JP2015192462A

JP2015192462A - 電池システム

Info

Publication number: JP2015192462A
Application number: JP2014065731A
Authority: JP
Inventors: 寿範温見; Hisanori Nukumi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】外部の負荷への電力供給を継続しつつ、直流バスと電池との電圧差を素早く解消し、各電池と直流バスとの間に抵抗器を設けないことによって熱損失を低減し、各電池に電圧変換装置を設ける場合よりもコストを低減する。【解決手段】統括制御手段は、第１スイッチング素子をオフし、第１直流バスから解列された電池を第１直流バスに再度接続する際に、第１電圧センサ及び第２電圧センサによる検出結果に基づいて、第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池に設けられた第１スイッチング素子をオフ状態のままにすると共に、第２スイッチング素子をオン状態にして、第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を、電圧調整手段に、第１直流バスと同じ電圧まで充放電させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池システムに関する。

現在、電池システムの１つとして、直流バスに複数の電池が並列に接続され、直流バスに接続される充放電装置によって、複数の電池から外部の負荷に電力を供給すると共に、複数の電池を充電するものが存在する。このような電池システムでは、複数のうちのある電池の一部を電池システムから解列された後に再接続する際に、解列した電池と直流バスとの間に電圧差が生じた場合、電圧差による突入電流が発生して、保護用のヒューズが切れる等の問題が発生する。上記突入電流を防止する方法として、以下の第１〜第４方法が考案されている。

まず、第１方法として、各電池と直流バスとの間にスイッチング素子を設け、電池と直流バスとの間に電圧差が生じている場合には、スイッチング素子をオフ状態にすると共に負荷への電力供給を一旦停止し、電圧差が生じている電池に設けられたスイッチング素子のみをオン状態にして、該電池を充放電することで電圧差を解消し、その後、負荷への電力供給を再開する方法が提案されている。
また、第２方法として、第１方法同様に、各電池と直流バスとの間にスイッチング素子を設け、直流バスの電圧よりある電池の電圧が高い場合、該電池に設けられたスイッチング素子をオフ状態にすると共に、他の電池から負荷への電力供給を継続し、電圧差を解消したら、オフ状態のスイッチング素子をオン状態にして、全ての電池による電力供給を再開する方法が提案されている。

また、第３方法として、各電池と直流バスとの間に第１スイッチング素子を設けることに加えて、各電池と直流バスとの間に第２スイッチング素子及び抵抗器が直列接続された回路を設け、電池と直流バスとの間に電圧差が生じている場合には、上記第１スイッチング素子をオフ状態で、第２スイッチング素子をオン状態にすることによって、抵抗を介して電池間で電力を供給し合って電圧差を解消し、その後、第１スイッチング素子をオン状態のままにすると共に、第２スイッチング素子をオフ状態にして、負荷への電力供給を再開する方法が提案されている。
また、第４方法として、各電池と直流バスの間に電圧変換器を設け、直流バスと電池の電圧差を電圧変換器によって吸収する方法が提案されている。

特開２０１２−６５５３４号公報

ところで、上記従来技術において、第１方法には、直流バスと電池との電圧差を解消する間、負荷への電力供給を一旦停止しなければならないという問題があった。また、第２方法には、直流バスと電池との電圧差を解消するまでの時間が負荷に左右されてしまい、直流バスと電池との電圧差を解消するまでに時間がかかってしまうという問題があった。また、第３方法には、直流バスと電池との電圧差を解消する間、負荷への電力供給を一旦停止しなければならず、また、各電池と直流バスとの間に設けられた抵抗器による大きな熱損失が発生するという問題があった。また、第４方法には、各電池に電圧変換装置を設ける必要があるため、コストが上がってしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、外部の負荷への電力供給を継続しつつ、直流バスと電池との電圧差を素早く解消し、各電池と直流バスとの間に抵抗器を設けないことによって従来よりも熱損失を低減し、各電池に電圧変換装置を設ける場合よりもコストを低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、複数の電池と、複数の電池を並列に接続するための第１直流バスと、複数の電池を並列に接続するための第２直流バスと、前記第１直流バスに接続され、複数の電池の放電を制御して、外部の負荷に供給する放電制御手段と、前記第２直流バスに接続され、前記電池の電圧を調整する電圧調整手段と、前記第１直流バスの電圧を検出する第１電圧センサと、各電池の電圧を検出する第２電圧センサと、各電池と前記第１直流バスとの間に設けられた第１スイッチング素子と、各電池と前記第２直流バスとの間に設けられた第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び前記放電制御手段を制御することによって、外部の負荷に供給する電力量を制御する統括制御手段とを具備し、前記統括制御手段は、前記第１スイッチング素子をオフし、前記第１直流バスから解列された電池を前記第１直流バスに再度接続する際に、前記第１電圧センサ及び第２電圧センサによる検出結果に基づいて、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池に設けられた前記第１スイッチング素子をオフ状態のままにすると共に、前記第２スイッチング素子をオン状態にして、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を、前記電圧調整手段に、前記第１直流バスと同じ電圧まで充放電させる、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電圧調整手段は、前記放電制御手段から放電された電力の一部が供給され、前記統括制御手段は、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を充電させる際に、前記放電制御手段から外部の負荷に供給される電力量に不足が発生しないように、前記放電制御手段を制御する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記統括制御手段は、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池が複数存在する場合には、前記第１直流バスの電圧と差の小さい電池から優先して前記電圧調整手段に充放電させる、という手段を採用する。

本発明によれば、第１スイッチング素子をオフし、第１直流バスから解列された電池を第１直流バスに再度接続する際に、前記第１電圧センサ及び第２電圧センサによる検出結果に基づいて、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池に設けられた前記第１スイッチング素子をオフ状態のままにすると共に、前記第２スイッチング素子をオン状態にして、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を、前記電圧調整手段に、前記第１直流バスと同じ電圧まで充放電させることによって、外部の負荷への電力供給を継続しつつ、直流バスと電池との電圧差を素早く解消できる。また、本発明によれば、各電池と直流バスとの間に抵抗器を設けないことによって従来よりも熱損失を低減できる。また、本発明によれば、電圧調整手段を１つと、電池に応じた第２スイッチング素子と、第２直流バスを１つとを新たに設けるだけであるので、各電池に電圧変換装置を設ける場合よりもコストを低減できる。

また、本発明によれば、第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を充電させる際に、放電制御手段から外部の負荷に供給される電力量に不足が発生しないように、放電制御手段を制御することによって、負荷に安定的に電力を供給し続けることができる。

また、本実施形態によれば、第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池が複数存在する場合には、第１直流の電圧と差の小さい電池から優先して電圧調整手段に充放電させることで、第１直流バスに接続可能な電池を早く増やすことができるので、第１直流バスに接続される各電池による放電を平均化することができる。

本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電池システムは、フォークリフト等の各種電動装置に搭載され、電動装置内に設けられた負荷Ｌに電力を供給するものであり、図１に示すように、接続端子Ｔ、電池Ｃ１〜Ｃｎ、第１直流バスＢ１、第２直流バスＢ２、第１充放電装置Ｈ１（放電制御手段）、第２充放電装置Ｈ２（電圧調整手段）、第１電圧センサＡＤ、第２電圧センサＢＤ１〜ＢＤｎ、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ、第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎ及びマイコンＭ（統括制御手段）を備える。

接続端子Ｔは、本電池システムと外部の負荷Ｌとを電気的に接続するための端子である。
電池Ｃ１〜Ｃｎは、例えば、ｎ個のリチウムイオン電池等の蓄電池（二次電池）からなる電池モジュールである。電池Ｃ１〜Ｃｎは、第１直流バスＢ１を介して並列に接続されると共に、第２直流バスＢ２を介しても並列に接続される。

第１直流バスＢ１は、電池Ｃ１〜Ｃｎを並列に接続するための電力線であり、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎを介して、電池Ｃ１〜Ｃｎそれぞれに接続されている。また、第１直流バスＢ１は、第１充放電装置Ｈ１（放電制御手段）にも接続されている。

第２直流バスＢ２は、電池Ｃ１〜Ｃｎを並列に接続するための電力線であり、第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎを介して、電池Ｃ１〜Ｃｎそれぞれに接続されている。また、第２直流バスＢ２は、第１直流バスＢ１と異なり、第２充放電装置Ｈ２に接続されている。

第１充放電装置Ｈ１は、オン状態となっている第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎを介して、電池Ｃ１〜Ｃｎから供給される電力を調整し、接続端子Ｔを介して負荷Ｌに供給する。また、第１充放電装置Ｈ１は、接続端子Ｔに接続される図示しない充電器から供給される充電電力を調整して、第１直流バスＢ１を介して電池Ｃ１〜Ｃｎに供給する。

第２充放電装置Ｈ２は、オン状態となっている第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎを介して、電池Ｃ１〜Ｃｎから供給される電力を調整し、接続端子Ｔを介して負荷Ｌに供給する。また、第２充放電装置Ｈ２は、第１充放電装置Ｈ１から放電された電力の一部を、オン状態となっている第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎを介して、電池Ｃ１〜Ｃｎに供給する。

第１電圧センサＡＤは、第１直流バスＢ１に設けられ、第１直流バスＢ１の電圧を検出し、検出した電圧値を示す検出信号をマイコンＭに出力する。
第２電圧センサＢＤ１〜ＢＤｎは、各電池Ｃ１〜Ｃｎに設けられ、各電池Ｃ１〜Ｃｎの電圧を検出し、検出した電圧値を示す検出信号をマイコンＭに出力する。

第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎは、各々が各電池Ｃ１〜Ｃｎと第１直流バスＢ１との間に設けられている。なお、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎについては、類似した構成であるので、第１スイッチング素子ＡＳ１のみ説明し、第１スイッチング素子ＡＳ２〜ＡＳｎについては説明を省略する。

第１スイッチング素子ＡＳ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池Ｃ１の正極に接続され、コレクタ端子が第１直流バスＢ１に接続されている。このような第１スイッチング素子ＡＳ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となる。一方、第１スイッチング素子ＡＳ１は、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となる。

また、第１スイッチング素子ＡＳ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎは、各々が各電池Ｃ１〜Ｃｎと第２直流バスＢ２との間に設けられている。なお、第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎについては、類似した構成であるので、第２スイッチング素子ＢＳ１のみ説明し、第２スイッチング素子ＢＳ２〜ＢＳｎについては説明を省略する。

第２スイッチング素子ＢＳ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池Ｃ１の正極に接続され、コレクタ端子が第２直流バスＢ２に接続されている。このような第２スイッチング素子ＢＳ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となる。一方、第２スイッチング素子ＢＳ１は、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となる。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップである。このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電池システムの全体動作を制御する。

詳細については後述するが、マイコンＭは、電池Ｃ１〜Ｃｎから負荷Ｌへの電力供給を継続しつつ、第１直流バスＢ１と電池Ｃ１〜Ｃｎとの電圧差を素早く解消するように、上記演算制御プログラムや第１電圧センサＡＤ及び第２電圧センサＢＤ１〜ＢＤｎによる検出結果に基づいて第１充放電装置Ｈ１、第２充放電装置Ｈ２、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎを制御する。

次に、このように構成された本電池システムの動作について説明する。
本電池システムは、例えば、フォークリフトに搭載されている場合、フォークリフトに設けられた負荷Ｌに各電池Ｃ１〜Ｃｎから電力を供給する。つまり、電池システムにおいて、マイコンＭは、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎをオン状態した状態で、第１充放電装置Ｈ１に、電池Ｃ１〜Ｃｎから負荷Ｌに電力を供給させる。

ここで、電池システムは、電池Ｃ１〜Ｃｎから負荷Ｌへの電力供給を継続しつつ、第１直流バスＢ１と電池Ｃ１〜Ｃｎとの電圧差を素早く解消するために、以下の特徴的な動作を実行する。

マイコンＭは、第１スイッチング素子をオフし、第１直流バスから解列された電池を第１直流バスに再度接続する際に、第１電圧センサＡＤ及び第２電圧センサＢＤ１〜ＢＤｎによる検出結果に基づいて、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎに設けられた第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎのうち、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎをオフ状態のままにすると共に、第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎをオン状態にして、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎを、第２充放電装置Ｈ２に、第１直流バスＢ１と同じ電圧まで充放電させる（図２のステップＳ１）。

例えば、マイコンＭは、電池Ｃ１の電圧が第１直流バスＢ１の電圧と異なる場合、第１スイッチング素子ＡＳ１をオフ状態のままにすると共に、第２スイッチング素子ＢＳ１をオン状態にして、電池Ｃ１を、第２充放電装置Ｈ２に、第１直流バスＢ１と同じ電圧まで充放電させる。この際、マイコンＭは、電池Ｃ１以外の電池Ｃ２〜Ｃｎに関して、第１スイッチング素子ＡＳ２〜ＡＳｎをオン状態にすると共に、第２スイッチング素子ＢＳ２〜ＢＳｎをオフ状態にして、第１充放電装置Ｈ１に、電池Ｃ２〜Ｃｎから負荷Ｌへの電力供給を継続させる。

続いて、電池システムでは、第２充放電装置Ｈ２は、第１充放電装置Ｈ１から放電された電力の一部が供給されるが、マイコンＭは、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎ（例えば、電池Ｃ１）を充電させる際に、第１充放電装置Ｈ１から負荷Ｌに供給される電力量に不足が発生しないように、第１充放電装置Ｈ１を制御する（図２のステップＳ２）。

また、マイコンＭは、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎが複数存在する場合には、第１直流バスＢ１の電圧と差の小さい電池Ｃ１〜Ｃｎから優先して第２充放電装置Ｈ２に充放電させる。

このような本実施形態によれば、第１電圧センサＡＤ及び第２電圧センサＢＤ１〜ＢＤｎによる検出結果に基づいて、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎに設けられた第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎのうち、第１スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎをオフ状態のままにすると共に、第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎをオン状態にして、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電池Ｃ１〜Ｃｎの電池を、第２充放電装置Ｈ２によって、第１直流バスＢ１と同じ電圧まで充放電させることによって、外部の負荷Ｌへの電力供給を継続しつつ、第１直流バスＢ１と電池Ｃ１〜Ｃｎとの電圧差を素早く解消できる。

また、本実施形態によれば、各電池Ｃ１〜Ｃｎと第１直流バスＢ１との間に抵抗器を設けないことによって従来よりも熱損失を低減できる。また、本実施形態によれば、第２充放電装置Ｈ２を１つと、電池Ｃ１〜Ｃｎに応じた第２スイッチング素子ＢＳ１〜ＢＳｎと、第２直流バスＢ２を１つとを新たに設けるだけであるので、各電池Ｃ１〜Ｃｎに電圧変換装置を設ける場合よりもコストを低減できる。

また、本実施形態によれば、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎを充電させる際に、第１充放電装置Ｈ１から外部の負荷Ｌに供給される電力量に不足が発生しないように、第１充放電装置Ｈ１を制御することによって、負荷Ｌに安定的に電力を供給し続けることができる。

また、本実施形態によれば、第１直流バスＢ１の電圧と異なる電圧の電池Ｃ１〜Ｃｎが複数存在する場合には、第１直流バスＢ１の電圧と差の小さい電池Ｃ１〜Ｃｎから優先して第２充放電装置Ｈ２に充放電させることで、第１直流バスＢ１に接続可能な電池Ｃ１〜Ｃｎを早く増やすことができるので、第１直流バスＢ１に接続される各電池Ｃ１〜Ｃｎによる放電を平均化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
本実施形態は、フォークリフト以外の電動装置に搭載されてもよい。

Ｔ接続端子
Ｃ１〜Ｃｎ電池
Ｂ１第１直流バス
Ｂ２第２直流バス
Ｈ１第１充放電装置
Ｈ２第２充放電装置
ＡＤ第１電圧センサ
ＢＤ１〜ＢＤｎ第２電圧センサ
ＡＳ１〜ＡＳｎ第１スイッチング素子
ＢＳ１〜ＢＳｎ第２スイッチング素子
Ｍマイコン
Ｌ負荷

Claims

複数の電池と、
複数の電池を並列に接続するための第１直流バスと、
複数の電池を並列に接続するための第２直流バスと、
前記第１直流バスに接続され、複数の電池の放電を制御して、外部の負荷に供給する放電制御手段と、
前記第２直流バスに接続され、前記電池の電圧を調整する電圧調整手段と、
前記第１直流バスの電圧を検出する第１電圧センサと、
各電池の電圧を検出する第２電圧センサと、
各電池と前記第１直流バスとの間に設けられた第１スイッチング素子と、
各電池と前記第２直流バスとの間に設けられた第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子及び前記放電制御手段を制御することによって、外部の負荷に供給する電力量を制御する統括制御手段とを具備し、
前記統括制御手段は、前記第１スイッチング素子をオフし、前記第１直流バスから解列された電池を前記第１直流バスに再度接続する際に、前記第１電圧センサ及び第２電圧センサによる検出結果に基づいて、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池に設けられた前記第１スイッチング素子をオフ状態のままにすると共に、前記第２スイッチング素子をオン状態にして、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を、前記電圧調整手段に、前記第１直流バスと同じ電圧まで充放電させることを特徴とする電池システム。
前記電圧調整手段は、前記放電制御手段から放電された電力の一部が供給され、
前記統括制御手段は、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池を充電させる際に、前記放電制御手段から外部の負荷に供給される電力量に不足が発生しないように、前記放電制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
前記統括制御手段は、前記第１直流バスの電圧と異なる電圧の電池が複数存在する場合には、前記第１直流バスの電圧と差の小さい電池から優先して前記電圧調整手段に充放電させることを特徴とする請求項１または２に記載の電池システム。