JP5971626B2 - 電池システム - Google Patents
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Description
特許文献1に係る電池システムによれば、接続対象となる電池ユニットを電池システムに接続する際において、その接続直後に流れるおそれのある突入電流などの過大電流を抑止することができる。
はじめに、本発明に係る電池システムが適用される電力システムの概要について、図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る電池システム201が適用される電力システム101の概要を表すブロック図である。
なお、本発明に係る電池システム201とは、後記する本発明の実施形態に係る電池システムに相当する電池パック203を包括する概念である。
次に、本発明に係る電池システム201の階層構造について、図2を参照して説明する。図2は、本発明に係る電池システム201の階層構造を概念的に表すブロック図である。
本発明に係る実施形態の説明に先立って、本発明に係る電池システムの概要について説明する。
本発明に係る電池システムは、複数の蓄電池を接続してなる電池群と、前記電池群に直列に接続されるスイッチ回路とを有する電池ユニットを、複数並列に接続してなる電池システムであって、前記スイッチ回路は、第1のスイッチおよび抵抗値が既知のプリチャージ抵抗が直列に接続される第1の回路、並びに、第2のスイッチを有する第2の回路を並列に接続してなり、複数の前記電池ユニットは、前記電池群における両端の電圧差を検知する電池群電圧検知部と、前記電池群に流れる電流を検知する第1の電流検知部と、をそれぞれを有し、前記電池システムは、該電池システムに流れる電流を検知する第2の電流検知部を有し、複数の前記電池ユニットにおける出力を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、接続対象となる電池ユニットである接続対象電池ユニットを前記電池システムに接続する際に、前記接続対象電池ユニットにおいて、前記第1のスイッチをオン状態にし、かつ、前記第2のスイッチをオフ状態にした後に、前記第1のスイッチをオフ状態にし、かつ、前記第2のスイッチをオン状態にしたときの、前記第1の電流検知部の電流検知情報、前記第2の電流検知部の電流検知情報、並びに、前記電池群電圧検知部の電圧検知情報に基づいて、前記第1および第2のスイッチのオンオフ状態を制御する、ことを最も主要な特徴とする。
なお、後記する実施形態では、電池セル217が本発明の“蓄電池”に、電池モジュール213が本発明の“電池群”および“電池ユニット”に、電池パック203が本発明の“電池システム”に、それぞれ相当する。
ここで、本発明に係る電池システム203の優位性を明らかにするために、比較例に係る電池システム203Aの概要について、図3Aおよび図3Bを参照して説明する。図3Aは、比較例に係る電池システム203Aの回路図である。図3Bは、比較例に係る電池システム203AのコントローラCTRAの入出力信号を表す図である。
次に、第2のスイッチSb1のオン条件として等電圧条件を採用した場合の、比較例に係る電池システム203Aの動作について、図4Aおよび図4Bを参照して説明する。図4Aおよび図4Bは、第2のスイッチSb1のオン条件として等電圧条件を採用した場合の、比較例に係る電池システム203Aの動作説明図である。
次に、第2のスイッチSb1のオン条件として等SOC(SOC;充電状態)条件を採用した場合の、比較例に係る電池システム203Aの動作について、図4Cおよび図4Dを参照して説明する。図4Cおよび図4Dは、第2のスイッチSb1のオン条件として等SOC条件を採用した場合の、比較例に係る電池システム203Aの動作説明図である。
次に、本発明の実施形態に係る電池システムに相当する電池パック203Bについて、図5を参照して説明する。図5Aは、本発明の実施形態に係る電池システム(電池パック203B)の回路図である。図5Bは、電池システム(電池パック203B)のコントローラCTRBの内部構成および入出力信号を表す図である。
次に、本発明の実施形態に係る電池システム(電池パック)203の動作について、図6を参照して説明する。図6は、本発明の実施形態に係る電池システム(電池パック)203の動作を表すフローチャート図である。
なお、図6に示すフローは、電池システム(電池パック)203に対して、接続対象電池ユニットBTU1が接続される旨(例えば、メンテナンス員による操作入力)を、コントローラCTRBが取得することによって開始される。
次に、第2のスイッチSb1のオン条件として等電流条件を採用した場合の、本発明の実施形態に係る電池システム203Bの動作について、図7A〜図7Cを参照して説明する。図7A〜図7Cは、第2のスイッチSb1のオン条件として等電流条件を採用した場合の、本発明の実施形態に係る電池システム203Bの動作説明図である。
次に、第2のスイッチSb1のオン条件(等電流条件)の求め方について説明する。
前提として、本発明の実施形態に係る電池システム203Bは、電池ユニットBTU1が接続されていない状態にあるとする。また、本発明の実施形態に係る電池システム203Bにおける直流系統電圧をVTOTALとし、電池ユニットBTUnの電池群Vnの両端の電圧 差をVn(図5A参照)とし、電池群Vnの内部抵抗値をZn(図5A参照)とし、電池システム203Bに流れる電流の大きさをI0(図5A参照)とし、現に接続されている電池システムの数を(n−1)(ただし、nは自然数)とする。
VTOTAL=Vn+Zn×I0/(n−1) (式1)
VTOTAL=V1+Z1×I0/n (式2)
V1+Z1×I0/n=Vn+Zn×I0/n (式3)
V1−Vn=Zn×I0/n−Z1×I0/n (式4)
Vn=VTOTAL−Zn×I0/(n−1) (式5)
この際、(式1)と(式5)との間にはスイッチ投入前後の時間差があるが、この時間差による充電状態の変化は微小であるため、(式5)にて近似することができる。
V1−(VTOTAL−Zn×I0/(n−1))=Zn×I0/n−Z1×I0/n (式6)
V1−VTOTAL=Zn×I0×(1/n−1/(n−1))−Z1×I0/n (式7)
次に、電池群V1−Vnの内部抵抗値Z1,Znの求め方について次述する。
前提として、本発明の実施形態に係る電池システム203Bは、電池ユニットBTU1が接続されている状態にあり、かつ、第1のスイッチSa1(図5A参照)がオン状態にあるとする。また、電池ユニットBTU1が有する電池群V1の起電力をV1とし、電池ユニットBTU1が有するプリチャージ抵抗Zpr1の抵抗値をZpr1とし、電池ユニットBTU1に流れる電流の大きさをI1とする。このとき、直流系統電圧VTOTALは、下記(式8)のように表すことができる。
VTOTAL=V1+(Z1+Zpr1)×I1 (式8)
Z1=−(V1−VTOTAL)/I1−Zpr1 (式9)
なお、(式9)の右辺のうち(V1−VTOTAL)は、前記のように、コントローラCTRBが取得可能な情報Vb1,Va1に基づいて求めることができる。また、(式9)の右辺のうち電流の大きさI1は、第1の電流検知部I1の電流検知情報I1により取得することができる。そして、プリチャージ抵抗Zpr1の抵抗値Zpr1は既知である。したがって、前記の手順で取得した(V1−VTOTAL),I1,Zpr1を、(式9)の右辺に代入することにより、(式9)の左辺Z1の解を求めることができる。
前提として、本発明の実施形態に係る電池システム203Bは、電池ユニットBTUnが接続されている状態にあり、かつ、第2のスイッチSbn(図5A参照)がオン状態にあるとする。また、電池ユニットBTUnが有する電池群Vnの起電力をVnとし、電池ユニットBTUnに流れる電流の大きさをInとする。このとき、直流系統電圧VTOTALは、下記(式10)のように表すことができる。
VTOTAL=Vn+Zn×In (式10)
Vn+Zn×In=V1+(Z1+Zpr1)×I1 (式11)
Zn=(V1−Vn)/In+(Z1+Zpr1)×I1/In (式12)
なお、(式12)の右辺のうち電池群V1−Vnの起電力V1−Vnは、各電池群V1−VnのSOCに基づいて推定することができる。また、(Z1+Zpr1)は、これら両者がZ1<<Zpr1の関係にあるため、(Z1+Zpr1)≒Zpr1として計算を行ってもよい。また、(式12)の右辺のうち電流の大きさI1,Inは、第1の電流検知部I1の電流検知情報I1および第2の電流検知部I0の電流検知情報I0により取得することができる。そして、プリチャージ抵抗Zpr1の抵抗値Zpr1は既知である。したがって、前記の手順で取得したV1−Vn,In,(Z1+Zpr1),I1を、(式12)の右辺に代入することにより、(式12)の左辺Znの解を求めることができる。
本発明の実施形態に係る電池システム(電池パック)203は、複数の蓄電池を接続してなる電池群V1−Vnと、電池群V1−Vnに直列に接続されるスイッチ回路SW1,・・・,SWnとを有する電池ユニットBTU1,・・・,BTUnを、複数並列に接続してなる電池システムであって、スイッチ回路SW1,・・・,SWnは、第1のスイッチSa1,・・・,Sanおよび抵抗値が既知のプリチャージ抵抗Zpr1,・・・,Zprnが直列に接続される第1の回路Ca1,・・・,Can、並びに、第2のスイッチSb1,・・・,Sbnを有する第2の回路Cb1,・・・,Cbnを並列に接続してなる。
以上説明した複数の実施形態は、本発明の具現化例を示したものである。したがって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。
203A 比較例に係る電池システム
203B 電池パック(本発明の実施形態に係る電池システム)
213 電池モジュール(電池群、電池ユニット)
217 電池セル(蓄電池)
251 電池ブロック
V1−Vn 電池群
SW1,・・・,SWn スイッチ回路
Sa1,・・・,San 第1のスイッチ
Sb1,・・・,Sbn 第2のスイッチ
BTU1,・・・,BTUn 電池ユニット
I1,・・・,In 第1の電流検知部
I0 第2の電流検知部
Z1,・・・,Zn 電池群の内部抵抗
Va1,・・・,Van 電池ユニット電圧検知部
Vb1,・・・,Vbn 電池群電圧検知部
Claims (3)
- 複数の蓄電池を接続してなる電池群と、前記電池群に直列に接続されるスイッチ回路とを有する電池ユニットを、複数並列に接続してなる電池システムであって、
前記スイッチ回路は、第1のスイッチおよび抵抗値が既知のプリチャージ抵抗が直列に接続される第1の回路、並びに、第2のスイッチを有する第2の回路を並列に接続してなり、
複数の前記電池ユニットは、
前記電池群における両端の電圧差を検知する電池群電圧検知部と、
前記電池群に流れる電流を検知する第1の電流検知部と、
をそれぞれを有し、
前記電池システムは、該電池システムに流れる電流を検知する第2の電流検知部を有し、
複数の前記電池ユニットにおける出力を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記電池システム、前記電池ユニット、および、前記電池群の抵抗値を取得する抵抗値取得部と、
前記電池ユニットにおける両端の電圧差を取得する電池ユニット電圧取得部と、
接続対象となる電池ユニットである接続対象電池ユニットにおける前記第1の電流検知部の電流検知情報、前記第2の電流検知部の電流検知情報、前記抵抗値取得部で取得した抵抗値情報、前記電池群電圧検知部の電圧検知情報、前記電池ユニット電圧取得部で取得した電圧差情報、並びに、前記電池ユニット電圧取得部で取得した電圧差情報に基づき求められる前記接続対象電池ユニットのSOC情報に基づいて、前記接続対象電池ユニットを前記電池システムに接続する際に、前記接続対象電池ユニットにおいて、前記第1のスイッチをオン状態にし、かつ、前記第2のスイッチをオフ状態にした後に、前記第1のスイッチをオフ状態にし、かつ、前記第2のスイッチをオン状態にするように、前記第1および第2のスイッチのオンオフ状態を制御するスイッチ動作制御部と、を備え、
前記コントローラが有する前記スイッチ動作制御部は、
前記電池群の内部抵抗値を、前記第1のスイッチがオン状態のときの、前記第1の電流検知部の前記電池群に係る電流検知情報と、前記電池群電圧検知部の電圧検知情報の比から求め、
前記電池システムの内部抵抗値を、前記第1のスイッチがオン状態のときの、前記第2の電流検知部の前記電池システムに係る電流検知情報、および、前記第1の電流検知部の前記電池群に係る電流検知情報の差と、前記電池群電圧検知部の電圧検知情報の比から求め、
さらに、前記求めた電池システムの内部抵抗値と前記第2の電流検知部の前記電池システムに係る電流検知情報との積の関数から、前記求めた電池群の内部抵抗値と前記第2の電流検知部の前記電池システムに係る電流検知情報との積の関数を差し引いた解が、予め定められる範囲内に収束する場合、前記第2のスイッチをオン状態に制御する、
ことを特徴とする電池システム。 - 請求項1に記載の電池システムであって、
前記コントローラが有する前記スイッチ動作制御部は、前記求めた電池システムの内部抵抗値と前記第2の電流検知部の前記電池システムに係る電流検知情報との積の関数から、前記求めた電池群の内部抵抗値と前記第2の電流検知部の前記電池システムに係る電流検知情報との積の関数を差し引いた解が、前記第2の電流検知部の電流検知情報、および、前記電池群の内部抵抗値に基づく演算値と一致する場合、前記第2のスイッチをオン状態に制御する、
ことを特徴とする電池システム。 - 請求項1又は2に記載の電池システムであって、
前記複数の各電池ユニットは、前記コントローラをそれぞれが有する、
ことを特徴とする電池システム。
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