(57)【要約】【課題】電源に微短絡が生じた場合に、その短絡経路を遮断することを可能として、過放電から電池を保護する。【解決手段】電池２１に対して直列な通電経路として第１の電流により遮断可能な第１の経路（高電流ヒューズ２２ａ）と、この第１の経路に対して並列に、かつ第１の電流よりも小さな第２の電流により遮断可能な第２の経路（低電流ヒューズ２２ｂ）とを形成し、第１及び第２の経路の間で通電経路を切り換える。電力供給時では、第１の経路を介して通電させる一方、給電停止時では、通電経路を第２の経路に切り換え、微短絡が生じた場合に、第２の経路を遮断させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の単電池を備える電源に設けられる電源保護装置であって、
前記複数の単電池のうち一対の単電池の間に直列に接続された、比較的に大きな遮断電流を有する高電流ヒューズと、
前記一対の単電池の間で前記高電流ヒューズに対して並列に接続された、前記高電流ヒューズよりも小さな遮断電流を有する低電流ヒューズと、
前記一対の単電池の間の通電経路を、前記高電流ヒューズを介する第１の経路と前記低電流ヒューズを介する第２の経路とで切換可能に配設された第１のリレーと、
前記第１のリレーを駆動可能に構成され、前記第１のリレーの接点を前記高電流ヒューズ側と前記低電流ヒューズ側とで切り換える第１のリレー駆動ユニットと、
を含んで構成される電源保護装置。
【請求項２】
前記電源は、電動車両の走行モータの電源である請求項１に記載の電源保護装置。
【請求項３】
前記第１のリレー駆動ユニットは、前記第１のリレーの接点を前記電動車両の走行時に前記高電流ヒューズ側に設定する一方、前記電動車両のシステム停止時に前記低電流ヒューズ側に切り換える請求項２に記載の電源保護装置。
【請求項４】
前記第１のリレー駆動ユニットは、前記電動車両のシステム停止後、所定の時間に亘って停止状態が継続した放置時において、前記第１のリレーの接点を前記低電流ヒューズ側に切り換える請求項３の記載の電源保護装置。
【請求項５】
前記低電流ヒューズの断線を検出するヒューズセンサと、
前記ヒューズセンサの出力に基づいて前記断線に関する警告を発生可能に構成された警告ユニットと、
を更に含んで構成される請求項１〜４のいずれかに記載の電源保護装置。
【請求項６】
直列に接続された複数の単電池と、
前記高電流ヒューズ及び低電流ヒューズが前記複数の単電池のうち一対の単電池の間に接続された、請求項１〜５のいずれかに記載の電源保護装置と、
を含んで構成される電源装置。
【請求項７】
電源の正極ライン又は負極ラインの負荷に対する接続を遮断可能に配設された第２のリレーと、
前記第２のリレーを駆動可能に構成された第２のリレー駆動ユニットと、を更に含んで構成され、
前記第１のリレー駆動ユニットは、前記第２のリレーによる前記正極ライン又は負極ラインの接続の遮断に応答して、前記第１のリレーの接点を前記低電流ヒューズ側に切り換える請求項６に記載の電源装置。
【請求項８】
電池に対して直列な通電経路として、比較的に大きな第１の電流により遮断可能な第１の経路と、この第１の経路に対して並列に、かつ前記第１の電流よりも小さな第２の電流により遮断可能な第２の経路とを形成する手段と、
前記第１及び第２の経路の間で前記通電経路を切り換えるための手段と、を含んで構成され、
電力供給時では、前記第１の経路を介して通電させることにより負荷に対して前記電池の電力を供給し、
給電停止時では、前記通電経路を前記第２の経路に切り換え、前記電池の短絡経路が形成された場合に、前記第２の経路を遮断させることにより前記電池の放電を抑制する電源保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源保護装置に関し、詳細には、複数の単電池を直列に接続して構成される電源において、その内部で生じる微短絡による過放電から電池を保護するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車等の電動車両では、モータ駆動に必要な電流を確保するため、複数の電池（単電池）を直列に接続して、モータの電源が構成される。ここで、電源に生じる微短絡に起因する問題として、過放電による電池の劣化やトラッキングの発生等が懸念されている。
【０００３】
この微短絡の対策として、特許文献１には、電池に異常が生じたことを検出し、異常が生じた電池を電力系から切り離すことにより、この異常電池の影響が他の電池に及ぶことを回避するという技術が記載されている。具体的には、複数の電池（単電池）を直列に接続した電池群により電源を構成するとともに、電池毎に電圧計を設置する。そして、この電圧計により電池の異常を検出した場合に、電池群をバイパスする回路を閉成し、電池及びこのバイパス回路に対して直列に接続したヒューズを溶断させることで、異常電池を電力系から切り離し、異常電池の他の電池に対する影響を回避している。
【特許文献１】特開２００２−１４２３５３号公報（段落番号００１７，００１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献記載の技術には、次のような問題がある。
ハイブリッド車では、その電源に二次電池が使用されるのが一般的であり、この二次電池では、電解液が漏れ出すことにより電源の内部で微短絡が生じる。電源内部での微短絡は、電解液の漏出によるほか、結露水やほこり等の導電性コンタミネーションの付着によっても生じる場合がある。ここで、上記の技術によれば、微短絡による電池の異常を検出した場合に、ヒューズの溶断により異常電池を電力系から切り離し、他の電池に対する影響を回避することが可能である。しかしながら、異常検出後も微短絡の状態が維持されるため、異常電池自体を保護することはできない。
【０００５】
本発明は、以上の問題を考慮した電源保護装置を提供するものであり、電源に微短絡が生じた場合に、その短絡経路を遮断することを可能として、過放電から電池を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】
本発明では、電池に対して直列な通電経路として、比較的に大きな第１の電流により遮断可能な第１の経路と、この第１の経路に対して並列に、かつ第１の電流よりも小さな第２の電流により遮断可能な第２の経路とを形成し、第１及び第２の経路の間で前記通電経路を切り換える。電力供給時では、第１の経路を介して通電させることにより負荷に対して電池の電力を供給する一方、給電停止時では、通電経路を第２の経路に切り換え、電池の短絡経路が形成された場合に、第２の経路を遮断させることにより電池の放電を抑制する。
【０００７】
本発明の一形態に係る電源保護装置は、直列に接続された複数の単電池を備える電源に設けられる電源保護装置である。ここで、複数の単電池のうち一対の単電池の間に、高電流ヒューズ及び低電流ヒューズを並列に接続する。高電流ヒューズは、その遮断電流を比較的に大きな値に設定し、低電流ヒューズは、その遮断電流を高電流ヒューズよりも小さな値に設定する。そして、第１のリレー及びこれを駆動するための第１のリレー駆動ユニットを配設し、前記一対の単電池の間の通電経路を、高電流ヒューズを介する第１の経路と低電流ヒューズを介する第２の経路とで切換可能に構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電源に微短絡が生じた場合に、第２の経路が遮断されることによりその短絡経路が遮断されるので、微短絡による過放電から電池を保護することができる。
【０００９】
本発明の一形態によれば、直列に接続された複数の単電池を備える電源において、一対の単電池の間に遮断電流の異なる高電流ヒューズと低電流ヒューズとを介装し、第１のリレーによりこれらのヒューズを切り換えて機能させることで、微短絡が生じた場合に、遮断電流の小さい第２のヒューズによりその短絡経路を遮断し、電池を保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る電源保護装置を備える動力装置の概略的な構成を示している。
【００１２】
本実施形態において、モータジェネレータ１は、三相誘導型の回転電機であり、バッテリ２を電源として作動する。モータジェネレータ１は、図示しない内燃機関と組み合わせて電動車両であるハイブリッド車（本実施形態では、シリーズハイブリッド車）の駆動源を構成している。モータジェネレータ１の出力トルクを車両の駆動輪に伝達させることで、車両を推進させることができる。
【００１３】
バッテリ２は、直流電源であり、複数の電池（「単電池」に相当する。）を直列に接続して構成されている。本実施形態では、電池として二次電池であるニッケル水素電池が使用されている。電池にリチウムイオン電池を使用することも可能である。バッテリ２には、正極端子に電源ライン４が、負極端子に接地ライン５が接続されており、これらのライン４，５の間に、インバータ３の各相アーム３１ｕ〜３１ｗが互いに並列に接続されている。
【００１４】
インバータ３は、バッテリ２の直流電圧をｕ〜ｗ相の交流電圧に変換するものである。変換後の交流電圧は、駆動電圧としてモータジェネレータ１に印加される。モータジェネレータ１は、図示しない回転軸を駆動することにより発電機として作動させることも可能であり、モータジェネレータ１により発生させた交流電力をインバータ３により直流電力に変換して、バッテリ２を充電することができる。インバータ３の各相アーム３１ｕ〜３１ｗには、一対の電力用半導体素子（以下「パワースイッチング素子」という。）が直列に接続されている。インバータ３は、パワースイッチング素子３２ａ〜３２ｆのオン・オフ動作に基づいて直流及び交流の間で電圧を変換する。パワースイッチング素子３２ａ〜３２ｆは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）により具現可能であり、制御ユニット８により出力されるスイッチング制御信号に基づいて、そのオン・オフ動作が制御される。各相アーム３１ｕ〜３１ｗの中間点がモータジェネレータ１の対応するコイルに接続されており、パワースイッチング素子３２ａ〜３２ｆのオン・オフ動作により変換された交流電圧がモータジェネレータ１に印加される。
【００１５】
コンデンサ６は、平滑コンデンサとして機能するものであり、電源ライン４及び接地ライン５の間でインバータ３に対して並列に、かつインバータ３よりも電源側に接続されている。
【００１６】
制御ユニット８は、モータジェネレータ１の各相コイルに供給される電流（以下「モータ電流」という。）を検出し、これに基づいてパワースイッチング素子３２ａ〜３２ｆのオン・オフ動作を制御するためのスイッチング制御信号を設定し、出力する。本実施形態では、モータジェネレータ１のｕ相コイルに供給されるモータ電流（ｕ相モータ電流）を検出するｕ相電流センサ８１、ｖ相コイルに供給されるモータ電流（ｖ相モータ電流）を検出するｖ相電流センサ８２、及びモータジェネレータ１を構成するロータの回転角を検出する回転角センサ８３が設けられている。制御ユニット８は、これらのセンサ８１〜８３からの検出信号に基づいてスイッチング制御信号を設定し、駆動ユニット７に出力する。
【００１７】
駆動ユニット７は、制御ユニット８により出力されたスイッチング制御信号を電圧信号に変換し、対応するパワースイッチング素子３２ａ〜３２ｆに印加する。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る動力装置の電力供給部の構成を示している。この電力供給部は、「電源装置」としての機能を有するものである。
【００１９】
本実施形態では、複数の電池２１，２１・・・を直列に接続して電源であるバッテリ２が構成されており、バッテリ２の直流電圧は、昇圧コンバータ９により所定のシステム電圧に増大されて、インバータ３に供給される。バッテリ２には、本実施形態に係る電源保護装置が組み込まれており、この電源保護装置は、異なる遮断電流を有するヒューズ（高電流ヒューズ２２ａ、低電流ヒューズ２２ｂ）と、これらのヒューズ２２ａ，２２ｂに対する接点を切換可能に構成されたリレー（「第１のリレー」に相当する。）２３を備えている。高電流ヒューズ２２ａは、車両の走行時にモータジェネレータ１の駆動に必要な電流を通電し得るだけの大きな遮断電流に設定されており、電源を構成する複数の電池のうち隣り合う一対の電池２１，２１の間で、これらの電池に対して直列に接続されている。他方、低電流ヒューズ２２ｂは、微短絡による電流により遮断可能な程度の、高電流ヒューズ２２ａよりも小さな遮断電流に設定されており、電池２１，２１の間で高電流ヒューズ２２ａに対して並列に接続されている。これらのヒューズ２２ａ，２２ｂの電池２１，２１に対する接続の切換えは、リレー駆動ユニット（「第１のリレー駆動ユニット」に相当する。）２４によりリレー２３の接点を切り換えることによりなされる。高電流ヒューズ２２ａ及び低電流ヒューズ２２ｂを挟む一対の電池２１，２１は、適宜に選択することが可能である。
【００２０】
また、本実施形態では、低電流ヒューズ２２ｂの遮断を検出するためのヒューズセンサ２５が設けられている。警告灯（「警告ユニット」に相当する。）２６は、バッテリ２の内部における微短絡の発生を運転者に認識させるためのものであり、ヒューズセンサ２５により低電流ヒューズ２２ｂの遮断が検出された場合に、ヒューズセンサ２５の検出信号により作動する。ヒューズセンサ２５は、電圧計により具現可能である。
【００２１】
更に、本実施形態では、バッテリ２と昇圧コンバータ９との間に、この動力装置のシステム停止時に電源ライン４を遮断するための第１のメインリレー２７と、接地ライン５を遮断するための第２のメインリレー２８とが介装されている。第１及び第２のメインリレー２７，２８のオン・オフ動作は、メインリレー駆動ユニット２９により制御される。これらのメインリレー２７，２８は、「第２のリレー」に、メインリレー駆動ユニット２９は、「第２のリレー駆動ユニット」に相当するものである。
【００２２】
次に、本実施形態に係る電源保護装置の動作について説明する。
【００２３】
図３は、リレー駆動ユニット２４及びメインリレー駆動ユニット２９がシステム停止時に行う動作を示すフローチャートである。
【００２４】
Ｓ１０１では、電源スイッチ信号を読み込む。この電源スイッチは、キースイッチ等として構成されるものであり、運転者により操作される。
【００２５】
Ｓ１０２では、読み込んだ電源スイッチ信号に基づいて、システム停止時であるか否かを判定する。システム停止時であるときは、Ｓ１０３へ進み、それ以外の運転時（走行時）であるときは、このルーチンを終了する。
【００２６】
Ｓ１０３では、システム（動力装置）を停止させ、第１及び第２のメインリレー２７，２８を遮断する。このＳ１０３の処理は、メインリレー駆動ユニット２９によりなされる。
【００２７】
Ｓ１０４では、システムの停止後、所定の時間ｔ１が経過したか否かを判定する。このｔ１は、システムを停止させた後、このシステムが放置されたものとみなし得る程度の長さに設定される。所定の時間ｔ１が経過したときは、Ｓ１０５へ進み、経過していないときは、Ｓ１０２へ戻ってＳ１０２〜１０４の処理を繰り返す。このＳ１０４の処理は、リレー駆動ユニット２４によりなされる。
【００２８】
Ｓ１０５では、リレー２３の接点を低電流ヒューズ２２ｂ側に設定する。
【００２９】
Ｓ１０６では、リレー駆動ユニット２４によりリレー２３を駆動して、リレー２３の接点を低電流ヒューズ２２ｂ側に切り換える。
【００３０】
図４は、走行時における通電経路を概略的に示している。走行時では、リレー２３の接点が高電流ヒューズ２２ａ側に設定され、モータジェネレータ１に対し、高電流ヒューズ２２ａを介する通電経路（「第１の経路」に相当する。）により電圧が印加される。高電流ヒューズ２２ａの遮断電流は、モータ駆動に必要な電流を通電し得る程度の大きさに設定されている。
【００３１】
図５は、システム停止時（放置時）における通電経路を概略示している。システム停止時では、メインリレー２７，２８が遮断されるとともに、リレー２３の接点が低電流ヒューズ２２ｂ側に切り換えられる。バッテリ２が正常な状態にあれば、電池２１の放電は発生しない。しかしながら、電解液の漏れや導電性コンタミネーションの付着等により微短絡が生じると（図５において、電解液等の導電物を微小抵抗ｒにより示す。）、電池２１の短絡経路が形成され、バッテリ２の内部で微短絡による放電が生じる。ここで、低電流ヒューズ２２ｂの遮断電流が微短絡による電流により遮断可能な程度の大きさに設定されていることから、微短絡が生じた場合に低電流ヒューズ２２ｂが速やかに溶断し、短絡経路が遮断される。微短絡の発生は、次回のシステム始動時にヒューズセンサ２５により低電流ヒューズ２２ｂの溶断として検出され、警告灯２６により運転者に報知される。
【００３２】
以上に説明したように、本実施形態では、システム停止時（放置時）にリレー２３の接点を低電流ヒューズ２２ｂ側に切り換えることとしたので、バッテリ２に微短絡が生じた場合に、低電流ヒューズ２２ｂを速やかに溶断させ、短絡経路を遮断することができる。したがって、微短絡による過放電から電池２１を保護するとともに、トラッキングの発生を防止することができる。なお、電解液の漏出は、システムを停止させたまま長時間に亘って放置した場合に生じ易い傾向にあることから、本実施形態では、低電流ヒューズ２２ｂへの切換えを放置時にのみ行うことで、リレー２３の不要な切換動作を回避することとしている。走行中に生じた微短絡は、別途行われる漏電検出ルーチンにより検出可能である。
【００３３】
本実施形態では、高電流ヒューズ２２ａ及び低電流ヒューズ２２ｂにより「第１及び第２の経路を形成する手段」が構成され、リレー２３及びリレー駆動ユニット２４により「通電経路を切り換えるための手段」が構成される。
【００３４】
以上では、直列に接続された一連の電池２１，２１・・・により構成されるバッテリ２に１つの電源保護装置を設置する場合を例に説明した。しかしながら、これに限らず、バッテリ２において、２又はそれ以上の電源保護装置を設置してもよい。図６は、２つの電源保護装置Ａ，Ｂを設置する場合の例を示している。正極端子側の一対の電池２１ａ，２１ａの間に第１の電源保護装置Ａが、これらの電池に対して直列に接続され、負極端子側の一対の電池２１ｂ，２１ｂの間に第２の電源保護装置Ｂが、これらの電池に対して直列に接続されている。このように、複数の電源保護装置Ａ，Ｂを設置することで、バッテリ２内の複数の箇所で微短絡が生じた場合に、それぞれの箇所で短絡経路を遮断して、過放電から電池２１ａ，２１ｂを保護することができる。
【００３５】
また、以上では、バッテリ２を構成する一対の電池２１，２１の間に電源保護装置を介装する場合を例に説明したが、これに限らず、最も正極側の電池よりも正極端子側又は最も負極側の電池よりも負極端子側に電源保護装置を設置してもよい。図７は、後者の場合の例として、電源保護装置が最も負極側の電池２１よりも負極端子側に設置された電力供給部を示している。このような構成によれば、負極端子（又は正極端子）と電池２１との間で生じる微短絡に対し、過放電から電池２１を保護し、トラッキングの発生を防止することができる。
【００３６】
更に、直列に接続された複数の電池２１，２１・・・により電池群を構成し、複数の電池群を互いに並列に接続してバッテリ２を構成してもよい。電源保護装置は、各電池群の適宜の箇所に設置することが可能である。
【００３７】
本発明が適用される電動車両は、ハイブリッド車に限らず、モータのみを駆動源とする電気自動車であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源保護装置を備える動力装置の構成
【図２】同上動力装置の電力供給部（電源装置）の構成
【図３】システム停止制御ルーチンのフローチャート
【図４】走行時における概略的な回路構成
【図５】システム停止時（放置時）における概略的な回路構成
【図６】本発明の他の実施形態に係る電源装置の構成
【図７】本発明の更に別の実施形態に係る電源装置の構成
【符号の説明】
【００３９】
１…モータジェネレータ、２…バッテリ、２１…電池（単電池）、２２ａ…高電流ヒューズ、２２ｂ…低電流ヒューズ、２３…「第１のリレー」としてのリレー、２４…「第１のリレー駆動ユニット」としてのリレー駆動ユニット、２５…ヒューズセンサ（電圧計）、２６…「警告ユニット」としての警告灯、２７，２８…「第２のリレー」としてのメインリレー、２９…「第２のリレー駆動ユニット」としてのメインリレー駆動ユニット、３…インバータ、３１ｕ〜３１ｗ…インバータのアーム、３２ａ〜３２ｆ…パワースイッチング素子（ＩＧＢＴ）、４…電源ライン、５…接地ライン、６…コンデンサ、７…駆動ユニット、８…制御ユニット、８１…ｕ相電流センサ、８２…ｖ相電流センサ、８３…回転角センサ、９…昇圧コンバータ、ｒ…導電物による微小抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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