JP4333695B2 - 電池の充放電スイッチ方式 - Google Patents

Description

この発明は、蓄電池を一次電源として、この蓄電池を充電する発電機からなる電源装置と、推進電動機およびシステム運転に必要な補機電動機などの機器類で構成される電気推進システムにおいて、電池の充電，放電，浮動動作の各動作における電池回路の接続，断路を行なうスイッチ方式に関する。

電池の充放電スイッチ方式の従来例を図１２（ａ）に示す。この方式は例えば特許文献１〜３に開示されており、これを以後半導体式と呼ぶ。
この方式は、電池を充電するときは半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＮし、放電のときは半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＦＦしダイオードＤ１〜Ｄｎを介して行なう。しかし、この方式は充電時のＱ１〜Ｑｎの通電損失、放電時のＤ１〜Ｄｎの通電損失が大きく、半導体スイッチＱ１〜ＱｎやダイオードＤ１〜Ｄｎの冷却が必要になるという問題がある。
そこで、出願人は特許文献４に開示された、図１２（ｂ）に示すような方式を提案している。これは半導体スイッチＱ１〜Ｑｎの代わりに機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを用い、通電損失を低減させて冷却装置を不要とするものである。

特開２００５−０８０３１８号公報 特開２００５−１４３２０１号公報 特開２００５−１６８２５９号公報 特開２００５−３１２１９５号公報

しかし、上記特許文献４に開示の方式にも、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎのＯＮ，ＯＦＦによるパルス充電動作、または、充電を完了した個別電池のＯＦＦ動作などの頻繁なＯＮ，ＯＦＦ動作に伴う機械式接点スイッチの機械的磨耗や動作音の発生という問題がある。
したがって、この発明の課題は、通電損失を低減して冷却装置の省略または縮小により小型，軽量化および低価格化を図るとともに、機械式接点スイッチの頻繁なＯＮ，ＯＦＦ動作に伴う機械的磨耗や動作音の発生をなくすことにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数の電池群が並列接続されてなる電池電源と、この電池電源への充電を行なう発電機とを給電回路母線を介して接続してなるとともに、この給電回路母線を介して推進電動機を含む負荷への電力供給を行なう電気推進システムにおいて、
各電池群にそれぞれ直列に接続され，各電池群と給電回路母線との間に挿入された充放電スイッチ回路を設けるとともに、前記電池電源の充放電電流を検出する電池電流検出器と、前記充放電スイッチ回路をオン，オフ制御して各電池群の充放電制御を行なうとともに発電機の制御を行なう制御回路とを備え、前記充放電スイッチ回路は、機械式接点スイッチ，半導体スイッチ，および，電池群から給電回路母線への放電電流の方向を順方向とするダイオードが並列接続されたものであり、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチはオフとし，前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせることにより通電損失の低減および機械式接点スイッチのオン，オフ時の動作音を抑制するとともに、機械式接点スイッチがオフとされ，ダイオードにより発電機電圧がブロックされて充放電電流が０Ａとされた浮動状態からダイオードを介する放電動作に移行した場合には、電池電源からの放電電流を電池電流検出器で検出した信号を前記制御回路が判定し、各機械式接点スイッチへオン指令を与え、機械式接点スイッチがオンするまでの動作遅れの期間中は前記ダイオードを介して放電電流を流すようにしたことを特徴とする。
請求項１の発明においては、大電流通電となる大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして機械式接点スイッチを介して通電させることができる（請求項２の発明）。
請求項１または２の発明においては、前記充放電スイッチ回路に直列接続された電池切離し用スイッチ回路を各充放電スイッチ回路ごとにそれぞれ設けることができる（請求項３の発明）。
請求項４の発明では、複数の電池群が並列接続されてなる電池電源と、この電池電源への充電を行なう発電機とを給電回路母線を介して接続してなるとともに、この給電回路母線を介して推進電動機を含む負荷への電力供給を行なう電気推進システムにおいて、
各電池群にそれぞれ直列に接続され，各電池群と給電回路母線との間に挿入された充放電スイッチ回路を設けるとともに、前記充放電スイッチ回路をオン，オフ制御して各電池群の充放電制御を行なうとともに発電機の制御を行なう制御回路を備え、前記充放電スイッチ回路は、ダイオードブリッジ回路の中点間に半導体スイッチを接続し,前記ダイオードブリッジ回路の両端に機械式接点スイッチを並列接続したものであって、半導体スイッチおよび機械式接点スイッチをともにオフすることにより,電流の流れる方向の如何に関わらず前記充放電スイッチ回路をオフ状態として電池群を給電回路母線から切り離すことができるようにしたものであり、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、小電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチはオフとし，前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせることにより通電損失の低減および機械式接点スイッチのオン，オフ時の動作音を抑制することを特徴とする。

上記請求項４の発明においては、前記機械式接点スイッチがオフとされた状態において発電機に対する停止指令を発令した場合に、機械式接点スイッチへオン指令を与え、機械式接点スイッチがオンしたことを確認した後、発電機の停止制御を行なうようにすることができる（請求項５の発明）。
上記請求項１ないし５のいずれかの発明においては、充電動作として、大電流充電動作領域では各機械式接点スイッチをオンさせて各電池群に対し一括して連続した充電を行なうとともに、充電電流の小さい最終充電領域では各機械式接点スイッチはオフとし，各電池群に対応する各半導体スイッチを時系列にオン−オフさせて充電し，充電完了の状態に達した電池群から順次充電を停止させるパルス充電を行なうことができ（請求項６の発明）、この請求項６の発明においては、最終充電領域での前記パルス充電は、定電流により充電するものであって、このパルス充電時には、充電完了の状態に達してその充電電圧が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることができ（請求項７の発明）、または、最終充電領域での前記パルス充電は、定電圧により充電するものであって、このパルス充電時には、充電完了の状態に達してその充電電流が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることができる（請求項８の発明）。
請求項１ないし５のいずれかの発明においては、大電流通電となる大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして前記機械式接点スイッチを介して通電させるとともに、大電流充電動作領域から小電流充電動作領域への移行時におけるスイッチ制御として、機械式接点スイッチのオフに先立ち半導体スイッチをオンさせるようにして機械式接点スイッチと半導体スイッチとの両方がオンしている期間を設けることができる（請求項９の発明）。

この発明によれば、機械式接点スイッチ，半導体スイッチおよびダイオードが並列接続された充放電スイッチ回路を各電池に直列に接続し、大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチで通電させて通電損失を低減し、小電流充電動作領域では前記半導体スイッチによる通電として通電損失を低減し、パルス充電におけるオン，オフ動作や充電完了時のオフ動作に起因する動作音を無くすことができる。
また、充電動作から放電動作へ移行する場合、機械式接点スイッチがオンするまでの動作遅れの期間は、ダイオードを介して放電させることで電源断が発生しないようにすることができる。

また、上記利点の他に、前記半導体スイッチおよび機械式接点スイッチをオフすることにより、電流の流れる方向の如何に関わらず電池を給電回路母線から切り離すことができる。その結果、異常電池を個別に給電回路母線から切り離すことができるので、電池からの給電を中断することなく、システム運転を継続させることが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
充放電スイッチ回路を図示のように、機械式接点スイッチ（ＳＷ），ダイオード（Ｄ）および半導体スイッチ（Ｑ）の並列接続構成とした点が特徴である。その基本動作は、放電動作および大充電電流領域の通電を機械式接点スイッチ（ＳＷ）で行ない、電池最終充電動作の小充電電流０．０５Ｃ（１Ｃ：１時間率放電）領域では、機械式接点スイッチをＯＦＦして半導体スイッチ（Ｑ）のみで通電するようにすれば、半導体スイッチの通電損失を２〜３００Ｗ程度（従来は１〜１０ＫＷ程度）に激減できるので、冷却装置を省略または縮小化できるだけでなく、ＯＮ・ＯＦＦ動作に伴う機械的磨耗や騒音発生を無くすことができる。

図２は図１の充放電動作タイムチャート、図３は定電流→定電流→定電圧充電の動作説明図、図４は定電流→定電圧→定電流パルスの充電動作説明図で、これらの図を参照して図１の動作を説明する。なお、図５は電池放電時の動作を示し、最大放電電流は１Ｃ程度が電池から負荷へ流れることを示しており、図６は電池充電時の動作を示し、充電の最大電流は０．２５Ｃ程度であり、最終充電領域では０．０５Ｃ程度の充電電流になることを示している。

まず、図３のように、定電流→定電流→定電圧充電方式の充電を行なう場合について説明する。
この場合は、図１の充電切替スイッチ２９（ＳＷＣ）を定電流→定電流→定電圧の順にプリセット、各ステップの充電電流ＩＢａΣ，ＩＢｂΣ＝ＩＢｃΣを電流設定器３３（ＶＲＩ）でプリセット、また各電池に直列接続された機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）は、電池充放電＆状態監視制御装置２８の指令でＯＮしておく。さらに、図１の発電機運転スイッチ３５（ＳＷＧ）を「運転」として発電機１６（Ｇ）を運転し、図２に示すａ点から発電機定電流制御により電池充電を開始する。

電池電圧検出器１３（ＶＤＢ）の検出信号は電池充放電＆状態監視制御装置（単に、装置とも略称する）２８に入力されているので、電池電圧がＶＢｂ点に到達したことが判定されると、装置２８は充電電流ＩＢｂΣとなる電流指令を信号３６として発電機制御装置３４へ与え、これにより発電機は電流設定値ＩＢｂΣの定電流制御を行なう。このとき、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）はＯＮを継続させる。
さらに、充電が進み電池電圧が図３に示すＶＢｃ点に到達したことを装置２８が判定すると、装置２８は半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）にＯＮ指令を与えるとともに（図２のｃ点参照）、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）にＯＦＦ指令を与える一方（図２のｃ１点参照）、装置２８から電池電圧検出値ＶＢｃおよび定電圧制御指令を信号３６として発電機制御装置３４へ与え、定電圧制御された発電機電圧を電池に供給する。

すなわち、図２に示すように、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）と半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）が、ｃ点〜ｃ１点間でオーバラップするように装置２８から指令を与えることで、給電回路が断路しないようにするとともに、図３のｃ点〜ｆ点間を定電圧で充電する。
充電が進行して、各電池の充電電流（ＩＢｂ１〜ＩＢｂｎ）が予め設定した充電電流に到達した電池から、該当する電池の半導体スイッチをＯＦＦして充電を終了させる。全ての電池が充電を終了するｆ点（図２，図３参照）では全ての半導体スイッチがＯＦＦとなり、また、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）はｃ１点で既にＯＦＦされているから、全ての電池は給電回路母線から切り離された状態になる。このとき、負荷への給電は運転中の発電機１６（Ｇ）から行なわれる。

上記の状態から発電機１６（Ｇ）を停止するときは、図１の運転スイッチ３５（ＳＷＧ）を「停止」にすると、発電機制御装置３４は発電機スイッチ２０（ＳＷＧＨ）をＯＦＦするとともに（図２のｇ点参照）、発電機停止信号を信号３６として装置２８に与える。装置２８が機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜スイッチ４（ＳＷｎ）にＯＮ指令を与えると（図２のｇ点参照）、機械式接点スイッチ３〜４のＯＮ動作遅れ時間により、ｇ１点でＯＮ状態となる。これにより、発電機スイッチ２０のＯＦＦ（図２のｇ点）から機械式接点スイッチ３〜４がＯＮするまでの動作遅れ期間は、断路が発生することになる。しかし、機械式接点スイッチ３〜４と並列接続されたダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介して、電池から負荷へ電力が供給されるので、電源瞬断は発生しない。

また、発電機スイッチ２０のＯＦＦ信号とは別に放電動作に移行したときは、ダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介して放電電流が流れるので、この電流を検出器１４（ＳＨＢ）で検出して装置２８に与え、装置２８から機械式接点スイッチ３〜４にＯＮ指令を与える。つまり、機械式接点スイッチ３〜４のＯＮ指令は、上記運転スイッチ３５（ＳＷＧ）による停止信号と検出器１４（ＳＨＢ）による信号との並列（ＯＲ）信号として、いずれの信号でも機械式接点スイッチ３〜４をＯＮさせるようにしている。当然、これと並列に接続されている半導体スイッチはＯＦＦ状態としておく。

次に、図４のような定電流→定電圧→定電流パルス充電を行なう場合は、図２のａ点から定電流充電を開始し、電圧検出器１３（ＶＤＢ）で検出される電池電圧が、ｂ点電圧ＶＢｂに到達したことを装置２８で判定したら、定電流制御からＶＢｂを電圧設定値とする定電圧制御への切替信号を、信号３６として装置２８から発電機制御装置３４に与えるので、発電機は定電圧制御されて発電機電圧を電池に供給する。
充電が進行し、電池電流検出器１４による検出信号がＩＢｃΣに到達したことを装置２８で判定したら、定電圧制御からＩＢｃを電流設定値とする定電流制御への切替信号を、信号３６として装置２８から発電機制御装置３４に与え、定電流制御された発電機電流を電池に供給する。

ここで、装置２８は機械式接点スイッチ３〜４にはＯＦＦ指令、半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）にはＯＮ指令を与える。このとき、図１のパルス充電スイッチ３０（ＳＷＰ）ＯＮが選択された場合は、所定のプログラムにより半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）を時系列にＯＮ−ＯＦＦさせて、各電池の電圧が予め設定された充電完了電圧ＶＢｆに達した電池から、所属する半導体スイッチを順次ＯＦＦして充電を完了させる。全ての電池の充電が完了する図２のｆ点，図４のｆ点では、全ての半導体スイッチはＯＦＦとなる。従って、全ての半導体スイッチはＯＦＦ、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）はＣ１時点で既にＯＦＦで、全ての電池は給電回路母線から切り離されているので、負荷へは発電機１６（Ｇ）から給電される。

ここで、最終充電領域（図２のｈ点〜ｌ点参照）の途中で、何らかの理由で発電機を停止すべく、図１の運転スイッチ３５（ＳＷＧ）を「停止」操作すると、発電機制御装置３４から発電機スイッチ２０（ＳＷＧＨ）へＯＦＦ指令を与えるとともに（図２のｌ点）、停止の信号３６を装置２８へ与えるので、装置２８は機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）にＯＮ指令を与える（図２のｌ点）。しかし、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）は動作遅れにより、図２のｌ１点でＯＮすることになる。この場合も、上記と同様、並列接続されたダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介して電池から負荷に電力が供給されるので、電源瞬断は発生しない。当然、並列接続された半導体スイッチはＯＦＦとされている。

浮動動作（電池の充放電電流を０とする動作）を、図２のｎ点〜ｏ点に示す。
図１の浮動動作スイッチ３１（ＳＷＦ）を図２のｎ点でＯＮすると、装置２８は機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）にＯＦＦ指令を与える一方、発電機電圧ＶＧが電池電圧ＶＢよりやや高めのＶＧ＋ΔＶＧとなるような電圧信号３６を発電機制御装置３４に与えて、発電機の電圧制御を行なう。すなわち、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）、および半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）はＯＦＦであり、発電機電圧もダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）がブロックするので、各電池は浮動状態となる。

上記浮動動作状態から、電池と発電機の並列運転で負荷へ電力供給をするような負荷急増が発生した場合は（図２のｏ点参照）、その直前では機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）および半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）はＯＦＦであるから、電池はダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介する放電動作となり、図１に点線で示す−ＩＢΣが負荷へ供給され、発電機１６（Ｇ）からは図１に示すＩＧが負荷へ供給される。つまり、負荷へはＩΣ２＝ＩＧ＋（−ＩＢΣ）が供給されることになる。このとき、電池はダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を通して放電へ移行するので、電池電流検出器１４（ＳＨＢ）の検出信号を装置２８が判定して、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）にＯＮ指令を与える（図２のｏ点参照）。この場合も、機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）の動作遅れにより図２のｐ点でＯＮするので、ｏ点〜ｐ点の期間は図示のように、電池はダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介する放電動作となる。

なお、蓄電池を一次電源とする大容量システムとしては、従来から鉛蓄電池，アルカリ蓄電池が多用され、大容量単電池を２００〜３００セル直列接続して電池群を成し、この電池群の２〜４群を並列接続したシステムが一般的に用いられてきたが、近年、蓄電池を一次電源とする大容量システムに、高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池を適用するための検討が進められている。しかしながら、大容量システムへの適用を目的とする大容量リチウムイオン電池は研究・開発段階であり、将来動向は不明であるが、現段階では中小容量単電池を多数直並列に接続して実用化されるものと考えられる。

上記のような大容量システムを構成する各単電池には特性バラツキが存在すると考えられ、また、この単電池を多数直並列接続して複数の電池群が並列接続された電池システムをなしたとき、当然、電池群電圧にはバラツキが存在するものと考えられ、さらには温度変化によっても特性が変化する。このような特性バラツキを持つ複数の電池群を並列接続して一括充放電する場合には、電池群相互間には大きな充放電電流差が生じることが予想される。

また、蓄電池のうち特にリチウムイオン電池は、エネルギー密度が大きい利点を有する反面、「過充電による発火，爆発の危険性」が指摘され、加えて「過放電による電池特性の劣化が甚大であること」などが報告されていることから、充放電に際して細心の注意と厳密な監視・制御が必要になるとともに、複数の並列接続された電池群を一括充放電する場合には、特性バラツキに起因する劣化やダメージに対する適切な保護が要求される。
このような、複数の並列接続された電池群を一括充放電する場合における特性バラツキに起因する劣化やダメージに対する保護対策として、充放電動作における個別電池群のバラツキによって充放電電流が許容値を超えたときには、該当する異常電池群の充電または放電を停止して電池群の保護を行なうことが考えられる。

上述の図１の構成の電池システムにおいて、各電池群の特性バラツキに対応する保護対策を適用した例について説明する。図１の電池システムは複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）がそれぞれ充放電スイッチ回路を介して給電回路母線に並列接続されてなる構成である。なお、各電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）は、実際には、それぞれが単電池を多数セル直列接続してなる電池群となっている。このような図１の電池システムにおいて、充電動作時、図２のａ点〜ｂ点〜ｃ点の大電流，中電流充電領域で、図３のように、並列接続された複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対して定電流モードの一括連続充電を行なう場合、各電池の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した充電電流ＩＢ１〜ＩＢｎが、充電電流の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、その異常電池に対応する機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）をＯＦＦして異常電池を切り離し、発電機制御装置３４へ与える電流指令値、すなわち全充電電流指令値を切り離された電池数に該当する分だけ低下させて健全電池の充電電流が増加しないようにするとともに警報を発する。

充電電流の許容バラツキ範囲は、全充電電流ＩＢΣをそのときＯＮ状態の機械式接点スイッチにより接続されている電池の数ｍで除して求めた平均電流値Ｉｍｅ（＝ＩＢΣ／ｍ）の例えば±１０％とする。なお、上記の平均値Ｉｍｅの括弧内における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）が全てＯＮ状態の機械式接点スイッチにより接続されている状態ではｍ＝ｎであり、異常電池に対する切離し制御が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。また、特性バラツキ判別に用いる全充電電流ＩＢΣの電流値としては、上記の全充電電流指令値、または、電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出した全充電電流検出値のいずれを用いてもよいが、後述の定電圧モードでの一括連続充電の場合と統一するという点では、全充電電流検出値の方が好適である。

また、充電動作時、図２のｂ点〜ｃ点の中電流充電領域で、並列接続された複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対して、図３のような定電流モードでの一括連続充電の代わりに、図４のような定電圧モードでの一括連続充電を行なう場合もある。この場合も、各電池の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した充電電流ＩＢ１〜ＩＢｎが、充電電流の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、その異常電池に対応する機械式接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）をＯＦＦして異常電池を切り離すとともに、警報を発する。

充電電流の許容バラツキ範囲は、電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出した全充電電流ＩＢΣをそのときＯＮ状態の機械式接点スイッチにより接続されている電池の数ｍで除して求めた平均電流値Ｉｍｅ（ＩＢΣ／ｍ）の例えば±１０％とする。なお、上記の平均値Ｉｍｅの括弧内における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）が全てＯＮ状態の機械式接点スイッチにより接続されている状態ではｍ＝ｎであり、異常電池に対応する切離し制御が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。また、定電圧モードでの一括連続充電の場合は、定電流モードでの一括連続充電におけるような、発電機制御装置３４へ与える電流指令値を切り離された電池数に該当する分だけ低下させる制御は不要である。

また、最終充電領域で、図３のように、並列接続された複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対して定電圧モードでの一括連続充電を行なう場合、各電池の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した充電電流ＩＢ１〜ＩＢｎが、充電電流の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、その異常電池に対応する半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）をＯＦＦして異常電池を切り離すとともに、警報を発する。

充電電流の許容バラツキ範囲は、電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出した全充電電流ＩＢΣをそのときＯＮ状態の半導体スイッチにより接続されている電池の数ｍで除して求めた平均電流値Ｉｍｅ（＝ＩＢΣ／ｍ）の例えば±１０％とする。なお、上記の平均値Ｉｍｅの括弧内の式における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）が全てＯＮ状態の半導体スイッチにより接続されている状態ではｍ＝ｎであり、充電電流が予め設定した充電完了レベルの電流値ＩＢｄに到達した電池に対する半導体スイッチＯＦＦによる充電終了制御、および、上記のような異常電池に対応する切離し制御が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。また、最終充電領域においても、定電圧モードでの一括連続充電の場合は、定電流モードでの一括連続充電におけるような、発電機制御装置３４へ与える電流指令値を切り離された電池数に相当する分だけ低下させる制御は不要である。

また、最終充電領域で、図４のように、並列接続された複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対して、定電流パルス充電、すなわち定電流モードでのパルス充電を行なう場合、各電池の電圧検出器１１（ＶＤ１）〜１２（ＶＤｎ）で検出した電池電圧ＶＢ１〜ＶＢｎが、充電電圧の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、その異常電池に対応する半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）をＯＦＦするとともにパルス充電の対象からその異常電池を外して充電を停止させ、さらに警報を発する。

充電電圧の許容バラツキ範囲は、パルス充電制御の直前の１周期における各電池の電池電圧検出値ＶＢ１〜ＶＢｎを記憶しておいて求めた平均値Ｖｍｅ（＝（ＶＢ１＋…＋ＶＢｎ）／ｍ）の例えば±１０％とする。ここで、特性バラツキ判別に用いる電池電圧検出値ＶＢ１〜ＶＢｎとしては、該当する電池に対応する半導体スイッチがＯＮして充電しているときに検出した電池電圧値、すなわち充電時電池電圧を用いてもよく、また、該当する電池に対応する半導体スイッチがＯＦＦしているときに検出した電池電圧値、すなわち開放時電池電圧を用いてもよいが、電池システムに組み込まれた状態での各電池の実効的な特性バラツキを判別するという点では、前者の充電時電池電圧を用いる方式が、後者の開放時電池電圧を用いる方式よりも好適である。

なお、上記の平均値Ｖｍｅの括弧内の式における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）が全てパルス充電の対象となっている状態ではｍ＝ｎであり、電池電圧が予め設定された充電完了電圧ＶＢｆに到達した電池に対する充電終了制御、および、上述のような異常電池に対する切離し制御が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。定電流モードでのパルス充電における充電電流設定値ＩＢｃはいずれか１つの電池への充電電流として設定された電流値であり、このような充電電流設定値ＩＢｃに対応して発電機制御装置３４への電流指令値が与えられているため、定電流モードでの一括連続充電におけるような、発電機制御装置３４へ与える電流指令値を切り離された電池数に該当する分だけ低下させる制御は不要である。

また、最終充電領域では、並列接続された複数の電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対して、図４のような定電流パルス充電の代わりに、図７のような定電圧パルス充電を行なう場合もある。図７は、定電流→定電流→定電圧パルスの充電動作説明図である。この充電方式では、ａ点〜ｂ点〜ｃ点の大電流，中電流充電領域では定電流モードでの一括連続充電を行なうとともに、ｃ点〜ｆ点の最終充電領域では定電圧パルス充電、すなわち定電圧モードでのパルス充電を行なう。

つまり、図７に示されているように、ａ点から、発電機制御装置３４へ与える電流指令値である全充電電流指令値をＩＢａΣとした定電流モードでの一括連続充電を開始し、電圧検出器１３（ＶＤＢ）で検出される電池電圧が電圧ＶＢｂに到達したことを装置２８で判定した時点（ｂ点）で、全充電電流指令値をＩＢｂΣに変更してさらに定電流モードでの一括連続充電を行ない、電圧検出器１３（ＶＤＢ）で検出される電池電圧が電圧ＶＢｃに到達したことを装置２８で判定した時点（ｃ点）で、定電流制御からＶＢｃを電圧設定値とする定電圧制御への切替信号を、信号３６として装置２８から発電機制御装置３４へ与えて、発電機が定電圧制御されるようにするとともに、パルス充電制御を開始する。

パルス充電制御として、装置２８は機械式接点スイッチ３（Ｓｗ１）〜４（ＳＷｎ）にはＯＦＦ指令を与えた状態で、所定のプログラムにより半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）を時系列にＯＮ−ＯＦＦさせる。特性バラツキを持つ各電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）の充電電流は、それぞれ図７に示されるように時間経過とともに減少する。充電電流が予め設定した充電完了レベルの電流ＩＢｃに到達した電池から順次、パルス充電の対象から切り離して充電を終了させていき、ｆ点で全ての電池の充電が完了する。

このような最終充電領域での定電圧パルス充電において、特性バラツキ判別による電池保護制御は次のように行なう。すなわち、各電池の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した充電電流ＩＢ１〜ＩＢｎが、充電電流の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、その異常電池に対応する半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）をＯＦＦするとともに、パルス充電の対象からその異常電池を外して充電を停止させ、さらに警報を発する。

充電電流の許容バラツキ範囲は、パルス充電制御の直前の１周期における各電池の充電電流検出値ＩＢ１〜ＩＢｎを記憶しておいて求めた平均値Ｉｍｅ（＝（ＩＢ１＋…＋ＩＢｎ）／ｍ）の例えば±１０％とする。なお、上記の平均値Ｉｍｅの括弧内の式における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）が全てパルス充電の対象となっている状態ではｍ＝ｎであり、充電電流が予め設定した充電完了レベルの電流値ＩＢｃに到達した電池に対する充電終了制御、および、上記のような異常電池に対する切離し制御が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。また、定電圧モードでのパルス充電の場合は、定電流モードでの一括連続充電におけるような、発電機制御装置３４へ与える電流指令値を切り離された電池数に相当する分だけ低下させる制御は不要である。

また、放電動作時、各電池の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した放電電流−ＩＢ１〜−ＩＢｎが、放電電流の許容バラツキ範囲から外れたことを装置２８で判定したら、装置２８は警報信号を発して外部スイッチをＯＦＦするなどの処理・処置を喚起する。

放電電流の許容バラツキ範囲は、電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出した全放電電流検出値−ＩＢΣを並列接続されている電池の数ｍで除して求めた平均値Ｉｍｅ（＝−ＩＢΣ／ｍ）の例えば±１０％とする。ここで、特に電池放電のみで負荷へ電力を供給する場合、電池から負荷への電力供給が不用意に停止しないようにするため、ある電池の放電電流バラツキ異常が発生しても、先ずは警報出力だけさせておいて、その上で、電池，発電機および負荷を含むシステム全体の状況を十分に把握した上での判断により、異常電池の切離しを手動操作で行なうことができるようにしておくことが好ましいが、放電動作時の放電は、ダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）を介して行なわれるため、充放電スイッチ回路自体では放電時の断路はできない。

このため、電池システムの運用方法として放電時における異常電池の切離しを行なう場合には、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）に対応する各充放電スイッチ回路の外部に各充放電スイッチ回路に対してそれぞれ直列に、図１では図示されない図８（a）のような外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを設けた構成とすれば、この外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを手動によりＯＦＦすることにより異常電池を切り離すことができる。
また、このように放電時における異常電池の切離しを行なう場合には、放電電流の許容バラツキ範囲は、電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出した全放電電流検出値−ＩＢΣをそのときＯＮ状態の外部スイッチにより接続されている電池の数ｍで除して求めた平均値Ｉｍｅ（＝−ＩＢΣ／ｍ）の例えば±１０％とする。平均値Ｉｍｅの括弧内の式における分母の電池数ｍは、電池１（Ｂ１）〜２（Ｂｎ）がすべてＯＮ状態の外部スイッチにより接続されている状態ではｍ＝ｎであり、異常電池に対する切離し操作が行なわれる度に、電池数ｍは減少していく。

上記の放電動作時の電池切離し用の外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎとしては、放電動作時の電流は大きいことを考慮すると、通電損失の小さい機械式接点スイッチが好適であるが、半導体スイッチも適用可能である。外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎに適用する機械式接点スイッチは、常時はＯＮとしておき、異常電池の切離しが必要なときのみＯＦＦとするものであり、例えば負荷開閉器等の開閉器でもよく、遮断器でもよいが、異常電池に対する開路のため多少の過電流遮断が必要になることを想定して、負荷断路器相当の機能を有するスイッチとすることが好ましい。

そして、図８（ａ）のように、図１に示した電池Ｂ１に対応する、機械式接点スイッチＳＷ１、半導体スイッチＱ１および逆並列ダイオードＤ１からなる充放電スイッチ回路に、機械式接点スイッチからなる外部スイッチＳＷＤ１を直列接続し、電池Ｂ２〜Ｂｎについても電池Ｂ１と同様に、機械式接点スイッチからなる外部スイッチＳＷＤ２〜ＳＷＤｎを設ける。なお、この機械式接点スイッチを、電動駆動式または電磁駆動式であって、図８（ａ）に示すように外部信号ＳＷＤ１ｄｖ〜ＳＷＤｎｄｖによりＯＮ−ＯＦＦさせることができる可制御スイッチとし、外部スイッチに対する手元での手動操作に加えて、集中監視制御装置からシステム全体の運転状況を見ながらの遠方手動操作もできるようにしてもよい。

次に、放電動作時の電池切離し用の外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを半導体スイッチで構成する場合の一例を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の回路は、図１に示した電池Ｂ１に対応する、機械式接点スイッチＳＷ１、半導体スイッチＱ１および逆並列ダイオードＤ１からなる充放電スイッチ回路と外部スイッチＳＷＤ１との直列接続回路部において、外部スイッチＳＷＤ１を、半導体スイッチＱ１および並列ダイオードＤ１に対してそれぞれ逆極性の半導体スイッチＱＲ１および並列ダイオードＤＲ１を並列接続してなる放電用半導体スイッチ回路で構成したものであり、装置２８からのＯＦＦ指令ＱＲ１ｄｖにより半導体スイッチＱＲ１がＯＦＦして、対応する電池Ｂ１からの放電を停止させるようになっている。そして、電池Ｂ２〜Ｂｎについても電池Ｂ１と同様に、放電用半導体スイッチ回路からなる外部スイッチＳＷＤ２〜ＳＷＤｎを設ける。

また、電池，発電機および負荷を含むシステムの構成によっては、ある電池の放電電流バラツキ異常が発生した場合に、可制御スイッチ、すなわち図８（ａ）に示したような遠方操作機能を有する放電用機械式接点スイッチ、あるいは図８（ｂ）に示したような放電用半導体スイッチ回路を用いて当該異常電池を自動的に切り離すようにしてもよく、さらには切離し制御回路を手動・自動切換え式としておき、システムの運転状況に応じて切離し制御モードを選択できるようにしておくとよい。

また、上記の外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎは並列接続された電池毎に設ける必要があるので、電池システムの設置スペース上の制約などにより、外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを設けることが困難な場合も考えられる。このような場合、外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを設ける代わりに、図１におけるスイッチ１５（ＳＷＢ）を、十分な遮断能力のある気中遮断器などで構成しておくとともに、各電池を並列接続するための電池並列接続用ブスバーを、マニュアルでの電池切離し作業が容易な簡易断路器に相当する接続機構としておき、ある電池の放電電流バラツキ異常が発生し、警報が発せられたのに対応して、スイッチ１５（ＳＷＢ）をＯＦＦし、その後、電池並列接続用ブスバーでのマニュアル作業により、当該異常電池の接続を切り離す、という運用で対応することもできる。

なお、ある電池を構成する直列セルにおいて内部短絡が発生したことを想定すると、このような状態は、その電池の直列起電圧ｅＢが低下し、他の健全電池に比べて見かけ上の放電電流が減少するという電池の異常状態であるから、上述のような放電電流バラツキ判別処理による異常状態の検出信号によって警報を発する。そして、この警報に基づく状況判断により、手動操作で外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎの内の該当する外部スイッチをＯＦＦして、該当する異常電池を切り離すことができる。

また、上述のように、電池，発電機および負荷を含むシステムの構成によっては、可制御の外部スイッチＳＷＤ１〜ＳＷＤｎを用いて自動操作で該当異常電池を切り離すこともできる。このような手動切離しおよび自動切離しのいずれの場合も、発電機電圧および他の健全電池からの電流流入がブロックされるから、他の健全回路へ影響を与えることなく、電池システムの安全運転が継続される。なお、図８（ｂ）に示した放電用半導体スイッチ回路による異常電池切離しの場合には、半導体スイッチＱ１〜ＱｎおよびＱＲ１〜ＱＲｎにそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ１〜ＤｎおよびＤＲ１〜ＤＲｎにより、発電機電圧および他の健全電池からの電流流入がブロックされる。

ところで、図１の充放電スイッチ回路では、放電動作中に一部の電池に異常が発生しても、該当する電池を給電回路母線から完全に切り離せないという問題に対する解決手段としては、上述のように、機械式接点スイッチＳＷ１（ＳＷｎ），半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）および逆並列ダイオードＤ１（Ｄｎ）からなる充放電スイッチ回路に、図８（ａ）の放電用機械式接点スイッチ回路ＳＷＤ１（ＳＷＤｎ）あるいは図８（ｂ）の放電用半導体スイッチ回路ＳＷＤ１（ＳＷＤｎ）が直列接続された構成を適用することが考えられるが、これ以外に、図９のような構成を適用することもできる。

図９は、図１の変形例を示す構成図であり、図１の充放電スイッチ回路では、機械式接点スイッチおよび半導体スイッチをＯＦＦしても、これらに並列に接続されたダイオードを介して電池が給電回路母線に接続されているため、放電動作中に一部の電池に異常が発生しても、該当する電池を回路から完全に切り離せないことを考慮して、図１における充放電スイッチ回路を充放電スイッチ回路Ａ１（Ａｎ）に置き換えた構成としたものである。充放電スイッチ回路Ａ１（Ａｎ）は、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４（Ｄｎ１〜Ｄｎ４）からなるダイオードブリッジ回路の中点間に、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）を接続し、前記ダイオードブリッジ回路の両端に機械式接点スイッチＳＷ１（ＳＷｎ）を並列接続したものである。

なお、上記ダイオードブリッジ回路においては、図９に示されているように、反電池側（すなわち、給電回路母線側）の第１および第２のアームをそれぞれ形成するダイオードＤ１１（Ｄｎ１）およびＤ１４（Ｄｎ４）がそれぞれ充電時および放電時の順方向となるように互いに逆極性にして反電池側の端部端子に共通接続されているとともに、電池側の第１および第２のアームをそれぞれ形成するダイオードＤ１３（Ｄｎ３）およびＤ１２（Ｄｎ２）がそれぞれ放電時および充電時の順方向となるように互いに逆極性にして電池側の端部端子に共通接続されている。また、上記ダイオードブリッジ回路においては、充電時に順方向となる反電池側第１アームのダイオードＤ１１（Ｄｎ１）のカソードと放電時に順方向となる電池側第１アームのダイオードＤ１３（Ｄｎ３）のカソードとが第１の中点で接続されているとともに、放電時に順方向となる反電池側第２アームのダイオードＤ１４（Ｄｎ４）のアノードと充電時に順方向となる電池側第２アームのダイオードＤ１２（Ｄｎ２）のアノードとが第２の中点で接続されている。

そして、上記ダイオードブリッジ回路の第１の中点と第２の中点との間には、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）が接続されている。半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）を構成する半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などを用いることができ、ＩＧＢＴを用いた場合、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のコレクタが上記ダイオードブリッジ回路の第１の中点側に接続されるとともに、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のエミッタが上記ダイオードブリッジ回路の第２の中点側に接続される。また、このダイオードブリッジ回路の両端、すなわち、反電池側の端部端子と電池側の端部端子との間に、機械式接点スイッチＳＷ１（ＳＷｎ）が並列接続されている。

また、半導体スイッチをＯＮ−ＯＦＦ動作させて行なうパルス充電などにおいて半導体スイッチをＯＦＦするときに、回路インダクタンスによるサージ電圧によって半導体スイッチのコレクタ−エミッタ間に発生する逆電圧を抑制し、半導体スイッチを構成する半導体素子の破壊を防止する必要があるが、図９の構成においては、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４（Ｄｎ１〜Ｄｎ４）からなるダイオードブリッジ回路が半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）に対するサージ保護機能を奏するものとなっている。すなわち、上記のようなパルス充電における半導体スイッチＯＦＦ時のサージ電圧に対しては、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のコレクタと反電池側端部端子との間に設けられたダイオードＤ１１（Ｄｎ１）と、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のエミッタと電池側端部端子との間に設けられたダイオードＤ１２（Ｄｎ２）とが逆バイアスとなるとともに、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のコレクタと電池側端部端子との間に設けられたダイオードＤ１３（Ｄｎ３）と、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のエミッタと反電池側端部端子との間に設けられたダイオードＤ１４（Ｄｎ４）とが順バイアスとなることから、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）のコレクタ−エミッタ間に発生する逆電圧が抑制される。

なお、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）には、さらに、図９のように、ダイオードＤ１（Ｄｎ）を逆並列に接続してもよく、充放電スイッチ回路Ａ１（Ａｎ）における半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）とダイオードブリッジ回路との間の配線が長く、そのインダクタンスが大きい場合には、上記のダイオードＤ１（Ｄｎ）が半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）に対するサージ保護用のダイオードとして有効に機能する。また、半導体スイッチの素子構造として寄生ダイオードが形成されている場合には、この寄生ダイオードをダイオードＤ１（Ｄｎ）として用いることができる。ただし、充放電スイッチ回路Ａ１（Ａｎ）を、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）とダイオードブリッジ回路との間の配線が短くなるように構成している場合には、半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）に対するサージ保護手段として、上記のダイオードブリッジ回路があればよい。

充放電スイッチ回路を図９のように構成することにより、例えば電池Ｂ１に異常が発生したときは、異常電池Ｂ１に対応する充放電スイッチ回路Ａ１における機械式接点スイッチＳＷ１および半導体スイッチＱ１をともにＯＦＦすることにより、ダイオードＤ１１とＤ１２との順方向（充電時）の電流、およびダイオードＤ１３とＤ１４との順方向（放電時）の電流をともに流さないようにして、異常電池Ｂ１を給電回路母線から切り離すことが可能となる。
なお、その他は図１の構成と同様なので、以下では主として図１との相違点について図１０，図１１を参照して説明する。

充電動作について
図１０は、図９の構成の動作をタイムチャートで示す説明図であり、図１０（ａ）は、大電流充電領域および小電流充電領域で充電を行い、小電流充電領域の途中で、充電完了前に発電機を停止する場合の動作をタイムチャートで示すものである。図１０（ａ）において、時刻ｔ０以前の大電流充電領域では、半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＦＦ、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＮとして、半導体スイッチ回路を短絡しながら大充電電流を通電して、通電損失の低減を図るものである。充電が進行して図１０（ａ）の時刻ｔ０に到達すると、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎをｔ０でＯＮ、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをｔ１でＯＦＦとして、小電流充電領域での充電を開始する。

上記のように機械式接点スイッチのＯＦＦに先立ち半導体スイッチをＯＮさせるようにして機械式接点スイッチと半導体スイッチとの両方がＯＮしている期間（ｔ０〜ｔ１）を設けることにより、半導体スイッチをＯＮするとき（ｔ０）に、機械式接点スイッチも未だＯＮ状態であるから、半導体スイッチのＯＮ直前において機械式接点スイッチに発生している微弱な接点間の電圧降下を半導体スイッチで短絡するだけでよいので、略無通電状態で半導体スイッチをＯＮすることができ、半導体スイッチの閉路責務を大幅に軽減することができる。また、機械式接点スイッチをＯＦＦするとき（ｔ１）に、半導体スイッチは既にＯＮされているから、機械式接点スイッチは微弱な接点間の電圧降下を開路するだけでよいので、機械式接点スイッチの開路責務を大幅に軽減することができる。なお、この動作は図１の動作を示す図２の時刻ｃ−ｃ１の動作と同じである。

また、図２に示すｃ〜ｆおよび図１０（ａ）に示すｔ０〜ｔｘ２２の小電流充電領域において、何らかの理由で発電機１６（Ｇ）を停止するとき、図１の構成では図２のｇ〜ｇ１点やｌ〜ｍ点のように、機械式接点スイッチの接点がＯＮするまでの時間は、ダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）により通電して負荷への給電の遮断が発生しないようにする。
これに対し、図９の構成ではダイオード通電回路はないから、図１０（ａ）に示すように、時刻ｔｘ２で発電機運転スイッチ３５（ＳＷＧ）を停止操作した後、発電機制御装置３４から電池充放電＆状態監視制御装置２８へ発電機停止指令（信号３６）を与え、発電機停止制御の前に、装置２８からの指令３７〜３８により、時刻ｔｘ２１で機械式接点スイッチをＯＮ、時刻ｔｘ２２で半導体スイッチをＯＦＦさせ、その後の時刻ｔ２において、発電機停止制御指令により発電機電圧を低下させるとともに発電機回路スイッチ２０（ＳＷＧＨ）をＯＦＦして発電機１６（Ｇ）を停止させるようにして負荷への給電の遮断が発生しないようにする。この点で図１の構成と図９の構成とは相違する。

次に、図１０（ｂ）は、満充電状態まで充電し、充電完了後に発電機を停止する場合の動作をタイムチャートで示すものである。図１０（ｂ）のように、大〜中電流充電領域（〜ｔ１０）から小電流充電領域（ｔ１１〜ｔ１２）に移行し、小電流充電領域において満充電状態まで充電を行う場合、小電流充電領域（ｔ１１〜ｔ１２）に移行すると、半導体スイッチをＯＮ（連続定電流充電または連続定電圧充電）、または各電池に対応する半導体スイッチを時系列にＯＮ−ＯＦＦ（定電流パルス充電／定電圧パルス充電）させて電池を充電し、連続定電圧充電，定電流パルス充電および定電圧パルス充電では、満充電になった電池から順次半導体スイッチをＯＦＦにして充電の対象から切り離していくという充電終了制御を行い、また、連続定電流充電では、各電池が並列接続された給電回路母線の電圧（ＶＢ）が所定値に達した時点で各電池の半導体スイッチをＯＦＦして充電を完了させる。上記のような充電終了制御により、全ての電池の半導体スイッチがＯＦＦしたら、全電池の充電が完了する（時刻ｔ１２）。充電が完了すると、全ての電池は給電回路母線から切り離されるが（図９に示す充放電スイッチ回路Ａ１〜Ａｎ内の機械式接点スイッチＯＦＦ、半導体スイッチＯＦＦ）、この状態での負荷への給電は発電機１６（Ｇ）から行なわれる（時刻ｔ１２〜ｔ３１）。

この状態で、図１０（ｂ）のように、発電機運転スイッチ３５（ＳＷＧ）を停止操作すると（時刻ｔ３）、発電機制御装置３４から電池充放電＆状態監視制御装置２８へ発電機停止指令（信号３６）を与え、発電機停止制御の前に、装置２８からの指令３７〜３８により各電池に設けた充放電スイッチ回路Ａ１〜Ａｎの機械式接点スイッチをＯＮさせる。なお、このとき、発電機の停止に対応した放電動作のために半導体スイッチをＯＮさせる必要はないから、半導体スイッチにはＯＮ指令を与えないようにする。そして、機械式接点スイッチがＯＮするまでの動作時間遅れ（ｔ３〜ｔ３１）が存在するから、この動作遅れ時間中（ｔ３〜ｔ３１）に給電が遮断しないよう、ｔ３１の後、機械式接点スイッチがＯＮしたことを電池充放電＆状態監視制御装置２８からの信号３６により発電機制御装置３４が確認した後、時刻ｔ４で、発電機制御装置３４は発電機停止制御指令により発電機電圧を低下させるとともに発電機回路スイッチ２０（ＳＷＧＨ）をＯＦＦして発電機１６（Ｇ）を停止させる。すなわち、ｔ３１〜ｔ４期間は発電機と電池の並列接続運転になるので、負荷への給電の遮断は発生しない。

一方、図１の構成では上記段落〔００１４〕で述べたように、機械式接点スイッチＯＦＦ状態で発電機を停止して放電動作に移行するとき、図２に示す機械式接点スイッチがＯＮするまでの動作時間遅れ時間（ｇ〜ｇ１）は、機械式接点スイッチと並列接続されたダイオード７（Ｄ１）〜８（Ｄｎ）により通電し、機械式接点スイッチの接点がＯＮする時刻ｇ１点でダイオードを短絡して機械式接点スイッチで通電する。
これに対し、図９の構成では、図１のようなダイオードによる放電回路は形成されないから、機械式接点スイッチの接点がＯＮしてから発電機を停止させることで、負荷への給電の遮断が発生しないようにしている。この点で図１の構成と図９の構成とは相違する。

浮動動作について
図１の構成の浮動動作によれば、発電機電圧ＶＧを電池電圧ＶＢよりもやや高めに設定した状態で、半導体スイッチおよび機械式接点スイッチをともにＯＦＦすることにより、半導体素子Ｑと並列接続されているダイオードＤによって発電機電圧ＶＧをブロックし、浮動動作状態を得ている。
これに対し、図９の構成では半導体スイッチＱ１〜Ｑｎおよび機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをともにＯＦＦすることにより、電池がどのような動作状態であっても、電池を給電回路母線から切り離すことができる。

図１０（ｃ）は、図９の構成における浮動動作をタイムチャートで説明するものである。図９で浮動動作スイッチ３１（ＳＷＦ）をＯＮすると、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎが図１０（ｃ）の時刻ｔ５でＯＦＦし、その後、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎが時刻ｔ５１でＯＦＦするので、ダイオードＤ１１（Ｄｎ１）→半導体素子Ｑ１（Ｑｎ）（ＯＦＦ）→ダイオードＤ１２（Ｄｎ２）の通電経路は形成されないとともに機械式接点スイッチＳＷ１（ＳＷｎ）もＯＦＦとなっていることから、電池は給電回路母線から切り離されて浮動動作状態となる。この浮動動作状態では、電池は給電回路母線から切り離されているので、推進電動機２５（Ｍ），補機動力系統２２（Ｌ）などの負荷への給電は発電機１６（Ｇ）から行なわれる（時刻ｔ５１〜ｔ６１）。その後、浮動動作スイッチ３１（ＳＷＦ）を時刻ｔ６でＯＦＦにすれば、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがＯＮ（時刻ｔ６から若干遅れた時刻ｔ６１で接点ＯＮ）となり、電池が給電回路母線に接続されて浮動動作は解除される。なお、上記のように、浮動動作スイッチ３１（ＳＷＦ）をＯＮして浮動動作を開始するときに、半導体スイッチをＯＦＦした後に機械式接点スイッチをＯＦＦすることにより、開路直前の電池電流の大きさにもよるが、半導体スイッチの開路責務を軽減させ機械式接点スイッチに開路責務を持たせることができる。

放電動作について
図９の構成での放電動作においては、機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＮ、半導体スイッチＱ１〜ＱｎをＯＦＦとして、負荷へ電池から給電する。このときの電流経路を図１１（ａ）に示すとともに、対比のため、図１の構成での放電動作における電流経路を図１１（ｂ）に示す。
図１１（ｂ）では、電池の放電電流−ＩＢは、機械式接点スイッチＳＷを流れる電流ＩＳＷと、ダイオードＤを流れる電流ＩＤの合成電流となる。一般的に、ＯＮ状態の機械式接点スイッチと順バイアス状態のダイオードの抵抗比は１：１００以上と言われるが、抵抗比によってダイオードにも電流ＩＤが流れるので、機械式接点スイッチでダイオードを短絡しても、ダイオード損失・発熱が発生する。

これに対し、図１１（ａ）では、ダイオードと半導体素子からなる半導体スイッチ回路には、図１１（ｂ）におけるような電流ＩＤは流れない。これは、電池の放電電流が逆バイアス状態となるダイオードＤ１２やＯＦＦ状態の半導体素子Ｑ１によってブロックされるためである。つまり、図１１（ａ）のようなスイッチ方式によれば、半導体スイッチ回路には電流ＩＤは全く流れないので、損失も発生しない。なお、並列接続された個別電池を何らかの理由で給電回路母線から切り離したいときは、上述のように半導体スイッチＱ１〜Ｑｎおよび機械式接点スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＦＦとすることにより、電池を個別に給電回路母線から切り離すことができる。

電池の保護動作
これについては、例えば上記特許文献３に述べられている。その方式では、充電動作中には異常発生電池を給電回路母線から切り離すことはできるが、放電動作中には異常発生電池を給電回路母線から切り離すことができず、警報を発するのみに留まっている。しかし、図９のようなスイッチ方式では、半導体スイッチおよび機械式接点スイッチをオフすることにより、電流の流れる方向の如何に関わらず電池を給電回路母線から切り離すことができ、異常電池を個別に給電回路母線から切り離すことができるので、電池からの給電を中断することなく、健全電池によるシステム運転を継続させることが可能となる利点が得られる。

なお、図９における充放電スイッチ回路Ａ１（Ａｎ）の構成は、図８（ａ）における機械式接点スイッチＳＷ１（ＳＷｎ），半導体スイッチＱ１（Ｑｎ）および逆並列ダイオードＤ１（Ｄｎ）からなる充放電スイッチ回路に放電用機械式接点スイッチ回路ＳＷＤ１（ＳＷＤｎ）が直列接続されてなるスイッチ回路の構成と比べて、電流の流れる方向の如何に関わらず電池を給電回路母線から切り離すことができる点、および、放電動作時の通電損失の小さい点では同様である。しかしながら、電池充放電＆状態監視制御装置２８からの指令による遠方操作を可能とするため、機械式接点スイッチを、電動駆動式または電磁駆動式であって外部信号によりＯＮ−ＯＦＦさせることができる可制御スイッチとする場合、機械式接点スイッチの外形寸法が大きくなり、電池システムの設置スペース上の制約がある場合に問題となるが、この点において、図９の構成は、必要となる機械式接点スイッチが１個だけであるので、２個の機械式接点スイッチが必要となる図８（ａ）の構成よりも、より好適な構成となっている。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の電池の充放電動作を示すタイムチャート 定電流→定電流→定電圧充電の動作説明図 定電流→定電圧→定電流パルスの充電動作説明図 電池放電時の電流−電圧特性図 電池充電時の電流−電圧特性図 定電流→定電流→定電圧パルスの充電動作説明図 放電用スイッチ回路の説明図 図１の変形例を示す構成図 図９の動作説明図 図９における放電動作説明図 電池充放電方式の従来例を示す構成図

符号の説明

１〜２（Ｂ１〜Ｂｎ）…蓄電池、３〜４（ＳＷ１，ＳＷｎ）…機械式接点スイッチ、５〜６（Ｑ１〜Ｑｎ）…半導体スイッチ、７〜８（Ｄ１〜Ｄｎ）…ダイオード、９〜１０，１４，１９，２３（ＳＨ１〜ＳＨｎ，ＳＨＢ，ＳＨＧ）…電流検出器、１１〜１３，２１（ＶＤ１〜ＶＤｎ，ＶＤＢ，ＶＤＧ）…電圧検出器、１５，２０，２４，２７，２９〜３１，３５（ＳＷＢ，ＳＷＧＨ，ＳＷＬＨ，ＳＷＭＨ，ＳＷＣ〜ＳＷＦ，ＳＷＧ）…スイッチ、１６…発電機（Ｇ）、１７…発電機界磁（Ｇｆ）、２２…補機動力系統（Ｌ）、２５…推進電動機（Ｍ）、２８…電池充放電＆状態監視制御装置、３２…電圧設定器、３３…電流設定器、３４…発電機制御装置、３６…信号、３７〜３８…指令（信号）、Ａ１〜Ａｎ…充放電スイッチ回路。

Claims (9)

1. 複数の電池群が並列接続されてなる電池電源と、この電池電源への充電を行なう発電機とを給電回路母線を介して接続してなるとともに、この給電回路母線を介して推進電動機を含む負荷への電力供給を行なう電気推進システムにおいて、
   各電池群にそれぞれ直列に接続され，各電池群と給電回路母線との間に挿入された充放電スイッチ回路を設けるとともに、
   前記電池電源の充放電電流を検出する電池電流検出器と、
   前記充放電スイッチ回路をオン，オフ制御して各電池群の充放電制御を行なうとともに発電機の制御を行なう制御回路とを備え、
   前記充放電スイッチ回路は、機械式接点スイッチ，半導体スイッチ，および，電池群から給電回路母線への放電電流の方向を順方向とするダイオードが並列接続されたものであり、
   大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、
   小電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチはオフとし，前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせることにより通電損失の低減および機械式接点スイッチのオン，オフ時の動作音を抑制するとともに、
   機械式接点スイッチがオフとされ，ダイオードにより発電機電圧がブロックされて充放電電流が０Ａとされた浮動状態からダイオードを介する放電動作に移行した場合には、電池電源からの放電電流を電池電流検出器で検出した信号を前記制御回路が判定し、各機械式接点スイッチへオン指令を与え、機械式接点スイッチがオンするまでの動作遅れの期間中は前記ダイオードを介して放電電流を流すようにした
   ことを特徴とする電池の充放電スイッチ方式。
2. 大電流通電となる大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして機械式接点スイッチを介して通電させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池の充放電スイッチ方式。
3. 前記充放電スイッチ回路に直列接続された電池切離し用スイッチ回路を各充放電スイッチ回路ごとにそれぞれ設けた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電池の充放電スイッチ方式。
4. 複数の電池群が並列接続されてなる電池電源と、この電池電源への充電を行なう発電機とを給電回路母線を介して接続してなるとともに、この給電回路母線を介して推進電動機を含む負荷への電力供給を行なう電気推進システムにおいて、
   各電池群にそれぞれ直列に接続され，各電池群と給電回路母線との間に挿入された充放電スイッチ回路を設けるとともに、
   前記充放電スイッチ回路をオン，オフ制御して各電池群の充放電制御を行なうとともに発電機の制御を行なう制御回路を備え、
   前記充放電スイッチ回路は、ダイオードブリッジ回路の中点間に半導体スイッチを接続し,前記ダイオードブリッジ回路の両端に機械式接点スイッチを並列接続したものであって、半導体スイッチおよび機械式接点スイッチをともにオフすることにより,電流の流れる方向の如何に関わらず前記充放電スイッチ回路をオフ状態として電池群を給電回路母線から切り離すことができるようにしたものであり、
   大電流通電となる放電時および大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして前記機械式接点スイッチを介して通電させる一方、
   小電流充電動作領域では前記機械式接点スイッチはオフとし，前記半導体スイッチによる通電とオン，オフ動作をさせることにより通電損失の低減および機械式接点スイッチのオン，オフ時の動作音を抑制する
   ことを特徴とする電池の充放電スイッチ方式。
5. 前記機械式接点スイッチがオフとされた状態において発電機に対する停止指令を発令した場合に、機械式接点スイッチへオン指令を与え、機械式接点スイッチがオンしたことを確認した後、発電機の停止制御を行なうようにした
   ことを特徴とする請求項４に記載の電池の充放電スイッチ方式。
6. 充電動作として、大電流充電動作領域では各機械式接点スイッチをオンさせて各電池群に対し一括して連続した充電を行なうとともに、充電電流の小さい最終充電領域では各機械式接点スイッチはオフとし，各電池群に対応する各半導体スイッチを時系列にオン−オフさせて充電し，充電完了の状態に達した電池群から順次充電を停止させるパルス充電を行なう
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電池の充放電スイッチ方式。
7. 最終充電領域での前記パルス充電は、定電流により充電するものであって、
   このパルス充電時には、充電完了の状態に達してその充電電圧が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の電池の充放電スイッチ方式。
8. 最終充電領域での前記パルス充電は、定電圧により充電するものであって、
   このパルス充電時には、充電完了の状態に達してその充電電流が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の電池の充放電スイッチ方式。
9. 大電流通電となる大電流充電動作領域では半導体スイッチをオフとし,機械式接点スイッチをオンとして前記機械式接点スイッチを介して通電させるとともに、大電流充電動作領域から小電流充電動作領域への移行時におけるスイッチ制御として、機械式接点スイッチのオフに先立ち半導体スイッチをオンさせるようにして機械式接点スイッチと半導体スイッチとの両方がオンしている期間を設けた
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電池の充放電スイッチ方式。

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