(57)【要約】      （修正有）【課題】監視回路を従来よりも確実に保護する回路保護装置を提供する。【解決手段】電池セルｂ１と、電池セルｂ１のプラス電圧及びマイナス電圧が入力される監視回路との間に設けられる遮断回路２は、電池セルｂ１のプラス端子と監視回路との間に挿入されるＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタＴ１１と、第１の抵抗器Ｒ１１，第２の抵抗器Ｒ１２、補助半導体スイッチＴ１２（第２のＰチャネル型電界効果トランジスタ）及び定電圧ダイオードＤ１から構成され、電池セルｂ１が正常電圧を出力すると、ＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタを閉状態とし、直流電源が過電圧を出力すると、ＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタを開状態とするスイッチ駆動回路ＳＤ１とを備える。【選択図】図２
2018057122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、当該直流電源のプラス電圧及びマイナス電圧が入力される保護対象回路との間に設けられる回路保護装置であって、
前記直流電源のプラス端子と前記保護対象回路との間に設けられる半導体スイッチと、
所定の半導体素子及び抵抗器から構成され、前記直流電源が正常電圧を出力すると前記半導体スイッチを閉状態とし、前記直流電源が過電圧を出力すると前記半導体スイッチを開状態とするスイッチ駆動回路と
を備えることを特徴とする回路保護装置。
【請求項２】
前記半導体スイッチは、ドレイン端子が前記保護対象回路に接続されるＰチャネル型電界効果トランジスタであり、
前記スイッチ駆動回路は、
一端が前記直流電源のプラス端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第１の抵抗器と、
一端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記直流電源のマイナス端子に接続される第２の抵抗器と、
ソース端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続され、ドレイン端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される第２のＰチャネル型電界効果トランジスタと、
アノード端子が前記直流電源のマイナス端子に接続され、カソード端子が前記第２のＰチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される定電圧ダイオードと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
【請求項３】
前記半導体スイッチは、ドレイン端子が前記保護対象回路に接続されるＰチャネル型電界効果トランジスタであり、
前記スイッチ駆動回路は、
一端が前記直流電源のプラス端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第１の抵抗器と、
一端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記直流電源のマイナス端子に接続される第２の抵抗器と、
ソース端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続され、ドレイン端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される第２のＰチャネル型電界効果トランジスタと、
一端が前記第２のＰチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第３の抵抗器と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路保護装置と、
前記保護対象回路であって、前記回路保護装置を介して前記直流電源を監視する監視回路と
を備えることを特徴とする電源監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路保護装置及び電源監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、組電池の電圧を監視する監視回路を保護する回路保護装置が開示されている。この回路保護装置は、組電池と監視回路との間に介装される回路であり、監視回路の各入力端と組電池を構成する複数の電池セルの各端子とを相互接続する複数の検出ラインの各々に挿入される複数のヒューズと、個々の電池セルに対応する一対の検出ライン間に各々設けられる複数のツェナーダイオードからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５５８５６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記回路保護装置は、車両用の組電池に適用されるものであるが、ヒューズを用いている関係で信頼性に欠ける。すなわち、ヒューズは、一対の接点を所定金属の導体で接続したものであり、導体が過電流で溶断することによって上記一対の接点を接続状態から乖離状態にする電子部品であるが、導体を機械的に溶断させるという構造から機能（溶断）の条件（通電電流の電流値や通電時間等）のばらつきが比較的大きいため、同一条件で通電しても個体によって機能（溶断）するものと機能（溶断）しないものとが発生し得る。このようなヒューズを組電池の回路保護に適した場合、例えば全ての電池セルから監視回路に対して過電流が流れたときに機能（溶断）しないヒューズが発生し得るので、監視回路を確実に保護することができない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、保護対象回路を従来よりも確実に保護することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、回路保護装置に係る第１の解決手段として、直流電源と、当該直流電源のプラス電圧及びマイナス電圧が入力される保護対象回路との間に設けられる回路保護装置であって、前記直流電源のプラス端子と前記保護対象回路との間に設けられる半導体スイッチと、所定の半導体素子及び抵抗器から構成され、前記直流電源が正常電圧を出力すると前記半導体スイッチを閉状態とし、前記直流電源が過電圧を出力すると前記半導体スイッチを開状態とするスイッチ駆動回路とを備える、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、回路保護装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記半導体スイッチは、ドレイン端子が前記保護対象回路に接続されるＰチャネル型電界効果トランジスタであり、前記スイッチ駆動回路は、一端が前記直流電源のプラス端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第１の抵抗器と、一端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記直流電源のマイナス端子に接続される第２の抵抗器と、ソース端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続され、ドレイン端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される第２のＰチャネル型電界効果トランジスタと、アノード端子が前記直流電源のマイナス端子に接続され、カソード端子が前記第２のＰチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される定電圧ダイオードとを備える、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、回路保護装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記半導体スイッチは、ドレイン端子が前記保護対象回路に接続されるＰチャネル型電界効果トランジスタであり、前記スイッチ駆動回路は、一端が前記直流電源のプラス端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第１の抵抗器と、一端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記直流電源のマイナス端子に接続される第２の抵抗器と、ソース端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続され、ドレイン端子が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続される第２のＰチャネル型電界効果トランジスタと、一端が前記第２のＰチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子に接続され、他端が前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース端子に接続される第３の抵抗器とを備える、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、電源監視装置に係る解決手段として、第１〜第３のいずれかの解決手段に係る回路保護装置と、前記保護対象回路であって、前記回路保護装置を介して前記直流電源を監視する監視回路とを備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、直流電源のプラス端子と保護対象回路との間に挿入される半導体スイッチと、所定の半導体素子及び抵抗器から構成され、直流電源が正常電圧を出力すると半導体スイッチを閉状態とし、直流電源が過電圧を出力すると半導体スイッチを開状態とするスイッチ駆動回路とを備えるので、保護対象回路を従来よりも確実に保護することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る回路保護装置が含まれる電源監視装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る回路保護装置の詳細構成を示す第１の回路図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る回路保護装置の詳細構成を示す第２の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態における電源監視装置は、図１に示すように組電池Ｘ（直流電源）を監視対象とする装置であり、監視回路１及び遮断回路２を備えている。このような電源監視装置を構成する構成要素のうち、遮断回路２は本発明における回路保護装置に相当する。
【００１３】
最初に、組電池Ｘは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるバッテリであり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。この組電池Ｘは、図示するように互いに直列接続された複数の電池セルｂ１〜ｂｎを備えている。このような組電池Ｘは、例えば車両の走行動力を発生させる走行モータを駆動するインバータに直流電力を供給する。すなわち、組電池Ｘのプラス端子はインバータの一方の入力端に接続され、組電池Ｘのマイナス端子はインバータの他方の入力端に接続されている。なお、上記「ｎ」は２以上の自然数である。
【００１４】
この組電池Ｘは、図示するようにＣＩＤ（Current Interrupt Device）を備えている。このＣＩＤは、組電池１を構成する各電池セルｂ１〜ｂｎに対応して各電池セルｂ１〜ｂｎのプラス端子側に設けられており、対応する電池セルの異常によって当該電池セルの内圧が過度に上昇すると作動することにより、各電池セルｂ１〜ｂｎのプラス端子を機械的に解放する遮断素子（ディスコネクト素子）である。
【００１５】
監視回路１は、組電池Ｘの出力電圧に基づいて組電池Ｘを監視する回路である。すなわち、この監視回路１は、各電池セルｂ１〜ｂｎの出力端子（プラス端子及びマイナス端子）に各々対応する複数対の入力端子を備えている。また、各電池セルｂ１〜ｂｎの出力端子（プラス端子及びマイナス端子）と監視回路１の複数対の入力端子とは、各々に接続線Ｌ１〜Ｌｎによって接続されている。
【００１６】
このような監視回路１には、遮断回路２を介して各電池セルｂ１〜ｂｎの出力端子（プラス端子及びマイナス端子）から出力電圧（プラス電圧あるいはマイナス電圧）が入力される。この監視回路１は、上記各電池セルｂ１〜ｂｎの出力電圧に基づいて各電池セルｂ１〜ｂｎの端子間電圧（プラス電圧とマイナス電圧との差電圧）をセル電圧Ｖ１〜Ｖｎとして検出し、当該セル電圧Ｖ１〜Ｖｎに基づいて組電池Ｘの状態を監視する。この監視回路１には、組電池Ｘの監視結果を組電池Ｘの充放電を制御するバッテリ制御装置（バッテリＥＣＵ）に出力する。
【００１７】
遮断回路２は、このような組電池Ｘと監視回路１との間、つまり上記各接続線Ｌ１〜Ｌｎの途中部位に設けられており、組電池Ｘの状態に応じて組電池Ｘと監視回路１とを接続状態あるいは遮断状態とする。すなわち、この遮断回路２は、各電池セルｂ１〜ｂｎ毎に設けられた要素回路の集合体であり、各電池セルｂ１〜ｂｎの出力電圧が予め規定された正常範囲の電圧値のときは組電池Ｘと監視回路１とを接続し、各電池セルｂ１〜ｂｎの出力電圧が過電圧の電圧値のときには組電池Ｘと監視回路１との接続を遮断する。
【００１８】
図２は、代表として電池セルｂ１、ｂ２に対応する遮断回路２の詳細構成を示している。すなわち、各電池セルｂ１〜ｂｎに対応する個々の遮断回路２（要素回路）は、メイン半導体スイッチＴ１１（Ｐチャネル型電界効果トランジスタ）と、当該メイン半導体スイッチＴ１１を駆動するスイッチ駆動回路ＳＤ１とを備えている。なお、遮断回路２（要素回路）の構成は、全ての電池セルｂ１〜ｂｎについて同様なので、以下では代表として電池セルｂ１に対応する遮断回路２（要素回路）について説明する。
【００１９】
また、上記スイッチ駆動回路ＳＤ１は、所定の半導体素子と抵抗器とから構成され、より具体的には、第１の抵抗器Ｒ１１，第２の抵抗器Ｒ１２、補助半導体スイッチＴ１２（第２のＰチャネル型電界効果トランジスタ）及び定電圧ダイオードＤ１を備えている。このスイッチ駆動回路ＳＤ１は、組電池Ｘが正常電圧を出力するとメイン半導体スイッチＴ１１を閉状態とし、組電池Ｘが過電圧を出力するとメイン半導体スイッチＴ１１を開状態とする回路である。
【００２０】
先にスイッチ駆動回路ＳＤ１の詳細について説明すると、第１の抵抗器Ｒ１１は、一端が電池セルｂ１のプラス端子に接続され、他端がメイン半導体スイッチＴ１１のソース端子に接続されている。第２の抵抗器Ｒ１２は、一端がメイン半導体スイッチＴ１１のゲート端子に接続され、他端が電池セルｂ１のマイナス端子に接続されている。
【００２１】
補助半導体スイッチＴ１２は、ソース端子がメイン半導体スイッチＴ１１のソース端子に接続され、ドレイン端子がメイン半導体スイッチＴ１１のゲート端子に接続され、ゲート端子が定電圧ダイオードＤ１のカソード端子に接続されている。定電圧ダイオードＤ１は、アノード端子が電池セルｂ１のマイナス端子に接続され、カソード端子が上記補助半導体スイッチＴ１２のゲート端子に接続されている。
【００２２】
メイン半導体スイッチＴ１１は、図２に示すようにＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳ ＦＥＴ）であり、ソース端子が上記第１の抵抗器Ｒ１１の他端に接続され、ドレイン端子が監視回路の入力端子に接続され、またゲート端子が第２の抵抗器Ｒ１２の一端及び補助半導体スイッチＴ１２のドレイン端子に接続されている。
【００２３】
すなわち、電池セルｂ１に対応する遮断回路２（要素回路）では、電池セルｂ１のプラス端子と監視回路１の一方の入力端子との間に、第１の抵抗器Ｒ１１が電池セルｂ１のプラス端子側に、つまりメイン半導体スイッチＴ１１が監視回路１側に位置するように第１の抵抗器Ｒ１１とメイン半導体スイッチＴ１１とが直列接続された状態で設けられている。また、この遮断回路２（要素回路）では、電池セルｂ１のマイナス端子と監視回路１の他方の入力端子とは直接接続されている。
【００２４】
このような遮断回路２（要素回路）は、電池セルｂ１に対応する監視回路１の一対の入力端子のうち、電池セルｂ１のマイナス端子に対応する他方の入力端を電池セルｂ１のマイナス端子と接続した状態に固定し、電池セルｂ１のプラス端子に対応する一方の入力端を電池セルｂ１のプラス端子から切り離すことにより、電池セルｂ１及び他の電池セルｂ２〜ｂｎの異常に起因する過電圧の監視回路１への入力を防止する。
【００２５】
次に、このように構成された電源監視装置の動作、特に当該電源監視装置の特徴的構成要素である遮断回路２の動作について詳しく説明する。
【００２６】
この電源監視装置では、監視回路１が遮断回路２を介して組電池Ｘから各々入力される各電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出することにより組電池Ｘの動作状態を監視する。そして、監視回路１は、各電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎが正常な電圧範囲を逸脱し、例えば過充電による過電圧の電圧範囲に至ると、組電池Ｘが過電圧状態であることをバッテリＥＣＵに通知する。この結果、バッテリＥＣＵによる組電池Ｘの充電処理が終了する。
【００２７】
また、組電池Ｘでは、何れかの電池セルの異常によって当該電池セルの内圧が異常上昇してＣＩＤが作動する場合がある。ｎ個の電池セルｂ１〜ｂｎの何れかのＣＩＤが作動すると、監視回路１には組電池Ｘから異常な高電圧が異常セル電圧Ｖｅとして印可される。例えば電池セルｂ１のＣＩＤが作動した場合、電池セルｂ１に対応する一対の入力端子には、正常なセル電圧Ｖ１を大幅に越える高電圧が異常セル電圧Ｖｅとして印可される。
【００２８】
電源監視装置の遮断回路２は、このような比較的低電圧である正常なセル電圧Ｖ１及び比較的高電圧である異常セル電圧Ｖｅに対して以下のように動作する。すなわち、遮断回路２にセル電圧Ｖ１が入力された状態では、定電圧ダイオードＤ１の端子間電圧がブレーク電圧以下のために定電圧ダイオードＤ１が「ＯＦＦ」状態となり、これによって補助半導体スイッチＴ１２のゲート・ソース間電圧が十分に大きくならなず、この結果として補助半導体スイッチＴ１２が「ＯＦＦ」状態となる。したがって、メイン半導体スイッチＴ１１は、ゲート・ソース間電圧が十分に大きな値となるので「ＯＮ」状態になり、よって電池セルｂ１のプラス端子が監視回路１の一対の入力端子の一方に接続される。
【００２９】
一方、遮断回路２に異常セル電圧Ｖｅが入力された場合には、定電圧ダイオードＤ１の端子間電圧がブレーク電圧を超えるために定電圧ダイオードＤ１が「ＯＮ」状態となり、これによって補助半導体スイッチＴ１２のゲート・ソース間電圧が十分に大きくなって補助半導体スイッチＴ１２が「ＯＮ」状態となる。この結果、メイン半導体スイッチＴ１１は、ゲート・ソース間電圧が小さくなるので「ＯＦＦ」状態になり、よって電池セルｂ１のプラス端子と監視回路１の一対の入力端子の一方との接続が遮断される。
【００３０】
このような本実施形態における電源監視装置によれば、遮断回路２がメイン半導体スイッチＴ１１と、第１の抵抗器Ｒ１１，第２の抵抗器Ｒ１２、補助半導体スイッチＴ１２及び定電圧ダイオードＤ１を備えるスイッチ駆動回路ＳＤ１から構成されているので、正常なセル電圧Ｖ１と高電圧な異常セル電圧Ｖｅの印可に対して従来のヒューズよりも確実にＯＮ／ＯＦＦ動作する。したがって、本実施形態によれば、監視回路１（保護対象回路）を従来よりも確実に保護することが可能である。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、図２に示すように、第１の抵抗器Ｒ１１，第２の抵抗器Ｒ１２、補助半導体スイッチＴ１２及び定電圧ダイオードＤ１を備えるスイッチ駆動回路ＳＤ１とメイン半導体スイッチＴ１１とによって遮断回路２を構成したが、本発明はこれに限定されない。図２に示す遮断回路２に代えて、図３に示す遮断回路２Ａを採用しても良い。
【００３２】
この遮断回路２Ａは、スイッチ駆動回路ＳＤ２を備えており、上述した遮断回路２における補助半導体スイッチＴ１２のゲート回路が上述した遮断回路２の補助半導体スイッチＴ１２におけるゲート回路とは異なっている。すなわち、スイッチ駆動回路ＳＤ２の補助半導体スイッチＴ１２におけるゲート回路は、一端が補助半導体スイッチＴ１２のゲート端子に接続され、他端がメイン半導体スイッチＴ１１のソース端子に接続された第３の抵抗器Ｒ１３によって構成されている。また、このスイッチ駆動回路ＳＤ２では、補助半導体スイッチＴ１２のソース端子が第１の抵抗器Ｒ１１の一端に接続されている。
【００３３】
このような遮断回路２Ａはセル電圧Ｖ１が入力された状態では、第３の抵抗器Ｒ１３の端子間電圧が比較的小さいので、補助半導体スイッチＴ１２のゲート・ソース間電圧が十分に大きくならず、この結果として補助半導体スイッチＴ１２が「ＯＦＦ」状態となる。したがって、メイン半導体スイッチＴ１１は、ゲート・ソース間電圧が十分に大きな値となるので「ＯＮ」状態になり、よって電池セルｂ１のプラス端子が監視回路１の一対の入力端子の一方に接続される。
【００３４】
一方、遮断回路２に異常セル電圧Ｖｅが入力された場合には、第３の抵抗器Ｒ１３の端子間電圧が大きくなるので、補助半導体スイッチＴ１２のゲート・ソース間電圧が十分に大きくなり、よって補助半導体スイッチＴ１２が「ＯＮ」状態となる。この結果、メイン半導体スイッチＴ１１は、ゲート・ソース間電圧が小さくなるので「ＯＦＦ」状態になり、よって電池セルｂ１のプラス端子と監視回路１の一対の入力端子の一方との接続が遮断される。
【００３５】
（２）上記実施形態では、メイン半導体スイッチＴ１１及び補助半導体スイッチＴ１２としてＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタを採用したが、本発明はこれに限定されない。ＰチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタに代えて、ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ、Ｐチャネル接合型界効果トランジスタ、Ｎチャネル接合型界効果トランジスタを採用しても良い。すなわち、メイン半導体スイッチＴ１１及び補助半導体スイッチＴ１２として採用する電界効果トランジスタとしては、ＭＯＳ型や接合型に限定されず、Ｐチャネル型電界効果トランジスタあるいはＮチャネル型電界効果トランジスタを採用することができる。
【００３６】
また、メイン半導体スイッチＴ１１及び補助半導体スイッチＴ１２としては、電界効果トランジスタ（ユニポーラトランジスタ）に限定されず、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタやＮＰＮ型バイポーラトランジスタ等のバイポーラトランジスタを採用しても良い。すなわち、メイン半導体スイッチＴ１１及び補助半導体スイッチＴ１２に採用するトランジスタとしては、必要に応じて種々の形態の半導体スイッチを適宜選択すればよい。
【００３７】
（３）上記実施形態では、組電池１に備えられたＣＩＤの作動に起因する異常セル電圧Ｖｅに対して監視回路１を保護することについて説明したが、監視回路１に対する異常電圧の発生原因は、ＣＩＤの作動に限定されない。本発明は、様々な要因に起因する異常電圧に対して監視回路１を保護することができる。
【００３８】
（４）上記実施形態では、各電池セルｂ１〜ｂｎが各々にＣＩＤを備える組電池１について説明したが、本発明はこれに限定されない。安全対策用に組電池に設けられる遮断素子には、電池セルの異常内圧に基づいて作動するＣＩＤの他に種々のものが考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
Ｘ  組電池（直流電源）
ｂ１〜ｂｎ  電池セル
Ｌ１〜Ｌｎ  接続線
１  監視回路
２、２Ａ  遮断回路
Ｔ１１  メイン半導体スイッチ（Ｐチャネル型電界効果トランジスタ）
ＳＤ１、ＳＤ２  イッチ駆動回路
Ｒ１１  第１の抵抗器
Ｒ１２  第２の抵抗器
Ｒ１３  第３の抵抗器
Ｔ１２  補助半導体スイッチ（第２のＰチャネル型電界効果トランジスタ）
Ｄ１  定電圧ダイオード
【図１】
2018057122.tif 000003
【図２】
2018057122.tif 000004
【図３】
2018057122.tif 000005