JP5334612B2 - バッテリシステム - Google Patents

Description

本発明は、車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源装置に最適なバッテリシステムに関し、とくに、電池の過電流を検出して電流を遮断するバッテリシステムに関する。

電池の過電流を検出して電流を遮断するバッテリシステムは開発されている。（特許文献１参照）
特許文献１のバッテリシステムは、図１に示すように、電池９１を２組の電池ブロック９５に分割して、電池ブロック９５をヒューズ９８を介して直列に接続し、さらに、電池９１の出力側にはコンタクター９２を接続している。このバッテリシステムは、電池９１に過電流が流れるとヒューズ９８を溶断して電池９１の電流を遮断する。さらに、過電流を検出して、コンタクター９２をオフに切り換えて電流を遮断する。バッテリシステムの電流遮断回路９４は、電池９１の電流を検出する電流センサ９９を備えており、検出電流で電池９１の充放電を管理している。電流センサ９９は、電池９１を正常に充放電する電流範囲、たとえば車両用のバッテリシステムにあっては、２００Ａ以下の電流を検出している。電池９１にこの電流よりも大きな電流が流れると、すなわち電池９１に異常な過電流が流れると、コンタクター９２をオフに切り換えて電池９１の電流を遮断している。図１のバッテリシステムは、過電流でコンタクター９２をオフに切り換え、さらに、ヒューズ９８を溶断して高い安全性を実現する。

特開２００８−１９３７７６号公報

ただ、図１に示すバッテリシステムは、正確に電流を検出できない電流センサで過電流を検出してコンタクターをオフに切り換えると、現実には過電流が流れていない電池の電流を遮断することになる。この状態になると、バッテリシステムが車両を走行させるモータに電力を供給するものにあっては、モータで車両を走行できなくなる。モータで走行する車両にあっては、この状態は非常に危険な状態となることもあるので、誤動作で電池の電流を遮断する状態は極力少なくすることが大切である。

本発明は、以上の弊害を解消することを目的に開発されたもので、本発明の大切な目的は、電池の過電流を確実に検出して電流を遮断できるバッテリシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のバッテリシステムは、充電できる電池１と、この電池１の出力側に直列に接続してなるコンタクター２と、電池１の電流の大きさに加えて充電電流と放電電流を判別する電流センサ２１と、電池１の電圧を検出する電圧検出回路２２と、電流センサ２１が検出する電池１の電流の大きさと、充電電流と放電電流の判別と、さらに、電圧検出回路２２が検出する電池１の電圧とでコンタクター２を切り換える電流遮断回路４とを備えている。電流遮断回路４は、電流センサ２１の検出電流が設定電流よりも大きく、かつ、電圧検出回路２２が検出する電池１の電圧低下が設定値よりも大きく、なおかつ、電流センサ２１が放電電流を検出する過電流放電状態と、電流センサ２１の検出電流が設定電流よりも大きく、かつ、電圧検出回路２２が検出する電池１の電圧上昇が設定値よりも大きく、なおかつ、電流センサ２１が充電電流を検出する過電流充電状態とでコンタクター２をオフに切り換えている。

以上のバッテリシステムは、電池の過電流を確実に検出して電流を遮断できる特徴がある。それは、電流センサが過電流を誤検出してコンタクターをオフに切り換えて電池の電流を遮断するのを防止できるからである。電流遮断回路は、電流センサで検出される電流値のみでなく、電圧検出回路で検出する電池の電圧低下と電圧上昇、さらに電流センサが検出する充電電流と放電電流とを判別してコンタクターをオフに切り換えて電流を遮断する。電流センサは、電流値を正確に検出できない故障となっても、充電電流と放電電流を判別できない故障となることはほとんどない。充電電流と放電電流は流れる電流の方向が逆であって、しかも過電流が流れる状態では、その方向が大きく異なるからである。電流遮断回路は、電流センサで検出される電流値に加えて、放電電流と充電電流を区別し、さらに電池の電圧低下と電圧上昇から過電流を判別してコンタクターをオフに切り換える。負荷がショートして過電流が流れる状態になると、電流センサは過電流を検出すると共に、電流が放電電流であることを判別し、さらに、電圧検出回路は電池の電圧低下が大きくなったことを検出する。この状態でコンタクターをオフに切り換えて電流を遮断することで、負荷ショート等において電池の過電流を防止できる。ただ、電流遮断回路は、電流センサで過電流が検出されても、電池の電圧低下が小さく、あるいは過電流が放電電流でない状態ではコンタクターをオフに切り換えない。それは、負荷ショート等でこの状態が発生しないからである。

以上のバッテリシステムは、電流センサの検出電流が設定電流よりも大きく、かつ電圧検出回路が検出する電池の電圧低下が設定値よりも大きく、なおかつ、電流センサが放電電流を検出する状態を過電流放電状態としてコンタクターをオフに切り換え、さらに、電流センサの検出電流が設定電流よりも大きく、かつ電圧検出回路が検出する電池の電圧上昇が設定値よりも大きく、なおかつ、電流センサが充電電流を検出する状態を過電流充電状態としてコンタクターをオフに切り換える。したがって、電流センサの故障で誤ってコンタクターをオフに切り換えて、電池の放電や充電を強制的に遮断するのを確実に防止できる。

本発明のバッテリシステムは、電池１と直列に接続されるヒューズ８を備えると共に、電流遮断回路４が、コンタクター２をオンからオフに切り換えるまでの遅延時間を特定するタイマ部２４を備えて、ヒューズ８は、タイマ部２４の遅延時間における溶断電流を、コンタクター２の最大遮断電流以下であって、電池１の許容充放電電流の最大値よりも大きく設定して、電池１にコンタクター２の最大遮断電流よりも大きな過電流が流れる状態において、タイマ部２４の遅延時間内ではヒューズ８が溶断され、遅延時間が経過したタイミングでは電流遮断回路４がコンタクター２をオンからオフに切り換えることができる。

以上のバッテリシステムは、コンタクターの接点を溶着することなく、コンタクターで電池の過電流を確実に遮断し、さらにヒューズによっても電池の過電流を確実に遮断できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、電池の過電流を検出してコンタクターをオンからオフに切り換えるまでに遅延時間を設け、この遅延時間におけるヒューズの溶断電流をコンタクターの最大遮断電流以下であって、電池の許容充放電電流の最大値よりも大きく設定しているからである。このバッテリシステムは、電池にコンタクターの最大遮断電流よりも大きな過電流が流れる状態においては、遅延時間内ではヒューズが溶断されて遮断すると共に、遅延時間が経過したタイミングではコンタクターをオフに切り換えて遮断する。したがって、コンタクターの接点を溶着することなく、コンタクターとヒューズの両方で電池の過電流を確実に安全に遮断できる。逆に、過電流が遅延時間以上に継続する場合は、ヒューズの溶断特性よりも低い電流であるが、コンタクターの最大遮断電流よりは低いため、コンタクターを溶着させることなく電流を遮断することが可能である。

本発明のバッテリシステムは、電池１が複数の電池セル５を備え、電池セル５は、過電流又は過充電で内部接続回路を遮断する内部電流遮断部を備え、ヒューズ８の溶断特性が、内部電流遮断部の溶断特性よりも小さい電流で溶断する特性とすることができる。

以上のバッテリシステムは、電池セルに内蔵される内部電流遮断部を動作させることなく、ヒューズやコンタクターで電池の過電流を確実に遮断できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、電池の内部電流遮断部が電流を遮断するよりも先に、ヒューズやコンタクターで電池の電流を遮断するからである。

さらに、本発明のバッテリシステムは、電池セル５の内部電流遮断部をＣＩＤ（Current Interrupt Device カレントインタラプトデバイス）とすることができる。

本発明のバッテリシステムは、電流センサ２１が、電池１と直列に接続している電流検出抵抗２５と、この電流検出抵抗２５の両端に誘導される電圧を増幅する差動アンプ２６とを備え、差動アンプ２６の出力電圧で電池１の電流を検出することができる。

本発明のバッテリシステムは、電池１の出力電圧を１０Ｖ以上で５００Ｖ以下とすることができる。

本発明のバッテリシステムは、電池１が、コンタクター２を介して、車両を走行させるモータ１１に電力を供給することができる。

本出願人が先に出願した電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかるバッテリシステムの概略構成図である。 図２に示すバッテリシステムが電流を遮断する特性を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリシステムを例示するものであって、本発明はバッテリシステムを以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に示すバッテリシステムは、ハイブリッドカー、燃料電池車、電気自動車等の車両に搭載されて、負荷１０として接続されるモータ１１を駆動して車両を走行させる。電池１の負荷１０となるモータ１１は、インバータ１２を介して電池１に接続される。インバータ１２は、電池１の直流を３相の交流に変換して、モータ１１への供給電力をコントロールする。

この図のバッテリシステムは、電池１と、この電池１と直列に接続しているヒューズ８と、この電池１の出力側に接続されて、負荷１０への電力供給をオンオフに切り換えるコンタクター２と、このコンタクター２をオンに切り換える前に、負荷１０のコンデンサ１３をプリチャージするプリチャージ回路３と、このプリチャージ回路３とコンタクター２をオンオフに制御する電流遮断回路４とを備える。

電池１は、インバータ１２を介して車両を走行させるモータ１１を駆動する。モータ１１に大電力を供給できるように、電池１は多数の充電できる電池セル５を直列に接続して出力電圧を高くしている。電池セル５は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が使用される。電池セルをリチウムイオン電池とするバッテリシステムは、複数のリチウムイオン電池を直列に接続している。電池セルをニッケル水素電池とするバッテリシステムは、複数のニッケル水素電池を直列に接続して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列に接続して出力電圧を高くしている。バッテリシステムは、電池をリチウムイオン電池やニッケル水素電池に特定しない。電池には、ニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池を使用できる。

電池１は、モータ１１に大電力を供給できるように、たとえば、出力電圧を２００〜４００Ｖと高くしている。ただし、バッテリシステムは、電池の出力側にＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を接続して、電池の電圧を昇圧して、負荷に電力を供給することもできる。このバッテリシステムは、直列に接続する電池の個数を少なくして、電池の出力電圧を低くできる。したがって、電池１は、たとえば出力電圧を１５０〜４００Ｖとすることができる。

電流遮断回路４は、電池１の充放電を制御するために、電池１を構成する電池セル５の電圧を検出する電圧検出回路２２と、電池１の電流を検出する電流センサ２１から入力される信号でコンタクター２を制御する。

電圧検出回路２２は、複数の電池セル５の電圧を検出し、あるいは複数の電池セルを直列に接続している電池モジュールの電圧を検出する。電池をリチウムイオン電池とするバッテリシステムは、電圧検出回路でもって各々のリチウムイオン電池の電圧を検出し、電池をニッケル水素電池とするバッテリシステムは、電圧検出回路でもって、複数のニッケル水素電池を直列に接続している電池モジュールの電圧を検出する。

電流センサ２１は、電池セル５の残容量を検出するために、電池１に流れる電流を検出する。バッテリシステムは、電池１の残容量を演算して、電池１を充放電する電流をコントロールするために、電流センサ２１を備えている。電流遮断回路４は、電流センサ２１で検出される電池１の電流を積算して残容量を演算する。バッテリシステムは、電池１の残容量を５０％付近とするように、車両側に信号を伝送して、充放電の電流をコントロールする。種々の走行状態で電池１の劣化をできるかぎり少なくするためである。電池１の残容量は、充電電流の積算値で増加し、また、放電電流の積算値で減少するので、充電電流と放電電流の積算値で演算できる。

電流遮断回路４は、電流センサ２１からの信号と、電圧検出回路２２から入力される信号でコンタクター２をオンオフに制御して、電池１に流れる過電流を遮断する。電流センサ２１は、電池１の電流を検出するが、電池１を充放電を許容する範囲内において電流値を正確に検出している。したがって、電流センサ２１は、電池１に過電流が流れる状態で過電流の大きさを検出することはできない。すなわち、電流センサ２１は、過電流が流れたかどうかは検出できるが、過電流の大きさは検出できない。したがって、電流遮断回路４は、電流センサ２１が過電流を検出すると、電圧検出回路２２の信号と、放電電流と充電電流とを判別して、コンタクター２をオンからオフに切り換えて、電池１の電流を遮断する。

電流遮断回路４は、電流センサ２１の検出電流のみでなく、以下の(1)〜(3)の全ての条件を満足することを検出して電池１に過電流が流れる状態と判定して、コンタクター２をオフに切り換えて電流を遮断する。(1)〜(3)の条件を満足する状態は、電池１を放電している［第１の状態］と、電池１を充電している［第２の状態］において発生する。

［第１の状態…電池の放電状態］
(1) 電流センサ２１の検出電流が設定電流よりも大きく、
(2) 電圧検出回路２２が検出する電池１の電圧低下が設定値よりも大きく、
(3) 電流センサ２１が放電電流を検出している状態

以上の状態は、電池１を放電している状態で、たとえば負荷１０がショートして過電流が流れる状態で発生する。

［第２の状態…電池の充電状態］
(1) 電流センサ２１の検出電流が設定電流よりも大きく、
(2) 電圧検出回路２２が検出する電池１の電圧上昇が設定値よりも大きく、
(3) 電流センサ２１が充電電流を検出する状態

以上の状態は、充電回路の故障や、車両用の電源装置にあっては、負荷１０として接続されるＤＣ／ＡＣインバータや電池電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ等の故障で発生する。

電流遮断回路４が、電流センサ２１からの信号で過電流と判定する設定電流は、バッテリシステムの用途により最適値に設定される。たとえば、車両用の電源装置に使用されるバッテリシステムは、過電流と判定する設定電流を２００Ａに設定する。ただし、この用途のバッテリシステムにおいても、電池１を放電する状態と充電する状態とで同じ設定電流としないで、たとえば、放電するときの設定電流を充電するときに設定電流よりも大きく、あるいは小さくすることもできる。また、過電流と判定する設定電流は、電池の電気特性、車両のタイプ、車両に要求される加速性能、車両に要求される回生制動の制動力などで、たとえば１００Ａ〜４００Ａの範囲に設定することもでき、さらに、電池の電気特性や車両に要求される性能等によっては、４００Ａよりも大きく、あるいは１００Ａよりも小さく設定することもできる。

電流遮断回路４が、過電流と判定する電圧低下や電圧上昇の設定値は、バッテリシステムの用途や電池の種類、さらに、電圧を検出する電池の個数を考慮して最適値に設定される。たとえば、車両用の電源装置に使用されるバッテリシステムであって、電池をリチウムイオン電池として、電圧低下と電圧上昇をひとつの電池セルの電圧から検出する電流遮断回路にあっては、設定値を０．４Ｖとする。ただし、この用途に使用されるバッテリシステムにおいても、設定電圧と同じように、電池の電気特性、車両のタイプ、車両に要求される加速性能、車両に要求される回生制動の制動力などで、たとえば０．１Ｖ／セル〜１．５Ｖ／セルの範囲に設定することもでき、さらに、電池の電気特性や車両に要求される性能等によっては、１．５Ｖよりも大きく、あるいは０．１Ｖよりも小さく設定することもできる。

電池１は、放電されて電圧が低下し、また充電されて電圧が上昇する。電流遮断回路４は、電圧が変動する電池１の電圧低下と電圧上昇を検出するために、入力される電圧値を、設定時間前に検出された電圧値に比較して、その差電圧から電圧低下と電圧上昇とを検出する。設定時間は、たとえば、０．３秒に設定される。この電流遮断回路４は、０．３秒のサンプリング周期で電池１の電圧を検出して、検出電圧を前回の検出電圧に比較して、電圧低下と電圧上昇とを判定できる。

ただし、電流遮断回路は、設定時間における電池の電圧変化でなく、たとえばハイブリッドカーにあっては、電池を充放電しない時間帯で電池の開放電圧を検出し、次に電池が放電され、あるいは充電されるタイミングで検出される検出電圧を開放電圧に比較して電圧低下と電圧上昇を検出することもできる。さらに、充放電されない電池の開放電圧は、電池の残容量からも特定することができる。電池の開放電圧が残容量をパラメーターとして特定されるからである。したがって、電流遮断回路は、電池を充放電する電流を積算して電池の残容量を演算し、演算される残容量から電池の開放電圧を特定して、検出される電圧を開放電圧に比較して電圧低下と電圧上昇を検出することもできる。

電流遮断回路４は、電流センサ２１から入力される信号で、電池１を放電している電流か、あるいは充電している電流かも判定する。電流センサ２１は、電池１と直列に接続している電流検出抵抗２５の両端に誘導される電圧を差動アンプ２６で増幅して電池１の電流を検出する。この電流センサ２１は、差動アンプ２６の出力電圧が電池１の電流に比例するので、電流遮断回路４は、電流センサ２１から入力される電圧で電池１の電流を検出できる。また、この電流センサ２１は、電池１を充電している状態と、放電している状態とで出力する電圧の正負が反転する。たとえば、放電電流を検出する状態でプラス電圧を出力する電流センサ２１は、充電電流を検出する状態でマイナス電圧を出力する。したがって、電流遮断回路４は、電流センサ２１から入力される電圧の正負で電池１の放電と充電とを判定できる。とくに、電流センサ２１は、電池１に過電流が流れる状態では、電流遮断回路４に大きな電圧信号を出力するので、電流遮断回路４は電流センサ２１から入力される電圧から確実に安定して、放電状態と充電状態とを判定できる。

電流遮断回路４は、以上の(1)〜(3)の条件を満足することを検出して、コンタクター２をオンからオフに切り換えるが、(1)と(3)の条件を満足して(2)の条件を満足しない状態では、電流センサ２１の故障と判定する。また、(2)の条件を満足して(1)と(3)の条件を満足しない状態では、電圧検出回路２２の故障と判定する。さらに、(1)と(2)の条件を満足して(3)の条件を満足しない状態では電流センサ２１の故障と判定する。車両用の電源装置に使用されるバッテリシステムにあっては、電流センサ２１を故障と判定し、あるいは電圧検出回路２２の故障を判定するとき、直ちにコンタクター２をオンからオフに切り換えることなく、たとえば、バッテリシステムの故障を表示する。この状態では、バッテリシステムの充電電流と放電電流を制限して車両を走行できる状態とするが、早急に修理する表示する。

図に示すバッテリシステムは、電池１の過電流をコンタクター２で遮断し、さらにヒューズ８によっても過電流を遮断して安全性をより向上している。この電流遮断回路４は、前述した(1)〜(3)の条件から、過電流放電状態、又は、過電流充電状態にある過電流を検出してから、コンタクター２をオフに切り換える遅延時間を記憶するタイマ部２４を備えている。電流遮断回路４は、過電流を検出した後、このタイマ部２４に記憶される遅延時間が経過したタイミングで、コンタクター２をオンからオフに切り換える。図３は、電流遮断回路４がコンタクター２をオフに切り換える遅延時間を０．３秒に設定している。この電流遮断回路４は、過電流を検出して、遅延時間の０．３秒が経過したタイミングでコンタクター２をオフに切り換えて、電池１の電流を遮断する。すなわち、過電流を検出して０．３秒経過するまでは、電池１の電流を遮断しない。

コンタクター２は、電流遮断回路４に制御されて接点をオンオフに切り換える。コンタクター２は、図示しないが、接点をオンオフに切り換える励磁コイルを備えている。電流遮断回路４は、この励磁コイルの電流を制御してコンタクター２の接点をオンオフに切り換える。通常のコンタクター２は、励磁コイルに通電して接点をオン、励磁コイルの電流を遮断して接点をオフに切り換える。

コンタクター２は、電流を遮断できる最大遮断電流が特定される。最大遮断電流は、接点容量を大きく、可動接点を固定接点に強く押圧して大きくできる。ただ、最大遮断電流の大きいコンタクターは、可動接点と固定接点が大きく、また、大きな可動接点を速やかに固定接点から引き離すためにバネを強く、また、可動接点を固定接点から速く離すために、可動接点を往復運動させるストロークも大きくする必要がある。強いバネのコンタクターは、励磁コイルを大きく、また、その電流を大きく、すなわち励磁コイルを大きくして消費電力を大きくする必要がある。励磁コイルの消費電力は、接点をオンに保持する状態で常に消費される。消費電力の大きなコンタクターは、励磁コイルの発熱も大きく、また、接点をオンに保持する状態で大きな電力を消費する欠点がある。このため、電力の最大遮断電流は、大きさや消費電力、さらに発熱量からその用途に応じて最適な電流値に設定される。

たとえば、車両用の電源装置に使用されるバッテリシステムにあっては、コンタクターの小型化と軽量化が必須であるから、最大遮断電流をむやみに大きくすることはできない。ところが、負荷に供給する電力を大きくするために、バッテリシステムの出力電圧を高くすると、負荷をショートして流れるショート電流は極めて大きくなる。さらに、ショート電流のエネルギーは電流の二乗に比例して大きくなる。このため、バッテリシステムは、負荷をショートして大きなショート電流が流れる状態でコンタクターをオフに制御すると、そのショート電流がコンタクターの最大遮断電流を越えていた場合、遮断時に接点間で発生する強いアークで可動接点が固定接点に溶着してオフに切り換えできなくなることがある。

コンタクター２の接点溶着を防止し、電池１の過電流を確実に遮断し、さらに、過電流よりも小さい電流範囲では電池１の電流を遮断しない特性を実現するために、ヒューズ８の溶断特性を独特の特性としている。ヒューズ８が溶断して電流を遮断する時間は、図３の曲線Ａで示すように、電流が大きくなると短くなる。ヒューズ８は、それ自体の発熱で溶断されることから、溶断する電流値を正確にコントロールするのが難しい。溶断しやすいヒューズは、電池の充放電を許容する電池の許容充放電電流の範囲で溶断してしまう。反対に溶断し難いヒューズは、コンタクターの接点溶着を確実に防止できない。バッテリシステムは、ヒューズ８とコンタクター２との特性を好ましい状態に設定することで、コンタクター２の接点が溶着するのを確実に阻止し、さらに、電池１の過電流をコンタクター２とヒューズ８とで確実に遮断できる。このことを実現するために、ヒューズ８が溶断する溶断電流は、電流遮断回路４のタイマ部２４の遅延時間における溶断電流をコンタクター２の最大遮断電流よりも小さくしている。

図３は、コンタクター２の最大遮断電流を５００Ａ、遅延時間を０．３秒としているので、ヒューズ８の０．３秒後の溶断電流を５００Ａよりも小さくしている。このヒューズ８は、タイマ部２４がカウントする０〜０．３秒の間で、コンタクター２の接点が遮断時に発生するアークで溶着するよりも大きい電流、すなわちコンタクター２の最大遮断電流よりも大きい電流で溶断して、電池１の電流を遮断する。したがって、遅延時間の０．３秒までの間にヒューズ８が溶断しない過電流は、コンタクター２の接点が遮断時に発生するアークで溶着しない電流であるから、遅延時間の０．３秒後にコンタクター２をオフに切り換えて接点が溶着することはない。また、遅延時間の０．３秒が経過した後は、ヒューズ８が溶断されたか否かに関わらず、コンタクター２が電池１の電流を遮断するので、ヒューズ８には、遅延時間の０．３秒後の溶断特性は要求されない。ヒューズ８に要求される溶断特性は、過電流が流れた瞬間から遅延時間まで、すなわち０〜０．３秒までの間の溶断特性である。とくに、過電流が流れて遅延時間の０．３秒後の溶断電流のみが要求される特性である。ただ、ヒューズ８は、電池１の充放電を許容する許容充放電電流の範囲で溶断することは好ましくない。したがって、ヒューズ８は、遅延時間である０．３秒後の溶断電流を、電池１の許容充放電電流の最大値である２００Ａよりも大きくしている。このことから、ヒューズ８は、図３の曲線Ａと「電池の許容充放電電流の最大値」の間の電流で溶断するように設計される。曲線Ｂの溶断特性のヒューズ８は、遅延時間の０．３秒が経過した後に、電池１を充放電する最大電流である２００Ａよりも小さい電流で溶断されて、電池１の許容充放電電流の範囲で充放電できなくしてしまう。そのため、正常電流値においてバッテリシステムを使用できなくするため採用できない。

さらに、電池１を構成する電池セル５は、過電流放電状態又は過電流充電状態などの異常な状態になると、電池セル５の内部接続回路を遮断して、すなわち自己で電流を遮断する内部電流遮断部を備えている。この内部電流遮断部には、電池内圧の異常な上昇で動作して電流を遮断するＣＩＤがある。ＣＩＤが動作して電流を遮断するのは、電池セル５が過充電されて内圧が異常に上昇した状態にあるが、電流を遮断する構造のため、他の電池セル構造部材と比較して過電流耐量が低くなっている。そのため、過電流発生時は、電池セルの中で最も溶断が発生しやすい。

図３の曲線Ｃは、内部電流遮断部が動作して電流を遮断する遮断特性を示している。ヒューズ８の溶断特性（曲線Ａ及び曲線Ｂ）は、内部電流遮断部の遮断特性よりも小さい電流で溶断するように設定している。したがって、遅延時間０．３秒より前では、ヒューズ８が溶断することで、内部電流遮断部による電流遮断を防止できる。

さらに、図３の曲線Ｃで示すように、内部電流遮断部の遮断特性は、タイマ部２４の遅延時間である０．３秒より後における遮断電流をコンタクター２の最大遮断電流の５００Ａよりも大きく設定している。このバッテリシステムは、電池１に過電流が流れる状態において、内部電流遮断部が電流を遮断するよりも小さい過電流でコンタクター２をオンからオフに切り換えて電池１の電流を遮断するので、内部電流遮断部が電流を遮断するよりも先に、電池１の電流を遮断する。このため、内部電流遮断部の動作を防止しながら、過電流を遮断することができる。

電池１に接続される負荷１０は、インバータ１２の出力側にモータ１１を接続している。負荷１０であるインバータ１２は、並列に大容量のコンデンサ１３を接続している。このコンデンサ１３は、コンタクター２をオンに切り換える状態で、電池１と両方から負荷１０のインバータ１２に電力を供給する。とくに、コンデンサ１３からは、負荷１０のインバータ１２に瞬間的に大電力を供給する。電池１に並列にコンデンサ１３を接続することで、負荷１０に供給できる瞬間電力を大きくしている。コンデンサ１３から負荷１０のインバータ１２に供給できる瞬間最大電力は、静電容量に比例するので、このコンデンサ１３は、たとえば４０００〜６０００μＦと極めて大きい静電容量としている。放電状態にある大容量のコンデンサ１３が、出力電圧の高い電池１に接続されると、瞬間的に極めて大きいチャージ電流が流れる。コンデンサ１３のインピーダンスが極めて小さいからである。

プリチャージ回路３は、イグニッションスイッチ１４から入力されるオン信号で、コンタクター２をオンに切り換えるに先だって、負荷１０のコンデンサ１３をプリチャージする。プリチャージ回路３は、コンデンサ１３の充電電流を制限しながらコンデンサ１３をプリチャージする。プリチャージ回路３は、プリチャージ抵抗６にプリチャージスイッチ７を直列に接続している。プリチャージ抵抗６は、負荷１０のコンデンサ１３のプリチャージ電流を制限する。プリチャージ回路３は、プリチャージ抵抗６の電気抵抗を大きくしてプリチャージ電流を小さくできる。たとえば、プリチャージ抵抗６は、１０Ω、３０Ｗのセメント抵抗である。このプリチャージ抵抗６は、出力電圧４００Ｖの電池１がコンデンサ１３を充電するピークの充電電流を４０Ａに制限する。

プリチャージ回路３は、コンタクター２の接点に並列に接続される。図のバッテリシステムは、プラス側とマイナス側の両方にコンタクター２を設けて、プラス側のコンタクター２Ａの接点と並列にプリチャージ回路３を接続している。このバッテリシステムは、マイナス側のコンタクター２Ｂをオンとし、プラス側のコンタクター２Ａをオフとする状態で、プリチャージ回路３でコンデンサ１３をプリチャージする。プリチャージ回路３でコンデンサ１３がプリチャージされると、プラス側のコンタクター２Ａをオフからオンに切り換えて、プリチャージ回路３のプリチャージスイッチ７をオフに切り換える。

プリチャージ回路３は、プリチャージスイッチ７をオンにして、コンデンサ１３をプリチャージする。プリチャージスイッチ７は、コンタクター等の機械的な接点を有するスイッチである。ただ、プリチャージスイッチは、トランジスターやＦＥＴ等の半導体スイッチング素子も使用できる。半導体スイッチング素子のプリチャージスイッチは、接点のような劣化がないので寿命を長くできる。また、非常に短時間で高速にオンオフに切り換えできるので、コンデンサをオンオフに切り換えながらプリチャージすることができる。

プリチャージ回路３でコンデンサ１３がプリチャージされた後、プリチャージ回路３と並列に制御しているプラス側のコンタクター２Ａをオンに切り換えて、電池１から負荷１０に電力を供給できる状態、すなわち電池１でモータ１１を駆動して車両を走行できる状態とする。

１…電池
２…コンタクター ２Ａ…プラス側のコンタクター
２Ｂ…マイナス側のコンタクター
３…プリチャージ回路
４…電流遮断回路
５…電池セル
６…プリチャージ抵抗
７…プリチャージスイッチ
８…ヒューズ
１０…負荷
１１…モータ
１２…インバータ
１３…コンデンサ
１４…イグニッションスイッチ
２１…電流センサ
２２…電圧検出回路
２４…タイマ部
２５…電流検出抵抗
２６…差動アンプ
９１…電池
９２…コンタクター
９４…電流遮断回路
９５…電池ブロック
９８…ヒューズ
９９…電流センサ

Claims (7)

1. 充電できる電池(1)と、この電池(1)の出力側に直列に接続してなるコンタクター(2)と、前記電池(1)の電流の大きさに加えて充電電流と放電電流を判別する電流センサ(21)と、前記電池(1)の電圧を検出する電圧検出回路(22)と、前記電流センサ(21)が検出する電池(1)の電流の大きさと、充電電流と放電電流の判別と、さらに、前記電圧検出回路(22)が検出する電池(1)の電圧とで前記コンタクター(2)を切り換える電流遮断回路(4)とを備えており、
   前記電流遮断回路(4)が、前記電流センサ(21)の検出電流が設定電流よりも大きく、かつ、前記電圧検出回路(22)が検出する電池(1)の電圧低下が設定値よりも大きく、なおかつ、前記電流センサ(21)が放電電流を検出する過電流放電状態と、
   前記電流センサ(21)の検出電流が設定電流よりも大きく、かつ、前記電圧検出回路(22)が検出する電池(1)の電圧上昇が設定値よりも大きく、なおかつ、前記電流センサ(21)が充電電流を検出する過電流充電状態とで前記コンタクター(2)をオフに切り換えるようにしてなるバッテリシステム。
2. 前記電池(1)と直列に接続されるヒューズ(8)を備えると共に、前記電流遮断回路(4)は、前記コンタクター(2)をオンからオフに切り換えるまでの遅延時間を特定するタイマ部(24)を備えており、
   前記ヒューズ(8)は、前記タイマ部(24)の遅延時間における溶断電流が、コンタクター(2)の最大遮断電流以下であって、電池(1)の許容充放電電流の最大値よりも大きく設定しており、
   前記電池(1)に、前記コンタクター(2)の最大遮断電流よりも大きな過電流が流れる状態において、前記タイマ部(24)の遅延時間内ではヒューズ(8)が溶断され、遅延時間が経過したタイミングで電流遮断回路(4)がコンタクター(2)をオンからオフに切り換えるようにしてなる請求項１に記載されるバッテリシステム。
3. 前記電池(1)が複数の電池セル(5)を備え、電池セル(5)は、過電流又は過充電で内部接続回路を遮断する内部電流遮断部とを備え、前記ヒューズ(8)の溶断特性が、前記内部電流遮断部の溶断特性よりも小さい電流で溶断する特性である請求項２に記載されるバッテリシステム。
4. 前記電池セル(5)の内部電流遮断部がＣＩＤ（Current Interrupt Device カレントインタラプトデバイス）である請求項３に記載されるバッテリシステム。
5. 前記電流センサ(21)が、前記電池(1)と直列に接続している電流検出抵抗(25)と、この電流検出抵抗(25)の両端に誘導される電圧を増幅する差動アンプ(26)とを備え、差動アンプ(26)の出力電圧で電池(1)の電流を検出するようにしてなる請求項１ないし４のいずれかに記載されるバッテリシステム。
6. 前記電池(1)の出力電圧が１０Ｖ以上で５００Ｖ以下である請求項１ないし４のいずれかに記載されるバッテリシステム。
7. 前記電池(1)が、コンタクター(2)を介して、車両を走行させるモータ(11)に電力を供給する請求項１に記載されるバッテリシステム。

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