JP2015035924A - 過電流保護装置 - Google Patents

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Kazuto Kuroda
和人 黒田
小杉 伸一郎
Shinichiro Kosugi
伸一郎 小杉
関野 正宏
Masahiro Sekino
正宏 関野
滋 野澤
Shigeru Nozawa
滋 野澤
行田 稔
Minoru Gyoda
稔 行田
洋介 佐伯
Yosuke Saeki
洋介 佐伯
冬樹 神戸
Fuyuki Kanbe
冬樹 神戸
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Abstract

【課題】短時間大電流が発生した場合には直ちにスイッチ素子がオフされることを防止でき、かつヒューズを溶断する定常電流が流れた場合には、ヒューズが溶断する前にスイッチ素子をオフすることができる。
【解決手段】検出部は、電源から負荷部に流れる電流量を検出し、当該電流量を示す出力電圧を出力する。制御部は、出力電圧が印加される入力端子を有し、当該入力端子に印加された出力電圧が示す電流量が所定の過電流検出電流量以上である場合にスイッチ素子をオフする。フィルタ回路は、検出部により出力電圧が出力される出力端子に対して直列に多段接続されたN個のローパスフィルタを有し、一段目のローパスフィルタの出力が入力端子に接続される。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、過電流保護装置に関する。
過電流に対する蓄電池(電源の一例)の保護として、電子回路による保護およびヒューズによる保護の2つが併用されている。電子回路による保護は、ヒューズが溶断されない範囲で、蓄電池から主回路(負荷部の一例)へ流れる電流を遮断することにより行われる。
特開2012−137334号公報
ところで、蓄電池の出力インピーダンスが低い場合、蓄電池の保護として用いられるヒューズには、過電流発生時の蓄電池の保護のために短い時間で切れるヒューズが用いられるため、電子回路による保護は、短い時間に流れる短時間大電流(過電流)に対応させて高い閾値を設定し、当該閾値を超える電流量の短時間大電流が発生した場合に蓄電池と主回路との接続を遮断することにより行う必要がある。しかしながら、高い閾値が設定された電子回路による保護においては、当該閾値より低い電流量の定常電流(過電流)が長い時間発生した場合に、ヒューズが溶断される。一方、長い時間発生する定常電流に対応させて低い閾値が設定された電子回路による保護においては、当該閾値より大きい電流量の短時間大電流が短時間発生した場合に、ヒューズが溶断される。
実施形態の過電流保護装置は、ヒューズと、スイッチ素子と、検出部と、制御部と、フィルタ回路と、を備える。ヒューズは、電源と負荷部との間に接続される。スイッチ素子は、電源と負荷部との間に接続される。検出部は、電源から負荷部に流れる電流量を検出し、当該電流量を示す出力電圧を出力する。制御部は、出力電圧が印加される入力端子を有し、当該入力端子に印加された出力電圧が示す電流量が所定の過電流検出電流量以上である場合にスイッチ素子をオフする。フィルタ回路は、検出部により出力電圧が出力される出力端子に対して直列に多段接続されたN個のローパスフィルタを有し、一段目のローパスフィルタの出力が入力端子に接続される。N個のローパスフィルタは、実効的な所定の過電流検出電流量が、ヒューズの電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有するスイッチ素子の電流量−遮断時間特性となるように、一段目のローパスフィルタから順に時定数が長くなる。
図1は、第1の実施形態にかかる蓄電池装置の構成を示すブロック図である。 図2は、第1の実施形態にかかる蓄電池装置が有するフィルタ回路から出力される出力電圧の変化を示す図である。 図3は、ヒューズ溶断特性および過電流検出特性を示す図である。 図4は、変形例にかかる蓄電池装置が有するフィルタ回路の構成を示す図である。
以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる過電流保護装置を適用した蓄電池装置の構成について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態にかかる蓄電池装置の構成を示すブロック図である。本実施形態にかかる蓄電池装置100(過電流保護装置の一例)は、電池モジュール101と、ヒューズ102と、電流検出回路103と、充電制御FET(Field Effect Transistor)104と、放電制御FET105と、電源回路106と、電池電圧監視回路107と、制御演算回路108と、第1FETドライバ109と、第2FETドライバ110と、比較器111と、フリップフロップ112と、NAND回路113と、電流制限抵抗114と、正極主回路端子TPと、負極主回路端子TMと、整流用ダイオードD1,D2と、フィルタ回路Fと、を備えている。蓄電池装置100は、電池モジュール101に対して充放電を行う図示しない蓄電池利用装置(負荷部の一例)に接続されている。具体的には、正極主回路端子TPが蓄電池利用装置の正側端子(正側主回路)に接続され、負極主回路端子TMが蓄電池装置の負側端子(負側主回路)に接続されている。また、図示しない蓄電池利用装置は、通信線を介して制御演算回路108と接続されている。
電源回路106は、電池モジュール101または図示しない蓄電池利用装置からの電力を蓄電池装置100全体に供給する。
電池モジュール101(電源の一例)は、複数の電池セル101a(例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池)が直列接続されている。正極主回路端子TPは、電池モジュール101の高電位側に接続されて、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に電力を供給するための端子である。負極主回路端子TMは、電池モジュール101の低電位側に接続されて、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に電力を供給するための端子である。
ヒューズ102は、電池モジュール101と図示しない蓄電池利用装置との間に接続されている。本実施形態では、ヒューズ102は、電池モジュール101の高電位側に接続され、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に過電流が流れた場合に、電池モジュール101と、図示しない蓄電池利用装置との接続を遮断する。
充電制御FET104は、NMOS(Negative channel Metal Oxide Semiconductor)−FETで構成され、電池モジュール101と図示しない蓄電池利用装置との間に接続されている。また、本実施形態では、充電制御FET104には、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に電力を供給する際に電流を流す整流用ダイオードD1が並列接続されている。
放電制御FET105(スイッチ素子の一例)は、NMOS−FETで構成され、電池モジュール101と図示しない蓄電池利用装置との間に接続されている。また、本実施形態では、放電制御FET105には、図示しない蓄電池利用装置からの電力により電池モジュール101を充電する際に電流を流す整流用ダイオードD2が並列接続されている。
電池電圧監視回路107は、電池モジュール101が有する複数の電池セル101aそれぞれの低電位側および高電位側に接続された電圧検出線を介して、当該複数の電池セル101aそれぞれの電池電圧(以下、セル電圧と言う)を検出する。また、電池電圧監視回路107は、通信線を介して後述する制御演算回路108と接続され、複数の電池セル101aそれぞれのセル電圧の検出結果を当該制御演算回路108に通知する。
制御演算回路108は、通信線を介して電池電圧監視回路107と接続され、当該電池電圧監視回路107から通知されたセル電圧に基づいて、電池モジュール101の充電および放電を制御する。
本実施形態では、制御演算回路108は、電池モジュール101からの電力供給を指示する電力供給指示を図示しない蓄電池利用装置から受信した場合に、当該電力供給指示に応じて、電池モジュール101の放電を指示するロウレベルの放電許可信号をNAND回路113に出力する。一方、制御演算回路108は、図示しない蓄電池利用装置による電力供給指示の出力が停止した場合、電池モジュール101の放電停止を指示するハイレベルの放電許可信号をNAND回路113に出力する。また、本実施形態では、制御演算回路108は、電池モジュール101を充電する場合に、電池モジュール101の充電を指示するハイレベルの充電指示信号を第1FETドライバ109に出力する。
さらに、本実施形態では、制御演算回路108は、後述する比較器11の入力端子(マイナス端子)に、所定の過電流検出電流量(例えば、200A)を示す基準電圧を印加する。ここで、所定の過電流検出電流量は、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に対して定常電流が流れる定常動作状態においてヒューズ102が溶断される電流量より少ない電流量である。これにより、所定の過電流検出電流量以上の電流が電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に流れた場合に、当該電流によりヒューズ102が溶断される前に、過電流を検出して、放電制御FET105をオフすることができる。
NAND回路113は、制御演算回路108から入力された放電許可信号が電池モジュール101の放電を指示するロウレベルの信号であり、かつ後述するフリップフロップ112から出力される過電流非検出信号が過電流が検出されていないことを示すロウレベルの信号である場合に、電池モジュール101の放電を指示するハイレベルの放電指示信号を第2FETドライバ110に出力する。
第1FETドライバ109は、制御演算回路108からの充電指示信号(ハイレベル)に応じて、充電制御FET104のゲートに充電制御FET駆動信号(駆動電圧)を印加して、充電制御FET104をオンして電池モジュール101の充電を行わせる。
第2FETドライバ110は、NAND回路113からの放電指示信号(ハイレベル)に応じて、放電制御FET105のゲートに放電制御FET駆動信号(駆動電圧)を出力(印加)して、放電制御FET105をオンして電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置への電力供給を行わせる。
電流検出回路103(検出部の一例)は、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に流れる電流の電流量を検出して、当該検出した電流量を示す出力電圧を出力する。本実施形態では、電流検出回路103は、シャント抵抗103aおよびオペアンプ103bを有している。シャント抵抗103aは、電池モジュール101の低電位側に接続されている。オペアンプ103bは、当該シャント抵抗103aの両端の電圧に基づいて電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に流れる電流の電流量を検出して、検出した電流量を表す出力電圧を、出力端子103cを介して比較器111に出力する。
比較器111は、電流検出回路103の出力電圧が印加される非反転入力端子および制御演算回路108により基準電圧が印加される反転入力端子を有する。そして、比較器111は、非反転入力端子に印加された出力電圧が反転入力端子に印加された基準電圧以上である場合に(すなわち、出力電圧が示す電流量が、基準電圧が示す所定の過電流検出電流量以上である場合に)、過電流を検出して、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流検出信号を、後述するフリップフロップ112のセット端子Sに出力する。
フリップフロップ112は、比較器111から過電流検出信号が入力されるセット端子Sと、制御演算回路108から出力された放電許可信号が入力されるリセット端子Rと、セット端子Sに入力された過電流検出信号が過電流が検出されたことを示すハイレベルの信号でありかつリセット端子Rに入力された放電許可信号が電池モジュール101からの電力供給を指示するロウレベルの信号である場合に、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流非検出信号をNAND回路113に出力する。これにより、フリップフロップ112は、NAND回路113から第2FETドライバ110へ出力される放電指示信号をロウレベルにして、放電制御FET105をオフすることにより、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に過電流が流れることを防止する。
すなわち、本実施形態では、制御演算回路108、第2FETドライバ110、比較器111、フリップフロップ112およびNAND回路113が、出力電圧が印加される入力端子(本実施形態では、比較器111の非反転入力端子)を有するとともに、当該入力端子に印加された出力電圧が示す電流量が所定の過電流検出電流量以上である場合に放電制御FET105をオフする制御部として機能する。
フィルタ回路Fは、電流検出回路103の出力端子103cに対して直列に多段接続されているローパスフィルタRC1,RC2を有している。そして、一段目のローパスフィルタRC1の出力が、比較器111の非反転入力端子に接続されている。具体的には、一段目のローパスフィルタRC1は、電流検出回路103の出力端子103cと接地端子との間に直列接続された抵抗R1(例えば、10kΩ)およびコンデンサC1(例えば、0.15μF)を有し、抵抗R1とコンデンサC1との接続点の電圧を出力電圧として比較器111の非反転入力端子に印加する。また、二段目のローパスフィルタRC2は、一段目のローパスフィルタRC1の抵抗R1とコンデンサC1との間と、接地端子との間に直列接続された抵抗R2(例えば、4.7kΩ)およびコンデンサC2(例えば、2.2μF)を有する。
また、一段目のローパスフィルタRC1および二段目のローパスフィルタRC2は、実効的な所定の過電流検出電流量が、ヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性となるように、一段目のローパスフィルタRC1の時定数が二段目のローパスフィルタRC2の時定数より短くなっている。ここで、ヒューズ102の電流量−遮断時間特性は、ヒューズ102が溶断される電流量と当該電流量の電流によりヒューズ102が溶断されるまでの時間である溶断時間との対応関係を示す特性である(図3参照)。また、放電制御FET105の電流量−遮断時間特性は、放電制御FET105に流れる電流量と当該電流量の電流により放電制御FET105が遮断されるまでの時間である遮断時間との対応関係を示す特性である(図3参照)。そして、放電制御FET105の電流量−遮断時間特性は、比較器111の反転入力端子に印加される基準電圧が示す所定の過電流検出電流量が、定常動作状態においてヒューズ102が溶断される電流量より少ない電流量となっていることにより、ヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有している(図3参照)。
次に、図1〜3を用いて、本実施形態にかかる蓄電池装置100において過電流が発生した場合に放電制御FET105をオフする処理について説明する。図2は、第1の実施形態にかかる蓄電池装置が有するフィルタ回路から出力される出力電圧の変化を示す図である。図3は、ヒューズの電流量−溶断時間特性および放電制御FETの電流量−遮断時間特性を示す図である。
フィルタ回路Fは、上述したように、一段目のローパスフィルタRC1の時定数が二段目のローパスフィルタRC2の時定数より短くなっているため、電流検出回路103による出力電圧の印加開始時は(一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態になるまでは)、図2に示すように、一段目のローパスフィルタRC1の時定数(0.15ms)に従って出力電圧を比較器111の非反転入力端子に印加する。よって、比較器111は、電流検出回路103による出力電圧の印加開始時においては、短い時間に流れる大電流である短時間大電流(例えば、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置への電力供給を開始した際に生じる突入電流など)を過電流として検出して、過電流を検出したことを示すハイレベルの過電流検出信号をフリップフロップ112のセット端子Sに出力することが可能となる。そして、フリップフロップ112は、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流検出信号が入力されると、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流非検出信号をNAND回路113に出力して、放電制御FET105をオフする。
その際、フィルタ回路Fは、一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態となるまでは(図3に示す0.001〜0.01s)、一段目のローパスフィルタRC1の抵抗R1と二段目のローパスフィルタRC2の抵抗R2により分圧された出力電圧を比較器111の非反転入力端子に印加する。そのため、比較器111は、電流検出回路103により検出された短時間大電流の電流量が所定の過電流検出電流量(例えば、200A)を超えたとしても、一段目のローパスフィルタRC1の抵抗Rと二段目のローパスフィルタRC2の抵抗Rにより分圧された出力電圧が表す電流量が、所定の過電流検出電流量以上とならなければ、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流検出信号を出力せず、放電制御FET105をオフされない。より具体的には、本実施形態にかかる蓄電池装置100においては、一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態となるまでは、放電制御FET105をオフする場合に基準となる所定の過電流検出電流量が、見かけ上、当該所定の過電流検出電流量の(R1+R2)/R1倍になる。
これにより、フィルタ回路Fは、一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態になるまでは(図3に示す0.001〜0.01s)、実効的な所定の過電流検出電流量を、短時間大電流によってヒューズ102が溶断され難いことを表すヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性に近似させて、短時間大電流が発生した場合に、直ちに放電制御FET105がオフされることを防止している。
その後、フィルタ回路Fは、一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態になると、図2に示すように、二段目のローパスフィルタRC2の時定数(10ms)で出力電圧を比較器111の非反転入力端子に印加する。よって、比較器111は、電池モジュール101から図示しない蓄電池利用装置に定常電流が流れる定常動作状態においては、定常電流を過電流として検出して、過電流が検出したことを示すハイレベルの過電流検出信号をフリップフロップ112のセット端子に出力することが可能となる。そして、フリップフロップ112は、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流検出信号が入力されると、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流非検出信号をNAND回路113に出力して、放電制御FET105をオフする。
その際、フィルタ回路Fは、二段目のローパスフィルタRC2のコンデンサC2が飽和状態に近づく従い(図3に示す0.01s以降)、電流検出回路103の出力端子103cから出力された出力電圧をそのまま(すなわち、一段目のローパスフィルタRC1の抵抗R1および二段目のローパスフィルタRC2の抵抗R2により分圧せずに)比較器111の非反転入力端子に印加する。そのため、比較器111は、電流検出回路103により検出された定常電流の電流量が所定の過電流検出電流量を超えると、過電流が検出されたことを示すハイレベルの過電流検出信号を出力して放電制御FET105をオフする。
これにより、フィルタ回路Fは、一段目のローパスフィルタRC1のコンデンサC1が飽和状態となった後(図3に示す0.01s以降)は、実効的な所定の過電流検出電流量を、定常電流によってヒューズ102が溶断されることを表すヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性に近似させて、定常電流によって放電制御FET105がオフされるようにしている。
このように、第1の実施形態の蓄電池装置100によれば、実効的な所定の過電流検出電流量を、ヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性に近似させることができるので、短時間大電流が発生した場合には直ちに放電制御FET105がオフされることを防止でき、かつヒューズ102を溶断する定常電流が流れた場合には、ヒューズ102が溶断する前に放電制御FET105をオフすることができる。
本実施形態では、充電制御FET104は、NMOS−FETで構成されているが、これに限定するものではなく、例えば、PMOS(Positive channel Metal Oxide Semiconductor)−FETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)を用いても良い。また、充電制御FET104としてバイポーラトランジスタを用いることも可能である。この場合、バイポーラトランジスタのベースに流す電流量を変更することにより、バイポーラトランジスタのオンおよびオフを制御する電流制限回路を設ける。
また、本実施形態では、放電制御FET105(スイッチ素子の一例)は、NMOS−FETで構成されているが、これに限定するものではなく、例えば、PMOS−FETやIGBTを用いても良い。また、放電制御FET105としてバイポーラトランジスタを用いることも可能である。この場合、バイポーラトランジスタのベースに流す電流量を変更することにより、バイポーラトランジスタのオンおよびオフを制御する電流制限回路を設ける。
(変形例)
本変形例は、フィルタ回路が、電流検出回路により出力電圧が出力される出力端子に対して直列に多段接続された3以上のローパスフィルタを有する例である。以下の説明では、第1の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
図4は、変形例にかかる蓄電池装置が有するフィルタ回路の構成を示す図である。本実施形態では、フィルタ回路FAは、電流検出回路103の出力端子103cに対して直列に多段接続されたN個(本実施形態では、3個以上)のローパスフィルタRC1〜RCNを有する。また、N段目のローパスフィルタRCNは、N−1段目のローパスフィルタの抵抗とコンデンサとの間と、接地端子との間に直列接続された抵抗RNおよびコンデンサCNを有する。さらに、N個のローパスフィルタRC1〜RCNは、実効的な所定の過電流検出電流量が、ヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性となるように、一段目のローパスフィルタRC1から順に時定数が長くなる。
このように、変形例にかかるフィルタ回路FAによれば、フィルタ回路FAが3個以上のローパスフィルタRC1〜RCNを有する場合においても、第1の実施形態と同様に、実効的な所定の過電流検出電流量を、ヒューズ102の電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する放電制御FET105の電流量−遮断時間特性に近似させることができるので、短時間大電流が発生した場合には直ちに放電制御FET105がオフされることを防止でき、かつヒューズ102を溶断する定常電流が流れた場合には、放電制御FET105をオフすることができる。
以上説明したとおり、第1の実施形態および変形例によれば、短時間大電流が発生した場合には直ちに放電制御FET105がオフされることを防止でき、かつヒューズ102を溶断する定常電流が流れた場合には、ヒューズ102が溶断する前に放電制御FET105をオフすることができる。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100 蓄電池装置
101 電池モジュール
102 ヒューズ
103 電流検出回路
105 放電制御FET
106 電源回路
108 制御演算回路
110 第2FETドライバ
111 比較器
112 フリップフロップ
113 NAND回路
E 主電源
F フィルタ回路
RC1〜RCN ローパスフィルタ

Claims (2)

  1. 電源と負荷部との間に接続されたヒューズと、
    前記電源と前記負荷部との間に接続されたスイッチ素子と、
    前記電源から前記負荷部に流れる電流量を検出し、当該電流量を示す出力電圧を出力する検出部と、
    前記出力電圧が印加される入力端子を有し、当該入力端子に印加された前記出力電圧が示す電流量が所定の過電流検出電流量以上である場合に前記スイッチ素子をオフする制御部と、
    前記検出部により前記出力電圧が出力される出力端子に対して直列に多段接続されたN個のローパスフィルタを有し、一段目の前記ローパスフィルタの出力が前記入力端子に接続されたフィルタ回路と、を備え、
    前記N個のローパスフィルタは、実効的な前記所定の過電流検出電流量が、前記ヒューズの電流量−溶断時間特性に対して所定のマージンを有する前記スイッチ素子の電流量−遮断時間特性となるように、一段目の前記ローパスフィルタから順に時定数が長くなる過電流保護装置。
  2. 前記所定の過電流検出電流量は、前記負荷部に定常電流が流れる定常動作状態において前記ヒューズが溶断される電流量より少ない請求項1に記載の過電流保護装置。






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