JP5189385B2 - 電動車輌用電源装置、電動車輌 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を用いた電動車輌用電源装置、及びこの電動車輌用電源装置を備える電動車輌に関する。

従来、架線からパンタグラフを介して供給された電力によって走行する電動車輌（いわゆる電車）では、停電時やパンタグラフを下ろしたときにも、照明などへの電力供給を可能にするために、二次電池を用いた電動車輌用電源装置が備わっている。このような二次電池を用いた電動車輌用電源装置では、外部の電源状況を監視して、二次電池を充電したり放電したりする必要があるため、商用電源ライン等の外部の電源電圧を直接監視するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１２４２６８号公報

ところで、上述のような電動車輌用電源装置は、例えば電動車輌が車庫に入りパンタグラフを下ろしたときには外部から電動車輌用電源装置に電力が供給されないため、充電器に充電の要求を出したとしても、二次電池を充電することができない。

しかしながら電動車輌用電源装置は、電動車輌の制御システムとは完全に独立して構成されており、架線の電源電圧やパンタグラフが上がっているか下がっているかといった状態等、システムの外部の状態に関する情報を自ら取得したり、このような情報を電動車輌側から貰ったりすることができないという、事情がある。そのため、一般的に電動車輌用電源装置では、二次電池の端子電圧や残容量等、電動車輌用電源装置内で得られる情報のみに応じて、外部からの電力供給が可能な状態であるか否かを判定しなければならない。

二次電池の端子電圧に基づいて、外部からの電力供給が可能な状態であるか否かを判定するには、例えば試みに二次電池の充電を実行し、二次電池の端子電圧が上昇すれば、実際に充電が行われているのであるから外部からの電力供給が可能な状態であると判定することができ、試みに二次電池の充電を実行しても、二次電池の端子電圧が上昇しなければ、外部から電力が供給されておらず、従って、外部からの電力供給が可能な状態ではないと判定することが可能である。

しかしながら、二次電池の端子電圧が上昇するのは、実際に二次電池が充電されているときに限らない。例えば二次電池が放電している状態から、放電を停止して二次電池が開放状態に変化すると、二次電池の端子電圧は閉路電圧（ＣＣＶ：Closed circuit voltage）から開路電圧（ＯＣＶ：Open circuit voltage）に変化して増大することとなる。そのため、上述のような方法で、二次電池の端子電圧に基づいて外部からの電力供給が可能な状態であるか否かを判定すると、外部からの電力供給が可能な状態ではないにもかかわらず、負荷状態の変化等による二次電池の端子電圧の上昇によって、誤って外部からの電力供給が可能な状態であると判定してしまうおそれがあるという、不都合があった。

このように、外部からの電力供給が可能な状態であるか否かの判定を誤ると、例えば外部から電力が供給されないのに充電電圧を生成するためのスイッチング電源回路を駆動させて無用な電力損失を生じたり、例えば外部から電力が供給されないのに電力供給されているという前提で電源システムの故障診断を行って、故障の判定を誤ったりするおそれが生じるという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、パンタグラフの上げ下げや負荷の駆動状態等、電動車輌側の情報が得られない電動車輌用電源装置において、二次電池の電圧挙動に基づいて、電動車輌に電力が供給されているか、すなわち電動車輌から二次電池への電力供給が可能な状態か否かの判定精度を向上することができる電動車輌用電源装置、及び電動車輌を提供することを目的とする。

本発明に係る電動車輌用電源装置は、外部から供給された電力を電動車輌用電源装置へ供給する電動車輌に搭載される前記電動車輌用電源装置であって、二次電池と、前記電動車輌から供給される電力の受電と前記二次電池からの放電電流の前記電動車輌への供給とを行うための接続端子と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記接続端子によって受電される電力に基づいて、前記二次電池を充電する充電部と、予め設定された予備充電時間の間、前記充電部によって、前記二次電池を予備的に充電させる予備充電を行う予備充電制御部と、前記予備充電制御部による予備充電が終了してから予め設定された待機時間の間前記充電部による前記二次電池の充電を停止させた後、前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧を第１電圧として取得する待機後電圧取得部と、前記予備充電制御部による予備充電の開始から前記充電が停止している待機時間の終わりまでの間に前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧の最大値を、第２電圧として取得する最大電圧取得部と、前記第１電圧と前記第２電圧との差が予め設定された判定閾値に満たない場合、前記電動車輌から前記接続端子への電力供給がされない状態であると判定し、前記第１電圧と前記第２電圧との差が前記判定閾値を超える場合、前記電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定する充電可否判定部とを備える。

この構成によれば、予備充電制御部によって、予め設定された予備充電時間の間、充電部により二次電池を予備的に充電させる予備充電が行われる。また、待機後電圧取得部によって、予備充電制御部による予備充電が終了してから予め設定された待機時間の間充電部による二次電池の充電が停止された後、電圧検出部によって検出される二次電池の端子電圧が第１電圧として取得される。そして、最大電圧取得部によって、予備充電制御部による予備充電の開始から充電が停止している待機時間の終わりまでの間に電圧検出部によって検出される二次電池の端子電圧の最大値が、第２電圧として取得される。さらに、第１電圧と第２電圧との差が予め設定された判定閾値に満たない場合、充電可否判定部によって、電動車輌からの電力供給がされない状態であると判定され、第１電圧と第２電圧との差が判定閾値を超える場合、電動車輌からの電力供給が可能な状態であると判定される。

この場合、電動車輌からの電力供給が可能な状態であったならば、予備充電中の二次電池の端子電圧は閉路電圧（ＣＣＶ）であり、予備充電後に充電停止すると二次電池の端子電圧は開路電圧（ＯＣＶ）に変化して、待機時間の間に低下することとなる。そうすると、第１電圧と第２電圧との間に差が生じて判定閾値を超え、充電可否判定部によって、電動車輌からの電力供給が可能な状態であると判定することができる。一方、電動車輌からの電力供給がされない状態において予備充電を行うと、充電部には電力が供給されないから予備充電中でも実際は二次電池には充電電流が流れない。このタイミングで二次電池が放電している状態から放電を停止すると、二次電池の端子電圧は閉路電圧（ＣＣＶ）から開路電圧（ＯＣＶ）に変化して増大することとなる。しかしながら、この場合、二次電池の端子電圧は開路電圧（ＯＣＶ）に達して安定するので、待機時間の間に低下することがない。そうすると、第１電圧と第２電圧との間に差が生じないので判定閾値を超えない結果、充電可否判定部によって、電動車輌からの電力供給がされない状態であると判定することができる。従って、パンタグラフの上げ下げや負荷の駆動状態等、電動車輌側の情報が得られない電動車輌用電源装置において、二次電池の電圧挙動に基づいて、電動車輌に電力が供給されているか、すなわち電動車輌から二次電池への電力供給が可能な状態か否
かの判定精度を向上することができる。

また、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部によって検出される前記二次電池の放電電流が予め設定された放電判定閾値以下の場合に、前記予備充電制御部により前記予備充電を行わせ、前記待機後電圧取得部により前記第１電圧を取得させ、前記最大電圧取得部により前記第２電圧を取得させ、前記充電可否判定部により前記判定を行わせ、さらに当該充電可否判定部によって電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定されたとき、前記充電部によって前記二次電池を充電させる充電制御部とをさらに備えることが好ましい。

電動車輌では、電動車輌に電力が供給されなくなると、二次電池から負荷へ電力が供給されるので、二次電池の放電電流が増大し、放電判定閾値を超える。そうすると、予備充電制御部による予備充電、待機後電圧取得部による第１電圧の取得、最大電圧取得部による第２電圧の取得、充電可否判定部による判定、及び充電部による二次電池の充電は行われないので、電動車輌に電力が供給されず、従って二次電池を充電することができない場合に、無用な処理を行うおそれが低減される。

また、前記充電可否判定部によって電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定された場合において、前記充電部による前記二次電池の充電中に、前記充電部が充電電流として出力するべく設定された目標電流値と前記電流検出部によって検出される電流値との差が、予め設定された故障判定閾値を超える場合、故障を検知する故障検知部をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、前記充電可否判定部によって電動車輌からの電力供給が可能な状態であると判定された場合において、充電部による二次電池の充電が行われているときは、充電部は、目標電流値の電流を充電電流として出力するはずであるから、当該目標電流値と電流検出部によって検出される電流値との差が故障判定閾値を超える場合には、何らかの故障が生じていると考えられるので、故障検知部によって故障を検知することができる。

また、前記最大電圧取得部は、前記予備充電制御部による予備充電の終了直前に前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧を、前記第２電圧として取得することが好ましい。

すなわち、二次電池の端子電圧は、予備充電の終了直前に最大となるので、最大電圧取得部は、予備充電制御部による予備充電の終了直前に電圧検出部によって検出される二次電池の端子電圧を第２電圧として取得することとすれば、予備充電の開始から待機時間の終わりまでの間に電圧検出部によって検出される二次電池の端子電圧を監視したり、当該期間における端子電圧の最大値を検出したりする処理が不要となり、処理を簡素化することが容易となる。

また、前記充電可否判定部によって前記電動車輌から前記接続端子への電力供給がされない状態であると判定された場合、予め設定された設定時間の経過後に、新たに前記予備充電制御部により前記予備充電を行わせ、前記待機後電圧取得部により前記第１電圧を取得させ、前記最大電圧取得部により前記第２電圧を取得させ、前記充電可否判定部により前記判定を行わせる判定再実行制御部をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、充電可否判定部によって電動車輌からの電力供給がされない状態であると判定された場合、予め設定された設定時間の経過後、すなわち電動車両における状況が変化して電動車輌からの電力供給が可能になっている可能性のあるときに、新たに予
備充電制御部により予備充電が行われ、待機後電圧取得部により第１電圧が取得され、最大電圧取得部により第２電圧が取得され、充電可否判定部により判定が行われるので、電動車両における電力供給できない状態から電力供給可能な状態への変化を検知することができる。

また、前記第１電圧と前記第２電圧との差が、前記二次電池が寿命に達したことを検出するべく予め設定された寿命判定閾値を超える場合、前記二次電池の寿命が切れていると判定する寿命判定部をさらに備えることが好ましい。

二次電池は、劣化が進んで寿命切れが近づくほど、内部抵抗が増大する。そして、第１電圧と第２電圧との差は、内部抵抗が増大するほど、すなわち寿命切れが近づくほど増大する。そこで、予め寿命切れに相当する第１電圧と第２電圧との差を、寿命判定閾値として設定しておけば、寿命判定部によって、二次電池の寿命切れを検出することができる。

また、本発明に係る電動車輌は、上述の電動車輌用電源装置と、前記接続端子を介して前記電動車輌用電源装置へ電力を供給する電力供給部と、前記電動車輌用電源装置から前記接続端子を介して供給される電力によって駆動される負荷とを備える。

この構成によれば、電動車輌から電動車輌用電源装置へ、パンタグラフの上げ下げや負荷の駆動状態等、電動車輌側の情報を通知しなくても、電動車輌用電源装置において、二次電池の電圧挙動に基づいて、電動車輌に電力が供給されているか、すなわち電動車輌から二次電池への電力供給が可能な状態か否かの判定精度を向上することができる。

このような構成の電動車輌用電源装置は、電動車輌からの電力供給が可能な状態であったならば、予備充電中の二次電池の端子電圧は閉路電圧（ＣＣＶ）であり、予備充電後に充電停止すると二次電池の端子電圧は開路電圧（ＯＣＶ）になって、待機時間の間に低下することとなる。そうすると、第１電圧と第２電圧との間に差が生じて判定閾値を超え、充電可否判定部によって、電動車輌からの電力供給が可能な状態であると判定することができる。一方、電動車輌からの電力供給がされない状態において予備充電を行うと、充電部には電力が供給されないから予備充電中でも実際は二次電池には充電電流が流れない。しかしながら、このタイミングで二次電池が放電している状態から放電を停止すると、二次電池の端子電圧は閉路電圧（ＣＣＶ）から開路電圧（ＯＣＶ）に変化して増大することとなる。しかしながら、この場合、二次電池の端子電圧は開路電圧（ＯＣＶ）に達して安定するので、待機時間の間に低下することがない。そうすると、第１電圧と第２電圧との間に差が生じないので判定閾値を超えない結果、充電可否判定部によって、電動車輌からの電力供給がされない状態であると判定することができる。従って、パンタグラフの上げ下げや負荷の駆動状態等、電動車輌側の情報が得られない電動車輌用電源装置において、二次電池の電圧挙動に基づいて、電動車輌に電力が供給されているか、すなわち電動車輌から二次電池への電力供給が可能な状態か否かの判定精度を向上することができる。

また、このような構成の電動車両は、電動車輌から電動車輌用電源装置へ、パンタグラフの上げ下げや負荷の駆動状態等、電動車輌側の情報を通知しなくても、電動車輌用電源装置において、二次電池の電圧挙動に基づいて、電動車輌に電力が供給されているか、すなわち電動車輌から二次電池への電力供給が可能な状態か否かの判定精度を向上することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動車輌用電源装置の一例である電池パックを備えた電動車輌の概略構成を示すブロック図である。図１に示す電動車輌１０１は、パンタグラフ１０２（電力供給部）を備えている。そして、電動車輌１０１は、架空電車線１０３からパンタグラフ１０２を介して電力を受電するようになっている。

電動車輌１０１は、架空電車線１０３からパンタグラフ１０２を介して供給される交流電力を直流電力に変換する整流器１０４、整流器１０４で得られた直流電力を再度交流電
力に変換するインバータ１０５、整流器１０４からインバータ１０５への電力供給をオン、オフするスイッチング素子ＳＷ、インバータ１０５の交流電力で駆動するモータや照明装置などの負荷１０６、必要に応じて整流器１０４から出力された電力を蓄えたり、負荷１０６に電力を供給したりする電池パック１（電動車輌用電源装置）を備えている。

電池パック１は、接続端子２，３、二次電池４、充電回路５（充電部）、電圧検出部６、ダイオード７、タイマ９、及び制御部８を備えている。二次電池４は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池、鉛蓄電池等の二次電池である。また、二次電池４は、単電池に限られず、例えば複数の二次電池が直列、並列、あるいは直列と並列とが混在して接続された組電池であってもよい。

接続端子２は、整流器１０４とスイッチング素子ＳＷとの接続点に接続されている。これにより、接続端子２は、整流器１０４から供給される電力の受電と、スイッチング素子ＳＷを介してインバータ１０５への電力供給とが可能にされている。スイッチング素子ＳＷとしては、半導体スイッチやリレースイッチ等が用いられる。

接続端子２は、ダイオード７のカソードに接続され、ダイオード７のアノードは二次電池４の正極に接続され、二次電池４の負極は接続端子３に接続され、接続端子３は電動車輌１０１のグラウンドに接続されている。ダイオード７は、整流器１０４の出力電圧が直接二次電池４に印加されることを防止すると共に、二次電池４の放電電流を接続端子２へ向かって放電可能としている。

電動車輌１０１と電池パック１は、接続端子２，３のみによって接続されており、電動車輌１０１と電池パック１との間で情報を送受信する信号ラインを有しない。そして、パンタグラフ１０２とスイッチング素子ＳＷとは、電池パック１と完全に独立して動作し、またその状態の情報は電池パック１に提供されない。

充電回路５は、制御部８からの制御信号に応じて二次電池４を充電する充電回路で、例えばスイッチング電源回路等を用いて構成されている。充電回路５は、接続端子２が整流器１０４から受電した電力に基づいて、二次電池４を充電するための充電電圧、充電電流を生成し、二次電池４へ供給する。

電圧検出部６は、例えばＡＤコンバータ等を用いて構成されており、二次電池４の端子電圧を検出してその電圧値を制御部８へ出力する。

図２は、図１に示す制御部８の構成の一例を示すブロック図である。図２に示す制御部８は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、その周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部８は、例えばＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、予備充電制御部８１、待機後電圧取得部８２、最大電圧取得部８３、充電可否判定部８４、判定再実行制御部８５、充電制御部８６、及び寿命判定部８８として機能する。

予備充電制御部８１は、充電回路５によって、予め設定された予備充電時間αの間、二次電池４を予備的に充電させる予備充電を行う。予備充電時間αとしては、予備充電に伴う二次電池４の端子電圧Ｖｔの上昇が、電圧検出部６によって検出可能な程度の時間が設定されており、例えば１〜１０秒程度の時間が好適である。

待機後電圧取得部８２は、予備充電制御部８１による予備充電が終了してから予め設定された待機時間βの間、充電回路５による二次電池４の充電を停止させた後、電圧検出部
６によって検出される二次電池４の端子電圧を電圧Ｖ１（第１電圧）として取得する。

最大電圧取得部８３は、予備充電制御部８１による予備充電の実行中である予備充電時間α及び予備充電が終了してから充電が停止している待機時間β中において、電圧検出部６によって検出される二次電池４の端子電圧の最大値を電圧Ｖ２（第２電圧）として取得する。待機時間βとしては、充電電流の供給が停止されることにより、二次電池４の端子電圧がＣＣＶ電圧からＯＣＶ電圧に変化して安定するのに必要となる時間が設定され、例えば１〜１０秒程度の時間が好適である。

充電可否判定部８４は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が、予め設定された判定閾値Ｖｔｈに満たない場合、パンタグラフ１０２から整流器１０４、接続端子２を介して電池パック１への電力供給がされない状態であると判定し、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が、判定閾値Ｖｔｈを超える場合、パンタグラフ１０２から整流器１０４、接続端子２を介して電池パック１への電力供給が可能な状態であると判定する。判定閾値Ｖｔｈは、予備充電によって二次電池４に充電電流を流したときの閉路電圧（ＣＣＶ）と予備充電を停止して充電電流をゼロにしたときの開路電圧（ＯＣＶ）との差より小さく、二次電池４を開放状態で待機時間βだけ放置した場合に生じる端子電圧Ｖｔの変動分より大きな電圧が、予め設定されている。例えば、判定閾値Ｖｔｈとして、予備充電によって二次電池４に充電電流を流したときの閉路電圧（ＣＣＶ）と予備充電を停止して充電電流をゼロにしたときの開路電圧（ＯＣＶ）との差の１／２程度に相当する電圧が予め設定されている。

判定再実行制御部８５は、充電可否判定部８４によって整流器１０４からの電力供給がされない状態であると判定された場合、予め設定された設定時間ｔｓの経過後に、新たに予備充電制御部８１により予備充電を行わせ、待機後電圧取得部８２により電圧Ｖ１を取得させ、最大電圧取得部８３により電圧Ｖ２を取得させ、充電可否判定部８４により前記判定を行わせる。設定時間ｔｓは、電動車輌１０１の状態が変化している可能性が高いと考えられる時間、例えば１０分程度の時間が予め設定されている。

充電制御部８６は、充電可否判定部８４によってパンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給が可能な状態であると判定された場合、充電回路５によって二次電池４を充電させる。

寿命判定部８８は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が、寿命判定閾値Ｖｔｈ２を超える場合、二次電池４の寿命が切れていると判定する。二次電池４は、劣化が進んで寿命切れが近づくほど、内部抵抗が増大する。そして、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差は、内部抵抗が増大するほど、すなわち寿命切れが近づくほど増大する。そこで、予め寿命切れに相当する電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差を、寿命判定閾値Ｖｔｈ２として設定しておけば、寿命判定部８８によって、二次電池４の寿命切れを検出することができる。

次に、上述のように構成された電池パック１の動作について説明する。図３は、図１に示す電動車輌１０１の電源状態を説明するための説明図である。図３に示すように、電動車輌１０１は、状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４通りの電源状態を取り得る。以下、パンタグラフ１０２が押し上げられて架空電車線１０３に接触している状態を「パンタグラフ１０２がオン」、パンタグラフ１０２が押し下げられて架空電車線１０３から離れている状態を「パンタグラフ１０２がオフ」と称する。

まず、状態Ａは電動車輌１０１が通常走行を行っている状態であり、パンタグラフ１０２がオン、スイッチング素子ＳＷがオンであるため、電動車輌１０１の各部及び負荷１０６への電力供給は、電力源である架空電車線１０３からパンタグラフ１０２を介して行なわれる。

状態Ｂは架空電車線１０３が停電している状態である。そのため、パンタグラフ１０２がオン、スイッチング素子ＳＷがオンであるが架空電車線１０３が電力を供給できないため、負荷１０６への電力供給は、電池パック１から行なわれる。状態Ｃも電動車輌１０１が停電している状態であり、パンタグラフ１０２がオフ、スイッチング素子ＳＷがオンであるため、架空電車線１０３から電力は供給されず、負荷１０６への電力供給は、電池パック１から行なわれる。

状態Ｄは電動車輌１０１が車庫に入り、全ての機能を停止している状態であり、パンタグラフ１０２がオフ、スイッチング素子ＳＷがオフとなっている。そのため、架空電車線１０３から電力は供給されないが、負荷１０６へ電力を供給する必要がないため、電池パック１から電力が持ち出されることもない。

通常走行中である状態Ａでは、パンタグラフ１０２を介して架空電車線１０３から常に電力が供給されるため、制御部８は、必要に応じて充電回路５を動作させることで、二次電池４を充電することができる。このとき負荷１０６には、スイッチング素子ＳＷを通して架空電車線１０３からの電力が供給される。停電中である状態Ｂ及びＣでは、パンタグラフ１０２を介して架空電車線１０３から電力が供給されないため、負荷１０６に対しスイッチング素子ＳＷを通して電池パック１が電力を供給することになる。

図４は、状態Ｂ，Ｃにおいて、二次電池４が、照明等の負荷へ電流を供給している状態から状態Ａに切り替わったときに、二次電池４の充電を開始しようとした場合の端子電圧Ｖｔの変化の一例を示すグラフである。また、図５は、状態Ｂ，Ｃにおいて、二次電池４が、照明等の負荷へ電流を供給している状態から状態Ｄに切り替わったときに、二次電池４の充電を開始しようとした場合の端子電圧Ｖｔの変化の一例を示すグラフである。

図６、図７は、図１に示す電池パック１の動作の一例を示すフローチャートである。まず、図４，図５において、状態Ｂ，Ｃでは、二次電池４から負荷１０６への電力供給が行われているので、二次電池４の放電に伴い端子電圧Ｖｔが徐々に低下していく。

ここで、図４におけるタイミングＴ１において、状態Ｂ，Ｃから状態Ａに切り替わると共に、二次電池４の充電を行うべく予備充電制御部８１からの制御信号に応じて、充電回路５によって、整流器１０４から供給される電力に基づき二次電池４が予備充電される（ステップＳ１）。そうすると、二次電池４の充電が進むにつれて端子電圧Ｖｔが上昇する。

一方、図５におけるタイミングＴ１において、状態Ｂ，Ｃから状態Ｄに切り替わると共に、二次電池４の充電を行うべく予備充電制御部８１からの制御信号に応じて、充電回路５による二次電池４の予備充電が実行される（ステップＳ１）。この場合、状態Ｄでは、パンタグラフ１０２がオフしているため、充電回路５には、パンタグラフ１０２からの電力が供給されない。従って、充電回路５から二次電池４へ充電電流が供給されることもない。

しかしながら、状態Ｂ，Ｃから状態Ｄに切り替わると、端子電圧Ｖｔは閉路電圧（ＣＣＶ）から開路電圧（ＯＣＶ）に変化して増大することとなる。そのため、図５に示すように、タイミングＴ１以降、二次電池４は実際には充電されていないにもかかわらず、端子電圧Ｖｔが増大する。

従来、タイミングＴ１から二次電池４の充電を開始した場合には、図４，図５に示すように状態Ｂ，Ｃから、状態Ａに切り替わった場合であっても、状態Ｄに切り替わった場合であっても、タイミングＴ１の直後における端子電圧Ｖｔは同様に上昇するため、状態Ａ、すなわち二次電池４の充電が可能な状態なのか、状態Ｄ、すなわち二次電池４を充電することができない状態なのかを端子電圧Ｖｔの挙動から判定することが困難であった。

一方、図１に示す電池パック１では、まず、予備充電制御部８１からの制御信号に応じて、充電回路５による二次電池４の予備充電が実行され（ステップＳ１）、次にタイマ９による経過時間の計時が開始される（ステップＳ２）と共に、最大電圧取得部８３によっ
て、電圧検出部６により検出される端子電圧Ｖｔが、例えば定期的にサンプリングされる等してＲＡＭに記憶される（ステップＳ３）。以降、ステップＳ３と、ステップＳ４〜Ｓ８は、並行して実行される。

次に、タイマ９のタイマ値ｔｍが、予備充電時間α以上となって、すなわち予備充電が予備充電時間α継続すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、予備充電制御部８１からの制御信号に応じて充電回路５による二次電池４の予備充電が停止される（ステップＳ５，図４，図５におけるタイミングＴ２）。そして、待機後電圧取得部８２によって、タイマ９による経過時間の計時が新たに開始される（ステップＳ６）。

そうすると、状態Ａ（図４）であった場合には、タイミングＴ１〜Ｔ２の予備充電がされている期間、二次電池４には充電電流が流れているから、端子電圧Ｖｔは二次電池４の内部抵抗に充電電流が流れることにより生じる電圧降下が加算された閉路電圧（ＣＣＶ）になっている。そして、タイミングＴ２で予備充電が停止されて充電電流がゼロになると、内部抵抗による電圧降下が生じなくって開路電圧（ＯＣＶ）に変化し、端子電圧Ｖｔが低下する。

次に、タイマ９のタイマ値ｔｍが、待機時間β以上となって、すなわち二次電池４に充電電流が流れない期間が待機時間β継続すると（ステップＳ７でＹＥＳ、図４のタイミングＴ３）、待機後電圧取得部８２によって、電圧検出部６により検出される端子電圧Ｖｔが電圧Ｖ１として取得される（ステップＳ８）。そして、最大電圧取得部８３によって、ステップＳ３においてタイミングＴ１〜Ｔ３の間にＲＡＭに記憶された端子電圧Ｖｔの最大値が、電圧Ｖ２として取得される（ステップＳ９）。

なお、タイミングＴ１〜Ｔ３の間において、ステップＳ５で二次電池４の予備充電を停止する直前の端子電圧Ｖｔが最も高い電圧になると考えられる。そこで、最大電圧取得部８３は、ステップＳ３，Ｓ９の代わりに、ステップＳ５の直前のタイミングで、電圧検出部６により検出される端子電圧Ｖｔを電圧Ｖ２として取得するようにしてもよい。これにより、ステップＳ３，Ｓ９の処理を簡素化することができる。

次に、充電可否判定部８４によって、電圧Ｖ２から電圧Ｖ１が減算されて、その差が判定閾値Ｖｔｈと比較される（ステップＳ１０）。そうすると、上述したように、状態Ａ（図４）であった場合には、タイミングＴ２〜Ｔ３の間に端子電圧Ｖｔが低下するから、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との間に判定閾値Ｖｔｈを超える差が生じる結果、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との差が、判定閾値Ｖｔｈより大きくなる（ステップＳ１０でＹＥＳ）。

そうすると、充電可否判定部８４によって、状態Ａ、すなわちパンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給が可能な状態であると判定される（ステップＳ１１）。そして、充電制御部８６からの制御信号に応じて、充電回路５によって、二次電池４が充電される（ステップＳ１２）。

次に、寿命判定部８８によって、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とが比較される（ステップＳ１６）。そして、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が、寿命判定閾値Ｖｔｈ２を超えていれば（ステップＳ１６でＹＥＳ）、寿命判定部８８によって二次電池４の寿命が切れていると判定される（ステップＳ１７）。これにより、二次電池４の寿命切れを検出することができる。従って、寿命判定部８８によって二次電池４の寿命切れを検出された場合、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）を発光させたり、ブザーを鳴らしたり、寿命切れを示す信号を出力したりすることにより、ユーザに二次電池４の寿命切れを報知することが可能となり、電池パック１のメンテナンス性を向上させることが可能となる。

他方、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が寿命判定閾値Ｖｔｈ２以下であれば（ステップＳ１６でＮＯ）、まだ二次電池４の寿命は切れていないので、二次電池４の寿命切れを検出することなく処理を終了する。

一方、状態Ｄ（図５）であった場合には、タイミングＴ１〜Ｔ２の期間、二次電池４には充電電流が流れないから、端子電圧Ｖｔは、タイミングＴ１以降、閉路電圧（ＣＣＶ）から開路電圧（ＯＣＶ）に向かって増大し、開路電圧（ＯＣＶ）に達して安定する。従って、原則的には、タイミングＴ２〜Ｔ３の間に端子電圧Ｖｔが低下することはなく、端子電圧Ｖｔは、タイミングＴ１〜Ｔ３の間における最大値で安定するから、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との差は略ゼロとなり、ステップＳ１０において、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との差が判定閾値Ｖｔｈより小さくなる（ステップＳ１０でＮＯ）。

そうすると、充電可否判定部８４によって、状態Ｄ、すなわちパンタグラフ１０２から
電池パック１への電力供給ができない状態であると判定される（ステップＳ１３）。そして、二次電池４の充電が行われることなく判定再実行制御部８５によって、タイマ９による経過時間の計時が新たに開始される（ステップＳ１４）。

次に、タイマ９のタイマ値ｔｍが、設定時間ｔｓ以上になると、再びステップＳ１へ移行して、ステップＳ１〜Ｓ１５の処理が繰り返される（ステップＳ１５でＹＥＳ）。

以上、ステップＳ１〜Ｓ１３の処理により、二次電池４が放電状態から放電を停止したタイミングにおいても、二次電池４の電圧挙動に基づいて、パンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給が可能な状態であるか否かを判定することができるので、パンタグラフ１０２の上げ下げや負荷１０６の駆動状態等、電動車輌１０１側の情報が得られない電池パック１において、パンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給が可能な状態か否かの判定精度を向上することができる。

そして、ステップＳ１２において、パンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給が可能であると判定された場合にのみ、二次電池４の充電が実行されるので、例えば外部から電力が供給されないのに充電電圧を生成するためのスイッチング電源回路を駆動させて無用な電力損失を生じたり、故障診断の判定を誤ったりするおそれが低減される。

また、ステップＳ１０，Ｓ１３において、充電可否判定部８４によって、状態Ｄ、すなわちパンタグラフ１０２から電池パック１への電力供給ができない状態であると判定された場合には、設定時間ｔｓの経過後に再びステップＳ１〜Ｓ１５の処理が繰り返されるので、例えばパンタグラフ１０２がオンされるなどしてパンタグラフ１０２からの電力供給が可能になれば、当該電力供給が可能になったことを検出して二次電池４の充電を行うことが可能となる。

なお、状態Ｂ，Ｃから状態Ａ，Ｄに切り替わった際（二次電池４が放電を停止した際）に予備充電が開始されるタイミングについて説明したが、すでに状態Ａ，Ｄで二次電池４の端子電圧Ｖｔが安定している状態においても同様に、ステップＳ１〜Ｓ１２の処理により状態Ａと状態Ｄとを判別し、二次電池４の充電が可能な状態Ａにおいて充電を実行することができる。

また、状態Ｂ，Ｃが継続中であった場合には、二次電池４が放電しているので、タイミングＴ１〜Ｔ２において端子電圧Ｖｔが低下することとなる。従って、例えば充電可否判定部８４は、タイミングＴ１〜Ｔ２の間に端子電圧Ｖｔが低下した場合、具体的にはタイミングＴ２において電圧検出部６により取得された端子電圧Ｖｔが、タイミングＴ１において電圧検出部６により取得された端子電圧Ｖｔより、予め設定された判定電圧以上低下した場合、状態Ｂ，Ｃであると判断して充電を行わない構成としてもよい。あるいは、充電可否判定部８４は、タイミングＴ１より前、すなわち予備充電を実行する前に、所定期間内に端子電圧Ｖｔが低下していることを検出した場合、状態Ｂ，Ｃであると判断して充電を行わない構成としてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電動車輌用電源装置の一例である電池パック１ａについて説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係る電池パック１ａの構成の一例を示すブロック図である。図８に示す電池パック１ａと図１に示す電池パック１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図８に示す電池パック１ａは、二次電池４の充放電経路に電流検出部１０が設けられている点、及び図９に示すように、制御部８ａにおける充電制御部８６ａの動作が下記のように異なる点、故障検知部８７をさらに備える点で異なる。

電流検出部１０は、例えば電流検出抵抗やホール素子等の電流センサと、ＡＤコンバー
タ等により構成されている。そして、電流検出部１０は、二次電池４の充放電電流Ｉｂを検出してその電流値を制御部８ａへ出力する。なお、図８に示す例では、電流Ｉｂは、二次電池４の放電方向の電流をプラスで表し、二次電池４の充電方向の電流をマイナスで表している。

充電制御部８６ａは、電流検出部１０によって検出される二次電池４の放電電流が予め設定された放電判定閾値Ｉｔｈｄ以下の場合に、予備充電制御部８１により予備充電を行わせ、待機後電圧取得部８２により電圧Ｖ１を取得させ、最大電圧取得部８３により電圧Ｖ２を取得させ、充電可否判定部８４により前記判定を行わせ、さらに当該充電可否判定部８４によってパンタグラフ１０２から電池パック１ａへの電力供給が可能な状態であると判定されたとき、充電回路５によって二次電池４を充電させる。

放電判定閾値Ｉｔｈｄとしては、例えば状態Ｂ，Ｃにおいて、すなわち二次電池４が負荷に電力供給を行う場合の放電電流より小さい電流値が設定される。放電判定閾値Ｉｔｈｄは、実質的にゼロが設定されてもよい。なお、二次電池４が充電されているときは、電流Ｉｂはマイナスの値をとるが、電流Ｉｂがマイナスであるときは、二次電池４に流れる電流は充電電流であって、放電電流は流れていない。従って、電流Ｉｂがゼロ以下の値をとるときは、放電電流はゼロである。また、「放電電流が実質的にゼロ」とは、完全なゼロのみならず、リーク電流や電流検出部１０等の検出誤差によって検出される電流値の範囲を許容する意味である。

故障検知部８７は、充電回路５による二次電池４の充電中に、充電回路５が充電電流として出力するべく設定された目標電流値Ｉｓと電流検出部１０によって検出される電流Ｉｂとの差が、予め設定された故障判定閾値Ｉｔｈｆを超える場合、故障を検知する。故障判定閾値Ｉｔｈｆとしては、例えば充電回路５の制御誤差によって、充電回路５が出力しようとする目標電流値Ｉｓと実際に二次電池４に流れる充電電流との間に生じるおそれのある誤差より大きな電流値が設定される。この場合、充電電流は、電流Ｉｂにおけるマイナスの電流値で表されるから、目標電流値Ｉｓもまた、マイナスの電流値が設定されている。

その他の構成は図１に示す電池パック１と同様であるのでその説明を省略し、以下図８に示す電池パック１ａの特徴的な動作について説明する。

図３を参照して、状態Ａでは、架空電車線１０３からパンタグラフ１０２、整流器１０４、及びインバータ１０５を介して負荷１０６へ電力が供給されるので、二次電池４の放電電流Ｉｂは実質的にゼロとなる。

停電中である状態Ｂ及びＣでは、パンタグラフ１０２を介して架空電車線１０３から電力が供給されないため、負荷１０６に対しスイッチング素子ＳＷを通して電池パック１が電力を供給することになる。そのため、状態Ｂ及びＣでは、二次電池４から電流が放電されるので、電流検出部１０で検出される電流Ｉｂは、放電判定閾値Ｉｔｈｄより大きくなる。

機能停止中である状態Ｄでは、パンタグラフ１０２を介して電力が供給されないため、充電回路５によって二次電池４を充電させようとしても、二次電池４を充電することはできない。しかしながら、スイッチング素子ＳＷがオフであると、負荷１０６へ電力が供給されないため、二次電池４に流れる放電電流は実質的にゼロとなる。

図１０は、図８に示す電池パック１ａの動作の一例を示すフローチャートである。図１０に示すフローチャートにおいて、図６，図７に示すフローチャートと同様の動作には同
一のステップ番号を付し、その説明を省略する。

まず、充電制御部８６ａによって、電流検出部１０により検出された電流Ｉｂと放電判定閾値Ｉｔｈｄとが比較される（ステップＳ２１）。そして、電流Ｉｂが放電判定閾値Ｉｔｈｄより大きい場合（ステップＳ２１でＮＯ）は状態Ｂ又は状態Ｃであり、二次電池４を充電することができないので、充電を開始することなくステップＳ２１を繰り返して待機する。一方、電流Ｉｂが放電判定閾値Ｉｔｈｄ以下の場合（ステップＳ２１でＹＥＳ）は状態Ａ又は状態Ｄであり、状態Ａであれば二次電池４を充電することができるので、状態Ａと状態Ｄとを判別するためにステップＳ１へ移行する。

そうすると、状態Ｂ又は状態Ｃであった場合には、ステップＳ１以降の処理が実行されないので、充電回路５によって無用な予備充電を実行させて電力損失を生じたり、後述する故障診断において、診断結果を誤ったりするおそれが低減される。

以下、ステップＳ１〜Ｓ１５は図６，図７に示すフローチャートと同様であるのでその説明を省略する。そして、ステップＳ２２において、充電制御部８６ａによって二次電池４の充電が終了したか否かが判定され（ステップＳ２２）、二次電池４の充電が終了していれば（ステップＳ２２でＹＥＳ）処理を終了し、二次電池４の充電が終了していなければ（ステップＳ２２でＮＯ）、ステップＳ２３へ移行して充電を継続する。

次に、故障検知部８７によって、充電回路５が充電電流として出力するべく設定された目標電流値Ｉｓと電流検出部１０によって検出される電流Ｉｂとの差の絶対値が、故障判定閾値Ｉｔｈｆと比較される（ステップＳ２３）。そして、目標電流値Ｉｓと電流検出部１０によって検出される電流Ｉｂとの差の絶対値が、故障判定閾値Ｉｔｈｆ以下であれば（ステップＳ２３でＮＯ）、充電回路５や電流検出部１０等が正常に動作していると考えられるから、再びステップＳ１２へ移行して充電を継続する。一方、目標電流値Ｉｓと電流検出部１０によって検出される電流Ｉｂとの差の絶対値が、故障判定閾値Ｉｔｈｆより大きければ（ステップＳ２３でＹＥＳ）、充電回路５や電流検出部１０等が正常に動作しておらず、何らかの故障が生じていると考えられるから、故障を検出して充電を終了し（ステップＳ２４）、処理を終了する。

この場合、もし仮に、状態Ｂ，Ｃ，Ｄ、すなわちパンタグラフ１０２から整流器１０４、接続端子２を介して電池パック１への電力供給がされない状態において、故障検知部８７によってステップＳ２３の故障判定処理を実行すると、充電回路５が目標電流値Ｉｓの充電電流を二次電池４に流そうとしても実際には充電電流は流れないため、目標電流値Ｉｓと電流Ｉｂとの差が増大して誤って故障を検出してしまうおそれがある。

しかしながら、図８に示す電池パック１ａでは、ステップＳ２１〜Ｓ１２の処理により、状態Ａ、すなわちパンタグラフ１０２から整流器１０４、接続端子２を介して電池パック１への電力供給が可能な状態であることを確認した後にステップＳ２３の故障判定処理を実行するので、故障検出の確実性を向上させることができる。

本発明に係る電池パックや無停電電源装置等の電動車輌用電源装置、及びこの電動車輌用電源装置を備えた電動車両は、二次電池の電圧挙動により二次電池の充電可否を正確に判定することができるため、電動車輌用電源装置、及びこの電動車輌用電源装置を備えた電動車輌の信頼性向上に対して有用である。

本発明の第１の実施形態に係る電動車輌用電源装置の一例である電池パックを備えた電動車輌の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す制御部の構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す電動車輌の電源状態を説明するための説明図である。 図３に示す状態Ｂ，Ｃにおいて、二次電池が照明等の負荷へ電流を供給している状態から、状態Ａに切り替わったときに、二次電池の充電を開始しようとした場合の端子電圧Ｖｔの変化の一例を示すグラフである。 図３に示す状態Ｂ，Ｃにおいて、二次電池が照明等の負荷へ電流を供給している状態から、状態Ｄに切り替わったときに、二次電池の充電を開始しようとした場合の端子電圧Ｖｔの変化の一例を示すグラフである。 図１に示す電池パックの動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す電池パックの動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電池パックの構成の一例を示すブロック図である。 図８に示す制御部の構成の一例を示すブロック図である。 図８に示す電池パックの動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１ａ 電池パック
２，３ 接続端子
４ 二次電池
５ 充電回路
６ 電圧検出部
７ ダイオード
８，８ａ 制御部
９ タイマ
１０ 電流検出部
８１ 予備充電制御部
８２ 待機後電圧取得部
８３ 最大電圧取得部
８４ 充電可否判定部
８５ 判定再実行制御部
８６，８６ａ 充電制御部
８７ 故障検知部
８８ 寿命判定部
１０１ 電動車輌
１０２ パンタグラフ
１０３ 架空電車線
１０４ 整流器
１０５ インバータ
１０６ 負荷
Ｉｂ 電流
Ｉｓ 目標電流値
ＳＷ スイッチング素子
Ｖ１，Ｖ２ 電圧
Ｖｔ 端子電圧
ｔｍ タイマ値
ｔｓ 設定時間
α 予備充電時間
β 待機時間

Claims (7)

1. 外部から供給された電力を電動車輌用電源装置へ供給する電動車輌に搭載される前記電動車輌用電源装置であって、
   二次電池と、
   前記電動車輌から供給される電力の受電と前記二次電池からの放電電流の前記電動車輌への供給とを行うための接続端子と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記接続端子によって受電される電力に基づいて、前記二次電池を充電する充電部と、
   予め設定された予備充電時間の間、前記充電部によって、前記二次電池を予備的に充電させる予備充電を行う予備充電制御部と、
   前記予備充電制御部による予備充電が終了してから予め設定された待機時間の間前記充電部による前記二次電池の充電を停止させた後、前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧を第１電圧として取得する待機後電圧取得部と、
   前記予備充電制御部による予備充電の開始から前記充電が停止している待機時間の終わりまでの間に前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧の最大値を、第２電圧として取得する最大電圧取得部と、
   前記第１電圧と前記第２電圧との差が予め設定された判定閾値に満たない場合、前記電動車輌から前記接続端子への電力供給がされない状態であると判定し、前記第１電圧と前記第２電圧との差が前記判定閾値を超える場合、前記電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定する充電可否判定部と
   を備えることを特徴とする電動車輌用電源装置。
2. 前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部によって検出される前記二次電池の放電電流が予め設定された放電判定閾値以下の場合に、前記予備充電制御部により前記予備充電を行わせ、前記待機後電圧取得部により前記第１電圧を取得させ、前記最大電圧取得部により前記第２電圧を取得させ、前記充電可否判定部により前記判定を行わせ、さらに当該充電可否判定部によって電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定されたとき、前記充電部によって前記二次電池を充電させる充電制御部とをさらに備えること
   を特徴とする請求項１記載の電動車輌用電源装置。
3. 前記充電可否判定部によって電動車輌から前記接続端子への電力供給が可能な状態であると判定された場合において、前記充電部による前記二次電池の充電中に、前記充電部が充電電流として出力するべく設定された目標電流値と前記電流検出部によって検出される電流値との差が、予め設定された故障判定閾値を超える場合、故障を検知する故障検知部をさらに備えること
   を特徴とする請求項２記載の電動車輌用電源装置。
4. 前記最大電圧取得部は、
   前記予備充電制御部による予備充電の終了直前に前記電圧検出部によって検出される前記二次電池の端子電圧を、前記第２電圧として取得すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動車輌用電源装置。
5. 前記充電可否判定部によって前記電動車輌から前記接続端子への電力供給がされない状態であると判定された場合、予め設定された設定時間の経過後に、新たに前記予備充電制御部により前記予備充電を行わせ、前記待機後電圧取得部により前記第１電圧を取得させ、前記最大電圧取得部により前記第２電圧を取得させ、前記充電可否判定部により前記判定を行わせる判定再実行制御部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動車輌用電源装置。
6. 前記第１電圧と前記第２電圧との差が、前記二次電池が寿命に達したことを検出するべ
   く予め設定された寿命判定閾値を超える場合、前記二次電池の寿命が切れていると判定する寿命判定部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動車輌用電源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動車輌用電源装置と、
   前記接続端子を介して前記電動車輌用電源装置へ電力を供給する電力供給部と、
   前記電動車輌用電源装置から前記接続端子を介して供給される電力によって駆動される負荷と
   を備えることを特徴とする電動車輌。

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