(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池群がそれぞれの充放電スイッチを介して共通の電池電源母線に並列接続されてなる電池電源からの給電回路として、主機に給電する主電路と、補機に給電する補機電路とを個別に設け、電池電源母線と主電路とを主電路用の保護装置を介して接続するとともに、補機電路用の保護装置と，限流抵抗とが直列接続されてなる補機電路用保護回路を各電池群ごとに設け、電池電源における各電池群と各充放電スイッチとのそれぞれの接続点と補機電路とを前記各補機電路用保護回路を介してそれぞれ接続し、
前記補機電路で短絡事故が発生したときは、各補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置が安全・確実に遮断動作可能なように前記各限流抵抗にて短絡電流を抑制するとともに、各電池群から個別にそれぞれの補機電路用保護回路を介して補機への給電を行なうことにより、通常通電時における限流抵抗での通電損失を低減することを特徴とする給電回路の保護方式。
【請求項２】
前記各補機電路用保護回路のそれぞれにおいて補機電路用の保護装置と，限流抵抗とに対してダイオードを直列接続し、前記主電路に短絡事故が発生したときは、補機電路に接続された機器・装置からの吐き出し電流を前記ダイオードによって阻止することにより、補機電路の機器・装置を保護するとともに、補機電路用の保護装置が作動しないようにすることを特徴とする請求項１に記載の給電回路の保護方式。
【請求項３】
前記複数の電池群の一部に異常が発生したときは、異常電池群に対応する充放電スイッチと、異常電池群に対応する補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置とを「切」とし、主電路および補機電路から異常電池群を確実に切り離すことを特徴とする請求項１または２に記載の給電回路の保護方式。
【請求項４】
前記各補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置を、スイッチとヒューズとの直列接続回路から構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の給電回路の保護方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の電池群を並列接続して構成される電池電源を備えた電気自動車や電気推進船舶等の電気推進システムなどにおける給電回路の短絡保護方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池を電源とする電気自動車や電気推進船舶などの電気推進システムにおける給電電路は、電池とこの電池を充電する発電機と推進電動機とからなる主機器・装置およびこれらの主機器・装置を制御する補機類から構成される。
このような構成において、主電路で短絡事故が発生したときは、主電路に配置した保護装置によって主電路保護が行なわれるが、同時に補機電路の給電が停止（ブラックアウト）しない給電方式が望ましく、補機・装置への給電は継続させることが望ましい。これは、補機類は主機器・装置を制御するものであるから、補機電路のブラックアウトは電気推進システムを制御不能に陥れ、安全運行が損なわれるからである。
【０００３】
図4Aに、単電池による給電回路の保護方式の一般的な例を示す。Ｂは電池、CBL，CBAXは遮断器、MBは主電路、ABは補機電路、AXLは補機、Ｇは発電機、Ｍは推進電動機を示す。
これは主電路MBに遮断器CBLを設け、主電路で短絡事故が発生したときは遮断器CBLが作動し主電路を保護するものである。なお、図4Aの構成では、遮断器CBLの負荷（推進電動機）側において遮断器CBAXを介して補機電路ABが分岐されているので、遮断器CBLの作動により、同時に補機電路ABへの給電も断たれるため、電気推進システムのブラックアウトが発生し、極めて危険な状態になる。
【０００４】
図4Bに、単電池による給電回路の保護方式の別の例を示す。
これは、遮断器CBLの電池側において遮断器CBAXを介して補機電路ABを分岐し、遮断器CBLおよび遮断器CBAXにより主電路MBと補機電路ABとが分離されるようにしたものである。これにより、主電路短絡事故で遮断器CBLが遮断動作しても、補機電路への給電は継続され電気推進システムのブラックアウトが発生しないので、安全が確保される。
図4Cは、図4Bで電池が複数群(B1~Bn)である点を除けば全く同じであり、保護方式も図4Bと基本的に同様である。
【０００５】
これら回路を用いた電気推進システムにおける主電路の容量（推進電動機容量）と補機電路の容量との比は、通常１０：１程度またはそれ以上と言われ、主電路の容量に比べて補機電路の容量は小さいから、補機電路保護装置などの機器通電電流（IAX）は主電路のそれ（IL）に比べて小さい。
しかし、補機電路で短絡が発生した場合には、図５（ａ）や図６（ａ）に示すように、補機電路短絡点（点線参照）には電池からの短絡電流IBs，発電機からの短絡電流IGs、推進電動機からの短絡電流IMsを合計した莫大な短絡電流が流入し、常時通電電流が小さな補機電路に大短絡電流が流入することになるから、特に、保護装置の遮断機能に課題があることが指摘され、補機電路保護装置（CBAX）の遮断性能向上・改善が重要な技術課題ともなっている。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１，２のように通常の遮断器に代えて、遮断性能の高い超限流遮断器を用いるものが提案されている。しかしながら、この超限流遮断器は一般に大型かつ高価であることから、これに代わる方式として、限流抵抗を利用するものが既に実用化されている。
図５（ｂ），図６（ｂ）にその例を示す。図５（ｂ）は単電池給電方式、図６（ｂ）は複数電池給電方式の場合である。
【０００７】
図７は、上述の限流抵抗RAXを用いて推定短絡電流を抑制する限流効果を説明する原理説明図である。すなわち、限流抵抗RAXが無い場合は図７にIsMAXとして示す推定短絡電流が流れるが、保護装置の遮断性能上限値ICBL以下の最大短絡電流ICBsとなるよう、限流抵抗RAXを挿入して抑制することにより、保護装置が安全，確実に短絡電流を遮断できるようにするものである。
【０００８】
しかしながら、電気推進システムの電池電源は安全性や安定性等を考慮して、通常は複数並列電池構成が採用されているから、上記図５（ｂ）のような方式ではなく、図６（ｂ）のような構成とされる場合が多い。しかし、図６（ｂ）のような構成では、限流抵抗による通電損失や電圧降下が大きいという問題がある。なお、この点については、実施形態のところで詳しく説明する。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−０８６８９１号公報
【特許文献２】特開２００５−３２３４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、この発明の解決しようとする課題は、電気推進システムなどにおける複数の電池群が並列接続されてなる電池電源からの給電回路であって，主機および補機にそれぞれ給電する主電路および補機電路を個別に設けた給電回路の保護方式において、通常通電時における限流抵抗による通電損失や電圧降下を低減することができるとともに、補機電路用の保護装置の安全，確実な遮断動作ができ、補機電路用の保護装置の小型，軽量化および低コスト化を図ることのできる保護方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決すため、請求項１の発明では、複数の電池群がそれぞれの充放電スイッチを介して共通の電池電源母線に並列接続されてなる電池電源からの給電回路として、主機に給電する主電路と、補機に給電する補機電路とを個別に設け、電池電源母線と主電路とを主電路用の保護装置を介して接続するとともに、補機電路用の保護装置と，限流抵抗とが直列接続されてなる補機電路用保護回路を各電池群ごとに設け、電池電源における各電池群と各充放電スイッチとのそれぞれの接続点と補機電路とを前記各補機電路用保護回路を介してそれぞれ接続し、前記補機電路で短絡事故が発生したときは、各補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置が安全・確実に遮断動作可能なように前記各限流抵抗にて短絡電流を抑制するとともに、各電池群から個別にそれぞれの補機電路用保護回路を介して補機への給電を行なうことにより、通常通電時における限流抵抗での通電損失を低減することを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明においては、前記各補機電路用保護回路のそれぞれにおいて補機電路用の保護装置と，限流抵抗とに対してダイオードを直列接続し、前記主電路に短絡事故が発生したときは、補機電路に接続された機器・装置からの吐き出し電流を前記ダイオードによって阻止することにより、補機電路の機器・装置を保護するとともに、補機電路用の保護装置が作動しないようにすることができる（請求項２の発明）。
また、上記請求項１または２の発明においては、前記複数の電池群の一部に異常が発生したときは、異常電池群に対応する充放電スイッチと、異常電池群に対応する補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置とを「切」とし、主電路および補機電路から異常電池群を確実に切り離すことができる（請求項３の発明）。
さらに、上記請求項１〜３の発明においては、前記各補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置を、スイッチとヒューズとの直列接続回路から構成することができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１３】
（ａ）この発明によれば、電気推進システムなどにおける複数の電池群がそれぞれの充放電スイッチを介して共通の電池電源母線に並列接続されてなる電池電源からの給電回路であって、主機に給電する主電路と，補機に給電する補機電路とを個別に設けた給電回路の保護方式として、電池電源母線と主電路とを主電路用の保護装置を介して接続するとともに、補機電路用の保護装置と，限流抵抗とが直列接続されてなる補機電路用保護回路を各電池群ごとに設け、電池電源における各電池群と各充放電スイッチとのそれぞれの接続点と補機電路とを前記各補機電路用保護回路を介してそれぞれ接続する。
給電回路の保護方式としての上記構成により、下記（ａ１）〜（ａ４）の作用効果が奏される。
【００１４】
（ａ１）前記補機電路で短絡事故が発生したときは、各補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置が安全・確実に遮断動作可能なように前記各限流抵抗にて短絡電流を抑制することができるので、補機電路用の保護装置として、配線用遮断器などの通常の保護装置や通常のヒューズが適用できるようになる。
（ａ２）各電池群から個別にそれぞれの補機電路用保護回路を介して補機への給電を行なうので、通常通電時における限流抵抗での通電損失を低減することができるようになる。
（ａ３）各電池群から個別にそれぞれの補機電路用保護回路を介して補機への給電を行なうので、補機電路用の保護装置の通電容量を小さくすることもできるようになる。
（ａ４）そして、上記（ａ１）および（ａ３）の点により、補機電路用の保護装置の小型，軽量化および低コスト化を図ることができる。
【００１５】
（ｂ）また、上記構成に加えて、各補機電路用保護回路のそれぞれにおいて補機電路用の保護装置と，限流抵抗とに対してダイオードを直列接続した構成では、主電路に短絡事故が発生したときに、補機電路に接続された機器・装置からの吐き出し電流を上記ダイオードによって阻止することができるので、補機電路の機器・装置を保護することができるとともに、補機電路用の保護装置が作動しないようにして、補機電路のブラックアウトを回避することができる。
（ｃ）なお、複数の電池群の一部に異常が発生したときは、異常電池群に対応する充放電スイッチと、異常電池群に対応する補機電路用保護回路における補機電路用の保護装置とを「切」とし、主電路および補機電路から異常電池群を確実に切り離すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図1Aはこの発明の実施の形態を示す回路図、図1Bは図1Aと対比して説明するための回路図である。図1A〜1Bの回路は、いずれも、複数の電池群Ｂ１〜Ｂｎがそれぞれの充放電スイッチSWB1〜SWBnを介して共通の電池電源母線に並列接続されてなる電池電源を備えている。
そして、図1Aは、電池電源母線（複数電池群の並列接続部）と主電路MBとを主電路用保護装置CBLを介して接続するとともに、補機電路用保護装置（CBAX1〜CBAXn）と限流抵抗（RAX1〜RAXn）とが直列接続されてなる補機電路用保護回路を各電池群Ｂ１〜Ｂｎごとに設け、電池電源における各電池群Ｂ１〜Ｂｎと各充放電スイッチSWB1〜SWBnとのそれぞれの接続点と補機電路ABとを前記各補機電路用保護回路を介してそれぞれ接続した構成となっている。なお、電池電源からは、主電路MBを介して主機（推進電動機Ｍ）への給電が行われるとともに、補機電路ABを介して主機（推進電動機Ｍ）より負荷容量の小さい補機AXLへの給電が行われる。
【００１７】
一方、図1Bは、電池電源母線（複数電池群の並列接続部）から主電路MBと補機電路ABとを分岐し、補機電路AB用保護回路は、補機電路用保護装置CBAXと限流抵抗RAXとが直列接続されてなる回路としたもので、図６（ｂ）と同じ給電方式を示す。
図1A，1Bの各方式について、以下具体的な数値を用いて比較検討する。
まず、各量を次のように定め、図1Bから説明する。
電池電圧VB=650V(充放電で変動する電池電圧の最大値)
主電路電流IL=5000A
補機電路電流ΣIAX=500A(ILの1/10とする)
電池並列数n=10
【００１８】
１）図1B の場合
電気推進船舶に用いる大容量電気推進装置を想定するとき、電池内部抵抗及び給電回路の電路インピーダンスが極めて小さいことから、給電回路において短絡事故が発生した時に流れる短絡電流は、図７に示す短絡事故電流値IsMAX＝200KA~300 KAに達するものと推定される。このような大きさの短絡電流を安全・確実に遮断するためには、主電路用保護装置CBLに超高速遮断機能を持つもの、例えば超限流ヒューズが用いられることは、先に説明したところであり、この点は、補機電路用保護装置CBAXについても同様である。しかし、電池電源（並列接続電池）から補機AXLに給電する補機電路ABの保護装置に、従来からの超限流ヒューズを用いると保護装置の大型化，コストアップにつながるのも前述の通りである。
【００１９】
そこで、補機電路用保護装置の大型化，コストアップを回避するため、図1Bのように補機電路用保護装置CBAXと限流抵抗RAXとを直列接続してなる保護回路を利用することが考えられ、既に実用化されているのも先に説明した通りである。
ここで、図1Bにおいて、図７に示す保護装置の遮断性能上限値ICBL=30KAと仮定し、この短絡電流を遮断性能上限値ICBL以下の最大短絡電流ICBs=20KAに限流しようとするときの限流抵抗値RAXは、
RAX＝VBmax÷ICBs=650V÷20KA = 0.0325Ω
であり、通常通電時の限流抵抗での通電損失は、
WRAX=RAX×ΣIAX2= 0.0325Ω×500A2 =8.125KW
となり、通常通電時の限流抵抗での電圧降下は、
VRAX=RAX×ΣIAX=0.0325Ω×500A =16.25V
となる。
【００２０】
２）図1Aの場合
電池並列数n=10とし、短絡電流を図1Bの場合と同じくICBs＝20KAに限流しようとするときの限流抵抗値RAX=0.0325Ωは、図1Bと同じ値である。
通常通電時の各電池群Ｂ1〜Ｂnからの電流（IAX1〜IAXn）は、それぞれIAX＝ΣIAX÷10＝500A÷10=50A
であり、通常通電時の各限流抵抗（RAX1〜RAXn）での通電損失は、
WRAX=RAX×(ΣIAX÷10)2=0.08125KW
となり、合計損失は、
ΣWRAX=WRAX×10=0.8125KW
のように図1Bの場合の1/10になり、
通常通電時の限流抵抗での電圧降下は、
VRAX=RAX×ΣIAX÷10=1.625V
であり、これも図1Bの場合の1/10となる。
【００２１】
以上の結果から、図1Aと図1Bを比較すると、図1A の方が通常通電時の限流抵抗での通電損失および電圧降下ともに図1B の場合の1/10となり、有利であることが分かる。ただし、図1B の場合に比べ補機電路用保護装置CBAXの数量が多くなるという難点を有することになる。しかしながら、図1Aの構成では、
上述した限流抵抗の短絡電流抑制効果により補機電路用保護装置として通常の保護装置（配線用遮断器，ヒューズ）を用いることができることに加えて、補機電路用保護装置の通電容量を小さくすることもできるので、補機電路用保護装置の小型，軽量化およびコストダウンが可能となり、給電回路の保護方式として好適である。
【００２２】
なお、各電池群Ｂ１〜Ｂｎのうち一部の個別電池群に異常が発生したとき、異常電池群に対応する充放電スイッチ（SWB1~SWBn）を「切」とするのと連動させて、異常電池群に対応する補機電路用保護装置（CBAX1~CBAXn）も「切」とすれば、異常電池群を給電回路（主電路MBおよび補機電路AB）から切り離すことができる。
また、通常の配線用遮断器などを用いた補機電路用保護装置(CBAX)に代えて図３のように、スイッチSWとヒューズFとを直列接続してなる構成の保護装置にすれば、補機電路用保護装置のさらなる小型，軽量化およびコストダウンが可能となる。
【００２３】
図2Aはこの発明の他の実施形態を示し、図1Aにおける各電池群Ｂ１〜Ｂｎに対応する各補機電路用保護回路のそれぞれにおいて、補機電路用保護装置（CBAX1~CBAXn）と限流抵抗（RAX1~RAXn）とに対して直列に、かつ、通常通電時の電流方向が順方向となるように逆流阻止用のダイオード（DAX1〜DAXn）を挿入した例である。
この方式は、主電路MBに短絡事故が発生したとき、補機電路ABに接続されている補機機器・装置（補機AXL）から主電路短絡点へ吐き出し電流が流れて補機電路用保護装置(CBAX1~CBAXn)が動作して補機電路がブラックアウトすることを防止するとともに、吐き出し電流が流れて補機機器・装置（補機AXL）が損傷することを防止するものである。
【００２４】
この場合も、図1Bと対応する図2Bを想定し、図2Bを図2Aと比較する。
いま、ダイオードの沿層電圧を２Vと仮定すると、上述の図1A〜1Bの場合と同様に電池並列数n=10としたとき、図2Aの場合における各ダイオード（DAX1〜DAXn）の通電損失はWD=2V×50A=0.1KWで合計損失は0.1KW×10=1KW 、図2Bの場合におけるダイオード（DAX）の通電損失はWD=2V×500A=1KWで、全体としての通電損失は両方とも変わりはないが、図2Aでの各ダイオード（DAX1〜DAXn）の通電損失は0.1KWであるのに対し、図2Bでのダイオード（DAX）の通電損失は1KWと大きい。このため、補機電路ABに接続されている補機機器・装置（補機AXL）の負荷容量が大きくて、図2Bではダイオードに対する強制風冷が必要となるような場合であっても、図2Aでは自然風冷でも可能となるようにすることができるので、ダイオード冷却構造の観点からも図2Aの方が小型，軽量化およびコストダウンに適しているといえる。
【００２５】
これらの考察結果から、図1Aと図2Aの方式がより望ましく、並列接続された複数電池群Ｂ１〜Ｂｎを電池電源とするとともに主電路MBと補機電路ABとを備えた電気推進システムにおける補機電路ABへの給電は、各電池群Ｂ１〜Ｂｎごとに設けられた，補機電路用保護装置（CBAX1〜CBAXn）および限流抵抗（RAX1〜RAXn）とを直列接続してなる各補機電路用保護回路を介して、各電池群Ｂ１〜Ｂｎと各充放電スイッチSWB1〜SWBnとのそれぞれの接続点から共通の補機電路ABへ給電する方式とする。
図1Aおよび図2Aの上記方式では、まず、図1Bおよび図2Bの方式と同様であるが、限流抵抗（RAX1〜RAXn）によって短絡事故発生時の短絡電流を抑制することにより、補機電路用保護装置として、通常の配線用遮断器、または通常の保護ヒューズを用いて、安全・確実に事故電流が遮断できるようにする。
【００２６】
次に、図1Aおよび図2Aの上記方式では、図1Bおよび図2Bの方式とは異なり、各電池群Ｂ１〜Ｂｎから個別にそれぞれの補機電路用保護回路を介して共通の補機電路ABへの給電を行なうので、通常通電時における限流抵抗（RAX1〜RAXn）での通電損失を低減することができ、各限流抵抗での通電損失を合計した全体の通電損失としても、図1Bおよび図2Bの方式における限流抵抗での通電損失に比べて１／ｎ（ｎは電池並列数）とすることができるとともに、補機電路用保護装置（CBAX1〜CBAXn）の通電容量を小さくすることもできる。
そして、図1Aおよび図2Aの上記方式では、補機電路用保護装置として通常の配線用遮断器、または通常の保護ヒューズを用いることができるとともに、補機電路用保護装置の通電容量を小さくすることができることから、補機電路用保護装置の小型，軽量化および低コスト化を図ることが可能となる。
【００２７】
また、図2Aの方式では、図2Bの方式と同様であるが、主電路MBで短絡事故が発生した時は、補機電路ABに接続された補機機器・装置（補機AXL）からの吐き出し電流をダイオードDAX1〜DAXnでブロックすることにより、上記吐き出し電流で補機電路保護装置CBAX１〜CBAXnが動作しないようにして、補機電路ABのブラックアウトを回避するとともに、上記吐き出し電流で補機機器・装置（補機AXL）が損傷しないように保護する。
なお、複数の電池群の一部に異常が発生したときは、異常電池群に対応する充放電スイッチ（SWB1~SWBn）と、異常電池群に対応する補機電路用保護回路における補機電路用保護装置（CBAX1〜CBAXn）とを「切」とすることで、異常電池群を主電路および補機電路から確実に切り離すことができ、これにより、電源供給を中断することなく健全電池群による例えば電気推進船舶などの電気推進システムの運転を継続することが可能となる。
【００２８】
また、上述の説明では、主として電気推進システムにおける給電回路の保護方式を例として説明したが、この発明は、電気推進システム以外の電気設備においても、複数の電池群が並列接続されてなる電池電源からの給電回路であって，主機および補機にそれぞれ給電する主電路および補機電路を個別に設けた給電回路であれば、その給電回路の保護方式として適用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】この発明の実施の形態を示す回路図
【図１Ｂ】図１Ａと比較対照するための回路図
【図２Ａ】この発明の他の実施の形態を示す回路図
【図２Ｂ】図２Ａと比較対照するための回路図
【図３】図１Ａ〜２Ｂで用いられる保護装置の具体例
【図４Ａ】給電回路の保護方式の第1例を示す回路図
【図４Ｂ】給電回路の保護方式の第２例を示す回路図
【図４Ｃ】給電回路の保護方式の第３例を示す回路図
【図５】単電池給電方式の短絡事故発生時における電流経路説明図
【図６】複数電池給電方式の短絡事故発生時における電流経路説明図
【図７】限流抵抗による短絡電流抑制効果の説明図
【符号の説明】
【００３０】
Ｂ，Ｂ１〜Ｂｎ…電池、CBL，CBAX，CBAX１〜CBAXn…遮断器、MB…主電路、AB…補機電路、AXL…補機、Ｇ…発電機、Ｍ…推進電動機、RAX，RAX1~ RAXn…限流抵抗、SW，SWB1~SWBn…スイッチ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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