二次電池装置
【課題】発熱を回避するとともにエネルギーロスを抑制し、プリチャージに要する時間を短縮することが可能な二次電池装置を提供する。
【解決手段】二次電池モジュールＭＤＬと、二次電池モジュールＭＤＬの端子と、入出力端子ＴＰとの間の接続を切替えるコンタクタ６０と、コンタクタ６０に並列に接続され、入出力端子ＴＰと端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチＴｒ１および放電電流の流れを切替える第２スイッチＴｒ２と、を備え、第１スイッチＴｒ１および第２スイッチＴｒ２は、入出力端子ＴＰの電圧と端子の電圧との電位差と、電位差の極性と、二次電池モジュールＭＤＬに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする二次電池装置。
【解決手段】二次電池モジュールＭＤＬと、二次電池モジュールＭＤＬの端子と、入出力端子ＴＰとの間の接続を切替えるコンタクタ６０と、コンタクタ６０に並列に接続され、入出力端子ＴＰと端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチＴｒ１および放電電流の流れを切替える第２スイッチＴｒ２と、を備え、第１スイッチＴｒ１および第２スイッチＴｒ２は、入出力端子ＴＰの電圧と端子の電圧との電位差と、電位差の極性と、二次電池モジュールＭＤＬに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする二次電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、二次電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートグリッド向けや電気自動車などの車両に搭載される電源として、二次電池セルを多直列多並列にした二次電池装置が注目されている。
【０００３】
二次電池セルを多直多並列にした二次電池装置では、構成する二次電池セルが内部短絡を起こしても安全な程度の並列数の単セルを並列として、それを１０直列程度まとめて組電池とし、それを必要な電圧まで直列に接続して二次電池モジュールとし、必要であれば二次電池モジュールをさらに並列に接続して電源装置が構成される。
【０００４】
電源装置の主回路出力（正極（Ｐ）端子と負極（Ｎ）端子との出力）は、インバータ・コンバータ装置（ＰＣＳ）へ接続され、二次電池モジュールには充放電電流が流れる。大規模なシステムの場合は、上記電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合がある。
【０００５】
また、リチウムイオン二次電池を使用した場合、電池を安全に永く使用するために、個々の電池毎に電圧・温度の監視、蓄電量ばらつき補正を行う必要があり、また、二次電池モジュール毎に残容量推定、自己診断に基づく充放電許可・禁止の判断を行う必要がある。そのため、組電池毎に電圧温度監視回路（ＶＴＭ回路：Voltage Temperature Monitoring circuit）が設けられ、二次電池モジュール毎に電池管理回路（ＢＭＵ：Battery Management Unit）が設けられ、それぞれの間は通信線で結ばれる。
【０００６】
また、充放電の許可および禁止を制御するために、二次電池モジュール毎にコンタクタ（電磁接触器）が設けられ、さらにコンタクタ開閉時の突入電流を抑止するためプリチャージ電流制限器が設けられ、それぞれ電池管理回路からの制御信号により制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、複数の二次電池モジュールが並列に接続された電源装置の起動時は、並列に接続された二次電池モジュール間で電圧（残容量）が異なることが考えられるので、突入電流を抑制するために、まずプリチャージ電流制限器が閉じ、二次電池モジュールの１時間放電率（１Ｃ）の１０分の１程度の電流に電流制限がかかった状態で電源装置の主回路へ接続される。
【０００９】
従来は、プリチャージ電流制限器としてコンタクタと抵抗器とを直列接続したものが用いられていた。この場合、二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が所定電圧以下になりコンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、コンタクタが閉じる。
【００１０】
ここで、７００Ｖ前後の出力を得るために例えば数百個のリチウムイオン二次電池セルを直列接続した二次電池モジュールについては、リチウムイオン二次電池セル１つあたり約１Ｖの電位差があることから、充電率１００％付近の二次電池モジュールと充電率０％付近の二次電池モジュールとで数百Ｖの電位差が発生する可能性がある。
【００１１】
一方で、コンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流になる二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差は、二次電池モジュールの直列等価抵抗値と主回路電圧とに依存するが、略数Ｖから数十Ｖである。
【００１２】
例えば、５０Ａｈの二次電池モジュールに対して、二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が１００Ｖである場合、突入電流を５Ａに制限できる電流制限抵抗値は略２０Ωになる。
【００１３】
このときの電流制限抵抗の発熱量は５００Ｗになり、放熱方法と取り付け場所が課題となる。さらに、この状態で電位差が縮小して１０Ｖになると０．５Ａとなり、流れる電流は１０分の１になり、それに伴って電位差が縮まる速度が遅くなる。
【００１４】
このため、充電率が異なる二次電池モジュールが存在する状態で蓄電システムが起動した場合は、二次電池モジュールの主回路電圧と蓄電システムの主回路電圧の電位差が大きな二次電池モジュールは、長時間にわたりコンタクタを閉じることができない状態が継続する可能性があった。
【００１５】
長時間抵抗器を介して電流が流れることは発熱およびエネルギーロスの原因となり、長時間にわたりコンタクタを閉じることができない状態が継続することは電源装置の充放電可能電力が減少する原因となり得る。
【００１６】
本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、発熱を回避するとともにエネルギーロスを抑制し、プリチャージに要する時間を短縮することが可能な二次電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
実施形態による二次電池装置は、二次電池モジュールと、前記二次電池モジュールの端子と、入出力端子との間の接続を切替えるコンタクタと、前記コンタクタに並列に接続され、前記入出力端子と前記端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチおよび放電電流の流れを切替える第２スイッチと、を備え、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差と、前記電位差の極性と、前記二次電池モジュールに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が前記電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態の二次電池装置および電源装置の一構成例について説明するための図である。
【図２】図１に示す二次電池装置のプリチャージ電流制限器の一構成例について説明するための図である。
【図３】図２に示すプリチャージ電流制限器の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１に示す電池管理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示す二次電池装置のプリチャージ電流制限器の他の構成例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１に、一実施形態に係る二次電池装置および電源装置の一構成例を示す。本実施形態に係る電源装置は、並列に接続された複数の二次電池装置４０と、複数の二次電池装置４０と通信するＢＭＵ ＨＵＢ８０と、複数の二次電池装置４０の正極と接続されたＰ端子と、複数の二次電池装置４０の負極と接続されたＮ端子と、を備えている。
【００２１】
二次電池装置４０は、二次電池モジュールＭＤＬと、コンタクタ６０と、コンタクタ６０と並列に接続されたプリチャージ電流制限器７０と、コンタクタ６０と二次電池モジュールＭＤＬの正極端子との間に接続されたヒューズ５０と、二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とコンタクタ６０を介して接続される正極側の第１入出力端子ＴＰと、二次電池モジュールＭＤＬの負極端子と接続される負極側の第２入出力端子ＴＮと、を備えている。
【００２２】
複数の二次電池装置４０の第１入力端子ＴＰ１は電源装置の正極（Ｐ）端子と電気的に接続され、第２入力端子ＴＰ２は電源装置の負極（Ｎ）端子と電気的に接続されている。
【００２３】
電源装置のＰ端子とＮ端子とは図示しないインバータ・コンバータ装置（ＰＣＳ）と接続され、Ｐ端子およびＮ端子を介して充放電電流が主回路に流れる。なお、さらに大容量の電源を構成する場合は、上記電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合がある。
【００２４】
二次電池モジュールＭＤＬは、直列に接続された複数の組電池ＢＴと、複数の電圧温度監視回路１０と、電圧温度監視回路１０と通信を行なう電池管理回路２０と、複数の組電池ＢＴに流れる電流を検出する電流センサ３０と、を備えている。
【００２５】
組電池ＢＴは、複数の二次電池セルを備えている。二次電池セルは、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池である。組電池ＢＴは、内部短絡を起こしても安全な程度の数だけの二次電池セルが並列に接続され、並列接続された複数の二次電池セルがさらに直列に接続されている。
【００２６】
電圧温度監視回路１０は、組電池ＢＴを構成する複数の二次電池セルの電圧を検出する電圧検出回路（図示せず）と、組電池ＢＴを構成する複数の二次電池セルの少なくとも１つの温度を検出する温度検出回路（図示せず）と、複数の二次電池セルの蓄電量ばらつきを補正するセルバランス回路（図示せず）と、通信回路（図示せず）と、を備えている。
【００２７】
複数の電圧温度監視回路１０は、通信線により電池管理回路２０と接続されている。電圧温度監視回路１０は、検出した電圧や温度の値を電池管理回路２０へ送信する。なお、複数の電圧温度監視回路１０は通信線により直列に接続され、最も高電位の組電池ＢＴに接続された電圧温度監視回路１０が通信線により電池管理回路２０と接続されてもよい。その場合、電圧温度監視回路１０は、検出した電圧や温度の値を高電位側の電圧温度監視回路１０へ順次送信し、最も高電位側の電圧温度監視回路１０から電池管理回路２０へ送信される。
【００２８】
電池管理回路２０と電圧温度監視回路１０との間の通信線は、接点信号（２値信号）の他、ＣＡＮ（Control Area Network）等のシリアル通信方式を適用可能である。
【００２９】
電流センサ３０は、ホールセンサやシャント抵抗等を備えている。電流センサ３０で検出された電流の値は電池管理回路２０に供給される。
【００３０】
電池管理回路２０は、電圧温度監視回路１０から組電池ＢＴを構成する二次電池セルの電圧および温度の値を受信するとともに、電流センサ３０で検出された電流の値を取得する。電池管理回路２０は、受信した電圧、温度、電流の値を用いて、二次電池セルの残容量を推定し、自己診断に基づく充放電許可および禁止の判断を行なう。電池管理回路２０は、通信線によりＢＭＵ ＨＵＢ８０と接続されている。
【００３１】
ＢＭＵ ＨＵＢ８０は、複数の二次電池モジュールＭＤＬから二次電池モジュールＭＤＬ毎の情報を収集して状態監視および制御を行う。ＢＭＵ ＨＵＢ８０はＰＣＳと通信線で接続され、電源装置全体としての出力可能電力や残容量、充放電許可および禁止などの情報がＰＣＳへ伝達される。なお、ＢＭＵ ＨＵＢ８０は、単に、複数の二次電池モジュールＭＤＬとＰＣＳとの間で送受信される情報が経由される機能のみであってもよく、複数の二次電池モジュールＭＤＬから二次電池モジュールＭＤＬ毎の情報を収集して状態監視および制御を行う機能をさらに備えていてもよい。
【００３２】
ＢＭＵ ＨＵＢ８０とＰＣＳとの間の通信線は接点信号（２値信号）の他、イーサネット（登録商標）（Ethernet（登録商標））等のＬＡＮの通信方式を適用可能である。特に、電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合、バス接続であるイーサネット（登録商標）等のＬＡＮによる通信方式は拡張性が高く好適である。
【００３３】
コンタクタ６０は、電池管理回路２０からの制御信号に従って、二次電池モジュールＭＤＬの正極端子と、電源装置のＰ端子との間の電気的接続を切替える。コンタクタ６０は、例えば電磁接触器である。コンタクタ６０は、電池管理回路２０からの制御信号により、充放電を許可する場合には二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とＰ端子とを二次電池装置４０の第１入出力端子ＴＰを介して電気的に接続し、充放電を禁止する場合には二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とＰ端子との電気的接続を切断する。
【００３４】
プリチャージ電流制限器７０は、電池管理回路２０から制御信号により動作を制御される。電源装置の起動時は、並列に接続された二次電池モジュールＭＤＬ間で電圧が異なることが考えられるので、突入電流を抑制するために、まずプリチャージ電流制限器７０を介して、二次電池モジュールＭＤＬの１時間放電率（１Ｃ）の１０分の１程度の電流に電流制限がかかった状態で電源装置の主回路へ充電器や負荷が接続される。
【００３５】
二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧（正極端子の電圧）と電源装置の主回路電圧（Ｐ端子の電圧）との電位差が所定電圧以下になり、コンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、電池管理回路２０はコンタクタを閉じる。
【００３６】
図２にプリチャージ電流制限器７０の一構成例を示す。プリチャージ電流制限器７０は、ヒューズを介して電源装置のＰ端子（二次電池装置４０の第１入出力端子ＴＰ）と接続されたコイルＬと、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と、電流センサＳＡと、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と並列に接続されたダイオードＤ１、Ｄ２と、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２のゲート電位の制御信号を出力するスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２と、電位差センサＳＶと、絶対値化回路７１と、極性判別回路７４と、差分器７６と、制御器７８と、比較器（ＰＷＭ変調部）ＣＯＭと、鋸歯状波発生器７９と、インバート回路ＮＯＴと、を備えている。
【００３７】
コイルＬと、充電電流の流れを切替える半導体スイッチＴｒ１と、放電電流の流れを切替える半導体スイッチＴｒ２と、電流センサＳＡとは、電源装置のＰ端子と二次電池モジュールＭＤＬの正極端子との間に直列に接続されている。
【００３８】
半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２には、スイッチが導通したときに流れる電流の方向と、逆方向に電流が流れるように、ダイオードＤ１、Ｄ２が並列に接続されている。半導体スイッチＴｒ１が導通したときには、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介してＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬへ電流が流れ、ダイオードＤ１は、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介して二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳに電流が流れるように半導体スイッチＴｒ１に並列に接続されている。半導体スイッチＴｒ２が導通したときには、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介して二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳへ電流が流れ、ダイオードＤ２は、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介してＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬに電流が流れるように、半導体スイッチＴｒ２に並列に接続されている。
【００３９】
電流センサＳＡは、ＰＣＳから二次電池装置の入出力端子を介して二次電池モジュールＭＤＬへ流れる電流、又は、二次電池モジュールＭＤＬから二次電池装置の入出力端子を介してＰＣＳへ流れる電流を検出する。電流センサＳＡで検出された電流の値は絶対値化回路７１に供給される。
【００４０】
電位差センサＳＶは、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差を検出する。電位差センサＳＶで検出された電位差の値は電池管理回路２０と極性判別回路７４とに供給される。電池管理回路２０は、受信した電位差の大きさからプリチャージ動作の終了判別を行う。
【００４１】
極性判別回路７４は、電位差センサＳＶから取得した電位差の値から、電位差の極性から、電流が流れる方向を判別する。電源装置の主回路電圧の方が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも大きい場合にはハイ（Ｈ）レベルの信号を出力し、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧の方が電源装置の主回路電圧よりも大きい場合にはロー（Ｌ）レベルの信号を出力する。極性判別回路７４の出力信号は、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２に送信される。
【００４２】
なお、電池管理回路２０が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧を測定可能で、かつ、ＢＭＵ ＨＵＢ８０から電源装置の主回路電圧が通知される場合は、電池管理回路２０は電位差を演算することができるため、電位差センサＳＶを省略可能である。この場合、極性判別回路７４は電池管理回路２０に搭載されることが望ましい。
【００４３】
例えば約７００Ｖ電圧に対して数Ｖの電位差を識別する場合には高精度な電圧測定手段が必要となるため、プリチャージ電流制限器７０に別途電位差センサＳＶを設けて、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差を直接検出可能な手段を設けることは好適である。
【００４４】
絶対値化回路７１は、電流センサＳＡから取得した電流の値の絶対値を演算して、差分器７６へ出力する。
【００４５】
差分器７６には、電流センサＳＡから取得した電流値の絶対値と、電池管理回路２０からの電流指令値とが入力される。差分器７６は、電流指令値と電流値の絶対値との差分（偏差）を演算して、制御器７８へ出力する。
【００４６】
制御器７８は、Ｐ（比例）制御則、または、ＰＩ（比例・積分）制御則を用いて差分器７６の出力信号に基づく制御を行なう。制御器７８の出力信号は比較器ＣＯＭに出力される。
【００４７】
比較器ＣＯＭには、制御器７８の出力信号と、鋸歯状波発生器７９で生成された鋸歯状波とが入力され、制御器７８の出力信号と鋸歯状波とを用いてＰＷＭ変調したＰＷＭ信号を出力する。比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号はスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２、および、インバート回路ＮＯＴに入力される。
【００４８】
なお、本実施形態では、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２へ供給する制御信号としてＰＷＭ変調された信号用いているが、ＰＦＭ変調された信号をスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２へ供給してもよい。
【００４９】
スイッチ回路Ｃ１は、比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号と極性判別回路７４の出力信号とが入力される第１論理積回路ＡＮＤ１と、インバート回路ＮＯＴの出力信号と極性判別回路７４の出力信号を反転した信号とが入力される第２論理積回路ＡＮＤ２と、第１論理積回路ＡＮＤ１の出力信号と第２論理積回路ＡＮＤ２の出力信号とが入力される第１論理和回路ＯＲ１と、第１論理和回路ＯＲ１の出力信号と電池管理回路２０からのＯＮ／ＯＦＦ信号（スイッチ制御信号）とが入力される第３論理積回路ＡＮＤ３と、を備えている。第３論理積回路ＡＮＤ３から出力された信号はゲートドライバＧＤ１を介して半導体スイッチＴｒ１のゲートに伝達される。
【００５０】
ゲートドライバＧＤ１は、磁気、電界、光などの結合方法により絶縁した状態でオンあるいはオフの指令信号を半導体スイッチＴｒ１のゲートに伝達する。
【００５１】
スイッチ回路Ｃ２は、比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号と極性判別回路７４の出力信号を反転した信号とが入力される第４論理積回路ＡＮＤ４と、インバート回路ＮＯＴの出力信号と極性判別回路７４の出力信号とが入力される第５論理積回路ＡＮＤ５と、第４論理積回路ＡＮＤ４の出力信号と第５論理積回路ＡＮＤ５の出力信号とが入力される第２論理和回路ＯＲ２と、第２論理和回路ＯＲ２の出力信号と電池管理回路２０からのＯＮ／ＯＦＦ信号（プリチャージ切替信号）とが入力される第６論理積回路ＡＮＤ６と、を備えている。第６論理積回路ＡＮＤ６から出力された信号はゲートドライバＧＤ２を介して半導体スイッチＴｒ２のゲートに印加される。
【００５２】
ゲートドライバＧＤ２は、磁気、電界、光などの結合方法により絶縁した状態でオンあるいはオフの指令信号を半導体スイッチＴｒ２のゲートに伝達する。
【００５３】
上記プリチャージ電流制限器７０において、電流指令値の偏差に対して半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２のオンおよびオフのデューティ比が変化することにより、平均的な電流値が電流指令値に一致するように制御する。
【００５４】
図３に、プリチャージ電流制限器７０の動作の一例を説明するためのタイミングチャートを示す。
また、図４に、プリチャージ電流制限器７０を制御する電池管理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートを示す。
【００５５】
まず、電池管理回路２０は、電位差センサＳＶから取得した電位差から、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断する（ステップＳＴ１）。所定電圧の値は、コンタクタ６０を閉じたとき（オンしたとき）に発生し得る突入電流が安全な電流となる電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差である。
【００５６】
演算した電位差の絶対値が所定電圧よりも小さい場合には、電池管理回路２０はプリチャージを行なわずに、コンタクタ６０をオンとする（ステップＳＴ７）。
【００５７】
演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である場合には、電池管理回路２０は、プリチャージ電流制限器へ電流指令値を出力して（ステップＳＴ２）、ＯＮ／ＯＦＦ信号をオン（ＯＮ）とする（ステップＳＴ３）。ＯＮ／ＯＦＦ信号はプリチャージの開始と停止とを切替える信号であって、ＯＮ／ＯＦＦ信号がオンとなるとプリチャージが開始される。なお、図３ではプリチャージ電流制限器７０に供給する電流指令値は一定の値であるが、電池管理回路２０の判断により二次電池モジュールＭＤＬが満充電や完全放電に近づいたら電流指令値をさらに絞るなど可変にすることも好適である。
【００５８】
続いて、電池管理回路２０は、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断して（ステップＳＴ４）、演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である場合には、上記の状態を維持する。
【００５９】
演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である期間、電源装置の主回路電圧が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも大きい場合（極性判別回路７４の出力信号がハイ（Ｈ）レベルである場合）、半導体スイッチＴｒ１は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオンされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオフされる。半導体スイッチＴｒ２は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオフされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオンされる。
【００６０】
電源装置の主回路電圧が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも小さい場合（極性判別回路７４の出力信号がロー（Ｌ）レベルである場合）、半導体スイッチＴｒ１は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオフされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオンされる。半導体スイッチＴｒ２は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオンされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオフされる。
【００６１】
上記のようにプリチャージを行いしばらくすると二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が縮まるので、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が所定電圧より小さくなりコンタクタ６０を閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、電流指令値を漸減し、流れる電流がゼロになった後で、コンタクタ６０を閉じる。
【００６２】
すなわち、電池管理回路２０が、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断して（ステップＳＴ４）、演算した電位差の絶対値が所定電圧より小さい場合には、電池管理回路２０は、プリチャージ電流制限器７０への電流指令値を一定時間漸減する（ステップＳＴ５）。
【００６３】
ここで、制御系の時定数により、電流指令値をゼロにしても回路に流れる電流は即座にゼロにならないことが考えられるため、電流指令値をゼロにした後でコンタクタ６０を閉じる前に、制御系が追従するだけの時間を待つ必要がある。または、電流センサＳＡで流れる電流を監視して、ゼロとみなせる所定の閾値電流以下になったことを確認してコンタクタ６０を閉じることも好適である。
【００６４】
このように制御することにより、コイルＬに流れる電流値がゼロになっていない状態でコンタクタ６０を閉じると、エネルギーが蓄積されているコイルＬの両端を強制的に短絡することになり、瞬時に放出されるエネルギーにより引き起こされる過渡現象によりコンタクタ６０の接点や半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を損傷することを回避することができる。
【００６５】
一定時間経過した後に、電池管理回路２０はＯＮ／ＯＦＦ信号をオフ（ＯＦＦ）として（ステップＳＴ６）、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２をオフとし、続いて、電池管理回路２０はコンタクタ６０を閉じる（オンする）（ステップＳＴ７）。ＯＮ／ＯＦＦ信号はプリチャージの開始と停止とを切替える信号であって、ＯＮ／ＯＦＦ信号がオフとなるとプリチャージが停止される。
【００６６】
ところで、プリチャージ電流は通常１／１０Ｃ程度であるため、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２の耐電流はそれに耐えられる程度でよい。例えば、５０Ａｈの二次電池モジュールＭＤＬであれば５Ａに耐えられるものであればよく、安価で小型の半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を使用することができる。
【００６７】
一方で、コンタクタ６０の役割まで半導体スイッチに担わせる場合、２Ｃ充放電を許す電源装置を作成したとすると１００Ａの電流に耐えられることが必要になり、７００Ｖ／１００Ａに耐える半導体スイッチはゲートドライバの部分も含めて高価で大きなものとなる。
【００６８】
このように、従来のプリチャージ電流制限器の電流制限抵抗部分のみを半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を使ったプリチャージ電流制限器７０に置き換えることにより、抵抗の放熱と設置場所との課題、半導体スイッチの大型化の課題を解決することができる。
【００６９】
図５に、上記プリチャージ電流制限器７０の他の構成例を示す。二次電池モジュールＭＤＬの主回路や二次電池モジュールＭＤＬに流れる電流は、電池管理回路２０が常に監視している。また、電池管理回路２０が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧を測定可能で、かつ、ＢＭＵ ＨＵＢ８０から電源装置の主回路電圧が通知される場合は、電池管理回路２０は電位差を演算することができるため、電位差センサＳＶを省略可能である。
【００７０】
この場合、極性判別回路７４、絶対値化回路７１、差分器７６、制御器７８、鋸歯状波発生器７９、比較器ＣＯＭ、インバート回路ＮＯＴ、および、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２を電池管理回路２０に搭載して、電位差の極性判別や電流指定値との偏差からのＰＷＭ変調を電池管理回路２０側で演算する構成も可能である。
【００７１】
この場合のプリチャージ電流制限器７０は、コイルＬと半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、ゲートドライバＧＤ１、ＧＤ２とのみで構成可能である。電池管理回路２０は、スイッチ回路Ｃ１の出力信号に相当する第１スイッチング信号とスイッチ回路Ｃ２の出力信号に相当する第２スイッチング信号とを制御信号としてプリチャージ電流制限器７０へ送信する。
【００７２】
なお、スイッチングに伴うノイズの抑制のために、プリチャージ電流制限器の両端（二次電池モジュールＭＤＬの主回路と電源装置の主回路と）からそれぞれ反対側の極にコンデンサを付加することも好適である。図１では、電源装置のＰ端子とＮ端子との間にコンデンサ９０を接続している。
【００７３】
上記のように、プリチャージ電流制限器の部分をスイッチング方式による定電流回路を置換することにより抵抗による発熱を回避することができる。また、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差の大小に関わらず所定電流を流すことにより、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差の縮小速度が次第に遅くなり長時間にわたりコンタクタ６０を閉じることができない状態が継続して電源装置の充放電可能電力が削がれることを回避することができる。さらに、上記プリチャージ電流制限器７０は、高価な部品を用いることなく実現することが可能であるので、コストが上昇することもない。
【００７４】
すなわち、本実施形態の二次電池装置によれば、発熱を回避するとともにエネルギーロスを抑制し、プリチャージに要する時間を短縮することができる。
【００７５】
なお、上記の実施形態では、プリチャージ電流制限器７０は、２つの半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を備え、これらの半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２が交互にオンおよびオフするように制御されていたが、例えば、ＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬへ電流が流れる場合には一方の半導体スイッチＴｒ１が変調された信号によりオンおよびオフし、他方の半導体スイッチＴｒ２がオン状態を維持するように制御し、逆に二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳへ電流が流れる場合には他方の半導体スイッチＴｒ２が変調された信号によりオンおよびオフし、一方の半導体スイッチＴｒ１がオン状態を維持するように制御されても良い。このように制御した場合であっても、上述の実施形態に係る二次電池装置と同様の効果が得られる。
【００７６】
また、上記の実施形態では、コンタクタ６０とプリチャージ電流制限器７０とは二次電池モジュールＭＤＬの正極端子と二次電池装置の正極側の入力端子（第１入力端子ＴＰ）との間に介在していたが、二次電池モジュールＭＤＬの負極端子と二次電池装置の負極側の入力端子（第２入力端子ＴＮ）との間に介在していてもよい。その場合であっても上述の実施形態に係る二次電池装置と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
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、変更を行うことができる。これら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】
【００７８】
ＭＤＬ…二次電池モジュール、ＢＴ…組電池、Ｌ…コイル、Ｔｒ１…半導体スイッチ（第１スイッチ）．Ｔｒ２…半導体スイッチ（第２スイッチ）、ＳＡ…電流センサ、Ｄ１、Ｄ２…ダイオード、Ｃ１、Ｃ２…スイッチ回路、ＳＶ…電位差センサ、ＮＯＴ…インバート回路、ＣＯＭ…比較器、ＡＮＤ１…第１論理積回路、ＡＮＤ２…第２論理積回路、ＡＮＤ３…第３論理積回路、ＡＮＤ４…第４論理積回路、ＡＮＤ５…第５論理積回路、ＡＮＤ６…第６論理積回路、ＯＲ１…第１論理和回路、ＯＲ２…第２論理和回路、ＧＤ１…第１ゲートドライバ、ＧＤ２…第２ゲートドライバ、ＴＰ…第１入力端子、ＴＮ…第２入力端子、１０…電圧温度監視回路（ＶＴＭ回路）、２０…電池管理回路、３０…電流センサ、４０…二次電池装置、５０…ヒューズ、６０…コンタクタ（電磁接触器）、７０…プリチャージ電流制限器、７１…絶対値化回路、７４…極性判別回路、７６…差分器、７８…制御器、７９…鋸歯状波発生器、８０…ＢＭＵ ＨＵＢ、９０…コンデンサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、二次電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートグリッド向けや電気自動車などの車両に搭載される電源として、二次電池セルを多直列多並列にした二次電池装置が注目されている。
【０００３】
二次電池セルを多直多並列にした二次電池装置では、構成する二次電池セルが内部短絡を起こしても安全な程度の並列数の単セルを並列として、それを１０直列程度まとめて組電池とし、それを必要な電圧まで直列に接続して二次電池モジュールとし、必要であれば二次電池モジュールをさらに並列に接続して電源装置が構成される。
【０００４】
電源装置の主回路出力（正極（Ｐ）端子と負極（Ｎ）端子との出力）は、インバータ・コンバータ装置（ＰＣＳ）へ接続され、二次電池モジュールには充放電電流が流れる。大規模なシステムの場合は、上記電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合がある。
【０００５】
また、リチウムイオン二次電池を使用した場合、電池を安全に永く使用するために、個々の電池毎に電圧・温度の監視、蓄電量ばらつき補正を行う必要があり、また、二次電池モジュール毎に残容量推定、自己診断に基づく充放電許可・禁止の判断を行う必要がある。そのため、組電池毎に電圧温度監視回路（ＶＴＭ回路：Voltage Temperature Monitoring circuit）が設けられ、二次電池モジュール毎に電池管理回路（ＢＭＵ：Battery Management Unit）が設けられ、それぞれの間は通信線で結ばれる。
【０００６】
また、充放電の許可および禁止を制御するために、二次電池モジュール毎にコンタクタ（電磁接触器）が設けられ、さらにコンタクタ開閉時の突入電流を抑止するためプリチャージ電流制限器が設けられ、それぞれ電池管理回路からの制御信号により制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、複数の二次電池モジュールが並列に接続された電源装置の起動時は、並列に接続された二次電池モジュール間で電圧（残容量）が異なることが考えられるので、突入電流を抑制するために、まずプリチャージ電流制限器が閉じ、二次電池モジュールの１時間放電率（１Ｃ）の１０分の１程度の電流に電流制限がかかった状態で電源装置の主回路へ接続される。
【０００９】
従来は、プリチャージ電流制限器としてコンタクタと抵抗器とを直列接続したものが用いられていた。この場合、二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が所定電圧以下になりコンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、コンタクタが閉じる。
【００１０】
ここで、７００Ｖ前後の出力を得るために例えば数百個のリチウムイオン二次電池セルを直列接続した二次電池モジュールについては、リチウムイオン二次電池セル１つあたり約１Ｖの電位差があることから、充電率１００％付近の二次電池モジュールと充電率０％付近の二次電池モジュールとで数百Ｖの電位差が発生する可能性がある。
【００１１】
一方で、コンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流になる二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差は、二次電池モジュールの直列等価抵抗値と主回路電圧とに依存するが、略数Ｖから数十Ｖである。
【００１２】
例えば、５０Ａｈの二次電池モジュールに対して、二次電池モジュールの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が１００Ｖである場合、突入電流を５Ａに制限できる電流制限抵抗値は略２０Ωになる。
【００１３】
このときの電流制限抵抗の発熱量は５００Ｗになり、放熱方法と取り付け場所が課題となる。さらに、この状態で電位差が縮小して１０Ｖになると０．５Ａとなり、流れる電流は１０分の１になり、それに伴って電位差が縮まる速度が遅くなる。
【００１４】
このため、充電率が異なる二次電池モジュールが存在する状態で蓄電システムが起動した場合は、二次電池モジュールの主回路電圧と蓄電システムの主回路電圧の電位差が大きな二次電池モジュールは、長時間にわたりコンタクタを閉じることができない状態が継続する可能性があった。
【００１５】
長時間抵抗器を介して電流が流れることは発熱およびエネルギーロスの原因となり、長時間にわたりコンタクタを閉じることができない状態が継続することは電源装置の充放電可能電力が減少する原因となり得る。
【００１６】
本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、発熱を回避するとともにエネルギーロスを抑制し、プリチャージに要する時間を短縮することが可能な二次電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
実施形態による二次電池装置は、二次電池モジュールと、前記二次電池モジュールの端子と、入出力端子との間の接続を切替えるコンタクタと、前記コンタクタに並列に接続され、前記入出力端子と前記端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチおよび放電電流の流れを切替える第２スイッチと、を備え、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差と、前記電位差の極性と、前記二次電池モジュールに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が前記電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態の二次電池装置および電源装置の一構成例について説明するための図である。
【図２】図１に示す二次電池装置のプリチャージ電流制限器の一構成例について説明するための図である。
【図３】図２に示すプリチャージ電流制限器の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１に示す電池管理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示す二次電池装置のプリチャージ電流制限器の他の構成例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１に、一実施形態に係る二次電池装置および電源装置の一構成例を示す。本実施形態に係る電源装置は、並列に接続された複数の二次電池装置４０と、複数の二次電池装置４０と通信するＢＭＵ ＨＵＢ８０と、複数の二次電池装置４０の正極と接続されたＰ端子と、複数の二次電池装置４０の負極と接続されたＮ端子と、を備えている。
【００２１】
二次電池装置４０は、二次電池モジュールＭＤＬと、コンタクタ６０と、コンタクタ６０と並列に接続されたプリチャージ電流制限器７０と、コンタクタ６０と二次電池モジュールＭＤＬの正極端子との間に接続されたヒューズ５０と、二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とコンタクタ６０を介して接続される正極側の第１入出力端子ＴＰと、二次電池モジュールＭＤＬの負極端子と接続される負極側の第２入出力端子ＴＮと、を備えている。
【００２２】
複数の二次電池装置４０の第１入力端子ＴＰ１は電源装置の正極（Ｐ）端子と電気的に接続され、第２入力端子ＴＰ２は電源装置の負極（Ｎ）端子と電気的に接続されている。
【００２３】
電源装置のＰ端子とＮ端子とは図示しないインバータ・コンバータ装置（ＰＣＳ）と接続され、Ｐ端子およびＮ端子を介して充放電電流が主回路に流れる。なお、さらに大容量の電源を構成する場合は、上記電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合がある。
【００２４】
二次電池モジュールＭＤＬは、直列に接続された複数の組電池ＢＴと、複数の電圧温度監視回路１０と、電圧温度監視回路１０と通信を行なう電池管理回路２０と、複数の組電池ＢＴに流れる電流を検出する電流センサ３０と、を備えている。
【００２５】
組電池ＢＴは、複数の二次電池セルを備えている。二次電池セルは、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池である。組電池ＢＴは、内部短絡を起こしても安全な程度の数だけの二次電池セルが並列に接続され、並列接続された複数の二次電池セルがさらに直列に接続されている。
【００２６】
電圧温度監視回路１０は、組電池ＢＴを構成する複数の二次電池セルの電圧を検出する電圧検出回路（図示せず）と、組電池ＢＴを構成する複数の二次電池セルの少なくとも１つの温度を検出する温度検出回路（図示せず）と、複数の二次電池セルの蓄電量ばらつきを補正するセルバランス回路（図示せず）と、通信回路（図示せず）と、を備えている。
【００２７】
複数の電圧温度監視回路１０は、通信線により電池管理回路２０と接続されている。電圧温度監視回路１０は、検出した電圧や温度の値を電池管理回路２０へ送信する。なお、複数の電圧温度監視回路１０は通信線により直列に接続され、最も高電位の組電池ＢＴに接続された電圧温度監視回路１０が通信線により電池管理回路２０と接続されてもよい。その場合、電圧温度監視回路１０は、検出した電圧や温度の値を高電位側の電圧温度監視回路１０へ順次送信し、最も高電位側の電圧温度監視回路１０から電池管理回路２０へ送信される。
【００２８】
電池管理回路２０と電圧温度監視回路１０との間の通信線は、接点信号（２値信号）の他、ＣＡＮ（Control Area Network）等のシリアル通信方式を適用可能である。
【００２９】
電流センサ３０は、ホールセンサやシャント抵抗等を備えている。電流センサ３０で検出された電流の値は電池管理回路２０に供給される。
【００３０】
電池管理回路２０は、電圧温度監視回路１０から組電池ＢＴを構成する二次電池セルの電圧および温度の値を受信するとともに、電流センサ３０で検出された電流の値を取得する。電池管理回路２０は、受信した電圧、温度、電流の値を用いて、二次電池セルの残容量を推定し、自己診断に基づく充放電許可および禁止の判断を行なう。電池管理回路２０は、通信線によりＢＭＵ ＨＵＢ８０と接続されている。
【００３１】
ＢＭＵ ＨＵＢ８０は、複数の二次電池モジュールＭＤＬから二次電池モジュールＭＤＬ毎の情報を収集して状態監視および制御を行う。ＢＭＵ ＨＵＢ８０はＰＣＳと通信線で接続され、電源装置全体としての出力可能電力や残容量、充放電許可および禁止などの情報がＰＣＳへ伝達される。なお、ＢＭＵ ＨＵＢ８０は、単に、複数の二次電池モジュールＭＤＬとＰＣＳとの間で送受信される情報が経由される機能のみであってもよく、複数の二次電池モジュールＭＤＬから二次電池モジュールＭＤＬ毎の情報を収集して状態監視および制御を行う機能をさらに備えていてもよい。
【００３２】
ＢＭＵ ＨＵＢ８０とＰＣＳとの間の通信線は接点信号（２値信号）の他、イーサネット（登録商標）（Ethernet（登録商標））等のＬＡＮの通信方式を適用可能である。特に、電源装置をさらに並列に並べた構成とする場合、バス接続であるイーサネット（登録商標）等のＬＡＮによる通信方式は拡張性が高く好適である。
【００３３】
コンタクタ６０は、電池管理回路２０からの制御信号に従って、二次電池モジュールＭＤＬの正極端子と、電源装置のＰ端子との間の電気的接続を切替える。コンタクタ６０は、例えば電磁接触器である。コンタクタ６０は、電池管理回路２０からの制御信号により、充放電を許可する場合には二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とＰ端子とを二次電池装置４０の第１入出力端子ＴＰを介して電気的に接続し、充放電を禁止する場合には二次電池モジュールＭＤＬの正極端子とＰ端子との電気的接続を切断する。
【００３４】
プリチャージ電流制限器７０は、電池管理回路２０から制御信号により動作を制御される。電源装置の起動時は、並列に接続された二次電池モジュールＭＤＬ間で電圧が異なることが考えられるので、突入電流を抑制するために、まずプリチャージ電流制限器７０を介して、二次電池モジュールＭＤＬの１時間放電率（１Ｃ）の１０分の１程度の電流に電流制限がかかった状態で電源装置の主回路へ充電器や負荷が接続される。
【００３５】
二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧（正極端子の電圧）と電源装置の主回路電圧（Ｐ端子の電圧）との電位差が所定電圧以下になり、コンタクタを閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、電池管理回路２０はコンタクタを閉じる。
【００３６】
図２にプリチャージ電流制限器７０の一構成例を示す。プリチャージ電流制限器７０は、ヒューズを介して電源装置のＰ端子（二次電池装置４０の第１入出力端子ＴＰ）と接続されたコイルＬと、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と、電流センサＳＡと、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と並列に接続されたダイオードＤ１、Ｄ２と、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２のゲート電位の制御信号を出力するスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２と、電位差センサＳＶと、絶対値化回路７１と、極性判別回路７４と、差分器７６と、制御器７８と、比較器（ＰＷＭ変調部）ＣＯＭと、鋸歯状波発生器７９と、インバート回路ＮＯＴと、を備えている。
【００３７】
コイルＬと、充電電流の流れを切替える半導体スイッチＴｒ１と、放電電流の流れを切替える半導体スイッチＴｒ２と、電流センサＳＡとは、電源装置のＰ端子と二次電池モジュールＭＤＬの正極端子との間に直列に接続されている。
【００３８】
半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２には、スイッチが導通したときに流れる電流の方向と、逆方向に電流が流れるように、ダイオードＤ１、Ｄ２が並列に接続されている。半導体スイッチＴｒ１が導通したときには、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介してＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬへ電流が流れ、ダイオードＤ１は、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介して二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳに電流が流れるように半導体スイッチＴｒ１に並列に接続されている。半導体スイッチＴｒ２が導通したときには、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介して二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳへ電流が流れ、ダイオードＤ２は、二次電池装置４０の入出力端子ＴＰを介してＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬに電流が流れるように、半導体スイッチＴｒ２に並列に接続されている。
【００３９】
電流センサＳＡは、ＰＣＳから二次電池装置の入出力端子を介して二次電池モジュールＭＤＬへ流れる電流、又は、二次電池モジュールＭＤＬから二次電池装置の入出力端子を介してＰＣＳへ流れる電流を検出する。電流センサＳＡで検出された電流の値は絶対値化回路７１に供給される。
【００４０】
電位差センサＳＶは、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差を検出する。電位差センサＳＶで検出された電位差の値は電池管理回路２０と極性判別回路７４とに供給される。電池管理回路２０は、受信した電位差の大きさからプリチャージ動作の終了判別を行う。
【００４１】
極性判別回路７４は、電位差センサＳＶから取得した電位差の値から、電位差の極性から、電流が流れる方向を判別する。電源装置の主回路電圧の方が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも大きい場合にはハイ（Ｈ）レベルの信号を出力し、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧の方が電源装置の主回路電圧よりも大きい場合にはロー（Ｌ）レベルの信号を出力する。極性判別回路７４の出力信号は、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２に送信される。
【００４２】
なお、電池管理回路２０が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧を測定可能で、かつ、ＢＭＵ ＨＵＢ８０から電源装置の主回路電圧が通知される場合は、電池管理回路２０は電位差を演算することができるため、電位差センサＳＶを省略可能である。この場合、極性判別回路７４は電池管理回路２０に搭載されることが望ましい。
【００４３】
例えば約７００Ｖ電圧に対して数Ｖの電位差を識別する場合には高精度な電圧測定手段が必要となるため、プリチャージ電流制限器７０に別途電位差センサＳＶを設けて、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差を直接検出可能な手段を設けることは好適である。
【００４４】
絶対値化回路７１は、電流センサＳＡから取得した電流の値の絶対値を演算して、差分器７６へ出力する。
【００４５】
差分器７６には、電流センサＳＡから取得した電流値の絶対値と、電池管理回路２０からの電流指令値とが入力される。差分器７６は、電流指令値と電流値の絶対値との差分（偏差）を演算して、制御器７８へ出力する。
【００４６】
制御器７８は、Ｐ（比例）制御則、または、ＰＩ（比例・積分）制御則を用いて差分器７６の出力信号に基づく制御を行なう。制御器７８の出力信号は比較器ＣＯＭに出力される。
【００４７】
比較器ＣＯＭには、制御器７８の出力信号と、鋸歯状波発生器７９で生成された鋸歯状波とが入力され、制御器７８の出力信号と鋸歯状波とを用いてＰＷＭ変調したＰＷＭ信号を出力する。比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号はスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２、および、インバート回路ＮＯＴに入力される。
【００４８】
なお、本実施形態では、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２へ供給する制御信号としてＰＷＭ変調された信号用いているが、ＰＦＭ変調された信号をスイッチ回路Ｃ１、Ｃ２へ供給してもよい。
【００４９】
スイッチ回路Ｃ１は、比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号と極性判別回路７４の出力信号とが入力される第１論理積回路ＡＮＤ１と、インバート回路ＮＯＴの出力信号と極性判別回路７４の出力信号を反転した信号とが入力される第２論理積回路ＡＮＤ２と、第１論理積回路ＡＮＤ１の出力信号と第２論理積回路ＡＮＤ２の出力信号とが入力される第１論理和回路ＯＲ１と、第１論理和回路ＯＲ１の出力信号と電池管理回路２０からのＯＮ／ＯＦＦ信号（スイッチ制御信号）とが入力される第３論理積回路ＡＮＤ３と、を備えている。第３論理積回路ＡＮＤ３から出力された信号はゲートドライバＧＤ１を介して半導体スイッチＴｒ１のゲートに伝達される。
【００５０】
ゲートドライバＧＤ１は、磁気、電界、光などの結合方法により絶縁した状態でオンあるいはオフの指令信号を半導体スイッチＴｒ１のゲートに伝達する。
【００５１】
スイッチ回路Ｃ２は、比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号と極性判別回路７４の出力信号を反転した信号とが入力される第４論理積回路ＡＮＤ４と、インバート回路ＮＯＴの出力信号と極性判別回路７４の出力信号とが入力される第５論理積回路ＡＮＤ５と、第４論理積回路ＡＮＤ４の出力信号と第５論理積回路ＡＮＤ５の出力信号とが入力される第２論理和回路ＯＲ２と、第２論理和回路ＯＲ２の出力信号と電池管理回路２０からのＯＮ／ＯＦＦ信号（プリチャージ切替信号）とが入力される第６論理積回路ＡＮＤ６と、を備えている。第６論理積回路ＡＮＤ６から出力された信号はゲートドライバＧＤ２を介して半導体スイッチＴｒ２のゲートに印加される。
【００５２】
ゲートドライバＧＤ２は、磁気、電界、光などの結合方法により絶縁した状態でオンあるいはオフの指令信号を半導体スイッチＴｒ２のゲートに伝達する。
【００５３】
上記プリチャージ電流制限器７０において、電流指令値の偏差に対して半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２のオンおよびオフのデューティ比が変化することにより、平均的な電流値が電流指令値に一致するように制御する。
【００５４】
図３に、プリチャージ電流制限器７０の動作の一例を説明するためのタイミングチャートを示す。
また、図４に、プリチャージ電流制限器７０を制御する電池管理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートを示す。
【００５５】
まず、電池管理回路２０は、電位差センサＳＶから取得した電位差から、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断する（ステップＳＴ１）。所定電圧の値は、コンタクタ６０を閉じたとき（オンしたとき）に発生し得る突入電流が安全な電流となる電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差である。
【００５６】
演算した電位差の絶対値が所定電圧よりも小さい場合には、電池管理回路２０はプリチャージを行なわずに、コンタクタ６０をオンとする（ステップＳＴ７）。
【００５７】
演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である場合には、電池管理回路２０は、プリチャージ電流制限器へ電流指令値を出力して（ステップＳＴ２）、ＯＮ／ＯＦＦ信号をオン（ＯＮ）とする（ステップＳＴ３）。ＯＮ／ＯＦＦ信号はプリチャージの開始と停止とを切替える信号であって、ＯＮ／ＯＦＦ信号がオンとなるとプリチャージが開始される。なお、図３ではプリチャージ電流制限器７０に供給する電流指令値は一定の値であるが、電池管理回路２０の判断により二次電池モジュールＭＤＬが満充電や完全放電に近づいたら電流指令値をさらに絞るなど可変にすることも好適である。
【００５８】
続いて、電池管理回路２０は、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断して（ステップＳＴ４）、演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である場合には、上記の状態を維持する。
【００５９】
演算した電位差の絶対値が所定電圧以上である期間、電源装置の主回路電圧が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも大きい場合（極性判別回路７４の出力信号がハイ（Ｈ）レベルである場合）、半導体スイッチＴｒ１は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオンされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオフされる。半導体スイッチＴｒ２は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオフされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオンされる。
【００６０】
電源装置の主回路電圧が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧よりも小さい場合（極性判別回路７４の出力信号がロー（Ｌ）レベルである場合）、半導体スイッチＴｒ１は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオフされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオンされる。半導体スイッチＴｒ２は比較器ＣＯＭから出力されたＰＷＭ信号がハイ（Ｈ）レベルであるときにオンされ、ロー（Ｌ）レベルであるときにオフされる。
【００６１】
上記のようにプリチャージを行いしばらくすると二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が縮まるので、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差が所定電圧より小さくなりコンタクタ６０を閉じたときに発生し得る突入電流が安全な電流と予想される状態になったときに、電流指令値を漸減し、流れる電流がゼロになった後で、コンタクタ６０を閉じる。
【００６２】
すなわち、電池管理回路２０が、電源装置の主回路電圧と二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧との電位差の絶対値を演算し、演算結果が所定電圧よりも小さいか否か判断して（ステップＳＴ４）、演算した電位差の絶対値が所定電圧より小さい場合には、電池管理回路２０は、プリチャージ電流制限器７０への電流指令値を一定時間漸減する（ステップＳＴ５）。
【００６３】
ここで、制御系の時定数により、電流指令値をゼロにしても回路に流れる電流は即座にゼロにならないことが考えられるため、電流指令値をゼロにした後でコンタクタ６０を閉じる前に、制御系が追従するだけの時間を待つ必要がある。または、電流センサＳＡで流れる電流を監視して、ゼロとみなせる所定の閾値電流以下になったことを確認してコンタクタ６０を閉じることも好適である。
【００６４】
このように制御することにより、コイルＬに流れる電流値がゼロになっていない状態でコンタクタ６０を閉じると、エネルギーが蓄積されているコイルＬの両端を強制的に短絡することになり、瞬時に放出されるエネルギーにより引き起こされる過渡現象によりコンタクタ６０の接点や半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を損傷することを回避することができる。
【００６５】
一定時間経過した後に、電池管理回路２０はＯＮ／ＯＦＦ信号をオフ（ＯＦＦ）として（ステップＳＴ６）、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２をオフとし、続いて、電池管理回路２０はコンタクタ６０を閉じる（オンする）（ステップＳＴ７）。ＯＮ／ＯＦＦ信号はプリチャージの開始と停止とを切替える信号であって、ＯＮ／ＯＦＦ信号がオフとなるとプリチャージが停止される。
【００６６】
ところで、プリチャージ電流は通常１／１０Ｃ程度であるため、半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２の耐電流はそれに耐えられる程度でよい。例えば、５０Ａｈの二次電池モジュールＭＤＬであれば５Ａに耐えられるものであればよく、安価で小型の半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を使用することができる。
【００６７】
一方で、コンタクタ６０の役割まで半導体スイッチに担わせる場合、２Ｃ充放電を許す電源装置を作成したとすると１００Ａの電流に耐えられることが必要になり、７００Ｖ／１００Ａに耐える半導体スイッチはゲートドライバの部分も含めて高価で大きなものとなる。
【００６８】
このように、従来のプリチャージ電流制限器の電流制限抵抗部分のみを半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を使ったプリチャージ電流制限器７０に置き換えることにより、抵抗の放熱と設置場所との課題、半導体スイッチの大型化の課題を解決することができる。
【００６９】
図５に、上記プリチャージ電流制限器７０の他の構成例を示す。二次電池モジュールＭＤＬの主回路や二次電池モジュールＭＤＬに流れる電流は、電池管理回路２０が常に監視している。また、電池管理回路２０が二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧を測定可能で、かつ、ＢＭＵ ＨＵＢ８０から電源装置の主回路電圧が通知される場合は、電池管理回路２０は電位差を演算することができるため、電位差センサＳＶを省略可能である。
【００７０】
この場合、極性判別回路７４、絶対値化回路７１、差分器７６、制御器７８、鋸歯状波発生器７９、比較器ＣＯＭ、インバート回路ＮＯＴ、および、スイッチ回路Ｃ１、Ｃ２を電池管理回路２０に搭載して、電位差の極性判別や電流指定値との偏差からのＰＷＭ変調を電池管理回路２０側で演算する構成も可能である。
【００７１】
この場合のプリチャージ電流制限器７０は、コイルＬと半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、ゲートドライバＧＤ１、ＧＤ２とのみで構成可能である。電池管理回路２０は、スイッチ回路Ｃ１の出力信号に相当する第１スイッチング信号とスイッチ回路Ｃ２の出力信号に相当する第２スイッチング信号とを制御信号としてプリチャージ電流制限器７０へ送信する。
【００７２】
なお、スイッチングに伴うノイズの抑制のために、プリチャージ電流制限器の両端（二次電池モジュールＭＤＬの主回路と電源装置の主回路と）からそれぞれ反対側の極にコンデンサを付加することも好適である。図１では、電源装置のＰ端子とＮ端子との間にコンデンサ９０を接続している。
【００７３】
上記のように、プリチャージ電流制限器の部分をスイッチング方式による定電流回路を置換することにより抵抗による発熱を回避することができる。また、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差の大小に関わらず所定電流を流すことにより、二次電池モジュールＭＤＬの主回路電圧と電源装置の主回路電圧との電位差の縮小速度が次第に遅くなり長時間にわたりコンタクタ６０を閉じることができない状態が継続して電源装置の充放電可能電力が削がれることを回避することができる。さらに、上記プリチャージ電流制限器７０は、高価な部品を用いることなく実現することが可能であるので、コストが上昇することもない。
【００７４】
すなわち、本実施形態の二次電池装置によれば、発熱を回避するとともにエネルギーロスを抑制し、プリチャージに要する時間を短縮することができる。
【００７５】
なお、上記の実施形態では、プリチャージ電流制限器７０は、２つの半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２を備え、これらの半導体スイッチＴｒ１、Ｔｒ２が交互にオンおよびオフするように制御されていたが、例えば、ＰＣＳから二次電池モジュールＭＤＬへ電流が流れる場合には一方の半導体スイッチＴｒ１が変調された信号によりオンおよびオフし、他方の半導体スイッチＴｒ２がオン状態を維持するように制御し、逆に二次電池モジュールＭＤＬからＰＣＳへ電流が流れる場合には他方の半導体スイッチＴｒ２が変調された信号によりオンおよびオフし、一方の半導体スイッチＴｒ１がオン状態を維持するように制御されても良い。このように制御した場合であっても、上述の実施形態に係る二次電池装置と同様の効果が得られる。
【００７６】
また、上記の実施形態では、コンタクタ６０とプリチャージ電流制限器７０とは二次電池モジュールＭＤＬの正極端子と二次電池装置の正極側の入力端子（第１入力端子ＴＰ）との間に介在していたが、二次電池モジュールＭＤＬの負極端子と二次電池装置の負極側の入力端子（第２入力端子ＴＮ）との間に介在していてもよい。その場合であっても上述の実施形態に係る二次電池装置と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
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、変更を行うことができる。これら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】
【００７８】
ＭＤＬ…二次電池モジュール、ＢＴ…組電池、Ｌ…コイル、Ｔｒ１…半導体スイッチ（第１スイッチ）．Ｔｒ２…半導体スイッチ（第２スイッチ）、ＳＡ…電流センサ、Ｄ１、Ｄ２…ダイオード、Ｃ１、Ｃ２…スイッチ回路、ＳＶ…電位差センサ、ＮＯＴ…インバート回路、ＣＯＭ…比較器、ＡＮＤ１…第１論理積回路、ＡＮＤ２…第２論理積回路、ＡＮＤ３…第３論理積回路、ＡＮＤ４…第４論理積回路、ＡＮＤ５…第５論理積回路、ＡＮＤ６…第６論理積回路、ＯＲ１…第１論理和回路、ＯＲ２…第２論理和回路、ＧＤ１…第１ゲートドライバ、ＧＤ２…第２ゲートドライバ、ＴＰ…第１入力端子、ＴＮ…第２入力端子、１０…電圧温度監視回路（ＶＴＭ回路）、２０…電池管理回路、３０…電流センサ、４０…二次電池装置、５０…ヒューズ、６０…コンタクタ（電磁接触器）、７０…プリチャージ電流制限器、７１…絶対値化回路、７４…極性判別回路、７６…差分器、７８…制御器、７９…鋸歯状波発生器、８０…ＢＭＵ ＨＵＢ、９０…コンデンサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池モジュールと、
前記二次電池モジュールの端子と、入出力端子との間の接続を切替えるコンタクタと、
前記コンタクタに並列に接続され、前記入出力端子と前記端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチおよび放電電流の流れを切替える第２スイッチと、を備え、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差と、前記電位差の極性と、前記二次電池モジュールに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が前記電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチと直列に接続されたコイルと、
前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差を検出する電位差センサと、
前記二次電池モジュールに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電位差の極性を出力する極性判別回路と、
前記電流センサで検出された電流の絶対値を出力する絶対値回路と、
前記絶対値回路の出力と前記電流指令値との差分を出力する差分器と、
前記差分器の出力に基づく制御信号と鋸歯状波とから変調信号を出力する比較器と、
前記変調信号と、前記極性判別回路の出力と、前記二次電池モジュールから出力されたプリチャージ切替信号とが入力され、前記第１スイッチと前記第２スイッチとをスイッチング信号により開閉するスイッチ回路と、を備え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】
前記二次電池モジュールは、前記電位差が所定電圧以下になったときから所定期間、電流指令値を漸減した後に前記コンタクタを閉じることを特徴とする。
【請求項４】
前記電流指令値は可変である請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の二次電池装置。
【請求項１】
二次電池モジュールと、
前記二次電池モジュールの端子と、入出力端子との間の接続を切替えるコンタクタと、
前記コンタクタに並列に接続され、前記入出力端子と前記端子との間に直列に接続された、充電電流の流れを切替える第１スイッチおよび放電電流の流れを切替える第２スイッチと、を備え、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差と、前記電位差の極性と、前記二次電池モジュールに流れる電流の値と電流指令値との差分値と、に基づいて、充電電流あるいは放電電流の平均値が前記電流指令値となるように動作を制御されることを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチと直列に接続されたコイルと、
前記入出力端子の電圧と前記端子の電圧との電位差を検出する電位差センサと、
前記二次電池モジュールに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電位差の極性を出力する極性判別回路と、
前記電流センサで検出された電流の絶対値を出力する絶対値回路と、
前記絶対値回路の出力と前記電流指令値との差分を出力する差分器と、
前記差分器の出力に基づく制御信号と鋸歯状波とから変調信号を出力する比較器と、
前記変調信号と、前記極性判別回路の出力と、前記二次電池モジュールから出力されたプリチャージ切替信号とが入力され、前記第１スイッチと前記第２スイッチとをスイッチング信号により開閉するスイッチ回路と、を備え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】
前記二次電池モジュールは、前記電位差が所定電圧以下になったときから所定期間、電流指令値を漸減した後に前記コンタクタを閉じることを特徴とする。
【請求項４】
前記電流指令値は可変である請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の二次電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８２８８２（Ｐ２０１２−１８２８８２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４２６９５（Ｐ２０１１−４２６９５）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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