JP2013206643A - 電池システムのリレー溶着検知装置、及びこれを用いた電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、機械式リレーを用いて電池システムを構築したとしても、安全性の高い電池システムを提供することである。
【解決手段】本発明に係る電池システムは、複数の電池セルが直列に接続された電池モジュールと、前記電池モジュールに直列に接続されるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を制御する制御装置と、前記スイッチ回路の溶着を診断する溶着診断回路と、を有する電池システムにおいて、前記スイッチ回路は第一のリレースイッチと第二のリレースイッチが直列に接続されて構成されており、前記溶着診断回路は、前記第一のリレースイッチと前記第二のリレースイッチとの間の電圧を測定する電圧測定器を有することを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電池システムに設けられたリレーの溶着検知装置及びこれを用いた電池システムに関する。

近年開発が進む電池システムは、様々な用途に使用可能であり、その使用目的によって、電池システムの規模が異なる。特に、サーバセンタ等の負荷変動抑制や停電対策、鉄道の回生電力吸収システム、再生可能エネルギーシステムや原子力発電所などの大規模系統の安定化に使用される電池システムは、大規模なものとなる。この大規模な電池システムは、使用の最小単位である電池モジュールが複数直列接続されて電池パックを構成し、これらの電池パックがさらに複数並列に接続されて構成される。このような電池システムでは、メンテナンスを向上させたり、当該電池システムの異常発生時に前述した電池パックを保護するために、電池セルに対して直列に接続されたリレーを有している。

例えば特許文献１には、複数の電池モジュールが直列に接続された蓄電池装置に一つのスイッチが設けられた電力貯蔵システムが開示されている。

特開２００３−２４４８５４号公報

一方で、大規模電池システムで主回路スイッチに機械式リレーを用いる場合には、スイッチが一つでは当該リレーが溶着した場合に電池パックと外部の機器を切断する手段が無くなってしまうため、異常発生時に十分に電池システムを保護できないという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、機械式リレーを用いて電池システムを構築したとしても、安全性の高い電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る電池システムは、複数の電池セルが直列に接続された電池モジュールと、前記電池モジュールに直列に接続されるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を制御する制御装置と、前記スイッチ回路の溶着を診断する溶着診断回路と、を有する電池システムにおいて、前記スイッチ回路は第一のリレースイッチと第二のリレースイッチが直列に接続されて構成されており、前記溶着診断回路は、前記第一のリレースイッチと前記第二のリレースイッチとの間の電圧を測定する電圧測定器を有することを特徴とする。

本発明を実施することによって、機械式リレーを用いて電池システムを構築したとしても、安全性の高い電池システムを提供することが可能となる。

本発明に係る発電システムの概要を示すブロック図である。 本発明に係る電池システムの階層構造を表す図である。 本発明に係る電池モジュールの回路構成図である。 本発明に係る電池システムの回路構成図である。 図４に示す電池システムのうち、電池パック周辺を拡大して表す回路構成図である。 本発明の下リレースイッチの溶着検知方法を示すフロー図である。 本発明の上リレースイッチの溶着診断方法を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態に係る電池システムについて、図面を参照して説明する。

はじめに、本発明の実施形態に係る電池システムの概要について説明する。

風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーに由来する電力系統では、自然環境に及ぼす負荷が少ないという利点がある反面、その発電能力が自然環境に左右される。具体的には、風力や太陽光の強さは時々刻々と変化するため、電力系統に周波数変動や電圧変動などの悪影響を及ぼすことが懸念される。

こうした懸念を除くアプローチのひとつとして、自然エネルギー発電装置に電池システムを併設し、電力系統の周波数変動や電圧変動の抑制を図る電力システムが提案されている。図１は、本発明に係る電池システム２０１が適用される電力システム１０１の概要を表すブロック図である。

電力システム１０１は、図１に示すように、電力系統１０２と、発電装置１０３と、インバータ１０４と、本発明に係る電池システム２０１とを備えて構成される。

発電装置１０３は、例えば、自然エネルギーに由来して発電した電力を電力系統１０２に供給する機能を有する。発電装置１０３と電力系統１０２との間を接続する電線１０５の連結点Ａには、インバータ１０４を介して、本発明に係る電池システム２０１が接続されている。

インバータ１０４は、発電装置１０３で発電された電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を電池システム２０１へ送る機能と、電池システム２０１に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統１０２へ送る機能とを有する。負荷への給電は、交流の電力系統１０２を介して行われる。

発電装置１０３として自然エネルギー発電装置を採用した場合、その出力は、天候や季節などの自然環境の変化に係る影響を受けて変動する。この出力変動は、電力系統１０２の周波数変動や電圧変動を招き、電力系統１０２の電力品質を低下させる要因となる。

この点、本発明に係る電池システム２０１は、電力系統１０２の周波数や電圧の変動が所定の範囲に収まるように機能する。すなわち、電池システム２０１は、電力系統１０２に過剰な電力が供給された場合はその過剰電力を電池システム２０１に充電する一方、電力が不足する場合は電池システム２０１に蓄えられた電力を放電する、いわゆるバッファ機能を有する。これにより、本発明に係る電池システム２０１は、電力系統１０２の周波数変動や電圧変動を抑制することができる。

次に、本発明に係る電池システム２０１の具体的構成について、図２を用いて説明する。図２は、本発明に係る電池システム２０１の階層構造を概念的に表すブロック図である。本発明に係る電池システム２０１は、最小の単位を電池モジュール３０として、複数の電池モジュール３０を有する電池パック４０、複数の電池パック４０を有する電池ブロック５０を有している。

電池モジュール３０の構成から、具体的に説明する。電池モジュール３０は複数の電池セル群２０と、電池セル群２０の電池情報（例えば、電池セルの電流情報・電圧情報・温度情報・充電状態など）を収集するセル制御装置（ＣＣＵ）２１０、及び電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１を有する。なお、このセル制御装置２１０は、後述する電池セル間のバランシング制御も行う。セル制御装置２１０で収集された電池情報は、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１に送られる。そして、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１では、電池モジュール３０内の電池セル群２０の平均充電状態が算出され、先ほどの電池情報にさらに電池セル群２０の平均充電状態の電池情報を付加して、上位の電池パック制御装置（ＢＰＣＵ）２３０に電池情報を送信する。

電池パック４０は、複数の電池モジュール３０、及び電池パック制御装置２３０を有している。電池パック制御装置２３０は、各電池モジュール制御装置３１から出力された電池情報を収集し、電池パック４０内にある電池モジュール３０の充電状態を平均した電池モジュール３０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池モジュール制御装置３１から得られた電池情報に、複数の電池モジュール３０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位の電池ブロック制御装置２４０に電池情報を出力する。

電池ブロック５０は、複数の電池パック４０、及び電池ブロック制御装置２４０を有している。電池ブロック制御装置２４０は、各電池パック制御装置２３０から出力された電池情報を収集し、電池ブロック５０内にある電池パック４０の充電状態を平均した電池パック４０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池パック制御装置２３０から得られた電池情報に、複数の電池パック４０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位のシステム制御装置２５０に電池情報を出力する。なお、説明では電池ブロック５０には複数の電池パック４０があるとしたが、電池ブロック５０を構成する電池パック４０は、１つでもよい。その場合には、電池ブロック制御装置２４０は、電池パック制御装置２３０から出力された電池情報をそのままシステム制御装置２５０に出力する。

本発明では、このように複数階層で電池の状態を監視しているため、安全性が高い電池システム２０１となっている。また、本発明に係る電池モジュール３０、電池パック４０、及び電池ブロック５０はそれぞれの単位で交換可能であるため、メンテナンス性が良い電池システムとなっている。

続いて、図３を用いて、電池モジュール３０の詳細について説明する。電池モジュール３０は、複数の電池セル群２０、電池セル群２０の電池情報を収集するセル制御装置２１０、当該セル制御装置２１０の情報が入力される電池モジュール制御装置３１を有している。

電池セル群２０は、複数の電池セル３（ここでは例えばリチウムイオン電池）が直列に接続された構造をしており、当該電池セル群２０に対応したセル制御装置２１０によって各電池セル３の電池情報（電流情報、電圧情報、充電状態、温度）が随時測定されている。また、各セル制御装置２１０は、それぞれがセル制御装置間接続ライン３４４で接続されており、デイジーチェーン構成となっている。そのため、電池モジュール制御装置３１とは、例えばフォトカプラのような絶縁通信手段３４６Ａ、３６４Ｂを介して接続ライン３４２Ａ、３４２Ｂと接続されている。

電池モジュール制御装置３１の内部には不揮発性メモリ２６６があり、各セル制御装置２１０で取得された電池情報が記憶される。当該記憶されたデータは、通信ライン２７２及びモジュールコネクタ部３５６を介して電池パック制御装置２３０に出力され、当該情報は各電池モジュール３０間のバランシング等に使用される。

一方で、電池モジュール３０内の電池セル群２０はそれぞれ直列に接続され、電池セル３の正極側は電池モジュール３０に設けられた正極端子１と接続され、電池セル３の負極側は負極端子２と接続される。

さらに図４を用いて、電池パック４０の構成及び電池ブロック５０の構成について説明する。まずはじめに電池パック４０について説明する。電池パック４０は、電池モジュール３０が複数直列に接続された電池モジュール直列体３００（３００Ａ、３００Ｂ）、当該電池モジュール直列体３００と接続されるスイッチ回路４００、当該スイッチ回路４００を構成するリレースイッチの溶着を診断する溶着診断回路４１０、及び各電池モジュール３０を制御する電池パック制御装置２３０を有している。スイッチ回路４００及び溶着診断回路４１０については、下記で詳細に説明する。電池パック４０には複数の電池モジュール直列体３００（３００Ａ、３００Ｂ）同士が並列に接続されている。なお、図４では説明を簡単にするため、電池モジュール直列体３００Ａ及び３００Ｂの２つが並列に接続された構成について開示しているが、並列数は特段２つに限られるわけではなく、用途に応じて増加させても良い。

電池パック制御装置２３０は、スイッチ回路４００の制御、溶着診断回路４１０の制御、電池モジュール制御装置３１の制御・通信、および電池ブロック制御装置２４０への情報の通信を行っている。スイッチ回路４００の制御とは、例えば電池モジュール直列体３００に流れる直流電流を直接電流測定器２２７で検出して、電流に異常がある場合には、スイッチ回路４００を開状態として他の電池モジュール直列体３００と切り離す制御のことを言う。このようにスイッチ回路４００を制御することによって、異常のある電池モジュール直列体３００が他の機器に影響を及ぼすことを防止したり、これ以上電池モジュール直列体３００の異常が進行するのを食い止めることが可能となる。

一方、電池ブロック５０は、前述した電池パック４０が複数並列に接続された構成となっている。また、各電池パック４０の正極側出力端子３２１には直列にスイッチ素子２３８が設けられ、負極側出力端子３２２にも同様にスイッチ素子２３９が設けられ、電池パック４０に異常が発生した場合に当該スイッチ素子２３８、及び２３９を開状態とすることによって、他の機器及び並列接続されている他の電池パック４０との接続を切り離すことが可能となる。また、電池パック４０が複数並列に接続されたものと電池ブロック正極出力２４８との間にはスイッチ素子２４１が設けられ、他方の電池ブロック負極出力２４９との間にもスイッチ素子２４２が設けられ、電池ブロック５０内で異常が発生した場合に他の電池ブロック５０と電気的に切り離すことが可能な構成となっている。

このように、本発明の電池システムでは２重、３重とスイッチ素子が設けられており、電池モジュール３０、電池パック４０、電池ブロック５０のいずれの部分でも他の機器と接続を切り離すことが可能となっており、非常に安全性の高い電池システムとなっている。

続いて、図５を用いて、電池パック４０、スイッチ回路４００、及び溶着診断回路４１０の詳細について説明する。まずスイッチ回路４００について説明する。スイッチ回路４００は、上リレースイッチ４０１と下リレースイッチ４０２が直列に接続された構成となっている。このように構成することによって、いずれか一方のリレースイッチが溶着してしまった場合でも、溶着していないリレースイッチを開状態とすることによって、電池モジュール直列体３００を切り離すことが可能となるため、安全性が向上する。なお、この上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２は、電池パック制御装置２３０の信号によってオン及びオフが制御される。

続いて、溶着診断回路４１０について説明する。この溶着診断回路４１０は、上リレースイッチ４０１の高電位側の電圧を測定する電圧測定器４１４、上リレースイッチ４０１と下リレースイッチ４０２の間の電圧を測定する電圧測定器４１５、この電圧測定器４１５と接続される抵抗素子４１１、及び一端が抵抗素子４１１に接続され、他端が電池モジュール直列体３００の負極側と接続されるスイッチ素子４１２を有している。この電圧測定器４１４及び４１５で測定された電圧情報は、通信ライン２７３を介して電池パック制御装置２３０に送信され、当該電圧情報に基づいて電池パック制御装置２３０は上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２が溶着しているか判断する。このような構成にすることによって、随時上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２が溶着しているか判断可能となり、リレースイッチを２つ設けた上で、さらに安全性と信頼性が向上する。

具体的な溶着診断方法については、図６及び図７を用いて説明する。まず、下リレースイッチ４０２の溶着診断方法を、図６を用いて説明する。はじめにステップＳ１で上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２をともにオフ状態とする。続いてステップＳ２で溶着診断回路４１０のスイッチ素子４１２をオン状態とする。その後、電圧測定器４１５で上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２の間の電圧Ｖ２を測定する。そして、この電圧Ｖ２が電池パック制御装置２３０に送られ、ステップＳ３で電圧Ｖ２が０Ｖであるか否かが判断される。電圧Ｖ２が０Ｖである場合には、上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２の間の回路が完全に電気的に独立になっているため、ステップＳ４に進み、下リレースイッチ４０２が溶着していないと判断され、通常の運転が続けられる。一方、電池パック制御装置２３０で、電圧Ｖ２が０Ｖでないと判断されると、電圧測定ライン４０３、抵抗素子４１１、スイッチ素子４１２、電池モジュール直列体３００、下リレースイッチ４０２で構成される閉回路が構成されていると判断され、ステップＳ５に進み、下リレースイッチ４０２が溶着していると判断され、図示しない表示機器に下リレースイッチ４０２が溶着していることが表示される。この場合、安全のため、上リレースイッチ４０１はオフ状態が維持される。

上述したように、この下リレースイッチ４０２の溶着診断方法を用いることによって、簡単な回路構成によって電池システムの安全性を向上させることができる。この診断方法は常時行われることが好ましい。一方で、常時診断を行うと、診断されている電池モジュール直列体３００と他の機器との電気的接続が切断されることとなり、電池パック４０を構成する電池モジュール直列体３００の性能を発揮させるという観点からは十分ではない。そこで、電池モジュール直列体３００同士のバランシングを行っているときに、電気的に接続が切り離されている電池モジュール直列体３００に接続されたスイッチ回路４００で行うのが好ましい。このように制御することによって、通常時の制御では十分に電池モジュール３０の性能を使用することができ、さらに電池システム全体としての安全性も向上させることが可能となる。

また、溶着診断回路４１０が電池モジュール直列体３００の負極側と接続されることによって、仮にメンテナンスによって電池モジュール直列体３００が、他の種類の電池（ここでは例えば鉛蓄電池）に交換されたとしても診断可能になるため、簡単な回路構成で電池種に関わらずリレーの溶着診断が可能となる。

続いて、図７を用いて上リレースイッチ４０１の溶着診断方法について説明する。まずはじめに、ステップＳ１１で上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２をオフ状態とする。さらに電圧測定器４１４によって上リレースイッチ４０１の高電位側の電圧Ｖ１が測定され、電池パック制御装置２３０に送信される。ステップＳ１２で電池パック制御装置２３０は、電圧Ｖ１が０Ｖであるか否かを判定する。電圧Ｖ１が０Ｖである場合には、ステップＳ１３に進み、電池パック制御装置２３０の指示により、下リレースイッチ４０２がオン状態とされる。さらに電圧測定器４１４は電圧Ｖ１を測定し、電池パック制御装置２３０に送信される。ステップＳ１４で、電池パック制御装置２３０はＶ１が０Ｖであるか否かを再度判定し、電圧Ｖ１が０Ｖで保持されていればステップＳ１５に進み上リレースイッチ４０１の溶着はなしと判断され、通常の運転が続けられる。一方で、電圧Ｖ１が０Ｖではないと判断されると、ステップＳ１６に進み、いずれかの回路で異常が発生していると判断され、図示しない表示機器に回路で異常が発生していることを知らせる表示がされる。なお、このときにはこの異常が発生している可能性のある当該電池モジュール直列体３００を回路から切り離すため、上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２はともにオフ状態とされる。

説明を戻して、ステップＳ１２で電圧Ｖ１が０Ｖでないと判断された場合は、ステップＳ１６に進み、溶着診断回路４１０のスイッチ素子４１２がオン状態とされる。ここで電圧測定器４１５により電圧Ｖ２が測定され、さらに電圧測定器４１４によって電圧Ｖ１が再度測定され、電池パック制御装置２３０に送信される。ステップＳ１７では、当該電圧Ｖ２が０Ｖで、かつ電圧Ｖ１がステップＳ１２で使用された電圧と同様の値であるかが判断され、この条件を満たしている場合には、上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２間の回路が電気的に独立になっているため、ステップＳ１８に進み、上リレースイッチの溶着はないと判断される。一方で、当該電圧Ｖ２が０Ｖではなく、かつ電圧Ｖ１がステップＳ１２で使用された電圧と異なっている場合には、上リレースイッチ４０１、図示しない外部負荷、溶着診断回路４１０を構成するスイッチ素子４１２、抵抗素子４１１、及び電圧測定ライン４０４が閉回路を構成し、図示しない外部負荷の電圧変動分が上リレースイッチ４０１及び下リレースイッチ４０２の間の回路に上乗せされることとなる。そのため、ステップＳ１９に進み、上リレースイッチ４０１が溶着していると判断され、図示しない表示機器に上リレースイッチ４０１が溶着していることを知らせる表示を行う。

上述した上リレースイッチ４０１の溶着診断方法を使用することによって、簡単な回路構成によって電池システムの安全性を向上させることができる。この診断方法は常時行われることが好ましい。また、上述した下リレースイッチ４０２の診断方法と同様で、各電池モジュール直列体３００間のバランシングが行われているときであって、電気的に接続が切り離されている電池モジュール直列体３００に接続されたスイッチ回路４００で行うのが好ましい。

さらに、溶着診断回路４１０が電池モジュール直列体３００の負極側と接続されることによって、異常発生時に外部負荷との閉回路を形成することが可能となるため、仮にメンテナンスによって電池モジュール直列体３００が、他の種類の電池（ここでは例えば鉛蓄電池）に交換されたとしても診断可能になる。

以上、説明したように本発明を用いることによって、機械式リレーを用いて電池システムを構築したとしても、安全性の高い電池システムを提供することが可能となる。また、メンテナンス時に異なる種類の電池モジュールに交換されたとしても確実にリレーの溶着を検知できるようになるため、安全性がさらに向上した電池システムを提供することが可能になる。

１ 正極端子
２ 負極端子
２０ 電池セル群
３０ 電池モジュール
３１ 電池モジュール制御装置
４０ 電池パック
２２７ 電流測定器
２３０ 電池パック制御装置
２７２ 通信ライン
３００ 電池モジュール直列体
３２１ 正極側出力端子
３２２ 負極側出力端子
４００ スイッチ回路
４０１ 上リレースイッチ
４０２ 下リレースイッチ
４０３、４０４ 電圧測定ライン
４１０ 溶着診断回路
４１１ 抵抗素子
４１２ スイッチ素子
４１４、４１５ 電圧測定器

Claims (9)

1. 複数の電池セルが直列に接続された電池モジュールと、
   前記電池モジュールに直列に接続されるスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路を制御する制御装置と、
   前記スイッチ回路の溶着を診断する溶着診断回路と、を有する電池システムにおいて、
   前記スイッチ回路は第一のリレースイッチと第二のリレースイッチが直列に接続されて構成されており、
   前記溶着診断回路は、前記第一のリレースイッチと前記第二のリレースイッチとの間の電圧を測定する電圧測定器を有することを特徴とする電池システム。
2. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
   前記溶着診断回路は、さらに前記第一のリレースイッチの高電位側の電圧を測定する電圧測定器を有することを特徴とする電池システム。
3. 請求項１または２に記載の電池システムにおいて、
   前記溶着診断回路はスイッチ素子を有し、当該スイッチ素子を介して前記電池モジュールの負極側と接続されることを特徴とする電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   前記第一のリレースイッチの高電位側は負荷と接続され、
   さらに、前記電池モジュールの負極側は負荷と接続されることを特徴とする電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   前記スイッチ素子の制御は、前記スイッチ回路を制御する制御装置であることを特徴とする電池システム。
6. 複数の電池セルが直列に接続された電池モジュールと、
   前記電池モジュールに直列に接続され、第一のリレースイッチ及び第二のリレースイッチが直列に接続されたスイッチ回路と、
   前記第一のリレースイッチ及び前記第二のリレースイッチを制御する制御装置と、
   スイッチ素子を有し、当該スイッチ素子を介して前記電池モジュールの負極側と接続される溶着診断回路と、を有する電池システムの診断方法において、
   前記制御装置は、前記第一のリレースイッチ及び前記第二のリレースイッチがオフ状態とする第一の過程と、当該第一の過程の後に前記スイッチ素子をオン状態とする第二の過程と、当該第二の過程の後に前記第一のリレースイッチおよび前記第二のリレースイッチの間の電圧が０Ｖであるか判断する第三の過程を有することを特徴とする電池システムの診断方法。
7. 請求項６に記載の電池システムの診断方法において、
   前記第三の過程で、前記第一のリレースイッチおよび前記第二のリレースイッチの間の電圧が０Ｖでない場合に前記第二のリレースイッチに異常があると判断することを特徴とする電池システムの診断方法。
8. 複数の電池セルが直列に接続された電池モジュールと、
   前記電池モジュールに直列に接続され、第一のリレースイッチ及び第二のリレースイッチが直列に接続されたスイッチ回路と、
   前記第一のリレースイッチ及び前記第二のリレースイッチを制御する制御装置と、
   スイッチ素子を有し、当該スイッチ素子を介して前記電池モジュールの負極側と接続される溶着診断回路と、を有する電池システムの診断方法において、
   前記制御装置は、前記第一のリレースイッチ及び前記第二のリレースイッチがオフ状態とする第一の過程と、当該第一の過程の後に前記第一のリレースイッチの高電位側の電圧を測定する第二の過程と、当該第二の過程の後に前記スイッチ素子をオン状態とする第三の過程と、当該第三の過程の後に前記第一のリレースイッチおよび前記第二のリレースイッチの間の電圧が０Ｖであり、さらに前記第一のリレースイッチの高電位側の電圧が前記第二の過程の電圧と同じ値であるか判断する第四の過程を有することを特徴とする電池システムの診断方法。
9. 請求項８に記載の電池システムの診断方法において、
   前記第四の過程で、前記第一のリレースイッチおよび前記第二のリレースイッチの間の電圧が０Ｖであり、さらに前記第一のリレースイッチの高電位側の電圧が前記第二の過程の電圧と同じ値でない場合に、前記第一のリレースイッチに異常があると判断することを特徴とする電池システムの診断方法。