JP2012217276A - Power supply and vehicle having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池と直列にシャント抵抗を接続して、このシャント抵抗に誘導される電圧を検出して電池の電流を検出するようにしてなる電源装置に関し、特に、車両を走行させるモータに電力を供給する電源のように大電流で充放電される電源に最適な電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device in which a shunt resistor is connected in series with a battery, and a voltage induced by the shunt resistor is detected to detect the current of the battery. The present invention relates to a power supply apparatus that is optimal for a power supply that is charged and discharged with a large current, such as a power supply that supplies power.
電源装置は、電池の充電電流と放電電流を検出する電流センサを備えている。電流センサを備える電源装置は、電池の電流を積算して残容量を演算し、演算させる残容量で電池の充放電をコントロールして、電池の過充電や過放電を防止できる。電池は過充電や過放電で著しく劣化する特性があるので、電池の残容量を正確に検出して、過充電や過放電を防止することで、劣化を有効に阻止して寿命を長くできる特徴がある。ただ、このことを実現するには、電池の電流を正確に検出することが大切である。電池の電流の検出誤差が電池の残容量の演算誤差となるからである。特に、電池の残容量は、電流の積算値から演算されるので、電流の検出誤差があると、次第に検出誤差が累積して、残容量の演算誤差を次第に大きくする弊害がある。 The power supply apparatus includes a current sensor that detects a charging current and a discharging current of the battery. A power supply device including a current sensor can calculate the remaining capacity by integrating the battery current, and can control charging / discharging of the battery with the calculated remaining capacity, thereby preventing overcharging and overdischarging of the battery. Batteries have the property of deteriorating significantly due to overcharging and overdischarging. By accurately detecting the remaining capacity of the battery and preventing overcharging and overdischarging, it is possible to effectively prevent deterioration and extend its life. There is. However, to achieve this, it is important to accurately detect the battery current. This is because the battery current detection error becomes the calculation error of the remaining battery capacity. In particular, since the remaining capacity of the battery is calculated from the integrated value of the current, if there is a current detection error, the detection error gradually accumulates, which has a detrimental effect of gradually increasing the remaining capacity calculation error.
電流センサは、シャント抵抗の電気抵抗に比例して出力される電圧から電流を演算する構成が一般に用いられる。図11に、シャント抵抗で電流を検出する電源装置の回路図を示す。この図に示す電源装置は、電池と直列に接続されたシャント抵抗10の両端の電圧を、電圧検出回路で検出して、既知のシャント抵抗の抵抗値から、電流値を演算している。このシャント抵抗は、金属板で構成している。金属板のシャント抵抗は、電気抵抗を小さくして放熱特性に優れることから、大電流の検出に適しており、車両用等の大電流の電源装置の電流センサに使用される。
The current sensor is generally configured to calculate a current from a voltage output in proportion to the electric resistance of the shunt resistor. FIG. 11 shows a circuit diagram of a power supply device that detects current with a shunt resistor. The power supply device shown in this figure detects the voltage across the
シャント抵抗は、流れる電流の二乗に比例する電力を、ジュール熱による発熱で消費する。このため、シャント抵抗に大電流が流れた際には、通電時の発熱により、シャント抵抗やそれを保持する冶具が溶解する可能性があった。シャント抵抗の電力消費を少なくするためには、シャント抵抗の電気抵抗を小さくする必要がある。
しかしながら、抵抗値を小さくすることはシャント抵抗自体のサイズの増加に繋がるため電源装置への配置が容易ではなく、また仮に低抵抗値のシャント抵抗を製造できるとしても、大きな製造用金型を必要とするために製造コストが高くなる。さらに、抵抗値を小さくすると、電流検出のゲインが低下するため、電流検出の精度が低下することも考えられる。一方で、抵抗値を変えずにシャント抵抗の大面積化を行うことで放熱性を高めることも考えられるが、この方法ではコストが高騰する。
The shunt resistor consumes electric power that is proportional to the square of the flowing current due to heat generated by Joule heat. For this reason, when a large current flows through the shunt resistor, there is a possibility that the shunt resistor and the jig holding the shunt resistor may be melted due to heat generated during energization. In order to reduce the power consumption of the shunt resistor, it is necessary to reduce the electrical resistance of the shunt resistor.
However, reducing the resistance value leads to an increase in the size of the shunt resistor itself, so that it is not easy to place in the power supply device, and even if a shunt resistor with a low resistance value can be manufactured, a large manufacturing die is required. Therefore, the manufacturing cost becomes high. Furthermore, if the resistance value is decreased, the current detection gain decreases, and therefore it is conceivable that the accuracy of current detection decreases. On the other hand, it is conceivable to increase heat dissipation by increasing the area of the shunt resistor without changing the resistance value, but this method increases the cost.
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の主な目的は、安価な構成でシャント抵抗の電力消費を抑え、またシャント抵抗でもって電流を正確に検出可能な電源装置及びこれを備える車両を提供することにある。 The present invention has been developed for the purpose of solving the above drawbacks. A main object of the present invention is to provide a power supply device capable of suppressing power consumption of a shunt resistor with an inexpensive configuration and accurately detecting a current with the shunt resistor, and a vehicle including the same.
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面に係る電源装置によれば、一以上の電池と、前記電池と直列に接続してなるシャント抵抗10と、前記シャント抵抗10に通電されることで誘導される電圧を検出して、前記電池の電流を演算する電流演算回路5とを備える電源装置であって、前記シャント抵抗10が、同型のシャント抵抗10を複数、離間された状態で直列又は並列に接続できる。これにより、同型のシャント抵抗を直列又は並列接続するという極めて簡単な構成でもって、合成抵抗を2倍以上又は1/2以下にすることができ、電流値を1/2以下又は2倍以上通電させることが可能となり、利得を2倍以上又は定格を2倍以上に簡単に向上でき、小電流や大電流に対応した電流測定が可能となる利点が得られる。
In order to achieve the above object, according to the power supply device of the first aspect of the present invention, one or more batteries, a
また第2の側面に係る電源装置によれば、前記同型のシャント抵抗10を、単一の金属又は合金からなる同型のシャント抵抗10とできる。
Moreover, according to the power supply device which concerns on a 2nd side surface, the said same
さらに第3の側面に係る電源装置によれば、さらに前記シャント抵抗10の両端に接続される直並列切替スイッチ20を備えており、前記直並列切替スイッチ20は、複数のシャント抵抗10の接続状態において、並列状態と直列状態とを切り替え可能に構成できる。これにより、シャント抵抗を並列接続又は直列接続に容易に変更することが可能となる。直列接続されたシャント抵抗は、合成抵抗を2倍以上としてゲインを向上させることができる利点が得られ、用途に応じてシャント抵抗の抵抗値を選択できる。
Furthermore, according to the power supply device which concerns on a 3rd side surface, the series-
さらに第4の側面に係る電源装置によれば、前記直並列切替スイッチ20は、前記シャント抵抗10の接続状態を、複数のシャント抵抗10を通電する電流量に応じて、電流が大きい場合には並列接続に、負荷電流が小さい場合には直列接続に切り替えることができる。これにより、電流量に応じてシャント抵抗選択を切り替えることで検出精度の向上と発熱量の抑制の両立を図ることが可能となる。
Furthermore, according to the power supply device according to the fourth aspect, the series-
さらにまた第5の側面に係る電源装置によれば、さらに前記並列接続されるシャント抵抗10の姿勢を互いに異なる向きとすることができる。これにより、熱起電力の影響を相殺できる利点が得られる。
Furthermore, according to the power supply device according to the fifth aspect, the postures of the
さらにまた第6の側面に係る電源装置によれば、さらに前記並列接続されるシャント抵抗10の姿勢を同じ向きとすることができる。これにより、同じ方向に熱起電力が働くので、これを演算して減算することが可能となる。
Furthermore, according to the power supply device according to the sixth aspect, the posture of the
さらにまた第7の側面に係る電源装置によれば、前記シャント抵抗10が、一対の電流通電端子の間に電圧検出端子を突出して設けることができる。
Furthermore, according to the power supply device of the seventh aspect, the
さらにまた第8の側面に係る電源装置によれば、さらに前記シャント抵抗10の誘導電圧と、前記電流演算回路5で演算される前記電池の充放電電流に基づいて、前記電池の残容量を演算して電池の充放電を制御する制御回路を備えることができる。
Furthermore, according to the power supply device of the eighth aspect, the remaining capacity of the battery is calculated based on the induced voltage of the
さらにまた第9の車両によれば、上記電源装置を搭載して構成できる。 Furthermore, according to the ninth vehicle, the power supply device can be mounted.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置及びこれを備える車両を例示するものであって、本発明は電源装置及びこれを備える車両を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below exemplifies a power supply device for embodying the technical idea of the present invention and a vehicle including the power supply device, and the present invention includes the following power supply device and a vehicle including the power supply device. Not specified. Further, the present specification by no means specifies the members shown in the claims to the members of the embodiments. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely explanations. It is just an example. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
図1に、本発明に係る電源装置の一例として、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカーや電気自動車等に搭載される車両用の電源装置100を示す。なお本発明の電源装置は、ハイブリッドカー等の電動車両のみでなく、大電流で充放電される全ての用途に使用できる。図1に示す電源装置100は、車両を走行させるモータ93にDC/ACインバータ95を介して電力を供給する電池1と、この電池1と直列に接続しているシャント抵抗10と、このシャント抵抗10に誘導される電圧を検出して電池1の電流を検出する電流演算回路5とを備える。この電源装置100は、シャント抵抗10と電流演算回路5とからなる電流検出回路で電流を検出している。
FIG. 1 shows a
図1の電源装置100は、車両を走行させるモータ93に電力を供給する走行用バッテリである電池1と、この電池1の出力側を車両側負荷90に接続するコンタクタ2と、このコンタクタ2と並列に接続されて車両側負荷90の負荷コンデンサ97をプリチャージするプリチャージ抵抗7とプリチャージリレー6との直列回路からなるプリチャージ回路3と、プリチャージリレー6とコンタクタ2をオンオフに制御する制御回路4とを備えている。
A
電池は、車両を走行させるモータ93に大電力を供給できるように、複数の二次電池セル1aを直列に接続して出力電圧を高くしている。二次電池セル1aは、リチウムイオン電池、またはニッケル水素電池である。ただし、二次電池セルには、リチウムイオン電池やニッケル水素電池に代わって、充電できる全ての電池を使用できる。電池は、モータ93に大電力を供給できるように、直列に接続する二次電池セル1aの個数で出力電圧を調整している。電池は、たとえば出力電圧を100V〜400Vとするように二次電池セル1aを直列に接続している。ただ電源装置は、図示しないが、電池の出力側に昇圧用のDC/DCコンバータを接続して、電池の電圧を昇圧して、負荷に電力を供給することもできる。この電源装置は、直列に接続する二次電池の個数を少なくして、電池の出力電圧を高くできる。
The battery has a plurality of
図1の電池は、2組の電池ブロック1Aを直列に接続している。電池ブロック1Aは、複数の二次電池セル1aを直列に接続している。さらに、2組の電池ブロック1Aの間にヒューズ8を接続して、2組の電池ブロック1Aをヒューズ8を介して直列に接続している。図1では、2組の電池ブロックを直列に接続して、2組の電池ブロックの間にヒューズを接続しているが、この構成に限らず、複数の電池ブロックを並列に接続した後に直列に接続する多並多直の構成にしても良い。このように使用する電池ブロックの数や接続構成等は、適宜変更することができる。
The battery of FIG. 1 has two sets of
コンタクタ2は、コイルに通電してオンに切り換えられる接点を有するリレーである。図1の電源装置100は、電池1のプラス側とマイナス側の両方の出力側にコンタクタ2を接続して、コンタクタ2を介して車両側負荷90に接続している。プラス側のコンタクタ2Aは、電池の正極側と、出力端子9であるプラス側の出力端子9Aとの間に接続し、マイナス側のコンタクタ2Bは、電池の負極側と、出力端子9であるマイナス側の出力端子9Bとの間に接続している。プラス側のコンタクタ2Aとマイナス側のコンタクタ2Bは、制御回路4に制御されて、接点がオンオフに切り換えられる。ただ、電源装置は、必ずしも正負の出力側にコンタクタを接続する必要はなく、一方の出力側にコンタクタを接続することもできる。
The
プリチャージ回路3は、コンタクタ2をオンに切り換えるのに先だって、車両側に接続している大容量の負荷コンデンサ97をプリチャージして、オンに切り換えられたコンタクタ2の接点に流れるチャージ電流を減少する。プリチャージ回路3は、プリチャージ抵抗7とプリチャージリレー6を備え、プリチャージリレー6とプリチャージ抵抗7を直列に接続して、コンタクタ2に並列に接続している。プリチャージ回路3は、プリチャージリレー6の接点をオンに切り換えて、負荷コンデンサ97をプリチャージする。プリチャージリレー6は、制御回路4に制御されて、接点がオンオフに切り換えられる。
Before the
プリチャージ回路3は、コンタクタ2に並列に接続される。図1の電源装置100は、プラス側のコンタクタ2Aと並列にプリチャージ回路3を接続している。この電源装置100は、プラス側のコンタクタ2Aの接点をオフに保持して、マイナス側のコンタクタ2Bの接点をオンに切り換え、この状態で、プリチャージリレー6の接点をオンに切り換えてプリチャージ回路3で負荷コンデンサ97をプリチャージする。負荷コンデンサ97がプリチャージされると、プラス側のコンタクタ2Aの接点をオフからオンに切り換えて、電池1を車両側負荷90に直接、すなわち抵抗を介さずに接続する。この状態で、電源装置100から車両側負荷90に電力を供給できる状態、すなわち電池でモータ93を駆動して車両を走行できる状態とする。その後、プリチャージ回路3のプリチャージリレー6をオフに切り換える。オン状態のコンタクタ2の接点をオフに切り換えるときは、両方のコンタクタ2を同時にオフにする。
The
制御回路4は、車両側ECU(図示せず)からのリクエスト信号でコンタクタ2をオンオフに制御する。基本的には、車両のイグニッションスイッチがオンに切り換えられる状態、すなわち車両を走行させる状態で、コンタクタ2をオン状態として、電池から車両側に電力を供給できる状態とする。このとき、前述したように、プリチャージ回路3で車両側の負荷コンデンサ97をプリチャージした後、プラス側のコンタクタ2Aをオンに切り換える。イグニッションスイッチがオフに切り換えられると制御回路4はコンタクタ2をオフに切り換える。
The
電池1は、過充電や過放電によって電気性能が低下しないように、また電池の寿命を長くするために、所定の残容量となるように充放電の電流が制御される。電池1の残容量は、電池1に流れる充電電流と放電電流の積算値から演算される。すなわち、充電電流の積算値を加算し、放電電流の積算値を減算して変動する電池1の残容量が演算される。
In the
DC/ACインバータ95は、電池1から供給される直流を三相交流に変換してモータ93に供給し、また発電機94の交流電力を直流に変換して電池1を充電する。この電源装置100は、DC/ACインバータ95を制御して、電池1からモータ93に供給する電力をコントロールし、また発電機94から電池1を充電する電力をコントロールして、電池1を所定の残容量となるように制御することも可能である。
The DC /
一対の電流通電端子11は、接続リード13に接続されて、接続リード13を介して電池1と直列に接続される。接続リード13は、電気抵抗の小さい金属板からなるリード板13Xや、端部に接続端子を設けているリード線である。図2のシャント抵抗10は、2組の電池ブロック1Aの間に接続されて、2組の電池ブロック1Aを直列に接続している。このシャント抵抗10は、2組の電池ブロック1Aの間に接続されて電池1と直列に接続しているが、シャント抵抗は電池の出力側や入力側に接続されて電池と直列に接続することもできる。
The pair of
一対の電圧検出端子12は電流演算回路5に接続される。電流通電端子11と電圧検出端子12は、リード線やリード板からなる接続リード13を接続する止ネジ15を挿通する貫通孔11a、12aを設けている。電流通電端子11と電圧検出端子12は、貫通孔11a、12aに挿入される止ネジ15でもって、リード板やリード線である接続リード13、14を電気接続するように固定する。ただし、シャント抵抗の固定方法は実施例のものに限定しない。
The pair of
図2に示す電源装置100のシャント抵抗10は、所定の電気抵抗の金属板からなり、両端部に一対の電流通電端子11を設けている。さらに、一対の電流通電端子11間であって、金属板の側部に突出して、一対の電圧検出端子12を設けている。
The
図2のシャント抵抗10は、電流通電端子11に、止ネジ15を介して接続リード13を固定している。止ネジ15は、シャント抵抗10と接続リード13の両方に挿通され、先端部にナット19をねじ込んで、接続リード13をシャント抵抗10の電流通電端子11に固定する。止ネジ15が接続リード13の貫通孔13aとシャント抵抗10の貫通孔11aに挿通されて、接続リード13が電流通電端子11に固定される。図2では、貫通孔の形状を丸穴としているが、例えばこれを長孔の形状にする等、適宜変更できる。
(シャント抵抗10)
The
(Shunt resistor 10)
電池1に流れる充放電の電流を検出するために、電池1と直列にシャント抵抗10を接続している。シャント抵抗10は、図2に示すように、所定の電気抵抗を有する金属板で、電池1の電流に比例して電圧を発生する。すなわち、シャント抵抗10に発生する電圧降下(E)は、シャント抵抗10の電気抵抗(R)と流れる電流(I)から以下の式で特定される。
E=R×I
In order to detect the charge / discharge current flowing in the
E = R × I
この式から、シャント抵抗10の電圧降下を検出して電池1の電流が演算される。シャント抵抗10の電気抵抗(R)は、できるかぎり小さく設定される。それは、シャント抵抗が消費する電力が、電気抵抗(R)と電流(I)の二乗の積に比例して大きくなるからである。また、消費電力が大きくなるシャント抵抗は発熱量も大きくなることから、電気抵抗(R)を小さく設定している。電気抵抗(R)の小さいシャント抵抗10は、電力損失は小さいが、電流に対する発生電圧も小さくなる。
(電流演算回路5)
From this equation, the current of the
(Current calculation circuit 5)
電流演算回路5は、シャント抵抗10の誘導電圧から電池1の充放電の電流を検出する。すなわち、抵抗値が既知であるシャント抵抗10の両端の誘導電圧を、抵抗値で除算してシャント抵抗10に入る電流を演算できる。図1の例では、電流演算回路5は、制御回路4に組み込まれている。制御回路4はASICなどで構成できる。この制御回路4は、検出された電流から電池1の残容量を検出して、電池1の充放電をコントロールする。これにより、電池の残容量を正確に検出して、電池1の過充電や過放電を防止しながら充放電して寿命を長くできる。
(並列接続)
The
(Parallel connection)
シャント抵抗10は、複数を並列接続している。図1の例では、2個のシャント抵抗10を並列に接続している。各シャント抵抗10は、同型のものを使用している。これによって、上記のシャント抵抗10が1個の場合と比べて合成抵抗の値を1/2とでき、極めて簡単にシャント抵抗の抵抗値を実質的に低減できる。またシャント抵抗10が1個の場合と同じ電流を、並列に接続した各々のシャント抵抗10に流すことができるので、見かけ上電流値を2倍とでき、定格電流を2倍にして、大電流の通電が可能となる。
A plurality of
このように、複数のシャント抵抗10を並列接続することで、抵抗値の同じシャント抵抗が一つの場合と比較すると、電圧降下が小さくなって検出精度が低下するものの、個々のシャント抵抗に流れる電流が小さくなり、その分発熱量を抑制できる。このため、特に負荷電流が大きい場合に有利となる。また、発熱量を抑制できるため、シャント抵抗の個数が増加しても、個々のシャント抵抗の形状を小さくすることができ、小型化が可能となる。
In this way, by connecting a plurality of
またシャント抵抗の配置に自由度が得られる。すなわち、シャント抵抗を複数に分割することで、収納空間に応じて配置することが可能となり、限られた収納空間を有効活用できる利点も得られる。また、各シャント抵抗を離間して配置することで、発熱源を分散させ、放熱性を高めることが可能となる。 Further, a degree of freedom can be obtained in the arrangement of the shunt resistors. That is, by dividing the shunt resistor into a plurality of parts, the shunt resistor can be arranged according to the storage space, and an advantage that the limited storage space can be effectively used is also obtained. Further, by disposing the shunt resistors apart from each other, it is possible to disperse the heat source and improve the heat dissipation.
また同型のシャント抵抗を並列に使用することで、大きな製造用金型を必要とすることなく、小さな製造用金型にて対応可能となるため、製造に投資する開発コストが縮減可能となる。さらに、出力電圧の規模が小さい電源装置には、同型のシャント抵抗を単独で、例えば1個で使用し、出力電圧の規模が大きな電源装置には、同型のシャント抵抗を多数使用することが可能であるため、小規模から大規模の電源装置に対して一型の製造用金型にて生産可能となる。
(直並列切替スイッチ20)
In addition, by using the same type of shunt resistor in parallel, it is possible to cope with a small manufacturing mold without requiring a large manufacturing mold, so that the development cost invested in manufacturing can be reduced. In addition, it is possible to use a single shunt resistor of the same type for a power supply device with a small output voltage scale, for example, by itself, and use a large number of shunt resistors of the same type for a power supply device with a large output voltage scale. Therefore, it is possible to produce a small-scale to large-scale power supply device with a single mold for manufacturing.
(Series-parallel switch 20)
また、シャント抵抗10同士の並列接続を直列接続に切り替え可能とすることもできる。このような接続状態の切り替えには、接点間の接続を切り替える直並列切替スイッチ20を利用できる。直並列切替スイッチ20の例を、図3に示す。この図に示す直並列切替スイッチ20は、並列接続された第一シャント抵抗10Aと第二シャント抵抗10Bとの間に設けられており、シャント抵抗同士を並列接続する一対の第一アーム21と、直列接続する第二アーム22とを備えている。各第一アーム21、第二アーム22はそれぞれ、図示しないソレノイドコイルなどを利用して可動式としており、接点間を開放、閉塞できる。
In addition, the parallel connection of the
また第一シャント抵抗10A、第二シャント抵抗10Bはそれぞれ、左右の貫通孔11aを介して接続リードを固定している。第一シャント抵抗10Aの左側には第一接続リード13A、右側には第二接続リード13Bが、また第二シャント抵抗10Bの左側には第三接続リード13C、右側には第四接続リード13Dが、それぞれ固定される。さらに第一接続リード13Aには第一接点片24A、第二接続リード13Bには第二接点片24Bがそれぞれ設けられており、また第三接続リード13Cには第三接点片24C、第四接続リード13Dには第四接点片24Dがそれぞれ設けられている。図3において、左側の第一アーム21Aは、第一接点片24Aと第三接点片24Cとの間を接続する。また右側の第一アーム21Bは、第二接点片24Bと第四接点片24Dの間を接続する。
Further, the first shunt resistor 10A and the
各第一アーム21でこれらの接点間を閉塞すると、第一シャント抵抗10Aと第二シャント抵抗10Bを並列接続することができる。このとき、第二アーム22は開放位置としている。一方、第二アーム22は、第二接点片24Bと第三接点片24Cとの間を接続する。第一アーム21を開放位置として、第二アーム22を閉塞して第二接点片24Bと第三接点片24Cとの間を接続すると、第一シャント抵抗10Aと第二シャント抵抗10Bとを直列接続することができる。なお、アーム間の切替は、短絡を回避するために遅延を設けることが好ましい。
(直列接続)
When the
(Direct connection)
2個のシャント抵抗10を直列接続した回路例を、図4に示す。直列接続されたシャント抵抗10は、合成抵抗を2倍としてゲインを向上させることができる利点が得られる。すなわち抵抗値の同じシャント抵抗が一つの場合と比較して、抵抗値を2倍とすることで、発熱量の総和が大きくなるものの、電圧降下が大きくなり、その分検出精度が高くなるので、負荷電流が小さい場合でも正確な電流検出が可能となる。
An example of a circuit in which two
このように、直並列切替スイッチを設けることで、シャント抵抗の並列接続を直列接続に切り替え可能とでき、用途に応じてシャント抵抗の抵抗値を変更できる。特に、直並列切替スイッチのON/OFF切り替え動作によって、簡単にシャント抵抗の並列接続と直列接続とを選択でき、例えば電流量に応じて選択を切り替えることで検出精度の向上と発熱量の抑制の両立を図ることが可能となる。また、発熱量の抑制により電力消費も抑制できるので、無駄な電力消費を最小化してバッテリ性能を最大限に活用することができる。 Thus, by providing the series / parallel changeover switch, the parallel connection of the shunt resistor can be switched to the series connection, and the resistance value of the shunt resistor can be changed according to the application. In particular, the shunt resistor parallel connection and series connection can be easily selected by the ON / OFF switching operation of the series / parallel switch. For example, by switching the selection according to the amount of current, the detection accuracy can be improved and the amount of generated heat can be suppressed. It is possible to achieve both. In addition, since power consumption can be suppressed by suppressing the amount of heat generation, wasteful power consumption can be minimized and the battery performance can be utilized to the maximum.
なお上述の例では、2個のシャント抵抗を利用した例を説明したが、3個以上のシャント抵抗を利用することもできることはいうまでもない。また上記の例では直並列切替スイッチを介してシャント抵抗の直列接続と並列接続を切り替える構成を説明したが、シャント抵抗を直列接続に固定された状態で利用することもできる。この場合は、直並列切替スイッチを省略してもよい。 In the above example, an example using two shunt resistors has been described, but it goes without saying that three or more shunt resistors can be used. In the above example, the configuration in which the series connection and the parallel connection of the shunt resistor are switched via the series / parallel changeover switch has been described. However, the shunt resistor can be used in a state of being fixed to the series connection. In this case, the series / parallel switch may be omitted.
さらにまた、シャント抵抗を複数直列に接続する構成においては、直列接続された途中の電圧を検出することで、検出レンジを複数設けることも可能となり、検出レンジを可変とするためのゲイン回路を不要とできる。
(熱起電力)
Furthermore, in a configuration in which a plurality of shunt resistors are connected in series, it is possible to provide a plurality of detection ranges by detecting a voltage in the middle of the series connection, and a gain circuit for making the detection range variable is unnecessary. And can.
(Thermo-electromotive force)
一方、シャント抵抗には、左右の電圧検出端子の温度差によって熱起電力が生じるため、検出誤差が生じる。図5(a)に、図5(b)のシャント抵抗の+側、−側、中央の各位置において、シャント抵抗に異なる電流を通電した際の温度を測定した結果の表を示す。図において、+側が電流流入側の電圧検出端子、−側が電流流出側の電圧検出端子である。この表に示すように、シャント抵抗にある電流量を通電した際の各位置における温度は一致していない。シャント抵抗が物理的に左右均等でない限り、放熱にムラが生じるため、+側と−側とで温度差が生じると考えられ、この温度差によって熱起電力が生じ、誤差電流となる。温度差は、電流により増幅される。またその誤差は、指数関数的に増加する。 On the other hand, since a thermoelectromotive force is generated in the shunt resistor due to a temperature difference between the left and right voltage detection terminals, a detection error occurs. FIG. 5A shows a table of the results of measuring the temperature when different currents are passed through the shunt resistor at the + side, − side, and center positions of the shunt resistor in FIG. In the figure, the positive side is a voltage detection terminal on the current inflow side, and the negative side is a voltage detection terminal on the current outflow side. As shown in this table, the temperature at each position when the current amount in the shunt resistor is energized does not match. As long as the shunt resistance is not physically equal to the left and right, unevenness is generated in heat dissipation, so it is considered that a temperature difference occurs between the + side and the − side, and a thermoelectromotive force is generated due to this temperature difference, resulting in an error current. The temperature difference is amplified by the current. The error increases exponentially.
なお、物理的に完全に対称なシャント抵抗を製造することで、自発的発熱による熱起電力誤差の影響を低減することは可能ではあるものの、例えばシャント抵抗と接続リード線を同時に止ネジで締める前に、シャント抵抗を冶具に仮止めする穴部などを設けることによって製造組み立て性を向上させる場合などは、自発的発熱による熱起電力の影響を低減することが困難である。そこで、同型のシャント抵抗を並列接続する際に、図6に示すようにシャント抵抗10C、10Dの姿勢を、上下で互いに異なる向きとすることで、このような熱起電力の影響を相殺できる。すなわち、各シャント抵抗の熱移動によって、自発的発熱による熱起電力誤差の影響を低減できる。
Although it is possible to reduce the influence of the thermoelectromotive force error due to spontaneous heat generation by manufacturing a physically completely symmetric shunt resistor, for example, the shunt resistor and the connecting lead wire are simultaneously tightened with a set screw. When manufacturing assembling property is improved by providing a hole for temporarily fixing the shunt resistor to the jig before, it is difficult to reduce the influence of the thermoelectromotive force due to spontaneous heat generation. Therefore, when the same type of shunt resistors are connected in parallel, the influence of the thermoelectromotive force can be offset by making the postures of the
あるいは逆に、図7に示すように、並列接続されるシャント抵抗10C、10Dの姿勢を同じ向きとすることもできる。このような配置によれば、自発的発熱による熱起電力誤差も同等に出力されることから、電流差すなわち他所から左右の電圧検出端子への熱流入による熱起電力の誤差を推定し、演算によって排除することが可能となる。また、自発的発熱による熱起電力は、シャント抵抗の形状や材質や電流に依存した関数になるので、予め設定した補正関数にて対応することもできる。また、図6及び図7に示すシャント抵抗の配置に限定されるものでなく、例えば2個のシャント抵抗の各電圧検出端子12が対向するように、これらが内側となる姿勢に配置したり(図6及び図7において、上側のシャント抵抗10Cを上下に反転させる)、あるいは逆に各電流通電端子11が対向するように、これらを内側に向けた姿勢で配置したりすることもできる(図6及び図7において、下側のシャント抵抗10Dを上下に反転させる)。このように、シャント抵抗を配置する姿勢は適宜変更可能であり、またシャント抵抗の形状も実施例のものに限定しない。
(車両)
Or conversely, as shown in FIG. 7, the postures of the
(vehicle)
上述の通り、この電源装置は車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。 As described above, this power supply device can be used as an in-vehicle battery system. As a vehicle equipped with a power supply device, an electric vehicle such as a hybrid car or a plug-in hybrid car that runs with both an engine and a motor, or an electric car that runs only with a motor can be used, and it is used as a power source for these vehicles. .
図8に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両HVを走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、モータ93に電力を供給する電源装置100と、電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。車両HVは、電源装置100の電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置100の電池を充電する。
FIG. 8 shows an example in which a power supply device is mounted on a hybrid car that runs with both an engine and a motor. A vehicle HV equipped with the power supply device shown in this figure includes an
また図9に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両EVは、車両EVを走行させる走行用のモータ93と、このモータ93に電力を供給する電源装置100と、この電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置100の電池を充電する。
(蓄電用電源装置)
FIG. 9 shows an example in which a power supply device is mounted on an electric vehicle that runs only with a motor. A vehicle EV equipped with the power supply device shown in this figure includes a traveling
(Power storage device for power storage)
さらにこの電源装置は、車両などの移動体用の動力源としてのみならず、載置型の蓄電用設備としても利用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光発電の電力や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光発電の電力を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図10に示す。この図に示す電源装置100は、複数の電池パック81をユニット状に接続して電池ユニット82を構成している。各電池パック81は、複数の二次電池セル1aが直列及び/又は並列に接続されている。各電池パック81は、電源コントローラ84により制御される。この電源装置100は、電池ユニット82を充電用電源CPで充電した後、負荷LDを駆動する。このため電源装置100は、充電モードと放電モードを備える。負荷LDと充電用電源CPはそれぞれ、放電スイッチDS及び充電スイッチCSを介して電源装置100と接続されている。放電スイッチDS及び充電スイッチCSのON/OFFは、電源装置100の電源コントローラ84によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ84は充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをOFFに切り替えて、充電用電源CPから電源装置100への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷LDからの要求に応じて、電源コントローラ84は充電スイッチCSをOFFに、放電スイッチDSをONにして放電モードに切り替え、電源装置100から負荷LDへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをONにして、負荷LDの電力供給と、電源装置100への充電を同時に行うこともできる。
Furthermore, this power supply device can be used not only as a power source for a moving body such as a vehicle, but also as a stationary power storage facility. For example, as a power source for households and factories, a power supply system that is charged with solar power or midnight power and discharged when necessary, or a street light that is charged with solar power during the day and discharged at night It can also be used as a backup power source for traffic lights that are driven in the event of a power failure. Such an example is shown in FIG. The
電源装置100で駆動される負荷LDは、放電スイッチDSを介して電源装置100と接続されている。電源装置100の放電モードにおいては、電源コントローラ84が放電スイッチDSをONに切り替えて、負荷LDに接続し、電源装置100からの電力で負荷LDを駆動する。放電スイッチDSはFET等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチDSのON/OFFは、電源装置100の電源コントローラ84によって制御される。また電源コントローラ84は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図10の例では、UARTやRS−232C等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器HTと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。
A load LD driven by the
各電池パック81は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、パック入出力端子DIと、パック異常出力端子DAと、パック接続端子DOとを含む。パック入出力端子DIは、他のパック電池や電源コントローラ84からの信号を入出力するための端子であり、パック接続端子DOは子パックである他のパック電池に対して信号を入出力するための端子である。またパック異常出力端子DAは、パック電池の異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、電池パック81同士を直列、並列に接続するための端子である。また電池ユニット82は並列接続スイッチ85を介して出力ラインOLに接続されて互いに並列に接続されている。
Each
本発明に係る電源装置及びこれを備える車両は、EV走行モードとHEV走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。 The power supply device according to the present invention and the vehicle including the power supply device can be suitably used as a power supply device for a plug-in hybrid electric vehicle, a hybrid electric vehicle, an electric vehicle, or the like that can switch between the EV traveling mode and the HEV traveling mode. Also, a backup power supply device that can be mounted on a rack of a computer server, a backup power supply device for a wireless base station such as a mobile phone, a power storage device for home use and a factory, a power supply for a street light, etc. Also, it can be used as appropriate for applications such as a backup power source such as a traffic light.
100…電源装置
1…電池;1A…電池ブロック;1a…二次電池セル
2…コンタクタ;2A…プラス側のコンタクタ;2B…マイナス側のコンタクタ
3…プリチャージ回路
4…制御回路
5…電流演算回路
6…プリチャージリレー
7…プリチャージ抵抗
8…ヒューズ
9…出力端子;9A…プラス側の出力端子;9B…マイナス側の出力端子
10、10C、10D…シャント抵抗
10A…第一シャント抵抗;10B…第二シャント抵抗
11…電流通電端子;11a…貫通孔
12…電圧検出端子;12a…貫通孔
13…接続リード;13A…第一接続リード;13B…第二接続リード
13C…第三接続リード;13D…第四接続リード
13X…リード板;13a…貫通孔
15…止ネジ
19…ナット
20…直並列切替スイッチ
21…第一アーム;21A…左側の第一アーム;21B…右側の第一アーム
22…第二アーム
24A…第一接点片
24B…第二接点片
24C…第三接点片
24D…第四接点片
81…電池パック
82…電池ユニット
84…電源コントローラ
85…並列接続スイッチ
90…車両側負荷
93…モータ
94…発電機
95…DC/ACインバータ
96…エンジン
97…負荷コンデンサ
EV、HV…車両
LD…負荷;CP…充電用電源;DS…放電スイッチ;CS…充電スイッチ
OL…出力ライン;HT…ホスト機器
DI…パック入出力端子;DA…パック異常出力端子;DO…パック接続端子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記電池と直列に接続してなるシャント抵抗(10)と、
前記シャント抵抗(10)に通電されることで誘導される電圧を検出して、前記電池の電流を演算する電流演算回路(5)と
を備える電源装置であって、
前記シャント抵抗(10)が、同型のシャント抵抗(10)を複数、離間された状態で直列又は並列に接続してなることを特徴とする電源装置。 One or more batteries,
A shunt resistor (10) connected in series with the battery;
A power supply device comprising a current calculation circuit (5) for detecting a voltage induced by energizing the shunt resistor (10) and calculating a current of the battery,
A power supply device, wherein the shunt resistor (10) is formed by connecting a plurality of shunt resistors (10) of the same type in series or in parallel.
前記同型のシャント抵抗(10)が、単一の金属又は合金からなる同型のシャント抵抗(10)であることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 1,
The power supply device according to claim 1, wherein the same type of shunt resistor (10) is the same type of shunt resistor (10) made of a single metal or alloy.
前記シャント抵抗(10)の両端に接続される直並列切替スイッチ(20)を備えており、
前記直並列切替スイッチ(20)は、複数のシャント抵抗(10)の接続状態において、並列状態と直列状態とを切り替え可能に構成してなることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 1, further comprising:
A series-parallel changeover switch (20) connected to both ends of the shunt resistor (10) is provided,
The power supply device, wherein the series / parallel changeover switch (20) is configured to be able to switch between a parallel state and a series state when a plurality of shunt resistors (10) are connected.
前記直並列切替スイッチ(20)は、前記シャント抵抗(10)の接続状態を、複数のシャント抵抗(10)を通電する電流量に応じて、電流が大きい場合には並列接続に、負荷電流が小さい場合には直列接続に切り替えてなることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 3,
The series / parallel changeover switch (20) is configured to change the connection state of the shunt resistor (10) according to the amount of current flowing through the plurality of shunt resistors (10). A power supply device that is switched to a serial connection when it is small.
前記並列接続されるシャント抵抗(10)の姿勢を互いに異なる向きとしてなることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 4,
The power supply device according to claim 1, wherein the shunt resistors (10) connected in parallel have different orientations.
前記並列接続されるシャント抵抗(10)の姿勢を同じ向きとしてなることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 4,
The power supply apparatus according to claim 1, wherein the shunt resistors (10) connected in parallel have the same orientation.
前記シャント抵抗(10)が、一対の電流通電端子の間に電圧検出端子を突出して設けてなることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 6,
The power supply device, wherein the shunt resistor (10) has a voltage detection terminal protruding between a pair of current conducting terminals.
前記シャント抵抗(10)の誘導電圧と、前記電流演算回路(5)で演算される前記電池の充放電電流に基づいて、前記電池の残容量を演算して電池の充放電を制御する制御回路を備えることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 7, further comprising:
Based on the induced voltage of the shunt resistor (10) and the charge / discharge current of the battery calculated by the current calculation circuit (5), a control circuit that calculates the remaining capacity of the battery and controls the charge / discharge of the battery A power supply apparatus comprising:
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