JP2015082867A

JP2015082867A - 高電圧電源回路の制御装置

Info

Publication number: JP2015082867A
Application number: JP2013218564A
Authority: JP
Inventors: 尭志野沢; Kyoji Nozawa; 裕宣川島; Hironobu Kawashima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-27

Abstract

【課題】高電圧電源であるバッテリーモジュールは、複数の電池スタックが、コネクタによって直列接続されている。またこれとは並列に、電池スタックを監視する監視回路や監視回路の保護回路が設けられている。コネクタの接続忘れ等により、電池スタック間の直列接続が途切れているときに、システムメインリレーによる高電圧回路の接続が行われると、接続が切断された電池スタック間を保護回路で繋ぐような電流経路が形成され、保護回路に大電流が流れて破損に至るおそれがある。【解決手段】監視回路１４は、コネクタ２４を介して直列接続される複数の電池スタック２２Ａ，２２Ｂから電源電圧が印加される。制御部１８は、リレー１６の接続指令受信時に、監視回路１４の電源電圧に応じて、リレー１６の接続可否を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧電源を備えた回路の制御装置に関する。

従来から、車両等を駆動する回転電機に対する電源や、工場等の大規模施設の非常用電源として、バッテリーモジュールが用いられている。バッテリーモジュールは、複数の電池スタックを、コネクタ等の接続部品を用いて直列接続することで構成される。個々の電池スタックは、複数の電池セルを直列接続して構成される。電池セルを複数直列接続させた電池スタックを複数直列接続することで、バッテリーモジュールは高電圧電源として機能する。

バッテリーモジュールは、システムメインリレーとも呼ばれるリレーを介して、回転電機等の負荷に接続される。リレーは、バッテリーモジュールと負荷とを含む高電圧回路の遮断／接続を行う。例えば制御ユニットからの指令により、リレーの遮断／接続が行われる。

上記のようなバッテリーモジュールに対して、それぞれの電池スタック、または電池セルの電圧を測定する手段が従来から知られている。例えば特許文献１、２では、個々の電池スタックの電圧を検知する電圧センサが設けられている。また、特許文献３では、個々の電池セルの電圧を検知するセル電圧検出回路が設けられている。

バッテリーモジュールと検出回路や電圧センサとの間には、電池セルからの過電流の流入や過電圧の印加から検出回路やセンサを保護するための保護回路が設けられている。例えば、バッテリーモジュールと検出回路を結ぶ検出線に、過電流防止のためのヒューズが設けられる。また、電池セルと検出回路の間に、これらとは並列に、過電圧防止のためのツェナーダイオードが設けられる。

特開２０１３−１５０５２１号公報特開２００９−３７９６２号公報特開２００７−１８８７１号公報

ところで、電池スタックの交換時等に、コネクタの接続を忘れるなど、電池スタック間の直列接続が途切れる場合がある。このようなときにリレーを接続状態にすると、図５のハッチングにて示すように、接続が切断された電池スタック間１００Ａ，１００Ｂを保護回路１０２で繋ぐような電流経路（閉回路）が形成される。保護回路１０２のヒューズ１０４やツェナーダイオード１０６は、個々の電池セル１０８からの過電流や過電圧に耐えられる仕様になっているものの、複数の電池スタック１００が直列に接続された場合の大電流や高電圧には耐えられないような仕様になっている場合がある。そのような場合に、上記のような電流経路の形成によって、ヒューズ１０４やツェナーダイオード１０６の破損に至るおそれがある。そこで、本発明は、電池スタック間の接続が途切れた場合に、リレーによる回路接続を確実に防止することの可能な、バッテリーモジュールの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、高電圧電源回路の制御装置に関するものである。当該制御装置は、複数の電池セルが直列接続された電池スタックを複数備えるとともに、前記電池スタック同士を直列接続するコネクタと、を備えるバッテリーモジュールと、前記コネクタを介して直列接続される複数の前記電池スタックに対して並列に接続され前記複数の電池スタックから電源電圧が印加されるとともに、前記複数の電池スタックの前記電池セルの状態を監視する監視回路と、前記バッテリーモジュールと負荷とを含む高電圧回路の接続及び遮断を行うリレーと、遮断時の前記リレーに対する接続指令を受信可能であって、前記監視回路の電源電圧に応じて、前記接続指令受信時の、前記リレーの接続可否を判定する制御部と、を備える。

本発明によれば、電池スタック間の接続が途切れた場合に、リレーによる回路接続を確実に防止することが可能となる。

本実施形態に係る、高電圧電源回路の制御装置を例示する図である。本実施形態に係る、高電圧電源回路の制御装置を例示する図である。制御部の制御フローを例示する図である。制御部の制御フローを例示する図である。従来技術に係る、高電圧電源回路を例示する図である。

図１に、本実施形態に係る、高電圧電源回路の制御装置１０を例示する。制御装置１０は、バッテリーモジュール１２、監視回路１４、リレー１６、制御部１８、及び保護回路２０を備える。また、制御装置１０は、例えば、電気自動車やいわゆるハイブリッド車両に搭載されて良い。

バッテリーモジュール１２は、高電圧の直流電源として機能する。バッテリーモジュール１２は、複数の電池スタック２２及びコネクタ２４を備える。

電池スタック２２は、複数の電池セル２６が直列接続されて構成されている。個々の電池セル２６は、例えば１．０Ｖから２．０Ｖ程度のリチウムイオン電池であってよい。これらの電池セル２６は、ケース２８に収容されていてよい。

コネクタ２４は、電池スタック２２同士を直列接続する。電池スタック２２の交換時などには、コネクタ２４を一旦外して古い電池スタック２２を取り出した後、新しい電池スタック２２をバッテリーモジュール１２に取り付けて、隣接する電池スタック２２にコネクタ２４を接続する。

監視回路１４は、電池スタック２２の個々の電池セル２６の状態を監視する監視手段である。監視回路１４は、例えば集積回路から構成されてよい。監視回路１４は、個々の電池セル２６に対する電圧検出手段２９を備えている。例えば、個々の電池セル２６から延設された検出線３０が、監視回路１４の入力端子にそれぞれ接続される。電圧検出手段２９は、各入力端子から、個々の電池セル２６の電圧測定を行う。例えば、電池セル２６の両端に接続されている検出線３０間の電圧をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換してデジタルデータとして、電池セル電圧を検出する。また、監視回路１４内では、各入力端子からの導線３２が、電圧検出手段２９を経由して、プラス側電源端子Ｖｃｃに接続（合流）されるように構成されてよい。このとき、プラス側電源端子Ｖｃｃへの過電流の流入を防ぐために、導線３２には、保護ダイオード３４が設けられていることが好適である。保護ダイオード３４は、例えば定電流ダイオードであってよい。

監視回路１４は、複数の電池スタック２２Ａ，２２Ｂの電池セル２６の状態監視が可能となっている。例えば、監視回路１４の入力端子の数は、電池スタック２２Ａの電池セル２６の数よりも多くなるように構成され、複数の電池スタック２２Ａ，２２Ｂを１台の監視回路１４にて監視可能となっている。

また、監視回路１４は、コネクタ２４を介して直列接続される複数の電池スタック２２Ａ，２２Ｂに対して並列に接続され、これら電池スタック２２Ａ，２２Ｂから電源電圧（駆動電圧）が印加される。具体的には、一方の電池スタック２２Ａの負極側端部と監視回路１４のマイナス側電源端子Ｖｓｓとを接続する。また、他方の電池スタック２２Ｂの正極側端子と監視回路１４のプラス側電源端子Ｖｃｃとを接続する。これにより、監視回路１４には、電池スタック２２Ａの電圧と電池スタック２２Ｂの電圧の和からなる電圧が電源電圧として印加される。なお、監視回路１４は、マイナス側電源端子Ｖｓｓとプラス側電源端子Ｖｃｃ間の電源電圧についても、例えばＡ／Ｄ変換してデジタルデータとして検出する。

なお、上述したように、本実施形態では、個々の電池セル２６から延設された検出線３０が、最終的に監視回路１４のプラス側電源端子Ｖｃｃに合流する。したがって、電池スタック２２Ａ，２２Ｂが接続されていない場合であっても、図２に示すように、一方の電池スタック２２Ａから監視回路１４に電源電圧が印加されるような構成となっている。

図１に戻り、保護回路２０は、電池セル２６からの過電流や過電圧から監視回路１４を保護する。保護回路２０は、例えば、検出線３０上に設けられたヒューズ３６と、隣り合うヒューズ３６間を繋ぐようにして設けられたツェナーダイオード３８を備えていて良い。ツェナーダイオード３８は、電池スタック２２の負極から正極に向かう方向を順方向とするように設けられていてよい。

リレー１６は、システムメインリレーとも呼ばれ、バッテリーモジュール１２と図示しない負荷とを含む高電圧回路４０の接続及び遮断を行う。リレー１６は、例えば有接点リレーであってよく、可動接点を駆動させるコイル４２を備えてよい。

制御部１８は、リレー１６の接続／遮断を行う。制御部１８は、リレー１６に対する接続／遮断指令を受信可能となっている。例えば、車両に設けられたスタートボタンのオン／オフ状態を示す信号が制御部１８に送信される。また、制御部１８は、リレー１６の操作が可能となっており、例えばリレー１６のコイル４２に電流を供給できるようになっている。さらに、制御部１８は、監視回路１４の電源電圧を監視可能となっている。

制御部１８は、監視回路１４の電源電圧値（プラス側電源端子Ｖｃｃとマイナス側電源端子Ｖｓｓの電位差）を取得する。例えば、監視回路１４において検出した（デジタルデータに変換された）電源電圧値を取得する。制御部１８は、取得した監視回路１４の電源電圧値に応じて、リレー１６に対する接続指令受信時の接続可否を判定する。

具体的には、制御部１８は、監視回路１４の電源電圧が低下しているとき、リレー１６の接続を許可しない制御を行う。監視回路１４の電源電圧が低い場合とは、図２に示すように、コネクタ２４が外れて電池スタック２２Ａ，２２Ｂの接続が切断され、電池スタック２２Ａのみから電圧が印加されている場合が考えられる。このような場合にリレー１６を接続状態にすると、電池スタック２２Ａから保護回路２０を経由して電池スタック２２Ｂに至る電流経路が形成され、その結果、保護回路２０の破損に繋がるおそれがある。そこでこのような場合に、制御部１８は、リレー１６の接続を許可しない保護制御を実行する。

例えば制御部１８は、監視回路１４の電源電圧値を所定の閾値と比較し、電源電圧値が当該閾値未満である場合に、リレー１６の接続を許可しない。ここで、閾値は、要するに単独の電池スタック２２からのみ電圧が印加されていることが分かる値であればよい。例えば、電池スタック２２Ａと電池スタック２２Ｂの放電終止電圧の和を閾値としてよい。
制御部１８は、監視回路１４と統合して１つの半導体集積回路（ＩＣ）で構成してもよい。

図３には、制御部１８の制御フローが例示されている。まず、スタートボタンが押されるなどによって、遮断時のリレー１６に対する接続指令（Ｒｅａｄｙオン指令）が制御部１８に送られる（Ｓ１０）。制御部１８では、接続指令受信時であっても、リレー１６の接続（高電圧回路４０の接続）を待機する（Ｓ１２）。さらに制御部１８は、監視回路１４の電源電圧（電圧値ＶｃｃとＶｓｓの差）を参照して、これら電源電圧と閾値とを比較する（Ｓ１４）。電源電圧が閾値未満である場合には、制御部１８はリレー１６の回路接続を禁止する（Ｓ１６）。一方、電源電圧が閾値以上である場合には、制御部１８は、接続指令に応じて、リレー１６のコイル４２に電流を供給して、リレー１６を接続状態にする（Ｓ１８）。

なお、リレー１６の回路接続を禁止する（Ｓ１６）場合、スタートボタンを押した操作者の意図に反して、高電圧回路４０が起動しないことから、ステップＳ１６の実行時には、操作者への説明が併せて行われるようにしても良い。例えば、操作者に対して、電池スタック２２の接続状態を確認する旨や、修理機関に問い合わせる旨の、音声案内や文字表示を行うようにしてもよい。

図４には、図３とは異なる制御フローが例示されている。このフローでは、監視回路１４の電源電圧のチェックを、監視回路１４の起動有無や通信有無等によって行う。図４では、図３のステップＳ１４がステップＳ２０に置き換えられている。監視回路１４が起動する定格電圧が、電池スタック２２Ａ及び２２Ｂを直列接続させたときの電圧値となっている場合、一つの電池スタック２２Ａから電圧が印加されるのみでは、監視回路１４が起動しない場合がある。そこで、制御部１８は、監視回路１４が起動されていないことや、監視回路１４から応答がない等の通信異常があるか否かを判定する（Ｓ２０）。制御部１８は、監視回路１４が起動されていない、または、通信異常があった場合は、リレー１６の接続を禁止する（Ｓ１６）。一方、監視回路１４との通信が正常に行われるか、または、監視回路１４の起動を確認した場合には、制御部１８は、リレー１６のコイル４２に電流を供給して、リレー１６を接続状態にする（Ｓ１８）。

１０制御装置、１２バッテリーモジュール、１４監視回路、１６リレー、１８制御部、２０保護回路、２２電池スタック、２４コネクタ、２６電池セル、４０高電圧回路。

Claims

複数の電池セルが直列接続された電池スタックを複数備えるとともに、前記電池スタック同士を直列接続するコネクタと、を備えるバッテリーモジュールと、
前記コネクタを介して直列接続される複数の前記電池スタックに対して並列に接続され前記コネクタを介して直列接続される前記複数の電池スタックから電源電圧が印加されるとともに、前記複数の電池スタックの前記電池セルの状態を監視する監視回路と、
前記バッテリーモジュールと負荷とを含む高電圧回路の接続及び遮断を行うリレーと、
遮断時の前記リレーに対する接続指令を受信可能であって、前記監視回路の電源電圧に応じて、前記接続指令受信時の、前記リレーの接続可否を判定する制御部と、
を備えることを特徴とする、高電圧回路の制御装置。