JP2016052158A - バッテリパックの放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供すること。【解決手段】バッテリと、バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータとを有するバッテリパックに外部の負荷装置が接続された状態で、負荷装置から送信された放電要求信号に応じて（ステップＳ１）、インバータを構成する少なくとも１つのアームを通電状態にするようにインバータを制御する（ステップＳ３）。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリを有するバッテリパックの放電装置に関する。

バッテリパックを搭載した車両は、例えば、整備時の通電テストなどを行うために、バッテリパック内のバッテリを強制的に放電させる必要がある。このように、バッテリを強制的に放電させるものが特許文献１に提案されている。

しかしながら、特許文献１に提案されたものは、インバータが内蔵されているバッテリパック内のバッテリを強制的に放電させる場合には、バッテリパックからバッテリを取り出す工程が必要であった。

このように、バッテリパックからバッテリを取り出す工程を省くことができるものとして、特許文献２には、インバータを制御して閉ループを形成することにより、インバータが内蔵されているバッテリパックであっても、バッテリを取り出さずに、バッテリを強制的に放電させることができるものが提案されている。

特開２０１０−１８２６１９号公報 特開平８−２０５３０４号公報

しかしながら、特許文献２に提案されたものは、インバータとモータとを放電負荷として、バッテリに蓄えられた電気を消費するため、インバータ及びモータが発熱してしまうといった課題があった。

そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係るバッテリパックの放電装置の一態様は、バッテリと、前記バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータと、外部の負荷装置が接続される第１端子及び第２端子を有する接続部とを含み、前記外部の負荷装置が接続された第１状態では、前記第１端子及び前記第２端子を前記負荷装置を介して通電状態にし、前記負荷装置が接続されていない第２状態では、前記第１端子及び前記第２端子を非通電状態にするバッテリパックを備え、前記バッテリパックは、前記接続部が前記第１状態にあるときに、前記負荷装置から送信された放電要求信号に応じて、前記インバータを構成する少なくとも１つのアームを通電状態にするように前記インバータを制御する制御部を更に有する。

本発明は、インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るバッテリパックの放電装置を搭載した車両の要部を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るバッテリパックの放電装置の放電動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下、本発明に係るバッテリパックの放電装置を搭載した車両として、ハイブリッド車両を適用した実施の形態について説明する。

図１に示すように、車両１は、モータジェネレータ２と、バッテリパック３とを含んで構成される。本実施の形態において、モータジェネレータ２は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の交流電力により駆動する三相交流モータによって構成される。

例えば、モータジェネレータ２は、回転磁界を形成するステータと、複数の永久磁石が埋め込まれてステータの内部に配置されたロータとを有している。ステータは、ステータコア及びステータコアに巻き掛けられたＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相コイルを有している。

ここで、ステータの三相コイルに三相交流電力が供給されると、ステータによって回転磁界が形成され、この回転磁界にロータに埋め込まれた永久磁石が引かれることにより、ロータが回転駆動される。このロータの回転駆動力により、車両１が駆動される。このように、モータジェネレータ２は、電動機として機能するようになっている。

また、ロータに埋め込まれた永久磁石が回転すると、回転磁界が形成され、この回転磁界によりステータの三相コイルに誘導電流が流れることにより、三相コイルの両端に電力が発生する。このように、モータジェネレータ２は、発電機としても機能するようになっている。

バッテリパック３は、バッテリ１０と、負極側リレー１１ａと、正極側リレー１１ｂと、プリチャージ回路１２と、平滑コンデンサ１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４と、インバータ１５と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１６とを含んで構成される。

バッテリ１０は、直列に接続された複数のセル１０ａによって構成され、各セル１０ａは、二次電池によって構成される。このように、バッテリ１０は、直流の電源を構成する。本実施の形態において、バッテリ１０は、正極が正極線ＰＬに接続され、負極が負極線ＮＬに接続されている。

また、バッテリ１０には、第１端子２０ａ及び第２端子２０ｂを有する接続部２０が直列に接続されている。接続部２０には、外部の負荷装置２１が接続されるようになっている。接続部２０は、負荷装置２１が接続された第１状態では、第１端子２０ａ及び第２端子２０ｂが負荷装置２１を介して通電状態となり、負荷装置２１が接続されていない第２状態では、第１端子２０ａ及び第２端子２０ｂが非通電状態となる。

なお、本実施の形態において、接続部２０は、第２状態では、図示しないサービスプラグによって、第１端子２０ａ及び第２端子２０ｂが直接に通電状態となる。すなわち、接続部２０は、負荷装置２１が接続されていない第２状態では、第１端子２０ａ及び第２端子２０ｂがサービスプラグを介して通電状態になる。

負荷装置２１は、電気を熱に変換することによって放電する放電負荷ＲＬと、ＥＣＵ１６に制御信号を送信する制御回路２３と、ＥＣＵ１６を動作させるための電力を発生する電源２４とを有している。また、負荷装置２１には、電源２４によって発生された電力をＥＣＵ１６に供給するためのコネクタ２５が設けられている。

制御回路２３は、バッテリパック３に負荷装置２１が接続されたときに、バッテリ１０の放電を要求する放電要求信号を制御信号としてＥＣＵ１６に送信するようになっている。本実施の形態において、制御回路２３は、バッテリパック３に負荷装置２１が接続されたことをＥＣＵ１６に検知させる接続検知端子２６を介して放電要求信号をＥＣＵ１６に送信するようになっている。

バッテリパック３において、平滑コンデンサ１３は、第１電極として陽極を有し、第２電極として陰極を有する。平滑コンデンサ１３は、陽極が正極線ＰＬに接続され、陰極が負極線ＮＬに接続され、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に生じた直流電力の電圧を平滑化するようになっている。

負極側リレー１１ａは、ＥＣＵ１６の制御に応じて、バッテリ１０の負極と平滑コンデンサ１３の陰極とを接続する接続状態及びバッテリ１０の負極と平滑コンデンサ１３の陰極とを切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。例えば、負極側リレー１１ａは、モータジェネレータ２が運転状態にあるときは、接続状態をとるようにＥＣＵ１６によって制御される。

正極側リレー１１ｂは、ＥＣＵ１６の制御に応じて、バッテリ１０の正極と平滑コンデンサ１３の陽極とを接続する接続状態及びバッテリ１０の正極と平滑コンデンサ１３の陽極とを切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。例えば、正極側リレー１１ｂは、モータジェネレータ２が運転状態にあるときは、接続状態をとるようにＥＣＵ１６によって制御される。

プリチャージ回路１２は、プリチャージリレー１２ａと、プリチャージリレー１２ａと直列に接続された抵抗Ｒｐとによって構成されている。プリチャージリレー１２ａは、ＥＣＵ１６の制御に応じて、プリチャージ回路１２を正極側リレー１１ｂに並列に接続する接続状態及びプリチャージ回路１２を正極側リレー１１ｂから電気的に切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。

例えば、プリチャージリレー１２ａは、モータジェネレータ２が作動する前に接続状態をとり、正極側リレー１１ｂが接続状態をとった後に切断状態をとるようにＥＣＵ１６によって制御される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、バッテリ１０から供給された直流電力を低電圧の電力に変換するようになっている。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、低電圧に変換した電力を、補機などに電力を供給するための図示しない低電圧バッテリに供給するようになっている。

インバータ１５は、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８と、ダイオードＤ３〜Ｄ８とを含んで構成される。インバータ１５は、平滑コンデンサ１３によって電圧が平滑化された直流電力を交流電力に変換するようになっている。また、インバータ１５は、モータジェネレータ２によって発生された交流電力を直流電力に変換するようになっている。

本実施の形態において、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、コレクタ、ゲート、エミッタの３端子を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成されている。

スイッチング素子Ｑ３は、コレクタが正極線ＰＬに接続され、エミッタがモータジェネレータ２のＵ相の入力端子に接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。スイッチング素子Ｑ４は、ソースがスイッチング素子Ｑ３のエミッタに接続され、エミッタが負極線ＮＬに接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。

ダイオードＤ３は、カソードがスイッチング素子Ｑ３のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ３のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ３と、スイッチング素子Ｑ３とは、Ｕ相の上アームを構成する。

ダイオードＤ４は、カソードがスイッチング素子Ｑ４のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ４のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ４と、スイッチング素子Ｑ４とは、Ｕ相の下アームを構成する。

スイッチング素子Ｑ５は、コレクタが正極線ＰＬに接続され、エミッタがモータジェネレータ２のＶ相の入力端子に接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。スイッチング素子Ｑ６は、ソースがスイッチング素子Ｑ６のエミッタに接続され、エミッタが負極線ＮＬに接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。

ダイオードＤ５は、カソードがスイッチング素子Ｑ５のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ５のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ５と、スイッチング素子Ｑ５とは、Ｖ相の上アームを構成する。

ダイオードＤ６は、カソードがスイッチング素子Ｑ６のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ６のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ６と、スイッチング素子Ｑ６とは、Ｖ相の下アームを構成する。

スイッチング素子Ｑ７は、コレクタが正極線ＰＬに接続され、エミッタがモータジェネレータ２のＷ相の入力端子に接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。スイッチング素子Ｑ８は、ソースがスイッチング素子Ｑ７のエミッタに接続され、エミッタが負極線ＮＬに接続され、ゲートがＥＣＵ１６に接続されている。

ダイオードＤ７は、カソードがスイッチング素子Ｑ７のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ７のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ７と、スイッチング素子Ｑ７とは、Ｗ相の上アームを構成する。

ダイオードＤ８は、カソードがスイッチング素子Ｑ８のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Ｑ８のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードＤ８と、スイッチング素子Ｑ８とは、Ｗ相の下アームを構成する。

このように、Ｕ相の上アームと下アームとによってＵ相のアーム１７が構成され、Ｖ相の上アームと下アームとによってＶ相のアーム１８が構成され、Ｗ相の上アームと下アームとによってＷ相のアーム１９が構成される。

各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８の各ゲートは、ＥＣＵ１６によりデューティ比が制御された制御信号によって、モータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に流れる電流の向きと量が１２０度の位相差をもって連続的に変化する交流となるように制御される。この結果、モータジェネレータ２のステータが回転磁界を形成し、モータジェネレータ２のロータが回転させられる。

ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

ＥＣＵ１６のＲＯＭには、各種定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ１６として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ１６において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ１６として機能する。

ＥＣＵ１６の入力ポートには、バッテリ１０の温度を検出するバッテリ温度センサ３０と、バッテリ１０の電圧を検出する電圧センサ３１と、インバータ１５の温度を検出するインバータ温度センサ３２と、バッテリパック３内の絶縁劣化を検出する絶縁劣化センサ３３とを含む各種センサ類が接続されている。

なお、電圧センサ３１は、バッテリ１０を構成する各セル１０ａの電圧を検出するようにしてもよい。また、バッテリ１０の電圧を検出する電圧センサと、各セル１０ａの電圧を検出する電圧センサとの両方をバッテリパック３に設けてもよい。

また、ＥＣＵ１６の出力ポートには、負極側リレー１１ａと、正極側リレー１１ｂと、プリチャージリレー１２ａと、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８とを含む各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ１６は、各種センサ類から得られる情報に基づいて、各種制御対象類を制御するようになっている。本実施の形態において、ＥＣＵ１６は、上述したように、負極側リレー１１ａ、正極側リレー１１ｂ、プリチャージ回路１２及びスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８を制御するようになっている。

また、ＥＣＵ１６は、接続部２０が第１状態にあるときに、負荷装置２１から送信された放電要求信号に応じて、インバータ１５を構成する少なくとも１つのアームを通電状態にするようにインバータ１５を制御する制御部５０を構成する。

詳細には、ＥＣＵ１６は、接続部２０に負荷装置２１が接続されている第１状態にあるときに、負荷装置２１から送信された放電要求信号に応じて、負極側リレー１１ａ及び正極側リレー１１ｂをオン状態にし、インバータ１５を構成する少なくとも１つのアームとして、例えば、Ｕ相のアーム１７を通電状態にするようにインバータ１５を制御するようになっている。

これにより、バッテリ１０とインバータ１５と放電抵抗ＲＬとによって閉ループが形成され、バッテリ１０に蓄積された電気が放電抵抗ＲＬによって熱に変換され、バッテリ１０に蓄積された電気の放電が行われる。

ただし、ＥＣＵ１６は、所定の放電許可条件が成立していれば、バッテリ１０とインバータ１５とを通電状態に制御し、放電許可条件が成立していなければ、バッテリ１０とインバータ１５とを非通電状態に制御するようになっている。

ここで、ＥＣＵ１６は、バッテリ１０の温度が所定温度Ｔ１未満であること、バッテリ１０の電圧が所定電圧Ｖ１以上であること、バッテリ１０を構成する各セル１０ａの電圧が所定電圧Ｖ２以上であること、及び、インバータ１５の温度が所定温度Ｔ２未満であることの少なくとも１つを放電許可条件とする。なお、所定温度Ｔ１、Ｔ２及び所定電圧Ｖ１、Ｖ２は、それぞれ予め実験的に定められた適合値である。

ＥＣＵ１６は、バッテリ１０とインバータ１５とを非通電状態にする場合には、負極側リレー１１ａ又は正極側リレー１１ｂをオフ状態に維持し、バッテリ１０とインバータ１５とを通電状態にする場合には、負極側リレー１１ａ及び正極側リレー１１ｂをオン状態に切り替えるようになっている。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係るバッテリパックの放電装置による放電動作について図２を参照して説明する。なお、以下に説明する放電動作は、バッテリパック３に負荷装置２１が接続され、電源２４によって発生された電力がＥＣＵ１６に供給されたことにより、バッテリパック３に負荷装置２１が接続されたことが接続検知端子２６を介してＥＣＵ１６によって検知されたときにスタートする。

まず、ＥＣＵ１６は、接続検知端子２６を介して負荷装置２１から放電要求信号を受信したか否かを判断する（ステップＳ１）。ここで、放電要求信号を受信していないと判断した場合には、ＥＣＵ１６は、ステップＳ１の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１６は、放電要求信号の受信待ち状態となる。

一方、放電要求信号を受信したと判断した場合には、ＥＣＵ１６は、放電許可条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、放電許可条件が成立していないと判断した場合には、ＥＣＵ１６は、放電動作を終了する。

すなわち、ＥＣＵ１６は、負極側リレー１１ａ及び正極側リレー１１ｂを切断状態にするとともに、スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４を非通電状態（オフ状態）にする。

ステップＳ２において、放電許可条件が成立していると判断した場合には、ＥＣＵ１６はバッテリ１０の放電を開始する（ステップＳ３）。ここで、ＥＣＵ１６は、メインリレー制御及びインバータ制御を実行する。

メインリレー制御において、ＥＣＵ１６は、負極側リレー１１ａ及び正極側リレー１１ｂを接続状態にする。なお、ＥＣＵ１６は、プリチャージリレー１２ａを接続状態にした状態で、正極側リレー１１ｂを接続状態にし、その後、プリチャージリレー１２ａを切断状態にしてもよい。

また、インバータ制御において、ＥＣＵ１６は、インバータ１５を構成する少なくとも１つのアームを通電状態にするようにインバータ１５を制御する。例えば、ＥＣＵ１６は、Ｕ相のアーム１７を通電状態にするようにインバータ１５を制御する。

より具体的には、ＥＣＵ１６は、スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４を通電状態（オン状態）にする。これにより、バッテリ１０とインバータ１５と放電負荷ＲＬとによる閉ループが形成され、バッテリ１０の放電が開始される。

次に、ＥＣＵ１６は、放電終了条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ４）。本実施の形態において、ＥＣＵ１６は、バッテリ１０の温度が所定温度Ｔ１以上であること、バッテリ１０の電圧が所定電圧Ｖｆ未満であること、バッテリ１０のＳＯＣが所定値Ａ未満であること、インバータ１５の温度が所定温度Ｔ２以上であること、及び、バッテリパック３内に絶縁劣化があることの少なくとも１つ以上を放電終了条件とする。

ここで、所定電圧Ｖｆ及びＳＯＣの所定値Ａは、バッテリの電荷が全て放電されたと判断される値である。

ステップＳ４において、放電終了条件が成立していないと判断した場合には、ＥＣＵ１６は、ステップＳ４の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１６は、放電終了条件の成立待ち状態となる。

一方、放電終了条件が成立していると判断した場合には、ＥＣＵ１６は、放電終了処理を実行し（ステップＳ５）、放電動作を終了する。すなわち、ＥＣＵ１６は、負極側リレー１１ａ及び正極側リレー１１ｂを切断状態にするとともに、スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４を非通電状態（オフ状態）にする。

以上のように、本実施の形態は、バッテリパック３に負荷装置２１を接続し、インバータ１５を構成する少なくとも１つのアームを通電状態にすることにより、バッテリ１０とインバータ１５と放電負荷ＲＬとによる閉ループを形成させ、バッテリ１０に蓄えられた電気を放電負荷ＲＬにより熱に変換させるため、インバータ１５及びモータジェネレータ２を発熱させることなく、バッテリ１０を強制的に放電させることができる。

また、本実施の形態は、放電許可条件が成立していれば、バッテリ１０とインバータ１５とを通電状態に制御し、放電許可条件が成立していなければ、バッテリ１０とインバータ１５とを非通電状態に制御するため、バッテリパック３に異常があるときには、バッテリ１０の放電を行わないようにすることができる。

なお、本実施の形態においては、本発明に係るバッテリパックの放電装置をハイブリッド車両に適用した例について説明したが、本発明に係るバッテリパックの放電装置は、電気自動車及びプラグインハイブリッド車両などのように、電気で駆動する車両にも適用することができる。

以上、本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が特許請求の範囲に記載された請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ モータジェネレータ（モータ）
１０ バッテリ
１０ａ セル
１５ インバータ
１７、１８、１９ アーム
２０ 接続部
２０ａ 第１端子
２０ｂ 第２端子
２１ 負荷装置
５０ 制御部

Claims (5)

1. バッテリと、前記バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータと、外部の負荷装置が接続される第１端子及び第２端子を有する接続部とを含み、前記外部の負荷装置が接続された第１状態では、前記第１端子及び前記第２端子を前記負荷装置を介して通電状態にし、前記負荷装置が接続されていない第２状態では、前記第１端子及び前記第２端子を非通電状態にするバッテリパックを備え、
   前記バッテリパックは、前記接続部が前記第１状態にあるときに、前記負荷装置から送信された放電要求信号に応じて、前記インバータを構成する少なくとも１つのアームを通電状態にするように前記インバータを制御する制御部を更に有するバッテリパックの放電装置。
2. 前記制御部は、所定の放電許可条件が成立していれば、前記バッテリと前記インバータとを通電状態に制御し、前記放電許可条件が成立していなければ、前記バッテリと前記インバータとを非通電状態に制御する請求項１に記載のバッテリパックの放電装置。
3. 前記制御部は、前記バッテリの温度が所定温度未満であること、前記バッテリの電圧が所定電圧以上であること、前記バッテリを構成するセルの電圧が所定電圧以上であること、及び、前記インバータの温度が所定温度未満であることの少なくとも１つを前記放電許可条件とする請求項２に記載のバッテリパックの放電装置。
4. 前記制御部は、所定の放電終了条件が成立していれば、前記バッテリと前記インバータとを非通電状態に制御する請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載のバッテリパックの放電装置。
5. 前記制御部は、前記バッテリの温度が所定温度未満であること、前記バッテリの電圧が所定電圧未満であること、前記バッテリのＳＯＣが所定値未満であること、及び、前記バッテリパック内に絶縁劣化があることの少なくとも１つを前記放電終了条件とする請求項４に記載のバッテリパックの放電装置。
   

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