JP2014093806A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電源装置において、消費電力を削減し、燃費を向上させ、小型・軽量化を図る。
【解決手段】複数の電池セルにて構成された組電池ユニット２を複数個並列に接続することにより構成された電源３と、電源３と車両を駆動するモータ４とを電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置６とを備えた車両用電源装置１において、接続制御装置６の正極側は、少なくともモータ４に一端が接続される一つの正極側リレー１５と、正極側リレー１５と並列に接続される一つの開閉手段１７とを備え、接続制御装置６の負極側は、複数の組電池ユニット２それぞれの一端に接続された、組電池ユニット２と同数の負極側リレー２０を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は車両用電源装置に係り、特に、ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載された電源とモータとを電気的に接続・遮断する接続制御装置の部品点数を減少させて消費電力を削減し、小型・軽量化を図った車両用電源装置に関する。

図８に示すように、ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載される車両用電源装置１０１には、複数の電池セルにて構成された組電池ユニット１０２により構成された電源１０３を備え、電源１０３と車両を駆動するモータ１０４とをインバータ１０５を介して電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置１０６を備えているものがある。
前記接続制御装置１０６は、組電池ユニット１０２の正極側に接続する電路１０７に正極側リレー１０８を備え、組電池ユニット１０２の負極側に接続する電路１０９に負極側リレー１１０を備えている。前記電路１０７は、インバータ１０５の正極側に接続している。前記電路１０９は、インバータ１０５の負極側に接続している。接続制御装置１０６は、正極側リレー１０８と並列な電路１１１に開閉手段１１２と抵抗１１３とを備え、これら開閉手段１１２と抵抗１１３とよりもインバータ１０５側の電路１０７に電流センサ１１４を備えている。
前記接続制御装置１０６は、電源１０３とモータ１０４とを電気的に接続あるいは遮断する制御手段１１５を備えている。制御手段１１５は、組電池ユニット１０２の電池電圧検出回路１１６が検出する電圧と、電流センサ１１４が検出する電流とに基づいて、正極側リレー１０８、負極側リレー１１０、開閉手段１１２を開閉制御し、電源１０３とモータ１０４とを電気的に接続あるいは遮断する。

また、図９に示すように、従来の車両用電源装置２０１には、複数の電池セルにて構成された複数個の組電池ユニット２０２−１、２０２−２、…２０２−ｘを並列に接続することにより構成された電源２０３を備え、電源２０３と車両を駆動するモータ２０４とをインバータ２０５を介して電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置２０６とを備えているものがある。（特許文献１、特許文献２）
前記接続制御装置２０６は、複数個の組電池ユニット２０２−１、２０２−２、…２０２−ｘの正極側に接続する電路２０７−１、２０７−２、…２０７−ｘにそれぞれ正極側リレー２０８−１、２０８−２、…２０８−ｘを備え、複数個の組電池ユニット２０２−１、２０２−２、…２０２−ｘの負極側に接続する電路２０９−１、２０９−２、…２０９−ｘにそれぞれ負極側リレー２１０−１、２１０−２、…２１０−ｘを備えている。前記正極側の電路２０７−１、２０７−２、…２０７−ｘは、まとめて電路２１１に接続され、インバータ２０５の正極側に接続している。前記負極側の電路２０９−１、２０９−２、…２０９−ｘは、まとめて電路２１２に接続され、インバータ２０５の負極側に接続している。
接続制御装置２０６は、正極側リレー２０８−１と並列な電路２１３−１に開閉手段２１４−１と抵抗２１５−１とを備え、正極側リレー２０８−２と並列な電路２１３−２に開閉手段２１４−２と抵抗２１５−２とを備え、さらに、正極側リレー２０８−ｘと並列な電路２１３−ｘに開閉手段２１４−ｘと抵抗２１５−ｘとを備えている。接続制御装置２０６は、開閉手段２１４−１と抵抗２１５−１とよりもインバータ２０５側の電路２０７−１に電流センサ２１６−１を備え、開閉手段２１４−２と抵抗２１５−２とよりもインバータ２０５側の電路２０７−２に電流センサ２１６−２を備え、さらに、開閉手段２１４−２ｘと抵抗２１５−ｘとよりもインバータ２０５側の電路２０７−ｘに電流センサ２１６−ｘを備えている。
前記接続制御装置２０６は、電源２０３とモータ４０４とを電気的に接続あるいは遮断する制御手段２１７を備えている。制御手段２１７は、各組電池ユニット２０２−１、２０２−２、…２０２−ｘの電池電圧検出回路２１８−１、２１８−２、…２１８−ｘが検出する電圧と、各電流センサ２１６−１、２１６−２、…２１６−ｘが検出する電流とに基づいて、各正極側リレー２０８−１、２０８−２、…２０８−ｘ、負極側リレー２１０−１、２１０−２、…２１０−ｘ、開閉手段２１４−１、２１４−２、…２１４−ｘを開閉制御し、電源２０３とモータ２０４とを電気的に接続あるいは遮断する。

特開２００４−００６１３８号公報 特開２０１２−０５０１５８号公報

しかしながら、前記図９に示す車両用電源装置２０１は、接続点となる接続制御装置２０６の回路部品に、複数個の組電池ユニット２０２−１、２０２−２、…２０２−ｘと同数の、正極側リレー２０８−１、２０８−２、…２０８−ｘ、負極側リレー２１０−１、２１０−２、…２１０−ｘ、開閉手段２１４−１、２１４−２、…２１４−ｘ、抵抗２１５−１、２１５−２、…２１５−ｘ、電流センサ２１６−１、２１６−２、…２１６−ｘを備えている。
このため、前記図９に示す車両用電源装置２０１は、
・回路部品数が増加してしまい、レイアウトが難しくなる。
・回路部品数の増加で、コストが増加してしまう。
・回路部品の個数が増えただけ、それらのいずれかが故障する確率が増加してしまい、システムとしての信頼性が低下してしまう。
・リレーを駆動するための回路が増加し、システムとしての消費電力が増加する。
、という問題が発生した。

この発明は、車両用電源装置において、消費電力を削減し、燃費を向上させ、小型・軽量化を図ることを目的とする。

この発明は、複数の電池セルにて構成された組電池ユニットを複数個並列に接続することにより構成された電源と、前記電源と車両を駆動するモータとを電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置とを備えた車両用電源装置において、前記接続制御装置の正極側は、少なくとも前記モータに一端が接続される一つの正極側リレーと、前記正極側リレーと並列に接続される一つの開閉手段とを備え、前記接続制御装置の負極側は、前記複数の組電池ユニットそれぞれの一端に接続された、前記組電池ユニットと同数の負極側リレーを備えていることを特徴とする。

この発明は、組電池ユニットを複数個並列に接続した電源と車両を駆動するモータとを電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置の正極側リレー及び開閉手段をそれぞれ１つにし、リレー数を減少させることにより、リレー数の減少分だけリレーを駆動するための回路を削減でき、消費電力を削減でき、燃費を向上させることができる。また、車両用制御装置の小型・軽量化を実現できる。

図１は車両用電源装置のシステム構成図である。（実施例） 図２は組電池ユニットの構成図である。（実施例） 図３は接続制御装置の制御ブロック図である。（実施例） 図４は電源投入時の制御フローチャートである。（実施例） 図５は図４に続く電源投入時の制御フローチャートである。（実施例） 図６は正極側リレーと開閉手段との溶着時の電圧波形の違いを示す図である。（実施例） 図７は負極側リレーがＯＮしない場合の電流波形と電圧波形との違いを示す図である。（実施例） 図８は単一の組電池ユニットから構成される電源を備えた車両用電源装置のシステム構成図である。（従来例） 図９は複数個の組電池ユニットを並列に接続して構成される電源を備えた車両用電源装置のシステム構成図である。（従来例）

以下、図に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図７は、この発明の実施例を示すものである。図１に示すように、車両用電源装置１は、複数個の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘを並列に接続することにより構成された電源３を備え、電源３と車両を駆動するモータ４とをインバータ５を介して電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置６を備えている。
前記複数の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘは、それぞれ図２に示すように、複数の直列に接続した電池セル７−１、７−２、…７−ｘにて構成され、メンテナンス用の開閉手段８−１、８−２、…８−ｘを備え、正極側にヒューズ９−１、９−２、…９−ｘを備え、電池セル７−１、７−２、…７−ｘの電圧を検出する電池電圧測定回路１０−１、１０−２、…１０−ｘを備えている。

前記接続制御装置６は、複数個の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの正極側にそれぞれ接続する電路１１−１、１１−２、…１１−ｘを備え、複数個の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの負極側にそれぞれ接続する電路１２−１、１２−２、…１２−ｘを備えている。前記正極側の電路１１−１、１１−２、…１１−ｘは、まとめて一つの電路１３に接続され、インバータ５の正極側に接続している。前記負極側の電路１２−１、１２−２、…１２−ｘは、まとめて一つの電路１４に接続され、インバータ５の負極側に接続している。
接続制御装置６は、正極側の一つの電路１３に一つの正極側リレー１５を備え、正極側リレー１５と並列な電路１６に一つの開閉手段（プレチャージスイッチ）１７と一つの抵抗（プリチャージ抵抗）１８とを備え、これら開閉手段１７と抵抗１８とよりもインバータ５側の電路１３に一つの電流センサ１９を備えている。正極側リレー１５、開閉手段１７、抵抗１８、電流センサ１９は、電流容量の大きなものとしている。また、接続制御装置６は、負極側の電路１２−１、１２−２、…１２−ｘにそれぞれ負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘを備えている。
このように、車両用電源装置１は、接続制御装置６の正極側には少なくともモータ４に一端が接続される一つの正極側リレー１５と、正極側リレー１５と並列に接続される一つの開閉手段１７とを備え、接続制御装置６の負極側には複数の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘそれぞれの一端に接続された、組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘと同数の負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘを備えている。
これにより、車両用電源装置１は、組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘを複数個並列に接続した電源３と車両を駆動するモータ４とを電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置６の正極側リレー１５及び開閉手段１７をそれぞれ１つにし、リレー数を減少させることにより、減少したリレー数と同数分だけのリレー駆動回路を削減でき、消費電力を削減できる。また、車両用制御装置１の小型・軽量化を実現できる。

前記接続制御装置６は、電源３とモータ４とを電気的に接続あるいは遮断する制御手段２１を備えている。制御手段２１は、図３に示すように、前記電池電圧測定回路１０−１、１０−２、…１０−ｘと電流センサ１９とを入力側に接続し、前記負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘと正極側リレー１５と開閉手段１７とを出力側に接続している。
制御手段２１は、各組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの電池電圧検出回路１０−１、１０−２、…１０−ｘが検出する電圧と、電流センサ１９が検出する電流とに基づいて、正極側リレー１５、負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘ、開閉手段１７を開閉制御し、電源３とモータ４とを電気的に接続あるいは遮断する。
前記接続制御装置６は、制御手段２１によって、開閉手段１７が閉じられた後、モータ４への入力電圧が設定電圧以上である場合には負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘのいずれかが異常であると判定する。そして、この判定後、接続制御装置６は、制御手段２１によって、複数の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘそれぞれの電圧変化量を測定し、測定結果に基づいて異常である負極側リレー２０を特定する。

次に、作用を説明する。
車両用電源装置１が電源を投入する場合の手順は、例えば、図４、図５に示すように行われる。図４、図５において、車両用電源装置１は、制御がスタートすると（Ｓ０１）、接続制御装置６の開閉手段１７をＯＮし（Ｓ０２）、モータ４に接続されたインバータ５への入力電圧Ｖｉが負極側リレー２０の溶着検出電圧の閾値Ｖｔ１未満であるか（Ｖｉ＜Ｖｔ１）を判断する（Ｓ０３）。
この判断（Ｓ０３）がＮＯの場合は、負極側リレー２０の溶着判定処理を行い（Ｓ０４）、正極側リレー１５、開閉手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理を行い（Ｓ０５）、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。負極側リレー２０の溶着判定処理（Ｓ０４）では、電池電圧検出回路１０−１、１０−２、…１０−ｘが検出する電圧Ｖｏ−１、Ｖｏ−２、…Ｖｏ−ｘの変化から、いずれの負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘが溶着しているかを判定し、溶着した負極側リレー２０を特定する。
前記判断（Ｓ０３）がＹＥＳの場合は、開閉手段１７をＯＦＦし（Ｓ０８）、異常が記録されていない組電池ユニット２の負極側リレー２０をＯＮし（Ｓ０９）、インバータ５への入力電圧Ｖｉが溶着検出電圧の閾値Ｖｔ１未満であるか（Ｖｉ＜Ｖｔ１）を判断する（Ｓ１０）。
この判断（Ｓ１０）がＮＯの場合は、正極側リレー１５あるいは開閉手段１７の溶着判定処理を行い（Ｓ１１）、正極側リレー１５、開閉手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理を行い（Ｓ０５）、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。正極側リレー１５あるいは開閉手段１７の溶着判定処理（Ｓ１１）では、図６に示すように、インバータ５への入力電圧Ｖｉの波形の違いから、正極側リレー１５あるいは開閉手段１７のどちらが溶着しているかを判定する。

前記判断（Ｓ１０）がＹＥＳの場合は、開閉手段１７をＯＮし（Ｓ１２）、インバータ５への入力電圧Ｖｉが溶着検出電圧の閾値Ｖｔ１未満であるか（Ｖｉ＜Ｖｔ１）を判断する（Ｓ１３）。
この判断（Ｓ１３）がＮＯの場合は、開閉手段１７がＯＮしない故障常定処理を行い（Ｓ１４）、正極側リレー１５、開閉手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理を行い（Ｓ０５）、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。
前記判断（Ｓ１３）がＹＥＳの場合は、インバータ５への入力電圧Ｖｉが抵抗１８のプリチャージ完了電圧の閾値Ｖｐを越えているか（Ｖｉ＞Ｖｐ）を判断する（Ｓ１５）。
この判断（Ｓ１５）がＮＯの場合は、抵抗１８のプリチャージ異常判定処理を行い（Ｓ１６）、正極側リレー１５、開閉手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理を行い（Ｓ０５）、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。
前記判断（Ｓ１５）がＹＥＳの場合は、正極側リレー１５をＯＮし（Ｓ１７）、開閉手段１７をＯＦＦし（Ｓ１８）、インバータ５への入力電圧Ｖｉが開放検出電圧の閾値Ｖｔ２未満であるか（Ｖｉ＜Ｖｔ２）を判断する（Ｓ１９）。
この判断（Ｓ１９）がＮＯの場合は、正極側リレー１５がＯＮしない故障判定処理を行い（Ｓ２０）、正極側リレー１５、開閉手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理を行い（Ｓ０５）、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。正極側リレー１５がＯＮしない故障判定処理（Ｓ２０）では、正極側リレー１５がＯＮしない場合はすぐにインバータ５への入力電圧Ｖｉが低下するため、入力電圧Ｖｉを開放検出電圧の閾値Ｖｔ２と比較することで判定できる。

前記判断（Ｓ１９）がＹＥＳの場合は、電流が変化しても電圧が変化しない組電池ユニット２があるかを判断する（Ｓ２１）。
この判断（Ｓ２１）がないの場合は、各組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘで異常検出・記録があるかを判断する（Ｓ２２）。
この判断（Ｓ２２）がないの場合は、組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘについて通常の電池管理処理を行い（Ｓ２３）、終了信号を受信したかを判断する（Ｓ２４）。
一方、前記判断（Ｓ２１）があるの場合、また、前記判断（Ｓ２２）があるの場合は、異常のあった組電池ユニット２の記録処理を行い（Ｓ２５）、異常の無い組電池ユニット２による退避走行用処理を行い（Ｓ２６）、終了信号を受信したかを判断する（Ｓ２４）。
この判断（Ｓ１４）がＮＯの場合は、前記判断（Ｓ２１）に戻る。この判断（Ｓ１４）がＹＥＳの場合は、終了処理を行い（Ｓ０６）、プログラムをエンドにする（Ｓ０７）。

この車両用電源装置１は、図４、図５に示すように、電源を投入する場合に、接続制御装置６の開閉手段１７をＯＮする。この時点でモータ４に接続されたインバータ５との接続線（電路１３、電路１４）に入力電圧（図１のＶｉ）が観測され、入力電圧Ｖｉが溶着検出電圧の閾値Ｖｔ１以上（Ｖｉ≧Ｖｔ１）ならば、負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘのいずれかが溶着していることになるので、電源の投入を中止（正極側リレー１５、開放手段１７、負極側リレー２０のＯＮ中止処理）する。
この際に、各組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２、…Ｖｏｘの変化、または各組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの電池セル７−１、７−２、…７−ｘの電圧の変化から、どの負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘが溶着しているかを判定することができる。
車両用電源装置１は、負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘに溶着がなければ、開閉手段１７をＯＦＦした後、全ての負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘをＯＮする。この際にも、インバータ５への入力電圧Ｖｉにより、正極側リレー１５または開閉手段１７の溶着を確認する。
正極側リレー１５または開閉手段１７のどちらが溶着しているかは、図６に示すように、電流波形の時定数から判定することが可能である。溶着がなければ開閉手段１７をＯＮして、インバータ５への入力電圧Ｖｉが抵抗１８のプリチャージ完了電圧の閾値Ｖｐを越えて上昇した段階で、開閉手段１７をＯＦＦし、正極側リレー１５をＯＮすることで、電源投入が完了する。

正極側リレー１５がＯＮしない場合はすぐにインバータ５への入力電圧Ｖｉが低下するため、入力電圧Ｖｉを開放検出電圧の閾値Ｖｔ２と比較することで判定できる。また、いずれかの負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘがＯＮしない場合には、負荷電流を流した際の各組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘの電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２、…Ｖｏｘの変化から、どの負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘが故障しているかを判定できる。これは、図７に示すように、電気的につながっていない組電池ユニット２の電圧Ｖｏが変化しないためである。
いずれかの組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘで電池電圧低下などの異常が見られた場合は、電圧低下した組電池ユニット２に接続されている負極側リレー２０をＯＦＦとすることで、他の組電池ユニット２を使用して退避走行することが可能である。次の電源投入時には、異常のあった組電池ユニット２を不揮発性メモリなどに記憶しておくことによって、異常のあった組電池ユニット２の負極側リレー２０をＯＮしないようにして、車両の退避走行を継続することが可能である。

このように、車両用電源装置１は、開閉手段１７が閉じられた後、モータ４への入力電圧Ｖｉが設定電圧Ｖｔ１以上である場合には負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘのいずれかが異常であると判定し、この判定後に、複数の組電池ユニット２−１、２−２、…２−ｘそれぞれの電圧Ｖｏの変化量を測定し、測定結果に基づいて異常である負極側リレー２０を特定する。
これにより、車両用電源装置１は、複数の負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘの故障特定が可能となり、装置の信頼性を向上することができる。
なお、上述実施例では、正極側の正極側リレー１５、開閉手段１７を電流容量の大きなもの一つとしたが、負極側の複数の負極側リレー２０−１、２０−２、…２０−ｘを１つとして正極側に複数の正極側リレー１５、開閉手段１７を設ける構成も可能である。

この発明は、車両用電源装置において、消費電力を削減し、燃費を向上させ、小型・軽量化を図ることができるものであり、車両だけでなく、並列に接続する電池ユニットにより構成される電源を備える電源装置であれば、同様の回路および制御を適用可能である。

１ 車両用電源装置
２−１、２−２、…２−ｘ 組電池ユニット
３ 電源
４ モータ
５ インバータ
６ 接続制御装置
１０−１、１０−２、…１０−ｘ 電池電圧測定回路
１５ 正極側リレー
１７ 開閉手段
１８ 抵抗
１９ 電流センサ
２０−１、２０−２、…２０−ｘ 負極側リレー
２１ 制御手段

Claims (2)

1. 複数の電池セルにて構成された組電池ユニットを複数個並列に接続することにより構成された電源と、前記電源と車両を駆動するモータとを電気的に接続あるいは遮断する接続制御装置とを備えた車両用電源装置において、前記接続制御装置の正極側は、少なくとも前記モータに一端が接続される一つの正極側リレーと、前記正極側リレーと並列に接続される一つの開閉手段とを備え、前記接続制御装置の負極側は、前記複数の組電池ユニットそれぞれの一端に接続された、前記組電池ユニットと同数の負極側リレーを備えていることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記接続制御装置は、前記開閉手段が閉じられた後、前記モータへの入力電圧が設定電圧以上である場合には前記負極側リレーのいずれかが異常であると判定し、前記判定後、前記複数の組電池ユニットそれぞれの電圧変化量を測定し、測定結果に基づいて異常である負極側リレーを特定することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

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