JP6488631B2 - 給電路遮断装置及び給電路遮断方法 - Google Patents

給電路遮断装置及び給電路遮断方法 Download PDF

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Description

本発明は、電池の充放電電流が流れる給電路に過電流が流れることを防ぐ給電路遮断装置及び給電路遮断方法に関する。
フォークリフト、電気自動車又はハイブリッドカー等のように、電池により負荷に給電する装置には、給電路に過電流が流れることを防止するために、給電路を遮断するリレーやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等のスイッチ及びヒューズを設けた給電路遮断装置が備えられる。
図4に従来の給電路遮断装置の構成例を示す。図4は、電池パック1に備えられる給電路遮断装置の構成例を示している。電池パック1は、複数の電池モジュール10、総電流センサ20、及び各電池モジュール10を監視し、その電池11の充放電等を制御する電池制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)30を備える。
各電池モジュール10は、それぞれ、電池11、モジュールスイッチ12、モジュールヒューズ13、監視制御ユニット(ECU)15を備える。監視制御ユニット(ECU)15は、自モジュール内の電池11の電流、電圧、温度等を監視し、その監視情報を電池制御ユニット(ECU)30に通信線41を介して通知し、また、電池制御ユニット(ECU)30からの指令により、自モジュール内の電池11の充放電等を制御し、また、モジュールスイッチ12のオン/オフを制御する。
電池制御ユニット(ECU)30は、監視制御ユニット(ECU)15からの監視情報を基に、各電池11に過電流閾値を超える電流が流れているか否かを判定し、過電流閾値を超える電流が流れている電池モジュール10の監視制御ユニット(ECU)15に対して、該電池モジュール10のモジュールスイッチ12をオフにさせ、該電池モジュール10の給電路を遮断させるように制御する。
また、各電池モジュール10の給電路にモジュールヒューズ13を直列に挿入し、給電路に過電流が流れたとき、該モジュールヒューズ13によっても給電路が遮断されるよう、過電流に対するより高い安全性が確保される対策が施されている。
電池パック1の電池11を充電する充電器4は、充電スイッチ2を介して電池パック1に接続される。充電器4からは、各電池モジュール10に充電される電流の総電流が電池パック1に供給される。充電器4からの過電流に対しては、充電スイッチ2をオフにすることにより防止される。
電池パック1からの放電電流は、メインスイッチ3を介してインバータ/モータ5に供給される。インバータ/モータ5は、走行制御ユニット(ECU)6によって制御される。走行制御ユニット(ECU)6は、通信線42を介して電池制御ユニット(ECU)30と通信を行い、電池制御ユニット(ECU)30から通知される電池11の状態情報等に基づいて、インバータ/モータ5を制御する。
インバータ/モータ5へは、各電池モジュール10の総電流が供給される。インバータ/モータ5への過電流に対しては、メインスイッチ3をオフにすることにより防止される。また、電池パック1には、各電池モジュール10の総電流が流れる給電路にパックヒューズ16が備えられ、電池パック1の充電電流及び放電電流の過電流に対して、パックヒューズ16の断によっても該給電路が遮断される。
電池パック1又は電池モジュール10により供給される通常動作電流、及び保護対象部品の損傷電流とその給電時間との対応関係を図5に例示する。図5において、横軸は電流(アンペア)を、縦軸はその給電時間(秒)を表している。
直線51は例えばフォークリフト等の荷役(貨物の積み込みや荷下ろし)作業時に流れる最大電流a1とその給電時間を示し、直線52はフォークリフト等の走行時に流れる最大給電電流a2とその給電時間を示し、直線53は荷役作業と走行とを同時に行ったときに流れる最大給電電流a4(=a1+a2)とそのときに想定される通常の給電時間の最大値T1の例を示す。直線54はモジュールスイッチ12又はメインスイッチ3(以下、単に「スイッチ」と略記することがある。)をオフにするスイッチ遮断過電流閾値a5を示す。
曲線55,56は、モジュールヒューズ13又はパックヒューズ16(以下、単に「ヒューズ」と略記することがある。)が断する電流とその給電時間のばらつきの下限と上限とを示し、曲線55は、最少の電流とその給電時間とで断するヒューズ断最小電流時間を示し、曲線56は、最大の電流とその給電時間とで断するヒューズ断最大電流時間を示す。ヒューズは、曲線55と曲線56とで挟まれた領域の電流とその給電時間とで溶断する。
曲線57はワイヤハーネスやバスバー等の部品が発煙するなどして損傷する電流とその給電時間とを示し、曲線58は電池の放電限界の電流とその放電時間とを示す。以下、ヒューズの断や保護対象部品等の損傷に至る電流とその給電時間とを単に「電流−時間」と記す。
ヒューズが断する電流−時間(曲線55,56で挟まれた領域)は、該ヒューズで保護するワイヤハーネスやバスバーや電池等の保護対象が損傷する電流−時間(曲線57及び曲線58)より下側となるよう、そのような断特性を有するヒューズが選定される。
そして、ヒューズと直列に給電路に挿入されるスイッチは、できるだけヒューズの断を回避するために、ヒューズが断する前にオフにされ、かつ、荷役作業及び走行が同時に行われる通常動作の最大給電電流a4を超える電流を、スイッチ遮断過電流閾値a5として、該スイッチ遮断過電流閾値a5を超える電流に対して一律にスイッチをオフにする制御が行われていた。
本発明に関連する先行技術として、給電路にヒューズと遮断器を直列に接続し、一定の過負荷領域までは遮断器で先に給電路を遮断し、それ以上の領域ではヒューズで給電路を遮断するよう、過負荷領域の電流に応じて異なる給電時間で遮断器を遮断する技術について下記の特許文献1等に記載されている。
実開昭61−167352号公報
図5に示すように、ヒューズは、所定の電流a3より大きい電流が継続して流れる給電時間に依存して遮断し、電流が大きくなるに従って断時間は短くなるが、スイッチ遮断過電流閾値a5より小さい電流でも、所定の電流a3より大きい電流が長時間流れると、ヒューズが断する場合がある。
また、ワイヤハーネスやバスバーや電池等の保護対象部品の損傷も、電流が継続して流れる給電時間に依存し、小さい電流では短時間で損傷することはないが、スイッチ遮断過電流閾値a5より小さい電流でも、所定の電流a3より大きい電流が長時間流れると保護対象部品が損傷する場合がある。
スイッチとヒューズとが直列に接続された給電路に対して、過電流が流れたとき、スイッチをオフにして給電路を遮断する場合に、スイッチ遮断過電流閾値a5を超える電流で一律にスイッチをオフにする従来の構成では、スイッチ遮断過電流閾値a5以下の電流でヒューズが断してしまう場合があり、また、何らかの原因でヒューズが断しない場合、保護対象の部品が損傷してしまう場合がある。
ヒューズが断すると、新しいヒューズに交換しなければならず、また、過電流により保護対象部品が損傷した場合も該保護対象部品を新しい部品と交換しなければならない。上記課題に鑑み、本発明は、ヒューズの断や保護対象部品の損傷等を起こさないよう、給電路の遮断を制御する給電路遮断装置及び過電流防止方法を提供する。
本発明に係る一つの形態の給電路遮断装置は、給電路に挿入され、該給電路を通電させ又は遮断するスイッチと、前記給電路に流れる電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定する電流判定手段と、前記給電路に前記過電流閾値を超えて流れる電流に対して、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象部品が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値の経過後に、前記スイッチをオフにさせるスイッチ制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、前記オフ時間閾値は、前記スイッチと直列に前記給電路に挿入されたヒューズの断時間より短い時間に設定されていることを特徴とする。また、前記オフ時間閾値は、前記保護対象が損傷する時間より短い時間であって、通常の作業時に給電される電流値に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定されていることを特徴とする。
また、前記電流判定手段は、各電池モジュールの電池に流れる電池電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電池電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定し、前記スイッチ制御手段は、前記電池電流が前記過電流閾値を超えているとき、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値経過後に、前記電池電流が流れる電流経路のスイッチをオフにさせることを特徴とする。
本発明によれば、給電路に過電流閾値を超えて流れる電流に対して、過電流閾値毎に異なり、保護対象部品が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値経過後に、給電路に挿入されたスイッチをオフにさせるように制御することにより、全ての電流領域で保護対象部品の損傷を起こさないように、給電路の遮断することができる。
また、オフ時間閾値をヒューズの断時間より短い時間に設定することにより、全ての電流領域でヒューズの断を起こすことなく、給電路の遮断することができる。また、オフ時間閾値を、保護対象が損傷する時間より短い時間であって、通常の作業時に給電される電流値に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定することにより、通常の作業に支障を与えることなく、保護対象が損傷しないように給電路を遮断することができる。
また、電池モジュール毎にスイッチをオフにさせることにより、電池モジュール間で流れる充放電電流(所謂還流電流)の過電流に対しても、電池モジュール内の電池の損傷、モジュールヒューズの断を防ぐことができる。
本実施形態の給電路遮断装置の構成例を示す図である。 過電流閾値とオフ時間閾値との対応関係の例を示す図である。 本実施形態の給電路遮断装置の動作のフローチャートを示す。 従来の給電路遮断装置の構成例を示す図である。 通常動作電流及び保護対象部品の損傷電流と給電時間との対応関係を示す図である。
本実施形態について図面を参照して説明する。図1は本実施形態の給電路遮断装置の構成例を示す。図1は電池パック1に備えた給電路遮断装置の構成例を示し、電池パック1は、複数の電池モジュール10、総電流センサ20、及び各電池モジュール10を監視し、その充放電等を制御する電池制御ユニット(ECU)30を備える。
電池パック1内の構成は、電池制御ユニット(ECU)30の内部構成を除いて、図4に示した構成と同一であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。電池制御ユニット(ECU)30は、電流判定部31を備え、電流判定部31は、総電流センサ20で検知される全電池モジュール10の電流の総和である総電流を、過電流−時間閾値設定部33に設定された所定の複数の過電流閾値と比較し、各過電流閾値を超えているか否かを判定する。
或いは、電流判定部31は、各電池モジュール10の電池電流センサ14で検知され、各監視制御ユニット(ECU)15からの監視情報として通信線41を介して通知される各電池モジュール10の電池11の電流を、過電流−時間閾値設定部33に設定された所定の複数の過電流閾値と比較し、各過電流閾値を超えているか否かを判定する。なお、過電流−時間閾値設定部33には、総電流に対する過電流閾値と各電池モジュール10の電池11の電流に対する過電流閾値が、それぞれ別個に設定される。
また、電池制御ユニット(ECU)30は、スイッチ制御部32を備え、スイッチ制御部32は、電流判定部31の判定結果を基に、各電池モジュール10のスイッチ12又はメインスイッチ3のオン/オフを制御する。以下に、スイッチ制御部32によるスイッチのオン/オフを制御について説明する。
スイッチ制御部32は、電流判定部31により過電流閾値以上の電流が流れていると判定されたとき、該電流が所定の給電時間以上継続して流れている否かを判定し、該所定の給電時間以上継続して流れたと判定され場合に、スイッチ12又はメインスイッチ3をオフにするよう制御する。
メインスイッチ3のオフの制御は、電池制御ユニット(ECU)30から通信線42を介して走行制御ユニット(ECU)6に対してメインスイッチ3をオフにする制御信号を送信して、走行制御ユニット(ECU)6の制御により、オフにするようにすることができる。或いは、電池パック1内に、メインスイッチ3と同等のスイッチを設け、該スイッチを電池制御ユニット(ECU)30の制御によりオフにするようにしてもよい。
上述のスイッチをオフにする時間(オフ時間閾値)は、各過電流閾値に応じて異なり、過電流閾値が大きくなるに従ってオフ時間閾値は小さい値となる。過電流閾値とそのオフ時間閾値との対応関係は、予め電池制御ユニット(ECU)30内の過電流−時間閾値設定部33に設定しておく。
図2に過電流閾値とオフ時間閾値との対応関係の例を示す。図2では、過電流閾値に対してオフ時間閾値を段階的に設定した例を示し、該対応関係を折れ線21で示している。図2において他の直線及び曲線は、図5に示した直線及び曲線と同様であるので、重複した説明は省略する。
図2に示すよう、例えば、通常の荷役作業又は走行時の最大電流a1,a2を僅かに超える第1の過電流閾値b1以下の電流に対しては、オフ時間閾値の設定は無いが、第1の過電流閾値b1を超え、第2の過電流閾値b2までの電流に対しては第1のオフ時間閾値t1を設定し、第2の過電流閾値b2を超え、第3の過電流閾値b3までの電流に対しては第2のオフ時間閾値t2を設定し、第3の過電流閾値b3を超える電流に対しては第3のオフ時間閾値t3を設定しておく。
第1のオフ時間閾値t1、第2のオフ時間閾値t2、及び第3のオフ時間閾値t3は、保護対象が損傷する時間より短い時間であって、フォークリフト等の荷役作業及び走行等の通常の作業時に給電される電流値に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定する。
例えば、第1のオフ時間閾値t1は、保護対象が損傷する最小の電流a3より電流が充分に小さいときであるので、通常の作業時に給電される最大の電流a4に応じた許容可能な最大の給電時間T1より充分に長い時間に設定する。
また、第2のオフ時間閾値t2は、保護対象が損傷する給電時間より少ない時間であって、通常の作業時に給電される最大の電流値a4に応じた許容可能な最大の給電時間T1より長い時間に設定する。
また、第3のオフ時間閾値t3は、通常の作業時に給電される最大の電流値a4を超える過電流が流れているときであるので、保護対象が損傷する給電時間より少ない時間であって、しかも、通常の作業時に給電される最大の電流値a4に応じた許容可能な最大の給電時間T1より短い時間に設定する。 なお、過電流閾値とオフ時間閾値との対応関係は、図2に示すように段階的に設定せず、過電流閾値が増大するにつれて、オフ時間閾値が漸次減少し、ヒューズの断時間及び保護対象の損傷時間より短いオフ時間閾値となる対応関係としてもよい。
このように、過電流閾値に応じてオフ時間閾値を可変にすることにより、過電流の大小に拘わらず、全ての電流領域において、ヒューズの断電流及び断時間以下で、かつ、保護対象の損傷電流及び損傷時間以下の時間で、かつ、通常動作電流に影響を与えることなく、過電流時にスイッチをオフにして給電路を遮断し、ヒューズ及び保護対象を保護することができる。
図3に本実施形態の動作のフローチャートを示す。図3に示すように、電池制御ユニット(ECU)30は、過電流が流れている給電時間をクロック信号のカウントアップにより計時するタイマを初期化する(S1)。
次に、電池制御ユニット(ECU)30は、総電流センサ20の電流情報を基に、全電池モジュール10に流れる総電流、又は、各監視制御ユニット(ECU)15からの監視情報として通知される各電池モジュール10の電池11に流れる電池電流(以下、単に「電流」と記す。)の電流値を取得する(S2)。
次に電池制御ユニット(ECU)30は、ステップS2により取得した電流値が、第1の過電流閾値b1を超えているか否か判定する(S3)。電流値が第1の過電流閾値b1以下(S3でNO)の場合、ステップS2に戻って上述の動作を繰り返す。
電流値が第1の過電流閾値b1を超えている(S3でYES)の場合、タイマをカウントアップさせ(S4)、該タイマのカウント値が、第1のオフ時間閾値t1を超えるか否かを判定する(S5)。
タイマのカウント値が第1のオフ時間閾値t1を超えて流れている場合(S5でYES)、スイッチをオフにする(S6)。タイマのカウント値が第1のオフ時間閾値t1を超えていない場合(S5でNO)、電流値が第2の過電流閾値b2を超えているか否か判定する(S7)。電流値が第2の過電流閾値b2以下(S7でNO)の場合、ステップS2に戻って上述の動作を繰り返す。
電流値が第2の過電流閾値b2を超えている(S7でYES)の場合、タイマのカウント値が、第2のオフ時間閾値t2を超えるか否かを判定する(S8)。タイマのカウント値が第2のオフ時間閾値t2を超えて流れている場合(S8でYES)、スイッチをオフにする(S6)。
タイマのカウント値が第2のオフ時間閾値t2を超えていない場合(S8でNO)、電流値が第3の過電流閾値b3を超えているか否か判定する(S9)。電流値が第3の過電流閾値b3以下(S9でNO)の場合、ステップS2に戻って上述の動作を繰り返す。
電流値が第3の過電流閾値b3を超えている(S9でYES)場合、タイマのカウント値が、第3のオフ時間閾値t3を超えるか否かを判定する(S10)。タイマのカウント値が第3のオフ時間閾値t3を超えて流れている場合(S10でYES)、スイッチをオフにする(S6)。タイマのカウント値が第3のオフ時間閾値t3を超えていない場合(S10でNO)、ステップS2に戻って上述の動作を繰り返す。
このように、給電路に流れている電流値を複数の過電流閾値と比較し、過電流閾値を超過した電流が過電流閾値毎のオフ時間閾値を超えて流れた場合、スイッチを遮断することにより、全ての電流領域において、ヒューズの断や保護対象部品の損傷を起こすことなく、また、実用使用領域を阻害することなく給電路を遮断し、ワイヤハーネス、パックヒューズ、モジュールヒューズ、電池、バスバー等の部品を保護し、過電流に対する安全性を確保することができる。
また、電池モジュール10単位で過電流に対してスイッチをオフにすることにより、電池モジュール10間の電圧偏差により電池モジュール10間で充放電電流が流れる所謂還流電流の過電流に対しても、電池モジュール10内の電池11の損傷、モジュールヒューズ13の断を防ぐことができる。
なお、本発明は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または実施形態を取ることができ、例えば、過電流閾値は3段階に限定されるものではなく、複数の任意の段階数としてもよい。
1 電池パック
2 充電スイッチ
3 メインスイッチ
4 充電器
5 インバータ/モータ
6 走行制御ユニット(ECU)
10 電池モジュール
11 電池
12 モジュールスイッチ
13 モジュールヒューズ
14 電池電流センサ
15 監視制御ユニット(ECU)
20 総電流センサ
30 電池制御ユニット(ECU)
31 電流判定部
32 スイッチ制御部
33 過電流−時間閾値設定部
41 通信線
42 通信線

Claims (6)

  1. 給電路に挿入され、該給電路を通電させ又は遮断するスイッチと、
    前記給電路に流れる電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定する電流判定手段と、
    前記給電路に前記過電流閾値を超えて流れる電流に対して、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値の経過毎に、前記スイッチをオフにさせるスイッチ制御手段と、を備えたフォークリフト用の給電路遮断装置であって、
    前記複数の過電流閾値は、フォークリフトの荷役作業又はフォークリフトの走行時の最大電流よりも大きく、かつ前記保護対象が損傷する最小の電流よりも小さい第1の過電流閾値と、
    前記荷役作業又は前記走行時の最大電流及び前記第1の過電流閾値よりも大きく、かつ前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流よりも小さい第2の過電流閾値と、
    前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流よりも大きい第3の過電流閾値と、を含み、
    前記給電路に流れる、前記第2の過電流閾値を超え、前記第3の過電流閾値までの電流に対しての第2のオフ時間閾値は、前記保護対象が損傷する時間より短い時間であって、前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定され、
    前記給電路に流れる、前記第1の過電流閾値を超え、前記第2の過電流閾値までの電流に対しての第1のオフ時間閾値は、前記第2のオフ時間閾値及び前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定され、
    前記給電路に流れる、前記第3の過電流閾値を超える電流に対しての第3のオフ時間閾値は、前記保護対象が損傷する時間及び前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間よりも短い時間であって、0.1秒よりも長い時間に設定されていることを特徴とするフォークリフト用の給電路遮断装置。
  2. 前記オフ時間閾値は、前記スイッチと直列に前記給電路に挿入されたヒューズの断時間より短い時間に設定されていることを特徴とする請求項1に記載のフォークリフト用の給電路遮断装置。
  3. 前記電流判定手段は、各電池モジュールの電池に流れる電池電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電池電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定し、
    前記スイッチ制御手段は、前記電池電流が前記過電流閾値を超えているとき、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値経過後に、前記電池電流が流れる電流経路のスイッチをオフさせる
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフォークリフト用の給電路遮断装置。
  4. 給電路に挿入されたスイッチをオフにさせて前記給電路を遮断するフォークリフト用の給電路遮断方法であって、
    前記給電路に流れる電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定する電流判定ステップと、
    前記給電路に前記過電流閾値を超えて流れる電流に対して、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値の経過後に、前記スイッチをオフにさせるスイッチ制御ステップと、
    を含み、
    前記複数の過電流閾値は、フォークリフトの荷役作業又はフォークリフトの走行時の最大電流よりも大きく、かつ前記保護対象が損傷する最小の電流よりも小さい第1の過電流閾値と、
    前記荷役作業又は前記走行時の最大電流及び前記第1の過電流閾値よりも大きく、かつ前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流よりも小さい第2の過電流閾値と、
    前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流よりも大きい第3の過電流閾値と、を含み、
    前記給電路に流れる、前記第2の過電流閾値を超え、前記第3の過電流閾値までの電流に対しての第2のオフ時間閾値は、前記保護対象が損傷する時間より短い時間であって、前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定され、
    前記給電路に流れる、前記第1の過電流閾値を超え、前記第2の過電流閾値までの電流に対しての第1のオフ時間閾値は、前記第2のオフ時間閾値及び前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間より長い時間に設定され、
    前記給電路に流れる、前記第3の過電流閾値を超える電流に対しての第3のオフ時間閾値は、前記保護対象が損傷する時間及び前記荷役作業と前記走行とを同時に行ったときに流れる最大電流に応じた許容可能な最大の給電時間よりも短い時間であって、0.1秒よりも長い時間に設定されている
    ことを特徴とするフォークリフト用の給電路遮断方法。
  5. 前記オフ時間閾値は、前記スイッチと直列に前記給電路に挿入されたヒューズの断時間より短い時間に設定されていることを特徴とする請求項に記載のフォークリフト用の給電路遮断方法。
  6. 前記電流判定ステップは、各電池モジュールの電池に流れる電池電流を、複数の過電流閾値と比較し、該電池電流が各過電流閾値を超えているか否かを判定し、
    前記スイッチ制御ステップは、前記電池電流が前記過電流閾値を超えているとき、前記過電流閾値毎に異なり、保護対象が損傷する時間より短い、予め設定されたオフ時間閾値経過毎に、前記電池電流が流れる電流経路のスイッチをオフにさせる
    ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のフォークリフト用の給電路遮断方法。
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