(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置であって、
前記電池に流れる電池電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出される電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する電流判定手段と、
前記電池から給電される負荷の負荷電流を低減させる負荷電流低減手段と、
前記電池電流が前記所定の閾値を超えているとき、前記負荷電流低減手段に対して、前記負荷電流を低減するよう要求する負荷電流低減要求手段と、
前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御するパワーＭＯＳＦＥＴオフ制御手段と、
を備えたことを特徴とするパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置。
【請求項２】
電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置であって、
前記電池に流れる電池電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出される電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記電池電流が前記所定の閾値を超えているとき、車両制御マイクロコントローラに対して、負荷電流を低減するよう要求する要求信号を送信し、前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御する電池監視マイクロコントローラと、
前記電池からの車両の負荷への給電を制御し、前記電池監視マイクロコントローラからの前記要求信号に応答して、前記車両の負荷の負荷電流を低減させる車両制御マイクロコントローラと、
を備えたことを特徴とするパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置。
【請求項３】
前記電池監視マイクロコントローラは、前記車両制御マイクロコントローラに、前記要求信号と共に前記電池電流を通知し、前記車両制御マイクロコントローラは、通知された前記電池電流と予め記憶した前記所定の閾値との差分以上の電流を、複数の負荷回路の中から選定した負荷回路の消費電流を制限して、低減させることを特徴とする請求項２記載のパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置。
【請求項４】
前記電池監視マイクロコントローラは、前記車両制御マイクロコントローラに、前記要求信号と共に、前記電池電流と前記所定の閾値との差分の電流値を通知し、前記車両制御マイクロコントローラは、通知された前記差分の電流値以上の電流を、複数の負荷回路の中から選定した負荷回路の消費電流を制限して、低減させることを特徴とする請求項２記載のパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置。
【請求項５】
電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法であって、
前記電池に流れる電池電流を検出し、該電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する電流判定ステップと、
前記電池電流が所定の閾値を超えているとき、前記電池から給電される負荷の負荷電流を低減するよう要求する負荷電流低減要求ステップと、
前記負荷電流を低減するよう要求したのち、前記電池電流が前記所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御するパワーＭＯＳＦＥＴオフ制御ステップと、
を含むことを特徴とするパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のスイッチング制御方法及び装置に関し、特に、電動車両等に用いられる充電可能な電池モジュールに組み込まれたパワーＭＯＳＦＥＴの導通を遮断する際のスイッチング制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォークリフト等の電動車両に用いられるリチウムイオン電池等の充電可能な電池モジュールには、電池モジュール内の電池の異常発生時に、該電池の保護と共に発火等の発生を防ぐために、該電池モジュールから負荷への給電を遮断するパワーＭＯＳＦＥＴによるスイッチが設けられている。
【０００３】
パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチングは、オン状態からオフ状態に移るとき、所定の遷移期間を経て移行する。図４にパワーＭＯＳＦＥＴのオフ時のドレイン電流の変化及びドレイン−ソース間電圧変化の態様を模式的に示す。図４の（ａ）は、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の変化を示し、図４の（ｂ）は、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧の変化を示している。
【０００４】
図４の（ａ）に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン電流は、オン状態からオフ状態に遷移するｔ１からｔ２の遷移期間に、オン状態時の電流Ｉｏｎから次第に減少し、オフ状態ではゼロとなる。
【０００５】
なお、図４（ａ）ではｔ１からｔ２の遷移期間において、ドレイン電流の変化を直線で示しているが、該遷移期間におけるドレイン電流の変化は、負荷に流れる負荷電流の過渡特性に依存する。
【０００６】
また、図４の（ｂ）に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧は、オン状態からオフ状態に遷移するｔ１からｔ２の遷移期間に、略ゼロから次第に上昇する。
【０００７】
なお、図４（ｂ）ではｔ１からｔ２の遷移期間において、ドレイン−ソース間電圧の変化を直線で示しているが、該遷移期間におけるドレイン−ソース間電圧の変化は、負荷に流れる負荷電流の過渡特性に依存する。
【０００８】
図４に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴは、オン状態ではドレイン−ソース間電圧が略ゼロに等しく、電圧と電流の積で定まる損失電力は略ゼロである。また、オフ状態では、ドレイン電流がゼロとなり、電圧と電流の積で定まる損失電力はゼロとなる。
【０００９】
しかし、オン状態からオフ状態に移るｔ１からｔ２の遷移期間においては、ドレイン電流及びドレイン−ソース間電圧は、共にゼロ以上の値となり、電圧と電流の積で定まる損失電力がゼロにはならず、該損失電力は、パワーＭＯＳＦＥＴを発熱させる。この損失電力は、スイッチング損失と称させる。
【００１０】
このようなパワーＭＯＳＦＥＴのターンオフ時に発生するスイッチング損失やスイッチングノイズを低減するために、インダクタ（コイル）を伴う負荷回路の電流を検出し、該負荷回路の電流が所定の電流以下になったときに、パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御する技術等が、例えば下記の特許文献１等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−１４３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする際に、パワーＭＯＳＦＥＴがオン状態からオフ状態に遷移する遷移期間において、パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗（ドレイン−ソース間電圧をドレイン電流で除算した値）は、徐々に大きくなり、遷移期間にスイッチング損失が生じる。
【００１３】
このとき、電動車両等のように、負荷に大電流が流れる場合、スイッチング損失も大きくなり、パワーＭＯＳＦＥＴがスイッチング損失による発熱によって破壊（熱破損）してしまう可能性がある。
【００１４】
上記課題に鑑み、本発明は、電池と負荷との間に直列に設けられたパワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御する際に、パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失を低減させ、熱破損を防ぐことができるパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法及び装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置は、電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置であって、前記電池に流れる電池電流を検出する電流センサと、前記電流センサで検出される電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する電流判定手段と、前記電池から給電される負荷の負荷電流を低減させる負荷電流低減手段と、前記電池電流が前記所定の閾値を超えているとき、前記負荷電流低減手段に対して、前記負荷電流を低減するよう要求する負荷電流低減要求手段と、前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御するパワーＭＯＳＦＥＴオフ制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置であって、前記電池に流れる電池電流を検出する電流センサと、前記電流センサで検出される電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記電池電流が前記所定の閾値を超えているとき、車両制御マイクロコントローラに対して、負荷電流を低減するよう要求する要求信号を送信し、前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御する電池監視マイクロコントローラと、前記電池からの車両の負荷への給電を制御し、前記電池監視マイクロコントローラからの前記要求信号に応答して、前記車両の負荷の負荷電流を低減させる車両制御マイクロコントローラと、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法は、電池モジュール内の電池に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法であって、前記電池に流れる電池電流を検出し、該電池電流を所定の閾値と比較し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する電流判定ステップと、前記電池電流が所定の閾値を超えているとき、前記電池から給電される負荷の負荷電流を低減するよう要求する負荷電流低減要求ステップと、前記負荷電流を低減するよう要求したのち、前記電池電流が前記所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記電池電流が前記所定の閾値以下となったとき、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御するパワーＭＯＳＦＥＴオフ制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電池と負荷との間に直列に設けられたパワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に制御する際に、パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流を所定の閾値以下に低減させてオフ状態にすることにより、パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失を低減させ、熱破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置の構成例を示す。
【図２】電池電流とパワーＭＯＳＦＥＴのオフ制御のタイミングの関係を示す図である。
【図３】パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法の処理フローの例を示す図である。
【図４】パワーＭＯＳＦＥＴのオフ時のドレイン電流の変化及びドレイン−ソース間電圧変化の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１はパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置の構成例を示す。図１に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置１００は、電池モジュール１０内の電池１１に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４のオン／オフを制御する。パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置１００は、電池監視マイクロコントローラ１、電池制御マイクロコントローラ２、車両制御マイクロコントローラ３を備える。
【００２１】
電池監視マイクロコントローラ１は、電池モジュール１０内の電池１１の状態を監視し、該電池１１に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４のオン／オフを制御する。なお、ダイオード１５，１６は、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４と共に形成されるダイオードで、内蔵ダイオード又は寄生ダイオードと称される。また、電池モジュール１０内の電池１１は、図１では１つの電池を示しているが、複数の直列又は並列に接続された電池であってもよい。
【００２２】
電池モジュール１０内には、電池１１の電流を検出する電流センサ１２、電池１１の電圧を検出する電圧センサ（図示省略）、及び電池１１の温度を検出する温度センサ（図示省略）が備えられる。電流センサ１２で検出される電流は、電池１１に流れる電池電流であり、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４に流れるドレイン電流であり、また、負荷５に流れる負荷電流でもある。
【００２３】
それら各センサの検出信号は、電池監視マイクロコントローラ１に入力され、電池監視マイクロコントローラ１は、それら各センサの検出信号を基に、電池１１の異常を監視し、電池１１の異常を検出すると、電池１１に直列に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態にするように制御する。
【００２４】
また、電池監視マイクロコントローラ１は、上位の電池制御マイクロコントローラ２と接続され、電池制御マイクロコントローラ２に電池１１の監視情報を通知し、電池制御マイクロコントローラ２は、該監視情報を基に、電池１１の充電状態等を適正に管理する。
【００２５】
また、電池制御マイクロコントローラ２は、コネクタ４により接続される通信路を介して車両制御マイクロコントローラ３と接続され、電池１１の状態を車両制御マイクロコントローラ３に通知する機能を有する。
【００２６】
車両制御マイクロコントローラ３は、電池制御マイクロコントローラ２からの通知情報に応答して、車両の負荷５への給電を制御し、車両の走行等を制御又は抑制すると共に、車両を運転するユーザーに対して、電池モジュールの異常を含む車両に係る異常の発生を報知し、該ユーザーに対して異常に対する対処を促す機能を有する。
【００２７】
負荷５は、電池モジュール１０から、コネクタ４を介して接続される給電路を通して電力の供給を受ける。負荷５は、走行用モータ、荷揚げ用モータ、ライト、ディスプレイ、ヒーター等の種々の複数の負荷回路から成る。それらの各負荷回路によって消費される電流は、等価的に固定抵抗で消費される電流であったり、可変抵抗で消費される電流であったりする。
【００２８】
上述のようなパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置において、電池監視マイクロコントローラ１は、電池モジュール１０内の電池１１に異常が発生したことを検出すると、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態にする制御を開始する。
【００２９】
ただし、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態にする際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４に流れている電池電流（電流センサ１２で検出される電流）を観測し、該電池電流が所定の閾値Ｉｔｈを超えているか否かを判定する。該所定の閾値は、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４の導通を遮断したときに、該パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４が破壊（熱破損）せず、安定したスイッチング動作が可能な電流の上限値とする。電池監視マイクロコントローラ１は、このとき、電流判定手段として機能する。
【００３０】
該電池電流が所定の閾値Ｉｔｈ以下のとき、直ちに、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する。一方、該電池電流が所定の閾値Ｉｔｈを超えているとき、電池監視マイクロコントローラ１は、電池制御マイクロコントローラ２を経由して車両制御マイクロコントローラ３に対して、負荷５の電流消費を低減させる要求信号を送信する。電池監視マイクロコントローラ１は、このとき、負荷電流低減要求手段として機能する。
【００３１】
車両制御マイクロコントローラ３は、該要求信号に応答して、車両の走行に支障がより少ない負荷回路を選定して、該支障がより少ない負荷回路に対する給電電流を低減するよう、自律的に制御する。或いは、該車両を運転しているユーザーに対して、負荷５の何れかの負荷回路の電流消費を低減させるよう警報を発するようにしても良い。車両制御マイクロコントローラ３は、このとき、負荷電流低減手段として機能する。
【００３２】
電池監視マイクロコントローラ１は、負荷５の電流消費を低減させる要求信号を送信した後、電池電流（電流センサ１２で検出される電流）を監視し、該電池電流が所定の閾値Ｉｔｈ以下となったか判定し、該電池電流が所定の閾値Ｉｔｈ以下となったとき、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する。電池監視マイクロコントローラ１は、このとき、パワーＭＯＳＦＥＴオフ制御手段として機能する。
【００３３】
図２は、電池電流とパワーＭＯＳＦＥＴのオフ制御のタイミングの関係を示している。図２（ａ）は、電池電流ＩＢが所定の閾値Ｉｔｈ以下のときの、パワーＭＯＳＦＥＴのオフ制御のタイミングの態様を示している。図２（ａ）に示すように、電池電流ＩＢが所定の閾値Ｉｔｈ以下のとき、電池監視マイクロコントローラ１は、電池電流ＩＢの遮断を要するタイミングｔ０で直ちにパワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御し、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４の導通を遮断する。
【００３４】
一方、図２（ｂ）に示すように、電池電流ＩＢが所定の閾値Ｉｔｈを超えているとき、電池電流ＩＢの遮断を要するタイミングｔ０で、電池監視マイクロコントローラ１は、車両制御マイクロコントローラ３に対して、負荷５の電流消費を低減させる要求信号を送信し、その後、電池電流ＩＢを監視し、該電池電流ＩＢが所定の閾値Ｉｔｈ以下となったタイミングｔ１で、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御し、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４の導通を遮断する。
【００３５】
このように、電池監視マイクロコントローラ１は、電池制御マイクロコントローラ２を介して、車両制御マイクロコントローラ３と連携し、車両制御マイクロコントローラ３に対して負荷５の消費電流を低減させるよう要求する。そして、該要求によって負荷５の消費電流が所定の閾値Ｉｔｈ以下となった状態で、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する。そのため、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４の導通を遮断する際に、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４に流れる電流が所定の閾値以下に低減し、スイッチング損失が低減し、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４の熱破損を防ぐことができる。
【００３６】
図３にパワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御方法の処理フローの例を示す。図１に示した電池監視マイクロコントローラ１は、電池モジュール１０内の電池１１に異常が発生したことを検出すると、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態にする制御を開始する。
【００３７】
電池監視マイクロコントローラ１は、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４に流れている電池電流（電流センサ１２で検出される電流）を検出し（ステップＳ１）、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。電池監視マイクロコントローラ１は、該電池電流が所定の閾値以下のとき（ステップＳ２でＮｏ）、直ちに、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する（ステップＳ５）。
【００３８】
一方、該電池電流が所定の閾値を超えているとき（ステップＳ２でＹｅｓ）、電池監視マイクロコントローラ１は、電池制御マイクロコントローラ２を経由して車両制御マイクロコントローラ３に対して、負荷５の電流消費を低減させる要求信号を送信する（ステップＳ３）。
【００３９】
車両制御マイクロコントローラ３は、該要求信号に応答して、車両の走行に支障がより少ない負荷回路を選定して、該支障がより少ない負荷回路に対する給電電流を低減するよう自律的に制御する。或いは、該車両を運転しているユーザーに対して、負荷５の何れかの負荷回路の電流消費を低減させるよう警報を発する。該警報を受けたユーザーは、負荷５の何れかの負荷回路を選択してその電流消費を低減する（ステップＳ４）。
【００４０】
電池監視マイクロコントローラ１は、負荷５の電流消費を低減させる要求信号を送信した後、ステップＳ１の処理に戻って電池電流を検出し、該電池電流が所定の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。電池監視マイクロコントローラ１は、該電池電流が所定の閾値以下のとき（ステップＳ２でＮｏ）、直ちに、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する（ステップＳ５）。該電池電流が所定の閾値を超えているとき（ステップＳ２でＹｅｓ）、電池監視マイクロコントローラ１は、ステップＳ３の処理に移り、同様の動作を繰り返す。
【００４１】
このように、電池監視マイクロコントローラ１と車両制御マイクロコントローラ３とで連携し、負荷５の消費電流（電池電流）を低減させて、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４をオフ状態に制御する。
【００４２】
電池監視マイクロコントローラ１と車両制御マイクロコントローラ３とで連携し、負荷５の消費電流を低減させる手法として、上述の処理フローによるほかに、予め車両制御マイクロコントローラ３側で、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４のオフ制御時の所定の閾値Ｉｔｈを記憶しておき、電池監視マイクロコントローラ１から、負荷電流低減の要求信号が受信されたとき、電池監視マイクロコントローラ１から通知された電池電流が、所定の閾値Ｉｔｈ以下となるように、負荷５のうち、車両の走行に支障がより少ない負荷回路を選定して、該選定した負荷回路に対する給電電流を制限するよう自律的に制御する。或いは、該車両を運転しているユーザーに対して、該所定の閾値Ｉｔｈ以下となる負荷回路を表示して、該負荷回路の電流消費を制限するよう、促す処理を行う構成としても良い。
【００４３】
また、電池監視マイクロコントローラ１側で、パワーＭＯＳＦＥＴ１３，１４のオフ制御時の所定の閾値Ｉｔｈを記憶しておき、現在流れている電池電流ＩＢから該所定の閾値Ｉｔｈを差し引いた差分値を、負荷電流低減の要求信号と共に、電池監視マイクロコントローラ１から車両制御マイクロコントローラ３に送信し、車両制御マイクロコントローラ３は、該差分値以上の電流分を低減させる負荷回路を、走行に支障がより少ない負荷回路から選定し、該負荷回路の消費電流を制限させる処理を行う構成としても良い。
【００４４】
車両制御マイクロコントローラ３は、電池監視マイクロコントローラ１から、負荷電流低減の要求信号を受信したとき、走行に支障がより少ない負荷回路を選定し、その負荷電流を低減させるが、低減させる負荷電流として、例えば、フォークリフト等の車両場合、フォークリフトの荷揚げ動作の駆動電流を制限させる、フォークリフトの走行用モータの駆動電流を制限させる、ライトやディスプレイ等の消灯又は照度低下によりその消費電流を制限させる、ヒーターを遮断しその消費電流を制限させるなど、種々の負荷回路のうち、支障がより少ない負荷回路を選択してその負荷電流を低減させる構成とすることができる。
【００４５】
また、電池制御マイクロコントローラ２を経由せず、電池監視マイクロコントローラ１から車両制御マイクロコントローラ３に対して負荷電流低減の要求信号を送信する構成にしても良い。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施の形態を取ることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１００  パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御装置
１  電池監視マイクロコントローラ
２  電池制御マイクロコントローラ
３  車両制御マイクロコントローラ
４  コネクタ
５  負荷
１０  電池所ジュール
１１  電池
１２  電流センサ
１３  パワーＭＯＳＦＥＴ
１４  パワーＭＯＳＦＥＴ
１５  内蔵ダイオード（寄生ダイオード）
１６  内蔵ダイオード（寄生ダイオード）
【図１】
0005974989.tif 000002
【図２】
0005974989.tif 000003
【図３】
0005974989.tif 000004
【図４】
0005974989.tif 000005