JP5611400B2 - 産業機械用電池システム - Google Patents

Description

本開示は、産業機械に搭載される産業機械用電池システムに関する。

近年、電気自動車に搭載される二次電池として急速充電が可能なリチウムイオン電池の利用が広まっている。このリチウムイオン電池は、従来の鉛電池などと比べて高電圧化が可能であり、電気自動車用のモータやインバータ等の各種コンポーネントについても高電圧化が進展している。また、これら電気自動車に搭載されるリチウムイオン電池に対して急速充電を行うための充電規格等についても整備が進められている。

また近年、バッテリ式フォークリフトなどの産業用車両や電力によって作動する電動機械などの産業機械の分野においてもリチウムイオン電池の普及が期待されている。

特開２００８−４３００９号公報

産業機械の分野においてリチウムイオン電池を採用する場合、高電圧のリチウムイオン電池に対応した高電圧系のコンポーネントを準備する必要がある。しかしながら産業機械の分野においては、未だコンポーネントの高電圧化は進展しておらず、従来どおりの１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖクラスの低電圧系のコンポーネントが主流となっている。このため、高電圧のリチウムイオン電池を産業機械の分野で利用する場合には、わざわざ高電圧系のコンポーネントを特別に準備する必要がありコスト高になるとの問題があった。また、既存の産業機械において電池設備だけを単純に交換するということも出来なかった。

なお、特許文献１には、電池の使用状態に応じて複数の電池セルを並列または直列に接続可能に構成された電池パックに関する発明が開示されている。しかしながら、この特許文献１に記載されている発明は、主にノート型ＰＣや携帯電話などの携帯型電子機器に用いられる電池パックに関するものであり、産業機械を対象とする本願発明とは全く適用される分野が異なる。それが故に特許文献１の電池パックでは、充電時には電池セルを並列に接続し、放電時には電池セルを直列に接続するなど、後述する本願発明とはその発想が全く逆になっている。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高電圧下における急速充電が可能で且つ従来どおりの低電圧系のコンポーネントを使用できる産業機械用電池システムを提供することにある。

本発明の少なくとも一実施形態は、
産業機械に搭載される産業機械用電池システムにおいて、
前記電池システムの外部から前記電池システム内に電力を入力可能な充電入力部と、
前記産業機械の電力負荷に供給するための電力を貯蔵可能であり、且つ前記充電入力部から供給された電力を充電可能な電池セルを有する複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットと前記充電入力部、及び前記複数の電池ユニットと前記電力負荷をそれぞれ電気的に接続可能な電気回路と、
前記電池ユニットと前記充電入力部とが電気的に接続可能な状態、又は前記電池ユニットと前記電力負荷とが電気的に接続可能な状態を択一的に切り替えるための充放電切り替え手段と、
前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替えるための並列／直列切り替え手段と、
前記充放電切り替え手段および前記並列／直列切り替え手段を制御可能な制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記電池ユニットの電力を前記電力負荷に供給する放電時には、前記電力負荷と前記複数の電池ユニットとが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御し、
前記充電入力部から入力された電力を前記電池ユニットに供給する充電時には、前記充電入力部と前記電池ユニットとが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を直列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御するように構成されていることを特徴とする。

上記産業機械用電池システムによれば、複数の電池ユニットを備えるとともに、これら複数の電池ユニット間の電気的な接続が、放電時には並列に切り替えられ、充電時には直列に切り替えられるように構成されている。
このため、充電時には複数の電池ユニットが電気的に直列に接続されることで、電池システム全体を高電圧にするとともに、電池ユニットの１セルが負担する電流値が並列の場合よりも大きくなるため、高電圧下における急速充電が可能となる。また、放電時には複数の電池ユニットが電気的に並列に接続されることで、電池システム全体を低電圧にするため、従来の低電圧系のコンポーネントをそのまま使用でき、例えば、既存の産業機械において電池設備だけを単純に交換するということも可能である。また、電池ユニット１セルが負担する電流値が直列の場合よりも小さくなるため、産業機械の長時間の駆動が可能である。

幾つかの実施形態では、
前記産業機械用電池システムは、電気抵抗体と、前記電気抵抗体に電流が流れる状態又は流れない状態を択一的に切り替えるための抵抗体切り替え手段とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記複数の電池ユニット間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時には、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御するとともに、前記電気抵抗体に電流が流れる状態となるように前記抵抗体切り替え手段を制御するように構成されている。

このような実施形態によれば、複数の電池ユニット間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時において、電気抵抗体を流れるように電流の流れを切り替えることで、複数の電池ユニット間に大きな電流が流れることによって生じ得る電池セルの損傷を未然に防止することができる。

幾つかの実施形態では、
前記並列／直列切り替え手段は、前記複数の電池ユニットから任意の一部の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットだけを前記電力負荷と電気的に接続するように前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を切り替え可能に構成されており、
前記制御装置は、
前記複数の電池ユニットから一部の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットの電力を前記電力負荷に供給する部分放電時には、前記電池ユニットと前記電力負荷とが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記残余の電池ユニットだけを前記電力負荷と電気的に接続するように前記並列／直列切り替え手段を制御するように構成されている。

このような実施形態によれば、複数の電池ユニットから一部の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットだけを産業機械の電気負荷に電気的に接続させることができるため、例えば複数の電池ユニットの一部が故障した場合に、故障した電池ユニットを除いた残余の電池ユニットだけで産業機械を作動させることができる。

幾つかの実施形態では、
前記並列／直列切り替え手段は、電気的に接続可能に配置される２つの電池ユニットの内、一方の電池ユニットの正極側に設けられる正極側スイッチと、他方の電池ユニットの負極側に設けられる負極側スイッチとを含み、
前記正極側スイッチを一側、前記負極側スイッチを他側に、それぞれ択一的に切り替えることにより前記２つの電池ユニットが電気的に並列に接続され、
前記正極側スイッチを他側、前記負極側スイッチを一側に、それぞれ択一的に切り替えることにより前記２つの電池ユニットが電気的に直列に接続されるように構成されている。

このような実施形態によれば、上述の並列／直列切り替え手段を正極側スイッチと負極側スイッチの２種類のスイッチからなる簡単な構成によって実現することができる。

幾つかの実施形態では、前記電気抵抗体は、電力によって発光する発光手段および電力によって音を発する音響発生手段の少なくともいずれか一方を含む。
このような実施形態によれば、例えば上述した複数の電池ユニット間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時において、発光手段の発光停止又は音響発生手段から発せられる報知音の停止などによって、複数の電池ユニット間の電圧差がなくなったことを認識可能である。

幾つかの実施形態では、前記電気抵抗体はその抵抗値が可変に構成されている。
このような実施形態によれば、例えば上述の電池ユニット間のバランス時において、複数の電池ユニット間の電圧差やその他の条件に応じて抵抗値を変化させることで、電池ユニット間のバランスに要する時間を制御することができる。

上記実施形態において、前記電池セルとしては、急速充電に適し且つ高電圧化も可能なリチウムイオン電池セルを好適に用いることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、複数の電池ユニット間の電気的な接続が、放電時には並列に切り替えられ、充電時には直列に切り替えられるように構成されているため、高電圧下における急速充電が可能で且つ従来どおりの低電圧系のコンポーネントを使用できる産業機械用電池システムを提供することができる。

一実施形態にかかる産業機械用電池システムの概略的な構成を示す図である。 図１に示す産業機械用電池システムにおいて、放電時の制御状態を説明するための図である。 図１に示す産業機械用電池システムにおいて、充電時の制御状態を説明するための図である。 図１に示す産業機械用電池システムにおいて、電池ユニット間バランス時の制御状態を説明するための図である。 図１に示す産業機械用電池システムおいて、部分放電時の制御状態を説明するための図である。 図１に示す産業機械用電池システムにおいて、電圧測定時の制御状態を説明するための図である。 図１に示す産業機械用電池システムにおいて、待機時の制御状態を説明するための図である。 一実施形態にかかる産業機械用電池システムの概略的な構成を示す図である。 図８に示す産業機械用電池システムにおいて、放電時の制御状態を説明するための図である。 図８に示す産業機械用電池システムにおいて、充電時の制御状態を説明するための図である。 図８に示す産業機械用電池システムおいて、部分放電時の制御状態を説明するための図である。 図８に示す産業機械用電池システムおいて、部分放電時の制御状態を説明するための図である。 図８に示す産業機械用電池システムにおいて、電池ユニット間バランス時の制御状態を説明するための図である。 一実施形態にかかる産業機械用電池システムの放電制御フローを示した図である。 一実施形態にかかる産業機械用電池システムの充電制御フローを示した図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ａの概略的な構成を示す図である。
本実施形態の産業機械用電池システム１ａは、図１に示すように、産業機械に搭載され、産業機械の電気負荷に対して電力を供給するように構成されており、充電入力部２、電気回路４、複数の電池セル５からなる電池ユニットＢａ１，Ｂａ２、電気抵抗体６、電圧測定器８、各種の切り替え手段としてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ６、及びこれら切り替え手段を切り替え制御する制御装置１０を備えている。また、電気回路４は、電池システム１ａの外部に設けられる急速充電器２０および産業機械の電力負荷３０と電気的に接続可能に構成されている。

本実施形態における産業機械としては、バッテリ式フォークリフト、無人搬送車、構内運搬車、構内牽引車、ストラドルキャリアなどのバッテリ式の産業用車両、並びに鉱山機械、化学機械、環境装置、動力伝導装置、タンク、業務用洗濯機、ボイラ・原動機、プラスチック機械、風水力機械、運搬機械、製鉄機械などの産業現場で使用される電動式機械装置類を含む。

充電入力部２は、電池システム１ａ外部の例えば急速充電器２０などに接続されることで、外部から電池システム１ａ内に電力を入力可能に構成されている。この充電入力部２の具体的な構成については特に限定されないが、例えばＣＨＡｄｅＭＯ規格（登録商標）などの電気自動車における急速充電規格と合致するように構成することで、これら電気自動車用の急速充電器によっても充電することができる。

電池ユニットＢａ１，Ｂａ２のぞれぞれは、一以上、好ましくは複数の電池セル５を有し、産業機械の電力負荷３０に供給するための電力を貯蔵することができるように構成されている。本発明において電池セル５の種類は特に限定されないが、電池セル５をリチウムイオン電池セルとすれば、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２を急速充電に適し且つ高電圧化も可能な電池ユニットとすることができる。

電気回路４は、例えば複数条の電気ケーブルからなり、上述した２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と充電入力部２、及び２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と電力負荷３０とをそれぞれ電気的に接続可能に構成されている。また、電気回路４における充電入力部２及び電力負荷３０と２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２との間には、充放電切り替え手段としてのスイッチＳＷ３が設けられている。そして、スイッチＳＷ３をＡ側に切り替えることで電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と充電入力部２とが電気的に接続可能な状態となり、スイッチＳＷ３をＢ側に切り替えることで電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と電力負荷３０とが電気的に接続可能な状態となるように構成されている。

また、充電入力部２と急速充電器２０との間には、急速充電器２０から充電入力部２への電力供給を択一的に許容又は遮断するための充電ＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてのスイッチＳＷ１が設けられている。よって、上述のスイッチ３をＢ側に切り替え、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と充電入力部２とが電気的に接続可能な状態にある場合であっても、このスイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り替えることで、急速充電器２０と充電入力部２との電気的な接続が遮断されるように構成されている。
一実施形態にかかるスイッチＳＷ１は、電池システム１ａ外部の急速充電器２０に備えられた充電ＯＮ／ＯＦＦスイッチとして構成される。

また、スイッチＳＷ３と電力負荷３０との間には、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から電力負荷３０への電力供給を択一的に許容又は遮断するための電力負荷ＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてのスイッチＳＷ２が設けられている。よって、上述のスイッチＳＷ３をＡ側に切り替え、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２と電力負荷３０とが電気的に接続可能な状態であっても、このスイッチＳＷ２をＯＦＦ状態に切り替えることで、電力負荷３０と電池ユニットＢａ１，Ｂａ２との電気的な接続が遮断されるように構成されている。
一実施形態にかかるスイッチ２は、産業機械に備えられた電力負荷ＯＮ／ＯＦＦスイッチとして構成される。

また、２つの電池ユニットの内、一方の電池ユニットＢａ１の正極側には、正極側スイッチＳＷ４が設けられている。また、他方の電池ユニットＢａ２の負極側には、負極側スイッチＳＷ５が設けられている。これら正極側スイッチＳＷ４と負極側スイッチＳＷ５とをそれぞれ切り替えることで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の電気的な接続がそれぞれ並列または直列に択一的に切り替えられるように構成されている。

図１に示す電池システム１ａにおいては、正極側スイッチＳＷ４をＢ側に切り替え、負極側スイッチＳＷ５をＡ側に切り替えることで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に直列に接続される。また、正極側スイッチＳＷ４をＡ側に切り替え、負極側スイッチＳＷ５をＢ側に切り替えることで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に並列に接続される。

すなわち本実施形態では、これら正極側スイッチＳＷ４および負極側スイッチＳＷ５により、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替えるための並列／直列切り替え手段が構成されている。
このような実施形態によれば、上述の並列／直列切り替え手段を正極側スイッチＳＷ４と負極側スイッチＳＷ５の２種類のスイッチからなる簡単な構成によって実現することができる。

電気抵抗体６は、電流が流れることで電力を消費する電気抵抗体からなる。幾つかの実施形態の電気抵抗体は、電力によって発光する照明器具などの発光手段や、電力によって音を発するブザーなどの音響発生手段として構成される。
このような構成によれば、例えば後述する２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時において、発光手段の発光停止又は音響発生手段から発せられる報知音の停止などによって、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電圧差がなくなったことを認識することができる。

また、電池ユニットＢａ１の負極側には、抵抗体切り替え手段としてのスイッチＳＷ６が設けられている。そして、スイッチＳＷ６をＡ側に切り替えることで、上述の電気抵抗体６に電流が流れる状態となり、スイッチＳＷ６をＢ側に切り替えることで、上述の電気抵抗体６に電流が流れない状態が形成されるように構成されている。

電圧測定器８は、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２のそれぞれに設けられ、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２それぞれの電圧値を測定するための電圧測定手段として構成されている。測定された電圧は、後述する制御装置１０に入力されるようになっている。
なお、電圧測定手段としては、上述の電圧測定器８に代えて、個々の電池セル５にそれぞれ内蔵されている不図示の電圧センサを採用してもよい。

制御装置１０は、例えばコンピュータによって構成され、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、外部記憶装置および出入力装置等からなり、上述したスイッチＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６をそれぞれ択一的に切り替え制御可能に構成されている。
また、上述した電圧測定器８から入力された電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の電圧値に基づいて両者の電圧差を演算するように構成されている。
また、電池ユニットＢａに異常等が発生した場合に、該異常に関するエラー信号を検出するように構成されている。

次に、上述のとおり構成される一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ａの制御方法について、図２〜図７に基づいて説明する。なお図中の矢印は、電流の流れを示している。
図２は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、放電時の制御状態を説明するための図である。図３は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、充電時の制御状態を説明するための図である。

先ず、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の電力を電力負荷３０に供給する、図２に示す放電時においては、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＮ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側、スイッチＳＷ４はＡ側、スイッチＳＷ５はＢ側、スイッチＳＷ６側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。
すると、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に並列に接続されるとともに、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電力負荷３０と電気的に接続される。そして、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から電力負荷３０に対して電力が供給される。

次に、充電入力部２から入力された電力を電池ユニットＢａ１，Ｂａ２に供給する、図３に示す充電時においては、スイッチＳＷ１はＯＮ状態、スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＢ側、スイッチＳＷ４はＢ側、スイッチＳＷ５はＡ側、スイッチＳＷ６はＢ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。
すると、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に直列に接続されるとともに、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が充電入力部２を介して急速充電器２０と電気的に接続される。そして、急速充電器２０から充電入力部２を介して入力された電力が２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２に供給される。

このように、本発明の少なくとも一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ａによれば、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２を備えるとともに、これら２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電気的な接続が、放電時には並列に切り替えられ、充電時には直列に切り替えられるように構成されている。
このため、充電時には２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に直列に接続されることで、電池システム１ａ全体を高電圧にするとともに、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の１つの電池セル５が負担する電流値が並列の場合よりも大きくなるため、高電圧下における急速充電が可能となっている。また、放電時には２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に並列に接続されることで、電池システム１ａ全体を低電圧にするため、従来の低電圧系のコンポーネントをそのまま使用でき、例えば、既存の産業機械において電池設備だけを単純に交換するということも可能である。また、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の１つの電池セル５が負担する電流値が直列の場合よりも小さくなるため、産業機械の長時間の駆動が可能となっている。

図４は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、電池ユニット間バランス時の制御状態を説明するための図である。
なお、本明細書において電池ユニット間圧バランスとは、複数の電池ユニット間における電圧差をなくすために実行する処理を意味する。

図４に示すように、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時には、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側又はＢ側、スイッチＳＷ４はＡ側、スイッチＳＷ５はＢ側、スイッチＳＷ６はＡ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。
すると、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が電気的に並列に接続されるとともに、環状の回路が形成される。そして、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の間に電圧差がある場合、例えばＢａ１の電圧がＢａ２の電圧よりも高い場合は、図４の矢印で示した如く電気抵抗体６を通過しながら時計回り方向に電流が流れるようになっている。

所定の電圧差の下において流れる電流の量は、回路の抵抗が小さいほど大きくなる。よって、仮に電気抵抗体６が無い場合、回路の抵抗は電気ケーブルの通電抵抗と電池セル５の内部抵抗だけとなるため、電圧差が大きい場合に大量の電流が流れることとなる。このように大量の電流が流れた場合には電池セル５が損傷する恐れがある。

したがって、このような実施形態の産業機械用電池システム１ａによれば、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時において、電気抵抗体６を流れるように電流の流れを切り替えることで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間に大きな電流が流れることによって生じ得る電池セル５の損傷を未然に防止することができるようになっている。

図５は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、部分放電時の制御状態を説明するための図である。
なお、本明細書において部分放電とは、複数の電池ユニットＢａから一部の電池ユニットＢａを除いた残余の電池ユニットＢａの電力を電力負荷３０に供給することを意味する。

上述した電池システム１ａにおいて、スイッチＳＷ４，ＳＷ５からなる並列／直列切り替え手段は、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から任意の一方の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットだけが電力負荷３０と電気的に接続するように、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の間の電気的な接続を切り替えることができるように構成されている。

例えば図５に示すように、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＮ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側、スイッチＳＷ４はＡ側、スイッチＳＷ５はＡ側、スイッチＳＷ６はＡ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。
すると、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の内、電池ユニットＢａ１だけが電力負荷３０と電気的に接続される。そして、電池ユニットＢａ１だけから電力負荷３０に対して電力が供給される。

また例えば、図示しないが、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＮ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側、スイッチＳＷ４はＢ側、スイッチＳＷ５はＢ側、スイッチＳＷ６はＡ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御することで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の内、電池ユニットＢａ２だけを電力負荷３０と電気的に接続することができる。

したがって、このような実施形態の産業機械用電池システム１ａによれば、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から一方の電池ユニットＢａを除いた他方の電池ユニットＢａだけを産業機械の電力負荷３０に電気的に接続させることができる。よって、例えば２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の内の一方が故障した場合に、故障した電池ユニットＢａを除いた残余の電池ユニットＢａだけで産業機械を作動させることができるようになっている。

図６は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、電圧測定時の制御状態を説明するための図である。

図６に示すように、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の電圧を測定する電圧測定時には、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側又はＢ側、スイッチＳＷ４，ＳＷ５は両者ともにそれぞれＡ側又はＢ側に、スイッチＳＷ６はＡ側又はＢ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。
すると、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２が互いに正極同士または負極同士が電気的に接続される形となり、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の間に電流が流れない状態となる。よって、この状態下において、上述した電圧測定器８によって２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２それぞれの電圧を測定することで、電池セル５の内部抵抗などの影響を受けずに、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２の電圧を精度良く測定することができる。

図７は、図１に示す産業機械用電池システム１ａにおいて、待機時の制御状態を説明するための図である。

図７に示すように、スイッチＳＷ２をＯＮ状態に切り替えるだけで速やかに電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から電力負荷３０に対して電力が供給される状態である待機時には、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態、スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態にそれぞれ切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３はＡ側、スイッチＳＷ４はＡ側、スイッチＳＷ５はＢ側、スイッチＳＷ６はＢ側に、それぞれ制御装置１０によって切り替え制御される。なお、スイッチＳＷ６は、Ａ側に切り替えられていてもよい。

すると、電池ユニットＢａ１，Ｂａ２は電気的に並列に接続された状態となり、スイッチＳＷ３もＡ側に切り替えられていることから、スイッチＳＷ２をＯＮ状態にするだけで、速やかに電池ユニットＢａ１，Ｂａ２から電力負荷３０に対して電力を供給することができる。

幾つかの実施形態では、上述した電気抵抗体６はその抵抗値が可変に構成されている。すなわち、制御装置１０からの信号に基づいてその抵抗値が変化するように構成されている。

このような実施形態によれば、例えば上述の電池ユニット間のバランス時において、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間の電圧差やその他の条件に応じて抵抗値を変化させることで、２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２間のバランスに要する時間を制御することができる。

図８は、他の一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ｂの概略的な構成を示す図である。
図８に示す産業機械用電池システム１ｂは、上述した実施形態の産業機械用電池システム１ａと基本的には同様の構成である。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の産業機械用電池システム１ｂは、図８に示すように、Ｎ個（Ｎ≧３）の電池ユニットＢａを備える点が、上述した２つの電池ユニットＢａ１，Ｂａ２を備える産業機械用電池システム１ａと異なっている。

Ｎ個の電池ユニットＢａ１〜Ｂａ（Ｎ）間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替え可能とするために、直列に接続した場合の両端に位置する電池ユニットＢａ１，Ｂａ（Ｎ）を除いた他の電池ユニットＢａ２〜Ｂａ（Ｎ−１）について、その正極側及び負極側のそれぞれに正極側スイッチＳＷ４及び負極側スイッチＳＷ５が設けられる。また、その正極側だけが他の電池ユニットＢａ２に接続される電池ユニットＢａ１については、少なくともその正極側に正極側スイッチＳＷ４が設けられる。また、その負極側だけが他の電池ユニットＢａ（Ｎ−１）に接続される電池ユニットＢａ（Ｎ）については、少なくともその負極側に負極側スイッチＳＷ５が設けられる。

このように構成される電池システム１ｂにおいて、図９に示すように、（Ｎ−１）個のスイッチＳＷ４をＡ側、スイッチＳＷ５をＢ側にそれぞれ切り替えることで、Ｎ個の電池ユニットＢａ１〜Ｂａ（Ｎ）が電気的に並列に接続される。また、図１０に示すように、（Ｎ−１）個のスイッチＳＷ４をＢ側、スイッチＳＷ５をＡ側にそれぞれ切り替えることで、Ｎ個の電池ユニットＢａ１〜Ｂａ（Ｎ）が電気的に直列に接続される。

また、部分放電時においては、回路から除外する電池ユニットＢａの負極側スイッチＳＷ５を他の負極側スイッチＳＷ５とは異なるＡ側に切り替えることで、残余の電池ユニットＢａだけが電力負荷３０と電気的に接続させることができる。例えば、図１１に示す部分放電時１では、電池ユニットＢａ２の負極側に設けられている負極側スイッチＳＷ５だけをＡ側に切り替えることで、電池ユニットＢａ２を除いた残余の電池ユニットＢａ１，Ｂａ３〜Ｂａ（Ｎ）だけが電力負荷３０と電気的に接続している。また例えば、図１２に示す部分放電時２では、電池ユニットＢａ２〜Ｂａ（Ｎ−１）の負極側に設けられている負極側スイッチＳＷ５をそれぞれＡ側に切り替えることで、残余の電池ユニットＢａ１，Ｂａ（Ｎ）だけが電力負荷３０と電気的に接続している。

また、電池ユニット間バランス時においては、図１３に示したように、Ｎ個の電池ユニットＢａを並列に接続した場合において電気的に隣接する２つの電池ユニットＢａ（ｉ），Ｂａ（ｉ−１）の間にそれぞれ設けられた（Ｎ−１）個のスイッチＳＷ６を、電気抵抗体６に電流が流れるようにそれぞれＡ側に切り替える。
なお、Ｎ個の電池ユニットを備える電池システム１ｂにおいて、必ずしも（Ｎ−１）個のスイッチＳＷ６および電気抵抗体６を設ける必要はなく、少なくとも一つのスイッチＳＷ６および電気抵抗体６を備えていれば、電池ユニット間バランスを実行可能である。

次に、上述した産業機械用電池システム１ａ，１ｂの制御フローについて説明する。図１４は、一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ａ，１ｂの放電制御フローを示した図である。図１５は、一実施形態にかかる産業機械用電池システム１ａ，１ｂの充電制御フローを示した図である。

放電時では、先ず制御装置１０がエラー発生の有無を確認する（Ｓ１）。そして、エラーが発生していないことを確認した後（Ｓ１においてＮｏ）、放電回路への切り替えを行い（Ｓ２）、複数の電池ユニットＢａを電気的に並列に接続する。そしてこの状態で、複数の電池ユニットＢａから電力負荷３０への放電を行う（Ｓ３）。

制御装置１０がエラー発生を確認した場合は（Ｓ１においてＹｅｓ）、次に部分放電を実施するか否かの判定が行われる（Ｓ４）。そして、部分放電を行う場合は（Ｓ４においてＹｅｓ）、異常が発生している電池ユニットＢａを除いた残余の電池ユニットＢａだけを電力負荷３０と電気的に接続するように、複数の電池ユニットＢａ間の電気的な接続を部分放電回路に切り替える（Ｓ５）。そして、部分放電回路への切り替えが完了した後、電池ユニットＢａから電力負荷３０への放電を行う（Ｓ３）。
放電が完了すると（Ｓ６においてＹｅｓ）、待機回路へ切り替えられ（Ｓ７）、一連の放電制御フローが終了する。

充電時では、先ず制御装置１０がエラー発生の有無を確認する（Ｓ８）。そして、エラーが発生していないことを確認したら（Ｓ８においてＮｏ）、次に充電指令の有無を確認する（Ｓ９）。この充電指令は、人によって直接指示されることで充電指令が発せられるように構成してもよいし、また例えば、充電率が所定の閾値を下回った場合に制御装置１０から自動的に充電指令が発せられるように構成することもできる。

充電指令が有りと判定されると（Ｓ９においてＹｅｓ）、充電回路への切り替え行い（Ｓ１０）、複数の電池ユニットＢａを電気的に直列に接続する。そしてこの状態で、急速充電器２０から充電入力部２を介して複数の電池ユニットＢａに充電を行う（Ｓ１１）。

充電が完了すると（Ｓ１２においてＹｅｓ）、電圧測定回路に切り替えられ（Ｓ１３）、複数の電池ユニットＢａの電圧を測定する。測定された電圧値は制御装置１０に入力される。そして、複数の電圧ユニットＢａ間の電圧差が閾値以上と判定された場合は（Ｓ１４においてＹｅｓ）、複数の電池ユニットＢａ間の電圧差をなくすために電池ユニット間バランスを実行する（Ｓ１５）。なお、充電完了後、直ちに放電を開始する場合などでは、上述した電圧測定（Ｓ１３）および電池ユニット間バランス（Ｓ１５）を省略することが出来るように構成してもよい。
そして電池ユニット間バランスの完了後、待機回路へ切り替えられ（Ｓ１６）、一連の充電制御フローが終了する。

以上のとおり、本発明の少なくとも一実施形態によれば、複数の電池ユニットＢａ間の電気的な接続が、放電時には並列に切り替えられ、充電時には直列に切り替えられるように構成されているため、高電圧下における急速充電が可能で且つ従来どおりの低電圧系のコンポーネントを使用できる産業機械用電池システム１ａ，１ｂを提供することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる産業機械用電池システムは、バッテリ式フォークリフトなどの産業用車両や電力によって作動する電動機械などの産業機械の分野において好適に用いることができる。

１ａ，１ｂ 産業機械用電池システム
２ 充電入力部
３ 電力負荷
４ 電気回路
５ 電池セル
６ 電気抵抗体
８ 電圧測定器
１０ 制御装置
２０ 急速充電器
３０ 電力負荷
Ｂａ 電池ユニット
ＳＷ１ スイッチ（充電入力部ＯＮ／ＯＦＦスイッチ）
ＳＷ２ スイッチ（電力負荷ＯＮ／ＯＦＦスイッチ）
ＳＷ３ スイッチ（充放電切り替え手段）
ＳＷ４ 正極側スイッチ（並列／直列切り替え手段）
ＳＷ５ 負極側スイッチ（並列／直列切り替え手段）
ＳＷ６ スイッチ（抵抗体切り替え手段）

Claims (6)

1. 産業機械に搭載される産業機械用電池システムにおいて、
   前記電池システムの外部から前記電池システム内に電力を入力可能な充電入力部と、
   前記産業機械の電力負荷に供給するための電力を貯蔵可能であり、且つ前記充電入力部から供給された電力を充電可能な電池セルを有する複数の電池ユニットと、
   前記複数の電池ユニットと前記充電入力部、及び前記複数の電池ユニットと前記電力負荷をそれぞれ電気的に接続可能な電気回路と、
   前記電池ユニットと前記充電入力部とが電気的に接続可能な状態、又は前記電池ユニットと前記電力負荷とが電気的に接続可能な状態を択一的に切り替えるための充放電切り替え手段と、
   前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替えるための並列／直列切り替え手段と、
   前記充放電切り替え手段および前記並列／直列切り替え手段を制御可能な制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記電池ユニットの電力を前記電力負荷に供給する放電時には、前記電力負荷と前記複数の電池ユニットとが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御し、
   前記充電入力部から入力された電力を前記電池ユニットに供給する充電時には、前記充電入力部と前記電池ユニットとが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を直列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御するように構成されているとともに、
   前記産業機械用電池システムは、電気抵抗体と、前記電気抵抗体に電流が流れる状態又は流れない状態を択一的に切り替えるための抵抗体切り替え手段とをさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記複数の電池ユニット間の電圧差をなくすために実行する電池ユニット間バランス時には、前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列に切り替えるように前記並列／直列切り替え手段を制御するとともに、前記電気抵抗体に電流が流れる状態となるように前記抵抗体切り替え手段を制御するように構成されていることを特徴とする産業機械用電池システム。
2. 前記並列／直列切り替え手段は、前記複数の電池ユニットから任意の一部の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットだけを前記電力負荷と電気的に接続するように前記複数の電池ユニット間の電気的な接続を切り替え可能に構成されており、
   前記制御装置は、
   前記複数の電池ユニットから一部の電池ユニットを除いた残余の電池ユニットの電力を前記電力負荷に供給する部分放電時には、前記電池ユニットと前記電力負荷とが電気的に接続可能なように前記充放電切り替え手段を制御するとともに、前記残余の電池ユニットだけを前記電力負荷と電気的に接続するように前記並列／直列切り替え手段を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の産業機械用電池システム。
3. 前記並列／直列切り替え手段は、電気的に接続可能に配置される２つの電池ユニットの内、一方の電池ユニットの正極側に設けられる正極側スイッチと、他方の電池ユニットの負極側に設けられる負極側スイッチとを含み、
   前記正極側スイッチを一側、前記負極側スイッチを他側に、それぞれ択一的に切り替えることにより前記２つの電池ユニットが電気的に並列に接続され、
   前記正極側スイッチを他側、前記負極側スイッチを一側に、それぞれ択一的に切り替えることにより前記２つの電池ユニットが電気的に直列に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の産業機械用電池システム。
4. 前記電気抵抗体は、電力によって発光する発光手段および電力によって音を発する音響発生手段の少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の産業機械用電池システム。
5. 前記電気抵抗体は、その抵抗値が可変に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の産業機械用電池システム。
6. 前記電池セルをリチウムイオン電池セルとすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の産業機械用電池システム。
   

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