JP2009290966A - Power supply protection device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a power supply protection device, and more particularly, to a technique for protecting a battery from overdischarge due to a fine short circuit that occurs inside a power supply configured by connecting a plurality of single cells in series.
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。 In an electric vehicle such as a hybrid vehicle, a power source for the motor is configured by connecting a plurality of batteries (single cells) in series in order to secure a current required for driving the motor. Here, as a problem caused by the fine short circuit generated in the power source, there is a concern about deterioration of the battery due to overdischarge, generation of tracking, or the like.
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。
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。
However, the techniques described in the above documents have the following problems.
In a hybrid vehicle, a secondary battery is generally used as the power source. In the secondary battery, a slight short circuit occurs in the power source due to leakage of the electrolyte. A fine short circuit inside the power supply may be caused not only by leakage of the electrolytic solution but also by adhesion of conductive contamination such as condensed water or dust. Here, according to the technique described above, when an abnormality of a battery due to a fine short circuit is detected, it is possible to disconnect the abnormal battery from the power system by fusing the fuse and avoid the influence on other batteries. However, since the state of the slight short circuit is maintained even after the abnormality is detected, the abnormal battery itself cannot be protected.
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。 The present invention provides a power supply protection device that takes the above problems into consideration, and in the event of a slight short circuit in a power supply, the short circuit path can be cut off to protect the battery from overdischarge. Objective.
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。 In the present invention, as a current-carrying path in series with the battery, a first path that can be interrupted by a relatively large first current, a parallel to the first path, and more than the first current A second path that can be cut off by a small second current is formed, and the energization path is switched between the first and second paths. At the time of power supply, the battery power is supplied to the load by energizing through the first path. On the other hand, when the power supply is stopped, the energization path is switched to the second path to form a short circuit path for the battery. In this case, the discharge of the battery is suppressed by blocking the second path.
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。 A power supply protection device according to one embodiment of the present invention is a power supply protection device provided in a power supply including a plurality of single cells connected in series. Here, a high current fuse and a low current fuse are connected in parallel between a pair of single cells among the plurality of single cells. The high current fuse sets its breaking current to a relatively large value, and the low current fuse sets its breaking current to a smaller value than the high current fuse. A first relay and a first relay driving unit for driving the first relay are disposed, and the energization path between the pair of unit cells is divided into a first path via a high current fuse and a low current fuse. It is possible to switch between the second route through.
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。 According to the present invention, when a short circuit occurs in the power supply, the short circuit path is blocked by blocking the second path, and thus the battery can be protected from overdischarge due to the short circuit.
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。 According to one aspect of the present invention, in a power supply including a plurality of unit cells connected in series, a high current fuse and a low current fuse having different cutoff currents are interposed between a pair of unit cells, and the first By switching these fuses using a relay and causing them to function, when a short-circuit occurs, the short-circuit path can be cut off by the second fuse having a small cut-off current to protect the battery.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a power unit including a power supply protection device according to an embodiment of the present invention.
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。
In the present embodiment, the motor generator 1 is a three-phase induction type rotating electrical machine and operates with the
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。
The
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。
The inverter 3 converts the DC voltage of the
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。
The capacitor 6 functions as a smoothing capacitor, and is connected between the
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。
Control unit 8 detects a current (hereinafter referred to as “motor current”) supplied to each phase coil of motor generator 1, and controls on / off operation of
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。
The drive unit 7 converts the switching control signal output by the control unit 8 into a voltage signal and applies it to the corresponding
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。 FIG. 2 shows the configuration of the power supply unit of the power plant according to this embodiment. This power supply unit has a function as a “power supply device”.
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。
In the present embodiment, a
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。
In the present embodiment, a
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。
Further, in the present embodiment, a first
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。 Next, the operation of the power protection device according to this embodiment will be described.
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。
FIG. 3 is a flowchart showing operations performed by the
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。 In S101, a power switch signal is read. This power switch is configured as a key switch or the like, and is operated by the driver.
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。 In S102, it is determined based on the read power switch signal whether the system is stopped. When the system is stopped, the process proceeds to S103, and when it is during other driving (running), this routine is terminated.
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。
In S103, the system (power unit) is stopped, and the first and second
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。
In S104, it is determined whether or not a predetermined time t1 has elapsed after the system is stopped. This t1 is set to such a length that the system can be regarded as being left after the system is stopped. When the predetermined time t1 has elapsed, the process proceeds to S105, and when it has not elapsed, the process returns to S102 and the processes of S102 to 104 are repeated. The process of S104 is performed by the
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。
In S105, the contact of the
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。
In S106, the
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。
FIG. 4 schematically shows an energization path during traveling. During traveling, the contact of the
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。
FIG. 5 schematically shows an energization path when the system is stopped (when left). When the system is stopped, the
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。
As described above, in this embodiment, since the contact of the
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。
In the present embodiment, “the means for forming the first and second paths” is configured by the high
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。
In the above, the case where one power supply protection device is installed in the
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。
In the above description, the case where the power protection device is interposed between the pair of
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。
Furthermore, a battery group may be configured by a plurality of
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。 The electric vehicle to which the present invention is applied is not limited to a hybrid vehicle, and may be an electric vehicle using only a motor as a drive source.
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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motor generator, 2 ... Battery, 21 ... Battery (single cell), 22a ... High current fuse, 22b ... Low current fuse, 23 ... Relay as "first relay", 24 ... "First relay drive unit , 25 ... fuse sensor (voltmeter), 26 ... warning light as "warning unit", 27, 28 ... main relay as "second relay", 29 ... "second relay driving Main relay drive unit as unit ", 3 ... inverter, 31u to 31w ... arm of inverter, 32a to 32f ... power switching element (IGBT), 4 ... power supply line, 5 ... ground line, 6 ... capacitor, 7 ... drive unit 8 ... Control unit, 81 ... u-phase current sensor, 82 ... v-phase current sensor, 83 ... rotation angle sensor, 9 ... boost converter Micro-resistance due to the r ... conductive material.
Claims (8)
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。 A power protection device provided in a power supply comprising a plurality of single cells connected in series,
A high current fuse having a relatively large breaking current connected in series between a pair of cells among the plurality of cells;
A low current fuse having a cut-off current smaller than that of the high current fuse, connected in parallel to the high current fuse between the pair of cells;
A first relay disposed so that the energization path between the pair of single cells can be switched between a first path via the high current fuse and a second path via the low current fuse;
A first relay driving unit configured to drive the first relay, and switching a contact of the first relay between the high current fuse side and the low current fuse side;
A power protection device configured to include.
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。 A fuse sensor for detecting disconnection of the low current fuse;
A warning unit configured to generate a warning regarding the disconnection based on the output of the fuse sensor;
The power supply protection device according to claim 1, further comprising:
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。 A plurality of cells connected in series;
The power protection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the high-current fuse and the low-current fuse are connected between a pair of single cells among the plurality of single cells.
A power supply comprising the above.
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。 A second relay arranged to be able to cut off the connection to the load of the positive line or the negative line of the power supply;
A second relay driving unit configured to drive the second relay, and further comprising
The said 1st relay drive unit switches the contact of the said 1st relay to the said low current fuse side in response to interruption | blocking of the connection of the said positive electrode line or negative electrode line by the said 2nd relay. Power supply.
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。 As a current-carrying path in series with the battery, a first path that can be cut off by a relatively large first current and a second path that is parallel to the first path and smaller than the first current. A second path that can be interrupted by a current of
Means for switching the energization path between the first and second paths,
At the time of power supply, the power of the battery is supplied to the load by energizing through the first path,
A power protection device that suppresses discharge of the battery by switching the energization path to the second path and stopping the second path when the battery is short-circuited when power supply is stopped.
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