JP2019506834A - 検電器及びシグナルヒューズを用いたｍｏｓｆｅｔリレー保護装置及び保護方法 - Google Patents

検電器及びシグナルヒューズを用いたｍｏｓｆｅｔリレー保護装置及び保護方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、車両用バッテリーのメイン回路に備えられたＭＯＳＦＥＴリレーの通電電流値を検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を介して検出電圧値を算出し、算出された電圧値が既に設定された臨界値を超過する場合、シグナルヒューズ（ｓｉｇｎａｌ ｆｕｓｅ）を動作させることによって、ＭＯＳＦＥＴリレーに印加される電流を事前に遮断して、ＭＯＳＦＥＴリレーを焼損から保護できる検電器及びシグナルヒューズを用いたＭＯＳＦＥＴリレー保護装置及び方法に関する。

Description

本明細書は２０１６年４月１１日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１６−００４４２８５号に基づいた優先権の利益を主張し、該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、検電器及びシグナルヒューズを用いたＭＯＳＦＥＴ保護装置及び方法に関し、車両用バッテリーのメイン回路に備えられたＭＯＳＦＥＴリレーの通電電流値を検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を介して検出電圧値を算出し、算出された電圧値が既に設定された臨界値を超過する場合、シグナルヒューズ（ｓｉｇｎａｌ ｆｕｓｅ）を動作させることによって、ＭＯＳＦＥＴリレーに印加される電流を事前に遮断して、ＭＯＳＦＥＴリレーを焼損から保護できる検電器及びシグナルヒューズを用いたＭＯＳＦＥＴリレー保護装置及び方法に関する。
一般に、バッテリーから出力されるエネルギーを動力源にして走行する電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＰＨＥＶ）の場合、車両モータの駆動に応じた内臓バッテリーの充電を要し、この時、充電源とバッテリーとの間に流れる電流を通電されるようにするか又は遮断されるようにするためにリレー（Ｒｅｌａｙ）という素子が用いられている。
それのみならず、上述した電気自動車の内部回路上においても臨界値を超過する過電流が流れる状況で各種素子を保護しなければならない場合、このようなリレーの状態がオン（Ｏｎ）状態からオフ（Ｏｆｆ）状態に変更されることによって回路上の電流が遮断されることによって各種素子が保護される。
一方、電気自動車において、リレー、特に機械式リレーの場合、頻繁な騒音の発生及び溶着による頻繁なメンテナンス等の問題点を有しているため、従来には、それを解決するために、機械式リレーの代わりに半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（Ｓｉｌｉｃｏｎ） Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてリレーを実現及び適用している現状である。
この時、ＭＯＳＦＥＴリレーは、素子の特性上、過電流（例えば、１０００Ａ以上の電流）が印加される場合、焼損及び破壊される恐れがあるため、それを事前に遮断できる別途の遮断装置が必要であるが、従来には、このようなＭＯＳＦＥＴリレーそのものを焼損から保護できる別途の遮断装置が存在しないことにより、焼損されたＭＯＳＦＥＴリレーを毎度新しいＭＯＳＦＥＴリレーに交換しなければならないという問題点を有していた。
そこで、本発明者は、上述した従来のＭＯＳＦＥＴリレーを介して実現された回路が有する問題点を解決するために、車両用バッテリーのメイン回路に備えられたＭＯＳＦＥＴリレーの通電電流値を検電器を介して検出電圧値を算出し、算出された電圧値が既に設定された臨界値を超過する場合、シグナルヒューズを動作させることによって、ＭＯＳＦＥＴリレーに印加される電流を事前に遮断して、ＭＯＳＦＥＴリレーを焼損から保護できる検電器及びシグナルヒューズを用いたＭＯＳＦＥＴリレー保護装置及び方法を発明するに至った。
本発明は、上述した問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は、車両用バッテリーのメイン回路に備えられたＭＯＳＦＥＴリレーの通電電流値を検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を介して検出電圧値を算出し、算出された電圧値が既に設定された臨界値を超過する場合、シグナルヒューズ（ｓｉｇｎａｌ ｆｕｓｅ）を動作させることによって、ＭＯＳＦＥＴリレーに印加される電流を事前に遮断して、ＭＯＳＦＥＴリレーを焼損から保護できる検電器及びシグナルヒューズを用いたＭＯＳＦＥＴリレー保護装置及び方法を提供しようとする。
本発明に係る実施形態のうち、ＭＯＳＦＥＴリレー保護装置は、抵抗体に通電される電流の電圧値を算出し、前記電圧値が臨界値を超過するか否かを判断する検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、及び前記検電器の判断結果に応じて、回路上のヒューズを短絡させる短絡部を含む。
一実施形態において、前記ヒューズが短絡されることによって前記抵抗体と連結されたＭＯＳＦＥＴリレーに通電される電流が遮断される。
一実施形態において、前記検電器は、前記電圧値を増幅して増幅電圧値を出力する演算増幅器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＯＰ Ａｍｐ）、及び前記増幅電圧値が既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断する比較器（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）を含む。
一実施形態において、前記短絡部は、前記検電器から発熱制御信号の印加を受ける制御器、及び前記ヒューズと連結され、前記制御器から印加される発熱信号によって発熱する発熱体を含み、前記発熱体が発熱することによって前記ヒューズが短絡される。
一実施形態において、前記比較器の判断結果、前記増幅電圧値が前記臨界増幅電圧値を超過する場合、前記検電器は前記制御器に発熱制御信号を印加し、前記発熱制御信号によって前記制御器は前記発熱体を発熱させる。
一実施形態において、前記制御器は電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）であり、前記発熱体はＰＴＣを含む発熱抵抗であってもよい。
一実施形態において、前記抵抗体はシャント（Ｓｈｕｎｔ）抵抗であってもよい。
一実施形態において、前記短絡部はシグナルヒューズ（Ｓｉｇｎａｌ Ｆｕｓｅ）であってもよい。
本発明の他の実施形態に係るＭＯＳＦＥＴリレー保護方法は、検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を介して、抵抗体に通電される電流の電圧値を算出し、前記電圧値が臨界値を超過するか否かを判断するステップ、及び前記検電器の判断結果に応じて、短絡部において回路上のヒューズを短絡させるステップを含む。
一実施形態において、前記超過するか否かを判断するステップは、前記抵抗体に通電される電流の電流値を測定するステップ、前記電流値及び前記抵抗体の抵抗値に基づいて電流の電圧値を算出するステップ、演算増幅器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＯＰ Ａｍｐ）を介して、前記電圧値を前記増幅電圧値に増幅するステップ、及び比較器（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）を介して、前記増幅電圧値が既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断するステップを含む。
一実施形態において、前記ヒューズを短絡させるステップは、前記検電器から前記短絡部に発熱制御信号を印加するステップ、前記短絡部内に含まれた制御器が発熱体を発熱させるステップ、及び前記発熱体が発熱することによって前記ヒューズが短絡されるステップを含む。
一実施形態において、前記既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断するステップは、５００アンペア〜１０００アンペアの電流値に該当する臨界電流範囲に基づいて臨界増幅電圧値を設定するステップを含む。
本発明の一実施形態に係るＭＯＳＦＥＴリレー保護装置及び保護方法は、ＭＯＳＦＥＴリレーの通電能力（１０００アンペア等）を超過する電流がＭＯＳＦＥＴリレーに印加される前に事前に遮断することによって、過電流からＭＯＳＦＥＴリレー素子そのものを保護できる利点を有する。
また、本発明は、０．５Ｖ以下で微細に出力される抵抗体の両端電圧差を演算増幅器（ＯＰ Ａｍｐ）を介して増幅することによって、臨界増幅電圧値をより容易に設定できる利点を有する。
本発明の一実施形態に係るＭＯＳＦＥＴリレー保護装置１００の構成を概略的に示す図である。 図１に示されたＭＯＳＦＥＴリレー保護装置１００を介してＭＯＳＦＥＴリレーを保護する順序を概略的に示すフローチャートである。
以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施形態を提示する。しかし、下記の実施形態は本発明をより容易に理解するために提供されるものに過ぎず、下記の実施形態によって本発明の内容が限定されるものではない。
また、本明細書の図面に示されたバッテリーモジュール１はプラグインハイブリッド電気車（Ｐｌｕｇ ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＰＨＥＶ）、または電気車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）等に適用可能な２次電池を意味し、車両２は上記のようにプラグインハイブリッド電気車あるいは電気車等を意味する。
なお、本明細書において、ＭＯＳＦＥＴリレー３とは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（Ｓｉｌｉｃｏｎ） Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＭＯＳＦＥＴ）を用いてリレー（スイッチング素子）を実現した素子を意味し、この時、ＭＯＳＦＥＴリレー３は、従来の公知の技術を利用するため、ＭＯＳＦＥＴリレー３素子そのものに関する詳細な説明は省略することにする。
また、本明細書において、ヒューズ４とは、一般に回路上に備えられて過電流によって溶断されることによって回路内の電流を遮断する役割をする素子を意味し、同じように、ヒューズ４は、従来の公知の技術を利用するため、ヒューズ４素子そのものに関する詳細な説明は省略することにする。
図１は、本発明の一実施形態に係るＭＯＳＦＥＴリレー保護装置１００の構成を概略的に示す図である。
図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係るＭＯＳＦＥＴリレー保護装置１００は、ＭＯＳＦＥＴリレー３と連結された抵抗体１１０、検電器１２０及び短絡部１３０を含んで構成されることができる。
先ず、抵抗体１１０は、ＭＯＳＦＥＴリレー３とヒューズ４との間に位置し、ヒューズ４からＭＯＳＦＥＴリレー３に伝達される電流値を測定するための手段の役割を果たす。
より具体的には、抵抗体１１０は、抵抗値の非常に低い（例えば、０．００１オーム等）シャント（Ｓｈｕｎｔ）抵抗（あるいは、分類抵抗）が適用され、通電電流値が５００アンペア（Ａ）以上の過電流に該当して電圧測定器（図示せず）を直列に連結し難い場合、このようなシャント抵抗のような抵抗体１１０を用いて電流値を逆に算出することができる。
このようなシャント抵抗のような抵抗体１１０を用いて電流値を逆に算出する過程を概略的に説明すれば以下のとおりである。
［数式１］
Ｖ＝Ｉ×Ｒ
ここで、Ｖは電圧値（Ｖ）であり、Ｉは電流値（Ａ）であり、Ｒは抵抗値（Ω）である。
例えば、バッテリーモジュール１から出力される電流の電圧値Ｖが５Ｖであり、抵抗値Ｒが０．００１Ωである場合、前記数式により、電流値は５／０．００１＝５００Ａが算出されることが分かる。
他の例を挙げれば、バッテリーモジュール１から出力される電流の電圧値Ｖが１０Ｖであり、抵抗値Ｒが０．００１Ωである場合、前記数式により、電流値は１０／０．００１＝１０００Ａが算出されることが分かる。
このように、本発明に係る抵抗体１１０は、バッテリーモジュール１から出力される電流の電流値が非常に大きい過電流に該当する場合、これを逆に算出するために用いられることができる。一方、本明細書に記載された抵抗体１１０は既に公知のシャント抵抗を用いるため、具体的な説明は省略することにする。
次に、検電器１２０は、上述した抵抗体１１０に通電される電流の電圧値を算出し、該電圧値が臨界値を超過するか否かを判断する役割を果たす。
より具体的には、検電器（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１２０は、抵抗体１１０の両端に沿って通電される電流の電流値と、抵抗体１１０が有する抵抗値とを用いて抵抗体１１０の通電電圧値を算出して該電圧値を所定の倍数に増幅し、増幅された増幅電圧値を既に設定された臨界増幅電圧値と比較することによって超過可否を判断する役割をし、このような検電器１２０の役割は、演算増幅器１２１及び比較器１２２を介して実現されることができる。
演算増幅器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＯＰ Ａｍｐ）１２１は、算出された電圧値を所定の倍数（例えば、１０倍あるいは２０倍等）に増幅することによって、後述する比較器１２２の電圧比較を容易にするようにする。
検電器１２０を介して算出された初期電圧値は、抵抗体１１０に通電される電流の過度な電流値（例えば、５００Ａ以上）により、０．５Ｖ、０．６Ｖ、０．７Ｖ等のように微細な微小電圧として算出される。したがって、このような微小電圧を２０倍等に増幅させることによって、後述する比較器１２２ではより容易に電圧値を比較できるようになる。
例えば、検電器１２２を介して算出された初期電圧値が０．５Ｖである場合、演算増幅器１２１は初期電圧値を２０倍に増幅させ、それにより、１０Ｖに該当する増幅電圧値が出力される。このように出力された増幅電圧値は、後述する比較器１２２において通電電流の過電流の判断に利用できる。
一実施形態において、演算増幅器１２１は、使用者が既に設定した臨界電圧範囲を増幅させる役割も果たす。
ここで、使用者が既に設定した臨界電圧範囲とは、ＭＯＳＦＥＴリレー３を焼損から保護するために使用者が任意に設定する電圧保護領域を意味し、例えば、０．５Ｖ〜１．０Ｖ等のようにＭＯＳＦＥＴリレー３が動作する最大電圧値〜ＭＯＳＦＥＴリレー３が焼損される時点の電圧値区間を意味する。
この時、臨界電圧範囲が０．５Ｖ〜１．０Ｖ等のように微細な理由は、上述したように、抵抗体１１０に通電される電流の過度な電流値（例えば、５００Ａ以上）によるものであり、演算増幅器１２１は、このような微小臨界電圧範囲を所定の倍数（例えば、２０倍等）に増幅させ、それにより、１０Ｖ〜２０Ｖに該当する臨界増幅電圧範囲が出力される。このように出力された臨界増幅電圧範囲は、後述する比較器１２２の過電流の判断基準範囲としての役割をする。
比較器（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）１２２は、上述した演算増幅器１２１から出力される増幅電圧値と臨界増幅電圧値とを比較することによって、増幅電圧値が臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断する役割を果たす。
ここで、臨界増幅電圧値とは上述した演算増幅器１２１から出力された臨界増幅電圧範囲（１０Ｖ〜２０Ｖ）内で使用者が設定する臨界値（例えば、１３Ｖ等）を意味し、この時、臨界増幅電圧値の数値は使用者の設定に応じて幾らでも変更できることに留意する。
例えば、使用者が設定した臨界増幅電圧値が１３Ｖであると仮定すると、比較器１２２は、１０Ｖを超過するが１３Ｖ未満に該当する増幅電圧値に対しては超過に判断しないが、１３Ｖ超過に該当する増幅電圧値に対しては超過に判断して、後述する短絡部１３０に発熱制御信号を印加する。
この時、１３Ｖに該当する電流値６５０ＡはＭＯＳＦＥＴリレー３が焼損されるほどの過電流ではないが、既にＭＯＳＦＥＴリレー３が動作する最大電流値５２０Ａを超過したため、それ以上の電流値は無意味であり、特に増幅電圧値が１３Ｖを超過して２０Ｖ（ＭＯＳＦＥＴリレー３が焼損される電流値（１０００Ａ））に近接する場合にはＭＯＳＦＥＴリレー３が危険になる。
したがって、比較器１２２は、１３Ｖを超過する増幅電圧値に対しては超過に判断し、後述する短絡部１３０によってヒューズ４が短絡されるようにすることができる。
次に、短絡部１３０は、上述した比較器１２２の超過可否の判断結果に応じてヒューズ４を短絡させる役割をし、発熱制御信号を介してヒューズを溶断させることができるため、シグナルヒューズ（Ｓｉｇｎａｌ Ｆｕｓｅ）とも称される。
このような短絡部１３０は制御器１３１及び発熱体１３２を含んで構成され、その役割は以下のとおりである。
制御器１３１は、比較器１２２から発熱制御信号の印加を受けた後、後述する発熱体１３２に発熱信号を印加して発熱体１３２を発熱させる役割を果たす。
このような制御器１３１は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）のようにスイッチング素子が適用され、電界効果トランジスタの他にもスイッチング素子の役割を果たすことができる素子であれば、制御器１３１の適用対象として制限されないことに留意する。
発熱体１３２は、回路のヒューズ４と直接的あるいは間接的に隣接して連結されることができ、制御器１３１から発熱信号の印加を受けて高温に発熱することによってヒューズ４を溶断させる役割を果たす。
このような発熱体１３２は、ＰＴＣ（静特性サーミスタ）等のように極めて短時間流れる電流によって抵抗値が急激に上昇することによって高温の熱を発散する発熱素子が適用され、上述したＰＴＣの他にも発熱素子の役割を果たすことができる素子であれば、発熱体１３２の適用対象として制限されないことに留意する。
次に、図２を参照して上述したＭＯＳＦＥＴリレー保護装置１００が動作する順序について概略的に説明する。
図２を参照すれば、先ず、抵抗体１１０の両端と連結された検電器１２０を介して抵抗体１１０に通電される電流の電圧値を算出及び増幅して増幅電圧値を出力し、増幅電圧値が臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断する（Ｓ２０１）。
次に、増幅電圧値が臨界増幅電圧値を超過すると判断される場合、比較器１２２は制御器１３１に発熱制御信号を印加し（Ｓ２０２）、それにより、制御器１３１は発熱体１３２に発熱信号を印加することによって発熱体１３２を発熱させる（Ｓ２０３）。
それにより、ヒューズ４は発熱体１３２の発熱によって溶断され、ＭＯＳＦＥＴリレー３は過電流から保護される（Ｓ２０４）。
以上、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該技術分野の熟練した当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることを理解することができるであろう。
１ バッテリーモジュール
４ ヒューズ
１００ ＭＯＳＦＥＴリレー保護装置
１３０ 短絡部
１３２ 発熱体

Claims (11)

  1. 抵抗体に通電される電流の電圧値を算出し、前記電圧値が臨界値を超過するか否かを判断する検電器、及び
    前記検電器の判断結果に応じて、回路上のヒューズを短絡させる短絡部を含み、
    前記ヒューズが短絡されることによって、前記抵抗体と連結されたＭＯＳＦＥＴリレーに通電される電流が遮断されることを特徴とするＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  2. 前記検電器は、
    前記電圧値を増幅して増幅電圧値を出力する演算増幅器、及び
    前記増幅電圧値が既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断する比較器を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  3. 前記短絡部は、
    前記検電器から発熱制御信号の印加を受ける制御器、及び
    前記ヒューズと連結され、前記制御器から印加される発熱信号によって発熱する発熱体を含み、
    前記発熱体が発熱することによって前記ヒューズが短絡されることを特徴とする請求項２に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  4. 前記比較器の判断結果、前記増幅電圧値が前記臨界増幅電圧値を超過する場合、
    前記検電器は前記制御器に発熱制御信号を印加し、前記発熱制御信号によって前記制御器は前記発熱体を発熱させることを特徴とする請求項３に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  5. 前記制御器は電界効果トランジスタであり、
    前記発熱体はＰＴＣを含む発熱抵抗であることを特徴とする請求項３に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  6. 前記抵抗体はシャント抵抗であることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  7. 前記短絡部はシグナルヒューズであることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護装置。
  8. 検電器を介して、抵抗体に通電される電流の電圧値を算出し、前記電圧値が臨界値を超過するか否かを判断するステップ、及び
    前記検電器の判断結果に応じて、短絡部において回路上のヒューズを短絡させるステップを含むことを特徴とするＭＯＳＦＥＴリレー保護方法。
  9. 前記超過するか否かを判断するステップは、
    前記抵抗体に通電される電流の電流値を測定するステップ、
    前記電流値及び前記抵抗体の抵抗値に基づいて電流の電圧値を算出するステップ、
    演算増幅器を介して、前記電圧値を増幅電圧値に増幅するステップ、及び
    比較器を介して、前記増幅電圧値が既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護方法。
  10. 前記ヒューズを短絡させるステップは、
    前記検電器から前記短絡部に発熱制御信号を印加するステップ、
    前記短絡部内に含まれた制御器が発熱体を発熱させるステップ、及び
    前記発熱体が発熱することによって前記ヒューズが短絡されるステップを含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護方法。
  11. 前記既に設定された臨界増幅電圧値を超過するか否かを判断するステップは、
    ５００アンペア〜１０００アンペアの電流値に該当する臨界電流範囲に基づいて臨界増幅電圧値を設定するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載のＭＯＳＦＥＴリレー保護方法。
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