JP2017108583A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置にプリチャージ回路を設け、内部抵抗が小さい電池から車両の容量負荷に大電流が流れないようにする蓄電装置を提供する。
【解決手段】電池３と、電池３に直列接続される、第一のスイッチ素子Ｑ１と第二のスイッチ素子Ｑ２とが直列接続され、第三のスイッチ素子Ｑ３と抵抗素子Ｒ１とが直列接続されて第二のスイッチ素子Ｑ２と並列接続されるプリチャージ回路と、第二のスイッチ素子Ｑ２が導通している状態において、電池３に流れる電流が第一の所定電流以下になると、第二のスイッチ素子Ｑ２を遮断し、第三のスイッチ素子Ｑ３を導通させる制御部５と、を備える蓄電装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリチャージ回路を備える蓄電装置に関する。

従来、内部抵抗が大きい鉛電池などを備える蓄電装置を電力源とする電動フォークリフトなどの車両は、鉛電池と車両の容量負荷とを接続しても、鉛電池から車両の容量負荷に大電流（突入電流など）が流れ難いため、大電流を抑制するためのプリチャージ回路を設けていない。しかし、内部抵抗が小さいリチウムイオン電池などを備える蓄電装置と、電動フォークリフトなどの車両の容量負荷とを接続する際には、リチウムイオン電池から車両の容量負荷に大電流が流れてしまうため、車両にプリチャージ回路を設けなくてはならない。

そこで、内部抵抗が小さい電池と車両の容量負荷とを接続する際に、大電流が流れている間はプリチャージ抵抗を介して容量負荷に電荷を蓄電し、大電流が流れなくなるとプリチャージ抵抗を介さずに容量負荷に電荷を蓄電するプリチャージ回路を、車両に設けることが考えられる。このようなプリチャージ回路では、例えば、プリチャージ抵抗を介して容量負荷に電荷を蓄電する経路（プリチャージ経路）と、プリチャージ抵抗を介さず容量負荷に電荷を蓄電する経路（通常経路）と、経路それぞれにリレーを設け、電池から車両の容量負荷に流れる電流に応じて、リレーの接続と遮断を切り替え、プリチャージ経路と通常経路とを切り替えている。例えば、特許文献１、２を参照。しかし、リレーは消費電力が大きく値段も高いため、近年ではリレーの代替として半導体スイッチ素子を用いる回路が提案されている。例えば、特許文献３を参照。

また、その一方ではプリチャージ回路を備えていない車両（鉛電池を備える蓄電装置を電力源とする電動フォークリフトなどの車両）に、内部抵抗が小さい電池（リチウムイオン電池など）を接続したいという要望もある。

特開２００５−２６９７４２号公報 特開２００８−２２００５７号公報 特開２０１０−０５１０８２号公報

しかしながら、内部抵抗が小さい電池と、プリチャージ回路を備えていない車両の容量負荷とを接続する場合、電池から車両の容量負荷に大電流が流れるため、上記したようなプリチャージ回路を車両に増設するか、あるいは、プリチャージ回路を蓄電装置に設けなければならない。そこで、既存の車両のままでも、車両の容量負荷に大電流が流れないようにすることができる、内部抵抗が小さい電池を備える蓄電装置を提案する。すなわち、内部抵抗が小さい電池を備える蓄電装置にプリチャージ回路を設ける提案をする。

ところが、内部抵抗が小さい電池を備える蓄電装置と車両とは電力線で接続することができても、蓄電装置と車両との間で通信ができないことが考えられる。そのため車両が走行及び荷役を停止、又は、イグニッションスイッチをオフにした際には、次の電池と車両の容量負荷との接続に備えて、蓄電装置が独自に、プリチャージ経路に切り替え、電池から車両の容量負荷へ流れる電流の抑制をしたい。例えば、車両のイグニッションスイッチをオフにして車両を停止させた場合に、通信ができないと、蓄電装置は車両の状態を認識できないため通常経路のままとなる。そうすると次に電池と車両の容量負荷とが接続される際には、電池から車両の容量負荷に大電流が流れてしまう。

本発明の一側面に係る目的は、蓄電装置にプリチャージ回路を設け、内部抵抗が小さい電池から車両の容量負荷に大電流が流れないようにする蓄電装置を提供することである。

本発明に係る一つの形態である蓄電装置は、電池、プリチャージ回路、制御部を有する。プリチャージ回路は、電池に直列接続される、第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子とが直列接続され、第三のスイッチ素子と抵抗素子とが直列接続されて第二のスイッチ素子と並列接続される構成である。

制御部は、第二のスイッチ素子が導通している状態において、電池に流れる電流が第一の所定電流以下になると、第二のスイッチ素子を遮断し、第三のスイッチ素子を導通させる。

制御部は、蓄電装置が起動していない場合、第一のスイッチ素子から第三のスイッチ素子を遮断させる。蓄電装置を起動させる場合、第二のスイッチ素子を遮断させ、第三のスイッチ素子を導通させる。

また、制御部は、蓄電装置を起動したのち、電池に流れる電流が、大電流であるか否かを判定する第二の所定電流より大きくなると、所定時間を経過したのち、第二のスイッチ素子を導通させる。

蓄電装置にプリチャージ回路を設け、内部抵抗が小さい電池から車両の容量負荷に大電流を流さないようにできる。

蓄電装置と車両の一実施例を示す図である。 突入電流と突入電流を抑制した電流との関係を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、蓄電装置１と車両２の一実施例を示す図である。図１に示すシステムは、蓄電装置１と車両２とを有する。蓄電装置１は、電池３、電流検出部４、制御部５、スイッチ素子Ｑ１（第一のスイッチ素子）、Ｑ２（第二のスイッチ素子）、Ｑ３（第三のスイッチ素子）、抵抗素子Ｒ１、スイッチＳ１を有する。蓄電装置１は、例えば、電池パックなどである。車両２は、負荷Ｒ２、容量負荷Ｃ１、スイッチＳ２を有する。車両２は、例えば、電動フォークリフトなどである。

電池３は内部抵抗が小さい電池である。電池３は、例えば、リチウムイオン電池などを用いて構成される電池モジュールなどである。
電流検出部４は、電池３に流れる電流を計測する電流計である。電流検出部４は、例えば、電流センサ、シャント抵抗などである。また、電流検出部４は、制御部５に接続され、計測した信号あるいは情報を制御部５に送信する。電流検出部４がシャント抵抗の場合、制御部５はシャント抵抗の値と、シャント抵抗の両端の電圧とを用いて電流を求める。

制御部５は、蓄電装置１の各部を制御する、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される回路である。制御部５の動作については後述する。

スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いることが考えられる。スイッチ素子Ｑ１は充電電流遮断スイッチであり、スイッチ素子Ｑ１を導通させると電池３へ充電電流を流すことができ、遮断させると充電電流は流れない。スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３は放電電流遮断スイッチであり、スイッチ素子Ｑ２またはＱ３を導通させると電池３から放電電流を流すことができ、スイッチ素子Ｑ２とＱ３を遮断させると放電電流は流れない。

抵抗素子Ｒ１は、プリチャージ抵抗で、電池３と車両２の容量負荷Ｃ１が接続された際に、電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に流れる電流を制限する。また、抵抗素子Ｒ１は、車両２が走行及び荷役などが可能な抵抗値で、例えば、鉛電池などと同じ抵抗値にすることが考えられる。

また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と抵抗素子Ｒ１とは、プリチャージ回路を構成する。プリチャージ回路は、電池３に直列接続される、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２とが直列接続され、スイッチ素子Ｑ３と抵抗素子Ｒ１とが直列接続されてスイッチ素子Ｑ２と並列接続される構成である。

スイッチＳ１は蓄電装置１を起動するためのスイッチである。スイッチＳ１は、例えば、手動によりオフ（開状態）からオン（閉状態）にされると、蓄電装置１は起動する。また、スイッチＳ１は、蓄電装置１に設けられる電力供給をするためのコネクタと、車両２に設けられる電力供給を受けるためのコネクタとが接続されたとき、オンとなる構成とし、制御部５がコネクタが接続されたことを検出できるようにしてもよい。

負荷Ｒ２は、蓄電装置１から電力供給される車両２の各部の負荷を示している。容量負荷Ｃ１は、車両２の負荷Ｒ２などにより決定される容量である。スイッチＳ２は、例えば、車両２に設けられているイグニッションスイッチなどである。

制御部５の動作について説明をする。
（１）蓄電装置１のスイッチＳ１がオフのとき、すなわち蓄電装置１が起動していない場合（電池３を未使用）、制御部５はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を遮断させる。例えば、車両２に蓄電装置１が接続されていない場合に、スイッチＳ１をオフとし、スイッチＳ１がオフであることを制御部５が検出すると、制御部５はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を遮断させ、蓄電装置１を停止させる。ただし、蓄電装置１を停止させても、制御部５は休止状態（スリープモードなど）である。

（２）蓄電装置１のスイッチＳ１がオンになると、すなわち蓄電装置１を起動させる場合（電池３を使用）、制御部５は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ３を導通させ、スイッチ素子Ｑ２を遮断のままとする（プリチャージ経路とする）。例えば、蓄電装置１が起動する場合、蓄電装置１に設けられるコネクタと車両２に設けられるコネクタとは既に互いに接続され、スイッチＳ２がオンすれば、電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に電流が流れる。そのため、スイッチＳ２がオンになる前に、プリチャージ経路に切り替えて、電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に流れる電流を制限する準備をする。

（３）車両２のスイッチＳ２がオンされたのちも、すなわち蓄電装置１の電池３と車両２の容量負荷Ｃ１とが接続されたのちも、制御部５はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ３を導通させ、スイッチ素子Ｑ２を遮断させた状態（プリチャージ経路に切り替えた状態）を継続させる。ただし、（２）（３）においてスイッチ素子Ｑ１は導通させなくてもよい。理由は、スイッチ素子Ｑ１のダイオードを介して電流を流すことができるためである。

（４）車両２が走行又は荷役などを開始すると、制御部５はスイッチ素子Ｑ２を導通させる（通常経路に切り替えられる）。ただし、スイッチ素子Ｑ３を導通させてもよい。理由は、スイッチ素子Ｑ３には抵抗素子Ｒ１が接続されているため、スイッチ素子Ｑ３を導通させても、電流は抵抗の小さいスイッチ素子Ｑ２が導通している通常経路を流れるためである。

なお、本例において蓄電装置１は、車両２のスイッチＳ２がオンされたことを検出できない構成であるので、（３）（４）において、制御部５は、蓄電装置１がスイッチＳ１がオンされたことを検出したのち、プリチャージ経路を介して電池３に流れる電流を電流検出部４を用いて計測し、計測した電流が通常経路切替判定時間以上電流ＩＡ以上のとき、スイッチ素子Ｑ２を導通させる。電流ＩＡは、車両２が走行又は荷役などをしている際に、プリチャージ経路を介して電池３に流れると想定される電流で、実験やシミュレーションにより求め、制御部５の記憶部などに記憶される。通常経路切替判定時間は、車両２のスイッチＳ２がオン、又は、車両２が走行及び荷役をしていることを判定する時間で、実験やシミュレーションにより求め、制御部５の記憶部などに記憶される。

（５）車両２が走行及び荷役を停止、又は、車両２のスイッチＳ２がオフになると、制御部５はスイッチ素子Ｑ２を遮断させ、スイッチ素子Ｑ３を導通させる。すなわち、制御部５は、スイッチ素子Ｑ２が導通している状態（通常経路に切り替えた状態）において、電池３に流れる電流がプリチャージ経路切替判定時間以上電流ＩＢ（第一の所定電流）以下になると、スイッチ素子Ｑ２を遮断させ、スイッチ素子Ｑ３を導通させる。電流ＩＢは、例えば、車両２が走行及び荷役を停止、又は、車両２のスイッチＳ２がオフし、制御部５が休止状態（スリープモードなど）の際に、電池３から制御部５などの回路に流れる電流で、実験やシミュレーションにより求め、制御部５の記憶部などに記憶される。プリチャージ経路切替判定時間は、車両２が走行及び荷役を停止、又は、車両２のスイッチＳ２がオフされたことを判定する時間で、実験やシミュレーションにより求め、制御部５の記憶部などに記憶される。

このように、蓄電装置１と車両２との間で通信ができない構成でも、内部抵抗の小さい電池３を備える蓄電装置１にプリチャージ回路を設けることで、電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に大電流（突入電流など）が流れないようにできる。

すなわち、車両２が走行及び荷役を停止、又は、車両２のスイッチＳ２がオフしたのち、次の電池３と車両２の容量負荷Ｃ１との接続に備え、蓄電装置１は独自に、抵抗素子Ｒ１を介して車両２の容量負荷Ｃ１に電荷を蓄電する経路（プリチャージ経路）に切り替えることで、内部抵抗が小さい電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に大電流が流れないようにできる。

なお、（４）では、計測した電流が通常経路切替判定時間以上電流ＩＡより大きいとき、スイッチ素子Ｑ２を導通させたが、制御部５は、計測した電流が電流ＩＣ（第二の所定電流）より大きくなると、所定時間を経過したのち、スイッチ素子Ｑ２を導通させてもよい。なお、電流ＩＣ＞電流ＩＡである。しかし、本実施形態ではプリチャージ経路を用いているので、電池３と車両２の容量負荷Ｃ１とが接続されても、大電流（突入電流など）は流れない。そこで、プリチャージ経路を用いた場合でも、大電流が流れると想定される電流を検出しなくてはならない。

電流ＩＣについて図２を用いて説明をする。図２は、突入電流と突入電流を抑制した電流との関係を示す図である。例えば、電池３と車両２の容量負荷Ｃ１とが接続された場合、通常経路を用いていれば、大電流が図２の曲線２０１（一点鎖線）に示したように流れる。また、プリチャージ経路を用いていれば、電池３から車両２の容量負荷Ｃ１に流れる電流は、抵抗素子Ｒ１に抑制され、図２の曲線２０２（実線）に示したように流れる。そこで、通常経路を用いた場合に大電流が流れたと判定できる電流を電流ＩＤとすれば、プリチャージ経路を用いた場合には電流ＩＣを検出することで、大電流が流れると想定される電流が求められる。また、通常経路を用いた場合に大電流が流れ終わったと判定できる電流が電流ＩＤであれば、プリチャージ経路を用いた場合にも電流ＩＣ以下の電流を検出すればよいことになる。従って、電流ＩＣを検出した時間ｔ１から時間計測を開始し、大電流が流れ終わったと想定される時間ｔ２を経過したことを検出すると、所定時間を経過したとし、スイッチ素子Ｑ２を導通させる。なお、大電流が流れ終わったと想定される時間は時間ｔ２より長い時間でもよい。また、電流ＩＣ及び所定時間（図２の時間ｔ１から時間ｔ２）は、実験やシミュレーションにより求め、制御部５の記憶部に記憶される。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 蓄電装置
２ 車両
３ 電池
４ 電流検出部
５ 制御部
Ｃ１ 容量負荷
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３ スイッチ素子
Ｒ１ 抵抗素子
Ｒ２ 負荷
Ｓ１、Ｓ２ スイッチ

Claims (3)

1. 電池と、
   前記電池に直列接続される、第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子とが直列接続され、第三のスイッチ素子と抵抗素子とが直列接続されて前記第二のスイッチ素子と並列接続されるプリチャージ回路と、
   前記第二のスイッチ素子が導通している状態において、前記電池に流れる電流が第一の所定電流以下になると、前記第二のスイッチ素子を遮断し、前記第三のスイッチ素子を導通させる制御部と、
   を備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 請求項１に記載の蓄電装置であって、
   前記制御部は、
   前記蓄電装置が起動していない場合、前記第一のスイッチ素子から第三のスイッチ素子を遮断させ、
   前記蓄電装置を起動させる場合、前記第二のスイッチ素子を遮断させ、前記第三のスイッチ素子を導通させる、
   ことを特徴とする蓄電装置。
3. 請求項２に記載の蓄電装置であって、
   前記制御部は、
   前記蓄電装置を起動したのち、前記電池に流れる電流が、第二の所定電流より大きくなると、所定時間を経過したのち、前記第二のスイッチ素子を導通させる、
   ことを特徴とする蓄電装置。
   

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