JP6569623B2

JP6569623B2 - 蓄電システム

Info

Publication number: JP6569623B2
Application number: JP2016156425A
Authority: JP
Inventors: 博樹澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: JP2018026927A

Description

この発明は、蓄電システムに関し、特に、並列に接続された第１及び第２の蓄電部を備える蓄電システムに関する。

特許第５６８２７０８号公報（特許文献１）は、並列に接続された第１及び第２の蓄電装置を備える蓄電システムを開示する。第１及び第２の蓄電装置には、第１及び第２のリレーがそれぞれ直列に接続されている。第１及び第２の蓄電装置間においては、起電圧の高い蓄電装置から起電圧の低い蓄電装置に循環電流が流れることが許容されている。第１及び第２のリレーは、循環電流によって第１及び第２の蓄電装置の電圧差が所定値以下となった後に開放される。

したがって、この蓄電システムによれば、次回の第１及び第２のリレーの閉成時において、第１及び第２の蓄電装置の電圧差が所定値以下であるため、第１及び第２の蓄電装置間に生じる突入電流を抑制することができる（特許文献１参照）。

特許第５６８２７０８号公報

上記特許文献１に開示されている蓄電システムにおいては、第１及び第２の蓄電装置間の電圧調整のために循環電流が生じることによって、電気エネルギーの一部が熱等で消費される。その結果、たとえば、この蓄電システムを搭載する車両が第１及び第２の蓄電装置に蓄えられた電力を用いて走行できる距離は短くなる。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、第１及び第２の蓄電部を備える蓄電システムにおいて、循環電流による蓄電部間の電圧調整を行なうことなく、リレーの閉成時に蓄電部間に生じる突入電流を抑制することである。

この発明のある局面に従う蓄電システムは、負荷装置に電力を供給する。負荷装置は、電力線対間に接続されたコンデンサを含む。この蓄電システムは、第１及び第２の蓄電部と、第１及び第２のリレーと、制御装置とを備える。第１及び第２の蓄電部は、電力線対間において並列に接続されている。第１及び第２のリレーは、電力線対間において第１及び第２の蓄電部にそれぞれ直列に接続されている。制御装置は、第１及び第２のリレーを制御する。制御装置は、第１及び第２の蓄電部のうち電圧が高い方の蓄電部が最初にコンデンサに電気的に接続されるように第１及び第２のリレーを制御する。制御装置は、第１及び第２の蓄電部のうち電圧が低い方の蓄電部の電圧とコンデンサの電圧との差が所定値以下となった場合に、第１及び第２の蓄電部の両方がコンデンサに電気的に接続されるように第１及び第２のリレーを制御する。

この蓄電システムにおいては、第１及び第２の蓄電部のうち電圧が高い方の蓄電部（高電圧蓄電部）が最初にコンデンサに接続される。その後、他方の蓄電部（低電圧蓄電部）の電圧とコンデンサの電圧との差が所定値以下となった場合に、低電圧蓄電部がコンデンサに接続される。高電圧蓄電部から見て、低電圧蓄電部の方がコンデンサよりもインピーダンスが高いため、低電圧蓄電部とコンデンサとの接続時に高電圧蓄電部から低電圧蓄電部に流れる電流は限定的である。また、低電圧蓄電部とコンデンサとの電圧差が所定値以下であり、低電圧蓄電部とコンデンサとの接続時に低電圧蓄電部からコンデンサに流れる電流は限定的であるため、低電圧蓄電部とコンデンサとを接続するためのリレーの閉成は、実質的に無電弧で行なわれる。したがって、この蓄電システムによれば、循環電流による蓄電部間の電圧調整を行なわなかったとしても特に新たな問題を生じることなく、リレーの閉成時に蓄電部間に生じる突入電流を抑制することができる。

この発明によれば、第１及び第２の蓄電部を備える蓄電システムにおいて、循環電流による蓄電部間の電圧調整を行なうことなく、リレーの閉成時に蓄電部間に生じる突入電流を抑制することができる。

本実施の形態に従う車両に搭載される蓄電システムの構成図である。車両におけるシステムメインリレーの閉成タイミングの一例を説明するための図である。システムメインリレーの閉成に関する処理手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［車両の構成］
図１は、本実施の形態に従う車両に搭載される蓄電システムの構成図である。図１を参照して、車両１は、電池パック１０と、ＰＣＵ５０と、制御装置１００とを含む。電池パック１０は、ＰＣＵ５０に電力を供給する。ＰＣＵ５０は、電池パック１０から供給された電力を用いてたとえば不図示のモータジェネレータを駆動する。これにより、車両１の走行駆動力が生成される。

また、ＰＣＵ５０は、車両１の制動動作時又は加速度の低減時等にモータジェネレータによって発電された電力を、たとえば電池パック１０に供給する。電池パック１０は、ＰＣＵ５０から供給された電力を蓄える。

ＰＣＵ５０は、不図示のコンバータ及びインバータを含み、さらに、コンデンサ５２と電圧センサ５４とを含む。コンデンサ５２は、平滑コンデンサである。コンデンサ５２は、電力線ＰＬ，ＮＬ間に接続されている。電圧センサ５４は、コンデンサ５２の電圧ＶＬを検知する。電圧センサ５４は、検知結果を示す信号を制御装置１００に出力する。

電池パック１０は、電池スタック２０，３０，４０と、電圧センサ２２，３２，４２と、システムメインリレー２４，３４，４４，６２と、プリチャージリレー６４と、制限抵抗６６と、電力線ＰＬ，ＮＬとを含む。

電池スタック２０，３０，４０は、電力線ＰＬ，ＮＬ間において互いに並列に接続されている。電池スタック２０，３０，４０の各々は、直列に接続された複数の単電池を含む。単電池は、たとえば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池である。

電圧センサ２２，３２，４２は、電池スタック２０，３０，４０にそれぞれ並列に接続されている。電圧センサ２２，３２，４２は、電池スタック２０，３０，４０の端子間電圧をそれぞれ検知する。電圧センサ２２，３２，４２は、検知結果を示す信号を制御装置１００に出力する。

システムメインリレー２４，３４，４４は、電力線ＰＬ，ＮＬ間において、電池スタック２０，３０，４０の正極にそれぞれ直列に接続されている。システムメインリレー６２は、電力線ＮＬ上において、ノード６８（電池スタック２０，３０，４０の負極側）とＰＣＵ５０との間に接続されている。

プリチャージリレー６４は、システムメインリレー６２に並列に接続されている。プリチャージリレー６４には、制限抵抗６６が直列に接続されている。

システムメインリレー２４，３４，４４の少なくとも何れかが閉成され、さらに、システムメインリレー６２及びプリチャージリレー６４の何れかが閉成されると、電池パック１０とＰＣＵ５０とは電気的に接続される。車両１においては、システムメインリレー２４，３４，４４の何れかの閉成時（コンデンサ５２のプリチャージ時）に、最初は、システムメインリレー６２の開放状態が維持され、プリチャージリレー６４が閉成される。プリチャージリレー６４には制限抵抗６６が直列接続されているため、電池パック１０からコンデンサ５２への突入電流が抑制される。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、及び入出力バッファ（いずれも不図示）を含む。制御装置１００は、各センサ等からの入力信号に応じて、車両１の動作を制御する。なお、制御装置１００による制御は、ソフトウェアにより実現されてもよいし、専用のハードウェア（電子回路）により実現されてもよい。

［電池スタック間に生じ得る循環電流の抑制］
上述のように、車両１においては、電池スタック２０，３０，４０が並列に接続されている。この電池スタック２０，３０，４０間で電圧の差が生じることがある。電池スタック２０，３０，４０の電圧に差がある場合に、車両システムの起動時に仮にシステムメインリレー２４，３４，４４が同時に閉成されると、電池スタック２０，３０，４０間で突入電流が生じる可能性がある。

車両システムの起動時における電池スタック２０，３０，４０間の突入電流を抑制するために、たとえば、車両システムの停止前に電池スタック２０，３０，４０間で循環電流を許容する方法が考えられる。この方法によれば、車両システム停止時には電池スタック２０，３０，４０間の電圧が略同一となるため、次回車両システムの起動時にシステムメインリレー２４，３４，４４が同時に閉成されたとしても、電池スタック２０，３０，４０間において突入電流は生じない。

しかしながら、この方法によれば、車両システム停止前に生じる循環電流により、電池スタック２０，３０，４０に蓄えられた電力の一部が熱等で消費される。その結果、電池スタック２０，３０，４０に蓄えられた電力によって車両１が走行できる距離は短くなる。

循環電流を許容することによる電池スタック２０，３０，４０間の電圧調整を行なうことなく、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成時に電池スタック２０，３０，４０間に生じる突入電流を抑制するために、本実施の形態に従う車両１に含まれる制御装置１００は、以下のような制御を実行する。

制御装置１００は、電圧が最も高い電池スタック（たとえば、電池スタック２０）が最初にコンデンサ５２に電気的に接続されるようにシステムメインリレー２４，３４，４４を制御する。そして、制御装置１００は、電圧が最も低い電池スタック（たとえば、電池スタック４０）の電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値以下となった場合に、電圧が最も高い電池スタックと電圧が最も低い電池スタックとの両方がコンデンサ５２に電気的に接続されるようにシステムメインリレー２４，３４，４４を制御する。たとえば、所定値は、電圧が最も低い電池スタックがコンデンサ５２に接続された場合に、電圧が最も低い電池スタックとコンデンサ５２との間で生じる電流が問題を生じない範囲に収まるように予め決定されている。たとえば、所定値は０（ゼロ）であってもよい。

また、制御装置１００は、２番目に電圧が低い電池スタック（たとえば、電池スタック３０）の電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値以下となった場合に、電池スタック２０，３０，４０のすべてがコンデンサ５２に電気的に接続されるようにシステムメインリレー２４，３４，４４を制御する。

電圧が最も高い電池スタックから見て、電圧が最も低い電池スタックの方がコンデンサ５２よりもインピーダンスが高いため、電圧が最も低い電池スタックとコンデンサ５２との接続時に電圧が最も高い電池スタックから電圧が最も低い電池スタックに流れる電流は限定的である。また、電圧が最も低い電池スタックの電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値以下であり、電圧が最も低い電池スタックからコンデンサ５２に流れる電流は限定的であるため、電圧が最も低い電池スタックとコンデンサ５２とを電気的に接続するためのリレーの閉成は、実質的に無電弧で行なわれる。これらは、電圧が２番目に低い電池スタックとコンデンサ５２とを接続する場合も同様である。したがって、車両１によれば、循環電流による電池スタック２０，３０，４０間の電圧調整を行なわなかったとしても特に新たな問題を生じることなく、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成時に電池スタック２０，３０，４０間に生じる突入電流を抑制することができる。

図２は、車両１におけるシステムメインリレー２４，３４，４４の閉成タイミングの一例を説明するための図である。図２を参照して、横軸は時間を示し、縦軸は電圧センサ５４の検知結果を示す。なお、この例では、電池スタック２０，３０，４０のうち、電池スタック２０の電圧が最も高く、次に電池スタック３０の電圧が高く、電池スタック４０の電圧が最も低いものとする。

電池スタック２０，３０，４０のうち電池スタック２０の電圧が最大であるため、時刻ｔ０において、制御装置１００は、システムメインリレー２４（電池スタック２０に対応）を閉成する。この時点では、システムメインリレー６２及びプリチャージリレー６４の何れも閉成されていないため、電圧センサ５４は０Ｖを示す。すなわち、システムメインリレー２４の閉成は、無電弧で行なわれる。

時刻ｔ１において、制御装置１００は、プリチャージリレー６４を閉成する。これにより、電池スタック２０とコンデンサ５２とは電気的に接続される。上述の通り、プリチャージリレー６４には制限抵抗６６が直列接続されているため、電池スタック２０からコンデンサ５２への突入電流は抑制される。

その後、コンデンサ５２の電圧ＶＬが上昇し、時刻ｔ２において、電圧センサ５４の検知結果が、最も電圧が低い電池スタック４０の電圧と同一のＶＢ３に達したものとする。このタイミングで、制御装置１００は、システムメインリレー４４（電池スタック４０に対応）を閉成するための制御を実行する。システムメインリレー４４が閉成されたとしても、電池スタック２０から見て、電池スタック４０の方がコンデンサ５２よりもインピーダンスが高いため、電池スタック２０から電池スタック４０に流れる電流は限定的である。すなわち、電池スタック２０から電池スタック４０に流れる突入電流は抑制される。また、電池スタック４０とコンデンサ５２とは電圧が同一であるため、電池スタック４０からコンデンサ５２に流れる電流は限定的である。すなわち、システムメインリレー４４の閉成は、実質的に無電弧で行なわれる。

その後、さらにコンデンサ５２の電圧ＶＬが上昇し、時刻ｔ３において、電圧センサ５４の検知結果が、２番目に電圧が低い電池スタック３０の電圧と同一のＶＢ２に達したものとする。このタイミングで、制御装置１００は、システムメインリレー３４（電池スタック３０に対応）を閉成するための制御を実行する。この場合においても、電池スタック２０から電池スタック３０に流れる電流、及び、電池スタック３０からコンデンサ５２に流れる電流は限定的である。

その後、コンデンサ５２の電圧が所定電圧（たとえば、電池スタック２０の電圧ＶＢ１近傍）に達した後に、制御装置１００は、システムメインリレー６２を閉成するための制御を実行し、プリチャージリレー６４を開放するための制御を実行する（不図示）。このように、車両１によれば、循環電流による電池スタック２０，３０，４０間の電圧調整を行なうことなく、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成時に電池スタック２０，３０，４０間に生じる突入電流を抑制することができる。

次に、車両１におけるシステムメインリレー２４，３４，４４の閉成に関する具体的処理手順について説明する。

［リレーの閉成処理手順］
図３は、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成に関する処理手順を示すフローチャートである。図３を参照して、このフローチャートに示される処理は、ユーザから車両システムの起動指示を受けた後、制御装置１００により実行される。

制御装置１００は、電池スタック２０，３０，４０のうち最も電圧が高い電池スタックに対応するシステムメインリレー（システムメインリレー２４，３４又は４４）を閉成するための制御を実行する（ステップＳ１００）。その後、制御装置１００は、プリチャージリレー６４を閉成するための制御を実行する（ステップＳ１１０）。

上述のように、車両１においては、電圧が最も高い電池スタックに対応するシステムメインリレーが閉成された後、電圧の低い電池スタックに対応するシステムメインリレーから順に閉成される。制御装置１００は、次に閉成するシステムメインリレーに対応する電池スタックの電圧が何番目（ｎ番目）に低いかを示す変数ｎを内部メモリに記憶する。ステップＳ１１０においてプリチャージリレー６４が閉成されると、制御装置１００は、変数ｎの初期値として１を代入する（ステップＳ１２０）。

その後、制御装置１００は、ｎ番目に電圧が低い電池スタックの電圧（ｎ番目に電圧が低い電池スタックに対応する電圧センサの検知結果）と、コンデンサ５２の電圧（電圧センサ５４の検知結果）との差が所定値以下か否かを判定する（ステップＳ１３０）。ｎ番目に電圧が低い電池スタックの電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値より大きいと判定されると（ステップＳ１３０においてＮＯ）、制御装置１００は、差が所定値以下になるまで待機する。

ｎ番目に電圧が低い電池スタックの電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値以下であると判定されると（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、ｎ番目に電圧が低い電池スタックに対応するシステムメインリレーを閉成する（ステップＳ１４０）。その後、制御装置１００は、電池スタック２０，３０，４０にそれぞれ対応するシステムメインリレー２４，３４，４４のすべてが閉成されたか否かを判定する（ステップＳ１５０）。

システムメインリレー２４，３４，４４の一部が閉成されていないと判定されると（ステップＳ１５０においてＮＯ）、制御装置１００は、変数ｎに１を加算する（ステップＳ１６０）。その後、処理はステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０〜Ｓ１６０の処理は、システムメインリレー２４，３４，４４のすべてが閉成されるまで繰り返し実行される。

システムメインリレー２４，３４，４４のすべてが閉成されたと判定されると（ステップＳ１５０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、コンデンサ５２の電圧が所定電圧に達したか否かを判定する（ステップＳ１７０）。コンデンサ５２の電圧が所定電圧に達していないと判定されると（ステップＳ１７０においてＮＯ）、制御装置１００は、コンデンサ５２の電圧が所定電圧に達するまで待機する。

コンデンサ５２の電圧が所定電圧に達したと判定されると（ステップＳ１７０においてＹＥＳ）、制御装置１００は、システムメインリレー６２を閉成するための制御を実行する（ステップＳ１８０）。その後、制御装置１００は、プリチャージリレー６４を開放するための制御を実行する（ステップＳ１９０）。これにより、このフローチャートに示される処理は完了する。

以上のように、本実施の形態に従う車両１において、制御装置１００は、電圧が最も高い電池スタック（たとえば、電池スタック２０）が最初にコンデンサ５２に電気的に接続されるようにシステムメインリレー２４，３４，４４を制御する。そして、制御装置１００は、他の電池スタック（たとえば、電池スタック４０）の電圧とコンデンサ５２の電圧との差が所定値以下となった場合に、他の電池スタックと電圧が最も高い電池スタックとの両方がコンデンサ５２に電気的に接続されるようにシステムメインリレー２４，３４，４４を制御する。

これにより、車両１によれば、循環電流による電池スタック２０，３０，４０間の電圧調整をすることなく、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成時に電池スタック２０，３０，４０間に生じる突入電流を抑制することができる。

なお、上記実施の形態においては、電池スタック２０，３０，４０間の突入電流を抑制するために、システムメインリレー２４，３４，４４の閉成順序が調整された。しかしながら、本技術の適用範囲はこれに限定されない。たとえば、複数の電池パックが並列接続される車両においても、複数の電池パック間での突入電流を抑制するために本技術を適用することができる。この場合には、たとえば、複数の電池パックの各々にシステムメインリレーが設けられ、複数の電池パックのうち電圧が最も高い電池パックに対応するシステムメインリレーを最初に閉成し、その後、電圧が低い電池パックに対応するシステムメインリレーから順番に閉成してもよい。

また、上記実施の形態においては、３個の電池スタック（電池スタック２０，３０，４０）が並列に接続された。しかしながら、並列に接続される電池スタック（蓄電部）の数はこれに限定されない。たとえば、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１車両、１０電池パック、２０，３０，４０電池スタック、２２，３２，４２，５４電圧センサ、２４，３４，４４，６２システムメインリレー、５０ＰＣＵ、５２コンデンサ、６４プリチャージリレー、６６制限抵抗、６８ノード、１００制御装置、ＰＬ，ＮＬ電力線。

Claims

負荷装置に電力を供給する蓄電システムであって、前記負荷装置は、電力線対間に接続されたコンデンサを含み、
前記電力線対間において並列に接続された第１及び第２の蓄電部と、
前記電力線対間において前記第１及び第２の蓄電部にそれぞれ直列に接続された第１及び第２のリレーと、
前記第１及び第２のリレーを制御するように構成された制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記第１及び第２の蓄電部のうち電圧が高い方の蓄電部が最初に前記コンデンサに電気的に接続されるように前記第１及び第２のリレーを制御し、
前記第１及び第２の蓄電部のうち電圧が低い方の蓄電部の電圧と前記コンデンサの電圧との差が所定値以下となった場合に、前記第１及び第２の蓄電部の両方が前記コンデンサに電気的に接続されるように前記第１及び第２のリレーを制御する、蓄電システム。