WO2017145614A1 - 電源システム - Google Patents

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WO2017145614A1
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power supply
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湯郷　政樹
誠人 西川
Original Assignee
三洋電機株式会社
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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a multi-parallel power supply system in which one or multiple series cells are connected in parallel.
  • hybrid vehicles HV
  • plug-in hybrid vehicles PSV
  • electric vehicles EV
  • a configuration in which a fuse is connected to each cell or a multi-series cell is common (see, for example, Patent Document 1).
  • a multi-parallel power supply system when one cell or a multi-series cell is short-circuited, there is a risk of smoking and ignition due to a sneak current from another parallel-connected cell or another multi-series cell.
  • a fuse when a certain one or multi-series cell is short-circuited, the fuse connected in series with the cell is blown, and the sneak current can be cut off.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a technique for reducing cost while protecting a circuit from overcurrent in a multi-parallel power supply system.
  • a power supply system includes a series circuit including one or a plurality of cells connected in series and a current interrupting element connected in series to the one or more cells. Are provided with a parallel circuit connected in parallel. When an overcurrent flows from the outside to the parallel circuit, the plurality of current interrupting elements provided in parallel interrupt the current paths in a predetermined order.
  • FIG. 3A to 3D are diagrams for explaining the fusing characteristics of the main fuse, the first fuse to the third fuse, and the behavior at the time of external short circuit.
  • FIG. 3A to 3D are diagrams for explaining the fusing characteristics of the main fuse, the first fuse to the third fuse, and the behavior at the time of external short circuit.
  • the fuse for an internal short circuit has the suppression effect of an overcurrent increase at the time of an external short circuit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration example of an in-vehicle power supply system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the power supply system 1 is a power storage system that stores electric power to be supplied to the motor 3.
  • the power supply system 1 is provided in the vehicle separately from a 12V secondary battery (usually a lead battery is used) for auxiliary equipment.
  • the inverter 2 converts the DC power supplied from the power supply system 1 into AC power and supplies it to the motor 3 during power running.
  • AC power supplied from the motor 3 is converted to DC power and supplied to the power supply system 1.
  • a three-phase AC synchronous motor is used as the motor 3.
  • the motor 3 rotates based on the electric power supplied from the inverter 2 to drive the vehicle.
  • the regeneration mode power is generated by the rotation based on the deceleration energy of the vehicle, and the power supply system 1 is charged via the inverter 2.
  • the power supply system 1 includes a plurality of power storage modules connected in series (the first power storage module 11 and the second power storage module 12 in FIG. 1), a control circuit 20, a positive side contactor RY1, a negative side contactor RY2, a precharge resistor Rp, A precharge contactor RYp, a current sensor CT1, and a main fuse Fm are provided.
  • the first power storage module 11 includes a parallel circuit in which a plurality of cells connected in series and a series circuit in which fuses are connected in series are connected in parallel.
  • a first series circuit in which a plurality of cells S11-S1n and a first fuse F1 are connected in series
  • a second series circuit in which a plurality of cells S21-S2n and a second fuse F2 are connected in series
  • a plurality of cells In the example, three series circuits of a third series circuit in which S31-S3n and a third fuse F3 are connected in series are connected in parallel.
  • the cell can be a lithium ion battery cell, a nickel metal hydride battery cell, an electric double layer capacitor cell, a lithium ion capacitor cell, or the like.
  • a lithium ion battery cell nominal voltage: 3.6-3.7 V
  • the number of cells connected to each series circuit is not limited to a plurality, and may be one.
  • the number of parallel is not limited to 3, and may be 2 or 4 or more.
  • the second power storage module 12 has the same configuration as the first power storage module 11.
  • the number of power storage modules connected in series is not limited to two, and may be one or three or more.
  • the positive side contactor RY1 is inserted between the positive wiring connected to the outside and the positive wiring connected to the positive terminals of the plurality of power storage modules 11 and 12 (in FIG. 1, the positive terminals of the first power storage module 11).
  • the negative electrode side contactor RY2 is inserted between the negative wiring connected to the outside and the negative wiring connected to the negative terminals of the plurality of power storage modules 11 and 12 (in FIG. 1, the negative terminal of the second power storage module 12).
  • a precharge circuit is connected in parallel with the positive side contactor RY1.
  • the precharge circuit has a precharge resistor Rp and a precharge contactor RYp connected in series.
  • a large relay can be used for the positive contactor RY1, the negative contactor RY2, and the precharge contactor RYp.
  • the precharge contactor RYp is closed before the positive electrode side contactor RY1 is closed together with the negative electrode side contactor RY2, and charges a precharge capacitor (not shown) connected in parallel with the motor 3. Thereafter, the positive electrode side contactor RY1 is closed, and power supply to the motor 3 is started. The inrush current to the motor 3 can be suppressed by this control procedure. Thereafter, the precharge contactor RYp is opened.
  • the current sensor CT1 and the main fuse Fm are inserted on the current path connecting the first power storage module 11 and the second power storage module 12 in series.
  • the current sensor CT1 detects the value of the current flowing through the current path and outputs it to the control circuit 20.
  • a clamp-type current sensor, a current sensor using a shunt resistor, a current sensor using a Hall element, or the like can be used as the current sensor CT1.
  • the main fuse Fm is blown when a large current of a specified value or more flows, and interrupts the current path.
  • the control circuit (also referred to as a battery ECU) 20 manages and controls the first power storage module 11 and the second power storage module 12.
  • the control circuit 20 acquires the value of the current flowing through the first power storage module 11 and the second power storage module 12 connected in series from the current sensor CT1. Further, the control circuit 20 acquires the voltage value and the temperature value detected by the voltage sensor (not shown) and the temperature sensor (not shown) in the first power storage module 11 and the second power storage module 12.
  • the control circuit 20 generates an abnormality (for example, overvoltage, undervoltage, overcurrent) in at least one of the first power storage module 11 and the second power storage module 12 based on the acquired current value, voltage value, and temperature value. If so, the positive contactor RY1 and the negative contactor RY2 are opened (turned off).
  • an abnormality for example, overvoltage, undervoltage, overcurrent
  • the first fuse F1 included in the first power storage module 11 is connected to the second fuse 2-1 connected in parallel when the 1-1st cell S11 to the 1st-n cell S1n (hereinafter referred to as the first cell group) are short-circuited.
  • the first fuse F1 to the sixth fuse F6 are inserted in order to protect the cell group when the cell group is internally short-circuited.
  • the main fuse Fm is melted by an overcurrent flowing through the entire power supply system 1 to protect the first power storage module 11 and the second power storage module 12. That is, the main fuse Fm is inserted in order to cut off the overcurrent generated when the load is short-circuited externally. Since the overcurrent generated at the time of the external short circuit is larger than the overcurrent generated at the time of the internal short circuit of the cell, the size of the main fuse Fm is larger than the sizes of the first fuse F1 to the sixth fuse F6.
  • FIG. 2 is a diagram showing the behavior of overcurrent that occurs when an external short circuit occurs in the power supply system 1 of FIG.
  • the resistance of the entire power supply system 1 is R
  • the internal resistance of the first cell group is R1
  • the voltage between the first cell groups is Vma1
  • the current flowing through the first cell group is I1
  • the internal resistance of the second cell group is R2
  • the voltage between the second cell groups is Vma2
  • the current flowing through the second cell group is I2
  • the internal resistance of the third cell group is R3, the voltage between the third cell groups is flowing through Vma3, and the third cell group
  • the current is I3, the voltage between the first power storage modules 11 is Va
  • the voltage between the second power storage modules 12 is Vb.
  • Va Vma1 + R1 ⁇ I1 (1)
  • the short-circuit current that flows through the power supply system 1 when an external short circuit occurs is defined by the following equation (2).
  • fuses having the same specifications are used for the first fuse F1 to the third fuse F3. Accordingly, the fusing characteristics of the fuse are the same.
  • the fusing characteristic is defined by a characteristic curve of fusing current-fusing time. Even if the fuses have the same fusing characteristics, there are variations in the elements and the environment. Therefore, even when the same overcurrent flows through the first fuse F1 to the third fuse F3, the fusing timing varies. It is basically unknown which fuse blows first and in what order.
  • the wire harnesses of the first series circuit, the second series circuit, and the third series circuit were all the same specification, and the bus bars connecting the wire harnesses were all the same specification. Further, since it is not known which of the first fuse F1 to the third fuse F3 remains until the end when an overcurrent flows through the entire first power storage module 11, the smoke generation characteristics of all the wire harnesses and all the bus bars are It was necessary to determine in consideration that an overcurrent flows in the series circuit for a predetermined time.
  • the first fuse F1 to the third fuse F3 so that the first fuse F1 to the third fuse F3 are blown in a predetermined order.
  • the fusing characteristics are designed to have different values. For example, the fusing characteristics are designed to be lower in the order of the third fuse F3, the second fuse F2, and the first fuse F1 so that the third fuse F3, the second fuse F2, and the first fuse F1 are blown in this order.
  • the third series circuit ⁇ the second series circuit since it is known in advance that the current path is cut off in the order of the third series circuit ⁇ the second series circuit ⁇ the first series circuit when an overcurrent flows through the entire first power storage module 11, the third series circuit ⁇ the second series circuit
  • the specification of the wire harness can be lowered in the order of 2 series circuit ⁇ first series circuit.
  • the wire harness used in the third series circuit can be made thinner.
  • the wire harness with the lowest heat-resistant temperature can be used for the wire harness used for the third series circuit.
  • an aluminum or aluminum alloy wire harness can be used for the wire harness used for the third series circuit.
  • a bus bar for connecting the electrode terminal of the first series circuit and the electrode terminal of the second series circuit (hereinafter referred to as the first bus bar), and a bus bar for connecting the electrode terminal of the second series circuit and the electrode terminal of the third series circuit (hereinafter referred to as the first bus bar).
  • the specification of the second bus bar can also be designed individually. When the junction where the entire current of the first power storage module 11 flows in / out is installed between the electrode terminal of the first series circuit and the electrode terminal of the second series circuit, the specification of the second bus bar is the same as that of the first bus bar. Can be lower than the specification. For example, the second bus bar can be made thinner than the first bus bar.
  • the specification of the first bus bar can be lowered from the specification of the second bus bar.
  • the specification of a 2nd bus bar can be lowered
  • FIG. 3A to 3D are diagrams for explaining the fusing characteristics of the main fuse Fm, the first fuse F1 to the third fuse F3, and the behavior at the time of external short circuit.
  • FIG. 3A shows an example of fusing characteristics and behavior according to a comparative example.
  • the first fuse F1 to the third fuse F3 have the same fusing characteristics
  • the main fuse Fm has a larger capacity than the first fuse F1 to the third fuse F3.
  • the main fuse Fm is blown, and the remaining fuses are not blown.
  • the main fuse Fm is blown first, and the first fuse F1 to the third fuse F3 are not blown.
  • FIG. 3B shows an example of the fusing characteristics and behavior according to the embodiment (state 1)
  • FIG. 3C shows an example of the fusing characteristics and behavior according to the embodiment (state 2).
  • FIG.3 (d) shows an example of the fusing characteristic and behavior which concern on embodiment (state 3).
  • the fusing characteristics are lowered in the order of the third fuse F3 ⁇ the second fuse F2 ⁇ the first fuse F1.
  • the fusing characteristic curve of the second fuse F2 is shifted downward with respect to the fusing characteristic curve of the first fuse F1, and the fusing characteristic curve of the third fuse F3 is further lowered.
  • the overcurrent I (I1 + I2) of the entire power supply system 1 is reduced, but flows to one series circuit constituting the parallel circuit of the first power storage module 11.
  • Overcurrents I1 and I2 increase. That is, at the moment when the third fuse F3 is blown, the voltage Vb of the second power storage module 12 increases and the voltage Va of the first power storage module 11 decreases.
  • Overcurrents I1 and I2 flowing through the first series circuit and the second series circuit increase.
  • the overcurrent flowing through one series circuit constituting the parallel circuit of the first power storage module 11 may decrease after the third fuse F3 is melted.
  • the increase in overcurrents I1 and I2 flowing through the first series circuit and the second series circuit causes the second fuse F2 having a fusing characteristic lower than that of the first fuse F1 to blow.
  • the overcurrent I (I1) of the entire power supply system 1 decreases, but the overcurrent I1 flowing through the first series circuit constituting the parallel circuit of the first power storage module 11 increases.
  • the first fuse F1 is blown by the increase in the overcurrent I1 flowing through the first series circuit.
  • the overcurrent of the whole power supply system 1 is interrupted.
  • the main fuse Fm is not blown. Accordingly, a circuit configuration in which the main fuse Fm is omitted is possible.
  • FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration in which the main fuse Fm is omitted from the power supply system 1 of FIG.
  • overcurrent is interrupted using the positive contactor RY1 and the negative contactor RY2 during an external short circuit. That is, the control circuit 20 opens the positive contactor RY1 and the negative contactor RY2 (turns off) when detecting an overcurrent generated at the time of an external short circuit based on the detection value of the current sensor CT1.
  • the response speed of the relays used for the positive side contactor RY1 and the negative side contactor RY2 is slower than the response speed of the fuses.
  • the first fuse F1 to the third fuse F3 work effectively even when an external short-circuit occurs, this delay The design is acceptable.
  • the fuse for internal short circuit becomes smaller, and the amount of current that can be cut off when one fuse is short-circuited externally becomes small. In that case, it is highly necessary to cut off the overcurrent generated when the main fuse Fm is externally short-circuited, and the main fuse Fm should not be omitted. Even in such a case, the internal short-circuit fuse exhibits an effect of suppressing the rate of current increase.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining that the internal short-circuit fuse has an effect of suppressing an increase in overcurrent when an external short circuit occurs.
  • time (t1) is the time when the first internal short-circuit fuse is blown
  • time (t2) is the time when the second internal short-circuit fuse is blown
  • time (t3) is the third time.
  • the time when the internal short-circuit fuse is blown is shown. It can be seen that the overcurrent increase rate is suppressed each time the internal short-circuit fuse is blown. That is, the slope of the increase in overcurrent that occurs at the time of an external short circuit becomes gentle with time. In a design in which multiple internal short-circuit fuses are all blown substantially simultaneously, the overcurrent increases more linearly. Therefore, in the design in which a plurality of internal short-circuit fuses are fused in a predetermined order, the fusing characteristics of the main fuse Fm can be lowered.
  • the order of fusing of the first fuse F1 to the third fuse F3 in the first power storage module 11 has been described.
  • the order of fusing of the first fuse F1 to the sixth fuse F6 included in the first power storage module 11 and the second power storage module 12 is the third fuse F3 ⁇ the sixth fuse F6 ⁇ the second fuse F2 ⁇ the fifth fuse.
  • each cell can be prevented from being in a reverse charge state, and smoke or fire can be prevented from being caused by reverse charge.
  • the order of fusing when overcurrent flows in the parallel circuit is controlled. be able to. Accordingly, the heat resistance characteristics of the wire harness and / or bus bar of each series circuit can be individually selected according to the fusing characteristics of each fuse, and the total cost of the wire harness and / or bus bar can be reduced. That is, by selecting optimum heat resistance characteristics for each wire harness and / or bus bar, overspec can be suppressed and costs can be reduced. In addition, since the weight of the wire harness and / or bus bar can be reduced, there is also an effect of improving fuel efficiency in in-vehicle use.
  • the main fuse Fm can be omitted or replaced with one having low fusing characteristics, and there are effects of cost reduction, weight reduction, and area saving.
  • a fuse is used as an overcurrent interruption element.
  • a semiconductor switch can be used instead of the fuse.
  • a power MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor
  • a power MOSFET and an overcurrent detection circuit are provided for each series circuit that forms a parallel circuit of the power storage module. When the overcurrent detection circuit detects that an overcurrent has flowed through the series circuit, the overcurrent detection circuit latches the power MOSFET in the off state.
  • FET response speed has evolved to a speed close to that of fuses, and has the same current blocking effect as fuses.
  • an FET does not need to be replaced after an overcurrent is interrupted, and can be reused if the overcurrent state is resolved.
  • a low-voltage FET When replacing the internal short-circuit fuse used in the parallel circuit with a FET, a low-voltage FET can be used, so introduction is easy. Further, since the FET has a small loss in the low voltage region, it can be introduced while suppressing a decrease in the efficiency of the entire power supply system 1. It is possible to replace the main fuse Fm with an FET, and in this case also, it is possible to enjoy the merit that it can be reused.
  • the example which uses the power supply system 1 for a vehicle power supply device was assumed in the above-mentioned embodiment, it is not limited to a vehicle-mounted application, but for other uses such as an aircraft power supply device, a ship power supply device, a stationary power storage system, Is also available.
  • a plurality of series circuits including one or a plurality of cells (S1 to Sn) connected in series and a current blocking element (F1) connected in series to the one or more cells (S1 to Sn) in parallel With connected parallel circuits, When an overcurrent flows from the outside to the parallel circuit, the plurality of current interrupting elements (F1 to F3) provided in parallel interrupt the current paths in a predetermined order. . According to this, an optimal wiring material can be selected for each series circuit, and cost reduction and weight reduction can be achieved.
  • the current interrupting elements (F1 to F3) are fuses (F1 to F3), When an overcurrent flows from the outside to the parallel circuit, the fusing characteristics of the plurality of fuses (F1 to F3) have different values so that the plurality of fuses (F1 to F3) provided in parallel are blown in a predetermined order.
  • Item 1 The power supply system (1) according to item 1, which is designed. According to this, an optimum wiring material can be selected for each series circuit having different fusing characteristics of the fuses (F1 to F3), and cost reduction and weight reduction can be achieved.
  • the current interrupting element is a semiconductor switch; When the overcurrent flows from the outside to the parallel circuit, a plurality of semiconductor switches provided in parallel are turned off in a predetermined order.
  • the power supply system (1) according to item 1, wherein the power supply system (1) is used. According to this, an optimal wiring material can be selected for each series circuit having different cutoff characteristics of the semiconductor switch, and cost reduction and weight reduction can be achieved.
  • the power supply system according to (1) According to this, the effect of cost reduction and weight reduction by a fuse (Fm) can be acquired.

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Abstract

多並列の電源システムにおいて、過電流から回路を保護しつつ、コストを低減するために、電源システム（１）は、１つ又は直列接続された複数のセルと、当該１つ又は複数のセルと直列に接続される電流遮断素子を含む直列回路を、複数並列に接続した並列回路を備える。当該並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の電流遮断素子は、所定の順番でそれぞれの電流路を遮断する。当該電流遮断素子はヒューズであってもよい。

Description

電源システム
　本発明は、１つ又は多直列のセルが並列に接続された多並列の電源システムに関する。
　近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車両には、走行用モータに駆動電力を供給するための電源システムとして、１つ又は多直列のセルが並列に接続された多並列の電源システムが搭載される。
　多並列の電源システムにおいて、１つ又は多直列のセルごとに、ヒューズが接続される構成が一般的である（例えば、特許文献１参照）。多並列の電源システムでは、ある１つ又は多直列のセルが短絡した際、並列接続された他の１つ又は多直列のセルからの回り込み電流により、発煙・発火に至るリスクがある。ヒューズが接続されている場合、ある１つ又は多直列のセルが短絡した際に、当該セルと直列に接続されたヒューズが溶断し、回り込み電流を遮断できる。
国際公開２０１２／１３２２４６号
　上述した多並列の電源システムに接続された負荷が短絡した場合、多並列の電源システム全体に過電流が流れる。並列接続されたヒューズには、素子や環境のばらつきがあるため、同時に溶断することはなく、溶断するタイミングにばらつきが発生する。どのヒューズが最初に溶断するか、どのような順番で溶断するかは基本的に分からない。
　従って、多並列の電源システムの電線を構成する全ての直列回路のワイヤーハーネス及びバスバーは、多並列の電源システム全体に過電流が流れたとき最後まで溶断せずに残ったヒューズに接続されていても、過電流に耐えうる耐熱特性で設計する必要がある。
　本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、多並列の電源システムにおいて、過電流から回路を保護しつつ、コストを低減する技術を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、１つ又は直列接続された複数のセルと、当該１つ又は複数のセルと直列に接続される電流遮断素子を含む直列回路を、複数並列に接続した並列回路を備える。前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の電流遮断素子は、所定の順番でそれぞれの電流路を遮断する。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、多並列の電源システムにおいて、過電流から回路を保護しつつ、コストを低減することができる。
本発明の実施の形態に係る、車載用の電源システムの回路構成例を示す図である。 図１の電源システムにおける、外部短絡時に発生する過電流の挙動を示す図である。 図３（ａ）～（ｄ）は、メインヒューズ、第１ヒューズ～第３ヒューズの溶断特性、及び外部短絡時の挙動を説明するための図である。 図１の電源システムからメインヒューズを省略した回路構成を示す図である。 外部短絡時における、内部短絡用のヒューズが過電流増加の抑制作用を持つことを説明するための図である。
　図１は、本発明の実施の形態に係る、車載用の電源システム１の回路構成例を示す図である。電源システム１は、モータ３に供給するための電力を蓄える蓄電システムである。電源システム１は車両内において、補機用の１２Ｖ系の二次電池（通常、鉛電池が使用される）と別に設けられる。
　インバータ２は力行時、電源システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。回生時、モータ３から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム１に供給する。モータ３には例えば、三相交流同期モータを使用する。モータ３は力行モードでは、インバータ２から供給される電力をもとに回転し、車両を走行させる。回生モードでは、車両の減速エネルギーにもとづく回転により発電し、インバータ２を介して電源システム１を充電する。
　電源システム１は、直列接続された複数の蓄電モジュール（図１では、第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２）、制御回路２０、正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２、プリチャージ抵抗Ｒｐ、プリチャージコンタクタＲＹｐ、電流センサＣＴ１及びメインヒューズＦｍを備える。
　第１蓄電モジュール１１は、直列接続された複数のセルと、ヒューズが直列接続された直列回路を、複数並列に接続した並列回路を備える。図１では、複数のセルＳ１１－Ｓ１ｎと第１ヒューズＦ１が直列接続された第１直列回路、複数のセルＳ２１－Ｓ２ｎと第２ヒューズＦ２が直列接続された第２直列回路、及び複数のセルＳ３１－Ｓ３ｎと第３ヒューズＦ３が直列接続された第３直列回路の３つの直列回路が並列接続される例を示している。
　セルは、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６－３．７Ｖ）を使用する例を想定する。なお各直列回路に接続されるセルの数は、複数に限るものではなく１でもよい。また並列数は３に限るものではなく、２でもよいし４以上でもよい。
　第２蓄電モジュール１２は、第１蓄電モジュール１１と同様の構成である。なお蓄電モジュールの直列数は２に限るものではなく、１でもよいし３以上でもよい。
　正極側コンタクタＲＹ１は、外部に繋がるプラス配線と、複数の蓄電モジュール１１、１２の正極端子（図１では、第１蓄電モジュール１１の正極端子）に繋がるプラス配線との間に挿入される。負極側コンタクタＲＹ２は、外部に繋がるマイナス配線と、複数の蓄電モジュール１１、１２の負極端子（図１では、第２蓄電モジュール１２の負極端子）に繋がるマイナス配線との間に挿入される。
　正極側コンタクタＲＹ１と並列にプリチャージ回路が接続される。プリチャージ回路は、直列接続されたプリチャージ抵抗ＲｐとプリチャージコンタクタＲＹｐを有する。正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２及びプリチャージコンタクタＲＹｐには、大型のリレーを使用することができる。
　プリチャージコンタクタＲＹｐは、負極側コンタクタＲＹ２とともに、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられる前に閉じられ、モータ３と並列に接続されたプリチャージコンデンサ（不図示）を充電する。その後、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられ、モータ３への給電が開始する。この制御手順によりモータ３への突入電流を抑制できる。その後、プリチャージコンタクタＲＹｐは開かれる。
　第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２を直列に接続する電流経路上に、電流センサＣＴ１とメインヒューズＦｍが挿入される。電流センサＣＴ１は当該電流経路を流れる電流の値を検出し、制御回路２０に出力する。電流センサＣＴ１には、クランプ式の電流センサ、シャント抵抗を用いた電流センサ、ホール素子を用いた電流センサ等を使用することができる。メインヒューズＦｍは、規定値以上の大電流が流れると溶断し、当該電流経路を遮断する。
　制御回路（電池ＥＣＵともいう）２０は、第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２を管理・制御する。制御回路２０は電流センサＣＴ１から、直列接続された第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２を流れる電流の値を取得する。また制御回路２０は第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２内の電圧センサ（不図示）、温度センサ（不図示）により検出された電圧値および温度値を取得する。
　制御回路２０は、取得した電流値、電圧値、及び温度値にもとづき、第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２の少なくとも１つに異常（例えば、過電圧、不足電圧、過電流）が発生している場合、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く（ターンオフ）。
　第１蓄電モジュール１１に含まれる第１ヒューズＦ１は、第１－１セルＳ１１～第１－ｎセルＳ１ｎ（以下、第１セル群という）間が短絡した際、並列接続された第２－１セルＳ２１～第２－ｎセルＳ２ｎ（以下、第２セル群という）及び第３－１セルＳ３１～第３－ｎセルＳ３ｎ（以下、第３セル群という）から第１直列回路に回り込む電流により溶断し、第１セル群を保護する。当該回り込み電流を放置した場合、最悪のケースでは、第１セル群が延焼し、発煙・発火に至る。このように第１ヒューズＦ１～第６ヒューズＦ６は、セル群の内部短絡時に当該セル群を保護するために挿入される。
　一方、メインヒューズＦｍはインバータ２が短絡した際に、電源システム１全体に流れる過電流により溶断し、第１蓄電モジュール１１及び第２蓄電モジュール１２を保護する。即ち、メインヒューズＦｍは負荷の外部短絡時に発生する過電流を遮断するために挿入される。外部短絡時に発生する過電流は、セルの内部短絡時に発生する過電流より大きいため、メインヒューズＦｍのサイズは、第１ヒューズＦ１～第６ヒューズＦ６のサイズより大きくなる。
　図２は、図１の電源システム１における、外部短絡時に発生する過電流の挙動を示す図である。以下の説明において、電源システム１全体の抵抗をＲ、第１セル群の内部抵抗をＲ１、第１セル群間の電圧をＶｍａ１、第１セル群に流れる電流をＩ１、第２セル群の内部抵抗をＲ２、第２セル群間の電圧をＶｍａ２、第２セル群に流れる電流をＩ２、第３セル群の内部抵抗をＲ３、第３セル群間の電圧をＶｍａ３、第３セル群に流れる電流をＩ３、第１蓄電モジュール１１間の電圧をＶａ、第２蓄電モジュール１２間の電圧をＶｂとする。
　外部短絡時に第１セル群、第２セル群、及び第３セル群に流れる短絡電流が均等に分配される場合、第１蓄電モジュール１１間の電圧Ｖａは下記式（１）により規定される。
　Ｖａ＝Ｖｍａ１＋Ｒ１×Ｉ１　…（１）
　外部短絡時に電源システム１に流れる短絡電流は下記式（２）により規定される。
　Ｉ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｒ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３　…（２）
　一般的に、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３には同じ仕様のヒューズが使用される。従って、ヒューズの溶断特性も同じになる。溶断特性は、溶断電流－溶断時間の特性曲線で規定される。溶断特性が同一のヒューズであっても、素子や環境のばらつきがあるため、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３に同じ過電流が流れた場合でも、溶断するタイミングにばらつきが発生する。どのヒューズが最初に溶断するか、どのような順番で溶断するかは基本的に分からない。
　従って第１直列回路、第２直列回路、及び第３直列回路のワイヤーハーネスも全て同じ仕様のものを使用し、それらのワイヤーハーネス間を繋ぐバスバーも全て同じ仕様のものを使用していた。また、第１蓄電モジュール１１全体に過電流が流れたとき第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３のどれが最後まで残るか分からないため、全てのワイヤーハーネス及び全てのバスバーの発煙特性を、１つの直列回路に所定時間、過電流が流れることを考慮して決定する必要があった。
　これに対して本実施の形態では、第１蓄電モジュール１１に過電流が流れたとき、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３が所定の順番で溶断するよう、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３の溶断特性を異なる値に設計する。例えば、第３ヒューズＦ３→第２ヒューズＦ２→第１ヒューズＦ１の順に溶断するよう、第３ヒューズＦ３、第２ヒューズＦ２、第１ヒューズＦ１の順に溶断特性を低く設計する。
　この場合、第１蓄電モジュール１１全体に過電流が流れたとき第３直列回路→第２直列回路→第１直列回路の順で電流路が遮断することが予め分かるため、第３直列回路→第２直列回路→第１直列回路の順でワイヤーハーネスの仕様を下げることができる。具体的には第３直列回路に使用されるワイヤーハーネスを１番細くすることができる。また第３直列回路に使用されるワイヤーハーネスに、耐熱温度が１番低いワイヤーハーネスを使用することができる。また第３直列回路に使用されるワイヤーハーネスに、銅または銅合金のワイヤーハーネスではなく、アルミまたはアルミ合金のワイヤーハーネスを使用することができる。同様の議論は、第２直列回路のワイヤーハーネスと第１直列回路のワイヤーハーネスとの間にも成立する。
　第１直列回路の電極端子と第２直列回路の電極端子を接続するバスバー（以下、第１バスバーという）と、第２直列回路の電極端子と第３直列回路の電極端子を接続するバスバー（以下、第２バスバーという）の仕様も個別に設計することができる。第１蓄電モジュール１１の全体電流が流入／流出する合流点が、第１直列回路の電極端子と第２直列回路の電極端子の間に設置される場合、第２バスバーの仕様を第１バスバーの仕様より下げることができる。例えば、第２バスバーを第１バスバーより細くすることができる。
　また当該合流点が、第２直列回路の電極端子と第３直列回路の電極端子の間に設置される場合、第１バスバーの仕様を第２バスバーの仕様より下げることができる。また当該合流点が、第２直列回路の電極端子と略同じ位置に設置される場合、第２バスバーの仕様を第１バスバーの仕様より下げることができる。第１蓄電モジュール１１全体に過電流が流れたときに通過する電流量が第１バスバーより第２バスバーの方が少なくなるためである。
　図３（ａ）～（ｄ）は、メインヒューズＦｍ、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３の溶断特性、及び外部短絡時の挙動を説明するための図である。図３（ａ）は、比較例に係る溶断特性と挙動の一例を示す。比較例では、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３が同じ溶断特性を持ち、メインヒューズＦｍの方が第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３より容量が大きいヒューズを使用している。内部短絡時は第１ヒューズＦ１及び第３ヒューズＦ３のいずれかが溶断し、残りのヒューズは溶断しない。外部短絡時はメインヒューズＦｍが先に溶断し、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３は溶断しない。
　図３（ｂ）は、実施の形態に係る溶断特性と挙動の一例を示し（状態１）、図３（ｃ）は、実施の形態に係る溶断特性と挙動の一例を示し（状態２）、図３（ｄ）は、実施の形態に係る溶断特性と挙動の一例を示す（状態３）。本実施の形態では第３ヒューズＦ３→第２ヒューズＦ２→第１ヒューズＦ１の順で溶断特性を下げている。図３（ｂ）に示すように第１ヒューズＦ１の溶断特性曲線に対して、第２ヒューズＦ２の溶断特性曲線が下方にシフトにし、第３ヒューズＦ３の溶断特性曲線がさらに下方にしている。即ち、同じ過電流が流れた場合において、溶断するまでの時間が第３ヒューズＦ３→第２ヒューズＦ２→第１ヒューズＦ１の順で短くなっている。以上の仕様において、外部短絡が発生すると第３ヒューズＦ３が１番先に溶断する。
　図３（ｃ）に示すように第３ヒューズＦ３が溶断すると、電源システム１全体の過電流Ｉ（Ｉ１＋Ｉ２）は減少するが、第１蓄電モジュール１１の並列回路を構成する１つの直列回路に流れる過電流Ｉ１、Ｉ２は増加する。即ち、第３ヒューズＦ３が溶断した瞬間、第２蓄電モジュール１２の電圧Ｖｂが上昇し、第１蓄電モジュール１１の電圧Ｖａが低下するが、その後、両者の電圧バランスを維持しようと作用するため第１直列回路および第２直列回路に流れる過電流Ｉ１、Ｉ２が増加する。なお、内部抵抗の値によっては、第３ヒューズＦ３が溶断した後、第１蓄電モジュール１１の並列回路を構成する１つの直列回路に流れる過電流が減少する場合もある。
　第１直列回路および第２直列回路に流れる過電流Ｉ１、Ｉ２の増加により、第１ヒューズＦ１より溶断特性が低い第２ヒューズＦ２が溶断する。これにより、電源システム１全体の過電流Ｉ（Ｉ１）は減少するが、第１蓄電モジュール１１の並列回路を構成する第１直列回路に流れる過電流Ｉ１は増加する。図３（ｄ）に示すように第１直列回路に流れる過電流Ｉ１の増加により、第１ヒューズＦ１が溶断する。これにより、電源システム１全体の過電流が遮断される。図３（ｂ）～図３（ｄ）に示す例ではメインヒューズＦｍが溶断しない。従ってメインヒューズＦｍを省略した回路構成も可能である。
　図４は、図１の電源システム１からメインヒューズＦｍを省略した回路構成を示す図である。図４に示す電源システム１では、外部短絡時において正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を用いて過電流を遮断する。即ち、制御回路２０は電流センサＣＴ１の検出値をもとに外部短絡時に発生する過電流を検出すると、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く（ターンオフ）。正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２に使用されるリレーの応答速度は、ヒューズの応答速度より遅いが、第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３が外部短絡時にも有効に作用するため、この遅れを許容した設計としている。
　ところで１つの蓄電モジュールの並列数が多い場合、内部短絡用のヒューズは、より小型になり、１つのヒューズが外部短絡時に遮断できる電流量が小さくなる。その場合は、メインヒューズＦｍで外部短絡時に発生する過電流を遮断する必要性が高く、メインヒューズＦｍを省略すべきでない。その場合でも、内部短絡用のヒューズは電流増加の速度を抑制する作用を発揮する。
　図５は、外部短絡時における、内部短絡用のヒューズが過電流増加の抑制作用を持つことを説明するための図である。図５において、時間（ｔ１）は１番目の内部短絡用のヒューズが溶断した時間を、時間（ｔ２）は２番目の内部短絡用のヒューズが溶断した時間を、時間（ｔ３）は３番目の内部短絡用のヒューズが溶断した時間をそれぞれ示している。内部短絡用のヒューズが溶断する度に、過電流の増加速度が抑制されることが分かる。即ち、外部短絡時に発生する過電流の増加の傾きが時間経過とともに緩やかになる。複数の内部短絡用のヒューズが全て実質的に同時に溶断する設計では過電流は、よりリニアに増加していく。従って、複数の内部短絡用のヒューズが所定の順番で溶断する設計では、メインヒューズＦｍの溶断特性を下げることができる。
　以上の説明では第１蓄電モジュール１１内の第１ヒューズＦ１～第３ヒューズＦ３の溶断の順番について説明した。この点、第１蓄電モジュール１１と第２蓄電モジュール１２に含まれる第１ヒューズＦ１～第６ヒューズＦ６の溶断の順番は、第３ヒューズＦ３→第６ヒューズＦ６→第２ヒューズＦ２→第５ヒューズＦ５→第１ヒューズＦ１→第４ヒューズＦ４となる。
　このように直列接続された複数の蓄電モジュールにおいて、各蓄電モジュールのヒューズが順番に１つずつ溶断していくため、各セルの電圧が急低下／急上昇することが抑制される。従って各セルが逆充電状態になることを防止でき、逆充電により発煙・発火に至ることを防止することができる。
　以上説明したように本実施の形態によれば、並列接続された複数の内部短絡用のヒューズの溶断特性を個別に設定することにより、並列回路に過電流が流れる際の溶断する順番を制御することができる。従って各ヒューズの溶断特性に応じて、各直列回路のワイヤーハーネス及び／又はバスバーの耐熱特性を個別に選定することができ、ワイヤーハーネス及び／又はバスバーのトータルコストを低減することができる。即ち、ワイヤーハーネス及び／又はバスバーごとに最適な耐熱特性を選定することにより、オーバースペックを抑制でき、コストを低減することができる。またワイヤーハーネス及び／又はバスバーの軽量化も図ることができるため、車載用途では燃費を向上させる効果もある。
　また内部短絡用のヒューズが溶断する順番を制御することにより、メインヒューズＦｍを省略または溶断特性の低いものに置き換えることができ、コスト低減、軽量化、及び省面積化の効果がある。
　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これら実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　上述の実施の形態では、過電流遮断素子としてヒューズを使用する例を説明した。この点、ヒューズの代わりに半導体スイッチを使用することもできる。例えば、半導体スイッチとして、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することができる。本変形例では、蓄電モジュールの並列回路を構成する直列回路ごとに、パワーＭＯＳＦＥＴと過電流検出回路を設ける。過電流検出回路は当該直列回路に過電流が流れたことを検出すると、パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態にラッチする。
　ＦＥＴの応答速度は、ヒューズの応答速度に近い速度にまで進化してきており、ヒューズと同等の電流遮断効果を持つ。またＦＥＴは、ヒューズと異なり過電流遮断後に交換の必要がなく、過電流状態が解消すれば再利用が可能である。
　並列回路に使用される内部短絡用のヒューズをＦＥＴに置き換える場合、低耐圧のＦＥＴを使用することができるため、導入が容易である。またＦＥＴは低電圧領域の損失が少ないため、電源システム１全体の効率低下を抑えつつ導入することができる。なお、メインヒューズＦｍをＦＥＴに置き換えることも可能であり、この場合も、再利用が可能となるメリットを享受できる。
　また上述の実施の形態では電源システム１を車両用電源装置に利用する例を想定したが、車載用途に限らず、航空用電源装置、船舶用電源装置、定置型蓄電システム等、他の用途にも利用可能である。
　なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
［項目１］
　１つ又は直列接続された複数のセル（Ｓ１～Ｓｎ）と、当該１つ又は複数のセル（Ｓ１～Ｓｎ）と直列に接続される電流遮断素子（Ｆ１）を含む直列回路を、複数並列に接続した並列回路を備え、
　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の電流遮断素子（Ｆ１～Ｆ３）は、所定の順番でそれぞれの電流路を遮断することを特徴とする電源システム（１）。
　これによれば、直列回路ごとに最適な配線材を選定することができ、コストダウン及び軽量化を図ることができる。
［項目２］
　前記電流遮断素子（Ｆ１～Ｆ３）はヒューズ（Ｆ１～Ｆ３）であり、
　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数のヒューズ（Ｆ１～Ｆ３）が所定の順番で溶断するよう、前記複数のヒューズ（Ｆ１～Ｆ３）の溶断特性が異なる値に設計されていることを特徴とする項目１に記載の電源システム（１）。
　これによれば、ヒューズ（Ｆ１～Ｆ３）の溶断特性がそれぞれ異なる直列回路ごとに、最適な配線材を選定することができ、コストダウン及び軽量化を図ることができる。
［項目３］
　前記電流遮断素子は半導体スイッチであり、
　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の半導体スイッチが所定の順番でオフするよう、前記複数の半導体スイッチに、過電流検知から遮断までの時間が異なる半導体スイッチを使用することを特徴とする項目１に記載の電源システム（１）。
　これによれば、半導体スイッチの遮断特性がそれぞれ異なる直列回路ごとに、最適な配線材を選定することができ、コストダウン及び軽量化を図ることができる。
［項目４］
　前記並列回路と負荷（２、３）との間に直列に接続されるべき、外部短絡による過電流を遮断するためのヒューズ（Ｆｍ）を省略したことを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の電源システム（１）。
　これによれば、ヒューズ（Ｆｍ）によるコストダウン及び軽量化の効果を得ることができる。
　１　電源システム、　２　インバータ、　３　モータ、　１１　第１蓄電モジュール、　１２　第２蓄電モジュール、　Ｓ１１　第１－１セル、　Ｓ１ｎ　第１－ｎセル、　Ｓ２１　第２－１セル、　Ｓ２ｎ　第２－ｎセル、　Ｓ３１　第３－１セル、　Ｓ３ｎ　第３－ｎセル、　Ｓ４１　第４－１セル、　Ｓ４ｎ　第４－ｎセル、　Ｓ５１　第５－１セル、　Ｓ５ｎ　第５－ｎセル、　Ｓ６１　第６－１セル、　Ｓ６ｎ　第６－ｎセル、　Ｆ１　第１ヒューズ、　Ｆ２　第２ヒューズ、　Ｆ３　第３ヒューズ、　Ｆ４　第４ヒューズ、　Ｆ５　第５ヒューズ、　Ｆ６　第６ヒューズ、　ＲＹ１　正極側コンタクタ、　ＲＹ２　負極側コンタクタ、　ＲＹｐ　プリチャージコンタクタ、　Ｒｐ　プリチャージ抵抗、　ＣＴ１　電流センサ、　Ｆｍ　メインヒューズ、　２０　制御回路。

Claims (4)

  1. 　１つ又は直列接続された複数のセルと、当該１つ又は複数のセルと直列に接続される電流遮断素子を含む直列回路を、複数並列に接続した並列回路を備え、
    　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の電流遮断素子は、所定の順番でそれぞれの電流路を遮断することを特徴とする電源システム。
  2. 　前記電流遮断素子はヒューズであり、
    　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数のヒューズが所定の順番で溶断するよう、前記複数のヒューズの溶断特性が異なる値に設計されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
  3. 　前記電流遮断素子は半導体スイッチであり、
    　前記並列回路に外部から過電流が流れたとき、並列に設けられる複数の半導体スイッチが所定の順番でオフするよう、前記複数の半導体スイッチに、過電流検知から遮断までの時間が異なる半導体スイッチを使用することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
  4. 　前記並列回路と負荷との間に直列に接続されるべき、外部短絡による過電流を遮断するためのヒューズを省略したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源システム。
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