JP6643923B2

JP6643923B2 - 電池システムの電池パック交換方法及び電池パック

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Publication number: JP6643923B2
Application number: JP2016050646A
Authority: JP
Inventors: 友貴成▲瀬▼
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017168244A

Description

本発明は電池システムの電池パック交換方法及び電池パックに関し、特に、負荷に対して並列に接続される複数の電池パックを有する電池システムの電池パック交換方法及び電池パックに関する。

電動機を駆動源として用いる電動車両の普及が近年進んでいる。このような電動車両では、複数の電池セルを直列に接続した組電池を電源として用いることが多い。そこで、電動車両に用いられる組電池の例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている電源装置では、入力端子間に平滑用コンデンサが設けられたインバータに対して直流電力を給電する組電池と、組電池の正極とインバータとを断接する正側メインコンタクタと、その正側メインコンタクタ（例えば、メインリレー）に並列接続されたプリチャージコンタクタ（例えば、サブリレー）及びプリチャージ抵抗（例えば、抵抗）と、を備える。そして、特許文献１の電源装置では、こうした電源装置のプリチャージコンタクタとプリチャージ抵抗との接続部と、組電池の負極と、の電圧を検出する電圧計を設け、その電圧計のプリチャージ直前の電圧検出値とプリチャージ中の電圧検出値とに基づいてプリチャージ完了判定を行う。

これにより特許文献１に記載の電源装置では、製造コストを増加させずに、より正確なプリチャージ完了判定を行うことを実現する。

特開２００８−１９３８４６号公報

近年、電動車両では、電源の更なる高出力化への要求が高まっている。このような場合、複数の組電池を用いて高出力化への要求に応えることもある。しかしながら、組電池を複数用いた場合、組電池の劣化が組電池毎に異なるため、複数の電池の一部を交換する必要が生じる。複数の組電池の一部を交換する場合、交換する組電池の充電率を他の既存組電池の充電率と合わせる必要がある。組電池間で充電率が異なる場合、組電池間で電圧差が生じ、当該電圧差に起因してメインリレーが破損する危険がある。

ここで、特許文献１では、平滑コンデンサの両端の電圧が組電池の電圧と同等の電圧となるまで抵抗を介して平滑コンデンサをプリチャージ（つまり、組電池の電圧と平滑コンデンサとの電圧均等化）することができる。平滑コンデンサは、組電池に比べて蓄えられるエネルギー量が少ないため、電圧均等化が短時間で完了しメインリレーが接続したときにアーク放電等を生じることはない。一方、並列接続された組電池の一部を交換する場合、異なる電圧の組電池が並列接続される場合がある。ここで、組電池は平滑コンデンサよりも大きなエネルギーを蓄えるため、電圧均等化をプリチャージ抵抗を介して行おうとすると時間がかかり、プリチャージリレーとプリチャージ抵抗との直列回路の破損の危険がある。また、電圧均等化が未完了のままメインリレーを閉じると組電池間の電圧差によりアーク放電が発生し、メインリレーの破損の危険がある。つまり、特許文献１に記載の技術では、安全に組電池の交換を行うことができない問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷に接続された複数の組電池の一部を安全に交換することを目的とするものである。

本発明の電池システムの電池パック交換方法の一態様は、電池パックが、負荷に対して電源を与える電池と、前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替えるサブリレーと、前記サブリレーと直列に接続される抵抗と、前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替え、かつ、前記サブリレー及び抵抗と並列に接続されるメインリレーと、前記電池の電圧の測定と、前記電池に流れる電流の測定と、前記メインリレー及び前記サブリレーの開閉状態の制御と、を行う制御部と、を有し、少なくとも１つの前記電池パックが直列に接続される電池ストリングが、複数個並列に接続された状態で負荷に接続された電池システムの電池パックの交換方法であって、前記電池パックすべてにおいて前記メインリレーと前記サブリレーとを遮断状態とした上で、交換対象の電池パックが属する前記電池ストリングを新規電池パックで構成される交換対象電池ストリングと交換する電池パック交換工程と、前記電池パックの全ての前記メインリレーを遮断状態とし、前記電池パックの全ての前記サブリレーを接続状態とする交換電池接続工程と、前記新規電池パックを含まない非交換電池ストリングの電圧と、前記交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め設定した許容電圧差以下となる毎に条件切替処理を行う充電率差解消工程であって、当該条件切替処理は、接続状態となっている前記サブリレーを減少させると共に、当該条件切替処理で接続状態から遮断状態に切り替えた前記サブリレーと並列に接続された前記メインリレーを遮断状態から接続状態に切り替え、かつ、前記許容電圧差を小さい値に更新する充電率差解消工程と、全ての前記メインリレーを接続状態とした後に、前記非交換電池ストリングに流れる電流と、前記交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め決定された完了判定電流差以下となったことに応じて前記交換対象電池ストリングが利用可能となったことを判定する完了判定工程と、を有する。

また、本発明の電池パックの一態様は、少なくとも１つの電池パックが直列に接続される電池ストリングが、複数個並列に接続された状態で負荷に接続された電池システムにおいて用いられる電池パックであって、前記負荷に対して電源を与える電池と、前記電池と前記負荷との間の接続状態又は遮断状態を切り替えるサブリレーと、前記サブリレーと直列に接続される抵抗と、前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替え、かつ、前記サブリレー及び抵抗と並列に接続されるメインリレーと、前記電池の電圧の測定と、前記電池に流れる電流の測定と、前記メインリレー及び前記サブリレーの開閉状態の制御と、を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記電池パックすべてにおいて前記メインリレーと前記サブリレーとを遮断状態とした上で、交換対象の電池パックが属する前記電池ストリングが新規電池パックで構成される交換対象電池ストリングと交換された後に前記電池パックの全ての前記メインリレーを遮断状態とし、前記電池パックの全ての前記サブリレーを接続状態とし、前記新規電池パックを含まない非交換電池ストリングの電圧と、前記交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め設定した許容電圧差以下となる毎に条件切替処理を行う充電率差解消工程であって、当該条件切替処理は、接続状態となっている前記サブリレーを減少させると共に、当該条件切替処理で接続状態から遮断状態に切り替えた前記サブリレーと並列に接続された前記メインリレーを遮断状態から接続状態に切り替え、かつ、前記許容電圧差を小さい値に更新し、全ての前記メインリレーを接続状態とした後に、前記非交換電池ストリングに流れる電流と、前記交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め決定された完了判定電流閾値以下となったことに応じて前記交換対象電池ストリングが利用可能となったことを判定する。

本発明にかかる電池システムの電池パック交換方法及び電池パックでは、既に電池システムに組み込まれている非交換電池ストリングと、新たに組み込まれる交換対象電池ストリングと、の間に設けられるプリチャージ抵抗の数を徐々に減らすと共に接続状態とするメインリレーを徐々に増やしていくことで、非交換電池ストリングと交換対象電池ストリングとの充電率の差を段階的に小さくする。そして、本発明にかかる電池システムの電池パック交換方法及び電池パックでは、非交換電池ストリングと交換対象電池ストリングとの間に充電率の差に基づき流れる電流が十分に小さくなったことに応じて交換対象電池ストリングが利用可能になったと判断する。これにより、本発明にかかる電池システムの電池パック交換方法及び電池パックでは、電池パック間の電圧差により生じるアーク放電の発生を防止することができる。

本発明の電池システムの電池パック交換方法及び電池パックによれば、負荷に接続された複数の組電池の一部を安全に交換することが可能になる。

実施の形態１にかかる電池システムのブロック図である。実施の形態１にかかる電池パックの交換手順を説明するフローチャートである。実施の形態１にかかる電池パックの交換手順を説明するタイミングチャートである。実施の形態１にかかる電池パックの交換手順の別の例を説明するフローチャートである。実施の形態２にかかる電池パックの交換手順を説明するフローチャートである。実施の形態３にかかる電池システムのブロック図である。実施の形態３にかかる電池パックの交換手順を説明するフローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

実施の形態１にかかる電池システム１では、電池ストリングが複数個並列に接続された状態で負荷に接続され、複数の当該電池ストリングがそれぞれ１つの電池パックを含む例について説明する。

実施の形態１にかかる電池システム１のブロック図を図１に示す。図１に示す例では、電池システム１を制御する電池システム制御部（例えば、車両部側電池制御部１１）と、電池システム１により電源が供給される負荷（例えば、モータ）を含む車両部１０を示した。なお、電池システム１は、車両部１０に含まれるモータを発電機として機能させた場合には当該発電機により充電される。つまり、車両部１０に含まれるモータは、電池システム１に対する充放電装置としても機能するものである。また、車両部側電池制御部１１は、車両部１０のモータの状態と電池システム１に含まれる電池の状態に応じて電池システム１内の電池パック制御部に対してリレーを制御するための指示を行う。

図１に示すように、実施の形態１にかかる電池システム１は、電池パックＰ１〜Ｐｎ（ｎは、電池ストリングの数を表す整数）、正極配線１３、負極配線１４を有する。正極配線は、電池パックの正極と負荷となる車両１０とを接続する配線である。負極配線１４は、電池パックの負極と負荷となる車両１０とを接続する配線である。電池パックＰ１〜Ｐｎは、それぞれ正極配線１３と正極配線１４との間に並列に接続される。なお、電池パックＰ１〜Ｐｎは、電池ストリングＳＴ１〜ＳＴｎに対応するものである。

電池パックＰ１〜Ｐｎは、同じ構成を有するものであるため、ここでは電池パックの説明として電池パックＰ１を説明する。なお、図１では、電池パックＰ２〜Ｐｎにおいて電池パックＰ１内の構成と対応する構成について符号の末尾以外の符号を電池パックＰ１の符号と同じにした。

電池パックＰ１は、正側メインリレー１１１、負側メインリレー１２１、サブリレー１３１、電流センサ１４１、抵抗（例えば、抵抗ＰＲ１）、電池（例えば、組電池２０１）、電池パック制御部３０１を有する。

組電池２０１は、車両部１０のモータに対して電源を与えると共に発電機として機能する車両部１０のモータにより充電される。組電池２０１は、複数の電池セル（或いは単位電池）を直列に接続したものである。組電池２０１は、正極が正極配線１３を介して車両部１０に接続され、負極が負極配線１４を介して車両部１０に接続される。

正側メインリレー１１１は、組電池２０１の正極と正極配線１３との間に接続される。この正側メインリレー１１１は、組電池２０１の正極と車両部１０との間の接続状態と遮断状態とを切り替える。

サブリレー１３１と抵抗ＰＲ１とは、直列回路を構成する。そして、当該直列回路は、正側メインリレー１１１と並列に接続される。サブリレー１３１は、組電池２０１と車両部１０との間の接続状態と遮断状態とを切り替える。また、抵抗ＰＲ１は、組電池２０１の充放電電流を制限する。なお、上記直列回路はプリチャージ回路としても機能する。

負側メインリレー１２１は、組電池２０１の負極と負極配線１４との間に接続される。負側メインリレー１２１は、組電池２０１の負極と車両部１０との間の接続状態と遮断状態とを切り替える。

電流センサ１４１は、組電池２０１の負極側の電極と負極配線との間に設けられる。電流センサ１４１は、組電池２０１に流れる電流を検出して、電流値Ｉ１を電池パック制御部３０１に出力する。

電池パック制御部３０１は、組電池２０１の電圧測定及び組電池２０１に流れる電流の測定を行う。また、電池パック制御部３０１は、他の制御部と測定した電圧値及び電流値の送受信を行う。この測定した電圧値及び電流値の送受信についての詳細は後述する。また、電池パック制御部３０１は、正側メインリレー１１１、負側メインリレー１２１及びサブリレー１３１の開閉状態を制御する。なお、電池パック制御部３０１は、正側メインリレー１１１とサブリレー１３１の少なくともいずれか一方がオン状態（例えば、スイッチが閉じた状態であり、スイッチの電極間が導通した状態）となった場合に負側メインリレー１２１をオン状態とする。従って、以下の説明におけるリレーの開閉状態の説明では、正側メインリレー１１１とサブリレー１３１の開閉状態についてのみ説明する。

ここで、電池パック制御部３０１の電圧測定、電流測定及び他の制御部との通信について詳細に説明する。電池パック制御部３０１は、組電池２０１の最上段の正極の電圧ＶＳと、最下段の負極の電圧ＶＤとの電圧差を組電池２０１の電圧値Ｖ１として測定する。また、電池パック制御部３０１は、電流センサ１４１から電流値Ｉ１を取得する。

電池パック制御部３０１は、車両部側電池制御部１１及び他の電池パックの電池パック制御部と信号配線１２を介して接続される。電池パック制御部３０１は、信号配線１２を介して測定した電圧値及び電流値等の送受信を行う。そして、電池パック制御部３０１は、車両部側電池制御部１１及び他の電池パックの電池パック制御部の少なくとも一方との通信結果に応じて正側メインリレー１１１及びサブリレー１３１を制御する。

具体的には、電池パック制御部３０１は、サブリレー１３１を接続状態とした後に、自電池パック内の組電池の電圧の大きさを示す電圧値と他の電池パックの電圧の大きさを示す電圧値との差、及び、自電池パック内の組電池に流れる電流の大きさを示す電流値と他の電池パックに流れる電流の大きさを示す電流値との差、が予め設定された許容値以下となったことに応じて、接続状態とするリレースイッチをサブリレー１３１からメインリレー１１１に切り替える。

電池パック制御部３０１による上記のようなリレースイッチの制御は、電池パック制御部３０１が他の電池パックの電池パック制御部から取得した電圧値及び電流値に基づき行っても良い。なお、実施の形態１にかかる電池システム１では、接続状態とするリレースイッチをサブリレー１３１からメインリレー１１１に切り替える場合に、他の電池パックのリレースイッチの接続状態を勘案し、電池システム全体で接続状態から遮断状態となるサブリレーの個数を段階的に減らすと共に、遮断状態から接続状態となるメインリレーの個数を段階的に増やす。そのため、電池パック制御部３０１によりリレースイッチの制御を行う場合、各電池パック制御部は、互いのリレースイッチの接続状態を協調して制御する。

また、車両部側電池制御部１１が電池システム１内の各電池パックから取得した電圧値及び電流値に応じて判断したリレースイッチの切替タイミング信号に基づき、電池パック制御部３０１が上記リレースイッチの制御を行うとしても良い。実施の形態１にかかる電池システム１の説明では、電池パック制御部３０１が電池システム１内の他の電池パックから取得した電圧値及び電流値に基づきリレースイッチを制御する例について説明する。

続いて、実施の形態１にかかる電池システム１における電池パックの交換手順について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる電池パックの交換手順を説明するフローチャートを示す。図２に示す例では、図１の電池パックＰ１を新規な電池と交換する例を示した。

図２に示すように、実施の形態１にかかる電池システム１では、まず、電池パックＰ１〜Ｐｎのメインリレー及びサブリレーを遮断状態とした状態で、交換対象電池ストリング（実施の形態１では、新規な電池パックＰ１）を組み込む（ステップＳ１０）。その後、電池パックＰ１〜Ｐｎ及び車両部に対して電池パック交換モードへの移行を指示する（ステップＳ１１）。なお、電池パック交換モードへの移行指示は、車両部１０で電池パックを交換する者が所定の操作を行うことで車両部側電池制御部１１から各電池パックに対して与えられる。

続いて、実施の形態１にかかる電池システム１は、新規な電池パックＰ１及び非交換電池ストリング（実施の形態１では、交換対象外の電池パックＰ２〜Ｐｎ）のサブリレーを接続状態とする（ステップＳ１２）。このステップＳ１２の処理は、交換された電池パックＰ１の電池パック制御部３０１から他の電池パックの電池パック制御部に与えられる指示に基づき実行される。

続いて、各電池パックは、それぞれ自電池パック内の組電池の電圧を測定し、測定により得られた電圧値を互いに送受信する。そして、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、他の電池パックから得た電圧値Ｖ２〜Ｖｎのそれぞれと、自電池パックの電圧値Ｖ１と、の差が、それぞれ予め設定した所定の電圧差（例えば、許容電圧差Ｖｄ）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ１３において、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２〜Ｖｎとの差がそれぞれ許容電圧差Ｖｄよりも大きければ、電池パック制御部３０１は、リレースイッチの状態を維持したまま電圧の監視を継続する。一方、ステップＳ１３において、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２〜Ｖｎとの差がそれぞれ許容電圧差Ｖｄよりも小さければ、電池パック制御部３０１は、他の電池パックから得た電流値Ｉ２〜Ｉｎのそれぞれと、自電池パックの電流値Ｉ１と、の差が、それぞれ予め設定した所定の電流差（例えば、許容電流差Ｉｄ）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１４において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２〜Ｉｎとの差がそれぞれ許容電流差Ｉｄよりも大きければ、電池パック制御部３０１は、リレースイッチの状態を維持したまま電流値の監視を継続する。

一方、このステップＳ１４において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２〜Ｉｎとの差がそれぞれ許容電流差Ｉｄよりも小さければ、電池パック制御部３０１は、メインリレーが遮断状態となっている電池パックＰ１〜Ｐｎの１つを選択して、選択した電池パックのメインリレーを遮断状態から接続状態に切り替えるよう、選択した電池パックにスイッチ切替指示を出力する（ステップＳ１５）。続いて、電池パック制御部３０１は、ステップＳ１５で選択した電池パックに対してサブリレーを遮断状態に切り替えるようにスイッチ切替信号を出力する（ステップＳ１６）。

続いて、各電池パックは、ステップＳ１５、Ｓ１６でリレースイッチの状態が変化した後の状態で、それぞれ自電池パック内の組電池の電圧を測定し、測定により得られた電圧値を互いに送受信する。そして、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、他の電池パックから得た電圧値Ｖ２〜Ｖｎのそれぞれと、自電池パックの電圧値Ｖ１と、の差が、それぞれ予め設定した所定の電圧差（例えば、許容電圧差Ｖｄ）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。そして、ステップＳ１７において、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２〜Ｖｎとの差がそれぞれ許容電圧差Ｖｄよりも大きければ、電池パック制御部３０１は、リレースイッチの状態を維持したまま電圧の監視を継続する。一方、ステップＳ１７において、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２〜Ｖｎとの差がそれぞれ許容電圧差Ｖｄよりも小さければ、電池パック制御部３０１は、他の電池パックから得た電流値Ｉ２〜Ｉｎのそれぞれと、自電池パックの電流値Ｉ１と、の差が、それぞれ予め設定した所定の電流差（例えば、許容電流差Ｉｄ）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１８）。そして、ステップＳ１８において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２〜Ｉｎとの差がそれぞれ許容電流差Ｉｄよりも大きければ、電池パック制御部３０１は、リレースイッチの状態を維持したまま電流値の監視を継続する。

一方、このステップＳ１８において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２〜Ｉｎとの差がそれぞれ許容電流差Ｉｄよりも小さければ、電池パック制御部３０１は、全ての電池パックのメインリレーが接続状態であるか否かを確認する（ステップＳ１９）。このステップＳ１９において、未だ遮断状態のメインリレーがあるとわかった場合、電池パック制御部３０１は、ステップＳ１５〜Ｓ１９の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１９において、全てのメインリレーが接続状態であるとわかった場合、電池パック制御部３０１は、他の電池パックも含めた全てのメインリレー及びサブリレーを遮断状態に切り替えて（ステップＳ２０）、電池パックの交換処理を終了する。

ここで、図２では、図示を省略したが、実施の形態１にかかる電池システム１では、交換対象電池パックの電圧と非交換電池パックの電圧との差が許容電圧差Ｖｄを下回る毎に許容電圧差Ｖｄの値を小さくする。また、実施の形態１にかかる電池システム１では、交換対象電池パックの電流と非交換電池パックの電流との差が許容電流差Ｉｄを下回る毎に許容電流差Ｉｄの値を小さくする。そして、実施の形態１にかかる電池システム１では、全てのメインリレーを遮断状態とすると共に全てのサブリレーを遮断状態とした後に設定される許容電圧差Ｖｄ及び許容電流差Ｉｄを特に完了判定電圧差及び完了判定電流差と称す。

なお、実施の形態１では、電池パックＰ１と、他の電池パックについて、電圧差を比較する際、他の電池パック全ての電圧と比較している。しかし、他の電池パックについて、電圧が同じであると仮定できる場合は、全ての電池パックと比較せず、代表の他の電池パックや他の電池パック全ての平均値と比較しても良い。車両では、それぞれの電池パックの電圧を均一に制御している場合も多く、そのような場合に有効である。

続いて、図２に示した電池パックの交換手順を実施した場合の実施の形態１にかかる電池システム１の動作をタイミングチャートを用いて説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる電池パックの交換手順を説明するタイミングチャートを示す。図３に示す例では、２つの電池パック（例えば、電池パックＰ１、Ｐ２）の一方（例えば電池パックＰ１）を交換する例を示す。また、電池パックＰ１、Ｐ２は、交換する電池パックＰ１の充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）が高く、交換対象ではない電池パックＰ２のＳＯＣが低いものとする。

図３に示すタイミングチャートでは、タイミングＴ１において、図２のステップＳ１２間での処理が完了し、電池パックの電圧及び電流の監視が開始される。このタイミングＴ１では、サブリレー１３１、１３２が接続状態となると共にメインリレー１１１、１１２が遮断状態となっている。また、タイミングＴ１では、ＳＯＣが高い電池パックＰ１の電圧が高く、ＳＯＣが低い電池パックＰ２の電圧が低い。そして、タイミングＴ１以降、充電率の高い電池パックＰ１から充電率の低い電池パックＰ２への充電が行われる。なお、タイミングＴ１では、電池パックＰ１から電池パックＰ２への充電が開始されるに辺り、電池に電流が流れるため、電池内の内部抵抗と流れる電流とによる電圧変動が生じる。

タイミングＴ１からタイミングＴ２にかけて、２つの電池パックの間の電圧差及び電流差が徐々に小さくなる。そして、タイミングＴ２において、電池パックＰ１の電圧と電池パックＰ２の電圧との電圧差が許容電圧差Ｖｄ１以下、かつ、電池パックＰ１の電流と電池パックＰ２の電流との電流差が許容電流差Ｉｄ１以下となったことに応じて、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、電池パックＰ２のメインリレー１１２を遮断状態から接続状態に切り替えるよう、電池パックＰ２の電池パック制御部３０２に指示する。また、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、電池パックＰ２のサブリレー１３２を接続状態から遮断状態に切り替えるよう、電池パックＰ２の電池パック制御部３０２に指示する。これにより、タイミングＴ２では、電池パックＰ１から電池パックＰ２に流れる電流が増加すると共に、電池パックＰ１の電圧と電池パックＰ２の電圧との差の縮小速度が加速する。

タイミングＴ２からタイミングＴ３にかけて、２つの電池パックの間の電圧差及び電流差が徐々に小さくなる。そして、タイミングＴ３において、電池パックＰ１の電圧と電池パックＰ２の電圧との電圧差が許容電圧差Ｖｄ２以下、かつ、電池パックＰ１の電流と電池パックＰ２の電流との電流差が許容電流差Ｉｄ２以下となったことに応じて、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、電池パックＰ１のメインリレー１１１を遮断状態から接続状態に切り替える。また、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、電池パックＰ２のサブリレー１３１を接続状態から遮断状態に切り替える。これにより、タイミングＴ３では、電池パックＰ１から電池パックＰ２に流れる電流が増加すると共に、電池パックＰ１の電圧と電池パックＰ２の電圧との差の縮小速度が加速する。

タイミングＴ３からタイミングＴ４にかけて、２つの電池パックの間の電圧差及び電流差が徐々に小さくなる。そして、タイミングＴ４において、電池パックＰ１の電圧と電池パックＰ２の電圧との電圧差が許容電圧差Ｖｄ３以下、かつ、電池パックＰ１の電流と電池パックＰ２の電流との電流差が許容電流差Ｉｄ３以下となったことに応じて、電池パックＰ１の電池パック制御部３０１は、電池の交換作業が終了したと判断する。

ここで、図３に示すように、許容電圧差Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、Ｖｄ１＞Ｖｄ２＞Ｖｄ３となる関係を有する。また、許容電流差Ｉｄ１〜Ｉｄ３は、Ｉｄ１＞Ｉｄ２＞Ｉｄ３となる関係を有する。そして、許容電圧差Ｖｄ３は完了判定電圧差であって、許容電流差Ｉｄ３は完了判定電流差である。また、図３に示すように、実施の形態１にかかる電池システム１における交換手順では、電池パック間のＳＯＣ差の減少速度が徐々に低下するが、リレースイッチを切り替えることで、電池パック間のＳＯＣ差の減少速度を再加速させる。

上記説明より、実施の形態１にかかる電池システム１では、電池パック交換工程（ステップＳ１０）、交換電池接続工程（ステップＳ１２）、充電率差解消工程（ステップＳ１３〜Ｓ１８）、完了判定工程（ステップＳ１８）を行う。電池パック交換工程では、電池パックすべてにおいてメインリレーとサブリレーとを遮断状態とした上で、交換対象の電池パックが属する電池ストリングを新規電池パックで構成される交換対象電池ストリングと交換する。交換電池接続工程では、電池パックの全てのメインリレーを遮断状態とし、電池パックの全てのサブリレーを接続状態とする。充電率差解消工程では、新規電池パックを含まない非交換電池ストリングの電圧と、新規電池パックを含む交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め設定した許容電圧差以下となる毎に条件切替処理を行う。この条件切替処理は、接続状態となっているサブリレーを減少させると共に、当該条件切替処理で接続状態から遮断状態に切り替えたサブリレーと並列に接続されたメインリレーを状態から接続状態に切り替え、かつ、許容電圧差を小さい値に更新する。完了判定工程では、全てのメインリレーを接続状態とした後に、非交換電池ストリングに流れる電流と、交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め決定された完了判定電流差以下となったことに応じて交換対象電池ストリングが利用可能となったことを判定する。

実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法によれば、新規電池パックを電池システム内に組み込んだ際に、全てのメインリレーを遮断状態とすると共に全てのサブリレーを接続状態とした状態で充電率解消工程を開始する。そして、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法では、段階的に接続状態とするメインリレーの個数を増やしていく。これにより、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法では、新規な電池パックと既存の電池パックとの間に流れる電流に制限をかけて増減させながら、新規な電池パックと既存の電池パックとの間の充電率を解消する。

これにより、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法では、新規電池パックと既存の電池パックとの間の電圧差に起因するアーク放電の発生を防止することができる。つまり、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法によれば、電池パックの交換時に発生する不具合を防止すると共に電池パック交換時の安全性を向上させることができる。

特に組電池では、多数の電池が直列接続されるため、電池パック間の電圧差が大きくなる傾向がある。さらに、既に利用されている電池パックと新規電池パックとでは電圧差が大きくなる傾向がある。このようなことから、組電池を含む電池パックでは、電池パック間の電圧差に起因したアーク放電による不具合発生の確率が高く、かつ、電池交換時の安全性の確保が難しい。このようなことから、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法による不具合の回避及び安全性の向上の効果は、組電池を含む電池パックの交換においては非常に大きいものである。

また、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法では、電池パック間のＳＯＣ差の減少速度が徐々に低下するが、リレースイッチを切り替えることで、電池パック間のＳＯＣ差の減少速度を再加速させる。これにより、実施の形態１にかかる電池システム１に含まれる電池パック及び電池システム１の電池パック交換方法では、リレースイッチで起きる不具合の発生を防ぎながら充電率解消工程にかかる時間を短縮することができる。

ここで、図２で示した実施の形態１にかかる電池システム１の電池パックの交換手順では、省略できる処理がある。例えば、電池パック間の電流比較は、電池パックの充電率の解消完了を判定する際には必須であるものの、それより前のリレースイッチの切替タイミングを判定する場合には省略することが可能である。これは、接続状態とするリレースイッチが全てメインリレーとなった場合、電池パック間の電圧差は小さくなるため、電池パック間の電圧差だけでは充電率の差が解消されたかどうかを判定することは難しく、電流差による判定を行う必要があるためである。そこで、図４に実施の形態１にかかる電池パックの交換手順の別の例を説明するフローチャートを示す。図４に示す例では、図２のステップＳ１４の電流比較工程が省略されている。

実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１にかかる電池システムにおける電池パック交換手順の別の形態について説明する。なお、実施の形態２の説明において、実施の形態１と同じ処理及び同じ構成要素については実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。図５に実施の形態２にかかる電池パックの交換手順を説明するフローチャートを示す。

図５に示すように、実施の形態２にかかる電池パックの交換手順では、図２に示した実施の形態１にかかる電池パックの交換手順のステップＳ１５をステップＳ３０に置き換えたものである。実施の形態２にかかるステップＳ３０では、メインリレーが遮断状態となっている電池パックのうち同じＳＯＣ（或いはＳＯＣと相関のある電圧）となる電池パックを選択して、選択した電池パックのメインリレーを接続状態とする。また、ステップＳ１６では、ステップＳ３０で選択した電池パックのサブリレーを遮断状態に切り替える。

リレースイッチを切り替える電池パックをこのように選択することで、例えば、複数の電池パックのメインリレー及びサブリレーを一度に切り替えることができる。このとき、ＳＯＣが同じであれば、遮断状態から接続状態に切り替えられたメインリレーが属する電池パックに流れる電流は実施の形態１にかかる交換手順の電池パックと同じであり、サブリレーが接続状態に維持される電池パックに流れる電流もプリチャージ抵抗により制限される。このようなことから、実施の形態２にかかる電池パック交換手順を採用しても、リレースイッチがアーク放電等により破損するおそれはない。

実施の形態３
実施の形態３では、正極配線１３と負極配線１４との間に並列接続される複数の電池ストリングがそれぞれ複数の電池パックにより構成される例について説明する。そこで、実施の形態３にかかる電池システム２のブロック図を図６に示す。

図６に示すように、実施の形態３にかかる電池システム２では、電池ストリングＳＴ１〜ＳＴｎがそれぞれ３つの直列接続された電池パックを有する。この電池パックは、それぞれ図１で説明した電池パックＰ１と同等の構成を有するものである。なお、電池ストリングＳＴ１〜ＳＴｎは、それぞれが直列接続された電池パックを有する場合だけでなく、並列接続された電池パックを有する場合や、直並列に接続された電池パックを有する場合も本発明に含まれる。

また、図６に示すように、実施の形態３にかかる電池システム２では、車両部１０に代えて車両部２０を示した。車両部２０は、車両部１０の車両部側電池制御部１１を車両部側電池制御部２１に置き換えたものである。そして、実施の形態３では、複数の電池パックと車両部側電池制御部２１とが互いに通信可能なように信号配線２２により接続される。

実施の形態３にかかる電池システム２では、車両部側電池制御部２１から各電池パックの電池パック制御部に対して、リレースイッチを制御する切替タイミング信号を出力し、当該切替タイミング信号に基づき各電池パックがリレースイッチを制御するものとする。

なお、実施の形態３にかかる電池システム２においても、実施の形態１にかかる電池システム１と同様に、各電池パックの電池パック制御部の間で電圧値等を送受信し、電池パック制御部内の処理に基づきリレースイッチを制御することも可能である。この場合、電池ストリング毎に電池ストリングの電圧値に基づくリレースイッチの開閉状態を制御する代表電池パックを決めておくことが好ましい。

また、実施の形態３にかかる電池システム２では、電池ストリングに含まれる電池パックのうち最上段に位置する電池パックの正極側電圧と、最下段に位置する電池パックの負極側電圧と、の電圧差を各電池ストリングの電圧とする。

続いて、実施の形態３にかかる電池システム２における電池パックの交換手順について説明する。そこで、実施の形態３にかかる電池システム２の電池パック交換手順を示すフローチャートを図７に示す。図７に示す例では、図６に示した電池パックＰ１１〜Ｐ１３を交換する例を示すものである。

図７に示すように、実施の形態３にかかる電池システム２では、電池パックを交換する場合には電池ストリング単位で交換を行い、電池ストリング毎の電圧値に基づき、電池ストリング毎にリレースイッチを制御するものであり、実質的な交換手順は実施の形態１にかかる電池システム１と変わらない。そのため、ここでは実施の形態３にかかる電池システム２における電池パック交換手順を簡単に説明する。なお、実施の形態３にかかる電池システム２において、電池ストリング単位で交換するのは、電池パック１つを交換した場合、電池ストリング内の電池パック間で充電率の差を解消出来ないためである。

図７に示すステップＳ４０〜Ｓ５０は、それぞれ図２に示したステップＳ１０〜Ｓ２０に対応する処理である。ここで、実施の形態３にかかる電池パック交換手順では、ステップＳ４５、Ｓ４６において、電池ストリング毎にリレースイッチの制御を行う点が実施の形態１にかかる電池パック交換手順と大きく異なる。また、実施の形態３にかかる電池システム２では、同一の電池ストリングに属する電池パックには同一の電流が流れるため、電流値の計測は、同一の電池ストリングに属する複数の電池パックのうち１つで行えばよい。

上記説明より、実施の形態３にかかる電池システム２では、１つの電池ストリングに複数の電池パックが含まれる場合であっても、交換を電池ストリング単位で行い、電池ストリングの電圧に応じて各電池パック内のリレースイッチを制御することで、実施の形態１と同様に、電池パック交換時の不具合の回避及び安全性の向上という効果を得ることができる。

また、実施の形態３にかかる電池システム２では、車両部側電池制御部２１において電池ストリング毎の電圧値及び電流値の計算及びリレースイッチの制御処理を行う。このような処理方法とすることで、各電池パックの電池パック制御部間及び電池パック制御部内で行われる処理を簡略化することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態では、車両へ本発明を適用しているが、電池を充放電する装置であれば、車両以外にも適用可能である。

１、２電池システム
１０、２０車両部
１１、２１車両部側電池制御部
１２、２２信号配線
１３正極配線
１４負極配線
１１１〜１１ｎ正側メインリレー
１２１〜１２ｎ負側メインリレー
１３１〜１３ｎサブリレー
１４１〜１４ｎ電流センサ
２０１〜２０ｎ組電池
３０１〜３０ｎ電池パック制御部
ＰＲ１〜ＰＲｎ抵抗
Ｐ１〜Ｐｎ電池パック
Ｐ１１〜Ｐｎ３電池パック
ＳＴ１〜ＳＴ３電池ストリング

Claims

電池パックが、
負荷に対して電源を与える電池と、
前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替えるサブリレーと、
前記サブリレーと直列に接続される抵抗と、
前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替え、かつ、前記サブリレー及び抵抗と並列に接続されるメインリレーと、
前記電池の電圧の測定と、前記電池に流れる電流の測定と、前記メインリレー及び前記サブリレーの開閉状態の制御と、を行う制御部と、を有し、
少なくとも１つの前記電池パックが直列に接続される電池ストリングが、複数個並列に接続された状態で負荷に接続された電池システムの電池パックの交換方法であって、
前記電池パックすべてにおいて前記メインリレーと前記サブリレーとを遮断状態とした上で、交換対象の電池パックが属する前記電池ストリングを新規電池パックで構成される交換対象電池ストリングと交換する電池パック交換工程と、
前記電池パックの全ての前記メインリレーを遮断状態とし、前記電池パックの全ての前記サブリレーを接続状態とする交換電池接続工程と、
前記新規電池パックを含まない非交換電池ストリングの電圧と、前記交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め設定した許容電圧差以下となる毎に条件切替処理を行う充電率差解消工程であって、当該条件切替処理は、接続状態となっている前記サブリレーを減少させると共に、当該条件切替処理で接続状態から遮断状態に切り替えた前記サブリレーと並列に接続された前記メインリレーを遮断状態から接続状態に切り替え、かつ、前記許容電圧差を小さい値に更新する充電率差解消工程と、
全ての前記メインリレーを接続状態とした後に、前記非交換電池ストリングに流れる電流と、前記交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め決定された完了判定電流差以下となったことに応じて前記交換対象電池ストリングが利用可能となったことを判定する完了判定工程と、
を有する電池システムの電池パック交換方法。
前記充電率差解消工程では、前記条件切替処理を実施するための判定条件として、更に、前記非交換電池ストリングに流れる電流と、前記交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め設定された許容電流差以下となっているか否かを判断する請求項１に記載の電池システムの電池パック交換方法。
前記完了判定工程では、前記交換対象電池ストリングが利用可能となったと判定するための条件として、更に、前記非交換電池ストリングの電圧と、前記交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め決定された完了判定電圧差以下となったことを判断する請求項１又は２に記載の電池システムの電池パック交換方法。
少なくとも１つの電池パックが直列に接続される電池ストリングが、複数個並列に接続された状態で負荷に接続された電池システムにおいて用いられる電池パックであって、
前記負荷に対して電源を与える電池と、
前記電池と前記負荷との間の接続状態又は遮断状態を切り替えるサブリレーと、
前記サブリレーと直列に接続される抵抗と、
前記電池と前記負荷との間の接続状態と遮断状態とを切り替え、かつ、前記サブリレー及び抵抗と並列に接続されるメインリレーと、
前記電池の電圧の測定と、前記電池に流れる電流の測定と、前記メインリレー及び前記サブリレーの開閉状態の制御と、を行う制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記電池パックすべてにおいて前記メインリレーと前記サブリレーとを遮断状態とした上で、交換対象の電池パックが属する前記電池ストリングが新規電池パックで構成される交換対象電池ストリングと交換された後に前記電池パックの全ての前記メインリレーを遮断状態とし、前記電池パックの全ての前記サブリレーを接続状態とし、
前記新規電池パックを含まない非交換電池ストリングの電圧と、前記交換対象電池ストリングの電圧と、の差が予め設定した許容電圧差以下となる毎に条件切替処理を行う充電率差解消工程であって、当該条件切替処理は、接続状態となっている前記サブリレーを減少させると共に、当該条件切替処理で接続状態から遮断状態に切り替えた前記サブリレーと並列に接続された前記メインリレーを遮断状態から接続状態に切り替え、かつ、前記許容電圧差を小さい値に更新し、
全ての前記メインリレーを接続状態とした後に、前記非交換電池ストリングに流れる電流と、前記交換対象電池ストリングに流れる電流と、の差が予め決定された完了判定電流閾値以下となったことに応じて前記交換対象電池ストリングが利用可能となったことを判定する電池パック。
前記制御部は、複数の前記電池パックの前記メインリレーと前記サブリレーとを遮断状態とする指示が複数の前記電池パックに対して充放電を行う充放電装置から与えられ、当該指示に基づき前記メインリレー及び前記サブリレーを制御する請求項４に記載の電池パック。