JP2014103798A - 回生電流を処理する電池保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生電流を処理する電池保護装置に関し、電池が回生電流を受け入れられる状態のときは、回生電流を受け入れるとともに、回生電流を受け入れられない状態にあるときは、回生電流の流入を遮断するが、パワーラインへの給電は可能にし、かつ、回生電流が電池に流れ込むのを完全に防ぐ。
【解決手段】電池４から電動機８の方向に駆動電流を流すダイオード１０と並列に接続され、電動機８から発生する回生電流を電池４へ導く回生電流受け入れ用電池リレー３と、電動機８からの回生電流を、放電用部材２へ導く回生電流放電用リレー１と、予め記憶した、電池が回生電流を受け入れることができない電池の温度の閾値と、電池４の温度とを比較し、電池４の温度が該閾値より低いと判定したとき、該判定の完了時から、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態とし、回生電流放電用リレー１を導通状態とするよう制御する電子制御部５を備え、上記課題の解決を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、回生電流を処理する電池保護装置に関し、特に車両等の制動時に発生する回生電流を処理する電池保護装置に関する。

充電可能な電池を用いて電動機（モータ）を駆動するフォークリフト等の車両では、電動機を制動する際に、該電動機から発生する回生電流を電池に充電し、電気エネルギと運動エネルギの有効利用を図っている。

しかし、電池が低温のときや、電池が十分充電され、満充電容量に対する充電量の比率である充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が高いときなどに、車両本体の電動機からの回生電流を電池で受け入れると、電池の劣化が促進してしまうという問題がある。

そのため、図６に示すように、電池パック１００内に電池４と並列に回生電流放電用リレー１と放電抵抗２との直列回路を設け、車両本体（機台）２００内の電動装置（モータ）８からパワーライン７を介して回生電流が電池４に流れ込むのを防ぐ場合に、パワーライン７と電池４との間に設けられた電池リレー３を遮断状態にし、回生電流放電用リレー１を導通状態にし、放電抵抗２に回生電流を導く回路構成が採られている。

図６に示す回路構成例において、従来の回生電流処理の動作フローは、図７に示すように、電池用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）５において、回生電流の発生を検知すると（ステップＳ７１）、電池４が回生電流を受け入れることが可能か否かを判定し（ステップＳ７２）、受け入れができない（ＮＯ）と判定されてから、回生電流放電用リレー１を導通状態にし、電池リレー３を遮断状態にするよう制御する（ステップＳ７３）。

しかし、図６の回路構成例において、回生電流を電池４で受け入れないように、電池リレー３を遮断状態にすると、電池４からパワーライン７への給電も遮断される。そのため、パワーライン７から図の細破線で示す車両本体（機台）２００の機台電子制御ユニット（ＥＣＵ）６への給電も切断され、機台電子制御ユニット（ＥＣＵ）６は、電池パック１００の電池制御ユニット（ＥＣＵ）５と通信を行うことができなくなってしまう。

そのため、図８に示す回路構成例のように、電池４からパワーライン７に向けて電流が流れる方向にダイオード９を電池リレー３と直列に設け、電池リレー３を導通状態にしてパワーライン７に給電し、かつ、回生電流がダイオード９で遮断されて電池４に流れ込まないように構成することができる。

回生電流の処理のために、電池リレーやダイオード等を適宜配置するその他の構成は、例えば、下記の特許文献１，２等に記載されている。また、回生制動時の充電電力量を制御する手法として、電池の温度や充電率（ＳＯＣ）を基に、充電電力を制限するための充電制限フラグをセットし、該充電制限フラグのセットにより、モータジェネレータを制御して回生電力を制限し、又は電池の冷却ファンの風量や冷却温度を制御する技術等については、下記の特許文献３等に記載されている。

特開２００９−７２０４０号公報 特開２０１０−２２０２８０号公報 特開２００５−１３７０９１号公報

図６等に示す回生電流処理の回路構成例において、従来は、図７に示す処理フローのように、回生電流の発生を検出してから、電池４による回生電流の受け入れの可否を判定し、受け入れ不可と判定されてから、電池リレー３を遮断状態にし、回生電流放電用リレー１を導通状態にする制御を行っていた。

このため、回生電流の発生の検知時点から、電池リレー３の遮断時点までに、時間的な遅れが生じ、その結果、微小時間ではあるが、回生電流が電池４に流れてしまい、電池４の劣化を促進させてしまうという問題があった。

また、図８に示す回路構成では、電池４が回生電流を受け入れられる状態でも、電池４は回生電流を受け入れることが常にできなくなり、電池４は回生電流による充電が行われないため、車両本体の稼動時間が減少してしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、電池４が回生電流を受け入れられる状態のときは、回生電流を受け入れるとともに、電池が回生電流を受け入れられない状態にあるときは、電池４への回生電流の流入を遮断するが、パワーライン７への給電は可能にし、かつ、回生電流が電池４に流れ込むのを完全に防ぐことを可能にする。

本発明に係る電池保護装置は、電池から電動機の方向に駆動電流を流すダイオードと並列に接続され、前記電動機から発生する回生電流を前記電池へ導く回生電流受け入れ用電池リレーと、前記電動機からの回生電流を放電用部材へ導く、前記電池に並列に接続される回生電流放電用リレーと、予め記憶した、前記電池が回生電流を受け入れることができない電池の温度の閾値と前記電池の温度とを比較し、前記電池の温度が前記閾値より低いと判定したとき、又は、予め記憶した、前記電池が回生電流を受け入れることができない電池の充電率の閾値と前記電池の充電率とを比較し、前記電池の充電率が前記閾値より高いと判定したとき、該判定の完了時から、前記回生電流受け入れ用電池リレーを遮断状態とし、前記回生電流放電用リレーを導通状態とするよう制御する電子制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電池が回生電流を受け入れられる状態のときは、回生電流を受け入れるとともに、電池が回生電流を受け入れられない状態にあるときは、電池への回生電流の流入を遮断するが、パワーラインへの給電は可能にし、かつ、回生電流が電池に流れ込むのを完全に防ぐことが可能になる。

本発明による回生電流を処理する保護装置の第１の構成例を示す図である。 本発明による回生電流の処理の動作フローを示す図である。 本発明による回生電流を処理する保護装置の第２の構成例を示す図である。 本発明による回生電流を処理する保護装置の第３の構成例を示す図である。 回生電流の受け入れ可否の判定に用いる電池温度と充電率（ＳＯＣ）の数値例のテーブルを示す図である。 従来の回生電流処理の回路構成例を示す図である。 従来の回生電流処理の動作フローを示す図である。 従来の回生電流による充電を不可にした回路構成例を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による回生電流を処理する保護装置の第１の構成例を示している。第１の構成例では、電池４とパワーライン７との間に、電池４からパワーライン７に向けて電流が流れる方向にダイオード１０を、回生電流受け入れ用電池リレー３と並列に設ける。こうすることにより、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にしても、電池４からパワーライン７を介して図の細破線で示す車両本体（機台）２００の機台電子制御ユニット（ＥＣＵ）６への給電がダイオード１０を通して行われるので、回生電流が弱くなった場合や、回生電流が途切れても、機台電子制御ユニット（ＥＣＵ）６に電力を供給し続けることができる。また、電池４が回生電流を受け入れられる状態のとき、回生電流受け入れ用電池リレー３を導通状態にすることにより、電池４は回生電流を受け入れ、回生電流による充電を行うことができる。

そして、電池４に並列に接続される、回生電流放電用リレー１と放電抵抗２との直列回路を備え、回生電流を電池４で受け入れることを防ぐ場合には、電池用の電子制御ユニット５内のリレー制御部５３により、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断し、回生電流放電用リレー１を導通状態にして、放電抵抗２に回生電流を導くよう制御する。

但し、電子制御ユニット５内の判定部５２では、電池４が回生電流を受け入れられる状態か否かを常に判定し、回生電流を受け入れられないと判定すると、その判定の完了時から、回生電流放電用リレー１を導通状態にし、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にし、予め回生電流を受け入れないよう、リレー制御部５３により制御する。

電池４が回生電流を受け入れられるかどうかの判定には、温度センサ１３で検出した電池４の温度を基に判定し、例えば、電池４の温度が−１０℃以下の場合は、回生電流を受け入れないようにする。又は、電池４が回生電流を受け入れることができない充電率（ＳＯＣ）の閾値と電池４の充電率（ＳＯＣ）とを比較し、電池４の充電率（ＳＯＣ）が該閾値より高いと判定したとき、回生電流を受け入れないようにする。又は、回生電流の受け入れを防ぐ温度の閾値を、充電率（ＳＯＣ）情報５１によって補正する構成とすることができる。又は、温度−ＳＯＣマップから閾値を設定する構成としても良い。

図２に、本発明による回生電流の処理の動作フローを示す。電子制御ユニット５では、判定部５２により、常に電池４が回生電流を受け入れられるかどうかを判定し（ステップＳ２１）、電池４が回生電流を受け入れられないと判定すると、その判定完了時から回生電流放電用リレー１を導通状態とし、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にする（ステップＳ２２）。これにより、回生電流の発生時には、即座に回生電流は全て放電抵抗２へ流れ、回生電流の発生の検出（ステップＳ２３）に時間が掛かっても、電池４に回生電流が流れるのを完全に防ぐことができる。

図３に本発明による回生電流を処理する保護装置の第２の構成例を示す。図１に示した第１の構成例の場合、車両本体（機台）２００側で短絡等の障害が発生し、常に電池４から車両本体（機台）２００側に放電電流が流れる状態となった場合に、該放電電流の電流経路を遮断する手段がない。

そのため、図３に示す第２の構成例では、電池４とパワーライン７との間に、ダイオード１０と並列に接続した回生電流受け入れ用電池リレー３と直列に、給電遮断用電池リレー１１を接続する。

そして、車両本体（機台）２００側で短絡等の障害が発生し、電池４から車両本体（機台）２００側に放電電流が流れる状態となった場合に、給電遮断用電池リレー１１を遮断状態にすることにより、電池４を保護することが可能となる。

回生電流を電池４で受け入れることを防ぐ場合には、第１の構成例と同様に、電池用の電子制御ユニット５内のリレー制御部５３により、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にし、回生電流放電用リレー１を導通状態にして、放電抵抗２に回生電流を導くよう制御する。

その制御も、第１の構成例と同様に、電子制御ユニット５内の判定部５２で、電池４が回生電流を受け入れられる状態か否かを常に判定し、回生電流を受け入れられないと判定すると、その判定の完了時から、回生電流放電用リレー１を導通状態にし、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にし、予め回生電流を受け入れないよう、リレー制御部５３により制御する。

図４は本発明による回生電流を処理する保護装置の第３の構成例を示す。第３の構成例は、第２の構成例で設けた給電遮断用電池リレー１１と並列に、ダイオード１２を、パワーライン７から電池４に電流が流れる向きに接続する。こうすることにより、給電遮断用電池リレー１１を遮断状態とした場合でも、回生電流受け入れ用電池リレー３を導通状態にすれば、電池４にダイオード１２を通して回生電流を流入させることができる。

回生電流を電池４で受け入れることを防ぐ場合には、第１及び第２の構成例と同様に、電池用の電子制御ユニット５内のリレー制御部５３により、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にし、回生電流放電用リレー１を導通状態にして、放電抵抗２に回生電流を導くよう制御する。

その制御も、第１及び第２の回路構成例と同様に、電子制御ユニット５内の判定部５２で、電池４が回生電流を受け入れられる状態か否かを常に判定し、回生電流を受け入れられないと判定すると、その判定の完了時から、回生電流放電用リレー１を導通状態にし、回生電流受け入れ用電池リレー３を遮断状態にし、予め回生電流を受け入れないよう、リレー制御部５３により制御する。

図５に、電池４の回生電流の受け入れ可否の判定に用いる電池温度と充電率（ＳＯＣ）の数値例のテーブルを示す。図５の（ａ）は、電池の並列数が１の場合の温度閾値の例を示し、（ｂ）は、その場合の電池温度による受け入れ可否の判定結果の例を示している。

図５の（ａ）に示す温度閾値テーブルに格納された、各充電率（ＳＯＣ）に応じた温度閾値は、該温度閾値以下の場合に、回生電流の受け入れができないと判定する閾値として用いられる。また、図５の（ｂ）に示す判定用のテーブルは、○印が回生電流の受け入れが可能で、×印が回生電流の受け入れができないことを表している。

図５の（ａ）及び（ｂ）のテーブルに示すように、充電率（ＳＯＣ）が０％〜２５％のとき（即ち、低い充電状態）であっても、電池温度が閾値温度の−３０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。充電率（ＳＯＣ）が２５％〜５０％のとき、電池温度が閾値温度−２０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。

充電率（ＳＯＣ）が５０〜７５％のとき、電池温度が閾値温度−１０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。充電率（ＳＯＣ）が７５％以上のとき、電池温度が閾値温度０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。即ち、電池の充電率（ＳＯＣ）が大きくなるに従って、温度閾値は高い値となる。

また、同様の判定を行うのに、電池の温度に応じた充電率（ＳＯＣ）の閾値をテーブルに設定しておき、充電率（ＳＯＣ）を閾値と比較して、電池が回生電流を受け入れられるか否かを判定する構成とすることができる。充電率（ＳＯＣ）は、電池４の開放回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）から、該開放回路電圧（ＯＣＶ）と充電率（ＳＯＣ）との対応を格納したＳＯＣ−ＯＣＶテーブル（図示省略）を用いて求めることができる。充電率（ＳＯＣ）は、ＯＣＶを用いて求めることに限らず、電流積算を用いて求めてもよい。

図５の（ｃ）は、並列数が１の場合の、充電率（ＳＯＣ）の閾値を格納した充電率（ＳＯＣ）閾値テーブルの例を示す。図５の（ｃ）に示す例では、電池温度が−３０度以下のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値０以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。即ち、電池温度が−３０度以下のとき、充電率（ＳＯＣ）がどの値であっても、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。

電池温度が−３０度〜−２０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値２５％以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が−２０度〜−１０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値５０％以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が−１０度〜０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値７５以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が０度以上のときは、充電率（ＳＯＣ）が１００％未満であれば充電可能と判定する。即ち、電池の温度が高くなるに従って、充電率（ＳＯＣ）閾値は大きい値となる。

図５の（ｄ）は、電池の並列数が２の場合の温度閾値の例を示し、（ｅ）はその場合の電池温度による判定結果の例を示している。電池の並列数が増えると、回生電流が並列接続の電池に分散されるため、並列数が少ないときに比べて、充電率（ＳＯＣ）が高い場合でも、回生電流の受け入れが可能となる。即ち、電池の並列数が増えるに従って、充電率（ＳＯＣ）閾値を大きくし、または、温度閾値を低くする。反対に、電池の並列数が少なくなるに従って、充電率（ＳＯＣ）閾値を小さくし、または、温度閾値を高くする。

図５の（ｄ）及び（ｅ）のテーブルに示すように、充電率（ＳＯＣ）が０％〜６２．５％のとき（即ち、低い充電率）であっても、電池温度が閾値温度の−３０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。充電率（ＳＯＣ）が６２．５％〜７５％のとき、電池温度が閾値温度−２０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。

充電率（ＳＯＣ）が７５％〜８７．５％のとき、電池温度が閾値温度−１０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。充電率（ＳＯＣ）が８７．５％以上のとき、電池温度が閾値温度０度以下の場合には、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。

また、同様の判定を行う際に、電池の並列数を２とした場合でも、電池の温度に応じた充電率（ＳＯＣ）の閾値を設定した充電率（ＳＯＣ）閾値テーブルを用意し、充電率（ＳＯＣ）を該閾値と比較して、電池が回生電流を受け入れられるか否かを判定する構成とすることができる。

図５の（ｆ）は、並列数が２の場合の、充電率（ＳＯＣ）閾値テーブルの数値例を示す。図５（ｆ）に示す例では、電池温度が−３０度以下のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値０以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。即ち、電池温度が−３０度以下のとき、充電率（ＳＯＣ）がどの値であっても、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。

電池温度が−３０度〜−２０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値６２．５％以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が−２０度〜−１０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値７５％以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が−１０度〜０度のとき、充電率（ＳＯＣ）が閾値８７．５％以上であれば、電池は回生電流を受け入れられないと判定する。電池温度が０度以上のときは、充電率（ＳＯＣ）が１００％未満であれば充電可能と判定する。

以上のように、充電率（ＳＯＣ）若しくは電池温度の閾値のマップテーブル、又は充電率（ＳＯＣ）と電池温度とによる回生電流受け入れ可否のマップテーブルを備え、それらのマップテーブルを参照して、充電率（ＳＯＣ）と電池温度とを基に、回生電流の受け入れ可否の判定を行うことができ、更に、電池の並列数に応じて異なるマップテーブルを用いる構成とすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。例えば、放電抵抗２として、ヒータ等の負荷、蓄電池、キャパシタ等の放電用部財を用いることができる。また、ダイオード１０，１２に代えて一方向性のＦＥＴ（Field Effect Transistor）リレー等を用いることができる。

また、回生電流を受け入れられるかどうかの判定には、電池４の温度を基に判定したが、電池４の充電率（ＳＯＣ）を基に判定してもよい。例えば、充電率（ＳＯＣ）閾値を９５％とし、電池４の温度に関係なく、充電率（ＳＯＣ）が９５％より高い場合は、回生電流を受け入れないようにしてもよい。

１ 回生電流放電用リレー
２ 放電抵抗
３ 回生電流受け入れ用電池リレー
４ 電池
５ 電池用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５１ 充電率（ＳＯＣ）情報
５２ 判定部
５３ リレー制御部
６ 機台用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）
７ パワーライン
８ 電動機（モータ）
１０ ダイオード
１１ 給電遮断用電池リレー
１２ ダイオード
１００ 電池パック
２００ 車両本体（機台）

Claims (6)

1. 電池から電動機の方向に駆動電流を流すダイオードと並列に接続され、前記電動機から発生する回生電流を前記電池へ導く回生電流受け入れ用電池リレーと、
   前記電動機からの回生電流を放電用部材へ導く、前記電池に並列に接続される回生電流放電用リレーと、
   予め記憶した、前記電池が回生電流を受け入れることができない電池の温度の閾値と前記電池の温度とを比較し、前記電池の温度が前記閾値より低いと判定したとき、又は、予め記憶した、前記電池が回生電流を受け入れることができない電池の充電率の閾値と前記電池の充電率とを比較し、前記電池の充電率が前記閾値より高いと判定したとき、該判定の完了時から、前記回生電流受け入れ用電池リレーを遮断状態とし、前記回生電流放電用リレーを導通状態とするよう制御する電子制御部と、
   を備えたことを特徴とする回生電流を処理する電池保護装置。
2. 前記電池と、前記電動機への駆動電流を流すパワーラインとの間に、前記ダイオードと前記回生電流受け入れ用電池リレーとの並列回路と直列に、給電遮断用電池リレーを設けたことを特徴とする請求項１記載の回生電流を処理する電池保護装置。
3. 前記給電遮断用電池リレーと並列に、ダイオードを前記パワーラインから前記電池に電流が流れる向きに設けたことを特徴とする請求項２記載の回生電流を処理する電池保護装置。
4. 充電率が大きくなるに従って高い値となる前記閾値を格納した温度閾値テーブルを備え、前記電子制御部は、前記温度閾値テーブルを参照し、前記電池の充電率に応じた前記閾値を前記判定に用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の回生電流を処理する電池保護装置。
5. 前記閾値として、前記電池の並列数が少なくなるに従って高い値となる閾値を格納した温度閾値テーブルを備え、前記電子制御部は、並列数に応じた前記温度閾値テーブルを参照し、前記電池の充電率に応じた前記閾値を前記判定に用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の回生電流を処理する電池保護装置。
6. 前記温度閾値テーブルに代えて、電池の温度が高くなるに従って大きい値となる充電率の閾値を格納した充電率閾値テーブルを用い、
   前記電子制御部は、前記電池の温度の閾値と比較して前記判定を行う構成に代えて、前記充電率閾値テーブルに格納された、電池温度に応じた充電率の閾値以上のときに、前記電池が回生電流を受け入れることができないと判定することを特徴とする請求項４又は５記載の回生電流を処理する電池保護装置。

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