JP2018057115A - 電源制御装置及び電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源からの充電時に電源装置及び負荷が損傷することを抑制あるいは防止する。【解決手段】二次電池が負荷用コンタクタを介して負荷に接続されると共に充電用コンタクタを介して充電器に接続される電源装置を制御する電源制御装置であって、二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、二次電池の電流を検出する電流検出部と、電圧及び電流に基づいて二次電池のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、負荷用コンタクタ及び充電用コンタクタが閉状態に場合において、ＳＯＣ演算部の演算結果が二次電池の実使用上の上限値を超えると負荷用コンタクタを開状態に切り替え、ＳＯＣ演算部の演算結果が上限値よりも高い二次電池の動作保障限界値を超えると充電用コンタクタを開状態に切り替えるコンタクタ制御部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電源制御装置及び電源システムに関する。

下記特許文献１には、車両に搭載され、モータを駆動するインバータに電力を供給するバッテリシステムが開示されている。このバッテリシステムは、充電できる電池（二次電池）を電力源とし、当該電池の電圧及び電流に基づいて電池とインバータとの間に設けられたコンタクターを開くことにより、インバータを介してモータから改正される回生電力による電池への過充電を防止するものである。

特開２０１０−１８３６７９号公報

ところで、車両用の充電できる電池には、ＣＩＤ（Current Interrupt Device）と称する遮断素子が設けられているものがある。このＣＩＤは、組電池を構成する複数の電池セルの各々に直列接続され、各電池セルの一方の端子を機械的に解放することにより、各電池セルの出力が外部に供給されないようにする。また、車両用のバッテリシステムには、充電できる電池を系統電源等の外部電源から充電できるものがある。

上記特許文献１のバッテリシステムは、あくまでも回生電力による電池の過充電を防止するもの、つまり過充電による電池の劣化を防止するものである。したがって、このバッテリシステムでは、外部電源からの充電時にＣＩＤが作動することによって発生する過電圧からインバータ等の負荷側回路素子を保護することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、外部電源からの充電時に電源装置及び負荷が損傷することを抑制あるいは防止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、電源制御装置に係る第１の解決手段として、二次電池が負荷用コンタクタを介して負荷に接続されると共に充電用コンタクタを介して充電器に接続される電源装置を制御する電源制御装置であって、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の電流を検出する電流検出部と、前記電圧及び前記電流に基づいて前記二次電池のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、前記負荷用コンタクタ及び前記充電用コンタクタが閉状態に場合において、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記二次電池の実使用上の上限値を超えると前記負荷用コンタクタを開状態に切り替え、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記上限値よりも高い前記二次電池の動作保障限界値を超えると、前記充電用コンタクタを開状態に切り替えるコンタクタ制御部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、電源制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記コンタクタ制御部は、前記電流検出部の検出結果が所定の下限値を下回ると前記充電用コンタクタを開状態に切り替える、という手段を採用する。

本発明では、電源制御装置に係る第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、前記電源装置は、複数の電池モジュールが直列接続されてなる前記二次電池を備えると共に前記電池モジュール間に中間コンタクタが設けられており、前記コンタクタ制御部は、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記上限値よりも高い前記二次電池の動作保障限界値を超えると、または／及び前記電流検出部の検出結果が所定の下限値を下回ると、前記充電用コンタクタに加えて前記中間コンタクタを開状態に切り替える、という手段を採用する。

本発明では、電源制御装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記電源装置は、自動車に搭載されるものであり、前記コンタクタ制御部は、前記自動車の上位制御系からイグニッションスイッチがＯＦＦ状態に設定されてからＯＮ状態に設定されたことが通知されると、前記負荷用コンタクタ及び前記充電用コンタクタを閉状態に切り替える、という手段を採用する。

また、本発明では、電源システムに係る解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段に係る電源制御装置と、該電源制御装置の制御対象である前記電源装置とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、ＳＯＣ演算部の演算結果が二次電池の実使用上の上限値を超えると負荷用コンタクタを開状態に切り替え、ＳＯＣ演算部の演算結果が上記上限値よりも高い二次電池の動作保障限界値を超えると、充電用コンタクタを開状態に切り替えるコンタクタ制御部とを備えるので、外部電源から電源装置への充電状態において、電源装置が通常状態から逸脱した場合に電源装置及び負荷が損傷することを抑制あるいは防止することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電源システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電源制御装置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、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態における電源システムは、電源装置と電源制御装置とを備える。電源装置は、ハイブリッドカー、燃料電池車、電気自動車等の自動車に搭載されるものであり、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を電力源とする。この電源装置は、負荷であるインバータ８及び走行モータ９に走行用電力を供給するものであり、図１に示すように組電池１、中間コンタクタ２、メインコンタクタ３、サブコンタクタ４、接続プラグ５、充電器６及び充電用コンタクタ７を備えている。

本実施形態に係る電源制御装置は、このような電源装置を制御対象するものであり、電源装置を制御することにより負荷であるインバータ８に直流電力を供給させる。このような電源制御装置は、電流センサ１０及びバッテリＥＣＵ１１を備えている。

組電池１は、２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂを備えた二次電池であり、メインコンタクタ３及びサブコンタクタ４を介してインバータ８（負荷）に直流電力を供給する。これら２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂは、中間コンタクタ２を介して直列接続されており、互いに直列接続された複数の電池セルを備えている。また、各電池セルは、ＣＩＤ（Current Interrupt Device）と称する遮断素子を各々備えており、内圧が異常な高圧になると出力端子（プラス端子及びマイナス端子）の一方を機械的に解放する。なお、当該複数の電池セルの各出力端（プラス端及びマイナス端）は、図示するようにバッテリＥＣＵ１１の入力端にそれぞれ接続されている。

すなわち、一方の電池モジュール１Ａは、プラス端子がメインコンタクタ３の一端に接続され、マイナス端子が中間コンタクタ２の一方の接点に接続されている。他方の電池モジュール１Ｂは、プラス端子が中間コンタクタ２の他方の接点に接続され、マイナス端子がサブコンタクタ４の一端に接続されている。

中間コンタクタ２は、バッテリＥＣＵ１１によって開閉状態が制御されるものであり、閉状態となることにより２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂを直列接続させ、開状態となることによって２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂの直列接続を遮断する。

メインコンタクタ３は、バッテリＥＣＵ１１によって開閉状態が制御されるものであり、一方の接点が組電池１つまり電池モジュール１Ａのプラス端子に接続され、他方の接点がインバータ４の第１入力端に接続されている。このメインコンタクタ３は、閉状態となることにより組電池１のプラス端子とインバータの第１入力端とを接続し、開状態となることによって組電池１のプラス端子とインバータの第１入力端との接続を遮断する。

サブコンタクタ４は、バッテリＥＣＵ１１によって開閉状態が制御されるものであり、一方の接点が組電池１つまり電池モジュール１Ｂのマイナス端子に接続され、他方の接点がインバータ４の第２入力端に接続されている。このサブコンタクタ４は、閉状態となることにより組電池１のマイナス端子とインバータの第２入力端とを接続し、開状態となることによって組電池１のマイナス端子とインバータの第２入力端との接続を遮断する。なお、上記メインコンタクタ３及びサブコンタクタ４は、本発明における負荷用コンタクタに相当する。

接続プラグ５は、本実施形態における電源装置を商用電源（系統電源）等の外部電源に着脱自在に接続するための接続具である。この接続プラグ５は、一対の電線を介して充電器６の一対の入力端に接続されている。充電器６は、組電池１を充電するための電力調整器であり、一対の出力端の一方が充電用コンタクタ７の一方の接点に接続され、一対の出力端の他方が組電池１のマイナス端子に接続されている。この充電器６は、バッテリＥＣＵ１１による制の下で、接続プラグ５を介して外部電源から入力される外部電力を組電池１の仕様に沿った電力に変換して組電池１に給電する。また、この充電器６は、組電池１を充電すると共に、自らの動作状態をバッテリＥＣＵ１１に出力する。

充電用コンタクタ７は、バッテリＥＣＵ１１によって開閉状態が制御されるものであり、一方の接点が充電器６の出力端の一方に接続され、他方の接点が組電池１のプラス端子つまり電池モジュール１Ａのプラス端子に接続されている。この充電用コンタクタ７は、充電器６と組電池１との接続／非接続を切り替える。

インバータ８は、第１入力端と第２入力端及び第１〜第３出力端を備える三相インバータである。このインバータ８の第１入力端及び第２入力端には、上記組電池１から直流電力が入力される。このインバータ８は、第１入力端及び第２入力端に入力された組電池１の直流電力を所定周波数かつ三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力（三相交流電力）に変換して第１〜第３出力端から走行モータ９に出力する。このようなインバータ８は、図示しない電力制御装置から入力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の制御信号（例えばＰＷＭ信号）に基づいて高周波電力（直流電力）を三相交流電力に変換する。

走行モータ９は、上記インバータ８から供給される三相交流電力を駆動電力として回転動力を発生する三相電動機である。本実施形態における車両は、走行モータ９が発生する回転動力によって走行する。このような走行モータ９は、例えば制御性に優れた三相直流電動機である。

電流センサ１０は、組電池１に流れる電流（入力電流及び出力電流）を検出し、当該電流（電池電流）を示す電流信号をバッテリＥＣＵ１１に出力する。バッテリＥＣＵ１１は、内部メモリに記憶された所定の制御プログラム及び上記電流センサ１０から入力される電流信号等に基づいて電源装置を制御するソフトウエア制御装置である。このバッテリＥＣＵ１１は、組電池１から入力される各電池セルの出力端の電位に基づいて当該各電池セルの端子間電圧（セル電圧）を検出すると共に上記電流信号に基づいて上記電池電流を検出する。

また、このバッテリＥＣＵ１１は、当該セル電圧及び電池電流に基づいて組電池１のＳＯＣ（State of Chage）を演算し、当該ＳＯＣ及び電池電流に基づいて中間コンタクタ２、メインコンタクタ３、サブコンタクタ４及び充電用コンタクタ７を制御する。このようなバッテリＥＣＵ１１は、本発明における電圧検出部、電流検出部、ＳＯＣ演算部及びコンタクタ制御部に相当する。

また、このバッテリＥＣＵ１１は、各電池セルのセル電圧の検出機能に加えて、各電池セルの一対の出力端子を各々短絡状態とすることにより各電池セルを放電状態に設定するセル放電機能を備えている。さらに、このバッテリＥＣＵ１１は、所定の通信線を介して自動車の上位制御系と接続されており、上位制御系に電源装置の制御状態（動作状態）を送信すると共に自動車の走行状態や運転者の操作情報等を上位制御系から受信する。

次に、このように構成された電源装置及び電源制御装置の動作について、図２のフローチャートを参照して詳しく説明する。

本実施形態に係る電源制御装置は、中間コンタクタ２並びに負荷用コンタクタ（メインコンタクタ３及びサブコンタクタ４）を閉状態とすることにより電源装置（組電池１）からインバータ８（負荷）に直流電力を給電している状態において、充電器６が「ＯＮ」状態に設定変更されたことを検知すると、充電用コンタクタ７を開状態から閉状態に切り替えて外部電源による組電池１への受電を開始させる。

そして、このような電源装置（組電池１）からインバータ８（負荷）への給電状態、かつ、外部電源から電源装置（組電池１）への充電状態において、組電池１に何らかの異常が発生して過電圧がインバータ８（負荷）に印可されるとインバータ８（負荷）が損傷する虞がある。また、この状態において、何れかの電池セルのＣＩＤが作動した状態で組電池１への充電を継続すると当該組電池１を損傷させる虞がある。

このような虞を解消するために、本実施形態に係る電源制御装置は以下のように動作する。最初に、バッテリＥＣＵ１１は、充電器６の動作スイッチが「ＯＮ」状態になったか否かを判断し（ステップＳ１）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合に組電池１の電圧つまり各電池セルのセル電圧を検出する（ステップＳ２）。そして、バッテリＥＣＵ１１は、電流センサ１０から入力される電流信号に基づいて組電池１に流れる電池電流を検出する（ステップＳ３）。そして、バッテリＥＣＵ１１は、上記各セル電圧及び電池電流に基づいて組電池１のＳＯＣつまり充電状態を演算する（ステップＳ４）。

ここで、組電池１に電荷が全く蓄積されていない状態をＳＯＣ＝０％、組電池１の満充電状態をＳＯＣ＝１００％とする。組電池１は、このような０〜１００％の範囲内に実使用範囲（下限値及び上限値）が設定されて通常の使用（充電及び放電）に供される。この実使用範囲（通常使用範囲）は、組電池１の使用環境等によって様々な値に設定されるが、例えば下限値がはＳＯＣ＝３０％、また上限値がＳＯＣ＝１００％である。

また、組電池１には、上記１００％（満充電状態）に所定の倍率を乗算した値に動作保障限界値が設定されている。すなわち、組電池１には、満充電状態を大幅に超えた状態（過充電状態）まで充電しても二次電池として正常に機能することが要求される。この動作保障限界値も組電池１の使用環境等によって様々な値に設定されるが、例えばＳＯＣ＝３００％である。

バッテリＥＣＵ１１は、上記ステップＳ４で演算したＳＯＣが実使用範囲の上限値（ＳＯＣ＝１００％）以上か否かを判断し（ステップＳ５）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合つまり組電池１が過充電状態にある場合、上述しセル放電機能を作動させて全ての電池セルを短絡状態とする（ステップＳ６）。これによって、組電池１の過充電に起因してバッテリＥＣＵ１１に異常な高電圧が印可されることによるバッテリＥＣＵ１１の損傷を回避することができる。

続いて、バッテリＥＣＵ１１は、負荷用コンタクタつまりメインコンタクタ３及びサブコンタクタ４を閉状態から開状態に切り替える（ステップＳ７）。これによって、組電池１の過充電に起因してインバータ８（負荷）に異常な高電圧が印可されてインバータ８（負荷）が損傷することを回避することができる。

なお、バッテリＥＣＵ１１は、上記ステップＳ６の判断が「Ｎｏ」の場合つまり組電池１が通常充電状態にある場合には、ステップＳ８において充電器６の動作スイッチが「ＯＦＦ」状態に変化したか否かを判断し、この判断が「Ｎｏ」の場合は上述したステップＳ２の処理を繰り返し、この判断が「Ｙｅｓ」の場合には全ての処理を終了する。

続いて、バッテリＥＣＵ１１は、上記ステップＳ４で演算したＳＯＣが動作保障限界値以下か否かを判断し（ステップＳ９）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合つまり組電池１が二次電池として正常に機能する限界状態にある場合、中間コンタクタ２及び充電用コンタクタ７を閉状態から開状態に切り替える（ステップＳ１０）。これによって、組電池１が二次電池として正常に機能し得ない状態に損傷することを回避することができる。

そして、上記ステップＳ１０の処理が完了すると、バッテリＥＣＵ１１は、上位制御系から自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）がＯＦＦ状態からＯＮ状態に設定変更されたことを示す通知を受信したか否かを判断する（ステップＳ１１）。

すなわち、バッテリＥＣＵ１１は、ステップＳ１１の判断が「Ｎｏ」の場合、つまり自動車の運転者が現在の状態つまりイグニッションスイッチが「ＯＮ」の状態からイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）をＯＦＦ状態に一旦設定変更し、さらに当該ＯＦＦ状態からＯＮ状態に設定変更した状態、つまり自動車が一旦非動作状態になり、その後再度動作状態になるまで待機状態となる。そして、バッテリＥＣＵ１１は、ステップＳ１１の判断が「Ｙｅｓ」になると、上述したステップＳ１の処理を繰り返す。

一方、バッテリＥＣＵ１１は、上述したステップＳ９の判断が「Ｙｅｓ」の場合つまり組電池１のＳＯＣが動作保障限界値に達していない場合には、ステップＳ３の処理で取得した電池電流が、組電池１の充電時の充電電流の下限値を下回っているか否かを判断する（ステップＳ１２）。そして、バッテリＥＣＵ１１は、このステップＳ１２の判断が「Ｎｏ」の場合にも上述したステップＳ１０の処理を実行し、中間コンタクタ２及び充電用コンタクタ７を閉状態から開状態に切り替える。

すなわち、バッテリＥＣＵ１１は、組電池１の各電池セルに組み込まれたＣＩＤが作動することにより電池電流が充電電流下限値を下回っている場合にも中間コンタクタ２及び充電用コンタクタ７を開状態に設定することにより、充電器６による組電池１への給電が継続されて組電池１が損傷することを防止する。

そして、バッテリＥＣＵ１１は、上記ステップＳ１２の判断が「Ｙｅｓ」の場合には、充電器６の動作スイッチが「ＯＦＦ」状態に変化したか否かを判断し（ステップＳ１３）、この判断が「Ｎｏ」の場合は上述したステップＳ９の処理を繰り返し、この判断が「Ｙｅｓ」の場合には全ての処理を終了する。

このような本実施形態によれば、外部電源から電源装置（組電池１）への充電状態において、組電池１が通常状態から逸脱した場合にインバータ８（負荷）及び組電池１が損傷することを抑制あるいは防止することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、本発明における電圧検出部、電流検出部、ＳＯＣ演算部及びコンタクタ制御部をバッテリＥＣＵ１１によって構成したが、本発明はこれに限定されない。電圧検出部、電流検出部、ＳＯＣ演算部及びコンタクタ制御部の実現形態は、必要に応じて種々の形態が考えられる。

（２）上記実施形態では、２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂの間に中間コンタクタ２を設けたが、本発明はこれに限定されない。必要に応じて中間コンタクタ２を削除し、２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂを直接接続しても良い。

（３）上記実施形態では組電池１を２つの電池モジュール１Ａ、１Ｂから構成したが、本発明はこれに限定されない。３以上の電池モジュールを直列接続することにより組電池を構成しても良い。

（４）上記実施形態では、各電池セルｂ１〜ｂ１２が各々にＣＩＤを備える組電池１について説明したが、本発明はこれに限定されない。安全対策用に組電池に設けられる遮断素子には、電池セルの異常内圧に基づいて作動するＣＩＤの他に種々のものが考えられる。

１ 組電池
２ 中間コンタクタ
３ メインコンタクタ
４ サブコンタクタ
５ 接続プラグ
６ 充電器
７ 充電用コンタクタ
８ インバータ
９ 走行モータ
１０ 電流センサ
１１ バッテリＥＣＵ

Claims (5)

1. 二次電池が負荷用コンタクタを介して負荷に接続されると共に充電用コンタクタを介して充電器に接続される電源装置を制御する電源制御装置であって、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池の電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧及び前記電流に基づいて前記二次電池のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、
   前記負荷用コンタクタ及び前記充電用コンタクタが閉状態に場合において、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記二次電池の実使用上の上限値を超えると前記負荷用コンタクタを開状態に切り替え、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記上限値よりも高い前記二次電池の動作保障限界値を超えると、前記充電用コンタクタを開状態に切り替えるコンタクタ制御部と
   を備えることを特徴とする電源制御装置。
2. 前記コンタクタ制御部は、前記電流検出部の検出結果が所定の下限値を下回ると前記充電用コンタクタを開状態に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源制御装置。
3. 前記電源装置は、複数の電池モジュールが直列接続されてなる前記二次電池を備えると共に前記電池モジュール間に中間コンタクタが設けられており、
   前記コンタクタ制御部は、前記ＳＯＣ演算部の演算結果が前記上限値よりも高い前記二次電池の動作保障限界値を超えると、または／及び前記電流検出部の検出結果が所定の下限値を下回ると、前記充電用コンタクタに加えて前記中間コンタクタを開状態に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源制御装置。
4. 前記電源装置は、自動車に搭載されるものであり、
   前記コンタクタ制御部は、前記自動車の上位制御系からイグニッションスイッチがＯＦＦ状態に設定されてからＯＮ状態に設定されたことが通知されると、前記負荷用コンタクタ及び前記充電用コンタクタを閉状態に切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源制御装置と、
   当該電源制御装置の制御対象である前記電源装置と
   を備えることを特徴とする電源システム。

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