JP2008228449A - 電池の充放電回路スイッチ制御方式 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 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。 - 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。 - 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、
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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。 - 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。
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