JPWO2019193636A1 - 電池装置および車両 - Google Patents

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Abstract

実施形態による電池装置は、少なくとも１つの組電池ＢＴと、組電池ＢＴと負荷との間に接続される主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｍの電気的接続状態を切替える第１主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭと、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ２Ｍから分岐し、組電池ＢＴと負荷との間に接続される第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍの電気的接続状態を切替える第２主開閉器ＲＰ、ＲＭと、負荷から供給される運転指令に基づいて第１主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭの動作を制御する電池管理回路１０と、外部から供給される起動指令がオンであるときに、電池管理回路１０と第２主開閉器ＲＰ、ＲＭとに電源を供給する電源回路２０と、を備える。

Description

本発明の実施形態は、電池装置および車両に関する。
リチウムイオン電池は、重量に対する充電容量が大きい等の特性から、近年、携帯可能な電子機器や電動車両などの移動体の電源として利用されている。また、リチウムイオン電池は、鉛蓄電池等の他の蓄電池と比べて抵抗が小さい特性から、充電時間を短縮することが可能である。一方で、大電流を流すことが可能であることから、負荷に接続していないときには主回路を通電させないようにし、利用者の安全性を担保することが望ましい。したがって、電池装置と負荷とが正常に接続されたときのみ主回路が通電するように、電池装置側で制御を行うことが望まれる。
また、リチウムイオン電池を搭載した電池装置を電源として採用した電子機器では、電子機器の運転中およびリチウムイオン電池の充電中は、主回路に数百アンペアの電流が流れる可能性がある。このため、電池装置内において主回路の電気的接続は、例えば電磁接触器により切替えるように構成される。
特開２０１４−１４３７９９号公報
電子機器が起動しているときには、大電流を必要とする動作を行っていないときにも電池装置から電源を得ることが必要な状況が想定される。このような負荷が電源装置に接続されているときに、例えば電池装置から負荷へ電源を供給する経路が大電流を供給する経路のみである場合、負荷が大電流を必要としないときには主回路の電気的接続が遮断され、負荷へ必要な電源を供給することができない可能性があった。すなわち、従来の電源装置を搭載することができる負荷装置が限定される可能性があった。
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、汎用性の高い電池装置および車両を提供することを目的とする。
実施形態による電池装置は、少なくとも１つの組電池と、前記組電池と負荷との間に接続される主回路の電気的接続状態を切替える第１主開閉器と、前記主回路から分岐し、前記組電池と前記負荷との間に接続される第２主回路の電気的接続状態を切替える第２主開閉器と、前記負荷から供給される運転指令に基づいて前記主開閉器の動作を制御する電池管理回路と、外部から供給される起動指令がオンであるときに、前記電池管理回路と前記第２主開閉器とに電源を供給する電源回路と、を備える。
図１は、一実施形態の電池装置および車両の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、図１に示す電池装置および車両の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図３は、図１に示す電池装置において、外部から供給される指令と主回路の接続状態との一例を説明するための図である。 図４は、一実施形態の電池装置および車両の他の構成例を概略的に示す図である。
実施形態
以下、一実施形態の電池装置および車両について、図面を参照して説明する。
以下の実施形態では、一例として、産業用車両および産業車両に搭載される電池装置について説明する。例えば、車両は、運転していないときであっても補機類（ウインカーやホーンなど）の動作を可能とすることが要求される。このために、車両が運転を停止しているときにも最大で１０アンペア程度の放電を行う可能性があり、電池装置から放電可能となるように構成する必要があった。
しかしながら、主回路と負荷とを接続した状態が長期間継続すると、電磁接触器を閉じるために電池装置から電力が消費され、電池装置が過放電状態となる可能性があった。例えば産業用車両は、運転されず電池装置の充電もされない状態が長期間継続する可能性がある。主回路を電気的に接続した状態で、車両が運転されず電池装置の充電もされない状態が継続すると、電磁接触器を閉じるために電池装置から電力が消費され、過放電状態となり安全性を担保することが困難となる場合があった。
以下の実施形態では、車両を運転していないときでも電池装置から補機類へ電源を供給することが可能である、汎用性の高い電池装置およびこの電池装置を搭載した車両の一例について説明する。
図１は、一実施形態の電池装置および車両の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の車両は、電池装置と、コネクタＣＮ２と、車両制御回路ＣＴＲと、充電回路ＣＨと、インバータＩＮＶと、電動機Ｍと、主開閉器ＭＣと、切替器ＳＷと、補機ＡＸと、を備えた電動車両である。
充電回路ＣＨは、コネクタＣＮ１、ＣＮ２を介して、電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと電気的に接続可能である。充電回路ＣＨは、外部に露出した充電端子と電気的に接続し、充電端子に充電器が接続されたときに、電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍを介して複数の電池モジュールＭＤＬへ充電電流を供給することができる。
インバータＩＮＶの直流端子は、コネクタＣＮ１、ＣＮ２を介して、電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと電気的に接続可能である。インバータＩＮＶの交流端子は、電動機Ｍと電気的に接続している。インバータＩＮＶは、電池装置から得られた直流電力を交流電力に変換して電動機Ｍへ出力することができる。また、電動機Ｍから得られた交流電力を直流電力に変換して電池装置へ出力することができる。インバータＩＮＶの直流端子と電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍとの電気的接続状態は、メインコンタクタＭＣにより切替えることができる。
補機ＡＸは、コネクタＣＮ１、ＣＮ２を介して、電池装置の第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍと電気的に接続可能である。補機ＡＸは、例えば、主機を稼働するために必要な付属機器であり、例えばウインカーやホーンなどを含む。
車両制御回路ＣＴＲは、充電器ＣＨ、インバータＩＮＶ、メインコンタクタＭＣ、および、補機ＡＸの動作を制御可能に構成されている。車両制御回路ＣＴＲは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムを格納するメモリとを備えていてもよい。
車両制御回路ＣＴＲは、コネクタＣＮ１、ＣＮ２を介して、電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと電気的に接続し、電池装置から供給される直流電力を電源とする。車両制御回路ＣＴＲの電源供給ラインには、例えば、イグニッション信号により電気的接続状態が切り替わる切替器ＳＷが設けられている。利用者が車両のイグニッションをオンしたときに、電池装置から車両制御回路ＣＴＲへ電源が供給される。
本実施形態の電池装置は、複数の電池モジュールＭＤＬと、電池管理回路（ＢＭＵ）１０と、電源回路（ＤＣ／ＤＣ）２０と、主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭと、リレー（第２主開閉器）ＲＰ、ＲＭと、を備えている。本実施形態の電池装置は、例えばフォークリフトなどの産業用車両に搭載することができる例えば、公称電圧１００Ｖ未満である。
本実施形態の電池装置は、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭ又はリレーＲＰ、ＲＭにより電池装置の主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと電気的に接続する第１コネクタＣＮ１と、負荷と電気的に接続する第２コネクタＣＮ２とを介して、負荷と接続可能である。なお、本実施形態の電池装置は、第１コネクタＣＮ１を含んでいてもよい。
複数の電池モジュールＭＤＬのそれぞれは、例えば、直列及び／又は並列接続した複数の二次電池セルを含む組電池ＢＴを備える。また、複数の電池モジュールＭＤＬのそれぞれは、温度センサと、ヒューズなどの保護素子（保護装置）と、電池監視回路（ＣＭＵ：Cell Monitoring Unit）１と、を備えていてもよい。なお、電池監視回路１は、後述する電池管理回路３０に含まれていてもよい。
複数の電池モジュールＭＤＬの組電池ＢＴは、例えば、図示しない断路器（サービスディスコネクト）を介して直列に接続している。
本実施形態では、組電池ＢＴは、リチウムイオン電池の二次電池セル（図示せず）を複数備えている。なお、組電池ＢＴの二次電池セルは、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などの二次電池を用いることができる。
電池監視回路１は、組電池ＢＴの複数の二次電池セル個々の正極端子と負極端子との電圧を検出する。また電池監視回路１は、組電池ＢＴの近傍の温度を少なくとも１ヶ所で検出する。
電池監視回路１は、後述する電池管理回路１０および他の電池監視回路１との間で、例えばＣＡＮ（Control Area Network）プロトコルに基づいて通信可能に構成されている。電池監視回路１は、検出した電圧と温度との情報を周期的に電池管理回路１０へ送信する。例えば、低電位側の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路１から高電位側の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路へ、順次、検出値を送信し、最も高電位側の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路１から電池管理回路１０へ全ての組電池ＢＴの検出値を送信してもよい。また、複数の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路１各々が電池管理回路１０と通信可能に接続され、複数の電池監視回路１の夫々から電池管理回路１０との間で、検出値を送信してもよい。
電池監視回路１は、例えば、少なくとも１つのプロセッサとメモリとを備え、ソフトウエアにより上記動作を実現するように構成されてもよく、ハードウエアにより構成された回路により上記動作を実現するように構成されてもよく、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより上記動作を実現するように構成されていてもよい。
主開閉器ＭＣＭ、ＭＣＰは、複数の電池モジュールＭＤＬと負荷との間に接続される主回路の電気的接続状態を切り替え可能となるように、主回路に設けられている。主開閉器ＭＣＰは、最も高電位側の電池モジュールＭＤＬの正極端子と負荷との間に延びた主回路の電気的接続状態を切替える。主開閉器ＭＣＭは、最も低電位側の電池モジュールＭＤＬの負極端子と負荷との間に延びた主回路との間の電気的接続状態を切替える。
なお、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭはノーマリオープン（常開型）の電磁接触器（、ＦＥＴ、リレーなどを含む）である、Ａ接点のコンタクタを採用することができる。
また、本実施形態では、高電位側の主回路Ｃ１Ｐに主開閉器ＭＣＰを設け、低電位側の主回路Ｃ１Ｍに主開閉器ＭＣＭを設けて安全性を担保しているが、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭは少なくともいずれか一方のみであっても構わない。
電池管理回路１０は、コネクタＣＮ１、ＣＮ２を介して負荷と通信可能に接続される。電池管理回路１０は、例えば負荷から受信した運転指令がオンのときに、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭを閉じて、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと負荷とを電気的に接続する。運転指令は、例えば、産業用車両のイグニッション（若しくはシートスイッチ）がオンとなったときにオンを示し、イグニッション（若しくはシートスイッチ）がオフとなったときにオフを示す信号である。
電池管理回路１０は、電池監視回路１と通信可能に構成されている。電池管理回路１０は、複数の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路１から、二次電池セルの電圧および組電池ＢＴの温度の情報を取得する。また、電池管理回路１０は、電流センサ（図示せず）から、複数の組電池ＢＴに流れる電流の情報を取得する。電流センサは、例えば、最も高電位側の電池モジュールＭＤＬの正極端子と主開閉器ＭＣＰとの間に配置されている。電流センサは、複数の組電池ＢＴに流れる電流を周期的に検出して電池管理回路１０へ送信する。電池管理回路１０は、例えば、電圧、温度、および電流の情報を用いて、複数の組電池ＢＴ（或いは二次電池セル）のＳＯＣ（state of charge）を演算することができる。
更に、電池管理回路１０は、例えば、二次電池セルの電圧や、組電池ＢＴの温度、演算したＳＯＣに応じて、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭにより主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍの電気的接続を切断し、組電池ＢＴの充電（或いは放電）を停止したり、組電池ＢＴの交換時期を知らせるアラームや異常を通知する警告等を出力したりすることができる。
電池管理回路１０は、電源回路２０から供給される電源により起動する。また、電池管理回路１０は、例えば複数の電池モジュールＭＤＬの異常を検出したときに、電源回路２０へシャットダウン制御信号を送信し、電池管理回路１０自身への電源供給を停止させることが可能である。
電池管理回路１０は、例えば、少なくとも１つのプロセッサとメモリとを備え、ソフトウエアにより上記動作を実現するように構成されてもよく、ハードウエアにより構成された回路により上記動作を実現するように構成されてもよく、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより上記動作を実現するように構成されていてもよい。
電源回路２０は、例えば起動スイッチ（図示せず）がオンとなったときに通知される起動指令により起動する。電源回路２０は、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから供給される直流電圧（例えば２４Ｖ）を所定の直流電圧（例えば１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣ回路を備え、変換後の所定の直流電圧（例えば１２Ｖ）の電源を電池管理回路１０およびリレーＲＰ、ＲＭへ供給可能に構成されている。
例えば、電源回路２０から電池管理回路１０へ電源を供給する配線と、電源回路２０からリレーＲＰ、ＲＭへ電源を供給する配線とは、共通の電源供給配線と、共通の電源供給配線から各構成へ分岐した枝配線とを備えている。したがって、電源回路２０から電池管理回路１０へ電源を供給するタイミングで、同時にリレーＲＰ、ＲＭへも電源が供給され、電源回路２０から電池管理回路への電源供給が停止されるタイミングで、同時にリレーＲＰ、ＲＭへの電源供給も停止される。
電源回路２０は、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭと複数の電池モジュールＭＤＬとの間に延びた主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから給電される。従って、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭにより開いた状態であっても、複数の電池モジュールＭＤＬから電源回路２０へ給電することが可能である。
リレーＲＰ、ＲＭは、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから分岐し、複数の電池モジュールＭＤＬと負荷の補機との間に接続される第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍの電気的接続状態を切替えるように設けられている。第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍは、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭと複数の電池モジュールＭＤＬとの間に延びた主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから分岐している。リレーＲＰ、ＲＭは、常開型で、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＮよりも消費電流の少ないことを特徴とする、例えばソリッドステートリレー（ＳＳＲ：Solid State Relay）であり、電源回路２０から電源供給されているときに第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍを閉じて、電源回路２０からの電源供給が停止しているときに第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍを開く。
図２は、図１に示す電池装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
図３は、図１に示す電池装置において、外部から供給される指令と主回路の接続状態との一例を説明するための図である。
本実施形態の電池装置では、起動指令がオフのときには電源回路２０が停止している状態であって、主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭおよびリレーＲＰ、ＲＭは開いた状態である。
電池装置が起動するときには、例えば利用者が起動スイッチを操作してオンし、電源回路２０へ起動指令を送信する。電源回路２０は起動指令を受信して起動し、電池管理回路１０およびリレーＲＰ、ＲＭへの電源供給を開始する。リレーＲＰ、ＲＭは電源が供給されることにより第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍを電気的に接続し、複数の電池モジュールＭＤＬが、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍおよび第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍを介して負荷の補機と電気的に接続される。すなわち、起動指令がオンであり、運転指令がオフのときには、主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭは開いた状態であり、リレーＲＰ、ＲＭは閉じた状態である。
続いて、電池管理回路１０が負荷より運転指令を受信すると、電池管理回路１０が主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭを閉じる。したがって、起動指令がオンであり、運転指令がオンであるときには、主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭおよびリレーＲＰ、ＲＭが閉じた状態である。
この状態で、例えば電池管理回路１０が電池モジュールＭＤＬの過充電や過放電などの異常を検出した場合、主開閉器（メインコンタクタ）ＭＣＰ、ＭＣＭを開いて主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと負荷とを電気的に遮断し、充電および放電を停止させる。続いて、電池管理回路１０は、電源回路２０へシャットダウン要求をし、電池管理回路１０およびリレーＲＰ、ＲＭへの電源供給を停止させる。電源回路２０から電源供給が停止されると、電池管理回路１０は停止しリレーＲＰ、ＲＭが開いて、電池装置から補機への電源供給も停止される。
上記のように、本実施形態の電池装置では、電池装置から負荷へ電力を供給する主回路と、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから分岐した第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍとを設け、主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍと第２主回路Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｍとをそれぞれ独立して制御している。
更に、主回路の電気的接続状態は電池管理回路１０からの制御信号により切り替わり、第２主回路の電気的接続状態は電池管理回路１０への電源供給と連動するように電源回路２０からの電源供給により制御される。したがって、電池管理回路１０の制御系統は１つあればよく、電池管理回路１０に複数の制御系統を設ける必要はない。
本実施形態の電池装置によれば、電池管理回路１０の停止しているとき（例えば、コネクタＣＮ１とコネクタＣＮ２とが接続していないときや、電池モジュールＭＤＬの異常が検出されたとき）以外のタイミングでは、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭの接続状態にかかわらず補機への電源供給が可能となる。
すなわち、負荷が運転を停止し、負荷へ大電流を供給する必要がないときには、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭを介さない経路にて負荷へ電力を供給することができ、主開閉器ＭＣＰ、ＭＣＭにより複数の電池モジュールＭＤＬに蓄えられた電力が消費されることがなくなる。したがって、負荷が運転を停止している期間において、この状態においても、電池管理回路１０が電池モジュールＭＤＬの過充電や過放電などの異常を検出した場合、電源回路２０へシャットダウン要求をし、電池管理回路１０およびリレーＲＰ、ＲＭへの電源供給を停止させる。電源回路２０から電源供給が停止されると、電池管理回路１０は停止しリレーＲＰ、ＲＭが開いて、電池装置から補機への電源供給も停止される。 上記のように、本実施形態によれば、安全性を担保した電池装置を提供することができる。
なお、図１に示す例では、電源回路２０は主回路Ｃ１Ｐ、Ｃ１Ｍから給電されていたが、例えば図４に示すように電源回路２０は、外部から電源を供給されていてもよい。その場合であっても上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、車両の一例として産業用車両について説明したが、本実施形態の電池装置は産業用車両以外の車両に搭載可能であることは言うまでもない。例えば、モノレールや鉄道などの軌道系交通機関に用いられる車両、無人搬送車（ＡＧＶ：automatic guided vehicle）、乗用車、大型乗用車両、など、様々な電動車両に、上述の実施形態の電池装置を搭載することが可能である。更に、上述の電池装置は、電動車両以外の電子機器の電源として採用することも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
複数の電池モジュールＭＤＬのそれぞれは、例えば、直列及び／又は並列接続した複数の二次電池セルを含む組電池ＢＴを備える。また、複数の電池モジュールＭＤＬのそれぞれは、温度センサと、ヒューズなどの保護素子（保護装置）と、電池監視回路（ＣＭＵ：Cell Monitoring Unit）１と、を備えていてもよい。なお、電池監視回路１は、後述する電池管理回路１０に含まれていてもよい。
複数の電池モジュールＭＤＬの組電池ＢＴは、例えば、図示しない断路器（サービスディスコネクト）を介して直列に接続している。

Claims (4)

  1. 少なくとも１つの組電池と、
    前記組電池と負荷との間に接続される主回路の電気的接続状態を切替える第１主開閉器と、
    前記主回路から分岐し、前記組電池と前記負荷との間に接続される第２主回路の電気的接続状態を切替える第２主開閉器と、
    前記負荷から供給される運転指令に基づいて前記第１主開閉器の動作を制御する電池管理回路と、
    外部から供給される起動指令がオンであるときに、前記電池管理回路と前記第２主開閉器とに電源を供給する電源回路と、を備えた電池装置。
  2. 前記組電池の電圧および温度を検出して前記電池管理回路へ送信する電池監視回路を更に備え、
    前記電池管理回路は、前記電池管理回路から取得した電圧および温度の情報に基づいて前記組電池が正常であるか否か判断し、前記組電池が異常であると判断したときに、前記電源回路へシャットダウン制御信号を送信するように構成され、
    前記電源回路は、前記シャットダウン制御信号を受信したときに、前記電池管理回路および前記第２主開閉器への電源供給を停止するように構成される、請求項１記載の電池装置。
  3. 前記第１主開閉器は電磁接触器であって、前記第２主開閉器はソリッドステートリレーである、請求項１又は請求項２記載の電池装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電池装置と、
    前記電池装置の前記主回路と電気的に接続されるインバータと、
    前記電池装置の前記第２主回路と電気的に接続される補機と、前記インバータから供給される電力により駆動される電動機と、を含む前記負荷と、を備えた車両。
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