WO2012132769A1

WO2012132769A1 - 蓄電池の保護システム

Info

Publication number: WO2012132769A1
Application number: PCT/JP2012/055536
Authority: WO
Inventors: 中島　武; 池部　早人; 大樹中津; 博志佐伯
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-10-04

Abstract

　蓄電池の可動電圧範囲４４の外側に第１保護閾値電圧Ｖ_1(C)が設定され、第１電圧検出器６１は、蓄電池４０の電圧が第１保護閾値電圧を超えるか否かを検出し、超えるときに第１検出信号を出力する。可動電圧範囲４４に対し第１保護閾値電圧よりもさらに外側に第２保護閾値電圧Ｖ_2(C)が設定され、第２電圧検出器６２は、蓄電池４０の電圧が第２保護閾値電圧を超えるか否かを検出し、超えるときに第２検出信号を出力する。ここで、第１電圧検出器６１は、蓄電池４０の電圧値そのもので動作するハード的電圧検出手段であり、第２電圧検出器６２は、蓄電池４０の電圧値に関係する信号を用いるソフト的電圧検出手段である。

Description

蓄電池の保護システム

　本発明は、蓄電池の保護システムに係り、特に蓄電池を過充電、過放電から保護する蓄電池の保護システムに関する。

　環境問題・エネルギー問題への対応として、再生可能エネルギーおよびエネルギーの有効利用に対する要求が高まっている。太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーでは発電量の変動が大きいために安定電源としては不適切であり、発電電力の平準化が望まれる。また、エネルギーの有効利用としては、電力需要の平準化を行うことなどが期待されている。これらの要求を満たすために、蓄電池を活用したシステムが検討されている。

　例えば、取り外し可能な蓄電池に充電を行い必要な場所で蓄電電力を用いるものや、蓄電池を内蔵した負荷に充電器を接続するものなどが提案されている。しかし、これらは小規模なシステムが多く、電力の平準化としては不十分である。そこで、充電器と蓄電池、電力変換器とを一体化し、負荷への電力供給を可能にしたものなど中規模以上のシステムが提案されている。これらのシステムにおいては、充電器・蓄電池・負荷を接続するためのスイッチ回路が必要であり、電力入出力ラインと蓄電池との間に、充放電制御のためのスイッチが設けられる。また、これらのスイッチは蓄電池の正極側に設けることが望まれる。

　例えば、特許文献１には、主電源と負荷との間に接続されている蓄電装置に充放電スイッチが設けられることが述べられている。ここでは、充放電スイッチにはＦＥＴが用いられ、その一端は蓄電装置の正極側が接続され、他端は、主電源と負荷とが接続される接続点に接続されている。

　また、蓄電池は、過充電または過放電となると、特性の劣化等が生じる。また、蓄電池が過度な過充電・過放電状態に達すると、蓄電池が破損する可能性がある。特許文献２には、太陽電池電源システム制御回路として、蓄電池の充電電圧が所定の上限である過充電保護電圧に達したときに制御部が開閉器をＯＦＦにして太陽電池を蓄電池から切り離し、蓄電池の充電電圧が所定の下限である過放電保護電圧に達したときに制御部が開閉器をオフにして蓄電池を負荷から切り離すことが述べられている。

特開２００８－２３２９８９号公報特開平６－３２４７５２号公報

　上記のように、蓄電池を過充電、過放電から保護するために、蓄電池の電圧を監視し、保護のための閾値電圧と比較して、閾値電圧を超えるときに、充放電を停止するように制御されている。充放電を停止するためには、例えば、制御回路からの信号に伴い所定のシーケンスに従い電路遮断するか否かをＣＰＵなどで判断し、電路遮断を指示制御するソフト的制御と、例えば、所定の電圧下で動作する素子・あるいは素子群により電路遮断装置を直接動作させるようなハード的制御などがある。しかし、回路の故障等によりこれらの制御が正常に機能しない場合があり、過充電または過放電の防止を確実に行うことはできなかった。

　また、蓄電池の電圧を正確に検出することは困難であり、検出電圧が正確でないと、蓄電池の制御部が充放電停止処理をする前に、蓄電池が過充電または過放電に至ってしまうことがある。

　蓄電池電圧の検出結果に誤差が含まれていることを考慮して、各保護機能を動作させる閾値電圧を設定することもあるが、この場合、蓄電池の有効利用範囲が狭くなるという課題がある。さらに、リチウムイオン蓄電池などでは蓄電池電圧と蓄電量において、満充電・過充電付近では電圧が大きく変化するが、それ以外の領域では鉛蓄電池などに比べて電圧変化量が小さいことも保護機能の設定を困難にする。特に、例えば５０％など所定の蓄電量を残して運用するシステムなどでは顕著である。

　この他、ソフト的制御あるいはハード的制御による保護が動作している場合には電流遮断が行われているはずであるが、何らかの不具合などにより電流が遮断できていない可能性がある。従来は、このような状況を外部から容易に判断することはできず、メンテナンスや修理時において、危険を伴う場合があった。

　本発明の目的は、蓄電池の過充電と過放電を適切に抑制できる蓄電池の保護システムを提供することである。他の目的は、過充電と過放電の防止のために蓄電池の稼動状態を適切に把握することができる蓄電池システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

　本発明に係る蓄電池の保護システムは、蓄電池に予め定められる可動電圧範囲の外側の第１保護閾値電圧について、蓄電池の電圧が第１保護閾値電圧を超えたときに第１検出信号を出力する第１電圧検出手段と、可動電圧範囲に対し第１保護閾値電圧よりもさらに外側の第２保護閾値電圧について、蓄電池の電圧が第２保護閾値電圧を超えたときに第２検出信号を出力する第２電圧検出手段と、を備え、第１電圧検出手段は、蓄電池の電圧値により動作するハード的電圧検出手段であり、第２電圧検出手段は、蓄電池の電圧値に関係する信号を用いるソフト的電圧検出手段であることを特徴とする。

　本発明に係る蓄電池の保護システムは、過電圧あるいは過放電を防ぐ第1のハード的制御機構と、第1のハード的制御機構よりも過電圧側あるいは過放電側に設けられた第2のソフト的制御機構を設けることを特徴とする。より望ましくは、第1のハード的制御機構を超えた領域において、上記第2のソフト的制御機構あるいはその他のソフト的制御機構によって第1のハード的制御機構の故障診断を可能とする。

　また、本発明に係る蓄電池システムは、蓄電池に対する充電電流を供給する充電電源から流れる電流をオンオフする第１スイッチと、蓄電池からの放電電流を消費する放電負荷に流れる電流をオンオフする第２スイッチと、蓄電池を流れる電流の向きを検出する電流方向検出手段と、第１スイッチのオンオフ状態表示と、第２スイッチのオンオフ状態表示と、電流方向検出手段の検出結果に基づいて表示される充電状態表示または放電状態表示と、を含み、充放電可能状態と充放電実施状態とを合わせて表示する表示部と、を備えることを特徴とする。

　上記構成により、蓄電池の可動電圧範囲の外側に第１保護閾値電圧が設定され、その更に外側に第２保護閾値電圧が設定される。そして、蓄電池の電圧が第１保護閾値電圧を超えることを検出するには、蓄電池の電圧値そのもので動作するハード的電圧検出手段を用い、第２保護閾値電圧を超えることを検出するには、蓄電池の電圧値に関係する信号を用いるソフト的電圧検出手段を用いる。一般的にはハード的電圧検出手段およびそれに伴い動作するハード的保護回路は比較的強固な手段であり、さらにリチウムイオン蓄電池などでは過充電・過放電状態となることは考えにくい。しかし、何らかの理由によりこれらの手段が働かない場合においても、ソフト的電圧検出手段およびそれに伴い動作するソフト的保護回路により、更なる過充電・過放電となることを抑制することができる。

　また、ハード的電圧検出手段が正常に動作している場合においては、更なる過充電・過放電状態となることは想定しにくく、仮に更なる過充電・過放電状態となる場合にはなんらかの異常状態であることが想像できる。そのため、ソフト的電圧検出手段が動作した場合、あるいは、ソフト的電圧検出手段が動作する状態に近づきつつあることを検知した場合において、ハード的電圧検出手段の異常と判断することが可能になる。

　また、上記構成によれば、蓄電池の充放電制御のスイッチの作動状態と共に蓄電池の充放電状態も合わせて表示するので、スイッチ等における何らかの不具合により電流が遮断できていない状態の確認を外部から容易に判断することが可能になる。

本発明に係る実施の形態における蓄電池の保護システムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、蓄電池の保護閾値電圧の設定と、その保護閾値電圧を蓄電池の電圧が超えたことを検出する電圧検出器の関係を説明する図である。

　以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、蓄電部を構成する蓄電池としてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外の２次電池であってもよい。例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等であってもよい。蓄電池を複数の単位蓄電池を集めて集合体とするのは、負荷の必要電力に対応するための電圧と電流とを得るためであるので、蓄電池を構成するための単位蓄電池の組合せの内容とその数等は、蓄電部の充放電システムの仕様に応じ適宜なものとできる。

　また、以下で、蓄電池と接続される充電電源として、太陽光発電電力と外部商用電力を説明するが、これ以外の電力源、例えば風力発電電力等であってもよい。また、蓄電池と接続される放電負荷として、工場設備、電子機器、照明装置を述べるが、これは多様な負荷の例示であって、これら以外の電力消費負荷であってもよい。

　以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

　図１は、蓄電池の保護システム１０の構成を説明する図である。この蓄電池の保護システム１０は、蓄電池４０と、充電電源１２，１４と、放電負荷１６，１７，１８との間の充放電制御を行う際に、蓄電池４０が過充電、過放電とならないように保護するシステムである。

　充電電源１２，１４として、光電変換モジュール１２と、外部商用電源１４を含む。光電変換モジュール１２は、複数の光電変換素子を組み合わせた光電変換モジュールである。光電変換モジュールを用いた場合の特徴としては、自然条件によって発電電力値が変動し、供給電力値を一定値とすることが難しく、また短時間で大きな電力変動が起こることである。外部商用電源１４は、単相または三相の交流電力源であり、電力需給の変動に合わせて、水力発電、原子力発電、火力発電等の様々な発電方式で発電された電力を組み合わせて、外部の電力会社から供給される。

　放電負荷１６，１７，１８は、ここでは工場設備１６、パーソナルコンピュータ等の電子機器１７、照明装置１８が図示されている。工場設備１６としては、機械設備の他、工場内空調、厨房器具、工場内照明装置、事務機器等を含む。このように、放電負荷１６，１７，１８は、コンセント等に接続することができる多様な電力消費機器を含む。負荷側電力の特徴は、稼動状況によって電力値が変動し、消費電力値を一定値とすることが難しく、急激な電力変動が生じる可能性があることである。また、これらシステムでは蓄電池の蓄電電力が不足した場合には商用電力からの電力供給に切り替える必要がある。逆に商用電力からの供給状態から蓄電池からの電力供給に切り替える必要がある。これらの場合にも大きな電力変動が生じる。

　充電電源１２，１４とスイッチ回路装置３０との間に設けられる充電電源側電力変換器２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ光電変換モジュール１２、外部商用電源１４と蓄電池４０との間の電力変換を行う。具体的には、充電電源側電力変換器２０Ａ，２０Ｂは、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータであり、実際に行われる変換の内容に応じて、用いられるコンバータの種類が選択される。なお、光電変換モジュール１２と蓄電池４０との間に設けられた充電電源側電力変換器２０Ａは省略することも可能である。

　放電負荷１６，１７，１８とスイッチ回路装置３０との間に設けられる放電負荷側電力変換器２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、蓄電池４０の電圧と放電負荷１６，１７，１８の電圧との間の電力変換を行う機能を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータであり、負荷に合わせて適切なものを設置する。また、負荷の種類や電圧によってはＤＣ／ＤＣコンバータを省略することも可能である。

　蓄電部４０は、複数のリチウムイオン電池セルを組み合わせたものである。本実施例では、定格４８Ｖとなるようにリチウムイオン電池セルを複数本直列に接続するとともに、定格１．５７ｋＷｈとなるようにリチウムイオン電池セルを並列接続した蓄電池パックを用いている。上記蓄電池パックを複数組み合わせて、所望のシステム構成を行う。

　一例としては、１００Ｖ－９ｋＷ程度のシステム構成とする場合には、上記蓄電池パックを２直列・３並列接続する。なお、スイッチ回路には複数の蓄電部を接続可能なように構成されており、スイッチ２８に相当する複数のスイッチが並列に接続されている。そのため、３並列の蓄電池パックは、それぞれのスイッチに1並列ずつ接続してもよく、３並列の状態で1つのスイッチに接続してもよい。

　スイッチ回路装置３０は、ここでは、ＦＥＴ等の素子からなる３つのスイッチ２４，２６，２８を含む回路装置である。３つのスイッチ２４，２６，２８の内で、スイッチ２４，２８は、蓄電池４０と充電電源１２，１４との間の接続または遮断を行う機能を有する。スイッチ２６，２８は、蓄電池４０と放電負荷１６，１７，１８との間の接続または遮断を行う機能を有する。通常、これらのスイッチ２４，２６，２８のオンオフは、コントローラ５０の制御の下で行われる。なお、スイッチ２４、２６、２８は電圧制御電子スイッチ、電流制御型電子スイッチなどのスイッチ回路でもよい。

　スイッチ回路装置３０と蓄電池４０の間に設けられる遮断装置７０は、蓄電池４０と充電電源１２，１４との間の接続、あるいは蓄電池４０と放電負荷１６，１７，１８との間の接続を遮断することができる開閉手段である。遮断装置７０の動作は、手動による開閉以外は、コントローラ５０の制御の下で行われる。

　遮断装置７０と、スイッチ回路装置３０に含まれるスイッチ２８との間の相違は以下の通りである。すなわち、スイッチ２８は、スイッチングトランジスタ（またはＦＥＴ）が用いられ、スイッチングトランジスタのオンオフ動作によって、蓄電池４０の充放電に関する接続と遮断を電気信号によって可逆的に行うことができる。これに対し、遮断装置７０は、電磁力により開閉するブレーカーであって、通常は接続状態とされ、緊急時等に、遮断が行われる。一旦遮断が行われると、その復帰は手動で行われ、その意味で、電気的には不可逆的な開閉手段である。

　スイッチ回路装置３０と遮断装置７０との間に直列接続されて配置されるシャント抵抗７２は、蓄電池４０に流れる充放電電流の大きさと方向とを検出する電流検出抵抗素子である。ここでは、特に、電流の流れる方向で、蓄電池４０に流れる電流が充電電流か放電電流かを区別する電流方向検出手段としての機能を有する。

　表示装置７４は、スイッチ回路装置３０に含まれる３つのスイッチ２４，２６，２８のオンオフ状態表示７６と、蓄電池４０の稼動状態表示７８とをランプの点灯によって表示する表示盤である。ここでは、３つのスイッチ２４，２６，２８をそれぞれＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３として、オンのときはランプ点灯、オフのときはランプ消灯でそのオンオフ状態を表示する。また、シャント抵抗７２の検出結果に基づき、蓄電池４０に充電電流が流れるときは、充電中ランプが点灯し、放電電流が流れるときは放電中ランプを点灯する。蓄電池４０に電流が流れないときは、充電中ランプも放電中ランプも消灯する。

　表示装置７４において、３つのスイッチのオンオフ状態表示７６によって、蓄電池４０の充電可能、放電可能、充放電可能、充放電不可能の状態を知ることができる。すなわち、スイッチ２８のオンオフを示すＳＷ３が点灯しているとき、さらにスイッチ２４のオンオフを示すＳＷ１が点灯して、スイッチ２６のオンオフを示すＳＷ２が消灯のときは、充電可能である。ＳＷ３が点灯しているときに、さらにＳＷ２が点灯、ＳＷ１が消灯のときは放電可能である。ＳＷ３が点灯しているときに、さらにＳＷ１もＳＷ２も点灯のときは充放電可能である。少なくともＳＷ３が消灯しているときは、充放電不可能である。

　表示装置７４において、充電中ランプと放電中ランプの蓄電池４０の稼動状態表示７８によって、蓄電池４０が実際に充電中か放電中かを知ることができる。３つのスイッチのオンオフ状態において、スイッチ２８がオンでスイッチ２４がオンであれば充電可能であるが、その場合でも蓄電池４０の充電状態や充電電源１２，１４の状態によっては、充電していないことがある。例えば、光電変換モジュール１２が発電していない場合等である。逆にスイッチ２８がオンでスイッチ２６がオンであれば放電可能であるが、蓄電池４０の充電状態や放電負荷１６，１７，１８によっては、放電していないことがある。例えば、放電負荷１６，１７，１８が稼動していない場合等である。スイッチ２８がオンで、スイッチ２４もスイッチ２６もオンのときは充放電可能であるが、このとき蓄電池４０は必ずしも充電または放電状態であるとは限らず、充電電源１２，１４の電力供給状態と放電負荷１６，１７，１８の電力消費状態によっては、蓄電池４０が充電も放電も行っていないことがある。

　このように、充電電源１２，１４の供給電力値が一定でなくて変動し、放電負荷１６，１７，１８の消費電力値が一定でなくて変動するときは、３つのスイッチのオンオフ状態表示７６のみでは蓄電池４０を含む充放電状態の実際の把握が十分に行えない。表示装置７４では、３つのスイッチのオンオフ状態表示７６に加えて、蓄電池４０の稼動状態表示７８が設けられるので、蓄電池４０を含む実際の充放電状態を把握できる。これによって、充電可能状態で過充電のとき、放電可能状態で過放電の時などを的確に把握でき、これらの状況に適切に対応することが可能になる。

　さらに、例えば、３つのスイッチが全てオフになっていると表示され、蓄電池４０が充放電停止状態にあると考えられるにも関わらず、シャント抵抗７２において電流が検出される場合がある。このような場合、蓄電池４０は充電あるいは放電状態であり、すなわち、３つのスイッチの全てあるいはいずれかが破損している、あるいは、所定の動作をしていないと判断することができる。

　コントローラ５０は、蓄電池４０の充放電を適切なものとするために、スイッチ回路装置３０に含まれるスイッチ２４，２６，２８のオンオフを制御する機能を有する。すなわち、蓄電池４０が予め定めた電圧範囲にあるときは、スイッチ２４とスイッチ２８を共にオンとすることで、充電電源１２，１４によって蓄電池４０を充電することを可能とする。また、スイッチ２６とスイッチ２８を共にオンとすることで、蓄電池４０から放電負荷１６，１７，１８に電力を供給することを可能とする。一方、蓄電池４０の電圧が所定の範囲外にあるときには、スイッチ２４をオフとし充電を停止する、あるいはスイッチ２６をオフとし放電を停止するなど、所定のシーケンスに従い制御する。また、緊急時等には、所定のシーケンスに従い、遮断装置７０を遮断状態にする。

　このように、コントローラ５０は、蓄電池４０の電圧状態などに応じて、スイッチ回路装置３０と遮断装置７０の動作をソフト的に制御する。そのために、コントローラ５０は、蓄電池４０の電圧状態を監視する機能を有する。

　図２は、蓄電池４０の電圧状態を監視して、蓄電池４０が過充電、過放電とならないようにする電圧保護の様子を説明する図である。破線枠で囲んだ図は、縦軸に蓄電池４０の電圧をとって、蓄電池４０の電圧保護が行われる電圧の値を概念的に示したものである。電圧の縦軸の上側の方が高電圧側で、蓄電池４０からいえば過充電側であり、下側の方が低電圧側で蓄電池４０からいえば過放電側である。なお、ここでいう電圧とは測定電圧値そのものだけではなく、電圧に準じる指標を用いて設定されたものでもよい。例えば、蓄電量と電圧とには相関があるため、蓄電量を蓄電池４０に対する保護を行うための指標としてもよい。

　電圧の縦軸において、Ｖ_UとＶ_Lの間が可動電圧範囲４４である。ここで可動電圧範囲とは、システム設計者が任意に定めた電圧範囲であり、蓄電池の寿命などを考慮して蓄電池自体の動作可能電圧範囲よりも狭い範囲で設定されている。この可動電圧範囲４４の内側と外側に、数段階の保護閾値電圧が設定される。保護閾値電圧の設定は、可動電圧範囲４４の高電圧側に過充電保護用、低電圧側に過放電保護用としてそれぞれ行われる。過充電保護用も過放電保護用も、その内容はほぼ同じであるので、以下では、特に断らない限り、過充電側に代表させることにして説明を続ける。

　可動電圧範囲４４の上限であるＶ_Uの外側に設定されるＶ_1(C)は、第１保護閾値電圧である。Ｃは充電を意味するＣｈａｒｇｅの略である。なお、過放電側に同様に設定される第１保護閾値電圧Ｖ_1(D)のＤは、放電を意味するＤｉｓｃｈａｒｇｅの略である。

　第１電圧検出器６１は、第１保護閾値電圧について、蓄電池４０の電圧が第１保護閾値電圧を超えたときに第１検出信号を出力する電圧検出手段である。ここで、第１電圧検出器６１は、蓄電池４０の電圧値に基づき、蓄電池４０と充電電源または放電負荷との接続を直接的に遮断するハード的電圧検出手段である。第１電圧検出器６１は、例えば、蓄電池電圧４０自体あるいは分圧された電圧が所定値を超えた場合に動作するリセットＩＣを用いていて構成される。このハード的電圧検出手段が動作することで、リセットＩＣに接続されたフォトカプラーが動作し、スイッチ２８を構成するＦＥＴの制御部端子と基準電圧部とが接続され上記ＦＥＴがオフとなる。なお、リセットＩＣおよびフォトカプラーの素子群がハード的電圧検出手段である。

　可動電圧範囲４４の上限であるＶ_Uに対し、第１保護閾値電圧Ｖ_1(C)よりもさらに外側に設定されるＶ_2(C)は、第２保護閾値電圧である。

　第２電圧検出器６２は、第２保護閾値電圧について、蓄電池４０の電圧が第２保護閾値電圧を超えたときに第２検出信号を出力する電圧検出手段である。ここで、第２電圧検出器６２は、蓄電池４０の電圧値をデータとして、そのデータをＣＰＵ等にて処理し、処理結果に応じて蓄電池４０と、充電電源または放電負荷との接続を遮断するソフト的電圧検出手段である。図２では、そのことを示すために、蓄電池４０の電圧データに関する信号処理部６４が概念的に図示されている。第２電圧検出器６２は、例えば、蓄電池電圧あるいは蓄電量が所定値よりも高いと判断された場合に、遮断装置７０を遮断させる。

　このようにすることで、蓄電池４０が充電によって可動電圧範囲４４よりも高電圧側に移動するときに、まず、ハード的電圧検出手段である第１電圧検出器６１によって第１保護閾値電圧Ｖ_1(C)を超えたか否かが判断され、超えるときに第１検出信号を出力する。この第１検出信号に基づいて、ＣＰＵを介さずに、直接スイッチ２８をオフして充電を止める処理を行う。

　さらに蓄電池４０の電圧が上昇すると、次にソフト的電圧手段である第２電圧検出器６２によって第２保護閾値電圧Ｖ_2(C)を超えたか否かが判断され、超えるときに第２検出信号を出力する。この第２検出信号に基づいて、コントローラ５０から遮断装置７０を遮断するための制御信号が出され、充電を止める処理を行う。

　第１電圧検出器６１はハード的電圧検出を行うため、蓄電池４０の電圧が瞬間的に第１保護閾値電圧Ｖ_1(C)を超えた場合でも、電圧検出信号を出し、かつ、ＣＰＵなどを介さずに直接的に電路遮断を行う。

　一方で、第２電圧検出器６２によるソフト的電圧検出はＣＰＵによる信号処理を経る。このため、蓄電池の電圧値だけでなく、蓄電池の温度等、他の情報も併せて考慮し、充放電を停止できることや、任意の数値を閾値として規定できるなどの利点がある反面、ＣＰＵにおける処理に起因する遅延や誤判断が生じ得る。また、ＣＰＵのクロックタイミングに基づいた電圧検出を行うことなどから、蓄電池４０の電圧値の変動幅が大きく、電圧が瞬間的に所定値を超えた場合などにおいて、電圧検出の精度がハード的電圧検出よりも低くなる。

　しかし、第２電圧検出器６２は、その検出結果に基づいて、ハード的電圧検出を行う第１電圧検出器６１の動作が正常か否かを判断することができる。つまり、第２電圧検出器６２は、蓄電池４０の電圧が第２保護閾値電圧に達したときに第２検出信号を出力するよう設定されている。ここで、第２保護閾値電圧は、第１電圧検出器６１が第１検出信号を出力すべき第１保護閾値電圧よりも高い値であるため、この時点では第１電圧検出器６１は本来、第１検出信号を出力し、蓄電池４０への充電は停止されていなければならない。にもかかわらず、蓄電池４０の電圧は第１保護閾値電圧を超えて第２保護閾値電圧に達したことは、第１電圧検出器６１が何らかの不具合により動作していないことを示す。

　第２電圧検出器６２はＣＰＵよる信号処理によって判断を行うことができるため、第２検出信号を出力するとともに、第１電圧検出器６１に不具合が存在することを使用者に通知することができる。つまり、第２電圧検出器は蓄電池４０の電圧が第２保護閾値電圧に達したか否かによって、第１電圧検出器６１の動作が正常か否かを判断することができる。

　また、ソフト的電圧検出手段により検出された電圧が第１保護閾値電圧を超えており、かつ第２保護閾値電圧に継続して近づきつつあると判断される場合には、第２保護閾値電圧に到達する前に、ハード的保護回路が異常であると判断し、ソフト的保護機構を動作させてもよい。この場合、第２保護閾値電圧になる前に保護機構が動作するのでより安全なシステムとなる。

　このほか、蓄電池４０の充放電電流値に限らず、第１電圧検出器６１の動作状況を示す様々な信号によって、制御部に第１電圧検出器６１の動作が正常であるか否かを判断させることができる。例えば、第１電圧検出器６１から第１電圧検出器６１自体の動作状況を示す信号を制御部に対して出力させてもよい。このように、ソフト的電圧検出手段はハード的電圧検出手段の動作チェックが可能である。そこで、蓄電池４０の過充電保護のためには、低電圧側にハード的電圧検出手段を設け、それより高電圧側にソフト的電圧検出手段を設ける。なお、過放電保護の場合には、高電圧側にハード的電圧検出手段を設け、それより低電圧側にソフト的電圧検出手段を設ける。

　また本構成において、第１電圧検出器６１は、スイッチ２８を構成するＦＥＴの制御部端子に基準電圧を供給することによりスイッチ２８をオフする。また、第１電圧検出器６１からの第１検出信号がなくなった場合などに、基準電圧の供給を止めることでスイッチ２８を再びオンすることができる。このことから、第１電圧検出器６１の遮断動作は可逆的であり、異常状態が解消されれば蓄電池４０は充放電動作に復帰できる。

　上述のとおり、蓄電池４０の電圧変動が大きい場合、第２電圧検出器６２による電圧検出の精度は低くなる。そのため、可逆的な遮断動作を行う第１電圧検出器６１にかかる第１保護閾値電圧を、第２保護閾値電圧よりも内側に設けることで、第２検出信号の誤検出によって不可逆的な遮断である遮断装置７０が動作することを抑制できる。

　特に、可動電圧範囲を蓄電池４０自体の動作可能範囲の内側に規定したシステムにおいては、可動電圧範囲の上限と第２保護閾値電圧との間に余裕を設けることができ、誤検出を抑制することができるとともに、蓄電池４０の寿命を延ばすことができる。

　可動電圧範囲４４に対し第２保護閾値電圧Ｖ_2(C)よりもさらに外側に設定されるＶ_3(C)は、第３保護閾値電圧である。

　第３電圧検出器６３は、第３保護閾値電圧について、蓄電池４０の電圧が第３保護閾値電圧を超えたときに第３検出信号を出力する電圧検出手段である。ここで、第３電圧検出器６３は、第１電圧検出器６１と同様に、ハード的電圧検出手段が用いられる。第３検出信号が出力されると、その検出信号を、ＣＰＵなどを介さずに直接遮断装置７０に送ることよって蓄電池４０の充放電電流が強制的に遮断される。例えば、第3電圧検出器はリセットＩＣとフォトカプラーで構成されており、これらが動作することで、遮断装置７０に対して電圧が印加されるようになる。この電圧印加により、遮断装置７０内に設けたコイル部分に電流が流れ、このコイル部分が電磁石として動作することで遮断装置７０内のスイッチが動作し、遮断装置７０による電路遮断を行う。

　このように、電気的に不可逆的遮断手段である遮断装置７０は、電気信号で可逆的にオンオフするスイッチ２８に比べて、蓄電池４０の電圧がより過充電側あるいは過放電側に達した時に動作するようにしている。なお、遮断装置７０の動作は第２電圧検出器と第３電圧検出器のいずれかにより動作するようにしているが、例えば第３電圧検出器による動作は省略してもよい。この場合、第３電圧検出器により動作する別のハード保護を設けてもよい。また、逆に第３電圧検出器による遮断装置７０の制御を設けたうえで、それに加えて、別のハード保護を第３電圧検出器よりも過充電側あるいは過放電側に設けてもよい。別のハード保護としては、例えば、蓄電池と主電源または負荷の間に過電圧で遮断するヒューズの設置や、蓄電池内で発生したガスの圧力を利用して安全弁を開放することで蓄電池の蓄電機能を停止させる機構などがある。

　また、第２保護閾値電圧と第３保護閾値電圧との間に、中間的保護閾値電圧を設定することができる。例えば、第３保護閾値電圧の手前に、第４保護閾値電圧を設定し、蓄電池４０の電圧がこの第４保護閾値電圧を超えるか否かをソフト的電圧検出器で検出して、超えるときに第４検出信号を出力し、その信号で遮断装置７０を作動させるものとしてもよい。すなわち、第３保護閾値電圧の手前に第２保護閾値電圧と第４保護閾値電圧を用いて判断するソフト的電圧保護を設ける。この際に、第2電圧検出回路を第4電圧検出回路は異なる手法で検出するようにし、ソフト的検出の誤差を抑制するようにすることが望ましい。例えば、異なる回路構成としてもよく、同一の構成ではあるがクロックタイミングの異なる方式としてもよい。

　さらに、第１保護閾値電圧の内側に保護閾値電圧を設定し、ソフト的電圧検出器にて電路遮断を行ってもよい。図２では、可動電圧範囲４４の内側、すなわち低電圧側に、内側閾値電圧Ｖ_0(C)が設けられる様子が示される。蓄電池４０の電圧がこの内側閾値電圧よりも内側の電圧から外側の電圧に向けて移動して内側閾値電圧を超えたことを検出する電圧検出手段である。蓄電池４０の電圧が内側閾値電圧を超えたときに、内側電圧検出信号が出力される。内側電圧検出器６０は、第２電圧検出器６２と同様に、信号処理部６４による処理結果に応じて、蓄電池４０と、充電電源または放電負荷との接続を遮断するソフト的電圧検出器であるが、第２電圧検出器６２とは異なり、スイッチ２８をＯＦＦするなど、可逆的な遮断を行う。

　また、各検出器における閾値電圧は以下のように設定することが考えられる。例えば、動作可能電圧の上限が４．２Ｖである蓄電池４０の可動電圧範囲の上限を４Ｖまでとしたシステムにおいて、寿命などを考慮して、蓄電池４０の通常使用範囲を満充電容量の９０％（以下ではＳＯＣ９０％と表現する）までとしてもよい。なお、ＳＯＣ９０％とは、３Ｖ～４Ｖを蓄電池４０の可動電圧範囲と規定した場合に、充電可能な蓄電容量の９０％に相当するものであり、例えば３．９Ｖに相当する。なお、ＳＯＣの算出方法として充放電電流量から換算する手段などがあるが、ＳＯＣの基準となる数値は、例えばＳＯＣ１００％は４Ｖとすると規定していることが多く、ＳＯＣは電圧に準じる指標である。

　そこで、Ｖｏ（ｃ）に相当する数値としてＳＯＣ９０％を採用し、ＳＯＣ９０％を超えたらソフト的制御によりスイッチ２８を可逆的にオフにする。そして４Ｖあるいはそれ以上の電圧において、第1電圧閾値を設定してもよい。また、Ｖｏ（ｃ）に相当する数値としてＳＯＣ１００％に相当する電圧値を採用し、さらに第２のＶｏ（ｃ）として４Ｖを採用するなど、異なる手段を用いて、複数の内側閾値電圧を採用してもよい。さらに、Ｖｏ（ｃ）と第1電圧閾値を同一としてもよい。

　本発明に係る蓄電池の保護システムは、蓄電池の充放電制御システムに利用することができる。

　１０　保護システム、１２，１４　充電電源（１２　光電変換モジュール、１４　外部商用電源）、１６，１７，１８　放電負荷（１６　工場設備、１７　電子機器、１８　照明装置）、２０（２０Ａ，２０Ｂ）　充電電源側電力変換器、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）　放電負荷側電力変換器、２４，２６，２８　スイッチ、３０　スイッチ回路装置、４０　蓄電池、４４　可動電圧範囲、５０　コントローラ、６０　内側電圧検出器、６１　第１電圧検出器、６２　第２電圧検出器、６３　第３電圧検出器、６４　信号処理部、７０　遮断装置、７２　シャント抵抗、７４　表示装置、７６　オンオフ状態表示、７８　稼動状態表示。

Claims

　蓄電池に予め定められる可動電圧範囲の外側の第１保護閾値電圧について、前記蓄電池の電圧が前記第１保護閾値電圧を超えたときに第１検出信号を出力する第１電圧検出手段と、
　前記可動電圧範囲に対し前記第１保護閾値電圧よりもさらに外側の第２保護閾値電圧について、前記蓄電池の電圧が第２保護閾値電圧を超えたときに第２検出信号を出力する第２電圧検出手段と、
　を備え、
　前記第１電圧検出手段は、前記蓄電池の電圧値によって動作するハード的電圧検出手段であり、
　前記第２電圧検出手段は、前記蓄電池の電圧値に関係する信号を用いるソフト的電圧検出手段であることを特徴とする蓄電池の保護システム。
　請求項１に記載の蓄電池の保護システムにおいて、
　前記第２電圧検出手段である前記ソフト的電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記第１電圧検出手段である前記ハード的電圧検出手段の動作が正常か否かを判断する判断手段を備えることを特徴とする蓄電池の保護システム。
　請求項２に記載の蓄電池の保護システムにおいて、
　前記蓄電池の充放電について、可逆的なオンオフを行うことができるオンオフ手段と、
　前記第２保護閾値電圧を超えたことを検出する信号に基づいて、前記オンオフ手段を作動させて前記蓄電池の充放電を停止させるオンオフ手段作動手段と、
　前記可動電圧範囲に対し前記第２保護閾値電圧よりもさらに外側の第３保護閾値電圧について、前記蓄電池の電圧が前記第３保護閾値電圧を超えたときに第３検出信号を出力する電圧検出手段と、
　前記蓄電池の充放電について、不可逆的な遮断を行うことができる遮断手段と、
　前記第３保護閾値電圧を超えたことを検出する信号に基づいて、前記遮断手段を作動させて前記蓄電池の充放電を停止させる遮断手段作動手段と、
　を備えることを特徴とする蓄電池の保護システム。
　請求項１乃至３のいずれか１に記載の蓄電池の保護システムにおいて、
　前記蓄電池の前記可動範囲の内側に設定される内側閾値電圧について、前記蓄電池の電圧が前記内側閾値電圧よりも内側の電圧から外側の電圧に向けて移動して前記内側閾値電圧を超えたときに、内側電圧検出信号を出力する内側電圧検出手段を備えることを特徴とする蓄電池の保護システム。
　蓄電池に対する充電電流を供給する充電電源に流れる電流をオンオフする第１スイッチと、
　前記蓄電池からの放電電流を消費する放電負荷に流れる電流をオンオフする第２スイッチと、
　前記蓄電池を流れる電流の向きを検出する電流方向検出手段と、
　前記第１スイッチのオンオフ状態表示と、前記第２スイッチのオンオフ状態表示と、前記電流方向検出手段の検出結果に基づいて表示される充電状態表示または放電状態表示と、を含み、充放電可能状態と充放電実施状態とを合わせて表示する表示部と、
　を備えることを特徴とする蓄電池の保護システム。