JP2011130574A

JP2011130574A - 電源装置

Info

Publication number: JP2011130574A
Application number: JP2009286231A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Isono; 整磯野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】簡易な構成によって漏電を検出可能な電源装置を提供する。
【解決手段】
単電池１２１を収容したサブモジュールＳｍを複数、直列に配設して電池モジュール１０１を構成する。第１のサブモジュールのケース１３１ａと、低電位側の第２のサブモジュールのケース１３１ｂとの間に第１の保護エレメント１０２ａを接続し、第２のケース１３１ｂと、電池モジュールの低電位側の端子ｅ２との間に第２の保護エレメント１０２ｂを接続する。第１の保護エレメント及び第２の保護エレメントのぞれぞれに、所定の容量に設定されたヒューズ２０１を設け、第１及び第２のケースの間を第１のヒューズを介して、第２のケース及び低電位側の端子の間を第２のヒューズを介して接続する。第１及び第２のヒューズの断線を、制御モジュール１０５によって検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関し、より詳細には、複数の単電池を直列に接続して構成された、漏電検出機能を備える直流型の電源装置に関する。

漏電検出機能付きの直流電源装置として、次のようなものが存在する。車両駆動源を構成する燃料電池における漏電を検出するものではあるが、燃料電池セルスタックの中間電位を検出し、この中間電位が所定の電圧以上であり、かつその周波数が所定の周波数以上であるを条件として、漏電が生じたと判定するものである（特許文献１）。

特開２００８−２９３６７４号公報（段落番号００２８）

前掲特許文献１に記載の電源装置（又は漏電検出装置）は、漏電検出に要する構成が複雑である。具体的には、燃料電池セルスタックの中間電位を検出するための構成としてキャパシタ、抵抗器及び電圧センサを要し、更に電圧センサの出力から漏電の有無を判定する判定回路を要する。

ここで、交流電源用の漏電検出装置については一般的に知られているが（例えば、特開２００４−２２０８６１号公報）、交流電源用のものを直流電源に適用することは困難である。直流電源用の漏電検出装置も市販に供されてはいるが（例えば、株式会社ピューズ製、「漏電検知センサ４００００−ＣＥＬ２」）、特殊な部品であることから、高価であるうえに入手性が悪い。

そこで、本発明は、簡易な構成によって漏電を検出可能な直流電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、単電池を導電性のケースに収容して構成されるサブモジュールを複数、直列に配設して電池モジュールを構成する。第１のサブモジュールのケース（第１のケース）と、この第１のサブモジュールよりも低電位側の第２のサブモジュールのケース（第２のケース）との間に第１の保護エレメントを接続し、第２のケースと、電池モジュールの低電位側の端子との間に第２の保護エレメントを接続する。第１の保護エレメント及び第２の保護エレメントのぞれぞれに、所定の容量に設定されたヒューズを設け、第１及び第２のケースの間を第１の保護エレメントのヒューズ（第１のヒューズ）を介して、更に第２のケース及び低電位側の端子の間を第２の保護エレメントのヒューズ（第２のヒューズ）を介して接続する。そして、第１及び第２のヒューズの断線を夫々検出可能に制御モジュールを構成する。

直流電源である電池モジュールに生じる漏電の主な原因は、単電池の液漏れや破損によって生じる短絡である。電池モジュールに漏電が生じると、液漏れ等を生じた単電池を収容するサブモジュールのケースと、電池モジュールの低電位側の端子との間で保護エレメントのヒューズを介した通電（漏電）経路が形成される。例えば、高電位側の第１の単電池に液漏れ等が生じた場合は、第１のサブモジュールのケースと低電位側の端子との間で第１及び第２のヒューズ、ならびに第２のサブモジュールのケースを介した通電経路が形成される。そして、漏電によってこの通電経路を流れる電流がヒューズの容量を超えることで、第１及び第２のヒューズの少なくとも一方が断線する。制御モジュールは、このようにして生じたヒューズの断線を、電池モジュールに生じた漏電として検出する。

本発明によれば、複数のヒューズを用いた簡易な構成によって直流電源装置における漏電を検出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電源装置を備える車両駆動系の構成図同上実施形態に係る電源装置の構成図本発明の他の実施形態に係る電源装置の構成図

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１を備える車両駆動系の構成図であり、この車両駆動系は、駆動源として本実施形態に係る電源装置１のほかに内燃機関２（以下「エンジン」という。）を備える。

電源装置１は、インバータ／コンバータ３を介してモータジェネレータ４に接続されており、その放電直流電力がインバータ／コンバータ３によって交流電力に変換されて、モータジェネレータ４に供給される。モータジェネレータ４は、この交流電力によって駆動し、ドライブシャフト５を回転させる。一方で、電源装置１は、車両制動時にモータジェネレータ４が生じた電力を蓄電することも可能である。この場合は、モータジェネレータ４が生じた交流電力がインバータ／コンバータ３によって直流電力に変換され、電源装置１に供給される。

図２は、本実施形態に係る電源装置１の構成図である。

電源装置１は、電池モジュール１０１、保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄ、キャパシタ１０３、メインリレースイッチ１０４及び制御モジュール１０５から構成される。本実施形態において、保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄは、電池モジュール１０１に内蔵されている。メインリレースイッチ１０４は、電源装置１とインバータ／コンバータ３との間の接続を選択的に遮断するものである。制御モジュール１０５は、後に述べるようにＯＲ回路等の簡単な電気部品を用いて実現するが、図示しない車両ＥＣＵ（ハイブリッド制御ＥＣＵ）にその機能を統合することも可能である。

電池モジュール１０１は、充放電可能な複数の単電池（以下「蓄電池セル」という。）を直列に接続して構成され、全体がモジュールケース１１１に収容されている。本実施形態において、電池モジュール１０１は、４つのサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４を直列に配設して構成され、各サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４は、蓄電池セル１２１ａ〜１２１ｄを導電性のケース（以下、単に「ケース」というときは、サブモジュールのケースをいう。）１３１ａ〜１３１ｄに収容して構成される。絶縁性を確保することができるようであれば、更にサブモジュールを増設することも可能である。各サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４において、蓄電池セル１２１ａ〜１２１ｄとケース１３１ａ〜１３１ｄとは、電気的に絶縁されている。以下の説明では、インバータ／コンバータ３と、電池モジュール１０１において直列に接続されている全ての蓄電池セル１２１ａ〜１２１ｄとを介する回路を強電系回路と呼ぶこととする。ここで、サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４において蓄電池セル１２１ａ〜１２１ｄとケース１３１ａ〜１３１ｄとが絶縁されていることは、各サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４のケース１３１ａ〜１３１ｄが強電系回路から絶縁されているというに等しい。強電系回路に対してはモジュールケース１１１も絶縁されており、モジュールケース１１１は、サブモジュールのケース１３１ａ〜１３１ｄに対しても絶縁されている。

隣り合うサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４の間に保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄが配設され、各保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄは、ヒューズ２０１、抵抗器２０２及びダイオード２０３をこの順で高電位（＋）側から並べ、直列に接続して構成される。ヒューズの溶断電流Ｉｂｒｋ×ｋは、蓄電池セルの電圧をＶ１、抵抗の大きさをＲｘ、サブモジュールの数をｎとして次式（１）によって定められることから、ヒューズ２０１の溶断に充分な大きさが確保されるように設定する。

Ｉｂｒｋ×ｋ＝Ｖ１（ｎ−１）／（Ｒｘ×ｎ） …（１）
隣り合うサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４のケース１３１ａ〜１３１ｄ同士が、保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄのヒューズ２０１を介して通電可能な状態にある。具体的には、最も高電位（＋）側のサブモジュール（第１のサブモジュール）Ｓｍ１のケース１３１ａと、その１つ低電位（−）側のサブモジュール（第２のサブモジュール）Ｓｍ２のケース１３１ｂとが第１の保護エレメント１０２ａのヒューズ（第１のヒューズ）２０１を介して接続されており、同様にして、第２のサブモジュールＳｍ２のケース１３１ｂと、その１つの低電位側のサブモジュール（第３のサブモジュール）Ｓｍ３のケース１３１ｃとが第２の保護エレメント１０２ｂのヒューズ（第２のヒューズ）２０１を介して接続され、第３のサブモジュールＳｍ３のケース１３１ｃと、その１つ低電位側のサブモジュール（第４のサブモジュール）Ｓｍ４のケース１３１ｄとが第３の保護エレメント１０２ｃのヒューズ（第３のヒューズ）２０１を介して接続され、第４のサブモジュールＳｍ４のケース１３１ｄと、電池モジュール１０１の低電位側の端子ｅ２とが第４の保護エレメント１０２ｄのヒューズ（第４のヒューズ）２０１を介して接続されている。第４の保護エレメント１０２ｄと低電位側の端子ｅ２との間には、キャパシタ１０３が設けられている。キャパシタ１０３の容量は、前記ヒューズ２０１の溶断に必要な電流積（＝Ｉ^２Ｒ）を吸収可能に設定する。

ＯＲ回路等の簡単な電気部品を用いて実現される制御モジュール１０５が設けられ、各保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄのヒューズ２０１の断線が、この制御モジュール１０５によって検出可能である。本実施形態では、警報用ヒューズ（例えば、大東通信機株式会社製、「警報用ヒューズＳＰ３０１」）の構成に倣ってヒューズ２０１を断線時に信号出力可能に構成し、このヒューズ２０１からの断線出力信号を制御モジュール１０５によって検出する。制御モジュール１０５は、断線出力信号からヒューズ２０１の断線（換言すれば、漏電）を検出すると、インバータ／コンバータ３に対して充放電を停止させる信号を出力する。これに併せ、断線の検出に応じてメインリレースイッチ１０４を切り、電池モジュール１０１とインバータ／コンバータ３との間の接続を遮断するようにしてもよい。

電池モジュール１０１の中間（本実施形態では、第２及び第３のサブモジュールＳｍ２，Ｓｍ３の間）にリレースイッチ（第１のリレースイッチ）１４１が設けられ、このリレースイッチ１４１は、制御モジュール１０５からの制御信号に応じて開閉動作可能である。制御モジュール１０５は、第１〜第４の保護モジュール１０２ａ〜１０２ｄのヒューズ２０１のうちいずれか１つ又は複数のヒューズ２０１の断線を検出したときに、リレースイッチ１４１に対して制御信号を出力し、高電位側の２つの蓄電池セル１２１ａ，１２１ｂと、低電位側の２つの蓄電池セル１２１ｃ，１２１ｄとの間で接続を遮断する。

このように、本実施形態によれば、４つのサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４が設けられる場合に、電池モジュール１０１で生じた漏電を、４つのヒューズ２０１を用いた簡単な構成によって検出することができる。例えば、第１のサブモジュールＳｍ１で漏電が生じた場合は、短絡によってケース１３１ａに高電圧（エネルギー）が漏れ出る結果、キャパシタ１０３に電流が流れ、第１〜第４の保護エレメント１０２ａ〜１０２ｄのヒューズ２０１のうちいずれかのヒューズ２０１が断線する（ヒューズの容量が同一の場合は、どのヒューズが断線するかは部品バラつきによるが、第２の保護エレメント１０２ｂのヒューズ２０１に断線が生じた場合は、高電位側のダイオード２０３の存在によって第１の保護エレメント１０２ａのヒューズ２０１は断線しない）。従って、ヒューズ２０１の断線を検出することによって漏電の有無を判定することができる。そして、漏電を検出した場合に、インバータ／コンバータ３の充放電動作を停止させることで、車両駆動系を保護するとともに、電池モジュール１０１内部のリレースイッチ１４１を切って強電系回路を開成することで、サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４に蓄えられた電荷を分割して各サブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４のケース１３１ａ〜１３１ｄに流れる電流を小さく抑え、大電流が流れることによる破損を回避することができ、更にサブモジュールのケース１３１ａ〜１３１ｄとモジュールケース１１１との間で生じる絶縁破壊を抑制することができる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る電源装置１の構成図である。

第１〜第４の保護モジュール１０２ａ〜１０２ｄの間でヒューズ２０１が異なる容量Ｆ１〜Ｆ４に設定されており、本実施形態では、低電位側のヒューズ２０１ほどその容量が大きく設定されている（最も高電位側のヒューズの容量をＦ１、最も低電位側のヒューズの容量をＦ４、これらの中間のヒューズの容量をＦ２，Ｆ３として、Ｆ１＜Ｆ２＜Ｆ３＜Ｆ４）。これに併せ、本実施形態では、隣り合うサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４の間のそれぞれにリレースイッチ１４１ａ〜１４１ｄが設けられている。具体的には、第１のサブモジュールＳｍ１と第２のサブモジュールＳｍ２との間に第１のリレースイッチ１４１ａが、第２のサブモジュールＳｍ２と第３のサブモジュールＳｍ３との間に第２のリレースイッチ１４１ｂが、第３のサブモジュールＳｍ３と第４のサブモジュールＳｍ４との間に第３のリレースイッチ１４１ｃが、第４のサブモジュールＳｍ４と低電位側の端子ｅ２との間に第４のリレースイッチ１４１ｄが設けられている。そして、制御モジュール１０５と各リレースイッチ１４１ａ〜１４１ｄとが機能的に接続され、制御モジュール１０５は、断線の検出に応じて各リレースイッチ１４１ａ〜１４１ｄを個別に作動させることが可能である。

ヒューズ２０１の容量Ｆ１〜Ｆ４に勾配を持たせることで、漏電が生じた蓄電池セル１２１ａ〜１２１ｄ（又はサブモジュールＳｍ１〜Ｓｍ４）を特定することが可能となるので、漏電が生じた蓄電池セルと他の正常な蓄電池セルとを適切に分離することができる。例えば、第１のサブモジュールＳｍ１で漏電が生じた場合は、第１の蓄電池セル１２１ａのみを他の第２〜第４の蓄電池セル１２１ｂ〜１２１ｄから単独で切り離すことが可能となるので、漏電によって漏れ出る電圧（エネルギー）を低減し、故障が生じる範囲を当該サブモジュール（この場合は、第１のサブモジュールＳｍ１）のみに限定することがきる。そして、サブモジュールのケース１３１ａ〜１３１ｄとモジュールケース１１１との間の絶縁破壊をより確実に回避することができるとともに、修理時の安全性が増大する。

１…電源装置、２…内燃機関、３…インバータ／コンバータ、４…モータジェネレータ、５…ドライブシャフト、１０１…電池モジュール、１０２ａ〜１０２ｄ…保護モジュール、１０３…キャパシタ、１０４…メインリレースイッチ、１０５…制御モジュール、１１１…モジュールケース、１２１ａ〜１２１ｄ…蓄電池セル（単電池）、１３１ａ〜１３１ｄ…サブモジュールのケース、１４１（１４１ａ〜１４１ｄ）…リレースイッチ、Ｓｍ１〜Ｓｍ４…サブモジュール、ｅ１…高電圧側の端子、ｅ２…低電圧側の端子。

Claims

直列に接続された複数の単電池を備える電池モジュールであって、
導電性の第１のケースに第１の単電池を収容して構成された第１のサブモジュールであって、前記第１のケースは、前記第１の単電池に対して電気的に絶縁された第１のサブモジュールと、
導電性の第２のケースに第２の単電池を前記第１の単電池とは個別に収容して構成された第２のサブモジュールであって、前記第２の単電池は、前記第１の単電池の負極に接続された正極を有し、前記第２のケースは、前記第２の単電池に対して電気的に絶縁された第２のサブモジュールと、
を備える電池モジュールと、
所定の容量に設定された第１のヒューズを備える第１の保護エレメントであって、前記第１のケース及び前記第２のケースの間で前記第１のヒューズを介して通電可能に配線され、前記所定の容量を超える電流の供給によって前記第１のヒューズが断線して、前記第１及び第２のケースの間の接続を遮断する第１の保護エレメントと、
所定の容量に設定された第２のヒューズを備える第２の保護エレメントであって、前記第２のケース及び前記電池モジュールの低電位側の端子との間で前記第２のヒューズを介して通電可能に配線され、前記所定の容量を超える電流の供給によって前記第２のヒューズが断線して、前記第２のケース及び前記低電位側の端子の間の接続を遮断する第２の保護エレメントと、
前記第１及び第２のヒューズの断線を夫々検出可能に構成された制御モジュールと、
を含んで構成される電源装置。
前記第１の単電池及び前記第２の単電池の間に介装された第１のリレースイッチを更に含んで構成され、
前記制御モジュールは、前記ヒューズの断線を検出したときに、前記第１のリレースイッチを作動させて、前記第１及び第２の単電池の間の接続を遮断する請求項１に記載の電源装置。
前記第２の単電池及び前記低電位側の端子の間に介装された第２のリレースイッチを更に含んで構成され、
前記制御モジュールは、前記ヒューズの断線を検出したときに、前記第２のリレースイッチを作動させて、前記第２の単電池及び前記低電位側の端子の間の接続を遮断する請求項１又は２に記載の電源装置。
前記第２のヒューズの容量が前記第１のヒューズの容量よりも大きい請求項１〜３のいずれか１つに記載の電源装置。
前記第２のケースと前記低電位側の端子とをつなぐ導線上で、前記第２の保護エレメントよりも低電位側に配設されたキャパシタを更に含んで構成される請求項１〜４のいずれか１つに記載の電源装置。
前記第１のサブモジュール及び前記第２のサブモジュールを収容する導電性のモジュールケースを更に含んで構成され、
前記モジュールケースは、前記第１及び第２の単電池、ならびに前記第１及び第２のケースに対して電気的に絶縁された請求項１〜５のいずれか１つに記載の電源装置。
前記第１の保護エレメントは、前記第１のヒューズと、前記第１のヒューズに対してその低電位側に接続された抵抗器と、前記抵抗器に対してその低電位側に接続されたダイオードと、を含んで構成され、
前記第２の保護エレメントは、前記第２のヒューズと、前記第２のヒューズに対してその低電位側に接続された抵抗器と、前記抵抗器に対してその低電位側に接続されたダイオードと、を含んで構成される請求項１〜６のいずれか１つに記載の電源装置。
車両の走行用モータの電源を構成する請求項１〜７のいずれか１つに記載の電源装置であって、
前記制御モジュールは、前記ヒューズの断線を検出したときに、電源装置出力である直流電力を交流変換して前記走行用モータに供給するインバータの作動を停止させる電源装置。
車両の走行用モータの電源を構成する請求項１〜８のいずれか１つに記載の電源装置であって、
前記電池モジュールから、電源装置出力である直流電力を交流変換するインバータへの電力の供給を選択的に遮断可能に構成されたメインリレースイッチを備え、
前記制御モジュールは、前記ヒューズの断線を検出したときに、前記メインリレースイッチを作動させて、前記電池モジュール及び前記インバータの間の接続を遮断する電源装置。