JP5113728B2 - 蓄電池システムと監視装置及びハイブリッド鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池システムと監視装置及びハイブリッド鉄道車両に関し、特に多数直列接続した蓄電池及びその状態の監視装置を含むシステムに関するものである。

繰り返し充放電できる蓄電池は、電源装置に広く利用されている。
蓄電池の蓄電量や充放電電流や温度などの状態には適正な範囲が有り、この範囲を越えた利用は性能劣化に繋がる。このため蓄電池を利用したシステムでは通常、適正な範囲で充放電を調整するために蓄電池の状態監視装置を設ける。
特開平９−１３９２３７号公報

自動車の動力システムなど出力規模が蓄電池セル１個分よりもはるかに大きい用途では、蓄電池を多直列して利用するため、蓄電池の状態監視装置のサイズや配線が大型化する。
特許文献１の方法によれば、多直列した蓄電池のうちある程度まとまった直列単位（モジュール電池）毎に監視ユニットを据え、監視ユニット間で信号を絶縁しつつ蓄電池の状態データを通信することで、サイズを抑え且つ蓄電池の高電圧による危険を防止した監視装置を提供できる。
しかし特許文献１の監視装置では、信号絶縁箇所の不良が潜在化したまま利用を続け、監視ユニット間の信号絶縁が破壊した時、ＣＰＵ等の監視ユニットを構成する部品がモジュール電池相当の高圧で破壊されたり、モジュール電池が短絡放電する等の危険の可能性がある。

本発明の目的は、信号絶縁の不良箇所を早期に発見できて安全で小型な蓄電池システムと監視装置及びハイブリッド鉄道車両を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、直列接続された複数の蓄電池と、該蓄電池の状態をそれぞれ検出する複数の処理手段とを備える蓄電池システムにおいて、直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を前記蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位をそれぞれ定める複数の組抵抗と、前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる複数の通信手段とを備え、前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段を有する蓄電池システムである。

また、本発明は、直列接続された複数の蓄電池と、該蓄電池の状態をそれぞれ検出する複数の処理手段とを備える蓄電池システムにおいて、直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を前記蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位をそれぞれ定める複数の組抵抗と、前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる複数の通信手段とを備え、前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗の一部の電圧を検出する電圧検出手段を有する蓄電池システムである。

そして、本発明は、直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を直列接続された蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位を定める組抵抗と、前記蓄電池の状態を検出する処理手段と、前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる２以上の通信手段とを備え、前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段を有する監視装置である。

更に、本発明は、上記蓄電池システムを電源装置として利用するハイブリッド鉄道車両である。

本発明によれば、信号絶縁の不良箇所を早期に発見できて安全で小型な蓄電池システムと監視装置及びハイブリッド鉄道車両を提供できる。

以下、本発明の蓄電池システムと監視装置及びハイブリッド鉄道車両の各実施例について、図面を用いて説明する。

本発明の蓄電池システムを利用したハイブリッド鉄道車両について述べる。
図２は二つの動力源を併用して走行するハイブリッド鉄道車両の動力装置構成である。運転台２０５は変換器２０３に対して操作状態に応じた運転指令を伝送する。変換器２０３はこの運転指令に応じて駆動輪の輪軸に繋がるモータ２０４の回転を制御する。この際モータ２０４へ供給する電力をエンジン発電機２０２及び蓄電池システム２０１の一方又は両方から得る。エンジン発電機２０２はエンジンで発電機を駆動して起こした電力を変換器２０３へ直流定格１５００Ｖで供給する。蓄電池システム２０１は充放電可能な蓄電池を備え、その電力を電力線２０６を介して変換器２０３へ直流定格１５００Ｖで供給し、またモータ２０４からの回生電力を蓄電池へ充電する。
蓄電池システム２０１は通信線２０８を介して変換器２０３へ蓄電池の状態データを伝送できる。変換器２０３は必要とする動力のうち蓄電池システム２０１から得る動力の割合を蓄電池の状態に応じて調整する。また蓄電池の状態データを運転台２０５に伝送する。この情報は運転の調整やメンテナンス時期の判断等に利用する。

図１は蓄電池システム２０１の構成である。蓄電池１０１と蓄電池１０２はそれぞれ定格５００Ｖの充放電可能な電池である。これらを直列接続した定格１０００Ｖの組電池の両極が制御装置１０５を介して電力線２０６に繋がり、充放電される。
制御装置１０５は組電池が定格１５００Ｖの機器と充放電するように電圧変換する。これは例えば昇降圧チョッパで実現できる。また、監視装置１１０と接続して蓄電池１０１及び蓄電池１０２の状態データを受信し、これを変換器２０３と接続する通信線２０８で送信する。

監視装置１１０は、互いに絶縁された４つの回路（通信回路１１１、処理回路１１２、通信回路１１３、電源回路１１４）から成る。処理回路１１２に有るマイコン１１５は３系統の通信ポート（以下、通信ポートＬ、通信ポートＭ、通信ポートＨと称する）と１系統のアナログ入力ポートを有する。通信ポートＭは、蓄電池１０１の電圧値を検出して信号絶縁を介して送信する電圧センサ１０３と接続し、周期的に電圧情報を受信する。通信ポートＬは信号絶縁手段１１６及び通信回路１１１を介して制御装置１０５と通信する。通信ポートＨは信号絶縁手段１１７及び通信回路１１３を介して監視装置１２０と通信する。アナログ入力ポートはアナログ信号線１３５に接続し、抵抗１３２の電圧を検出する。アナログ信号線１３５の接続先は後述する。
通信回路１１１は、制御装置１０５と接続し、マイコン１１５と制御装置１０５との通信を中継するように信号変換する。この電源は制御装置１０５から得る。通信回路１１３は監視装置１２０と接続し、マイコン１１５と監視装置１２０との信号伝送を中継する。この電源と接続先については後述する。
電源回路１１４は、３つの抵抗（抵抗１３１、抵抗１３２、抵抗１３３）を直列接続した組抵抗と絶縁電源手段１１８を有する。絶縁電源手段１１８は、蓄電池１０１の両極と接続し、蓄電池１０１の電圧を処理回路１１２及び通信回路１１３の動作電圧へ変換し、それぞれに絶縁された電源を供給する。絶縁電源手段１１８には例えば出力が２系統ある絶縁トランスを利用したスイッチング電源を利用できる。

組抵抗は、抵抗１３１の一端が蓄電池１０１の負極に、他端が抵抗１３２の一端に接続し、抵抗１３２の他端が抵抗１３３の一端に接続し、抵抗１３３の他端が蓄電池１０１の正極に接続する形で蓄電池１０１の両極に接続する。組抵抗の抵抗値は抵抗１３１と抵抗１３２の接続点で蓄電池１０１の電圧を二等分し、また抵抗１３２の両端電圧がマイコン１１５のアナログ入力ポートで検出可能な電圧を越えないように定める。
抵抗１３１と抵抗１３２の接続点は処理回路１１２の電位基準に接続する。抵抗１３２と抵抗１３３の接続点はアナログ信号線１３５でマイコン１１５のアナログ入力ポートに接続する。すなわち、マイコン１１５のアナログ入力ポートは抵抗１３２の両端電圧を検出する。抵抗１３１と蓄電池１０１の負極の接続点は通信回路１１１の電位基準に接続する。また抵抗１３３と蓄電池１０１の正極の接続点は通信回路１１３の電位基準に接続する。

監視装置１２０の構成は、監視装置１１０と同様である。監視装置１１０の通信回路１１１、処理回路１１２、通信回路１１３、電源回路１１４、マイコン１１５、信号絶縁手段１１６、信号絶縁手段１１７、絶縁電源手段１１８、抵抗１３１、抵抗１３２、抵抗１３３、アナログ信号線１３５のそれぞれに対応して通信回路１２１、処理回路１２２、通信回路１２３、電源回路１２４、マイコン１２５、信号絶縁手段１２６、信号絶縁手段１２７、絶縁電源手段１２８、抵抗１４１、抵抗１４２、抵抗１４３、アナログ信号線１４５を有する。マイコン１２５は蓄電池１０２に繋がる電圧センサ１０４と接続する。通信回路１２１は通信回路１１３と接続し、絶縁電源手段１１８から電源を得てマイコン１２５との信号伝送を中継する。すなわちマイコン１１５とマイコン１２５は信号絶縁手段１１７と信号絶縁手段１２６で絶縁された信号経路で通信回路１１３と通信回路１２１の中継を経て相互に通信可能である。信号絶縁手段１２７と通信回路１２３は本実施例では利用しないが、ここには通信回路１１３に監視装置１２０を接続したのと同様に別に装置を増設できる。

信号絶縁手段１１６または信号絶縁手段１１７の絶縁に不良が生じた場合、組抵抗に流れる電流が変化する。これについて組抵抗及び信号絶縁手段に関する回路を記述した図３を用いて説明する。以下、蓄電池１０１の電圧をＥ、抵抗１３１の抵抗値をＲ１、抵抗１３２の抵抗値をＲ２、抵抗１３３の抵抗値をＲ３、抵抗１３１の電流をＩ１、抵抗１３２の電流をＩ２と称する。
正常時は、蓄電池１０１の正極から抵抗１３３、抵抗１３２、抵抗１３１を通り、負極に電流が流れる。よって、抵抗１３２の電圧Ｖ２は式（１）で表される。
Ｖ２＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）×Ｅ （１）

次に、信号絶縁手段１１６が絶縁故障により抵抗Ｒ４で導通した場合、抵抗１３３、抵抗１３２を通った電流は抵抗１３１に流れるのに加え、信号絶縁手段１１６を介して抵抗１３１と並列にも流れる。このときの抵抗１３２の電圧Ｖ２’は式（２）で表される。
Ｖ２’＝Ｒ２／（（Ｒ１×Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４））＋Ｒ２＋Ｒ３）×Ｅ （２）
信号絶縁手段１１６にも電流が流れる分、抵抗１３２に流れる電流は増加するため、Ｖ２’＞Ｖ２である。一方、信号絶縁手段１１７が絶縁故障により抵抗Ｒ５で導通した場合、抵抗１３３及び抵抗１３２と並列に信号絶縁手段１１７を介しても電流が流れ、双方の電流の合計が抵抗１３１を介して蓄電装置１０１の負極に流れる。このときの抵抗１３２の電圧Ｖ２’’は式（３）で表される。
Ｖ２’’＝Ｒ２×Ｒ５／（Ｒ１×（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ５）＋Ｒ５×（Ｒ２＋Ｒ３））×Ｅ （３）
信号絶縁手段１１７に電流の一部が流れ、抵抗１３２に流れる電流は減少するため、Ｖ２’’＜Ｖ２である。よって、式（１）の電圧Ｖ２を含む電圧範囲を設定し、アナログ入力ポートで検出した抵抗１３２の両端電圧がこの範囲より大きい場合は信号絶縁手段１１６に異常があると判定し、この範囲より小さい場合は信号絶縁手段１１７に異常があると判定できる。

図４はマイコン１１５の処理フローである。始めに処理７０１を行う。
処理７０１では通信ポートＬで予め定めたコマンド（要求コマンド）を受信するまでデータ受信を待つ。要求コマンドを受信すれば処理７０２に移る。
処理７０２では電圧センサ１０３で検出した蓄電池１０１の両端電圧Ｅを後に続く処理に備えてメモリに格納する。電圧Ｅは蓄電池１０１の充電率や温度に応じて変化する。完了後は処理７０３に移る。
処理７０３ではアナログ入力ポートの検出電圧を用いて信号絶縁手段１１６及び信号絶縁手段１１７の異常を判定し、結果として「正常」または「信号処理手段１１６の異常」または「信号処理手段１１７の異常」を得る。詳細は後述する。完了後は処理７０４に移る。
処理７０４では処理７０１で受信したコマンドを転送すべき他の装置が通信ポートＨに接続している（真）またはしていない（偽）を判定する。判定方法の一例としては、マイコンのＲＯＭに本判定結果を予め書き込んでおき、これを読み出す方法が有る。判定の結果が真であれば処理７０５に移り、偽であれば処理７０６に移る。
処理７０５では図７に示す応答データを生成する。完了後は処理７０９へ移る。
処理７０６では処理７０１で受信した要求コマンドを通信ポートＨから送信する。送信完了後は処理７０７に移る。
処理７０７では通信ポートＨで応答データの受信を待つ。応答データを受信すると処理７０８へ移る。
処理７０８では処理７０７で受信した応答データに図７に示すデータを追加する。
処理７０９では応答データを通信ポートＬから送信する。完了後は処理７０１へ戻る。

処理７０３の詳細を、図５を用いて説明する。図５は処理７０３の処理フローであり、処理６０２から始まる。
処理６０２ではアナログ入力ポートの検出電圧を読み出し、処理６０３へ移る。以下、読み出した値をＶａと称する。
処理６０３では処理６０２の検出電圧Ｖａが式（１）のＶ２を含む正常範囲［Ｖ２−α、Ｖ２＋α］よりも大きい領域にあるかどうかを式（４）で判定する。正常範囲を定める正数αはアナログ入力ポートの検出精度等を考慮して決める。
Ｖ２＋α＜Ｖａ （４）
式（４）の判定結果が偽であれば正常として処理６０４へ、真であれば異常として処理６０５へ移る。
処理６０４では検出電圧Ｖａが正常範囲［Ｖ２−α、Ｖ２＋α］よりも小さい領域にあるかどうかを式（５）で判定する。
Ｖａ＜Ｖ２−α （５）
結果が偽であれば正常として処理６０６へ、真であれば異常として処理６０７へ移る。
処理６０５では処理７０３の結果として「信号処理手段１１６の異常」を格納する。完了後は処理７０３を終了する。
処理６０６では処理７０３の結果として「正常」を格納する。完了後は処理７０３を終了する。
処理６０７では処理７０３の結果として「信号処理手段１１７の異常」を格納する。完了後は処理７０３を終了する。
マイコン１２５の処理フローもマイコン１１５と同様である。

制御装置１０５が図７の監視データを取得する様子を、図６を用いて説明する。
図６は横軸の時刻に対するマイコン１１５及びマイコン１２５の処理の遷移と通信データの送受信を示している。時刻Ｔ１にマイコン１１５は要求コマンド８０１を制御装置１１５から受信する。これによりマイコン１１５は処理７０１の要求コマンド待ち状態から実行状態になり、処理７０２、処理７０３、処理７０４の順に実行する。処理７０４の判定は終端ではないため、処理７０６が実行される。処理７０６で要求コマンド８０１をマイコン１２５へ向けて送信し、処理７０７で応答データ待ち状態となる。マイコン１２５は要求コマンド８０１を受信して実行状態になり、処理７０２、処理７０３、処理７０４を実行する。処理７０４では終端であるため、次は処理７０５で監視装置１２０に関する図７のデータを含む応答データ８０２を生成し、処理７０９でマイコン１１５へ向け送信し、再び処理７０１の要求コマンド待ち状態に戻る。処理７０７の応答データ待ち状態に有ったマイコン１１５はマイコン１２５から応答データ８０２を受信して処理７０８へ移り、監視装置１１０に関する図７のデータを応答データ８０２に追加し、更新した応答データ８０２を処理７０９で制御装置１０５へ向けて送信し、再び処理７０１の要求コマンド待ち状態に戻る。こうして制御装置１０５は時刻Ｔ２に応答データ８０２を取得する。制御装置１０５は新しく要求コマンド８０１をマイコン１１５へ送信すれば、その度に同様にして応答データ８０２を新しく取得できる。
応答データは制御装置１０５から通信線２０８で変換器２０３へ伝送され、変換器２０３から運転台２０５へ伝送される。このようにして信号絶縁手段１１６または信号絶縁手段１１７の異常を検出できる。

本実施例では監視装置１１０において信号絶縁手段１１６及び信号絶縁手段１１７の絶縁性能の不良をマイコン１１５で検出した抵抗１３２の両端電圧を用いて判定した。これはマイコンのアナログ入力ポート（ＡＤ変換器）の検出範囲が通常はマイコンの正側の電圧であることを考慮したためである。アナログ入力ポートで両端電圧を検出する抵抗は抵抗１３２に限らずとも、絶縁された電圧センサを利用して他のどの抵抗を用いても良い。これらは監視装置１２０でも同様である。
また、本実施例では抵抗１３２の電圧降下により電流を検出しているが、ホールＣＴ等を用いて組抵抗に流れる電流を直接測定することでも同様の機能が実現できる。

以上実施例で説明したが、本発明の実施形態１は、本発明の蓄電池システムにおいて、前記電流検出手段は、前記組抵抗のうち前記中間電位よりも電位の高い部分の電流を検出する蓄電池システムである。

また、本発明の実施形態２は、本発明の蓄電池システムにおいて、前記電圧検出手段は、前記２以上の抵抗のうち前記中間電位を一端に有する検出抵抗の両端電圧を検出する蓄電池システムである。

そして、本発明の実施形態３は、本発明の蓄電池システムにおいて、前記検出抵抗は、前記中間電位と接続されている端子の電位が他端子と比べて低い蓄電池システムである。

更に、本発明の実施形態４は、本発明の蓄電池システムにおいて、前記組抵抗と、前記処理手段と、前記通信手段と、前記絶縁手段とで監視装置を構成し、前記監視装置は、該監視装置に接続した蓄電池の状態を監視する蓄電池システムである。

実施例１の蓄電池システムを示す図である。 実施例１の蓄電池システムを利用するハイブリッド鉄道車両の動力装置構成を示す図である。 実施例１の蓄電池システムの監視装置の組抵抗及び信号絶縁手段で成る回路を示す図である。 実施例１の蓄電池システムの監視装置のマイコンの処理フローを示す図である。 実施例１の蓄電池システムの監視装置のマイコンの絶縁異常チェックの処理フローを示す図である。 実施例１の蓄電池システムで通信により蓄電池の状態を取得する様子を示す図である。 実施例１の蓄電池システムの監視装置が送信するデータを示す図表である。

符号の説明

１０１、１０２ 蓄電池
１０３、１０４ 電圧センサ
１０５ 制御装置
１１０、１２０ 監視装置
１１１、１２１、１１３、１２３ 通信回路
１１２、１２２ 処理回路
１１４、１２４ 電源回路
１１５、１２５ マイコン
１１６、１１７、１２６、１２７ 信号絶縁手段
１１８、１２８ 絶縁電源手段
１３１、１３２、１３３、１４１、１４２、１４３ 抵抗
１３５、１４５ アナログ信号線
２０１ 蓄電池システム
２０２ エンジン発電機
２０３ 変換器
２０４ モータ
２０５ 運転台
２０６ 電力線
２０８ 通信線
６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７、７０１、７０２、７０３、７０４、７０５、７０６、７０７、７０８、７０９ 処理
８０１ 要求コマンド
８０２ 応答データ

Claims (8)

1. 直列接続された複数の蓄電池と、該蓄電池の状態をそれぞれ検出する複数の処理手段とを備える蓄電池システムにおいて、
   直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を前記蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位をそれぞれ定める複数の組抵抗と、
   前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる複数の通信手段とを備え、
   前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段を有することを特徴とする蓄電池システム。
2. 請求項１に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記電流検出手段は、前記組抵抗のうち前記中間電位よりも電位の高い部分の電流を検出することを特徴とする蓄電池システム。
3. 直列接続された複数の蓄電池と、該蓄電池の状態をそれぞれ検出する複数の処理手段とを備える蓄電池システムにおいて、
   直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を前記蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位をそれぞれ定める複数の組抵抗と、
   前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる複数の通信手段とを備え、
   前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗の一部の電圧を検出する電圧検出手段を有することを特徴とする蓄電池システム。
4. 請求項３に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記電圧検出手段は、前記２以上の抵抗のうち前記中間電位を一端に有する検出抵抗の両端電圧を検出することを特徴とする蓄電池システム。
5. 請求項４に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記検出抵抗は、前記中間電位と接続されている端子の電位が他端子と比べて低いことを特徴とする蓄電池システム。
6. 請求項１記載の蓄電池システムにおいて、
   前記組抵抗と、前記処理手段と、前記通信手段と、前記絶縁手段とで監視装置を構成し、前記監視装置は、該監視装置に接続した蓄電池の状態を監視することを特徴とする蓄電池システム。
7. 直列接続された２以上の抵抗からなり、一端を直列接続された蓄電池の正極に接続し、他端を該蓄電池の負極に接続し、負極電位よりも高く正極電位よりも低い中間電位を定める組抵抗と、
   前記蓄電池の状態を検出する処理手段と、
   前記複数の蓄電池の各々の負極電位に有り、前記処理手段の相互あるいは前記処理手段と外部とを絶縁手段を介して通信させる２以上の通信手段とを備え、
   前記処理手段は、前記組抵抗が定めた中間電位にそれぞれ有り、該組抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段を有することを特徴とする監視装置。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄電池システムを電源装置として利用することを特徴とするハイブリッド鉄道車両。

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