ＶＤ１〜ＶＤｎは電圧検出器、ＣＴは電池充放電＆状態監視制御装置である。

図１０，図１１では、電池Ｂ１〜Ｂｎと直流給電母線ＢＳ間に充放電回路スイッチを挿入して構成されている。図１０ではこの充放電回路スイッチが、機械式接点スイッチとダイオードとの並列接続回路であるのに対し、図１１では機械式接点スイッチと半導体スイッチとダイオードとの並列接続回路である点が異なる程度で、基本的には同様の機能，動作を行なうので、以下ではまとめて説明し異なる点を別に説明するものとする。

すなわち、方式１の充放電回路スイッチは、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、これに並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄｎから構成され、通常の充放電電流は機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの接点を介して流すものであって、充電動作では満充電になった電池Ｂ１〜Ｂｎから機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを順次ＯＦＦして、電池の充電を完了させる。全ての電池が満充電状態になれば、全ての充放電回路スイッチはＯＦＦし、全ての電池は直流給電母線ＢＳから切り離される。つまり、満充電状態の電池は直流給電母線から切り離されるから、直流給電母線への電力供給は発電機Ｇが行なうことになる。

方式２の充放電回路スイッチは、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎと並列接続のダイオードＤ１〜Ｄｎから構成され、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを介して通電させる一方、小電流充電領域では半導体スイッチＱ１〜Ｑｎによる通電とオン，オフ動作をさせるものであって、充電動作では、小電流領域になれば機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＦＦして、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎにより電池Ｂ１〜Ｂｎの充電を行ない、満充電になった電池から順次、半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＦＦして充電を完了させる。全ての電池が満充電状態になれば、全ての半導体スイッチはＯＦＦして全ての電池は直流給電母線から切り離される。

すなわち、満充電状態の電池は直流給電母線ＢＳから切り離されるから、直流給電母線への電力供給は発電機Ｇが行なうことになるのは、方式１の場合と同じである。
ところで、この状態で発電機Ｇが停止すると、発電機から直流給電母線への電力供給が停止されるから、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄｎを介して、電池Ｂ１〜Ｂｎから図１０，図１１の経路（１）により、直流給電母線へ電力が供給される。

このとき、電池が放電動作に移行したことを電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴが検出すると、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＮしてダイオードＤ１〜Ｄｎを短絡し、図１０，図１１の放電経路を（１）から（２）へ移行させる。また、放電動作中に電池に異常が発生したときは、電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴが異常を検出して、該当する電池に対応する機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＦＦするが、ダイオードＤ１〜Ｄｎが直流給電母線に接続されているため、異常電池の切離しはできない。
なお、ダイオードを設けたのは、満充電によって全ての電池が直流給電母線から切り離された状態から放電動作に移行するとき、機械式接点スイッチの動作遅れ時間の間、直流給電母線の瞬断（瞬停）が発生しないようにするためで、ダイオードは機械式接点スイッチがＯＮするまでの短時間通電ができれば良い。

充放電動作，浮動動作，発電機停止動作および発電機に異常が発生したときの動作等において、可能な限りダイオードに電流を流さないようにすれば、ダイオード容量の低減による小型，軽量化でコストダウンが可能となる。
ところで、充放電回路スイッチをＯＮ−ＯＦＦする動作、および発電機の給電停止動作について考えると、次の図１２（ａ），（ｂ）の「予測可能な動作」と、図１３（ａ），（ｂ）の「予測不可能な動作」に分類することができる。

[予測可能な動作]
図１２（ａ）：パターン１（充電完了状態での発電機通常停止操作）
これは、全ての電池が満充電になった時刻ｔ１で充放電回路スイッチがＯＦＦした状態から、発電機を停止する場合の動作パターンである。
操作員の意志により時刻ｔ２で発電機の停止操作を行なうと、これと連動して機械式接点スイッチにＯＮ指令を与え、動作遅れ時間後のｔ３で接点がＯＮしてダイオードを短絡し、直流給電母線へは接点を介して電池の放電電流を流す。その後、時刻ｔ４で発電機電圧を０Ｖに操作し、時刻ｔ５で発電機スイッチＳＷＧをＯＦＦにする。
このような操作手順で充放電回路スイッチの操作および発電機の停止操作を行なえば、発電機停止操作過程においてダイオードＤ１〜Ｄｎに放電電流が流れる動作は行なわれない。

なお、図１２（ａ）に示されているように、時刻ｔ１までの期間、例えば電池Ｂ１が充電動作中であって対応する機械式接点スイッチＳＷ１がＯＮ状態となっている場合、電池Ｂ１の端子電圧ＶＢ１はＶＢ１＝ｅＢ１＋ΔＶ＝ｅＢ１＋（ＲＢ１＊ＩＢ１）＝ＶＢＬとなっている。ここで、ＲＢ１、ｅＢ１およびＩＢ１はそれぞれ電池Ｂ１の電池内部抵抗、電池内部起電圧および電池電流であり、また、ＶＢＬは直流給電母線電圧である。そして、時刻ｔ１で電池Ｂ１の充電が完了し機械式接点スイッチＳＷ１がＯＦＦすると、電池Ｂ１が開放状態（ＩＢ１＝０）になることにより、ΔＶ＝ＲＢ１＊ＩＢ１＝０となるので、端子電圧ＶＢ１は直流給電母線電圧ＶＢＬよりもΔＶだけ低下した電圧となる。このように、電池Ｂ１〜Ｂｎの機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがＯＦＦしているｔ１〜ｔ３の期間、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎはいずれも直流給電母線電圧ＶＢＬよりもΔＶだけ低下した電圧となる。時刻ｔ３で機械式接点スイッチがＯＮすると、時刻ｔ１以前の充電動作状態に復帰し充電電流が流れるので、発電機電圧が零電圧となる時刻ｔ４までの期間、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎは、上記のΔＶにほぼ相当する分だけ上昇して電圧ＶＢＬ１となる。時刻ｔ４で発電機電圧が零電圧になると、各電池は充電動作状態から放電動作状態に移行し、各電池から負荷に向けて放電電流（＝負荷電流）が流れるので、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子電圧および直流給電母線ＢＳの電圧は、いずれも電池のＩ−Ｖ特性によって決まる動作点の電圧ＶＢＬ２に低下する。
また、図１２（ａ）では、全ての電池が満充電になる時刻ｔ１までの期間、機械式接点スイッチがＯＮとなっており、全ての充電動作が機械式接点スイッチにより行われる図１０（方式１）の場合の動作パターンが示されているが、図１１（方式２）の場合には、全ての電池が満充電になる時刻ｔ１までの小電流充電領域の期間では半導体スイッチにより充電動作が行われる。

図１２（ｂ）：パターン２（充電動作中での浮動操作）
パターン２は、充電動作中において浮動操作を行なったときの動作パターンである。
操作員の意志により時刻ｔ１で浮動操作スイッチをＯＮに操作すると、これと連動して機械式接点スイッチにＯＦＦ指令が与えられ、動作遅れ時間後の時刻ｔ２で接点がＯＦＦする。時刻ｔ２で機械式接点スイッチがＯＦＦすると、各電池Ｂ１〜Ｂｎの充電動作が停止することにより、各電池の端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎがｔ２以前の充電動作状態における直流給電母線電圧ＶＢＬの電圧レベルから、電池の開放電圧の電圧レベルに低下するので、各電池Ｂ１〜Ｂｎに対応するダイオードＤ１〜Ｄｎはいずれも逆バイアス状態となり、発電機電圧をブロックする状態となる。そして、時刻ｔ３で、発電機電圧ＶＧを時刻ｔ３以前の充電動作用電圧レベルよりさらにやや高めの浮動動作用電圧レベルまで上昇させて、ダイオードによるブロック状態をより安定したものとし、充放電電流を零とする浮動動作状態を安定したものとする。

操作員の意志により時刻ｔ５で浮動操作スイッチをＯＦＦにすると、時刻ｔ６で発電機電圧を浮動動作用電圧レベルより時刻ｔ３以前の充電動作用電圧レベルに戻してから、機械式接点スイッチにＯＮ指令が与えられる。なお、時刻ｔ６で発電機電圧を時刻ｔ３以前の充電動作用電圧レベルに戻したときには、機械式接点スイッチはまだＯＦＦ状態であり、各電池Ｂ１〜Ｂｎの充電動作は停止したままである。このため、各電池Ｂ１〜Ｂｎに対応するダイオードＤ１〜Ｄｎはいずれも逆バイアス状態のままであって、発電機電圧をブロックする状態となっており、浮動動作状態が保たれている。そして、動作遅れ時間後の時刻ｔ７で機械式接点スイッチの接点がＯＮすると、ダイオードが短絡されるとともに、その接点を介して各電池が直流給電母線に接続され、各電池は時刻ｔ２以前の充電動作状態に復帰し、各電池の端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎの電圧レベルが直流給電母線電圧ＶＢＬの電圧レベルに復帰する。

[予測不可能な動作]
図１３（ａ）：パターン３（充電完了状態での発電機スイッチ断動作）
このパターン３は、充電が完了して機械式接点スイッチがＯＦＦの状態で何らかの理由、例えば発電機制御異常、過電流発生など予期せぬ異常状態によって発電機スイッチＳＷＧがトリップしたときの動作パターンである。
時刻ｔ１で発電機スイッチＳＷＧがトリップすると、発電機は直流給電母線ＢＳから切り離されて給電が停止するから、直流給電母線へはダイオードを介して電池の放電動作が開始される。なお、図１３（ａ）では、発電機電圧のパターンとして、時刻ｔ１で低下する第１のパターン（太い実線）と時刻ｔ３で低下する第２のパターン（細い実線）とが描かれているが、第１のパターンは時刻１での発電機スイッチのトリップによる発電機からの給電の停止を示すものであり、第２のパターンは発電機スイッチがトリップした後の時刻ｔ３での停止操作による発電機自体の停止を示すものである。この点は、後述の図３（ａ）でも同様である。

このとき、放電が開始されたことを検知して機械式接点スイッチにＯＮ指令を与えるが、動作遅れ時間のため時刻ｔ２で接点がＯＮしてダイオードを短絡するとともに、機械式接点スイッチの接点を介して電池の放電が行なわれる。すなわち、ダイオードは機械式接点スイッチの接点がＯＮするまでの動作遅れ時間ｔ１〜ｔ２期間中は、通電状態となる。
なお、ダイオードの通電動作は、機械式接点スイッチがＯＦＦの状態で、発電機を停止したときにのみ発生する。機械式接点スイッチがＯＮの状態で発電機を停止した場合には、機械式接点スイッチを介して即座に充電から放電動作に移行するので、ダイオードの通電動作はない。
なお、図１３（ａ）に示されているように、ｔ０〜ｔ１の期間では、全ての電池の充電動作が完了して機械式接点スイッチがＯＦＦしていることにより直流給電母線ＢＳから切離された状態であることから、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎは、直流給電母線電圧ＶＢＬよりΔＶ（≒ＲＢ１＊ＩＢ１〜ＲＢｎ＊ＩＢｎ）だけ低い、電池の開放電圧（≒ｅＢ１〜ｅＢｎ）の電圧レベルとなっている。ここで、ＲＢ１〜ＲＢｎ、ｅＢ１〜ｅＢｎおよびＩＢ１〜ＩＢｎはそれぞれ電池Ｂ１〜Ｂｎの電池内部抵抗、電池内部起電圧およびｔ０以前での充電電流である。また、ｔ１以後の期間では、各電池から負荷に向けてダイオードあるいは機械式接点スイッチを介して放電電流（＝負荷電流）が流れるので、各電池ＶＢ１〜ＶＢｎの端子電圧および直流給電母線ＢＳの電圧はいずれも電池のＩ−Ｖ特性によって決まる動作点の電圧ＶＢＬ１まで低下する。

図１３（ｂ）：パターン４（充電動作中での異常電池切離し動作）
このパターン４は、充電動作中に、並列接続された複数の電池うち一部に異常が発生した場合に異常電池を切り離すときの動作パターンである。
並列接続された複数の電池Ｂ１〜Ｂｎのうち一部の電池（例えばＢ１）に時刻ｔ１で異常が発生すると、電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴが異常を検出して、該当する異常電池（Ｂ１）に対応する機械式接点スイッチ（ＳＷ１）にＯＦＦ指令を与えて動作遅れ時間後の時刻ｔ２でＯＦＦさせて異常電池（Ｂ１）を直流給電母線ＢＳから切離す。なお、図１３（ｂ）に示されているように、このとき、切離された異常電池（Ｂ１）の端子電圧（ＶＢ１）は電池の開放電圧の電圧レベル（図中の点線）となるが、他の健全電池（Ｂ２〜Ｂｎ）は充電動作が継続されるので、その端子電圧（ＶＢ２〜ＶＢｎ）は直流給電母線電圧ＶＢＬの電圧レベルに維持される。

特開２００５−３１２１９５号公報

以上のように、上記方式１，２では、放電動作時には異常電池を直流給電母線から切り離すことができないという問題がある。これは、放電動作時は機械式接点スイッチに並列接続された順バイアス状態のダイオードにより電池から直流給電母線への放電回路が形成されているためである。
したがって、この発明の課題は、充放電動作のいずれにおいても、異常電池を直流給電母線から切離せる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、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、通常の充放電電流は前記機械式接点スイッチの接点を介して流し、機械式接点スイッチがオフの充電停止状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする。

請求項２の発明では、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードに半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電領域では前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせ、機械式接点スイッチがオフの状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする。

請求項３の発明では、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと限流抵抗と保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、通常の充放電電流は前記機械式接点スイッチの接点を介して流し、機械式接点スイッチがオフの充電停止状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする。

請求項４の発明では、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと限流抵抗との直列回路に半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電領域では前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせ、機械式接点スイッチがオフの状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする。
請求項１ないし４のいずれかの発明においては、前記機械式接点スイッチの代わりに、配線用遮断器を設けることができる（請求項５の発明）。

（１）上述のように、この発明によれば、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、前記各電池と直流給電母線との間に挿入する充放電回路スイッチとして、次のような構成を適用する。
（イ）請求項１の発明の充放電回路スイッチ：
ダイオードと保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる構成である。
（ロ）請求項２の発明の充放電回路スイッチ：
ダイオードに半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる構成である。
（ハ）請求項３の発明の充放電回路スイッチ：
ダイオードと限流抵抗と保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる構成である。この構成は、請求項１の発明の充放電回路スイッチにおけるダイオードと保護スイッチとの直列回路をダイオードと限流抵抗と保護スイッチとの直列回路に置き換えた構成となっている。
（ニ）請求項４の発明の充放電回路スイッチ：
ダイオードと限流抵抗との直列回路に半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる構成である。この構成は、請求項２の発明の充放電回路スイッチにおけるダイオードをダイオードと限流抵抗との直列回路に置き換えた構成となっている。

（２）まず、請求項１ないし４のいずれの発明の充放電回路スイッチも、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部と、少なくともダイオードからなる第２の放電回路部とが並列接続された回路構成によって放電動作を行なうものとなっている。このため、請求項１ないし４のいずれの発明によっても、上述の方式１（図１０）や方式２（図１１）と同様に、機械式接点スイッチがオフの状態から放電を開始するときに、機械式接点スイッチがオンするまでの機械的遅れの期間中、機械式接点スイッチに並列接続された順バイアス状態のダイオードにより電池から直流給電母線への放電回路が形成されるため、ダイオードを介して放電電流を流すことができるので、充放電動作切替過程，および発電機が給電を停止する過程などにおいて、直流給電母線に瞬停が発生しないようにすることができる。

（３）次に、請求項１ないし４のいずれの発明の充放電回路スイッチでも、上記第２の放電回路部においてダイオードに対して少なくとも保護スイッチが直列に挿入されている。このため、請求項１ないし４のいずれの発明によっても、次のような作用効果が奏される。
（イ）ダイオードに対して直列の接続関係で保護スイッチが設けられていることにより、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチをオフさせることによって、ダイオードにより形成されている放電回路を開路することができるので、放電動作中であっても異常電池を直流給電母線から切り離すことができる。
（ロ）機械式接点スイッチに対して並列接続された第２の放電回路部に保護スイッチが設けられていることにより、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおいて保護スイッチを機械式接点スイッチのオフよりも時間的に先行してオフさせることができ、このような操作手順とすれば、保護スイッチ自体としては異常電池からの放電電流が流れている状態での開路動作を行う必要がない。このため、保護スイッチの開路（遮断）容量は小さいものとすることができ、放電動作中での異常電池切り離しを可能とするために保護スイッチを設けた構成であっても、充放電回路スイッチ全体の形状の大形化や重量増大およびコストアップを抑制することができる。

なお、この点に関し、放電動作中での異常電池切り離しを可能とするための方式として、上述の方式１（図１０）や方式２（図１１）における充放電回路スイッチ全体の外部に充放電回路スイッチ全体に対して直列に保護スイッチを設ける方式も考えられるが、このような方式では、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部とダイオードからなる第２の放電回路部とが並列接続された回路の全体に対して保護スイッチが直列接続された回路構成によって放電動作を行なうものとなるので、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける機械式接点スイッチと保護スイッチとをどのような操作手順でオフ操作しても、保護スイッチ自体によって異常電池からの放電電流が流れている状態での開路動作を行なう必要がある。このため、保護スイッチの開路（遮断）容量は大きいものとなり、放電動作中での異常電池切り離しを可能とするために保護スイッチを設けた構成として、充放電回路スイッチを含むスイッチ部全体としての形状の大形化や重量増大およびコストアップが問題となる。

（４）次に、請求項３または４の発明の充放電回路スイッチでは、上記第２の放電回路部においてダイオードおよび保護スイッチに対してさらに限流抵抗が直列に挿入されている。このため、請求項３または４の発明によれば、さらに次のような作用効果が奏される。
（イ）ハイブリッド電源システムにおいて例えば発電機制御異常、過電流発生など予期せぬ異常状態によって発電機から直流給電母線への給電が停止した場合であって、その時点で各電池に対応する充放電回路スイッチにおける機械式接点スイッチがオフの状態となっていた場合には、機械式接点スイッチがオンするまでの機械的遅れの期間中はダイオードを介して放電電流を流し、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるという放電動作が行われる。この場合、請求項３または４の発明の充放電回路スイッチでは、ダイオードおよび保護スイッチに対して直列の接続関係で限流抵抗が設けられていることにより、発電機の給電が停止した時点から機械式接点スイッチがオンする時点までの期間にダイオードおよび保護スイッチを過渡的に流れる放電電流が、その後に機械式接点スイッチの接点を介して流れる放電電流よりも小さい電流値に抑制される。

（ロ）放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおいて機械式接点スイッチのオフを確認してから保護スイッチをオフさせる操作手順とした場合には、機械式接点スイッチがオフした時点から保護スイッチがオフする時点までの期間、異常電池からの放電電流がダイオードおよび保護スイッチを過渡的に流れるが、請求項３または４の発明の充放電回路スイッチでは、ダイオードおよび保護スイッチに対して直列の接続関係で限流抵抗が設けられていることにより、異常電池から直流給電母線に到る放電回路での電池内部抵抗を含む回路抵抗が異常電池の内部抵抗に限流抵抗の抵抗分を加えた大きな抵抗値となる。そして、上記期間中も、異常電池以外の健全電池では対応する充放電回路スイッチにおける機械式接点スイッチの接点を介して放電電流を流しているので、健全電池から直流給電母線に到る放電回路での電池内部抵抗を含む回路抵抗は、ほぼ健全電池の内部抵抗に相当する小さい抵抗値となっている。このため、上記期間中、並列接続されてなる異常電池と健全電池との各放電電流の配分関係として、異常電池側の回路抵抗が限流抵抗の分だけより大きくなっていることにより、異常電池側の放電電流はより低い電流値に抑制されたものとなる。
（ハ）上記（イ）、（ロ）のように、限流抵抗によって、充放電回路スイッチにおけるダイオードが通電している期間中にダイオードおよび保護スイッチを流れる電流が抑制されるので、ダイオードの通電容量低減と、保護スイッチの通電容量低減，開路容量（遮断容量）低減を図ることができ、ダイオードの小型，軽量化と充放電回路スイッチの小型，軽量化およびコストダウンを図ることができる。

この発明によれば、電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行うハイブリッド電源システムにおいて、前記各電池と直流給電母線との間に挿入する充放電回路スイッチの構成として、まず、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部と、少なくともダイオードからなる第２の放電回路部とが並列接続された回路構成によって放電動作を行うものとしていることにより、充放電動作切替過程および発電機が給電を停止する過程などにおいて、直流給電母線に瞬停が発生しないようにすることができる。

また、上記充放電回路スイッチの第２の放電回路部においてダイオードに対して少なくとも保護スイッチが直列に挿入されていることにより、放電動作中であっても異常電池を直流給電母線から切り離すことができる。
また、上記充放電回路スイッチの第２の放電回路部においてダイオードおよび保護スイッチに対してさらに限流抵抗が直列に挿入されている構成とした場合には、限流抵抗によって、充放電回路スイッチにおけるダイオードが通電している期間中にダイオードおよび保護スイッチを流れる電流が抑制されるので、ダイオードの通電容量低減と、保護スイッチの通電容量低減，開路容量（遮断容量）低減を図ることができ、ダイオードの小型，軽量化と充放電回路スイッチの小型，軽量化およびコストダウンを図ることができる。

図１は、この発明の実施の形態を示す構成図であり、上記図１０の方式１を改良した方式１ａを示すものである。この方式１ａは、図１０（方式１）と同様な、複数個のリチウム電池等の電池Ｂ１〜Ｂｎを並列接続した電池電源と、この電池電源を充電する発電機Ｇとを直流給電母線ＢＳを介して接続してなるとともに直流給電母線ＢＳを介して補機動力系統Ｌや推進電動機Ｍの負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、各電池Ｂ１〜Ｂｎと直流給電母線ＢＳとの間に挿入する充放電回路スイッチとして、ダイオードＤ１〜Ｄｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎと保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎとの直列回路を、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに並列接続してなる構成、すなわち、方式１に示す充放電回路スイッチにおけるダイオードＤ１〜Ｄｎに、保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎを直列に接続した構成を適用し、異常電池の直流給電母線からの切離し保護を行なうものである。なお、ＧＣは発電機制御装置を示している。
また、図１（方式１ａ）のハイブリッド電源システムにおける電池電源および発電機Ｇは、電池の充電状態や負荷の大きさなどに応じて、例えば次のような動作を行なう。

（イ）発電機Ｇにより電池電源の電池Ｂ１〜Ｂｎを充電しながら補機動力系統Ｌや推進電動機Ｍの負荷へ電力を供給する動作。
（ロ）補機動力系統Ｌや推進電動機Ｍの負荷が増加したとき、発電機Ｇと電池電源との両方から電力を供給する動作。
（ハ）発電機Ｇが停止している状態において、電池電源により負荷へ電力を供給する動作。
（ニ）発電機Ｇにより電池電源の電池Ｂ１〜Ｂｎを充電するだけの動作。

図１の構成（方式１ａ）における異常電池切離し動作および発電機スイッチ断動作の場合の動作パターンを図２〜３により説明する。
図２（ａ）：パターン４Ｂ１（放電動作中での異常電池切離し動作）
図２（ａ）は、図１で放電動作中に異常電池を直流給電母線から切離すときの動作、すなわち動作パターン４Ｂ１の説明図である。
複数の電池を並列接続した構成で放電動作中に、特定の電池において他の健全電池に対して電池内部抵抗増加または内部起電圧低下等の異常が発生すると、健全側電池と異常側電池の相互間に放電電流差が生じる。図５は、電池２台を並列接続した場合に、一方の電池内部抵抗が変化したときの健全側電池と異常側電池の放電電流差の変化例を示している。

いま、健全側電池Ｂａの内部抵抗値ＲＢａを１０％Ω、異常側電池Ｂｂの内部抵抗値ＲＢｂが２０％Ωに増加したと仮定すると、健全側電池Ｂａの放電電流はａ１＝１３３％Ａに増加、異常側電池Ｂｂの放電電流はｂ１１＝６７％Ａに減少し、直流給電母線電圧ＶＢＬは９０％Ｖから若干低下して負荷へ放電電流を流す。各電池間での放電電流のバラツキ状態等に基づく異常電池判別方法により異常と判定された異常側電池Ｂｂの機械式接点スイッチＳＷｂ（図１のＳＷ１〜ＳＷｎ）をＯＦＦにするとともに、保護スイッチＳＷｆｂ（図１のＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）をＯＦＦさせる。

図２（ａ）の時刻ｔ１で異常が検出されると、異常側電池Ｂｂの機械式接点スイッチＳＷｂ（図１のＳＷ１〜ＳＷｎ）にＯＦＦ指令が与えられるので、動作遅れ時間後の時刻ｔ２で接点がＯＦＦし放電電流はダイオードに転流する。ここでは、機械式接点スイッチの接点がＯＦＦしたことを確認してから、保護スイッチにＯＦＦ指令を与えるが、保護スイッチの接点がＯＦＦするまでのｔ２〜ｔ３期間は、ダイオードＤｂ（図１のＤ１〜Ｄｎ）→限流抵抗ＲＳｂ（図１のＲＳ１〜ＲＳｎ）→保護スイッチＳＷｆｂ（図１のＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）の経路で放電電流が流れる。このとき、異常側電池と直流給電母線間の回路抵抗は、電池内部抵抗ＲＢｂ（図１のＲＢ１〜ＲＢｎ）と限流抵抗ＲＳｂ（図１のＲＳ１〜ＲＳｎ）の合成抵抗＝ＲＢｂ（図１のＲＢ１〜ＲＢｎ）＋ＲＳｂ（図１のＲＳ１〜ＲＳｎ）となる。

なお、図２（ａ）に示されているように、時刻ｔ１で異常が発生すると、その異常電池（例えばＢ１）の放電電流（ＩＢ１）がＩＢｆ１の電流値まで減少するので、健全電池（例えばＢ２〜Ｂｎ）側の負担分となる放電電流が増加し、これにより、直流給電母線電圧は若干低下する。時刻ｔ２で異常電池（Ｂ１）に対応する機械式接点スイッチ（ＳＷ１）がＯＦＦすると、異常電池（Ｂ１）の放電電流（ＩＢ１）はダイオード（Ｄ１）と限流抵抗（ＲＳ１）と保護スイッチ（ＳＷｆ１）との直列回路に転流するので、異常電池（Ｂ１）の放電電流（ＩＢ１）は、限流抵抗（ＲＳ１）の抑制効果によって、さらにＩＢｆ２の電流値まで減少する。このため、健全電池（Ｂ２〜Ｂｎ）側の負担分となる放電電流がさらに増加し、直流給電母線電圧はさらに低下する。時刻ｔ３で異常電池（Ｂ１）に対応する保護スイッチ（ＳＷｆ１）がＯＦＦすると、異常電池（Ｂ１）の放電電流（ＩＢ１）は零となるので、異常電池（Ｂ１）の端子電圧（ＶＢ１）は、電池の開放電圧の電圧レベルであって、放電動作状態での直流給電母線電圧よりも高い電圧レベルとなる。

図５において、限流抵抗ＲＳｂ（ＲＳ）値を０％Ω，２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωのように変化させると、異常側電池の内部抵抗２０％Ωとの合成抵抗値は２０％Ω，４０％Ω，５０％Ω，６０％Ω，７０％Ωと変化し、健全側電池Ｂａの電流は図５に示すａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５、異常側電池Ｂｂの電流はｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４，ｂ１５と変化する。
すなわち、限流抵抗ＲＳｂ値を増加させるとダイオードに流れる電流が減少し、健全側電池電流は増加する傾向を示す。

図６は電池並列数を変化させたときの、健全側電池と異常側電池の放電電流変化例を示す。
電池２並列接続の場合の放電電流分担は、上記と同じく健全側電池の内部抵抗値１０％Ω、異常側電池の内部抵抗値２０％Ωにおいて、前者が１３３％Ａ、後者が６７％Ａ、合計２００％Ａ（定格１００％Ａ電池２並列＝１００％Ａ×２＝２００％Ａ）の放電電流を流すが、並列数２Ｐを最小並列数として４Ｐ，６Ｐ，８Ｐ，１０Ｐと変化させたときに、電池内部抵抗が２０％Ωに増加した異常電池が1組発生したときの、残りの健全電池との電流差を示している。

例えば、限流抵抗ＲＳを挿入しないＲＳ＝０％Ωの場合は、異常電池の放電電流ＩＢは電池並列数２Ｐ〜１０ＰによってＩＢ（２Ｐ）＝６７％Ａ〜ＩＢ（１０Ｐ）＝約５０％Ａとなる変化を示し、健全電池の放電電流ＩＢは電池並列数２Ｐ〜１０ＰによってＩＢ（２Ｐ）＝１３３％Ａ〜ＩＢ（１０Ｐ）＝１０４％Ａとなる変化を示す。この状態から、限流抵抗ＲＳを２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωのように変化させると、等価的に異常側電池の内部抵抗が増加したことになり、ダイオードを流れる異常電池の放電電流ＩＢは例えば限流抵抗ＲＳ＝２０％Ωのときの放電電流値としてＩＢ（２Ｐ）≒４０％Ａ〜ＩＢ（１０Ｐ）≒３０％Ａへ減少し、健全電池の放電電流は増加傾向を示す。

以上は、放電電流１００％Ａのときの電流変化であるが、放電電流が５０％Ａの負荷状態では、ダイオードを流れる異常電池の放電電流は、さらに低下し、例えば限流抵抗ＲＳ＝２０％Ωのときの放電電流値としてはＩＢ（２Ｐ）≒２０％Ａ〜ＩＢ（１０Ｐ）≒１０％Ａへ減少する。当然、健全電池の放電電流も減少する。
なお、実運転での放電電流は約５０％Ａ程度であると想定して、限流抵抗ＲＳ≒２０％Ω〜５０％Ω程度の抵抗値を選定して挿入すれば、ダイオードおよび保護スイッチに流れる電流を１０％Ａ程度以下に抑制することができる。
なお、保護スイッチは通常動作では常時ＯＮとし、異常が発生したときのみＯＦＦするようにする。

図２（ｂ）：パターン４Ｂ２（放電動作中での異常電池切離し動作）
図２（ａ）では、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎに先行してＯＦＦさせる場合の放電動作中での異常電池切離し動作を説明したが、放電動作中での異常電池切離し動作としては、保護スイッチの方を機械式接点スイッチに対して先行してＯＦＦさせることも可能である。このときのパターン４Ｂ２のタイムチャートを図２（ｂ）に示す。この図２（ｂ）からも明らかなように、この場合にはダイオードに電流を流さなくても済む、という利点が得られることになる。

図３（ａ）：パターン３Ａ（充電完了状態での発電機スイッチ断動作）
図１の構成（方式１ａ）におけるパターン３Ａの動作（充電完了状態での発電機スイッチ断動作）につき、図３（ａ）を参照して説明する。
図１のように、全ての電池の充放電回路スイッチのダイオードＤ１〜Ｄｎに、保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎを直列挿入すると、健全側電池の内部抵抗値を１０％Ωと仮定し、限流抵抗ＲＳの抵抗値を２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωと変化させたときの電池回路の合成抵抗値は、機械式接点スイッチがＯＦＦの状態で、３０％Ω，４０％Ω，５０％Ω，６０％Ωとなる。機械式接点スイッチがＯＦＦの状態、すなわち、全ての電池が満充電完了した状態のときに、発電機スイッチＳＷＧ断が発生すると、電池Ｂ１〜Ｂｎはダイオードによって直流給電母線ＢＳに接続されるので、電池回路の合成抵抗値３０％Ω，４０％Ω，５０％Ω，６０％Ω、および保護スイッチを介して放電電流が流れることになる。

図３（ａ）のｔ１〜ｔ２では、全ての電池が満充電を完了して、機械式接点スイッチがＯＦＦしているので、直流給電母線へは発電機が電力を供給する。この状態において、何らかの障害により図１に示す発電機スイッチＳＷＧがトリップすると、発電機からの電力供給が断たれ、充放電回路スイッチのダイオードを介して、電池からの放電電流を直流給電母線に流すことになる。
なお、図１３（ａ）と同様であるが、図３（ａ）に示されているように、ｔ０〜ｔ１の期間では、全ての電池の充電動作が完了して機械式接点スイッチがＯＦＦしていることにより直流給電母線ＢＳから切離された状態であることから、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎは、直流給電母線電圧ＶＢＬよりΔＶ（≒ＲＢ１＊ＩＢ１〜ＲＢｎ＊ＩＢｎ）だけ低い、電池の開放電圧（≒ｅＢ１〜ｅＢｎ）の電圧レベルとなっている。ここで、ＲＢ１〜ＲＢｎ、ｅＢ１〜ｅＢｎおよびＩＢ１〜ＩＢｎはそれぞれ電池Ｂ１〜Ｂｎの電池内部抵抗、電池内部起電圧およびｔ０以前での充電電流である。

このとき、限流抵抗ＲＳの抵抗値を０％Ω，２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωと変化させると、電池回路の合成抵抗値ＲＢ＋ＲＳは、１０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ω，６０％Ωとなるから、電池１群当たりの放電電流を１００％Ａとすれば、電池回路の合成抵抗値ＲＢ＋ＲＳによる電圧降下分は１０％Ｖ，３０％Ｖ，４０％Ｖ，５０％Ｖ，６０％Ｖとなる。このため、限流抵抗ＲＳの抵抗値をそれぞれ０％Ω，２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωとした場合、ｔ１〜ｔ２の期間における直流給電母線電圧ＶＢＬ１はそれぞれ９０％Ｖ，７０％Ｖ，６０％Ｖ，５０％Ｖ，４０％Ｖとなる。このように、充放電回路スイッチのダイオードＤ１〜Ｄｎに対して限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎを直列挿入した構成では、ダイオードＤ１〜Ｄｎを介して放電電流が流れるｔ１〜ｔ２の期間における直流給電母線電圧ＶＢＬ１が、限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎを直列挿入しない構成よりも低い電圧レベルになるとともに、その電圧レベルは、限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎの抵抗値が大きいほど低いレベルとなる。また、限流抵抗ＲＳが０％Ωである場合にはｔ１〜ｔ２の期間における各電池の端子電圧ＶＢ１〜ＶＢｎは直流給電母線電圧ＶＢＬ１と同じ電圧レベルとなる。

なお、実運転状況の放電電流が５０％Ａ程度であることを想定すれば、限流抵抗ＲＳの抵抗値をそれぞれ０％Ω，２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ωとした場合に対応するｔ１〜ｔ２期間の直流給電母線電圧ＶＢＬ１はそれぞれ９５％Ｖ，８５％Ｖ，８０%Ｖ，７５％Ｖ，７０％Ｖ程度になる。また、発電機スイッチＳＷＧがトリップして電池が放電に転じたことを電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴが検知して機械式接点スイッチにＯＮ指令を与えると、動作遅れ時間後の時刻ｔ２で機械式接点スイッチの接点がＯＮし、ダイオードを接点で短絡して放電電流を流すことになる。すなわち、限流抵抗も短絡されるから、直流給電母線電圧は図３（ａ）に示すようにＶＢＬ１からＶＢＬ２に上昇する。なお、その後の時刻ｔ３で停止操作をして、発電機Ｇを停止させる。
また、ダイオードが通電しているｔ１〜ｔ２の期間、上記のように限流抵抗によって直流給電母線電圧がＶＢＬ１に低下するとともに、負荷が通常の電動機負荷である場合、限流抵抗によって放電電流も、機械式接点スイッチがＯＮとなる時刻ｔ２以後の放電電流（ＩＢＬ２）よりも小さい電流値（ＩＢＬ１）に抑制されるので、ダイオードおよび保護スイッチを流れる放電電流は抑制されたものとなる。

一方、発電機スイッチ断動作が発生した際のシステム負荷の大きさにもよるが、ダイオード、保護スイッチの通電責務の大きな低減効果を得ようとして限流抵抗の抵抗値を大きくすると、ダイオードおよび保護スイッチを流れる放電電流に対する抑制効果は大きくなるものの、ダイオードが通電しているｔ１〜ｔ２の期間における直流給電母線電圧の低下幅が大きくなり過ぎて、ハイブリッド電源システムが搭載される電気推進船舶など電気推進システムの動作に影響を与える場合もあるので、この点も考慮して限流抵抗の抵抗値を決めることが必要である。

なお、電気推進船舶において、岸壁での停泊中にのみ、充電完了で充放電回路スイッチをＯＦＦさせる満充電操作を行うとともに、航行中は機械式接点スイッチを常時ＯＮとして充放電動作を行なうように運用する場合には、岸壁での停泊中は推進電動機が停止していてシステム負荷が１０%程度であることから、全ての電池の満充電が完了した状態で発電機スイッチ断動作が発生したとしても、電池からの放電電流は小さい。このため、その分だけ、挿入する限流抵抗の抵抗値を大きくしていても、ダイオードに放電電流が流れるｔ１〜ｔ２の期間における直流給電母線電圧の低下幅をシステム動作に影響を与えない程度に抑制することができる。また、電気推進船舶では、充電完了で充放電回路スイッチをＯＦＦさせる満充電操作を、岸壁での停泊中だけでなく、洋上での停泊状態、もしくは微速状態でも行うように運用することも考えられるが、このような状態でのシステム負荷は、通常の航行状態でのシステム負荷よりは小さいが、岸壁での停泊状態におけるシステム負荷よりは大きい。このように、挿入する限流抵抗の抵抗値を決める場合に問題となる、発電機スイッチ断動作が発生した際のシステム負荷の大きさは、電気推進システムに搭載されたハイブリッド電源システムをどのように運用するかによって異なるため、その運用方法に合わせて限流抵抗の抵抗値を決めるようにするとよい。

図３（ｂ）：パターン４Ａ（充電動作時の異常電池切離し動作）
このパターン４Ａは、図１の構成（方式１ａ）で充電動作中に、並列接続された複数の電池うち一部に異常が発生した場合に異常電池を切り離すときの動作パターンである。
並列接続された複数の電池Ｂ１〜Ｂｎのうち一部の電池（例えばＢ１）に時刻ｔ１で異常が発生すると、電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴが異常を検出して、該当する異常電池（Ｂ１）に対応する機械式接点スイッチ（ＳＷ１）にＯＦＦ指令を与えて動作遅れ時間後の時刻ｔ２でＯＦＦさせる。このとき、直流給電母線ＢＳは発電機Ｇから給電されている状態であり、直流給電母線電圧ＶＢＬは発電機電圧ＶＧに相当する充電動作用の電圧レベルに維持されているので、異常電池（Ｂ１）に対応するダイオード（Ｄ１）は逆バイアス状態となって発電機電圧をブロックする。このため、異常電池（Ｂ１）は、時刻ｔ２で充電動作が停止するとともに、直流給電母線ＢＳから切り離されたのと同等の状態となる。その後、時刻ｔ３で異常電池（Ｂ１）に対応する保護スイッチ（ＳＷｆ１）もＯＦＦさせて、異常電池（Ｂ１）を直流給電母線ＢＳから完全に切り離した状態とする。

このように、機械式接点スイッチ（ＳＷ１）のＯＦＦに加えて、ダイオード（Ｄ１）に対して直列に挿入された保護スイッチ（ＳＷｆ１）もＯＦＦさせて異常電池（Ｂ１）を完全に切り離した状態としておくことにより、時刻ｔ３以後に例えば発電機制御異常、過電流発生など予期せぬ異常状態によって発電機から直流給電母線への給電が停止した場合でも、異常電池（Ｂ１）に対応するダイオード（Ｄ１）によって放電回路が形成されることがなくなるので、異常電池（Ｂ１）が放電動作を行なうという事態を回避することができる。

なお、図３（ｂ）に示されているように、切り離された異常電池（Ｂ１）の端子電圧（ＶＢ１）は電池の開放電圧（図中の点線）の電圧レベルとなるが、他の健全電池（例えばＢ２〜Ｂｎ）は充電動作が継続されるので、その端子電圧（ＶＢ２〜ＶＢｎ）は直流給電母線電圧ＶＢＬの電圧レベルに維持される。また、図３（ｂ）に示す異常電池（Ｂ１）の充電電流変化パターンは、時刻ｔ１で電池内部抵抗（ＲＢ１）のステップ的な増大が発生した場合を想定した模式的なものであるが、この場合、異常電池（Ｂ１）の充電電流（ＩＢ１）は時刻ｔ１でＩＢｆの電流値まで低下し、機械式接点スイッチ（ＳＷ１）がＯＦＦする時刻ｔ２で零となる。一方、充電動作が定電圧モードである場合、健全電池（Ｂ２〜Ｂｎ）の各充電電流（ＩＢ２〜ＩＢｎ）は、異常電池（Ｂ１）の切り離し動作によっては変化しない。

図２〜３によりパターン３Ａ（充電完了状態での発電機スイッチＳＷＧ断動作），パターン４Ａ（充電動作中での異常電池切り離し動作）およびパターン４Ｂ１，４Ｂ２(放電動作中での異常電池切り離し動作)について説明したが、電池を用いた電気推進システムでは、電池電圧の大幅な変動（約１：２）を伴い、電池基準電圧値（平均値）に対して±３０％Ｖ〜４０％Ｖの電圧変動が生じても支障がないよう考慮して機器，装置を構成するのが一般的である。また、電池容量の余裕度なども考慮して、限流抵抗値を２０％Ω，３０％Ω，４０％Ω，５０％Ω程度から選定すれば良い。
図４（ａ），（ｂ）は図１の構成（方式１ａ）におけるパターン１Ａ（充電完了状態での発電機通常停止操作），パターン２Ａ（充電動作中での浮動動作）の説明図である。パターン１Ａ，２Ａは、図１２（ａ），（ｂ）のパターン１，２と基本的に同じで、保護スイッチの動作波形が加わった点で異なる程度なので、詳細は省略する。

以上のように、図１の方式１ａは、図１０の方式１による充放電回路スイッチにおけるダイオードに保護スイッチと限流抵抗を直列に挿入した構成としたものであり、保護スイッチによって、放電動作時においても直流給電母線から異常電池を切り離せるようにし、また、限流抵抗によって、放電動作時における異常電池切り離しの際に異常電池に対応するダイオードに過渡的に流れる放電電流を抑制するとともに、発電機スイッチがトリップした時に各電池のダイオードに過渡的に流れる放電電流を抑制することによってダイオードの通電容量低減と、保護スイッチの通電容量低減，回路容量（遮断容量）低減を図り、ダイオードの小型，軽量化と充放電回路スイッチの小型，軽量化およびコストダウンを図るものである。なお、発電機スイッチがトリップしたときは、機械式接点スイッチがＯＮするまでの動作遅れ期間（約１秒以下）の間、通電できるダイオード通電容量，保護スイッチ通電容量があれば良い。

図７は、この発明の他の実施の形態を示す構成図であり、上記図１１の方式２を改良した方式２ａを示すものである。この方式２ａは、図１１（方式２）と同様な、複数個のリチウム電池等の電池Ｂ１〜Ｂｎを並列接続した電池電源と、この電池電源を充電する発電機Ｇとを直流給電母線ＢＳを介して接続してなるとともに直流給電母線ＢＳを介して負荷への電力供給を行うハイブリッド電源システムにおいて、各電池Ｂ１〜Ｂｎと直流給電母線ＢＳとの間に挿入する充放電回路スイッチとして、方式２に示す充放電回路スイッチの代わりに、ダイオードＤ１〜Ｄｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎとの直列回路に半導体スイッチＱ１〜Ｑｎを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎを直列に接続した回路を、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに並列接続してなる充放電回路スイッチを適用するものである。

そして、この方式２ａは、方式１ａと同様に、保護スイッチによって、放電動作時においても直流給電母線から異常電池を切り離せるようにし、また、限流抵抗器によって、放電動作時における異常電池切離しの際に異常電池に対応するダイオードに過渡的に流れる放電電流を抑制するとともに、発電機スイッチがトリップした時に各電池のダイオードに過渡的に流れる放電電流を抑制することによってダイオードの通電容量低減と、保護スイッチの通電容量低減，回路容量（遮断容量）低減を図り、ダイオードの小型，軽量化と充放電回路スイッチの小型，軽量化およびコストダウンを図るものである。
図７の方式２ａは、図１の方式１ａとは、充電動作において小電流領域になれば機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＦＦして、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎにより電池Ｂ１〜Ｂｎの充電を行ない、満充電になった電池から順次、半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＦＦして充電を完了させる動作を行なう点で異なるが、発電機通常停止、浮動動作、発電機スイッチ断動作および異常電池切り離し動作における基本的な動作パターンは、図２，図３および図４と同様である。なお、図７において、ＤＱ１〜ＤＱｎは、ダイオードＤ１〜Ｄｎおよび保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎからなる電流経路に放電電流が流れたときに発生する電圧降下による逆電圧で、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎが破損しないようにするブロックダイオードである。

また、図７（方式２ａ）の充放電回路スイッチの回路構成に関して、保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎを挿入する箇所を変えた別の構成例として、図７に示されたダイオードＤ１〜Ｄｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎとの２要素の直列回路の代わりに、ダイオードＤ１〜Ｄｎと限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎと保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎとの３要素の直列回路を形成し、この３要素の直列回路に半導体スイッチＱ１〜Ｑｎを並列接続し、この並列回路を機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに並列接続してなる回路構成としてもよいが、図７に記載の回路構成の方が、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎ等に異常が発生した場合に保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎで切り離すことができるので、より好適である。

図８，図９に図１，図７の各変形例を示す。図８の構成（方式１ｂ）および図９の構成（方式２ｂ）は、それぞれ図示のように図１の構成（方式１ａ）および図７の構成（方式２ａ）の機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの代わりに、過電流保護機能を持つ配線用遮断器ＱＢ１〜ＱＢｎを用いた点が特徴である。これにより、電池回路に過電流が発生すると配線用遮断器ＱＢ１〜ＱＢｎが自己トリップして電池を保護する。すなわち、自己トリップにより警報接点ａ１〜ａｎが作動し、その信号が電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴに与えられるので、電池充放電＆状態監視制御装置ＣＴからの指令により保護スイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆｎをＯＦＦさせることで、異常が発生した電池を直流給電母線ＢＳから完全に切離すことができる。また、配線用遮断器ＱＢ１〜ＱＢｎを遠方からの操作指令により開閉動作できるようにすれば、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを用いた図１の構成（方式１ａ）および図７の構成（方式２ａ）と同様に、電池充放電動作，浮動動作に対応して電池回路のＯＮ−ＯＦＦを行なうことができる。

なお、上述の図１（方式１ａ）および図７（方式２ａ）では、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部と、ダイオードと限流抵抗と保護スイッチとの３要素が直列接続されてなる第２の放電回路部とが並列接続された回路構成によって放電動作を行う方式を示したが、放電動作中での異常電池切り離しを可能とするだけであれば、上記方式でなくてもよく、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部と、ダイオードと保護スイッチとの２要素だけが直列接続されてなる第２の放電回路部とが並列接続された回路構成によって放電動作を行う方式、すなわち、図１（方式１ａ）あるいは図７（方式２ａ）において限流抵抗ＲＳ１〜ＲＳｎを無しとして代わりに導体で短絡したような回路構成（方式１ｃあるいは方式２ｃ）としてもよい。そして、このような構成でも、放電動作中に異常が発生した電池（Ｂ１〜Ｂｎ）に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）をオフさせることによって、異常電池を直流給電母線ＢＳから切り離すことができる。

また、上記のような、機械式接点スイッチからなる第１の放電回路部と、ダイオードと保護スイッチとの２要素だけが直列接続されてなる第２の放電回路部とが並列接続された回路構成によって放電動作を行う方式（方式１ｃあるいは方式２ｃ）を適用する場合、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、図２（ａ）の動作パターンのように、異常電池に対応する充放電回路スイッチにおいて機械式接点スイッチ（ＳＷ１〜ＳＷｎ）のオフを確認してから保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）をオフさせる操作手順とした場合には、機械式接点スイッチがオフした時点（ｔ２）から保護スイッチがオフする時点（ｔ３）までの期間（ｔ２〜ｔ３）、異常電池からの放電電流がダイオードおよび保護スイッチを過渡的に流れるが、図１（方式１ａ）あるいは図７（方式２ａ）の構成とは異なり、限流抵抗を設けていないことにより、上記期間中に流れる異常電池からの放電電流を抑制することができないので、この異常電池からの放電電流が流れている状態での開路動作を行うために、保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）の開路（遮断）容量は大きなものとする必要がある。

これに対して、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときに、図２（ｂ）の動作パターンのように、異常電池に対応する充放電回路スイッチにおいて保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）を機械式接点スイッチ（ＳＷ１〜ＳＷｎ）のオフよりも時間的に先行してオフさせる操作手順とすれば、保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）自体としては異常電池からの放電電流が流れている状態での開路動作を行う必要がない。このため、保護スイッチ（ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ）の開路（遮断）容量は小さいものとすることができ、放電動作中での異常電池切り離しを可能とするために保護スイッチだけを付加した構成（方式１ｃあるいは方式２ｃ）であっても、充放電回路スイッチ全体の形状の大形化や重量増大およびコストアップを抑制することができる。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の異常電池切離し動作（パターン４Ｂ１，４Ｂ２）を説明するタイムチャ−ト 図１の発電機スイッチ断動作（パターン３Ａ）と異常電池切離し動作（パターン４Ａ）を説明するタイムチャ−ト 図１の発電機通常停止操作（パターン１Ａ）と浮動操作（パターン２Ａ）を説明するタイムチャ−ト 図１における健全側電池と異常側電池との放電電流差の変化例を説明する説明図 図１における電池並列数を変化させたときの健全側電池と異常側電池の放電電流変化例を説明する説明図 この発明の他の実施の形態を示す構成図 図１の変形例を示す構成図 図７の変形例を示す構成図 方式１を示す構成図 方式２を示す構成図 図１０，１１の発電機通常停止操作（パターン１）と浮動操作（パターン２）を説明するタイムチャ−ト 図１０，１１の発電機スイッチ断動作（パターン３）と異常電池切離し動作（パターン４）を説明するタイムチャ−ト

符号の説明

ＢＳ…給電母線、ＳＷ１〜ＳＷｎ…機械式接点スイッチ、ＳＷｆ１〜ＳＷｆｎ…保護スイッチ、ＲＳ１〜ＲＳｎ…限流抵抗、Ｑ１〜Ｑｎ…半導体スイッチ、Ｄ１〜Ｄｎ…ダイオード、ＤＱ１〜ＤＱｎ…ブロックダイオード、ＱＢ１〜ＱＢｎ…配線用遮断器、ＳＷＧ…発電機スイッチ、ＳＨ１〜ＳＨｎ…電流検出器、Ｇ…発電機、Ｌ…補機動力系統、Ｍ…推進電動機、Ｂ１〜Ｂｎ…電池、ＶＤ１〜ＶＤｎ…電圧検出器、ＣＴ…電池充放電＆状態監視制御装置、ＧＣ…発電機制御装置、ａ１〜ａｎ…警報接点。

Claims (5)

1. 電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
   前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、通常の充放電電流は前記機械式接点スイッチの接点を介して流し、機械式接点スイッチがオフの充電停止状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする電池の充放電回路スイッチ制御方式。
2. 電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
   前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードに半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電領域では前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせ、機械式接点スイッチがオフの状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする電池の充放電回路スイッチ制御方式。
3. 電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
   前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと限流抵抗と保護スイッチとの直列回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、通常の充放電電流は前記機械式接点スイッチの接点を介して流し、機械式接点スイッチがオフの充電停止状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする電池の充放電回路スイッチ制御方式。
4. 電池を複数個並列接続してなる電池電源と、この電池電源を充電する発電機とを直流給電母線を介して接続してなるとともに前記直流給電母線を介して負荷への電力供給を行なうハイブリッド電源システムにおいて、
   前記各電池と直流給電母線との間に、ダイオードと限流抵抗との直列回路に半導体スイッチを並列接続した並列回路に、さらに保護スイッチを直列に接続した回路を機械式接点スイッチに並列接続してなる充放電回路スイッチを挿入し、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電領域では前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせ、機械式接点スイッチがオフの状態から放電を開始するときは、機械式接点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、機械式接点スイッチがオンしたら放電電流を機械式接点スイッチの接点へ転流させるようにするとともに、放電動作中に異常が発生した電池を直流給電母線から切り離すときには該当する電池に対応する充放電回路スイッチにおける保護スイッチのオフ操作を行なうようにすることを特徴とする電池の充放電回路スイッチ制御方式。
5. 前記機械式接点スイッチの代わりに、配線用遮断器を設けることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電池の充放電回路スイッチ制御方式。

Images