(57)【要約】【課題】多並列接続の電池装置（組電池あるいは組電池モジュール）の中の１つを交換した時に生じる突入電流を低減する。【解決手段】第１のスイッチＳＷ１は、第１の電池装置の一方の電極を第１の接続線に接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる。第２のスイッチＳＷ２は、第２の電池装置の一方の電極を前記第１の接続線に接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる。管理装置５０は、電池交換開始信号に応答して前記第１及び第２のスイッチを前記第１状態から前記第２状態にし、電池交換終了信号に応答して前記第２状態から前記第３状態にし、前記第１、第２の電池装置間の均等化が終了したことを示す均等化終了信号に応答して前記第３の状態から前記第１の状態に復帰させる。【選択図】図１
2011100669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外部接続端子に接続された第１の接続線と、
第１の電池装置の前記一方の電極を前記第１の接続線に接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる第１のスイッチと、
第２の電池装置の前記一方の電極を前記第１の接続線に接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる第２のスイッチと、
前記第１及び第２の電池装置の他方の電極を第２の外部接続端子に導出する第２の接続線と、
電池交換開始信号に応答して前記第１及び第２のスイッチを前記第１状態から前記第２状態にし、電池交換終了信号に応答して前記第２状態から前記第３状態にし、前記第１、第２の電池装置間の均等化が終了したことを示す均等化終了信号に応答して前記第３の状態から前記第１の状態に復帰させる管理装置を有することを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記管理装置には、前記電池交換開始信号と前記電池交換終了信号を入力するための操作装置が接続されることを特徴とする請求項１記載の二次電池装置。
【請求項３】
前記操作装置は、電池交換手順を示す表示出力及び又は音声出力を行うことを特徴とする請求項２記載の二次電池装置。
【請求項４】
前記操作装置は、パーソナルコンピュータであることを特徴とする請求項３記載の二次電池装置。
【請求項５】
第１の外部接続端子に接続された接続線と、並列配列された複数の電池装置の各一方の電極との間にそれぞれスイッチを設け、それぞれの前記スイッチは、前記一方の電極を前記第１の接続線に接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わるものを用い、
電池交換開始信号に応答してそれぞれの前記スイッチを前記第１状態から前記第２状態にし、電池交換終了信号に応答して前記第２状態から前記第３状態にし、前記複数の電池装置間の均等化が終了したことを示す均等化終了信号に応答して前記第３の状態から前記第１の状態に復帰させるようにしたことを特徴とする二次電池装置の組電池交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は二次電池装置及びその組電池交換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池装置はフォークリフト、電気自動車及びハイブリッド車の駆動モータとして採用されている。二次電池装置は、複数の組電池モジュールを並列接続して、出力容量を大きくして使用される。組電池モジュールは、複数の電池（以下セルと記す）を直列接続した組電池と、この組電池内の温度を検出する温度検出器と、この組電池及び各電池の電圧を検出する電圧検出器などを含む。
【０００３】
二次電池装置において、上記組電池あるいは組電池を構成する電池が故障した場合、あるいは寿命が近づき十分な出力電力が得られなくなった場合、その組電池あるいは組電池を構成する電池を交換する必要がある。故障の要因としては、接触不良が生じたり、ヒューズの切断、漏電、破損などが考えられる。
【０００４】
電池交換方法を開示した文献として、特許文献１、２及び３がある。特許文献１では、組電池の状態を検出する場合、組電池を構成している複数のセルを幾つかのブロックに区分し、ブロック毎に電圧を検出ししている、そして不良ブロックがあった場合、その不良ブロックを新しいブロックに交換する電池交換方法を提供している。つまり、特許文献１では、ブロック単位の電池交換を行う方法である。
【０００５】
特許文献２では、複数の組電池モジュールを有する二次電池装置において、組電池モジュール単位で交換する電池交換方法を提供している。この場合、新しい組電池モジュールは、他の組電池モジュールよりも５乃至１０％程度低い充電電圧にして組み込まれる。
【０００６】
特許文献３では、組み込む前の新しい組電池モジュールに対して例えばサイクル充放電を行うようにしている。これにより、使用履歴のある組電池モジュールの電圧特性と未使用状態にある組電池モジュールの電圧特性の差を解消し、組電池全体としての電圧特性を均一化するという交換方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１５７８１号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５９１５号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来は、新しい組電池をその交換位置に装着したとき、他の組電池に対して突入電流が流れることの危険性の対策がなされていない。並列接続された組電池あるいは組電池モジュールの数が多く、装置の全体容量が大きければ大きいほど上記の突入電流は大きな電流となる。この突入電流は、新たな故障を引き起こしたり、作業者の感電事故を生じかねない。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、多並列接続の電池装置（組電池あるいは組電池モジュール）の中の１つあるいは複数を交換した時に生じる突入電流を低減する二次電池装置及びその組電池交換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、
第１の電池装置及び第２の電池装置と、
前記第１及び第２の電池装置の一方の電極と第１の端子の間に介在する第１の接続線と、
前記第１の電池装置の前記一方の電極を前記第１の接続線に対して接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる第１のスイッチと、
前記第２の電池装置の前記一方の電極を前記第１の接続線に対して接続した第１状態、非接続した第２状態及び抵抗を介して接続した第３状態のいずれか１つに切り替わる第２のスイッチと、
前記第１及び第２の電池装置の他方の電極と第２の端子の間に介在する第２の接続線と、
前記第１及び第２のスイッチを制御する管理装置を有し、
前記管理装置は、電池交換開始信号に応答して前記第１及び第２のスイッチを前記第１状態から前記第２状態にし、電池交換終了信号に応答して前記第２状態から前記第３状態にし、均等化終了信号に応答して前記第３の状態から前記第１の状態に復帰させる制御部を有する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、電池装置交換時の突入電流を低減し、安全性を向上した二次電池装置及びその組電池交換方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】この発明装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１はこの発明の一実施例を示す。１１は正極の外部接続端子であり、１２は負極の外部接続端子である。正極の外部接続端子１１には接続線２１を介して、複数の組電池モジュール３１，３２の各正極端子３１ａ，３２ａからの出力電圧を導出することができる。
【００１４】
スイッチＳＷ１は、１つの共通端子Ｔ１０と、３つの端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３を有し、共通端子Ｔ１０が接続線２１に接続される。端子Ｔ１１は、組電池モジュール３１の正極端子３１ａに接続され、端子Ｔ１２は開放状態にあり、端子Ｔ１３は電流制限抵抗４１を介して組電池モジュール３１の正極端子３１ａに接続される。
【００１５】
スイッチＳＷ２は、１つの共通端子Ｔ２０と、３つの端子Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３を有し、共通端子Ｔ２０が接続線２２に接続される。端子Ｔ２１は、組電池モジュール３２の正極端子３２ａに接続され、端子Ｔ２２は開放状態にあり、端子Ｔ２３は電流制限抵抗４２を介して組電池モジュール３１の正極端子３１ａに接続される。
【００１６】
組電池モジュール３１、３２の負極端子３１ｂ、３２ｂは、接続線２２を介して負極の外部接続端子１２に接続される。
【００１７】
組電池モジュール３１は、複数のセルが直列接続された組電池３１ｃと、この組電池３１ｃに流れる電流を検出するための電流検出器３１ｄを含む。また組電池モジュール３１は、組電池３１ｃ及び各セルの端子電圧を検出するための電圧検出器３１ｅを含む。
【００１８】
組電池モジュール３２も、複数のセルが直列接続された組電池３２ｃと、この組電池３２ｃに流れる電流を検出するための電流検出器３２ｄを含む。また組電池モジュール３２は、組電池３２ｃ及び各セルの端子電圧を検出するための電圧検出器３２ｅを含む。
【００１９】
なお各組電池モジュール３１、３２内に電流検出器３１ｄ、３２ｄが設けられているが、共通の電流検出器４０が、外部接続端子１２と各組電池モジュール３１、３２との間に設けてもよい。
【００２０】
電流検出器３１ｄ、３２ｄからの検出電流及び電圧検出器３１ｅ、３２ｅの検出電圧は、管理装置５０に入力される。管理装置５０は、外部と信号のやり取りを行うためのインターフェース５０１を有する。また管理装置５０は、中央制御装置５０２、通信回路５０３、異常セル及び異常モジュール検出回路５０４、電流測定回路５０５、電圧測定回路５０６を含む。中央制御装置５０２は、管理装置５０の全体を統括して制御している。通信回路５０３は、外部のネットワークに情報を送信したり、ネットワークからの情報を取り込むことができる。電流測定回路５０５は、電流検出器３１ｄ，３２ｄで検出される電流を測定している。電圧測定回路５０６は、電圧検出器３１ｅ，３２ｅで検出される電圧を測定している。
【００２１】
異常セル及び異常モジュール検出回路５０４は、電圧測定回路５０５で測定された電圧値や電流測定回路５０５で測定された電流値を利用する。異常セル及び異常モジュール検出回路５０４は、組電池３１ｃ、３２ｃ内のセルの電圧が予め設定している値以上あるかどうかを判断し、異常セルを検出することができる。例えば電圧がゼロのセルは異常セルとして検出される。なお管理装置５０は、１つ１つのセルに対して番号あるいはアドレスを設定して、各セルを認識し管理している。また異常セル及び異常モジュール検出回路５０４は、１つ１つの組電池モジュール３１ａ，３２ａの測定電圧が予め設定している値以上あるかどうかを判断し、異常モジュールを検出することができる。異常セルや異常モジュールが検出されたとき、その通知信号は、通信回路５０３により上位の管理装置あるいは、ネットワークを介して所定のアドレスの端末へ送信される。
【００２２】
管理装置５０には、コネクタ５１１を介して操作部５１からの操作信号を入力することができる。操作部５１は、組電池あるいは組電池モジュールを交換するときに利用される。操作部５１からは利用者の操作に応じて交換開始信号ＳＳ，交換終了信号ＥＳが出力される。管理装置５０には、コネクタ５１２を介して例えばパーソナルコンピュータ６０を接続し、中央制御装置５０２からのデータを受け取ることができる。
【００２３】
図２は上記した二次電池装置において、例えば組電池３１ｃあるいは３２ｃが異常と判断され、組電池の交換が行われるときの動作例を示している。今、異常セル及び異常モジュール検出回路５０４が、異常となった組電池を検出したとする。すると、図示しないスイッチが管理装置５０により制御され、負荷の切り離しが行われる（ステップＳＡ１）。
【００２４】
次に、中央制御装置５０２からパーソナルコンピュータ６０にイメージデータが送られて、パーソナルコンピュータ６０のディスプレイに操作手順のメッセージが表示される。例えば、「第Ｘ番目の組電池が不良です」というような表示とともに、「操作部５１のボタンＡを押してください」というような表示あるいは音声が出力される（ステップＳＡ２、ＳＡ３）。
【００２５】
ユーザが、ボタンＡを押すと操作部５１から交換開始信号ＳＳが出力され、中央制御装置５０２が交換開始信号ＳＳを認識する（ステップＳＡ４）。すると、中央制御装置５０２は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御し、端子Ｔ１１，Ｔ２１の選択状態から端子Ｔ１２，Ｔ２２の選択状態にする。ここでパーソナルコンピュータ５２からは、例えば「第Ｘ番目の組電池を新しい組電池と交換してください」、「交換が終了したらボタンＢを押してください」というような表示あるいは音声が出力される。
【００２６】
利用者は、故障している組電池を取り外し、新しい組電池を装着する。そして操作部５１を操作してボタンＢを押す。ボタンＢが押されると、交換終了信号ＥＳが操作部５１から中央制御装置５０２に入力する（ステップＳＡ６）。
【００２７】
中央制御装置５０２は交換終了信号を認識すると、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御し、端子Ｔ１２，Ｔ２２の選択状態から端子Ｔ１３，Ｔ２３の選択状態にする。この状態で、新しい組電池（新組電池）と交換しなかった組電池（既存組電池）との間で電位差が生じ、新組電池から既存組電池に向けて電流が流れる。
【００２８】
この電流は、電流制限抵抗４１、４２により制約を受けるために、大電流になることはない。例えば、通常時の組電池における出力電圧が４３２Ｖであるとする。ここで、新組電池と既存組電池との電位差が例えば１００Ｖあったとすると、流れる組電池間に流れる電流Ｉは、
Ｉ＝１００Ｖ/(組電池間の抵抗値Ｒ)となる。
【００２９】
Ｒが１オームであると、１００Ａの電流が流れるが、今、電流制限抵抗４１、４２の抵抗がそれぞれ１０ｋオームであると（１００Ｖ/２０ｋオーム）＝０．００５Ａの電流に制限される。これにより、新組電池を組み込んだときの突入電流を抑制できる。
【００３０】
組電池モジュール３１、３２に流れる電流は、電流測定回路５０５にて測定される。組電池モジュール３１、３２間の電圧が均等化されてくると、モジュール間の電流が低減してくる。そこで電流測定回路５０５は、モジュール間の電流が所定値以下になったかどうかを判定し、所定値以下になると均等化終了信号を制御部５０２に出力する（ステップＳＡ１２）。
【００３１】
制御部５０２は、均等化終了信号を受け取ると、パーソナルコンピュータ６０にコマンドを出力し、パーソナルコンピュータ６０は、均等化が完了したことを示す表示あるいは音声を出力する（ステップＳＡ１２）。しかし、モジュール間の電流が所定時間以上経過しても所定値以下にならならず、均等化終了信号を得られない場合は、警告が表示される（ステップＳＡ１０、ＳＡ１１）。この場合は、予期していない故障が生じていたり、漏電生じている可能性が考えられる。
【００３２】
均等化が完了したことを示す表示あるいは音声が得られた後は、負荷の接続が行われる（ステップＳＡ１３）。つづいて作業履歴データ（交換した組電池の電池番号、交換した日時情報、交換した作業担当者など）の保存が行われ終了する（ステップＡＳ１５）。作業履歴データは、後で保守・点検のための参照データとして採用される。例えば特定の位置の組電池が頻繁に交換しなければならないような場合、その周辺回路の接続状態、電池の配置状態などの再点検用として利用できる。
【００３３】
この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、電流検出器３１ｄ、３２ｄの代わりに電流検出器４０が設けられる事もある。この構成の場合、電池交換時には交換した組電池と交換しない組電池の電圧あるは残量であるＳＯＣ（Stage of charge)が測定されて、比較される。そして両者の電位差あるはＳＯＣが所定の値以内となったとき、均等化が達成されたものと判断される。
【００３４】
また、電池交換作業を行うときの操作手段として、操作部５１、パーソナルコンピュータ６０が利用された。しかしこのような構成に限らず、操作部５１において、操作を案内する表示や音声が出力されるようにしてもよい。あるいは逆に、パーソナルコンピュータ６０により、交換開始信号及び交換終了信号が入力されるようにしてもよい。
【００３５】
また操作部５１は電池交換作業を行うときのみ使用されるように、コネクタ５１１を介して着脱可能とされてもよい。これにより不要なときに交換開始信号ＳＳが管理装置５０に入力することもなくなる。
【００３６】
また上記の説明では、２つの組電池モジュール３１、３２が配列されている二次電池装置を示して説明したが、さらに多数の組電池もジュールが並列に配列される装置であっても本発明が適用できることは勿論である。このような装置において、同時に複数個所の組電池が交換される場合でも本発明は有効に適用される。
【００３７】
さらにまた通信回路５０３の出力は、電池状態（残量低減、出力不足、故障診断結果）を外部のサーバーに送信しても良い。
【符号の説明】
【００３８】
２１，２２・・・接続線、３１，３２・・・組電池モジュール、３１ｃ、３２ｃ・・・組電池、３１ｄ、３２ｄ・・・電流検出器、３１ｅ、３２ｅ・・・電圧検出器、４１、４２・・・電流制限抵抗、ＳＷ１、ＳＷ２・・・スイッチ、５０・・・管理装置、５１・・・操作部、６０・・・パーソナルコンピュータ。
【図１】
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【図２】
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