(57)【要約】【課題】蓄電池装置の小型化を図る。【解決手段】実施形態に係る蓄電池装置は、負荷装置に電力を供給する第１蓄電池と、第１蓄電池と負荷装置とを遮断する遮断器と、遮断器に並列に接続され、遮断器により第１蓄電池と負荷装置とが遮断されたとき、負荷装置が有するインダクタンスに蓄積されている電気エネルギーが放電される経路を形成する第２蓄電池と、第２蓄電池から遮断器への放電を阻止するダイオードと、を備える。【選択図】図１
2019221103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置に電力を供給する第１蓄電池と、
前記第１蓄電池と前記負荷装置とを遮断する遮断器と、
前記遮断器に並列に接続され、前記遮断器により前記第１蓄電池と前記負荷装置とが遮断されたとき、前記負荷装置が有するインダクタンスに蓄積されている電気エネルギーが放電される経路を形成する第２蓄電池と、
前記第２蓄電池から前記遮断器への放電を阻止するダイオードと、
を備える蓄電池装置。
【請求項２】
前記第１蓄電池の出力電圧をＶ１，前記第２蓄電池の出力電圧をＶ２，前記ダイオードの順方向電圧をＶｆとした場合、Ｖ２≧Ｖ１−Ｖｆを満たすように前記第２蓄電池の出力電圧が設定されている、
請求項１に記載の蓄電池装置。
【請求項３】
前記第１蓄電池の正極は負荷装置の一端に接続され、
前記第１蓄電池の負極は前記遮断器の第１端子に接続され、
前記遮断器の第２端子は前記負荷装置の他端に接続され、
前記第２蓄電池の負極は前記遮断器の前記第１端子に接続され、
前記第２蓄電池の正極は前記ダイオードのカソードに接続され、
前記ダイオードのアノードは前記遮断器の第２端子に接続されている、
請求項１または２に記載の蓄電池装置。
【請求項４】
前記第１蓄電池の正極は前記遮断器の第２端子に接続され、
前記第１蓄電池の負極は前記負荷装置の一端に接続され、
前記遮断器の第１端子は前記負荷装置の他端に接続され、
前記第２蓄電池の負極は前記遮断器の前記第１端子に接続され、
前記第２蓄電池の正極は前記ダイオードのカソードに接続され、
前記ダイオードのアノードは前記遮断器の第２端子に接続されている、
請求項１または２に記載の蓄電池装置。
【請求項５】
前記第１蓄電池の出力電圧をＶ１，前記第２蓄電池の出力電圧をＶ２，前記ダイオードの順方向電圧をＶｆとした場合、Ｖ２≧Ｖ１−Ｖｆを満たすように前記第２蓄電池を充電する第１充電器を備える、
請求項１から４の何れか一項に記載の蓄電池装置。
【請求項６】
前記第１充電器は、前記第１蓄電池を入力源として動作するＤＣ/ＤＣコンバータで構成されている定電流源である、
請求項５に記載の蓄電池装置。
【請求項７】
前記第２蓄電池を入力源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、前記第１蓄電池を充電する第２充電器を備える、
請求項１から６の何れか一項に記載の蓄電池装置。
【請求項８】
前記負荷装置の有するインダクタンスをＬ、前記インダクタンスに蓄積されているエネルギーをＥ、前記第２蓄電池３１の出力電圧をＶ２、前記遮断器を切断する直前に前記負荷装置に流れていた負荷電流をＩとした場合、前記第２蓄電池は、前記第２蓄電池の等価容量ＣＢＴが次式を満たすように構成されている、
請求項１から７の何れか一項に記載の蓄電池装置。
ＣＢＴ≧２Ｅ／Ｖ２２ 
Ｅ＝０．５ＬＩ２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池装置と負荷装置とを遮断する遮断器を備えた蓄電池装置がある。従来の遮断器には、メカニカルリレーが使用されていた。しかし、近年では、装置の小型化、長寿命化を進めるために、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等の半導体スイッチを使用する遮断器が増えている。
【０００３】
蓄電池装置は、モータのようにインダクタンスを有する負荷装置に電力を供給することがある。蓄電池装置から大きなインダクタンスを有する負荷装置を切り離す際、負荷装置のインダクタンスに蓄えられていたエネルギーが遮断器に印加される。このエネルギーが遮断器を構成する半導体スイッチの耐電圧を超えると遮断器は故障する。故障を回避するために、遮断器に印加されるエネルギーを吸収するエネルギー吸収装置を設けた蓄電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−４４９０４号公報
【０００５】
しかしながら、このエネルギー吸収装置は、遮断器を構成する半導体スイッチよりもサイズが大きくなることが多く、装置の小型化を図るという観点から問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の事情の下になされたもので、蓄電池装置の小型化を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、実施形態に係る蓄電池装置は、負荷装置に電力を供給する第１蓄電池と、第１蓄電池と負荷装置とを遮断する遮断器と、遮断器に並列に接続され、遮断器により第１蓄電池と負荷装置とが遮断されたとき、負荷装置が有するインダクタンスに蓄積されている電気エネルギーが放電される経路を形成する第２蓄電池と、第２蓄電池から遮断器への放電を阻止するダイオードと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る蓄電池装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る蓄電池装置の等価回路である。
【図３】第１の実施形態に係る蓄電池装置の等価回路である。
【図４】変形例２に係る蓄電池装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、実施形態に係る蓄電池装置１００の構成図である。蓄電池装置１００は、負荷装置２００に電力を供給するための装置である。負荷装置２００は、電動機、空調装置、照明装置等の電力を消費する電気機器である。負荷装置２００は、抵抗ＲＬ、インダクタンスＬを有している。
【００１０】
図１に示されるように、蓄電池装置１００は、第１蓄電池１０、遮断器２０、サブモジュール３０、第１充電器４０、第２充電器４１、計測部６０、制御部７０を備える。
【００１１】
蓄電池装置１００の接続構成を説明する。第１蓄電池１０の正極は、負荷装置２００の一端に接続されている。第１蓄電池１０の負極は、遮断器２０の第１端子２０ａに接続されている。遮断器２０の第２端子２０ｂは、負荷装置２００の他端に接続されている。第２蓄電池３１の負極は、遮断器２０の第１端子２０ａに接続されている。第２蓄電池３１の正極は、ダイオード３２のカソードに接続されている。ダイオード３２のアノードは、遮断器２０の第２端子２０ｂに接続されている。
【００１２】
第１蓄電池１０は、負荷装置２００に電力を供給するメインの蓄電池である。第１蓄電池１０は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などで構成されている。第１蓄電池１０は、複数のバッテリーセルを直列もしくは並列に組み合わせることにより、所定の電圧を出力し、所定の電気エネルギーを蓄積できるように構成されている。
【００１３】
遮断器２０は、第１蓄電池１０から負荷装置２００を遮断する機能を備える。遮断器２０は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチで構成されたスイッチＳ０を備える。スイッチＳ０は、制御部７０からの制御に従ってオン・オフ制御される。
【００１４】
サブモジュール３０は、遮断器２０に並列に接続され、遮断器２０により第１蓄電池１０と負荷装置２００とが遮断されたとき、負荷装置２００が有するインダクタンスＬに蓄積されている電気エネルギーが放電される経路を形成する。サブモジュール３０は、第２蓄電池３１とダイオード３２を有している。
【００１５】
遮断器２０により第１蓄電池１０と負荷装置２００とが遮断された直後、負荷装置２００のインダクタンスＬは、遮断される直前の電流を継続して流そうとする。遮断器２０がオフ状態であるので、この過渡的な電流はサブモジュール３０を流れる。つまり、サブモジュール３０は、負荷装置２００が遮断された直後に流れる電流のバイパスを形成している。ダイオード３２は、第２蓄電池３１から遮断器２０への放電を阻止する機能を有している。
【００１６】
第２蓄電池３１は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などで構成されている。第２蓄電池３１は、複数のバッテリーセルを直列もしくは並列に組み合わせることにより、所定の電圧を出力できるように構成されている。具体的には、第２蓄電池３１の出力電圧は、第１蓄電池１０の出力電圧よりも高く設定されている。第１蓄電池１０と第２蓄電池３１に同種のバッテリーセルを使用する場合、第２蓄電池３１のバッテリーセルを直列に接続する数は、第１蓄電池１０のバッテリーセルを直列に接続する数よりも多くする。これにより、第２蓄電池３１の出力電圧を第１蓄電池１０の出力電圧よりも高く設定することができる。
【００１７】
第１充電器４０は、第２蓄電池３１を充電する充電器である。具体的には、第１充電器４０は、第２蓄電池３１の出力電圧が第１蓄電池１０の出力電圧よりも高くなるように第２蓄電池３１を充電する。第１充電器４０は、例えば、第１蓄電池１０の出力を入力源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている定電流源である。詳細には、第１充電器４０は、第２蓄電池３１の出力電圧が１式を満たすように第２蓄電池３１を充電する。Ｖ１は第１蓄電池１０の出力電圧、Ｖ２は第２蓄電池３１の出力電圧、Ｖｆはダイオード３２の順方向電圧である。１式は、第１蓄電池１０から出力された負荷電流Ｉが第２蓄電池３１に流れ込まないための条件を示している。
Ｖ２≧Ｖ１−Ｖｆ                                （１式）
【００１８】
第２充電器４１は、第２蓄電池３１に蓄積された電気エネルギーを使用して、第１蓄電池１０を充電する。第２充電器４１は、例えば、第２蓄電池３１の出力を入力源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている定電流源である。第２充電器４１は、制御部７０の制御に基づいて動作する。詳細は後述する。
【００１９】
計測部６０は、電圧計を備え、第１蓄電池１０の出力電圧を計測する。また、計測部６０は、電流計を備え、第１蓄電池１０から充放電される電流を計測する。また、計測部６０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２及び第２蓄電池３１から充放電される電流を計測する。計測部６０は、計測結果を示すデータを制御部７０に供給する。
【００２０】
制御部７０は、上位装置もしくはユーザの操作に基づいて遮断器２０のスイッチＳ０を開閉制御する。また、制御部７０は、例えば、計測部６０から供給されたデータに基づいて第１蓄電池１０が過放電状態になったことを検出し、遮断器２０のスイッチＳ０を開状態に制御する。また、制御部７０は、第１蓄電池１０及び第２蓄電池３１の出力電圧を示すデータに基づいて、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が１式を満たすように第１充電器４０を制御する。また、制御部７０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２を示すデータに基づいて、第１蓄電池１０を充電するように第２充電器４１を制御する。制御部７０は、物理的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部等を備える。
【００２１】
次に、上述の構成を有する蓄電池装置１００の動作について説明する。図１に対応する等価回路を図２及び図３に示す。図２は、遮断器２０のスイッチＳ０がオン状態である場合の等価回路である。図３は、遮断器２０のスイッチＳ０がオフ状態である場合の等価回路である。第２蓄電池３１等価回路は、電池Ｅ、内部抵抗ＲＢＴ、等価容量ＣＢＴで表される。ここでは、第１蓄電池１０の内部抵抗及びスイッチＳ０がオン状態になった時の抵抗を０Ωとして説明する。
【００２２】
図２に示される等価回路の構成について説明する。第１蓄電池１０の正極は、負荷装置２００の一端に接続されている。負荷装置２００の他端は、遮断器２０の第２端子２０ｂに接続されている。遮断器２０の第１端子２０ａは、第１蓄電池１０の負極に接続されている。サブモジュール３０は、遮断器２０と並列に接続されている。遮断器２０の第２端子２０ｂは、ダイオード３２のアノードに接続されている。遮断器２０の第１端子２０ａは、電池Ｅの負極に接続されている。ダイオード３２のカソードは、並列に接続された内部抵抗ＲＢＴと等価容量ＣＢＴを介して、電池Ｅの正極に接続されている。
【００２３】
最初に、第１充電器４０の動作について説明する。制御部７０は、計測部６０を介して第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２を計測する。制御部７０は、第１充電器４０を制御して、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が１式を満たすように第２蓄電池３１を充電する。また、制御部７０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が第２蓄電池３１の満充電状態を示す電圧に至ると、第１充電器４０による第２蓄電池３１への充電を停止させる。制御部７０は、予め計測された第２蓄電池３１の放電深度特性を示すデータを備えている。制御部７０は、第２蓄電池３１の放電深度特性を示すデータと第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２に基づいて、第２蓄電池３１が満充電状態に至ったか否かを判断する。
【００２４】
次に、遮断器２０のスイッチＳ０がオン状態の動作について図２を参照して説明する。第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２は、第１蓄電池１０の出力電圧よりも高くなるように充電されているので、第１蓄電池１０から流出された負荷電流Ｉが第２蓄電池３１に流れ込むことはない。負荷電流Ｉは、第１蓄電池１０、負荷装置２００、遮断器２０、第１蓄電池１０の経路で流れる。また、ダイオード３２があるので、第２蓄電池３１から遮断器２０に向かって電流が放電されることはない。
【００２５】
次に、遮断器２０のスイッチＳ０により負荷装置２００が遮断された直後の動作について図３を参照して説明する。負荷装置２００の有するインダクタンスＬの値をＬとすると、インダクタンスＬには、次式で表されるエネルギーが蓄積される。
ＥＬ＝０．５ＬＩ２                                (２式)
【００２６】
負荷装置２００が遮断された直後、インダクタンスＬは遮断される直前の負荷電流Ｉを流し続けようとする。スイッチＳ０がオフ状態であるので、負荷電流Ｉは、負荷装置２００、ダイオード３２、第２蓄電池３１、第１蓄電池１０、負荷装置２００の経路で流れる。遮断器２０の両端に加わる最大電圧Ｖｍａｘは、次式で表すことができる。ＲＢＴは、第２蓄電池３１の内部抵抗である。Ｖｆは、ダイオード３２の順方向電圧である。遮断器２０の耐圧は、Ｖｍａｘ以上に設定されている。
Ｖｍａｘ＝ＲＢＴＩ＋Ｖｆ                          (３式)
【００２７】
内部抵抗ＲＢＴの小さい第２蓄電池３１で構成されたサブモジュール３０を遮断器２０と並列に設けることにより、遮断器２０の両端に印加される電圧を低くすることができる。つまり、サブモジュール３０は、遮断器２０に印加される電圧を低減する機能を有している。したがって、遮断器２０に必要とされる耐圧を低減することができる。
【００２８】
ところで、負荷電流Ｉが第２蓄電池３１を流れる際、第２蓄電池３１は、負荷電流Ｉによって充電される。負荷装置２００の有するインダクタンスＬの値をＬ、インダクタンスＬに蓄積されているエネルギーをＥ、第２蓄電池３１の出力電圧をＶ２、遮断器２０を切断する直前に負荷装置２００に流れていた負荷電流をＩとした場合、第２蓄電池３１は、第２蓄電池３１の等価容量ＣＢＴが次式を満たすように構成される。
ＣＢＴ≧２Ｅ／Ｖ２２                                  （４式）
Ｅ＝０．５ＬＩ２
【００２９】
例えば、Ｌ＝１００ｍＨ、Ｉ＝１００Ａ、Ｖ２＝１０Ｖとした場合、ＣＢＴは１０Ｆ以上となる。したがって、等価容量ＣＢＴが１０Ｆ以上になるように第２蓄電池３１を構成する。
【００３０】
また、例えば、Ｌ＝１ｍＨ、Ｉ＝１Ａ、Ｖ２＝１０Ｖとした場合、ＣＢＴは１０μＦ以上となる。したがって、等価容量ＣＢＴが１０μＦ以上になるように第２蓄電池３１を構成する。
【００３１】
次に、第２充電器４１の動作について説明する。制御部７０は、計測部６０を介して第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２を計測する。制御部７０は、予め計測された第２蓄電池３１の放電深度特性を示すデータを備えている。制御部７０は、第２蓄電池３１の放電深度特性を示すデータと第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２に基づいて、第２蓄電池３１に蓄積されている電気エネルギー量を推定する。制御部７０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ１を超えると、第２充電器４１を制御して第１蓄電池１０を充電する。閾値電圧Ｖｔｈ１は、例えば次式を満たすように設定される。
Ｖｔｈ１＞Ｖ１＋Ｖｆ                              （５式）
【００３２】
また、負荷装置２００が１回遮断されるごとに充電により上昇する第２蓄電池３１の出力電圧の上昇電圧をΔＶとした場合、閾値電圧Ｖｔｈ１は、第２蓄電池３１の満充電電圧よりもΔＶ以上低い電圧に設定される。
【００３３】
なお、制御部７０は、第２蓄電池３１から充放電される電流を積分することにより、第２蓄電池３１に蓄積されている電気エネルギー量を推定してもよい。
【００３４】
負荷装置２００が遮断されるたびに第２蓄電池３１は充電され、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２は上昇していく。制御部７０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が閾値電圧Ｖｔｈ１になったことを検知すると、第２充電器４１を制御して、第１蓄電池１０の充電を開始する。
【００３５】
第１蓄電池１０への充電が進むにしたがって、第２蓄電池３１に蓄積されていた電気エネルギーは減少し、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２は低下していく。制御部７０は、第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が予め設定されている閾値電圧Ｖｔｈ２まで低下すると、第２充電器４１による第１蓄電池１０への充電を停止する。例えば、閾値電圧Ｖｔｈ２は、６式のように設定される。
Ｖｔｈ２＝Ｖ１                                      （６式）
【００３６】
（変形例１）
上記の説明では、第１充電器４０を用いて第２蓄電池３１を充電する場合について説明した。変形例１では、第１充電器４０を備えない場合について説明する。制御部７０は、計測部６０による計測によって第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が所定の電圧以下に低下したことを検知すると、第２蓄電池３１を交換するようユーザに注意を喚起する。所定の電圧とは、１式の条件に基づく電圧である。例えば、制御部７０は、図示しない表示部に、第２蓄電池３１を交換するようにメッセージを表示する。そして、ユーサが第２蓄電池３１を交換することにより、１式の条件は維持される。
【００３７】
（変形例２）
蓄電池装置１００の構成を図４に示す構成にすることもできる。蓄電池装置１００の接続構成を説明する。第１蓄電池１０の正極は、遮断器２０の第２端子２０ｂに接続されている。第１蓄電池１０の負極は、負荷装置２００の一端に接続されている。遮断器２０の第１端子２０ａは、負荷装置２００の他端に接続されている。第２蓄電池３１の負極は、遮断器２０の第１端子２０ａに接続されている。第２蓄電池３１の正極は、ダイオード３２のカソードに接続されている。ダイオード３２のアノードは、遮断器２０の第２端子２０ｂに接続されている。
【００３８】
動作説明は、第１の実施形態の説明と同じである。第１充電器４０を構成するＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスで１次側と２次側とを絶縁した構成にする必要がある。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る蓄電池装置１００は、内部抵抗の小さい第２蓄電池３１を備えたサブモジュール３０を遮断器２０に並列に接続している。これにより、蓄電池装置１００は、遮断器２０により第１蓄電池１０と負荷装置２００とが遮断された直後に流れる負荷電流Ｉをサブモジュール３０にバイパスしている。遮断器２０に印加される電圧の最大値は３式で表される電圧であるので、遮断器２０に要求される耐圧は従来に比べて低減される。これにより、遮断器２０を小型化することができる。
【００４０】
第２蓄電池３１は、制御部７０等を駆動するために使用する電源である。本実施形態に係る蓄電池装置１００は、装置内で使用する電源を第２蓄電池３１として使用するので、遮断器２０専用のエネルギー吸収装置を備える必要がない。したがって、装置の小型化を図ることができる。
【００４１】
また、第２充電器４１を備えることにより、第２蓄電池３１に蓄積された電気エネルギーを第１蓄電池１０に回生することができる。これにより、本実施形態に係る蓄電池装置１００を使用するシステムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００４２】
なお、上記の説明では、第１充電器４０が第２蓄電池３１の出力電圧Ｖ２が１式を満たすように第２蓄電池３１位を充電する説明をした。原理的には上記の説明でよいが、Ｖｆの値は、流れる電流によって変化するので、７式を満たすように設計してもよい。
Ｖ２≧Ｖ１                                        （７式）
【００４３】
また、図１から４において、第２蓄電池３１とダイオード３２の位置を入れ替えてもよい。
【００４４】
また、上記の説明では、インダクタンスＬを負荷装置２００が有するインダクタンスとして説明したが、インダクタンスＬには負荷電流Ｉが流れる配線のインダクタンスも含まれる。
【００４５】
また、上記の説明では、エネルギー吸収装置を設けない場合について説明したが、エネルギー吸収装置を設ける場合においても、遮断器２０にサブモジュール３０を並列に接続することにより、エネルギー吸収装置を小さくすることができるので、装置の小型化を図ることができる。
【００４６】
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。これらの新規な実施形態は、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、変更を行うことが出来る。これらの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。
【符号の説明】
【００４７】
１０…第１蓄電池
２０…遮断器
２０ａ…遮断器２０の第１端子
２０ｂ…遮断器２０の第２端子
３０…サブモジュール
３１…第２蓄電池
３２…ダイオード
４０…第１充電器
４１…第２充電器
６０…計測部
７０…制御部
１００…蓄電池装置
２００…負荷装置 
ＲＢＴ…第２蓄電池の内部抵抗
ＣＢＴ…第２蓄電池の等価容量
【図１】
2019221103.tif 000003
【図２】
2019221103.tif 000004
【図３】
2019221103.tif 000005
【図４】
2019221103.tif 000006