JP2015228744A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流遮断器の端子間に印加される電圧値を低下させる。
【解決手段】組電池１０は正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して負荷２３と接続されている。２つの電池グループ１０Ａ、１０Ｂの間の接続点には、中間ラインＣＬが接続される。ダイオードＤ１のカソードが正極ラインＰＬに接続され、ダイオードＤ１のアノードが中間ラインＣＬに接続される。ダイオードＤ２のカソードが中間ラインＣＬに接続され、ダイオードＤ２のアノードが負極ラインＮＬに接続される。コンデンサＣ１は正極ラインＰＬおよび中間ラインＣＬに接続され、コンデンサＣ２は中間ラインＣＬおよび負極ラインＮＬに接続される。組電池１０の放電時に電流遮断器が作動するとダイオードＤ１又はＤ２に放電電流を流すことができ、コンデンサＣ１又はＣ２の電圧値を０［Ｖ］にできる。これにより、電流遮断器に印加される電圧値を低下させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電素子が直列に接続された蓄電装置を有しており、各蓄電素子が電流遮断器を備えた蓄電システムに関する。

特許文献１では、正極ラインおよび負極ラインの他に、中間ラインを設けることにより、単電池に含まれる電流遮断器が作動したときに、電流遮断器の端子間に印加される電圧値を低下させるようにしている。

特許第０５３３３６７１号

特許文献１において、組電池を放電しているときに第１電池グループに含まれる単電池の電流遮断器が作動した場合を想定する。この場合には、第２電池グループだけが放電される。ここで、第２電池グループと並列に接続されたコンデンサの電圧値は、第２電池グループの電圧値と等しくなる。

一方、第１電池グループと並列に接続されたコンデンサには、第２電池グループと並列に接続されたコンデンサとは逆方向の電荷が蓄積される。これにより、作動状態の電流遮断器には、２つのコンデンサの電圧値の総和（すなわち、組電池の電圧値）が印加されてしまう。したがって、組電池を放電しているときには、特許文献１のように電流遮断器に印加される電圧値を低下させることができない。

本発明の蓄電システムは、蓄電装置を有する。蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子を有しており、各蓄電素子は、蓄電素子の内部の電流経路を遮断する電流遮断器を備えている。蓄電装置は、正極ラインおよび負極ラインを介して負荷と接続されている。また、蓄電装置に含まれる２つの蓄電素子の間の接続点には、中間ラインが接続されている。

第１コンデンサは正極ラインおよび中間ラインに接続され、第２コンデンサは負極ラインおよび中間ラインに接続されている。ここで、第１コンデンサおよび第２コンデンサは、正極ラインおよび負極ラインの間で直列に接続されている。第１ダイオードのカソードは正極ラインに接続され、第１ダイオードのアノードは中間ラインに接続されている。第２ダイオードのカソードは中間ラインに接続され、第２ダイオードのアノードは負極ラインに接続されている。ここで、第１ダイオードおよび第２ダイオードは、正極ラインおよび負極ラインの間で直列に接続されている。

蓄電装置を構成する複数の蓄電素子は、正極ラインおよび中間ラインに接続された第１グループと、負極ラインおよび中間ラインに接続された第２グループとに分けられる。例えば、蓄電装置を放電しているときであって、第１グループに含まれる蓄電素子の電流遮断器が作動したときには、第２グループだけが放電される。第２グループの放電電流は第１ダイオードを流れ、第１コンデンサも放電される。

これにより、第１コンデンサの電圧値が０［Ｖ］となり、作動状態の電流遮断器には、第１グループの電圧値が印加される。第１グループの電圧値は蓄電装置の電圧値よりも低いため、作動状態の電流遮断器に印加される電圧値を低下させることができる。なお、第２グループに含まれる蓄電素子の電流遮断器が作動した場合にも、上述した場合と同様に、第２コンデンサの電圧値を０［Ｖ］にすることができ、作動状態の電流遮断器に印加される電圧値を低下させることができる。

実施例１である電池システムの構成を示す図である。 単電池の構成を示す概略図である。 実施例２である電池システムの構成を示す図である。 実施例３である電池システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システム（本発明の蓄電システムに相当する）について説明する。図１は、電池システムの構成を示す概略図である。

組電池（本発明の蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池（本発明の蓄電素子に相当する）１１を有する。単電池１１としては、二次電池又は電気二重層キャパシタを用いることができる。組電池１０は、２つの電池グループ１０Ａ，１０Ｂに分けられている。各電池グループ１０Ａ，１０Ｂは、直列に接続された複数の単電池１１によって構成されている。

組電池１０（電池グループ１０Ａ）の正極端子には正極ラインＰＬが接続され、組電池１０（電池グループ１０Ｂ）の負極端子には負極ラインＮＬが接続されている。電池グループ１０Ａおよび電池グループ１０Ｂの間の接続点、言い換えれば、２つの単電池１１の間の接続点には、中間ラインＣＬが接続されている。正極ラインＰＬにはシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられ、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂはオンおよびオフの間で切り替わる。負極ラインＮＬにはシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられ、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇはオンおよびオフの間で切り替わる。

中間ラインＣＬにはシステムメインリレーＳＭＲ−Ｃが設けられ、システムメインリレーＳＭＲ−Ｃはオンおよびオフの間で切り替わる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｃには、抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐが並列に接続されている。抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐは直列に接続されている。電池パック１００は、組電池１０、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｃ，ＳＭＲ−Ｐおよび抵抗素子Ｒを含んでおり、１つのユニットとして取り扱われる。

ダイオード（本発明の第１ダイオードに相当する）Ｄ１およびダイオード（本発明の第２ダイオードに相当する）Ｄ２は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬの間において直列に接続されている。具体的には、ダイオードＤ１のカソードが正極ラインＰＬに接続され、ダイオードＤ１のアノードがダイオードＤ２のカソードと接続されている。ダイオードＤ２のアノードは負極ラインＮＬに接続されている。また、ダイオードＤ１，Ｄ２の間の接続点には、中間ラインＣＬが接続されている。

これにより、ダイオードＤ１は、正極ラインＰＬおよび中間ラインＣＬを介して、電池グループ１０Ａと並列に接続される。また、ダイオードＤ２は、負極ラインＮＬおよび中間ラインＣＬを介して、電池グループ１０Ｂと並列に接続される。

コンデンサ（本発明の第１コンデンサに相当する）Ｃ１およびコンデンサ（本発明の第２コンデンサに相当する）Ｃ２は、正極ラインＰＬおよび負極ラインの間において直列に接続されている。具体的には、コンデンサＣ１の一端が正極ラインＰＬに接続され、コンデンサＣ１の他端がコンデンサＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣ２の他端は負極ラインＮＬに接続されている。コンデンサＣ１，Ｃ２の間の接続点には、中間ラインＣＬが接続されている。

これにより、コンデンサＣ１は、正極ラインＰＬおよび中間ラインＣＬを介して、電池グループ１０ＡやダイオードＤ１と並列に接続される。また、コンデンサＣ２は、負極ラインＮＬおよび中間ラインＣＬを介して、電池グループ１０ＢやダイオードＤ２と並列に接続される。

組電池１０は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、昇圧回路２１に接続されている。昇圧回路２１は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ２２に出力する。インバータ２２は、昇圧回路２１から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ（ＭＧ）２３に出力する。モータ・ジェネレータ２３は、インバータ２２からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。

モータ・ジェネレータ２３は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換し、交流電力をインバータ２２に出力する。インバータ２２は、モータ・ジェネレータ２３からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路２１に出力する。昇圧回路２１は、インバータ２２の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力する。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。

ＰＣＵ（Power Control Unit）２００は、昇圧回路２１およびインバータ２２を含むユニットであり、ＰＣＵ２００には、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２が含まれる。ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２は、例えば、昇圧回路２１の基板上に設けることができる。

エアコン（Ａ／Ｃ）２４は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬに接続されており、組電池１０からの電力を受けて動作する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬに接続されており、組電池１０の出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２５に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５には補機電池２６および補機２７が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電力が補機電池２６や補機２７に供給される。

図１に示す電池システムを起動状態にするときには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐがオフからオンに切り替わるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオフからオンに切り替わる。コンデンサＣ１は、電池グループ１０Ａの放電電流によって充電されるが、コンデンサＣ１の充電電流が抵抗素子Ｒを流れることにより、コンデンサＣ１に突入電流が流れることを抑制できる。また、コンデンサＣ２は、電池グループ１０Ｂの放電電流によって充電されるが、コンデンサＣ２の充電電流が抵抗素子Ｒを流れることにより、コンデンサＣ２に突入電流が流れることを抑制できる。

コンデンサＣ１，Ｃ２を充電した後、システムメインリレーＳＭＲ−Ｃがオフからオンに切り替わるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐがオンからオフに切り替わる。これにより、組電池１０および昇圧回路２１の接続が完了し、図１に示す電池システムが起動状態となる。なお、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ、ＳＭＲ−Ｃがオンからオフに切り替わることにより、図１に示す電池ステムが停止状態になる。

図２に示すように、単電池１１は、発電要素１１ａおよび電流遮断器１１ｂを有する。発電要素１１ａは充放電を行う要素であり、公知のように、正極板、負極板およびセパレータによって構成することができる。電流遮断器１１ｂは、発電要素１１ａに流れる電流を遮断するために用いられる。例えば、単電池１１の内部でガスが発生し、単電池１１の内圧が上昇したときに、電流遮断器１１ｂを作動させることができる。また、発電要素１１ａに過大な電流が流れるときに、電流遮断器１１ｂを作動させることができる。電流遮断器１１ｂとしては、上述した機能を達成させる公知の構成を用いることができる。

電流遮断器１１ｂが作動したときには、電流遮断器１１ｂの端子間に高電圧が印加されることがある。本実施例では、以下に説明するように、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値を低下させることができる。

以下では、電池グループ１０Ａに含まれる単電池１１（任意の１つ）の電流遮断器１１ｂが作動したときについて説明する。なお、電池グループ１０Ｂに含まれる単電池１１（任意の１つ）の電流遮断器１１ｂが作動したときの挙動は、電池グループ１０Ａに含まれる単電池１１の電流遮断器１１ｂが作動したときの挙動と同様であるため、詳細な説明は省略する。

まず、図１に示す電池システムを起動状態にするときに、電流遮断器１１ｂが作動している場合について説明する。

電池システムを起動状態にする前では、コンデンサＣ１，Ｃ２が放電されており、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧値Ｖ＿ｃ１，Ｖ＿ｃ２が０［Ｖ］である。本実施例では、中間ラインＣＬを設けているため、作動状態の電流遮断器１１ｂには、コンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１と電池グループ１０Ａの電圧値Ｖ＿Ａとの差に相当する電圧値が印加される。ここで、コンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１が０［Ｖ］であるため、電流遮断器１１ｂには、電池グループ１０Ａの電圧値Ｖ＿Ａが印加される。

中間ラインＣＬを省略すると、電流遮断器１１ｂには、組電池１０の電圧値Ｖｂが印加されてしまう。電池グループ１０Ａの電圧値Ｖ＿Ａは、組電池１０の電圧値Ｖｂよりも低いため、本実施例によれば、電流遮断器１１ｂに印加される電圧値を低下させることができる。

次に、組電池１０を放電しているときに電流遮断器１１ｂが作動した場合について説明する。

電流遮断器１１ｂが作動することにより、電池グループ１０Ａは放電されず、電池グループ１０Ｂだけが放電される。ここで、ダイオードＤ１，Ｄ２を省略したとき、コンデンサＣ２の電圧値Ｖ＿ｃ２は、電池グループ１０Ｂの電圧値Ｖ＿Ｂと等しくなる。また、電池グループ１０Ｂの放電電流がコンデンサＣ１に流れることにより、コンデンサＣ１には、コンデンサＣ２とは逆方向の電荷が蓄積される。そして、コンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１は、コンデンサＣ２の電圧値Ｖ＿ｃ２、言い換えれば、電池グループ１０Ｂの電圧値Ｖ＿Ｂと等しくなる。

作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値は、上述したように、電池グループ１０Ａの電圧値Ｖ＿ＡとコンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１との差になる。上述したように、コンデンサＣ１には逆方向の電荷が蓄積されているため、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値は、電圧値Ｖ＿Ａおよび電圧値Ｖ＿ｃ１（電圧値Ｖ＿Ｂ）の総和（すなわち、組電池１０の電圧値Ｖｂ）になる。

本実施例のように、ダイオードＤ１，Ｄ２を設けると、電池グループ１０Ｂの放電電流をダイオードＤ１に流すことができる。これにより、コンデンサＣ１を放電させることができ、コンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１を０［Ｖ］にすることができる。このとき、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値は、電池グループ１０Ａの電圧値Ｖ＿Ａとなる。したがって、ダイオードＤ１，Ｄ２を省略した場合に比べて、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値を低下させることができる。

次に、組電池１０を充電しているときに電流遮断器１１ｂが作動した場合について説明する。

電流遮断器１１ｂが作動すると、電池グループ１０Ａを充電することができなくなる。また、組電池１０を充電するときの電流がコンデンサＣ１，Ｃ２に流れることにより、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。ここで、コンデンサＣ２は電池グループ１０Ｂと並列に接続されているため、コンデンサＣ２の電圧値Ｖ＿ｃ２は電池グループ１０Ｂの電圧値Ｖ＿Ｂと等しくなる。したがって、コンデンサＣ１の電圧値Ｖ＿ｃ１は、電圧値Ｖ＿ｃ２，Ｖ＿Ｂに比べて上昇しやすくなる。

ここで、電圧値Ｖ＿ｃ１が閾値Ｖ＿ｏｖｌ１よりも高いときには、組電池１０への電力供給を停止させることができる。ここで、電圧値Ｖ＿ｃ１，Ｖ＿ｃ２は、電圧センサを用いて検出することができる。例えば、回生電力を用いて組電池１０を充電しているときには、モータ・ジェネレータ２３による発電を停止させることができる。これにより、電圧値Ｖ＿ｃ１を閾値Ｖ＿ｏｖｌ１以下の電圧値に維持することができる。

閾値Ｖ＿ｏｖｌ１は予め設定しておくことができる。ここで、電流遮断器１１ｂが作動していなく、組電池１０（又は単電池１１）の電圧値に基づいて組電池１０の充放電を制御するときには、組電池１０への電力供給を停止させる必要が無い。この点を考慮して、閾値Ｖ＿ｏｖｌ１を設定することができる。

電圧値Ｖ＿ｃ１を閾値Ｖ＿ｏｖｌ１以下の電圧値に維持すれば、作動状態の電流遮断器１１ｂには、電圧値Ｖ＿Ａおよび閾値Ｖ＿ｏｖｌ１の差に相当する電圧値が印加される。これにより、電圧値Ｖ＿ｃ１が閾値Ｖ＿ｏｖｌ１よりも高くなる場合に比べて、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値を低下させることができる。

本実施例では、ダイオードＤ１，Ｄ２を用いているが、ダイオードＤ１，Ｄ２の代わりにツェナーダイオードを用いることもできる。ここで、ダイオードＤ１，Ｄ２と同様に、ツェナーダイオードを接続することができる。ツェナーダイオードに印加される電圧値がツェナーダイオードの降伏電圧値よりも高くなると、ツェナーダイオードのカソードからアノードに電流が流れる。これにより、ツェナーダイオードと並列に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧値Ｖ＿ｃ１，Ｖ＿ｃ２は、ツェナーダイオードの降伏電圧値よりも高くなることはない。

このように、ツェナーダイオードを用いることにより、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧値Ｖ＿ｃ１，Ｖ＿ｃ２の上限値をツェナーダイオードの降伏電圧値に設定することができる。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧値Ｖ＿ｃ１，Ｖ＿ｃ２が上昇しすぎることを防止でき、上述したように、作動状態の電流遮断器１１ｂに印加される電圧値を低下させることができる。また、ツェナーダイオードを用いることにより、組電池１０への電力供給を停止させなくても、コンデンサＣ１，Ｃ２の充電を停止させることができる。

本発明の実施例２である電池システムについて、図３を用いて説明する。本実施例において、実施例１で説明した構成要素と同じ構成要素についは同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例１と異なる点について説明する。

実施例では、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２がＰＣＵ２００に含まれていたが、本実施例では、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２が電池パック１００に含まれている。一方、ＰＣＵ２００は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬに接続されたコンデンサＣ３を有する。なお、コンデンサＣ３は省略することもできる。

実施例１では、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２を追加する分だけ、ＰＣＵ２００の構成を変更しなければならない。本実施例によれば、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２を電池パック１００に設けているため、ＰＣＵ２００としては、従来の構成を採用することができる。本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、本実施例においても、ダイオードＤ１，Ｄ２の代わりに、ツェナーダイオードを用いることができる。

本発明の実施例３である電池システムについて、図４を用いて説明する。本実施例において、実施例１,２で説明した構成要素と同じ構成要素についは同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例１,２と異なる点について説明する。

本実施例では、実施例１，２で説明したシステムメインリレーＳＭＲ−Ｃが省略されている。また、抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐは、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇと並列に接続されている。なお、抵抗素子ＲおよびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｐは、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂと並列に接続することもできる。

本実施例において、ダイオードＤ１のカソードは、組電池１０の正極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂの間に位置する正極ラインＰＬに接続されている。また、ダイオードＤ２のアノードは、組電池１０の負極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇの間に位置する負極ラインＮＬに接続されている。

また、コンデンサＣ１の一端は、組電池１０の正極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂの間に位置する正極ラインＰＬに接続されている。また、コンデンサＣ２の他端は、組電池１０の負極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇの間に位置する負極ラインＮＬに接続されている。

本実施例によれば、実施例１，２と同様の効果を得ることができる。また、本実施例では、実施例１，２と比べて、システムメインリレーＳＭＲ−Ｃを省略できるため、部品点数を減らすことができる。

なお、本実施例では、２つのダイオードＤ１，Ｄ２および２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を設けているが、ダイオードおよびコンデンサの数を３つ以上にすることもできる。ここで、３つの以上のダイオードは、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬの間において直列に接続される。また、各ダイオードに対してコンデンサが並列に接続される。

２つのダイオードの接続点には中間ラインＣＬが接続されるため、３つ以上のダイオードを直列に接続したときには、複数の中間ラインＣＬが設けられる。また、各ダイオードと並列に接続される電池グループは、ダイオードの数だけ存在する。本実施例においても、ダイオードＤ１，Ｄ２の代わりに、ツェナーダイオードを用いることができる。

１０：組電池、１１：単電池、１１ａ：発電要素、１１ｂ：電流遮断器、
１０Ａ,１０Ｂ：電池グループ、２１：昇圧回路、２２：インバータ、
２３：モータ・ジェネレータ、１００：電池パック、２００：ＰＣＵ、
ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、ＣＬ：中間ライン、
Ｄ１，Ｄ２：ダイオード、Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ、Ｒ：抵抗素子、
ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｃ,ＳＭＲ−Ｐ：システムメインリレー

Claims (1)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子を有し、前記各蓄電素子が内部の電流経路を遮断する電流遮断器を備えた蓄電装置と、
   前記蓄電装置の正極端子を負荷と接続する正極ラインと、
   前記蓄電装置の負極端子を前記負荷と接続する負極ラインと、
   前記蓄電装置に含まれる２つの前記蓄電素子の間の接続点に接続された中間ラインと、
   前記正極ラインおよび前記中間ラインに接続された第１コンデンサと、
   前記負極ラインおよび前記中間ラインに接続され、前記正極ラインおよび前記負極ラインの間で前記第１コンデンサと直列に接続された第２コンデンサと、
   前記正極ラインにカソードが接続され、前記中間ラインにアノードが接続された第１ダイオードと、
   前記中間ラインにカソードが接続され、前記負極ラインにアノードが接続され、前記正極ラインおよび前記負極ラインの間で前記第１ダイオードと直列に接続された第２ダイオードと、
   を有することを特徴とする蓄電システム。

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