JP2013207876A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、複数の電池が直列に接続された大型の電池システムであっても、ヒューズが溶断した場合に容易にヒューズの溶断箇所が特定できる電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明に係る電池システムは、電池セルと直列に接続されたヒューズと、当該ヒューズに並列に接続され、かつアノードが前記電池セルの正極側と接続された発光ダイオードを有する電池モジュールが複数直列に接続された直列回路と、前記直列回路と並列に接続されたスイッチ素子と、を有する電池パックを備えることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ヒューズ溶断検知装置を搭載し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。このような大規模な電池システムは、長期間使用されることを前提としているため、安全性やメンテナンス性を向上させることが求められている。

このような大規模な電池システムでは、安全性を向上させるために、それぞれの電池モジュールにヒューズを設けるなどの対策が採られている。一方で、いずれかの電池モジュールのヒューズが溶断した場合には、どの電池モジュールでヒューズの溶断が発生したのかを容易に特定したいというニーズがある。

特許文献１には、電池に直列に接続されたヒューズに対して、並列に発光ダイオードを接続し、ヒューズが溶断された際に当該発光ダイオードを発光させて、警告を出力する発明について開示されている。

特開２００８−２９６８６３号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、電源（電池）に対して直列に接続されたヒューズを持つ蓄電モジュールが複数直列に接続された場合には、ヒューズ溶断した際に『電池電圧×直列数−インバータ電圧』がヒューズの両端に印加され、既知の電圧が発光ダイオードに印加されず、大型の電池システムでは十分に対応できない可能性がある。

従って、本発明の目的は、複数の電池が直列に接続された大型の電池システムであっても、ヒューズが溶断した場合に容易にヒューズの溶断箇所が特定できる電池システムを提供することにある。

本発明に係る電池システムは、電池セルと直列に接続されたヒューズと、当該ヒューズに並列に接続され、かつアノードが前記電池セルの正極側と接続された発光ダイオードを有する電池モジュールが複数直列に接続された直列回路と、前記直列回路と並列に接続されたスイッチ素子と、を有する電池パックを備えることを特徴とする。

本発明を実施することによって、複数の電池が直列に接続された大型の電池システムであっても、ヒューズが溶断した場合に容易にヒューズの溶断箇所が特定できる電池システムを提供することができる。

本発明に係る発電システムに関する図である。 本発明に係る電池システム２０１のブロック図である。 本発明に係る電池モジュール３０の回路図である。 本発明に係る電池パック４０の回路図である。 本発明に係る電池システム２０１の回路図である。 本発明の第二の実施形態に係る電池パック１４０の回路図である。 本発明の第三の実施形態に係る電池システム２０１の回路図である。 本発明の第四の実施形態に係る電池パック４４０の回路図である。 本発明に係る電池パック４０の外観斜視図である。

（第一の実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。まずはじめに本発明に係る発電システムの説明を、図１を用いて説明する。発電システム１０１は、発電装置１０３、電力系統１０２、当該電力系統１０２と発電装置１０３を結ぶ電線１０５、インバータ１０４を介して当該電線１０５に接続される電池システム２０１を有する。発電装置１０３は、例えば風力発電・水力発電・太陽光発電やその他の発電設備などである。

電池システム２０１は、発電装置１０３が電力系統１０２で求められる電力よりも過剰に発電した場合に過剰に発電した電力を充電し、逆に発電装置１０３が電力系統１０２で求められる電力よりも発電量が少ないときに放電して、電力の安定供給を図っている。なお、電池システム２０１が充放電する場合には、インバータ１０４で交流―直流・直流―交流変換されて電力の受給・供給が行われる。

続いて、電池システム２０１のブロック図を図２に示す。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を用いて具体的な電池モジュール３０の回路構成について説明する。電池モジュール３０は、複数の電池セル群２０が互いに直列に接続された電源回路と、電源回路に直列に接続されるヒューズ溶断検知回路３を有する。電池セル群２０は、複数の電池セル（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）が並列に接続された構成となっている。さらに電池セル群２０には並列に抵抗素子２１及びスイッチ素子２２が接続されている。この抵抗素子２１及びスイッチ素子２２は、電池セル（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）間の電圧にばらつきが出たときに、電池セル（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）間のバランシングを行うためのものである。セル制御装置２１０は、各電池セル（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）間の電流・電圧情報を取得して電池モジュール制御装置３１に出力し、当該電池モジュール制御装置３１は各電池セルの充電状態（ＳＯＣ）を演算する。さらに、当該セル制御装置２１０は、各電池セル間（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）の充電状態の差が１０％以上になった場合にスイッチ素子２２をオン状態とする信号を出力し、電池セル群２０内の電池セル（Ｂ１１〜Ｂ１Ｘ）のバランシングを行う。

ヒューズ溶断検知回路３は、ヒューズ３２と、当該ヒューズ３２に並列に接続される抵抗素子３３及び発光ダイオード３４から構成される。抵抗素子３３の低電位側には発光ダイオード３４のカソード側が接続される。このような構成にすることによって、いずれかの電池モジュール３０内に設置されたヒューズ３２が溶断した場合であって、後述する検知方法を用いると発光ダイオード３４が発光する。

続いて、図４及び図５を用いて電池パック４０、及びの具体的な回路構成を示す。図４に示す電池パック４０は、複数の電池モジュール３０が直列に接続された直列回路と、当該直列回路と並列に接続される抵抗素子４１及びスイッチ素子４２を有する構成となっている。

図５は、電池パック４０を有する電池ブロック５０が複数並列に接続された電池システム２０１を示す図である。まず、電池ブロック５０の構成について説明する。電池ブロック５０は、電池パック４０と、当該電池パック４０に直列に接続されたプリチャージ回路５５を有する。なお、本実施例では電池パック４０は１つしかないが、電池ブロック５０内に複数の電池パック４０が並列に接続されていてもよい。一方、この電池ブロック５０は互いに並列に接続されており、スイッチ体２５１を介してインバータ１０４の正極側と接続され、スイッチ体２５２を介してインバータ１０４の負極側と接続される。

プリチャージ回路５５はスイッチ素子５１と、当該スイッチ素子５１に並列に接続された抵抗素子５２及びスイッチ素子５３から構成される。当該プリチャージ回路５５は、他の電池ブロック５０との充電状態や電圧にばらつきがある場合に、スイッチ体２５１及びスイッチ体２５２をオフ状態として、さらにスイッチ体５１をオフ状態、かつスイッチ素子５３をオン状態にする期間をしばらく維持することによって、横流を利用して各電池ブロック５０間の充電状態や電圧のばらつきを低減することができる。

ここで、いずれかの電池モジュール３０内のヒューズ３２が溶断した場合に、どの電池モジュール３０内のヒューズ３２が溶断したのかを判定する方法について説明する。

まず、いずれかの電池モジュール３０のヒューズ３２が溶断した場合には、異常電圧が発生した電池ブロック制御装置２４０が切り離される。具体的には、異常電圧が発生した電池ブロック５０内のスイッチ素子５１及びスイッチ素子５３をオフ状態とする。このようにすることによって、外部に接続されている充放電中のインバータ１０４の電圧は特定できない、または非稼働時の負荷（負荷自体の抵抗成分と容量成分による）がどのような電圧を維持しているか不明であったとしても、スイッチ素子５１及び５３を遮断して外部の影響を取り除くことが可能になる。したがって、まずスイッチ素子５１及び５３を遮断することによって、発光ダイオード３４の駆動電流が既知の直列電池電圧と、抵抗素子３３及び抵抗素子４１の抵抗値の和で確定させることが可能となるので、どのような外部負荷が接続されようと、確実に発光ダイオード３４を発光させることができるようになる。

その後に電池パック４０内に設けられたスイッチ素子４２をオン状態とする。すると、電池パック４０内で電池モジュール３０の直列体、並びに抵抗素子４１及びスイッチ素子４２を介した閉回路が構成され、溶断されたヒューズ３２に並列に接続された発光ダイオード３４に電流が流れ、発光する。従って、この発光ダイオード３４を視認できるように、電池モジュール３０の筐体が外部に設けることによって、大量に電池モジュールを使用する電池システムであったとしても、簡便に異常の発生した電池モジュール３０を確認し、交換することが可能となる。

本発明を用いた電池パック４０の外観図を図９に示す。複数の電池モジュール３０は、モジュール搭載台１２０上に並べられてラック１１０に収納されている。さらに、この電池ラック１１０には電池パック制御装置２３０が収納されている。この電池モジュール３０には電池モジュール３０の筐体外部から視認できるように発光ダイオード３４が設けられている。このような構成にすることによって、いずれかの電池モジュール３０内でヒューズ３２が溶断した場合であったとしても、電池パック４０の外部から容易に視認できるため、電池モジュール３０を容易に交換することができ、メンテナンス性が向上する。なお、当該電池パック４０の外観は、以下で説明する他の実施形態での電池パックでも同様の構成を取ることが可能となる。

以上、上述したように本実施形態の電池システムを用いることによって、容易にヒューズが溶断した電池モジュール３０を特定することが可能となる。

（第二の実施形態）
本発明に係る第二の実施形態を図６に示す。第一の実施形態と同様の構成については、第一の実施形態と同じ図面番号を用いている。具体的に第一の実施形態と異なる点は、ヒューズ溶断検知回路の構成である。

第二の実施形態に係る電池モジュール１３０は、ヒューズ溶断検知回路１３１と電池セル群２０が直列に接続された構成となっている。ヒューズ溶断検知回路１３１は、ヒューズ３２に並列に接続される抵抗素子３７、及びツェナーダイオード３６を有する。このツェナーダイオード３６のカソード側は電池セル群２０の正極側と接続され、当該ツェナーダイオード３６のアノード側は抵抗素子３７と接続される。

さらにこのヒューズ溶断検知回路１３１は、ツェナーダイオード３６と並列に接続されるコンデンサ３５及び発光ダイオード３４を有する。発光ダイオード３４のカソード側は抵抗素子３３を介してツェナーダイオード３６のアノード側と接続され、当該発光ダイオード３４のアノード側は電池の正極側と接続される。

ヒューズ３２が溶断した場合には、ヒューズ３２両端に『電池電圧×直列数−インバータ電圧』が印加されることになり、発光ダイオードに急激な電圧がかかって破壊されてしまう可能性もゼロではない。従って、このような回路構成にすることによって、ヒューズ３２が溶断した場合にまずコンデンサ３５に電荷が溜まり、突然発光ダイオード３４に大きな電圧がかかるのを防ぐことが可能となる。また、当該コンデンサ３５に並列にツェナーダイオード３６を設けることによって、コンデンサ３５に所定値の電圧がかかった場合にツェナーダイオード３６がツェナーブレイクすることによって、コンデンサ３５に所定値以上の電圧がかかることが無くなるため、発光ダイオード３４を保護することが可能となる。なお、コンデンサの容量としては発光ダイオード３４が正常に発光できる電圧がかかるように設定するのが好ましく、例えば０.１μＦのコンデンサを用いるのがよい。また、ツェナーダイオードの降伏電圧は使用する発光ダイオード３４の順方向電圧よりも若干大きくすればよいので、５Ｖとすることによって、発光ダイオード３４の破壊を防ぎ、確実に発光させることが可能となる。

以上で説明したように、ヒューズ３２が溶断した場合に発光ダイオード３４が破壊されるのを防ぐことが可能となるため、確実にヒューズ３２が溶断した電池モジュール３０を特定することが可能となる。

なお、具体的な電池システム２０１の構成としては、図５に示す電池パック４０を本実施形態にかかる電池パック１４０に変更したものとなる。従って、ヒューズ３４が溶断した電池モジュール３０を特定する方法については第一の実施形態と同様の方法を用いることによって判断することができる。

（第三の実施形態）
本発明に係る第三の実施形態を図７に示す。第一の実施形態と同様の構成については、第一の実施形態と同じ図面番号を用いている。なお、具体的に第一の実施形態と異なる点は、ヒューズ溶断検知回路の構成と、電池ブロック５０を構成する電池パックを複数並列に設けた点である。

まず、はじめに電池モジュール３４０内のヒューズ溶断検知回路３３１について説明する。ヒューズ溶断検知回路３３１はヒューズ３２、及びヒューズ３２と並列に接続された抵抗素子３３および発光ダイオード３４を有している。この発光ダイオード３４のアノード側は電池セル群２０の正極側と接続され、当該発光ダイオード３４のカソード側には抵抗素子３３が接続される。さらに、ヒューズ溶断検知回路３３１はこの発光ダイオード３４に並列に接続される発光ダイオード３５を有している。このような構成にすることによって、電池モジュール３３０が放電状態もしくは充電状態のいずれかの状態であっても、発光ダイオード３４もしくは発光ダイオード３８を点灯させることが可能となるため、各電池モジュール３３０の充電状態によらずに、ヒューズ３２が溶断した電池モジュール３３０を特定することが可能となる。

続いて電池パック３４０及び電池ブロック５０について説明する。電池パック３４０は、上記説明した電池モジュール３３０を複数直列に接続することによって構成される。電池ブロック５０は、この電池パック３４０が複数並列に接続されている。また、この電池パック３４０は、図７に示すようにそれぞれスイッチ体５４ａ１・・・５４ａｎ（ｎは電池パック３４０の並列数）を介してプリチャージ回路５５と接続されている。このような構成にすることによって、これから説明するヒューズ３２の溶断箇所の特定方法を用いることによって、電池パック３４０間の電流の横流を利用することが可能となり、ヒューズ３２が溶断したときに大きな電圧が発光ダイオード３４に係ることが無くなるため、発光ダイオード３４が破壊されるのを防ぐことができる。

続いて、いずれかの電池モジュール３３０内のヒューズ３２が溶断した場合にどのヒューズ３２が溶断したのかを特定する方法について説明する。まず、電池パック３４０内で１つの電池モジュール３３０のヒューズ３２が溶断した場合、ヒューズ３２が溶断した電池パック３４０を有する電池ブロック５０内のスイッチ素子５１及び５３が、電池ブロック制御装置２４０の指令によって、オフ状態となる。その後、電池ブロック制御装置２４０に入力される各電池パック３４０の電圧の偏差が所定の範囲内になるまで、スイッチ素子５４ａ１・・・５４ａｎがオン状態とする。ここで各電池パック３４０の電圧の偏差が所定の電圧値内になった場合に、電池ブロック制御装置２４０はスイッチ素子５４ａ１・・・５４ａｎをオフ状態とする制御を行う。そして、電池パック制御装置２３０がスイッチ素子４２をオン状態とすることによって、発光ダイオード３４及び３８に過電圧がかかることによる破壊を防ぎつつ、確実にヒューズ３２が溶断した電池モジュール３３０を特定することが可能となる。

（第四の実施形態）
本発明に係る第四の実施形態を図８に示す。第二の実施形態と同様の構成については、第二の実施形態と同じ図面番号を用いている。なお、具体的に第二の実施形態と異なる点は、電池パックの構成である。

第二の実施形態と異なる点は、本発明に係る電池パック４４０は本実施形態に係る電池パック４４０が、電池モジュール１３０の直列体に対して並列に接続される抵抗素子４１及びスイッチ素子４２を有していない点である。

上述したように、ヒューズ３２が溶断した場合には、ヒューズ３２両端に『電池電圧×直列数−インバータ電圧』が印加されることになる。従って、電池システム２０１に接続される負荷の電圧を制御することができる場合、本実施形態のように回路構成を単純にしたうえで、溶断したヒューズ３２の両端にかかる電圧を制御することができる（例えばヒューズ３２の両端に大きな電圧がかかり過ぎないようにするために、インバータ電圧を上昇させる制御を行う。）ため、外部負荷の電位を変化させられるときに有効である。したがって、本実施形態の電池パック４４０を用いることによって、部品点数を増やすことなく、かつ確実にヒューズ３２が溶断した電池モジュール１３０を特定することができる電池システム２０１を提供することが可能となる。

以上、上述したように本発明を用いることによって、ヒューズが溶断した電池モジュールを容易、かつ確実に特定することができる電池システムを提供することが可能となる。

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（ＢＭＣＵ）
３２ ヒューズ
３３、４１ 抵抗素子
３４ 発光ダイオード
４０ 電池パック
４２ スイッチ素子
２３０ 電池パック制御装置（ＢＰＣＵ）

Claims (7)

1. 電池セルと直列に接続されたヒューズと、当該ヒューズに並列に接続され、かつアノードが前記電池セルの正極側と接続された発光ダイオードを有する電池モジュールが複数直列に接続された直列回路と、
   前記直列回路と並列に接続されたスイッチ素子と、を有する電池パックを備え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、
   前記電池パックの正極側にはスイッチ素子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、
   前記発光ダイオードと並列にコンデンサが接続されていることを特徴とする電池システム。
4. 請求項３に記載の電池システムにおいて、
   前記コンデンサと並列にツェナーダイオードが接続され、当該ツェナーダイオードのカソードが前記電池セルの正極側に接続されていることを特徴とする電池システム。
5. 請求項１または２に記載の電池システムにおいて、
   前記発光ダイオードと並列に第二の発光ダイオードが接続され、
   前記第二の発光ダイオードのカソードは前記発光ダイオードのアノードと接続され、
   前記第二の発光ダイオードのアノードは前記発光ダイオードのカソードと接続されることを特徴とする電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   当該電池システムは複数の電池パックを有し、
   前記複数の電池パックは互いに並列に接続されて電池ブロックを構成することを特徴とする電池システム。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   前記発光ダイオードは、前記電池モジュールの筐体に設けられていることを特徴とする電池システム。